Ultrafast fiber lasers have attracted a great deal with attention as promising sources for various applications, such as optical communication, biological imaging, micro-machining and terahertz wave generation. In order to extend the application into industry field outside a laboratory environment, the development of robust and powerful sources is required. Single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) are most promising material of saturable absorbers (SAs) used as passive mode lockers for mode-locked fiber lasers in field applications because of easy integration into cavity and polarization independence. Moreover, SWCNTs-based SAs (SWCNT SAs) have several strengths for ultrafast fiber lasers because of their high nonlinearity and ultrafast time response, which are key requirements as ideal saturable absorbing materials to generate ultrashort pulses. However, the degradation of SWCNT SAs due to optical damage limits the high power pulse generation. To overcome this issue, many researchers have suggested the integration methods for the interaction of SWCNTs with the evanescent filed of the propagating light in fibers.
In this dissertation, SWCNT SAs based on evanescent wave interaction are fabricated. The SWCNT SAs have larger surface area of light interaction compared to the conventional film-type SWCNT SAs based on direct interaction between fiber ferrules, which helps heat dissipation, and enhances the thermal damage threshold of SWCNT SAs. The SWCNT SAs use chemically etched microfibers to enhance the evanescent wave interaction between the SWCNT layer and the propagating light in the fibers. In order to minimize the insertion loss of the SAs, the so-called flow etching method with an HF droplet and single mode fiber is applied to fabricate the microfibers. The etched region of the microfiber has a diameter of 4？8 micrometers and is coated with SWCNT/polymer composite.
The properties of the fabricated SWCNT SAs are characterized. The SWCNT SAs show negligible polarization dependence because of their symmetric cross-section, which guarantees environmental robustness. The influence of design parameters on SA’s nonlinear optical characteristics is also investigated by numerical analysis using finite element method. The results shows that the etched diameter is a dominant design parameter varying the nonlinear optical properties, such as saturation fluence and initial absorbance. The simulation results is verified by the measurements of nonlinear optical properties of several SWCNT SAs with various etching conditions.
Finally, the SWCNT SAs are inserted into fiber laser cavities, which include conventional soliton lasers and dissipative soliton lasers. The soliton laser with typically fabricated SWCNT SA generates ultrashort pulses with sub-300 fs pulse duration. The dissipative soliton laser with the SWCNT SA generates ultrashort pulses with 78 mW average output power without thermal damage.
광섬유 펨토초 레이저는 광통신, 바이오 이미징, 미세 기계가공, 테라헤르츠파 발생 등 다양한 응용 분야에 사용될 수 있는 유망한 광원으로 많은 주목을 받고 있다. 이런 광섬유 펨토초 레이저의 응용분야가 실험실 수준에 국한되지 않고 야외 환경 등의 산업계 영역까지 확장되기 위해서는 신뢰성 높은 고출력 광원의 개발이 요구된다. 단일벽 탄소나노튜브는 수동 모드 잠금 장치로 쓰이는 포화흡수체의 재료로 사용될 경우, 공진기 내부에 설치가 용이하고 편광 변화에 둔감하기 때문에 야외 환경 응용에 적용되는데 있어 장점을 가지고 있는 소재이다. 또한, 극초단 펄스 발진을 위한 이상적인 포화흡수체의 주요 요건인 높은 비선형성과 빠른 반응 시간 특성을 만족시킨다는 점 역시 우수한 점으로 꼽힌다. 극초단 광섬유 레이저의 수동 모드 잠금을 위한 포화흡수체 소재로써 매우 유망하다. 하지만 고출력 펄스 발진시 발생하는 포화흡수체의 광손상은 한계점으로 남아있다. 이런 문제를 극복하기 위해 많은 연구자들이 표면 감쇠파 흡수를 이용한 탄소나노튜브 포화흡수체 설계를 제안해왔다.
본 연구에서는 표면 감쇠파 기반 탄소나노튜브 포화흡수체를 제작하였다. 표면 감쇠파 기반 탄소나노튜브 포화흡수체는 광섬유 연결부 사이에 삽입하여 광이 탄소나노튜브 층을 직접 투과하도록 제작되는 일반적인 필름 형태의 포화흡수체보다 광 상호작용 면적이 넓다. 이에 따라 광흡수에 따른 열 소산이 유리하여 광손상 임계값을 증가시킬 수 있다. 본 연구에서 제작된 탄소나노튜브 포화흡수체는 표면 감쇠파 흡수를 강화 시키기 위해 표준 단일 모드 광섬유를 화학적으로 식각하여 제작된 마이크로 광섬유를 이용한다. 마이크로 광섬유 제작에서 미량 불산 액적을 이용하는 유동 식각 공정을 적용하여 포화흡수체의 삽입 손실을 최소화한다. 제작된 마이크로 광섬유는 4？8 마이크로 미터 직경을 가지고 있으며, 식각 부분을 탄소나노튜브/고분자 복합체로 코팅함으로써 포화흡수체가 완성된다.
이렇게 제작된 포화흡수체의 물성이 분석되었다. 제작된 포화흡수체는 광섬유 단면이 전 방향으로 고르게 식각 되었기 때문에 무시할 만한 편광 종속성을 보였고, 이를 통해 외부 환경 변화 강인성을 확보할 수 있다. 포화흡수체의 설계변수가 광학적 비선형성에 미치는 영향은 유한요소법을 이용한 수치 해석을 통해 평가한다. 이 결과는 식각 직경이 포화 선속이나 초기 흡수 값 등 광학적 비선형성을 변화 시키는 주된 요소임을 보여준다. 이 결과를 입증하기 위해 다양한 식각 조건의 마이크로 광섬유 기반 포화흡수체들을 제작하고 이것들의 비선형 광특성을 측정하여 수치 해석 값과 비교 분석한다.
최종적으로 이 탄소나노튜브 포화흡수체를 솔리톤 레이저 및 소산 솔리톤 레이저 공진기에 삽입하여 펄스를 발진한다. 제작된 솔리톤 레이저는 300 fs 미만의 펄스폭을 가지는 펄스가 발진 되었으며, 소산 솔리톤 레이저는 포화흡수체의 열적 손상 없이 78 mW의 평균 출력을 가지는 펄스가 안정적으로 발진되었다.
