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탄소나노튜브 포화흡수체 모드잠금 레이저의 극초단 펄스 생성 및 응용에 관한 연구 = A study on the ultrashort pulse generation of a carbon-nanotube saturable absorber mode-locked laser and its application
서명 / 저자 탄소나노튜브 포화흡수체 모드잠금 레이저의 극초단 펄스 생성 및 응용에 관한 연구 = A study on the ultrashort pulse generation of a carbon-nanotube saturable absorber mode-locked laser and its application / 권원식.
저자명 권원식 ; Kwon, Won-Sik
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2016].
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Ultrashort pulse lasers are widely applicable in various fields of science and industry such as pump-probe spectroscopy, optical coherence tomography (OCT), terahertz time-domain spectroscopy (THz-TDS), telecommunications, and etc. Furthermore, fiber lasers that are mode-locked by single-wall nanotube saturable absorbers (SWNT-SAs) exhibit distinct practical advantages including mechanical and environmental robustness, and polarization insensitivity. However, it is known that the stretched pulse mode-locking operation and ultrashort pulse generation with a broad spectral width is difficult to obtain using SWNT-SAs. In this thesis, it is shown that the erbium doped fiber (EDF) with a low inversion rate brings forth a large gain bandwidth, facilitating ultrashort pulse generation. This is due to the more stabilized conditions for the generation of short pulses, such as high cavity energy or near-zero dispersion. The gain bandwidth-dependent pulse stability of a mode-locked laser is investigated by numerical analysis. The low inversion rate of the EDF broadens the gain bandwidth and decreases the effect of spectral filtering, and thus, the ultrashort pulse with a large spectral bandwidth is obtained at a near-zero net dispersion region even with a low modulation depth of a saturable absorber. In the experiment, a SWNT-sodium-carboxymethylcellulose (Na-CMC) composite film was fabricated as a saturable absorber. The optical properties of the SWNT-SA in the long wavelength band (L-band, 1600 nm)-wavelengths generated from EDF with a low inversion rate ? are compared with those in the conventional band (C-band, 1550 nm)-wavelengths generated from EDF with a high inversion rate-in terms of the absorbance spectrum and power-dependent transmittance. Two types of mode-locked lasers operating in the C-band and L-band are designed, and demonstrate that the low inversion rate operation enhances the pulse stability which is an important parameter for ultrashort pulse generation. The experimental results show similar behavior to those of the numerical analyses. An ultrashort pulse with a broad spectral width is generated and a stable performance is confirmed. The designed stretched-pulse L-band laser has a net dispersion of $0.004-ps^2$ and generates ultrashort (92 fs), broad spectrum (47 nm) pulses with a signal-to-noise ratio over 70 dB. The designed mode-locked laser with an ultrashort pulse width is applied to a fiber-based THz-TDS system. The pulse is amplified with low spectral modulation and used to generate and detect terahertz pulses. For practical applications, we address averaging and signal processing techniques to suppress the noise contained in fast scanned terahertz signals.

극초단 펄스 레이저는 여기-탐침 분광학, OCT, 테라헤르츠 분광학, 광통신 등의 다양한 과학 및 산업분야에 응용 가능하다. 또한 탄소나노튜브 포화흡수체 기반의 광섬유 모드 잠금 레이저는 편광 및 다양한 환경 변화에 둔감하며 소형화에 유리하기 때문에, 산업이나 야외 환경 조건에서 응용하는데 매우 큰 장점을 갖느다. 하지만 탄소나노튜브 포화흡수체 모드잠금 레이저의 경우 광대역의 스펙트럼과 매우 짧은 펄스폭을 갖는 펄스를 발진시키기가 매우 어렵다고 알려져 있다. 본 논문에서는 낮은 반전비를 갖는 이득 광섬유가 넓은 이득폭을 갖는다는 사실을 활용하여 극초단 펄스를 발진 시켰다. 원리적으로 높은 펄스에너지 또는 공진기의 총 분산이 0 근처인 극초단 펄스 발진 조건에서 공진기 안을 도는 펄스는 이득 광섬유의 강한 필터링 효과에 의해 불안정성이 생기게 되는데, 본 연구에서 설계한 공진기의 경우 이러한 필터링 효과를 감소시킴으로써 펄스 안정성을 향상시켰다. 따라서 포화흡수체의 낮은 변조깊이에도 불구하고 공진기 총분산 0 근처에서 안정적으로 펄스 발진이 가능하였고, 발진된 펄스는 매우 넓은 스펙트럼폭과 좁은 펄스폭을 형성 하였다. 이러한 안정성 향상에 대한 실험적 검증은 탄소나노튜브와 Na-CMC의 혼합체로 구성된 탄소나노튜브 포화흡수체를 제작한 뒤, 기존 설계안과 제안된 설계안으로 제작된 두 대의 레이저에 적용하여 펄스를 발진 시킨 뒤, 발진 된 펄스의 특성들을 비교 분석하여 진행 하였다. 각각의 레이저에 대해서 솔리톤 영역에서 펄스 에너지에 따른 안정성과, 공진기 총 분산에 따른 안정성을 비교하여 제안된 설계안이 실제로 펄스 안정성을 향상시킨다는 사실을 검증 하였으며, 최종적으로 공진기 총 분산이 $0.004 ps^2$ 인 영역에서 약 92 fs의 펄스폭과 47 nm의 스펙트럼폭을 갖는 매우 높은 성능의 펄스를 발진 시켰다. 이때 발진 된 펄스의 신호대 잡음비는 70 dB 이상이었다. 최종적으로 제작된 광섬유 기반 탄소나노튜브 포화흡수체 모드잠금 레이저를 테라헤르츠 시영역 분광 시스템에 응용하여 테라헤르츠 펄스를 획득하였으며, 신호처리 기술을 통해 실시간 측정 가능성에 대해 검토하였다.

서지기타정보

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청구기호 {DME 16011
형태사항 x, 110 p. : 삽도 ; 30 cm
언어 한국어
일반주기 저자명의 영문표기 : Won-Sik Kwon
지도교수의 한글표기 : 김수현
지도교수의 영문표기 : Soohyun Kim
수록잡지명 : "Ultrashort stertched-pulse L-band laser using carbon-nanotube saturable absorber". Optics Express, v.23,no.6, pp.7779-7785(2015)
학위논문 학위논문(박사) - 한국과학기술원 : 기계공학과,
서지주기 참고문헌 : p. 101-106
주제 탄소나노튜브
펨토초 레이저
모드잠금
포화흡수체
이득폭
carbon-nanotube
femtosecond laser
mode-locking
saturable absorber
gain bandwidth
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