KR100942380B1 - 직접 잠금 방법을 적용한 레이저 펄스의 절대 위상 안정화장치 및 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 직접 잠금 방법을 적용한 레이저 펄스의 절대 위상 안정화 장치 및 방법에 관한 것이다. 직접 잠금 방식의 레이저 펄스의 절대 위상 안정화 장치는 레이저 펄스를 생성하는 모드 잠금된 레이저를 포함하는 레이저 발진기와, 상기 생성된 레이저 펄스로부터 제1 주파수 성분 및 제2 주파수 성분을 포함하는 레이저 펄스를 생성하여 시간적 및 공간적으로 중첩되는 제1 간섭 신호 및 제2 간섭 신호를 생성하는 간섭계와, 상기 제1 간섭 신호 및 상기 제2 간섭 신호를 제공받아 상기 제2 간섭 신호의 위상을 실질적으로 180도 반전시켜 각각 제3 간섭 신호 및 제4 간섭 신호로 출력하는 검출부와, 상기 제3 간섭 신호 및 상기 제4 간섭 신호에 의해 얻은 절대 위상 신호를 실질적으로 상쇄시키도록 제어하는 이중 피드백부를 포함한다. 외부의 알 수 없는 노이즈를 능동적으로 상쇄시키고 순수한 절대 위상(CEP) 신호를 얻을 수 있으며, 얻어진 순수한 절대 위상(CEP) 신호를 피드백시켜 절대 위상 오프셋 주파수를 영(zero)로 만들어 모드 잠금 레이저로부터 발생되는 레이저 펄스의 절대 위상(CEP)을 일정한 값으로 만들 수 있으며, 장기적인 관점에서 모드 잠금 레이저로부터 발생되는 레이저 펄스의 절대 위상(CEP) 안정화를 향상시킬 수 있다.
Description
본 발명은 레이저 펄스의 절대 위상 안정화 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 직접 잠금 방법을 적용한 레이저 펄스의 절대 위상 안정화 장치 및 방법에 관한 것이다.
1990년대 후반 이후로, 펨토초 레이저 펄스(femtosecond laser pulses)의 절대 위상(carrier-envelope phase, CEP) 안정화 기술이 고정밀도 주파수 계측학(frequency metrology)에 중요한 기술로서 연구되어 왔으며, 모드-잠금(mode-locked) 펨토초 레이저에서의 절대 위상(CEP) 안정화 기술은 초고속(ultrafast) 레이저 과학자들에 의해 최초로 제안된 바 있다.
최근의 절대 위상 (CEP) 안정화 기술은 고에너지 및 고강도의 절대 위상(CEP) 안정화된 펄스를 생성하기 위한 처프 펄스 증폭(chirped-pulse amplication; CPA) 레이저 시스템에 성공적으로 적용되었다. 상기 절대 위상(CEP) 안정화된 레이저는 혁명적인 광원으로 인정받았으며, 상기 절대 위상(CEP) 안정화 된 CPA 레이저는 분자 및 원자에서의 초고속 전자 역학(ultrafast electron dynamics)을 증명할 수 있는 재생산가능한 아토초(attosecond) XUV 펄스들을 위한 중요한 수단이 되었다.
상기 절대 위상(CEP) 안정화 기술을 안정적으로 응용하기 위해서는 낮은 위상 잡음(phase noise) 및 우수한 장기 안정성(long-term stability)이 민감한 문제이며, 절대 위상(CEP) 안정화된 펨토 레이저에 있어서 상기 위상 잡음 및 장기 안정성과 같은 파라미터들을 개선하기 위한 많은 노력들이 시도되어 왔다.
레이저 펄스 폭을 짧게 하는 기술이 비약적으로 발전하면서, 레이저 펄스 폭이 레이저 발진 파장에 겨우 두 번 진동하도록 함으로써 펄스폭을 줄일 수 있는 모드 잠금 레이저(mode-locked laser)가 개발되었으며, 모드 잠금 레이저에 대한 레이저 펄스 모양이 재생산가능(reproducible) 하는지에 대해 관심이 높아졌다.
도 1은 모드 잠금 레이저에서 발생되는 펄스 열을 도시한 도면이다. 도 1을 참조하면, 모드 잠금 레이저는 시간적으로 펄스 열(puse train)의 형태로 발진된다. 펄스들 간의 시간 간격(τ)은 레이저의 공진기(cavity) 내부에서 빛이 왕복하는데 걸리는 시간(2L/c, L은 공진기 길이, c는 빛의 속도)으로서 반복율(repetition rate) frep의 역수와 같다.
레이저 펄스의 반송파(carrier wave)의 피크(peak)와 포락선(envelop)의 피크(peak)간의 위상차를 절대 위상(Carrier-envelop phase, 이하 CEP)이라고 한다. 즉, 절대위상은 레이저 펄스에서의 포락선의 봉우리와 반송파의 봉우리간의 위상차 를 나타낸다.
모드 잠금 레이저의 펄스 모양과 관련해서는, 도 1에 도시된 바와 같이, 레이저 공진기(laser cavity) 내부에서 레이저 펄스의 포락선(envelope)은 펄스들간에 변하지 않는다. 그러나, 레이저 공진기 내부의 분산(dispersion)에 의해 펄스들 간에 군속도(group velocity)와 위상 속도(phase velocity)가 달라지므로 레이저 펄스의 포락선의 봉우리와 레이저 펄스의 반송파의 봉우리가 각각의 펄스들 간에 매번 다르게 나오게 되어 절대 위상이 시간에 따라 
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등으로 변하게 된다.
도 1의 경우, 각각의 펄스 하나가 가지는 절대위상(CEP)은 
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, 
, 
이고, 각각의 펄스 간의 상대적인 위상차이는 절대 위상 오프셋(Carrier-envelop phase offset, 이하 CEO)으로서 
이다. 절대 위상 오프셋(CEO)가 영이라면 모드 잠금 레이저에서 발생되는 펄스의 절대 위상(CEP)는 항상 같은 값을 가지며, 절대 위상 오프셋(CEO)가 
이면 모드 잠금 레이저에서 발생되는 펄스의 절대 위상(CEP)는 8번째 펄스 마다 같은 값을 가진다.
도 2는 절대 위상 오프셋(CEO)가 일정한 상수 값을 가지는 경우 절대 위상(CEP)이 계속해서 변하는 레이저 펄스를 시간 영역(Time domain)에서 나타낸것이고, 도 3은 절대 위상 오프셋(CEO)가 일정한 상수 값을 가지는 경우 절대 위상(CEP)이 계속해서 변하는 레이저 펄스를 주파수 영역(Frequency domain)에서 나 타낸 것이다.
도 2에 도시된 바와 같이 시간 영역에서 일정한 값을 가지는 절대 위상 오프셋(CEO) 
에 의해 도 3의 주파수 영역에서 레이저 펄스들의 광 주파수는 반복율 frep의 정수배 주파수(점선 표시)로부터 절대 위상 오프셋 주파수(Carrier-envelop offset frequency) 
(또는 
)만큼 쉬프트(shift) 된다.
종래의 모드 잠금 레이저에서는 절대 위상 오프셋(CEO)가 일정하지 않고 끊임없이 변하면서 레이저 펄스가 발생하므로 레이저 주파수가 안정적이지 않고 불안정하게 흔들려서 나오는 문제점이 있다.
2005년 노벨 물리학상 수상자인 헨쉬 박사의 미국등록특허 6,724,788호("METHOD AND DEVICE FOR GENERATING RADIATION WITH STABILIZED FREQUENCY)와 공동 노벨 물리학상 수상자인 존 홀 박사의 미국공개특허 2004/0017833호(MODE-LOCKED PULSED LASER SYSTEM AND METHOD)에서는 절대 위상 오프셋(CEO)를 제어하여 레이저 주파수를 안정적으로 제어한다. 상기 미국등록특허 6,724,788호 및 미국공개특허 2004/0017833호에 개시된 절대 위상(CEP) 안정화 개념을 이용한 혁명적인 레이저 주파수 안정화 기술을 통해 시간과 공간와 질량의 측정 정밀도를 수 천배 이상 향상 시킬 수 있었고, 측정 방식을 매우 간단하게 만들 수 있었다.
상기 절대 위상(CEP) 안정화 기술로 인해 시간의 정밀도를 소수점 18자리까지 표현해서 우주 나이 140억년에 오차가 1초밖에 안 나는 정밀도를 가지는 시계를 개발할 수 있게 되었다.
상기 절대 위상(CEP) 안정화 기술은 최근에는 물리학 이외의 다른 분야에도 적용되기 시작하여 아토초(atto-second:10-18) 펄스를 발생시키는데에도 적용되었다. 아주 짧은 펄스를 기체에 집속하여 플라즈마를 발생시키면, 레이저 진동하는 모양이 매번 다르기 때문에 절대 위상 효과에 의해 플라즈마 발생 정도가 다르게 되고, 이러한 플라즈마 현상에서 절대 위상(CEP)을 정확하게 제어하면 플라즈마에서 아주 특수한 빛, 즉 아토초(atto-second) 펄스를 발생 시킬수 있다. 이는 극히 짧은 시간에 사진을 찍을 수 있는 초고속 플래쉬 램프를 발생시키는 것으로 원자 내에서 전자가 돌고 있는 전자의 운동을 사진으로 찍을 수 있다. 실제로 2003년부터 네이처(Nature)지에 절대 위상(CEP) 제어된 레이저를 기체에 조사시켜 플라즈마를 발생시킨 후 아토초 펄스를 얻고, 이를 이용하여 원자내의 전자가 움직이는 동영상 촬영에 성공한 논문이 발표된바 있으며, 전 세계적으로 상기와 같은 연구를 위한 프로젝트에 많은 노력을 기울이고 있다.
미국등록특허 6,724,788호 및 미국공개특허 2004/0017833호에 개시된 종래의 절대 위상(CEP) 안정화 기술은 절대 위상 오프셋 주파수(carrier envelope offset freqeuncy)를 기준 RF 신호에 안정화시키는 PLL(Phase-locked loop) 기법에 기초한 것이다.
상기 미국등록특허 6,724,788호 및 미국공개특허 2004/0017833호에 개시된 절대 위상(CEP) 안정화 기술은 절대 위상(CEP)를 일정한 값을 갖도록 안정화 한 것이 아니라, 절대 위상 오프셋(CEO) 
를 일정한 값을 갖도록 안정화시켜 레이 저 주파수만 안정화시켰다.
따라서, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 레이저 주파수가 시간 영역에서 절대 위상 오프셋 
에 의해 주파수 영역에서 절대 위상 오프셋 주파수 
라는 양만큼 쉬프트되어 안정되게 된다.
즉, 미국등록특허 6,724,788호 및 미국공개특허 2004/0017833호에 개시된 종래의 절대 위상(CEP) 안정화 기술은 레이저 펄스가 가지는 절대 위상(CEP)이 매번 다르게 나오므로 시간적으로 레이저 펄스의 모양이 다르게 보인다. 그 결과, 레이저 플라즈마 실험을 할 경우 상기와 같은 문제로 인해 여러 개의 레이저 펄스중에서 절대 위상(CEP)이 같은 펄스만 선택하여 실험을 수행해야하는 단점이 있다.
최근에 OPTICS Express에서 발표된 논문("Novel method for carrier-envelope phase stabilization of femtosecond laser pulses", 1969-1976, 2005년 4월 18일)에서는 직접 잠금(Direct Locking, 이하 DL) 기법에 기초한 절대 위상(CEP) 안정화 기술이 상기 종래의 PLL 기법에 기초한 절대 위상(CEP) 안정화 기술의 대체 방법으로 제안되었다.
상기 직접 잠금 기법(이하 단순 직접 잠금 기법이라고 함)은 종래의 PLL 기법과 비교하여 몇 가지 특징을 가지고 있다. 첫째, 피드백 신호가 간단한 DC 기준(reference)를 사용하여 시간 영역에서 f-to-2f 맥 신호(beat signal)로부터 직접적으로 생성되므로 기준 RF 신호가 필요가 없다. 따라서, 구현하기 위한 전자 회로가 상대적으로 간단하다. 둘째, 절대 위상(CEP) 변화가 항상 영(zero)으로 잠금 되어(locked) 있다. 셋째, 절대 위상(CEP) 값이 성형화된 외부 신호(shaped external signal)을 사용하여 전자적인 방법으로 직관적이고 용이하게 변조될 수 있다.
그러나, 상기와 같은 우수한 특징에도 불구하고, 상기 단순 직접 잠금(DL) 셋업(setup)시 백그라운드 DC 잡음을 제거하기 위한 디텍션 밸런싱 프로세스(detection balancing process)로부터 유래하는 절대 위상(CEP) 왜곡에 노출되어 될 수 있고, 피드백 신호의 저속 천이(slow drift)로 인해서 레이저 펄스의 출력에 영향을 주고 그로 인하여 레이저 펄스의 출력과 절대 위상 오프셋 주파수 
또는 절대 위상(CEP)간에 크로스토그(cross talk)가 발생하여 점차적으로 피드백의 순화 고리가 깨어지게 되므로 장기적인 절대 위상(CEP) 안정화를 방해할 수 있다.
따라서, 본 발명의 제1 목적은 장기적으로 레이저 펄스의 절대 위상(CEP) 안정화를 가져올 수 있는 개선된 직접 잠금 방법을 적용한 레이저 펄스의 절대 위상 안정화 장치를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 제2 목적은 장기적으로 레이저 펄스의 절대 위상(CEP) 안정화를 가져올 수 있는 개선된 직접 잠금 방법을 적용한 레이저 펄스의 절대 위상 안정화 방법을 제공하는 것이다.
상기한 본 발명의 제1 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일측면에 따른 직접 잠금 방식의 레이저 펄스의 절대 위상 안정화 장치는 레이저 펄스를 생성하는 모드 잠금된 레이저를 포함하는 레이저 발진기와, 상기 생성된 레이저 펄스로부터 제1 주파수 성분 및 제2 주파수 성분을 포함하는 레이저 펄스를 생성하여 시간적 및 공간적으로 중첩되는 제1 간섭 신호 및 제2 간섭 신호를 생성하는 간섭계와, 상기 제1 간섭 신호 및 상기 제2 간섭 신호를 제공받아 상기 제2 간섭 신호의 위상을 실질적으로 180도 반전시켜 각각 제3 간섭 신호 및 제4 간섭 신호로 출력하는 검출부와, 상기 제3 간섭 신호 및 상기 제4 간섭 신호에 의해 얻은 절대 위상 신호를 실질적으로 상쇄시키도록 제어하는 이중 피드백부를 포함한다. 상기 간섭부는 상기 제1 주파수 성분을 소정 시간만큼 지연시켜 상기 제2 주파수 성분과 시간적으로 중첩되도록 하는 시간 지연기와, 상기 제2 주파수 성분을 2배의 주파수를 가지도록 변경시키는 주파수 2배기를 포함할 수 있다. 상기 간섭부는 상기 제1 주파수 성분을 S-pol(편광) 및 P-pol(편광) 성분으로 실질적으로 50:50의 동일한 비율로 분리되도록 조절하는 제1 편광 조절기와, 상기 제2 주파수 성분을 S-pol(편광) 및 P-pol(편광) 성분으로 실질적으로 50:50의 동일한 비율로 분리되도록 조절하는 제2 편광 조절기와, 상기 제1 편광기 및 상기 제2 편광 조절기에 의해 조절된 제1 주파수 성분 및 제2 주파수 성분을 공간적으로 중첩시켜 상기 제1 간섭 신호와 상기 제2 간섭 신호를 출력하는 빔 결합기를 더 포함할 수 있다. 상기 검출부는 상기 제1 간섭 신호를 입력받아 광전 변환하는 제1 검출부와, 상기 제2 간섭 신호의 위상을 실질적으로 180도 반전시키는 편광 위상 지연기와, 상기 편광 위상 지연기의 출력 을 입력받아 광전 변환하는 제2 검출부를 포함할 수 있다. 상기 제1 검출부와 상기 제2 검출부는 상기 제1 간섭 신호와 상기 제2 간섭 신호의 편광 방향을 동일한 방향이 되도록 하는 제3 편광 조절기 및 제4 편광 조절기를 각각 포함할 수 있다. 상기 이중 피드백부는 상기 제3 간섭 신호 및 상기 제4 간섭 신호의 노이즈 성분을 상쇄시키고 상기 모드 잠금된 레이저에서 생성되는 레이저 펄스의 출력을 제어하기 위한 고속 피드백 신호를 생성하는 제1 피드백부와, 상기 고속 피드백 신호를 입력받아 상기 레이저 발진기의 프리즘의 삽입 깊이를 제어하기 위한 저속 피드백 신호를 생성하는 제2 피드백부를 포함할 수 있다. 상기 고속 피드백 신호에 기초하여 음향-광학 변조기(Acoutic-Optic Modulator)를 이용하여 상기 모드 잠금된 레이저에서 생성되는 레이저 펄스의 출력을 제어하고, 상기 저속 피드백 신호에 기초하여 PZT (piezo-translator) 컨트롤을 이용하여 상기 레이저 발진기의 프리즘의 삽입 깊이를 제어할 수 있다. 상기 고속 피드백 신호에 기초하여 상기 모드 잠금된 레이저에서 생성되는 레이저 펄스의 출력을 변화시킴으로써 상기 레이저 발진기로부터 발생된 레이저 펄스의 절대 위상 오프셋 주파수를 변화시키고, 상기 저속 피드백 신호에 기초하여 상기 프리즘의 삽입 깊이를 증가시킴으로써 상기 레이저 발진기로부터 발생된 레이저 펄스의 절대 위상 오프셋 주파수를 변화시킬 수 있다. 상기 제1 피드백부는 상기 제3 간섭 신호 및 상기 제4 간섭 신호의 노이즈 성분을 실질적으로 상쇄시키는 차동 증폭기를 포함할 수 있다. 상기 제3 간섭 신호 및 상기 제4 간섭 신호에 의해 얻은 절대 위상 신호는 상기 차동 증폭기의 출력이 될 수 있다.
또한, 본 발명의 제2 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일측면에 따른 직접 잠금 방식의 레이저 펄스의 절대 위상 안정화 방법은 레이저 발진기의 모드 잠금 레이저로부터 발생된 레이저 펄스로부터 제1 주파수 성분 및 제2 주파수 성분을 포함하는 레이저 펄스를 생성하여 시간적 및 공간적으로 중첩되는 제1 간섭 신호 및 제2 간섭 신호를 생성하는 단계와, 상기 제1 간섭 신호 및 상기 제2 간섭 신호를 제공받아 상기 제2 간섭 신호의 위상을 실질적으로 180도 반전시켜 각각 제3 간섭 신호 및 제4 간섭 신호를 생성하는 단계와, 상기 제3 간섭 신호 및 상기 제4 간섭 신호에 의해 얻어진 절대 위상 신호를 실질적으로 상쇄시키기 위한 고속 피드백 신호 및 저속 피드백 신호를 생성하는 단계와, 상기 고속 피드백 신호 및 상기 저속 피드백 신호에 기초하여 상기 모드 잠금 레이저로부터 발생된 레이저 펄스의 절대 위상을 안정화시키는 단계를 포함한다. 상기 시간적 및 공간적으로 중첩되는 제1 간섭 신호 및 제2 간섭 신호를 생성하는 단계는 상기 제1 주파수 성분을 소정 시간만큼 지연시키는 단계를 포함할 수 있다. 상기 시간적 및 공간적으로 중첩되는 제1 간섭 신호 및 제2 간섭 신호를 생성하는 단계는 상기 지연된 제1 주파수 성분을 S-pol(편광) 및 P-pol(편광) 성분으로 실질적으로 50:50의 동일한 비율로 분리되도록 조절하는 단계와, 상기 제2 주파수 성분을 S-pol(편광) 및 P-pol(편광) 성분으로 실질적으로 50:50의 동일한 비율로 분리되도록 조절하는 단계와, 상기 조절된 제1 주파수 성분 및 상기 조절된 제2 주파수 성분을 공간적으로 중첩시켜 상기 제1 간섭 신호와 상기 제2 간섭 신호를 생성하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 제1 간섭 신호와 상기 제2 간섭 신호의 편광 방향을 동일한 방향이 되도록 조절하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 제3 간섭 신호 및 상기 제4 간섭 신호에 의해 얻어진 절대 위상 신호를 실질적으로 상쇄시키기 위한 고속 피드백 신호 및 저속 피드백 신호를 생성하는 단계는 상기 제3 간섭 신호 및 상기 제4 간섭 신호의 노이즈 성분을 상쇄시키고 상기 모드 잠금 레이저로부터 발생된 레이저 펄스의 출력을 제어하기 위한 고속 피드백 신호를 생성하는 단계와, 상기 고속 피드백 신호에 기초하여 상기 레이저 발진기의 공진기 내부에서 진행하는 레이저 펄스가 진행하는 거리를 조절하기 위한 프리즘의 삽입 깊이를 제어하기 위한 저속 피드백 신호를 생성하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 고속 피드백 신호 및 상기 저속 피드백 신호에 기초하여 상기 모드 잠금 레이저로부터 발생된 레이저 펄스의 절대 위상을 안정화시키는 단계는 상기 고속 피드백 신호에 기초하여 상기 모드 잠금 레이저로부터 발생된 레이저 펄스의 출력을 제어하는 단계와, 상기 저속 피드백 신호에 기초하여 상기 프리즘의 삽입 깊이를 조절하여 상기 레이저 발진기의 공진기 내부에서 진행하는 레이저 펄스가 진행하는 거리를 조절하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 고속 피드백 신호에 기초하여 상기 레이저 펄스의 출력을 변화시킴으로써 상기 모드 잠금 레이저로부터 발생된 레이저 펄스의 절대 위상 오프셋 주파수를 변화시키고, 상기 저속 피드백 신호에 기초하여 상기 프리즘의 삽입 깊이를 증가시킴으로써 상기 모드 잠금 레이저로부터 발생된 레이저 펄스의 절대 위상 오프셋 주파수를 변화시킬 수 있다. 상기 고속 피드백 신호 및 상기 저속 피드백 신호에 기초하여 상기 모드 잠금 레이저로부터 발생된 레이저 펄스의 절대 위상을 안정화시키는 단계는 상기 고속 피드백 신호 및 상기 저속 피드백 신호에 기초하여 상기 모드 잠금 레이저로부터 발생된 레이저 펄스의 절대 위상을 시간에 따라 일정한 값을 갖도록 제어할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 일실시예에 따른 개선된 직접 잠금 방법을 적용한 모드 잠금 레이저 펄스의 절대 위상 안정화 장치 및 방법에 따르면, 모드 잠금 레이저로부터 발생된 레이저 펄스에 포함된 외부의 알 수 없는 노이즈(noise) 성분을 능동적으로 상쇄시키고 순수한 절대 위상(CEP) 신호를 얻을 수 있으며, 얻어진 순수한 절대 위상(CEP) 신호를 피드백시켜 절대 위상 오프셋 주파수를 영(zero)로 만들어 모드 잠금 레이저로부터 발생되는 레이저 펄스의 절대 위상(CEP)을 일정한 값으로 만들 수 있다.
따라서 모드 잠금 레이저로부터 발생된 레이저 펄스의 절대 위상 노이즈(phase noise)를 감소시킬 수 있고, 장기적인 관점에서 모드 잠금 레이저로부터 발생되는 레이저 펄스의 절대 위상(CEP) 안정화를 향상시킬 수 있다.
상기 본 발명의 일실시예에 따른 직접 잠금 방법을 적용한 레이저 펄스의 절대 위상 안정화 장치는 절대 위상(CEP) 안정화된 수 사이클의 극초단 고출력 레이저의 안정된 씨앗 빔(seed beam)을 제공하기 위한 광원으로 사용될 수 있다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발 명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어 전체적인 이해를 용이하게 하기 위하여 도면 번호에 상관없이 동일한 수단에 대해서는 동일한 참조 번호를 사용하기로 한다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 개선된 직접 잠금(DL) 기법을 적용한 레이저 펄스의 절대 위상 안정화 장치를 나타낸 블록도이고, 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 직접 잠금 기법을 적용한 레이저 펄스의 절대 위상 안정화 장치의 구체적인 구현 예를 나타내며, 도 6은 도 4의 대역폭 확장부의 출력인 f n 주파수 성분 및 f 2n 주파수 성분을 포함하는 옥타브 스패닝 스펙트럼(octave spanning spectrum)을 나타낸 그래프이다. 도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 레이저 펄스의 출력과 절대 위상 오프셋 주파수(Carrier-envelop offset frequency)
간의 관계를 나타낸 그래프이고, 도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 레이저 발진기내의 프리즘의 삽입 깊이와 절대 위상 오프셋 주파수
간의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 레이저 펄스의 절대 위상 안정화 장치는 모드 잠금 레이저(410), 간섭계(430), 검출부(450), 이중 피드백부(460) 및 절대 위상(CEP) 안정화 제어부(470)를 포함한다. 검출부(450)는 호모다인 밸런스 디텍션(Homodyne balanced detection, 이하 HBD) 동작을 수행하며, 제1 검출부(450) 및 제2 검출부(445)를 포함한다.
모드 잠금 레이저(410)는 소정의 반복율을 가지는 레이저 펄스들을 생성한다.
간섭계(430)는 대역폭 확장부(Bandwidth broader, 420), 조화 빔 분배기(harmonic beam splitter, 422), 시간 지연기(time delay, 425), 주파수 2배기(frequency doubler, 426) 및 빔 결합기(beam combiner, 438)를 포함한다. 간섭계(430)는 공간적으로 모드 잠금 레이저(410)에서 나오는 레이저 펄스들의 절대 위상(CEP)을 관측하기 위하여 f n 주파수 성분 및 f 2n 주파수 성분을 포함하는 레이저 펄스들을 생성하여 시간적 및 공간적으로 중첩되는 제1 간섭 신호(431) 및 제2 간섭 신호(433)를 발생시킨다.
대역폭 확장부(420)는 레이저 펄스(403)를 입력받아 절대 위상(CEP)을 관측 하기 위하여 f n 주파수 성분 및 f 2n 주파수 성분을 포함하는 옥타브 스패닝 스펙트럼(octave spanning spectrum)을 생성한다.
도 6을 참조하면, 대역폭 확장부(420)로 입력된 레이저 펄스(403)는 대역폭 확장부(420)를 거치면서 f n 주파수 성분 및 f 2n 주파수 성분을 포함하는 옥타브 스패닝 스펙트럼으로 출력됨을 알 수 있다.
조화 빔 분배기(harmonic beam splitter, 422)는 f n 주파수 성분과 f 2n 주파수 성분을 공간적으로 분리하기 위한 광학부품으로서, f n 주파수 성분(425)은 주파수 2배기(426)로 f 2n 주파수 성분(423)은 시간 지연기(424)로 분리시킨다.
주파수 2배기(frequency doubler, 426)는 상기 생성된 f n 주파수 성분(425)을 2배의 주파수를 가지는 2 f n 주파수 성분(429)으로 변경시킨다.
시간 지연기(424)는 상기 생성된 f 2n 주파수 성분(423)을 소정 시간만큼 지연시킨다. 이는 검출부(450)에서 간섭 신호를 최대화하기위해 2 f n 주파수 성분의 레이저 펄스와 f 2n 주파수 성분의 레이저 펄스를 시간적으로 정확하게 중첩을 시키기 위한 것이다.
편광 조절기(432)는 f 2n 주파수 성분(427)이 S-pol(편광) 및 P-pol(편광) 성분이 50:50으로 동일한 비율이 되도록 함으로써 빔 결합기(438)를 통하여 정확하게 50:50으로 각각의 제1 검출부(445)와 제2 검출부(440)로 분리되도록 한다.
편광 조절기(434)는 S-pol(편광) 및 P-pol(편광) 성분이 50:50으로 동일한 비율이 되도록 함으로써 2 f n 주파수 성분(429)이 빔 결합기(438)를 통해서 정확하게 50:50으로 각각의 제1 검출부(445)와 제2 검출부(440)로 분리되도록 한다.
빔 결합기(beam combiner, 438)은 2 f n 주파수 성분의 레이저 펄스와 f 2n 주파수 성분의 레이저 펄스가 공간적으로 정확하게 중첩되도록 한다. 빔 결합기(438)는 모드 잠금 레이저(410)에서 나오는 레이저 펄스의 절대 위상(CEP)을 관측하기 위하여 상기 시간 지연기(424), 편광 조절기(432) 및 편광 조절기(434)에 의하여 시간적 및 공간적으로 중첩되도록 조절된 제1 간섭 신호(431) 및 제2 간섭 신호(433)가 각각 제1 검출부(445)와 제2 검출부(440) 쪽으로 분리되도록 한다.
검출부(450)는 제1 검출부(445), 제2 검출부(440) 및 편광 위상 지연기(polarization phase shifter, 439)를 포함한다.
시간 지연기(424), 편광 조절기(432), 편광 조절기(434) 및 빔 결합기(438)에 의해 2 
f n 주파수 성분과 f 2n 주파수 성분이 시간과 공간적으로 정확하게 중첩이 될 때, 검출부(450)에서는 노이즈(noise) 성분과 절대 위상(CEP) 신호이 섞여 있는 간섭 신호를 얻을 수 있으며, 제 1 피드백부(462)에서 상기 노이즈 성분을 상쇄시킴으로써 순수한 절대 위상 신호를 얻을 수 있다.
도 4의 제1 검출부(445)는 도 5의 편광자(553) 및 제1 광검출기(555)로 구현될 수 있고, 도 4의 제2 검출부(440)는 도 5의 편광자(559) 및 제2 광검출기(561)로 구현될 수 있다. 제1 광검출기(555) 및 제2 광검출기(561)는 입력된 광 신호를 전기신호로 변환하여 출력한다.
편광 위상 지연기(439)는 제2 검출부(440) 내의 제 2 광검출기(561)의 간섭 신호의 위상을 실질적으로 180도 반전시키도록 동작한다. 편광 위상 지연기(439)의 주축(principle axis)을 S-편공 또는 P-편광 방향으로 설정함으로써 편광의 회전없이도 
-위상 지연기(
-phase retarder)로서 역할을 수행하도록 할 수 있다.
도 5의 제 1 광검출기(555) 및 제 2 광검출기(561)의 출력 신호로부터 저주파 변동 노이즈 성분과 절대 위상(CEP) 신호가 혼합된 간섭 신호들을 관측할 수 있다.
레이저 펄스의 노이즈 성분을 제거하기 위한 방법으로 본 발명의 일실시예에 따른 HBD 방법을 사용하여 제1 광검출기(555)의 간섭신호와 제2 광검출기(561)의 간섭 신호의 차이가 순수한 절대 위상(CEP) 신호가 되게 한다.
제1 광검출기(555)의 간섭신호와 제2 광검출기(561)의 간섭 신호의 차이가 순수한 절대 위상(CEP) 신호가 되기 위해서는 두 가지의 조건이 필요하다.
첫 번째 조건은 편광 조절기(434)를 통하여 빔 결합기(438)에서 2f n 주파수 성분(429)이 50:50으로 각각의 제1 검출부(445)와 제2 검출부(440)로 분리되고, 동시에 f 2n 주파수 성분(427)도 편광 조절기(432)를 통해 50:50으로 각각의 제1 검출부(445)와 제2 검출부(440)로 들어가도록 한다. 첫 번째 조건을 만족하게 되면 제1 검출부(445)와 제2 검출부(440)의 간섭 신호의 크기는 정확하게 같아지게 되고, 제1 검출부(445)의 간섭신호(441)와 제2 검출부(440)의 간섭 신호(443)의 차이는 항 상 0이게 된다.
여기에 제1 광검출기(555)의 간섭신호와 제2 광검출기(561)의 간섭 신호의 두개의 간섭 신호의 차이가 순수한 절대 위상 신호가 되도록 하는 두 번째 조건은 두 개 중 하나의 광검출기에 간섭 신호의 위상을 180도 뒤바꾸어 주는 편광 위상 지연기(439)를 삽입하여 제2 검출부(440) 내의 제 2 광검출기(561)의 간섭 신호의 위상을 180도 바꾸어 주며, 절대 위상(CEP) 신호의 위상을 180도 반전시키지만 노이즈 성분은 그대로 유지시켜 최종적으로 제 1 피드백부(462)에서 순수한 절대 위상(CEP) 신호를 얻게 된다.
이중 피드백부(460)는 제1 피드백부(462) 및 제2 피드백부(465)를 포함한다. 이중 피드백부(460)는 제1 피드백부(462) 및 제2 피드백부(465)를 조합함으로써 절대 위상(CEP) 안정화 동작을 수행한다. 이중 피드백부(460)는 고속 제어 신호(461)와 같은 고속 피드백 신호 및 저속 제어 신호(467)과 같은 저속 피드백 신호를 생성하여 레이저 펄스들 각각의 상대적인 위상차가 제거되도록 동작하여 절대 위상(CEP)이 동일한 값을 가지도록 제어한다.
제1 피드백부(462)는 도 5의 차동 증폭기(571) 및 고속 서보(573)로 구현될 수 있다. 제1 피드백부(462)는 차동 증폭기(571)를 통하여 순수한 절대 위상 신호를 얻어 레이저의 출력을 조정하기 위한 고속 제어 신호(461)를 생성한다.
제2 피드백부(465)는 도 5의 저속 서보(575)로 구현될 수 있다. 제2 피드백부(465)는 레이저 공진기(511, 513, 515) 속에 레이저가 진행하는 거리를 조절하기 위하여 프리즘(519)의 삽입량을 조절하기 위한 저속 제어 신호(467)를 생성한다.
절대 위상(CEP) 안정화 제어부(470)는 제1 절대 위상(CEP) 안정화 제어부(472) 및 제2 절대 위상(CEP) 안정화 제어부(474)를 포함한다.
제1 절대 위상(CEP) 안정화 제어부(472)는 고속 제어 신호(461)에 따라서 모드 잠금 레이저(410)에서 절대 위상(CEP)을 조정하기 위하여 레이저의 출력을 조정한다. 제1 절대 위상(CEP) 안정화 제어부(472)는 예를 들어 음향-광학 변조기(Acousto-optics modulator, AOM)를 이용하여 레이저의 출력을 조정할 수 있다.
제2 절대 위상(CEP) 안정화 제어부(474)는 저속 제어 신호(467)에 따라서 프리즘(519)의 삽입량(insertion depth)을 조절함으로써 레이저 공진기 속에 레이저 펄스가 진행하는 거리를 조절한다.
본 발명의 일실시예에 따른 레이저 펄스의 절대 위상 안정화 장치는 두개의 검출기, 즉 제1 검출기(440)와 제2 검출기(445)를 포함하는 호모다인 밸런스 디텍션(Homodyne balanced detection; HBD) 방식을 사용하여 검출부(450)의 출력인 제1 검출 신호(441)과 제2 검출 신호(443)의 차이를 측정함으로서 직접적으로 절대 위상 신호를 얻을 수 있다. 그 결과, 절대 위상의 변화를 바로 모니터링 할 수 있다.
모드 잠금 레이저(410)에서 레이저 펄스들 각각의 절대 위상(CEP)을 조정하기 위하여 제1 절대 위상 제어부(472)을 이용하여 레이저의 출력 파워를 조정하거나 또는 제2 절대 위상 제어부(474)를 이용하여 레이저 공진기 속에 레이저가 진행하는 거리를 조절하는 프리즘(519)의 삽입량을 조절한다.
제1 절대 위상 제어부(472)는 도 5에 도시된 바와 같이 AOM(Acoutic-Optic Modulator)(503)를 이용하여 구현할 수 있다. AOM(503)는 크리스탈(crystal)로 구 현될 수 있다. 소정 볼트-예를 들어 0 내지 1 볼트-의 고속 피드백 신호가 제1 구동부(578)로 입력되면 제1 구동부(578)는 소정 RF 파워를 AOM(503)으로 제공하며, AOM(503)으로 입력되는 RF 파워 레벨에 따라 초음파 출력의 세기를 조절한다. AOM(503)의 초음파 출력이 클수록 레이저 펄스의 출력 파워가 감소한다. 즉, 고속 피드백 신호를 이용하여 제1 절대 위상 제어부(472)에서 AOM(503)으로 입력되는 RF 파워 레벨를 조절하여 AOM(503)의 초음파 출력을 조절함으로써 레이저 펄스의 출력 파워를 조절할 수 있다.
프리즘(519)은 예를 들어 인트라공진기 프리즘(intracavity prism)으로 구현할 수 있다. 외부에서 전압을 걸어주면 부피가 팽창하는 PZT(piezo-translator) 컨트롤을 이용하여 제2 절대 위상 제어부(474)를 이용하여 전압을 변화시켜가면서 프리즘(519)의 삽입량을 조절할 수 있다.
AOM(503)을 통한 레이저 펄스의 출력 파워를 조절함으로써 절대 위상(CEP)을 조절하는 방식은 PZT(piezo-translator) 컨트롤을 이용하여 절대 위상(CEP)을 조절하는 방식에 비하여 상대적으로 고속으로 제어할 수 있다.
레이저 펄스들의 절대 위상 오프셋 주파수(Carrier-envelop offset frequency)
가 0인 경우 레이저 펄스들의 절대 위상(CEP)는 항상 일정한 값을 가지므로 레이저 펄스들의 절대 위상 오프셋 주파수
는 0이 되도록 제어되는 것이 바람직하다.
따라서, 제1 절대 위상 제어부(472)을 이용하여 레이저의 출력 파워를 조정 하거나 또는 제2 절대 위상 제어부(474)를 이용하여 레이저 공진기 속에 레이저가 진행하는 거리를 조절하는 프리즘(519)의 삽입량을 조절함으로써 모드 잠금 레이저(410)에서 레이저 펄스들의 절대 위상 오프셋 주파수
를 0이 되도록 조정할 수 있다.
도 7을 참조하면, 가로축의 펄스 에너지(pulse energy)는 레이저 펄스의 출력에 대응되며, 세로축은 절대 위상 오프셋 주파수
에 대응된다. 도 7의 세로축의 주파수가 485MHz인 경우 실질적으로 절대 위상 오프셋 주파수
0에 해당될 수 있다. 도 7에 도시된 바와 같이 레이저 펄스의 출력이 증가할수록 절대 위상 오프셋 주파수
는 감소함을 알 수 있다.
도 8을 참조하면, 가로축의 삽입 깊이(insetion depth)는 프리즘의 삽입깊이를 나타내며, 세로축은 절대 위상 오프셋 주파수
에 대응된다. 도 8에 도시된바와 같이 프리즘의 삽입 깊이가 증가할수록 절대 위상 오프셋 주파수
도 증가함을 알 수 있다.
절대 위상(CEP)를 조정하기 위한 반응 속도를 고려하여 AOM(503)을 사용할 경우 AOM(503)에 과도한 RF 파워를 걸어주게 되면 레이저 출력에 변화를 주게 되고, 이는 다시 제1 피드백부(462)의 에러 신호가 점점 바이어스(bias)를 증가하게 만드는 원인이 된다. 그로 인해 1시간 이상 절대 위상 안정화를 유지하기 어렵다.
한편, 프리즘의 삽입량을 조절하여 절대 위상(CEP)를 조정하는 방식은 레이저 출력 파워에 영향을 주지 않는 장점이 있고, 또한 AOM을 이용하여 절대 위상(CEP)를 조정하는 방식은 보다 넓은 동작 영역을 가진다. 하지만 PZT(piezo-translator)의 반응속도가 느려서 절대 위상(CEP)을 안정적으로 제어하지 못하는 단점이 있다.
따라서, 본 발명의 일실시예에서는 이중 피드백부(460)에서 이 둘의 장점만을 결합하여 일단 반응 속도가 빠른 AOM이 절대 위상(CEP)을 재빨리 안정화하게 하고, 여기서 발생하는 레이저 출력 파워의 변화를 역으로 PZT를 사용하여 절대 위상(CEP)을 천천이 회복시키는 방법을 사용한다. 따라서, 레이저 펄스의 절대 위상을 오랜 시간 동안 안정화 시키면서 온도나 습도나 그외 다른 외부 환경의 큰 변화에도 잘 견딜 수 있게 된다.
이하, 본 발명의 일실시예에 따른 직접 잠금 기법을 적용한 레이저 펄스의 절대 위상 안정화 장치의 구체적인 구현예인 도 5를 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 레이저 펄스의 절대 위상 안정화 장치에 대해 설명한다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 레이저 펄스의 절대 위상 안정화 장치는 레이저 발진기(510), 뒤쪽반사 방지부(502), 분산 보상부(515), 간섭계(530), 검출부(550) 및 이중 피드백부(570)를 포함한다.
레이저 발진기(510)는 레이저 펄스를 생성하는 Nd:YVO4 레이저(501), 레이저 공진기(511, 513, 515), 거울(505, 507, 523), 렌즈(509), 프리즘(519, 521), 출력 커플러(output coupler, 525)등의 광학 소자들을 포함한다. 프리즘(wedge prism, 519)은 예를 들어 인트라공진기 프리즘(intracavity prism)으로 구현할 수 있다.
레이저 발진기(510)는 제1 구동부(578), 제1 구동부(578)에 제어하에 레이저 출력을 조정하기 위한 음향-광학 변조기(Acousto-optics modulator, AOM)(503), 프리즘(wedge prism, 519)의 삽입량(insertion depth)이 조절함으로써 공진기 속에 레이저가 진행하는 거리를 조절하기 위한 제2 구동부(517)를 더 포함할 수 있다.
Nd:YVO4 레이저(501)에 의해 펌핑되는 미러-분산 제어(mirror-dispersion-controlled) Kerr 렌즈 모드 잠김 Ti:Sapphire 레이저는 예를 들어 75 MHz의 반복율을 가지는 sub-10 fs 펨토초 레이저 펄스들을 생성한다.
레이저 발진기(510)로부터 생성된 펨토초 레이저 펄스(527)는 대역폭 확장부(420)에 대응되는 MSF(micro-structured fiber, 535)로부터의 뒤쪽 반사(back- reflection)를 피하기 위하여 뒤쪽반사 방지부(502)를 설치한다. 뒤쪽반사 방지부(502)는 패러데이 아이솔레이터(faraday isolator, 502)로 구현될 수 있다.
뒤쪽반사 방지부(502)가 가지는 분산 때문에 레이저 펄스가 늘어지게 되므로 이로 인해 대역폭 확장부(420)에서 비선형 효과가 효과적으로 발생하지 못해 f n 과 f 2n 주파수 성분을 발생하기가 어렵다. 따라서, 분산 보상부(515)는 뒤쪽반사 방지부(502)가 가지는 분산 때문에 늘어진 레이저 펄스를 원래의 펄스 모양으로 보상한다. 분산 보상부(515)는 예를 들어 프리즘(512, 514) 및 반사 거울(508, 516)으로 구성되어 레이저 공진기(511, 513, 515)와 간섭계(530) 사이에 위치하여 뒤쪽반사 방지부(502)의 출력을 반사 거울(504)를 거쳐 입력받아 패러데이 아이솔레이터에 대한 분산 보상(dispersion compensation)을 수행한다.
간섭계(530)는 MSF(micro-structured fiber, 535), 비선형 결정(545) 및 시간 지연기(time delay, 424)를 포함한다. 비선형 결정(545)은 예를 들어 KTP(potassium titanium oxide phosphaste) 크리스탈을 이용하여 구현할 수 있다. 시간 지연기는 (424)는 예를 들어 복수의 반사 거울(534, 536, 538, 540)을 이용하여 구현할 수 있다.
MSF(535)는 빔 분배기(518)의 출력을 편광 조절기(polarization controllor, 531) 및 렌즈(533)를 거쳐 입력받아 f n (1064nm) 및 f 2n (532nm) 성분들을 동시에 포함하고 있는 옥타브-스패닝 스펙트럼(octave spanning spectrum)을 발생시킨다. 이때 편광 조절기(531)를 통해 옥타브-스패닝 스펙트럼을 최적화시킬 수 있다.
상기 발생된 f n 주파수 성분 및 f 2n 주파수 성분은 렌즈(537) 및 반사 거울(539)를 거쳐서 조화 빔 분배기(Harmonic separaton mirror, HS)(541)에서 분리된다. f n 주파수 성분은 렌즈(543)을 거쳐서 1 mm 두께의 KTP 크리스탈(545)에서 2배의 주파수를 가지는 2f n 의 주파수 성분으로 변경된 후 렌즈(547), 대역통과필터(548), 편광 조절기(549) 및 반사 거울(546)를 거쳐서 편광 빔 스플리터(Polarizing beam splitter, PBS)(551)로 제공된다. f 2n 주파수 성분은 반사 거울(532, 536, 534, 538, 540)을 거쳐서 지연된 후 대역통과필터(542) 및 편광 조절기(544)를 거쳐서 편광 빔 스플리터(PBS)(551)로 제공된다. 편광 조절기(544)를 조 절하여 편광 빔 스플리터(PBS)(551)에서 f 2n 주파수 성분 및 2f n 주파수 성분이 50:50으로 각각의 제1 검출부(445)와 제2 검출부(440)로 분리되어 들어가도록 할 수 있다. 편광 조절기(549)를 조절하여 편광 빔 스플리터(PBS)(551)에서 f 2n 주파수 성분이 50:50으로 각각의 제1 검출부(445)와 제2 검출부(440)로 분리되어 들어가도록 할 수 있다.
편광 빔 스플리터(PBS)는 2 
f n 주파수 성분과 f 2n 주파수 성분을 재결합(merge)시키는 빔 결합기(beam combiner)의 역할을 수행한다.
검출부(550)는 도 4의 검출부(450)에 대응되며, 호모다인 밸런스 디텍션부(Homodyne balanced detection, 이하 HBD) 동작을 수행한다.
검출부(550)는 제1 편광자(polarizer, 553), 제1 광검출기(555), HWP(half wave plate, 557), 제2 편광자(polarizer, 559) 및 제2 광검출기(561)를 포함한다. 제1 광검출기(555) 및 제2 광검출기(561)는 예를 들어 APD(Avalanche Photodiode)로 구현될 수 있다.
간섭계(530)로부터의 2f n 및 f 2n 주파수 성분들은 공간적으로 및 시간적으로 중첩되도록 편광 빔 스플리터(PBS)(551)에서 재결합된 후 상기 HBD 동작을 위해 2개의 간섭 신호로 분리된다.
분리된 두 개의 간섭 신호(2f n 및 f 2n )가 간섭이 일어나기 위해서는 공간적으로 및 시간적으로 정확하게 중첩이 되면서 동시에 편광이 같은 방향이어야 한다. 만약 분리되 두 개의 간섭 신호들의 편광 방향이 서로 수직이면 간섭 현상이 일어나지 않게 된다. 제1 편광자(553) 및 제2 편광자(559)는 편광축을 45도로 미리 정렬하여 상기 분리된 2개의 간섭 신호들이 서로 동일한 편광 방향을 갖도록 할 수 있다. 따라서, 상기 분리된 2개의 간섭 신호는 제1 편광자(553) 및 제2 편광자(559)를 거치면서 서로 동일한 편광 방향을 갖게되며 간섭이 일어나게 되므로 제1 광검출기(555) 및 제2 광검출기(561)에서 간섭 신호로서 동시에 검출할 수 있다. 하기의 수학식 1은 각각 제1 광검출기(555)의 간섭 신호 및 제2 광검출기(561)의 간섭 신호를 나타낸다.
여기서, 
및 
는 각각 제1 광검출기(555)의 입력(554) 및 제2 광검출기(561)의 입력(556)을 나타내며, 
및 
는 서로 다른 노이즈 성분을 가지는 간섭 신호들이다. 수학식 1 및 2의 각각의 우변에서 첫 두 개의 성분들(
, 
)은 변동하는 노이즈 성분을 나타내고, 마지막 AC 성분은 절대 위상 신호를 나타낸다.
편광 조절기(544), 편광 조절기(549) 및 HWP(557)가 편광 빔 스플리터(551) 주변에 배치되어 제1 광검출기(555) 및 제2 광검출기(561)에서 출력되는 두개의 간섭 신호의 정확한 밸런싱을 위해 사용된다. 2개의 편광 조절기(544, 549)를 조절하여 제1 광검출기(555)와 제2 광검출기(561)에서 동일한 크기의 간섭 신호가 검출되도록 조정한다. 즉, 제1 광검출기(555)의 출력 및 제2 광검출기(561)의 출력이 차동 증폭기(571)에서 정확하게 상쇄되어 차동 증폭기 출력 신호가 0이 되도록 균형(balancing)을 맞춘다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 HBD 검출 방법에서는 추가적으로 편광 위상 지연기로서 동작하는 HWP(557)가 제2 광검출기(561) 전단에 설치되어 제2 광검출기(561)의 간섭 신호가 제1 광검출기(555)의 간섭 신호 세기와 동일하게 되도록 한다.
그 다음, 다음의 수학식 3에 나타난 바와 같이 편광 위상 지연기로서 동작하는 HWP(557)를 통해 제2광 검출기(561)의 출력 신호에서 노이즈 성분은 그대로 유지하면서 절대 위상 성분만 위상을 180도 반전 시킨다.
즉, HWP(557)의 주축(principle axis)을 S-편광 또는 P-편광 방향으로 설정함으로써 편광의 회전없이도 
-위상 지연기(
-phase retarder)로서 역할을 수행함으로써 제1 광검출기(555)와 제2 광검출기(561)의 저주파 노이즈(low frequency fluctation noise)를 제거할수 있다.
그 결과, 차동 증폭기(571)의 출력(572)은 하기 수학식 4에 나타난 바와 같이 구해지며, 저주파 변동 노이즈(low-frequency fluctuation noise)와 같은 노이즈 성분이 제거됨으로써 제1 광검출기(555)의 출력인 제3 간섭 신호 및 제2 광검출기(561)의 출력인 제4 간섭 신호간의 차이가 기존의 단순 직접 잠금 방식보다 두 배 큰 절대 위상 신호를 발생시킨다.
이중 피드백 루프(570)는 차동 증폭기(differential amplifier, 571) 및 고속 서보(573)를 포함하는 제1 피드백부(462)와, 저속 서보(575)를 포함하는 제2 피드백부(465)를 포함한다.
차동 증폭기(571)는 제1 광검출기(555)의 출력 간섭 신호를 비반전 입력단자를 통하여 입력받고, 제2 광검출기(561)의 출력 간섭 신호를 반전 입력단자로 입력받아 두개의 간섭 신호들의 레벨을 서로 동일하도록 조절된 경우 두개의 간섭 신호를 상쇄시켜 차동 증폭기 출력 신호가 0이 된다.
고속 서보(573)는 PID(Proportional Integral Derivative) 제어 회로로 구현할 수 있다. 고속 서보(573)는 예를 들어 적분기만으로 구현할 수 있으며, 이 경우 절대 위상(CEP) 안정화 동작을 안정적으로 수행할 수 있다. 고속 서보(573)는 차동 증폭기(571)의 출력(572)을 입력받아 적분하여 제1 구동부(578)를 구동하기 위한 고속 피드백 신호(577)로서 전압 신호를 출력할 수 있다. 제1 구동부(578)는 고속 서보(573)의 출력 전압에 따라 출력 신호의 RF 파워 레벨을 조절하여 AOM(503)으로 제공한다.
저속 서보(575)는 PID(Proportional Integral Derivative) 제어 회로로 구현할 수 있다. 저속 서보(575)는 예를 들어 적분기 및 비례기로 구현할 수 있다. 저속 서보(575)는 고속 서보(573)의 출력을 입력받아 제2 구동부(517)를 구동하기 위한 저속 피드백 신호(579)로서 전압 신호를 출력할 수 있다. 제2 구동부(517)는 저속 서보(575)의 출력 전압을 전압 증폭하여 프리즘(519)의 삽입 깊이를 제어한다.
하기의 수학식 5 및 수학식 6은 종래 OPTICS Express에서 발표된 논문("Novel method for carrier-envelope phase stabilization of femtosecond laser pulses", 1969-1976, 2005년 4월 18일)에서의 단순 직접 잠금 기법에 기초한 절대 위상(CEP) 안정화 기술과 본 발명의 개선된 직접 잠금(DL) 기법간의 비교를 위해서 상기 단순 직접 잠금 기법에 대한 논문의 그림 1에 도시된 APD1 및 APD2에서 검출된 간섭 신호를 나타낸 것이다.
여기서, G는 상기 논문의 그림 1에 도시된 APD1 및 APD2에서의 이득(gain)을 나타내고, V는 상기 논문의 그림 1에 도시된 APD1 및 APD2의 출력 신호의 강도를 나타낸다. 첨자 1, 2는 각각 상기 논문의 그림 1에 도시된 APD1 및 APD2를 나타내며, 첨자 S, P는 편광상태를 나타낸다. 
는 검출된 절대 위상(CEP)의 시간적인 변화를 나타낸다. 특히, V 2(t)는 레이저 출력의 불안정과 절대 위상 신호를 검출하는 간섭계(530)에서 발생하는 노이즈 성분을 나타내고, 
는 상기 논문의 그림 1에 도시된 APD1 전단에 위치한 편광자의 편광축의 각도에 기인한 성분이 다.
PLL(Phase-locked loop) 기법에 기초한 미국등록특허 6,724,788호 및 미국공개특허 2004/0017833호에 개시된 종래의 절대 위상(CEP) 안정화 기술은 절대 위상 오프셋 주파수(carrier envelope offset freqeuncy) f ceo 가 f rep /N(여기서, f rep 는 반복율)으로 고정된 값을 가진다. 절대 위상 오프셋 주파수 f ceo 가 고정된 값을 가진다는 것은 절대 위상 오프셋(CEO) 
(= 2
f ceo / f rep )이 일정한 상수값을 가진다는 것을 의미한다. 시간 영역에서 일정한 값을 가지는 절대 위상 오프셋(CEO) 
이 의미하는 것은 모드 잠금 레이저에서 발생되는 펄스들은 동일한 펄스들이 아니며 N번째 펄스 마다 동일한 펄스가 반복됨을 의미한다.
직접 잠금(DL) 기법에서, 수학식 5의 좌변은 간섭 신호를 나타내며 우변의 첫 번째항은 노이즈 성분을 나타내고 우변의 두 번째항인 순수한 AC 성분, 즉 
는 절대 위상 신호를 나타낸다. 우변의 둘째항인 절대 위상 신호에서 사인 함수는 
/2에서 -
/2 구간에서 비선형적이지만, 0 근처의 작은 범위에서는 선형적으로 간주될 수 있고 피드백을 위해 선형 에러 신호를 생성할 수 있다.
간섭 신호로부터 순수한 AC 성분인 절대 위상 신호만을 추출하기 위해서는 상기 논문의 그림 1에 도시된 APD2를 이용하여 개별적으로 DC 성분을 측정한다.
본 발명의 일실시예에 따른 레이저 펄스의 절대 위상 안정화 장치는 도 5의 차동 증폭기(571)를 이용하여 제1 광검출기(555)의 V 1 신호의 노이즈 성분을 제거함으로써 상기 종래 논문에 개시된 단순 직접 잠금 기법의 전기적 위상 검출기를 사용하지 않고 간섭 신호로부터 절대 위상 신호를 직접적으로 추출할 수 있다.
간섭 신호인 V 2 와 V 1 의 두 신호를 이용하여 노이즈를 제거하고 절대 위상 신호를 추출해내는 것이 본 발명의 절대 위상(CEP) 잠금 방법에 있어서 핵심적인 과정이다. 제1 광검출기(555)의 전단의 편광자(553)로 인하여 V 2 의 신호 세기는 V 1 의 신호 세기의 절반이므로 제1 광검출기(555) 및 제2 광검출기(561)에서의 이득 파라미터들, G1, G2는 DC 변동(
)을 제거하도록 조절된다. 즉, G1은 신호 밸런싱을 위하여 G2값의 두배가 되도록 조절되어야한다. 그러나, APD로 이루어진 광검출기는 비선형 포화 영역에서 동작하여 전기 신호(electric signal)를 증대시키므로, G1값은 G2값의 정확한 두 배가 아니며, 응답 곡선이 서로간에 약간씩 차이가 있다. 이러한 부정확성이 피드백 과정에서의 작은 에러를 발생시킬 수 있다.
또 다른 문제점으로, 
및 
(
)의 관계는 시간영역에서 선형적이 아니므로 종래의 단순한 직접 잠금 기법에서 상기 논문의 그림 1에 도시된 APD1 및 APD2간의 이득 조절만으로는 노이즈 신호를 완벽하게 제거하기 어렵다. 왜냐하면, 
는 
의 이차 하모닉 프로세스(second harmonic process)에 관련이 되어 있기 때문이다. 상기 논문의 그림 1에 도시된 APD1 및 APD2의 단순한 전기 신호의 증폭율을 조정하여 마치 조정한 그 순간은 노이즈가 제거 되는 것처럼 보일 수 있지만, 시간이 지나면 노이즈가 마치 절대 위상 신호처럼 보이게 된다. 도 9의 실험 결과가 이를 뒷받침한다.
도 9는 본 발명의 HBD 기법을 적용하지 않은 종래의 단순 직접 잠금(DL) 기법에서의 왜곡된 에러 신호의 일예를 나타낸 그래프이다.
절대 위상이 관측되지 않도록 간섭계(430)의 시간 지연기(424)를 엉뚱한 위치에 놓으면 노이즈 신호와 절대 위상 신호의 합인 간섭 신호에는 노이즈만 관측된다. 만약 제1 검출기(445)와 제2 검출기(440)의 균형이 정확하다면 간섭 신호는 노이즈 신호에 상관없이 항상 0에 있어야 하지만 상기에 기술된 문제로 인해 도 9와 같이 왜곡된 신호가 발생한다.
따라서, 도 9와 같은 절대 위상 신호 왜곡으로 인한 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명의 일실시예에 따른 호모다인 밸런싱 검출(HBD) 검출 방법을 도입하였다.
본 발명의 일실시예에 따른 개선된 직접 잠금(DL) 기법을 적용한 레이저 펄스의 절대 위상 안정화 장치는 편광 조절기(434)를 통하여 2f n 주파수 성분(429)이 50:50으로 각각의 제1 광검출기(555)와 제2 광검출기(561)로 분리되도록 하고, 동시에 f 2n 주파수 성분(427)도 50:50으로 각각의 제1 광검출기(555)와 제2 광검출기(561)로 들어가도록 하며, 제2 검출부(440)의 전단에 편광 위상 지연기(439)를 삽입하여 제2 광검출기(561)의 간섭 신호의 위상을 180도 바꾸어 주어 절대 위 상(CEP) 신호의 위상을 180도 반전시키지만 노이즈 성분은 그대로 유지시켜 최종적으로 제 1 피드백부(462)의 차동 증폭기(differential amplifier, 571)를 이용하여 제1 광검출기(555)의 V 1 신호의 노이즈 성분을 제거함으로써 간섭 신호로부터 순수한 절대 위상 신호 
를 직접적으로 추출할 수 있다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 개선된 직접 잠금 방법을 적용하여 광학적으로 밸런스된 제1 광검출기 및 제2 광검출기의 간섭신호들로부터의 에러 신호를 나타낸 그래프이다. 상기 에러 신호는 차동 증폭기(571)의 출력 신호를 나타낸다. 순수한 간섭 신호는 매우 높은 주파수를 가지고 있으므로 APD의 대역폭 제한에 의해 필터링되므로 도 10에는 나타나지 않는다.
도 10을 참조하면, 두 개의 광검출기(555, 561)의 전기적 이득은 동일한 값으로 설정되어 있으므로 도 9에 비하여 거의 완벽하게 노이즈로 인한 위상 왜곡이 제거되었음을 보여준다.
더구나, 수학식 4에 나타난 바와 같이, 절대 위상 신호의 크기는 종래의 논문에 개시된 단순한 직접 잠금(DL) 기법에 비하여 두배의 크기를 가진다. 따라서, 신호대잡음비(signal-to-noise)를 더 증가시키고, 록킹 조건(locking condition)에 있어서 더 좋은 절대위상(CEP) 안정도를 얻을 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 HBD 검출 방식에 기초하여 상기와 같은 예측을 실험을 통해 확인할 수 있다. 제1 광검출기(555) 및 제2 광검출기(561)에서 출력되는 간섭 신호들의 절대 위상(CEP)을 관찰하였고, 예를 들어 인트라공진기 프리 즘(intracavity prism, 519)을 수동으로 조정함으로써 절대 위상 오프셋 주파수 f ceo 를 영(zero)에 가깝도록 튜닝하였다. 절대 위상 오프셋 주파수 f ceo 가 동작 범위(operation range)(100kHz 이내) 미만으로 된 이후부터 직접 잠금 루프는 즉시 동작되기 시작한다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 개선된 직접 잠금 방법에서 직접 잠금 루프를 활성화시키기 전과 활성화시킨후의 제1 피드백부의 차동 증폭기(571) 출력의 단기간의 시간 변화를 나타낸다. 잠금이 되지 않은 경우의 진동 구조는 소멸되어 잠금이 된 경우의 DC 신호로 변한다.
고속 서보(573)의 고속 피드백 동작에 의한 AOM 구동만이 1초 미만의 시간 범위에서 절대위상(CEP) 잠금과 관련이 되어 있다.
종래의 PLL에 기초한 절대 위상 안정화 방법에 비하여, 본 발명의 일실시예에 따른 개선된 직접 잠금 기법은 디지털 오실로스코프로 차동 증폭기(571)의 출력단에서 절대위상(CEP) 정보를 직접적으로 제공할 수 있다. 안정화된 절대 위상(CEP)의 경우 rms 전압을 측정함으로써 절대 위상(CEP) 변동을 추정할 수 있고, 순수한 절대 위상(CEP)의 시간 변화(time evolution)의 경우 피크-피크간 전압을 측정함으로써 절대 위상(CEP) 변동을 간단히 추정할 수 있다.
도 11의 우측에 나타난 절대 위상(CEP) 히스토그램은 안정화된 절대 위상(CEP)의 특징을 명확하게 보여준다. 도 11의 그래프에서 계산된 rms 위상 지터(phase jitter)는 시간상으로는 13 아토초(attoseconds)에 상당하는 29 mrad이 다.
도 12는 제1 피드백부의 차동 증폭기(571)의 출력인 절대 위상(CEP) 잠금 상태의 절대 위상 신호로부터 산출된 파워 스펙트럼 밀도(Power spectral density; PSD) 곡선 및 축적된 위상 노이즈(phase noise)를 보여주는 그래프이다.
도 12를 참조하면, 수 ms 내지 1초 까지의 범위에서 위상 노이즈는 약 30 mrad 인 것으로 나타났으며, 이는 도 11의 값과 일치하는 결과이다. 상기 단순 직접 잠금 기법에 대한 종래 논문에서는 내부 루프(in-loop) 위상 노이즈는 50 mrad으로 보고되었다. 상기 종래의 단순 직접 잠금 기법과 본 발명의 개선된 직접 잠금 방법을 비교해보면 수학식 5로부터 예측할 수 있듯이, 위상 노이즈가 두 배만큼 감소됨을 알 수 있다. 상기 감소된 위상 노이즈는 HBD 방법을 채용함으로써 직접 잠금 기법의 동작을 개선시킬 수 있음을 보여준다.
본 발명에서는 장기적(long-term) 절대 위상(CEP) 안정화를 위해 이중 피드백 방식을 도입하였다. 단순히 음향-광학 변조기(AOM)만을 이용한 펌프 파워 변조 방식은 장기적 안정성 측면에서 단점이 있다. 장기간 동작 동안 발생하는 상당한 절대 위상 오프셋 주파수 f ceo 드리프트(drift)는 펌프 레이저의 출력 파워를 크게 변경시킬 수 있으며 그 결과 레이저 오실레이터의 모드 잠김을 턴오프(turn off)시켜 중지시킬 수 있다. 절대 위상 오프셋 주파수 f ceo 는 종래의 단순 직접 모드 잠금 방법에서는 f ceo =0으로 고정되고, 종래의 PLL 방법에서는 f ceo = f rep /N 등과 같이 특정값으로 고정되므로 이러한 절대 위상 오프셋 주파수 f ceo 드리프트(drift)로 인한 문제점은 종래의 단순 직접 모드 잠금 방법 및 종래의 PLL 방법에서도 나타난다. 모드 잠금이 없는 경우 축적된 펄스-펄스간 절대 위상(CEP) 변화(
= 2
f ceo / f rep )는 수 라디안(radians)의 값을 가지고, 심한 펌프 파워의 변조로 인하여 절대 위상(CEP) 잠금을 위한 피드백 과정은 모드 잠금을 중지시킬 수 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본 발명의 일실시예에서는 도 5의 도시된 바와 같이 프리즘(wedge prism, 519) 삽입 깊이 변조를 위한 PZT(piezo-translator)를 구동하는 저속 서보(575)를 설치한다.
상기 프리즘(519)은 펌프 레이저의 출력 파워를 변화시키지 않고도 또는 분산의 변화가 충분히 작다면 모드 잠금 조건에 영향을 주지 않고도 펄스-펄스간 절대 위상(CEP) 변화 
를 조절할 수 있다. 따라서, 저속 피드백 방법으로서의 상기 프리즘의 삽입 깊이 조절은 절대 위상(CEP) 드리프트의 높은 다이나믹 범위의 동작을 가능케하고 장기간 동작에 적합하다.
상기 고속 서보(573) 및 저속 서보(575)를 조합함으로써, 장기간에 걸친 절대 위상(CEP) 안정화 동작을 크게 향상시킬 수 있다. 본 발명의 일실시예에 따른 이중 피드백 방법의 구현을 위하여 단순히 감산 회로(571) 이후에 서로 다른 컷오프 주파수들을 가지는 2개의 집적회로들을 사용할 수 있다. 예를 들어 고속 서보(573)을 위한 컷오프 주파수는 30kHz인 반면에 저속 서보(575)를 위한 컷오프 주파수는 약 0.3Hz를 사용할 수 있다. 따라서, 저속 피드백 루프는 1초 이상의 시간 스케일에서만 동작한다.
도 13은 저속 피드백 루프가 동작하지 않는 경우의 시뮬레이션 결과이고, 도 14는 저속 피드백 루프가 동작하는 경우의 시뮬레이션 결과이다.
도 13을 참조하면, 절대 위상(CEP) 잠금은 AOM에 의해서만 보존되고, AOM 신호의 저속 드리프트는 결과적으로 제어 범위를 넘어가서 4분 이후에는 절대 위상(CEP) 잠금을 깨버린다. 도 13에 도시된 바와같이, AOM(503)으로 제공되는 평균 RF(radio frequency) 파워가 느리게 쉬프트되는 경우, AOM(503)의 온도 변화로 인하여 펌프-빔-포인팅(pump-beam-pointing)은 천천히 쉬프트되고, 상기 펌프-빔-포인팅 쉬프트는 펨토초(fs) 레이저 오실레이터의 불안정을 일으킨다. 그 결과, 절대 위상(CEP) 잠금은 더 이상 유지 될 수 없다. 도 13의 경우에는 절대 위상(CEP) 잠금을 4분 이상 유지하기가 어렵다.
반면에, 도 14에 도시된 바와 같이, 펌프-빔-포인팅의 느린 드리프트가 PZT에 의해 제어되는 경우에는 장기간의 동작은 훨씬 더 성공적이다.
도 14를 참조하면, 도 13의 경우에 비하여 AOM(503)으로 입력되는 평균 RF 파워 드리프트는 훨씬 더 작은 것으로 나타났으며, 그 결과 레이저 오실레이터는 AOM(503)의 온도 변화에 기인한 심각한 펌프-빔-포인팅 드리프트 없이 보다 안정적인 방법으로 동작할 수 있다. 30초 이내의 저속 피드백 신호의 규칙적인 느린 변조가 관측된다. 이러한 저주파 노이즈 소스(low frequency noise source)를 주의깊게 확인해본 결과, 상기 시간 구간동안 상기 펌프 레이저를 냉각시키는 냉각기(chiller)의 온도 변동에 의한 펌프 파워의 변동은 매우 작은 변동을 가짐이 발견되었다. 그럼에도 불구하고, 절대 위상(CEP) 잠금을 위해 상기와 같은 펌프 파워 의 드리프트의 존재는 장기간의 안정된 동작을 위한 이중 피드백 루프 기법이 필요함을 나타낸다.
절대 위상(CEP) 잠금 동작은 악조건하에서도 본 발명의 일실시예에 따른 이중 피드백 루프로 인하여 수분에서 수시간으로 향상되었다.
도 15는 본 발명의 일실시예에 따른 이중 피드백 루프를 사용하는 시뮬레이션 결과이다.
도 15를 참조하면, 도 14의 시뮬레이션시 사용한 레이저 펄스의 절대 위상 안정화 장치에 비교하여 더 작은 온도 변동을 가지는 냉각기로 대체하고 향상된 절대 위상(CEP) 안정화를 위한 개선된 열 전도도를 가진 AOM를 설치한 이후, 도 15에 도시된 바와 같이, 12시간 이상의 장기간의 절대 위상(CEP) 잠금 동작을 얻을 수 있었다. 이중 피드백 기법을 적용한 절대 위상(CEP) 안정화 시간은 PZT 서보의 다이나믹 레인지(dynamic range)의 결여로 9시간이었다. 그 결과, AOM 상에 RF 펌프 파워 드리프트를 일으키고, 도 15에 나타난 바와 같이 평균 레이저 파워의 변화를 가져온다. 그 결과, 절대 위상(CEP) 잠금은 AOM 열 문제의 존재로 인하여 중단되었다. 그러나, 절대 위상(CEP) 잠금은 향상된 AOM의 설치에 기인하여 여전히 3시간 동안 유지되었다. 절대 위상(CEP) 잠금은 저속 피드백 루프가 PZT 서보의 범위내에 있는 동안에는 유지될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 HBD 방법은 절대 위상(CEP) 노이즈를 2배 줄여줄 수 있고, 본 발명의 일실시예에 따른 이중 피드백 방식은 12시간 이상의 장시간 동안 절대 위상(CEP) 안정화 동작을 가능케 할 수 있다.
상기한 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대해 통상의 지식을 가진 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.
도 1은 모드 잠금 레이저에서 발생되는 펄스 열을 도시한 도면이다.
도 2는 절대 위상 오프셋(CEO)가 일정한 상수 값을 가지는 경우 절대 위상(CEP)이 계속해서 변하는 레이저 펄스를 시간 영역(Time domain)에서 나타낸 그래프이다.
도 3은 절대 위상 오프셋(CEO)가 일정한 상수 값을 가지는 경우 절대 위상(CEP)이 계속해서 변하는 레이저 펄스를 주파수 영역(Frequency domain)에서 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 개선된 직접 잠금(DL) 기법을 적용한 레이저 펄스의 절대 위상 안정화 장치를 나타낸 블록도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 직접 잠금 기법을 적용한 레이저 펄스의 절대 위상 안정화 장치의 구체적인 구현예를 나타낸 도면이다.
도 6은 도 4의 대역폭 확장부의 출력인 f n 주파수 성분 및 f 2n 주파수 성분을 포함하는 옥타브 스패닝 스펙트럼(octave spanning spectrum)을 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 레이저 펄스의 출력과 절대 위상 오프셋 주파수(Carrier-envelop offset frequency)
간의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 프리즘의 삽입 깊이와 절대 위상 오프셋 주파수
간의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 9는 종래의 단순 직접 잠금(DL) 기법에서의 왜곡된 위상 에러 신호의 일예를 나타낸 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 개선된 직접 잠금 방법을 적용하여 광학적으로 밸런스된 제1 광검출기 및 제2 광검출기의 간섭신호들로부터의 에러 신호를 나타낸 그래프이다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 개선된 직접 잠금 방법에서 직접 잠금 루프를 활성화시키기 전과 활성화시킨후의 제1 피드백부의 차동 증폭기 출력의 단기간의 시간 변화를 나타낸 그래프이다.
도 12는 제1 피드백부의 차동 증폭기(571)의 출력인 절대 위상(CEP) 잠금 상태의 맥 신호로부터 산출된 파워 스펙트럼 밀도(Power spectral density; PSD) 곡선 및 축적된 위상 노이즈(phase noise)를 보여주는 그래프이다.
도 13은 본 발명의 일실시예에 따른 개선된 직접 잠금 방법의 경우 저속 피드백 루프가 동작하지 않는 경우의 시뮬레이션 결과이다.
도 14는 본 발명의 일실시예에 따른 개선된 직접 잠금 방법의 경우 저속 피드백 루프가 동작하는 경우의 시뮬레이션 결과이다.
도 15는 본 발명의 일실시예에 따른 이중 피드백 루프를 사용하는 시뮬레이션 결과이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
410: 모드 잠금 펄스 레이저 430, 530: 간섭계
432, 434, 544, 549: 편광 조절기 439, 557: 편광 위상 지연기
440: 제2 검출부 445: 제1 검출부
462: 제1 피드백부 465: 제2 피드백부
Claims (18)
- 레이저 펄스를 생성하는 모드 잠금된 레이저를 포함하는 레이저 발진기;상기 생성된 레이저 펄스로부터 제1 주파수 성분 및 제2 주파수 성분을 포함하는 레이저 펄스를 생성하여 시간적 및 공간적으로 중첩되는 제1 간섭 신호 및 제2 간섭 신호를 생성하는 간섭계;상기 제1 간섭 신호 및 상기 제2 간섭 신호를 제공받아 상기 제2 간섭 신호의 위상을 180도 반전시켜 각각 제3 간섭 신호 및 제4 간섭 신호로 출력하는 검출부; 및상기 제3 간섭 신호 및 상기 제4 간섭 신호에 의해 얻은 절대 위상 신호를 상쇄시키도록 제어하는 이중 피드백부를 포함하는 직접 잠금 방식의 레이저 펄스의 절대 위상 안정화 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 간섭계는상기 제1 주파수 성분을 소정 시간만큼 지연시켜 상기 제2 주파수 성분과 시간적으로 중첩되도록 하는 시간 지연기; 및상기 제2 주파수 성분을 2배의 주파수를 가지도록 변경시키는 주파수 2배기를 포함하는 것을 특징으로하는 직접 잠금 방식의 레이저 펄스의 절대 위상 안정화 장치.
- 제2항에 있어서, 상기 간섭계는상기 제1 주파수 성분을 S-pol(편광) 및 P-pol(편광) 성분으로 50:50의 동일한 비율로 분리되도록 조절하는 제1 편광 조절기;상기 제2 주파수 성분을 S-pol(편광) 및 P-pol(편광) 성분으로 50:50의 동일한 비율로 분리되도록 조절하는 제2 편광 조절기; 및상기 제1 편광기 및 상기 제2 편광 조절기에 의해 조절된 제1 주파수 성분 및 제2 주파수 성분을 공간적으로 중첩시켜 상기 제1 간섭 신호와 상기 제2 간섭 신호를 출력하는 빔 결합기를 더 포함하는 직접 잠금 방식의 레이저 펄스의 절대 위상 안정화 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 검출부는상기 제1 간섭 신호를 입력받아 광전 변환하는 제1 검출부;상기 제2 간섭 신호의 위상을 180도 반전시키는 편광 위상 지연기; 및상기 편광 위상 지연기의 출력을 입력받아 광전 변환하는 제2 검출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 직접 잠금 방식의 레이저 펄스의 절대 위상 안정화 장치.
- 제4항에 있어서, 상기 제1 검출부와 상기 제2 검출부는 상기 제1 간섭 신호와 상기 제2 간섭 신호의 편광 방향을 동일한 방향이 되도록 하는 제3 편광 조절기 및 제4 편광 조절기를 각각 포함하는 직접 잠금 방식의 레이저 펄스의 절대 위상 안정화 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 이중 피드백부는상기 제3 간섭 신호 및 상기 제4 간섭 신호의 노이즈 성분을 상쇄시키고 상기 모드 잠금된 레이저에서 생성되는 레이저 펄스의 출력을 제어하기 위한 고속 피드백 신호를 생성하는 제1 피드백부; 및상기 고속 피드백 신호를 입력받아 상기 레이저 발진기의 프리즘의 삽입 깊이를 제어하기 위한 저속 피드백 신호를 생성하는 제2 피드백부를 포함하는 직접 잠금 방식의 레이저 펄스의 절대 위상 안정화 장치.
- 제6항에 있어서, 상기 고속 피드백 신호에 기초하여 음향-광학 변조기(Acoutic-Optic Modulator)를 이용하여 상기 모드 잠금된 레이저에서 생성되는 레이저 펄스의 출력을 제어하고, 상기 저속 피드백 신호에 기초하여 PZT (piezo-translator) 컨트롤을 이용하여 상기 레이저 발진기의 프리즘의 삽입 깊이를 제어하는 것을 특징으로 하는 직접 잠금 방식의 레이저 펄스의 절대 위상 안정화 장치.
- 제6항에 있어서, 상기 고속 피드백 신호에 기초하여 상기 모드 잠금된 레이저에서 생성되는 레이저 펄스의 출력을 변화시킴으로써 상기 레이저 발진기로부터 발생된 레이저 펄스의 절대 위상 오프셋 주파수를 변화시키고, 상기 저속 피드백 신호에 기초하여 상기 프리즘의 삽입 깊이를 증가시킴으로써 상기 레이저 발진기로부터 발생된 레이저 펄스의 절대 위상 오프셋 주파수를 변화시키는 것을 특징으로 하는 직접 잠금 방식의 레이저 펄스의 절대 위상 안정화 장치.
- 제6항에 있어서, 상기 제1 피드백부는 상기 제3 간섭 신호 및 상기 제4 간섭 신호의 노이즈 성분을 상쇄시키는 차동 증폭기를 포함하는 것을 특징으로 하는 직접 잠금 방식의 레이저 펄스의 절대 위상 안정화 장치.
- 제9항에 있어서, 상기 제3 간섭 신호 및 상기 제4 간섭 신호에 의해 얻은 절대 위상 신호는 상기 차동 증폭기의 출력인 것을 특징으로 하는 직접 잠금 방식의 레이저 펄스의 절대 위상 안정화 장치.
- 레이저 발진기의 모드 잠금 레이저로부터 발생된 레이저 펄스로부터 제1 주파수 성분 및 제2 주파수 성분을 포함하는 레이저 펄스를 생성하여 시간적 및 공간적으로 중첩되는 제1 간섭 신호 및 제2 간섭 신호를 생성하는 단계;상기 제1 간섭 신호 및 상기 제2 간섭 신호를 제공받아 상기 제2 간섭 신호의 위상을 180도 반전시켜 각각 제3 간섭 신호 및 제4 간섭 신호를 생성하는 단계;상기 제3 간섭 신호 및 상기 제4 간섭 신호에 의해 얻어진 절대 위상 신호를 상쇄시키기 위한 고속 피드백 신호 및 저속 피드백 신호를 생성하는 단계; 및상기 고속 피드백 신호 및 상기 저속 피드백 신호에 기초하여 상기 모드 잠금 레이저로부터 발생된 레이저 펄스의 절대 위상을 안정화시키는 단계를 포함하는 직접 잠금 방식의 레이저 펄스의 절대 위상 안정화 방법.
- 제11항에 있어서, 상기 시간적 및 공간적으로 중첩되는 제1 간섭 신호 및 제2 간섭 신호를 생성하는 단계는 상기 제1 주파수 성분을 소정 시간만큼 지연시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 직접 잠금 방식의 레이저 펄스의 절대 위상 안정화 방법.
- 제11항에 있어서, 상기 시간적 및 공간적으로 중첩되는 제1 간섭 신호 및 제2 간섭 신호를 생성하는 단계는상기 지연된 제1 주파수 성분을 S-pol(편광) 및 P-pol(편광) 성분으로 50:50의 동일한 비율로 분리되도록 조절하는 단계;상기 제2 주파수 성분을 S-pol(편광) 및 P-pol(편광) 성분으로 50:50의 동일한 비율로 분리되도록 조절하는 단계; 및상기 조절된 제1 주파수 성분 및 상기 조절된 제2 주파수 성분을 공간적으로 중첩시켜 상기 제1 간섭 신호와 상기 제2 간섭 신호를 생성하는 단계를 포함하는 직접 잠금 방식의 레이저 펄스의 절대 위상 안정화 방법.
- 제11항에 있어서, 상기 제1 간섭 신호와 상기 제2 간섭 신호의 편광 방향을 동일한 방향이 되도록 조절하는 단계를 더 포함하는 직접 잠금 방식의 레이저 펄스의 절대 위상 안정화 방법.
- 제11항에 있어서, 상기 제3 간섭 신호 및 상기 제4 간섭 신호에 의해 얻어진 절대 위상 신호를 상쇄시키기 위한 고속 피드백 신호 및 저속 피드백 신호를 생성하는 단계는상기 제3 간섭 신호 및 상기 제4 간섭 신호의 노이즈 성분을 상쇄시키고 상기 모드 잠금 레이저로부터 발생된 레이저 펄스의 출력을 제어하기 위한 고속 피드백 신호를 생성하는 단계; 및상기 고속 피드백 신호에 기초하여 상기 레이저 발진기의 공진기 내부에서 진행하는 레이저 펄스가 진행하는 거리를 조절하기 위한 프리즘의 삽입 깊이를 제어하기 위한 저속 피드백 신호를 생성하는 단계를 포함하는 직접 잠금 방식의 레이저 펄스의 절대 위상 안정화 방법.
- 제11항에 있어서, 상기 고속 피드백 신호 및 상기 저속 피드백 신호에 기초하여 상기 모드 잠금 레이저로부터 발생된 레이저 펄스의 절대 위상을 안정화시키는 단계는상기 고속 피드백 신호에 기초하여 상기 모드 잠금 레이저로부터 발생된 레이저 펄스의 출력을 제어하는 단계; 및상기 저속 피드백 신호에 기초하여 프리즘의 삽입 깊이를 조절하여 상기 레이저 발진기의 공진기 내부에서 진행하는 레이저 펄스가 진행하는 거리를 조절하는 단계를 포함하는 직접 잠금 방식의 레이저 펄스의 절대 위상 안정화 방법.
- 제16항에 있어서, 상기 고속 피드백 신호에 기초하여 상기 레이저 펄스의 출력을 변화시킴으로써 상기 모드 잠금 레이저로부터 발생된 레이저 펄스의 절대 위상 오프셋 주파수를 변화시키고, 상기 저속 피드백 신호에 기초하여 상기 프리즘의 삽입 깊이를 증가시킴으로써 상기 모드 잠금 레이저로부터 발생된 레이저 펄스의 절대 위상 오프셋 주파수를 변화시키는 것을 특징으로 하는 직접 잠금 방식의 레이저 펄스의 절대 위상 안정화 방법.
- 제16항에 있어서, 상기 고속 피드백 신호 및 상기 저속 피드백 신호에 기초하여 상기 모드 잠금 레이저로부터 발생된 레이저 펄스의 절대 위상을 안정화시키는 단계는 상기 고속 피드백 신호 및 상기 저속 피드백 신호에 기초하여 상기 모드 잠금 레이저로부터 발생된 레이저 펄스의 절대 위상을 시간에 따라 일정한 값을 갖도록 제어하는 것을 특징으로 하는 직접 잠금 방식의 레이저 펄스의 절대 위상 안정화 방법.
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