KR101207946B1 - 그래핀/폴리머 복합체가 증착된 모드 로커의 제조 방법 및 이를 이용한 펄스 레이저 장치 - Google Patents

그래핀/폴리머 복합체가 증착된 모드 로커의 제조 방법 및 이를 이용한 펄스 레이저 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 박리된 그래핀 산화물과 폴리머가 포함된 용액을 제조하는 단계, 및 상기 그래핀 산화물과 폴리머가 포함된 용액에 광섬유를 침수한 후, 상기 광섬유에 레이저를 인가하여, 상기 광섬유 끝단에 그래핀을 증착하는 단계를 포함하여 모드 로커를 제조하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 레이저 공진 루프에서 전송되는 레이저를 증폭시키는 증폭기, 상기 증폭기와 연결되고, 상기 레이저를 펄스로 변환하는 모드 로커, 상기 모드 로커와 연결되고, 상기 레이저의 편광을 조절하는 편광 조절기, 상기 편광 조절기와 연결되고, 상기 레이저를 분기하는 커플러, 상기 커플러와 연결되고, 상기 레이저의 역류를 방지하는 고립기, 및 상기 증폭기, 상기 모드 로커, 상기 편광 조절기, 상기 커플러 및 상기 고립기를 상호 연결하는 광섬유를 포함하고, 상기 모드 로커는 상기의 제조 방법에 따른 모드 로커로 구성되며, 레이저 펄스를 형성하도록 적용된 펄스 레이저 장치인 것을 특징으로 한다.

Description

그래핀/폴리머 복합체가 증착된 모드 로커의 제조 방법 및 이를 이용한 펄스 레이저 장치{Method for Manufacturing Mode-Locker Based on Graphene/Polymer Composite, and Its Application to Pulsed Lasers}
본 발명은 레이저의 펄스 형성을 위한 그래핀/폴리머 복합체의 제조와 이의 광학적 비선형성을 이용한 펄스 형성기의 제조, 그리고 이를 이용한 초고속 펄스 레이저의 제조 방법에 관한 것이다.
수동 모드 잠김(mode-lcking)을 이용한 초고속 펄스 레이저는 지난 10년간 빠르게 개발되어 왔으며, 나노 단위의 크기와 우수한 광학적 비선형 특성을 지닌 탄소 나노 튜브(Carbon nanotube; 이하 CNT)가 소개되어 종래의 반도체 기반 포화 흡수 거울(semiconductor based saturable absorber mirrors; 이하 SESAM)을 대체함으로써 그 패러다임 상승이 가속되었다.
불행히도 이를 응용하는데 있어서 CNT는 여전히 높은 비표면적으로부터 야기되는 응집이 비선형성의 저하를 가져올 수 있고, 나노 구조에 대한 비틀림과 직경 제어가 어려워 이를 이용한 밴드갭(bandgap) 조절이 어려운 단점이 있다.
이에 최근에 탄소 원자의 단일 층이 2차원 벌집 모양 결정 격자로 배열된 그래핀(Graphene)이 발견되면서 (1) 연속적이고 넓은 비선형 동작 스펙트럼, (2) 빠른 회복 시간(recovery time), (3) 포화흡수에 대한 낮은 문턱값(threshold). (4) 큰 강도 변조차, 그리고 (5) 단순화된 공정 등의 우수한 장점으로 인해 SESAM과 CNT를 대체할 수 있는 모드 로커(mode-locker) 물질로 촉망받고 있다.
그래핀이 모드 로커로 작용하기 위해서는 진행되는 빛과의 상호 작용을 위해 공진기 안에 그래핀이 삽입되어야 한다. 이를 위해, 기존의 연구에서는 수동 레이저 맥동을 이용한 에어로졸 분사(aerosol spraying), 화학적 증기 증착(chemical vapor deposition; CVD)에 의한 직접 합성 또는 고분자 매립(polymer embedment)과 같은 다양한 접근 방법이 이용되어 왔다.
그러나 이러한 방법들은 복잡하고 비효율적인 절차뿐 아니라, 매우 낮은 증착 효율 및 높은 비용에 대한 문제가 있다.
최근 어븀이 도핑된 광섬유 증폭기(Er-doped fiber laser; 이하 EDFA)로 증폭된 레이저 빔을 사용하여 광섬유 단면(facet) 또는 D 모양으로 연마된 광섬유의 측면에 카본 나노 구조를 증착하는 방법이 매우 간단하고 혁신적인 기술로 제시되었다. 이러한 증착 방법은 광학적으로 구동되어 효율적인 국소적 증착뿐만 아니라 나노 구조를 다루는데 있어서 매우 간단하고 안전한 방법의 제시가 가능하다. 불행히도, 그래핀의 경우 2차원 형태학적 특성 때문에 광학 증착하는 동안 나노 형상에 대한 왜곡 및 변형이 일어나게 되며, 이는 나노 형상과 직접적인 관계가 있는 광학적 비선형성의 저하로 이어져, 이에 대한 대책이 요구된다.
따라서, 본 발명은 전술한 문제점들을 해결하는 것을 목적으로 한다. 구체적으로, 본 발명은 폴리머와 그래핀을 유기 용매에 공통 용해함으로써 그래핀/폴리머 복합체를 제조할 수 있도록 하고, 이를 광학적 증착 방법에 의해 광섬유의 일부분에 증착하는데 있어서 그래핀의 변형을 최소화하도록 한다.
또한 본 발명은 그래핀/폴리머 복합체의 광학적 비선형성을 이용한 모드 로커를 제조하고, 이를 이용하여 펄스 레이저를 제작할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.
전술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 박리된 그래핀 산화물과 폴리머가 포함된 용액을 제조하는 단계; 및 상기 그래핀 산화물과 폴리머가 포함된 용액에 광섬유를 침수한 후, 상기 광섬유에 레이저를 인가하여, 상기 광섬유 끝단에 그래핀을 증착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 용액을 제조하는 단계는, 흑연 분말과 질산 나트륨을 황산에 용해하여 혼합물을 제조하는 단계; 상기 혼합물을 탈 이온수로 세척하는 단계; 상기 세척된 혼합물을 실온에서 건조시키는 단계; 상기 건조된 혼합물을 냉각된 황산에 분산시키는 단계; 상기 냉각된 황산에 분산된 혼합물에 과망산칼륨 또는 인산을 첨가하는 단계; 상기 과망산칼륨 또는 인산이 첨가된 혼합물을 여과시키는 단계; 상기 여과된 혼합물을 탈 이온수, 과산화수소수, 염화수소로 순차적으로 세척하는 단계; 상기 세척된 혼합물을 초음파 처리하는 단계; 상기 용액에 유기 용매와 하이드라진, 또는 암모니아와 하이드라진을 첨가하여 그래핀 산화물을 환원시키는 단계; 및 상기 그래핀 산화물이 환원된 용액에 폴리머를 첨가하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 유기 용매는, 디메틸포름아마이드인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 폴리머는, 유기 용매에 녹는 물질인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 유기 용매에 녹는 물질은, 폴리비닐아세테이트(PVAc)인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은, 상기의 방법에 의하여 제조된 모드 로커인 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명은, 레이저 공진 루프에서 전송되는 레이저를 증폭시키는 증폭기; 상기 증폭기와 연결되고, 상기 레이저를 펄스로 변환하는 모드 로커; 상기 모드 로커와 연결되고, 상기 레이저의 편광을 조절하는 편광 조절기; 상기 편광 조절기와 연결되고, 상기 레이저를 분기하는 커플러; 상기 커플러와 연결되고, 상기 레이저의 역류를 방지하는 고립기; 및 상기 증폭기, 상기 모드 로커, 상기 편광 조절기, 상기 커플러 및 상기 고립기를 상호 연결하는 광섬유를 포함하고, 상기 모드 로커는 상기에 따른 레이저 모드 로커로 구성되며, 레이저 펄스를 형성하도록 적용된 것임을 특징으로 한다.
본 발명은 폴리머가 그래핀의 광학적 증착시에 나노 구조에 가해지는 응력에 대한 완충 효과를 제공함으로써 그래핀의 변형 및 왜곡을 막을 수 있도록 한다.
또한 본 발명은 상기와 같이 폴리머가 완충 매체로의 중요한 역할을 함으로써 보존된 그래핀의 비선형성을 기반으로 초고속 레이저 펄스를 성공적으로 형성할 수 있도록 한다.
도 1은 포인트 밴드갭 구조를 가진 그래핀의 광흡수 특성을 개념적으로 나타낸다.
도 2는 광의 파장에 따른 그래핀 투과도를 나타낸 그래프이다.
도 3은 그래핀/폴리머 복합체를 제조하는 과정을 나타낸 흐름도이다.
도 4는 그래핀/폴리머 복합체의 광학 증착 과정을 개념적으로 나타낸 도면이다.
도 5는 순수한 그래핀과 그래핀/폴리머 복합체의 투과 전자 현미경 사진을 비교하여 나타낸 도면이다.
도 6은 순수한 그래핀과 그래핀/폴리머 복합체의 라만 분광 분석 결과를 비교하여 나타낸 도면이다.
도 7은 그래핀/폴리머 복합체가 광학적으로 증착된 모드 로커를 이용하여 레이저 공진기, 즉 레이저 펄스 장치를 구성한 예를 나타낸 도면이다.
도 8은 도 7에 도시된 공진기에 대해, 펄스가 형성된 레이저 출력단에서 측정된 스펙트럼을 나타낸 도면이다.
도 9는 도 7에 도시된 공진기에 대해, 출력된 펄스 열을 나타낸 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 발명의 사상을 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 발명의 사상이 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 됨을 유의해야 한다.
이하에서는 그래핀/폴리머 복합체 제조에 대한 설명을 하기 전에 그래핀이 모드 로커로 이용되는 기술적 배경에 대해 구체적으로 설명한다.
도 1은 포인트 밴드갭 구조를 가진 그래핀의 광흡수 특성을 개념적으로 나타낸다.
도 1의 좌측에는 광흡수 선형성을 나타내고, 도 1의 우측에는 포인트 밴드갭 구조를 가진 그래핀의 포화흡수 비선형성을 나타낸다. 도 1의 중앙에는 페르미-디락(Fermi-Dirac) 분배 함수와 상태 밀도를 조합하여 얻어진 전자 밀도[D(e)]를 나타낸다. 도 1의 좌측 및 우측의 회색 영역은 충전 상태를 의미한다.
도 1의 좌측에 도시한 바와 같이, 흡수되는 광자들의 양이 적은 경우, 전자는 원자가 전자대에 정공을 생성시키고, 광자의 파장에 해당되는 전도대의 특정 자리로 여기된다. 생성된 디락 페르미온(Dirac-fermion)들은 그래핀 표면의 플라스몬 또는 포논(phnon)과 에너지를 교환한다. 그 결과, 디락 페르미온들은 페르미-디락(Fermi-Dirac) 분포를 만족시킨다. 따라서 생성되는 정공과 전자들이 전자대와 전도대의 끝부분(edge)부터 점차 충전되어 충전된 에너지 밴드의 폭이 넓어지게 되는데, 이 경우 동일한 파장을 가진 광자를 흡수할 때 여기되는 전자가 차지할 자리가 이미 채워져 있을 경우에는 이 광자를 흡수할 수 없게 된다.
즉, 도 1의 우측에 도시한 바와 같이, 광자들의 양이 충분히 많은 경우, 생성된 캐리어(carrier; 전자와 정공)들은 에너지 밴드를 채우게 되고, 이어서 생성되는 캐리어들은 이미 밴드내에 포화 점유된 이전의 캐리어들의 파울리 배타원리에 의해 저지(Pauli blocking)되므로 여기되지 않는 에너지 상태로 남게 된다. 이렇게 그래핀에 의한 포화 흡수가 설명된다.
도 1의 중앙에 도시한 바와 같이, 에너지 밴드갭은 2차원 모멘텀 평면 및 에너지축으로 형성된 공간에서 디락콘(Dirac cone)으로서 도시된다. 그래핀에 의해 포화 흡수 상태가 되면서 에너지 밴드 내의 특정 부분에서 전자 밀도[D(e)]가 점차 늘어나는 것을 알 수 있다.
한편, 모드 로커를 사용하지 않고 기계적인 온/오프 스위칭 및 Q 스위칭을 이용하여 레이저 펄스를 생성할 수도 있다. 그러나 이 경우, 생성되는 레이저 펄스의 재현성이 저하되고, 펄스의 폭이 너무 넓어, 펨토초(10-15초)의 펄스를 형성하는 데 한계가 있다.
한편, 그래핀 대신에 탄소나노튜브(carbon nanotube, CNT)를 사용하는 경우, 탄소나노튜브가 높은 비표면적을 가지므로 탄소나노튜브가 상호 응집되어 그 비선형성이 저하된다. 그리고 탄소나노튜브의 재생 시간은 500fs 정도로서 그래핀보다 길다. 또한, 탄소나노튜브를 배열하기 어렵고, 탄소나노튜브의 비틀림 및 직경 제어가 어려워, 탄소나누튜브의 밴드갭 제어가 어렵다. 따라서 탄소나노튜브의 동작 대역폭이 제한되므로, 이를 해결하기 위해 다른 종류의 탄소나노튜브를 혼합하여 동작 대역폭을 증가시켜야 한다. 그러나 이 경우 모드 로커의 효율이 저하된다.
도 2는 광의 파장에 따른 그래핀의 투과도를 나타낸 그래프이다.
도 2에 도시한 바와 같이, 그래핀은 수 ㎛에 달하는 넓은 동작 대역을 가진다. 그래핀의 오염과 결정 격자의 공진 주파수에의 접근 등으로 인해 산란이 증가하므로, 실질적인 투과도는 저파장 영역에서 더욱 저하된다.
그래핀이 전술한 광대역 특성을 가지므로, 그래핀을 사용하여 모드 로커를 제조하는 것이 효율적인 레이저 펄스 형성에 바람직하다. 일반적으로, 그래핀은 탄소나노튜브에 비해 빠른 재생 시간(recovery time)을 가지고, 그 제조가 용이하며, 초광대역 동작 스펙트럼을 가지고 있어, 광대역 광신호를 용이하게 생성하고, 처리할 수 있다.
레이저 모드 로커로 그래핀을 사용하기 위해 일반적으로 그래핀층은 산화 그래핀을 환원하여 제조한다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 레이저 모드 로커로 사용되는 그래핀 층은 순수한 그래핀이 아닌 그래핀/폴리머 복합체를 형성하여 증착된다.
아래에서는, 본 발명의 실시 예에 따른 레이저 모드 로커로 사용하기 위한 그래핀/폴리머 복합체를 제조하는 방법을 구체적으로 설명한다.
도 3은 그래핀/폴리머 복합체를 제조하는 과정을 나타낸 흐름도이다.
도 3을 참조하면, 그래핀/폴리머 복합체를 형성하기 위한 제조 과정은, 박리된 그래핀 산화물이 포함된 용액을 제조하는 단계(s301 내지 s308)와 그 용액에 폴리머를 첨가하는 단계(s309)로 이루어진다.
도 3을 참조하여, 박리된 그래핀 산화물이 포함된 용액을 제조하는 단계(s301 내지 s308)를 구체적으로 설명한다.
박리된 그래핀 산화물은 흑연 분말로부터 modified Hummers method를 이용하여 제조될 수 있다.
흑연 분말은 질산나트륨(NaNO3)과 함께 황산(H2SO4)에 용해되고(s301), 탈 이온수(Deionized Water; 이하 DI)로 세척되어(s302) 그래핀 산화물(oxidized graphite)을 형성한다. 이는 실온에서 건조된 후(s303), 냉각된 황산(H2SO4)에 분산된다(s304).
그래핀 산화물이 분산된 황산에 과망산칼륨(KMnO4) 또는 인산(H3PO4)을 첨가하고 이를 여과시킨 후에(s305), 그래핀 산화물과 질산나트륨의 혼합물을 DI, 과산화수소수(H2O2), 염화수소(HCl)에 순서대로 세척한다(s306).
그 후 세척된 혼합물을 DI 내에서 초음파 처리하여(s307) 박리된 그래핀 산화물이 포함된 용액을 얻는다. 이 그래핀 산화물의 환원을 위해 유기 용매와 하이드라진(N2H4) 또는 암모니아(NH3)와 하이드라진(N2H4)을 첨가한다(s308). 그 후, 이 용액에 폴리머(PVAc 등)를 용해시켜 그래핀/폴리머 복합체를 얻는다(s309).
그래핀 산화물이 포함된 용액을 제조하는 데 있어서, 상기에서는 현재 가장 많이 사용되고 있는 modified Hummes method를 예로 들어 설명하였으나, 이러한 실시 예에 한정되지 않고 박리된 그래핀 산화물을 형성할 수 있는 것으로 당업자에게 자명한 다양한 방법에 의하여 용액을 제작할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 그래핀/폴리머 복합체 제조에 사용된 유기 용매는 디메틸포름아마이드(dimethylformamid; 이하 DMF)일 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따르면, 그래핀/폴리머 복합체에 사용된 폴리머는 폴리비닐아세테이트(PVAc)를 포함한 유기 용매에 녹는 물질일 수 있다. 그러나 PVAc뿐만 아니라 그래핀과 복합체로 제조되어 광학 증착 시에 그래핀의 변형 및/또는 왜곡을 억제시키는 작용을 할 수 있는 폴리머를 본 발명에 적용시킬 수 있으므로 특별한 제한을 두지 않는다.
도 4는 그래핀/폴리머 복합체의 광학 증착 과정을 개념적으로 나타낸 도면이다.
도 4를 참조하면, 단일 모드 광섬유(single mode fiber; 이하 SMF)의 끝 단면에 그래핀/PVAc 복합체의 광학적 증착을 위한 구체적인 실험 설정이 나타나 있다.
Distributed Feedback(DFB) 레이저로부터 출력된 1552.3 nm에서의 연속적 파형의 레이저는 C-band EDFA에 의해 증폭되고, 증폭 되어진 최종 출력 파워는 가변 감쇠기(tunable attenuator; tunable ATT)에 의해 조절되었다.
광섬유의 끝 단면에 그래핀/PVAc 복합체를 광학 증착하기 위해, 출력 포트의 끝 부분을 단순히 도 3에 나타난 방법에 의해 제조된 그래핀/PVAc 복합체 용액에 침수시킨다.
구비된 회로에 의해 광섬유에 그래핀/PVAc 복합체를 증착시킨 결과, 레이저의 파워(power)가 19 dBm에서 22 dBm으로 증가될 때, 광섬유의 끝 부분에 증착되는 복합체의 양은 증가했지만, 광섬유의 중심 부분에 증착되는 양은 오히려 감소하였다. 따라서 최적 출력 20.5 dBm에서 복합체가 광섬유 중심 부분에 최대로 증착됨을 확인하고, 이 세기의 레이저 빔을 이용하여 광섬유 끝 단면에 순수한 그래핀과 그래핀/PVAc 복합체를 각각 증착하여 실험을 진행하며 두 가지 경우에 대하여 특성을 비교하였다.
도 4를 참조하면, 광학 증착 과정을 이루는 세 가지 메커니즘이 나타난다.
구체적으로, 세 가지 메커니즘은 (1) 레이저 빔의 세기 변화도와 그래핀/PVAc 복합체의 쌍극자 모멘트 간 상호작용으로 인해 발생하는 광학적 포집(optical trapping), (2) 그래핀/PVAc 복합체가 포함된 용액이 레이저 에너지에 의해 부분적으로 가열되면서 형성되는 열에 의한 대류 흐름(Thermal convection flow), 그리고 (3) 차가운 광섬유 표면과 레이저에 의해 가열된 뜨거운 액체 간 온도 구배에 의해 나노 시트가 이동하면서 일어나는 열확산(Thermodiffusion)이다.
이때 광학적 포집에서, 레이저의 강도와 경사도에 각각 비례하는 산란힘과 경사힘의 두 가지 주요한 힘이 고려될 수 있다.
위의 세 가지 메커니즘에 의해 레이저 빔이 출력되는 광 섬유를 그래핀/PVAc 복합체가 포함된 용액에 침수시키는 것만으로 광섬유 끝 단면에 그래핀/PVAc 복합체가 증착된다.
그러나 상기의 메커니즘에 의하지 않은 광학적 증착 방법으로 동일한 증착 결과를 나타내는 방법에 의하는 경우 역시 본 발명이 적용될 수 있으며, 상기의 메커니즘에 의한 광학 증착 방법에 특별히 한정하지 않는다.
도 5는 순수한 그래핀과 그래핀/폴리머 복합체의 투과 전자 현미경(Transmission Electron Microscope; 이하 TEM) 사진을 나타낸 도면이다.
도 5의 (a)는 순수한 그래핀을 증착시켰을 때의 나노 형태가 나타나 있다.
도 5의 (b)는 그래핀/폴리머 복합체를 증착시켰을 때의 나노 형태가 나타나 있다.
도 5을 참조하면, 순수 그래핀의 경우와 다르게, 그래핀/폴리머 복합체는 그래핀의 광학적 비선형 특성에 상당히 중요한 영향을 미칠 수 있는 나노 구조의 변형 없이 안정된 나노 시트 조직의 형태를 보여준다. 접히거나 포개진 나노 시트는 그래핀의 비선형 강도를 극적으로 감소시키는 문제를 야기할 수 있다. 따라서 나노 시트의 포개짐이나 나노 구조의 변형 없이 안정하게 증착된 그래핀/폴리머 복합체의 경우, 그래핀의 비선형성을 보존할 수 있음이 증명된다.
도 5의 (c)는 증착 조건의 최적화에 의한 복합체의 광섬유 중심 부분의 증착을 보여준다.
도 5의 (c)를 참조하면, 그래핀/폴리머 복합체를 레이저에 적용시키기 전에, 증착된 복합체의 투과도 특성이 나타난다. 구체적으로 복합체의 경우, 비선형 동작을 위한 넓은 밴드폭을 가질 뿐만 아니라, 결정의 코히어런스 길이에 의존된 산란 현상(crystal-coherence-length dependent light scattering)을 볼 수 있다.
도 6은 순수한 그래핀과 그래핀/폴리머 복합체의 라만 분광 분석 결과를 나타낸 도면이다.
도 6을 참조하면, 라만 분광법(Raman spectroscopy)을 이용하여 증착된 순수한 그래핀과 그래핀/PVAc 복합체를 각각 분석하였다.
라만 분광 측정에서의 스펙트럼은 광섬유의 코어(core)에 레이저 파워 0.5mW를 갖는 아르곤-이온 레이저(argon-ion laser)의 514.5 nm 라인을 사용한 경계 조건에서 모아졌다.
스펙트럼을 분석하면, 1582 cm-1 근방에 위치한 G-피크는 광자의 자극으로인해 브릴루인 영역(brillouin zone) 중심에서 생겨나고, 1350 cm-1 근방에 위치한 D-피크는 탄소 기저 평면 격자의 결함에 의존하여 생겨난다. G-피크에 대한 D-피크의 높은 상대적 강도는 그래핀 격자에서 높은 결함 밀도를 나타낸다.
도 6의 (a)는 광섬유 코어 영역에 증착된 순수한 그래핀의 측정된 스펙트럼을 나타낸다. 순수한 그래핀의 상대적 강도는 ID/IG = 1.15이다.
도 6의 (b)는 광섬유 코어 영역에 증착된 그래핀/PVAc 복합체의 측정된 스펙트럼을 나타낸다. 그래핀/PVAc 복합체의 상대적 강도는 ID/IG = 0.09이다.
이렇게 순수 그래핀의 상대적 강도가 그래핀/PVAc 복합체의 값보다 높은 것은, 증착된 순수 그래핀이 복합체보다 높은 결함 밀도를 갖는다는 것을 나타낸다. 이는 그래핀/폴리머 복합체가 포함된 용액에 추가된 PVAc가 그래핀에 폴리머 버퍼를 제공하고, 따라서 그래핀 시트의 변형을 억제하고 그래핀 층 사이의 결정면 간 거리를 증가시킴으로써 낮은 결함 밀도를 유지시킨다는 것으로 분석된다.
도 7은 그래핀/폴리머 복합체가 광학적으로 증착된 모드 로커를 이용하여 레이저 공진기, 즉 레이저 펄스 장치를 구성한 예를 나타낸 도면이다.
도 7에 도시한 바와 같이, 레이저 펄스 장치(70)는 증폭기(71), 모드 로커(mode-locker)(72), 편광 조절기(73), 커플러(coupler)(74), 고립기(isolator)(75) 및 단일 모드 광섬유(SMF)(76)를 포함한다. 이외에, 레이저 펄스 장치(70)는 필요에 따라 다른 장치들을 더 포함할 수 있다.
도 7에 도시한 바와 같이, 증폭기(31), 모드 로커(72), 편광 조절기(73), 커플러(74) 및 단일 모드 광섬유(SMF)(76)는 레이저 공진 루프를 형성한다. 레이저는 화살표 방향을 따라 흐르면서 전송된다.
증폭기(71)는 레이저 공진기 내의 이득(gain)을 제공한다. 예를 들면, 증폭기(71)로서 EDFA(Er-doped fiber amplifier)를 사용할 수 있다.
도 7에 도시한 바와 같이, 모드 로커(72)는 광섬유(77)를 통하여 진행되는 연속파(continuous wave; CW) 레이저를 펄스로 바꿔준다.
모드 로커(72)는 본 발명에 의해 광학적으로 증착된 그래핀/폴리머 복합체층을 포함한다. 상기 설명된 그래핀의 밴드 구조상의 특성을 이용하여 레이저 펄스의 광대역 동작을 구현할 수 있다.
다수의 모드들이 레이저 공진 루프에서 발생하는데, 여기서 각 모드들은 상호 독립적으로 발진한다. 그러나 모드 로커(72)에서 공진 조건을 변화시켜서 각 모드들이 일정한 위상 관계를 가지도록 하는 경우, 매우 짧은 폭을 가진 펄스들이 일정 시간 간격마다 생성된다.
편광 조절기(73)는 광섬유(77)를 통하여 모드 로커(72)와 연결된다. 편광 조절기(73)는 진행되는 레이저의 편광을 조절하여 모드 잠김의 최적 조건을 찾는다.
도 7에 도시한 바와 같이, 커플러(74)는 광섬유(77)를 통하여 증폭기(71)로부터 전송받은 레이저 펄스를 분기시킨다. 분기된 레이저 펄스는 고립기(35)로 전송되고, 다른 분기된 레이저 펄스는 다시 광섬유(77)를 통하여 편광 조절기(73)로 전송된다. 예를 들면, 커플러(74)는 90/10 커플러를 이용할 수 있다.
한편, 고립기(75)는 전송받은 레이저 펄스가 역류되지 않도록 하므로, 레이저는 한 방향으로만 진행하게 된다.
광섬유(77)는 증폭기(71), 모드 로커(72), 편광 조절기(73), 커플러(74) 및 고립기(75)를 상호 연결시킨다.
전술한 레이저 펄스 장치(70)를 이용하여 레이저 펄스를 효율적으로 생성시킬 수 있다. 레이저 공진 루프를 통해 펄스가 형성되는 기구는, 모드 로커(72)를 직접 투과하면서 레이저 펄스를 형성하는 경우, 또는 소실장(evanescent field)과 그래핀/폴리머 복합체층이 작용하여 모드의 일부 에너지만 사용하여 레이저 펄스를 형성하는 경우일 수 있다.
레이저의 공진기 내 색분산(chromatic dispersion) 값은 추가적 단일 모드 광섬유(SMF)(76) 없이 최적화되었다.
도 7에 도시된 공진기(70)를 이용하여 실험한 결과, 순수 그래핀이 광섬유 끝 단면에 광학적으로 증착되고 레이저 공진기(70)에 삽입되었을 때, 어떠한 펄스도 얻어지지 않았다.
그러나 순수 그래핀이 그래핀/PVAc 복합체로 치환되었을 때, 이전과 동일한 공진기 조건에서 그래핀의 포화 흡수에 의한 레이저 펄스 형성을 보여줌으로써 PVAc의 역할을 명백하게 보여주었다.
상대적으로 순수 그래핀의 경우, 광학 증착되었을 때 나노 구조의 비선형 특성을 결과적으로 저하시키는 결함 밀도와 그래핀의 왜곡된 에너지 밴드 구조가 증가하게 되는데, 이는 그래핀 격자의 손상 및 변형으로부터 야기된다.
그러나, 그래핀/PVAc 복합체가 증착될 때 PVAc는 그래핀 시트의 원래 형태를 보존하도록 돕고, 이로써 그래핀의 광학적 비선형성을 보존한다. 또한 PVAc 코팅은 라만 분광법에 의해 확인된 것처럼, 결함 밀도가 감소된 그래핀 시트 사이의 층간 거리를 증가시켜 펄스가 높은 비선형 강도 변조차와 함께 레이저 펄스의 형성을 더욱 실현 가능하도록 형성될 수 있게 한다.
도 8은 도 7에 도시된 공진기에 대해, 펄스가 형성된 레이저 출력단에서 측정된 스펙트럼을 나타낸 도면이다.
도 8을 참조하면, 그래핀/PVAc 복합체를 사용한 광섬유 모드 로커에 의해 공진기(70)의 출력단에서 성공적으로 획득된 펄스의 스펙트럼을 볼 수 있다.
스펙트럼은 1572.6 nm의 중심 파장과 0.6 nm의 스펙트럼 대역폭을 가지며, 반복 비율은 91.5 MHz 였으나, 이것은 하나의 실시 예에 해당한다.
도 9는 도 7에 도시된 공진기에 대해, 출력된 펄스 열을 나타낸 도면이다.
도 9를 참조하면 광학적으로 증착된 그래핀/PVAc 층은 스펙트럼 반복률이 91.5 MHz를 갖는 출력 펄스 열을 보였다.
도 9에 나타난 바와 같이 그래핀/PVAc 기반의 모드 로커로 동작하는 공진기의 출력은 안정된 레이저 펄스를 보였다.
70: 공진기
71: 증폭기
72: 모드 로커
73: 편광 조절기
74: 커플러
75: 고립기
76: 단일 모드 광섬유
77: 광섬유

Claims (7)

  1. 박리된 그래핀 산화물과 폴리머가 포함된 용액을 제조하는 단계; 및
    상기 그래핀 산화물과 폴리머가 포함된 용액에 광섬유를 침수한 후, 상기 광섬유에 레이저를 인가하여, 상기 광섬유 끝단에 그래핀을 증착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 모드 로커의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서, 용액을 제조하는 단계는,
    흑연 분말과 질산 나트륨을 황산에 용해하여 혼합물을 제조하는 단계;
    상기 혼합물을 탈 이온수로 세척하는 단계;
    상기 세척된 혼합물을 실온에서 건조시키는 단계;
    상기 건조된 혼합물을 냉각된 황산에 분산시키는 단계;
    상기 냉각된 황산에 분산된 혼합물에 과망산칼륨 또는 인산을 첨가하는 단계;
    상기 과망산칼륨 또는 인산이 첨가된 혼합물을 여과시키는 단계;
    상기 여과된 혼합물을 탈 이온수, 과산화수소수, 염화수소로 순차적으로 세척하는 단계;
    상기 세척된 혼합물을 초음파 처리하는 단계;
    상기 용액에 유기 용매와 하이드라진 또는 암모니아와 하이드라진을 첨가하여 그래핀 산화물을 환원시키는 단계; 및
    상기 그래핀 산화물이 환원된 용액에 폴리머를 첨가하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 모드 로커의 제조 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 유기 용매는,
    디메틸포름아마이드인 것을 특징으로 하는 모드 로커의 제조 방법.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 폴리머는,
    유기 용매에 녹는 물질인 것을 특징으로 하는 모드 로커의 제조 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 유기 용매에 녹는 물질은,
    폴리비닐아세테이트(PVAc)인 것을 특징으로 하는 모드 로커의 제조 방법.
  6. 삭제
  7. 삭제
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