KR101753484B1 - 비결맞음 광학적 되먹임을 이용한 외부 공진기형 반도체 레이저 주파수 안정화 장치 - Google Patents

비결맞음 광학적 되먹임을 이용한 외부 공진기형 반도체 레이저 주파수 안정화 장치 Download PDF

Info

Publication number
KR101753484B1
KR101753484B1 KR1020150149674A KR20150149674A KR101753484B1 KR 101753484 B1 KR101753484 B1 KR 101753484B1 KR 1020150149674 A KR1020150149674 A KR 1020150149674A KR 20150149674 A KR20150149674 A KR 20150149674A KR 101753484 B1 KR101753484 B1 KR 101753484B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
laser
resonator type
external resonator
semiconductor laser
frequency
Prior art date
Application number
KR1020150149674A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20170048948A (ko
Inventor
임신혁
김태현
이상경
Original Assignee
국방과학연구소
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 국방과학연구소 filed Critical 국방과학연구소
Priority to KR1020150149674A priority Critical patent/KR101753484B1/ko
Publication of KR20170048948A publication Critical patent/KR20170048948A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101753484B1 publication Critical patent/KR101753484B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/06—Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium
    • H01S5/068—Stabilisation of laser output parameters
    • H01S5/0683—Stabilisation of laser output parameters by monitoring the optical output parameters
    • H01S5/0687—Stabilising the frequency of the laser
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/10—Beam splitting or combining systems
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/005—Optical components external to the laser cavity, specially adapted therefor, e.g. for homogenisation or merging of the beams or for manipulating laser pulses, e.g. pulse shaping
    • H01S5/0071—Optical components external to the laser cavity, specially adapted therefor, e.g. for homogenisation or merging of the beams or for manipulating laser pulses, e.g. pulse shaping for beam steering, e.g. using a mirror outside the cavity to change the beam direction
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/005—Optical components external to the laser cavity, specially adapted therefor, e.g. for homogenisation or merging of the beams or for manipulating laser pulses, e.g. pulse shaping
    • H01S5/0085—Optical components external to the laser cavity, specially adapted therefor, e.g. for homogenisation or merging of the beams or for manipulating laser pulses, e.g. pulse shaping for modulating the output, i.e. the laser beam is modulated outside the laser cavity
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/06—Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium
    • H01S5/062—Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium by varying the potential of the electrodes
    • H01S5/06233—Controlling other output parameters than intensity or frequency
    • H01S5/06236—Controlling other output parameters than intensity or frequency controlling the polarisation, e.g. TM/TE polarisation switching
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/06—Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium
    • H01S5/062—Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium by varying the potential of the electrodes
    • H01S5/0625—Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium by varying the potential of the electrodes in multi-section lasers
    • H01S5/06255—Controlling the frequency of the radiation
    • H01S5/06256—Controlling the frequency of the radiation with DBR-structure
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/06—Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium
    • H01S5/062—Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium by varying the potential of the electrodes
    • H01S5/0625—Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium by varying the potential of the electrodes in multi-section lasers
    • H01S5/06255—Controlling the frequency of the radiation
    • H01S5/06258—Controlling the frequency of the radiation with DFB-structure
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/12—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region the resonator having a periodic structure, e.g. in distributed feedback [DFB] lasers
    • H01S5/125—Distributed Bragg reflector [DBR] lasers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/18—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities
    • H01S5/183—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL]

Abstract

본 발명은 외부 공진기형 반도체 레이저 주파수 안정화 기술에 관한 것으로, 더 상세하게는 포화 흡수 분광 신호를 통과한 광선의 비결맞음 광학적 되먹임 기술을 이용한 외부 공진기형 반도체 레이저 주파수 안정화 장치에 대한 것이다.

Description

비결맞음 광학적 되먹임을 이용한 외부 공진기형 반도체 레이저 주파수 안정화 장치{Apparatus for frequency stabilization of extended-cavity diode laser based on incoherent optical feedback}
본 발명은 외부 공진기형 반도체 레이저 주파수 안정화 기술에 관한 것으로, 더 상세하게는 포화 흡수 분광 신호를 통과한 광선의 비결맞음 광학적 되먹임 기술을 이용한 외부 공진기형 반도체 레이저 주파수 안정화 장치에 대한 것이다.
외부 공진기형 반도체 레이저(extended-cavity diode laser)는 일반적으로 광원인 반도체 레이저와 외부 공진기를 이루는 회절격자(diffraction grating)로 구성되어 있다.
이러한 외부 공진기형 반도체 레이저는 선폭이 좁고, 주파수 안정성이 뛰어나 원자 시계(atomic clock), 원자 간섭계(atom interferometry) 등과 같은 분야에서 활발히 사용되고 있다. 이를 위해선, 레이저의 주파수를 해당 분야에서 사용하고 있는 원자의 전이선에 안정화하여야 하며, 일반적으로 포화 흡수 분광(saturated absorption sepctroscopy)을 이용한다.
해당 원자가 들어있는 증기셀(vapor cell)에 외부 공진기형 반도체 레이저에서 나온 레이저 빔을 조사한다. 파워가 상대적으로 센 레이저 빔을 증기셀을 기준으로 반대 방향에서 조사한다. 두 레이저 빔은 공간적으로 정확하게 겹쳐야 한다. 레이저 빔의 주파수가 원자의 전이선 근처에 오면 원자는 레이저 빔을 흡수하여 들뜬 상태(excited state)로 올라갔다가 자발방출(spontaneous emission)에 의해 다시 빔을 사방으로 방출한다.
증기셀을 통과한 레이저 빔을 광검출기(photo detector)로 검출하면 레이저 빔의 주파수 변화에 따른 흡수신호가 나타난다. 이 신호의 선폭은 대략 500 MHz이다. 또한 포화 흡수 분광을 통해서 원자의 전이선에서는 상대적으로 흡수가 감소하는 신호가 나타난다. 이 신호의 선폭은 대략 6MHz 이다.
해당 신호는 주파수 변화에 따른 레이저 빔의 흡수가 일부 구간에서 선형적인 관계를 갖는다. 광검출기에서 나온 신호를 서보 박스(servo box)를 거쳐 반도체 레이저의 주입전류(injection current)에 에러 신호(error signal)로 되먹임되거나, 회절격자의 위치를 보정하는 압전 변환기(piezo-electric transducer)에 되먹임되어 외부 공진기형 반도체 레이저의 주파수를 원자의 전이선에 안정화한다. 이를 보여주는 개념이 도 1에 도시된다.
도 1을 참조하면, 광원으로 사용되는 반도체 레이저(131), 회절격자(132), 압전 변환기(piezo-electric transducer)(133)로 구성되는 외부 공진기형 다이오드 레이저(ECDL: polarization-locked external cavity diode laser)(130), 광학 고립기(isolator)(140), 반파장판(half wave plate)(150-1, 150-2), 편광 파워 분배기(160-1,160-2), 증기셀(170), 광검출기(110), 서보 박스(120), 전류 공급기(112), 반사판(180-1,180-2) 등을 포함하여 구성되어 있다.
반도체 레이저(131)로부터 나온 레이저 빔은 회절격자(132)를 통해 일부 파워가 되먹임되어 외부 공진기를 형성한다. 회절격자(132)와 반도체 레이저(131) 사이의 공진기 길이는 회절격자 뒷면에 부착되어 있는 압전 변환기(piezo-electric transducer)(133)에 가해지는 인가전압을 통해 조절한다.
회절격자에서 나온 레이저 빔은 광학 고립기(140)를 거쳐 여러 가지 실험에 사용된다. 레이저 빔의 일부 파워를 뽑아서 포화 흡수 분광 셋업으로 보낸다. 반파장판1(150-1)과 편광 파워 분배기1(160-1)을 통해서 증기셀(170)에 들어가는 조사광(제 1 반사판(180-1)로부터 증기셀(170)로 입사되는 광을 일컫는다)과 펌핑광(제 2 편광 파워 분배기(160-2)로부터 증기셀(170)로 입사되는 광을 일컫는다)의 파워를 조절한다. 편광 파워 분배기1(160-1)을 통과한 레이저 빔은 조사광의 역할을 하며, 증기셀(170)을 지나 광검출기(110)에 입사한다. 편광 파워 분배기1(160-1)에서 반사한 레이저 빔은 펌핑광의 역할을 한다.
조사광과 펌핑광이 증기셀(170)을 기준으로 서로 반대방향으로 입사하기 때문에, 레이저 빔은 특정 속도 성분을 갖는 원자를 선택할 수 있다. 외부 공진기형 반도체 레이저의 주파수를 스캔하면 도 4와 같은 흡수 신호가 나온다. 도플러 효과에 의한 선폭이 넓은 흡수 신호 가운데, 포화 흡수 분광에 의한 좁은 선폭을 갖는 신호가 나타난다.
광검출기(110)에서 검출된 흡수신호는 서보 박스(120)를 거쳐 에러 신호로 변환되어 반도체 레이저의 주입전류를 조절하는 전류 공급기(112)와 압전 변환기(133)에 전압 신호로 인가하여 외부 공진기형 반도체 레이저의 주파수를 해당 신호에 안정화한다.
위에 기술된 바와 같이 전기적 되먹임을 이용한 주파수 안정화는 서보 박스의 구성이 복잡해지며, 전력소비가 많고, 전체적인 장치의 소형화에 제약을 준다. 예를 들어, 초소형 원자 시계의 경우 레이저와 증기셀로 구성되어있는 물리부보다 전자회로부가 더 많은 부피를 차지한다.
또한, 전기적 되먹임을 이용한 주파수 안정화는 전력 소모가 끊임없이 이루어지고, 서보 박스와 같은 전자회로가 항상 따라다녀야 하는 단점이 있다.
1. 한국공개특허번호 제10-20060114699호
1. 신은주, "두 대의 외부 공진기형 다이오드 레이저의 위상 동기화"한국표준과학연구원 2003년 2. 윤두성외, "87Rb 원자의 고 분해능 주파수 변조전달 분광신호를 이용한 외부 공진기형 반도체 레이저 주파수 안정화"한국광학회 2007년도 하계학술발표회 논문집, 2007.7, 113-114 3. A. F. A. da Rocha, P. C. S. Segundo, M. Chevrollier, and M. Oria, "Diode laser coupled to an atomic line by incoherent optical negative feedback", Appl. Phys. Lett, 84, 2, (2004) 4. J. Houlihan, G. Huyet, and J. G. McInerney, "Dynamics of a semiconductor laser with incoherent optical feedback", Opt, Commun, 199 (2001)
본 발명은 위 배경기술에 따른 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 전기적 되먹임 없이 광학적 되먹임만으로 외부 공진기형 반도체 레이저의 주파수를 원자 전이선에 안정화하는 비결맞음 광학적 되먹임을 이용한 외부 공진기형 반도체 레이저 주파수 안정화 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 위에서 제시된 과제를 달성하기 위해, 전기적 되먹임 없이 광학적 되먹임만으로 외부 공진기형 반도체 레이저의 주파수를 원자 전이선에 안정화하는 비결맞음 광학적 되먹임을 이용한 외부 공진기형 반도체 레이저 주파수 안정화 장치를 제공한다.
상기 외부 공진기형 반도체 레이저 주파수 안정화 장치는,
비결맞음 광학적 되먹임을 통해 광원으로부터 레이저 빔을 생성하는 외부 공진기형 다이오드 레이저;
상기 레이저 빔을 한쪽 방향으로 만 진행하도록 레이저 편향 빔으로 변환하는 광학 고립기;
상기 레이저 편향 빔을 외부로 출력함과 동시에 상기 외부 공진기형 다이오드 레이저측에 출력하는 광 스플리터; 및
상기 레이저 편향 빔을 반사시켜 상기 외부 공진기형 다이오드 레이저에 되먹임으로 입사시키는 한 쌍의 반사판;을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 외부 공진기형 반도체 레이저는, 상기 한 쌍의 반사판으로부터 입사된 레이저 편향 빔이 상기 레이저 빔과 수직하게 되먹임하는 편광 파워 분배기;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 외부 공진기형 반도체 레이저 주파수 안정화 장치는, 상기 한 쌍의 반사판 중 어느 하나의 반사판과 상기 편광 파워 분배기 사이에 놓이는 반파장판;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
다른 한편으로, 본 발명의 다른 일실시예는, 포화 흡수 분광 신호의 비결맞음 광학적 되먹임을 통해 광원으로부터 레이저 빔을 생성하는 외부 공진기형 다이오드 레이저; 상기 레이저 빔을 한쪽 방향으로 만 진행하도록 레이저 편향 빔으로 변환하는 광학 고립기; 상기 레이저 편향 빔을 외부로 출력함과 동시에 상기 외부 공진기형 다이오드 레이저측에 출력하는 제 1 광 스플리터; 상기 레이저 편향 빔을 내부에 설치되는 포화 흡수 분광 셋업에 통과시켜 상기 포화 흡수 분광 신호를 생성하는 증기셀; 및 상기 증기셀의 양측에 설치되며, 상기 포화 흡수 분광 신호를 반사시켜 상기 외부 공진기형 다이오드 레이저에 되먹임으로 입사시키는 한 쌍의 반사판;을 포함하는 것을 특징으로 하는 비결맞음 광학적 되먹임을 이용한 외부 공진기형 반도체 레이저 주파수 안정화 장치를 제공할 수 있다.
이때, 상기 외부 공진기형 반도체 레이저는, 상기 한 쌍의 반사판으로부터 입사된 포화 흡수 분광 신호가 상기 레이저 빔과 수직하게 되먹임하는 제 1 편광 파워 분배기;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 외부 공진기형 반도체 레이저는, 상기 증기셀로부터 입사된 포화 흡수 분광 신호를 다시 상기 증기셀로 입사하는 제 2 편광 파워 분배기;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 외부 공진기형 반도체 레이저 주파수 안정화 장치는, 상기 한 쌍의 반사판 중 어느 하나의 반사판과 상기 편광 파워 분배기 사이에 놓이는 제 1 반파장판;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 외부 공진기형 반도체 레이저 주파수 안정화 장치는, 상기 한 쌍의 반사판 사이에 놓이며 상기 제 2 편광 파워 분배기로부터 상기 포화 흡수 분광 신호를 반사하는 제 3 반사판; 상기 제 2 편광 파워 분배기와 제 3 상기 반사판 사이에 놓이며, 반사된 포화 흡수 분광 신호에 반파장을 변화시키는 제 1 반파장판; 및 반파장 변환된 포화 흡수 분광 신호를 상기 한 쌍의 반사판 중 다른 하나의 반사판에 입사하는 제 2 광 스플리터;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
이때, 상기 광원의 주파수와 상기 포화 흡수 분광 신호의 주파수에 대한 변화값이 서로 상쇄되도록 상기 증기셀의 온도 및 되먹임되는 레이저 빔의 세기를 미리 설정된 값으로 변경하여 상기 레이저 빔의 안정화를 수행하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 광원은, 반도체 레이저, VECSEL(Vertical External Cavity Surface-Emitting Laser), DFB(Distributed FeedBack), DBR(Distributed Bragg-Reflector) 레이저 중 어느 하나인 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명에 의하면 추가적인 전자회로를 사용하지 않고 외부공진기형 반도체 레이저의 주파수를 안정화할 수 있어, 장치의 추가적인 소형화가 가능하고, 전력소비를 줄일 수 있으며 주파수 안정화의 장기 안정도를 개선할 수 있다.
도 1은 종래기술에서 실시한 포화 흡수 분광 신호의 전기적 되먹임을 이용한 외부 공진기형 반도체 레이저의 주파수 안정화를 나타내는 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 비결맞음 광학적 되먹임을 이용한 외부 공진기형 반도체 레이저 주파수 안정화 장치(200)의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 다른 일실시예에 따른 포화 흡수 분광 신호의 비결맞음 광학적 되먹임을 이용한 외부 공진기형 반도체 레이저 주파수 안정화(300)의 구성도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 포화 흡수 분광 신호와 비결맞음 광학적 되먹임을 이용한 외부 공진기형 반도체 레이저의 주파수 안정화가 가능한 구간을 나타내는 개념도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 구체적으로 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용한다.
제 1, 제 2등의 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 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다. "및/또는" 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않아야 한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 비결맞음 광학적 되먹임을 이용한 외부 공진기형 반도체 레이저 주파수 안정화 장치를 상세하게 설명하기로 한다.
본 발명의 일실시예에서는 포화흡수분광 셋업의 증기셀을 통과한 광선을 반도체 레이저에 직접 되먹임하는 방법을 사용한다. 공진기에 의한 효과를 제거하기 위해 되먹임하는 광선의 편광을 수직으로 돌려 입사시킨다.
특히, 반도체 레이저는 되먹임되는 광선의 파워에 따라 주파수가 변하는 특징이 있다. 포화 흡수 분광 신호는 원자의 전이선에서 투과하는 광선의 파워가 급격히 바뀌는 현상이 나타난다. 위의 두 가지 특징을 조합하여 광학적 되먹임만으로 외부 공진기형 반도체 레이저의 주파수를 안정화하는 장치를 제안한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 비결맞음 광학적 되먹임을 이용한 외부 공진기형 반도체 레이저 주파수 안정화 장치(200)의 구성도이다. 도 2를 참조하면, 외부 공진기형 반도체 레이저 주파수 안정화 장치(200)는, 외부 공진기형 다이오드 레이저(ECDL: polarization-locked external cavity diode laser)(230), 광학 고립기(isolator)(240), 광 스플리터(290), 제 1 및 제 2 반사판(280-1,280-2), 반파장판(half wave plate)(250), 서보 박스(120), 전류 공급기(112) 등을 포함하여 구성된다.
외부 공진기형 다이오드 레이저(230)는, 광원(231), 회절격자(232), 압전 변환기(piezo-electric transducer)(233), 편광 파워 분배기(PBS: Polarizing Beam Splitters)(260) 등을 포함하여 구성된다.
여기서, 광원(231)은 반도체 레이저, VECSEL(Vertical External Cavity Surface-Emitting Laser), DFB(Distributed FeedBack), DBR(Distributed Bragg-Reflector) 레이저 등이 사용될 수 있다.
광원(231)으로부터 나온 레이저 빔은 회절격자(232)를 통해 일부 파워가 되먹임되어 외부 공진기를 형성한다. 회절격자(232)와 반도체 레이저(231) 사이의 공진기 길이는 회절격자 뒷면에 부착되어 있는 압전 변환기(piezo-electric transducer)(233)에 가해지는 인가전압을 통해 조절한다.
외부 공진기형 반도체 레이저(ECDL: polarization-locked external cavity diode laser)의 경우, 공진 주파수는 다음 수학식과 같다.
Figure 112015104459115-pat00001
여기서,
Figure 112015104459115-pat00002
은 정수로
Figure 112015104459115-pat00003
번째 발진 주파수는
Figure 112015104459115-pat00004
으로 표현한다.
Figure 112015104459115-pat00005
는 레이저 빔의 속도,
Figure 112015104459115-pat00006
은 반도체 레이저의 굴절률,
Figure 112015104459115-pat00007
은 반도체 레이저의 길이,
Figure 112015104459115-pat00008
는 반도체 레이저로부터 회절격자까지의 길이를 나타낸다.
Figure 112015104459115-pat00009
는 주파수 편차(frequency offset)를 나타낸다.
따라서, 비결맞음 광학적 되먹임을 하면 반도체 레이저의 굴절률은 커지고 식 1에 따라 공진 주파수는 낮아진다. 이를 포화 흡수 분광 신호에 적용하면 도3과 같다. 도 3에 대하여는 후술하기로 한다.
도 2를 계속 참조하면, 제 2 반사판(280-2)으로부터 입사된 레이저 편향 빔이 편광 파워 분배기(260)를 통해서 상기 광원(231)로부터 출력되는 레이저 빔과 수직하게 되먹임된다.
회절격자(232)에서 나온 레이저 빔은 광학 고립기(240) 및 광 스플리터(290)를 거쳐 제 1 반사판(280-1)과 외부에 출력되며, 여러 가지 실험에 사용된다. 물론, 광학 고립기(240)에서 레이저 빔은 한쪽 방향으로만 진행되도록 레이저 편향 빔으로 변환된다.
레이저 편향 빔은 제 1 반사판(280-1), 제 2 반사판(280-2), 및 반파장판(250)을 통해 편광 파워 분배기(260)로 되먹임 입사된다.
서보 박스(120)에서 광원(231)측으로 향하는 주입전류를 조절하는 전류 공급기(112)를 제어한다. 또한, 서보 박스(120)는 압전 변환기(233)에 전압 신호로 인가하여 외부 공진기형 반도체 레이저의 주파수를 해당 신호에 안정화한다.
부연하면, 본 발명의 일실시예에서는 광학적으로 되먹임되는 레이저 빔의 편광을 수직으로 하여 외부 공진기형 다이오드 레이저(230)에 주입되는 레이저 빔의 파워에 따라 주파수가 변경된다.
도 3은 본 발명의 다른 일실시예에 따른 포화 흡수 분광 신호의 비결맞음 광학적 되먹임을 이용한 외부 공진기형 반도체 레이저 주파수 안정화(300)의 구성도이다. 도 3을 참조하면, 도 2와 구성이 유사하며, 포화흡수 분광 신호의 비결맞음 광학적 되먹임을 이용하여 외부 공진기형 반도체 레이저의 주파수 안정화를 위해 증기 셀(370), 제 2 반파장판(350-2), 제 2 편광 파워 분배기(360-2), 제 3 반사판(380-3), 제 2 광 스플리터(390-2) 등이 추가로 구성된다.
도 3을 참조하면, 조사광을 광검출기로 검출하지 않고 제 1 편광 파워 분배기(360-1)를 통해 외부 공진기형 다이오드 레이저(330)에 비결맞음 광학적 되먹임을 한다. 즉, 증기 셀(370)이 들어있는 포화 흡수 분광 셋업을 통과한 조사광(또는 레이저 빔)은 주파수 변화에 따라 도 4와 같은 파워 변화를 갖는다. 그렇기 때문에 주파수 변화에 따라 특정 기울기 부호를 갖는 구간에 외부 공진기형 반도체 레이저의 주파수를 두면, 레이저의 주파수는 스스로 안정화한다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 포화 흡수 분광 신호와 비결맞음 광학적 되먹임을 이용한 외부 공진기형 반도체 레이저의 주파수 안정화가 가능한 구간을 나타내는 개념도이다. 도 4를 참조하면, 예를 들어 제 1 구간(441)에 레이저의 주파수가 있다고 하면, 어떤 변화에 의해 레이저의 주파수가 커지면 증기셀을 통과하는 조사광의 파워는 증가하고 이는 되먹임되는 레이저 빔의 파워 증가를 의미한다.
되먹임되는 파워가 늘어나면 반도체 레이저의 굴절률은 커지고, 식 1에 의해 레이저의 주파수는 작아진다. 두 주파수 변화값이 서로 상쇄가 되도록 증기셀(도 3의 370)의 온도 및/또는 조사광의 세기를 조절하면 외부 공진기형 반도체 레이저의 주파수는 포화흡수분광 신호의 비결맞음 광학적 되먹임에 의해 안정화된다.
부연하면, 도 1에서 기술한 바와 같이, 파장판과 편광 파워 분배기가 제 2 광 스플리터(390-2)에 구성되어 제 1 반사판(380-1)으로부터 증기 셀(370)로 입사되는 조사광의 세기를 조절하게 된다.
또한, 증기셀의 온도 조절은 증기셀(370)에 히터를 구성하여 약 50도 내지 60도 정도 온도를 증가시킨다. 증기셀의 온도가 증가하면 증기셀내 입자 활동이 증가하게 되므로 레이저의 굴절률이 커져 주파수가 안정화될 수 있다. 즉, 온도가 증가하면 도 4에 도시된 그래프에서 오목한 부분이 아래쪽으로 더 깊어지고, 기둥 부분(444)이 더 커지게 된다.
한편, 제 2 구간(442)에 레이저의 주파수가 있다고 하면, 어떤 변화에 의해 레이저의 주파수가 커지면 증기셀을 통과하는 조사광의 파워는 줄어들고 이는 되먹임되는 레이저 빔의 파워 감소를 의미한다. 되먹임되는 파워가 줄어들면 반도체 레이저의 굴절률은 작아지고, 식 1에 의해 레이저의 주파수는 늘어난다.
그렇기 때문에 제 2 구간(442)에서는 비결맞음 광학적 되먹임에 의해 외부 공진기형 반도체 레이저의 주파수를 안정화할 수 없다. 신호의 선폭이 더 좁은 제 3 구간(443)에서도 주파수 안정화 할 수 있다.
위와 같이 포화흡수분광신호의 비결맞음 광학적 되먹임에 의하여 외부 공진기형 반도체 레이저의 주파수를 효과적으로 안정화할 수 있다. 광학적 되먹임을 사용하기 때문에 광검출기가 불필요하고, 서보 박스의 구성을 단순화 및/또는 전력소비를 줄일 수 있다.
131,231,331....반도체 레이저(diode laser)
132,232,332....회절격자(diffraction grating)
133,233,333....압전 변환기(piezo-electric transducer)
140,240,340....광학 고립기(optical isolator)
170,370....증기셀(vapor cell)
110....광 검출기(photo detector)
120....서보 박스(servo box)
112....전류공급장치(current supply)

Claims (10)

  1. 비결맞음 광학적 되먹임을 통해 광원으로부터 레이저 빔을 생성하는 외부 공진기형 다이오드 레이저;
    상기 레이저 빔을 한쪽 방향으로 만 진행하도록 레이저 편향 빔으로 변환하는 광학 고립기;
    상기 레이저 편향 빔을 외부로 출력함과 동시에 상기 외부 공진기형 다이오드 레이저측에 출력하는 광 스플리터; 및
    상기 레이저 편향 빔을 반사시켜 상기 외부 공진기형 다이오드 레이저에 되먹임으로 입사시키는 한 쌍의 반사판;을 포함하며,
    상기 외부 공진기형 반도체 레이저는, 상기 한 쌍의 반사판으로부터 입사된 레이저 편향 빔이 상기 레이저 빔과 수직하게 되먹임하는 편광 파워 분배기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 비결맞음 광학적 되먹임을 이용한 외부 공진기형 반도체 레이저 주파수 안정화 장치.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 한 쌍의 반사판 중 어느 하나의 반사판과 상기 편광 파워 분배기 사이에 놓이는 반파장판;를 포함하는 것을 특징으로 하는 비결맞음 광학적 되먹임을 이용한 외부 공진기형 반도체 레이저 주파수 안정화 장치.
  4. 포화 흡수 분광 신호의 비결맞음 광학적 되먹임을 통해 광원으로부터 레이저 빔을 생성하는 외부 공진기형 다이오드 레이저;
    상기 레이저 빔을 한쪽 방향으로 만 진행하도록 레이저 편향 빔으로 변환하는 광학 고립기;
    상기 레이저 편향 빔을 외부로 출력함과 동시에 상기 외부 공진기형 다이오드 레이저측에 출력하는 제 1 광 스플리터;
    상기 레이저 편향 빔을 내부에 설치되는 포화 흡수 분광 셋업에 통과시켜 상기 포화 흡수 분광 신호를 생성하는 증기셀; 및
    상기 증기셀의 양측에 설치되며, 상기 포화 흡수 분광 신호를 반사시켜 상기 외부 공진기형 다이오드 레이저에 되먹임으로 입사시키는 한 쌍의 반사판;을 포함하며,
    상기 외부 공진기형 반도체 레이저는, 상기 한 쌍의 반사판으로부터 입사된 포화 흡수 분광 신호가 상기 레이저 빔과 수직하게 되먹임하는 제 1 편광 파워 분배기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 비결맞음 광학적 되먹임을 이용한 외부 공진기형 반도체 레이저 주파수 안정화 장치.
  5. 삭제
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 외부 공진기형 반도체 레이저는, 상기 증기셀로부터 입사된 포화 흡수 분광 신호를 다시 상기 증기셀로 입사하는 제 2 편광 파워 분배기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 비결맞음 광학적 되먹임을 이용한 외부 공진기형 반도체 레이저 주파수 안정화 장치.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 한 쌍의 반사판 중 어느 하나의 반사판과 상기 편광 파워 분배기 사이에 놓이는 제 1 반파장판;를 포함하는 것을 특징으로 하는 비결맞음 광학적 되먹임을 이용한 외부 공진기형 반도체 레이저 주파수 안정화 장치.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 한 쌍의 반사판 사이에 놓이며 상기 제 2 편광 파워 분배기로부터 상기 포화 흡수 분광 신호를 반사하는 제 3 반사판;
    상기 제 2 편광 파워 분배기와 제 3 상기 반사판 사이에 놓이며, 반사된 포화 흡수 분광 신호에 반파장을 변화시키는 제 1 반파장판; 및
    반파장 변환된 포화 흡수 분광 신호를 상기 한 쌍의 반사판 중 다른 하나의 반사판에 입사하는 제 2 광 스플리터;를 포함하는 것을 특징으로 하는 비결맞음 광학적 되먹임을 이용한 외부 공진기형 반도체 레이저 주파수 안정화 장치.
  9. 제 4 항에 있어서,
    상기 광원의 주파수와 상기 포화 흡수 분광 신호의 주파수에 대한 변화값이 서로 상쇄되도록 상기 증기셀의 온도 및 되먹임되는 레이저 빔의 세기를 미리 설정된 값으로 변경하여 상기 레이저 빔의 안정화를 수행하는 것을 특징으로 하는 비결맞음 광학적 되먹임을 이용한 외부 공진기형 반도체 레이저 주파수 안정화 장치.
  10. 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서,
    상기 광원은, 반도체 레이저, VECSEL(Vertical External Cavity Surface-Emitting Laser), DFB(Distributed FeedBack), DBR(Distributed Bragg-Reflector) 레이저 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 비결맞음 광학적 되먹임을 이용한 외부 공진기형 반도체 레이저 주파수 안정화 장치.
KR1020150149674A 2015-10-27 2015-10-27 비결맞음 광학적 되먹임을 이용한 외부 공진기형 반도체 레이저 주파수 안정화 장치 KR101753484B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020150149674A KR101753484B1 (ko) 2015-10-27 2015-10-27 비결맞음 광학적 되먹임을 이용한 외부 공진기형 반도체 레이저 주파수 안정화 장치

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020150149674A KR101753484B1 (ko) 2015-10-27 2015-10-27 비결맞음 광학적 되먹임을 이용한 외부 공진기형 반도체 레이저 주파수 안정화 장치

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20170048948A KR20170048948A (ko) 2017-05-10
KR101753484B1 true KR101753484B1 (ko) 2017-07-04

Family

ID=58743857

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020150149674A KR101753484B1 (ko) 2015-10-27 2015-10-27 비결맞음 광학적 되먹임을 이용한 외부 공진기형 반도체 레이저 주파수 안정화 장치

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101753484B1 (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20200113490A (ko) 2019-03-25 2020-10-07 국방과학연구소 알칼리 원자 시계 전이에 안정화된 양자 발진기 시스템

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005072103A (ja) * 2003-08-20 2005-03-17 National Institute Of Information & Communication Technology レーザー周波数安定化装置、及びレーザー周波数安定化方法

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005072103A (ja) * 2003-08-20 2005-03-17 National Institute Of Information & Communication Technology レーザー周波数安定化装置、及びレーザー周波数安定化方法

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20200113490A (ko) 2019-03-25 2020-10-07 국방과학연구소 알칼리 원자 시계 전이에 안정화된 양자 발진기 시스템

Also Published As

Publication number Publication date
KR20170048948A (ko) 2017-05-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10162021B2 (en) Magnetic field measurement device
AU2007302314B2 (en) Method and device for generating a synthetic wavelength
KR20080088440A (ko) 레이저광 발생 장치
Bertinetto et al. Frequency stabilization of DBR diode laser against Cs absorption lines at 852 nm using the modulation transfer method
Terra et al. An ultra-stable optical frequency standard for telecommunication purposes based upon the 5S 1/2→ 5D 5/2 two-photon transition in Rubidium
US8264284B2 (en) Atomic frequency acquisition device based on self-mixing interference
Eismann et al. Active and passive stabilization of a high-power violet frequency-doubled diode laser
Poulin et al. An absolute frequency reference at 192.6 THz (1556 nm) based on a two-photon absorption line of rubidium at 778 nm for WDM communication systems
Almat et al. Characterization of Frequency-Doubled 1.5-$\mu $ m Lasers for High-Performance Rb Clocks
KR101753484B1 (ko) 비결맞음 광학적 되먹임을 이용한 외부 공진기형 반도체 레이저 주파수 안정화 장치
JP2009141048A (ja) 光学系及び原子発振器
US10353270B2 (en) System and method for generating an optical frequency standard
JP7061620B2 (ja) テラヘルツレーザー源及びテラヘルツ放射を放出するための方法
Liu et al. Coherent combination of micropulse tapered amplifiers at 828 nm for direct-detection LIDAR applications
KR100559185B1 (ko) 전자기 유도 투과성을 이용하는 레이저 주파수 안정화방법 및 장치
Watkins et al. High power VCSEL devices for atomic clock applications
KR100917228B1 (ko) 반복율 가변 자발 수동 모드록 된 외부 공진형 반도체레이저
KR101987626B1 (ko) 원형 편광의 결합 광선을 이용한 레이저 주파수 안정화 방법 및 장치
KR100925782B1 (ko) 주파수 안정화 레이저 장치 및 레이저 주파수 안정화 방법
Kawai et al. Mode-hop-free operation of a distributed Bragg reflector diode laser in an external fiber-cavity configuration
Poulin et al. Progress in the realization of a frequency standard at 192.1 THz (1560.5 nm) using/sup 87/Rb D/sub 2/-line and second harmonic generation
Feng Laser Frequency Stabilization With Pound-Drever-Hall Technique
Traptilisa Characterization and development of an extended cavity tunable laser diode
Cheng et al. Absolute frequency measurement of molecular iodine hyperfine transition at 534 nm with a femtosecond optical comb
Xing et al. Design of digital Pound-Drever-Hall frequency stabilizing system for two-cavity dual-frequency Nd: YAG laser

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant