KR20140059676A - 원형 편광의 결합 광선을 이용한 레이저 주파수 안정화 방법 및 장치 - Google Patents

원형 편광의 결합 광선을 이용한 레이저 주파수 안정화 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명의 실시예는 원형 편광의 결합 광선을 이용한 레이저 빔 주파수 안정화 방법 및 장치에 관한 것이다.
본 발명의 실시예는, 제1 선형 편광으로 조사 레이저 빔을 방출하는 조사 레이저; 원형 편광으로 결합 레이저 빔을 방출하는 결합 레이저; 알칼리 원자 기체를 포함하여 상기 조사 레이저 빔과 상기 결합 레이저 빔을 중첩 입사하여 원자 전이선에 공진됨으로써 전자기 유도 투과성 현상이 일어나게 하여 투과빔을 방출하는 중첩매질; 및 상기 조사 레이저 빔을 투과하여 상기 중첩매질로 입사시키고 상기 중첩매질로부터 투과된 상기 투과빔이 입사되어 상기 제1 선형 편광에 수직한 제2 선형 편광의 빔을 반사하여 상기 조사레이저로 궤환하는 편광빔 분리기를 포함하되, 상기 조사 레이저는 상기 궤환된 빔의 세기에 따라 상기 조사 레이저 내의 광경로 길이를 변화시켜 상기 조사 레이저 빔의 주파수를 제어하는 레이저 주파수 잠금장치 및 방법을 제공한다.

Description

원형 편광의 결합 광선을 이용한 레이저 주파수 안정화 방법 및 장치{Method and Apparatus for Stabilzation of Laser Frequency using Circularly Polarized Coupling Beam}
본 발명의 실시예는 원형 편광의 결합 광선을 이용한 레이저 주파수 안정화 방법 및 장치에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 조사 레이저에서 나온 조사광을 전자기 유도 투과(Electromagnetically Induced Transparency: 이하 "EIT"라 한다)와 EIT에서의 유사 페러데이 효과 그리고 비결맞음 궤환(incoherent feedback)을 이용하여 결합 광과 조사광의 주파수를 원자의 초미세 준위(Hyperfine Level)에 해당하는 주파수 차이로 주파수 오프셋(Frequency Offset) 잠금이 일어나도록 하는 레이저 주파수 안정화 방법 및 장치에 관한 것이다.
이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 발명의 실시예에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 반드시 종래기술을 구성하는 것은 아니다.
레이저는 온도 변화, 역학적 진동, 전기적 잡음 등으로 인해 출력광의 주파수 선폭이 확대되고, 발진 주파수의 중심값도 천천히 표류하게 된다. 레이저의 주파수 안정화란 이러한 요인들을 제거 또는 보상하여 결과적으로 발진 주파수의 표류를 막고 발진 선폭도 축소시키는 것을 말한다.
레이저의 주파수 안정화는 궤환의 방법과 주파수 변별기 종류에 따라 여러 가지로 분류할 수 있다. 주파수 변별기로는 원자의 전이선과 기준공진기가 주로 이용되고 있고, 궤환의 방법으로는 광학적인 양궤환, 전기적인 부궤환이 주로 이용되고 있으나 본 발명에서는 광학적인 부궤환을 구현하였다.
원자의 전이선을 이용하면 절대적인 주파수 기준에 레이저의 주파수를 잠금시킬 수 있다는 장점이 있으며 원자 전이선에 잠금된 레이저는 주파수 표준, 계측학, 고감도 분석 및 광통신 분야에서 기초부터 응용에 걸친 다양한 분야에서 이용되어 왔다.
EIT란 공통 에너지 준위를 갖는 강한 결합광과 약한 조사광이 함께 원자에 입사했을 때, 조사광이 원자의 전이 주파수와 공진이 되더라도 원자에 의해 흡수되지 않고 투과하는 현상이다. 이러한 현상은 원자에너지 준위 사이의 결맞음(Atomic Coherent)으로 인하여 발생하며 조사광의 상쇄간섭의 결과라고 볼 수 있다. 이 때 매질은 공진 주파수에서 굴절률 변화가 크면서도 흡수가 없는 특성을 나타낸다. 이러한 특성으로 인해서 공진 주파수에서 굴절률 변화를 이용한 고굴절률 매질 생성, 고감도 자기장 측정장치, 밀도반전 없는 레이저(LWI), 양자 잡음 제거와 같은 다양한 이용이 가능하다.
이와 같은 레이저 주파수 안정화에 있어서는 주파수의 변이폭이 작도록 더욱 정밀하게 주파수를 안정화할 필요가 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 본 발명의 실시예는, 전자기 유도 투과성을 이용하여 알칼리 원자셀에서 조사 레이저 빔과 결합광선을 중첩시킨 후 알칼리 원자셀로부터 출력되는 빔을 조사 레이저로 궤환하여 조사 레이저 내의 광경로를 변화시켜 조사 레이저 빔의 주파수를 제어함으로써 조사 레이저 빔의 주파수를 안정화시키고자 하는 데에 주된 목적이 있다.
전술한 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 실시예는, 레이저 주파수 잠금장치에 있어서, 제1 선형 편광으로 조사 레이저 빔을 방출하는 조사 레이저; 원형 편광으로 결합 레이저 빔을 방출하는 결합 레이저; 알칼리 원자 기체를 포함하여 상기 조사 레이저 빔과 상기 결합 레이저 빔을 중첩 입사하여 원자 전이선에 공진됨으로써 전자기 유도 투과성 현상이 일어나게 하여 투과빔을 방출하는 중첩매질; 및 상기 조사 레이저 빔을 투과하여 상기 중첩매질로 입사시키고 상기 중첩매질로부터 투과된 상기 투과빔이 입사되어 상기 제1 선형 편광에 수직한 제2 선형 편광의 빔을 반사하여 상기 조사레이저로 궤환하는 편광빔 분리기를 포함하되, 상기 조사 레이저는 상기 궤환된 빔의 세기에 따라 상기 조사 레이저 내의 광경로 길이를 변화시켜 상기 조사 레이저 빔의 주파수를 제어하는 것을 특징으로 하는 레이저 주파수 잠금장치를 제공한다.
상기 중첩매질은 적어도 세개의 에너지 준위를 가지는 물질을 포함할 수 있다.
상기 조사 레이저는, 온도에 따른 광경로 길이가 변하는 재질을 포함하여 상기 궤환된 빔의 세기에 따라 상기 광경로 길이를 변화시키도록 할 수 있다.
상기 레이저 주파수 잠금장치는, 상기 중첩매질과 상기 편광빔 분리기 사이에 상기 투과빔의 편광을 일정 각도로 회전시키는 편광회전기를 더 포함할 수 있으며, 상기 편광회전기는, 상기 중첩매질과 상기 편광빔 분리기 사이에 상기 투과빔의 편광을 일정 각도로 회전시키되 상기 중첩매질로부터 상기 편광빔 분리기로 향하는 일정 방향의 빔만 통과시키는 광학 아이솔레이터를 포함할 수 있다.
상기 회전시키는 편광각의 크기 절대값은, 상기 중첩매질에서 상기 조사 레이저 빔과 상기 결합 레이저 빔의 주파수에 따라서 편광회전될 수 있는 최대 크기보다 크도록 설정할 수 있으며, 상기 회전시키는 편광의 방향은 (+) 방향일 수 있다.
상기 레이저 주파수 잠금장치는, 상기 편광빔 분리기와 상기 중첩매질 사이에 상기 조사 레이저 빔을 상기 중첩매질 방향으로 반사시키는 제1 미러; 및 상기 중첩매질과 상기 편광빔 분리기 사이에 상기 투과빔을 상기 편광빔 분리기 방향으로 반사하는 제2 미러를 더 포함할 수 있다.
상기 결합 레이저는, 상기 결합 레이저 빔을 상기 제1 미러를 관통하여 상기 중첩매질로 입사시키되, 상기 제1 미러는 반투과성 물질로 이루어지도록 할 수 있다.
상기 제1 선형 편광과 상기 제2 선형 편광은 서로 직교할 수 있으며, 상기 제1 선형 편광은 수평 편광이고, 상기 제2 선형 편광은 수직 편광일 수 있다.
전술한 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 실시예는, 레이저 주파수 잠금장치에 의한 레이저 주파수 잠금 방법에 있어서, 조사 레이저에서 제1 선형 편광으로 조사 레이저 빔을 방출하는 과정; 결합 레이저에서 원형 편광으로 결합 레이저 빔을 방출하는 과정; 적어도 세 개의 에너지 준위를 가지는 중첩매질에 상기 조사 레이저 빔과 상기 결합 레이저 빔을 중첩 입사하여 원자 전이선에 공진됨으로써 전자기 유도 투과성 현상이 일어나게 하여 투과빔을 방출하는 과정; 상기 투과빔이 상기 제1 선형 편광에 수직한 제2 선형 편광 성분을 상기 조사 레이저로 궤환시키는 과정; 및 상기 조사 레이저에서 상기 궤환된 빔의 세기에 따라 상기 조사 레이저 내의 광경로 길이를 변화시켜 상기 조사 레이저 빔의 주파수를 제어하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 주파수 잠금방법을 제공한다.
상기 조사 레이저로 궤환하는 과정은, 상기 투과빔의 편광을 일정 각도로 회전시킨 후 상기 제2 선형 편광 성분을 상기 조사 레이저로 궤환시킬 수 있으며, 상기 회전시키는 편광각의 크기 절대값은, 상기 중첩매질에서 상기 조사 레이저 빔과 상기 결합 레이저 빔의 주파수에 따라서 편광회전될 수 있는 최대 크기보다 크도록 설정할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 실시예에 의하면, 전자기 유도 투과성을 이용하여 알칼리 원자셀에서 조사 레이저 빔과 결합광선을 중첩시킨 후 알칼리 원자셀로부터 출력되는 빔을 조사 레이저로 궤환하여 조사 레이저 내의 광경로를 변화시켜 조사 레이저 빔의 주파수를 제어함으로써 조사 레이저 빔의 주파수를 안정화시키는 효과가 있다.
또한 본 발명의 실시예에 따른 EIT 신호의 광 궤환에 의하면 좁은 범위의 주파수를 제어할 수 있어 정밀하게 안정화된 주사 레이저 빔의 주파수 잠금을 실현할 수 있으며, 정밀하게 안정화된 주파수 잠금을 통하여 여러 응용 분야로의 적용이 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 조사 레이저 빔의 주파수 안정화 장치(100)를 예시한 도면이다.
도 2는 세슘의 에너지 준위 중 일부를 나타낸 도면이다.
도 3은 베이퍼 셀(160)에 입력되는 조사 레이저 빔 주파수와 결합광선의 주파수 차이가 도 2의 (fp - fc)으로부터 어느 정도 벗어나는지에 따른 투과되는 광선의 세기를 나타낸 도면이다.
도 4a는 베이퍼 셀(160)에 입력되는 조사 레이저 빔 주파수와 결합광선의 주파수 차이가 (fp - fc)으로부터 어느 정도 벗어나는지에 따른 투과되는 광선의 편광각의 크기를 나타낸 도면이고, 도 4b는 조사 레이저 빔 주파수와 결합광선의 주파수 차이가 (fp - fc)으로부터 어느 정도 벗어나는지에 따른 편광빔 분리기에 입사되는 투과빔의 편광각의 크기를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 조사 레이저 빔의 주파수 안정화 방법을 예시한 흐름도이다.
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 조사 레이저 빔의 주파수 안정화 장치(100)를 예시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 주파수 안정화 장치(100)는 조사 레이저(110), 편광빔 분리기(120), 제11미러(130), 제12미러(140), 결합 레이저(150), 베이퍼 셀(160), 제21미러(170) 및 광학 아이솔레이터(180)를 포함한다. 본 실시예에서 주파수 안정화 장치(100)가 조사 레이저(110), 편광빔 분리기(120), 제11미러(130), 제12미러(140), 결합 레이저(150), 베이퍼 셀(160), 제21미러(170) 및 광학 아이솔레이터(180)를 포함하여 구성하는 것으로 기재하고 있으나, 이는 본 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 주파수 안정화 장치(100)에 포함되는 구성 요소에 대하여 다양하게 수정 및 변형하여 적용 가능할 것이다.
조사 레이저(110)는 온도에 따라 광경로 길이가 변하는 물질(즉, 레이저 이득매질)을 포함하여 구성될 수 있으며, 예컨대 레이저 이득매질은, 희토류 첨가 광섬유, 염료 셀, 반도체 다이오드 증폭기, Nd-YAG 막대, Nd:유리 막대, 및 Nd 막대 등 중에서 선택된 적어도 어느 하나일 수 있으며, 위의 물질이 아니더라도 온도에 따라 광경로 길이가 변하도록 하는 것이 가능한 물질이면 위에 한정되지 않고 다양한 물질을 조사 레이저(110)의 재료로 사용할 수 있다.
조사 레이저(110)는 제1 선형 편광으로 조사 레이저 빔을 방출한다. 여기서 제1 선형 편광은 수평 편광 또는 수직 편광일 수 있으며, 이하의 설명에서는 수평 편광이 제1 선형 편광이고 제2 선형 편광이 수직 편광인 것으로 가정하여 설명한다.
편광빔 분리기(120)는 수평 편광은 투과하고 수직 편광은 반사하도록 구성되어 수평 편광을 갖는 조사 레이저 빔을 투과한다.
제12미러(140)는 편광빔 분리기(120)에서 투과된 조사레이저 빔을 반사시켜 베이퍼 셀(150)로 입사시킨다. 여기서 제12미러(140)는 본 발명의 제1미러를 구현한 실시예이다.
한편, 제12미러(140)로 입사되는 조사레이저 빔은 도 1에서와 같이, 편광빔 분리기(120)에서 투과된 조사 레이저 빔이 제11미러(130)로 입사되어 반사된 후 제12미러(140)로 전달되도록 구현할 수도 있다. 이하의 설명에서는 도 1과 같이 구성된 것을 가정하여 설명한다.
결합 레이저(150)는 원형 편광으로 결합 레이저 빔(즉, 결합 광선)을 방출한다.
베이퍼 셀(160)은 본 발명의 중첩매질을 구현한 것으로서 알칼리 원자 기체를 포함하여 조사 레이저 빔과 결합 레이저 빔을 중첩 입사하여 원자 전이선에 공진됨으로써 전자기 유도 투과성 현상이 일어나게 하여 투과빔을 방출한다. 즉, 여기서 투과빔은 조사 레이저 빔이 결합 레이저 빔에 의하여 전자기 유도 투과성 현상이 발생하면서 베이퍼 셀(160)에서 투과된 빔을 의미한다.
베이퍼 셀(160)은 세슘(Cs), 루비듐(Rb) 등의 알칼리성 금속의 원자 기체를 매질로 이용할 수 있으며, 세슘을 사용하는 경우 본 발명의 실시예에서 사용하는 조사 레이저(110) 및 결합 레이저(150)는 원자시계에 사용되는 발진기를 구성하는 데에 사용하기가 용이하다.
EIT는 3준위 원자계를 모형으로 도 2와 같은 람다(Λ) 형을 예로 들었으나, 실시에에 따라서는 사다리 형, 또는 브이(V) 형의 준위를 갖는 원자를 베이퍼 셀(160)에 사용할 수도 있다. 대부분의 람다 형 EIT 실험은 서로 수직하게 선편광된 결합광과 조사광을 사용하여 같은 방향으로 진행하도록 중첩시킨 다음, 원자가 들어있는 셀로 입사시키고, 투과된 광 중에서 결합광 성분을 편광기를 이용해서 분리하고 조사광의 투과 정도를 측정함으로써 이루어진다.
조사 레이저 빔과 중첩되어 베이퍼 셀(160)에 입사되는 결합광선을 발생하는 결합 레이저(150)는 결합광선의 광경로 상에 제12미러(140)가 위치하지 않도록 하되 결합광선의 광경로와 제12미러(140)의 위치를 최대한 근접시켜 조사 레이저 빔과 결합광선이 베이퍼 셀(160) 내에서 최대한 중첩되도록 할 수 있다.
또한, 조사 레이저 빔과 중첩되어 베이퍼 셀(160)에 입사되는 결합광선을 발생하는 결합 레이저(150)는 상기 결합 레이저 빔을 제12미러(140)를 관통하여 베이퍼 셀(160)로 입사시킬 수도 있다. 이 경우 제12미러(140)는 반투과성 물질로 이루어져서 제11미러(130)에서 반사된 조사 레이저 빔을 일부 반사시키고, 결합 레이저(150)에서 발생한 결합광선을 일부 투과시켜 베이퍼 셀(160)로 중첩시킨다.
도 2는 세슘의 에너지 준위 중 일부를 나타낸 도면이고, 도 3은 베이퍼 셀(160)에 입력되는 조사 레이저 빔 주파수와 결합광선의 주파수 차이가 도 2의 (fp - fc)으로부터 어느 정도 벗어나는지에 따른 투과되는 광선의 세기를 나타낸 도면이다.
베이퍼 셀(160)에 사용되는 원자는 일반적으로 적어도 세 개의 에너지 준위를 갖는 것을 사용한다.
도 2에 도시하듯이, 세슘 원자의 에너지 레벨은 안정된 바닥상태 두 개의 에너지 준위[|6S, F=4>, |6S, F=5>]와 여기 상태 한 개(|6P, F=4>)의 에너지 준위가 있다.
조사 레이저(110)에서 나온 조사 레이저 빔은 편광빔 분리기(120)를 통해서 알칼리 원자 셀(베이퍼 셀(160))에 입사되며, 조사 레이저 빔과 중첩되어 결합 레이저(150)에서 방출된 결합광선이 베이퍼 셀(160)에 입사된다. 조사 레이저 빔과 함께 중첩되어 입사되는 결합광선은 전이선 |6S,F=5>와 |6P,F=4> 사이의 에너지로 미리 주파수 안정화되도록 설정된다(즉, 결합광선의 주파수 = fc). 또한, 조사 레이저 빔의 주파수(조사 레이저 빔의 주파수 = fp)는 |6S,F=4>와 |6P,F=4> 사이의 에너지 주변에서 스캔되고 있다면, 베이퍼 셀(160)에서 투과되는 광선의 세기는 도 3과 같은 그래프가 된다.
도 3에 도시한 바와 같이, 조사 레이저 빔의 주파수에 따라 투과빔의 세기가 달라진다. 여기서 주파수가 0으로 표시된 지점(중심부분, 즉, 조사 레이저 빔의 주파수와 결합광선의 주파수 차이가 (fp - fc)로부터 어느 정도 벗어나는지를 나타내는 주파수)이 베이퍼 셀(160)의 투과빔의 중심 주파수 위치를 나타내 중심주파수를 기준으로 대칭된 형태로 파워가 작아졌다가 다시 커지는 특성을 보인다. 이와 같이 중심 부분(주파수 축에서 0으로 표시된 지점)에서 투과빔의 세기가 피크가 되는 지점이 조사 레이저 빔의 주파수와 결합광선의 주파수 차이가 (fp - fc)인 지점이 된다.
도 4a는 베이퍼 셀(160)에 입력되는 조사 레이저 빔 주파수와 결합광선의 주파수 차이가 (fp - fc)으로부터 어느 정도 벗어나는지에 따른 투과되는 광선의 편광각의 크기를 나타낸 도면이고, 도 4b는 조사 레이저 빔 주파수와 결합광선의 주파수 차이가 (fp - fc)으로부터 어느 정도 벗어나는지에 따른 편광빔 분리기에 입사되는 투과빔의 편광각의 크기를 나타낸 도면이다.
도 4a에서 편광각이 0°인 경우는 투과빔이 수평 편광 성분으로 이루어진다는 의미이다.
도 3의 세기와 도 4a의 편광을 가지는 투과빔은, 베이퍼 셀(160)과 편광빔 분리기(120) 사이에 위치한 제21미러(170)에서 반사되어 편광빔 분리기(120) 방향으로 입사시킨다. 여기서 제21미러(170)는 본 발명의 제2미러를 구현한 실시예이다.
결합광선의 편광이 원형이기 때문에 조사 레이저 빔의 편광은 원자의 전이선 근처에서 도 4a와 같이 회전하게 된다. 이와 같이 원형 편광의 결합광선에 의해 주사 레이저 빔의 입사된 수평 편광에 대비해서, 조사 레이저 빔의 주파수와 결합광선의 주파수 차이에 따라서 베이퍼 셀(160)에서 투과되는 조사 레이저 빔의 편광각이 회전하게 된다. 즉, 조사 레이저 빔의 주파수와 결합광선의 주파수의 차이가 정확히 (fp - fc)인 경우에는 투과빔이 편광 회전되는 각의 크기는 0°가 된다. 하지만 조사 레이저 빔의 주파수와 결합광선의 주파수의 차이가 (fp - fc) 보다 커지는 경우에 투과빔이 편광회전되는 각의 크기는 (+)가 되고, 조사 레이저 빔의 주파수와 결합광선의 주파수의 차이가 (fp - fc) 보다 작아지는 경우에 투과빔이 편광회전되는 각의 크기는 (-)가 된다. 따라서, 주파수에 따라서 편광이 회전된 투과빔을 조사 레이저(110)로 궤환하면 조사 레이저 빔의 주파수를 결합광선의 주파수와 원자의 에너지 준위 차이에 해당하는 주파수 차이만큼 정밀하게 안정화할 수 있다.
주파수 안정화 장치(100)는 베이퍼 셀(160)과 편광빔 분리기(120) 사이에 투과빔의 편광을 일정 각도로 회전시키되 베이퍼 셀(160)로부터 편광빔 분리기(120)로 향하는 일정 방향의 빔만 통과시키는 광학 아이솔레이터(180)를 포함할 수 있다. 즉, 광학 아이솔레이터(180)는 편광빔 분리기(120)로부터 입사되는 빛을 걸러내어 제21미러(170)에서 반사된 투과빔에 대하여 편광빔 분리기(120) 방향의 빔만 통과시키면서 편광을 회전시킨다.
또한, 주파수 안정화 장치(100)는 광학 아이솔레이터(180) 대신 편광회전기(도시하지 않음)로 대체될 수도 있다. 여기서, 편광회전기(도시하지 않음)는 베이퍼 셀(160)과 편광빔 분리기(120) 사이에 투과빔의 편광을 일정 각도로 회전시키는 기능을 하되, 광학 아이솔레이터(180)와 다른 점은 일정 방향의 빔을 통과시키는 기능은 없다는 점이다.
광학 아이솔레이터(180) 또는 편광회전기(도시하지 않음)에서 편광 회전시키는 크기의 절대값은 결합광선에 의해 편광회전될 수 있는 피크치((fp - fc)가 0인 지점 근처의 편광각 피크치)보다 크도록 설정한다. 예컨대 일반적으로 조사 레이점 빔이 결합광선에 의해 편광회전될 수 있는 최대 각도가 베이퍼 셀(160)의 길이 등에 따라 다르기는 하나 보통 절대값 10° 이내가 되도록 설정하는 것이 일반적이며 광학 아이솔레이터(180) 또는 편광회전기(도시하지 않음)에서 편광 회전시키는 각의 크기 절대값은 그보다 큰 값을 갖도록 설정한다(예컨대 45°). 또한, (fp - fc)가 0인 지점 근처에서 투과빔의 주파수가 클수록 투과빔의 편광 크기가 크므로, 이를 제어하기 위하여 광학 아이솔레이터(180) 또는 편광회전기(도시하지 않음)에서 편광 회전 방향은 (+) 방향인 것이 바람직하다. 따라서 광학 아이솔레이터(180) 또는 편광회전기(도시하지 않음)에서 편광 회전시키는 크기는 레이저 조사 빔의 입사되는 수평 편광을 기준으로 +45° 정도로 설정한다.
따라서, 조사 레이저 빔의 주파수와 결합광선의 주파수의 차이에 따른 편광빔 분리기(120)로 입사되는 투과빔의 편광 각도는 도 4b와 같다.
편광빔 분리기(120)로 입사되는 투과빔은 편광빔 분리기(120)를 거쳐 제2 선형 편광(즉, 수직 편광) 성분이 반사되어 조사 레이저(110)로 입사된다. 전술하였듯이, 제1 선형 편광(즉, 수평 편광)에 직교하는 제2 선형 편광(즉, 수직 편광)은 편광빔 분리기(120)에서 반사된다.
편광빔 분리기(120)에서 반사되어 조사 레이저(110)로 궤환되는 빔은 조사 레이저(110)에서 방출되는 빔(조사 레이저 빔)과 편광이 서로 직교하는 관계가 된다. 따라서 베이퍼 셀(160)에 입사된 조사 레이저 빔에 편광이 발생하여 투과되는 투과빔에 수직 편광 성분이 많아질수록 조사 레이저(110)로 궤환된 빔의 세기는 커진다. 즉, 투과빔의 수직 편광 성분이 많아질수록 수직 편광 성분을 반사하는 편광빔 분리기(120)에서 조사 레이저(110)로 반사되는 성분이 많아지므로 조사 레이저(110)로 궤환되는 빔의 세기는 세진다.
따라서, 도 4b에서 주파수가 0으로 표시된 지점(즉, 조사 레이저 빔의 주파수와 결합광선의 주파수의 차이가 (fp - fc)인 지점)을 기준으로 우측으로 조사 레이저 빔의 주파수가 이동할수록 편광이 커지고 따라서 조사 레이저(110)로 궤환되는 빔의 세기도 커진다. 이와 같이 궤환되는 빔의 세기가 커질수록 조사 레이저(110) 내부의 온도가 올라가게 되고, 조사 레이저(110) 내부의 온도가 올라가게 되면 조사 레이저(110) 내부는 광경로가 길어지게 되어 방출되는 조사 레이저 빔의 주파수가 작아진다.
반대로, 주파수가 0으로 표시된 지점(조사 레이저 빔의 주파수와 결합광선의 주파수의 차이가 (fp - fc)인 지점)을 기준으로 좌측으로 조사 레이저 빔의 주파수가 이동할수록 편광이 작아지고 따라서 조사 레이저(110)로 궤환되는 빔의 세기는 작아진다. 이와 같이 궤환되는 빔의 세기가 작아질수록 조사 레이저(110) 내부의 온도가 내려가게 되고, 조사 레이저(110) 내부의 온도가 내려가게 되면 조사 레이저(110) 내부는 광경로가 짧아지게 되어 방출되는 조사 레이저 빔의 주파수가 커진다.
전술한 바와 같이, 조사 레이저 빔의 주파수와 결합광선의 주파수의 차이가 (fp - fc)인가 여부를 기준으로 투과빔의 편광 크기를 설명하였다. 그러나, 결합광선의 주파수가 일정한 값을 갖도록 제어되어 입력되는 것이 일반적이므로, 이 경우, 투과빔의 편광 크기는 조사 레이저 빔의 주파수에 따라서 결정된다.
이와 같이 조사 레이저(110)는 궤환된 빔의 세기에 따라 광경로 길이를 변화시켜 조사 레이저 빔의 주파수를 제어하게 되며, 제어되는 조사 레이저(110)의 주파수는 도 4a의 (-)피크치인 경우의 주파수와 (+)피크치인 경우의 주파수 사이에서 제어될 수 있다. 여기서 제어되는 조사 레이저(110) 빔의 주파수 폭은 약 1 MHz가 되도록 제어한다.
한편, 조사 레이저(110)의 구성 예를 보면, 두 개 이상의 반사경을 포함하는 레이저 공진기 내부에 레이저 이득매질(미도시)이 놓여 있고, 이득 매질에 대한 외부에서의 에너지 공급, 즉 펌핑에 의해 레이저 이득 매질이 빛을 방출하며 이 빛이 레이저 공진기에 의해 증폭되어 레이저로서 발진하게 된다. 이때 온도에 따라 레이저 이들매질에서 발생하는 주파수에 변화가 생기며, 일반적으로 온도가 높을수록 광경로가 길어져서 주파수가 상대적으로 작은 레이저 빔이 발생하고 온도가 낮을수록 광경로가 짧아져서 주파수가 상대적으로 큰 레이저 빔이 발생한다. 온도에 따라 조사 레이저(110)에서 발생하는 조사 레이저 빔의 주파수가 변화하는 것은 공지 기술이므로 상세한 설명은 생략한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 조사 레이저 빔의 주파수 안정화 방법을 예시한 흐름도이다.
레이저 주파수 잠금장치에 의한 레이저 주파수 잠금 방법은, 온도에 따른 광경로 길이가 변하는 재질을 포함하는 조사 레이저(110)에서 제1 선형 편광(예컨대 수평 편광)으로 조사 레이저 빔을 방출하는 과정(S510), 결합 레이저(120)에서 원형 편광으로 결합 레이저 빔을 방출하는 과정(S520), 적어도 세 개의 에너지 준위를 가지는 베이퍼 셀(160)에 편광빔 분리기(120)를 거쳐 수평편광 성분이 투과된 조사 레이저 빔과 원형 편광의 결합 레이저 빔을 중첩 입사하여 원자 전이선에 공진됨으로써 전자기 유도 투과성 현상이 일어나게 하여 투과빔을 방출하는 과정(S530), 베이퍼 셀(160)의 투과빔이 제1 선형 편광에 수직한 제2 선형 편광 성분을 조사 레이저(110)로 궤환하는 과정(S540) 및 조사 레이저(110)에서 궤환된 빔의 세기에 따라 광경로 길이를 변화시켜 조사 레이저 빔의 주파수를 제어하는 과정(S550)을 포함하여 구성될 수 있다.
전술하였듯이, 조사 레이저(110)로 궤환하는 과정(S540)에서는, 편광회전기(도시하지 않음) 등을 이용하여 투과빔의 편광을 일정 각도로 회전시킨 후 수직편광 성분을 편광빔 분리기(120)에 의해 반사시켜 조사 레이저(110)로 궤환시킨다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예는 전자기 유도 투과성을 이용하여 알칼리 원자셀에서 조사 레이저 빔과 결합광선을 중첩시킨 후 알칼리 원자셀에서 출력되는 빔을 조사 레이저에게 궤환하여 조사 레이저 빔의 주파수를 제어함으로써 조사 레이저 빔의 주파수를 정밀하게 안정화할 수 있어 유용한 발명이다.

Claims (14)

  1. 레이저 주파수 잠금장치에 있어서,
    제1 선형 편광으로 조사 레이저 빔을 방출하는 조사 레이저;
    원형 편광으로 결합 레이저 빔을 방출하는 결합 레이저;
    알칼리 원자 기체를 포함하여 상기 조사 레이저 빔과 상기 결합 레이저 빔을 중첩 입사하여 원자 전이선에 공진됨으로써 전자기 유도 투과성 현상이 일어나게 하여 투과빔을 방출하는 중첩매질; 및
    상기 조사 레이저 빔을 투과하여 상기 중첩매질로 입사시키고 상기 중첩매질로부터 투과된 상기 투과빔이 입사되어 상기 제1 선형 편광에 수직한 제2 선형 편광의 빔을 반사하여 상기 조사레이저로 궤환하는 편광빔 분리기
    를 포함하되,
    상기 조사 레이저는 상기 궤환된 빔의 세기에 따라 상기 조사 레이저 내의 광경로 길이를 변화시켜 상기 조사 레이저 빔의 주파수를 제어하는 것을 특징으로 하는 레이저 주파수 잠금장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 중첩매질은 적어도 세개의 에너지 준위를 가지는 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 주파수 잠금장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 조사 레이저는, 온도에 따른 광경로 길이가 변하는 재질을 포함하여 상기 궤환된 빔의 세기에 따라 상기 광경로 길이를 변화시키는 것을 특징으로 하는 레이저 주파수 잠금장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 레이저 주파수 잠금장치는,
    상기 중첩매질과 상기 편광빔 분리기 사이에 상기 투과빔의 편광을 일정 각도로 회전시키는 편광회전기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 주파수 잠금장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 편광회전기는,
    상기 중첩매질과 상기 편광빔 분리기 사이에 상기 투과빔의 편광을 일정 각도로 회전시키되 상기 중첩매질로부터 상기 편광빔 분리기로 향하는 일정 방향의 빔만 통과시키는 광학 아이솔레이터를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 주파수 잠금장치.
  6. 제 4항 또는 제 5항에 있어서,
    상기 회전시키는 편광각의 크기 절대값은, 상기 중첩매질에서 상기 조사 레이저 빔과 상기 결합 레이저 빔의 주파수에 따라서 편광회전될 수 있는 최대 크기보다 크도록 설정하는 것을 특징으로 하는 레이저 주파수 잠금장치.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 회전시키는 편광의 방향은 (+) 방향인 것을 특징으로 하는 레이저 주파수 잠금장치.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 레이저 주파수 잠금장치는,
    상기 편광빔 분리기와 상기 중첩매질 사이에 상기 조사 레이저 빔을 상기 중첩매질 방향으로 반사시키는 제1 미러; 및
    상기 중첩매질과 상기 편광빔 분리기 사이에 상기 투과빔을 상기 편광빔 분리기 방향으로 반사하는 제2 미러를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 주파수 잠금장치.
  9. 제 6항에 있어서,
    상기 결합 레이저는, 상기 결합 레이저 빔을 상기 제1 미러를 관통하여 상기 중첩매질로 입사시키되,
    상기 제1 미러는 반투과성 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 레이저 주파수 잠금장치.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 선형 편광은 수평 편광이고, 상기 제2 선형 편광은 수직 편광인 것을 특징으로 하는 레이저 주파수 잠금장치.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 결합 레이저 빔의 주파수는 고정된 값을 갖도록 설정된 것을 특징으로 하는 레이저 주파수 잠금장치.
  12. 레이저 주파수 잠금장치에 의한 레이저 주파수 잠금 방법에 있어서,
    조사 레이저에서 제1 선형 편광으로 조사 레이저 빔을 방출하는 과정;
    결합 레이저에서 원형 편광으로 결합 레이저 빔을 방출하는 과정;
    적어도 세 개의 에너지 준위를 가지는 중첩매질에 상기 조사 레이저 빔과 상기 결합 레이저 빔을 중첩 입사하여 원자 전이선에 공진됨으로써 전자기 유도 투과성 현상이 일어나게 하여 투과빔을 방출하는 과정;
    상기 투과빔이 상기 제1 선형 편광에 수직한 제2 선형 편광 성분을 상기 조사 레이저로 궤환시키는 과정; 및
    상기 조사 레이저에서 상기 궤환된 빔의 세기에 따라 상기 조사 레이저 내의 광경로 길이를 변화시켜 상기 조사 레이저 빔의 주파수를 제어하는 과정
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 주파수 잠금방법.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 조사 레이저로 궤환하는 과정은,
    상기 투과빔의 편광을 일정 각도로 회전시킨 후 상기 제2 선형 편광 성분을 상기 조사 레이저로 궤환시키는 것을 특징으로 하는 레이저 주파수 잠금방법.
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 회전시키는 편광각의 크기 절대값은, 상기 중첩매질에서 상기 조사 레이저 빔과 상기 결합 레이저 빔의 주파수에 따라서 편광회전될 수 있는 최대 크기보다 크도록 설정하는 것을 특징으로 하는 레이저 주파수 잠금방법.
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