WO2013154232A1 - 자체상관기 - Google Patents

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WO2013154232A1
WO2013154232A1 PCT/KR2012/006036 KR2012006036W WO2013154232A1 WO 2013154232 A1 WO2013154232 A1 WO 2013154232A1 KR 2012006036 W KR2012006036 W KR 2012006036W WO 2013154232 A1 WO2013154232 A1 WO 2013154232A1
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WO
WIPO (PCT)
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wedge
light
light pulse
front surface
interferometer
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Ceased
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PCT/KR2012/006036
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English (en)
French (fr)
Inventor
김동언
안중권
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POSTECH Academy Industry Foundation
Original Assignee
POSTECH Academy Industry Foundation
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Ceased legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J11/00—Measuring the characteristics of individual optical pulses or of optical pulse trains
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J9/00—Measuring optical phase difference; Determining degree of coherence; Measuring optical wavelength
    • G01J9/02—Measuring optical phase difference; Determining degree of coherence; Measuring optical wavelength by interferometric methods
    • G—PHYSICS
    • G04—HOROLOGY
    • G04F—TIME-INTERVAL MEASURING
    • G04F13/00—Apparatus for measuring unknown time intervals by means not provided for in groups G04F5/00 - G04F10/00
    • G04F13/02—Apparatus for measuring unknown time intervals by means not provided for in groups G04F5/00 - G04F10/00 using optical means
    • G04F13/026—Measuring duration of ultra-short light pulses, e.g. in the pico-second range; particular detecting devices therefor

Definitions

  • the present invention relates to the measurement of light pulses, and more particularly, to a self-correlator for generating and measuring a self-correlation signal for ultrashort pulses.
  • An autocorrelator is a device for measuring short pulses below picoseconds that cannot be measured directly with optoelectronic devices. If the function of the time of the electric field of the light pulse is E (t), the autocorrelation Can generate self-correlation functions such as Here, ⁇ means a delay time. In addition, the autocorrelation function generated by the autocorrelator can be used to estimate the time width of the pulse used in the measurement.
  • the autocorrelator is divided into an interferometer part that divides the pulse into two parts so that each time delay can be adjusted, and a measurement part that generates and generates a second harmonic light using a nonlinear optical medium on the two generated pulses. Can be.
  • the conventional autocorrelator uses a Michelson interferometer 10 as part of the interferometer.
  • the light pulse incident on the Michelson interferometer is divided into two pulses by a beam-splitter 11.
  • the beam stopper 11 included in the Michelson interferometer may divide the beam at an angle of 90 degrees.
  • the beam divided by the beam splitter 11 may be reflected by the reflection mirror 12. That is, the Michelson interferometer may generate two pulses using two beam splitters 11 and four reflective mirrors 12.
  • two pulses generated by the Michelson interferometer may be converted into a second harmonic wave through the second harmonic medium 20.
  • the autocorrelator using the Michelson interferometer requires two beam splitters 11 and four reflective mirrors 12 to form a balanced interferometer. That is, since the fabrication of the autocorrelator and the volume of the autocorrelator are determined by the Michelson interferometer, there is a limit in reducing the manufacturing cost of the autocorrelator and reducing the volume of the autocorrelator by reducing the optical components constituting the autocorrelator.
  • An object of the present invention for solving the above problems is to provide a self-correlator capable of measuring the time width of the ultra-short pulse.
  • Another object of the present invention is to provide an autocorrelator having a reduced number and volume of optical components.
  • the light source unit for generating a light pulse and the light source unit is arranged side by side so that the opposing surfaces of the first wedge and the second wedge, which is a wedge-shaped optical medium parallel to each other
  • the dual wedge interferometer separates the optical pulses provided by the sensor and generates two optical pulses, a harmonic medium that receives the generated two optical pulses and generates a second harmonic wave, and detects the second harmonic wave to detect the autocorrelation signal. It includes a measuring unit for generating.
  • the dual wedge interferometer is characterized in that the first and second wedges are symmetric with respect to the plane parallel to the opposing faces of the first and second wedges and located at the center of the gap between the first and second wedges. It may be arranged to be.
  • the dual wedge interferometer can adjust the distance between the first wedge and the second wedge by allowing one of the first wedge or the second wedge to be fixed and the other to move along the optical axis.
  • the dual wedge interferometer may be coated such that the front face of the first wedge and the back face of the second wedge have the same reflectivity, and the back face of the first wedge may be antireflectively coded.
  • the front surface of the second wedge may separate the light pulse provided by the light source unit into two light pulses.
  • the light pulse generated from the light source unit may be incident on the front surface of the first wedge, and two light pulses may be emitted to the rear surface of the second wedge.
  • the rear face of the first wedge and the front face of the second wedge are parallel to each other, the front face of the first wedge has a constant angle ⁇ , not parallel to the back face of the first wedge, and the second The back side of the wedge may not be parallel to the front side of the second wedge and may have a constant angle ⁇ .
  • the light pulse generated in the light source unit is incident on the front surface of the first wedge, the light pulse incident on the first wedge is divided into a first light pulse and a second light pulse on the front surface of the second wedge, the first light pulse is The second optical pulse may travel in a direction opposite to the light pulse incident on the first wedge and the second optical pulse may travel in the direction incident on the second wedge.
  • the first light pulse is reflected at the front side of the first wedge and the second light pulse is reflected at the rear side of the second wedge such that the first and second light pulses meet at the front side of the second wedge 220.
  • first light pulse and the second light pulse which are met at the front surface of the second wedge may exit to the back surface of the second wedge.
  • the harmonic medium may be beta-barium borate.
  • the autocorrelator according to the present invention as described above, it is possible to easily measure the pulse duration by obtaining a self-correlation signal for the ultra-short pulse using a dual wedge interferometer.
  • the autocorrelator according to the present invention has an advantage of providing an autocorrelator having a reduced number and volume of optical components using a double wedge interferometer.
  • FIG. 1 is a conceptual diagram of a conventional autocorrelator using a Michelson interferometer.
  • FIG. 2 is a conceptual diagram of an autocorrelator according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing in detail the dual wedge interferometer shown in FIG.
  • Figure 4 is a graph showing the autocorrelation signal obtained by the autocorrelator according to an embodiment of the present invention.
  • first, second, A, and B may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another.
  • the first component may be referred to as the second component, and similarly, the second component may also be referred to as the first component.
  • FIG. 2 is a conceptual diagram of an autocorrelator according to an embodiment of the present invention.
  • the autocorrelator includes a light source unit 100, a dual wedge interferometer 200, a harmonic wave medium 300, and a measurement unit 400.
  • the light source unit 100 provides an optical pulse or a laser pulse to the dual wedge interferometer 200.
  • the light source unit 100 may be a light emitting diode, a laser diode, or the like. However, the light source unit 100 preferably uses a laser diode having a strong straightness and abundant light amount, but is not limited thereto.
  • the double wedge interferometer 200 includes a first wedge 210 and a second wedge 220 which are wedge shaped optical media.
  • the first wedge 210 and the second wedge 220 refers to an optical component in which the front and rear surfaces are not parallel to each other and maintain a constant angle.
  • the first wedge 210 and the second wedge 220 may have a wedge shape having a V shape and may be made of fused silica.
  • the light pulse provided by the light source unit 100 may be incident on the front surface 211 of the first wedge, and two light pulses may be emitted to the rear surface 222 of the second wedge.
  • the dispersion characteristics of the ultra-short pulse pulse it is preferable to thin the thickness of the first wedge 210 and the second wedge 220 because the pulse is deformed when the distance through the medium increases.
  • the dual wedge interferometer 200 may be configured in a form in which the first wedge 210 and the second wedge 220 are arranged side by side while maintaining a constant distance d.
  • the dual wedge interferometer 200 is disposed so that the surface where the first wedge 210 and the second wedge 220 face each other in parallel, the first wedge 210 and the second wedge 220 is symmetrical. Can be arranged.
  • the rear surface 212 of the first wedge and the front surface 221 of the second wedge may be disposed to face each other in parallel. That is, the dual wedge interferometer 200 is parallel to the opposing surfaces of the first wedge 210 and the second wedge 220 and positioned at the center of the gap between the first wedge 210 and the second wedge 220.
  • the first wedge 210 and the second wedge 220 may be symmetrical with respect to the surface.
  • the gap d between the first wedge 210 and the second wedge 220 may be adjusted by moving the first wedge 210 or the second wedge 220.
  • one wedge of the first wedge 210 or the second wedge 220 may be fixed and the other wedge may move along the optical axis.
  • the optical axis may mean an axis perpendicular to the plane in which the first wedge 210 and the second wedge 220 face each other.
  • the dual wedge interferometer 200 may divide the laser pulse incident on the front surface 211 of the first wedge into two laser pulses having an angle of 180 degrees. That is, the dual wedge interferometer 200 may divide one laser pulse into two laser pulses, and the divided two laser pulses are emitted through the rear surface 222 of the second wedge through different paths.
  • a time delay according to a path difference may occur between two laser pulses emitted through the rear surface 222 of the second wedge through different paths.
  • the time delay may be adjusted by adjusting the distance d between the first wedge 210 and the second wedge 220. For example, the time delay may be proportional to twice the distance d between the first wedge 210 and the second wedge 220.
  • the harmonic medium 300 receives two light pulses emitted from the dual wedge interferometer 200 as a nonlinear optical medium and generates and outputs a second harmonic light.
  • the harmonic medium 300 may be Beta-Barium Borate (BBO).
  • the measurement unit 400 may generate an autocorrelation trace by detecting the second harmonic wave.
  • the autocorrelation signal can be obtained by monitoring the spectral power integrated in the bandwidth of the second harmonic wave.
  • the autocorrelation signal according to this may be obtained while changing the distance d between the first wedge 210 and the second wedge 220.
  • the self-correlator according to the embodiment of the present invention, the light source unit 100 for generating a light pulse, and the opposing surfaces of the first wedge 210 and the second wedge 220, which is a wedge-shaped optical medium, are parallel to each other.
  • the measurement unit 400 may use a photodiode detector or a spectrometer, but it is easy to use a spectrometer to measure the delay time.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing in detail the dual wedge interferometer shown in FIG.
  • the dual wedge interferometer 200 includes a first wedge 210 and a second wedge 220.
  • the rear face 212 of the first wedge and the front face 221 of the second wedge face each other in parallel with each other, and the first wedge 210 and the second wedge 220 face each other.
  • the front face 211 of the first wedge and the rear face 212 of the first wedge are not parallel to each other and have a constant angle ⁇ , and the front face 221 of the second wedge and the rear face 222 of the second wedge are also the first.
  • they may have a constant angle ⁇ , not parallel to each other.
  • the constant angle ⁇ may mean an angle inclined based on planes facing each other in parallel.
  • the distance d between the first wedge 210 and the second wedge 220 may be adjusted by moving the first wedge 210 or the second wedge 220.
  • one wedge may be fixed and the other wedge may be moved along the optical axis to adjust the distance d between the first wedge 210 and the second wedge 220.
  • the front surface 211 of the first wedge and the rear surface 212 of the first wedge may have different reflectivity and transmissivity.
  • the front surface 221 of the second wedge and the rear surface 222 of the second wedge may have different reflectances and transmittances.
  • the front face 211 of the first wedge and the back face 222 of the second wedge may be coated to have the same reflectance (eg, 33%), and the back face 212 of the first wedge may be anti-reflective ( An anti-reflection coating can be used to ensure that all incoming light pulses are emitted.
  • the front surface 221 of the second wedge may serve as a beam splitter for distributing incident light pulses. Accordingly, the second wedge 220 may distribute the incident light pulse into two light pulses having an angle of 180 degrees. To this end, the front surface 221 of the second wedge may be coded to have a reflectance of 50%.
  • the path of the light pulse when the light pulse is incident on the front surface 211 of the first wedge will be described.
  • the light pulse is incident through the front face 211 of the first wedge.
  • the light pulse incident on the first wedge 210 is divided into a first light pulse and a second light pulse on the front surface 221 of the second wedge.
  • the first light pulse and the second light pulse may have an angle of 180 degrees.
  • the first light pulse travels in the direction opposite to the incident light pulse, and the second light pulse travels in the direction incident to the second wedge 220.
  • the first light pulse may be reflected at the front face 211 of the first wedge, and the second light pulse may be reflected at the back face 222 of the second wedge.
  • the first light pulse reflected from the front surface 211 of the first wedge and the second light pulse reflected from the rear surface of the second wedge may meet at the front surface 221 of the second wedge.
  • the first light pulse reaching the front surface 221 of the second wedge is incident on the second wedge 220 and proceeds, and the second light pulse reaching the front surface 221 of the second wedge is the front surface of the second wedge ( Reflected by the 221 is to proceed in the direction entering the second wedge 220.
  • the first and second light pulses may exit the dual wedge interferometer 200 through the back surface 222 of the second wedge.
  • the first and second light pulses generated by the dual wedge interferometer 200 are incident on the harmonic medium 300.
  • the harmonic medium 300 may generate a second harmonic wave by receiving the first light pulse and the second light pulse.
  • the measurement unit 400 detects a second harmonic wave generated by the harmonic medium 300 to generate a self-correlation signal.
  • Figure 4 is a graph showing the autocorrelation signal obtained by the autocorrelator according to an embodiment of the present invention.
  • an autocorrelation device may obtain an autocorrelation signal for a pulse having a time width less than picoseconds.
  • the first wedge 210 and the second wedge 220 has a thickness of 2mm and is made of fused silica (fused slica).
  • the front surface 211 of the first wedge and the rear surface 212 of the first wedge are not parallel to each other but at two degrees (at a constant angle ⁇ ).
  • the front surface 221 of the second wedge and the rear surface 222 of the second wedge are not parallel to each other like the first wedge 210, but are parallel to each other at a constant angle ⁇ . ).
  • the front surface 211 of the first wedge and the back surface 222 of the second wedge are coated (coating) to have a reflectance of 33%, and the front surface 221 of the second wedge is coded to have a reflectance of 50%,
  • the back side 212 of the first wedge had an anti-reflection coating corresponding to the center wavelength (800 nm) of the incident light pulse.
  • the harmonic medium 300 beta-barium borate (BBO) was used as the harmonic medium 300.
  • the self-correlation signal obtained by the measuring unit 400 while adjusting the distance between the first wedge 210 and the second wedge 220 is as shown in FIG. That is, by using the autocorrelator according to the embodiment of the present invention, an autocorrelation signal for an optical pulse having a time width of 29 fs may be obtained, and the pulse duration may be estimated through this.
  • the autocorrelator according to the embodiment of the present invention can measure the time width of the ultrashort pulse using an interferometer using only two wedge-shaped optical components.

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Description

자체상관기
본 발명은 광 펄스의 측정에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 극초단 펄스에 대한 자체상관신호를 발생시켜 측정하는 자체상관기에 관한 것이다.
자체상관기(autocorrelator)는 광전자 장치로는 직접 측정할 수 없는 피코초(pico second) 이하의 짧은 펄스(pulse)를 측정하기 위한 장치이다. 광 펄스의 전기장의 시간에 대한 함수를 E(t)라고 하면, 자체상관기는
Figure PCTKR2012006036-appb-I000001
와 같은 자체상관함수를 발생시킬 수 있다. 여기서, τ는 지연 시간을 의미한다. 또한, 자체상관기가 발생시킨 자체상관함수를 활용하여 측정에 사용된 펄스의 시간폭을 예상할 수 있다.
자체상관기는 펄스를 두 개로 나누어 각각의 시간 지연을 조절할 수 있도록 하는 간섭계 부분과 생성된 두 개의 펄스에 비선형 광학 매질을 이용하여 2차 조화파(second harmonic light)를 발생시켜 측정하는 측정 부분으로 나눌 수 있다.
도 1은 마이켈슨 간섭계를 사용하는 종래의 자체상관기의 개념도이다. 종래의 자체상관기는 간섭계 부분으로 마이켈슨(Michelson) 간섭계(10)를 사용한다. 마이켈슨 간섭계에 입사하는 광 펄스는 빔가르개(beam-splitter)(11)에 의해 두 개의 펄스로 나뉘어진다. 여기서, 마이켈슨 간섭계가 구비하는 빔가르개(11)는 빔을 90도의 각도로 나눌 수 있다. 빔가르개(11)에 의해 나뉘어진 빔은 반사거울(12)에 의해 반사될 수 있다. 즉, 마이켈슨 간섭계는 2개의 빔가르개(11)과 4개의 반사거울(12)을 이용하여 두 개의 펄스를 생성할 수 있다. 또한, 마이켈슨 간섭계에 의해 생성된 두 개의 펄스는 이차 조화파 매질(20)을 통과하여 2차 조화파로 변환될 수 있다.
이와 같이 마이켈슨 간섭계를 이용하는 자체상관기는 균형 잡힌(balanced) 간섭계를 구성하기 위하여 2개의 빔가르개(11)와 4개의 반사거울(12)을 필요로 한다. 즉, 자체상관기의 제작과 자체상관기의 부피가 마이켈슨 간섭계에 의해 결정되므로, 자체상관기를 구성하는 광학 부품을 줄임으로써, 자체상관기의 제작 비용을 절감하고 자체상관기의 부피를 줄이는데 한계가 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 극초단 펄스의 시간폭을 측정할 수 있는 자체상관기를 제공하는데 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은, 광학 부품의 개수와 부피가 감소된 자체상관기를 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 자체상관기는, 광 펄스를 발생시키는 광원부와, 쐐기 형상의 광학 매질인 제 1 쐐기와 제 2 쐐기의 마주보는 면이 서로 평행하도록 나란히 배치하여 광원부가 제공한 광 펄스를 분리하여 두 개의 광 펄스를 생성하는 이중 쐐기 간섭계와, 생성된 두 개의 광 펄스를 제공받아 이차 조화파를 생성하는 조화파 매질과, 이차 조화파를 검출하여 자체상관신호를 발생시키는 측정부를 포함한다.
여기에서, 이중 쐐기 간섭계는, 제 1 쐐기와 제 2 쐐기의 마주보는 면과 평행하고 제 1 쐐기와 제 2 쐐기 사이의 간격의 중심에 위치하는 면을 기준으로 제 1 쐐기와 제 2 쐐기가 대칭이 되도록 배치될 수 있다.
여기에서, 이중 쐐기 간섭계는, 제 1 쐐기 또는 제 2 쐐기 중에서 하나는 고정되고 다른 하나는 광학축을 따라 이동할 수 있도록 하여 제 1 쐐기와 제 2 쐐기 사이의 간격을 조절할 수 있다.
여기에서, 이중 쐐기 간섭계는, 제 1 쐐기의 앞면과 제 2 쐐기의 뒷면은 동일한 반사율을 갖도록 코팅되고, 제 1 쐐기의 뒷면은 반사 방지 코딩될 수 있다.
여기에서, 이중 쐐기 간섭계는, 제 2 쐐기의 앞면은 광원부가 제공한 광 펄스를 두 개의 광 펄스로 분리할 수 있다.
여기에서, 광원부에서 발생한 광 펄스가 제 1 쐐기의 앞면으로 입사하고, 제 2 쐐기의 뒷면으로 두 개의 광 펄스를 출사할 수 있다.
여기에서, 이중 쐐기 간섭계는, 제 1 쐐기의 뒷면과 제 2 쐐기의 앞면이 서로 평행하고, 제 1 쐐기의 앞면은 제 1 쐐기의 뒷면과 서로 평행하지 않고 일정한 각도(θ)를 가지며, 제 2 쐐기의 뒷면은 제 2 쐐기의 앞면과 서로 평행하지 않고 일정한 각도(θ)를 가질 수 있다.
여기에서, 광원부에서 발생한 광 펄스는 제 1 쐐기의 앞면으로 입사하고, 제 1 쐐기에 입사한 광 펄스는 제 2 쐐기의 앞면에서 제 1 광 펄스과 제 2 광 펄스로 나뉘어지며, 제 1 광 펄스는 제 1 쐐기에 입사한 광 펄스와 반대 방향으로 진행하고 제 2 광 펄스는 제 2 쐐기로 입사하는 방향으로 진행할 수 있다.
여기에서, 제 1 광 펄스는 제 1 쐐기의 앞면에서 반사되고 제 2 광 펄스는 제 2 쐐기의 뒷면에서 반사되어, 제 1 광 펄스와 제 2 광 펄스가 제 2 쐐기(220)의 앞면에서 만날 수 있다.
여기에서, 제 2 쐐기의 앞면에서 만난 제 1 광 펄스 및 2 광 펄스는 제 2 쐐기의 뒷면으로 출사할 수 있다.
여기에서, 조화파 매질은, 베타 바륨 보레이트(Beta-Barium Borate)일 수 있다.
상기와 같은 본 발명에 따른 자체상관기에 따르면, 이중 쐐기 간섭계를 이용하여 극초단 펄스에 대한 자체상관신호를 얻어 펄스 지속 시간을 용이하게 측정할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 자체상관기는 이중 쐐기 간섭계를 이용하여 광학 부품의 개수와 부피가 감소된 자체상관기를 제공할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 마이켈슨 간섭계를 사용하는 종래의 자체상관기의 개념도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 자체상관기의 개념도이다.
도 3은 도 2에 도시된 이중 쐐기 간섭계를 상세하게 나타내는 단면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 자체상관기에 의해 얻어진 자체상관신호를 나타내는 그래프이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 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 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 실시예를 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 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 자체상관기의 개념도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 자체상관기는 광원부(100), 이중 쐐기 간섭계(200), 조화파 매질(300) 및 측정부(400)를 포함한다.
광원부(100)는 이중 쐐기 간섭계(200)에 광 펄스(optical pulse) 또는 레이저 펄스(laser pulse)를 제공한다. 광원부(100)는 발광다이오드(Light Emitting Diode),레이저 다이오드(Laser Diode) 등이 될 수 있다. 다만, 광원부(100)는 직진성이 강하고 광량이 풍부한 레이저 다이오드를 사용하는 것이 바람직하나 이에 한정되는 것은 아니다.
이중 쐐기(double wedge) 간섭계(200)는 쐐기(wedge) 형상의 광학 매질인 제 1 쐐기(210)와 제 2 쐐기(220)를 포함한다. 제 1 쐐기(210) 및 제 2 쐐기(220)는 앞면과 뒷면이 서로 평행하지 않고 일정한 각도를 유지하는 광학 부품을 의미한다. 예컨대, 제 1 쐐기(210)와 제 2 쐐기(220)는 V자 형상인 쐐기 형상을 할 수 있고, 용융 실리카(fused silica)를 재질로 할 수 있다. 예컨대, 광원부(100)에 의해 제공되는 광 펄스가 제 1 쐐기의 앞면(211)으로 입사하고, 제 2 쐐기의 뒷면(222)으로 두 개의 광 펄스를 출사할 수 있다. 또한, 극초단 펄스(pulse)의 분산 특성에 따르면 매질을 통과하는 거리가 증가하면 펄스가 변형되므로 제 1 쐐기(210)와 제 2 쐐기(220)의 두께는 얇게 하는 것이 바람직하다.
이중 쐐기 간섭계(200)는 제 1 쐐기(210)와 제 2 쐐기(220)를 일정한 간격(d)을 유지하면서 나란히 배열한 형태로 구성될 수 있다. 또한, 이중 쐐기 간섭계(200)는 제 1 쐐기(210)와 제 2 쐐기(220)가 서로 마주보는 면이 평행하게 배치되고, 제 1 쐐기(210)와 제 2 쐐기(220)가 대칭이 되도록 배치될 수 있다. 예컨대, 제 1 쐐기의 뒷면(212)과 제 2 쐐기의 앞면(221)이 서로 마주보며 평행하게 배치될 수 있다. 즉, 이중 쐐기 간섭계(200)는, 제 1 쐐기(210)와 제 2 쐐기(220)의 마주보는 면과 평행하고 제 1 쐐기(210)와 제 2 쐐기(220) 사이의 간격의 중심에 위치하는 면을 기준으로 제 1 쐐기(210)와 상기 제 2 쐐기(220)가 대칭이 되도록 배치될 수 있다.
제 1 쐐기(210)와 제 2 쐐기(220) 사이의 간격(d)은 제 1 쐐기(210) 또는 제 2 쐐기(220)를 움직임으로써 조절될 수 있다. 예컨대, 제 1 쐐기(210) 또는 제 2 쐐기(220) 중에서 하나의 쐐기는 고정하고 다른 하나의 쐐기가 광학축을 따라 이동할 수 있도록 한다. 여기서, 광학축은 제 1 쐐기(210)와 제 2 쐐기(220)가 마주보고 있는 평면에 수직인 축을 의미할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 이중 쐐기 간섭계(200)는 제 1 쐐기의 앞면(211)으로 입사하는 레이저 펄스를 180도의 각도를 가지는 두 개의 레이저 펄스로 나눌 수 있다. 즉, 이중 쐐기 간섭계(200)는 하나의 레이저 펄스를 두 개의 레이저 펄스로 나눌 수 있고, 나누어진 두 개의 레이저 펄스는 서로 다른 경로를 거쳐 제 2 쐐기의 뒷면(222)을 통하여 출사하게 된다. 서로 다른 경로를 거쳐 제 2 쐐기의 뒷면(222)을 통하여 출사하는 두 개의 레이저 펄스간에는 경로차에 따른 시간 지연이 발생할 수 있다. 여기서, 제 1 쐐기(210)와 제 2 쐐기(220) 사이의 간격(d)을 조절함으로써 시간 지연을 조절할 수 있다. 예컨대, 시간 지연은 제 1 쐐기(210)와 제 2 쐐기(220) 사이의 거리(d)의 두 배에 비례하도록 할 수 있다.
조화파 매질(300)은 비선형 광학 매질(nonlinear optical medium)로 이중 쐐기 간섭계(200)로부터 출사하는 두 개의 광 펄스를 입사받아 이차 조화파(second harmonic light)를 생성하여 출사시킨다. 예컨대, 조화파 매질(300)은 베타 바륨 보레이트(BBO: Beta-Barium Borate)일 수 있다.
측정부(400)는 이차 조화파를 검출하여 자체상관신호(autocorrelation trace)를 발생시킬 수 있다. 자체상관신호는 이차 조화파의 대역폭에 집적된 스펙트럼 전력(spectral power)을 모니터링함으로써 얻을 수 있다. 측정부(400)에 의한 측정에 있어서, 제 1 쐐기(210)와 제 2 쐐기(220) 사이의 간격(d)을 변화시키면서 이에 따른 자체상관신호를 얻을 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 자체상관기는, 광 펄스를 발생시키는 광원부(100)와, 쐐기 형상의 광학 매질인 제 1 쐐기(210)와 제 2 쐐기(220)의 마주보는 면이 서로 평행하도록 나란히 배치하여 광원부(100)가 제공한 광 펄스를 분리하여 두 개의 광 펄스를 생성하는 이중 쐐기 간섭계와, 생성된 두 개의 광 펄스를 제공받아 이차 조화파를 생성하는 조화파 매질(300)과, 이차 조화파를 검출하여 자체상관신호를 발생시키는 측정부(400)를 포함할 수 있다.
또한, 자체상관신호는 펄스 지속 시간(pulse duration)을 추정할 수 있도록 한다. 측정부(400)는 포토다이오드 디텍터(photodiode detector) 또는 분광기(spectrometer)를 사용할 수 있으나, 분광기를 사용하는 것이 지연 시간을 측정하는데 용이하다.
도 3은 도 2에 도시된 이중 쐐기 간섭계를 상세하게 나타내는 단면도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 이중 쐐기 간섭계(200)는 제 1 쐐기(210)와 제 2 쐐기(220)를 포함한다. 제 1 쐐기(210)와 제 2 쐐기(220)는 제 1 쐐기의 뒷면(212)과 제 2 쐐기의 앞면(221)이 서로 평행하게 마주보며, 제 1 쐐기(210)와 제 2 쐐기(220)의 사이 간격이 d가 되도록 배치된다. 제 1 쐐기의 앞면(211)과 제 1 쐐기의 뒷면(212)은 서로 평행하지 않고 일정한 각도(θ)를 가지며, 제 2 쐐기의 앞면(221)과 제 2 쐐기의 뒷면(222)도 제 1 쐐기(210)와 마찬가지로 서로 평행하지 않고 일정한 각도(θ)를 가질 수 있다. 여기서, 일정한 각도(θ)는 서로 평행하게 마주보고 있는 평면을 기준으로 기울어진 각도를 의미할 수 있다. 또한, 제 1 쐐기(210)와 제 2 쐐기(220) 사이의 간격(d)은 제 1 쐐기(210) 또는 제 2 쐐기(220)를 움직임으로써 조절될 수 있다. 바람직하게는 하나의 쐐기는 고정시키고 다른 하나의 쐐기를 광학축을 따라 이동시켜 제 1 쐐기(210)와 제 2 쐐기(220) 사이의 간격(d)을 조절할 수 있다.
제 1 쐐기의 앞면(211)과 제 1 쐐기의 뒷면(212)은 서로 다른 반사율(reflectivity)과 투과율(transmissivity)을 가질 수 있다. 또한, 제 2 쐐기의 앞면(221)과 제 2 쐐기의 뒷면(222)은 서로 다른 반사율과 투과율을 가질 수 있다.
제 1 쐐기의 앞면(211)과 제 2 쐐기의 뒷면(222)은 동일한 반사율(예를 들면, 33%)을 갖도록 코팅(coating)할 수 있고, 제 1 쐐기의 뒷면(212)은 반사 방지(anti-reflection) 코팅을 하여 입사하는 모든 광 펄스가 출사하도록 할 수 있다.
또한, 제 2 쐐기의 앞면(221)은 입사하는 광 펄스를 분배하는 빔가르개(beam splitter)의 역할을 할 수 있다. 따라서, 제 2 쐐기(220)는 입사하는 광 펄스를 180도의 각도를 가지는 두 개의 광 펄스로 분배할 수 있다. 이를 위하여, 제 2 쐐기의 앞면(221)은 반사율이 50%가 되도록 코딩할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따라 광 펄스가 제 1 쐐기의 앞면(211)으로 입사한 경우에 광 펄스의 경로에 대하여 설명한다.
광 펄스는 제 1 쐐기의 앞면(211)을 통하여 입사한다. 제 1 쐐기(210)에 입사한 광 펄스는 제 2 쐐기의 앞면(221)에서 제 1 광 펄스와 제 2 광 펄스로 나누어진다. 제 1 광 펄스와 제 2 광 펄스는 180도의 각도를 가질 수 있다. 제 1 광 펄스는 입사한 광 펄스와 반대 방향으로 진행하고, 제 2 광 펄스는 제 2 쐐기(220)로 입사하는 방향으로 진행한다.
제 1 광 펄스는 제 1 쐐기의 앞면(211)에서 반사되고, 제 2 광 펄스는 제 2 쐐기의 뒷면(222)에서 반사될 수 있다. 또한, 제 1 쐐기의 앞면(211)에서 반사된 제 1 광 펄스와 제 2쐐기의 뒷면에서 반사된 제 2 광 펄스는 제 2 쐐기의 앞면(221)에서 만날 수 있다. 제 2 쐐기의 앞면(221)에 도달한 제 1 광 펄스는 제 2 쐐기(220)에 입사하여 진행하고, 제 2 쐐기의 앞면(221)에 도달한 제 2 광 펄스는 제 2 쐐기의 앞면(221)에서 반사되어 제 2 쐐기(220)에 입사하는 방향으로 진행하게 된다. 결과적으로, 제 1 광 펄스와 제 2 광 펄스는 제 2 쐐기의 뒷면(222)을 통하여 이중 쐐기 간섭계(200)에서 출사할 수 있다.
상술한 바와 같이 이중 쐐기 간섭계(200)에 의해 생성된 제 1 광 펄스와 제 2 광 펄스는 조화파 매질(300)에 입사하게 된다. 조화파 매질(300)은 제 1 광 펄스와 제 2 광 펄스를 입사받아 이차 조화파를 생성할 수 있다. 또한, 측정부(400)는 조화파 매질(300)에서 생성된 이차 조화파를 검출하여 자체상관신호를 발생시키게 된다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 자체상관기에 의해 얻어진 자체상관신호를 나타내는 그래프이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 자체상관기는 피코초(picosecond)이하의 시간폭을 가진 펄스에 대한 자체상관신호를 얻을 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 이중 쐐기를 이용한 자체상관기에 있어서, 제 1 쐐기(210)와 제 2 쐐기(220)는 두께를 2mm로 하고, 용융 실리카(fused slica)를 재질로 한다. 또한, 제 1 쐐기의 앞면(211)과 제 1 쐐기의 뒷면(212)은 서로 평행하지 않고 일정한 각도(θ)로 2도(
Figure PCTKR2012006036-appb-I000002
)를 가지도록 하고, 제 2 쐐기의 앞면(221)과 제 2 쐐기의 뒷면(222)도 제 1 쐐기(210)와 마찬가지로 서로 평행하지 않고 일정한 각도(θ)로 2도(
Figure PCTKR2012006036-appb-I000003
)를 가지도록 하였다. 또한, 제 1 쐐기의 앞면(211)과 제 2 쐐기의 뒷면(222)은 33%의 반사율을 갖도록 코팅(coating)하고, 제 2 쐐기의 앞면(221)은 반사율이 50%가 되도록 코딩하였으며, 제 1 쐐기의 뒷면(212)은 입사하는 광 펄스의 중심 파장(800nm)에 상응하는 반사 방지(anti-reflection) 코팅을 하였다. 조화파 매질(300)로는 베타 바륨 보레이트(BBO: Beta-Barium Borate)를 사용하였다.
이러한 경우에 있어서, 제 1 쐐기(210)와 제 2 쐐기(220) 사이의 간격을 조절하면서 측정부(400)에서 얻어지는 자체상관신호는 도 4와 같다. 즉, 본 발명의 실시예에 따른 자체상관기를 이용하여 29fs의 시간폭을 가지는 광 펄스에 대한 자체상관신호를 얻을 수 있고, 이를 통하여 펄스 지속 시간을 추정할 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 자체상관기는 두 개의 쐐기 형상의 광학 부품만을 사용하는 간섭계를 이용하여 극초단 펄스에 대한 시간폭을 측정할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (11)

  1. 광 펄스를 발생시키는 광원부;
    쐐기 형상의 광학 매질인 제 1 쐐기와 제 2 쐐기의 마주보는 면이 서로 평행하도록 나란히 배치하여, 상기 광원부가 제공한 광 펄스를 분리하여 두 개의 광 펄스를 생성하는 이중 쐐기 간섭계;
    상기 생성된 두 개의 광 펄스를 제공받아 이차 조화파를 생성하는 조화파 매질; 및
    상기 이차 조화파를 검출하여 자체상관신호를 발생시키는 측정부를 포함하는 자체상관기.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 이중 쐐기 간섭계는,
    상기 제 1 쐐기와 상기 제 2 쐐기의 마주보는 면과 평행하고 상기 제 1 쐐기와 상기 제 2 쐐기 사이의 간격의 중심에 위치하는 면을 기준으로 상기 제 1 쐐기와 상기 제 2 쐐기가 대칭이 되도록 배치되는 것을 특징으로 하는 자체상관기.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 이중 쐐기 간섭계는,
    상기 제 1 쐐기 또는 상기 제 2 쐐기 중에서, 하나는 고정되고 다른 하나는 광학축을 따라 이동할 수 있도록 하여, 상기 제 1 쐐기와 상기 제 2 쐐기 사이의 간격을 조절할 수 있는 것을 특징으로 하는 자체상관기.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 이중 쐐기 간섭계는,
    상기 제 1 쐐기의 앞면과 상기 제 2 쐐기의 뒷면은 동일한 반사율을 갖도록 코팅되고, 상기 제 1 쐐기의 뒷면은 반사 방지 코딩된 것을 특징으로 하는 자체상관기.
  5. 청구항 4에 있어서, 상기 이중 쐐기 간섭계는,
    상기 제 2 쐐기의 앞면은 상기 광원부가 제공한 광 펄스를 상기 두 개의 광 펄스로 분리하는 것을 특징으로 하는 자체상관기.
  6. 청구항 4에 있어서,
    상기 광원부에서 발생한 상기 광 펄스가 상기 제 1 쐐기의 앞면으로 입사하고, 상기 제 2 쐐기의 뒷면으로 상기 두 개의 광 펄스를 출사하는 것을 특징으로 하는 자체상관기.
  7. 청구항 1에 있어서, 상기 이중 쐐기 간섭계는,
    상기 제 1 쐐기의 뒷면과 상기 제 2 쐐기의 앞면이 서로 평행하고, 상기 제 1 쐐기의 앞면은 상기 제 1 쐐기의 뒷면과 서로 평행하지 않고 일정한 각도(θ)를 가지며, 상기 제 2 쐐기의 뒷면은 상기 제 2 쐐기의 앞면과 서로 평행하지 않고 상기 일정한 각도(θ)를 가지는 것을 특징으로 하는 자체상관기.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 광원부에서 발생한 상기 광 펄스는 상기 제 1 쐐기의 앞면으로 입사하고, 상기 제 1 쐐기에 입사한 광 펄스는 상기 제 2 쐐기의 앞면에서 제 1 광 펄스과 제 2 광 펄스로 나뉘어지며, 상기 제 1 광 펄스는 상기 제 1 쐐기에 입사한 광 펄스와 반대 방향으로 진행하고 상기 제 2 광 펄스는 제 2 쐐기로 입사하는 방향으로 진행하는 것을 특징으로 하는 자체상관기.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 제 1 광 펄스는 상기 제 1 쐐기의 앞면에서 반사되고 상기 제 2 광 펄스는 상기 제 2 쐐기의 뒷면에서 반사되어, 상기 제 1 광 펄스와 상기 제 2 광 펄스가 상기 제 2 쐐기의 앞면에서 만나는 것을 특징으로 하는 자체상관기.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 제 2 쐐기의 앞면에서 만난 상기 제 1 광 펄스 및 상기 2 광 펄스는 상기 제 2 쐐기의 뒷면으로 출사하는 것을 특징으로 하는 자체상관기.
  11. 청구항 1에 있어서, 상기 조화파 매질은,
    베타 바륨 보레이트(Beta-Barium Borate)인 것을 특징으로 하는 자체상관기.
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