WO2017010603A1 - 광빗에서 직접적으로 추출된 광모드를 이용하여 펨토초레이저의 광빗이 갖는 전체적 주파수의 안정화를 구현하는 장치 및 방법 - Google Patents

광빗에서 직접적으로 추출된 광모드를 이용하여 펨토초레이저의 광빗이 갖는 전체적 주파수의 안정화를 구현하는 장치 및 방법 Download PDF

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optical comb
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김승우
김영진
천병재
장희숙
강현재
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    • H01S3/2383—Parallel arrangements
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Definitions

  • the present invention relates to an apparatus and method for implementing the stabilization of the overall frequency of the optical comb of the femtosecond laser using the optical mode directly extracted from the optical comb, in detail the femtosecond laser using the optical mode directly extracted from the optical comb
  • the optical comb of the femtosecond laser is stabilized by stabilizing the overall frequency of the optical comb of the (femtosecond laser) and using the optical mode extracted directly from the optical comb which generates the pulse and the monochromatic laser having excellent frequency stability and line width from the stabilized optical comb.
  • An apparatus and method for implementing the stabilization of the overall frequency having.
  • this femtosecond laser When observed in the frequency domain, this femtosecond laser has a broad spectrum of wavelengths ranging from tens of nanometers. In this spectrum, a large number of optical modes are distributed at regular frequency intervals, and this comb-shaped spectrum is called an optical comb.
  • the frequency of each optical mode constituting this optical comb is a repetition rate determined by the resonator length, ) And the carrier-envelope offset frequency determined by the difference between the group velocity of the pulse and the phase velocity of the center wavelength.
  • the frequency of the i th optical mode ( ) Is expressed as
  • the most common way to stabilize the frequency of the optical comb is to lock both degrees of freedom (repetition rate, offset frequency) of the optical comb.
  • it is generally to control the physical length, optical path length or internal dispersion of the resonator inside the resonator.
  • the repetition rate and offset frequency when the length of the resonator, the optical path length, and the dispersion adjusting elements are used. Will change in relation to each other.
  • two independent variables are based on the phase-locked loop (PLL) technique of the rubidium or cesium atomic clock used as a frequency standard in the radio frequency domain.
  • PLL phase-locked loop
  • a method of using a separate monochromatic laser that has been locked to the cavity has been developed, which is disclosed in US Pat. No. 7809222 and US Pat. No. 8780948.
  • a reference RF signal can be obtained by using a frequency divider to divide the repetition rate frequency at a constant integer ratio, and a beat frequency and an f-2f interferometer between the monochromatic laser and the optical mode of the optical comb
  • a frequency divider to divide the repetition rate frequency at a constant integer ratio
  • a beat frequency and an f-2f interferometer between the monochromatic laser and the optical mode of the optical comb
  • this method requires a separate additional monochromatic laser to stabilize the optical comb to the optical frequency standard or high sharpness-cavity, which complicates the control circuitry and is caused by the intrinsic noise generated by each laser. There is a problem that the locking characteristics can be degraded.
  • the present invention implements the stabilization method of the femtosecond laser optical comb, using the concept of optical frequency generation to reduce the complexity of hardware required for stabilization, and at the same time improve the accuracy of stabilization I would like to.
  • Another object of the present invention is to provide an apparatus and a method for improving the frequency stability of an entire optical comb by stabilizing an optical mode extracted from a femtosecond laser optical comb to a high sharpness-cavity resonant frequency or an absorption line of a light source clock. . That is, the present invention does not introduce monochromatic lasers from outside to stabilize the overall optical frequency of the optical modes constituting the optical comb of the femtosecond laser, and uses optical modes extracted directly from the optical comb to be stabilized. It aims at improving stabilization accuracy while reducing.
  • the present invention is to provide an optical comb stabilization method that can be easily extended to utilize the absorption line of the light source clock that provides a standard optical frequency as a stabilization standard.
  • the present invention aims to produce a laser of monochromatic light having excellent line width and stability from an optical mode additionally extracted from a stabilized optical comb, and provide the laser to various optical measurement fields including optical communication and precision spectroscopy.
  • An apparatus for implementing the stabilization of the overall frequency of the optical comb of the femtosecond laser by using the optical mode extracted directly from the optical comb is a pumping laser or acoustic optical modulator
  • a femtosecond laser light source having a selected one among the length adjusting elements and outputting a femtosecond laser optical comb
  • An optical mode extraction unit for extracting a first optical mode and a second optical mode having different frequencies from the femtosecond laser optical comb
  • Injection locking unit for generating the first-monochromatic light by injection-locking the first-light mode into the first-dependent laser, and generating the second-monochrome light by locking the second-light mode into the second-dependent laser.
  • a high sharpness-cavity is provided and generates the first-to-widebit control signal based on the resonance frequency of the first-monochromatic light and the high-sharpness-cavity to control the length adjusting element, and the second monochromatic light and the And generating a second optical comb control signal based on a high sharpness-resonant frequency to control the pumping laser or the acoustic optical modulator provided in the femtosecond laser light source.
  • the controller may be configured to enter the first monochromatic light into a first modulator to generate a first modulated light whose phase or frequency of the first monochromatic light is modulated, and convert the second monochromatic light into a second modulator.
  • a modulator configured to be incident to generate second-modulated light whose phase or frequency of the second-monochrome light is modulated;
  • the high sharpness-cavity is provided, and the first-modulated light and the second-modulated light are incident on the high sharpness-cavity and then reflected or transmitted from the high sharpness-cavity to thereby transmit the first-standard light.
  • a standard unit for generating second-standard light A first optical bandwidth control unit configured to generate a first optical bandwidth control signal by comparing the first standard light and a driving frequency of the first modulator; And a second optical comb control signal configured to generate a second optical comb control signal by comparing the second standard light and a driving frequency of the second modulator, wherein the first optical comb control signal controls the length adjusting element.
  • the second optical comb control signal may control the pumping laser or the acoustic optical modulator provided in the femtosecond laser light source.
  • the standard unit may further include a multiplexer for integrating an optical path; High sharpness-cavity with specific resonant frequency; A demultiplexer for separating light paths, wherein the multiplexer integrates the first-modulated light and the second-modulated light to generate overlapping light, and the high sharpness-cavity reflects or overlaps the overlapping light.
  • the demultiplexer may generate the first-standard light and the second-standard light by separating the standard light.
  • the controller may include a photodetector, obtain a first-standard signal from the first-standard light by using the provided photodetector, and convert the first-standard signal into a driving frequency of the first-modulator.
  • a first-wide comb control unit for comparing the first-wide comb control signal;
  • a photodetector is provided, the second standard signal is obtained from the second standard light by using the provided photodetector, and the second standard signal is compared with the driving frequency of the second modulator. It may include a second-wide comb control unit for generating a wide comb control signal.
  • the mode extractor may include one selected from a Bragg grating, a VIPA, an acoustic optical variable filter, an interference filter, and a variable Febrero filter.
  • the length adjusting element may include a resonator including a piezoelectric element, a modulator, and a servo motor, and adjust the length of the resonator based on the first-to-wide comb control signal.
  • the pumping laser may adjust the optical path length by adjusting the output light amount of the pumping laser based on the second optical comb control signal.
  • the acoustic optical modulator may adjust the driving frequency of the acoustic optical modulator based on the second optical comb control signal to adjust the phase of the femtosecond laser optical comb output from the femtosecond laser light source.
  • the apparatus for implementing the stabilization of the overall frequency of the optical comb of the femtosecond laser using the optical mode directly extracted from the optical comb further comprises an application for receiving the femtosecond laser light comb from the femtosecond laser light source and outputs monochromatic light and pulses;
  • the application unit distributes the light amount of the femtosecond laser optical comb using an optical coupler, broadens the spectrum of the distributed femtosecond laser optical comb using a high nonlinear optical fiber, and expands the spectrum using an optical fiber amplifier.
  • An optical comb adjusting unit for amplifying and outputting an amount of light of the femtosecond laser optical comb;
  • a monochromatic light generation unit configured to extract monochromatic light from the femtosecond laser optical comb output by the optical comb adjusting unit; It may be provided.
  • the optical fiber amplifier may be one selected from erbium fiber amplifiers, ytterbium fiber amplifiers, and thorium fiber amplifiers.
  • the application unit may further include a pulse generator for directly outputting the femtosecond laser optical comb output by the optical comb adjusting unit.
  • the first-wide comb control signal is a signal obtained by reflecting or transmitting the first monochromatic light through a high sharpness-cavity, and a derivative obtained by reflecting or transmitting the first-modulated light from a high sharpness-cavity or a signal Signal, the signal obtained by polarization spectroscopy from the signal reflecting the first monochromatic light to the high sharpness-cavity, and the first modulated light to the high sharpness-cavity to reflect the PDH (Pound-Drever- Hall) is selected one of the signals obtained by applying the method, the second-wide comb control signal is a signal obtained by reflecting or transmitting the second monochromatic light high sharpness-cavity, the second sharp modulation light A differential signal obtained from a signal reflecting or transmitting a cavity, a high sharpness of the second monochromatic light, a signal obtained by polarization spectroscopy from a signal reflecting a cavity, and a high sharpness of the second modulated light -Reflected in the cavity It may be
  • the method of implementing the stabilization of the overall frequency of the optical comb of the femtosecond laser using the optical mode extracted directly from the optical comb is (a) the actual Outputting a femtosecond laser optical comb from a femtosecond laser light source having a length adjusting element for adjusting the frequency of the optical comb by adjusting the length and the optical path length, and a pumping laser or an acoustic optical modulator; (b) extracting a first optical mode and a second optical mode having different optical frequencies from the optical comb; (c) injection-locking the first-light mode into the first-dependent laser to generate the first-monochromatic light, and injection-locking the second-light mode into the second-dependent laser to generate the second monochromatic light; (d) generating two optical comb control signals for controlling the femtosecond laser optical comb from the first monochromatic light and the second monochromatic light using high sharpness-cavity;
  • step (d), (d1) modulates the phase or frequency of the first monochromatic light to generate the first-modulated light, and modulates the phase or frequency of the second monochromatic light to the second-modulated light Generating a; (d2) generating the first-standard light and the second-standard light by injecting the first-modulated light and the second-modulated light into a high sharpness cavity; (d3) generating a first-wide comb control signal based on a driving frequency of the first-standard light and the first-modulator, and generating a first-wide comb control signal based on a driving frequency of the second-standard light and the second modulator.
  • Generating a two-bit comb control signal may include.
  • the first-wide comb control signal is a signal obtained by reflecting or transmitting the first monochromatic light through a high sharpness-cavity, and a derivative obtained by reflecting or transmitting the first-modulated light from a high sharpness-cavity or a signal Signal, the signal obtained by polarization spectroscopy from the signal reflecting the first monochromatic light to the high sharpness-cavity, and the first modulated light to the high sharpness-cavity to reflect the PDH (Pound-Drever- Hall) is selected one of the signals obtained by applying the method, the second-wide comb control signal is a signal obtained by reflecting or transmitting the second monochromatic light high sharpness-cavity, the second sharp modulation light A differential signal obtained from a signal reflecting or transmitting a cavity, a high sharpness of the second monochromatic light, a signal obtained by polarization spectroscopy from a signal reflecting a cavity, and a high sharpness of the second modulated light -Reflected in the cavity It may be
  • An apparatus and method for realizing the overall frequency stabilization of an optical comb of a femtosecond laser may be provided using an optical mode directly extracted from an optical comb that collectively stabilizes optical frequencies of all optical modes of a femtosecond laser.
  • At least two different optical modes may be extracted from the femtosecond laser optical comb, and the optical comb may be stabilized as a whole by controlling the resonator and the optical path of the femtosecond laser light source using an error signal obtained by incidence of the optical signal into the high sharpness-cavity. .
  • the optical mode additionally extracted from the stabilized optical comb can generate a laser of monochromatic light having excellent line width, accuracy, and stability, and thus can be used as a base technology of optical frequency generation.
  • Monochromatic lasers obtained in accordance with the present invention may have performance and economics that can be utilized in the fields of optical communication, spectroscopy and photometry.
  • FIG. 1 is a block diagram illustrating an apparatus for implementing stabilization of an overall frequency of an optical comb of a femtosecond laser using an optical mode extracted directly from an optical comb according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating an optical configuration of an apparatus for implementing stabilization of an overall frequency of an optical comb of a femtosecond laser using an optical mode extracted directly from an optical comb according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating an optical configuration of an apparatus for implementing stabilization of an overall frequency of an optical comb of a femtosecond laser by using an optical mode extracted directly from an optical comb according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 illustrates monochromatic light and pulses based on a femtosecond laser optical comb stabilized through a device for implementing stabilization of the overall frequency of the optical comb of a femtosecond laser using an optical mode directly extracted from the optical comb according to an embodiment of the present invention. It is a figure which shows the optical structure of the application part to generate
  • FIG. 5 is a sequential method of stabilizing an optical comb through a device for implementing stabilization of an overall frequency of an optical comb of a femtosecond laser using an optical mode extracted directly from an optical comb from an optical comb according to an embodiment of the present invention. This is a conceptual diagram.
  • Applicants have conducted studies to stabilize the femtosecond laser optical comb without using a separate monochromatic laser, and found that at least two different optical modes can be extracted from the femtosecond laser optical comb to stabilize the optical comb therefrom. This deepened the present invention to complete the present invention.
  • the present invention relates to a method and apparatus for stabilizing the frequency of a femtosecond laser optical comb as a whole and generating a monochromatic laser having excellent stability and line width from the stabilized optical comb.
  • the femtosecond laser is stabilized by directly stabilizing the optical mode extracted directly from the optical comb at the resonant frequency of the high-finesse cavity or the absorption line of the optical atomic clock. Stabilizes the optical frequencies of all optical modes of the optical comb collectively.
  • the two independent variables of the femtosecond laser optical comb stabilized in this manner are the repetition rate ( ) And offset frequency ( ) Is the first-optical mode frequency extracted from the optical comb ( ) And the second optical mode frequency ( Can be determined based on That is, the first optical mode frequency generated by extracting the mth optical mode from the femtosecond laser optical comb and the second optical mode frequency generated by extracting the nth optical mode from the femtosecond laser optical comb are as follows: repetition rate and offset frequency, respectively. It is expressed as a function of.
  • the first-mode optical frequency and the second-mode optical frequency are stabilized at the high sharpness-cavity resonance frequencies, respectively, so that the entire femtosecond laser optical comb can be stabilized.
  • the repetition rate and offset frequency, two independent variables of the femtosecond laser optical comb stabilized in the above manner, are determined as follows.
  • the repetition rate and offset frequency can be determined by two optical mode frequencies.
  • FIG. 1 is a block diagram showing an apparatus for implementing stabilization of an overall frequency of an optical comb of a femtosecond laser using an optical mode extracted directly from an optical comb according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is an embodiment of the present invention.
  • the frequency stabilization of the femtosecond laser optical comb is achieved by simultaneously adjusting the geometric length and the optical path length of the resonator by applying the first and second optical comb control signals and the second optical comb control signal to the length adjusting element and the pumping laser existing in the femtosecond laser light source. .
  • the optical comb stabilization apparatus using the optical mode extracted from the optical comb is femtosecond laser light source 100, mode extraction unit 200, injection locking unit 300, the control unit 400 It may include. 1 and 2, the length adjusting element 110 and the pumping laser 120 in the resonator of the femtosecond laser light source may be used to control the frequency of the femtosecond laser optical comb.
  • the femtosecond laser light source 100 outputs an optical comb having a spectrum of a wide band, and the length adjusting element 110 and the pumping laser 120 may be provided.
  • the length of the resonator is generally adjusted by using length control elements such as a piezoelectric actuator, an electro-optic modulator, and a servo motor, and the optical path length of the resonator is adjusted. It can be adjusted by controlling the strength of the current of the pumping laser.
  • Another method for controlling the frequency of the femtosecond laser optical comb may be to equip an output terminal of the femtosecond laser optical comb with an acoustic-optic modulator 130 and adjust a driving frequency applied thereto.
  • the mode extractor 200 extracts the first-light mode and the second-light mode having different frequencies from the optical comb, which is a Bragg grating, a vertically imaged phased array (VIPA), and an acoustic optical variable filter (BGA). It may be implemented as an acousto-optic tunable filter, an interference filter, a tunable Fabry-Perot interferometer, and a dielectric thin film filter. Since each frequency mode of the optical comb is defined by two independent variables such as repetition rate and offset frequency as described above, the optical extractor extracts the optical modes of at least two different frequencies from the mode extractor and injects each of them into a high sharpness-cavity. Get all the information you need to stabilize the entire frequency. In addition, by using the mode extraction unit having different extraction frequency ranges, it is possible to simultaneously extract arbitrary different optical frequencies in the wide frequency region of the optical comb.
  • VIPA vertically imaged phased array
  • BGA acoustic optical variable filter
  • the injection locking unit 300 receives the first-light mode and the second-light mode, and generates the first-monochromatic light by injection-locking the first-light mode to the first-dependent laser.
  • the 2-light mode may be injected locking in the second-dependent laser to generate the second monochromatic light.
  • the generated first monochromatic light and second monochromatic light maintain the frequency characteristics of the optical mode extracted from the optical comb, and the amount of light is also amplified.
  • Each optical mode extracted from the optical comb is injected directly into the subordinate laser without optical alignment through a circulator. It can be injected into the subordinate laser through a combination of a quarter wave plate and a polarization beam splitter.
  • the first-dependent laser and the second-dependent laser are separate monochromatic laser light sources, and all of solid, liquid, and gas lasers may be used, but a diode laser of a semiconductor type may be mainly used. Since the first-dependent laser and the second-dependent laser used here are used to lock directly to the optical frequency standard and the high sharpness-cavity, a separate monochromatic laser used in the prior art is not required, and thus the structure is simpler. Can be.
  • the control unit 400 may generate a control signal for stabilizing the optical comb output from the femtosecond laser light source based on the standard unit 420 provided with high sharpness-cavity for the frequencies of the first-monochrome light and the second-monochrome light. have.
  • the controller 400 may include a modulator 410, a standard unit 420, a first-wide comb controller 430, and a second wide-bit comb controller 440.
  • the modulator 410 modulates the phase or the frequency of the first monochromatic light input to the controller to generate the first-modulated light, and modulates the phase or the frequency of the second monochromatic light to generate the second-modulated light.
  • the modulator requires a modulator for generating each modulated light, and for this, a modulator such as an acoustic-optic modulator or an electro-optic modulator may be used.
  • the driving frequency of the modulator inside the modulator is controlled by a sine wave signal generated by a rubidium clock, cesium clock, and a frequency generator (represented in a hydrogen major) (not shown) used as a radio frequency standard. Can be.
  • the sinusoidal signal driving the modulator is also transmitted to the first-wide comb control unit and the second-wide comb control unit to contribute to generating the first-wide comb control signal and the second-wide comb control signal.
  • a sine wave modulator driving signal retrospective to the stability of the radio frequency standard is used to generate the first-wide comb control signal and the second wide-bit comb control signal, and the sine wave signal driving the modulator includes the first-standard signal and the first signal.
  • the frequency stability of the radio frequency standard and its retrospective frequency generators can be determined by the result of the optical comb control signal and the resultant stabilized femtoseconds, since the same frequency noise is eliminated by overlapping and synthesizing the two-standard signal and the mixer. Does not affect the laser comb.
  • the standard part 420 includes a high sharpness-cavity 422, into which the first-modulated light and the second-modulated light are input, and the first-standard light locked to the resonant frequency of the high sharpness-cavity. And second-standard light.
  • a multiplexer is provided to input differently-modulated light of different wavelengths into one high-sharp-cavity, and a high-sharp-cavity output stage for separating the modulated light output from the high-sharp-cavity by wavelength.
  • a demultiplexer may be further provided.
  • the multiplexer 421 and the demultiplexer 423 include all elements that combine and separate two wavelengths, and include a wavelength division multiplexer (WDM), an arrayed waveguide grating (AWG), and an optical add-drop multiple xer (OADM).
  • WDM wavelength division multiplexer
  • AMG arrayed waveguide grating
  • OADM optical add-drop multiple xer
  • FBG Fiber Bragg grating
  • circulators and dielectric thin film filters can be used.
  • an optical atomic clock, or an absorption line of molecules or atoms, or the like can be used.
  • the high sharpness-cavity uses an ultra-low expansion material having extremely low length change with temperature, and may include a vacuum chamber and a temperature and active vibration control system to minimize environmental disturbances. have.
  • the first-wide comb controller is provided with a photodetector, whereby the first-standard light, which is an optical signal, is input to the photodetector and converted into an electrical signal, first-standard signal.
  • the 1-broadband control signal may be generated by comparing the driving frequency of the first-standard signal and the first-modulator. It is composed of an oscillator, frequency generator, mixer, low pass filter, etc., so that the first-standard light is completely locked to the high sharpness-cavity located in the standard part.
  • the first-to-wide comb control unit may be implemented by the furnace.
  • Controlling the frequency of the optical comb based on the first-wide comb control signal is a piezoelectric actuator, an electro-optic modulator, a servo motor, which is an internal length control element of the femtosecond laser light source. By adjusting the length of the resonator.
  • the second optical comb control unit includes a photodetector, whereby the second standard light, which is an optical signal, is input to the photodetector and converted into a second standard signal, which is an electrical signal.
  • the second optical signal may be generated by comparing the second standard signal with the second modulator driving frequency. With an oscillator, frequency generator, mixer, low pass filter, etc., the second standard light is completely locked to the high sharpness-cavity resonant frequency located in the modulator.
  • the second wide-bit comb control unit may be implemented by the electronic circuit.
  • Controlling the frequency of the optical comb based on the second optical comb control signal is achieved by adjusting the optical path length of the resonator through the control of the input current of the pumping laser present in the resonator of the femtosecond laser light source.
  • the first-light mode and the second-light extracted from the optical comb by integrally controlling the resonator length of the femtosecond laser light source and the optical path length through the first-wide comb control signal and the second wide-bit comb control signal.
  • the mode By fully locking the mode to the high sharpness-cavity resonant frequency, it is possible to collectively stabilize the overall frequency of the femtosecond laser optical comb.
  • the first-wide comb control signal and the second-wide comb control signal are obtained by dithering a signal from a signal reflecting or transmitting a high sharpness-cavity or a signal reflecting or transmitting a high sharpness-cavity.
  • PDH Pound-Drever-Hall
  • FIG. 3 is a diagram illustrating an optical configuration of an apparatus for implementing stabilization of an overall frequency of an optical comb of a femtosecond laser using an optical mode extracted directly from an optical comb according to another embodiment of the present invention.
  • an acoustic optical modulator 130 is mounted at an output end of the femtosecond laser optical comb, thereby providing a second optical comb control signal.
  • FIG. 4 is a diagram showing monochromatic light and pulses based on a femtosecond laser optical comb stabilized by a device for implementing stabilization of the overall frequency of the optical comb of a femtosecond laser using an optical mode directly extracted from the optical comb according to an embodiment of the present invention. Is a diagram showing an optical configuration of an application unit that generates an X-ray.
  • An apparatus for implementing the stabilization of the overall frequency of the optical comb of the femtosecond laser by using the optical mode extracted directly from the optical comb is a high sharpness without introducing a single monochromatic laser light -It can be directly stabilized in the cavity, so that the stabilized optical comb itself can be used as a light source (using a pulsed laser) or an arbitrary optical frequency can be generated from the optical comb and used as a monochromatic laser light source.
  • injection locking is performed using a laser having a different oscillation wavelength, it is possible to simultaneously extract or generate a plurality of optical modes having different frequencies from the stabilized optical comb, and each of the different optical frequencies generated is stabilized femtosecond. It maintains the frequency stability, accuracy, and linewidth characteristics of the laser comb. Therefore, it is applicable to various fields such as optical clock, spectroscopy, optical communication, deep space exploration, optical metrology, and the like.
  • the application unit 500 adjusts the femtosecond laser optical comb stabilized by the optical comb adjusting unit 510 using the optical comb stabilization apparatus using the optical mode extracted from the optical comb according to an embodiment of the present invention, and the monochromatic light generating unit 520 By transmitting to the pulse generator 530 it is possible to generate a monochromatic light and a pulse laser required for various applications.
  • the application unit 500 performing this role may be provided with both the monochromatic light generating unit 520 and the pulse generating unit 530 or one of them may be provided.
  • the optical comb adjusting unit 510 may adjust the light quantity and spectrum of the stabilized femtosecond laser optical comb.
  • the optical comb adjusting unit 510 distributes the light amount according to the required application, expands the frequency spectrum, and compensates the light amount in the frequency modes lowered by the spectrum extension.
  • the optical comb adjusting unit may include all or part of the light amount distribution unit 511, the spectrum expansion unit 512, and the light amount amplifying unit 513.
  • the light quantity distribution unit 511 uses an optical coupler, and the amount of light required for an application requiring a monochromatic light source in the monochromatic light generating unit 520 and the amount of light required for an application requiring a pulse laser in the pulse generating unit 530.
  • the spectrum expansion unit 512 uses a highly nonlinear fiber provided in the spectrum expansion unit to a level of several hundred THz or more.
  • the oscillation spectrum can be extended.
  • the light amplification unit 513 may compensate for the low output light amount of the frequency modes of the wider spectrum of the optical comb.
  • the light amplification part includes all the elements for amplifying a wavelength band required by the monochromatic light generating part, and an erbium, ytterbium, and a tulium fiber amplifier to which rare earth elements (Er, Yb, Nd, and Tm) are added may be used.
  • a semi-conductor optical amplifier semiconductor ductor optical amplifier
  • an optical fiber Raman amplifier fiber Raman amplifier
  • the monochromatic light generating unit may generate monochromatic light through the mode extractor 521 and the injection locking unit 522.
  • the mode extractor 521 extracts the frequency mode of the wavelength required in the monochromatic light generating unit from the femtosecond laser optical comb, which is a Bragg grating, a Virtually Imaged Phased Array (VIPA), an acoustic optical variable filter (acousto-opt ic tunable). filters, interference filters, tunable Fabry-Perot interferometers, and dielectric thin film filters.
  • the femtosecond laser optical comb which is a Bragg grating, a Virtually Imaged Phased Array (VIPA), an acoustic optical variable filter (acousto-opt ic tunable).
  • VIPA Virtually Imaged Phased Array
  • acoustic optical variable filter acousto-opt ic tunable
  • the injection lock 522 generates the monochromatic light by injection-locking the optical frequency mode extracted by the mode extractor 521 into the slave laser.
  • the generated monochromatic light is amplified to the dependent laser level while maintaining the frequency characteristics of the optical mode extracted from the femto superlaser optical comb.
  • Each extracted optical mode is injected into the slave laser without optical alignment through a circulator or It can be injected into the slave laser through a quarter wave plate and a polariztaion beam splitter.
  • the master laser used in the injection locking applied in the injection lock is the optical mode extracted from the optical comb and the slave laser may be an external free-running oscillator. .
  • Both monochromatic solid and gas lasers may be used as the slave lasers, but mainly diode lasers may be used.
  • the pulse generator 530 may utilize a femtosecond laser light source itself as a pulse laser or a femtosecond laser light source of an extended spectrum through a spectrum extension provided in the optical comb adjusting unit as a pulse laser.
  • FIG. 4 there are four methods of applying a femtosecond laser light source stabilized by an optical comb stabilization apparatus using an optical mode extracted from an optical comb according to an embodiment of the present invention.
  • (3) Broadening spectrum of femtosecond laser optical comb through high nonlinear fiber Method of generating and applying a pulse having a narrow frequency width and a frequency spectrum
  • FIG. 5 sequentially lists a method of stabilizing an optical comb in a frequency domain using a device that implements stabilization of the overall frequency of an optical comb of a femtosecond laser using an optical mode directly extracted from an optical comb according to an embodiment of the present invention.
  • a PDH Pound-Drever-Hall
  • the first-wide comb control signal and the second-wide comb control signal may be dithered from a signal that reflects or transmits high sharpness-cavity or a signal that reflects or transmits high sharpness-cavity in addition to a signal obtained through the PDH method.
  • Differential signal obtained by the method or signal obtained by polarization spectr oscopy of the reflection signal of the resonator proposed by TWHansch and B. Coillaud, or equivalent monochromatic light frequency and high sharpness-cavity resonance extracted from the femtosecond laser optical comb. It may be one of the error signals of the frequency.
  • the method of stabilizing the frequency of the optical comb of the femtosecond laser by using the device to implement the stabilization of the overall frequency of the optical comb of the femtosecond laser using the optical mode directly extracted from the optical comb according to the present invention (a) Outputting a femtosecond laser optical comb from a femtosecond laser light source equipped with a length adjusting element for controlling the frequency of the optical comb by adjusting the length and the optical path length and a pumping laser or an acoustic optical modulator, (b) having a different optical frequency from the optical comb Extracting the first-light mode and the second-light mode; (c) injection-locking the first-light mode into the first-dependent laser to generate the first-monochromatic light, and removing the second-light mode.
  • Generating a second monochromatic light by injecting and locking the second sub laser; and (d) using the high sharpness-cavity to generate the femtosecond laser optical comb from the first monochromatic light and the second monochromatic light.
  • step (d) modulates the phase or frequency of the first monochromatic light to generate first-modulated light, and modulates the phase or frequency of the second monochromatic light to generate second-modulated light.
  • the stabilized optical comb can be used as a pulse and monochromatic light source.
  • a monochromatic light source an arbitrary optical frequency can be selected from the wide optical frequency spectrum of the optical comb, and at the same time, multiple monochromatic light sources are extracted and amplified by different optical frequencies. It can be used in a wide range of applications.

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Abstract

본 발명은 광빗에서 직접적으로 추출된 광모드를 이용하여 펨토초레이저의 광빗이 갖는 전체적 주파수의 안정화를 구현하는 장치 및 방법에 관한 것으로, 상세하게는 광빗에서 직접적으로 추출된 광모드를 이용하여 펨토초 레이저(femtosecond laser)의 광빗(optical comb)의 전체적인 주파수를 안정화하고 안정화된 광빗으로부터 우수한 주파수 안정도와 선폭을 갖는 단색광 레이저 및 펄스를 생성하는 광빗에서 직접적으로 추출된 광모드를 이용하여 펨토초레이저의 광빗이 갖는 전체적 주파수의 안정화를 구현하는 장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 광빗에서 직접적으로 추출된 광모드를 이용하여 펨토초레이저의 광빗이 갖는 전체적 주파수의 안정화를 구현하는 장치는 펨토초레이저 광원, 광모드추출부, 주입잠금부 및 제어부를 포함할 수 있다. 펨토초레이저 광원은 펌핑레이저 또는 음향광학변조기 가운데 선택된 하나와 길이조절소자가 구비되며 펨토초레이저 광빗을 출력한다. 광모드추출부는 펨토초레이저 광빗으로부터 서로 다른 주파수를 가지는 제1-광모드와 제2-광모드를 추출하고, 주입잠금부는 제1-광모드를 제1-종속레이저에 주입잠금하여 제1-단색광을 생성하고, 제2-광모드를 제2-종속레이저에 주입잠금하여 제2-단색광을 생성한다. 마지막으로 고예리도-공동이 구비된 제어부는 제1-단색광과 고예리도-공동의 공진주파수에 근거한 제1-광빗 제어신호를 생성하여 길이조절소자를 제어하고, 제2-단색광과 고예리도-공동의 공진주파수에 근거한 제2-광빗 제어신호를 생성하여 펨토초레이저 광원에 구비된 펌핑레이저 또는 상기 음향광학변조기를 제어한다.

Description

광빗에서 직접적으로 추출된 광모드를 이용하여 펨토초레이저의 광빗이 갖는 전체적 주파수의 안정화를 구현하는 장치 및 방법
본 발명은 광빗에서 직접적으로 추출된 광모드를 이용하여 펨토초레이저의 광빗이 갖는 전체적 주파수의 안정화를 구현하는 장치 및 방법에 관한 것으로, 상세하게는 광빗에서 직접적으로 추출된 광모드를 이용하여 펨토초 레이저(femtosecond laser)의 광빗(optical comb)의 전체적인 주파수를 안정화하고 안정화된 광빗으로부터 우수한 주파수 안정도와 선폭을 갖는 단색광 레이저 및 펄스를 생성하는 광빗에서 직접적으로 추출된 광모드를 이용하여 펨토초레이저의 광빗이 갖는 전체적 주파수의 안정화를 구현하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
펨토초레이저는 시간 영역에서 수 펨토초 (1 펨토초 = 10-15 초) 에서 수 백 펨토초 수준의 좁은 펄스폭을 갖는 극초단 레이저 펄스가 일정 주기를 갖고 반복적으로 생성되는 펄스형 레이저를 종합적으로 칭한다. 이러한 펨토초레이저를 주파수 영역에서 관찰하면, 수십 나노미터에 이르는 넓은 파장폭의 스펙트럼을 가진다. 이러한 스펙트럼 내부에는 많은 수의 광모드(optical mode)가 일정한 주파수의 간격으로 분포하며, 이러한 빗살 형태의 스펙트럼을 광빗(optical comb)이라 한다.
이러한 광빗을 구성하는 각각의 광모드의 주파수는 공진기 길이에 의해 결정되는 반복률(repetition rate,
Figure PCTKR2015008628-appb-I000001
)과 펄스의 군속도(group velocity)와 중심 파장의 위상속도(phase velocity)의 차이에 의해 결정되는 오프셋 주파수(carrier-envelope offset frequency,
Figure PCTKR2015008628-appb-I000002
)라는 두 개의 독립적 변수의 조합으로 정의될 수 있다. 즉, i번째 광모드의 주파수(
Figure PCTKR2015008628-appb-I000003
)는 다음과 같이 표현된다.
Figure PCTKR2015008628-appb-I000004
광빗의 주파수를 안정화하기 위하여 가장 일반적인 방법은 광빗의 두 개의 자유도(반복률, 오프셋 주파수)를 모두 잠금하는 것이다. 반복률과 오프셋 주파수를 안정화하는 데 있어서, 일반적으로 공진기 내부의 공진기의 길이(physical length), 광로길이(optical path length) 또는 내부 분산을 조절하게 된다. 이 때 공진기 내부의 길이, 광로 길이, 분산 조절 소자(압전소자, 서보 모터, 변조기, 펌핑 레이저, 프리즘 쌍(prism pair), 거울의 기울기(tilt) 조절 소자)를 이용하게 될 경우 반복률과 오프셋 주파수는 서로 연관하여 변화하게 된다.
광빗의 주파수를 안정화하는 방법으로, 두 개의 독립변수인 반복률과 오프셋주파수를 라디오 주파수 영역에서 주파수 표준으로 사용되는 루비듐 또는 세슘 원자시계에 PLL(Phase-locked loop) 기법에 기반하며 잠금하는 방법이 널리 사용된다. 광빗의 주파수를 안정화하는 데에 있어서 안정화의 정밀도를 향상시키기 위해 라디오 주파수 표준을 대신하여 광 원자 시계(optical atomic clock) 또는 원자와 분자의 흡수선(absorption line)과 같은 광 주파수 표준과 고예리도-공동에 잠금된 별도의 단색광 레이저를 이용하는 방법이 개발되었으며, 이에 대해서는 미국등록특허 제7809222호와 미국등록특허 제8780948호에 개시되어 있다.
상기 문헌들에 나타난 종래 기술에서는 반복률 주파수를 일정 정수비로 분주하기 위해 주파수 분주기(divider)를 이용함으로써 기준 RF 신호를 획득 가능하며, 단색광 레이저와 광빗의 광모드 사이의 맥놀이 주파수와 f-2f 간섭계를 통해 구한 오프셋 주파수를 반복률의 특정 정수비인 주파수를 가지는 기준 RF 신호에 안정화함으로써 라디오 주파수 표준을 이용하는 경우보다 높은 정밀도로 광빗의 주파수를 안정화할 수 있다.
다만, 이러한 방법은 광빗을 광주파수 표준 또는 고예리도-공동에 안정화 시키기 위하여 별도의 추가적인 단색광 레이저를 필요로 하기 때문에 제어 회로가 복잡해지며, 각각의 레이저에서 발생하는 내부 잡음(intrinsic noise)에 의해 잠금 특성이 나빠질 수 있는 문제가 존재한다.
[선행기술문헌]
[특허문헌]
미국 등록특허 제 7809222호
미국 등록특허 제 8780948호
이에 본 발명은 펨토초 레이저 광빗(Optical frequency comb)의 안정화 방법을 구현함에 있어서, 광주파수생성(optical frequency generation)의 개념을 이용하여 안정화에 요구되는 하드웨어의 복잡도를 완화하고, 동시에 안정화의 정밀도를 개선하고자 한다.
또한, 본 발명은 펨토초레이저 광빗으로부터 추출된 광모드를 고예리도-공동의 공진 주파수 또는 광원자시계의 흡수선에 안정화 함으로써 광빗 전체의 주파수 안정도를 향상시키는 장치 및 방법을 제공하고자 하는 것을 목적으로 한다. 즉, 본 발명은 펨토초레이저의 광빗을 구성하는 광모드들이 갖는 전체적 광주파수를 안정화하기 위해서 외부에서 추가적으로 단색광의 레이저들을 도입하지 않고, 안정화하려는 광빗으로부터 직접 추출한 광모드들을 사용하여, 하드웨어의 복잡성을 줄이면서 안정화 정밀도를 향상시키는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 표준 광주파수를 제공하는 광원자시계의 흡수선을 안정화 표준으로 활용하는 것에도 쉽게 확장될 수 있는 광빗 안정화 방법을 제공하고자 한다.
궁극적으로는, 본 발명은 안정화된 광빗으로부터 추가적으로 추출되는 광모드로부터 우수한 선폭과 안정도를 갖는 단색광의 레이저를 생성하고, 상기 레이저를 광통신, 정밀 분광을 포함한 다양한 광계측 분야에 제공하고자 한다.
본 발명의 다른 목적들은 이하의 실시예에 대한 설명을 통해 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 광빗에서 직접적으로 추출된 광모드를 이용하여 펨토초레이저의 광빗이 갖는 전체적 주파수의 안정화를 구현하는 장치는 펌핑레이저 또는 음향광학변조기 가운데 선택된 하나와 길이조절소자가 구비되고, 펨토초레이저 광빗을 출력하는 펨토초레이저 광원; 상기 펨토초레이저 광빗으로부터 서로 다른 주파수를 가지는 제1-광모드와 제2-광모드를 추출하는 광모드추출부; 상기 제1-광모드를 제1-종속레이저에 주입잠금하여 제1-단색광을 생성하고, 상기 제2-광모드를 제2-종속레이저에 주입잠금하여 제2-단색광을 생성하는 주입잠금부; 고예리도-공동이 구비되고, 상기 제1-단색광과 상기 고예리도-공동의 공진주파수에 근거한 제1-광빗 제어신호를 생성하여 상기 길이조절소자를 제어하고, 상기 제2-단색광과 상기 고예리도-공동의 공진주파수에 근거한 제2-광빗 제어신호를 생성하여 상기 펨토초레이저 광원에 구비된 상기 펌핑레이저 또는 상기 음향광학변조기를 제어하는 제어부;를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제어부는 상기 제1-단색광을 제1-변조기에 입사시켜 상기 제1-단색광의 위상 또는 주파수가 변조된 제1-변조광을 생성하고, 상기 제2-단색광을 제2-변조기에 입사시켜 상기 제2-단색광의 위상 또는 주파수가 변조된 제2-변조광을 생성하는 변조부; 상기 고예리도-공동이 구비되며, 상기 고예리도-공동에 상기 제1-변조광과 상기 제2-변조광을 입사시킨 후 상기 고예리도-공동에서 반사 또는 투과하여 제1-표준광과 제2-표준광을 생성하는 표준부; 상기 제1-표준광과 상기 제1-변조기의 구동 주파수와 비교하여 제1-광빗 제어 신호를 생성하는 제1-광빗 제어부; 상기 제2-표준광과 상기 제2-변조기의 구동 주파수와 비교하여 제2-광빗 제어 신호를 생성하는 제2-광빗 제어부;를 포함하고, 상기 제1-광빗 제어 신호는 상기 길이조절소자를 조절하고 상기 제2-광빗 제어 신호는 상기 펨토초레이저 광원에 구비된 상기 펌핑레이저 또는 상기 음향광학변조기를 조절할 수 있다.
또한, 상기 표준부는 광경로를 통합하는 다중화기; 특정 공진 주파수를 가지는 고예리도-공동; 광경로를 분리하는 역다중화기;를 포함하고, 상기 다중화기는 상기 제1-변조광과 상기 제2-변조광을 통합하여 중첩광을 생성하고, 상기 고예리도-공동은 상기 중첩광을 반사 또는 투과시켜 공진 주파수에 근거한 표준광을 생성하고, 상기 역다중화기는 상기 표준광을 분리하여 상기 제1-표준광과 상기 제2-표준광을 생성할 수 있다.
또한, 상기 제어부는 광검출기가 구비되고, 상기 구비된 광검출기를 이용하여 상기 제1-표준광으로부터 제1-표준신호를 얻고, 상기 제1-표준신호를 상기 제1-변조기의 구동 주파수와 비교하여 제1-광빗 제어 신호를 생성하는 제1-광빗 제어부; 광검출기가 구비되고, 상기 구비된 광검출기를 이용하여 상기 제2-표준광으로부터 제2-표준신호를 얻고, 상기 제2-표준신호를 상기 제2-변조기의 구동 주파수와 비교하여 제2-광빗 제어 신호를 생성하는 제2-광빗 제어부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 모드추출부는 브래그 격자, VIPA, 음향광학가변필터, 간섭 필터 및 가변 페브리페로필터 가운데 선택된 하나를 구비할 수 있다.
또한, 상기 길이조절소자는 압전소자, 변조기 및 서보 모터를 포함하는 공진기가 구비되고, 상기 제1-광빗 제어신호에 근거하여 상기 공진기의 길이를 조절할 수 있다.
또한, 상기 펌핑레이저는 상기 제2-광빗 제어 신호에 근거하여 상기 펌핑레이저의 출력 광량을 조절하여 광로 길이(Optical path length)를 조절할 수 있다.
또한, 상기 음향광학변조기는 상기 제2-광빗 제어 신호에 근거하여 상기 음향광학변조기의 구동 주파수가 조절되어, 상기 펨토초레이저 광원에서 출력되는 펨토초레이저 광빗의 위상을 조절할 수 있다.
또한, 상기 광빗에서 직접적으로 추출된 광모드를 이용하여 펨토초레이저의 광빗이 갖는 전체적 주파수의 안정화를 구현하는 장치는 펨토초 레이저광원으로부터 펨토초레이저 광빗을 입력받아 단색광과 펄스를 출력하는 응용부를 더 포함하고, 상기 응용부는 광커플러를 이용하여 상기 펨토초레이저 광빗의 광량을 분배하고, 고 비선형 광섬유를 이용하여 상기 분배된 펨토초레이저 광빗의 스펙트럼을 확장(broadening)하고, 광섬유 증폭기를 이용하여 상기 스펙트럼이 확장된 펨토초레이저 광빗의 광량을 증폭하여 출력하는 광빗조정부; 상기 광빗조정부가 출력한 펨토초레이저 광빗으로부터 단색광을 추출하여 제공하는 단색광생성부; 를 구비할 수 있다.
또한, 상기 광섬유 증폭기는 어븀 광섬유 증폭기, 이터븀 광섬유 증폭기, 톨륨 광섬유 증폭기 가운데 선택된 하나일 수 있다.
또한, 상기 응용부는 상기 광빗조정부가 출력한 펨토초레이저 광빗을 그대로 출력하는 펄스 생성부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1-광빗 제어 신호는 상기 제1-단색광을 고예리도-공동을 반사 또는 투과하여 얻은 신호, 상기 제1-변조광을 고예리도-공동을 반사 또는 투과한 신호로부터 얻어낸 미분 신호, 상기 제1-단색광을 고예리도-공동을 반사한 신호로부터 편광 분광(polarization spectroscopy)에 의하여 얻어낸 신호 및 상기 제1-변조광을 고예리도-공동에 반사하여 PDH(Pound-Drever-Hall) 방법을 적용하여 얻은 신호 가운데 선택된 하나이고, 상기 제2-광빗 제어 신호는 상기 제2-단색광을 고예리도-공동을 반사 또는 투과하여 얻은 신호, 상기 제2-변조광을 고예리도-공동을 반사 또는 투과한 신호로부터 얻어낸 미분 신호, 상기 제2-단색광을 고예리도-공동을 반사한 신호로부터 편광 분광(polarization spectroscopy)에 의하여 얻어낸 신호 및 상기 제2-변조광을 고예리도-공동에 반사하여 PDH(Pound-Drever-Hall) 방법을 적용하여 얻은 신호 가운데 선택된 하나일 수 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 광빗에서 직접적으로 추출된 광모드를 이용하여 펨토초레이저의 광빗이 갖는 전체적 주파수의 안정화를 구현하는 방법은 (a) 공진기의 실제 길이 및 광로 길이를 조절함으로써 광빗의 주파수를 조절하는 길이조절소자와 펌핑레이저 또는 음향광학변조기가 구비된 펨토초레이저 광원으로부터 펨토초레이저 광빗을 출력하는 단계; (b) 상기 광빗으로부터 서로 다른 광주파수를 가지는 제1-광모드와 제2-광모드를 추출하는 단계; (c) 제1-광모드를 제1-종속레이저에 주입잠금하여 제1-단색광을 생성하고, 제2-광모드를 제2-종속레이저에 주입잠금하여 제2-단색광을 생성하는 단계; (d) 고예리도-공동을 이용하여 상기 제1-단색광과 제2-단색광으로부터 상기 펨토초레이저 광빗을 제어하기 위한 2개의 광빗 제어 신호를 생성하는 단계; (e) 상기 2개의 광빗 제어 신호에 근거하여, 펌핑레이저 또는 음향광학변조기 가운데 선택된 하나와 길이조절소자를 제어함으로써 펨토초레이저 광빗 전체를 안정화하는 단계;를 포함할 수 있다.
또한, 상기 (d) 단계는, (d1) 상기 제1-단색광의 위상 또는 주파수를 변조하여 제1-변조광을 생성하고, 상기 제2-단색광의 위상 또는 주파수를 변조하여 제2-변조광을 생성하는 단계; (d2) 상기 제1-변조광과 상기 제2-변조광을 고예리도-공동에 주입하여 제1-표준광과 제2-표준광을 생성하는 단계; (d3) 상기 제1-표준광과 상기 제1-변조기의 구동 주파수에 근거하여 제1-광빗 제어 신호를 생성하고, 상기 제2-표준광과 상기 제2-변조기의 구동 주파수에 근거하여 제2-광빗 제어 신호를 생성하는 단계; 를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1-광빗 제어 신호는 상기 제1-단색광을 고예리도-공동을 반사 또는 투과하여 얻은 신호, 상기 제1-변조광을 고예리도-공동을 반사 또는 투과한 신호로부터 얻어낸 미분 신호, 상기 제1-단색광을 고예리도-공동을 반사한 신호로부터 편광 분광(polarization spectroscopy)에 의하여 얻어낸 신호 및 상기 제1-변조광을 고예리도-공동에 반사하여 PDH(Pound-Drever-Hall) 방법을 적용하여 얻은 신호 가운데 선택된 하나이고, 상기 제2-광빗 제어 신호는 상기 제2-단색광을 고예리도-공동을 반사 또는 투과하여 얻은 신호, 상기 제2-변조광을 고예리도-공동을 반사 또는 투과한 신호로부터 얻어낸 미분 신호, 상기 제2-단색광을 고예리도-공동을 반사한 신호로부터 편광 분광(polarization spectroscopy)에 의하여 얻어낸 신호 및 상기 제2-변조광을 고예리도-공동에 반사하여 PDH(Pound-Drever-Hall) 방법을 적용하여 얻은 신호 가운데 선택된 하나일 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 광빗으로부터 직접적으로 추출된 광모드(optical mode)를 고예리도-공동(high-finesse cavity)의 공진 주파수 또는 광원자시계(optical atomic clock)의 흡수선에 직접적으로 안정화함으로써, 펨토초레이저의 광빗이 갖는 모든 광모드들의 광주파수를 집단적으로 안정화하는 광빗에서 직접적으로 추출된 광모드를 이용하여 펨토초레이저의 광빗이 갖는 전체적 주파수의 안정화를 구현하는 장치 및 방법을 제공할 수 있다.
또한, 최소 2개의 서로 다른 광모드를 펨토초레이저 광빗으로부터 추출하여, 이를 고예리도-공동에 입사시켜 획득한 오차신호를 이용하여 펨토초레이저 광원의 공진기와 광로를 제어함으로써 광빗을 전체적으로 안정화 시킬 수 있다.
또한, 안정화된 광빗으로부터 추가적으로 추출되는 광모드는 우수한 선폭과 정확도, 안정도를 갖는 단색광의 레이저를 생성할 수 있어 광주파수 생성(optical frequency generation)의 기반기술로써 이용될 수 있다. 본 발명에 따라 얻어진 단색광 레이저는 광통신(optical communication), 정밀 분광(spectroscopy) 및 광계측 분야에서 활용될 수 있는 성능과 경제성을 가질 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 광빗에서 직접적으로 추출된 광모드를 이용하여 펨토초레이저의 광빗이 갖는 전체적 주파수의 안정화를 구현하는 장치를 나타낸 블럭도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 광빗에서 직접적으로 추출된 광모드를 이용하여 펨토초레이저의 광빗이 갖는 전체적 주파수의 안정화를 구현하는 장치의 광학 구성을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 광빗에서 직접적으로 추출된 광모드를 이용하여 펨토초레이저의 광빗이 갖는 전체적 주파수의 안정화를 구현하는 장치의 광학 구성을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 광빗에서 직접적으로 추출된 광모드를 이용하여 펨토초레이저의 광빗이 갖는 전체적 주파수의 안정화를 구현하는 장치를 통해 안정화된 펨토초레이저 광빗을 기반으로 단색광과 펄스를 생성하는 응용부의 광학 구성을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 광빗으로부터 광빗에서 직접적으로 추출된 광모드를 이용하여 펨토초레이저의 광빗이 갖는 전체적 주파수의 안정화를 구현하는 장치를 통해 광빗을 안정화하는 방법을 주파수 영역에서 순차적으로 나열한 개념도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 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.
이하에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 광빗으로부터 추출된 광모드를 이용한 광빗 안정화 장치를 상세히 설명한다.
본 출원인은 별도의 단색광 레이저를 사용하지 않고, 펨토초레이저 광빗을 안정화시키기 위한 연구를 수행한 결과, 최소 2개의 서로 다른 광모드를 펨토초레이저 광빗으로부터 추출하여 이로부터 광빗을 안정화할 수 있음을 발견하고 이를 심화하여 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
본 발명은 펨토초레이저(femtosecond laser) 광빗(optical comb)의 주파수를 전체적으로 안정화하고, 안정화된 광빗으로부터 우수한 안정도와 선폭을 갖는 단색광 레이저를 생성하는 방법 및 장치에 관한 것이다. 구체적으로는, 광빗으로부터 직접적으로 추출된 광모드(optical mode)를 고예리도-공동(high-finesse cavity)의 공진 주파수 또는 광원자시계(optical atomic clock)의 흡수선에 직접적으로 안정화함으로써, 펨토초레이저의 광빗이 갖는 모든 광모드들의 광주파수를 집단적으로 안정화한다.
상기의 방식으로 안정화된 펨토초레이저 광빗의 두 개의 독립적인 변수이 반복률(
Figure PCTKR2015008628-appb-I000005
)과 오프셋 주파수(
Figure PCTKR2015008628-appb-I000006
)는 상기 광빗으로부터 추출한 제1-광모드 주파수(
Figure PCTKR2015008628-appb-I000007
)와 제2-광모드 주파수(
Figure PCTKR2015008628-appb-I000008
)에 근거하여 결정될 수 있다. 즉, 펨토초레이저 광빗으로부터 m번째 광모드를 추출하여 생성한 제1-광모드 주파수와 펨토초레이저 광빗으로부터 n번째 광모드를 추출하여 생성한 제2-광모드 주파수는 각각 다음과 같이 반복률과 오프셋 주파수의 함수로 표현된다.
Figure PCTKR2015008628-appb-I000009
Figure PCTKR2015008628-appb-I000010
제1-광모드 주파수와 제2-광모드 주파수는 각각 고예리도-공동의 공진 주파수에 안정화됨으로써 펨토초레이저 광빗 전체가 안정화될 수 있다. 상기의 방식으로 안정화된 펨토초레이저 광빗의 두 개의 독립변수인 반복률과 오프셋 주파수는 다음과 같이 결정된다.
Figure PCTKR2015008628-appb-I000011
상기 식에서 알 수 있는 것은 반복률과 오프셋 주파수는 2개의 광모드 주파수에 의해서 결정될 수 있다는 것이다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 광빗에서 직접적으로 추출된 광모드를 이용하여 펨토초레이저의 광빗이 갖는 전체적 주파수의 안정화를 구현하는 장치를 나타낸 블럭도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 광빗에서 직접적으로 추출된 광모드를 이용하여 펨토초레이저의 광빗이 갖는 전체적 주파수의 안정화를 구현하는 장치의 광학 구성을 나타내는 도면이다. 펨토초레이저 광원 내부에 존재하는 길이조절소자와 펌핑레이저에 제1-광빗 제어 신호와 제2-광빗 제어 신호를 인가하여 공진기의 기하길이와 광로길이를 동시에 조절함으로써 펨토초레이저 광빗 자체의 주파수 안정화가 이루어진다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 광빗으로부터 추출된 광모드를 이용한 광빗 안정화 장치는 펨토초레이저 광원(100), 모드추출부(200), 주입잠금부(300), 제어부(400)를 포함할 수 있다. 또한, 도 1 및 도 2를 참조하면, 펨토초레이저 광빗의 주파수를 제어하기 위하여 펨토초레이저 광원의 공진기 내 길이조절소자(110)와 펌핑레이저(120)가 사용될 수 있다.
펨토초레이저 광원(100)은 넓은 대역의 스펙트럼을 갖는 광빗을 출력하고, 길이조절소자 (110), 펌핑레이저(120)가 구비될 수 있다. 펨토초레이저 광빗의 주파수를 제어하기 위하여 일반적으로 공진기의 길이를 압전소자 (piezoelectric actuator), 광위상변조기 (electro-optic modulator) 및 서보모터와 같은 길이조절소자를 이용하여 조절하고, 공진기의 광로길이를 펌핑레이저의 전류의 세기 조절을 통해 조절할 수 있다. 펨토초레이저 광빗의 주파수를 제어하기 위한 다른 방법으로는 펨토초레이저 광빗의 출력단에 음향광학변조기(acousto-optic modulator)(130)를 장착하고 여기에 인가되는 구동 주파수 등을 조절하는 것일 수 있다.
모드추출부(200)는 광빗으로부터 서로 다른 주파수를 가지는 제1-광모드와 제2-광모드를 추출하며, 이는 브래그 격자(Bragg grating), VIPA(Virtually Imaged Phased Array), 음향광학가변필터(acousto-optic tunable filter), 간섭 필터 및 가변 페브리페로필터(tunable Fabry-Perot interferometer), 유전 박막 여과기(dielectric thin film filter)로 구현될 수 있다. 광빗의 각 주파수모드는 전술한 바와 같이 반복률과 오프셋 주파수라는 두 가지 독립변수에 의해서 정의되므로, 모드추출부에서 최소 두 개의 다른 주파수의 광모드를 추출하여 각각을 고예리도-공동에 주입함으로써 광빗 주파수 전체를 안정화하기 위해 필요한 정보를 모두 얻을 수 있다. 또한, 서로 다른 추출 주파수 영역을 갖는 모드추출부를 사용하면 광빗의 넓은 주파수 영역에서 임의의 서로 다른 광주파수를 동시에 추출할 수 있다.
주입잠금부(300)는 제1-광모드와 제2-광모드가 입력되며, 제1-광모드를 제1-종속레이저에 주입잠금(injection locking)하여 제1-단색광을 생성하고, 제2-광모드를 제2-종속레이저에 주입잠금(injection locking)하여, 제2-단색광을 생성할 수 있다. 생성된 제1-단색광 및 제2-단색광은 광빗에서 추출된 광모드의 주파수 특성을 유지하며, 광량 또한 증폭된다. 광빗에서 추출된 각각의 광모드는 서큘레이터(circulator)를 통해 광학적 정렬 없이 해당 종속레이저에 직접 주입되거나
Figure PCTKR2015008628-appb-I000013
편광판(quarter wave plate)과 편광분리기(polarization beam splitter)의 조합을 통해 종속레이저에 주입될 수 있다. 제1-종속레이저와 제2-종속레이저는 각각 별도의 단색광 레이저 광원으로, 고체, 액체, 기체 레이저가 모두가 사용될 수 있으나 주로 반도체 형태의 다이오드 레이저가 이용 될 수 있다. 여기서 사용되는 제1-종속레이저와 제2-종속레이저는 광주파수 표준과 고예리도-공동에 직접적 으로 잠금되는데 이용되므로 종래의 기술에서 사용되는 별도의 단색광 레이저가 요구되지 않아 훨씬 구조가 간단할 수 있다.
제어부(400)는 제1-단색광과 제2-단색광의 주파수에 대한 고예리도-공 동이 구비된 표준부(420)에 근거하여 상기 펨토초레이저 광원에서 출력되는 광빗을 안정화하는 제어신호를 생성할 수 있다. 제어부(400)는 변조부(410), 표준부(420), 제1-광빗 제어부(430), 제2-광빗 제어부(440)를 포함할 수 있다.
변조부(410)는 제어부에 입력되는 제1-단색광의 위상 또는 주파수를 변 조하여 제1-변조광을 생성하고, 제2-단색광의 위상 또는 주파수를 변조하여 제2-변조광을 생성한다. 변조부 에는 각각의 변조광을 생성하기 위한 변조기가 필요하고, 이를 위해 음향광학변조기(acousto-optic modulator), 전기광학변조기(electro-optic modulator) 등의 변조기가 사용될 수 있다. 그리고 변조부 내부의 변조 기의 구동 주파수는 라디오 주파수 표준으로 사용되는 루비듐 시계나 세슘 시계, 수소 메이저에 소급된 주파 수 생성기(frequency generator, function generator)(미도시)에서 생성된 정현파 신호를 통하여 제어될 수 있다. 변조기를 구동하는 정현파 신호는 제1-광빗 제어부와 제2-광빗 제어부에도 전달되어 제1-광빗 제어신 호와 제2-광빗 제어신호를 생성하는 데 기여한다. 제1-광빗 제어 신호와 제2-광빗 제어신호를 생성하는 데 있어서 라디오 주파수 표준의 안정도에 소급된 정현파 형태의 변조기 구동 신호가 이용되며, 변조기를 구동 하는 정현파 신호가 제1-표준신호 및 제2-표준신호와 혼합기(Mixer)에서 중첩 및 합성되면서 동일하게 존재 하는 주파수 잡음이 제거 되기 때문에 라디오 주파수 표준과 그에 소급한 주파수 생성기의 주파수 안정도는 최종적으로 생성되는 광빗 제어 신호 및 이로 인해 안정화된 펨토초 레이저 광빗에 영향을 미치지 않는다.
표준부(420)는 고예리도-공동(422)을 구비하고, 이에 제1-변조광과 제2-변조광이 입력되며 , 고예리도-공동의 공진 주파수에 잠금이 된 제1-표준광과 제2-표준광을 생성한다. 서로 다른 파장의 변조광 을 하나의 고예리도-공동의 입력하기 위해서 다중화기(multiplexer)가 구비되고, 고예리도-공동에서 출력된 변조광을 파장별로 분리하기 위하여 고예리도-공동의 출력단에 역다중화기(demultiplexer)가 추가로 구비될 수 있다. 이 때 다중화기(421)와 역다중화기(423)는 2개의 파장을 합치고 분리하는 소자를 모두 포함하며, WDM(wavelength division multiplexer), AWG(arrayed waveguide grating), OADM(optical add-drop multiple xer), FBG(Fiber Bragg grating), 서큘레이터(circulator)와 유전 박막 여과기(dielectric thin film filter) 등이 사용될 수 있다. 고예리도-공동(High finesse cavity)와는 별도로, 광원자시계 (optical atomic clock), 또는 분자 또는 원자의 흡수선(absorption line) 등이 사용될 수 있다. 여기서, 고예리도-공동은 온도 에 따른 길이 변화가 극도로 적은 극저팽창 (ultra-low expansion) 물질을 사용하고, 환경 외란을 최소화하 기 위한 진공 챔버와 온도 및 능동 진동 제어 시스템을 포함할 수 있다.
제1-광빗 제어부 는 광검출기가 구비되고 이에 의해 광신호인 제1-표준광이 광검출기에 입력되어 전기적 신호인 제1-표준신 호로 변환된다. 상기 제1-표준신호와 상기 제1-변조기의 구동 주파수를 비교하여 1-광빗 제어신호를 생성할 수 있다. 이는 표준부에 위치한 고예리도-공동에 제1-표준광이 완전한 잠금이 되도록 발진기(oscillator), 주파수 생성기(frequency generator), 믹서(mixer), 저주파여과기(low pass filter) 등으로 구성되는 전자회 로에 의해서 제1-광빗 제어부가 구현될 수 있다. 상기 제1-광빗 제어신호를 기반으로 광빗의 주파수를 제어 하는 것은 상기 펨토초레이저 광원의 내부 길이조절소자인 압전소자(piezoelectric actuator), 전기위상변조 기(electro-optic modulator), 서보 모터(servo motor) 등을 이용하여 공진기의 길이를 조절함으로써 이루어 진다.
제2-광빗 제어부는 광검출기가 구비되고 이에 의해 광신호인 제2-표준광이 광검 출기에 입력되어 전기적 신호인 제2-표준신호로 변환된다. 상기 제2-표준신호와 상기 제2-변조기 구동 주파 수를 비교하여 제2-광빗 제어신호를 생성할 수 있다. 변조부에 위치한 고예리도-공동의 공진 주파수에 제2- 표준광이 완전 잠금이 되도록 발진기(oscillator), 주파수 생성기(frequency generator), 믹서(mixer), 저주 파여과기(low pass filter) 등으로 구성되는 전자회로에 의해서 제2-광빗 제어부가 구현될 수 있다. 상기 제 2-광빗 제어신호를 기반으로 광빗의 주파수를 제어하는 것은 펨토초레이저 광원의 공진기 내에 존재하는 펌 핑레이저의 입력전류의 제어를 통해 공진기 광로길이(optical path length)를 조절함으로써 이루어진다.
상기와 같이 제1-광빗 제어신호와 제2-광빗 제어신호를 통해 펨토초레이저 광원의 공진기 길이(geometrical length)와 상기 광로길이를 통합 제어함으로써 광빗에서 추출된 제1-광모드와 제2-광모드 를 고예리도-공동의 공진 주파수에 완전 잠금함으로써, 펨토초레이저 광빗의 전체적 주파수를 집단적으로 안정화할 수 있다.
또한, 제1-광빗 제어신호와 제2-광빗 제어신호는 고예리도-공동을 반사 또는 투과한 신호, 또는 고예리도-공동을 반사 또는 투과한 신호로부터 신호변조(dithering)를 통해 얻어낸 미분 신호, 또는 PDH(Pound-Drever-Hall) 방법을 통해 얻어낸 신호, 및 Hansch-Couillaud 방법을 통해 고예 리도-공동을 반사한 신호로부터 편광 분광(polarization spectroscopy)에 의하여 얻어낸 신호 혹은 이에 준 하는 펨토초레이저 광빗에서 추출한 광모드 주파수와 광고예리도-공동의 공진 주파수의 오차 신호들 중에 하 나일 수 있다. 상기 도 1에서는 상기 방식 중의 하나인 PDH 방법을 통해 오차 신호를 획득한 방식을 기반으 로 도시하였다. 도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 광빗에서 직접적으로 추출된 광모드를 이용하여 펨토 초레이저의 광빗이 갖는 전체적 주파수의 안정화를 구현하는 장치의 광학 구성을 나타내는 도면이다. 도 3을 참조하면, 펨토초레이저 광빗의 오프셋 주파수를 제어하는 과정에서 펌핑레이저의 광량을 조절하는 대신에 펨토초레이저 광빗의 출력단에 음향광학변조기(130)를 장착하여 여기에 제2-광빗 제어신호를 인가함으로써 펨토초레이저 광빗의 출력 주파수의 천이를 야기함으로써 이루어진다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 광빗에서 직접적으로 추출된 광모드를 이용하여 펨토초레이저의 광빗이 갖는 전체적 주파 수의 안정화를 구현하는 장치를 통해 안정화된 펨토초레이저 광빗을 기반으로 단색광과 펄스를 생성하는 응 용부의 광학 구성을 나타내는 도면이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 광빗에서 직접적으로 추출된 광모드를 이용하여 펨토초레이저의 광빗이 갖는 전체적 주파수의 안정화를 구현하는 장치는 펨토초레이저 광빗을 별도 의 단색 레이저광을 도입하지 않고 고예리도-공동에 직접적으로 안정화할 수 있어, 안정화 된 광빗 자체를 광원으로 사용하거나(펄스레이저 활용) 혹은 광빗으로부터 임의의 광 주파수를 생성하여 단색광 레이저 광원 으로 활용할 수 있는 장점을 제공한다. 이 때 서로 다른 발진 파장을 가진 레이저를 이용하여 주입잠금하면 안정화 된 광빗으로부터 서로 다른 주파수를 갖는 복수개의 광모드를 동시에 추출하거나 생성하는 것이 가능 하고, 생성된 각각의 서로 다른 광주파수는 안정화 된 펨토초레이저 광빗의 주파수 안정도, 정확도, 선폭 특 성을 그대로 유지한다. 따라서, 광 시계(optical clock), 분광(spectroscopy), 광통신(optical communication), 심우주 탐색(deep space exploration), 광계측학(optical metrology) 등의 다양한 분야에 적용 가능하 다.
응용부(500)는 본 발명의 일 실시예에 따른 광빗으로부터 추출된 광모드를 이용한 광빗 안정화 장치를 통해 안정화된 펨토초레이저 광빗을 광빗조정부(510)에서 조정하고, 이를 단색광생성부 (520)와 펄스생성부(530)에 전달함으로써 다양한 응용에 요구되는 단색광과 펄스 레이저를 생성할 수 있다. 이러한 역할을 수행하는 응용부(500)는 단색광생성부(520)와 펄스생성부(530) 모두 구비하거나 둘 가운데 하 나를 선택하여 구비할 수 있다.
광빗조정부(510)는 안정화된 펨토초레이저 광빗의 광량 과 스펙트럼을 조절할 수 있다. 광빗조정부(510)에서는 필요한 응용 분야에 맞추어 광량을 분배하고, 주파 수 스펙트럼을 확장하며, 스펙트럼 확장에 의해 낮아진 주파수 모드들의 광량을 보상할 수 있다. 광빗조정부는 광량분배부(511), 스펙트럼확장부(512), 광량증폭부(513) 가운데 모두 혹은 일부가 구비될 수 있다.
광량분배부(511)는 광커플러를 이용하여, 단색광생성부(520)에는 단색광 광원이 필요한 응 용 분야에서 요구되는 광량을, 펄스생성부(530)에는 펄스 레이저가 필요한 응용 분야에서 요구되는 광량을 분배한다.
스펙트럼확장부(512)는 단색광 생성부에서 요구되는 특정 주파수를 펨토초레 이저 광빗이 직접적으로 제공하지 못할 경우, 스펙트럼확장부에 구비된 고비선형광섬유(highly nonlinear fiber)를 이용하여 수백 THz 이상 수준으로 발진 스펙트럼의 확장이 가능하다.
광량증폭부(513)는 스펙트럼이 확장된 광빗의 주파수 모드들의 낮은 출력 광량을 보상할 수 있다. 광량증폭부는 단 색광 생성부에서 필요한 파장대역을 증폭하는 소자를 모두 포함하며, 희토류 원소(Er, Yb, Nd, Tm)가 첨가된 어븀, 이터븀, 튤륨 광섬유 증폭기 등이 이용될 수 있다. 또한 광량 증폭을 위하여 반도체광증폭기(semicon ductor optical amplifier) 또는 광섬유 라만 증폭기(fiber Raman amplifier)가 이용될 수 있다.
단색광생성부는 모드추출부(521)와 주입잠금부(522)를 통하여 단색광을 생성할 수 있다.
모드추출부(521)는 펨토초레이저 광빗으로부터 단색광생성부에서 필요한 파장의 주파수 모드를 추출하며 , 이는 브래그 격자(Bragg grating), VIPA(Virtually Imaged Phased Array), 음향광학가변필터(acousto-opt ic tunable filter), 간섭 필터 및 가변 페브리페로필터(tunable Fabry-Perot interferometer), 유전 박막 여과기(dielectric thin film filter)로 구현될 수 있다.
주입잠금부(522)는 모드추출부 (521)에서 추출한 광 주파수 모드를 종속레이저에 주입잠금하여 단색광을 생성한다. 생성된 단색광은 펨토 초레이저 광빗에서 추출된 광모드의 주파수 특성을 유지하면서 광량은 종속 레이저 수준으로 증폭된다. 추출 된 각 광모드는 서큘레이터(circulator)를 통해 광학적 정렬 없이 종속레이저에 주입되거나
Figure PCTKR2015008628-appb-I000014
편광판(quarter wave plate)과 편광분리기(polariztaion beam split ter)를 통해 종속레이저에 주입될 수 있다. 주입잠금부에서 적용된 주입잠금법(Injection locking)에서 사용 된 주레이저(master laser)는 광 빗에서 추출된 광모드며 종속 레이저(slave laser)는 외부 자유발진 공진기 (free-running oscillator)일 수 있다. 종속 레이저로는 단색광 고체, 기체 레이저 모두가 사용될 수 있으나 주로 다이오드 레이저가 이용될 수 있다.
펄스 생성부(530)는 펨토초레이저 광원 자체를 펄스 레이저로 활용하거나 광빗조정부에 구비된 스펙트럼확장부를 통해 확장된 스펙트럼의 펨토초레이저 광 원을 펄스 레이저로 활용할 수 있다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 광빗 으로부터 추출된 광모드를 이용한 광빗 안정화 장치에 의해 안정화된 펨토초레이저 광원을 응용하는 방법은 크게 네 가지로, (1) 펨토초레이저 광빗 자체를 사용하여 펄스를 생성하여 응용하는 방법 (2) 광빗 내 임의 의 주파수를 추출 및 증폭하여 단색광 광원을 생성하여 응용하는 방법 (3) 펨토초레이저 광빗의 스펙트럼을 고 비선형 광섬유를 통해 스펙트럼을 확장함으로써 보다 넓은 주파수 스펙트럼과 좁은 펄스폭을 갖는 펄스를 생성하여 응용하는 방법 (4) (3)을 통해 확장된 스펙트럼 내 임의의 주파수를 추출 및 증폭하여 단색광 광원 을 생성하여 응용하는 방법이 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 광빗에서 직접적으로 추출된 광모드를 이용하여 펨토초레이저의 광빗이 갖는 전체적 주파수의 안정화를 구현하는 장 치를 통해 광빗을 안정화하는 방법을 주파수 영역에서 순차적으로 나열한 개념도이다. 도 5에서 제1-광빗 제어신호와 제2-광빗 제어신호를 획득하는데 있어서 PDH(Pound-Drever-Hall) 방법을 이용하는 경우를 가정하 였다. 제1-광빗 제어신호와 제2-광빗 제어신호는 PDH 방법을 통해 얻어낸 신호 이외에도 고예리도-공동을 반 사 또는 투과한 신호, 또는 고예리도-공동을 반사 또는 투과한 신호로부터 변조(dithering)를 통해 얻어낸 미분 신호, 또는 T.W.Hansch와 B.Couillaud가 제안한 공진기의 반사 신호의 편광 분광(polarization spectr oscopy)에 의하여 얻어낸 신호 혹은 이에 준하는 펨토초레이저 광빗에서 추출한 단색광 주파수와 고예리도- 공동의 공진 주파수의 오차 신호 가운데 하나일 수 있다.
본 발명에 따른 광빗에서 직접 적으로 추출된 광모드를 이용하여 펨토초레이저의 광빗이 갖는 전체적 주파수의 안정화를 구현하는 장치를 이용하여 펨토초레이저의 광빗의 주파수를 안정화하는 방법은 (a) 공진기의 실제 길이 및 광로 길이를 조절 함으로써 광빗의 주파수를 조절하는 길이조절소자와 펌핑레이저 또는 음향광학변조기가 구비된 펨토초레이저 광원으로부터 펨토초레이저 광빗을 출력하는 단계, (b) 상기 광빗으로부터 서로 다른 광주파수를 가지는 제 1-광모드와 제2-광모드를 추출하는 단계, (c) 제1-광모드를 제1-종속레이저에 주입잠금하여 제1-단색광을 생 성하고, 제2-광모드를 제2-종속레이저에 주입잠금하여 제2-단색광을 생성하는 단계, (d) 고예리도-공동을 이 용하여 상기 제1-단색광과 제2-단색광으로부터 상기 펨토초레이저 광빗을 제어하기 위한 2개의 광빗 제어 신 호를 생성하는 단계, 및 (e) 상기 2개의 광빗 제어 신호에 근거하여, 펌핑레이저 또는 음향광학변조기 가운 데 선택된 하나와 길이조절소자를 제어함으로써 펨토초레이저 광빗 전체를 안정화하는 단계로 이루어진다. 여기서 (d) 단계는 (d1) 상기 제1-단색광의 위상 또는 주파수를 변조하여 제1-변조광을 생성하고, 상기 제2 -단색광의 위상 또는 주파수를 변조하여 제2-변조광을 생성하는 단계, (d2) 상기 제1-변조광과 상기 제2-변 조광을 고예리도-공동에 주입하여 제1-표준광과 제2-표준광을 생성하는 단계, (d3) 상기 제1-표준광과 상기 제1-변조기의 구동 주파수에 근거하여 제1-광빗 제어 신호를 생성하고, 상기 제2-표준광과 상기 제2-변조기 의 구동 주파수에 근거하여 제2-광빗 제어 신호를 생성하는 단계를 포함할 수 있다.본 발명의 일 실시예에 따른 광빗에서 직접적으로 추출된 광모드를 이용하여 펨토초레이저의 광빗이 갖는 전체적 주파수의 안정화를 구현하는 장치는 현재 사용되고 있는 방식에 비하여 필요한 궤환 회로의 수가 적고 추가적인 좁은 선폭 레이 저가 필요치 않아 전체 시스템이 단순하고, 하나의 고예리도-공동에 여러 개의 다른 주파수 모드를 동시에 안정화 할 수 있다. 또한 안정화 된 광빗은 펄스 및 단색광 광원으로 사용가능하며, 단색광 광원의 경우 광 빗이 갖는 넓은 광주파수 스펙트럼 중 임의의 광주파수를 선택가능하고, 동시에 서로 다른 광주파수를 추출 및 증폭하여 여러 개의 단색광 광원으로 사용가능하여 그 응용분야가 넓다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지 를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
[부호의 설명]
100 : 펨토초레이저 광원
110 : 길이조절소자
120 : 펌핑레이저
130 : 음향광학변조기
200 : 모드추출부
300 : 주입잠금부
400 : 제어부
410 : 변조부
420 : 표준부
421 : 다중화기
422 : 고예리도-공동
423 : 역다중화기
430 : 제1-광빗 제어부
440 : 제2-광빗 제어부
500 : 응용부
510 : 광빗 조정부
520 : 단색광 생성부
530 : 펄스 생성부
511 : 광량 분배부
512: 스펙트럼 확장부
513: 광량 증폭부
521 : 모드 추출부
522: 주입 잠금부

Claims (15)

  1. 펌핑레이저 또는 음향광학변조기 가운데 선택된 하나와 길이조절소자가 구비되고, 펨토초레이저 광빗을 출력하는 펨토초레이저 광원;
    상기 펨토초레이저 광빗으로부터 서로 다른 주파수를 가지는 제1-광모드와 제2-광모드를 추출하는 광모드추출부;
    상기 제1-광모드를 제1-종속레이저에 주입잠금하여 제1-단색광을 생성하고, 상기 제2-광모드를 제2-종속레이저에 주입잠금하여 제2-단색광을 생성하는 주입잠금부; 및
    고예리도-공동이 구비되고, 상기 제1-단색광과 상기 고예리도-공동의 공진주파수에 근거한 제1-광빗 제어신호를 생성하여 상기 길이조절소자를 제어하고, 상기 제2-단색광과 상기 고예리도-공동의 공진주파수에 근거한 제2-광빗 제어신호를 생성하여 상기 펨토초레이저 광원에 구비된 상기 펌핑레이저 또는 상기 음향광학변조기를 제어하는 제어부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 광빗에서 직접적으로 추출된 광모드를 이용하여 펨토초레이저의 광빗이 갖는 전체적 주파수의 안정화를 구현하는 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 제1-단색광을 제1-변조기에 입사시켜 상기 제1-단색광의 위상 또는 주파수가 변조된 제1-변조광을 생성하고, 상기 제2-단색광을 제2-변조기에 입사시켜 상기 제2-단색광의 위상 또는 주파수가 변조된 제2-변조광을 생성하는 변조부;
    상기 고예리도-공동이 구비되며, 상기 고예리도-공동에 상기 제1-변조광과 상기 제2-변조광을 입사시킨 후 상기 고예리도-공동에서 반사 또는 투과하여 제1-표준광과 제2-표준광을 생성하는 표준부;
    상기 제1-표준광과 상기 제1-변조기의 구동 주파수와 비교하여 제1-광빗 제어 신호를 생성하는 제1-광빗 제어부; 및
    상기 제2-표준광과 상기 제2-변조기의 구동 주파수와 비교하여 제2-광빗 제어 신호를 생성하는 제2-광빗 제어부;
    를 포함하고,
    상기 제1-광빗 제어 신호는 상기 길이조절소자를 조절하고
    상기 제2-광빗 제어 신호는 상기 펨토초레이저 광원에 구비된 상기 펌핑레이저 또는 상기 음향광학변조기를 조절하는 것을 특징으로 하는 광빗에서 직접적으로 추출된 광모드를 이용하여 펨토초레이저의 광빗이 갖는 전체적 주파수의 안정화를 구현하는 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 표준부는
    광경로를 통합하는 다중화기;
    특정 공진 주파수를 가지는 고예리도-공동; 및
    광경로를 분리하는 역다중화기;
    를 포함하고,
    상기 다중화기는 상기 제1-변조광과 상기 제2-변조광을 통합하여 중첩광을 생성하고,
    상기 고예리도-공동은 상기 중첩광을 반사 또는 투과시켜 공진 주파수에 근거한 표준광을 생성하고,
    상기 역다중화기는 상기 표준광을 분리하여 상기 제1-표준광과 상기 제2-표준광을 생성하는 것을 특징으로 하는 광빗에서 직접적으로 추출된 광모드를 이용하여 펨토초레이저의 광빗이 갖는 전체적 주파수의 안정화를 구현하는 장치.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 제어부는
    광검출기가 구비되고, 상기 구비된 광검출기를 이용하여 상기 제1-표준광으로부터 제1-표준신호를 얻고, 상기 제1-표준신호를 상기 제1-변조기의 구동 주파수와 비교하여 제1-광빗 제어 신호를 생성하는 제1-광빗 제어부; 및
    광검출기가 구비되고, 상기 구비된 광검출기를 이용하여 상기 제2-표준광으로부터 제2-표준신호를 얻고, 상기 제2-표준신호를 상기 제2-변조기의 구동 주파수와 비교하여 제2-광빗 제어 신호를 생성하는 제2-광빗 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 광빗에서 직접적으로 추출된 광모드를 이용하여 펨토초레이저의 광빗이 갖는 전체적 주파수의 안정화를 구현하는 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 모드추출부는
    브래그 격자, VIPA, 음향광학가변필터, 간섭 필터 및 가변 페브리페로필터 가운데 선택된 하나를 구비하는 것을 특징으로 하는 광빗에서 직접적으로 추출된 광모드를 이용하여 펨토초레이저의 광빗이 갖는 전체적 주파수의 안정화를 구현하는 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 길이조절소자는
    압전소자, 변조기 및 서보 모터를 포함하는 공진기가 구비되고, 상기 제1-광빗 제어신호에 근거하여 상기 공진기의 길이를 조절하는 것을 특징으로 하는 광빗에서 직접적으로 추출된 광모드를 이용하여 펨토초레이저의 광빗이 갖는 전체적 주파수의 안정화를 구현하는 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 펌핑레이저는
    상기 제2-광빗 제어 신호에 근거하여 상기 펌핑레이저의 출력 광량을 조절하여 광로 길이(Optical path length)를 조절하는 것을 특징으로 하는 광빗에서 직접적으로 추출된 광모드를 이용하여 펨토초레이저의 광빗이 갖는 전체적 주파수의 안정화를 구현하는 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 음향광학변조기는
    상기 제2-광빗 제어 신호에 근거하여 상기 음향광학변조기의 구동 주파수가 조절되어, 상기 펨토초레이저 광원에서 출력되는 펨토초레이저 광빗의 위상을 조절하는 것을 특징으로 하는 광빗에서 직접적으로 추출된 광모드를 이용하여 펨토초레이저의 광빗이 갖는 전체적 주파수의 안정화를 구현하는 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 광빗에서 직접적으로 추출된 광모드를 이용하여 펨토초레이저의 광빗이 갖는 전체적 주파수의 안정화를 구현하는 장치는
    펨토초 레이저광원으로부터 펨토초레이저 광빗을 입력받아 단색광과 펄스를 출력하는 응용부를 더 포함하고,
    상기 응용부는
    광커플러를 이용하여 상기 펨토초레이저 광빗의 광량을 분배하고,
    고 비선형 광섬유를 이용하여 상기 분배된 펨토초레이저 광빗의 스펙트럼을 확장(broadening)하고,
    광섬유 증폭기를 이용하여 상기 스펙트럼이 확장된 펨토초레이저 광빗의 광량을 증폭하여 출력하는 광빗조정부; 및
    상기 광빗조정부가 출력한 펨토초레이저 광빗으로 부터 단색광을 추출하여 제공하는 단색광생성부;
    를 구비하는 것을 특징으로 하는 광빗에서 직접적으로 추출된 광모드를 이용하여 펨토초레이저의 광빗이 갖는 전체적 주파수의 안정화를 구현하는 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 광섬유 증폭기는 어븀 광섬유 증폭기, 이터븀 광섬유 증폭기, 톨륨 광섬유 증폭기 가운데 선택된 하나인 것을 특징으로 하는 광빗에서 직접적으로 추출된 광모드를 이용하여 펨토초레이저의 광빗이 갖는 전체적 주파수의 안정화를 구현하는 장치.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 응용부는
    상기 광빗조정부가 출력한 펨토초레이저 광빗을 그대로 출력하는 펄스 생성부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광빗에서 직접적으로 추출된 광모드를 이용하여 펨토초레이저의 광빗이 갖는 전체적 주파수의 안정화를 구현하는 장치.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1-광빗 제어 신호는
    상기 제1-단색광을 고예리도-공동을 반사 또는 투과하여 얻은 신호, 상기 제1-변조광을 고예리도-공동을 반사 또는 투과한 신호로부터 얻어낸 미분 신호, 상기 제1-단색광을 고예리도-공동을 반사한 신호로부터 편광 분광(polarization spectroscopy)에 의하여 얻어낸 신호 및 상기 제1-변조광을 고예리도-공동에 반사하여 PDH(Pound-Drever-Hall) 방법을 적용하여 얻은 신호 가운데 선택된 하나이고,
    상기 제2-광빗 제어 신호는
    상기 제2-단색광을 고예리도-공동을 반사 또는 투과하여 얻은 신호, 상기 제2-변조광을 고예리도-공동을 반사 또는 투과한 신호로부터 얻어낸 미분 신호, 상기 제2-단색광을 고예리도-공동을 반사한 신호로부터 편광 분광(polarization spectroscopy)에 의하여 얻어낸 신호 및 상기 제2-변조광을 고예리도-공동에 반사하여 PDH(Pound-Drever-Hall) 방법을 적용하여 얻은 신호 가운데 선택된 하나인 것을 특징으로 하는 광빗에서 직접적으로 추출된 두개 이상의 광모드를 이용하여 펨토초레이저의 광빗이 갖는 전체 광주파수 모드의 안정화를 구현하는 장치.
  13. (a) 공진기의 실제 길이 및 광로 길이를 조절함으로써 광빗의 주파수를 조절하는 길이조절소자와 펌핑레이저 또는 음향광학변조기가 구비된 펨토초레이저 광원으로부터 펨토초레이저 광빗을 출력하는 단계;
    (b) 상기 광빗으로부터 서로 다른 광주파수를 가지는 제1-광모드와 제2-광모드를 추출하는 단계;
    (c) 제1-광모드를 제1-종속레이저에 주입잠금하여 제1-단색광을 생성하고, 제2-광모드를 제2-종속레이저에 주입잠금하여 제2-단색광을 생성하는 단계;
    (d) 고예리도-공동을 이용하여 상기 제1-단색광과 제2-단색광으로부터 상기 펨토초레이저 광빗을 제어하기 위한 2개의 광빗 제어 신호를 생성하는 단계; 및
    (e) 상기 2개의 광빗 제어 신호에 근거하여, 펌핑레이저 또는 음향광학변조기 가운데 선택된 하나와 길이조절소자를 제어함으로써 펨토초레이저 광빗 전체를 안정화하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 광빗에서 직접적으로 추출된 광모드를 이용하여 펨토초레이저의 광빗이 갖는 전체적 주파수의 안정화를 구현하는 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 (d) 단계는,
    (d1) 상기 제1-단색광의 위상 또는 주파수를 변조하여 제1-변조광을 생성하고, 상기 제2-단색광의 위상 또는 주파수를 변조하여 제2-변조광을 생성하는 단계;
    (d2) 상기 제1-변조광과 상기 제2-변조광을 고예리도-공동에 주입하여 제1-표준광과 제2-표준광을 생성하는 단계; 및
    (d3) 상기 제1-표준광과 상기 제1-변조기의 구동 주파수에 근거하여 제1-광빗 제어 신호를 생성하고, 상기 제2-표준광과 상기 제2-변조기의 구동 주파수에 근거하여 제2-광빗 제어 신호를 생성하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 광빗으로부터 광빗에서 직접적으로 추출된 광모드를 이용하여 펨토초레이저의 광빗이 갖는 전체적 주파수의 안정화를 구현하는 방법.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 제1-광빗 제어 신호는
    상기 제1-단색광을 고예리도-공동을 반사 또는 투과하여 얻은 신호, 상기 제1-변조광을 고예리도-공동을 반사 또는 투과한 신호로부터 얻어낸 미분 신호, 상기 제1-단색광을 고예리도-공동을 반사한 신호로부터 편광 분광(polarization spectroscopy)에 의하여 얻어낸 신호 및 상기 제1-변조광을 고예리도-공동에 반사하여 PDH(Pound-Drever-Hall) 방법을 적용하여 얻은 신호 가운데 선택된 하나이고,
    상기 제2-광빗 제어 신호는
    상기 제2-단색광을 고예리도-공동을 반사 또는 투과하여 얻은 신호, 상기 제2-변조광을 고예리도-공동을 반사 또는 투과한 신호로부터 얻어낸 미분 신호, 상기 제2-단색광을 고예리도-공동을 반사한 신호로부터 편광 분광(polarization spectroscopy)에 의하여 얻어낸 신호 및 상기 제2-변조광을 고예리도-공동에 반사하여 PDH(Pound-Drever-Hall) 방법을 적용하여 얻은 신호 가운데 선택된 하나인 것을 특징으로 하는 광빗에서 직접적으로 추출된 두개 이상의 광모드를 이용하여 펨토초레이저의 광빗이 갖는 전체 광주파수 모드의 안정화를 구현하는 방법.
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