초고속 반도체 디스크 레이저의 최근 발전

Light: 과학 및 응용 4권, e310페이지(2015)이 기사 인용

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초고속 반도체 디스크 레이저의 성능은 최근 수십 년 동안 급속히 발전했습니다. 피코초 및 펨토초 영역에서 저렴하고 컴팩트하며 신뢰할 수 있는 초고속 레이저 소스에 대한 업계의 강한 관심으로 인해 이 기술이 상용 제품으로 발전하게 되었습니다. 주파수 계측 및 생의학 응용 분야에서는 킬로와트 범위의 피크 전력으로 200펨토초 미만의 펄스 지속 시간을 활용할 수 있습니다. 이 검토의 목적은 시장 잠재력을 간략하게 설명하고 모드 잠금 반도체 디스크 레이저의 현재 상태에 대한 개요를 제공하는 것입니다. 더 높은 피크 전력으로 더 짧은 펄스를 달성하려는 지속적인 노력에 특히 중점을 두고 있습니다.

최근 수십 년 동안 초고속 레이저는 더욱 높은 성능을 향해 매우 빠르게 발전해 왔습니다. 초고속 레이저는 시장 분야에 적용할 수 있는 세 가지 주요 특성을 가지고 있습니다. 첫째, 짧은 펄스 지속 시간으로 인해 시간 영역에서 고해상도 측정이 가능합니다. 즉, 고속 현상을 측정하기 위한 거의 완벽한 초고속 "플래시"입니다. 둘째, 레이저 에너지가 짧은 펄스에 집중되기 때문에 피크 전력이 매우 높아 주요 재료 상호 작용이 가능합니다. 가장 중요한 것은 짧은 광학 펄스가 상당한 잔류물을 생성하지 않고 거의 모든 재료를 제거하거나 제거할 수 있는 "저온 절제"입니다. 처리 중인 샘플의 열. 이 기술을 사용하면 오늘날 사용되는 다양한 기존 유형 및 새로운 유형의 재료와 박막을 매우 정밀하게 미세 가공할 수 있습니다. 또한 향후 제품에도 사용될 가능성이 있습니다. 또한 새로운 유형의 생체 의학 및 조직 수술 응용이 가능합니다. 셋째, 짧은 시간 펄스는 그에 따라 큰 광 대역폭을 가지며 이 기능은 정밀한 측정 진단 및 계측에 활용될 수 있습니다. 이러한 기능과 다양한 기타 응용 프로그램에 대한 보다 자세한 개요는 여러 리뷰 기사1,2에 나와 있으며 이는 이 연구의 범위를 벗어납니다. 1990년대에 개발된 DPSSL(다이오드 펌프 고체 레이저)과 결합된 SESAM(반도체 포화 흡수 거울) 모드 잠금 레이저의 단순성으로 인해 새롭고 실용적이며 상업적으로 이용 가능한 초고속 레이저 시스템이 많이 탄생했습니다. 이러한 레이저 시스템은 값비싸고 전력 소모가 크며 유지 관리 집약적인 레이저를 대체하는 다양한 관련 응용 분야에서 광범위하게 사용되고 있습니다. 최근 저렴하고 더욱 컴팩트한 반도체 디스크 레이저(SDL)가 개발되면서 컴팩트한 측정 장비와 같은 새로운 시장이 열릴 수 있습니다. 이 결과는 궁극적으로 초고속 레이저가 자동차 산업의 LIDAR(빛 감지 및 거리 측정) 기술이나 보안 및 대화형 미디어의 NUI(자연 사용자 인터페이스) 애플리케이션과 같은 대량 소비자 시장에 접근할 수 있게 해줄 것입니다6.

광 주파수 콤 애플리케이션의 경우 기가헤르츠 펄스 반복 속도 방식으로 전환하면 모드 고정 주파수 콤 스펙트럼의 개별 라인이 더 멀리 떨어져 있어 개별 콤 라인의 접근성이 높아진다는 이점이 있습니다. 또한 주어진 평균 전력에 대한 콤 라인당 전력이 증가하여 주파수 콤 계측 응용 분야에서 신호 대 잡음비가 증가합니다. 현재 기가헤르츠 레이저 분야는 최대 10GHz 반복 속도로 짧은 펨토초 펄스를 생성하는 Kerr-lens 모드 잠금(KLM) Ti:sapphire 레이저가 여전히 지배하고 있습니다7. SESAM 모드 잠금 DPSSL8,9의 일부 최근 개발을 통해 Ti:sapphire 레이저의 한계를 넘어 반복 속도를 더욱 높일 수 있습니다. 또한 상대적으로 저렴한 고출력 펌프 다이오드 어레이로 펌핑할 수 있으며 KLM Ti:sapphire 레이저만큼 캐비티 안정성 가장자리에 가깝게 작동할 필요가 없습니다.

초고속 반도체 레이저는 초고속 DPSSL에 비해 가격이 저렴하고 소형화될 가능성이 있습니다. 이러한 유형의 레이저는 기가헤르츠 펄스 반복 속도 체계에서 매우 잘 작동하며 웨이퍼 규모에서 대량 생산이 가능하다는 장점이 있으며 더 복잡한 광학 회로에 모놀리식으로 통합될 수 있습니다. 또한, 밴드갭 엔지니어링을 통해 방출 파장을 설계할 수 있으며, Q-스위칭 불안정성 없이 반복률을 수십 GHz까지 쉽게 높일 수 있습니다.

1360 nm Figure 12a. The dispersive wave centered at 680 nm and the Raman soliton centered at 1360 nm were used to generate a CEO beat note in a standard f-to-2f interferometer, as shown in Figure 12b. This fCEO beat note at approximately 733 MHz can be used to stabilize one degree of freedom of the frequency comb generated by the mode-locked VECSEL. The CEO beat note shifts when modulating the pump current of the VECSEL, which can be used for a future stabilization of the CEO frequency. In addition to the CEO stabilization control via the pump current to the diode pump lasers, the CEO frequency can also be stabilized by optically pumping the SESAM144. Whether this stabilization mechanism is suitable for SESAM mode-locked VECSELs still has to be investigated. For MIXSELs, this result will be even more challenging./p>200 µJ/cm2), whereas the absorber saturation fluence must be kept low (<5 µJ/cm2) to generate sub-200 fs pulses with significant output power (i.e., >500 mW average output power) (Figure 14b and 14c). The gain saturation fluences of ultrafast VECSELs have been measured and found to be in the range between 30 and 80 µJ/cm2.155 Increasing the gain saturation by reducing the field enhancement decreases the small-signal gain, as discussed in the previous subsection, which makes it technologically more challenging to combine sub-200 fs pulses with a high average output power. Recently, the effect of gain saturation has been theoretically studied by Kilen et al.157 with a detailed microscopic model. The authors clearly demonstrate the effects of gain saturation and kinetic hole burning in mode-locked lasers. This publication also emphasizes the instabilities in mode-locked operation, such as (unwanted) multi-pulse formation at high inversion levels./p>