주기적으로 분극반전된 LiNbO3 (PPLN) 결정은 특히 큰 비선형 광학계수인 d33를 이용하는 준위상정합 소자로서 상당히 효율적인 파장변환을 가능하게 하는 매질로 소개되어 왔다. 준위상정합 소자로 이용하는 경우 대개 1차 준위상정합의 결과로 이루어지는 파장변환이 가장 효율적이지만, 고차 준위상정합으로 이루어지는 상호작용의 크기 또한 큰 비선형 광학 계수로 인하여 상당한 크기를 보이게 된다[1].
Baldi 등은 PPLN 광도파로에서 다소 불완전한 삼원색 발생을 구현하였다. 빨강 (R)의 경우는 사실상 819 nm 로 근적외선 영역에 해당되는 것이었고, 발생된 초록 (G) 및 파랑 (B)의 세기는 R에 비하면 상당히 작았다[2]. 또, Ren 등은 비주기적으로 분극반전된 LiNbO3 결정에서 두개의 근적외선을 펌핑하여 삼원색 발생을 하였다[3].
본 연구에서는 PPLN 에 피코초 광원의 펌핑하였을 때, 고차 준위상 정합에 의해 순차적으로 발생되는 2차 조화파 발생 (SHG) 및 차주파수 발생 (DFG)으로 삼원색의 동시 발생을 구현하였다. 본 연구의 핵심은 삼원색의 동시 발생 파장영역이 LiNbO3 결정의 광대역 준위상 정합된 차주파수 발생 영역에 놓여 있다는 점이다.
실험에 사용한 PPLN 결정은 두께 0.5 mm, 주기 24 mm, 길이 8 mm로 congruent LiNbO3 결정을 이용한 상온 액체전극 전기장 폴링법으로 제작한 것이다[4].
광원으로는 두개의 BBO 결정에 10 Hz 의 반복률과 35 ps의 펄스폭을 갖는 Nd:YAG 레이저의 3차 조화파(YG801, Quantel)인 355 nm 로 펌핑하여 발생한 OPG-OPA를 이용하였다. OPG-OPA로부터 발생된 13 mJ 의 867 nm (FWHM ~ 4 nm)를 상온에서 PPLN 결정에 펌프광으로 집광하였다.
그림 1의 뾰족한 peak 들은 펌프광 입사 후 발생되는 색깔이 빨강색 (R), 초록색 (G), 파랑색 (B) 및 연두색 (Y) 임을 보여 준다. B 는 433.5 nm 로 입사된 파장 867 nm를 기본파로 하는 7차 준위상정합 2차조화파 발생의 결과이다.
그림 1. 삼원색 발생 스펙트럼
또한, 입사된 파장 867 nm는 1400 ~ 2200 nm 영역의 파장들을 발생시키는 광매개 발생도 하는데, 이들 파장이 seeding 이 되고, 강하게 발생한 B가 펌프광이 되는 차주파수 발생의 결과로 R, G 및 Y가 발생된다. 이들의 관계는 그림 2에 나타내었다. 여기서 G, Y 및 R의 발생과정은 각각 4차 (w4, 509 nm), 5차 (w5, 549 nm) 및 6차 (w6, 615 nm) 준위상정합 차주파수 발생에 의한 것이다. 짝수차수의 준위상정합이 가능한 것은 QPM 격자 주기를 구성하는 domain 의 duty 비가 완벽하지 않는 이유로 가능하다.
그림 2. 삼원색 발생의 에너지 관계 도식