KR102550608B1 - 나노초-이하의 확장 스펙트럼 발생 레이저 시스템 - Google Patents

나노초-이하의 확장 스펙트럼 발생 레이저 시스템 Download PDF

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마이클 미로프
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Abstract

본 발명은 벌크 이득 매체 내에서 증폭되고 스펙트럼적으로 확장되는 짧은 레이저 펄스를 생성하기 위한 시스템 및 방법을 제공한다. 레이저 이득 및 비선형적 성질을 가지는 벌크 재료는 광학적 펌프 입력 및 시드 입력에 동시에 노출되고, 펌프 파워는 시드 펄스를 증폭하고 스펙트럼적으로 확장하기에 충분하다.

Description

나노초-이하의 확장 스펙트럼 발생 레이저 시스템
본 개시 내용은, 이득 및 비선형 성질을 가지는 솔리드 스테이트 재료(solid state material)의 동시적인 시딩(seeding) 및 펌핑(pumping)을 전제로 하고, 그에 의해서 솔리드 스테이트 재료가 솔리드 스테이트 재료를 통한 단일 통과에서 시드 펄스를 적어도 증폭하고 스펙트럼적으로 확장시키는, 신규 레이저 시스템 구성 및 출력에 관한 것이다. 펄스 압축과 같은 추가적인 비선형적인 광학적 효과가 또한 명백하다.
초단 또는 펨토초(fs)의 펄스 지속시간, 큰 평균 파워, 및 넓은 광학적 스펙트럼을 조합하는, 펄스형 레이저 공급원은 분광학, 감지, 가간섭성 단층촬영, 생물-의학 등의 다양한 적용예를 위한 큰 수요를 갖는다. 스펙트럼적으로 넓은 레이저 발진을, 소위 중간-IR 범위인, 2 내지 10 ㎛까지 확장하는 것은, 중간-IR에서의 공진 지문(resonant fingerprint)을 특징으로 하는 물질, 예를 들어 일반적인 분자(비제한적으로, H2O, CO2, CO, 및 NH4 포함), 생물 의학 재료, 공기 오염물질, 위험 재료의 검출을 위해서 매우 바람직하다. 또한, 넓고 가간섭적인 광학적 스펙트럼을 가지는 큰 파워의 중간-IR fs 공급원은 물리학 및 화학에서의 기본적인 프로세스의 시간-분석 연구(time-resolved study)에 있어서 매우 중요하다.
fs 펄스의 스펙트럼 확장을 위한 표준 기술은 소위 초연속체 발생(supercontinuum generation)(SCG)이다. 지난 십년간 SCG는 대부분 섬유 및 도파관에서 연구되었다. 전체 중간-IR '지문 영역'을 포함하는 SCG는 칼로겐화물 계단형 섬유(chalcogenide step-index fiber)에서 매우 최근에 시연되었다. 그러나, 본질적인 피크 및 평균 파워 한계가 있고, 정렬 민감도가 섬유-계 및 도파관-계 SCG의 방법에서 문제가 되었다.
보다 최근에, 벌크 재료 내의 SCG는, 상대적인 단순성, 유연성, 큰 피크 및 평균 파워와 같은 그 장점을 가지는 새로운 가능성을 보여준다. 또한, 일부 벌크 재료 내의 SCG는, 펨토초 입력 펄스를 새로운 광학적 사이클 만을 포함하는 보다 더 짧은 출력 펄스로 압축하는 것을 특징으로 한다. 확장 연속체를 생성하기 위한 벌크 매체의 능력을 정의하는 중요한 매개변수는 소위 자가-포커싱을 위한 임계 파워(Pc)이다. 임계 파워는 재료-특이적 매개변수이고, 비선형 굴절률(n2: Pc~λ2/n2)을 통한 재료의 3-차 비선형성에 의해서 정의된다. 임계 파워는 (예를 들어, ZnSe 및 ZnS와 같은 II-VI 반도체에서) 수백 kW로부터 (예를 들어, YAG 또는 CaF2에서) 수십 MW까지 달라질 수 있다.
일반적인 중간-IR 벌크 SCG 셋업(setup)이 도 1에 도시되어 있다. 시스템은 fs 마스터 발진기(MO), 주파수 변환 스테이지(FC), fs 레이저 증폭기(AMP), 포커싱 광학기기(예를 들어, 렌즈(L)), 연속체 발생(SCG)을 위한 벌크 매체로 이루어진다. 시스템은 중간-IR 연속체(Out)를 스펙트럼적으로 확장하도록 구성된다. 주파수 변환 스테이지(FC)는 선택적이고 증폭기(AMP) 이전에 또는 이후에 이용될 수 있다.
전형적으로, 임계 파워 초과에서의 피크 파워 레벨은 fs 발진기로부터 직접적으로 도달될 수 없다. 그에 따라, SCG 스테이지로의 전달에 앞서서, fs 펄스의 증폭이 요구된다. 또한, 많은 표준 fs 발진기(Ti:Sa, 섬유-계)는 근-IR 내에서 방출한다. 그에 따라, 근-IR fs 펄스를 중간-IR 범위로 주파수 변환하기 위한 부가적인 스테이지가 (증폭기 스테이지 이전 또는 이후에) 요구된다. 한편으로, fs 펄스의 주파수 변환 및 증폭을 위한 기술은 잘 개발되어 있다. 다른 한편으로, 전체적인 셋업은 매우 복잡하고, 규모가 크고(bulky), 고비용이며, 이는 기존 중간-IR 벌크 SCG 공급원의 실질적인 이용을 크게 제한한다.
그러한 출력을 생산하기 위해서 수많은 고가의 구성요소에 의존하지 않는, 확장 스펙트럼 출력을 가지는 피코-초 및 보다 더 바람직하게 펨토초 레이저가 필요하다. 본 발명자는, 시드 펄스를 동시에 증폭, 스펙트럼적으로 확장, 및 압축하는, 단일 통과 증폭기를 가지는 레이저 시스템을 구성함으로써, 그러한 필요성을 충족시켰다.
본 발명은, 이득 매체 내에서 시드 펄스를 증폭하고 스펙트럼적으로 확장하도록 구성된 광학적 체계로부터 이득을 취하는, 단-펄스의, 확장 스펙트럼 발생 레이저 시스템을 제공한다. 구체적으로, 비선형 성질을 가지는 벌크 이득 매체는 연속적 또는 불연속적 펌프 출력 및 시드 펄스를 동시에 수신한다. 안내 광학기기를 이용하여, 단일 통과하에 펌프 및 마스터 발진기 방출을 벌크 상에 중첩시키고, 그러한 펌프 및 마스터 발진기 방출은 광학적 펌프 및 마스터 발진기 장치 각각으로부터 방출된다. 부가적인 광학기기는 전달된 펌프 방출로부터 출력 펄스를 분리하기 위해서 이용된다.
본 개시 내용의 일 양태에서, 마스터 발진기로부터의 펄스의 피크 파워는 벌크 매체 내의 자가-포커싱을 위한 임계 파워(PC)와 대략적으로 동일하거나 초과한다.
이전 양태에 비추어 고려될 수 있는 개시 내용의 다른 양태에서, 마스터 발진기로부터의 입력 펄스와 벌크의 비선형적 상호작용은 비선형적인 광학적 효과를 초래한다. 이러한 비선형적인 광학적 효과는 자가-포커싱, 자가-위상 변조, 교차-위상 변조, 4-파동 혼합, 필라멘테이션(filamentation) 및 펄스 압축 중 임의의 하나 또는 임의 조합을 포함할 수 있다.
별개로 취해진 또는 앞서서-개시한 양태 중 임의의 양태와 조합된 개시 내용의 추가적인 양태에서, 벌크 매체는 TM:II-VI 나노결정 또는 다결정을 포함한다. 바람직하게, TM:II-VI 나노결정 또는 다결정은 Cr:ZnS, Cr:ZnSe, Cr:CdS, Fe:ZnSe 또는 Fe:ZnS 중 하나이다.
전술한 양태 중 임의의 양태에서 본 발명을 위해서 이용되는 펌프와 관련하여, 펌프가 Er-도핑된 또는 Tm-도핑된 섬유 중 하나로부터 선택된 레이저로서 구성되는 것이 바람직하나, TM:II-VI 레이저가 또한 본 발명의 범위 내에서 고려된다. 펌프는 연속적 파동(CW) 체제로 동작될 수 있다.
본 발명은, 벌크 내로 입력되는 시드 펄스를 생성하기 위해서, 전술한 양태 중 임의의 양태의 맥락에서 마스터 발진기를 이용하는 것을 허용한다. 이러한 발명을 위해서, 펄스의 파장은 재료의 밴드갭(bandgap)을 상당히 초과하여야 한다. 바람직하게, 마스터 발진기는 피코-초 또는 펨토초 TM:II-VI 레이저로부터 선택된 레이저이다.
본 발명의 레이저 시스템은 앞서서 개시된 양태 중 임의의 양태의 구조물 내에 통합되는 부가적인 광학적 구성요소로부터 이점을 더 취할 수 있다. 바람직하게, 레이저 시스템은 벌크 매체 이전에 또는 이후에 배치된 적어도 하나의 분산 요소를 포함한다. 그러한 분산 요소는 평면-평행 판, 분산 프리즘의 세트, 또는 분산 거울 중 어느 하나 또는 조합을 포함할 수 있다.
바람직하게, 분산 요소는 시스템의 벌크 및 다른 구성요소의 분산을 보상하도록 구성되고, 다른 실시예에서, 분산 요소는 마스터 발진기로부터의 입력 펄스의 매개변수를 제어하도록 구성된다.
본 발명은 또한 앞서서 개시된 양태 중 임의의 양태 또는 조합에 따라 구성된 레이저 시스템에 의해서 실시되는 방법을 제공한다. 본 발명의 방법은, 첫 번째로 시드의 피크 파워를 증가시킬 수 있고 스펙트럼을 확장할 수 있는 벌크 매체 내로 마스터 발진기로부터의 시드 펄스를 입력하는 것; 그리고 시드 펄스의 펄스 에너지 및 스펙트럼보다 더 큰 펄스 에너지 및 더 확장된 스펙트럼을 가지는 출력 펄스가 벌크로부터 방출되도록 벌크 매체 내의 시드 펄스의 레이저의 상호작용을 생성하기에 충분한 광학적 펌프로 벌크 매체를 동시에 펌핑하는 것에 의해서, 피코-초 또는 펨토초 시드 펄스의 성질을 향상시킬 수 있다.
바람직하게, 전파되는 광학적 펄스와 벌크 매체 사이의 비선형적 상호작용은, 벌크 매체를 광학적으로 펌핑하는 것에 의해서 유도된 레이저 상호작용에 의해서 향상된다.
바람직하게, 출력 펄스의 스펙트럼은, 마스터 발진기로부터의 입력 시드 펄스의 스펙트럼에 비해서, 상당히 확장된다.
바람직하게, 출력 펄스의 지속시간은, 마스터 발진기로부터의 입력 펄스의 지속시간에 비해서, 상당히 단축된다.
개시 내용의 전술한 그리고 다른 양태, 특징 및 장점이 이하의 도면의 도움으로 보다 용이하게 명확해질 것이다.
도 1은 종래 기술의 일반적인 중간-IR SCG 시스템을 제공한다.
도 2의 (a)는 "콜드 증폭기(cold amplifier)"를 가지는 마스터 발진기의 광학적 개략도를 제공한다.
도 2의 (b)는 도 2의 (a)의 광학적 개략도의 측정된 스펙트럼을 제공한다.
도 3은 본 발명의 광학적 개략도를 제공한다.
도 4는 도 3의 광학적 개략도에 의해서 방출된 출력 펄스의 측정된 스펙트럼을 제공한다.
도 5는 출력 펄스의 자동상관(autocorrelation)을 제공한다.
도 6은 펌프를 가지는 장치의 측정된 특성들을 비교한다.
도 7은 본 발명과 함께 이용하기 위한 마스터 발진기의 개략도를 제공한다.
이제 본 발명의 실시예를 구체적으로 설명할 것이다. 가능한 경우에는 언제든지, 동일한 또는 유사한 참조 번호 또는 문자를 도면 및 상세한 설명에서 이용하여, 동일한 또는 유사한 부분 또는 단계를 나타낸다. 도면은 단순화된 형태이고 정밀한 축척(scale)을 가지지는 않는다. 편의성 및 명료함만을 목적으로, 방향적(상/하 등) 또는 운동적(전방/후방 등) 용어가 도면과 관련하여 사용될 수 있다. "결합"이라는 단어 및 그 유사 용어가 반드시 직접적이고 즉각적인 연결을 나타내는 것이 아니고, 중간 요소 또는 장치를 통한 연결을 또한 포함한다.
전이-금속-도핑된 II-VI 반도체(TM:II-VI)를 기초로 하는 펨토초(fs) 발진기의 최근의 출현은 중간-IR 스펙트럼 범위 내의 fs 광학적 펄스를 직접적으로 획득할 수 있게 하였고, 그에 따라 표준 근-IR fs 발진기의 중간-IR로의 주파수 변환을 위한 복잡하고 규모가 큰 셋업의 필요성을 제거한다. 또한, 다결정질 Cr2+:ZnS 및 Cr2+:ZnSe 컬-렌즈 모드-록드 레이저 기술(Kerr-lens mode-locked laser technology)에서의 매우 최근의 진보는, 평균 파워(2 W), 펄스 에너지(24 nJ), 및 펄스 지속시간(≤29 fs)과 관련하여 fs 중간-IR 발진기의 출력 매개변수에서 상당한 개선을 초래하였다.
중간-IR 다결정질 Cr2+:ZnS fs 발진기로부터 직접적으로 획득된 ~ 0.5 MW 피크 파워는 Cr2+:ZnS, Cr2+:ZnSe 및 다른 II-VI 반도체에서의 자가-포커싱을 위한 임계 파워와 대략적으로 동일하다는 것에 주목하는 것이 중요하다.
수많은 실험은, 피크 파워의 0.5 MW 레벨이 다결정질 Cr2+:ZnS/ZnSe/CdSe에서 일부 스펙트럼 확장을 획득할 수 있을 정도로 충분히 높다는 것을 보여준다. 벌크 Cr2+:ZnS, Cr2+:ZnSe, 및 Cr2+:CdSe 내의 중간-IR fs 발진기의 스펙트럼 확장에 대한 실험이 도 2의 (b)에 도시되어 있다.
구체적으로 도 2의 (a) 및 도 2의 (b)는 본 발명의 각각의 광학적 개략도 및 측정된 스펙트럼을 도시하고, 여기에서 중간-IR fs 레이저가 시드 레이저로서 이용되고 벌크는 이하의 II-VI 재료: Cr2+:ZnS/ZnSe/CdSe 중 임의의 하나이다. 도 2의 (a)는: fs 마스터 발진기 발진기(MO), 포커싱 렌즈(L), 벌크 Cr2+:ZnS/ZnSe/CdSe 재료로 이루어진 셋업의 개략도를 제공한다. 도 2의 (b)는 대수 눈금(logarithmic scale)으로 도시된 펄스의 측정된 스펙트럼: 입력(쇄선) 및 출력(실선)을 도시한다. 이러한 구성에서, 벌크는 펌핑되지 않고 그에 따라 이는 "콜드 증폭기"로 간주되며, 그에 의해서 벌크 내로 부여되는 유일한 에너지는 시드 펄스로부터의 에너지이다.
도 3은, "핫 증폭기(hot amplifier)"를 이용하는 본 발명의 광학적 개략도를 도시한다. 이러한 구성을 위해서 이용되는 펌프는, 매사추세츠주 옥스포드에 소재하는 IPG Photonics가 모델 번호 ELR-20-1567-LP로 판매하는 에르븀 섬유 레이저였다. 분명하게, "핫 증폭기"는 동시에 펌핑되고 시드 펄스에 영향을 미치는 벌크이다. 이러한 셋업은 단일 통과에서 fs 광학적 펄스의 스펙트럼 확장 및 증폭을 생성한다. 도 3에 제공된 시스템은 fs 마스터 발진기(MO); MO 빔을 위한 포커싱 광학기기(L1); 펌프 레이저(Pump); 펌프 빔을 위한 포커싱 광학기기(L2); Pump 및 MO 빔들을 중첩시키기 위한 광학기기(예를 들어, 이색성 거울(dichroic mirror)(DM1)); 빔 조향을 위한 선택적인 광학기기(M); 레이저 이득 매체 및 비선형 매체(GM-NM)의 성질들을 조합하는 벌크 재료, 예를 들어 다결정질 Cr2+:ZnS/ZnSe; 및 잔류 펌프 복사선으로부터의 출력 빔(Out)의 분리를 위한 광학기기(예를 들어, 이색성 거울(DM2))를 포함한다.
도 3의 개략도에서, 중간-IR fs 마스터 발진기(MO)로부터의 방출이 이색성 거울(DM1)을 이용하여 Er-도핑된 섬유 레이저(Pump)의 CW 방출과 중첩된다. MO 빔 및 Pump 빔은 GM-NM - 다결정질 Cr2+:ZnS 또는 Cr2+:ZnSe(GM-NM)로 포커스된다. GM-NM은 레이저 이득 매체 및 비선형 매체의 성질들을 조합하고: (i) GM-NM의 광학적 펌핑은 (통상적인 레이저 증폭기와 유사하게) MO로부터의 입력 펄스의 증폭을 초래하고; (ii) GM-NM의 비선형성은 입력 펄스의 스펙트럼 확장을 초래하며; (iii) GM-NM를 통한 펄스의 전파 중에 펄스의 증폭은 펄스의 피크 파워의 증가를 초래하고, 그에 따라, 추가적인 스펙트럼 확장 등을 초래한다. 분명하게, 초기 스펙트럼 확장은 입력 펄스의 충분히 큰 피크 파워에서 달성된다.
제안된 장치의 측정된 특성이 도 4, 도 5, 도 6에 요약되어 있다. 실험은 벌크로서 다결정질 Cr2+:ZnS, 즉 GM-NM를 이용하여 실행되었다(유사한 결과가 다결정질 Cr2+:ZnSe를 이용하여 획득되었다).
이러한 결과는, 벌크를 통한 단일 통과에서 중간-IR fs 펄스의 증폭, 스펙트럼 확장 및 압축이 있었다는 것을 의미한다. 장치는, 저비용의 그리고 효과적인 cw 섬유 레이저에 의해서 광학적으로 펌핑되는, 다결정질 Cr2+:ZnS 또는 Cr2+:ZnSe를 기초로 한다. 장치의 출력 특성이 상당히 더 개선될 수 있다는 것은 거의 의심의 여지가 없다.
도 4는 출력 펄스의 측정된 스펙트럼을 도시한다. 펌프 레이저를 턴 오프한 상태에서; 즉 '콜드 증폭기'로 '콜드 스펙트럼'을 측정하였다. '핫 스펙트럼'은 시드 펄스와 동시적으로 20 W CW 펌프 파워 입력에서 측정되었고, 그에 따라 이는 "핫 증폭기"였고 7.1 W 평균 출력 파워가 1.9 W의 시드로부터 증가되었다. 회색 선은 펌프 파워의 증가에 따른 스펙트럼 확장을 도시한다. 상단의 그래프는 1 m 표준 공기 및 펌프 분리기(DM2)의 투과를 도시한다. 도시된 바와 같이, 획득된 스펙트럼은 2.0 내지 2.5 ㎛의 대기 투명도 창(atmospheric transparency window)을 완전히 채운다.
도 5는 측정된 출력 펄스들의 자동상관을 제공한다. '콜드 자동상관'은 Pump 레이저를 턴 오프한 상태에서 측정되었고; '핫 자동상관'은 20 W CW 펌프 파워 및 7.1 W 출력 파워에서 측정되었으며; 도시된 바와 같이, 입력 펄스의 증폭은 44 fs로부터 약 33 fs로의 그 압축을 수반한다.
도 6은 장치의 측정된 특성 대 펌프 파워를 제공한다. 상단 그래프는 (- 10 dB 레벨에서의) 스펙트럼 대역폭 및 펄스 지속시간을 비교한다. 하단 그래프는 증폭기의 이득을 비교한다. 도시된 바와 같이, 펌프 파워의 증가는 (i) 스펙트럼 확장, (ii) 펄스 압축, (iii) 출력 파워의 증가를 초래한다. fs 펄스의 증폭이 CW 레이저의 증폭 만큼 효과적으로 발생된다는 것에 주목하는 것이 중요하다.
본 발명에서 이용되는 마스터 발진기가 도 7에 도시되어 있다. 이러한 레이저는, 기재 내용의 전체가 참조로 모두 포함되는, 2015년 3월 30일에 출원된 PCT/US2015/23232에 더 구체적으로 설명되어 있다. 도 7에 제공된 바와 같이, 레이저는 Er-도핑된 섬유 레이저(EDFL)에 의해서 1567 nm에서 광학적으로 펌핑된다. 반사-방지(AR) 코팅된 다결정질 Cr2+:ZnS 이득 요소가 2개의 곡선형 거울들 사이에서 수직 입사로 공진기 내에 장착된다. 이득 요소는 11%의 낮은-신호 투과를 가지는 5 mm 길이이고 상온의 물로 냉각된다. 공진기의 다리들은 통상적으로 2:5의 비율로 동일하지 않다. 레이저는 2개의 광학적 출력: 출력 커플러(OC)를 통한 중간-IR 및 SHG 파장 범위 내에서 큰 투과를 가지는 곡선형 이색성 거울(DM)을 통한 SHG를 갖는다. 광학적 코팅의 반사율 및 그룹 지연 분산(group delay dispersion)(GDD)은 2200 내지 2700 nm 파장 범위 내에서 최적화되었다. 공진기의 순(net) GDD는, 음의 GDD를 가지는 설치된 고 반사부(HR)의 유형 및 수를 변화시키는 것에 의해서, 이산 단계들로 조정될 수 있다. 이득 요소의 3차 분산(TOD)은 전용 거울(HR*)에 의해서 보상되었다. 레이저는 최대 CW 출력 파워를 위해서 최적화되었다. 이어서, (OC 전환(translation)에 의해서 개시된) 컬-렌즈 모드-록드 체제를 가능하게 하기 위해서, 곡선형 거울들 사이의 거리가 미세-조정되었다. 모드-록드 레이저의 스펙트럼 및 시간 매개변수는, 0.15 m 이중 그레이팅 단색화 장치(dual grating monochromator) 및 간섭측정 자동상관기(interferometric autocorrelator)를 이용하여 특성화되었다. OC의 3.2 mm 두께의 ZnSe 기재를 통한 전파로 인한 출력 펄스의 왜곡(2400 nm에서 GDD = +710 fs2)은 5 mm 두께의 YAG 판 및 TOD 보상기(HR*)의 조합에 의해서 공진기 외측에서 보상되었다.
당업자는, 단지 일상적인 실험을 이용하여, 본원에서 설명된 발명의 구체적인 실시예에 대한 많은 균등물을 인지하거나 알아낼 수 있을 것이다. 개시된 개략도가 임의의 광 화상화 시스템과 함께 이용될 수 있으나, 여기에서 개시된 구조에 대한 원동력(impetus)이 그 내부에 있다. 그에 따라, 전술한 실시예가 단지 예로서 제시된 것이고, 첨부된 청구항 및 그 균등물의 범위 내에서, 본 발명이 구체적으로 설명된 것과 달리 실행될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 본 개시 내용은 본원에서 설명된 각각의 개별적인 특징부, 시스템, 재료, 및/또는 방법에 대한 것이다. 또한, 둘 이상의 그러한 특징부, 시스템, 물품, 재료, 및/또는 방법의 임의 조합은, 그러한 특징부, 시스템, 물품, 재료, 및/또는 방법이 상호 불일치되지 않는다면, 본 발명의 범위 내에 포함된다.

Claims (12)

  1. 나노초-이하의 펄스의 성질을 향상시키는 방법이며:
    제1 파장의 펄스형 신호 광을 벌크 이득 매체 내로 커플링시키는 단계로서, 그에 의해서 단일 통과에서 벌크 이득 매체를 통한 신호 광의 입력 나노초-이하의 펄스를 안내하고, 신호 광의 각각의 입력 나노초-이하의 펄스는 제1 펄스 지속시간, 제1 스펙트럼 폭 및 제1 펄스 피크 파워를 가지는, 단계;
    나노초-이하의 펄스를 벌크 이득 매체를 통해 안내하는 동안, 제1 파장과 상이한 제2 파장의 펌프 광을 벌크 이득 매체 내로 커플링시키는 단계로서, 그에 의해서, 각각의 출력 나노초-이하의 펄스가: 제1 펄스 지속시간보다 짧은 제2 펄스 지속시간, 제1 스펙트럼 폭보다 넓은 제2 스펙트럼 폭, 및 제1 펄스 피크 파워보다 큰 제2 펄스 피크 파워를 가지도록, 제1 파장의 나노초-이하의 펄스를 출력하는, 단계; 및
    나노초-이하의 펄스의 제1 피크 파워가 벌크 이득 매체 내의 자가-포커싱을 위한 임계 파워(Pc)와 적어도 동일하도록, 입력 나노초-이하의 펄스를 벌크 이득 매체 내로 커플링시키는 것에 앞서서, 피코-초 또는 펨토초 TM:II-VI 레이저에 의해서 신호 광을 생성하는 단계
    를 포함하는, 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    벌크 이득 매체는 Cr:ZnS, Cr:ZnSe, Cr:CdS, Fe:ZnSe 또는 Fe:ZnS으로 제조된 TM:II-VI 나노결정 또는 다결정으로부터 선택되는, 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    벌크 이득 매체의 펌핑은, Er-도핑된 또는 Tm-도핑된 섬유 레이저 또는 TM:II-VI 레이저로부터 선택된 펌프 섬유 레이저에 의한 연속적 파동 펌핑 또는 펄스형 펌핑을 포함하는, 방법.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    신호 광 및 펌핑 광을 벌크 이득 매체 상에서 광학적으로 중첩시키고 포커싱하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    벌크 이득 매체를 통한 입력 나노초-이하의 펄스를 안내하는 것은 입력 나노초-이하의 펄스 및 벌크 매체 사이의 상호작용을 포함하고, 그에 의해서 자가-포커싱, 자가-위상 변조, 교차-위상 변조, 또는 4-파동 혼합 또는 그 조합을 포함하는 비선형적 효과를 생성하는, 방법.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    신호 광 및 펌프 광의 출력 나노초-이하의 펄스를 광학적으로 분리하는 단계를 더 포함하고, 나노초-이하의 펄스는 펨토초 펄스 또는 피코초 펄스를 포함하는, 방법.
  7. 나노초-이하의, 확장 스펙트럼 발생 레이저 시스템이며:
    제1 파장에서 경로를 따라 입력 나노초-이하의 펄스의 펄스형 신호 광을 방출하는 마스터 발진기로서, 입력 나노초-이하의 펄스 각각은 제1 펄스 지속시간, 제1 스펙트럼 폭 및 제1 펄스 피크 파워를 가지는, 마스터 발진기;
    마스터 발진기 하류의 비선형 벌크 이득 매체;
    제1 파장과 상이한 제2 파장에서 연속적 또는 불연속적 광 펌프를 방출하는 광학적 펌프; 및
    마스터 발진기와 비선형 벌크 이득 매체 사이의 입력 광학적 조립체로서, 입력 광학적 조립체는, 비선형 벌크 이득 매체가 제1 파장의 나노초-이하의 펄스를 출력하도록, 펄스형 신호 및 펌프 광을 단일 통과에서 벌크 이득 매체 상에 중첩 및 포커스하도록 구성되고, 각각의 출력 나노초-이하의 펄스는: 제1 펄스 지속시간보다 짧은 제2 펄스 지속시간, 제1 스펙트럼 폭보다 넓은 제2 스펙트럼 폭, 및 제1 펄스 피크 파워보다 큰 제2 펄스 피크 파워를 가지는, 입력 광학적 조립체
    를 포함하고,
    마스터 발진기는, 자가-포커싱, 자가-위상 변조, 교차-위상 변조, 4-파동 혼합, 필라멘테이션, 펄스 압축 또는 그 조합 중 하나를 포함하는, 비선형적 효과를 비선형 벌크 이득 매체 내에서 생성하기 위해서 임계 파워(Pc)와 적어도 동일한 피크 파워를 각각 가지는 입력 나노초-이하의 펄스를 생성하도록 동작되는, 레이저 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    비선형 벌크 이득 매체의 하류에서 출력 나노초-이하의 펄스를 펌프 광으로부터 분리하도록 구성된 출력 광학적 조립체를 더 포함하는, 레이저 시스템.
  9. 삭제
  10. 제7항 또는 제8항에 있어서,
    비선형 벌크 이득 매체는 Cr:ZnS, Cr:ZnSe, Cr:CdS, Fe:ZnSe 또는 Fe:ZnS 중 하나로 제조된 TM:II-VI 나노결정 또는 다결정을 포함하는, 레이저 시스템.
  11. 제7항 또는 제8항에 있어서,
    광학적 펌프는 Er-도핑된, Tm-도핑된 섬유 레이저 또는 TM:II-VI 레이저로부터 선택되고, 마스터 발진기는 피코-초 또는 펨토초 TM:II-VI 레이저로부터 선택되는, 레이저 시스템.
  12. 제7항 또는 제8항에 있어서,
    비선형 벌크 이득 매체의 상류 또는 하류에 위치된 적어도 하나의 분산 요소를 더 포함하고, 분산 요소는 평면-평행 판, 분산 프리즘의 세트, 분산 거울, 또는 그 조합의 하나이고, 분산 요소는 입력 나노초-이하의 펄스의 매개변수를 제어하도록 구성되는, 레이저 시스템.
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