KR20210118167A - 처프 펄스 증폭 및 맞춤형 펄스 트레인을 갖는 초단파 펄스 레이저 소스 - Google Patents

처프 펄스 증폭 및 맞춤형 펄스 트레인을 갖는 초단파 펄스 레이저 소스 Download PDF

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알렉스 유심
이고르 새마트세브
마누엘 제이. 레오나르도
바딤 아이. 스미르노브
판카이 카드와니
알렉세이 아브도킨
안드레아스 바우펠
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아이피지 포토닉스 코포레이션
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Abstract

레이저 시스템 및 방법. 일 예에서, 레이저 시스템은 신장된 레이저 펄스의 트레인을 생성하기 위해 입력 펄스의 입력 트레인의 펄스 지속 기간을 신장시키도록 구성된 광 펄스 스트레처, 신장된 레이저 펄스의 트레인의 펄스 반복률을 증가시켜 레이저 광의 수정된 펄스 트레인을 생성하도록 구성된 펄스 복제기 모듈, 수정된 펄스 트레인을 증폭하여 증폭된 레이저 펄스를 생성하도록 구성된 섬유 출력 증폭기, 및 증폭된 레이저 펄스를 일시적으로 압축하여 증폭 및 압축된 레이저 펄스를 생성하는 펄스 압축기를 포함한다. 시스템은 적어도 하나의 비선형 결정을 포함하는 비선형 주파수 변환 스테이지를 더 포함할 수 있다.

Description

처프 펄스 증폭 및 맞춤형 펄스 트레인을 갖는 초단파 펄스 레이저 소스
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 2019년 1월 31일자로 출원된 "ULTRASHORT PULSE LASER SOURCE WITH CHIRPED PULSE AMPLIFICATION AND TAILORED PULSE TRAIN"라는 명칭의 미국 가특허 출원 제62/799492호 및 2019년 6월 21일자로 출원된 "ULTRASHORT PULSE LASER SOURCE WITH CHIRPED PULSE AMPLIFICATION AND TAILORED PULSE TRAIN"라는 명칭의 미국 특허 출원 제62/864834호에 관한 것이다.
기술 분야
본 기술 분야는 전반적으로 레이저 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 높은 반복률에서 초단파 펄스로 높은 평균 출력을 갖는 레이저 광을 생성할 수 있는 레이저 시스템에 관한 것이다.
레이저는 광범위한 산업 용례에 사용되는데, 일부 레이저 시스템은 하나의 디바이스에서 절단, 천공, 측정 및/또는 용접과 같은 다수의 재료 가공 작업을 수행할 수 있다. 더 짧은 파장, 더 짧은 펄스 지속 기간, 및 높은 빔 품질을 갖는 레이저 시스템은, 점진적으로 더 작고 보다 복잡한 기하형상으로 인해 보다 정교한 제조 프로세스가 요구되는 미세 가공 용례에서 점점 더 중요해지고 있다. 자외선(ultraviolet)(UV) 레이저 시스템에 의해 제공되는 보다 짧은 파장과 보다 작은 스폿 크기는 더 높은 공간 분해능과 투명한 반사 재료를 가공하는 능력을 가능하게 한다. 짧은 펄스 폭과 결합된 UV 파장에서 이용 가능한 높은 에너지 흡수는 또한 열영향 구역(heat-affected zone)(HAZ) 및 탄화와 같은 기타 열 효과를 최소화한다. UV 레이저 광을 생성하는 종래의 방법은 엑시머 레이저의 사용을 포함하는데, 이 엑시머 레이저는 고가이고 유지 보수 비용이 많이 든다.
하나 이상의 실시예에 따르면, 레이저 시스템이 제공된다. 레이저 시스템은 신장된 레이저 펄스의 트레인을 생성하기 위해 입력 펄스의 입력 트레인의 펄스 지속 기간을 신장하도록 구성된 광 펄스 스트레처, 광 펄스 스트레처에 광학적으로 결합되고 신장된 레이저 펄스 트레인의 펄스 반복률을 증가시켜 레이저 광의 수정된 펄스 트레인을 생성하도록 구성된 펄스 복제기 모듈, 펄스 복제기 모듈에 광학적으로 결합되고 수정된 펄스 트레인을 증폭하여 증폭된 레이저 펄스를 생성하도록 구성된 섬유 출력 증폭기, 및 섬유 출력 증폭기에 광학적으로 결합되고 증폭된 레이저 펄스를 일시적으로 압축하여 증폭 및 압축된 레이저 펄스를 생성하도록 구성된 펄스 압축기를 포함한다.
일 예에 따르면, 펄스 복제기 모듈은 입력 융합 광섬유 커플러, 출력 융합 광섬유 커플러, 및 입력 및 출력 융합 광섬유 커플러 사이에 배치된 적어도 하나의 광섬유 지연 라인을 포함하는 적어도 2개의 융합 광섬유 커플러를 포함한다. 추가의 예에 따르면, 펄스 복제기 모듈은, 각각의 연속적인 스테이지가 수정된 펄스 트레인에 시간 지연을 도입하도록 광섬유 지연 라인을 각각 포함하는 복수의 스테이지를 포함하고, 시간 지연 복제 펄스의 트레인이 출력 융합 광섬유 커플러의 출력부에서 수정된 펄스 트레인으로서 제공된다. 일 예에서, 시간 지연은 각각의 연속적인 스테이지에서 미리 결정된 양만큼 증가되거나 감소된다. 다른 예에서, 시간 지연의 미리 결정된 양은 복수의 스테이지 중 다른 스테이지에 대한 것보다 적어도 하나의 스테이지에 대해 상이하다.
일 예에 따르면, 입력 펄스의 입력 트레인은 1 나노초 미만의 초기 펄스 지속 기간 및 적어도 1 메가헤르츠(MHz)의 초기 펄스 반복률을 갖는다. 다른 예에서, 광 펄스 스트레처는 초기 펄스 지속 기간을 수 나노초 정도의 펄스 지속 기간으로 신장하도록 구성되고, 증폭 및 압축된 레이저 펄스는 초기 펄스 지속 기간보다 짧은 펄스 지속 기간을 갖는다. 다른 예에 따르면, 펄스 복제기 모듈은 신장된 레이저 펄스 트레인의 펄스 반복률을 수십 MHz 및 멀티 GHz 레벨로 증가시키도록 구성된다.
일 예에서, 레이저 시스템은 입력 펄스의 입력 트레인을 생성하도록 구성된 수동 모드-로킹 레이저 소스를 더 포함한다.
다른 실시예에 따르면, 섬유 기반 레이저 시스템이 제공된다. 섬유 기반 레이저 시스템은, 1 나노초 미만의 초기 펄스 지속 기간 및 적어도 1 MHz의 펄스 반복률을 갖는 입력 펄스의 입력 트레인을 제공하도록 구성된 모드-로킹 레이저 소스, 모드-로킹 레이저 소스에 광학적으로 결합되고, 입력 펄스의 입력 트레인의 펄스 지속 기간을 신장시켜 신장된 레이저 펄스의 트레인을 생성하도록 구성된 광 펄스 스트레처, 광 펄스 스트레처에 광학적으로 결합되고 신장된 레이저 펄스 트레인의 펄스 반복률을 증가시켜 레이저 광의 수정된 펄스 트레인을 생성하도록 구성된 펄스 복제기 모듈, 펄스 복제기 모듈에 광학적으로 결합되고 수정된 펄스 트레인을 증폭하여 증폭된 레이저 펄스를 생성하도록 구성된 섬유 출력 증폭기 - 증폭된 레이저 펄스는 30 미만의 피크 평균 출력비를 가짐 -, 및 섬유 출력 증폭기에 광학적으로 결합되고 증폭된 레이저 펄스를 일시적으로 압축하여 증폭 및 압축된 레이저 펄스를 생성하도록 구성된 펄스 압축기를 포함한다.
일 예에 따르면, 시스템은 펄스 압축기에 광학적으로 결합되고 주파수 변환을 위해 증폭 및 압축된 레이저 펄스를 수신하도록 구성된 적어도 하나의 비선형 주파수 변환 스테이지를 더 포함한다.
일 예에서, 비선형 주파수 변환 스테이지는 적어도 15%의 변환 효율을 갖도록 구성된다.
일 예에 따르면, 적어도 하나의 비선형 주파수 변환 스테이지는 적어도 200 와트의 평균 출력을 갖는 자외선(UV) 레이저 광을 출력한다.
적어도 하나의 예에 따르면, 펄스의 입력 트레인은 10 fs 내지 100 ps 범위의 초기 펄스 지속 기간을 갖고 증폭 및 압축된 레이저 펄스는 초기 펄스 지속 기간보다 짧은 펄스 지속 기간을 갖는다.
다른 예에 따르면, 펄스 복제기 모듈은 입력 융합 광섬유 커플러와 출력 융합 광섬유 커플러 및 입력 및 출력 융합 광섬유 커플러 사이에 배치된 적어도 하나의 광섬유 지연 라인을 포함하는 적어도 2개의 융합 광섬유 커플러를 포함한다. 추가의 예에 따르면, 펄스 복제기 모듈은, 각각의 연속적인 스테이지가 수정된 펄스 트레인에 시간 지연을 도입하도록 광섬유 지연 라인을 각각 포함하는 복수의 스테이지를 포함하고, 시간 지연 복제 펄스의 트레인이 출력 융합 광섬유 커플러의 출력부에서 수정된 펄스 트레인으로서 제공된다. 일 예에서, 시간 지연은 각각의 연속적인 스테이지에서 미리 결정된 양만큼 증가되거나 감소된다. 다른 예에서, 시간 지연의 미리 결정된 양은 복수의 스테이지 중 다른 스테이지에 대한 것보다 적어도 하나의 스테이지에 대해 상이하다.
적어도 하나의 예에 따르면, 광 펄스 스트레처는 처프 섬유 브래그 격자(chirped fiber Bragg grating)(CFBG)로 구성되고 펄스 압축기는 처프 볼륨 브래그 격자(chirped volume Bragg grating)(CVBG), 트레시(Treacy) 구성 격자 압축기, 또는 마르티네즈(Martinez) 구성 중 하나로서 구성된다.
일 예에 따르면, 펄스 압축기는 적어도 하나의 빔스플리터 및 적어도 2개의 볼륨 브래그 격자를 포함한다.
일 예에서, 모드-로킹 레이저 소스는 수동 모드-로킹 섬유 링 공동으로서 구성된다. 추가의 예에서, 수동 모드-로킹 섬유 링 공동은 입력 펄스로서 거대한 처프 펄스를 생성하도록 구성된다.
다른 양태에 따르면, 방법이 제공된다. 방법은, 1 나노초 미만의 초기 펄스 지속 기간 및 적어도 1 MHz의 펄스 반복률을 갖는 입력 펄스의 입력 트레인을 생성하는 단계, 신장된 레이저 펄스의 트레인을 생성하기 위해 입력 펄스의 펄스 지속 기간을 신장시키는 단계, 신장된 레이저 펄스의 트레인의 펄스 반복률보다 높은 펄스 반복률을 갖는 수정된 펄스 트레인을 생성하도록 신장된 레이저 펄스를 복제하는 단계, 증폭된 레이저 펄스를 생성하기 위해 수정된 펄스 트레인을 증폭하는 단계, 및 증폭 및 압축된 레이저 펄스를 생성하기 위해 증폭된 레이저 펄스를 압축하는 단계를 포함한다.
일 예에서, 방법은 증폭 및 압축된 레이저 펄스를 자외선으로 주파수 변환하는 단계를 더 포함한다. 일 예에 따르면, 방법은 비정질 기판 재료를 자외선을 이용하여 다결정 형태로 어닐링하는 단계를 더 포함한다.
다른 예에 따르면, 방법은 입력 펄스의 입력 트레인을 생성하도록 구성된 수동 모드-로킹 섬유 링 공동을 갖는 모드-로킹 레이저 소스를 제공하는 단계를 더 포함한다.
일 예에서, 신장된 레이저 펄스를 복제하는 단계는 신장된 레이저 펄스를 적어도 하나의 펄스 복제기 모듈을 통해 통과시키는 단계를 포함하고, 펄스 복제기 모듈은 입력 융합 광섬유 커플러, 출력 융합 광섬유 커플러, 및 입력 및 출력 융합 광섬유 커플러 사이에 배치된 적어도 하나의 광섬유 지연 라인을 포함한다.
이러한 예시적인 양태 및 실시예의 또 다른 양태, 실시예, 및 이점이 아래에서 상세히 설명된다. 더욱이, 앞서 설명한 정보 및 다음의 상세한 설명은 모두 다양한 양태 및 실시예의 단지 예시적인 예이고, 청구된 양태 및 실시예의 속성 및 특성을 이해하기 위한 개요 또는 골격을 제공하도록 의도된다는 것을 이해하여야 한다. 본 명세서에 개시된 실시예는 다른 실시예와 결합될 수 있으며, "실시예", "예", "일부 실시예", "일부 예", "대안 실시예", "다양한 실시예", "일 실시예", "적어도 하나의 실시예", "본 실시예 및 다른 실시예", "특정 실시예" 등에 대한 언급은 반드시 상호 배타적이지 않으며, 설명된 특정 피처, 구조 또는 특성이 적어도 하나의 실시예에 포함될 수 있다는 것을 나타내도록 의도된다. 본 명세서에서 이러한 용어의 출현은 반드시 모두 동일한 실시예를 지칭하는 것은 아니다.
적어도 하나의 실시예의 다양한 양태는 실척으로 작성되도록 의도되지 않은 첨부 도면을 참조하여 아래에서 설명된다. 도면은 다양한 양태 및 실시예의 예시 및 추가 이해를 제공하기 위해 포함되며, 본 명세서에 통합되고 그 일부를 구성하지만, 임의의 특정 실시예의 제한의 정의로서 의도되지 않는다. 명세서의 나머지 부분과 함께 도면은 설명되고 청구된 양태 및 실시예의 원리 및 작동을 설명하는 역할을 한다. 도면에서, 다양한 도면에 예시된 각각의 동일하거나 거의 동일한 구성요소는 유사한 번호로 나타낸다. 명확성을 기하기 위해, 모든 구성요소가 모든 도면에 표시되지 않을 수 있다. 도면에서:
도 1은 본 발명의 양태에 따른 레이저 시스템의 개략도이고;
도 2는 본 발명의 다른 양태에 따른 섬유 기반 레이저 시스템의 개략도이며;
도 3은 본 발명의 양태에 따른 섬유 기반 레이저 시스템의 다른 개략도이고;
도 4는 본 발명의 양태에 따른 펄스 복제기 모듈의 일 예의 개략도이며;
도 5는 본 발명의 양태에 따른 펄스 복제기 모듈의 다른 예의 개략도이고;
도 6은 본 발명의 양태에 따른 증폭기에 사용되는 활성 섬유의 개략도이며;
도 7은 본 발명의 양태에 따른 펄스 압축기 구성의 일 예의 개략도이고;
도 8은 본 발명의 양태에 따른 펄스 압축기 구성의 다른 예의 개략도이며;
도 9는 본 발명의 양태에 따른 펄스 압축기 구성의 또 다른 예의 개략도이고;
도 10은 주파수 변환 전에 증폭 및 압축되는 수정된 펄스의 시간 플롯을 예시하며;
도 11a 내지 도 11c는 본 발명의 양태에 따른 CFBG 펄스 스트레처의 일 예를 도시하고;
도 12a 내지 도 12f는 본 발명의 양태에 따른 섬유 기반 레이저 시스템의 펄스 스트레처 구성요소를 사용하여 1 ps 내지 25 ps 범위의 지속 기간을 갖도록 조율된 압축 펄스의 예를 도시하며;
도 13은 본 발명의 양태에 따른 수동 모드-로킹 섬유 레이저의 일 예의 개략도이고;
도 14a는 본 발명의 양태에 따른 볼륨 브래그 격자(volume Bragg grating)(VBG)를 사용하는 펄스 압축기의 일 예의 개략도이며;
도 14b는 본 발명의 양태에 따른 다른 예시적인 펄스 압축기의 개략도이다.
많은 재료 가공 용례에서는 높은 반복률과 높은 평균 출력을 갖는 초단파 펄스 레이저 광의 이점이 있을 수 있다. 예를 들어, 펄스 지속 기간을 감소시키면 일반적으로 절제 임계값이 감소되며, 이는 펄스 지속 기간이 감소함에 따라 필요한 펄스 에너지가 감소함을 의미한다. 펄스 에너지가 낮으면 원치 않는 가열이 적어지고, 이는 유기 폴리머와 같은 열에 민감성 재료를 가공할 때 중요할 수 있다. 또한, 초단파 레이저 펄스는 재료가 기화될 때까지 가열되는 광열 상호 작용 대신에 광절제 메커니즘(photo-ablation mechanism)을 트리거한다. 광절제는 분자 결합을 직접 파괴하여 재료를 제거하는 것을 수반하므로, 열 효과를 유도하지 않는다. 많은 용접 용례에서 또한 비선형 흡수에 기초한 유리 재료의 레이저 용접을 비롯하여 펄스당 에너지가 더 낮은 에너지를 특징으로 하는 초단파 펄스 레이저 에너지의 이점이 있을 수 있다. 높은 반복률은 초단파 펄스 레이저 광의 트레인의 평균 출력을 증가시킬 뿐만 아니라 더 빠른 가공 속도를 허용한다.
본 개시내용의 다양한 양태는 펄스 복제와 함께 처프 펄스 증폭(chirped pulse amplification)(CPA)을 결합하는 레이저 시스템에 관한 것이다. 이러한 시스템은 여전히 높은 평균 출력을 가지면서 높은 그리고 매우 높은 펄스 반복률 및 비손상 유도 피크 출력을 갖는 레이저 광을 생성하는 데 유용하다. 이러한 시스템의 예가 도 1에 도시되어 있고 전체적으로 100으로 표시된다. 시스템(100)은 펄스 스트레처(130), 펄스 복제기 모듈(140), 섬유 출력 증폭기(150), 및 펄스 압축기(170)를 포함한다. 입력 레이저 펄스(112)는 펄스 스트레처(130)를 사용하여 적시에 신장되고, 섬유 출력 증폭기(150) 및 임의로 전치 증폭기(154)를 포함하는 증폭 스테이지에서 증폭되며, 펄스 압축기(170)를 사용하여 압축된다. 증폭 전에, 신장된 펄스(132)는 펄스 복제기 모듈(140)을 사용하여 복제된다.
입력 펄스(112)의 입력 트레인은 변조된 CW 레이저 및 시드-펄스 소스를 포함하는 다수의 상이한 레이저 소스 중 임의의 하나로부터 제공될 수 있다. 일부 예에서, 입력 펄스(112)는 수동 모드-로킹 레이저 소스를 포함하는 모드-로킹 레이저 소스에 의해 제공된다. 수동 모드-로킹 섬유 레이저 소스의 예는 아래에서 설명된다. 고상 레이저 또는 반도체 레이저와 같은 다른 유형의 레이저도 사용될 수 있다. Q 스위치 및 이득 전환 레이저를 비롯하여, 모드-로킹 레이저 이외에 다른 유형의 펄스 레이저 소스도 적합하다. 일부 실시예에 따르면, 입력 펄스(112)는 1 나노초 미만의 펄스 지속 기간을 가지며, 피코초(ps) 또는 펨토초(fs) 정도일 수 있다. 입력 펄스(112)는 또한 적어도 1 MHz의 초기 펄스 반복률을 갖는다.
펄스 스트레처(130), 섬유 출력 증폭기(150), 및 펄스 압축기(170)는 CPA 시스템의 구성요소를 포함한다. 펄스의 시간적 신장 및 압축은 펄스의 상이한 파장을 상이한 양의 시간만큼 지연시키는 것에 기초한다. 스트레처(130)에서, 단파장 펄스는 장파장 펄스에 대해 지연될 수 있고, 그 반대의 경우도 마찬가지이며, 압축기(170)에서는 이러한 효과가 다시 무효로 된다. 벌크 격자, 프리즘, 섬유, 처프 섬유 브래그 격자(CFBG) 또는 처프 볼륨 브래그 격자(CVBG)는 펄스를 신장시키는 기능을 하는 강한 분산 요소의 예이다.
펄스 스트레처(130)는 감소된 피크 출력을 갖는 신장된 펄스(132)의 트레인을 생성하기 위해 펄스(112)의 입력 트레인의 펄스 지속 기간을 신장시키도록 구성된다. 일부 실시예에 따르면, 펄스 스트레처(130)는 초기 펄스 트레인(112)의 펄스를 몇 나노초 정도의 펄스 지속 기간으로 신장하고, 일부 예에서는 10 ns일 수 있다. 다른 실시예에서, 초기 펄스 트레인(112)의 펄스는 약 100 ps 내지 1 ns 범위의 펄스 지속 기간으로 신장된다.
신장된 레이저 펄스(132)의 반복률은 펄스 복제기 모듈(140)에 의해 증가될 수 있으며, 펄스 복제기 모듈은 신장된 레이저 펄스(132)의 광학 파형을 적시에 복제하여 수정된 펄스 트레인(148)을 생성한다. 펄스 스트레처(130)에 의해 출력된 신장된 레이저 펄스(132)의 트레인의 시간 플롯은 t의 펄스 주기 및 1/t의 펄스 반복률을 갖는다. 일부 실시예에 따르면, 펄스 복제기(140)는 t가 수정된 펄스 트레인(148)의 레이저 에너지가 연속적으로 나타나는 정도로 감소되도록 신장된 레이저 펄스를 복제하는 데 사용될 수 있다. 수정된 펄스 트레인(148)의 거의 연속파 특성화는 펄스 스트레처(130)에 의해 수행되는 신장과 펄스 복제 모듈(140)에 의해 수행되는 복제 모두의 함수이다. 이러한 레이저 광을 이용하는 시스템의 예는 아래에서 더 상세히 설명된다. 펄스 복제기(140)는 신장된 레이저 펄스(132)의 반복률을 수십 MHz 및 멀티 GHz 레벨로 증가시키도록 구성될 수 있다. 펄스 스트레처(130) 및/또는 펄스 복제기 모듈(140)은 원하는 피크 대 평균 출력비를 갖는 수정된 펄스(148)를 생성하도록 구성될 수 있다. 아래에서 예를 설명한다. 반복률을 증가시키면 어닐링 용례에 유익한 양태를 갖는다. 첫째, 개별 펄스 에너지가 감소되어, 가공되지 않은 재료가 손상될 가능성이 감소한다. 그러나, 비선형 주파수 변환의 효율은 피크 출력에 비례하고, 즉, 피크 출력이 높을수록 변환 효율이 높아진다. 둘째, 반복률이 증가함에 따라, 레이저 펄스 사이의 시간은 흡수된 레이저 방사선이 치료 부위 밖으로 확산되는 시간보다 짧아져 열이 축적되게 하며, 즉, 더 높은 반복률에서, 샘플은 펄스 사이에 냉각할 시간이 없다. 따라서, 레이저 조사 표면의 냉각 시간은 연속 펄스 사이의 시간보다 긴 것이 바람직하다. 펄스 복제기 모듈은, 아래에서 더 상세히 설명되는 바와 같이, 효과적인 반복률과 함께 손상되지 않지만 높은 변환 효율 피크 출력들 사이의 균형을 달성하는 출력 레이저 펄스에 맞춰질 수 있다.
펄스 복제기 모듈(140)은 입력 융합 광섬유 커플러 및 출력 광섬유 커플러를 포함하는 적어도 2개의 광섬유 커플러 및 입력과 출력 융합 광섬유 커플러 사이에 배치된 적어도 하나의 광섬유 지연 라인을 포함하는 전체 섬유 디바이스이다. 모든 광섬유 커플러는 편광 유지형이다. 광섬유 커플러는 또한 단일 모드(single-mode)(SM) 비편광 유지형 융합 광섬유 커플러로서 구성될 수 있다. 펄스 스트레처(130) 및 펄스 복제기 모듈(140)의 구성요소는 맞춤형(높은) 반복률로 펄스를 출력하도록 구성될 수 있다. 펄스 복제기의 비제한적인 예는 도 4 및 도 5를 참조하여 아래에서 설명된다.
도 1의 시스템(100)의 섬유 출력 증폭기(150)는 펄스 변조기(140)로부터 수정된 펄스 트레인(148)의 레이저 펄스를 증폭하는 데 사용된다. 이 예에서, 사전 증폭된 레이저 펄스(155)를 생성하기 위해 수정된 레이저 펄스(148)를 수신 및 증폭하기 위해 전치 증폭기(154)가 제공된다. 섬유 출력 증폭기(150)는 수정된 레이저 펄스를 추가로 증폭하여 증폭된 레이저 펄스(153)를 생성하도록 제공된다. 일부 구현에서, 전치 증폭기(154)는 수정된 펄스(148)가 증폭을 위해 섬유 출력 증폭기(150)에 직접 공급되도록 제거될 수 있다. 전치 증폭기(154) 및 증폭기(150)는 도핑된 광섬유로 구현되며, 이는 시스템을 소형으로 만들고, 견고하게 하며, 저렴하게 만든다. 펄스 복제기 모듈(140)과 섬유 출력 증폭기(150) 사이에 광 격리기(160)가 또한 배치된다.
펄스 압축기(170)는 처프 증폭된 펄스(153)의 펄스 폭을 압축한다. 펄스 압축기의 비제한적 예는 CVBG 및 트레시(Treacy) 압축기와 같은 격자 압축기, 뿐만 아니라 마르티네즈(Martinez) 및 프리즘 압축기를 포함한다.
펄스 압축기(170)로부터 출력되는 증폭 및 압축된 레이저 펄스(174)는 높은 반복률 및 높은 평균 출력을 갖는 초단파 펄스 레이저 광으로 특징지어질 수 있다. 이 출력의 특정 용례는 높은 평균 출력의 UV 레이저 방사선 생성을 포함하며 아래에서 설명된다.
높은 평균 출력(즉, 와트 정도)의 UV 레이저 방사선은 레이저 직접 이미징(laser direct imaging)(LDI), 태양 전지 제조, 웨이퍼 스크라이빙 및 패턴화, 저온 다결정(low temperature polycrystalline)(LTPS) 디스플레이 어닐링과 같은 어닐링 프로세스, 레이저 리프트오프(laser lift-off)(LLO), 및 반도체 웨이퍼 및 마스크 검사와 같은 표면 수정, 재료 가공, 및 검사에 관련된 다양한 산업 용례에 사용될 수 있다. 본 명세서에 사용될 때, UV는 335 nm 내지 370 nm 범위의 파장을 갖는 방사선을 지칭한다. 위에서 인정한 바와 같이, UV 레이저 광을 생성하는 종래의 방법은 엑시머 레이저의 사용을 포함하며, 이는 다양한 결점이 있다. 적어도 하나의 실시예에 따르면, 본 명세서에 설명된 방법 및 시스템은 비정질 기판 재료를 자외선으로 다결정 형태로 어닐링하는 데 사용될 수 있다.
종래의 연속파(continuous-wave)(CW) 섬유 레이저는 비선형 광학 결정을 사용하여 UV 광으로 변환될 수 있는 단일 모드(SM) 빔 품질을 갖는 근적외선의 매우 높은 평균 출력을 제공할 수 있다. 본 명세서에 사용될 때, 용어 "단일 모드" 및 "다중 모드(multimode)"(MM)는 가로 모드(transverse mode)를 지칭한다. 효율적인 주파수 변환은 좁은 대역폭 및/또는 높은 피크 출력을 갖는 레이저 소스를 사용해야 한다. 대역폭이 좁은 종래의 CW 섬유 레이저는 유도 브릴리안 산란(stimulated Brillouin scattering)(SBS) 및 모드 불안정(modal instability)(MI)와 같은 비선형 효과로 인해 출력과 신뢰성이 제한된다.
좁은 선폭의 시드 레이저 소스를 갖게 구성된 펄스 섬유 레이저 시스템도 앞서 설명한 동일한 비선형 효과에 의해 제한된다. 또한, 좁은 선폭은 특정 용례에서 공간 노이즈와 간섭 효과를 증가시킨다. 모드-로킹 섬유 레이저와 같은 더 넓은 선폭의 시드 레이저 소스를 사용하면 공간 노이즈와 빔 간섭 효과가 감소되지만 다른 문제가 발생한다. 예를 들어, 자체 위상 변조(self-phase modulation)(SPM), 유도 라만 산란(stimulated Raman scattering)(SRS), 및 4파장 혼합(four-wave mixing)(FWM)과 같은 기타 비선형 효과는 이러한 더 넓은 선폭의 레이저 소스가 직접 증폭될 때 도입되어, 차례로 피크 출력을 제한한다. 우수한 주파수 변환을 달성하기 위해, 레이저 빔은 비선형 결정에 밀접하게 집중되고 결과적인 높은 광 강도는 결정 수명을 감소시킨다. 예를 들어, 처프 펄스 증폭(CPA) 방법을 통한 더 넓은 선폭의 레이저 소스의 간접 증폭은 더 높은 피크 출력 값을 초래하지만, 직접 증폭, 즉, SPM, SRS, 및 FWM을 통해 경험하는 동일한 비선형 효과로 인해 섬유 증폭기에서 제한된다. 더욱이, 특정 용례는 가공되지 않은 재료의 손상을 피하기 위해 UV 파장 범위에서 낮은 피크 출력을 필요로 한다.
본 개시내용의 양태는 높은 평균 출력의 UV 레이저 광을 생성하는 능력과 관련하여 위에서 제기된 많은 문제를 해결하고 극복하기 위해 의도된다. 개시된 시스템 및 방법의 양태는 CPA 및 펄스 복제기 모듈과 함께 작동되는 모드-로킹 레이저 소스를 갖는 섬유 기반 레이저 시스템을 이용한다. 모드-로킹 레이저 소스는 높은 펄스 반복률에서, 즉, 적어도 1 MHz에서 서브 나노초 영역의 초단파 펄스를 제공한다. 서브 나노초 펄스는 펄스 스트레처를 사용하여 미리 결정된 중심 파장 주위의 광학 처프를 통해 적시에 신장될 수 있으며 펄스 복제기 모듈을 사용하여 거의 CW 구성을 시뮬레이션하는 펄스 지속 기간 및 반복률로 복제될 수 있다. 이는 피크 출력을 감소시키고 SPM, SRS 및 FWM과 같은 광학적 비선형성과 관련된 문제를 완화한다. 이러한 수정된 레이저 펄스는 증폭기에서 증폭되고, 증폭 후, 펄스는 서브 나노초 영역에서 펄스 지속 기간으로 다시 압축되어 주파수 변환 효율을 개선시키기 위해 피크 출력을 증가시킨다. 신장 및 신장된 펄스의 반복률은 피크 출력이 비선형 재료 및/또는 가공되지 않은 재료의 손상을 피하기에 충분히 낮지만 효율적인 주파수 변환을 보장하기에 충분히 높도록 맞춰질 수 있다. 동시에, 반복률은 샘플이 펄스 사이에 냉각될 시간이 없을 정도로 충분히 높으며, 이는 어닐링 용례에서 중요하다.
본 발명의 양태에 따른 섬유 기반 레이저 시스템의 일 예가 도 2에 도시된 개략도에서 전반적으로 200으로 도시되어 있다. 본 명세서에 사용되는 "섬유 기반" 또는 "섬유" 레이저라는 용어는 개별 구성요소, 또는 적어도 레이저 구성요소의 입력부 또는 출력부 내를 포함하여 광 에너지를 송신하는 데 사용되는 상당한 수의 섬유 요소를 갖는 레이저를 지칭한다. 시스템(200)은 도 1의 시스템(100)에 포함된 것과 유사한 CPA 및 펄스 복제 구성요소를 포함하고, 또한 레이저 소스 및 주파수 변환 스테이지를 포함한다. 이 예에 따르면, 시스템(200)은 모드-로킹 레이저 소스(110), 펄스 스트레처(130), 펄스 복제기 모듈(140), 섬유 출력 증폭기(150), 펄스 압축기(170), 및 적어도 하나의 비선형 주파수 변환 스테이지(180)를 포함한다.
본 명세서에서 펄스 생성기로도 지칭될 수 있는 모드-로킹 레이저 소스(110)는 1 나노초 미만의 (반치전폭에서 측정된) 초기 펄스 지속 기간 및 적어도 1 MHz의 펄스 반복률을 갖는 입력 펄스(112)의 입력 트레인을 제공하도록 구성된다. "모드-로킹"이라는 용어는 일반적으로 레이저 공동의 공진 길이방향 모드가 광 펄스의 트레인을 생성하기 위해 위상이 동기화되는, 즉, 함께 위상-로킹되는 레이저 소스를 지칭한다. 모드-로킹의 결과로, 발진(lasing) (길이방향) 모드가 간섭하고 레이저는 매우 짧은 지속 기간, 예를 들어, 일부 예에서 피코초 또는 펨토초 정도일 수 있는 서브 나노초 영역의 레이저 펄스 형태로 광 출력을 생성하게 된다.
모드-로킹 방법은 능동 및 수동의 두 부류로 분할될 수 있고, 본 명세서에서 설명된 실시예는 모드-로킹 섬유 레이저의 수동 부류에 속한다. 출력 수동 모드-로킹을 갖는 가장 일반적으로 사용되는 아키텍처는 포화 흡수체, 비선형 편광 회전(non-linear polarization rotation)(NPR), 및 간섭계 구조를 포함하며, 이들 모두는 비선형 광학계에 근원을 두고 있으며 다양한 비선형 효과에 의해 설명된다. 특정 수동 아키텍처는 반도체 포화 흡수체 또는 거울(semiconductor saturable absorber or mirror)(SESAM) 형태의 실제 흡수체를 사용한다. SESAM의 적어도 하나의 한계는 손상 임계값, 특히 1 μm 파장 범위에 있다. SESAM은 또한 열악한 처프 간 재현성으로 인해 신뢰할 수 없을 수 있으며, 흔히 제조 결함은 공진 공동 내에 배치된 후에만 식별될 수 있다.
NPR 및 간섭계 수동 모드-로킹 아키텍처는 모두 링 공진기가 제공되는 섬유 레이저와 연관된다. 특히, 이러한 아키텍처는 자체 위상 변조(SPM) 비선형 효과로 인해 좁은 펄스 폭을 취득하기에 유리한 조건을 생성하도록 작동된다. NPR 시스템은 초고 에너지 펄스를 생성할 수 있지만, 편광 제어기는 미세 제어 시스템을 이용한 복잡한 피드백을 필요로 하며 NPR 프로세스는 환경 변화 및 패키징 조건에 민감하다. 그 결과, 주기성 조건, 즉, 공동 내에서 레이저의 각각의 왕복 후에 일관된 위치에서 펄스 특성의 재현성을 만족시키기가 어렵다.
다양한 실시예에 따르면, 모드-로킹 레이저 소스(110)는 수동 모드-로킹 섬유 레이저 소스를 포함하는 모드-로킹 섬유 레이저 소스로서 구성된다. 일 실시예에서, 모드-로킹 레이저 소스(110)는 수동 모드-로킹 섬유 링 공동으로서 구성된다. 이러한 수동 모드-로킹 구성은 증가하는 피크 강도에 대한 비선형 응답을 갖는 적어도 하나의 구성요소의 링 공동의 존재에 의존한다. 이러한 구성의 특정 예는 아래에서 더 설명된다. 고상 및 반도체 레이저를 비롯하여 섬유 레이저 이외의 다른 유형의 레이저가 또한 본 개시내용의 범위 내에 있다. 모드-로킹 레이저 소스(110)는 1 μm 파장 범위에서 SM 입력 펄스(112)를 방출한다.
대안 실시예에 따르면, 조화 모드-로킹 레이저 소스가 레이저 소스(110)로서 사용될 수 있다. 이러한 디바이스는 기가헤르츠 및 멀티 기가헤르츠 영역에서 높은 펄스 반복률을 갖는 펄스 트레인을 생성할 수 있으므로 펄스 복제기 모듈(140)이 제거될 수 있다. 그러나, 이러한 레이저 소스는 펄스 대 펄스 지터 및 수퍼모드를 초래하는 레이저 공동에서 한 번에 다수의 펄스를 갖는 데 의존하므로, 시스템에 복잡성과 비용을 추가하는 모드 억제 및 지터 제어가 요구된다.
모드-로킹 레이저의 펄스 반복률은 그 공진기 길이에 반비례하므로, 더 긴 공동이 더 낮은 펄스 반복률을 초래하고, 결과적으로 동일한 평균 출력 전력에서 펄스 에너지가 더 높아진다. 모드-로킹 레이저 소스(110)는 낮은 반복률을 생성하기 위해 비교적 긴 공동 길이를 갖는다. 다양한 실시예에 따르면, 모드-로킹 레이저 소스(110)는 적어도 1 MHz의 초기 펄스 반복률을 갖는 입력 펄스의 입력 트레인(112)을 제공한다. 일부 실시예에 따르면, 입력 트레인(112)은 5 MHz 내지 약 15 MHz 범위의 펄스 반복률을 갖는다. 입력 트레인(112)의 입력 펄스는 1 나노초 미만의 초기 펄스 지속 기간을 갖는다. 일부 실시예에 따르면, 입력 펄스(112)는 펨토초(fs) 내지 피코초(ps) 범위의 초기 펄스 지속 기간을 갖는다. 예를 들어, 일부 용례에서, 입력 펄스(112)는 10 fs 내지 100 ps 범위의 초기 펄스 지속 기간을 가지며, 일부 예에서 초기 펄스 지속 기간은 몇 ps이다. 다른 양태에 따르면, 입력 트레인(112)의 펄스 사이의 시간 간격은 50 ns의 최소값을 갖고, 일부 예에서는 10 ns의 최소값을 갖는다.
펄스 스트레처(130)는 광 펄스 및 그 길이에 10배 초과만큼 단방향 선형 처프를 부과한다. 적어도 하나의 실시예에 따르면, 펄스 스트레처(130)는 초기 펄스 트레인(112)의 펄스를 50 ps 내지 5 ns 범위의 펄스 지속 기간으로 신장시킨다. 다른 실시예에서, 초기 펄스 트레인(112)의 펄스는 약 100 ps 내지 1 ns 범위의 펄스 지속 기간으로 신장된다. 일부 실시예에서, 펄스 스트레처(130)는 수백 ps 정도의 지속 기간을 갖는 신장된 펄스를 생성한다.
일 실시예에서, 펄스 스트레처(130)는 도 3에 도시된 바와 같이 피그테일 순환기(120a)에 장착된 선형 CFBG로서 구성되고, 이는 소형 크기와 정렬 둔감성의 이점이 있다. 초기 펄스 트레인(112)은 광 순환기(120a)를 통해 진입 포트(122)로부터 순환기 포트(124)에 연결된 CFBG 스트레처(130)로 라우팅된다. 광 순환기(120a)는 반사된 광을 역방향으로 지향시키고, 여기서 반사된 광은 신장된 레이저 펄스(132)의 트레인으로서 포트(126)에서 순환기를 빠져나간다. 대안 실시예에 따르면, 섬유 커플러는 CFBG와 함께 사용될 수 있다.
대안적인 구현에서, 도 3의 광 순환기(120a)는 빔을 포트(122)로부터 포트(124)를 통해 포트(126)로 전달하기 위해 간단한 편광 빔스플리터 및 1/4 파장 판으로 대체될 수 있다. 이러한 구현은 최신 기술에 잘 알려져 있으며 여기에 도시되지 않는다. 또 다른 대안으로서, 솔리드 코어, 홀리, 또는 에어 홀 섬유가 펄스 스트레처로서 통합될 수 있다.
도 1 내지 도 3에 명시적으로 도시되지는 않았지만, 입력 펄스(112)는 광 대역폭을 감소시키기 위해 스펙트럼 필터를 통과할 수 있다. 도 2 및 도 3의 시스템(200 및 300)에서, 예를 들어, 스펙트럼 필터는 모드-로킹 레이저 소스(110)로부터 하류에 배치될 수 있다. 일부 구현에서, 입력 펄스는 1-50 nm의 폭을 가질 수 있고, 적어도 하나의 실시예에 따르면, 입력 펄스(112)의 선폭은 스펙트럼 필터에 의해 5 nm 미만으로 감소될 수 있으며, 일부 예에서 약 1 nm일 수 있다. 일 실시예에 따르면, CFBG 스트레처(130) 자체는 입력 펄스(112)의 광 대역폭을 감소시키도록 구성될 수 있다.
신장된 레이저 펄스의 반복률은 펄스 복제기 모듈(140)에 의해 수십 MHz 및 멀티 GHz 레벨로 증가될 수 있다. 특정 실시예에서, 펄스 반복률은 100 MHz 내지 50 GHz일 수 있다. 다양한 양태에 따르면, 수정된 펄스 트레인(148)의 레이저 에너지는 연속적으로 나타난다. 시간적 간격을 채워 거의 연속적인 파형을 생성되고, 피크 대 평균 출력비가 감소되어 SRS 및 SPM 효과를 또한 감소시킨다. 일 실시예에서, 수정된 펄스 트레인(148)의 펄스 사이의 시간 간격은 10 ns의 최대값을 가지며, 일부 예에서는 1 ns 또는 1 ns 미만이다. 적어도 하나의 실시예에 따르면, 수정된 펄스 트레인(148)의 피크 대 평균 출력비(peak-to-average power ratio)(PAPR)는 미리 결정된 임계값 또는 최대값보다 더 작은 값을 갖는다. 일 실시예에 따르면, 이 임계값은 30보다 작을 수 있고, 일부 실시예에서는 25 보다 작을 수 있으며 다른 경우에는 20보다 작을 수 있다. PAPR은 펄스 폭과 반복률의 함수이며, 따라서 상한은 섬유에 대한 손상 임계값보다 낮은 피크 출력을 또한 반영하는 이러한 파라미터에 대한 적절한 값을 나타낸다. 적절한 파라미터 값의 예는 아래에 설명된다.
도 4는 펄스 복제기 모듈(440)의 제1 예의 개략도이다. 이 구성에 따르면, 입력 융합 광섬유 커플러(442)는 광섬유 스플리터로서 구성된다. 출력 광섬유 커플러(443)의 결합 영역을 빠져나가는 2개의 섬유 중 하나는 수정된 펄스 트레인(148)을 포함하는 출력(436)을 형성한다. 광 빔스플리터(442)는 입력부(434)를 갖고, 이 경우에 입력부(434)는 광 펄스 스트레처(130)에 연결되거나 달리 결합되고, 출력 커플러(443)의 출력부(436)는 섬유 출력 증폭기(150)에 연결되거나 달리 결합된다(도 1, 도 2 및 도 3 참조). 펄스 복제기 모듈(440)은 또한 입력 커플러(442)와 출력 커플러(443) 사이에 배치된 적어도 하나의 광섬유 커플러(444)를 포함하며, 도 4에 도시된 예는 3개의 이러한 커플러를 포함한다.
입력 스플리터(442)의 출력 중 하나에 대해, 지연(τ)이 적절한 길이의 단일 모드 섬유(즉, 광섬유 지연 라인(445))를 사용하여 추가되어, 쌍 중에서 하나의 다리 또는 출력 세그먼트(445)는 다른 다리(446)와 상이한(그보다 긴) 광 경로 길이를 갖는다. 이는 스플리터(442)의 둘 모두의 출력 섬유(4451 및 4461)에서 τ에 의해 분리된 2개의 펄스를 생성한다. 2τ의 지연은, 이들 2개의 출력이 커플러(444)에서 결합될 때 4개의 펄스의 2 세트를 생성하기 위해 이러한 경로 중 하나에 들어간다. 이 프로세스는 원하는 수의 복제가 획득할 때까지 2개의 경로 사이의 차등 지연을 두 배로 늘려 반복될 수 있다. 그 후, 2개의 경로는 결합기(443)를 사용하여 결합된다. 지연(τ)의 길이는 펄스 중첩 및 간섭을 피하기 위해 레이저 펄스의 길이보다 약간 더 길게 선택될 수 있다.
펄스 복제기(440)는 각각의 연속적인 스테이지가 신장된 레이저 펄스(132)에 시간 지연을 도입하도록 광섬유 지연 라인(445)을 각각 포함하는 복수의 스테이지(449)를 포함한다. 도 4에 도시된 예의 경우, 펄스 복제기(440)는 4개의 스테이지(4491, 4492, 4493, 4494)를 포함하고, 여기서 각각의 스테이지에서, 신호 출력은 고정된 시간 지연으로 분할 및 재결합된다. 복제의 수가 각각의 스테이지(449)에서 2배로 되기 때문에(즉, 50:50 커플러), 결합기(443)로 전파되는 2개의 출력(4454 및 4464)은 각각 2x 복제를 포함하고, 여기서 x는 사용된 스테이지의 수이다(이 예에서는 x = 4). 따라서, 펄스 복제기(440)는 각각의 연속적인 스테이지가 신장된 레이저 펄스(132)에 고정된 시간 지연을 도입하는 다단 수동 펄스 복제기로서 구성된다. 시간 지연은 각각의 연속 스테이지에서 미리 결정된 양만큼 증가하거나 감소할 수 있다.
복제기(440)의 마지막 스테이지(4454 및 4464)의 출력은 결합기(443)에서 결합되어 출력부(436)에서 수정된 펄스 트레인(148)으로서 시간 지연 복제 펄스의 트레인을 생성한다. 도 4에서 볼 수 있는 바와 같이, 섬유 다리(4454 및 4464)의 8개의 복제 펄스 각각은 결합기(443)에서 결합되어 16개의 펄스를 생성한다. 이들 16개의 펄스는 펄스 버스트로서 구성되고, 따라서 수정된 펄스 트레인(148)은 16개의 펄스를 각각 포함하는 펄스 버스트의 시퀀스를 포함할 것이다. 지연 라인(4451-4454)의 길이는 버스트 반복률(즉, 버스트 사이의 시간 간격)을 나타낸다.
이해되는 바와 같이, 펄스 스트레처(130) 및 펄스 복제기 모듈(140)의 구성요소는 맞춤형 반복률로 펄스를 출력하도록 구성될 수 있다. 반복률은 피크 출력이 바람직하지 않은 손상을 피하기에 충분히 낮지만, 효율적인 주파수 변환을 위해 충분히 높고, 예를 들어 어닐링 용례에서 효과적인 가공 결과를 제공하기에 충분히 높도록 선택될 수 있다. 펄스 복제기 모듈의 섬유 커플러 및 섬유 지연 라인은 다양한 펄스 형태를 생성하는 데 사용할 수 있고, 도 5는 펄스 복제기 모듈(540)의 다른 예의 개략도이다. 일부 실시예에 따르면, 펄스 복제기 모듈은 별도로 각각 구성될 수 있는 서브모듈의 시퀀스를 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 5에 도시된 펄스 복제기 모듈(540)은 도 4의 펄스 복제기 모듈(440)의 출력부를 입력부로서 사용하지만, 복제기 모듈(540)은 또한 그 자체로 또는 다른 구성을 갖는 서브모듈과 함께 사용될 수 있음을 이해하여야 한다.
도 4의 복제기 모듈(440)과 유사한 방식으로, 펄스 복제기 모듈(540)은 또한 입력 융합 광섬유 커플러(542) 및 출력 광섬유 커플러(543)를 포함한다. 입력 커플러(542)와 출력 커플러(543) 사이에는 중간 섬유 커플러(544), (547a), 및 (547b)가 있다. 각각의 스테이지(549)로부터의 지연 라인이 인접(하류) 스테이지로 지향되게 되는 대신에, 적어도 하나의 지연 라인은 도 5의 구성에 도시된 바와 같이 하나 이상의 하류 스테이지를 우회한다. 이 예에 따르면, 지연 라인(5454)은 제1 스테이지(5491)의 출력부에서 중간 커플러(544)로부터 출력 결합기(543)로 지향되고, 이에 의해 제2 및 제3 스테이지(5492 및 5493)를 우회하고 제4 스테이지(5494)의 지연 라인을 형성한다. 이와 같이, 각각의 연속적인 스테이지에서 도입되는 시간 지연 증가는 모두 서로 동일하지 않다. 도 5에 나타낸 바와 같이, 이 구성은 9 ns의 총 지속 기간(인벨로프)을 갖는 초기 16 펄스 버스트가 4개의 스테이지(5491-5494)를 통해 90 ns의 인벨로프를 갖는 160 펄스 버스트로 변환되게 하고, 여기서 각각의 펄스 지속 기간은 0.45 ns이고 펄스는 0.56 ns만큼 분리된다. 아래의 표 1은 각각의 스테이지를 개괄한 것이다.
Figure pct00001
도 4 및 도 5에 도시된 펄스 복제기의 예는 제한으로 의도되지 않고 다른 구성이 또한 본 개시내용의 범위 내에 있음을 이해하여야 한다.
적어도 하나의 실시예에 따르면, 시스템(200)의 하나 이상의 구성요소는 펄스 버스트를 생성하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 펄스 생성기(110), 펄스 스트레처(130), 또는 펄스 복제기(140)는 펄스 버스트를 생성하도록 구성될 수 있다.
이제, 도 1 내지 도 3을 참조하면, 전치 증폭기(154) 및 증폭기(150)는 1-2 μm 범위에서 작동하고 제어기(195)에서 하나 이상의 펌프 드라이버에 의해 구동될 수 있는 펌프(156 및 152)에 의해 각각 펌핑된다. 제어기(195)는 펌프(156, 152)를 비롯하여 시스템의 구성요소를 제어하는 데 사용될 수 있는 하드웨어(예를 들어, 범용 컴퓨터) 및 소프트웨어를 포함한다. 펌프(156, 154)는 CW 모드에서 작동하는 SM 또는 MM 레이저 다이오드 또는 섬유 레이저 펌프에 의해 구현될 수 있으며 사이드 펌핑 또는 엔드 펌핑 구성으로 배열될 수 있다. 일부 실시예에 따르면, 수정된 레이저 펄스(148)는 이테르븀, 에르븀, 및/또는 툴륨과 같은 하나 이상의 희토류 이온으로 도핑되고 적어도 하나의 클래딩에 의해 둘러싸인 MM 코어를 갖는 증폭기(150)의 활성 섬유로 SM 수동 섬유를 통해 전달되는 SM 광이다. 도 6을 참조하면, 섬유 출력 증폭기(150)는 다수의 가로 모드를 지원하고 적어도 하나의 클래딩(3)에 의해 둘러싸인 증폭기의 대향 단부 사이에서 연장되는 모놀리식(원피스) MM 코어(1)를 갖게 구성될 수 있다. 코어(1)는 원하는 기본 파장에서 단일의 기본 모드만을 지원하도록 구성된다. 이는 MM 코어(1)의 모드 필드 직경(mode field diameter)(MFD)을, 코어(4)를 따라 수정된 레이저 광(148)을 안내하는 SM 수동 섬유(2), 및 출력 수동 SM 섬유(9) 둘 모두의 모드 필드 직경에 일치시킴으로써 실현된다. 사이드 펌핑될 때, 펌프(156)으로부터의 펌프 광은 중앙 코어 영역(5)에 결합된다.
광학적 비선형 효과에 대한 임계값을 추가로 증가시키기 위해, 코어(1)는 도 6에 도시된 바와 같이 이중 병목형 단면을 갖는다. 균일한 치수의 입력 코어 단부(6)는 수동 섬유(2)의 SM 코어(4)와 동일한 기하학적 직경을 가질 수 있다. 기본 파장의 SM 광이 코어의 입력 단부(6)에 결합되면, 강도 프로파일이 순수 SM의 가우시안 강도 프로파일과 실질적으로 일치하는 기본 모드만 여기된다. 코어(1)는 안내된 기본 모드를 단열 확장 모드 변환 코어 영역(7A)을 통해 수신하는 대직경 균일 치수 모드 변환 코어 부분(5)을 더 포함한다. 그러나, 중앙 코어 영역(5)의 큰 직경은 SPM, SRS 및 FWM과 같은 광학적 비선형 효과에 대한 임계값을 상승시키는 이 부분 내의 출력 밀도를 증가시키지 않고도 더 큰 증폭기 펌프 출력을 수신할 수 있게 한다. 출력 모드 변환 코어 영역(7B)은 기본 주파수에서 증폭된 펌프 광의 모드 필드 직경을 단열적으로 감소시키도록 코어 영역(7A)과 동일하게 구성될 수 있다. 이어서, 증폭된 SM 광은 출력 SM 수동 섬유(9)에 결합된다.
다시 도 2를 참조하면, 다양한 실시예에 따라, 증폭된 레이저 펄스(153)의 피크 대 평균 출력비(PAPR)는 미리 결정된 임계값보다 작은 값을 갖는다. 수정된 펄스 트레인(148)의 피크 대 평균 출력비와 유사하게, 증폭된 레이저 펄스(153)의 피크 대 평균 출력비에 대한 임계값은 30 미만일 수 있다. 다른 실시예에 따르면, 임계값은 25 미만일 수 있고, 일부 예에서는 20 미만일 수 있다. 예를 들어, 임계 PAPR 값이 30이고, 반복률이 100 MHz인 경우, 신장된 펄스 지속 기간은 333 ps 내지 10 ns 범위에 있을 수 있다. 1 GHz의 반복률에서, 신장된 펄스 지속 기간은 33 ps 내지 1 ns 범위에 있을 수 있다. 이 값은 또한 특정 용례에 대한 섬유의 손상 임계값인 500 kW 미만의 값에서 피크 출력을 유지한다. 일부 용례에는 더 낮은 피크 출력 값이 필요할 수 있다.
다른 양태에 따르면, 시스템(100, 200)(및 300)의 하나 이상의 섬유는 대형 유효 모드 영역(large effective mode area)(LMA) 섬유로서 제공된다. 예를 들어, 출력 섬유 증폭기(150) 및/또는 전치 증폭기(154)는 레이저 다이오드 또는 섬유 레이저에 의해 사이드 펌핑되거나 엔드 펌핑되는 LMA 섬유로서 구성될 수 있다.
도 2를 참조하면, 처프 증폭된 펄스(153)는 펄스 압축기(170)에 의해 압축된다. 펄스 복제기의 존재로 인해, 압축기(170)는 레이저 펄스를 초기 펄스 지속 기간(신장 전)보다 짧은 지속 기간으로 실제로 압축한다. 적어도 하나의 실시예에서, 펄스 압축기(170)는 펄스를 약 1 ps의 지속 기간으로 압축한다. 일부 실시예에 따르면, 펄스 압축기(170)는 펄스를 약 1 ps 내지 약 25 ps 범위의 지속 기간으로 압축한다. 압축된 레이저 펄스는 증폭된 펄스(153)와 유사한 펄스 반복률을 가질 수 있다.
일부 실시예에 따르면, 펄스 압축기(170)는 도 3에 도시된 바와 같이 CVBG로서 구성되고 더 큰 빔 크기를 수용하도록 하나 이상의 차원으로 확장될 수 있다. 일부 실시예에서, 압축기(170)는 높은 평균 출력을 처리할 수 있는 전송 격자를 갖게 구성된다. 예를 들어, 전송 격자는 결함 및 불완전성을 최소화하도록 맞춤화된 홀로그래픽 절차 및 에칭 프로세스를 사용하여 실리카로부터 형성될 수 있다.
도 7은 증폭된 펄스(153)를 압축하기 위한 CVBG 압축기(770)의 사용의 일 예를 예시한다. CVBG 압축기(770)와 비선형 주파수 변환 스테이지(180) 사이의 전송 경로는 도시된 바와 같이 거울(172a, 172b)을 포함할 수 있거나, 광섬유, 더 많거나 더 적은 거울, 프리즘, 렌즈, 또는 다른 적절한 광학 요소와 같은 다른 변형을 수반할 수 있다. 예를 들어, 도 8은 증폭된 펄스(153)를 압축하는 데 사용될 수 있고 초점 형성에 사용되는 렌즈(176a, 176b)를 포함하는 CVBG 압축기(870)의 사용의 다른 예를 예시한다. 도 9는 전체적으로 970으로 나타내고 편광기(177), 1/4 파장 판(171), 제1 격자(178a), 제1 렌즈(179a), 제2 렌즈(179b), 제2 격자(178b) 및 거울(175)을 포함하는 펄스 압축기에 대한 마르티네즈 구성을 예시한다.
일부 실시예에서, 펄스 압축기(170)는 더 높은 평균 출력에서 열 렌즈 문제를 제한하거나 달리 최소화하도록 구성된다. 예를 들어, 압축기는 횡방향으로 2D 또는 3D 흡수 프로파일을 갖게 구성된 광 열굴절 유리(photo-thermorefractive glass)(PTG)로 구성된 VBG일 수 있다. 최대 강도를 갖는 레이저 빔 출력의 부분(예를 들어, 피크 영역)은 최소 흡수를 갖는 격자 영역을 통해 전파될 수 있고, 레이저 빔의 더 낮은 강도 부분(예를 들어, 숄더)은 더 높은 흡수를 갖는 격자 영역을 통해 전파될 수 있다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 펄스 압축기(170) 자체는, 특히 VBG로서 구성될 때, 높은 평균 출력에서 열 렌즈 문제를 경험할 수 있다. 이 문제를 해결하기 위해, 증폭된 펄스를 포함하는 증폭기(150)의 출력 빔(153)은 다수의 더 낮은 출력 빔으로 분할되고, 다수의 VBG를 사용하여 압축된 다음 재결합될 수 있다. 일부 실시예에서, 펄스 압축기(170)는 적어도 하나의 빔스플리터 및 적어도 2개의 볼륨 브래그 격자를 포함한다.
도 14a 및 도 14b는 이러한 접근법의 2개의 비제한적인 상이한 구현을 도시하고 일반적으로 도 14a에서 펄스 압축기(1470a)로서 그리고 도 14b에서 펄스 압축기(1470b)로서 도시된다. 도 14a에서, 증폭된 펄스 빔(153)은 편광 빔스플리터(polarization beam splitter)(PBS)(1467b)를 통과하고, 이 빔스플리터는 빔(153)을 동일한 에너지를 갖는 2개의 성분, 즉, 빔 경로 A 및 B로 분할한다. 이러한 빔 경로 A 및 B 각각은 압축되는 각각의 VBG(1465a 및 1465b)로 지향되고, 이어서 각각의 경로로부터의 반사된 레이저 에너지는 PBS(1467a)에 의해 재결합되어 비선형 변환 스테이지(180)로 지향된다. 1 kW 입력 레이저 에너지를 예로서 사용하여, 광 빔 경로 A와 B는 각각 이 예에서 각각의 VBG에 대한 열 렌즈 임계값 미만인 500 W의 레이저 에너지를 지향시킨다. 도 14b는 도 14a와 유사한 구성이지만, 이 경우에 원래의 입력 레이저 에너지는 편광 및 빔스플리터(1467a, 1467b 및 1467c)를 사용하여 4개의 빔 경로(A, B, C 및 D)로 분할되며, 각 광 빔 경로는 이어서 4개의 개별 VBG(1465a, 1465b, 1465c 및 1465d)로 전송되는 250 W의 레이저 에너지를 지원한다. 도 14a 및 도 14b에 도시된 기술은 또한 빔 경로 길이가 서로 일치하는 것, 즉, 도 14a에서 A 및 B에 대한 경로 길이가 서로 일치하고 도 14b에서 빔 경로 A, B, C 및 D가 서로 일치할 것을 요구한다. 도 14a 및 도 14b에 도시된 접근법에 대한 대안은 파장 분할 다중화(wavelength division multiplexing)(WDM) 기술을 사용하여 파장에 기초하여 빔을 분할하는 것이다. 이 접근법의 한 가지 이점은 빔 경로 길이가 서로 일치할 필요가 없다는 것이다.
도 10은 증폭 스테이지에서 후속적으로 증폭된 다음 압축되는 수정된 펄스(148)의 일 예의 시간 플롯을 도시한다. 이 예에 따르면, 16 펄스 버스트, 9 ns 인벨로프, 1 mW의 평균 출력, 11 MHz의 펄스 반복률, 및 450 ps의 펄스 지속 기간을 갖는 수정된 펄스(148)는 증폭되고 압축되어 37 W의 (동일한 9 ns 인벨로프를 갖는) 평균 출력, 37 마이크로줄의 펄스 에너지, 1 MHz의 반복률, 1.5 ps 미만의 펄스 지속 기간을 갖는다.
증폭 및 압축된 레이저 펄스(174)는 UV 광 출력을 생성하기 위해 비선형 주파수 변환 스테이지(180)에 인가될 수 있다. 비선형 변환 스테이지(180)는 입력 방사선(174)을 더 높은 고조파 주파수로 변환하기 위한 적어도 하나의 비선형 결정(예를 들어, 182, 184)을 통합한다. 비선형 재료의 비제한적인 예는 니오브산리튬 LiNbO3, 리튬 트리보네이트(lithium triborate)(LBO), 베타-바리윰 보레이트(beta-barium borate)(BBO), 세슘 리튬 보레이트(cesium lithium borate)(CLBO), 인산이수소칼륨(potassium dihydrogen phosphate)(KDP) 및 그 동형체, 그리고 리튬 요오데이트(LiIO3)의 결정을 포함한다. 비선형 결정(182)은 2차 고조파 생성(second harmonic generation)(SHG) 변환을 위해 구성된 LBO 결정일 수 있고, LBO로 제조되고 3차 고조파 생성(third harmonic generation)(THG)을 위해 구성된 비선형 결정(184)이 뒤따를 수 있다.
비선형 변환 스테이지(180)는 녹색 또는 UV 광을 생성하기 위해 사용될 수 있다. SHG 결정(182)은 기본 파장 10xx nm(예를 들어, 1030 nm)에서 증폭되고 압축된 IR 광(174)을 5xx nm 파장(예를 들어, 532 nm)의 녹색 광으로 변환한다. THG 결정(184)은 녹색 광을 3xx nm 파장(예를 들어, 343 nm)의 UV 광으로 변환하며, 이는 도 2에서 출력 UV 방사선(190)으로 표시된다. 다양한 양태에 따르면, 비선형 결정(182, 184)은 적어도 15%의 변환 효율을 생성하도록 구성되고, 일부 예에서 변환 효율은 적어도 20%이다. 일부 구성에서, 변환 효율은 적어도 25%이다. 일부 실시예에 따르면, UV 방사선(190)은 적어도 200 W의 평균 출력을 갖고, 50 W 내지 5 kW 범위에 있을 수 있다. 일 실시예에서, UV 방사선(190)은 200 와트의 평균 출력을 갖는다. UV 광 출력이 여기에서 특정 예로서 설명되지만, 시스템은 THG 결정(184)을 배제하고 녹색 광을 출력할 수 있음을 이해하여야 한다.
다음은 본 명세서에 설명된 레이저 광 생성기에 대한 시스템 파라미터의 몇 가지 비제한적인 예를 제공한다.
일 예에 따르면, 입력 방사선(112)은 펄스 스트레처(130)에서 1 ns의 펄스 지속 기간으로 신장되고 펄스 복제기에 의해 1 GHz 반복률로 복제되며, 결과인 수정된 펄스 방사선(148)은 거의 연속적인 것으로 특징지어질 수 있다. 이 방사선은 증폭기(150)에서 1 kW 이상으로 증폭될 수 있고 펄스 압축기(170)에 의해 1 ps의 지속 기간을 갖는 펄스로 압축될 수 있다. 이는 압축기의 출력에서 ~ 1 MW의 피크 출력을 초래하며, 이는 비선형 주파수 스테이지(180)에 의해 25% 초과의 변환 효율로 적어도 200 W의 평균 출력을 갖는 UV 광으로 변환하기에 충분하다.
제2 예에 따르면, 입력 방사선(112)은 100 ps의 펄스 지속 기간으로 신장될 수 있고, 10 GHz 반복률로 복제될 수 있다. 적어도 1 kW로 증폭되고 1 ps 펄스 지속 기간으로 재압축되면, 펄스 피크 출력은 ~ 100 kW 정도이며, 변환 효율이 적어도 25%인 경우, UV 광의 평균 출력은 약 250 W이다.
제3 예에 따르면, 입력 방사선(112)은 2 ns의 펄스 지속 기간으로 신장되고, 50 MHz 반복률로 복제되며, 적어도 1 kW로 증폭될 수 있고, 피크 출력은 섬유 출력 증폭기(150)에서 10 kW 정도이다. 1 ps로 압축되면, 피크 출력은 20 마이크로줄의 펄스당 에너지로 20 MW로 추가로 증가한다. 주파수를 UV로 변환한 후(25% 변환 효율), 평균 출력은 250 W 정도이고 피크 출력은 5 마이크로줄의 펄스당 에너지로 5 MW일 수 있다.
본 발명의 적어도 하나의 양태에 따르면, 펄스 스트레처(130)는 입력 펄스(112)를 신장하도록 구성된 조절 가능한 CFBG이므로, 압축된(및 증폭된) 레이저 펄스(174)의 펄스 지속 기간은 1 ps 내지 25 ps 범위에 있도록 조절될 수 있다. 조절 가능한 CFBG는 열적, 기계적, 전기적 또는 자기적 수단, 및/또는 당업계에 공지된 다른 방법을 통해 그 길이를 변경함으로써 원하는 펄스 지속 기간을 유도한다. 예를 들어, CFBG에 대한 변화는 섬유를 신장시켜 유도될 수 있으며, 이에 의해 굴절률 변조 주기를 변경할 수 있다. CFBG를 가열하면 굴절률 프로파일의 변경을 통해 동일한 작업이 수행된다. 열 또는 스트레인(즉, 기계적 당김) 유도 기술을 사용한 CFBG의 비제한적인 예는 PCT 출원 제PCT/US2015/014248호(이하 '248 출원) 및 PCT 출원 제PCT/US2018/025152호(이하 '152 출원)에서 설명되며, 각각의 출원은 출원인이 소유하고 전체가 참조로 본 명세서에 포함된다.
일 실시예에 따르면, 선형 처프 FBG는 열적 수단과 기계적 수단 모두를 사용하여 섬유 길이에 대한 변화를 유도한다. 예를 들어, "거친" 펄스 지속 기간 조절은 CFBG의 선택된 부분을 가열함으로써 달성될 수 있고, "미세한" 펄스 지속 기간 조절은 압전 소자를 사용하여 달성될 수 있다. 그러한 조합은 신장 메커니즘 중 하나만으로 구성된 종래의 CFBG에 비교하여 더 강력한 조절 능력을 허용한다. 예를 들어, 거친 조절 메커니즘이 먼저 수행된 다음 미세 조절이 수행될 수 있다.
섬유의 길이를 변경하기 위한 열적 및 기계적 메커니즘을 모두 갖는 16 채널 CFBG 스트레처의 일 예가 도 11a 내지 도 11c에 도시되어 있다. 도 11a 및 도 11b는 '152 출원에서 설명된 적어도 하나의 예와 동일한 기능의 일부를 갖는 16 채널 섭동 빗(perturbation comb)을 특징으로 한다. 도 11c는 조립된 CFBG 디바이스를 도시한다. 빗은 각각의 주파수에 대응하는 복수의(16) 이격된 세그먼트를 갖게 구성된다. 빗은 단일 피스의 열 전도 재료(예를 들어, 스테인리스강)로 구성될 수 있으며 이격된 세그먼트를 지지하는 베이스를 포함한다. FBG 섬유는 세그먼트의 각각의 상부 부분에 형성된 정렬된 리세스에 배치된다. 거친 조절 제어는 각각의 세그먼트의 온도를 독립적으로 제어하기 위해 빗의 각각의 세그먼트에 결합된 저항기 히터 및 온도 센서(도면에 도시되지 않음)를 통해 달성된다. 개별 저항기는 제어기(도면에 명시적으로 도시되지 않음)에 의해 선택적으로 구동되며, 제어기는 차례로 각각의 세그먼트에 열을 인가하여 FBG 섬유의 굴절률에 대한 변화를 유도한다. 2개의 서미스터는 추가적인 온도 측정 및 제어를 제공한다. 적어도 하나의 열전 냉각기가 또한 포함되고 세그먼트의 냉각에서 열 안정화 및 속도를 제공하기 위해 세그먼트의 적어도 일부에 열적으로 결합된다.
한 쌍의 압전 변환기는 FBG의 섬유에 기계적 스트레인을 유도하고 또한 세그먼트에 미세 조절 능력을 구현하기 위해 구조에 포함된다. 압전 액추에이터도 제어기에 의해 제어되며 '248 출원에 설명된 것과 유사한 기능을 갖는다. 펄스 지속 기간의 조절은 FBG 섬유를 유지하는 기계적 굴곡 장착부로 구현된다. 피에조는 굴곡 또는 피봇 지점을 중심으로 한 FBG의 신장을 최대화하는 위치에 위치된다. 피에조 변위는 장착부의 피봇 지점을 중심으로 피봇시킴으로써 섬유에서 크게 증가된다. 도 11a 내지 도 11c에 도시된 예에서, 피봇 지점은 장착부 바닥의 반원형 절결부에 가깝게 위치 설정된다. 이는, 섬유에 더 직접적으로 결합되고, 변위가 제한되어 비선형 처프 FBG의 사용을 필요로 하는 종래의 피에조 기반 구조와 대조적이다. 따라서, FBG의 길이에 있어서 훨씬 더 큰 변화는 보다 통상적인 설계에 비교하여 개시된 구조를 사용하여 실현 가능하다. 6 nm 대역폭을 갖는 선형 처프 FBG의 사용을 구현하는 일 예에 따르면, 펄스 지속 기간은 100 마이크로초 미만의 전환 시간으로 400 fs로부터 1.5 ps로 개시된 구조에 의해 조율될 수 있다. 이 능력은 OLED 어닐링을 비롯한 어닐링과 같은 특정 용례에서 유용하고, 여기서 프로세스 윈도우는 좁고 미세 분해능으로 펄스 지속 기간을 조절하는 능력은 여러 가공 이점을 제공한다.
도 11a 내지 도 11c에 도시된 예는 16 채널로 구성되지만, 32 채널(또는 더 크거나 더 작은) 구성과 같은 다른 구성이 또한 본 개시내용에 의해 포함됨을 이해하여야 한다. CFBG 디바이스는 특정 용례에 맞게 확장될 수 있다.
도 12a 내지 도 12f는 도 11a 내지 도 11c에 도시된 것과 유사하지만, 32 채널(100 mm FBG)로서 그리고 6 nm 대역폭을 갖게 구성된 CFBG 스트레처(130)를 사용하여 획득된 6개의 별개의 실험 결과의 시간 프로파일을 도시한다. CFBG 스트레처(130)는 입력 펄스(112)를 신장시키도록 구성되어, 펄스 압축기(170)를 빠져나가는 압축된 펄스(174)는 1.5 ps(도 12a), 5.8 ps(도 12b), 10.3 ps(도 12c), 15.1 ps(도 12d), 19 ps(도 12e) 및 24 ps(도 12f)의 펄스 지속 기간을 갖는다. 각각의 시간 프로파일은 원 측정 데이터 및 관련 적합 곡선을 모두 나타낸다. 이러한 조절성은 어닐링 용례에서 펄스 피크 출력을 제어하는 데 중요하며, 여기서 주파수 변환은 녹색 또는 UV 광 에너지를 달성하는 데 사용된다. 레이저 펄스의 길이를 증가시키면 펄스의 평균 출력에서 상당한 손실 없이 펄스 피크 출력을 감소시키는 능력이 제공된다. 적절한 피드백 제어와 결합된 미세 조절 능력, 및 특히 빠른 미세 조절 능력(본 명세서에 설명된 바와 같은)은 최적화된 재료 수정 가공을 가능하게 한다. 따라서, 균일한 수정된 재료를 생성하기 위해 정확한 양의 에너지가 재료에 전달될 수 있다. 피드백은 온도, 파장, 및/또는 분산(예를 들어, 2차 분산) 측정을 비롯하여 다양한 파라미터를 통해 제공될 수 있다.
일부 실시예에 따르면, UV(또는 녹색) 광 방사선(190)은 반복률 및/또는 추가 증폭을 위한 추가 증폭 스테이지를 추가로 증가시키기 위해 적어도 하나의 추가 펄스 복제기 모듈을 통과할 수 있다. 대안에서, 출력 UV 광의 피크 출력은 주파수 변환 스테이지(180)로부터 하류에 위치 설정된 제2 펄스 스트레처의 사용을 구현함으로써 감소될 수 있다. 일부 실시예에 따르면, 펄스 복제기 모듈은 또한 (주파수 변환 전에) 증폭 스테이지들 사이에서 사용될 수 있다.
앞서 언급한 바와 같이, 모드-로킹 레이저 소스(110)는 수동 모드-로킹 섬유 링 공동으로서 구성될 수 있다. 이 구성은 증가하는 피크 강도에 대한 비선형 응답을 갖는 적어도 하나의 구성요소를 링 공동에 포함한다. 적어도 하나의 실시예에 따르면, 모드-로킹 레이저 소스(110)는 서브 나노초의 거대한 처프 펄스를 생성하도록 구성된 수동 모드-로킹 섬유 링 공동으로서 구성된다. 링 섬유 도파로 또는 공동은 다수의 섬유 증폭기, 처핑 섬유 구성요소, 및 링 공동에서 유도된 비선형 프로세스에 응답하여 링 공동을 따라 광의 누설을 제공하기 위해 상이한 중심 파장을 둘레에 센터링된 스펙트럼 대역 통과를 갖게 구성된 스펙트럼 필터를 포함한다. 필터는 비선형 응답을 생성하기 위해 서로 조합하여 작동하고, 이는 안정적인 모드-로킹 작동 모드를 가능하게 한다. 이러한 구성의 일 예는 "PASSIVELY MODE-LOCKED FIBER RING GENERATOR"라는 명칭의 공동 소유, 공동 계류 중인 미국 출원 제15/536,170호(현재 특허 제10/193,296호)에 설명되어 있고, 이 출원은 본 명세서에 참조로 포함되며 본 명세서에서 "'170 출원"으로 지칭된다.
도 13은 '170 출원에 설명된 펄스 생성기의 개략도이며 본 발명의 실시예에 적절한 모드-로킹 레이저 소스(110)의 예이다. 전체 섬유 아키텍처는 레이저 소스(110)에 환경 안정성을 제공하고 링 섬유 도파로 또는 한 방향으로 광을 안내하는 공동으로서 구성된다. 섬유 격리기(28)는 링 섬유 도파로 내에 원하는 광 전파 방향성을 제공한다. 링 공동은 제1 섬유 증폭기(12) 및 제2 섬유 증폭기(20) 중 하나의 출력이 다른 섬유 증폭기를 시드하도록 구성된다. 제1 및 제2 증폭기(12, 20) 사이에서, 2개 이상의 동일한 섬유 요소 그룹 또는 체인이 함께 결합되어 링 공동을 규정한다. 섬유 증폭기 이외에, 각각의 체인은 신호의 각각의 주기적인 스펙트럼 및 시간적 확장을 제공하는 섬유 코일(16, 22), 및 확장된 신호를 스펙트럼적으로 필터링하도록 작동하는 좁은 라인 필터(18, 24)를 포함한다. 따라서, 전체 링 레이저 공동은 2개의 공동, 선형 서브 공동을 포함하여, 서로에게 매우 약한 시드를 제공한다. 전체 링 레이저 공동에는, 자발적인 CW 발진을 구별하는 데 필요한 두 필터의 투과율 범위 내에서 신호의 강한 감쇠 때문에 길이방향 모드가 없다.
전체 아키텍처는 여기에서 보다 일반적으로 설명되며, 더 많은 설명은 아래에 포함된다. 섬유 증폭기(12, 20) 중 하나는 다른 증폭기보다 훨씬 더 높은 이득을 제공하도록 구성된다. 더 높은 펌핑된 증폭기는 SPM으로 인해 강력한 펄스 확장을 위한 조건을 생성하여, 펄스가 능동적으로 처프되게 하고 넓고 매끄러운 스펙트럼을 갖는다. 이 스펙트럼은 그 하류에 위치된 필터의 통과 대역을 완전히 채우므로, 나중에 그 복제가 공동에서 진화한다. 다른 더 낮은 펌핑된 증폭기는 안정적인 성능을 보장하여, 즉, 이 상태로부터의 작은 편차가 목표 상태로 되돌리는 동작을 생성할 때 안정적인 평형 상태에서 레이저를 로킹한다. 더 낮은 펌핑된 증폭기로부터 하류에 있는 필터에 도달하는 스펙트럼은 이 필터의 통과 대역을 완전히 채우지 않아, 편차가 발생할 때 레이저를 목표 상태로 되돌리는 힘을 생성한다. 레이저 펄스가 링 공동 내에서 순환하고 진화하기 위해서는, 펄스가 비선형 스펙트럼 확장을 경험하고 공동을 따른 각각의 통과 후에 강도를 회복하기에 그 강도가 충분해야 한다. 약한 스펙트럼 중첩을 갖는 2개의 필터(18, 24)의 조합은 효과적인 포화 흡수체로서 작용한다. 약한 스펙트럼 중첩은 스펙트럼 확장에 충분한 강도를 갖는 펄스를 위하여 CW에 대한 구별을 허용한다. 피크 강도가 펄스를 스펙트럼적으로 확장하기에 충분한 레벨에 도달하면, 새로 취득한 스펙트럼 구성요소가 필터 통과 대역의 중심을 향해 확산됨에 따라 새로 취득한 스펙트럼 구성요소에 대한 손실이 떨어진다. 필터(18, 24)의 스펙트럼 중첩 없이 공동을 따른 펄스의 안정적이고 재현 가능한 순환이 발생할 수 있지만, 중첩은 레이저 발진을 시작하는 것을 용이하게 할 수 있음을 이해하여야 한다.
필터(18 및 24)는 각각 원하는 스펙트럼 범위만을 통과시키고, 필요한 경우 정상 또는 비정상 분산을 도입하도록 구성된다. 필터 중 하나는 다른 필터의 대역통과보다 최대 5배 더 넓은 대역통과를 갖게 구성될 수 있다. 더욱이, 각각의 필터의 대역통과는 출력 펄스(55)의 대역통과보다 2배에서 10배까지 좁을 수 있다. 그러나, 일부 경우에, 원하는 펄스 폭은 필터의 대역통과보다 좁을 수 있다. 스펙트럼 확장 및 필터링의 시퀀스는 원하는 스펙트럼 폭, 펄스 지속 기간, 및 에너지를 갖는 거대한 처프가 있는 펄스를 생성한다.
링 도파로는 링 도파로 외부로 처프 펄스(55)를 안내하는, 섬유 코일(16)의 바로 하류에 위치 설정된 출력 커플러(30)를 더 포함한다. 증폭기의 이득 매질에서 원하는 모집단 반전을 생성하기 위해, 즉, 펄스 생성기의 작동을 시작하기 위해, 하나 또는 2개의 CW 펌프(26)가 각각의 증폭기에 광학적으로 결합된다. 앞서 설명된 모든 구성요소는 단일 가로 모드(SM) 섬유에 의해 상호 연결된다.
시동 동안, 펌프에 의해 인위적으로 유도된 노이즈로부터 (또는 임의로 입력 커플러(32)를 통한 외부 시드 소스(46)로부터) 시작된 에탈론 펄스(etalon pulse)에 응답하여 생성된 자발적 방출이 제1 섬유 증폭기(12)에서 증폭된다. 이 자발적 방출은 CW 성분 및 피치 성분(들)을 특징으로 하는 원하는 스펙트럼 범위 내에 있다. 제1 섬유 코일(16)을 통해 전파하여, 피치는 제1 필터(18)에서 스펙트럼적으로 및 시간적으로 다소 확장되고 추가로 스펙트럼적으로 필터링된다. 예를 들어, 피치의 장파장 서브 영역은 원하는 방향으로의 추가 전파로부터 필터링된다. 필터링된 펄스 성분은 제2 섬유 코일(22)을 통해 전파되는 동안 자체 위상 변조(SPM) 비선형 효과를 유도하기에 충분한 피크 강도로 제2 증폭기(20)에서 추가로 증폭된다. SPM은 새로운 주파수 성분 또는 중심 성분 주위의 모드의 생성에 의해 나타나는 펄스 성분의 스펙트럼 및 시간적 확장에 의해 나타난다. 새로 생성된 주파수 성분 중 일부는, 제1 필터(18)와 달리, 피치의 단파장 서브 영역을 차단하는 제2 필터(24)의 주파수 대역통과와 부분적으로 중첩된다. 새로운 스펙트럼 구성요소의 생성은 자체 위상 변조 현상을 유도하기에 충분한 피치, 즉, 동기화된 모드를 갖는 피치의 특정 피크 강도에서만 가능하게 된다. 피치의 순환은, 발생하는 펄스 성분을 각각 증폭, 스펙트럼적으로 및 시간적으로 확장하고 최종적으로 필터링하도록 다시 구성된 제1 증폭기(12), 섬유 코일(16) 및 필터(18) 조합의 제1 그룹을 통해 계속될 수 있다. 이렇게 발생하는 피치는 제2 필터(24)의 대역통과를 완전히 덮도록 피치를 확장하는 데 중요한 역할을 하는 원하는 피크 강도로 제2 증폭기(20)에서 최종적으로 증폭된다. 이 지점에서, 피치는 제2 필터(24)에서 손실된 다소 감소된 피크 강도를 갖는 원하는 신호로 스펙트럼적으로 발생하지만 다음의 제1 증폭기(12)에서 완전히 보상된다. 제1 섬유 코일(16)에서 후속하는 스펙트럼적으로 및 시간적으로 확장된 신호의 미리 결정된 백분율은 원하는 스펙트럼 폭, 강도 및 에너지를 갖는 펄스로서 링 도파로 외부로 안내된다.
소산 솔리톤(dissipative soliton) 또는 유사체의 생성의 꾸준한 자체 시작 영역에서, 도 13에 도시된 펄스 생성기는 개별적인 비선형 요소를 각각 갖는 NOLM/NALM 및 NPR과 같은 다른 링 아키텍처와 유사한 방식으로 작동한다. 이는 안정적인 영역에서 이러한 비선형 요소가 펄스의 진화에 실질적으로 영향을 미치지 않고 노이즈로부터의 펄스 형성에만 필요하기 때문이다. 그러나, 안정적인 영역에서, 펄스 생성기는, 신호 광이 반복적으로 공동을 통과하는 선형 공동과 달리, 각각의 왕복마다 최대 한 번 원하는 처프 펄스를 출력하도록 작동한다. 이러한 출력의 실현은 섬유 코일(16, 22) 중 어느 하나로부터 바로 하류에 위치 설정된 하나의 출력 커플러(30) 또는 각각의 섬유 코일(16, 22)로부터 바로 하류에 위치된 2개의 출력 커플러를 포함한다. 2개의 출력 커플러의 경우, 처프 펄스는 왕복의 절반마다 링 도파로 밖으로 결합된다.
본 발명에 따라 본 명세서에 개시된 양태는 그 용례가 이하의 설명에 기재되거나 첨부 도면에 예시된 구성의 세부 사항 및 구성요소의 배열로 제한되지 않는다. 이러한 양태는 다른 실시예를 가정할 수 있고 다양한 방식으로 실시되거나 수행될 수 있다. 특정 구현의 예는 예시 목적으로만 본 명세서에 제공되며 제한인 것으로 의도되지 않는다. 특히, 어느 하나 이상의 실시예와 관련하여 설명된 행위, 구성요소, 요소 및 피처는 임의의 다른 실시예에서 유사한 역할로부터 배제되도록 의도되지 않는다.
또한, 본 명세서에 사용된 어구 및 용어는 설명을 위한 것이며 제한으로서 고려되어서는 안 된다. 본 명세서에서 단수로 언급된 시스템 및 방법의 예, 실시예, 구성요소, 요소 또는 행위에 대한 임의의 언급은 또한 복수를 포함하는 실시예를 포함할 수 있고, 본 명세서에서 임의의 실시예, 구성요소, 요소 또는 행위에 대한 임의의 복수의 언급은 또한 특이성만을 포함하는 실시예를 포함할 수 있다. 단수 또는 복수 형태의 언급은 현재 개시된 시스템 또는 방법, 그 구성요소, 행위 또는 요소를 제한하도록 의도되지 않는다. 본 명세서에서 "포함하는", "구비하는", "갖는", "함유하는", "수반하는" 및 이들의 변형의 사용은 이전에 나열된 항목 및 그 등가물 뿐만 아니라 추가 항목을 포괄하는 것을 의미한다. "또는"에 대한 언급은 "또는"을 사용하여 설명된 임의의 용어가 단일, 하나 초과, 및 설명된 모든 용어 중 임의의 것을 나타낼 수 있도록 포괄적인 것으로 해석될 수 있다. 또한, 본 문서와 본 명세서에 참조로 포함된 문서 간에 용어 사용이 일치하지 않는 경우, 포함된 참조 문헌에서의 용어 사용은 본 문서의 사용을 보완하고; 양립할 수 없는 불일치의 경우, 본 문서에서의 용어 사용이 우선한다.
따라서, 적어도 하나의 예의 여러 양태를 설명하였지만, 다양한 변경, 수정 및 개선이 본 기술 분야의 숙련자에게 쉽게 연상될 것임을 이해하여야 한다. 예를 들어, 본 명세서에 개시된 예는 또한 다른 문맥에서 사용될 수 있다. 이러한 변경, 수정 및 개선은 본 개시내용의 일부로 의도되고, 본 명세서에서 설명된 예의 범위 내에 있는 것으로 의도된다. 따라서, 앞서 설명한 설명 및 도면은 예시에 불과하다.

Claims (20)

  1. 레이저 시스템으로서,
    신장된 레이저 펄스의 트레인을 생성하기 위해 입력 펄스의 입력 트레인의 펄스 지속 기간을 신장하도록 구성된 광 펄스 스트레처;
    광 펄스 스트레처에 광학적으로 결합되고 신장된 레이저 펄스 트레인의 펄스 반복률을 증가시켜 레이저 광의 수정된 펄스 트레인을 생성하도록 구성된 펄스 복제기 모듈;
    펄스 복제기 모듈에 광학적으로 결합되고 수정된 펄스 트레인을 증폭하여 증폭된 레이저 펄스를 생성하도록 구성된 섬유 출력 증폭기; 및
    섬유 출력 증폭기에 광학적으로 결합되고 증폭된 레이저 펄스를 일시적으로 압축하여 증폭 및 압축된 레이저 펄스를 생성하도록 구성된 펄스 압축기를 포함하는, 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 펄스 복제기 모듈은 입력 융합 광섬유 커플러, 출력 융합 광섬유 커플러, 및 입력 및 출력 융합 광섬유 커플러 사이에 배치된 적어도 하나의 광섬유 지연 라인을 포함하는 적어도 2개의 융합 광섬유 커플러를 포함하는, 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 펄스 복제기 모듈은, 각각의 연속적인 스테이지가 수정된 펄스 트레인에 시간 지연을 도입하도록 광섬유 지연 라인을 각각 포함하는 복수의 스테이지를 포함하고, 시간 지연 복제 펄스의 트레인이 출력 융합 광섬유 커플러의 출력부에서 수정된 펄스 트레인으로서 제공되는, 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 입력 펄스의 입력 트레인은 1 나노초 미만의 초기 펄스 지속 기간 및 적어도 1 MHz의 초기 펄스 반복률을 갖는, 시스템.
  5. 제4항에 있어서, 광 펄스 스트레처는 초기 펄스 지속 기간을 수 나노초 정도의 펄스 지속 기간으로 신장하도록 구성되고, 증폭 및 압축된 레이저 펄스는 초기 펄스 지속 기간보다 짧은 펄스 지속 기간을 갖는, 시스템.
  6. 제4항에 있어서, 광 펄스 스트레처는 증폭 및 압축된 레이저 펄스가 1 ps 내지 25 ps 범위의 지속 기간을 갖도록 초기 펄스 지속 기간을 신장시키도록 구성되는, 시스템.
  7. 제4항에 있어서, 펄스 복제기 모듈은 신장된 레이저 펄스 트레인의 펄스 반복률을 수십 MHz 및 멀티 GHz 레벨로 증가시키도록 구성되는, 시스템.
  8. 제1항에 있어서, 펄스 압축기는 적어도 하나의 빔스플리터 및 적어도 2개의 볼륨 브래그 격자(VBG)를 포함하는, 시스템.
  9. 섬유 기반 레이저 시스템으로서,
    1 나노초 미만의 초기 펄스 지속 기간 및 적어도 1 MHz의 펄스 반복률을 갖는 입력 펄스의 입력 트레인을 제공하도록 구성된 모드-로킹 레이저 소스;
    모드-로킹 레이저 소스에 광학적으로 결합되고, 입력 펄스의 입력 트레인의 펄스 지속 기간을 신장시켜 신장된 레이저 펄스의 트레인을 생성하도록 구성된 광 펄스 스트레처;
    광 펄스 스트레처에 광학적으로 결합되고 신장된 레이저 펄스 트레인의 펄스 반복률을 증가시켜 레이저 광의 수정된 펄스 트레인을 생성하도록 구성된 펄스 복제기 모듈;
    펄스 복제기 모듈에 광학적으로 결합되고 수정된 펄스 트레인을 증폭하여 증폭된 레이저 펄스를 생성하도록 구성된 섬유 출력 증폭기 - 증폭된 레이저 펄스는 30 미만의 피크 대 평균 출력비를 가짐 -; 및
    섬유 출력 증폭기에 광학적으로 결합되고 증폭된 레이저 펄스를 일시적으로 압축하여 증폭 및 압축된 레이저 펄스를 생성하도록 구성된 펄스 압축기를 포함하는, 시스템.
  10. 제9항에 있어서, 펄스 압축기에 광학적으로 결합되고 주파수 변환을 위해 증폭 및 압축된 레이저 펄스를 수신하도록 구성된 적어도 하나의 비선형 주파수 변환 스테이지를 더 포함하고, 비선형 주파수 변환 스테이지는 적어도 15%의 변환 효율을 갖도록 구성되는, 시스템.
  11. 제10항에 있어서, 적어도 하나의 비선형 주파수 변환 스테이지는 적어도 200 와트의 평균 출력을 갖는 자외선(UV) 레이저 광을 출력하는, 시스템.
  12. 제9항에 있어서, 펄스의 입력 트레인은 10 fs 내지 100 ps 범위의 초기 펄스 지속 기간을 갖고 증폭 및 압축된 레이저 펄스는 초기 펄스 지속 기간보다 짧은 펄스 지속 기간을 갖는, 시스템.
  13. 제9항에 있어서, 광 펄스 스트레처는 증폭 및 압축된 레이저 펄스가 1 ps 내지 25 ps 범위의 지속 기간을 갖도록 초기 펄스 지속 기간을 신장시키도록 구성되는, 시스템.
  14. 제9항에 있어서, 모드-로킹 레이저 소스는 수동 모드-로킹 섬유 링 공동으로서 구성되는, 시스템.
  15. 제14항에 있어서, 수동 모드-로킹 섬유 링 공동은 입력 펄스로서 거대한 처프 펄스를 생성하도록 구성되는, 시스템.
  16. 방법으로서,
    1 나노초 미만의 초기 펄스 지속 기간 및 적어도 1 MHz의 펄스 반복률을 갖는 입력 펄스의 입력 트레인을 생성하는 단계;
    신장된 레이저 펄스의 트레인을 생성하기 위해 입력 펄스의 펄스 지속 기간을 신장시키는 단계;
    신장된 레이저 펄스의 트레인의 펄스 반복률보다 높은 펄스 반복률을 갖는 수정된 펄스 트레인을 생성하기 위해 신장된 레이저 펄스를 복제하는 단계;
    증폭된 레이저 펄스를 생성하기 위해 수정된 펄스 트레인을 증폭하는 단계; 및
    증폭 및 압축된 레이저 펄스를 생성하기 위해 증폭된 레이저 펄스를 압축하는 단계를 포함하는, 방법.
  17. 제16항에 있어서, 증폭 및 압축된 레이저 펄스를 자외선으로 주파수 변환하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  18. 제17항에 있어서, 비정질 기판 재료를 자외선을 이용하여 다결정 형태로 어닐링하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  19. 제16항에 있어서, 입력 펄스의 입력 트레인을 생성하도록 구성된 수동 모드-로킹 섬유 링 공동을 갖는 모드-로킹 레이저 소스를 제공하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  20. 제16항에 있어서, 신장된 레이저 펄스를 복제하는 단계는 신장된 레이저 펄스를 적어도 하나의 펄스 복제기 모듈을 통해 통과시키는 단계를 포함하고, 펄스 복제기 모듈은 입력 융합 광섬유 커플러, 출력 융합 광섬유 커플러, 및 입력 및 출력 융합 광섬유 커플러 사이에 배치된 적어도 하나의 광섬유 지연 라인을 포함하는, 방법.
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