KR100490895B1 - 링구조의 레이저 파장 변환장치 및 레이저 파장 변환 방법 - Google Patents

링구조의 레이저 파장 변환장치 및 레이저 파장 변환 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 링구조의 레이저 파장 변환장치 및 링구조 광학수단을 이용한 레이저 파장 변환방법에 관한 것으로, 제 1레이저 펄스를 발생시키는 제 1레이저 펄스 발생수단과, 플라즈마를 포함하여 상기 제 1레이저 펄스의 입사에 의해 상대론적 플라즈마 파(relativistic plasma wave)가 발생되는 가스젯 챔버와, 상기 제 1레이저 펄스와 시간지연을 갖고 상기 플라즈마 밀도가 감소하는 지점에서 상기 상대론적 플라즈마 파의 진행방향으로 입사되는 제 2레이저 펄스를 발생시키는 제 2레이저 펄스 발생수단과, 상기 가스젯 챔버를 투과한 상기 제 1레이저 펄스와 상기 제 2레이저 펄스가 상기 가스젯 챔버에 적어도 1회 이상 반복하여 입사되도록 하는 링구조 광학수단을 포함하여 구성되는 링구조의 레이저 파장 변환장치 및 이를 이용한 레이저 파장 변환방법을 제공함으로써, 광자가속이 반복하여 일어날 수 있는 테이블 탑형태의 광자 가속기 개발의 기초 기술로 활용될 수 있다.

Description

링구조의 레이저 파장 변환장치 및 레이저 파장 변환 방법{LASER WAVELENGTH SHIFTER WITH RING STRUCTURE AND METHOD FOR SHIFTING LASER WAVELENGTH}
본 발명은 링구조의 레이저 파장 변환장치 및 레이저 파장 변환 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 상대론적 플라즈마 파에 의한 레이저 펄스의 진동수 증가과정을 링구조 광학계를 이용하여 반복하고, 이를 통하여 레이저 파장을 원하는 파장으로 변환시키는 링구조 레이저 파장 변환장치 및 레이저 파장 변환 방법에 관한 것이다.
레이저-플라즈마 상호작용을 이용하여 파장을 변화시키는 광원 개발 기술은 펄스압축기술을 이용한 강력한 세기의 레이저가 개발되면서 주목받기 시작하였는데, 종래에 레이저-플라즈마 상호작용을 이용하여 파장을 변화시키는 방법은 플라즈마 항적장과 파장을 변환시키고자 하는 레이저가 일회에 걸쳐 상호작용하는 방식으로 미국 특허 제4,937,532호에 개시된 바와 같다.
종래 방법에 의하면, 강력한 세기의 레이저 펄스가 플라즈마를 지나갈 때 판데르모티브 힘(pondermotive force)에 의하여 플라즈마는 갑자기 전기적으로 중성의 상태가 깨지게 되고 강력한 세기의 전기장을 갖는 상대론적 플라즈마 파가 발생된다.
상기 항적장의 위상속도는 거의 빛의 속도와 같은 것으로 이것은 수면 위에서 진행하는 배를 따라가는 수면파와 유사하다. 이렇게 발생된 플라즈마 파에 같은 방향으로 레이저의 군속도를 플라즈마 파의 위상속도와 같게 하고 레이저의 펄스길이는 플라즈마 항적장의 절반보다 작게 만든 후 전자밀도가 감소하는 곳에 인가하면, 레이저-플라즈마의 비선형적인 상호작용에 의하여 플라즈마 분산특성의 변화 또는 플라즈마 파에 의한 전자밀도 변조에 의하여 레이저 펄스의 파장이 감소한다.
그러나, 레이저에 의한 광이온화로 발생되는 완전히 이온화된 플라즈마의 길이는 레일라이 길이(Rayleigh length) 정도에 지나지 않아 파장이 계속적으로 감소하기 어렵고, 또한, 레이저 펄스의 분산, 위상 어긋남, 회절 등에 따른 효과를 줄이기 위하여 플라즈마 밀도를 낮추는 경우 상호작용하는 동안 단위 길이당 파장 변화량이 줄어드는 문제점이 있었다.
따라서, 회절 등에 의한 제약을 넘어서 레이저 펄스의 파장 변화량을 증가시키기 위하여 레이저와 플라즈마 파의 상호작용 시간을 획기적으로 증가시키는 새로운 장치 및 방법이 요구된다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 광자가속이 반복하여 일어나게 함으로써 레이저 펄스의 파장이 연속적으로 변환되는 링구조의 레이저 파장 변환장치 및 레이저 파장 변환방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 광자 가속 결과 변화된 레이저 파장이 설정된 파장 길이에 도달한 경우 레이저 펄스를 인출하는 링구조 레이저 파장 변환장치 및 레이저 파장 변환방법을 제공하는데 다른 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 링구조의 레이저 파장 변환장치는 제 1레이저 펄스를 발생시키는 제 1레이저 펄스 발생수단과, 플라즈마를 포함하여 상기 제 1레이저 펄스의 입사에 의해 상대론적 플라즈마 파(relativistic plasma wave)가 발생되는 가스젯 챔버와, 상기 제 1레이저 펄스와 시간지연을 갖고 상기 플라즈마 밀도가 감소하는 지점에서 상기 상대론적 플라즈마 파의 진행방향으로 입사되는 제 2레이저 펄스를 발생시키는 제 2레이저 펄스 발생수단과, 상기 가스젯 챔버를 투과한 상기 제 1레이저 펄스와 상기 제 2레이저 펄스가 상기 가스젯 챔버에 적어도 1회 이상 반복하여 입사되도록 하는 링구조 광학수단을 포함하여 구성된다.
또한, 본 발명에 따른 레이저 파장 변환방법은 제 1레이저 펄스를 플라즈마를 포함한 가스젯 챔버에 입사하여 상대론적 플라즈마 파를 생성하는 제 1단계와, 상기 제 1레이저 펄스와 시간지연을 갖는 제 2레이저 펄스를 상기 가스젯 챔버의 플라즈마 밀도가 감소하는 지점에서 상기 상대론적 플라즈마 파의 진행방향으로 입사하는 제 2단계와, 상기 가스젯 챔버를 투과한 제 1레이저 펄스와 제 2레이저 펄스가 링구조 광학수단을 통하여 상기 가스젯 챔버에 적어도 1회 이상 반복하여 입사되도록 하는 제 3단계와, 상기 가스젯 챔버를 투과한 제 2레이저 펄스의 파장을 검출하는 제 4단계와, 상기 검출된 제 2레이저 펄스의 파장이 기 설정된 파장길이에 도달하면 상기 제 2레이저 펄스를 인출하는 제 5단계를 포함하여 이루어진다.
이하, 본 발명에 따른 링구조의 레이저 파장 변환장치 및 레이저 파장 변환방법에 대한 바람직한 실시 예에 대해, 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 링구조 광학 수단을 구비한 레이저 파장 변환장치의 구성도이다. 동 도면에 도시된 바와 같이, 링구조 레이저 파장 변환장치는 제 1레이저 펄스(100), 제 2레이저 펄스(110), 가스젯 챔버(500), 링구조 광학수단(200, 210, 300, 310, 320, 400, 410)을 포함하여 구성된다.
상기 제 1레이저 펄스(100)는 레이저 항적장을 발생시키기 위한 것으로 테라와트(TW=1012W)급의 첨두 파워를 갖는 것이 바람직하다. 그리고 제 2레이저 펄스(110)은 레이저 항적장을 교란시키지 않도록 wave breaking field 값()보다 작은 전기장을 갖도록 한다.
상기 가스젯 챔버(500)는 플라즈마(510)를 포함하고 제 1레이저 펄스(100) 및 제 2레이저 펄스(110)와 동기화되며, 상기 제 1레이저 펄스(100)의 입사에 의해 상대론적 플라즈마 파(relativistic plasma wave)를 발생한다. 가스젯 챔버(500)는 가스 노즐을 구비한 가스분출 시스템(520)을 더 포함하여 플라즈마(510)의 밀도 조절이 가능하도록 하는 것이 바람직하다. 플라즈마(510)의 밀도를 조절함으로써, 제 2레이저 펄스(110)와 플라즈마(510)의 상호작용 횟수를 제어할 수 있게 되어 레이저 파장 변환에 따른 광자가속을 더욱 효율적으로 발생시킬 수 있다.
제 2레이저 펄스(110)와 플라즈마의 상호작용횟수는 변화 대상 레이저 펄스인 제 2레이저 펄스(110) 파장의 변화 정도와 관계가 있으며, 한 번 상호작용할 때 변화 정도가 작으면 상호작용 횟수를 많이 하여야 하고 변화 정도가 크면 상호작용 횟수를 줄일 수 있다. 이러한 변화량은 강력한 세기의 플라즈마 파를 생성시키는 방법과 플라즈마 밀도의 조절에 의하여 제어할 수 있다.
레이저 항적장을 효과적으로 발생시키기 위하여 플라즈마 밀도가 높을 수록 짧은 펄스폭의 제 1레이저 펄스(100)가 요구되며, 제 1레이저 펄스(100)폭이 고정되어 있다면 한 번의 상호작용에 의한 제 2레이저 펄스(110)파장의 변화량이 결정되므로 총 작용횟수는 최종적으로 얻고자 하는 제 2 레이저 펄스의 파장 변화 정도에 비례하게 된다.
이러한 상호작용 횟수에 관련된 실험적 데이터는 아래 도 2에서 설명할 제어수단(700)의 메모리(762)에 저장되어 상호작용횟수를 정확하게 제어하는데 활용되는 것이 바람직하다.
상기 제 2레이저 펄스(110)는 파장을 변환시키고자 하는 대상 펄스로서, 상기 제 1 레이저 펄스(100)와 시간지연을 갖고, 상기 플라즈마(510) 밀도가 감소하는 지점에서 상기 상대론적 플라즈마(510) 파의 진행방향으로 입사되도록 한다.
상기 시간지연은 제 1레이저 펄스(100)가 만드는 플라즈마(510) 파와 제 2레이저 펄스(110)의 상호작용에 의하여 광자가속이 일어나도록 하는 위상차를 뜻하는 것으로 플라즈마(510) 파의 파장의 (n + 3/4)배 정도에 해당한다. 일반적으로 플라즈마(510) 파의 파장과 제 1레이저 펄스(100)의 폭이 4배 이상 차이가 나지 않을 경우에는 n = 1을 사용하는 것이 바람직하다. 이 때 플라즈마 파의 파장은 가 되고, 여기서 c 는 빛의 속도이고 는 플라즈마 진동수가 된다. 플라즈마 진동수는 (MKS 단위)의 수식으로 구할 수 있고, 여기서 n 은 플라즈마 밀도이고, e는 전자 전하, m은 전자 질량, 그리고 는 진공에서의 유전율이다. 따라서 시간 지연을 결정하는 변수는 플라즈마(510) 진동수이며 플라즈마(510) 진동수는 플라즈마(510) 밀도에 의하여 구할 수 있다.
특히, 레이저의 세기가 커질수록 비선형 현상의 영향으로 플라즈마(510) 파가 사인파 형태에서 벗어나게 되는데 이런 경우에는 시간지연을 플라즈마(510) 파의 파장의 1.75배보다 약간 큰 값을 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 제 2레이저 펄스(100)의 군 속도는 레이저 항적장을 형성하는 상기 플라즈마 파의 위상속도와 같고 그 길이는 상기 플라즈마 파의 반 파장보다 작도록 한다.
상기 제 1레이저 펄스(100) 및 상기 제 2레이저 펄스(110)는 TM(Transverse Magnetic)편광(600)으로 진행하도록 하고, 필요에 따라 각 레이저 펄스(100, 110)를 90도로 편광시켜 아래에서 설명할 링구조 광학 수단(200, 210, 300, 310, 320, 400, 410)내에 순환되도록 하는 것이 바람직하다.
상기 링구조 광학수단(200, 210, 300, 310, 320, 400, 410)은 편광을 이용하여 제 1레이저 펄스(100)와 제 2레이저 펄스(110)를 선택적으로 투과하며, 상기 제 1레이저 펄스(100)와 제 2레이저 펄스(110)를 가스젯 챔버(500)에 반복적으로 입사시키는 구성요소로서, 제 1빛살가르개(beam splitter)(200), 제2 빛살가르개(210), 제 1거울(400), 제 2거울(410), 제 1포켈셀(Pockels cell)(300), 제 2포켈셀(310) 및 제 3포켈셀(320)을 포함하여 구성된다.
상기 제 1빛살가르개(200)와 제 2빛살가르개(210)는 원하는 파장 또는 원하는 비율의 세기의 레이저를 반사시키는 기능성 거울로서, 상기 제 1레이저 펄스(100) 및 제 2레이저 펄스(110)가 입사되는 각이 브루스터각(Brewster angle)이 되도록 설치하는 것이 바람직하며, 상기 제 1레이저 펄스(100) 및 제 2 레이저 펄스(110)가 TM편광(600)으로 진행하는 경우 이들을 투과시키며, TE(Transverse Electro)편광(610)으로 진행하는 경우 이들을 반사시키는 광학적 특성을 가진다.
상기 제 1거울(mirror)(400)과 제 2거울(410)은 상기 제 2빛살가르개(210)를 통하여 링구조 광학 수단에 입사된 제 1레이저 펄스(100)와 제 2레이저 펄스(110)를 반사하는 구성요소이다.
가스젯 챔버(500)에 상기 레이저 펄스(100, 110)가 최초 입사된 레이저 펄스의 크기와 같은 크기로 집속되어 입사되도록 하기 위하여 거울(400, 410)의 곡면반경 및 위치를 조정할 수 있다. 거울(400, 410)의 곡면 반경은 레이저 펄스의 크기(100, 110), 거울(400, 419)의 공간적 위치 등에 의하여 결정되고, 거울(400, 410)의 공간적 위치는 아래에서 설명할 제어수단(700)에 의하여 제어된다.
상기 링구조 광학수단은 전체적으로 직사각형 형상을 가지도록 구성하되, 제 1빛살가르개(200)와 제 2빛살가르개(210)는 링구조 광학수단의 직사각형 모서리 하단부(가스젯 챔버와 일직선상에 있는 곳) 좌우측에 각각 위치시키고, 제 1거울(400), 제 2거울(410)을 링구조 광학수단의 직사각형 모서리 상단부에 위치시켜 링구조광학수단으로 입사된 레이저 펄스가 제 2빛살가르개(210), 제 1거울(400), 제 2거울(410), 제 1빛살가르개(200)에 순차적으로 반사되어 링구조 광학수단을 순환할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.
상기 제 1포켈셀(300), 제 2포켈셀(310), 제 3포켈셀(320)은 강한 세기의 전기장을 가하면 빛을 편광시키는 비선형결정질로 이루어진 구성요소로서, 본 발명에 있어서는 제 1레이저 펄스와 제 2레이저 펄스의 편광을 각각 90도씩 회전시키도록 하는 것이 바람직하다.
상기 제 1포켈셀(300)은 상기 가스젯 챔버(500)를 투과한 제 1 레이저 펄스(100)와 상기 제 2 레이저 펄스(110)의 편광을 90도 회전시켜 링구조 광학 수단으로 레이저 펄스를 입사시킨다.
상기 제 2 포켈셀(310)은 상기 제 1 빛살가르개(200)와 상기 가스젯 챔버(500) 사이에 위치하여, 제 1빛살가르개(200)에서 반사된 제 1 레이저 펄스(100) 및 제 2 레이저 펄스(110)의 편광을 90도 회전시켜 상기 가스젯 챔버(500)에 레이저 펄스를 입사시킨다.
상기 제 3포켈셀(320)은 상기 제 1포켈셀(300)과 상기 제 2빛살가르개(210) 사이에 위치하여, 제 1포켈셀(300)을 투과한 제 1레이저 펄스(100) 및 제 2레이저 펄스(110)의 편광을 90도 회전시켜, 설정된 파장 길이에 도달한 상기 제 2레이저 펄스(110)를 인출한다.
본 발명에 따른 링구조의 레이저 파장 변환장치는 상기 제 2레이저 펄스(110)를 원하는 파장의 레이저 펄스로 변환시키기 위하여 별도의 제어수단(700)을 더 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.
도 2는 본 발명에 따른 링구조의 레이저 파장 변환장치의 제어수단을 도시한 블록도이다. 동 도면에 따르면, 상기 제어수단(700)은 레이저 구동부(732), 포켈셀 구동부(730), 거울 구동부(740), 입력수단 인터페이스(750), 제어부(760) 및 메모리(762)를 포함하여 구성된다.
상기 레이저 구동부(732)는 상기 제 1레이저 펄스(100)와 제 2레이저 펄스(110)를 발생시키기 위하여 레이저 펄스 발생기(712, 714)를 구동하며, 상기 포켈셀 구동부(730)는 상기 제 1포켈셀(300), 제 2포켈셀(310) 및 제 3포켈셀(320)을 전기적으로 작동시키기 위하여 전기장 발생기(732, 734, 736)를 구동하고, 상기 거울 구동부(740)는 상기 제 1거울(400)과 제 2거울(410)의 위치를 조절하는 거울 구동장치(742, 744)를 구동시킨다.
상기 입력수단 인터페이스(750)는 본 발명에 따른 링구조의 레이저 파장 변환장치를 이용하여 변환의 대상이 되는 레이저 펄스(110) 파장의 변화량을 설정하기 위하여 사용자에게 제공되는 입력수단(752)과 인터페이스한다.
사용자는 상기 입력수단(752)을 통하여 제 1레이저 펄스(100)의 파워조정, 제 1레이저 펄스(100)와 제 2레이저 펄스(110)의 지연시간 설정, 제 2레이저 펄스(110) 파장의 변화량 등을 설정할 수 있다.
상기 제어부(760)는 제 1레이저 펄스(100)와 제 1레이저 펄스와 시간지연을 갖는 제 2레이저 펄스(110)를 발생하도록 상기 레이저 구동부(710)를 제어한다. 또한, 상기 제 2레이저 펄스(110)의 파장이 원하는 파장 길이에 이르기까지 링구조 광학수단을 회전할 수 있도록 상기 제 1포켈셀(300)과 제 2포켈셀(310)을 순차적으로 제어하고 제 2레이저 펄스(110)의 파장이 원하는 파장 길이에 도달하면 이를 인출하기 위하여 제 3포켈셀(320)을 작동하도록 포켈셀 구동부(730)를 제어한다.
그리고, 상기 제어부(760)는 상기 거울 구동부(740)를 제어하여 가스젯 챔버(500)에 상기 레이저 펄스(100, 110)가 같은 크기로 집속되어 입사되도록 한다.
상기 메모리(762)는 본 발명에 따른 링구조의 레이저 파장 변환장치를 이용하여 변환의 대상이 되는 레이저 펄스(110)의 파장을 원하는 만큼 변화시키기 위하여 필요한 실험적 데이터를 저장한다. 예들 들면, 상기 각 포켈셀(300, 310, 320)을 순차적으로 동작시키기 위한 타이밍, 레이저 펄스의 크기에 따른 거울의 공간적 위치 및 플라즈마와 제 2레이저 펄스(110)의 상호작용횟수 등에 관련된 실험적 데이터일 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 링구조의 레이저 파장 변환장치는 제 2레이저 펄스 파장 검출수단(762)을 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기 제 2레이저 펄스 파장 검출수단(762)은 제 1거울(400)의 후면 또는 제 2거울(410)의 후면에 위치하거나 제 2빛살가르개(210)의 후면에 위치하여 거울(400, 410) 또는 빛살가르개(210)를 통과하는 약한 세기의 제 2레이저 펄스(110)의 파장을 측정하며, 제 2레이저 펄스(110) 파장이 입력수단(752)을 통하여 설정된 파장 길이에 도달하면 이를 상기 제어부(760)로 통보한다.
이에 따라, 상기 제어부(760)가 제 3포켈셀(320)을 작동하도록 포켈셀 구동부(730)를 제어함에 따라, 소망하는 파장으로 변환된 제 2레이저 펄스(110)가 인출되게 된다.
도 3은 본 발명에 따른 레이저 파장 변환 방법을 도시한 플로우 차트도이다. 동 도면에 따르면, 본 발명에 따른 레이저 파장 변환 방법은 플라즈마 파 생성단계(S100), 플라즈마 파 진행방행으로 제 2레이저 펄스 입사단계(S200), 제 1포켈셀 작동단계(S300), 제 2포켈셀 작동단계(S400), 설정된 파장 길이에 도달한 제 2레이저 펄스 검출단계(S500) 및 제 3포켈셀 작동단계(S600)를 포함하여 이루어진다.
먼저, 상기 플라즈마 파 생성단계(S100)에서는 테라와트급 (TW = 1012 W)의 첨두 파워를 갖는 제 1레이저 펄스(100)를 가스젯 챔버(500)에 입사시킨다. 이 경우, 가스젯은 이온화하여 플라즈마(510)가 발생되고 판데르모티브 힘(Ponderomotive Force)에 의하여 상대론적 플라즈마 파가 발생되어 레이저 항적장이 형성된다. 레이저 항적장은 매우 강한 세기의 제 1레이저 펄스(100)에 의하여 발생되므로 레이저 펄스를 플라즈마에 집속하는 광학계로는 파라볼릭 광학거울(400, 410)을 사용하는 것이 바람직하다.
상기 제 2레이저 펄스 입사단계(S200)는 제 1레이저 펄스(100)와 적당한 시간 지연을 갖는 제 2레이저 펄스(110)를 제 1레이저 펄스(100)가 만든 레이저 항적장(Laser Wakefield)에 입사시키는 단계로서, 제 2레이저 펄스(110)와 레이저 항적장의 비선형적인 상호작용에 의하여 플라즈마 분산특성이 변하고 플라즈마 전자밀도가 변하면서 제 2레이저 펄스(110)의 진동수가 증가한다.
상기 최초 입사하는 제 1레이저 펄스(100)와 제 2레이저 펄스(110)는 제 1빛살가르개(200)에 의한 반사를 최소화하고 제 1빛살가르개(200)와 제 2빛살가르개(210)를 투과할 수 있게 TM 편광[레이저 빛의 자기장의 방향(600)이 광학계 면과 평행]으로 진행시키는 것이 바람직하다.
다음은 제 1포켈셀(300)을 작동(S300)시켜 제 1레이저 펄스(100)와 제 2레이저 펄스(110)의 편광을 90도 회전시킨다. 이는 제 1레이저 펄스(100)와 제 2레이저 펄스(110)가 제 2빛살가르개(210)를 투과하지 않고 제 2빛살가르개(210)에서 반사되어 링구조 광학수단으로 입사되도록 하기 위함이다. 즉, 제 1레이저 펄스(100)와 제 2레이저 펄스(110)를 상기 링구조 광학수단으로 입사시키기 위하여, TM 편광을 TE 편광[레이저 빛의 전기장의 방향(610)이 광학계 면과 평행]으로 바꾼다.
제 2빛살가르개(210)에 의하여 반사된 제 1레이저 펄스(100)와 제 2레이저 펄스(110)는 제 1거울(400), 제 2거울(410) 및 제 1빛살가르개(200)를 순차적으로 경유하여 반사되고, 반사된 제 1레이저 펄스(100)와 제 2레이저 펄스(110)는 다시 가스젯 챔버(500)에 입사되어 플라즈마 파를 발생시키고 광자가속을 일으키게 된다.
레이저 펄스(100, 110)를 플라즈마에서 집속시키기 위하여 제 1거울(400)과 제 2거울(410)들의 곡면반경과 위치는 상기 제어수단(700)을 통하여 조절 가능하지만, 실험적 데이터에 의하여 미리 설정하여 설치하는 것이 바람직하다. 또한, 제 1레이저 펄스(100)와 제 2레이저 펄스(110)의 입사방향과 제 1빛살가르개(200) 및 제 2빛살가르개(210)의 각도가 브루스터각(Brewster angle)이 되게 하는 것이 바람직하다.
제 2포켈셀 작동단계(S400)에서는 상기 링구조 광학수단을 1회전한 레이저 펄스의 편광을 다시 90도 회전시킨다. 만약, 제 2포켈셀(310)을 작동시키지 않으면, 레이저 펄스(100, 110)의 편광이 제 1포켈셀(300)을 한 번 더 통과하면서 TM 편광이 되어서 제 2빛살가르개(210)를 통과해버리게 되는데 이를 방지하고 링구조 광학수단을 1회전한 레이저 펄스를 링구조 광학 수단으로 다시 입사시키기 위함이다.
즉 최초에 레이저 펄스 발생기(712, 714)가 레이저 펄스(100, 110)를 입사할 때에는 제 2포켈셀(310)은 오프(Off)시켜 작동시키지 않고 제 1포켈셀(300)만 온(On) 시켜 작동시킨다. 그리고, 제 1레이저 펄스(100)와 제 2레이저 펄스(110)가 링구조 광학 수단을 한 번 회전한 후부터는 제 2포켈셀(310)을 온시켜 제 1포켈셀(300)과 제 2포켈셀(310)이 모두 작동하도록 한다.
따라서, 링구조 광학 수단내에서 제 1레이저 펄스(100)와 제 2레이저 펄스(110)의 편광은 제 2포켈셀(310) - 가스젯 챔버(500) - 제 1포켈셀(300) 사이에서는 TM 편광을 유지하게 되고 제 1포켈셀(300) - 제 2빛살가르개(210) - 제 1거울(400) - 제 2거울(410) - 제 1빛살가르개(200) - 제 2포켈셀(310) 사이에서는 TE 편광을 유지하게 된다.
이로써, 레이저 항적장을 발생시킨 제 1레이저 펄스(100)와 변환대상 펄스인 제 2레이저 펄스(110)는 링구조 광학수단 즉, 제 2빛살가르개(210), 제 1거울(400), 제 2거울(410) 및 제 1빛살가르개(200)를 순차적으로 경유하여 다시 가스젯 챔버(500)에 입사되어 플라즈마 파를 발생시키고 시간지연을 갖고 계속 따라오고 있는 제 2레이저 펄스(110)를 반복적으로 광자 가속시킨다.
설정된 파장 길이에 도달한 제 2레이저 펄스 검출단계(S500)는 상기 거울(400, 410)의 후면 또는 제 2빛살가르개(210)의 후면에 설치된 제 2 레이저 펄스의 파장을 검출할 수 있는 수단(762)을 통하여 제 2레이저 펄스의 파장이 원하는 길이에 도달하면 이를 검출하여 상기 제어수단(700)으로 통보한다.
제어수단(700)은 제 1레이저 펄스(100)와 2레이저 펄스(110)가 링구조 광학 수단내를 순환하고 있을 때에는 동작 오프 상태를 유지한 제 3포켈셀(320)을 제 2 레이저 펄스 파장 검출수단(762)의 통보에 따라서 작동(S600)시킨다. 제 2레이저 펄스(110)의 파장이 원하는 파장길이에 도달하였을 때 제 3포켈셀(320)을 온하여 작동시키면 레이저 펄스의 편광이 TM 편광(620)으로 변하고 제 2레이저 펄스(110)는 제 2빛살가르개(210)를 투과하여 원하는 파장을 갖는 제 2레이저 펄스(110)를 인출할 수 있게된다.
본 발명은 전술한 전형적인 바람직한 실시 예에만 한정되는 것이 아니라 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지로 개량, 변경, 대체 또는 부가하여 실시할 수 있는 것임은 당해 기술분야에 통상의 지식을 가진 자라면 용이하게 이해할 수 있을 것이다. 이러한 개량, 변경, 대체 또는 부가에 의한 실시가 이하에 첨부된 특허청구범위의 범주에 속하는 것이라면, 그 기술사상 역시 본 발명에 속하는 것으로 보아야한다.
상기에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 링구조 파장 변환장치 및 방법은 광자가속이 반복하여 일어날 수 있는 링구조의 레이저 파장 변환장치를 제공하여 레이저의 펄스의 진동수를 연속적으로 변화시키는 효과가 있다. 또한, 파장가변효율이 좋은 작은 규모(테이블 탑형태)의 광자 가속기 개발의 기초기술로 활용되어 미세묘화, 미세현미경, 분광학, 야금학, 방사선학, 종양학, 살균 등과 같이 산업응용, 의료응용 및 과학응용 등에 다양하게 이용되는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 링구조 광학 수단을 구비한 레이저 파장 변환장치의 구성도.
도 2는 본 발명에 따른 링구조의 레이저 파장 변환장치의 제어수단을 도시한 블록도.
도 3은 본 발명에 따른 레이저 파장 변환 방법을 도시한 플로우 차트도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100:제 1레이저 펄스 110:제 2레이저 펄스
200:제 1빛살가르개 210:제 2빛살가르개
300:제 1포켈셀 310:제 2포켈셀
320:제 3포켈셀 400:제 1거울
410:제 2거울 500:가스젯 챔버
700:제어수단

Claims (13)

  1. 제 1레이저 펄스를 발생시키는 제 1레이저 펄스 발생수단과,
    플라즈마를 포함하여 상기 제 1레이저 펄스의 입사에 의해 상대론적 플라즈마 파(relativistic plasma wave)가 발생되는 가스젯 챔버와,
    파장을 변환시키고자 하는 대상펄스로서, 상기 제 1레이저 펄스와 시간지연을 갖고 상기 플라즈마 밀도가 감소하는 지점에서 상기 상대론적 플라즈마 파의 진행방향으로 입사되는 제 2레이저 펄스를 발생시키는 제 2레이저 펄스 발생수단과,
    편광을 이용하여 제 1레이저 펄스와 제 2레이저 펄스를 선택적으로 투과하며, 상기 가스젯 챔버를 투과한 상기 제 1레이저 펄스와 상기 제 2레이저 펄스가 상기 가스젯 챔버에 적어도 1회 이상 반복하여 입사되도록 하여, 제 2레이저 펄스의 파장이 설정된 파장 길이에 도달하면 인출하는 링구조 광학수단과,
    상기 가스젯 챔버를 투과한 제 2레이저 펄스의 파장을 검출하는 레이저 펄스 파장 검출부와,
    상기 레이저 펄스 파장 검출부에서 제 2레이저 펄스의 파장이 설정된 파장의 길이에 도달한 것으로 검출되면, 상기 링구조 광학수단에서 제 2레이저 펄스를 인출하도록 제어하는 제어수단을 포함하여 구성되는 링구조의 레이저 파장 변환장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 레이저 펄스는 테라와트의 첨두 파워를 갖고,
    상기 제 2 레이저 펄스의 군 속도는 상기 플라즈마 파의 위상속도와 같고 그 길이는 상기 플라즈마 파의 파장의 반 파장보다 작은 것을 특징으로 하는 링구조 레이저 변환장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 가스젯 쳄버의 상기 플라즈마의 밀도를 조절하는 수단을 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 링구조의 레이저 파장 변환장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 레이저 펄스와 상기 제 2 레이저 펄스는 TM(Trnasverse Magnetic)편광으로 진행되어 상기 가스젯 챔버에 입사되는 것을 특징으로 하는 링구조의 레이저 파장 변환장치
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 시간지연은 상기 플라즈마 파와 상기 제 2레이저 펄스의 위상차로서 상기 위상차는 상기 플라즈마 파의 파장의 배이며 n은 자연수이고,
    상기 플라즈마 파의 파장은 의 길이를 가지며 상기 c는 빛의 속도이고 상기 wp 는 이고, 상기 n은 플라즈마의 밀도이고 상기 e는 전자전하량이고 상기 m은 전자질량이고 상기 는 진공에서의 유전율인 것을 특징으로 하는 링구조의 레이저 파장 변환장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 링구조 광학수단은 상기 가스젯 챔버를 투과한 상기 제 1레이저 펄스와 상기 제 2레이저 펄스의 편광을 90도 회전시키는 제 1포켈셀,
    상기 제 1포켈셀을 투과한 상기 제 1레이저 펄스와 제 2레이저 펄스를 반사하는 제 1빛살가르개, 제 2빛살가르개, 제 1거울 및 제 2거울을 포함하여 구성되며,
    상기 반사는 제 2빛살가르개, 제 1거울, 제 2거울, 제 1빛살가르개를 순차적으로 경유하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 링구조의 레이저 파장 변환장치.
  7. 제 6항에서,
    상기 제 1빛살가르개와 상기 제 2빛살가르개는 상기 제 1레이저 펄스와 상기 제 2 레이저 펄스가 TM(Transverse Magnetic)편광으로 진행되는 경우 이들을 투과시키는 광학적 특성을 가지는 것을 특징으로 하는 링구조의 레이저 파장 변환장치.
  8. 제 6항에 있어서,
    상기 제 1레이저 펄스와 상기 제 2레이저 펄스가 제 1 빛살가르개에 입사되는 입사각과 상기 가스젯 챔버를 투과한 제 1레이저 펄스와 제 2레이저 펄스가 제 2 빛살가르개에 입사되는 입사각은 브루스터각(Brewster angle)인 것을 특징으로 하는 링구조의 레이저 파장 변환장치.
  9. 제 6항에 있어서,
    상기 링구조 광학수단은 상기 제 1 빛살가르개와 상기 가스젯 챔버 사이에 위치하며, 상기 제 1빛살가르개에서 반사된 상기 제 1 레이저 펄스와 상기 제 2 레이저 펄스의 편광을 90도 회전시키는 제 2포켈셀을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 링구조의 레이저 파장 변환장치.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 링구조 광학수단은 설정된 파장에 도달한 상기 제 2 레이저 펄스를 인출하기 위하여, 상기 제 1포켈셀과 상기 제 2빛살가르개 사이에 위치하며, 상기 제 1포켈셀을 투과한 제 1 레이저 펄스와 제 2 레이저 펄스의 편광을 90도 회전시키는 제 3포켈셀을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 링구조의 레이저 파장 변환장치.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 레이저 펄스 파장 검출부는, 상기 제 1거울의 후면과 제 2거울의 후면 및 상기 제 2빛살가르개의 후면 중에 어느 한 곳에 위치하고,
    상기 제어수단은, 상기 제 2레이저 펄스를 상기 링구조 광학수단으로 입사시키기 위해 상기 제 1포켈셀을 동작시키고, 상기 제 2레이저 펄스가 상기 링구조 광학수단을 1회 경유한 경우 제 2포켈셀을 동작시키며, 상기 제 2레이저 펄스의 파장이 설정된 파장의 길이에 도달한 것이 상기 파장 검출부에 의하여 검출되면 제 3포켈셀을 동작시켜 제 2레이저 펄스를 인출하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 링구조의 레이저 파장 변환장치.
  12. 제 6항에서,
    상기 링 구조 광학수단은 상기 제 1레이저 펄스와 상기 제 2레이저 펄스를 상기 가스젯 챔버의 플라즈마에 집속시키기 위해 상기 제 1거울과 제 2거울의 거울 곡면반경과 위치를 조절하기 위한 수단을 더 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 링구조의 레이저 파장 변환장치.
  13. 제 1레이저 펄스를 플라즈마를 포함한 가스젯 챔버에 입사하여 상대론적 플라즈마 파를 생성하는 제 1단계와,
    상기 제 1레이저 펄스와 시간지연을 갖는 제 2레이저 펄스를 상기 가스젯 챔버의 플라즈마 밀도가 감소하는 지점에서 상기 상대론적 플라즈마 파의 진행방향으로 입사하는 제 2단계와,
    상기 가스젯 챔버를 투과한 제 1레이저 펄스와 제 2레이저 펄스가 링구조 광학수단을 통하여 상기 가스젯 챔버에 적어도 1회 이상 반복하여 입사되도록 하는 제 3단계와,
    상기 가스젯 챔버를 투과한 제 2레이저 펄스의 파장을 검출하는 제 4단계와,
    상기 검출된 제 2레이저 펄스의 파장이 기 설정된 파장길이에 도달하면 상기 제 2레이저 펄스를 인출하는 제 5단계를 포함하여 이루어진 레이저 파장 변환방법.
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