KR100710439B1 - 전단펄스를 이용한 유도브릴루앙 산란파의 파형보존장치 및방법 - Google Patents

전단펄스를 이용한 유도브릴루앙 산란파의 파형보존장치 및방법 Download PDF

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백두현
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Abstract

본 발명은 전단펄스를 이용한 유도브릴루앙 산란파의 파형보존장치 및 그 방법에 관한 것이다. 본 발명의 장치는 입사펄스를 두 개의 펄스로 분리하는 광분리기와, 유도 브릴루앙 산란파를 발생하는 하나이상의 SBS-PCM, 및 SBS-PCM으로의 상기 두 개의 펄스간의 입사시간을 조절하기 위한 미러를 포함하며, 분리된 하나의 펄스가 전단펄스로 상기 SBS-PCM으로 먼저 입사하여 반사된 후, 상기 미러에 의한 시간차에 의해 상기 나머지 하나의 펄스가 주펄스로 상기 SBS-PCM으로 입사하여 반사되는 것을 특징으로 한다. 따라서, 본 발명의 전단펄스 입사 방법에 의한 파형보존은 시스템의 구성이 간단하고 여러개의 유도브릴루앙 산란 공액거울을 사용하는 시스템에서 연속적인 반사가 가능하도록 하여 손쉽게 적용이 가능하도록 하는 효과를 제공한다.
유도브릴루앙산란, 전단펄스, 파형보존

Description

전단펄스를 이용한 유도브릴루앙 산란파의 파형보존장치 및 방법{Apparatus and method for waveform preservation of the backscattered stimulated Brillouin scattering wave by using a prepulse injection}
도 1은 유도브릴루앙 산란 위상공액거울(이하 SBS-PCM이라 함)을 이용한 종래의 광 증폭계의 구성도,
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 파형보존장치의 구성도,
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 파형보존장치의 구성도,
도 4는 전술한 실시예에서 사용된 편광빔가르개를 설명하기 위한 도면,
도 5a 및 도 5b는 전술한 실시예에서 사용된 1/2파장판을 설명하기 위한 도면,
도 6은 전술한 실시예에서 사용된 패러데이회전소자를 설명하기 위한 도면,
도 7은 전술한 실시예에서 사용된 포켈스셀을 설명하기 위한 도면.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
30, 61 : SBS-PCM 26, 53, 57 : 패러데이 회전소자
23 : 포켈스셀 27, 54, 58 : 1/2파장판
본 발명은 유도브릴루앙산란 위상공액거울(이하 SBS-PCM)에 관한 것으로, 특히 전단펄스를 이용한 유도브릴루앙 산란파의 파형보존장치 및 방법에 관한 것이다.
도 1은 유도브릴루앙 위상공액거울(이하 SBS-PCM이라 함)을 이용한 종래의 광 증폭계의 구성도이다.
도 1은 다단계 증폭계에 SBS-PCM 광 차단기를 적용한 구성을 나타낸 것이다.
도 1을 참조하면, 광 증폭계는 여러 개의 광 증폭단들(400, 450, …)로 이루어져 있다. 제1 광 증폭단(400)을 주로 하여 광 증폭계의 동작을 설명하기로 한다. 수직편광된 레이저 펄스 광선(395)이 제1광 차단기(410)에 포함된 PBS1(412)에 입사하면 PBS1(412)에서 반사하여 QW1(414)을 통과하면 원 편광으로 바뀐다. 이 원 편광 광선이 SBS-PCM1(416)에서 반사하여 다시 QW1(414)을 통과하면 수평편광으로 바뀌어 PBS1(412)을 통과할 수 있게 된다. 이 광선이 제 1 SBS 광 증폭기(420)에 포함된 다중통과 증폭수단1(422)을 통과하여 증폭된 후에 패러데이 회전소자(424)를 통과하고 SBS-PCM2(426)에서 반사하여 다시 패러데이 회전소자(424)를 통과하면 수직편광으로 바뀐다. 그 다음 다중통과 증폭수단1(422)을 통과하면서 다시 증폭된 후에 PBS1(412)에서 반사되어 제2 광 증폭단(450)의 제2 광 차단기(460)에 포함된 PBS2(462)로 입사된다. 제2 광 증폭단(450)도 제1 광 증폭단(400)과 마찬가지의 구성요소를 가지는데, 제2 광 차단기(460)와 제2 SBS 광 증폭기(470)로 이루어져 있다. 이와 같은 방법으로 광 증폭계를 구성하면, 레이저 광선이 더욱 증폭된다.
고반복율의 고출력 레이저를 얻기 위해 전술한 증폭계 이외에도 그 동안 광선 재결합 레이저, 다이오드 펌핑을 이용한 레이저, 전자빔 펌핑을 이용한 레이저, 세라믹 YAG를 이용한 시스템 등의 많은 시도가 있어 왔다.
대부분의 고출력 레이저 시스템에서는 증폭과정 중 일어나는 빔의 왜곡문제가 제기 되기 마련이며 또한 냉각의 어려움 등으로 인해 고반복율을 가지는 고출력 레이저 시스템을 개발하는데 있어 어려움이 있어 왔다. 이러한 문제점은 그동안 고출력 레이저 개발에 있어 넘기 힘든 큰 장애물로 인식되어 왔다. 레이저의 출력을 높이기 위한 연구는 현재 세계 각국에서 활발히 진행되고 있으나 여러 가지 문제에 직면하고 있다. 그 중에서 가장 핵심적인 부분은 레이저의 펌핑에 의한 열문제이다. 이러한 열문제를 해결하기 위해서, 주어진 이득매질에 대한 펌핑 방식이 플래쉬 램프 펌핑 방식에서 반도체 레이저 펌핑 방식으로 개선되고 있으나, 반도체 레이저 펌핑 방식은 우선 가격이 비싸고, 단일 막대를 사용한 레이저 증폭은 이끌어 낼 수 있는 출력에 한계를 보인다. 또한, 더 높은 레이저 출력을 얻기 위해 여러 개의 막대를 사용하는 경우, 레이저의 단위면적당 출력의 증가로 인한 이득매질의 손상을 피하기 위해 필연적으로 이득매질의 크기를 키워야 하기 때문에, 이득매질의 냉각에 많은 시간이 소요되어 레이저 반복률이 크게 낮아진다. 이와 같이 기존의 레이저 시스템은 레이저 출력 및 반복률에 한계를 갖기 때문에, 이를 해결하기 위해 전술한 광학계에서 사용된 유도 브릴루앙(Brillouin) 산란 위상 공액 거울을 이용한 시스템이 새로운 방안이 될 수 있다. 예를 들어 유도 브릴루앙 산란 위상 공액 거울을 이용한 광선 재결합 시스템은 하나의 빔을 여러 갈래로 나누어 증폭한 뒤 다시 합쳐서 출력을 높이는 방법이다. 빔을 여러 갈래로 나누어서 증폭하므로 매질의 크기를 키울 필요가 없고 따라서 냉각의 문제 또한 사라지게 된다. 따라서 광선 재결합 시스템을 사용한 레이저는 출력 및 반복률의 한계를 극복할 수 있다. 그런데, 고출력 레이저 빔을 얻는 과정에는 또 다른 문제점이 있는데, 이것은 바로 펌핑에 의한 열로 인해 빔이 이득매질을 통과할 때 발생하는 빔의 왜곡현상이다. 하지만 증폭과정에서 유도 브릴루앙 산란 위상 공액 거울을 사용하기 때문에 이러한 왜곡을 보상하여 준다. 따라서 유도 브릴루앙 산란 위상 공액 거울을 사용하는 광선 재결합 시스템을 사용한 레이저는 고품질의 고출력 빔을 얻을 수 있다.
이와 같이 유도 브릴루앙 산란 위상 공액 거울을 광선 재결합 레이저에 사용하는 경우, 증폭 중에 발생하는 레이저빔의 왜곡 보상, 광학계 정렬의 용이함 등의 매우 우수한 장점이 있지만, 다음의 문제가 발생한다. 즉, 유도 브릴루앙 산란 위상 공액 거울에 의하여 반사되는 반사파의 파형은 앞단이 잘려나가는 변형을 겪게 되어, 유도 브릴루앙 산란 위상 공액 거울을 연속적으로 사용하는 것이 사실상 불가능하다. 세계적으로 유도 브릴루앙 산란 위상 공액 거울 반사파 자체의 파형 보존 연구는 거의 수행되지 않았다.
따라서, 본 발명의 목적은 전술한 문제점을 해결할 수 있도록 본 발명을 통 해 반사파의 변형을 막기 위하여 전단 펄스를 미리 유도브릴루앙 위상공액거울에 입사시켜 주펄스의 에너지 손실을 보상하기 위한 전단펄스를 이용한 유도브릴루앙 산란파의 파형보존장치 및 방법을 제공함에 있다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전단펄스를 이용한 유도브릴루앙 산란파의 파형보존장치는 입사펄스를 두 개의 펄스로 분리하는 광분리기와, 유도 브릴루앙 산란파를 발생하는 하나이상의 SBS-PCM, 및 SBS-PCM으로의 상기 두 개의 펄스간의 입사시간을 조절하기 위한 미러를 포함하며, 분리된 하나의 펄스가 전단펄스로 상기 SBS-PCM으로 먼저 입사하여 반사된 후, 상기 미러에 의한 시간차에 의해 상기 나머지 하나의 펄스가 주펄스로 상기 SBS-PCM으로 입사하여 반사되는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따르면, 광분리기는 능동소자인 포켈스셀을 사용하며 포켈스셀에 가해지는 고전압에 의해 편광을 조절함으로써 펄스를 분리하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따르면, 광분리기는 수동소자인 1/2파장판을 사용하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따르면, 광분리기는 입사펄스를 편광성분에 따라 두 개의 펄스로 분리하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 전단펄스를 이용한 유도브릴루앙 산란파의 파형보존방법은 입사펄스를 두 개의 펄스로 분리하는 제 1단계와, 분리된 하나의 펄스를 전단펄스로 하여 산란파발생소자에 입사시켜 반사하는 제 2단계와, 나머지 하나의 펄스를 주펄스로 하여 상기 전단펄스가 산란파발생소자로부터 반사된 이후에 입사되도록 입사시간을 조절하는 제 3단계, 및 조절된 입사시간차를 두고 주펄스를 상기 산란파발생소자에 입사시켜 반사하는 제 4단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따르면, 산란파발생소자는 유도브릴루앙 산란 위상공액거울(SBS-PCM)인 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따르면, 제 1단계는 입사펄스를 편광성분에 따라 두 개의 펄스로 분리하는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부한 도 2 내지 도 7을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 기술하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 파형보존장치의 구성도이다.
도 2의 실시예는 능동 소자 포켈스(Pockels)셀을 사용한 경우를 예로 한다.
도 2에서, S편광 된 입사펄스(21)는 편광 빔 가르개(22)를 통해 반사 되어 포켈스셀(23)로 입사된다. 입사된 펄스는 포켈스셀(23)로 입사 된 후 수 나노초 또는 수십 나노초 동안 작동되어 포켈스셀(23)에 가해진 적당한 고전압에 의해 S편광 및 P편광으로 나누어진다. 이때 S편광과 P편광의 비율은 포켈스셀(23)에 가해지는 전압을 조절함으로써 이루어진다. 이렇게 나누어진 두 성분 중에서 편광 빔 가르개(24)에 의해 S편광된 성분의 전단 펄스(25 : prepulse)는 반사 되어 패러데이회전 소자(26)에 의해 45도 회전하게 된다. 그 후 1/2 파장판(27)에 의해 예를 들어 시계방향으로 45도 회전시켜 S편광 성분만의 펄스로 바뀐 후 편광 빔 가르개(28)에 의해 반사 된다. 이러한 과정을 거친 전단펄스는 렌즈(29)를 지나 SBS-PCM(30)로 입사 되어 반사 된다. 이때 전단 펄스는 SBS-PCM(30)에 음파를 생성 시키게 되며 이런 방법에 의해 이후 입사되는 주 펄스는 음파를 생성시키기 위해 에너지 소비를 할 필요가 없게 된다. SBS-PCM(30)에서 음파를 미리 생성 시키고 반사된 전단 펄스는 편광 빔 가르개(28)에서 다시 반사된 후 1/2 파장판(27)을 통과하게 되는데 이때는 좀전과 다른 방향으로 회전한다. 즉 반시계 방향으로 45도 회전된다. 이 펄스가 다시 패러데이회전소자(26)를 통과하게 되면 45도 회전을 더 하게 되므로 결과적으로 90도 회전하게 되어 P편광 성분으로 변하게 되어 편광 빔 가르개(24)를 투과해 덤퍼(31)로 들어간다.
한편, 포켈스셀(23)에 의해 나누어진 두 성분 중 P편광 성분은 편광 빔 가르개(24)에서 투과되어 주 펄스(32 : main pulse)의 역할을 하게 되는데 45도 거울(33, 34)에서 두 번 반사 된 후 편광 빔 가르개(28)와 렌즈(29)를 지나 SBS-PCM(30)로 입사된다. SBS-PCM(30)에서 반사된 주 펄스는 다시 편광 빔 가르개(28)와 45도 거울(34, 33)에서 두 번 반사 된다. 다시 편광 빔 가르개(24)와 포켈스셀(23)을 통과 후 편광 빔 가르개(22)를 투과해 출력(35) 된다.
여기서 포켈스셀(23)은 일정시간 동안만 동작되게 할 수 있으므로 유도 브릴루앙 산란 후 되돌아온 주 펄스는 포켈스셀(23)을 그대로 통과 할 수 있다. 그리고 전단 펄스와 주 펄스가 SBS-PCM(30)로 입사되는 시간차는 거울(33, 34)의 위치를 조정(36)함으로써 간단히 이루어진다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 파형보존장치의 구성도이다.
도 3의 실시예는 수동 소자만으로 구성 된 예로 한다.
도 3에서, S편광 된 입사펄스(51)는 편광 빔 가르개(52)를 통해 반사 되어 패러데이회전소자(53)로 입사된다. 패러데이회전소자(53)의 특성으로 인해 통과한 펄스는 입사펄스에 비해 45도 회전되어 있는 상태이며 이 펄스는 1/2 파장판(54)을 사용함으로써 P편광 성분 및 S편광 성분의 비율로 조절하여 나뉜다. 이렇게 나누어진 성분 중 편광 빔 가르개(55)에 의해 P편광 성분의 전단 펄스(56)는 투과해 다시 패러데이회전소자(57)를 통과해 45도 회전하게 된다. 이렇게 45도 회전된 펄스는 1/2 파장판(58)에 의해 예를 들어 시계방향으로 45도 회전시켜 P편광 성분만의 펄스로 바뀐 후 편광 빔 가르개(59)를 투과해 렌즈(60)를 지나 SBS-PCM(61)로 입사되어 주 펄스보다 먼저 음파를 생성 시키게 된다. 음파를 미리 생성 시키고 반사된 전단 펄스는 편광 빔 가르개(59)를 다시 투과한 후 1/2 파장판(58)을 통과하게 되는데 이때는 좀전과 다른 방향으로 회전한다. 즉 반시계 방향으로 45도 회전된다. 이 펄스는 다시 패러데이회전소자(57)를 통과하게 되면 45도 회전을 더 하게 되므로 결과적으로 90도 회전하게 되어 S편광 성분으로 변하게 되어 편광 빔 가르개(55)에서 반사되어 덤퍼(62)로 들어간다.
한편, 1/2 파장판(54)을 통과하여 나누어진 성분 중 S편광 성분은 주 펄스(63)의 역할을 하게 되는데 편광 빔 가르개(55)에서 반사 된 후 45도 거울(64, 65)에서 두 번 반사 된 후 편광 빔 가르개(59)에서 반사되어 렌즈(60)를 지나 SBS- PCM(61)에서 반사 된다. 그 후 편광 빔 가르개(59)에서 다시 반사 되어 45도 거울(65, 64)을 지나 편광 빔 가르개(55)에 의해 반사 된다. 이 후 1/2 파장판(54)과 패러데이회전소자(53)를 지나게 되는데 패러데이회전소자(53)에 의해 45도 회전을 더하게 되어 편광 빔 가르개(52)를 투과해 출력(66) 된다. 이때 전단 펄스와 주 펄스가 SBS-PCM(61)로 입사되는 시간차는 2개의 45도 거울(64, 65)의 위치를 조정(67) 함으로써 간단히 이루어진다.
도 4는 전술한 실시예에서 사용된 편광빔가르개를 설명하기 위한 도면이다.
도 4를 참고하면, 편광빔가르개(1)는 S편광과 P편광이 섞여있는 편광을 S편광과 P편광으로 분리하기 위한 것이다. 편광빔가르개(1)는 S편광과 P편광이 섞여있는 편광(6)을 입사하여 P편광(7)의 펄스를 투과 시키고 S편광(8)의 펄스를 반사시켜 분리하는 특성을 가진다.
도 5a 및 도 5b는 전술한 실시예에서 사용된 1/2파장판을 설명하기 위한 도면이다
도 5a 및 도 5b는 1/2 파장판(2)의 역할을 도시한다.
도 5a에서, P편광(7)의 펄스는 1/2 파장판(2)을 통과하면 편광이 초기 선편광에 비해 θ만큼 회전된 펄스(6)로 변화하여 출력한다.
도 5b에서, 다시 이 θ만큼 회전된 펄스(6)는 이 1/2 파장판(2)을 통과하게 되면 -θ만큼 회전 되는 역할을 하게 되어 처음 편광 상태인 P편광(7)으로 변화하여 출력한다.
도 6은 전술한 실시예에서 사용된 패러데이회전소자를 설명하기 위한 도면이 다.
도 6은 패러데이회전소자(4)의 역할을 도시한다.
도 6에서, 선편광(7)의 펄스는 패러데이회전소자(4)를 통과하면 선편광(7)이 어떠한 각도 θ만큼 회전된 편광으로(6) 되며, 전술한 실시예에서 사용된 패러데이회전소자는 45도만큼 회전 시키는 소자이다. 즉 선편광은 패러데이회전소자(4)를 통과하면 45도만큼 회전한다. 반대로 이 45도만큼 회전된 펄스는 다시 패러데이회전소자를 통과하면 45도만큼 더 회전하게 되어 결국 초기 선편광에 비해 90도만큼 회전시키는 역할을 하게 된다.
도 7은 전술한 실시예에서 사용된 포켈스셀을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 포켈스셀(5)의 역할을 도시한다.
포켈스셀(4)은 적당한 고전압이 가해지면 선편광(7)이 θ만큼 회전된 편광으로(6) 되는데 일정한 시간 (예: 10 나노초)만 이러한 역할을 하게 할 수 있다.
전술한 도 2 및 도 3의 실시예들은 전단 펄스 주입에 의한 유도 브릴루앙 산란 반사파의 보존을 위한 단순한 구성 예시로서 이외에도 동일한 목적을 위한 다양한 방법들이 존재한다. 예를 들어 펄스를 편광 성분에 의해 전단 펄스 및 주 펄스로 나누지 않고 펄스를 프리즘 등을 사용해 공간적으로 나누어도 언급한 전단 펄스 방법을 사용할 수 있으며 포켈스셀을 이용한 구성에서도 예시로 든 구성 외에 전단 펄스와 주펄스의 경로를 십자 형태로 배치하는 것도 가능하다. 즉, 단순히 위에서 언급된 구성 외에도 변형 구성은 얼마든지 가능하며 본 발명에서 제안한 전단 펄스 주입방법 또는 이와 유사한 방법을 사용하는 모든 방법이 본 발명의 권리임은 자명하다.
따라서, 본 발명의 전단펄스 입사 방법에 의한 파형보존은 시스템의 구성이 간단하고 여러개의 유도브릴루앙 산란 공액거울을 사용하는 시스템에서 연속적인 반사가 가능하도록 하여 손쉽게 적용이 가능하도록 하는 효과를 제공한다.

Claims (7)

  1. 입사펄스를 두 개의 펄스로 분리하는 광분리기;
    유도 브릴루앙 산란파를 발생하는 하나이상의 SBS-PCM; 및
    상기 SBS-PCM으로의 상기 두 개의 펄스간의 입사시간을 조절하기 위한 미러;를 포함하며,
    상기 분리된 하나의 펄스가 전단펄스로 상기 SBS-PCM으로 먼저 입사하여 반사된 후, 상기 미러에 의한 시간차에 의해 상기 나머지 하나의 펄스가 주펄스로 상기 SBS-PCM으로 입사하여 반사되는 것을 특징으로 하는 전단펄스를 이용한 유도브릴루앙 산란파의 파형보존장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 광분리기는
    능동소자인 포켈스셀을 사용하며 포켈스셀에 가해지는 고전압에 의해 편광을 조절함으로써 펄스를 분리하는 것을 특징으로 하는 전단펄스를 이용한 유도브릴루앙 산란파의 파형보존장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 광분리기는
    수동소자인 1/2파장판을 사용하는 것을 특징으로 하는 전단펄스를 이용한 유도브릴루앙 산란파의 파형보존장치.
  4. 제 2항 또는 제 3항에 있어서,
    상기 광분리기는
    입사펄스를 편광성분에 따라 두 개의 펄스로 분리하는 것을 특징으로 하는 전단펄스를 이용한 유도브릴루앙 산란파의 파형보존장치.
  5. 입사펄스를 두 개의 펄스로 분리하는 제 1단계;
    상기 분리된 하나의 펄스를 전단펄스로 하여 산란파발생소자에 입사시켜 반사하는 제 2단계;
    상기 나머지 하나의 펄스를 주펄스로 하여 상기 전단펄스가 산란파발생소자로부터 반사된 이후에 입사되도록 입사시간을 조절하는 제 3단계; 및
    상기 조절된 입사시간차를 두고 주펄스를 상기 산란파발생소자에 입사시켜 반사하는 제 4단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전단펄스를 이용한 유도브릴루앙 산란파의 파형보존방법.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 산란파발생소자는
    유도브릴루앙 산란 위상공액거울(SBS-PCM)인 것을 특징으로 하는 전단펄스를 이용한 유도브릴루앙 산란파의 파형보존방법.
  7. 제 5항에 있어서,
    상기 제 1단계는
    입사펄스를 편광성분에 따라 두 개의 펄스로 분리하는 것을 특징으로 하는 전단펄스를 이용한 유도브릴루앙 산란파의 파형보존방법.
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