KR101064083B1 - 비선형 광학매질의 직렬 광매개 증폭기 - Google Patents

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Abstract

비선형 광학매질의 직렬 광매개 증폭기가 개시된다. 비선형 광학매질의 직렬 광매개 증폭기는 제n 신호광(상기 n은 자연수)을 발생하는 신호광 발생부와, 제n 펌프광을 발생하는 펌프광 발생부와, 제n 신호광을 제n 펌프광을 이용하여 증폭하여 제n+1 신호광으로서 출력하고, 증폭에 이용된 제n 펌프광을 제n+1 펌프광으로서 출력하는 제n 증폭부를 포함한다.
비선형 광학매질, 증폭기, 신호광, 펌프광

Description

비선형 광학매질의 직렬 광매개 증폭기{Serial-stage optical parametric amplifier using nonlinear crystals}
본 발명의 실시예는 비선형 광학매질의 직렬 광매개 증폭기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 복수 개의 증폭부에서 신호광 증폭시 펌프광을 재사용함으로써, 에너지 효율을 극대화할 수 있는 비선형 광학매질의 직렬 광매개 증폭기에 관한 것이다.
레이저가 개발된 이후 비선형 광학의 급속한 발전과 더불어 기존의 레이저 매질에서 얻기 힘든 새로운 파장대역의 레이저광원에 요구가 증가하면서, 광매개증폭은 많은 관심을 받는 분야가 되었다.
레이저 증폭에 이용되는 기술은 예를 들어, 펄스처핑 광학매개증폭(opctical parametric chirped pulse amplification, OPCPA) 기술일 수 있다. 펄스처핑 광학매개증폭 기술은 펄스를 시간적으로 늘리고 다시 압축하는 기본적인 구조는 처프 펄스 증폭(chirped pulse amplification, CPA)과 유사하지만, 증폭매질 대신 비선형광학매질로 구성된 광매개 증폭기를 이용하여 증폭하는 점이 처프 펄스 증폭과 다르다.
광매개 증폭기는 복수 개의 증폭부를 포함한다. 이때, 복수 개의 증폭부에 각각 공급된 펌프광은 광학매개증폭 이후, 버려졌다. 그러나, 각 증폭부에서 펌프광의 에너지 사용률은 1% 를 초과하지 않으므로, 99% 이상의 에너지가 버려짐에 따라, 에너지 효율이 낮다.
따라서, 각 증폭부에서 펌프광을 재사용하여 에너지 효율을 높일 수 있는 비선형 광학매질의 직렬 광매개 증폭기가 필요하다.
본 발명의 실시예는, 제1 증폭부에서 신호광 증폭시 사용한 펌프광을, 제2 증폭부에서 신호광 증폭시 재사용하여 에너지 효율을 극대화할 수 있는 비선형 광학매질의 직렬 광매개 증폭기를 제공하고자 한다.
본 발명의 실시예에 따른 비선형 광학매질의 직렬 광매개 증폭기는 제n 신호광(상기 n은 자연수)을 발생하는 신호광 발생부와, 제n 펌프광을 발생하는 펌프광 발생부와, 상기 제n 신호광을 상기 제n 펌프광을 이용하여 증폭하여 제n+1 신호광으로서 출력하고, 상기 증폭에 이용된 상기 제n 펌프광을 제n+1 펌프광으로서 출력하는 제n 증폭부를 포함한다.
여기서, 상기 n이 1일 경우, 상기 제n 증폭부는, 제1 신호광을 제1 펌프광을 이용하여 증폭하여 제2 신호광으로서 출력하고, 상기 증폭에 이용된 상기 제1 펌프광을 제2 펌프광으로서 출력하는 제1 증폭부와, 상기 제2 신호광을 상기 제2 펌프광을 이용하여 증폭하여 제3 신호광으로서 출력하고, 상기 증폭에 이용된 상기 제2 펌프광을 제3 펌프광으로서 출력하는 제2 증폭부와, 상기 제3 신호광을 상기 제3 펌프광을 이용하여 증폭하여 제4 신호광으로서 출력하고, 상기 증폭에 이용된 상기 제3 펌프광을 제4 펌프광으로서 출력하는 제3 증폭부를 포함한다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 제1 증폭부에서 신호광 증폭시 사용한 펌프 광을, 제2 증폭부에서 신호광 증폭시 재사용하여 에너지 효율을 극대화할 수 있다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 비선형 광학매질의 직렬 광매개 증폭기에 대해 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 비선형 광학매질의 직렬 광매개 증폭기의 구성을 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 비선형 광학매질의 직렬 광매개 증폭기(101)는 신호(signal)광 발생부(103), 펄스 스트레처(pulse stretcher)(105), 펌프(pump)광 발생부(107), 제n 증폭부, 제n 편광 분리부(polarization beam splitter: PBS) 및 제n 빔 미러(beam mirror)를 포함한다.
신호광 발생부(103)는 펨토초 레이저 장치일 수 있고, nJ(femto second)에너지의 신호광을 발생시킬 수 있다.
펄스 스트레처(105)는 펨토초(femto second)의 신호광을 수신하고, 수신된 펨토초의 신호광을 나노초(nano second)의 광으로 스트레치한다. 이때, 펄스 스트레처(105)는 광학소자들의 손상문턱에너지를 고려하여, 신호광을 스트레치할 수 있다.
펌프광 발생부(107)는 펌프광을 발생한다. 이때, 펌프광은 p 편광(p-polarization)으로 편광시킨 펌프광으로서, 신호광을 증폭시킬 수 있는 문턱값 예를 들어, 532nm, 100mJ/cm2 이상일 수 있다.
제n 증폭부는 복수 개의 증폭부, 펄스 콤프레서(pulse compressor)(115) 및 빔 덤퍼(beam dumper)(117)를 포함할 수 있다. 이때, n이 1일 경우, 제n 증폭부는 제1 증폭부(109a), 제2 증폭부(109b) 및 제 3 증폭부(109c)를 포함한다. 여기서, 제n 증폭부는 예를 들어, 3개의 증폭부를 포함하는 것으로 언급하였으나, 증폭부의 수는 이에 한정되지 않는다.
구체적으로, 제1 증폭부(109a)는 제1 신호광(211)을 제1 펌프광(201)을 이용하여 증폭하여 제2 신호광(213)으로서 출력하고, 증폭에 이용된 제1 펌프광(201)을 제2 펌프광(203)으로서 출력한다. 여기서, 제1 펌프광(201)은 p 편광(p-polarization)으로 편광된 펌프광이고, 제1 신호광(211)는 s 편광(s-polarization)으로 편광된 신호광일 수 있다.
제2 증폭부(109b)는 제2 신호광(213)을 제2 펌프광(203)을 이용하여 증폭하여 제3 신호광(215)으로서 출력하고, 증폭에 이용된 제2 펌프광(203)을 제3 펌프광(205)으로서 출력한다.
또한, 제 3 증폭부(109c)는 제3 신호광(215)을 제3 펌프광(205)을 이용하여 증폭하여 제4 신호광(217)으로서 출력하고, 증폭에 이용된 제3 펌프광(205)을 제4 펌프광(207)으로서 출력한다. 이때, 각 증폭부(109a ~ 109c)는 펌프광과 신호광을 동시에 입력 받고, 이전 단계의 증폭부에서 사용한 펌프광을 재사용하여 신호광을 증폭함으로써, 에너지 효율을 극대화할 수 있다.
제1 증폭부(109a) 및 제2 증폭부(109b)는 비선형 증폭매질로서, 위상정합에 적합하게 계산하여 컷팅된 BaB2O4(BBO)를 이용하고, 제3 증폭부(109c)는 비선형 증 폭매질로서, 위상정합에 적합하게 계산하여 컷팅된 LiB3O5(LBO)를 이용할 수 있다. 여기서, LiB3O5(LBO)는 BaB2O4(BBO)에 비해, 손상문턱값이 상대적으로 높으나, 증폭이득은 상대적으로 낮을 수 있다.
또한, 제1 증폭부(109a)는 약 102 이하의 증폭이득을, 제2 증폭부(109b)는 약 105 이하의 증폭이득을, 제3 증폭부(109c)는 약 108 이하의 증폭이득을 가질 수 있다.
펄스 콤프레서(115)는 제3 증폭부(109c)에서 출력되는 제4 신호광(217)을 펨토초(femto second) 펄스의 광으로 변환하여 GW의 파워(power) 광(219)을 출력한다.
여기서, 제1 내지 제3 증폭부(109a ~ 109c)의 제1 내지 제 3증폭 및 펄스 콤프레서(115)의 출력에 있어서, 각 신호광 및 펌프광에 대한 증폭이득은 예를 들어, 도 2에 도시된 바와 같다.
도 2를 참조하면, 제1 증폭시 이용한 펌프광을 제2 증폭시 재사용함에도 불구하고, 제1 증폭시 이용되는 제1 펌프광(203)과 제2 증폭시 이용되는 제2 펌프광(205)의 에너지 크기가 거의 유사함을 알 수 있다.
따라서, 제1 증폭시 이용한 펌프광을 제2 증폭시 재사용하고, 제2 증폭시 이용한 펌프광을 제3 증폭부에서 신호광 증폭시 재사용한 경우에도, 충분히 신호광이 증폭되어 펨토초(femto second) 펄스의 신호광(219)이 출력되는 것을 확인할 수 있다. 결과적으로, 각 단계별 증폭시 펌프광을 발생시키지 않고, 제1 증폭시 발생한 펌프광을 제2 및 제3 증폭시에도 재사용함으로써, 에너지 효율을 극대화할 수 있다.
도 1을 다시 참조하면, 빔 덤퍼(117)는 제3 증폭부(109c)에서 출력되는 제4 펌프광(207)의 에너지가, 제4 신호광(217)을 증폭시킬 수 있는 기설정된 문턱값 이하로 감소된 경우, 제4 펌프광(207)을 흡수한다.
제n 편광 분리부는 제n 전-편광 분리부 및 제n 후-편광 분리부를 포함한다.
제n 전-편광 분리부는 제n 증폭부 앞에 위치하여, 제n 펌프광을 제n 증폭부로 입사시킬 수 있다. 제n 전-편광 분리부는 예를 들어, 제1 내지 제3 전-편광 분리부(111a_1 ~ 111a_3)를 포함하고, 제1 내지 제 3 증폭부(109a ~ 109c) 앞에 각각 위치하여, 펌프광을 제1 내지 제 3 증폭부(109a ~ 109c)로 입사시킬 수 있다.
제n 후-편광 분리부는 제n+1 펌프광과 제n+1 신호광을 분리할 수 있다. 제n 후-편광 분리부는 예를 들어, 제1 내지 제 3 후-편광 분리부(111b_1 ~ 111b_3)를 포함하고, 제1 내지 제 3 증폭부(109a ~ 109c) 뒤에 각각 위치하여, 신호광과 펌프광을 분리할 수 있다.
구체적으로, 제1 후-편광 분리부(111b_1)는 제1 증폭부(109a) 뒤에 위치하여, 제1 증폭부(109a)에서 출력되는 제2 펌프광(203)과 제2 신호광(213)을 분리하고, 제2 후-편광 분리부(111b_2)는 제2 증폭부(109b) 뒤에 위치하여, 제2 증폭부(109b)에서 출력되는 제3 펌프광(205)과 제3 신호광(215)을 분리할 수 있다. 또한, 제3 후-편광 분리부(111b_3)는 제3 증폭부(109c) 뒤에 위치하여, 제3 증폭부(109c)에서 출력되는 제4 펌프광(207) 및 제4 신호광(217)을 분리할 수 있다.
제n 빔 미러는 제n 펌프 빔 미러(pump beam mirror)(113a) 및 제n 신호 빔 미러(signal beam mirror)(113b)를 포함한다. 제n 펌프 빔 미러(113a)는 제n 증폭부 앞 또는 뒤에 각각 위치하여 제n 펌프광 및 제n+1 펌프광을 반사하여, 제n 증폭부로 향하게 하고, 제n 신호 빔 미러(113b)는 제n 증폭부 앞 또는 뒤에 각각 위치하여 제n 신호광 및 제 n+1 신호광을 반사하여, 제n 증폭부로 향하게 한다.
본 발명의 일실시예에 따른 비선형 광학매질의 직렬 광매개 증폭기는 제1 증폭부에서 신호광 증폭시 사용한 펌프광을, 제2 증폭부에서 신호광 증폭시 재사용하고, 제2 증폭부에서 신호광 증폭시 사용한 펌프광을, 제3 증폭부에서 신호광 증폭시 재사용함으로써, 에너지 효율을 극대화할 수 있다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 비선형 광학매질의 직렬 광매개 증폭기의 구성을 나타내는 도면이다.
도 2는 복수 개의 증폭부의 증폭시 신호광 및 펌프광에 대한 증폭이득을 도시한 도면이다.

Claims (7)

  1. 제n 신호광(상기 n은 자연수)을 발생하는 신호광 발생부;
    제n 펌프광을 발생하는 펌프광 발생부; 및
    상기 제n 신호광을 상기 제n 펌프광을 이용하여 증폭하여 제n+1 신호광으로서 출력하고, 상기 증폭에 이용된 상기 제n 펌프광을 제n+1 펌프광으로서 출력하는 제n 증폭부
    를 포함하는 비선형 광학매질의 직렬 광매개 증폭기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 n이 1일 경우,
    상기 제n 증폭부는,
    제1 신호광을 제1 펌프광을 이용하여 증폭하여 제2 신호광으로서 출력하고, 상기 증폭에 이용된 상기 제1 펌프광을 제2 펌프광으로서 출력하는 제1 증폭부;
    상기 제2 신호광을 상기 제2 펌프광을 이용하여 증폭하여 제3 신호광으로서 출력하고, 상기 증폭에 이용된 상기 제2 펌프광을 제3 펌프광으로서 출력하는 제2 증폭부; 및
    상기 제3 신호광을 상기 제3 펌프광을 이용하여 증폭하여 제4 신호광으로서 출력하고, 상기 증폭에 이용된 상기 제3 펌프광을 제4 펌프광으로서 출력하는 제3 증폭부
    를 포함하는 비선형 광학매질의 직렬 광매개 증폭기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 증폭부 및 상기 제2 증폭부는 비선형 증폭매질로서, BaB2O4(BBO)를 이용하고,
    상기 제3 증폭부는 비선형 증폭매질로서, LiB3O5(LBO)를 이용하는, 비선형 광학매질의 직렬 광매개 증폭기.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 제1 증폭부는 102 이하의 증폭이득을,
    상기 제2 증폭부는 105 이하의 증폭이득을,
    상기 제3 증폭부는 108 이하의 증폭이득을 갖는, 비선형 광학매질의 직렬 광매개 증폭기.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 제n 증폭부는,
    상기 제4 신호광을 펨토초(femto second) 펄스의 광으로 변환하는 펄스 콤프레서(pulse compressor)
    를 더 포함하는 비선형 광학매질의 직렬 광매개 증폭기.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 제n 증폭부는,
    기설정된 문턱값 이하로 상기 제4 펌프광의 에너지가 감소된 경우, 상기 제4 펌프광을 흡수하는 빔 덤퍼(beam dumper)
    를 더 포함하는 비선형 광학매질의 직렬 광매개 증폭기.
  7. 제1항에 있어서,
    제n+1 펌프광과 제n+1 신호광을 분리하는 제n 후-편광 분리부(PBS: Polarization Beam Splitter)
    를 더 포함하는 비선형 광학매질의 직렬 광매개 증폭기.
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