KR101324265B1

KR101324265B1 - 레이저 장치

Info

Publication number: KR101324265B1
Application number: KR1020067018961A
Authority: KR
Inventors: 마이클 메이슨; 던칸 파슨스카라바실리스; 니콜라스 헤이; 켈리 매튜; 앤드류 콤레이; 벌리 컴버랜드; 마이클 폴터
Original assignee: 파워레이즈 포토닉스 리미티드
Priority date: 2004-02-23
Filing date: 2005-02-23
Publication date: 2013-11-01
Also published as: US7970039B2; JP2007523499A; TW200529523A; KR20070022664A; US20080037597A1; WO2005083851A2; WO2005083851A3; EP1721370A2

Abstract

제 1 실시형태에서, 본 발명은 2개의 거울들(214, 216)에 의해 형성된 광 공진 공동(200) 내에 배치된 Nd:YAG(Neodymium doped YAG) 이득 매체(202)를 이용한다. 전력 추출은 지정 레이저 공동에 대해 최대가 된다. 특히 로드 말단들 상의 오목한 굴곡은 열 렌즈의 강도를 변형하기 위한 음의 렌징 요소로서 기여한다. 제 2 실시형태에서, 본 발명은 제 1 실시형태에서 기술된 레이저 이득 매체 또는 발진기로부터의 방출광을 모으기 위한 렌징 요소로서 작용하는 굴곡진 말단들을 가진 증폭기 로드 매체를 이용한다. 열 렌즈와 굴곡진 로드 말단들의 조합은 광이 레이저로부터 직접 연결되도록 하는 렌징 효과를 생성한다. 게다가 입력 펌프 전력의 변화는 증폭기 로드 내에서 형성된 열 렌즈의 제어를 가능하게 한다.

열 렌즈, 렌징 요소, 레이저, 입력 펌프 전력, 증폭기 로드

Description

레이저 장치{A laser apparatus}

본 발명은 분리된 고체 상태 레이저 이득 매체 및 레이저와 함께 사용하기 위한 증폭기 및 구체적으로 내부 또는 외부에서 사용하기 위한 레이저 발진기 공동(laser oscillator cavity)에 관한 것이다.

로드(rod)와 같은 펌핑(pumping)된 이득 매체를 포함하는 레이저 증폭기들의 사용은 레이저로부터 방출된 광출력(optical power)을 증가시키기 위한 것으로 공지되어 있다. 증폭기들은 레이저 발진기 공동의 출력 장치에 위치될 수 있거나 또는 발진기 공동 내부에 위치될 수 있으며 추가적인 광출력을 제공할 수 있다. 펄스파 또는 지속파 레이저에 의하면, 증폭으로부터 이용가능한 증가된 전력 출력이, 박막 절제, 표면 세척, 또는 높은 평균 전력이 필요한 임의의 응용예와 같은 많은 레이저 응용예들에 사용될 수 있다. 그러나 효과적인 증폭을 제공하기 위해 레이저로부터 증폭기로의 효과적인 광연결이 필요하다.

공지된 레이저 이득 매체 및 증폭기들에서는 다양한 문제점들이 있는데, 예를 들어 로드 배럴(rod barrel)을 따라 냉각조를 향해 방사상으로 확산하는 로드 내에 축적된 열로 인한 열 효과들이 실제적인 렌징(lensing) 요소를 일으킬 수 있다. 이것은 가변 굴절율을 제공하여 "열 렌즈"를 제공하게 된다.

열 렌즈는, 굴절율이 반지름에 따라 변화하게 하는, 로드 중심으로부터 냉각된 가장자리로의 열 변화 때문에 생긴다. 유력한 열 렌즈는 수 센티미터 내지 수십 센티미터의 초점 거리를 가진다. 로드의 열 렌즈는 주로 로드 직경, 전체 흡수 펌핑 전력 및 로드의 펌핑된 길이에 의존한다.

열 렌즈 효과들을 보상하기 위해 레이저 발진기 내의 굴곡 거울들과 같은 다양한 해결책들이 제안되지만, 이러한 해결책들은 제한된 공동 안정성, 감소된 전력과 추출 효율성, 및 증가된 전력 임계값을 포함하는 다양한 결점들을 가진다. 그러므로 이러한 해결책들은 매우 높은 출력 전력들에 대해서는 적절하지가 않다.

US6193711에 기술된 하나의 해결책이, 플래시램프(flashlamp) 전류를 제어함으로써 레이저로부터의 저반복률 펄스들을 제어하는 플래시램프 펌핑 이득 스위치 Er:YAG 레이저(flashlamp pumped, gain switched, Er:YAG laser)에 관한 것이다. 오목 로드 말단들이 완전한 열 렌징 보상을 제공하기 위해 사용되고 짧은 공동이 2개의 평면 거울들에 의해 형성된다.

US6193711에 따르면, 다른 폭들의 전류 펄스들이 다른 에너지들 및/또는 지속시간들의 펄스들을 출력하기 위해 사용된다. 게다가 플래시램프 제어가 열 로딩(thermal loading) 상수를 유지함으로써 일정한 열 렌징을 유지하기 위해 행해진다. 이러한 배열은 지정된 전력 준위에 대한 열 렌징만을 취소한다. 따라서 이러한 배열에서는 긴 공동들에 대해 고전력을 가진 안정된 출력을 얻는 것이 어려운 문제점이 있다.

그러나 편평한 공동 거울들과 제로(zero) 전체 로드 렌즈 강도가 안정된 가 장자리에서 파비-페롯(Farby-Perot) 공동을 형성할 것이기 때문에, 완전한 열 보상은 넓은 동작 범위의 출력 전력들에 대해 부적절하다. 게다가, 플래시램프가 오래되면 출력 안정성이 감소될 수 있다.

또 다른 실시형태에서, 레이저 이득 매질 또는 레이저 발진기와 증폭기 매질 사이의 연결 조건들은 광선 오버랩(beam overlap)과 레이저 이득 매체에서의 에너지 추출을 감소시킬 수 있는 열 렌징 효과들을 고려해야 한다.

다양한 해결책들이 효율적인 광연결을 위해 제안되었다. US 2004/0028108에 기술된 일 실시예는, 릴레이-이미징(relay-imaging) 광학을 이용하여 레이저 광을 증폭기로 연결하는 방법에 관한 것이다. 도 1은 영상을 발진기 이득 매체로부터 타깃(target) 증폭기 매체로 전하는 데에 필요한 선행 기술 배열의 구성을 도시한다. 이 실시예에서 렌즈들(12, 14)을 포함하는 유닛 확대 광학 기계(10)는 발진기(16) 내의 공간의 각 점을 증폭기(18) 내의 대응하는 점으로 영사하는 데에 이용된다. 광학 기계(10)는, 레이저 발진기와 비교할 때 이득 매체의 크기들의 차이들의 원인이 되어 확대 또는 축소를 행한다. US 5237584에 기술된 또 다른 방법은 하나의 증폭기 모듈을 옆으로 영사하기 위해 굴곡 공동 거울들을 이용한다.

그러나, 몇 가지 문제점들이 현재의 중계 영사 기술들에 존재한다. 추가적인 광학 장치들을 이용하면 구성요소들의 개수가 증가하고, 광학 구성요소들을 손상시킬 수 있는 중간 초점들을 형성할 수 있다. 게다가, 추가적인 광학 장치들은 최대 연결 효율성을 달성하기 위해 정밀한 정렬을 필요로 한다.

또 다른 실시형태에서, 레이저들의 펄스 동작을 얻기 위해 Q-스위칭과 같은 기술들을 사용하는 것이 공지되어 있다. 하나의 공지된 방법이 "음향 광학 Q-스위치들, 501쪽, 고체 상태 레이저 엔지니어링, W. 코에너(Koechner), 제 5 판 스프링어-벌라그(Springer-Verlag) 1999"에 기술되어 있다. 본 명세서에 기술된 방법에 따르면, 단일 음향 광학 변조기의 사용은 이득 매체 및 2개의 공동 거울들을 포함하는 공동 내의 Q-스위치로서 제공된다. Q-스위치는, 손실이 높을 때 레이저 로드 내에 저장된 에너지가 고준위들로 되는 것을 허용하고 손실이 낮을 때 짧은 펄스의 광을 방출할 수 있는 손실 변조기로서 사용된다. 그러나, 이러한 배열에서는 높은 변조기 전력에서 Q-스위치가 편광에 의존할 수 있기 때문에 광의 모든 편광들에 대해 효과적이지 않을 수 있다.

또 다른 실시형태에서, 주파수 증폭은 기본 레이저 주파수로부터 요망된 출력 주파수들을 제공하는 레이저들에서 공지되어 있다. 예를 들어, US5943351에서 제 3, 제 4, 제 5 및 제 6 조화파들이 생성된다. 디자인은 공동 광선 축을 따라 배치된 이득 매체, Q-스위치, 공동 거울들 및 조화파 생성 결정을 가진 선형 구성을 이용한다. 특히 주 공동은 거울들에 의해 경계를 이루고 제 2 조화파 생성기는 공동 거울과 또 다른 내부 거울 사이의 공동 내에 제공된다. 공동의 출력은 기본 및 제 2 고조파 방사를 결합하는 공동의 외부의 또 다른 조화파 발생기에 의해 수신된다. 비선형 결정들은 기본 레이저 방사를 단파장들로 변환하는 데에 이용된다. 조화파 생성을 위한 특정 결정의 효율성이 비선형 계수에 의해 특정지어질 수 있고, 더 높은 계수를 가질 수록 더 좋은 효율성을 가진다. 결정이 효율적으로 변환하기 위해, 입력 레이저 광선의 전파 벡터는 결정 축을 따라 정렬된다. 최적 각도로부터 벗어나면 변환 효율성이 감소된다. 최대 조화파 변환 효율성은 낮은 M² 광선을 높은 비선형 계수를 가진 비선형 결정으로 정렬함으로써 달성된다. 낮은 M² 광선들은 잘 정의된 전파 벡터를 가지므로, 전체 광선이 결정 축을 따라 좋게 정렬된다. 높은 전력을 가진 낮은 M² 광선을 생성하는 것은 매우 어렵지만 반드시 높은 전력의 녹색 광선을 생성하는 가장 효율적인 방식이라고 볼 수는 없다.

본 발명은 청구항들에서 제시되고 있다. 본 발명에 따르면, 선행 기술의 문제점들 중 적어도 일부를 방지하는 Q-스위치 다이오드 펌핑 Nd:YAG 고전력 레이저(Q-switched, diode pumped, Nd:YAG high power laser)가 제공된다. 추가적으로, 이득 매체 말단들의 프로파일링 때문에, 광선이 이득 매체를 통과하고, 광선 체적이 레이저 매체 내부의 이득 체적과 잘 오버랩(overlap)되기 때문에 높은 추출 주파수를 얻는다. 최대 전력이 지정된 공동에 대해 추출된다. 증폭기 모듈들을 추가함으로써 전력의 크기를 간단하고 효율적으로 상승시킬 수 있다. 각각의 추가적인 이득 모듈은 출력 장치에 200W를 추가시킨다. 게다가, 광선 품질 M²은 각각의 추가적인 증폭기에 대해 1.5배 상승한다.

본 발명의 실시형태들은 예를 들어 도면들을 참조하여 기술될 것이다.

도 1은 선행 기술에 따른 영상 전달 시스템의 구성도이고;

도 2는 본 발명에 따른 열적으로 변형된 레이저 공동의 측면 구성도이고;

도 3은 공동 안정성 그래프이고;

도 4는 전체 로드 렌즈 강도에 대한 출력 전력의 그래프이고;

도 5는 로드 렌즈 강도에 대한 레이저 광선 품질(M²)의 그래프이고;

도 6은 레이저 펌핑 전력에 대한 레이저 광선 품질(M²)의 그래프이고;

도 7은 본 발명에 따른 증폭기 모듈의 측면 구성도이고;

도 8은 펌핑된 증폭기 모듈의 개략도이고;

도 9는 본 발명과 공동으로 사용하기 위한 레이저 모듈을 도시하고;

도 10은 거울 영상 구성에서 다중 증폭기 모듈들의 작업을 도시하고;

도 11은 낮은 M² 광선과 높은 M² 광선 사이의 이득 오버랩의 비교도이고;

도 12a는 0개의 열 렌즈를 가진 양질의 이득 오버랩의 구성도이고;

도 12b는 강한 열 렌즈를 가진 열등한 이득 오버랩의 구성도이고;

도 12c는 광선이 이득 매체를 대칭적으로 통과하도록 열 렌즈를 가진 최대 이득 오버랩의 구성도이고;

도 13은 열 렌즈 보상을 도시하는 구성도이고;

도 14는 본 발명에 대한 주요 디자인 기준을 도시하고;

도 15는 다중 증폭기 모듈들을 도시하고;

도 16은 본 발명에 따른 Q-스위치 공동의 측면 구성도이고;

도 17은 본 발명의 또 다른 실시형태에 따른 Q-스위치를 내장한 공동의 측면 구성도이고;

도 18은 본 발명의 일 실시형태에 따른 주파수 2배기를 포함하는 레이저 공동의 측면 구성도이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시형태는 2개의 거울들(214, 216)에 의해 형성된 광 공명 공동(200) 내에 설치된 네오디뮴 도핑 YAG(Neodymium doped YAG; Nd:YAG) 이득 매체(202)를 이용하고, 2개의 거울들(214, 216) 중 하나는 부분적으로 반사하고 2개의 거울들 중 다른 하나는 전체적으로 반사한다. 이득 매체는 레이저 다이오드 바 이미터(laser diode bar emitter; 220)들에 의해 이득 매체 길이방향 축에 직교한 방향으로, 즉 광학적으로 횡펌핑된다. 광학 공동 및 다이오드 바 이미터들의 배열은 배열의 중심에 동축으로 정렬된 이득 매체를 가진 긴 챔버(chamber)를 형성한다. 다이오드 펌핑 구성은 레이저가 높은 평균 전력에서 작동하고 강하게 펌핑될 수 있게 한다.

높은 전력 출력을 레이저로부터 얻기 위해, 이득 매체는 높은 전력 다이오드 바 이미터들에 의해 펌핑되어, 이득 매체에서의 열팽창 효과를 일으킨다. 이러한 효과는 레이저의 출력 특성에 대한 해로운 효과를 가질 수 있는 열 렌징을 일으킬 수 있다. 그러나 말단들이 굴곡면들을 형성하는 이득 매체를 제공함으로써, 본 발명은 열 렌징 효과들에 대한 감도를 경감시킨다. 최대값 동안 전력 추출이 지정된 레이저 공동에서 행해진다. 특히 로드 말단들에 대한 오목한 굴곡은 현실의 열 렌즈의 강도를 변경하기 위해 음의 렌징 요소(negative lensing component)를 제공한 다.

그러므로 통상의 디자인 기준과 반대로, 본 발명의 공동은 시스템이 지지할 최대값 M²에서 작동하도록 설계되어 있다. 레이저의 안정성의 정도는 이득 모듈들 사이의 자연적인 차이들에 기인하여 일어나는 열 렌징에서의 변화 또는 펌핑 다이오드의 사용기간으로 인한 변화에 대한 (로드 말단들의 적절한 프로파일링에 의한) 강도로서 주어진다. 시스템의 M²은 로드 직경(또는 다른 제한 개구)과 공동 길이와 관련된 공동 프레넬(Fresnel) 수와 열 렌즈에 의해 (궁극적으로는 펌핑 전력 및 이득 매체 유형에 의해) 결정된다. 시스템의 M²은 전력 추출 효율성과 출력 광선의 집중력 사이의 최고의 절충안을 제공하도록 선택되어 진다. 공동은, 예를 들어 출력 전력의 관점에서 작업 안정성을 제공하도록 설계되어 진다.

공동 안정성은, 1966년 10월 응용 광학 제5권 제10호의 코겔닉과 리에 의한 "레이저 광선과 공진기"에서 공개된 방법을 이용하여 정량화될 수 있다. 평면 거울들을 가진 공동 내에서의 안정성 파라미터들은 다음의 수학식 1 및 2에 의해 주어진다.

G1, G2는 각각의 공동에 대한 안정성 파라미터들이다.

f1과 f2는 레이저 로드 말단들의 등가 초점 거리들이다.

L1, L2, 및 L3는 제 1 거울과 제 1 로드 말단 사이의 길이, 로드 길이, 및 제 2 로드 말단과 제 2 거울 사이의 길이이다.

도 3은 2개의 이득 모듈 평면 공동 거울들을 포함하는 공동에 대한 공동 안정성 그래프를 도시한다. 어두운 영역들은 공동이 안정된 것으로 고려되는 영역들을 도시한다. 안정된 공동은 연속적인 원형 이동 상에서 공동을 떠나지 않는 모드를 지지하는 공동이다. 2개의 이득 모듈들에서의 렌즈 강도가 0 디옵터(Diopters)로부터 증가함에 따른 공동 안정성의 경로를 도시한다. 공동의 선택된 입력 전력이 안정성 그래프의 안정된 영역의 중간에 놓이도록 공동을 설계하는 것이 중요하다. 전력과 펄스 지속 시간이 안정되도록 레이저의 출력 파라미터들을 확보한다. 펌핑 전력이 증가함에 따라 (도 3의 백색 영역에 의해 가리켜진) 공동이 안정되지 않은 작동 체제가 되지 않도록 하는 것이 중요하다. 이것은 레이저의 작업에서 불안정성을 일으킨다. 도 3에 도시된 것처럼, 펌핑 전력이 증가함에 따라 대각선은 백색 영역을 간결하게 통과한다. 이러한 형태는 (Q-스위치들과 같은) 2개의 이득 모듈과 다른 구성요소들을 가진 공동에서 불가피하다. 불안정성의 폭은 공동의 비대칭성에 의해 결정된다. 이것은 이득 모듈들과 공동 거울들 사이의 광 경로 길이에서의 작 은 비대칭성과, 이득 모듈들 사이의 로드 말단 곡률 반경 또는 열 렌즈 강도 사이의 차이들이 원인이 된다. 안정된 작동 영역 이내에 남아 있는 동안 이러한 불안정성으로부터 가능한한 멀리 설계 점(design point)을 확보하는 것이 중요하다.

도 4는 레이저 공동의 출력 전력과 전체 로드 렌즈 강도 사이의 관계(열 렌즈와 로드 말단 곡률의 조합)를 도시한다. 커브의 중간에서의 급강하는 안정성 그래프의 중심에서의 불안정성에 대응한다. 실제로는, 로드들의 절제 효과는 M² 커브의 2개의 안정된 영역들 사이의 간격을 메운다. 간격이 매우 크지 않다면(1 디옵터보다 더 크지 않다면), 레이저 로드는 (가파른 경사에 의해 제시된 것처럼) 레이징(lasing)을 정지시키지 않는다. 커브(X)의 우측의 완만부(가장 높은 커브)는, 공동이 불안정해지고 전력이 0으로 떨어지기 전에 전력 커브가 로드들의 수차에 의해 어떻게 변형되는 지를 도시한다. 공동은, 도 5에 도시된 것처럼 M²의 피크에서 동작하도록 설계된다. 이것은, 공동이 안정된 영역의 중간(~ 2.5 디옵터)에서 동작하고 로드들에서의 열 렌징에서의 변화와 이득 모듈들 사이의 자연적인 차이들에 대한 레이저 강도를 주도록 행해진다. 논의된 것처럼, 펌핑 다이오드들이 시간이 지나고 공동의 전력 준위가 변화할 때, 열 렌징의 변화들이, 예를 들어 동작 반복률의 변화들에 기인하여 일어날 수 있다. 이득 모듈들 사이의 차이들은, 로드 도핑 집중 또는 로드 말단 곡률 반경과 같은 이득 모듈을 구성하는 데에 이용되는 구성요소들의 작은 허용오차 차이에 기인하여, 이득 모듈들 사이의 구별들이 일어날 수 있다. 이러한 방식으로, M²을 포함한, 레이저의 출력 파라미터들은 본 발명에 따라 확고하 게 된다. 시스템의 M²이 펌핑 전력에 의해 (궁극적으로 로드 렌즈 강도에 의해) 결정될 때, 공동은 커브의 가파른 부분(예를 들면 도 5의 1 디옵터 부분)에서 동작하고 펌핑 준위에서의 작은 변화들은 M²과 출력 전력과 같은 출력 파라미터들에서 큰 변화들을 가져올 수 있다. 논의된 것처럼 공동이 안정 영역에서 작동할 때, 도 5에 도시된 안정성 커브의 기울기는 실질적으로 0이다. 즉, 커브가 현저히 편평하고 변화하지 않는다. 공동의 M²은 공동의 프레넬 수를 변화시킴으로써 변화될 수 있다. 이것은 레이저의 안정성에 영향을 주지 않고 개구를 (일반적으로 이득 모듈에 가까운) 공동에 삽입함으로써 행해질 수 있다.

당업자라면 알 수 있듯이, 이득 매체 말단 곡률, 및/또는 길이 및/또는 폭과 같은 공동의 구조, 또는 직경 및/또는 길이와 같은 이득 매체 크기를 변화시킴으로써 프레넬 수와 M²이 변화할 수 있다. 게다가, M²은, 예를 들어 이득 매체를 도핑함으로써 이득 매체 흡수를 변화시키거나; 예를 들어 로드에서의 온도 기울기의 변화를 통해 이득 매체에서의 굴절율 또는 굴절율의 분포를 변화시킴으로써 변화될 수 있다.

특히, 지정 작동 조건들 하에서만 수용가능 작동을 제공하고 상기 조건들 밖에서 불안정한 작동을 제공하는 열 렌징을 부정하기보다, 본 발명은 오히려 열 렌징을 이용한다. 본 발명은 열 렌즈의 요망된 강도가 바람직한 작동 조건 영역에서 달성되도록 공동을 설계함으로써 이루어진다. 특히 이득 매체는 요망된 작동 펌핑 전력에서 집중되는 적절한 광선 품질 M²을 제공하기 위해 공동 내의 다른 광 요소들과 결합하여 작동하도록 프로파일링된다. 이것은 주어진 공동 설계에 대해, 펌핑 전력에 대한 M²의 변화를 도시하는 도 6을 참조하여 더 잘 이해할 수 있다. 도시된 것처럼, M²은 펌핑 전력에 대하여 근사적으로 포물선형으로 변화하고 지정된 중심값에서 정점에 도달한다. 중심값에서의 펌핑 전력( 및 열 렌즈 강도)의 변화들은 M² 값에서의 부수적인 변화들과 광선 품질의 부수적인 변화를 일으킨다. 따라서, 열 렌징을 이용하여 M²이 레이저의 요망된 동작 전력에서 집중되도록 프로파일링되어 있다. 이런 방식으로, 최대 전력 추출이 지정된 펌핑 전력에서 작동하는 지정된 공동에 대하여 일어난다. 펌핑 전력과 출력 전력 사이의 관계가 근사적으로 선형이 되도록 공동이 광학적으로 대칭적이어야 한다. 또한 공동은 Q-스위치들과 다른 필요한 공동 구성요소들을 내장할 수 있도록 충분히 길어야 한다.

게다가 상술한 대로, 광학 공동을 형성하는 거울들이 평면형일 수 있으며, 파브리-페롯(Fabry-Perot; F-P)형 공동을 형성한다. F-P 공동 안에서 동축으로 실장된 굴곡진 이득 매체 말단들의 조합은 열 렌징 효과들에 대한 무감각과 변화들을 증가시켜 향상된 출력 특성들을 일으킨다. 킬로헤르쯔(kilohertz) 영역에서의 고전력 공진 Q-스위치 공동의 바람직한 실시형태에서, 이것은, 펄스 반복률이 공동이 강한 열 렌징 조건들에서 변화를 일으킬 수 있기 때문에 특히 장점이 있다.

그러나, 굴곡진 이득 매체 말단들은 레이저 증폭기 내와 레이저 발진기 외부 에서 이용될 수 있다. 발진기와 증폭기 사이의 최적의 결합은 중계 이미징(relay imaging)을 통해 이루어질 수 있다. 이에 대한 전형적인 방법이 "개구 광선들의 중계 이미징, 739 페이지, 레이저들, 에이. 시그먼, 유니버시티 사이언스 북스 1986(Relay imaging of apertured beams, page 739, Lasers, A. Siegman, University Science Books 1986)"에 기술되어 있는데, 발진기와 증폭기 사이의 광학 기계를 이용함으로써 발진기 내의 개구 광선을 증폭기로 최적의 결합을 사용하여 전송한다. 이러한 방법은 증폭기로의 입력 광선이 이득 프로파일에 최적으로 모드 매칭(mode-matching)되게 한다. 본 발명에 따르면, 증폭기의 열 렌즈를 시작 레이저 이득 매체에 맞추는 것은 이득 프로파일들의 오버랩을 일으키는 각각의 매체 사이의 모드 매칭을 확실하게 한다. 증폭된 초기 광선(seed beam)은 증폭기 이득 모듈에서 야기된 열 렌즈에 기인하여 양의 렌징을 경험한다. 열 렌즈 조절은 열 렌징의 효과가 감소되어 이득 오버랩을 최적화하도록 한다. 이득 모듈 증폭기가 같은 이득 모듈들을 이용하여 레이저 발진기와 결합하여 사용될 때, 중계 이미징이 중간의 광학 기계를 이용하지 않고 달성될 수 있다. 이러한 시스템에 대한 또 다른 장점은 초기 광선의 공간 프로파일이 증폭기의 이득 프로파일에 맞추어진다는 것이다(모드 매칭). 발진기 공동에서 이득 모듈들의 구성을 반영하는 또 다른 이득 모듈들이 추가될 수 있다.

게다가, 2개의 직교 음향 광학(acousto-optical; AO) 변조기들은 레이저 매체 사이의 발진기 공동으로 연결되고, 2개의 거울들 중 하나가 공동을 형성하고 Q-스위치를 제공한다. 일반적으로, Q-스위치는 손실이 높을 때 공동 내의 에너지가 높은 준위들이 되도록 하고 손실이 낮을 때에는 짧은 펄스의 광을 방출할 수 있는 손실 변조기로서 사용된다. AO 변조기들은, 힘 있는 고주파 신호가 압전 트랜스듀서(transducer)를 경유하여 인가될 때 회절 격자가 되는 투명한 광 물질로 이루어진다. 회절 격자는 공동으로부터 광을 방출하여, 손실을 제공한다. 특정 편광이 경험하는 변조의 깊이는 공급된 RF 전력에 의존한다. 대부분의 RF 전력에 대해, 단일 편광은 셀이 압축 모드일 때 더 많은 변조를 경험한다. 이러한 이유로 인해, 단일 AO Q-스위치들은 단일 편광을 이용하여 공동들 내에서 종종 사용된다. 통상적으로, 변조가 2개의 직교 편광들에 대해 동일하게 인가될 수 있는 특정 RF 전력이 있다. 단일 셀은 작동 영역에서 낮은 전력의 편광되지 않은 레이저에 대해 사용될 수 있다. 그러나 매우 높은 레이저 전력(예를 들어 100 와트(Watts))들과 매우 높은 이득에서, 큰 깊이의 변조가 공동을 Q-스위치하는 데에 필요하다. 이러한 이유로 인해, AO 변조기들에 인가된 전력은 매우 높게 (100 W 까지)증가하여 손실 변조를 최대화한다. 이것은 변조를 매우 편광 의존형으로 만들고, 2개의 직교 셀들이 본 발명에 따라 사용되어 필요한 변조를 달성한다. 셀들은 최적의 성능을 위해 브래그(Bragg) 영역 또는 근사적인 브래그 영역에 따라 정렬되어야 한다.

레이저 공동의 광 축에 직교한 교차된 AO 셀들을 이용하면, 각각의 셀들이 높은 RF 전력 작동의 결과로 인해 편광에 민감하더라도, 편광되지 않은 멀티모드(multimode) 작동을 지지할 수 있는 비편광 정밀 방지(non-polarisation sensitive hold-off)를 제공한다.

게다가, 고 반사(high reflection; HR) 물질을 가진 Q-스위치를 형성하는 AO 변조기의 외면을 코팅(coating)함으로써 위에서 언급한 반사 평면 거울을 대체하는 것이 가능하다. F-P 공동은 하나의 평면 부분 반사 거울과 이득 모듈로부터 가장 먼 AO 변조기의 후방 HR 코팅면에 의해 형성되어, 공동 거울을 필요로 하지 않는다. 이것은, 스위치 시간이 변조기의 광선 크기에 의존함에 따라 더 빠른 스위칭 속도를 제공한다. 광선 크기가 공동 거울들에서 가장 작아지기 때문에, 가장 빠른 스위칭 속도가 공동의 극단에서 달성될 것이다.

본 명세서에서 기술된 레이저는 짧은 펄스들을 생성하는 데에 종종 이용된다. 이득의 과도한 형성 때문에, 버스트(burst)에서의 제 1 펄스가 나머지와 다를 수 있다(일반적으로 더 강하다). 이것을 보상하기 위해, 여러 펄스들 사이에서 펌프 레이저 다이오드 전력을 변화시킴으로써 이득을 제어하는 펄스 제어 방법이 제공된다. 여러 펄스들 사이의 시간이 길다면, 열 렌즈 강도는 공동 내부 전력의 부족으로 인해 증가한다. 이것을 제어하기 위해, 다이오드 전력이 약간 감소되어 레이저가 여전히 레이징(lasing)하는 준위로 렌즈의 강도를 변화시킨다. 제 1 펄스 이전의 과도한 이득 형성을 보상하기 위해, 다이오드 전력은 공동 레이저 동작 임계치 밑으로 취해져 이득 모듈로부터 이득을 감소시킨다. 제 1 펄스는 나머지 펄스 트레인(pulse train)과 같은 이득을 경험할 것이다. (Q-스위치 다이오드 펌프 레이저에 적용할 수 있는) 이러한 방법은, AO 펄스 제어 방법(예를 들어, US4675872에 기술된 제 1 펄스 억제)들을 이용하면, 충격 계수와 반복률에 대해 레이저에 의해 방출된 펄스들의 전체 제어를 제공한다.

게다가, 광학 공동은 제 2 조화파 생성을 위해 주파수 2배기 또는 적절한 조 화파 생성기를 포함할 수 있다. 주파수 2배기는 비공진 하위 공동과 주파수 2배 결정에 의해 형성된다. 비공진 하위 공동은 F-P 광학 공동의 부분 반사 평면 거울( 출력 결합기)을 대체하고 이득 매체와 주파수 2배 결정 사이에 배치된 추가적인 이색성 평면 거울( 인라인(in-line) 거울)을 포함한다. 공동 거울들은 적절한 코팅에 의해 공동의 기본 주파수에 대해 반사율이 높다. 비공진 내부 공동의 타단을 형성하는 공동 거울은 2배 주파수를 통과시키는 반면에, 추가적인 인라인 거울은 2배 주파수를 반사하고 기본 주파수의 광선을 통과시킨다. 주파수 2배 결정은 하위 공동 내에 배치된 LBO와 같은 적절한 물질일 수 있다. 이러한 배열의 장점은, 제 2 조화파 생성이 (기본 TEM₀₀ 모드 작동 뿐만 아니라) 고전력 멀티모드 작동에 대해 지지되고, 출력은 모두 동일 주파수와 같은 방향을 가지고 예를 들어 작업물에 대해 직접 사용된다.

도 2를 참조하면, 열 렌즈 변형(202)을 가진 레이저 로드를 포함하는 레이저 공동(200)은 더욱 상세하게 보여질 수 있다. 단순한 설명을 위해, 추가적인 광학 장치들은 도시되지 않았다. 레이저 로드(202)는 바람직하게는 Nd:YAG로 형성되고 적절한 방식으로 공동(200) 내에 실장된다. 바람직한 실시형태에서, 레이저는 (1500 W 까지의) 매우 높은 펌핑 전력을 가진 고전력 레이저(150 내지 500 W)이므로, 레이저 로드의 열 효과들은 매우 중요해지고 특히 "열 렌징"이 일어난다. 열 렌징은 다양한 물리적 메커니즘의 결과로서 일어나지만 레이저 로드(202)의 단면에 걸쳐 열 변화의 생성을 일으켜 다양한 굴절률과 렌징 효과를 제공한다. 도 2로부터 볼 수 있는 것처럼, 레이저 축(208)에 대한 레이저 로드(204, 206)의 말단들은 열 렌징의 강도를 변형시키도록 오목하게 형성되어 있다. 듀얼 이득 모듈 공동 내의 수정 회전기 또는 단일 이득 모듈 공동 내의 패러데이 회전기와 같은 적절한 광학 장치가, 말단 굴곡에 의해 일어나는 증가된 이중 초점 효과들을 보상하도록 도입된다.

레이저 공동(200)은 레이징(lasing)을 허용하는 공진 공동을 제공하는 거울 말단들(214, 216)을 포함한다. 바람직한 실시형태에서, 거울들은 편평하고, 파브리-페롯(Fabry-Perot) 공동을 제공한다. 결과적으로, 공동(200)은, 편평한 공동 거울들(214, 216) 및 프로파일링된 레이저 로드 말단들(204, 206)에 의해 열 렌즈의 일정 범위의 강도들에 걸쳐 멀티모드 공동 모드를 지지할 수 있다. 게다가, 개구는, 공동의 프레넬 수를 변화시키기 위해 이득 모듈에 가깝게 배치되어, 공동 내에 포함될 수 있어, 공동의 M²이 변화되도록 허용한다.

개구는 적절한 방식으로 적절한 물질을 이용하여 형성될 수 있다. 바람직하게는 개구가 세라믹 물질로 형성되어 공동 내에서 높은 레이저 전력을 견딜 수 있다. 개구는 가변적일 수 있어 공동 M²의 연속적인 변화를 허용한다.

레이저의 구성요소들의 물질 및 제조는 당업자에게 잘 알려져 있고 본 명세서에는 기술되어 있지 않다. 예를 들어, 펌핑 배열은 이득 매체를 펌핑하기 위해 적절한 방출 파장을 가진 고전력 레이저 다이오드 배열일 수 있고, 레이저 로드는, 예를 들어 네오디뮴 도핑 YAG 단결정 또는 세라믹 또는 다른 적합한 레이저 매체와 같은 적절한 물질일 수 있고, 레이저 공동은 CVI 레이저 아이엔씨.(Inc.)로부터 얻을 수 있는 것과 같은 적합한 고전력 레이저 거울들에 의해 정해질 수 있다.

도 2를 참조하여 기술된 배열의 결과로서, 고전력 비편광 멀티모드 레이저 출력이 높은 펌핑 전력과 열 렌징의 변형을 이용하여 얻어질 수 있다. 특히 밑에서 상세히 논의된 것처럼, 편광되지 않은 나노세컨드 펄스 출력(nanosecond pulsed output)이 최대 전력 효율을 이용하여 얻어질 수 있다.

제 2 실시형태에서, 본 발명은 렌징 요소들로서 작용하는 굴곡진 말단들을 가진 증폭기 로드 매체를 이용하여 본 발명의 제 1 실시형태에서 기술된 레이저 이득 매체 및 발진기로부터의 방출광을 모은다. 열 렌즈와 굴곡진 로드 말단들의 조합은 빛이 추가적인 광학 장치들을 필요로 하지 않고 레이저에 직접 연결되도록 하는 결합된 렌징 효과를 생성한다. 게다가, 펌프 전력의 변화는 증폭기 로드 내에서 형성된 열 렌즈의 제어를 가능하게 한다.

도 8은 본 발명에 따른 고체 상태 네오디뮴 도핑 YAG(Neodymium doped YAG; Nd:YAG) 이득 매체(800)를 포함하는 증폭기 모듈을 도시한다. 이득 매체는, 이득 매체 길이 축에 직교한 펌프 방향에서 레이저 다이오드 바 이미터들(806)에 의해 광학적으로 횡펌핑된다. 펌프 소스와 이득 매체는 과도한 열을 제거하기 위해 냉각된다. 수냉각(water cooling)이 통상적이지만, 해당 기술분야에서 공지된 임의의 적절한 방법이 사용될 수 있다. 이득 모듈 내의 레이저 로드(800)는 오목 말단들(802, 804)을 가진다. 이것은 레이저 로드 내부에서 야기된 양의 열 렌즈를 변형하는 음의 렌징 요소들을 추가한다. 강한 열 렌즈가 높은 출력 전력들을 생성하기 위해 필요한 높은 펌프 전력들의 결과로서 생성된다. 이상에서 기술되거나 이하에서 기술되는 것과 유사한 방식으로, 열 렌즈와 로드 말단 굴곡의 전체 효과는 레이저 공동이 안정적 구성에서 동작하도록 하는 약한 양의 렌즈를 제공한다.

도 9에 도시된 것처럼, 증폭기 이득 모듈(912)은 레이저 발진기(900) 이후에 추가된다. 특히 증폭기 모듈(912)은, 사이에 이득 모듈(906)과 2개의 음향 광학 Q-스위치들(908, 910)을 가진 파브리-페롯형 공동을 포함하는 시스템의 레이저 발진기(900) 부로부터 입력 레이저 광선을 수신한다. 파브리-페롯 공동은 반사율이 높은 반사 거울(902)과 출력 결합기 거울(904)에 의해 형성된다. 이득 모듈(906)은 공동에 대한 이득을 제공하고 손실 변조는 한 쌍의 직교 음향 광학 변조기들에 의해 제공된다. 음향 광학 변조기들은 고전력 RF 신호가 인가되어 켜져 있을 때 공동으로부터 광선을 방출하여 손실을 제공한다. 이것은 공동 내의 에너지가 고준위가 되도록 한다. 음향 광학 변조기들이 꺼질 때, 공동은 레이징하도록 되고 저장된 에너지는 짧은 펄스의 광으로서 방출된다. 이러한 과정이 초당 수천번 반복되어 높은 피크 전력과 높은 평균 전력을 가진 펄스들을 생성한다. 이러한 구성은 30 내지 300 ns의 펄스 지속시간들과 3 내지 100 kHz의 반복률에서 400 W를 넘는 출력 전력을 전할 수 있다. 시스템의 광 품질(M²)은 근사적으로 22이다.

광자들이 출력 연결기 거울에 효과적으로 응하지 않음에 따라 레이저 발진기에 의해 방출된 광은 증폭기 이득 모듈에 자연적으로 결합된다; 도 10에 도시되고 이하에서 기술되는 것처럼, 또 다른 공동 내부 모듈이 있더라도 광자들은 추가적인 이득 모듈을 통과할 것이며, 다중 반복 공동들(1000, 1002)이 도시된다. 2개의 이득 모듈들이 발진기 내부에서 사용되면, 이득 오버랩이 단일 이득 모듈을 사용할 때와 같이 최적이 되지 않는다. 밀집된 공동 설계, 즉, 이득 모듈들 사이의 거리가 짧아질 때 최적이 된다.

도 7을 참조하면, 이득 로드(702)를 포함한 이득 모듈(700)이 도시된다. 위에서 논의된 것처럼, 이러한 증폭기 모듈은 레이저 발진기의 출력 장치에 연결되어 증폭기로서 작용할 수 있다. 이러한 경우에, 이득 로드의 열 렌즈 강도가 레이저 로드의 강도에 부합하면, 모드 매칭 구성은 이득 오버랩을 최적화하여 효율성과 출력 전력을 최적화한다. 이득 모듈(700)로부터 레이저 발진기(200)로의 반사를 방지하기 위해, 레이저 광선의 반사가 발진기 공동(200)으로부터 나오는 방향으로 일어나도록 로드 말단들은 로드 길이 축에 대하여 중심에서 벗어날 수 있다.

이상에서 논의된 것처럼, 증폭기 매체(802, 804)의 말단들은 렌징 요소를 제공하도록 오목하게 되어 있다(대부분의 경우에서 이러한 외형은 10 센티미터 정도의 곡률 반경을 가질 것이다). 도시된 실시형태에서, 레이저 및 증폭기 모듈들은 같은 크기를 가지고 주어진 펌프 전력에 대해 같은 렌즈 강도를 제공한다. 필요한 펌핑 전력에서, 양의 열 렌징과 음의 로드 말단 렌즈의 조합은 로드를 채우지 않고 최대 량의 광을 증폭기에 연결하기에 충분한 약한 양의 렌즈를 제공한다. 이상적으로는 증폭기가 레이저 이득 매체의 거울 영상이어서, 로드의 레이저 광의 존재가 열 렌즈의 강도를 변형할 때를 제외하면 다른 펌프 전력이 발진기와 증폭기 이득 모듈들에서 열 렌즈와 부합하는 데에 필요하다.

반면에, 레이저 공동이 이상에서 기술된 것처럼 구성되면, 증폭기 모듈이 동일하게 설계될 수 있고, 증폭기 모듈은 임의의 입력 레이저 광선과 협력하도록 맞추어질 수 있다. 이 경우에, 로드 말단들의 굴곡은 최적 결합을 제공하도록 설계되고, 출력을 예측하기 위해 많은 입력 파라미터들을 사용하는 전형적인 레이저 증폭기에 대한 간단한 모델의 논의로부터 이해될 수 있다. 수학식 3은 (J/㎠ 단위를 가진, 광선 영역에 의해 나누어진 펄스 에너지에 의해 정의된) 영향력(fluence)들에 의해 이와 같은 모델을 정의한다:

수학식 3에서, Γ_out은 증폭기의 출력 광선 세기이고, Γ_s는 이득 매체의 침투율이고, Γin은 입력 광선 세기이고 G₀는 소신호(small signal) 이득이다. 소신호 이득은 수학식 4에 의존한다:

수학식 4에서, P_P는 전체 입력 펌프 전력이고; η_T는 펌프 전력으로부터 로 드 내에 저장된 에너지로의 전송 효율이고; η_E는 추출 효율이다.

소신호 이득은 주어진 입력 전력, 광선 크기 및 반복률에 대해 증폭기의 출력 전력을 결정한다. 반복률이 더 높을 수록, 전체 출력 전력이 더 높을 지라도, 펄스 당 이용가능 이득이 더 낮아진다. 전송 효율(η_T)은 이득 매체의 양자 결손과 로드를 둘러싸는 펌프 챔버의 설계로 인한 것이다. 추출 효율(η_E)은 입력 광선이 레이저 로드에서 이득 체적과 얼마나 잘 오버랩하느냐에 의해 결정된다. 추출 효율은 M₂으로 알려진 입력 광선의 품질에 의해 영향을 받는다.

증폭기의 추출 효율에서 M2의 효과를 도시하기 위해, 균일한 분포를 가진 레이저 로드 내의 이득 체적은 도 11에 도시된다. 이득 프로파일은 진한 굴곡에 의해 도시되고 점선 굴곡은 광선 프로파일을 로드의 중심으로부터의 거리(r)의 함수로서 표현한다. 좌측의 굴곡은, 광선이 증폭기를 통과한 이후에 낮은 M²을 가진 광선이 이득 프로파일과 약하게 오버랩되어 사용되지 않은 이득을 많이 남겨 놓는 모습을 도시한다. 우측 굴곡은 높은 M²을 가진 광선이 이득 프로파일과 잘 오버랩하여 사용가능 이득이 더욱 효율적으로 추출되는 모습을 도시한다. 따라서, M²이 더 높을 수록 에너지가 더욱 효율적으로 추출된다는 것을 알 수 있다.

광선 오버랩의 중요성과 열 렌징의 효과를 도시하기 위해, 시준된 입력 광선이 0개의 열 렌즈를 가지고 이득 모듈(20)로 보내지면(도 12a 참조), 광선 체적이 로드 내부의 이득 체적과 잘 오버랩하기 때문에, 광선이 이득 매체를 통과하고 높 은 추출 효율을 달성한다. 위에서 논의된 것처럼, 이 경우에 최대 추출 효율은 입력 광선의 M²에 의해 제한된다.

그러나, 출력 전력을 필요한 만큼(추가 증폭기 당 약 200W) 증가시키기 위해 증폭기를 강하게 펌핑하는 것은 증폭기 이득 매체에서 양의 열 렌즈 효과를 생성한다.

강한 열 렌즈가 도 12b에서 점선 굴곡에 의해 도시될 때, 광선이 로드를 통과하고 나면 광선 직경이 빠르게 감소하기 때문에 시준된 입력 광선이 이득 체적과 적게 오버랩된다.

입력 광선이 이득 매체를 대칭적으로 통과할 때 (주어진 M²을 가진 광선에 대한) 최대 오버랩이 달성된다. 이것은 특히, 로드의 가장자리 주변보다 로드의 중심축 주변에서 더 많은 이득이 있을 때 들어맞는다.

따라서, 광선을 이득 모듈을 통하여 대칭적으로 통과시키기 위해, 추가적인 광선 조건 광학 장치들이 필요하다. 광선 조건 광학 장치가 입력 광선의 발산을 변조하여, 증폭기 모듈(24)에 가깝게 도 12c에서 "W"로 표시된 위치에서 광선 허리가 있게 된다. 열 렌즈가 더 강하게 되면, 허리는 증폭기 모듈에 더 가깝게 되어 열 렌즈를 대칭적으로 통과하게 된다.

증폭기 매체 또는 레이저 이득 매체(800)의 렌즈면들(802, 804)은 로드의 말단에 원호(RoC)를 형성함으로써 얻어진다. 0의 열 렌즈 효과가 이득 매체 내에 있는 경우에, RoC는 로드를 통하여 발산 광선을 시준(視準)하기 위해 오목하게 된다. 일반적으로, 오목한 RoC는 로드의 말단에서 사용되어 양의 열 렌즈의 균형을 잡기 위해 음의 렌징 요소를 제공한다. 도 13은 강한 열 렌징(52)을 보이는 이득 매체(51)가 레이저 로드의 입력 측에서 오목한 RoC(53)를 이용하여 어떻게 최적으로 결합하는 지를 도시한다. 광선은 로드의 입력측에서 타당한 직경을 가져야 하고, 로드 곡률은 비최적 입력 광선 발산에 대해 타당하다. 로드의 출구측의 RoC는 출력 광선의 연이은 사용을 위해 적합한 굴곡일 수 있다. 도 13에서는, 출구 RoC는 입력측과 동일하다.

따라서 적절한 RoC는 요망된 작업 조건들에 대해 결정되어야 한다. 명확함을 위해 다음 논의가 증폭기 매체 로드 말단들에 대해 적절한 RoC를 결정하는 것과 관련된다. 그러나, 당업자라면 유사한 방법이 발진기 이득 매체에 대한 RoC를 결정하기 위해 이용될 수 있다는 것을 알 수 있다.

처음에 열 렌징의 정도가 확인된다. 특정 증폭기 모듈의 열 렌즈가 펌프 소스(pump source)에 의해 펌핑될 때 특정 증폭기 모듈의 열 렌즈는 편평한 말단들을 가진 로드를 통하여 HeNe 레이저를 비춤으로써 결정될 수 있다. HeNe은 633nm에서 로드의 열 초점 길이와 같은 점에서 초점이 맞추어질 것이다. 동등한 렌즈 초점 거리는 증폭기 모듈의 레이징 파장에 대해 계산될 수 있다. 이러한 열 초점 거리는 공동 모델링 소프트웨어 패키지(cavity modelling software package) 내에서 사용되어 공동의 행동을 펌프 전력의 함수로서 모델링(modelling)한다. 제 2 방법은 열 확산 및 굴절율 변경식들을 이용하여 로드의 초점 거리를 계산하는 단계 및 필요한 공동 안정성을 제공하기 위해 로드 말단들에서 적합한 굴곡을 제공한다. 이러한 방 법은 "7장 열-광학 효과 및 열 제거, 406 페이지, 고체 상태 레이저 엔지니어링, W. 코에너, 5판 스프링어-벌라그 1999(Chapter 7. Thermo-Optic Effects and Heat Removal, page 406, Solid-State Laser Engineering, W. Koechner, Fifth Edition Springer-Verlag 1999)"에 기술되었다. 계산된 열 초점 거리는 이상의 공동 모델링 패키지 내에서 사용될 수 있다. 공동은 레이저 동작 임계값이 낮도록 설계되고 공동 모드의 M²은 요망된 동작 펌프 전력에서 정점을 이룬다. 이것은 최대 공동 안정성 및 무감각성을 확보하여 반복률 변화에 기인하여 열 렌징에서 변화한다.

증폭기 모듈 레이저 로드의 열 초점 거리(f_th)가 공지되어 있다면, 굴곡의 로드 말단 반경은 얇은 렌즈 모델을 이용하여 주어진 입력 광선 파라미터들에 대해 계산될 수 있다. 도 14는 이상적인 입력 광선(602)이 로드 내에서 이득 체적(연속선; 600)과 최적으로 어떻게 오버랩하는 지를 도시한다. 이상적인 입력 광선(602)은, 편평한 말단들을 가진 로드의 경우에 대해 입력 로드 말단(604)과 입력 로드 말단과 관련된 이상적인 발산(D_i)을 가진다. 임의의 입력 광선(점선; 606)의 광선 직경과 발산은 최적 추출 효율을 달성하기 위해 부합되어야 한다. 로드 입력단에서의 광선 직경은 수학식 5에 의해 근사적으로 계산될 수 있다:

수학식 5에서, D_R은 로드 직경, L_R은 로드 길이이고 f_th는 로드 열 초점 거리이다. 임의의 입력 광선의 허리는, 직경이 입력 로드 말단에서 D_i가 되도록 증폭기 모듈로부터 거리 d₀인 위치에 있다. d₀는 수학식 6에 의해 정해진다:

θ₀는 임의의 입력 광선 발산 반각이다. 임의의 입력 광선의 발산이 증폭기 모듈 내부의 이상적인 입력 광선의 발산과 부합하도록 임의의 입력 광선의 발산을 변형하기 위해, 수학식 7에 의해 주어진 음의 반경을 가진 굴곡이 로드의 말단에 위치되어야 한다:

n_L은 증폭기 이득 매체의 굴절율이고 n_air은 공기의 굴절율이다. 이상의 수학식들은 증폭기 모듈을 강한 열 렌징 요소와 최적으로 결합시키는데 필요한 로드 말단 굴곡의 반지름의 계산을 위한 근사적인 방법을 제공한다. 예를 들면, 이상에서 사용된 얇은 렌즈 모델보다 열 렌즈의 집속형 렌즈 모델을 사용하여, 더욱 복잡한 모델들이 사용될 수 있다.

매우 높은 이득의 시스템들에서, 증폭기의 입력면으로부터의 작은 반사들이 발진기의 성능을 해할 수 있다. 이 경우에, 입력면은 반사가 발진기로 되지 않도록 약간 기울어질 수 있다. 굴곡진 렌징 요소를 기울임으로써 비점수차(astigmatism)의 효과를 상쇄하도록 반평형 방식으로 출력면이 기울어질 수 있다.

증폭기 모듈이 완전히 펌핑되고 입력 광선이 존재하지 않는다면, 열 렌즈가 약간 더 강해진다. 이것은, 고전력 입력 광선이 존재할 때 열 렌즈와 흡사한 준위로 펌핑 전력을 감소시킴으로써 상쇄될 수 있다. 이러한 효과들은 열적이고, 증폭기가 펌핑되고 (열 전도 및 차원에 의해 결정된) 이득 매체의 열 평형 시간과 비교할만한 지속 시간 동안 사용되지 않을 때 인가된다. 바람직하게는 레이저와 증폭기가 동시에 펌핑된다.

증폭기 모듈은 대칭적이고 이상에서 기술된 실시형태에서 레이저 모듈과 동일하지만, 로드의 출구 말단의 곡률 반경은 필요한 출구 영상 위치에 대해 이상의 방법과 유사한 방식으로 선택되어 비대칭적인 다른 변화들이 수용될 수 있다.

본 발명은 많은 장점들을 제공한다. 각각의 증폭기 모듈은 출력 전력을 근사적으로 200 W 만큼 증가시킨다. 복수의 증폭기들(1510, 1512)은 도 15에 도시된 것처럼 함께 직렬접속되어 이송 광학 장치(1516)를 경유하여 전달된 레이저 발진기 소스(1514)로부터 레이저 어플리케이션(laser application; 1518)으로 고평균 전력을 생성한다; 유일한 한계는 레이저 이득 매체 또는 코팅의 손해 임계값이고, 또는 효율에 대한 자체 제한은 입력 광선 세기와 이득 매체의 투과율에 의해 정의된다. 방출의 출력 펄스 지속 시간은 증폭기 이득 모듈의 추가와 함께 변화하지 않는다. 출력 광 품질(M²)은 각각의 추가 이득 모듈에 의해 근사적으로 1.5만큼 증가한다.

증폭기들은, 논의된 것처럼 예를 들어 전력 발진기 전력 증폭기 구성에서 고전력(>100W) 펄스(Q-스위치 또는 모드-락(mode-lock)) 발진기들을 포함하는 많은 다른 소스들에 인가된다. 증폭기들은 연속파(CW; continuous wave) 발진기들(높고 낮은 전력); 저전력(< 100 W) Q-스위치 모드락 또는 CW 발진기들; 섬유 발진기들; 피코세컨드(picosecond), 나노세컨드(nanosecond), 마이크로세컨드(microsecond) 또는 밀리세컨드(milisecond) 발진기들 및 박막 절제나 표면 세척과 같은 응용분야에 사용될 수 있다.

도 16을 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시형태는 레이저 이득 매체(1606), 거울들(1602, 1604)에 의해 정의된 광 공동(1600)을 포함하여 도시되는데, 거울들 중 하나는 이상에서 기술된 것처럼 부분적으로 반사적이다. 브래그(Bragg), 근사적인 브래그, 라만-나스(Raman-Nath) 또는 근사적인 라만 나스 정렬에서 석영 유리 또는 다른 적절한 물질로 형성된 한 쌍의 인접한 음향-광학 변조기들(1608, 1610)을 포함하는 Q-스위치(1612)가 이득 매체와 거울들 중 하나 사이에 제공된다. 공지된 것처럼, AO 변조기들(1608, 1610)은 광 공동(1600) 내에서의 진동 형성을 방지함으로써 레이저 방사의 교환을 제공한다. AO 변조기들(1608, 1610)은 서로 직교 편광 축들을 가지고 있기 때문에 비활성화시에 편광된 광을 통과시킨다. 교차된 AO 변조기들(1608, 1610)이 RF 신호에 의해 활성화될 때, 편광된 광 진동은 이득 매 체(1606)와 거울들(1604) 중 하나 사이의 광 경로를 막음으로써 방지되어, 이득 매체(1606)에서 증가된 반전 분포를 일으킨다. 바람직하게는 한 쌍의 압축 음향 광학 변조기들이 공동을 Q-스위치하도록 제공된다. 압축 셀들은 고이득 빠른 형성 시간 레이저들에 대해 중요한 신속한 스위칭이 가능함에 따라 사용된다.

이러한 배열로 인해, Q-스위칭은 펄스 비편광 레이저 광에 대해 달성될 수 있어 증가된 전력 전달을 일으킨다. 이러한 증가된 전력은 비편광 손실에 대한 공동의 감수성 부족으로 인한 것이다. 종종 편광기는 이득 매체에서의 열 수차로부터 일어나는 비편광 손실을 억제하는 데에 사용된다. 모든 편광 상태들이 레이징하는 것을 허용함으로써, 광은 비편광으로 인해 손실되지 않는다.

추가적으로, 도 17에 도시된 것처럼 도 16의 실시형태는, 이상에서 기술된 Q-스위치를 형성하는 단일 AO 변조기 또는 한 쌍의 인접 교차 AO 변조기들이 전반사 또는 출력 연결 공동 거울을 대체할 수 있게 변형될 수 있다. 공동(1700)의 말단의 AO 변조기(1708)는 이득 매체(1706)에서 먼 쪽에 고반사 코팅(1709)을 가지고 있어, 공동 거울로서 작용하여 공동 내의 광을 반사하거나 공동 외부의 광을 연결한다. AO 변조기는 잘려지고, 폴리싱(polishing)되고 코팅되어 정확한 작업 모드(즉, 브래그, 근사적인 브래그, 라만-나스 또는 근사적인 라만-나스)에 따라 사전 정렬되고 거울 면은 공동 내부로 광을 반사시킨다. 이것은 AO 변조기들이 가장 빠른 교환 시간 동안 공동의 말단들에 가능한 가깝게 배치되는 것을 허용한다. 앞에서 기술된 것처럼 빠른 교환 시간은 고전력, 고이득 레이저들에 대해 중요하다. 본 명세서에 기술된 고전력, Q-스위치 레이저에 대한 부가물은 여러 펄스들을 제공하 는 데에 사용될 때 이용될 수 있다. 여러 펄스들이 생성될 때, 버스트의 시작 부근 펄스들은 예외적으로 높거나 낮은 에너지를 가지고 불안정할 수 있다. 이러한 문제점의 2가지 원인이 있다: 열 변화들(더 긴 시간 크기, ~100 ms - ~1 s)과 이득 변화들(더 짧은 시간 크기, ~10 ㎲ - ~1 ms). 문제에 대한 해결책은 펌프 다이오드 전력의 변조로부터 나온다. 이것은 (발진기 또는 증폭기에서) 이득 모듈들에 전력을 공급하는 데에 사용되는 다이오드 전력 공급원들의 적합한 시간 변조에 의해 달성될 수 있다. 긴 시간 크기 문제점들을 정정하기 위해, 다이오드 전력은 열 렌즈에서의 변화들을 보상하기 위해 여러 펄스들 사이의 (정상적인 작동 전력 미만의 5%의) 정지 준위로 감소한다. 다이오드 전력은 이득 변화들을 보상하기 위해 (공동이 레이징하는 데에 필요한 임계 전력 미만으로) 더 감소된다. 다른 AO 펄스 제어 방법들(예를 들어, 제 1 펄스 억제)과 연결된 (Q-스위치 다이오드 펌프 레이저에 적용할 수 있는) 이러한 방법은 충격 계수와 반복률에 대해 레이저에 의해 방출된 버스트의 펄스들을 완전히 제어한다.

도 18을 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시형태는, 거울들(1802, 1804)에 의해 경계를 이루는 레이저 공동(1800)을 포함하고 레이저 공동 내에 레이저 로드(1806)를 가지는 것으로 도시된다. 도시된 실시형태에서, 레이저 로드는 일반적으로 편평한 말단들을 가지지만, 이상에서 상세히 논의된 것처럼 적절히 선택할 수 있는 방법으로 프로파일링될 수 있다.

주파수 2배기(1808)가 또한 공동 내에 제공된다. 구성요소는 LBO와 같은 비선형 결정 상의 적절한 조화파 생성기일 수 있다. 공지된 것처럼, 주파수 2배 기(1808)는 레이저 로드(1806)로부터의 입력과 관련된 2배 주파수를 가진 출력 레이저 광선을 제공한다. 인라인 거울(1810)이 레이저 로드(1806)와 주파수 2배 요소(1808) 사이에 배치되어 있다. 인라인 거울은, 예를 들어 주파수 2배 요소(1808)에 인접한 면(1812)에, 2배 주파수 광을 반사하는 고반사 코팅과 기본 주파수 광을 통과시키는 비반사 코팅으로 코팅되어 있다. 또한 이러한 광학 장치의 다른 면(1813)은 기본 주파수 광을 통과시키기 위해 비반사 코팅으로 코팅되어 질 수 있다. 결과적으로, 거울(1810)은 비공진 부공동의 공동 말단 거울(1804)과 함께 형성되어 공동으로부터 불필요한 광학 장치들을 제거한다. 2배 주파수 레이저 광은, 기본 주파수 고반사 코팅과 2배 주파수 비반사 코팅을 가진 말단 거울(1804)을 경유하여 공동으로부터 출력된다.

제 2 조화파 생성에 의한 최대 주파수 2배 전력을 생성하는 효과적인 방법은 큰 수용각과 적당한 선형 계수를 가진 비선형 결정을 이용하여 매체 M² 광선을 정렬하는 것이다. 2배 요소 내의 큰 수용각은, 더 큰 M² 광선들이 전파 벡터들의 분포를 수용한다는 사실에 기인하여 필요하다. 큰 수용각들을 가진 비선형 결정들은 일반적으로 높은 비선형 계수들을 가지고 있지 않다. 20 내지 30의 M²을 가지며 1064 nm의 파장을 가진 기본 광선을 532 nm의 제 2 조화파로 변환시키기 위한 적절한 비선형 결정이 LBO이다. 그러나, 적절한 변환기들을 이용하여 355 nm 및 266 nm의 파장들로 변환시키는 것이 또한 가능하다.

적절한 구성요소들이 도 18에서 도시된 배열들에 대해 사용될 수 있다. 예를 들어, Nd: YAG와 같은 적합한 레이저 로드가 채택될 수 있고 주파수 변환 요소가, 예를 들어 멀티모드를 위한 LBO 또는 단일 모드(TEM₀₀) 변환을 위한 BBO와 같은 적절한 물질의 형태로 적절한 조화파 생성 결정을 얻을 수 있다. 유사하게, 중간 거울(1810)과 공동 말단 거울들은 적절한 형태일 수 있고, 예를 들어 다층 박막 유전 코팅과 같은 코팅을 가져 적절한 주파수 선택을 확보한다. 공동 내부 거울은, 이득 모듈에 가장 가까운 비선형 결정의 면 상에서 표면(1812)의 박막 코팅과 유사한 적절한 박막 코팅을 함으로써 설치되지 않을 수 있다.

이러한 방법을 이용한 변환 효율은 표준적인 공동 외부 2배 기술들을 이용한 3가지 방식들에서 향상된다. 첫째, 공동 내부 2배화는 과정의 비선형으로 인해 변환 효율을 증가시키도록 높은 공동 내부 강도들을 이용한다. 둘째, 중간 거울은 2배 결정을 통과함으로써 생성된 2배 광이 레이저에서 동일 직선상에서 같은 방향으로 나오도록 한다. 셋째, 기본 방사는 주파수 2배화를 경유하지 않으면 공동으로부터 새어나올 수 없다. 결과적으로 순수하고 즉각적으로 사용할 수 있는 출력이 2배 주파수에서 이루어진다. 게다가 동일 직선상의 배열은 예를 들면 접힌 공동에서 간결함의 장점을 제공한다.

변환 효율 상승은 공동 내부의 비선형 결정을 위치시킴으로써 얻어질 수 있다. 비선형 변환 과정은 기본 광선이 결정을 비선형 영역에 이르게 하도록 충분한 강도를 가지는 것이 필요하다. 변환 효율의 증가는 광선 크기를 감소시키고 강도를 증가시키도록 광선 초점 맞춤에 의해 공동의 외부에서 달성될 수 있다. 이것은 광 선의 전파 벡터의 분포를 증가시키고 더 높은 모드의 변환 효율을 감소시킨다. 광선이 초점이 맞추어지는 지에 상관 없이, 공동 외부 변환은 M² 필터링을 일으키고 (높은 모드는 효율적으로 변환되지 않고) 전체 변환 효율을 감소시킨다. 레이저 공동 내부의 강도는 일반적으로 출력 광선보다 훨씬 더 크다. 비선형 결정을 레이저 공동 내부에 위치시킴으로써 훨씬 더 큰 변환 효율들이 달성될 수 있다.

레이저 공동 내부에 비선형 결정을 위치시킴으로써, 주파수 변환이 출력 연결기로서 작용하고; 공동 내의 기본 방사가 또 다른 파장으로 변환되더라도 이루어질 수 있다. 기본 방사가 비선형 결정을 통한 제 1 패스(pass)에서 변환되지 않더라도 제 2 패스, 제 3 패스에서 변환되고 각각의 왕복마다 레이저 이득 매체에서 증폭되기 때문에, 주파수 변환은 전체 출력 효율을 향상시킨다.

공동 내부 변환은 M² 필터링으로 장점들을 제공한다. 공동 외부 변환을 이용하여, 고차 모드들이 비효율적으로 변환됨에 따라 광선으로부터 제거된다(즉, 고차 모드들에 대해 낮은 변환 확률이 있다). 고차 모드들은 주파수 변환될 때 연결될 수 있으므로 낮은 변환 확률은 공동 내부의 문제가 아니고; 고차 모드들은 변환될 때까지 공동 내부에서 계속해서 진동한다. 이것은 M² 필터링이 방출을 훨씬 적게 함을 의미한다.

공동이 높은 M²을 가진 광선을 방출하는 원인의 일부는 (열 효과들로 인한 이득 매체에서의) 수차이다. 수차는, 에너지가 고차 모드들로부터 저차 모드들로 흐르는 것을 허용하는 횡 공동 모드들 사이의 혼선을 제공한다. 혼선은 공동의 전체 변환 효율을 향상시키는 것을 도울 수 있다. 고차 모드로 스캐터링(scattering)되는 것보다 수차에 의해 저차 모드로 스캐터링되면 고차 모드의 에너지가 높은 확률의 변환을 가지고, 높은 확률의 변환은, 변환될 때까지 모드들이 계속해서 진동하는 공동 내부 결정을 이용하여 가능하다. 이것은 M²을 감소시키고 변환 효율을 증가시킬 것이다.

레이저 공동은, 시스템이 공동 내부에 배치된 큰 수용각을 가진 비선형 결정에 연결하여 지지하는 최대값 M²에서 작동하도록 설계된다. 이것은 (이득 모듈들 사이의 자연적 차이들 또는 펌프 다이오드의 사용 시간에 기인한 변화들에 기인하여) 레이저에게 열 렌징에서의 변화들에 대한 강도로써 안정성을 제공한다.

주파수 2배 과정에서, 2배 결정의 온도는 레이저의 변환 효율과 안정성에 중요하다. 레이저의 웜업 시간은 결정 사전 냉각 기술을 사용함으로써 효과적으로 향상될 수 있다. 레이저가 정지 상태에서 레이징 상태로 전이될 때, 주파수 2배 결정에 대한 열 로딩은 갑자기 증가한다. 결과적으로 결정의 온도가 증가하여 2배 효율을 감소시킨다. 결정 온도 제어 시스템은 결정 온도를 최적 변환점으로 감소시키는 데에 시간이 걸린다. 레이저가 정지 상태에 있는 동안 웜업(warm-up) 시간은 결정 온도를 최적 2배 온도보다 낮은 값으로 설정함으로써 감소된다. 레이저가 켜질 때, 열 로딩의 갑작스런 증가는 결정 온도를 최적 변환점으로 증가시킨다. 결정 온도가 증가하고 온도 오버슈트(overshoot)와 웜업 시간을 감소시킴에 따라 냉각 시스템의 설정점이 최적 변환 온도를 향하여 증가된다.

2배 결정 냉각 시스템은 (예를 들어 구리로 만들어진) 열 전도 결정량; (열전기 냉각기와 같은) 열 전송 펌프; (수냉각 블록과 같은) 열 싱크(heat sink); 및 결정에 가깝게 배치된 온도 센서를 포함한다. 결정은 결정량으로부터 열 싱크로 열을 펌핑함으로써 냉각되고, 열을 싱크로부터 결정량으로 펌핑함으로써 가열된다. 결정의 온도는 적합한 프로포셔날 인테그랄 디퍼렌샬 온도 제어기(Proportional Integral Differential temperature controller; PID 제어기)에 의해 설정되고 제어된다. 예시적인 온도 설정점이 25℃일 수 있다.

기술된 유형의 레이저는 예를 들어 레이저 절제, 커팅, 드릴링과 같은 가능한 응용분야에 채택될 수 있다.

이상에서 기술된 다양한 실시형태들의 구성요소들이 적절하게 교환되고 나란히 놓여질 수 있다. 논의가 Nd:YAG 레이저에 대해 행해지더라도, 적절한 레이저 물질이 채택될 수 있다. 게다가 적절한 이득 매체, 펌핑 구조 또는 소스 및 냉각 구조가 채택될 수 있고 로드 말단들은 적절한 방식으로 프로파일링되어 굴절 또는 회절 렌즈들 또는 말단들에 효과적으로 실장된 GRIN 렌즈들을 제공한다. 유사하게, 적절한 광 이득 공동 구성 및 펌핑 구조가 적절한 모드의 펄스 또는 연속 동작과 마찬가지로 이용될 수 있다.

Claims

레이저 광 축을 따라 제 1 및 제 2 말단들을 가진 고체 상태 레이저 이득 매체로서,

상기 제 1 및 제 2 말단들 중 적어도 하나의 말단이 예정된 동작 전력에서 하나의 준위의 열 렌징(thermal lensing)을 제공하도록 형성되고, 예정된 광선 품질이 예정된 동작 펌핑(pumping) 전력에서 최대가 되도록 조정되고,

상기 고체 상태 레이저 이득 매체를 포함하는 레이저 발진기 공동은 증폭 모듈의 외부에 배치되어 있고,

상기 증폭 모듈은 상기 레이저 발진기 공동과 공통된 방사 축을 공유하고,

상기 증폭 모듈은 상기 방사 축을 따라 제 1 및 제 2 말단들을 가진 이득 매체를 포함하며,

상기 증폭 모듈의 이득 매체의 제 1 및 제 2 말단들 중 적어도 하나는 상기 레이저 발진기 공동으로부터 증폭 모듈로 빛을 직접 연결하도록 프로파일링되어 있는 것을 특징으로 하는 고체 상태 레이저 이득 매체.
제 1 항에 있어서, 상기 고체 상태 레이저 이득 매체의 양 쪽 말단들은 프로파일링(profiling)되어 있는 것을 특징으로 하는 고체 상태 레이저 이득 매체.
제 1 항에 있어서, 상기 고체 상태 레이저 이득 매체는 Nd:YAG로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 고체 상태 레이저 이득 매체.
제 1 항에 따른 고체 상태 레이저 이득 매체를 포함하는 레이저 발진기 공동.
제 4 항에 있어서, 편평한 공동 말단 반사기들을 포함하는 레이저 발진기 공동.
제 4 항 또는 제 5 항에 있어서, 제 1 및 제 2 음향 광학 셀(cell)들 및 각각의 제 1 및 제 2 비 평행 편광 방향들을 가진 Q-스위치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 발진기 공동.
제 4 항 또는 제 5 항에 있어서, 공동 말단 반사기를 형성하는 반사 말단을 가진 적어도 하나의 음향 광학 셀을 포함하는 Q-스위치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 발진기 공동.
제 4 항 또는 제 5 항에 있어서, 주파수 변환기, 및 상기 레이저 이득 매체와 상기 주파수 변환기 사이의 주파수 선택 반사기를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 발진기 공동.
제 1 항 내지 제 2 항 중 어느 한 항에 따른 고체 상태 레이저 이득 매체 또는 제 4 항 또는 제 5 항에 따른 공동을 포함하는 레이저.
제 9 항에 있어서, 횡펌핑(side-pumping) 다이오드(diode) 요소를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저.
각각의 제 1 및 제 2 비 평행 편광 방향들에서 제 1 및 제 2 음향 광학 셀들을 포함하는 레이저용 Q-스위치.
제 11 항에 있어서, 레이저 공동 거울을 형성하도록 배열된 반사면을 더 포함하는 레이저용 Q-스위치.
제 11 항에 따른 Q-스위치를 포함하는 레이저.
삭제
이득 매체를 포함하고, 예정된 동작 전력에 대하여 최대인 광선 품질에서 동작하도록 배열된 광 이득 공동.
레이저 공동 요소로서 제 1 말단 반사기, 출력 말단 반사기, 및 제 1 말단 반사기와 출력 말단 반사기 사이에 제공된 제 1 항에 따른 고체 상태 레이저 이득 매체를 포함하는 레이저 공동으로서,

상기 레이저 공동은, 레이저 공동 요소로서 상기 고체 상태 레이저 이득 매체와 상기 출력 말단 반사기 사이의 주파수 변환기 및 상기 고체 상태 레이저 이득 매체와 상기 주파수 변환기 사이의 주파수 선택 반사기를 더 포함하고, 상기 레이저 공동 요소들은 공통된 물리적 축 상에 정렬되는 것을 특징으로 하는 레이저 공동.
레이저 공동 요소로서 제 1 말단 반사기, 출력 말단 반사기, 및 제 1 말단 반사기와 출력 말단 반사기 사이에 제공되는 제 1 항에 따른 고체 상태 레이저 이득 매체를 포함하는 레이저 공동으로서,

상기 레이저 공동은, 레이저 공동 요소로서 상기 고체 상태 레이저 이득 매체와 상기 출력 말단 반사기 사이의 주파수 변환기 및 상기 고체 상태 레이저 이득 매체와 상기 주파수 변환기 사이의 주파수 선택 반사기를 더 포함하고, 예정된 작동 펌핑 전력에서 최대로 조정되는 예정된 광선 품질을 생성하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 레이저 공동.
제 16 항 또는 제 17 항에 있어서, 상기 주파수 선택 반사기와 상기 출력 말단 반사기는 변환된 주파수에 대하여 작업물에 사용되도록 상기 주파수 변환기에 의해 변환된 레이저 광을 출력하도록 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 레이저 공동.
제 16 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 주파수 변환기는 제 2 조화파 발생기인 것을 특징으로 하는 레이저 공동.
제 16 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 출력 말단 반사기는 상기 고체 상태 레이저 이득 매체에 의해 발생된 기본 주파수를 반사하는 것을 특징으로 하는 레이저 공동.
삭제
제 16 항에 따른 레이저 공동을 포함하는 레이저.
제 13 항 또는 제 22 항에 따른 레이저를 포함하는 레이저 절제 장치.
예정된 광선 품질이 예정된 펌핑 전력에서 성취되도록, 상기 예정된 펌핑 전력에서 하나의 준위의 열 렌징을 제공하도록 구성된 레이저 이득 매체 말단을 형성하는 단계를 포함하는, 레이저 이득 매체 말단을 프로파일링하는 방법으로서,

상기 레이저 이득 매체 말단은 제 1 항에 따른 고체 상태 레이저 이득 매체의 말단인 것을 특징으로 하는 레이저 이득 매체 말단을 프로파일링하는 방법.
여러 개의 레이저 펄스들 사이의 기저 준위로 펌핑 전력을 감소시키는 단계를 포함하는 Q-스위치 펄스 레이저의 펌핑 제어 방법.
레이저 광 축을 따라 제 1 및 제 2 말단들을 가지며, 상기 제 1 및 제 2 말단들 중 적어도 하나의 말단이 예정된 동작 전력에서 하나의 준위의 열 렌징을 제공하도록 형성되고, 예정된 광선 품질이 예정된 동작 펌핑 전력에서 최대가 되도록 조정되는 고체 상태 레이저 이득 매체를 포함하는 레이저 발진기 공동; 및

상기 레이저 발진기 공동과 공통된 방사 축을 공유하고, 상기 방사 축을 따라 제 1 및 제 2 말단들을 갖는 이득 매체를 포함하며, 상기 레이저 발진기 공동의 외부에 배치된 증폭 모듈을 갖는 레이저 증폭기로서,

상기 증폭 모듈의 이득 매체의 제 1 또는 제 2 말단들 중 적어도 하나는 상기 레이저 발진기 공동으로부터 상기 증폭 모듈로 빛을 직접 연결하도록 프로파일링되어 있는 것을 특징으로 하는 레이저 증폭기.
제 26 항에 있어서, 상기 증폭 모듈의 이득 매체의 제 1 또는 제 2 말단들 중 하나 또는 양쪽은 예정된 초점 거리를 갖는 렌즈를 형성하도록 프로파일링되어 있는 것을 특징으로 하는 레이저 증폭기.
제 26 항에 있어서, 레이저는 프로파일링된 말단들을 갖는 이득 매체를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 증폭기.
제 27 항에 있어서, 상기 렌즈는 굴절, 회절 또는 그린(GRIN) 렌즈 중 하나인 것을 특징으로 하는 레이저 증폭기.
제 27 항에 있어서, 상기 레이저 발진기 공동의 고체 상태 레이저 이득 매체의 제 1 및 제 2 말단들은 예정된 초점 거리를 갖는 렌즈를 형성하도록 프로파일링되어 있는 것을 특징으로 하는 레이저 증폭기.
제 30 항에 있어서, 상기 레이저 발진기 공동의 고체 상태 레이저 이득 매체의 렌즈 및 상기 증폭 모듈의 이득 매체의 렌즈는 같은 초점 거리를 갖는 것을 특징으로 하는 레이저 증폭기.
제 26 항 내지 제 31 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 레이저 발진기 공동의 고체 상태 레이저 이득 매체의 렌즈 및 상기 증폭 모듈의 이득 매체의 렌즈는 오목하게 프로파일링되어 있는 것을 특징으로 하는 레이저 증폭기.
제 26 항에 있어서, 상기 레이저 발진기 공동의 고체 상태 레이저 이득 매체 및 상기 증폭 모듈의 이득 매체는 동시에 펌핑되는 것을 특징으로 하는 레이저 증폭기.
제 33 항에 있어서, 상기 레이저 발진기 공동의 고체 상태 레이저 이득 매체의 펌핑과 상기 증폭 모듈의 이득 매체의 펌핑은 같은 전력을 갖는 것을 특징으로 하는 레이저 증폭기.
제 26 항 내지 제 31 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 레이저 증폭기로의 입력면이 기울어져 있는 것을 특징으로 하는 레이저 증폭기.
광 증폭기 모듈이 예정된 파라미터(parameter)들의 레이저에 직접 연결될 수 있도록 배열된 제 1 및 제 2 말단들을 갖는 이득 매체를 포함하는 광 증폭기 모듈로서,

상기 제 1 및 제 2 말단들 중 적어도 하나의 말단은 예정된 동작 전력에서 하나의 준위의 렌징을 제공하도록 프로파일링되어 있고,

상기 광 증폭기 모듈은, 제 1 항에 따른 고체 상태 레이저 이득 매체를 포함하는 레이저 발진기 공동과 방사 축을 공유하며, 상기 레이저 발진기 공동의 외부에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 광 증폭기 모듈.
제 33 항에 따른 증폭 모듈의 이득 매체는 직경 D_R, 길이 L_R, 굴절율 n_air의 공기 내에서 굴절율 n_L 및 열 초점 거리 f_th을 가진 로드(rod)를 포함하고, 상기 로드는 입력 로드 말단으로부터 허리(waist) 거리 d_o를 갖는 레이저로부터의 입력 광선을 수신하도록 배열되며, 상기 로드는 [수학식 7]에 의해 근사적으로 주어진 곡률 반경 R로 프로파일링되는 것을 특징으로 하는 모듈.

[수학식 7]
예정된 동작 전력에서 하나의 준위의 렌징을 제공하도록, 레이저 증폭기 모듈의 이득 매체의 적어도 하나의 말단을 프로파일링하는 단계를 포함하는 레이저 증폭기 모듈의 이득 매체를 만드는 방법으로서,

상기 적어도 하나의 말단은, 사용시 레이저 증폭기 모듈이 예정된 파라미터들의 레이저에 직접 연결될 수 있도록 배열되고,

상기 레이저 증폭기 모듈은, 제 1 항에 따른 고체 상태 레이저 이득 매체를 포함하는 레이저 발진기 공동과 방사 축을 공유하며, 상기 레이저 발진기 공동의 외부에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 레이저 증폭기 모듈 이득 매체를 만드는 방법.
제 36 항 내지 제 38 항 중 어느 한 항에 따른 프로파일을 식별하는 단계를 포함하는 레이저 증폭기를 설계하는 방법.
삭제
최고 전력 펌핑 이전에 레이저 공동 동작 임계치 미만으로 펌핑 전력을 감소시키는 단계를 포함하는, Q-스위치 펄스 레이저에서의 펌핑 제어 방법.
레이저 장치가 레이저를 발생하지 않는 상태인 동안 레이저 공동 내의 주파수 변환기를 최적 주파수 온도 미만으로 냉각시키는 단계를 포함하는, 레이저 공동 내에서 레이저 주파수를 변환하는 방법.
서로 연결된, 제 1 항 내지 제 5 항, 제 11 항 내지 제 13 항, 제 15 항 내지 제 17 항, 또는 제 22 항 중 어느 한 항에 따른 고체 상태 레이저 이득 매체, 공동, 레이저 또는 스위치 및 제 26 항 내지 제 31 항, 또는 제 36 항 내지 제 37 항 중 어느 한 항에 따른 증폭기 또는 모듈을 포함하는 레이저 어셈블리(laser assembly).