KR101405548B1

KR101405548B1 - 고평균 출력 레이저를 위한 공간 필터

Info

Publication number: KR101405548B1
Application number: KR1020127006994A
Authority: KR
Inventors: 앨빈 씨. 얼랜슨
Original assignee: 로렌스 리버모어 내쇼날 시큐리티, 엘엘시
Priority date: 2009-08-20
Filing date: 2010-08-04
Publication date: 2014-06-10
Also published as: EP2460239A4; KR20120067344A; EP2460239A1; EP2498348A2; CA2770985A1; EP2498348A3; US20110043899A1; RU2012110377A; US8320056B2; EP2460239B1; JP2013502723A; WO2011022209A1; EP2498348B1

Abstract

공간 필터는 제1 필터 요소 및 상기 제1 필터 요소와 중첩하는 제2 필터 요소를 포함한다. 상기 제1 필터 요소는 서로 제1 거리만큼 떨어져 있는 제1 실린더형 렌즈 쌍을 포함한다. 상기 제1 실린더형 렌즈 쌍의 각각은 제1 초점 거리를 갖는다. 상기 제1 필터 요소는 또한, 상기 제1 실린더형 렌즈 쌍 사이에 위치된 제1 슬릿 필터를 포함한다. 상기 제2 필터 요소는 서로 제2 거리만큼 떨어져 있는 제2 실린더형 렌즈 쌍을 포함한다. 상기 제2 실린더형 렌즈 쌍의 각각은 제2 초점 거리를 갖는다. 상기 제2 필터 요소는 또한, 상기 제2 실린더형 렌즈 쌍 사이에 위치된 제2 슬릿 필터를 포함한다.

Description

고평균 출력 레이저를 위한 공간 필터{SPATIAL FILTERS FOR HIGH AVERAGE POWER LASERS}

미합중국 연방 정부의 지원에 의한 연구 또는 개발에 의해 창출된 발명에

대한 권리의 주장

미합중국 정부는, 미합중국 에너지부(United States Department of Energy) 및 로렌스 리버모어 내쇼날 시큐리티, 엘엘시(Lawrence Livermore National Security, LLC) 간의 계약 DE-AC52-07NA27344호에 따라 본 발명에 대한 권리를 갖는다.

고출력 레이저들은 빔(beam) 품질이 높은 간섭성 복사(coherent radiation) 빔을 제공한다. 바람직하게는, 고출력 레이저의 레이저 출력은 균일한 파면(wavefront)을 특징으로 한다. 이들은 고출력을 생성하기 때문에, 간섭성 복사의 고출력 레이저 시스템들은 광범위한 응용 분야에서 사용되어 왔다. 고출력 레이저의 상업적 응용 분야는 레이저 절삭 및 용접, 레이저 마킹(marking), 등을 포함한다. 많은 응용 분야에서, 주요 측정치는 초점에서 면적당 전력(W/m²)으로 측정된 빔 강도이다. 균일한 파면을 갖는 빔은 이론적으로는 회절 한계(diffraction limited) 스폿 크기로 집속(focusing)될 것이다. 그러나, 거의 언제나 불완전한 광학 장치를 통해서 레이저 빔이 전파될 때, 작은 크기의 암흑 물질(obscuration)과 위상 물체(phase object)로부터의 산란은 빔 전체의 강도 및 파면에 있어서 높은 공간 주파수(high-spatial-frequency)의 변동을 일으킨다. 이러한 강도 변동은 레이저 광학 장치에 대한 광학적 손상의 위험을 증가시키고, 강도 변동 및 파면 변동은 모두 그 후에 집속된 레이저 빔에 있어서 레이저 스폿 크기를 증가시킴으로써 빔 강도를 감소시킨다. 빔의 고강도에 의존하는 응용 분야들에 있어서, 이러한 상태는 바람직하지 않다.

빔 품질을 향상시키기 위하여, 레이저 빔을 공간적으로 필터링하기 위해 고공간 주파수의 파면 및 강도의 변동을 제거하는 핀홀(pinhole)이 사용되어 왔다. 일반적으로, 레이저 빔은 렌즈를 사용하여 집속되고 핀홀은 초점면(focal plane)에 위치되어, 상기 핀홀에 의해 차단된 위치에서 수차가 생긴 광선을 공간적으로 제거한다. 이 레이저 빔을 시준하기 위해 두 번째 렌즈가 사용되어, 고강도 응용 분야에 적합한 보다 균일한 강도 및 보다 균일한 파면을 갖는 빔을 제공한다.

핀홀 공간 필터에 의해 제공되는 빔 품질에 있어서의 이점에도 불구하고, 핀홀 필터를 사용함으로 인하여 몇 가지 문제가 나타난다. 이에 따라, 고출력 레이저를 위한 공간 필터와 관련된 향상된 방법 및 시스템에 대한 요구가 관련 기술 분야에 존재한다.

본 발명에 의하면, 광학계와 관련된 기술이 제공된다. 보다 구체적으로, 본 발명의 일 실시예는 이미지 중계(image relay) 특성을 갖는, 다중 요소의 공간 필터를 제공한다. 단지 예로서, 본 발명은 직교하는 슬릿 필터들과 쌍을 이루는 실린더형 렌즈 망원경들의 중첩하는 세트들을 포함하는 다중 요소 공간 필터에 적용된다. 다른 예에서, 본 발명은 비점수차 렌즈들 및 직교하는 슬릿 필터들을 갖는 공간 필터에 적용된다. 본 명세서에 개시된 방법 및 시스템은 또한 레이저, 증폭기 등을 포함하는 많은 광학계에 적용가능하다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 공간 필터가 제공된다. 상기 공간 필터는 제1 필터 요소 및 상기 제1 필터 요소와 중첩하는 제2 필터 요소를 포함한다. 상기 제1 필터 요소는 서로 제1 거리만큼 떨어져 있는 제1 실린더형 렌즈 쌍을 포함한다. 상기 제1 실린더형 렌즈 쌍의 각각은 제1 초점 거리를 갖는다. 상기 제1 필터 요소는 또한, 상기 제1 실린더형 렌즈 쌍 사이에 위치된 제1 슬릿 필터를 포함한다. 상기 제2 필터 요소는 서로 제2 거리만큼 떨어져 있는 제2 실린더형 렌즈 쌍을 포함한다. 상기 제2 실린더형 렌즈 쌍의 각각은 제2 초점 거리를 갖는다. 상기 제2 필터 요소는 또한, 상기 제2 실린더형 렌즈 쌍 사이에 위치된 제2 슬릿 필터를 포함한다.

또 다른 실시예에서, 공간 필터가 제공된다. 상기 공간 필터는, 제1 방향에서 제1 초점 거리를 갖고 상기 제1 방향에 직교하는 제2 방향에서 제2 초점 거리를 갖는 제1 비점수차 렌즈를 포함한다. 상기 공간 필터는 또한, 상기 제1 초점 거리만큼 상기 제1 비점수차 렌즈로부터 떨어져 있는 제1 슬릿 필터 및 상기 제2 초점 거리만큼 상기 제1 비점수차 렌즈로부터 떨어져 있는 제2 슬릿 필터를 포함한다. 상기 공간 필터는 또한, 상기 제1 방향에서 제3 초점 거리를 갖고 상기 제2 방향에서 제4 초점 거리를 갖는 제2 비점수차 렌즈를 포함한다.

본 발명의 구체적인 실시예에 의하면, 이중 패스 증폭기가 제공된다. 상기 이중 패스 증폭기는 입력부와 반사부를 포함하는 이득 매질, 상기 반사부에 광학적으로 연결된 반사 요소, 및 상기 입력부에 광학적으로 연결된 빔 경로를 포함한다. 상기 이중 패스 증폭기는 또한, 상기 빔 경로를 따라서 배치된 제1 세트의 실린더형 렌즈들을 포함한다. 상기 제1 세트의 실린더형 렌즈들은 직교하도록 배향된다. 상기 이중 패스 증폭기는 상기 빔 경로를 따라서 배치된 한 세트의 개구들을 더 포함한다. 상기 한 세트의 개구들은 직교하도록 배향된다. 또한, 상기 이중 패스 증폭기는 상기 빔 경로를 따라서 배치된 제2 세트의 실린더형 렌즈들을 포함한다. 상기 제2 세트의 실린더형 렌즈들은 직교하도록 배향된다. 또한, 상기 이중 패스 증폭기는 상기 한 세트의 개구와 상기 제2 세트의 실린더형 렌즈 사이에 배치된 주입 거울을 포함한다.

본 발명의 또 다른 구체적인 실시예에 의하면, 멀티패스(multi-pass) 증폭기가 제공된다. 상기 멀티패스 증폭기는, 입력부 및 반사부를 포함하는 이득 매질, 상기 반사부에 광학적으로 연결된 반사 요소, 상기 입력부에 광학적으로 연결된 빔 경로, 및 상기 빔 경로를 따라서 배치된 제1 세트의 실린더형 렌즈들을 포함한다. 상기 제1 세트의 실린더형 렌즈들은 직교하도록 배향된다. 상기 멀티패스 증폭기는 또한 상기 빔 경로를 따라서 배치된 한 세트의 개구들을 포함한다. 상기 한 세트의 개구들은 직교하도록 배향된다. 상기 멀티패스 증폭기는 상기 빔 경로를 따라서 배치된 제2 세트의 실린더형 렌즈들을 더 포함한다. 상기 제2 세트의 실린더형 렌즈들은 직교하도록 배향된다. 또한, 상기 멀티패스 증폭기는, 상기 한 세트의 개구와 상기 제2 세트의 실린더형 렌즈 사이에 배치된 주입 거울, 상기 한 세트의 개구와 상기 제2 세트의 실린더형 렌즈 사이에 위치된 제1 분리 루프 거울, 상기 한 세트의 개구와 상기 제2 세트의 실린더형 렌즈 사이에 위치된 제2 분리 루프 거울, 및 상기 제1 분리 루프 거울로부터 빛을 수취하고 상기 제2 분리 루프 거울로 빛을 보내는 분리 루프를 포함한다.

본 발명의 구체적인 실시예에 의하면, 멀티패스 증폭기가 제공된다. 상기 멀티패스 증폭기는 광 경로를 따라 빛을 보내는 입력 광학 장치, 및 상기 광 경로를 따라서 배치된 이득 매질을 포함한다. 상기 멀티패스 증폭기는 또한 상기 광 경로를 따라서 배치된 공간 필터를 포함한다. 상기 공간 필터는, 제1 필터 요소 및 상기 제1 필터 요소와 중첩하는 제2 필터 요소를 포함한다. 상기 제1 필터 요소는 서로 제1 거리만큼 떨어져 있는 제1 실린더형 렌즈 쌍을 포함한다. 상기 제1 실린더형 렌즈 쌍의 각각은 제1 초점 거리를 갖는다. 상기 제1 필터 요소는 또한 상기 제1 실린더형 렌즈 쌍 사이에 위치된 제1 슬릿 필터를 포함한다. 상기 제2 필터 요소는, 서로 제2 거리만큼 떨어져 있는 제2 실린더형 렌즈 쌍을 포함한다. 제2 실린더형 렌즈 쌍의 각각은 제2 초점 거리를 갖는다. 상기 제2 필터 요소는 또한 상기 제2 실린더형 렌즈 쌍 사이에 위치된 제2 슬릿 필터를 포함한다. 상기 멀티패스 증폭기는 상기 광 경로를 따라서 배치된 출력 광학 장치를 더 포함한다.

본 발명에 의하여 종래 기술에 비해 많은 이점이 성취된다. 예컨대, 본 발명은 미리 정해진 공간 주파수 이상의 강도 및 위상 변동을 걸러내는 공간 필터를 제공한다. 또한, 본 발명의 실시예들은, 하류의 목표 면에서 레이저 파면을 복원하는 이미지 중계를 제공한다. 또한, 본 발명의 실시예들은 높은 반복율의 펄스형 레이저 시스템에서 빔 품질을 유지시킬 수 있다. 또한, 일부 실시예들은 레이저 시스템을 위한 진공 요건을 완화하여, 종래의 시스템에 비해 비용 및 펌프-다운 시간을 감소시킨다. 실시예에 따라서는, 이러한 이점들을 하나 또는 그 이상 성취할 수 있다. 이러한 그리고 다른 이점들은 본 명세서의 전반에 걸쳐 그리고 이하에서 보다 구체적으로 상세히 설명된다.

본 발명의 이러한 그리고 다른 목적 및 특징들과 이를 성취하는 방식은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 명확할 것이며, 본 발명 자체는 첨부된 도면과 함께 이하의 발명의 상세한 설명을 참조함으로써 가장 잘 이해될 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 공간 필터를 단순화하여 도시한 도면이다.
도 2a는 원형 개구에 대하여 위치의 함수로서 광 강도를 나타내는 단순화된 도면이다.
도 2b는 슬릿형 개구에 대하여 위치의 함수로서 광 강도를 나타내는 단순화된 도면이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 의한 공간 필터를 단순화하여 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 굴절 또는 회절 구조를 사용하는 필터링을 단순화하여 도시한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의해 제공되는 공간 필터를 이용하는 이중 패스 증폭기(double pass amplifier)의 단순화된 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 의해 제공되는 공간 필터를 이용하는 멀티패스 증폭기(multi-pass amplifier)의 단순화된 도면이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 의한 멀티패스 증폭기의 단순화된 도면이다.

상기와 같이, 핀홀 공간 필터들은 고출력 레이저의 일부 응용 분야에서 사용되어 왔다. 그러나, 고출력 레이저 시스템과 관련하여 핀홀 공간 필터에는 몇 가지 문제점이 나타난다. 일부 고출력 레이저와 관련된 높은 강도 때문에, 동작 중에 핀홀의 중심을 둘러싸는 물질의 스퍼터링(sputtering)이 일어날 수 있고, 이 물질이 튀어서 광학 장치를 오염시킬 수 있다. 스퍼터링으로 튄 물질에 의한 렌즈의 오염은 렌즈에 의한 레이저 흡수를 증가시킬 수 있고, 결국 렌즈의 손상을 가져올 수 있다. 이러한 오염 문제는 특히, 핀홀 중심에서 시간의 함수로서 팽창하는 개방 영역을 갖고, 빈번한 스퍼터링의 발생이 핀홀의 마모를 일으킬 수 있는 펄스형 응용 분야에서 심각하다. 시간이 흐르면서, 핀홀 마모는 빔 품질과 시스템 성능을 감소시킨다.

고출력 레이저를 위한 핀홀 공간 필터의 사용으로 나타나는 또 다른 문제는 핀홀 폐쇄인데, 여기서 핀홀에서의 빔의 전계는 공기 중에서의 절연 파괴 문턱값(breakdown threshold)을 초과하여 핀홀에서의 플라즈마 생성 및 레이저 광의 흡수 및 굴절을 초래한다. 플라즈마는 불균일한 경향이 있고 레이저 빔의 파면 왜곡을 일으키기 때문에, 플라즈마에 의한 굴절은 유해하다. 또한, 핀홀 폐쇄는 핀홀의 에지에서의 레이저 빔 강도가 레이저 빔 속으로 물질을 증발시키기에 충분할 때도 일어나고, 증발된 물질 또한 플라즈마로 변할 수 있다. 공기의 절연 파괴로 인한 핀홀 폐쇄는 즉각적인 핀홀 폐쇄를 초래하는 한편, 증발된 물질로 인한 핀홀 폐쇄는 증발된 물질이 빔 내로 이동하기에 충분한 수십 나노초의 기간 후에 일어난다. 플라즈마 또는 증발된 물질에 의한 레이저 빔의 흡수 또는 굴절은 핀홀을 통한 긴 펄스(즉, 수십 나노초의 핀홀 폐쇄 시간보다 길다)의 전파를 막는다. 더욱이, 펄스형 응용 분야에서, 만약 다음 레이저 펄스가 도달하기 전에 플라즈마가 소멸되지 않는다면, 이 다음 펄스는 플라즈마 내에서 흡수 또는 굴절을 경험할 수 있게 되어, 긴 펄스의 응용 장치에 더하여 펄스형 응용 장치도 손상시킨다.

플라즈마 생성 및 핀홀 폐쇄 문제의 잠재적인 해법은 핀홀을 진공에 배치시키는 것이다. 핀홀에서의 가스 압력의 감소는 플라즈마 생성 정도를 감소시키고 잠재적으로는 핀홀 폐쇄 문제를 해결한다. 그러나, 본 발명의 발명자는 가시광 또는 자외선 파장으로 진공 또는 진공에 가까운 조건에서 동작하는 레이저 빔이 광학 코팅의 품질 저하와 연관된다고 판단했다. 코팅은 광학계 내의 반사를 감소시키기 위해 사용되기 때문에, 이러한 품질 저하는 문제가 된다. 본 발명의 영역을 제한함이 없이, 본 발명의 발명자는 진공 상태에서 가시 레이저 광에 광학 장치를 노출시키면 때로 가시 레이저 광에 의해 광학 코팅에 존재하는 산소가 이 광학 코팅으로부터 배출된다고 믿는다. 상기 코팅에 남은 산소 부족 물질은 빛을 흡수하고 결과적인 성능에 부정적인 영향을 미친다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 공간 필터를 단순화하여 도시한다. 도 1에 도시된 공간 필터 100은 두 개의 중첩하는 필터 요소, 제1 필터 요소 110 및 제2 필터 요소 120을 포함한다. 상기 제1 필터 요소 110은 제1 실린더형 렌즈 112 및 제2 실린더형 렌즈 114를 포함한다. 상기 제1 실린더형 렌즈 112와 제2 실린더형 렌즈 114는 제1 거리 d₁ 만큼 떨어져 있다. 상기 제1 실린더형 렌즈 112와 제2 실린더형 렌즈 114는 모두 제1 초점 거리(f₁)를 갖는다. 상기 제1 필터 요소는 또한, 상기 제1 실린더형 렌즈 112와 제2 실린더형 렌즈 114 사이에 위치되고 수평 배열로 놓인 제1 슬릿 필터 116을 포함한다. 상기 제1 실린더형 렌즈 112는 수직면에서는 상기 렌즈를 통과하는 광선을 집속(focusing)하고 수평면에서는 집속을 행하지 않고 광선을 통과시키도록 배열된다. 상기 제1 실린더형 렌즈를 통과하는 평면파(plane wave)는 초점면에서, 제1 슬릿 필터 116과 정렬된 슬릿 형상의 빔을 형성할 것이다. 바람직하게는, 상기 슬릿 형상 빔의 파워의 반이상은 상기 제1 슬릿 필터 116을 통과할 것이다. 상기 제1 슬릿 필터 116을 통과하는 빛은 수직면에서 발산하고 제2 실린더형 렌즈 114에 의해 시준(collimation)된다. 상기 제1 필터 요소 110을 수직 필터라고도 한다.

공간 필터는 또한 상기 제1 필터 요소와 중첩되는 제2 필터 요소 120을 포함한다. 상기 제2 필터 요소 120은 제2 거리 d₂ 만큼 떨어진 제3 실린더형 렌즈 122 및 제4 실린더형 렌즈 124를 포함한다. 상기 제3 실린더형 렌즈 122와 제4 실린더형 렌즈 124는 모두 제2 초점 거리(f₂)를 갖는다. 상기 제2 필터 요소는 또한, 상기 제3 실린더형 렌즈 122와 제2 실린더형 렌즈 124 사이에 위치되고 수직 배열로 놓인 제2 슬릿 필터 126을 포함한다. 상기 제3 실린더형 렌즈 122는 수평면에서는 상기 렌즈를 통과하는 광선을 집속하고 수직면에서는 집속을 행하지 않고 광선을 통과시키도록 배열된다. 상기 제3 실린더형 렌즈를 통과하는 평면파는 초점면에서, 제2 슬릿 필터 126과 정렬된 슬릿 형상의 빔을 형성할 것이다. 바람직하게는, 상기 슬릿 형상 빔의 파워의 반이상은 상기 제2 슬릿 필터 126을 통과할 것이다. 상기 제2 슬릿 필터 126을 통과하는 빛은 수평면에서 발산하고 제4 실린더형 렌즈 124에 의해 시준된다. 상기 제2 필터 요소 120을 수평 필터라고도 한다.

상기 제1 슬릿 필터와 상기 제2 슬릿 필터 사이의 거리는 미리 정해진 거리 g이다. 따라서, 선 초점(line focus) 사이의 거리는 상기 미리 정해진 거리 g와 같다. 상기 거리 g는 상기 두 개의 슬릿 필터 116과 126에서 슬릿형 빔의 길이 방향 치수를 결정한다. 결국, g는 또한 이들 슬릿 필터에서의 빔 강도를 결정한다. 도 1의 실시예에서, 상기 거리 g는 실린더형 렌즈들의 초점 거리보다 작다.

도 1에 도시된 공간 필터는, 빔 단면 130에 의해 도시된 제1 실린더형 렌즈 112에서의 빔 개구비(aspect ratio)가 빔 단면 132에 의해 도시된 제4 실린더형 렌즈 124에서의 빔 개구비와 같은 특정 형태의 이미지 중계를 제공한다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 특정 실시예는 동일한 초점 거리, 즉, f₁=f₂=f를 특징으로 하는 실린더형 렌즈들을 이용한다. 이 실시예에서, 거리 d₁은 2f와 같고, 거리 d₂는 2f와 같으며, 제1 실린더형 렌즈와 제4 실린더형 렌즈 사이의 거리는 2f+g와 같다. 상기 구조에서, 총 중계 거리는 4f와 같고 공간 필터 외부의 총 중계 거리는 4f-2f-g=2f-g와 같다. 이에 따라, 상기 특정 실시예는 빔 개구비를 변화시키지 않고 이미지를 중계한다. 빔 크기가 확대되거나, 축소되거나, 또는 빔 개구비가 달라진 실시예들도 가능하기 때문에, 도 1은 단지 예시로서 간주되어야 한다. 예컨대, 이미지를 중계하기 위해 그리고 원하는 배율을 제공하거나 또는 개구비를 변화시키기 위해 초점 거리를 변동시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 많은 변형, 수정 및 대안을 인식할 수 있을 것이다.

각각의 필터 요소에서 첫 번째 쌍의 실린더형 렌즈들의 배향은 두 번째 쌍의 실린더형 렌즈들의 배향과 직교한다. 또한, 제1 슬릿 필터의 배향은 제2 슬릿 필터의 배향과 직교한다. 따라서, 도 1에 도시된 구조에서, 제1 필터 요소는 제2 필터 요소와 직교한다. 이렇게 해서, 실린더형 렌즈들과 필터들의 조합은 수평 및 수직 방향에서 제1 실린더형 렌즈에 입사하는 광 빔의 공간 필터링을 제공하지만, 슬릿 필터들을 사용하는 것은 당해 필터들에서 빔 강도를 감소시킨다. 이는, 핀홀이 사용되고 핀홀에서 결과적으로 빔 강도가 높아져 상기한 바와 같이 핀홀 물질의 스퍼터링, 핀홀 폐쇄, 등의 문제를 일으키는 종래의 방식과 대조된다. 본 명세서에 설명된 기술은 슬릿 필터를 사용하는 다음의 방식들과 대조된다: 1) 오직 한 방향으로만 필터링이 일어나도록 단 하나의 필터링 요소가 사용되는 방식, 또는 2) 두 개의 필터링 요소가 사용되지만, 슬릿 필터들이 이미지 중계를 실현하기 위해 중첩되지 않는 방식. 또한, 본 발명의 실시예들은, 빔에 비점수차(astigmatism)를 일으키도록 된 두 개의 구형 렌즈들과 서로 직교하도록 배향된 두 개의 슬릿 필터들을 사용하는 방식과 대조된다. 구체적으로, 본 명세서에 개시된 한 쌍의 실린더형 렌즈들 또는 비점수차 렌즈들을 사용하는 본 발명의 실시예들은, 슬릿 필터에서의 강도의 감소에 더 큰 영향을 미치고, 이에 따라 빔 왜곡 또는 빔 흡수 플라즈마를 생성하거나 슬릿 필터의 에지로부터 물질의 증발이 일어나게 하는 일 없이 더 높은 파워의 빔이 필터링되게 할 수 있다.

도 2a는 원형 개구에 대하여 위치의 함수로서 광 강도를 나타내는 단순화된 도면이다. 도 2a에 도시된 원형 초점 스폿에 있어서, 원형 핀홀 개구 및 구형 렌즈를 사용하는 종래의 공간 필터와 연관된 조건인 높은 플루언스(fluence)가 생성된다. 핀홀에서의 빔 강도를 I_spot이라고 부르기도 한다. 도 2b는 슬릿형 개구에 대하여 위치의 함수로서 광 강도를 나타내는 단순화된 도면이다. 도 2a에 도시된 원형 초점 스폿에 대한 광도(irradiance) 패턴과는 대조적으로, 슬릿 개구에서의 빔 강도는 선 초점과 연관된 것이다. 실린더형 렌즈를 사용하여 생성된 선 초점은 원형 초점 스폿에 비해 감소된 플루언스를 제공한다. 예컨대, 핀홀 직경 d와 같은 슬릿 폭에 있어서, 그리고 구형 렌즈의 초점 거리와 같은 실린더형 렌즈의 초점 거리에 있어서, 슬릿 개구에서의 빔 강도는 I_spot·(d/L)과 거의 같다. 여기서, L은 슬릿 길이이다. 슬릿 길이가 슬릿 폭 보다 훨씬 크기 때문에, 슬릿 개구에 있어서의 빔 강도는 원형 핀홀 개구에 비해 더 많이 감소된다. 이에 따라, 도 1의 공간 필터에서 도시된 바와 같이 실린더형 렌즈와 슬릿 개구를 사용하면, 감소된 빔 강도를 갖는 선 초점이 제공되고, 광도 및 플루언스가 플라즈마 생성 및 광학 소자들의 손상에 대한 문턱값 이하의 수준으로 감소된다.

본 발명의 실시예들을 이용하면, 공간 필터 요소들(즉, 슬릿 필터들)의 평면에서의 빔 강도를 두 자리수 정도 감소시킬 수 있다. 예컨대, 40cm×40cm 개구를 갖는 레이저 빔라인(beamline)에서, 1.5mm 핀홀 대신 1.5mm×20cm 슬릿을 사용함으로써, 공간 필터 개구의 에지에서 광도 및 플루언스가 100배 이상 감소된다. 본 명세서에 개시된 실시예에서, 핀홀 필터가 아닌 슬릿 필터를 사용하면 개구 벽에서의 피크 광도가 플라즈마 문턱값 이하의 수준으로 감소될 것이다. 일반적으로, 플라즈마 생성의 문턱값은 100GW/cm² 정도의 크기이다. 본 발명의 실시예들은 피크 광도를 플라즈마 생성을 위한 문턱값보다 훨씬 낮은 수십 GW/cm² 또는 그 이하의 값으로 감소시킬 수 있다. 결과적으로, 플라즈마 생성에 기인하는 광학적 파괴의 문턱값을 초과하지 않으면서 광학계 내의 가스 압력을 증가시킬 수 있다. 특히, 감소된 진공 요건은 시스템 펌프-다운(pump-down) 시간뿐 아니라 작동 비용을 감소시킬 것이고, 이는 시스템 운영자에게는 현저한 장점이다. 또한, 광학 장치에 물질이 퇴적되는 문제(즉, 광학 장치의 금속 피복 작용)는 산소 또는 다른 적합한 가스를 광학계에 첨가함으로써 잠재적으로 해결될 수 있다.

한편, 본 발명의 실시예에서 개구 벽에서의 피크 플루언스는 많은 물질들에 대한 손상 문턱값 이하의 수준으로 감소된다. 예컨대, 그레이징 입사(grazing incidence)에서 NG-4 유리 벽에 대한 광학적 손상의 문턱값은 5ns에서 ~5KJ/cm²이다. 본 발명의 실시예들은 피크 플루언스를 제곱 센티미터 당 수백 주울(joule) 또는 그보다 작은 정도의 값으로 감소시키는데, 이 값은 상기 조건에서 NG-4 유리에 대한 광학적 손상의 문턱값보다 훨씬 낮다. 따라서, 유리가 내장된 테이퍼형(tapered) 벽을 갖는 슬릿 개구를 사용하면, 플라즈마 생성 및 광학적 손상을 모두 피할 수 있을 것으로 예상할 수 있다.

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 의한 공간 필터의 단순화된 도면이다. 도 3에 도시된 실시예에서, 한 쌍의 실린더형 렌즈들은 수직 및 수평 방향 모두에서 집속 능력을 갖는 비점수차 렌즈들로 대체된다. 도 3을 참조하면, 공간 필터는 수직 방향으로 집속하기 위한 제1 초점 거리 f_v _,1과 수평, 즉, 상기 수직 방향에 직교하는 방향으로 집속하기 위한 제2 초점 거리 f_h _,1을 갖는 제1 비점수차 렌즈 310을 포함한다. 도 3에 도시된 예에서, 수직 방향은 제1 입력 방향이라고 하고 수평 방향을 제2 입력 방향이라고 할 수도 있다. 두 방향의 초점 거리는 서로 다르고, 초점 거리 f_h _,1이 초점 거리 f_v _,1보다 크다.

제1 슬릿 필터 322는 광 경로(optical path)를 따라 위치되고 제1 비점수차 렌즈 310으로부터 제1 초점 거리 f_v _,1만큼 떨어져 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 제1 비점수차 렌즈에 입사되어 시준된 빔은 수직 방향으로 집속되고, 집속된 빔은 제1 슬릿 필터 322를 통과할 수 있다. 제2 슬릿 필터 324 또한 광 경로를 따라 위치되고 제1 비점수차 렌즈로부터 제2 초점 거리 f_h _,1만큼 떨어져 있다. 상기 제1 비점수차 렌즈에 입사되어 시준된 빔은 수평 방향으로 집속되고, 집속된 빔은 제2 슬릿 필터 324를 통과할 수 있다. 제1 슬릿 필터 322와 제2 슬릿 필터 324는 거리 g만큼 떨어져 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 제1 슬릿 필터 및 제2 슬릿 필터는 서로에 대해 직교한다. 상기 거리 g는 두 개의 직교 방향에 있어서의 초점 거리 f_h _,1과 f_v _,1의 차이다.

빔이 제1 및 제2 슬릿 필터 322 및 324를 통과하기 때문에, 상기 빔은 제1 입력(예컨대, 수직) 방향에서 제3 초점 거리 f_v _,2를 갖고 제2 입력(예컨대, 수평) 방향에서 제4 초점 거리 f_h _,2를 갖는 제2 비점수차 렌즈 312에 도달하기 전에 발산한다. 상기 두 방향의 초점 거리는 서로 다르고, 초점 거리 f_h _,2가 초점 거리 f_v _,2보다 작다. 상기 빔은 상기 제2 비점수차 렌즈 312에 의해 시준된다.

도 3에 도시된 공간 필터는, 초점 거리 f_h _,2과 f_v _,1가 같을 때, 그리고 초점 거리 f_v _,2과 f_h _,1가 같을 때, 이미지 중계를 제공한다. 이 경우, 총 중계 거리 R은,

이고, 여기서 m=f_v _,2/f_v _,1=f_h _,1/f_h _,2, L=f_v _,1+f_v _,2=f_h _,1+f_h _,2이고, t는 입력 이미지 면과 제1 렌즈 310 사이의 거리이다. m과 L에 관한 상기 모든 등식에서, 초점 거리들은 수직 및 수평 방향에 있어서 다르다.

도 3에 도시된 공간 필터에 의해 제공되는 이미지 중계는 도 1에 도시된 것과 몇 가지 관점에서 다르다. 예컨대, 도 3에서 입력 및 출력 빔의 단면 면적은 동일하지만, 빔 단면 330을 갖는 입력 빔은 긴 방향이 수평으로 배향되고 빔 단면 332를 갖는 출력 빔은 긴 방향이 수직으로 배향되어, 빔의 치수가 달라진다. 입력 빔이 정사각형일 때는, 출력 빔 또한 정사각형이라는 점에 주의해야 한다. 또한, 도 3과 도 4에 도시된 렌즈들은 사각형(예컨대, 정사각형)이지만, 본 발명의 실시예들은 구체적인 응용 분야에 따라 적절하게 둥근 렌즈 또는 다른 모양의 렌즈를 이용할 수 있다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 많은 변형, 수정 및 대안을 인식할 수 있을 것이다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 굴절 또는 회절 구조를 사용하는 필터링을 단순화하여 도시한다. 필터링을 위한 굴절, 회절, 흡수 및 반사 구조들이 본 발명의 실시예들에 적용가능하기 때문에, 도 4는 예시로서 간주되어야 한다. 예컨대, 고차(high order) 공간 주파수를 걸러내기 위해 굴절 또는 회절을 사용하는 원형 구조가 구형 렌즈를 사용하는 공간 필터에서 사용될 수 있음이 제안되었다. 본 발명의 실시예에서는 이러한 굴절 또는 회절 구조의 선형(linear) 버전이 사용될 수 있고, 본 명세서에서 논의된 실린더형 또는 비점수차 렌즈와 함께 사용될 수도 있다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 많은 변형, 수정 및 대안을 인식할 수 있을 것이다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 의해 제공되는 공간 필터를 이용하는 이중 패스 증폭기(double pass amplifier)의 단순화된 도면이다. 도 5에 도시된 실시예에서, 증폭되어야 하는 빛은 한 세트의 직교하는 실린더형 렌즈들 510 및 512를 사용하는 증폭기로 주입된다. 상기 직교하는 실린더형 렌즈들은, 시준된 빔이 주입 거울 548을 향해 전파될 때 상기 빔이 수렴하는 빔으로 집속되도록 정렬된다. 상기 주입 거울은, 하나의 차원에서는 원거리장(far field)에 가깝고 다른 차원에서는 근거리장(near field)에 있도록 위치된다.

주입 거울은 주입되는 빔을 다른 방향으로 돌리고, 상기 빔은 수직 입력 슬릿 540을 통과한다. 수직으로 배향된 이중 슬릿 요소 580은 입력 슬릿 540 및 출력 슬릿 542를 포함한다. 제2 이중 슬릿 요소 582는 수평으로 배향되고 두 개의 슬릿 개구, 입력 슬릿 544 및 출력 슬릿 546을 포함한다. 도 1 및 도 3과 관련하여 논의된 바와 같이 수직 및 수평으로 배향된 이중 슬릿 요소들은 직교하는 입력/출력 슬릿 쌍들을 형성한다. 직교하는 한 쌍의 입력 슬릿 540/544를 통과한 후, 빛은 직교하는 슬린더형 렌즈 520 및 522를 통해 집속된다. 시준된 빔은 증폭기 530으로서 참조된 이득 매질(gain medium)을 통과하는 두 개의 경로를 만든다. 상기 이득 매질(이득 물질이라고도 함)은 Nd:YAG, Nd:Glass, Ti:Sapphire, Yb:YAG, Yb:Glass, Yb:S-FAP, Tm:YAG, Er:YAG, Ho:YAG 또는 Nd:SrF₂ 등을 포함하는 몇 개의 서로 다른 물질들 중 하나일 수 있다. 거울 또는 격자와 같은 반사 요소 532는, 상기 이득 매질을 통과하는 제2 경로를 제공하기 위해 상기 이득 매질을 통과하는 제1 경로 뒤에서 빛을 반사하기 위해 사용된다. 격자 등을 포함하는 거울이 아닌 반사 요소가 사용될 수 있다.

상기 이득 매질 530을 두 번 통과한 후에, 증폭된 빛은 직교하는 한 쌍의 렌즈 520/522를 통해 두 번 집속되고 빔 경로를 따라서 한 세트의 출력 슬릿 546과 542로 전파된다. 도 1을 참조하면, 실린더형 렌즈 522와 수평으로 배향된 출력 슬릿 546 사이의 간격은 실린더형 렌즈 522의 초점 거리와 같다. 수직으로 배향된 출력 슬릿 542를 통과한 후, 증폭되고 공간적으로 필터링된 빛은 직교하는 실린더형 렌즈인 한 쌍의 실린더형 렌즈 550 및 552에 의해 집속된다. 실린더형 렌즈 520과 수직으로 배향된 슬릿 542 사이의 간격은 실린더형 렌즈 520의 초점 거리와 동일하고, 실린더형 렌즈 550과 수평으로 배향된 슬릿 546 사이의 간격은 실린더형 렌즈 550의 초점 거리이며, 실린더형 렌즈 552와 수직으로 배향된 슬릿 542 사이의 간격은 실린더형 렌즈 552의 초점 거리와 동일하다. 이미지의 중계는 광학계에 의해 실린더형 렌즈 522와 실린더형 렌즈 552 사이의 빔 경로를 따라 제공된다.

도 1 및 도 5를 참조하면, 공간 필터들 간의 설계의 유사성을 알 수 있다. 한 쌍의 직교하는 렌즈 522/520은 한 쌍의 직교하는 렌즈 112/122에 대응되고, 한 쌍의 직교하는 렌즈 550/552는 한 쌍의 직교하는 렌즈 114/124에 대응된다. 도 5의 직교하는 슬릿 필터들은 이중 슬릿 구조에 제공되어 서로 다른 입력 및 출력 빔 경로를 가능하게 하는데, 대체로 수평/수직 슬릿 필터 116/126에 대응된다. 따라서, 도 1에 도시된 공간 필터의 이점들은 도 5에 도시된 이중 패스 증폭기 시스템에서 유효하다. 도 5에 도시된 광학계는 빔 개구비가 변하지 않게 하고, 실린더형 렌즈 522에서의 빔의 단면이 실린더형 렌즈 552에서의 빔의 단면과 동일하다. 도 5에 도시된 설계에서, 주입 거울의 크기는 종래의 입력 거울에 비해 더 커지고, 이는 입력 거울이 주어진 파워 레벨에서 더 낮은 플루언스로, 또는 주어진 플루언스 레벨에서 더 높은 파워로 동작할 수 있게 한다.

도 5에 도시된 이중 패스 증폭기 시스템에서, 주입 거울은 한 세트의 슬릿 개구들과 한 세트의 직교하는 실린더형 렌즈들 550/552 사이에 위치된다. 본 발명은 이러한 특정 광학 설계를 요구하지 않으며, 다른 입력 거울 배치들도 본 발명의 범위 내에 포함된다. 도 5에 도시된 실시예에서는 실린더형 렌즈들의 세트가 사용되지만, 도 3과 관련하여 논의된 바와 같이 비점수차 렌즈 또한 이용될 수 있다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 의해 제공되는 공간 필터를 이용하는 멀티패스 증폭기(multi-pass amplifier)의 단순화된 도면이다. 도 6에 도시된 멀티패스 증폭기는 후방으로 전파되는 펄스로부터의 보호를 제공한다. 도 6을 참조하면, 본 명세서에 설명된 공간 필터를 이용하는 다중 패스(즉, 4중 패스) 증폭기의 구현이 개시된다. 도 6에 도시된 상기 다중 패스 증폭기는 한 쌍의 직교하는 실린더형 렌즈 624와 626, 수평으로 배향된 다중 슬릿 필터 요소 622, 수직으로 배향된 다중 슬릿 필터 요소 620, 및 제2의 직교하는 실린더형 렌즈 660과 662의 쌍을 포함하는 공간 필터를 포함한다. 상기 공간 필터는 도 5에 도시된 공간 필터와 차이점뿐 아니라 유사성도 갖는다.

전단(front end) 광학계 610는 증폭기에 입력 빔을 제공한다. 전단 광학계는, 하나 또는 그 이상의 레이저 소스를 포함하는 하나 또는 그 이상의 자유 공간(free-space) 및 파이버 기반의 광학 부품을 포함할 수 있다. 광 빔은 전단 광학계 내의 요소들에 의해 집속되어, 주입 거울 612를 향해 전파되는 수렴 빔을 제공할 수 있다. 주입 거울 612는 증폭기 빔 경로로 빛을 주입하기 위해 사용된다. 빛은 다중 슬릿 필터 요소 620에 마련된 네 개의 슬릿 중 하나인 수직으로 배향된 슬릿 필터를 통과한다. 이중 슬릿 요소 580과 유사한 방식으로, 광 빔이 다중 경로 방식으로 시스템을 통해 전파될 때 광 빔을 공간적으로 필터링하기 위해 다중 슬릿이 사용된다.

수평으로 배향된 다중 슬릿 필터 요소 622는 빔 경로를 따라 배치되고 빛은 실린더형 렌즈 624를 향해서 빔 경로 #1(즉, 패스 #1)을 따라 상기 네 개의 슬릿 중 제1 슬릿을 통과한다. 두 개의 실린더형 렌즈 624 및 626은 직교하도록 배향되고 한 쌍의 직교 실린더형 렌즈를 형성한다. 빛은 처음에 증폭기 630을 통해 경로 #1을 따라 지나가고 반사 구조(예컨대, 거울) 632에서 반사된다. 증폭기 630을 두 번째로 통과한 후에, 증폭된 빛은 상기 한 세트의 직교하는 실린더형 렌즈 626/624를 통과한 다음 수평으로 배향된 다중 슬릿 필터 요소 622의 제2 슬릿과 수직으로 배향된 다중 슬릿 필터 요소 620의 제2 슬릿을 통과한다. 이러한 두 번째 패스를 위한 빔 경로를 도 6에서 패스 #2라고 한다. 상기 증폭기의 물질은, 예컨대, Nd:YAG 또는 Nd:Glass 등의 적합한 이득 물질일 수 있다. 또한, 상기 반사 요소는 거울, 격자 또는 다른 적합한 반사체일 수 있다.

후방 전파 펄스로부터 보호하기 위해, 제1 분리 루프(isolation-loop) 거울 640과 제2 분리 루프 거울 642 사이의 광 경로를 따라서 광학 어셈블리가 설치된다. 상기 분리 루프는 목표물에 의해 레이저 시스템으로 반사되는 펄스들로부터 레이저 전단을 분리시킨다(보호한다). 상기 광학 어셈블리는 거울, 렌즈, 및 포켈스 셀(Pockels cell) 또는 패러데이 로테이터(Faraday rotator) 등과 같은 몇 가지 형태의 편광 로테이터(polarization rotator) 중 하나일 수 있는 로테이터 652를 포함한다. 필요하다면, 제2 로테이터 또는 거울들의 조합(도시되지 않음)을 사용하여, 증폭기로 다시 주입하기 전에 편광이 원래의 상태로 역으로 회전된다. 빔은 제2 분리 루프 거울 642를 사용하여 재주입된다. 경로 #4, 다음으로 경로 #3, 다음으로 제2 분리 루프 거울 642에서 반사되어 역으로 전파되는 역 전파 파장은 편광자(polarizer) 654에 의해 반사되고 빔 덤프 650으로 향하게 될 것이다.

증폭되어야 하는 빛은 제2 분리 루프 거울 642로부터 반사되고 경로 #3을 따라 전파되며, 수직으로 배향된 다중 슬릿 필터 요소 620의 제3 슬릿과 수평으로 배향된 다중 슬릿 필터 요소 622의 제3 슬릿을 통과한다. 상기 제3 경로는 한 세트의 직교하는 실린더형 렌즈 624/626을 통과하고, 증폭기 630을 세 번째로 통과하며, 반사 요소 632에서 반사되어, 증폭기를 통과하는 제4 패스를 만든다. 경로 #4를 따라 전파되면서, 상기 증폭된 빛은 한 세트의 직교하는 실린더형 렌즈 626/624를 통과하고, 수평 및 수직으로 배향된 필터 요소 622 및 620의 제4 슬릿을 통과하며, 제2 세트의 직교하는 실린더형 렌즈 660 및 662를 통과한다. 상기 증폭기의 출력은 실린더형 렌즈 662를 통과한 후에 제공된다.

도 6에 도시된 증폭기를 이용하면, 종래의 설계에 비해 분리 루프 거울들 640 및 642에서의 플루언스가 감소된다. 이에 따라, 구형 렌즈 및 핀홀을 이용하는 공간 필터에 대하여, 상기 분리 루프 거울들은 이러한 더 낮은 플루언스의 결과로 수명이 더 길어질 것으로 예상된다. 또한, 도 6에 도시된 실시예는 파편에 의한 광학 장치의 오염을 줄일 것이다. 또한, 본 발명의 실시예들에 의해 제공되는 공간 필터의 사용은 분리 루프 거울과 다른 광학 장치를 손상시키지 않으면서 더 큰 역방향 전파 펄스 에너지를 견딜 수 있게 할 것이다. 실린더형 렌즈들의 세트들이 도 6에 도시된 실시예에서 사용되었지만, 도 3과 관련하여 논의된 바와 같이 비점수차 렌즈가 사용될 수도 있다.

본 발명의 실시예들에서 사용되는 실린더형 렌즈들은, 종래의 구형 렌즈에 비해 후방 반사(back reflection)와 관련된 추가적인 이점을 제공한다. 구형 렌즈 및 핀홀 필터를 사용하면, 바람직하게는 빔 경로에 수직으로 배향되는 구형 렌즈로부터의 반사가 수직 입사로 반사되고 핀홀 필터를 통해 되돌아 갈 것이고, 이는 때로 이득 매질에서 높은 강도로 증폭될 수 있는 "펜슬 빔(pencil beam)"이라고 불리는 강한 빔을 일으킨다. 이에 따라, 이러한 후방으로 전파되는 파장의 높은 강도로 인한 광학 부품의 손상뿐 아니라 상기 후방으로 전파되는 파장의 증폭에 의한 이득 소모가 일어날 수 있다.

후방 반사를 감소시키기 위해 구형 렌즈가 기울어질 때(빔 경로에 대해 수직으로 위치되지 않음), 구형 렌즈의 모양에 의해 입사 빔에 수직이 되는 렌즈의 새로운 부분이 생기게 되고, 이는 빔의 일부가 후방 전파 파장으로서 반사될 수 있게 할 것이다. 따라서, 후방 전파 파장과 그로 인한 문제들은 구형 광학 장치를 기울이는 것으로는 쉽게 해결되지 않는다.

역으로, 실린더형 렌즈를 기울이면 후방 반사로 인해 생성된 후방 전파 파장이 크게 감소된다. 입사 빔과 대향하는 평철(plano-convex) 실린더형 렌즈의 평면측과 함께, 실린더형 렌즈를 기울이는 것은 들어오는 빔이 빔 경로에 대하여 일정한 각도로 반사되게 하며, 이는 후방으로 전파되는 빛이 슬릿 필터의 중심이 아닌 부분에 의해 차단되게 한다. 일반적으로, d/2f 정도의 기울임 각은 후방으로 전파되는 빛이 차단되도록 하기에 충분하고, 여기서 d는 좁은 방향에서의 슬릿 폭이고 f는 실린더형 렌즈의 초점 거리이다(슬릿 개구로부터 실린더형 렌즈까지의 거리).

도 7은 본 발명의 다른 실시예에 의한 멀티패스 증폭기의 단순화된 도면이다. 도 7에 도시된 바와 같이, 이 실시예는 다중 패스 증폭기와 함께 도 1과 관련하여 논의된 공간 필터 100을 이용한다. 공간 필터 100은 하나의 수평 슬릿과 하나의 수직 슬릿을 포함하고 빔이 다중 패스 증폭기 700을 통해 전파될 때 이 빔의 필터링을 제공한다. 도 7에 도시된 바와 같이, 증폭 중에 빔은 동일한 수직 및 수평 슬릿을 반복해서 통과한다. 슬릿에서의 강도가 플라즈마 생성 문턱값보다 낮기 때문에, 동일한 슬릿을 통해서 여러 번 빔을 통과시키는 것이 본 발명의 실시예에 의해 가능해 진다. 이에 따라, 앞서 논의된 핀홀 폐쇄 현상은 일어나지 않는다. 따라서, 이전의 패스에서 생성된 플라즈마가 그 다음의 패스 중에 여전히 존재하게 될 가능성이 있기 때문에, 본 발명의 실시예들은 구형 렌즈 및 핀홀 필터를 사용하는 종래의 공간 필터와 차이를 보인다. 증폭된 빔이 증폭기를 통과하는 다수의 패스를 형성할 수 있도록 함으로써, 종래의 방식에 비해 전단 레이저의 크기를 줄일 수 있고, 따라서 비용을 줄일 수 있다.

도 7을 참조하면, "p" 편광을 갖는 입력 빔이 도면의 좌측으로부터 주입되어, 입력 빔이 편광자 710에 의해 투과될 수 있다. 상기 빔은 포켈스 셀 720뿐 아니라 편광자 710을 통과하고, 포켈스 셀 720을 통과한 후에 편광이 "p"로 남도록 이 포켈스 셀은 낮은 전압에서 동작된다. 다음으로 상기 빔은 증폭기 740을 처음으로 통과하고 공간 필터 100에 도달한다. 도 1과 관련하여 설명한 것처럼, 이 실시예에서는 실린더형 렌즈 및 슬릿 필터들이 사용된다. 추가적인 실시예들은 공간 필터 100대신 도 3에 도시된 공간 필터를 사용한다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 많은 변형, 수정 및 대안을 인식할 수 있을 것이다.

증폭된 빔은 포켈스 셀 722를 통과한다. 이 포켈스 셀은 전전압(full voltage)으로 동작하기 때문에, 편광은 "p"로부터 "s"로 회전되고 빔은 편광자 712로부터 거울 732로 반사된다. 거울 732에 의한 반사 후에, 상기 빔은 편광자 712로 돌아가고, 여기서 빔은 여전히 전전압으로 동작하는 포켈스 셀 722로 다시 반사된다. 따라서, 포켈스 셀 722는 편광을 다시 "p" 편광으로 회전시킨다. 공간 필터 100을 통과한 후에, 빛은 증폭기 740에서 두 번째로 증폭된다. 이 빔은, 이제 전전압으로 동작하는 포켈스 셀 720을 통과하고, 빔의 편광이 "s" 편광으로 회전된다. 상기 "s" 편광된 빔은 편광자 710에 의해 거울 730으로 반사되고, 거울 730은 광학적 체인(optical chain)을 통해 이 빔을 다시 반사한다. 포켈스 셀 720과 722에서 편광이 언제나 "s"일 수 있도록 포켈스 셀 720과 722가 전전압으로 유지되는 한, 증폭된 빔은 거울 730과 732 사이를 계속 순환할 것이다. 구체적인 실시예에서 증폭기를 통과하는 패스의 수는 시스템 운영자에 의해 정해질 수 있고 임의적이다. 도 7에 도시된 실시예에 의해 제공되는 다수의 패스가 갖는 장점은, 빔의 더 큰 증폭과 이에 따라 입력 펄스를 생성하기 위해 더 작은 전단 레이저를 사용할 수 있고 그 결과 시스템 비용을 줄일 수 있다는 점이다. 또한, 더 많은 패스는, 이득 매질의 포화(saturation) 플루언스가 광학 장치의 손상 플루언스에 비해 높을 때 증폭기로부터의 에너지의 추출 효율을 향상시킨다는 추가적인 이점을 가질 수 있다. 만약 증폭기 이득이 상대적으로 낮고 충분한 패스가 만들어져서 증폭기를 통과한 축적된 플루언스가 포화 플루언스의 몇 배라면, 상기 포화 플루언스보다 출력 빔 플루언스가 낮을 때조차도 효율적인 추출이 가능하다.

멀티패스 증폭기로부터 빔을 추출하기 위해, 포켈스 셀 722에서의 전압이 0으로 감소되어, 편광자 712에서 빔 편광이 "p"가 될 수 있게 한다. "p" 편광된 빔은 편광자 712를 통해 투과되고 증폭기로부터 출력된다.

빔이 광학 빔 경로를 통과할 때마다, 공간 필터 100에 의해 빔이 청소된다는 점에 유의해야 한다. 상기한 바와 같이, 각 패스에서 동일한 슬릿들이 재사용되고, 이는 (핀홀이 아니라) 슬릿을 사용할 때 가능한데, 슬릿 에지에서의 레이저 빔 강도의 플루언스가 플라즈마 생성 문턱값보다 낮게 유지되어 첫 번째 패스 이후의 패스에서 빔과 간섭을 일으킬 수 있는 핀홀 폐쇄(슬릿에 대해서는 이와 등가인 것)를 방지할 수 있기 때문이다.

도 5 내지 7에 도시된 증폭기는 본 명세서에 개시된 공간 필터를 사용하여 동작 파라미터를 향상시킬 수 있는 구체적인 실현예이다. 그러나, 본 발명은 이러한 구체적인 실현예로 한정되지 않고, 다른 증폭기 구성들 또한 증폭기 시스템의 부품으로서 실린더형 렌즈들 또는 비점수차 렌즈들의 세트 및 슬릿 필터들을 포함하는 공간 필터와의 통합을 통해 혜택을 누릴 수 있다. 단지 예시로서, Yb:SrF₂ 이득 매질을 사용하는 멀티패스 증폭기가 본 명세서에 설명된 공간 필터의 통합으로부터 혜택을 누릴 수 있는 시스템이다. 두 번째 예로서, 실린더형 또는 비점수차 렌즈를 사용하는 공간 필터는, "링(ring) 레이저" 설계에 통합될 수 있는데, 여기서 빔은 폐회로를 통해 다수의 패스를 만들고 패스의 수는 하나 또는 그 이상의 포켈스 셀 및 편광자에 의해 조절된다. 이 실시예에서, 빔이 상기 폐회로를 통해 만드는 각각의 왕복 경로 상에서, 동일한 방향으로 빔은 공간 필터를 한번 통과한다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 많은 변형, 수정 및 대안을 인식할 수 있을 것이다.

본 명세서에 개시된 실시예와 예시들은 단지 설명을 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 사람들에게는 상기 실시예와 예시들에 비추어 다양한 변경과 수정이 제시될 수 있고 이들은 첨부된 청구범위의 영역과 응용의 범위 및 사상 내에 포함되어야 한다는 것 또한 이해할 수 있을 것이다.

Claims

공간 필터에 있어서,
제1 필터 요소; 및
제2 필터 요소를 포함하고,
상기 제1 필터 요소는,
서로 제1 거리만큼 떨어져 있고, 각각이 제1 초점 거리를 갖는 제1 실린더형 렌즈 쌍; 및
상기 제1 실린더형 렌즈 쌍 사이에 위치된 제1 슬릿 필터를 포함하고,
상기 제2 필터 요소는,
서로 제2 거리만큼 떨어져 있고, 각각이 제2 초점 거리를 갖는 제2 실린더형 렌즈 쌍; 및
상기 제2 실린더형 렌즈 쌍 사이에 위치된 제2 슬릿 필터를 포함하며,
상기 제1 슬릿 필터는 상기 제2 실린더형 렌즈 쌍 사이에 위치되고, 상기 제2 슬릿 필터는 상기 제1 실린더형 렌즈 쌍 사이에 위치되는,
공간 필터.
제1항에 있어서,
상기 제1 초점 거리와 상기 제2 초점 거리는 동일한 초점 거리인 공간 필터.
제2항에 있어서,
상기 제1 슬릿 필터와 상기 제2 슬릿 필터 사이의 간격은 상기 동일한 초점 거리보다 작은 미리 정해진 거리인 공간 필터.
제3항에 있어서,
상기 제1 실린더형 렌즈 쌍의 제1 렌즈와 상기 제2 실린더형 렌즈 쌍의 제2 렌즈 사이의 거리는, 상기 동일한 초점 거리의 두 배에 상기 미리 정해진 거리를 더한 것과 같은 공간 필터.
제1항에 있어서,
상기 제1 실린더형 렌즈 쌍의 방향은 상기 제2 실린더형 렌즈 쌍에 직교하는 공간 필터.
제1항에 있어서,
상기 제1 슬릿 필터는 상기 제2 슬릿 필터에 직교하는 공간 필터.
제1항에 있어서,
상기 제1 실린더형 렌즈 쌍의 제1 렌즈에서의 빔 개구비와 상기 제2 실린더형 렌즈 쌍의 제2 렌즈에서의 빔 개구비가 동일한 공간 필터.
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멀티패스 증폭기에 있어서,
광 경로를 따라 빛을 보내는 입력 광학 장치;
상기 광 경로를 따라서 배치된 이득 매질;
상기 광 경로를 따라서 배치된 공간 필터; 및
상기 광 경로를 따라서 배치된 출력 광학 장치를 포함하고,
상기 공간 필터는,
제1 필터 요소; 및
제2 필터 요소를 포함하고,
상기 제1 필터 요소는,
서로 제1 거리만큼 떨어져 있고, 각각이 제1 초점 거리를 갖는 제1 실린더형 렌즈 쌍; 및
상기 제1 실린더형 렌즈 쌍 사이에 위치된 제1 슬릿 필터를 포함하고,
상기 제2 필터 요소는,
서로 제2 거리만큼 떨어져 있고, 각각이 제2 초점 거리를 갖는 제2 실린더형 렌즈 쌍; 및
상기 제2 실린더형 렌즈 쌍 사이에 위치된 제2 슬릿 필터를 포함하며,
상기 제1 슬릿 필터는 상기 제2 실린더형 렌즈 쌍 사이에 위치되고, 상기 제2 슬릿 필터는 상기 제1 실린더형 렌즈 쌍 사이에 위치되는,
멀티패스 증폭기.
제32항에 있어서,
상기 입력 광학 장치는 제1 편광자 및 제1 포켈스 셀(Pockels cell)을 포함하는 멀티패스 증폭기.
제33항에 있어서,
상기 제1 편광자로부터 빛을 수취하고 상기 제1 편광자로 빛을 반사하는 제1 거울을 더 포함하는 멀티패스 증폭기.
제33항에 있어서,
상기 출력 광학 장치는 제2 편광자 및 제2 포켈스 셀을 포함하는 멀티패스 증폭기.
제35항에 있어서,
상기 제2 편광자로부터 빛을 수취하고 상기 제2 편광자로 빛을 반사하는 제2 거울을 더 포함하는 멀티패스 증폭기.
제32항에 있어서,
상기 제1 실린더형 렌즈 쌍의 방향은 상기 제2 실린더형 렌즈 쌍에 직교하는 멀티패스 증폭기.
제32항에 있어서,
상기 제1 슬릿 필터는 상기 제2 슬릿 필터에 직교하는 멀티패스 증폭기.
제32항에 있어서,
상기 제1 실린더형 렌즈 쌍의 제1 렌즈에서의 빔 개구비와 상기 제2 실린더형 렌즈 쌍의 제2 렌즈에서의 빔 개구비가 동일한 멀티패스 증폭기.