KR101456169B1 - 펄스형 파장가변 레이저 소스를 위한 방법 및 시스템 - Google Patents

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파스칼 드라뒤란타이
로버트 라로즈
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Abstract

시드 신호를 생성하는 시드 소스 및 광 순환기를 포함하는 펄스형 파장가변(tunable pulsed) 레이저 소스가 제공된다. 상기 광 순환기는 제1 포트, 제2 포트 및 제3 포트를 포함하고, 상기 제1 포트는 상기 시드 소스에 연결된다. 또한 상기 레이저 소스는, 제1 측부 및 제2 측부를 포함하는 진폭 변조기를 포함한다. 상기 제1 측부는 상기 광 순환기의 상기 제2 포트에 연결된다. 상기 레이저 소스는 입력단, 및 스펙트럼 도메인의 반사 필터를 포함하는 반사단을 포함하는 제1 광 증폭기를 더 포함한다. 상기 입력단은 상기 진폭 변조기의 상기 제2 측부에 연결된다. 또한, 상기 레이저 소스는, 상기 광 순환기의 상기 제3 포트에 연결된 제2 광 증폭기를 포함한다.
펄스형 레이저 소스, 시드 소스, 광 순환기, 진폭 변조기, 광 증폭기.

Description

펄스형 파장가변 레이저 소스를 위한 방법 및 시스템{METHOD AND SYSTEM FOR TUNABLE PULSED LASER SOURCE}
[관련 출원의 상호 참조]
본 출원은 "펄스형 파장가변 레이저 소스를 위한 방법 및 시스템"이라는 명칭의 2006년 4월 18일자 미국 임시특허출원 제60/793,307호를 우선권 주장의 기초로 하며, 상기 출원은 그 전체로서 참조에 의해 본 명세서에 편입된다.
본 발명은 일반적으로 파장가변 레이저 소스 분야에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 트리밍(trimming), 마킹(marking), 절삭 및 용접과 같은 산업적 용도에 유용한 고출력의 펄스형 레이저 소스를 제공하는 방법 및 장치에 관한 것이다. 단지 예로써, 본 발명은 펄스 폭, 피크 파워(peak power), 반복율(repetition rate), 펄스 형태를 포함하는 실시간(real-time) 파장가변 특성을 갖는 레이저 소스에 적용되었다. 그러나, 본 발명은 더 넓은 분야에 응용될 수 있으며, 다른 레이저 소스에도 적용될 수 있다.
Nd:YAG 레이저와 같은 펄스형 레이저 소스는 마킹, 새김(engraving), 미세 가공 및 절삭과 같은 응용 분야에서 레이저를 기반으로 한 물질 가공을 수행하는데 사용되어 왔다. 응용 분야 및 가공될 물질에 따라서, 펄스 폭, 펄스 반복율, 피크 파워 또는 에너지, 및 펄스 형태를 포함하는 레이저 펄스의 다양한 특성이 특정 응용 분야에 적합하도록 선택된다. 현존하는 다수의 고출력 펄스형 레이저(예를 들어, 펄스당 0.5mJ보다 큰 펄스 에너지를 가짐)는 광 펄스(optical pulse)를 생성하기 위해 Q-스위칭 및 모드 록킹(mode locking)과 같은 기술에 의존한다. 그러나, 이러한 레이저들은 공진기(cavity)의 기하학적 형상, 미러의 반사성 등에 의해 미리 정해지는 특성들을 갖는 광 펄스를 생성하며, 일반적으로 레이저 성능을 손상시킴이 없이는 다양한 분야에 이용될 수 없다. 일반적으로, 이러한 레이저들을 사용해서는 다양한 범위의 펄스 특성을 달성하기가 어렵다.
따라서, 관련 기술 분야에서는 파장가변 펄스 특성을 갖는 펄스형 레이저 소스가 요구된다.
본 발명에 의하면, 일반적으로, 파장가변 레이저 소스 분야에 관한 기술이 제공된다. 보다 구체적으로, 본 발명은 트리밍, 마킹, 절삭 및 용접과 같은 산업적 용도에 유용한 고출력의 펄스형 레이저 소스를 제공하는 방법 및 장치에 관한 것이다. 단지 예로써, 본 발명은 펄스 폭, 피크 파워, 반복율, 펄스 형태를 포함하는 실시간 파장가변 특성을 갖는 레이저 소스에 적용되었다. 그러나, 본 발명은 더 넓은 분야에 응용될 수 있으며, 다른 레이저 소스에도 적용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 펄스형 파장가변 레이저 소스가 제공된다. 상기 펄스형 파장가변 레이저 소스는, 시드 신호를 생성하는 시드 소스 및 광 순환기를 포함한다. 상기 광 순환기는 제1 포트, 제2 포트 및 제3 포트를 포함하고, 상기 제1 포트는 상기 시드 소스에 연결된다. 또한 상기 펄스형 파장가변 레이저 소스는 제1 측부 및 제2 측부를 포함하는 진폭 변조기를 포함한다. 상기 제1 측부는 상기 광 순환기의 상기 제2 포트에 연결된다. 상기 펄스형 파장가변 레이저 소스는 입력단, 및 스펙트럼 도메인의 반사 필터를 포함하는 반사단을 포함하는 제1 광 증폭기를 더 포함한다. 상기 입력단은 상기 진폭 변조기의 상기 제2 측부에 연결된다. 또한, 펄스형 파장가변 상기 레이저 소스는 상기 광 순환기의 상기 제3 포트에 연결된 제2 광 증폭기를 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에 의하면, 하나 또는 그 이상의 레이저 펄스를 제공하는 방법이 제공된다. 상기 방법은, 광 순환기의 제1 포트에서 시드 신호를 제공하는 단계, 상기 시드 신호를 진폭 변조기의 제1 측부로 투과시키는 단계, 및, 상기 진폭 변조기를 통한 제1 경로가 정의되도록 상기 시드 신호를 상기 진폭 변조기를 통해 투과시키는 단계를 포함한다. 또한 상기 방법은, 펄스를 제공하도록 상기 시드 신호를 시간 도메인 필터링하는 단계를 포함한다. 당해 시간 도메인 필터링하는 단계는 상기 진폭 변조기에 대한 구동 신호를 변조하는 단계를 포함한다. 상기 방법은, 제1 광 증폭기를 이용하여 상기 펄스를 증폭시키는 단계, 및, 스펙트럼 필터링된 펄스를 제공하도록, 상기 증폭된 펄스를 주파수 도메인 필터링하는 단계를 더 포함한다. 또한, 상기 방법은, 상기 진폭 변조기를 통한 제2 경로가 정의되도록 상기 스펙트럼 필터링된 펄스를 상기 진폭 변조기를 통해 투과시키는 단계, 및, 중간 펄스(intermediate pulse)를 제공하도록, 상기 증폭되고 스펙트럼 필터링된 펄스를 시간 도메인 필터링하는 단계를 포함한다. 당해 시간 도메인 필터링하는 단계는 상기 진폭 변조기에 대한 상기 구동 신호를 변조하는 단계를 포함한다. 또한, 상기 방법은 제2 광 증폭기를 이용하여 상기 중간 펄스를 증폭시키는 단계를 포함한다.
본 발명을 사용하면 종래 기술보다 진보된 다수의 이점이 성취된다. 예를 들어, 본 발명의 일 실시예에서, 필적할만한 성능 특성을 갖는 레이저들에 비해 가격이 저렴한 간결한 구조를 이용하는, 레이저 가공에 적합한 고출력의 펄스형 레이저가 제공된다. 또한, 본 발명의 실시예에서, 펄스와 펄스간의 안정성은 유지되면서 실시간으로 파장이 가변되는 펄스 특성을 갖는 짧은 펄스들이 생성된다. 또한, 본 발명에 의한 일 실시예에서, 펄스의 프로파일이 특정 응용 분야에 최적화되도록, 또는 레이저 시스템의 에너지 추출 효율이 최대화되도록 광 펄스가 성형될 수 있다. 실시예에 따라서는, 이러한 이점들의 하나 또는 그 이상이 존재할 수 있다. 이들 및 다른 이점들은 본 명세서의 전체에 걸쳐 설명되고, 특히 이하에 보다 구체적으로 설명되어 있다. 본 발명의 추가적인 다양한 목적, 특성 및 이점은 이하의 발명의 상세한 설명 및 첨부된 도면을 참조함으로써 보다 잘 이해될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한, 광섬유 증폭기(optical fiber amplifier)를 사용하는 파장가변 펄스 특성을 갖는 고출력 펄스형 레이저의 단순화된 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 고출력 펄스형 레이저의 서로 다른 위치에서의 전기 및 광 펄스를 도시하는 단순화된 타이밍도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한, 일련의 레이저 펄스를 제공하는 방법을 도시하는 단순화된 도면이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한, 광섬유 증폭기(optical fiber amplifier)를 사용하는 파장가변 펄스 특성을 갖는 고출력 펄스형 레이저의 단순화된 개략도이다. 고출력 펄스형 레이저 100은 광 순환기(optical circulator) 120의 제1 포트 114로 주사되는 시드 신호(seed signal)를 생성하는 시드 소스(seed source) 110을 포함한다. 본 발명의 일 실시예에 의하면, 연속파(continuous wave; CW) 반도체 레이저인 시드 소스 110을 사용함으로써 시드 광 신호(optical seed signal)가 생성된다. 특정 실시예에서, 상기 CW 반도체 레이저는 출력이 20mW이고 1032nm의 파장으로 동작하는 광섬유 브래그 격자(fiber Bragg grating; FBG) 안정 반도체 다이오드 레이저이다. 다른 특정 실시예에서, 상기 CW 반도체 레이저는 출력이 100mW이고 1064nm의 파장으로 동작하는 외부 공진기 반도체 다이오드 레이저(external cavity semiconductor diode laser)이다. 상기 출력은 100mW보다 작거나 클 수 있다. 예를 들어, 상기 출력은 50mW, 150mW, 200mW, 250mW 등이 될 수 있다. 다른 실시예에서, 상기 시드 신호는 소형 고체 레이저(solid-state laser) 또는 광섬유 레이저에 의해 생성된다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 많은 변형, 수정 및 대안을 인식할 것이다.
광 순환기 120을 통과한 후에, 상기 시드 신호는 상기 순환기 120의 제2 포트 122를 나가서 광 진폭 변조기(optical amplitude modulator) 130의 제1 측부 132에 충돌한다. 순환기는 본 발명이 속하는 기술 분야에 공지되어 있고 여러 공급자들로부터 입수 가능하며, 예를 들면, 뉴저지 콜드웰의 OFR 주식회사의 모델명 OC-3-1064-PM이다.
상기 광 진폭 변조기 130은 보통, 상기 변조기에 충돌한 신호가 투과되지 않는 "오프(off)" 상태로 고정되어 있다. 본 발명의 실시예에 의하면, 광 진폭 변조기는 상기 시드 신호의 진폭 변조 및 시간 도메인의 필터링 뿐만 아니라 자연 증폭 방출(amplified spontaneous emission; ASE) 필터링을 제공한다. 특정 실시예에서는, 광 펄스의 길이가 상기 광 진폭 변조기 130의 동작에 의해 결정되며, 상기 광 진폭 변조기는 1064nm에서 3GHz보다 큰 대역폭을 갖는 APE 타입 니오븀산 리튬 마흐-젠더 변조기(Lithium Niobate Mach-Zehnder modulator)일 수 있다.
본 발명의 실시예에 의하면, 상기 광 진폭 변조기 130은 짧은 광 펄스를 생성하는데 필요한 대역폭을 제공하는 전기광학 마흐-젠더(electro-optic Mach-Zehnder) 타입의 변조기이다. 다른 실시예에서, 상기 광 진폭 변조기 130은 에지 광학 필터(edge optical filter), 흡광 변조기(extinction modulator) 또는 음향광학 변조기(acousto-optic modulator)와 같이, 적절한 위상 또는 주파수와 진폭 간의 변환기를 포함하는 위상 또는 주파수 변조기이다. 예를 들어, 전기광학 위상 변조기는 상기 광 신호에 주파수 처프(frequency chirp)를 일으킬 수 있고, 이는 상기 광 신호가 쇼트패스(short pass) 또는 롱패스(long pass) 광학 필터를 투과할 때 진폭 변조로 전환된다. 바람직하게는, 상기 광 신호는 상기 전기광학 위상 변조기에 전기 신호가 인가되지 않을 때 큰 손실을 겪는 파장을 갖는 것을 특징으로 한다. 상기 전기광학 위상 변조기에 전기 신호가 인가될 때, 상기 광 신호의 파장 또는 주파수 처프가 광 손실이 낮아지는 것을 특징으로 하는 값으로 변하는 것이 바람직하다.
상기 시드 신호를 통과시키기 위해, 상기 광 진폭 변조기 130은 광 경로 136을 따라 광 펄스를 생성하도록 처음으로 "온(on)" 상태로 맥동(pulse)한다. 상기 광 진폭 변조기 130에 의해 생성된 상기 광 펄스의 폭과 형태는 상기 광 진폭 변조기 130에 인가된 변조기 구동 신호에 의해 제어된다. 상기 광 펄스는 처음으로 제1 광 증폭기 150을 통과하고, 여기서 증폭된다. 본 발명의 실시예에 의하면, 시변 구동 신호에 의해 구동된 상기 진폭 변조기가 상기 시드 신호의 시간 도메인 필터링을 제공함으로써, 펄스 폭, 펄스 형태 및 펄스 반복율을 포함하는 미리 정해진 펄스 특성을 갖는 레이저 펄스를 생성한다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 광 증폭기 150은 광섬유 증폭기이다. 본 발명의 실시예에서 사용되는 광섬유 증폭기는 희토류로 도핑된(rare-earth-doped) 단 일 클래드(clad), 이중 클래드 또는 다중 클래드의 광섬유를 포함하지만 이에 한정되지는 않는다. 이러한 광섬유 증폭기에 사용되는 상기 희토류 도펀트는 이테르븀(Ytterbium), 에르븀(Erbium), 홀뮴(Holmium), 프라세오디뮴(Praseodymium), 툴륨(Thulium), 또는 네오디뮴(Neodymium)을 포함한다. 특정 실시예에서, 광 증폭기 150을 구성하는데 이용된 상기 광섬유 기반의 모든 구성요소들은 편광 유지(polarization-maintaining) 단일 모드 광섬유를 이용한다.
도 1을 참조하면, 광섬유 증폭기를 이용하는 실시예에서, 펌프(pump) 142는 광 커플러(optical coupler) 140을 통해 희토류로 도핑된 광섬유 루프 144에 연결된다. 일반적으로, 펌프 142로서 반도체 펌프 레이저가 이용된다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 많은 변형, 수정 및 대안을 인식할 것이다. 다른 실시예에서, 상기 광 증폭기 150은 고체 로드형 증폭기(solid-state rod amplifier), 고체 디스크형 증폭기(solid-state disk amplifier), 또는 기체 이득 매질(gain media)을 포함하는 고체 증폭기이지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
특정 실시예에서, 상기 광 증폭기 150은, 실질적으로 4.1㎛의 코어 지름을 갖는 5미터 길이의 희토류로 도핑된 광섬유 144를 포함하며, 실질적으로 4×1024 ions/m3의 도핑 밀도로 이테르븀으로 도핑된다. 또한 상기 증폭기 150은, 976nm의 파장으로 동작하고 100mW의 출력을 갖는 FBG-안정 반도체 레이저 다이오드인 펌프 142를 포함한다. 상기 출력은 100mW보다 작거나 클 수 있다. 예를 들면, 상기 출 력은 50mW, 150mW, 200mW, 250mW, 300mW, 350mW, 400mW 등이 될 수 있다. 다른 특정 실시예에서, 상기 펌프 142는 실질적으로 915nm의 파장으로 동작하는 반도체 레이저 다이오드이다. 또 다른 특정 실시예에서, 상기 펌프 142는 450mW 또는 그 이상의 출력으로 동작하는 반도체 레이저 다이오드이다. 또한 특정 실시예에서 상기 증폭기 150은 펌프와 광섬유 간 커플러 140을 포함하며, 당해 커플러는 WDM 펌프 합성기(WDM pump combiner)이다.
광 경로 148을 따라 광 증폭기 150으로부터 나온 신호는 반사 구조물 146에 충돌하고, 광 증폭기 150으로 반사되어 돌아간다. 상기 신호는 두번째로 광 증폭기 150을 통과하고, 여기서 상기 신호가 증폭된다. 상기 반사 구조물 146은, 상기 레이저 펄스 및 광 경로 148을 지나 전파되는 자연 증폭 방출(amplified spontaneous emission; ASE)의 스펙트럼 도메인 필터링을 수행한다. 이에 따라, 상기 시드 신호에, 진폭 변조기 130을 통과하면서 진폭 및 시간 도메인 변조가 행해지고, 반사 구조물 146으로부터 반사될 때 스펙트럼 도메인 필터링이 행해진다.
일 실시예에서, 상기 반사 구조물 146은, 상기 광 증폭기 150으로 이용된 광섬유 내에 직접 새겨진 광섬유 브래그 격자(FBG)이다. 본 발명이 속하는 기술 분야에 공지되어 있는 바와 같이, 상기 FBG의 주기성 및 격자 특성은 원하는 반사 계수를 제공하도록 선택된다. 단지 예로써, 특정 실시예에서 상기 반사 구조물 146은 90%보다 큰 피크 반사율과 상기 시드 소스 110의 출력에 근사하게 매칭된 중심 파장과 스펙트럼 폭을 갖는 FBG이다.
광 경로 136을 따라 광 증폭기 150으로부터 나온 상기 신호는 상기 광 진폭 변조기 130의 제2 측부 134에 충돌하고, 상기 광 진폭 변조기는 상기 입사된 펄스가 통과할 수 있도록 두번째로 "온(on)" 상태로 맥동한다. 본 발명의 실시예에 의하면, 상기 광 진폭 변조기 130의 상기 두번째 "온(on)" 펄스의 타이밍은, 상기 증폭기 150과 상기 반사 구조물 146을 통한 상기 신호의 통과 시간을 고려하여 상기 변조기 130의 제1 개방(첫번째의 "온(on)" 펄스)과 동기화된다. 상기 광 진폭 변조기 130의 상기 제1 측부로부터 나온 후에, 상기 증폭된 펄스는 광 순환기 120의 제2 포트 122로 진입하고, 광 경로 148을 따라서 광 순환기 120의 제3 포트 116을 나간다.
상기 신호는 제2 광 증폭기 160을 통과할 때 증폭된다. 도 1과 관련하여 논의된 바와 같이, 본 발명의 실시예에서는, 광 커플러 152를 통해 희토류로 도핑된 광섬유 루프 156에 연결되는 펌프 154를 포함하는 광 증폭기 160으로서, 광섬유 증폭기가 사용된다. 광 증폭기의 펌핑(pumping)은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 다른 수단에 의해 성취될 수도 있지만, 일반적으로는 반도체 펌프 레이저가 펌프 154로서 이용된다. 특정 실시예에서, 상기 제2 광 증폭기 160은 실질적으로 4.8㎛의 코어 지름을 갖는 5미터 길이의 희토류로 도핑된 광섬유 156을 포함하며, 실질적으로 6×1024 ions/m3의 도핑 밀도로 이테르븀으로 도핑된다. 또한 상기 증폭기 160은, 976nm의 파장으로 동작하고 500mW의 출력을 갖는 FBG-안정 반도체 레이저 다이오드인 펌프 154를 포함한다. 다른 특정 실시예에서, 상기 제2 광 증폭기 160은 실질적으로 10㎛의 코어 지름을 갖는 2미터 길이의 희토류로 도핑된 광섬유 156을 포함하며, 실질적으로 1×1026 ions/m3의 도핑 밀도로 이테르븀으로 도핑된다. 상기 광섬유의 길이는 2미터보다 짧거나 길 수 있다. 예를 들면, 상기 광섬유의 길이는 1.0m, 3.0m, 3.5m, 4.0m, 4.5m, 5.0m 등일 수 있다. 또한 상기 증폭기 160은, 5W의 출력을 갖는 반도체 레이저 다이오드인 다중모드(multimode) 펌프 154를 포함할 수 있다. 상기 출력은 5W보다 작거나 클 수 있다. 예를 들면, 상기 출력은 3W, 4W, 6W, 7W, 8W, 9W, 10W 등일 수 있다.
다른 특정 실시예에서는, 시드 신호를 통과시키기 위해 상기 광 진폭 변조기 130이 두번 대신 한번 맥동한다. 상기 광 진폭 변조기 130은 광 경로 136을 따라 전파되는 펄스의 상승 에지를 생성하도록 "온(on)" 상태로 된다. 이 신호는 처음으로 광 증폭기 150을 통해 증폭된다. 상기 신호는 상기 반사 구조물 146에 충돌하고, 두번째로 광 증폭기 150을 통해 증폭된다. 광 경로 136을 따라서 광 증폭기 150으로부터 나온 상기 신호는, 상기 광 진폭 변조기 130의 제2 측부 134에 충돌하며, 그 후 상기 광 진폭 변조기는 "오프(off)" 상태가 된다. 따라서, 상기 펄스의 폭은, 상기 광 진폭 변조기 130이 "온(on)" 상태로 고정되는 지속 시간에서 상기 증폭기 150 및 상기 반사 구조물 146을 통한 상기 신호의 통과 시간을 뺀 값에 의해 정해진다.
도 1은 상기 광 순환기 120의 제3 포트에 연결된 하나의 광 증폭기 160를 사용하는 경우를 도시하지만, 이는 본 발명에 필수적인 것은 아니다. 다른 실시예에서는 특정 응용 분야에 적합하도록 상기 광 순환기 120의 하류에 다수의 광 증폭기 가 이용된다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 많은 변형, 수정 및 대안을 인식할 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 고출력 펄스형 레이저의 서로 다른 위치에서의 전기 및 광 펄스를 도시하는 단순화된 타이밍도이다. 단지 예로써, 도 2는 상기 진폭 변조기에 대한 반복적 전기 구동 신호와, 도 1에 도시된 본 발명의 실시예를 통해 전파되는 광 펄스의 타이밍을 도시한다. 전기적 트리거 210 이후에, 제1의 전기 구동 신호 220이 상기 진폭 변조기에 인가되어, 광 펄스 240을 생성한다. 어느 정도의 전파 지연 이후에, 광 신호 250이 처음으로 상기 광 증폭기를 통과한다. 광 신호 260은 상기 반사 구조물에 충돌하고, 두번째로 상기 광 증폭기를 통과한다(250). 광 펄스 240은 두번째로 상기 진폭 변조기를 통해 투과되고, 상기 진폭 변조기는 상기 광 펄스 240을 이용하여 두번째로 전기적으로 구동된다(220). 최종적으로, 광 펄스 230이 어느 정도의 전파 지연 이후에 상기 순환기의 포트 3을 나간다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한, 일련의 레이저 펄스를 제공하는 방법을 도시하는 단순화된 도면이다. 상기 방법은 시드 신호를 제공하는 단계(310)를 포함한다. 본 발명의 실시예에서, 상기 시드 신호는 반도체 레이저에 의해 1064nm의 파장으로 생성될 수 있다. 또한, 상기 방법은 처음으로 상기 시드 신호가 진폭 변조기를 통해 투과되는 단계(320)를 포함한다. 본 발명의 실시예에서, 상기 시드 신호의 상기 진폭 변조기로의 연결은, 광 순환기 또는 다른 광학적 연결 수단에 의해 용이하게 이루어질 수 있다. 본 방법은, 처음으로 상기 진폭 변조기에 구동 신 호를 인가함으로써 상기 시드 신호를 시간 도메인 필터링하는 단계(330)를 더 제공한다. 상기 펄스는 상기 광 증폭기에 의해 증폭되고(340), 주파수 도메인 필터링된다(350). 이로써, 도 3에 도시된 시스템의 일 단계에서 스펙트럼 필터링된 펄스가 제공된다.
본 명세서에 기재된 실시예들의 범위로부터 벗어나지 않으면서, 증폭기들 및 주파수 도메인 필터링 구조물들의 다수의 조합이 사용될 수 있다는 점이 인식될 것이다. 예를 들면, 주파수 도메인의 필터링은 상기 펄스의 증폭 이전 또는 이후에 수행될 수 있다. 또한, 주파수 도메인의 필터링은 상기 펄스의 제1 증폭 이후, 그리고 상기 펄스의 제2 증폭 이전에 수행될 수 있는데, 이는 이중경로(dual-pass) 광 증폭기에서 이루어질 수 있다. 나아가, 상기 방법은 상기 진폭 변조기를 통해 두번째로 상기 광 신호를 투과시키는 단계(360), 및 두번째로 상기 진폭 변조기에 구동 신호를 인가함으로써 상기 펄스형 신호의 시간 도메인 필터링을 제공하는 단계(370)를 포함한다. 두번째로 상기 진폭 변조기를 통과한 이후, 상기 증폭되고 스펙트럼 및 시간적으로 필터링된 펄스는 중간 펄스(intermediate pulse)라고 할 수 있다. 본 발명의 실시예에서, 상기 광 펄스는 상기 광 변조기를 통한 제1 경로의 투과 중에 상기 시드 신호를 변조함으로써 생성되고, 그 후 상기 진폭 변조기를 통한 제2 경로의 투과 중에 게이트식으로 제어(gating)된다.
본 발명의 실시예를 이용하여, 펄스 폭, 피크 파워 및 에너지, 펄스 형태, 및 펄스 반복율을 포함하는 독립적으로 조정 가능한 펄스 특성을 갖는 광 펄스의 스트림을 생성하는 고출력 펄스형 레이저 소스가 제공된다. 단지 예로써, 본 발명 의 특정 실시예는, 10ns의 펄스 폭과 10kHz의 반복율로 펄스 당 5μJ 이상의 에너지를 갖는 제2 광 증폭기 160의 출력 170에서 출력 펄스를 전달한다. 물론 다른 실시예에 의해서는 다른 펄스 특성이 제공된다. 예를 들면, 상기 펄스 에너지는 1μJ, 10μJ, 20μJ, 30μJ 등일 수 있다. 상기 펄스 지속 시간은, 예를 들면, 2ns 및 150ns 사이의 값의 범위 내에 있다. 상기 펄스 반복 주파수는, 예를 들면, 0 내지 500kHz의 값의 범위 내에 있다.
상기된 실시예들에서, CW 시드 소스가 이용되고, 레이저 펄스를 제공하기 위한 시간 도메인의 필터링이 상기 진폭 변조기 120을 이용하여 수행된다. 그러나, 이는 본 발명에 필수적인 것은 아니다. 다른 실시예에서는, 상기 시드 신호가 CW 시드 신호가 아닌 펄스형 시드 신호를 제공하도록 변조된다. 펄스형 시드 신호를 제공함으로써, 시드 누설에 의해 야기되는 기생 신호 성장(build-up)이 최소화되고 상기 시드 소스의 동작 출력 범위가 증가될 수 있다. 예를 들면, 상기 펄스형 시드 출력은 200mW, 500mW, 또는 1W일 수 있다. 이러한 다른 실시예에서, 상기 펄스형 시드 신호는, 전체 펄스형 레이저 소스의 원하는 펄스 폭과 동일하거나 그보다 긴 펄스 폭을 가질 수 있다. 또한 상기 시드를 펄스화(pulsing)하는 것은 상기 시드 레이저의 유효 선폭을 증가시켜 유도 브릴루앙 산란(Stimulated Brillouin Scattering; SBS)을 감소시킬 수 있다.
본 발명의 실시예들에 의하면, 시간적으로 서로 동일하게 이격되지 않을 수 있는 광학 펄스들의 시퀀스들을 생성하는 방법 및 시스템이 제공된다. 또한, 상기 펄스 폭과 펄스 에너지는 전체 펄스에 대해 미리 정해진 방식으로 개별적으로 설정 된다. 나아가, 상기 기재는 단일 광 펄스의 생성에 대해 설명했지만, 본 발명의 실시예들은 단일 펄스를 다수회 반복시킴으로써 다수의 펄스들을 생성한다는 점이 인식될 것이다. 이러한 다수의 펄스들은 임의의 일련의 광학 펄스 시퀀스를 포함할 수 있다.
본 발명은 특정 실시예 및 그 특정 예시와 관련하여 설명되었지만, 다른 실시예들이 본 발명의 사상 및 범위에 포함될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 따라서, 본 발명의 범위는 첨부된 청구항들 및 그 모든 범위의 균등물을 참조하여 정해져야 할 것이다.

Claims (31)

  1. 펄스형 파장가변(tunable pulsed) 레이저 소스에 있어서,
    시드 신호를 생성하는 시드 소스;
    제1 포트, 제2 포트 및 제3 포트를 포함하는 광 순환기로서, 상기 제1 포트는 상기 시드 소스에 연결된, 광 순환기;
    제1 측부 및 제2 측부를 포함하는 진폭 변조기로서, 상기 제1 측부는 상기 광 순환기의 상기 제2 포트에 연결되고, 상기 시드 신호의 시간 도메인의 투과 필터링(transmission filtering)을 수행하는 진폭 변조기;
    입력단 및 출력단을 포함하는 제1 광 증폭기로서, 상기 입력단은 상기 진폭 변조기의 상기 제2 측부에 연결된, 제1 광 증폭기;
    상기 광 순환기의 상기 제3 포트에 연결된 제2 광 증폭기; 및
    시드 신호의 스펙트럼 도메인 필터링을 수행하기 위해 제 1 광 증폭기의 출력단에 연결된 반사 구조를 포함하는,
    펄스형 파장가변 레이저 소스.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 시드 소스는 반도체 레이저를 포함하는 펄스형 파장가변 레이저 소스.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 반도체 레이저는 FBG-안정(Fiber Bragg Grating-stabilized) 반도체 레 이저를 포함하는 펄스형 파장가변 레이저 소스.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 시드 소스는 고체 레이저(solid-state laser) 또는 광섬유 레이저(fiber laser) 중 적어도 하나를 포함하는 펄스형 파장가변 레이저 소스.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 진폭 변조기는 마흐-젠더 간섭 진폭 변조기(Mach-Zehnder interferometric amplitude modulator)를 포함하는 펄스형 파장가변 레이저 소스.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 광 증폭기는 광섬유 증폭기를 포함하는 펄스형 파장가변 레이저 소스.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 광섬유 증폭기는 이중경로(double-pass) 광섬유 증폭기를 포함하는 펄스형 파장가변 레이저 소스.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 광섬유 증폭기는 희토류로 도핑된 광섬유를 포함하는 펄스형 파장가변 레이저 소스.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 희토류로 도핑된 광섬유 내의 희토류 도핑은 하나 또는 그 이상의 희토류 원소들의 혼합물을 포함하는 펄스형 파장가변 레이저 소스.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 하나 또는 그 이상의 희토류 원소들은, 이테르븀(Ytterbium), 에르븀(Erbium), 툴륨(Thulium), 홀뮴(Holmium), 프라세오디뮴(Praseodymium) 또는 네오디뮴(Neodymium) 중 하나 또는 그 이상을 포함하는 펄스형 파장가변 레이저 소스.
  11. 제6항에 있어서,
    상기 광섬유 증폭기는, 단일 클래드(clad), 이중 클래드, 또는 다중 클래드의 광섬유 설계 중 적어도 하나를 포함하는 펄스형 파장가변 레이저 소스.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 광섬유 증폭기는, 편광 유지(polarization-maintaining) 광섬유를 포함하는 펄스형 파장가변 레이저 소스.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 제1 광 증폭기는, 희토류로 도핑된 로드형 광 증폭기(optical rod amplifier) 또는 희토류로 도핑된 디스크형 광 증폭기(optical disk amplifier) 중 적어도 하나를 포함하는 펄스형 파장가변 레이저 소스.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 제2 광 증폭기는 제2 광섬유 증폭기를 포함하는 펄스형 파장가변 레이저 소스.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 제2 광섬유 증폭기는 희토류로 도핑된 광섬유를 포함하는 펄스형 파장가변 레이저 소스.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 희토류로 도핑된 광섬유 내의 희토류 도핑은 하나 또는 그 이상의 희토류 원소들의 혼합물을 포함하는 펄스형 파장가변 레이저 소스.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 하나 또는 그 이상의 희토류 원소들은, 이테르븀, 에르븀, 툴륨, 홀뮴, 프라세오디뮴 또는 네오디뮴 중 하나 또는 그 이상을 포함하는 펄스형 파장가변 레이저 소스.
  18. 제14항에 있어서,
    상기 제2 광섬유 증폭기는, 단일 클래드, 이중 클래드 또는 다중 클래드의 광섬유 설계 중 적어도 하나를 포함하는 펄스형 파장가변 레이저 소스.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 제2 광섬유 증폭기는, 편광 유지 광섬유를 포함하는 펄스형 파장가변 레이저 소스.
  20. 제1항에 있어서,
    상기 제2 광 증폭기는, 희토류로 도핑된 로드형 광 증폭기 또는 희토류로 도핑된 디스크형 광 증폭기 중 적어도 하나를 포함하는 펄스형 파장가변 레이저 소스.
  21. 삭제
  22. 제1항에 있어서,
    반사 구조는 광섬유 브래그 격자(Fiber Bragg Grating; FBG)를 포함하는 펄스형 파장가변 레이저 소스.
  23. 제1항에 있어서,
    반사 구조의 반사 스펙트럼은, 상기 시드 소스의 출력 스펙트럼에 매칭되는 펄스형 파장가변 레이저 소스.
  24. 제1항에 있어서,
    상기 진폭 변조기는 상기 시드 신호의 스펙트럼 도메인의 투과 필터링을 수행하는 펄스형 파장가변 레이저 소스.
  25. 제24항에 있어서,
    상기 진폭 변조기의 투과 스펙트럼은 실질적으로 상기 시드 소스의 출력 스펙트럼에 매칭되는 펄스형 파장가변 레이저 소스.
  26. 하나 또는 그 이상의 레이저 펄스를 제공하는 방법에 있어서,
    광 순환기의 제1 포트에서 시드 신호를 제공하는 단계;
    상기 시드 신호를 진폭 변조기의 제1 측부로 투과시키는 단계;
    상기 진폭 변조기를 통한 제1 경로를 한정하도록, 상기 시드 신호를 상기 진폭 변조기를 통해 투과시키는 단계;
    펄스를 제공하도록 상기 시드 신호를 시간 도메인 필터링하는 단계로서, 시간 도메인 필터링하는 단계는 상기 진폭 변조기에 대한 구동 신호를 변조하는 단계를 포함하는, 시간 도메인 필터링하는 단계;
    제1 광 증폭기를 이용하여 상기 펄스를 증폭시키는 단계;
    상기 증폭된 펄스를 주파수 도메인 필터링하는 단계;
    반사 구조를 이용하여 주파수 도메인 필터링된 증폭된 펄스를 스펙트럼 도메인 필터링하는 단계로서, 반사 구조는 제 1 광 증폭기의 출력단에 연결되는, 스펙트럼 도메인 필터링 단계;
    상기 진폭 변조기를 통한 제2 경로를 한정하도록, 상기 스펙트럼 필터링된 펄스를 상기 진폭 변조기를 통해 투과시키는 단계;
    중간 펄스(intermediate pulse)를 제공하도록, 상기 증폭되고 스펙트럼 필터링된 펄스를 시간 도메인 필터링하는 단계로서, 시간 도메인 필터링하는 단계는 상기 진폭 변조기에 대한 상기 구동 신호를 변조하는 단계를 포함하는 시간 도메인 필터링하는 단계; 및
    제2 광 증폭기를 이용하여 상기 중간 펄스를 증폭시키는 단계를 포함하는 레이저 펄스 제공 방법.
  27. 제26항에 있어서,
    상기 시드 신호는 FBG-안정 반도체 레이저를 이용하여 생성된 레이저 신호인 레이저 펄스 제공 방법.
  28. 제26항에 있어서,
    상기 진폭 변조기는 마흐-젠더 간섭 진폭 변조기를 포함하는 레이저 펄스 제공 방법.
  29. 제26항에 있어서,
    상기 제1 광 증폭기는 이중경로 광섬유 증폭기를 포함하는 레이저 펄스 제공 방법.
  30. 제26항에 있어서,
    반사 구조는 광섬유 브래그 격자(FBG)를 포함하는 레이저 펄스 제공 방법.
  31. 제26항에 있어서,
    상기 제2 광 증폭기는 단일경로 광섬유 증폭기를 포함하는 레이저 펄스 제공 방법.
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