KR101459529B1 - 성형된 광 파형을 방출하는 펄스형 레이저 소스를 제공하는 방법 및 이를 위한 시스템 - Google Patents

성형된 광 파형을 방출하는 펄스형 레이저 소스를 제공하는 방법 및 이를 위한 시스템 Download PDF

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Abstract

파장가변 펄스형 레이저 소스는, 시드 신호를 생성할 수 있는 시드 소스, 상기 시드 소스에 연결된 제1 포트, 제2 포트 및 제3 포트를 포함하는 광 서큘레이터를 포함한다. 상기 파장가변 펄스형 레이저 소스는 또한, 성형된 전기 파형을 생성할 수 있는 변조기 드라이버 및 상기 변조기 드라이버에 연결되고 상기 성형된 전기 파형을 수신할 수 있는 진폭 변조기를 포함한다. 상기 진폭 변조기는 상기 광 서큘레이터의 상기 제2 포트에 연결된 제1 측부 및 제2 측부를 포함한다. 상기 파장가변 펄스형 레이저 소스는 또한 입력단 및 반사단을 포함하는 제1 광 증폭기를 포함한다. 상기 입력단은 상기 진폭 변조기의 상기 제2 측부에 연결된다. 또한, 파장가변 펄스형 레이저 소스는 상기 광 서큘레이터의 상기 제3 포트에 연결된 제2 광 증폭기를 포함한다.
파장가변 레이저, 펄스, 스파이크, 광섬유 증폭기, 진폭 변조, 자연 증폭 방출.

Description

성형된 광 파형을 방출하는 펄스형 레이저 소스를 제공하는 방법 및 이를 위한 시스템{METHOD AND SYSTEM FOR A PULSED LASER SOURCE EMITTING SHAPED OPTICAL WAVEFORMS}
[관련 출원의 상호 참조]
본 출원은 "성형된 광 파형을 방출하는 펄스형 레이저 소스를 제공하는 방법 및 이를 위한 시스템"이라는 명칭의 2006년 9월 29일자 미국 임시특허출원 제60/848,077호를 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 응용 분야를 갖고 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 적절하도록 선택된다. 펄스당 0.5mJ보다 큰 펄스 에너지를 갖는 현존하는 다수의 고출력 펄스형 레이저는 광 펄스(optical pulse)를 생성하기 위해 Q-스위칭 및 모드 록킹(mode locking)과 같은 기술에 의존한다. 그러나, 이러한 레이저들은 공동 공진기(cavity)의 기하학적 형상, 미러의 반사성 등에 의해 미리 정해지는 특성들을 갖는 광 펄스를 생성한다. 일반적으로 레이저 성능을 손상시킴이 없이는 이러한 레이저 펄스들을 다양한 필드에 이용할 수 없다. 이러한 레이저들을 사용해서는 일반적으로 다양한 범위의 펄스 특성을 얻기 어렵다.
따라서, 관련 기술 분야에서는 파장가변 펄스 특성을 갖는 펄스형 레이저 소스가 요구된다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 일반적으로 파장가변 레이저 소스 분야의 관련 기술들이 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 응용 분야를 갖고 다른 레이저 소스에도 적용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 파장가변 펄스형 레이저 소스가 제공된다. 상기 파장가변 펄스형 레이저 소스는, 시드 신호를 생성할 수 있는 시드 소스, 및 상기 시드 소스에 연결된 제1 포트, 제2 포트 및 제3 포트를 포함하는 광 서큘레이터를 포함한다. 상기 파장가변 펄스형 레이저 소스는 또한, 성형된 전기 파형을 생성할 수 있는 변조기 드라이버 및 상기 변조기 드라이버에 연결되고 상기 성형된 전기 파형을 수신할 수 있는 진폭 변조기를 포함한다. 상기 진폭 변조기는 상기 광 서큘레이터의 상기 제2 포트에 연결된 제1 측부 및 제2 측부를 포함한다. 상기 파장가변 펄스형 레이저 소스는 또한 입력단 및 반사단을 포함하는 제1 광 증폭기를 포함한다. 상기 입력단은 상기 진폭 변조기의 상기 제2 측부에 연결된다. 또한, 상기 파장가변 펄스형 레이저 소스는 상기 광 서큘레이터의 상기 제3 포트에 연결된 제2 광 증폭기를 포함한다.
제1 실시예에서, 상기 성형된 전기 파형은 상기 광 증폭기에 있어서 이득 포화의 영향을 실질적으로 감소시키고, 이에 따라 실질적으로 사각형 모양을 갖는 광 출력 펄스를 제공한다. 제2 실시예에서, 상기 성형된 전기 파형은 상기 광 증폭기에 있어서 이득 포화의 영향을 실질적으로 감소시키고, 이에 따라 강도가 시간의 함수로 증가하는 광 출력 펄스를 제공한다. 제3 실시예에서, 상기 성형된 전기 파형은 상기 광 증폭기에 있어서 이득 포화의 영향을 실질적으로 감소시키고, 이에 따라 강도가 시간의 함수로 감소하는 광 출력 펄스를 제공한다.
본 발명의 다른 실시예에 의하면, 레이저 펄스를 공급하는 방법이 제공된다. 상기 레이저 펄스 공급 방법은, 시드 신호를 공급하는 단계, 광 서큘레이터의 제1 포트에 상기 시드 신호를 연결하는 단계, 및 상기 광 서큘레이터의 제2 포트로부터 상기 시드 신호를 출력하는 단계를 포함한다. 상기 레이저 펄스 공급 방법은 또한, 성형된 제1 전기 신호를 공급하는 단계, 진폭 변조기의 전기 포트에 상기 성형된 제1 전기 신호를 연결하는 단계, 광 증폭기의 입력단에 성형된 광 펄스를 출력하는 단계, 및 상기 성형된 광 펄스를 증폭하고 증폭된 성형 광 펄스를 공급하는 단계를 포함한다. 또한 상기 레이저 펄스 공급 방법은, 성형된 제2 전기 신호를 공급하는 단계, 상기 성형된 제2 전기 신호를 상기 진폭 변조기의 상기 전기 포트에 연결하는 단계, 상기 광 서큘레이터의 상기 제2 포트에서 재성형된 광 펄스를 수신하는 단계, 및 상기 광 서큘레이터의 제3 포트에서 상기 재성형된 광 펄스를 출력하는 단계를 포함한다.
본 발명을 사용하면 종래 기술보다 진보된 다수의 이점이 성취된다. 예를 들어, 본 발명의 일 실시예에서, 필적할만한 성능 특성을 갖는 레이저들과 비교해서 가격이 싼 소형 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 발명의 일 실시예에서는, 펄스의 프로파일이 특정 응용 분야에 최적화되도록 또는 레이저 시스템의 에너지 추출 효율이 최대가 되도록 광 펄스가 형성될 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 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 전기적 펄스 및 광학적 펄스를 도시하는 단순화된 타이밍도이다.
도 3은 가우시안(Gaussian) 펄스 및 준구형(quasi-square, 또는 super-Gaussian) 펄스의 펄스형 도표(pulse shape diagram)이다.
도 4A는 본 발명의 일 실시예에 의한 진폭 변조기에 인가된 전기 파형의 단순화된 도면이다.
도 4B는 본 발명의 일 실시예에 의한, 도 4A에 도시된 전기 파형에 응답하여 생성된 출력 광 펄스의 단순화된 도면이다.
도 5A 및 도 5B는 본 발명의 일 실시예에 의한, 스파이크(spike)를 갖는 광 출력 펄스의 단순화된 도면이다.
도 5C 및 도 5D는 본 발명의 일 실시예에 의한, 진폭 변조기에 인가된 전기 파형과 이에 대응하는 스파이크를 갖는 광 출력 펄스의 단순화된 도면이다.
도 6은 본 발명의 다양한 실시예에 의하여 제공된 광 펄스의 세트들을 도시한다.
도 7A 및 도 7B는 서로 다른 에너지와 폭을 갖는 세 개의 펄스에 대해서, 본 발명의 실시예들에 의한 진폭 변조기에 인가된 전기 파형 및 이에 대응하는 출력 광 파형을 단순화하여 도시한다.
도 8A 및 도 8B는 본 발명의 다른 실시예에 의한, 진폭 변조기에 인가된 전기 파형 및 출력 광 펄스의 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 서큘레이터(optical circulator) 120의 제1 포트 114로 주사되는 시드 신호를 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. 구체적인 실시예에서, 상기 CW 반도체 레이저는 출력이 20mW이고 1032nm의 파장으로 동작하는 광섬유 브래그 격자(fiber Gragg grating; FBG) 안정 반도체 다이오드 레이저이다. 다른 구체적인 실시예에서, 상기 CW 반도체 레이저는 출력이 100mW이고 1064nm의 파장으로 동작하는 외부 공진기 반도체 다이오 드(external cavity semiconductor diode) 레이저이다. 다른 실시예에서, 상기 시드 신호는 작은 고체 레이저(solid-state laser) 또는 광섬유 레이저에 의해 생성된다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 많은 변형, 수정 및 대안을 인식할 것이다.
광 서큘레이터 120을 통과한 후에, 상기 시드 신호는 상기 서큘레이터 120의 제2 포트 122를 나가서 광 진폭 변조기(optical amplitude modulator) 130의 제1 측부 132에 충돌한다. 서큘레이터는 본 발명이 속하는 기술분야에 공지되어 있으며, 예를 들어, 뉴저지 콜드웰의 OFR 주식회사의 모델명 OC-3-1064-PM과 같이 여러 공급자들에 의해 제조된다.
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. 구체적인 실시예에서는, 광 펄스의 길이가 상기 광 진폭 변조기 130에 의해 결정되고, 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 실시예들에 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 음향광 학 변조기(acousto-optic modulator)와 같이, 적절한 위상-진폭 또는 주파수-진폭 변환기를 포함하는 위상 또는 주파수 변조기이다.
상기 시드 신호를 통과시키기 위해, 상기 광 진폭 변조기 130이 "온(on)" 상태로 움직이도록 첫 번째 "온" 펄스가 인가되고 광 경로 136을 따라 광 펄스가 생성된다. 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 실시예들에 의하면, 상기 광 진폭 변조기 130에 인가된 상기 구동 신호는 고속 디지털-아날로그 변환기(DAC)를 사용하여 아날로그 신호로 변환된 디지털 패턴으로부터 비롯된 성형된(shaped) 파형을 갖는다. 컴퓨터를 사용하면, 상기 DAC에 내장된 메모리에서 상기 파형의 디지털 표현(digital representation)을 생성함으로써 성형 파형이 만들어진다. 이 디지털 패턴은 고속 DAC를 사용하여 아날로그 신호로 변환된다. 바람직하게는, 상기 DAC의 출력 상승 및 하강 시간이 1㎱보다 작고, 보다 바람직하게는 500피코초(㎰)보다 가장 바람직하게는 300㎰보다 작다. 상기 DAC는 트리거 이벤트가 일어날 때마다 컴퓨터를 사용하여 메모리에 로딩되는 미리 프로그램된 파형을 생성하도록 구성되는 것이 바람직하다. 상기 DAC의 샘플링 속도는 적어도 초당 500메가샘플(500MS/s)인 것이 바람직한데, 적어도 초당 1기가샘플(1GS/s)이 보다 바람직하고 적어도 2GS/s인 것이 가장 바람직하다. 이런 샘플링 속도이면, 디지털 패턴이 2㎱마다 또는 더 자주 정의될 수 있다. 샘플링 속도가 1GS/s라는 것은 임의 파형이 1㎱의 분해능으로 생성될 수 있음을 의미한다. 상기 DAC의 전기적 아날로그 대역폭은 100M㎐보다 큰 것이 바람직하지만, 300M㎐보다 큰 것이 보다 바람직하고, 1G㎐보다 큰 것이 가장 바람직하다. 상기 DAC의 전압 분해능은 8비트인 것이 바람직하지만, 10비트인 것이 보다 바람직하고, 12 비트 또는 더 큰 것이 가장 바람직하다.
특정 용도를 위해서 주어진 전기 구동 파형을 생성하기 위해 사용자가 따르게 될 처리 과정이 이하에 설명된다. 먼저 사용자는 1㎱마다 상기 변조기에 인가된 전기적 전압을 나타내는 숫자의 배열을 정의하게 된다. 상기 배열의 길이가 적어도 광 펄스의 폭과 같아야 한다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 명백하다. 예를 들어, 원하는 출력 광 펄스가 30㎱이면, 전기 파형은 적어도 30㎱가 될 것이다. 1GS/s의 샘플링 속도를 갖는 DAC에서, 상기 배열의 길이는 30번보다 큰 것이 바람직할 것이다. 이에 따라 상기 DAC는 적어도 대략 30개의 샘플을 저장한다. 다음으로 컴퓨터를 사용하여, 상기 숫자의 배열이 상기 DAC의 메모리로 로딩된다. 모든 트리거 이벤트는 각각 상기 숫자의 배열에 의해 표현된 아날로그 전기 파형을 출력할 것이다. 상기 아날로그 전기 파형이 상기 변조기에 인가된다. 이러한 파형을 생성하는 장치의 예는 오레곤주 비버튼시 소재 테크트로닉스 주식회사(Tektronix, Inc.)의 모델 AWG2040이다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 광 증폭기 150은 광섬유 증폭기이다. 본 발명의 실시예에서 사용되는 광섬유 증폭기는 희토류로 도핑된(rare-earth-doped) 단일 클래드(single-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 142가 광 커플러(optical coupler) 140을 통해 희토류로 도핑된 광섬유 루프 144에 연결된다. 일반적으로 펌프 142로서 반도체 펌프 레이저가 사용된다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 많은 변형, 수정 및 대안을 인식할 것이다. 다른 실시예에서, 광 증폭기 150은 로드형 고체 증폭기(solid-state rod amplifier), 디스크형 고체 증폭기 또는 기체 상태의 이득 매질을 포함하되 이에 한정되지 않는 고체 증폭기이다.
구체적인 실시예에서, 상기 광 증폭기 150은 5m 길이의 희토류로 도핑된 광섬유 144를 포함하고, 상기 광섬유는 그 코어 직경이 실질적으로 4.1㎛이고 실질적으로 4×1024이온/m3의 도핑 농도로 이테르븀으로 도핑된다. 상기 증폭기 150은 또한 펌프 142를 포함하고, 상기 펌프는 976㎚의 파장으로 동작하고 출력 파워가 100㎽인 FBG 안정 반도체 레이저 다이오드이다. 다른 구체적인 실시예에서, 펌프 142 는 실질적으로 915㎚의 파장으로 동작하는 반도체 레이저 다이오드이다. 또 다른 구체적인 실시예에서, 상기 펌프 142는 450㎽ 또는 그보다 큰 출력 파워로 동작하는 반도체 레이저 다이오드이다. 특정 실시예에서, 상기 증폭기 150은 파장 분할 멀티플렉서(Wavelength Division Multiplexer; WDM) 펌프 결합기인 펌프-광섬유 커플러 140을 포함한다.
광 경로 148을 따라서 광 증폭기 150을 벗어난 신호는 반사 구조물 146에 충돌하고, 다시 광 증폭기 150으로 반사된다. 상기 신호는 두 번째로 광 증폭기 150을 통과하고, 여기서 신호가 증폭된다. 상기 반사 구조물 146은 상기 레이저 펄스 및 광 경로 148을 지나서 전파되는 자연 증폭 방출(ASE)의 스펙트럼 영역 필터링을 수행한다. 이렇게 해서, 상기 시드 신호는 진폭 변조기 130을 통과하면서 진폭 변조 및 시간 도메인의 변조를 경험하고, 반사 구조물 146으로부터 반사되면 스펙트럼 도메인 필터링을 경험한다.
일 실시예에서, 상기 반사 구조물 146은 상기 광 증폭기 150으로서 사용된 광섬유에 직접 새겨진 광섬유 브래그 격자(FBG)이다. 상기 FBG의 주기성 및 격자 특성은 본 발명이 속하는 기술분야에서 널리 알려진 바와 같이 원하는 반사 계수를 제공하도록 선택된다. 단지 일 예로써, 특정 실시예에서는 상기 반사 구조물 146이 90%보다 큰 피크 반사율을 갖고 상기 시드 소스 110의 출력에 거의 부합되는 중심 파장과 스펙트럼 폭을 갖는 FBG이다.
광 경로 136을 따라 광 증폭기 150을 빠져나온 신호는 상기 광 진폭 변조기 130의 제2 측부 134에 충돌하는데, 상기 광 진폭 변조기가 "온" 상태로 움직여 상 기 입사 펄스를 통과시킬 수 있도록 두 번째 "온" 펄스가 인가된다. 본 발명의 실시예들에 의하면, 상기 광 진폭 변조기 130의 상기 제2 "온" 펄스는, 상기 증폭기 150 및 반사 구조물 146을 통한 신호의 통과 시간을 고려하여 상기 변조기 130의 상기 첫 번째 개방(제1 "온" 펄스)과 동기화된다. 상기 광 진폭 변조기 130의 상기 제1 측부로부터 빠져나온 후, 상기 증폭된 펄스는 광 서큘레이터 120의 제2 포트 122로 들어가고 광 경로 148을 따라서 광 서큘레이터 120의 제3 포트 116으로부터 나온다.
본 발명의 실시예들에 의하면, 상기 두 번째 개방을 위해서 상기 광 진폭 변조기 130에 인가된 상기 구동 신호는 상기 첫 번째 개방과 관련하여 설명한 것과 마찬가지로 고속 디지털-아날로그 변환기(DAC)를 사용하여 아날로그 신호로 변환된 디지털 패턴으로부터 비롯된 성형 파형을 갖는다. 상기 두 번째 개방의 이 성형 파형은 응용 분야에 따라서는 상기 첫 번째 개방의 파형과 다를 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 두 번째 구동 신호는 구형(矩形) 파형만을 갖고 이는 광 펄스가 변조되지 않은 채 이중 통과(double-pass) 증폭기를 빠져나가도록 한다. 다른 실시예에서는, 상기 두 번째 구동 신호가 비구형 파형을 갖는데 이는 응용 분야에 따라서 상기 이중 통과 증폭기로부터의 출구에서 상기 광 펄스를 변조시킨다.
또 다른 실시예에서는, 상기 첫 번째 구동 신호 및 상기 두 번째 구동 신호는 하나의 트리거 이벤트 내에서 상기 고속 DAC로부터의 하나의 복합 파형으로서 동시에 생성된다. 첫 번째 및 두 번째 개방 신호를 포함하는 이러한 하나의 복합 전기 구동 파형을 생성하기 위해 사용자가 따르게 될 처리 과정이 이하에 설명된 다. 먼저 사용자는 상기 첫 번째 및 두 번째 개방을 위해 1㎱마다 상기 변조기에 인가된 전기적 전압을 나타내는 숫자의 배열을 정의하게 된다. 상기 배열의 길이가, 광 펄스 폭의 2배와 상기 이중 통과 증폭기를 상기 광 신호가 통과하는 시간의 합과 적어도 같아야 한다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 명백하다. 예를 들어, 원하는 출력 광 펄스가 30㎱이고 상기 증폭기를 통한 상기 광 통과 시간이 150㎱이면, 전기 파형은 적어도 210㎱가 될 것이다. 일부 실시예에서, 상기 전기 파형은 상기 첫 번째 개방 신호와 상기 두 번째 개방 신호 사이에서 실질적으로 0이 될 것이다. 1GS/s의 샘플링 속도를 갖는 DAC에서, 상기 배열의 길이는 210번보다 큰 것이 바람직할 것이다. 이에 따라 상기 DAC는 적어도 대략 210개의 샘플을 저장할 필요가 있다. 상기 DAC의 샘플 길이가 1024보다 더 길 수 있다면 보다 바람직하다. 다음으로 컴퓨터를 사용하여, 상기 숫자의 배열(상기 샘플)이 상기 DAC의 메모리로 로딩된다. 모든 트리거 이벤트는 각각 상기 숫자의 배열에 의해 표현되고 상기 첫 번째 및 두 번째 개방에 대하여 동기화된 상기 복합 아날로그 전기 파형을 출력할 것이다. 상기 아날로그 전기 파형이 상기 변조기에 인가된다. 이러한 파형을 생성하는 장치의 예는 오레곤주 비버튼시 소재 테크트로닉스 주식회사의 모델 AWG2040이다.
다음으로 상기 신호는 제2 광 증폭기 160을 통과하면서 증폭된다. 도 1과 관련하여 논의된 바와 같이, 본 발명의 실시예들은 광 증폭기 160으로서, 광 커플러 152를 통해 희토류로 도핑된 광섬유 루프 156에 연결된 펌프 154를 포함하는 광섬유 증폭기를 이용한다. 일반적으로는 펌프 154로서 반도체 펌프 레이저가 사용 되지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 광 증폭기의 펌핑이 다른 수단에 의해서 이루어질 수도 있다는 점을 잘 알고 있을 것이다. 구체적인 실시예에서, 상기 제2 광 증폭기 160은 길이가 5m인 희토류로 도핑된 광섬유 156을 포함하는데, 상기 광섬유는 코어 직경이 실질적으로 4.8㎛이고 실질적으로 6×1024이온/m3의 도핑 농도로 이테르븀으로 도핑된다. 상기 증폭기 160은 또한, 976㎚의 파장으로 동작하고 500㎽의 출력을 갖는 FBG 안정 반도체 레이저 다이오드인 펌프 154를 포함한다. 다른 구체적인 실시예에서, 상기 제2 광 증폭기 160은 2m 길이의 희토류로 도핑된 광섬유 156을 포함하는데, 상기 광섬유는 코어 직경이 실질적으로 10㎛이고 실질적으로 1×1026이온/m3의 도핑 농도로 이테르븀으로 도핑된다. 상기 증폭기 160은 또한 5W의 출력을 갖는 반도체 레이저 다이오드인 펌프 154를 포함할 수 있다.
다른 구체적인 실시예에서는, 시드 신호를 통과시키기 위해, 상기 광 진폭 변조기 130이 두 번이 아니라 한 번만 움직인다. 상기 광 진폭 변조기 130은 광 경로 136을 따른 펄스 전파의 상승 에지를 생성하기 위해 "온" 상태로 전환된다. 이 신호는 광 증폭기 150을 통해 첫 번째로 증폭된다. 다음으로 이 신호는 상기 반사 구조물 146에 충돌하고 광 증폭기 150을 통해 두 번째로 증폭된다. 광 경로 136을 따라서 광 증폭기 150으로부터 나온 상기 신호는 상기 광 진폭 변조기 130의 제2 측부 134에 충돌하고, 그 다음 상기 광 진폭 변조기가 "오프" 상태로 전환된다. 따라서 상기 펄스 폭은 상기 광 진폭 변조기 130이 "온" 상태를 유지하는 시 간에서 상기 신호가 상기 증폭기 150 및 상기 반사 구조물 146을 통과하는 시간을 뺀 지속 시간을 기초로 결정된다. 상기 광 진폭 변조기 130에 인가된 상기 변조기 구동 신호는, 위에서 설명한 바와 같이 고속 DAC를 사용하여 아날로그 신호로 변환되는 디지털 패턴으로부터 비롯된 성형 파형을 갖는다.
도 1은 상기 광 서큘레이터 120의 제3 포트에 연결된 단일 광 증폭기 160을 사용하는 것으로 도시되었지만, 본 발명이 반드시 이런 구성을 가질 필요는 없다. 다른 실시예에서는, 상기 광 서큘레이터 120의 하류에서 특정의 응용 분야에 적합하도록 다중 광 증폭기가 사용된다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 많은 변형, 수정 및 대안을 인식할 것이다. 본 발명의 실시예에서 사용된 광 소스에 관해서는 현재 계속 중이며 공동으로 양수된 2007년 4월 18일자 미국 특허출원 제11/737,052호에 추가적인 설명이 기재되어 있는데, 상기 출원은 참조에 의해 여하한 목적으로 본 명세서에 편입된다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 고출력 펄스형 레이저의 서로 다른 위치에서의 전기 펄스 및 광 펄스를 도시하는 단순화된 타이밍도이다. 단지 예로써, 도 2는 진폭 변조기로의 반복적인 전기 구동 신호 및 도 1에 도시된 것과 같은 본 발명의 일 실시예를 통한 광 펄스 전파의 타이밍을 도시한다. 전기적 트리거 210에 이어서, 제1 전기 구동 신호 220이 상기 진폭 변조기에 인가되어 광 펄스 240을 생성한다. 소정의 전파 지연 이후에, 광 신호 250이 처음으로 광 증폭기를 통과한다. 다음으로 광 신호 260이 반사 구조물에 충돌하고 상기 광 증폭기를 두 번째로 통과(250)한다. 광 펄스 240이 두 번째로 광 진폭 변조기를 통과하고, 상기 광 진 폭 변조기는 광 펄스 240에 의해 두 번째로 전기적으로 구동(220)된다. 마지막으로 일정한 전파 지연 이후에 광 펄스 230이 포트 3을 빠져나간다.
본 발명의 실시예들을 이용하면, 펄스 폭, 피크 파워 및 에너지, 펄스 형태 및 펄스 반복율을 포함하는 독립적으로 조정가능한 펄스 특성들을 갖는 광 펄스들의 스트림을 생성하는 고출력의 펄스형 레이저 소스들이 제공된다. 단지 예로써, 본 발명의 구체적인 실시예는 제2 광 증폭기 160의 출력 170에서 10㎱의 펄스 폭 및 10k㎐의 반복율로 펄스당 5μJ보다 큰 출력 펄스들을 전달한다. 물론, 다른 실시예에 의해서는 다른 펄스 특성들이 제공된다.
상기 실시예에서, CW 시드 소스가 이용되고 레이저 펄스를 제공하기 위해 상기 진폭 변조기 120을 사용하여 시간 도메인 필터링이 수행된다. 그러나, 본 발명이 반드시 이러한 구성을 요구하는 것은 아니다. 다른 실시예에서는, CW 시드 신호가 아닌 펄스형 시드 신호를 공급하도록 시드 신호가 변조된다. 펄스형 시드 신호의 공급은 진폭 변조기를 통한 이중 통과 증폭기로의 시드 손실에 의한 이득 소모와 ASE의 발달을 최소화하고 시드 소스의 작동 파워 범위가 증가되도록 한다. 상기 다른 실시예에서, 펄스형 시드 신호가 펄스형 레이저 소스 전체에서 원하는 펄스 폭과 같거나 그보다 큰 펄스 폭을 가질 수 있다. 또한 시드를 펄스형으로 하면 시드 레이저의 유효 선폭을 증가시켜 유도 브릴루앙 산란(Stimulated Brillouin Scattering; SBS)을 감소시킬 수 있다.
본 발명의 실시예들에 의하면, 시간적으로 균등하게 분리되지 않을 수 있는 광 펄스의 시퀀스를 생성하는 방법 및 시스템이 제공된다. 또한, 펄스 폭과 펄스 에너지가 펄스들 간에 미리 정해진 방식에 따라 개별적으로 정해진다. 나아가, 앞에서는 단일 광 펄스의 생성에 관하여 논의하였지만, 본 발명의 실시예들은 단일 펄스를 여러번 반복함으로써 다중 펄스의 생성을 제공한다는 것을 알 수 있을 것이다. 이러한 다중 펄스는 일렬의 광 펄스 시퀀스들을 포함할 수 있다. 본 발명의 일부 실시예에서는, 상기 DAC가 트리거 이벤트마다 성형된 파형을 생성하고, 이에 따라 각각의 트리거 이벤트와 동기화된 다중 광 펄스들을 생성한다. 이러한 동작 모드는 광 펄스들이 100k㎐, 500k㎐ 또는 1M㎐ 또는 그 이상의 속도로 생성될 때 유익하게 사용될 수 있다. 다른 실시예에서, 상기 DAC는 트리거 이벤트마다 다중 광 펄스들을 생성하기 위해 사용될 수 있다. 이 동작 모드에서는, 상기 성형 파형이 한 세트의 펄스들을 포함한다. 일부 실시예에서, 상기 한 세트의 광 펄스들은 동일하다. 다른 실시예에서는, 상기 한 세트의 광 펄스들이 서로 다르다. 이 동작 모드는 특정 응용 분야에서 광 펄스들의 집중 발생이 요구될 때 특히 바람직하다. 예를 들어, 펄스들의 세트 전체가 10k㎐, 500k㎐ 또는 1M㎐ 또는 그 이상의 속도로 반복되면서, 10 내지 20㎱의 시간 지연으로 둘 또는 그 이상의 10㎱ 펄스를 생성하는 것이 바람직할 수 있다. 이 예에서는, 모든 단일 트리거 이벤트가 각각 한 세트의 10㎱ 펄스들을 생성할 것이다.
마킹, 새김, 미세 가공 및 절삭과 같은 레이저 기반의 물질 가공은 높은 피크 파워의 펄스 레이저의 사용 범위를 넓혀왔다. 응용 분야 및 가공될 물질에 따라서는, 상기 펄스 특성들, 특히 형태가 수행 작업에 맞춰질 필요가 있다. 몇몇 응용 분야에서는, 구형의 펄스와 같은 특정 형상의 광 펄스로 가공하는 것이 바람 직하고 이 펄스의 변형은 바람직하지 않을 수 있다.
광섬유 기반의 파워 증폭기에서, 출력 펄스의 에너지가 상기 증폭기 내의 저장 에너지에 근접할 때 광 펄스의 형상 변형이 일어난다. 정상 상태에서는, 신호 강도가 이득 포화 효과를 일으키는 반면, 비정상 상태에서는 에너지 강도가 이득 포화 효과를 일으킨다. 높은 파워의 펄스가 이득 매질을 통해 전파될 때 왜곡된다는 점이 중요하다. 펄스가 광섬유 증폭기를 통과할 때, 펄스는 상기 광섬유로부터 점진적으로 더 많은 에너지를 뽑아내고 가용 이득을 감소시킨다. 이러한 점진적인 이득의 감소는 펄스 변형을 일으킨다. 도 3은 가우시안(Gaussian) 펄스 및 준구형(quasi-square, 또는 super-Gaussian) 펄스의 펄스형 도표이다. 가우시안 형은 리딩 에지(leading edge)에서 더 적은 에너지를 포함하기 때문에, 펄스의 질적인 변형은 덜 심각하다. 반면, 준구형 펄스 형에 있어서 펄스 감소의 영향은 매우 현저하다.
메모리 칩 상의 도전성 링크(link)의 레이저 가공에서는, 실질적으로 사각형인 광 펄스를 사용하는 것이 유리할 수 있다. 바람직하게는, 상승 및 하강 시간이 1㎱ 정도가 될 수 있다. 보다 바람직하게는, 상기 상승 및 하강 시간이 1㎱보다 작은, 0.5㎱ 또는 그 미만이 될 수 있다. 본 발명의 실시예들에서는, 하강 에지보다 더 낮은 상승 에지를 갖는 변조기용 구동 신호를 생성함으로써 실질적으로 사각형인 출력 펄스를 생성하기 위하여 증폭기의 이득 포화의 균형을 맞춘다. 도 4A 및 4B는 본 발명의 일 실시예에 의한, 진폭 변조기에 인가된 전기 파형 및 출력 광 펄스의 단순화된 도면이다. 이 예에서, 도 4B에 도시된 원하는 출력 광 펄스는 20mJ의 에너지, 1㎱의 상승 및 하강 시간, 30㎱의 폭 및 실질적으로 670W의 파크 파워를 갖는다. 이러한 출력 광 펄스를 생성하기 위해 진폭 변조기에 인가되는 전기 파형은 도 4A에 도시된다. 상기 전기 구동 신호는 1GS/s의 샘플링 속도 및 12비트의 분해능(resolution)을 갖는 DAC를 사용하여 생성된다. 단순한 예시를 위해, 상기 변조기에 처음으로 인가된(제1 개방) 전기 구동 신호만이 도시된다. 도 4A는 진폭 변조기에 인가된 전압을, 해당 기술분야에서 진폭 변조기를 완전한 단절(extinction)로부터 완전한 투과(transmission)로 구동시키는데 요구되는 전압으로 잘 알려진 V_pi(Vπ)의 소수(小數)로서 나타낸다.
일 실시예에서, 두 번째로 사용된(제2 개방) 변조기의 전기 구동 신호는 사각형이다. 이러한 제2 개방은 상기 광 펄스가 변조되지 않은 채로 출력 증폭기를 향해서 이중 통과 증폭기를 빠져나가게 할 뿐이다. 상기 두 번째 전기 구동 신호는 상기 출력 광 펄스의 출입을 제한할 뿐이다. 다른 실시예에서는, 응용 분야에 따라서 상기 두 번째 전기 구동 신호를 비구형 파형을 사용하여 성형할 수도 있다. 상기 첫 번째 및 두 번째 전기 구동 신호는 실제로는 앞서 논의된 바와 같이 상기 첫 번째 및 두 번째 구동 파형을 포함하는 하나의 긴 복합 구동 신호일 수 있다는 점을 또한 알 수 있을 것이다. 이러한 예에서 상기 전기 구동 신호의 일반적인 특징은 하강 에지보다 리딩 에지가 낮다는 것이다. 이는 증폭기의 포화를 고려한 것이다. 상기 펄스의 리딩 에지는 증폭기를 통해 전파되면서 상기 증폭기로부터 에너지를 추출하기 때문에, 광 이득이 감소된다. 더 적은 이득을 보이는 상기 펄스 의 하강 에지는 덜 증폭된다. 따라서, 상기 펄스의 하강 에지가 리딩 에지보다 더 높도록 증폭기에 주사된다.
본 발명의 다른 실시예에서, 펄스 성형은 이득 포화를 억제하기 위해서 뿐만 아니라 비구형 광 펄스를 생성하기 위해서도 사용된다. 응용 분야에 따라서는, 출력 광 펄스가 구형 펄스와 다를 수 있다.
메모리 칩 또는 다른 집적 회로 칩 상의 도전성 링크를 레이저 가공하는 분야에서는, 더 좋은 가공 품질과 수율을 위해 특별히 제작된 파워 프로파일을 갖는 레이저 펄스를 이용하는 시스템이 바람직할 수 있다.
본 발명의 예시적인 실시예에서, 도 5A 또는 도 5B에 도시된 것과 같은 특별히 제작된 광 파워 시간 프로파일이 사용된다. 도 5A 및 도 5B를 참조하면, 레이저 펄스 파워 프로파일 60c 및 60d 각각은 레이저 펄스의 시작부에서 현저한 리딩 에지 오버슈트 62(도 5A)를 갖도록 또는 링크 물질이 완전히 제거되기 전 레이저 펄스의 지속 시간 내의 어떤 시점에서 하나 또는 두 개의 중간 펄스 스파이크(spike)를 갖도록 특별히 제작될 수 있다. 구체적인 실시예에서, 상기 파워 스파이크의 타이밍은 상기 레이저 펄스 파워 프로파일의 상승 에지로부터 상기 레이저 펄스 파워 프로파일의 지속 시간의 약 70%까지 측정된 시간 간격 내에 존재한다. 도 5B는 펄스 스파이크 64의 전후에 파워 레벨이 상대적으로 균일한 레이저 펄스 파워 프로파일 60d를 도시한다. 상기 레이저 펄스 파워 프로파일의 파워 레벨은 펄스 스파이크 64의 전후로 변할 수 있다. 이러한 방식으로 레이저 펄스 파워 프로파일을 제작함으로써, 링크 물질을 만족스럽게 제거할 수 있도록 리딩 에지 오버슈트 또는 중간 펄스 스파이크로부터 충분한 레이저 피크 파워 및 에너지를 공급하고, 상기 링크 물질이 대부분 제거되었을 때는 남은 링크 물질을 제거하고 실리콘 기판과 링크에 인접하는 구조물이 손상될 가능성을 확실히 줄일 수 있도록 훨씬 낮은 레이저 펄스 파워를 공급한다.
도 5C 및 5D는 본 발명의 일 실시예에 의한, 진폭 변조기에 인가된 전기 파형과 이에 대응하는 스파이크를 갖는 광 출력 펄스의 단순화된 도면이다. 이 도면들은 급격히 상승된 중간 펄스 광 출력의 구체적인 예이다. 이 예에서, 원하는 출력 광 펄스는 도 5D에 도시되어 있는데, 에너지는 20mJ, 상승 및 하강 시간은 실질적으로 5㎱, 밑변에서의 총 폭은 실질적으로 55㎱, 밑변에서의 스파이크 폭은 실질적으로 15㎱, 그리고 피크 파워는 실질적으로 570W이다. 상기 출력 펄스는 주(主) 펄스의 중심에서 스파이크를 갖는다. 상기 펄스는 570W의 피크 파워로부터 약 1/2 크기인 285W에서 받침대 형상을 갖는다. 상기 원하는 출력 광 펄스를 생성하기 위해 진폭 변조기에 인가되는 전기 파형은 도 5C에 도시된다. 상기 전기 구동 신호는 1GS/s의 샘플링 속도 및 12비트의 분해능을 갖는 DAC를 사용하여 생성된다. 단순한 예시를 위해, 상기 변조기에 처음으로 인가된(제1 개방) 전기 구동 신호만이 도시된다. 도 5C는 진폭 변조기에 인가된 전압을, 해당 기술분야에서 상기 진폭 변조기를 완전한 단절로부터 완전한 투과로 구동시키는데 필요한 전압으로서 잘 알려진 V_pi(Vπ)의 소수로서 나타낸다. 일 실시예에서, 두 번째로 사용된(제2 개방) 상기 변조기의 전기 구동 신호는 사각형이다. 이러한 제2 개방은 광 펄스가 변조 되지 않은 채로 출력 증폭기를 향해서 이중 통과 증폭기를 빠져나가게 할 뿐이다. 상기 두 번째 전기 구동 신호는 상기 출력 광 펄스의 출입을 제한할 뿐이다. 다른 실시예에서는, 응용 분야에 따라 상기 두 번째 전기 구동 신호를 비구형 파형을 사용하여 성형할 수 있다. 또한 상기 첫 번째 및 두 번째 전기 구동 신호가 실제로는 앞서 논의된 바와 같이 상기 첫 번째 및 두 번째 구동 파형을 포함하는 하나의 긴 복합 구동 신호일 수 있다는 점을 알 수 있을 것이다.
본 발명의 실시예를 이용하면, 레이저 파워 프로파일의 이러한 특별한 제작으로 인해 더 좋은 가공 결과 및 더 넓은 공정 창(process window)을 얻을 수 있고 실리콘 기판 및 링크에 인접한 구조물에 대한 손상의 가능성을 줄일 수 있다.
본 명세서에 설명된 특별히 제작된 레이저 펄스들은 레이저 펄스의 시작부에서의 오버슈트 또는 상기 레이저 펄스의 지속 기간 내의 스파이크 피크 중 어느 하나를 갖는다. 상기 오버슈트의 파워 진폭 또는 펄스 지속 기간 중의 스파이크 피크는 상기 레이저 펄스의 평균 파워 진폭보다 실질적으로 10% 이상, 예를 들어, 10% 내지 50% 더 크다. 상기 오버슈트 또는 상기 스파이크 피크의 시간 폭은 미리 정해진 값인데, 예를 들면, 실질적으로 1ns와 상기 레이저 펄스의 지속 시간의 50% 사이이다. 구체적인 실시예에서, 상기 오버슈트 또는 상기 스파이크 피크의 시간 폭은 실질적으로 상기 레이저 펄스의 지속 시간의 10% 내지 50%이다. 일 실시예에서, 상기 스파이크의 타이밍은 현실적으로 다양한 링크 구조 및 제조 중의 레이저 변수들을 모두 고려하여 링크가 완전히 제거되는 시간보다 이르게 설정된다. 서로 다른 링크 구조를 기초로, 다중 리딩 에지 오버슈트, 다중 스파이크 피크 또는 계 속 변동되는 피크 파워 진폭과 같이 레이저 펄스 파워의 시간 프로파일을 변조하는 다른 기술들이 사용될 수 있다. 몇몇 응용 분야에서, 상기 레이저 펄스의 지속 시간은 실질적으로 1ns 내지 40ns 사이이다. 상기 레이저 펄스 파워의 시간 프로파일의 하강 에지는 일반적으로 10ns보다 짧다. 상기 레이저 펄스의 에너지는 바람직하게는 실질적으로 0.001마이크로주울(microjoule)과 10마이크로주울 사이이다.
본 발명의 구체적인 실시예에 의하여 제공되는 비구형 펄스의 다른 예가 도 6에 도시된다. 집적 회로(IC) 제조 과정에 있어서의 다량 생산은 종종 기저 기판 또는 패턴의 정렬의 편차 또는 미립자 오염물에 기인하는 결함을 초래한다. 이러한 분야에서는, 종래의 링크 가공 시스템의 단일 레이저 펄스를 사용하는 대신, 각각이 IC 링크를 절단하기 위한 안전 범위 내의 레이저 펄스 에너지를 갖는 적어도 두 개의 레이저 펄스들의 세트들을 이용하는 것이 바람직하다. 본 발명의 일부 실시예에서는, 도 6에 도시된 것과 유사한 광 펄스들의 세트가 레이저로부터 방사된다. 본 발명의 다양한 실시예들에 의하면, 광 펄스들의 세트의 지속 시간은 1000ns, 500ns, 300ns보다 짧거나 또는 5ns와 300ns 사이이다. 물론, 상기 펄스 지속 시간의 구체적인 값은 응용 분야에 따라서 정해질 것이다. 상기 세트 내의 각각의 레이저 펄스의 펄스 폭은 일반적으로 100펨토초(femtoseconds) 내지 30ns의 범위 내에 존재한다. IC 링크 절단을 위한 실시예에서, 상기 세트 내의 각각의 레이저 펄스는 상기 링크 구조를 지지하는 실리콘 기판의 손상 문턱값보다 작은 펄스당 에너지 또는 피크 파워를 갖는다. 상기 세트 내의 레이저 펄스의 수는, 상기 레이저 펄스가 상기 링크의 아래에 놓인 패시배이션 층 및 기판은 손상시키지 않으 면서 상기 링크의 바닥은 완전히 제거할 수 있도록 미리 정해진 수만큼 제공된다. 상기 세트의 총 지속 시간은 일반적으로 1000ns보다 짧기 때문에, 상기 세트는 종래의 링크 절단 레이저 위치 설정 시스템에 의해 하나의 펄스인 것으로 인식된다. 본 발명의 일 실시예에 의하면, 레이저 펄스들의 세트는 컴퓨터에서 변조기의 적절한 전기 파형의 디지털 표현을 생성하고 고속 DAC 변환기를 사용하여 상기 디지털 패턴을 아날로그 신호로 변환함으로써 만들어진다. 일부 실시예에서, 상기 펄스들의 세트는 상기 진폭 변조기를 구동하기 위해 하나의 단일 전기 신호만을 사용하는 하나의 단일 광 파형으로 취급된다.
일부 실시예에서, 상기 펄스들의 세트는 서로 다른 형태, 에너지 또는 폭의 펄스들을 포함한다. 예를 들어, 간단한 세트는 도 7A 및 도 7B에 도시된 바와 같이 서로 다른 에너지 또는 폭을 갖는 세 개의 펄스를 포함한다. 도 7A 및 7B는 서로 다른 에너지와 폭을 갖는 세 개의 펄스에 대해서, 본 발명에 의한 진폭 변조기에 인가된 전기적 파형 및 이에 대응하는 출력 광 파형을 단순화하여 도시한다. 이 예에서, 원하는 출력 광 파형이 도 7B에 도시되는데, 50mJ의 총 에너지를 갖는다. 첫 번째 펄스는 6mJ의 에너지, 실질적으로 1㎱인 상승 및 하강 시간, 6㎱의 폭 및 실질적으로 1000W인 피크 파워를 갖는다. 두 번째 펄스는 4mJ의 에너지, 실질적으로 1㎱인 상승 및 하강 시간, 8㎱의 폭 및 실질적으로 500W인 피크 파워를 갖는다. 세 번째 펄스는 40mJ의 에너지, 실질적으로 1㎱인 상승 및 하강 시간, 50㎱의 폭 및 실질적으로 800W인 피크 파워를 갖는다. 상기 첫 번째 및 두 번째 펄스는 20㎱만큼 이격되고, 상기 두 번째 및 세 번째 펄스는 50㎱만큼 이격된다. 상 기 펄스의 분리 및 상기 세 개의 펄스가 서로 다른 폭과 파워를 갖는다는 사실은 종래의 방법으로는 일반적으로 성취하기가 매우 어렵다. 본 실시예에서는, 상기 세 개의 펄스가 단일 파형으로 취급된다. 상기 원하는 출력 광 펄스를 생성하기 위해 진폭 변조기에 인가된 전기 파형은 도 7A에 도시된다. 상기 전기 구동 신호는 1GS/s의 샘플링 속도 및 12비트의 분해능을 갖는 DAC를 사용하여 생성된다. 단순한 예시를 위해, 상기 변조기에 처음으로 인가된(제1 개방) 전기 구동 신호만이 도시된다. 도 7B는 진폭 변조기에 인가된 전압을 V_pi(Vπ)의 소수로서 나타낸다. 일 실시예에서, 두 번째로 사용된(제2 개방) 상기 변조기의 전기 구동 신호는 사각형이다.
본 발명의 또 다른 실시예에서는, 능률적인 레이저 가공을 위한 광 파형이 생성된다. 상기 레이저 펄스의 형상은 이하에 설명된다. 먼저 레이저 에너지가 미리 정해진 기간 t1 동안 미리 정해진 파워 레벨 P1으로 물질 표면에 인가되어, 가공 물질이 용융되고 기화되면서 용융된 물질을 레이저 빔의 상호작용 구역(interaction zone)으로부터 실질적으로 방출함이 없이 산출된 용융물을 상기 상호작용 구역의 주변부로 배치시키는 기화 유도 반동(evaporation induced recoil)이 일어나며, 이로써 상기 물질에 키홀(keyhole)이 형성된다. 다음으로, 유도 기화 반동이 표면 장력을 거스르기에는 충분하기 않을 정도로, 보다 큰 레이저 에너지가 미리 정해진 기간 t2 동안 미리 정해진 상이한 파워 레벨 P2으로 상기 레이저 빔의 싱호작용 구역에 인가되며, 산출된 용융물의 온도가 물질의 용융 온도보다 높 은 온도로 유지되면서 상기 키홀의 통제 붕괴(controlled collapse)가 일어난다. 세 번째로, 보다 큰 레이저 에너지가 미리 정해진 기간 t3 동안 미리 정해진 상이한 파워 레벨 P3으로 상기 레이저 빔의 상호작용 구역에 인가되어, 상기 용융된 물질의 빠른 기화가 유도되고 상기 첫 번째 단계 동안 생성된 상기 용융물의 거의 완전한 방출을 야기하는 반동이 일어나고, 이에 따라 분화구 형상의 구멍(crater)을 형성한다. 마지막으로, 레이저 에너지가 미리 정해진 기간 t4 동안 미리 정해진 상이한 파워 레벨 P4으로 상기 레이저 빔의 상호작용 구역에 인가되어, 상기 상호작용 구역으로부터 방출되지 않고 남아있는 용융물의 온도 및 상기 구멍의 벽 근처의 고체 물질의 온도가 제어된 속도로 감소하는데, 상기 제어된 속도는 일반적으로 상기 물질에 미세 균열을 일으킬 수 있는 냉각 속도보다 낮다.
도 8A 및 8B는 본 발명의 다른 실시예에 의한, 진폭 변조기에 인가된 전기 파형 및 출력 광 펄스의 단순화된 도면이다. 도 8에 도시된 실시예가 사용될 수 있는 응용 분야는 위에서 설명한 능률적인 레이저 물질 가공이다. 이 예에서는, 도 8B에 원하는 출력 광 파형이 도시되고, 20mJ의 총 에너지를 갖는다. 먼저 실질적으로 20㎱의 시간 동안 175W의 파워 레벨로 레이저 에너지가 생성된다. 다음으로 25㎱의 시간 동안 88W의 파워 레벨로 레이저 에너지가 생성된다. 또, 실질적으로 10㎱의 시간 동안 690W의 파워 레벨로 더 많은 레이저 에너지가 생성된다. 마지막으로, 55㎱의 시간 동안 88W의 파워 레벨로 더 많은 레이저 에너지가 생성된다. 상기 원하는 출력 광 펄스를 생성하기 위해 진폭 변조기에 인가되는 전기 파 형이 도 8A에 도시된다. 상기 전기 구동 신호는 1GS/s의 샘플링 속도 및 12비트의 분해능을 갖는 DAC를 사용하여 생성된다. 단순한 예시를 위해, 상기 변조기에 처음으로 인가된(제1 개방) 전기 구동 신호만이 도시된다. 도 8A는 진폭 변조기에 인가된 전압을 V_pi(Vπ)의 소수로서 도시한다. 일 실시예에서, 두 번째로 사용된(제2 개방) 상기 변조기의 전기 구동 신호는 사각형이다.
몇몇 응용 분야에서, 상기 레이저 시스템의 출력은 다른 파장의 신호를 생성하기 위해 주파수 변환된다. 예를 들어, 해당 기술분야에 널리 알려진 바와 같이, 1064nm에서의 신호는 532㎚ 또는 354㎚의 신호를 생성하기 위해 그 주파수가 2배 또는 3배가 될 수 있다. 주파수 변환을 위해 사용된 장비들은 일반적으로 삼붕산 리튬(lithium triborate; LBO), 티탄산인산칼리(potassium titanyl phosphate; KTP) 등과 같은 하나 또는 그 이상의 비선형 광학 결정을 포함한다. 상기 주파수 변환된 신호의 시간 도메인 광 파형은 기본 파장(fundamental wavelength)에서 상기 신호의 시간 도메인 광 파형과 비선형 관계를 갖는다. 예를 들어, 주파수 배가(doubling)에 있어서, 상기 두 개의 파형은 거의 2의 거듭제곱 관계를 갖는다. 즉, 만약 상기 기본 주파수의 파워가 2배가 되면, 2배의 주파수에서의 파워는 4배가 된다. 예를 들어, 1064㎚에서의 피크 파워가 10㎾에서 20㎾로 증가한다면, 다른 변수들이 모두 일정하게 유지되는 상황에서 532㎚에서의 피크 파워는 거의 4배가 된다. 이러한 조건에서 상기 532㎚에서의 피크 파워는 2.5㎾에서 10㎾가 될 것이다. 복합 광 파형의 주파수 변환은 비선형이다. 따라서, 만약 소정의 주파수 변환된 광 파형이 주어진 용도에 필요하다면, 기본 펄스 형태가 다른 파형을 갖게 될 것이다. 진폭 변조기에 인가되는 전기 구동 신호에서는 이러한 차이가 고려되어야 한다. 본 발명의 일부 실시예에 의하면, 진폭 변조기에 인가되는 상기 전기 구동 신호는 상기 주파수 변환 처리에 기인한 광 파형의 왜곡을 고려한다.
위에서 논의된 바와 같이, 진폭 변조기에 인가되는 특정 펄스의 성형 파형은 응용 분야에 따라 달라진다. 이는 또한 사용될 증폭기의 특정 구조에 따라 달라진다. 단일 모드 코어의 광섬유를 사용하는 저전력 증폭기는 더 큰 모드의 광섬유를 사용하는 고전력 증폭기가 요구하는 양의 펄스 성형을 반드시 요구하지 않는다. 또한, 만약 일련의 증폭기들이 사용된다면 상기 특정의 성형 파형은 각 단(stage)의 이득 및 각 단에서 사용된 광섬유의 형상에 따라 달라질 것이다. 이는 또한 주파수 변환 장비의 존재 여부에 따라 달라진다. 따라서, 특정의 출력 광 파형에 대해서, 진폭 변조기에 인가될 최적의 광 전기 파형을 결정해야 한다. 상기 최적의 전기 파형을 결정하기 위해, 몇 가지 방법이 사용될 수 있다. 첫 째는 모듈레이터의 전기 구동 파형과 광 출력 파형의 관계를 설명하는 레이저 시스템의 물리적 모델을 개발하는 것이다. 특정 시스템에 대한 수치적 시뮬레이션을 통해, 최적의 전기 구동 파형을 결정하는 것이 가능하다. 본 발명의 발명자들은 이러한 모델을 개발해왔다. 또 다른 접근 방법은 가장 좋은 전기 파형을 결정하기 위해 실험적으로 레이저 시스템에 대해 연속적인 근사를 사용하는데 있다. 이 방법에서, 제1 전기 파형이 진폭 변조기에 인가되고, 레이저 시스템으로부터 제1 최적 출력 파형을 생성한다. 다음으로 상기 제1 전기 파형을 수정하는 에러 신호를 생성하기 위해 상 기 광 출력 및 전기 파형이 비교된다. 에러 신호는 예를 들어, 위에서 본 발명의 실시예와 관련하여 논의된 바와 같이, 상기 전기 파형을 생성하는 고속 DAC를 제어하는 컴퓨터를 사용하여 계산될 수 있다. 하나의 에러 신호는 상기 제1 광 출력 파형의 정규화된 역함수(normalized inverse)를 상기 제1 전기 파형으로부터 뺌으로써 생성될 수 있다. 다음으로 이 에러 신호가 상기 제1 전기 파형에 더해져 제2 광 출력 파형을 생성하기 위해 변조기를 구동하는 제2 전기 파형을 생성한다. 이러한 일련의 단계들은 상기 진폭 변조기를 구동하는 상기 전기 파형이 요구되는 광 출력 파형을 생성할 때 까지 반복된다.
특정 실시예들과 구체적인 예들을 사용하여 본 발명을 설명하였지만, 다른 실시예들도 본 발명의 사상 및 영역에 포함될 수 있다는 점이 이해되어야 한다. 따라서, 본 발명의 영역은 첨부된 청구범위와 그 모든 등가범위를 참조로 결정되어야 한다.

Claims (20)

  1. 파장가변 펄스형 레이저 소스에 있어서,
    시드 신호를 생성할 수 있는 시드 소스;
    제1 포트, 제2 포트 및 제3 포트를 포함 - 상기 제1 포트는 상기 시드 소스에 연결됨 - 하는 광 서큘레이터;
    성형된 전기 파형을 생성할 수 있는 변조기 드라이버;
    상기 변조기 드라이버에 연결되고 상기 성형된 전기 파형을 수신할 수 있는 진폭 변조기 - 상기 진폭 변조기는 제1 측부 및 제2 측부를 포함하고, 상기 제1 측부는 상기 광 서큘레이터의 상기 제2 포트에 연결됨 - ;
    입력단 및 반사단을 포함 - 상기 입력단은 상기 진폭 변조기의 상기 제2 측부에 연결됨 - 하는 제1 광 증폭기; 및
    상기 광 서큘레이터의 상기 제3 포트에 연결되는 제2 광 증폭기를 포함하고,
    상기 성형된 전기 파형을 공급할 수 있는 고속 디지털-아날로그 변환기를 더 포함하는 파장가변 펄스형 레이저 소스.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 고속 디지털-아날로그 변환기는 500메가샘플/초(megasamples/second) 또는 더 빠른 샘플링 속도 및 100M㎐보다 큰 전기적 아날로그 대역폭을 갖는 파장가변 펄스형 레이저 소스.
  4. 제1항에 있어서,
    디지털 패턴을 계산할 수 있는 컴퓨터를 더 포함하는 파장가변 펄스형 레이저 소스.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 파장가변 펄스형 레이저 소스는 한 세트의 광 펄스를 포함하는 파장가변 펄스형 레이저 소스.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 한 세트의 광 펄스는 제1 지속 시간과 제1 강도를 갖는 제1 펄스 및 제2 지속 시간과 제2 강도를 갖는 제2 펄스를 포함하는 파장가변 펄스형 레이저 소 스.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1 지속 시간은 상기 제2 지속 시간과 다르고 상기 제1 강도는 상기 제2 강도와 다른 파장가변 펄스형 레이저 소스.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 한 세트의 광 펄스는 제1 지속 시간과 제1 강도를 갖는 제1 펄스, 제2 지속 시간과 제2 강도를 갖는 제2 펄스, 및 제3 지속 시간과 제3 강도를 갖는 제3 펄스를 포함하는 파장가변 펄스형 레이저 소스.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 한 세트의 광 펄스는 동일한 지속 시간과 동일한 강도를 갖는 복수의 펄스들을 포함하는 파장가변 펄스형 레이저 소스.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 파장가변 펄스형 레이저 소스의 출력은, 펄스 지속 시간 및 상기 펄스 지속 시간보다 실질적으로 더 짧은 스파이크 지속 시간을 갖는 파워 스파이크를 갖는 출력 펄스 형태를 갖는 파장가변 펄스형 레이저 소스.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 스파이크 지속 시간은 상기 펄스 지속 시간의 50%보다 짧은 파장가변 펄스형 레이저 소스.
  12. 레이저 펄스를 공급하는 방법에 있어서,
    시드 신호를 공급하는 단계;
    광 서큘레이터의 제1 포트에 상기 시드 신호를 연결하는 단계;
    상기 광 서큘레이터의 제2 포트로부터 상기 시드 신호를 출력하는 단계;
    성형된 제1 전기 신호를 공급하는 단계;
    진폭 변조기의 전기 포트(electrical port)에 상기 성형된 제1 전기 신호를 연결하는 단계;
    광 증폭기의 입력단에 성형된 광 펄스를 출력하는 단계;
    상기 성형된 광 펄스를 증폭하고, 증폭된 성형 광 펄스를 공급하는 단계;
    성형된 제2 전기 신호를 공급하는 단계;
    상기 성형된 제2 전기 신호를 상기 진폭 변조기의 상기 전기 포트에 연결하는 단계;
    상기 광 서큘레이터의 상기 제2 포트에서 재성형된 광 펄스를 수신하는 단계; 및
    상기 광 서큘레이터의 제3 포트에서 상기 재성형된 광 펄스를 출력하는 단계를 포함하고,
    상기 성형된 제1 전기 신호는 상기 성형된 제2 전기 신호와 다른 레이저 펄스 공급 방법.
  13. 삭제
  14. 제12항에 있어서,
    상기 재성형된 광 펄스는 실질적으로 사각형 형태인 레이저 펄스 공급 방법.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 재성형된 광 펄스는 강도가 시간의 함수로서 증가하는 레이저 펄스 공급 방법.
  16. 제12항에 있어서,
    상기 재성형된 광 펄스는 강도가 시간의 함수로서 감소하는 레이저 펄스 공급 방법.
  17. 제12항에 있어서,
    고속 디지털-아날로그 변환기는 상기 성형된 제1 전기 신호 및 상기 성형된 제2 전기 신호를 생성하기 위해 사용되고, 상기 고속 디지털-아날로그 변환기는 500메가샘플/초 또는 더 빠른 샘플링 속도 및 100M㎐보다 큰 전기적 아날로그 대역폭을 갖는 레이저 펄스 공급 방법.
  18. 제12항에 있어서,
    상기 성형된 광 펄스를 증폭하는 단계는 이중 통과 증폭기를 사용하여 수행되는 레이저 펄스 공급 방법.
  19. 제12항에 있어서,
    상기 증폭된 성형 광 펄스는, 펄스 지속 시간 및 상기 펄스 지속 시간보다 실질적으로 더 짧은 스파이크 지속 시간을 갖는 파워 스파이크를 갖는 레이저 펄스 공급 방법.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 스파이크 지속 시간은 상기 펄스 지속 시간의 50%보다 짧은 레이저 펄스 공급 방법.
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