KR101787156B1 - 트랜스버스 레이징의 억제와 함께 레이저 빔을 증폭하기 위한 디바이스 - Google Patents

트랜스버스 레이징의 억제와 함께 레이저 빔을 증폭하기 위한 디바이스 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 축 Ox 를 따른 레이저 빔을 증폭하기 위한 디바이스로서,
- 인덱스 nC 의 증폭 바 구조 (1) 로서, 그 구조의 입력 및 출력 면들을 연결하는 표면 Σ 에 의해 범위가 정해지며, Ox 방향을 따른 치수 e 및 수직 방향을 따른 치수 Φ 를 가지고, e<Φ 이며, 면을 따라 최대치를 갖는 이득 매체가 되도록 펌핑되도록 의도되는, 상기 증폭 바 구조 (1), 및
- 그것의 표면 Σ 에 관하여 구조 (1) 를 둘러싸는 인덱스 nA 의 액체로서, 증폭 바 구조의 형광 파장 λ 에서 흡수성 또는 산란성인, 상기 액체를 포함하는 레이저 빔을 증폭하기 위한 디바이스에 관한 것이다.
표면 Σ 은 최대 이득 면과 그것의 접합부에서, 기생 트랜스버스 레이징을 야기하는 것을 회피하도록, 챔퍼 (chamfer) 의 형태의 제 1 치부 (2) 를 포함하고, 인덱스 nA 의 액체는 펌핑에 의해 유발되는 서멀 파워를 분산시키도록 킬로그램 당 K° 당 3000줄 보다 큰 열 용량을 가진다.

Description

트랜스버스 레이징의 억제와 함께 레이저 빔을 증폭하기 위한 디바이스{DEVICE FOR AMPLIFYING A LASER BEAM WITH SUPRESSION OF TRANSVERSE LASING}
본 발명의 분야는 레이저 빔의 증폭에 관한 것이고, 더욱 구체적으로는 증폭 바 (amplifying bar) 들에 관한 것이다.
레이저 빔 증폭 디바이스의 동작의 방식이 간략하게 상기된다. 그것은 주로 증폭 매체 및 에너지를 그 증폭 매체 내에 주입하는 펌핑 소스 (pumping source) 들을 포함한다. 바 형상을 갖는 이 증폭 매체는 크리스탈 (crystal) 일 수도 있고, 그 외에, 도핑된 글래스 (doped glass) 일 수도 있다. 그 후에, 증폭될 레이저 빔은, 예를 들어 미러 (mirror) 들을 갖는 광학 디바이스들에 의해 1 회 이상 증폭 바를 가로지르고, 각 패스 (pass) 에서, 펌핑 동안 주입되는 에너지의 일부를 추출하고, 따라서 증폭 바 내에서 증폭된다. 실린더 형상의 증폭 바의 경우, 펌핑 동안 디포짓 (deposit) 되는 에너지는 일반적으로 증폭 바의, 펌프 빔의 직경 D 에 의해 범위가 정해지는, 중앙 부분에 한정된다. 펌핑 동안 디포짓되는 에너지의 부분은 발광 에너지 (luminous energy) 로 변환되지 않고 증폭 매체 내에서 열 에너지로 변환되며, 이 열 에너지는 (예를 들어 물에 기초한) 냉각 디바이스 수단에 의해 제거되어야 하고, 이는 서멀 파워 (thermal power) 가 더 높을수록 더욱더 효율적이어야 할 것이다 (열 에너지와 레이저의 펄스 반복 레이트의 곱).
이러한 유형의 레이저 빔 증폭 디바이스의 구성에서, 트랜스버스 레이징 (transverse lasing) 이라고 불리는 기생 (parasitic) 현상이, 광학적 펌핑에 의한 증폭 바 내에서의 에너지의 디포지션 (deposition) 과, 증폭될 빔에 의한 그것의 추출 (extraction) 사이에서 발생한다.
이러한 현상은, 증폭 바의 세로 축 (longitudinal axis) 에 대해 가로지르는 축을 따른 레이저 서브-캐비티 (sub-cavity) 의 증폭 바 내에서의 생성에 관련되고, 증폭 바 환경 인터페이스에서의 굴절률 (refractive index) 에서의 브레이크들 (breaks) 은 이 서브-캐비티의 미러들의 기능을 보장한다. 트랜스버스 레이징은, 이 서브-캐비티에 대한 발진 조건 (oscillation condition) 이 만족될 때, 즉, 서브-캐비티 내에서 외향-복귀 여정 (outward-return trip) 에 걸쳐 에너지의 보존이 존재할 때, 또는 달리 말하자면, 트랜스버스 이득 G 가 서브-캐비티의 손실 P 를 보상할 때, 발생한다.
이하에서, 예시적인 증폭 바로서 크리스탈이 취해지고, 물론 이는 도핑된 글래스로 대체될 수 있다.
도 1 에 표현된 것은, 직경 D 의 펌핑 레이저 빔 (3) 에 의해 그것의 2 면들 (S1, S2) 에 의해 크리스탈의 세로 축 (Ox) 을 따라 펌핑되는 실린더형의 증폭 크리스탈 (1) 에서의 트랜스버스 광학적 이득 G 이다. 펌핑 레이저는 통상적으로 솔리드 레이저 (solid laser) 또는 파이버 레이저 (fiber laser) 또는 레이저 다이오드이다. g0 가 이득의 선형 밀도를 지정하는 경우에, 소신호 이득 gps 은, 세로 방향 Ox 에서 g0·e 와 같고, Ox 에 수직인 가로 방향에서 g0·D 와 같다. 통상적으로 D≥e 이고 (이득 곡선의 판독을 용이하게 하기 위해 도면들에서 양들은 축척에 비례하지 않는다), 크리스탈의 길이 e 는 통상적으로 2cm 내지 5cm 사이이고, 직경 D 는 5cm 내지 20cm 사이이다.
광학적 이득 G 는
Figure 112013015539405-pct00001
에 비례하고,
Figure 112013015539405-pct00002
가 된다.
가로 방향에서의 광학적 이득 G 는 따라서 세로 방향, 즉, 증폭될 레이저 빔의 방향에서의 광학적 이득 G 보다 훨씬 더 크다.
트랜스버스 레이징은, 증폭하기를 원하는 레이저 빔의 희생으로, 체크되지 않는 트랜스버스 시뮬레이션된 방출에 의해 야기된, 크리스탈 내에 저장된 에너지의 강한 배출로서 분명하게 드러난다.
이러한 트랜스버스 레이징은, 높은 이득들을 갖는 솔리드 (solid) 증폭 매체의 경우에 그리고 큰 치수들의 경우에 (통상적으로 0.88 의 이득 g0 및 70mm 의 펌프 직경), 특히 문제가 많게 된다. 그것은 예를 들어 매우 중대한 피크 파워의, 통상적으로 100J 정도의 높은 에너지들에서 펌핑되는 TI:사파이어 크리스탈에 기초한 페타와트 (petawatt) 정도의, 펨토세컨드 (femtosecond) 레이저 펄스들의 발생을 방해한다.
여기에, 크리스탈의 형광 (fluorescence) 파장에서 흡수성이 있는 재료를 크리스탈의 주변에 배치하여 기생 빔에 대한 손실들 P 를 증가시킴으로써 기생 레이징이 억제되었다; 디바이스가 충분히 효율적으로 되도록 하기 위해, 크리스탈의 굴절률과 흡수성 재료의 그것이 크리스탈 인터페이스에서의 상당한 반사 (reflection) 를 회피하도록 가능한 한 가까울 필요가 더욱 있다 - 흡수성 재료는 기생 레이징의 발생을 초래할 것이다. 이것은 예를 들어 크리스탈의 면들 (S1 및 S2) 을 연결하는 표면 Σ 가 침지 (immerse) 되는 흡수성 액체에 의해 달성될 수도 있다. 이러한 해결책은 특허 출원 FR 2 901 067 호에서 설명되어 있다. 사용된 액체는 굴절률이 크리스탈의 굴절률에 가까운 용제, 및 크리스탈의 형광 파장에서 흡수성이 있는 염료를 포함한다. 사용된 재료는 또한, "Production of >1021 W/cm2 from a large-aperture Ti:sapphire laser system" by JD Bonlie et al (Applied Physics B (Lasers and Optics)) Springer-Verlag Germany, vol B70 June 2000 발행물에서 설명된 것과 같은 고체일 수도 있다.
Ti:사파이어 증폭 크리스탈의 경우에, 굴절률 n 은 1.76 과 같다. 액체와의 인터페이스에서의 손실들을 증가시키기 위해, 사용된 액체의 인덱스 (index) 는 크리스탈의 인덱스에 가까워야 한다; 그들의 인덱스의 차이가 0.01 보다 작거나 같은 경우에 두 굴절률은 가까운 것으로 고려된다. 이 액체는 관례적으로 크리스탈을 둘러싸는 물을 대체하고, 그것의 기능은 펌핑 프로세스에 의해 크리스탈에서 발생된 서멀 파워를 제거하는 것이다. 따라서 그것은 또한, 트랜스버스 레이징 억제의 기능에 추가하여 서멀 파워 제거의 이러한 기능을 보장하여야 한다; 이제, 이러한 유형의 액체들의 열적 특성들 및 다른 무엇보다도 열 용량이 물의 그것보다 아주 부족하고, 이에 의해, 레이저 반복 레이트 및 그 결과로서의 평균 서멀 파워가 높을 때, 통상적으로 높은 에너지의 증폭기에 대해 1Hz 초과, 즉, 30 줄 (Joule) 보다 클 때, 그들을 무용하게 만든다. 이 액체는 더욱이 매우 부식성이다. 또한 그것은 비싸고 유독성이며 따라서 사용하기에 위험하다; 그것은 시간이 지남에 따라 열화된다.
따라서, 주로 트랜스버스 레이징의 억제 및 이들의 상당한 (통상적으로 100와트보다 큰) 값들에 대한 평균 서멀 파워의 제거의 면에서뿐만 아니라 사용의 안전함 및 시간 경과에 걸친 강건함의 면에서도, 모든 전술한 요건들을 동시에 만족시키는 디바이스에 대한 필요성이 여전히 남아 있다.
본 발명에 의해 가능한 해결책은, 굴절률들을 등화 (equalizing) 시키는 것 외의 수단에 의해 기생 레이징을 방지하도록 손실들을 상당하게 증가시키는 구조를 이용하고, 이에 의해, 서멀 파워를 제거하기 위한 매우 효과적인 수단, 예를 들어 수냉각을 이용한 동작을 허용한다. 이득이 특히 중요한 면 (face) 들 (S1 및 S2) 의 근방에서 특히, 인터페이스들의 수 및 따라서 그 인터페이스들에서의 반사들의 수를 증가시키는 것이 가능하도록 하는 특별한 기하학적 구조를 갖는 크리스탈 또는 크리스탈들의 집합, 및 적합한 열 용량을 갖는 흡수성 액체의 사용이 이루어진다. 손실들이 이득보다 크게 되도록 여분의 반사들의 수는 충분히 높아야 하고 (≥2), 및/또는 반사 계수들은 충분히 낮아야 한다 (≤0.1).
더 정확하게 말하면, 본 발명의 대상은, 축 (Ox) 을 따른 레이저 빔을 증폭하기 위한 디바이스로서,
- 인덱스 nC 및 형광 파장 λ 의 증폭 바 구조 (1) 로서, 증폭 바의 입력 면 (S1) 및 출력 면 (S2) 을 연결하는 표면 Σ 에 의해 범위가 정해지며, Ox 방향을 따른 치수 e 및 Ox 에 수직인 평면 Oyz 의 방향을 따른 치수 Φ 를 가지고, e<Φ 이며, 축 Ox 룰 중심으로 하고 직경 D 인 광학적 이득 매체가 되도록 축 Ox 를 따라 펌핑되도록 의도되고, 광학적 이득은, 최대 이득 면으로 지칭되는, 증폭 바의 구조의 면 (S1 또는 S2) 을 따라 최대를 나타내는, 상기 증폭 바 구조, 및
- 증폭 바의 표면 Σ 에 관하여 증폭 바의 구조를 둘러싸는 인덱스 nA 의 액체를 포함하는, 상기 레이저 빔을 증폭하기 위한 디바이스에 관한 것이다.
그것은 주로, 표면 Σ 는, 그것의 최대 이득 면과의 접합부의 전부 또는 일부에 걸치고 축 Ox 에 대해 각도 α1 으로 배향된 챔퍼 (chamfer) 형태의 제 1 치부 (tooth) 를 포함하고, 제 1 치부는 축 Ox 를 따라 표시된 길이 e1' 를 가지고, 길이 e1' 는 기생 트랜스버스 레이징 (parasitic transverse lasing) 을 야기하는 것을 회피하도록, 미리 결정된 임계 길이보다 크며, 인덱스 nA 의 액체는 펌핑에 의해 유발되는 서멀 파워가 100와트를 초과할 때 이를 분산시키도록, 3000줄 (Joule) 퍼 (per) 킬로그램 퍼 켈빈도 (degree Kelvin) 보다 큰 열 용량을 가지고, 증폭 바 구조의 형광 파장 λ 에서 흡수성인 밀도체 (density) 및/또는 이 파장에서 흡수성인 엘리먼트 (element) 가 액체에 침지되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 표면 Σ 은 2 개의 면들을 갖는 제 2 치부를 포함하고, 제 1 치부를 향해 배향된 면은 축 Ox 에 대해 각도 β1 으로 경사지고, α1 과 β1 은, 최대 이득 면에 평행하게 전파되고 제 1 치부에 의해 상당한 손실들을 가지고 (즉, 반사 계수 ≤ 0.1 로) 반사된 포톤 (photon) 들이 제 2 치부의 이 면에서 수직으로 도달하도록 하는 관계에 있다.
본 발명의 특성에 따르면, 이득 매체는 증폭 바의 구조의 다른 면을 따라 또 다른 최대를 나타내고, 표면 Σ 은, 그것의 이 다른 최대 이득 면과의 접합부의 전부 또는 일부에 걸쳐, 축 Ox 을 따라 표시된 길이 e2' 에 걸쳐, 또 다른 챔퍼의 형태의, 제 3 치부 (2) 를 나타내며, 길이 e2' 는 미리 결정된 임계 길이보다 크고, 이 다른 챔퍼는 Ox 에 대해 각도 α2 로 배향되고, (이 제 3 치부를 향해 배향된) 제 2 치부의 제 2 면은 축 Ox 에 대해 각도 β2 로 경사지며, α2 와 β2 는, 이 다른 최대 이득 면에 평행하게 전파되고 제 3 치부에 의해 반사된 포톤들이 이 면에서 수직으로 도달하도록 하는 관계에 있다.
인덱스 nA 의 액체는 예를 들어, 증폭 바의 구조의 형광 파장 λ 에서 흡수성인 밀도체가 침지되는 액체이다.
임계 길이는 유리하게, 광학적 이득의 함수로서 미리 결정된다.
본 발명의 또 다른 특성에 따르면, 각도 α1 및/또는 각도 α2 는 총 내부 반사를 회피하는 것이 가능하도록 만든다: 그들은
sinα1<nA/nC 및 sinα2<nA/nC 가 되도록 된다.
통상적으로, e1'=e2', α1=α2, β1=β2 이다.
본 발명의 제 1 실시형태에 따르면, 입력 및 출력 면들은 원형이고, 치부 (또는 치부들) 는 축 Ox 에 관하여 회전 (revolution) 대칭을 나타낸다.
변형 실시형태에 따르면, 치부 (치부들) 는 표면 Σ 의 2 개의 반대편 부분들에 형성된다.
본 발명의 제 2 실시형태에 따르면, 입력 및 출력 면들은 직사각형이고, 치부 (치부들) 는 직사각형의 2 개의 반대편 변들을 따라 놓인 표면 Σ 의 2 개의 부분들에 형성된다.
증폭 바 구조는 크리스탈 또는 도핑된 글래스일 수도 있다.
증폭 바의 구조는 오직 크리스탈만 또는 오직 도핑된 글래스만을 포함할 수도 있다. 그것은 또한, 하나의 치부 (또는 수개의 치부들) 이 각각 구비된 하나의 크리스탈 (또는 수개의 크리스탈들) 또는 하나의 도핑된 글래스 (또는 수개의 도핑된 글래스들) 을 포함할 수도 있다.
본 발명의 대상은 또한, 전술한 바와 같은 레이저 빔을 증폭하기 위한 디바이스를 이용하는 방법으로서, 레이저 빔을 증폭하기 위한 디바이스를 펌핑하는 단계를 포함하고, 이 펌핑은 평균 100와트보다 큰 서멀 파워를 유발하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 특성들 및 이점들은, 비제한적인 방식으로 첨부된 다음 도면들을 참조하여 주어진 이하의 상세한 설명을 읽으면 분명해질 것이다.
도 1 은, 이미 설명한 바와 같이, 펌핑 빔에 의해 펌핑되는 예시적인 증폭 크리스탈, 및 대응하는 예시적인 광학적 이득 G 를 도식적으로 나타낸다.
도 2 는 축 Ox 를 따라 단면으로 나타낸, 3 개의 치부를 갖는, 본 발명에 따른 예시적인 증폭 디바이스를 도식적으로 나타낸다.
도 3 은 3 개의 치부를 갖는 예시적인 증폭 크리스탈 구조의 손실들 R 을 도식적으로 나타낸다.
도 4 는 3 개의 치부를 갖는 동일한 예시적인 증폭 크리스탈 구조의 G×R 곱을 모식적으로 나타낸다.
도 5 는 사시도로 본, 3 개의 치부를 갖는, 단일 크리스탈의 예시적인 크리스탈 구조를 모식적으로 나타낸다.
도 6 은 사시도로 본, 3 개의 크리스탈들의 집합, 및 3 개의 치부를 갖는 예시적인 크리스탈 구조의 전개를 모식적으로 나타낸다.
도면들에 걸쳐 동일한 엘리먼트들은 동일한 참조부호들에 의해 표시된다.
이하, 크리스탈로 이루어진 증폭 바가 예로서 취해진다. 그것은 예를 들어 네오디뮴 (Neodymium) 이온들 또는 이테르븀 (Ytterbium) 이온들로 도핑된 포스페이트 (phosphate) 글래스 또는 실리케이트 (silicate) 글래스와 같은 도핑된 글래스로 대체될 수 있다.
도 2 는 단일 크리스탈의 크리스탈 구조 (1) 를 나타내고, 그 기하학은 표면 Σ 에 "치부 (tooth)" (2) 를 부가함으로써 변형되고, 따라서, 많은 새로운 인터페이스들이 존재하게 되고, 그 많은 새로운 인터페이스들 상에서 포톤 (photon) 들이 부분적으로 반사되고, 다른 부분은 흡수 또는 산란된다.
목적은 포톤들의 일부가 투과되는 것이기 때문에, 축 Ox 에 대한 각 치부의 각도 α 는 크리스탈 내부의 총 내부 반사를 회피하도록 최적화된다. 따라서 우리는:
sin(α) < nA/nC ; nA<nC
를 원하고, 여기서, nC 는 크리스탈의 인덱스 (index) 이고, nA 는 크리스탈과 이 인터페이스를 형성하는 액체 A 의 인덱스이다.
따라서, 각도 α 및/또는 인덱스 nA 를 수정하는 것이 가능하다.
또한, 투과된 포톤들은 돌아가지 않을 필요가 있고, 따라서 크리스탈의 형광 파장(들)에 대해 흡수성 또는 산란성 액체인 이 액체 A 에 의해 포톤들이 흡수되거나 산란될 필요가 있다. 그러면 표면 Σ 은 이 흡수성 액체 A 에 침지되고, 종래의 방식에서 이 흡수성 액체는 누설밀봉 방식으로 이 표면 Σ 을 둘러싸는 저장소에 담긴다.
TI:사파이어 크리스탈의 경우에, 파장(들)은 800nm 정도이다. 2 가지 경우가 가능하다:
1. 액체 A 는 표면 Σ 을 둘러싸는 동질의 흡수성 또는 산란성 액체이다.
2. 액체 A 가 단지 인덱스 정합 (matching) 액체인 경우에는, 흡수성 밀도체 (density) 또는 산란체 (scatterer) 는 이 액체에 침지된다. 이 경우에, 밀도체 또는 산란체는 표면 Σ 을 향해 대면하고 (밀도체는 예를 들어 축 Ox 에 수직인 평면 (Oy, Oz) 에 놓인 고리 형태의 플레이트 (plate) 이다); 그것은 표면 Σ 을 둘러쌀 수도 있지만, 이는 반드시 필요한 것은 아니다.
이 액체 A 는 흡수성 또는 산란성 인덱스 액체일 수도 있고; 인덱스 nA 가 nC 에 가까울 수도 있는 이러한 액체들이 존재하고, 이는 제거될 서멀 파워가 낮은 경우 (최대 1Hz 까지의, 낮은 레이저 펄스 반복 레이트들의 경우) 에 유용하다: 이는 예를 들어 크리스탈의 형광 파장에서 흡수성이 있는, 염료와 인덱스 정합 액체의 혼합물, 또는 앞서 나타난 바와 같이 밀도체 또는 산란체가 침지되는 인덱스 정합 액체를 수반한다. 하지만 이러한 액체는 매우 부식성이 강하고 시간이 경과함에 따라 열화된다. 하지만, nA 가 nC 와 더 상이할수록 반사는 더 증가한다.
펌핑에 의해 유발된 제거될 서멀 파워가 심각한 (평균 100와트보다 큰) 경우에, 반사를 감소시키기 위해 (인덱스가 1 과 동일한) 공기가 수반되는 경우보다 흡수성 또는 산랑성 엘리먼트, 더빙된 (dubbed) 밀도체 (5) 가 침지되는, 굴절 인덱스가 크리스탈의 인덱스에 보다 더 가까운, 서멀 파워의 제거와 관련하여 양호한 특성들을 갖는 비-흡수성 액체 (4), 더빙된 인덱스 액체의 사용이 이루어진다. 이 밀도체는 통상적으로 중립성 밀도체 또는 흡수성 글래스 또는 밀도체들의, 또는 흡수성 글래스들 또는 양자 모두의 적층체이다. 그러면 인덱스 액체 (4) 는 크리스탈 (1) 과 밀도체 (5) 사이에 정합의 기능을 갖는다. 물은 효율적인 냉각을 허용하기 때문에, 착색된 물 또는 밀도체가 침지된 물이 흡수성 액체로서 바람직하게 선택된다. 이 액체는 예를 들어 인덱스가 1.33 과 동일한 물 또는 인덱스가 1.38 인 물-에틸렌 글리콜 혼합물이다.
종국적으로, 인터페이스들에서 투과된 모든 포톤들은, 흡수 스펙트럼들이 크리스탈의 형광 스펙트럼을 커버하는 흡수성 또는 산란성 액체 또는 밀도체 (5) 에 의해 흡수되거나 산란된다.
기생 빔에 대한 상당한 손실들을 유발하는 크리스탈의 기하학적 구조 덕분에, 준-완벽 (quasi-perfect) 인덱스 정합을 허용하는 액체의 사용을 회피하는 것이 가능하고, 하지만, 이것은 높은 열 부하에서의 동작과 양립가능하지 않다. 따라서, 비록 (0.3 정도의 굴절률들 사이의 차이로) 오직 부분적 인덱스 정합을 허용하는 경우에도, 펌핑 동안 디포짓된 열의 효과적인 제거를 허용하는 열 용량을 갖는 액체의 사용이 이루어진다. 크리스탈의 기하학적 구조는 한편의 냉각 및 인덱스 정합 기능을, 다른 한편의 흡수 기능으로부터 디커플링 (decoupling) 하는 것을 가능하게 만든다.
선형 이득 g0 는 크리스탈의 도핑의 함수로서 증가하고, 전제부에서 본 바와 같이, 축 Ox 을 따른 광학적 이득 G 는 크리스탈의 두께 e 의 함수로서 그리고 그것의 선형 이득의 함수로서 증가한다.
치부 (2) 의 수는 따라서 크리스탈 (1) 의 도핑의 함수로서 계산된다: 크리스탈의 면들 (S1 및 S2) 에 평행하고 그들에 가까운, 즉, 엄밀하게 광학적 이득 G 이 특히 높은 곳의 레이저 영향을 회피하기 위해 필요한 만큼 많은 치부들이 부가된다.
크리스탈 (1) 이 오직 면 (S1) 을 통해서만 펌핑되는 경우에 트랜스버스 레이징을 야기하기 쉬운 트랜스버스 서브-캐비티는 이 면 (S1) 의 근방에 놓인다. 크리스탈이 또한 면 (S2) 를 통해서 펌핑되는 경우에, 트랜스버스 레이징을 야기하기 쉬운 제 2 트랜스버스 서브-캐비티는 이 다른 면 (S2) 근방에 놓인다.
이득이 면 (S) 의 레벨에서 최대이면, 크리스탈은, 그것이 표면 Σ 의, 이득이 최대인 이 면의 접합부에서 챔퍼의 형태로 제 1 치부들 (2) 을 나타내도록 하는 방식으로 컷팅되고, 이 챔퍼는 축 Ox 에 대해 각도 α 로 경사지고, 이 경사는 바람직하게는 크리스탈의 외부를 향해 배향된다. 통상적으로 α 는 30도와 50도 사이에 놓인다. 챔퍼의 길이는, 광학적 이득이 트랜스버스 레이징에 기여하기 쉬운 경우에, 즉, 그것이 미리 결정된 임계를 초과 G>Gthresh 하는 경우에, 그것의 Ox 상으로의 투사 e' 가 적어도 길이 LGthresh 를 커버하도록 된다. Gthresh 가 eg0 . LGthresh 에 비례함에 따라, e'≥LGthresh 가 된다. 통상적으로 e' 는 e/20 과 e/6 사이에 놓인다. 챔퍼가 오직 일 측에만 존재하는 경우에, 포톤들이 이득 구역으로 돌아가지 않도록 하는 수단을 제공하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 다른 면을 부분적으로 커버하기 위해 리턴 (return) 을 형성하는, (L-형상의) 흡수성 매체를 배치하는 것이 가능하다.
이득이 2 개의 면들 상에서 최대이고 α1 및 e1' 은 면 (S1) 의 챔퍼 (제 1 치부) 의 특성을 지정하는 경우가 이제 고려된다. 또 다른 치부 (2) (후속하여 제 3 치부라 칭함) 가 다른 면 (S2) 의, 표면 Σ 의 접합부에서 제 2 챔퍼의 형태로 제공되고, 이 챔퍼는 각도 α2 만큼 크리스탈의 외부를 향해 경사지고, e2'≥Lgthresh 로 Ox 상에 투사 e2' 을 갖는다.
이들 치부는 축 Ox 를 따라 표시된다: S1 과의 접합부에서 제 1 치부, 이하의 설명에서 제 2 치부라고 칭하는 오목부 (cleft), 및 S2 와의 접합부에서의 제 3 치부.
전술한 제 1 및 제 3 치부 (2 개의 챔퍼들) 사이에 놓인, 오목부로도 지정되고 2 개의 경사 면들을 갖는 또 다른 제 2 치부 (2) 에 대한 준비가 또한 바람직하게 이루어진다. 제 1 치부의 각도 α1 은, 최대 이득 면 (S1) 에 평행하게 전파되고 제 1 치부에 의해 반사된 포톤들 (10) 이 제 2 치부 (또는 오목부) 의 제 1 면에서 수직으로 도달하도록 되고, 그 자체는 이 면 상의 포톤들의 입사각에 대해 90°로 경사진다. 이러한 방식으로, 포톤들은 이 제 2 디옵터 (diopter) 에 기초하여 이득이 다시 최대가 되는 제 2 면에 도달하지 않도록 외부로 향하는 여정에 대해 반대 방향으로의 복귀 여정을 만들 것이다. 이 제 2 치부 (또는 오목부) (2) 의 제 1 면은 더욱 일반적으로,
β1=π-2α1
이 되도록 축 Ox 에 대해 각도 β1 만큼 경사진다.
동일한 이유로, 이 오목부의 제 2 면은,
β2=π-2α2 만큼 경사진다.
이 오목부의 Ox 를 따른 길이는 통상적으로 크리스탈의 총 길이의 절반과 동일하거나 그보다 크다.
대안에 따르면, 이 오목부는 2 개의 치부로 나누어질 수도 있다:
- 그 하나는 β1 으로 경사진 면을 갖는 S1 의 챔퍼에 가까운 것 (S1 을 향해 배향된 것) 으로서, 다른 면에 대해 경사 제한이 없는 것이고,
- 다른 하나는 β2 로 경사진 면을 갖는 S2 의 챔퍼에 가까운 것 (S2 를 향해 배향된 것) 으로서, 다른 면에 대해 경사 제한이 없는 것이다.
도 2 에 도시된 바와 같이 통상적으로 3 개의 치부가 존재하고, S1 과의 접합부에서의 제 1 치부, 제 2 치부라 칭하는 오목부, 및 S2 와의 접합부에서의 제 3 치부로서:
α1=α2=π/4, β1=β2=π/2 의 관계에 있다.
이 오목부 또는 제 2 치부는 또한 제 2 면 상에서 최대 이득의 부존재의 경우에도 따라서 S2 의 그리고 Σ 의 접합부에서의 "제 3" 치부의 부존재에서 제공될 수 있다. 이 경우에, β2 에 대해 더 이상 어떤 제약도 존재하지 않는다.
한편으로는, 제 1 치부가 반사 계수 R1 의 디옵터를 발생시키고, 제 2 치부 (또는 오목부) 가 동일한 방식으로 반대 방향으로 포톤들을 되돌려보내는 반사 계수 R2 의 디옵터를 발생시키며, 다른 한편으로는, E 가 제 1 치부에 입사하는 포톤들의 에너지라고 고려되는 경우에, 포톤들은 그들의 2 개의 디옵터들 상에서의 복귀 여정 후에 에너지 E' 을 가지고, E' 은 E×R2×R12 에 비례한다.
반사 계수들을 감소시키기 위해, 표면 Σ 는 더 프로스트 (frost) 된다.
원형 단면을 가지고 실질적으로 실린더형인 (즉, 치부 내의) 크리스탈에 있어서, 표면 Σ 에서의 치부 (2) 는 그들 자신이 Ox 주위로 회전 대칭을 가질 수도 있다. 이것은 예를 들어 광학적 이득 G 가 회전 대칭을 또한 갖는 Nd:Yag 크리스탈인 경우이다.
TI:사파이어와 같은 다른 크리스탈에 있어서, 크리스탈의 결정학적 축들의 기초 상에서 배향이 결정되는 특정 직경 D 에 관하여 이득이 최대이다.
직사각형 단면을 가지고 실질적으로 실린더형인 (즉, 치부 내의) 크리스탈에 있어서, 표면 Σ 는 직사각형의 변들에 각각 대응하는 4 개의 측면들을 나타낸다. 그러면, 치부 (2) 는 이득이 최대인 측면들인 2 개의 평행하고 대향하는 측면들 상에 바람직하게 존재한다.
도 5 에 나타난 것은 단일 크리스탈 (1) 의 구조이고, 그것의 면 (S1) 은 S1 의 2 개의 대향하는 부분들 상의 제 1 치부를 나타내고, 그것의 챔퍼의 축은 Oy 를 따르며, 면 (S2) 은 제 1 치부와 동일한 형상이고 반대의 경사를 갖는 제 3 치부를 나타낸다. 이 크리스탈은 또한, 2 개의 부분들에서 마찬가지고 오목부 (또는 제 2 치부) 를 포함하고, 그 Ox 를 따른 폭은 제 1 및 제 3 치부 사이의 거리를 커버한다.
도 6 은 도 5 의 구조와 동일한 기하학을 나타내는 3 개의 크리스탈을 이용한 크리스탈 구조를 나타내고, 여기서, 제 1 크리스탈 (1a) 은 제 1 치부를 위한 것이고, 제 2 크리스탈 (1b) 은 제 2 치부를 위한 것이며, 제 3 크리스탈 (1c) 은 제 3 치부를 위한 것이다.
도 2 에 표현된 것과 같은 단일 크리스탈의 증폭 크리스탈 구조 (1) 에 대해 이하의 결과들이 획득되었다. 더욱 엄밀하게, 이것은 30mm 의 두께 3 를 갖는 TI:사파이어 크리스탈 (1) 이고, (치부를 형성하기 전에) 80mm 의 직경 Φ 의 원형 단면을 가지며, 면들 (S1 및 S2) 은 각 면과 Σ 의 접합부에서 5mm 의 투영 e' 이고 45°(α1=α2=45° 및 e1'=e2'=e'=5mm) 의 챔퍼 (즉, 제 1 및 제 3 치부) 를 나타내고, 제 2 치부 (2) 는 2 개의 챔퍼들 사이에 놓이고, 그것의 면들은 90°로 배향되고 Ox 를 따라 15mm 의 길이를 갖는다. 펌핑 레이저 빔의 흡수 계수는 532nm 에서 0.84cm-1 , 즉, 한 패스에서의 펌핑 레이저 빔의 전파의 축 상의 펌프 에너지의 흡수는 98% 이다. 펌핑 레이저 빔의 전파의 이 축 Ox 을 따라 획득되는 트랜스버스 광학적 이득은 도 1 에 제시되어 있고, 1.46J/cm2 의 플루언스 (Fluence) 로 2 개의 면들을 통한 펌핑에 대응한다. 800nm 에서의 이 크리스탈에서 증폭될 레이저 빔에 대한 포화 플루언스는 1.1J/cm2 으로 평가된다. 펌핑 빔의 직경 D 는 70mm 이다.
면들에 평행한 레이저 효과에 대한 인터페이스들에서의 손실들은 R12 = 0.04 및 R2 = 0.02 로 계산되었다. 포톤들의 외향-복귀 여정 후의 캐비티 (cavity) 내에서 재주입된 에너지의 비율 R 은:
R=R2×R12 이고, 이는 도 3 에 나타나 있다.
트랜스버스 레이저 효과를 회피하기 위해, 이득과 재주입된 에너지의 비율의 곱 G×R 은 1 보다 작아야 한다. 도 4 는 이들 3 개의 치부 덕분에 G×R 곱이 0.75 보다 작은 것을 나타낸다.

Claims (15)

  1. 축 (Ox) 을 따른 고체 상태 레이저 빔을 증폭하기 위한 디바이스로서,
    - 인덱스 nC 및 형광 파장 λ 의 증폭 바 (amplifying bar) 구조 (1) 로서, 상기 인덱스 nC 는 상기 증폭 바의 굴절률이고, 상기 증폭 바 구조의 입력 면 (S1) 및 출력 면 (S2) 을 연결하는 표면 (Σ) 에 의해 범위가 정해지며, 상기 축 (Ox) 의 방향을 따른 2cm 와 5cm 사이의 치수 e 및 상기 축 (Ox) 에 수직인 평면 (Oyz) 의 방향을 따른 치수 Φ 를 가지고, e<Φ 이며, 상기 축 (Ox) 을 중심으로 하고 직경 D 를 가지는 이득 매체가 되도록 상기 축 (Ox) 을 따라 펌핑되고, 광학적 이득은, 상기 증폭 바 구조의 상기 입력 면 (S1) 및 상기 출력 면 (S2) 중 어느 하나를 따라 최대치를 가지고, 상기 입력 면 (S1) 및 상기 출력 면 (S2) 중 어느 하나는 최대 이득 면으로서 지칭되는, 상기 증폭 바 구조 (1), 및
    - 상기 증폭 바 구조 (1) 의 상기 표면 (Σ) 에 관하여 상기 증폭 바 구조 (1) 를 둘러싸는 인덱스 nA 의 액체 (4) 로서, 이 액체는 물 또는 물-에틸렌글리콜 혼합물인, 상기 인덱스 nA 의 액체 (4) 를 포함하며,
    상기 표면 (Σ) 은 상기 최대 이득 면과 상기 표면 (Σ) 의 접합부의 전부 또는 일부에 걸치고 상기 축 (Ox) 에 대해 30°와 50°사이의 각도 α1 으로 배향된 챔퍼 (chamfer) 형태의 제 1 치부 (tooth) (2) 를 포함하고, 상기 제 1 치부 (2) 는 상기 축 (Ox) 을 따라 표시된 길이 e1' 를 가지고, 상기 길이 e1' 는 기생 트랜스버스 레이징 (parasitic transverse lasing) 을 야기하는 것을 회피하도록, 미리 결정된 임계 길이보다 크고 e/6 보다 작으며,
    상기 인덱스 nA 의 액체 (4) 는 상기 펌핑에 의해 유발되는 서멀 파워 (thermal power) 를 분산시키도록 킬로그램 당 켈빈도 (degree Kelvin) 당 3000줄 보다 큰 열 용량을 가지고,
    상기 nA 와 상기 nC 사이의 차이는 0.3 내지 0.43 이고,
    상기 증폭 바 구조의 상기 형광 파장 λ 에서 흡수성인 엘리먼트가 상기 액체에 침지되는 것을 특징으로 하는 레이저 빔을 증폭하기 위한 디바이스.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 표면 (Σ) 은, 상기 축 (Ox) 에 대해 각도 β1 으로 경사져 상기 제 1 치부를 향해 배향된 2 개의 면들을 갖는 제 2 치부 (2) 를 포함하고, α1 과 β1 은, 상기 최대 이득 면에 평행하게 전파되고 상기 제 1 치부 (2) 에 의해 반사된 포톤 (photon) 들이 상기 제 2 치부의 이 면에서 수직으로 도달하도록 하는 것을 특징으로 하는 레이저 빔을 증폭하기 위한 디바이스.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 광학적 이득은 상기 증폭 바 구조의 상기 입력 면 (S1) 및 상기 출력 면 (S2) 중 다른 하나를 따라 또 다른 최대치를 가지고, 상기 표면 (Σ) 은, 이 다른 최대 이득 면과 상기 표면 (Σ) 의 접합부의 전부 또는 일부에 걸쳐 그리고 상기 축 (Ox) 을 따라 표시된 길이 e2' 에 걸쳐 또 다른 챔퍼의 형태로 제 3 치부 (2) 를 나타내며, 상기 길이 e2' 는 상기 미리 결정된 임계 길이보다 크고, 이 다른 챔퍼는 상기 축 (Ox) 에 대해 각도 α2 로 배향되고, 상기 제 2 치부의 제 2 면은 상기 축 (Ox) 에 대해 각도 β2 로 경사지며, α2 와 β2 는, 이 다른 최대 이득 면에 평행하게 전파되고 상기 제 3 치부에 의해 반사된 포톤들이 이 면에서 수직으로 도달하도록 하는 것을 특징으로 하는 레이저 빔을 증폭하기 위한 디바이스.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 임계 길이는 상기 광학적 이득의 함수로서 결정되는 것을 특징으로 하는 레이저 빔을 증폭하기 위한 디바이스.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 각도 α1 은 sinα1<nA/nC 가 되도록 하는 것을 특징으로 하는 레이저 빔을 증폭하기 위한 디바이스.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 각도 α2 는, sinα2<nA/nC 가 되도록 하는 것을 특징으로 하는 레이저 빔을 증폭하기 위한 디바이스.
  7. 제 3 항에 있어서,
    e1'=e2', α1=α2, β1=β2 인 것을 특징으로 하는 레이저 빔을 증폭하기 위한 디바이스.
  8. 제 3 항에 있어서,
    상기 입력 면 및 상기 출력 면은 원형이고, 상기 치부 (또는 치부들) 는 상기 축 (Ox) 에 관하여 회전 대칭을 나타내는 것을 특징으로 하는 레이저 빔을 증폭하기 위한 디바이스.
  9. 제 3 항에 있어서,
    상기 치부 (또는 치부들) 는 상기 표면 (Σ) 의 2 개의 직경 방향으로 대향하는 부분들 상에 형성되는 것을 특징으로 하는 레이저 빔을 증폭하기 위한 디바이스.
  10. 제 3 항에 있어서,
    상기 입력 면 및 상기 출력 면은 직사각형이고, 상기 치부 (또는 치부들) 는 상기 직사각형의 2 개의 대향하는 변들을 따라 놓인 상기 표면 (Σ) 의 2 개의 부분들 상에 형성되는 것을 특징으로 하는 레이저 빔을 증폭하기 위한 디바이스.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 증폭 바 구조는 단일 크리스탈 (crystal) 또는 단일 도핑된 글래스를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 빔을 증폭하기 위한 디바이스.
  12. 제 1 항에 있어서,
    크리스탈 구조는 치부 (2) 당 크리스탈 (1a, 1b, 1c) 또는 도핑된 글래스를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 빔을 증폭하기 위한 디바이스.
  13. 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서,
    상기 크리스탈은 Ti:사파이어인 것을 특징으로 하는 레이저 빔을 증폭하기 위한 디바이스.
  14. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 기재된 레이저 빔을 증폭하기 위한 디바이스를 이용하는 방법으로서,
    상기 레이저 빔을 증폭하기 위한 디바이스를 펌핑하는 단계를 포함하고,
    이 펌핑은 평균 100와트보다 큰 서멀 파워를 유발하는 것을 특징으로 하는 레이저 빔을 증폭하기 위한 디바이스를 이용하는 방법.
  15. 삭제
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