KR101918789B1 - 콤팩트하고 효율적인 레이저 구조를 위한 방법 및 시스템 - Google Patents

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앤드류 제임스 베이래미안
앨빈 찰스 얼랜슨
케니스 르네 메인즈
메리 루이 스패스
존 알린 케어드
로버트 제이. 데리
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로렌스 리버모어 내쇼날 시큐리티, 엘엘시
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Abstract

엔클로저를 구비한 레이저 증폭기 모듈은 입력 윈도우, 제1 평면에 배치되고, 상기 입력 윈도우에 광학적으로 연결된 미러, 및 상기 엔클로저의 제1 단부 가까이에 광 증폭 경로를 따라서 배치된 제1 증폭기 헤드를 포함한다. 상기 레이저 증폭기 모듈은 또한, 상기 엔클로저의 제2 단부 가까이에 상기 광 증폭 경로를 따라서 배치된 제2 증폭기 헤드 및 상기 광 증폭 경로를 따라 배치된 캐비티 미러를 포함한다.

Description

콤팩트하고 효율적인 레이저 구조를 위한 방법 및 시스템{METHOD AND SYSTEM FOR COMPACT EFFICIENT LASER ARCHITECTURE}
관련 출원의 상호 참조
본 출원은 2010.10.29.자로 출원된 미합중국 임시특허출원 제61/408,222호를 우선권 주장의 기초로 하고, 상기 임시출원의 개시 내용은 그 전체가 여하한 목적으로 참조에 의하여 본 명세서에 편입된다.
미합중국 연방 정부의 지원에 의한 연구 또는 개발에 의해 창출된 발명에
대한 권리의 주장
미합중국 정부는, 로렌스 리버모어 내쇼날 래버러토리의 운용을 위한 미합중국 에너지부(United States Department of Energy)와 로렌스 리버모어 내쇼날 시큐리티, 엘엘시(Lawrence Livermore National Security, LLC) 간의 계약 DE-AC52-07NA27344호에 따라 본 발명에 대한 권리를 갖는다.
에너지 정보청(Energy Information Agency)에 의한 예측과 기후 변화에 관한 정부간 협의체(Intergovernmental Panel on Climate Change; IPCC)의 현재의 시나리오에 의하면 전세계의 전력 수요는 현재 약 2 테라와트 전력(terawatt electrical power; TWe)으로부터 2030년에는 4TWe로 2배가 증가할 것으로 예상되고, 2100년에는 8-10TWe에 이를 것으로 예상된다. 이들은 또한 앞으로 30 내지 50년 동안은 전력 생산 수요의 대부분이 일반적으로 석탄과 천연 가스인 화석 연료에 의해 제공될 것으로 예상한다. 석탄은 현재 세계 전기 에너지의 41%를 공급하고, 2030년까지 45%를 공급할 것으로 예상된다. 또한, IPCC로부터의 가장 최근의 보고서는 대기로 CO2를 배출하는 인공적인 소스가 지구의 기후에 심각한 영향을 미치는 비율이 90%에 이를 가능성이 있다고 평가했다. 종전과 같은 베이스라인 시나리오에 의하면 CO2 배출이 2050년에는 현재 수준의 거의 2.5배가 될 수 있다. 과거 어느 때보다, 대기중 CO2 농도를 안정 및 감소시키고 이에 수반되는 대기 변화를 완화하기 위해 시도하는 동시에, 선진국과 개발도상국 모두에서 증가하는 에너지 수요를 만족시키기 위한 새로운 기술과 대체 에너지원이 필수적이다.
탄소를 배출하지 않는 에너지원인 핵 에너지는 1950년대 이래로 전세계 에너지 생산의 핵심 요소가 되어 왔고, 현재는 전세계 전력 생산의 약 16%를 차지하며 그 비율은 이론상 증가될 수 있다. 그러나, 몇몇 요인들은 그 장기적 지속성을 어렵게 만든다. 이러한 요인들은 핵 물질의 확산 및 핵 연료 사이클로부터 나타나는 기술의 위험성; 지형적으로 깊은 보관소에 묻어야 하는 수명이 긴 방사성 핵 폐기물의 발생; 현재의 일회전용(once through), 개방 핵 연료 사이클에 대한 의존성; 및 저가의 저탄소 배출 우라늄 광물의 이용가능성을 포함한다. 미국에서만, 원자로들이 55,000 메트릭톤(metric ton; MT) 이상의 사용후 핵연료(spent nuclear fuel; SNF)를 이미 발생시켰다. 가까운 장래에, 우리는 합법적으로 70,000MT의 한계 용량을 갖는 유카산의 지형적 폐기물 보관소를 채우기에 충분한 사용후 핵연료를 갖게 될 것이다.
핵융합은 미래의 전력 생산을 위한 매력적인 에너지 옵션이고, 핵융합 발전 설비에 대한 두 개의 주요한 접근 방식이 현재 개발 중이다. 첫 번째 접근 방식에서는, 중수소(deuterium; D) 및 삼중수소(tritium; T)의 혼합물을 담은 캡슐을 빠르게 압축하기 위해 관성 봉입 핵융합(Inertial Confinement Fusion; ICF)이 레이저, 중이온 빔 또는 펄스형 에너지를 사용한다. 캡슐 반경이 감소하고 DT 가스 밀도 및 온도가 증가할수록, DT 핵융합 반응은 압축된 캡슐의 중심에 있는 작은 점에서 개시된다. 이러한 DT 핵융합 반응은 알파 입자(alpha particle)와 14.1MeV 중성자를 모두 생성한다. 핵융합 연소면(burn front)은 현저한 에너지 이득을 발생시키면서 상기 점으로부터 전파된다. 두 번째 접근 방식인 자기적 융합 에너지(magnetic fusion energy; MFE)는 DT 플라즈마를 봉입하고, 연소 플라즈마를 유지하고 에너지 이득을 발생시키기 위해 요구되는 조건을 생성하기 위해 강한 자기장을 이용한다.
ICF를 위한 중요한 기술은 주로 본 발명의 양수인인 캘리포니아 리버모어에 소재한 로렌스 리버모어 내쇼날 래버러토리(LLNL)의 내쇼날 이그니션 퍼실리티(National Ignition Facility; NIF)에서 개발 중이다. 열핵(thermonuclear) 융합 점화 및 연소를 달성하기 위해 설계된 레이저 기반의 ICF 프로젝트는 1 내지 1.3MJ의 레이저 에너지를 사용한다. 10 내지 20MJ 정도의 융합 출력이 기대된다. 만약 핵융합 기술이 비용효율적인 전력 생산을 위해 독립적으로 사용되어야 한다면, 중심 핫스팟(hot spot) 융합 구조에서는 200MJ을 초과하는 융합 출력이 요구될 것으로 예상된다. 따라서, 순수한 ICF 에너지에 의해 돌아가는 경제를 달성하기 위해서는 중대한 기술적 과제들이 남아있다.
ICF의 적용에 더하여, 물질의 가공, 천공, 절삭 및 용접, 군사적 용도 등을 위한 고 평균출력(high-average-power) 레이저 분야에 대한 관심이 높다. 종래의 고출력 레이저 설계는 큰 풋프린트(footprint)를 갖는 구조 및 관련 비용을 이용한다. 따라서, 본 발명이 속하는 기술분야에서는 감소된 시스템 비용으로 고전력의 출력을 제공하는 콤팩트한 레이저 및 증폭기 구조에 대한 요구가 존재한다.
본 발명은 일반적으로 레이저 시스템에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 4경로(four-pass) 증폭기 구조를 사용하여 고출력 레이저 빔을 생성하는 방법 및 시스템에 관련된다. 단지 예로서, 본 발명은 콤팩트한 구조 내에서 증폭기들의 횡단(transverse) 펌핑 또는 엔드(end) 펌핑을 이용하는 증폭기 어셈블리에 적용되었다. 상기 방법 및 시스템은 다양한 다른 레이저 증폭기 구조 및 레이저 시스템에 적용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 엔클로저(enclosure)를 포함하는 레이저 증폭기 모듈이 제공된다. 상기 레이저 증폭기 모듈은, 입력 윈도우, 제1 평면에 배치되고, 상기 입력 윈도우에 광학적으로 연결된 미러, 및 상기 엔클로저의 제1 단부 가까이에 광 증폭 경로를 따라서 배치된 제1 증폭기 헤드를 포함한다. 상기 레이저 증폭기 모듈은 또한, 상기 엔클로저의 제2 단부 가까이에 상기 광 증폭 경로를 따라서 배치된 제2 증폭기 헤드, 및 상기 광 증폭 경로를 따라 배치된 캐비티 미러를 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에 의하면, 레이저 빔을 증폭하는 방법이 제공된다. 상기 레이저 빔 증폭 방법은, 입력 빔을 수신하는 단계, 상기 입력 빔이 제1 방향을 향하게 하는 단계, 및 한 세트의 증폭기들을 사용하여 상기 입력 빔을 첫 번째로 증폭하는 단계를 포함한다. 상기 한 세트의 증폭기들을 통한 증폭 경로는 상기 제1 방향에 실질적으로 수직인 제2 방향을 따라서 배치된다. 상기 레이저 빔 증폭 방법은 또한, 제1 캐비티 미러를 사용하여 상기 증폭된 빔을 반사하는 단계, 상기 한 세트의 증폭기들을 사용하여 상기 증폭된 빔을 두 번째 증폭하는 단계, 상기 두 번 증폭된 빔을 상기 제1 방향을 따라 이미지 릴레이(image replay)하는 단계, 및제2 캐비티 미러를 사용하여 상기 증폭된 빔을 반사하는 단계를 포함한다. 상기 레이저 빔 증폭 방법은 또한, 상기 한 세트의 증폭기들을 사용하여 상기 두 번 증폭된 빔을 세 번째 증폭하는 단계, 상기 제1 캐비티 미러를 사용하여 상기 세 번 증폭된 빔을 반사하는 단계, 상기 한 세트의 증폭기들을 사용하여 상기 세 번 증폭된 빔을 증폭하는 단계, 및 상기 네 번 증폭된 빔을 출력하는 단계를 포함한다.
본 발명의 특정 실시예에 의하면, 엔클로저를 포함하는 쿼드 빔(quad-beam) 레이저 증폭기 모듈이 제공된다. 상기 쿼드 빔 레이저 증폭기 모듈은 상기 엔클로저의 상부 표면에 배치된, 네 개의 입력 포트를 포함하는 입력 포트 세트, 및 상기 엔클로저의 제2 단부에 배치된, 네 개의 출력 포트를 포함하는 출력 포트 세트를 포함한다. 상기 쿼드 빔 레이저 증폭기 모듈은 또한, 상기 엔클로저의 제1 단부에 배치된, 네 개의 증폭기를 포함하는 제1 증폭기 헤드, 상기 엔클로저의 제2 단부에 배치된, 네 개의 증폭기를 포함하는 제2 증폭기 헤드, 및 광을 상기 제2 증폭기 헤드로 반사하는 캐비티 미러를 포함한다.
본 발명의 실시예들은 증폭기 모듈을 제공하는데, 상기 증폭기 모듈에서는 종래의 설계에 비해 광학 기구의 수가 줄지만 펌프 광이 증폭기 슬래브(slab)에 전달되는 효율은 증가하고, 이는 높은 첨두(peak) 출력 및 고 평균출력 응용 분야에 적합할 수 있다(예컨대, 횡방향 치수로 23.3cm×23.3cm). 또한, 본 발명의 실시예들은 종래의 설계와 비교해서 심도(depth of field)를 증가시켜, 많은 수의 증폭기 슬래브, 예컨대, 증폭기 헤드당 10개의 증폭기 슬래브를 사용할 수 있게 한다. 본 발명의 실시예들은 10개의 증폭기 슬래브로 제한되는 것은 아니며 특정 구현 방식에 적합하게 더 적은 수 또는 더 많은 수의 증폭기 슬래브가 사용될 수 있다. 몇몇 실시예들은 빔 왜곡을 감소시켜, 증폭기 헤드의 중심으로 이미지화되는 다이오드 어레이를 사용하여 펌핑되는 대체로 "사각형"인 빔을 제공한다.
본 발명은 종래 기술에 비하여 많은 이점을 제공한다. 예를 들어, 본 발명의 실시예들은 레이저 관성 핵융합 엔진(Laser Inertial Fusion Engine; LIFE) 분야에 유용한 레이저 시스템을 제공하고, 이러한 분야에는 순수한 핵융합 LIFE 엔진, 펄스형 평균 출력 레이저의 다른 사용처가 포함된다. 또한, 본 발명의 실시예들은 초단(ultra-short) 레이저 펄스를 생성하기 위해 다양한 레이저 매질을 펌핑하는데 유용한 레이저 시스템을 제공한다. 또한, 본 발명의 실시예들은 종래의 설계를 사용해서는 얻을 수 없는 성능 특성들을 갖는 저장된 에너지, 고 평균출력 동작 모드에서 동작하는 레이저 시스템의 구조를 제공한다. 본 발명의 상술한 그리고 다른 실시예들과 함께 본 발명의 장점 및 특성들은 첨부된 도면과 이하의 상세한 설명에서 보다 상세히 기술된다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 의한 횡단 펌핑된(transverse pumped) 증폭기 시스템의 단순화된 평면도이다.
도 1b는 도 1a에 도시된 횡단 펌핑된 증폭기 시스템의 단순화된 측면도이다.
도 1c는 본 발명의 일 실시예에 의한 세분화된 증폭기 개구(aperture)의 단순화된 단면도이다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 의한 횡단 펌핑된 4빔(four-beam) 증폭기 시스템의 단순화된 평면도이다.
도 2b는 도 2a에 도시된 횡단 펌핑된 4빔 증폭기 시스템의 단순화된 측면도이다.
도 3a는 본 발명의 일 실시예에 의한 엔드 펌핑된(end pumped) 증폭기 시스템의 단순화된 평면도이다.
도 3b는 도 3a에 도시된 엔드 펌핑된 증폭기 시스템의 단순화된 측면도이다.
도 4a는 본 발명의 일 실시예에 의한 엔드 펌핑된 4빔 증폭기 시스템의 단순화된 평면도이다.
도 4b는 도 4a에 도시된 엔드 펌핑된 4빔 증폭기 시스템의 단순화된 측면도이다.
도 5a는 본 발명의 일 실시예에 의한 펌프 전달 구조의 단순화된 평면도이다.
도 5b는 도 5a에 도시된 펌프 전달 구조의 단순화된 측면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 레이저 증폭기 시스템이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 의한 증폭된 레이저 빔을 제공하는 방법을 도시하는 단순화된 흐름도이다.
본 발명의 실시예들은 레이저 시스템에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 4경로(four-pass) 증폭기 구조를 사용하여 고출력 레이저 빔을 생성하는 방법 및 시스템에 관련된다. 단지 예로서, 본 발명은 콤팩트한 구조 내에서 증폭기들의 횡단(transverse) 펌핑 또는 엔드(end) 펌핑을 이용하는 증폭기 어셈블리에 적용되었다. 상기 방법 및 시스템은 다양한 다른 레이저 증폭기 구조 및 레이저 시스템에 적용될 수 있다.
이하에서 보다 상세히 설명되는 바와 같이, 본 발명의 실시예들은 4빔 배열에서, 증폭기 슬래브의 엔드 또는 횡단 펌핑을 이용하는 "쿼드(quad)" 증폭기를 형성하기 위해 밀접 결합(close coupling) 배열에서 한 개, 두 개, 네 개, 또는 더 많은 빔들을 증폭할 수 있는 증폭기 모듈을 제공한다. 이에 따라, 이하의 표 1에 도시된 것처럼, 본 발명의 실시예들은 종래의 기술에 비해서 빔 개구당 체적이 감소된 싱글(single) 또는 쿼드 증폭기 모듈을 제공한다. 본 발명의 실시예들은 횡단 위치의 함수로서 균일한 이득을 제공하고, 이득 프로파일에 있어서의 비대칭성을 감소시키기 위한 방법 및 시스템을 제공한다.
구조
 싱글 빔 증폭기 모듈 쿼드 빔 증폭기 모듈
길이(m) 폭(m) 높이(m) 체적(m3) 길이(m) 폭(m) 높이(m) 체적(m3)
엔드
펌핑		 8.32 2.2 1.35 24.7 8.32 3.66 2.38 72.5
횡단
펌핑		 9.5 1.3 1.28 15.8 9.5 2.2 2.38 49.7
본 발명의 실시예들은 고 평균출력 동작에 적합한 수동 4경로 구조를 제공한다. 도 1a는 본 발명의 일 실시예에 의한 횡단 펌핑된 증폭기 모듈의 단순화된 평면도이다. 본 발명의 실시예들을 이용하면, 길이 9.5m, 폭 1.3m, 높이 1.28m의 치수를 갖는 증폭기 모듈이 제공된다. 본 발명의 실시예들은 이러한 특정 치수로 제한되지 않지만, 이러한 치수는 본 명세서에서 논의되는 구조가 제공하는 콤팩트한 크기를 보여준다. 도 1a를 참조하면, 레이저 빔(예컨대, 사전증폭기 모듈에 의해 제공됨)이 입사(injection) 미러 110을 사용하는 증폭기 시스템으로 입사된다. 상기 레이저 빔은 고출력 동작에 적합하도록 멀티플렉싱(다중화) 될 수 있다. 입사된 빔은 미러 112로부터 증폭기 모듈로 반사되고, 편광기 114의 전송축에 대하여 정렬되는 상기 입사된 빔의 편광으로 인해 편광기 114로부터 반사된다. 본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 입사된 레이저 빔은 s-편광을 특징으로 하고, 편광기 114는 s-편광을 반사하고 p-편광을 통과시키도록 정렬되지만, 다른 실시예들은 p-편광 상태 또는 다른 적합한 편광 상태를 이용할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 빔은 이송 망원경을 통한 각다중화(angular multiplexing)를 사용하여 입사된다.
상기 빔은 4분의1 파장판(quarter waveplate) 116을 통과한다. 상기 4분의1 파장판은 s-편광된 입사 레이저 광을 원형 편광(circular polarization)(예컨대, 왼손 원형 편광)으로 변환하고 B-계수(B-integral)를 낮춘다. 이하에 보다 상세히 설명되는 바와 같이, 본 명세서에 기술된 수동 4경로 구조는 오른손 편광이 미러로부터의 수직 입사 반사 시에 왼손 편광이 된다는 사실을 이용한다. 입사된 광은 다음으로, 증폭기들 사이에서 사용되는 이미지 릴레이(relay)를 포함하는 두 개의 증폭기 헤드 및 하기의 단부 미러를 통과한다. 도 1a를 참조하면, 미러 120은 상기 광을 증폭기 124로 향하게 하고, 상기 증폭기 124는 다이오드 어레이 126 및 128에 의해 횡 방향을 따라서 펌핑된다. 본 발명의 실시예에서, 증폭기 124는 슬래블릿(slablet)이라고도 불리는 다수의 증폭기 슬래브를 포함할 수 있다. 구성요소 120, 122, 124, 126 및 128은 증폭기 헤드 129로서 간주될 수 있다. 레이저 증폭기의 횡단 펌핑에 관한 추가적인 설명은 "횡단 펌핑 레이저 증폭기 구조(Transverse Pumped Laser Amplifier Architecture)"라는 명칭의 2010년 11월 5일자 미합중국 특허출원 제12/940,869호에 제공되고, 그 내용은 전체가 여하한 목적으로 참조에 의하여 본 명세서에 편입된다.
도 1에 도시된 바와 같이, 4분의1 파장판 116은 당해 구조의 특정 장소에 위치된다. 이러한 구현에 더하여, 선형 편광(예컨대, 아래의 예에서는 s-편광)을 갖는 광의 입사를 허용하기 위해 상기 4분의1 파장판 116이 도 1a에 도시된 백 미러 140의 앞에 위치될 수도 있다. 이때, 상기 광은 상기 4분의1 파장판을 통과하여 원형 편광(예컨대, 이 예에서는 왼손 원형 편광)되고, 미러 140에서 반사되고, 상기 빔의 편광의 방향(handedness)을 바꾸고(예컨대, 오른손 원형 편광됨), 제2 및 제3 증폭 패스(pass)에 적합하도록 p-편광 상태에서 상기 4분의1 파장판을 나가 될 것이며, 다음으로 제4 증폭 패스를 위한 p-편광으로 바뀔 것이다. 캐비티 미러 140 앞의 4분의1 파장판은 편광에 대해 동일한 순(net) 효과를 얻기 위해 45°패러데이 로테이터(Faraday rotator)로 대체될 수 있다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 많은 변형, 수정 및 대안을 인식할 수 있을 것이다.
증폭기 124를 통한 제1 증폭 패스 후에, 광은 미러 122로부터 렌즈 130과 132로 표시된 릴레이 망원경으로 반사된다. 이미지 릴레이에 더하여, 상기 릴레이 망원경은 공간 필터링 기능을 제공한다. 90°편광 로테이터 134는 증폭기 헤드 129와 증폭기 헤드 136 사이에 위치되고, 두 개의 다이오드 어레이에 의해 횡방향으로 펌핑되는 증폭기와 두 개의 터닝(turning) 미러를 포함한다. 상기 90°편광 로테이터 134의 이점들 중 하나는 증폭기 슬래브 내의 열 복굴절(thermal birefringence)을 보상하는 것이다. 빔이 증폭 중에 원형 편광 상태에 있는 실시예에서, 열 복굴절은 상기 빔을 타원형으로 만드는 경향이 있는데 이는 편광 로테이터 134를 여러 번 통과함으로써 제거된다. 도시된 실시예에서, 이미지 릴레이는 증폭기 헤드 129와 136 사이에서 사용된다.
열 복굴절은 열 부하(thermal load)가 있는 등방성 이득 매질과 연관된 잠재적으로 쇠약을 가져오는 손실이다. 열 복굴절의 부정적 영향으로 인해 일부 시스템 설계자들이 브루스터 각(Brewster angle) 설계를 이용해 왔다. 증폭기 헤드 129와 136을 통한 제1 증폭 패스 후에, 상기 빔은 캐비티 미러 140으로 이미지 릴레이되고, 상기 캐비티 미러 140에서 원형 편광은 좌로부터 우로(위에서 논의된 바와 같이 왼손 방향을 가정) 변경된다. 몇몇 실시예에서, 미러 140은 증폭된 빔으로부터 왜곡을 줄이거나 제거할 수 있는 변형가능한(deformable) 미러이다. 도시된 바와 같이, 릴레이 망원경은 증폭기 헤드 136의 출구 터닝 미러와 캐비티 미러 140 사이의 광 경로를 따라 배치된다.
상기 빔은, 증폭기 헤드 129와 136을 통한 상기 제1 패스 후에, 미러 140으로부터 반사되어 증폭기 헤드 136과 129를 통한 제2 증폭 패스를 만든다. 4분의1 파장판 116을 통과하면, 이 실시예에서는 편광이 오른손 원형 편광으로부터 p-편광으로 변환되고, 따라서, 편광기 114를 통과한다. 상기 빔은 렌즈 142 및 144를 포함하는 릴레이 망원경을 사용하여 포켈스 셀(Pockels cell) 146으로, 편광기 116에 대해 엇갈리는 편광기 148을 거쳐 제2 캐비티 미러 150으로, 다음으로 다시 편광기 148과 포켈스 셀 146으로 이미지 릴레이된다.
증폭기 헤드 129와 136을 통한 제3 패스에서, 두 번 증폭된 빔은 왼손 원형 편광 상태에 있다. 변형가능한 미러 140으로부터의 반사와 증폭기 헤드 129와 136을 통한 제4 패스 후에, 4분의1 파장판 116은 편광을 p-편광으로 변환하는데, 이는 편광기 114와 미러 112에서 상기 증폭기 모듈의 더 높은 레벨로의 반사를 일으킨다. 도 1b와 관련하여 논의되는 미러 112의 레벨에서의 이송 망원경은 출력 윈도우 152로 광을 전송한다.
본 발명의 실시예들과 사용하기에 적합한 포켈스 셀, 특히, 간극 결합 전극(Gap Coupled Electrode) 포켈스 셀에 관한 추가적인 설명은 "간극 결합 전극을 갖는 전기-광학 디바이스(Electro-Optic Device with Gap-Coupled Electrode)"라는 명칭으로 2010년 10월 27일자로 출원된 미합중국 특허출원 제12/913,651호에 개시되고, 그 내용은 전체가 여하한 목적으로 참조에 의하여 본 명세서에 편입된다.
도 1a를 참조하면, 증폭기 헤드 129 및 136은 횡단 펌핑을 사용하여 활성화된다. 도 3a 내지 4b와 관련하여 설명되는 바와 같이, 증폭기들은 또한 엔드 펌핑을 사용하여 활성화될 수도 있다. 이러한 펌핑 설계에서, 매우 높은 어레이 강도를 생성하기 위해 낮은 다이오드 피치와 결합된 최신식의 고출력 다이오드 바 기술을 이용할 수 있다. 몇몇 실시예에서는, 유효 어레이 강도를 두 배로 만드는 편광 결합의 사용을 통해 높은 펌프 강도가 제공된다. 이러한 펌프 소스는 상기 증폭기의 중심으로 이미지 릴레이된다. 이러한 구조는 소스 강도와 다이오드 바의 발산(divergence)을 유지하고, 이는 펌프 방사가 상대적으로 큰 레일리 영역(Rayleigh range)을 갖고 따라서 상대적으로 두꺼운 증폭기에 효율적인 평평한 펌프 프로파일 강도를 제공함을 의미한다. 편광 결합 기술과 레이저 증폭기의 횡단 펌핑에 관한 추가적인 설명은 "횡단 펌핑 레이저 증폭기 구조(Transverse Pumped Laser Amplifier Architecture)"라는 명칭의 2010년 11월 5일자 미합중국 특허출원 제12/940,869호에 제공되고, 그 내용은 전체가 여하한 목적으로 참조에 의하여 본 명세서에 편입된다.
도 1b는 도 1a에 도시된 횡단 펌핑된 증폭기 시스템의 단순화된 측면도이다. 도 1b를 참조하면, 상기 두 개의 증폭기 헤드 129와 136 사이의 릴레이 망원경이 렌즈 130과 132에 의해 도시되고, 출력 윈도우로 빔을 향하게 하는데 사용되는 이송 망원경은 렌즈 160과 162에 의해 도시된다. 몇몇 실시예에서는, 시스템 성능을 향상기키기 위해 종방향 공간 필터들(도시되지 않음)이 사용된다. 릴레이 망원경과 공간 필터에 관한 추가적인 설명은 "고 평균출력 레이저를 위한 공간 필터(Spatial Filters for High Average Power Lasers)"라는 명칭으로 2009년 8월 20일자로 출원된 미합중국 특허출원 제12/544,988호에 제공되고, 그 개시 내용의 전체가 여하한 목적으로 참조에 의하여 본 명세서에 편입된다.
공간 필터링은 두 개의 고이득 증폭기 사이에서 기생 광(parasitic light)을 제한하는 이득 격리(isolation)의 한 형태로서 기능한다. 또한, 공간 필터링은 B-계수를 재설정하여, 증폭기들을 통한 마지막 패스에서 빔 품질을 유지하면서 더 높은 추출 효율을 가능하게 한다. 릴레이 이미지화(imaging)는 멀티플렉싱 각(angle)과 연관된 비네팅(vignetting)을 감소시키고 더 큰 모드 필(mode fill)을 갖는 대비(contrast)가 더 큰 빔이 증폭기로부터 전력을 추출할 수 있게 함으로써 추출 효율을 증가시킨다. 또한, 릴레이 이미지화는 고대비 빔을 유지하면서 낮은 품질의 광학 기구가 사용될 수 있게 한다. 본 발명의 몇몇 실시예에서는 빔 품질을 향상시키기 위해 릴레이 망원경이 도시되지만, 본 발명이 이를 필요로 하는 것은 아니며 설계에 따라 선택적이다. 또한, 증폭기 헤드들 사이에서 공간 필터를 사용하는 것도 기생 문제에 의해 덜 제약을 받는 설계에 대하여 선택적이다. 따라서, 본 발명이 릴레이 망원경, 공간 필터 등을 반드시 요구하는 것은 아니며, 구현 방식에 따라 선택적일 수 있다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 많은 변형, 수정 및 대안을 인식할 수 있을 것이다.
도 1b에 도시된 바와 같이, 증폭기 124에 연결되는 펌프 강도를 증가시키기 위해 다이오드 어레이 펌프 126 및 128에서 편광 결합이 사용된다. 본 명세서의 전체에 결쳐 상세히 설명되는 바와 같이, 본 발명의 실시예와 관련하여 다양한 편광 결합 기술이 구현될 수 있다. 광은 미러 112와 편광기 114에 의해 증폭기 헤드들과 릴레이 망원경 130 및 132를 포함하는 더 낮은 평면으로 반사된다. 도 1b에 도시된 측면도에서는, 가스 냉각 시스템이 증폭기들의 각각의 증폭기 슬래브에 헬륨 가스 냉각을 제공하는 것으로 도시된다. 본 발명의 실시예들은 가스 냉각 및 전기 접속부 그리고 다른 접속부를 갖는 라인 교체가능 유닛(line replaceable units; LRUs)을 제공하고, 상기 접속부들은 LRU 교체를 위해 제거된다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 많은 변형, 수정 및 대안을 인식할 수 있을 것이다.
상기한 처음 두 개의 증폭 패스 후에 상기 증폭기들 사이의 빔 라인을 상기 제1 캐비티 미러와 제2 캐비티 미러로 접는 것은 종래의 설계를 이용해서는 가능하지 않은 콤팩트한 설계를 가능하게 한다. 본 명세서에서 논의되는 콤팩트한 설계는, 폭넓은 분야, 특히, 레이저 증폭기 모듈이 이송가능한 분야에서 이러한 설계가 적합하게 하는 고출력 동작을 가능케 한다.
도 1a 및 1b는 증폭기 헤드들의 각각의 증폭기에 대해 하나의 개구(aperture)를 도시하지만, 본 발명에 필수적인 것은 아니다. 다른 실시예에서, 상기 개구는 빔 개구 치수를 감소시키기 위해 서로 이웃하는 더 작은 개구들로 세분화된다. 도 1c는 본 발명의 일 실시예에 의한 세분화된 증폭기 개구의 단순화된 단면도이다. 도 1c에 도시된 증폭기에서, 개구는 횡방향을 가로질러 네 개의 서브-개구 170A, 170B, 170C 및 170D로 세분된다. 따라서, 증폭 중에, 광은 상기 증폭기를 통과해 이미지 면으로 간다. 이 실시예에서, 상기 입력 빔은 하나의 빔이 아니라, 대체로 평행하고 서로 결부된 한 세트의 입력 빔들로서 제공될 수 있다. 상기 개구의 세분화는 제조 프로세스를 용이하게 하는데, 이는 더 작은 횡방향 치수를 갖는 광학 소자들이 이용될 수 있기 때문이다. 또한, 광학 소자들 사이의 영역 172는 전파 손실을 증가시키고, 횡단 증폭된 자연 방출(spontaneous emission)의 영향을 감소시킨다. 네 개의 서브-개구 170A, 170B, 170C 및 170D가 도 1c에 도시되지만, 본 발명이 이러한 특정 구성으로 한정되는 것은 아니며 실시예에 따라서는 다른 서브-개구 구성이 이용될 수 있다.
증폭기에 더하여 또는 증폭기 대신, 서브-개구 기술을 사용하여 편광 로테이터, 주파수 컨버터, 포켈스 셀 등을 포함하는 다른 시스템 구성요소가 형성될 수 있다. 증폭기가 서브-개구 시스템으로서 제공되는 실시예에서는, 상기 다이오드 어레이 펌프 또한 분할될 수 있고, 냉각 소자 또는 다른 적절한 소자를 포함할 수 있는 간격을 제공한다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 많은 변형, 수정 및 대안을 인식할 수 있을 것이다. 몇몇 실시예에서는, 사전증폭기(preamplifier) 모듈(예컨대, 광섬유 발진기(fiber oscillator))이 외부 소스로부터 제공되지 않고, 증폭기 모듈 내로 통합될 수 있다. 공간 필터/릴레이 이미지화가 증폭기 모듈 내에 포함되는 실시예에서는, 상기 사전증폭기 모듈의 위치를 위해 사용될 수 있는 관련 공간이 존재한다(즉, 빔 높이에 대한 증폭기 컬럼 높이에 의한 결과). 상기 사전증폭기 모듈을 증폭기 모듈 내에 위치시키면 상기 사전증폭기를 외부에 위치시키는 것과 관련된 문제의 영향을 감소시킬 수 있는데, 사전증폭기를 외부에 위치시키면 이미지 릴레이 망원경을 거쳐 증폭기 모듈로 강하게 연결시킬 것을 요구할 수 있기 때문이다. 또한, 상기 증폭기 모듈에 대한 상기 사전증폭기 모듈의 진동 또는 변위는 포인팅 에러, 부적합한 입사, 및/또는 효율 손실을 일으킬 수 있는데, 이러한 문제들은 증폭기 모듈에 사전증폭기 모듈을 통합시킴으로써 개선될 수 있다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 의한 횡단 펌핑된 4빔(four-beam) 증폭기 시스템의 단순화된 평면도이다. 도 2a 및 2b에 도시된 실시예에서, 길이 9.5m, 폭 2.2m, 및 높이 2.38m의 치수를 갖는 증폭기 모듈이 제공되지만, 본 발명의 실시예들이 이러한 정확한 치수를 반드시 요구하는 것은 아니다. 도 2a 및 2b에 도시된 구조는 도 1a 및 1b에 도시된 구조와 일정한 유사성을 공유하지만, 도 2b에 도시된 2×2 구성에서는 증폭기 헤드당 4개의 증폭기를 이용한다. 따라서, 이들 실시예들은 "쿼드(quad)" 구성으로 불릴 수도 있다.
도 2a를 참조하면, 화살표 210에 의해 표시된 것처럼 광이 미러 212 및 214와 편광기 216 및 218을 향해 입사된다. 따라서, 두 개의 빔 경로가 제공되고 도 1a 및 1b에 도시된 단일 경로와 대비된다. 각각의 빔 경로에서 광은 제1 쿼드 증폭기 헤드 220을 향해 전파된다. 증폭기 헤드 220은 네 개의 증폭기를 포함하고, 각각의 증폭기는 한 세트의 증폭기 슬래브를 포함할 수 있다. 상기 증폭기들은 횡방향 펌핑 배열의 네 개의 다이오드 어레이에 의해 펌핑되고, 하나의 다이오드 어레이가 각각의 증폭기를 펌핑한다. 도 2b에는 2×2 구성이 도시되지만, 본 발명에 이러한 특정 구성이 필수적인 것은 아니고 본 발명의 범위 내에서 1×2 또는 다른 적절한 구성이 사용될 수 있다. 증폭기들은 한쪽으로부터만 펌핑되기 때문에, 횡단 이득 프로파일의 비대칭성이 일어날 수 있다. 도 2a에 도시된 바와 같이, 증폭기 헤드 220의 내측 증폭기들에 의해 증폭된 광은 증폭기 헤드 230의 외측 증폭기들에 의해 증폭되어 이득 비대칭성을 줄인다.
도 2b는 도 2a에 도시된 횡단 펌핑된 4빔 증폭기 시스템의 단순화된 측면도이다. 이 측면도에서, 증폭기 슬래브 냉각 시스템뿐만 아니라 증폭기 헤드 내의 증폭기들의 2×2 구성이 명확히 도시된다. 이 구성에서, 광은 상부 및 바닥 레벨에서 증폭기 모듈로 입사되고 상기 상부 및 바닥 레벨 사이에 배치된 두 세트의 증폭기들의 평면에서 증폭된다. 따라서, 상기 쿼드 구성은 거울에 비친 것 같은 모습으로 도 1a 및 1b에 도시된 구성의 변형을 제공한다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 많은 변형, 수정 및 대안을 인식할 수 있을 것이다.
명확함을 위해 일부 구성요소가 생략되었지만, 두 개의 증폭기 헤드 사이의 릴레이 망원경들은 도 2a의 하부에 도시되고, 이송 망원경들은 도 2b의 상부와 바닥에 도시된다.
도 3a는 본 발명의 일 실시예에 의한 엔드 펌핑된(end pumped) 증폭기 시스템의 단순화된 평면도이다. 도 3a 및 3b에 도시된 실시예에서, 길이 8.32m, 폭 2.2m, 높이 1.35m의 치수를 갖는 증폭기 모듈이 제공되지만, 본 발명이 이러한 정확한 치수를 반드시 요구하는 것은 아니다. 이하에 보다 상세히 설명하는 바와 같이, 증폭기들의 엔드 펌핑은 횡단 펌핑을 이용하는 다른 설계보다 더 짧은 증폭기 모듈을 실현한다.
광은 미러 310을 통해 증폭기 모듈로 입사되고 미러 312에서 상기 증폭기 모듈의 하부로 반사되는데, 여기서 광은 편광기 314에서 증폭기 헤드 329를 향해 반사된다. 도 3a 및 3b에 도시된 실시예에서, 증폭기 헤드 329는 다른 적합한 광학 기구들뿐만 아니라 미러 330 및 332를 사용하여 증폭기 324에 광학적으로 연결되는 다이오드 펌프 어레이 326 및 328을 포함한다. 미러 320 및 322는 다이크로익(dichroic)이고, 펌프 파장으로 광을 통과시키고 레이저 파장으로 광을 반사한다. 이렇게 해서, 펌프 광은 다수의 증폭기 슬래브를 포함할 수 있는, 페이스 펌핑 구성을 사용해서 미러 320 및 322를 통과해 펌프 증폭기 324로 간다.
미러 330 및 332를 이용하는 증폭기와 관련한 다이오드 어레이 펌프의 접힌(folded) 구조 때문에, 증폭기 모듈의 길이가 다른 구조에 비해 감소될 수 있다. 도 1a 및 1b와 공통되는 다른 구성요소들이 도시되는데, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 명확히 이해할 수 있다. 예를 들어, 렌즈 330 및 332를 포함하는 릴레이 망원경, 90°편광 로테이터 334 및 캐비티 미러 340이 도시된다. 상기 처음 두 개의 증폭 패스 후에 광 경로를 따라서 위치한 광학 기구들은 포켈스 셀 346, 편광기 348 및 캐비티 미러 350을 포함한다.
도 3b는 도 3a에 도시된 엔드 펌핑된 증폭기 시스템의 단순화된 측면도이다. 도 3b에 도시된 바와 같이, 펌프 강도를 증가시키기 위해 다이오드 어레이들의 편광 결합이 사용된다. 이 실시예에서, 제1 편광을 갖는 상기 어레이들의 세트의 상부와 바닥에 있는 두 개의 어레이들로부터의 광은 상기 어레이들의 세트의 가운데에 있는 두 개의 어레이로부터의 광과 동일 직선상에서 전파되도록 두 번 반사된다. 각 어레이에 대해 45°각도로 어레이들 사이에 배치된 편광 민감(sensitive) 반사기를 갖고 서로에 대해 직각으로 배향된 두 개의 어레이를 포함하는 다른 구성들이 가능하다. 제1 어레이로부터의 광은 상기 편광 민감 반사기를 통과하는 한편, 제2 어레이로부터의 광은 상기 제1 어레이로부터의 광과 동일선상에 있도록 반사된다. 이렇게 해서, 본 발명의 실시예들은 다이오드 펌프를 위한 다양한 편광 조합 설계를 이용할 수 있다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 많은 변형, 수정 및 대안을 인식할 수 있을 것이다. 출력 윈도우 352를 통해 캐비티 밖으로 광을 이송하기 위해 사용되는 렌즈 360 및 362를 포함하는 이송 망원경이 도시된다. 도 3a 및 3b에 도시된 실시예를 사용하면, 1.3m×2.2m×8.3m의 치수를 갖는 증폭기 모듈 내에서 15Hz로 6.3KJ 빔을 생성하는 핵융합형 레이저 시스템이 제공된다.
도 4a는 본 발명의 일 실시예에 의한 엔드 펌핑된 4빔 증폭기 시스템의 단순화된 평면도이다. 도 4a 및 4b에 도시된 실시예에서, 길이 8.32m, 폭 3.66m, 높이 2.38m의 치수를 갖는 증폭기 모듈이 제공되지만, 본 발명은 이러한 치수를 가질 것을 요구하지 않는다. 도 4a 및 4b에 도시된 구조는 도 3a 및 3b에 도시된 구조와 일정한 유사성을 공유하지만, 도 4b에 도시된 바와 같이 2×2 구성으로 증폭기 헤드당 4개의 증폭기를 이용한다. 이렇게 해서, 이 실시예들은 "쿼드" 구성으로 불릴 수 있다. 명확성을 위해, 싱글 증폭기 및 쿼드 증폭기 구성에 공통적인 광학 소자들의 일부는 생략된다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 많은 변형, 수정 및 대안을 인식할 수 있을 것이다.
도 4a를 참조하면, 화살표 410에 의해 표시된 것처럼 광이 미러 412 및 414와 편광기 416 및 418을 향해 입사된다. 이렇게 해서, 도 3a 및 3b에 도시된 단일 빔 경로와 비교해 두 개의 빔 경로가 제공된다. 각각의 빔 경로의 광은 제1 쿼드 증폭기 헤드 420을 향해 전파된다. 증폭기 헤드 420은 네 개의 증폭기를 포함하고, 이들 각각은 한 세트의 증폭기 슬래브들을 포함할 수 있다. 상기 증폭기들은 엔드 펌핑 배열의 네 개의 다이오드 어레이들에 의해 펌핑되고, 하나의 다이오드 어레이가 상기 증폭기들의 각각을 증폭한다. 2×2 구성이 도 4b에 도시되지만, 본 발명에 이러한 특정 구성이 필수적인 것은 아니며 본 발명의 범위 내에서 다른 적합한 구성들이 이용될 수 있다.
도 4b는 도 4a에 도시된 엔드 펌핑된 4빔 증폭기 시스템의 단순화된 측면도이다. 이 측면도에서, 증폭기 슬래브 냉각 시스템뿐만 아니라 상기 증폭기 헤드의 증폭기들의 상기 2×2 구성이 명확히 도시된다. 이 구성에서, 광은 상부 및 바닥 레벨에서 증폭기 모듈로 입사되고 상기 상부 및 바닥 레벨 사이에 배치된 두 세트의 증폭기들의 평면에서 증폭된다. 이렇게 해서, 상기 쿼드 구성은 거울에 비친 것 같은 모습으로 도 3a 및 3b에 도시된 구성의 변형을 제공한다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 많은 변형, 수정 및 대안을 인식할 수 있을 것이다.
도 3a와 관련하여 논의된 것처럼, 미러 430 및 432는 각각 펌프 광을 다이오드 펌프 어레이 426 및 428로부터 증폭기 424를 향해 반사한다. 미러 420 및 422는 다이크로익이고, 펌프 파장으로 광을 통과시키고 레이저 파장으로 광을 반사한다. 이렇게 해서, 상기 펌프 광은 미러 420 및 422를 통해 펌프 증폭기 424로 가고, 증폭기 424는 다수의 증폭기 슬래브를 포함할 수 있다. 다른 증폭기들의 펌핑은 다이오드 펌프 어레이, 광학 기구 등의 유사한 배열을 사용하여 성취될 수 있다. 제2 증폭기 헤드 436은 또 다른 엔드 펌핑된 증폭기 쿼드를 포함한다. 광은 출력 윈도우 452 및 454를 통해 상기 증폭기 모듈 밖으로 나간다.
도 5a는 본 발명의 일 실시예에 의한 펌프 전달 구조의 단순화된 평면도이다. 도 5a에 도시된 바와 같이, 다이오드 펌프 어레이 510은 균질화기(homogenizer) 및 덕트 514를 거쳐 펌프 증폭기 520에 연결된다. 도 5a에 도시된 광학 소자들은 상기 다이오드 펌핑 시스템의 구성요소로서 도 1a 내지 도 4b에 도시된 구조들과 함께 사용될 수 있다. 도 5b는 도 5a에 도시된 펌프 전달 구조의 단순화된 측면도이다. 이 실시예에서는, 다이오드 펌프 어레이 510으로부터 광을 수집하고 포커싱하기 위해 프레넬(Fresnel) 프리즘 530이 이용된다. 일 실시예에서, 다이오드 펌프 어레이 510과 증폭기 520 사이의 거리는 5m이지만, 다른 거리도 이용될 수 있다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 많은 변형, 수정 및 대안을 인식할 수 있을 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 레이저 증폭기 시스템이다. 도 6에 도시된 레이저 증폭기 시스템 600은 시스템 효율을 증가시키기 위해 이미지 릴레이를 이용하는 캐비티 내의 이중 증폭기 구조를 이용한다. 입력 빔 605는 입사 미러 607을 사용하여 상기 캐비티로 입사된다. 일 실시예에서, 입력 빔은 0.9J의 에너지를 갖는 레이저 펄스이다. 상기 입력 빔은 미러 662에서 반사된다. 상기 입력빔의 편광은 상기 입력 빔이 편광기 630에서 반사되도록 미리 정해진 편광(예컨대, s-편광)이고, 상기 편광기 630은 입력 빔 605의 편광 상태를 반영하도록 정렬된다. 상기 입력 빔은 4분의1 파장판 650을 통과하고 증폭기 616과 증폭기 614를 통과하는 제1 패스를 만든다.
증폭기 616 및 증폭기 614 사이에는 망원경과 핀홀(도시되지 않음)의 형태로 공간 필터 642가 배치된다. 본 발명의 실시예에 따라서는 다른 공간 필터들이 사용될 수 있고 핀홀 필터는 단지 예로서 제공된다. 증폭기 616을 통한 제1 증폭 패스 후에, 그리고 증폭기 614를 통한 제1 증폭 패스 전에, 상기 빔은 편광 로테이터 632(예컨대, 석영 로테이터)를 통과한다. 증폭기 614의 중심에 형성된 이미지를 미러 620의 반사면으로 릴레이하기 위해 릴레이 망원경 624가 제공된다. 이미지 릴레이는 상기 시스템의 다른 위치뿐 아니라 미러 620의 표면과 증폭기 614의 중심에 나란히 정렬된 사각형들의 그룹으로 표시된다.
증폭된 광은 미러 620으로부터 반사되고, 릴레이 망원경 624를 다시 통과하고, 증폭기 614 및 616의 세트를 통한 제2 패스를 만든다. 석영 로테이터 632와 4분의1 파장판 650을 두 번 통과한 후에, 상기 증폭된 빔의 편광은 상기 빔이 편광기 630을 통과할 수 있도록 회전된다. 상기 빔은 릴레이 망원경 626, 포켈스 셀 652, 및 편광기 660을 통과하고, 편광기 660은 편광기 630에 대해 엇갈리도록 배치된다. 릴레이 망원경 626은 증폭기 616의 중심에 있는 이미지를 미러 622의 반사면으로 릴레이한다. 증폭된 빔의 포켈스 셀 652에서의 강도는 상기 증폭기들의 세트를 통한 두 번의 증폭 패스에 의해 생성된다. 상기 입력 빔은 증폭기 614 및 616 각각의 다수의 증폭기 슬래브를 통과했을 수 있지만, 포켈스 셀 652에서의 빔은 두 번 증폭된 빔으로 불린다. 상기 포켈스 셀은 상기 두 번 증폭된 빔의 편광을 파(wave)의 절반만큼 회전시키도록 활성화되어, 상기 빔이 상기 증폭기들을 향해 전파될 때 편광기 630을 통과하게 한다. 다른 실시예에서, 상기 포켈스 셀은 4분의1 파(quarter-wave) 포켈스 셀 일 수 있고 편광기 660은, 예컨대, 편광 회전을 제공하기 위해 릴레이 망원경 626의 가까이에 위치된, 4분의1 파장판으로 대체될 것이다.
상기 증폭기들을 통한 두 번 이상의 패스 후에, 상기 빔은 편광기 630과 미러 662로부터 최종 광학 기구 672를 향해 반사된다. 상기 빔은, 네 번의 증폭 패스 후에, 공간 필터 640과 주파수 컨버터 670을 통해 전송된다. 릴레이 망원경 646은 주파수 컨버터 670에서의 상기 빔의 이미지를 상기 최종 광학 기구 672로 릴레이한다. 몇몇 실시예에서는, 핵융합 발생에 의해 방출되는 중성자로부터 상기 증폭기 시스템을 보호하기 위해 중성자 핀홀이 사용된다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 의한 증폭된 레이저 빔을 제공하는 방법을 도시하는 단순화된 흐름도이다. 방법 700은 입력 빔을 수신하고 상기 입력 빔이 제1 방향을 향하게 하는 단계(710)와, 증폭기 헤드라고도 불리는 한 세트의 증폭기들을 사용하여 첫 번째로 상기 입력 빔을 증폭하는 단계(712)를 포함한다. 상기 한 세트의 증폭기들을 통한 증폭 경로들은 상기 제1 방향에 실질적으로 직교하는 제2 방향을 따라 배치된다. 도 1a에 도시된 바와 같이, 상기 증폭기 헤드들을 통한 증폭 경로는 증폭기 모듈의 길이에 직교하는 상기 증폭기 모듈의 폭에 대체로 맞춰진다. 이렇게 해서, 도시된 실시예에서, 상기 제1 방향은, 상기 증폭기 모듈의 중심 위치로부터 제1 증폭기 헤드가 위치되는 상기 증폭기 모듈의 제1 단부를 향하는 상기 증폭기 모듈의 길이 방향을 따라간다.
상기 방법은 또한 제1 캐비티 미러를 사용하여 증폭된 빔을 반사하는 단계(714) 및 상기 한 세트의 증폭기들을 사용하여 상기 증폭된 빔을 두 번째로 증폭하는 단계(716)를 포함한다. 몇몇 실시예에서, 상기 제1 캐비티 미러는 상기 빔의 왜곡을 보상하기 위해 사용될 수 있는 변형가능한 미러이다. 상기 방법은 상기 제1 방향을 따라 상기 두 번 증폭된 빔을 이미지 릴레이하는 단계(718) 및 제2 캐비티 미러를 사용하여 상기 증폭된 빔을 반사하는 단계(720)를 더 포함한다. 처음 두 개의 증폭 패스 후에, 상기 방법은 상기 두 번 증폭된 빔이 상기 증폭기 모듈의 밖으로 연결되기 전에 두 번 더 증폭될 수 있도록 하기 위해 포켈스 셀을 사용하여 상기 두 번 증폭된 빔의 편광 상태를 회전시키는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 방법은 상기 한 세트의 증폭기들을 사용하여 상기 두 번 증폭된 빔을 세 번째로 증폭하는 단계(722), 상기 제1 캐비티 미러를 사용하여 상기 세 번 증폭된 빔을 반사하는 단계(724), 상기 한 세트의 증폭기들을 사용하여 상기 세 번 증폭된 빔을 증폭하는 단계(726), 및 상기 네 번 증폭된 빔을 출력하는 단계를 포함한다. 몇몇 실시예에서, 상기 입력 빔과 상기 네 번 증폭된 빔은 선형 편광, 예컨대, s-편광 또는 p-편광을 특징으로 한다. 또한, 도 1a 및 1b와 관련하여 논의된 바와 같이, 상기 증폭된 빔, 상기 두 번 증폭된 빔, 그리고 상기 세 번 증폭된 빔은 상기 증폭기 헤드를 통한 증폭 패스들 동안 원형 편광을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 의하면, 이미지 릴레이는 상기 한 세트의 증폭기들 사이의 릴레이 이미지화에 의해, 예컨대, 상기 한 세트의 증폭기들을 사용하여 상기 세 번 증폭된 빔을 증폭하고 상기 네 번 증폭된 빔을 출력하는 사이에 이미지 릴레이를 수행함으로써 행해진다.
도 7에 도시된 구체적인 단계들은 본 발명의 일 실시예에 의한 증폭된 레이저 빔을 제공하는 특정 방법을 제공한다는 점을 명심해야 한다. 다른 실시예에 의하면 다른 일련의 단계들이 행해질 수도 있다. 예를 들어, 본 발명의 다른 실시예들은 상기 단계들을 다른 순서로 행할 수 있다. 또한, 도 7에 도시된 각 단계들은 그 단계에 적합하게 다양한 순서로 행해질 수 있는 다수의 하위 단계들을 포함할 수 있다. 또한, 특정 응용 분야에서는 추가적인 단계들이 추가되거나 제거될 수 있다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 많은 변형, 수정 및 대안을 인식할 수 있을 것이다.
본 명세서에 개시된 예시와 실시예들은 설명을 위한 것일 뿐이며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 그에 대한 다양한 수정과 변화를 인식할 수 있고, 이러한 다양한 수정과 변화는 본 출원과 첨부된 청구범위의 목적 및 영역 내에 포함되어야 한다는 점이 이해될 수 있다.

Claims (29)

  1. 엔클로저(enclosure)를 포함하는 레이저 증폭기 모듈에 있어서,
    입력 윈도우;
    제1 평면에 배치되고, 상기 입력 윈도우에 광학적으로 연결된 미러;
    상기 제1 평면에 실질적으로 평행한 제2 평면에서 광 증폭 경로를 따라서 배치된 제1 증폭기 헤드 - 상기 제1 증폭기 헤드는 상기 엔클로저의 제1 단부 가까이에 있고, 상기 제1 증폭기 헤드를 통한 제1 증폭 경로와 상기 제1 증폭기 헤드를 통한 제2 증폭 경로는 동일선상에 있음 -;
    상기 엔클로저의 제2 단부 가까이에, 상기 제2 평면에서 상기 광 증폭 경로를 따라서 배치된 제2 증폭기 헤드 - 상기 제2 증폭기 헤드를 통한 제1 증폭 경로와 상기 제2 증폭기 헤드를 통한 제2 증폭 경로는 동일선상에 있음 -; 및
    상기 광 증폭 경로를 따라, 상기 제2 증폭기 헤드를 통한 상기 제1 증폭 경로와 상기 제2 증폭기 헤드를 통한 상기 제2 증폭 경로 사이에 배치된 캐비티 미러
    를 포함하고,
    상기 캐비티 미러는 광을 상기 제2 증폭기 헤드로 반사하고 상기 반사된 광은 상기 제2 증폭기 헤드와 상기 제1 증폭기 헤드를 사용하여 증폭되는,
    레이저 증폭기 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 평면에 실질적으로 평행한 제2 평면 내에 배치되고, 상기 미러에 광학적으로 연결된 편광기; 및
    상기 광 증폭 경로를 따라 배치된 4분의1 파장판
    을 더 포함하고,
    상기 제2 평면은 상기 광 증폭 경로를 포함하는,
    레이저 증폭기 모듈.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제2 평면에 배치된 제2 캐비티 미러, 및
    상기 광 증폭 경로를 따라, 상기 제1 증폭기 헤드와 상기 제2 캐비티 미러 사이에 배치된 포켈스 셀
    을 더 포함하고,
    상기 제2 캐비티 미러는 상기 광 증폭 경로를 따라, 상기 제1 증폭기 헤드를 통한 상기 제1 증폭 경로와 상기 제1 증폭기 헤드를 통한 상기 제2 증폭 경로 사이에 배치되고,
    상기 제2 캐비티 미러는 광을 상기 제1 증폭기 헤드로 반사하고 상기 반사된 광은 상기 제1 증폭기 헤드와 상기 제2 증폭기 헤드를 사용하여 증폭되는,
    레이저 증폭기 모듈.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 광 증폭 경로를 따라서 배치된 릴레이 망원경
    을 더 포함하는 레이저 증폭기 모듈.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 광 증폭 경로를 따라서 상기 제2 증폭기 헤드와 상기 캐비티 미러 사이에 배치된 제2 릴레이 망원경
    을 더 포함하는 레이저 증폭기 모듈.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 평면에 배치된 이송 망원경
    을 더 포함하는 레이저 증폭기 모듈.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 이송 망원경에 광학적으로 연결된 출력 윈도우
    를 더 포함하는 레이저 증폭기 모듈.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 캐비티 미러는 변형가능한 미러인,
    레이저 증폭기 모듈.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1 증폭기 헤드와 상기 제2 증폭기 헤드는 복수의 다이오드 어레이에 의해 횡단 펌핑되는,
    레이저 증폭기 모듈.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제1 증폭기 헤드와 상기 제2 증폭기 헤드는 복수의 다이오드 어레이에 의해 엔드 펌핑되는,
    레이저 증폭기 모듈.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 복수의 다이오드 어레이는 다이크로익 미러를 통해 상기 제1 증폭기 헤드 및 상기 제2 증폭기 헤드에 광학적으로 연결되는,
    레이저 증폭기 모듈.
  12. 레이저 빔을 증폭하는 방법에 있어서,
    입력 빔을 수신하는 단계;
    상기 입력 빔이 제1 방향을 향하게 하는 단계;
    한 세트의 증폭기들을 사용하여 상기 입력 빔을 첫 번째로 증폭해서 증폭된 빔을 생성하는 단계 - 상기 한 세트의 증폭기들을 통한 증폭 경로는 상기 제1 방향에 실질적으로 수직인 제2 방향을 따라 배치됨 - ;
    제1 캐비티 미러를 사용하여 상기 한 세트의 증폭기들 중 하나의 증폭기로 상기 증폭된 빔을 반사하는 단계;
    상기 한 세트의 증폭기들을 사용하여 상기 증폭된 빔을 두 번째 증폭해서 두 번 증폭된 빔을 생성하는 단계 - 상기 한 세트의 증폭기들을 통한 제1 증폭 경로와 제2 증폭 경로는 동일선상에 있음 -;
    상기 두 번 증폭된 빔을 상기 제1 방향을 따라 이미지 릴레이하는 단계;
    제2 캐비티 미러를 사용하여 상기 한 세트의 증폭기들 중 다른 하나의 증폭기로 상기 두 번 증폭된 빔을 반사하는 단계;
    상기 한 세트의 증폭기들을 사용하여 상기 두 번 증폭된 빔을 세 번째 증폭해서 세 번 증폭된 빔을 생성하는 단계;
    상기 제1 캐비티 미러를 사용하여 상기 한 세트의 증폭기들 중 상기 하나의 증폭기로 상기 세 번 증폭된 빔을 반사하는 단계;
    상기 한 세트의 증폭기들을 사용하여 상기 세 번 증폭된 빔을 네 번째 증폭하는 단계 - 상기 한 세트의 증폭기들을 통한 제3 증폭 경로와 제4 증폭 경로는 동일선상에 있음 -; 및
    상기 네 번 증폭된 빔을 출력하는 단계
    를 포함하는 레이저 빔 증폭 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 입력 빔과 상기 네 번 증폭된 빔은 선형 편광이 특징인,
    레이저 빔 증폭 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 증폭된 빔, 상기 두 번 증폭된 빔 및 상기 세 번 증폭된 빔은 원형 편광이 특징인,
    레이저 빔 증폭 방법.
  15. 제12항에 있어서,
    포켈스 셀을 사용하여 상기 두 번 증폭된 빔의 편광 상태를 회전시키는 단계
    를 더 포함하는 레이저 빔 증폭 방법.
  16. 제12항에 있어서,
    상기 제1 캐비티 미러는 변형가능한 미러를 포함하는,
    레이저 빔 증폭 방법.
  17. 제12항에 있어서,
    상기 한 세트의 증폭기들 사이에서 이미지 릴레이를 행하는 단계
    를 더 포함하는 레이저 빔 증폭 방법.
  18. 제12항에 있어서,
    상기 한 세트의 증폭기를 사용하여 상기 세 번 증폭된 빔을 증폭하는 단계와 상기 네 번 증폭된 빔을 출력하는 단계 사이에 이미지 릴레이를 행하는 단계
    를 더 포함하는 레이저 빔 증폭 방법.
  19. 엔클로저를 포함하는 쿼드 빔 레이저 증폭기 모듈에 있어서,
    상기 엔클로저의 상부 표면에 배치된, 네 개의 입력 포트를 포함하는 입력 포트 세트;
    상기 엔클로저의 제2 단부에 배치된, 네 개의 출력 포트를 포함하는 출력 포트 세트;
    상기 엔클로저의 제1 단부에 배치된, 네 개의 증폭기를 포함하는 제1 증폭기 헤드 - 상기 제1 증폭기 헤드를 통한 제1 증폭 경로와 상기 제1 증폭기 헤드를 통한 제2 증폭 경로는 동일선상에 있음 -;
    상기 엔클로저의 제2 단부에 배치된, 네 개의 증폭기를 포함하는 제2 증폭기 헤드 - 상기 제2 증폭기 헤드를 통한 제1 증폭 경로와 상기 제2 증폭기 헤드를 통한 제2 증폭 경로는 동일선상에 있음 -;
    상기 제2 증폭기 헤드를 통한 상기 제1 증폭 경로와 상기 제2 증폭기 헤드를 통한 상기 제2 증폭 경로 사이에 배치된 캐비티 미러
    를 포함하고,
    상기 캐비티 미러는 광을 상기 제2 증폭기 헤드로 반사하고 상기 반사된 광은 상기 제2 증폭기 헤드와 상기 제1 증폭기 헤드를 사용하여 증폭되는,
    쿼드 빔 레이저 증폭기 모듈.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 제1 증폭기 헤드와 상기 제2 증폭기 헤드 사이에 배치되고, 네 개의 릴레이 망원경을 포함하는 릴레이 망원경 세트를 더 포함하는,
    쿼드 빔 레이저 증폭기 모듈.
  21. 제19항에 있어서,
    상기 네 개의 입력 포트를 포함하는 상기 입력 포트 세트로부터의 입력 빔은 상기 제1 증폭기 헤드의 상기 네 개의 증폭기들 중 외측 증폭기들의 세트를 통과하고 상기 제2 증폭기 헤드의 상기 네 개의 증폭기들 중 내측 증폭기들의 세트를 통과하는,
    쿼드 빔 레이저 증폭기 모듈.
  22. 제19항에 있어서,
    상기 제1 증폭기 헤드와 상기 제2 증폭기 헤드를 통한 두 번의 증폭 패스 후에 증폭된 빔을 수신하는 복수의 포켈스 셀
    을 더 포함하는 쿼드 빔 레이저 증폭기 모듈.
  23. 제19항에 있어서,
    상기 제2 증폭기 헤드와 상기 캐비티 미러 사이에 배치되고, 네 개의 릴레이 망원경들을 포함하는 제2 릴레이 망원경 세트
    를 더 포함하는 쿼드 빔 레이저 증폭기 모듈.
  24. 제19항에 있어서,
    상기 네 개의 출력 포트를 포함하는 상기 출력 포트 세트에 광학적으로 연결되는 이송 망원경 세트를 더 포함하고, 상기 이송 망원경 세트는 네 개의 이송 망원경을 포함하는,
    쿼드 빔 레이저 증폭기 모듈.
  25. 제19항에 있어서,
    상기 캐비티 미러는 변형가능한 미러를 포함하는,
    쿼드 빔 레이저 증폭기 모듈.
  26. 제19항에 있어서,
    제2 캐비티 미러, 및
    상기 제1 증폭기 헤드와 상기 제2 캐비티 미러 사이의 포켈스 셀
    을 더 포함하고,
    상기 제2 캐비티 미러는 상기 제1 증폭기 헤드를 통한 상기 제1 증폭 경로와 상기 제1 증폭기 헤드를 통한 상기 제2 증폭 경로 사이에 배치되고,
    상기 제2 캐비티 미러는 광을 상기 제1 증폭기 헤드로 반사하고 상기 반사된 광은 상기 제1 증폭기 헤드와 상기 제2 증폭기 헤드를 사용하여 증폭되는,
    쿼드 빔 레이저 증폭기 모듈.
  27. 제26항에 있어서,
    상기 제1 증폭기 헤드와 상기 제2 증폭기 헤드는 복수의 다이오드 어레이에 의해 횡단 펌핑되는,
    쿼드 빔 레이저 증폭기 모듈.
  28. 제26항에 있어서,
    상기 제1 증폭기 헤드와 상기 제2 증폭기 헤드는 복수의 다이오드 어레이에 의해 엔드 펌핑되는,
    쿼드 빔 레이저 증폭기 모듈.
  29. 제28항에 있어서,
    상기 복수의 다이오드 어레이는 다이크로익 미러를 통해 상기 제1 증폭기 헤드 및 상기 제2 증폭기 헤드에 광학적으로 연결되는,
    쿼드 빔 레이저 증폭기 모듈.
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