KR102085571B1 - 레이저 유도 플라즈마 셔터를 이용하는 레이저 조사기간 조정 장치 및 방법 - Google Patents

레이저 유도 플라즈마 셔터를 이용하는 레이저 조사기간 조정 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 레이저에서 유도 생성되는 플라즈마를 셔터로 이용하여 레이저 빔의 조사기간을 조정하는 장치 및 방법에 관한 것으로, 상세하게는 레이저 광원으로부터 발생되는 레이저를 타겟 펄스와 셔터 펄스로 분할하고; 분할된 레이저의 광경로를 변환시키고; 내부 압력이 조절되는 셀에서 상기 셔터 펄스로부터 유도되는 플라즈마를 광학 셔터로 이용하여 상기 타겟 펄스를 절단;함으로써, 레이저 조사기간을 정밀하고 빠르게 조정할 수 있는 레이저 조사기간 조정 장치 및 방법에 관한 것이다.

Description

레이저 유도 플라즈마 셔터를 이용하는 레이저 조사기간 조정 장치 및 방법{DEVICE AND METHOD FOR CONTROLLING LASER PULSE WIDTH USING LASER-INDUCED PLASMA SHUTTER}
본 발명은 레이저에서 유도 생성되는 플라즈마를 셔터로 이용하여 레이저 빔의 펄스 폭을 조정하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
레이저는 초정밀 가공공정 분야, 의료 분야, 통신 분야, 국방분야, 계측분야 등 산업 다방면에서 전 세계적으로 사용되는 하이테크 고부가 가치 기술이다. 일반적으로 펄스형태의 고출력 레이저는 10~1000 나노초 사이의 고정된 시간 폭에서 발진된다.
삭마(ablation), 초고속 가열, 이온화, 화학 반응 유도 등의 목표하는 광자-물질 상호작용을 일으키기 위해서는 대상 물질의 특성에 따라 조사될 레이저 광원의 특성을 결정하는 것이 필요하다. 예를 들어, 물체표면 일부분을 삭마하는 삭마가공을 위해서는 삭마 유도 시에 발열에 의한 주변 영역의 변형 또는 변질을 막는 것이 중요한데, 이를 위해서는 열에너지 발생 전 레이저 조사를 끝낼 수 있는 피코 또는 펨토초 단위의 최소 조사기간(pulse width)을 갖는 레이저를 사용하여야 한다. 다시 말하면, 초정밀 삭마가공을 위해서는 최소 조사 기간을 갖는 특정 레이저만을 사용하여야 한다. 그러나, 기존의 피코초 또는 펨토초 레이저는 Ti:Sapphire 레이저의 모드 록킹(mode-locking) 방식을 통하여 얻어지기 때문에 넓은 파장 영역에서 광자를 발생시키게 되고, 따라서 일반적인 레이저 광원이 갖는 단색광(single wavelength)의 장점을 잃게 되는 문제가 있다. 또한, 레이저 시장에서 고출력의 피코초 또는 펨토초 단파 레이저는 펄스의 발진 파장과 폭이 고정되어 있어 적용이 제한될 뿐 아니라, 그를 구매하는데 필요한 금액이 나노초 단파 레이저를 구매하는데 필요한 금액의 두배에 가까워, 조사 기간이 상이한 별도의 장비를 마련하는데 비용적으로 부담이 큰 문제가 있다.
일반적으로 레이저의 활성매체(active medium) 또는 구동 시스템에 따른 종류에 관계없이, 레이저 빔의 발사 후 주요 특성을 제어하기는 어려운 것으로 알려져 있다. 종래에는 레이저의 특성을 제어하기 위하여 주로 기계적인 셔터 또는 광학 소자를 이용하여 왔으나, 이는 근본적으로 질량이 없는 광자의 반응시간 영역에 영향을 미칠 수 없는 문제가 있다. 예를 들어, 전기적 신호를 통해 작동하는 모든 제어 계측 장비들은 질량이 있는 전자의 이동, 즉, 전기 신호에 의지하므로 신호전달에 필요한 나노초 단위의 제어 지연을 피할 수 없는 문제가 있다. 다시 말하면, 종래 나노초 레이저의 절단시에는 나노초보다 짧은 피코초 또는 펨토초 단위의 셔터스피드를 필요로 하는데, 전기적 신호를 이용하게 되는 경우에는 전기적 신호가 나노초 단위이므로 레이저 절단에 필요한 피코초 또는 펨토초 셔터스피드를 달성하기 어려운 문제가 있었다. 또한, 웨이브플레이트(wave-plate), 편광자(polarizer), 빔 익스팬더(beam expander) 등의 광학소자를 이용하는 경우에는 제어할 수 있는 레이저 특성의 종류가 크게 제한되는 문제가 있다.
한편, 레이저 펄스를 집속시키는 경우, 초점에서의 전력 밀도가 임계값을 조과하면 레이저 유도 플라즈마를 생성시킬 수 있다. 이 때 임계값은 초점, 초점 렌즈의 초점 길이, 레이저 펄스의 특성 및 플라즈마 형성 물질의 특성에 따라 달라지게 된다.
KR 101900413 B1
Morgan, C. G., Rep. Prog. Phys 38 (1975)
본 발명은 상기한 기술적 과제를 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 기존의 나노초 이하 단색광 레이저 장치에 적용되어 레이저의 조사기간을 자유롭게 제어할 수 있는 레이저 조사기간 조정 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 레이저 광원으로부터 발생되는 레이저를 타겟 펄스와 셔터 펄스로 분할하는 빔 스플리터; 상기 타겟 펄스의 경로와 상기 셔터 펄스의 경로가 교차되도록, 상기 타겟 펄스 또는 상기 셔터 펄스의 광경로를 변환시킬 수 있는 광경로변환부; 내부 압력이 조절될 수 있고, 상기 타겟 펄스와 상기 셔터 펄스가 만나는 지점에 위치되되, 상기 셔터 펄스로부터 유도되는 플라즈마를 형성하여 상기 타겟 펄스의 조사기간을 조정할 수 있는 플라즈마형성부; 및 상기 셔터 펄스의 경로상에 위치되되, 상기 플라즈마형성부 내에 상기 셔터 펄스로부터 유도되는 플라즈마가 형성되도록 상기 셔터 펄스를 집속시키는 집속부;를 포함하는, 레이저 조사기간 조정 장치가 제공된다.
또한, 상기 플라즈마형성부는, 내부에서 상기 타겟 펄스가 상기 플라즈마 내를 전파하여 유도되는 역제동 방사(inverse-Bremsstrahlung) 광자 흡수를 활성화시켜, 상기 타겟 펄스가 절단되어 조사기간이 조정될 수 있다.
또한, 상기 레이저 광원으로부터 발생되는 레이저는 인젝션 시딩(injection seeding)을 통해 안정화될 수 있다.
또한, 상기 플라즈마형성부는 압력 셀(pressure cell)일 수 있다.
또한, 상기 플라즈마형성부 내부로 투명한 유체가 유입 및 방출될 수 있다.
또한, 상기 레이저 광원으로부터 발생되는 레이저의 광량을 연속적으로 조절하기 위한 광량조절부를 더 포함하고, 상기 광량조절부 및 상기 빔 스플리터로 레이저 특성을 동일하게 유지시키면서 연속적으로 가변 가능한 집속 에너지를 상기 플라즈마형성부로 공급할 수 있다.
또한, 상기 타겟 펄스의 경로상에 위치되되, 상기 타겟 펄스가 상기 플라즈마형성부를 통과하기 전 또는 후에 통과되도록 위치되는 포화성 흡수체(saturable absorber)를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 레이저 광원으로부터 발생되는 레이저를 타겟 펄스, 제 1 셔터 펄스 및 제 2 셔터 펄스로 분할하는 적어도 하나의 빔 스플리터; 상기 제 1 셔터 펄스와 상기 타겟 펄스의 경로가 교차되도록 하되, 상기 제 1 셔터 펄스의 광경로가 상기 타겟 펄스의 광경로보다 짧도록 상기 타겟 펄스의 광경로를 변환시킬 수 있는 제 1 광경로변환부; 상기 제 2 셔터 펄스와 상기 타겟 펄스의 경로가 교차되도록 하되, 상기 제 2 셔터 펄스의 광경로가 상기 타겟 펄스의 광경로보다 길도록 상기 제 2 셔터 펄스의 광경로를 변환시킬 수 있는 제 2 광경로변환부; 내부 압력이 조절될 수 있고, 상기 타겟 펄스와 상기 제 1 셔터 펄스가 만나는 지점에 위치되되, 상기 제 1 셔터 펄스로부터 유도되는 플라즈마를 형성하여 상기 타겟 펄스의 전반부를 절단할 수 있는 제 1 플라즈마형성부; 내부 압력이 조절될 수 있고, 상기 타겟 펄스와 상기 제 2 셔터 펄스가 교차되는 지점에 위치되되, 상기 제 2 셔터 펄스로부터 유도되는 플라즈마를 형성하여 상기 타겟 펄스의 후반부를 절단할 수 있는 제 2 플라즈마형성부; 상기 제 1 셔터 펄스의 경로상에 위치되되, 상기 제 1 플라즈마형성부 내에 상기 제 1 셔터 펄스로부터 유도되는 플라즈마가 형성되도록 상기 제 1 셔터 펄스를 집속시키는 제 1 집속부; 및 상기 제 2 셔터 펄스의 경로상에 위치되되, 상기 제 2 플라즈마형성부 내에 상기 제 2 셔터 펄스로부터 유도되는 플라즈마가 형성되도록 상기 제 2 셔터 펄스를 집속시키는 제 2 집속부를 포함하는, 레이저 조사기간 조정 장치가 제공된다.
또한, 상기 제 1 플라즈마형성부 및 상기 제 2 플라즈마형성부는, 내부에서 상기 타겟 펄스가 상기 플라즈마 내를 전파하여 유도되는 역제동 방사(inverse-Bremsstrahlung) 광자 흡수를 활성화시켜, 상기 타겟 펄스가 절단되어 조사기간이 조정될 수 있다.
또한, 상기 레이저 광원으로부터 발생되는 레이저는 인젝션 시딩(injection seeding)을 통해 안정화될 수 있다.
또한, 상기 제 1 플라즈마형성부 및 상기 제 2 플라즈마형성부는 압력 셀(pressure cell)일 수 있다.
또한, 상기 제 1 플라즈마형성부 및 상기 제 2 플라즈마형성부 내부로 투명한 유체가 유입 및 방출될 수 있다.
또한, 상기 레이저 광원으로부터 발생되는 레이저의 광량을 연속적으로 조절하기 위한 광량조절부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 타겟 펄스의 경로상에 위치되는 포화성 흡수체(saturable absorber)를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 레이저 광원으로부터 발생되는 레이저를 타겟 펄스와 적어도 하나의 셔터 펄스로 분할하는 제 1단계; 상기 타겟 펄스의 경로와 상기 셔터 펄스의 경로가 교차되도록, 상기 타겟 펄스 또는 상기 셔터 펄스의 광경로를 변환시키는 제 2단계; 상기 타겟 펄스와 상기 셔터 펄스가 만나는 지점에서, 상기 셔터 펄스로부터 유도되는 플라즈마를 형성하는 제 3단계; 및 상기 플라즈마로 상기 타겟 펄스를 절단하고 조사기간을 조정하는 제 4단계를 포함하는, 레이저 조사기간 조정 방법이 제공된다.
또한, 상기 제 4단계는 상기 타겟 펄스가 상기 플라즈마 내를 전파하여 유도되는 역제동 방사(inverse-Bremsstrahlung) 광자 흡수를 활성화시켜 수행될 수 있다.
또한, 상기 레이저 광원으로부터 발생되는 레이저는 인젝션 시딩(injection seeding)을 통해 안정화될 수 있다.
또한, 상기 제 3단계 및 상기 제 4단계는, 압력이 조절되는 환경에서 수행될 수 있다.
또한, 상기 제 3단계 및 상기 제 4단계는, 투명한 유체가 유입 및 방출되는 환경에서 수행될 수 있다.
또한, 상기 타겟 펄스는 플라즈마로 절단되기 전후로 포화성 흡수체(saturable absorber)를 통과하여 추가적으로 절단되어 조사기간이 조정될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 조사기간 조정 장치는 레이저로부터 유도되어 발생하는 플라즈마를 셔터로 이용하므로 전기적인 신호 없이 광학 신호만으로 셔터의 조정이 수행되므로 레이저의 조사기간을 빠른 반응속도로 잘라낼 수 있다. 이를 통하여, 고에너지의 다양한 단색광 레이저의 조사기간 및 에너지를 정밀하게 능동적으로 제어할 수 있다.
또한, 레이저의 조사기간을 단축시킴으로써 레이저사 조사되는 계측 또는 가공 대상 물질의 급격한 온도 상승을 방지할 수 있다. 이를 통하여, 계측 또는 가공 대상 물질의 변질을 최소화하면서 정밀한 계측 또는 가공이 수행되도록 할 수 있다.
또한, 종래의 레이저 장치에 추가적으로 장착할 수 있는 장치로서, 종래 레이저 장치에 적용되어 레이저의 조사기간 단위를 빠른 반응 속도로 단축시킬 수 있다. 이를 통하여, 나노초 레이저 장치에서 피코초 레이저를 발생시키거나 피코초 레이저 장치에서 펨토초 레이저를 발생시키도록 할 수 있어, 기존 레이저 장치의 부가가치를 상승시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 조사기간 조정 장치의 구성도,
도 2는 레이저 펄스의 후반부를 절단하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 조사기간 조정 장치의 구조도,
도 3은 레이저 펄스의 전반부를 절단하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 조사기간 조정 장치의 구조도,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 조사기간 조정 장치의 구조도,
도 5는 본발명의 일 실시예에 따른 레이저 조사기간 조정 장치의 효과를 확인하기 위한 광학 셋업 장치의 구성도,
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 조사기간 조정 장치에 의하여 조사기간이 조정된 단파장 레이저 펄스를 확인한 것,
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 조사기간 조정 장치에 있어서, tPAD에 미치는 유체 밀도(N) 및 레이저 펄스 에너지(E)의 영향을 확인한 것,
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 조사기간 조정 방법의 순서도.
본 발명의 일 측면에 따르면, 레이저 조사기간(pulse width) 조정 장치가 제공된다. 이하, 본 발명에 따른 레이저 조사기간 조정 장치의 일 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.
본 발명의 일 실시예에서, 레이저 조사기간의 조정은 플라즈마를 셔터로 이용하여 레이저를 절단(chopping)함으로써 수행된다. 이는 플라즈마 내의 전자가 광자 에너지를 빠르게 흡수하는 역제동 방사(inverse-Bremsstrahlung; 이하 IB 라고 함) 현상을 레이저 절단을 위한 셔터로 이용하는 것이다. IB 현상의 발생 시기, 소멸 시간, IB 유도 플라스마의 크기와 형태, 전자 밀도는 플라스마가 발생하는 물질의 종류, 압력, 온도, 밀도 및 농도를 포함하는 특성에 따라 결정되며, IB는 레이저의 광자 에너지를 빠르게 흡수하여 유체를 통해 레이저 빔 전송을 산란 및 중단시키게 된다. IB의 발생 전 초기 다광자 이온화(multi-photon ionization; 이하 MPI라고 함) 현상에 의해 발생된 집광 플라즈마는 초기 전자의 빠른 광자에너지 흡수로 인해 유도되는 IB 현상에 의해 가열되고, 이에 따라 급격한 전자밀도의 상승이 일어나게 되는데, 이때 IB 프로세스로 가열된 전자와 물질은 이 영역을 지나가는 광자에너지의 대부분을 순간적으로 흡수 혹은 산란시킨다. 따라서, IB현상에 의해 가열된 플라즈마는 초고속 셔터와 같이 레이저 빔을 순간적으로 차단할 수 있게 된다. 중성 물질 내에서 IB 현상을 일으키기 위해서는 일정한 시간이 필요한데(Photon Absorption Delay; 이하 PAD라고 함), 이 PAD는 집광 플라즈마가 생기는 물질의 성질에 의해 크게 좌우된다.
단일 집광 레이저 빔을 이용하여 스스로 플라즈마 셔터(PS)를 발생시키고 PAD 이후의 레이저 빔을 차단하게 하는 수동적인 셔터의 작동이 수행되는 경우에는, 레이저 펄스의 조사기간을 결정하는 PAD를 플라즈마가 생기는 물질의 성질에 의존하여서만 제어가능하게 된다. 따라서, MPI에 의해 발생된 전자의 밀도가 낮아 IB가 발생하지 않는 레이저 펄스의 초기 시간 영역에서는 셔터를 작동시킬 수 없어 레이저 펄스의 반치폭(full-width half maximum; 이하 FWHM라고 함)을 감소시키는 데 한계를 나타내게 되는데, 이 경우 최소 FWHM는 후술할 인젝션 시딩(injection seeding)이 없는 경우에는 수십 내지 수백 피코초 수준에 머무르게 될 수 있다. 본 발명은 이와 같은 단일 레이저 빔 플라즈마 셔터(PS)의 작동 한계를 극복하기 위하여 두 개의 분리된(splitted) 레이저 빔을 이용하여 플라즈마 셔터(PS)를 작동시킨다. 본 발명을 설명하는데 있어서, 이 때 분리되는 레이저 빔을 타겟 펄스(TP) 및 셔터 펄스(SP)로 구분하기로 한다. 여기에서, 타겟 펄스(TP)는 조사기간이 조정되는 대상이 되는 레이저를 의미하고, 셔터 펄스(SP)는 상기 타겟 펄스(TP)를 절단시키기 위한 플라즈마를 형성하게 되는 레이저를 의미한다. 플라즈마를 형성시키기 위한 물질의 특성을 변화시킬 수 있는 환경에서, 셔터 펄스(SP)를 집광하여 플라즈마 셔터(PS)를 형성하고, 그 위치에 타겟 펄스(TP)를 통과시킴으로써, 상기 타겟 펄스(TP)의 조정이 수행되도록 할 수 있다. 이를 통하여, 나노초 단위의 지연시간을 갖게 되는 전기적 신호를 이용하지 않고, 두 레이저 빔의 광경로만을 상대적으로 변화시킴으로써 IB 현상에 의한 플라즈마 셔터(PS)의 발생 시간과 타겟 펄스(TP)의 도착시간을 정밀하게 조정할 수 있다. 이 때, 플라즈마 셔터(PS)의 작동 시간은 펨토초 단위로 제어될 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 조사기간 조정 장치는 초고속 플라즈마 셔터를 이용함으로써 광자의 입력신호에 따라 발생, 유지 및 소멸되는 플라즈마의 광학적 특성을 이용하여 레이저의 조사기간을 피코초 이하의 빠른 반응 속도로 잘라낼 수 있으며, 고에너지의 다양한 단색광 레이저의 조사기간 및 에너지를 정밀하게 능동적으로 제어할 수 있게 된다. 본 발명의 일 실시예의 장치를 이용하는 경우, 발생된 레이저의 에너지 자체를 변환시키지 않으면서 조사기간을 단축시키게 된다.
도 1은 본 발명에 따른 레이저 조사기간 조정 장치의 제 1 실시예의 구성을 도시한 것이다. 도 2 및 도 3은 레이저 펄스의 전반부 또는 후반부를 절단하기 위한, 본 발명에 따른 레이저 조사기간 조정 장치의 제 1 실시예의 구조를 도시한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 조사기간 조정 장치를 통해, 레이저 펄스의 전반부 또는 후반부가 플라즈마에 의해 절단되어 레이저 조사기간의 조정이 수행될 수 있다. 여기에서, 펄스의 전반부 또는 후반부는, 펄스의 피크 중심을 기준으로 구분될 수 있다.
본 발명에 따른 레이저 조사기간 조정 장치의 제 1 실시예는, 레이저를 발생시키는 레이저 발생 장치에 적용되어 레이저를 조정하기 위한 것으로, 도 1 내지 3을 참조하면, 빔 스플리터(100); 광경로변환부(110); 플라즈마형성부(200); 및 집속부(230)를 포함한다.
조사기간이 조정되기 위한 레이저는 별도의 외부장치의 레이저 광원(미도시)으로부터 출사되어 발생될 수 있다. 또는, 본 실시예에 따른 레이저 조사기간 조정 장치가 레이저를 발생시키기 위한 레이저 광원(미도시)을 더 포함하고, 그로부터 발생되어 형성될 수도 있다. 레이저 광원(미도시)으로부터 출력된 레이저는 기 설정된 값의 에너지 및 파장을 가지는 단파장의 나노초 또는 피코초 레이저일 수 있다. 여기서, 기 설정된 값은 레이저의 적용 용도를 고려하여 당업자가 선택하여 설정된 것일 수 있다. 본 실시예에서는, 후술할 플라즈마 셔터(PS)가 넓은 영역의 파장과 에너지 범위에서 작동할 수 있도록 하기 위하여, 적외선-가시광선-자외선 영역에 걸쳐 단색광 레이저를 발생시킬 수 있는 Nd:YAG 레이저(Fundamental @1064nm(IR), 2nd harmonic @532nm (VIS), 3rd harmonic @355nm (VIS-UV), 4th harmonic @266nm (UV))를 이용하여 나노초 레이저 빔을 발생시키는 것으로 설명한다. 발생된 레이저는 후술할 빔 스플리터(100)를 통과하기 전에 광량조절부(미도시)를 통해 광량이 조절될 수 있으며, 이를 통해 레이저의 파워 또는 에너지가 조절될 수 있다. 이 때, 상기 광량조절부에 의한 광량 조절은 연속적으로 수행될 수 있다. 상기 광량조절부는 레이저 광원의 집속 공급 에너지를 연속적으로 조절하는 웨이브 플레이트일 수 있으며, 본 실시예에서는 상기 웨이브 플레이트가 반파장 웨이브 플레이트인 것으로 설명한다. 본 실시예에 따르면, 반파장 웨이브 플레이트와 빔 스플리터로 레이저 특성을 동일하게 유지시키면서, 연속적으로 가변 가능한 집속 에너지를 후술할 플라즈마형성부(200)로 공급할 수 있다.
레이저 광원(미도시)으로부터 발생된 레이저는 후술할 빔 스플리터(100)를 통과하기 전에 인젝션 시딩(injection seeding)을 통해 안정화가 먼저 수행될 수도 있다. 초정밀 가공 또는 계측에 적용되기 위한 고에너지 레이저는 펄스의 시간적 특성이 피코초 이내의 정확도로 제어될 수 있어야 하는데, 다이오드 레이저를 이용하는 인젝션 시딩을 이용하게 되면 고에너지 펄스 레이저의 정확도를 현저하게 향상시킬 수 있다. 인젝션 시딩은 인젝션 시더(injection seeder)를 통해 수행될 수 있다. 인젝션 시더는 다이오드 레이저에서 나오는 출력을 메인 레이저의 공진기에 주입함으로써 레이저의 출력을 안정화시킬 수 있다. 여기에서, 상기 메인 레이저는 타겟 펄스(TP) 및 셔터 펄스(SP)를 발생시키기 위한 레이저를 의미한다. 상기 메인 레이저의 출력을 안정화하기 위하여는 출사되는 레이저 광이 단일 모드에서 증폭되어 나올 수 있도록 하여야 하는데, 공진기에 모드 매칭된 다이오드 레이저를 공진기 내 편광판으로 공급하면 이득 대역폭곱(Gain Bandwidth) 내에 있는 다른 종방향 모드들의 세기를 감쇄시킬 수 있어 단일 모드의 증폭이 가능하다. 이를 통해, Q-switching 후 레이저 발사까지의 시간을 단축시킬 수 있고, 레이저 펄스 에너지의 pulse-to-pulse 편차와 발진 타이밍(Jitter)을 현저하게 저감시킬 수 있으며, 가우시안 형태의 시간 축 상 출력 프로파일을 매끄럽고 예측가능하게 만들 수 있다.
빔 스플리터(100)는 레이저가 지나는 광경로상에 위치되어, 입사되는 레이저의 적어도 일부는 투과시키고 적어도 일부는 반사시켜 레이저를 투과빔과 반사빔으로 분할한다. 레이저 광원으로부터 발생된 레이저는 빔 스플리터(100)를 통과하면서 적어도 두 개로 분할될 수 있다. 이 때 분할되는 레이저는 타겟 펄스(TP) 및 셔터 펄스(SP)로 구분될 수 있다. 빔 스플리터(100)로부터 발생하는 투과빔과 반사빔 중 어느 것이 타겟 펄스(TP)가 되고 어느 것이 셔터 펄스(SP)가 되는지는, 타겟 펄스(TP)가 절단될 부분을 고려하여 레이저 경로를 조절하면서 결정될 수 있다. 예를 들면, 도 2에 도시한 바와 같이 타겟 펄스(TP)의 후반부를 절단함으로써 레이저의 조사기간을 조정하고자 하는 경우에는, 셔터 펄스(SP)의 광경로 길이가 타겟 펄스(TP)의 광경로 길이보다 길 필요가 있으며, 이 때에는 빔 스플리터(100)의 투과빔이 타겟 펄스(TP)가 되고 반사빔이 셔터 펄스(SP)가 될 수 있다. 반대의 예로, 도 3에 도시한 바와 같이 타겟 펄스(TP)의 전반부를 절단함으로써 레이저의 조사기간을 조정하고자 하는 경우에는, 타겟 펄스(TP)의 광경로 길이가 셔터 펄스(SP)의 광경로 길이보다 길 필요가 있으며, 이 때에는 빔 스플리터(100)의 투과빔이 셔터 펄스(SP)가 되고 반사빔이 타겟 펄스(TP)가 될 수 있다. 상기 투과빔과 반사빔의 각도는 특별히 한정되지 않으며, 예를 들면, 직교되도록 분할될 수 있다.
광경로변환부(110)는 빔 스플리터(100)에서 출사되는 반사빔의 광경로를 변환한다. 이를 통하여, 두 레이저 빔의 광경로 길이를 상대적으로 변화시켜 플라즈마 셔터(PS)의 작동을 정밀하게 조정할 수 있다. 또한, 반사빔과 투과빔의 경로가 교차되도록 하여 서로 만나게 되는 지점을 형성할 수 있으며, 이 지점에서 타겟 펄스(TP)가 셔터 펄스(SP)에 의해 변형될 수 있다. 이 때, 서로 만나게 되는 반사빔과 투과빔의 각도는 특별히 한정되지 않으며, 예를 들면, 직교될 수 있다.
광경로변환부(110)는 적어도 하나의 미러(111)를 포함할 수 있다. 상기 미러(111)는 레이저 빔을 반사하여 주는 미러로, 빔 스플리터(100)에서 출력되는 입사 경로에 배치되어 입사받은 레이저 빔을 후술할 플라즈마형성부(200)로 반사시킨다. 상기 미러(111)는 전체적인 장치의 구성과 후에 서로 만나게 되는 타겟 펄스(TP) 및 셔터 펄스(SP)의 입사각을 고려하여 위치될 수 있다. 또한, 복수개가 연계되어 레이저 빔을 반사하도록 위치될 수도 있다. 본 실시예에서는, 레이저 빔이 90°의 입사각을 갖도록 반사시킬 수 있는 두 개의 미러(111)에 의해 광경로변환부(100)에서 반사빔의 광경로가 변환되는 것으로 설명한다. 여기에서, 상기 반사빔은 타겟 펄스(TP) 또는 셔터 펄스(SP)일 수 있다. 빔 스플리터(100)와 광경로변환부(110) 사이의 거리(d)에 의하여 플라즈마 셔터(PS)의 동작시간이 조절될 수 있다.
플라즈마형성부(200)는 광경로변환부(100)에 의해 광경로가 조절된 반사빔이 빔 스플리터(100)에서 출력되는 투과빔과 만나는 일 지점에 위치되며, 플라즈마를 형성할 수 있는 물질(T)을 내부에 포함할 수 있다. IB 형성 전에는 레이저 빔을 그대로 투과시킬 수 있도록, 상기 물질(T)은 투명성을 갖는 것(transparent)이 선택될 수 있다. 또한, IB 현상에 의해 형성되는 고온 플라스마는 나노초 이상의 조사 기간을 갖는 고에너지 레이저에 의해 발생하기 때문에, 순간적으로 수만도 이상(>10,000K)의 고온 고압 상태에 도달하게 되므로, 플라스마의 소멸 뒤에도 상당한 양의 열에너지와 화학반응 부산물들이 존재하게 된다. 뿐만 아니라, 연속적인 레이저 펄스의 집광은 결과적으로 플라즈마형성부(200) 내부의 물질 특성을 점진적으로 변화시키게 되는데, 이는 플라스마 셔터의 정밀한 동작에 있어 예측이 어려운 불확실성을 증가시키는 문제가 있다. 따라서, 플라즈마를 형성시키는 물질은 유동성을 갖는 상태로 존재하여야 하며, 항상 새로운 상태로 공급 및 제거되어야 한다. 전술한 문제를 해결하면서 IB 셔터를 열고 닫는 동작을 지속적으로 수행하기 위하여, 상기 물질(T)은 리프레쉬 가능한 유체가 선택될 수 있다. 또한, 셔터 딜레이를 조절하기 위하여, 광자 이온화(photon ionization)조절이 가능한 유체가 선택될 수 있다. 플라즈마형성부(200) 내부에서 일차 이온화(first ionization)의 수행 어려움에 따라 셔터 동작의 조정 난이도가 달라질 수 있다. 상기 유체는 기체 또는 액체일 수 있으며, 본 실시예에서는 기체 가스인 것으로 설명한다. 상기 플라즈마형성부(200)는 상기 물질(T)의 유입 및 방출을 위한 유체출입구를 포함하도록 형성될 수 있다. 집광 플라즈마를 발생시키는 물질(T)의 특성을 다양하게 제어함으로써, 원하는 형태의 IB 유도 셔터를 동작시킬 수 있다. 플라즈마형성부(200) 내부의 물질(T)에 대하여, 유동을 만들어 내부 온도 및 압력과 같은 조건을 일정하게 유지하여야 하며, 이러한 조정을 위해 상기 물질(T)은 정밀한 조정을 통해 동일한 양, 압력, 온도로 지속적으로 공급되어야 한다.
플라즈마형성부(200)는 내부 압력이 조절될 수 있으며, 레이저 빔의 투과를 위한 광학창을 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 플라즈마형성부(200)는 압력 셀(pressure cell) 또는 포켈스 셀(Pockels cell)일 수 있으며, 상기 압력 셀의 크기, 형상, 레이저 조사량에 따른 유량, 압력과 온도의 제어 방식 및 내부 유체 유동 구조는 당업자에 따라 선택될 수 있다. 본 실시예에서는, 상기 플라즈마형성부(200)는 6면에 광학창이 형성된 광학 압력 셀(optical pressure cell)인 것으로 설명한다. 또한, 상기 광학 압력 셀의 입구와 출구에는 초킹(choking) 가능한 밸브를 장착하고, 필요에 따라, 상기 출구에 진공 펌프를 연결하여 셀 내부 압력을 일정하게 유지할 수 있도록 제어가 수행되는 것으로 설명한다.
플라즈마형성부(200)는 레이저를 공급받아 플라즈마를 형성시키고 IB 광자 흡수 현상을 유도하여 레이저 절단이 수행되도록 한다. 상세하게는, 플라즈마형성부(200)는 광량조절부 및 빔 스플리터로 레이저 특성을 동일하게 유지시키면서 연속적으로 가변 가능한 집속 에너지를 공급받아, 셔터 펄스(SP)로부터 유도되는 플라즈마를 형성하고 타겟 펄스(TP)의 조사기간이 조정되도록 한다. 이 때 광량조절부는 반파장 웨이브 플레이트일 수 있다.
IB 광자 흡수 현상은 광학 압력 셀에서 유도된다. 다시 말하면, 레이저 펄스 에너지의 대부분을 빠르게 흡수하는 IB 현상은 레이저 펄스를 셀에 집중시켜 유발될 수 있다. 셀 내의 유체는 IB 현상이 일어나기 전에는 투과시키는 레이저의 파장에서 투명하다가 IB 가 활성화되면 불투명해지게 되어, 셀을 빠른 광학 셔터로 사용할 수 있다. 이 때 셔터의 동작 시간은 셀의 압력, 물질(T)의 특성 및 레이저 펄스 에너지의 영향을 크게 받는다.
광학 압력 셀에서 셔터의 동작을 정밀하게 제어하기 위하여는 셀 내부 유체의 종류, 셀 내부 압력, 셀 내부 온도 및 광경로의 조절이 중요하다. 이 중에서, 셀 내부 온도는 조절이 힘들고 나타낼 수 있는 효과도 낮으므로, 상대적으로 다른 세 가지 요소가 더 중요하게 고려된다. 이 중 각 레이저 빔별 광경로의 길이 조절은 전술한 광경로변환부(110)를 통해 이루어질 수 있다. 레이저 빔의 입사각과 플라즈마 발생 유체의 특성을 다르게 제어함에 따라 플라즈마 셔터(PS)의 발생과 발달이 정밀하게 제어될 수 있다.
셔터 펄스(SP)가 상기 물질(T)과 반응하여 셔터 펄스(SP)로부터 플라즈마 형성이 유도될 수 있으며, 유도된 플라즈마로 인한 IB가 셔터로 작동하여 타겟 펄스(TP)의 조사기간이 조정될 수 있다. 상세하게는, IB 광자 흡수에 의하여 광학 셔터가 닫히게 되는데, 플라즈마형성부(200) 내부에서 타겟 펄스(TP)가 상기 플라즈마 내에서 전파 유도되는 IB 광자 흡수를 활성화시켜 타겟 펄스(TP)의 절단이 수행될 수 있으며, 이를 통하여, 타겟 펄스(TP)의 조사기간이 조정될 수 있다. 셀 내부에서 유체에 특정한 압력조건을 준 후에, 셔터 펄스(SP)을 셀 내부에 집광하여 플라즈마를 생성하여 IB 현상을 유도할 수 있다. 이 때, IB 현상이 시작되기 전에 셀을 지나는 타겟 펄스(TP)만이 투과되고 IB 현상 발생 후의 타겟 펄스(TP)는 셀을 투과하지 못하게 되므로 절단되게 되며, 이를 이용하여 나노초 레이저인 타겟 펄스(TP)로부터 피초코 레이저 펄스를 형성시킬 수 있다. 이 때 절단되는 타겟 펄스(TP)의 부분은 광경로의 길이 변경에 따라 달라지게 된다. 예를 들면, 셔터 펄스(SP)의 광경로가 타겟 펄스(TP)의 광경로보다 짧아 플라즈마 셔터(PS)가 타겟 펄스(TP) 도착 전에 만들어지면 타겟 펄스(TP)의 전반부의 절단이 수행된다. 타겟 펄스(TP)의 전반부를 절단하기 위하여는 플라즈마의 소멸을 추가적으로 제어할 수 있어야 하므로, 타겟 펄스(TP)의 전반부를 절단하는 것은 후반부를 절단하는 것에 비하여 기술적 난이도가 현저히 높다. 타겟 펄스(TP)의 조사기간은 PAD에 의해 결정되며, IB 셔터시간을 결정하는 PAD는 셀에서의 레이저 펄스 에너지 및 유체 밀도에 따른 상관관계를 가지며, 이는 하기 수학식 1의 함수로 표현될 수 있다.
Figure 112019011120256-pat00001
(상기 수학식 1에서, tPAD는 광자 흡수 지연(photon absorption delay)시간, N은 유체가스 밀도(neutral molecule number density at the focus), N0는 플라즈마 발생전 유체가스 밀도(neutral molecule number density), Isq는 레이저 발생원으로부터 일정 시간(tPAD) 동안의 평균 방사 강도(average radiation intensity during the fixed time period (tPAD) from the beginning of the laser radiation), E는 집속 레이저 펄스 에너지, E0는 상압 플라즈마의 발생 한계 기준 레이저 펄스 에너지이고 k는 유체 종류에 따라 달라지는 플라즈마형성부 내 충돌 이온화 상수를 의미한다.)
상기 수학식을 참조하면, 전송되는 레이저 빔의 조사기간은 PAD 시간에 의해 결정되므로, 상기 조사기간은 셀에서 에너지 및 유체 밀도를 다양하게 제어함으로써 조정될 수 있다. 이 때, 짧게 잘려 조사기간이 단축된 레이저 빔은 날카로운(stiff) 피크 형상을 가지게 되며, 더 높은 전력 밀도를 가지면서 이에 의한 유체 가열은 더 낮게 나타난다. 이를 고려할 때, 상기 압력 셀을 이용하면 발생원으로부터 발생된 레이저 빔의 특성을 그를 사용하고자 하는 목적을 위하여 최적화할 수 있다. 예를 들면, 본 발명의 일 실시예의 장치를 적용하면, 플라즈마 셔터(PS)를 이용하여 나노초 레이저를 더욱 짧은 레이저 펄스로 만들 수 있으며, 이 경우 물질의 급격한 온도 상승을 막을 수 있어 계측 대상 물질의 변질을 최소화하면서 그 특성을 정밀하게 계측할 수 있다. 상세하게는, 종래 나노초 레이저 장치에 적용되어 나노초 레이저를 수백 피코초 단위로 잘라 사용하게 되면, 기체의 온도를 올리거나 화학반응을 일으키지 않은 채 기체의 밀도와 농도를 정확하게 계측할 수 있으며, 이를 통해 가연성 기체의 물성을 안정적으로 측정할 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예의 장치는 광학, 센서, 정밀 가공, 에너지 산업과 같은 다양한 분야에서 활용될 수 있다.
플라즈마를 형성하기 위하여, 셔터 펄스(SP)는 플라즈마형성부(200)로 입사되기 전에 집속부(230)를 통과하면서 집속(focusing)되어야 한다. 이를 위하여, 집속부(230)는 셔터 펄스(SP)의 경로상에 위치되되, 상기 플라즈마형성부(200)내부로 셔터 펄스(SP) 유도 플라즈마를 형성시키록 위치될 수 있다. 상기 집속부(230)는 집속렌즈(focusing lens)일 수 있다. 셔터 펄스(SP)는 플라즈마를 형성한 후 덤프(300)에 의해 흡수될 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 레이저 조사기간 조정 장치의 제 2 실시예의 구성을 도시한 것이다. 본 발명에 따른 레이저 조사기간 조정 장치의 제 2 실시예는, 타겟 펄스(TP)의 전반부 및 후반부를 절단하여 레이저를 조정하기 위한 것으로, 도 4를 참조하면, 빔 스플리터(101, 102); 제 1 광경로변환부(120); 제 2 광경로 변환부(130); 제 1 플라즈마형성부(210); 제 2 플라즈마형성부(220); 제 1 집속부(240); 제 2 집속부(250); 및 포화성 흡수체(saturable absorber)(260)를 포함한다. 이하 본 실시예를 설명함에 있어서, 제 1 실시예와 중복되는 부분은 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.
아울러, 본 실시예를 설명함에 있어서, 빔 스플리터(100)를 통해 광원으로부터 발생된 레이저가 먼저 빔 스플리터(101,102)를 통해 타겟 펄스(TP), 제 1 셔터 펄스(SP1) 및 제 2 셔터 펄스(SP2)로 분할된 후 후처리되는 것으로 설명하나, 순서를 바꾸어, 광원으로부터 발생된 레이저가 먼저 제 1 빔 스플리터(101); 제 1 광경로변환부(120); 제 1 플라즈마형성부(210); 및 제 1 집속부(240)를 거쳐 타겟 펄스(TP)의 전반부의 절단이 수행된 후에, 전반부 절단된 타겟 펄스(TP)를 제 2 빔 스플리터(102); 제 2 광경로변환부(130); 제 2 플라즈마형성부(220); 및 제 2 집속부(250)를 통과하도록 하여 타겟 펄스(TP)의 후반부의 절단이 수행되도록 할 수도 있다.
광원으로부터 사출되는 레이저는 빔 스플리터(101,102)를 통해 타겟 펄스(TP), 제 1 셔터 펄스(SP1) 및 제 2 셔터 펄스(SP2)로 분할될 수 있다. 여기에서, 제 1 셔터 펄스(SP1)는 타겟 펄스(TP)의 전반부의 절단을 위한 플라즈마를 형성하고, 제 2 셔터 펄스(SP2)는 타겟 펄스(TP)의 후반부의 절단을 위한 플라즈마를 형성하기 위한 것을 의미한다.
본 실시예에서 빔 스플리터(101,102)는 레이저 광경로를 따라 복수개 포함될 수 있다. 본 실시예에서는 레이저의 광경로를 따라 이격 위치되는 두 개의 빔 스플리터(101,102)를 포함하며, 빔 스플리터(101,102)에 의하여 레이저가 순차적으로 분할되는 것으로 설명한다. 예를 들어, 첫번째 빔 스플리터(101)를 통과하면서 형성되는 투과빔이 제 1 셔터펄스가 되고, 반사빔은 두번째 빔 스플리터(102)를 통과하게 되며, 두번째 빔 스플리터(102)를 통과하면서 형성되는 투과빔이 타겟 펄스(TP)가 되고, 반사빔이 제 2 셔터펄스가 될 수 있다. 이 때, 빔 스플리터(101,102)들 사이의 거리는 분할되는 각각의 레이저 빔별 광경로의 길이를 고려하여 조절될 수 있다.
분할된 레이저의 광경로는, 플라즈마 셔터(PS)로 인한 절단이 수행되기 전에, 제 1 셔터 펄스(SP1)가 가장 짧고 타겟 펄스(TP)가 그 다음으로 짧고 제 2 셔터 펄스(SP2)가 가장 긴 순서로 길어지도록 형성되며, 이는 빔 스플리터(101,102) 외에도 제 1 광경로변환부(120) 및 제 2 광경로변환부(130)를 통해 조절될 수 있다. 상세하게는, 제 1 광경로변환부(120)를 통해 상기 타겟 펄스(TP)의 광경로를 변환시켜 상기 제 1 셔터 펄스(SP1)의 광경로가 상기 타겟 펄스(TP)의 광경로보다 짧도록 하면서 양자가 교차되며 만나게 되도록 할 수 있고, 제 2 광경로변환부(130)를 통해 상기 제 2 셔터 펄스(SP2)의 광경로를 변환시켜 상기 제 2 셔터 펄스(SP2)의 광경로가 상기 타겟 펄스(TP)의 광경로보다 길도록 하면서 양자가 교차되며 만나게 되도록 할 수 있다. 여기에서, 상기 제 1 셔터 펄스(SP1)와 상기 타겟 펄스(TP)가 만나는 지점에 상기 타겟 펄스의 전반부를 절단할 수 있는 제 1 플라즈마형성부(210)가 형성되고, 상기 제 2 셔터 펄스(SP2)와 상기 타겟 펄스(TP)가 만나는 지점에 상기 타겟 펄스의 후반부를 절단할 수 있는 제 2 플라즈마형성부(220)가 형성된다. 상기 제 1 셔터 펄스(SP1) 및 제 2 셔터 펄스(SP2)는 플라즈마 형성을 위해 집속된 후 플라즈마형성부에 진입될 수 있다. 상기 제 1 셔터 펄스(SP1) 및 제 2 셔터 펄스(SP2)의 집속은 각각 제 1 집속부 및 제 2 집속부에 의해 수행된다. 상기 제 1 플라즈마형성부(210) 및 제 2 플라즈마형성부(220)는 타겟 펄스(TP)의 경로상에 위치되며, 타겟 펄스(TP)를 투과시키는 순서는 제한되지 않는다.
포화성 흡수체(saturable absorber)는 타겟 펄스(TP)의 경로상에 위치되어 사익 타겟 펄스(TP)의 후반부를 절단한다. 이를 통하여, 타겟 펄스(TP)의 조사기간이 추가로 조정될 수 있다. 상기 포화성 흡수체는 플라즈마 셔터에 의해 조사기간이 조정되기 전 또는 후의 타겟 펄스(TP)에 작용할 수 있으며, 순서는 제한되지 않는다.
도 5는 본 발명의 일 실시예의 장치의 효과를 확인하기 위한 광학 셋업 장치의 구성도이다. (A)는 리플렉터 스페어(reflector sphere)에서 대기 플라즈마를 유도하여 산란된 광자 에너지를 측정하기 위한 것이고, (B)는 플라즈마에서 광자 흡수 거동의 밀도 의존성을 조사하기 위해 압력 셀(0.125 bar - 10 bar)에 레이저 펄스를 집속시키기 위한 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예의 장치에 의하여 조사기간이 조정된 단파장 레이저 펄스를 확인하여 나타낸 것이다. 도 6에서, 광원으로부터 발생되는 오리지널 나노초 레이저 펄스는 사각형으로 나타내고, 플라즈마 셔터(PS)에 의해 조사기간이 조정된 레이저 펄스는 원형으로 나타냈다. 이 때 플라즈마 셔터(PS)를 형성하기 위한 압력 셀의 조건은 10bar 압력하에 250mJ 에너지를 갖는 레이저 펄스를 조사하였다. 도 6을 참조하면, 레이저 펄스의 에너지는 변화되지 않으면서 6.01 나노초 단위의 조사기간이 612 피코초 단위로 조정된 것을 확인할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예의 장치에 있어서, tPAD에 미치는 유체 밀도(N) 및 레이저 펄스 에너지(E)의 영향을 확인한 것이다. 투과된 레이저 빔의 조사기간을 결정하는 tPAD는 다양한 압력 및 펄스 에너지로 측정되었다. 도 7에서, N0는 0.33×10-2atm/K이고, E0는 65mJ이다. 도 7을 참조하면, tPAD는 유체 밀도(N) 및 레이저 펄스 에너지(E)가 증가함에 따라 감소되는 것을 확인할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 플라즈마 셔터(PS)를 이용한 레이저 조사기간(pulse width) 조정 방법이 제공될 수 있다. 상기 조정 방법의 일 실시예를 도 8에 도시하였다. 도 8을 참조하면, 본 발명의 레이저 조사기간 조정 방법의 일 실시예는 레이저 광원으로부터 발생되는 레이저를 분할하는 단계(S1); 분할된 레이저별 광경로를 변환시키는 단계(S2); 분할된 일 레이저로부터 플라즈마를 형성하는 단계(S3); 및 상기 플라즈마로 분할된 다른 레이저를 절단하는 단계(S4)를 포함하여 수행된다. 본 실시예를 설명함에 있어서, 전술한 부분과 중복되는 내용은 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.
먼저, 레이저 광원으로부터 발생되는 레이저는 타겟 펄스(TP)와 적어도 하나의 셔터 펄스(SP)로 분할된다(S1). 이는 빔 스플리터를 통해 수행될 수 있다. 레이저 광원으로부터 발생되는 레이저는 인젝션 시딩을 통해 안정화된 후 분할될 수 있다.
다음으로, 타겟 펄스(TP)의 경로와 셔터 펄스(SP)의 경로가 교차되도록, 상기 타겟 펄스(TP) 또는 상기 셔터 펄스(SP)의 광경로를 변환시키는 단계가 수행된다(S2). 본 단계(S2)에서 분할된 레이저 빔별 광경로 길이가 조절되며, 이의 조절은 타겟 펄스(TP)의 절단되는 피크부위를 고려하여 수행될 수 있다.
다음으로, 타겟 펄스(TP)와 셔터 펄스(SP)가 만나는 지점에서, 상기 셔터 펄스(SP)로부터 유도되는 플라즈마를 형성하는 단계가 수행된다(S3). 본 단계(S3) 및 후술할 단계(S4)는 압력이 조절되고, 유체가 유입 및 방출되는 환경에서 수행될 수 있다. 이 때, 유체는 투과성을 갖는 유체가 사용된다.
다음으로, 상기 셔터 펄스(SP)로부터 유도되는 플라즈마로 상기 타겟 펄스(TP)를 절단하는 단계가 수행된다(S4). 본 단계(S4)는 타겟 펄스가 상기 플라즈마 내를 전파하여 유도되는 IB 광자 흡수를 활성화시켜 수행된다. 타겟 펄스(TP)는 IB 광자 흡수를 통해 절단되며, 이를 통하여 타겟 펄스(TP)의 조사기간이 조정된다.
필요에 따라, 타겟 펄스(TP)를 플라즈마로 절단되기 전후로 포화성 흡수체(saturable absorber)를 통과시키는 단계가 더 수행될 수 있다. 이를 통하여, 타겟 펄스(TP)의 조사기간이 조정될 수 있다.
이상, 본 발명에 따른 레이저 조사기간 조정 장치 및 방법의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하였다. 그러나, 본 발명의 실시예가 반드시 상술한 바람직한 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의한 다양한 변형 및 균등한 범위에서의 실시가 가능함은 당연하다고 할 것이다. 그러므로, 본 발명의 진정한 권리범위는 후술하는 청구범위에 의하여 정해진다고 할 것이다.
100, 101, 102, 401 : 빔 스플리터
110 : 광경로변환부
111 : 미러
120 : 제 1 광경로변환부
130 : 제 2 광경로변환부
200 : 플라즈마형성부
210 : 제 1 플라즈마형성부
220 : 제 2 플라즈마형성부
230 : 집속부
240 : 제 1 집속부
250 : 제 2 집속부
260 : 포화성 흡수체
300, 407 : 덤프
402 : 집속렌즈
403 : 리플렉터 스페어
404 : 리플렉터 캡
405 : 조리개
406 : 콜리메이팅 렌즈
408 : 광학 압력 셀
409 : 빔 감쇠기
410 : 다운스트림 포토다이오드

Claims (20)

  1. 레이저 광원으로부터 발생되는 레이저를 타겟 펄스와 셔터 펄스로 분할하는 빔 스플리터;
    상기 타겟 펄스의 경로와 상기 셔터 펄스의 경로가 교차되도록, 상기 타겟 펄스 또는 상기 셔터 펄스의 광경로를 변환시킬 수 있는 광경로변환부;
    내부 압력이 조절될 수 있고, 상기 타겟 펄스와 상기 셔터 펄스가 만나는 지점에 위치되되, 상기 셔터 펄스로부터 유도되는 플라즈마를 형성하여 상기 타겟 펄스의 조사기간을 조정할 수 있는 플라즈마형성부; 및
    상기 셔터 펄스의 경로상에 위치되되, 상기 플라즈마형성부 내에 상기 셔터 펄스로부터 유도되는 플라즈마가 형성되도록 상기 셔터 펄스를 집속시키는 집속부;를 포함하는, 레이저 조사기간 조정 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 플라즈마형성부는, 내부에서 상기 타겟 펄스가 상기 플라즈마 내를 전파하여 유도되는 역제동 방사(inverse-Bremsstrahlung) 광자 흡수를 활성화시켜, 상기 타겟 펄스가 절단되어 조사기간이 조정되는, 레이저 조사기간 조정 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 레이저 광원으로부터 발생되는 레이저는 인젝션 시딩(injection seeding)을 통해 안정화되는, 레이저 조사기간 조정 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 플라즈마형성부는 압력 셀(pressure cell)인, 레이저 조사기간 조정 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 플라즈마형성부 내부로 투명한 유체가 유입 및 방출되는, 레이저 조사기간 조정 장치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 레이저 광원으로부터 발생되는 레이저의 광량을 연속적으로 조절하기 위한 광량조절부를 더 포함하고,
    상기 광량조절부 및 상기 빔 스플리터로 레이저 특성을 동일하게 유지시키면서 연속적으로 가변 가능한 집속 에너지를 상기 플라즈마형성부로 공급하는, 레이저 조사기간 조정 장치.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 타겟 펄스의 경로상에 위치되되, 상기 타겟 펄스가 상기 플라즈마형성부를 통과하기 전 또는 후에 통과되도록 위치되는 포화성 흡수체(saturable absorber)를 더 포함하는, 레이저 조사기간 조정 장치.
  8. 레이저 광원으로부터 발생되는 레이저를 타겟 펄스, 제 1 셔터 펄스 및 제 2 셔터 펄스로 분할하는 적어도 하나의 빔 스플리터;
    상기 제 1 셔터 펄스와 상기 타겟 펄스의 경로가 교차되도록 하되, 상기 제 1 셔터 펄스의 광경로가 상기 타겟 펄스의 광경로보다 짧도록 상기 타겟 펄스의 광경로를 변환시킬 수 있는 제 1 광경로변환부;
    상기 제 2 셔터 펄스와 상기 타겟 펄스의 경로가 교차되도록 하되, 상기 제 2 셔터 펄스의 광경로가 상기 타겟 펄스의 광경로보다 길도록 상기 제 2 셔터 펄스의 광경로를 변환시킬 수 있는 제 2 광경로변환부;
    내부 압력이 조절될 수 있고, 상기 타겟 펄스와 상기 제 1 셔터 펄스가 만나는 지점에 위치되되, 상기 제 1 셔터 펄스로부터 유도되는 플라즈마를 형성하여 상기 타겟 펄스의 전반부를 절단할 수 있는 제 1 플라즈마형성부;
    내부 압력이 조절될 수 있고, 상기 타겟 펄스와 상기 제 2 셔터 펄스가 교차되는 지점에 위치되되, 상기 제 2 셔터 펄스로부터 유도되는 플라즈마를 형성하여 상기 타겟 펄스의 후반부를 절단할 수 있는 제 2 플라즈마형성부;
    상기 제 1 셔터 펄스의 경로상에 위치되되, 상기 제 1 플라즈마형성부 내에 상기 제 1 셔터 펄스로부터 유도되는 플라즈마가 형성되도록 상기 제 1 셔터 펄스를 집속시키는 제 1 집속부; 및
    상기 제 2 셔터 펄스의 경로상에 위치되되, 상기 제 2 플라즈마형성부 내에 상기 제 2 셔터 펄스로부터 유도되는 플라즈마가 형성되도록 상기 제 2 셔터 펄스를 집속시키는 제 2 집속부를 포함하는, 레이저 조사기간 조정 장치.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 제 1 플라즈마형성부 및 상기 제 2 플라즈마형성부는, 내부에서 상기 타겟 펄스가 상기 플라즈마 내를 전파하여 유도되는 역제동 방사(inverse-Bremsstrahlung) 광자 흡수를 활성화시켜, 상기 타겟 펄스가 절단되어 조사기간이 조정되는, 레이저 조사기간 조정 장치.
  10. 청구항 8에 있어서,
    상기 레이저 광원으로부터 발생되는 레이저는 인젝션 시딩(injection seeding)을 통해 안정화되는, 레이저 조사기간 조정 장치.
  11. 청구항 8에 있어서,
    상기 제 1 플라즈마형성부 및 상기 제 2 플라즈마형성부는 압력 셀(pressure cell)인, 레이저 조사기간 조정 장치.
  12. 청구항 8에 있어서,
    상기 제 1 플라즈마형성부 및 상기 제 2 플라즈마형성부 내부로 투명한 유체가 유입 및 방출되는, 레이저 조사기간 조정 장치.
  13. 청구항 8에 있어서,
    상기 레이저 광원으로부터 발생되는 레이저의 광량을 연속적으로 조절하기 위한 광량조절부를 더 포함하는, 레이저 조사기간 조정 장치.
  14. 청구항 8에 있어서,
    상기 타겟 펄스의 경로상에 위치되는 포화성 흡수체(saturable absorber)를 더 포함하는, 레이저 조사기간 조정 장치.
  15. 레이저 광원으로부터 발생되는 레이저를 타겟 펄스와 적어도 하나의 셔터 펄스로 분할하는 제 1단계;
    상기 타겟 펄스의 경로와 상기 셔터 펄스의 경로가 교차되도록, 상기 타겟 펄스 또는 상기 셔터 펄스의 광경로를 변환시키는 제 2단계;
    상기 타겟 펄스와 상기 셔터 펄스가 만나는 지점에서, 상기 셔터 펄스로부터 유도되는 플라즈마를 형성하는 제 3단계; 및
    상기 플라즈마로 상기 타겟 펄스를 절단하고 조사기간을 조정하는 제 4단계를 포함하는, 레이저 조사기간 조정 방법.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 제 4단계는 상기 타겟 펄스가 상기 플라즈마 내를 전파하여 유도되는 역제동 방사(inverse-Bremsstrahlung) 광자 흡수를 활성화시켜 수행되는, 레이저 조사기간 조정 방법.
  17. 청구항 15에 있어서,
    상기 레이저 광원으로부터 발생되는 레이저는 인젝션 시딩(injection seeding)을 통해 안정화되는, 레이저 조사기간 조정 방법.
  18. 청구항 15에 있어서,
    상기 제 3단계 및 상기 제 4단계는, 압력이 조절되는 환경에서 수행되는, 레이저 조사기간 조정 방법.
  19. 청구항 15에 있어서,
    상기 제 3단계 및 상기 제 4단계는, 투명한 유체가 유입 및 방출되는 환경에서 수행되는, 레이저 조사기간 조정 방법.
  20. 청구항 15에 있어서,
    상기 타겟 펄스는 플라즈마로 절단되기 전후로 포화성 흡수체(saturable absorber)를 통과하여 추가적으로 절단되어 조사기간이 조정되는, 레이저 조사기간 조정 방법.
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