KR102192301B1 - 레이저 시스템을 동작하기 위한 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 Q-스위치 모드로 레이저 시스템을 동작시키며, 이에 의해 적어도 2개의 연속적인 레이저 펄스(p_₁)의 트레인을 발생시키는 방법에 대한 것이다. 이 같은 레이저 시스템은 레이저 매체(2) 그리고 전기-광학 변조기(3)를 갖는 레이저 공진기(1)를 갖는다. 상기 전기-광학 변조기(3)는 EOM 결정(9)을 포함하며, 상기 EOM 결정(9)은 음향 공명을 갖는 때, 특징적인 공명 시간(t₀)을 갖는다. 이 같은 EOM 결정(9)은 변조기 전압 펄스 지속시간(t_m₁)을 갖는 변조기 전압 펄스(p_m)에 의해 구동된다. 상기 변조기 전압 펄스 지속시간(t_m₁)은 적어도 특징적인 공명 시간(t₀)에 정수를 곱한 것과 대략 동일하다.

Description

레이저 시스템을 동작하기 위한 방법{Method for operating a Laser System}

본 발명은 청구항 1항의 서문에 따른 Q-스위칭 모드로 레이저 시스템을 동작시키기 위한 방법에 대한 것이다.

다수 응용을 위해 레이저 시스템이 연속된 레이저 펄스의 트레인을 발생시킬 필요가 있다. 레이저 시스템은 레이저 매체, 가령 레이저 결정을 포함하며, 이는 플래시 램프에서 펌프 되어 그와 같은 레이저 펄스를 발생시키도록 한다. 일반적인 자유 실행 동작 모드에서, 레이저 펄스는 다소의 시간 지연과 함께 플래시 램프 펄스를 뒤따르며, 이에 의해서 그 형태와 주파수에 있어서 어느 정도 그와 같은 플래시 램프 펄스를 거의 닮는다. 그러나, 상기 자유 실행 동작 모드(free running operation mode)는 높은 피크 파워 그리고 매우 짧은 펄스 지속시간으로 제한 따른다.

높은 피크 파워 및/또는 짧은 펄스 지속시간을 달성하기 위해, 상기 레이저 시스템은 전기-광학 변조기(EOM), 예를 들면 퀄리티 스위치(Q-스위치) 모드에서 레이저 공진기가 동작할 수 있도록 하는 포켈스 셀(Pockels cell)을 포함한다. 편광자 그리고 선택적으로 4파장 플레이트와 조합하여, 동작의 일반적인 자유 실행 모드(free running mode)와 비교하여 높은 크기의 피크 파워를 갖는 짧고 높은 파워 레이저 펄스 발생을 가능하게 하기 위한 광학적 스위치로서 작용한다.

전기-광학 변조기(electro-optical modulator)(EOM)는 전형적으로 포켈스 셀을 포함한다. 포켈스 셀의 가본 요소는 광학 결정(본원 명세서에서는 EOM 결정이라 한다)이며, 이는 전장이 가해지는 때 복굴절을 나타낸다. 이는 공진기 내 레이저 빔의 편광에 영향을 미치며 잘 정의된 전압 펄스를 가함에 의해 광학적 스위치가 클로즈 상태에서 오픈 상태로 구동될 수 있다. 클로즈 상태에서 오픈 상태로의 전환은 빠르게 만들어지며, 에너지가 레이저 매체에서 누적되고, 이는 결국 Q-스위치 레이저 펄스의 강한 축적(intense build-up)을 일으킨다.

그러나 EOM 결정에서 변조기 전압 펄스의 적용은 상기 결정의 광학적 특성을 변경시킬 뿐 아니라, 압전 영향으로 인해 결정이 그 기계적 특성을 변경시키도록 한다. 전압이 신속하게 적용되는 때 (스텝 기능에서) 상기 EOM 결정은 발진하기 시작하며, 그 길이 방향 치수를 변경시킨다. 이 같은 현상은 보통 음향 공명(acoustic ringing)이라 하며 특징적인 공명 시간 또는 공명 주기를 갖는 고정 값으로 광학적 스위치 특징의 발진을 일으킨다. 이는 특징적인 댐핑 시간이 지남에 따라 사라진다. 이 같은 특징적인 댐핑 시간은 대개 특징적인 공명 시간과 비교하여 더 길다

상기 공명 주기 동안, 광학적 스위치(ROM)의 스위칭 특성은 안정적이지 않으며 레이저 공동 손실에 대한 어떠한 적절한 제어도 가능하지 않다. 상기 공명 효과가 아직 존재하는 때 제2 Q-스위치 펄스가 발생 된다면, 이는 제2 펄스 안정도에 크게 영향을 미친다. 또한, 제2 펄스의 펌핑 순서 동안 사전-지속 액션이 상기 Q-스위치의 진동 동작 때문에 발생 될 수 있다. 따라서 반복률, 즉 상기 특징적인 댐핑 시간보다 짧은 변조기 펄스 주기가 바람직한 때, 이 같은 효과가 Q-스위치 레이저의 동작을 제한한다.

다소 두드러진 압전 영향을 갖는 EOM에서 상이한 결정((KD*P, BBO, 니오브산 리튬(Lithium niobate)...)이 사용될 수 있다. 일반적으로, 보다 두드러진 복굴절 효과가 보다 현저한 압전 효과와 관련이 있다. 결과적으로 Q-스위치 레이저 펄스의 달성할 수 있는 반복률은 상기 압전 효과 및 결과의 음향 공명에 의해 크게 제한된다.

음향 공명을 억제하고 따라서 Q-스위칭의 반복률 제한을 연장하는 방법이 종래에 활발하게 연구되어 왔다. 미국 특허 4,221,463호는 제2 EO 결정과 편광기 조합에 의해 공명 진동을 필터링 할 것을 제안한다. 적절한 전압이 레이저 공동으로부터의 공명을 필터링하기 위해 레이저 펄스의 후연에서 제2 결정으로 적용된다. 미국 특허 5,221,988호에 따르면, 한 쌍의 유전체 판들이 상기 EO 결정의 반대 측에 부착된다. 이 같은 판들은 상기 공명 발진을 기게적으로 댐핑하는 알루미늄 블록과 접촉한다. 상기 공명 진동 효과를 기계적으로 줄이는 또 다른 방법이 미국 특허 7,324,266에서 설명된다.

본 발명은 적어도 두 연속 레이저 펄스 트레인을 발생시키는 때 레이저 시스템의 Q-스위치 모드 동작에서 EOM 결정의 공명 진동을 피하도록 하는 목적을 갖는다.

이 같은 목적은 청구항 1항의 특징을 갖는 방법에 의해 해결된다.

본 발명에 따라, Q-스위치 모드로 레이저 시스템을 동작시켜서, 이에 의해 적어도 두 연속 레이저 펄스 트레인을 발생시키기 위한 방법이 제공된다. 상기 레이저 시스템은 레이저 매체 그리고 전기-광학 변조기가 있는 레이저 공진기를 갖는다. 상기 전기-광학 변조기는 EOM 결정을 포함한다. 상기 EOM 결정은 음향 공명을 받는 때 특징적인 공명 시간 그리고 특징적인 댐핑 시간을 갖는다. 상기 EOM 결정은 변조기 전압 펄스 지속시간을 갖는 변조기 전압 펄스에 의해 구동된다. 상기 변조기 전압 펄스 지속시간은 상기 특징적인 공명 시간에 정수(integer factor)를 곱한 값과 적어도 대략 동일하다.

본 발명 방법에 의해 EOM의 공명이 단지 특정 타이밍 시퀀스의 변조기 전압 펄스를 적용함에 의해 크게 억압된다. 상기 스위칭 또는 변조기 전압 펄스 지속시간은 포켈스 셀 공명 주기 또는 그 정수 배와 동일하여야 한다. 이는 "온" 그리고 "오프" 시간이 하나 또는 둘 이상의 특징적인 공명 시간(들)과 다르다면, 초기 (포지티브) 펄스 경사도에 의해 발생된 음향 파가 최종 (네가티브) 펄스 경사도에 의해 발생된 음향 파에 의해 소멸될 수 있다는 것에 의해 설명될 수 있다.

바람직하게, 상기 변조기 전압 펄스들은 적어도 구형이다(square shaped). 이 같은 경우, "온" 그리고 "오프" 기울기 모두와 함께, 두드러진 공명 여기(ringing excitation) 각각이 동일한 절대값이지만 반대 부호를 갖는 크기로 발생 된다. 이는 연속된 음향 공명 파의 적어도 거의 완전한 소멸을 허용한다. 바람직하게, 상기 구동 변조기 펄스 지속시간을 얻기 위하여 특징적인 공명 시간을 곱하기 위한 정수는 1이다. 이에 의해, 공명 소멸의 효율이 최대가 되며, 이는 최종 펄스 경사도에 의해 반대로 여기 된(inversely excited) 상기 공명파가 한 번에 상기 초기 펄스 기울기에 의해 여기 된 공명파를 만나기 때문이며, 여기서 많은 댐핑이 발생 되지 않기 때문이다. 두 여기된 파가 적어도 부호가 반대이며 거의 같은 절대값을 갖는 크기를 가지며 서로 만난다. 이는 다시 연속된 음향 공명 파들이 적어도 거의 완전하게 소멸할 수 있도록 한다.

바람직한 선택적 실시 예에서, 상기 구동 변조기 펄스 지속시간을 얻기 위해 특징적인 공명 시간을 곱하기 위한 정수는 1 보다 크다. 단일 변조기 전압 펄스의 초기 기울기는 시작시간에 초기 진폭으로 그리고 제한 시간에 댐핑된 제한 진폭으로 EOM 결정의 공명을 여기(excite)시키며, 상기 제한 진폭은 상기 초기 진폭 절대값의 적어도 대략 80%이다. 상기 정수는 단일 변조기 전압 펄스 ≤ 상기 제한 시간 이도록 제한된다. 비록 이 같은 경우에 최종 펄스 기울기에 의해 반대로 여기된 상기 공명 파가 따로따로 초기 펄스 기울기에 의해 여기된 공명 파를 만나기는 하지만, 그리고 어느 정도 댐핑이 이미 발생하였지만, 두 여기된 파들은 절대값이 크게 다르지 않은, 즉 ≤20%의 차이를 갖는, 반대 진폭으로 서로 만난다. 두 만나는 진폭의 이 같은 제한된 차이는 아직 충분히 높은 소멸을 제공할 정도로 충분히 낮은 것이다. 또한, 상기 구동 변조기 펄스 지속시간은 1의 정수로 설명된 한 특정 값으로 제한되지 않으며, 수행될 실제 작업의 필요에 따라 더욱 긴 지속시간으로 변경될 수 있다.

바람직하게, 그와 같은 레이저 펄스는 주파수가 배가된다. 이는 과거 공명이 가장 문제가 되었던 경우, 그리고 본 발명 방법이 가장 큰 이익을 달성하는 경우이다.

본 발명 방법의 한 실시 예가 첨부 도면을 참조하여 하기에서 더욱 상세히 설명된다.

도 1은 Q-스위치를 수행하기 위해 전기-광학 변조기를 가지며 이에 의해 적어도 2 연속 레이저 펄스의 트레인을 발생시키는 레이저 공동에 대한 개략적인 도면.
도 2는 카운터 처리 없이 전기-광학 변조기의 공명을 도시한 도면.
도 3은 종래 기술에 따라 연속된 두 EOM 변조기 전압 펄스 그리고 뒤이은 레이저 출력 펄스를 표시한 도면이며, 뒤이은 레이저 출력 펄스는 억압되지 않은 EOM 공명에 의해 방해받음을 도시한 도면.
도 4는 본 발명의 EOM 변조기 전압 펄스 타이밍에 의해 발생 된 음향 공명 파의 소멸을 도시한 도면.
도 5는 확인된 두 레이저 출력 펄스가 EOM 공명에 의해 방해되지 않는 본 발명에 따른 연속된 두 EOM 변조기 전압 펄스 그리고 두 레이저 출력 펄스를 도시한 도면.
도 6은 본 발명에 따른 연속된 다수의 EOM 변조기 전압 펄스 그리고 다수의 순수 Q-스위치 레이저 출력 펄스를 도시한 도면.
도 7은 특징적인 공명 시간 정수 배에 근접한 효율 피크를 갖는 주파수 배가 노말 변환 효율을 도시한 도면.

도 1은 Q 스위치(Q-switched) 모드로 적어도 두 개 또는 그 이상의 연속 레이저 펄스 (p₁)(도 5, 6) 트레인을 발생시키도록 적용되어, 본 발명 방법에 따라 동작 되는 레이저 시스템의 레이저 공진기(1)를 개략적으로 설명하는 도면이다.

상기 레이저 공동은 서로 마주보는 미러(5, 6) 사이에 배치된 레이저 매체(2)를 포함한다. 도시된 바람직한 실시 예에서, 상기 레이저 매체(2)는 고체 상태 레이저결정으로서, 1.064 nm의 파장을 발생시키는 Nd:YAG 결정이다. 그러나, 상기 레이저 매체(2)는 Q-스위치 모드에서 동작하는데 적합한 가스 또는 액체 매체를 포함하는 다른 어떠한 종류일 수 있다. 상기 레이저 매체에 인접하여서 여기 소스(4)가 배치된다. 도시된 바람직한 실시 예에서 상기 여기 소스(4)는 플래시 램프 전압 U_f가 적용되는 때 여기 광선 펄스를 발생시키는 플래시 램프이다. 그러나, 상기 여기 소스(4)는 레이저 다이오드이거나 다른 적절한 수단일 수 있기도 하다.

상기 레이저 매체(2)가 상기 여기 소스(4)의 여기 광선 임펄스를 받는 때, 잘 알려진 기술에 따라, 광학적 레이저 에너지가 두 미러(5, 6) 사이의 레이저 매체(2)에서 발생되며, 이는 출력 측 미러(5)를 시작 레이저 빔(11)으로서 통과하고 표적으로 안내된다(도시되지 않음). 자유 실행 모드에서 광학적 레이저 에너지의 발생은 상기 여기 광선 임펄스가 지속 되는 한 지속 된다.

짧고 높은 에너지 레이저 펄스 p_₁(도 5, 6)를 발생시키기 위해, 상기 레이저 공진기(1)가 전기-광학 변조기(3)를 더욱 포함하며, 이는 레이저 매체(2)와 두 미러(5, 6) 중 한 미러 사이에 배치된 Q-스위치로 작용한다. 그러나, 상기 전기-광학 변조기(3)는 레이저 공진기(1) 내 다른 곳에 배치될 수 있기도 하다. 도시된 바람직한 실시 예에서, 상기 전기-광학 변조기(3)는 편광기(7), 선택적 λ/4 파장판(8) 그리고 포켈스 셀을 포함하며, 상기 포켈스 셀은 편광기(7)와 선택적 λ/4 파장판(8) 사이에 배치된다. 상기 포켈스 셀은 복굴절 EOM 결정(9)으로 구성되며, EOM 전압(U_EOM)이 적용된다. 그러나, EOM 결정(9)을 갖는 다른 적절한 타입의 전기-광학 변조기(3)가 사용될 수 있기도 하다. 상기 가해진 EOM 전압(U_EOM)에 의해 상기 전기-광학적 변조기(3)가 오픈, 전달 상태와 클로즈, 비 전달 상태 사이에서 스위치될 수 있다. 도 3, 5, 6, 및 7에 도시된 실시 예에서, "온 Q-스위칭" 방법이 사용되며, 상기 Q-스위치는 어떠한 EOM 전압(UEOM)도 상기 전기-광학 변조기(3)로 적용되지 않는 때 클로즈 된다. 그러나, 반대 전압 공급으로 "오프 Q-스위칭" 방법이 선택적으로 사용될 수 있기도 하다.

상기 전기-광학 변조기(3)의 클로즈 샹태에서, 발생된 광학 레이저 에너지는 출력 측 미러(5)를 통과하지 않도록 되며, 상기 여기 소스(4)로부터 광선 여기 동안 점차 증가하는 에너지 레벨로 누적된다. 상기 전기-광학 변조기(3)가 클로즈 상태에서 오픈 상태로 스위치 되는 때, 상기 누적된 광학적 레이저 에너지는 레이저 공진기(1)를 통과하며 짧고 높은 에너지 레이저 펄스(p_₁)로서 출현한다(도 5, 6). 상기 초기 레이저 빔(11)은 이와 같은 펄스(p_₁) 트레인으로 구성된다.

출력 측 미러(5)의 외부 측에서, 도 1의 바람빅한 실시 예에서와 같이 선택적 주파수 배가기(10)가 배치될 수 있기도 하다. 상기 주파수 배가기(10)는 비-선형 결정(KTP, BBO ..과 같은)으로 구성되며, 초기 주파수를 갖는 통과 초기 레이저 빔(11)이 상기 초기 주파수와 비교하여 배가된(2배) 주파수(double frequency)를 갖는 상기 펄스 트레인(p₁)으로 구성된 주파수가 배가된 레이저 빔(12)으로 변환된다.

압전 효과로 인하여, 상기 클로즈 상태와 오픈 상태 사이의 전기-광학 변조기(3)의 스위칭은 EOM 결정(9)이 진동하는 원인이 되며, 그 길이 방향 치수를 변경시킨다. 이 같은 현상은 음향 공명이라 불리며, 개략적이고 비 실험적 그래프로서 시간에 대한 전기-광학 변조기(3) 전달을 도시함에 의해 도 2의 도면에 도시된다. 상기 EOM 결정(9)의 음향 공명은 결국 특징적인 공진 시간(t0), 즉 두 연속 진동 피크 사이의 시간을 갖는 고정 값에서 전체 전기-광학 변조기(3)의 광학적 전달 특성의 진동을 발생시키며, 이는 특징적인 댐핑 시간(t_d)이 지나면 사라진다. 상기 특징적인 댐핑 시간(t_d)은 보통 상기 특징적인 공명 시간(t₀)와 비교하여 훨씬 길다.

도 3과 도 5 각각은 도 1에 따른 레이저 시스템에 의해 발생된 두 EOM 변조기 전압 펄스(pm) 그리고 결과의 Q-스위치 출력 레이저 펄스(p₁)에 대한 실험적 시퀀스를 도시한 도면이다. 상기 전기-광학 변조기(3)의 EOM 결정의 공명 특징이 11.6 ㎲의 특징적이 공명 시간(t₀)을 갖는 것으로 결정되었다.

두 연속 Q-스위치 시퀀스가 발생된다. Q-스위치 시퀀스 각각에서, 상기 레이저 매체(2)가 180㎲의 긴 플래시 램프 펄스(p_f)로 여기시키기 위해 펌프 된다. 상기 레이저 매체(2)의 여기가 있은 후 곧, 구형 변조기 전압 펄스(p_m)가 전기-광학 변조기(3)로 적용되며 상기 저장된 광학 레이저 에너지가, 적어도 제1 Q-스위치 시퀀스에서, 한 레이저 펄스(p_₁)로 릴리이스된다. 도 3과 도 5의 경우 모두에서, 상기 두 연속 Q-스위치 시퀀스가 약 300㎲의 변조기 펄스 주기(t_mp)로 트리거 된다.

이제 도 1과 조합하여 도 3을 참조하면, 상기 펄스 시퀀스가 종래 기술에 따라 도시되며, 특징적인 공명 시간(t₀)에 관련하여 변조기 전압 펄스(p_m)의 특정 타이밍에 대한 어떠한 관여도 적용되지 않은 때이다. 15.9㎲의 변조기 전압 펄스 지속시간이 적용되며, 이는 11.6 ㎲ 특징적인 공명 시간(t₀)과는 다른 것이며 그와 같은 시간의 정수 배도 아니다. 상기 구동 변조기 전압 펄스(p_m)는 공명을 시작하며, 공진기 손실이 Q-스위치 "클로즈" 상태에서 진동하도록 하는 원인이 되며, 이는 제2 연속 펌핑 간격 동안 이미 레이저 액션을 개시시킨다. 상기 EOM 결정(9)으로 제2 구동 변조기 전압 펄스(p_m)을 적용하기 전에, 제2 펌핑 간격의 저장된 광학적 레이저 에너지가 원치 않은 기생 레이저 펄스(p_₁) 트레인으로 방출된다. 상기 기생 펄스(p_₁')의 주기는 특징적인 공명 시간(t₀)과 같으며, 이는 평균 11.6 ㎲이다. 도 3의 상기 원하지 않은 레이저 에너지의 방출은 도 5에서 도시된 바와 같이 그렇지 않았더라면 제2 Q-스위치 펄스에서 릴리이스될 수 있었을 에너지를 크게 줄인다.

도 4는 본 발명의 EOM 변조기 전압 펄스 타이밍에 의해 발생된 음향 공진 파의 소멸을 도시한 도면이다. 시간에 대하여 EOM 전압(U_EOM)을 적용한 과정이 EOM 결정(9)의 음향 파 진폭(a_w) 코스(course)와 상호작용으로 도시된다. 다수 변조기 전압 펄스(p_m) 중 한 펄스가 초기 기울기를 갖도록 도시되고, 최종 기울기가 도시되며, 이들 사이에서 변조기 전압 펄스 지속시간(t_m₁)이 도시된다. 상기 변조기 전압 펄스(p_m), 즉 시간에 대한 이들 EOM 전압(U_EOM)의 코스가 적어도 구형(square shaped)인 것이 바람직하다. 다시 말해서, 초기와 최종 기울기가 시간에 대하여 도시되는 때 적어도 개략적으로 수직인 것이 바람직하다. 본 발명의 방법에 따라, 변조기 전압 펄스 지속시간(t_m₁)을 갖는 변조기 전압 펄스(p_m)가 적용되며, 이는 적어도 특징적인 공명 시간(t₀)에 정수가 곱해진 값과 대략 동일하다.

본 발명에 따른 상기 정수는 1로 선택되며, 그 결과 전압 펄스 지속시간(t_m₁)은 특징적인 공명 시간(t₀)과 적어도 대략 동일하다. 그러나, 도 7과 관련하여 설명되는 바와 같이, 2, 3, 4, 등등과 같은 다른 적절한 정수가 선택될 수 있기도 하다. "대략 동일"이라 함은 본 발명의 명세서에서 상기 전압 펄스 지속시간(t_m₁)이 특징적인 공명 시간(t₀) 그리고 선택된 정수의 수학적인 곱셈이 특징적인 공명 시간(t₀)d에 대한 단지 ±25%, 바람직하게는 ±25%, 더욱 바람직하게는 ±5의 허용오차를 가짐을 의미하는 것이다.

상기 도시된 변조기 전압 펄스(p_m)의 초기 기울기 또는 램프는 상기 음향 파 진폭(a_w)을 갖는 전기-광학 변조기(3)의 a.m. 공진 진동을 발생시키며, 도 4에서 실선으로 도시된 바와 같이, 여기서는 포지티브인 일정 방향으로 시작한다. 변조기 전압 펼스(p_m)의 최종 기울기 또는 램프는 또 다른 공진 진동을 발생시키며, 본원에서는 최종 기울기가 초기 기울기와 비교하여 반대 부호를 갖기 때문에 반대의 네가티브 방향으로 시작한다. 이는 도 4에서 점선으로 도시된다. 본 발명의 변조기 전압 펄스 지속시간(t_m₁)으로 인해, 두 공진 여기(ringing excitations)가 상기 특징적인 공진 시간(t₀) 의 1 또는 2 이상의 정수 배로 떨어져 있다. a.m. 반대 시작 방향과 조합하여, 이는 상기 포지티브 펄스 기울기에 의해 발생된 음향 파가 적어도 대략 소멸되며, 상기 "온" 그리고 "오프" 시간이 한 특징적인 공명 시간(t₀)(또는 그 정수 배)이 떨어져 있다면 네가티브 펄스 기울기에 의해 발생된 음향 파에 의해 각각 소멸되는 효과를 가져 온다.

상기 이미 설명한 바와 같이, 구동 변조기 펄스 지속시간(t_m₁)을 얻기 위해 특징적인 공명 시간(t₀)을 곱셈하기 위한 정수는 > 1 일 수 있다. 그러나, 본 발명에 따르면, 최대 바람직한 정수는 일정 범위로 제한되어야 한다. 도 2, 4와 조합하여, 단일 변조기 전압 펄스(p_m)의 초기 기울기가 시작 시간(t₁)에 초기 진폭(도 2에서 정상적인 전달 진폭 = 1.0)을 갖는 진폭(a_w)에서 EOM 결정(9)의 공명을 여기시키며, 이는 뒤이어 제한 시간(t_0.8) 이후 제한 진폭으로 댐핑된다. 상기 제한 진폭은 상기 초기 진폭 절대값 80%(도 2에서 정상적인 전달 진폭 = 0.8)에 가능한 한 근접한, 적어도 대략 80%인 절대값을 갖는다. 상기 정수는 단일 변조기 전압 펄스(p_m)의 변조기 전압 펄스 지속시간(t_m₁)이 제한 시간(t_0.8)이도록 제한되는 것이 바람직하다. 도 4와 관련하여, 이는 상기 변조기 전압 펄스(p_m)의 초기 기울기 또는 램프에 의해 발생되는, 제1 실선 음향 파 진폭(a_w)이, 변조기 전압 펄스(p_m)의 최종 기울기 또는 램프에 의해 발생되는 점선 공명 진동의 제1 반대 음향 파 진폭(a_w)과 만나기 전에는, 단지 20% 만 댐프되고 초기 절대값의 80% 이상은 남아 있음을 의미한다. 이 같은 제1 반대 음향 파 진폭(a_w)은 여전히 100%인데, 이는 어떠한 댐핑도 아직 발생되지 않았기 때문이다. 비록 100% 반대파로 80%(또는 그 이상) 파의 간섭이 100% 소멸을 제공하지는 않지만, 상기 달성된 소멸 효과는 도 7과 관련하여 하기 설명되는 바와 같이, 바람직한 정상 변환 효율을 위해 충분히 높은 것이다.

도 5는 도 3의 도면을 도시한 것이지만, 본 발명에 따른 상이한 그리고 본 발명에 따른 변조기 전압 펄스 지속시간(t_m₁)을 적용하는 것에 대한 것이다. 상기 변조기 전압 펄스 지속시간(t_m₁)의 폭이 특징적인 공명 시간(t₀)(또는 그 정수 배)에 접근하는 때, 도 3의 원하지 않은 기생 스파이크(parasitic spikes)가 더욱더 억압된다. 그 결과 과도한 제2의 뒤이은 레이저 펄스(p_₁)가 형성된다. 따라서 저장된 에너지가 효율적으로 제2 Q-스위치 레이저 펄스(p_₁)에서 릴리이스 된다. 기행 스파이크의 완전한 억압의 경우가 도 5에서 도시된다. 전압 펄스 지속시간(t_m₁)이 특징적인 공명 시간(t₀)(또는 그 정수 배)에 충분히 근접하는 때, 본원에서는 가령 11.6 ㎲ 인 때, 결정(crystal)에서 기생 스파이크의 완전한 억압이 달성된다.

도 4와 5와 관련하여 설명된 본 발명의 경우가 연속된 셋 이상의 연속 Q-스위치 레이저 펄스(p_₁)에 대하여 더욱 일반화된다. 만약 변조기 전압 펄스 지속시간(t_m₁)이 특징적인 공명 시간(t₀)의 정수 배와 같다면, 그러면 도 6에서 도시된 바와 같이, 압전 공명의 댐핑 시간 훨씬 이하에서도 어떠한 원하지 않은 기생 레이저 액션 없이 "순수한" Q-스위치 레이저 펄스(p_₁)의 시퀀스가 얻어진다.

도 7은 특징적인 공명 시간(t₀)의 정수 배에 근접한 효율적인 피크를 갖는 주파수 더블 레이저 펄스(p₁)의 정상 변환 효율을 제공하는 도면이다. 도 1에서 도시된 바와 같이, Q-스위치 출력 레이저 펄스(p_₁)가 비-선형 결정(KTP, BBO..등과 같은)에 의해 주파수 더블되는 때 공명 억압이 특히 중요하다. 상기 더블 처리(doubling process)에서 변환 효율은 입사 펄스 피크 파워의 제곱에 비례하며, 따라서 Q-스위치 레이저 펄스(p_₁)의 에너지를 줄이는, 불필요한 기생 방출이 변환 효율을 크게 줄인다. 본 발명의 바람직한 실시 예에서, Nd:YAG 1.064 nm의 주파수 더블이 수행되며, 532nm의 레이저 파장을 얻는다. 도 6에서 도시된 레이저 펄스의 트레인은 KTP 결정을 통과하였다. 1.064 nm 광선의 에너지는 일정하게 유지되었으며, 상기 포켈스 셀에서 변조기 전압 펄스 지속시간(t_m₁)이 변경되고 그 진폭은 도 7에서 도시된 바와 같이 일정하였다. 상기 정상 변환 효율은 변조기 전압 펄스 지속시간(t_m₁)에서 피크를 가지며, 이는 상기 특징적인 공명 시간(t₀)의 정수 배와 같다. 도면에서는 1, 2, 및 3의 정수가 도시되며, 변조기 전압 펄스 지속시간(t_m₁)은 11.6 ㎲ (정수 계수 = 1), 23.2 ㎲ (정수 계수 = 2), 그리고 34.8 ㎲ (정수 계수 = 3)에 해당한다. 상기 기생 진동이 상기 피크들 사이에서 두드러진 때, 상기 정상 변환 효율은 대략 50%가 떨어진다. 반면에, 본 발명 방법에 의해 발생된 상기 피크에서, 구동 변조기 펄스 지속시간(t_m₁)을 얻기 위해 상기 특징적인 공명 시간(t₀)에 곱하기 위한 상기 선택된 정수 계수가 상기 a.m. 한계 내에 있는 한, 100%에 충분히 근접한다.

Claims (5)

1. Q-스위칭된 모드로 레이저 시스템을 동작시키기 위한 방법으로서, 상기 레이저 시스템은 레이저 매체(2) 및 전기-광학 변조기(3)를 갖는 레이저 공진기(1)를 포함하고, 상기 전기-광학 변조기(3)는 EOM 결정(EOM crystal)(9)을 포함하며, 상기 EOM 결정(9)은 음향 공명(acoustic ringing)될 때 특성 공명 시간(characteristic ringing time)(t₀)을 가지며, 상기 방법은
   변조기 전압 펄스 지속시간(t_ml)을 갖는 변조기 전압 펄스(p_m)에 의해 EOM 결정(9)을 구동시키는 단계 ,
   적어도 두 개의 연속하는 레이저 펄스(p_l)의 트레인을 생성하는 단계, 및
   변조기 전압 펄스 지속시간(t_ml)을, 특성 공명 시간(t₀)의 단지 ±25%의 허용 오차 내에서, EOM 결정(9)의 특성 공명 시간(t₀)과 정수 계수의 수학적 곱과 동일하도록 선택하는 단계
   를 포함하는, 레이저 시스템을 동작시키기 위한 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 변조기 전압 펄스(p_m)는 사각형임을 특징으로 하는 레이저 시스템을 동작시키기 위한 방법.
3. 제1항에 있어서, EOM 결정(9)의 특성 공명 시간(t₀)에 곱해지기 위한 상기 정수 계수를 1로 선택하는 것을 특징으로 하는 레이저 시스템을 동작시키기 위한 방법.
4. 제1항에 있어서, 단일 변조기 전압 펄스(p_m)의 초기 기울기가 진폭(a_w)에서의 EOM 결정(9)의 공명을 여기시키며, 시작 시간(t₁)에서의 초기 진폭과 제한 시간(t_0.8)에서의 꺾인 제한 진폭을 가지며, 상기 방법은
   제한 진폭이 초기 진폭의 절댓값의 적어도 80%인 절댓값을 갖도록 제한 시간(t_0.8)을 선택하는 단계,
   EOM 결정(9)의 특성 공명 시간(t₀)에 곱하기 위한 정수 계수를 >1이도록 선택하고, 단일 변조기 전압 펄스(p_m)의 변조기 전압 펄스 지속시간(t_ml)이 제한 시간(t_0.8) 이하이도록 정수 계수를 제한하는 단계
   를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 시스템을 동작시키기 위한 방법.
5. 제1항에 있어서, 레이저 펄스(p_l)는 주파수가 2배가 되는 것을 특징으로 하는 레이저 시스템을 동작시키기 위한 방법.

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