KR102194171B1

KR102194171B1 - 레이저 적용예를 위한 결정 장착부

Info

Publication number: KR102194171B1
Application number: KR1020177008413A
Authority: KR
Inventors: 다니엘 스완벡; 마크 바이어; 마누엘 마르티네즈
Original assignee: 아이피지 포토닉스 코포레이션
Priority date: 2014-09-19
Filing date: 2015-09-17
Publication date: 2020-12-22
Also published as: US20160087394A1; EP3195431B1; JP6669732B2; WO2016044644A1; EP3195431A1; KR20170063636A; US9362716B2; US20160282702A1; EP3195431A4; US9841654B2; CN107077042B; CN107077042A; JP2017528770A

Abstract

광학적 결정이 결정을 수용하도록 구성된 장착 블록에 장착될 수 있다. 장착 블록 상의 기저부 부분은 모서리를 형성하는 2개의 벽 및 결정을 고정하기 위한 단일 편향 스프링 클립을 이용한다. 스프링 클립은 2개의 벽에 실질적으로 수직인 2개의 상이한 방향들로 힘을 인가한다. 스프링 클립은 양 방향으로 거의 동일한 힘을 인가하는 대칭적인 기하형태를 기초로 한다. 스프링은 또한, 점 부하 또는 응력 상승부의 존재를 감소시키는 방식으로 결정과 접촉하는 둥근 굽힘 영역을 특징으로 한다. 결정을 따른 접촉 길이가 최대화되어, 적절한 힘 분산을 허용하고, 정적인 유지 능력을 위해서 충분한 표면이 접촉된다.

Description

레이저 적용예를 위한 결정 장착부{CRYSTAL MOUNT FOR LASER APPLICATION}

우선권 주장

본원은 2014년 9월 19일자로 출원되고, 그 전체 내용이 본원에서 참조로 포함되며, 공통 양도된 미국 정규 특허출원 제14/491,909호의 우선권 이익 향유를 주장한다.

본 개시 내용의 양태는 일반적으로 비선형 광학적 시스템에 관한 것이고 보다 구체적으로 비선형 광학적 결정의 장착에 관한 것이다.

광학적 시스템은 일반적으로 렌즈, 프리즘, 거울, 및 다른 광학적 구성요소의 정밀하고 엄격한(rigid) 정렬을 일반적으로 필요로 한다. 적절한 정렬은 레이저 시스템에서 특히 중요하고, 그러한 레이저 시스템에서는 광학적 구성요소의 오정렬이 성능을 저하시킬 수 있다. 추가로, 결정을 포함하는 주파수 배가(doubling) 및 다른 비선형 프로세스는, 엄격한 빔 성능 요건을 충족시키기 위한 최적의 변환 효율을 달성하기 위해서 결정이 정밀하게 정렬될 것을 종종 요구한다.

그에 따라, 안정적인 정렬은 결정이 공진기 내에 존재하거나 존재하지 않을 수 있는, 공동내 및 공동외 모두의(both intracavity and extracavity), 비선형 결정 공진기 구성에 있어서 특히 중요하다.

레이저 시스템이 진동을 받을 때, 정렬 문제가 상당히 심화된다. 온도 사이클링이 또한 문제를 제시하는데, 이는 광학적 구성요소가 온도 변화에 따라서 상이한 비율로 팽창 및 수축될 수 있기 때문이다. 정렬 문제를 최소화하기 위해서, 광학적 구성요소를 고정하기 위한 특별한 광학적 장착이 빈번하게 이용된다.

파장-변환된 레이저 시스템에서, 레이저 복사선은 비선형 광학적 결정과 같은, 일부 비선형 매체 내에서 비선형 광학적 프로세스를 겪는다. 비선형 광학적 프로세스는 레이저 복사선의 일부 부분을 상이한 파장으로 변환시킨다. 비선형 결정의 위상 합치는 전형적으로 (1) 결정질 축 상에서의 정밀한 절단, (2) 결정의 정밀한 장착, (3) 결정의 온도 제어에 의해서 조정된다. 결정은 전형적으로 특별하게-설계된 오븐에 장착되고, 결정의 온도는 오븐의 온도를 조정하는 것에 의해서 조정된다. 파장-변환된 레이저 시스템의 예가, 본원에서 참조로 포함되는, 미국 특허 8,422,119에서 개시되어 있다. 비선형 결정의 예는, 비제한적으로, 리튬 니오브산염(LiNbO₃), 리튬 삼붕산염(LBO), 베타-바륨 붕산염(BBO), 세슘 리튬 붕산염(CLBO), 리튬 탄탈라이트, 화학량론적 리튬 탄탈라이트(SLT), 칼륨 티타닐 인산염(KTP로도 공지된, KTiOPO₄), 암모늄 이수소 비산염(ADA), 암모늄 이수소 인산염(ADP), 세슘 삼붕산염(CsB₃O₅ 또는 CBO), 중수소화 암모늄 이수소 비산염(DADA), 중수소화 암모늄 이수소 인산염(DADP), 중수소화 아르기닌 인산염(DLAP), 루비듐 디-듀테륨 인산염(RbD₂PO₄ 또는 DRDP), 칼륨 알루미늄 붕산염(KABO), 칼륨 이수소 비산염(KDA), 칼륨 이수소 인산염(KDP), 중수소화 칼륨 이수소 인산염(KD₂PO₄ 또는 DKDP), Li₂B₄O₇(LB₄), 또는 리튬 포름산염 모노하이드레이트(LFM) 및 그 동형체, 주기적으로 분극된 리튬 니오브산염(PPLN), 주기적으로 분극된 리튬 탄탈라이트 및 주기적으로 분극된 화학양론적 리튬 탄탈라이트(PPSLT)와 같은 주기적으로 분극된 재료를 포함한다.

리튬 삼붕산염(LiB₃O₅ 또는 LBO)은 관심의 대상이면서 유용한 비선형 광학적 결정의 예이다. LBO는 많은 양태에서, 특히 그 넓은 투명 범위, 중간 정도로 높은 비선형 결합, 큰 손상 문턱값 그리고 양호한 화학적 및 기계적 성질에서 특유하다. LBO 결정은 또한 유형 I 또는 유형 II 상호작용을 이용하는 것에 의해서 Nd:YAG 및 Nd:YLF 레이저의 제2 고조파 발생(SHG) 및 제3 고조파 발생(THG)에 대해서 위상-합치될 수 있다. 상온에서의 SHG에 있어서, 유형 I 위상-합치는 도달이 가능하고 그리고 551 nm 내지 약 3000 nm 범위의 넓은 파장 범위에서 주요 XY 및 XZ 평면 내에서 최대의 효과적인 SHG 계수를 갖는다. LBO의 전송 범위는 0.21 ㎛ 내지 2.3 ㎛이다. LBO는 1.0 내지 1.3 ㎛, 유형 I SHG를 위한 온도-제어 가능한 비-임계적 위상 합치(NCPM)를 허용하고, 0.8 내지 1.1 ㎛에서의 유형 II SHG를 위한 상온 비-임계적 위상 합치(NCPM)를 또한 제공한다. LBO는 또한 바람직한 비선형 광학적 재료인데, 이는 합리적인 각도 용인 대역폭(reasonable angular acceptance bandwidth)을 가지고 있어, 공급원 레이저를 위한 빔 품질 요건을 감소시키기 때문이다.

70% 초과의 SHG 변환 효율이 펄스형 Nd:YAG 레이저에 대해서 LBO로 관찰되었고, 30% 변환 효율이 연속 파동(cw) Nd:YAG 레이저에 대해서 LBO로 관찰되었다. 펄스 Nd:YAG 레이저에 대한 60% 초과의 THG 변환 효율이 LBO로 관찰되었다. LBO는 또한 넓게 조율 가능한 파장 범위 및 높은 출력 파워를 가지는 광학적 매개변수적 발진기(OPO) 또는 광학적 매개변수적 증폭기(OPA)를 위한 우수한 비선형 광학적(NLO) 결정이다. 그에 따라, LBO는 많은 적용분야를 위한 바람직한 비선형 광학적 결정이다.

그러나, LBO는 작업이 어려운 재료이다. LBO는 흡습성을 가지며 고가이다. 광학적 시스템에서, LBO 결정은 청정하고, 안정적이어야 하며, 예를 들어 완벽하게 정지적일 필요가 있다. 전형적으로, 임계적 위상 합치를 위해서 결정의 온도가 0.1 ℃ 내에서 제어되어야 한다. 비임계적 위상 합치는 상당히 더 느슨한 온도 공차를 갖는다. 또한, 결정의 장착이 중요한데, 이는 LBO의 비일반적인 이방성 열팽창 때문이다. 특히, LBO는 그 x, y 및 z 결정 축 각각에 대해서 10.8×10^-5/K, -8.8×10^-5/K, 및 3.4×10^-5/K의 열팽창 계수를 갖는다. 광학적 고려사항은 결정의 절단 즉, 위상 합치를 결정한다. 예를 들어, LBO를 위한 제2 고조파 발생(SHG) 절단은 제3 고조파 발생(THG) 절단보다 실시하기가 용이하다. 유사하게, SHG를 위한 장착 시스템은 THG 보다 용이하다.

LBO의 성질은 오븐 내에 장착하는 것을 특히 어렵게 한다. 과거에, 레이저 시스템은, SHG 또는 THG를 위해서 LBO 결정을 오븐에 고정하기 위해 접착 또는 조임 메커니즘(예를 들어, 스프링 부하)을 이용하였다. 다른 시스템은 금 플래시(gold flash) 및 납땜을 이용하여 LBO 결정을 장착하였다. 이방성 열팽창으로 인한 결정의 손상을 방지하기 위해서, 접착제의 작은 점을 이용하여 LBO(5-mm 내지 15-mm 길이) 결정을 오븐에 장착할 수 있다. 이어서, 변형을 줄이기 위해서, 접착제를 거의 상온에서 경화시킨다. 그러나, 접착제의 하나의 점은, 결정의 칩발생(chipping) 또는 균열을 방지하면서, LBO 결정을 확실하게 그리고 안정적으로 유지하기에 충분하지 않다. 다른 문제는, 열적으로 이방적인 LBO가 열적으로 등방적인 금속에 일반적으로 접착된다는 것이다. LBO와 금속 사이의 열팽창 계수(CTE)의 불합치는 열팽창의 차이를 초래하고, 이는 종종 LBO 결정을 파괴한다. 또한, 접착제 또는 땜납과 같은 접착물질을 포함하는 방법 및/또는 기계적 조임은, 결정 칩발생 및 균열, 또는 기계적 불안정성과 같은 상당한 단점을 갖는다.

레이저 기반의 결정을 유지하기 위한 많은 기존의 설계가 존재한다. 레이저 기반의 시스템을 위한 결정 유지 장치의 예가, 전체 내용이 본원에서 참조로 포함되는, 미국 특허 제8,305,680호에서 개시되어 있다. 그러나, 비제한적으로: 청정성, 복잡성, 조립/사이클 시간, 및 재-작업성을 포함하는, 그러한 조립체의 모든 이상적인 요건을, 어떠한 특별한 설계도 성공적으로 충족시키지 못한다.

현재의 설계와 관련된 하나의 문제는, 특히 부착 접착제가 존재하는 경우에, 청정도이다. 다양한 이유로, 일부 설계는 기계적 유지 접근방식(도 3a 참조) 보다는 접착제를 이용하여 결정을 제 위치에서 고정한다. 문제점은, 미광(stray light) 또는 산란 광에 노출될 때 그러한 접착물질이 가스를 방출하거나 저하될 수 있다는 것이다. 이러한 탈가스/저하는 레이저 광학장치를 오염시켜, 시스템 수명을 저하시킬 수 있다. 접착물질을 제거하는 것이 탈가스 가능성을 감소시키는 것으로 일반적으로 인식된다. 그에 따라, 비록 접착물질이 결정 고정에 있어서 양호한 역할을 하지만, 전체적인 레이저 수명에 있어서 이는 이상적이지 못하다.

복잡성은, 성공적인 결정 외장(enclosure) 설계를 형성하는 또 다른 카테고리이다. 복잡한 설계는 비용, BOM 제어, 및 포장 크기에서 불리하다. 작은 결정 외장 엔지니어링(engineering)에도 불구하고, 여러 가지 부분이 상당한 재료 및 관리 비용을 차지한다. 일반적으로, 적은 수의 부품을 포함하는 조립체가 비용이 낮다. 도 2c는, 산업적으로 용인 가능한 결정 외장(16개의 부품)으로 간주되는 것의 고유의 복잡성을 보여준다. 마지막으로, 이러한 외장의 작은 크기로 인해서, 더 많은 부품을 가지는 설계는, 훈련된 기술자가 취급하기 매우 어려운 많은 작은 부품들을 가지는 경향이 있다.

결정 외장과 연관된 가장 중요한 분야 중 하나는 조립/사이클 시간이다. 조립 시간은 기술자가 조립체를 구축하는데 필요한 실제의 시간량이다. 사이클 시간은 조립 시간에, 조립체가 생산에 투입될 준비가 될 때까지 경과되는 모든 부가적인 시간을 더한 것이다. 예를 들어, 접착식 설계(도 3a에 도시됨)의 하나의 단점은 사이클 시간이다. 실제 조립 시간이 30분 미만이지만, 조립체를 이용할 수 있을 때까지 접착제가 경화되기를 기다리는 것을 포함하여 적어도 18 시간의 사이클 시간이 소요된다. 역으로, (예를 들어, 도 2a 내지 도 2c에서 도시된 바와 같은) 복잡한 조립은 매우 긴 조립 시간(30 내지 60분)을 필요로 한다. 비록 (접착제 설계와 같은) 부가적인 사이클 시간이 포함되지만, 필요한 조립 시간의 양은 상당하다. 마지막으로, 조립 및 사이클 시간이 길어지면 민감한 광학적 결정에 손상을 가할 위험이 높아진다.

성공적인 설계가 직면하는 다른 문제점은 재-작업을 할 수 있는 능력이다. 접착제 설계의 하나의 주요 단점은, 일단 조립되면 재-작업될 수 없다는 것이다. 이는, 수리가 요구되는 경우에, 결정뿐만 아니라 알루미늄 기저부 단편이 복원될 수 없다는 것을 의미한다. 산업적으로 용인되는 표준(예를 들어, 도 2a 내지 도 2c)과 같은 복잡한 설계에 있어서, 레이저 헤드 내의 그러한 조립체를 재-작업하는데에는 위험이 따른다. 이러한 작은 부품을 떨어뜨리기 매우 쉽고, 그에 따라 단순한 결정 교체를 위해서 레이저로부터 전체 조립체를 제거할 필요가 있다. 이는 이상적인 외장 설계가 대안적으로 사용되는 경우에 회피할 수 있는, 상당한 양의 시간 및 노력을 부가하는 지루한 프로세스이다.

이러한 맥락에서, 본 발명의 실시예가 얻어졌다.

도 1은 파장 변환된 레이저 시스템의 개략도이다.
도 2a는 기계적 유지 접근방식을 이용하는 결정의 장착을 도시하는, 산업적으로 용인된 표준 결정 외장의 3-차원도이다.
도 2b는 투명하게 제조된 중첩 부품들을 가지는 도 2a의 결정 장착부의 도면이다.
도 2c는 도 2a의 결정 장착부의 분해도이다.
도 3a는 접착물질 유지 접근방식을 이용하는 결정의 장착을 도시하는, 산업적으로 용인된 표준 결정 외장의 3-차원도이다.
도 3b는 도 3a의 결정 장착부의 분해도이다.
도 4a 및 도 4b는 본 개시 내용의 양태에 따른 결정 장착 장치를 도시한다.
도 5a는 본 개시 내용의 양태에 따른 대안적인 스프링 클립의 상면도를 도시한다.
도 5b는 도 4a 및 도 4b의 결정 장착 장치에서 이용되는 스프링 클립의 3-차원도를 도시한다.
도 6은 본 개시 내용의 양태에 따른 탄성적 스프링 클립의 측면도이다.
도 7은 탄성적 스프링 클립의 반대 측면도이다.

비록 이하의 구체적인 설명이 설명의 목적을 위한 많은 구체적인 상세 내용을 포함하지만, 당업자는 이하의 상세 내용에 대한 많은 변경 및 수정이 본 발명의 범위 내에서 이루어질 수 있다는 것을 이해할 것이다. 따라서, 이하에서 설명되는 본 발명의 예시적인 실시예는 청구된 본 발명에 대한 어떠한 일반성도 잃지 않고 그리고 청구된 본 발명에 제한을 부과하지 않으면서 기술된다.

용어 설명:

본원에서 사용된 바와 같이, 이하의 용어는 이하의 의미를 갖는다:

빔 분할기는 광의 빔을 둘 이상의 부분으로 분할할 수 있는 광학적 장치를 지칭한다.

공동 또는 광학적으로 공진적인 공동은, 광이 따라서 왕복하거나 순환할 수 있는 둘 이상의 반사 표면에 의해서 형성되는 광학적 경로를 지칭한다. 광학적 경로와 교차하는 물체는 공동 내에 있는 것으로 설명된다.

연속적인 파동(CW) 레이저는 펄스형 레이저에서와 같은, 짧은 분출이 아니라 연속적으로 복사선을 방출하는 레이저를 지칭한다.

다이오드 레이저는 간섭성 광 출력을 생성하기 위해서 자극형 방출을 이용하도록 설계된 발광 다이오드를 지칭한다. 다이오드 레이저는 레이저 다이오드 또는 반도체 레이저라고도 한다.

다이오드-펌핑된 레이저는 다이오드 레이저에 의해서 펌핑된 이득 매체를 가지는 레이저를 지칭한다.

이득은 증폭기를 통해서 하나의 지점으로부터 다른 지점으로 전달되는 신호의 세기, 파워, 또는 펄스 에너지의 증가를 지칭한다. "미포화 이득"이라는 용어는, 증폭기 내에서 반전 수준(inversion level)을 상당히 변화시키지 않는, 증폭기를 통과하는 작은 신호의 증가를 지칭한다. 본원에서 사용된 바와 같이, 이득 및 미포화 이득은 상호 교환 가능하게 이용될 것이다.

이득 매체는 레이저에 대해서 이하에서 설명되는 바와 같이 광학적 이득을 생성할 수 있는 재료를 지칭한다.

가넷(garnet)은, 예를 들어, 이트륨 알루미늄 가넷(YAG), 가돌리늄 갈륨 가넷(GGG), 가돌리늄 스칸듐 갈륨 가넷(GSGG), 이트륨 스칸듐 갈륨 가넷(YSGG) 및 유사물을 포함하는, 산화물 결정의 특별한 분류를 지칭한다.

적외선 복사선은 약 700 나노미터(nm) 내지 약 100,000 nm의 진공 파장을 특징으로 하는 전자기 복사선을 지칭한다.

레이저는 복사선의 자극형 방출에 의한 광 증폭의 두문자어이다. 레이저는, 레이저성(lasable) 재료를 포함하는 공동이다. 이는 임의 재료 - 결정, 유리, 액체, 반도체, 염료 또는 기체 - 이며, 그 원자는, 예를 들어, 광 또는 전기 방전에 의한 펌핑에 의해서 준안정 상태로 여기될 수 있다. 재료가 바닥 상태(ground state)로 다시 떨어질 때, 광은 재료에 의해서 준안정 상태로부터 방출된다. 광 방출은 통과 광자의 존재에 의해서 자극되고, 이는 방출 광자가 자극 광자와 동일한 위상 및 방향을 가지게 한다. (자극된 복사선으로서 본원에서 지칭되는) 광은 공동 내에서 발진되고, 일부가 공동으로부터 방출되어 출력 빔을 형성한다.

측방향: 본원에서 사용된 바와 같이, "측방향" 또는 "횡방향"이라는 용어는, 본원에서 개시된, 스프링 클립의 편향 인장화 영역(biasing tensioning region) 및 둥근 굽힘 영역이 상부에서 이동되는 축에 대해서 수직인 축을 설명한다. 측방향은 광학적 결정이 장착되는 방향 및 광이 광학적 결정을 통해서 이동되는 방향에 수직이다.

광: 본원에서 사용된 바와 같이, "광"이라는 용어는, 약 1 나노미터(10^-9 미터) 내지 약 100 미크론의 진공 파장의 범위에 대략적으로 상응하는, 적외선으로부터 자외선을 통한 주파수 범위 내의 전자기 복사선을 일반적으로 지칭한다.

길이방향: 본원에서 사용된 바와 같이, "길이방향"이라는 용어는, 본원에서 개시된, 스프링 클립의 편향 인장화 영역 및 둥근 굽힘 영역이 상부에서 이동되는 축을 설명하며; 길이방향은 측방향/횡단방향에 수직이다. 길이방향은 광학적 결정이 장착되는 방향 및 광이 광학적 결정을 통해서 이동되는 방향에 평행하다.

비선형 효과는 레이저에 의해서 생성되는 것과 같은, 광의 거의 단색의, 방향성 빔만으로 전형적으로 관찰될 수 있는 광학적 현상의 분류를 지칭한다. 더 높은 고조파 생성(예를 들어, 제2-, 제3-, 및 제4- 고조파 생성), 광학적 매개변수적 발진, 합계-주파수 생성, 차이-주파수 생성(difference-frequency generation), 광학적 매개변수적 증폭, 및 자극된 라만 효과가 비선형 효과의 예이다.

비선형 광학적 파장 변환 프로세스는 비-선형 광학적 프로세스이고, 그러한 비-선형 광학적 프로세스에 의해서, 비선형 매체를 통과하는 주어진 진공 파장(λ0)의 입력 광이, 입력 광과 상이한 진공 파장을 가지는 출력 광을 생성하는 방식으로, 매체 및/또는 매체를 통과하는 광과 상호 작용한다. 비선형 파장 변환은 비선형 주파수 변환과 같은데, 이는 2개의 값이 광의 진공 속력에 의해서 관련되기 때문이다. 양 용어들이 상호 교환 가능하게 사용될 수 있다. 비선형 광학적 파장 변환은:

더 높은 고조파 발생(HHG), 예를 들어 제2 고조파 발생(SHG), 제3 고조파 발생(THG), 제4 고조파 발생(FHG), 등을 포함하고, 주파수(Nf0)를 가지는 출력 광 광자를 생성하는 방식으로 입력 광의 둘 이상의 광자가 상호 작용하고, N은 상호 작용하는 광자의 수이다. 예를 들어, SHG에서, N=2이다.

주파수 발생(SFG)을 합계하고, 주파수(f1+f2)를 가지는 출력 광 광자를 생성하는 방식으로, 주파수(f1)의 입력 광 광자가 주파수(f2)의 다른 입력 광 광자와 상호 작용한다.

차이 주파수 발생(DFG), 주파수(f1-f2)를 가지는 출력 광 광자를 생성하는 방식으로, 주파수(f1)의 입력 광 광자가 주파수(f2)의 다른 입력 광 광자와 상호 작용한다.

비선형 결정의 예는, 비제한적으로, 리튬 니오브산염(LiNbO₃), 리튬 삼붕산염(LBO), 베타-바륨 붕산염(BBO), 세슘 리튬 붕산염(CLBO), 리튬 탄탈라이트, 화학량론적 리튬 탄탈라이트(SLT), 칼륨 티타닐 인산염(KTP로도 공지된, KTiOPO₄), 암모늄 이수소 비산염(ADA), 암모늄 이수소 인산염(ADP), 세슘 삼붕산염(CsB₃O₅ 또는 CBO), 중수소화 암모늄 이수소 비산염(DADA), 중수소화 암모늄 이수소 인산염(DADP), 중수소화 아르기닌 인산염(DLAP), 루비듐 디-듀테륨 인산염(RbD₂PO_-4 또는 DRDP), 칼륨 알루미늄 붕산염(KABO), 칼륨 이수소 비산염(KDA), 칼륨 이수소 인산염(KDP), 중수소화 칼륨 이수소 인산염(KD₂PO₄ 또는 DKDP), Li₂B₄O₇(LB₄), 또는 리튬 포름산염 모노하이드레이트(LFM) 및 그 동형체, 주기적으로 분극된 리튬 니오브산염(PPLN), 주기적으로 분극된 리튬 탄탈라이트 및 주기적으로 분극된 화학양론적 리튬 탄탈라이트(PPSLT), 등과 같은 주기적으로 분극된 재료를 포함한다. 섬유 내에서 미세구조물을 제조하는 것에 의해서 광섬유가 또한 광학적 복사선에 대한 비선형 응답을 가지도록 유도될 수 있다.

광학적 증폭기는 입력 광학적 신호의 파워를 증폭하는 장치를 지칭한다. 광학적 증폭기는 복사선을 펌핑하는 것에 의해서 구동되는 이득 매체를 이용한다는 점에서 레이저와 유사하다. 증폭기는 일반적으로 피드백(즉, 공동)이 부족하고, 그에 따라 증폭기가 이득을 가지나 발진되지는 않는다. 본원에서 사용된 바와 같이, 광학적 파워 증폭기는 일반적으로, 증폭된 빔을 표적 또는 파장 변환기로 전달하기 전의, 마지막 광학적 증폭기를 지칭한다. 복사선의 공급원과 파워 증폭기 사이의 증폭기 스테이지는 일반적으로 예비증폭기로서 본원에서 지칭된다.

위상-합치는 파동들 사이의 에너지의 간섭성 전달이 가능한 거리를 증대시키기 위해서 다중파동 비선형 광학적 프로세스에서 이용되는 기술을 지칭한다. 예를 들어, k₁ + k₂ = k₃일 때, 3개-파장 프로세스가 위상-합치되는 것이라 할 수 있으며, 여기에서 k_i 는 프로세스에 참여하는 i번째 파동의 파동 벡터이다. 예를 들어, 주파수 배가에서, 예를 들어 기본적 및 제2 고조파 위상 속도들이 합치될 때, 프로세스가 가장 효과적이다. 전형적으로, 위상-합치 조건은, 광학적 파장, 편광화 상태, 및 비선형 재료 내의 전파 방향의 신중한 선택에 의해서 달성된다.

펄스 에너지는 펄스 내의 에너지의 양을 지칭한다. 펄스 에너지는 펄스 기간에 걸쳐 순간적인 펄스 파워를 적분하는 것에 의해서 계산될 수 있다.

펄스 기간(T)은 둘 이상의 펄스의 트레인(train) 내의 연속적인 펄스들의 균등한 지점들 사이의 시간을 지칭한다.

펄스 반복 주파수(PRF)는 단위 시간 당 펄스의 반복율을 지칭한다. PRF는 기간(T)과 반비례로 관련되고, 예를 들어 PRF=1/T이다.

Q는, (2π) x (공진기 내에 저장된 평균 에너지)/(사이클 당 소산된 에너지)로서 정의되는, 공진기(공동)의 성능 지수(figure of merit)를 지칭한다. 광학적 공진기의 표면의 반사도가 높고 흡수 손실이 낮을수록, Q가 높고 희망 모드로부터의 에너지 손실이 적다.

Q-스위치는 광학적 공진기의 Q를 급격히 변화시키기 위해서 이용되는 장치를 지칭한다.

Q-스위칭된 레이저는, 큰 반전 수준(광학적 이득 및 에너지 저장)이 레이저 매체(lasing medium) 내에서 성취될 때까지 레이저 작용을 방지하기 위해서 레이저 공동 내에서 Q-스위치를 이용하는 레이저를 지칭한다. 예를 들어, 음향-광학적 또는 전기-광학적 변조기 또는 포화 가능한 흡수기로, 스위치가 공동의 Q를 급격히 증가시킬 때, 큰 펄스가 생성된다.

준-CW는 연속적으로 보이도록 충분히 높은 반복률로 펄스의 연속체를 생성하는 것을 지칭한다.

준 위상-합치된(QPM) 재료: 준-위상-합치된 재료에서, 기본적 및 더 높은 고조파 복사선은 재료의 비선형 계수의 부호(sign)를 주기적으로 변화시키는 것에 의해서, 위상-합치된다. 부호 변화의 주기(kQPM)는 위상 합치 방정식에 부가적인 항을 추가하고, 그에 따라 kQPM + k1 + k2 = k3가 된다. QPM 재료에서, 기본적 및 더 높은 고조파가 동일한 편광화를 가질 수 있고, 종종 효율을 개선한다. 준-위상-합치 재료의 예는 주기적으로 분극된 리튬 탄탈레이트(PPLT), 주기적으로 분극된 리튬 니오브산납(PPLN), 주기적으로 분극된 화학량론적 리튬 탄탈레이트(PPSLT), 주기적으로 분극된 칼륨 티타닐 인산염(PPKTP) 또는 주기적으로 분극된 미세구조화된 유리 섬유를 포함한다.

자외선(UV) 복사선은 가시적 영역의 진공 파장 보다 짧으나, 연질 X-레이(soft X-ray)의 진공 파장 보다는 긴 것을 특징으로 하는 전자기 복사선을 지칭한다. 자외선 복사선은 이하의 파장 범위로 세분될 수 있다: 약 380 nm 내지 약 200 nm의 근(near) UV; 약 200 nm 내지 약 10 nm의 원 또는 진공 UV(FUV 또는 VUV); 및 약 1 nm 내지 약 31 nm의 극자외선(EUV 또는 XUV).

진공 파장: 전자기 복사선의 파장은 일반적으로 파동이 이동되는 매체의 함수이다. 진공 파장은 복사선이 진공을 통해서 전파되는 경우에 가질 수 있고 진공 내의 광의 속도를 주파수로 나눈 것에 의해서 주어지는, 주어진 주파수의 파장 전자기 복사선이다.

허리: 가우스 광학장치에서 일반적인 것과 같이, 빔의 허리(w)는 그 가장 작은 지점에서의; 즉, 포커스에서의 해당 빔의 반경을 지칭한다. 빔의 반경은 빔의 중심과, 세기가 중심에서의 값의 1/e2로 떨어지는 지점 사이의 거리로서 정의된다. 빔이 라운드(round)가 아닐 때, 일반적으로, 빔을 타원형 가우스(Gaussian)에 대입하고(fitting) 장축 및 단축을 따라서 1/e2 거리를 구하는 것에 의해서 얻어진, 2개의 허리, 또는 허리 반경(w_x 및 w_y)을 말할 수 있다. 특정 방향을 따른 (말하자면, x-축을 따른) 빔의 직경, 또는 폭은 허리의 값의 2배이다: 직경 = 2w.

본 서류에서, 특허 서류에서 일반적인 바와 같이, 부정관사("a" 및 "an")는 하나 이상을 포함하는 것으로 사용되었다. 이러한 서류에서, "또는"이라는 용어는 비배타적으로 "또는"을 지칭하기 위해서 사용되었고, 그에 따라, 달리 표시된 바가 없는 한, "A 또는 B"는 "A 그러나 B는 아닌", "B 그러나 A는 아닌", 그리고 "A 및 B"를 포함한다. 그에 따라, 이하의 구체적인 설명은 제한적인 의미를 가지지 않으며, 본 발명의 범위는 첨부된 청구항에 의해서 규정된다.

소개

본 개시 내용의 양태에 관한 맥락을 설명하기 위해서, 도 1은 파장-변환된 레이저 시스템(10)의 예를 도시한다. 구체적으로, 시스템(10)은 일반적으로 시드 공급원(12), 하나 이상의 광학적 증폭기(14, 16), 및 파장 변환기(100)를 포함한다. 시드 공급원(12)은 시드 복사선(11)을 생성하고, 시드 복사선은 광학적 증폭기(14, 16)에 의해서 증폭되어, 파장 변환기를 위한 입력 복사선(101)의 역할을 하는 증폭된 출력을 생성한다. 파장 변환기(100)는 증폭된 출력의 적어도 일부를 파장 변환하여 파장 변환된 출력(111)을 생성한다. 입력(101)의 부분(101')은 또한 파장 변환기(100)로부터 나올 수 있다.

광학적 증폭기는 하나 이상의 증폭기 유닛(14, 16)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 선택적인 예비-증폭기(14)는 시드 공급원(12)과 파워 증폭기(16) 사이에 직렬로 광학적으로 결합될 수 있다. 예비-증폭기(14)가 시드 복사선(11)을 증폭할 수 있고, 그에 의해서, 입력 빔(101)을 형성하는 증폭된 출력을 생성하기 위해서 파워 증폭기(16)에 의해서 증폭되는 중간 신호(15)를 생성한다. 증폭기(14, 16)는 출력 섬유(18)에 광학적으로 결합된다. 입력 빔(101)은 섬유(18)의 단부 면으로부터 나온다.

예로서, 증폭기(14, 16) 중 하나 이상이, 펌핑 공급원(13, 17)에 결합된 광섬유를 포함하는 섬유 증폭기일 수 있다. 광섬유는 일반적으로 크래딩 및 도핑된 코어를 포함할 수 있다. 섬유의 코어는 예를 들어, 약 6 미크론의 직경일 수 있다. 섬유는 편광화 유지 또는 단일 편광화 섬유일 수 있다. 증폭기(16) 중 하나의 일부가 출력 섬유(18)를 형성할 수 있다. 증폭하고자 하는 입력 복사선(예를 들어, 시드 복사선(11) 또는 중간 복사선(15))이 코어에 결합된다. 펌핑 공급원(13, 17)(예를 들어, 다이오드 레이저)으로부터의 펌핑 복사선이 또한 코어에 전형적으로 결합되나, 대안적으로, 크래딩에 결합될 수 있다. 도펀트 원자, 예를 들어 이테르븀(Yb), 에르븀(Er), 네오디뮴(Nd), 홀뮴(Ho), 사마륨(Sm) 및 툴륨(Tm) 또는 이들 중 둘 이상의 조합과 같은 희토류 원소가, 섬유의 코어 내에서, 펌핑 복사선으로부터의 에너지를 흡수한다. 흡수된 에너지는 섬유의 코어 내에서 입력 복사선의 에너지를 증폭한다. 입력 복사선은 도펀트 원자로부터의 복사선의 방출을 자극한다. 자극된 복사선은 입력 복사선과 동일한 주파수 및 위상을 갖는다. 결과적으로, 입력 복사선과 동일한 주파수 및 위상을 가지나 광학적 세기가 더 큰 증폭된 출력이 얻어진다.

제어기(20)가 시드 공급원(12) 및/또는 펌프 공급원(13, 17)에 동작적으로 결합될 수 있다. 제어기(20)는, 시드 복사선(11) 또는 펌프 공급원(13, 17)에 의해서 제공되는 펌프 복사선의 파워를 제어하도록 구성된 하드웨어 또는 소프트웨어 로직을 구현할 수 있다. 시드 공급원으로부터의 시드 복사선(11) 및/또는 펌프 공급원(13, 17)으로부터의 펌프 복사선의 파워를 제어하는 것에 의해서, 제어기(20)는 파장 변환기(100)로 제공되는 입력 빔(101)의 광학적 파워를 제어한다.

파장 변환기(100)는 제1 및 제2 비선형 광학적 결정(102, 104), 릴레이 렌즈(110, 112), 및 렌즈(114)를 포함할 수 있다. 특히, 제1 비선형 결정(102)은 결정과 입력 복사선(101) 사이의 비선형 상호작용으로부터 SHG 출력(103)을 생성하는 SHG 결정일 수 있다. 렌즈(114)는 SHG 결정(102)으로부터 거리(d)에 배치될 수 있다. 렌즈(114)는, 원형 입력 빔(101)을 SHG 결정(102) 내의 타원형 빔 허리로 화상화하여 SHG 결정의 굴절률의 이방성으로 인한 워크-오프(walk-off)를 적어도 부분적으로 보상하도록 구성될 수 있다. 구면 렌즈(116A, 116B)는, 입력 복사선(101)의 변환되지 않은 부분과 함께 SHG 출력(103)을 THG 결정(104)에 결합시키도록 구성될 수 있다. THG 결정은 SHG 출력(103)과 변환되지 않은 입력 복사선 사이의 합계-주파수 상호작용을 통해서 제3 고조파 복사선을 생성한다. 제3 고조파 복사선은 파장 변환된 출력(111)으로서 THG 결정으로부터 나온다. 일부 남아 있는 입력 복사선(101')이 또한 THG 결정(104)으로부터 나올 수 있다. THG 결정은, 파장 변환된 출력(111)을 남은 입력 복사선(101')으로부터 분리시키는 브루스터-절단 단부 면(Brewster-cut end face)(106)을 포함할 수 있다. 렌즈(114)의 포커스 길이 및 위치를 적절히 조정하는 것에 의해서, 희망 횡단면 형상을 가지는 파장-변환된 출력(111)의 빔을 생성할 수 있다.

본 개시 내용의 양태에 따라서, 제1 및 제2 비선형 광학적 결정(102, 104)중 하나 또는 양자 모두가 본 발명에 따른 스프링 조임 결정 장착부(105)에 의해서 고정된다. 각각의 결정(102, 104)이 별개의 결정 장착부 내에 고정될 수 있거나, 양 결정이 동일한 장착부 내에 고정될 수 있다. 또한, 비록 도시된 시스템이 2개의 비선형 광학적 결정을 이용하지만, 당업자는, 본 개시 내용의 양태가 단일 비선형 광학적 결정 또는 3개 이상의 비선형 광학적 결정과 함께 이용되도록 구성될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 예로서, 그리고 비제한적으로, 하나 이상의 비선형 광학적 결정(102, 104)이 임계적으로 위상-합치된 리튬 삼붕산(LBO) 결정일 수 있다. 대안적인 결정이 리튬 니오브산염(LiNBO₃), 및 베타 바륨 붕산염(BBO), 등을 포함한다. 이와 같은 온도 임계적 시스템에서, 온도의 상당한 변동이나 구배는 용인될 수 없다. 임계적 위상 합치를 달성하기 위해서, 최적화된 온도에서 결정을 유지하는 것이 바람직하다. LBO 내의 비선형 광학적 변환 효율을 최적화하기 위해서, 예를 들어, 희망 온도 범위는 5 내지 45 ℃이고, 요구되는 정확도는 +/- 0.1 ℃이다. 온도 제어는, 온도 제어되는 외장(107), 예를 들어 오븐(또는 별개의 오븐들) 내에서 각각의 결정을 봉입하는 것에 의해서 얻어질 수 있다. 별개의 외장을 이용하여, 별개의 결정의 독립적인 온도 제어를 허용할 수 있다. 열적 외장이 시트 금속, 예를 들어 알루미늄으로 제조될 수 있고 가열기 요소, 냉각 요소(예를 들어, 펠티에 냉각 요소) 및 온도 센서(예를 들어, 열전쌍)를 포함할 수 있다. 이러한 구성요소는 피드백 루프 내에서 제어기(20)에 결합될 수 있다.

본 개시 내용의 양태에 따라서, 결정 장착부(105)는 도 4a 내지 도 7에 구체적으로 도시되어 있고 이하에서 설명된 스프링 클립 설계를 갖는다. 개시된 설계는 위치결정 목적을 위해서 결정을 모서리 내에서 유지할 뿐만 아니라, 결정의 내외로 열을 전도하기 위한 경로를 제공하기 위해서 스프링 클립(301)과 결정(205) 사이의 면 접촉을 또한 이용한다. 도 4 내지 도 7에 도시된 결정 장착부의 스프링 클립 설계의 장점을 평가하기 위해서, 이전의 설계의 단점을 이해하는 것이 유용하다.

도 2a는 기계적 유지 접근방식을 이용하는 결정의 장착을 도시하는, 산업적으로 용인된 표준 결정 외장의 3-차원도이다.

도 2b 및 도 2c는 각각 투명하게 만들어진 중첩 부분들과 함께 도 2a의 결정 장착부를 도시한 도면, 및 도 2a의 결정 장착부의 분해도이다. 이러한 도면은 산업적으로 용인된 표준의 일반적인 복잡성과 관련된 것인데, 이는 결정 외장이 16개의 구분된 단편을 이용하여 구축되었고 어디에서든 조립에 30 내지 60분이 소요될 수 있기 때문이다.

도 3a는 접착물질 유지 접근방식을 이용하는 결정의 장착을 도시하는, 산업적으로 용인된 표준 결정 외장의 3-차원도이다. 도 3b는 도 3a의 결정 장착부의 분해도이다. 이러한 도면은, 접착물질 유지 방법을 설명하는 종래 기술이 18시간까지의 "사이클 시간"(조립 시간 더하기 조립체가 생산에 투입될 준비가 될 때까지 경과되는 여하한 부가적인 시간)을 필요로 한다는 것을 보여주는 역할을 한다. 도 3a 및 도 3b의 장치가 도 2a 내지 도 2c에 도시된 기계적 유지 접근방식 보다 짧은 조립 시간, 예를 들어 기계적 유지 접근방식 경우의 30 내지 60분에 반대되는 것으로서, 접착물질 유지 장치의 경우에 약 30분 미만을 필요로 하지만, 접착물질 유지 접근방식은 조립체가 사용될 수 있을 때까지 접착제 경화를 위한 대기를 포함하는 18시간까지의 사이클 시간을 필요로 한다. 부가적으로, 본원에서 주목하는 바와 같이, 현재 산업적으로 용인되는 표준의 생산에서 이용되는 것과 같은 연장된 조립 및 사이클 시간은 민감한 광학적 결정에 손상을 가할 수 있는 상당한 위험을 갖는다.

스프링 클립 결정 장착부

도 4a 및 도 4b는 본 개시 내용의 양태에 따른 결정 장착 장치(200)를 도시한다. 그러한 장치는 일반적으로, 서로 각도를 이루어 모서리(201)를 형성하는 제1 및 제2 길이방향-연장 벽(204, 206)을 가지는 길이방향으로 연장되는 기저부 단편(202)뿐만 아니라, 광학적 결정(205)을 기저부 단편에 고정하기 위한 단일 탄성적 편향 스프링 클립(301)을 포함한다. 이러한 개시 내용의 일부 양태에 따라서, 결정(205)은 기저부 단편(202) 및 스프링 클립(301)의 조합에 의해서 유지되는 공작물로서 간주될 수 있다. 개시 내용의 다른 양태에 따라서, 결정(205)이 기저부 단편(202) 및 스프링 클립(301)에 의해서 유지되는 조합이 도 1의 시스템(100)과 같은 더 큰 장치의 하위-조립체로서 간주될 수 있다.

도시된 예에서, 길이방향 연장 결정(205)은 길이방향으로 연장되는 4개의 면을 포함한다. 4개의 면 중 제1 면은 4개의 면 중 제2 면에 수직이다. 4개의 면 중 제3 면은 4개의 면 중 제4 면에 수직이다. 제1 면은 제3 면에 평행하고, 제2 면은 제4 면에 평행하다. 예로서, 그리고 비제한적으로, 결정(205)은, 2.5 mm X 2.5 mm의 횡단면 치수 및 15 mm의 길이방향 치수를 가지는 리튬 붕산염(LBO)의 단일 결정일 수 있다. 앞서서 주목한 바와 같이, 다른 결정 재료 및 기하형태가 이용될 수 있다.

본체(202)는 제2 벽(206)과 슬롯(208) 사이의 제1 섹션(203) 및 각도형 립(lip)(210)의 피크와 제1 벽(204) 사이의 제2 섹션(207)을 가지는 대각선적인(diagonal) 면을 포함한다. 도 4a 및 도 4b에 도시된 예에서, 대각선적인 면은 제1 벽(204) 및 제2 벽(206)에 대해서 45°의 각도를 갖는다. 본체(202)는 고온에서의 결정(205)의 작업과 양립 가능한 적절한 내구성의 재료로 제조된다. 적합한 재료의 예에는 6061 T6 알루미늄이 포함된다. 대안에는, 구리, 스테인리스, 실리콘 탄화물, 티타늄, 몰리브덴, 텅스텐, 탄탈, 인바, 코발, 세라믹, 알루미늄 질화물, 기타 열 전도성의 중간 강성도 재료, 다이아몬드가 포함된다. 본체(202)의 재료가 도금되거나(예를 들어, w/Ni, Au, Cu) 도금되지 않을 수 있다.

도 5a 및 도 5b는 스프링 클립(301)의 부가적인 상세 부분을 도시한다. 스프링 클립(301)은 고온에서 결정의 작업과 양립 가능한 탄성적 재료로 제조될 수 있다. 적합한 재료의 예에는 스테인리스 스틸, 예를 들어 304 스테인리스와 같은 300 계열 스테인리스 스틸이 포함된다. 대안적인 재료는 비제한적으로, 베릴륨-구리(BeCu)와 같은 다른 금속, 충분히 탄성적인 중합체, 예를 들어 폴리 프로필렌, ULTEM, 델린(Delrin), 폴리카보네이트, ABS를 포함한다. 다른 재료에는 유리섬유, 탄소 섬유, 복합 재료, 그래핀, 등이 포함된다. 스프링 클립은 길이방향으로 전체 길이(L)를 갖는다. 하나의 비제한적인 예에서, 스프링 클립은 0.010 인치(0.254 mm) 두께의 304 스테인리스의 시트로 제조된다. 그러한 예에서, 전체 길이(L)는 10 mm였다. 길이(L)는 결정의 전체 길이 보다 짧을 수 있다. 일부 적용분야에서, 전체 길이(L)가 결정(205)의 길이와 같거나 그보다 긴 것이 바람직할 수 있다. 또한, 일부 구현예에서, 스프링 클립(301)은 클립이 결정을 본체(202)에 고정할 때 결정(205)의 부분을 볼 수 있게 하는 개구부(321)를 포함할 수 있다. 그러한 개구부는 결정(205)의 안착 및 센터링을 관찰하는데 있어서 특히 유용하다. 다른 구현예에서, 더 두꺼운 재료를 이용하여 스프링 클립(301)을 따라서 열 전도도를 증가시킬 수 있다.

스프링 클립(301)은 기저부 단편(202)의 모서리(201)의 제1 벽(204)과 접촉되게 결정의 제3 면을 누르기 위해서 결정의 제1 면에 대해서 인장화되는 둥근 제1 굽힘 영역(312)을 포함한다. 스프링 클립의 둥근 제2 굽힘 영역(314)은 결정의 제2 면에 대해서 인장화되어, 결정의 제4 면을 모서리(201)의 제2 벽(206)에 접촉되게 누른다. 제1 및 제2 굽힘 영역은 제1 및 제2 굽힘 영역의 곡률과 반대되는 곡률을 가지는 편향 영역(320)에 의해서 접합된다. 도 4a 내지 도 4c에 도시된 예에서, 제1 굽힘 영역(312)은 결정(205)을 수직 제1 벽(204)에 대해서 가압하는 수평 힘(F_h)을 가하는 한편, 제2 굽힘 영역은 결정(205)을 수평 제2 벽(206)에 대해서 가압하는 수직 힘(F_v)을 가한다. 굽힘 영역(312, 314)에 의해서 결정(205)으로 가해지는 순수 힘(F_net)은 기저부 단편(202)의 모서리(201)를 향해서 대각선방향으로 지향된다.

제1 및 제2 굽힘 영역을 인장화하기 위해서, 스프링 클립(301)은 제1 굽힘 영역(312)으로부터 연장되고 제1 후크형 부분(311) 내에서 종료되는 제1 엽상 섹션(leaf section)(310) 및 제2 굽힘 영역(314)으로부터 연장되고 제2 후크형 부분(316) 내에서 종료되는 제2 엽상 섹션(315)을 포함할 수 있다. 제1 엽상 섹션(310) 및 후크형 부분(311)은 기저부 부분 내의 슬롯 내로 끼워지는 "L" 형상을 형성한다. 제2 엽상 섹션(315) 및 후크형 부분(316)은 기저부 부분(202)의 각도형 립(210) 위로 끼워지는 "J" 형상을 형성한다.

결정(205)을 본체 부분(202)에 고정하기 위해서, 결정은 길이방향으로 배치되고, 2개의 면들 사이의 모서리는 기저부 단편의 제1 벽과 제2 벽 사이에서 모서리에 위치된다. 제1 후크형 부분(311)은 슬롯(208) 내에 삽입되고, 제2 후크형 부분(316)은 각도형 립(212) 위에 후크 결합된다. 스프링 클립 내의 인장은 제1 및 제2 굽힘 영역(312, 314)을 결정(205)의 제1 및 제2 면에 대해서 누르고, 그에 의해서 결정을 모서리(201)를 향해서 가압한다. 제1 엽상 섹션(310)은 본체(202)의 제1 대각선적 면(203)에 대해서 누르고, 제2 엽상 섹션(315)은 제2 대각선적 면 섹션(207)에 대해서 누른다. 스프링 클립(301)을 제거하기 위해서, 예를 들어 편평한 헤드 스크류드라이버 또는 유사한 도구로 느슨하게 하는 것에 의해서, 제2 후크형 부분(316)을 각도형 립(212)으로부터 후크 해제시킨다. 단일 스프링만으로 도시되어 있지만, 당업자는 더 긴 결정을 고정하기 위해서 둘 이상의 스프링 클립을 포함하도록 장치(200)가 수정될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 유사하게, 둘 이상의 결정이 하나 이상의 스프링 클립으로 동일한 본체에 고정될 수 있다. 예로서 그리고 비제한적으로, 본원에서 설명된 유형의 하나 이상의 본체 및 스프링 클립 조립체를 이용하여, 복수의 결정이 나란히 고정될 수 있다. 그러한 배열은, 예를 들어 약 300 ℃까지의 온도에서의 비임계적 위상 합치를 위해서 이용될 수 있다.

스프링 클립의 동작을 최적화하기 위해서, 스프링 클립의 특정 치수의 중요성을 이해하는 것이 유용하다. 도 6은 탄성적 스프링 클립(210)의 측면도를 도시한다. 도 6에 도시된 핵심 치수는 제1 굽힘 영역(312)의 곡률반경(R₁), 제2 굽힘 영역(314)의 곡률반경(R₂), 및 편향 영역(320)의 곡률반경(R₃)을 포함한다. 편향력으로 인한 스프링 클립 내의 인장은 각각의 굽힘 영역, 주로 제1 굽힘 영역(312) 및 제2 굽힘 영역(314)에 의해서 가해진다. 스프링 클립 내의 인장은 일반적으로, 상응하는 곡률반경이 증가될수록 감소된다. 다른 중요한 치수에는 제1 엽상 섹션(310)의 길이(L₁) 및 제2의 엽상 섹션의 길이(L₂)가 포함된다. 길이(L₁, L₂) 또한 스프링에 의해서 결정(205) 상으로 가해지는 힘에 임계적으로 영향을 미친다. 일반적으로 길이(L₁, L₂)가 길면 결정 상으로의 힘이 감소되는 경향이 있다. 이는 외팔보형 빔 '스프링 균등(spring equivalent)' 기능이다(즉, 빔 상의 수직 방향에서의 고정된 변위(Y)는 빔 길이가 증가됨에 따라 더 작은 힘을 초래할 것이고 반대의 경우에는 그 반대가 될 것이다). 이러한 특별한 설계의 경우에, 길이(L₁, L₂), 반경(R₁, R₂) 및 각도(θ₁)는 결정 상의 결과적인 힘을 대부분 제어한다. 스프링 클립의 재료의 두께는 또한 결정 상의 결과적인 힘을 결정하는데 있어서 주요 인자이다. 또한, 제1 후크형 부분이 슬롯(208) 내에 적절하게 끼워지도록 제1 후크형 부분(311)의 길이(L₃)가 설계될 수 있고, 제2 후크형 부분이 각도형 립(210) 위에 적절하게 끼워지도록 제2 후크형 부분(316)의 길이(L₄)가 설계될 수 있다. 도 7에 도시된 바와 같이, 다른 임계적 치수는 제1 굽힘 영역(312), 제2 굽힘 영역(314), 및 편향 영역(320) 각각의 굽힘 각도(θ₁, θ₁, 및 θ₃)를 포함한다. 제1 및 제2 엽상 부분(310, 315)이 서로 약간의 각도를 이루도록, 이들이 선택될 수 있다.

전술한 임계적인 기능적 요건에 더하여, 개시된 설계는 상당한 조립 및 사이클 시간 개선을 갖는다. 산업적인 표준(도 2a 내지 도 2c, 30분 조립, 0 사이클) 및 접착된 버전(도 3a 및 도 3b, 30분 조립, 20시간 사이클)에 비해서, 개시된 설계는 1분 미만의 조립 시간을 필요로 한다. 이는 총 조립/사이클 시간 대 다른 설계의 5% 미만이다.

개시된 설계는 또한 예외적으로 재-작업 가능하여, 스프링 클립을 제거하는데 1분 미만이 소요된다. 재작업 동작 중에, 작은 부분을 느슨하게 할 필요가 없고 나사(마찰) 부분이 입자를 생성하지 않는다.

마지막으로, 개시된 설계는 2 부분만을 이용하고, 그들은 접착 설계(도 3a 및 도 3b) 보다 더 저렴하다. 스프링 클립은 대량 제조 생산을 위해서 설계되고, 추가적인 비용 절감을 가능하게 한다.

전술한 구현예에 대한 많은 수의 가능한 변경이 이루어질 수 있다. 예를 들어, 본원에서 설명된 예가 정사각형 단면을 가지는 결정을 가질 수 있으나, 본 개시 내용의 양태는 그렇지 않은 구현예를 포함한다. 본체(202) 및 스프링 클립(301)의 설계는 다른 결정 횡단면, 예를 들어 정사각형이 아닌 직사각형의 횡단면에 맞춰 수정될 수 있다. 예를 들어, 모서리(201)를 향해서 결정을 가압하기 위해서 결정으로 가해지는 순수한 힘을 획득하기 위해서, 곡선형 영역들(312, 314)이 상이한 곡률반경을 가질 수 있다. 클립에 의해서 결정으로 가해지는 힘을 결정하기 위해서, 스프링 클립(301)의 설계를 테스트하는 동안, 힘 게이지가 결정의 측면 상에 배치될 수 있다. 스프링 클립의 곡선형 영역 내의 굽힘부를 또한 조정하여 굽힘 영역과 결정 사이의 접촉 면적을 증가시킬 수 있다.

비록 설명된 예는 수용부의 모서리 내로 결정을 밀어 넣기 위해서 2개의 상이한 결정 면 상으로 힘을 가하는 단일 클립의 이용을 설명하지만, 본 개시 내용의 양태는 그러한 구현예로 제한되지 않는다. 대안적인 구현예에서, 설명된 단일 클립의 기능이 2개의 별개의 클립에 의해서 구현되고, 각각의 클립은 결정의 다른 표면을 밀어서 결정을 모서리로 가압하는 순수한 힘을 생성한다.

또한, 비록 전술한 예가 정사각형 또는 직사각형 횡단면을 가지는 결정을 고정하기 위한 장치를 설명하지만, 본 개시 내용의 양태는 그러한 구현예로 제한되지 않는다. 대안적인 구현예에서, 원통형 결정이 수용부 내의 모서리 또는 v-홈 내에 장착될 수 있고 정확한 편광화로 회전될 수 있다. 원통형 결정의 경우에, 단일 굽힘 엽상-스프링이 결정을 v-홈 또는 모서리에 대해서 고정할 수 있다. 다른 대안적인 구현예에서, 다중-면형(multi-faceted) 결정은 결정질 축에 직각인 일부 노출된 면을 가질 수 있고, 적절하게 구성된 스프링 클립이 둘 이상의 그러한 면 상으로 힘을 가하여 결정을 모서리 또는 v-홈 내로 가압하는 힘을 생성할 수 있다.

비록 전술한 내용이 본 발명의 바람직한 실시예에 관한 완전한 설명이지만, 여러 가지 대안, 수정 및 균등물이 이용될 수 있다. 그에 따라 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 전체 균등물 범위와 함께, 첨부된 청구항을 참조하여 결정되어야 한다. 바람직하거나 그렇지 않은 임의의 특징이 바람직하거나 그렇지 않은 임의의 다른 특징과 조합될 수 있다. "~를 위한 수단"이라는 문구를 이용하여 주어진 청구항에서 명백하게 인용되지 않는 한, 첨부된 청구항은 기능식 제한을 포함하는 것으로 해석되지 않는다. 구체적인 기능을 실시하는 "~ 위한 수단"이라고 명시적으로 기술하지 않는 청구항 내의 어떠한 요소도 35 USC §112(f)에서 구체화된 바와 같은 "수단" 또는 "단계" 문구로서 해석되지 않는다. 특히, 본원의 청구항에에서의 "~ 단계"의 이용은 35 USC §112(f)의 규정 적용을 위한 것은 아니다.

Claims

장치이며:
a) 본체로서, 결정을 수용하기 위한 수용부를 포함하고, 상기 수용부는 길이방향으로 연장되고, 상기 수용부는 길이방향으로 연장되는 제1 벽 및 길이방향으로 연장되는 제2 벽을 포함하고, 상기 제1 벽 및 제2 벽이 서로 실질적으로 수직으로 위치되어 길이방향으로 연장되는 모서리 영역을 형성하는, 본체;
b) 결정을 수용부의 모서리 내로 밀어 넣기 위해서 결정의 2개의 상이한 면들에 힘을 가하도록 구성된, 상기 본체에 고정될 수 있는 하나 이상의 스프링 클립을 포함하고,
상기 하나 이상의 스프링 클립 중 하나는
상기 길이방향으로 연장되는 둥근 제1 굽힘 영역;
상기 길이방향으로 연장되는 둥근 제2 굽힘 영역;
상기 제1 굽힘 영역을 상기 제2 굽힘 영역에 연결하는 편향 영역;
상기 둥근 제1 굽힘 영역에 연결된 제1 엽상 영역으로서, 상기 둥근 제1 굽힘 영역으로부터 측방향으로 멀리 연장되는, 제1 엽상 영역; 및
상기 둥근 제2 굽힘 영역에 연결된 제2 엽상 영역으로서, 상기 둥근 제2 굽힘 영역으로부터 측방향으로 멀리 연장되는, 제2 엽상 영역을 포함하는, 장치.
제1항에 있어서,
제1 엽상 영역은 상기 본체 내의 슬롯 내에 수용되도록 구성된 제1 후크형 부분 내에서 종료되는, 장치.
제2항에 있어서,
상기 제2 엽상 영역은 상기 본체의 립 부분 위에 고정되도록 구성된 제2 후크형 부분 내에서 종료되는, 장치.
제3항에 있어서,
상기 수용부가 상기 립 부분과 상기 슬롯 사이에 배치되는, 장치.
제1항에 있어서,
상기 수용부 내에 배치된 길이방향 연장 결정을 더 포함하는, 장치.
제5항에 있어서,
상기 길이방향 연장 결정이 4개의 면을 포함하고, 상기 4개의 면의 각각이 길이방향으로 연장되고, 상기 4개의 면 중 제1 면은 상기 4개의 면 중 제2 면에 수직이고, 상기 4개의 면 중 제3 면은 상기 4개의 면 중 제4 면에 수직이며, 상기 제1 면은 상기 제3 면에 평행하고, 상기 제2 면은 상기 제4 면에 평행하며;
상기 스프링 클립의 둥근 제1 굽힘 영역은 상기 결정의 제1 면에 대해서 인장화되어, 상기 결정의 제3 면을 상기 제1 벽에 접촉되게 누르며,
상기 스프링 클립의 둥근 제2 굽힘 영역은 상기 결정의 제2 면에 대해서 인장화되어, 상기 결정의 제4 면을 상기 제2 벽에 접촉되게 누르는, 장치.
제6항에 있어서,
상기 둥근 제1 굽힘 영역이 상기 제1 벽에 실질적으로 수직인 방향으로 상기 결정의 제1 면에 대해서 인장화되고;
상기 둥근 제2 굽힘 영역이 상기 제2 벽에 실질적으로 수직인 방향으로 상기 결정의 제2 면에 대해서 인장화되는, 장치.
제6항에 있어서,
상기 길이방향 연장 결정은 상기 길이방향에 횡방향인 횡방향 평면 내에서 직사각형인 단면을 갖는, 장치.
제1항에 있어서,
상기 하나 이상의 스프링 클립이 둘 이상의 스프링 클립을 포함하는, 장치.
제1항에 있어서,
상기 하나 이상의 스프링 클립이 단일 스프링 클립을 포함하는, 장치.
제10항에 있어서,
상기 단일 스프링 클립은 상기 결정을 상기 모서리 영역을 향해서 가압하기 위해서 직각 방향들로 상기 결정 상으로 거의 동일한 힘들을 가하는 것에 의해서 상기 결정을 상기 본체에 고정하도록 구성되는, 장치.
파장-변환된 레이저 시스템이며:
레이저 빔을 방출하도록 구성된 레이저 시스템;
하나 이상의 비선형 광학적 결정의 세트 중 적어도 하나의 비선형 광학적 결정에 레이저 빔을 결합시키도록 구성된 광학장치; 및
상기 적어도 하나의 광학적 결정을 유지하기 위한 장치를 포함하고, 상기 장치는:
a) 본체로서, 결정을 수용하기 위한 수용부를 갖고, 상기 수용부는 길이방향으로 연장되고, 상기 수용부는 길이방향으로 연장되는 제1 벽 및 길이방향으로 연장되는 제2 벽을 포함하고, 상기 제1 벽 및 제2 벽이 서로 실질적으로 수직으로 위치되어 길이방향으로 연장되는 모서리 영역을 형성하는, 본체; 및
b) 상기 적어도 하나의 비선형 광학적 결정을 수용부의 모서리 내로 밀어 넣기 위해서 상기 적어도 하나의 비선형 광학적 결정의 2개의 상이한 면들에 힘을 가하도록 구성된, 상기 본체에 고정될 수 있는 하나 이상의 스프링 클립을 포함하고,
상기 하나 이상의 스프링 클립 중 하나는
상기 길이방향으로 연장되는 둥근 제1 굽힘 영역;
상기 길이방향으로 연장되는 둥근 제2 굽힘 영역;
상기 제1 굽힘 영역을 상기 제2 굽힘 영역에 연결하는 편향 영역;
상기 둥근 제1 굽힘 영역에 연결된 제1 엽상 영역으로서, 상기 둥근 제1 굽힘 영역으로부터 측방향으로 멀리 연장되는, 제1 엽상 영역; 및
상기 둥근 제2 굽힘 영역에 연결된 제2 엽상 영역으로서, 상기 둥근 제2 굽힘 영역으로부터 측방향으로 멀리 연장되는, 제2 엽상 영역을 포함하고,
상기 스프링 클립은 상기 본체에 고정되고, 상기 스프링 클립은 상기 적어도 하나의 비선형 광학적 결정을 상기 수용부 내에 고정하는, 시스템.
제12항에 있어서,
제1 엽상 영역은 상기 본체 내의 슬롯 내에 수용되도록 구성된 제1 후크형 부분 내에서 종료되는, 시스템.
제13항에 있어서,
상기 제2 엽상 영역은 상기 본체의 립 부분 위에 고정되도록 구성된 제2 후크형 부분 내에서 종료되는, 시스템.
제14항에 있어서,
상기 수용부가 상기 립 부분과 상기 슬롯 사이에 배치되는, 시스템.
제12항에 있어서,
적어도 하나의 비선형 광학적 결정을 더 포함하는, 시스템.
제16항에 있어서,
상기 적어도 하나의 비선형 광학적 결정이 4개의 면을 포함하고, 상기 4개의 면의 각각이 길이방향으로 연장되고, 상기 4개의 면 중 제1 면은 상기 4개의 면 중 제2 면에 수직이고, 상기 4개의 면 중 제3 면은 상기 4개의 면 중 제4 면에 수직이며, 상기 제1 면은 상기 제3 면에 평행하고, 상기 제2 면은 상기 제4 면에 평행하고;
상기 스프링 클립의 제1 굽힘 영역은 상기 적어도 하나의 비선형 광학적 결정의 제1 면에 대해서 인장화되어, 상기 결정의 제3 면을 상기 제1 벽에 접촉되게 누르고;
상기 스프링 클립의 제2 굽힘 영역은 상기 적어도 하나의 비선형 광학적 결정의 제2 면에 대해서 인장화되어, 상기 결정의 제4 면을 상기 제2 벽에 접촉되게 누르는, 시스템.
제17항에 있어서,
상기 둥근 제1 굽힘 영역이 상기 제1 벽에 실질적으로 수직인 방향으로 상기 적어도 하나의 비선형 광학적 결정의 제1 면에 대해서 인장화되고;
상기 둥근 제2 굽힘 영역이 상기 제2 벽에 실질적으로 수직인 방향으로 상기 적어도 하나의 비선형 광학적 결정의 제2 면에 대해서 인장화되는, 시스템.
제16항에 있어서,
상기 적어도 하나의 비선형 광학적 결정은 상기 길이방향에 횡방향인 횡방향 평면 내에서 직사각형인 단면을 갖는, 시스템.
제12항에 있어서,
상기 하나 이상의 스프링 클립이 둘 이상의 스프링 클립을 포함하는, 시스템.
제12항에 있어서,
상기 하나 이상의 스프링 클립이 상기 본체에 고정될 수 있는 단일 스프링 클립을 포함하는, 시스템.
제21항에 있어서,
상기 단일 스프링 클립은, 상기 결정을 상기 모서리 영역을 향해서 가압하기 위해서 직각 방향들로 상기 결정 상으로 거의 동일한 힘들을 가하는 것에 의해서 상기 결정을 상기 본체에 고정하도록 구성되는, 시스템.
제12항에 있어서,
상기 레이저 시스템은 시드 공급원 및 상기 시드 공급원에 광학적으로 결합된 섬유 증폭기를 포함하는, 시스템.
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