KR102317215B1 - 레이저 펄스 지연기 - Google Patents

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KR102317215B1
KR102317215B1 KR1020200061061A KR20200061061A KR102317215B1 KR 102317215 B1 KR102317215 B1 KR 102317215B1 KR 1020200061061 A KR1020200061061 A KR 1020200061061A KR 20200061061 A KR20200061061 A KR 20200061061A KR 102317215 B1 KR102317215 B1 KR 102317215B1
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laser pulse
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prisms
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이재환
정영수
최선경
고영진
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국방과학연구소
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    • H—ELECTRICITY
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Abstract

일 실시 예에 따른 레이저 펄스 지연기는, 레이저 펄스의 광축을 따라서 서로 마주보도록 이격되어 설치되는 한 쌍의 직각 프리즘; 상기 한 쌍의 직각 프리즘 사이에 설치되는 포켈스 셀; 및 상기 한 쌍의 직각 프리즘 사이에 설치되는 출력단 편광 빔 스플리터를 포함할 수 있다.

Description

레이저 펄스 지연기{LASER PULSE DELAY GENERATOR}
이하의 설명은 레이저 펄스 지연기에 관한 것이다.
펄스 레이저는 수십 나노초, 피코초, 펨토초의 펄스폭을 가지는 레이저이다. 이는 마치 계속해서 빛을 내고 있는 형광등과 같은 광원이 아니라 플래쉬 램프처럼 짧은 시간 동안만 빛을 반복적으로 발생시키는 광원이다. 펄스 레이저의 특징 중 하나는 에너지를 짧은 시간에 집중시킴으로써 높은 첨두출력을 가지게 할 수 있으며 빛과 물질의 상호작용을 연구할 때 짧은 시간에 일어나는 상호작용을 관찰할 수 있는 유용한 광원이다.
이러한 상호작용을 연구하는 실험에서는 선행 펄스가 물질을 여기시킨 후 후행 펄스가 물질과 만나 일어나는 반응을 관찰하는 pump-probe 방식의 실험이 많이 이용된다. pump-probe 실험을 수행하기 위해서는 probe에 해당하는 펄스를 선행 펄스보다 늦게 실험체에 도달하기 하게 하기 위해 여러 가지 형식의 시간 지연기를 사용한다. fs 레이저를 사용하는 경우 반응속도가 빠르므로 짧은 시간 지연을 주는 시간 지연기를 사용한다.
종래의 기술에서는 4개의 거울을 배치하고 하단의 거울 2장은 마이크로미터 헤드로 위치가 조절되는 선형 스테이지 위에 설치하여 시간 지연의 정도를 조절할 수 있도록 하지만, 이러한 형태의 시간 지연기는 선정렬이 간편하지만 마이크로미터 헤드나 선형 스테이지의 행정거리가 제한되기 때문에 약 100 ps 정도의 시간 지연만 발생시킬 수 있다.
또 다른 방법으로는 두 개의 거울을 평행하게 설치하고 펄스를 비스듬하게 입사시켜 두 거울 사이를 수 회 왕복 운동시킴으로써 시간 지연을 만들 수 있다. 그러나 이러한 방법은 최초 설치된 상태에서 시간 지연을 변경하려면 선정렬을 새롭게 수행해야 하며 레이저 펄스의 크기가 클 경우 최초 거울로 들어갈 때의 입사각과 빠져나올 때의 출사각이 커야 하므로 다중 반사를 일으키기 어려워 긴 시간지연을 만들어내기 까다롭다는 문제점이 존재하였다.
전술한 배경기술은 발명자가 본 발명의 도출과정에서 보유하거나 습득한 것으로서, 반드시 본 발명의 출원 전에 일반 공중에 공개된 공지기술이라고 할 수는 없다.
일 실시 예의 목적은 지연 시간의 설정 자유도가 높은 레이저 펄스 지연기를 제공하는 것이다.
일 실시 예에 따른 레이저 펄스 지연기는, 레이저 펄스의 광축을 따라서 서로 마주보도록 이격되어 설치되는 한 쌍의 직각 프리즘; 상기 한 쌍의 직각 프리즘 사이에 설치되는 포켈스 셀; 및 상기 한 쌍의 직각 프리즘 사이에 설치되는 출력단 편광 빔 스플리터를 포함할 수 있다.
상기 한 쌍의 직각 프리즘 각각은, 서로 동일한 길이를 가지며 직각으로 배치되는 2 개의 등변 표면; 및 상기 2 개의 등변 표면 사이를 연결하는 빗변 표면을 포함하고, 상기 한 쌍의 직각 프리즘은 상기 한 쌍의 직각 프리즘 각각의 상기 빗변 표면이 서로 대면하도록 이격될 수 있다.
상기 한 쌍의 직각 프리즘이 서로 이격된 방향에서 볼 때, 상기 한 쌍의 직각 프리즘 각각의 상기 2 개의 등변 표면의 영역의 적어도 일부가 서로 오버랩될 수 있다.
일 실시 예에 따른 레이저 펄스 지연기는, 상기 한 쌍의 직각 프리즘 중 상기 레이저 펄스가 입사되는 직각 프리즘의 등변 표면에 설치되는 입력단 프리즘을 더 포함하고, 상기 입력단 프리즘의 재질의 굴절율과, 상기 한 쌍의 직각 프리즘의 재질의 굴절율은 서로 동일할 수 있다.
상기 입력단 프리즘은 빗면이 상기 등변 표면에 부착되는 직각 프리즘으로 형성되고, 상기 입력단 프리즘의 빗면은 유전체 코팅되어, 상기 레이저 펄스 중 제 1 편광 상태를 갖는 편광파는 투과시키고, 상기 제 1 편광 상태에 수직한 제 2 편광 상태를 갖는 편광파는 반사시킬 수 있다.
일 실시 예에 따른 레이저 펄스 지연기는, 상기 포켈스 셀을 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있고, 상기 제어부는, 상기 레이저 펄스가 상기 포켈스 셀을 최초로 통과할 때 상기 포켈스 셀을 제어하여 상기 레이저 펄스의 편광 상태가 상기 제 1 편광 상태에서 상기 제 2 편광 상태가 되게 할 수 있다.
상기 출력단 편광 빔 스플리터는, 상기 제 2 편광 상태를 갖는 편광파는 투과시키고, 상기 제 1 편광 상태를 갖는 편광파는 반사시킬 수 있다.
상기 출력단 편광 빔 스플리터는, 최초에 입사된 레이저 펄스의 진행 방향을 기준으로 상기 포켈스 셀보다 하류에 위치할 수 있다.
상기 한 쌍의 직각 프리즘 각각의 외면은 비반사 코팅 처리될 수 있다.
일 실시 예에 따른 레이저 펄스 지연기는, 상기 포켈스 셀에 전압을 인가 또는 해제하여 굴절률을 변화시키는 제어부를 더 포함하고, 상기 제어부를 통해 상기 포켈스 셀에 전압을 인가할 경우, 상기 포켈스 셀을 통과하는 레이저 펄스의 편광을 회전시킬 수 있다.
상기 제어부를 통해 상기 포켈스 셀에 전압을 인가할 경우, 상기 포켈스 셀을 통과하는 레이저 펄스의 편광이 회전할 수 있다.
일 실시 예에 따른 레이저 펄스 지연기는, 상기 한 쌍의 직각 프리즘에 설치되어 상기 한 쌍의 직각 프리즘 사이의 이격된 간격을 조절하는 이격 조절부를 더 포함할 수 있다.
상기 포켈스 셀의 외면은 비반사 코팅 처리될 수 있다.
일 실시 예에 따른 레이저 펄스 지연기는, 레이저 펄스를 출력하는 레이저 광원; 레이저 펄스의 광축을 따라서 서로 마주보도록 이격되어 설치되는 한 쌍의 직각 프리즘; 상기 한 쌍의 직각 프리즘 사이에 설치되는 출력단 편광 빔 스플리터; 상기 한 쌍의 직각 프리즘 사이에 설치되는 포켈스 셀; 및 상기 레이저 광원 및 상기 포켈스 셀의 작동을 제어하는 제어부를 포함할 수 있다.
상기 한 쌍의 직각 프리즘 각각은, 서로 동일한 길이를 가지며 직각으로 배치되는 2 개의 등변 표면; 및 상기 2 개의 등변 표면 사이를 연결하는 빗변 표면을 포함하고, 상기 한 쌍의 직각 프리즘은 상기 한 쌍의 직각 프리즘 각각의 상기 빗변 표면이 서로 대면하도록 이격될 수 있다.
상기 한 쌍의 직각 프리즘이 서로 이격된 방향에서 볼 때, 상기 한 쌍의 직각 프리즘 각각의 상기 2 개의 등변 표면의 영역의 적어도 일부가 서로 오버랩될 수 있다.
상기 제어부를 통해 상기 포켈스 셀에 전압을 인가할 경우, 상기 포켈스 셀을 통과하는 레이저 펄스의 편광이 회전될 수 있다.
상기 제어부는, 사용자로부터 입력되는 지연 시간의 크기에 기초하여, 상기 레이저 광원에 전압을 인가하는 시점으로부터 상기 포켈스 셀에 전압을 인가하는 시점까지의 설정 지연 간격을 조절할 수 있다.
일 실시 예에 따른 레이저 펄스 지연기는, 상기 한 쌍의 직각 프리즘에 설치되어 상기 한 쌍의 직각 프리즘 사이의 이격된 간격을 조절하는 이격 조절부를 더 포함하고, 상기 제어부는, 사용자로부터 입력되는 지연 시간의 크기에 기초하여, 상기 이격 조절부를 통해 상기 한 쌍의 직각 프리즘 사이의 이격된 간격을 조절할 수 있다.
일 실시 예에 따른 레이저 펄스 지연기는, 레이저 펄스의 광축을 따라서 서로 마주보도록 이격되어 설치되는 제 1 직각 프리즘 및 제 2 직각 프리즘; 상기 한 쌍의 직각 프리즘 사이에 설치되는 포켈스 셀; 및 상기 한 쌍의 직각 프리즘 사이에 설치되는 출력단 편광 빔 스플리터를 포함하고, 상기 레이저 펄스의 조사 방향을 따라서, 상기 입력단 빔 스플리터, 상기 제 1 직각 프리즘, 상기 포켈스 셀, 상기 출력단 편광 빔 스플리터 및 상기 제 2 직각 프리즘은 순차적으로 배치될 수 있다.
일 실시 예의 레이저 펄스 지연기에 의하면, 포켈스 셀에 전압을 인가하는 시점을 조절하는 것으로, 매우 작은 시간 단위로 레이저 펄스의 지연 시간을 정밀하게 조절할 수 있다.
일 실시 예의 레이저 펄스 지연기에 의하면, 한 쌍의 직각 프리즘의 이격 간격을 조절함으로써 지연 시간의 단계적 증가율을 조절할 수 있기 때문에, 결과적으로 생성할 수 있는 지연 시간의 선택 폭을 증대시킬 수 있으면서도, 지연 시간을 정밀한 시간 단위로 조절할 수 있다.
도 1은 일 실시 예에 따른 레이저 펄스 지연기의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 일 실시 예에 따른 직각 프리즘의 구성을 나타내는 도면이다.
도 3은 일 실시 예에 따른 레이저 펄스 지연기의 블록도이다.
도 4는 일 실시 예에 따른 레이저 펄스 지연기의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
이하, 실시 예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 실시 예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 실시 예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
어느 하나의 실시 예에 포함된 구성요소와, 공통적인 기능을 포함하는 구성요소는, 다른 실시 예에서 동일한 명칭을 사용하여 설명하기로 한다. 반대되는 기재가 없는 이상, 어느 하나의 실시 예에 기재한 설명은 다른 실시 예에도 적용될 수 있으며, 중복되는 범위에서 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 일 실시 예에 따른 레이저 펄스 지연기의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이고, 도 2는 일 실시 예에 따른 직각 프리즘의 구성을 나타내는 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 일 실시 예에 따른 레이저 펄스 지연기(1)는, 레이저 펄스(L)를 입력 받아 피코초 이상의 시간 지연을 만들 수 있고, 시간 지연의 정도 또는 거리의 크기를 쉽게 가변할 수 있다.
일 실시 예에 따른, 레이저 펄스 지연기(1)는, 레이저 펄스(L)를 출력하는 레이저 광원(16)과, 레이저 펄스(L)가 입사되는 광축에 설치되는 입력단 편광 빔 스플리터(11)와, 레이저 펄스(L)의 광축을 따라서 서로 마주보도록 이격되어 설치되는 한 쌍의 직각 프리즘(12)과, 한 쌍의 직각 프리즘(12) 사이에 설치되는 포켈스 셀(13, Pockels cell)과, 한 쌍의 직각 프리즘(12) 사이에 설치되는 출력단 편광 빔 스플리터(14)와, 한 쌍의 직각 프리즘(12) 중 입력단 편광 빔 스플리터(11)를 통과하는 레이저 펄스(L)가 입사되는 직각 프리즘(12)에 설치되는 입력단 프리즘(18)과, 제어부(15)를 포함할 수 있다.
예를 들어, 레이저 광원(16), 입력단 편광 빔 스플리터(11), 한 쌍의 직각 프리즘(12), 포켈스 셀(13) 및 출력단 편광 빔 스플리터(14)는 레이저 펄스(L)의 광축에 따라 일직선 상으로 정렬되어 있을 수 있다.
레이저 광원(16)은, 입력단 편광 빔 스플리터(11)를 향해 시준된 레이저 펄스(L)를 출사할 수 있다.
입력단 편광 빔 스플리터(11)는, 외부로부터 레이저 펄스(L) 입사되는 입구 부분에 설치될 수 있다. 예를 들어, 입력단 편광 빔 스플리터(11)는 입력되는 레이저 펄스의 편광 상태에 따라서 레이저 펄스(L)를 선택적으로 투과 또는 반사 시키는 편광 빔 스플리터(Polarization beam splitter)일 수 있다.
예를 들어, 설정 파장을 갖는 레이저 펄스(L)는 입력단 편광 빔 스플리터(11)를 통과하여 직각 프리즘(12)을 향해 조사될 수 있다. 예를 들어, 레이저 펄스(L)는 입력단 편광 빔 스플리터(11)를 통과하면서, 2가지 상태(예: p편광 상태 및 s편광 상태)의 편광파 중 제 1 편광 상태(예: p편광 상태)를 갖는 편광파 만을 통과시킴으로써, 한 쌍의 직각 프리즘(12) 사이의 공간을 순환하도록 하고, 제 2 편광 상태(예: s편광 상태)를 갖는 편광파는 반사시킴으로써 한 쌍의 직각 프리즘(12) 사이의 공간으로 진입되지 않도록 할 수 있다.
한 쌍의 직각 프리즘(12)은, 레이저 펄스(L)의 광축을 따라서 나란히 이격되어 설치되고, 그 사이 구간에서 입사된 레이저 펄스(L)는 한 쌍의 직각 프리즘(12) 사이에서 반사 되어 지속적으로 왕복할 수 있다.
예를 들어, 직각 프리즘(12)은 입사된 빛의 진행 방향을 180도 편향시키고 상(像)의 상하를 반전시키는 포로 프리즘(Porro prism)일 수 있다.
예를 들어, 한 쌍의 직각 프리즘(12) 중 레이저 펄스(L)가 초기에 입사되는 방향에 위치하는 직각 프리즘(12)을 제 1 직각 프리즘(12a)이라 할 수 있고, 그로부터 먼쪽에 위치한 직각 프리즘(12)을 제 2 직각 프리즘(12b)이라 할 수 있다. 제 2 직각 프리즘(12b)은, 제 1 직각 프리즘(12a)을 마주보도록 배치될 수 있다. 예를 들어, 제 2 직각 프리즘(12b)은, 제 1 직각 프리즘(12a)과 좌우 대칭된 형상을 가질 수 있으며, 반대되는 설명이 없는 이상 제 1 직각 프리즘(12a)에 대한 설명은 제 2 직각 프리즘(12b)에도 적용될 수 있다. 한편, 제 1 직각 프리즘(12a)에는 입력단 프리즘(18)이 추가적으로 설치될 수 있으며, 이에 대하여 도 2를 참조하여 설명하기로 한다.
도 2를 참조하면, 제 1 직각 프리즘(12a) 및 입력단 프리즘(18)의 구체적인 구성 및 형태를 살펴볼 수 있다.
일 실시 예에 따른 제 1 직각 프리즘(12a)은 도 2와 같이 2 개의 등변을 갖는 직각 이등변 삼각형의 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 제 1 직각 프리즘(12a)은 서로 동일한 길이를 가지며 직각으로 배치되는 2 개의 등변 표면(122)과, 2 개의 등변 표면(122) 사이를 연결하는 빗변 표면(121)을 포함할 수 있다.
예를 들어, 제 1 직각 프리즘(12a)의 외면(outer surface)은 비반사 코팅 처리될 수 있다. 이와 같은 구조에 의하면, 레이저 펄스(L)가 직각 프리즘(12)의 내부로 입사되지 못하고, 직각 프리즘(12)의 외면에서 반사되는 문제를 방지할 수 있다.
도 2와 같이, 레이저 펄스(L)의 조사 방향에 평행한 축을 기준으로 2 개의 등변 표면(122) 중 일측에 위치한 등변 표면을 제 1 등변 표면(122a)이라 할 수 있고, 타측에 위치한 등변 표면을 제 2 등변 표면(122b)이라 할 수 있다.
예를 들어, 제 1 등변 표면(122a)은 초기에 입사되는 레이저 펄스(L)의 광축에 오버랩되는 위치에 배치될 수 있고, 제 2 등변 표면(122b)은 초기에 입사되는 레이저 펄스(L)의 광축에 오버랩되지 않을 수 있다. 예를 들어, 입력단 프리즘(18)의 구성없이 레이저 펄스(L)가 직접 제1 직각 프리즘(12a)의 제 1 등변 표면(122a)으로 입사되는 구성 또한 가능함은 물론이며, 이 경우 제 1 등변 표면(122a)은 유전체 코팅 처리되어, 레이저 펄스(L) 중 제 1 편광 상태(예: p편광 상태)를 갖는 편광파는 투과시키고, 제 1 편광 상태에 수직한 제 2 편광 상태(예: s편광 상태)를 갖는 제 2 편광파는 반사시킬 수 있다.
한편, 제 2 등변 표면(122b)의 경우, 제 1 등변 표면(122a)과 동일하게 제 1 편광 상태(예: p편광 상태)를 갖는 편광파만 투과시키도록 유전체 코팅 처리될 수도 있고, 이와 달리, 모든 광을 반사시키도록 코팅 처리될 수도 있음을 밝혀 둔다. 또한, 이와 같은 설명은 제 2 직각 프리즘(12b)에도 마찬가지로 적용될 수 있다. 한편, 이와 달리, 제 2 직각 프리즘(12b)의 2개의 등변 표면(122a, 122b)은 모두 동일하게 모든 광을 반사시키도록 코팅 처리될 수도 있음을 밝혀 둔다.
입력단 프리즘(18)의 일면은 제 1 직각 프리즘(12a)의 제 1 등변 표면(122a)에 광학 접착되고, 입력단 프리즘(18) 중 레이저 펄스(L)가 입사되는 면은 레이저 펄스(L)의 진행 방향에 수직한 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 입력단 프리즘(18)은 직각 프리즘 형상을 가질 수 있다. 이 경우, 입력단 프리즘(18)의 빗면은 제 1 직각 프리즘(12a)의 제 1 등변 표면(122a)에 부착되고, 나머지 2 개의 면 중 하나의 면은, 입력단 편광 빔 스플리터(11)로부터 초기에 입사되는 레이저 펄스(L)에 수직하게 대면할 수 있다. 이상의 구조에 의하면, 입력단 편광 빔 스플리터(11)를 통과한 이후, 레이저 펄스(L)는 입력단 프리즘(18)의 일면에 수직하게 입사되어 통과할 수 있다.
입력단 프리즘(18)은, 제 1 직각 프리즘(12a)의 재질과 굴절율이 동일한 재질로 형성될 수 있다. 이 경우, 입력단 프리즘(18)을 통과한 레이저 펄스(L)가, 제 1 등변 표면(122a)을 통과하여 제 1 직각 프리즘(12a)으로 입사되는 과정에서, 레이저 펄스(L)가 굴절되는 것을 방지할 수 있다.
예를 들어, 입력단 프리즘(18)의 빗면은 유전체 코팅 처리되어, 레이저 펄스(L) 중 제 1 편광 상태(예: p편광 상태)를 갖는 편광파는 투과시키고, 제 2 편광 상태(예: s편광 상태)를 갖는 편광파는 반사시킬 수 있다. 이와 같은 구성에 따라서, 제 1 직각 프리즘(12a)으로는 제 1 편광 상태를 갖는 편광파만 진입하고, 제 2 편광 상태를 갖는 편광파는 진입하지 않을 수 있다.
한편, 제 1 등변 표면(122a) 및 제 2 등변 표면(122b)의 구분은 2 개의 등변 표면(122a, 122b) 중 초기에 입사되는 레이저 펄스(L)의 광축과의 오버랩 여부와 입력단 프리즘(18)이 설치되는 위치에 따라서 구별한 것으로서, 특정한 방향성을 갖는 것이 아니라는 점을 밝혀둔다.
도 1 및 도 2와 같이 한 쌍의 직각 프리즘(12)은 각각의 빗변 표면(121)이 서로 대면하는 형태로 이격되어 배치될 수 있다. 예를 들어, 한 쌍의 직각 프리즘(12)은 서로 이격된 방향에서 볼 때, 각각의 2 개의 등변 표면의 영역의 적어도 일부가 서로 오버랩 되도록 위치할 수 있다.
다시 말하면, 한 쌍의 직각 프리즘(12) 각각의 제 1 등변 표면(122a)은 레이저 펄스(L)의 조사 방향으로 서로 적어도 일부가 오버랩될 수 있고, 각각의 제 2 등변 표면(122b) 역시 레이저 펄스(L)의 조사 방향에 평행한 축 방향으로 서로 적어도 일부가 오버랩될 수 있다.
예를 들어, 한 쌍의 직각 프리즘(12)은 도 1과 같이 레이저 펄스(L)의 조사 방향에 수직한 평면을 기준으로 서로 좌우 대칭되는 형태로 배치될 수 있다. 한편, 한 쌍의 직각 프리즘(12)이 반드시 대칭되는 형태로 배치되어야 하는 것은 아님을 밝혀 둔다.
예를 들어, 도 1 및 도 2와 같이 한 쌍의 직각 프리즘(12)은 각각의 빗변 표면(121)이 서로 평행하게 대면하는 형태로 이격되어 배치될 수 있다. 다만, 한 쌍의 직각 프리즘(12)의 구성에 의하면, 입사되는 레이저 펄스(L)와의 정렬에 오차가 발생하더라도, 입사되는 광에 대하여 항상 평행한 광을 출사시키기 때문에, 각각의 빗변 표면(121)이 반드시 평행하게 대면하여야 하는 것은 아님을 밝혀 둔다. 다시 말하면, 한 쌍의 직각 프리즘(12)에 의하면, 정렬 상태가 다소 어긋난 경우에도 정상적으로 기능할 수 있으므로, 전체 레이저 펄스 지연기(1)의 제조 노력 및 제조 비용을 절감시키면서도, 높은 신뢰성을 확보할 수 있다.
이상의 구조에 의하면, 도 1 및 도 2 와 같이 외부로부터 입사되는 레이저 펄스(L)는 입력단 프리즘(18)의 면에 수직하게 조사되어, 제 1 직각 프리즘(12a)의 2 개의 등변 표면(122) 중 제 1 등변 표면(122a)을 통과하고, 그와 같은 과정에서 제 1 편광 상태(예: p편광 상태)를 갖는 편광파만 입사될 수 있다.
이후, 제 1 직각 프리즘(12a)에 최초 진입한 편광파가 포켈스 셀(13)을 최초로 통과할 때, 편광파는, 제어부(15)의 신호를 받은 포켈스 셀(13)에 의해 편광 상태가 변경(예: p편광 상태에서 s편광 상태로 변경)되어 제 1 직각 프리즘(12a)과 대향하는 제 2 직각 프리즘(12b)을 향해 조사될 수 있고, 제 2 직각 프리즘(12b)의 빗변 표면(121)을 통과하여 내부로 입사될 수 있다.
제 2 직각 프리즘(12b)의 제 1 등변 표면(122a)의 내면에 조사된 레이저 펄스(L)는 제 1 등변 표면(122a)의 내면으로부터 제 2 등변 표면(122b)을 향해 반사되고, 제 2 등변 표면(122b)에서도 마찬가지로 반사됨에 따라서, 결과적으로 제 2 직각 프리즘(12b)에 입사된 레이저 펄스(L)는 진행 방향이 180°로 편향되어 다시 제 1 직각 프리즘(12a)을 향해 조사될 수 있다.
이어서, 제 1 직각 프리즘(12a)으로 다시 조사된 레이저 펄스(L)는, 제 1 직각 프리즘(12a)의 빗변 표면(121)을 통과한 이후, 제 2 등변 표면(122b)의 내면으로부터 제 1 등변 표면(122a)을 향해 반사되고, 제 1 등변 표면(122a)에서도 마찬가지로 반사되어, 전술한 구조와 유사하게 진행 방향이 180° 편향되어 다시 제 2 직각 프리즘(12b)을 향해 조사될 수 있다.
전술한 바와 같이, 한 쌍의 직각 프리즘(12)에 초기에 입사되는 레이저 펄스(L)의 광축이 각각의 직각 프리즘(12)의 이등변 삼각 형상의 중심선으로부터 평행하게 이격된 상태로 입사되기 때문에, 한 쌍의 직각 프리즘(12)내에 진입한 레이저 펄스(L)는, 도 1과 같이 한 쌍의 직각 프리즘(12) 사이에서 순환 경로를 가지며 지속적으로 반사될 수 있다.
출력단 편광 빔 스플리터(14)는, 한 쌍의 직각 프리즘(12) 사이에 설치되어, 입력된 레이저 펄스의 편광 상태에 따라서 레이저 펄스(L)를 선택적으로 투과 또는 반사 시키는 편광 빔 스플리터(Polarization beam splitter)일 수 있다. 예를 들어, 출력단 편광 빔 스플리터(14)는, 최초에 입사된 레이저 펄스(L)의 진행 방향(즉, 레이저 펄스(L)의 조사 방향)을 기준으로 포켈스 셀(13)보다 하류(downstream)에 위치할 수 있다. 다시 말하면, 출력단 편광 빔 스플리터(14)는, 포켈스 셀(13)보다 제 2 직각 프리즘(12b)에 가깝게 위치할 수 있다.
예를 들어, 입력단 편광 빔 스플리터(11) 및 제 1 등변 표면(122a)은 서로 반사 또는 투과 시키는 광선의 편광 상태가 동일하지만, 출력단 편광 빔 스플리터(14)는 이들과 반대일 수 있다. 다시 말하면, 출력단 편광 빔 스플리터(14)는 제 1 편광 상태(예: p편광 상태)를 갖는 편광파는 반사시키고, 제 2 편광 상태(예: s편광 상태)를 갖는 편광파는 투과시킬 수 있다.
따라서, 상술한 것처럼 레이저 펄스(L)가 한 쌍의 직각 프리즘(12) 사이에서 순환 경로를 가지며 지속적으로 반사되는 과정에서, 포켈스 셀(13)에 재차 전압이 인가되지 않는 이상, 최초 입사 후 편광 상태가 변경(예: p편광 상태에서 s편광 상태로 변경)된 레이저 펄스(L)는 출력단 편광 빔 스플리터(14)를 통과하더라도 반사되지 않고 통과될 수 있다.
예를 들어, 입력단 편광 빔 스플리터(11) 및 출력단 편광 빔 스플리터(14)는 평판형 또는 큐브형의 편광 빔 스플리터일 수 있다.
포켈스 셀(13)은, 한 쌍의 직각 프리즘(12) 사이에 설치되는 레이저 변조기일 수 있다. 예를 들어, 포켈스 셀(13)은 통과하는 레이저 펄스(L)에 전기장을 형성하여 레이저 펄스(L)의 편광 상태에 따른 위상 지연을 형성하는 포켈스 효과(Pockels effect)를 통해, 결과적으로 레이저 펄스(L)의 편광 방향을 회전시킬 수 있다.
예를 들어, 포켈스 셀(13)의 외면은 비반사 코팅 처리가 될 수 있다. 이와 같은 구조에 의하면, 레이저 펄스(L)가 포켈스 셀(13)의 내부로 입사되지 못하고, 포켈스 셀(13)의 외면에서 반사되는 문제를 방지할 수 있다.
예를 들어, 포켈스 셀(13)에 전압이 인가되지 않을 경우, 상술한 것처럼 레이저 펄스(L)는 포켈스 셀(13) 및 출력단 편광 빔 스플리터(14)를 통과하여, 한 쌍의 직각 프리즘(12) 사이에서 지속적으로 반사되어 왕복할 수 있다.
한편, 포켈스 셀(13)에 전압을 인가하게 되면, 포켈스 셀(13)을 통과하는 레이저 펄스(L)는 포켈스 효과에 의해 편광 방향이 90° 회전하게 되므로, 결국 출력단 편광 빔 스플리터(14)를 통과하지 못하고, 출력단 편광 빔 스플리터(14)에서 반사되어 한 쌍의 직각 프리즘(12) 사이의 순환 경로로부터 이탈되어, 레이저 펄스 지연기(1)의 외부로 출사하게 된다.
제어부(15)는 포켈스 셀(13)에 인가하는 전압을 제어할 수 있다. 제어부(15)는 포켈스 셀(13)에 전압을 인가하는 시점 또는 전압을 해제하는 시점을 조절할 수 있다. 또한, 제어부(15)는 레이저 펄스(L)를 제공하는 레이저 광원(16)에 전압을 인가하는 시점 또는 출력되는 레이저 펄스(L)의 출력 크기를 조절할 수 있다.
예를 들어, 제어부(15)는 레이저 광원(16)에 전압을 인가하는 시점에 기초하여 포켈스 셀(13)에 전압을 인가하는 시점을 조절하여 사용자가 원하는 지연 시간을 형성할 수 있다.
다시 말하면, 제어부(15)는 사용자로부터 입력되는 지연 시간의 크기에 기초하여, 레이저 광원(16)에 전압을 인가하는 시점으로부터 포켈스 셀(13)에 전압을 인가하는 시점까지의 설정 지연 시간 간격을 조절할 수 있고, 이를 통해 원하는 지연 시간을 매우 정밀하게(예를 들어, 피코초(ps) 또는 나노초(ns) 단위로) 조절하는 것이 가능하다.
일 실시 예에 따른 레이저 펄스 지연기(1)에 의하면, 제어부(15)는 레이저 펄스(L)를 조사하는 시점으로부터 포켈스 셀(13)에 전압을 인가하는 시점을 조절하는 것으로, 레이저 펄스(L)가 한 쌍의 직각 프리즘(12) 내에서 순환 경로를 따라서 왕복하는 시간 만큼의 시간 지연을 만들 수 있다.
도 3은 일 실시 예에 따른 레이저 펄스 지연기의 블록도이고, 도 4는 일 실시 예에 따른 레이저 펄스 지연기의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 일 실시 예에 따른 레이저 펄스 지연기(2)는, 레이저 펄스(L)를 출력하는 레이저 광원(26)과, 레이저 펄스(L)가 입사되는 광축에 설치되는 입력단 편광 빔 스플리터(21)와, 레이저 펄스(L)의 광축을 따라서 서로 마주보도록 이격되어 설치되는 한 쌍의 직각 프리즘(22)과, 한 쌍의 직각 프리즘(22) 사이에 설치되는 포켈스 셀(23)과, 한 쌍의 직각 프리즘(22) 사이에 설치되는 출력단 편광 빔 스플리터(24)와, 한 쌍의 직각 프리즘(22)에 설치되어 한 쌍의 직각 프리즘(22) 사이의 이격된 간격을 조절하는 이격 조절부(27)와, 한 쌍의 직각 프리즘(22) 중 입력단 편광 빔 스플리터(21)를 통과하는 레이저 펄스(L)가 입사되는 직각 프리즘(22)에 설치되는 입력단 프리즘(28)과, 제어부(25)를 포함할 수 있다.
한 쌍의 직각 프리즘(22), 입력단 편광 빔 스플리터(21), 출력단 편광 빔 스플리터(24) 및 포켈스 셀(23)은 모두 동일한 직선 상에서 배치될 수 있으며, 상기 각각의 구성은 도 1 및 도 2의 설명을 통해 전술한 각각의 구성들의 특징을 모두 포함할 수 있으므로, 구체적인 설명은 생략될 수 있다.
레이저 광원(26)은 입력단 편광 빔 스플리터(21)를 향해 레이저 펄스(L)를 조사될 수 있고, 이후, 입력단 프리즘(28)을 거쳐 한 쌍의 직각 프리즘(22) 내로 진입하여 한 쌍의 직각 프리즘(22) 사이에서 지속적으로 전반사되면서 왕복할 수 있다.
전술한 바와 같이, 입력단 편광 빔 스플리터(21)를 통과하여 설정 편광 방향을 갖게된 레이저 펄스(L)는 직각 프리즘(22)의 이등변 삼각 형상의 중심선으로부터 평행하게 이격된 상태로 입사되기 때문에, 한 쌍의 직각 프리즘(22)내에 진입한 레이저 펄스(L)는, 도 4와 같이 한 쌍의 직각 프리즘(22) 사이에서 진행 방향이 서로 중첩되지 않는 순환 경로를 가지며 지속적으로 전반사될 수 있다.
이격 조절부(27)는, 한 쌍의 직각 프리즘(22) 중 적어도 하나에 설치되어, 레이저 펄스(L)의 조사 방향에 평행한 방향을 따라서 한 쌍의 직각 프리즘(22)의 간격을 조절할 수 있다.
예를 들어, 레이저 펄스(L)의 조사 방향에 평행한 방향을 따라서, 이격 조절부(27)는 한 쌍의 직각 프리즘(22) 중 적어도 하나 이상을 선형 구동시킬 수 있는 실린더, 스크류, 스플라인 또는 모션 가이드 등을 구비하는 리니어 모션 액추에이터를 포함할 수 있다.
제어부(25)는, 레이저 광원(26), 포켈스 셀(23) 및 이격 조절부(27)의 전원 또는 구동을 제어할 수 있다.
제어부(25)는 레이저 광원(26)에 전압을 인가하는 시점 또는 출력되는 레이저 펄스(L)의 출력 크기를 조절할 수 있다.
제어부(25)는 포켈스 셀(23)에 인가하는 전압을 제어할 수 있고, 또한 포켈스 셀(23)에 전압을 인가하는 시점 또는 전압을 해제하는 조절할 수 있다.
예를 들어, 제어부(25)는 레이저 광원(26)에 전압을 인가하는 시점에 기초하여 포켈스 셀(23)에 전압을 인가하는 시점을 조절하여 사용자가 원하는 지연 시간을 형성할 수 있다.
다시 말하면, 제어부(25)는 사용자로부터 입력되는 지연 시간의 크기에 기초하여, 레이저 광원(26)에 전압을 인가하는 시점으로부터 포켈스 셀(23)에 전압을 인가하는 시점까지의 설정 지연 시간 간격을 조절할 수 있고, 이를 통해 원하는 지연 시간을 매우 정밀하게(예를 들어, 피코초(ps) 또는 나노초(ns) 단위로) 조절하는 것이 가능하다.
예를 들어, 제어부(25)는 이격 조절부(27)를 조절하여 한 쌍의 직각 프리즘(22) 사이의 간격을 조절함에 따라서 형성할 수 있는 지연 시간의 단위 또는 간격을 조절할 수 있다.
예를 들어, 한 쌍의 직각 프리즘(22) 사이의 간격이 30 cm 일 때, 생성할 수 있는 시간 지연의 크기는 2 ns, 4 ns, 6 ns, 8 ns, … 크기로 단계적으로 형성할 수 있지만, 이격 조절부(27)를 통해 한 쌍의 직각 프리즘(22) 사이의 간격을 50 cm로 설정 할 경우, 생성할 수 있는 시간 지연의 크기는 3.3 ns, 6.6 ns, 10 ns, 13.3 ns, … 크기로 단계적으로 형성할 수 있는 것을 확인할 수 있다.
일 실시 예에 따른 레이저 펄스 지연기(2)에 의하면, 포켈스 셀(23)에 전압을 인가하는 시점을 조절하여 매우 작은 시간 단위로 레이저 펄스(L)의 지연 시간을 조절하는 것이 가능할 뿐만 아니라, 한 쌍의 직각 프리즘(22)의 간격을 조절함으로써 지연 시간의 단계적 증가율을 조절할 수 있기 때문에, 결과적으로 생성할 수 있는 지연 시간의 선택 폭이 넓다는 것과 동시에, 지연 시간을 정밀한 시간 단위로 조절할 수 있다는 이점을 갖는다.
이상과 같이 비록 한정된 도면에 의해 실시 예들이 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 구조, 장치 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.

Claims (20)

  1. 레이저 펄스의 광축을 따라서 서로 마주보도록 이격되어 설치되고, 각각은 서로 동일한 길이를 가지며 직각으로 배치되는 2 개의 등변 표면과, 상기 2 개의 등변 표면 사이를 연결하는 빗변 표면을 각각 구비하는 한 쌍의 직각 프리즘;
    상기 한 쌍의 직각 프리즘 사이에 설치되는 포켈스 셀;
    상기 한 쌍의 직각 프리즘 사이에 설치되는 출력단 편광 빔 스플리터; 및
    상기 한 쌍의 직각 프리즘 중 상기 레이저 펄스가 입사되는 직각 프리즘의 등변 표면에 설치되는 입력단 프리즘을 포함하고,
    상기 한 쌍의 직각 프리즘은 상기 한 쌍의 직각 프리즘 각각의 상기 빗변 표면이 서로 대면하도록 이격되고, 상기 한 쌍의 직각 프리즘이 서로 이격된 방향에서 볼 때, 상기 한 쌍의 직각 프리즘 각각의 상기 2 개의 등변 표면의 영역의 적어도 일부가 서로 오버랩되고,
    상기 입력단 프리즘의 재질의 굴절율과, 상기 한 쌍의 직각 프리즘의 재질의 굴절율은 서로 동일한 것을 특징으로 하는 레이저 펄스 지연기.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 입력단 프리즘은 빗면이 상기 등변 표면에 부착되는 직각 프리즘으로 형성되고,
    상기 입력단 프리즘의 빗면은 유전체 코팅되어, 상기 레이저 펄스 중 제 1 편광 상태를 갖는 편광파는 투과시키고, 상기 제 1 편광 상태에 수직한 제 2 편광 상태를 갖는 편광파는 반사시키는 것을 특징으로 하는 레이저 펄스 지연기.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 포켈스 셀을 제어하는 제어부를 더 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 레이저 펄스가 상기 포켈스 셀을 최초로 통과할 때 상기 포켈스 셀을 제어하여 상기 레이저 펄스의 편광 상태가 상기 제 1 편광 상태에서 상기 제 2 편광 상태가 되게 하는 것을 특징으로 하는 레이저 펄스 지연기.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 출력단 편광 빔 스플리터는,
    상기 제 2 편광 상태를 갖는 편광파는 투과시키고, 상기 제 1 편광 상태를 갖는 편광파는 반사시키는 것을 특징으로 하는 레이저 펄스 지연기.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 출력단 편광 빔 스플리터는, 최초에 입사된 레이저 펄스의 진행 방향을 기준으로 상기 포켈스 셀보다 하류에 위치하는 것을 특징으로 하는 레이저 펄스 지연기.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 한 쌍의 직각 프리즘 각각의 외면은 비반사 코팅 처리되는 것을 특징으로 하는 레이저 펄스 지연기.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 포켈스 셀에 전압을 인가 또는 해제하여 굴절률을 변화시키는 제어부를 더 포함하고,
    상기 제어부를 통해 상기 포켈스 셀에 전압을 인가할 경우, 상기 포켈스 셀을 통과하는 레이저 펄스의 편광을 회전시키는 것을 특징으로 하는 레이저 펄스 지연기.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 제어부를 통해 상기 포켈스 셀에 전압을 인가할 경우, 상기 포켈스 셀을 통과하는 레이저 펄스의 편광이 회전하는 것을 특징으로 하는 레이저 펄스 지연기.
  12. 레이저 펄스의 광축을 따라서 서로 마주보도록 이격되어 설치되고, 각각은 서로 동일한 길이를 가지며 직각으로 배치되는 2 개의 등변 표면과, 상기 2 개의 등변 표면 사이를 연결하는 빗변 표면을 각각 구비하는 한 쌍의 직각 프리즘;
    상기 한 쌍의 직각 프리즘 사이에 설치되는 포켈스 셀;
    상기 한 쌍의 직각 프리즘 사이에 설치되는 출력단 편광 빔 스플리터;
    상기 포켈스 셀에 전압을 인가 또는 해제하여 굴절률을 변화시키는 제어부; 및
    상기 한 쌍의 직각 프리즘에 설치되어 상기 한 쌍의 직각 프리즘 사이의 이격된 간격을 조절하는 이격 조절부를 포함하고,
    상기 한 쌍의 직각 프리즘은 상기 한 쌍의 직각 프리즘 각각의 상기 빗변 표면이 서로 대면하도록 이격되고, 상기 한 쌍의 직각 프리즘이 서로 이격된 방향에서 볼 때, 상기 한 쌍의 직각 프리즘 각각의 상기 2 개의 등변 표면의 영역의 적어도 일부가 서로 오버랩되고,
    상기 제어부를 통해 상기 포켈스 셀에 전압을 인가할 경우, 상기 포켈스 셀을 통과하는 레이저 펄스의 편광을 회전시키는 것을 특징으로 하는 레이저 펄스 지연기.
  13. 레이저 펄스의 광축을 따라서 서로 마주보도록 이격되어 설치되고, 각각은 서로 동일한 길이를 가지며 직각으로 배치되는 2 개의 등변 표면과, 상기 2 개의 등변 표면 사이를 연결하는 빗변 표면을 각각 구비하는 한 쌍의 직각 프리즘;
    상기 한 쌍의 직각 프리즘 사이에 설치되는 포켈스 셀;
    상기 한 쌍의 직각 프리즘 사이에 설치되는 출력단 편광 빔 스플리터; 및
    상기 포켈스 셀에 전압을 인가 또는 해제하여 굴절률을 변화시키는 제어부를 포함하고,
    상기 한 쌍의 직각 프리즘은 상기 한 쌍의 직각 프리즘 각각의 상기 빗변 표면이 서로 대면하도록 이격되고, 상기 한 쌍의 직각 프리즘이 서로 이격된 방향에서 볼 때, 상기 한 쌍의 직각 프리즘 각각의 상기 2 개의 등변 표면의 영역의 적어도 일부가 서로 오버랩되고,
    상기 포켈스 셀의 외면은 비반사 코팅 처리되는 것을 특징으로 하는 레이저 펄스 지연기.
  14. 레이저 펄스를 출력하는 레이저 광원;
    레이저 펄스의 광축을 따라서 서로 마주보도록 이격되어 설치되고, 각각은 서로 동일한 길이를 가지며 직각으로 배치되는 2 개의 등변 표면과, 상기 2 개의 등변 표면 사이를 연결하는 빗변 표면을 각각 구비하는 한 쌍의 직각 프리즘;
    상기 한 쌍의 직각 프리즘 사이에 설치되는 출력단 편광 빔 스플리터;
    상기 한 쌍의 직각 프리즘 사이에 설치되는 포켈스 셀; 및
    상기 레이저 광원 및 상기 포켈스 셀의 작동을 제어하는 제어부를 포함하고,
    상기 한 쌍의 직각 프리즘은 상기 한 쌍의 직각 프리즘 각각의 상기 빗변 표면이 서로 대면하도록 이격되고, 상기 한 쌍의 직각 프리즘이 서로 이격된 방향에서 볼 때, 상기 한 쌍의 직각 프리즘 각각의 상기 2 개의 등변 표면의 영역의 적어도 일부가 서로 오버랩되고,
    상기 제어부를 통해 상기 포켈스 셀에 전압을 인가할 경우, 상기 포켈스 셀을 통과하는 레이저 펄스의 편광이 회전되고,
    상기 제어부는, 사용자로부터 입력되는 지연 시간의 크기에 기초하여, 상기 레이저 광원에 전압을 인가하는 시점으로부터 상기 포켈스 셀에 전압을 인가하는 시점까지의 설정 지연 간격을 조절하는 레이저 펄스 지연기.
  15. 삭제
  16. 삭제
  17. 삭제
  18. 삭제
  19. 제 14 항에 있어서,
    상기 한 쌍의 직각 프리즘에 설치되어 상기 한 쌍의 직각 프리즘 사이의 이격된 간격을 조절하는 이격 조절부를 더 포함하고,
    상기 제어부는, 사용자로부터 입력되는 지연 시간의 크기에 기초하여, 상기 이격 조절부를 통해 상기 한 쌍의 직각 프리즘 사이의 이격된 간격을 조절하는 레이저 펄스 지연기.
  20. 삭제
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