KR102335026B1 - 광 빔의 특성화를 위한 디바이스 및 방법 - Google Patents

광 빔의 특성화를 위한 디바이스 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 양태는 다음 단계들을 포함한 광 빔의 특성화를 위한 방법에 관한 것이다:
- 상기 광 빔을, 분리기 광학계로 제 1 서브-빔 및 제 2 서브-빔으로 분리시키는 단계;
- 제 1 광학계를 통해 상기 제 1 서브-빔을 전파하고, 제 2 광학계를 통해 상기 제 2 서브-빔을 전파하는 단계 - 상기 제 1 및 제 2 광학계들 각각은 상기 제 1 광학계에서 빠져나가고 "기준 빔"이라 지칭되는 제 1 서브-빔, 및 상기 제 2 광학계에서 빠져나가고 "특성화 빔"이라 지칭되는 제 2 서브-빔이 시간 지연 (τ)만큼 분리되도록 배치됨 -;
- 상기 기준 빔 및 상기 특성화 빔이 공간적으로 간섭되고 2-차원 간섭 패턴 을 형성하는 방식으로, 재결합기 광학계로 상기 기준 빔 및 상기 특성화 빔을 재결합시키는 단계;
- 시간 인터페로그램을 얻기 위해, 측정 시스템으로 상기 2-차원 간섭 패턴 을 측정하는 단계;
- 상기 시간 인터페로그램의 적어도 하나의 공간 지점의 주파수 도메인에서 푸리에 변환을 계산하는 단계 - 상기 주파수 도메인에서의 푸리에 변환은 주파수 중심 피크 및 제 1 및 제 2 주파수 측면 피크들을 가짐 -;
- 상기 제 1 및 제 2 시간 측면 피크들 중 하나에 대해 주파수 도메인에서 푸리에 변환을 계산하는 단계;
- 주파수 도메인에서의 상기 푸리에 변화의 제 1 및 제 2 주파수 측면 피크들 중 하나에 대해 스펙트럼 진폭 (AR (ω)) 및 공간-스펙트럼 위상 (φR (x,y,ω))을 계산하는 단계.

Description

광 빔의 특성화를 위한 디바이스 및 방법{DEVICE AND METHOD FOR CHARACTERIZATION OF A LIGHT BEAM}
본 발명의 기술 분야는 광학 메트롤로지 (optical metrology)의 기술 분야이다.
이로써, 본 발명의 일 양태는 광 빔, 특히 다색 (polychromatic) 광 빔, 및 그 중에서도 다색 레이저 빔의 특성화를 위한 디바이스 및 방법에 관한 것이다. 본 발명의 일 양태에 따른 디바이스 및 방법은 특히 광 빔 및 그 중에서도 펄스형 레이저 빔의 공간-시간 속성들을 결정하는 것을 가능하게 하고, 이때 상기 펄스형 레이저 빔은 전형적으로 펨토초 지속 기간 (duration)의 하나 이상의 레이저 펄스들을 포함한다. 보다 일반적으로, 본 발명의 일 양태에 따른 디바이스 및 방법은 기준 지점으로서 얻어진 광 빔의 일측 지점에서의 전자기장과, 광 빔의 타측 지점들 모두에서의 전자기장들 사이에서 상호-상관 함수들 (cross-correlation functions)을 측정하기 위해 사용될 수 있다.
본 발명은 보다 구체적으로 그의 응용에 관련하여, 공간-시간 커플링들을 가진 초단파 레이저 펄스들의 특성화에 기술될 것이며, 이들 용도들이 배타적이지 않더라도 그러하다. "초단파 레이저 펄스"는 피코초 펄스, 다시 말하면, 약 0.1 내지 100 ps에 포함된 지속 기간의 피코초 펄스, 또는 펨토초 펄스, 다시 말하면, 100 fs=0.1 ps 이하의 지속 기간의 펨토초 펄스를 의미하기 위해 취해진다. 지속 기간들은 강도 프로파일의 중간 높이까지 확장된다. 이들 펄스들은 상대적으로 넓은 스펙트럼 대역을 가지며, 다시 말하면 전형적으로 수십 나노미터 정도 또는 심지어 수백 나노미터 정도의 스펙트럼 대역을 가진다.
초단파 레이저 펄스들은 수많은 과학적 및 기술적 응용들을 가지며; 이들은 몇 줄들의 에너지까지 증폭될 수 있고, "펄스형 빔들"이라 칭하는 빔들을 형성할 수 있고, 이들 빔들의 직경은 함수, 그 중에서도 이들의 파워의 함수로서 몇 밀리미터 내지 몇 센티미터까지 나타난다.
일반적으로 말하면, 펄스형 빔의 전자기장의 시간적 속성들은 공간적으로 변할 수 있거나, 또는 등가의 방식으로 변할 수 있고, 펄스형 빔의 전자기장의 공간적 속성들은 시간 의존적일 수 있다. 예를 들어, 펄스 지속 기간은 빔 내의 위치 (x,y)에 의존적일 수 있다. 본 설명에서, 달리 언급되지 않는 이상, "z" 방향으로 전파하는 빔은 고려될 것이며, "x", "y" 및 "z" 축들은 직교 좌표계를 형성한다.
상기와 같은 종속성이 존재할 시에, E (x,y,t) 필드는 다음의 형태로 표현될 수 없다:
E (x,y,t) = E1 (t)×E2 (x,y)
여기서, E1 (t)는 시간 함수이고, E2 (x, y)는 공간 함수이다. 그러면, 상기 빔은 공간-시간 커플링 (space-time coupling, STC)을 가졌다고 한다.
공간-시간 커플링들은 그 중에서도 도 1a 및 1b에 의해 도시된 바와 같이, 펄스형 빔의 강도 전면 (intensity front)의 왜곡을 초래할 수 있다. 도 1a는 이상적인 경우를 도시하는데, 상기 경우에 따르면, 방향 z로 전파하는 초단파 펄스형 빔의 전자기 에너지는 직경 D 및 두께 cT의 매우 얇은 디스크로 퍼저나가고, 이때 c는 광의 속도이고, T는 펄스의 지속 기간이다. 도 1a의 예시에서, D=8 cm이고 cT=10 μm는 약 33 fs의 펄스 지속 기간에 대응한다. 일반적으로 요구되는 초점에서 얻어지는 광 강도를 최대화하기 위해, 상기 디스크는 가능한 한 "평평한" 형태이어야 한다. 에너지의 이러한 공간 분포를 특징짓기 위해, 레이저의 "강도 전면" 표현이 사용된다. 강도 전면의 개념은 "파면 (wave front)"의 개념과 혼동되어서는 아니된다.
실제로, 그 중에서도 큰 빔 직경을 갖는 고 파워 레이저의 경우에, 강도 전면들은 도 1b에 도시된 바와 같이, 평평하지 않고 왜곡될 수 있다. 결과적으로, 펄스 피크는 평면 (x, y)에서 빔의 섹션의 서로 다른 지점들에서 서로 다른 순간들에 도달될 수 있으며, 펄스 지속 기간은 또한 한 지점으로부터 또 다른 지점까지 변할 수 있다. 예를 들어 시간에 따른 파면들의 순환과 같은, 공간-시간 커플링들의 다른 유형들 역시 가능하다.
이들 커플링들을 측정하는 기술들이 제안되었지만, 성능 면에서 제한적이며 구현이 복잡하고, 전형적으로 고 파워 소스들에서 발생하는 대형 크기의 빔들에는 적합하지 않다. 결과적으로, 이들 기술들은 널리 퍼지지 않는다. 사실, 광 빔이 클수록, 공간-시간 커플링을 가질 가능성이 높다. 이로써, 상기와 같은 광 빔들에 대해, 특히 공간-시간 커플링들의 측정을 수행할 수 있는 것이 중요하다.
이들 기술들은 이하에서 나열된다.
- 값이 비싸고 복잡한 "SPIDER-2D" 기술은 특성화된 빔의 크기를 제한한다. SPIDER-2D는 특성화된 빔을 시간 t, 및 횡 방향, x 또는 y의 함수로 복원할 수 있다.
- "STRIPED FISH" 기술은 SPIDER-2D보다 구현하기 간단하고 저렴하다. STRIPED FISH는 또한 시간 t, 및 두 개의 횡 방향들 x 및 y의 함수로서 특성화 빔의 복원을 가능하게 한다. 그럼에도 불구하고 STRIPED FISH는 또한 특성화된 빔의 크기를 제한하고, 얻기가 매우 어려운 것으로 입증될 수 있는 기준 빔의 사용을 요구하며, 작은 스펙트럼 샘플링만을 가능하게 한다.
- "HAMSTER" 기술은 Cousinetal., "Three-dimensional spatiotemporal pulse characterization with an acousto-optic pulse shaper and a Hartmann-Shack wavefront sensor", Optics Letters 37, 3291 (2012)의 논문에 기술된다. HAMSTER는 특성화 빔의 한 지점에서 시간 측정을 수행 한 다음, 특성화 빔의 서로 다른 스펙트럼 섹션들의 공간적 파면을 측정하기 위해 음향 - 광 변조기 및 Shack-Hartmann 유형의 2D 파면 센서를 사용한다. 두 번의 일련의 측정이 종료되면, HAMSTER는 특성화 빔의 완전한 공간-시간 복원에, 다시 말하면 시간 t 및 두 개의 횡 방향들 x 및 y의 함수로서 도달한다. HAMSTER 기술은 그럼에도 불구하고, 그 중에서도 음향-광 변조기의 사용으로 인해, 소정의 복잡성과 고비용을 수반한다. 반면에, HAMSTER 기술은 큰 직경 빔들에는 적합하지 않다.
- "SEA TADPOLE" 기술은, 제 1 광 섬유로 특성화 빔의 서로 다른 지점들에서 광을 수집하면서, 상기 제 1 광 섬유를 빔의 서로 다른 지점들로 이동시키는 것으로 구성된다. 보조 빔은 제 2 광섬유에 주입된다. 제 1 및 제 2 광섬유들의 출력 말단들은 상기 빔들이 발산시에 상기 제 1 및 제 2 광섬유들을 공간적으로 중첩되고 공간 간섭을 만들어 내도록 하는 방식으로 서로 가까이에 위치된다. 이들 공간 간섭들은 분광기 (spectrometer)를 사용하여 스펙트럼으로 분해되어 인터페로그램 (interferogram)을 얻는다. 이러한 인터페로그램은 제 1 광섬유에 주입된 빔과 제 2 광섬유에 주입된 빔 사이의 스펙트럼 위상을 결정하는 것을 가능하게 한다. 이로써, 특성화 빔의 한 지점에서 수집된 광의 스펙트럼 속성들이 보조 빔의 스펙트럼 속성들과 비교된다. 특성화 빔의 복수의 지점들로 제 1 광섬유를 이동시킴으로써, 이들 각각의 지점은 보조 빔과 비교되어, 특성화 빔의 스펙트럼 위상을 복원하는 것을 가능하게 한다. SPIDER-2D 및 STRIPED FISH 기술들과 달리, SEA TADPOLE 기술은 특성화 빔의 크기를 제한하지 않는 이점을 가진다. STRIPED FISH의 경우와 동일한 방식으로, 장착이 상대적으로 간단하고 저렴하며, 특성화 빔의 복원은 3 차원 (x, y, t)에 따라 수행된다. 그러나, SEA TADPOLE에 의한 빔의 특성화는 매우 많은 레이저 샷들을 필요로 하며, 스펙트럼 위상은 지점 별로 (point by point) 결정된다. 여러 레이저 샷들을 수행하는 필요성은, 특성화되기 위한 레이저 빔이 안정적이고 재현성 있는 샷-대-샷 (shot-to-shot)을 부과한다는 것이며, 이는 항상 펨토초 레이저들의 경우, 특히 고 파워 펨토초 레이저들의 경우는 아니다. SEA TADPOLE 기술의 또 다른 제한은 랜덤한 위상 변동들을 도입하는 광 섬유들의 사용에 의해 구성된다.
- 가장 근접한 기술 양상은 특허 FR 2976663 (A1)에 기술된 "MUFFIN"이라 불리는 기술에 의해 구성된다. 이전에 제기된 SPIDER-2D, STRIPED FISH 및 SEA TADPOLE 기술들은 특허 FR 2976663 (A1)의 서문에서 상세하게 기술된다. MUFFIN 기술은 SEA TADPOLE 기술 개선을 나타낸다. 2 개의 광 섬유들 - 특성화 빔의 N 개의 지점들로 연속적으로 이동되는 제 1 광 섬유, 및 기준의 역할을 하는 제 2 광 섬유를 사용하는 대신에, MUFFIN은 한 세트의 N 개의 광섬유들을 직접 사용하는 것을 제안한다. 이들 N 개의 섬유들의 입력 말단들은 특성화 빔의 N 개의 서로 다른 지점들에서 광을 수집한다. 이들 N 개의 섬유들의 출력 말단들은 서로 한 줄로 (in a line) 나란히 위치되고, 그 결과 상기 섬유들에서 떠나가는 빔들은 중첩되고 공간적으로 서로 간섭한다. 이로써 MUFFIN 기술은 SEA TADPOLE의 결과에 따라, 반드시 보조 빔을 사용할 필요 없이, 단일 샷에 이른다. MUFFIN은 SEA TADPOLE에서 이미 확인된 광섬유들의 위상 변동 문제를 즉시 제거하지 못한다. 상기와 같은 위상 변동들은 특성화 빔의 완전한 복원을 방해할 수 있다. 이러한 문제에 대한 해결책이 상기에서 인용된 특허에서 제안되었지만, 이는 MUFFIN 기술의 사용을 더욱 복잡하게 만든다. 나아가, 매우 많은 광 섬유들을 사용하는 것은 MUFFIN 기술로는 어렵다. 실제로, 광섬유들의 최대 수는 수십 정도이다. 결과적으로, MUFFIN 기술은 특성화 빔의 제한된 공간 샘플링만을 가능하게 한다.
이로써, 본 발명은, 큰 크기의 광 빔에 대해 적합하고, 우수한 공간 샘플링 및 우수한 스펙트럼 샘플링을 갖는 상기 광 빔의 완전한 복원을 가능하게 하면서, 구현하는 것이 상대적으로 간단하고, 저렴한 광 빔의 특성화를 위한 디바이스 및 방법을 제안함으로써, 상술된 문제점들에 대한 해결책을 제공하는 것에 목적을 두고 있다.
본 발명의 일 양태는 이로써 광 빔의 특성화를 위한 디바이스에 관련되고, 상기 디바이스는 다음을 포함한다:
- 상기 광 빔을 제 1 서브-빔 및 제 2 서브-빔으로 분리시키는 분리기 광학계 (separator optic) - 상기 분리기 광학계는 상기 제 1 서브-빔용 제 1 광학 경로 및 상기 제 2 서브-빔용 제 2 광학 경로를 정의함 -;
- 상기 제 1 광학 경로에 배치된 제 1 광학계 - 상기 제 1 광학계는, 상기 제 1 광학계에서 빠져나가고 "기준 빔 (reference beam)"이라 지칭되는 제 1 서브-빔이 제 1 유형의 파면들을 가지도록, 제 1 곡률 반경을 가짐 -;
- 상기 제 2 광학 경로에 배치된 제 2 광학계 - 상기 제 2 광학계는, 상기 제 2 광학계에서 빠져나가고, "특성화 빔 (characterized beam)"이라 지칭되는 제 2 서브-빔이 상기 제 1 유형과는 다른 제 2 유형의 파면들을 가지도록, 상기 제 1 곡률 반경과는 다른 제 2 곡률 반경을 가짐 -;
- 상기 기준 빔과 상기 특성화 빔 사이에서 시간 지연 (τ)을 제어하는 수단;
- 상기 기준 빔 및 상기 특성화 빔이 공간적으로 간섭되고 2-차원 간섭 패턴을 형성하는 방식으로, 상기 기준 빔 및 상기 특성화 빔을 재결합시키는 재결합기 광학계;
- 상기 2-차원 간섭 패턴으로부터, 적어도 시간 정보 또는 주파수 정보을 얻는 것을 가능하게 하는 측정 시스템;
- 주파수 도메인에서의 푸리에 변환의 시간 정보로부터 계산을 가능하게 하거나, 또는 시간 도메인에서의 푸리에 변환의 주파수 정보로부터 계산을 가능하게 하는 계산기.
본 발명에 의하면, 제 1 서브-빔의, 지점 소스로 고려되는 일부가 특성화 빔의 전체를 특징화시키는 것을 가능하게 하는 큰 크기의 기준 빔을 발생시키기 위해 유리하게 사용된다. "큰 크기의 기준 빔"은, 원하는 측정 평면에서, 기준 빔의 크기가 특성화 빔의 크기보다 크거나 같다는 점을 의미하기 위해 취해진다.
제 1 광학계와 제 2 광학계 사이의 곡률 반경의 차이로 인해, 기준 빔의 파면들은 제 1 유형이고, 특성화 빔의 파면들은 제 2 유형이고, 이때 제 2 유형은 제 1 유형과는 다르다. 파면의 유형은, 그 중에서도 상기 파면의 곡률 반경의 함수로서 결정된다. 이로써, 원하는 측정 평면에서, 한 지점 소스로부터 나오는 것으로 고려된 기준 빔은 공간적으로 특성화 빔의 각각의 지점을 간섭한다. 이로써, 특성화 빔의 특성화는 기준 빔에 대해 상대적으로 얻어지고, 상기 기준 빔은 간단하고, 효율적이고 저렴한 방식으로 얻어진다.
앞선 단락에서 언급되었던 특성들 이외에, 본 발명의 일 양태에 따른 광 빔의 특성화를 위한 디바이스는 개별적으로 또는 임의의 기술적으로 가능한 그의 조합들에 따라 고려된, 다음 것들 중 하나 이상의 상호 보완적인 특성들을 가질 수 있다.
- 분리기 광학계 및 재결합기 광학계는 단일적이고 동일한 광학계 를 형성하고, 이때 상기 광학계는 한편으로는 상기 광 빔의 분리를, 그리고 다른 한편으로는 상기 기준 빔 및 상기 특성화 빔의 재결합을 확보한다.
- 상기 계산기는 시간 유형 정보와 주파수 유형 정보 간의 푸리에 변환의 계산기이고, 이들 유형들 중 하나의 정보로부터 다른 유형의 푸리에 변환을 계산한다.
본 발명의 또 다른 양태는 본 발명의 일 양태에 따라 광 빔의 특성화를 위한 디바이스를 사용하여, 광 빔의 특성화를 위한 제 1 방법에 관한 것이고, 상기 제 1 방법은 다음 단계들을 포함한다:
- 상기 광 빔을, 분리기 광학계로 제 1 서브-빔 및 제 2 서브-빔으로 분리시키는 단계 - 상기 제 1 서브-빔은 제 1 광학 경로를 따르고 (take), 상기 제 2 서브-빔은 제 2 광학 경로를 따름 -;
- 제 1 광학계를 통해 (over) 상기 제 1 서브-빔을 전파하고, 제 2 광학계를 통해 상기 제 2 서브-빔을 전파하는 단계 - 상기 제 1 및 제 2 광학계들은 제어 수단에 의해 상기 제 1 및 제 2 광학 경로들에 각각 배치되고, 그 결과 상기 제 1 광학계에서 빠져나가고 "기준 빔"이라 지칭되는 제 1 서브-빔, 및 상기 제 2 광학계에서 빠져나가고 "특성화 빔"이라 지칭되는 제 2 서브-빔은, 단계 (P1)와 함께 시간 간격 (T1)을 스위핑하는 (sweeping) 시간 지연 (τ)만큼 분리됨 -;
- 상기 기준 빔 및 상기 특성화 빔이 공간적으로 간섭되고 2-차원 간섭 패턴을 형성하는 방식으로, 재결합기 광학계로 상기 기준 빔 및 상기 특성화 빔을 재결합시키는 단계;
- 시간 인터페로그램 (temporal interferogram)을 얻기 위해, 상기 기준 빔과 상기 특성화 빔 사이에서, 상기 단계 (P1)와 함께 시간 간격 (T1)을 스위핑하는 시간 지연 (τ)의 함수로서, 측정 시스템으로 상기 2-차원 간섭 패턴을 측정하는 단계;
- 상기 시간 인터페로그램의 적어도 하나의 공간 지점의 주파수 도메인에서 푸리에 변환을 계산기로 계산하는 단계 - 상기 주파수 도메인에서의 푸리에 변환은 중심 주파수 피크 및 제 1 및 제 2 주파수 측면 피크들 (frequency side peaks)을 가짐 -;
- "상대 스펙트럼 진폭"이라 지칭되는 스펙트럼 진폭 (AR (ω)), 및 "상대 공간-스펙트럼 위상"이라 지칭되는 공간-스펙트럼 위상 (φR (x,y,ω))을 계산기로 계산하되, 상기 주파수 도메인에서의 푸리에 변환의 제 1 및 제 2 주파수 측면 피크들 중 하나에 대해, 계산하는 단계.
본 설명에서, "시간 인터페로그램"은 단계 (P1)와 함께 시간 간격 (T1)을 스위핑하는 각각의 시간 지연 (τ)에 대해 2-차원 간섭 패턴들 모두를 의미하기 위해 취해진다. 시간 인터페로그램은 이로써 2 개의 공간 차원 및 1 개의 시간 차원을 따른 3-차원 정보를 포함한다. 본 발명의 일 양태에 따른 광 빔의 특성화를 위한 제 1 방법은 특성화 빔의 우수한 공간적 샘플링을 가능하게 한다. 단계 (P1)와 함께 시간 간격 (T1)의 시간 지연 (τ)에 의한 스위핑으로 인해, 본 발명의 일 양태에 따른 광 빔의 특성화를 위한 제 1 방법은 특성화 빔의 우수한 스펙트럼 샘플링을 가능하게 한다. 스펙트럼 샘플리의 품질은 시간 지연 (τ)을 스캔하는 시간 간격 (T1)의 길이에 실제로 관련된다.
앞선 단락에서 언급되었던 특성들 이외에, 본 발명의 일 양태에 따른 광 빔의 특성화를 위한 제 1 방법은 개별적으로 또는 임의의 기술적으로 가능한 그의 조합들에 따라 고려된, 다음 것들 중 하나 이상의 추가 특성들을 가질 수 있다.
- 제 1 방법은 단계 (P1)와 함께 시간 간격 (T1)을 스위핑하는 적어도 하나의 시간 지연 (τ)에 대해, 특성화 빔의 강도 및 상기 강도의 공간 분포를 계산기로 계산하는 단계를 포함한다. 상기 단계는 유리하게 시간 경과에 따른 광 소스의 속성들의 잠재적인 변동들, 다른 말로 하면, 전형적으로 펄스형 광 소스의 경우에 일 펄스로부터 다음 펄스로의 잠재적인 변동들을 고려하는 것을 가능하게 한다. 스위핑 시간 간격 (T1) 동안, 광 소스의 강도 및 상기 강도의 공간 분포의 잠재적인 변동들은 실제로 측정된 2-차원 간섭 패턴들을 저하시킬 수 있고, 이로써 이로부터 추정된 복소 스펙트럼을 저하시킬 수 있다.
- 우선적으로, 상기 제 1 방법은 단계 (P1)와 함께 시간 간격 (T1)을 스위핑하는 각각의 시간 지연 (τ)에 대해, 특성화 빔의 강도 및 상기 강도의 공간 분포를 계산기로 계산하는 단계를 포함한다.
- 상기 제 1 방법은 유리하게 다음을 포함한다:
○ 상기 기준 빔의 주파수 (ω0)에서 공간 위상 (φref (x,y,ω0))을 측정하는 단계 - 상기 공간 위상 (φref (x,y,ω0))은 상기 제 1 광학계에 의해 도입된 기준 빔의 파면의 곡률 특성을 나타냄 -,
○ 그 후에, 상기 특성화 빔의 보정된 상대 공간-스펙트럼 위상을 얻기 위해, 상기 상대 공간-스펙트럼 위상 (φR (x,y,ω))으로부터 공간-스펙트럼 위상 (
Figure 112017004572224-pct00001
)을 감산하는 단계.
이로써, 제 1 광학계에 의해 도입된 기준 빔의 파면의 곡률이 고려된다.
- 제 1 대안에 따르면, 제 1 방법은 유리하게 다음을 포함한다:
○ "기준 공간-스펙트럼 위상"이라 지칭되는, 상기 제 1 서브-빔의 공간-스펙트럼 위상 (φref (x,y,ω))을 측정하는 단계,
○ 그 후에, 상기 특성화 빔의 절대 공간-스펙트럼 위상 (φabs (x,y,ω))을 얻기 위해, 상기 상대 공간-스펙트럼 위상 (φR (x,y,ω))으로부터 상기 기준 공간-스펙트럼 위상 (φref (x,y,ω))을 감산하는 단계.
이로써, 특성화 빔의 절대 특성화는 기준 빔과 관계 없이 얻어진다.
- 제 2 대안에 따르면, 제 1 방법은 다음을 유리하게 포함한다:
○ 상기 기준 빔의 주파수 (ω0)에서 공간 위상 (φref (x,y,ω0))을 측정하는 단계 - 상기 공간 위상 (φref (x,y,ω0))은 상기 제 1 광학계에 의해 도입된 기준 빔의 파면의 곡률 특성을 나타냄 -,
○ "기준 공간-스펙트럼 위상"이라 지칭되는, 상기 제 1 서브-빔의 공간-스펙트럼 위상 (φref (x,y,ω))을 측정하는 단계,
○ 그 후에, 상기 특성화 빔의 보정된 절대 공간-스펙트럼 위상을 얻기 위해, 상기 상대 공간-스펙트럼 위상 (φR (x,y,ω))으로부터 상기 기준 공간-스펙트럼 위상 (φref (x,y,ω)) 및 공간-스펙트럼 위상 (
Figure 112017004572224-pct00002
)을 감산하는 단계.
이로써, 특성화 빔의 절대 특성화가 얻어지는 반면, 제 1 광학계에 의해 도입된 기준 빔의 파면의 곡률은 보정된다.
- 제 1 방법은 상기 제 1 서브-빔의 품질을 증가시키는 것을 가능하게 하는 제 1 서브-빔을 필터링하는 단계를 유리하게 포함한다. 이는 이로써, 제 1 서브-빔의, 지점 소스와 일치되는, 일부로부터 파생된 기준 빔의 품질을 증가시키는데 기여한다. 상기 필터링 단계는 선형 필터링 단계일 수 있다. 제 1 서브-빔의 공간적 속성들은 이로써 유리하게 개선된다. 대안적으로, 필터링 단계는 비-선형 필터링 단계일 수 있다. 제 1 서브-빔의 스펙트럼은 이로써 유리하게 펼쳐지고, 이로써 기준 빔은 제 1 광학계에서 빠져나가는 제 1 서브-빔이다. 기준 빔의 스펙트럼을 넓힘으로써, 이는 상기 필터링 단계 이전에, 특성화 빔의 소정의 존들이 기준 빔의 스펙트럼에 있지 않은 주파수들을 포함하는 경우를 적어도 부분적으로 유리하게 제거한다. 상기 필터링 단계는 또한 선형 필터링의 제 1 서브-단계, 및 비-선형 필터링의 제 2 서브-단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 양태는 본 발명의 일 양태에 따른 광 빔의 특성화를 위한 디바이스를 사용하여 광 빔의 특성화를 위한 제 2 방법에 관한 것이고, 상기 제 2 방법은 다음 단계들을 포함한다:
- 상기 광 빔을, 분리기 광학계로 제 1 서브-빔 및 제 2 서브-빔으로 분리시키는 단계 - 상기 제 1 서브-빔은 제 1 광학 경로를 따르고, 상기 제 2 서브-빔은 제 2 광학 경로를 따름 -;
- 제 1 광학계를 통해 상기 제 1 서브-빔을 전파하고, 제 2 광학계를 통해 상기 제 2 서브-빔을 전파하는 단계 - 상기 제 1 및 제 2 광학계들은 제어 수단에 의해 상기 제 1 및 제 2 광학 경로들에 각각 배치되고, 그 결과 상기 제 1 광학계에서 빠져나가고 "기준 빔"이라 지칭되는 제 1 서브-빔, 및 상기 제 2 광학계에서 빠져나가고 "특성화 빔"이라 지칭되는 제 2 서브-빔은 시간 지연 (τ)만큼 분리됨 -;
- 상기 기준 빔 및 상기 특성화 빔이 공간적으로 간섭되고 2-차원 간섭 패턴을 형성하는 방식으로, 재결합기 광학계로 상기 기준 빔 및 상기 특성화 빔을 재결합시키는 단계 - 상기 2-차원 간섭 패턴은 제 1 평면을 따라 연장됨 -;
- 상기 2-차원 간섭 패턴의 적어도 일부의 주파수 스펙트럼을 측정 시스템으로 측정하는 단계 - 상기 측정 시스템은 상기 제 1 평면의 제 1 공간 방향 을 따라 연장되는 유입구 슬릿을 가진 분광기를 포함함 -;
- 상기 주파수 스펙트럼의 적어도 하나의 공간 지점의 시간 도메인에서 푸리에 변환을 계산하는 단계 - 상기 시간 도메인에서의 푸리에 변환은 시간 중심 피크 (time central peak) 및 제 1 및 제 2 시간 측면 피크들 (time side peaks)을 가짐 -;
- 상기 제 1 및 제 2시간 측면 피크들 중 하나에 대해, 주파수 도메인에서의 푸리에 변환을 계산기로 계산하는 단계;
- "상대 스펙트럼 진폭"이라 지칭되는 스펙트럼 진폭 (AR (ω)), 및 "상대 공간-스펙트럼 위상"이라 지칭되는 공간-스펙트럼 위상 (φR (x,y,ω))을 계산기로 계산하되, 상기 주파수 도메인에서의 푸리에 변환에 대해, 계산하는 단계;
본 발명의 일 양태에 따른 광 빔의 특성화를 위한 제 2 방법은 시간 경과에 따른 광 소스의 속성들에서 잠재적인 변동들을 제거하는 것을 유리하게 가능하게 한다. 실제로, 상기 제 2 방법은, "단일 샷 (single shot)"이라 지칭되는 측정, 다시 말해 펄스형 광 소스의 경우에서 단일 광 펄스만을 사용하는 측정, 또는 그 대신에, 연속된 광 소스의 경우에서, 그의 속성들이 변동되지 않음을 고려되는 것이 가능한 매우 짧은 지속 기간 동안 광 소스만을 사용하는 측정을 가능하게 한다.
앞선 단락에서 언급되었던 특성들 이외에, 본 발명의 일 양태에 따른 광 빔의 특성화를 위한 제 2 방법은 개별적으로 또는 임의의 기술적으로 가능한 그의 조합들에 따라 고려된, 다음 것들 중 하나 이상의 추가 특성들을 가질 수 있다.
- 2-차원 간섭 패턴의 적어도 일부의 주파수 스펙트럼을 측정하는 단계는 다음의 서브-단계들을 포함한다:
○ 상기 분광기의 유입구 슬릿이 상기 2-차원 간섭 패턴의 적어도 일부를 수신하도록 구성되기 위해 상기 측정 시스템의 분광기를 배치하는 단계 - 상기 적어도 일부는 상기 제 1 평면의 제 1 공간 차원을 따라 연장됨 -;
○ 상기 제 1 평면의 제 1 공간 차원을 따라 연장된 2-차원 간섭 패턴의 적어도 일부의 주파수 스펙트럼을 분광기로 측정하는 단계.
- 대안적으로, 상기 2-차원 간섭 패턴의 적어도 일부의 주파수 스펙트럼을 측정하는 단계는 다음의 서브-단계들을 포함한다:
○ 상기 측정 시스템이 복수의 광 섬유들을 포함하여, 상기 제 1 평면 의 제 1 공간 방향을 따라 그리고 상기 제 1 평면의 제 2 공간 방향을 따라 2-차원 간섭 패턴을 샘플링할 수 있기 위하여, 2-차원 매트릭스에 따른 제 1 평면에, 상기 복수의 광 섬유들의 입력 말단들을 배치하는 단계;
○ 상기 측정 시스템의 분광기의 유입구 슬릿 상에, 상기 복수의 광 섬유들의 출력 말단들을 배치하는 단계;
○ 상기 제 1 평면의 제 1 및 제 2 공간 방향들을 따라 상기 2-차원 간섭 패턴의 샘플링의 주파수 스펙트럼을 상기 측정 시스템의 분광기로 측정하는 단계.
- 제 2 방법은 유리하게 다음을 포함한다:
○ 상기 기준 빔의 주파수 (ω0)에서 공간 위상 (φref (x,y,ω0))을 측정하는 단계 - 상기 공간 위상 (φref (x,y,ω0))은 상기 제 1 광학계에 의해 도입된 기준 빔의 파면의 곡률 특성을 나타냄 -,
○ 그 후에, 상기 특성화 빔의 보정된 상대 공간-스펙트럼 위상을 얻기 위해, 상기 상대 공간-스펙트럼 위상 (φR (x,y,ω))으로부터 공간-스펙트럼 위상 (
Figure 112017004572224-pct00003
)을 감산하는 단계.
이로써, 제 1 광학계에 의해 도입된 기준 빔의 파면의 곡률이 고려된다.
- 제 1 대안에 따르면, 제 2방법은 유리하게 다음을 포함한다:
○ "기준 공간-스펙트럼 위상"이라 지칭되는, 상기 제 1 서브-빔의 공간-스펙트럼 위상 (φref (x,y,ω))을 측정하는 단계,
○ 그 후에, 상기 특성화 빔의 절대 공간-스펙트럼 위상 (φabs (x,y,ω))을 얻기 위해, 상기 상대 공간-스펙트럼 위상 (φR (x,y,ω))으로부터 상기 기준 공간-스펙트럼 위상 (φref (x,y,ω))을 감산하는 단계.
이로써, 특성화 빔의 절대 특성화는 기준 빔과 관계 없이, 얻어진다.
- 제 2 대안에 따르면, 제 2방법은 다음을 유리하게 포함한다:
○ 상기 기준 빔의 주파수 (ω0)에서 공간 위상 (φref (x,y,ω0))을 측정하는 단계 - 상기 공간 위상 (φref (x,y,ω0))은 상기 제 1 광학계에 의해 도입된 기준 빔의 파면의 곡률 특성을 나타냄 -,
○ "기준 공간-스펙트럼 위상"이라 지칭되는, 상기 제 1 서브-빔의 공간-스펙트럼 위상 (φref (x,y,ω))을 측정하는 단계,
○ 그 후에, 상기 특성화 빔의 보정된 절대 공간-스펙트럼 위상을 얻기 위해, 상기 상대 공간-스펙트럼 위상 (φR (x,y,ω))으로부터 상기 기준 공간-스펙트럼 위상 (φref (x,y,ω)) 및 공간-스펙트럼 위상 (
Figure 112017004572224-pct00004
)을 감산하는 단계.
이로써, 특성화 빔의 절대 특성화가 얻어지는 반면, 제 1 광학계에 의해 도입된 기준 빔의 파면의 곡률은 보정된다.
- 제 2 방법은 상기 제 1 서브-빔의 품질을 증가시키는 것을 가능하게 하는 제 1 서브-빔을 필터링하는 단계를 유리하게 포함한다. 이는 이로써, 제 1 서브-빔의, 지점 소스와 일치되는 (assimilated), 일부로부터 파생된 기준 빔의 품질을 증가시키는데 기여한다. 상기 필터링 단계는 선형 필터링 단계일 수 있다. 제 1 서브-빔의 공간적 속성들은 이로써 유리하게 개선된다. 대안적으로, 필터링 단계는 비-선형 필터링 단계일 수 있다. 제 1 서브-빔의 스펙트럼은 이로써 유리하게 펼쳐지고, 이로써 기준 빔은 제 1 광학계에서 빠져나가는 제 1 서브-빔이다. 기준 빔의 스펙트럼을 넓힘으로써, 이는 이로써 상기 필터링 단계 이전에, 특성화 빔의 소정의 존들이 기준 빔의 스펙트럼에 있지 않은 주파수들을 포함하는 경우를 적어도 부분적으로 유리하게 제거한다. 상기 필터링 단계는 또한 선형 필터링의 제 1 서브-단계, 및 비-선형 필터링의 제 2 서브-단계를 포함할 수 있다.
첨부된 도면들을 참조하여 다음 설명을 읽을 시에 본 발명 및 그의 서로 다른 응용예들을 보다 더 이해할 수 있을 것이다.
도면들은 표시 목적을 위해 제시되며, 본 발명에 어떠한 방식으로도 제한되지 않는다.
- 도 1a는 공간-시간 커플링이 없는 이상적인 경우에서, 초단파 펄스형 레이저 빔에서 전자기 에너지의 분포의 예시를 도시한다.
- 도 1b는 공간-시간 커플링이 있는 비-이상적인 경우에서, 초단파 펄스형 레이저 빔에서 전자기 에너지의 분포의 예시를 도시한다.
- 도 2a는 광 빔의 특성화를 위한 제 1 디바이스를 사용하여, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 광 빔의 특성화를 위한 방법의 제 1 단계를 도시한다.
- 도 2b는 광 빔의 특성화를 위한 제 1 디바이스를 사용하여, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 광 빔의 특성화를 위한 방법의 제 2 단계를 도시한다.
- 도 2c는 광 빔의 특성화를 위한 제 1 디바이스를 사용하여, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 광 빔의 특성화를 위한 방법의 제 3 단계를 도시한다.
- 도 3은 광 빔의 특성화를 위한 제 2 디바이스를 사용하여 본 발명의 제 1 실시예에 따른 광 빔의 특성화를 위한 방법의 대안적인 구성을 도시한다.
- 도 4는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 광 빔의 특성화를 위한 방법의 단계 동안 실험적으로 측정된, 주어진 시간 지연에 대한 2-차원 간섭 패턴의 예시를 도시한다.
- 도 5a, 5b 및 5c는 기준 빔과 특성화 빔 사이의 제 1, 제 2 및 제 3 지연들에 대한, 특성화 빔 및 기준 빔의 공간-시간 프로파일들의 제 1, 제 2 및 제 3 시뮬레이션들을 각각 도시한다.
- 도 6a, 6b 및 6c는 도 5a, 5b 및 5c의 구성들 각각에 대응하는 제 1, 제 2 및 제 3 2-차원 간섭 패턴들을 각각 도시한다.
- 도 7a는 주어진 지점 (x,y)에서 측정된, 부분적인 시간 인터페로그램의 모습을 도시한다.
- 도 7b는 도 7a의 부분적인 시간 인터페로그램의 푸리에 변환의 모습을 도시한다.
- 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 광 빔의 특성화를 위한 방법의 제 1 변형을 도시한다.
- 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 광 빔의 특성화를 위한 방법의 제 2 변형을 도시한다.
- 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 광 빔의 특성화를 위한 방법의 제 5 변형을 도시한다.
- 도 11a는 광 빔의 특성화를 위한 제 3 디바이스를 사용하여 본 발명의 제 2 실시예에 따른 광 빔의 특성화를 위한 방법을 도시한다.
- 도 11b는 광 빔의 특성화를 위한 제 3 디바이스의 부분적인 사시도를 도시한다.
- 도 11c는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 광 빔의 특성화를 위한 방법의 단계 동안 실험적으로 측정된, 주어진 시간 지연에 대한 2-차원 간섭 패턴의 주파수 스펙트럼 예시를 도시한다.
- 도 12a는 광 빔의 특성화를 위한 제 4 디바이스를 사용하여 본 발명의 제 2 실시예에 따른 광 빔의 특성화를 위한 방법의 대안적인 구성을 도시한다.
- 도 12b는 광 빔의 특성화를 위한 제 4 디바이스의 부분적인 사시도를 도시한다.
달리 언급되지 않는 이상, 서로 다른 도면에 나타나는 동일한 요소는 단일 기준을 가진다.
도 1a 및 도 1b는 이전에 설명되었다.
도 2a, 2b 및 2c는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 광 빔의 특성화를 위한 방법 (10)의 제 1 단계 a), 제 2 단계 b) 및 제 3 단계 c)를 각각 도시한다. 제 1 실시예는 또한 "멀티-샷 모드 (multi-shot mode)"로 지칭된다. "원-샷 모드"로 지칭되는 제 2 실시예는 이후에 기술된다.
본 발명의 제 1 실시예에 따르면, 방법 (10)은 도 2a 내지 도 2c에 나타낸, 광 빔의 특성화를 위한 제 1 디바이스 (1)를 사용한다. 디바이스 (1)은 다음을 포함한다:
- 광학계 (SR);
- 제 1 광학계 (O1);
- 제 2 광학계 (O2);
- Pz 시간 지연 (τ)을 제어하는 수단;
- 측정 시스템 (SM1);
- 및 계산기 (K).
도 2a 내지 도 2c에 특히 도시된 실시예의 예시에서, 제 1 광학계 (O1) 및 제 2 광학계 (O2)는 미러들 등의 반사 광학계들이다. 도시되지 않은 대안에 따라, 제 1 광학계 (O1) 및/또는 제 2 광학계 (O2)는 또한 광학 렌즈들일 수 있다. 하나 또는 다른 경우에서, 제 1 및 제 2 광학계들 (O1 및 O2)은 서로 다른 곡률 반경을 가진다. 도 2a 내지 2c에 특히 도시된 실시예의 예시에서, 제 1 광학계 (O1)는 발산 광학계, 보다 정확하게는 발산 미러 (divergent mirror)인 반면, 제 2 광학계 (O2)는 평평한 광학계이며, 보다 정확하게는 평평한 미러이다. 도시되지 않은 다른 대안에 따르면, 제 1 광학계 (O1)는 수렴 광학계일 수 있고, 그리고/또는 제 2 광학계 (O2)는 발산 또는 수렴 광학계일 수 있다. 이로써, 제 1 광학계 (O1)의 곡률 반경이 제 2 광학계 (O2)의 곡률 반경과 다른 한, 제 1 및 제 2 광학계 (O1 및 O2)에 대해 복수의 조합들이 고려될 수 있다.
이러한 설명의 나머지 부분은 평면들 (Oxz, Oxy 및 Oyz)을 정의하는 중심 (O) 및 축들 (x, y 및 z)의 직교 시스템에 대한 참조가 이루어진다.
도 2a에 도시된 상기 제 1 단계 a) 동안, 광 소스 (SL)에 의해 발생된 광선 (FL)은 광학계 (SR)로 전송된다. 본원에 기술된 실시예의 특정 예시에서, 광 소스 (SL)는 10 Hz의 주파수에서 25 펨토초 정도의 펄스들을 발생시킬 수 있는 펄스형 펨토초 레이저이고, 이때 각각의 펄스는 약 2.5 J의 에너지를 가진다. 이러한 펄스형 레이저의 피크 파워는 100 TW 정도인 반면, 그의 평균 파워는 약 25W에 이른다. 이로써, 광 소스 (SL)의 출력에서 광 빔 (FL)은 고려된 예시에서, 연속적인 광 펄스들에 의해 형성된다. 광 빔 (FL)은 고려된 예시에서 80 mm 정도의 직경을 가진다. 일반적으로 말하면, 빔의 직경은 상기 빔의 전파 방향에 직각인 평면에서 측정된다. 이로써, 광 빔 (FL)의 직경은 평면 (Oxz)에 평행한 평면에 측정된다. 광학계 (SR)는 예를 들어 광 빔을 수신할 시에 일부를 반사하고 그의 또 다른 부분을 전송하는 자체-반사 미러이다.
광 빔 (FL)은 그 후에, 광학계 (SR)에 의해 제 1 서브-빔 (F1) 및 제 2 서브-빔 (F2)으로 분리된다. 광학계 (SR)는 제 1 서브-빔 (F1)을 위한 제 1 광학 경로 (C1), 및 제 2 서브-빔 (F2)을 위한 제 2 광학 경로 (C2)를 정의한다. 제 1 및 제 2 서브-빔들은 초기 광 빔 (FL)과 동일한 직경을 실질적으로 가진다. 제 1 서브-빔의 직경은 평면 (Oxy)에 평행한 평면에서 측정되는 반면, 제 2 서브-빔의 직경은 평면 (Oxz)에 평행한 평면에 측정된다. 본원에서 기술된 실시예의 예시에서, 광 빔 (FL)은 45 °정도의 입사각 (α)으로 광학계 (SR) 상에 도달한다. 광 빔 (FL)은 또한, 동일한 방식으로 135 °정도의 입사각으로 광학계 (SR) 상에 도달할 수 있다. 본원에 기술된 실시예의 예시에서, 제 1 서브-빔 (F1)은 광학계 (SR)에 의해 전송되는 반면, 제 2 서브-빔 (F2)은 광학계 (SR)에 의해 반사된다. 우선적인 대안에 따르면, 제 1 서브-빔 (F1)은 광학계 (SR)에 의해 반사되는 반면, 제 2 서브-빔 (F2)은 광학계 (SR)에 의해 전송된다.
도 2b에 도시된 제 2 단계 b) 동안, 제 1 서브-빔 (F1)은 전파되어, 제 1 광학 경로 (C1)에 배치된 제 1 광학계 (O1)에 적어도 부분적으로 도달하는 반면, 제 2 서브-빔 (F2)은 전파되어, 제 2 광학 경로 (C2)에 배치된 제 2 광학계 (O2)에 적어도 부분적으로 도달한다. 제 1 광학 경로 (C1)에서의 제 1 광학계 (O1) 및 제 2 광학 경로 (C2)에서의 제 2 광학계 (O2)의 위치 선정은, "기준 빔 (Fref)"이라 지칭되는 제 1 광학계 상에서 떠나는 제 1 서브-빔, 및 "특성화 빔 (Fcar)"이라 지칭되는 제 2 광학계 상에서 떠나는 제 2 서브 빔이 시간 지연 (τ) 만큼 분리되는 방식으로 선택된다.
제 1 광학계 (O1)는 제 1 서브-빔 (F1)이 수직 입사 하에 제 1 광학계 (O1)에 도달하도록 우선적으로 배치된다. 제 2 광학계 (O2)는 제 2 서브-빔 (F2)이 수직 입사 하에 제 2 광학계 (O2)에 도달하도록 우선적으로 배치된다. 다른 말로 하면, 고려된 예시에서, 제 1 광학계 (O1)는 평면 (Oxy)에 평행하게 배치되는 반면, 제 2 광학계 (O2)는 평면 (Oxz)에 평행하게 배치된다.
도 2a 내지 2c에 특히나 도시된 실시예의 예시에서, 제 1 서브-빔 (F1) 및 제 2 서브-빔 (F2)은 평평하거나 사실상 평평한 파면들을 가진다. 발산 미러인 제 1 광학계 (O1)의 하류에서, 기준 빔 (Fref)은 구형 파면들을 가진다. 이로써, 기준 빔 (Fref)의 파면들은 제 1 광학계 (O1)의 제 1 곡률 때문에, 제 1 서브-빔 (F1)의 파면들에 대해 변경된다. 평평한 미러인 제 2 광학계 (O2)의 하류에서, 특성화 빔 (Fcar)은 제 2 서브-빔 (F2)의 파면들과 실질적으로 동일한, 평평하거나 사실상 평평한 파면들을 가진다. 도시되지 않은 대안에 따라, 제 1 광학계 (O1)는 제 1 서브-빔 (F1)에 대해 기준 빔 (Fref)의 곡률 반경을 변형시키지 않을 수 있고, 그리고/또는 제 2 광학계 (O2)는 제 2 서브-빔 (F2)에 대해 특성화 빔 (Fcar)의 곡률 반경을 변형시킬 수 있되, 제 1 광학계 (O1)의 곡률 반경이 제 2 광학계 (O2)의 곡률 반경과 다른 한 그러하다.
제 2 광학계 (O2)는 본원에서 우선적으로, 광 빔 (FL)의 직경보다 크거나 같은 평면 (Oxz)에 평행한 평면에서 측정된 직경을 가지고, 그 결과 특성화 빔 (Fcar)의 직경은 제 2 광학계 (O2)의 동일한 하류 및 상류에서 실질적으로 남아있게 된다. 일반적으로 말하면, 제 2 광학계 (O2)의 직경 (dO2)은 다음과 같이 유리하게 선택된다:
Figure 112017004572224-pct00005
이때 DFL은 광 빔 (FL)의 직경이다. 본원에서 기술된 실시예의 예시에서, 광 빔 (FL)의 직경 (DFL)은 8 cm 정도이고, 직경 (dO2)은 다음과 같이 유리하게 선택된다:
Figure 112017004572224-pct00006
. 이로써, 15cm 정도의 직경 (dO2)을 가진 제 2 광학계 (O2)를 선택하는 것이 가능하다.
시간 지연 (τ)이 시간 간격 (T1)을 단계 (P1)와 함께 스캔할 수 있도록, 기준 빔 (Fref)과 특성화 빔 (Fcar) 사이의 상기 시간 지연 (τ)을 제어하는 것이 본 발명의 제 1 실시예에 따른 특성화를 위한 방법에서 바람직하다. 시간 간격 (T1) 및 단계 (P1)의 선택은 추후에 기술된다. 제어 수단 (Pz)은 기준 빔 (Fref)과 특성화 빔 (Fcar) 사이의 시간 지연 (τ)을 제어하기 위해 사용된다. 제어 수단 (Pz)은 전형적으로, 250 ㎛의 이동 (travel)을 가진 압전기 스테이지 (piezoelectric stage)이며, 몇 옹스트롱 Å의 정도의 정밀도로 이동을 수행하는 것을 가능하게 한다. 제어 수단 (Pz)은 우선적으로 제 1 광학계 (O1)의 z 축을 따른 위치 선정을 조정하는 것을 가능하게 한다. 상기 제 1 광학계 (O1)를 z 축을 따라 이동시킴으로써, 즉 제 1 광학 경로와 제 2 광학 경로 (C1와 C2) 사이의 광학 경로의 차이를 변화시킴으로써, 기준 빔 (Fref)과 특성화 빔 (Fcar) 사이의 시간 지연 (τ)이 제어된다. 대안에 따르면, 제어 수단 (Pz)은 제 2 광학계 (O2)의 y 축을 따른 위치 선정을 조정하는 것을 가능하게 한다. 또 다른 대안에 따르면, 제어 수단 (Pz)은 제 1 광학계 (O1)의 z 축을 따른 위치 선정을 조정하는 것, 그리고 제 2 광학계 (O2)의 y 축을 따라 위치 선정을 조정하는 것 둘 다를 가능하게 한다. 이러한 후자 대안에 따라서, 제어 수단 (Pz)은 이때 전형적으로 제 2 압전기 스테이지를 포함한다. 본 명세서의 나머지 부분에서, "제어 수단" 및 "압전기 스테이지" 용어는 무차별적으로 사용된다.
기준 빔 (Fref) 및 특성화 빔 (Fcar)은 이때 기준 빔 (Fref) 및 특성화 빔 (Fcar)의 재결합을 위해, 제 1 및 제 2 광학 경로들 (C1 및 C2)을 따라 광학계 (SR)로 각각 전파한다. 본원에서 고려되는 구성의 예시에서, 광학계 (SR)는 우선 광 빔 (FL)의 분리 기능을 확보하며, 그리고 두 번째로 기준 빔 (Fref)과 특성화 빔 (Fcar)의 재결합의 기능을 확보한다. 그럼에도 불구하고, 단일 광학계 (SR) 대신에, 광 빔 (FL)의 분리 기능을 보장하는 제 1 광학계, 및 제 1 광학계와는 별개이고 기준 빔 (Fref) 및 특성화 빔 (Fcar)의 재결합 기능을 보장하는 제 2 광학계는 대안적으로 사용될 수 있다. 이러한 대안 구성은 특히 추후에 기술된 도 3에 도시된다.
도 2c에 예시된 제 3 단계 c) 동안, 기준 빔 (Fref) 및 특성화 빔 (Fcar)은 광학계SR에 의해 재결합된다. 기준 빔 (Fref) 및 특성화 빔 (Fcar)은 이때 측정 시스템 (SM1)으로 전파된다. 측정 시스템 (SM1)은, 특성화 빔 (Fcar)이 실질적인 수직 입사로 측정 시스템 (SM1)에 이르도록 배치된다. 평면 (Oxy)에 평행한 2 개의 평면들은 이후에 고려될 것이다:
- 각각의 시간 지연 (τ)에 대해, 2-차원 간섭 패턴 (M1)의 측정을 수행하는 제 1 평면 (z1), 및
- 제 1 광학계 (O1)의 평면인 제 2 평면 (z2).
제 1 및 제 2 평면들 (z1 및 z2)은 도 2b 및 2c에 나타난다.
여기에서 z 축을 따라 측정된 제 1 광학계 (O1)에 대한 측정 시스템 (SM1)의 거리는, 기준 빔 (Fref) 및 특성화 빔 (Fcar)이 제 1 측정 평면 (z1)에 도달할 시에, 기준 빔 (Fref)의 직경이 특성화 빔 (Fcar)의 직경보다 크고 같거나, 우선적으로 크도록 선택된다. 이로써, 이는 기준 빔 (Fref)이 특성화 빔 (Fcar)의 전체를 공간적으로 간섭하는 것을 가능하게 한다. 기준 빔 (Ffr)의 직경이 특성화 빔 (Fcar)의 직경과 동일할 시에, 기준 빔 (Fref)의 전체는 특성화 빔 (Fcar)의 전체를 간섭한다. 기준 빔 (Fref)의 직경이 특성화 빔 (Fcar)의 직경보다 큰 바람직한 경우에, 기준 빔 (Fref)의 일부만이 특성화 빔 (Fcar)을 간섭한다. 추가의 측정 시스템 (SM1)은 광학계 (SR)로부터 Z 축을 따라 갈수록, 기준 빔 (Fref)의 직경이 커지고, 특성화 빔 (Fcar)을 간섭하는 기준 빔 (Fref)의 일부는 작아진다. 이러한 방식으로, 특성화 빔 (Fcar)을 간섭하는 기준 빔 (Fref)의 일부가 작아질수록, 기준 빔 (Fref)의 상기 일부는 결함들을 가질 가능성이 줄어들고, 이로써, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 특성화를 위한 방법 (10)에 의해 얻어질 수 있는 결과들의 품질을 우수해진다. 기준 빔 (Fref)은 또한 2-차원 간섭 패턴 (M1)의 콘트라스트, 나아가 측정 품질에 영향을 미친다. 2-차원 간섭 패턴 (M1)의 콘트라스트는 실제로 특성화 빔 (Fcar)의 강도와 기준 빔 (Fcar)의 강도 사이의 비율, 다시 말하면, 제 1 측정 평면 (z1)에서 특성화 빔 (Fcar)의 크기와 기준 빔 (Fref)의 크기 사이의 비율에 의해 영향을 받는다. 2-차원 간섭 패턴 (M1)의 콘트라스트는 특성화 빔 (Fcar) 및 기준 빔 (Fref)의 강도들이 제 1 측정 평면 (z1)에서 동일하게 될 시에 최적화되고, 이는 기준 빔 (Fref)이 너무 작지 않음을 의미한다. 이로써, 기준 빔 (Fref)의 크기에 대한 타협을 찾는 것을 수반한다.
이들의 재결합 다음에, 기준 빔 (Fref) 및 특성화 빔 (Fcar)은 공간적으로 간섭한다. 주어진 시간 지연 (τ)에 의해 분리되는 기준 빔 (Fref) 및 특성화 빔 (Fcar)이 측정 시스템 (SM1)에 도달할 시에, 이들은 2-차원 간섭 패턴 (M1)을 형성한다. 2-차원 간섭 패턴 (M1)은 2 개의 횡 방향들 (x 및 y)에 의존하고, 주어진 시간 지연 (τ)에 대해 측정된다. 2-차원 간섭 패턴 (M1)은 이로써 다음과 같이 나타낼 수 있다: M1τ (x,y). 주어진 시간 지연 (τ)에 대해 실험적으로 측정된 2-차원 간섭 패턴 (M1)의 예시는 도 4에 나타난다. 2-차원 간섭 패턴 (M1)은 전형적으로 한 세트의 동심원 링들이고, 상기 링들이 패턴 중심으로부터 멀어질수록, 상기 링들의 두께는 감소된다.
그 후, 2-차원 간섭 패턴 (M1)은 측정 시스템 (SM1)에 의해 측정된다. 특성화 빔 (Fcar)의 크기의 함수, 다시 말하면, 특성화 빔의 직경의 함수로서 적어도 두 가지 유형의 측정 시스템이 제안된다.
- 카메라의 단 하나의 센서 (CCD (Charge-Coupled Device))를 포함하는 제 1 유형 측정 시스템은, 특성화 빔 (Fcar)이 상기 센서 (CCD)의 직경보다 작거나 같은 직경일 경우에서 사용될 수 있다. 실제로, 이러한 제 1 유형의 측정 시스템은 전형적으로 1 cm 미만의 직경의 특성화 빔 (Fcar)의 경우에 사용될 수 있다.
- 특성화 빔 (Fcar)이 상기 센서 (CCD)의 직경보다 큰 직경일 경우에, 제 2 유형의 측정 시스템이 사용될 수 있다: 이러한 제 2 유형의 측정 시스템은 센서 (CCD) 이외에, 확산 스크린 (E) 및 대물렌즈 (objective, Obj)를 포함한다. 도 2a 내지 2c에 보다 특별하게 나타난 것은 이러한 제 2 유형의 측정 시스템이다. 예를 들어, 평면 (Oxy)과 실질적으로 평행하게 배치된 확산 스크린 (E)은 2-차원 간섭 패턴 (M1)의 신호 (s1)를 확산시킨다. 대물렌즈 (Obj)는 신호 (s1)를 캡쳐하고, 센서 (CCD) 상에 2 차원 간섭 패턴 (M1)의 감소된 이미지를 형성한다.
제 2 유형의 측정 시스템 (SM1)과 마찬가지로 제 1 유형으로, 센서 (CCD)는 이때 2-차원 간섭 패턴 (M1)의 이미지를 기록한다. 그 후에, 상기 이미지는 계산기 (K)로 전송될 수 있다. 2-차원 간섭 패턴 (M1)의 상기 이미지에 대해 요구된 공간 해상도는 추후에 논의될 것이다.
도 2a, 도 2b 및 도 2c를 참조하여 방금 설명된 3 개의 단계들은 시간 간격 (T1)을 단계 (P1)와 함께 스위핑하는 각 시간 지연 (τ)에 대해 반복된다. 2-차원 간섭 패턴 (M1)을 측정하고자 하는 시간 지연 (τ)의 수 (N)에 대응하는 단계들 a), b) 및 c)의 반복의 총 횟수 (N)는 다음과 같다: N = E (T1/P1) + 1이고, 여기서 E는 전체 함수 부분을 나타낸다.
시간 지연 (τ)의 스위핑 또는 스캔을 위한 시간 간격 (T1) 및 단계 (P1)의 선택은 이제 재고될 것이다. 2 가지 주요 조건들이 충족된다:
- 제 1 조건은 단계 (P1)에 관한 것이다. 샤논 기준 (Shannon criterion)에 따르면, 단계 (P1)는 특성화 빔 (Fcar)의 광학 주기를 적절하게 샘플링하기 위해, 그 중에서도 에일리어싱 효과 (aliasing effects)를 피하기 위해 충분히 작다. 샤논 기준은 이로써 광학 주기당 2 개의 측정 지점들이 최소한으로 수행됨을 나타낸다. 스펙트럼이 2.6 fs 정도의 광학 주기로 800㎚의 중심에 있는 특성화 빔 (Fcar)에 대해, 단계 (P1)는 이로써 약 1.3 fs 미만이고, 즉 제 1 광학계 (O1)의 이동 또는 제 2 광학계 (O2)의 이동 미만이고 (c×P1/2=200 nm 미만임), c는 광의 속도를 나타낸다. 이로써, 제 1 광학계 (O1)의 이동을 또는 제 2 광학계 (O2)의 이동을 충분한 정밀도로, 다시 말하면 전형적으로 nm 정도의 정밀도로 제어할 수 있는 것이 바람직하다. 전술한 바와 같이, 압전 스테이지 (Pz)는 이로써 제 1 광학계 (O1) 또는 제 2 광학계 (O2)의 이동을 확보하기 위해 우선적으로 사용된다. 상기와 같은 압전 스테이지 (Pz)는 실제로 1nm 미만의 정밀도를 확보한다. 실제로, 특성화 빔 (Fcar)의 스펙트럼은 소정의 폭을 가지며, 상기 스펙트럼의 최고 주파수에 대한 에일리어싱을 피하기 위해, 단계 (P1)는 샤논 기준으로부터 유도된 최소값보다 2 배가 작도록 우선적으로 선택되고, 즉, 이러한 특정 예시에서는 다음과 같다: P1
Figure 112017004572224-pct00007
0.7 fs.
- 제 2 조건은 시간 간격 (T1)에 관한 것이다. 특성화 빔 (Fcar)의 모든 지점들과의 기준 빔 (Fref)의 간섭들을 관찰하기에 충분히 큰 시간 간격 (T1)을 스위핑하는 것이 수반된다. 실제로, 광 빔 (FL)의 펄스 특성화으로 인해, 기준 빔 (Fref)과 특성화 빔 (Fcar) 사이의 간섭들은, 특성화 빔 (Fcar)의 일부만을 커버하는 크라운 (crown) 상에서, 주어진 시간 지연 (τ)에 대해 단지 관찰된다. 특성화 빔 (Fcar) 전체를 복원하기 위해서, 이로써, 이러한 크라운이 특성화 빔 (Fcar)의 모든 지점들에 의해 연속적으로 통과되도록, 충분히 큰 시간 간격 (T1)을 스캔할 필요가 있다. 이러한 개념은 도 5a 내지 5c 및 6a 내지 6c에 도시된다.
○ 도 5a는 특성화 빔 (Fcar) 및 기준 빔 (Fref)의 공간-시간 프로파일들의 제 1 시뮬레이션을 도시하되, 상기 빔들 (Fcar 및 Fref) 사이의 제로 시간 지연 (τ)에 대해 도시한다. 이러한 제 1 시뮬레이션에서, 기준 빔 (Fref)은 특성화 빔 (Fcar)의 중심에 위치된 제 1 존 (Int1) 상에서 특성화 빔 (Fcar)을 간섭한다. 이러한 제 1 존 (Int1)의 양쪽 측면 상에서, 특성화 빔 (Fcar)의 측면 존들은 기준 빔 (Fref)을 간섭하지 않는다. 도 6a는 도 5a의 구성, 다시 말해 기준 빔 (Fref)과 특성화 빔 (Fcar) 사이의 제로 시간 지연 (τ)을 갖는 도 5a의 구성에 대응하는 제 1 2-차원 간섭 패턴을 도시한다.
○ 도 5b는 특성화 빔 (Fcar) 및 기준 빔 (Fref)의 공간-시간 프로파일들의 제 2 시뮬레이션을 도시하되, 상기 빔들 (Fcar 및 Fref) 사이의 13 fs의 시간 지연 (τ)에 대해 도시한다. 이러한 제 2 시뮬레이션에서, 기준 빔 (Fref)은 제 2 및 제 3 존들 (Int2 및 Int3) 상에서 특성화 빔 (Fcar)을 간섭한다. 상기 제 2 존과 제 3 존 (Int2 및 Int3) 사이에서, 특성화 빔의 중심 존은 기준 빔 (Fref)을 간섭하지 않는다. 도 6b는 도 5b의 구성에, 다시 말해 기준 빔 (Fref)과 특성화 빔 (Fcar) 사이의 13 fs의 시간 지연 (τ)에 대응하는 제 2 2-차원 간섭 패턴을 도시한다.
○ 도 5c는 특성화 빔 (Fcar) 및 기준 빔 (Fref)의 공간-시간 프로파일들의 제 3 시뮬레이션을 도시하되, 상기 빔들 (Fcar 및 Fref)을 분리시키는 27 fs의 시간 지연 (τ)에 대해 도시한다. 이러한 제 3 시뮬레이션에서, 기준 빔 (Fref)은 사실상 특성화 빔 (Fcar)을 더 이상 간섭하지 않는다. 도 6c는 도 5c의 구성에, 다시 말해 기준 빔 (Fref)과 특성화 빔 (Fcar) 사이의 27 fs의 시간 지연 (τ)에 대응하는 제 3 2-차원 간섭 패턴을 도시한다.
커버 할 시간 간격 (T1) 또는 이와 동등한 방식으로 커버할 거리 간격 (Δz)은 그 후에 기술 분야에 통상의 기술자에게 잘 알려진 방식으로 손쉽게 계산될 수 있다. 거리 간격 (Δz)은 이로써 다음과 같이 표현 될 수있다:
Figure 112017004572224-pct00008
여기서, Δx = Δy은 특성화 빔 (Fcar)의 반경이고 L은 제 1 광학계 (O1)와 측정 평면 사이의 거리이다. 상기 단계에서 거리는 최대 λ/2인 것으로 알려져 있고, 여기서 λ는 특성화 빔의 파장이고, 완전한 스캔을 실현하기 위한 최소 총 단계 수 (N)는 다음과 같다:
N = Δx2/L × λ
레이저 소스 (SL)의 이전에 기술된 특정 예시에서, 25 fs의 펄스를 발생시키고 100TW의 피크 파워에 도달하면, 특성화 빔은 반경 Δx = 40mm 및 파장 λ = 800nm을 가진다.
이러한 특정 경우에서, 결과는 이로써 다음과 같다: N = 2.106/L, 여기서 제 1 광학계 (O1)와 측정 평면 사이의 거리 (L)는 mm로 표시된다. 완전한 스캔을 수행하기 위한 최소 단계 수 (N)가 너무 중요하지 않도록, 이로써, 제 1 광학계 (O1)와 측정 평면 사이의 거리 (L)에 대해 큰 값들이 유리하게 사용될 것이다. 예를 들어 L = 1000mm인 경우, 수행할 최소 단계 수 (N)는 N = 2.103이다. 고려된 레이저 소스 SL의 반복률이 10 Hz임을 알면, 완전한 스캔은 이때 측정 지점당 단일 레이저 샷을 단지 수행함으로써, 약 3 분을 필요로 한다.
유의하여야 하는 바와 같이, 측정 지점들의 수가 중요해지면, 다시 말해 레이저 소스 (SL)의 속도에 따라 너무 긴 측정 시간을 초래한다는 가설에서, 하나의 가능성은 몇 가지 "정밀한", 다시 말해 상술된 바와 같이 샤논 기준들을 준수하는 단계들로 스캔을 수행하는 것이고, 이때 매우 큰 단계들은 샤논 기준을 준수하지 않고 스캔들이 수행된다. 이로써, 많은 경우들에서 특성화 빔에 존재하는 공간-시간 왜곡들을 평가하기에 충분할 수 있는, 일련의 분리된 동심원 링들을 통해 특성화 빔 (Fcar)의 특성화가 얻어진다.
본 발명의 제 1 실시예에 따른 광 빔의 특성화를 위한 방법 (10)의 단계들의 설명이 이제 계속될 것이다. 도 2a, 도 2b 및 도 2c를 참조하여 이전에 설명된 3 개의 단계들이 시간 간격 (T1)을 단계 (P1)와 함께 스위핑하는 각 시간 지연 (τ)에 대해 반복된다는 것이 상기될 수 있다. 이러한 N 회 반복이 종료될 시에, 센서 (CCD)에는 이로써, 시간 간격 (T1)을 단계 (P1)와 함께 스위핑하는 각 시간 지연 (τ)에 대해 해당 2-차원 간섭 패턴 (M1)의 이미지, 즉 N 개의 이미지들이 기록된다.
제 4 단계 d) 동안, 계산기 (K)는 이후에 N 개의 2-차원 간섭 패턴들 (M1)의 상기 N 개의 이미지들로부터 시간 인터페로그램 (S1)을 구성할 수 있다. 시간 인터페로그램 (S1)은 2 개의 횡 방향들 (x 및 y) 및 시간 지연 (τ)에 의존하며, 상기 시간 지연 (τ)은 시간 간격 (T1)을 단계 (P1)와 함께 스위핑한다. 시간 인터페로그램 (S1)은 이로써 다음과 같이 나타날 수 있다: S1 (x,y,τ). 도 7a는 주어진 지점 (x, y)에서 측정된 부분적인 시간 인터페로그램 (p1)의 전형적인 모습을 도시한다. 부분적인 시간 인터페로그램 (p1)은 이로써 다음과 같이 나타낼 수 있다: p1xy (τ). 시간 인터페로그램 (S1)은 부분적인 시간 인터페로그램들 (p1)의 모든 지점들 (x,y)에 대해 세트로서 보여질 수 있다.
그 후, 계산기 (K)는 다음의 제 5 및 제 6 단계들 e) 및 f)을 실행한다:
e) 각 지점 (x,y)에 대해, 주파수들 (ω)의 공간으로 통과시키기 위하여, 변수 (τ)에 대한 시간 인터페로그램 (S1)의 푸리에 변환 (S1')의 계산. 푸리에 변환 (S1')은 이로써 다음과 같이 표시될 수 있다: S1' (x,y,ω). 푸리에 변환 (S1')은 주파수 중심 피크 (fc), 제 1 주파수 측면 피크 (fl1) 및 제 2 주파수 측면 피크 (fl2)을 가진다. 도 7b는 도 7a의 부분적인 시간 인터페로그램 (p1)의 부분적인 푸리에 변환 (p1')의 전형적인 모습을 도시한다. 부분적인 푸리에 변환 (P1')은 이로써 다음과 같이 표시될 수 있다: p1'x,y (ω). 부분적인 푸리에 변환 (p1')은 이로써 주어진 지점 (x, y)에서, 푸리에 변환 (S1')의 제 1 및 제 2 주파수 측면 피크들 (fl1 및 fl2) 및 주파수 중심 피크 (fc)를 부분적으로 나타낸다. 푸리에 변환 (S1')은 부분적인 푸리에 변환들 (p1')의 모든 지점들 (x,y)에 대해 세트로서 보여질 수 있다.
f) 푸리에 변환 (S1')의 제 1 주파수 측면 피크 (fl1) 또는 제 2 주파수 측면 피크 (fl2)의 선택, 및 선택된 주파수 측면 피크에 대해, "상대 스펙트럼 진폭"로 지칭되는 그의 스펙트럼 진폭 (AR (ω)), 및 "상대 공간-스펙트럼 위상"으로 지칭되는 그의 공간-스펙트럼 위상 (φR (x,y,ω))의 계산. 선택된 주파수 측면 피크의 선택은 이후에 얻어진 결과들에 적용하기 위한 부호 규약 (sign convention)을 결정한다.
선택된 주파수 측면 피크의 공간-스펙트럼 위상 (φR (x,y,ω))은 특성화 빔 (Fcar)의 공간-스펙트럼 위상 및 기준 빔 (Fref)의 공간-스펙트럼 위상에서의 차이이다. 선택된 주파수 측면 피크의 스펙트럼 진폭 (AR (ω))은 특성화 빔 (Fcar)의 스펙트럼 진폭 및 기준 빔 (Fref)의 스펙트럼 진폭의 곱이다. 이로써, 기술된 단계들은 다음을 얻는 것을 가능하게 한다:
- 특성화 빔 (Fcar)의 공간-스펙트럼 위상은 기준 빔의 공간-스펙트럼 위상과 관련되므로, "상대 공간-스펙트럼 위상"이라는 지정;
- 특성화 빔 (Fcar)의 스펙트럼 진폭은 기준 빔의 스펙트럼 진폭과 관련되므로, "상대 스펙트럼 진폭"이라는 지정.
이로써 특성화 빔 (Fcar)의 모든 지점들 (x, y)은 잠재적으로 미결정으로 남아있을 수 있는 동일한 기준과 비교될 수 있다. 기준과 관련된 빔의 이러한 유형의 특성화은 전형적으로, 횡 방향들 (x 및 y), 및 시간 (t)의 함수로서 전자기장 E (x,y,t)의 형상의 변형들에 액세스하는 것을 가능하게 한다.
각각의 시간 지연 (τ)에 대해, 측정 시스템 (SM1)의 센서 (CCD)에 의한 2-차원 간섭 패턴 (M1)의 이미지의 획득 동안, 필요한 공간 해상도로 이제 되돌아갈 것이다. 예를 들어, 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 광 빔의 특성화를 위한 방법 (10)은 매우 조밀하게 패킹된 간섭 프린지들 (very tightly packed interference fringes)를 측정하는 것을 의미한다. 이는 사실상 평평한 파면, 즉 특성화 빔 (Fcar)의 평평한 파면이 구형 파면, 즉 기준 빔 (Fref)의 구형 파면과 간섭을 야기한다는 사실로부터 유래한다. 재결합된 빔의 중심으로부터 멀어지면, 이들 두 파면들 간의 각도는 이로써, 예를 들어 도 5a 내지 5c에 도시된 바와 같이 점점 더 커지고, 그 결과 간섭 프린지들은 점점 더 조밀하게 패킹된다. 큰 직경의 광 소스 (SL)의 경우 - 예를 들어, 80 mm 직경의 광 빔 (FL)을 방출하는, 상술된 광 소스 (SL)의 특정 경우와 같이, 이는 2-차원 간섭 패턴들 (M1)의 측정에 대해 유용하고 우수한 공간 해상도, 이로써 시간 인터페로그램들 (S1)을 가지는 것을 의미한다. 실제로, 이는 간섭 프린지들을 해결하는 것을 가능하게 하기 위해, 픽셀 수가 충분한 카메라를 사용하는 것을 부과한다. 본원에 기술된 구성 예시에서, 29 Mpx 카메라가 이로써 사용된다. 다른 한편으로는, 이러한 픽셀들의 세트에 관해 특성화 빔의 전자기장을 복원할 필요가 없는데, 이는 상기 전자기장의 구조가 현존하는 광 소스들 대부분에 대해, 상기와 같은 고 주파수들과 함께 공간적으로 변화하는 것이 매우 희박하기 때문이다. x 및 y 축들을 따라 100 X 100 메싱 (meshing)은 실제로 Fcar을 특성화하기 위해 레이저 빔을 복원하기에 전적으로 충분하다. 처리될 데이터의 양 및 처리 시간을 제한하기 위해, 이로써, 2-차원 간섭 패턴들의 이미지들이 획득되면, 이들을 서브-샘플링하고 초기 이미지들의 서브-메싱 상에서만 데이터를 유지하는 것이 유리하게 가능하다.
본 발명의 제 1 실시예의 주어진 설명과 상보적으로 상기 방법 (10)의 수학적 분석이 이하에 제시된다. 특성화 빔 (Fcar)의 전자기장을 Ecar (x,y,z,t)으로 한다. 기준 빔 (Fref)의 전자기장을 Eref (x,y,z,t)로 하고, 추후에 기술된 변형에 따라서, 정확한 표현 (exact expression)이 잠재적으로 미결정 상태로 남아 있을 수 있거나, 대신에 정밀하게 결정될 수 있다. 이전에 기술된 바와 같이, 기준 빔 (Fref)의 전자기장 (Eref (x,y,z,t))은 특성화 빔 (Fcar)의 전자기장 (Ecar (x,y,z,t))의 대한, 시간 지연 (τ), 또는 지체 (retardation), 변수에 의해 시프팅될 수 있다.
특성화 빔 (Fcar) 및 기준 빔 (Fref)의 전자기장들 (Ecar (x,y,z,t) 및 Eref (x,y,z,t))은 복잡한 방식, 다른 말로 하면, 일반적인 형태로 정의될 수 있다:
Figure 112017004572224-pct00009
, 여기서,
Figure 112017004572224-pct00010
는 복소 포락선 (complex envelope), ωL는 반송파 주파수이다.
제 1 평면 (z1)의 한 지점 (x,y,z1)에서, 특성화 빔 (Fcar)의 전자기장 (Ecar (x,y,z,t)) 및 기준 빔 (Fref)의 전자기장 (Eref (x,y,z,t))의 중첩에 기인한 전체 전자기장 (Etot (x,y,z1,t))은 다음과 같다:
Figure 112017004572224-pct00011
시간 인터페로그램 (S1), 다시 말하면, 제 1 평면 (z1)의 각각의 지점에서 입사 광의 양이 측정되고, 시간은 적분되고, 이로써, 다음과 같이 비례한다:
Figure 112017004572224-pct00012
그러므로, 결과들은 다음과 같다:
Figure 112017004572224-pct00013
여기서, ε1 및 ε2는 측정 평면 (z1)의 지점 (x,y)에서, 단지 특성화 빔 (Fcar)으로, 그리고 단지 기준 빔 (Fref)으로 얻어진 신호들이다.
시간 인터페로그램 (S1) (x,y,τ)이 τ의 함수로서 측정될 시에, 이로써 3 개의 항들이 얻어진다.
τ과 관계 없는 제 1 항의 ε1 + ε2은 특성화 빔 (Fcar) 및 기준 빔 (Fref)의 비간섭성 (incoherent)의 합이다.
Figure 112017004572224-pct00014
로 표시된 제 2 항은 특성화 빔의 전자기장 (Ecar (x,y,z1,t))과 기준 빔의 전자기장 (Eref (x,y,z1,t)) 사이의 상호-상관 함수이다.
Figure 112017004572224-pct00015
로 표시된 제 3 항은 제 2 항의 콘주게이트 (conjugate), 다시 말해 기준 빔의 전자기장 (Eref (x,y,z1,t))과 특성화 빔의 전자기장 (Ecar (x,y,z1,t)) 간의 상호-상관 함수이다.
복소 및 반송파 포락선으로의 분해 (breakdown)를 사용함으로써, 제 2 항 J (x,y,τ)에 대한 결과는 다음과 같다:
Figure 112017004572224-pct00016
이로써, 함수 J (x,y,τ)는 τ의 함수로서 주파수 (ωL)로 진동되는 반면, 그의 콘주게이트는 τ의 함수로서 주파수 (-ωL)로 진동한다. τ에 대해 S1 (x,y,τ)의 푸리에 변환을 수행함으로써, 0, ωL 및 -ωL의 주파수들에서, 중심에 각각 있고, 상기의 합계의 3 개의 항들에 대응하는 3 개의 피크들이 이로써 얻어진다. 이러한 지점은 이전에 기술된 도 7b에 특히 도시된다.
그 후에, J (x,y,τ)의 푸리에 변환에 대응하는 피크를 선택하는 것이 가능하다.
J (x,y,τ)에 대한 앞선 방정식 및 상호-상관 정리에 따라서, 함수 J (x,y,τ)의 변수 (τ)에 대한 푸리에 변환 J' (x,y,ω)은 다음 관계로 주어진다:
Figure 112017004572224-pct00017
여기서 ≪ ' ≫로 표시된 함수들은 τ에 대한 푸리에 변환들에 대응한다. 다른 말로 하면, τ에 대해 S1 (x,y,τ)의 푸리에 변환을 수행하고, 이러한 푸리에 변환의 ωL 상의 중심에 있는 주파수 측면 피크를 선택함으로써, 특성화 빔의 전자기장의 스펙트럼 (
Figure 112017004572224-pct00018
) 및 기준 빔의 전자기장의 콘주게이트 스펙트럼 (
Figure 112017004572224-pct00019
)의 곱이 얻어진다. - ωL에서 중심에 있는 주파수 측면 피크가 또한 선택될 수 있는 것이 관측될 수 있다. 특성화 빔의 전자기장의 콘주게이트 스펙트럼 및 기준 빔의 전자기장의 스펙트럼의 곱은 이로써 얻어진다. 선택된 주파수 측면 피크의 선택은 이후에 얻어진 결과들에 적용하기 위한 부호 규약을 간단하게 결정한다.
이로써, 상술한 바와 같이, 이러한 측정은 스펙트럼 진폭 및 공간-스펙트럼 위상의 정의들을 사용하여 다음과 같은 액세스를 제공한다:
- 특성화 빔의 전자기장 및 기준 빔의 전자기장의 스펙트럼 진폭들의 곱,
- 및 특성화 빔의 전자기장 및 기준 빔의 전자기장의 공간-스펙트럼 위상들에서의 차이.
이제, 본 발명의 제 1 실시예의 제 1 변형이 설명될 것이다. 상기 제 1 변형은 유리하게, 시간 경과에 따른 광 소스 (SL)의 강도 및/또는 상기 강도의 공간 분포와 같은 속성들의 잠재적인 변동들, 다른 말로 하면, 펄스형 광 소스 (SL)의 경우에 일 펄스로부터 다음 펄스로의 잠재적인 변동들을 고려하는 것을 가능하게 한다. 스위핑 시간 간격 (T1) 동안, 광 소스 (SL)의 강도 및/또는 상기 강도의 공간 분포의 잠재적인 변동들은 실제로 측정된 2-차원 간섭 패턴들 (M1)을 저하시킬 수 있고, 이로써 이로부터 추정된 복소 스펙트럼을 저하시킬 수 있다.
이러한 제 1 변형에서, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 광 빔의 특성화를 위한 방법 (10)은 시간 경과에 따른 광 소스 (SL)의 강도 및/또는 상기 강도의 공간 분포와 같은 적어도 하나의 속성의 계산의, 도 8에 도시된 단계 g)를 포함한다. 강도의 공간 분포의 계산의 경우에, 상기 계산은 그 후에 수행된 간섭계 (interferometric) 측정에 대한 광 소스 (SL)의 강도의 공간 분포의 잠재적 변동의 영향을 적어도 부분적으로 보정하기 위해 사용될 수 있다. 광 소스 (SL)의 적어도 하나의 속성을 계산하기 위해, 광 빔 (FL) 상에서 간단한 샘플-채취를 수행하고, 상기 샘플-채취를 이미징하는 것이 가능하다. 이는 예를 들어 광학계 (SR)의 상류에서, 광 빔 (FL)의 경로에 분리기 광학계를 위치시킴으로써, 수행될 수 있다. 그러나, 이러한 해결책은, 큰 직경의 초단파 빔에 대해 상기 분리기 광학계가 광 빔 (FL)의 공간-시간 속성들에 영향을 충분히 미칠 수 있기 때문에, 이상적이지 않다. 우선적인 해결책은 단지 부분적인 반사를 하는, 다시 말해 예를 들어 베어 글라스 슬라이드 (bare glass slide)인 제 2 광학계 (O2)를 사용하는 것으로 구성된다. 그 후, 제 2 광학계 (O2)를 통해 전송된 부분 상의 특성화 빔 (Fcar)의 공간 강도 프로파일을 측정하는 것이 가능하고, 상기 전송된 부분은 그 이후에 간섭 목적들을 위해 사용되지 않는다. 게다가, 부분적인 반사 광학계의 사용은 특성화 빔 (Fcar) 및 기준 빔 (Fref)의 에너지들의 보다 나은 밸런싱에 기여하고, 이로써 2-차원 간섭 패턴들 (M1)에 대한 보다 나은 콘트라스트를 얻는 것을 가능하게 한다.
도 8에 나타난 특정 예시에서, 단계 g)는 광 빔 (FL)의 분리의 제 1 단계 a) 이후에, 그리고 기준 빔 (Fref) 및 특성화 빔 (Fcar)의 재결합의 제 3 단계 c) 이전에 수행된다. 도 8c의 광학 장착은 도 2a 내지 2c와 관련하여 이전에 기술된 광학 장착에 비해 다음을 포함한다:
- 특성화 빔 (Fcar)의 일부를 전송하는 것 역시 가능하게 하는 제 2 광학계 (O2), 예를 들어 베어 글라스 슬라이드;
- 제 2 측정 시스템 (SM2), 옵션으로, 제 2 계산기 (K2).
제 1 변형에 따라서, 상기 제 1 단계 a)의 종료 시에, 제 2 서브-빔 (F2)은 제 2 광학계 (O2)로 전파된다. 제 2 광학계 (O2)는 제 2 서브-빔 (F2)의 제 1 부분을 반사하며, 그리고 제 2 서브-빔 (F2)의 제 2 부분을 전송한다. 반사된 제 2 서브-빔 (F2)의 제 1 부분은 특성화 빔 (Fcar)의 제 1 부분이며, 그리고 이전에 기술된 바와 같이, 기준 빔 (Fref)과 재결합되도록 광학계 (SR)로 전파된다. 전송된 특성화 빔 (Fcar)의 제 2 부분은 특성화 빔 (Fcar)의 제 2 부분이며, 그리고 제 2 측정 시스템 (SM2)으로 전파된다.
제 2 측정 시스템 (SM2)은, 특성화 빔 (Fcar)의 제 2 부분이 실질적인 수직 입사 하에 상기 제 2 측정 시스템 (SM2)에 도달하도록 배치된다. 더욱이, 제 2 측정 시스템 (SM2)은 도 2a 내지 2c와 관련하여 이전에 기술된 제 1 측정 시스템 (SM1)과 유사하다. 이로써, 제 2 측정 시스템은 특성화 빔 (Fcar)의 제 2 부분의 크기의 함수로서 다음을 포함한다:
- "CCD2"라 하는 유일하게 하나의 제 2 센서 (CCD);
- 또는, 제 2 센서 (CCD2)와 더불어, 제 2 확산 스크린 (E2) 및 제 2 대물렌즈 (Obj2). 이는 도 8에서 보다 구체적으로 나타나는 경우이다.
본원에서 평면 (Oxz)에 평행하게 배치된 제 2 확산 스크린 (E2)은 특성화 빔 (Fcar)의 제 2 부분의 신호 (s2)를 확산시킨다. 제 2 대물렌즈 (Obj2)는 상기 신호 (s2)를 캡쳐하고, 제 2 센서 (CCD2) 상의 특성화 빔 (Fcar)의 제 2 부분의 감소된 이미지를 형성한다. 그 후, 제 2 센서 (CCD2)는 특성화 빔 (Fcar)의 제 2 부분의 이미지를 기록한다. 상기 이미지는 그 후에 특성화 빔 (Fcar)의 제 2 부분의 속성들의 분석을 위해, 이전에 기술된 계산기 (K)로, 또는 대안으로 제 2 계산기 (K2)로, 전송될 수 있다. 특성화 빔 (Fcar)의 상기 제 2 부분의 속성들은 광속 (FL)의 속성들의 특성들이다.
방금 기술된 단계 g)는, 각각의 시간 지연 (τ)에 대해 단계 (P1)와 함께 시간 간격 (T1)을 스위핑하면, 적어도 하나, 다시 말하면, 적어도 N 번을 수행할 수 있다. 특히, 펄스형 광 소스 (SL)의 경우에서, 기술된 단계 g)는 각각의 펄스에 대해 수행될 수 있다. 지속 기간을 스위핑하는 것을 최소화시키기 위해, 우선적으로 시간 지연 (τ)당 단일 펄스가 사용된다. 그럼에도 불구하고, 시간 간격 (T1)의 주어진 시간 지연 (τ)에 대해, 여러 펄스들이 대안적으로 사용될 수 있다.
본 발명의 제 1 실시예의 제 2 변형은 도 9와 관련하여 이제 기술될 것이다. 유리하게는, 상기 제 2 변형은 기준 빔 (Fref)과 관계 없이, 특성화 빔 (Fcar)의 절대 특성화를 얻는 것을 가능하게 한다. 제 1 및 제 2 변형들이 서로 결합되거나, 또는 서로 관계 없이 사용될 수 있음을 주목해야 한다.
이는 특성화 빔 (Fcar)의 절대 특성화를 달성하기 위해 다음과 같이 측정하는 것을 수반한다:
- 기준 빔 (Fref)의 공간-스펙트럼 위상 (φref (x,y,ω)), 및
- 기준 빔 (Fref)의 스펙트럼 진폭 (Aref (ω)).
기준 빔 (Fref)의 상기 공간-스펙트럼 위상 (φref (x,y,ω)) 및 스펙트럼 진폭 (Aref (ω))을 알게 될 시에, 특성화 빔 (Fref)의 절대 공간-스펙트럼 위상 및 절대 스펙트럼 진폭을 결정하고, 시간 인터페로그램 (S1)의 측정이 수행되는 임의의 지점 (x,y)에서 그렇게 하는 것이 실제로 가능하다.
이러한 제 2 변형에서, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 광 빔의 특성화를 위한 방법 (10)은 이로써 다음을 포함한다:
- 제 1 서브-빔 (F1)의 공간-스펙트럼 위상 (φref (x,y,ω))을 측정하는, 도 9에 도시된 단계 i), 및
- 제 1 서브-빔 (F1)의 스펙트럼 진폭 (Aref (x,y,ω))을 측정하는 단계.
방금 기술된 2 개의 단계들은 전형적으로 동일한 디바이스에 의해 동시 방식으로 수행될 수 있다.
도 9에 나타난 특정 예시에서, 단계 i)은 광 빔 (FL)이 제 1 서브-빔 (F1) 및 제 2 서브-빔 (F2)으로 분리되는 제 1 단계 a) 이후에, 그리고 제 1 서브-빔 (F1)이 제 1 광학계 (O1)에 의해 반사된 제 2 단계 b) 이전에 수행된다. 도 9의 광학 장착은 도 2a 내지 2c와 관련하여 이전에 기술된 광학 장착에 비해 다음을 포함한다:
- 시간 측정 시스템 (MT);
- 기준 빔의 적어도 하나의 부분을 시간 측정 시스템 (MT)으로 지향시키는 것을 제자리에서 가능하게 하는, 탈착가능한 미러 (removable mirror, Ma)
제 2 변형에 따라서, 탈착가능한 미러 (Ma)는 제 1 서브-빔 (F1)의 제 1 광학 경로 (C1)에 배치되고, 그 결과 제 1 단계 a)의 종료 시에, 상기 제 1 서브-빔 (F1)의 적어도 하나의 부분은 시간 측정 시스템 (MT)으로 전파된다. 탈착가능한 미러 (Ma) 대안으로, 제 1 서브-빔 (F1)의 제 1 부분을 전송하고 제 1 서브-빔 (F1)의 제 2 부분을 반사시키는 것을 가능하게 하는 비-탈착가능한 반-반사 (non-removable semi-reflecting) 광학계의 사용은 고려될 수 있다. 그럼에도 불구하고, 광학계를 통한 빔의 어떠한 전송도 상기 빔의 속성들에 일반적으로 영향을 미치기 때문에, 탈착가능한 미러 (Ma)를 사용하는 것이 바람직하다. 시간 측정 시스템 (MT)은 예를 들어 다음을 사용할 수 있다:
- FROG (Frequency-Resolved Optical Gating) 디바이스,
- SPIDER (Spectral Phase Interferometry for Direct Electric field Reconstruction) 디바이스, 또는
- SRSI (Self-Referenced Spectral Interferometry) 디바이스.
이로써, 이는 방금 기술된 단계 i)의 종료 시에, 제 1 서브-빔 (F1)의 공간-스펙트럼 위상 (φref (x,y,ω))의 측정을 초래한다. 그 후, 예를 들어 계산기 (K)에 의해 상대 공간-스펙트럼 위상 (φR (x,y,ω))으로부터 상기 공간-스펙트럼 위상 (φref (x,y,ω))을 감산함으로써, "절대 공간-스펙트럼 위상"으로 지칭되는 특성화 빔 (Fcar)의 공간-스펙트럼 위상을 액세스하는 것은 가능하다.
스펙트럼 진폭 (Aref (ω))은 전형적으로 공간-스펙트럼 위상 (φref (x,y,ω))을 측정하기 위해 사용된 시간 측정 시스템 (MT)으로 인해 측정될 수 있거나, 또는 대안으로 분광기를 사용하여 측정될 수 있다.
이로써, 기준 빔 (Fref)의 스펙트럼 진폭 (Aref (ω))의 측정이 얻어진다. 그 후, "절대 스펙트럼 진폭"으로 지칭되는 특성화 빔 (Fcar)의 스펙트럼 진폭에 액세스하는 것은, 상대 스펙트럼 진폭 (AR (ω))을 기준 빔 (Fref)의 스펙트럼 진폭 (Aref (ω))으로 나눔으로써 가능하다.
본 발명의 제 1 실시예의 제 1 변형에 대한 설명과 더불어, 상기 제 1 변형의 수학적 분석이 이하에 제시된다. 실제로, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 광 빔의 특성화를 위한 방법 (10)은 간단한 표현을 가진 기준 빔의 전자기장을 얻는 것을 가능하게 하고, 이로써 상기 제 2 변형에 따라 실험적으로 결정될 수 있다.
제 1 광학계 (O1)의 제 2 평면 (z2)에서의 기준 지점, 다시 말해 각각의 시간 지연 (τ)에 대해 2-차원 간섭 패턴 (M1)의 제 1 측정 평면 (z1)에서 특성화 빔 (Fcar)을 효과적으로 간섭하는 기준 빔 (Fref)을 발생시키는 지점의 좌표를 (x0, y0)이라 한다. 실제로, 상기 기준 지점 (x0, y0)이 지점 소스인 점을 고려하는 것이 가능하고, 이때 상기 지점 소스의 전자기장은, 제 1 평면 (z1)에서의 특성화 빔 (Fcar)을 간섭하는 기준 빔 (Fref)이 제 1 평면 (z1)에서의 특성화 빔 (Fcar)에 비해 작은 제 2 평면 (z2)에서의 상기 기준 빔 (Fref)의 일부로부터 파생되는 한, 균질하다. 실제로, 제 2 평면 (z2)에서의 기준 빔 (Fref)의 상기 부분의 표면적은 전형적으로 제 1 평면 (z1)에서의 특성화 빔 (Fcar)의 표면적의 10% 정도이다. 제 2 평면 (z2)에서의 기준 빔 (Fref)의 상기 작은 부분의 표면적은 제 1 광학계 (O1)의 표면과 반드시 동일할 필요는 없다. 제 2평면 (z2)에서 기준 지점 필드는 다음 방식으로 표시된다:
Pref (t) = Pref (x0,y0,z2,t)
그 후에, 제 1 측정 평면 (z1)에서의 기준 빔 (Fref)의 전자기장은 다음과 같이 근사화될 수 있다:
Eref (x,y,z1,t) = Pref (t-r/c)
여기서 r은 좌표들 (x0, y0, z2)의 기준 지점과, 좌표들 (x,y,z1)의 제 1 측정 평면 (z1)의 각각의 지점 (x, y) 사이의 거리이다. 이로써, 거리 r (x, y)는 기하학적으로 계산될 수 있으며, 그리고 다음 관계식으로 주어진다:
Figure 112017004572224-pct00020
여기서, D = z1 - z2는 제 1 광학계 (O1)와 제 1 평면 (z1) 사이의 거리이고, f는 제 1 광학계 (O1)의 초점 길이이다. 실제로, 전형적으로: D>>f이다. 본원에서 기술된 실시예의 특정 예시에서, D = 3 m이고 f = 250 mm이다. 이로써, 제 1 평면 (z1)에서의 기준 빔의 전자기장의 스펙트럼은 다음과 같은 관계식으로 주어진다:
Figure 112017004572224-pct00021
진폭에서, 그리고 위상에서
Figure 112017004572224-pct00022
의 특성화은
Figure 112017004572224-pct00023
를 알 필요가 있으며, 이로써,
Figure 112017004572224-pct00024
의 측정에 의해 진폭 및 위상에서 다시 한번 통과된다. 한 지점에서 복잡한 전자기장의 이러한 측정은 이전에 언급된 FROG, SPIDER 또는 SRSI 방법들을 사용하여 상업적으로 이용가능한 디바이스들에서 현재 구현되는 기존 기술들을 사용하여 전적으로 수행될 수 있다.
본 발명의 제 1 실시예의 제 3 변형은 이제 기술될 것이다. 상기 제 3 변형은 유리하게 제 1 광학계 (O1)에 의해 잠재적으로 도입된 기준 빔 (Fref)의 파면의 곡률 및/또는 제 2 광학계 (O2)에 의해 잠재적으로 도입된 특성화 빔 (Fcar)의 파면의 곡률을 고려하는 것을 가능하게 한다. 지금까지 기술된 실시예의 예시에서, 제 1 광학계 (O1)에 진입할 시의 제 1 서브-빔 (F1)은 평면이며, 그리고 제 1 광학계 (O1)를 빠져나갈 시의 기준 빔 (Frefon)은 구형 파이다. 이로써, 제 3 변형이 제 1 광학계 (O1)에 의해 도입된 기준 빔 (Fref)의 파면의 곡률을 고려한 경우를 보다 구체적으로 기술한다. 유의해야 하는 바와 같이, 상기 제 3 변형은 이전에 기술된 제 1 변형 및/또는 제 2 변형과 결합될 수 있거나, 또는 상기 제 1 및 제 2 변형들과 관계 없이 구현될 수 있다.
상기 제 3 변형에 따라서, 제 1 광학계 (O1) 상의 제 1 서브-빔 (F1)의 반사 이후에, 그리고 특성화 빔 (Fcar)과 함께 기준 빔 (Fref)의 재결합 이전에, 측정은 기준 빔의 주어진 주파수 (ω0)에서 공간 위상 (φref (x,y,ω0))을 수행한다. Shack-Hartmann 디바이스는 전형적으로 기준 빔의 공간 위상의 측정을 수행하기 위해 사용될 수 있다. 상기 공간 위상 (φref (x, y, ω0))은 제 1 광학계 (O1)에 의해 도입된 기준 빔 (Fref)의 파면의 곡률의 특성을 나타낸다.
이로써, 이전에 얻어진 특성화 빔 (Fcar)의 상대 공간-스펙트럼 위상 또는 절대 공간-스펙트럼 위상으로부터 공간-스펙트럼 위상 (
Figure 112017004572224-pct00025
)을, 예를 들어 계산기 (K)에 의해 감산하여, 특성화 빔 (Fcar)의 보정된 상대 공간-스펙트럼 위상 또는 보정된 절대 공간-스펙트럼 위상을 각각 얻는 것이 가능하다.
이러한 제 3 변형에 대한 대안이 고려될 수 있어, 이제, 도 3과 관련하여 기술될 것이다. 도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 방법 (10)으로 대안적으로 구현될 수 있는, 광 빔의 특성화를 위한 제 2 디바이스 (2)를 도시한다. 디바이스 (2)는 다음을 포함한다:
- 제 1 서브-빔 (F1) 및 제 2 서브-빔 (F2)으로 광 빔 (FL)을 분리시키는 분리기 광학계 (Os);
- 제 1 광학계 (O1);
- 파면 보정기 (corrector) 광학계 (Cor) 및 제 3 광학계 (O3);
- 유리하게는 제 1, 제 2, 제 3 및 제 4 미러들 (mi1, mi2, mi3 및 mi4)를 포함한 제 2 광학계 (O2);
- 시간 지연 (τ)을 제어하는 수단 (Pz);
- 기준 빔 (Fref) 및 특성화 빔 (Fcar)의 재결합을 위한 재결합기 광학계 (Or);
- 측정 시스템 (SM1);
- 및 계산기 (K).
제 1 광학계 (O1)는 분리기 광학계 (Os)의 하류에서, 제 1 서브-빔 (F1)의 광학 경로에 배치된다. 파면 보정기 광학계는 제 1 광학계 (O1)의 하류에서, 기준 빔 (Fref)의 광학 경로에 배치된다. 전형적으로 평평한 미러인 제 3 광학계 (O3)는 파면 보정기 광학계의 하류에서, 그리고 재결합기 광학계 (Or)의 상류에서, 기준 빔 (Fref)의 광학 경로에 배치된다.
제 2 광학계 (O2)를 형성하는 제 1, 제 2, 제 3 및 제 4 미러들 (mi1 내지 mi4)은 분리기 광학계 (Os)의 하류에서, 제 2 서브-빔 (F2)의 광학 경로에 배치된다. 재결합기 광학계 (Or)는 제 3 광학계 (O3)의 하류에서 기준 빔 (Fref)의 광학 경로, 그리고 제 2 광학계 (O2)의 제 4 미러 (mi4)의 하류에서 특성화 빔 (Fcar)의 광학 경로 둘 달에 배치된다.
파면 보정기 광학계 (Cor)는 유리하게 제 1 광학계 (O1) 상에 기준 빔 (Fref)의 반사에 기인한 상기 기준 빔 (Fref)의 파면의 곡률을 보정하고, 상기 기준 빔 (Fref)에 대한 평평한 파면을 얻는 것을 가능하게 한다. 이로써, 이는 유리하게 기준 빔 (Fref)과 특성화 빔 (Fcar) 사이의 2-차원 간섭 패턴 (M1)에 대해 덜 조밀하게 패킹된 간섭 프린지들을 얻는데 기여한다. 상기 간섭 프린지들 사이의 간격을 증가시키면, 측정 시스템 (SM1)에 대한 공간 해상도 제약을 감소시키는 것을 가능하게 한다. 실제로, 간섭 프린지들이 보다 조밀하게 패킹될수록, 측정 시스템 (SM1)의 공간 해상도도 높아져야 한다. 상기 간섭 프린지 사이의 간격을 증가시키는 것은 또한 스캔하기 위한 시간 간격을 감소시키는 것을 가능하게 한다.
이는 제 1 광학계 (O1)의 하류에서, 그리고 재결합기 광학계 (Or) 상류에서, 기준 빔 (Fref)의 광학 경로에 파면 보정기 광학계 (Cor)를 도입시키는 것을 수반한다. 도 3에 도시된 대안 구성으로 인해, 광학 장착으로의 상기와 같은 보정기 광학계의 도입은 특성화 빔 (Fcar)에 어떠한 영향도 미치치 않는다. 파면 보정기 광학계 (Cor)는 전형적으로 다음과 같을 수 있다:
- 제 1 광학계 (O1)가 수렴 렌즈의 주요 대상 초점에 위치되는 방식으로 배치된 수렴 렌즈, 또는
- 발산 미러 및 수렴 미러를 포함하고, 기준 빔 (Fref)을 퍼지게 하면서 기준 빔 (Fref)에 대한 평평한 파면을 보존하는 것을 가능하게 하는 텔레스코프.
보정기 광학계 (Cor)를 떠나는 기준 빔 (Fref)은 그 후에 평행하고, 실질적으로 평평한 파면들을 가진다.
디바이스 (2)는 유리하게는 제 2 광학계 (O2)를 형성하는 제 1, 제 2, 제 3 및 제 4 미러들 (mi1, mi2, mi3 및 mi4)을 포함한다. 제 1 미러 (mi1)는 제 2 서브-빔 (F2)의 광학 경로에 분리기 광학계 (Os)의 하류에 배치된다. 제 1 미러 (mi1)는 제 2 서브-빔 (F2)을 제어 수단 (Pz)으로 지향시키는 것을 가능하게 한다. 본원에서 기술된 특정 구성에서, 제어 수단 (Pz)은 제 2 및 제 3 미러들 (mi2 및 mi3)의 위치 선정을, z 축을 따라 동시에 조정하는 것을 가능하게 한다. 제어 수단 (Pz)은 유리하게 제 2 및 제 3 미러들 (mi2 및 mi3)의 정밀하고 동시적이고 동일한 이동을 위한 단일 압전기 스테이지를 포함한다. 대안적으로, 제어 수단 (Pz)은 제 2 및 제 3 미러들 (mi2 및 mi3) 각각을 위한 압전기 스테이지를 포함할 수 있다. 제 3 미러 (mi3)에서 빠져나갈 시에, 제 2 서브-빔 (F2)은 제 4 미러 (mi4)로 지향된다. 제 4 미러 (mi4)는 재결합기 광학계 (Or)로 제 2 서브-빔 (F2)을 지향시키는 것을 가능하게 한다. 제 1, 제 2, 제 3 및 제 4 미러들 (mi1 내지 mi4) 및 제어 수단 (Pz)의 기술된 조립체로 인해, 기준 빔 (Fref)과 특성화 빔 (Fcar) 사이의 시간 지연 (τ)은 유리하게 정밀하게 제어될 수 있으면서, 광학 장착의 정렬을 보존한다. 실제로, 제어 수단 (Pz)에 의해 제어되는 제 2 및 제 3 미러들 (mi2 및 mi3)의 z 축을 따른 병진 운동 (translation)은 제 1 및 제 4 미러들 (mi1 및 mi4) 또는 임의의 다른 광학계 요소의 어떠한 재정렬도 필요로 하지 않는다.
본 발명의 제 1 실시예의 제 4 변형이 이제 기술될 것이다. 상기 제 4 변형은 유리하게 특성화 빔 (Fcar) 및 기준 빔 (Fref)의 스펙트럼들이 중첩되지 않거나, 또는 부분적으로만 중첩되는 제 1 측정 평면 (z1)에서의 특성화 빔 (Fcar)의 잠재적인 지점들 (x, y)을 식별하는 것을 가능하게 한다. 실제로, 상기와 같은 지점들 (x, y)에 대해, 특성화 빔 (Fcar) 및 기준 빔 (Fref) 사이에 어떠한 간섭도 일어나지 않으며, 그리고 본 발명의 제 1 실시예에 따른 광 빔의 특성화를 위한 방법 (10)은 한계를 나타낸다. 그럼에도 불구하고, 이들 경우들은 드물기는 하지만, 예를 들어 특성화 빔 (Fcar)이 공간적 "처프 (chirp)" 또는 공간적 주파수 드리프트를 제 1 측정 평면 (z1)에서 가지는 경우, 다시 말해, 특성화 빔 (Fcar)의 스펙트럼 진폭이 공간적으로 변화하는 경우, 공간-시간 커플링들의 소정의 유형들에 대해 일어날 수 있다. 유의해야 하는 바와 같이, 상기 제 4 변형은 이전에 기술된 제 1 변형과 함께, 그리고/또는, 제 2 변형과 함께, 그리고/또는 제 3 변형과 함께 결합될 수 있거나, 또는 상기 제 1, 제 2 및 제 3변형들과 관계 없이 구현될 수 있다.
이로써, 본 발명의 제 1 실시예의 제 4 변형에서, 제 1 평평한 광학계 (O1) 및 제 2 평평한 광학계 (O2)를 사용하는 것이 제안된다. 그 후에, 기준 빔 (Fref)은 특성화 빔 (Fcar)과 동일하고, 이로써, 얻어진 광학 장착은 특성화 빔의 각각의 지점이 그 자체를 간섭하도록 하는 것을 가능하게 한다. 그 후에, 공간적으로 분해된 푸리에 분광학을 수행하는 것은 가능하다. 특성화 빔의 각 지점에서 측정된 시간 인터페로그램의 푸리에 변환은 그의 지점들 각각에서 특성화 빔의 스펙트럼 강도를 액세스하는 것을 가능하게 한다. 그 후에, 빔의 소정의 지점들에서 공간적인 처프의 잠재적인 문제들이 검출될 수 있으며, 이로써 본 발명의 제 1 실시예에 따른 방법 (10)에 의해 수행된, 특성화 빔 (Fcar)의 복원의 잠재적인 제한들을 식별하는 것을 가능하게 한다.
특성화 빔 (Fcar) 및 기준 빔 (Fref)의 스펙트럼들이 중첩되지 않거나, 또는 부분적으로만 중첩되는 제 1 측정 평면 (z1)에서의 특성화 빔 (Fcar)의 잠재적인 지점들 (x, y)을 적어도 부분적으로 제거하는 것을 유리하게 가능하게 하는, 본 발명의 제 1 실시예의 제 5 변형이 이제 기술될 것이다. 유의해야 하는 바와 같이, 상기 제 5 변형은 이전에 기술된 제 1, 제 2, 제 3 및 제 4 변형들 중 하나 이상과 결합될 수 있거나, 또는 상기 제 1, 제 2, 제 3 및 제 4 변형들과 관계 없이 구현될 수 있다.
이로써, 본 발명의 제 1 실시예의 제 5 변형에서, 상기 제 1 서브-빔 (F1)의 품질을 증가시키기 위해, 제 1 서브-빔 (F1)의 필터링 단계를 추가하는 것이 제안된다. 상기 필터링 단계는 전형적으로 제 1 서브-빔 (F1)의 광학 경로로의 비-선형 광학계 요소의 도입으로 구성될 수 있다. 도 10은, 도 2a, 2b 및 2c와 관련하여 이전에 기술되고 비-선형 광학계 요소 (FRNL)가 제 1 서브-빔 (F1)의 광학 경로에 배치되는 광학 장착을 개략적으로 도시한다. 상기 비-선형광학계 요소는 초기의 제 1 서브-빔의 스펙트럼 성분들 모두를 포함한 제 1 필터링된 서브-빔의 발생을, 비-선형 광학계 요소를 빠져나갈 시에 가능하게 하여, 특성화 빔 (Fcar)을 최적의 방식으로 간섭할 수 있기 위하여, 선택된다. 일반적으로 말하면, 이는 제 1 필터링된 서브-빔의 스펙트럼이 제 1 비-필터링된 서브-빔의 스펙트럼을 포함하는 것을 의미한다. 상기와 같은 필터링 단계는 전형적으로 "XPW"로 지칭되는 제 3 차 (order) 비-선형 처리에 기반한다. 그의 제 3 차 비-선형성 때문에, XPW 처리는 입사 기준 빔 (Fref)의 스펙트럼을 상당히 넓힌다. 이로써, 이는 기준 빔 (Fref)과 특성화 빔 (Fcar) 사이의 스펙트럼 중첩의 상당하게 잠재적인 문제점들을 제한하는데 기여한다. 게다가, XPW 처리가 시간 필터로 작용되고, 그 결과 입사 기준 빔이 그의 푸리에 한계로부터 너무 멀지 않을 시에, 비-선형 광학계 요소를 빠져나갈 시에 필터링된 기준 빔이 푸리에 변환에 의해 제한되는 것으로서 고려될 수 있음이 입증되었다. 다시 말해, 입사 기준 빔의 공간-스펙트럼 위상이 상대적으로 평평하고, 상기 기준 빔이 XPW 처리에 의해 펼쳐지는 경우, 필터링된 기준 빔이 또한 평평한 공간-스펙트럼 위상을 가지는 것을 고려할 수 있다. 이로써, 이는 잠재적으로, 기준의 공간-스펙트럼 위상을 측정하는 단계를 제거하는 것을 가능하게 한다.
기준 빔 (Fref)을 통해 잠재적인 잔류 공간-시간 커플링들을 고려하는 것을 유리하게 가능하게 하는 본 발명의 제 1 실시예의 제 6 변형이 이제 기술될 것이다. 유의하여야 하는 바와 같이, 상기 제 6 변형은 이전에 기술된 제 1, 제 2, 제 3, 제 4 및 제 5 변형들 중 하나 이상과 결합될 수 있거나, 또는 상기 제 1, 제 2, 제 3, 제 4 및 제 5 변형들과 관계 없이 구현될 수 있다.
본 발명의 제 1 실시예에서, 광학계 (O1)의 표면의 상류에서 제 1 서브-빔 (F1)의 전자기장이 균일하다는 가정이 이루어진다. 그러나, 제 1 광학계 (O1)는 유한한 표면을 가지고, 그의 직경은 너무 작게 선택되지 않을 수 있고, 이러한 것이 없이, 제 1 광학계 (O1)의 하류에서의 기준 빔과 특성화 빔 사이의 신호 비율은 우수한 콘트라스트를 갖는 2-차원 간섭 패턴을 관측하기 위해 1과는 너무 다를 것이다. 이들 조건들에서, 제 1 광학계 (O1)의 상류에서 제 1 서브-빔 (F1)의 공간-시간 커플링들은 체계적으로 충분히 약하지 않고, 그 결과 상기 제 1 서브-빔 (F1)의 전자기장이 제 1 광학계 (O1)의 전체 표면 상에서 균질하다는 것을 고려할 수 있다. 이로써, 이러한 근사치는 최종적으로 복원된 특성화 빔 (Fcar)의 전자기장에서 에러들을 유도할 수 있다.
이로써, 본 발명의 제 1 실시예의 제 6 변형에서, 다음의 반복 알고리즘을 사용하는 것이 제안된다:
i. 이전에 기술된 바와 같이, 제 1 서브-빔 (F1)의 전자기장이 제 1 광학계 (O1)를 통해 효과적으로 균질하고, 측정 평면 (z1)에서의 기준 빔 (Fref)의 전자기장이 그로부터 추정된다고 가정한다;
ii. 측정 평면 (z1)에서 기준 빔 (Fref)의 전자기장을 알고, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 방법 (10)을 사용하여 측정된 시간 인터페로그램들 (S1)을 사용하면, 제 1 서브-빔 (F1)의 전자기장의 복원은 공간 및 시간에서, 또는 공간 및 주파수에서 추정된다;
iii. 제 1 서브-빔 (F1)의 전자기장의 이러한 복원은, 측정 평면 (z1)에서 기준 빔 (Fref)의 전자기장을 만들어 내기 위해 제 1 광학계 (O1) 상에 반사되고, 이러한 스케일에 공간적으로 균질할 필요가 없는 제 1 서브-빔 (F1)의 전자기장의 일부를 포함한다. 이러한 복원은 측정 평면 (z1)에서 기준 빔의 새로운 필드를 결정하기 위해 사용되고, 이 시점은, 제 1 서브-빔 (F1)의 전자기장이 제 1 광학계 (O1)의 전체 표면 상에서 균질하다는 가설에 더 이상 기반하지 않는다.
그 후에, 기준 빔 (Fref)의 이러한 새로운 필드는 단계 (ii)에서 재주입되며, 그리고 단계들 (ii 및 iii)은 자체 일관된 해결책으로 수렴될 때까지 반복 방식으로 반복되고, 그 결과:
- 특성화 빔 (Fcar)의 전자기장은 복원되며, 그리고
- 제 1 측정 평면 (z1)에서 기준 빔의 전자기장은 제 1 광학계 (O1)에 의한, 제한된 표면 상에 심지어 잠재적으로 비-균질화된 이러한 필드의 팽창의 결과이다.
기술된 반복 알고리즘의 유형은 T. Oksenhendleretal., "Self-referenced spectral interferometry", Applied Physics B (99), 7-12의 논문에서 보다 구체적으로 기술된다.
"원-샷 모드"로 지칭되는 본 발명의 제 2 실시예는 이제 기술될 것이다.
도 11a는 광 빔의 특성화를 위한 제 3 디바이스 (3)를 사용하여, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 광 빔의 특성화를 위한 방법 (20)을 도시한다.
제 3 디바이스 (3)는 다음을 포함하는 제 2 유형의 측정 시스템 (SM3)을 포함한다:
- 유입구 슬릿 (Fe)을 가진 분광기 (SP);
- 제 1 및 제 2 측정 시스템들 (SM1, SM2)에 대하여 이전에 기술된 바와 같은 카메라의 센서 (CCD).
도 11b는 광 빔의 특성화를 위한 제 3 디바이스 (3)의 부분 사시도를 도시한다. 도 11b는 이로써 방향 (x)을 따라 배향된 유입구 슬릿 (Fe)을 가진 분광기 (SP)를 도시한다.
도 11c는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 광 빔의 특성화를 위한 방법 (20)의 단계 동안 분광기 (SP)에 의해 실험적으로 측정된, 주어진 시간 지연 (τ)에 대한 2-차원 간섭 패턴 (M1)의 주파수 스펙트럼 (Spe)의 예시를 도시한다. 이로써, 도 11c의 주파수 스펙트럼 (Spe)은, 2-차원 간섭 패턴 (M1)이 분광기 (SP)의 슬릿 (Fe)에 의해 캡쳐되는, 방향 (x)에 대한 주파수 정보를 포함한다.
도 12a는 광 빔의 특성화를 위한 제 4 디바이스 (4)를 사용하여, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 광 빔의 특성화를 위한 방법 (20)의 대안적인 구성을 도시한다.
제 4 디바이스 (4)는 다음을 포함하는 제 2 유형의 측정 시스템 (SM4)을 포함한다:
- 유입구 슬릿 (Fe)을 가진 분광기 (SP);
- 제 1 및 제 2 측정 시스템들 (SM1 및 SM2)에 대해 이전에 기술된 바와 같은 카메라의 센서 (CCD);
- 복수의 광 섬유들 (fo_1,fo_2,…,fo_n). 상기 복수의 광 섬유들은 적어도 2 개의 광 섬유들을 포함한다. 복수의 광 섬유들의 광 섬유들의 개수는 센서 (CCD)의 수직 픽셀들의 개수 이하이다. 이러한 수직 픽셀들의 수는 500보다 클 수 있다. 바람직하게, 상기 복수의 광 섬유들은 4 내지 100을 포함한 다수의 광 섬유들을 포함한다.
복수의 광 섬유들 (fo_1,fo_2,…,fo_n)의 입력 말단들은 제 1 평면 (z1)에 배치되고, 우선적으로, 2-차원 매트릭스, 다시 말해 적어도 2 개의 라인들 및 2 개의 컬럼들을 포함한 2-차원 매트릭스, 또는 대안으로 단일 라인 및 여러 개의 컬럼들을 포함한 매트릭스-라인, 또는 단일 컬럼 및 여러 개의 라인들을 포함한 매트릭스-컬럼에 배치된다. 상기 매트릭스는 2-차원 일 시에, 2-차원 간섭 패턴 (M1)의 신호는 제 1 평면 (z1)에서 2 개의 공간 차원들을 따라 유리하게 샘플링될 수 있다.
도 12b의 예시에서, 2-차원 매트릭스는 L>1인 라인들의 수 및 C>1인 컬럼들의 수를 가지고, 각각의 라인은 y 축과 평행하게 연장되고, 각각의 컬럼은 x 축과 평행하게 연장되고, x 및 y 축들은 직교한다. 보다 일반적으로, 각각의 라인은 제 1 축과 평행하게 연장될 수 있고, 각각의 컬럼은 제 1 축으로부터 분리된 제 2 축과 평행하게 연장될 수 있고, 제 1 및 제 2 축들은 그들 사이에서 비-제로 및 비-평평한 각도를 형성한다. 2-차원 매트릭스는 우선적으로 정사각형이며, 다시 말해, 컬럼들과 같이 많은 라인들을 갖는 정사각형, 또는 대안으로 직사각형, 다시 말해, 컬럼들의 개수 (C)와는 다른 라인들의 개수 (L)를 갖는 직사각형이다.
복수의 광섬유들 (fo_1,fo_2, ...,fo_n)의 출력 말단들은 그 후 분광기 (SP)의 유입구 슬릿 (Fe) 상에 배열되어, 광섬유들 각각으로부터 나오는 신호들을 공간적으로 조심스럽게 분리하는 것이 유리하다.
도 12b는 광 빔의 특성화를 위한 제 4 디바이스 (4)의 부분적인 사시도를 도시한다. 도 12b는 이로써 복수의 광 섬유들 (fo_1,fo_2,…,fo_n)의 출력 말단들이 2-차원 매트릭스에 배치된 제 1 평면 (z1), 및 상기 복수의 광 섬유들의 출력 말단들이 정렬되는 분광기 (SP)의 유입구 슬릿 (Fe)을 도시한다.
도 9와 관련하여 이전에 기술되고, 기준 빔 (Fref)과 관계 없이 특성화 빔 (Fcar)의 절대 특성화를 얻는 것을 유리하게 가능하게 하는, 제 1 실시예에 따른 방법 (10)의 제 2 변형은 또한 본 발명의 제 2 실시예에 따른 방법 (20)과 호환될 수 있다. 이러한 제 2 변형에서, 본 발명의 제 2 모드에 따른 광 빔의 특성화를 위한 방법 (20)은 이로써 다음을 포함한다:
- 제 1 서브-빔 (F1)의 공간-스펙트럼 위상 (φref (x,y,ω))을 측정하는, 도 9에 도시된 단계 i), 및
- 제 1 서브-빔 (F1)의 스펙트럼 진폭 (Aref (ω))을 측정하는 단계.
이전에 기술되고, 제 1 광학계 (O1)에 의해 도입된 기준 빔 (Fref)의 파면의 곡률을 고려하는 것을 유리하게 가능하게 하는, 제 1 실시예에 따른 방법 (10)의 제 3 변형은 또한 본 발명의 제 2 실시예에 따른 방법 (20)과 호환된다. 제 3 변형은 그 후에 물론 제 2 변형과 결합될 수 있거나, 상기 제 2 변형과 관계 없이 구현될 수 있다.
본 발명의 제 2 모드에 따른 광 빔의 특성화를 위한 방법 (20)의 제 3 변형에서, 이로써, 제 1 광학계 (O1) 상에서 제 1 서브-빔 (F1)의 반사 이후에, 그리고 특성화 빔 (Fcar)과의 기준 빔 (Fref)의 재결합 이전에, 측정은 기준 빔 (φref (x, y, ω0))의 주파수 (ω0)에서 공간 위상을 수행한다. 상기 공간 위상 (φref (x, y, ω0))은 제 1 광학계 (O1)에 의해 도입된 기준 빔 (Fref)의 파면의 곡률의 특성을 나타낸다.
이전에 기술된 제 3 변형에 대한 대안은 또한 본 발명의 제 2 실시예와 호환될 수 있다.
이전에 기술되고, 특성화 빔 (Fcar) 및 기준 빔 (Fref)의 스펙트럼들이 중첩되지 않거나, 또는 부분적으로만 중첩되는 제 1 측정 평면 (z1)에서의 특성화 빔 (Fcar)의 잠재적인 지점들 (x,y)을 식별하는 것을 유리하게 가능하게 하는, 제 1 실시예에 따른 방법 (10)의 제 4 변형은 또한 본 발명의 제 2 실시예와 호환된다. 제 4 변형은 그 후에 제 2 변형 및/또는 제 3 변형과 물론 결합될 수 있거나, 또는 상기 제 2 변형 및 제 3 변형과 관계 없이 구현될 수 있다.
도 10과 관련하여 이전에 기술되고, 특성화 빔 (Fcar) 및 기준 빔 (Fref)의 스펙트럼들이 중첩되지 않거나, 또는 부분적으로만 중첩되는 제 1 측정 평면 (z1)에서의 특성화 빔 (Fcar)의 상기 잠재적인 지점들 (x,y)을 적어도 부분적으로 제거하는 것을 유리하게 가능하게 하는, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 방법 (10)의 제 5 변형은 또한 본 발명의 제 2 실시예에 따른 방법 (20)과 호환된다. 유의해야 하는 바와 같이, 상기 제 5 변형은 이전에 기술된 제 2, 제 3 및 제 4 변형들 중 하나 이상과 물론 결합될 수 있거나, 또는 상기 제 2, 제 3 및 제 4 변형들과 관계 없이 구현될 수 있다.
본 발명의 제 1 실시예에 따른 방법 (10)의 제 6 변형은 또한 제 2 실시예에 따른 방법 (20)과 호환될 수 있다. 제 2 실시예에 따른 방법 (20)에 적용된 제 6 변형에 따른 반복 알고리즘은 다음과 같다:
i. 이전에 기술된 바와 같이, 제 1 서브-빔 (F1)의 전자기장이 제 1 광학계 (O1)를 통해 효과적으로 균질하고, 측정 평면 (z1)에서의 기준 빔 (Fref)의 전자기장이 그로부터 추정된다고 가정한다;
ii. 측정 평면 (z1)에서 기준 빔 (Fref)의 상기 전자기장을 알고, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 방법 (20)에 의해 측정된 적어도 하나의 주파수 인터페로그램을 사용하면, 제 1 서브-빔 (F1)의 전자기장의 복원은 공간 및 시간에서, 또는 공간 및 주파수에서 추정된다;
iii. 제 1 서브-빔 (F1)의 전자기장의 이러한 복원은, 측정 평면 (z1)에서 기준 빔 (Fref)의 전자기장을 만들어 내기 위해 제 1 광학계 (O1) 상에 반사되고, 이러한 스케일에 공간적으로 균질할 필요가 없는 제 1 서브-빔 (F1)의 전자기장의 일부를 포함한다. 이러한 복원은 측정 평면 (z1)에서 기준 빔의 새로운 필드를 결정하기 위해 사용되고, 이 시점은, 제 1 서브-빔 (F1)의 전자기장이 제 1 광학계 (O1)의 전체 표면 상에서 균질하다는 가설에 더 이상 기반하지 않는다.
본 설명에서, "주파수 인터페로그램"은 기준 빔 (Fref)과 특성화 빔 (Fcar) 사이에서 고정된 시간 지연 (τ0)에 대해, 주파수 (ω)의 함수로서 측정된 공간 간섭 패턴들을 의미하기 위해 취해진다. 측정된 공간 간섭 패턴들은 1-차원 또는 2-차원일 수 있다.
- 측정된 공간 간섭 패턴들 1-차원인 경우, 주파수 인터페로그램은 하나의 공간 차원에 따르고 하나의 주파수 차원에 따른 정보, 이로써 2-차원 정보를 포함한다.
- 측정된 공간 간섭 패턴이 2-차원인 경우, 주파수 인터페로그램은 2 개의 공간 차원에 따르고 하나의 주파수 차원에 따른 정보, 이로써 3-차원 정보를 포함한다.
2-차원주파수 인터페로그램은 이미징 분광기의 유입구 슬릿을 따른 공간 해상도를 이용하여 단일 레이저 샷으로 얻어질 수 있다. 3-차원 주파수 인터페로그램을 얻는 것은 다른 한편으로는 두 개의 공간 차원들 중 하나를 따라, 분광기의 유입구 슬릿을 통해 레이저 빔을 스위핑하는 것을 필요로 한다.
기준 빔 (Fref)의 이러한 새로운 필드는 단계 (ii)에서 재주입되며, 그리고 단계들 (ii 및 iii)은 자체 일관된 해결책으로 수렴될 때까지 반복 방식으로 반복되고, 그 결과:
- 특성화 빔 (Fcar)의 전자기장은 복원되며, 그리고
- 제 1 측정 평면 (z1)에서 기준 빔의 전자기장은 제 1 광학계 (O1)에 의해, 제한된 표면 상에 심지어 잠재적으로 비-균질화된 이러한 필드의 팽창의 결과이다.

Claims (10)

  1. 광 빔 (FL)의 특성화를 위한 방법 (10)에 있어서, 상기 방법은:
    - 상기 광 빔 (FL)을, 분리기 광학계 (separator optic) (Os, SR)로 제 1 서브-빔 (F1) 및 제 2 서브-빔 (F2)으로 분리시키는 단계 - 상기 제 1 서브-빔 (F1)은 제 1 광학 경로 (C1)를 따르고 (take), 상기 제 2 서브-빔 (F2)은 제 2 광학 경로 (C2)를 따름 -;
    - 제 1 광학계 (O1)를 통해 (over) 상기 제 1 서브-빔 (F1)을 전파하고, 제 2 광학계 (O2)를 통해 상기 제 2 서브-빔 (F2)을 전파하는 단계 - 상기 제 1 서브-빔 (F1)은 상기 제 1 광학계 (O1)의 전체 표면 상에서 비균질한 (inhomogeneous) 전자기장을 가지고, 상기 제 1 및 제 2 광학계들 (O1, O2)은 제어 수단 (Pz)에 의해 상기 제 1 및 제 2 광학 경로들 (C1, C2)에 각각 배치되고, 그 결과 상기 제 1 광학계에서 빠져나가고 "기준 빔 (Fref)"이라 지칭되는 제 1 서브-빔, 및 상기 제 2 광학계에서 빠져나가고 "특성화 빔 (Fcar)"이라 지칭되는 제 2 서브-빔은, 단계 (P1)와 함께 시간 간격 (T1)을 스위핑하는 (sweeping) 시간 지연 (τ)만큼 분리됨 -;
    - 상기 기준 빔 (Fref) 및 상기 특성화 빔 (Fcar)이 공간적으로 간섭되고 2-차원 간섭 패턴 (M1)을 형성하는 방식으로, 재결합기 광학계 (Or, SR)로 상기 기준 빔 (Fref) 및 상기 특성화 빔 (Fcar)을 재결합시키는 단계;
    - 시간 인터페로그램 (temporal interferogram) (S1)을 얻기 위해, 상기 기준 빔 (Fref)과 상기 특성화 빔 (Fcar) 사이에서, 상기 단계 (P1)와 함께 시간 간격 (T1)을 스위핑하는 시간 지연 (τ)의 함수로서, 측정 시스템 (SM1)으로 상기 2-차원 간섭 패턴 (M1)을 측정하는 단계;
    - 상기 시간 인터페로그램 (S1)의 적어도 하나의 공간 지점의 주파수 도메인 (TFF)에서 푸리에 변환을 계산기 (K)로 계산하는 단계 - 상기 주파수 도메인 (TFF)에서의 푸리에 변환은 주파수 중심 피크 (frequency central peak) (fc) 및 제 1 및 제 2 주파수 측면 피크들 (frequency side peaks) (fl1, fl2)을 가짐 -;
    - "상대 스펙트럼 진폭"이라 지칭되는 스펙트럼 진폭 (AR (ω)), 및 "상대 공간-스펙트럼 위상"이라 지칭되는 공간-스펙트럼 위상 (φR (x,y,ω))을 계산기 (K)로 계산하되, 상기 주파수 도메인 (TFF)에서의 푸리에 변환의 제 1 및 제 2 주파수 측면 피크들 중 하나에 대해, 계산하는 단계;
    를 포함하는, 광 빔의 특성화 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    - 상기 제 1 서브-빔 (F1)의 전자기장이 상기 제 1 광학계 (O1)의 제 2 평면 (z2)에서 균질하다는 가정하에, 상기 기준 빔 (Fref)의 전자기장이 제 1 측정 평면 (z1)에서 계산되는 단계 i);
    - 사전에 계산된 상기 제 1 측정 평면 (z1)에서의 기준 빔 (Fref)의 전자기장 및 상기 시간 인터페로그램 (S1)으로부터, 상기 제 1 광학계 (O1)의 제 2 평면 (z2)에서의 제 1 서브-빔 (F1)의 전자기장의 복원이 계산되는 단계 ii);
    - 사전에 계산된 상기 제 1 광학계 (O1)의 제 2 평면 (z2)에서의 제 1 서브-빔 (F1)의 전자기장의 복원을 사용하여, 상기 제 1 측정 평면 (z1)에서의 기준 빔 (Fref)의 전자기장이 계산되는 단계 iii);
    를 포함하는, 광 빔의 특성화 방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 단계 ii) 및 단계 iii)는 자체 일관된 해결책 (self-consistent solution)을 향해 수렴될 때까지 반복되고, 그 결과:
    - 상기 특성화 빔 (Fcar)의 전자기장은 복원되며, 그리고
    - 상기 제 1 측정 평면 (z1)에서의 기준 빔 (Fref)의 전자기장은 상기 제 1 광학계 (O1)에 의한, 상기 기준 빔 (Fref)의 전자기장의 팽창의 결과인, 광 빔의 특성화 방법.
  4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 방법은, 상기 단계 (P1)와 함께 상기 시간 간격 (T1)을 스위핑하는 적어도 하나의 시간 지연 (τ)에 대해, 상기 특성화 빔 (Fcar)의 강도 및 상기 강도의 공간 분포를 계산기 (K)로 계산하는 단계를 포함하는, 광 빔의 특성화 방법.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 방법은, 상기 단계 (P1)와 함께 상기 시간 간격 (T1)을 스위핑하는 각각의 시간 지연 (τ)에 대해, 상기 특성화 빔 (Fcar)의 강도 및 상기 강도의 공간 분포를 계산기 (K)로 계산하는 단계를 포함하는, 광 빔의 특성화 방법.
  6. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 방법은:
    - 상기 기준 빔의 주파수 (ω0)에서 공간 위상 (φref (x,y,ω0))을 측정하는 단계 - 상기 공간 위상 (φref (x,y,ω0))은 상기 제 1 광학계 (O1)에 의해 도입된 기준 빔 (Fref)의 파면 (wave front)의 곡률 특성을 나타냄 -,
    - 그 후에, 상기 특성화 빔의 보정된 상대 공간-스펙트럼 위상을 얻기 위해, 상기 상대 공간-스펙트럼 위상 (φR (x,y,ω))으로부터 공간-스펙트럼 위상 (
    Figure 112020059806015-pct00026
    )을 감산하는 단계를 포함하는, 광 빔의 특성화 방법.
  7. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 방법은:
    - "기준 공간-스펙트럼 위상"이라 지칭되는, 상기 제 1 서브-빔의 공간-스펙트럼 위상 (φref (x,y,ω))을 측정하는 단계,
    - 그 후에, 상기 특성화 빔의 절대 공간-스펙트럼 위상 (φabs (x,y,ω))을 얻기 위해, 상기 상대 공간-스펙트럼 위상 (φR (x,y,ω))으로부터 상기 기준 공간-스펙트럼 위상 (φref (x,y,ω))을 감산하는 단계를 포함하는, 광 빔의 특성화 방법.
  8. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 방법은:
    - 상기 기준 빔의 주파수 (ω0)에서 공간 위상 (φref (x,y,ω0))을 측정하는 단계 - 상기 공간 위상 (φref (x,y,ω0))은 상기 제 1 광학계 (O1)에 의해 도입된 기준 빔 (Fref)의 파면 (wave front)의 곡률 특성을 나타냄 -,
    - "기준 공간-스펙트럼 위상"이라 지칭되는, 상기 제 1 서브-빔의 공간-스펙트럼 위상 (φref (x,y,ω))을 측정하는 단계,
    - 그 후에, 상기 특성화 빔의 보정된 절대 공간-스펙트럼 위상을 얻기 위해, 상기 상대 공간-스펙트럼 위상 (φR (x,y,ω))으로부터 상기 기준 공간-스펙트럼 위상 (φref (x,y,ω)) 및 공간-스펙트럼 위상 (
    Figure 112020059806015-pct00027
    )을 감산하는 단계를 포함하는, 광 빔의 특성화 방법.
  9. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 따른 광 빔의 특성화 방법 (10)을 구현하기 위한 광 빔 (FL)의 특성화 디바이스 (1, 2)에 있어서,
    상기 디바이스는:
    - 상기 광 빔 (FL)을 제 1 서브-빔 (F1) 및 제 2 서브-빔 (F2)으로 분리시키는 분리기 광학계 (Os, SR) - 상기 분리기 광학계 (Os, SR)는 상기 제 1 서브-빔 (F1)용 제 1 광학 경로 (C1) 및 상기 제 2 서브-빔 (F2)용 제 2 광학 경로 (C2)를 정의함 -;
    - 상기 제 1 광학 경로 (C1)에 배치된 제 1 광학계 (O1) - 상기 제 1 광학계 (O1)는, 상기 제 1 광학계에서 빠져나가고 "기준 빔 (Fref)"이라 지칭되는 제 1 서브-빔이 제 1 유형의 파면들을 가지는 방식으로, 제 1 곡률 반경을 가짐 -;
    - 상기 제 2 광학 경로 (C2)에 배치된 제 2 광학계 (O2) - 상기 제 2 광학계 (O2)는, 상기 제 2 광학계에서 빠져나가고, "특성화 빔 (Fcar)"이라 지칭되는 제 2 서브-빔이 상기 제 1 유형과는 다른 제 2 유형의 파면들을 가지는 방식으로, 상기 제 1 곡률 반경과는 다른 제 2 곡률 반경을 가짐 -;
    - 상기 기준 빔 (Fref)과 상기 특성화 빔 (Fcar) 사이에서 시간 지연 (τ)을 제어하는 수단 (Pz);
    - 상기 기준 빔 (Fref) 및 상기 특성화 빔 (Fcar)이 공간적으로 간섭되고 2-차원 간섭 패턴 (M1)을 형성하는 방식으로, 상기 기준 빔 (Fref) 및 상기 특성화 빔 (Fcar)을 재결합시키는 재결합기 광학계 (Or, SR);
    - 상기 2-차원 간섭 패턴 (M1)으로부터, 적어도 시간 정보 또는 주파수 정보을 얻는 것을 가능하게 하는 측정 시스템 (SM1);
    - 주파수 도메인 (TFF)에서의 푸리에 변환의 시간 정보로부터 계산을 가능하게 하거나, 또는 시간 도메인 (TFT)에서의 푸리에 변환의 주파수 정보로부터 계산을 가능하게 하는 계산기 (K);
    를 포함하는, 광 빔의 특성화 디바이스.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 분리기 광학계 (Os) 및 상기 재결합기 광학계 (Or)는 단일적이고 동일한 광학계 (SR)를 형성하고, 이때 상기 광학계 (SR)는 한편으로는 상기 광 빔 (FL)의 분리를, 그리고 다른 한편으로는 상기 기준 빔 (Fref) 및 상기 특성화 빔 (Fcar)의 재결합을 확보하는, 광 빔의 특성화 디바이스.
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