KR102342203B1 - 디스크 형상의 레이저 활성 매체를 갖는 광학 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 광학 장치(1)에 관한 것으로, 상기 장치는 디스크 형상의 레이저 활성 매체(2), 레이저 빔(5)을 편향시키기 위한 미러면이 형성된 복수의 미러 요소(6)를 갖고, 미러 요소(6)가 고정되는 베이스 본체(7)를 갖는 편향 디바이스(3)를 포함하고, 미러 요소(6)의 미러면(F2, F3, F4, F5,...)은 레이저 빔(5)이 각각의 미러면(F3, F5,...)에 의해 디스크 형상의 레이저 활성 매체(2)를 통해 다른 미러면(F4, F6,...)으로 편향되는 방식으로 배향된다. 미러 요소(6)는 일체형으로 형성되거나 모놀리식 결합되고, 바람직하게는 중심 축(11)에 대해 회전 대칭으로 형성되며 재료 맞물림 연결 또는 직접 연결에 의해 베이스 본체(7)에 견고하게 연결되는 연결 섹션(12)을 갖는다.

Description

디스크 형상의 레이저 활성 매체를 갖는 광학 장치
본 발명은 광학 장치, 예를 들어 광 증폭기 장치, 특히 (선형) 디스크 레이저 증폭기에 관한 것으로, 상기 장치는 디스크 형상의 레이저 활성 매체, 레이저 빔을 편향시키기 위한 미러면이 형성된 복수의 미러 요소를 갖고 미러 요소가 고정되는 베이스 본체를 갖는 편향 디바이스를 포함하고, 미러 요소의 미러면은 레이저 빔이 각각의 미러면에 의해 디스크 형상의 레이저 활성 매체를 통해 다른 미러면으로 편향되는 방식으로 배향된다. 따라서, 미러 요소는 디스크 형상의 레이저 활성 매체를 통해 레이저 빔이 편향되는 미러면 사이에 쌍으로 배치된다.
IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. 45, No. 5, 2009년 8월, A. Antognini 등의 논문 "Thin-Disk Yb:YAG Oscillator-Amplifier Laser, ASE, and Effective Yb:YAG Lifetime"에서는, 레이저 빔을 레이저 디스크에 편향시키기 위해 24개의 평면 미러 어레이가 사용되는 멀티 패스 디스크 레이저 증폭기가 설명되어 있다. 미러는 공통 베이스 플레이트 상에 배치되고, 각각의 개별 미러의 배향은 레이저 디스크를 통과하는 레이저 빔의 각 패스에서 빔 프로파일이 개별적으로 적응될 수 있도록 개별적으로 변경될 수 있다. Optics Letters, Vol. 34, No. 9, 2009년 5월 1일, J. Tuemmler 등의 논문 "High-repetition-rate chirped-pulse-amplification thin-disk laser system with joule-level pulse energy"에서는, 7 × 4 미러 어레이가 레이저 빔을 편향시키기 위해 사용되는 멀티 패스 증폭기가 설명되어 있으며, 이 미러는 마찬가지로 공통 베이스 플레이트 상에 배치되고 개별적으로 조정 가능하다.
US 7,463,667 B2는 고체 레이저 증폭기 재료 모듈(LGM 모듈)뿐만 아니라 제 1 미러 및 제 2 미러를 각각 갖는 복수 쌍의 릴레이 미러를 포함하는 멀티 패스 공진기를 갖는 레이저 시스템을 개시하고 있다. 레이저 빔은 LGM 모듈 상의 동일한 위치와 복수 쌍의 릴레이 미러의 각각의 쌍 사이에서 앞뒤로 반사된다. LGM 모듈 및 공진기는 공진기 하우징 내에 수용되고, 복수의 미러는 레이저 빔이 미러 쌍들과 LGM 모듈 사이에서 정확하게 앞뒤로 반사되는 효과를 달성하기 위해, 서로에 대해 그리고 LGM 모듈에 대해 미러의 배향 및 위치를 유지하는 홀딩 장치 내에 유지된다.
디스크 레이저 증폭기 또는 디스크 레이저 형태의 광 증폭기 장치는 작은 두께(레이저 디스크)를 갖는 디스크 형상의 레이저 활성 매체를 포함한다. 선형 디스크 레이저 증폭기 형태의 이러한 광학 장치에서, 즉 재생 증폭기의 경우처럼 공진기를 통한 어떠한 피드백도 발생하지 않는 레이저 증폭기의 경우, 레이저 빔은 더 높은 파워로 증폭되도록 의도되고, 펄스 방사선의 경우, 더 높은 펄스 에너지로 증폭되도록 의도된다. 레이저 디스크를 통과할 때의 비교적 낮은 이득은 통상적으로 레이저 디스크를 통과하는 다수의 패스를 필요로 한다. 이 많은 수의 패스는 종종 비교적 긴 빔 경로로 달성된다. 선형 디스크 증폭기는 전체 디스크 레이저 증폭기의 큰 빔 직경으로 인해 작은 광학 수차만으로 낮은 강도와 비선형성을 달성할 수 있기 때문에 고출력 범위 및 단 펄스 또는 초단 펄스 범위의 스케일링에 특히 적합하다. 그러나 긴 빔 경로 및 레이저 디스크를 통과하는 패스를 실행하기 위한 비교적 많은 수의 광학 컴포넌트 때문에, 디스크 레이저 증폭기 형태의 광 증폭기 장치는 오정렬과 관련하여 민감하다.
US 7,817,704 B2는 축을 따라 연장되는 지지체를 포함하는 모노 블록 레이저를 설명하고, 지지체 상에는 그 축을 중심으로 회전 가능한 조정 가능 요소가 위치한다. 조정 가능 요소는 V 블록으로 구성된 지지체에 회전 가능하게 장착될 수 있다. 대안적으로, 예를 들어 미러의 형태인 조정 가능 요소는 구형의 바닥을 가질 수 있고, 지지체의 기판은 조정 가능 요소를 수용하기 위한 구형의 리세스를 포함할 수 있다.
EP 2 816 386 A1은 적어도 하나의 홀딩 요소에 의해 베이스 본체 상에 접착 본딩된 광학 요소를 갖는 광학 장치를 개시하고 있으며, 광학 요소 및 홀딩 요소는 접촉 라인을 따라 광학 요소 측 상의 곡선 접합면 및/또는 홀딩 요소 측 상의 곡선 접합면을 통해 서로 직접적으로 위치하고, 접합면들 사이의 접촉 라인 옆에 존재하는 적어도 하나의 접합부에 도입되는 접착제에 의해 접착 본딩된다.
WO 2012/013512 A1은 베어링 영역을 갖는 벽을 갖는 리세스뿐만 아니라 광학 요소를 유지하고 접촉 영역을 갖는 하부 측을 포함하는 광학 홀더를 포함하는 베이스 플레이트를 갖는 광학 장치를 설명한다. 광학 홀더의 하부 측과 리세스의 바닥 사이에는 광학 홀더를 고정시키는 데 사용되는 경화 가능 접착제가 채워지는 캐비티가 형성된다. 추가적인 납땜 또는 스폿 용접 또는 스폿 레이저 용접에 의해, 광학 홀더의 고정의 개선이 달성될 수 있다.
본 발명의 목적은 오정렬의 위험이 낮은 광학 장치, 특히 (선형) 디스크 레이저 증폭기 형태의 광학 장치를 제공하는 것이다.
이 목적은 본 발명에 따라 예를 들어 광 증폭기 장치의 형태, 특히 디스크 레이저 증폭기의 형태로 도입부에서 언급된 유형의 광학 장치에 의해 달성되며, 여기서 미러 요소는 일체형으로 형성되거나 모놀리식 결합되고, 바람직하게는 중심 축에 대해 회전 대칭으로 형성되고, 재료 맞물림(material-fit) 연결 또는 베이스 본체에 대한 직접 연결에 의해 견고하게, 즉 영구적으로 연결되는 연결 섹션을 갖는다.
본 출원의 맥락에서, 모놀리식 결합된 미러 요소는 서로 견고하고 영구적으로 연결된 복수의 컴포넌트들로 형성된 미러 요소를 의미하도록 의도되며, 미러 요소의 컴포넌트들 사이의 연결은 마찬가지로 재료 맞물림 연결에 의해 또는 직접 연결에 의해 수행된다.
통상적으로, 미러 요소는 조정 가능한 사판(wobble plate)을 갖는 미러 홀더에 유지된다. 이는 예를 들어 약 10μrad의 범위 내의 정확도로 각각의 미러 요소 또는 보다 정확하게는 미러면의 정확한 배향을 허용한다. 그러나 복수의 이러한 미러 홀더를 포함하고 디스크 멀티 패스 증폭기를 생성하기 위해 사용될 수 있는 편향 디바이스는, 상기 인용된 두 논문에서와 같이, 상당한 오정렬 및 장착 위험을 갖는 다수의 조정 자유도를 제공한다.
본 발명에 따르면, 이러한 위험은, 예를 들어 베이스 플레이트 형태의 베이스 본체에 견고하게, 즉 영구적으로 연결된 미러 요소에 의해 최소화된다. 영구적 연결에 의해, 오정렬 자유도는 최소로 감소될 수 있고, 광학 장치의 동작 중 오정렬이 본질적으로 방지될 수 있다. 오정렬 자유도를 최소화하기 위해, 미러 요소는 예를 들어 접착제 본딩, 납땜 또는 용접에 의한 재료 맞물림 결합 기술 또는 예를 들어 본딩 또는 유리 용접에 의한 직접 영구적 연결에 의해 베이스 본체에 고정되거나 이에 연결된다. 또한, 미러 요소는 일체형으로 형성되거나 모놀리식 결합된다. 미러 요소 또는 보다 정확하게는 미러 요소의 미러면은 통상적으로 약 10μrad의 정확도로 베이스 본체에 영구적으로 안정되게 장착되어야 하거나 또는 이에 대해 배향되어야 한다. 베이스 본체는 바람직하게는 일체형으로 형성될 수 있지만, 선택적으로는 모놀리식 결합될 수도 있다.
일 실시예에서, 미러 요소의 (평면) 미러면은 연결 섹션의 중심 축에 대해 30° 내지 60°, 바람직하게는 35° 내지 55°, 특히 40° 내지 50°의 각도로 배향된다. 편향 디바이스의 미러 요소의 미러면의 보통의 방향은 한편으로는 각각의 추가의 미러면에 대한 직접적인 편향이 발생할 수 있는 방식으로 선택되어야 하고, 다른 한편으로는 레이저 디스크가 통상적으로 레이저 빔에 의해 중심적으로 타격되는 방식으로 선택되어야 한다. 이를 위해, 각각의 미러 요소를 베이스 본체 상에 장착할 때, 각각의 연결 섹션의 중심 축은 (판형) 베이스 본체에 대해 적절한 각도로 배향될 수 있다. 특히, 이를 위해 상이한 미러 요소의 연결 섹션의 중심 축은 베이스 본체에 대해 상이하게 배향될 수 있다. 이 경우, 원형 링(아래 참조)에 배치된 편향 디바이스의 모든 미러 요소는 선택적으로 연결 섹션의 중심 축에 대해 동일한 각도로 배향될 수 있으므로, 단일 유형의 미러 요소만이 편향 디바이스에 요구되며, 그 결과 편향 디바이스의 생산이 단순화된다. 각각의 연결 섹션에 대해 보통의 방향으로 배향된 (일정한) 각도는 이 경우 일반적으로 45°에 가까운데, 정확히 45°의 편향은 일반적으로 베이스 본체의 중심 축이 연장되는 베이스 본체의 중심에서만 가능하기 때문이다.
다른 실시예에서, 제 1 미러 요소에 대해, 미러면은 연결 섹션의 중심 축에 대하여 제 1 각도로 배향되고, 제 2 미러 요소에 대해, 미러면은 연결 섹션의 중심 축에 대하여 제 1 각도와는 상이한 제 2 각도로 배향된다. 이 경우, 2개 이상, 일반적으로 복수, 예를 들어 10개 이상의 상이한 각도, 따라서 10개 이상의 상이한 유형의 미러 요소가 편향 디바이스에 사용되며, 상이한 미러 요소의 미러면의 배향 간의 차이는 통상적으로 비교적 작으므로, 통상적으로 45°의 각도로부터 10° 미만, 바람직하게는 5° 미만 차이가 난다. 상이한 유형의 미러 요소의 사용에 추가하여, 베이스 본체에 대한 각각의 연결 섹션의 중심 축의 배향이 또한 변할 수 있다는 것을 이해해야 한다.
다른 실시예에서, 각각의 미러 요소의 연결 섹션에 대한 재료 맞물림 연결 또는 직접 연결을 위해 측면을 각각 가지는 리세스가 베이스 본체에 형성된다. 이 실시예에서, 미러 요소 또는 보다 정확하게는 그 연결 섹션은 각각의 리세스의 측면 상에 점형으로, 선형으로, 또는 선택적으로 2차원적으로 위치하도록 리세스 내에 끼워 맞춰진다. 리세스는 본질적으로 일정한 두께를 갖는 베이스 플레이트 형태의 베이스 본체에 형성될 수 있다. 그러나 리세스가 베이스 본체의 상승부 또는 조밀부에 형성되는 것이 가능할 수도 있다. 즉, 리세스가 예를 들어 베이스 플레이트 형태의 베이스 본체의 나머지에 대해 다시 설정될 필요는 없다.
일 구현예에서, 리세스는 베이스 본체에 구멍을 형성한다. 이는 각각의 미러 요소의 장착 또는 조정 중에 각각의 리세스의 측면과 연결 섹션 사이의 연결의 제조에 유리하다. 예를 들어, 재료 맞물림 연결의 경우, 결합 수단, 예를 들어 접착제는 각각의 연결 섹션의 표면과 측면 사이에서, 베이스 본체의 하부 측(각각의 연결 섹션으로부터 멀리 있음)으로부터 도입될 수 있고, 베이스 본체의 상부 측에서보다 하부 측으로부터 용이하게 접근할 수 있다.
다른 실시예에서, 리세스의 측면은 측면의 각각의 중심 축에 대해 회전 대칭으로 형성된다. 이 경우에, 베이스 본체에 대한 미러 요소의 배향은, 리세스에서 재료 맞물림 연결 또는 직접 연결에 의해 그 위치에 고정되기 전에, 통상적으로 리세스 내의 각각의 미러 요소의 회전에 의해, 수정될 수 있다.
일 구현예에서, 리세스의 측면은 구형면, 원뿔형면 또는 자유형면을 형성한다. 미러 요소의 연결 섹션이 반경 방향으로 그라인딩되거나 연마된 표면을 갖는다면, 이것은 구형면, 원뿔형면 또는 자유형면 형태, 예를 들어 액시콘(axicon) 형태의 측면과 선형 또는 원형 접촉을 하게 될 수 있다. 미러 요소가 베이스 본체에 견고하게 연결되기 전에, 측면을 따른 미러 요소의 변위 또는 회전에 의해, 미러 요소는 이 경우 3개의 각도, 즉 리세스의 측면의 중심 축에 대한 미러 요소의 회전각과 연결 섹션의 중심 축과 미러 요소의 중심 축 사이의 2개의 경사각으로, 조정될 수 있다.
일 구현예에서, 적어도 하나의 미러 요소의 연결 섹션의 중심 축은 측면의 중심 축에 대하여 경사각으로 배향된다. 상기 설명된 바와 같이, 이러한 방식으로, 베이스 본체에 대한, 따라서 레이저 활성 매체에 대한 각각의 미러 요소의 미러면의 배향도 수정될 수 있다. 이러한 방식으로, 통상적으로 연결 섹션의 중심 축과 미러면 사이에 각각 상이한 각도를 갖는 미러 요소의 수를 감소시키는 것이 가능하다. 특히, 각각의 미러 요소의 경사각 또는 경사각들은, 베이스 본체로부터 분리된 디스크 형상의 레이저 활성 매체도 또한 배치되는, 베이스 본체의 중심 축으로부터의 각각의 미러면의 반경 방향 거리에 좌우된다. 일반적으로, 리세스의 측면의 중심 축은 일반적으로 판형 베이스 본체의 중심 축에 평행하게 또는 본질적으로 평행하게 배향된다. 그러나 선택적으로, 리세스 또는 그 중심 축은 판형 베이스 본체의 중심 축에 대해 (아마도 상당한 정도의) 각도로 경사지거나 기울어 질 수도 있다.
일 구현예에서, 연결 섹션은 구형 세그먼트에 의해 형성되고, 구형 세그먼트는 구형 세그먼트의 구형 캡에서, 즉 구형 세그먼트의 구형 곡면에서, 베이스 본체의 리세스의 측면에 재료 맞물림 또는 직접적으로 연결된다. 구형 연결 섹션의 사용은 리세스 내의 미러 요소의 조정 또는 배향을 크게 단순화시키고, 측면의 적절한 회전 대칭 구성으로 선형 또는 원형 접촉을 달성하는 것이 가능하기 때문에 유리한 것으로 입증되었다.
다른 실시예에서, 미러 요소는 바람직하게는 구형 세그먼트에 인접하고 미러면이 형성되는 원통형 섹션을 포함한다. 원통형 섹션 상의 (평면) 미러면은, 예를 들어 엔드 미러의 경우에, 원통 축에 수직하게 배향되고 원형 기하학적 구조를 가질 수 있지만, 일반적으로 미러면은 원통 축에 대해 약 45°에 가까운 각도로 배향되고, 따라서 타원형 기하학적 구조를 갖는다. 미러면 또는 미러면의 모서리는 연결 섹션에 직접 인접할 수 있지만, 미러면을 갖는 프리즘형 원통형 섹션이 인접해 있는 일반적으로 원통형인 중간 섹션이 중심 축의 방향으로 연결 섹션과 미러면 사이에 연장될 수도 있다. 미러 요소가 모놀리식으로 결합되는 경우에, 결합 위치 또는 결합면은 통상적으로 개별 섹션 사이의 변환부에, 예를 들어 (예를 들어, 구형) 연결 섹션과 미러면이 형성되는 원통형 섹션 사이의 변환부에 위치한다.
다른 실시예에서, 연결 섹션의 구형 세그먼트는 곡률 반경을 갖고, 그 중심점은 미러 요소의 미러면 상에 놓이고 통상적으로는 미러면의 중간에 있으며, 여기에서 연결 섹션의 중심 축은 통상적으로 미러면을 통과한다. 이 경우, 즉 구형 세그먼트의 반경이 미러 높이에 해당하면, 측 방향 오프셋없이 미러 요소의 조정이 가능하다. 즉, 이 경우, 연결 섹션의 중심 축과 리세스의 중심 축 사이의 경사각을 수정할 때 미러면의 중심점의 어떠한 측 방향 오프셋도 발생하지 않는다.
대안적인 실시예에서, 미러 요소의 연결 섹션은 원통형으로 형성되고, 평면 베이스면을 포함하는 것이 바람직하다. 원통형 연결 섹션은, 이 경우, 예를 들어 평면 베이스면을 지지하기 위한 숄더(shoulder)를 갖는 베이스 본체의 동일한 원통형 리세스에 끼워 맞춰질 수 있다. 이러한 방식으로, 연결 섹션의 중심 축은 통상적으로는 원통형 리세스의 중심 축에 평행하게 배향되기 때문에, 베이스 본체로부터의 미러면의 높이 또는 거리가 결정되고, 경사각은 일반적으로 조정 중에 변경될 수 없다. 미러 요소의 중심 축에 대한 회전에 의해, 리세스의 중심 축에 대한 미러면의 배향만이 설정될 수 있다.
베이스 본체에 리세스를 사용하는 것의 대안으로서, 연결 섹션의 평면 베이스면은 예를 들어 베이스 본체의 평면 표면 상에 배치될 수 있고, 베이스 본체의 표면 상의 미러 요소의 위치는 예를 들어 원형 개구를 갖는 템플릿의 도움으로 고정될 수 있어서, 미러 요소는 그 중심 축에 대해서만 회전될 수 있어 중심 축에 대한 미러면의 회전각을 결정할 수 있다. 이 경우, 미러 요소가 표면 상에 위치하게 되기 전에, 결합 수단, 예를 들어 접착제가 템플릿의 개구의 영역에서 베이스 본체의 표면 상으로 도포될 수 있고, 조정은 결합 수단이 아직 경화되지 않은 한 중심 축에 대한 회전에 의해 수행될 수 있다. 대안적으로 또는 부가적으로, 예를 들어 납땜 또는 (유리) 용접에 의한 미러 요소의 고정이 조정 후에 수행될 수 있다. 상기 설명된 바와 같이, 원통형 연결 섹션을 갖는 미러 요소를 사용하는 경우, 경사각의 수정이 가능하지 않으므로, 미러면과 연결 섹션의 중심 축 사이에 상이한 각도를 갖는 복수의 상이한 유형의 미러 요소를 광학 장치에서 사용하는 것이 일반적으로 필요하다.
다른 실시예에서, 복수의 미러 요소는 디스크 형상의 레이저 활성 매체의 중심도 통상적으로 놓여 있는 베이스 본체의 중심 축에 대해 동심인 복수의 원형 링으로 또는 복수의 정다각형으로, 예를 들어 복수의 정육각형으로 베이스 본체 상에 배치된다. 미러 요소의 최대 균일 또는 규칙적인 배치에 의해, 단지 적은 수의 상이한 유형의 미러 요소만을 사용할 수 있다.
통상적으로, 각각의 두 개의 미러 요소의 미러면 사이에서 직접적인 편향이 발생한다. 즉, 두 개의 미러 요소의 미러면 사이의 빔 경로에 더 이상의 다른 광학 요소가 배치되지 않는다. 각각 두 개의, 특히 이웃하는 두 개의 미러 요소 사이의 직접적인 편향(각각의 경우 대략 본질적으로 약 2 × 90°)에 의해, 편향에 요구되는 미러 요소의 수는 적고, 빔 경로의 복잡성도 또한 이런 식으로 감소될 수 있다. 직접적인 편향이 발생하는 미러 요소는 통상적으로 서로 인접하여 배치되며, 동일한 원형 링 또는 동일한 다각형, 또는 통상적으로 이웃하는 원형 링 또는 다각형에 위치할 수 있다. 각각 두 개의 이웃하는 미러 요소 사이의 직접적인 편향은 미러 요소의 절반 이상에 대해 본질적으로 원주 방향, 즉 회전 패턴으로 각각 발생할 수 있다. 이러한 회전 패턴에서의 편향은 가능한 기존의 비점 수차를 보정하기 위해 일반적으로 유리하다.
다른 실시예에서, 미러 요소의 절반 이상에 대해, 공통의 (즉, 동일한) 편향 방향을 따라 각각 두 개의, 바람직하게는 이웃하는 미러 요소의 미러면 사이에서 직접적인 편향이 발생한다. 레이저 빔이 미러 요소의 총수의 절반 이상에 대해 평행하게 각각 편향되는 이러한 편향은, 공간 방향에서의 레이저 빔의 열적 유도 오정렬과 관련하여 유리한 효과를 갖는다. 여기에 설명된 실시예에서, 복수의 정다각형, 예를 들어 복수의 정육각형으로의 미러 요소의 배치는 일반적으로 특히 유리한데, 그 이유는 이 경우 다각형의 모서리에 대응하는 공통 선을 따라 복수의 미러면이 배치되기 때문이다.
일반적으로 상이한 입사각으로 타격되는 미러면에서의 여기에 기술된 바와 같은 직접적인 90° 편향에 의해, 레이저 빔의 편광 상태는 일반적으로 반사 코팅의 입사각 의존 편광 특성으로 인해 변화한다. 레이저 빔의 편광 상태의 변화에 대한 보상은, 예를 들어 특별한 위상 보상 미러면 또는 반사 코팅에 의해 또는 레이저 빔의 빔 경로에 배치되어 광학 장치의 일부를 형성하는 위상 시프트 광학 요소, 예를 들어 λ/4 플레이트 및/또는 λ/8 플레이트의 적절한 조합에 의해 수행될 수 있다.
다른 실시예에서, 광학 장치, 일반적으로 편향 디바이스는 엔드 미러를 포함하고, 엔드 미러의 미러면은 엔드 미러의 미러면을 타격하는 레이저 빔에 수직하게 배향되어, 레이저 빔은 디스크 형상의 레이저 활성 매체로 다시 반사된다. 엔드 미러를 사용함으로써, 레이저 빔은 대향 방향으로 재차 편향 디바이스를 통과할 수 있으므로, 디스크 형상의 레이저 활성 매체를 통과하는 패스 수는 두 배가 된다. 이를 위해 엔드 미러의 미러면은 입사 (및 반사) 레이저 빔에 대해 수직으로 배향된다.
편향 디바이스 또는 광학 장치는 반드시 엔드 미러를 필요로 하지 않는다는 것을 이해해야 한다. 예를 들어, 이는 통상적으로 높은 이득 계수가 요구되지 않는 경우에 해당하는데, 예를 들어 시드 레이저 빔의 입력 파워가 이미 비교적 크기 때문이다. 이 경우에, 레이저 빔은, 예를 들어 베이스 본체 내의 액세스 개구를 통해 또는 다른 방식으로 광학 장치로부터 추출될 수 있고, 편향 디바이스를 재차 통과하지 못한다. 광학 장치로의 레이저 빔의 입력은 또한 베이스 본체 내의 액세스 개구를 통해 또는 선택적으로 임의로 적절한 편향 요소를 통해 수행될 수 있다.
바람직하게, 편향 디바이스의 베이스 본체는 미러 요소의 재료와 적어도 80 wt% 일치하는 재료로 형성된다. 이 경우, 사용된 재료의 열 팽창 계수는 통상적으로 충분히 유사하다. 화학적 조성이 적어도 80 wt% 일치하는 재료는 예를 들어, (종래의) 석영 유리 및 도핑된 석영 유리, 예를 들어, 일반적으로 약 20 wt% 미만의 TiO2 함량을 갖는 티타늄 도핑된 석영 유리(ULE®)일 수 있다.
다른 실시예에서, 베이스 본체 및/또는 미러 요소는 유리, 바람직하게는 석영 유리, 유리 세라믹 또는 금속성 재료, 바람직하게는 합금으로 형성된다. 베이스 본체 및/또는 미러 요소는 레이저 방사선에 대해 (본질적으로) 투명한 재료로 형성되는 것이 유리하다는 것이 입증되었는데, 이러한 방식으로, 예를 들어 산란된 방사선의 형태인, 미러 요소로 인한 임의의 미광(stray light)은 조정이 중요한 컴포넌트에 대해 어떠한 가열도 유발하지 않기 때문이다. 예를 들어, 붕규산 크라운 유리(BK7) 또는 석영 유리가 유리로 사용될 수 있으며, 예를 들어 Zerodur®이 유리 세라믹으로 사용될 수 있다. Zerodur®과 ULE®는 비교적 큰 온도 범위에서 특히 낮은 열 팽창 계수를 가지며, 이는 현재의 응용 분야에 유리한 것으로 입증되었다. 금속성 재료, 특히 소위 인바(Invar) 효과가 나타나는 특정 합금(인바 합금)은 열 팽창 계수가 매우 낮다. 이러한 인바 합금의 일례는 약 36% 니켈의 비율을 갖는 철-니켈 합금이다.
바람직하게, 편향 디바이스의 베이스 본체 및 미러 요소는 열 팽창 계수(길이 팽창 계수)가 본질적으로 동일한 재료로 형성된다. 열 팽창 계수는 예를 들어 2 × 10-6 1/K 미만으로 상이할 수 있고, 구체적으로는 여기에 관련된 약 -30℃ 내지 약 200℃ 사이의 전체 온도 범위에 걸쳐 상이할 수 있다. 광학 장치의 작동 중에 레이저 방사선에 의한 가열 하에서 편향 디바이스의 베이스 본체와 미러 요소 사이에 발생하는 응력을 피하기 위해, 모든 운반 컴포넌트, 즉 통상적으로 베이스 본체뿐만 아니라 일반적으로 미러 요소는 충분히 유사하고 이상적으로 동일한 열 팽창 계수를 갖는 재료로 제조된다.
다른 실시예에서, 재료 끼워 맞물림 연결은 접착제 연결 및/또는 납땜 연결에 의해 형성되거나, 직접 연결은 용접 연결 및/또는 본딩 연결에 의해 형성된다. 베이스 본체에 대한 미러 요소 또는 보다 정확하게는 연결 섹션의 모놀리식 결합의 경우, 여러 가지 가능성이 있다. 예를 들어, 결합제를 사용하여, 예를 들어 접착제를 사용하여, 재료 맞물림 연결을 수행할 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, (유리) 솔더 형태의 결합제의 도움으로, 납땜 연결이 수행될 수 있다. 대안으로서, 예를 들어 유리 용접 공정에 의해, 각각의 미러 요소와 베이스 본체 사이에 직접 연결이 수행될 수 있다. 직접 연결은 소위 (직접) 본딩 방법에 의해 수행될 수도 있는데, 이 방법에서는 통상적으로 실리콘을 함유하는 연결될 두 개의 재료는 이들 사이에 영구 연결이 형성되는 정도로 각각의 표면상에서 가열되어 연결된다. 금속성 재료와 유리 재료 사이에 영구적인 연결, 예를 들어 재료 맞물림 연결이 확립될 수 있거나, 대안적으로 예를 들어, 용접 연결과 같은 직접 연결이 가능하다.
여기에 설명된 직접 연결 기술에서, 높은 표면 품질을 갖는 것이 유리하다. 높은 표면 품질은, 예를 들어 각각의 컴포넌트의 재료를 연삭 또는 연마함으로써 달성될 수 있다. 예를 들어, 각각의 컴포넌트가 요구되는 정밀도로 서로에 대해 이동할 수 있는 효과를 달성하기 위해, 높은 표면 품질이 유리하다. 그러나 표면 품질이 너무 높은 경우, 컴포넌트들 간에 접촉 본딩이 발생할 수 있으며, 이는 컴포넌트들의 서로에 대한 이동을 어렵게 만든다. 따라서, 표면 품질을 선택할 때 타협이 필요하다.
본 발명의 다른 장점은 상세한 설명 및 도면에서 발견될 수 있다. 마찬가지로, 위에서 언급된 특징 및 이하에 나타나는 특징은 독립적으로 사용될 수 있거나, 이들 중 몇몇은 임의의 원하는 조합으로 사용될 수 있다. 도시되고 설명된 실시예들은 완전한 목록으로 해석되어서는 안 되며, 오히려 본 발명의 설명을 위한 예시적인 성격을 갖는다.
도 1은 레이저 디스크를 가지며 복수의 미러 요소를 갖는 편향 디바이스를 갖는 디스크 레이저 증폭기의 예시적인 실시예의 개략도를 도시한다.
도 2a 및 도 2b는 평면도에서 각각 3개의 원형 링 또는 3개의 육각형으로 배치된 미러 요소의 미러면의 개략도를 도시한다.
도 3a는 편향 미러 형태의 미러 요소의 개략도를 도시한다.
도 3b 및 도 3c는 엔드 미러 형태의 미러 요소의 개략도를 도시한다.
도 4a 내지 도 4c는 원뿔형면, 구형면 및 자유형면 형태의 측면을 갖는 편향 디바이스의 베이스 본체 내의 리세스의 개략도를 도시한다.
도 5a 및 도 5b는 베이스 본체에 구멍을 형성하는 리세스에 의한 미러 요소의 조정 및 고정의 개략도를 도시한다.
도 6a 및 도 6b는 베이스 본체의 평면 베이스면에 고정되거나 베이스 본체의 원통형 리세스에 수용되는 원통형 연결 섹션을 갖는 미러 요소의 개략도를 도시한다.
이하의 도면의 설명에서, 동일한 참조 번호는 동일하거나 기능적으로 등가인 컴포넌트에에 대해 사용된다.
도 1은 광학 장치, 보다 정확하게는 (선형) 디스크 레이저 증폭기(1) 형태의 광 증폭기 장치를 예로서 도시하고, 상기 장치는 이하에서 레이저 디스크(2)로서 지칭되는 디스크 형상의 레이저 활성 매체 및 편향 디바이스(3)를 포함한다. 레이저 디스크(2)는 히트 싱크(4) 상에 고정되고, 히트 싱크(4)를 향하는 측면에서 미러링되어서, 편향 디바이스(3)로부터 방사되어 레이저 디스크(2)를 타격하는 증폭될 레이저 빔(5)을 편향 디바이스(3)에 다시 반사시키므로, 레이저 디스크(2)는 레이저 빔(5)에 의해 수회 통과되어 증폭된다.
레이저 디스크(2)를 통한 이러한 다중 패스를 허용하기 위해, 레이저 빔(5)은 편향 디바이스(3)에 형성된 편향 미러의 형태인 미러 요소(6)에 의해, 보다 정확하게는 미러면(F2 내지 F35)(도 2a, 도 2b 참조)에서 편향된다. 미러 요소(6)는 편향 디바이스(3)의 판형 베이스 본체(7) 상에 아래에서 보다 상세히 설명될 모놀리식 구성 기술의 도움으로 고정된다. 편향 디바이스(3)는 더 많거나 또는 더 적은 수의 미러 요소(6)를 또한 가질 수 있다는 것을 이해해야 한다. 도시된 예에서, 판형 베이스 본체(7)는 XYZ 좌표계의 XY 평면에 평행하게 배향되고, 레이저 디스크(2)에 평행하게 배향된다. 그러나 미러 요소(6)의 적절한 배향으로, 판형 베이스 본체(7)는 선택적으로 XY 평면에 대해 (작은) 각도로 배향될 수 있다는 것을 이해해야 한다.
도 2a 및 도 2b에서 볼 수 있는 바와 같이, 레이저 소스(도시되지 않음)에 의해 생성된 레이저 빔(5)은 예를 들어 판형 베이스 본체(7)를 통한 액세스 개구(8)를 통과하며, 이 경우 레이저 디스크(2)를 중심적으로 타격하고, 그곳에서, 보다 정확하게는 그 미러링된 후면에서 제 2 미러면(F2)으로 반사되는 방식으로 배향된다. 레이저 디스크(2)로부터 방출되는 레이저 빔(5)은 제 2 미러면(F2)에서 제 3 이웃 미러면(F3)으로 직접 편향 또는 반사된다. 제 3 미러면(F3)은 레이저 빔(5)이 제 3 미러면(F3)에 의해 레이저 디스크(2)로 다시 편향 또는 반사되는 방식으로 레이저 디스크(2)에 대해 배향된다. 레이저 디스크(2)에서, 레이저 빔(5)은 제 4 미러면(F4)으로 편향되고, 이에 의해 제 5 미러면(F5)으로 직접 반사된다.
따라서, 도 2a 및 도 2b에 도시된 편향 디바이스(3)에서, 레이저 빔(5)의 편향은 레이저 디스크(2)와 (도시된 예에서는 서로 인접하게 배치된) 각 쌍의 미러면(F2, F3; F4, F5; F6, F7;..., F34, F35) 사이에서 교대로 발생한다. 레이저 디스크(2)와 미러면(F2, F3; F4, F5; F6, F7;..., F34, F35) 사이의 레이저 빔(5)의 빔 경로, 또는 보다 정확하게는 XY 평면에서의 투영이 또한 도 2a 및 도 2b에 도시된다. 도 2a 및 도 2b에 도시된 예에서, 편향 디바이스(3)는 각각 엔드 미러(9)를 갖고, 엔드 미러(9)의 미러면(F36)은 엔드 미러(9)의 미러면(F36)을 타격하는 레이저 빔(5)에 수직하게 배향되므로, 레이저 빔(5)은 디스크 형상의 레이저 활성 매체(2)로 다시 반사되고(자체적으로), 대향 전파 방향으로 재차 편향 디바이스(3)를 통한 빔 경로를 따라 이동한다. 엔드 미러(9) 대신에, 편향 디바이스(3)에 추가의 액세스 개구가 제공되어 편향 디바이스(3)를 다시 통과하지 않고 디스크 레이저 증폭기(1)로부터 레이저 빔(5)을 추출할 수 있거나, 디스크 레이저 증폭기(1)로부터 레이저 빔을 추출하는 편향 미러를 제공할 수 있다는 것을 이해해야 한다.
도 2a 및 도 2b에 도시된 편향 디바이스(3)는 본질적으로 도 2a에 도시된 편향 디바이스(3)에서 미러 요소(6)가 판형 베이스 본체(7)의 Z 배향으로 연장되는 중심 축(10)에 대해 동심의 원형 패턴으로, 보다 정확하게는 3개의 원형 링(R1, R2, R3)으로 배치되는 반면에, 도 2b에 도시된 편향 디바이스(3)에서, 미러 요소(6)는 판형 베이스 본체(7)의 중심 축에 대하여 3개의 규칙적인 동심으로 배치된 육각형(S1, S2, S3)으로 배치된다. 도 2b에 도시된 육각형 패턴의 미러 요소(6)의 배치는 특히 콤팩트하다.
도 2a에 도시된 예에서, 이웃하는 미러 요소(6)의 미러면(F2, F3; F4, F5; F6, F7;...) 사이의 직접적인 편향은 회전 가능하게, 즉 본질적으로 방위각 방향으로, 또는 원주 방향으로 발생한다. 링 영역(R1, R2, R3) 사이를 전환하는 것만으로 반경 방향으로 편향이 발생한다. 이와 대조적으로, 도 2b에 도시된 편향 디바이스(3)에서, 각각의 2개의 이웃하는 미러 요소(6)의 미러면(F2, F3; F4, F5; F6, F7;...) 사이의 편향은 Y 배향으로 도시된 예에서 미러 요소의 절반 이상에 대해, 특히 총 34개의 미러 요소(6) 중 정확하게 28개의 미러 요소에 대해 동일한 방향으로 발생한다.
도 2a와 관련하여 도시된 회전 편향 및 도 2b에 도시된 바와 같은 공통 방향(Y)에서의 편향은, 예를 들어 이미징 오류의 보정을 최적화하기 위해 동일한 편향 디바이스(3)에서 결합될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 도 2b에 도시된 복수의 육각형(S1, S2, S3)으로의 미러 요소(6)의 배치에서, 본질적으로 회전하는 편향이 또한 발생할 수 있고, 도 2a에 도시된 복수의 원형 링(R1, R2, R3)으로의 미러 요소(6)의 배치에서, 본질적으로 공통 방향을 따라 수행되는 편향이 발생할 수 있다.
디스크 레이저 증폭기(1)의 가장 가능한 안정성을 보장하기 위해, 미러 요소(6) 또는 미러면(F2, F3,...)의 이동 자유도 수는, 아래에 더욱 상세히 설명되는 바와 같이 판형 베이스 본체(7)와의 연결에서 모놀리식 구성 기술로 편향 디바이스(3)를 제조하는 경우에 최소화된다.
도 3a는 구형 세그먼트의 형태로 중심 축(11)에 대해 회전 대칭으로 형성된 연결 섹션(12)을 갖는 미러 요소(6) 중 하나를 예로서 도시한다. 연결 섹션(12)은 중심 축(11)을 따라 원통형 섹션(13)에 인접하며, 원통형 섹션(13)은 제 1 완전 원통형 섹션(13a)과 제 2 프리즘형 섹션(13b)으로 세분된다. 프리즘형 섹션(13b)은 원주를 따라 원통형이며, 평면 미러면(F)은 원통형 섹션(13)을 통해 타원형 형태의 단면을 형성한다. 포커싱 또는 디포커싱 효과를 달성하기 위해, 평면 미러면(F) 대신에, 예를 들어 포물선 곡선 미러면(F)과 같은 곡선 미러면(F)을 선택적으로 사용할 수도 있다.
미러 요소(6)의 중심 축(11)은 미러면(F)의 중심점(M)을 통해 연장된다. 레이저 빔(5)은 통상적으로 중심 맞춤 방식으로 미러면(F)을 타격한다. 즉, 레이저 빔(5)의 빔 단면의 중심은 이상적으로 미러면(F)의 중심점(M)과 일치한다. 도시된 예에서, 미러면(F)의 중심점(M)은 동시에 구형 캡(14)의 곡률 반경(R)(예를 들어, 약 15mm)의 중심점(M), 즉 미러 요소(6)의 연결 섹션(12)의 구형 표면의 중심점(M)을 형성하고, 이는 조정에 유리하다(하기 참조).
도시된 예에서, 미러면(F)은 연결 섹션(12)의 중심 축(11)에 대해 45°의 각도(α)로 배향된다. 도 1에서 볼 수 있는 바와 같이, 각각의 미러면(F2, F3,...)에 대한 레이저 빔(5)의 입사각 또는 반사각은 레이저 디스크에 대한 각각의 미러 요소(6)의 위치, 특히 편향 디바이스(3)의 베이스 본체(7)의 중심 축(11)으로부터의 반경 방향 거리에 의존한다. 각각의 미러면(F2, F3,...)에서의 반사 중에 레이저 빔(5)이 레이저 디스크(2)로부터 또는 레이저 디스크(2)로 각각 편향되는 것을 보장하기 위해, 연결 섹션(12)의 중심 축(11)에 대한 미러면(F2, F3,...)의 각도(α)를 변화시키는 것, 즉 연결 섹션(12)의 중심 축(11)에 대한 미러면(F2, F3,...)의 각도(α)만 서로 상이한 복수 종류의 미러 요소(6)를 사용하는 것이 바람직하다.
레이저 빔(5)이 일반적으로 이웃하는 미러 요소(6)에 직접 반사되기 때문에, 45°로부터 각도(α)의 편차는 너무 크게 선택되어서는 안 된다. 일반적으로, 각도(α)는 약 30° 내지 약 60°, 바람직하게는 35° 내지 55°, 특히 40° 내지 50°에 놓인다. 상이한 각도(α)의 수, 따라서 상이한 유형의 미러 요소(6)의 수는 XY 평면과 관련하여 미러 요소(6) 사이의 편향 방향뿐만 아니라 베이스 본체(7) 상의 미러 요소(6)의 배치에 의존한다. 각도(α)의 선택은 각각의 연결 섹션(12)의 중심 축(11)이 아래에서 보다 상세히 설명되는 바와 같이 XY 평면에 대해 수직으로 배향되는지, 또는 가능하게는 이에 대해 경사각으로 배향되는지 여부에 의존한다.
도 3b 및 도 3c는 미러면(F)을 갖는 도 2a 및 도 2b의 엔드 미러(9) 구성의 두 개의 예를 도시하고, 도 3b에 도시된 예에서 미러면(F)은 구형 세그먼트(12)의 중심 축(11)에 수직하게, 즉 90°의 각도(α)로 배향되고, 도 3c에 도시된 예에서 미러면(F)은 연결 섹션(12)의 중심 축(11)에 대해 약 83°의 각도(α)로 배향된다. 도 3b 및 도 3c에서, 구형 세그먼트(12)의 곡률 반경(R)은 미러면(F)의 중심점(M)이 곡률 반경(R)의 중심점(M)에 대응하도록 선택된다. 이는 엔드 미러(9)(아래 참조)의 조정에 유리하지만, 반드시 필요한 것은 아니다.
도 3a 내지 도 3c에 도시된 모든 예에서, 미러면(F)은 각각 연마되고, 레이저 빔(5)에 대해 이상적으로 약 99.98% 이상의 반사율을 갖는 고 반사 코팅을 갖는다. 도시된 예에서, 레이저 빔(5)은 1030nm의 파장을 가지지만, 반사 코팅은 또한 상이한 파장의 레이저 빔(5)에 대해 구성되거나 최적화될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 또한, 반사 코팅은 특히 45°로부터 벗어난 상이한 입사각으로 레이저 빔(5)의 충돌에 의해 발생되는 레이저 빔(5)의 편광 상태의 변화를 보상하도록 구성될 수 있다. 대안으로서, 이러한 수정은 레이저 빔(5)의 빔 경로에 배치된 위상 시프트 요소에 의해, 예를 들어 λ/4 플레이트 및/또는 λ/8 플레이트에 의해 생성된 위상 시프트에 의해 보상될 수 있다.
구형 캡(14) 또는 구형 세그먼트(12)의 구형 표면은 도 4a 내지 도 4c의 예로서 나타난 바와 같이, 판형 베이스 본체(7)의 리세스(16)의 측면(15) 상의 베어링을 개선하기 위해 일반적으로 낮은 거칠기를 갖는다. 도시된 3개의 예에서, 측면(15)은 측면(15)의 중심 축(17)에 대해 반경 방향으로 대칭 구성되며, 이는 마찬가지로 회전 대칭 리세스(16)의 중심 축(17)과 일치한다. 도 4a 내지 도 4c에 도시된 3개의 예는 측면(15)의 곡률 유형에 따라 상이한데, 도 4a에 도시된 예에서는 원뿔형면이고, 도 4b에 도시된 예에서는 구형면이며, 도 4c에 도시된 예에서는 액시콘 방식의 자유형면이다. 측면(15)의 상이한 구성은 구형 캡(14)과 원하는 선형 또는 원형 접촉을 생성하는 것을 가능하게 한다. 예를 들어, 도 4a에 도시된 원뿔형 측면(15)의 애퍼처 각도, 도 4b에 도시된 구형 측면(15)의 반경 또는 도 4c에 도시된 자유형면의 기하학적 구조를 선택함으로써, 측면(15)과 구형 캡(14) 사이의 접촉이 발생하는 Z 방향의 높이에 영향을 줄 수 있다. 도 4a 내지 도 4c에서 알 수 있는 바와 같이, 리세스(16)는 각각 원통형 섹션(18)을 갖고, 원통형 섹션(18)은 측면(15)을 뒤따르며 판형 본체(7), 즉 베이스 본체(7)의 측면(15)으로부터 멀어지는 하부 측까지 연장된다. 즉, 리세스(16)는 베이스 본체(7)에 구멍을 형성한다. 조정은 베이스 본체(7)의 상부 측으로부터 수행될 수도 있기 때문에, 리세스(16)는 반드시 구멍을 포함할 필요는 없다.
구멍으로 구성된 리세스(16)의 도움으로, 리세스(16)에 수용된 미러 요소(6)의 배향 또는 조정이 판형 베이스 본체(7)의 하부 측으로부터 수행될 수 있다. 도 5a 및 도 5b는 리세스(16)의 측면(15)에 대해, 미러 요소(6)의 원하는 배향, 보다 정확하게는 구형 세그먼트 형태인 연결 섹션(12)의 원하는 배향을 조정하기 위해, 관절 수단에 의해 선회될 수 있는 섹션을 포함하는 흡입 암(suction arm)(20)을 갖는 조정 디바이스(19)를 예로서 도시한다. 이를 위해, 흡입 암(20)은 도 5b에서 힘 화살표로 나타낸 바와 같이 미러 요소(6)에 흡입력을 가한다.
도 5a에서 알 수 있는 바와 같이, 미러 요소(6)의 조정 동안, XZ 평면에서 연결 섹션(12)의 중심 축(11)과 측면(15)의 중심 축(17), 즉 리세스(16)의 중심 축(17) 사이에 경사각(βx)을 설정할 수 있으며, 이는 도시된 예에서는 약 10° 이하이지만 선택적으로 더 클 수도 있다. 물론, 경사각(βx)은 도 5b에 나타낸 바와 같이 0°일 수도 있다. 조정 동안 경사각(βx)이 변화하면, 미러면(F)의 중심점(M)은 구형 세그먼트(12)의 구형 캡(14)의 곡률 반경(R)의 중심점(M)과 일치하는 것이 바람직므로, 조정 동안 회전축 상에 놓이고, 따라서 중심점(M)의 측 방향 오프셋은 발생하지 않는다. 조정을 위해, XZ 평면에서의 경사각(βx) 외에, YZ 평면에서의 경사각(βy)(나타내지 않음) 및 연결 섹션(12)의 중심 축(11)에 대한 회전 각(나타내지 않음)을 설정하는 것도 가능하다. 조정 중에 미러 요소(6)를 적절히 배향시키기 위해, 빔 소스로부터의 레이저 빔(5)은 두 개의 미러면(F2, F3)에 의해 레이저 디스크(2)로 반사되고, 레이저 빔(5)이 레이저 디스크(2)를 중심적으로 타격하도록 미러 요소(6)는 조정 중에 경사지거나 회전된다. 조정은 또한 다른 미러 요소(6)에 대해서도 대응하여 수행될 수 있다.
미러 요소(6)가 예를 들어 흡입 암(20)의 도움으로 판형 베이스 본체(7)에 대해 원하는 배향 또는 위치에 배치되자마자, 미러 요소(6)는 베이스 본체(7)에 영구적으로 연결될 수 있다. 이를 위해, 도시된 예에서, 결합제로서 접착제(21)가 도 5a에 나타낸 바와 같이 측면(15)과 미러 요소(6) 사이의 중간 공간에 도입된다.
베이스 본체(7)의 재료 및 미러 요소(6)의 재료는 모두, 예를 들어 유리 또는 유리 세라믹일 수 있으며, 이는 이상적으로는 레이저 빔(5)의 파장에 대해 투명하거나 본질적으로 투명하다. 베이스 본체(7)의 재료 및 미러 요소(6)의 재료는 가능한 한 유사한 열 팽창 계수를 가져야 한다. 예를 들어, 두 재료의 (길이 변화에 대한) 열 팽창 계수는 2 × 10-6 1/K 미만으로 상이할 수 있다. 따라서, 동일한 재료, 특히 똑같은 재료로부터 적어도 80 wt%로 두 재료가 형성되는 것이 유리하다. 예를 들어, 베이스 본체(7)가 티타늄 도핑된 석영 유리(ULE®)로 형성되고, 미러 요소(6)가 종래의 석영 유리로 형성되는 경우가 그러하다. 대안으로서, 베이스 본체(7)는 예를 들어 제로듀어(Zerodur®)로부터의 유리 세라믹으로 형성될 수 있고, 미러 요소(6)는 석영 유리로 형성될 수 있거나, 그 반대의 경우도 가능하다. 대안으로서, 베이스 본체(7)의 재료 및 선택적으로 미러 요소(6)의 재료는 금속성 재료, 예를 들어 인바 합금일 수 있다. 인바 합금으로 제조된 베이스 본체(7)는 유리 또는 유리 세라믹으로 제조된 미러 요소(6)에 용접될 수 있지만, 예를 들어 납땜 또는 접착 본딩에 의한 재료 맞물림 연결도 가능하다.
특히, 유리를 포함하거나 유리로 이루어진 재료를 사용할 때, 미러 요소(6), 보다 정확하게는 구형 세그먼트(12)의 구형 캡(14)과 측면(15) 사이의 재료 맞물림 연결이 또한 상이한 결합제의 도움으로, 예를 들어 (유리) 솔더의 도움으로 수행될 수도 있다.
재료 맞물림 연결에 대한 대안으로서, 리세스(16)의 측면(15)과 구형 캡(14) 사이에 단단하고 영구적인 연결이 형성될 때까지, 미러 요소(6)는 직접 연결에 의해, 예를 들어 (유리) 용접 또는 본딩에 의해, 즉 통상적으로는 (선택적으로 국부적인) 베이스 본체(7) 및 미러 요소(6)의 가열에 의해, 베이스 본체(7)에 연결될 수도 있다.
마찬가지로, 도 5a 및 도 5b에서 볼 수 있는 바와 같이, 도 5a에 도시된 미러 요소(6)에서, 미러면(F)은 연결 섹션(12)의 중심 축(11)에 대해 제 1 각도(α1)로 배향되고, 이 각도는 45°보다 작으며, 도 5b에 도시된 미러 요소(6)에서, 미러면(F)은 연결 섹션(12)의 중심 축(11)에 대해 제 2 각도(α2)로 배향되고, 이 각도는 45°보다 크다. 이러한 방식으로, 경사각(βx, βy)의 선택에 더하여, XY면에 대한, 또는 레이저 디스크(2)에 대한 미러면(F)의 배향은 조정될 수 있다. 이것은 베이스 본체(7)의 중심 축(11)으로부터 비교적으로 멀리 떨어져 배치되고 레이저 빔(5)의 입사각 및 반사각이 일반적으로 45°로부터 가장 크게 벗어나는 미러 요소(6)에 특히 유리하다. 경사각(βx, βy)을 설정함으로써, 미러 요소(6)의 배향에서 미세 조정을 수행할 수 있다.
통상적으로, 연결 섹션(12)의 중심 축이 z 방향에 평행하게 배향된 도 5b에 도시된 예에서, 연결 섹션(12)의 중심 축(11)에 대한 제 2 각도(α2)는 45° 상이하다. 이 경우, 통상적으로, 중심 축(11)으로부터 동일한 (0이 아닌) 반경 거리를 갖는 모든 미러 요소(6)에 대해, 동일한 링 영역(R1, R2, R3)에 배치되기 때문에, 제 2 각도(α2)는 45°보다 크거나 또는 45°보다 작다. 링 영역(R1, R2, R3) 간의 편향의 경우에만, 예를 들어 제 1 링 영역(R1)에서 제 2 링 영역(R2)으로의 편향의 경우, 다른 방향에서의 편향(45°보다 작거나 더 큰)이 통상적으로 발생한다.
도 6a 및 도 6b는 베이스 본체(7) 상에 미러 요소(6)를 고정하는 예를 도시하며, 각각은 평면 베이스면(22)을 갖는 원통형 연결 섹션(12)을 포함한다. 도 6a에 도시된 예에서, 미러 요소(6)는 레이저 디스크(2)를 향하는 베이스 본체(7)의 측면 상의 평면 베이스면(22)에 고정되고, 용접 연결에 의해 직접 연결되는 반면, 도 6b에 도시된 예에서 원통형 연결 섹션(12)은 베이스 본체(7)의 리세스(16) 내에 끼워 맞춰지고, 베이스 본체(7)는 연결 섹션(12)의 평면 베이스면(22)이 외부 모서리에 놓이는 숄더를 갖는 원통형 측면(15)을 포함한다. 도 6a 및 도 6b에 도시된 예에서, 원통형 연결 섹션(12)의 중심 축(11)은 판형 베이스 본체(7)에 항상 수직하게 배향되고, 도 6b에 도시된 예에서는 리세스(16)의 중심 축(17)과 일치한다. 따라서, 도 6a 및 도 6b에 도시된 예에서, 각각의 미러 요소(6)가 베이스 본체(7)에 영구적으로 연결되기 전에, 경사각(β)의 조정을 수행하는 것이 가능하지 않고, 원통형 연결 섹션(12)의 중심 축(11)에 대한 회전각의 조정만 수행할 수 있다. 이 경우, 미러면(F)과 연결 섹션(12)의 중심 축(11) 사이의 적절한 각도(α1, α2)는 이미 미러 요소(6)의 제조 중에 결정된다.
도 6b에 도시된 예에서, 중심 축(11)에 대한 회전각은 리세스(16) 내에서 미러 요소(6)를 회전시킴으로써 조정될 수 있다. 도 6a에 도시된 예에서는, 이를 위해, 각각의 미러 요소(6)를 위한 원형 관통 개구를 포함하는 템플릿(나타나지 않음)이 베이스 본체(7)의 상부 측에 배치될 수 있다. 이 경우, 미러 요소(6)는 원하는 회전각에 도달할 때까지, 각각의 중심 축(11)에 대해 개구 내에서 회전될 수 있다. 베이스 본체(7)의 상부 측에서 미러 요소(6)를 원하는 회전각으로 자동 기계 적용하는 것도 가능하다. 회전각의 조정 후에, 미러 요소(6)는 판형 베이스 본체(7)에 재료 맞물림 또는 직접적으로 연결될 수 있다. 선택적으로, 결합제, 예를 들어 접착제가 회전각의 조정 이전에 판형 베이스 본체(7)의 상부 측과 평면 베이스면(22) 사이에 이미 도입될 수 있다. 이 경우, 각각의 미러 요소(6)의 회전각의 조정은 접착제가 경화되기 전에 완료되어야 한다. 도 6b에 도시된 예에서, 원통형 연결 섹션(12)은 단지 연결 섹션(12)의 외측 모서리에서의 기하학적 구조만 중요하기 때문에 반드시 평면 베이스면(22)을 가질 필요는 없다는 것을 이해해야 한다. 또한, 단차 숄더 대신에, 리세스(16) 상에 원뿔형 숄더를 형성하는 것이 선택적으로 가능하며, 이것은 미러 요소(6)에 대한 지지체로서 작용하고 그 하부 측 또는 그 모서리 상에 상응하여 형성된는 것을 또한 이해해야 한다.
상기 설명된 예에서, 미러 요소(6)는 일체형으로 형성된다. 그러나 미러 요소(6)는 복수의 조각으로 형성될 수도 있으며, 미러 요소(6)의 조각들은 이 경우에 모놀리식 결합되고, 즉 재료 맞물림 또는 직접 연결에 의해 서로 연결된다. 예를 들어, 이 경우, 미러 요소(6)의 연결 섹션(12) 및 원통형 섹션(13)은 2개의 컴포넌트를 형성할 수 있으며, 2개의 컴포넌트는 재료 맞물림 또는 직접적으로 서로 연결된다.
상기 설명된 장착 또는 고정 기술의 도움으로, 적합한 베이스 본체(7)를 사용함으로써, 레이저 디스크(2)에 대해 적은 자유도로 배향될 수 있는 준모놀리식(quasimonolithic) 미러 어레이를 생성할 수 있으므로, 디스크 레이저 증폭기(1)의 전반적인 안정성이 증가된다. 특히, 이 경우 약 10μrad 정도의 정확도로 미러 요소(6)의 정확한 배향이 달성될 수 있다. 상기 설명된 편향 기술에 의해, 필요한 광학 컴포넌트의 수 및 레이저 빔(5)의 빔 경로의 복잡성이 동시에 최소로 감소될 수 있다. 가능한 최소한의 광학 및 기계적 컴포넌트의 사용은 경제적이고, 특히 디스크 레이저 증폭기(1)의 견고한 제조를 가능하게 한다.

Claims (18)

  1. 광학 장치(1)에 있어서,
    디스크 형상의 레이저 활성 매체(2);
    레이저 빔(5)을 편향시키기 위한 미러면(F; F2, F3, F4, F5,...)이 형성된 복수의 미러 요소(6)를 갖고, 상기 미러 요소(6)가 고정되는 베이스 본체(7)를 갖는 편향 디바이스(3)로서, 상기 미러 요소(6)의 미러면(F2, F3, F4, F5,...)은 상기 레이저 빔(5)이 각각의 미러면(F3, F5,...)에 의해 상기 디스크 형상의 레이저 활성 매체(2)를 통해 다른 미러면(F4, F6,...)으로 편향되는 방식으로 배향되는 것인, 상기 편향 디바이스(3)를 포함하고,
    상기 미러 요소(6)는 일체형으로 형성되거나 모놀리식 결합되고, 재료 맞물림(material-fit) 연결 또는 직접 연결에 의해 상기 베이스 본체(7)에 견고하게 연결되는 연결 섹션(12)을 갖고,
    각각의 미러 요소(6)의 연결 섹션(12)에 재료 맞물림 연결 또는 직접 연결을 위한 측면(15)을 각각 갖는 리세스(16)가 상기 베이스 본체(7)에 형성되고,
    상기 연결 섹션은 구형 세그먼트(12)에 의해 형성되고, 상기 구형 세그먼트(12)는 상기 구형 세그먼트(12)의 구형 캡(14)에서 상기 베이스 본체(7)의 리세스(16)의 측면(15)에 재료 맞물림 또는 직접적으로 연결되는 것을 특징으로 하는, 광학 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 미러 요소(6)의 평면 미러면(F; F2, F3,...)은 상기 연결 섹션(12)의 중심 축(11)에 대해 30° 내지 60°의 각도(α)로 배향되는 것인, 광학 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 제 1 미러 요소(6)에 대해, 상기 미러면(F)은 상기 연결 섹션(12)의 중심 축(11)에 대하여 제 1 각도(α1)로 배향되고, 제 2 미러 요소(6)에 대해, 상기 미러면(F)은 상기 연결 섹션(12)의 중심 축(11)에 대하여 상기 제 1 각도와는 상이한 제 2 각도(α2)로 배향되는 것인, 광학 장치.
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 리세스(16)는 상기 베이스 본체(7)에 구멍을 형성하는 것인, 광학 장치.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 리세스(16)의 측면(15)은 상기 측면(15)의 각각의 중심 축(17)에 대해 회전 대칭으로 형성되는 것인, 광학 장치.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 리세스(16)의 측면(15)은 구형면, 원뿔형면 또는 자유형면을 형성하는 것인, 광학 장치.
  8. 제 6 항에 있어서, 적어도 하나의 미러 요소(6)의 연결 섹션(12)의 중심 축(11)은 상기 측면(15)의 중심 축(17)에 대해 경사각(βx)으로 배향되는 것인, 광학 장치.
  9. 삭제
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 미러 요소(6)는, 구형 세그먼트(12)에 인접하고 상기 미러면(F; F2, F3,...)이 형성되는 섹션(13)을 포함하는 것인, 광학 장치.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 구형 세그먼트(12)는 중심점(M)이 상기 미러 요소(6)의 미러면(F; F2, F3,...) 상에 놓이는 곡률 반경(R)을 갖는 것인, 광학 장치.
  12. 삭제
  13. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 복수의 미러 요소(6)는 복수의 원형 링(R1, R2, R3) 또는 복수의 정다각형(S1, S2, S3)으로 상기 베이스 본체(7) 상에 배치되는 것인, 광학 장치.
  14. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 미러 요소(6)의 절반 이상에 대해, 공통 편향 방향(Y)을 따라 각각 두 개의 미러 요소(6)의 미러면(F2, F3; F4, F5,...) 사이에서 직접적인 편향이 발생하는 것인, 광학 장치.
  15. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    엔드 미러(9)를 더 포함하고,
    상기 엔드 미러(9)의 미러면(F36)은 상기 엔드 미러(9)의 미러면(F36)을 타격하는 상기 레이저 빔(5)에 수직으로 배향되어, 상기 레이저 빔(5)이 상기 디스크 형상의 레이저 활성 매체(2)로 다시 반사되는 것인, 광학 장치.
  16. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 편향 디바이스(3)의 베이스 본체(7)는 상기 미러 요소(6)의 재료와 적어도 80wt% 일치하는 재료로 형성되는 것인, 광학 장치.
  17. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 베이스 본체(7) 및 상기 미러 요소(6) 중 적어도 하나는 유리 또는 금속성 재료로 형성되는 것인, 광학 장치.
  18. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 재료 맞물림 연결은 접착 연결 및 납땜 연결 중 적어도 하나에 의해 형성되거나, 상기 직접 연결은 용접 연결 및 본딩 연결 중 적어도 하나에 의해 형성되는 것인, 광학 장치.
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