KR102423558B1 - 단일 또는 로우-모드 광섬유 레이저를 활용한 초-저-양자-결손 펌핑 방식 기반의 고출력, 희토류 도핑된 결정 증폭기 - Google Patents

단일 또는 로우-모드 광섬유 레이저를 활용한 초-저-양자-결손 펌핑 방식 기반의 고출력, 희토류 도핑된 결정 증폭기 Download PDF

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Abstract

높은 평균 및 첨두 출력 단일 횡 모드 레이저 시스템은 kW 내지 MW의 첨두 출력 수준에서 펨토초-, 피코초-, 또는 나노초- 펄스 지속 시간 범위 내 초단 단일 모드(SM) 펄스를 출력하도록 작동한다. 개시된 시스템은, 1030nm 또는 근처의 파장에서의 펄스형 신호 빔을 출력하는 SM 광섬유 시드, 그리고 Yb 결정 부스터를 포함하는, 마스터 발진기 출력 증폭기 구성(MOPA)을 사용한다. 부스터는 1000nm 내지 1020nm 파장 범위 내의 펌프 파장에서, SM 또는 로우-모드 CW 광섬유 레이저로부터 출력되는 펌프 빔에 의해 단부-펌핑되어, 3% 미만의 초저 양자 결손을 가지도록 신호 및 펌프 파장이 선택되게 한다.

Description

단일 또는 로우-모드 광섬유 레이저를 활용한 초-저-양자-결손 펌핑 방식 기반의 고출력, 희토류 도핑된 결정 증폭기
본 개시내용은, 1030nm 또는 그 근처의 파장에서 작동하고, 1000nm 내지 1020nm의 파장 범위 내에서 작동하는 단일-횡 모드(single-transverse mode, 이하 SM) 또는 로우-모드(low-mode, LM) 광섬유 레이저에 의해 단부-펌핑되는(end-pumped), 고출력, 고휘도(high-brightness), 희토류-도핑된(rare-earth-doped) 벌크 이터븀(ytterbium, 이하 YB) 증폭기와 관련되어 있다.
고효율, 초단 펄스형 레이저는 무한한 산업 응용예에 사용된다. 수많은 유형의 고체 레이저 중에서, 아마도 광섬유 레이저는 특히, 고효율, 낮은 유지보수 및 높은 평균 출력으로 인해 점점 더 인기를 얻고 있다. 불행하게도, 높은 첨두 출력 수준(high peak power level)으로 스케일 될 때, 광섬유 레이저, 특히 SM 광섬유 레이저는, 대부분의 응용예에서 회절-한계(diffraction-limited)에 근접할 필요가 있는 빔 품질(beam quality)에 악영향을 미치고 달성 가능한 첨두 출력을 제한하는, 바람직하지 않은 비선형 효과의 희생양이 된다. 광섬유 산업이 이러한 한계를 개선하기 위해 끊임없이 노력하고 있지만, 벌크 레이저 솔루션(bulk laser solution)은 SM 광섬유 레이저에 대한 실용적인 대안으로 여겨진다.
고체 레이저의 다이오드-펌핑은 조밀한 패키징 및 고효율 레이저 성능과 같은 많은 바람직한 특성을 제공할 수 있으므로, 고체 레이저 개발의 주된 방향이 되었다. 940nm 과 980nm 사이의 파장을 갖는 고출력 다이오드 레이저의 최근 발전은 다이오드-펌핑되고 Yb3+ 도핑된 레이저 및 증폭기의 개발에 대한 새로운 관심을 자극했다. 기저 2 F7/2 상태 및 여기 2 F5/2 상태라는 2개의 전자 매니폴드를 기반으로 하는 간단한 전자 구조로 인해, Yb3+는 근적외선의 다이오드 펌핑 방식에 잘 맞는 유리한 분광 특성을 갖는다. 첫째, 이터븀은 일반적으로 긴 저장 수명을 가지며, 이는 Nd-도핑된 대응물의 수명보다 약 4배 더 길다. 둘째, Yb3+이온 도핑된 재료는 넓은 흡수 밴드를 나타내어 펌프 다이오드의 온도를 정밀하게 제어할 필요성을 제거한다. 셋째, 간단한 2개 매니폴드 전자 구조는 낮은 양자 결손, 여기 상태 흡수의 부재, 그리고 비방사(non-radiative) 손실의 최소화를 유도하며, 이러한 모든 요인들은 열 부하 및 열 관련 문제의 감소로 이어진다. Yb3+의 추가적인 4f 준위의 부재는 또한 상향변환(upconversion)의 영향을 제거하고 농도 소광(concentration quenching)을 최소화하며, 따라서 심지어 고도로 도핑된(highly-doped) Yb-결정도 농도 소광 없이 활용될 수 있다. 잘 발달된 레이저 재료인 Yb-도핑된 이트륨 알루미늄 가넷(이하 Yb:YAG) 결정은 YAG의 우수한 열적, 물리적, 화학적 속성 및 레이저 특징 때문에 가장 주목받고 있다. 고품질의, 고도로 도핑된 Yb:YAG 결정은 전통적인 초크랄스키법[Czochralski(CZ) method]을 사용하여 육성될 수 있다.
그러나, Yb-도핑된 매질을 포함하는 결정 레이저와 증폭기는 또한 잘 알려진 한계를 가지고 있다. 특히, 다이오드-펌핑된, 고출력 고체 레이저 시스템의 출력 스케일링에 대한 2개의 근본적인 한계는,
1. 고출력 다이오드 레이저(이하 DL) 및 조립체의 저휘도, 그리고
2. 상당한 양자 결손이다.
결정 증폭기의 출력 스케일링에 대한 근본적인 한계 중 하나는 DL 펌핑에 의해 예시된다. 알려진 바와 같이, 고출력(멀티-와트) LD는 밝은 광을 발생시키지 않는다. 그러나, 고휘도 펌프 소스(high-brightness pump source)는 모든 레이저 시스템의 효율 및 출력을 증가시키는 핵심 기술 중의 하나이지만, Yb-도핑된 매질(예를 들어 Yb:YAG)을 펌핑하는 데 특히 중요하다.
따라서 낮은 양자 결손으로 레이저 결정 증폭기를 펌핑하기 위한 고휘도 광원의 필요성이 존재한다.
증폭기의 전체 광학 간(optical-to-optical) 효율의 양은 펌프 효율 ηP과 추출 효율 ηex의 곱이며, ηP는 Eacc/EP로 정의되며, 여기서 EP는 펌프 에너지이고 Eacc는 추출을 위해 이용 가능한 저장된 에너지의 부분이다. Yb 매질의 준3준위(quasi-3-level) 본성으로 인해 모든 저장된 에너지가 이용 가능한 것은 아니다. 펌프 효율은 펌핑과 관련된 손실의 합 또는 이러한 손실과 관련된 효율 ηi의 곱으로 결정된다. 특히, 결정 증폭기의 증가된 높은 첨두 출력에 중요한, 앞서 언급한 바와 같은 양자 결손을 포함한 여러 가지 손실 메커니즘이 있다.
양자 결손은 발사된(lasing)(추출) 광자와 펌프 광자 사이의 에너지 차이의 결과이다. 관련된 효율은 ηQD = λP/λL로 주어지며, 여기서 λP와 λL는 각각 펌프 및 추출(신호) 파장이다. Yb-도핑된 재료의 한 가지 장점은 그들의 작은 양자 결손인데, 단점은 그들의 준3준위 본성이다. ηQD를 최대화하기 위해, λP와 λL 사이의 차이가 최소화되어야 한다. 만일 우리가 Yb:YAG 레이저 매질을 예를 들어 고려한다면, 추출 파장은 전형적으로 1030nm(λL)의 이득 첨두(gain peak)에서 설정된다. 펌프 파장을 선택하는 표준 접근법은 940nm 또는 969nm에서의 두 개의 가장 강한 흡수 첨두(absorption peak) 중 하나를 선택하는 것이다. 이것은 고출력 펌프 레이저 다이오드의 제한된 휘도 문제를 완화하기 위해, 발진기 또는 증폭기에 사용되는 Yb-도핑된 레이저 결정의 길이를 최소화할 수 있다. 940nm 또는 969nm의 펌프 파장 λP의 사용은 ηQD = 91-94%에 해당한다. 요약하면, 비록 이터븀 같은 준3준위 레이저 시스템에서는 달성 가능한 반전 수준(level of attainable inversion)을 더 작은 양자 결손이 제한하지만, 더 작은 양자 결손은 증폭기의 광학 효율을 증가시키는데 유익하다. 이 한계는 적합한 레이저 증폭기 또는 발진기 설계로 극복될 수 있다.
따라서, 1) 고휘도(회절-한계에 가능한 한 가깝게, 즉 SM 레이저), 그리고 2) 양자 결손을 최소화하고 결정 증폭기의 달성 가능한 광학 효율을 증가시키기 위해 레이저 매질의 방출 첨두(emission peak)에 가까운 펌프 파장을 가지는, 펌프 소스에 대한 필요성이 존재한다.
본 출원에 개시된 접근법은 상기 확인된 필요성을 성공적으로 만족시킨다. 개시된 고체 레이저 시스템은, 광학 경로를 따라 전파되는 펄스형 신호광(pulsed signal light)을 출력하는 시드 소스(seed source)로서 작동하는 SM 광섬유 레이저를 포함한다. 결정 증폭기는 원하는 추출 파장에서의 펄스형 신호광을 수용하고, 증폭된 신호광을 fs-, ps- 또는 ns-폭 범위의 초단파 형태로 출력한다. 증폭된 신호광의 첨두 출력은 증폭기에 에너지를 공급하는 펌프 조립체의 함수이며, 수십 kW 내지 수천 kW 수준에 도달할 수 있다.
개시내용의 일 양태에 의하면, 펌프 조립체는 고휘도, 회절-한계(SM) 펌프광(pump light)을 연속파(이하 CW) 방식으로 출력하는 하나 또는 다수의 광섬유 레이저 소스를 포함한다. 빔 품질의 한 가지 척도는 휘도(brightness) B 이며, 이는 단위 면적당 출력을 빔 발산(divergence)의 입체각으로 나눈 것이며, 스테라디안 당 제곱센티미터 당 와트이다. 휘도는 출력 P를 π2에 빔 파라미터 프로덕트(beam parameter product) Q의 제곱을 곱한 것으로 나눔으로써 주어진다.
Figure 112019064763965-pct00001
따라서, 개시된 SM 광섬유 펌프의 경우, 희토류 도핑된 결정 증폭기(저휘도 펌프 소스)의 출력 스케일링에 대한 주요 한계가 상당히 최소화 되고 있다.
결정 증폭기의 출력 스케일링을 제한하는 다른 문제는 펌핑 배치(pumping arrangement)의 효율과 관련되어 있다. 예를 들어, 1μm 레이저 시스템에서, 940nm 내지 980nm 펌프 파장 범위와 1030nm 신호(추출) 파장은 큰 양자 결손을 만들기 충분하게 스펙트럼적으로 떨어져 있으며, 이는 결국 다이오드 펌핑식 접근법의 효율을 근본적으로 제한한다.
이러한 한계는 본 개시내용의 두 번째 양태에서 다루어지고 있다. 즉, 개시된 SM Yb 광섬유 레이저 펌프 배치는 펌프광을 1000nm 내지 1010nm 파장 범위에서 출력하도록 구성되며, 이 파장 범위는 3% 미만 바람직하게는 2.0% 내지 2.5% 범위의 초저 양자 결손을 제공한다. 개시된 양자 결손은 LD-펌핑된 Yb:YAG에 대해 알려진 6% 내지 9%의 전형적인 양자 결손보다 상당히 적다. 신호와 펌프광 사이의 작은 파장 차이는 초저 양자-결손 펌핑 방식(ultra-low quantum-defect pumping scheme)이라고 한다.
초저 양자-결손 펌핑의 장점은 활성 레이저 매질에서 예외적으로 낮은 열 부하를 허용하고, 결정 증폭기의 상당한 출력 스케일링에 필수적인 70% 내지 80%까지의 더 높은 추출 효율을 촉진한다.
본 개시내용의 상기 구조적 양태는 아래의 도면과 함께 이하에 더 상세히 설명된다.
도 1은 Yb-도핑된 YAG의 흡수 단면적(absorption cross-section)이다.
도 2는 Yb-도핑된 YAG 막대(rod) 또는 슬래브(slab)의 방출 단면적(emission cross-section)이다.
도 3은 초저 양자-결손 펌핑을 가지는 개시된 구조의 광학 개략도이다.
도 4의 (a) 및 (b)는 1010nm에서 흡수된 펌프 출력에 대해 도시된 각각의 아웃풋 출력 및 이득 특성이다.
도 5의 (a) 및 (b)는 1006nm에서 흡수된 펌프 출력에 대해 도시된 각각의 아웃풋 출력 및 이득 특성이다.
도 6은 도 3에 도시된 구조의 변형예를 도시한다.
도 7은 도펀트 농도(dopant concentration) 또는 결정 길이에 대해 도시된, 개시된 벌크 증폭기의 아웃풋 출력이다.
도 8은 총 펌프 출력에서의, 상이한 크기의 개시된 벌크 증폭기의 아웃풋 출력의 의존성을 도시한다.
도 1 및 도 2는 Yb-이온 도핑된 이득 매질의 흡수 및 방출 단면적을 도시한다. 전형적으로 펌프 파장은 널리 사용 가능한 고출력 레이저 다이오드로부터 얻을 수 있는 940nm 내지 980nm 범위에서 선택된다. 추출 파장은 1030nm에 5nm 미만이 가감된 또는 그 근처의 이득 첨두에서 설정된다. 이에 반해, 본 개시내용은 SM 고휘도 광섬유 레이저를 활용하여, 1μm 파장 범위에서, 특히 관심 있는 1000nm 내지 1020nm 및 유리하게는 1006nm 내지 1010nm의 파장 범위에서의 또 다른 독특한 펌핑의 접근법을 교시한다.
도 3은, 본 개시내용을 설명하는, 그리고 고출력 증폭기 또는 부스터와 같은 독립형 증폭 시스템, 또는 더 크고 더 복잡한 증폭 시스템의 부분으로서 작동 가능한, 예시적인 레이저 시스템(10)을 도시한다. 마스터 발진기 출력 증폭기(master oscillator power amplifier, MOPA) 아키텍처를 가지거나 독립형 부스터 증폭기가 되도록 구성되는 경우, 레이저 시스템(10)은 1030nm 파장에서의 신호광의 초단 펄스를 fs-, ps-, 또는 ns- 펄스 지속시간 범위 내에서 출력하도록 작동하며, 이러한 펄스 지속시간 범위는 많은 산업 응용예에서 특별히 관심 있다. 원하는 펄스 지속시간은, 원하는 신호광 파장 및 펄스 반복률(pulse repetition rate)에서의 신호광을 출력하도록 작동하는 시드(seed)(12)에 의해 제공된다. 시드(12)는 바람직하게는 순수 펄스 또는 버스트 방식으로 작동하는 펄스형, SM 광섬유 레이저이다. 광섬유 레이저/발진기는 모드-잠금 될 수 있다. 시드(12)의 구성은 광섬유 발진기 외에, 하나 또는 다수의 사전-증폭 단계를 추가로 포함할 수 있다. 광섬유 발진기 없는 고출력 다이오드 레이저의 사용을 생각할 수 있지만, 다이오드 레이저의 휘도는 광섬유 발진기의 휘도와 비교할 수 없으므로 덜 효과적이다. 선폭은 펄스 지속시간에 의존하지만 바람직하게는 4nm 내지 7nm 범위에서 변화한다.
출력된 신호광은 광 경로를 통해 전파됨에 따라, Yb:YAG 결정(16)의 내부에서 신호광을 집속하는 광학기기 L1(14)에 충돌하며, 상기 Yb:YAG 결정(16)은 막대 및 얇은 슬래브를 포함하는 다양한 기하학적 형상 및 치수를 가질 수 있다. 얇은 슬래브는 예를 들면 2mm의 작은 폭 및 예를 들면 6cm에 이르는 비교적 큰 길이를 가지는 평판형 몸체일 수 있다. Yb:YAG 결정 외에도, 특히 상기 언급된 판 구성(plate configuration)이 사용되는 경우, Yb2O3과 같은 Yb 산화물 세라믹의 사용은 매우 높은 도펀트(Yb) 농도의 가능성 때문에 매우 유익할 수 있다.
Yb 부스터는 SM 신호광을 kW 내지 MW 첨두 출력 수준으로 증폭하고 펄스 당 에너지를 수백 마이크로줄(microjoules)에서 수 밀리줄(millijoules)까지 범위에서 증폭하도록 작동한다. 회절-한계 빔을 가지는 이러한 고 첨두-출력 아웃풋(high peak-power output)은 펌프 빔(pump beam)을 출력하는 펌프 배치(펌프)(18)의 결과이며, 상기 펌프 빔은 신호 빔(signal beam)의 방향과 동일한 방향 또는 신호 빔의 방향과 반대의 방향으로 전파되면서 Yb 결정 부스터의 대향하는 꼭지들(faucets) 중 하나에 결합된다. Yb 부스터의 양 단부에서 Yb 부스터를 펌핑하는 구성도 가능하다. 전파되는 방향과 관계없이, 신호 및 펌프 빔은 서로 중첩되는 동일 선상 방식(collinear manner)으로 전파되며, 이러한 중첩은 80%와 특정 조건 하의 100% 사이에서 변화하는 범위에서 이루어지며, 90%가 초과하는 중첩은 명백하게 유리하다.
펌프(18)는 광섬유 레이저로 구성되며, 이 경우 Yb 이온으로 도핑되며 1000nm 내지 1020nm 파장 범위의 고휘도 펌프광을 출력하기 위해 CW 방식으로 작동한다. 펌프광의 M2는 1에서 10까지 변화하며, 1과 2 사이 범위가 바람직하다. 따라서, 펌프(18)는, 필터 또는 파장 선별기(wavelength discriminator)(F1)에 충돌하기 전에 집속 광학기기 L2 및 L3(20)를 통과하는 펌프-고휘도-광-빔(pump high brightness light beam)을 출력하는, 단일 모드 또는 로우-모드 CW 광섬유 레이저로서 구성될 수 있다.
필터(F1)는 도시된 바와 같이 색선별거울(dichroic mirror)로서, 또는 볼륨 브래그 격자(volume Bragg grating, VBG)(22)로서 구성될 수 있으며, 볼륨 브래그 격자는 신호 및 펌프 빔이 서로 매우 가까운 각각의 파장 λs 및 λp에서 전파될 때 특히 실용적이다. 특정 구성 및 빔 전파 방향과 관계없이, 필터(22)는 신호광에 대해 투명하고 펌프광을 반사하여, 신호 및 펌프 빔 둘 다 상기 설명자(describer) 내에서 동일 선상에 그리고 때로는 동축 방식으로 전파되게 한다. 실제로, 신호 및 펌프 빔은 개시된 시스템의 전체 성능에 해가 되지 않는 1o 미만의 매우 작은 각도에서 서로 갈라질 수 있다. 중첩된 빔들은 증폭기의 꼭지 중 하나에 동시에 충돌하며 펌프(18)와 증폭기(16)는 단부 펌핑 구성이 된다. 증폭기(16)는 도 6에 도시된 바와 같은 단일 캐스케이드(cascade)(16) 또는 각각의 증폭 캐스케이드(16 및 26)를 형성하는, 다수의 결정 또는 세라믹 부품을 포함할 수 있다. 만일 다중-캐스케이드 증폭 배치가 사용되면, 하류의 결정 증폭 캐스케이드(26) 내부에서 빔을 집속하기 위해 또 다른 집속 렌즈 L4(24)가 설치된다.
도 4의 (a) 및 (b)는 1010nm 펌프 출력에 대한 결정 증폭기의 각각의 아웃풋 출력 및 이득을 도시한다. 그래프는 0.1MHz(파란색 점)의 더 낮은 펄스 반복률(prr)과 1MHz(빨간색 점)의 더 높은 prr에서 얻어진다. 시드 평균 출력은 결정 증폭기로부터 달성 가능한 이득 및 아웃풋 출력에 영향을 미친다는 것을 알 수 있다. 도 4의 (c) 및 (d)는 1006nm 펌프에서의 동일한 경향성을 도시한다.
도 5의 (a) 및 (b)는 1MHz prr 에서의 펌프광의 각각의 1010nm 및 1006nm 파장에서의 개시된 시스템의 아웃풋에서의 증폭된 스펙트럼을 도시한다. 보다시피, 파란색 곡선은 최대 펌프 출력에 대응하며, 많은 실험적 설정 중 하나에서 이는 1010nm 펌프 파장의 경우 183.5W 이고 1006nm 펌프 파장의 경우 93.5W이다.
도 6은 시스템(10)의 변형예를 도시한다. 여기에는 각각 한 쌍의 결정들을 가진 2개의 증폭 캐스케이드 대신에, 하나의 결정을 가지는 하나의 증폭 캐스케이드(30)가 사용된다. 일반적으로 결정의 길이와 도펀트 농도는 각각 넓은 범위에서 선택될 수 있다. 최적화 목적을 위해 결정의 길이를 증가시키는 것은 도펀트 농도를 낮추는 것을 필요로 하고, 그 반대의 경우도 그러하다. 일반적으로, 농도 범위는 약 20%로 보통 제한되는 임의의 합리적인 백분율 수치를 포함할 수 있고, 결정 길이는 수십 센티미터만큼 길 수 있으며, 지금까지 얻어진 최상의 결과는 결정 길이가 1센티미터 미만일 때이다. 도시된 나머지 구성요소는 도3에서 사용된 구성요소와 동일하게 유지된다. 도 3의 실시예와 유사하게, 각각의 1030nm 및 1010nm 파장에서의 신호 및 펌프광 빔은 색선별거울 또는 VBG 일 수 있는 필터(22)로부터 광 경로 하류를 따라 동축으로 전파된다.
도 3 및 도 6의 두 개요에 대한 광범위한 실험에 따르면, 증폭된 신호광이 1010nm 펌프 파장에서보다 1006nm 펌프 파장에서 더 강력함을 보여주며, 이는 모든 다른 조건이 동일하다면 반전이 더 짧은 펌프 파장에서 더 높기 때문에 잘 이해된다. 이러한 조건에는 시드 출력, 흡수된 펌프 출력 및 시드/펌프 빔 크기가 포함된다. 도 3의 Yb: YAG(16)에서의 측정 흡수 계수는 1010nm 펌프 파장에서보다 1006nm 펌프 파장에서 약 1.5배 더 높다. 중요하게도, 해로운 렌즈 효과는 1006nm 및 1010nm 펌프 파장 모두에서 아주 적으며, 이는 개시된 두 펌프 파장에서의 작은 양자 효과로 쉽게 설명된다. 빔의 크기는, 2W부터 7W까지의 시드 출력 범위 및/또는 93W 와 180W 사이의 펌프 출력 범위 내에서 근본적으로 동일하게(3% 미만의 변화) 유지된다. 잘 이해할 수 있듯이, 펌프 출력은 무제한일 수 있으며 kW 수준에 도달할 수 있다. 펄스 에너지는 펌프 출력의 함수이며, 또한 수백 마이크로줄에서부터 수 밀리줄까지의 넓은 범위 에너지 내에서 변화한다. 도 6에 도시된 개요에서는 이와 달리, 열 렌즈 효과가 도 6의 969nm 펌프 파장에서 확실하게 나타난다. 빔 크기는 낮은 prr 및 높은 prr 모두에서 펌프 출력이 0W에서부터 97.5W까지 증가할 때 약 21% 변화한다.
관찰된 데이터에 기초할 때, 아웃풋 출력을 포함하여 도 3 및 도 6의 개시된 시스템(10)의 특성을 개선하는 방식은 명확하다. 하나의 유용한 변형예는 결정 길이를 증가시키는 것을 포함한다. 또한 개선된 결과를 유도하는 또 다른 변형예는 증가된 도펀트 농도이다. 상기 두 가지 경향성은 도 7에 도시되어 있다. 도 8은 광섬유 레이저 펌프의 아웃풋에서의 총 펌프 출력이 증가함에 따라, 아웃풋 시스템의 출력이 증가하는 것을 도시한다. 붉은색 곡선은 파란색 곡선의 것보다 더 큰 결정 길이에 해당한다.
또한, SM 또는 로우-모드 광섬유 펌프의 출력 및 휘도를 증가시키는 것은 증폭기 결정 내 이득 영역의 상대적으로 작은 단면(면적)을 허용하며, 즉 I sat 보다 훨씬 높은 출력 밀도에서의 작동을 허용한다. 1um 파장 및 빔 직경이 0.2mm 이상인 가우시안 빔의 경우, 결정 길이가 20mm에서부터 80mm까지 변화한다면, 발산이 중요하지 않다. 매우 밝은 회절-한계 고출력 빔으로 펌핑하는 것은 Yb 증폭기의 개선된 효율에 중요하다는 것이 명백하다.
Yb 이온의 호스트 매질(host medium)은 YAG에 한정되지 않고 매우 다양한 결정을 포함할 수 있는 것으로 이해된다. 호스트 결정(host crystal)의 비-제한적인 목록은, 가넷(LuAG, GGG 등), 텅스텐산염(tungstate)(예를 들어 KGW, KYW, KLuW), 바나듐산염(vanadate)(YVO4, YGdO4), 플루오린화물(fluoride)(YLF, LuLiF, CaF2 등), 붕산염(borate)(BOYS, GdCOB), 인회석(apatite)(SYS), 삼이산화물(Y2O3, Sc2O3) 및 다른 것들을 포함할 수 있다. 또한, 다른 희토류 이온들과 각각의 결정들은 고출력 SM 광섬유 펌프 및 낮은 양자 결손을 특징으로 하는 공진 펌핑(resonant pumping)에 사용될 수 있다.
전술한 설명 및 예들은, 벌크 증폭기에 에너지를 공급하기 위한, 신호광 빔과 동축으로 전파되는 펌프 빔을 출력하는 SM 고출력, 고휘도 CW 펌프 레이저를 사용하는, 본 개시내용의 주요 개념을 단지 분명히 보여주기 위해 제시되었다. 여기에 개시된 구조적인 특성은 제한하려는 의도가 아니다. 따라서, 개시내용은 개시된 개념의 범위 내의 모든 변형을 포함하도록 넓게 해석되어야 한다.

Claims (15)

  1. 고출력 단일 모드(SM) 레이저 시스템이며:
    마스터 발진기 출력 증폭기(MOPA) 구성으로서:
    펄스형 신호 빔을 1030nm 또는 그 근처의 파장 λs 에서 출력하는 단일 모드(SM) 시드;
    신호 빔을 수용하는 이터븀(Yb) 도핑된 결정 또는 결정 세라믹 부스터; 를 포함하는, 마스터 발진기 출력 증폭기(MOPA); 및
    Yb 부스터를 단부-펌핑하기 위해 1000nm 내지 1020nm 파장 범위내의 파장 λp에서 고휘도 펌프 빔을 출력하는 단일 또는 로우-모드, 연속파(CW) 광섬유 레이저로서, 신호 및 펌프 빔은 동시에 동축으로 또는 동일 선상에 80% 및 100% 사이의 범위에서 서로 중첩되게 전파되고, 파장 λs 및 λp는 초저 양자 결손을 제공하기 위해 선택되는, 광섬유 레이저;
    를 포함하는, 레이저 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    초저 양자 효과는 3% 미만인, 고출력 SM 레이저 시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    Yb 부스터는 Yb:YAG 결정 또는 Yb2O3 세라믹을 포함하고 이는 판 또는 막대 모양인, 고출력 SM 레이저 시스템.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    펌프광의 파장 λp는 1006nm 내지 1010nm 파장 범위에서 변하고 1010nm 파장이 바람직하며, 초저 양자 효과는 2% 와 2.5% 사이인, 고출력 SM 레이저 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    SM 또는 로우-모드 CW 광섬유 레이저 펌프는 펌프광의 수 kW까지 출력하도록 작동하는, 고출력 SM 레이저 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    SM 시드는, fs-, ps-, 또는 ns- 펄스 지속시간 범위에서 초단 신호광 펄스의 트레인을 출력하도록 작동하는, 하나 이상의 레이저 다이오드 또는 하나의 SM 광섬유 레이저로서 구성된, 고출력 SM 레이저 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    벌크 증폭기의 측면에 있는 제1 및 제2 파장 선별기를 더 포함하고, 상기 제1 및 제2 파장 선별기 각각은 색선별거울 또는 볼륨 브래그 격자(VBG)인, 고출력 SM 레이저 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    Yb 결정 부스터의 아웃풋에서의 신호 빔은:
    수 백 와트에서 수 kW까지 변하는 평균 펄스 출력, 그리고
    수백 마이크로줄과 수 밀리줄 범위의 펄스 당 에너지,
    를 특징으로 하는, 고출력 SM 레이저 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    시드는 모드-잠금 광섬유 레이저를 포함하는, 고출력 SM 레이저 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    적어도 하나의 사전 증폭 단계를 더 포함하는, 고출력 SM 레이저 시스템.
  11. 제1항에 있어서,
    시드는 순수 펄스 모드 또는 버스트 모드로 작동하는, 고출력 SM 레이저 시스템.
  12. 제1항에 있어서,
    CW 고휘도 광섬유 레이저는 펌프 빔을 출력하여 상기 펌프 빔이 Yb 부스터의 양 단부 중 하나 또는 양 단부 모두에 결합되게 하는, 고출력 SM 레이저 시스템.
  13. 부스터이며:
    1030nm 또는 그 근처 파장에서 SM 신호 빔을 수용하는 이터븀(Yb) 벌크 증폭기;
    1000nm 내지 1020nm 파장 범위의 파장 λp에서 Yb 벌크 증폭기의 대향하는 꼭지 중 하나 또는 양 꼭지 모두에 결합하는 고휘도 펌프광을 출력하는 단일 또는 로우-모드, 연속파(CW) 광섬유 레이저로서, 신호 및 펌프 빔은 3% 미만의 초저 양자 결손을 제공하도록 선택된 파장 λs 및 λp를 가지고 80%를 초과하게 서로 중첩하여 전파되는, 광섬유 레이저;
    를 포함하는 부스터.
  14. 제13항에 있어서,
    벌크 증폭기는 슬래브 또는 막대로 구성되고, 초저 양자 효과는 2%와 2.5% 사이인, 부스터.
  15. 제13항에 있어서,
    Yb 벌크 증폭기는 Yb:YAG 또는 Yb2O3 세라믹을 포함하는, 부스터.
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