KR102444028B1

KR102444028B1 - 처프 펄스 증폭 레이저 시스템

Info

Publication number: KR102444028B1
Application number: KR1020197031406A
Authority: KR
Inventors: 알렉스 유심; 브루스 젠케트; 앤톤 드로츠친; 조지 비너스; 이고르 자마르트제프; 드미트리 페스토프; 앤톤 리아체프
Original assignee: 아이피지 포토닉스 코포레이션
Priority date: 2017-03-29
Filing date: 2018-03-29
Publication date: 2022-09-15
Also published as: WO2018183683A1; CN110476307A; KR20190127921A; JP7189146B2; EP3586410A4; US20200127430A1; EP3586410B1; JP2020516073A; US11444425B2; EP3586410A1; CN110476307B

Abstract

초단 펄스 처프 펄스 증폭(CPA) 레이저 시스템 및 CPA 레이저 시스템을 동작시키는 방법은 모드 잠금 레이저에 의해 근사 변환 제한(TL) 펄스를 출력하는 것을 포함한다. 시스템 및 방법은 제1 브래그 격자에 의해 TL 펄스를 시간적으로 신장시키고 이렇게 신장된 각각의 펄스에 압축기로서 동작하는 제2 브래그 격자에서 추가로 보상되는 처프를 제공하는 것을 더 포함한다. 레이저 시스템 및 방법은 재압축된 펄스에 걸쳐 스펙트럼 위상을 측정하고 보정 신호를 생성함으로써 TL 펄스의 스펙트럼 위상으로부터 측정된 스펙트럼 위상의 편차를 추가로 조절하는 펄스 성형 유닛을 더 포함한다. 보정 신호는 원하는 위상 변화를 유도하기 위해 선택적으로 작동되는 BG 중 하나의 각각의 세그먼트에 결합된 작동기 어레이에 적용되고, 따라서 하나의 BG는 신장기/압축기 및 펄스 성형기 둘 다로서 동작한다.

Description

처프 펄스 증폭 레이저 시스템

본 발명은 확장 가능한 출력 파워 및 개선된 펄스 형상을 갖는 처프 펄스 증폭 레이저 시스템에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 처프 광학 펄스에 걸쳐 위상을 보정함으로써 펄스 페데스탈(pulse pedestal)을 억제하도록 동작하는 초고속 섬유 레이저 시스템을 개시한다. 위상 보정은 펄스 진단 시스템으로부터의 신호에 응답하여 분산 브래그 격자의 다수의 섹션을 선택적으로 가열 및/또는 신장시킴으로써 수행된다.

초고속 펄스 레이저는 20 피코초보다 짧고 수 펨토초만큼 짧은 펄스를 생성한다. 이러한 레이저는 의학 및 산업 분야에 응용된다. 다광자 흡수 프로세스는 레이저의 파장이 재료의 흡수 대역에 중첩할 필요가 없기 때문에 거의 모든 재료가 이러한 펄스로 가공될 수 있다.

초고속 펄스는 광학 펄스가 광학 구성요소/재료를 통해 전파될 때 도입되는 광학 비선형성으로 인해 증가된 펄스 왜곡을 나타낸다. 펄스는 열화되기 시작하여 형상 변화 및/또는 프리 펄스 또는 포스트 펄스를 형성하며, 이들은 시간 인벨로프의 총 지속 기간을 증가시킨다. 이는 많은 응용이 도 1에 도시된 바와 같이 시간적 페데스탈 없이 높은 피크 파워 및 높은 펄스 에너지를 갖는 초단 펄스를 필요로 하기 때문에 문제가 된다. 시간적 페데스탈은 광학 구성요소를 통해 또는 강도 의존적 광학 비선형성, 가장 빈번하게는 자체 위상 변조(SPM)를 통해 도입된 고차 분산으로 인해 생성될 수 있다. 다양한 펄스 성형 기술을 사용하여 대부분의 고차 분산을 보정할 수 있는 것으로 나타났다.

SPM의 임계값을 증가시키는 더 많은 펄스 에너지를 추출하는 한 가지 널리 사용되는 방법은 처프 펄스 증폭이라 불리운다. 이 방법에서, 스펙트럼 인벨로프 내의 각 길이방향 모드의 위상을 선형 방식으로 조절함으로써 펄스가 시간적으로 신장된다. 벌크 격자, 프리즘, 섬유, 처프 섬유 브래그 격자 또는 처프 볼륨 브래그 격자를 사용하여 이 분산을 도입하여 펄스를 신장시킬 수 있다. 그 후, SPM을 유도할 수 있는 피크 파워에 도달하기 전에 더 높은 펄스 에너지를 달성하는 이득 재료를 통해 펄스를 증폭할 수 있다. 마지막으로, 펄스는 매칭 분산 요소로 압축되어 펄스를 다시 피코초 또는 펨토초 펄스 지속 기간으로 재압축하여 필요한 펄스 에너지 및 초단 펄스를 달성한다.

처프 펄스 증폭(CPA) 방법을 사용하여 상당한 펄스 에너지를 추출할 수 있지만 이 방법은 여전히 제한적이다. 통상적인 구성은 처프의 선형 부분을 보상한다. 비선형 처프를 보상하기 위해서는 고차 분산 기술이 필요하며, 이는 시스템의 전체 크기를 증가시키고, 1 ps 미만의 지속 기간 및 100 uJ을 초과한 펄스 에너지를 갖는 깨끗한 페데스탈이 없는 광학 펄스를 생성하도록 최종 조절을 수행하는 고도로 숙련된 작업자가 필요하다.

펄스 성형과 관련된 많은 진보된 기술이 개발되었다. 위상 및/또는 진폭은 다양한 방법으로 출력 광학 스펙트럼에 걸쳐 조절된다. 일반적인 방법은 벌크 광학 격자 및 렌즈를 사용하여 광학 스펙트럼을 공간적으로 푸리에 도메인에 맵핑한 다음 위상 변조기를 사용하여 위상 또는 진폭을 조작하는 것이다. 불행하게도, 광학 펄스의 광학 스펙트럼에 걸쳐 많은 수의 픽셀을 수동 조절하는 것은 매우 시간 소모적이다.

수동 조절 중에 경험하는 어려움은 다광자 인트라펄스 간섭 위상 스캔(MIIPS) 및 직접 전기장 재구성을 위한 스펙트럼 위상 간섭측정(SPIDER)을 포함하지만 이에 한정되지 않는 펄스에 걸친 위상을 조절하는 자동화된 기술에 의해 해결되어 왔다. 이들 및 다른 자동화 기술은 근사 변환 제한(TL) 펄스를 생성한다. 이러한 기술은 프리 스페이스 펄스 성형기를 기반으로 하며, 이는 광학 스펙트럼에 걸쳐 필요한 위상을 수 분 미만에, 그리고, 많은 경우에는 수십 초 내에 결정할 수 있다. 그러나, 상이한 유형의 네마틱 액정을 포함하는 이러한 프리 스페이스 펄스 성형기는 복잡한 프리 스페이스 정렬을 필요로 하여 성가시고, 이는 산업 응용에 최적이 아니다.

소형이며, 튼튼하고 단일체형인 분산 구성요소인, 고차 분산을 보상하기 위한 대안적인 구성요소는 섬유 브레그 격자(FBG)이다. 이러한 참조물은 나노초보다 긴 펄스를 교시하며, 이는 CPA 레이저 시스템에서의 필요에 따라 의도적으로 처프된 펄스와는 달리 도파로를 통해 전파되는 동안 분산으로 인해 처프를 취득한다. 이들 특허에서 다루어진 긴 펄스는 고출력 단펄스 CPA 시스템에서 특히 우려되는 페데스탈-유사 현상을 나타내지 않는다. 비선형 FBG가 도입된 이래로, 여러 그룹에서 성능을 더욱 최적화하려고 시도해왔다. 조절 가능한 섹션의 수가 증가함에 따라 최적의 펄스 형상에 대한 각 섹션의 설정을 결정하기 위해 수동으로 조절을 수행하는 것이 어려워졌다.

따라서, CPA 레이저 시스템의 출력에서 근사 변환 제한 나노초미만 펄스를 제공하도록 제어 가능한 분산 보상에 적절한 튜닝 가능한 처프 신장기 또는 압축기를 갖춘 CPA 레이저 시스템을 제공하는 것이 바람직하다.

또한, 교정된 분산 요소의 많은 수의 채널에 대한 위상 보정을 식별하기 위해 분산 요소 및 처프 반전 기술을 교정하도록, 변조 위상 편이 방식을 이용하여 개시된 CPA 레이저 시스템에서 구현되는 적응적 분산 보상을 위한 방법을 제공하는 것이 바람직하다.

개시된 구조는 산업적 대량 레이저 생산을 위해 광학 펄스의 자동화된 최적화를 동반한 소형이며 튼튼한 초고속 섬유 레이저를 생성하기 위해 CPA 구성 펄스 레이저 시스템에서, 소형 튜닝 가능한 BG를 유입 광학 펄스의 위상을 조작하는 다수의 조절 가능한 세그먼트 및 펄스 성형 유닛이라고도 지칭되는 펄스 특성 검출 시스템과 조합함으로써 이러한 필요성을 충족한다. 이는 종래 기술의 성가신 프리 스페이서 펄스 성형기를 CPA 구성 섬유 레이저 시스템의 BG 구성 성형기로 대체함으로써 달성된다.

본 발명의 고출력 초단 펄스 레이저 시스템은 근사 푸리에 변환 제한 나노초미만 펄스를 출력하는 모드 잠금 발진기 또는 시드로 구성된다. 실제로, 완전 변환 제한 펄스는 형성하기가 매우 어렵기 때문에, 존재한다 하더라도, 통상적으로 이러한 펄스는 근사 변환 제한이라 언급되지만, 본 개시내용에서 "근사"라는 단어는 때때로 순수히 명확성을 위해 생략될 수 있다. 결론적으로, 레이저로부터의 초단 펄스는 각각 특정 광학 대역폭에 대해 가장 짧은 가능한 지속 기간을 갖는다. 그 후, 펄스는 주파수 의존성에 대해 거의 선형 그룹 지연을 갖는 브래그 격자를 사용하여 시간적으로 신장된다. CPA 레이저 시스템을 따라 전파하면, 이 관계는 그 선형 특성을 점진적으로 상실하여 원하는 TL 초단 펄스를 출력하기 위해 보정되어야 하는 펄스 확장을 초래한다.

본 개시내용의 일 양태에 따르면, CPA 레이저 시스템에서 변환 제한 나노초미만(sub-ns) 펄스를 생성하는 방법은 다음과 같이 실현된다. 초기에, 레이저 시스템에 통합된 상류 및 하류 BG 중 적어도 하나는 주파수 대 세그먼트 의존성 및 위상 대 온도(또는 전압) 의존성에 대해 교정된다. 교정된 성형기는 처프 반전 기술과 같은 측정 기술과 연계하여 각각의 압축된 펄스의 스펙트럼에 걸쳐 각 세그먼트에 필요한 위상 보정을 결정하여 원하는 또는 전압 또는 온도 프로파일을 얻는다. 그 후, 결정된 프로파일이 세그먼트화된 BG에 적용되어 세그먼트가 선택적으로 작동되어 펄스 대역폭의 각 주파수에 대한 스펙트럼 위상을 TL 초단 펄스에 대한 해당 특성으로 조절한다.

개시된 방법의 일 특징에 따르면, 세그먼트화된 BG의 교정은 변조 위상 편이 방법을 사용하여 수행되어 세그먼트 대 주파수 및 온도 대 스펙트럼 위상 모두를 결정한다. 대안적으로, 교정은 세그먼트 대 주파수 및 전압 대 스펙트럼 위상 의존성을 설정하기 위해 수행된다. 이들 2개의 특징의 구현은 각각의 세그먼트에 대응하는 작동기의 유형에 의존한다. 작동기는 열전 냉각기 또는 압전 변환기로부터 선택될 수 있다.

기생 펄스 감소 또는 페데스탈로 이어지는 위상 보정 계산은 많은 수의 세그먼트에 대한 위상 보정을 식별하는 다수의 방법에 의해 실현된다. 이러한 방법 또는 기술은 MIIPS, d-스캔, SPIDER, FROG, CRT(Chirp Reversal Technique) 등을 포함할 수 있다.

본 개시내용의 다른 양태에 따르면, 개시된 방법은 본 발명의 CPA 펄스 레이저 시스템에 의해 실현된다. 본 발명의 시스템은 각각 스펙트럼 대역폭을 가지며 경로를 따라 전파되는 변환 제한(TL) 나노초미만(sun-ns) 펄스를 출력하도록 동작하는 모드 잠금 레이저를 포함한다. TL 펄스는 TL 나노초미만 펄스를 신장시키도록 동작하는 제1 또는 상류 BG에 결합된다. 본 발명의 CPA 레이저 시스템의 광학 구성요소를 따라 전파되는 경우, 신장된 펄스의 스펙트럼 위상은 TL 펄스의 스펙트럼 위상으로부터 벗어나고, 제2 BG가 그 재압축을 수행한 후에 특히 명확해진다.

각각의 주파수에 대한 위상 편차는 펄스 성형 유닛에 의해 측정되며, 이는 선택적으로 튜닝 가능한 다수의 세그먼트가 제공되는 제1 및 제2 BG 중 하나에 걸쳐 적용되는 보정 신호를 출력한다. 특히, 보정 신호는 스펙트럼 위상을 TL 나노초미만 펄스의 스펙트럼 위상에 대해 조절하기 위해 각각의 세그먼트에서 스펙트럼 위상 변화를 선택적으로 제어 가능하게 유도하는 작동기 어레이에 결합된다.

본 개시내용의 양태의 일 특징에 따르면, 상류 및 하류 BG 각각은 처프 섬유 브래그 격자(CFBG) 또는 볼륨 브래그 격자(VBG)이다. BG는 또한 Tracey 또는 Martinez 유형일 수도 있지만, 이들은 CFBG 및 VBG보다 덜 바람직하다.

다른 개시된 특징에 따르면, 세그먼트화된 BG는 압축된 펄스에 걸친 미리 결정된 주파수 대 세그먼트 의존성 및 스펙트럼 위상 대 온도 또는 스펙트럼 위상 대 전압 의존성을 갖도록 교정된다.

또 다른 특징에 따르면, 펄스 성형 유닛은 CRT 방식, MIIPS 방식 또는 d-스캔 방식에 기초한 측정 유닛을 포함한다. 측정 보정 신호는 열전 냉각기(TEC) 또는 압전 요소일 수 있는 작동기에 결합된다.

본 발명의 CPA 레이저 시스템은 모드 잠금 레이저, 제1 및 제2 BG 및 펄스 성형 유닛을 수용하는 하우징 내에 패키징된다. 따라서, 제조 관점에서, 개시된 시스템은 독립형 유닛이거나 더 큰 시스템의 일부일 수 있다.

전술한, 그리고, 첨부된 청구범위에 추가로 언급된 다른 구조적 특징이 각각 다른 발명적 구성과 별도로 개시되지만, 본원에 개시된 본 발명의 모든 특징은 서로 상보적이고 임의의 가능한 조합으로 서로 사용될 수 있다.

전술한 및 다른 개념, 특징 및 장점은 하기 도면을 수반하는 본 발명의 구조에 대한 아래에 개시된 구체적인 내용으로부터 보다 쉽게 명백해질 것이다.
도 1은 시간 영역에서 페데스탈의 표시이다.
도 2는 CPA 레이저 시스템에서 그룹 지연 대 파장 관계를 도시하는 매우 개략적인 도면이다.
도 3은 개시된 CPA 레이저 시스템의 광학적 개요이다.
도 4의 (a) 내지 도 4의 (c)는 처프 반전 기술(CRT)을 도시한다.
도 5는 CRT를 통합한 본 발명의 CPA 레이저 시스템을 도시한다.
도 6은 도 3의 본 발명의 CPA 레이저 시스템에 통합된 CFBG 펄스 성형기의 일 실시예를 도시한다.
도 7은 개시된 CFBG 펄스 성형기의 가열을 도시한다.
도 8은 개시된 CFBG 펄스 성형기의 또 다른 실시예이다.
도 9는 개시된 CFBG 펄스 성형기의 또 다른 실시예이다.
도 10은 개시된 CFBG 펄스 성형기의 다른 실시예이다.
도 11은 개시된 CFBG 펄스 성형기의 또 다른 실시예이다.
도 12는 도 3의 개략도에서 펄스 성형기로서 작동하는 본 발명의 VBG 압축기를 도시한다.
도 13은 개시된 CFBG 펄스 성형기를 교정하기 위한 위상 편이 방법을 구현하는 테스트 스테이션을 도시한다.
도 14는 위상 편이 방법을 사용하는 CFBG 펄스 성형기의 채널 대 파장 교정을 도시한다.
도 15는 위상 편이 방법에 의해 본 발명의 CFBG 펄스 성형기의 위상 대 온도 교정에서의 비례 인수를 결정하는 기술을 도시한다.
도 16의 (a) 및 도 16의 (b)는 도 3의 개시된 CPA 레이저 시스템에 의해 얻어진 각각의 실험 결과를 도시한다.

이제, 본 발명의 실시예를 상세히 참조할 것이다. 가능한 한, 동일하거나 유사한 참조 번호가 동일하거나 유사한 부분 또는 단계를 나타내기 위해 도면 및 설명에서 사용된다. 도면은 단순화된 형태이며 정확한 크기비에 따르지 않는다. "결합"이라는 용어 및 유사한 용어는 반드시 직접 및 즉각적인 연결을 나타내는 것은 아니며, 중간 요소 또는 장치를 통한 연결을 또한 포함한다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 CPA 레이저 시스템(50)은 시스템의 출력 신호의 스펙트럼 프로파일을 제어하기 위한 유닛(55)을 포함하고, 근사 변환 제한 펄스를 달성하기 위한 페데스탈을 최소화하도록 작동한다. 펄스 확장은 제조 결함 및 비선형 효과의 유해한 결과로 쉽게 설명할 수 있다.

시스템(50)의 예시적 개요는 마스터 발진기 파워 증폭기 구성을 특징으로 하지만 단일 레이저로 구성될 수 있다. 마스터 발진기(52)는 수 펨토초(fs)만큼 짧은 펄스로 나노초미만 펄스 지속 기간 범위에서 근사 TL 펄스를 레이저 발진하도록 동작하는 모드 잠금 펄스 레이저 또는 시드를 포함한다. 시드(52)의 구성은 예를 들어 다이오드 또는 섬유 레이저를 포함할 수 있다. 근사 TL 펄스는 선택적 섬유 커플러 또는 서큘레이터(54)와 같은 상류 라우팅 장치에 결합된다.

결합된 펄스는 처프 섬유 브래그 격자(CFBG)(56)에서 순차적으로 신장된다. CFBG는 통상적으로 UV 레이저 및 위상 마스크를 사용하여 제조되어 변조 주기가 증가 또는 감소하면서 섬유 길이를 따라 굴절률의 변조를 도입한다. 결과적으로 CFBG는 FBG의 다른 부분 내에서 다른 광학 주파수로 광을 효과적으로 반사하여 레이저 스펙트럼에 걸쳐 광학 그룹 지연(GD)을 도입한다. 선형 처프, 즉 주파수에 따른 GD의 선형 의존성은 광학 펄스를 신장시키는 가장 간단한 방법이고 보정이 가장 용이하기 때문에 바람직하다. 대응 스펙트럼 위상은 주파수에 따라 2차식으로 변한다.

불행히도, CFBG 제조 과정 동안 사전 프로그래밍된 GD 의존성으로부터의 편차가 발생하여 신장기와 압축기 사이의 고유 불일치 및 열악한 펄스 재압축을 초래할 수 있다. 또한, 다른 구성요소는 고차 분산을 도입하고, 레이저 출력에서 변환 제한 펄스를 달성하기 위해 전체 레이저 시스템 분산에 대한 보정이 필요하다. 펄스 에너지 또는 평균 파워가 더 크게 스케일링됨에 따라, 위상 왜곡의 동적 보정을 요구하는 추가적인 위상 변화가 발생할 수 있어 상황을 더욱 더 복잡해지게 한다. 이 위상 보정은 레이저 시스템 내에서 튜닝 가능한 펄스 성형기를 사용하여 달성할 수 있다.

예시적인 시스템(50)은 마스터 발진기(52) 외에 적어도 하나 이상의 사전 증폭 스테이지(58) 및 부스터 스테이지(62)를 갖는 전체 섬유 레이저 시스템이다. 증폭 스테이지의 전체 섬유 구성은 섬유 구성요소의 사용이 시스템의 소형성, 효율 및 견고성을 개선시키기 때문에 바람직하다. 그러나, 다른 유형의 증폭기는 고상 또는 결정 호스트 희토류 이온 도핑 증폭기, 예컨대, YAG 및 디스크 레이저, 그리고, 또한, 가스 레이저, 예컨대, 엑시머 레이저를 포함할 수 있고, 이들은 모두 본 개시내용의 발명의 범위의 일부이다. 펄스 에너지 증가는 평균 파워를 증가시키거나 사전 증폭 및 부스터 스테이지(58, 62) 사이에 음향 광학 또는 전기 광학 변조기(EOM)(60)를 각각 결합함으로써 실현될 수 있다. EOM(60)은 레이저 분야의 숙련자에게 잘 알려진 펄스 선택기로서 동작한다. 증폭된 처프 펄스는 시스템(50)의 상류 구성요소에 유해한 광의 역반사를 최소화하는 다른 선택적인 광학 아이솔레이터(64)를 빠져나간 후 프리 스페이스에 걸쳐 전파된다. 1/4 파장판 및 반사기/펄스 압축기(68)와 함께 편광기(66)는 레이저 헤드로부터의 빔을 지향시키기 위한 서큘레이터로서 사용된다. 펄스 압축기(68)는 바람직하게는 숙련자에게 잘 알려진 방식으로 동작하는 볼륨 브래그 격자(VBG)이지만, Treacy 및 Martinez 벌크 격자와 같은 임의의 다른 구성일 수도 있다. FBG 및 VBG가 도 3의 본 발명의 개요의 맥락에서 도시되고 개시되었지만, 신장기(56) 및 압축기(68) 둘 모두는 모두 섬유 격자이거나 모두 벌크 격자이거나 신장기는 VBG일 수 있고, 압축기는 섬유로 구성될 수 있다.

처프 펄스가 전술한 구성요소 모두를 통해 안내되는 동안, 바람직하지 않은 비선형 처프 성분은 점점 더 두드러지게 된다. 그러나, 다른 분산 요소- 펄스 압축기(68) -와 CFBG(56)와의 그 제조 불일치로 인해 펄스에 걸친 주파수 성분과의 원하는 관계로부터 GD 및 위상의 편차가 눈에 띄게 증가한다. 결과적으로, 출력 재압축된 펄스는 출력 펄스에서 시간적 페데스탈을 형성하는 기생 프리 및 포스트 펄스의 존재에 의해 나타나는 시드(52)의 출력에서의 근사 TL 펄스만큼 좁지 않다.

기생 펄스 감소 또는 페데스탈은 아래에 설명된 펄스 성형기 CFBG(56)의 세그먼트와 같은 많은 수의 채널에 대한 위상 보정을 식별하는 다수의 방법에 의해 실현된다. 이러한 방법은 MIIPS, d-스캔, SPIDER, FROG, CRT(Chirp Reversal Technique) 등을 포함한다.

FROG 및 SPIDER에서는 측정 및 압축 프로세스가 완전히 격리된다. 특성화할 펄스는 전용 설정으로 전향되고, 여기서 이들이 처리된다. FROG 및 SPIDER 사용에 대한 대가는 더 복잡한 특성화 설정이다. MIIPS 및 d-스캔에 사용된 스캐닝 기술은 모두 숙련자에게 잘 알려진 것으로 본 발명의 목적에 적절한 것으로 보인다. 그러나, MIIPS 및 d-스캔은 온도 응답 시간으로 인해 섬유 기반 성형기(56)에 대해 상당히 시간 소모적이다.

반면에 CRT는 CFBG(56)의 모든 채널/세그먼트에 대한 위상 보정을 찾기 위해 단지 2개의 스펙트럼 분해 측정만이 필요한 점근적 방법이다. 고도의 처프 펄스의 경우 여기에서와 같이 2차 고조파 생성(SHG) 스펙트럼에 대한 점근적 표현은 다음과 같다:

여기에서 φ"(ω)는 알려지지 않은 GDD 프로파일이고, Φ₂는 추가된 공지된 선형 처프이다.

미지의 GDD 프로파일은 2개의 적용된 처프 값, Φ₂ ^(-) 및 Φ₂ ⁽⁺⁾에 대해 측정된 2개의 SHG 스펙트럼(도 4의 (a)의 적색 및 청색 그래프)으로부터 추출될 수 있고, 이들은 다음에 따라 성형기(56)에 적용된 상이한 온도 프로파일에 응답하여 얻어진다:

이 공식에서 모든 강도 값은 마찬가지로 두 측정 각각에서 각 주파수에 대해 적용된 위상 Φ₂으로서 알려져 있다. 결과적으로, 도 4의 (b)에 도시된 바와 같이, 펄스의 대역폭을 가로지르는 각각의 주파수에 대한 GDD 프로파일이 검색된다. 검색된 GDD 프로파일에 기초하여, 변환 제한 펄스에 필요한 위상 보정은 도 4의 (c)에 도시된 바와 같이 검색된 GDD의 이중 적분에 의해 계산된다. 달리 말하면, 이 방법은 펄스 대역폭의 각 주파수에 대해 테스트된 펄스의 위상과 TL 펄스의 위상의 편차를 결정한다.

본 발명의 CRT를 구현하는 본 발명의 개요는 도 5에 개략적으로 도시되어 있고, 이는 도 3에 도시된 구성과 조합하여 설명된다. 압축된 펄스는 비선형 결정(70)에 집속되어, 기본 주파수를 그 2차 고조파, 즉, 녹색 광 스펙트럼(SHG)으로 변환하고, 이는 비선형 결정(72)에서 생성되고 도 4의 (a) 내지 도 4의 (c)를 참조하여 설명된 바와 같이 자동화된 펄스 성형 유닛(74)에서 추가로 분석된다. 더 높은 정밀도를 위해, 각각의 스펙트럼을 갖는 2개의 처프가 최대한 상이한 것이 바람직하다.

계산된 위상 대 파장 관계는, 도 3의 예시적 개요에서 CFBG 성형기(56)인 교정된 분산 요소를 사용하여 제어기(74)에 의해 온도 프로파일로 변환된다. 온도 프로파일은 성형기 CFBG(56)에 걸쳐 적용되어, 필요에 따라 대역폭의 각 주파수에 대한 보정된 위상을 얻기 위해 성형기의 세그먼트가 선택적으로 제어 가능하게 가열 또는 신장된다. 쉽게 이해될 수 있는 바와 같이, 성형기 CFBG(56)는 비유적으로 말해서, 온도 대 세그먼트/채널 관계만을 "이해"하기 때문에, 보정된 위상으로 이어지는 각각의 세그먼트의 원하는 위상 온도 조작을 제공하도록 교정되어야 한다. CFBG 성형기(56)의 구성 및 분산 요소를 교정하기 위한 일반적인 기술이 바로 아래에 설명된다.

신장기/성형기(56)의 동작은 열 유도 및 변형 유도 기술을 포함하는 2개의 개별적이지만 상보적인 기술에 기초한 구성에 의해 조절된다. 이들 기술 각각은 아래에 설명된 개시된 섭동 빗(perturbation comb)에 의해 구현될 수 있다. 변형 유도 기술은 추가 손실, 신뢰성 감소 및 더 작은 위상 조절로 알려져 있다. 따라서, 아래에 설명된 바와 같이 열 유도 응력 기술이 바람직하다.

도 6 및 도 7은 열 유도 응력 기술을 구현하는 본 발명의 빗(75)의 본원에 개시된 구조적 실시예 중 하나를 도시한다. 빗(75)은 각각의 주파수에 대응하는 복수의 이격된 세그먼트(78)로 구성된다. 구조적으로, 빗(75)은 스테인리스 강과 같은 낮은 열 전도성의 재료의 단일편으로 구성될 수 있으며, 이격된 채널 또는 세그먼트(78)를 지지하는 베이스(80)를 포함한다. 신장기/성형기(56)는 세그먼트(78)의 각각의 상부 부분에 형성된 정렬된 리세스에 배치된다. 저항 가열기(82) 및 온도 센서(84)는 낮은 열 전도성의 빗(75)의 각각의 세그먼트/채널(78)에 결합되어 예컨대 수신된 압축된 펄스의 스펙트럼에 걸쳐 위상을 변환 제한 펄스의 위상에 대응하도록 조절하도록 각 세그먼트/채널(78)의 온도를 독립적으로 제어한다. 온도 정확도를 개선시키기 위해, 열전대(86)는 베이스(80)의 저부측에 고정된다. 일반적으로, 냉각기로 지칭되는 다른 냉각 수단은 본 발명의 범위 구조의 일부이며 액체 또는 기체 매질에 기초할 수 있다.

도 7의 색상 구별된 세그먼트(78)는 각각의 세그먼트(78)에 열의 선택적 적용을 도시한다. 예를 들어, "적색" 세그먼트는 가해진 응력에 의해 직접 영향을 받는 반면, 상이한 청색 색조는 베이스 및 그에 인접한 각각의 세그먼트(78)의 부분의 선택적 냉각을 나타낸다.

도 8은 도 6에 도시된 저항기(82) 대신에 사용되는 열전 냉각기(88)로 구성된 변형된 빗(77)을 도시한다. 빗(77)은 바람직하게는 구리로 제조되고 지정된 세그먼트(92)에 영향을 미치는 다수의 열전 냉각기(TEC)(88)와 열 접촉하는 베이스(80)를 구비한다. FBG(56)는 세그먼트(92)에 장착되고 열 전도성 페이스트에 의해 그에 결합되는 반면, FBG(56)의 양 단부는 예를 들어 에폭시에 의해 각각의 컬럼(94)에 결합된다.

빗(77)의 동작 원리는 도 6 및 도 7을 참조하여 개시된 것과 유사하며 도 3 및 도 5의 제어기(74)로부터의 명령에 응답하여, 후술되는 바와 같이, 이전에 결정된 파장과 관련된 이들 TEC(88)를 선택적으로 작동시키는 것을 포함한다. 적용된 열 및 응력은 각각의 선택된 세그먼트(92)에 대응하는 섬유 영역에서 굴절률을 변화시키며, 이는 위상의 제어된 조절을 초래한다.

도 9는 FBG(56)의 영역 또는 신장에 선택적으로 영향을 주도록 동작하는 빗(79)의 또 다른 실시예를 도시한다. 섬유 지지 구조는 도 8의 구조와 유사하며, CRT 기술의 동작 원리에 따라 FBG(56)의 원하는 신장에 영향을 미치는 다수의 냉각기(88)를 지지하는 베이스(90)를 포함한다. 도 9 및 도 8의 구조의 차이는 TEC(96) 상에 장착되고 고도의 열 비전도성 재료로 제조된 연속 판(96)이다.

도 10은 결정된 파장에서 FBG(56)의 신장에 선택적으로 영향을 주고 처프의 비선형 성분을 보정하도록 동작하는 빗(91)의 또 다른 구성의 적용을 도시한다. 구성(91)은 중앙 세그먼트(108)를 지지하는 베이스(98)를 포함한다. 다수의 고도의 열 저항 세그먼트(78)는 중앙 세그먼트(108)의 측면에 있고, 각각의 쌍의 인접한 세그먼트(78)는 고도의 열 팽창 재료로 제조된 개별 판(100)에 의해 가교된다. 각각의 판(100)에는 도 3의 제어기(74)로부터 각각의 신호를 수신하는 저항기(104)가 장착되어 지정된 판(100)을 제어 가능하게 가열하여 팽창시킨다. 결과적으로, 인접한 세그먼트(78)는 서로에 대해 변위되어, 변위된 세그먼트 사이에 연장하는, 해당 파장에 대해 교정된 섬유 신장부가 신장되게 한다. 앞서 개시된 일련의 작용은 신장된 펄스를 가로질러 인접한 스펙트럼 성분 사이의 위상의 보정을 초래한다. 결과적으로, 위상의 조절은 비선형 처프 성분이 변환 제한 펄스에 접근하게 보상되도록 된다.

단일 중앙 세그먼트(108)만이 베이스(98)에 결합되기 때문에, 세그먼트(78) 사이에서 연장되는 판(100)이 가열될 때 인접한 세그먼트의 팽창을 방지하는 측면 제한기가 없으므로 전체 구조는 원하는 유연성을 나타낸다. 전체 구성(91)의 변위는 스프링(106)과 같은 각각의 인접한 세그먼트의 저부를 결합하는 탄성 구성요소에 의해 더욱 용이해진다.

도 11은 도 10의 것과 유사한 빗을 도시하지만, 저항 가열 판(100) 대신에, 도시된 빗에는 복수의 압전 요소(106)가 제공된다. 변형 유도 구성은 압전 요소의 특성으로 인해 가장 짧은 시간 응답을 갖는다.

도 12를 참조하면, 펄스 성형기로서 CFBG(56)를 사용하는 대신, 앞서 설명 모두가 VBG(76)에 적용될 수 있다. 성형기로서 VBG 압축기(76)의 사용은 외부 및 내부 응력에 비교적 쉽게 취약한 FBG에 통상적인 단점을 피한다. VBG(76)에 열 및 변형 응력을 선택적으로 적용하는 상황에서 다양한 구조적 변형이 사용될 수 있다. 예를 들어, 도 7에 도시된 바와 같이, VBG의 각각의 저부 세그먼트에 열적으로 결합된 다수의 TEC 또는 저항기를 사용하여 CRT 방법에 따라 이 격자의 원하는 세그먼트에 선택적으로 영향을 줄 수 있다. 도 12에 도시된 바와 같이, 압전 요소(71)의 어레이가 열 작동기 대신 사용될 수 있다.

이제, 개시된 성형기의 다양한 구조적 구성이 설명되었으므로, CRT 방법은 펄스 성형기 교정을 필요로 한다는 것을 기억할 필요가 있다. 특히, 성형기는 채널/세그먼트 대 파장 교정이 필요하며 온도 튜닝과 유도된 위상 변화 사이의 관계를 설정한다. 본 발명의 범위 내에서 이용되는 펄스 성형기 교정 방법은 레이저 기술 분야의 숙련자에게 공지된, 그리고, 본 발명의 펄스 성형기에 비추어 바로 아래에서 간단하게 설명된 변조 위상 편이(MPS) 기술에 기초한다.

도 13은 통상적인 변조 위상 편이 방식 또는 GTS(Grating Test Station)를 도시한다. 이는 원하는 대역폭, 예를 들어 1020-1040 nm 내의 연속파(CW) 단일 주파수 튜닝 가능 레이저를 포함한다. 광학 출력은 전기 광학 변조기(EOM)에서 무선 주파수에 의해 변조된다. 광학 출력은 기준 아암과 위상 편이에 영향을 미치는 FBG 펄스 성형기(56)를 향하여 광을 전향시키는 서큘레이터가 제공된 다른 아암 사이의 분할기에서 분할된다. 각각의 아암에 결합된 광검출기는 수신된 광을 측정하고, EOM에 결합된 RF 증폭기를 통해 측정 차이를 출력하는 벡터 네트워크 분석기에서 결정된, 그 사이의 위상 편이를 갖는 전기 신호를 출력한다. 결정된 전기 위상 편이는 광학 그룹 지연(GD)(또는 그룹 지연 분산 GDD)과 상관되며, 이는 한 번(GDD에 대해 2회) 적분될 때 측정된 광학 위상 편이를 초래한다.

도 13의 위상 편이 방식을 이용하면, 다수의, 예를 들어, 4개의 가열된 채널에 대한 데이터에 기초한 선형 적합 및 보간이 결정된다. 도 14에서 알 수 있는 바와 같이, 테스트된 성형기 상의 각각의 채널/세그먼트(이 예에서는 28)는 각각의 파장에 대응한다.

위상-온도 교정의 경우, 채널당 상 변화는 온도 차이에 비례한다고 가정한다. 이는 사용자가 비례 인수를 초기에 추측할 수 있게 한다. 이 인수를 사용하여, 소정량의 그룹 지연 분산(GDD)에 대한 위상 마스크가 생성되고 CFBG 펄스 성형기(56)로 인코딩된다. 위상 편이 방법은 도 15에 적색 선으로 도시된 바와 같이 실제 GDD를 측정하기 위해 사용된다. 추측(도 13의 점선)과 측정된 GDD 값 사이의 불일치는 비례 인수(PF)에 대한 초기 추측을 조절하는 데 사용된다.

앞서 설명한 내용에 기초하여, 해야 할 일은 도 4의 (c)의 스펙트럼 위상을 온도로 변환하는 것이다. 이는 결정된 비례 인수에 의해 도 4의 (c)의 위상 값의 분할을 제공하는 제어기(74)에 의해 자동으로 수행된다. 또한, 파장과 각각의 세그먼트 사이의 관계도 결정되었다. 결과적으로, 세그먼트(78)는 각각의 냉각기에 의해 선택적으로 제어 가능하게 가열되어 각 주파수에 대한 위상 편이를 조절하여 성형된 펄스가 페데스탈로부터 실질적으로 자유롭고 변환 제한 펄스의 형상에 근접하는 형상을 갖게 된다.

공지된 바와 같이, CRT/MPH 기술에 대한 앞서 설명한 설명에 비추어 압전 작동기로 동작하는 본 발명의 성형기의 도시된 실시예를 간단히 다시 살펴보면, 압전은 전압만을 필요로 한다. 따라서, 이 경우의 교정은 위에서 설명된 바와 동일한 파장 대 채널/세그먼트 의존성 및 온도 대 위상 관계 대신에, 앞서 개시된 기술에 의해 실현되는 전압 대 위상 의존성을 포함한다.

도 16은 개시된 구조 및 방법이 초단 펄스의 형상을 어떻게 크게 개선하는 지를 도시한다. 모드 잠금 레이저, 선택적인 증폭 스테이지, 분산 요소 및 분산 요소 중 하나와 폐쇄 루프를 형성하는 펄스 성형 유닛을 포함하는 앞서 개시된 CPA 레이저 시스템은 하우징 내에 패키징되며 독립형 유닛으로서 사용될 수 있다.

요약하면, 레이저 시스템에서 추가적인 광학 손실을 추가하지 않는, 개시된 견고한 펄스 성형기가 개발되었다. 레이저 출력에서 최대 100μJ 에너지를 갖는 펄스가 < 300fs로 압축된다. 제어 채널의 수를 증가시킴으로써 페데스탈 억제의 추가 개선이 가능한 것으로 고려된다. 또한, IPG Photonics에서 개발 중인 다중 채널 열전 냉각기를 기반으로 한 펄스 성형기의 경우 더 빠른 응답 시간이 예상된다. 다른 레이저 구성은 출력 펄스 에너지를 더 스케일링하기 위해 이러한 장치로부터 이익을 얻을 수 있다.

본 개시내용이 개시된 예에 관하여 설명되었지만, FROG를 포함하는 다른 펄스 성형 시스템, 또는 가열 및 변형 구성요소의 조합, 및/또는 전체 FBG 또는 전체 VBG를 사용하는 것 또는 신장기 및 성형기 양자의 튜닝 또는 앞서 개시된 실시예에 대한 임의의 다른 추가 같은 다양한 변형이 다음의 청구범위의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 레이저 분야의 숙련자에게 명백할 것이다.

Claims

근사 변환 제한(TL) 나노초미만(sub-ns) 펄스를 경로를 따라 방출하는 모드 잠금 레이저 소스, TL 펄스를 신장시키는 제1 브래그 격자(BG), 및 처프 펄스를 재압축하는 제2 BG로 구성된 처프 펄스 증폭(CPA) 레이저 시스템의 출력에서 변환 제한 나노초미만(sub-ns) 펄스를 생성하는 방법이며,
제1 또는 제2 BG 중 적어도 하나를 교정하는 단계로서, 교정된 BG는 복수의 이격된 세그먼트를 갖고, 교정은
하나의 BG에 걸쳐 세그먼트 대 주파수 대응성을 결정하는 단계, 및
하나의 BG에 걸쳐 온도 대 스펙트럼 위상 의존성 또는 전압 대 스펙트럼 위상 의존성을 결정하는 단계를 포함하는, 교정 단계;
각각의 압축된 펄스의 스펙트럼에 걸쳐 각 세그먼트에 대한 위상 보정을 계산하여 원하는 전압 또는 온도 프로파일을 얻는 단계; 및
원하는 온도 또는 전압 프로파일을 하나의 BG에 적용함으로써, 세그먼트를 선택적으로 작동시켜 하나의 BG를 튜닝하여 근사 변환 제한 압축 나노초미만 펄스를 출력하는 단계를 포함하는, 방법.
제1항에 있어서, 튜닝 가능한 하나의 BG의 교정은 변조 위상 편이 방법을 사용하여 수행되어 세그먼트 대 주파수 및 온도 대 스펙트럼 위상 또는 전압 대 스펙트럼 위상 의존성을 결정하는, 방법.
제2항에 있어서, 온도 또는 전압 대 스펙트럼 위상 의존성은 세그먼트마다 다르거나 모든 세그먼트에 대해 균일한, 방법.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 위상 보정 계산은 다광자 인트라펄스 간섭 위상 스캔(MIIPS), 처프 반전 기술(CRT) 또는 d-스캔을 이용하는, 방법.
처프 펄스 증폭(CPA) 레이저 시스템이며,
스펙트럼 대역폭을 가지며 경로를 따라 전파되는 근사 변환 제한(TL) 나노초미만(sub-ns) 펄스를 출력하도록 동작하는 모드 잠금 레이저;
모드 잠금 레이저로부터 하류에 이격된 제1 브래그 격자(BG)로서, 제1 BG에 결합된 TL 나노초미만 펄스를 신장시키도록 작동하는, 제1 브래그 격자;
제1 BG로부터 하류에 이격되고 신장된 펄스를 재압축하도록 동작하는 제2 BG - 제1 또는 제2 BG 중 하나는 대역폭의 각각의 파장에 대응하는 복수의 튜닝 가능한 세그먼트로 구성됨 - ;
각각의 세그먼트에 결합된 작동기의 어레이; 및
펄스 성형 유닛으로서, TL 나노초미만 펄스의 파장으로부터의 압축된 펄스의 대역폭의 각 파장에 대한 스펙트럼 위상의 편차를 결정하고 하나의 BG의 각각의 세그먼트 상의 스펙트럼 위상 변화를 선택적으로 제어 가능하게 유도하여 대역폭의 각 파장에 대한 스펙트럼 위상을 TL 나노초미만 펄스의 스펙트럼 위상으로 조절하는 작동기의 어레이에 결합되는 보정 신호를 출력하도록 동작하는, 펄스 성형 유닛을 포함하는, CPA 레이저 시스템.
제5항에 있어서, 제1 및 제2 BG는 각각 처프 섬유 브래그 격자(CFBG) 또는 볼륨 브래그 격자(VBG)인, CPA 레이저 시스템.
제5항 또는 제6항에 있어서, 하나의 BG는 압축된 펄스에 걸친 미리 결정된 주파수 대 세그먼트 의존성 및 스펙트럼 위상 대 온도 또는 스펙트럼 위상 대 전압 의존성을 갖도록 교정되는, CPA 레이저 시스템.
제5항 또는 제6항에 있어서, 펄스 성형 유닛은 CRT 방식, MIIPS 방식 또는 d-스캔 방식에 기초한 측정 유닛을 포함하는, CPA 레이저 시스템.
제5항 또는 제6항에 있어서, 작동기는 각각 가열 요소 또는 압전 요소를 포함하는, CPA 레이저 시스템.
제5항 또는 제6항에 있어서, 하나의 BG는 작동기의 어레이를 지지하는 베이스, 및 작동기에 각각 결합된 복수의 이격된 세그먼트로 구성되는, CPA 레이저 시스템.
제5항 또는 제6항에 있어서, 모드 잠금 레이저, 제1 및 제2 BG 및 펄스 성형 유닛을 수용하는 하우징을 더 포함하는, CPA 레이저 시스템.
제5항 또는 제6항에 있어서, 모드 잠금 레이저는 제1 및 제2 BG가 측면에 있는 하나 이상의 증폭 스테이지를 갖는 마스터 발진기 파워 증폭기 구조를 가지며, 파워 증폭기는 섬유 증폭기, 및 결정 호스트 희토류 이온 도핑 증폭기로 구성되는 그룹으로부터 선택되는, CPA 레이저 시스템.
제5항 또는 제6항에 있어서, 하나의 BG는 각각의 세그먼트에 결합된 복수의 저항기를 더 포함하는, CPA 레이저 시스템.
제5항 또는 제6항에 있어서, 하나의 BG는 베이스 상에 장착된 단일 중앙 컬럼, 베이스의 측면에 있고 중앙 세그먼트에 결합된 복수의 측면 세그먼트, 및 인접한 세그먼트 사이에서 연장되는 복수의 탄성 구성요소로 구성되는, CPA 레이저 시스템.
제5항 또는 제6항에 있어서, 하나의 BG는 CFBG 또는 VBG를 지지하고 각각의 작동기에 결합된 연속 판을 더 포함하는, CPA 레이저 시스템.