KR102471958B1 - 광대역 출력을 가지는 튜닝가능한 라이트 소스 - Google Patents

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Abstract

라이트 소스는, 특히 광대역 펌프 소스, 광학 파라메트릭 발진기(optical parametric oscillator; OPO) “G 적어도 하나의 추가적인 논리니어 프로세스를 활용함으로써 매크로스코픽 파워의 튜닝가능한 라이트를 제공한다. 라이트 소스는 특히 1.1㎛ 미만의 파장으로 매크로스코픽 파워의 튜닝가능한 광대역 방출을 만들어낼 수 있다.

Description

광대역 출력을 가지는 튜닝가능한 라이트 소스
본 출원은 "광대역 출력을 가지는 튜닝가능한 라이트 소스(TUNABLE LIGHT SOURCE WITH BROADBAND OUTPUT)"라는 제목으로 2017년 9월 21일자로 출원된 미국 특허 출원 제62/561,413호, 및 "광대역 출력을 가지는 튜닝가능한 라이트 소스(TUNABLE LIGHT SOURCE WITH BROADBAND OUTPUT)"라는 제목으로 2017년 11월 10일자로 출원된 미국 특허 출원 제15/809,624호의 이익을 주장하며, 그 명세서 내용은 그 전체로 본 명세서에 참조사항으로 통합되어 있다.
본 발명은 대체로 매크로스코픽 파워의 튜닝가능한 라이트를 제공하는 라이트 소스(light source; 광원)에 관한 것이고, 더욱 상세하게는, 특히 1.1㎛ 미만의 파장으로 매크로스코픽 파워의 튜닝가능한 광대역 방출을 만들어내기 위하여 광대역 펌프 소스(broadband pump source), 광학 파라메트릭 발진기(optical parametric oscillator; OPO) “G 적어도 하나의 추가적인 논리니어 프로세스(nonlinear process)를 활용하는 라이트 소스에 관한 것이다.
광학 파라메트릭 발진기(OPO)는 레이저의 방사선에 필적하는 속성을 가지는 방사선을 방출하는 라이트 소스이다. OPO는 짧은 파장 펌프 광자들을 2개의 긴 파장 광자들, 즉 시그널 및 아이들러 광자들로 쪼개는 논리니어 디바이스이다. 시그널 및 아이들러 광자들의 파장들은 서로 독립적이지만, 파장이 튜닝될 수 있다.
도 1에 나타나 있는 바와 같이, OPO는 2차 비선형 광학 상호작용을 통해서 주파수(ωp)를 가지는 입력 레이저 웨이브("펌프(pump)")를 낮은 주파수(ωs, ωi)의 2개의 출력 웨이브들로 전환시킨다. 출력 웨이브들의 주파수들의 총합은 입력 웨이브 주파수와 같다(ωs+ωi=ωp). 역사적인 이유로, 높은 주파수(ωs)를 가지는 출력 웨이브는 시그널(signal)로 지칭되고, 낮은 주파수(ωi)를 가지는 출력은 아이들러(idler)로 지칭된다. OPO가 모든 입력 에너지를 시그널 및 아이들러로 전환시키지 않기 때문에, 잔여 펌프 웨이브 또한 출력된다.
OPO들은 광학 공진기(optical resonator)를 필요로 하지만, 레이저와 대비하여 OPO들은 자극되는 방출로부터가 아니라 논리니어 크리스탈에서의 직접 주파수 변환에 기초하고 있다. OPO들은 입력 라이트 소스(펌프)를 위한 파워 한계(power threshold)를 보여주는데, 이 파워 한계 아래에서는 시그널 및 아이들러 대역들 안에 무시할 만한 출력 파워가 있다.
OPO들은 광학 공진기(캐비티)와 비선형 광학 크리스탈을 포함한다. 광학 캐비티(optical cavity)는 라이트 웨이브들을 위한 공진기를 형성하는 거울들이 있는 배열이다. 캐비티 안에 구속된 라이트는 논리니어 크리스탈을 통한 멀티-패스(multi-pass)라는 결과를 초래하도록 수회 반사된다. 광학 캐비티는 시그널 및 아이들러 웨이브들 중 적어도 하나를 공진시키는데 이용된다. 비선형 광학 크리스탈에서, 펌프, 시그널 및 아이들러 빔들은 중첩한다.
종래의 레이저는 한정된 고정 파장들을 만들어내는데 반해, OPO들이 바람직할 수 있는데, 이는 (위상 정합을 통해서) 에너지 보존과 운동량 보존에 의해 결정되는 시그널 및 아이들러 파장들이 넓은 범위들에서 달라지게 될 수 있기 때문이다. 그러므로, 레이저로부터 획득하기가 어려울 수 있는, 예컨대 중적외선(mid-infrared; MIR), 원적외선(far-infrared; FIR) 또는 테라헤르츠 스펙트럼 영역에서 파장들에 액세스하는 것이 가능하다. 추가로, OPO들은, 예컨대 위상-정합 조건을 변경시킴으로써 넓은 파장 튜닝가능성을 허용한다. 이는, 예컨대 레이저 분광(laser spectroscopy)을 위하여 OPO들을 유용한 툴로 만든다. 추가적인 논리니어 프로세스들을 활용하는 것은, 액세스가능한 파장들(예컨대 근적외선(near-infrared; NIR), 가시광선(visible; VIS) 및/또는 자외선(ultraviolet; UV) 스펙트럼 영역들)의 범위를 더 늘릴 수 있다.
추가로, 스펙트럼적으로 필터링된 플라즈마 소스 및 수퍼컨티늄 화이트 라이트 레이저와 같은 종래의 라이트 소스가 이용가능하지만, 이러한 라이트 소스들은 빈약한 광자 (에너지) 효율(통상적으로 수 mW 출력 파워 퍼(per) nm)을 겪는다. 다른 한편으로, OPO/ 비선형 광학(nonlinear optics; NLO) 기술은 10 mW보다 더 큰, 더 좁은 대역 출력 파워들을 가지는 상당히 더 높은 에너지 효율을 제공할 수 있다. 그러므로, 수퍼컨티늄 및 플라즈마 소스는 (더 좁은 대역폭을 필요로 하는 많은 적용처를 위하여) 부분들이 컷 오프되는 넓은 스펙트럼을 만들어내는데 반해, OPO들은 튜닝가능한 비교적 좁은 대역 출력를 만들어낼 수 있다(그래서 필터링함으로써 버려지는 파워가 없음). 따라서, 위에서 언급된 하나 이상의 단점들을 해결하려는 요구가 당해 기술분야에 존재한다.
본 발명의 실시예들은 OPO 기술과 더불어 추가 NLO 프로세스들에 기초하여 연속파(continuous wave; cw) 라이트 소스를 제공한다. 특히, 통상적인 cw OPO 디바이스들은 긴 가간섭성 길이의 하이-파워 파장-튜닝가능한 근적외선 내지 중적외선(NIR 내지 MIR) 방사를 발생시키는데 사용되는데 반해, 본 발명은 짧은 NIR, VIS(가시광선)이나 심지어 UV( 자외선) 영역에까지 짧은 가간섭성 길이의 하이 파워 튜닝가능한 파장 방출을 제공할 수 있다. 특히, OPO 모듈은 광대역 펌프 소스를 활용하고, 2개의 파, 즉 긴 가간섭성 길이를 가질 수 있는 OPO 공진파(resonant OPO wave), 및 펌프 소스의 대역폭을 폭넓게 맞추는 짧은 가간섭성 길이의 비공진파(non-resonant wave)를 발생시키도록 구성되어 있다. 적어도 하나 이상의 인트라캐비티 논리니어 프로세스(intracavity nonlinear process)들(예컨대 총합 주파수 발생(sum frequency generation; SFG) 또는 OPO)은, 광대역이면서 펌프 소스보다 더 짧은 파장을 가지는 적어도 하나의 출력-빔을 만들어낸다. 요구되는 경우라면, 본 발명의 라이트 소스는 선택적 제 2 하이 파워 광대역 펌프 소스를 활용할 수 있다.
본 라이트 시스템들은 파장 민첩성(wavelength agility)과 하이 파워(high power)를 조합하는 방출 스펙트럼을 제공하며, 이는 현미경 및 바이오테크 산업을 포함하는 여러 가지 적용처들에서의 용법을 발견할 것이다.
본 발명의 다른 시스템, 방법 및 특징은 다음에 오는 도면들과 상세한 설명을 살펴보면 당해 기술분야에서의 통상의 기술자에게 자명하거나 자명해질 것이다. 본 명세서에 포함되어 있는 이러한 모든 추가적인 시스템, 방법 및 특징은 본 발명의 범위 내에 있으면서 첨부의 청구범위에 의해 보호되는 것으로 의도되어 있다.
첨부의 도면들은 본 발명의 추가 이해를 제공하기 위해서 포함되어 있고, 본 명세서에 통합되어 있으며, 본 명세서의 일부를 이루고 있다. 도면들에는 본 발명의 실시예들이 도시되어 있고, 발명의 설명과 함께 본 발명의 원리들을 설명하는데 이용된다. 도면들에 있는 구성요소들이 반드시 일정한 비율로 되어 있는 것은 아니고, 본 발명의 원리들을 명확하게 도시할 때 그 대신 강조되어 있다. 도면들에서, 각각의 유사한 구성요소는 유사한 번호로 참조되어 있다. 명확하게 하기 위하여, 모든 구성요소가 모든 도면에 표지되어 있는 것은 아니다.
도 1은 종래 기술 OPO의 전체적인 개략적인 다이어그램이다.
도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따라 하이 파워 펌프 소스(high power pump source)에 의해 펌핑되는 OPO 모듈의 개략적인 다이어그램이다.
도 3은 본 발명의 제 2 실시예에 따라 광학 증폭기(optical amplifier)와 로우-파워 라이트-소스(low-power light-source)에 의해 형성된 하이-파워 펌프 소스에 의해 펌핑되는 OPO 모듈의 개략적인 다이어그램이다.
도 4는 본 발명의 제 3 실시예에 따라 제 2 라이트 소스와 하이 파워 펌프 소스에 의해 펌핑되는 OPO 모듈의 개략적인 다이어그램이다.
도 5는 본 발명의 제 4 실시예에 따라 제 2 라이트 소스와 하이 파워 펌프 소스에 의해 펌핑되는 OPO 모듈의 개략적인 다이어그램이다.
도 6은 OPO 모듈을 펌핑하는데 사용될 수 있는 펌프 소스를 위한 일 예시의 더욱 상세한 개략적인 다이어그램이다. 펌프-소스는 멀티모드(a) 또는 광대역 출력(b)을 만들어낸다.
도 7은 튜닝가능한 스펙트럼 필터가 다음에 오는 예시적인 광대역 펌프 소스를 위한 더욱 상세한 개략적인 다이어그램이다.
다음에 오는 정의들은 본 명세서에 개시되어 있는 실시예들의 특징들에 적용되는 용어들을 해석하는데 유용하고, 본 발명의 범위 내에 있는 요소들만을 정의하는 것으로 되어 있다. 청구항의 범위 내에서 사용된 용어들에 관한 어떠한 제한도 의도된 것이 아니며, 또는 이로 인해 유래된 것도 아니다. 첨부된 청구범위 내에서 사용된 용어들은 적용가능한 기술분야의 범위 내에서 그 통상의 의미로만 제한되어서는 안된다.
보통, 1 이상의 종축 모드를 가지는 라이트-소스는 "멀티-종축 모드(multi-longitudinal mode)"로 지칭된다. 그러나, 본 발명의 범위 내에서 사용되는 바와 같이, "멀티-종축 모드"는 3보다 더 큰 다수의 종축 모드들을 지칭한다. 2 또는 3의 다수의 모드들은 이러한 맥락에서 "몇몇 싱글-모드(few single-mode)들"로 지칭될 수 있다.
본 발명의 범위 내에서 사용되는 바와 같이, "광대역(broadband)"은 300 GHz보다 더 큰 대역폭을 지칭하는데, 이는 다수의 종축 모드들, 확장된 싱글 라인(들) 또는 임의의 스펙트럼 분포에 의해 형성되었는지 여부와 무관하게 그러하고, 그리고 종축 모드 스크램블링 이전인지 이후인지 여부와 무관하게 그러하다. 이러한 맥락에서, 광대역, 넓은 선폭 및 넓은 스펙트럼 폭은 동일한 현상을 기술한다.
본 발명의 범위 내에서 사용되는 바와 같이, "종축 모드 스크램블링(longitudinal mode scrambling)"은 연속적으로 또는 호핑(hopping)을 통해서 모드들의 신속한 주파수-튜닝을 위한 방법을 지칭한다. 이러한 문맥에서, 모드들의 "신속한(fast)" 주파수 튜닝이라는 말은 적용처를 위하여 시기적절하게 소산될 수 있는 것보다 더 신속하다는 것을 의미한다. 모드들의 신속한 주파수 튜닝의 일 예시는 100 Hz보다 더 큰 반복률(repetition rate)이다(그러나 이는 예시일 뿐이며, 본 발명에서의 모드들의 신속한 주파수 튜닝이라는 말이 100 Hz보다 더 큰 값들로만 제한되는 것은 아니라는 점을 알 수 있음).
본 발명의 범위 내에서 사용되는 바와 같이, OPO는 대체로 펄스 OPO(pulsed OPO)가 아니라 연속파 OPO(continuous wave OPO; cw-OPO)를 지칭한다. 일반적으로, "연속파" 또는 "CW"는, 펄스 출력 빔(pulsed output beam)을 가지는 q-스위치(q-switched), 게인-스위치(gain-switched) 또는 모드 락(mode locked) 레이저와는 대조적으로 종종 "프리-러닝(free-running)"으로 지칭되는 연속적인 출력 빔을 만들어내는 레이저를 지칭한다.
본 발명의 범위 내에서 사용되는 바와 같이,더 짧은 NIR은 1.1 ㎛ 미만의 NIR 파장들을 지칭한다.
본 발명의 범위 내에서 사용되는 바와 같이, "거울(mirror)"은 적어도 하나의 반사 표면을 가지는 광학 요소를 지칭한다. 반사 표면은 한쪽 방향으로부터 수신되는 라이트(light; 광)를 반사할 수 있지만, 다른쪽 방향으로부터 수신되는 라이트를 전송할 수 있다. 반사 표면은 일부 파장들을 반사할 수 있고, 다른 파장들을 전송할 수 있다. 나아가, 반사 표면은 일부 파장들을 부분적으로 전송할 수 있고, 일부 파장들을 부분적으로 반사할 수 있다.
본 발명의 범위 내에서 사용되는 바와 같이, "매크로스코픽 파워(macroscopic power; 거시적 전력)"는 10mW보다 더 큰 파워 레벨(power level; 전력 레벨)을 지칭한다. 물론, 100mW보다 더 크거나 1W보다 더 큰 파워 레벨이 매크로스코픽인 것으로 여겨지는 것을 알 수 있다.
본 발명의 범위 내에서 사용되는 바와 같이, 적어도 하나의 펌프 소스, 및 적어도 하나의 펌프 소스의 "대역폭을 폭넓게 맞추는" OPO 모듈에 의해 만들어지는 방출은 펌프 소스에 대해 상대적인 OPO 공진파에 종속적이면서, 다음에 오는 경우들, 즉: (1) OPO 공진파가 (가장 통상적인) 펌프 소스보다 더욱 좁고, NLO-크리스탈들의 펌프-허용-대역폭이 펌프-대역폭보다 더 넓고, 이때 적어도 하나의 방출이 펌프 소스와 대략 동일한 대역폭(GHz 단위로 측정됨)을 가지는 경우; (2) OPO 공진파도 광대역이고, NLO-크리스탈들의 펌프-허용-대역폭이 펌프-대역폭보다 더 넓고, 이때 적어도 하나의 방출이 펌프 소스보다 더욱 큰 대역폭(GHz 단위로 측정됨)을 가지는 경우; (3) OPO 공진파가 펌프 소스보다 더욱 좁고, NLO-크리스탈들의 펌프-허용-대역폭이 펌프-대역폭보다 더 좁고, 이때 NLO-크리스탈들 중 어느 하나 또는 양자 모두의 허용 대역폭들이 상한을 방출 대역폭들로 세팅할 것인 경우; 중 임의의 것을 지칭한다.
이어서 본 발명의 실시예들을 참조하면, 그 예시들은 첨부의 도면들에 도시되어 있다. 가능하면, 동일한 참조 번호들이 도면들에서 사용되고, 그에 대한 설명은 동일하거나 유사한 부분들에 관한 것이다.
일반적으로, 본 발명의 실시예들은 더 짧은 NIR, VIS 및/또는 UV에서 짧은 가간섭성 길이(바람직하게는 0.5 mm 미만임)를 가지는 매크로스코픽 파워의 튜닝가능한 라이트를 만들어내기 위한 디바이스와 방법을 포함한다. 특히, 실시예들은, 추가적인 논리니어 프로세스들과 조합하여 OPO 기술과 함께 광대역 펌프 소스를 이용함으로써 이러한 라이트를 만들어낸다. 이는 종래의 OPO들과 대비되는데, 여기에서 통상적인 cw OPO 디바이스들은 긴 가간섭성 길이의 매크로스코픽-파워 파장-튜닝가능한 근적외선 내지 중적외선(NIR 내지 MIR) 방사를 발생시키는데 사용된다. 일부 실시예들에서, 본 발명은 광대역 펌프(예컨대 총 300 GHz 대역보다 더 큰 광대역 펌프)를 이용하여 OPO 모듈을 펌핑함으로써 원하는 방출을 달성할 수 있다. 본 발명의 라이트 소스는 제 1 펌프 소스의 파장과 상이한 파장을 가지는 제 2 OPO 펌프 소스를 선택적으로 활용할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, OPO 모듈은 OPO-발진 한계(OPO-oscillation threshold)를 넘어 펌핑된다. 예를 들어, OPO 모듈은 OPO-발진 한계의 약 2.5 배까지 펌핑될 수 있다. 이러한 펌프 파워는 싱글-종축 모드 OPO 공진파라는 결과를 초래할 수도 있다. 다른 실시예들에 따르면, OPO는, 예컨대 OPO-발진 한계의 2.5 배를 초과하여 펌핑될 수 있고, OPO-발진 한계의 약 3 배를 초과하거나 약 3.5 배를 초과하거나 약 4 배를 초과하거나 약 4.5 배를 초과하여 펌핑될 수 있고, 심지어 OPO-발진 한계의 약 5 배를 초과하여 펌핑될 수 있다. 실시예들에서, OPO-발진 한계의 약 2.5 배를 넘는 펌프-파워를 전달하는 하이 파워 펌프 소스를 활용하면, OPO 공진파의 멀티-종축 모드 오퍼레이션이 달성된다. 제한없는 예시로서, 대략 2W의 예시적인 OPO 발진 한계를 가정하면, 2 와트 내지 5 와트를 전달하는 하이-파워 펌프 소스는 싱글-종축 모드로 공진파를 유지할 수 있는데 반해, 5 와트보다 더 큰 하이-파워 펌프 레벨을 위하여 공진파는 멀티-종축 모드에 있는 상태로 그리고/또는 확장된 상태로 시작할 수 있다.
이어서 도면의 다양한 숫자들을 참조하면, 여기에서 유사한 참조 글자들은 유사한 부분들을 지칭하는데, 도 2에는 본 발명에 따르는 라이트 소스의 일 실시예가 나타나 있다. 나타나 있는 바와 같이, 하이 파워 펌프 소스(110)는 OPO 발진 한계를 넘는 파워 레벨을 가지는 OPO 모듈(150)을 펌핑하고, 이는 차례로 방출 스펙트럼을 만들어낸다. 다양한 실시예들에 따르면, 하이 파워 펌프 소스(110)는 공용 하이-파워 레이저나 다이오드, 또는 증폭된 다이오드나 레이저의 형태로 되어 있을 수 있다. 예시적인 실시예에 따르면, 하이 파워 펌프 소스(110)는 광대역 소스(예컨대 총 300 GHz 대역보다 더 큼)이다.
도 2에 도시되어 있는 바와 같이, OPO 모듈(150)은, 적어도 하나의 NLO-크리스탈(156)(SFG-프로세스 또는 OPO-프로세스를 위하여 구성될 수 있음)과 NLO-크리스탈(154)(OPO-프로세스를 위하여 구성될 수 있음) 안쪽에 발생되는 파들 중 하나를 위하여 적어도 공진하는 광학 공진기(152)를 포함한다. NLO-크리스탈들(154, 156) 양자 모두는, 특히 충분히 짧은 NLO-크리스탈들과 더불어 선택적으로 특별한 형상의 게인-커브를 활용함으로써(예컨대 빔 경로를 따라 멀티-그레이팅(multi-grating) 또는 처프-그레이팅(chirped-grating)을 가지는 강유전체 폴링 OPO 크리스탈(ferroelectrically poled OPO crystal)을 이용함으로써) 충분한 펌프-허용 대역폭이 제공되어 있다. 이는 방출 스펙트럼의 상세한 형상의 제어를 가능하게 할 수 있다. 예를 들어, 처프 폴링(chirped poling)을 가지는 크리스탈에서, 폴링 간격(poling period)은 OPO를 위한 펌프 허용 대역폭과 확장된 게인 커브라는 결과를 초래하는 빔-전파를 따라 약간 달라질 수 있다. 빔 경로를 따라 멀티-그레이팅을 가지는 크리스탈을 이용하는 것은, 상이한 폴링 섹션들과 관련된 게이-커브들의 수퍼-포지셔닝을 만들어낸다. 예를 들어, 하나의 크리스탈은 더 넓은 파장-튜닝을 위하여 몇몇 평행한 처프 영역이나 멀티-그레이팅 영역을 포함하고 있을 수 있다. 일부 실시예들에서, 빔 전파 방향에 대해 수직하면서 빔 전파 방향을 따라 폴링 간격 길이의 점진적인 변화를 가지는 처프-팬아웃 그레이팅(chirped-fanout grating)이 사용될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 본 발명의 라이트 소스는, (예컨대 공진파가 싱글-종축 모드에 있는 경우라면) OPO 모듈(150)의 방출 스펙트럼이 한쪽 부분에서 스펙트럼적으로는 싱글-종축 모드에 있을 수 있는 한편, OPO 모듈(150) 방출 스펙트럼의 다른 부분들이 하이 파워 펌프 소스(110)의 대역폭을 폭넓게 맞추도록 구성되어 있다. 후자는 펌프-웨이브를 수반하는 논리니어 프로세스들과 OPO 비공진파(non-resonant OPO wave)를 지칭한다. 추가로, OPO 공진파(resonant OPO-wave)를 수반하는 인트라캐비티 논리니어 프로세스들은 OPO 공진파의 하이 파워 때문에 매우 효율적이다. 예를 들어, 일부 OPO들을 위하여, OPO 공진파의 파워-레벨은 10W. 100W 또는 심지어 1000W를 초과할 수 있다. 광대역 펌프 소스를 수반하는 논리니어 프로세스들은 광대역 출력 발생을 가능하게 한다. 특히, 추가적인 논리니어 프로세스들을 통합함으로써, 액세스가능한 파장들(예컨대 근적외선, 가시광선 및/또는 자외선 스펙트럼 영역들)의 범위는 늘어나게 될 수 있다. 따라서, OPO 공진파와 펌프의 인트라캐비티 SFG는 한가지 바람직한 프로세스이다. 이 프로세스의 출력은 OPO 공진파와 함께 SFG를 위하여 다시 사용될 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 라이트 소스는, OPO 모듈(150)의 방출 스펙트럼이 모든 멀티-종축 모드에 있도록 구성되어 있다. 예를 들어, 공진파가 멀티-종축 모드에 있는 경우(예컨대 펌프 파워가 OPO 한계보다 2.5 배 더 큰 경우), 이때 OPO 모듈(150)은 모든 출력 웨이브들이 멀티-종축 모드에 있는 경우의 방출 스펙트럼을 제동하도록 구성될 수 있다.
추가로 나타나 있는 바와 같이, 선택적 제 1 스펙트럼 필터(130)는 하이 파워 펌프 소스(110)로부터의 스펙트럼 중 일부를 필터링하기 위해서 그리고/또는 하이 파워 펌프 소스(110) 출력의 스펙트럼 폭을 변경하기 위해서 하이 파워 펌프 소스(110)와 OPO 모듈(150) 사이에 배치될 수 있다.
OPO 모듈(150)은 이후 OPO 모듈(150)의 출력 측에 배치되어 있는 선택적 제 2 스펙트럼 필터(160) 쪽으로 라이트를 출력한다. 제 2 스펙트럼 필터(160)는 OPO-출력 스펙트럼 중 일부를 필터링하는데 사용되거나 OPO-출력의 스펙트럼 폭들을 변경하는데 사용될 수 있다. 그러므로 라이트 소스는 짧은 가간섭성의 매크로스코픽 파워 튜닝가능한 파장 및 튜닝가능한 대역폭 방출들을 제공한다.
도 3에는 본 발명에 따르는 라이트 소스의 다른 실시예가 도시되어 있다. 이 실시예는 도 2에 제시되어 있는 것과 유사하지만, 광대역 광학 증폭기(240)를 추가하는데, 광대역 광학 증폭기(240)는 OPO 모듈(150)과 라이트 소스(210)(또는 선택적 제 1 스펙트럼 필터(130)) 사이에 배치되어 있고, OPO-한계를 극복하기에 충분한 파워 레벨로 라이트 소스(210)(예컨대 100mW 이하, 또는 10mW 이하, 또는 심지어 그보다 더 낮은 파워-레벨을 가지는 레이저, 다이오드, 램프 또는 수퍼-컨티늄 소스일 수 있음)의 로우 파워 출력을 증폭시킨다. 증폭기의 하이-파워 출력은, 차례로 매크로스코픽 파워 튜닝가능한 파장 광대역 방출 스펙트럼을 만들어내는 OPO 모듈(150)을 펌핑한다.
도 2와 관련하여 기술되어 있는 실시예와 유사하게, 도 3의 OPO 모듈(150)은 NLO-크리스탈들(154, 156) 안쪽에 발생되는 파들 중 하나를 위하여 적어도 공진하는 광학 공진기(152)를 포함한다. 크리스탈들(154, 156)은 충분히 큰 위상-정합 대역폭(phase-matching bandwidth)이 제공되어 있다. OPO 모듈(150)은 이후 OPO-출력 스펙트럼/SFG-출력 스펙트럼 중 일부를 필터링하는데 사용되거나 OPO-출력/SFG-출력의 스펙트럼 폭들을 변경하는데 사용될 수 있는 선택적 제 2 스펙트럼 필터(160) 쪽으로 라이트를 출력한다.
도 4에는 본 발명에 따르는 라이트 소스의 다른 실시예가 도시되어 있다. 이 실시예는 도 2에 제시되어 있는 것과 유사하며, 추가적인 라이트 소스(320)가 있다. 도 2와 관련하여 설명되어 있는 바와 같이, 하이 파워 펌프 소스(310)(예컨대 공용 하이-파워 근적외선(NIR) 레이저 또는 증폭된 다이오드나 레이저)는, 차례로 매크로스코픽 파워 튜닝가능한 파장 광대역 방출 스펙트럼을 만들어내는 OPO 모듈(150)을 펌핑한다.
도 4에 도시되어 있는 바와 같이, OPO 모듈(150)은 적어도 하나의 NLO-크리스탈(156)(SFG-프로세스 또는 다른 OPO 프로세스를 위하여 구성될 수 있음)과 NLO-크리스탈(154)(하나의 OPO-프로세스를 위하여 구성될 수 있음) 안쪽에서 발생되는 파들 중 적어도 하나를 위하여 공진하는 광학 공진기(152)를 포함한다. NLO-크리스탈들(154, 156) 양자 모두는 특히 충분히 짧은 NLO-크리스탈을 활용함으로써 충분한 넓은 위상-정합 대역폭이 제공되어 있다.
도 4에 도시되어 있는 실시예에서, 하이 파워 펌프 소스(310)는 중간 스펙트럼 필터없이 OPO 모듈(150) 쪽으로 직접 방출을 제공한다. 그러나, 요구되는 경우라면 하이 파워 펌프 소스(310)로부터의 스펙트럼 중 일부를 필터링하거나 출력되는 하이 파워 펌프 소스(310)의 스펙트럼 폭을 변경하기 위하여 스펙트럼 필터(미도시)가 OPO 모듈(150)과 하이 파워 펌프 소스(310) 사이에 배치될 수 있다는 점을 알 수 있다. 도 4에 나타나 있는 바와 같이, 선택적 스펙트럼 필터(330)는 추가적인 라이트 소스(320)로부터의 스펙트럼 중 일부를 필터링하거나 출력되는 추가적인 라이트 소스(320)의 스펙트럼 폭을 변경하기 위하여 OPO 모듈(150)과 추가적인 라이트 소스(320) 사이에 배치될 수 있다.
도 4에 추가로 도시되어 있는 바와 같이, 추가적인 라이트 소스(320) 방출은 NLO-크리스탈(156)만을 통과할 수 있다. 그러므로, 추가적인 라이트 소스(320)는 SFG 발생에서 사용되는 한가지 일 수 있다. OPO 모듈(150)은 이후 OPO-출력 스펙트럼/SFG-출력 스펙트럼 중 일부를 필터링하는데 사용되거나 OPO-출력/SFG-출력의 스펙트럼 폭들을 변경하는데 사용될 수 있는 선택적 스펙트럼 필터(160) 쪽으로 라이트를 출력한다.
다양한 실시예들에 따르면, OPO 모듈은 2개의 OPO 프로세스들을 구비할 수 있다. 이는 함께 출원 계속중인 미국 특허출원 제15/646,434호에 기술되어 있다(이 출원의 명세서 내용은 이로써 그 전체로 참조사항으로 통합되어 있음). OPO 모듈에 2개의 OPO 프로세스들을 제공함으로써, 광대역 펌프-소스가 사용되는 경우에는 광대역 OPO 비공진파 방출들이 제공될 수 있다.
도 5에는 2개의 OPO 프로세스들(OPO-1, OPO-2)을 활용하는 OPO 모듈의 매우 진전된 실시예가 도시되어 있다. OPO 크리스탈들 양자 모두는 개개의 하이-파워 광대역 펌프 소스들(P1, P2)에 의해 펌핑된다. 일부 실시예들에 따르면, 펌프 소스(P2)는 펌프 소스(P1)의 SHG일 수 있다. OPO-1과 OPO-2 양자 모두는 (보우-타이 링-공진기(bow-tie ring-resonator)와 같은) 공용 공진기(common resonator)를 가진다. OPO-1(=S1)의 공진파와 OPO-2(=I2)의 공진파는 실질적으로 같다. 제 3 NLO-프로세스(SFG-1)는 P1과 S1의 총합-주파수 발생을 활용한다. 제 4 NLO-프로세스(SFG-2)는 SFG-1과 S1의 총합-주파수 발생을 활용할 수 있다. 다음에 오는 출력 방출들은 광대역: I1, S2, SFG-1 및 SFG-2 인 것으로 예상된다.
가간섭성 길이(coherence length)를 줄이기 위한 추가 수단은 (펌프-빔의 종축 모드-스크램블링을 잠재적으로 가능하게 하는) 스펙트럼 필터나 펌프 소스의 부재들 또는 OPO 공진파 모드(들) 상의 디더(dither)로부터 생겨날 수 있다. 이러한 수단은 "멀티-모드 공진 OPO 기술에 기초하여 출력되는 멀티-종축 모드 연속파를 가지는 라이트 소스(Light Source With Multi-Longitudinal Mode Continuous Wave Output Based On Multi-Mode Resonant OPO Technology)"라는 제목으로 2017년 9월 21일자로 출원된 미국 가특허출원 62/561,428에 기술되어 있다(이 출원의 명세서 내용은 이로써 참조사항으로 통합되어 있음). 예를 들어, 공진파(들)를 스크램블링하기 위한 추가적인 스크램블링 수단은 OPO 모듈 내부에 제공될 수 있다. 이러한 스크램블링은 파장 선정 요소들 상에서의 신속한 디더링(dithering)이나 공진기-길이의 신속한 변화에 의해 일부 실시예들에서 달성될 수 있다. 추가적인 종축 모드 스크램블링도 마찬가지로 고려될 수 있다(예컨대 신속한 디더 캐비티 길이 또는 효율적인 에탈론-두께 또는 효율적인 강유전체 그레이팅 간격 길이. 후자 2가지는 기계적으로 또는 전기-광학적으로 행해질 수 있음). 이는 OPO 공진파의 종축 모드-스크램블링을 가능하게 할 것이다.
도 6에는, 하나의 공용 펌프 소스(예컨대 펌프 소스(110, 210, 320 등))를 형성하는 적어도 2개의 소스들(예컨대 레이저 다이오드(1)와 레이저 다이오드(2))의 출력들을 조합함으로써 펌프-소스의 가간섭성이 어떻게 줄어들게 될 수 있는지에 관한 일 예시가 나타나 있다. 도 6a에는, 약간 떨어진 2개의 파장 모드들이 어떻게 더해질 수 있는지가 도시되어 있다. 추가적인 신속한 파장 변조들은 확장된 출력이라는 결과를 초래한다. 이 도해에서, 예컨대 잠재적으로 똑같은 2개의 레이저 다이오드들은 전류에서의 역-위상(anti-phase)으로 스위핑되고 사용될 수 있다. 전류의 스위핑(sweeping)은 파장-스위프(wavelength-sweep)와 파워-스위프(power-sweep)라는 결과를 초래한다. 이 예시에서, 2개의 레이저 다이오드들의 중심-파장들은 약간 상이할 수 있다. 양호하게 동조되는 경우, 조합된 출력 대역폭이 종축-모드 스크램블링에 의해 확장되는 동안 조합된 출력의 파워를 거의 일정하게 유지시키는 것이 가능하다. 도 6b에는 2개의 광대역 소스들이 이미 조합되어 있는 단순한 경우가 디스플레이되어 있다. 이 구성에서, 2개의 레이저 다이오드들의 중심 파장들은 약간 상이하다. 결과적으로, 조합된 출력은 확장된다.
도 7에는, 튜닝가능한 필터(130)가 극단적 광대역 펌프-소스(예컨대 LED, 수퍼루미네선스 다이오드(superluminescence diode), 수퍼컨티늄 또는 다른 극단적 광대역 소스를 구비할 수 있는 펌프 소스(110, 210 등))의 출력-스펙트럼을 조작하는데 어떻게 사용될 수 있는지에 관한 일 예시가 나타나 있다. 도 7a)에 도시되어 있는 바와 같이, 튜닝가능한 필터(130)가 없는 극단적 광대역 펌프-소스(예컨대 펌프 소스(110, 210 등))의 방출 출력-스펙트럼은, 극단적 광대역 펌프-소스(예컨대 펌프 소스(110, 210 등)로부터의 출력이 도 7b)에 도시되어 있는 바와 같이 튜닝가능한 필터(130)를 통과하는 경우 방출 출력-스펙트럼의 그것보다 더 넓을 수 있다. 이 예시에서, 튜닝가능한 롱-패스(long-pass)와 숏-패스(short-pass)의 조합이나 튜닝가능한 밴드패스(bandpass)는 조작된 출력-스펙트럼을 제공하는데 사용될 수 있다.
그러므로, 본 발명은 짧은 가간섭성 길이를 가지는 매크로스코픽 파워의 튜닝가능한 라이트를 발생할 수 있는 라이트 소스를 제공한다. 특히, OPO-모듈이 (종래의 OPO와 비교되는 바와 같이) OPO 비공진파의 파장에서 줄어든 가간섭성 길이를 가지는 출력을 발생하도록, 광대역 펌프-소스는 OPO 모듈을 펌핑하는데 활용될 수 있다. 특히, OPO가 배경기술 단락에서 언급된 바와 같이 일반적으로 시그널 및 아이들러로 지칭되는 2개의 새로운 파들을 발생시키도록, 하이-파워 레벨을 가지는 펌프-소스는 OPO를 펌핑하는데 활용될 수 있다. OPO 캐비티는 2개의 새로운 파들 중 적어도 하나를 위하여 공진하며, 라이트-소스의 출력의 적어도 일부는 (바람직하게는 광대역 출력을 제공하는) 하이 파워 펌프 소스의 대역폭을 폭넓게 맞춘다. OPO 모듈은 (예컨대 멀티 폴링 크리스탈 칩(multi poling crystal chip)들을 이용함으로써 멀티 게인 피크(multi gain peaks)를 가지고, 또는 처프 강유전체 폴(chirped ferroelectric poling)링에 의해) 넓은 펌프 허용 대역폭과 확장된 게인-커브(gain-curve)를 가지는 NLO 크리스탈들이 제공될 수 있다. 추가적인 인트라캐비티 NLO 프로세스들(예컨대 제 2 OPO-프로세스나 공진파를 가지는 SFG)은 (통상적으로 10mW보다 더 큰, 가능하면 1W를 초과하는) 매크로스코픽 파워 레벨들과 상이한 파장들의 효율적인 발생이라는 결과를 선택적으로 초래할 수 있다. 시스템은 하이 파워 공진파와 혼합하기 위하여 제 2 하이 파워 광대역 소스를 선택적으로 이용할 수 있다. 요구되는 경우라면, 가변 스펙트럼 필터는 요구에 따라 대역 폭을 가능하게 하기 위해서 증폭기와 다이오드 사이에 놓이게 될 수 있다.
본 발명에 따르면, OPO 공진파를 수반하는 임의의 발생은 하이 파워 공진파 인트라캐비티 때문에 매우 효율적이다. 유리하게도, 본 발명의 라이트 소스는 더 짧은 NIR, VIS 또는 심지어 UV 파장 범위에서 방사선을 효율적으로 만들어낼 수 있다. 이러한 라이트 시스템은 현미경과 바이오테크를 포함하여 여러 가지 적용처들에 적합한 라이트를 발생시킬 수 있다.
전술한 것의 관점에서, 본 발명은 다음에 오는 청구범위와 그 균등범위 내에 있는 것으로 제공되어 있는 본 발명의 수정예들과 변형예들을 포함하고 있는 것으로 의도되어 있다.

Claims (32)

  1. 광대역 펌프 빔을 만들어내도록 구성되어 있는 광학 증폭기와 로우-파워 라이트 소스를 구비하는 적어도 하나의 펌프 소스;
    적어도 하나의 펌프 소스의 방출을 수신하면서 필터링하도록 배치되어 있는 종축 모드 스크램블러를 구비하는 스펙트럼 필터로, 파장 스펙트럼 필터, 대역폭 스펙트럼 필터, 및 파장 및 대역폭 스펙트럼 필터로 구성된 그룹 중 어느 하나인 스펙트럼 필터; 및
    스펙트럼 필터를 통해 적어도 하나의 펌프 소스로부터 라이트를 수신하고 OPO 프로세스를 통해서 제 1 출력 라이트 빔과 제 2 출력 라이트 빔을 만들어내도록 구성되어 있는 제 1 크리스탈, 및 OPO 공진파와 광대역 펌프 빔의 SFG-프로세스를 위하여 구성되어 있는 제 2 크리스탈을 포함하고 있는 광학 캐비티를 구비하는 광학 파라메트릭 발진기(Optical Parametric Oscillator; OPO);
    를 구비하는 라이트 소스로서,
    적어도 하나의 펌프 소스와 OPO 모듈은 적어도 하나의 펌프 소스의 대역폭을 폭넓게 맞추고 300 GHz를 초과하는 대역폭을 가지는 매크로스코픽 파워의 튜닝가능한 SFG 방출을 만들어내도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 라이트 소스.
  2. 제 1 항에 있어서,
    적어도 하나의 펌프 소스와 OPO 모듈은 적어도 하나의 펌프 소스보다 더 큰 대역폭을 가지는 매크로스코픽 파워의 튜닝가능한 광대역 방출을 만들어내도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 라이트 소스.
  3. 제 1 항에 있어서,
    적어도 하나의 펌프 소스와 OPO 모듈은 제 1 크리스탈 및 제 2 크리스탈 중 어느 한쪽 또는 양쪽 모두의 펌프 허용 대역폭에 의해 제한되는 최대 방출 대역폭을 가지는 매크로스코픽 파워의 튜닝가능한 광대역 방출을 만들어내도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 라이트 소스.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서,
    OPO 모듈은 매크로스코픽 파워의 튜닝가능한 광대역 방출을 만들어내기 위해서 OPO 공진파와 SFG 방출의 SFG를 위하여 구성되어 있는 제 3 크리스탈을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 라이트 소스.
  7. 제 1 항에 있어서,
    적어도 하나의 펌프 소스는 제 1 펌프 소스와 제 2 펌프 소스를 구비하고,
    제 2 펌프 소스만이 제 2 크리스탈을 펌핑하기 위하여 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 라이트 소스.
  8. 제 7 항에 있어서,
    제 2 펌프 소스는 제 1 펌프 소스의 제 2 고조파 발생기(second-harmonic generator)인 것을 특징으로 하는 라이트 소스.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 스펙트럼 필터는 제 1 펌프 소스 및 제 2 펌프 소스 중 어느 한쪽 또는 양쪽 모두의 방출을 수신하면서 필터링하도록 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 라이트 소스.
  10. 제 1 항에 있어서,
    종축 모드 스크램블러를 구비하는 필터는 광학 증폭기 이후에 배치되는 것을 특징으로 하는 라이트 소스.
  11. 제 7 항에 있어서,
    제 1 펌프 소스 및 제 2 펌프 소스 중 어느 한쪽 또는 양쪽 모두를 위하여 종축 모드 스크램블러를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 라이트 소스.
  12. 제 1 항에 있어서,
    로우-파워 라이트 소스는 적어도 2개의 라이트 소스들의 조합을 구비하고,
    2개의 라이트 소스들은 확장되는 조합된 출력 방출을 제공하도록 배열되어 있고,
    필터는 2개의 라이트 소스들 중 적어도 하나를 필터링하는 것을 특징으로 하는 라이트 소스.
  13. 제 12 항에 있어서,
    신속한 파장 변조 메커니즘을 더 구비하고,
    로우-파워 펌프 소스들 중 적어도 하나의 출력 방출은 신속한 파장 변조에 의해 확장되는 것을 특징으로 하는 라이트 소스.
  14. 신속한 파형 변조 메커니즘;
    광대역 펌프 빔을 만들어내도록 구성되어 있는 적어도 하나의 펌프 소스; 및
    적어도 하나의 펌프 소스로부터 라이트를 수신하고 OPO 프로세스를 통해서 제 1 출력 라이트 빔과 제 2 출력 라이트 빔을 만들어내도록 구성되어 있는 제 1 크리스탈, 및 OPO 공진파와 광대역 펌프 빔의 SFG-프로세스를 위하여 구성되어 있는 제 2 크리스탈을 포함하고 있는 광학 캐비티를 구비하는 광학 파라메트릭 발진기(Optical Parametric Oscillator; OPO) 모듈;
    을 구비하는 라이트 소스로서,
    적어도 하나의 펌프 소스와 OPO 모듈은 적어도 하나의 펌프 소스의 대역폭을 폭넓게 맞추는 매크로스코픽 파워의 튜닝가능한 광대역 방출을 만들어내도록 구성되어 있고, 적어도 하나의 펌프 소스는 적어도 2개의 펌프 소스들의 조합을 구비하고,
    2개의 펌프 소스들은 확장되는 조합된 출력 방출을 제공하도록 배열되어 있고, 펌프 소스들 중 적어도 하나의 출력 방출은 신속한 파장 변조에 의해 확장되고, 적어도 하나의 펌프 소스는 2개의 동조된 레이저 다이오드들을 구비하고,
    2개의 레이저 다이오드들의 출력 방출들은 개별적인 레이저 다이오드들의 출력 대역폭보다 더 넓은 출력 대역폭과, 실질적으로 일정한 파워를 가지는 조합된 출력 방출을 만들어내기 위해서 전류에서의 역-위상으로 스위핑되는 되는 것을 특징으로 하는 라이트 소스.
  15. 제 12 항에 있어서,
    적어도 하나의 펌프 소스는 광대역 로우-파워 펌프 소스인 것을 특징으로 하는 라이트 소스.
  16. 적어도 하나의 펌프 소스에 의해 펌핑되는 SFG 기술과, 조합된 광학 파라메트릭 발진기(optical parametric oscillator; OPO)를 사용함으로써 1.1㎛ 이하의 파장에서 300GHz보다 더 큰 광대역 방사선을 발생시키기 위한 방법으로서, 펌프 소스는 로우-파워 라이트 소스와 광학 증폭기, 및 로우-파워 라이트 소스의 방출을 수신하도록 배치되어 있는 스펙트럼 필터를 구비하고, 상기 방법은:
    제 1 크리스탈과 제 2 크리스탈을 포함하고 있는 광학 캐비티를 구비하는 OPO 모듈 쪽으로 광대역 펌프 빔을 펌프 소스에 의해 전달하는 단계로서, 제 1 크리스탈은 적어도 하나의 펌프 소스로부터 라이트를 수신하고 OPO 프로세스를 통해서 제 1 출력 라이트 빔과 제 2 출력 라이트 빔을 만들어내고, 제 2 크리스탈은 OPO 공진파와 광대역 펌프 빔의 SFG를 수행하는, 단계;
    를 구비하고,
    이로써 적어도 하나의 펌프 소스의 대역폭을 폭넓게 맞추는 매크로스코픽 파워의 튜닝가능한 광대역 방출을 만들어낼 수 있는 것을 특징으로 하고,
    상기 스펙트럼 필터는 파장 스펙트럼 필터, 대역폭 스펙트럼 필터, 및 파장 및 대역폭 스펙트럼 필터로 구성된 그룹 중 어느 하나인 방법.
  17. 적어도 제 1 펌프 소스와 제 2 펌프 소스에 의해 펌핑되는 광학 파라메트릭 발진기(optical parametric oscillator; OPO)를 사용함으로써 1.1㎛ 이하의 파장에서 300GHz보다 더 큰 광대역 방사선을 발생시키기 위한 방법으로서,
    제 1 펌프 소스를 통해서 펌프 빔을 만들어내는 단계;
    제 2 펌프 소스를 통해서 300 GHz보다 더 큰 광대역 펌프 빔을 만들어내는 단계로서, 광대역 펌프 빔은 제 1 펌프 소스의 펌프 빔보다 더 짧은 파장을 가지는, 단계; 및
    제 1 크리스탈과 제 2 크리스탈을 포함하고 있는 광학 캐비티를 구비하는 OPO 모듈 쪽으로 광대역 펌프 빔을 전달하는 단계로서, 제 2 크리스탈은 제 1 크리스탈의 파장과 같은 공진 파장, 및 300 GHz보다 더 큰 대역폭을 가지는 비공진파 방출을 가지는, 단계;
    를 구비하고,
    제 1 크리스탈은 제 1 펌프 소스로부터 라이트를 수신하고 OPO 프로세스를 통해서 제 1 출력 라이트 빔과 제 2 출력 라이트 빔을 만들어내고, 제 2 크리스탈은 제 2 펌프 소스의 펌프 빔의 OPO-프로세스를 위하여 구성되어 있고,
    이로써 적어도 하나의 펌프 소스의 대역폭을 폭넓게 맞추는 매크로스코픽 파워의 튜닝가능한 광대역 방출을 만들어낼 수 있는 것을 특징으로 하는 방법.
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