KR102474771B1 - 레이저 시스템 - Google Patents

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데쟌 스크라벨지
크란예츠 요지차
마트야즈 루카츠
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포토나 디.오.오.
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Abstract

본 발명은 레이저 시스템에 관한 것으로, 이 레이저 시스템은 제1 펄스 레이저 빔(3)을 생성하는 레이저 레조네이터(laser resonator)(2)를 구비한 제1 레이저 소스(1)를 포함하고, 상기 레이저 레조네이터(2)는 백미러(4), 아웃커플링 미러(5), 및 이들 사이의 능동 레이저 발생 매체(6)를 구비한다. 본 발명에 따르면, 상기 레이저 시스템은 제2 펄스 레이저 빔(8)을 생성하는 제2 레이저 소스(7)와 제1 광학 블록(9)을 더 포함하며, 제1 광학 블록(9)은 커플링 편광자(10) 및 제1 편광 회전자(11)를 포함한다. 상기 제1 광학 블록(9)은 능동 위치와 피동 위치 사이를 이동할 수 있고, 능동 위치에서 상기 제1 광학 블록(9)은 아웃커플링 미러(5)과 능동 레이저 발생 매체(6) 사이에 위치하여 커플링 편광자(10)가 제2 펄스 레이저 빔(8)을 제1 레이저 소스(1)의 레이저 레조네이터(2)로 커플링하고 제1 편광 회전자(11)는 아웃커플링 미러(5)와 커플링 편광자(10) 사이에 위치된다. 제1 광학 블록(9)의 능동 위치에서, 제1 광학 블록(9)과 백미러(4) 사이에 제2 편광 회전자(13)가 위치된다.

Description

레이저 시스템{LASER SYSTEM}
지난 몇 년 동안 나노초-미만의(sub-nanosecond) 범위에서 펄스들을 방출하는 레이저들은 피부과 시장에 진입했다. 피부 입자의 열 완화 시간은 입자의 크기에 비례한다. 나노초-미만 펄스(sub-ns pulse)는, 열 완화 시간(thermal relaxation time)이 나노초-미만 범위 내에 있는 작은 입자를, 수 나노초의 지속기간을 갖는 펄스보다 더 쉽게 분열시킨다. 그러나, 나노초-미만 펄스의 최대 에너지는 수백 mJ 정도로, J 범위에 쉽게 진입하는 나노초 범위의 펄스의 최대 에너지보다 작다. 따라서 더 큰 입자들은 나노초 펄스로 더 잘 분열될 수 있다. 따라서, 피부 입자들의 제거를 위한 최적의 레이저 장치는 이렇나 두 펄스 지속기간들 모두에서 작동할 수 있어야 한다.
줄(Joule) 범위 내의 에너지를 갖는 나노초 펄스는 예를 들어 표준 Q-스위칭 기술에 의해 레이저 발진기(laser oscillator)로부터 직접 추출될 수 있다. 레이저 발진의 소스는 이득 매질(gain medium) 내에서 자발적으로 방출된 광자들이다. 에너지 축적 단계 동안에 레이저 발진(laser oscillation)(프리레이즈)은 Q-스위치 요소에 의해 방지된다. Q-스위치 요소가 개방 상태로 전환된 후, 전방 공진기 미러 및 후방 공진기 미러 사이에서 레이저 발진이 이루어지며, 레이저 장치는 Q-스위치된 레이저 펄스를 방출한다. Q-스위치된 레이저 펄스는 부분 투과성 미러를 통해 아웃커플링된다.
나노초-미만 펄스들은 다른 기법들로 실현될 수 있다. 첫 번째 옵션은 일반적으로 두 개의 확산 접합된 결정들로 구성된 짧은 레이저 캐비티를 사용하는 것이며, 여기서 하나의 결정이 이득 매질 역할을 하고 다른 하나는 수동(passive) Q-스위치 역할을 한다. 로드(rod)의 면들은 공진기 미러들로 작용하는 반사 층들로 유전체 코팅된다. 능동(active) 매질의 부피가 작기 때문에 마이크로칩 캐비티로부터 추출가능한 펄스 에너지는 작고 통상 1 mJ 미만이다.
또 다른 접근법은 펄스 억제 기법을 구현하는 것이다. 하나의 옵션은 비선형 자화율 텐서 하이(non-linear susceptibility tensor hi)를 갖는 가스를 함유하는 셀 내로 레이저 펄스를 보내는 것이다. 펄스가 충분히 압착되면, 펄스는 역 방향으로 산란된다. 유도 브리유앵 산란(stimulated Brillouin scattering) 중 펄스 폭은 억제된다. 펄스 폭 억제는 두 개의 교차된 편광자들 사이에 삽입된 고속 포켈스 셀(EO 모듈레이터)에 의해서도 달성될 수 있다.
나노초-미만 펄스 발생에 사용되는 기법에 관계없이, 일반적으로 펄스의 에너지 증폭이 요구된다. 전력 증폭기에서 수백 mJ에 이르는 증폭을 달성할 수 있다. 초기 저전력 펄스 특성을 제공하는 마스터 발진기와 전력 증폭기의 결합은 MOPA(Master Oscillator Power Amplifier)로 약칭된다. 고 이득 시스템에서, 증폭 매질을 통한 펄스의 단일 통과(pass) 또는 이중 통과에 의해 충분한 증폭이 달성될 수 있다. 그러나, 증폭 매질의 이득 또는 시드 에너지가 작은 경우, 다중 통과가 필요하다. 다중 통과들은 재생 증폭기들 또는 특수한 MOPA 장치들에서 달성될 수 있다.
이중 통과 MOPA라고도 불리는 이중 통과 증폭기는, 일반적으로 커플링 편광자(polarizer), 이득 매질, λ/4파장판(waveplate) 및 후방 반사 미러로 구성된다. 편광자는 펄스를 증폭기 내로 반사시킨다. 펄스는 λ/4파장판이 뒤따르는 증폭 매질을 통과하고, 후방 미러 상의 반사 후에, 펄스는 λ/4파장판 및 증폭 매질을 다시 통과한다. λ/4파장판의 이중 통과는 펄스의 초기 편광을 90도 회전시키고 편광자는 증폭된 펄스를 아웃커플링한다(outcouples).
본 발명의 목적은 실질적으로 상이한 펄스 지속기간들을 갖는 두 개의 상이한 유형들의 펄스 레이저 빔들을 전달할 수 있는 레이저 시스템을 제공하는 것이다.
이러한 목적은 청구항 제 1 항에 따른 레이저 시스템에 의해 해결된다.
본 발명의 레이저 시스템은 제 1 펄스 레이저 빔을 생성하기 위한 레이저 공진기(resonator)를 갖는 제 1 레이저 소스를 포함하며, 상기 레이저 공진기는 후방 미러, 아웃커플링(outcoupling) 미러 및 중간에 활성 레이징 매질을 갖는다. 본 발명의 레이저 시스템은 제 2 펄스 레이저 빔을 생성하기 위한 제 2 레이저 소스 및 제 1 광학 블록을 더 포함한다. 제 1 광학 블록은 커플링 편광자 및 제 1 편광 회전자를 포함하고, 능동(active) 위치와 수동(passive) 위치 사이에서 전후로 이동가능하다. 그의 능동 위치에서, 제 1 광학 블록은 아웃커플링 미러와 활성 레이징 매질 사이에 위치되어, 커플링 편광자는 제 2 펄스 레이저 빔을 제 1 레이저 소스의 레이저 공진기 내로 커플링하고, 제 1 편광 회전자는 아웃커플링 미러와 커플링 편광자의 사이에 위치된다. 또한, 제 1 광학 블록의 능동 위치 내에서, 제 2 편광 회전자는 제 1 광학 블록과 후방 미러 사이에 위치된다.
본 발명은 원칙적으로 제 1 레이저 소스 및 제 2 레이저 소스에 의해 생성된 두 레이저 빔들의 임의의 펄스 지속기간들에 적합하지만, 바람직하게는 제 1 레이저 소스는 나노초 범위의 펄스 지속기간을 갖는 레이저 펄스들을 생성하도록 적응되는 반면, 제 2 레이저 소스는 바람직하게는 나노초-미만 범위, 특히 피코초 범위의 펄스 지속기간을 갖는 레이저 펄스들을 생성하도록 적응된다.
유사하게, 제 1 레이저 소스는 0.05 내지 200마이크로초의 긴 펄스 범위의 레이저 펄스들을 발생시키도록 적응될 수 있는 반면, 제 2 레이저 소스는 펌프 펄스 지속기간이 10마이크로초보다 길더라도 10마이크로초 미만의 짧은 펄스 범위의 펄스 지속기간을 갖는 레이저 펄스들을 발생시키도록 적응될 수 있다.
또한, 본 발명은 두 레이저 파장들 모두가 활성 레이징 매질에 의해 증폭된다면, 두 레이저 빔들의 상이한 파장들에 원칙적으로 적합하다. 예를 들어, Nd:YAG 레이저 결정이 활성 레이징 매질로 사용되는 경우, 두 개의 레이저 빔들 각각에 대해 적용가능한 파장들은 1064nm, 1320nm 및 1440nm이다.
본 발명의 범위 내에서 다른 펄스 지속기간들 및 파장들이 사용될 수 있음을 염두하며, 간략화를 위하여, "나노초(nanosecond)" 및 "나노초-미만(sub-nanosecond)"라는 용어는 본 발명이 결합하고자 하는 상이한 방식들(regimes)과 구성들을 구별하기 위해 이하에서 예시적으로 사용될 수 있다.
그의 수동 위치에서, 제 1 광학 블록은 레이저 공진기에 영향을 미치지 않는다. 제 1 레이저 소스의 레이저 공진기는 정적으로 위치된 구성요소들로 구성되며, 레이저 공진기는 일반적으로 종래 기술에서 알려진 바와 같이 동작하여서 특히 나노초 범위의 펄스 지속기간을 갖는 제 1 펄스 레이저 빔을 생성한다. 그러나, 상이한 펄스 지속기간들, 특히 나노초-미만 범위 내의 보다 짧은 펄스 지속기간들이 요구될 때, 제 1 광학 블록이 그의 능동 위치로 이동되는 동안, 레이저 공진기의 구성요소들은 그들의 이전의 변경되지 않은 위치 내에 여전히 존재한다. 제 1 광학 블록을 상기 공진기 내에 삽입함으로써, 아웃커플링 미러 및 활성 레이징 매질을 포함하는 원래의 공진기 구성요소들 및 기존의 공진기 구성요소들 중 적어도 일부가 이제는 다른 기능과 함께 사용된다. 이러한 상이한 기능에서 상기 구성요소들은 특히 나노초-미만 범위의 펄스 지속기간을 갖는 증폭된 펄스들을 생성하기 위해 현재 구성된 이중 통과 MOPA의 일부로서 사용된다.
제 2 레이저 소스의 시드 펄스, 바람직하게는 퀄리티(quality) 스위치된(Q-스위치된) 펄스는 특히 마이크로칩 마스터 발진기에서 생성된다. 마스터 발진기의 출력은 선형 편광되고 제 1 광학 블록 상의 편광자를 향하게 되고, 상기 편광자는 사익 출력을 레이저 공진기에 커플링하며, 이 레이저 공진기는 이제 전력 증폭기로서 작용한다. 제 1 펄스 증폭은 나노초 장치의 활성 레이징 매질을 통과할 때 달성된다. λ/4 파장판을 통과하고, 반사한 다음 λ/4 파장판을 두 번째로 통과하면, 레이저 펄스의 선형 편광이 90도 회전한다. 증폭 매질을 두 번째로 통과한 후에, 커플링 편광자는 다시 증폭된 펄스를 제 1 광학 블록의 제 1 편광 회전자를 향해 전송한다. 제 1 편광 회전자는 직선 편광을 원형 편광으로 변환한다. 이중 통과 증폭된 펄스 에너지의 일부는 원래의 나노초 레이저 공진기의 아웃커플링 미러를 통해 전달되는 반면, 다른 부분은 다시 증폭기 쪽으로 반사된다. 다음의 두 번째 통과에서, 제 1 광학 블록의 제 1 편광 회전자는 원형 편광을 선형 편광으로 변환한다. 편광은 이제 편광자의 투과 방향에 따라 90° 회전되고, 따라서 전력 증폭기로의 재진입이 방지된다.
증폭 매질의 다른 면 상에 추가적인 편광 회전자를 포함하는 레이저 캐비티 내의 커플링 편광자 및 편광 회전자를 포함하는 광학 블록의 삽입은 고유하다. 첫 번째 관점에서, 본 발명은 MOPA 장치 내에서의 증폭된 펄스의 에너지가, 편광자 회전자 및 공진기의 출력 측 상의 부분적으로 투과성인 출력 미러를 통과할 때 감소되기 때문에 특이한 방법을 따른다. 그러나, 상기 손실들에도 불구하고, 본 발명의 장치는 나노초 및 나노초-미만 장치의 광학 디커플링 측면에서 매우 양호함을 입증한다. 증폭 매질이 공유되더라도 두 장치들의 광학 설정들은 완전히 독립적이다. 따라서, 제 1 광학 블록은 몇 가지 필수 역할들을 갖는다:
처음에는, 제 1 광학 블록은 MOPA 장치 내의 전력 증폭기로 진입하는 펄스의 커플러 역할을 한다. 또한, 제 1 광학 블록은 전력 증폭기의 펌핑 단계(pumping phase)에서 자발적으로 방출된 광자들을 필터링한다. 자발적으로 방출된 광자들이 필터링되지 않으면, 광자들은 나노초 장치의 전방 및 후방의 공진기 미러 사이의 프리레이스(prelase)의 시작이 된다. 블록의 도움으로 프리레이스 동작에 대한 임계값이 높아지고, 드문 고 증폭률들(amplification factors)이 허용된다. 특히, 아웃커플링 미러는 수퍼-가우시안 반사율 프로파일을 갖는다. 바람직하게는, 아웃커플링 미러는 0.05 내지 0.2의 범위, 바람직하게는 0.07 내지 0.18의 범위, 및 특히 0.10 내지 0.15의 범위 내의 중심 반사율(central reflectivity)을 가지며, 반면에 활성 레이저 매질은 10 초과 및 바람직하게는 100 초과의 제 2 펄스 레이저 빔에 대한 증폭률들을 제공하도록 적응된다. 상기 범위들 내에서, 출력 미러는 나노초 범위 내의 정규 공진기 모드(regular resonator mode)에 대해 최적화되지만, 출력 미러는 나노초-미만 범위의 MOPA 모드에는 최적이 아니다. 이러한 사실과 단지 두 증폭 통과들에 대한 제한에도 불구하고, 그러나 상기 필터링 효과로 인하여, 10 초과 및 100 초과의 높은 증폭률들이 달성될 수 있다.
광학 블록 없이 등가의 증폭된 에너지를 얻기 위해, 나노초 장치의 아웃커플링 미러는 레이저 동작에 대한 임계값을 더 높게 하기 위해, 광학 경로로부터 제거될 필요가 있다. 분명히 나노초 장치의 안정성이 영향을 받을 것이다.
본 발명에 따르면, 나노초 장치 및 나노초-미만 장치의 광학 설정들은 두 변형들이 동일한 증폭 매질을 공유하지만 상호 영향을 미치지 않는다. 제 1 광학 블록은 나노초 장치의 광학 구성요소들을 제거할 필요없이 장치를 MOPA 동작 모드로 스위칭한다. 이로써, 아웃커플링 미러의 홀더 내에 부가적인 안정화 메커니즘들을 구현하지 않고서 나노초 장치의 안정적인 동작이 보장된다. 미러들과 증폭 매질은 임의의 이동 및 재조정 필요없이 정렬되고 조정된다. 나노초 아웃커플링 미러 뒤에 있는 나노초 및 나노초-미만 펄스의 빔 경로들은 동일하므로, 핸드 피스들 등과 같은 전달 수단을 조정없이 두 구성들에 사용할 수 있다.
또한, 제 1 광학 블록은 반사된 펄스가 두 번째 시간에 전력 증폭기로 진입하는 것을 방지하고, 따라서 광 경로 상의 가능한 광학 파괴(optical breakdown)를 방지한다. 그렇지 않으면 다음 두 통과들 내에서 증폭된 펄스가 마스터 발진기(마이크로칩 캐비티) 쪽으로 되돌아간다.
본 발명에서 사용된 편광 회전자들은, 이중 통과 이후의 레이저 빔의 편광 면이 90° 만큼 회전되면, 임의의 적절한 유형의 편광 회전자일 수 있다. 상기 효과를 달성하기 위해, 제 1 편광 회전자 및/또는 제 2 편광 회전자는 λ/4 파장판 또는 포켈스 셀(Pockels cell)인 것이 바람직하다.
MOPA 모드 또는 나노초-미만 모드에서 사용되는 제 2 편광 회전자는 자유 동작 공진기(free running resonator)의 편광 회전자 또는 수동 포켈스 셀(passive Pockels cell)일 수 있는 나노초 모드의 공진기 내에 이미 존재하는 편광 회전자일 수 있다. 이러한 분극 회전자가 나노초 모드의 공진기로부터 나노초-미만 MOPA 모드로 사용하기에 이용가능하지 않은 경우에, 레이저 시스템은 제 2 광학 블록을 포함하는 것이 바람직하며, 제 2 광학 블록은 상기 제 2 편광 회전자를 포함한다. 제 1 광학 블록과 유사하게, 제 2 광학 블록은 능동 위치와 수동 위치 사이에서 앞뒤로 이동가능하고, 그의 능동 위치에서 제 2 광학 블록은 제 1 광학 블록과 후방 미러 사이에 위치된다. 그의 수동 위치에서, 제 2 광학 블록은 레이저 공진기에 영향을 미치지 않고, 방해받지 않는 나노초 공진기 모드를 허용한다. 선택적인 전자-광학 Q-스위치는 고 전력 나노초 펄스들의 생성을 허용한다. 그의 능동 위치에서, 원하는 90° 편광 회전이 달성되며, 이로써 나노초-미만 MOPA 모드로의 동작이 가능하게 된다.
제 2 편광 회전자와 유사하게, MOPA 모드 또는 나노초-미만 모드로 사용되는 후방 미러는 이미 나노초 모드의 공진기 내에 존재하는 것과 동일한 후방 미러일 수 있다. 이러한 후방 미러가 전자-광학 Q-스위치 셋업의 경우에서와 같이, 나노초-미만 MOPA 모드로 사용되도록 나노초 모드의 공진기로부터 이용가능하지 않은 경우에, 제 2 광학 블록은 그의 제 2 편광 회전자 이외에 제 2 후방 미러를 포함하는 것이 바람직하다.
이러한 경우에, 그의 능동 위치 내의 제 2 광학 블록은 활성 레이징 매질과 후방 미러 사이, 바람직하게는 활성 레이징 매질과 Q-스위치 사이에 위치되며, 제 2 편광 회전자는 제 2 후방 미러와 활성 레이징 매질 사이에 위치된다. 이러한 방식으로 레이저 빔에 의한 제 2 편광 회전자의 반사 및 이중 통과는 나노초 공진기 모드로 셋업 및 동작을 방해하지 않으면서 나노초-미만 MOPA 모드로 달성된다.
제 2 레이저 소스가 나노초-미만 범위의 펄스 지속기간을 갖는 레이저 펄스들을 생성하도록 적응되고, 제 1 광학 블록이 그의 능동 위치에 있치되는 경우에, 레이저 공진기는 1 마이크로초 초과 및 특히 10 마이크로초 초과의 펌프 펄스 지속기간들에서 펌핑되도록 적응된다. 능동 증폭 레이징 매질의 적절한 펄스 타이밍과 함께, 개별적인 나노초-미만 펄스는 최적화된 고 이득 레벨에서 하나의 단일 증폭 레이징 매질 펄스 동안 전후로의 이중 통과에 허용된다. 레이저 내의 일반적인 완화 진동들은 약 100kHz 이상에 이른다. 이는 자발적인 방출로부터 고 강도 레이징까지의 일반적인 상승 시간(rise time)이 10마이크로초 이하임을 의미한다. 상승 시간은 매질을 포화시키고 시드 펄스가 도착하기 전에 이득 계수(gain factor) G를 줄일 수 있는 레이징에 대해 필요한 시간이다. 10마이크로초보다 짧은 지속기간 동안 펌핑되는 제 1 (기본) 레이저의 증폭 매질을 가정해본다. 이러한 경우, G>Gthr일 때조차도 레이저 강도가 높은 레벨들에 도달하지 않는다. 이득은 시드 펄스가 방출될 때 펌핑 펄스가 끝날 때까지 Gthr을 넘도록 계속 증가한다. 이러한 경우에, 미러 반사율(R)은 보다 높은 증폭들을 달성하는 데 있어서 장애를 나타내지 않을 것이다. 따라서, 본 발명은 1 내지 10 마이크로초를 초과하는 펌프 펄스 지속기간들에 가장 적합하다.
활성 레이징 매질은 제 1 펄스 레이저 빔을 생성하고 제 2 레이저 빔을 증폭하기에 적합한 임의의 레이징 매질일 수 있다. 바람직하게는, 활성 레이징 매질은 플래시램프 펌핑되고, 특히 Nd:YAG 결정 및 플래시 램프를 포함한다.
이는 본 발명의 레이저 시스템을 피부과학 및 다른 의학적 또는 미용적 용도들에 특히 적합하도록 한다.
잉여의 반사된 나노초-미만 레이저 에너지는 임의의 원하는 위치로 전달될 수 있다. 바람직하게는, 커플링 편광자의 출력 측 상에서, 레이저 에너지 덤프(laser energy dump)는 아웃커플링 미러 및 커플링 편광자로부터 반사된 레이저 에너지를 수신하도록 배치된다. 이러한 방식으로 잉여 에너지와 열은 제어된 방식으로 처리될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예는 예로서 도면에 도시된다. 이는 다음에서 도시된다:
도 1은 나노초 범위의 펄스 지속기간들을 갖는 제 1 펄스 레이저 빔, 및 수동 위치 내의 2 개의 추가적인 광학 블록들을 갖는 제 1 펄스 레이저 빔을 생성하기 위한 레이저 공진기를 갖는 공진기 구성의 본 발명의 레이저 시스템의 개략적인 블록도이다, 그리고
도 2는 제 2 펄스 레이저 빔을 증폭하기 위해 그들의 능동 위치로 이동된 2 개의 추가적인 광학 블록들을 갖는 MOPA 구성에서의 도 1의 레이저 시스템이다.
도 1은 제 1 펄스 레이저 빔(3)을 생성하기 위한 레이저 공진기(laser resonator)(2)를 갖는 제 1 레이저 소스(1) 및 제 2 펄스 레이저 빔(8,8')(도 2)을 생성하기 위한 제 2 레이저 소스(7)를 포함하는 본 발명의 레이저 시스템의 예시적인 실시예의 개략적인 블록도이다. 또한, 레이저 시스템은 제 1 광학 블록(9), 선택적인 제 2 광학 블록(12) 및 선택적인 레이저 에너지 덤프(optional laser energy dump)(21)를 포함하며, 그 기능은 도 2와 관련하여 기술된다. 도 1에서 레이저 시스템 및 특히 레이저 공진기(2)는 제 2 레이저 소스(7) 및 레이저 에너지 덤프(21)가 기능하지 않고, 제 1 광학 블록 및 제 2 광학 블록(9,12)이 모두 레이저 공진기(2)를 간섭하지 않으며 수동 위치에 있치하는 공진기 구성으로 도시되어 있다.
레이저 공진기(2)는 적어도 제 1 후방 미러(4), 아웃커플링 미러(5) 및 그 사이에 활성 레이징 매질(active lasing medium)(6)을 포함한다. 후방 미러(4)는 100%의 반사율을 가지지만, 출력 미러(5)는 부분적으로 투과성이어서, 바람직하게는 슈퍼-가우시안 반사율 프로파일(super-Gaussian reflectivity profile)을 갖는다. 후방 미러(4)의 바람직한 중심 반사율들(central reflectivities)은 0.05 내지 0.20의 범위, 더욱 바람직하게는 0.07 내지 0.18의 범위, 특히 0.10 내지 0.15의 범위이다. 도시된 바람직한 실시예에서, 부분적으로 투과성인 후방 미러(4)는 0,13의 중심 반사율을 갖는다. 활성 레이징 매질(active lasing medium)(6)은 플래시 램프 펌핑되고, 특히 Nd:YAG 결정(16) 및 플래시 램프(17)를 포함한다. 그러나, 다른 레이저 매질들(6)(예를 들어, Er:YAG 또는 알렉산드라이트 결정들) 및 펌핑 장치들)도 적합할 수 있다.
도 1의 도시된 공진기 구성에서, 제 1 레이저 소스(1)는 각각 나노초 범위, 보다 정확하게는 1나노초 내지 1마이크로초 범위 내의 펄스 지속기간을 갖는 레이저 펄스들을 갖는 제 1 펄스 레이저 빔(3)을 발생시키도록 되어 있다. 그러나, 다른 펄스 지속기간들, 특히 더 긴 펄스 지속기간들이 또한 바람직할 수 있다. 상기 펄스 생성을 달성하기 위해, 레이저 소스(1)는 활성 레이징 매질(6)와 후방 미러(4) 사이에 배치된 퀄리티 스위치(quality switch)(Q-스위치)(15)를 포함한다. Q-스위치(15)는 수동 Q-스위치일 수 있다. 본 바람직한 실시예에서, 포켈스 셀(22)의 레이징 매질 측 상에 포켈스 셀(Pockels cell)(22) 및 편광자(24)를 포함하는 전자-광학 Q-스위치(15)가 있다. 또한, 전기-광학 Q-스위치(15)는 후방 미러 포켈스 셀(22)의 측 상에 편광 회전자(polarization rotator)로서의 선택적인 λ/4-파장판(λ/4-waveplate)(23)을 포함한다. 그러나, 본 발명에서, Q-스위치(15)는 생략될 수 있으며, 그로 인해 자유 생성 모드로 공진기(2)를 사용한다. 콤팩트한 셋업을 위해, 2 개의 추가적인 각도 미러들(angular mirrors)(25)이 제공된다.
도시된 Q-스위치된 구성에서, 활성 레이저 매질(6)은 당업자에게 공지된 바와 같이 플래시 램프(17)에 의해 펌핑된다. 이는 레이저 발진의 시작인, 레이저 매질(6) 내에서 자발적으로 방출된 광자들을 유도한다. 제 1 에너지 축적 단계 동안, 상기 레이저 발진(프리레이스)은 포켈스 셀(22)에 의해 폐쇄되고 비투과 상태로 스위칭되는 Q-스위치(15)에 의해 방지된다. Q-스위치 소자가 개방 상태로 스위치된 후, 후방 미러(4)와 아웃커플링 미러(5) 사이에서 방출된 광자들의 레이저 발진의 투과 상태가 허용되고, 레이저 장치는 Q-스위치된 레이저 펄스를 방출한다. Q-스위치된 레이저 펄스는 상기 언급된 제 1 펄스 레이저 빔(3)과 같이 부분적으로 투과성의 아웃커플링 미러(5)를 통해 아웃커플링된다.
도 2는 본 발명의 이중 통과 MOPA(Master Oscillator Power Amplifier) 구성에서의 도 1의 레이저 시스템을 도시한다. 여기서, 앞에서 설명된 레이저 공진기(2)의 구성요소들, 특히 후방 미러(4), 아웃커플링 미러(5), Nd:YAG 결정(16) 및 관련된 플래시 램프(17)를 포함하는 활성 레이징 매질(6) 및 선택적인 Q-스위치(15)는, 그들의 위치를 변경하지 않아 이전에 달성한 정렬을 유지한다. 그러나, 제 1 광학 블록(9) 및 선택적인 제 2 광학 블록(12)은 도시되지 않은 적절한 메커니즘에 의해 도 1의 수동 위치로부터 도 2에 도시된 바와 같은 능동 위치로 이동된다. 일반적으로, 제 1 광학 블록 및 제 2 광학 블록(9,12)은 그들의 도 2의 능동 위치와 그들의 도 1의 수동 위치 사이에서 전후로 이동가능하여, 레이저 시스템 및 특히 레이저 공진기(2)를 도 2의 MOPA 구성과 도 1의 공진기 구성 사이에서 전후로 스위칭한다. 도시된 바람직한 실시예에서, 제 2 레이저 소스(7) 및 레이저 에너지 덤프(21) 모두는 변화들 없이 그들의 위치들을 유지한다. 그러나, 제 1 광학 블록 및 제 2 광학 블록(9,12)과 함께 제 2 레이저 소스(7) 및 레이저 에너지 덤프(21)를 앞뒤로 움직이는 것이 유리할 수 있다.
제 1 광학 블록(9)은 커플링 편광자(coupling polarizer)(10) 및 제 1 편광 회전자(first polarization rotator)(11)를 포함한다. 제 1 광학 블록(9)은 아웃커플링 미러(5)와 능동 결합 매질(6) 사이에 배치된다. 제 2 광학 블록(12)은 제 2 편광 회전자(13) 및 선택적인 제 2 후방 미러(14)를 포함한다. 제 1 광학 블록이 그의 능동 위치에 있을 때, 동시에, 제 2 광학 블록(12)도 그의 능동 위치에 있치되며, 이러한 능동 위치에서, 제 2 광학 블록은 그의 제 2 편광 회전자(13)를 포함하여, 제 1 광학 블록(9) 및 후방 미러(4) 사이에 위치된다. 제 2 광학 블록(12)이 추가적인 제 2 후방 미러(14)를 포함하지 않는 도시되지 않은 경우에, 제 2 편광 회전자(13)를 포함하는 제 2 광학 블록(12)은 활성 레이징 매질의 전방 측 상의 그의 능동 위치, 즉 제 1 광학 블록(9)과 활성 레이징 매질(6) 사이에 위치될 수 있다. 도시된 바람직한 실시예에서, 및 특히 제 2 광학 블록(12)의 일부인 제 2 후방 미러(14)에 있어서, 제 2 광학 블록(12)은 활성 레이징 매질(6)의 후방 측 상에, 즉 활성 레이징 매질(6)과 후방 미러(4)의 사이, 보다 정확하게는 활성 레이징 매질(6)와 선택적인 Q-스위치(15) 사이에 위치되어, 제 2 편광 회전자(13)가 제 2 후방 미러(14)와 활성 레이징 매질(6) 사이에 위치되도록 한다.
모든 언급된 편광 회전자들은 통과하는 레이저 빔의 선형 편광이 원형 편광으로 변환되고, 통과하는 레이저 빔의 원형 편광이 선형 편광으로 변환되는 반면 이중 통과는 선형 편광의 편광 평면을 90° 회전시키는 유형의 편광 회전자들이다. 이를 달성하기 위해, 제 1 편광 회전자 및 제 2 편광 회전자(11,13)는 λ/4 파장판들이다. 그러나, 포켈스 셀들(Pockels cells)과 같은 다른 적절한 수단이 또한 사용될 수 있다.
도시된 바람직한 실시예에서, 제 2 레이저 소스(7)는 제 2 레이저 소스(7)의 출력에서 선형으로 편광된 제 2 펄스 레이저 빔(8)을 생성하기 위해서, 마이크로칩 마스터 발진기(oscillator)(18)와 선택적인 확장 렌즈(19) 및 선택적인 패러데이 아이솔레이터(optional Faraday isolator)(20)를 포함한다. 그러나, 다른 적절한 유형들의 제 2 레이저 소스들(7)이 또한 선택될 수 있다. 예시적인 제 2 레이저 소스(7)는 나노초-미만 범위, 즉 피코초 범위 또는 심지어 1나노초 미만의 개별 펄스 길이를 갖는 더 짧은 펄스 지속기간을 갖는 레이저 펄스들을 갖는 제 2 펄스 레이저 빔(8)을 생성하도록 적용된다.
실제 사용 시에, 그러한 펄스들은 증폭을 필요로 하는데, 이를 위해서, 도 2의 MOPA 구성의 본 레이저 시스템이 사용된다. 따라서, 그의 능동 위치에서, 제 1 광학 블록(9)은 아웃커플링 미러(5)와 활성 레이징 매질(6) 사이에 위치되며, 이로써, 제 1 편광 회전자(11)가 아웃커플링 미러(5)와 커플링 편광자(10) 사이에 위치되면서, 커플링 편광자(10)는 제 2 펄스 레이저 빔(8)을 제 1 레이저 소스(1)의 레이저 공진기(2) 내로, 활성 레이징 매질(6)의 방향으로, 커플링한다..
제 2 레이저 빔(8)의 제 1 펄스 증폭은 활성 레이징 매질(6)을 통과할 때 달성된다. 빔이 제 2 편광 회전자(13)를 통과하면서, 선택적인 제 2 후방 미러(14) 또는 원래의 제 1 후방 미러(4)에서 반사하고, 이어서, 제 2 편광 회전자(13)를 두 번 통과하면서, 제 2 레이저 빔(8)의 선형 편광을 90°만큼 회전시킨다. 활성 레이저 매질(6)을 두 번째에 통과하자마자, 제 2 레이저 빔(8)의 각각의 펄스들은 추가로 증폭된다. 적어도 제 1 광학 블록(9)이 그의 능동 위치에 위치되는 본 MOPA 구성에서 목표 증폭을 달성하기 위해, 활성 레이징 매질(6), 및 특히 레이저 결정의 플래시 램프(17)는 1 마이크로 초 초과, 특히 10 마이크로 초 초과의 펌프 펄스 지속기간들(pump pulse durations)로 동작되도록 구성된다. 이로써, 제 2 레이저 빔(8)의 개별 펄스들이 최적의 에너지 및 증폭 레벨들에서 하나의 단일 레이징 매질 펄스 내에서 상기 이중 증폭 통과를 할 수 있으며, 여기서 바람직하게는 10 초과 및 특히 100 초과인 제 2 펄스 레이저 빔(8)의 증폭률들(amplification factor)이 선택된다. 상기 이중 증폭 후에 커플링 편광자(10)는 증폭된 제 2 레이저 빔(8)을 제 1 광학 블록(9)의 제 1 편광 회전자(11)를 향해 전송한다. 제 1 편광 회전자(11)는 선형 편광을 원형 편광으로 변환한다. 이중 통과 증폭된 펄스 에너지의 일부는 증폭된 제 2 레이저 빔(8')으로서 원래의 나노초 레이저 공진기(2)의 아웃커플링 미러(4)를 통해 전송되고, 다른 부분은 다시 증폭기 쪽으로 반사된다. 두 번째 통과 시에, 제 1 광학 블록(9)의 제 1 편광 회전자(11)는 원형 편광을 선형 편광으로 변환한다. 편광은 이제 커플링 편광자(10)의 투과 방향에 따라서 90°만큼 회전되고, 따라서 전력 증폭기로 재진입하는 것이 방지된다. 그 대신에, 상기 편광은 커플링 편광자(10)에서 반사되어 적절히 위치된 레이저 에너지 덤프(21)로 가게 된다.
도시된 바람직한 실시예에서, 제 1 레이저 소스(1) 및 제 2 레이저 소스(7)는 동일한 파장을 갖는 제 1 펄스 레이저 빔 및 제 2 펄스 레이저 빔(3,8,8')을 생성하도록 구성된다. 활성 레이징 매질(6)을 위한 Nd:YAG 결정(16)을 선택하면, 상기 파장은 현재 1064nm이다. 그러나, 상이한 파장이 제 1 펄스 레이저 빔 및 제 2 펄스 레이저 빔(3,8,8') 양자 모두에 대해 선택될 수 있다. 활성 레이징 매질(6)의 결정 재료, 제 1 후방 미러(4)의 반사 특성, 제 2 후방 미러(14)의 반사 특성 및 아웃커플링 미러(5)의 반사 특성, 커플링 편광자(10)의 특성들 및 제 1 편광 회전자(11)의 특성들 및 제 2 편광 회전자(13)의 특성들은 요구되는 파장에 대해 적응된다.
그러나, 본 발명에서, 제 1 펄스 레이저 빔 및 제 2 펄스 레이저 빔(3,8,8') 모두가 동일한 파장을 가질 필요는 없다. 특히, 몇몇 활성 레이징 매질들(6)은 다수의 상이한 파장들로 작동하는 능력을 가지며, 이러한 파장들 중 하나는 제 1 레이저 빔(3)을 위해서 선택되며, 이러한 파장들 중 또 다른 하나는 초기의 제 2 레이저 빔(8) 및 증폭된 제 2 레이저 빔(8')을 위해서 선택될 수 있으며, 이러한 바는, 제 2 레이저 소스(7), 제 1 후방 미러(4), 제 2 후방 미러(14) 및 아웃커플링 미러(5)가 이에 맞게 적절하게 구성되고 커플링 편광자(10)와 제 1 편광자 회전자(11) 및 제 2 편광자 회전자(13)의 특성들이 적절히 제공되면, 그러하다. 예를 들어, 현재의 Nd:YAG 결정(16)은 1064nm, 1320nm 및 1440nm에서 레이징(lasing)이 가능하다. 이로써, 예를 들어, 본 발명의 레이저 시스템이 도 1의 공진기 구성에서 1064 nm의 제 1 레이저 빔(3)으로 동작하고, 본 발명의 레이저 시스템이 도 2의 MOPA 구성에서는 1320nm 또는 1440nm의 제 2 레이저 빔(8)으로 동작할 수 있는데, 이러한 바는 제 2 레이저 소스(7)가 1320nm 또는 1440nm의 파장을 갖는 시드 또는 초기 제 2 레이저 빔(8)을 전송하는 경우에 그러하다.
제 1 펄스 레이저 빔 및 제 2 펄스 레이저 빔이 동일한 파장을 갖지 않을 때, 반사 미러(10)는 제 1 펄스 레이저 빔(3)에 대해 최적화되어야 하고, 4% 이하, 바람직하게는 0.5% 미만의 제 2 펄스 레이저 빔들(8,8')에 대한 반사율을 갖는다. 또한, 제 1 편광 회전자(11)는 제 1 펄스 레이저 빔(3)의 파장에 대해 최적화되어야 하고, 제 2 편광 회전자(13)는 제 2 펄스 레이저 빔들(8,8')의 파장에 대해 최적화되어야 한다.

Claims (15)

  1. 제 1 펄스 레이저 빔(3)을 생성하는 레이저 공진기(resonator)(2)를 갖는 제 1 레이저 소스(1)를 포함하고, 상기 레이저 공진기(2)는 후방 미러(4), 아웃커플링(outcoupling) 미러(5) 및 상기 후방 미러(4)와 아웃커플링 미러(5) 사이의 활성 레이징 매질(active lasing medium)(6)을 가지는, 레이저 시스템에 있어서,
    제 2 펄스 레이저 빔(8)을 생성하는 제 2 레이저 소스(7) 및 제 1 광학 블록(9)을 더 포함하며,
    상기 제 1 광학 블록(9)은 커플링 편광자(coupling polarizer)(10) 및 제 1 편광 회전자(polarization rotator)(11)를 포함하며,
    상기 제 1 광학 블록(9)은 능동(active) 위치와 수동(passive) 위치 사이에서 전후로 이동가능하며,
    상기 능동 위치에서, 상기 제 1 광학 블록(9)은 상기 아웃커플링 미러(5)와 활성 레이징 매질(6) 사이에 위치하여, 상기 커플링 편광자(10)는 상기 제 2 펄스 레이저 빔(8)을 제 1 레이저 소스(1)의 레이저 공진기(2)로 커플링하고 상기 제 1 편광 회전자(11)는 상기 아웃커플링 미러(5)와 커플링 편광자(10) 사이에 위치되며,
    상기 수동 위치에서, 상기 제 1 광학 블록(9)은 레이저 공진기(2)를 간섭하지 않도록 위치되며,
    상기 제 1 광학 블록(9)이 능동 위치에 있을 때, 상기 제 2 편광 회전자(13)는 상기 제 1 광학 블록(9)과 후방 미러(4) 사이에 위치되는 것을 특징으로 하는, 레이저 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 편광 회전자(11) 및/또는 상기 제 2 편광 회전자(13)는 λ/4 파장판 또는 포켈스 셀(Pockels cell)인 것을 특징으로 하는, 레이저 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    제 2 광학 블록(12)을 더 포함하며,
    상기 제 2 광학 블록(12)은 상기 제 2 편광 회전자(13)를 포함하고,
    상기 제 2 광학 블록(12)은 능동 위치와 수동 위치 사이에서 전후로 이동가능하며,
    상기 능동 위치에서, 상기 제 2 광학 블록(12)은 제 1 광학 블록(9)과 후방 미러(4) 사이에 위치되는 것을 특징으로 하는, 레이저 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 레이저 공진기(2)는 상기 후방 미러(4)와 활성 레이징 매질(6) 사이에 위치되는 전자-광학 Q-스위치(15)를 포함하며,
    상기 제 2 광학 블록(12)의 능동 위치에서, 상기 제 2 광학 블록(12)은 상기 제 1 광학 블록(9)과 Q-스위치(15) 사이에 위치되는 것을 특징으로 하는, 레이저 시스템.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 2 광학 블록(12)은 제 2 후방 미러(14)를 포함하며,
    상기 제 2 광학 블록(12)의 능동 위치에서, 상기 제 2 광학 블록(12)은 활성 레이징 매질(6)와 후방 미러(4) 사이에 위치되는 것을 특징으로 하는, 레이저 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 아웃커플링 미러(5)는 슈퍼-가우시안 반사 프로파일(super-Gaussian reflectivity profile)을 갖는 것을 특징으로 하는, 레이저 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 아웃커플링 미러(5)는 0.05 내지 0.2 범위의 중심 반사율(central reflectivity)(R0)을 가지며,
    상기 활성 레이징 매질(6)은 10 배를 초과하는 상기 제 2 펄스 레이저 빔(8)에 대한 증폭률(amplification factors)을 제공하도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 레이저 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 아웃커플링 미러(5)는 0.07 내지 0.18 범위의 중심 반사율(R0)을 가지며,
    상기 활성 레이징 매질(6)은 10 배를 초과하는 상기 제 2 펄스 레이저 빔(8)에 대한 증폭률(amplification factors)을 제공하도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 레이저 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 아웃커플링 미러(5)는 0.10 내지 0.15 범위의 중심 반사율(R0)을 가지며,
    상기 활성 레이징 매질(6)은 10 배를 초과하는 상기 제 2 펄스 레이저 빔(8)에 대한 증폭률(amplification factors)을 제공하도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 레이저 시스템.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 레이저 소스(1)는 나노초 범위의 펄스 지속기간을 갖는 레이저 펄스들을 생성하도록 구성되며,
    상기 제 2 레이저 소스(7)는 나노초-미만 범위의 펄스 지속기간을 갖는 레이저 펄스들을 생성하도록 구성된 것을 특징으로 하는, 레이저 시스템.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 1 광학 블록(9)이 능동 위치에 위치될 때, 상기 활성 레이징 매질(6)은 1 마이크로초를 초과하는 펌프 펄스 지속기간(pump pulse durations)으로 펌핑되도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 레이저 시스템.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 1 광학 블록(9)이 능동 위치에 위치될 때, 상기 활성 레이징 매질(6)은 10 마이크로초를 초과하는 펌프 펄스 지속기간으로 펌핑되도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 레이저 시스템.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 활성 레이징 매질(6)은 플래시램프 펌핑되는 것을 특징으로 하는, 레이저 시스템.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 레이저 소스(7)는 마이크로칩 마스터 발진기(18)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 레이저 시스템.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 커플링 편광자(10)의 출력 측 상에서 레이저 에너지 덤프(laser energy dump)(21)가 위치되어, 상기 아웃커플링 미러(5) 및 커플링 편광자(10)로부터 반사된 레이저 에너지를 수광하는 것을 특징으로 하는, 레이저 시스템.
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