KR20070059461A - 고반복률 펨토초 재생 증폭 장치 - Google Patents

고반복률 펨토초 재생 증폭 장치 Download PDF

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Abstract

고반복률 펨토초 재생 증폭 장치가 개시되어 있다.
개시된 재생 증폭 장치는, 펄스를 방출하는 발진기; 상기 펄스의 폭을 확대하는 확대기; 펄스 스위칭을 위한 음향광학적 변조기, 이득 매질을 펌핑하기 위한 펄스형 레이저, 복수의 거울을 통해 펄스를 왕복시키는 공진기, 및 음의 분산을 주는 적어도 하나의 처프 거울을 구비하여, 상기 펄스를 증폭시키는 재생 증폭기; 상기 펄스를 압축하는 압축기;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 구성에 의해 100 kHz 급의 고반복률 펨토초 재생 증폭 장치에서 기존의 수μJ 이하의 출력 에너지를 수십 μJ로 향상시킨다.

Description

고반복률 펨토초 재생 증폭 장치{High-repetition-rate femtosecond regenerative amplification system}
도 1은 티타늄 사파이어(Ti:S) 증폭기에 기초한 펨토초 레이저의 반복률에 대한 첨두 출력 (peak power)을 도시한 것이다.
도 2는 종래의 100 kHz 급의 고반복률 펨토초 재생 증폭 장치의 구성을 블록도로 나타낸 것이다.
도 3a는 종래의 100 kHz 급의 고반복률 펨토초 재생 증폭 장치에 사용된 재생 증폭기의 구성도를 나타낸 것이다.
도 3b는 종래의 100 kHz 급의 고반복률 펨토초 재생 증폭 장치에 사용된 압축기의 구성도를 나타낸 것이다.
도 4는 종래의 티타늄 사파이어 레이저에 기초한 펨토초 재생 증폭 장치에 사용된 처프 펄스 증폭(Chirped Pulse Amplification; CPA) 방식에 따른 펄스 폭의 확대 및 압축 과정을 보여준다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 고반복률 펨토초 재생 증폭 장치의 구성을 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 고반복률 펨토초 재생 증폭 장치에 사용된 다운처프 펄스 증폭(Downchirped Pulse Amplification : DPA) 방식에 따 른 펄스 폭의 확대 및 압축을 보여준다.
도 7은 본 발명에 따른 고반복률 펨토초 재생 증폭 장치에서의 펌프 빔과, 펄스열 및 증폭 빔에 대해 각각 시간에 따른 모양을 나타낸 것이다.
도 8은 본 발명에 따른 고반복률 펨토초 재생 증폭 장치에서 발진기로부터 출력된 펄스, 확대 후의 펄스 및 압축 후의 펄스에 대해 각각의 광학 스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 9는 본 발명에 따른 고반복률 펨토초 재생 증폭 장치에서 출력된 펄스의 시간적 모양을 나타낸 것이다.
<도면 중 주요 부분에 대한 설명>
100...발진기, 200...확대기
202,215...픽업 거울, 205,207...프리즘
217,220...회절 격자, 240...편광 빔스프리터
242...페러데이 고립계, 300...재생 증폭기
305,307,320,330...처프 거울, 310,317,322,327...거울
350...펌프 레이저, 400...압축기
본 발명은 고반복률 펨토초 재생 증폭 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 100 kHz 부근의 고반복률로 증폭되고, 수십 마이크로주울의 고출력 에너지와 기가 와트 단위의 첨두 출력을 생성할 수 있는 펨토초 재생 증폭 장치에 관한 것이다.
레이저는 단색성(monochromaticity), 지향성(directionality), 고휘도(brightness)의 특성으로 인해 응용 분야가 매우 넓게 이용되고 있다. 레이저가 개발된 이래 연구자들은 레이저의 최대 첨두 출력을 높이기 위해 노력해왔고, Q 스위칭, 모드 록킹(mode-locking), 증폭 등의 방법을 통해 이를 실현하여 왔다. 하지만, 레이저 출력은 고출력으로 갈수록 레이저 매질과 광학 부품의 손상 때문에 한계에 부딪히게 되었다. 최근에 이러한 한계를 극복하고 극초단 초고강도 레이저 기술이 개발되었다. 극초단 초고강도 레이저는 처프 펄스 증폭(chirped pulse amplification) 기술과 피코초(picosecond)나 펨토초(femtosecond)의 극초단 펄스 기술을 결합한 결과이다. 극초단 초고강도 레이저는 펨토초 또는 피코초의 펄스폭을 갖는 극초단 레이저를 증폭하여 테라와트 이상의 출력을 갖도록 만든 고출력 레이저 시스템이다. 한편, 펨토초 레이저 기술은 티타늄 사파이어(Ti:S)를 레이저 매질로 하여 5 펨토초의 펄스 폭을 갖는 레이저 공진기를 만드는 것을 가능하게 하였고 첨두 출력에 있어서는 페타와트(PW; 1015 W)에 이르는 펄스를 생성시키기에 이르렀다.
특히 펨토초 레이저 기술은 적은 에너지로도 큰 첨두출력을 얻을 수 있기 때문에 열 문제가 적어 1 kHz 이상의 높은 반복률로도 증폭이 가능하다. 도 1은 Ti:S 증폭기에 기초한 펨토초 레이저의 반복률에 대한 첨두 출력을 개략적으로 도시한 것이다. 10Hz 정도의 반복률을 가지는 레이저는 수테라와트 내지 수십 테라와트 (TW)의 첨두 출력이 일반적이며 반복률을 1 Hz 이하로 낮추어 페타와트(PW)급 레이저도 제작이 가능하다. 1-10 kHz 정도의 반복률 영역에서는 서브 테라와트(약 0.1-0.5 TW)가 일반적이며 테라와트 급의 첨두 출력을 갖는 레이저도 등장하고 있다. 반면, 100kHz-250kHz 범위의 고반복률 레이저는 수십 메가와트가 일반적이고 서브 기가와트(0.2 GW 이하)의 첨두 출력도 생성이 가능하다.
반복률이 kHz 급으로 높아지면 필요한 펌프 레이저의 에너지가 상대적으로 작아져 콤팩트한 펨토초 레이저 제작에 유리하게 사용될 수 있으며 높은 작동률(high working rate)을 가지기 때문에 미세가공이나 글라스 커팅과 같이 산업상 응용 분야 뿐만 아니라 X선 발생 실험 등에도 매우 유리하다. 하지만, 1-10 kHz급 펨토초 레이저들에 비해 100kHz 급의 레이저는 지금까지의 기술로는 출력 에너지가 작아 실용화에 어려움이 있다. 다음은 레이저의 반복률에 따라 펄스 스위칭 방법, 펌핑 소스 및 출력 에너지를 정리한 것이다. 단, 에너지는 증폭단이 1개일 때의 수치이다.
반복률 펄스 스위칭 방법 펌핑 소스 출력 에너지
10 Hz 광전 변조 10ns Q스위칭 녹색 레이저 (Nd:YAG) ~ 10 mJ
1-20 kHz 광전 변조 100-300ns Q스위칭 녹색 레이저 (Nd:YLF) ~ 1 mJ
100-250 kHz 음향광학적 변조 연속파녹색레이저 (Nd:YVO4,Argon) ~ 1 μJ
표 1에 따르면 100-250 kHz 반복률을 가지는 레이저는 보통 1μJ 정도의 출력 에너지를 내고 있으며 현재 알려진 가장 높은 에너지는 100 kHz에서 7μJ이다.
도 2는 종래에 100kHz 급의 레이저 시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 블록도이다. 이 레이저 시스템은 Ti:S 발진기(10)와, Ti:S 재생 증폭기(20)와, 압축기(30)를 포함한다. 상기 발진기(10)와 재생 증폭기(20)를 펌핑하기 위한 레이저로는 연속파(Continuous Wave) 아르곤 레이저(13)가 사용된다. 연속파 아르곤 레이저(13)로부터 나온 빔은 제1빔스프리터(15)에 의해 일부 빔은 재생 증폭기(20)로 향하고, 나머지 빔은 반사거울(17)을 통해 발진기(10)로 향한다. 상기 발진기(10)는 예를 들어 100pJ, 75 펨토초의 레이저 펄스를 출력하며, 상기 증폭기(20)는 상기 레이저빔을 증폭하여 1.87μJ, 10피코초의 펄스를 출력하며, 압축기(30)를 통해 빔을 압축하여 1μJ, 130 펨토초의 펄스를 출력한다.
도 3a를 참조하면, 발진기(10)로부터 입력된 펄스는 편광빔스프리터(41)를 통해 페러데이 회전자(43), 1/2 파장판(45), 반사거울(47)을 거쳐 재생 증폭기(20)로 입력된다. 상기 재생 증폭기(20)는 펄스를 공진시키기 위한 공진기(21)와, 스위칭을 위해 공진기 덤퍼라고도 불리는 브래그 셀(Bragg cell)을 이용한 음향광학적 변조기(22)와, Ti:S 이득 매질(23), 및 Q 스위치(24)를 구비한다. 상기 Q 스위치(24)는 펌핑 소스로서 연속파(Continuous Wave) 레이저를 사용하는 경우에 연속파 레이저의 스위칭을 위해 레이저 펄스 공진의 스위치와는 별도로 구비되는 것이다.
공진기(21)는 복수의 곡률 거울(CM1)(CM2)(CM3)(CM4)로 이루어지며, 발진기로부터 입력된 펄스가 상기 반사거울들 사이를 반복적으로 왕복함으로써 증폭된다. 여기서, Ti:S 이득매질(23)이나 브래그 셀(22)을 지날 때마다 양의 분산으로 인하여 펄스 폭이 자연적으로 확대된다. 확대 및 증폭된 빔을 압축기(30)를 통해 압축하여 펄스 폭을 줄이고, 첨두 출력을 높인다.
도 3b를 참조하면, 압축기(30)는 복수의 프리즘으로 구성된 제1 및 제2 프리즘 세트(32)(34)를 구비한다. 참조 번호 31은 높이를 바꾸어 빔을 빼내기 위한 평면경을 나타낸다.
도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같은 구조의 레이저는 연속파 레이저를 이용하여 펌핑을 하기 때문에 펌핑 세기가 약하여 증폭 에너지가 낮고, 재생 증폭기 내부에 펄스 스위칭을 위한 변조기 이외에 또 다른 변조기(Q 스위치)를 구비하여야 하므로 부품수가 많아지는 단점이 있다. 또한, 압축기가 복수개의 프리즘으로 구성되고 프리즘 간의 간격이 넓기 때문에 부피가 커질 뿐만 아니라 고차 분산이 남아 있어 압축률이 좋지 않아 100 펨토초 이하의 짧은 펄스를 만들기가 어렵다.
한편, 100kHz 급 레이저에서도 CPA(Chirped Pulse Amplification) 방식을 채용하여 펄스 폭을 확대한 후 증폭하고, 증폭된 펄스를 압축하여 레이저의 펄스를 효율적으로 증폭할 수 있다. CPA 방식은 도 4에 도시된 바와 같이 발진기로부터 나온 펄스(a)를 한 쌍의 회절격자로 이루어진 펄스 확대기를 통해 양의 분산을 줌으로써 펄스폭을 수십 피코초로 확대한다(b). 이때 확대된 펄스가 저주파에서 고주파로 처프(양의 처프)되어 있다. 즉, 확대된 펄스의 앞단의 주파수가 뒷단의 주파수보다 작다. 확대된 펄스를 증폭기를 통해 증폭시킨 다음(c), 압축기를 통해 압축시킨다. 일반적인 CPA 방식에서는 펄스 확대기와 압축기에 모두 회절 격자를 사용하는데 펄스 확대기에서의 역과정을 통하여 펄스를 압축한다. 다시 말해, 펄스 확대시에는 회절격자가 양의 분산을 주도록 배열되어 있고, 펄스 압축시에는 프리즘과 회절격자가 음의 분산을 주도록 배열된다. CPA 방식에서는 효과적인 분산의 보상을 통하여 펄스 폭은 짧게 만들 수 있으나, 압축시에 회절격자를 4번 통하기 때문에 압축 효율이 60% 미만으로 떨어지는 단점이 있다. 또한, CPA 방식을 이용하여 펄스를 압축하는 경우에도 연속파 레이저를 펌프 레이저로 사용하기 때문에 100 kHz 급의 레이저의 출력 에너지가 낮은 것이 여전히 문제점으로 남아 있다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로, 고출력 에너지의 펄스를 방출하는 100kHz 급의 고반복률 펨토초 재생 증폭 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 고반복률 펨토초 재생 증폭 장치는, 펄스를 방출하는 레이저 발진기; 상기 펄스의 폭을 확대하는 확대기; 펄스 스위칭을 위한 음향광학적 변조기, 이득 매질을 펌핑하기 위한 펄스형 레이저, 복수의 거울을 통해 펄스를 왕복시키는 공진기, 및 음의 분산을 주는 적어도 하나의 처프 거울을 구비하여, 상기 펄스를 증폭시키는 재생 증폭기; 상기 펄스를 압축하는 압축기;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 펌프 레이저는 고반복률 펄스형 녹색 레이저로 구성될 수 있다.
상기 펌프 레이저는 주파수 배가된 Nd:YAG 레이저 또는 Nd:YVO4 레이저로 구성될 수 있다.
상기 레이저 발진기는 Ti:S 펨토초 레이저, 혹은 Ti:S 이득매질의 650- 1100nm 파장 범위에서 펨토초 펄스를 발생시킬 수 있는 레이저로 구성될 수 있다.
상기 이득 매질은 Ti:S 로 구성될 수 있다.
상기 하나 이상의 처프 거울을 이용하여 상기 공진기 내부의 분산을 보상하는 것을 특징으로 한다.
상기 확대기는 펄스에 음의 분산을 주어 펄스 폭을 확대하는 것을 특징으로 한다.
상기 재생 증폭기는 20-200 kHz의 반복률을 가지는 것을 특징으로 한다.
상기 압축기로부터 출력되는 펄스가 100kHz 이하의 반복률을 가질 때 펄스당 20 μJ 이상의 에너지를 발생시키는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고반복률 펨토초 재생 증폭 장치에 대해 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 재생 증폭 장치는 도 5를 참조하면, 레이저 펄스를 출력하는 발진기(100)와, 레이저 펄스 폭을 확대시키는 확대기(stretcher)(200)와, 확대된 펄스를 재생 증폭하는 증폭기(300)와, 증폭된 펄스를 압축하는 압축기(400)를 포함한다.
상기 발진기(100)는 예를 들어 극초단 펄스 레이저(ultra-short pulse laser)로서, Ti:S 펨토초 레이저나 Ti:S 이득매질의 증폭 대역(650nm-1100nm)에서 펨토초 펄스를 발생시킬 수 있는 레이저 예를 들어, 광섬유 레이저로 구성될 수 있다. 상기 발진기(100)는 펄스를 상기 확대기(200)를 향해 출력한다. 상기 확대기(200)는 적어도 하나의 프리즘과 한 쌍의 회절 격자를 구비하여, 음의 분산을 줌으 로써 펄스 폭을 수십 피코초로 확대한다. 도 6(a)는 상기 발진기(100)에서 출력된 극초단 펄스를 나타내고, 도 6(b)는 확대기(200)에서 음의 분산을 줌으로써 펄스가 단파장에서 장파장에 걸쳐 확대된 것을 보여준다. 여기서, 확대된 펄스의 앞단의 주파수가 뒷단보다 높은 다운처프증폭(DPA;downchirped pulse amplification; DPA) 방식을 이용하여 펄스 폭을 확대한다.
확대기(200)는 상기 발진기(100)로부터 입사된 펄스에 음의 분산을 주기 위한 제1 및 제2 프리즘(205)(207), 상기 제2 프리즘(207)을 통과한 펄스를 되반사시키는 제1거울(210)을 구비한다. 상기 제1거울(210)은 펄스가 제1거울(210)에서 반사될 때 약간 아래 쪽으로 향하게 하여 반사된 펄스의 높이가 들어온 펄스의 높이보다 낮아지도록 한다. 상기 제1거울(210)에서 반사된 펄스는 제1 및 제2 프리즘(205)(207)을 들어온 높이에서 약간 낮아지면서 제1픽업(pick-up) 거울(202) 쪽으로 향하며, 제1픽업(pick-up) 거울(202)에 반사되면서 경로가 변경된다. 상기 제1픽업(pick-up) 거울(202)에서 반사된 펄스는 제1 회절 격자(217)에 입사된다. 제1 회절 격자(217)에 대해 제2 회절 격자(220)가 평행하게 배치된다. 제1 및 제2 회절 격자(217)(220)는 반사형으로 제작되어 펄스가 제1 및 제2 회절 격자(217)(220) 사이를 왕복하도록 한다. 제2 회절 격자(220)에서 반사된 펄스는 제3 거울(222)을 통해 제2 회절 격자(220)로 되반사된다. 이 때 약간 아래 쪽으로 반사시켜 들어온 펄스와 나가는 펄스의 높이가 달라지도록 한다.
상기 제2거울(212)과 제1 회절 격자(217) 사이의 펄스 진행 경로 상에 제2 픽업 거울(215)이 배치되어 제 2 회절 격자(220)와 제1 회절 격자(217)를 맞고 나 오면서 높이가 낮아진 펄스를 반사시켜 경로를 변경한다. 제2 픽업 거울(215)에서 반사된 펄스는 재생 증폭기(300)로 향한다. 상기 제2 빔스프리터(215)와 재생 증폭기(300) 사이에 펄스 경로를 변환하기 위한 제4 거울(225)을 더 구비할 수 있다.
상기 제1거울(212)과 제4거울(225)은 펄스 경로를 변경하여 확대기의 배치 구조나 펄스 경로 길이를 조절하기 위한 것으로 선택적으로 구비될 수 있으며, 더 많은 거울이 선택될 수 있다. 한편, 도면 부호 230은 빔 단면의 크기를 조절하여 재생 증폭기의 공진기 모드에 맞추기 위한 제1 텔레스코프(telescope)를 나타낸다.
상기 확대기(200)에서 출력된 펄스는 재생 증폭기(300)를 통해 고반복률, 예를 들어 100 kHz로 재생 증폭된다. 재생 증폭기(300)는 펄스 스위칭을 위한 음향광학적 변조기(315) 즉, 브래그 셀(Bragg Cell)과, 이득 매질(325)과, 펄스를 펌핑하기 위한 펌프 레이저(350)를 구비한다. 상기 이득 매질(325)로는 예를 들어 Ti:S 가 사용되며, 펌프 레이저(350)로는 고반복률 펄스형 녹색 레이저가 사용될 수 있다. 상기 펌프 레이저는 예를 들어, 주파수 배가된(frequency-doubled) Nd:YAG 레이저 또는 Nd:YVO4 레이저로 구성될 수 있다. 여기서, 주파수 배가된 것은 2차 조화파 결정을 사용하여 원래 발진 파장의 절반으로 파장이 변환된 것을 나타낸다. 예를 들어, 1064 nm 파장이 532nm 파장으로 변환된 레이저일 수 있다. 펄스형 레이저를 이용하여 펌핑함으로써 기존에 연속파 레이저를 이용하여 펌핑할 때 별도로 필요했던 Q-스위치가 필요 없게 된다. 상기 재생 증폭기(300)의 반복률은 single shot에서 MHz까지 변화가 가능하며 오직 펌프 레이저의 반복률에 의해서만 제약을 받는다. 현재까지의 Nd:YAG 레이저나 Nd:YVO4 레이저와 같은 고반복률 Ti:S 레이저 증폭용 펌프 레이저 기술에 비추어서 상기 재생증폭기(300)의 반복률은 1-200 kHz에 적용할 수 있으며, 특히 기존의 Ti:S 레이저용 전기광학적 변조기가 작동할 수 없는 20-200 kHz 영역에서 사용하기에 적합하다. 200 kHz 보다 커질 수록 Ti:S 이득매질의 증폭 한계인 300 kHz에 가까와져 기존의 연속파 펌핑 레이저의 경우에 비하여 이점이 적어진다.
또한, 재생 증폭기(300)는 복수 개의 거울을 가지는 공진기와, 공진기 내부에서 발생하는 양의 분산을 보상하는 적어도 하나의 처프 거울(chirped mirror)을 포함한다. 처프 거울은 코팅시에 코팅의 두께를 차례로 변화시켜(코팅 두께의 처프) 반사시에 음의 분산을 주도록 특수 제작된 유전체 거울이다. 처프 거울이 일반 고반사율 거울 역할도 수행할 수 있으므로 재생공진기의 모든 거울이 처프 거울일 수도 있다. 상기 공진기는 확대기(200)로부터 입사된 펄스를 복수 개의 거울로 이루어진 공명 공동(resonant cavity)을 통해 펄스를 증폭한다. 도 5에서는 공진기가 제5, 제6, 제7 및 제8거울(310)(317)(322)(327)로 구성된 예를 도시하고 있다.
한편, 처프 거울은 펄스에 음의 분산을 줌으로써 공진기의 거울들을 통해 자체적으로 발생되는 양의 분산을 보상으로써, 재생 증폭기의 반복 횟수에 관계없이 재생 증폭기에서 나오는 펄스 폭을 처음 확대된 값과 비슷하도록 일정하게 유지할 수 있다. 처프 거울을 사용하지 않으면 재생 증폭기 내부를 왕복하면서 양의 분산에 의하여 펄스폭이 감소하게 되는데, 이렇게 되면 증폭시에 브래그 셀이나 Ti:S 이득매질에 손상을 줄 수 있다. 따라서, 처프 거울을 사용하여 음의 분산을 줌으로써 증폭시에 브래그 셀이나 Ti:S의 이득매질의 손상을 방지하여 증폭률을 높일 수 있다.
또한 재생 증폭기 내의 왕복 횟수를 변화시키더라도 펄스폭이 변하지 않아 펄스 압축 시에 조건을 변경할 필요가 없다. 따라서, 재생 증폭기의 증폭 조건에 관계없이 증폭 장치 전체의 분산 보상을 용이하게 할 수 있다. 도 5에서는 적어도 하나의 처프 거울이 제1, 제2, 제3 및 제4 처프 거울(305)(307)(320)(330)을 포함하는 경우를 예시한 것이다. 도 6(c)는 재생 증폭기(300)를 통해 증폭된 펄스를 나타내며, 다음은 50 펨토초 이하의 짧은 펄스폭으로 압축하기 위한 구체적인 펄스 확대기, 재생 증폭기, 펄스 압축기의 구성에 따른 분산을 2차, 3차 및 4차 분산까지 정리한 것이다.
광학 소자 기능 2차 분산 (fs2) 3차 분산(fs3) 4차 분산 (fs4)
용융 실리카 프리즘 1쌍 (프리즘 간의 1380mm 분리, 2회 왕복) 펄스 확대 -19100 -103100 -193000
회적 격자 1쌍 (격자수:600 gr/mm, 70°, 회절 격자 간 간격 58 mm) 펄스 확대 -47900 49700 -75000
압축기 (SF10 광학유리 368 mm 길이) 펄스 압축 58600 37200 10000
기타(브래그셀, 페러데이 회전자, Ti:S, 편광빔스프리터, 처프거울) 펄스 증폭 8400 16200 ～-5000
합 0 0 -263000
표 2에 따르면, 프리즘과 회절격자를 펄스 확대기로 사용하고 광학유리를 펄스 압축기로 사용하여 증폭 장치 전체적으로 2차 분산뿐만 아니라 3차 분산까지 보상됨을 알 수 있다. 한편, 4차 분산은 펄스폭에 미치는 영향이 적으므로 무시하였다. 단, 50 펨토초 이하의 펄스폭을 얻기 위해서는 이와 같은 분산 보상과 더불어 50 펨토초 이하의 펄스폭을 낼 수 있는 넓은 스펙트럼의 레이저 펄스가 재생증폭기 안으로 입사되어야 한다. 예를 들어, 800 nm의 중심파장에서 대략 40 nm 이상의 반치폭을 갖는 가우스형 스펙트럼이 재생증폭기에 입사되어야 한다.
재생 증폭기(300)의 구체적인 구성을 살펴보면, 확대기(200)에서 출력된 펄스를 접어주는 픽업 거울(302), 픽업 거울(302)로부터 입사된 펄스에 음의 분산을 주기 위한 제1, 제2 처프 거울(305)(307), 제2 처프 거울(307)로부터 입사된 펄스를 차례대로 반사시키는 제5 및 제6 거울(310)(317), 제6거울(317)로부터 반사된 펄스를 제6거울(317)쪽으로 되반사시키면서 음의 분산을 주기 위한 제3 처프 거울(320)을 구비한다. 제3처프 거울(320)로부터 반사된 펄스는 상기 펄스 경로의 역방향으로 진행한다. 즉, 제6거울(317), 제5거울(310), 제2처프 거울(307), 제1처프 거울(305)을 거쳐 제7거울(322)로 입사된다. 제7거울(322)에서 반사된 펄스는 이득 매질(325)을 거쳐 제8거울(327)로 입사된다. 상기 제 5,6,7,8 거울(310, 317, 322, 327)은 집속형 거울이며 그 중 상기 제 7,8 거울(322, 327)은 펌프빔은 통과하고 증폭되는 빔은 반사되는 이색성 코팅이 되어 있다. 상기 이득 매질(322)은 펌프 레이저(350)에 의해 펌핑되어 발진된다. 발진된 펄스는 공진기를 통해 수십번 왕복되면서 점점 증폭되고, 이득 포화에 이르면 음향광학적 변조기(315)를 통해 재생 증폭기(300)를 빠져 나온다.
한편, 상기 펌프 레이저(350)와 제7거울(322) 사이에 제2텔레스코프(353)와, 펄스 경로를 변환하기 위한 제1 및 제2 반사거울(355)(357)과, 렌즈(360)를 더 구비할 수 있으며, 상기 제2 텔레스코프(353)와 렌즈(360)는 Ti:S 이득매질(325)에서의 펌프 빔의 크기를 조절하기 위한 것이다. 또한, 상기 확대기(200)와 재생 증폭기(300) 사이에 펄스의 진행 경로를 변환하기 위한 거울들(232)(235)(245)과, 펄스의 편광 방향에 따라 펄스를 반사하거나 투과하는 편광 빔스플리터(240)와, 페러데이 고립계(242)가 구비된다. 또한, 상기 펌프 레이저(350)로부터 출력된 펄스를 다시 집속하여 펌프 빔의 흡수율을 높이기 위해 재집속 거울(RM)을 상기 제8거울(327) 뒤쪽에 더 구비할 수 있다.
상기 편광 빔스프리터(240)는 확대기(200)로부터 출력된 펄스를 재생 증폭기(300)쪽으로 보내고, 재생 증폭기(300)에 의해 증폭된 펄스가 출력되어 페러데이 고립계(242)를 통해 편광방향이 바뀌면 상기 증폭된 펄스를 압축기(400)로 보낸다. 상기 편광 빔스프리터(240)로부터 나온 펄스의 경로를 변환하기 위한 거울(390)이 더 구비될 수 있다.
상기 압축기(400)는 광학 유리 블록으로 구성될 수 있다. 압축기(400)는 펄스에 양의 분산을 주어 상기 확대기(200)를 통해 음의 분산으로 확대된 펄스를 압축한다. 상기 압축기(400)는 압축효율이 높고, 구조가 간단하여 펄스 폭이 펄스 경로 변화에 덜 민감한 장점이 있다.
다음은 본 발명에 따른 재생 증폭 장치의 증폭 실험에 사용된 파라미터를 정리한 것이다.
파라미터 조 건
펌핑 에너지 1.1J/cm2 (100 kHz에서 200 μJ 펌핑 에너지)
이득매질에서의 빔 크기 지름 150 μm
왕복 회수 30(계산조건) 30-33(실험조건)
출력 에너지 33 μJ (60% 덤핑율로 계산된 것임) 30 μJ (실험조건)
도 7은 본 발명에 따른 고반복률 펨토초 재생 증폭 장치에서의 펌프 빔과, 펄스열 및 증폭 빔에 대한 각각의 시간에 따른 신호들을 나타낸 것으로 일반적인 재생증폭기에서 발생하는 신호 순서를 잘 따라가고 있다. 도 8은 본 발명에 따른 고반복률 펨토초 재생 증폭 장치에서 발진기로부터 출력된 펄스, 확대 후의 펄스 및 압축 후의 펄스에 대한 스펙트럼의 모양을 나타낸 것이다. 일반적인 증폭기에서와 같이 증폭이 되면서 스펙트럼 폭이 줄어드는 것을 보여주고 있으며, 780 nm를 중심 파장으로 약 36 nm의 넓은 스펙트럼폭을 갖도록 증폭될 수 있음을 보여준다. 이러한 스펙트럼 폭으로부터 최소 20 fs의 짧은 펄스로 압축할 수 있다. 본 발명의 재생 증폭 장치에 의하면, 200μJ 펄스형 펌핑 에너지로 30μJ의 증폭 에너지를 얻을 수 있었으며, 95％의 압축률로 28μJ의 압축 에너지를 얻을 수 있었다.
도 9는 본 발명에 따른 고반복률 펨토초 재생 증폭 장치에서 출력된 펄스를 압축했을 때 얻어진 펄스의 모양이다. 주파수 분해 광게이팅(Frequency-resolved optical gating)이라는 방법으로 측정하였을 때, 39 fs의 펄스 폭을 갖도록 압축되었음을 보여준다. 따라서 본 재생 증폭 장치에서는 0.7 GW (28 μJ/39 fs)의 첨두출력을 가지는 펄스를 100 kHz의 반복률로 생성할 수 있음을 보여준다. 이는 현재까지 100kHz 펨토초에서 얻어진 최대의 에너지 및 첨두 출력이다. 이와 같이 본 발명에 따른 증폭 장치는 특히 20-100 kHz의 고반복률 펨토초 Ti:S 재생 증폭 장치에서 에너지 효율을 높이는데 유용하게 적용될 수 있다.
본 발명에 따른 재생 증폭 장치는, 재생 증폭기에 적어도 하나의 처프 거울을 구비하여 증폭기 내부에서 발생하는 양의 분산을 보상함으로써 증폭시에 분산에 의한 펄스 폭의 변화가 없도록 할 수 있다. 이를 통하여 펄스폭이 줄어들 경우 발생하는 광학적 손상을 방지할 수 있고 재생증폭기 내의 왕복 횟수에 관계없이 펄스 확대기와 압축기의 인자들을 그대로 유지할 수 있어 압축된 펄스의 펄스폭 최적화가 용이해진다. 또한 재생증폭기 내의 모든 거울에 처프 거울을 사용하면 일반 유전체 코팅 거울들보다 넓은 스펙트럼 폭을 얻을 수 있다.
또한, 연속파 펌프 레이저 대신 펄스형 펌프 레이저를 사용함으로써 100 kHz 영역의 반복률에서 같은 평균출력을 갖더라도 펄스당 실질적인 펌프 에너지를 높일 수 있다. Ti:S 이득매질은 형광수명이 3.2 μs이므로 약 300 kHz에서부터 반복률이 낮아질수록 자발방출이 많아져 연속파 펌핑이 에너지 효율면에서 불리해진다. 따라서 본 발명의 재생증폭기가 주로 사용될 20-200 kHz의 반복률에서는 펄스형 펌프레이저가 유리하다. 이에 따라 증폭 에너지를 높일 수 있어 고반복률 펨토초 레이저의 용도 범위를 넓힐 수 있다. 더 나아가 펄스형 펌프 레이저에는 별도의 Q 스위치가 불필요하므로 재생 증폭기의 구성을 단순화할 수 있다.
또한, 다운 처프 증폭 방식을 이용하여 펄스를 확대 및 압축함으로써 펄스 압축기가 간단해지고 광학 정렬이 용이해지는 이점이 있다. 또한 펄스폭이 압축기 정렬에 덜 민감하여 펄스폭의 안정도가 증가할 수 있다.

Claims (13)

  1. 펄스를 방출하는 레이저 발진기;
    상기 펄스의 폭을 확대하는 확대기;
    펄스 스위칭을 위한 음향광학적 변조기, 이득 매질을 펌핑하기 위한 펄스형 레이저, 복수의 거울을 통해 펄스를 왕복시키는 공진기, 및 음의 분산을 주는 적어도 하나의 처프 거울을 구비하여, 상기 펄스를 증폭시키는 재생 증폭기;
    상기 펄스를 압축하는 압축기;를 포함하는 고반복률 펨토초 재생 증폭 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 펌프 레이저는 고반복률 펄스형 녹색 레이저로 구성되는 것을 특징으로 하는 고반복률 펨토초 재생 증폭 장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 펌프 레이저는 주파수 배가된 Nd:YAG 레이저 또는 Nd:YVO4 레이저로 구성되는 것을 특징으로 하는 고반복률 펨토초 재생 증폭 장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 레이저 발진기는 Ti:S 펨토초 레이저, 혹은 Ti:S 이득매질의 650- 1100nm 파장 범위에서 펨토초 펄스를 발생시킬 수 있는 레이저로 구성되는 것을 특징으로 하는 고반복률 펨토초 재생 증폭 장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 이득 매질은 Ti:S 로 구성되는 것을 특징으로 하는 고반복률 펨토초 재생 증폭 장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 처프 거울을 이용하여 상기 공진기 내부의 분산을 보상하는 것을 특징으로 하는 고반복률 펨토초 재생 증폭 장치.
  7. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 확대기는 펄스에 음의 분산을 주어 펄스 폭을 확대하는 것을 특징으로 하는 고반복률 펨토초 재생 증폭 장치.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 확대기는 한 쌍의 프리즘과 한 쌍의 마주보는 회절격자를 포함하는 것을 특징으로 하는 고반복률 펨토초 재생 증폭 장치.
  9. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압축기는 광학 유리 블록으로 구성된 것을 특징으로 하는 고반복률 펨토초 재생 증폭 장치.
  10. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 확대기와 압축기에 의해 2차 및 3차 분산을 보상함으로써 펄스 폭을 압축하는 것을 특징으로 하는 고반복률 펨토초 재생 증폭 장치.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 압축기로부터 압축되는 펄스의 최소 펄스폭이 50 펨토초 이하가 되는 것을 특징으로 하는 고반복률 펨토초 재생 증폭 장치.
  12. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 재생 증폭기는 20-200 kHz의 반복률을 가지는 것을 특징으로 하는 고반복률 펨토초 재생 증폭 장치.
  13. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압축기로부터 출력되는 펄스가 100kHz 이하의 반복률을 가질 때 펄스당 20 μJ 이상의 에너지를 발생시키는 것을 특징으로 하는 고반복률 펨토초 재생 증폭 장치.
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