KR20080078880A - 테이퍼드 도파로 섹션을 갖는 광학적으로 펌핑되는 도파로레이저 - Google Patents

테이퍼드 도파로 섹션을 갖는 광학적으로 펌핑되는 도파로레이저 Download PDF

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홀거 멘히
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코닌클리즈케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이.
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Abstract

본 발명은 광 전파 층(3,4), 및 2개의 공진기 미러(6,7)를 갖는 도파로를 포함하는 광학적으로 펌핑되는 도파로 레이저(2)에 관한 것이다. 전파 층(3,4)은 적어도 상기 도파로의 하나의 섹션을 따라 이득 매질로 이루어지며, 상기 이득 매질은 입사 펌프 광의 업-컨버전 또는 다운-컨버전을 허용한다. 공진기 미러들 중 하나의 공진기 미러는 도파로의 제1 단부면(8)을 통하여 도파로 레이저의 엔드-펌핑을 허용하도록, 펌프 광에 대하여 적어도 부분적으로 투과성이 있다. 전파 층(3,4)은 제1 단부면(8)에서 시작하여 제2 단부면(9)을 향하는 도파로의 제1 섹션에서 감소되는 기하학적 폭을 가짐으로써, 제1 섹션에서 제2 단부면(9)을 향하여 전파될 때 입사 펌프 광의 에너지 밀도를 증가시킨다. 제시된 도파로 레이저에서, 펌프 광은 도파로의 제1 섹션에서 집중되어, 더 높은 에너지 밀도가 되게 하여, 레이저 임계값을 낮추고 효율성을 증가시킨다. 전파 층(3,4)은 전파 층(3,4)의 굴절률보다 저 굴절률을 갖는 클래딩 물질(5)에 의해 둘러싸인다.
도파로 레이저, 다이오드 레이저, 공진기 미러, 에너지 밀도

Description

테이퍼드 도파로 섹션을 갖는 광학적으로 펌핑되는 도파로 레이저{OPTICALLY PUMPED WAVEGUIDE LASER WITH A TAPERED WAVEGUIDE SECTION}
본 발명은 광 전파 층(an optical propagation layer), 및 공진 캐비티(a resonator cavity)를 형성하는 2개의 공진기 미러(two resonator mirrors)를 갖는 도파로(waveguide)를 포함하는 광학적으로 펌핑되는 도파로 레이저(an optically pumped waveguide laser)에 관한 것이며, 상기 전파 층은 적어도 도파로의 하나의 섹션을 따라(at least along one section of the waveguide) 이득 매질(a gain medium)로 이루어지며, 상기 이득 매질은 입사 펌프 광(incident pump light)의 업-컨버전(up-conversion) 또는 다운-컨버전(down-conversion)을 허용하며, 상기 제1 공진기 미러는 도파로의 제1 단부면(a first end face)을 통한 도파로 레이저의 엔드-펌핑(end-pumping)을 허용하도록, 펌프 광에 대하여 적어도 부분적으로 투과성이 있다. 본 발명은 특히 레이저 다이오드 또는 레이저 다이오드 바로부터 방출된 적외선(IR) 또는 깊은 청색 파장 영역(deep blue wavelength range)의 광을 가시 파장 영역(visible wavelength range)의 광으로 업-컨버전 또는 다운-컨버전하는 데 유용하다.
파장 변환은 반도체 광원으로부터 가시적인 방사(visible radiation)를 생성 하기 위한 중요한 기술이며, 이는 IR 또는 깊은 청색 파장 영역에서 가장 효율적이다. 이런 업-컨버전 및 다운-컨버전 처리(process)는 반도체 레이저에 의해 광학적으로 펌핑되는 도파로에서 실현될 수 있다. 이런 도파로 레이저는 통상적으로 도파로의 양쪽 단부면에 배치된 2개의 공진기 미러 사이에 광 전파 층을 갖는 도파로를 포함한다. 전파 층은 또한 활성 매질(active medium)이라 하는, 이득 매질로 이루어지며, 입사 펌프 광의 업-컨버전 또는 다운-컨버전을 제공한다. 전파 층은 전파 층의 물질보다 저 굴절률(refractive index)을 갖는 물질로 둘러싸인다(surrounded). 이 둘러싸는 물질은 또한 클래딩 층(cladding layer)으로 알려져 있다. 이런 도파로 레이저에서, 입사 펌프 광은 이득 매질에 의해 흡수되어(absorbed), 상이한 파장의 광, 즉 도파로 레이저의 레이징 파장(lasing wavelength)으로 변환된다.
업-컨버전 처리 기반의 도파로 레이저는, 예를 들어, WO 2005/022708 A1 또는 US 5,379,311 A에 기술되어 있다. 양쪽 문헌에서, 도파로 레이저는 레이저 다이오드 또는 레이저 다이오드 바에 의해 공진기 미러들 중 하나의 공진기 미러를 통해 엔드 펌핑된다(end pumped). 도파로의 입력 단면(input cross-section), 즉 도파로의 전파 층의 입력 단면은, 레이저 다이오드에 의해 방출된 펌프 광을 도파로 레이저의 전파 층으로 효율적으로 커플링(coupling)하기 위해 레이저 다이오드 출구와 동일하거나 또는 레이저 다이오드 출구보다 크게 선택된다. 이 전파 층의 단면은 도파로의 양쪽 단부면 사이에서 일정하게 유지된다.
임의의 레이저의 효율성은 레이저 임계값에 도달하는 데 요구되는 입력 전 력(input power)의 양, 및 임계값 이상의 미분 효율(differential efficiency)에 의해 결정된다. 레이저 활성(laser activity)은 상태밀도 반전(population inversion)을 필요로 하며, 즉 상당한 양의 이온이 레이저 전이(laser transition)의 그라운드 상태 있기보다는 여기된 상태에 있어야 한다. 펌프 에너지 밀도가 높을수록, 이 상태에 더욱 쉽게 도달한다.
본 발명의 목적은, 증가된 효율성을 갖는, 특히 가시적인 방사를 위한 도파로 레이저를 제공하는 것이다.
본 목적은 청구항 1에 따른 광학적으로 펌핑되는 도파로 레이저에서 달성된다. 이 도파로 레이저의 유익한 구현예들은 종속 청구항들의 청구 대상(subject matter)이거나, 또는 상세한 설명 및 예들의 후속 부분에 기술되어 있다.
제시된 광학적으로 펌핑되는 도파로 레이저는 광 전파 층, 및 공진 캐비티를 형성하는 2개의 공진기 미러를 갖는 도파로를 포함한다. 전파 층은 적어도 도파로의 하나의 섹션을 따라 이득 매질로 이루어지며, 상기 이득 매질은 입사 펌프 광의 업-컨버전 또는 다운-컨버전을 제공한다. 제1 공진기 미러는 도파로의 제1 단부면을 통해 도파로 레이저의 엔드-펌핑을 허용하도록, 펌프 광에 대하여 적어도 부분적으로 투과성이 있다. 본 발명의 도파로는, 상기 전파 층이 도파로의 제1 섹션에서 제1 단부면에서 시작하여 제2 단부면을 향하는 적어도 하나의 치수로 감소된 기하학적 폭 또는 단면을 가짐으로써, 입사 펌프 광의 에너지 밀도를 상기 제1 섹션의 단부에서 증가시키는 것을 특징으로 한다.
이런 도파로 레이저를 동작시킬 때, 광학적 펌프 광이, 바람직하게는 하나 또는 여러 개의 레이저 다이오드로부터 도파로의 제1 단부면을 통해 제1 섹션으로 커플링된다. 입사 펌프 광의 전파 방향으로의 전파 층의 기하학적 폭의 감소에 의해 에너지 밀도는 제1 섹션의 단부에서 더 적은 부피로 압축되게 된다. 이는 레이저 임계값을 낮추고, 장치(arrangement)의 효율성을 증가시킨다. 따라서, 본 발명에서는, 전파 층의 특수한 기하학적 형태에 의해 발생된 도파로 내의 펌프 광의 전력 밀도의 증가에 의해 필요로 되는 입력 전력이 감소된다.
제시된 도파로 레이저의 바람직한 실시예에서는, 하나 또는 여러 개의 레이저 다이오드, 바람직하게는 레이저 다이오드 바가, 도파로 레이저의 펌핑원(pumping source)으로서 사용된다. 고 전력 요건을 위해, 예컨대, 대략 1㎛의 두께, 및 50 ~ 200㎛ 사이의 폭을 갖는 브로드 스트라이프 에미터(a broad stripe emitter)가 사용될 수 있다. 작은 기하학적 범위(small geometrical extent)의 방향으로 이 레이저 다이오드 장치의 발산 각(divergence angle)은 통상적으로 2 x 30°~ 2 x 50°이다. 대규모 발산(huge divergence)으로 인해, 이 축은 또한 빠른 축(fast axis)이라 한다. 느린 축(slow axis)이라 하는 다른 축 방향으로, 발산은 예컨대, 2 x 6°보다 훨씬 작다. 이 각도 거동(angular behavior)은 본 발명의 도파로 레이저의 도파로를 따라 진행하는 펌프 방사를 위해 보존된다. 상기 바람직한 실시예에서, 전파 층의 기하학적 폭은 다이오드 펌프 레이저의 느린 축 방향으로만 감소된다. 이는 도파로가 레이저 다이오드에 의해 방출된 펌프 빔의 최대 부분(a maximum portion of the pump beam)에서 효율적으로 커플링되도록 설계된다는 점을 고려한다. 따라서, 전파 층의 물질과, 전파 층의 물질의 굴절률보다 광학적 저 굴절률을 갖는 전파 층을 둘러싸는 매질의 물질은, 빠른 축 펌프 방사의 적절한 유도(a proper guidance)를 보장하기 위해 충분히 높은 굴절률의 차(difference)를 제공하도록 선택된다. 본 발명의 실시예는 펌프 빔의 상당히 비대칭적인 각도 분배(distribution)를 이용한다. 빠른 축 방사의 유도는 굴절률들을 적절히 선택함으로써 처리되고, 더 낮은 발산을 갖는 느린 축은 중요하지 않다. 따라서, 전파 층의 경계에서 느린 축 방사의 입사 각이 경계 층에서 빠른 축 방사의 입사 각을 초과하지 않는 한, 전파 층의 기하학적 형태는 상기 의미에서 이런 느린 축 방향으로 형성될 수 있다. 이는 이 방향으로의 전파 층의 기하학적 폭이 1/5 ~ 1/10 (a factor of 5 to 10)만큼 감소될 수 있음을 의미한다.
전파 층의 기하학적 폭 또는 단면의 감소에 의해 도파로의 제1 섹션에서는 이런 전파 층이 테이퍼드 기하학적 형태(a tapered geometrical shape)가 된다. 폭의 감소는 선형적 감소(a linear reduction)일 수 있거나, 또는 입사 레이저 펌프 광을 더 좁은 부피로 집중(concentration)시키는 결과를 가져오는 임의의 다른 적절한 형태를 가질 수 있다. 일 바람직한 실시예에서, 이런 테이퍼드(tapered) 섹션은 파라볼릭(parabolic) 형태, 가장 바람직하게는 CPC(Compound parabolic concentrator) 형태를 갖는다. 기하학적 단면의 감소에 의해 도파로를 따라 진행하는 펌프 광의 전파 층의 경계에서 입사 각이 증가된다. 바람직하게는, 기하학적 단면 또는 폭의 감소는 각도*치수(angle*dimension) 양(quantity)이 보존되도록 선택되고, 여기서 치수는 전파 층의 폭을 의미한다. 이런 상태는 상기 CPC로 만족될 수 있다. 이상적인 집중기(concentrator) 형태에 대한 적절한 설계 방정식은 예컨대, W.T. Welford 외 공저, "High Collection Nonimaging Optics", 1989, 특히 제4장 또는 색인 D 및 E에서 찾아볼 수 있으며, 본원에 참조로서 통합되어 있다.
본 도파로 레이저에서, 도파로는 도파로의 제1 단부면으로부터 시작되는 제1 섹션, 및 제1 섹션과 도파로의 제2 단부면을 연결시키는 제2 섹션을 포함한다. 전파 층의 테이퍼드 형태는 도파로의 제1 섹션에 적용된다. 바람직하게는, 전파 층은 제2 섹션 전체에 걸쳐 일정한 단면 또는 폭을 갖는다. 전파 층은 전체 도파로에 걸쳐, 즉 제1 섹션과 제2 섹션 전체에 걸쳐 이득 매질로 형성될 수 있다. 하지만, 바람직한 실시예에서, 전파 층은 제2 섹션에서만 이득 매질로 이루어진다. 이는 예컨대, 충분히 높은 농도로 적절한 원소(element)가 도핑되는 경우에 이득 매질로서 기능할 뿐인, ZBLAN과 같은 적절한 호스트 물질(host material)을 전파 층에 사용함으로써 실현될 수 있다. 이 경우, 이 호스트 물질은 제2 영역에서 적절한 원소들로 도핑될 뿐이다. 이런 원소의 예는 희토류 이온들(rare earth ions), 바람직하게는 Er+ 이다. Er-도핑된 ZBLAN은 적외선 펌프 광에 대한 이득 매질로서 기능한다. 전파 층의 기본 물질로서 ZBLAN인 경우에, 둘러싸는 물질은 또한 요구되는 굴절률의 차를 달성하기 위해 상이한 화학량론적 조성(stoichiometric composition)을 갖는 ZBLAN으로 이루어질 수 있다.
도파로 레이저 및 다이오드 펌프 레이저 또는 레이저 바는 동일한 기판 또는 별도의 기판에 위치될 수 있다. 기판은 유리 물질 및/또는 세라믹 물질 및/또는 금속, 예컨대, 구리로 이루어질 수 있다. 바람직하게는, 다이오드 레이저 또는 다이오드 레이저 바는 적외선 또는 깊은 청색 파장 영역에서 펌프 광을 방출하며, 이득 매질은 펌프 광이 가시 영역의 광, 예컨대, 청색, 녹색, 또는 적색 방사로 변환되도록 선택된다. 도파로의 공진기 미러는 바람직하게는 도파로의 단부면에 다이크로익 코팅물(dichroic coatings)을 형성하는 것으로 실현된다. 도파로 레이저의 실시예들 중 일 실시예에서는, 제1 공진기 미러를 도파로의 제1 섹션과 제2 섹션 사이에 배치하는 것이 또한 가능하다. 이 경우, 제1 단부 미러는 바람직하게는 DBR(distributed Bragg reflector)로서 형성되고, 공진 캐비티는 도파로의 제2 섹션만을 포함한다. 제1 공진기 미러가, 들어오는 펌프 광에 대하여 높은 투과성이 있고 도파로 레이저의 생성된 레이저 광에 대하여 높은 반사성이 있도록 만들어진다. 제2 미러는 생성된 레이저 광의 일부를 커플링 아웃(couple out)할 수 있도록 레이저 광에 대하여 부분적으로 투과성이 있다.
본 발명의 상세한 설명 및 청구범위에서, "포함하는"이라는 단어가 다른 구성요소 또는 단계를 제외하는 것이 아니며, "하나의"라는 단어가 복수 개를 제외하는 것이 아니다. 청구범위에서의 참조 부호는 이들 청구범위의 범위를 제한하는 것으로 간주되어서는 안 된다.
하기의 설명은, 본 발명의 범위를 제한함 없이, 첨부 도면들에 관련하여 제시된 도파로 레이저의 예시적 실시예들에 관한 것이다.
도 1은 제시된 도파로 레이저의 제1 실시예의 개략도이다.
도 2는 제시된 도파로 레이저의 제2 실시예의 개략도이다.
도 3은 제시된 도파로 레이저의 제3 실시예의 개략도이다.
도 4는 제시된 도파로 레이저의 일례의 개략적 측면도이다.
도 1은 본 발명에 따른 도파로 레이저의 제1 실시예의 개략도이다. 이 개략도는 다이오드 레이저 펌프 광의 느린 축 방향에 수직이다. 빠른 축 방향에 수직인 개략도는 도 4에 도시되어 있다. 도면들은 도파로 레이저(2)의 제1 단부면(8)에 근접하여 그 출구면(exit surface)이 배치된 다이오드 레이저 바(1)를 도시한다. 도파로 레이저(2)는 클래딩 물질(5)에 의해 둘러싸인 전파 층(3,4)을 포함하고, 클래딩 물질(5)은 전파 층(3,4)의 물질보다 저 굴절률을 갖는다.
도면에서 알 수 있는 바와 같이, 전파 층의 폭은 도파로 레이저(2)의 제1 섹션에서 상당히 감소된 후, 이 도파로 레이저의 제2 섹션 전체에 걸쳐 일정하게 유지된다. 전파 층의 테이퍼드 부분(3)은 CPC(compound parabolic concentrator)의 형태를 가져서, 도파로 레이저(2)에 입사하는 펌프 광을 전파 층의 제2 섹션(4)에서 더 작은 부피로 집중시키게 된다. 다이오드 레이저 바(1)의 펌프 광의 이러한 집중으로 인해, 도파로의 에너지 밀도는 증가하고, 레이저 임계값에 보다 쉽게 도달한다. 또한, 도파로 레이저에 의해 방출되는 에너지의 집중도는 더 높게 된다. 전파 층은 도파로 레이저(2)의 제1 단부면(8)에서 다이오드 레이저 바(1)의 방출 폭과 거의 동일한 폭으로 시작된다. 도파로 레이저(2)의 이쪽 편에는, 제1 공진기 미러(6)가 배치되어 다이오드 레이저 바(1)의 파장을 전송한다. 전파 층(3,4)은 펌프 파장을 강하게 흡수하여 가시 파장 영역에서 방출하는 이득 매질로 이루어진다. 제1 공진기 미러(6)는 도파로 레이저(2)의 제2 단부면(9) 상의 제2 공진기 미러(7)와 함께 도 4에 도시되어 있다. 이쪽에서, 가시 레이저 광은 표시된 방향으로 도파로 레이저(2)를 떠난다. 도 1 및 도 4를 비교하여 알 수 있는 바와 같이, 전파 층(3,4)의 폭은 다이오드 레이저 광의 느린 축 방향으로 감소된다.
도 2는 또한 전파 층의 테이퍼드 부분(3)의 형태에 있어서만 도 1의 예와 다른 예를 도시한다. 도 2의 예에서, 이런 테이퍼드 부분(3)은 단순 테이퍼드형이며, 즉 폭이 선형적으로 감소한다. 이 경우에, 각도*치수(angle*dimension) 양은 단지 테이퍼드 부분(3) 전체에 걸쳐 대략 보존된다. 이 실시예에서 실현된 측면 치수의 감소는 도 1의 것보다 다소 더 작다.
도 3은 전파 층(3,4)이 도 1의 전파 층(3,4)과 기하학적으로 동일한, 제시된 도파로 레이저의 제3 실시예를 도시한다. 하지만, 도 3의 실시예에서는, 전파 층의 제2 부분(4)만이 이득 매질을 제공한다. 이는 제2 부분(4)만이 레이저의 이득을 위한 역할을 하는 희토류 이온으로 충분히 도핑되도록 두 부분에서 전파 층의 적절한 호스트 물질을 선택함으로써 실현된다. 이런 실시예에서의 장점은 전파 층의 테이퍼드 부분(3)에서의 상대적으로 큰 부피가 펌프(pump)되지 않아, 즉 펌프 광이 이 부분에서 흡수되지 않아, 도파로 레이저의 임계값이 더욱 더 낮아진다는 것이다. 이 실시예에서는 전파 층의 서로 다른 부분들에 서로 다른 도핑 레벨을 제공하는 전파 층의 특수한 퇴적 처리(special deposition process)가 요구된다. 이런 제3 실시예에서, 제1 공진기 미러(6)는 제1 단부면(8)에 배치되거나, 또는 DBR로서, 전파 층의 제1 부분(3)과 제2 부분(4) 사이에 배치된다. 도 3에서 후자는 파선(dashed line)으로 표시되어 있다.
일반적으로, 이러한 도파로 레이저는 기판에 박막 퇴적시킨 다음, 횡 방향으로 도파로의 원하는 층을 구조화함으로써 제조될 수 있다. 본 발명에 기술된 특수한 형태는 다이렉트 라이팅(direct writing), 또는 표준 리소그래픽(lithographic) 기술을 통하여 쉽게 달성될 수 있다.
[참조 부호의 목록]
1 다이오드 레이저 바
2 도파로 레이저
3 전파 층의 제1 부분
4 전파 층의 제2 부분
5 클래딩 물질
6 제1 공진기 미러
7 제2 공진기 미러
8 제1 단부면
9 제2 단부면

Claims (10)

  1. 광학적으로 펌핑되는 도파로 레이저(Optically pumped waveguide laser)로서,
    - 광 전파 층(an optical propagation layer)(3,4), 및 공진 캐비티(a resonator cavity)를 형성하는 2개의 공진기 미러(resonator mirror)(6,7)를 갖는 도파로(waveguide)를 포함하고,
    - 상기 전파 층(3,4)은 적어도 상기 도파로의 하나의 섹션을 따라(at least along one section of the waveguide) 이득 매질(a gain medium)로 이루어지며, 상기 이득 매질은 입사 펌프 광(incident pump light)의 업-컨버전(up-conversion) 또는 다운-컨버전(down-conversion)을 제공하며,
    - 상기 공진기 미러 중 제1 공진기 미러(6)는 상기 도파로의 제1 단부면(8)을 통하여 상기 도파로 레이저의 엔드-펌핑(end-pumping)을 허용하도록, 상기 펌프 광에 대하여 적어도 부분적으로 투과성이 있으며,
    상기 전파 층(3,4)의 폭은 상기 제1 단부면(8)에서 시작되어 제2 단부면(9)을 향하는 상기 도파로의 제1 섹션에서 감소되는 것을 특징으로 하는 광학적으로 펌핑되는 도파로 레이저.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 도파로 레이저(2)는, 다이오드 레이저 또는 다이오드 레이저 바(1)에 의해 엔드-펌핑(end-pumping)하기 위해 상기 다이오드 레이저 또는 다이오드 레이저 바(1)에 커플링(coupling)되는 것을 특징으로 하는 광학적으로 펌핑되는 도파로 레이저.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 다이오드 레이저 또는 다이오드 레이저 바(1)는 적외선(IR) 또는 깊은 청색 파장 영역에서 펌프 광을 방출하는 것을 특징으로 하는 광학적으로 펌핑되는 도파로 레이저.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 전파 층(3,4)의 상기 폭은 상기 펌프 광의 느린 축(slow axis) 방향으로 감소되는 것을 특징으로 하는 광학적으로 펌핑되는 도파로 레이저.
  5. 제1항 또는 제4항에 있어서,
    상기 폭은 CPC(compound parabolic concentrator)의 기하학적 형태에 따라서 감소되는 것을 특징으로 하는 광학적으로 펌핑되는 도파로 레이저.
  6. 제1항 또는 제4항에 있어서,
    상기 폭은 선형적으로 감소되는 것을 특징으로 하는 광학적으로 펌핑되는 도파로 레이저.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전파 층은 상기 도파로의 제2 섹션을 따라 일정한 폭 또는 단면을 가지며, 상기 제2 섹션은 상기 도파로의 제1 섹션과 제2 단부면(9)을 상호연결하는 것을 특징으로 하는 광학적으로 펌핑되는 도파로 레이저.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1 섹션에서 상기 전파 층(3,4)은 상기 이득 매질과는 상이한 물질로 이루어지며, 물질은 상기 펌프 광을 흡수하지 않거나, 또는 상기 펌프 광에 대하여 상기 이득 매질의 흡수 계수(an obsorption coefficient)보다 낮은 흡수 계수를 갖는 것을 특징으로 하는 광학적으로 펌핑되는 도파로 레이저.
  9. 제7항 또는 제8항에 있어서,
    상기 전파 층은 상기 제2 섹션 전체에 걸쳐 상기 이득 매질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 광학적으로 펌핑되는 도파로 레이저.
  10. 제1항 또는 제4항에 있어서,
    상기 이득 매질은 Er-도핑된 ZBLAN이고, 상기 도파로 레이저(2)는, 적외선(IR) 스펙트럼 영역의 펌프 광을 방출하는 다이오드 레이저 또는 다이오드 레이저 바(1)에 의해 엔드-펌핑하기 위해, 상기 다이오드 레이저 또는 다이오드 레이저 바(1)에 커플링되는 것을 특징으로 하는 광학적으로 펌핑되는 도파로 레이저.
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