KR20110045507A - Laser system of using direct locking method on coherent beam combining - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A laser system using direct locking method when beam coupling is provided to stabilize an optical phase by directly extracting phase information from a beat signal measured from an optical detector. CONSTITUTION: A master oscillator(600) generates a signal beam. A first divider(603) outputs a reference beam by dividing one beam form the signal beam. A polarization beam divider(606) outputs a first beam and a second beam which is orthogonal according to a polarization by combining the signal beam and a reference beam. A dipolar riser(611) depolarizes the first beam. A first optical detector(610) outputs an electrical signal by measuring the depolarized first beam. A second optical detector(608) outputs an electrical signal by measuring the second beam. A comparator(612) detects a phase difference of a signal outputted form the first and the second optical detector. A phase controller control the phase of the signal beam by using the detected phase difference.

Description

결맞는 빔결합 시 직접잠금 방법을 이용하는 레이저 시스템{LASER SYSTEM OF USING DIRECT LOCKING METHOD ON COHERENT BEAM COMBINING}LASER SYSTEM OF USING DIRECT LOCKING METHOD ON COHERENT BEAM COMBINING}

본 발명은 결맞는 빔결합 방법을 사용하는 레이저 시스템에 관한 것으로, 특히 결맞는 빔결합을 수행할 시 직접잠금 방법을 이용함으로써 위상 동기화를 위한 구성을 보다 간단하게 구현할 수 있도록 하기 위한 레이저 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a laser system using a coherent beam combining method, and more particularly, to a laser system for enabling a simpler configuration for phase synchronization by using a direct locking method when performing coherent beam combining. will be.

일반적으로 고출력 고품질의 레이저는 과학적 연구뿐만 아니라 산업분야에도 많은 잠재력을 가지고 있어 레이저가 처음 발명된 이래로 고출력 고품질의 레이저를 향한 노력은 계속되어 왔다. 레이저 빔 품질이 높다는 것은 빔을 작게 집속할 수 있음을 의미한다. 레이저 빔은 회절이론에 따라 특정 크기 이하로 집속할 수 없는데 이를 회절한계라 한다. 따라서 빔 품질이 좋을수록 회절한계의 크기에 가깝게 집속이 가능하다. 반면 레이저 빔 품질이 나쁠수록 집속된 빔 크기는 커지고 형상도 나빠져서 레이저 빔의 효율적인 활용이 어렵다.In general, high-power, high-quality lasers have great potential not only for scientific research but also for industrial fields, and efforts have been made toward high-power, high-quality lasers since the laser was first invented. High laser beam quality means that the beam can be focused small. The laser beam cannot focus below a certain size according to the diffraction theory, which is called the diffraction limit. Therefore, the better the beam quality, the closer the focus can be to the size of the diffraction limit. On the other hand, the worse the laser beam quality, the larger the focused beam size and the worse the shape, making it difficult to effectively use the laser beam.

레이저 출력이 높아질수록 이득매질의 열적(thermal) 혹은 비선형적(nonlinear) 문제로 빔 왜곡이 가속되어 품질이 나빠진다. 결맞는 빔결합(CBC: coherent beam combining) 방법을 이용하면 이러한 문제를 극복하고 고출력 고품질 의 빔을 얻을 수 있다.Higher laser power results in accelerated beam distortion due to thermal or nonlinear problems in the gain medium, resulting in poor quality. Using coherent beam combining (CBC), this problem can be overcome and high-quality beams can be obtained.

이러한 CBC 원리는 빔품질이 우수하고 상대적으로 출력이 낮은 여러 빔의 위상을 동일하게 맞춰 집속 시 초점에서 보강간섭이 일어나도록 하는 것으로 빔품질의 저하 없이 출력을 증대할 수 있다.In this CBC principle, reinforcing interference occurs at the focal point when focusing by matching the phases of several beams having good beam quality and relatively low output power, thereby increasing output power without deteriorating beam quality.

CBC 방법은 주로 병렬형 MOPA(Master Oscillator Power Amplification) 레이저 시스템에 주로 사용된다.The CBC method is mainly used for parallel Master Oscillator Power Amplification (MOPA) laser systems.

도 1은 회절한계, 병렬형 MOPA 레이저 시스템에서 빔의 위상 관계에 따른 CBC와 NCBC(non-coherent beam combining)를 설명하기 위한 도면이다.FIG. 1 is a diagram illustrating a CBC and a non-coherent beam combining (NCBC) according to a beam phase relationship in a diffraction limit and a parallel MOPA laser system.

이와 같은 병렬형 MOPA 레이저 시스템은 광학적 특성이 우수한 MO의 빔을 여러 개로 나누어 빔품질 저하가 일어나지 않는 범위 내에서 증폭한다. 이렇게 증폭된 빔은 타일을 붙이듯이 도 1에 도시된 바와 같이 촘촘하게 배열된다. 이때 각 빔은 증폭과정에서 생기는 광경로의 변화로 위상이 달라져 집속점에서 보강간섭을 일으키지 못한다.Such a parallel MOPA laser system divides a beam of MO having excellent optical characteristics into several parts and amplifies it within a range where beam quality deterioration does not occur. The amplified beams are densely arranged as shown in FIG. At this time, each beam is out of phase due to a change in the optical path generated in the amplification process, and thus does not cause constructive interference at the focal point.

N개의 증폭단(102)에서 증폭된 레이저 신호 세기가 I로 동일하다고 가정할 때 위상제어를 하지 않은 NCBC의 경우 초점에서 전체 세기는 NI가 된다.Assuming that the amplified laser signal intensities at the N amplification stages 102 are equal to I, in the case of NCBC without phase control, the total intensity at the focus becomes NI.

이에 반하여 위상을 제어해서 모든 빔의 위상을 동기화한 CBC의 경우 전체 세기는 N2I가 되어 NCBC에 비해 훨씬 높은 세기를 가진다.On the contrary, in the case of the CBC in which the phases of all beams are synchronized by controlling the phase, the total intensity becomes N2I, which is much higher than that of NCBC.

현재 사용되는 CBC는 OPLL(Optical Phase-Locked Loop) 기술을 통해서 구현된다. OPLL은 RF 영역에서 널리 활용되는 PLL 기술을 기반으로 수백 THz에 해당하는 광주파수 신호의 위상을 안정화하는 기술이다. PLL은 어떤 신호의 주파수를 기 준 주파수에 고정시키고 위상까지 동기화하는 기술로 핸드폰, 라디오, 텔레비전 그리고 컴퓨터와 같은 신호전송과 통신에서 널리 사용되고 있다.Current CBCs are implemented through OPLL (Optical Phase-Locked Loop) technology. OPLL is a technology that stabilizes the phase of hundreds of THz frequency signals based on PLL technology widely used in the RF domain. PLL is a technology that locks the frequency of a signal to a reference frequency and synchronizes it to phase. It is widely used in signal transmission and communication such as mobile phones, radios, televisions, and computers.

도 2는 PLL의 기본 구성도이다.2 is a basic configuration diagram of a PLL.

도 2에 도시된 바와 같이 위상 검출기(200)를 이용해서 참조 신호(Reference signal)와 안정화하고자 하는 신호의 위상 차이를 검출한다. 검출된 위상 차이는 저역 통과 필터(202)와 전압 제어 발생기(VCO)(204)를 거쳐 오차 신호를 만들어 위상 검출기(200)에 되먹임 해서 위상을 참조 신호의 위상에 안정화시킨다.As shown in FIG. 2, the phase detector 200 detects a phase difference between a reference signal and a signal to be stabilized. The detected phase difference generates an error signal through the low pass filter 202 and the voltage control generator (VCO) 204 and feeds it back to the phase detector 200 to stabilize the phase to the phase of the reference signal.

한편, 광신호는 수백 THz의 빠른 주파수로 진동하기 때문에 전자장비로 직접 측정이 불가능하다.On the other hand, since the optical signal vibrates at a high frequency of several hundred THz, it cannot be measured directly by electronic equipment.

그러므로 광신호를 전자장비를 이용하여 측정하기 위해서 광주파수를 RF 영역으로 낮춘 다음에 PLL 기술을 이용해서 위상을 안정화하는 OPLL 기술이 사용된다.Therefore, in order to measure the optical signal using electronic equipment, the OPLL technique is used to lower the optical frequency to the RF region and then stabilize the phase by using the PLL technique.

이와 같은 OPLL 기술에서 사용되는 광위상 검출하는 과정을 도 3을 참조하여 살펴본다. An optical phase detection process used in the OPLL technique will be described with reference to FIG. 3.

도 3을 참조하면, 레이저 빔(300)을 두 개로 나눠 한개의 신호는 RF 신호 발생기(340)로부터 출력되는 RF 클락(clock) 신호를 이용해서 주파수 변조기(320)를 통해 참조 빔(Reference beam)으로 사용할 빔의 주파수를 RF만큼 증가시킨다.Referring to FIG. 3, the laser beam 300 is divided into two, and one signal is referenced to the reference beam through the frequency modulator 320 using an RF clock signal output from the RF signal generator 340. Increase the frequency of the beam to be used by RF.

이후, 레이저 빔(

Figure 112009065662064-PAT00001
)와 참조 빔(
Figure 112009065662064-PAT00002
)을 광 검출기(Photo diode)(310)로 입사시키면, 위상의 차에 해당하는 RF 영역의 맥놀이 신 호(
Figure 112009065662064-PAT00003
)가 측정된다.After that, the laser beam (
Figure 112009065662064-PAT00001
) And reference beam (
Figure 112009065662064-PAT00002
) Is incident on the photodiode 310, the beat signal of the RF region corresponding to the phase difference
Figure 112009065662064-PAT00003
) Is measured.

이러한 맥놀이 신호와 RF 신호를 RF 위상 검출기(Phase Detector)(330)에 입력하면 위상(

Figure 112009065662064-PAT00004
) 차이를 검출할 수 있다. 이렇게 검출된 위상을 이용해서 오차 신호를 만들고, 이를 위상 변조기에 되먹임하면 레이저 빔의 위상을 참조 빔의 위상에 동기화 할 수 있다.When the beat signal and the RF signal are input to the RF phase detector 330, the phase (
Figure 112009065662064-PAT00004
) Difference can be detected. By generating an error signal using the detected phase and feeding it back to the phase modulator, the phase of the laser beam can be synchronized with the phase of the reference beam.

도 4는 상기 도 3과 같이 OPLL 기술에서 사용되는 광위상 검출하는 방법을 이용해서 병렬형 MOPA 레이저에서 증폭된 레이저 빔들의 위상을 동기화하는 구성도를 나타낸다.FIG. 4 illustrates a configuration diagram of synchronizing phases of laser beams amplified in a parallel MOPA laser using the optical phase detection method used in the OPLL technique as shown in FIG. 3.

도 4를 참조하면, 마스터 오실레이터(MO)(400)에서 발생된 고품질 저출력의 레이저 빔(

Figure 112009065662064-PAT00005
)을 분할기(402)를 이용해서 여러 개로 나누어 빔을 증폭기(Amplifier)(410)를 통해 증폭하게 된다. 이때 하나의 빔은 증폭하지 않고, 참조 빔으로 활용하게 된다. 그리고 이 참조 빔(
Figure 112009065662064-PAT00006
)은 AOM(acousto-optic modulator)과 같은 주파수 변조기(404)를 이용해서 RF 신호 발생기(406)에서 생성된 수십 혹은 수백 MHz의 신호(
Figure 112009065662064-PAT00007
)를 레이저 빔에 더하게 된다.Referring to FIG. 4, a high quality low power laser beam generated by the master oscillator (MO) 400 (
Figure 112009065662064-PAT00005
) Is divided into a plurality using the divider 402 to amplify the beam through the amplifier (410). At this time, one beam is not amplified, but is used as a reference beam. And this reference beam (
Figure 112009065662064-PAT00006
) Is a signal of tens or hundreds of MHz generated by the RF signal generator 406 using a frequency modulator 404 such as an acoustic-optic modulator (AOM).
Figure 112009065662064-PAT00007
) Is added to the laser beam.

또한, 증폭기(410)를 통해 증폭된 빔은 도 4에 도시된 바와 같이 타일처럼 배열된다.In addition, the beam amplified by the amplifier 410 is arranged like a tile as shown in FIG.

그리고 위상 동기화를 위해 빔 분할기(411)를 이용해서 일부의 빔을 분리한다. 분리된 증폭 빔은 참조 빔과 같은 경로를 진행하게 되고, 광 검출기(Photo Diode)(412)를 통해서 RF로 진동하는 맥놀이 신호(

Figure 112009065662064-PAT00008
)를 얻게 된다.Then, some beams are separated using the beam splitter 411 for phase synchronization. The separated amplified beam travels in the same path as the reference beam, and a beat signal vibrating with RF through a photo diode 412.
Figure 112009065662064-PAT00008
)

이 맥놀이 신호(

Figure 112009065662064-PAT00009
)와 RF 신호 발생기(406)에서 출력되는 RF 신호(
Figure 112009065662064-PAT00010
)를 RF 위상 검출기(Phase Detectors)(414)에 입력해서 위상 차이를 얻게 된다.This beat signal (
Figure 112009065662064-PAT00009
) And the RF signal output from the RF signal generator 406
Figure 112009065662064-PAT00010
) Is input to the RF phase detectors 414 to obtain the phase difference.

그러면, RF 위상 검출기(414)에서 검출된 위상 차이는 위상 제어기(Phase control electronics)(416)로 입력되고, 위상 제어기(416)는 이러한 위상 정보를 이용해 오차신호를 만들고 이 신호를 각 증폭단 앞에 있는 위상 변조기(408)에 되먹임한다. 이렇게 함으로써 모든 레이저 빔의 위상을 참조 빔의 위상에 안정화해서 결국 증폭된 모든 빔의 위상을 동기화 시킨다.The phase difference detected by the RF phase detector 414 is then input to a phase control electronics 416, which uses this phase information to generate an error signal and place this signal in front of each amplifier stage. Feedback to the phase modulator 408. This stabilizes the phases of all the laser beams to the phases of the reference beams, thus synchronizing the phases of all the amplified beams.

이와 같이 종래에는 레이저에서 출력되는 광신호에 대한 PLL 방식을 적용하여 위상을 동기화 시키기 위해서는 광주파수를 RF 영역으로 낮춘 다음에 PLL 기술을 이용해서 위상을 안정화 시켜야만 했다.As described above, in order to synchronize the phase by applying the PLL method for the optical signal output from the laser, the optical frequency has to be lowered to the RF region and then the phase has to be stabilized using the PLL technique.

이에 따라 광주파수를 RF 영역으로 낮추기 위한 구성인 주파수 변조기, RF 신호 발생기, 그리고 RF 위상 검출기와 같은 장비가 필요할 수 밖에 없었고, 이러한 장비들로 인해 시스템이 복잡해서 구현이 용이하지 않게 되었다.As a result, equipment such as a frequency modulator, an RF signal generator, and an RF phase detector, which are components for lowering the optical frequency to the RF domain, were required. These devices were complicated and the system was not easy to implement.

따라서, 본 발명은 결맞는 빔결합을 수행할 시 직접잠금 방법을 이용함으로써 위상 동기화를 위한 구성을 보다 간단하게 구현할 수 있도록 하기 위한 레이저 시스템을 제공함에 있다.Accordingly, the present invention provides a laser system for enabling a simpler configuration for phase synchronization by using a direct locking method when performing coherent beam combining.

상기한 바를 달성하기 위한 본 발명은 레이저 시스템에 있어서, 신호 빔을 발생하는 마스터 오실레이터와, 상기 신호 빔에서 하나의 빔을 분할하여 참조 빔으로 출력하는 제1 분할기와, 상기 신호 빔과 상기 참조 빔을 결합하여 편광에 따라 서로 직교하는 제1 빔과 제2 빔으로 나누어 출력하는 편광 빔 분할기와, 상기 제1 빔을 비편광시키는 디폴라라이저와, 상기 비편광시킨 제1 빔을 측정하여 전기신호로 변환하는 제1 광 검출기와, 상기 제2 빔을 측정하여 전기신호로 변환하는 제2 광 검출기와, 상기 제1 광 검출기로부터 출력되는 신호와 제2 광 검출기로부터 출력되는 신호의 위상 차이를 검출하는 비교기와, 상기 검출된 위상 차이를 이용하여 상기 신호 빔의 위상을 참조 빔의 위상에 동기화 시키도록 상기 신호 빔의 위상을 제어하는 위상 제어기를 포함하는 것을 특징으로 한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a laser system comprising: a master oscillator for generating a signal beam, a first splitter for splitting one beam from the signal beam and outputting the beam as a reference beam, and the signal beam and the reference beam A polarized beam splitter for dividing and outputting the first beam and the second beam orthogonal to each other according to polarization, a depolarizer for depolarizing the first beam, and an unpolarized first beam to measure an electrical signal. Detects a phase difference between a first photodetector for converting to a second photodetector, a second photodetector for measuring the second beam and converting the signal into an electrical signal, and a signal output from the first photodetector and a signal output from a second photodetector And a phase controller for controlling the phase of the signal beam to synchronize the phase of the signal beam to the phase of the reference beam using the detected phase difference. Characterized in that it also.

또한 본 발명의 일례에 따라 상기 레이저 시스템은, 상기 마스터 오실레이터에서 발생하는 신호 빔을 N개의 빔으로 분할하는 N개의 분할기와, 상기 위상 제어기의 제어 하에 상기 N개의 분할기로부터 각각 출력되는 빔의 위상을 상기 참조 빔의 위상에 동기화 시키는 위상 변조기와, 상기 위상 변조기를 통해 출력되는 각각 의 빔을 증폭시켜 출력하는 증폭기를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.According to an exemplary embodiment of the present invention, the laser system may further include N dividers for dividing a signal beam generated by the master oscillator into N beams, and phases of beams respectively output from the N dividers under the control of the phase controller. And a phase modulator for synchronizing with the phase of the reference beam, and an amplifier for amplifying and outputting each beam output through the phase modulator.

또한, 본 발명의 일례에 따라 상기 제1 광 검출기에서 출력되는 신호는 간섭이 일어나지 않은 신호이고, 상기 레이져 빔과 상기 참조 빔의 위상차와 두 신호의 세기를 포함하고, 상기 제2 광 검출기에서 출력되는 신호는 간섭신호이고, 상기 신호 빔과 상기 참조 빔의 위상차 정보만을 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, according to an example of the present invention, the signal output from the first photodetector is a signal without interference, and includes the phase difference between the laser beam and the reference beam and the intensity of two signals, and the output from the second photodetector The signal is an interference signal, and includes only phase difference information between the signal beam and the reference beam.

또한, 본 발명의 일례에 따라 상기 편광 빔 분할기는, 상기 비교기를 통해 상기 제1 광 검출기로부터 출력되는 신호와 제2 광 검출기로부터 출력되는 신호의 빼기 연산을 통해 위상 정보를 얻을 수 있도록 편광 파라미터가 설정되는 것을 특징으로 한다.In addition, according to an exemplary embodiment of the present invention, the polarization beam splitter may include a polarization parameter to obtain phase information through a subtraction operation of a signal output from the first photodetector and a signal output from the second photodetector through the comparator. It is characterized in that it is set.

본 발명은 결맞는 빔결합(CBC) 방법을 이용하는 레이저 시스템에서 종래와 같이 광주파수를 RF 영역으로 낮추기 위한 구성인 주파수 변조기, RF 신호 발생기, RF 위상 검출기와 같은 장비를 사용하지 않고, 광 검출기에서 측정된 맥놀이 신호로부터 위상 정보를 직접 추출해서 광위상을 안정화 시키도록 한다.The present invention does not use equipment such as a frequency modulator, an RF signal generator, or an RF phase detector, which is a configuration for lowering the optical frequency to the RF region as conventionally in a laser system using a coherent beam combining (CBC) method. The phase information is directly extracted from the measured beat signal to stabilize the optical phase.

이렇게 함으로써 결맞는 빔결합 방법을 이용하는 레이저 시스템 구현 시 종래에 비해 보다 간단한 구성으로 구현할 수 있는 이점이 있다.This has the advantage that it can be implemented in a simpler configuration than the prior art when implementing a laser system using a matched beam combining method.

이하 본 발명의 바람직한 실시예들의 상세한 설명이 첨부된 도면들을 참조하여 설명될 것이다. 도면들 중 동일한 구성들은 가능한 한 어느 곳에서든지 동일한 부호들을 나타내고 있음을 유의하여야 한다. 하기 설명에서 구체적인 특정 사항들 이 나타나고 있는데, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해 제공된 것이다. 그리고 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.DETAILED DESCRIPTION A detailed description of preferred embodiments of the present invention will now be described with reference to the accompanying drawings. It should be noted that the same components in the figures represent the same numerals wherever possible. Specific details are set forth in the following description, which is provided to aid a more general understanding of the present invention. In describing the present invention, when it is determined that a detailed description of a related known function or configuration may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, the detailed description thereof will be omitted.

본 발명에서는 결맞는 빔 결합 시 위상 동기화를 위해 사용되던 주파수 변조기, RF 신호 발생기, RF 위상 검출기와 같은 장비를 사용하지 않고, 위상을 동기화 시킬 수 있는 방안을 제안하여 레이저 시스템 구현 시 보다 간단하게 구현할 수 있는 하고자 한다.The present invention proposes a method for synchronizing phases without using equipment such as a frequency modulator, an RF signal generator, and an RF phase detector, which is used for phase synchronization during coherent beam combining. I would like to be able.

도 5는 본 발명의 실시 예에 따라 직접잠금(direct locking) 방법을 이용하여 위상을 검출하는 과정을 나타낸다.5 illustrates a process of detecting a phase by using a direct locking method according to an embodiment of the present invention.

도 5를 참조하면,

Figure 112009065662064-PAT00011
주파수를 가지는 레이저(500)에서 출력되는 레이저 빔(
Figure 112009065662064-PAT00012
)(510)과 참조 빔(
Figure 112009065662064-PAT00013
)(520)이 광 검출기(Photo Diode)(530)로 입력되고, 광 검출기(530)를 통해 두 신호간의 맥놀이 신호가 측정된다. 이와 같이 측정된 맥놀이 신호로부터 위상 정보(
Figure 112009065662064-PAT00014
)를 추출한다.5,
Figure 112009065662064-PAT00011
A laser beam output from the laser 500 having a frequency (
Figure 112009065662064-PAT00012
) 510 and the reference beam (
Figure 112009065662064-PAT00013
) 520 is input to the photo detector 530, and the beat signal between the two signals is measured through the photo detector 530. From the beat signal measured in this way, the phase information (
Figure 112009065662064-PAT00014
).

즉, 본 발명에 따른 직접잠금 방법은 광 주파수를 RF 영엿으로 낮추기 위한 구성인 RF 신호 발생기를 사용하지 않으며 광 검출기(530)에서 측정된 맥놀이 신호로부터 위상 정보를 직접 추출해서 광위상을 안정화하는 방법이다.That is, the direct locking method according to the present invention does not use an RF signal generator, which is a component for lowering the optical frequency to RF, and directly extracts phase information from the beat signal measured by the photodetector 530 to stabilize the optical phase. to be.

그러나 광 검출기(530)에서 측정된 신호는 하기의 <수학식 1>과 같이 레이저 빔과 참조 빔의 위상 차를 나타내는 항뿐만 아니라 두 신호의 세기를 나타내는 DC(Direct Current) 항도 포함하고 있다.However, the signal measured by the photo detector 530 includes not only a term indicating a phase difference between the laser beam and the reference beam, but also a direct current (DC) term indicating the strengths of the two signals as shown in Equation 1 below.

Figure 112009065662064-PAT00015
Figure 112009065662064-PAT00015

그리고 레이저 출력 변화에 따라 DC 값이 바뀌기 때문에 상기 <수학식 1>을 이용해서 위상을 제어하기는 어렵다. 그러므로 순수한 위상의 정보를 추출하기 위해서는 DC 항을 제거해야 한다.In addition, since the DC value changes according to the laser output change, it is difficult to control the phase by using Equation 1. Therefore, to extract pure phase information, we need to remove the DC term.

본 발명에서는 DC 항을 제거하기 위해 두 개의 광 검출기를 사용해서 하나는 간섭신호를 측정하고 나머지로는 간섭이 일어나지 않는 신호를 측정하고, 측정된 두개의 신호의 차를 이용해서 DC 항을 제거하도록 한다. 이에 대하여는 하기의 도 6의 설명에서 구체적으로 살펴본다.In the present invention, two photo detectors are used to remove the DC term, one to measure the interference signal, the other to measure the signal that does not interfere, and to remove the DC term using the difference between the measured two signals. do. This will be described in detail with reference to FIG. 6.

도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 직접잠금 방법을 이용해서 결맞는 빔 결합(CBC)을 구현하는 구성도이다.FIG. 6 is a block diagram illustrating a coupled beam combining (CBC) using a direct locking method according to an embodiment of the present invention.

도 6을 참조하면, 마스터 오실레이터(MO)(600)에서 발생된 신호 빔(signal beam)은 N개의 분할기(splitter)(601)를 통해 N개의 빔으로 분할되어 위상 변조기(602)로 입력된다. 또한, 제1 분할기(603)는 마스터 오실레이터(MO)(600)에서 출력된 레이저 빔 중에서 하나의 빔을 분할하여 참조 빔(

Figure 112009065662064-PAT00016
)으로 출력한다.Referring to FIG. 6, a signal beam generated by the master oscillator 600 is divided into N beams through N splitters 601 and input to the phase modulator 602. In addition, the first splitter 603 divides one beam from among laser beams output from the master oscillator (MO) 600 to generate a reference beam (
Figure 112009065662064-PAT00016
)

분할된 빔들이 위상 변조기(602)에 최초 입력될 시에는 바이패스되어 증폭기(604)를 통해 증폭되어 출력된다.When the divided beams are initially input to the phase modulator 602, they are bypassed and amplified and output through the amplifier 604.

이후, 증폭된 빔들은 제2 분할기(605)를 통해 일부 분리되어 편광 빔 분할기(polarizing beam splitter)(606)으로 인가된다.The amplified beams are then partially separated through the second splitter 605 and applied to the polarizing beam splitter 606.

이후, 편광 빔 분할기(606)로 인가된 증폭된 빔들은 참조 빔과 결합하여 편광에 따라 서로 직교하는 제1 빔과 제2 빔으로 나누어 각각 디폴라라이저(depolarizer)(611)과 제2 광 검출기(photo diode)(608)로 출력된다.Thereafter, the amplified beams applied to the polarization beam splitter 606 are combined with the reference beam and divided into a first beam and a second beam that are orthogonal to each other according to polarization, respectively, to a depolarizer 611 and a second photodetector. is output to a photo diode 608.

디폴라라이저(611)는 입력된 제1 빔을 비편광시켜 간섭신호로 만든 후 제1 광 검출기(photo diode)(610)로 출력하여 전기신호로 변환한다.The depolarizer 611 depolarizes the input first beam to form an interference signal, and then outputs the first beam to a first photo detector 610 to convert it into an electrical signal.

또한, 제2 광 검출기(608)는 입력된 제2 빔을 전기신호로 변환한다.In addition, the second photodetector 608 converts the input second beam into an electrical signal.

이때, 제1 광 검출기(610)에서 출력되는 신호는 간섭이 일어나지 않은 신호이고, 레이져 빔과 참조 빔의 위상차와 두 신호의 세기를 포함하고, 제2 광 검출기(608)에서 출력되는 신호는 간섭신호이고, 레이저 빔과 참조 빔의 위상차 정보만을 포함하고 있다.In this case, the signal output from the first photodetector 610 is a signal without interference, and includes the phase difference between the laser beam and the reference beam and the intensity of the two signals, and the signal output from the second photodetector 608 is interference It is a signal and contains only phase difference information between the laser beam and the reference beam.

즉, 본 발명에서는 간섭을 위해 한쪽 경로에만 디폴라라이저(611)를 설치한다. 이때 제1 광 검출기(610)와 제2 광 검출기(608)에서 측정된 신호는 하기의 <수학식 2>와 같다.That is, in the present invention, the depolarizer 611 is installed only on one path for interference. In this case, the signals measured by the first photodetector 610 and the second photodetector 608 are represented by Equation 2 below.

Figure 112009065662064-PAT00017
Figure 112009065662064-PAT00017

Figure 112009065662064-PAT00018
Figure 112009065662064-PAT00018

상기 제1 광 검출기(610)와 제2 광 검출기(608)에서 출력되는 신호들은 비교기(612)로 인가되고, 비교기(612)를 통해 두 신호의 위상 차이를 검출한다.The signals output from the first photodetector 610 and the second photodetector 608 are applied to the comparator 612, and detect the phase difference between the two signals through the comparator 612.

즉, 상기의 두 레이저 빔의 편광을 조절해서 A와 D, 그리고 B와 E를 같게 만들면 두 신호의 빼기 연산을 통해 순수한 위상 정보를 얻을 수 있다.That is, by adjusting the polarization of the two laser beams to make A, D, and B and E the same, pure phase information can be obtained by subtracting two signals.

이를 위해 본 발명에 따른 편광 빔 분할기(606)는, 제1 광 검출기(610)로부터 출력되는 신호와 제2 광 검출기(608)로부터 출력되는 신호의 빼기 연산을 통해 위상 정보를 얻을 수 있도록 편광 파라미터를 설정한다.To this end, the polarization beam splitter 606 according to the present invention may use polarization parameters to obtain phase information by subtracting a signal output from the first photodetector 610 and a signal output from the second photodetector 608. Set.

이와 같이 검출된 위상 차이에 대한 정보는 위상 제어기(Phase control electronics)(612)로 입력되고, 위상 제어기(612)에서 상기 검출된 위상 차이를 이용하여 오차신호를 생성하고, 레이저 빔의 위상을 제어하기 위해 상기 오차신호를 위상 변조기(Phase mmodulators)(602)로 출력한다.Information about the detected phase difference is input to a phase control electronics 612, and the phase controller 612 generates an error signal using the detected phase difference, and controls the phase of the laser beam. The error signal is output to phase modulators 602 in order to do so.

위상 변조기(602)는 위상 제어기(614)의 제어 하에 N개의 분할기(601)로부터 각각 출력되는 빔의 위상을 상기 참조 빔의 위상에 동기화 시킨다.The phase modulator 602 synchronizes the phases of the beams respectively output from the N dividers 601 to the phases of the reference beams under the control of the phase controller 614.

상기한 동작을 통해 분할된 레이저 빔들의 위상을 상기 참조 빔의 위상에 동기화 시킬 수 있다.Through the above operation, the phases of the divided laser beams may be synchronized with the phases of the reference beams.

한편, 제1 광 검출기(610)와 제2 광 검출기(608)로 측정된 두 종류의 신호(a)와 DC 항이 제거된 순수 위상 정보(b)는 도 7과 같이 도시된다.Meanwhile, two kinds of signals a measured by the first photodetector 610 and the second photodetector 608 and pure phase information b from which the DC term is removed are illustrated in FIG. 7.

이와 같은 순수 위상 정보를 이용해 오차 신호를 만들고 증폭기(604) 앞단의 위상 변조기(602)에 되먹임 하면 맥놀이 신호를 0V에 고정할 수 있다.By generating the error signal using such pure phase information and feeding back to the phase modulator 602 in front of the amplifier 604, the beat signal can be fixed to 0V.

도 8은 되먹임 전후의 맥놀이 신호를 나타낸다.8 shows beat signals before and after feedback.

t=0에서 되먹임 신호가 가해졌고, 그 이후는 0V 근처에 잠겨 있음을 알 수 있다. 그리고 되먹임 전후의 빈도분포를 보면 되먹임 전의 경우는 사인 함수의 전형적인 빈도분포를 보이는 반면 되먹임이 가해진 후에는 가우시안(Gaussian) 형태의 빈도분포를 나타낸다. 가우시안 형태의 빈도분포는 진동이 아니라 0V에 잠금이 되어있음을 의미한다.A feedback signal was applied at t = 0, after which it was locked near 0V. In the frequency distribution before and after the feedback, the frequency distribution before the feedback shows the typical frequency distribution of the sine function, whereas the feedback distribution shows the Gaussian frequency distribution. Gaussian frequency distribution means that it is locked to 0V, not vibration.

그리고 되먹임 전후의 빈도 분포의 피크 전압(Vp)과 표준편차(

Figure 112009065662064-PAT00019
)를 이용하면 RMS 위상 안정도(degree)를 구할 수 있는데 그 관계는 하기의 <수학식 3>과 같다.And the peak voltage (Vp) and standard deviation of the frequency distribution before and after feedback.
Figure 112009065662064-PAT00019
) Can be used to calculate the RMS phase stability, and the relationship is given by Equation 3 below.

Figure 112009065662064-PAT00020
Figure 112009065662064-PAT00020

상기한 바와 같이 본 발명에 따른 직접잠금 방법을 이용해서 결맞는 빔결합(CBC)를 구현할 경우 RF 신호 발생기, 주파수 변조기, 그리고 RF 위상검출기와 같은 장비가 필요 없으며 구현이 용이하다.As described above, when implementing a beam matching (CBC) using the direct locking method according to the present invention, equipment such as an RF signal generator, a frequency modulator, and an RF phase detector is not necessary and is easy to implement.

이상, 본 발명의 특정 실시예에 대하여 상술하였지만, 본 발명의 사상 및 범위는 이러한 특정 실시예에 한정되는 것이 아니라, 본 발명의 요지를 변경하지 않는 범위 내에서 다양하게 수정 및 변형이 가능하다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 것이다.Although specific embodiments of the present invention have been described above, the spirit and scope of the present invention are not limited to the specific embodiments, and various modifications and changes can be made without departing from the spirit of the present invention. Those skilled in the art will understand.

따라서, 이상에서 기술한 실시예들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이므로, 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 하며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.Therefore, since the embodiments described above are provided to completely inform the scope of the invention to those skilled in the art, it should be understood that they are exemplary in all respects and not limited. The invention is only defined by the scope of the claims.

도 1은 병렬형 MOPA 레이저에서 빔의 위상 관계에 따른 CBC와 NCBC를 설명하기 위한 도면,1 is a view for explaining the CBC and NCBC according to the phase relationship of the beam in a parallel MOPA laser,

도 2는 PLL의 기본 구성도,2 is a basic configuration diagram of a PLL;

도 3은 OPLL에서 사용되는 광 위상 검출 과정을 설명하기 위한 도면,3 is a view for explaining an optical phase detection process used in the OPLL,

도 4는 병렬형 MOPA 레이저에서 증폭된 레이저 빔들의 위상을 동기화하는 구성도,4 is a block diagram of synchronizing phases of amplified laser beams in a parallel MOPA laser;

도 5는 본 발명의 실시 예에 따라 직접잠금 방법을 위상을 검출하는 과정을 설명하기 위한 도면,5 is a view for explaining a process of detecting a phase in the direct locking method according to an embodiment of the present invention,

도 6은 본 발명의 실시 예에 따라 직접 방법을 이용하여 CBC를 구현하기 위한 구성도,6 is a block diagram for implementing a CBC using a direct method according to an embodiment of the present invention;

도 7은 도 6의 제1 광 검출기와 제2 광 검출기에서 측정된 신호를 나타내는 도면,FIG. 7 is a diagram illustrating signals measured by a first photo detector and a second photo detector of FIG. 6;

도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 위상 제어 전/후의 맥놀이 신호를 도시하는 예시도.8 is an exemplary diagram illustrating a beat signal before and after phase control according to an embodiment of the present invention.

<도면의 주요 참조부호에 대한 설명> DESCRIPTION OF THE REFERENCE NUMERALS OF THE DRAWINGS

600: 마스터 오실레이터(MO) 601: N 개의 분할기600: master oscillator (MO) 601: N dividers

602: 위상 변조기 603: 제1 분할기 602: phase modulator 603: first divider

604: 증폭기 605: 제2 분할기604: amplifier 605: second divider

606: 편광 빔 분할기 608: 제2 광 검출기606: polarizing beam splitter 608: second light detector

610: 제1 광 검출기 612: 비교기610: first light detector 612: comparator

614: 위상 제어기 614: phase controller

Claims (4)

레이저 시스템에 있어서,In a laser system, 신호 빔을 발생하는 마스터 오실레이터(600)와,A master oscillator 600 for generating a signal beam, 상기 신호 빔에서 하나의 빔을 분할하여 참조 빔으로 출력하는 제1 분할기(603)와,A first splitter 603 which splits one beam from the signal beam and outputs it as a reference beam; 상기 신호 빔과 상기 참조 빔을 결합하여 편광에 따라 서로 직교하는 제1 빔과 제2 빔으로 나누어 출력하는 편광 빔 분할기(606)와,A polarization beam splitter 606 which combines the signal beam and the reference beam and divides and outputs the first beam and the second beam that are orthogonal to each other according to polarization; 상기 제1 빔을 비편광시키는 디폴라라이저(611)와,A depolarizer 611 for unpolarizing the first beam, 상기 비편광시킨 제1 빔을 측정하여 전기신호로 변환하는 제1 광 검출기(610)와,A first photo detector 610 for measuring the unpolarized first beam and converting the first beam into an electrical signal; 상기 제2 빔을 측정하여 전기신호로 변환하는 제2 광 검출기(608)와,A second photo detector 608 for measuring the second beam and converting the second beam into an electrical signal; 상기 제1 광 검출기(610)로부터 출력되는 신호와 제2 광 검출기(608)로부터 출력되는 신호의 위상 차이를 검출하는 비교기(612)와,A comparator 612 for detecting a phase difference between a signal output from the first photodetector 610 and a signal output from the second photodetector 608; 상기 검출된 위상 차이를 이용하여 상기 신호 빔의 위상을 참조 빔의 위상에 동기화 시키도록 상기 신호 빔의 위상을 제어하는 위상 제어기(614)를 포함하는 것을 특징으로 하는 결맞는 빔결합 시 직접잠금 방법을 이용하는 레이저 시스템.And a phase controller 614 for controlling the phase of the signal beam to synchronize the phase of the signal beam with the phase of a reference beam using the detected phase difference. Laser system using the. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 마스터 오실레이터에서 발생하는 신호 빔을 N개의 빔으로 분할하는 N개 의 분할기(601)와,N dividers 601 for dividing the signal beam generated by the master oscillator into N beams, 상기 위상 제어기(614)의 제어 하에 상기 N개의 분할기로부터 각각 출력되는 빔의 위상을 상기 참조 빔의 위상에 동기화 시키는 위상 변조기(602)와,A phase modulator 602 for synchronizing the phases of the beams output from the N splitters with the phases of the reference beams under the control of the phase controller 614; 상기 위상 변조기(602)를 통해 출력되는 각각의 빔을 증폭시켜 출력하는 증폭기(604)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 결맞는 빔결합 시 직접잠금 방법을 이용하는 레이저 시스템.And a amplifier (604) for amplifying and outputting each beam output through the phase modulator (602). 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 제1 광 검출기(610)에서 출력되는 신호는 간섭이 일어나지 않은 신호이고, 상기 레이져 빔과 상기 참조 빔의 위상차와 두 신호의 세기를 포함하고,The signal output from the first photodetector 610 is a signal without interference, and includes a phase difference between the laser beam and the reference beam and the strength of two signals, 상기 제2 광 검출기(608)에서 출력되는 신호는 간섭신호이고, 상기 신호 빔과 상기 참조 빔의 위상차 정보만을 포함하는 것을 특징으로 하는 결맞는 빔결합 시 직접잠금 방법을 이용하는 레이저 시스템.The signal output from the second photodetector (608) is an interference signal and includes only phase difference information between the signal beam and the reference beam. 제 1 항에 있어서, 상기 편광 빔 분할기(606)는,The method of claim 1, wherein the polarizing beam splitter 606, 상기 비교기(612)를 통해 상기 제1 광 검출기(610)로부터 출력되는 신호와 제2 광 검출기(608)로부터 출력되는 신호의 빼기 연산을 통해 위상 정보를 얻을 수 있도록 편광 파라미터가 설정되는 것을 특징으로 하는 결맞는 빔결합 시 직접잠금 방법을 이용하는 레이저 시스템.The polarization parameter may be set to obtain phase information by subtracting a signal output from the first photodetector 610 and a signal output from the second photodetector 608 through the comparator 612. Laser system using direct locking method for coherent beam coupling.
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