KR20120003451A - 재생 이용된 중간 고조파를 이용하는 내부 강 고조파 생성 - Google Patents

재생 이용된 중간 고조파를 이용하는 내부 강 고조파 생성 Download PDF

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충-포 황
푸젱 저우
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일렉트로 싸이언티픽 인더스트리이즈 인코포레이티드
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Abstract

제 2(342) 및 더 높은 차수의(352, 552, 652, 782) 고조파 레이저 빔 에너지의 내부 강(intracavity) 고조파 생성을 위해 구성되는 레이저(300, 500, 600, 700, 800, 900)는 중간 고조파 레이저 빔 에너지(예를 들어, 제 2 고조파 레이저 빔 에너지)의 사용되지 않은 부분을 재생이용하는 굴곡진 미러와 같은, 모드-매칭(mode-matching) 광학기(360, 670, 910)를 포함하여, 더 높은 차수의 고조파 레이저 빔 에너지를 희생시키지 않고, 더 높은 차수의 고조파 레이저 빔 에너지 생성 효율을 개선한다. 굴곡진 미러는 레이저의 공진 레이저 강(306) 외부에 위치될 수 있다. 굴곡진 미러의 곡률 반경 및 위치는, 재생 이용된 제 2 고조파 레이저 빔 에너지의 빔 반경 및 빔 발산이, 들어오는 제 2 고조파 레이저 빔의 빔 경로를 따라 어느 곳에서나, 들어오는 제 2 고조파 레이저 빔 에너지의 빔 반경 및 빔 발산과 필수적으로 동일하도록 선택된다.

Description

재생 이용된 중간 고조파를 이용하는 내부 강 고조파 생성{INTRACAVITY HARMONIC GENERATION USING A RECYCLED INTERMEDIATE HARMONIC}
본 개시물은 고조파 레이저에 관한 것이고, 더 구체적으로 효율적인 내부 강(intracavity) 고조파 생성에 관한 것이다.
레이저 시스템은 통신, 의학, 미세 기계 가공을 포함하는 다양한 응용에서 사용된다. 이들 응용은 다양한 레이저 파장과 출력 전력을 활용한다. 특히, 자외선(UV) 파장을 갖는 높은 전력의 레이저 빔이 널리 사용된다. 현재, UV 레이저 빔을 직접 생성하는, 상업적으로 이용가능한 어떠한 이득 매질도 존재하지 않는다. 따라서, UV 레이저 빔은 고조파 생성과 같은 비선형 처리를 통해 전형적으로 생성된다.
이러한 2개의 고조파 생성 구성은 외부 강(extracavity) 고조파 생성 구성과 내부 강 고조파 생성 구성을 포함한다. 외부 강 구성은 공진 레이저 강 외부에 고조파를 생성한다. 즉, 레이저 빔은 공진 레이저 강에서 생성되고, 강의 외부에 위치한 결정으로 유도된다. 내부 강 구성은 공진 레이저 강 내에 고조파를 생성하는데, 내부 강 구성은 일반적으로 외부 강 구성보다 더 효율적이다.
기본 주파수의 제 3 고조파 또는 더 높은 고조파인 레이저 빔을 생성하는 것은 기본 주파수의 제 2 고조파인 제 1 레이저 빔을 생성하는 것을 수반한다. 외부 강 및 내부 강 구성은 일반적으로 제 2 고조파 빔의 모두를 제 3 고조파 빔 또는 더 높은 차수의 고조파 빔으로 변환하지는 않는다. 따라서, 제 2 고조파 빔의 사용되지 않는 부분은 레이저 시스템의 전체 효율을 감소시키고, 결과적인 제 3 또는 더 높은 차수의 고조파 빔의 전력을 감소시킨다.
도 1은 제 3 고조파 레이저 빔을 생성하는 것으로 알려진 내부 강 구성의 개략도이다. 레이저(100)는 단부 미러(108 및 110), 광학 펌핑(pumping) 입력 커플러(112 및 114) 및 출력 커플러(116)에 의해 형성된 레이저 강(106)의 광 경로(104)를 따라 위치한 레이저 매질(102)을 사용한다. 레이저(100)는 2개의 레이저 다이오드 펌프(118 및 120)로 펌핑된다. 광섬유(122)는 레이저 다이오드 펌프(118)에 의해 생성된 레이저 방사를 광학 펌핑 입력 커플러(114)를 통해 레이저 강(106)으로 유도한다. 마찬가지로, 광섬유(124)는 레이저 다이오드 펌프(120)에 의해 생성된 레이저 방사를 광학 펌핑 입력 커플러(112)를 통해 레이저 강(106)으로 유도한다. 음향-광 Q-스위치(AO-QS)와 같은 Q-스위치(126)는 광 경로(104)를 따라 위치되고, 레이저(100)로부터 짧은 에너지 펄스를 얻기 위해 적합한 펄스 반복률로 구동된다. 기본 파장을 갖는 레이저 빔(130)이 단부 미러(108 및 110) 사이의 강(106) 내에서 공진할 때, 레이저 매질(102)은 레이저 빔(130)을 증폭시킨다.
제 2 고조파 생성(SHG, second harmonic generation) 결정(140)은 광 경로(104)를 따라 위치한다. 레이저 빔(130)이 SHG 결정(140)을 통과할 때, SHG 결정(140)은 레이저 빔의 절반의 파장을 갖는 제 2 고조파 레이저 빔(142)을 생성한다. 레이저 빔(130) 및 제 2 고조파 레이저 빔(142)이, 또한 광 경로(104)를 따라 위치되는 제 3 고조파 생성(THD, third harmonic generation) 결정(150)을 통과할 때, THG 결정(150)은 레이저 빔(130)의 1/3의 파장을 갖는 제 3 고조파 레이저 빔(152)을 생성한다. 제 2 고조파 레이저 빔(142)이 단부 미러(110)로부터 반사되지만, 제 3 고조파 레이저 빔(152)을 생성하는데 사용되지 않는 제 2 고조파 레이저 빔(142)의 일 부분은 사용되지 않고 버려지는 제 2 고조파 레이저 빔(144)으로서 출력 커플러(116)를 통해 강(106)을 빠져나간다. 사용되지 않는 제 2 고조파 레이저 빔(144)을 버리는 것은 기본 고조파로부터 제 3 고조파로의 변환 효율을 감소시키고, 그밖에 획득될 수 있는 제 3 고조파 레이저 빔(152)의 전체 전력을 감소시킨다. 원하는 파장(예를 들어, 355nm의 UV 파장)을 갖는 제 3 고조파 레이저 빔(152)은 전력 레이저 빔(154)으로서 출력 커플러(116)를 통해 강(106)을 빠져나간다. 따라서, 출력 커플러(116)는 레이저 빔(130)에 대해 높은 반사성을 갖고, 제 2 고조파 레이저 빔(142) 및 제 3 고조파 레이저 빔(152)에 대해 반사적이지 않다. 레이저 빔(130, 142 및 152)은 설명의 목적을 위해 서로로부터 축방향에서 오프셋된 것으로 도시된다.
저우(Zhou) 등의 미국 특허 제5,943,351호는 제 2 고조파 빔으로부터 제 3 또는 더 높은 차수의 고조파 빔을 생성하는 것의 효율을 개선시키기 위한 한 가지 시도를 서술한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 레이저(200)는 제 1 미러(210), 레이징 로드(220), 음향 광 Q-스위치(222), 제 2 미러(250), SHG 결정(230), 제 3 미러(252), THG 결정(232) 및 제 4 미러(254)를 포함한다. 메인 강은 미러(210 및 254)에 의해 형성되고, Nd:YAG 로드(220)를 사용하는 1064nm의 기본 빔(212)의 발진을 야기한다. 미러(250 및 254)는 내부 강의 제 2 고조파 생성(즉, 532nm)을 위한 제 1 서브 강을 형성하여, 제 2 고조파 빔(214)을 생성하고, 미러(252 및 254)는 제 3 고조파 생성(즉, 355nm)을 위한 제 2 서브 강을 형성하여, 제 3 고조파 빔(216)을 생성한다.
미러(250)의 사용은 상당히 악화된 제 3 또는 더 높은 차수의 고조파 빔의 품질을 초래하는데, 이는 제 2 고조파 빔(214)이 THG 결정(232)을 통과할 때마다, 제 2 고조파 빔(214)의 빔 모드가 상이하기 때문이다. 예를 들어, 제 2 고조파 빔(214)이 SHG 결정(230)에 의해 생성된 이후, 제 2 고조파 빔(214)이 SHG 결정(230)으로부터 미러(254) 쪽으로 전파할 때, 이 제 2 고조파 빔(214)은 수렴한다{제 4 미러(254)가 빔의 허리(waist)에 부합한다는 것을 가정한다}. 제 2 고조파 빔(214)이 THG 결정(232)을 통과할 때, 제 2 고조파 빔(214)의 일 부분은 제 3 고조파 빔(216)을 생성하기 위해 사용되고, 제 2 고조파 빔(214)의 일 부분은 사용되지 않은 상태로 남아있을 것이다. 제 2 고조파 빔(214)의 사용되지 않은 부분이 미러(254)로부터 반사된 이후, 제 2 고조파 빔(214)의 사용되지 않은 부분이 미러(254)로부터 미러(250)의 방향으로 전파할 때, 제 2 고조파 빔(214)의 사용되지 않은 부분은 발산한다. 제 2 고조파 빔(214)의 사용되지 않은 부분이 미러(250)로부터 반사된 이후, 제 2 고조파 빔(214)의 사용되지 않은 부분이 실질적으로 미러(250 및 254) 사이에 후속적으로 전파할 때, 제 2 고조파 빔(214)의 사용되지 않은 부분은 미러(254) 쪽으로 발산을 지속한다{미러(250)는 편평한 미러라고 가정한다}. 따라서, 제 2 고조파 빔(214)의 사용되지 않은 부분이 THG 결정(232)을 통과할 때마다, 제 2 고조파 빔(214)의 사용되지 않은 부분의 빔 모드(예를 들어, 빔의 반경 및 빔의 발산)는 상이할 것이고, 이는 상당히 악화된 제 3 및 더 높은 차수의 고조파 빔의 품질 및 변환 효율을 초래할 것이다. 따라서, 저우(Zhou)의 미국 특허 중 컬럼 9, 6~9번째 행에서 언급되는 바와 같이, 제 3 또는 더 높은 차수의 고조파 빔의 빔 품질 계수(즉, M2 계수)는 제 2 고조파 빔(214)의 사용되지 않은 부분을 재생 이용하는 것 없이, 달성될 수 있는 계수보다 클 수 있는 1.6이다. 기준점으로서, 회절-제한된 가우시안 빔은 1.0의 M2 계수를 갖는다.
따라서, 본 발명자는 더 높은 차수의 고조파 빔 품질의 희생 없이, 더 높은 차수의 고조파 빔 생성 효율(예를 들어, 제 3 또는 더 높은 차수의 고조파 빔 생성 효율)을 향상시키기 위해 중간 고조파 빔(예를 들어, 제 2 고조파 빔)의 사용되지 않는 부분을 재생 이용하는 시스템 및 방법에 대한 필요성을 인지하였다.
본 발명은 버려지거나 사용되지 않는 중간 고조파를 재생 이용함으로써, 더 높은 차수의 고조파 레이저 빔을 종래 기술보다 효율적으로 생성하는 효과를 갖는다.
도 1은 제 2 고조파 레이저 빔의 사용되지 않은 부분을 재생 이용하는 것 없이 제 3 고조파 레이저 빔을 생성하는 종래 기술의 레이저의 개략도.
도 2는 제 3 고조파 레이저 빔을 생성할 때, 제 2 고조파 레이저 빔의 사용되지 않은 부분을 재생 이용하지만, 상당히 악화된 제 3 고조파 빔 품질을 초래하는 종래 기술의 레이저의 개략도.
도 3은 일 실시예에 따라, 제 2 고조파 레이저 빔의 사용되지 않은 부분을 재생 이용함으로써, 제 3 고조파 빔 품질을 유지하면서 제 3 고조파 레이저 빔을 효율적으로 생성하는 레이저의 개략도.
도 4a는 가우시안 빔의 허리로부터 발산하는 종래 기술의 가장 낮은 차수의 가우시안 빔의 그래픽 표현.
도 4b는 다양한 종래 기술의 광학 요소 및 관련된 전달 매트릭스를 도시하는 개략도.
도 4c는 펄스 반복률의 범위를 걸쳐 제 3 고조파 빔 전력에서의 변화를 도시하는 그래프.
도 5, 도 6, 도 7 및 도 8은 다양한 실시예에 따라, 제 2 고조파 레이저 빔의 사용되지 않은 부분을 재생 이용함으로써, 제 4 고조파 빔 품질을 유지하면서 제 4 고조파 레이저 빔을 효율적으로 생성하는 레이저의 개략도.
도 9는 일 실시예에 따라, 제 2 고조파 레이저 빔의 사용되지 않은 부분 및 제 3 고조파 레이저 빔의 사용되지 않은 부분을 재생 이용함으로써, 제 4 고조파 빔 품질을 유지하면서 제 4 고조파 레이저 빔을 효율적으로 생성하는 레이저의 개략도.
상기 열거된 도면을 참조로, 이 섹션은 특정 실시예와, 실시예의 상세한 구성 및 동작을 서술한다. 본 명세서에서 서술된 실시예는 오직 설명의 목적으로 기재된다. 본 명세서의 교시의 관점에서, 당업자라면, 본 명세서에서 명시적으로 또는 본질적으로 교시된 것에 대한 등가물이 존재할 수 있다는 것을 인식할 것이다. 예를 들어, 본 명세서에 서술된 실시예에 대한 변형이 이루어질 수 있고, 다른 실시예가 가능할 수 있다.
명료함 및 간결함을 위해, 특정 실시예의 구성 요소 또는 단계의 특정 양상은 본 명세서에서 당업자에게 교시의 관점으로 명확하고, 및/또는 실시예의 더 적절한 양상의 이해를 혼란스럽게 할 수 있는 지나친 세부 사항 없이 제공된다.
도 3은 일 실시예에 따라, 제 2 고조파 레이저 빔의 사용되지 않은 부분을 재생 이용함으로써, 제 3 고조파 빔의 품질을 유지하면서 제 3 고조파 레이저 빔(372)을 효율적으로 생성하는 레이저(300)의 개략도이다. 레이저(300)는 단부 미러(308 및 310), 광학 입력 커플러(312), 및 광학 에너지 커플러(314)에 의해 형성된 정상파(standing wave) 공진 레이저 강(306)의 광 경로(304)를 따라 위치되는 레이저 매질(302)을 사용한다. 바람직하게, 레이저 매질(302)은 광학 입력 커플러(312)와 광학 에너지 커플러(314) 사이에 삽입되지만, 레이저 매질(302)은 광 경로(304)를 따라 어느 곳에나 위치될 수 있다. 레이저 매질(302)은 바람직하게 Nd, Yb, Er, Cr 또는 Tm으로 도핑된 YAG, YLF, YVO4, YALO, 사파이어, 알렉산드라이트(alexandrite) 또는 CrLiSAF 요소와 같은 종래의 고체 상태 레이전트(lasant) 및 이득 매질을 포함한다. 레이저 매질(302)은 750 내지 800nm, 1064nm, 1047nm 또는 1320nm와 같은 적외선(IR) 기본 파장을 갖는 레이저 방사 또는 레이저 빔 에너지를 바람직하게 생성하지만, 가시 파장과 같은 다양한 다른 파장도 생성될 수 있다. 게다가, 가스, CO2, 엑시머 또는 구리 증기 레이저를 포함하는 레이저의 다른 레이저 매질 또는 타입이 사용될 수 있다. 구성 요소를 지지하는 구조 프레임과 같은 당업자에 알려진 다른 요소는 레이저(300)와 함께 포함되지만, 도면의 명료함을 위해 도 3에 도시되지 않는다.
레이저(300)는 레이저 다이오드 펌프(318)에 의해 광학적으로 펌핑된다. 광섬유(320)는 평면 볼록 렌즈(323 및 324)의 쌍을 포함하는 렌즈 조립체(322)를 통하여, 레이저 다이오드 펌프(318)에 의해 생성된 레이저 방사를 유도하는데, 이 렌즈 조립체(322)는 레이저 방사를 광학 펌핑 입력 커플러(312)를 통해 레이저 매질(302)에 집속한다. 다른 레이저 다이오드 펌프는 광학 에너지 커플러(314)를 통해 레이저(300)를 펌핑하기 위해 관련된 광섬유 및 렌즈 조립체와 함께 제공될 수 있다. 따라서, 레이저(300)는 입력 커플러(312), 광학 에너지 커플러(314), 또는 이들 모두를 통해 펌핑될 수 있다. 바람직한 실시예에 따라, 레이저 다이오드 펌프(318)에 의해 생성된 레이저 방사는 약 880 내지 900nm의 파장을 갖는다. 바람직하게, 광학 펌핑 입력 커플러(312)는 단부 미러(308)와 광학 에너지 커플러(314) 사이에 삽입되지만, 광학 펌핑 입력 커플러(312)는 광 경로(304)를 따라 어느 곳에나 위치할 수 있다. 기본 파장을 갖는 레이저 빔{(330)(예를 들어, 레이저 빔 에너지)}이 단부 미러(308 및 310) 사이의 공진 레이저 강(306) 내에서 공진하거나 발진할 때, 레이저 매질(302)은 레이저 빔(330)을 선택된 광전력으로 증폭시킨다. 레이저 빔(330)을 형성하기 위해 단일 공진 레이저 강(306)을 제공하는 것은 공진 레이저 강(306) 내부의 기본 레이저 빔 에너지가 자가 위상 동기되는(self-phase locked) 것을 보장하는데 도움이 된다. 기본 레이저 빔 에너지가 다른 공진 레이저 강에 의해 생성되고, 강(306) 내에 주입된다면, 강(306) 내의 기본 레이저 빔 에너지와, 들어오는 기본 레이저 빔 에너지를 위상 동기화시키는 피드백 루프가 필요할 수 있다. 레이저 매질(302)이 다이오드 레이저 또는 다이오드 레이저 어레이에 의해 펌핑된 연속파(CW)인 것이 바람직하지만, 임의의 종래의 레이저 펌핑 디바이스 또는 레이저 펌핑 방식이 사용될 수 있다. 예를 들어, 레이저 매질(302)은 단부-펌핑될 수 있거나, 측면(side)-펌핑될 수 있다. 덧붙여, 레이저(300)는 펄싱된 펌프 레이저일 수 있다.
Q-스위치(332)는 광 경로(304)를 따라 공진 레이저 강(306) 내에 위치된다. 바람직하게, Q-스위치(332)는 단무 미러(308)와 광학 펌핑 입력 커플러(312) 사이에 삽입되지만, Q-스위치(332)는 광 경로(304)를 따라 어느 곳에나 위치될 수 있다. Q-스위치(332)는 레이저(300)로부터 짧은 에너지 펄스를 얻기 위해, 적합한 펄스 반복률(PRR)로 구동된다. 따라서, Q-스위치(332)는 더 높은 차수의 고조파 생성 효율을 향상시키는데 도움을 주는 높은 강도 펄스를 생성하는데 도움을 준다. 일부 실시예에 따라, Q-스위치(332)는 제거될 수 있다. Q-스위치(332)는 바람직하게, 음향 광학 Q-스위치(AO-QS)를 포함하지만, 전기-광 Q-스위치, 기계 Q-스위치 또는 수동 Q-스위치와 같은 낮은 손실 및 높은 손실 상태 사이로 신속히 스위칭될 수 있는 다른 디바이스를 포함할 수 있다.
비선형 매질(340)은 공진 레이저 강(306) 내의 광 경로(304)를 따라 위치된다. 바람직하게, 비선형 매질(340)은 광학 에너지 커플러(314)와 단부 미러(310) 사이에 삽입되지만, 비선형 매질(340)은 광경로(304)를 따라 어느 곳에나 위치될 수 있다. 비선형 매질(340)은 레이저 빔(330)이 수직 입사에서 비선형 매질(340)의 광학 표면에 부딪히도록 바람직하게 배향된다. 레이저 빔(330)이 비선형 매질(340)을 통과할 때, 비선형 매질(340)은 기본 파장의 부분(fraction)인 파장을 갖는 레이저 빔(342)을 생성한다. 즉, 비선형 매질(340)은 광 경로(304)를 따라 전파하는 기본 파장에서 레이저 빔 에너지의 적어도 일 부분과 상호작용하고, 이 레이저 빔 에너지의 적어도 일 부분을 기본 파장의 고조파 부분인 파장을 갖는 레이저 빔 에너지로 변환한다. 바람직하게, 비선형 매질(340)은, AgGaS2(은 갈륨 셀레나이트, silver gallium selenite), AgGaSe2, BBO, BIBO(비스무트 트리보레이트, bismuth triborate), KTA(칼륨 티타닐 아세네이트, potassium titanyle arsenate, KTiOAsO4), KTP, KDP(인산 이수소 칼륨, potassium dihydrogen phosphate, KH2PO4), KD*P/KDP, LiNbO3(니오비움산 리튬, lithium niobate), LilO3(lithium iodate), LBO, 및 이들의 유도체와 같은, 기본 파장으로부터 제 2 고조파 파장을 생성하는데 적응되는 비선형 결정을 포함한다. 바람직하게, 비선형 결정은 타입 Ⅱ 단계의 매칭을 위해 구성되지만, 또한 하나 이상의 파장판과 같은 추가 구성 요소가 사용된다면, 비선형 결정은 타입 Ⅰ 단계의 매칭을 위해 구성된다. 게다가, 비선형 결정은 브루스터(Brewster) 컷 결정을 포함할 수 있다. 따라서, 비선형 매질(340)은 레이저 빔(330)의 반 파장{즉, 레이저 빔(330)의 기본 주파수의 2배인 주파수}을 갖는 레이저 빔(342)을 바람직하게 생성한다.
반사-방지(AR) 코팅은 비선형 매질(340)에 선택적으로 도포될 수 있다. 예를 들어, 기본 및 제 2 고조파 파장에서 AR 특징을 갖는 단일 또는 다중 층의 유전체 코팅은 비선형 매질(340)의 광학 표면에 도포될 수 있다.
또한, 더 높은 차수의 고조파 비선형 매질(350)은 공진 레이저 강(306) 내의 광 경로(304)를 따라 위치된다. 따라서, 더 높은 차수의 고조파 비선형 매질(350)은 공진 레이저 강(306)과 광학적으로 관련된다. 바람직하게, 더 높은 차수의 고조파 비선형 매질(350)은 비선형 매질(340)과 단부 미러(310) 사이에 삽입되지만, 더 높은 차수의 고조파 비선형 매질(350)은 광 경로(304)를 따라 어느 곳에나 위치될 수 있다. 더 높은 차수의 고조파 비선형 매질(350)은 레이저 빔(330), 레이저 빔(342), 또는 이들 모두가 수직 입사에서 더 높은 차수의 고조파 비선형 매질(350)과 부딪히도록 배향된다. 더 높은 차수의 고조파 비선형 매질(350)은 제 1 고조파, 제 2 고조파, 제 3 고조파 또는 제 1, 제 2 또는 제 3 고조파 중 하나 이상의 조합과 같은 고조파 파장을 갖는 레이저 방사 또는 에너지를, 제 2 고조파, 제 3 고조파, 제 4 고조파, 또는 제 5 고조파와 같은 하나 이상의 선택된 고조파 파장을 갖는 레이저 방사로 변환한다. 바람직한 실시예에서, 더 높은 차수의 고조파 비선형 매질(350)은 기본 파장을 갖는 레이저 방사와 제 2 고조파 파장을 갖는 레이저 방사를, 제 3 고조파 파장을 갖는 레이저 방사로 변환한다. 따라서, 레이저 빔(330) 및 레이저 빔(342)이 더 높은 차수의 고조파 비선형 매질(350)을 통과할 때, 더 높은 차수의 고조파 비선형 매질(350)은 레이저 빔(330)의 1/3인 파장{즉, 레이저 빔(330)의 기본 주파수의 3배인 주파수)을 갖는 레이저 빔(352)을 생성한다. 더 높은 차수의 고조파 비선형 매질(350)은 비선형 매질(340)을 참조로 서술된 임의의 비선형 결정을 포함할 수 있고, 비선형 매질(340)과 동일하거나 상이한 비선형 결정을 포함할 수 있다. 비선형 결정은 타입 Ⅰ 또는 타입 Ⅱ 단계의 매칭을 위해 구성될 수 있다.
레이저 빔(330, 342 및 352)이 적어도 하나의 부분의 광 경로(304)를 따라 겹쳐져서 전파하더라도{예를 들어, 레이저 빔(330, 342 및 352)이 광학 에너지 커플러(314)와 단부 미러(310) 사이에 겹쳐지고, 레이저 빔(330, 342 및 352)이 단부 미러(310)와 내부 강 출력 커플러(370) 사이에 겹쳐지더라도}, 레이저 빔(330, 342 및 352)은 설명의 목적을 위해 서로로부터 축심에서 오프셋된 것으로 도시된다.
AR 코팅은 더 높은 차수의 고조파 비선형 매질(350)에 선택적으로 도포될 수 있다. 예를 들어, 기본 파장, 제 2 고조파 파장 및 제 3 고조파 파장에서 AR 특징을 갖는 단일 또는 다중 층의 유전체 코팅은 더 높은 차수의 고조파 비선형 매질(350)의 광학 표면에 도포될 수 있다.
광학 에너지 커플러(314)는 광 경로(304)를 따른 공진 레이저 강(306) 내에 위치된다. 따라서, 광학 에너지 커플러(314)는 레이저 매질(302) 및 비선형 매질(340)과 광학적으로 관련되도록 위치된다. 바람직하게, 광학 에너지 커플러(314)는 레이저 매질(302)과 비선형 매질(340) 사이에 삽입되지만, 광학 에너지 커플러(314)는 광 경로(304)를 따라 어느 곳에나 위치될 수 있다. 바람직한 실시예에 따라, 광학 에너지 커플러(314)는 레이저 빔(330)을 반사하고, 레이저 빔(342)을 반사하지 않도록 적응되는 편평한 미러이다. 따라서, 광학 에너지 커플러(314)는 레이저 빔(330)과 레이저 빔(342)을 필수적으로 분리시킨다. 예를 들어, 기본 파장에서 약 99.5% 이상의 반사와 같은 높은 반사성인(HR) 특징과, 제 2 고조파 파장에서 약 5% 미만의 반사와 같은 AR 특징을 갖는 단일 또는 다중 층의 유전체 코팅은 광학 에너지 커플러(314)에 도포될 수 있다. 바람직한 실시예에 따라, 코팅은 광학 에너지 커플러(314)의 반대쪽 광학 표면 양 쪽에 도포된다. 약 45°의 입사각의 기본 파장(예를 들어, 1064nm)에서 약 99.5%이상의 반사와 같은 HR 특징과, 약 45°의 입사각의 제 2 고조파 파장(예를 들어, 532nm)에서 약 5% 미만의 반사와 같은 AR 특징을 갖는 제 1 코팅은 레이저 매질(302) 및 비선형 매질(340)을 향하는 광학 에너지 커플러(314)의 광학 표면에 도포된다. 약 45°의 입사각의 제 2 고조파 파장(예를 들어, 532nm)에서 약 1% 미만의 반사와 같은 AR 특징을 갖는 제 2 코팅은 굴곡진 미러(360)를 향하는 광학 에너지 커플러(314)의 광학 표면에 도포된다. 따라서, 광학 에너지 커플러(314)는 거의 대부분의 입사 기본 레이저 빔 에너지를 레이저 매질(302)과 비선형 매질(340) 사이에 유도한다. 게다가, 광학 에너지 커플러(314)는 거의 대부분의 입사 제 2 고조파 레이저 빔 에너지를 공진 레이저 강(306)의 외부로 유도한다. 따라서, 광학 에너지 커플러(314)에 의해 반사되지 않은 제 2 고조파 레이저 빔 에너지는 잔류 제 2 고조파 레이저 빔 에너지{예를 들어, 광학 에너지 커플러(314)와 굴곡진 미러(360) 사이의 레이저 빔(342)의 부분)로서 공진 레이저 강(306)을 빠져나간다. 광학 에너지 커플러(314)에서 기본 레이저 빔 에너지로부터 제 2 고조파 레이저 빔 에너지의 분리는 레이저 매질(302) 및 다른 광학 구성 요소에 손상을 방지하는데 도움을 줄 수 있다.
잔류 제 2 고조파 레이저 빔 에너지는 광학 에너지 커플러(314)와 광학적으로 관련되도록 세팅되는 모드-매칭 광학기(360)에 의해 다시 공진 레이저 강(306)으로 다시 반사된다. 바람직한 실시예에 따라, 모드 매칭 광학기(360)는 굴곡진 미러를 포함한다. 반사된 잔류 제 2 고조파 레이저 빔의 에너지는 더 높은 차수의 고조파 비선형 매질(350)이 반사된 잔류 제 2 고조파 레이저 빔 에너지의 적어도 일 부분을 레이저 빔(352)으로 변환하도록 더 높은 차수의 고조파 비선형 매질(350)을 통해 전파한다. 따라서, 니머지의 제 2 고조파 레이저 빔 에너지는 재생 이용되고(버려지는 것 대신에), 추가적인 더 높은 차수의 레이저 빔 에너지(예를 들어, 제 3 고조파 레이저 빔 에너지)를 생성하는데 사용된다.
아래에 더 상세히 서술되는, 굴곡진 미러(360)의 곡률 반경 및 위치는, 반사된 잔류 제 2 고조파 레이저 빔 에너지의 빔 모드(예를 들어, 빔 반경 및 빔 발산)가 잔류 제 2 고조파 레이저 빔 에너지의 빔 모드와 실질적으로 매칭하도록 선택된다. 즉, 굴곡진 미러(360){예를 들어, 광학 에너지 커플러(314)에 관해}의 곡률 반경 및 위치는, 반사된 제 2 고조파 레이저 빔 에너지의 빔 반경 및 빔 발산이, 들어오는 제 2 고조파 레이저 빔의 빔 경로{예를 들어, 단부 미러(310)와 굴곡진 미러(360) 사이}를 따라 어느 곳에서나, 들어오는 제 2 고조파 레이저 빔 에너지의 빔 반경 및 빔 발산과 필수적으로 동일하도록 선택된다. 레이저 빔(342)의 실질적으로 균일한 빔 반경 및 빔 발산을 유지하는 것은 더 높은 차수의 레이저 빔 에너지의 빔 모드에 영향을 주는 것 없이, 그리고 더 높은 차수의 레이저 빔 에너지의 빔 품질을 상당히 악화시키는 것 없이, 더 높은 차수의 레이저 빔 에너지(예를 들어, 제 3 고조파 레이저 빔 에너지) 생성 효율을 향상시키는데 도움을 준다.
예를 들어, 레이저(300)는 단부 미러(310)가 기본 레이저 빔 에너지의 빔 허리에 부합하게 위치되도록 설계될 수 있다. 따라서, 기본 레이저 빔 에너지가 광학 에너지 커플러(314)로부터 단부 미러(310)로 전파할 때, 기본 레이저 빔 에너지는 수렴한다. 게다가, 비선형 매질(340)에 의해 기본 레이저 빔 에너지의 적어도 일 부분으로부터 생성된 제 2 고조파 레이저 빔 에너지가 비선형 매질(340)로부터 단부 미러(310)로 전파할 때, 제 2 고조파 레이저 빔 에너지는 수렴한다. 제 2 고조파 레이저 빔 에너지의 부분은 제 3 고조파 레이저 빔 에너지를 생성하기 위해 더 높은 차수의 고조파 비선형 매질(350)에 의해 사용되지 않는다. 따라서, 제 2 고조파 레이저 빔 에너지의 사용되지 않은 부분은 단부 미러(310)에 의해 반사되고, 미러(310 및 360) 사이에서 앞뒤로 전파한다.
기본 레이저 빔 에너지는 단부 미러(310)에 의해 반사된 이후, 발산을 개시하고, 제 2 고조파 레이저 빔 에너지의 사용하지 않는 부분은 발산을 개시한다. 따라서, 기본 레이저 빔 에너지는 이 빔 에너지가 단부 미러(310)로부터 광학 에너지 커플러(314)로 전파할 때 발산한다. 비선형 매질(340)은 발산하는 기본 레이저 빔 에너지가 광학 에너지 커플러(314)의 방향으로 비선형 매질(340)을 통과할 때 추가적인 제 2 고조파 레이저 빔 에너지를 생성한다. 따라서, 잔류 제 2 고조파 레이저 빔 에너지는 추가적인 제 2 고조파 레이저 빔 에너지{예를 들어, 기본 레이저 빔 에너지가 광학 에너지 커플러(314)의 방향으로 비선형 매질(340)을 통과할 때 생성된 제 2 고조파 레이저 빔 에너지)와, 제 2 고조파 레이저 빔 에너지의 사용되지 않은 부분을 포함할 수 있다. 또한, 제 2 고조파 레이저 빔 에너지의 사용되지 않은 부분은 이 부분이 단부 미러(310)로부터 광학 에너지 커플러(314)로 전파할 때 발산한다. 미러(360)가 편평하다면, 제 2 고조파 레이저 빔 에너지는 미러(360)에 의해 반사된 이후에 발산을 지속할 것이다. 따라서, 제 2 고조파 레이저 빔 에너지가 더 높은 차수의 고조파 비선형 매질(350)을 통과할 때마다, 제 2 고조파 레이저 빔 에너지의 빔 모드(예를 들어, 빔 반경 및 빔 발산)는 상이할 것이고, 상당히 악화된 제 3 고조파 레이저 빔 에너지의 빔 품질이 초래될 것이다. 이에 따라, 굴곡진 미러(360)의 곡률 반경 및 위치는 굴곡진 미러(360)에 의해 반사된 제 2 고조파 레이저 빔 에너지의 빔 모드가 들어오는 제 2 고조파 레이저 빔 에너지의 빔 모드{예를 들어, 비선형 매질(340)에 의해 기본 레이저 빔 에너지로부터 생성된 제 2 고조파 레이저 빔 에너지의 빔 모드)와 실질적으로 매칭하도록 선택된다. 즉, 굴곡진 미러(360)의 위치 및 오목한 형태는, 제 2 고조파 레이저 빔 에너지가 굴곡진 미러(360)에 의해 반사된 이후에 수렴을 개시하도록{예를 들어, 비선형 매질(340)에 의해 생성된 제 2 고조파 레이저 빔 에너지와 유사하거나 동일한 방식으로} 선택된다.
굴곡진 미러(360)의 곡률 반경 및 위치는 레이저(300)의 설계를 기초로 변할 수 있다. 예를 들어, 비선형 매질(340)이 가우시안 제 2 고조파 빔을 생성한다면, 굴곡진 미러(360)의 곡률 반경은, 굴곡진 미러(360)에서 제 2 고조파 빔의 가우시안 빔 파면의 곡률 반경과 실질적으로 매칭하도록 선택된다. 즉, 가우시안 빔 파면의 곡률 반경은 굴곡진 미러(360)의 주어진 위치에 대해 먼저 계산된다. 그런 후에, 굴곡진 미러(360)의 곡률 반경은 가우시안 빔 파면의 계산된 곡률 반경과 실질적으로 매칭하도록{굴곡진 미러(360)의 위치에서} 선택되어, 반사된 빔의 제 2 고조파 모드가 유지되게 된다. 특정 위치에서 가우시안 빔 파면의 곡률 반경은 빔의 파장, 빔 허리에서의 빔 반경, 빔 품질 계수(M2) 및 빔 허리로부터의 거리로부터 결정될 수 있다.
예를 들어, 도 4a는 빔의 허리로부터 발산하는 가장 낮은 차수의 가우시안 빔(즉, 여기서 M2 = 1)의 그래픽 표현이다. 다른 평면(z)에서 가우시안 빔의 정규화된 필드 패턴은 수학식 1 및 수학식 2로 나타나고, 여기서, w0는 허리의 반경이고, 곡률{q(z)}의 복소수(complex) 반경은 수학식 3에서의 한정에 의해 임의의 평면(z)에서의 스폿 크기{w(z)} 및 곡률{R(z)}의 반경에 관련된다.
Figure pct00001
Figure pct00002
Figure pct00003
곡률{q(z)}의 복소수 반경의 초기 값(예를 들어, 빔 허리에서)은 수학식 4에 나타나고, 여기서 λ는 빔이 전파하는 방사의 파장이다.
Figure pct00004
따라서, 위치(z)에서 곡률{q(z)}의 복소수 반경이 알려진다면, 파면(R)의 곡률 반경은 q(z)로부터 계산될 수 있다.
빔이 자유 공간 또는 렌즈와 같은 다양한 광학 요소를 전파할 때, 빔의 곡률{q(z)}의 복소수 반경이 변한다. 따라서, 곡률{q(z)}의 복소수 반경이 하나 이상의 광학 요소를 전파한 이후, 알려진 위치에서 곡률{q(z)}의 복소수 반경으로부터 계산될 수 있다. 빔 허리 크기, 빔 허리 위치 및 빔 품질 계수(M2)는 측정치를 통해 획득될 수 있다. 따라서, 곡률{q(z)}의 복소수 반경은 수학식 4를 사용하여 빔 허리에서 계산될 수 있다.
광학 요소는 수학식 5에 도시된 전달 매트릭스와 같은 전달 매트릭스로 수학적으로 표현될 수 있다. 도 4b는 다양한 광학 요소 및 관련된 전달 매트릭스를 도시한다. 다른 광학 요소에 대한 전달 매트릭스는 잘 알려져 있다. 광학 요소(410)는 자유 공간을 나타내고, 광학 요소(420)는 평면 유전체 인터페이스를 나타나고, 광학 요소(430)는 두께(L)를 갖는 평면 유전체 슬랩(slab)을 나타내며, 광학 요소(440)는 구면 미러를 나타낸다. 매트릭스 곱셈법은 다중 요소 시스템에 대한 단일 전달 매트릭스를 유도하기 위해 적용될 수 있다.
Figure pct00005
빔의 곡률(q2)의 복소수 반경은 광학 요소를 통해 전파한 이후, 곡률(q1)의 알려진 복소수 반경(예를 들어, 빔 허리에서)으로부터, 그리고 수학식 6에 나타난 광학 요소 전달 매트릭스로부터 계산될 수 있다.
Figure pct00006
빔 품질 계수(M2)가 1보다 크다면, 곡률의 파면 반경은 수학식 7에 나타난 허리 반경을 갖는 가장 낮은 차수의 가우시안 빔과 동일하고, 여기서 w0는 빔 허리 반경이다.
Figure pct00007
예시
예시를 통해, 도 3의 단부 미러(310)는 빔 허리와 부합하여 위치되고, 굴곡진 미러(360)는 단부 미러(310)로부터 282mm만큼 떨어져서 위치된다. 가우시안 빔 파면(제 2 고조파 빔의)의 곡률 반경은 단부 미러(310)로부터 282mm의 거리에서 400mm로 계산된다. 따라서, 오목한 형태는 굴곡진 미러(360)에 대해 선택되고, 굴곡진 미러(360)의 곡률 반경은 400mm가 되도록 선택된다. 이에 따라, 제 2 고조파 빔이 단부 미러(310) 및 굴곡진 미러(360)에 의해 한정된 강의 내에서 단부 미러(310)와 굴곡진 미러(360) 사이로 앞뒤로 전파할 때, 제 2 고조파 빔에 대한 빔 반경 및 빈 발산은 빔 경로를 따라 어떠한 곳에서나 유지된다.
동작중에, 도 3에 도시된 구성을 갖는 레이저는 1.2의 빔 품질 계수(M2)와, 2.73W의 평균 전력을 갖는 제 3 고조파 빔을 생성했다. 굴곡진 미러(360)는 400mm의 곡률 반경을 갖고, 단부 미러(310)로부터 282mm만큼 떨어져서 위치되었다. 기본 빔 파장은 1064nm이고, 제 2 고조파 파장은 532nm이며, 제 3 고조파 파장은 355nm이다. 레이저 매질(302)은 30W의 레이저 다이오드(318)로 펌핑되고, Q-스위치(332)는 100kHz의 펄스 반복률(PRR)로 구동된다. 제 2 고조파 레이저 빔을 재생 이용함으로써, 제 3 고조파 빔의 전력은 약 35%정도 증가된다. 도 4c에 도시된 바와 같이, 펄스 반복률을 변화시키는 것은 제 3 고조파 빔의 전력(평균 전력)에서 약간의 변화를 초래했다. 제 3 고조파 빔 전력은 70kHz PRR의 약 3.14W로부터 100kHz PRR의 약 2.73W의 범위를 갖는다.
굴곡진 미러(360)의 위치가 조정된다면{단부 미러(310)에 근접하게 이동된다면}, 조정된 위치에서 가우시안 빔의 파면의 곡률 반경은, 곡률의 대응하는 반경이 굴곡진 미러(360)에 대해 선택될 수 있도록 계산될 수 있다. 유사한 성질에서, 굴곡진 미러(360)의 위치는 굴곡진 미러(360)의 곡률 반경에서의 변화를 보상하기 위해 조정될 수 있다. 게다가, 단부 미러(310)가 편평한 미러로부터 굴곡진 미러로 변한다면, 굴곡진 미러(360)의 위치, 굴곡진 미러(360)의 곡률 반경, 또는 이들 모두는 미러(310 및 360) 사이에 반사된 빔의 제 2 고조파 모두가 유지될 수 있도록 조정될 수 있다. 굴곡진 미러(360)가 오목한 형태를 갖도록 선택되는 예시가 제공되었지만, 굴곡진 미러(360)는 볼록한 형태(예를 들어, 반사시 반사된 빔이 발산을 하게 하는), 또는 편평한 형태(예를 들어, 곡률의 반경이 무한하도록 선택될 수 있는)를 갖도록 선택되는 것이 가능할 수 있다.
게다가, 하나 이상의 렌즈 및 굴곡진 미러(360)를 포함하는 모드-매칭 광학기는 잔류 제 2 고조파 레이저 빔 에너지의 빔 모드와, 반사된 잔류 제 2 고조파 레이저 빔 에너지의 빔 모드를 매칭하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 렌즈(또는 2개 이상의 렌즈)는 광학 에너지 커플러(314)와 굴곡진 미러(360) 사이에 삽입될 수 있다. 따라서, 굴곡진 미러(360)는 곡률의 반경이 무한하도록 세팅할 수 있고, 렌즈는 곡률 반경(예를 들어, 빔 수렴 또는 발산을 만드는), 위치{예를 들어, 굴곡진 미러(360)에 관해}, 또는 이들 모두가 선택될 수 있게 하여, 반사된 제 2 고조파 레이저 빔 에너지{예를 들어, 굴곡진 미러(360)에 의해 반사된 제 2 고조파 레이저 빔 에너지}의 빔 반경 및 빔 발산이 필수적으로, 들어오는 제 2 고조파 레이저 빔{예를 들어, 단부 미러(310)와 굴곡진 미러(360) 사이}의 빔 경로를 따라 어느 곳에서나, 들어오는 제 2 고조파 레이저 빔 에너지의 빔 반경 및 빔 발산과 동일하게 된다. 또한, 렌즈는 제 2 고조파 빔 모드를 유지하는 것을 돕기 위해{예를 들어, 굴곡진 미러(360)의 굴곡 반경이 무한하도록 세팅되지 않는다면}, 굴곡진 미러(360)의 곡률 반경과 협력할 수 있다. 예를 들어, 굴곡진 미러(360)의 곡률 반경, 굴곡진 미러(360)의 위치, 렌즈의 곡률 반경 및 렌즈의 위치의 조합은 반사된 제 2 고조파 레이저 빔 에너지의 빔 반경 및 빔 발산이, 들어오는 제 2 고조파 레이저 빔의 빔 경로를 따라 어느 곳에서나, 들어오는 제 2 고조파 레이저 빔 에너지의 빔 반경 및 빔 발산과 필수적으로 동일하도록 선택될 수 있다. 렌즈가 굴곡진 미러(360)와 광학 에너지 커플러(314) 사이에 삽입될 수 있지만, 렌즈(2개 이상의 렌즈)는 제 2 고조파 빔 모드를 유지하기 위해 제 2 고조파 레이저 빔 에너지의 경로를 따라 어느 곳에나 위치될 수 있다. 게다가, 일 실시예에 따라, 모드-매칭 광학기는 잔류 제 2 고조파 레이저 빔 에너지의 빔 모드와, 반사된 잔류 제 2 고조파 레이저 빔 에너지의 빔 모드를 매칭하는데 사용되는 하나 이상의 렌즈를 포함한다.
굴곡진 미러(360)는 바람직하게 공진 레이저 강(306)의 외부에 위치되지만, 공진 레이저 강(306) 내에 위치될 수 있다. 공진 레이저 강(306)의 외부에 굴곡진 미러(360)를 위치시키는 것은 굴곡진 미러(360)와 단부 미러(310)를 정렬하는 절차를 간소화시킬 수 있다. 예를 들어, 굴곡진 미러(360)의 위치는 레이저 빔(330)에 영향을 미치는 것 없이 조정될 수 있다. 게다가, 공진 레이저 강(306)의 외부에 굴곡진 미러(360)를 위치시키는 것은 굴곡진 미러(360)의 설계를 간소화시킬 수 있다. 예를 들어, 굴곡진 미러(360)의 곡률 반경은 기본 레이저 빔에 관계 없이 제 2 고조파 레이저 빔을 기초로 선택될 수 있다. 게다가, 굴곡진 미러(360)는, 기본 레이저 빔 에너지 또는 제 3 또는 더 높은 고조파 레이저 빔 에너지와 같은 다른 파장에 대한 HR 특징 또는 AR 특징을 갖도록 굴곡진 미러(360)를 설계하는 것 없이, 제 2 고조파 레이저 빔 에너지에 대한 HR 특징을 갖도록 설계될 수 있다. 예를 들어, 제 2 고조파 파장(예를 들어, 532nm)에서 약 99.8% 이상의 반사와 같은 HR 특징을 갖는 코팅은 광학 에너지 커플러(314)를 향하는 굴곡진 미러(360)의 광학 표면에 도포될 수 있다. 따라서, 더 반사적이고, 덜 복잡하며, 가능한 덜 비싼 단일 또는 다중 층의 유전체 코팅은 굴곡진 미러(360)에 도포될 수 있다. 게다가, 공진 레이저 강(306) 내부에 추가적인 요소를 위치시키는 것은 강의 손신을 증가시키고, 이는 감소된 출력 전력을 초래한다. 게다가, 공진 레이저 강(306) 내에 추가적인 요소를 위치시키는 것은 신뢰도 문제를 야기시킬 수 있다. 따라서, 공진 레이저 강(306) 외부에 굴곡진 미러(360)를 위치시키는 것은 더 높은 출력 전력을 갖는 더 효율적이고 더 신뢰성 있는 레이저를 생성하는데 도움을 준다.
일 실시예에 따라, 내부 강의 출력 커플러(370)는 광 경로(304)를 따라 공진 레이저 강(306) 내에 위치된다. 따라서, 출력 커플러(370)는 비선형 매질(340) 및 더 높은 차수의 고조파 비선형 매질(350)과 광학적으로 관련하여 위치된다. 바람직하게, 출력 커플러(370)는 비선형 매질(340)과 더 높은 차수의 고조파 비선형 매질(350) 사이에 삽입되지만, 출력 커플러(370)는 광 경로(304)를 따라 어느 곳에나 위치될 수 있다. 바람직한 실시예에 따라, 출력 커플러(370)는 레이저 빔(352)을 반사하고, 레이저 빔(330 및 342)을 반사하지 않도록 적응되는 편평한 미러이다. 따라서, 출력 커플러(370)는 레이저 빔(352)과 레이저 빔(330 및 342)을 필수적으로 분리한다. 예를 들어, 제 3 고조파 파장에서 약 95% 이상의 반사와 같은 HR 특징을 갖고, 기본 파장 및 제 2 고조파 파장에서 약 1% 미만의 반사와 같은 AR 특징을 갖는 단일 또는 다중 층의 유전체 코팅은 출력 커플러(370)에 도포될 수 있다. 바람직한 실시예에 따라, 코팅은 출력 커플러(370)의 대향하는 두 광학 표면 모두에 도포된다. 약 10°의 입사각의 제 3 고조파 파장(예를 들어, 355nm)에서 약 95%이상의 반사와 같은 HR 특징을 갖고, 약 10°의 입사각의 기본 파장(예를 들어, 1064nm)에서 약 1% 미만의 반사, 그리고 제 2 고조파 파장(예를 들어, 532nm)에서 약 3% 미만의 반사와 같은 AR 특징을 갖는 제 1 코팅은 비선형 매질(350)을 향하는 출력 커플러(370)의 광학 표면에 도포된다. 약 10°의 입사각의 기본 파장(예를 들어, 1064nm) 및 제 2 고조파 파장(예를 들어, 532nm)에서 약 0.5% 미만의 반사와 같은 AR 특징을 갖는 제 2 코팅은 비선형 매질(340)을 향하는 출력 커플러(370)의 광학 표면에 도포된다. 따라서, 출력 커플러(370)는 거의 대부분의 입사 제 3 고조파 레이저 빔 에너지를 공진 레이저 강(306) 외부로 유도한다. 게다가, 출력 커플러(370)는 거의 대부분의 입사 기본 레이저 빔 에너지 및 제 2 고조파 레이저 빔 에너지가 출력 커플러(370)를 통해 전파하는 것을 허용한다. 따라서, 반사된 제 3 고조파 레이저 빔 에너지는 출력 제 3 고조파 레이저 빔(372)으로서 출력 커플러(370)를 통해 공진 레이저 강(306)을 빠져나간다. 출력 커플러(370)에서 제 3 레이저 빔 에너지와 기본 레이저 빔 에너지 및 제 2 고조파 레이저 빔 에너지의 분리는 제 3 고조파 레이저 빔 에너지로부터 비선형 매질(340), 레이저 매질(302) 및 다른 광학 요소에 대한 손상을 예방하는데 도움을 줄 수 있다. 제 3 고조파 레이저 빔 에너지는 다른 방식으로 공진 레이저 강(306)을 빠져나갈 수 있다. 예를 들어, 단부 미러(310)는 제 3 고조파 레이저 빔 에너지가 단부 미러(310)를 통해 공진 레이저 강(306)을 빠져나가는 것을 허용하기 위해, 제 3 고조파 파장(예를 들어, 355nm)에서 AR 특징을 갖는 코팅을 포함할 수 있다. 게다가, 반사성, 산란성, 또는 투과성 출력 커플러는 제 3 고조파 레이저 빔 에너지가 공진 레이저 강(306)을 빠져나가는 것을 허용하기 위해, 더 높은 차수의 고조파 비선형 매질(350)와 광학적으로 관련하여 위치될 수 있다.
바람직한 실시예에 따라, 단부 미러(308)는 레이저 빔(330)을 반사하도록 적응되는 편평한 미러이다. 예를 들어, 수직 입사의 기본 파장(예를 들어, 1064nm)의 약 99.8% 이상의 반사와 같은 HR 특징을 갖는 단일 또는 다중 층 유전체 코팅은 단부 미러(308)에 도포될 수 있다. 단부 미러(310)는 바람직하게 레이저 빔(330, 342 및 352)을 반사하도록 적응되는 편평한 미러이다. 예를 들어, 수직 입사하는 기본 파장(예를 들어, 1064nm)의 약 99.5% 이상, 그리고 수직 입사하는 제 2 고조파 파장(예를 들어, 532nm) 및 제 3 고조파 파장(예를 들어, 355nm)에서 약 99% 이상의 반사와 같은 HR 특징을 갖는 단일 또는 다중 층 유전체 코팅은 단부 미러(310)에 도포될 수 있다. 광학 입력 커플러(312)는 바람직하게 레이저 빔(330)을 반사하고, 레이저 다이오드 펌프(318)에 의해 생성된 레이저 방사을 투과하게 적응되는 편평한 미러이다. 예를 들어, 기본 파장에서 약 99.5% 이상의 반사와 같은 높은 반사(HR) 특징을 갖고, 레이저 다이오드 펌프(318)에 의해 생성된 파장에서 약 2% 미만의 반사와 같은 AR 특징을 갖는 단일 또는 다중 층 유전체 코팅은 광학 입력 커플러(312)에 도포될 수 있다. 바람직한 실시예에 따라, 코팅은 광학 입력 커플러(312)의 대향하는 두 광학 표면 모두에 도포된다. 약 45°의 입사각의 기본 파장(예를 들어, 1064nm)에서 약 99.5% 이상의 반사와 같은 HR 특징을 갖고, 약 45°의 입사각의 레이저 다이오드 펌프(318)(예를 들어 약 880 내지 900nm)에 의해 생성된 파장에서 약 2% 미만의 반사와 같은 AR 특징을 갖는 코팅은 레이저 매질(302)을 향하는 광학 입력 커플러(312)의 광학 표면에 도포된다. 약 45°의 입사각의 레이저 다이오드 펌프(318)(예를 들어, 약 880 내지 900nm)에 의해 생성된 파장에서 약 0.8% 미만의 반사와 같은 AR 특징을 갖는 제 2 코팅은 렌즈 조립체(322)를 향하는 광학 입력 커플러(312)의 광학 표면에 도포된다.
도 5는 일 실시예에 따라, 제 4 고조파 빔 품질을 유지하면서 제 2 고조파 레이저 빔의 사용되지 않은 부분을 재생 이용함으로써, 제 4 고조파 레이저 빔(572)을 효율적으로 생성하는 레이저(500)의 개략도이다. 레이저(500)는 도 3을 참조로 서술된 레이저(300)와 유사하지만, 이 레이저(500)는 제 4 고조파 레이저 빔(572)을 생성하는데 적응된다.
레이저(500)는 더 높은 차수의 고조파 비선형 매질(350) 대신에 더 높은 차수의 고조파 비선형 매질(550)을 통합한다. 더 높은 차수의 고조파 비선형 매질(550)은 제 2 고조파 파장을 갖는 레이저 방사 또는 에너지를 제 4 고조파 파장을 갖는 레이저 방사로 변환시키도록 적응된다. 더 높은 차수의 고조파 비선형 매질(550)은 단부 미러(308) 및 단부 미러(510)에 의해 형성되는 공진 레이저 강(306) 내의 광 경로(304)를 따라 위치된다. 따라서, 더 높은 차수의 고조파 비선형 매질(550)은 공진 레이저 강(306)과 광학적으로 관련된다. 더 높은 차수의 고조파 비선형 매질(550)은 바람직하게 비선형 매질(340)과 단부 미러(510) 사이에 삽입되지만, 더 높은 차수의 고조파 비선형 매질(550)은 광 경로(304)를 따라 어느 곳에나 위치될 수 있다. 더 높은 차수의 고조파 비선형 매질(550)은 레이저 빔(330), 레이저 빔(342) 또는 이들 모두가 수직 입사에서 더 높은 차수의 고조파 비선형 매질(550)의 광학 표면에 부딪히도록 배향되는 것이 바람직하다. 레이저 빔(342)이 더 높은 차수의 고조파 비선형 매질(550)을 통과할 때, 더 높은 차수의 고조파 비선형 매질(550)은 레이저 빔(330)의 1/4의 파장{즉, 레이저 빔(330)의 기본 주파수의 4배인 주파수)을 갖는 레이저 빔(552)을 생성한다. 더 높은 차수의 고조파 비선형 매질(550)은 비선형 매질(340 및 350)에 관련하여 서술된 임의의 비선형 결정을 포함할 수 있고, 비선형 매질(340 및 350)과 동일한 또는 상이한 비선형 결정을 포함할 수 있다. 바람직한 실시예에 따라, 더 높은 차수의 고조파 비선형 매질(550)은 타입 Ⅰ 단계 매칭을 위해 구성되는 이중 결정을 포함할 수 있지만, 결정은 또한 타입 Ⅱ 단계 매칭을 위해 구성될 수 있다.
레이저 빔(330, 342 및 552)이 적어도 일 부분의 광 경로(304)를 따라 겹쳐져서 전파하지만{예를 들어, 레이저 빔(330 및 342)이 광학 에너지 커플러(314)와 단부 미러(510) 사이에 겹쳐지고, 레이저 빔(330, 342 및 552)가 단부 미러(510)와 내부 강 출력 커플러(570) 사이에 겹쳐지지만), 레이저 빔(330, 342 및 552)은 설명의 목적을 위해 서로 축방향에서 오프셋된 것으로 도시된다.
AR 코팅은 더 높은 차수의 고조파 비선형 매질(550)에 선택적으로 도포될 수 있다. 예를 들어, 기본 파장, 제 2 고조파 파장 및 제 4 고조파 파장에서 AR 특징을 갖는 단일 또는 다중 층 유전체 코팅은 더 높은 차수의 고조파 비선형 매질(550)의 광학 표면에 도포될 수 있다.
단부 미러(510)는 단부 미러(310)와 유사하지만, 레이저 빔(330, 342 및 552)을 반사하도록 적응된다. 예를 들어, 기본 파장, 제 2 고조파 파장 및 제 4 고조파 파장에서 약 99% 이상의 반사와 같은 HR 특징을 갖는 단일 또는 다중 층 유전체 코팅은 단부 미러(510)에 도포될 수 있다.
일 실시예에 따라, 내부 강 출력 커플러(570)는 광 경로(304)를 따라 공진 레이저 강(306) 내에 위치한다. 내부 강 출력 커플러(570)는 내부 강 출력 커플러(370)와 유사하지만, 레이저 빔(552)을 반사하고, 레이저 빔(330 및 342)을 반사하지 않도록 적응된다. 따라서, 출력 커플러(570)는 레이저 빔(552)과 레이저 빔(330 및 342)을 필수적으로 분리한다. 예를 들어, 제 4 고조파 파장에서 약 95% 이상의 반사와 같은 HR 특징을 갖고, 기본 파장 및 제 2 고조파 파장에서 약 1% 미만의 반사와 같은 AR 특징을 갖는 단일 또는 다중 층 유전체 코팅은 출력 커플러(570)에 도포될 수 있다. 따라서, 출력 커플러(570)는 거의 대부분의 입사 제 4 고조파 레이저 빔 에너지를 공진 레이저 강(306) 밖으로 유도한다. 게다가, 출력 커플러(570)는 거의 대부분의 입사 기본 레이저 빔 에너지와 제 2 고조파 레이저 빔 에너지가 출력 커플러(570)를 통해 전파하는 것을 허용한다. 따라서, 반사된 제 4 고조파 레이저 빔 에너지는 출력 제 4 고조파 레이저 빔(572)으로서 출력 커플러(570)를 통해 공진 레이저 강(306)을 빠져나간다. 출력 커플러(570)에서 기본 레이저 빔 에너지 및 제 2 고조파 레이저 빔 에너지로부터 제 4 고조파 레이저 빔 에너지의 분리는 제 4 고조파 레이저 빔 에너지로부터 비선형 매질(340), 레이저 매질(302) 및 다른 광학 요소에 대한 손상을 방지하는데 도움을 준다. 제 4 고조파 레이저 빔 에너지는 다른 방식으로 공진 레이저 강(306)을 빠져나갈 수 있다. 예를 들어, 단부 미러(510)는 고조파 레이저 빔 에너지가 단부 미러(510)를 통해 공진 레이저 강(306)을 빠져나가는 것을 허용하기 위해 제 4 고조파 파장에서 AR 특징을 갖는 코팅을 포함할 수 있다. 게다가, 반사성 또는 투과성 출력 커플러는 제 4 고조파 레이저 빔 에너지가 공진 레이저 강(306)을 빠져나가는 것을 허용하기 위해 더 높은 차수의 고조파 비선형 매질(550)에 광학적으로 관련하여 위치될 수 있다.
굴곡진 미러(360){예를 들어, 광학 에너지 커플러(314)에 관해}의 곡률 반경 및 위치는 도 3을 참조로 서술되는 것처럼 선택된다. 따라서, 굴곡진 미러(360)의 곡률 반경 및 위치는, 반사된 제 2 고조파 레이저 빔 에너지의 빔 반경 및 빔 발산이, 들어오는 제 2 고조파 레이저 빔{예를 들어 단부 미러(510)와 굴곡진 미러(360) 사이}의 광 경로를 따라 어느 곳에서나, 들어오는 제 2 고조파 레이저 빔 에너지의 빔 반경 및 빔 발산과 필수적으로 동일하도록 선택된다. 게다가, 도 3에 관련되어 서술된 광학기와 유사하거나 동일한 모드-매칭 광학기는 들어오는 제 2 고조파 레이저 빔 에너지의 빔 모드와, 반사된 제 2 고조파 레이저 빔 에너지의 빔 모드를 매칭하기 위해 사용될 수 있다. 레이저의 빔(342)의 실질적으로 균일한 빔 반경 및 빔 발산을 유지하는 것은 제 4 고조파 레이저 빔 에너지의 빔 모드에 영향을 미치는 것 없이, 그리고 제 4 고조파 레이저 빔 에너지의 빔 품질을 상당히 악화시키는 것 없이, 제 4 고조파 레이저 빔 에너지 생성 효율을 향상시키는데 도움을 준다.
도 6은 다른 실시예에 따라, 제4고조파 레이저 빔의 품질을 유지하면서 제 2 고조파 레이저 빔의 사용되지 않은 부분을 재생 이용함으로써, 제 4 고조파 레이저 빔(672)을 효율적으로 생성하는 레이저(600)의 개략도이다. 레이저(600)는 도 3에 관련하여 서술되는 레이저(300)와 유사하지만, 공진 레이저 강(306)의 외부에 위치된 더 높은 차수의 고조파 비선형 매질(650)로 제 4 고조파 레이저 빔(672)을 생성하는데 적응된다.
레이저(600)는 더 높은 차수의 고조파 비선형 매질(350) 대신에 더 높은 차수의 고조파 비선형 매질(650)을 통합한다. 더 높은 차수의 고조파 비선형 매질(650)은 제 2 고조파 파장을 갖는 레이저 방사 또는 에너지를 제 4 고조파 파장을 갖는 레이저 방사로 변환하는데 적응된다. 더 높은 차수의 고조파 비선형 매질(650)이 공진 레이저 강(306)에 광학적으로 관련하도록, 더 높은 차수의 고조파 비선형 매질(650)은 단부 미러(308) 및 단부 미러(610)에 의해 형성되는 공진 레이저 강(306)의 외부에 위치된다. 바람직하게, 더 높은 차수의 고조파 비선형 매질(650)은 비선형 매질(340)과 마주보는 단부 미러(610)의 면 상에 위치된다. 더 높은 차수의 고조파 비선형 매질(650)은, 레이저 빔(342)이 수직 입사에서 더 높은 차수의 고조파 비선형 매질(650)의 광학 표면에 부딪히도록 바람직하게 배향된다. 레이저 빔(342)이 더 높은 차수의 고조파 비선형 매질(650)을 통과할 때, 더 높은 차수의 고조파 비선형 매질(650)은 레이저 빔(330)의 1/4인 파장{즉, 레이저 빔(330)의 기본 주파수의 4배인 주파수}을 갖는 레이저 빔(652)을 생성한다. 더 높은 차수의 고조파 비선형 매질(650)은 비선형 매질(340 및 350)에 관련되어 서술된 임의의 비선형 결정을 포함할 수 있고, 비선형 매질(340 및 350)과 동일하거나 상이한 비선형 결정을 포함할 수 있다. 바람직한 실시예에 따라, 더 높은 차수의 고조파 비선형 매질(650)은 타입 Ⅰ 단계 매칭을 위해 구성되는 이중 결정을 포함하지만, 또한 결정은 타입 Ⅱ 단계 매칭을 위해 구성될 수 있다.
레이저 빔(330 및 342)이 적어도 일 부분의 광 경로(304)를 따라 겹쳐져서 전파되지만{예를 들어, 레이저 빔(330 및 342)이 광학 에너지 커플러(314)와 단부 미러(610) 사이에 겹쳐지지만), 레이저 빔(330 및 342)은 설명의 목적을 위해 서로 축방향에서 오프셋된 것으로 도시된다. 게다가, 레이저 빔(342 및 652)이 단부 미러(610)와 굴곡진 외부 강의 출력 커플러(670) 사이에 겹쳐져서 전파되지만, 레이저 빔(342 및 652)은 설명의 목적을 위해 서로 축방향에서 오프셋된 것으로 도시된다.
AR 코팅은 더 높은 차수의 고조파 비선형 매질(650)에 선택적으로 도포될 수 있다. 예를 들어, 기본 파장, 제 2 고조파 파장 및 제 4 고조파 파장에서 AR 특징을 갖는 단일 또는 다중 층 유전체 코팅은 더 높은 차수의 고조파 비선형 매질(650)의 광학 표면에 도포될 수 있다.
단부 미러(610)는 단부 미러(310)와 유사하지만, 레이저 빔(330 및 652)을 반사하고, 레이저 빔(342)을 반사하지 않도록 적응된다. 예를 들어, 기본 파장 및 제 4 고조파 파장에서 약 95% 이상의 반사와 같은 HR 특징을 갖고, 제 2 고조파 파장에서 약 1% 미만의 반사와 같은 AR 특징을 갖는 단일 또는 다중 층 유전체 코팅은 단부 미러(610)에 도포될 수 있다. 게다가, 코팅은 단부 미러(610)의 대향하는 두 광학 표면 모두에 도포될 수 있다. 따라서, 단부 미러(610)는 거의 대부분의 입사 기본 레이저 빔 에너지를 비선형 매질(340)로 다시 반사하고, 거의 대부분의 입사 제 4 고조파 레이저 빔 에너지를 굴곡진 출력 커플러(670)로 반사한다. 게다가, 단부 미러(610)는 거의 대부분의 입사 제 2 고조파 레이저 빔 에너지가 단부 미러(610)를 통과하는 것을 허용한다.
굴곡진 외부 강 출력 커플러(670)는, 출력 커플러(670)가 더 높은 차수의 고조파 비선형 매질(650)에 광학적으로 관련되도록 공진 레이저 강(306)의 외부에 위치된다. 바람직한 실시예에 따라, 출력 커플러(670)는, 더 높은 차수의 고조파 비선형 매질(650)이 단부 미러(610)와 출력 커플러(670) 사이에 삽입되도록 위치된다. 출력 커플러(670)는 레이저 빔(342)을 반사하고, 레이저 빔(652)을 반사하지 않도록 적응된다. 따라서, 출력 커플러(670)는 레이저 빔(652)과 레이저 빔(342)을 필수적으로 분리한다. 예를 들어, 제 2 고조파 파장에서 약 95% 이상의 반사와 같은 HR 특징을 갖고, 제 4 고조파 파장에서 약 1% 미만의 반사와 같은 AR 특징을 갖는 단일 또는 다중 층 유전체 코팅은 출력 커플러(670)에 도포될 수 있다. 따라서, 출력 커플러(670)는 거의 대부분의 입사 제 2 고조파 레이저 빔 에너지를 더 높은 차수의 고조파 비선형 매질(650) 및 굴곡진 미러(360)로 반사한다. 게다가, 출력 커플러(670)는 거의 대부분의 입사 제 4 고조파 레이저 빔 에너지가 출력 커플러(670)를 통하여, 따라서, 단부 미러(610) 및 출력 커플러(670)에 의해 형성된 강(680)의 외부로 전파하는 것을 허용한다. 따라서, 투과된 제 4 고조파 레이저 빔 에너지는 제 4 고조파 레이저 빔(672)으로서 출력 커플러(670)를 통해 출력 강(680)을 빠져나간다. 제 4 고조파 레이저 빔 에너지는 다른 방식으로 강(680)을 빠져나갈 수 있다. 예를 들어, 반사 또는 투과성 출력 커플러는 제 4 고조파 레이저 빔 에너지가 강(680)을 빠져나가는 것을 허용하기 위해 더 높은 차수의 고조파 비선형 매질(650)과 광학적으로 관련되도록 위치될 수 있다.
출력 커플러(670){예를 들어, 단부 미러(610)에 관해}의 곡률 반경 및 위치는 도 3의 굴곡진 미러(360)에 관련되어 서술된 방식과 유사한 방식으로 선택된다. 따라서, 출력 커플러(670)의 곡률 반경 및 위치는, 반사된 제 2 고조파 레이저 빔 에너지의 빔 모드(예를 들어, 빔 반경 및 빔 발산)가, 들어오는 제 2 고조파 레이저 빔 에너지의 빔 모드{예를 들어, 제 4 고조파 레이저 빔 에너지를 생성하는데 사용되지 않은 제 2 고조파 레이저 빔 에너지의 부분}와 실질적으로 매칭하도록 선택된다. 즉, 출력 커플러(670)의 곡률 반경 및 위치는, 반사된 제 2 고조파 레이저 빔 에너지의 빔 반경 및 빔 발산이, 들어오는 제 2 고조파 레이저 빔의{예를 들어, 출력 커플러(670)와 굴곡진 미러(360) 사이의} 광 경로를 따라 어느 곳에서나, 들어오는 제 2 고조파 레이저 빔 에너지의 빔 반경 및 빔 발산과 필수적으로 동일하도록 선택된다. 실질적으로 레이저 빔(342)의 균일한 빔 반경 및 빔 발산을 유지하는 것은 더 높은 차수의 레이저 빔 에너지의 빔 모드에 영향을 미치는 것 없이, 그리고 더 높은 차수의 레이저 빔 에너지의 빔 품질을 상당히 악화시키는 것 없이 더 높은 차수의 레이저 빔 에너지(예를 들어, 제 4 고조파 레이저 빔 에너지) 생성 효율을 향상시키는데 도움을 준다.
예를 들어, 레이저(600)는, 단부 미러(610)가 기본 레이저 빔 에너지의 빔 허리에 부합하여 위치되도록 설계될 수 있다. 따라서, 기본 레이저 빔 에너지가 광학 에너지 커플러(314)로부터 단부 미러(610)로 전파할 때, 기본 레이저 빔 에너지는 수렴한다. 게다가, 비선형 매질(340)에 의해 기본 레이저 빔 에너지의 적어도 일 부분으로부터 생성된 제 2 고조파 레이저 빔 에너지가 비선형 매질(340)로부터 단부 미러(610)로 전파할 때, 제 2 고조파 레이저 빔 에너지는 수렴한다.
단부 미러(610)에 의해 반사된 이후, 기본 레이저 빔 에너지는 이 에너지가 단부 미러(610)로부터 광학 에너지 커플러(314)로 전파할 때, 발산을 개시한다. 제 2 고조파 레이저 빔 에너지는 단부 미러(610)를 통과한 이후 발산을 개시하고, 제 2 고조파 레이저 빔 에너지가 더 높은 차수의 고조파 비선형 매질(650) 쪽으로 전파할 때 발산을 지속한다. 제 2 고조파 레이저 빔 에너지의 일 부분은 제 4 고조파 레이저 빔 에너지를 생성하기 위해 더 높은 차수의 고조파 비선형 매질(650)에 의해 사용되지 않는다. 따라서, 제 2 고조파 레이저 빔 에너지의 사용되지 않은 부분은 출력 커플러(670)에 의해 반사되고, 출력 커플러(670)와 굴곡진 미러(360) 사이에 앞뒤로 전파한다.
출력 커플러(670)가 편평하다면, 제 2 고조파 레이저 빔 에너지의 사용되지 않은 부분은 출력 커플러(670)에 의해 반사된 이후에 발산을 지속할 것이다. 따라서, 제 2 고조파 레이저 빔 에너지의 사용되지 않은 부분이 더 높은 차수의 고조파 비선형 매질(650)을 통과할 때마다. 제 2 고조파 레이저 빔 에너지의 사용되지 않은 부분의 빔 모드(예를 들어, 빔 반경 및 빔 발산)는 상이할 것이고, 상당히 악화된 제 4 고조파 레이저 빔 에너지의 빔 품질이 초래될 것이다. 따라서, 출력 커플러(670)의 곡률 반경 및 위치는, 출력 커플러(670)에 의해 반사된 제 2 고조파 레이저 빔 에너지의 사용되지 않은 부분의 빔 모드가, 들어오는 제 2 고조파 레이저 빔 에너지의 빔 모드{예를 들어, 제 2 고조파 레이저 빔 에너지로부터 비선형 매질(650)에 의해 생성된 제 2 고조파 레이저 빔 에너지의 빔 모드}와 실질적으로 매칭하도록 선택된다. 즉, 출력 커플러(670)의 위치 및 오목한 형태는, 제 2 고조파 레이저 빔 에너지의 사용되지 않은 부분이 출력 커플러(670)에 의해 반사된 이후에 수렴을 개시하도록{예를 들어, 기본 레이저 빔 에너지가 단부 미러(610)로부터 광학 에너지 커플러(314)로 전파할 때, 비선형 매질(340)에 의해 생성된 제 2 고조파 레이저 빔 에너지와 유사하거나 동일한 방식으로} 선택된다.
출력 커플러(670)의 곡률 반경 및 위치는 레이저(600)의 설계를 기초로 변할 수 있다. 예를 들어, 비선형 매질(340)이 가우시안 제 2 고조파 빔을 생성한다면, 출력 커플러(670)의 곡률 반경은 출력 커플러(670)의 위치에서 제 2 고조파 빔의 가우시안 빔 파면의 곡률 반경과 실질적으로 매칭하도록 선택된다. 즉, 가우시안 빔 파면의 곡률 반경은 출력 커플러(670)의 주어진 위치에 대해 먼저 계산된다. 그런 후에, 출력 커플러(670)의 곡률 반경은, 반사된 빔의 제 2 고조파 모드가 유지되도록, 가우시안 빔 파면{출력 커플러(670)의 위치에서}의 계산된 곡률 반경과 실질적으로 매칭하도록 선택된다. 특정 위치에서 가우시안 빔 파면의 곡률 반경은 도 3을 참조로 이전에 서술된 빔의 파장, 빔 허리에서의 빔 반경, 빔 품질 계수(M2) 및 빔 허리로부터의 거리로부터 결정될 수 있다.
출력 커플러(670)의 위치가 조정된다면{예를 들어, 단부 미러(610)에 근접하게 이동된다면}, 조정된 위치에서 가우시안 빔 파면의 곡률 반경은, 계산될 수 있어서 대응하는 곡률 반경이 출력 커플러(670)에 대해 선택될 수 있다. 유사한 성질에서, 출력 커플러(670)의 한 위치는 출력 커플러(670)의 곡률 반경에서의 변화를 보상하기 위해 조정될 수 있다. 출력 커플러(670)가 오목한 형태를 갖도록 선택되는 예시가 제공되었지만, 출력 커플러(670)는 볼록한 형태(예를 들어, 반사시, 반사된 빔이 발산하도록 하는) 또는 편평한 형태(예를 들어, 곡률 반경이 무한하게 선택될 수 있는)를 갖도록 선택될 수 있다. 게다가, 도 3을 참조로 서술된 광학기와 유사하거나 동일한 모드-매칭 광학기는 들어오는 제 2 고조파 레이저 빔 에너지의 빔 모드와, 반사된 제 2 고조파 레이저 빔 에너지{예를 들어, 출력 커플러(670)에 의해 반사된}의 빔모드를 매칭하는데 사용될 수 있다.
굴곡진 미러(360){광학 에너지 커플러(314) 및 출력 커플러(670)에 관해}의 곡률 반경 및 위치는 도 3을 참조로 서술된 것처럼 선택된다. 예를 들어, 제 2 고조파 레이저 빔 에너지의 사용되지 않은 부분이 출력 커플러(670)에 의해 반사된 이후에, 제 2 고조파 레이저 빔 에너지의 사용되지 않은 부분은 이 부분이 비선형 매질(650) 쪽으로 전파할 때 수렴을 개시한다. 제 2 고조파 레이저 빔 에너지의 사용되지 않은 부분이 비선형 매질(650)을 다시 통과할 때, 비선형 매질(650)은 추가적인 제 4 고조파 레이저 빔 에너지{단부 미러(610)에 의해 반사되고 출력 커플러(670)를 통해 강(680)을 빠져나가는}를 생성한다. 제 2 고조파 레이저 빔 에너지의 사용되지 않은 부분의 일 부분은 사용되지 않고, 단부 미러(610) 쪽으로 전파한다. 제 2 고조파 레이저 빔 에너지의 2배의 사용되지 않은 부분은 이 부분이 비선형 매질(650)로부터 단부 미러(610)로 전파할 때 수렴한다. 제 2 고조파 레이저 빔 에너지의 2배의 사용되지 않은 부분이 단부 미러(610)를 통과한 이후, 제 2 고조파 레이저 빔 에너지의 2배의 사용되지 않은 부분은 발산을 개시한다. 제 2 고조파 레이저 빔 에너지의 2배의 사용되지 않은 부분은 이 부분이 단부 미러(610)로부터 굴곡진 미러(360)로 전파할 때 발산을 지속한다. 게다가, 기본 레이저 빔 에너지는 이 에너지가 단부 미러(610)로부터 광학 에너지 커플러(314)로 전파할 때 발산한다. 비선형 매질(340)은 발산하는 기본 레이저 빔 에너지가 광학 에너지 커플러(314)의 방향으로 비선형 매질(340)을 통과할 때 추가적인 제 2 고조파 레이저 빔 에너지를 생성한다. 광학 에너지 커플러(314)에 의해 반사되지 않은 제 2 고조파 레이저 빔 에너지는 잔류 제 2 고조파 레이저 빔 에너지로서 공진 레이저 강(306)을 빠져나간다. 따라서, 잔류 제 2 고조파 레이저 빔 에너지는 추가적인 제 2 고조파 레이저 빔 에너지{예를 들어, 기본 레이저 빔 에너지가 광학 에너지 커플러(314)의 방향으로 비선형 매질(340)을 통과할 때 생성된 제 2 고조파 레이저 빔 에너지}와, 제 2 고조파 레이저 빔 에너지의 2배의 사용되지 않은 부분을 포함할 수 있다.
미러(360)가 편평하다면, 잔류 제 2 고조파 레이저 빔 에너지는 미러(360)로부터 반사된 이후 발산을 지속할 것이다. 따라서, 잔류 제 2 고조파 레이저 빔 에너지가 비선형 매질(650)을 통과했을 때, 잔류 제 2 고조파 레이저 빔 에너지의 빔 모드(예를 들어, 빔 반경 및 빔 발산)는 비선형 매질(340)에 의해 생성된 제 2 고조파 레이저 빔 에너지의 빔 모드와 상이할 것이고, 상당히 악화된 제 4 고조파 레이저 빔 에너지의 빔 품질이 초래될 것이다. 이에 따라, 굴곡진 미러(360)의 곡률 반경 및 위치는 굴곡진 미러(360)에 의해 생성된 잔류 제 2 고조파 레이저 빔 에너지의 빔 모드가 들어오는 제 2 고조파 레이저 빔 에너지의 빔 모드{비선형 매질(340)에 의해 기본 레이저 빔 에너지로부터 광학 에너지 커플러(314)의 방향으로 생성된 제 2 고조파 레이저 빔 에너지를 포함할 수 있는)와 실질적으로 매칭하도록 선택된다. 즉, 굴곡진 미러(360)의 위치 및 오목한 형태는 잔류 제 2 고조파 레이저 빔 에너지가 굴곡진 미러(360)에 의해 반사된 이후에, 수렴을 개시하도록{예를 들어, 610의 방향으로 비선형 매질(340)에 의해 생성된 제 2 고조파 레이저 빔 에너지와 유사하거나 동일한 방식으로} 선택된다.
굴곡진 미러(360)의 곡률 반경 및 위치는 레이저(600)의 설계를 기초로 변할 수 있다. 예를 들어, 비선형 매질(340)이 가우시안 제 2 고조파 빔을 생성한다면, 굴곡진 미러(360)의 곡률 반경은 굴곡진 미러(360)의 위치에서 제 2 고조파 빔의 가우시안 빔 파면의 곡률 반경을 실질적으로 매칭하도록 선택된다. 즉, 가우시안 빔 파면의 곡률 반경은 굴곡진 미러(360)의 주어진 위치에 대해 먼저 계산된다. 그런 후에, 굴곡진 미러(360)의 곡률 반경은 반사된 빔의 제 2 고조파 모드가 유지되도록, 가우시안 빔 파면{굴곡진 미러(360)의 위치에서}의 계산된 곡률 반경과 실질적으로 매칭하기 위해 선택된다. 특정 위치에서 가우시안 빔 파면의 곡률 반경은 도 3을 참조로 이전에 서술된 빔의 파장, 빔 허리에서의 빔 반경, 빔 품질 계수(M2) 및 빔 허리로부터의 거리로부터 결정될 수 있다.
굴곡진 미러(360)의 위치가 조정된다면(예를 들어, 광학 에너지 커플러(314)에 근접하게 이동된다면), 조정된 위치에서 가우시안 빔 파면의 곡률 반경은 대응하는 곡률 반경이 굴곡진 미러(360)에 대해 선택될 수 있도록 계산될 수 있다. 유사한 성질에서, 굴곡진 미러(360)의 위치는 굴곡진 미러(360)의 곡률 반경에서 변화를 보상하기 위해 조정될 수 있다. 굴곡진 미러(360)가 오목한 형태를 갖도록 선택되는 예시가 제공되었지만, 굴곡진 미러(360)는 볼록한 형태(예를 들어, 반사시 반사된 빔이 발산하게 하기 위해) 또는 편평한 형태(예를 들어, 곡률 반경이 무한하게 선택될 수 있는)를 갖도록 선택되는 것이 가능할 수 있다. 게다가, 도 3을 참조로 서술된 광학기와 유사하거나 동일한 모드-매칭 광학기는 들어오는 제 2 고조파 레이저 빔 에너지의 빔 모드와, 반사된 제 2 고조파 레이저 빔 에너지{예를 들어, 굴곡진 미러(360)에 의해 반사된}의 빔 모드를 매칭하기 위해 사용될 수 있다.
도 7은 또 다른 실시예에 따라, 제 4 고조파 빔 품질을 유지하면서, 제 2 고조파 레이저 빔의 사용되지 않은 부분을 재생 이용함으로써, 제 4 고조파 레이저 빔(772)을 효율적으로 생성하는 레이저(700)의 개략도이다. 레이저(700)는 도 3을 참조로 서술된 레이저(300)와 유사하지만, 제 4 고조파 레이저 빔(772)을 생성하도록 적응된다.
레이저(700)는 더 높은 차수의 고조파 비선형 매질(350)에 덧붙여 혼합 비선형 매질(780)을 통합한다. 도 3을 참조로 서술된 바와 같이, 더 높은 차수의 고조파 비선형 매질(350)은 공진 레이저 강(306) 내의 광 경로(304)를 따라 위치된다. 바람직하게, 더 높은 차수의 고조파 비선형 매질(350)은 혼합 비선형 매질(780)과 단부 미러(710) 사이에 삽입된다. 더 높은 차수의 고조파 비선형 매질(350)은 레이저 빔(330), 레이저 빔(342) 또는 이들 모두가 수직 입사에서 더 높은 차수의 고조파 비선형 매질(350)의 광학 표면에 부딪히도록 바람직하게 배향된다. 바람직한 실시예에서, 더 높은 차수의 고조파 비선형 매질(350)은 기본 파장을 갖는 레이저 방사 또는 에너지와, 제 2 고조파 파장을 갖는 레이저 방사 또는 에너지를 제 3 고조파 파장을 갖는 레이저 방사 또는 에너지로 변환한다. 따라서, 레이저 빔(330) 및 레이저 빔(342)이 더 높은 차수의 고조파 비선형 매질(350)을 통과할 때, 더 높은 차수의 고조파 비선형 매질(350)은 레이저 빔(330)의 1/3의 파장{즉, 레이저 빔(330)의 기본 주파수의 3배의 주파수}을 갖는 레이저 빔(352)을 생성한다. 더 높은 차수의 고조파 비선형 매질(350)은 비선형 매질(340)을 참조로 서술된 임의의 비선형 결정을 포함할 수 있고, 비선형 매질(340)과 동일하거나 상이한 비선형 결정을 포함할 수 있다. 비선형 결정은 타입 Ⅰ 또는 타입 Ⅱ 단계 매칭을 위해 구성될 수 있다.
일 실시예에 따라, 혼합 비선형 매질(780)은 기본 파장을 갖는 레이저 방사와 제 3 고조파 파장을 갖는 레이저 방사를 제 4 고조파 파장을 갖는 레이저 방사로 변환하거나 혼합한다. 대안적으로, 혼합 비선형 매질(780)은 제 2 고조파 파장을 갖는 레이저 방사와 제 3 고조파 파장을 갖는 레이저 방사를 제 5 고조파 파장을 갖는 레이저 방사로 변환 또는 혼합하기 위해{즉, 제 5 고조파 레이저 빔(772)을 생성하기 위해} 적응된다. 혼합 비선형 매질(780)은 단부 미러(308) 및 단부 미러(710)에 의해 형성되는 공진 레이저 강(306) 내의 광 경로(304)에 따라 위치된다. 바람직하게, 혼합 비선형 매질(780)은 내부 강 출력 커플러(770)와 비선형 매질(350) 사이에 삽입된다. 혼합 비선형 매질(780)은 레이저 빔(330), 레이저 빔(342), 레이저 빔(352) 또는 이들의 임의의 조합이 수직 입사에서 혼합 비선형 매질(780)의 광학 표면에 부딪히도록 바람직하게 배향된다. 레이저 빔(330) 및 레이저 빔(352)이 혼합 비선형 매질(780)을 통과할 때, 혼합 비선형 매질(780)은 레이저 빔(330)의 1/4의 파장{즉, 레이저 빔(330)의 기본 주파수의 4배인 주파수}을 갖는 레이저 빔(782)을 생성한다. 혼합 비선형 매질(780)은 비선형 매질(340 및 350)을 참조로 서술되는 임의의 비선형 결정을 포함할 수 있고, 비선형 매질(340 및 350)과 동일하거나 상이한 비선형 결정을 포함할 수 있다. 바람직한 실시예에 따라, 혼합 비선형 매질(780)은 타입 Ⅰ 단계 매칭을 위해 구성되는 혼합 결정이지만, 결정은 또한 타입 Ⅱ 단계 매칭을 위해 구성될 수 있는 혼합 결정을 포함한다. 도 7에 도시된 바와 같이, 비선형 매질(340), 혼합 비선형 매질(780) 및 비선형 매질(350)은 서로 광학적으로 직렬로 있다.
레이저 빔(330, 342, 352 및 782)이 적어도 일 부분의 광 경로(304)를 따라 겹쳐져서 전파하지만{예를 들어, 레이저 빔(330 및 342)이 광학 에너지 커플러(314)와 단부 미러(710) 사이에 겹쳐지고, 레이저 빔(330, 342 및 352)이 단부 미러(710)와 내부 강 출력 커플러(770) 사이에 겹쳐지며, 레이저 빔(330, 342, 352 및 782)이 혼합 비선형 매질(780)과 내부 강 출력 커플러(770)사이에 겹쳐지지만}, 레이저 빔(330, 342, 352 및 782)은 설명의 목적을 위해 서로 축방향에서 오프셋된 것으로 도시된다.
AR 코팅은 더 높은 차수의 고조파 비선형 매질(350), 혼합 비선형 매질(780) 또는 모두에 선택적으로 도포될 수 있다. 예를 들어, 기본 파장, 제 2 고조파 파장, 제 3 고조파 파장 및 제 4 고조파 파장에서 AR 특성을 갖는 단일 또는 다중 층 유전체 코팅은 더 높은 차수의 고조파 비선형 매질(350), 혼합 비선형 매질(780) 또는 모두의 광학 표면에 도포될 수 있다.
단부 미러(710)는 단부 미러(310)와 유사할 수 있지만, 레이저 빔(330, 342 및 352)에 덧붙여 레이저 빔(782)을 반사하도록 적응될 수 있다. 예를 들어, 기본 파장, 제 2 고조파 파장, 제 3 고조파 파장 및 제 4 고조파 파장에서 약 99% 이상의 반사와 같은 HR 특징을 갖는 단일 또는 다중 층 유전체 코팅은 단부 미러(710)에 도포될 수 있다.
내부 강 출력 커플러(770)은 일 실시예에 따라, 광 경로(304)를 따른 공진 레이저 강(306) 내에 위치된다. 출력 커플러(770)는 내부 강 출력 커플러(370)와 유사하지만, 레이저 빔(782)을 반사하고, 레이저 빔(330 및 342)을 반사하지 않도록 적응된다. 출력 커플러(770)는 레이저 빔(352)을 반사할 수 있거나 반사하지 않을 수 있다. 따라서, 출력 커플러(770)는 레이저 빔(782)과 레이저 빔(330 및 342)을 필수적으로 분리한다. 예를 들어, 제 4 고조파 파장에서 약 95% 이상의 반사와 같은 HR 특징을 갖고, 기본 파장 및 제 2 고조파 파장에서 약 1% 미만의 반사와 같은 AR 특징을 갖는 단일 또는 다중 층 유전체 코팅은 출력 커플러(770)에 도포될 수 있다. 따라서, 출력 커플러(770)는 거의 대부분의 입사 제 4 고조파 레이저 빔 에너지를 공진 레이저 강(306)의 외부로 유도한다. 게다가, 출력 커플러(770)는 거의 대부분의 입사 기본 레이저 빔 에너지 및 제 2 고조파 레이저 빔 에너지가 출력 커플러(770)를 통해 전파하는 것을 허용한다. 따라서, 반사된 제 4 고조파 레이저 빔 에너지는 출력 제 4 고조파 레이저 빔(772)으로서 출력 커플러(770)를 통해 공진 레이저 강(306)을 빠져나간다. 출력 커플러(770)에서 기본 레이저 빔 에너지 및 제 2 고조파 레이저 빔 에너지로부터 제 4 고조파 레이저 빔 에너지의 분리는 비선형 매질(340), 레이저 매질(302) 및 다른 광학 요소에 손상을 방지하는데 도움을 준다. 제 4 고조파 레이저 빔 에너지는 다른 방식으로 공진 레이저 강(306)을 빠져나갈 수 있다. 예를 들어, 단부 미러(710)는 제 4 고조파 레이저 빔 에너지가 단부 미러(710)를 통해 공진 레이저 강(306)을 빠져나가는 것을 허용하기 위해{예를 들어, 혼합 비선형 매질(780) 및 비선형 매질(350)의 위치가 서로 바뀐다면), 제 4 고조파 파장에서 AR 특징을 갖는 코팅을 포함할 수 있다. 게다가, 반사성 또는 투과성 출력 커플러는, 제 4 고조파 레이저 빔 에너지가 공진 레이저 강(306)을 빠져나가는 것을 허용하기 위해, 더 높은 차수의 고조파 비선형 매질(780)과 광학적으로 관련되도록 위치될 수 있다.
굴곡진 미러(360){예를 들어 광학 에너지 커플러(314)에 관해}의 곡률 반경 및 위치는 도 3을 참조로 서술된 것처럼 선택된다. 따라서, 굴곡진 미러(360)의 곡률 반경 및 위치는, 반사된 제 2 고조파 레이저 빔 에너지의 빔 반경 및 빔 발산이, 들어오는 제 2 고조파 레이저 빔{예를 들어, 단부 미러(710)와 굴곡진 미러(360) 사이의}의 빔 경로를 따라 어느 곳에서나, 들어오는 제 2 고조파 레이저 빔 에너지의 빔 반경 및 빔 발산과 필수적으로 동일하도록 선택된다. 게다가, 도 3을 참조로 서술된 광학기와 유사하거나 동일한 모드-매칭 광학기는, 들어오는 제 2 고조파 레이저 빔 에너지의 빔 모드와, 반사된 제 2 고조파 레이저 빔 에너지{예를 들어, 굴곡진 미러(360)에 의해 반사된}의 빔 모드와 매칭하도록 사용될 수 있다. 레이저 빔(342)의 실질적으로 균일한 빔 반경 및 빔 발산을 유지하는 것은, 제 4 고조파 레이저 빔 에너지의 빔 모드에 영향을 미치는 것 없이, 그리고 제 4 고조파 레이저 빔 에너지의 빔 품질을 상당히 악화시키는 것 없이 제 4 고조파 레이저 빔 에너지의 생성 효율을 개선시키는데 도움을 준다.
도 8은 또 다른 실시예에 따라 제 4 고조파 빔 품질을 유지하면서 제 2 고조파 레이저 빔의 사용되지 않은 부분을 재생 이용함으로써 제 4 고조파 레이저 빔(872)을 효율적으로 생성하는 레이저(800)의 개략도이다. 레이저(800)는 도 7을 참조로 서술된 레이저(700)와 유사하지만 비선형 매질(350), 혼합 비선형 매질(780) 및 출력 커플러가 상이한 광학 배열 내에 위치된다. 도 7에서, 구성 요소는 단부 미러(710)로 시작하여 비선형 매질(350)이 후속하고, 혼합 비선형 매질(780)이 후속하고, 출력 커플러(770)가 후속하며, 비선형 요소(340)로 끝나는 광학 어레이로 정렬된다. 도 8에서, 구성 요소는 단부 미러(810)로 시작하여, 혼합 비선형 매질(780)이 후속하고, 출력 커플러(870)가 후속하고, 비선형 매질(350)이 후속하며, 비선형 요소(340)로 끝나는 상이한 광학 어레이로 정렬된다.
도 7에 참조로 서술된 것처럼, 더 높은 차수의 고조파 비선형 매질(350)은 기본 파장을 갖는 레이저 방사 또는 에너지와, 제 2 고조파 파장을 갖는 레이저 방사 또는 에너지를 제 3 고조파 파장을 갖는 레이저 방사 또는 에너지로 변환한다. 따라서, 레이저 빔(330) 및 레이저 빔(342)이 더 높은 차수의 고조파 비선형 매질(350)을 통과할 때, 더 높은 차수의 고조파 비선형 매질(350)은 레이저 빔(330)의 1/3인 파장{즉, 레이저 빔(330)의 기본 주파수의 3배인 주파수}을 갖는 레이저 빔(352)을 생성한다. 게다가, 도 7을 참조로 서술되는 바와 같이, 혼합 비선형 매질(780)은 일 실시예에 따라, 기본 파장을 갖는 레이저 방사 및 제 3 고조파 파장을 갖는 레이저 방사를 제 4 고조파 파장을 갖는 레이저 방사로 변환 또는 혼합하는데 적응된다. 따라서, 레이저 빔(330) 및 레이저 빔(352)이 혼합 비선형 매질(780)을 통과할 때, 혼합 비선형 매질(780)은 레이저 빔(330)의 1/4인 파장{즉, 레이저 빔(330)의 기본 주파수의 4배인 주파수}을 갖는 레이저 빔(782)을 생성한다. 대안적으로, 혼합 비선형 매질(780)은 제 2 고조파 파장을 갖는 레이저 방사와 제 3 고조파 파장을 갖는 레이저 방사를 제 5 고조파 파장을 갖는 레이저 방사로 변환 또는 혼합하기 위해{즉, 제 5 고조파 레이저 빔(872)을 생성하기 위해} 적응될 수 있다.
레이저 빔(330, 342, 352 및 782)이 적어도 일 부분의 광 경로(304)를 따라 겹쳐져서 전파하지만{예를 들어, 레이저 빔(330 및 342)이 광학 에너지 커플러(314)와 단부 미러(810) 사이에 겹쳐지고, 레이저 빔(330, 342 및 352)이 비선형 매질(350)과 단부 미러(810) 사이에 겹쳐지며, 레이저 빔(330, 342, 352 및 782)이 단부 미러(810)와 내부 강 출력 커플러(870) 사이에 겹쳐지지만), 레이저 빔(330, 342, 352 및 782)은 설명의 목적을 위해 서로 축방향에서 오프셋된 것으로 도시된다.
단부 미러(810)는 단부 미러(310)와 유사하지만, 레이저 빔(330, 342 및 352)에 덧붙여 레이저 빔(782)을 반사하도록 적응된다. 예를 들어, 기본 파장, 제 2 고조파 파장, 제 3 고조파 파장 및 제 4 고조파 파장에서 약 99% 이상의 반사와 같은 HR 특징을 갖는 단일 또는 다중 층 유전체 코팅은 단부 미러(810)에 도포될 수 있다.
내부 강 출력 커플러(870)는 일 실시예에 따라, 광 경로(304)를 따른 공진 레이저 강(306) 내에 위치된다. 출력 커플러(870)는 내부 강 출력 커플러(770)와 유사하지만, 레이저 빔(782)을 반사하고, 레이저 빔(330, 342 및 352)을 반사하지 않도록 적응된다. 따라서, 출력 커플러(870)는 레이저 빔(330, 342 및 어쩌면 352)으로부터 레이저 빔(782)을 필수적으로 분리한다. 출력 커플러(870)는 일 방향에서 레이저 빔(352)을 반사하지 않고{예를 들어, 레이저 빔(352)이 비선형 매질(350)로부터 단부 미러(810)로 전파할 때}, 다른 방향에서 레이저 빔(352)을 반사할 수 있어서{예를 들어, 레이저 빔(352)이 단부 미러(810)로부터 출력 커플러(870)로 전파할 때}, 혼합 비선형 요소(780)에 의해 사용되지 않은 제 3 고조파 레이저 빔 에너지가 강(306)을 빠져나가게 된다. 대안적으로, 출력 커플러(870)는 양방향에서 레이저 빔(352)을 반사하지 않는다{레이저 빔(352)이 비선형 매질(350)로부터 단부 미러(810)로 전파할 때, 그리고 레이저 빔(352)이 단부 미러(810)로부터 비선형 매질(350)로 전파할 때}. 제 4 고조파 파장에서 약 95% 이상의 반사와 같은 HR 특징을 갖고, 기본 파장, 제 2 고조파 파장 및 제 3 고조파 파장에서 약 1% 미만의 반사와 같은 AR 특징을 갖는 단일 또는 다중 충 유전체 코팅은 출력 커플러(870)에 도포될 수 있다. 따라서, 출력 커플러(870)는 거의 대부분의 입사 제 4 고조파 레이저 빔 에너지를 공진 레이저 강(306) 외부에 유도한다. 게다가, 출력 커플러(870)는 거의 대부분의 입사 기본 레이저 빔 에너지, 제 2 고조파 레이저 빔 에너지, 그리고 어쩌면 제 3 고조파 레이저 빔 에너지가 출력 커플러(870)를 통해 전파하는 것을 허용한다. 따라서, 반사된 제 4 고조파 레이저 빔 에너지는 출력 제 4 고조파 레이저 빔(872)으로서 출력 커플러(870)를 통해 공진 레이저 강(306)을 빠져나간다. 출력 커플러(870)에서 기본 레이저 빔 에너지, 제 2 고조파 레이저 빔 에너지 및 어쩌면 제 3 고조파 레이저 빔 에너지로부터 제 4 고조파 레이저 빔 에너지의 분리는 제 4 고조파 레이저 빔 에너지로부터 비선형 매질(340), 레이저 매질(302) 및 다른 광학 요소에 대한 손상을 방지하는데 도움을 줄 수 있다. 제 4 고조파 레이저 빔 에너지는 다른 방식으로 공진 레이저 강(306)을 빠져나갈 수 있다. 예를 들어, 단부 미러(810)는, 제 4 고조파 레이저 빔 에너지가 단부 미러(810)를 통해 공진 레이저 강(306)을 빠져나가는 것을 허용하기 위해, 제 4 고조파 파장에서 AR 특징을 갖는 코팅을 포함할 수 있다. 게다가, 반사성 또는 투과성 출력 커플러는, 제 4 고조파 레이저 빔 에너지가 공진 레이저 강(306)을 빠져나가는 것을 허용하기 위해, 더 높은 차수의 고조파 비선형 매질(780)과 광학적으로 관련되도록 위치될 수 있다.
굴곡진 미러(360){예를 들어, 광학 에너지 커플러(314)에 관해}의 곡률 반경 및 위치는 도 3을 참조로 서술되는 것처럼 선택된다. 따라서, 굴곡진 미러(360)의 곡률 반경 및 위치는 반사된 제 2 고조파 레이저 빔 에너지의 빔 반경 및 빔 발산이, 들어오는 제 2 고조파 레이저 빔{예를 들어, 단부 미러(810)와 굴곡진 미러(360) 사이의}의 빔 경로를 따라 어느 곳에서나, 들어오는 제 2 고조파 레이저 빔 에너지의 빔 반경 및 빔 발산과 필수적으로 동일하도록 선택된다. 게다가, 도 3을 참조로 서술된 광학기와 유사하거나 동일한 모드-매칭 광학기는 들어오는 제 2 고조파 레이저 빔 에너지의 빔 모드와, 반사된 제 2 고조파 레이저 빔 에너지{예를 들어, 굴곡진 미러(360)에 의해 반사된}의 빔 모드와 매칭하도록 사용될 수 있다. 레이저 빔(342)의 실질적으로 균일한 빔 반경 및 빔 발산을 유지하는 것은 제 4 고조파 레이저 빔 에너지의 빔 모드에 영향을 미치는 것 없이, 그리고 제 4 고조파 레이저 빔 에너지의 빔 품질을 상당히 악화시키는 것 없이 제 4 고조파 레이저 빔 에너지의 생성 효율을 개선시키는데 도움을 준다.
도 9는 일 실시예에 따라 제 4 고조파 빔 품질을 유지하면서 제 2 고조파 레이저 빔 및 제 3 고조파 레이저 빔의 사용되지 않은 부분을 재생 이용함으로써, 제 4 고조파 레이저 빔(972)을 효율적으로 생성하는 레이저(900)의 개략도이다. 레이저(900)는 도 8을 참조로 서술된 레이저(800)와 유사하지만, 혼합 비선형 요소(780)에 의해 제 4 고조파 레이저 빔 에너지를 생성하는데 사용되지 않은 제 3 고조파 레이저 빔 에너지를 재생 이용하는 굴곡진 미러(910)를 포함한다. 대안적인 실시예에서, 혼합 비선형 매질(780)은 제 2 고조파 파장을 갖는 레이저 방사와, 제 3 고조파 파장을 갖는 레이저 방사를 제 5 고조파 파장을 갖는 레이저 방사로 변환 또는 혼합하기 위해{즉 제 5 고조파 레이저 빔(972)을 생성하기 위해} 적응될 수 있다.
레이저 빔(330, 342, 352 및 782)이 적어도 일 부분의 광 경로(304)를 따라 겹쳐져서 전파하지만{예를 들어, 레이저 빔(330 및 342)이 광학 에너지 커플러(314)와 단부 미러(810) 사이에 겹쳐지고, 레이저 빔(330, 342 및 352)이 굴곡진 미러(910)와 단부 미러(810) 사이에 겹쳐지며, 레이저 빔(330, 342, 352 및 782)이 단부 미러(810)와 내부 강 출력 커플러(970) 사이에 겹쳐지지만), 레이저 빔(330, 342, 352 및 782)은 설명의 목적을 위해 서로 축방향에서 오프셋된 것으로 도시된다.
내부 강 출력 커플러(970)는 일 실시예에 따라, 광 경로(304)를 따른 공진 레이저 강(306) 내에 위치된다. 출력 커플러(970)는 도 8을 참조로 서술된 내부 강 출력 커플러(870)와 유사하지만, 레이저 빔(782)을 반사하고, 레이저 빔(330, 342 및 352)을 반사하지 않도록 적응된다. 특히, 출력 커플러(970)는 양 방향에서 레이저 빔(352)을 반사하지 않는다{레이저 빔(352)이 비선형 매질(350)로부터 혼합 비선형 매질(780)로 전파할 때, 그리고 레이저 빔(352)이 단부 미러(810)로부터 굴곡진 미러(910)로 전파할 때}. 따라서, 출력 커플러(970)는 레이저 빔(782)과 레이저 빔(330, 342 및 352)을 필수적으로 분리한다. 제 4 고조파 파장에서 약 95% 이상의 반사와 같은 HR 특징을 갖고, 기본 파장, 제 2 고조파 파장 및 제 3 고조파 파장에서 약 1% 미만의 반사와 같은 AR 특징을 갖는 단일 또는 다중 충 유전체 코팅은 출력 커플러(970)에 도포될 수 있다. 따라서, 출력 커플러(970)는 거의 대부분의 입사 제 4 고조파 레이저 빔 에너지를 공진 레이저 강(306) 외부에 유도한다. 게다가, 출력 커플러(970)는 거의 대부분의 입사 기본 레이저 빔 에너지, 제 2 고조파 레이저 빔 에너지 및 제 3 고조파 레이저 빔 에너지가 출력 커플러(970)를 통해 전파하는 것을 허용한다. 따라서, 반사된 제 4 고조파 레이저 빔 에너지는 출력 제 4 고조파 레이저 빔(972)으로서 출력 커플러(970)를 통해, 공진 레이저 강(306)을 빠져나간다. 출력 커플러(970)에서 기본 레이저 빔 에너지, 제 2 고조파 레이저 빔 에너지 및 제 3 고조파 레이저 빔 에너지로부터 제 4 고조파 레이저 빔 에너지의 분리는 제 4 고조파 레이저 빔 에너지로부터 비선형 매질(340), 레이저 매질(302) 및 다른 광학 요소에 대한 손상을 방지하는데 도움을 줄 수 있다. 제 4 고조파 레이저 빔 에너지는 다른 방식으로 공진 레이저 강(306)을 빠져나갈 수 있다. 예를 들어, 단부 미러(810)는 제 4 고조파 레이저 빔 에너지가 단부 미러(810)를 통해 공진 레이저 강(306)을 빠져나가는 것을 허용하기 위해 제 4 고조파 파장에서 AR 특징을 갖는 코팅을 포함할 수 있다. 게다가, 반사성 또는 투과성 출력 커플러는 제 4 고조파 레이저 빔 에너지가 공진 레이저 강(306)을 빠져나가는 것을 허용하기 위해 더 높은 차수의 고조파 비선형 매질(780)과 광학적으로 관련되도록 위치될 수 있다.
굴곡진 미러(910)는 광 경로(304)를 따라 공진 레이저 강(306) 내에 위치된다. 굴곡진 미러(910)는 레이저 빔{즉, 제 3 고조파 레이저 빔 에너지}을 반사하고, 레이저 빔(330 및 342)을 반사하지 않도록 바람직하게 적응된다. 따라서, 굴곡진 미러(910)는 레이저 빔(352)을 레이저 빔(330 및 342)로부터 필수적으로 분리한다. 제 3 고조파 파장에서 약 95% 이상의 반사와 같은 HR 특징을 갖고, 기본 파장 및 제 2 고조파 파장에서 약 1% 미만의 파장과 같은 AR 특징을 갖는 단일 또는 다중 층의 유전체 코팅은 굴곡진 미러(910)에 도포될 수 있다. 따라서, 굴곡진 미러(910)는 거의 대부분의 입사 제 3 고조파 레이저 빔 에너지를 다시 혼합 비선형 요소(780)로 반사하여, 혼합 비선형 요소(780)가 반사된 제 3 고조파 레이저 빔 에너지로부터 추가적인 제 4 고조파 레이저 빔 에너지를 생성할 수 있게 한다. 게다가, 굴곡진 미러(910)는 거의 대부분의 입사 기본 레어지 빔 에너지 및 제 2 고조파 레이저 빔 에너지가 굴곡진 미러(910)를 통해 전파하는 것을 허용한다. 굴곡진 미러(910)에서 기본 레이저 빔 에너지 및 제 2 고조파 레이저 빔 에너지로부터 제 3 고조파 레이저 빔 에너지의 분리는 제 3 고조파 레이저 빔 에너지가 재생 이용되는 것을 허용하고, 제 3 고조파 레이저 빔 에너지로부터 비선형 매질(340), 레이저 매질(302) 및 다른 광학 요소에 손상을 방지하는데 도움을 줄 수 있다.
아래에 더 상세히 서술될, 굴곡진 미러의 곡률 반경 및 위치는 반사된 레이저 빔 에너지{즉, 비선형 매질(350)에 의해 굴곡진 미러(910)의 방향으로 생성된, 반사되어 사용되지 않은 제 3 고조파 레이저 빔 에너지 및, 반사된 제 3 고조파 레이저 빔 에너지}의 빔 모드(예를 들어, 빔 반경 및 빔 발산)가, 들어오는 제 3 고조파 레이저 빔 에너지의 빔 모드와 실질적으로 매칭하도록 선택된다. 즉, 굴곡진 미러(910){단부 미러(810)에 관해}의 곡률 반경 및 위치는, 반사된 제 3 고조파 레이저 빔 에너지의 곡률 반경 및 빔 발산이, 들어오는 제 3 고조파 레이저 빔{예를 들어, 단부 미러(810)와 굴곡진 미러(910) 사이의}의 빔 경로를 따라 어느 곳에서나, 들어오는 제 3 고조파 레이저 빔 에너지의 빔 반경 및 빔 발산과 필수적으로 동일하도록 선택된다. 레이저 빔(352)의 실질적으로 균일한 빔 반경 및 빔 발산을 유지하는 것은 더 높은 차수의 레이저 빔 에너지의 빔 모드에 영향을 미치는 것 없이, 그리고 더 높은 차수의 레이저 빔 에너지의 빔 품질을 상당히 악화시키는 것 없이 더 높은 차수의 레이저 빔 에너지(예를 들어, 제 4 고조파 레이저 빔 에너지)의 생성 효율을 개선시키는데 도움을 준다.
예를 들어, 레이저(900)는 단부 미러(810)가 기본 레이저 빔 에너지의 빔 허리에 부합하여 위치되도록 설계될 수 있다. 따라서, 기본 레이저 빔 에너지가 광학 에너지 커플러(314)로부터 단부 미러(810)로 전파할 때, 기본 레이저 빔 에너지는 수렴한다. 게다가, 기본 레이저 빔 에너지의 적어도 일 부분으로부터 비선형 매질(340)에 의해 생성된 제 2 고조파 레이저 빔 에너지가 비선형 매질(350)로부터 단부 미러(810)로 전파할 때, 제 2 고조파 레이저 빔 에너지는 수렴한다. 게다가, 기본 레이저 빔 에너지의 적어도 일 부분으로부터, 그리고 제 2 고조파 레이저 빔 에너지의 적어도 일 부분으로부터 비선형 매질(350)에 의해 생성된 제 3 고조파 레이저 빔 에너지가 비선형 매질(350)로부터 단부 미러(810)로 전파할 때, 제 3 고조파 레이저 빔 에너지는 수렴한다. 제 3 고조파 레이저 빔 에너지의 일 부분은 혼합 비선형 매질(780)에 의해 제 4 고조파 레이저 빔 에너지를 생성하는데 사용되지 않을 것이다. 따라서, 제 3 고조파 레이저 빔 에너지의 사용되지 않은 부분은 단부 미러(810)에 의해 반사될 것이고, 미러(810 및 910) 사이에 앞뒤로 전파할 것이다.
단부 미러(810)에 의해 반사된 이후, 기본 레이저 빔 에너지는 발산을 개시하고, 제 2 고조파 레이저 빔 에너지는 발산을 개시하며, 제 3 고조파 레이저 빔 에너지의 사용되지 않은 부분도 발산을 개시한다. 따라서, 기본 레이저 빔 에너지 및 제 2 고조파 레이저 빔 에너지는, 기본 및 제 2 고조파 에너지가 단부 미러(810)로부터 광학 에너지 커플러(314)로 전파할 때 발산한다. 마찬가지로, 제 3 고조파 레이저 빔 에너지의 사용되지 않은 부분은 이 사용되지 않은 부분이 단부 미러(810)로부터 굴곡진 미러(910)로 전파할 때, 발산한다. 발산하는 기본 레이저 빔 에너지와 발산하는 제 2 고조파 레이저 빔 에너지는, 발산하는 기본 레이저 빔 에너지 및 제 2 고조파 레이저 빔 에너지가 비선형 요소(350)를 통과할 때, 추가적인 제 3 고조파 레이저 빔 에너지를 생성한다. 미러(910)가 편평하다면, 제 3 고조파 레이저 빔 에너지의 사용되지 않은 부분 및 새롭게 생성된 제 3 고조파 레이저 빔 에너지는 미러(910)에 의해 반사된 이후 발산을 지속할 것이다. 따라서, 제 3 고조파 레이저 빔 에너지가 혼합 비선형 매질(780)을 통과할 때마다, 제 3 고조파 레이저 빔 에너지의 빔 모드(예를 들어, 빔 반경 및 빔 발산)는 상이할 것이고, 상당히 악화된 제 4 고조파 레이저 빔 에너지의 빔 품질이 초래될 것이다. 이에 따라, 굴곡진 미러(910)의 곡률 반경 및 위치는, 굴곡진 미러(910)에 의해 반사된 제 3 고조파 레이저 빔 에너지의 빔 모드가, 들어오는 제 3 고조파 레이저 빔 에너지의 빔 모드{예를 들어, 제 3 고조파 레이저 빔 에너지의 사용되지 않은 부분의 빔 모드 및, 비선형 매질(350)에 의해 생성된 제 3 고조파 레이저 빔 에너지의 빔 모드}와 실질적으로 매칭하도록 선택된다. 즉, 굴곡진 미러(910)의 위치 및 오목한 형태는, 제 3 고조파 레이저 빔 에너지가 굴곡진 미러(910)에 의해 반사된 이후 발산을 개시하도록{기본 레이저 빔 에너지 및 제 2 고조파 레이저 빔 에너지가 비선형 매질(340)로부터 혼합 비선형 매질(780)로 전파할 때, 비선형 매질(350)에 의해 생성된 제 3 고조파 레이저 빔 에너지와 유사하거나 동일한 방식으로} 선택된다.
굴곡진 미러(910)의 곡률 반경 및 위치는 레이저(900)의 설계를 기초로 변할 수 있다. 예를 들어, 비선형 매질(350)이 가우시안 제 3 고조파 빔을 생성한다면, 굴곡진 미러(910)의 곡률 반경은 굴곡진 미러(910)의 위치에서 제 3 고조파 빔의 가우시안 빔 파면의 곡률 반경을 실질적으로 매칭하도록 선택된다. 즉, 가우시안 빔 파면의 곡률 반경은 굴곡진 미러(910)의 주어진 위치에 대해 먼저 계산된다. 그런 후에, 굴곡진 미러(910)의 곡률 반경은, 반사된 빔의 제 3 고조파 모드가 유지되도록, 가우시안 빔 파면{굴곡진 미러(910)의 위치에서}의 계산된 곡률 반경과 실질적으로 매칭하도록 선택된다. 특정 위치에서 가우시안 빔 파면의 곡률 반경은 도 3을 참조로 이전에 서술된 빔의 파장, 빔 허리에서의 빔 반경, 빔 품질 계수(M2) 및 빔 허리로부터의 거리로부터 결정될 수 있다.
굴곡진 미러(910)의 위치가 조정된다면{예를 들어, 단부 미러(810)에 근접하게 이동된다면}, 조정된 위치에서 가우시안 빔 파면의 곡률 반경은, 대응하는 곡률 반경이 굴곡진 미러(910)에 대해 선택될 수 있도록 계산될 수 있다. 유사한 성질에서, 굴곡진 미러(910)의 위치는 굴곡진 미러(910)의 곡률 반경에서 변화를 보상하기 위해 조정될 수 있다. 게다가, 단부 미러(810)가 편평한 미러로부터 굴곡진 미러로 변한다면, 굴곡진 미러(910)의 위치, 굴곡진 미러(910)의 곡률 반경 또는 이들 모두는 미러(810 및 910) 사이에 반사된 빔의 제 3 고조파 모드가 유지되도록 조정될 수 있다. 굴곡진 미러(910)가 오목한 형태를 갖도록 선택되는 예시가 제공되었지만, 굴곡진 미러(910)는 볼록한 형태(예를 들어, 반사시 반사된 빔이 발산하도록 하기 위해) 또는 편평한 형태(예를 들어, 곡률 반경이 무한하게 선택될 수 있는)를 갖도록 선택되는 것이 가능하다. 게다가, 도 3을 참조로 서술된 광학기와 유사하거나 동일한 모드-매칭 광학기는 들어오는 제 3 고조파 레이저 빔 에너지의 빔 모드와, 반사된 제 3 고조파 레이저 빔 에너지{예를 들어, 굴곡진 미러(910)에 의해 반사된}의 빔 모드를 매칭하기 위해 사용될 수 있다.
굴곡진 미러(360){광학 에너지 커플러(314)에 관해}의 곡률 반경 및 위치는 도 3을 참조로 서술된 것처럼 선택된다. 따라서, 굴곡진 미러(360)의 곡률 반경 및 위치는, 반사된 제 2 고조파 레이저 빔 에너지의 빔 반경 및 빔 발산이 들어오는 제 2 고조파 레이저 빔{예를 들어, 단부 미러(810)와 굴곡진 미러(360) 사이} 의 빔 경로를 따라 어느 곳에서나 들어오는 제 2 고조파 레이저 빔 에너지의 빔 반경 및 빔 발산과 필수적으로 동일하도록 선택된다. 게다가, 도 3을 참조로 서술된 광학기와 유사하거나 동일한 모드 매칭 광학기는 들어오는 제 2 고조파 레이저 빔 에너지의 빔 모드와, 반사된 제 2 고조파 레이저 빔 에너지{예를 들어, 굴곡진 미러(360)에 의해 반사된}의 빔 모드와 매칭하도록 선택될 수 있다. 레이저 빔(342)의 실질적으로 균일한 빔 반경 및 빔 발산은 제 4 고조파 레이저 빔 에너지의 빔 모드에 영향을 미치는 것 없이, 그리고 제 4 고조파 레이저 빔 에너지의 빔 품질을 상당히 악화시키는 것 없이 제 4 고조파 레이저 빔 에너지 생성 효율을 향상시키는데 도움을 준다.
더 높은 차수의 고조파 빔 품질을 유지하면서 중간 고조파 레이저 빔의 부분을 재생 이용함으로써, 더 높은 차수의 고조파 레이저 빔을 효율적으로 생성하는 시스템 및 방법의 다양한 실시예가 서술되었다. 임의의 더 높은 차수의 고조파 레이저 빔(예를 들어, 제 2 또는 더 높은 고조파 레이저 빔)이 본 명세서에서 서술된 중간 고조파 재생 이용 기법의 임의의 조합을 사용하여 생성될 수 있다는 것이 인식될 것이다.
본 발명의 기초가 되는 원리를 벗어나지 않고, 상술된 실시예의 세부 사항에 대한 다수의 변형이 이루어질 수 있다는 것이 당업자에게 명백하다. 따라서, 본 발명의 범주는, 다음의 청구항만으로 결정되어야 한다.
300 : 레이저 302 : 레이저 매질
304 : 광 경로 306 : 공진 레이저 강
308, 310 : 단부 미러 312 : 광학 입력 커플러
314 : 광학 에너지 커플러 318 : 레이저 다이오드 펌프
320 : 광섬유 322 : 렌즈 조립체
323, 324 : 평면 볼록 렌즈 330 : 레이저 빔
332 : Q-스위치

Claims (29)

  1. 제 2 고조파 레이저 빔을 재생 이용함으로써, 더 높은 차수의 고조파 레이저 빔의 빔 품질을 유지하면서, 증가된 효율을 위해 구현된 제 2 또는 더 높은 차수의 고조파 레이저 빔의 내부 강(intracavity) 생성 방법에 있어서,
    제 1 및 제 2 단부 미러에 의해 한정되고, 이득 매질을 포함하는 공진 레이저 강을 제공하는 단계,
    상기 공진 레이저 강 내에 기본 레이저 빔을 생성하기 위해 상기 이득 매질을 광학적으로 펌핑(pumping)하는 단계로서, 상기 기본 레이저 빔은 상기 제 1 및 제 2 단부 미러 사이에 발진하는, 이득 매질의 광학적 펌핑 단계,
    상기 기본 레이저 빔과 상호 작용하고, 이를 통해 제 2 고조파 레이저 빔을 생성하기 위해 상기 공진 레이저 강 내에 제 2 고조파 비선형 매질을 위치시키는 단계,
    상기 제 2 고조파 레이저 빔과 상호 작용하고, 이를 통해 제 2 차수의 레이저 빔보다 높은 차수의 레이저 빔을 생성하기 위해, 더 높은 차수의 고조파 비선형 매질을 공진 레이저 강과 광학적으로 관련되도록 위치 지정하는 단계,
    상기 기본 레이저 빔을 반사하고, 상기 제 2 고조파 레이저 빔을 반사하지 않는 광학 에너지 커플러를 상기 이득 매질 및 제 2 고조파 비선형 매질과 광학적으로 관련되도록 위치 지정하는 단계로서, 상기 반사되지 않은 제 2 고조파 레이저 빔은 빔 모드를 갖는 잔류 제 2 고조파 레이저 빔으로서 상기 광학 에너지 커플러를 통해, 상기 공진 레이저 강을 빠져나가는, 광학 에너지 커플러의 위치 지정 단계, 및
    더 높은 차수의 레이저 빔의 내부 강 생성을 위한 상기 잔류 제 2 고조파 레이저 빔을 상기 공진 강으로 다시 반사시키기 위해 상기 광학 에너지 커플러와 광학적으로 관련되도록 모드-매칭(mode-matching) 광학기를 세팅하는 단계로서, 상기 모드-매칭 광학기는 상기 광학 에너지 커플러에 관련되어 규정되고, 위치 지정되어, 상기 반사된 제 2 잔류 제 2 고조파 레이저 빔 모드를 위해 상기 잔류 제 2 고조파 레이저 빔의 빔 모드와 실질적으로 매칭하는 빔 모드를 구축하고, 이를 통해 더 높은 차수의 고조파 레이저 빔의 빔 품질을 유지하면서 더 높은 차수의 고조파 레이저 빔 생성 효율을 증가시키는, 모드-매칭 광학기의 세팅 단계를
    포함하는, 제 2 또는 더 높은 차수의 고조파 레이저 빔의 내부 강 생성 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 모드-매칭 광학기는 곡률 반경 및 위치가 상기 광학 에너지 커플러와 관련되게 세팅되게 하는 굴곡진 미러를 포함하여, 상기 반사된 잔류 제 2 고조파 레이저 빔에 대해, 상기 잔류 제 2 고조파 레이저 빔의 빔 모드와 실질적으로 매칭하는 빔 모드를 구축하는, 제 2 또는 더 높은 차수의 고조파 레이저 빔의 내부 강 생성 방법.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 모드-매칭 광학기는 렌즈의 세트 및 굴곡진 미러를 포함하고, 상기 굴곡진 미러의 곡률 반경, 상기 굴곡진 미러의 위치, 상기 렌즈 세트의 곡률 반경, 및 상기 렌즈의 세트의 위치는 상기 반사된 잔류 제 2 고조파 레이저 빔에 대해 상기 잔류 제 2 고조파 레이저 빔의 빔 모드와 실질적으로 매칭하는 빔 모드를 구축하기 위해 선택되는, 제 2 또는 더 높은 차수의 고조파 레이저 빔의 내부 강 생성 방법.
  4. 제 1항 내지 제 3항에 있어서,
    더 높은 차수의 고조파 비선형 매질과 광학적으로 관련되도록, 더 높은 차수의 고조파 레이저 빔을 상기 공진 레이저 강의 외부에 연결하는 수단을 위치 지정하는 단계를
    더 포함하는, 제 2 또는 더 높은 차수의 고조파 레이저 빔의 내부 강 생성 방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 제 2 고조파 비선형 매질 및 더 높은 차수의 고조파 비선형 매질과 광학적으로 관련되도록, 상기 기본 레이저 빔 및 상기 제 2 고조파 레이저 빔을 반사하지 않고, 더 높은 차수의 레이저 빔을 반사하는 내부 강 출력 커플러를 위치 지정하는 단계로서, 상기 반사된 더 높은 차수의 레이저 빔은 상기 내부 강 출력 커플러를 통해 상기 공진 레이저 강을 빠져나가는, 내부 강 출력 커플러의 위치 지정 단계를
    더 포함하는, 제 2 또는 더 높은 차수의 고조파 레이저 빔의 내부 강 생성 방법.
  6. 제 5항에 있어서, 더 높은 차수의 고조파 비선형 매질은 상기 제 2 고조파 레이저 빔의 적어도 일 부분, 그리고 상기 기본 레이저 빔의 일 부분으로부터 제 3 고조파 레이저 빔을 생성하도록 적응되는 비선형 결정을 포함하고, 반사된 제 3 고조파 레이저 빔은 상기 공진 레이저 강을 빠져나가는, 제 2 또는 더 높은 차수의 고조파 레이저 빔의 내부 강 생성 방법.
  7. 제 5항에 있어서, 더 높은 차수의 고조파 비선형 매질은 상기 제 2 고조파 레이저 빔의 적어도 일 부분으로부터 제 4 고조파 레이저 빔을 생성하도록 적응되는 비선형 결정을 포함하고, 반사된 제 4 고조파 레이저 빔은 상기 공진 레이저 강을 빠져나가는, 제 2 또는 더 높은 차수의 고조파 레이저 빔의 내부 강 생성 방법.
  8. 제 1항에 있어서, 상기 모드-매칭 광학기는 제 1 굴곡진 미러를 포함하고, 상기 잔류 제 2 고조파 레이저 빔은 제 1 잔류 제 2 고조파 레이저 빔을 구성하고, 더 높은 차수의 고조파 비선형 매질은 상기 제 2 고조파 레이저 빔의 적어도 일 부분으로부터 제 4 고조파 레이저 빔을 생성하도록 적응되는 비선형 결정을 포함하고, 상기 제 2 단부 미러는 상기 기본 레이저 빔을 반사하고, 상기 제 2 고조파 레이저 빔을 반사하지 않는데, 상기 제 2 고조파 레이저 빔은 빔 모드를 갖는 제 2 잔류 제 2 고조파 레이저 빔으로서 상기 공진 레이저 강을 빠져나가고,
    제 2 또는 더 높은 차수의 고조파 레이저 빔의 내부 강 생성 방법은
    더 높은 차수의 고조파 비선형 매질을 상기 공진 레이저 강 외부에 위치 지정하는 단계,
    더 높은 차수의 고조파 비선형 매질과 광학적으로 관련되도록, 상기 제 2 고조파 레이저 빔을 반사하고, 상기 제 4 고조파 레이저 빔을 반사하지 않는 제 2 굴곡진 미러를 위치 지정하는 단계로서, 상기 반사된 제 2 고조파 레이저 빔은 상기 제 2 굴곡진 미러에 의해 반사될 때 상기 제 1 굴곡진 미러 쪽으로 전파하고, 상기 투과된 제 4 고조파 레이저 빔은 상기 제 2 굴곡진 미러 및 상기 제 2 단부 미러에 의해 형성된 강을 빠져나가는, 제 2 굴곡진 미러를 위치 지정하는 단계, 및
    상기 반사된 제 2 고조파 레이저 빔에 대해, 상기 제 2 잔류 제 2 고조파 레이저 빔의 빔 모드와 실질적으로 매칭하는 빔 모드를 구축하여, 이를 통해 제 4 고조파 레이저 빔의 빔 품질을 유지하면서 상기 제 4 고조파 레이저 빔의 행성 효율을 증가시키기 위해, 상기 제 2 단부 미러에 관련된 상기 제 2 굴곡진 미러의 곡률 반경과, 상기 제 2 굴곡진 미러의 위치를 선택하는 단계를
    더 포함하는, 제 2 또는 더 높은 차수의 고조파 레이저 빔의 내부 강 생성 방법.
  9. 제 1항에 있어서, 더 높은 차수의 고조파 선형 매질은 상기 제 2 고조파 레이저 빔의 적어도 일 부분으로부터, 그리고 상기 기본 레이저 빔의 적어도 일 부분으로부터 제 3 고조파 레이저 빔을 생성하도록 적응되는 비선형 결정을 포함하고, 제 2 또는 더 높은 차수의 고조파 레이저 빔의 내부 강 생성 방법은
    상기 기본 레이저 빔의 적어도 일 부분으로부터, 그리고 상기 제 3 고조파 레이저 빔의 적어도 일 부분으로부터 제 4 고조파 레이저 빔을 생성하도록 적응된 혼합 비선형 매질을 상기 공진 레이저 강 내에 위치 지정하는 단계, 및
    상기 제 4 고조파 레이저 빔을 반사하고 적어도 상기 기본 레이저 빔 및 상기 제 2 고조파 레이저 빔을 반사하지 않는 내부 강 출력 커플러를 상기 공진 레이저 강 내에 위치 지정하는 단계로서, 상기 반사된 제 4 고조파 레이저 빔은 상기 내부 강 출력 커플러를 통해 상기 공진 레이저 강을 빠져나가는, 내부 강 출력 커플러의 위치 지정 단계를
    더 포함하는, 제 2 또는 더 높은 차수의 고조파 레이저 빔의 내부 강 생성 방법.
  10. 제 9항에 있어서, 상기 내부 강 출력 커플러는 상기 제 2 고조파 비선형 매질과 상기 혼합 비선형 매질 사이에 삽입되고, 상기 혼합 비선형 매질은 상기 내부 강 출력 커플러와 더 높은 차수의 고조파 비선형 매질 사이에 삽입되며, 상기 반사된 제 4 고조파 레이저 빔은 상기 공진 레이저 강을 빠져나가는, 제 2 또는 더 높은 차수의 고조파 레이저 빔의 내부 강 생성 방법.
  11. 제 9항에 있어서, 상기 내부 강 출력 커플러는 상기 제 3 고조파 레이저 빔을 반사하지 않고, 상기 내부 강 출력 커플러는 더 높은 차수의 고조파 비선형 매질과 상기 혼합 비선형 매질 사이에 삽입되고, 상기 혼합 비선형 매질은 상기 내부 강 출력 커플러와 상기 제 2 단부 미러 사이에 삽입되며, 상기 반사된 제 4 고조파 레이저 빔은 상기 공진 레이저 강을 빠져나가는, 제 2 또는 더 높은 차수의 고조파 레이저 빔의 내부 강 생성 방법.
  12. 제 11항에 있어서, 상기 생성된 제 3 고조파 레이저 빔은 빔 모드에 의해 특징 지워지고, 상기 모드-매칭 광학기는 제 1 굴곡진 미러를 포함하며, 제 2 또는 더 높은 차수의 고조파 레이저 빔의 내부 강 생성 방법은
    상기 제 2 고조파 비선형 매질 및 더 높은 차수의 고조파 비선형 매질과 광학적으로 관련되도록, 상기 제 3 고조파 레이저 빔을 반사하고, 상기 기본 레이저 빔 및 상기 제 2 고조파 레이저 빔을 반사하지 않는 제 2 굴곡진 미러를 위치 지정하는 단계로서, 상기 반사된 제 3 고조파 레이저 빔은 상기 제 2 굴곡진 미러에 의해 반사될 때 상기 제 2 단부 미러로 전파하는, 제 2 굴곡진 미러를 위치 지정하는 단계, 및
    상기 반사된 제 3 고조파 레이저 빔에 대해, 상기 생성된 제 3 고조파 레이저 빔의 빔 모드와 실질적으로 매칭하는 빔 모드를 구축하여, 상기 제 4 고조파 레이저 빔의 빔 품질을 유지하면서, 제 4 고조파 레이저 빔 생성 효율을 증가시키기 위해, 상기 제 2 단부 미러에 대해 상기 제 2 굴곡진 미러의 곡률 반경과 상기 제 2 굴곡진 미러의 위치를 선택하는 단계를
    더 포함하는, 제 2 또는 더 높은 차수의 고조파 레이저 빔의 내부 강 생성 방법.
  13. 제 1항 내지 제 12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 공진 레이저 강 내에 Q-스위치를 위치 지정하는 단계를
    더 포함하는, 제 2 또는 더 높은 차수의 고조파 레이저 빔의 내부 강 생성 방법.
  14. 제 1항 내지 제 13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 모드-매칭 광학기는 상기공진 레이저 강의 외부에 세팅되는, 제 2 또는 더 높은 차수의 고조파 레이저 빔의 내부 강 생성 방법.
  15. 제 1항 내지 제 14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 이득 매질을 광학적으로 펌핑하는 단계는
    상기 제 1 단부 미러와 상기 이득 매질 사이에 광학 펌핑 입력 커플러를 위치 지정하는 단계,
    레이저 다이오드 펌프로 광학 빔을 생성하는 단계,
    상기 레이저 다이오드 펌프와 광학적으로 관련되도록, 상기 광학 빔을 렌즈 조립체로 겨냥하도록 구성된 광섬유를 위치 지정하는 단계, 및
    상기 광섬유 및 상기 이득 매질과 광학적으로 관련되도록, 광학 펌핑 입력 커플러를 통하여 상기 이득 매질로 상기 광학 빔을 집속하도록 구성되는 렌즈 조립체를 위치 지정하는 단계를
    포함하는, 제 2 또는 더 높은 차수의 고조파 레이저 빔의 내부 강 생성 방법.
  16. 제 1항 내지 제 15항 중 어느 한 항에 있어서, 더 높은 차수의 레이저 빔은 약 1.2의 빔 품질 계수(M2)에 의해 특징 지워지는, 제 2 또는 더 높은 차수의 고조파 레이저 빔의 내부 강 생성 방법.
  17. 고조파 레이저에 있어서,
    제 1 및 제 2 단부 미러에 의해 한정된 공진 레이저 강,
    상기 공진 레이저 강 내에 위치되고, 상기 공진 레이저 강 내에 상기 제 1 및 제 2 단부 미러 사이에 발진하는 기본 레이저 빔을 생성하기 위해 적응되는, 이득 매질,
    상기 기본 레이저 빔과 상호 작용하여 제 2 고조파 레이저 빔을 생성하도록 적응되는, 상기 공진 레이저 강 내에 위치된 제 2 고조파 비선형 매질,
    상기 공진 레이저 강과 광학적으로 관련되도록 위치되는 더 높은 차수의 고조파 비선형 매질로서, 상기 제 2 고조파 레이저 빔과 상호 작용하고, 이를 통해 제 2 차수의 레이저 빔 보다 더 높은 차수의 레이저 빔을 생성하도록 적응되는, 더 높은 차수의 고조파 비선형 매질,
    상기 이득 매질 및 상기 제 2 고조파 비선형 매질과 광학적으로 관련되도록 위치되는 광학 에너지 커플러로서, 상기 기본 레이저 빔을 반사하고, 상기 제 2 고조파 레이저 빔을 반사하지 않아서, 상기 반사되지 않은 제 2 고조파 레이저 빔이 빔 모드를 갖는 잔류 제 2 고조파 레이저 빔으로서 상기 광학 에너지 커플러를 통해 상기 공진 레이저 강을 빠져나가는, 광학 에너지 커플러, 및
    더 높은 차수의 레이저 빔의 내부 강 생성을 위한 상기 잔류 제 2 고조파 레이저 빔을 다시 상기 공진 강으로 반사하기 위해 상기 광학 에너지 커플러와 광학적으로 관련되도록 위치되는 모드-매칭 광학기로서, 상기 광학 에너지 커플러에 관련되어 규정되고 위치 지정되어, 상기 반사된 잔류 제 2 고조파 레이저 빔에 대해, 상기 잔류 제 2 고조파 레이저 빔의 빔 모드와 실질적으로 매칭하는 빔 모드를 구축하여, 더 높은 차수의 고조파 레이저 빔의 빔 품질을 유지하면서 더 높은 차수의 고조파 레이저 빔 생성 효율을 증가시키는, 모드-매칭 광학기를
    포함하는, 고조파 레이저.
  18. 제 17항에 있어서, 상기 모드-매칭 광학기는 상기 반사된 잔류 제 2 고조파 레이저 빔에 대해 상기 잔류 제 2 고조파 레이저 빔의 빔 모드와 실질적으로 매칭하는 빔 모드를 구축하기 위해, 곡률 반경 및 위치를 상기 광학 에너지 커플러에 대해 세팅한 굴곡진 미러를 포함하는, 고조파 레이저.
  19. 제 17항에 있어서, 상기 모드-매칭 광학기는 렌즈의 세트와 굴곡진 미러를 포함하고, 상기 굴곡진 미러의 곡률 반경, 상기 굴곡진 미러의 위치, 상기 렌즈의 세트의 곡률 반경 및 상기 렌즈의 세트의 위치는 상기 잔류 제 2 고조파 레이저 빔에 대해 상기 잔류 제 2 고조파 레이저 빔의 빔 모드를 실질적으로 매칭하는 빔 모드를 구축하도록 선택되는, 고조파 레이저.
  20. 제 17항에 있어서,
    상기 제 2 고조파 비선형 매질 및 더 높은 차수의 고조파 비선형 매질과 광학적으로 관련되도록 위치되는 내부 강 출력 커플러로서, 상기 기본 레이저 빔 및 상기 제 2 고조파 레이저 빔을 반사하지 않고, 더 높은 차수의 레이저 빔을 반사하도록 적응되어, 상기 반사된 더 높은 차수의 레이저 빔이 상기 내부 강 출력 커플러를 통해 상기 공진 레이저 강을 빠져나가는, 내부 강 출력 커플러를
    더 포함하는, 고조파 레이저.
  21. 제 20항에 있어서, 더 높은 차수의 고조파 비선형 매질은 상기 제 2 고조파 레이저 빔의 적어도 일 부분으로부터, 그리고 상기 기본 레이저 빔의 적어도 일 부분으로부터 제 3 고조파 레이저 빔을 생성하도록 적응되는 비선형 결정을 포함하고, 상기 반사된 제 3 고조파 레이저 빔은 상기 공진 레이저 강을 빠져나가는, 고조파 레이저.
  22. 제 20항에 있어서, 더 높은 차수의 고조파 비선형 매질은 상기 제 2 고조파 레이저 빔의 적어도 일 부분으로부터 제 4 고조파 레이저 빔을 생성하도록 적응되는 비선형 결정을 포함하고, 상기 반사된 제 4 고조파 레이저 빔은 상기 공진 레이저 강을 빠져나가는, 고조파 레이저.
  23. 제 17항에 있어서, 상기 모드-매칭 광학기는 제 1 굴곡진 미러를 포함하고, 상기 잔류 제 2 고조파 레이저 빔은 제 1 잔류 제 2 고조파 레이저 빔을 구성하고, 더 높은 차수의 고조파 비선형 매질은 상기 제 2 고조파 레이저 빔의 적어도 일 부분으로부터 제 4 고조파 레이저 빔을 생성하도록 적응되는 비선형 결정을 포함하고, 더 높은 차수의 고조파 비선형 매질은 상기 공진 레이저 강의 외부에 위치되며, 상기 제 2 단부 미러는 상기 기본 레이저 빔을 반사하고, 상기 제 2 고조파 레이저 빔을 반사하지 않는데, 상기 제 2 고조파 레이저 빔은 빔 모드를 갖는 제 2 잔류 제 2 고조파 레이저 빔으로서 상기 공진 레이저 강을 빠져나가고, 상기 고조파 레이저는
    더 높은 차수의 고조파 비선형 매질에 광학적으로 관련되도록 위치되는 제 2 굴곡진 미러로서, 상기 제 2 고조파 레이저 빔을 반사하고, 상기 제 4 고조파 레이저 빔을 반사하지 않도록 적응되어, 상기 반사된 제 2 고조파 레이저 빔이 상기 제 2 굴곡진 미러에 의해 반사될 때 상기 제 1 굴곡진 미러 쪽으로 전파하게 하고, 상기 투과된 제 4 고조파 레이저 빔은 상기 제 2 굴곡진 미러 및 상기 제 2 단부 미러에 의해 형성된 강을 빠져나가고, 상기 제 2 단부 미러에 관련된 굴곡 반경 및 위치가 선택되게 하여, 상기 반사된 제 2 고조파 레이저 빔에 대해 상기 제 2 잔류 제 2 고조파 레이저 빔의 빔 모드와 실질적으로 매칭하는 빔 모드를 구축하고, 이를 통해 상기 제 4 고조파 레이저 빔의 빔 품질을 유지하면서 제 4 고조파 레이저 빔 생성 효율을 증가시키는, 제 2 굴곡진 미러를
    더 포함하는, 고조파 레이저.
  24. 제 17항에 있어서, 더 높은 차수의 고조파 비선형 매질은 상기 제 2 고조파 레이저 빔의 적어도 일 부분으로부터, 그리고 상기 기본 레이저 빔의 적어도 일 부분으로부터 제 3 고조파 레이저 빔을 생성하도록 적응되는 비선형 결정을 포함하고, 상기 고조파 레이저는
    상기 공진 레이저 강 내에 위치되는 혼합 비선형 매질로서, 상기 기본 레이저 빔의 적어도 일 부분으로부터, 그리고 상기 제 3 고조파 레이저 빔의 적어도 일 부분으로부터 제 4 고조파 레이저 빔을 생성하도록 적응되는, 혼합 비선형 매질, 및
    상기 공진 레이저 강 내에 위치되는 내부 강 출력 커플러로서, 상기 제 4 고조파 레이저 빔을 반사하고, 적어도 상기 기본 레이저 빔 및 상기 제 2 고조파 레이저 빔을 반사하지 않도록 적응되어, 상기 반사된 제 4 고조파 레이저 빔이 상기 내부 강 출력 커플러를 통해 상기 공진 레이저 강을 빠져나가는, 내부 강 출력 커플러를
    더 포함하는, 고조파 레이저.
  25. 제 24항에 있어서, 상기 내부 강 출력 커플러는 상기 제 2 고조파 비선형 매질과 상기 혼합 비선형 매질 사이에 삽입되고, 상기 혼합 비선형 매질은 상기 내부 강 출력 커플러와 더 높은 차수의 고조파 비선형 매질 사이에 삽입되며, 상기 반사된 제 4 고조파 레이저 빔은 상기 공진 레이저 강을 빠져나가는, 고조파 레이저.
  26. 제 24항에 있어서, 상기 내부 강 출력 커플러는 상기 제 3 고조파 레이저 빔을 반사하지 않고, 상기 내부 강 출력 커플러는 더 높은 차수의 비선형 매질과 상기 혼합 비선형 매질 사이에 삽입되고, 상기 혼합 비선형 매질은 상기 내부 강 출력 커플러와 상기 제 2 단부 미러 사이에 삽입되며, 상기 반사된 제 4 고조파 레이저 빔은 상기 공진 레이저 강을 빠져나가는, 고조파 레이저.
  27. 제 26항에 있어서, 상기 생성된 제 3 고조파 레이저 빔은 빔 모드에 의해 특징 지워지고, 상기 모드-매칭 광학기는 제 1 굴곡진 미러를 포함하며, 상기 고조파 레이저는
    상기 제 2 고조파 비선형 매질 및 더 높은 차수의 고조파 비선형 매질과 광학적으로 관련되도록 위치되는 제 2 굴곡진 미러로서, 상기 제 3 고조파 레이저 빔을 반사하고, 상기 기본 레이저 빔과 상기 제 2 고조파 레이저 빔을 반사하지 않도록 적응되어, 상기 반사된 제 3 고조파 레이저 빔이 상기 제 2 굴곡진 미러에 의해 반사될 때 상기 제 2 단부 미러 쪽으로 전파하고, 상기 제 2 굴곡진 미러는 상기 반사된 제 3 고조파 레이저 빔에 대해 상기 생성된 제 3 고조파 레이저 빔의 빔 모드와 실질적으로 매칭하는 빔 모드를 구축하도록 선택된 상기 제 2 단부 미러에 대한 곡률 반경 및 위치를 구비하여, 이를 통해 상기 제 4 고조파 레이저 빔의 빔 품질을 유지하면서 제 4 고조파 레이저 빔 생성 효율을 증가시키는, 제 2 굴곡진 미러를
    더 포함하는, 고조파 레이저.
  28. 제 17항 내지 제27항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 공진 레이저 강 내에 위치된 Q-스위치를 더 포함하는, 고조파 레이저.
  29. 제 17항 내지 제 28항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 모드-매칭 광학기는 상기 공진 레이저 강 외부로 세팅되는, 고조파 레이저.

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