KR20120068742A

KR20120068742A - 레이저 빔을 방출하기 위해 종방향 냉각하는 안티-횡단 레이징 디바이스

Info

Publication number: KR20120068742A
Application number: KR1020110136837A
Authority: KR
Inventors: 스테판 브랑리
Original assignee: 탈레스
Priority date: 2010-12-17
Filing date: 2011-12-16
Publication date: 2012-06-27
Also published as: EP2466703A1; CA2762478C; US8406260B2; ES2726450T3; CN102570251A; CA2762478A1; US20120320937A1; JP6141595B2; EP2466703B1; JP2012134497A; FR2969401B1; KR101907692B1; FR2969401A1; HUE044264T2

Abstract

본 발명은 레이저 빔을 방출하는 디바이스에 관한 것으로, 2개의 면들 (S1 및 S2) 을 연결하는 표면 (

) 에 의해 경계가 정해지고, 이득 매체가 되기 위해 면들 양자, 또는 이들 중 하나를 통해 펌핑되도록 의도되는 형광 파장 (λ) 을 갖는 원통형 고체 증폭기 매체 (1) 를 포함한다. 면들 중 하나상에서 증폭기 매체 (1) 와 접촉하는 열전도율 (Cr) 의 냉각 유체 (31), 및 그 표면 (

) 상에서 증폭기 매체 (1) 와 접촉하는 열전도율 (Ci < 0.3 Cr) 의 형광 파장을 흡수하거나 산란하는 굴절률 매칭 액체 (21) 를 포함한다.

Description

레이저 빔을 방출하기 위해 종방향 냉각하는 안티-횡단 레이징 디바이스{ANTI-TRANSVERSE LASING DEVICE WITH LONGITUDINAL COOLING FOR EMITTING A LASER BEAM}

본 발명의 분야는 고체 레이저 분야, 특히 펄스당 에너지가 높고 (10J 초과) 평균 전력이 높은 (10W 초과) 단 펄스들 (short pulses) (나노초 내지 펨토초) 을 갖는 펄스 레이저 분야이다.

레이저 빔을 방출하는 디바이스의 동작 모드가 간단하게 상기될 것이다. 그 디바이스는 대개 증폭기 매체, 및 그 증폭기 매체에 에너지를 주입하는 펌핑 소스들을 포함한다. 로드 (rod) 형태로 존재하는 이 증폭기 매체는, 결정체일 수도 있고, 또는 대안으로는 도핑된 유리일 수도 있다. 후속하여 증폭될 레이저 빔이 예를 들어 미러들을 포함하는 광학 디바이스들에 의하여 증폭기 로드를 1 회 이상 통과하며; 각 통과 중에, 펌핑 중에 주입되는 에너지의 일부를 추출하고, 이렇게 하여 증폭기 로드에서 증폭된다. 원통형 형상의 증폭기 로드의 경우, 펌핑 중에 디포짓된 에너지는 일반적으로 펌프 빔의 직경에 의해 한계가 정해지는 증폭기의 그 부분에 한정된다.

레이저 빔 증폭 디바이스의 이런 타입의 구성에서는, 횡단 레이징 (transverse lasing) 으로 지칭되는 기생 현상이, 에너지가 광학 펌핑에 의해 증폭기 로드에 디포짓되는 시간과, 증폭될 빔에 의해 추출되는 시간과의 사이에 발생한다.

이 현상은 증폭기 로드의 종방향 축에 가로지르는 축을 따른 증폭기 로드 내의 레이저 부공동 (sub-cavity) 의 생성과 연관되며, 증폭기 로드-환경 인터페이스에서의 굴절률의 변화가 이 부공동에 대한 미러들의 함수를 충족한다. 횡단 레이징은, 이 부공동의 발진 조건이 충족될 때, 즉 부공동 내의 리턴 경로를 통한 에너지의 보존이 존재할 때, 또는 다시 말해 횡단 이득 (transverse gain) (G) 이 부공동의 손실 (P) 을 보상할 때 일어난다.

다음으로, 증폭기 로드의 일 예로서 결정체를 들 수 있으며; 물론 도핑된 유리로 대체될 수도 있다.

도 1c 는 직경 (L) 의 펌핑 레이저 빔 (4) 에 의해 그 면들 (S1, S2) 양자를 통하여 펌핑된, 길이 (e) 의 원통형 증폭기 결정체 (1) (도 1a) 에서의 횡단 광 이득 (G) 을 나타낸다. 선형 이득 밀도가 g₀ 으로 나타내진다면, 소신호 이득 (g_ps) 은 종방향 (Ox) 에서 g₀×e 와 같고, Ox 에 수직인 횡단 방향에서 g₀×L 과 같다. 보통은, L≥e 이다.

광 이득 (G) 이

에 비례하기 때문에, 다음과 같다 :

따라서, 횡단 방향의 광 이득 (G) 은 종방향, 즉 증폭될 레이저 빔의 방향의 광 이득 (G) 보다 훨씬 더 크다.

횡단 레이징은, 증폭될 것으로 의도되는 레이저 빔의 희생으로, 비제어된 횡단 시뮬레이팅된 방출에 의해 야기되는, 결정체에 저장된 에너지의 신속한 제거에 의해 드러난다.

이 횡단 레이징은 특히 이득이 크고 치수가 큰 (통상적으로는 0.88 의 이득 (g₀) 및 70mm 의 펌프 직경) 고체 증폭기 매체의 경우에 특히 문제가 있다. 예를 들면, 100J 정도의 높은 에너지로 펌핑된 Ti:사파이어 결정체를 이용하여, 통상적으로 1 페타와트 (petawatt) 정도의 매우 높은 전력으로 펨토초 레이저 펄스들을 생성하는 것을 막는다.

지금까지는, 이 횡단 레이징을 억제하기 위한 2 가지 주된 타입의 해결책들, 즉, 기생 빔에 대한 이득을 저감시키는 것으로 이루어진 해결책 및 기생 빔에 대한 손실을 증가시키는 것으로 이루어진 해결책이 존재하였다.

첫번째 해결책은, 기생 빔에 대한 이득을 저감시키는 것이 또한 주 빔에 대한 이득을 저감시키는 것을 수반한다는 문제가 있기 때문에 거의 사용되지 않고 잘 알려져 있지 않다. 한가지 명쾌한 해결책이 출원인에 의해 제안되었는데, 그 해결책은 가용 펌핑 에너지를 분배하고, 그것을 펌핑된 재료로 서로 다른 시간에 전송하는 것으로 이루어진다. 이 해결책이 프랑스 특허 출원 제0413734호

의 과제가 되었다.

그러나, 이 해결책들의 대부분은 기생 발진에 대한 손실 레벨을 증가시키는 것에 기초한다.

첫번째 가능성은 결정체 (1) 의 면들 (S1 및 S2) 을 연결하는 표면 (∑) 주위의 공기를 물로 바꾸는 것이고, 이 첫번째 가능성의 이점은 인터페이스에서의 반사 계수를 저감시키고 (굴절률은 1 에서 1.33 까지 변하는 한편, 재료는 일반적으로 1.5 와 1.8 사이의 굴절률을 갖는다), 다량의 열이 디포짓되는 영역에서의 결정체의 냉각을 향상시킨다는 것이다. 이 해결책은 프랑스 특허 출원 제04411815호의 과제가 되었다. 그러나, 이 해결책은 인터페이스에서의 반사 계수가 여전히 매우 높고, 더욱이 800nm 방사가 기계적 탑재에 의해 반사되고 다시 재료로 전송될 수 있기 때문에 완전히 만족할 만한 것은 아니다.

사실상 현재 이용되는 해결책들은 물을, 굴절률이 재료의 굴절률과 동일하거나 매우 근접한 (굴절률 매칭이라는 용어가 후에 사용된다) 액체로 바꾸고 800nm 방사를 흡수하는 재료를 이 굴절률 매칭 액체 (21) 에 부가하는 것으로 이루어진다 : 이 흡수체 재료는 또한 액체 상태로 존재하며 (일반적으로는 염료이다) 굴절률 매칭 액체와 혼합된다. 따라서, 800nm 에서 축에 수직으로 증폭된 광자들은 굴절률 매칭 액체 때문에 재료와의 인터페이스에서 반사되지 않으며 (따라서 그 광자들은 이득 존 (gain zone) 을 재차 통과할 수 없고 더욱 더 증폭될 수 없다), 그 후 그 광자들은 염료에 의해 흡수된다. 이 기술 (특허 출원 FR 2 901 067호에 기재됨) 은, 펌핑 레이저의 낮은 반복률 (많아야 0.1Hz) 때문에, 티타늄-도핑된 사파이어 결정체의 열부하가 제한되었고 (0.1Hz 에서의 펌핑의 많아야 100J 는 증폭 효율을 고려하여, 6W 에서 7W 까지의 열부하를 산출), 티타늄-사파이어 결정체 주위에서 순환하지 않는 굴절률 매칭 액체 + 염료 혼합물을 가진 아키텍처들이 완전히 요건들을 충족할 수 있었기 때문에, 티타늄-도핑된 사파이어에 기초한 레이저 시스템들에 대한 횡단 발진을 제거하려고 매우 노력한다.

그러나, 펌핑 레이저의 기술은 실질적으로 지난 수년에 걸쳐 개발되어 왔고, 현재는 1Hz 와 5Hz 사이의 반복률을 가진 100J 를 제공하는 것이 가능해졌으며; 장차 10Hz 에 매우 근접한 반복률을 달성가능할 수도 있는데, 이는 결정체에 있어서, 1KW 정도의 평균 펌핑 전력 및 600W 내지 700W 정도의 열증착을 제공할 것이다.

이 레벨에서, 열용량이 물의 열용량보다 훨씬 작은, 굴절률 매칭 액체 + 염료 혼합물을 이용한 열의 방사상 제거 (화살표 10 으로 표시) 를 채용하는 것이 더 이상 효과적이지 않다. 이용되는 혼합물 (굴절률 매칭을 제공하기 위한 굴절률 매칭 액체와 기생 레이저 방출을 흡수하는 염료) 의 열 특성은 만족할 만한 열 제거를 허용하지 않는다. 그 이유는 굴절률 매칭 액체가 열악한 열 도체이기 때문인데, 이는 레이저의 반복률을 증가시킬 때, 도 1b 에 도시된 포물선 온도 프로파일을 유도하여, (빔 품질 계수인) 스트렐 비율 (Strehl ratio) 를 저하시키고 짧은 열 초점 길이 및 파면 수차를 유도한다.

한가지 해결책은 굴절률 매칭 액체를 결정체의 표면 (∑) 과 금속성 접촉하는 콜드 핑거 (cold finger) 로 바꾸는 것으로 이루어진다. 이것은 열 효과를 저감시키는 것을 가능하게 하지만, 평균 전력이 400W 를 초과하는 경우에는 만족할 만하지 않다. 더욱이, 이러한 극저온 디바이스는 무겁고 고가이고 진동의 영향을 받기 쉬워, 횡단 레이징을 억제하는 것을 가능하게 하지 않는다.

현재는, 종방향 축으로 펌핑 및 열 추출하는 고체 플레이트 형태의 증폭기 매체를 포함하고, 굴절률 매칭 및 흡수체의 함수를 충족하는, 일측 (표면 (∑)) 에 상이한 고체 재료 (그 재료는 증폭기 매체에 "용접 (welded)" 되거나 분자 접착에 의해 접촉 배치되거나 한다) 를 포함하는 레이저 빔을 방출하는 디바이스들이 또한 존재한다. 그러나, 이들 보더들 (borders) 또는 링들이 재료에 따라 항상 기술적으로 달성가능한 것은 아니다.

결과적으로, 특히 횡단 레이징의 억제, 냉각 및 이용의 평이함의 관점에서, 전술된 요건들 전부를 동시에 충족하는 레이저 빔을 방출하는 디바이스의 필요성이 여전히 존재한다.

본 발명은 횡단 레이징 (transverse lasing) 을 억제하기 위해 굴절률 매칭 액체와 호환가능한 종방향 (longitudinal) 냉각에 기초한다.

더욱 구체적으로는, 본 발명은 레이저 빔을 방출하는 디바이스에 관한 것으로, 2개의 면들 (S1 및 S2) 을 연결하는 표면 (

) 에 의해 경계가 정해지고, 이득 매체가 되기 위해 면들 양자, 또는 이들 중 하나를 통해 펌핑되도록 의도되는 형광 파장 (λ) 을 갖는 원통형 고체 증폭기 매체를 포함한다. 원칙적으로, 면들 중 하나상에서 증폭기 매체와 접촉하는 열전도율 (Cr) 의 냉각 유체, 및 그 표면 (

) 상에서 증폭기 매체와 접촉하는 열전도율 (Ci < 0.3 Cr) 의 형광 파장을 흡수하거나 산란하는 굴절률 매칭 액체를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이러한 디바이스의 이점들 중 하나는, 라디칼 냉각의 경우와 반대로, (재료에서 거의 균일한 열의 디포지션을 가정하여) 열 경사도가 전파 축 (Ox) 을 따라 크고, 그 축에 수직으로는 작다는 것이다. 따라서, 열 렌즈 효과가 크게 감소되고, 따라서, 파면의 품질이 개선되고 펌핑 전력 레벨에 거의 독립적이다.

또한, 횡단 레이징을 억제하기 위한 액체의 사용은, 증폭기 매체에 용접된 고체 링을 이용하는 종래 기술의 솔루션과 반대로, (예를 들어, 염료를 변경함으로써) 선택된 증폭기 매체 (1) 에 액체 (21) 를 매칭하는 것이 매우 쉬운 한은 편리하고 보편적인 솔루션을 제공한다.

바람직하게는, 냉각 유체와 접촉하는 증폭기 매체의 면에는, 증폭기 매체를 향해 레이저 빔을 반사하도록 의도되는 파장 (λ) 에서 처리 반사가 제공된다.

증폭기 매체가 면들 양자를 통해 펌핑되도록 의도될 때, 파장 (λ) 에서의 처리 반사는 펌핑 파장에서 투명하다.

옵션으로, 다른 면과 접촉하는 열전도율 (Cr) 의 냉각 유체를 또한 포함한다.

냉각 유체는 예를 들어, 물 또는 헬륨이고, 증폭기 매체는 Ti:Sa 결정체이다.

특정한 실시형태에 따르면, 냉각 유체의 하류에서, 출력 빔의 위상을 정정하는 엘리먼트를 포함한다.

레이저 빔을 방출하는 이러한 디바이스가 레이저 발진기 또는 레이저 증폭기로서 사용될 수도 있다.

본 발명의 다른 특징들 및 이점들은 제한하지 않는 예로서 제공되는 아래의 상세한 설명을 읽고, 첨부한 도면들을 참조하여 명백해질 것이다.
상술한 도 1 은 종래 기술에 따른, 횡단 레이징을 억제하고 라디칼 냉각을 갖는 디바이스가 장착된, 레이저 빔을 증폭하는 디바이스 (도 1a), 로드의 반경 (r) 의 함수로서 관련된 온도 프로파일 (도 1b), 및 횡단 이득 (도 1c) 의 예를 개략적으로 나타낸다.
도 2 는 본 발명에 따른, 횡단 레이징을 억제하고 종방향 냉각을 갖는 디바이스가 장착된 레이저 빔을 증폭하는 디바이스 (도 2a), 및 로드의 반경 (r) 의 함수로서 관련된 온도 프로파일 (도 2b) 의 예를 개략적으로 나타낸다.
도면 마다, 동일한 엘리먼트들은 동일한 참조부호로 표기된다.

다음으로, 직경 (D) 의 원형 면들 (S1, S2) 을 갖는 결정체 로드가 증폭기 매체 (1) 의 예로서 취해진다. 예상되는 결정들은 단결정 세라믹 또는 다결정 세라믹 양자 모두일 수 있다.

도 2 를 참조하여 설명된 본 발명에 따라 레이저 빔을 증폭시키기 위한 디바이스에는 기본적으로 다음이 제공된다:

- 기생의 횡단 진동들을 카운터링하도록 의도되고, 형광성 파장에서 흡수 또는 산란하는 굴절률 매칭 액체 (21) 가 결정체 (1) 의 표면 (∑) 과 접촉하도록 배치되는 디바이스 (20),

- 냉각 유체 (31) 를 순환시키기 위한 디바이스 (30) 로서, 냉각 유체 (31) 가 결정체 (1) 의 표면 (S1 또는 S2)(도 1 에서는 표면 (S2) 과 접촉하도록 위치하는, 상기 디바이스 (30).

냉각 디바이스 (30) 는 바람직하게, 펌핑 방사 (4) 를 통과시킬 수 있도록 구성된다; 따라서, 증폭기 매체는 면들 (S1 및 S2) 양자 모두를 통해 펌핑될 수 있다.

결정체의 전체 길이 (e) 에 걸쳐서, 굴절률 매칭 액체 (21) + 염료 (dye) 혼합물은 결정체 (1) 의 표면 (∑) 과 접촉하고, 따라서 횡단 진동을 억제하는 기능을 수행하는 것을 가능하게 한다. 굴절률 매칭 액체는, 당업자에게 알려져 있는 실 (22) 이 구비된 기계적 부품에 의해 결정체와의 접촉을 유지한다.

유체 (31) 의 독립적인 순환이 추가되고, 이 유체는 결정체 (1) 의 면 (S2)(바람직하게는 전체 표면 (S2)) 과 접촉하고 펌핑 방사 (4) 에 의해 결정체 (1) 에서 생성된 열을 제거한다. 이 냉각 유체 (31) 는 기계적 부품 (30) 에 의해 결정체 (1) 와 접촉을 유지하고, 기계적 부품은 또한 실 (32) 이 구비되어 있고, 냉각 유체가 표면 (S2) 를 따라 순환하는 것을 가능하게 한다. 이들 부품들 (20 및 30) 은, 굴절률 매칭 액체 (21) 및 냉각 유체 (31) 가 접촉하지 않도록 배열된다.

임의의 온도의 횡단 증감율(변화도) 의 발생 및 이에 따른 (r 을 따른) 굴절률을 방지하고, 따라서 증폭기 매체의 열 렌즈의 형성을 방지하는, (Ox 를 따라) 기본적으로 세로방향이도록 (화살표 10' 으로 나타낸) 열의 제거를 위해서는, Ci < 0.3 Cr 으로 열전도율 (Ci) 이 냉각 유체의 Cr 보다 작은 굴절률 매칭 액체가 사용된다.

예를 들어, 열전도율 (Ci) 이 0.1 W/(m.K) 인 다이아이오도매테인 (diiodomethane) 을 굴절률 매칭 액체 (21) 로서 사용하고, 열전도율 (Cr) 이 0.6 W/(m.K) 인 물을 냉각 유체 (31) 로서 사용하는 경우, 도 2b 에서 알 수 있는 바와 같이 Ti:Sa 결정체에서 열 렌즈의 형성이 거의 없다.

따라서, 안티-횡단 (anti-transverse) 레이징 기능 및 냉각 기능의 이 디커플링은 물의 열 상수의 관점에서 많은 양의 열을 제거하는 것을 가능하게 한다. 열의 제거는, 증폭기 매체가 너무 두껍지 않을 때 (바람직하게는 e<D/2 이고, D 는 증폭기 매체의 직경임) 적합하게 더욱 효과적이다. 또한, 횡단 레이징을 억제하기 위한 액체의 사용은, 증폭기 매체에 용접된 고체 링을 이용하는 종래 기술의 해결책과는 대조적으로, 선택된 증폭기 매체 (1) 에 액체 (21) 를 매칭시키는 것을 용이하게 하는 한, 일반적인 해결책을 제공한다.

다른 대단한 이점은, 방사상 냉각의 경우와는 대조적으로, (대략 재료에서의 균일한 열의 디포짓의 가정하에) 열 경사도는 전파 축 Ox 에 따라 크고 축에 수직하게는 작다는 것이다. 따라서, 열 렌즈 효과는 매우 감소되고, 이에 따라 파면의 품질이 향상되며 펌핑 전력 레벨에 거의 독립적이다.

기본 구성에서, 증폭기 매체 (1) 는 면들 (S1 및 S2) 양자 모두를 통해 펌핑되고, 이는 레이저 빔이 냉각 유체 (31) 와 접촉하는 증폭기 매체의 표면 (S2) 에 의해 반사되는 동안 열의 디포지션을 균일하게 하는데 중요하다. 구체적으로, 제 1 분석에서, 펌핑 빔 (4) 은 흡수되지 않기 때문에 (물은 가시 및 근적외선 스펙트럼의 대부분에 거쳐 투명함) 어려움 없이 물의 층을 통과할 수 있고, 물을 통과할 때 파면이 약간 섭동되더라도 펌핑 프로세스는 방사의 흡수 다음에 에너지 전달로 이루어지기 때문에 중요하지 않으며 이 방사는, 예를 들어 증폭기 매체에 손상을 입힐 수도 있는 과도한 세기 (overintensity) 를 초래하는, 펌프 빔을 저하시킬 위험이 없도록 충분히 신속하게 흡수된다고 가정될 수도 있다. 반면에, 이 기본 구성에서, 증폭될 빔은 물의 층을 통과할 필요가 없도록 증폭기 매체-물 계면 (표면 S2) 에서 반사되고, 이는 파면을 열화시킬 수도 있다; 이것을 위해, (후면으로서 지칭된) 증폭기 매체의 면 (S2) 은 증폭기 매체의 형광성 파장에 대해 고 반사율 (통상적으로, R > 98%) 로 하지만 펌핑 빔 (4) 의 파장에 대해 우수한 투명도 (통상적으로, T> 95%) 로 처리된다.

증폭기 매체 (1) 가 단지 면 (S1) 을 통해서만 펌핑되는 경우, 펌핑 빔 (4) 의 파장에 대해 면 (S2) 의 (반사 처리의) 투명도에 대한 컨디션이 더 이상 필요하지 않다.

증폭될 파장에 대해 고 반사로 처리된 재료의 면 (S2) 을 갖는다는 사실은 축에서의 이득이 낮더라도, (전면으로 지칭된) 면 (S1) 은 자체적으로 그 반사 방지 처리 덕분에 이득을 카운터링해야 하기 때문에 (증폭기 매체의 2 개의 면들 S1 와 S2 간의) 기생의 종방향 발진을 촉진시킨다는 위험이 있는 한편, 레이저 플럭스에 대해 저항하도록 광 대역을 포함하는 듀얼-대역 반사방지 처리 (레이저에 대해 하나의 대역, 펌핑에 대해 하나의 대역) 는 잔류 반사도에 면에서 매우 잘 수행하지 않는 것으로 알려져 있다.

이것은, 제 1 대안의 구성에 따라, 증폭될 빔이 물의 층을 통과하기 때문이고, 위상 정정 컴포넌트에 의해 그 파면에 관하여 필요한 경우, 예를 들어 결정체 밖에 배열된 변형 가능한 미러가 방출된 레이저 빔의 경로 상에서 물의 층의 하류에서 정정될 수 있다.

제 2 변형에 따르면, 제 2 냉각 디바이스는 증폭기 매체의 다른 면, 면 (S1) 상에 추가된다.

어떤 구성이 선택되도라도, 물은 에틸렌, 에틸렌 글리콜 또는 물 + 에틸렌 글리콜 혼합물과 같은 다른 액체로, 또는 예를 들어 다르게는 우수한 열 교환을 보장하도록 최적화된 가스 (예를 들어, 헬륨) 의 흐름으로 대체될 수도 있다. 가스의 흐름은 특히, 특히 흐름이 격변하는 경우 물의 층을 통과하는 것보다 파면의 보다 적은 섭동을 초래하기 때문에 대안의 구성으로 적합하다.

20 cm 의 직경을 갖는 원형 표면들 (S1 및 S2) 을 갖는 증폭기 매체로서 Ti:Sa 결정체 및 냉각 유체로서 물을 사용하는 예시적인 실시형태가 설명된다.

다음의 약어들이 사용된다:

F = l/min 의 물의 유량

ρ= 물의 밀도 = 1000 kg/m³

Cp = 물의 열용량 = 4180 J/(kg.℃)

△T = ℃ 의 냉각수의 온도 상승

V = m/s 의 물의 유속

S = m² = a × D 의 물 막의 단면적

P = W 의 Ti:Sa 로부터 추출될 열 전력

다음을 적용한다:

P(W) = F × (1/60000) × ρ × Cp × △T

F (l/min) = V ×S ×60000 을 이용하면,

제거될 P = 1 kW; a = 5 mm; D = 20 cm; △T = 1 ℃ 에 대해, F = 14.35 l/min , 즉 0.24 m/s (또는 0.8 km/h) 의 유량이 필요하다.

다시 말하면, 20 cm 의 직경을 갖는 Ti:Sa 의 후면 (S2) 이 14.4 l/min 와 동일한 유량으로 5 mm 의 두께를 갖는 물의 막으로 냉각되면, 1 kW 의 열 (즉, 2 Hz 에서 10 PW 레이저 시스템의 메인 증폭기 스테이지) 이 물 온도에서의 단지 1 ℃ 의 증가로 추출될 수 있다

이 구성은 다음의 이점들을 갖는다:

- 800 nm (= Ti:Sa 의 형광 파장) 에서 빔의 전파 컨디션에 영향을 주지 않고 펌핑 에너지를 변형시키는 것을 가능하게 하는 열 렌즈의 부존재,

- 1 kW 보다 많은 평균 펌핑 전력들이 가능함,

- 물과 접촉하는 Ti:Sa 결정체의 면 (S2) 이 800 nm 에서 반사되도록 처리됨. 따라서, 800 nm 빔은 물 막을 통과하지 않고, 이는 파면의 열화를 방지하는 것을 가능하게 함,

- 횡단 레이징 (transverse lasing) 없이 최대 20000 의 횡단 이득 exp(g0 × L) 이 달성 가능하고, 이는 10PW 의 피크 전력 (800 J 펌프로 17 cm 직경에 걸쳐 300 J 의 증폭 출력) 에 도달하는 것을 가능하게 함.

증폭기 매체로 언급될 수도 있는 다른 예들은 Nd: YAG, Nd: YLF, Yb: YAG 등이다.

발진기에 의해 방출된 레이저 빔을 증폭시키기 위한 디바이스의 예가 제시되었으나, 본 발명에 따른 디바이스는 또한 레이저 빔을 생성하는 레이저 발진기에서 사용될 수도 있다.

Claims

2개의 면들 (S1 및 S2) 을 연결하는 표면 (
) 에 의해 경계가 정해지고, 이득 매체가 되기 위해 상기 면들 양자, 또는 이들 중 하나를 통해 펌핑되도록 의도되는 형광 파장 (λ) 을 갖는 원통형 고체 증폭기 매체 (1) 를 포함하는 레이저 빔을 방출하는 디바이스로서,
상기 면들 중 하나상에서 상기 증폭기 매체 (1) 와 접촉하는 열전도율 (Cr) 의 냉각 유체 (31), 및 상기 표면 (
) 상에서 상기 증폭기 매체 (31) 와 접촉하는 열전도율 (Ci < 0.3 Cr) 의 형광 파장을 흡수하거나 산란하는 굴절률 매칭 액체 (21) 를 포함하는, 레이저 빔을 방출하는 디바이스.
제 1 항에 있어서,
상기 냉각 유체 (31) 와 접촉하는 상기 증폭기 매체 (1) 의 면에는, 상기 증폭기 매체를 향해 상기 레이저 빔을 반사하도록 의도되는, 상기 파장 (λ) 에서 처리 반사가 제공되는, 레이저 빔을 방출하는 디바이스.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 파장 (λ) 에서의 상기 처리 반사는 상기 펌핑 파장에서 투명한, 레이저 빔을 방출하는 디바이스.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
다른 면과 접촉하는 열전도율 (Cr) 의 냉각 유체를 포함하는, 레이저 빔을 방출하는 디바이스.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 냉각 유체의 하류에서, 상기 방출된 빔의 출력 경로상에서 위상 정정 엘리먼트를 포함하는, 레이저 빔을 방출하는 디바이스.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 냉각 유체는 물 또는 헬륨이고, 상기 증폭기 매체는 Ti:Sa 결정체인, 레이저 빔을 방출하는 디바이스.
제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
레이저 발진기 또는 레이저 증폭기인, 레이저 빔을 방출하는 디바이스.