KR20120112391A - 고전력 전자기 합 주파수 생성기 시스템 - Google Patents

고전력 전자기 합 주파수 생성기 시스템 Download PDF

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애드벌라이트 에이피에스
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Abstract

본 발명은 고전력 전자기 합 주파수 생성기 시스템으로서, 전파로를 따라 발산된 제1 기본 필드 및 제2 기본 필드를 생성하기 위한 레이저와 같은 적어도 제1 전자기원과, 전파로를 따라 연속적으로 배열되는 제1 비선형 요소 및 제2 비선형 요소를 포함하고, 제1 비선형 요소는 제1 기본 필드 및 제2 기본 필드로부터 제1 분극을 갖는 제1 합 주파수 필드를 생성하도록 구성되고, 제2 비선형 요소는 제1 및 제2 입사 기본 필드로부터 제2 분극을 갖는 제2 합 주파수 필드를 생성하도록 구성되고, 제1 및 제2 합 주파수 필드 양자 모두는 전파로를 따라 전파되며, 고전력 전자기 합 주파수 생성기 시스템은 제1 합 주파수 필드 및 제2 합 주파수 필드를 포함하는 출력을 가지며, 제1 분극의 방향은 2개의 분극이 비평행이도록 제2 분극의 방향과 함께 소정 각도를 둘러싸는, 고전력 전자기 합 주파수 생성기 시스템에 관한 것이다.

Description

고전력 전자기 합 주파수 생성기 시스템{HIGH？POWER ELECTROMAGNETIC SUM FREQUENCY GENERATOR SYSTEM}
본 발명은 전파로를 따라 발산된 제1 기본 필드(fundamental field) 및 제2 기본 필드를 생성하기 위해 레이저와 같은 적어도 제1 전자기원을 포함하는 고전력 합 주파수 생성기 시스템에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 2개의 입사 기본 필드로부터 합 주파수(sum frequency) 전자기장을 생성하는 방법에 관한 것이다.
비선형 요소에서 2개의 기본 필드의 합 주파수를 생성함으로써 광 필드(light field)를 생성하는 것은 본 기술 분야에 주지되어 있다. 생성된 필드는 2개의 기본 필드의 주파수의 합인 주파수를 가질 것이다. 2개의 기본 필드가 동일한 주파수를 갖는 경우, 프로세스는 2차 조파 생성(harmonic generation)이라 칭해진다. 합 주파수 생성 프로세스에서의 제한 효과(limiting effect)는, 합 주파수 필드가 임의의 전력 레벨에 도달될 때, 변환이 통상 역전되어 전력이 합 주파수 필드에서 기본 필드로 전달되는 것이다. 이런 프로세스는 역변환(back-conversion)이라 칭해진다.
주기적으로 폴링된(poled) LiNbO3 리지 도파관을 사용하여 589nm의 합 주파수를 생성하는 시스템이 니시가와(Nishikawa) 등에 의해 개시되어 있다(레이저 및 전기 광학 유럽 학회, 및 유럽 양자 전자공학회(CLEO 유럽-EQEC 2009), IEEE, Piscataway/NJ, 미국 2009년 6월 14일, ISBN: 978-1-4244-4079-5 참조). 개시된 시스템에서, 1064nm 및 1319nm의 전력 파장을 각각 갖는 2개의 Nd:YAG 레이저로부터의 광이 589nm의 파장에서 레이저 전력을 생성하기 위한 주기적으로 폴링된 리튬 니오베이트 모듈 내에서 조합되고 커플링된다.
본 발명의 목적은, 종래 기술의 단점들 중 적어도 하나의 단점을 극복 또는 개선하거나 유용한 대안을 제공하는, 신규한 고전력 합 주파수 생성기 시스템 및/또는 합 주파수 전자기장 생성 방법을 달성하는 것이다.
본 발명에 따르면, 본 발명의 목적은,
고전력 전자기 합 주파수 생성기 시스템이며,
- 전파로를 따라 발산된 제1 기본 필드 및 제2 기본 필드를 생성하기 위한 레이저와 같은 적어도 제1 전자기원과,
- 전파로를 따라 연속적으로 배열되는 제1 비선형 요소 및 제2 비선형 요소를 포함하고,
- 제1 비선형 요소는 제1 기본 필드 및 제2 기본 필드로부터 제1 분극을 갖는 제1 합 주파수 필드를 생성하도록 구성되고,
- 제2 비선형 요소는 제1 및 제2 입사 기본 필드로부터 제2 분극을 갖는 제2 합 주파수 필드를 생성하도록 구성되고,
- 제1 및 제2 합 주파수 필드 양자 모두는 전파로를 따라 전파되며,
- 고전력 전자기 합 주파수 생성기 시스템은 제1 합 주파수 필드 및 제2 합 주파수 필드를 포함하는 출력을 가지며,
제1 분극의 방향은 2개의 분극이 비평행이도록 제2 분극의 방향과 함께 소정 각도를 둘러싸는, 고전력 전자기 합 주파수 생성기 시스템에 의해 달성된다. 이런 식으로, 전자기 합 주파수 필드는 상이한 분극 방향을 갖는 2개의 전자기장의 중첩부로서 생성된다. 이는 제1 합 주파수 필드 및 제2 합 주파수 필드가 공칭상 동일한 주파수는 갖는 비선형 프로세스에 따른다. 이는 제1 합 주파수 필드의 전력 레벨이 증가함에 따라 제1 합 주파수 필드에서 기본 필드로 역변환되는 것을 최소화하는데 도움이 되는데, 이런 역변환은 달리 성능을 제한할 수도 있다. 대신에, 이상적으로 최대 전력은 기본 필드의 임의의 잔류부가 제1 합 주파수 필드를 따라 제2 비선형 요소로 진입되기 전에 제1 비선형 요소에서 변환된다. 비이상적인 경우, 달성가능한 최대 전력보다 낮은 최대 전력이 잔류부가 제2 비선형 요소로 진입되기 전에 제1 비선형 요소에서 변환된다. 이런 비이상적인 경우는 예컨대, 가변 출력으로 작동되도록 설계된 시스템에서 통상 유발될 것이다. 제2 비선형 요소에서, 추가의 전력이 입사 기본 필드에서 제2 합 주파수 필드로 변환되지만, 제1 합 주파수 필드는 단지 제2 비선형 요소를 통해 전파된다. 제1 합 주파수 필드에서의 전력은, 제2 비선형 요소에선 기본 필드에 위상 정합되지 않고 제1 비선형 요소에서만 기보 필드에 위상 정합되기 때문에, 제2 비선형 요소에서 역변환되지 않을 것이다. 유사하게는, 2개의 비선형 요소의 순서가 반대인 경우에는, 제2 합 주파수 필드에서의 전력은, 오직 제2 비선형 요소에서 기본 필드에 위상 정합되기 때문에, 제1 비선형 요소에서 역변환되지 않는다.
정의: 본 명세서에서 전자기장은 예컨대, 자외선, 가시광선, 적외선 및 테라헤르츠 범위를 커버하는 10nm 내지 1000㎛의 범위인 진공 파장을 포함하는 방사선으로서 이해되어야 한다. 본 명세서 전체에 걸쳐, "파장"이라는 용어는 소정의 주파수를 갖는 방사선의 진공 파장으로서 이해되어야 한다.
통상, 제1 합 주파수 필드의 분극 방향은 제1 기본 필드 및 제2 기본 필드와 0도 내지 180도의 범위의 각도를 가질 수도 있다. 제1 합 주파수 필드의 분극 방향과 제2 합 주파수 필드의 분극 방향 사이의 각도도 또한 통상 0도 내지 180도의 범위 일 수도 있다. 2개의 기본 필드는 임의의 상호 각도로, 즉 0도 내지 180도로 분극될 수도 있다. 모든 분극 방향은 2개의 직교 분배의 선형 조합으로서 보일 수도 있기 때문에, 제2 합 주파수 필드로부터의 제1 합 주파수 필드의 완전한 디커플링은 상호 각도가 90도일 때 단지 달성될 수도 있다. 그러나, 합 주파수 생성기 시스템의 향상된 성능은 제1 합 주파수 필드의 분극 방향과 제2 합 주파수 필드의 분극 방향 사이의 상호 각도가 45도 내지 135도 또는 60도 내지 120도 또는 80도 내지 100도와 같이 더 넓은 범위에서 달성될 수도 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 제1 비선형 요소는 타입 III 위상 정합을 위한 비선형 결정이고, 제2 비선형 요소는 타입 I 위상 정합을 위한 비선형 결정이다. 따라서, 입사 기본 필드가 서로 평행하게 선형 분극되는 경우, 기본 필드의 분극 방향에 평행한 방향을 따라 선형 분극된 제1 합 주파수 필드가 생성된다. 그에 반해, 2개의 입사 필드에 직교하는 선형 분극된 제2 합 주파수 필드가 생성된다. 이런 사실로부터, 입사 기본 필드의 분극 방향이 제1 비선형 요소와 제2 비선형 요소 사이에서 변화되지 않는 한, 2개의 합 주파수 필드는 서로 직교하는 분극 방향으로 생성될 것이다. 통상, 전파로를 따르는 2개의 비선형 요소의 순서는 반대일 수도 있다. 그러나, 고전력 시스템에 대해, 더 큰 파괴 전력(break-down power) 임계값이 기술된 순서에 의해 달성될 수도 있다는 것을 놀랍게도 발견하였다. 이는 타입 I 결정이 통상 타입 III 결정보다 높은 파괴 전력 임계값을 가지며, 파괴 전력 임계값은 통상 기본 필드의 더 긴 파장에서보다 합 주파수 필드의 더 짧은 파장에서 더 낮아진다는 사실에 기인한다. 따라서, 타입 III 결정은 바람직하게는 제1 합 주파수 필드를 생성하도록 배열되어야 하며, 타입 I 결정은 제2 합 주파수 필드를 생성하는 동시에 제1 합 주파수 필드가 타입 I 결정을 통해 공동 전파(co-propagate)되는 것을 허용해야 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 제1 비선형 요소는, 주기적으로 폴링된 (PP) 리튬 니오베이트 PPLN, PP 포타슘 티타닐 인산염 PPKTP, PP 리튬 탄탈레이트 PPLTa, 또는 타입 III 위상 정합을 제공하는데 적절한 임의의 다른 비선형 결정으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 비선형 결정이다. 이런 결정의 선택은 높은 필드 전력 및/또는 높은 변환 효율을 갖는 합 주파수 필드의 생성에 특히 유리하다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 제2 비선형 요소는, 리튬 트리보레이트 LBO, 베타 바륨 붕산염 BBO, 비스무트 트리보레이트 BiBO, 세슘 리튬 붕산염 CLBO, 리튬 니오베이트 LN, 또는 타입 I 위상 정합을 제공하는데 적절한 임의의 다른 비선형 결정으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 비선형 결정이다. 이런 결정의 선택은 높은 필드 전력을 갖는 합 주파수 필드의 생성에 특히 유리하다. 예컨대, 이런 결정은 비임계(uncritical) 위상 정합을 허용하기 때문에, 즉 어떤 워크오프(walk-off)도 기본 필드와 생성된 필드 사이에 유발되지 않을 것이기 때문에, LBO는 1319nm 및 1064nm의 파장을 갖는 기본 필드들 사이에서 합 주파수를 생성하는데 특히 유리하다. 워크오프는 임계적으로 위상 정합된 (벌크) 결정의 효율을 감소시킨다.
입사 기본 필드로부터 합 주파수 필드를 생성하는 다른 실시예에서, 입사 기본 필드는 서로 직교하게 분극되고, 제1 및/또는 제2 비선형 요소는, 리튬 트리보레이트 LBO, 베타 바륨 붕산염 BBO, 비스무트 트리보레이트 BiBO, 세슘 리튬 붕산염 CLBO 또는 포타슘 티타닐 인산염 KTP를 포함하는 비선형 결정이다.
본 발명의 다른 실시예에서, 제1 비선형 결정 및/또는 제2 비선형 결정은, 1mm 내지 50mm의, 또는 벌크 결정에 대해선 3mm 내지 30mm의, 또는 주기적으로 폴링된 PP 결정에 대해선 1mm 내지 20mm의, 전파로를 따르는 길이를 갖는다. 요소 길이는 통상 입사 기본 필드의 통상적인 전력 레벨에 대해 생성된 합 주파수 필드의 최대 전력을 달성하도록 선택되어야 한다. 그러나, 결정이 너무 긴 것으로 선택되는 경우, 결정에서 생성된 합 주파수 필드는 기본 필드로 역변환될 것이다. 사실, 결정이 더 긴 경우에도, 합 주파수 필드의 모든 생성된 전력은 기본 필드로 역변환될 것이다.
본 발명의 다른 실시예에서, 제1 및 제2 비선형 요소는 적어도 제1 및 제2 섹션을 갖는 주기적으로 폴링된 PP 결정으로서 일체로 형성되고, 제1 섹션은 제1 합 주파수 필드를 생성하도록 구성되며, 제2 섹션은 제2 합 주파수 필드를 생성하도록 구성된다. 이런 식으로, 2개의 비선형 요소가 단일체로서 제공되기 때문에, 특히 소형이고 견고한 합 주파수 생성기가 실현될 수도 있다. 따라서, 2개의 요소들 사이의 어떤 정렬도 조립하는 동안 필요하지 않으며, 어떤 오정렬도 저장 또는 작동 중에 유발되지 않는다.
상술된 실시예에 따른 특정한 실시예에서, PP 결정은 복수의 교번하는 제1 및 제2 섹션을 포함하는데, 즉 전파되는 전자기장이 맨 먼저 제1 섹션을 통해 전파되고, 그 다음 제2 섹션을 통해 전파된 다음, 다른 제1 섹션, 다른 제2 섹션 등을 통해 전파된다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 제1 섹션은 제1 폴링 주기를 갖고 제2 섹션은 제2 폴링 주기를 가지며, 제1 폴링 주기는 입사 기본 필드의 분극에 직교하는 분극을 갖는 제1 합 주파수 필드의 생성을 위한 위상 정합을 제공하고, 제2 폴링 주기는 입사 기본 필드의 분극에 평행한 분극을 갖는 제2 합 주파수 필드의 생성을 위한 위상 정합을 제공한다. 이런 식으로, 제1 합 주파수 필드는 직교함으로써, 제2 합 주파수 필드에 독립적이다. 그러므로, 어떤 역변환도 제1 합 주파수 필드와 제2 합 주파수 필드 사이에서 유발되지 않아, 본 발명의 장치에서 생성될 수 있는 최대 전력을 증가시킨다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 주기적으로 폴링된 결정은, 심벌(symbol) LiTaO3를 갖는 리튬 탄탈레이트 LTa, 또는 제1 합 주파수 필드 및 제2 합 주파수 필드 양자 모두의 생성을 위한 위상 정합을 지원할 수도 있는 2차 민감성 텐서(second-order susceptibility tensor)를 갖는 다른 재료를 포함한다. PPLTa 결정의 사용은 재료의 높은 손상 임계값으로 인해 고전력 적용예에 유리하다. 이런 경우는 특히 0.5W 내지 1.0W보다 높은 전력으로 가시광을 생성하는 경우인데, 이런 경우에는 PPKTP 또는 PPLN과 같은 다른 통상적인 선택 사항들이 덜 적절하다. 그러나, 손상 임계값 한계에서 멀리 떨어져 있는 더 낮은 전력 레벨에 대해, PPKTP 또는 PPLN은 PPLTa보다 높은 비선형 계수 deff로 인해 유리할 수도 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 제1 및 제2 비선형 요소는 비주기적으로 폴링된 AP 결정으로서 일체로 형성되고, AP 결정은 제1 및 제2 입사 기본 필드와 제1 합 주파수 필드 사이에 그리고 제1 및 제2 입사 기본 필드와 제2 합 주파수 필드 사이에 위상 정합을 동시에 제공함으로써 제1 및 제2 합 주파수 필드를 생성하도록 구성된다. 이런 식으로, 2개의 합 주파수 필드 양자 모두가 AP 결정의 전체 길이를 따라 생성될 수도 있기 때문에, 특히 소형인 장치가 달성될 수도 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 본 발명의 시스템은 전파로를 따라 그리고 제1 비선형 요소와 제2 비선형 요소 사이에 적어도 제1 광학 요소를 추가로 포함한다. 특정한 실시예에서, 광학 요소는 렌즈, 이색성 또는 분극 비임 스플리터, 로테이터, 미러, 또는 임의의 다른 수동형 또는 능동형 요소 중 임의의 하나이다. 시스템은 동일한 부류에서 선택되는 추가의 광학 요소를 포함할 수도 있다. 제1 비선형 요소와 제2 비선형 요소 사이의 렌즈 형태의 광학 요소는, 예컨대 제2 비선형 요소로의 필드의 진입 이전에 전자기장을 재집속하는데 사용될 수도 있다.
다른 특정한 실시예에서, 하나의 비선형 요소 또는 비선형 요소 양자 모두는 하나 이상의 공동을 포함할 수도 있다. 예컨대, 하나의 비선형 요소는 단일 공동에 그리고 다른 비선형 요소는 공동 외부에, 비선형 요소 양자 모두가 단일 공동에, 또는 하나의 비선형 요소는 하나의 공동에 그리고 다른 비선형 요소는 다른 공동에 포함될 수도 있다. 이 실시예에 따르면, 광학 요소는, 합 주파수 필드에 대해선 높은 전송성(transmission)을 갖고 기본 필드에 대해선 부분적인 또는 높은 전송성을 갖는, 미러일 수도 있다.
또한 본 발명에 따르면, 본 발명의 목적은,
2개의 입사 기본 필드로부터 합 주파수 전자기장을 생성하는 방법이며,
a) 제1 기본 필드 및 제2 기본 필드를 제공하는 단계와,
b) 제1 및 제2 기본 필드를 제1 비선형 요소를 통해 전파시켜, 제1 및 제2 기본 필드로부터 제1 분극을 갖는 제1 합 주파수 필드를 생성하는 단계와,
c) 제1 및 제2 기본 필드를 제2 비선형 요소를 통해 전파시켜, 제1 및 제2 기본 필드로부터 제2 분극을 갖는 제2 합 주파수 필드를 생성하는 단계를 포함하며, 제1 및 제2 분극은 비평행한, 합 주파수 전자기장을 생성하는 방법에 의해 또한 달성된다. 이런 식으로, 역변환으로 인한 달성가능한 최대 전력의 한계가 경감되기 때문에, 합 주파수 필드의 효율적인 생성이 달성된다. 구체적으로, 제1 합 주파수 필드는 제2 비선형 요소 내에서가 아닌 제1 비선형 요소 내에서 입사 기본 필드에 단지 위상 정합된다. 따라서, 입사 기본 필드로의 제1 합 주파수 필드의 전력의 역변환은 제2 비선형 요소 내에서가 아닌 제1 비선형 요소 내에서 단지 유발될 수도 있다. 유사하게는, 입사 기본 필드로의 제2 합 주파수 필드의 전력의 역변환은 제1 비선형 요소 내에서가 아닌 제2 비선형 요소 내에서 단지 유발될 수도 있다.
본 발명의 방법의 다른 실시예에서, 제1 합 주파수 필드의 분극은 제2 합 주파수 필드의 분극에 사실상 직교한다. 이런 식으로, 제1 합 주파수 필드와 제2 합 주파수 필드 사이의 중첩이 최소화되어, 역변환을 방지한다.
본 발명의 방법의 다른 실시예에서, 제1 비선형 요소는 타입 III 결정이고, 제2 비선형 요소는 타입 I 결정이다. 이런 식으로, 제1 비선형 요소는 입사 기본 필드의 분극에 평행한 분극으로 합 주파수 필드를 생성하도록 구성되고, 제2 비선형 요소는 입사 기본 필드의 분극에 직교하는 분극으로 합 주파수 필드를 생성하도록 구성된다. 통상, 전파로를 따르는 2개의 비선형 요소의 순서는 반대일 수도 있다. 그러나, 고전력 시스템에 대해, 더 큰 파괴 전력 임계값이 기술된 순서에 의해 달성될 수도 있다는 것을 놀랍게도 발견하였다. 이는 타입 I 결정이 통상 타입 III 결정보다 높은 파괴 전력 임계값을 가지며, 파괴 전력 임계값은 통상 기본 필드의 더 긴 파장에서보다 합 주파수 필드의 더 짧은 파장에서 더 낮아진다는 사실에 기인한다. 따라서, 타입 III 결정은 바람직하게는 제1 합 주파수 필드를 생성하도록 배열되어야 하며, 타입 I 결정은 제2 합 주파수 필드를 생성하는 동시에 제1 합 주파수 필드가 타입 I 결정을 통해 공동 전파되는 것을 허용해야 한다.
2차 조파 생성을 위한 본 발명의 방법의 다른 실시예에 따르면, 제1 및 제2 기본 필드는 축퇴(degenerate)된다. 2차 조파 생성은 합 주파수 생성의 특별한 경우이며, 제1 및 제2 기본 필드는 축퇴되는데, 즉 파장, 전파 방향, 위상 및 분극이 동일하다. 생성된 필드는 기본 필드의 주파수의 두 배인 주파수를 갖는다.
공칭상 589nm의 파장을 갖는 합 주파수 필드의 생성을 위한 본 발명의 방법의 실시예에 따르면, 제1 기본 필드는 공칭상 1064nm의 파장을 가지며, 제2 기본 필드는 공칭상 1319nm의 파장을 갖는다.
도 1은 본 발명의 실시예의 개략도이다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 2개의 실시예에서의 분극 방향을 개략적으로 도시한다.
도 2c 및 도 2d는 최적의 분극 방향 및 허용 분극 방향 각각의 개략도이다.
도 3은 제1 및 제2 비선형 요소의 실시예이다.
도 4는 제1 및 제2 비선형 요소의 다른 실시예이다.
도 5는 제1 및 제2 비선형 요소의 제3 실시예이다.
도 6은 예에 대응하는 산출 데이터이다.
도 7은 다른 예에 대응하는 산출 데이터이다.
도 8은 본 발명의 시스템의 다른 실시예이다.
본 발명은 도면을 참조하여 이하에서 상세히 기술될 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 고전력 전자기 합 주파수 생성기 시스템(100)의 개략도를 도시한다. 통상 레이저인 전자기원(101)은 2개의 기본 필드, 즉 전파로를 따라 발산되는 제1 기본 필드(102) 및 제2 기본 필드(103)를 생성한다. 기본 필드(102, 103)는 제1 비선형 요소(104)로 진입되어, 제1 합 주파수 필드(105)를 생성한다. 제1 합 주파수 필드(105)는, 예컨대 기본 필드(102, 103)의 분극 방향에 직교하거나 분극 방향과 평행한 하나의 주된 분극 방향으로 생성된다. 후속적으로, 제1 및 제2 기본 필드(102, 103)는 제1 합 주파수 필드(105)와 함께 제2 비선형 요소(106)로 진입된다. 제2 비선형 요소에서, 제2 합 주파수 필드(107)는 기본 필드(102, 103)로부터 생성되지만, 제1 합 주파수 필드(105)는 단지 제2 비선형 요소(106)를 통해 전파된다. 또한, 제2 합 주파수 필드(107)는 제1 합 주파수 필드(105)의 분극 방향과 다른 하나의 주된 분극 방향으로 생성된다. 이런 식으로, 제1 합 주파수 필드(105)는 제2 비선형 요소(106) 내에서 비선형 프로세스에 참가하는 것이 방지되어, 역변환을 최소화한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예의 기본 필드 및 생성된 필드의 분극 방향을 보다 상세히 도시한다. 도 2a에서, 제1 기본 필드(202a) 및 제2 기본 필드(203a)는 서로 평행한 분극 방향으로 선형 분극된다. 제1 비선형 요소(204a) 내에서, 제1 합 주파수 필드(205a)가 기본 필드(202a, 203a)에 직교하는 분극 방향으로 생성된다. 그 후, 2개의 기본 필드(202a, 203a)의 잔류 전력은 제2 비선형 요소(206a)로 진입되고, 제2 합 주파수 필드(207a)는 기본 필드(202a, 203a)에 평행한 분극 방향으로 생성된다. 따라서, 제1 합 주파수 필드(205a) 및 제2 합 주파수 필드(207a)는 서로 직교하게 분극되어, 2개의 필드(205a, 207a) 사이의 위상 정합을 방지한다. 도면에서, 기본 필드(202a, 203a)의 잔류부는 제1 및 제2 합 주파수 필드(205a, 207a)와 함께 제2 비선형 요소(206a)로부터 발산되는 것으로 도시되어 있다. 제1 및 제2 합 주파수 필드는 동일한 주파수를 가짐으로써, 단일 탈분극 필드로서 도시될 수도 있음을 알아야 한다. 도 2a에 도시된 시스템(200a)은 제1 비선형 요소(204a)로서 타입 I 비선형 결정을 그리고 제2 비선형 요소(206a)로서 타입 III 비선형 결정을 이용함으로써 달성될 수도 있다. 제1 및 제2 비선형 요소(204a, 206a)의 순서는 본 발명을 벗어나지 않고 교환될 수도 있다.
도 2b에서, 제1 기본 필드(202b) 및 제2 기본 필드(203b)는 또한 선형으로 분극되지만, 제1 기본 필드(202b) 및 제2 기본 필드(203b)의 분극 방향은 서로 직교한다. 제1 비선형 요소(204b)에서, 제1 합 주파수 필드(205b)가 제1 기본 필드(202b)에 평행한 분극 방향으로 생성된다. 제2 비선형 요소(206b)에서, 제2 합 주파수 필드(207b)가 제2 기본 필드(203b)에 평행한 분극 방향으로 생성된다.
도 2b에 도시된 것에 대응하는 예에서, 1064nm의 파장을 갖는 제1 기본 필드(202b) 및 1319nm의 파장을 갖는 제2 기본 필드의 589nm의 파장을 갖는 합 주파수 필드(205b)로의 합 주파수 변환을 위해, 2개의 기본 필드 양자 모두는 선형으로 분극되고 서로 직교한다. 2개의 비선형 LBO 결정이 제1 및 제2 비선형 요소(204b, 206b)로서 사용되었으며, 각각 정상 축(ordinary axis) 및 이상 축(extra-ordinary axis)을 갖는다. 2개의 결정은 2개의 결정의 정상 축 및 이상 축이 각각 정렬되도록 정렬된다. 다음의 파라미터는 350K의 작동 온도를 가정하여 산출되었다. 제1 결정(204b)은 각도 θ=33.4° 및 φ=90.0°로 절단된다. 이런 식으로, 제1 결정(204b)은 이상 축을 따라 분극된 1319nm 광과 정상 축을 따라 분극된 1064nm 광 사이의 위상 정합을 제공하도록 구성되고, 생성된 합 필드는 정상 축을 따라 분극된다. 제2 결정(206b)은 각도 θ=19.1° 및 φ=0.0°로 절단되어, 이상 축을 따라 분극된 1319nm 광과 정상 축을 따라 분극된 1064nm 광 사이의 위상 정합을 제공하도록 구성된다. 그러나, 제2 결정(206b)은 이상 축을 따라 분극된 합 필드를 생성하도록 구성된다. 따라서, 제1 결정(204b)에서 생성된 합 필드(205b)는 제2 결정(206b)에서 생성된 합 필드(207b)에 직교하게 분극된다. 2개의 결정의 순서는 반대일 수도 있다.
도 2b에 도시된 시스템의 특별한 경우, 제1 기본 필드(202b) 및 제2 기본 필드(203b)는 2차 조파 생성을 위해 단일 필드의 2개의 분극 요소이다. 이 경우, 단일 기본 필드는 비선형 요소의 축에 대해 대략 45도의 분극 각도에서 제1 비선형 요소로 진입된다. 이런 식으로, 2개의 분극 요소는 대략 동일한 전력을 수반할 것이다.
도 2c는 제1 합 주파수 필드(205c)와 제2 합 주파수 필드(207c) 사이의 최적 각도를 도시하지만, 도 2d는 허용 각도를 도시한다. 2개의 합 주파수 필드(205c, 205d; 207c, 207d)의 완전한 디커플링을 달성하기 위해, 필드는 도 2c에 도시된 바와 같이 직교하여야 한다. 그러나, 제2 합 주파수 필드(207c, 207d)는 제1 합 주파수 필드(205c, 205d)에 직교하는 분극 요소와 제1 합 주파수 필드(205c, 205d)에 평행한 분극 요소의 조합으로서 항상 기술될 수도 있으며, 제1 합 주파수 필드에 대해서는 반대이다. 따라서, 본 발명의 시스템의 이점은, 직교하는 분극 요소가 한정되어 있는 모든 상황에 대해, 즉 0도 내지 180도의 범위의 또는 30도 내지 150도의 범위의 또는 45도 내지 135도의 범위의 2개의 합 주파수 사이의 모든 각도에 대해 관측된다는 것이다. 모든 방향은 방향의 역전이 단지 위상 변화에 대응하기 때문에 0도 내지 180도의 범위에서 매핑될 수도 있다.
도 3은 제1 비선형 요소(304) 및 제2 비선형 요소(306)가 주기적으로 폴링된 단일 PP 비선형 결정(330)에 일체로 형성되는 제1 비선형 요소(304) 및 제2 비선형 요소(306)의 실시예를 도시한다. PP 비선형 결정(330)은 적어도 제1 섹션(331) 및 제2 섹션(332)을 포함한다. 제1 섹션(331)은 제1 합 주파수 필드를 생성하도록 구성되고, 제2 섹션(332)은 제2 합 주파수 필드를 생성하도록 구성된다.
도 4는 도 3에 도시된 실시예에 대응하는 PP 결정(430)의 실시예를 도시하는데, 유사한 도면 부호는 유사한 부분을 나타낸다. 그러므로, 도 3과 도 4 사이의 차이점만 이제 기술된다. 이 실시예에서, 제1 섹션(431)은 제1 주기 Λ1로 결정(430)을 주기적으로 폴링(poling)함으로써 제1 합 주파수 필드를 생성하도록 구성되고, 제2 섹션(432)은 제2 주기 Λ2로 폴링함으로써 제2 합 주파수 필드를 생성하도록 구성된다. 2개의 폴링 주기는 예컨대, 제1 주기는 기본 필드에 직교하는 필드의 합 주파수 생성을 위한 위상 정합을 보장하고 제2 주기는 기본 필드에 평행한 필드의 합 주파수 생성을 위한 위상 정합을 보장하도록, 선택되어야 한다.
도 5는 도 4에 도시된 실시예에 대응하는 PP 결정(530)의 실시예를 도시하는데, 유사한 도면 부호는 유사한 부분을 나타낸다. 그러므로, 도 4와 도 5 사이의 차이점만 이제 기술된다. 이 실시예에서, 결정(530)은 순차적으로 배열된 복수의 제1 섹션(531) 및 복수의 제2 섹션(532)을 포함한다.
도 6은 합 주파수 생성을 위해 단일 결정을 이용하는 예에 따른 전파 거리의 함수로의 산출된 전력 레벨을 도시한다. 예는 PPLN 결정, 즉 타입 III 결정을 고려한다. 2개의 펄스 레이저가 기본 필드를 생성하는 전자기원으로서 이용된다. 하나의 레이저는 1064nm의 파장 및 6W의 평균 전력을 갖는 광을 발산하고, 다른 레이저는 1319nm의 파장 및 5W의 평균 전력을 갖는 광을 발산한다. 3개의 광학 필드에서의 전력 레벨의 산출은, 예컨대 쾨흐너(W. Koechner) 및 버라크(Springer Verlag)의 "고상 레이저 공학"(2006년)에서 찾을 수 있는 것과 같은 3개의 결합 방정식을 이용하여 수행되었다. 적은 위상 부정합이 2개의 기본 필드 사이에 추정되었다. 589nm의 파장을 갖는 합 주파수 필드는 초기에는, 필드가 결정의 1.1 mm를 통해 전파된 후에 대략 최대 3.7W가 달성될 때까지, 전파 거리와 함께 증가되는 것을 알 수 있다. 필드가 더 전파될 수 있는 경우, 전력은 합 주파수 필드에서 기본 필드로 역변환된다. 2.2 mm의 전파 거리 후에, 합 주파수 필드는 완전히 격감된 것을, 즉 모든 전력이 2개의 기본 필드에 다시 존재하는 것을 알 수 있다.
도 7은 도 6에 도시된 예에 대한 산출을 도시한다. 그러나, 도 7에서 PPLN 결정은 PPLN 결정으로부터 최대 변환을 달성하기 위해 1.1 mm로 단축되었다. 후속적으로, 2개의 기본 필드 및 생성된 합 주파수 필드가 타입 I 프로세스를 위상 정합시킬 수도 있는 LBO 결정으로 진입된다. 길이 스케일은 이제 PPLN 결정과 LBO 결정의 조합된 길이를 보여주고 있는데, 도 6에 비해 스케일의 변화에 주목한다. 합 주파수 필드로의 전력의 변환은 산출 도메인 전체에 걸쳐 계속된다는 것을 알 수 있는데, 즉 어떤 역변환도 나타나지 않는다. 이런 식으로, 7W를 초과하는 전력이 생성됨을 알 수 있다. 그러나, 합 주파수 필드는 이제 기본 필드의 분극 방향에 평행할뿐만 아니라 분극 방향에 직교하는 분극된 요소를 포함하고 있다는 것을 알아야 한다. 높은 필드 전력이 중요한 통상의 적용예에 있어서, 혼합된 분극 요소는 거의 무관심한 것이다.
도 8은 도 1에 도시된 실시예에 대응하는 시스템의 다른 실시예를 도시하는데, 유사한 도면 부호는 유사한 부분을 나타낸다. 그러므로, 2개의 실시예의 차이점만 이제 기술된다. 도 8에서는, 광학 요소가 2개의 비선형 요소 사이에 포함된다. 광학 요소는 예컨대, 이색성 또는 분극 비임 스플리터, 로테이터, 미러, 또는 임의의 다른 수동형 또는 능동형 요소일 수 있다. 또한, 하나의 비선형 요소 또는 비선형 요소 양자 모두는 하나 이상의 공동에 포함될 수도 있다. 예컨대, 하나의 비선형 요소는 단일 공동에 그리고 다른 비선형 요소는 공동 외부에, 비선형 요소 양자 모두가 단일 공동에, 또는 하나의 비선형 요소는 하나의 공동에 그리고 다른 비선형 요소는 다른 공동에 포함될 수도 있다. 이 경우, 광학 요소는, 합 주파수 필드에 대해선 높은 전송성을 갖고 기본 필드에 대해선 부분적인 또는 높은 전송성을 갖는, 미러일 수도 있다. 당업자에게 명백한 바와 같이, 시스템은 추가의 광학 요소를 비선형 요소들 사이뿐만 아니라 비선형 요소 양쪽에 또한 포함할 수도 있다.
바람직한 실시예에 따른 예가 기술되었다. 그러나, 본 발명은 이런 실시예에 제한되지 않는다. 예컨대, 실시예는 2개의 기본 필드를 생성하기 위한 단일 전자기원을 가질 수 있다. 그러나, 2개의 별개인 전자기원이 이런 목적을 위해 이용될 수도 있다. 또한, 제1 및 제2 비선형 요소라는 용어는 전파 방향에 대해 2개의 요소의 특정한 순서를 나타내는 것은 아니다.
Λ1, Λ2 : 폴링 주기
100, 200a, 200b, 800 : 합 주파수 필드 생성기 시스템
101, 201a, 201b, 801 : 전자기원
102, 202a, 202b, 802 : 제1 기본 필드
103, 203a, 203b, 803 : 제2 기본 필드
104, 204a, 204b, 304, 804 : 제1 비선형 요소
105, 205a, 205b, 205c, 205d, 805 : 제1 합 주파수 필드
106, 206a, 206b, 306, 806 : 제2 비선형 요소
107, 207a, 207b, 207c, 207d, 807 : 제2 합 주파수 필드
330, 430, 530 : 주기적으로 폴링된 비선형 결정
331, 431, 531 : 제1 섹션
332, 432, 532 : 제2 섹션
880 : 광학 요소

Claims (15)

  1. 고전력 전자기 합 주파수 생성기 시스템이며,
    - 전파로를 따라 발산된 제1 기본 필드 및 제2 기본 필드를 생성하기 위한 레이저와 같은 적어도 제1 전자기원과,
    - 상기 전파로를 따라 연속적으로 배열되는 제1 비선형 요소 및 제2 비선형 요소를 포함하고,
    - 상기 제1 비선형 요소는 제1 기본 필드 및 제2 기본 필드로부터 제1 분극을 갖는 제1 합 주파수 필드를 생성하도록 구성되고,
    - 상기 제2 비선형 요소는 제1 및 제2 입사 기본 필드로부터 제2 분극을 갖는 제2 합 주파수 필드를 생성하도록 구성되고,
    - 상기 제1 및 제2 합 주파수 필드 양자 모두는 전파로를 따라 전파되며,
    - 상기 고전력 전자기 합 주파수 생성기 시스템은 제1 합 주파수 필드 및 제2 합 주파수 필드를 포함하는 출력을 가지며,
    제1 분극의 방향은 2개의 분극이 비평행이도록 제2 분극의 방향과 함께 소정 각도를 둘러싸는, 고전력 전자기 합 주파수 생성기 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 비선형 요소는 타입 III 위상 정합을 위한 비선형 결정이고, 상기 제2 비선형 요소는 타입 I 위상 정합을 위한 비선형 결정인, 고전력 전자기 합 주파수 생성기 시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1 비선형 요소는, 주기적으로 폴링된 (PP) 리튬 니오베이트 PPLN, PP 포타슘 티타닐 인산염 PPKTP, PP 리튬 탄탈레이트 PPLTa, 또는 타입 III 위상 정합을 제공하는데 적절한 임의의 다른 비선형 결정으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 비선형 결정인, 고전력 전자기 합 주파수 생성기 시스템.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 비선형 요소는, 리튬 트리보레이트 LBO, 베타 바륨 붕산염 BBO, 비스무트 트리보레이트 BiBO, 세슘 리튬 붕산염 CLBO, 리튬 니오베이트 LN, 또는 타입 I 위상 정합을 제공하는데 적절한 임의의 다른 비선형 결정으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 비선형 결정인, 고전력 전자기 합 주파수 생성기 시스템.
  5. 제2항에 있어서, 상기 제1 비선형 결정 및/또는 제2 비선형 결정은, 1mm 내지 50mm의, 또는 벌크 결정에 대해선 3mm 내지 30mm의, 또는 주기적으로 폴링된 PP 결정에 대해선 1mm 내지 20mm의, 전파로를 따르는 길이를 갖는, 고전력 전자기 합 주파수 생성기 시스템.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 및 제2 비선형 요소는 적어도 제1 및 제2 섹션을 갖는 주기적으로 폴링된 PP 결정으로서 일체로 형성되고, 상기 제1 섹션은 제1 합 주파수 필드를 생성하도록 구성되며, 상기 제2 섹션은 제2 합 주파수 필드를 생성하도록 구성되는, 고전력 전자기 합 주파수 생성기 시스템.
  7. 제6항에 있어서, 상기 제1 섹션은 제1 폴링 주기를 갖고 상기 제2 섹션은 제2 폴링 주기를 가지며, 상기 제1 폴링 주기는 입사 기본 필드의 분극에 직교하는 분극을 갖는 제1 합 주파수 필드의 생성을 위한 위상 정합을 제공하고, 상기 제2 폴링 주기는 입사 기본 필드의 분극에 평행한 분극을 갖는 제2 합 주파수 필드의 생성을 위한 위상 정합을 제공하는, 고전력 전자기 합 주파수 생성기 시스템.
  8. 제6항 또는 제7항에 있어서, 상기 주기적으로 폴링된 결정은, 심벌 LiTaO3를 갖는 리튬 탄탈레이트 LTa, 또는 제1 합 주파수 필드 및 제2 합 주파수 필드 양자 모두의 생성을 위한 위상 정합을 지원할 수도 있는 2차 민감성 텐서를 갖는 다른 재료를 포함하는, 고전력 전자기 합 주파수 생성기 시스템.
  9. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 및 제2 비선형 요소는 비주기적으로 폴링된 AP 결정으로서 일체로 형성되고, 상기 AP 결정은 제1 및 제2 입사 기본 필드와 제1 합 주파수 필드 사이에 그리고 제1 및 제2 입사 기본 필드와 제2 합 주파수 필드 사이에 위상 정합을 동시에 제공함으로써 제1 및 제2 합 주파수 필드를 생성하도록 구성되는, 고전력 전자기 합 주파수 생성기 시스템.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전파로를 따라 그리고 제1 비선형 요소와 제2 비선형 요소 사이에 적어도 제1 광학 요소를 더 포함하는, 고전력 전자기 합 주파수 생성기 시스템.
  11. 2개의 입사 기본 필드로부터 합 주파수 전자기장을 생성하는 방법이며,
    a) 제1 기본 필드 및 제2 기본 필드를 제공하는 단계와,
    b) 상기 제1 및 제2 기본 필드를 제1 비선형 요소를 통해 전파시켜, 상기 제1 및 제2 기본 필드로부터 제1 분극을 갖는 제1 합 주파수 필드를 생성하는 단계와,
    c) 상기 제1 및 제2 기본 필드를 제2 비선형 요소를 통해 전파시켜, 상기 제1 및 제2 기본 필드로부터 제2 분극을 갖는 제2 합 주파수 필드를 생성하는 단계를 포함하며,
    상기 제1 및 제2 분극은 비평행한, 합 주파수 전자기장을 생성하는 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 제1 합 주파수 필드의 분극은 제2 합 주파수 필드의 분극에 사실상 직교하는, 합 주파수 전자기장을 생성하는 방법.
  13. 제11항 또는 제12항에 있어서, 상기 제1 비선형 요소는 타입 III 결정이고, 상기 제2 비선형 요소는 타입 I 결정인, 합 주파수 전자기장을 생성하는 방법.
  14. 2차 조파 생성을 위한 제11항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 합 주파수 전자기장을 생성하는 방법이며,
    상기 제1 및 제2 기본 필드는 축퇴되는, 합 주파수 전자기장을 생성하는 방법.
  15. 공칭상 589nm의 파장을 갖는 합 주파수 필드의 생성을 위한 제11항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 합 주파수 전자기장을 생성하는 방법이며,
    상기 제1 기본 필드는 공칭상 1064nm의 파장을 가지며, 상기 제2 기본 필드는 공칭상 1319nm의 파장을 갖는, 합 주파수 전자기장을 생성하는 방법.
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