KR20130014686A

KR20130014686A - 레이저 방사선의 주파수 변환을 위한 장치 및 방법

Info

Publication number: KR20130014686A
Application number: KR1020127028661A
Authority: KR
Inventors: 샤라이 동; 스벤 유스텐; 카르스텐 지오렉
Original assignee: 트룸프 레이저 마킹 시스템스 아게
Priority date: 2010-04-01
Filing date: 2011-03-11
Publication date: 2013-02-08
Also published as: CN102934019A; US8553734B2; CN102934019B; WO2011120777A1; KR101633154B1; US20130028277A1; JP5646040B2; EP2553524A1; EP2553524B1; DE102010003591A1; JP2013524266A

Abstract

본 발명은 레이저 방사선의 주파수 변환을 위한 장치(1)로서, 제1 비선형 결정(5)으로서, 제2 파장(λ₂)을 갖는 제2 레이저 비임(6)이 제1 비선형 결정(5)에서 주파수 배가에 의해 제1 파장(λ₁)을 갖는 제1 진입 레이저 비임(2)으로부터 생성되고, 제2 레이저 비임은 제1 레이저 비임(2)에 대해 동일 선상으로 진행하는, 제1 비선형 결정(5)과,
제2 비선형 결정(9)으로서, 제3 파장(λ₃)을 갖는 제3 레이저 비임(10)이 제2 비선형 결정(9)에서 주파수 혼합에 의해 상기 제1 및 제2 레이저 비임(2, 6)으로부터 생성되는, 제2 비선형 결정(6)과, 제1 비선형 결정(5)과 제2 비선형 결정(6) 사이에 배열되고 레이저 비임(2, 6)을 서로 분리시키는 기능을 하는 광학 시스템(7, 7', 8)을 포함하는, 레이저 방사선의 주파수 변환을 위한 장치(1)에 관한 것이다. 광학 시스템은, 제1 및 제2 레이저 비임(2, 6)이 분리를 수행하기 위해 광학 축(7a, 8a)에 대해 오프셋되어 그리고/또는 틸팅되어 통과하는, 적어도 하나의 렌즈(7, 8)를 갖는다. 또한, 본 발명은 주파수 변환을 위한 관련 방법에 관한 것이다.

Description

레이저 방사선의 주파수 변환을 위한 장치 및 방법{ARRANGEMENT AND METHOD FOR THE FREQUENCY CONVERSION OF LASER RADIATION}

본 발명은, 제1 비선형 결정으로서, 제2 파장을 갖는 제2 레이저 비임이 제1 비선형 결정에서 주파수 배가(frequency doubling)에 의해 제1 파장을 갖는 제1 진입 레이저 비임으로부터 생성되고, 제2 레이저 비임은 제1 레이저 비임에 대해 동일 선상으로 진행하는, 제1 비선형 결정과, 제2 비선형 결정으로서, 제3 파장을 갖는 제3 레이저 비임이 제2 비선형 결정에서 주파수 혼합에 의해 제1 및 제2 레이저 비임으로부터 생성되는, 제2 비선형 결정과, 제1 비선형 결정과 제2 비선형 결정 사이의 광학 경로에 배열되고 레이저 비임을 서로 분리시키는 기능을 하는 광학 시스템을 포함하는, 레이저 방사선의 주파수 변환을 위한 장치에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 주파수 변환을 위한 관련 방법에 관한 것이다.

레이저 오실레이터에 의해 전달된 예컨대 λ₁ = 1064 ㎚의 제1 파장(기본 파장)으로부터 중간 파워를 갖는, 즉 약 0 와트 내지 30 와트의 파워 범위의 UV 레이저 광을 발생시키기 위해, 제1 단계에서 예컨대 λ₂ = λ₁/2 = 532 ㎚의 제2 파장을 갖는 주파수 배가된 레이저 비임(소위 제2 고조파)을 비임계 위상 정합을 이용하여 제1 비선형 결정으로 생성(소위 "제2 고조파 생성" SHG)할 수 있다. 제1 단계에서, 기본파 및 제2 고조파는 선형으로 편광되며 서로에 대해 수직인 편광 방향을 갖는다. 후속적으로, 기본파 및 제2 고조파는 1/λ₃ = 1/λ₁ + 1/λ₂ = 3/λ₂에 따르는 합 주파수, 즉 이 예에선 필요에 따라 UV 범위 내에 있는 파장 λ₃ = 355 ㎚를 갖는 제3 레이저 비임을 임계 위상 정합(소위 "합 주파수 생성" SFG)을 이용하여 제2 비선형 결정에서 생성한다.

비선형 결정에서의 임계 위상 정합은 조건 k₃ = k₂ + k₁(SHG에 대해선 K₂ = 2K₁)을 충족시키기 위해 주파수 혼합에 참여하는 3개의 웨이브의 웨이브 벡터를 생성하는 것으로 공지되어 있다. 그러나 비선형 결정의 복굴절 성질 때문에, 임계 위상 정합은 2개의 진입 레이저 비임(이상 편광된 웨이브) 중 하나의 진입 레이저 비임을 소위 "워크오프(walk-off)" 각도에서 제2 진입 레이저 비임(정상 편광된 웨이브)에서 멀어지는 방향으로 진행시킨다. 2개의 레이저 비임은 소정의 전파 거리를 지난 후에 비선형 결정 내에서 분리되어 소위 공간적으로 워크오프된다.

상술된 방식으로 고파워 UV 레이저 광을 생성할 때, 제2 결정에서 기본파는 통상 정상 편광되지만 제2 결정에서 제2 고조파는 이상 편광되어, 워크오프 효과가 제2 결정에서 유발된다. 한편으론 제1 비선형 결정에서 비임계 위상 정합이 이용되어, 제1 비선형 결정에선 어떤 워크오프 효과도 유발되지 않으며, 기본파 및 제2 고조파는 제1 비선형 결정으로부터 동일 선상으로(collinearly) 방출된다.

제2 비선형 결정에서의 기본파와 제2 고조파 사이의 워크오프는, 주파수 변환이 발생되는 상호작용 길이가 감소되기 때문에, 제3 고조파(UV 방사선)를 생성할 때 효율을 감소시킨다. 워크오프 효과를 보상하는 것은 상호작용 길이를 연장시킴으로써, UV 방사선을 생성할 때 효율을 현저하게 증가시킨다.

독일 특허출원 제10143709 A1호에는 주파수 변환 동안 워크오프 효과를 보상하기 위한 방법이 개시되어 있다. 이 방법에선, 비임계 위상 정합을 갖는 제1 비선형 삼붕산 리튬(LBO) 결정이 주파수 배가에 이용되며 임계 위상 정합을 갖는 제2 LBO 결정이 제3 고조파를 생성하는데 이용된다. 비선형 광학적 성질이 배제된 복굴절 결정이 제1 비선형 결정과 제2 비선형 결정 사이에 배열된다. 복굴절 결정은 워크오프를 유발하여, 제2 비선형 결정에 대한 기본파 및 제2 고조파의 비임 오프셋을 야기한다. 비임 오프셋은 제2 LBO 결정의 워크오프에 대향하게 유도되어 제2 LBO 결정의 워크오프를 보상할 것이다.

그러나, 독일 특허출원 제10143709 A1호에 개시된 구성에선, 추가의 구성요소(복굴절 결정)가 비임 경로에 위치설정되어야 한다. 이로 인해, 더 많은 조절 작업이 필요하게 된다. 제2 비선형 결정의 워크오프 효과에 대응하는 결정의 복굴절은 온도 의존성이기 때문에, 레이저 비임을 분리시키는데 이용되는 복굴절 결정은 또한 일정한 온도로 유지되어야 한다.

또한, 유럽 특허출원공개 제0503875 A2호에는 임계 위상 정합을 이용하여 비선형 결정에서 워크오프를 보상하기 위한 다른 가능한 방법이 개시되어 있다. 이 경우, 정상 비임과 이상 비임 사이의 워크오프는 임계 위상 정합에 의해 결정 표면에 대한 소정의 각도로 동일 선상으로 결정에 충돌하는 양쪽 비임에 의해 보상된다. 레이저 광이 소정의 각도로 결정에 충돌할 때, 굴절이 유발되고 방사선의 웨이브 벡터가 편광 방향에 따라 다른 양만큼 변화된다. 결정의 진입면에 대한 결정 축(축들)의 입사 각도 및 배향을 정확하게 선택함으로써, 워크오프 효과를 보상할 수 있다. 그러나, 이런 해결책도 적절히 절단되고 조절된 비선형 결정을 마찬가지로 필요로 한다. 이와 관련하여, 결정 축/축들은 통상 결정 표면에 대해 수직으로 또는 평행하게 배향되지 않고, 결정 표면에 대해 소정의 각도를 이룬다. 따라서, 결정이 절단되는 각도는 매우 정확해야 하는데, 그 이유는 부정확한 절단 각도는 전체 결정의 틸팅(tilting) 또는 회전에 의해 보상될 수 없기 때문이다.

미국 특허출원공개 제2006/0250677호에는 워크오프를 보상하기 위한 해결책이 개시되어 있는데, 이 해결책에선 레이저 비임은 동일한 지점에서 비선형 결정에 유사하게 입사되지만 광학 시스템에 의해 사전에 분리되어 결정 표면에 대한 레이저 비임의 입사 각도가 서로 다르다. 레이저 비임 중 하나의 레이저 비임은 예컨대 수직으로 결정 표면에 충돌하지만, 다른 레이저 비임은 소정의 각도로 비선형 결정에 충돌한다. 분리를 위한 광학 시스템으로서 바이프리즘이 비선형 결정의 전방에 위치설정된다. 상이한 파장을 갖는 레이저 비임을 이용할 때, 선택적으로 이색성 비임 스플리터를 이용하는 것이 제시되어 있다. 최대의 워크오프 보상을 달성하기 위해, 비선형 결정도 마찬가지로 최적으로 절단되는데, 즉 결정 축이 결정 표면에 대해 소정의 각도를 이룬다.

본 발명의 목적은 상술된 유형의 장치를 개발하는 것과 관련된 문제점을 해결하는 것으로서, 워프오프 효과의 보상이 특히 단순한 방식으로 이루어질 수 있게 하는 것이다.

이런 문제점은 광학 시스템이 레이저 비임의 공간적 분리를 수행하기 위해 렌즈를 포함하는 상술된 유형의 장치에 의해 해결된다. 양호한 변환 효율을 달성하기 위해 레이저 비임은 (본 명세서에서 이용된 펌프 파워에서) 정상적으로 집속되어야 하기 때문에, 이런 목적을 위해 비임 경로에 사전 배치된 렌즈가 비임 형성 및 이미징을 위해서뿐만 아니라 레이저 비임의 공간적 분리를 위해서도 이용될 수도 있다는 점이 유리하다.

제1 실시예에서, 파장 의존성 분리를 위한 제1 및 제2 레이저 비임이 공간적 분리를 수행하기 위해 광학 축에 대해 오프셋되어 그리고/또는 틸팅되어 렌즈를 통과한다. 렌즈의 광학 축에 대한 레이저 비임의 오프셋 또는 틸팅은 레이저 비임이 렌즈 진입면 및 렌즈 탈출면에 비수직으로 충돌되게 하여, 렌즈 진입시의 그리고 렌즈 탈출시의 상이한 파장으로 인해 각각의 레이저 비임이 상이한 각도로 굴절된다. 따라서 렌즈를 떠난 후에, 레이저 비임은 더 이상 동일 선상으로 진행하지 않고, 서로에 대해 소정의 각도를 이룬다. 렌즈의 광학 축에 대한 레이저 비임의 비교적 작은 변위 또는 틸팅이 공간적 워크오프 효과를 보상하는데 충분하여, 레이저 비임의 너무 큰 타원율이 배제될 수 있다는 것을 알게 되었다.

일반적으로, 통상 양면 볼록 렌즈의 형태인 집속 렌즈(수렴 렌즈)가 광학 시스템에 이용된다. 그러나, 다른 유형의 수렴 렌즈, 예컨대 평면-볼록 렌즈 또는 오목-볼록 렌즈가 선택적으로 이용될 수도 있다. 이용된 렌즈 재료가 파장 의존성 굴절률을 가지며, 이용된 다른 레이저 파장에 대한 굴절률의 차이가 가능한 한 커야한다는 점이 중요하다. 본 명세서에서 이용된 파장에서, 석영 유리 및 BK7 유리가 특히 적절한 렌즈 재료임이 입증되었다. 석영 유리의 경우 1064 ㎚와 532 ㎚ 사이의 굴절률 차이는 약 △n = 0.0108이다. BK7 유리의 경우, 굴절률 차이는 △n = 0.01284이다. 일반적으로 다른 재료는 굴절률 차이가 더 적다.

렌즈(들)의 변위 또는 틸팅에 대한 대안으로서 또는 렌즈(들)의 변위 또는 틸팅에 추가하여, 렌즈들 중 적어도 하나는 분리를 수행하기 위해 복굴절(birefringent) 재료로 이루어질 수 있다. 현재의 펌프 파워에서는 어떤 경우든 렌즈가 집속을 위해 필요하기 때문에, 레이저 비임을 분리시키기 위해 렌즈를 이용하는 경우 조절 작업이 늘어나지 않는다.

광학 시스템 또는 렌즈가 제2 비선형 결정의 비임 진입면에서 제1 레이저 비임과 제2 레이저 비임 사이의 비임 오프셋을 형성하는 경우가 유리한 것으로 입증되었으며, 이런 경우에는 입방형 표준 결정이 대체로 이용될 수 있다. 그러나, 필요에 따라 분리된 레이저 비임은 또한, 미국 특허출원공개 제2006/0250677호에 개시된 방식으로 워크오프 효과를 보상하기 위해, 대응하여 절단된 비선형 결정의 진입면의 공통 지점에 상이한 각도로 충돌할 수 있다.

일 실시예에서, 광학 시스템은 제1 비선형 결정으로부터 방출된 제1 및 제2 레이저 비임의 시준을 위한 제1 렌즈와, 제1 및 제2 레이저 비임을 제2 비선형 결정으로 집속시키기 위한 제2 렌즈를 포함한다. 레이저 비임이 양쪽 렌즈를 편심적으로 통과하는 경우, 양쪽 렌즈는 레이저 비임의 분리에 기여할 수 있다. 이런 식으로, 분리 목적에 필요한 각각의 렌즈의 광학 축에 대해 레이저 비임을 너무 크게 오프셋시키지 않고도 레이저 비임의 적절한 분리를 달성할 수 있다. 또한, 광학 시스템은 3개 이상 또는 2개 미만의 렌즈를 포함할 수도 있다.

렌즈를 이용하는 경우의 추가적인 이점은 더 짧은 파장을 갖는 레이저 비임이 어느 정도 더 강하게 반사되어, (532 ㎚를 갖는)제2 레이저 비임의 초점이 (1064 ㎚를 갖는)제1 레이저 비임의 초점보다 렌즈에 더 근접하게 위치된다는 점이다. 그 결과, 제2 결정에서의 상호작용 길이 내에서 제2 레이저 비임의 직경이 제1 레이저 비임의 직경보다 어느 정도 더 작아지는데, 이는 주파수 변환에 유리한 것으로 입증되었다. 그럼에도 불구하고, 주파수 변환에 대해 이런 식으로 야기된 긍정적인 효과는 공간적 워크오프 보상에 의해 달성된 효과보다 적다.

일 실시예에서, 본 발명의 장치는 레이저 방사선을 제1 비선형 결정으로 집속시키기는 기능을 하며 제1 비선형 결정의 전방에 배열되는 렌즈를 더 포함한다. 추가의 렌즈는 제1 비선형 결정에서의 변환 효율을 증가시킬 수 있다. 이 경우 추가의 렌즈의 초점 거리는 예컨대 제1 렌즈의 초점 거리와 일치할 수 있다.

다른 실시예에서, 본 발명의 장치는 분리를 위해 이용되는 적어도 하나의 렌즈를 광학 축에 대해 수직으로 이동시키기 위한 이동 장치를 더 포함한다. 상술된 바와 같이, 기본파 및 제2 고조파(harmonic)는 UV 생성을 위한 하나 이상의 렌즈에 의해 제2 결정에서 집속된다. 광학 축으로부터 임계 방향으로 렌즈(들)을 변위시킴으로써, 레이저 비임은 굴절에 의해 발산되고 2개의 레이저 비임 사이에 비임 오프셋이 유발된다. 이상적으로, 렌즈에 의해 유발된 비임 오프셋은 레이저 비임이 제2 비선형 결정의 중간부에서 정확히 겹쳐지도록 선택된다.

이동 장치는 목표 비임 오프셋을 조절하는데 이용될 수 있는데, 비선형 결정의 온도 변동 중에 선택적으로 변경되어야 한다. 본 발명의 이동 장치는 제어 장치에 선택적으로 결합될 수 있으며, 제어 장치는 제3 레이저 비임의 출력 파워를 측정하기 위한 검출기에 결합되고 그리고 출력 파워가 최대치에 도달되도록 비임 오프셋을 조절한다. 대안으로서, 결정 온도를 안정화시키는 것도 물론 가능하다.

바람직한 실시예에서, 제1 및/또는 제2 비선형 결정은 삼붕산 리튬으로 이루어진다. 이런 재료는 예컨대 Nd:YVO₄ 레이저에 의해 전달될 때 약 1064 ㎚의 기본 파장을 갖는 레이저 방사선을 이용할 때 특히 성공적인 것으로 입증되었다.

본 발명의 장치는 제1 레이저 비임을 생성하기 위한 레이저 오실레이터를 추가로 포함할 수 있으며, 비선형 결정은 통상 공진기 외부에 배열된다. 또 다른 구성요소, 예컨대 레이저 증폭기가 레이저 오실레이터와 제1 결정 사이에 배치될 수 있다. 비선형 결정이 공진기 외부에 배열되는 경우, 주파수 변환을 위해 이용되는 제1 파장은 레이저 오실레이터의 기본 주파수에 대응하며, 특히 1064 ㎚일 수도 있다.

본 발명의 다른 양태는, 제1 비선형 결정에서 제1 파장을 갖는 제1 레이저 비임의 주파수 배가에 의해 제2 파장을 갖는 제2 레이저 비임을 생성하는 단계로서, 제2 레이저 비임은 제1 레이저 비임에 대해 동일 선상으로 진행하는, 제2 레이저 비임을 생성하는 단계와, 제2 비선형 결정에서 주파수 혼합을 이용하여 제1 및 제2 레이저 비임으로부터 제3 파장을 갖는 제3 레이저 비임을 생성하는 단계를 포함하고, 제1 및 제2 레이저 비임은 제1 비선형 결정과 제2 비선형 결정 사이의 비임 경로에 배열된 광학 시스템에서 서로 분리되는, 레이저 방사선의 주파수 변환을 위한 방법을 개시한다. 분리를 수행하기 위해, 제1 및 제2 레이저 비임은 광학 축에 대해 오프셋되어 그리고/또는 틸팅되어 광학 시스템 중 적어도 하나의 렌즈를 통과한다.

본 발명의 방법의 변경예에서, 제1 및 제2 레이저 비임은 분리를 수행하기 위해 광학 축에 대해 오프셋되어 그리고/또는 틸팅되어 렌즈를 통과한다. 대안으로서 또는 추가적으로, 렌즈는 분리를 수행하기 위해 복굴절 재료로 또한 이루어질 수 있다.

도 1a 및 도 1b는 워크오프 보상을 위해 2개의 비선형 결정, 및 2개의 렌즈와 하나의 렌즈를 각각 갖는 레이저 방사선의 주파수 변환을 위한 본 발명에 따른 장치의 실시예의 개략도이다.
도 2a 및 도 2b는 워크오프가 보상된(도 2a) 그리고 워크오프가 보상 안 된(도 1b) 임계 위상 정합을 갖는 제2 비선형 결정의 개략도이다.

본 발명의 추가적인 이점은 상세한 설명 및 도면으로부터 명확해진다. 또한, 상술된 특징부 및 이후에 개시될 구성요소는 단독으로 또는 임의의 조합으로 이용될 수 있다. 도시되고 개시된 실시예는 완전한 형태가 아니라 본 발명을 설명하기 위한 예시적인 유형으로서 이해되어야 한다.

도 1은 레이저 오실레이터(3)에 의해 생성되는 1064 ㎚의 제1 파장(λ₁)을 갖는 제1 레이저 비임(2)의 주파수 변환을 위한 장치(1)를 도시한다. 이 실시예에서, 레이저 오실레이터(3)는 레이저 매체로서 Nd:YVO₄ 레이저 결정을 갖는다. 레이저 오실레이터(3)로부터 방출된 제1 레이저 비임(2)은 렌즈(4)에 의해 삼붕산 리튬(LBO) 결정의 형태인 제1 광학적 비선형 결정(5)에 집속된다. 비임계 위상 정합된 제1 비선형 결정(5)에서, 제2 파장(λ₂ = λ₁/2 = 532 ㎚)을 갖는 제2 레이저 비임(6)이 주파수 배가에 의해 제1 레이저 비임(2)으로부터 생성되는데, 즉 제1 비선형 결정(5)은 제2 고조파를 생성하는 기능을 한다. 비임계 위상 정합으로 인해, 어떤 워크오프(walk-off) 효과도 제1 비선형 결정(5)에서 유발되지 않아, 제1 및 제2 레이저 비임(2, 6)은 제1 비선형 결정(5)을 동일 선상으로 떠난다. 2개의 레이저 비임(2, 6)은 제1 결정(5)을 떠날 때 선형으로 편광되며, 2개의 레이저 비임(2, 6)의 편광 방향은 서로에 대해 수직이다.

제1 LBO 결정(5)을 떠날 때, 동일 선상에 있는 레이저 비임(2, 6)은 제1 집속에 이용된 (다른) 렌즈(4)와 동일한 초점 거리를 갖는 제1 렌즈(7)에 의해 시준된다. 그 후, 레이저 비임(2, 6)은 제1 및 제2 레이저 비임(2, 6)으로부터 355 ㎚의 파장(λ₃)을 갖는, 즉 UV 파장 범위의 제3 레이저 비임(10)(제3 고조파)을 생성하기 위해 주파수 혼합에 의한 순서로 제2 렌즈(8)에 의해 제2 LBO 결정(9)에 집속된다. 제2 LBO 결정(9)에서 임계 위상 정합이 제1 및 제2 레이저 비임(2, 6)으로부터 합 주파수(SFG)를 형성하는데 이용된다.

도 2b에 도시된 바와 같이, 임계 위상 정합은, 2개의 레이저 비임(2, 6)이 제2 결정(9)의 동일 지점에서 진입면(9a)에 대해 동일 선상으로 그리고 수직으로 입사되더라도, 제2 결정(9)에서 제1 레이저 비임(2)으로부터 제2 레이저 비임(6)을 공간적으로 분리시킨다. 이는 2개의 레이저 비임(2, 6)이 상이한 편광 방향을 갖기 때문에 야기되는데, 이로 인해 제2 레이저 비임(6)은 복굴절성 제2 결정(9)에서 이상 편광되지만, 제1 레이저 비임(2)은 정상 편광된다. 워크오프 효과는 각각 정상 편광된 그리고 이상 편광된 2개의 레이저 비임(2, 6)을 발산시키고 그리고 중첩 길이(L), 즉 주파수 변환이 발생되는 제2 결정(9) 내에서의 길이를 상당히 감소시킨다. 중첩 구역 외의 여전히 유효한 제2 결정(9)의 길이는 제3 파장(λ₃)을 갖는 레이저 방사선을 생성하는데 더 이상 기여하지 못한다.

이런 문제점을 가능한 한 제거하기 위해, 도 1a의 장치에서 2개의 레이저 비임(2, 6)은 광학 축(7a, 8a)에 대해 오프셋되어 제1 및 제2 렌즈(7, 8)를 통과한다. 레이저 비임(2, 6)은 렌즈 표면에 수직으로 충돌하지 않기 때문에, 532 ㎚의 파장(λ₂)을 갖는 제2 레이저 비임(6)이 굴절되는 비임 방향은 1064 ㎚의 파장(λ₁)을 갖는 제1 레이저 비임(2)의 비임 방향과 다르다. 따라서, 2개의 레이저 비임(2, 6)은 발산되기 때문에, 동일한 지점에서 제2 LBO 결정에 더 이상 진입하지 못하며 진입면(9a)에서 비임 오프셋(δ)을 갖는다. 2개의 렌즈(7, 8)의 변위를 위해, 이 경우에는 워크오프에 대향하는 방향으로 제2 레이저 비임(6)의 진입 지점을 변위시켜 2개의 레이저 비임(2, 6)을 제2 결정(9)에서 수렴시키는 방식이 결정되었다. 도 2a와 도 2b의 비교로부터 명백한 바와 같이, 이런 방식으로 주파수 변환이 발생되는 상호작용 길이(L)가 증가되어, UV 생성의 효율, 즉 제3 레이저 비임(10)의 생성된 파워의 효율이 증가될 수 있다.

이상적으로, 렌즈(7, 8)에 의해 형성된 비임 오프셋(δ)은 2개의 레이저 비임(2, 6)이 제2 LBO 결정(9)의 중간부에 있는 중첩 구역에서 겹쳐지도록 선택된다. 비임 오프셋(δ)이 확실히 조절될 수 있도록, 2개의 매니퓰레이터(11, 12)(예컨대, 선형 모터)가 렌즈(7, 8)에 제공되는데, 이들 매니퓰레이터는 렌즈의 장착부에 작용하여 렌즈의 광학 축에 수직으로 렌즈를 변위시킨다. 이런 변위에 추가하여 또는 이런 변위에 대한 대안으로서, 렌즈(7, 8)의 틸팅이 또한 분리를 수행하도록 실행될 수 있다. 일반적으로, 예컨대 광학 축(7a, 8a)을 따른 전파 동안에는 어떤 분리도 수행되지 않기 때문에(도 2b 참조), 분리를 위해선 레이저 비임(2, 6)이 렌즈(7, 8)의 진입면 및 탈출면에 수직이 아닌 것이 중요하다.

또한, 도 1a의 장치는 적절히 변경될 수 있다. 따라서, 도 1b에 도시된 바와 같이, 예컨대 2개의 렌즈(7, 8) 대신, 제1 및 제2 LBO 결정(5, 9) 사이에 더 작은 초점 거리를 갖는 오직 하나의 렌즈(7')를 이용하는 것도 가능하다. 이런 경우, 렌즈(7')는 2개의 레이저 비임(2, 6)이 근축으로, 즉 광학 축을 따라 렌즈(7')에 충돌하도록 위치설정된다. 도 1a의 렌즈(7, 8)와는 달리, 도 1b의 렌즈(7')는, 제1 레이저 비임(2)은 정상 굴절되고 제2 레이저 비임(6)은 이상 굴절되어 분리가 수행되는, 복굴절 재료, 즉 방해석(calcite)으로 이루어진다. 이와 관련하여, 제1 및 제2 레이저 비임(2, 6)이 제1 결정(5)을 탈출할 때 제1 및 제2 레이저 비임(2, 6)이 서로에 대해 수직인 편광 방향을 갖는다는 사실을 이용할 수 있다.

도 1a 및 도 1b에 도시된 장치의 조합도 또한 가능하다. 예컨대, 도 1a에 도시된 장치(1)에서 2개의 렌즈(7, 8) 중 하나 또는 양자 모두도 또한 복굴절 재료로 이루어질 수 있다. 또한, 주파수 변환도 또한 본 명세서에 개시된 주파수 및 파장 외의 다른 주파수 및 파장에서 수행될 수 있다. 추가의 광학 요소, 예컨대 이색성 미러 또는 프리즘이 제2 비선형 결정(9)을 떠나는 레이저 비임(2, 6, 10)의 분리를 위해 또한 이용될 수 있다.

1 : 주파수 변환 장치 2 : 제1 레이저 비임
3 : 레이저 오실레이터 4 : 렌즈
5 : 제1 비선형 결정 6 : 제2 레이저 비임
7 : 제1 렌즈 7a, 8a : 광학 축
8 : 제2 렌즈 9 : 제2 LBO 결정
9a : 진입면 10 : 제3 레이저 비임
11, 12 : 매니퓰레이터

Claims

레이저 방사선의 주파수 변환을 위한 장치(1)이며,
제1 비선형 결정(5)으로서, 제2 파장(λ₂)을 갖는 제2 레이저 비임(6)이 제1 비선형 결정(5)에서 주파수 배가에 의해 제1 파장(λ₁)을 갖는 제1 진입 레이저 비임(2)으로부터 생성되고, 상기 제2 레이저 비임은 제1 레이저 비임(2)에 대해 동일 선상으로 진행하는, 제1 비선형 결정(5)과,
제2 비선형 결정(9)으로서, 제3 파장(λ₃)을 갖는 제3 레이저 비임(10)이 제2 비선형 결정(9)에서 주파수 혼합에 의해 상기 제1 및 제2 레이저 비임(2, 6)으로부터 생성되는, 제2 비선형 결정(6)과,
상기 제1 비선형 결정(5)과 제2 비선형 결정(6) 사이에 배열되고 레이저 비임(2, 6)을 서로 분리시키는 기능을 하는 광학 시스템(7, 7', 8)을 포함하는,
레이저 방사선의 주파수 변환을 위한 장치(1)에 있어서,
상기 광학 시스템은 분리를 수행하기 위해 적어도 하나의 렌즈(7, 7', 8)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 레이저 방사선의 주파수 변환을 위한 장치.
제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 레이저 비임(2, 6)은 분리를 수행하기 위해 광학 축(7a, 8a)에 대해 오프셋되어 그리고/또는 틸팅되어 렌즈(7, 8)를 통과하는, 레이저 방사선의 주파수 변환을 위한 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 렌즈(7')는 분리를 수행하기 위해 복굴절 재료로 이루어지는, 레이저 방사선의 주파수 변환을 위한 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광학 시스템(7, 7', 8)은 제2 비선형 결정(9)의 비임 진입면(9a)에서 제1 레이저 비임(2)과 제2 레이저 비임(6) 사이의 오프셋(δ)을 형성하는, 레이저 방사선의 주파수 변환을 위한 장치.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광학 시스템(7, 7', 8)은 제1 비선형 결정(5)으로부터 방출된 제1 및 제2 레이저 비임(2, 6)을 시준하기 위한 제1 렌즈(7)와, 상기 제1 및 제2 레이저 비임(2, 6)을 제2 비선형 결정(9)으로 집속시키기 위한 제2 렌즈(8)를 포함하는, 레이저 방사선의 주파수 변환을 위한 장치.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 레이저 비임(2)을 제1 비선형 결정(5)으로 집속시키기 위해 제1 비선형 결정(5)의 전방에 배열되는 렌즈(4)를 더 포함하는, 레이저 방사선의 주파수 변환을 위한 장치.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 렌즈(7, 8)를 광학 축(7a, 8a)에 대해 수직으로 이동시키기 위한 이동 장치(11, 12)를 더 포함하는, 레이저 방사선의 주파수 변환을 위한 장치.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 및/또는 제2 비선형 결정(5, 9)은 삼붕산 리튬으로 이루어지는, 레이저 방사선의 주파수 변환을 위한 장치.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 레이저 비임(2)을 생성하기 위한 레이저 오실레이터(3)를 더 포함하는, 레이저 방사선의 주파수 변환을 위한 장치.
제9항에 있어서, 상기 제1 파장(λ₁)은 레이저 오실레이터(3)의 기본 주파수에 대응하며, 특히 1064 ㎚의 파장인, 레이저 방사선의 주파수 변환을 위한 장치.
레이저 방사선의 주파수 변환을 위한 방법이며,
제1 비선형 결정(5)에서 제1 파장(λ₁)을 갖는 제1 레이저 비임(2)의 주파수 배가에 의해 제2 파장(λ₂)을 갖는 제2 레이저 비임(6)을 생성하는 단계로서, 상기 제2 레이저 비임(6)은 제1 레이저 비임(2)에 대해 동일 선상으로 진행하는, 제2 레이저 비임을 생성하는 단계와,
제2 비선형 결정(9)에서 주파수 혼합을 이용하여 상기 제1 및 제2 레이저 비임(2, 6)으로부터 제3 파장(λ₃)을 갖는 제3 레이저 비임(10)을 생성하는 단계를 포함하고,
상기 제1 및 제2 레이저 비임(2, 6)은 제1 비선형 결정(5)과 제2 비선형 결정(6) 사이의 비임 경로에 배열된 광학 시스템(7, 7', 8)에서 서로 분리되는,
레이저 방사선의 주파수 변환을 위한 방법에 있어서,
상기 제1 및 제2 레이저 비임(2, 6)은 분리를 수행하기 위해 상기 광학 시스템 중 적어도 하나의 렌즈(7, 7', 8)를 통과하는, 레이저 방사선의 주파수 변환을 위한 방법.
제11항에 있어서, 상기 제1 및 제2 레이저 비임(2, 6)은 분리를 수행하기 위해 광학 축(7a, 8a)에 대해 오프셋되어 그리고/또는 틸팅되어 렌즈(7, 8)를 통과하는, 레이저 방사선의 주파수 변환을 위한 방법.
제11항 또는 제12항에 있어서, 상기 렌즈(7')는 분리를 수행하기 위해 복굴절 재료로 이루어지는, 레이저 방사선의 주파수 변환을 위한 방법.