KR20130045245A - 조절가능한 반복률과 단순화된 구조를 가진 고출력 팸토초 레이저 - Google Patents

조절가능한 반복률과 단순화된 구조를 가진 고출력 팸토초 레이저 Download PDF

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마이클 카라비티스
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알콘 렌즈엑스 인코포레이티드
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Abstract

팸토초 펄스 레이저들을 구성하고 작동하기 위한 디자인들과 기술들이 제공된다. 레이저 엔진의 일 예는, 팸토초 시드 펄스들의 빔을 발생시켜 출력하는 발진기, 상기 시드 펄스들의 지속 기간을 신장시키는 신장기-압축기, 및 신장된 시드 펄스들을 수신하고, 증폭되고 신장된 펄스들을 생성하기 위해 선택된 신장된 시드 펄스들의 진폭을 증폭하며, 증폭되고 신장된 펄스들의 레이저 빔을 상기 신장기-압축기로 출력하는 증폭기;를 포함하고, 상기 신장기-압축기는 그들의 지속 기간을 압축하여 팸토초 펄스들의 레이저 빔을 출력한다. 상기 증폭기는 증폭되고 신장된 펄스들의 분산을 보상하는 분산 보상기를 포함하며, 레이저의 반복률을 스캐닝 속도에 따라 또는 수술들 사이에서 조절가능하게 만든다. 상기 레이저 엔진은 전체 광학 경로가 500미터 미만으로 콤팩트할 수 있으며, 예컨대, 50개 미만의 적은 갯수의 광학 요소들을 갖는다.

Description

조절가능한 반복률과 단순화된 구조를 가진 고출력 팸토초 레이저{HIGH POWER FEMTOSECOND LASER WITH ADJUSTABLE REPETITION RATE AND SIMPLIFIED STRUCTURE}
본원은 조절가능한 반복률을 가진 고출력 팸토초 레이저들을 포함한 팸토초 레이저들에 관한 것이다.
오늘날의 항상 도전적인 많은 레이저 어플리케이션들에서, 펄스당 고에너지들을 운반하는 더 짧은 펄스들이 계속 요구되고 있다. 이러한 특징들은 레이저 어플리케이션들에 대해 더 우수한 제어와 더 큰 작동 속도를 보장한다. 이 기술 분야의 발전에서 주목할만한 진보는 팸토초 레이저 펄스들을 출력하는 레이저 시스템들의 출현과 성숙이다. 이 팸토초 레이저들은 이 극초단 펄스들이 잘 제어된 조직 변형을 제공할 수 있는 여러 가지 상이한 유형의 안과 수술을 포함하여 광범위한 어플리케이션들을 위해 사용될 수 있다.
팸토초 펄스 레이저들을 구성하고 작동하기 위한 디자인들과 기술들이 본원에 제공되며, 본원은 처프된 펄스 증폭을 가진 레이저 시스템들의 예들과 구현예들을 포함하고, 그 구현예들 중 일부는 적은 수의 광학 요소들을 가지며, 일부는 고장의 빈도가 낮고, 다른 것들은 적절하게 작은 물리적 범위를 가지며, 또 다른 것들은 실질적인 시스템 재조절 없이 반복률들을 변화시킬 수 있도록 하고, 일부는 열 렌징(thermal lensing)에 대해 덜 민감하다.
예컨대, 레이저 엔진의 일부 예들은, 팸토초 시드 펄스들의 빔을 발생시켜 출력하는 발진기; 상기 시드 펄스들의 지속 기간을 신장시키는 신장기-압축기; 및 상기 신장기-압축기로부터 신장된 시드 펄스들을 수신하고, 증폭되고 신장된 펄스들을 생성하기 위해 선택된 상기 신장된 시드 펄스들의 진폭을 증폭하며, 증폭되고 신장된 펄스들의 레이저 빔을 출력하는 증폭기;를 포함하며, 상기 신장기-압축기는 상기 증폭되고 신장된 펄스들의 레이저 빔을 수신하고, 상기 증폭되고 신장된 펄스들의 지속 기간을 압축하며, 1,000 팸토초 미만의 펄스 지속 기간을 가진 팸토초 펄스들의 레이저 빔을 출력하고, 상기 증폭기는 상기 증폭되고 신장된 펄스들의 분산을 줄이는 분산 보상기를 포함한다.
일부 예들에서, 상기 발진기는 다이오드 펌핑형 섬유 발진기이며, 변형 제한(transform-limited) 시드 펄스들을 출력한다.
일부 예들에서, 상기 발진기는 1,000 팸토초 미만의 시드 펄스 지속 기간을 가진 빔을 발생시킨다.
일부 구현예들에서, 상기 발진기는 10 내지 100㎒ 및 20 내지 50㎒ 중 하나의 범위의 시드 펄스 반복률을 가진 빔을 출력한다.
일부 구현예들에서, 상기 신장기-압축기는 처프된 부피 브래그 격자를 포함한다.
일부 구현예들에서, 상기 신장기-압축기는 광열 굴절 유리를 포함한다.
일부 구현예들에서, 상기 신장기-압축기는 10배를 초과하여 팸토초 시드 펄스들의 지속 기간을 신장한다.
일부 구현예들에서, 상기 신장기-압축기는 상기 팸토초 시드 펄스들의 지속 기간을 1,000 내지 200,000 팸토초의 신장된 지속 기간으로 신장시킨다.
일부 구현예들에서, 상기 레이저 엔진은 조절가능한 신장기-압축기를 포함하지 않는다.
일부 구현예들에서, 상기 레이저 엔진은 상기 신장된 시드 펄스의 빔을 증폭기를 향하여 전향(redirect)시키는 λ/4 플레이트와 편광기를 상기 발진기와 상기 신장기-압축기 사이에 포함한다.
일부 구현예들에서, 상기 레이저 엔진은 패러데이 아이솔레이터를 포함하고, 상기 패러데이 아이솔레이터는 상기 신장기-압축기로부터 신장된 시드 펄스들의 빔을 수신하며, 상기 신장된 시드 펄스들의 빔을 상기 증폭기를 향하여 출력하고, 상기 증폭기로부터 상기 증폭되고 신장된 펄스들의 레이저 빔을 수신하며, 상기 증폭되고 신장된 펄스들의 레이저 빔을 상기 신장기-압축기의 압축기 포트를 향하여 출력하고, 상기 증폭되고 신장된 펄스들의 레이저 빔으로부터 상기 발진기를 격리한다.
일부 구현예들에서, 상기 증폭기는 광학 요소들을 포함하고, 상기 분산 보상기는 상기 증폭기의 광학 요소에 의해 유도된 분산에 대해 부호가 반대인 분산을 유도한다.
일부 구현예들에서, 상기 분산 보상기에 의해 유도된 분산은 당해 분산 보상기 이외의 증폭기의 광학 요소들에 의해 1회 왕복에서 유도되는 분산에 대해 부호는 반대이고 크기를 실질적으로 동일하다.
일부 구현예들에서, 상기 분산 보상기는 처프된 미러, 처프된 섬유, 처프된 격자, 프리즘 또는 처프된 투과성 광학 요소 중 적어도 하나를 포함한다.
일부 구현예들에서, 상기 증폭기는 상기 선택된 신장된 시드 펄스들의 진폭을 증폭하는 이득 물질, 공진 공동을 규정하는 2개의 단부 미러들, 및 당해 증폭기 내부에서 공진 광학 경로를 절첩하는 2개의 폴딩 미러들을 포함하고, 상기 2개의 단부 미러들과 상기 2개의 폴딩 미러들 중 적어도 하나는 처프된 미러이다.
일부 구현예들에서, 상기 처프된 미러는 상기 증폭되고 신장된 펄스들에 대해 음의 분산을 유도한다.
일부 구현예들에서, 상기 레이저 엔진은 제 1 반복률을 가진 레이저 빔을 출력하고, 그에 후속하여, 당해 레이저 엔진의 모든 광학 요소들을 본질적으로 동일하게 설정한 상태에서, 상이한 제 2 반복률을 가진 레이저 빔을 출력하도록 구성된다.
일부 구현예들에서, 상기 제 1 반복률과 상기 제 2 반복률은 10㎑ 내지 2㎒, 50㎑ 내지 1㎒, 또는 100㎑ 내지 500㎑의 범위들 중 하나 이내이다.
일부 구현예들에서, 상기 레이저 엔진은, 변형되지 않은 레이저 엔진이 상기 제 1 및 제 2 반복률들을 위해 상기 광학 요소들을 상이하게 설정하여 사용할 때, 모든 광학 요소들을 상기 제 1 반복률과 본질적으로 동일하게 설정한 상태에서 상기 제 2 반복률을 가진 레이저 빔을 출력하도록 변형될 수 있다.
일부 구현예들에서, 상기 증폭기는, 당해 증폭기의 광학적 설정을 그대로 유지하며 반복률이 변화될 때, 당해 증폭기에서 상기 증폭되고 신장된 펄스들의 변화된 왕복 횟수를 갖도록 구성된다.
일부 구현예들에서, 상기 증폭기는 1미터 미만의 단부 미러 대 단부 미러의 절첩된 광학 경로를 갖는다.
일부 구현예들에서, 상기 증폭기는 공동 덤핑형 재생 증폭기, 처프된 펄스 증폭기 또는 Q-스위치 증폭기이다.
일부 구현예들에서, 상기 증폭기는 단부 미러들 사이의 광학 경로에 전환식 편광기를 포함하고, 상기 전환식 편광기는 당해 전환식 편광기가 상기 증폭되고 신장된 펄스들의 편광을 조절하는 편광 조절 상태와 당해 전환식 편광기가 상기 증폭되고 신장된 펄스들의 편광을 본질적으로 조절하지 않는 편광 비 조절 상태로 스위칭함으로써 신장된 펄스들을 선택할 수 있다.
일부 구현예들에서, 상기 레이저 엔진은 5 나노초, 4 나노초 또는 3 나노초 미만의 상승 시간으로 편광 비 조절 상태에서 편광 조절 상태로 스위칭하도록 상기 전환식 편광기를 제어하는 고전압 파워 스위치를 포함할 수 있다.
일부 구현예들에서, 상기 레이저 엔진은 팸토초 펄스들의 레이저 빔의 제 1 반복률을 1 내지 120초, 10 내지 60초, 및 20 내지 50초 중 하나 이내의 제 2 반복률로 변환한다.
일부 구현예들에서, 상기 레이저 엔진은 팸토초 펄스들의 레이저 빔의 제 1 반복률을 1㎲ 내지 1s의 범위의 변환 시간 이내에서 제 2 반복률로 변환한다.
일부 구현예들에서, 상기 증폭기는 적어도 하나의 포커싱 미러와, 상기 포커싱 미러의 초점에 인접하여 배치된 레이저 크리스탈을 포함한다.
일부 구현예들에서, 상기 레이저 엔진은, 당해 레이저 엔진의 반복률이 제 1 값에서 제 2 값으로 변화될 때, 양 값들이 10㎑ 내지 2㎒의 범위이며, 출력되는 레이저 빔의 직경이 10% 및 20% 중 하나의 미만으로 변화하거나, 출력되는 레이저 빔의 중심이 빔의 직경의 20% 및 40% 중 하나의 미만으로 이동하도록, 구성된다.
일부 구현예들에서, 상기 레이저 빔의 팸토초 펄스들은 1 내지 100 μJ/펄스, 10 내지 50 μJ/펄스, 또는 20 내지 30 μJ/펄스 중 하나의 범위의 에너지를 갖는다.
일부 구현예들에서, 상기 레이저 엔진은 0.1W, 1W, 또는 10W 중 하나를 초과하는 파워를 가진 레이저 빔을 출력한다.
일부 구현예들에서, 상기 레이저 엔진은 안과 수술 시스템의 일부이다.
일부 구현예들에서, 레이저 엔진으로 레이저 빔을 발생시키는 방법은, 발진기로 1,000 팸토초 미만의 지속 기간을 가진 시드 펄스들의 빔을 발생시키는 단계; 펄스 신장기로 상기 시드 펄스들의 지속 기간을 신장시키는 단계; 증폭되고 신장된 펄스들을 발생시키기 위해 증폭기로 선택된 상기 신장된 시드 펄스들의 진폭을 증폭시키는 단계; 펄스 압축기로 상기 증폭되고 신장된 펄스들의 지속 기간을 1,000 팸토초 미만으로 압축하는 단계; 10㎑ 내지 2㎒ 범위의 제 1 반복률과 1,000 팸토초 미만의 펄스 지속 기간을 가진 팸토초 펄스들의 레이저 빔을 출력하는 단계; 상기 레이저 엔진의 광학적 설정을 본질적으로 변화시키지 않고 상기 제 1 반복률을 10㎑ 내지 2㎒ 범위의 제 2 반복률로 반복률을 변화시키는 단계; 및 1,000 팸토초 미만의 펄스 지속 기간과 상기 제 2 반복률을 가진 팸토초 펄스들의 레이저 빔을 출력하는 단계;를 포함한다.
일부 구현예들에서, 상기 증폭 단계는 상기 증폭기의 광학 부품들에 의해 유발되는 상기 증폭되고 신장된 펄스들의 분산을 줄이기 위해 상기 증폭기 내의 분산 보상기를 이용하는 단계를 포함한다.
일부 구현예들에서, 상기 분산을 줄이는 단계는 상기 증폭기 내의 적어도 하나의 처프된 미러에 의해 보상 분산을 유도하는 단계를 포함하고, 상기 보상 분산은 왕복 당 상기 분산 보상기 이외의 상기 증폭기의 모든 광학 요소들에 의해 유도되는 분산에 대해 부호는 반대이고 크기를 실질적으로 동일하다.
일부 구현예들에서, 상기 반복률을 변화시키는 단계는 상기 증폭기의 광학적 설정을 본질적으로 그대로 유지하며 상기 증폭기에서 왕복 횟수를 변화시키는 단계를 포함한다.
일부 구현예들에서, 상기 신장 단계와 상기 압축 단계는 동일한 신장기-압축기에 의해 실행된다.
일부 구현예들에서, 상기 제 1 반복률을 가진 상기 레이저 빔을 출력하는 단계를 완료한 후, 1 내지 120초, 10 내지 60초, 또는 20 내지 50초 중 하나 이내의 제 2 반복률을 가진 레이저 빔을 출력하는 단계를 포함한다.
일부 구현예들에서, 1㎲ 내지 1s의 범위의 변환 시간 이내에서 상기 제 1 반복률을 상기 제 2 반복률로 반복률을 변환하는 단계를 포함한다.
일부 구현예들에서, 레이저 엔진은, 1000 팸토초 미만의 펄스 지속 기간을 가진 펄스 광 빔을 발생시키는 발진기; 상기 광 빔의 펄스들의 지속 기간을 신장시키는 신장기-압축기; 및 증폭되고 신장된 펄스들을 발생시키기 위해 상기 신장된 광 펄스들의 진폭을 증폭하는 증폭기;를 포함하며, 상기 신장기-압축기는 상기 증폭되고 신장된 펄스들의 지속 기간을 압축하며, 레이저 펄스들의 빔을 출력하고, 당해 레이저 엔진은 10㎑ 내지 2㎒ 범위의 제 1 반복률을 가진 레이저 펄스들의 빔을 출력하고, 그에 후속하여, 당해 레이저 엔진의 모든 광학 요소들을 본질적으로 동일하게 설정한 상태에서, 10㎑ 내지 2㎒의 제 2 반복률을 가진 레이저 펄스들의 빔을 출력하며, 상기 레이저 펄스들의 지속 기간은 상기 제 1 및 제 2 반복률들에 대해 1000 팸토초 미만이다.
일부 구현예들에서, 상기 증폭기는 당해 증폭기의 광학 요소들에 의해 유도되는 분산을 적어도 부분적으로 보상하는 분산 보상기를 포함한다.
일부 구현예들에서, 상기 증폭기는 당해 증폭기의 단부 미러들 사이에 전환식 편광기를 포함하고, 상기 전환식 편광기는 당해 전환식 편광기가 상기 증폭되고 신장된 펄스들의 편광을 조절하는 상태와 당해 전환식 편광기가 상기 증폭되고 신장된 펄스들의 편광을 조절하지 않는 상태로 스위칭하며, 상승 시간은 5 나노초, 4 나노초 및 3 나노초 중 하나의 미만이다.
일부 구현예들에서, 상기 증폭기는 적어도 하나의 포커싱 미러와, 상기 포커싱 미러의 초점 부근에 배치된 이득 크리스탈을 포함한다.
일부 구현예들에서, 상기 레이저 엔진은 상기 제 1 반복률과 상기 제 2 반복률 사이에서 60초, 1초 및 10㎲ 중 하나의 미만의 시간 내에 변환한다.
일부 구현예들에서, 레이저 엔진은, 팸토초 시드 펄스들을 출력하는 발진기; 상기 시드 펄스들의 지속 기간을 신장시키는 신장기; 상기 신장된 시드 펄스들을 증폭되고 신장된 펄스들로 증폭하는 증폭기이며, 당해 증폭기의 광학 요소들에 의해 유도되는 상기 증폭되고 신장된 펄스들의 분산을 보상하기 위한 분산 보상기를 포함하는, 증폭기; 및 상기 증폭되고 신장된 펄스들을 수신하고, 상기 증폭되고 신장된 펄스들의 지속 기간을 압축하며, 팸토초 펄스들의 레이저 빔을 출력하는 압축기;를 포함한다.
일부 구현예들에서, 가변 반복률 레이저 엔진은 Q 스위치 공동 덤핑형 재생 증폭기를 포함하고, 상기 증폭기는 2개의 단부 미러들을 포함하며, 당해 레이저 엔진은 팸토초 레이저 펄스들을 출력하고, 상기 단부 미러들 사이의 광학 경로의 길이는 2미터 미만이다.
일부 구현예들에서, 상기 단부 미러들 사이의 광학 경로의 길이는 1미터 미만이다.
일부 구현예들에서, 상기 레이저 엔진은 상기 증폭기로 전달되는 시드 펄스들을 발생시키는 발진기를 포함하고, 상기 발진기에서 상기 시드 펄스들의 광자들이 발생되는 지점으로부터 당해 레이저 엔진이 상기 레이저 펄스들을 출력하는 지점까지 전체 자유 공간 광학 경로의 길이는 500미터, 300미터 및 150미터 중 하나의 미만이다.
일부 구현예들에서, 상기 증폭기의 공동의 모든 에지 크기들은 1미터 또는 0.5미터 중 하나의 미만이고, 상기 증폭기의 공동은 당해 증폭기의 모든 광학 요소들을 수용한다.
일부 구현예들에서, 상기 증폭기의 풋프린트는 1㎡ 또는 0.5㎡ 중 하나의 미만이다.
일부 구현예들에서, 상기 레이저 엔진은 처프된 부피 브래그 격자를 포함한 신장기-압축기를 포함한다.
일부 구현예들에서, 상기 증폭기는 당해 증폭기의 광학 요소들에 의해 유도되는 분산을 보상하는 분산 보상기를 포함한다.
일부 구현예들에서, 상기 증폭기는 레이저 펄스들의 진폭을 증폭하는 레이저 크리스탈; 및 당해 증폭기 내부에서 공진 광학 경로를 절첩하는 2개의 폴딩 미러들;을 포함하고, 상기 2개의 단부 미러들과 상기 2개의 폴딩 미러들 중 적어도 하나는 처프된 미러이다.
일부 구현예들에서, 상기 레이저 엔진은 제 1 반복률 범위의 제 1 반복률을 가진 레이저 빔을 출력하고, 그에 후속하여, 당해 레이저 엔진의 모든 광학 요소들을 본질적으로 동일하게 설정한 상태에서, 제 2 반복률 범위의 제 2 반복률을 가진 레이저 빔을 출력하도록 구성된다.
일부 구현예들에서, 상기 제 1 및 제 2 반복률들은 10㎑ 내지 2㎒, 50㎑ 내지 1㎒, 또는 100㎑ 내지 500㎑의 범위들 중 하나 이내이다.
일부 구현예들에서, 상기 레이저 엔진은 60초, 1초 및 1㎲ 중 하나의 미만의 시간에 제 1 반복률이 제 2 반복률로 변환될 수 있도록 구성된다.
일부 구현예들에서, 상기 증폭기는 상기 단부 미러들 사이에 전환식 편광기를 포함하고, 상기 전환식 편광기는 당해 전환식 편광기가 상기 증폭된 펄스들의 편광을 조절하는 상태와 당해 전환식 편광기가 상기 증폭된 펄스들의 편광을 조절하지 않는 상태로 5 나노초, 4 나노초 또는 3 나노초 중 하나의 미만에 스위칭한다.
일부 구현예들에서, 상기 증폭기는 적어도 하나의 포커싱 단부 미러와, 상기 포커싱 단부 미러의 초점에 인접하여 배치된 레이저 크리스탈을 포함한다.
일부 구현예들에서, 상기 레이저 엔진은, 팸토초 시드 펄스들의 빔을 발생시켜 출력하는 발진기; 상기 시드 펄스들의 지속 기간을 신장시키는 신장기-압축기; 및 상기 신장기-압축기로부터 신장된 시드 펄스들을 수신하고, 증폭되고 신장된 펄스들을 생성하기 위해 선택된 상기 신장된 시드 펄스들의 진폭을 증폭하며, 증폭되고 신장된 펄스들의 레이저 빔을 출력하는 증폭기;를 포함하며, 상기 신장기-압축기는 상기 증폭되고 신장된 펄스들의 레이저 빔을 수신하고, 상기 증폭되고 신장된 펄스들의 지속 기간을 압축하며, 1,000 팸토초 미만의 펄스 지속 기간을 가진 팸토초 펄스들의 레이저 빔을 출력하고, 상기 발진기에서 상기 시드 펄스들의 광자들이 발생되는 지점으로부터 당해 레이저 엔진이 상기 레이저 펄스들을 출력하는 지점까지 광학 경로의 길이는 500미터 미만이다.
일부 구현예들에서, 상기 광학 경로의 길이는 300미터 미만이다.
일부 구현예들에서, 가변 반복률 레이저 엔진은 팸토초 시드 펄스들의 빔을 발생시켜 출력하는 발진기; 상기 시드 펄스들의 지속 기간을 신장시키는 신장기-압축기; 및 증폭되고 신장된 펄스들을 생성하기 위해 선택된 상기 신장된 시드 펄스들의 진폭을 증폭하는 처프된 펄스 증폭기;를 포함하며, 상기 증폭기는 5 나노초 미만의 변환 시간을 가진 전환식 편광기를 포함하고, 상기 신장기-압축기는 상기 증폭되고 신장된 펄스들의 지속 기간을 팸토초 값으로 압축하며, 당해 레이저 엔진은 1㎡ 미만의 면적을 점유한다.
일부 구현예들에서, 상기 레이저 엔진은 수술용 레이저 시스템의 일부이고, 상기 수술용 레이저 시스템은 상기 레이저 엔진과, 당해 수술용 레이저 시스템의 상부 데크 상의 이미징 시스템을 갖는다.
일부 구현예들에서, 가변 반복률 레이저 엔진은 팸토초 시드 펄스들의 빔을 발생시켜 출력하는 발진기; 상기 시드 펄스들의 지속 기간을 신장시키는 통합형 신장기-압축기; 및 증폭되고 신장된 펄스들을 생성하기 위해 선택된 상기 신장된 시드 펄스들의 진폭을 증폭하는 Q 스위치 공동 덤핑형 재생 증폭기;를 포함하며, 상기 신장기-압축기는 팸토초 레이저 펄스들을 출력하기 위해 상기 증폭되고 신장된 펄스들의 지속 기간을 압축하고, 당해 레이저 엔진의 광학 요소들의 수는 75개 미만이다.
일부 구현예들에서, 상기 레이저 엔진의 광학 요소들의 수는 50개 미만이다.
일부 구현예들에서, 상기 발진기 이외의 부분들에서 상기 레이저 엔진의 광학 요소들의 수는 50개 미만이다.
일부 구현예들에서, 상기 발진기 이외의 부분들에서 상기 레이저 엔진의 광학 요소들의 수는 35개 미만이다.
일부 구현예들에서, 광학 요소는, 미러, 렌즈, 평행판, 편광기, 아이솔레이터, 임의의 전환식 광학 요소, 굴절 요소, 투과성 요소 또는 반사성 요소 중 하나이다.
일부 구현예들에서, 광학 요소는 공기로부터 진입하거나 공기 속으로 빠져나가는 광을 갖는다.
일부 구현예들에서, 상기 통합형 신장기-압축기는 처프된 부피 브래그 격자를 포함한다.
일부 구현예들에서, 상기 증폭기는 당해 증폭기의 광학 요소들에 의해 유도되는 분산을 보상하는 분산 보상기를 포함한다.
일부 구현예들에서, 상기 증폭기는 공진 공동을 규정하는 2개의 단부 미러들; 및 당해 증폭기 내부에서 공진 광학 경로를 절첩하는 2개의 폴딩 미러들;을 포함하고, 상기 2개의 단부 미러들과 상기 2개의 폴딩 미러들 중 적어도 하나는 처프된 미러이다.
일부 구현예들에서, 상기 레이저 엔진은 제 1 반복률 범위의 제 1 반복률을 가진 레이저 빔을 출력하고; 그에 후속하여, 당해 레이저 엔진의 모든 광학 요소들을 본질적으로 동일하게 설정한 상태에서, 제 2 반복률 범위의 제 2 반복률을 가진 레이저 빔을 출력하도록 구성되며, 상기 제 1 및 제 2 반복률들은 10㎑ 내지 2㎒, 50㎑ 내지 1㎒, 또는 100㎑ 내지 500㎑의 범위들 중 하나 이내이다.
일부 구현예들에서, 상기 레이저 엔진은 1초 미만의 변환 시간에 제 1 반복률이 제 2 반복률로 변환될 수 있도록 구성된다.
일부 구현예들에서, 상기 증폭기는 상기 단부 미러들 사이에 전환식 편광기를 포함하고, 상기 전환식 편광기는 당해 전환식 편광기가 상기 증폭되고 신장된 펄스들의 편광을 조절하는 상태와 당해 전환식 편광기가 상기 증폭되고 신장된 펄스들의 편광을 조절하지 않는 상태로 5 나노초, 4 나노초 및 3 나노초 중 하나의 미만에 스위칭할 수 있다.
일부 구현예들에서, 상기 증폭기는 적어도 하나의 포커싱 미러와, 상기 포커싱 미러의 초점에 인접하여 배치된 레이저 크리스탈을 포함한다.
일부 구현예들에서, 레이저 엔진은, 팸토초 시드 펄스들의 빔을 발생시켜 출력하는 발진기; 상기 시드 펄스들의 지속 기간을 신장시키는 신장기-압축기; 및 상기 신장기-압축기로부터 신장된 시드 펄스들을 수신하고, 증폭되고 신장된 펄스들을 생성하기 위해 선택된 상기 신장된 시드 펄스들의 진폭을 증폭하며, 증폭되고 신장된 펄스들을 출력하는 증폭기;를 포함하며, 상기 신장기-압축기는 상기 증폭되고 신장된 펄스들을 수신하고, 상기 증폭되고 신장된 펄스들의 지속 기간을 압축하며, 1,000 팸토초 미만의 펄스 지속 기간을 가진 팸토초 펄스들의 레이저 빔을 출력하고, 상기 발진기 이외의 부분들에서 당해 레이저 엔진의 광학 요소들의 수는 50개 미만이다.
일부 구현예들에서, 상기 레이저 엔진의 광학 요소들의 수는 75개 미만이다.
일부 구현예들에서, 레이저 시스템으로 스캐닝하는 방법은, 레이저 엔진으로 가변 반복률을 가진 레이저 펄스들을 발생시키는 단계; 스캐닝 레이저 전달 시스템으로 타겟 영역의 초점에 대해 상기 레이저 펄스들을 포커싱하는 단계; 상기 스캐닝 레이저 전달 시스템으로 상기 타겟 영역에서 스캐닝 속도로 상기 초점을 스캐닝하는 단계; 상기 스캐닝 속도를 변화시키는 단계; 및 반복률 컨트롤러로 상기 변화된 스캐닝 속도에 따라 상기 반복률을 조절하는 단계;를 포함한다.
일부 구현예들에서, 상기 발생시키는 단계는, 발진기로 팸토초 시드 펄스들을 발생시키는 단계; 신장기-압축기로 상기 시드 펄스들을 신장시키는 단계; 증폭기로 선택된 상기 신장된 시드 펄스들을 증폭되고 신장된 펄스들로 증폭시키는 단계; 및 상기 신장기-압축기로 상기 증폭되고 신장된 펄스들을 팸토초 레이저 펄스들로 압축하는 단계;를 포함한다.
일부 구현예들에서, 상기 방법은 상기 타겟 영역에서 레이저 발생 버블들의 밀도를 대략 선택된 값으로 거의 정확하게 유지하기 위해 상기 반복률을 조절하는 단계를 포함한다.
일부 구현예들에서, 상기 버블들의 밀도는 선 밀도, 면 밀도 또는 부피 밀도 중 하나이다.
일부 구현예들에서, 상기 반복률을 조절하는 단계는 상기 스캐닝 속도에 비례하여 상기 반복률을 조절하는 단계를 포함한다.
일부 구현예들에서, 상기 반복률을 조절하는 단계는 1㎲ 내지 1s 범위의 시간에 제 1 값에서 제 2 값으로 상기 반복률을 조절하는 단계를 포함한다.
일부 구현예들에서, 상기 초점을 스캐닝하는 단계는 최소의 가속 경로를 따라 상기 초점을 스캐닝하는 단계를 포함한다.
일부 구현예들에서, 상기 방법은, 스위치백 경로를 따라 상기 초점을 XY 스캐닝하는 단계; 및 상기 경로의 스위치백 부분에 접근할 때 상기 반복률을 감속하는 단계를 포함한다.
일부 구현예들에서, 상기 방법은 나선을 따라 상기 레이저 빔을 스캐닝하는 단계; 및 상기 스캐닝이 상기 나선의 중심에 접근할 때 상기 반복률을 감속하는 단계를 포함한다.
일부 구현예들에서, 상기 반복률을 조절하는 단계는, 변화하는 스캐닝 속도를 감지하거나 프로세서 또는 메모리로부터 변화하는 스캐닝 속도에 대한 전자 정보를 획득함으로써 변화된 스캐닝 속도에 대한 정보를 상기 반복률 컨트롤러로 수신하는 단계와, 상기 변화된 스캐닝 속도에 대해 수신된 정보에 따라 상기 반복률을 조절하는 단계를 포함한다.
일부 구현예들에서, 가변 반복률 레이저 스캐닝 시스템은 팸토초 시드 펄스들의 빔을 발생시켜 출력하는 발진기; 상기 시드 펄스들의 지속 기간을 신장시키고, 증폭기로부터 증폭되고 신장된 펄스들을 수신하며, 상기 증폭되고 신장된 펄스들의 지속 기간을 압축하고, 반복률을 가진 팸토초 펄스들의 레이저 빔을 출력하는 신장기-압축기; 상기 신장기-압축기로부터 신장된 시드 펄스들을 수신하고, 증폭되고 신장된 펄스들을 생성하기 위해 선택된 상기 신장된 시드 펄스들의 진폭을 증폭하며, 증폭되고 신장된 펄스들을 상기 신장기-압축기를 향하여 출력하는 증폭기; 및 광파괴 스팟들을 발생시키기 위해 가변 스캐닝 속도로 타겟 영역에서 상기 레이저 빔의 초점을 스캐닝하는 스캐닝 광학장치;를 포함하고, 상기 레이저 스캐닝 시스템은 미리 정해진 밀도 프로파일을 가진 광파괴 스팟들을 생성하기 위해 상기 반복률을 변화시킨다.
일부 구현예들에서, 상기 증폭기는 상기 증폭되고 신장된 펄스들의 분산을 줄이는 분산 보상기를 포함한다.
일부 구현예들에서, 상기 증폭기는 당해 증폭기에서 상기 신장된 펄스들의 편광 평면을 회전시키는 전환식 편광기를 포함하며, 상기 전환식 편광기의 상승 시간은 5 나노초, 4 나노초 또는 3 나노초 중 하나의 미만이다.
일부 구현예들에서, 상기 레이저 스캐닝 시스템은 상기 전환식 편광기가 5 나노초, 4 나노초 및 3 나노초 중 하나 미만의 상승 시간으로 스위칭하도록 하기 위해 상기 전환식 편광기에 대해 제어 신호들을 인가하는 제어 전자장치를 포함한다.
일부 구현예들에서, 레이저 엔진으로 스캐닝하는 방법은, 반복률을 가진 팸토초 레이저 펄스들을 발생시키는 단계; 광파괴 스팟들을 발생시키기 위해 타겟 영역에서 초점에 대해 상기 레이저 펄스들을 포커싱하는 단계; 스캐닝 속도로 상기 타겟 영역에서 상기 초점을 스캐닝하는 단계; 및 밀도 프로파일을 가진 광파괴 스팟들을 생성하기 위해 상기 스캐닝 단계에서 상기 반복률을 조절하는 단계;를 포함한다.
일부 구현예들에서, 상기 조절하는 단계는 타겟 영역에서 본질적으로 균일하게 유지되는 선 스팟 밀도, 면 스팟 밀도 및 부피 스팟 밀도 중 하나를 가진 광파괴 스팟들을 생성하는 단계를 포함한다.
일부 구현예들에서, 상기 조절하는 단계는 상기 스캐닝 속도의 변화에 따라 상기 반복률을 조절하는 단계를 포함한다.
일부 구현예들에서, 상기 조절하는 단계는 상기 스캐닝 속도에 비례하여 상기 반복률을 조절하는 단계를 포함한다.
일부 구현예들에서, 상기 반복률을 조절하는 단계는 1㎲ 내지 1s 범위의 시간에 제 1 값에서 제 2 값으로 상기 반복률을 조절하는 단계를 포함한다.
일부 구현예들에서, 상기 발생시키는 단계는, 발진기로 팸토초 시드 펄스들을 발생시키는 단계; 신장기-압축기로 상기 시드 펄스들을 신장시키는 단계; 증폭기로 선택된 상기 신장된 시드 펄스들을 증폭되고 신장된 펄스들로 증폭시키는 단계; 및 상기 신장기-압축기로 상기 증폭되고 신장된 펄스들을 팸토초 레이저 펄스들로 압축하는 단계;를 포함한다.
일부 구현예들에서, 상기 초점을 스캐닝하는 단계는 최소의 가속 경로를 따라 상기 초점을 스캐닝하는 단계를 포함한다.
일부 구현예들에서, 상기 방법은, 스위치백 경로를 따라 상기 초점을 스캐닝하는 단계; 및 상기 경로의 스위치백 부분에 접근할 때 상기 반복률을 감속하는 단계를 포함한다.
일부 구현예들에서, 상기 방법은 나선을 따라 상기 레이저 빔을 스캐닝하는 단계; 및 상기 나선의 중심에 접근하는 스캐닝에 따라 상기 반복률을 감속하는 단계;를 포함한다.
일부 구현예들에서, 상기 방법은 라인의 코너와 라인의 단부 중 하나를 따라 상기 레이저 빔을 스캐닝하는 단계; 및 상기 라인의 코너와 라인의 단부 중 하나에 접근하는 스캐닝에 따라 상기 반복률을 감소하는 단계;를 포함한다.
일부 구현예들에서, 상기 방법은 상기 스캐닝 속도에 대해 저장되거나 감지된 정보를 수신하는 단계; 및 상기 스캐닝 속도에 관해 수신된 정보에 따라 상기 반복률을 조절하는 단계;를 포함한다.
일부 구현예들에서, 상기 방법은 상기 타겟 영역에 대해 감지되거나 이미지화된 정보를 수신하는 단계; 및 상기 타겟 영역에 관해 수신된 정보에 따라 상기 반복률을 조절하는 단계;를 포함한다.
일부 구현예들에서, 레이저 엔진은 팸토초 시드 광학 펄스들을 출력하는 발진기와, 증폭된 광학 펄스들을 생성하기 위해 시드 광학 펄스들을 증폭하는 증폭기를 포함할 수 있다. 이 증폭기는 상기 시드 광학 펄스들을 수신하여 순환시키기 위해 커플링된 광학 공동과, 상기 광학 공동 속으로 상기 수신된 시드 광학 펄스들의 광의 커플링을 제어하고 상기 증폭기의 출력 광으로서 상기 광학 공동 내부에서 광의 커플링을 제어하기 위해 상기 광학 공동에 커플링된 광학 스위치 장치를 포함한다. 상기 광학 스위치 장치는 상기 증폭기에 의해 생성된 상기 증폭된 광학 펄스들의 펄스 반복률을 제어 및 조절하기 위해 상기 광학 공동 내부에서 커플링된 광의 왕복 횟수를 제어 및 조절하도록 구성된다. 또한, 상기 증폭기는 상기 시드 광학 펄스들을 증폭된 광학 펄스들로 증폭하기 위한 상기 광학 공동 내부의 광학 이득 매체와, 당해 증폭기에 의해 유도되는 상기 증폭된 광학 펄스들의 분산을 보상하기 위한 상기 광학 공동 내부의 분산 보상기를 포함한다. 상기 레이저 엔진은, 각각의 시드 광학 펄스가 상기 증폭기에 커플링되기 전에 상기 시드 광학 펄스들의 지속 기간을 신장시키고 상기 증폭된 광학 펄스들을 생성하기 위해 상기 증폭기에 의해 출력되는 상기 증폭된 광학 펄스들의 지속 기간을 압축하는 상기 증폭기 외부의 하나 또는 그 초과의 광학 요소들을 포함한다. 상기 레이저 엔진은 상기 증폭기에 의해 유도되는 상기 증폭된 광학 펄스들의 분산을 보상하기 위해 제공되는 분산 보상 장치가 상기 증폭기 외부에 없도록 구성될 수 있다.
또 다른 구현예들에서, 팸토초 광학 펄스들을 생성하기 위해 레이저 엔진을 작동시키는 방법은, 각각의 펄스에서 감소된 광학 파워를 가진 신장된 시드 광학 펄스들을 생성하기 위해 팸토초 시드 광학 펄스들을 신장시키는 단계; 및 증폭되고 신장된 광학 펄스들을 생성하도록 각각의 신장된 시드 광학 펄스의 광학 파워를 증폭시키기 위해 광학 증폭기의 광학 공동 속으로 상기 신장된 시드 광학 펄스들을 커플링하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 광학 증폭기 내부에서, 각각의 광학 펄스에 대해 분산 보상을 제공하기 위해 광학 보상기가 사용되며, 상기 광학 보상기는, 상기 분산 보상기에 의해 유발되는 분산을 제외하고, 상기 증폭기의 광학 공동 내에서 광의 1회 왕복 이내에서 상기 증폭기에 의해 유도되는 분산과 실질적으로 크기가 동일하며 부호는 반대인 분산을 유도하도록 구성된다. 이 방법은 상기 광학 공동 속으로 상기 신장된 시드 광학 펄스들의 광의 커플링을 제어하고 상기 광학 공동으로부터의 상기 증폭되고 신장된 광학 펄스들의 광의 커플링을 제어하기 위해 상기 광학 공동에 커플링된 광학 스위치 장치를 작동시키는 단계; 상기 레이저 엔진의 출력으로서 압축되고 증폭된 광학 펄스들을 생성하기 위해 상기 광학 공동으로부터 상기 증폭되고 신장된 광학 펄스들을 압축하는 단계; 및 상기 증폭기에 의해 유도되는 분산을 보상하기 위해, 상기 증폭기의 외부에 위치된 분산 보상 장치를 사용하지 않고, 상기 압축되고 증폭된 광학 펄스들의 펄스 반복률을 제어 및 조절하기 위해 상기 광학 공동 내부에서 광의 왕복 횟수를 제어 및 조절하도록 상기 광학 스위치 장치를 작동시키는 단계;를 포함한다.
도 1a 및 도 1b는 고출력 팸토초 레이저 엔진(1)의 2개의 실시예들을 도시하고 있다.
도 2는 고출력 팸토초 레이저 엔진(1)의 실시예를 더 상세하게 도시하고 있다.
도 3a는 레이저 펄스의 처핑의 개념을 도시하고 있다.
도 3b는 신장기(200')와 압축기(400)의 예를 도시하고 있다.
도 3c는 통합형 신장기-압축기(200)의 실시예를 도시하고 있다.
도 4는 증폭기(300)의 실시예를 도시하고 있다.
도 5a 및 도 5b는 레이저 공동의 펌프-이득-덤프 사이클을 도시하고 있다.
도 6a 내지 도 6d는 일정 및 가변 반복률들을 가진 스캐닝 수술 패턴들을 도시하고 있다.
도 7a 및 도 7b는 증폭기(300)에서 레이저 크리스탈(310)의 2개의 상이한 온도들에서 열 렌징과 관련한 디자인 챌린지(design challenges)들을 도시하고 있다.
도 7c 및 도 7d는 열 렌징이 감소된 증폭기(300)의 2개의 실시예들을 도시하고 있다.
도 8은 작동 온도의 함수로서 빔 광학 파워의 의존성을 도시하고 있다.
초기의 팸토초 레이저들에서, 극히 짧은 펄스 길이로 인하여 이 펄스들의 출력이 극히 높아졌다. 그러나, 이러한 고출력은 레이저들의 이득 매체를 손상시킬 위험이 있다. 처프된 펄스 증폭(CPA)의 형태로 해결책이 대두되었다. 이 기술에서, 팸토초 시드 펄스들이 발생된 다음, 시드 펄스의 길이가 피코초 범위로 10 내지 1000배 신장됨으로써, 펄스 내의 출력을 급격하게 감소시킨다. 이와 같이 신장된 펄스들은 손상을 유발하지 않고 이득 매체에 의해 안전하게 증폭될 수 있다. 증폭에 이어서, 증폭된 펄스들의 길이를 팸토초로 다시 압축하는 압축이 이루어진다. 이 CPA 접근법은 오늘날 수많은 어플리케이션들에 도입되었다.
그러나, CPA 레어저들은 단점들을 또한 갖고 있다. 통상적으로, 이 레이저들은 많은 수의 광학 요소들을 갖고, 그에 대응하여 상당히 복잡하다. 이 요인들은 고장의 빈도를 상당히 높게 만들고, 레이저들이 안정적으로 스위치 온/오프될 수 있는 횟수를 저감시킨다. 또한, CPA 레이저들의 매우 큰 크기는, 이들이 외과 병실들 또는 수술실들의 한정된 공간에서 사용되기 때문에, 의료 장치들에 대한 이들의 통합을 매우 어렵게 만든다. 또한, 서로 다른 수술들을 위해 펄스들의 반복률을 변화시켜야 한다면, 이러한 변화로 인해 시간 소모적인 수많은 광학 요소들의 재조절이 필요하다. 또한, 열 렌징은 대부분의 CPA 레이저들의 광학 성능에 상당한 영향을 미치며, 레이저의 작동 출력에 대해 이들을 매우 민감하게 만든다. 이러한 민감도는 반복률 변화에 대한 또 다른 장애이다.
본 명세서에 개시된 팸토초 펄스 레이저들을 구성하고 작동시키기 위한 레이저 디자인들과 기술들은 역시 다른 팸토초 펄스 레이저들의 다양한 기술적 문제들을 해소하기 위해 구현될 수 있다.
도 1a는 발진기(100), 신장기-압축기(200) 및 광학 증폭기(300)를 포함하는 처프된 펄스 증폭(CPA) 또는 공동 덤핑형 재생 증폭기(CDRA) 레이저 엔진(1)을 도시하고 있다.
발진기(100)는 팸토초 시드 펄스들의 빔을 발생시켜 출력할 수 있다. 신장기-압축기(200)는 이 시드 펄스들의 지속 기간을 신장시킬 수 있다. 증폭기(300)는 신장기-압축기(200)로부터 신장된 시드 펄스들을 수신하고, 신장된 펄스들의 진폭을 증폭하며, 증폭되고 신장된 펄스들의 레이저 빔을 출력할 수 있다. 이 증폭되고 신장된 펄스들은 신장기-압축기(200)에 광학적으로 다시 커플링될 수 있으며, 상기 신장기-압축기는 상기 증폭되고 신장된 펄스들의 지속 기간을 압축하고 팸토초 펄스들의 레이저 빔을 출력할 수 있다.
도 1b는 다른 CPA 레이저 엔진(1')의 예를 도시하고 있으며, 광학 발진기(100')와 광학 펄스 신장기(200')로부터의 하류에 있는 광학 증폭기(300')가 상기 증폭되고 신장된 펄스들을 별도의 압축기(400)에 광학적으로 커플링할 수 있으며, 상기 압축기는 상기 증폭되고 신장된 펄스들을 압축하고 팸토초 펄스들의 레이저 빔을 출력할 수 있다.
레이저 엔진(1,1')들에 대한 설명은 많은 제어 기능들과 방법 단계들을 포함한다. 이 기능들과 단계들은 하나 또는 그 초과의 컨트롤러들, 프로세서들 및 다른 컴퓨터-컨트롤러들에 의해 제어될 수 있다. 이 컨트롤러들, 프로세서들 및 컴퓨터-커트롤러들은 서로 상호작용하는 최신 소프트웨어를 사용할 수 있다. 설명의 명료함을 위하여, 이 프로세서들, 컨트롤러들 및 그들의 대응하는 소프트웨어는 본 명세서의 도면들에 표시되지 않았으나, 일부 구현예들에서 레이저 엔진(1,1')들에 대한 설명의 일부이다.
본원에서 예들 중 몇 개는 백내장 수술, 낭절개술 또는 각막 수술과 같은 안과적 응용과 관련하여 설명될 것이나, 상기 레이저 엔진(1)의 구현예들은 망막 및 각막 수술과 같은 매우 다양한 안과 수술들을 포함하는 상당히 광범위한 응용예 뿐만 아니라 피부과 및 치과적 응용예, 다른 수술적 응용예, 및 레이저 광파괴 또는 몇몇 다른 레이저 보조 프로세스로 재료를 성형하는 다양한 재료 기계가공 응용예에서 사용될 수 있다.
전술한 바와 같이, 일부 처프된 펄스 증폭(CPA/CDRA) 레이저 엔진의 여러 가지 단점들이 있다. 레이저 엔진(1)의 실시예들은, 하기된 디자인 원리들 중 일부 또는 전부 뿐만 아니라 다른 디자인 고려사항을 채용함으로써, 이 문제점들에 대한 해결책들을 제공하도록 구성될 수 있다.
(1) 많은 레이저들은 그들의 디자인을 복잡하고 값비싸게 만드는 백 개 또는 그 이상과 같은 수많은 광학 요소들을 갖는다. 이와 관련하여, 상기 레이저 엔진(1)의 실시예들은 모두 합쳐 50개 정도로 적은 광학 요소들 가질 수 있으며, 발진기(100) 외부에 35개를 초과하지 않는 광학 요소들을 가질 수 있다.
(2) 수많은 광학 요소들과 그에 대응하는 복잡성을 가진 레이저들은 고장의 빈도가 높을 수 있다. 일부 CPA/CDRA 레이저들에서, 레이저가 "사이클"된 후, 즉 30 내지 40회 스위치 온 오프된 후, 고장 가능성이 상당히 높아질 수 있다. 그러한 시스템들은 레이저의 정상 작동시 실제 고장이 발생하지 않도록 30 내지 40회의 스위칭 사이클 후 또는 더 자주 예방적 유지보수가 필요할 수 있다.
이와 관련하여, 훨씬 줄어든 광학 요소들의 갯수와 신규한 분산 제어 해결책 때문에, 상기 레이저 엔진(1)의 실시예들은 정상 작동을 기대하며 100, 120 또는 그 이상의 횟수 사이클링될 수 있음으로써, 필요한 정비의 빈도를 크게 줄이고 전체적인 신뢰도를 향상시킨다.
(3) 일부 CPA/CDRA 레이저의 큰 물리적 크기와 그에 대응하여 긴 왕복 지속 기간은 하기한 바와 같이 긴 충전 시간들로 바뀌고, 이에 따라 그들의 반복률과 아울러 공간이 한정된 수술 장치들에서 사용하기 위한 그들의 유용성을 제한한다.
이와 관련하여, 상기 레이저 엔진(1)의 실시예들은 콤팩트한 공진 공동을 가질 수 있으며, 상기 공진 공동은 일부 실시예에서는 1미터 미만이며 다른 실시예들에서는 2미터 미만인 단부 미러 대 단부 미러 광학 경로를 가질 수 있다. 또한, 이러한 소형화(compactness)는 300, 500 또는 심지어 1,000㎑ 정도로 높을 수 있는 레이저 엔진(1)의 높은 반복률들에 기여하는 요인이다.
상기 소형화는, 이 레이저들의 높은 반복률에도 불구하고 150미터 정로로 낮은, 공동 내의 모든 왕복을 포함하여 광자 발생 지점으로부터 퇴출 지점까지 측정된 전체 광학 경로로 바뀔 수 있다.
(4) 일부 CPA/CDRA 레이저들은 특정 반복률에서 작동하도록 미세하게 조절된다. 이러한 조절은 특정 반복률에서 증폭기(300)와 신장기(200)의 분산을 압축기(200/400)로 보상하는 것을 포함한다. 그러나, 어플리케이션이 반복률의 변화를 필요로 하면, 상기 신장기와 증폭기가 이 새로운 반복률에서 다른 분산을 유발하여, CPA/CDRA 레이저의 미세하게 조절된 분산 보상을 잘못되게 한다. 이 변화된 분산을 보상하기 위해, 통상적으로, 압축기(200/400)와 신장기(200)의 광학 요소들은 시간 소모적인 절차로 재조절되어야만 한다. 이러한 재조절은 안과 수술 절차들의 시간 측도에 따라 이 CPA/CDRA 레이저들의 반복률을 변화시키는 것을 기술적으로 번거롭게 만든다. 따라서, 대부분의 상용 안과 CPA 레이저들은 가변 반복률 기능을 제공하지 않으며, 수술 절차들에서 변화가능한 반복률을 제공하지 않는다.
이와 관련하여, 상기 레이저 엔진(1)의 실시예들은 증폭기(300)에 의해 유발되는 레이저 빔의 분산을 줄이거나 심지어 최소화할 수 있는 분산 컨트롤러 또는 분산 보상기를 포함할 수 있다. 이러한 분산 최소화는 레이저 엔진(1)의 광학 요소들의 시간 소모적인 재조절 없이 반복률의 변화를 허용한다. 따라서, 분산 컨트롤러가 포함됨에 따라, 분초를 다투는 수술 절차들에서 반복률의 변화가 가능하게 된다. 일 예는 백내장 수술을 위해 제 1 반복률을 사용하고 낭절개술 또는 각막 수술을 위해 제 2 반복률을 사용하는 것이다. 잘 알려진 바와 같이, 이 수술들에서, 시간 요인이 상당히 중요하다.
(5) 일부 예들에서, 수술 절차 내에서, 레이저 빔들이 고정된 반복률들을 가질 때, 불균일한 밀도를 가진 레이저 스팟들을 위치시키기 위해 절단-패턴들이 사용될 수 있다. 그 예들로서, 좁아지거나 넓어지는 나선에서 또는 스캐닝 패턴의 전환점 주위에서 스캐닝 속도를 감속하는 것이 포함된다.
이와 관련하여, 상기 레이저 엔진(1)의 실시예들은 본질적으로 연속적으로 조절가능한 반복률을 갖고, 스캐닝 속도의 변화를 보상하기 위해 스캐닝 속도의 변화에 거의 동조하여 반복률을 조절하도록 구성될 수 있으며, 이에 따라, 거의 일정한 밀도 또는 미리 정해진 밀도 프로파일을 가진 레이저 스팟의 형성을 허용한다.
(6) 또한, 열 렌징은 일부 CPA/CDRA 레이저들의 광학 성능에 부정적인 영향을 미치며, 레이저 빔의 출력과 반복률의 변화에 대해 이들을 바람직하지 않게 민감하게 만든다. 이와 관련하여, 상기 레이저 엔진(1)의 실시예들은 열 렌징 보상 기술들을 이용할 수 있으며, 인가된 레이저 빔의 출력과 반복률의 변화에 대해 이 실시예들을 상당히 둔감하게 만든다.
도 2는 레이저 엔진(1)의 특수한 구현예를 상세하게 도시하고 있다. 발진기(100)는 레이저 엔진(1)의 시드 펄스들을 발생시켜 출력할 수 있는 매우 다양한 광 소오스들일 수 있다. 다이오드 펌핑형 섬유 발진기들이 예로서 포함된다. 발진기는 단일 다이오드, 에컨대, 808㎚ 파장에서 작동하는 GaAs 다이오드 또는 매우 다양한 다른 다이오드들을 포함할 수 있다.
섬유 발진기들은 자유 공간 빔 전파에 기초한 발진기들보다 훨씬 더 작다. 수술실의 혼잡함이 엄격히 제한되는 수술적 응용예에서, 레이저 엔진의 공간적인 크기를 줄이는 것은 매우 소중한 디자인적 특징이다.
일부 예들에서, 발진기는 고품질의 시드 펄스들을 출력한다. 여러 가지 요인들이 하기한 바와 같이 높은 펄스 품질에 기여할 수 있다.
(ⅰ) 일부 실시예들에서, 다이오드는 당해 다이오드 내부의 부피 브래그 격자와 같은 주파수 안정화 바(frequency stabilizing bar)를 포함할 수 있다. 그러한 격자들은 노이즈가 낮고 높은 펄스 대 펄스 안정성을 펄스들에 대해 제공할 수 있다. 섬유는 Nd 또는 Yb로 도핑된 글라스로 형성될 수 있다.
(ⅱ) 발진기(100)는 반도체 포화성 흡수체 미러 또는 SESAM을 포함할 수 있다. 하나 또는 그 초과의 SESAM들을 사용함으로써, 발생된 펄스들 내에서 모드들의 간섭성을 향상시키고, 본질적으로 모드가 로킹된 작동으로 이어진다.
상술한 디자인 원리들을 가진 발진기들은 본질적으로 변형이 제한된 시드 펄스들, 예컨대, 가우스 형상을 가진 시드 펄스들을 출력할 수 있다. 일부 예들에서, 평정(flat-top) 펄스들이 또한 발생될 수 있다. 펄스 지속 기간은 1,000 팸토초(fs) 미만일 수 있다. 일부 구현예들에서, 펄스 지속 기간은 50 내지 1,000 팸토초 범위일 수 있고, 일부 다른 구현예들에서, 100 내지 500 팸토초 범위일 수 있다. 시드 펄스 주파수 또는 반복률은 10 내지 100㎒ 범위일 수 있고, 다른 실시예들에서, 20 내지 50㎒ 범위일 수 있다. 그렇지만, 시드 펄스 주파수를 10 또는 20㎒ 미만으로 낮추면, 일련의 디자인 챌린지를 높이게 된다. 이러한 이유로, 대부분의 발진기들은 20㎒ 이상의 주파수들에서 작동한다.
시드 펄스들의 빔의 출력은 10 내지 1000mW 범위이고, 다른 실시예들에서 100 내지 200mW 범위일 수 있다.
많은 타이밍을 고려하여, 발진기(100)가 마스터 클록으로서 사용될 수 있다.
신장기-압축기(200)는 서로 다른 주파수의 펄스 성분들에 대해 서로 다른 지연 시간들을 유도함으로써 시드 펄스들을 신장시킬 수 있다. 즉, 신장기-압축기는 분산 또는 처프를 유도할 수 있다.
도 3a는 이러한 처프를 상세하게 도시하고 있다. 신장기-압축기(200)는 펄스의 대부분의 지속 기간 동안 그 주파수 콘텐츠 또는 스펙트럼이 거의 일정하거나 "백색"인 짧은 펄스를 수신할 수 있다. 즉, 펄스의 초기에 서로 다른 주파수 성분들의 진폭이 거의 균일하고 펄스의 지속 기간 동안 그렇게 유지된다. 신장기-압축기(200)는, 그러한 "백색" 펄스들의 적색, 녹색 및 청색 성분들에 대해 서로 다른 지연 시간들을 유도함으로써, 펄스 길이를 신장시킬 수 있다. 따라서, 신장기-압축기(200)에 의해 출력되는 주파수 콘텐츠 또는 스펙트럼이 시간 종속적이 될 수 있다. 통상적인 관례에 따라, 선두부에서 적색 주파수가 우세한 반면 후미부에서 청색 주파수가 우세한 펄스들을 양의 분산 또는 처프를 갖는다고 한다.
본 명세서는 시간 도메인에서의 처프, 즉, 높고 낮은 주파수 성분들의 상대적 지연을 인용한다. 공간적 처프, 즉, 빔 내부에서 공간적으로 높고 낮은 주파수 성분들의 분리는 다양한 추가적 디자인 챌린지들을 일으키며, 신장기(200') 또는 신장기-압축기(200)의 소망하는 기능들 중 하나는 아니다.
상기 신장기-압축기(200) 또는 상기 신장기(200')는, 펄스의 선두부에 적색 콘텐츠를 강화하고 펄스의 후미부에서 청색 콘텐츠를 강화함으로써, 초기에 백색인 시드 펄스들에 양의 처프를 유도할 수 있다. 이와 유사하게, 상기 신장기-압축기(200) 또는 상기 신장기(200')에 의해 비백색 펄스들이 또한 처프될 수 있다.
상기 신장기-압축기(200)는 팸토초 시드 펄스들의 지속 기간을 50 내지 1,000팸토초 범위로부터 1,000 내지 200,000팸토초, 또는 1 내지 200 피코초 또는 심지어 500ps까지의 신장된 지속 기간으로 신장시킬 수 있다. 상기 신장기-압축기(200)는 팸토초 시드 펄스들의 지속 기간을 10배 이상 신장시킬 수 있다. 일부 경우들에서, 신장 인수는 102, 103, 104 또는 105를 초과할 수 있다. 이 신장 인수들은 각각 증폭기(300)에 대해 서로 다른 디자인 기준을 유도한다.
도 3b는 도 1b에 도시된 유형의 레이저 엔진(1')이 신장기(200')와 별도의 압축기(400)를 사용할 수 있음을 도시하고 있다. 신장기(200')는 제 1 격자(201), 렌즈(202), 제 2 격자(203) 및 미러(204)를 포함할 수 있다. 짧은 펄스(211)가 신장기(200')에 진입할 때, 제 1 격자(201)는 서로 다른 주파수 성분들을 서로 다른 방향들로 굴절시킬 수 있다. 제 1 격자(201)를 빠져나갈 때, 발산 광선들이 렌즈(202)로 전파하여 제 2 격자(203)로 전향될 수 있다. 일부 실시예들은 렌즈(202) 대신 2개의 렌즈들을 사용할 수 있다. 제 2 격자(203)가 제 1 격자(201)와 각도를 형성하기 때문에, 서로 다른 주파수 광선들이 발산 방향들로 전파하고, 서로 다른 주파수 성분들이 서로 다른 거리를 이동하며, 그렇게 하기 위해 서로 다른 시간을 필요로 한다.
예컨대, 도 3b의 신장기(200')에서, 스펙트럼의 청색 영역 내의 주파수들을 가진 성분들은 적색 영역 내의 성분들 보다 더 긴 거리를 이동하며, 입사된 짧은 펄스의 적색 성분에 대한 지연을 획득한다. 여기서 그리고 전체적으로, 용어 "청색"과 "적색"은 도시적이며 상대적인 방식으로 사용된다. 이들은 각각 더 짧고 더 긴 파장들을 가진 펄스 스펙트럼의 성분들을 의미한다. 특정 구현예들에서, 레이저 평균 파장은 1000 내지 1100㎚일 수 있으며, 펄스의 대역폭은 2 내지 50㎚ 범위일 수 있고, 일부 예들에서, 5 내지 20㎚일 수 있다. 이 예에서, 펄스의 전체 스펙트럼이 적외선 영역에 있다. 이 예에서, 용어 "청색"과 "적색"은 각각 펄스의 대역폭 내에서 더 짧고 더 긴 파장들을 가진 적외선 스펙트럼의 부분들을 의미한다.
제 2 격자(203)의 기능들은 처프의 부분적인 제어, 즉, 적색 성분에 대한 청색 성분의 지연과 아울러, 미러(204)에 의한 반사에 적합하게 만드는 본질적으로 평행한 빔에 대한 빔의 회복을 포함한다. 미러(204)는 주파수 분리된 평행 광선들을 반사시키고, 이들은 제 2 격자(203), 렌즈(202) 및 제 1 격자(201)를 통한 그들의 광학 경로를 되돌아 간다. 펄스가 제 1 격자(201)를 빠져나갈 때까지, 펄스의 청색 성분은 상당히 더 긴 거리를 이동하므로 적색 성분에 뒤쳐진다.
이러한 지연은 출력되는 펄스에 대해 적어도 세 가지 영향을 미친다. (ⅰ) 펄스 길이가 상당히 더 길어지고, (ⅱ) 서로 다른 주파수 성분들의 진폭들이 결국 서로에 대해 쉬프트되며, 적색 성분들을 펄스의 선두 에지로 쉬프트하고 청색 성분들을 후미 에지로 쉬프트하거나, 또는 그 반대로 쉬프트하며, (ⅲ) 펄스의 전체 에너지가 더 긴 펄스 길이에 분포되어, 출력되는 펄스의 광학 출력을 감소시킨다. 일부 예들에서, 펄스 지속 기간이 100배, 1000배 또는 그 이상 신장될 수 있으며, 그에 대응하여 출력이 100배, 1000배 또는 그 이상 감소될 수 있다. 요컨대, 상기 신장기-압축기(200) 또는 신장기(200')는 펄스를 신장시킬 수 있으며, 양의 처프를 유도함으로써, 펄스의 출력을 실질적으로 감소시킨다.
전술한 바와 같이, 후속하는 증폭기(300)의 공동 광학계가 과다하게 높은 출력을 가진 펄스에 노출되지 않아서 빔에 의한 손상을 피하기 때문에, 펄스의 피크 출력을 감소시키는 것이 CPA/CDRA 레이저들의 유리한 양태이다.
도 3b는 제 3 격자(205), 제 4 격자(207) 및 미러(208)를 포함할 수 있는 압축기(400)의 예를 또한 도시하고 있다. 일부 예들은 이 격자들 사이에 렌즈를 갖지 않는 반면, 다른 실시예들은 하나 또는 두 개의 렌즈들을 갖는다. 제 3 격자(205)는 신장기(200')의 제 1 격자(201)와 유사하게 서로 다른 방향들로 펄스 스펙트럼의 서로 다른 성분들을 다시 방향설정한다. 제 4 격자(207)는 제 2 격자(203)와 유사하게 그 배향을 통해 청색 및 적색 성분들의 상대적인 지연들을 다시 부분적으로 제어한다. 그러나, 제 4 격자(207)가 이제 제 2 격자(203)와는 반대로 배향되었기 때문에, 청색 성분들의 광학 경로가 이제 더 짧아서 음의 처프를 유발한다. 이 음의 처프는 신장된 펄스의 청색 성분들이 적색 성분들을 따라잡을 수 있도록 하며, 증폭되고 신장된 펄스들의 전체 지속 기간을 수백 피코초로부터 수백 팸토초로 짧게 한다. 별도의 신장기(200')와 압축기(400)를 가진 디자인들이 도 1b의 레이저 엔진(1')의 실시예들이다.
도 3b는 별도의 신장기(200')와 압축기(400)를 가진 도 1b의 디자인들의 2개의 민감한 양태들을 또한 도시하고 있다.
(ⅰ) 첫째로, 신장기(200')에 의해 유발된 신장과 고정밀도로 증폭기(300)에 의해 유발된 후속 분산을 압축기(400)가 무효로 만들지 않도록, 신장기(200'), 증폭기(300) 및 압축기(400)가 서로 미세하게 조절되어야 한다. 따라서, 렌즈(202)의 위치 및 제 1 내지 제 4 격자(201 내지 207)들의 방위 설정에는, 증폭되고 신장된 펄스들의 분산을 보상하고 이들을 팸토초 펄스들로 압축하기 위해, 특히 높은 정밀도가 필요할 수 있다. 그리고, 당연히, 고정밀도의 조절은 섭동에 상당히 민감하고; 작은 온도 변화, 왕복 횟수 및 기계적 응력이 정밀도 조절을 약화시킬 수 있으며, 도 1b의 구조를 가진 레이저 엔진(1)의 보수유지 및 재교정을 필요로 한다.
(ⅱ) 일부 복잡하거나 다단계 수술들에서, 반복률의 변화가 바람직할 수 있다. 그러나, 그러한 반복률의 변화는 출력되는 펄스들을 최적화하기 위해 왕복 횟수의 변화를 통상적으로 수반한다. 결국, 왕복 횟수의 변화는 열 렌징의 변화와 아울러, 증폭기(300)에 의해 유발되는 복합 분산을 흔히 유발한다. 따라서, 왕복 횟수와 반복률의 변화는 조심스럽게 교정된 신장, 분산 및 압축의 균형을 잘못되게 할 수 있다.
이 변화들에 대응하기 위해, 도 3b의 화살표들로 나타낸 바와 같이, 레이저 엔진(1')의 일부 구현예들은 렌즈(202)의 위치, 일부 격자(201,203,205,207)들의 위치 또는 방위, 미러(204,208)들의 위치, 또는 하나 또는 그 초과의 렌즈들을 이동시켜 빔이 렌즈(202)에 충돌하는 위치를 변화시킴으로써 재교정될 수 있다. 말할 것도 없이, 이 변화들은 통상적으로 주의를 요하며, 흔히 반복적인 기계적 조절들과 정밀도 교정을 필요로 하며, 이 모든 것들은 시간 소모적인 개입들이다.
재교정의 저속성은 적기의 펄스 반복률 변화가 요구되는 어플리케이션들에서 문제를 제기할 수 있다. 이는 시간이 중요한 요인이 되는 어플리케이션들에서, 예컨대, 눈의 운동을 제어하는 환자의 능력이 90초 정도로 낮은 안과 수술 어플리케이션들에서, 특히 문제가 될 수 있다. 이 모든 이유들로 인하여, 대부분의 레이저 엔진들은 변화가능한 반복률 기능을 제공하지 않는다.
또한, 레이저 엔진(1')에서, 신장기(200')가 압축기(400)로부터 분리되고 이들 모두가 다수의 격자들과 렌즈들을 포함하기 때문에, 도 1b에 도시된 유형의 레이저 엔진(1')의 신장기와 압축기의 공간적 크기는 전형적으로 공간적으로 상당히 넓다.
신장기(200')와 압축기(400)의 공간적 풋프린트를 줄일 뿐만 아니라 교정 시간들을 줄이기 위해, 레이저 엔진(1')의 일부 구현예들에서, 신장기(200')와 압축기(400)가 하나 또는 그 초과의 광학 요소들을 공유할 수 있다. 일부 경우들에서, 이들은 제 1 격자(201)와 같은 격자를 공유할 수 있으며, 제 3 격자(205)도 그러할 수 있다.
일부 다수회 절첩된 예들에서, 신장기(200')의 2개의 격자들이 서로 다른 패스들에서 서로 다른 방향들로부터 동일한 격자에 빔을 지향하는 동일한 물리적 격자, 렌즈들 및 미러들일 수 있다. 일부 다수회 절첩된 예들에서, 압축기(400)의 2개의 격자들과 신장기(200)의 2개의 격자들의 모든 기능들이 단일의 공유된 격자에 의해 실시될 수 있다.
도 3c는 이러한 챌린지들에 대한 강력한 해결책을 제공하는 도 1a의 실시예의 신장기-압축기(200)의 예를 도시하고 있다. 도 3c의 신장기-압축기(200)는 신장 및 압축 기능들을 통합하며, 따라서, 이는 도 1a의 레이저 엔진(1)의 실시예에서 채용될 수 있다. 도 3c의 예에서 구현된 바와 같은 이 신장기-압축기(200)는 처프된 부피 브래그 격자(CVBG)이다. 이 CVBG는, 예컨대, 광열 굴절(PTR) 유리에 있는 층들의 스택일 수 있으며, 상기 층들은 층들의 위치에 따라 변하는 격자 주기와 적당한 굴절률들을 갖는다. 그러한 디자인에서, 펄스의 서로 다른 스펙트럼 성분들에 대해 서로 다른 위치들에서 브래그 공진 조건이 발생한다. 따라서, 서로 다른 스펙트럼 성분들이 서로 다른 위치들에서 반사되며, 펄스 내에서 서로 다른 시간 지연들을 획득한다.
도 3c의 예에 나타낸 바와 같이, 짧은 "백색" 펄스(211)가 신장기-압축기(200)에 진입할 때, 적색 주파수 성분들은 더 넓은 층 간격들 또는 격자 주기들을 가진 근방 영역들로부터 굴절되는데, 그 이유는 이들의 파장이 더 길고 이 근방 영역들에서 브래그 반사 조건들을 만족하기 때문이다. 반면에, 더 짧은 파장들을 가진 청색 주파수 성분들은 격자의 더 먼 영역들로부터 되돌아온다. 청색 성분들은 더 긴 광학 경로를 이동하기 때문에, 이들은 적색 성분들에 대한 지연을 획득한다. 따라서, 입력되는 짧은 백색 펄스(211)는 이 CVBG 신장기-압축기(200)에 의해 더 긴 신장된 펄스(212)로 신장된다. 특수한 예에서, 청색 성분들이 적색 성분들에 대해 지연되기 때문에, 상기 신장된 펄스(212)는 양의 처프를 발생시킨다. 다른 구현예들은, 청색 스펙트럼 성분들에 대해 적색 스펙트럼 성분들을 지연시키는, 음의 처프를 생성하는 CVBG를 가질 수 있다.
이 CVBG 신장기-압축기(200)는 어떠한 복잡하고 미세한 조절 없이 고정밀도로 상기 증폭되고 신장된 펄스(213)들을 또한 압축할 수 있는데, 그 이유는 상기 증폭기(300)에 의한 증폭 후 상기 신장된 펄스들이 반대측 단부 또는 압축기 포트로부터 동일한 CVBG 신장기-압축기(200)로 투사된다. 신장된 펄스가 상기 반대측 단부로터 CVBG 신장기-압축기(200)로 진입할 때, 그 적색 성분들은 신장 단계에서 그 청색 성분들과 동일한 정도로 지연되며, 펄스 고유의 짧은 길이를 회복한다. 따라서, 이 신장기-압축기(200)는 신장 과정에서 유도되는 분산을 매우 효과적으로 보상할 수 있으며, 적절하게 압축되고 증폭된 펄스(214)를 출력한다.
분리된 신장기(200')와 압축기(400)를 가진 레이저 엔진(1')의 특정 양태들에 비해서, (ⅰ) 상기 레이저 엔진(1)은 이동하는 광학 요소들을 갖지 않기 때문에 이들의 정밀한 정렬에 대해 고도로 민감하지 않으며, 따라서 작동 온도의 변화들 또는 기계적 동요들에 대해 상당한 강성을 나타내며, (ⅱ) 상기 증폭기(300)의 신규한 디자인은 도 5a 및 도 5b와 등식 (1) 및 (2)와 관련하여 이후에 설명하는 바와 같이 왕복 횟수와 관련한 추가적인 분산을 유도하지 않고, 상기 레이저 엔진(1)은 반복률이 변화될 때 그 광학 요소들과 기구의 민감한 재교정과 재정렬들을 필요로 하지 않는다. 이러한 특징들은 반복률의 신속한 또는 적시의 변화가 중요한 어플리케이션들에서 상기 레이저 엔진(1)의 사용을 가능하게 한다.
전술한 것들과 상이한 다른 디자인들에서, 증폭기(300)는 추가적인 분산을 유도할 수 있다. 이러한 디자인들에서, 압축기가 신장기의 분산 뿐만 아니라 증폭기(300)의 추가적 분산을 압축하여야만 하기 때문에, 상기 신장기-압축기(200)의 통합된 구성에는 재조절 기능이 보완될 수 있다. 이와 같이 추가된 과제로 인하여 압축기 기능과 관련된 조절가능한 블록을 구현할 필요가 있을 수 있다.
도 2를 다시 참조하면, 레이저 엔진(1)은 효과적인 편광 빔 스플리터(150)를 더 포함할 수 있다. 빔 스플리터(150)는 발진기(100)와 신장기-압축기(200) 사이에 편광기와 λ/4 플레이트를 포함할 수 있다. 다른 실시예들에서, 빔 스플리터(150)는 박막 편광기일 수 있다. 이 조합(150)은 발진기(100)로부터 신장기-압축기(200)까지 시드 펄스들을 통과시킬 수 있으나, 상기 λ/4 플레이트가 이중 통과시 펄스들의 빔의 편광 평면을 90°회전시키기 때문에, 상기 신장기-압축기(200)로부터 되돌아 오는 신장된 펄스들은 증폭기(300)를 향하여 전향시킨다. 시드 펄스들의 편광 방향에 대해 투과성인 편광기는, 신장된 펄스들이 λ/4 플레이트를 두 번째 통과한 후, 상기 신장된 펄스들의 90°회전된 편광 평면에 대해 반사성이다.
일부 실시예들에서, 상기 레이저 엔진(1)은 빔 스플리터(150)와 증폭기(300) 사이의 광학 경로에 패러데이 아이솔레이터(500)를 포함할 수 있다. 패러데이 아이솔레이터(500)의 기능들에는 레이저 빔의 고출력에 의한 발진기(100)의 손상을 방지하기 위해 증폭된 빔으로부터 발진기(100)를 격리시키는 것을 포함할 수 있다. 이러한 패러데이 아이솔레이터(500)는 빔 스플리터(150)로부터 신장된 시드 펄스들을 수신하고, 신장된 시드 펄스들을 증폭기(300)를 향하여 투과시키며, 증폭기(300)로부터 증폭되고 신장된 펄스들의 레이저 빔을 수신하고, 편광기(550,560)를 통해 신장기-압축기(200)를 향하여 증폭되고 신장된 펄스들의 레이저 빔을 출력할 수 있다.
증폭된 펄스들은 흔히 시드 펄스들보다 수백배 또는 심지어 수천배의 출력 또는 강도를 갖으므로 간단한 전향 광학장치들이 격리 기능에 상당히 불충분할 수 있기 때문에, 증폭기(300)가 증폭된 펄스들을 수신하는 것과 동일한 광학 경로를 통해 출력하는 실시예들에서 패러데이 아이솔레이터(500)가 유용할 수 있다. 간단한 전향 광학장치들이 이 증폭된 펄스들의 극히 일부만을 통과시키는 경우에도, 전송되는 펄스들은 발진기(100)를 손상시킬 수 있을 정도로 여전히 강할 수 있다.
일부 실시예들에서, 패러데이 아이솔레이터(500)는 발진기(100)를 향하여 증폭기(300)로부터의 레이저 빔의 1/10,000 부분의 미만을 통과시키도록 구성될 수 있다. 동일한 격리 기능이 감쇠 면에서 포착될 수 있다. 패러데이 아이솔레이터는 증폭된 레이저 빔을, 예컨대, 40dB 또는 일부 구현예들에서 50dB 감쇠시킬 수 있다.
패러데이 아이솔레이터 또는 편광 의존형 아이솔레이터는 3개의 부분들, 즉, 수직하게 편광되는 입력 편광기, 패러데이 회전자 및 45°로 편광되는 출력 편광기 또는 분석기를 포함할 수 있다.
전방으로 이동하는 광은, 예컨대, 입력 편광기에 의해 수직하게, 그 방향으로 이미 편광되지 않았다면, 편광된다. (여기서, 편광 평면은 전기장 벡터들이 놓이는 평면을 의미한다. 또한, "수직한"은 관례 또는 기준 평면을 설정할 뿐이다. 다양한 실시예들에서, 실제 편광 평면은 다른 특정 방향들로 배향될 수 있다.) 패러데이 회전자는 빔의 편광 평면을 약 45°회전시키고, 이를 분석기의 편광 평면과 정렬시키며, 그 다음, 상기 분석기는 편광 평면의 추가적인 회전 없이 광을 투과시킨다.
증폭기(300)로부터 되돌아 오는 증폭된 펄스들과 같이 후방으로 이동하는 광은 분석기를 빠져나온 후 기준 수직 평면에 대해 45°편광된다. 패러데이 회전자는 편광을 약 45°회전시킨다. 따라서, 입력 편광기를 향하여 패러데이 회전자에 의해 출력되는 광은 수평으로 편광된다. 입력 편광기가 수직으로 편광되기 때문에, 수평으로 편광되는 광은 발진기(100)로 투과시키는 대신 거의 완벽하게 입력 편광기에 의해 반사될 것이다. 따라서, 패러데이 아이솔레이터(500)는 고에너지로 증폭된 레이저 펄스들로부터 발진기(100)를 매우 효과적으로 보호할 수 있다.
통상적으로, 패러데이 회전자는 광학 축선의 방향으로 향하는 자기장을 발생시킴으로써 그 기능을 구현한다. 일부 패러데이 회전자들은 이 기능을 구현하기 위한 영구 자석들을 포함한다.
패러데이 회전자들에 사용되는 광학 재료들은 통상적으로 높은 버데트 상수, 낮은 흡수 계수, 낮은 비선형 굴절률 및 높은 손상 한계치를 갖는다. 또한, 셀프 포커싱과 다른 열 관련 효과들을 방지하기 위해, 광학 경로가 통상적으로 짧다. 700 내지 1100㎚ 범위에 가장 일반적으로 사용되는 두 가지 재료들은 테르븀 도프된 보로실리케이트 글라스와 테르븀 갈륨 가넷 크리스탈(TGG)이다.
증폭기(300)가 진입하는 것과 동일한 광학 경로를 통해 증폭된 펄스들을 출력하지 않는 레이저 엔진(1 또는 1')의 실시예들은 패러데이 아이솔레이터(500)를 채용할 필요가 없다.
도 2 및 도 4는 패러데이 아이솔레이터(500)로부터 전달된 광이 증폭기(300)로 진입할 수 있음을 도시하고 있다. 증폭기(300)는 단부 미러(321,322)들 사이로 왕복할 수 있는 신장된 시드 펄스들을 증폭하기 위한 레이저 크리스탈 또는 이득 매체(310)를 포함할 수 있다. 일부 증폭기(300)들은 공진 공동의 공간적 크기를 줄이기 위해 절첩 미러들로 레이저 빔을 전향시키는 절첩된 광학 경로(또는 "z-공동")를 포함할 수 있다. 도 4의 증폭기(300)는 4개의 미러들, 즉, 공진 공동을 규정하는 2개의 단부 미러(321,322)들과, 2개의 절첩 미러(323,324)들을 갖는다. 일부 예들에서, 광학 경로는 십자 패턴으로 나타낸 바와 같이 심지어 그 자체 위에서 절첩될 수 있다. 더 많은 절첩 미러들을 사용하고 광학 경로를 더 콤팩트한 공간 속으로 절첩하여 증폭기(300)의 크기를 심지어 더 줄일 수 있으나, 추가적인 미러들은 오정렬 가능성과 가격을 상승시킨다.
레이저 크리스탈(310)과 미러(321 내지 324)들에 부가하여, 증폭기(300)는 전환식 편광기(330)를 포함할 수 있으며, 상기 전환식 편광기는 증폭기(300)의 큐(quality factor: Q) 및 그에 따른 증폭 기능과 아울러, 공동에서 펄스들의 입력/출력 포트로서의 역할을 하는 박막 편광기(340)를 제어한다. 박막 편광기(340)는 제 1의 미리 정해진 편광을 가진 광을 반사시키는 반면, 상기 제 1의 미리 정해진 편광에 대해 직교하는 제 2 편광을 가진 광을 투과시키는 편광 선택성 장치의 특수한 예이다. 전환식 편광기(330)는 통과하는 광의 편광을 회전시키지 않는 제 1 작동 상태와 인가되는 제어 신호에 응답하여 광의 편광을 회전시키는 제 2 작동 상태로 전환하는 편광 장치일 수 있다. 패러데이 회전자(500)로부터 나오는 펄스들이 증폭기(300)에 커플링될 때, 그리고 증폭기(300) 내에서 증폭된 펄스들이 하기된 바와 같이 증폭기로부터 커플링 아웃될 때, 박막 편광기(340)와 전환식 편광기(330)의 조합이 사용될 수 있다.
도 4에서 이러한 박막 편광기(340)와 전환식 편광기(330)의 조합은 증폭기(300)의 공진 공동을 위한 광학 스위치의 예이다. 다른 디자인들도 이 광학 스위치를 위해 사용될 수 있다.
증폭기(300)의 작동과 구조에 대해 이하에 더 상세하게 설명되어 있다. 특히, 반복률의 변화는 단부 미러(321,322)들 사이에서 증폭된 펄스의 왕복 횟수의 변화를 수반한다는 것을 알 수 있을 것이다. 전술한 광학 스위치의 기능은 펄스들이 공진 공동에 커플링되거나 커플링 아웃될 때를 제어함으로써 이 왕복 횟수를 제어하는 것이다.
증폭기(300)의 광학 요소들은 각각의 왕복들에서 소정 양의 분산을 유도할 수 있다. 따라서, 반복률 변화와 관련하여 증폭기(300)에서 왕복 횟수를 변화시키는 것은 증폭기(300)에 의해 출력되는 증폭된 펄스들의 누적 분산을 변화시킨다. 특정 왕복 횟수에 대해 분산을 보상하도록 압축기(400)가 조절된 경우에도, 왕복 횟수의 변화로부터의 분산 변화는 도 1b의 레이저 엔진(1')의 신장기(200'), 증폭기(300) 및 압축기(400)의 신장, 분산 증폭 및 압축의 민감한 균형을 잘못되게 하고, 긴 재교정을 필요로 한다. 도 1a의 통합형 신장기-압축기(200)를 가진 레이저 엔진(1)의 보다 진보된 구성도 왕복 횟수가 변화될 때 조절되는 보상 요소의 사용을 필요로 할 수 있다. 이 양태는 이 레이저 엔진들의 유용성을 제한한다.
그들의 유용성을 넓히기 위해, 일부 레이저 엔진들은 증폭기(300)의 일부로서 분산 컨트롤러 또는 보상기를 포함할 수 있다. 분산 컨트롤러의 기능은 왕복시 증폭기(300)의 광학 요소에 의해 유도되는 분산에 대해 반대이며 본질적으로는 동일한 분산을 유도하는 것이다. 이러한 분산 보상 또는 제어의 결과로서, 펄스들은 증폭기(300)의 공진 공동에서 왕복시 분산을 약간 획득하거나 거의 획득하지 않는다. 따라서, 왕복 횟수의 변화는 증폭된 펄스들의 분산을 단지 극히 작은 정도로 변화시키거나 전혀 변화시킨다.
따라서, 레이저 펄스들의 반복률은, 왕복시 보상할 분산이 누적되지 않기 때문에, 본질적으로 압축기(400) 또는 신장기-압축기(200)의 광학 설정의 조절, 재정렬 또는 교정 없이 변화될 수 있다. 따라서, 반복률들이 변화할 때 압축기(400)의 시간 소모적인 재정렬 작업을 완화하기 위해, 분산 제어된 증폭기(300)가 도 1b의 레이저 엔진(1')에서 구현될 수 있다. 또한, 이 분산 제어된 증폭기(300)는 조절가능한 보상 기능들 없이 도 1a의 레이저 엔진(1)에서 통합형 신장기-압축기(200)의 사용을 가능하게 한다.
예컨대, 레이저 크리스탈(310)이 공진 공동 내에서 레이저 펄스의 왕복시 양의 분산을 유도하면, 분산 컨트롤러는 레이저 펄스의 분산을 억제, 최소화 또는 제거하기 위해 증폭되고 신장된 펄스들에 대해 동일한 크기의 음의 분산을 유도할 수 있다.
분산을 정량화하기 위한 유용한 측도는 "그룹 지연 분산" 또는 GDD이며,
Figure pct00001
(1)
로서 정의되고,
여기서, λ는 빛의 파장이고, c는 빛의 속도이며, n(λ)는 파장 의존 굴절률이고, L은 공동에서 광학 경로의 길이이다. 광학 요소(310,330,340)들, 미러(321 내지 324)들 및 증폭기(300)에 존재할 수 있는 임의의 다른 광학 요소들의 GDD는, 예컨대, 측정에 의해 또는 디자인으로부터 추론하여 결정될 수 있다. GDD를 인지함으로써, 분산 컨트롤러는 증폭기(300)의 광학 요소들의 결정된 GDD에 거의 동일하고 반대인 값의 GDD를 가진 공동에서 구현될 수 있다. 그렇게 디자인된 공동은 펄스들의 왕복시 분산을 약간 생산하거나 전혀 생산하지 않으며, 전술한 문제점들을 제거하고, 레이저 엔진(1 또는 1')의 유용성을 넓힌다.
예시적인 예에서, 전형적인 CPA 레이저 엔진(1')에서, 500팸토초 시드 펄스가 신장기(200')에 의해 신장된 펄스 길이 200.5ps로 200피코초 신장될 수 있다. 상기 신장된 펄스들을 다시 200ps 압축하도록 대응하는 압축기(400)가 조절 및 교정될 수 있으며, 결국 이상적으로 약 500fs의 압축된 펄스 길이가 된다. 불완전성 때문에, 실제 경우에서, 압축된 펄스 길이는 500 내지 800fs의 범위에 있을 수 있다.
그러나, 증폭기(300)의 공진 공동에서 신장된 펄스의 왕복시, 신장된 펄스들의 길이가 공동의 GDD로 표현되는 증폭기(300)의 다양한 광학 요소들의 분산에 의해 증대될 수 있다. GDD의 전형적인 값들은 수백 fs2에서 수십만 fs2까지 다양할 수 있다. 일부 경우들에서, GDD는 5,000 fs2 내지 20,000 fs2 의 범위 이내일 수 있다. 통상적으로, 신장기(200)와 보상기(400)는 펄스 길이에 대한 서로의 효과를 상쇄하며, 레이저 엔진(1)에 의해 출력되는 펄스의 길이(△t(out))는 이하의 관계식에 의해 발진기(100)에 의해 발생되는 시드 펄스의 길이(△t(seed))와 GDD에 관련된다.
Figure pct00002
여기서, N은 공동에서 왕복 횟수이다.
따라서, △t(seed)=200fs 시드 펄스의 길이는, 예컨대, 7,000fs2의 GDD를 가진 증폭기의 광학 요소들에 의해 단일 왕복시 △t(out)=222fs로 22fs정도 조금 증가될 수 있다. 그러나, 이 외견상으로 작은 분산은 반복되는 왕복 과정중 혼합된다. N=10 왕복후, 출력되는 펄스의 길이는 △t(out)=990fs로 약 790fs 증가하며, N=30 왕복후, △t(out)=2,920fs=2.9ps로 약 2,700fs=2.7ps 증가하고, N=100 왕복후, △t(out)=9.7ps로 약 9.5ps 증가한다. 분명히, 분산 제어된 증폭기(300) 없이, 최대 약 50배의 펄스 길이의 이러한 실질적인 감쇠는 레이저를 팸토초 레이저에서 피코초 레이저로 변형시킨다.
또한, 압축기(200 또는 400)가 특정 왕복 횟수에 의해 유발되는 추가적인 분산, 예컨대, N=100 왕복에 대응하는 9.5ps 분산을 보상하기 위해 교정된다 하더라도, 어플리케이션이 N=100에서, 예컨대, N=110으로 왕복 횟수의 변화를 필요로 할 때, 다른 1ps 분산이 증폭기(300)에 의해 유도되고, 결국, 팸토초 대신 피코초의 압축된 펄스 길이가 된다.
반면에, 레이저 엔진(1 또는 1')의 실시예들은 공진 공동의 광학 요소들에 의해 유발되는 GDD를 보상하기 위해 증폭기(300) 내에 분산 컨트롤러를 가질 수 있다. 이 분산 컨트롤러는 증폭기에서 광학 요소들에 의해 유도되는 왕복당 수fs의 분산을 보상할 수 있다. 따라서, 증폭기(300)는 200ps 펄스 길이를 가진 신장된 펄스들을 수신하고, 본질적으로 동일한 200ps 펄스 길이를 가진 증폭된 펄스를 방출하며, 왕복 횟수와는 거의 무관하게, 증폭기는 50, 100, 200 또는 500의 왕복 횟수가 되도록 작동된다. 따라서, 레이저 엔진(1)의 신장기-압축기(200) 또는 레이저 엔진(1')의 압축기(400)는 증폭기(300) 내에서 본 분산 제어 또는 보상이 부족한 다른 레이저 시스템들의 시간 소모적인 재조절과 교정을 필요로 하지 않고 광범위한 왕복 횟수(N)와 광범위한 반복률에 대해 펄스 길이를 다시 팸토초 범위로 압축할 수 있다. 증폭기(300) 내의 분산 컨트롤러는 증폭기(300)의 내부 광학 경로 내에 있고, 따라서, 광학 증폭기(300) 외부의 광학 요소들의 재조절을 필요로 하지 않고 GDD/분산을 자동으로 보상한다. 증폭기(300) 내의 분산 컨트롤러의 적절한 디자인에 의해, 펄스 반복률을 변화시키기 위해 재조절되는 도 3b의 분산 보상 격자들과 같이 광학 증폭기 외부의 조절가능한 분산 요소들을 가질 필요가 없을 수 있다.
상기 디자인적 고려 사항으로 인하여, 레이저 엔진(1 또는 1')들은 발진기(100)의 것들 이외의 레이저 엔진의 모든 광학 요소들과 본질적으로 동일한 설정으로 1000팸토초 미만의 펄스 지속 기간과 10㎑ 내지 2㎒ 범위의 반복률을 가진 레이저 빔을 생산할 수 있다. 다른 실시예들은 50㎑ 내지 1㎒ 범위의 반복률로 작동할 수 있고, 또 다른 실시예들은 100㎑ 내지 500㎑ 범위의 반복률로 작동할 수 있다.
따라서, 이 레이저 엔진들에서, 발진기(100) 이외의 레이저 엔진의 광학 요소들의 설정을 변화시키지 않고, 반복률은 제 1 값에서 제 2 값으로 변화될 수 있다.
그 제 1 값으로부터 제 2 값으로의 반복률의 변화가 광학 요소들의 설정 변화에 수반되는 레이저 엔진들이 있을 수 있다. 그러나, 이 레이저 엔진들 중 일부는 그들의 증폭기 내에서의 분산 보상 또는 제어에 기초하여 변형될 수 있으며, 따라서, 변형된 레이저 엔진들은 변경되지 않은 설정에 의해서도 제 2 반복률을 가진 레이저 빔을 출력하도록 작동될 수 있다.
레이저 엔진(1)의 다양한 구현예들에서, 반복률은 제 1 값에서 제 2 값으로 변화될 수 있으며, 제 2 반복률은 적어도 10%, 50%, 100% 또는 200% 제 1 반복률과 상이하다.
공진 공동이 광섬유들을 채용하는 일부 디자인들에서, 후속 압축기(400)를 재조절 및 조절하지 않고 반복률의 조절이 가능할 수도 있다. 그러나, 이 섬유 레이저들은, (ⅰ) 펄스들의 에너지에 중대한 제한이 있고, (ⅱ) 흔히 분산 컨트롤러들을 갖지 않는다. 이들은 섬유 공동의 손상 위험을 피하기 위해 펄스 당 10μJ 미만의 에너지만을 가진 펄스들을 통상적으로 생산한다. 하기한 바와 같이, 많은 안과 및 수술적 어플리케이션들에 있어서, 이 어플리케이션들이 타겟에 대해 20μJ/펄스 또는 그 초과를 필요로 할 수 있기 때문에, 이러한 펄스 당 에너지는 다양한 손실들로 인해 레이저에 의해 출력되는 30μJ/펄스 또는 그 초과로 변환하기 위해 불충분할 수 있다.
다른 차이점은, 섬유 레이저들에서, 레이저의 반복률이 열적 부하의 변화 때문에 변할 때, 빔의 발산이 불가피하게 변한다는 것이다.
반면에, 통상적으로, 증폭기(300)는 분산 컨트롤러 또는 보상기를 포함하고 빛이 자유 공간에서 전파함에 따라, 레이저 엔진(1 또는 1')의 일부 예들은 1 내지 100μJ/펄스 범위의 에너지를 가진 레이저 빔을 출력하고, 다른 예들은 10 내지 50μJ/펄스 범위의 에너지를 가진 레이저 빔을 출력하며, 또 다른 예들은 20 내지 30μJ/펄스 범위의 에너지를 가진 레이저 빔을 출력하도록, 작동될 수 있다.
일부 레이저 엔진(1 또는 1')들은, 반복률의 변화가 레이저 엔진(1)의 광학 요소의 조절을 수반하도록, 구성될 수 있다. 그러나, 분산 컨트롤러가 존재하기 때문에, 이 실시예들에서도, 레이저 엔진(1 또는 1')은 반복률이 변화될 때 본질적으로 동일한 광학 요소들의 설정을 사용하도록 변형될 수 있다.
전술한 예들은 많은 서로 다른 방식들로 구현될 수 있다. 일부 실시예들에서, 증폭기 내의 분산 컨트롤러 또는 보상기는 하나 또는 그 초과의 처프된 미러들, 처프된 섬유들, 다양한 처프된 격자들, 처프된 투과성 광학 요소들, 프리즘들 및 입사광의 분산을 변화시킬 수 있는 다른 광학 요소들을 포함할 수 있다.
일반적으로, 처프된 광학 요소들은 변조된 광학 특성을 가진 많은 층들을 가질 수 있다. 예들에서, 서로 다른 파장을 가진 빛을 상이하게 제어하도록 층들의 두께와 그들의 굴절률의 변화가 디자인될 수 있다. 일 예로, 처프된 부피 브래그 격자(CVBG)를 신장기-압축기(200)와 관련하여 이미 설명하였다. 처프된 미러들과 같은 다른 예들은 유전체 물질들의 층들을 포함할 수 있으며, 각각의 단일의 유전체 층 또는 층들의 짧은 스택이 특정 파장의 좁은 부근을 반사시킬 수 있다. 처프된 미러는 제 1 파장 부근의 파장을 가진 빛을 반사시키기에 적합한 두께를 가진 5 내지 10개의 유전체 층들의 제 1 스택을 형성함으로써 구성될 수 있다. 그 다음, 제 2 파장 부근의 파장을 가진 빛을 반사시키기 위해 상이한 두께 및/또는 굴절률을 가진 5 내지 10개의 유전체 층들의 제 2 스택이 상기 제 1 스택 위에 형성될 수 있으며, 이러한 형성 과정이 계속된다. 적당한 갯수의 스택으로 충분한 갯수의 층들이 형성되었을 때, 처프된 미러는 선택된 파장들의 대역에 있는 파장 성분들을 가진 빛을 반사시킬 수 있으며, 다른 파장들을 가진 빛은 투과시킨다.
증폭기에서의 분산 제어 기능은 미러(321 내지 324)들 중 하나 또는 그 초과를 처프되도록 함으로써 실시될 수 있다. 도 4에서, 모든 3개의 미러들이 처프된다. 다른 디자인들은 미러들 중 단지 하나 또는 그 초과의 처프된 미러를 가질 수 있다. 또 다른 디자인들은 하나 또는 그 초과의 처프된 광학 요소를 채용할 수 있다. 분산 컨트롤러의 가능한 구현예들로서, 이 하나 또는 그 초과의 처프된 미러들은 증폭기(300)의 공진 공동 내에서 증폭되고 신장된 레이저 펄스들의 왕복시 미러(321 내지 324)들과 광학 요소(310,330,340)들에 의해 유도되는 분산을 제어, 보상, 최소화 또는 심지어 제거할 수 있다.
레이저 크리스탈(310)은 Nd 또는 Yb 기반일 수 있다. 예들은 Nd:YAG 및 Yb:YAG 크리스탈들을 포함한다. 다른 구현예들은 Nd 또는 Yb 도프된 글라스를 사용할 수 있다. 또 다른 구현예들은 Yb:X(WO4)2 형태의 Yb:텅스텐산염 또는 Yb:X2O3 형태의 Yb:삼이산화물을 사용할 수 있다. 이 경우들에서, X는 Y, Lu, Gd 또는 다른 적당한 원소들일 수 있다. Nd 또는 Yb 도핑 레벨은 0.1 내지 100% 범위일 수 있다.
레이저 크리스탈의 공간적 도핑 프로파일은 고품질의 단일 모드 레이저 펄스들의 방출을 보장하도록 선택될 수 있다. 일부 도핑 프로파일은 펌핑광의 일반적인 것보다 더 큰 M2 배율로 표현된 바와 같이 한정된 포커싱 가능성을 가진 펌핑광 소오스와 호환가능할 수 있다. 펌핑 소오스는 측부 펌핑 또는 단부 펌핑 배열로 있을 수 있다. 펌핑광 소오스는, 각각 1 내지 10W의 출력을 방출하는 2 내지 10개의 다이오들과 같이, 다수개의 섬유 커플링된 다이오드들을 포함할 수 있다. 펌핑 다이오드들은 본질적으로 연속파(CW) 작동 모드 또는 유사한 고주파 펄스 모드로 작동할 수 있다. 이들은 서로 다른 공간적 어레이들, 바들 또는 다른 형태들로 배열될 수 있다. 다이오드들로부터 나온 빛은 공유된 격자를 통해 안내될 수 있으며, 상기 공유된 격자는 빛의 매우 적은 비율을 다이오드들로 되돌릴 수 있으므로, 그들의 빛을 위상 로킹한다.
도 5a 및 도 5b는, 도 4와 함께, 공동 덤핑형 재생 증폭기(CDRA)(300)의 작동을 도시하고 있다. 작동의 원리는 흔히 "Q-스위칭"으로서 불리우며, 공진 공동의 큐 스위칭이라 칭한다.
"충전" 또는 "펌프" 위상에서, 박막 편광기(340)는 전환식 편광기(330)를 통해 들어오는 빛을 반사시킨다. 전환식 편광기(330)는 셔터, 초퍼 휠, 회전형 프리즘 또는 미러, 음향-광학 장치, 포켈스 셀 또는 커 셀과 같은 전자-광학 장치, 또는 전환식 λ/4파 플레이트일 수 있다. 바이어스되지 않거나 저전압 상태에서, 전환식 편광기(330)는, 펄스가 단부 미러(322)를 2회 관통할 때, 편광 평면을 90°회전시킬 수 있다.
충전 또는 펌프 기간 동안, 패러데이 아이솔레이터(500)는 펄스들을 박막 편광기(340)로 투과시키며, 상기 박막 편광기는 이들을 전환식 편광기(330)를 통해 전향시킨다. 단부 미러(222)로부터 되돌아오는 펄스들은 전환식 편광기(330)를 두 번째 통과한다. 이 때, 이들은 단부 미러(322)까지 및 단부 미러로부터의 도중에 전환식 편광기(330)를 2회 이상 통과하여 공동 내에서 1회 왕복을 실시하게 된다. 1회 왕복후, 전환식 편광기(330)에 대한 4회 관통은 펄스들의 편광 평면을 180°회전시킨다. 따라서, 이들은 본질적으로 증폭 없이 박막 편광기(340)에 의해 공동으로부터 반사된다.
이와 동일한 충전 또는 펌프 기간에, 전환식 편광기(330)에 의한 편광 평면의 90°이중 통과 회전이 공진 공동의 큐를 낮게 만들기 때문에, 증폭기(300)는 공동 내에서 펌핑 다이오드들에 의해 발생되는 빛의 레이저 작용을 또한 억제하며, 상기 공동을 레이저 작용에 적합하지 않게 만든다.
도 5a는 이러한 충전/펌프 위상에서 레이저 크리스탈(310)이 측부 또는 단부 펌핑 배열에서 전술한 펌프 다이오드들, 또는 펌프 레이저 다이오드들로부터 빛을 흡수하는 것을 도시하고 있다. 펌핑은 밀도 반전을 생성하기 위해 레이저 원자들 또는 집합체들의 여기된 에너지 레벨의 밀도를 증대시키며, 본질적으로 펌핑 에너지 또는 "이득"을 흡수 및 저장한다.
도 5b는, 이러한 충전/펌핑 위상에서, 증폭기(300)에 의해 증폭된 레이저 펄스들이 발생되어 방출되지 않음을 도시하고 있다. 물론, 거부된 증폭되지 않은 펄스들은 증폭기(300)에 의해 방출된다.
도 5a 및 도 5b는 펌프/충전 위상이 미리 정해진 타이밍 작동에 따라 종료되거나 레이저 크리스탈(310)의 에너지 스토리지를 추종하는 감지 전자장치들에 의해 촉진될 수 있음을 도시하고 있다. 어느 경우에서나, 시간(t(recharge)) 후에, 90°회전하는 편광 평면을 정지시키기 위해, 제어 및 드라이버 전자장치들이 전환식 편광기(330)에 고전압을 인가할 수 있다. 다른 유형의 전환식 편광기(330)는 다른 수단에 의해 전환될 수 있다. 이러한 변화는 공동을 레이저 작용에 적합하게 만들기 위해 공동의 큐를 충분히 높은 값으로 스위칭한다.
단일 펄스가 공동 내에서 그 왕복을 실시하고 있을 때, 증폭기(300)의 단일 펄스 실시예들은 전환식 편광기(300)를 전환할 수 있다. 그 왕복의 끝에 있을 때, 단일 펄스는 전환식 편광기(300)로 되돌아오고, 그 후 스위칭되며, 펄스의 편광 평면이 더 이상 회전하지 않음에 따라, 펄스는 박막 편광기(340)에 의해 공동으로부터 반사되지 않는다. 펌프 위상에서 거부되지 않는 대신, 펄스는 길이(t(gain))의 이득 기간 동안 수회의 더 많은 왕복에서 공동 내에 포획될 수 있다. 도 5b에는 명료함을 위해, t(gain)의 시간 척도가 과장되어 있다.
도 5a 및 도 5b는, 이득 기간에, 공동 내에 펌핑되어 저장된 에너지(또는 이득)가, 레이저 작용을 시작하기 위해 유도 방출이라 불리우는 프로세스에 의해, 레이저 크리스탈(310)로부터 왕복하는 펄스로 전달됨을 도시하고 있다. 따라서, 공동 내의 에너지는 도 5a에 도시된 바와 같이 감소하는 반면, 레이저 펄스의 에너지는 도 5b에 도시된 바와 같이 이득 프로세스에서 증가한다. 도 5b에서, t(gain) 간격에서 피크들은 공동 내의 특정 지점을 통과할 때 레이저 펄스의 에너지를 나타내는 반면, 실선 상승 곡선은 슬라이딩 왕복 기간에 평균화된 에너지 이득을 나타내는 엔빌로프이다.
공동내에서 단일의 유입되는 펄스를 포획하는 구현예들은 레이저 크리스탈(310)에 저장된 에너지 거의 모두를 단일의 레이저 펄스로 그 왕복시 전달할 수 있음에 유의하라. 반면에, 일부 구현예들은 공동으로 다수의 펄스들을 허용할 수 있다. 그러나, 이 예들에서, 생성된 레이저 빔은 펄스 당 더 낮은 에너지를 가질 수 있으므로, 광파괴의 관련 유형에 대해 관례적이고 유리한 레벨들 아래로 펄스 당 에너지를 낮춘다.
공동 속으로 펌핑된 에너지가 충분한 횟수의 왕복시 고효율로 레이저 펄스에 전달된 후, 컨트롤러-드라이버 전자장치들이 전환식 편광기(330)에 대한 고전압 인가를 중지시킬 수 있으며, 레이저 펄스의 편광 평면을 다시 회전시키게 한다. 편광 회전의 재시작 때문에, 증폭된 레이저 펄스가 다음 왕복의 끝에서 t(dump)로 표시된 시간에 박막 편광기(340)에 의해 공동으로부터 반사된다.
증폭된 레이저 펄스의 덤핑은 여러 가지 방식들로 제어될 수 있다. 일부 경우들에서, 후에 덤핑이 실시되는 왕복 횟수를 설정하기 위해 디자인 계산 및 컴퓨터 방법들에 의존할 수 있다. 다른 경우들에서, 왕복 횟수를 설정하기 위해 우선 교정이 사용될 수 있다. 또 다른 경우들에서, 매우 다양한 센서들이 공진 공동의 광학 경로에 커플링될 수 있다. 이 센서 또는 센서들은 증폭된 레이저 펄스들의 에너지가 미리 정해진 값에 도달할 때를 감지하여, 그에 따라 공동을 덤핑하기 위한 제어 신호를 컨트롤러에 전송할 수 있다.
공동으로부터 나온 증폭된 레이저 펄스를 반사시키고 이를 압축기(400)로 전송하는 것은 펌프-이득-덤프 사이클을 완성한다. 펄스-덤핑이 완료되면, 공동은 그의 낮은 큐 상태로 돌아가고, 펌프-이득-덤프 사이클을 새로 재시작한다. 일부 디자인들에서, 펄스-주입 포트와 펄스-덤핑 포트가 서로 다를 수 있다. 도 4에서, 이들 양 포트들이 박막 편광기(340) 내에서 구현된다.
일부 구현예들에서, 레이저 펄스들은 레이저 크리스탈(310)의 펌핑 상태로부터 레이저 펄스에 대해 에너지의 전달을 가능하게 하기 위해 공동 내에서 50 내지 500회 왕복을 실시하고, 다른 예들에서, 100 내지 200회 왕복을 실시한다. 전술한 바와 같이, 발진기(100)는 10 내지 200㎒ 범위, 일부 경우들에서, 20 내지 50㎒ 범의의 주파수를 가진 시드 펄스 트레인을 생성할 수 있다. 일부 구현예들에서, 레이저 엔진(1 또는 1')은 10㎑ 내지 2㎒, 또는 50㎑ 내지 1㎒, 또는 100㎑ 내지 500㎑ 범위의 반복률을 가진 레이저 펄스 트레인을 출력한다. 따라서, 전환식 편광기(330)는 증폭을 위해 매 5번째 내지 20,000번째 시드 펄스만을 포획함으로써 인입되는 시드 펄스 트레인을 데시메이트(decimate)한다. 이 포획 시퀀스들의 타이밍은 마스터-클록으로서 발진기(100)를 사용하여 제어될 수 있다.
반복률은 레이저 엔진의 주요한 특징이다. (1) 반복률이 주파수 범위에서 변화될 수 있고, (2) 범위의 상한이 높으면, 다양한 기능들이 구현될 수 있다. 예컨대, 제 1 반복률로 백내장 수술이 최적으로 실시될 수 있는 반면, 제 2 반복률은 각막 수술에 더 좋을 수 있다. 레이저 엔진이 제 1 및 제 2 반복률로 모두 작동하도록 조절될 수 있다면, 단일의 레이저 엔진이 이 기능들 모두를 위해 사용될 수 있다. 따라서, 레이저 엔진(1,1')들에서 반복률을 가변할 수 있도록 만들고 범위의 상한을 높게 할 수 있는 다양한 디자인적 고려들이 이하에서 검토될 것이다.
도 3b 및 도 3c 및 도 4와 관련하여 설명한 바와 같이, 미러(321 내지 324)들 중 임의의 하나를 위해 처프된 미러와 같이, 증폭기(300)에서의 분산 컨트롤러의 사용은 공동 내에서 왕복시 증폭기의 광학 요소들에 의해 유발되는 레이저 펄스의 분산을 보상할 수 있다. 이 디자인의 특징은 격자(201,203,205,207)들, 렌즈(202) 및 미러(204,208)들과 같은 신장기(200)와 압축기(200/400)의 광학 요소들의 교정, 정렬 또는 설정을 변화시키지 않고 레이저 엔진(1 또는 1')의 반복률의 변화를 허용한다.
광학적 설정을 변경하는 대신, 레이저 엔진(1)의 타이밍과 작동을 변경하기위해 전기 제어 신호들을 인가함으로써, 반복률 변화가 구현될 수 있다. 예컨대, 반복 시간(t(rep)=t(recharge/pump)+t(gain))을 줄이기 위해 제어 신호들을 인가함으로써 반복률이 증가할 수 있다.
통상적으로, t(rep)의 감소는 t(pump)와 t(gain) 모두를 감소시킴으로써 구현된다. 펌핑 시간(t(pump))은, 예컨대, 펌핑 다이오드들/레이저들의 펌핑 강도를 증대시킴으로써, 짧아질 수 있다. 이득 시간(t(gain))은, 예컨대, 레이저 펄스의 왕복 횟수를 줄임으로써, 짧아질 수 있다.
레이저 펄스의 에너지는 더 적은 왕복에도 불구하고, 예컨대, 왕복 당 에너지 이득을 증대시킴으로써, 보존될 수 있다. 도 5b는 왕복시마다 공동 내의 선택된 기준점을 통과하여, 이득 기간에서 레이저 펄스의 에너지의 증가를 도시하고 있다. 후속 통과시 에너지의 비율은 흔히 ("소 신호")이득 계수(g)에 의해 특정된다. 이득 계수(g)는 레이저 크리스탈(310)의 여기되거나 펌핑된 레벨에서 저장된 전체 에너지에 민감하다. 에너지가 더 많이 저장될수록, 계수는 더 커진다. 따라서, 이득 매체(310)의 펌핑된 레벨에서 저장되는 에너지를 증대시키기 위해 제어 신호들을 인가하는 것은 레이저 펄스들이 더 적은 왕복으로 동일한 에너지에 도달하도록 만들 수 있으며, 따라서 반복률을 증대시킨다.
반복률 범위의 상한 또한 다양한 방식으로 증대될 수 있다. 큰 이득 계수(g)를 가진 실시예들에서, 동일한 증폭을 구현하기 위해 더 적은 왕복이 요구된다. 따라서, 구현예들은 더 큰 이득 계수(g)를 가진 레이저 크리스탈(310)을 채용함으로써 반복률의 높은 상한을 구현한다.
또한, 이득 계수(g)가 레이저 크리스탈(310)의 여기되거나 펌핑된 레벨에서 저장되는 전체 에너지에 민감하기 때문에, 여기된 레벨을 더 많은 에너지로 펌핑하는 것은 더 짧은 t(gain)와 그에 따른 더 큰 반복률을 구현하는 또 다른 방안이다.
반복률을 제어하는 다른 변수는 1회 왕복에 필요한 시간이다. 레이저 펄스는 시간 간격(2L/c)으로 기준점을 통과하며, 여기서, L은 공동 내에서 광학 경로의 길이이고, c는 빛의 속도이다. 따라서, 일부 실시예들에서, 왕복 시간을 줄이기 위해 광학 경로의 길이(L)가 감소할 수 있다. 이 구현예들에서, 동일한 왕복 횟수와 그에 따른 동일한 양의 에너지 전달에 더 짧은 시간(t(gain))이 걸리고, 또 다른 방식으로 반복률을 증대시킨다.
전술한 디자인 원리들 중 하나 또는 그 이상을 구현하는 레이저 엔진(1 또는 1')의 실시예들은 최대 500㎑, 1㎒, 또는 일부 경우들에서 2㎒의 반복률로 작동할 수 있다.
아울러, 이 구현예들에서, t(gain)의 감소는 펌프 및 덤프 사이클 동안 더 좋은 듀티를 지원하기 위해 전체 반복 시간(t(rep))의 대부분의 사용을 허용한다.
흔히 사용되는 듀티의 정의는 전체 주기의 길이로 나눈 낮은 큐 주기의 길이이다. 이 정의를 사용하여, 예컨대, 반복률이 400㎑인 구현예에서, t(gain)를 1㎲에서 0.5㎲으로 줄이면, 듀티는 0.6에서 0.75로 25%정도 상당히 증가한다.
광학 경로의 길이(L)를 짧게 하는 디자인 원리로 돌아와서, 특히, 공동 내에서 펄스를 포획하기 위해 전환식 편광기(330)가 얼마나 빨리 스위칭할 수 있는지에 의해, L이 제어됨을 유의하라. 1미터 광학 경로 공동에서, 왕복 시간(2L/c)은 6.6ns이다. 펄스의 유한한 공간적 크기 때문에도, 단일 펄스 구현예들은 5ns 미만, 다른 구현예들은 4ns 미만 또는 심지어 3ns 미만의 스위칭 시간을 가진 전환식 편광기(330)를 갖는다.
일부 증폭기들에서, 전환식 편광기(330)는 포켈스 셀일 수 있다. 포켈스 셀들은 입사광 빔들의 편광을 회전시키기 위해 흔히 강한 전기장을 인가한다. 편광의 회전은 전기장의 제 1 출력에 비례하므로, 상당히 강할 수 있다. 니오브산 리튬, 갈륨 비소 및 다른 비중심 대칭 물질과 같이, 반전 대칭이 부족한 크리스탈에서 포켈스 효과가 발생한다.
가끔 킬로볼트의 전압을 인가함으로써, 포켈스 셀들이 편광 회전 상태에서 매우 짧은 상승 시간을 가진 편광 비회전 상태로 스위칭될 수 있다. 상승 시간의 하나의 측도는 "5 내지 95시간"이며, 편광 평면의 회전이 최대/포화값의 5%에서 그 95%까지 상승하는데 걸리는 시간이다. 일부 구현예들에서, 상승 시간은 5ns 미만일 수 있으며, 다른 구현예들에서는 4ns 미만, 또 다른 구현예들에서는 3ns 미만일 수 있다. 실제로, 일부 구현예들에서, 상승 시간은 포켈스 셀 그자체의 동력학에 의해 제한되지 않으며, 그보다는 스위칭 전자장치들의 동력학에 의해 제한된다. 일부 구현예들은 이 빠른 출력 스위칭 프로세스를 가능하게 하기 위해 혁신적인 제어 및 드라이버 회로를 사용할 수 있다.
전술한 바와 같이, 포켈스 셀의 스위칭 시간을 줄이는 것은 t(gain)을 짧게하는 효과적인 방안이며, 더 빠른 반복률을 가능하게 한다. 또한, 이 빠른 포켈스 셀들은 광학 경로의 길이 감소와 그에 따른 공동의 크기 감소를 허용한다.
또한, 레이저 엔진(1)의 구현예들은 일부 기존의 레이저들에 비해 더 적은 광학 요소들을 갖도록 만들어질 수 있다. 그 이유는, 부분적으로, 통합형 신장기-압축기 구성(200)과 아울러, 압축기 내에 조절가능한 광학 요소들이 필요 없는 분산 컨트롤러 또는 보상기를 응용한 때문이다.
일부 레이저들이 백 개 또는 그 초과의 광학 요소들을 포함할 수 있으나, 레이저 엔진(1)의 일부 구현예들에서, 광학 요소들의 갯수는 75개 미만일 수 있다. 다른 구현예들에서, 50개 미만일 수 있다.
일부 구현예들에서, 발진기 이외의 부분들의 광학 요소들의 갯수는 50개 미만일 수 있다. 다른 구현예들에서, 35개 미만일 수 있다.
여기서, 용어 "광학 요소"는 광 빔의 광학 특성에 영향을 미치는 임의의 요소를 의미한다. 예들은 미러, 렌즈, 평행판, 편광기, 아이솔레이터, 임의의 전환식 광학 요소, 굴절 요소, 투과 요소, 및 반사 요소를 포함한다.
광학 요소들은 빛이 공기로부터 진입하여 공기로 빠져나가는 표면들에 의해 규정된다. 따라서, 수개의 렌즈들을 포함하고 있다면, 대물렌즈가 이동할 때 렌즈들이 견고하게 함께 이동하여도, 대물렌즈와 같은 기능성 블록은 하나의 "광학 요소"가 아니다. 이는 대물렌즈의 렌즈들 사이에서 빛이 공기 중으로 전파하지만 거리가 짧기 때문이다. 2개의 렌즈들이 그들의 중심에 공극을 두지 않고 서로 접촉하여도, 여전히 편심된 빔들이 다른 렌즈로 진입하기 전에 공기 속으로 하나의 렌즈를 빠져나가므로, 2개의 광학 요소들로서 계산된다. 레이저들에 대한 개략적인 설명들은 흔히 레이저의 실제 기능에 필수적인 것보다 더 적은 수의 광학 요소들을 나타낸다. 통상적으로, 단일의 렌즈가 표시되어 있으면, 그 기능은 실제 단일의 렌즈에 의해서는 실시될 수 없으며, 세심하게 디자인된 렌즈 조립체에 의해 실시될 수 있다. 따라서, 그러한 개략적인 설명들은 단지 예시를 위한 것이며, 문자 그대로 구현되면 작동하지 않을 것이다.
고속 포켈스 셀들, 고속 스위칭 전자장치 및 적은 갯수의 광학 요소들을 가진 레이저 엔진(1)의 구현예들은 공동 내부에 2미터 미만, 다른 구현예들은 1미터 미만의 광학 경로를 가질 수 있다. 그에 대응하여, 증폭기(300)의 공동 내에서 모든 왕복을 포함하여, 발진기(100)에서 광자들의 발생으로부터 레이저 엔진의 전체 광학 경로는 500미터, 또는 300미터, 또는 심지어 150미터 미만일 수 있다.
기존의 팸토초 레이저들은 500미터 또는 그보다 더 긴 전체 광학 경로와 3 내지 4미터 또는 그보다 더 긴 공동 단부 미러 대 단부 미러 거리를 갖는데, 그 이유는 여기에 개시된 혁신적인 해결책 없이 이 값들 아래로 광학 경로를 짧게 하는 것이 지극히 어렵기 때문이다.
레이저 엔진(1)의 크기를 줄이는데 기여할 수 있는 혁신적인 서브시스템들과 특징들의 목록은, (ⅰ) 자유 공간 발진기 대신 섬유 기반 발진기(100); (ⅱ) 반복률이 변화될 때 조절되는 광학 요소들을 갖지 않는 단일의 처프된 부피 브래그 격자에 기반을 둘 수 있는, 통합형 신장기-압축기(200); (ⅲ) 반복률을 변화시킬 때 상기 신장기-압축기(200)에서 조절가능한 광학 요소들에 대한 필요를 없애는 분산 보상된 증폭기(300); (ⅳ) 매우 빠른 전환식 포켈스 셀; (ⅴ) 킬로볼트 범위를 포함한 포켈스 셀의 고전압에서 빠른 상승 시간들로 작동할 수 있는 매우 빠른 제어 전자장치들; 및 (ⅵ) 작은 수용 공간을 필요로 하는 적은 갯수의 광학 요소들;을 포함한다.
이 특징들의 조합 또는 모두를 구현하는 레이저 엔진들은 500미터 미만, 일부 구현예들에서는 300미터 미만, 및 일부 구현예들에서는 150미터 미만의 전체 자유 공간 광학 경로 길이를 지원할 수 있다.
또한, 상기 관련 특징들의 일부 또는 전부를 가진 증폭기(300)는 2미터 미만, 일부 구현예들에서는 1미터 미만의 단부 미러 대 단부 미러 광학 경로 길이를 가질 수 있다.
많은 구현예들에서, 상기 광학 경로는 다수회 절첩되며, 따라서, 공진 공동의 물리적 크기가 경로의 길이보다 상당히 더 짧을 수 있다. 짧고 절첩된 광학 경로들은 증폭기(300)의 작은 전체 크기로 바뀔 수 있다. 일부 경우들에서, 증폭기(300)의 에지 크기들 중 어떤 것도 1미터를 초과하지 않으며, 다른 경우들에서, 0.5미터를 초과하지 않는다.
그에 대응하여, 전체 레이저 엔진(1)의 풋프린트, 즉, 레이저 시스템의 데크에서 점유하는 면적이 1㎡ 미만일 수 있으며, 다른 구현예들에서 0.5㎡ 미만, 또 다른 구현예들에서 0.25㎡ 미만, 가능하게는 0.1㎡ 미만일 수 있다. 이 면적들 또는 풋프린트들은 각각 명확하게 새로운 장점들로 이어질 수 있다.
증폭기(300)와 레이저 엔진(1)은, 전술한 디자인 원리들과 부품들 중 하나 또는 그 초과를 사용하기 때문에, 이와 같이 특이하게 작은 공간적 크기를 가질 수 있다. 따라서, 상기 공간적 크기는 이 디자인 원리들과 부품들을 채용하지 않는 다른 레이저들로부터 상기 증폭기(300)와 레이저 엔진(1)을 정당하게 구분할 수 있다.
다른 고려 사항도 언급할 가치가 있다. 레이저 시스템의 상부 데크에 있으며, 이에 따라 레이저 시스템의 새시에 대해 시스템 블록들을 안팎으로 이동시키지 않고 커버를 간단히 제거함으로써 접근가능한 서브시스템들에 대한 점검이 매우 더 간단하다. 그와 같이 함으로써, 정렬을 회복하는데 정밀한 장비가 통상적으로 이용가능하지 않은 (병원과 같은) 소비자 환경에서 시스템 블록들의 민감한 정렬들을 위험에 빠트릴 수 있다. 따라서, 외과 레이저 시스템의 다양한 부품들을 서로의 위에 적층하는 것이 그 풋프린트를 줄이는 다른 방안처럼 보일 수 있으나, 그렇게 하면, 레이저 시스템의 점검에 대해 엄청난 도전을 유도할 것이다.
따라서, 레이저 엔진(1)의 크기를 줄이는 것은 유지보수를 위해 접근이 또한 필요한 레이저 시스템의 상부 데크에 다른 서브시스템들을 위치시킬 수 있도록 한다. 그러한 추가적인 서브시스템들은 질적으로 새로운 기능들을 유도할 수 있으며, 따라서, 전체 레이저 시스템의 유용성을 매우 향상시킨다. 그러한 추가적인 서브시스템들은 안과 수술을 안내하기 위한 화상 시스템을 포함할 수 있다.
요약하면, 물리적으로 콤팩트한 레이저 시스템들을 구성하기 위해, 전술한 특징들은 단독으로 또는 조합하여 구현될 수 있다. 그러한 작은 공간적 크기는 적어도 다음과 같은 이유로 가치있는 자산일 수 있다. (ⅰ) 안과 수술 레이저 시스템은 공간과 접근이 매우 고급인 매우 밀집된 수술실에서 흔히 전개되며, 작은 풋프린트들을 가진 레이저 시스템들이 선호된다. (ⅱ) 그 광학 부품들의 대부분 또는 전부가 레이저 시스템의 새시의 상부 데크에 맞는다면, 레이저 엔진의 유용성이 질적으로 우수하다. (ⅲ) 작은 레이저 엔진들은 상부 데크 상에 추가적인 시스템들의 전개를 허용하며, 안과 수술을 안내하는 화상 시스템들과 같은 중요한 새로운 기능들을 전체 레이저 시스템에 부가한다.
증폭되고 신장된 레이저 펄스들의 경로를 추적하는 것으로 돌아와서, 도 2는 증폭기(300)에 의해 방출되었을 때, 증폭된 펄스가 패러데이 아이솔레이터(500)로 되돌아갈 수 있음을 도시하고 있다. 패러데이 아이솔레이터(500)의 기능들 중 하나는 거의 100%의 효율로 발진기로부터 증폭된 펄스를 멀리 전향시키는 것일 수 있으며, 이에 따라, 증폭된 펄스에 의한 발진기(100)의 손상을 방지한다.
일부 경우들에서, 증폭된 펄스들은 편광기(550,560)들에 의해 신장기-압축기(200)의 압축기 포트로 전달된다. 전술한 바와 같이, 신장기-압축기(200)는 증폭된 펄스들을 재압축하여 팸토초 펄스들을 가진 펄스 레이저 빔을 방출할 수 있다.
전술한 다양한 해결책들을 이용하는 레이저 엔진(1)의 구현예들은 1 내지 1000팸토초(fs), 일부 경우들에서는 50 내지 500fs, 또 다른 경우들에서는 100 내지 300fs 범위의 펄스 지속 기간을 가진 레이저 빔을 출력할 수 있다. 이 팸토초 펄스들은 특이하게 높은 에너지들, 예컨대, 1 내지 100 μJ/펄스, 다른 경우에서는 10 내지 50 μJ/펄스, 또 다른 경우들에서는 20 내지 30 μJ/펄스 범위의 에너지들에 도달할 수 있다.
이 펄스 에너지들은 펄스 에너지가 1, 10, 또는 20 μJ/펄스 미만인 레이저들에 대해 접근할 수 없는 유용한 어플리케이션들을 가능하게 하는데, 그 이유는 한계치 거동을 나타내는 눈에서의 여러 가지 서로 다른 레이저-조직 상호작용들이 있기 때문이다. 1μJ/펄스 미만의 에너지를 가진 레이저 펄스들이 외과적으로 소망하는 조직 변형을 유발하지 않는 외과 수술이 있다. 다른 외과 수술들에서, 이 한계치는 10 또는 20μJ/펄스일 수 있다.
예컨대, 백내장 수술은 10㎜의 깊이와 같은 타겟 조직 내의 깊이로 레이저를 전달할 필요가 있다. 이러한 필요조건은 개구수를 제한하며, 따라서, 광파괴를 생성하기 위해 펄스당 더 높은 에너지 값을 필요로 한다. 일부 경우들에서, 10 내지 15μJ/펄스 에너지들이 충분할 수 있다. 최대 에너지 값으로 작동하는 것을 피하기 위해, 20μJ/펄스를 가진 장치들이 바람직할 수 있다. 이 수치들은 광학 경로를 따르는 손실들을 고려하여 정확하게 예상한 에너지들이며, 레이저 시스템은 25 내지 30μJ/펄스를 출력하는 레이저들을 포함할 수 있다.
예컨대, 백내장 수술에서, 경도 1, 2, 3 또는 4인 백내장들을 절단하기 위해서는 대응하는 한계치들 이상의 레이저 펄스 에너지들이 필요할 수 있다. 예컨대, 어떤 환경 하에서, 10 내지 15μJ/펄스보다 더 높은 펄스 에너지들을 가진 레이저들이 경도 1의 백내장들을 절단할 수 있고, 10 내지 20μJ/펄스보다 더 높은 펄스 에너지들은 경도 2의 백내장들을 절단할 수 있으며, 20μJ/펄스보다 더 높은 펄스 에너지들은 경도 3의 백내장들을 절단할 수 있고, 30 내지 50μJ/펄스보다 더 높은 펄스 에너지들은 경도 4의 백내장들을 절단할 수 있다. 이 한계치 에너지들은 펄스 길이, 반복률, 전체 타겟 영역 내에서 레이저 스팟의 위치 및 환자의 연령을 포함하여 여러 요인들에 의해 영향을 받을 수 있다.
레이저 펄스의 효과는 광범위한 타겟 조직들의 분류에서 매우 비선형적인 그 파라미터들의 함수이다. 따라서, 동일한 에너지/펄스를 갖지만 펄스 지속 기간이 상이한 레이저들은 외과적 타겟들에서 상이한 결과들에 도달할 수 있다. 예컨대, 특정 에너지/펄스 값을 가진 피코초 펄스들은 안과 조직에 제어할 수 없게 팽창하는 버블들을 발생시킬 수 있는 반면, 유사한 에너지/펄스를 가진 팸토초 펄스들은 제어되는 버블들을 생성할 수 있다. 따라서, 전술한 에너지/펄스 값들은 팸토초 펄스들, 즉, 피코초보다 작은 길이를 가진 펄스들을 방출하는 레이저 엔진들에 의해 발생될 수 있다.
레이저 빔의 강도는 그 출력면에서도 수량화될 수 있다. 예컨대, 50㎑의 반복률을 가진 20μJ/펄스 레이저는 1W 출력을 갖는다. 출력으로 표현하면, 전술한 한계값들은 대응하는 반복률들에서 0.1W, 1W 및 10W의 한계 출력들로 바뀔 수 있다. 따라서, 이 한계값들을 초과하는 출력을 가진 레이저 빔들을 방출할 수 있는 레이저 엔진들은 서로 다른 기능들을 제공한다.
예컨대, 식품의약청은 의료용 레이저들을 그들의 출력으로 분류하고 있다. 안과 수술들을 위해서는, 그 효과가 광범위하게 연구되었기 때문에, 레이저 클래스 3B가 흔히 사용된다. 0.5W 미만의 출력을 가진 빔들을 출력하는 레이저들이 클래스 3B에 속한다. 따라서, 0.5W 미만의 출력을 가진 레이저들은 더 높은 출력을 가진 레이저들과는 실질적으로 상이한 어플리케이션들을 제공한다.
도 6a 내지 도 6d는 고속으로 반복률을 변화시킬 수 있는 그 능력을 이용한 레이저 엔진(1)의 기능을 도시하고 있다. 다양한 어플리케이션들에서, 외과용 레이저 빔은 초점에서 광파괴를 유발하며, 파괴된 영역은 결국 버블로 팽창한다. 초점이 레이저 시스템의 스캐닝 광학장치에 의해 스캐닝 속도로 스캔될 때, 버블들의 일련의 버블들이 발생한다. 이 일련의 버블들은 제어가능한 방식으로 선들 또는 면들을 형성할 수 있다. 대다수의 버블들은 이 선들 또는 면들을 따르는 타겟 조직의 기계적 원형을 저감시키며, 상기 선들 또는 면들을 따라 타겟 조직의 용이한 분리를 가능하게 한다. 실제로, 스캔된 레이저 빔은 이 선들 또는 면들을 따라 타겟 조직을 "절단"한다.
일부 대표적인 경우들에서, 버블들은 직경이 수 마이크론(μ) 이며, 약 10 내지 50μ 또는 그 초과의 거리만큼 분리될 수 있다. 통상적으로, 외과용 레이저 시스템은 반복 시간 마다, 즉 반복률이 역전될 때마다 한번 버블을 생성한다. 따라서, 레이저 시스템의 스캐닝 속도가 일정하다면, 버블들은 본질적으로 등간격이다.
버블들은 레이저 펄스에 의해 생성된 후 팽창한다. 다양한 환경들 하에서, 이 팽창은 제어가능하지 않게 될 수 있다. 그러한 제어되지 않은 버블 팽창은 타겟 영역에서 후속하는 레이저 펄스들을 강하게 산란시킬 수 있으며, 안과 수술의 정밀도와 제어를 심각하게 약화시킨다. 버블들을 서로 너무 가깝게 형성하는 것은, 버블들을 합쳐지게 할 수 있기 때문에, 그러한 제어되지 않은 팽창의 트리거들 중 하나일 수 있다. 다른 가능한 프로세스들은 버블의 팽창이 후속하여 형성되는 버블들의 형성을 간섭할 수 있다는 것을 포함하며, 이들 간의 누화를 유발하여, 다시 버블들의 제어되지 않은 팽창으로 이어진다. 따라서, 스캐닝시 미리 정해진 버블 분리를 유지하는 것이 안과 수술용 레이저 시스템들에서 버블 팽창에 대한 제어를 유지하는데 매우 우선시 될 수 있다.
그러나, 초점의 스캐닝은 통상적으로 미러들 또는 갈보(galvos)들과 같은 부분들의 이동을 포함한다. 극히 짧은 반복 시간들로 인하여, 이 가동부들의 최소 관성 및 기계적 지연이 버블 밀도들에 영향을 미칠 수 있다. 예컨대, 동일한 수술 패턴들을 따라 스캐닝할 때, 스캐닝 속도가 반환점들과 코너들에서 저하될 수 있으며, 레이저 스팟들과 버블들의 밀도 증가로 이어질 수 있다. 다른 경우들에서, 선형 버블 밀도가 일정하게 유지되는 경우에도, 수술 패턴의 기하학적 형상이 버블들의 면 밀도의 향상으로 쉽게 이어진다.
도 6a는 타겟 조직에 분리 시이트를 생성하기 위해 스위치백 수술 스캐닝 패턴으로 고정식 반복률 레이저가 스캐닝할 때의 예를 나타낸다. 그러나, 전환 또는 스위치백 지점들에 접근할 때, 스캐너는 감속하는 반면 반복률은 일정하게 유지됨으로써, 도시된 바와 같이 증대된 선형 및 그에 따른 면 버블 밀도를 생성하게 된다. 이와 같이 증대된 버블 밀도는 전술한 바와 같이 심각한 제어상의 문제점들로 이어질 수 있다.
이러한 기술적 문제는 일부 기존 레이저 시스템들에서, 높은 버블 밀도 영역들의 형성을 방지하기 위해 그러한 전환점들에 접근할 때 레이저 빔을 차단하는 빔 차단기와 같은 추가적인 요소들을 포함함으로써 해소된다. 그러나, 그러한 빔 차단기들을 포함한다는 것은 레이저 시스템에 추가적인 요소들을 추가한다는 의미이고, 그 작동이 스캐닝 그 자체와 함께 제어되고 동조되어야 한다. 이러한 모든 추가들은 더 어렵고 복잡성이 증가함을 의미한다.
스캐닝이 스캐닝 패턴의 라인의 종단에 오기만 하여도 유사한 문제점이 발생하며, 스캐닝 속도를 저하시키고 선형 버블 밀도를 증대시킨다.
도 6b는 "가속 최소화" 스캐닝 패턴을 따름으로써, 그러한 급격한 반환점들을 회피할 수 있음을 나타낸다. 가속 최소화 패턴의 예는 급격한 스위치백들을 갖지 않은 나선이다. 그러나, 나선 패턴도 가속을 감소시킬 뿐 이를 없애지는 않는다. 따라서, 이 시스템들에서 스캐닝 속도는 여전히 변하며, 따라서, 패턴의 최저 속도 섹션들에서도 버블 밀도가 한계값 이상으로 증가하지 않도록, 고정 반복률이 여전히 선택되어야만 한다. 그러나, 이 디자인 원리는, 대부분의 패턴에 있어서, 스캐닝 속도가 절단 또는 분리 기능을 구현하기 위해 필요한 버블 밀도를 얻기 위해 시스템이 지원할 수 있는 것보다 더 낮다는 것을 의미한다. 마찬가지로, 더 높은 스캐닝 속도가 사용되면, 버블들의 분리가 더 작아질 것이며, 형성되는 버블들 간의 간섭 또는 누화로 이어진다. 이 효과들 모두가 제어되지 않고 비결정적인 버블 팽창의 위험을 증대시킨다.
레이저 엔진(1)의 구현예들은 이와 관련한 유용한 기능을 제공하도록 디자인될 수 있다. 특히 증폭기(300)의 분산 컨트롤러와 대체로 특이한 디자인은 변화하는 스캐닝 속도와 본질적으로 동조하여 반복률을 변화시킬 수 있도록 한다. 일부 레이저 엔진들에서, 반복률은 10㎲ 내지 1s 범위의 변화-시간에 변화될 수 있으며, 일부 특수한 경우들에서는 1㎲ 내지 1s에 변화될 수 있다. 따라서, 일부 구현예들은 타겟 영역에서 거의 일정한 버블 밀도를 유지하기 위해 수술 패턴을 따라 스캐닝 속도의 디자인되거나 측정된 감소에 따라 레이저 엔진(1)의 반복률을 저하시키는 제어 전자장치들을 포함할 수 있다. 그와 같이 거의 일정한 버블 밀도는, 예컨대, 변화하는 스캐닝 속도와 비례하여 반복률을 변화시킴으로써 구현될 수 있다. 이 기능에 의하여, 레이저 엔진(1 또는 1')들은 거의 균일한 선형 또는 면 버블 밀도 또는 분리를 가진 버블들을 형성할 수 있으며, 이에 따라, 제어되지 않은 버블 팽창을 방지하거나 대응할 수 있다.
도 6c는 도 6a와 동일한 스위치백들을 가진 스캐닝 수술 패턴을 도시하고 있으며, 스캔이 스위치백 주변을 이동할 때 반복률이 감소되고, 버블들 사이에 본질적으로 균일한 선형 분리가 있는 절단을 발생시킨다.
도 6d는 나선이 중심으로 수렴함에 따라 반복률이 감소하는 나선형 수술 패턴을 도시하고 있으며, 이러한 감소가 없었으면 버블들이 서로 너무 가깝게 되었을 것이다. 따라서, 이 실시예는 본질적으로 균일한 면 버블 밀도를 다시 생성할 수 있다.
물론, 반복률의 신속한 가변성 또한 일정한 밀도뿐만 아니라 미리 정해진 밀도 프로파일 역시 가진 버블들의 생성을 허용한다. 예컨대, 눈의 핵은 그 중심을 향하여 더 단단하다. 따라서, 일부 구현예들에서, 스캔이 핵의 중심을 가로지를 때 버블 밀도가 증가할 수 있으며, 그에 후속하여 중심을 지나면 감소할 수 있다. 다수의 서로 다른 밀도 프로파일들은 서로 다른 의학적 장점들과 잇점들을 가질 수 있다. 미리 정해진 기준이 아닌 타겟 영역의 화상 또는 감지에 대응하여 밀도 프로파일이 또한 조절될 수 있다.
도 7a 내지 도 7d는, 적어도 안과 수술의 시간 척도들 내에서, 예컨대, 60 내지 120초 이내에서, 레이저 엔진들이 스캐닝과 본질적으로 동조하여 반복률을 변화시킬 수 있도록 돕는 또 다른 디자인적 특징을 도시하고 있다.
도 7a 및 도 7b는 열 렌징이라 불리우는 현상과 레이저 디자인에 대한 그 효과를 도시하고 있다. 레이저 크리스탈(310)이 펌프 다이오드들에 의해 펌핑된 다음, 레이저 펄스를 증폭함으로써 그 에너지를 전달할 때, 그 온도(T)가 상승한다. 온도(T)는 흔히 불균일하게 상승하며, 통상적으로 온도는 펌핑된 중심 영역에서 가장 높고, 가능하게는, 광학 축에서 또는 그 주위에서 피크이며. 반경방향 거리가 증가할수록 감소한다.
이 불균일한 온도 상승의 적어도 두 가지 효과가 있다. (ⅰ) 온도(n=n(T))와 함께 굴절률(n)이 증가하기 때문에, 레이저 크리스탈(310)의 중심 영역에서 최대치를 나타낸다. (ⅱ) 온도가 증가하면, 레이저 크리스탈(310)의 중심 영역이 그 주변 영역보다 더 넓게 열적으로 팽창하게 되며, 따라서, 더 차가운 외측 영역에 의해 벌지가 유지된다. 이 효과들은 모두 입사되는 평행 광선들을 포커싱하는 경향이 있다. 이 현상을 열 렌징이라 한다. 이 열 렌징은 레이저 크리스탈을 렌즈(310')로 상징함으로써 인용된다. 열 렌즈는 수 디옵터의 굴절을 나타낼 수 있으며, 따라서, 레이저 엔진의 성능을 실질적으로 변화시킬 수 있다.
도 7a는 작동 반복률과 빔 출력에 의해 결정되는 작동 온도(T=Top)에서 레이저 크리스탈에 의한 열 렌징의 굴절 효과를 결정하고, 레이저 엔진의 다른 광학 요소들을 통해 열 렌징에 대한 굴절 보상을 유도하는 것을 포함한 레이저 엔진의 디자인을 도시하고 있다. 일 예는 열 렌즈(310')에 의해 포커싱된 후 수렴 빔을 평행 빔으로 회복시킬 수 있는 추가적인 렌즈(312)를 도입하는 것이다.
도 7b는 그러한 굴절 보상이 특정 작동 온도(T=Top)와 그에 따른 특정 반복률과 빔 출력에 대해 적절함을 도시하고 있다. 실제로, 어플리케이션이 굴절률 또는 출력의 변화를 필요로 한다면, 변화된 반복률 및/또는 변화된 출력은 레이저 크리스탈(310)의 온도(T)를 T=Top에서 T=Top'으로 변화시킨다. 이러한 온도 변화는 열 렌즈에 의한 포커싱을 (점선으로 표시된 수렴 빔으로부터 실선으로 표시된 빔으로) 변화시키며, T=Top에서 평행한 빔을 T=Top'에서 발산하도록 변형시키며, 따라서 더 나쁜 발산 특성들을 갖게 된다.
도 7b는 굴절 보상을 조절함으로써 발산 특성들이 회복될 수 있음을 도시하고 있다. 굴절 보상을 변화시키는 것은, 통상적으로, 렌즈를 이동시키거나, 격자를 회전시키거나, 광학 축에 대해 빔을 이동시키는 것과 같은, 레이저 엔진의 하나 또는 그 초과의 광학 요소들의 조절을 필요로 한다. 도 7b는 화살표로 표시된 바와 같은 광학 축을 따른 보상 렌즈(312)의 조절을 나타낸다. 이전의 분산 보상과 유사하게, 이 기계적 조절에 의한 굴절 보상 또한 느리고, 미세한 조정과 교정을 필요로 한다. 따라서, 대부분의 레이저들은 이러한 문제를 전적으로 회피하며, 반복률의 변화를 허용하지 않는다. 그리고, 변화가능한 반복률을 제공하는 레이저들에서도, 반복률은 레이저 엔진들의 스캐닝과 거의 동조하여 변화될 수 없으며, 보상 광학 요소들의 조절의 저속성 때문에 안과 수술 시간 내에서도 변화될 수 없다.
도 7c 및 도 7d는 열 렌징의 효과를 최소화하기 위해 다양한 디자인 원리들을 채용한 레이저 엔진(1)의 구현예들을 도시하고 있다. 열 렌즈(310')에 의한 굴절은, 광선들 대부분 또는 전부가 열 렌즈(310')의 중심을 통하거나 매우 인접하여 전파한다면, 렌즈의 중심을 가로지르는 광선이 기하학적 광학 근사치의 레벨에서 굴절되지 않기 때문에, 상당한 정도로 감소될 수 있다. 파동 광학의 레벨에서, 그리고 렌즈의 유한한 크기를 포함할 때, 이 중심 광선들은 굴절되기는 하지만, 최소의 정도로만 굴절된다.
도 7c는, 예컨대, (ⅰ) 포커싱 효과를 가진 단부 미러(322)의 실시예를 사용하고, (ⅱ) 포커싱 단부 미러(322)로부터 나오는 대부분의 광선들이 열 렌징 레이저 크리스탈(310/310')의 중심에 충돌하도록 포커싱 단부 미러(322)의 초점에 매우 인접하게 열 렌징 레이저 크리스탈(310/310')을 위치시키며, (ⅲ) 수렴하게 되는 대신빔이 다시 반사되도록 보장하기 위해 포커싱 단부 미러(322)의 초점과 렌즈 크리스탈(310)에 매우 인접하게 다른 단부 미러(321)를 위치시킴으로써, 광선들이 렌즈의 중심에 충돌하도록 압축될 수 있음을 도시하고 있다. 그러한 디자인들에서, 빔의 반복률 또는 출력이 변화되고, 그에 따라 레이저 크리스탈(310)의 온도가 T=Top에서 T=Top'으로 변화하면, 레이저 크리스탈(310)의 굴절 충격이 최소화되었기 때문에, 레이저 엔진(1)의 임의의 기계적 또는 광학 요소를 재조절하여야 할 시급한 필요가 없다. 따라서, 빔의 반복률 또는 출력이 굴절률 보상기의 어떠한 대응하는 조절 없이 변화될 수 있다.
도 4를 참조하면, 다양한 실시예들에서, 단부 미러들과 절첩 미러(321 내지 324)들 중 임의의 하나 또는 그 초과의 미러가 전술한 포커싱 효과를 가질 수 있다.
단부 미러(321)와 렌징 크리스탈(310)의 거리(d1)와 렌징 크리스탈(310)과 포커싱 단부 미러(322)의 거리(d2)를 포함하는 이 실시예의 디자인들의 파라미터들과, 개구들, 렌징 크리스탈(310)의 두께 및 포커싱 단부 미러(322)의 반경과 같은 다른 파라미터들이 이미 감소된 열 렌징을 더 최소화하기 위해 최적화될 수 있다.
도 7d는 관련된 디자인을 도시하고 있다. 이 실시예에서, 단부 미러(321,322)들은 모두 포커싱 타입이다. 이 예는, 레이저 크리스탈(310)이 2개의 단부 미러들의 공유된 초점 속에 고정밀도로 위치되기 때문에, 열 렌징을 더 감소시킨다. 역시, 다른 파라미터들이 추가적인 디자인 최적화를 겪도록 만들어질 수 있다.
도 8은 레이저 엔진(1)에서 열 렌징 억제의 수량적인 특징을 도시하고 있다. 수평축은 주변 온도(Tambient)에 대한 크리스탈 중심의 작동 온도(Toperating=Top)의 비율을 나타낸다. 수직축은 레이저 엔진(1)에 의해 방출되는 레이저 빔의 광학 출력을 나타낸다. 그래프는, 레이저 작동이 레이저 엔진을 주변 온도 보다 10 내지 50% 가열하여도, 광학 출력은 단수 수% 변하여, Toperating/Tambient=150%에서 약 10%에 도달함을 보여주고 있다. 도 7c 및 도 7d의 디자인들에 의해 레이저 크리스탈(310)의 열 렌징의 굴절 충격이 효과적으로 최소화되었기 때문에, 레이저 크리스탈(310)의 광학 출력은 그와 같이 넓은 작동 온도 범위에서 약간 변한다.
전술한 상세한 설명은, (ⅰ) 증폭기(100) 내부의 분산 보상의 이용, (ⅱ) 통합형 신장기-압축기(200)의 이용, 및 (ⅲ) 열 렌징을 최소화하는 공동 구조들과 아울러 전술한 다른 디자인 고려사항의 이용을 포함하여, 발진기(100)의 외부의 광학 요소들을 조절할 필요 없이 반복률을 변화시키는 기능을 구현하기 위해 사용될 수 있는 디자인 원리들과 예들을 제공한다. 상기 디자인적 특징들 또는 유사체들 중 하나 또는 그 초과를 이용하는 레이저 엔진들은 변화 시간 내에 반복률 범위들에서 반복률의 변화를 가능하게 할 수 있으며, 단지 한정된 레이저 빔 변형을 유발한다.
여기서, 반복률 범위는 10㎑ 내지 2㎒, 또는 50㎑ 내지 1㎒, 또는 100㎑ 내지 500㎑일 수 있으며, 이 각각의 범위들은 특수한 기능들을 제공한다.
상기 변화 시간은 수술의 유형에 따라, 1 내지 120초, 또는 10 내지 60초, 또는 20 내지 50초의 범위 내와 같이, 다단계 안과 수술의 시간 척도일 수 있다. 이 범위들에서 변하는 시간을 가진 레이저 엔진들은 제 1 외과적 수술에 필요한 반복률로부터 제 2 외과적 수술에 필요한 반복률로 스위칭하도록 반복률의 변화를 지원할 수 있다.
도 6a 내지 도 6d와 관련하여 설명한 실시예에서와 같은, 다른 경우들에서, 변화 시간은 레이저 시스템의 스캐닝 속도에 의해 설정된 시간 척도, 예컨대, 다중의 반복 시간들일 수 있으며, 여기서, 상기 다중은 1 내지 10,000 또는 100 내지 1,000의 범위일 수 있다. 반복 시간이 10㎑에서 약 100㎲이고, 1㎒에서 1㎲이므로, 이들 "스캐닝-변화 시간들" 또는 "스캐닝-동조 변화 시간들"은 1㎲ 내지 1s 범위일 수 있다.
버블들의 선형 밀도는 스캐닝 속도의 변화에 응답하여 반복률을 변화시킴으로써 일부 구현예들에서 보존되며, 이에 따라, 스캐닝 속도와 반복률의 비율은 본질적으로 일정하게 유지된다.
이 레이저 빔은 반복률 변화에 의해 한정된 정도로 변형될 수 있다. 이러한 변형은, (ⅰ) 빔 직경이 10% 또는 20% 미만으로 변하거나, (ⅱ) 빔의 중심이 빔 직경의 20% 또는 40% 미만으로 이동하는 것을 포함하여, 다양한 방식으로 캡쳐될 수 있다. 여기서, 빔 직경은, 빔의 강도가 빔 중심에서의 강도의 50%로 떨어질 때의 직경과 같이, 여러 가지 방식들로 정의될 수 있다. 다른 정의들도 사용될 수 있다.
예는 100㎑의 반복률을 갖고 초점에서 빔 직경이 3μ인 레이저 빔을 방출할 수 있는 레이저 엔진(1)이며, 상기 레이저 빔의 반복률은 15초의 변화 시간에 단지 발진기(100)만을 조절함으로써 150㎑로 변화될 수 있으며, 이러한 현격한 변화에도 불구하고, 빔은 제한된 정도로만 변형된다. 즉, 초점 직경이 3.45μ으로 단지 15% 변하고, 그 중심이 광학 축에 대해 빔 직경의 단지 30%만, 즉, 0.9μ 이동한다. 이러한 레이저 엔진은 100㎑의 반복률로 백내장 수술을 실시하고, 그 반복률을 15초에 150㎑로 변화시켜, 150㎑의 반복률로 후속하여 각막 수술을 다시 실시하기 위해 사용될 수 있으며, 전체 수술에 100 또는 120초 이상 걸리지 않으면서도 매우 우수한 빔 품질을 유지한다.
다른 예에서, 레이저 엔진(1)은 100㎑의 반복률과 4μ의 빔 직경을 가진 레이저 빔을 방출할 수 있다. 스캐닝 속도가 정상 스캐닝 속도의 절반으로 감소하는 수술 패턴의 급격한 스위치백에 스캐닝이 접근할 때, 발생되는 버블들 또는 스팟들의 거의 일정한 선형 밀도를 유지하기 위해, 그에 대응하여 반복률이 점진적으로 그 값의 절반으로, 즉 100㎑에서 50㎑로 감소할 수 있다. 이러한 감소가 이루어지면, 예컨대, 100㎑의 반복률의 10의 반복 시간에, 반복률을 변화시키는 전체 시간은 약 100㎲이다.
반복률은 여러 단계들로 또는 점진적으로 변화될 수 있으며, 최종적인 결론은 반복률이 레이저 빔의 스캐닝 시간 척도의 변화와 거의 동조하여 약 100㎲에 100㎑에서 50㎑로 변한다는 것이다. 레이저 엔진(1)의 디자인은 이와 같이 매우 빠른 시간에 반복률을 변화할 수 있도록 하면서도 높은 레이저 빔 품질을 유지할 수 있도록 한다. 예에서, 레이저 빔 직경은 100㎑에서 4μ일 수 있고, 반복률이 50㎑로 감소하면 3.6μ로 단지 10% 변하고, 레이저 빔의 중심은 광학 축으로부터 빔 직경의 단지 20%, 즉 0.8μ 멀어진다.
반복률을 변화시키면서도 어떻게 레이저 엔진(1)이 높은 빔 품질을 유지할 수 있는지를 표현하는 또 다른 방법은 잘 알려진 g1-g2 안정성 평면과 관련된다. 레이저 엔진(1)의 구현예들은 광범위한 반복률에서, 예컨대, 10㎑ 내지 2㎒, 또는 10㎑ 내지 500㎑, 또는 50㎑ 내지 200㎑ 범위에서, 쌍곡선 안정성 영역 내에 빔 파라미터(g1,g2)를 유지할 수 있다.
적은 갯수의 광학 요소들은 또 다른 시점에서 볼 때 레이저 엔진(1)의 구현예들의 중요하고 차별화되는 특징이다. 일반적으로 팸토초 레이저들은 환경적 충격, 설명서와는 다른 사용, 및 심지어 자기 가열 효과와 같은 간단한 마모에 매우 민감하고 쉽게 오정렬되는 최첨단 장치들이다. 따라서, 팸토초 레이저들의 광학 요소들은 규칙적인 짧은 시간 간격으로 미세한 조절, 재조절 및 유지보수가 필요할 수 있다. 통상적인 팸토초 레이저들은 백 개 또는 그 초과의 광학 요소들을 포함할 수 있으며, 이들 광학 요소들 중 어느 하나의 고장이 전체 레이저의 고장을 유발할 수 있다.
일부 전형적인 레이저들은 30 내지 60회의 "사이클링" 후, 즉 레이저 엔진의 전원을 스위치 온 오프한 후, 고장날 수 있다. 수술중 고장이 발생하는 것을 방지하기 위해, 일부 레이저 시스템의 운영자들은 모든 수반되는 비용과 정지 시간과 함께 규칙적이며 고가인 유지보수 출장을 계획하여야만 하며, 파괴적인 결과를 가진 현장에서의 고장의 높은 위험을 감수하여야 한다.
반면에, 레이저 엔진(1)의 실시예들은 레이저 엔진(1)의 어떠한 광학 요소도 재조절할 필요 없이 전원을 스위치 온 오프함으로써 120회 이상 사이클링될 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 사이클 횟수는 180 이상, 심지어 240회일 수 있다.
외과 수술시, 레이저 크리스탈(310)의 가열 및 냉각과 연관된 문제점들을 최소화하기 위하여, 레이저는 흔히 아침에 스위치 온되고 저녁에만 스위치 오프된다. 즉, 수술용 레이저들은 흔히 하루에 한번 사이클링된다. 간단하게 예측하여, 레이저들이 일주일에 5회 사용되고, 그에 따라서, 한 달에 대략 20회 사용되면, 30회의 사이클링이 1.5개월 후에 높은 고장 가능성으로 바뀌고, 60사이클링은 3개월 이후가 된다.
반면에, 레이저 엔진(1)의 일부 구현예들은 120회 이상 사이클링될 수 있으며, 6개월의 낮은 고장 가능성으로 바뀔 수 있다. 다른 구현예들은 180 또는 240회 사이클링될 수 있으며, 9개월 또는 1년의 낮은 고장 가능성으로 바뀔 수 있다. 따라서, 레이저 엔진(1)의 실시예들은 사용자와 서비스 공급자에도 현저하게 작은 부담을 주는 예방적 유지보수 스케줄로 작동될 수 있다. 또한, 그와 같이 적은 빈도의 유지보수 스케줄은 레이저 시스템의 전체 섹션들의 교환과 같이 여러 유형의 유지보수를 가능하게 한다. 일부 경우들에서, 전체 레이저 엔진(1)이 새로 유지보수된 것으로 현장에서 간단히 교환될 수 있으며, 레이저 엔진(1)의 유지보수가 수술실의 열악한 환경 대신 서비스 공급자 본사의 첨단기술환경에서 이루어질 수 있다.
본 명세서가 많은 내용들을 포함하고 있으나, 이들은 본 발명 또는 청구될 수 있는 것들의 범위를 제한하고자 하는 것으로 이해되어서는 아니되며, 본 발명의 특수한 실시예들 특유의 특징들을 설명하는 것으로 이해되어야 한다. 별도의 실시예들과 관련하여 본 명세서에 설명된 소정의 특징들은 단일의 실시예에서 조합하여 구현될 수도 있다. 역으로, 단일의 실시예와 관련하여 설명된 여러 특징들이 다중의 실시예에서 개별적으로 또는 임의의 적당한 소조합으로 구현될 수도 있다. 또한, 특징들이 소정의 조합들로 작용하는 것으로 위에서 설명되고 심지어 그와 같이 처음에 청구되었을 수 있으나, 청구된 조합으로부터 하나 또는 그 초과의 특징들이 일부 경우들에서 그 조합으로부터 분리되고, 청구된 조합이 소조합 또는 소조합의 변형으로 유도될 수 있다.
이미지 안내 레이저 수술 기술들, 장치 및 시스템들의 많은 구현예들이 개시되었다. 그러나, 개시된 구현예들의 변형들과 개선들, 및 다른 구현예들이 개시된 것에 기초하여 만들어질 수 있다.

Claims (15)

  1. 가변 반복률 레이저 엔진으로서,
    팸토초 시드 펄스들의 빔을 발생시켜 출력하는 발진기;
    상기 시드 펄스들의 지속 기간을 신장시키는 통합형 신장기-압축기; 및
    증폭되고 신장된 펄스들을 생성하기 위해 선택된 신장된 시드 펄스들의 진폭을 증폭하는 Q 스위치 공동 덤핑형 재생 증폭기;를 포함하고,
    상기 신장기-압축기는 증폭되고 신장된 펄스들의 지속 기간을 압축하여 팸토초 레이저 펄스들을 출력하며,
    상기 레이저 엔진의 광학 요소들의 수는 75개 미만인,
    가변 반복률 레이저 엔진.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 레이저 엔진의 광학 요소들의 수는 50개 미만인,
    가변 반복률 레이저 엔진.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 발진기 이외의 부분들에서 상기 레이저 엔진의 광학 요소들의 수는 50개 미만인,
    가변 반복률 레이저 엔진.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 발진기 이외의 부분들에서 상기 레이저 엔진의 광학 요소들의 수는 35개 미만인,
    가변 반복률 레이저 엔진.
  5. 제 1 항에 있어서,
    광학 요소는, 미러, 렌즈, 평행판, 편광기, 아이솔레이터, 임의의 전환식 광학 요소, 굴절 요소, 투과성 요소 또는 반사성 요소 중 하나인,
    가변 반복률 레이저 엔진.
  6. 제 1 항에 있어서,
    광학 요소는 공기로부터 진입하여 공기 속으로 빠져나가는 광을 갖는,
    가변 반복률 레이저 엔진.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 통합형 신장기-압축기는 처프된 부피 브래그 격자를 포함하는,
    가변 반복률 레이저 엔진.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 증폭기는 상기 증폭기의 광학 요소들에 의해 유도되는 분산을 보상하는 분산 보상기를 포함하는,
    가변 반복률 레이저 엔진.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 증폭기는,
    공진 공동을 규정하는 2개의 단부 미러들; 및
    상기 증폭기 내부에서 공진 광학 경로를 절첩하는 2개의 폴딩 미러들;을 포함하고,
    상기 2개의 단부 미러들과 상기 2개의 폴딩 미러들 중 적어도 하나는 처프된 미러인,
    가변 반복률 레이저 엔진.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 레이저 엔진은,
    제 1 반복률을 가진 레이저 빔을 출력하고; 및
    그에 후속하여, 상기 레이저 엔진의 모든 광학 요소들을 본질적으로 동일하게 설정한 상태에서, 제 2 반복률을 가진 레이저 빔을 출력하도록 구성되며,
    상기 제 1 및 제 2 반복률들은 10㎑ 내지 2㎒, 50㎑ 내지 1㎒, 또는 100㎑ 내지 500㎑의 범위들 중 하나 이내인,
    가변 반복률 레이저 엔진.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 레이저 엔진은 1초 미만의 변화 시간에 제 1 반복률이 제 2 반복률로 변환될 수 있도록 구성된,
    가변 반복률 레이저 엔진.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 증폭기는 상기 단부 미러들 사이에 전환식 편광기를 포함하고,
    상기 전환식 편광기는 상기 전환식 편광기가 상기 증폭되고 신장된 펄스들의 편광을 조절하는 상태와 상기 전환식 편광기가 상기 증폭되고 신장된 펄스들의 편광을 본질적으로 조절하지 않는 상태 사이에서 5ns, 4ns 또는 3ns 중 하나의 미만에 스위칭할 수 있는,
    가변 반복률 레이저 엔진.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 증폭기는,
    적어도 하나의 포커싱 미러; 및
    상기 포커싱 미러의 초점에 인접하여 배치된 레이저 크리스탈;을 포함하는,
    가변 반복률 레이저 엔진.
  14. 레이저 엔진으로서,
    팸토초 시드 펄스들의 빔을 발생시켜 출력하는 발진기;
    상기 시드 펄스들의 지속 기간을 신장시키는 신장기-압축기; 및
    상기 신장기-압축기로부터 신장된 시드 펄스들을 수신하고, 증폭되고 신장된 펄스들을 생성하기 위해 선택된 신장된 시드 펄스들의 진폭을 증폭하며, 증폭되고 신장된 펄스들을 출력하는 증폭기;를 포함하며,
    상기 신장기-압축기는 상기 증폭되고 신장된 펄스들을 수신하고, 상기 증폭되고 신장된 펄스들의 지속 기간을 압축하며, 1,000 팸토초 미만의 펄스 지속 기간을 가진 팸토초 펄스들의 레이저 빔을 출력하고,
    상기 발진기 이외의 부분들에서 상기 레이저 엔진의 광학 요소들의 수는 50개 미만인,
    레이저 엔진.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 레이저 엔진의 광학 요소들의 수는 75개 미만인,
    레이저 엔진.
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