KR20130109009A - 다중 파장 광학 시스템 - Google Patents

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Abstract

다중 주파수-변환 스펙트럼 피크를 방출하도록 동작가능한 광학 시스템이 제공된다. 일 실시예에서, 광학 시스템(100)은 광원(110) 및 파장 변환장치(130)를 포함한다. 상기 광원(110)은 적어도 2개의 기본 스펙트럼 피크(125, 127)를 갖는 펌프 빔(120)을 방출하도록 구성된 레이저를 포함한다. 상기 파장 변환장치(130)는 상기 광원(110)의 펌프 빔(120)이 상기 파장 변환장치(130)의 입력면(131)에 입사될 때 거의 동일한 파워를 갖는 적어도 3개의 주파수-변환 스펙트럼 피크(142, 144, 146)를 포함하는 출력 빔(140)이 상기 파장 변환장치(130)의 출력면(138)으로부터 방출되도록 각각의 적어도 2개의 기본 스펙트럼 피크(125, 127)의 2차 조화파 생성과 적어도 2개의 기본 스펙트럼 피크(125, 127)의 총합-주파수 생성을 위상 매칭시키도록 구성된 비선형 광학 매체를 포함한다.

Description

다중 파장 광학 시스템{MULTIPLE WAVELENGTH OPTICAL SYSTEMS}
본 출원은 2010년 5월 18일 출원된 미국 특허출원 제12/782,205호의 우선권을 청구한다.
본 발명의 실시예들은 통상 레이저 시스템과 같은 광학 시스템에 관한 것이다. 특히, 본 실시예들은 레이저-투사 이미지에서의 반점(speckle)의 출현을 감소시키기 위한 다중 주파수-변환 스펙트럼 피크를 갖는 하나 또는 그 이상의 출력 빔을 생성할 수 있는 광학 시스템에 관한 것이다.
현재 청색 및 적색 반도체 레이저는 쉽게 이용가능하지만, 질화물 반도체 기술의 발달은 아직 충분한 출력 파워, 효율성 및 유효성을 갖는 천연의 녹색 레이저를 생성하지 못하고 있다. 근적외선(1060 nm) 레이저 다이오드를 사용하여 주기적 분극 리튬 니오베이트(PPLN; periodically poled lithium niobate) 결정과 같은 비선형 광학매체의 주파수 더불링(doubling)에 의해 녹색광을 생성하기 위한 매력적인 대안이 있다. 이것은 작은 패키지 크기 및 적당한 효율성을 갖게 하지만, 레이저 소스의 높은 스펙트럼 및 공간 간섭성으로 인해 투사 이미지에 높은 레벨의 반점을 생성한다.
간섭 광원이 거친 표면, 예컨대 스크린, 벽, 또는 확산 반사나 전송을 생성하는 소정의 다른 대상을 조명하는데 사용될 때마다 반점이 관찰된다. 특히, 스크린 또는 다른 반사 대상의 다수의 작은 영역은 각기 다른 시작점 및 각기 다른 전파 방향을 갖는 다수의 반사된 빔으로 광을 산란시킨다. 관찰자의 눈 또는 카메라 센서의 관찰 지점에서, 이들 빔은 반점으로 알려진 임의의 입자형 명암 패턴을 생성하여, 휘점(bright spot)을 형성하기 위해 보강 간섭하고, 암점(dark spot)을 형성하기 위해 상쇄 간섭한다. 반점은 투사 이미지에 높은 주파수 노이즈를 야기한다. 반점은 입자의 크기 및 콘트라스트(contrast)에 의해 특성화되며, 보통 후자는 관찰 평면에서의 광 강도를 나타내기 위한 표준편차의 비율로서 규정된다. 큰 충분한 조명 영역 및 작은 충분한 표면 거칠기의 경우, 그러한 반점은 100%의 밝음 표준편차로 "충분히 성장"될 수 있다. 레이저 빔과 같은 간섭 광원을 이용하여 스크린 상에 이미지가 형성되면, 그와 같은 입자 구조는 심각한 이미지 품질의 저하를 야기하는 노이즈를 제공할 것이다. 이러한 노이즈는 특히 투사체가 텍스트와 같은 높은 공간-주파수 이미지 콘텐츠(spatial-frequency image content)를 표시하기 위해 사용될 경우 큰 문제를 야기한다.
따라서, 레이저 투사 이미지의 이미지 품질을 향상시키기 위해 반점의 출현을 감소시키는 광학 시스템의 제공이 필요하다.
일 실시예에서, 광학 시스템은 광원 및 파장 변환장치를 포함한다. 상기 광원은 적어도 2개의 기본 스펙트럼 피크를 갖는 펌프 빔을 방출하도록 구성된 레이저를 포함한다. 상기 파장 변환장치는 상기 광원의 펌프 빔이 상기 파장 변환장치의 입력면에 입사될 때 거의 동일한 파워를 갖는 적어도 3개의 주파수-변환 스펙트럼 피크를 포함하는 출력 빔이 상기 파장 변환장치의 출력면으로부터 방출되도록 각각의 적어도 2개의 기본 스펙트럼 피크의 2차 조화파 생성과 적어도 2개의 기본 스펙트럼 피크의 총합-주파수 생성을 위상 매칭시키도록 구성된 비선형 광학 매체를 포함한다.
또 다른 실시예에서, 광학 시스템은 광원 및 파장 변환장치를 포함한다. 상기 광원은 적어도 0.5 nm 파장으로 분할된 적어도 2개의 기본 스펙트럼 피크를 갖는 펌프 빔을 방출하도록 구성된 적어도 하나의 레이저를 포함한다. 상기 파장 변환장치는 펌프 빔이 상기 파장 변환장치의 입력면에 입사될 때 0.25 nm 이상의 파장으로 분할되고 거의 동일한 파워를 갖는 3개의 주파수-변환 스펙트럼 피크를 생성하는 응답률을 갖는 적어도 3개의 위상 매칭 피크를 제공하는 위상 변조 함수로 특성화된 비선형 광학 매체를 포함한다. 출력 빔의 주파수-변환 스펙트럼 피크의 수가 펌프 빔의 기본 스펙트럼 피크의 수보다 크다.
상기와 같은 구성을 갖는 본 발명의 구성에 의하면, 반점의 출현을 감소시켜 레이저 투사 이미지의 이미지 품질을 향상시킬 수 있다.
도 1은 여기에 나타내고 기술한 하나 또는 그 이상의 실시예에 따른 광학 시스템의 개략도이다.
도 2는 여기에 나타내고 기술한 하나 또는 그 이상의 실시예에 의해 생성된 주파수 변환 출력 빔의 광학 스펙트럼을 나타낸 그래프이다.
도 3a는 여기에 나타내고 기술한 하나 또는 그 이상의 실시예에 따른 광원으로부터 방출된 출력 빔의 광학 스펙트럼을 나타낸 그래프이다.
도 3b는 여기에 나타내고 기술한 하나 또는 그 이상의 실시예에 따른 DBR 레이저의 개략도이다.
도 4는 여기에 나타내고 기술한 하나 또는 그 이상의 실시예에 따른 불연속 위상 변조 함수의 그래프이다.
도 5는 여기에 나타내고 기술한 하나 또는 그 이상의 실시예에 따른 도 4에 도시된 불연속 위상 변조 함수에 의해 부분적으로 규정된 위상-변조 주기성을 갖는 파장 변환장치의 개략도이다.
도 6은 여기에 나타내고 기술한 하나 또는 그 이상의 실시예에 따른 도 4에 도시된 불연속 위상 변조 함수에 의해 부분적으로 규정된 위상-변조 주기성을 갖는 파장 변환장치의 파동-벡터 공간에서의 스펙트럼 응답의 그래프이다.
도 7은 여기에 나타내고 기술한 하나 또는 그 이상의 실시예에 따른 직사각형 위상 변조 함수의 그래프이다.
도 8은 여기에 나타내고 기술한 하나 또는 그 이상의 실시예에 따른 도 7에 도시된 직사각형 위상 변조 함수에 의해 부분적으로 규정된 위상-변조 주기성을 갖는 파장 변환장치의 파동-벡터 공간에서의 스펙트럼 응답의 그래프이다.
도 9는 여기에 나타내고 기술한 하나 또는 그 이상의 실시예에 따른 사다리꼴 위상 변조 함수의 그래프이다.
도 10은 여기에 나타내고 기술한 하나 또는 그 이상의 실시예에 따른 도 9에 도시된 사다리꼴 위상 변조 함수에 의해 부분적으로 규정된 위상-변조 주기성을 갖는 파장 변환장치의 파동-벡터 공간에서의 스펙트럼 응답의 그래프이다.
도 11은 여기에 나타내고 기술한 하나 또는 그 이상의 실시예에 따른 2개의 파장 변환장치를 갖는 광학 시스템의 개략도이다.
도 12는 여기에 나타내고 기술한 하나 또는 그 이상의 실시예에 따른 연속의 싸인 위상-변조 함수의 그래프이다.
도 13은 여기에 나타내고 기술한 하나 또는 그 이상의 실시예에 따른 도 12에 도시된 싸인 함수에 의해 부분적으로 규정된 위상-변조 주기성을 갖는 파장 변환장치의 개략도이다.
도 14a는 여기에 나타내고 기술한 하나 또는 그 이상의 실시예에 따른 도 12에 도시된 싸인 함수에 의해 부분적으로 규정된 위상-변조 주기성을 갖는 파장 변환장치의 파동-벡터 공간에서의 스펙트럼 응답의 그래프이다.
도 14b는 여기에 나타내고 기술한 하나 또는 그 이상의 실시예에 따른 도 12에 도시된 싸인 함수에 의해 부분적으로 규정된 위상-변조 주기성을 갖는 파장 변환장치의 파장 공간에서의 스펙트럼 응답의 그래프이다.
통상 여기에 기술된 실시예들은 레이저 투사 시스템에 통합될 경우 이미지에서의 반점의 출현을 감소시키는 광학 시스템과 관련된다. 비록 여기에 기술된 실시예들이 레이저 투사 시스템과 관련하여 기술될 지라도, 실시예들은 그것으로 한정하지 않는다. 여기에 기술한 실시예들은 레이저 투사 시스템 외의 시스템에 통합될 수 있다.
본 발명 개시의 실시예들에 대한 참조가 상세히 이루어져 있으며, 그러한 예가 수반되는 도면에 도시되어 있다. 가급적 동일한 참조부호가 동일한 구성요소에 사용된다. 광학 시스템의 일 실시예가 도 1에 나타나 있다. 그러한 광학 시스템은 보통 적어도 하나의 반도체 레이저, 선택의 커플링 옵틱(coupling optics), 및 파장 변환장치를 포함한다. 패키지 콘트롤러가 그러한 반도체 레이저 및/또는 커플링 옵틱을 작동시키기 위해 포함될 것이다. 반도체 레이저의 출력은 커플링 옵틱의 사용에 의해 또는 직접적으로 파장 변환장치의 입력에 광학적으로 연결된다. 반도체 레이저는 ΔλIR로 분할된 적어도 2개의 기본 스펙트럼 피크를 갖는 펌프 빔을 생성한다. 파장 변환장치는 반도체 레이저에 의해 방출된 펌프 빔의 에너지를 적어도 3개의 주파수-변환 스펙트럼 피크를 갖는 출력 빔으로 변환한다. 광학 시스템의 다양한 요소 및 구성이 여기에 더 기술될 것이다.
도 1은 통상 여기에 기술된 광학 시스템(100)을 나타낸다. 반도체 레이저(110)에 의해 방출된 펌프 빔(120)은 적외선 파장 대역의 2개의 동시에 방출된 기본 스펙트럼 피크를 갖는다. 펌프 빔(120)은 파장 변환장치(130)의 도파로부(137)에 직접 연결되거나 또는 제1 및 제2커플링 옵틱(121: 예컨대, 렌즈 122a 및 122b)으로서 도시된 적응형 옵틱(adaptive optics)을 이용하여 파장 변환장치(130)의 도파로부에 연결될 수 있다. 파장 변환장치(130)는 펌프 빔(120)의 출력 파장을 보다 높은 조화파로 변환하여 3개의 주파수-변환 스펙트럼 피크(142, 144, 146; 도 2)를 갖는 가시의 출력 빔(140)을 생성한다. 이러한 타입의 광학 패키지는 보다 긴 파장의 반도체 레이저로부터 보다 짧은 파장 레이저 빔을 생성하는데 특히 유용하며, 예컨대 레이저 투사 시스템을 위한 가시광원으로서 사용될 수 있다.
광원(110)은 예컨대 분포 궤환(DFB: distributed feedback) 레이저, 분포 브래그 반사기(DBR; distributed Bragg reflector) 레이저, 수직 공동 표면-발광 레이저(VCSEL; vertical cavity surface-emitting lasers), 수직 외부 공동 표면-발광 레이저(VECSEL; vertical external cavity surface-emitting lasers) 또는 페브리-페롯 레이저(Fabry-Perot lasers)와 같은 하나 또는 그 이상의 레이저를 포함한다. 또한, 그러한 레이저 이득 매체가 반도체 매체이면, 양자 우물(quantum wells), 양자 선(quantum wires), 또는 양자 점(quantum dots)의 캐리어 컨파인먼트(carrier confinement)의 사용을 포함할 것이다. 레이저 투사 시스템 적용에 있어서, 그러한 광원은 3개의 반도체 레이저, 즉 적색 스펙트럼 범위의 빔을 방출하기 위한 제1반도체 레이저, 청색 스펙트럼 범위의 빔을 방출하기 위한 제2반도체 레이저, 및 적외선 스펙트럼 범위의 빔을 방출하기 위한 제3반도체 레이저를 포함하며, 이후 주파수 업(up)-변환 범위(예컨대, 녹색 또는 노란색 스펙트럼 범위)의 하나 또는 그 이상의 주파수-변환 스펙트럼 피크로 주파수 업-변환된다. 광원(110) 및 광학 시스템(100)은 투사면을 가로지르는 다수의 픽셀을 포함하는 레이저 투사 이미지를 생성하도록 프로그램되어 스캐닝 또는 이미지 형성 옵틱(도면에는 도시하지 않음)과 함께 동작된다.
여기에 기술한 실시예들은 반점 콘트라스트의 감소를 이끄는 녹색 또는 노란색 주파수-변환 출력 빔의 스펙트럼 확장(spectral broadening)을 이용한다. 반점은 투사면 상에 임의의 거친 형태에 의해 반사된 광의 임의의 간섭으로부터 야기된다. 그러한 간섭들은 보강 또는 상쇄되어 이미지에 각각 휘점 및 암점을 나타나게 한다. 여기에 기술된 실시예들의 광원은 투사면에 입사되는 주파수-변환된 광의 스펙트럼을 확장시키기 위해 다중 주파수-변환 스펙트럼 피크를 갖는 출력 빔을 방출한다. 각기 다른 파장의 광이 스크린을 조명하는 출력 빔에 존재한다면, 그러한 간섭은 어느 한 파장에 대해서는 보강되고 다른 파장에 대해서는 상쇄될 수 있어 네트 효과(net effect)를 없앤다. Δλ로 분할된 그러한 2개의 반점 패턴은 이하의 식 (1)일 경우 1/e2 이하로 상관된다(correlated):
Figure pct00001
(1)
여기서, σh는 스크린 표면 로컬 높이의 표준편차이다(거칠기 측정). 만약 광 강도가 2개의 비상관(uncorrelated) 반점 패턴을 생성하는 2개의 다른 파장간에 동일하게 분포되면, 반점 콘트라스트는 약
Figure pct00002
로 감소될 것이다. 파장을 약 530 nm로 그리고 투사면의 거칠기를 약 100 ㎛로 가정하면, 주파수-변환 스펙트럼 피크의 파장 분할은 약 0.5 nm이거나 그 이상이 될 것이다. 그러나, 보다 작은 파장 분할은 여전히 2개의 비상관 반점 패턴에 의해 달성가능한
Figure pct00003
의 인자보다 작은 약간의 반점 감소를 야기할 것이다. 만약 3개의 파장이 레이저 빔에 존재하고 그들간 분할이 상기 식 (1)을 만족한다면, 예상된 반점 콘트라스트가 대략
Figure pct00004
의 인자로 감소될 것이다. 따라서, 원하는 반점 콘트라스트 감소를 달성하기 위해 파장 분할이 충분히 커질 수 있다.
Δλ로 분할되는 녹색 스펙트럼 범위에서 3개의 주파수-변환 스펙트럼 피크(142, 144, 146)를 갖는 가시광 빔(140)을 달성하기 위해, 광원(110)은 ΔλIR로 분할된 2개의 기본 스펙트럼 피크를 갖는 펌프 빔(120)을 생성한다. 이하 좀더 상세히 기술하는 바와 같이, 파장 변환장치(130)는 가시의 출력광 빔에서 3개의 주파수-변환 스펙트럼 피크를 생성하기 위해 펌프 빔의 기본 스펙트럼 피크를 주파수-변환한다. 비록 실시예들이 여기서 DBR 반도체 레이저와 관련하여 기술했을 지라도, 다른 반도체 레이저 구성이 사용될 수도 있다는 것으로 알아야 한다. 더욱이, 실시예들이 3개의 주파수-변환 스펙트럼 피크를 갖는 출력 빔을 생성하는 적어도 3개의 위상-매칭 피크를 갖는 파장 변환장치 및 2개의 기본 스펙트럼 피크를 갖는 펌프 빔과 관련하여 기술했을 지라도, 실시예들은 이하 좀더 상세히 기술하는 바와 같이 2N-1과 (N+1)N/2 사이의 주파수-변환 스펙트럼 피크를 생성하는 파장 변환장치 및 N개의 기본 스펙트럼 피크를 갖는 펌프 빔을 생성하는 반도체 레이저를 이용할 수 있다.
통상 반도체 레이저가 동시에 2개의 파장을 출력하게 하는 것은 어려운데, 왜냐하면, 그들 파장이 이득을 위해 서로 맞서고, 심지어 약간의 임계치의 차이는 레이저가 기본 스펙트럼 피크 중 어느 하나를 선호하게 하기 때문이다. 본 발명자들은, 통합된 주파수 선택 요소들(DFB 및 DBR) 또는 외부 주파수 선택 반사기가 제공된 페브리-페롯 레이저를 포함하는 레이저 다이오드의 경우, 레이저 다이오드가 예컨대 Q-스위칭 또는 이득-스위칭과 같은 펄스 모드에서 동작되면 다중-스펙트럼 피크 출력을 달성하기 더 쉬워질 수 있다는 것을 인식했다. Q-스위칭을 위해 디자인된 레이저들은 보통 공동 내에 포화 흡수체(SA: saturable absorber) 섹션을 통합한다. 그러한 섹션의 손실은 능동적으로(주기적으로 변조된 바이어스를 인가함으로써), 또는 수동적으로(그러한 SA 섹션의 손실이 포화될 때 레이저 공동 내측 지점에 증폭된 자발 방출이 이루어지게 함으로써) 조절되며, 레이저는 그러한 SA 섹션의 손실이 낮아질 때마다 강한 단펄스 광을 방출한다. 이득 스위칭에 있어서, 그러한 메인 증폭(이득) 섹션은 주기적(예컨대, 싸인) 신호로 동작되며, 그러한 단펄스(본질적으로 제1완화 발진 피크)는 싸인파의 각각의 양의 1/2 주기 동안 방출된다.
본 발명자들은, 단펄스(예컨대, 펄스 길이＜500 ps) 동작에 있어서, 그러한 다이오드 레이저는 본질적으로 충분히 강한 광학 피드백이 공진 미러 반사의 스펙트럼 형태와 거의 유사한 출력 스펙트럼 형태로, 또는 공동 내에 소정 추가의 스펙트럼 선택 요소에 의해 제공되는(캐리어 강도가 최대치에 도달할 때 공동 손실이 이용가능한 이득보다 낮은) 이득 대역폭 내의 파장마다 동시에 방출된다는 것을 알아냈다.
예로서 한정하지 않으며, 2.25 mm 길이의 1060 nm 페브리-페롯 다이오드 레이저(1.75 mm 길이의 이득 섹션 및 0.5 mm 길이의 SA 섹션)는 볼륨 브래그 격자(VBG; Volume Bragg Grating)에 의해 제공된 외부 반사를 갖는 외부 공동에 위치된다. 상기 VBG는 1060.5 nm와 1062.4 nm에서 2개의 반사 피크, 약 10%의 진폭 및 0.2 nm의 폭을 갖도록 디자인된다. 상기 레이저는 이득 섹션에 923 MHz에서 싸인파의 동작 전류가 피크가 되도록 200 mA DC와 400 mA 피크의 겹침 및 SA 섹션(SA가 약간 흡수하는 것을 유지)에 약 5 mA DC 전류를 인가함으로써 이득 스위칭으로 동작하여, 65 mW의 평균 파워 및 ~1.8 W의 피크 파워를 갖는 약 30-ps 길이의 펄스 트레인(train)을 생성한다. 도 3a에 도시된 출력 스펙트럼은 2개의 동일한 강도의 메인 피크 및 2개의 추가의 좀더 약한 피크(다이오드 레이저 내측에서 혼합되는 4개-파에 의해 야기된)로 구성된다. 도 3a의 그래프는 약 1060.5 nm의 파장이 중심인 제1기본 스펙트럼 피크(125), 및 약 1062.4 nm의 파장이 중심인 제2기본 스펙트럼 피크(127)를 갖는 펌프 빔을 나타낸다. 따라서, 그러한 2개의 기본 스펙트럼 피크는 약 1.9 nm로 분할된다. 제1 및 제2기본 스펙트럼 피크는 각각 그와 관련된 ω1 및 ω2의 광학 주파수를 갖는다. 2개의 메인 피크의 위치 및 폭은 VBG의 반사 스펙트럼을 거의 정확하게 재생성한다. 따라서, 펄스(Q-스위칭 또는 이득-스위칭) DBR 다이오드 레이저의 출력 스펙트럼은 DBR 미러의 반사 스펙트럼에 의해 규정된다.
3개-섹션 DBR 반도체 레이저로서 구성된 일 실시예의 광원(110)이 도 3b에 개략적으로 도시되어 있다. 그 반도체 레이저(110)는 통상 파장 선택 섹션(112), 위상-조절 섹션(114), 및 이득 섹션(116)을 포함한다. 반도체 레이저(110)의 분포 브래그 반사기 또는 DBR 섹션이라고도 칭하는 파장 선택 섹션(112)은 통상 레이저 공동의 활성영역 외측에 위치된 제1오더 및 제2오더 브래그 격자를 포함한다. 이러한 섹션은 반사 계수가 파장에 의해 결정되는 미러로서 그러한 격자가 작용함에 따라 파장 선택을 제공한다. 반도체 레이저(110)의 이득 섹션(116)은 그 레이저의 광학 이득을 제공하고, 위상-조절 섹션(114)은 파장 선택 섹션(112)의 반사 구조와 이득 섹션(116)의 이득 재료간 조절가능한 광로 길이 또는 위상 시프트를 형성한다. 이하 좀더 상세히 기술하는 바와 같이, 위상 섹션은 이득 및 손실 조절의 기능을 수행하기 위해 포화 흡수체로서 구성된다. 파장 선택 섹션(112)은 브래그 격자를 채용하거나 채용하지 않는 다수의 적절한 대안의 구성으로 제공된다.
각각의 콘트롤 전극(113, 115, 117)은 파장 선택 섹션(112), 위상 매칭 섹션(114), 이득 섹션(116), 또는 그들의 조합에 통합되며, 도 3b에 개략적으로 도시했다. 이는 그러한 전극(113, 115, 117)이 다양한 형태를 취할 수 있게 하기 위함이다. 예컨대, 전극(113)은 2개의 파장을 동시에 생성하기 위해 DBR 섹션의 1/2 섹션과 첫번째의 온도를 독립적으로 제어하는 2개의 개별 전극으로 이루어질 수 있다. 또한, 제어 전극(113, 115, 117)은 반도체 레이저(110)의 대응하는 섹션(112, 114, 116)에 전류를 주입하는데 사용될 수 있다. 또한, 3개-섹션 DBR 반도체 레이저는 다양한 형태로 구성될 수 있다. 예컨대, DBR 섹션은 2개의 다른 격자 주기를 갖는 2개의 섹션으로 이루어지고, 위상 섹션은 이 위상 섹션이 2개의 선택된 파장의 이득/손실의 균형을 맞추는데 사용되도록 2개의 DBR 섹션 사이에 위치될 수 있다.
반도체 레이저(110)의 DBR 섹션(112)은 1060 nm 근방의 적어도 0.5 nm(ΔλIR)로 분할된 2개의 파장으로 거의 동일한 반사를 제공한다. 샘플화 격자, 상부구조 격자, 피치 및/깊이의 주기적 조절을 갖는 격자, 주기적 위상 시프트를 갖는 격자, 또는 이중-격자 DBR의 사용과 같은 2개 파장의 반사를 달성하기 위한 소정의 디자인 접근방식이 채용된다. 이득/Q-스위칭 모드로 동작할 때, 그와 같은 DBR 레이저는 2개의 스펙트럼 피크가 거의 동일한 파워를 갖는 안정한 단펄스 출력을 생성할 수 있다.
통상, 연속파(CW; continuous wave) 동작을 위한 DBR 레이저에 있어서, 그러한 레이저의 층 구조는 파장 선택 섹션, 위상-조절 섹션 및 이득 섹션에서 동일하다. 그러나, 위상-조절 섹션 및 파장 선택 섹션은 통상 그러한 2개의 섹션이 비변경 이득 섹션에 의해 방출된 광을 통과시키게 하는 밴드갭을 생성하는 양자-우물 인터믹싱(QWI; quantum-well intermixing)으로 알려진 공정을 거침으로써, 내부-공동 손실을 최소화한다. 이득 섹션이 활성화되어, 그 접촉 단자에 인가된 주입 전류를 레이저 광으로 변환시킨다. 위상-조절 섹션에 인가된 주입 전류는 광 방출 또는 증폭을 야기하지 않고(즉, 수동 섹션) 오히려 활성층의 굴절률을 변화시킴으로써, 공동 모드의 미세한 조절을 가능하게 한다. 파장 선택 섹션 또한 수동적이며, 주입 전류가 인가되지 않는다. DBR 반사의 기본 스펙트럼 피크 위치를 조정하기 위해, 저항 히터가 파장 선택 섹션의 상부 또는 측부에 설치되어 온도를 변경함으로써 그러한 굴절률(및 공진 파장)의 조절을 가능하게 한다.
여기에 기술한 실시예들의 반도체 레이저는 상술한 DBR 레이저 디자인의 변형 디자인을 채용할 수 있다. 일 실시예에서, 위상 매칭 섹션(114)은 QWI 공정을 거치지 않는다. 그 결과, 그 위상 매칭 섹션(114)은 증폭기로서 동작(양의 임계치 이상의 바이어스를 제공할 경우)하거나 포화 흡수체로서 동작(임계치 이하, 제로(zero) 또는 음의 바이어스를 인가하여)할 것이다. 이러한 실시예에서, 위상 매칭 섹션(114)은 위상 조정(공동 모드 변이)을 위해 동작하지 않고 오히려 추가의 손실/이득 조절을 위해 동작할 것이다. 이와 관련하여, 도 3에 도시된 실시예의 위상 매칭 섹션은 포화 흡수체 섹션(114)이라 부른다. 파장 선택 섹션(112)은 수동성을 유지하거나 또는 능동적(QWI가 아닌)이 되어 추가의 포화 흡수를 제공할 것이다. 그러한 파장 조정은 저항 히터의 사용에 의해 달성되거나, 또는 능동 파장 선택 섹션(112)의 경우 전류를 그 파장 선택 섹션(112)에 주입함으로써 달성된다.
반도체 레이저(110)의 펄스화 동작은 2개의 기본 스펙트럼 피크에서의 2개의 원하는 펌프 파장들간 출력 파워를 균등하게 할 뿐만 아니라, 이하 좀더 상세히 기술하는 바와 같이 다중-파장 주파수 변환의 경우 감소된 파장-변환 효율을 보상한다. 이득-스위칭 펄스 모드에서, 상기 언급한 바와 같이, 싸인(또는 다른 주기) 구동 신호가 각각의 양의 1/2 주기 동안 방출된 단펄스를 야기하는 이득 섹션(116)에 인가될 것이다. DC 바이어스가 그러한 주기적 구동 외에 이득 섹션에 인가될 것이다. 또한 DC 바이어스는 포화 흡수체 섹션(114)에 인가되어 최대 피크 파워를 갖는 고품질 펄스를 방출하기 위한 포화 흡수 최적도의 레벨을 생성하도록 조절될 것이다. Q-스위칭 펄스 모드에 있어서, 이득 섹션(116)은 DC 신호로 구동되며, 그 주기적 바이어스가 포화 흡수체 섹션(114)에 인가되어 그것이 각각의 양의 1/2 주기 동안 계속해서 방출된 단펄스를 갖는 "셔터(shutter)"로서 제공되게 한다. 몇몇 실시예에서, 참조에 의해 전체적으로 여기에 반영되는 2010년 3월 24일 출원된 미국 특허출원 제12/730,482호에 개시된 바와 같이 이득 섹션 및 포화 흡수체 섹션(116, 114) 모두가 동위상(in-phase) 주기 구동 전류를 수신하는 하이브리드 구동 방식이 이용될 것이다. 그러한 하이브리드 구동 방식은 반도체 레이저(110)를 구동하는데 필요한 최소의 RF 파워로 최상의 가능한 펄스 품질을 제공할 것이다. 여기에 기술된 3가지의 구동 방식 모두는 2개-파장 펄스 출력을 생성하기 위해 DBR 반도체 레이저에 제공될 수 있다. 레이저 디자인 및 적용 요건의 세부사항에 따라 사용되는 구동방법이 선택될 것이다.
추가적으로, 펌프 레이저는 2개 또는 그 이상의 동시에 방출된 기본 스펙트럼 피크로 이루어진 기존 출력 스펙트럼을 생성하기 위해 단펄스 대신 불균일 스펙트럼 확장을 필요로 한다. 예컨대, 실시예들은 DBR 또는 DFB 양자-점 레이저, 또는 이중-파장 또는 다중-파장 반사성을 갖는 볼륨 브래그 격자와 같은 몇몇 다중-파장-선택 광학요소에 의한 불균일 확장을 갖는 광학-펌프 고체-상태 레이저를 이용할 수 있다. 자발 방출의 불균일 확장 스펙트럼을 갖는 그와 같은 레이저는 또한 연속-파 또는 준-연속-파(장-펄스)의 방출에 사용될 수 있다.
다시 도 1로 되돌아 가면, 2개의 스펙트럼 피크를 갖는 펌프 빔(120)이 커플링 옵틱(121)에 의해 파장 변환장치(130) 쪽으로 향하여 포커스 된다. 도 1에 나타낸 실시예에 있어서, 커플링 옵틱(121)은 통상 반도체 레이저(110)에 의해 방출된 펌프 빔(120)을 시준하는 제1렌즈(122a) 및 파장 변환장치(130)의 파장부 내로 펌프 빔(120)을 포커스하는 제2렌즈(122b)를 포함한다. 그러나, 다른 커플링 방법 및 장치가 사용될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 더욱이, 파장 변환장치는 벌크의 비선형 광학재료를 포함하거나, 또는 내부-공동 파장 변환장치로서 레이저(110)에 통합될 수 있다. 렌즈(122a, 122b)는 렌즈의 위치가 조절되도록 x 및 y-방향으로 렌즈(122a, 122b)의 위치를 조절하기 위한 액추에이터(도시하지 않음)에 연결될 것이다. x 및 y-방향으로 렌즈의 위치를 조절하는 것은 파장 변환장치(130)의 입력면을 따라, 그리고 특히 파장 변환장치의 도파로부 상에 펌프 빔(120)을 배치하는 것을 용이하게 할 수 있어, 펌프 빔(120)이 파장부와 나란히 정렬되고 파장 변환장치(130)의 주파수-변환 출력이 최적화된다. 비록 도 1에 도시된 광학 시스템(100)이 거의 선형 방향을 가질지라도, 다른 방향 및 구성도 가능하다. 예컨대, 반도체 레이저 및 파장 변환장치는 펌프 빔의 광로 및 주파수-변환 출력 빔이 굴곡진 광로에 있도록 향하게 될 수 있다.
통상 파장 변환장치(130)는 입력면(131) 및 출력면(138)을 포함한다. 그러한 파장 변환장치는 비선형 광학 응답의 스펙트럼이 2개 또는 그 이상의 기본 스펙트럼 피크들간 여러가지 가능한 광학 주파수-믹싱 공정을 위한 위상-매칭을 제공하기 위한 파장으로 적절히 간격된 다중 위상-매칭 피크를 포함하도록 위상-변조된 위상-매칭을 갖는 비선형 광학 매체를 포함한다. 위상-매칭의 위상 변조는 비선형, 선형, 또는 주파수 믹싱에 사용된 비선형 광학 매체의 광학 특성을 조절함으로써 얻어진다.
파장 변환장치(130)의 도파로부(도시하지 않음)는 입력면(131)에서 출력면(138)까지 확장되어 있다. 파장 변환장치(130)는 비선형 광학 응답의 교호 부호(alternating sign)의 다수의 도메인(132)을 갖는 비선형 광학재료로 형성된 결정(crystal)을 포함한다. 파장 변환장치에 적합한 비선형 광학재료는 예컨대 분극 도핑 또는 비도핑 리튬 니오베이트, 분극 도핑 또는 비도핑 리튬 탄탈레이트, 및 분극 도핑 또는 비도핑 포타슘 티타닐 포스페이트를 포함하는데, 이들로 한정하는 것은 아니다.
상기 파장 변환장치(130)의 광 전파는 자유-공간 전파 또는 광도파로 전파가 될 것이다. 파장 변환장치(130)는 복굴절, 인터-모드 또는 준-위상 매칭을 포함(이들로 한정하지 않음)하는 위상-매칭 방법을 이용하는 결정을 포함한다. 그러한 위상-매칭의 역할은 광로에 걸친 기본 광학계(optical field)에 의해 생성된 비선형 편광에 의해 발생된 주파수-변환 광학 주파수로 전자기파의 보강 간섭을 생성하기 위한 것이다. 그러한 위상-매칭의 위상-변조는 각각의 위상-매칭 피크가 일부 위상-매칭을 생성하도록 각기 다른 광학 주파수에 대응하는 여러개의 위상-매칭 스펙트럼 피크를 분할하는 것을 제공한다. 여기서 용어 일부는 그와 같은 부분적인 위상-매칭 피크에 대응하는 특정 광학 주파수에 있어 그러한 주파수 업-변환 광학파가 일부에 의해 생성되지, 그 결정을 따라 모든 영역이 출력 상의 비-제로 업-변환 신호를 생성하기 위해 반드시 보강적으로 간섭할 필요는 없다는 의미이다. 따라서, 그러한 위상-변조는 부분적인 위상-매칭 또는 비위상-매칭을 위한 기본적인 비변조 디자인에서 위상-매칭된 주파수-변환 프로세스의 광학 주파수로 최대 위상-매칭을 감소시키는 한편, 동시에 그러한 비변조 디자인에 의해 비위상-매칭이 이루어지는 다른 광학 주파수로 부분적인 위상-매칭을 허용한다.
낮은-변환의 제한에 있어서, 조정된 단색파 입력신호에 응답하는 위상-변조된 위상-매칭의 스펙트럼은 위상 매칭에 사용된 물리적 기구에 상관하지 않고 위상-변조 함수(PMF)의 퓨리에-변환에 비례한다. 업-변환 주파수 범위에 대한 높은 레벨의 에너지 변환에서, 그 업-변환 신호의 스펙트럼은 PMF의 퓨리에-변환과 편차가 있다. 많은 경우, 이러한 편차는 반점 콘트라스트 감소의 사소한 열화를 제공하지 않는다. 이러한 열화가 심해지면, 위상-매칭 피크의 크기 비율이 PMF를 변경하여 조절됨으로써 높은 변환에서의 스펙트럼 응답이 반점 콘트라스트의 양호한 감소를 이끄는 반면, 낮은 변환에서의 반점 콘트라스트가, 예컨대 좀더 높은 광 파워에서 최대 반점 감소가 심해질 경우, 다소 더 높아질 수 있다.
PMF는 주파수 업-변환 광학계 상에 공간적으로 변하는 위상을 전달한다. 이것은 비선형 편광의 위상 또는 공간 위치를 조절함으로써(예컨대 준-위상 매칭 결정의 분극을 조절함으로써) 및/또는 그들이 이동하는 광로 길이 또는 매체의 (유효)복굴절률을 조절하여 결정을 따라 각기 다른 위치에서 생성된 업-변환 파의 위상 지연을 조절함으로써 달성된다. 준-주기 분극의 반전 도메인 위치의 종방향 시프트와 같은 위상 변조를 위한 몇몇 기술들은 조절의 비선형 또는 선형 경로의 실시예로서 이해될 것이다.
일반적으로, 비선형 매체는 1) 펌프 빔의 제1광학 주파수(ω1)의 2차 조화파 생성(SHG), 2) 펌프 빔의 제1 및 제2광학 주파수(ω1,ω2)의 총합-주파수 생성(SFG), 및 3) 펌프 빔의 제2광학 주파수의 SHG와 같은 3개의 비선형 광학 프로세스를 위한 위상-매칭을 포함하도록 디자인된다. 따라서, 그러한 주파수-변환 출력 빔은 2ω1, (ω1+ω2) 및 2ω2를 갖는 3개의 주파수-변환 스펙트럼 피크(각각 142, 144, 및 146으로 도 2에 나타낸)를 포함한다. 예로서 한정하지 않으며, 페브리-페롯 레이저와 관련하여 상기 기술한 도 3a에 나타낸 약 42 mW의 적외선 광은 도 12~14b에 기술된(이하 상세히 기술한) 연속 위상 변조 함수 디자인에 따른 준-주기 분극 도파로 리튬 니오베이트 장치를 포함하는 파장 변환장치에 광학적으로 연결되며, 3개의 거의 동일한 주파수-변환 스펙트럼 피크(142, 144, 146)를 나타내는 도 2에 도시된 출력 스펙트럼을 갖는 녹색광을 생성한다(2개의 좀더 약한 부근의 부 피크(satellite peaks)는 도파로의 보다 높은 차수의 녹색광 모드로 변환되는 증폭된 연속의 방출 배경에 기인하거나, 또는 한편으로는 메인 펌프 IR 스펙트럼 피크들간 총합-주파수 믹싱, 및 다른 한편으로는 비선형 도파로의 비사용 준-위상 매칭(QPM) 측면-피크에 의해 촉진되는 FWM 요소들에 기인한다).
준-위상 매칭은 예컨대 준-주기 반전의 강유전체 도메인(132)에 의해 비선형 광학 응답의 주기 또는 준-주기적 부호 반전을 도입함으로써 달성된다. 그러한 준-주기 분극은 장치 길이를 따라 생성된 대상의 주파수로 비선형 광학 응답의 추가적인 보강을 보장하기 위해 파장 변환장치(130)의 비선형 계수의 부호의 준-주기 반전을 제공한다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 도메인(132)은 그와 관련된 양 또는 음의 비선형 편광을 가질 것이다. 그러한 도메인의 비선형 응답의 부호는 그 결정의 종방향 길이를 따라 거의 주기적으로 교호(alternate)될 것이다. 이하 좀더 상세히 기술하는 바와 같이, 다수의 분극 도메인의 주기성은 그 도메인이 준-주기 분극되도록 위상-변조될 것이다. 상기 준-주기 도메인(132)의 크기가 설명을 위해 과장되었다는 것을 참고하자. 더욱이, 파장 변환장치(130)는 도 1에 부분적으로만 도시했다.
2ω1, (ω1+ω2) 및 2ω2의 주파수-변환 스펙트럼 피크는 반점의 출현을 감소시키기 위해 임의적으로 합산되는 3개의 동시의 반점 패턴을 생성할 것이다. 몇몇 독립 반점 패턴의 강도 합산에 의한 반점 콘트라스트의 최대 감소를 위해, 광 파워는 출력 빔의 주파수-변환 파장으로 거의 균일하게 분배될 것이다. 3개의 독립 반점 패턴이 주파수-변환 출력의 3개의 주파수-변환 스펙트럼 피크에 의해 생성되는 경우, 각 주파수-변환 스펙트럼 피크의 광 파워는 거의 동일할 것이다. 그러나, 나머지의 주파수-변환 스펙트럼 피크보다 큰 파워를 갖는 주파수-변환 스펙트럼 피크와 관련된 반점 패턴이 관측자에게 좀더 명확히 두드러져 보이도록 주파수-변환 스펙트럼 피크가 동일하지 않을 경우 다소의 반점 감소가 달성될 수 있다. 3개의 주파수-반전 스펙트럼 피크는 2차 비선형 상호작용에 의해 광학 주파수(ω1, ω2)로 반도체 레이저에 의해 방출된 2개의 기본 스펙트럼 피크의 광학 주파수 믹싱에 의해 생성된다. 그러한 주파수 변환 프로세스는 이하의 식들로 기술된다:
Figure pct00005
(2)
Figure pct00006
(3)
Figure pct00007
(4)
상기 식들은 주파수-변환(비선형) 출력이 주파수 2ω1, (ω1+ω2) 및 2ω2의 광 파워를 포함할 수 있다는 것을 설명한다. 2ω1 및 2ω2의 출력은 각각 ω1 및 ω2의 입력 빔의 광학 주파수의 2차 조화파(SH)인 반면, (ω1+ω2)의 출력은 2개의 기본 광학 주파수의 총합-주파수(SF)이다. 동일한 비선형 계수(deff)에 있어, 총합-주파수 출력의 진폭은 각각의 2차 조화파 출력의 진폭만큼 큰 2배이다. 광 파워가 전기장 진폭의 제곱에 비례하기 때문에, (ω1+ω2)의 총합-주파수 스펙트럼 피크는 각각의 2차 조화파 스펙트럼 피크(2ω1, 2ω2) 파워의 4배를 포함할 것이다.
그러나, 3개의 주파수-변환 스펙트럼 피크의 광 파워는 하나 또는 그 이상의 반점 패턴이 투사면에서 두드러지게 많이 나타나지 않도록 거의 동일해질 것이다. 예컨대, 총합-주파수 출력의 광 파워가 2개의 2차 조화파 출력보다 큰 4배이면, 그 총합-주파수 출력에 의해 생성된 반점 패턴은 관측자에게 좀더 명확히 두드러져 보일 것이다. 그러나, 몇몇 실시예에 있어서, 총합-주파수 생성과 관련된 주파수-변환 스펙트럼 피크는 전체 변환 효율을 높이기 위해 2차 조화파 생성과 관련된 주파수-변환 스펙트럼 피크보다 큰 파워를 가질 것이다. 이 경우, 다소의 반점 콘트라스트 감소는 파장 변환장치의 증가된 변환 효율을 제공한다.
여기에 기술된 실시예들은 비선형 광학 매체의 위상-매칭 특성의 조절에 의해 파장 변환장치의 모든 3개의 주파수-변환 스펙트럼 피크의 광 파워를 거의 같게 할 것이다. 2차 조화파 생성에 이용된 파장 변환장치는 전파 방향을 따라 각기 다른 위치에 생성된 주파수 업-변환 광을 위상-매칭시키도록 위상-매칭 주기성으로 분극된다. 설명을 위해, 고정된 위상-매칭 주기(Λ)의 주기적 반전 강유전체 도메인을 갖는 QPM 구조의 스펙트럼 강도 응답은 m2π/Λ의 파-벡터 공간에서 준-위상 매칭 피크를 가지며, 여기서 m=1,2,3, ...이다. m=1로 특성화된 준-위상 매칭 피크는 각각의 준-위상 매칭 피크들 중 최고의 크기를 갖는다. 각기 다른 순서(m)에 대응하는 그러한 준-위상 매칭 피크들의 상대적 크기는 1/m2으로 감소한다. 따라서, 최상 효율의 준-위상 매칭에 있어, m=1인 준-위상 매칭 피크는 주파수-변환 출력 빔을 생성하기 위해 반도체 레이저네 의해 방출된 펌프 빔의 적외선 파장에 있을 것이다. 여기에 기술한 위상-매칭 개념들은 준-위상 매칭 이외의 위상-매칭 기술(예컨대, 벌크의 복굴절 결정들의 사용에 의한 매칭)들에 적용될 수도 있다는 것을 이해해야 한다.
설명의 목적을 위해, 준-위상 매칭은 파-벡터(k-벡터) 공간에서 기술될 것이다. 2차 조화파 생성 및 총합-주파수 생성의 경우, 주파수 업-변환 광의 소스는 식 (4)의 우측에 기술된 비선형 편광이다. 특정 시점에, 전파 방향을 따라 예시의 주파수(2ω)의 이러한 소스 파의 위상 분포가 파-벡터 2kω=2ωnω/c=4πnω/λω로 기술될 수 있으며, 여기서 c는 광의 속도이고, λω는 주파수 ω를 갖는 광학 파의 진공에서의 파장이며, nω는 비선형 편광을 생성하는 펌프 파의 광학 주파수 ω에서의 비선형 광학 매체의 굴절률이다. 도파로 전파 및 상호작용의 경우, nω는 비선형 편광을 야기하는 기본-주파수(펌프)의 전파를 기술하기 위해 사용된 도파로 모드의 유효율이다. 동시에, 전파 방향을 따라 소정 위치에서 생성된 주파수 2ω의 자유-전파 주파수 업-변환 광은 파-벡터 k2 ω=2ωn2 ω/c=2πn2 ω/λ2ω=4πn2 ω/λω를 갖는 평면 파로 기술될 수 있으며, 여기서 n2 ω는 2차 조화파 주파수 2ω에서의 매체의 (유효)굴절률이며, λ2ω=λω/2는 2차 조화파의 진공에서의 파장이다. 자유-전파 주파수 업-변환 광은 또한 도파로 전파의 경우를 포함한다는 것을 이해해야 하며, 여기서 광학 파는 횡단 크기로 제한된다. 만약 소스 파의 파-벡터가 자유-전파 파의 파-벡터와 동일하면, 생성된 2차 조화파의 보강 간섭은 장치 길이를 따라 관찰되며, 그러한 2차 조화파 파워가 상승된다. 그렇지 않으면, 상기 2차 조화파 파워는 장치 길이를 따라 발진하고, 이에 따라 파-벡터 불일치에 영향을 주어 작은 최대치에만 도달한다.
Figure pct00008
(5)
Δk가 제로가 아닌 경우, 2차 조화파 파워를 높일 수 있는 한가지 방식은 상술한 바와 같은 준-위상 매칭을 이용하는 것이다. 주기 Λ 및 관련된 k-벡터 Kg=2π/Λ를 갖는 비선형 계수의 부호의 주기적 반전은 Δk에 의해 야기된 위상 불일치의 주기적 보상을 이끈다. 준-위상 매칭은 이하의 식 (6)일 경우 달성되며:
Figure pct00009
(6)
그에 따라 파-벡터 불일치가 보상된다. 여기서 m은 소정 정수가 될 수 있으며, 준-위상 매칭 순서를 나타낸다. 동일한 타입의 준-위상 매칭이 총합-주파수 생성의 경우 적용될 수 있는데, 식 (5)에서는 이하의 식 (7)로 교체되며:
Figure pct00010
(7)
QPM 조건(식 (6))은 이하의 식 (8)로 교체된다.
Figure pct00011
(8)
식 (5)에 의해 정의된 바와 같이, 각각의 기본 광학 파장 λω와 연관된 것은 관련된 광학계의 주파수 더블링을 위한 파-벡터 불일치 Δk이다. 유사한 방식으로, 각각의 2개의 기본 파장 λ1 및 λ2와 연관된 것은 그들 광학 주파수의 합의 생성을 위한 파-벡터 불일치 Δk1 ,2이다. 리튬 니오베이트의 d33 비선형 계수를 채용하기 위한 타입-I 준-위상 매칭의 경우, 기본 파장이 대략 1060 nm일 때, Δk는 9000 cm-1 정도로 상당히 크다. 복굴절 위상-매칭과 같은 또 다른 경우의 위상-매칭에 있어서, Δk는 0이다. 이것은 캐리어 주기성 및 그 위상 변조와 관련된 QPM 장치 디자인을 나타낼 때 k-벡터 공간에서 이하의 식에 의해 편차 k-벡터를 정의하는데 편리하다:
Figure pct00012
(9)
여기서 Kc는 QPM의 캐리어 주기성을 나타내는 파-벡터이다. 상기 식 (9)의 우측에 나타낸 ± 부호는 위상 매칭이 조절되지 않을 때 δk=0이도록 선택된다. 이러한 방식에서, 각각의 기본 파장 및 각각의 비선형 프로세스(SHG, SFG)와 연관된 것은 특정치의 δk이다. 비선형 장치의 특정 디자인에 있어, 중심(디자인) 광학 주파수로부터의 디튜닝(detuning)이 연관된 위상 불일치를 결정하기 때문에, 비선형 광학장치의 스펙트럼 응답은 δk의 함수로서 디자인되어 플롯될 것이다.
δk와 기본 파장간 맵핑은 이하의 관계에 의해 주어진다:
Figure pct00013
(10)
여기서 ng ω 및 ng 2 ω는 기본 및 2차 조화파 주파수에서의 그룹 인덱스(group index)를 나타낸다. 주파수 ω 또는 파장 λ에서의 그룹 인덱스는 이하의 식 (11)과 같이 정의된다:
Figure pct00014
(11)
실제 주기적으로 분극된 장치의 길이(L)는 1.772π/L과 같은 반치폭(FWHM: full-width at half-maximum)을 갖는 sinc2 함수로 기술된 δk와 관련된 스펙트럼 응답 곡선을 가질 것이다. 기본 파장과 관련하여, FWHM은 다음과 같다:
Figure pct00015
(12)
상기한 내용을 이용하여, 본 발명 개시의 파장 변환장치는 적어도 2개의 기본 스펙트럼 피크를 갖는 펌프 빔의 주파수를 적어도 3개의 주파수-변환 스펙트럼 피크를 갖는 출력 빔으로 변환한다. 따라서, 그러한 파장 변환장치는 주파수 2ω1, (ω1+ω2) 및 2ω2의 주파수-변환 스펙트럼 피크를 갖고 거의 동일한 광 파워를 갖는 출력 빔을 생성하는 3개 또는 그 이상의 위상 매칭 피크를 제공할 수 있다. 준-위상 매칭에 의한 2차 조화파 생성(예컨대, QPM 순서 m=1을 이용하여)과 관련하여 상기 기술한 위상-매칭 스펙트럼 피크 중 어느 하나에 초점을 맞출 경우, QPM 결정 도메인 구조의 특성을 위상-매칭 주기성(Λ)의 엄격한 주기에서 준-주기 구조로 변경함으로써 그 형태가 단일의 피크에서 다수의 스펙트럼 요소를 갖는 분할 피크로 변경될 수 있다. 주파수 처프(chirp)의 QPM 격자, 주기 또는 불규칙 초격자(superlattice), 준-주기 초격자, 비주기 초격자, 및 위상 변조를 포함하는 QPM 피크의 형태를 조정하기 위한 몇몇 기술이 사용될 수 있으며, 이들로 한정하는 것은 아니다. 추가적으로, 기술들은 물리적 공간에서의 비선형 감응과 스펙트럼 응답간 퓨리에-변환 관계를 이용함으로써 원하는 스펙트럼 응답을 갖는 QPM 구조를 얻는데 최적화된 컴퓨터를 이용할 것이다. 도 6에는 일 실시예에 따른 δk에 대한 파장 변환장치의 스펙트럼 응답이 나타나 있다. 그 스펙트럼 응답은 제1준-위상 매칭 피크(162), 제2준-위상 매칭 피크(163) 및 제3준-위상 매칭 피크(164)와 같은 적어도 3개의 위상 매칭 피크(예컨대, 준-위상 매칭 피크)로 특성화된다. 상기 제1준-위상 매칭 피크(162)는 2차 조화파 생성에 의해 생성된 2ω1의 주파수를 갖는 제1주파수-변환 스펙트럼 피크(142; 도 2)에 대응하고, 상기 제2준-위상 매칭 피크(163)는 총합-주파수 생성에 의한 (ω1+ω2)의 주파수를 갖는 제2주파수-변환 스펙트럼 피크(144)에 대응하며, 제3준-위상 매칭 피크(164)는 2차 조화파 생성에 의해 생성된 2ω2의 주파수를 갖는 제3주파수-변환 스펙트럼 피크(146)에 대응한다.
3개의 주파수-변환 스펙트럼 피크(142, 144, 146)를 생성하기 위해 2개의 기본 스펙트럼 피크를 믹싱함으로써 주파수 업-변환하는 특정 경우에 있어서는 펌프 광학 스펙트럼의 종방향-모드 구조인 단일 모드, 다중-모드, 및 확장 연속-스펙트럼에 기초하여 구별된 3개의 경우가 될 것이다. 상기 후자의 경우는 펌프 광학 스펙트럼이 예컨대 지나친 주파수 처프로 인해 하나 또는 그 이상의 뚜렷이 규정된 스펙트럼 라인으로 명확히 나타나지 않는 상황을 포함한다.
이후 설명될 다중-모드 실시예에 앞서 먼저 단일-모드 기본 스펙트럼 피크에 대해 설명한다. 단일-모드에 있어서 각각의 2개의 기본 피크는 좁은 스펙트럼 라인 폭을 갖는 단일의 종방향 레이저 모드로 이루어진다. 통상 그러한 펌프 모드의 라인 폭이 파장 변환장치의 스펙트럼 응답 형태보다 더 좁기 때문에, 스펙트럼 피크의 폭이 근본적으로는 중요치 않다. 따라서, 최적화는 3개의 준-위상 매칭 피크(162, 163, 164)의 피크 강도 크기를 최대화하는 한편, 반점 콘트라스트가 크게 감쇄되도록 3개의 주파수 변환 파장의 출력 파워를 동일하게 하기 위해 약 1:0.25:1로 크기 응답률을 유지하는 것을 포함한다. 그러한 주의는 준-위상 매칭 피크가 Δk-공간에 정확하게 위치되는 것을 보장할 수 있게 한다. 총합-주파수 ω1+ω2가 2차 조화파 2ω1과 2ω2 사이의 정확히 중간이지만, 총합-주파수 생성 프로세스에 대한 파-벡터 불일치는 재료 및 도파로 분산으로 인해 2개의 2차 조화파 생성 프로세스에 대한 평균 파-벡터에 대해 약간 시프트될 것이다. 이러한 시프트는 총합-주파수 생성 비선형 프로세스에 대응하는 제2스펙트럼 피크(163)의 폭과 비교하여 무시할 수 없다.
거의 동일한 광 파워를 갖는 3개의 주파수-변환 스펙트럼 피크를 생성하기 위해 원하는 응답률을 갖는 그리고 동일하게 간격된 3개의 스펙트럼 피크를 갖는 파장 변환장치를 얻기 위해 위상-매칭 주기성의 조절이 사용된다. 적외선 광(기본)과 변환된(2차 조화파) 광간 파-벡터 불일치(Δk)는 수천 cm-1이다. 이러한 불일치를 보상하기 위해, 수천 cm-1 매칭(Δk)의 파-벡터(Kc) 및 짧은 준-위상 매칭 주기(Λ)의 주기적 분극이 그러한 위상 불일치를 제거하기 위해 필요하다. 그 결과는 2차 조화파 생성과 관련하여 상기 기술한 바와 같이 중심이 δk=0인 단일의 스펙트럼 피크가 될 것이다. 그러한 준-위상 매칭 주기(Λ)는 근본적 캐리어 주기성과 관련된다.
3개의 준-위상 매칭 피크를 얻기 위해, 위상 변조 함수(PMF)가 위상-변조 주기성을 달성하도록 캐리어 주기성에 적용될 것이다. 준-주기 분극 도메인 형태로 비선형 광학 재료에 적용될 경우, 그러한 위상-변조 주기성이 중심이 δk=0인 단일의 스펙트럼 피크를 다중 스펙트럼 피크로 분할하는 효과를 가짐으로써, 중심의 스펙트럼 피크(163)에 동일한 간격으로 인접한 측면 대역(162, 164)을 생성한다(도 6). PMF에 의해 변조될 경우 전체로서 그러한 다수의 도메인들은 사실상 주기적이지 않으므로 준-주기와 관련된다. PMF는 QPM 주기(Λ; 즉 캐리어 주기성)와 비교하여 매우 큰 주기를 가지며 따라서 상당히 작은 k-벡터를 갖는다. 그러한 PMF는 분극 도메인의 상대적 위치에 작은 교란을 이끈다. 예컨대, 만약 제1측면 스펙트럼 피크(162)와 제2측면 스펙트럼 피크(164)가 중심의 제2준-주기 매칭 피크(163)로부터 28cm-1이 되려면, 28cm-1의 k-벡터의 변조가 적용될 것이다. 주기적 분극에 위상-변조 함수를 적용하기 위해, 전파 방향에 걸친 모든 반전된 도메인의 위치는 PMF의 국부치(local value)에 비례한 거리로 시프트될 것이다. 그러한 일정한 비례는 PMF로 기술된 π의 위상 시프트가 그러한 반전 도메인에 대한 0.5Λ의 종방향 시프트에 대응되게 한다. 그러한 위상-변조 함수가 f(x)이면, 전파 방향에 걸친 위치 x에서의 반전 도메인의 위치의 종방향 시프트는 Λf(x)/(2π)이다. 그러한 동일한 장치 실행의 설명이 주파수 (주기적) 변조의 형태로 주어진다는 것을 이해해야 한다.
펌프 스펙트럼 피크들이 중심-파장(λ) 부근에 대칭적으로 위치되고 (진공)파장 Δλ로 간격되면, 위상 매칭 피크를 파장 0.5(λ-0.5Δλ), 0.5λ, 및 0.5(λ+0.5Δλ)에서 업-변환 방사의 생성을 허용하는 요소로 분할할 수 있는 주기 PMF가 이하의 주기를 가질 것이다:
Figure pct00016
(13)
주기적 위상-변조만이 효과적인 반점 감소에 사용되는 여러 위상-변조 함수 중 하나라는 것을 이해해야 한다. 그러한 주기적 위상-변조가 반점 감소와 변환 효율간 절충에 따른 가장 가까운 최적의 응답을 제공할 수 있지만, 다중-피크 업-변환 스펙트럼 응답을 생성하기 위한 다른 비주기적 PMF가 사용될 수도 있으며, 그러한 준-위상 매칭 피크의 위치 및 크기는 주기적 변조의 경우와 비교하여 약간 변경되기는 하지만, 기본적인 반점 감소의 충분한 성능은 여전히 제공한다. 이것은 최적의 반점 감소 및 변환 효율을 제공하는 준-위상 매칭 피크의 충분한 파장 간격 및 크기 분포를 갖는다.
다른 실시예에 있어서, 위상-변조 함수가 주기적 분극의 간섭없이 유효 굴절률로 적용될 수 있다. 예컨대, 천천히 폭, 두께, 또는 굴절률을 변경함으로써, 도파로의 분산(δk; 도파로 상호작용의 경우)이 주기적으로 변경되며, 이에 따라 실제 주기적 분극을 변경하지 않고 스펙트럼 응답에 있어서의 다중 준-위상-매칭 피크를 생성한다. 또한 복굴절 위상-매칭 또는 인터모드 위상-매칭과 같은 비선형 계수의 주기적 부호 반전 이외의 다른 방식에 의한 위상-매칭 상호작용을 위해 이러한 기술들이 적용될 수도 있다(여기서 도파로 분산이 재료 분산을 보상하기 위해 사용된다).
복굴절 위상-매칭 또는 QPM을 갖는 벌크 결정의 경우, 온도, 스트레스, 또는 전기장에 의한 굴절률의 주기적 변경이 연속 위상 변조를 위해 적용될 수도 있다. 선형 광학 특성의 조절이 재료 성분, 온도, 전기장, 기계적 스트레스, 또는 다른 스트레스 요인에 의해 이루어질 수 있다. 도파로 전파의 경우, 도파로 폭, 두께, 또는 재료 성분과 같은 도파로 특성의 주기적 조절은 광학 모드의 유효율의 결과를 통해 위상-매칭의 주기적 조절에 영향을 줄 수 있다.
또 다른 실시예에 있어서, 다중의 결정이 광학적으로 투명한 재료의 박막층으로 분할된 광 전파 방향으로 따라 순차 적층된다. 불연속 위상-변조를 위한 기본 광학 주파수와 업-변환 광학 주파수간 (2l+1)π의 위상차를 제공하도록 분할 층의 두께가 선택되며, 여기서 l=0,1,2,3...이다. 선택적으로, 위상-매칭의 조절을 이끄는 각기 다른 비선형 및 선형 광학 특성을 갖는 각기 다른 매체의 블록이 함께 적층될 수 있다.
이제 도 4 및 5를 참조하여, 위상 변조 함수 및 주기적 위상-변조의 다수의 분극 도메인을 이끄는 일 실시예를 기술한다. 도 4는 직사각파로 이루어진 불연속 PMF(150)를 나타낸다. 그러한 불연속 PMF(150)는 순차의 큰-주기적 부호 반전을 이루고 있다. 각각의 부호 반전은 π의 불연속 위상 점프로 동등하다. 주기적 분극을 통한 QPM의 경우, 이러한 주기적 부호 반전은 위상 매칭 주기(Λ)를 갖는 주기적 분극에 겹친다. 도 5에 나타낸 바와 같이, 비선형 계수의 부호 반전은 리튬 니오베이트와 같은 강유전 결정의 유전 극성 반전과 같다. 주기적 부호 반전(flip)은 위상 매칭 주기 Λ로 특성화된 그들 법선 방향에 대해 하나 또는 그 이상의 방향을 반전시킴으로써 달성된다.
도 4~6에 나타낸 특성화된 파장 변환장치는 8 mm의 긴 준-주기적 분극의 리튬 니오베이트 결정이다. 그러한 불연속 PMF(150)는 그 전체 장치 길이의 1/3인 약 2.67 mm의 부호-반전 주기를 갖는다. 위상-매칭은 그 8 mm 길이 영역 외측에는 제공되지 않는다. 수학적으로, 위상-매칭된 영역 외측의 비선형 광학 계수는 비선형 매체가 그 영역 외측으로 연장된다 하더라도 0으로 예상될 수 있다. 불연속 PMF(150)의 듀티 사이클(duty cycle)은 대응하는 3개의 주파수-변환 스펙트럼 피크 및 준-위상 매칭 피크의 원하는 간격 및 크기를 달성하도록 변경될 수 있다. 도 4에 나타낸 실시예의 불연속 PMF(150)의 듀티 사이클은 도 6에 나타낸 3개의 준-위상 매칭 피크(162, 163, 164)의 4:1:4 응답률을 달성하도록 약 0.354이다.
도 5는 파장 변환장치(130)의 다수의 도메인의 일부를 나타낸다. 도 5는 일정 비율로 도시된 것이 아닌 단지 설명의 목적을 위한 것임을 이해해야 한다. 제1결정 방위(132a; 예컨대, 양의 부호)는 업-화살표(↑)로 나타내고, 반면 제2결정 방위(132b; 예컨대, 음의 부호)는 다운-화살표(↓)로 나타낸다. 도 4를 참조하면, x축 상의 x=-0.4는 파장 변환장치의 위상-매칭 영역의 시작에 대응하고, 반면 x=0.4는 파장 변환장치(130)의 위상-매칭 영역의 끝에 대응한다. 불연속 위상 변조 함수(150)의 부분(151)은 "1"의 값으로 특성화된다. 이러한 영역에 있어서, 도메인(132a, 132b)은 위상 매칭 주기(Λ)에 따라 주기적으로 교호된다. 그러나, 부분 151에서 부분 152로의 시프트로, 도메인의 부호 또는 방위가 반전(flip)된다. 도 5에 나타낸 바와 같이, 도메인 133은 부분(152) 내의 나머지 도메인들이 위상 매칭 주기(Λ; 캐리어 주기성)로 규정된 바와 같은 정상 위치에 대해 π로 위상-시프트된 제1결정 방위가 아닌 제2결정 방위를 갖는다. 그러한 도메인은 0.5Λ로 x축을 따라 종방향으로 시프트된다(이러한 경우 위상-시프트될 도메인의 방위를 반전시키는(부호를 반전시키는) 것과 같다). 부분 152와 153간의 시프트에 대해, 도메인 134의 방위는 부분(153) 내의 도메인들이 위상 매칭 주기(Λ)에 따라 주기적으로 교호되도록 반전된다. 유사하게, 도메인 135의 부호 또는 방위가 부분 153과 154간 시프트로 반전된다. 따라서, 그러한 도메인들은 불연속 위상 변조 함수(150)의 부분(151, 153, 155)에서 캐리어 주기성에 의해 규정된 정상 위치로 분극되며, 그 도메인들은 불연속 위상 변조 함수(150)의 부분(152, 154, 156)에서 정상 위치에 대해 0.5Λ로 시프트된다.
도 6은 위상 매칭 주기(Λ)로 규정된 그리고 도 5에 나타낸 PMF에 의해 주기적 도메인 부호 시퀀스를 다중화함으로써 변경된 위상-변조 주기성으로 분극된 파장 변환장치의 스펙트럼 응답(160)을 나타낸다. 각각의 도메인의 도메인 폭은 약 3.2 ㎛이다. 파장 변환장치는 MgO-도핑 합치 리튬 니오베이트 도파로를 통합하며, 준-위상 매칭은 2차 비선형 감응의 d33 요소를 이용한 타입 I 위상-매칭을 가능하게 하는데 사용된다. 그러한 스펙트럼 응답(160)이 δk의 함수로서 도 6에 나타나 있다. 3개의 메인 준-위상 매칭 피크(162, 163, 164)의 크기는 각각 0.343, 0.0849, 및 0.343이다. 2개의 외측 준-위상 매칭 피크(161, 165)는 주파수-변환 출력에 관여하지 않는다. 제1 및 제2준-위상 매칭 피크는 Δk-공간에서 45 cm-1로 분할된다. 이들 준-위상 매칭 피크(162, 164)는 약 1.59 nm 파장으로 분할된 1060 nm정도의 2개의 대응하는 적외선 파장의 주파수 더블링으로 준-위상 매칭될 것이다. 제2준-위상 매칭 피크(163)는 2개의 적외선 파장의 총합-주파수 믹싱으로 준-위상 매칭될 것이다. 레이저 파워(P)가 2개의 펌프 모드간 동등하게 분배된 것으로 간주하면, 동시의 2차 조화파 생성 및 총합-주파수 생성 프로세스의 전체적인 효율이 이하와 같이 주어진다:
Figure pct00017
(14)
여기서, η0는 단일의 준-위상 매칭 피크를 갖는 동일한 길이의 균일하게 주기적으로 분극된 준-위상 매칭 격자의 2차 조화파 생성 효율이다. 0.256의 인자가 지나치게 변환 효율을 낮게 하면, 그러한 낮은 효율은 펄스 동작시 피크 파워의 증가에 의해 회복될 수 있다. 주파수 업-변환 출력 신호의 평균 파워와 평균 기본(펌프) 입력 파워의 비율로 규정된 비선형 광학장치의 외부 변환효율은 전체 광학 시스템의 일부로서 비선형 장치의 성능을 기술하는 가장 중요한 파라미터가 될 것이다. 그러한 외부 변환효율은 낮은 변환 기간 및 높은 변환의 집중시의 펌프 파워에 비례한다. 외부 효율 감소의 4의 인자는 4 또는 그 이상의 인자에 의해 피크 기본 파워를 증가시킴으로써 보상될 수 있다. 또한, 펄스 형태가 직사각형이 아니라, 가우시안(Gaussian), 하이퍼볼릭 시컨트(hyperbolic secant), 또는 로렌치안(Lorentzian)과 같은 많은 통상의 레이저 펄스 형태일 경우 1.4-2의 추가의 인자가 적용될 것이다.
50% 듀티 사이클 및 주기 ΛPM을 갖는 주기적 부호 반전으로 나타낸 PMF는 동일 길이의 실제 주기 QPM 구조와 비교하여 약 0.41의 상대적 크기를 각각 갖는 2개의 요소로 QPM 스펙트럼 피크의 분할을 이끈다. QPM 구조의 길이가 단지 일부 주기의 PMF와 동일한 경우, PMF가 QPM 구조의 끝에서 어떻게 잘리는지에 따라 0.41로부터의 상대적 크기의 편차가 관찰될 수 있다. PMF가 QPM 구조의 중심에 대해 대칭이고 QPM 구조의 길이(L)가 약 (m+0.3)ΛPM일 경우 우호적인 끝 자름이 제공되며, 여기서 m은 양의 정수이다. 예컨대, L=(m+0.3)ΛPM이면, 2개의 피크의 상대적 응답 크기는 각각 약 0.474, 0.442, 0.431, 및 0.424이다(이 경우, m=1,2,3,4). 단지 2개의 준-위상 매칭 피크를 갖는 부호-반전 QPM 구조가 총합-주파수 생성을 위한 위상-매칭의 제공없이 각각의 펌프 모드를 주파수 더불링하는데 사용되면, 2개의 각각의 2차 조화파 생성에 대한 정상 효율이 더 높아질 지라도(약 0.343에 비해 약 0.41±0.06), 전체 주파수 변환 출력이 이하와 같이 될 것이다:
Figure pct00018
(15)
식 (14)와 (15)의 비교는 3개의 준-위상 매칭 피크를 갖는 최적화된 QPM 구조가 약 1/1.41에서 약 1/1.73으로 반점 감소 인자를 증가시키는데 도움을 줄 뿐만 아니라, 단지 2개의 준-위상 매칭 피크를 갖는 구조와 비교하여 평균 약 25%까지 전체 비선형 변환 효율을 상승시킬 수 있다는 것을 보여준다. 심지어 전체 반점-감소 인자가 얻어지지 않도록 총합-주파수 생성 파-벡터 불일치(ΔkSFG)의 주파수 시프트가 준-위상 매칭 피크의 간격을 제한한다 하더라도, 변환 효율의 상승은 단지 2개의 스펙트럼적으로 분할된 펌프 레이저 모드가 동시에 생성되는 경우에 있어서의 이점을 제공할 것이다. 예시로서 제한하지 않는 바와 같이, PMF 주기 또는 비선형 장치 길이 L=(m+0.3)ΛPM인 경우, 39%의 듀티 사이클을 갖는 주기적 부호-반전 PMF는 비변조 위상-매칭 장치에 대해 약 0.342, 0.071, 및 0.342의 크기를 갖는 3개의 중심 피크를 생성한다. 만약 듀티 사이클이 28%이면, 상대적 피크 크기들은 0.247로 거의 같다. 따라서, 27%와 29% 사이의 듀티 사이클의 범위는 상당한 반점 감소를 제공할 수 있는 응답 피크 비율의 범위에 대응한다. 중심의 위상-매칭 피크의 크기가 그 2개의 측면 피크의 크기와 유사한 경우, 그 중심의 주파수-변환 출력 피크는 제1 및 제3(SHG) 출력 피크보다 다소 더 높은 광 파워를 포함하고, 이는 전체 주파수 변환 효율의 향상을 이끈다. 만약 중심 피크의 파워가 2개의 다른 피크의 2개 파워의 인자 내이면, 트레이드-오프(trade-off)가 요구될 때 잠재적인 효율의 증가와 트레이드 오프되는 일반적인 저하의 반점 감소만이 관찰될 것이다.
또 다른 실시예에 있어서, 불연속 PMF(150)는 그러한 듀티 사이클이 아닌 불연속 위상 변조의 깊이를 통해 다중 위상-매칭 피크의 크기의 비율을 제어할 것이다. 그러한 PMF는 진폭 Φ0 PM을 갖는 직사각형 파형으로 이루어진다. PMF에 의한 위상-매칭으로 전해진 위상은 이하와 같이 주어진다:
Figure pct00019
(16)
여기서,
Figure pct00020
는 원할 경우 QPM 구조를 따라 중간-지점에 대한 PMF 파형의 일정한 위상 시프트를 허용하는 파라미터이다. 예로서, 4:1:4의 피크 비율을 갖는 L=3.3ΛPM인 경우의 PMF가 도 7에 나타나 있으며, 그 스펙트럼 응답이 도 8에 나타나 있다. 그 부호 함수는 그 변수가 양이면 값 +1을, 그 변수가 음이면 -1을, 그리고 그 변수가 0이면 0을 취하므로, 본질적으로 PMF에 의해 규정된 위상은 값 Φ0 PM과 -Φ0 PM 사이에서 주기적으로 점프한다. 위상 변조의 깊이(DPM) ε은 이하와 같이 위상 변조의 진폭에 2배이다:
Figure pct00021
(17)
위상-매칭 길이 L=0.7706 cm를 갖는 파장 변환장치에
Figure pct00022
=0 및 ΛPM=0.2335 cm를 갖는 식 (16)에 의해 규정된 PMF를 이용하면, 진폭 Φ0 PM이 0.316π에서 0.403π로 변하고, 3개의 메인 피크는 위상-변조 QPM 스펙트럼 응답 범위가 1:1:1에서 4:1:4의 비율로 변한다. 또한, 그러한 피크 비율은 Φ0 PM=0.372π일 때 4:1.75:4이고, Φ0 PM=0.364π일 때 2:1:2이다. 이후 기술하는 바와 같이 이들 후자의 QPM-피크 비율은 펌프의 다중-모드 스펙트럼 피크의 경우와 관련될 것이다. 만약 PPMgLN 도파로에 적용되면, 상기 PMF는 약 1.9 nm 파장으로 간격되고 1061 nm정도가 중심인 펌프 스펙트럼 피크의 주파수 믹싱을 위한 QPM을 제공한다. 좀더 긴 QPM 구조(예컨대, 0.9948 cm) 및 동일한 피크 비율의 경우, 위상 변조의 각각의 깊이는 본질적으로 동일하다(0.002π 내로). 또한, 짝수 또는 정수의 PMF 주기와 같지 않은 결정 길이로 인한 파형 끝 자름의 결과는 위상-매칭 스펙트럼 피크의 소정 요구된 크기 비율을 위한 위상 변조의 필요한 깊이에 아주 작은 영향을 준다. 사실상 상당한 범위로 확장하는 몇몇 예시의 불연속 직사각형 PMF(ΛPM=0.2335 cm,
Figure pct00023
=0)가 이하의 표 1로 요약된다.
표 1
Figure pct00024

표 1은 위상-매칭 스펙트럼 응답에서의 피크의 크기 및 직사각파-PMF 파라미터를 나타내고, MSHG 및 MSFG는 위상-매칭 2차-조화파 생성 및 총합-주파수 생성으로 할당되고, 동일 길이의 실제 주기 위상-매칭의 단일-모드 SHG 응답의 크기로 표준화된 위상-매칭 스펙트럼 응답에서의 피크의 크기이다.
또 다른 실시예에 있어서, PMF(150)는 x의 사다리꼴 함수이다. 그 함수는 주기 ΛPM으로 주기적이다. 도 9는 피크 비율 4:1:4를 갖는 L=3.3ΛPM인 경우에 대한 사다리꼴 PMF의 예를 나타내며, 대응하는 스펙트럼 응답이 도 10에 나타나 있다. 각각의 1/2주기에서, 단일의 상수값을 취하는 것이 아니라, 그러한 제공된 위상은 경사부 및 평탄부를 따른다. 대칭의 사다리꼴 PMF의 경우, 후자는 위상 진폭 Φ0 PM, 주기 ΛPM, 위상 시프트
Figure pct00025
, 및 평탄 듀티 사이클(PDC)에 의해 규정된다. PDC는 나머지 1/2주기로서 평탄부의 길이와 같다. 경사부의 길이(Lramp)는 그 나머지의 1/2주기이고, 경사율은 진폭 Φ0 PM에 의해 다중화된 1/Lramp이다. 추가의 자유 파라미터(경사)로 인해, 소정 요구된 위상-매칭 피크 비율은 각기 다른 파라미터의 조합에 의해, 그리고 그에 따른 각기 다른 사다리꼴 PMF 파형에 의해 얻어질 수 있다. 따라서, 그러한 사다리꼴 PMF는 반점 감소 및 변환 효율과 관련된 최적 성능을 얻기 위해 위상-매칭을 조절하기 위한 유연한 방법을 제공할 것이다. 위상-매칭 피크의 대응하는 우수한 표준화된 크기 및 PMF 파라미터 세트의 예가 이하의 표 2에 포함된다. 실제로 상당한 스펙트럼 응답의 범위로 확장하는 대칭의 사다리꼴 PMF(ΛPM=0.2335 cm,
Figure pct00026
=0)의 몇몇 특정의 예가 이하의 표 2에 요약되어 있다.
표 2
Figure pct00027

표 2는 위상-매칭 스펙트럼 응답에서의 피크의 크기 및 사다리꼴파-PMF 파라미터를 나타내고, MSHG 및 MSFG는 위상-매칭 2차-조화파 생성 및 총합-주파수 생성으로 할당되고, 동일 길이의 실제 주기 위상-매칭의 단일-모드 SHG 응답의 크기로 표준화된 위상-매칭 스펙트럼 응답에서의 피크의 크기이다.
그러한 제공된 위상의 선형 경사는 전파 방향을 따라 일정하게 증가 또는 감소하는 위상을 나타낸다. 이는 또한 준-위상 매칭의 경우, QPM 구조의 로컬 주기의 변경에 따라 각기 다른 관점으로 보여질 수도 있다. 대칭의 연속 사다리꼴 위상 변조 함수는 3개의 다른 QPM 주기를 포함하는 구조를 나타내는 것으로 보여질 수 있다. 혼란스럽지 않은 그러한 디자인의 주기는 PMF가 평탄한 그러한 제공된 위상으로 나타나는 장치 길이를 따라 그 영역에서 관찰된다. 그러한 주기는 PMF가 경사로 나타나는 영역에서 캐리어 주기성보다 하나는 더 작고 하나는 더 큰 2개의 값중 어느 하나로 고정된다.
비교적 부드러운 투사면의 경우, 동일하게 분할된 위상 매칭 피크를 생성하는 상술한 체계에 의해 다루어질 수 있는 가시의 주파수-변환 스펙트럼 피크의 보다 큰 스펙트럼 분할을 갖는 것이 바람직하다. 그러한 경우, ΔkSFG는 실질적으로 3개의 동일하게 간격된 준-위상 매칭 피크를 갖는 QPM 상부구조의 중간 위상 매칭 피크의 중심으로부터 시프트될 것이다. 그 경우, 모든 3개의 주파수 변환 프로세스가 적절하게 위상-매칭되는 것을 보장하기 위한 측정이 이루어질 것이다. 이를 달성하기 위한 하나의 방식은 좀더 짧은 결정의 3개의 동일하게 분할된 준-위상 매칭 피크를 갖는 파장 변환장치를 이용하는 것이다. 그러한 준-위상 매칭 피크의 보다 큰 파장 분할의 필요성은 불연속 PMF의 주기의 감소를 이끄는 반면, 동시에 각각의 준-위상 매칭 피크의 폭이 그 결정 길이가 감소됨에 따라 증가할 것이다.
보다 미세한 거칠기를 갖는 스크린 상의 반점 감소가 필요한 한편, 준-위상 매칭 피크의 보다 넓은 간격을 갖는 QPM 구조가 필요할 것이다. 이 경우, 중심의 준-위상 매칭 피크는 2차 조화파 생성 및 총합-주파수 생성 프로세스를 위한 비균일 간격 Δk-벡터를 갖는 피크들을 정렬시키기 위해 약간 시프트되어야 한다. 도 11은 파장 변환장치(230)가 제1분극 리튬 니오베이트 결정 섹션(280) 및 제2분극 리튬 니오베이트 결정 섹션(282)을 포함하는 실시예를 나타낸다. 이러한 실시예의 파장 변환장치(230)는 2차 조화파 생성에 이용되는 2개의 준-위상 매칭 피크를 생성하기 위해 상술한 불연속 PMF에 따른 위상 변조 주기성을 갖는 QPM 구조(제1결정 섹션 280)을 총합-주파수 생성에 이용되는 낮은 준-위상 매칭 피크를 생성하기 위해 약간 다른 기본 QPM 주기를 갖는 보다 짧은 균일한 QPM 구조(제2결정 섹션 282)와 조합한다. 보다 짧은 QPM 구조의 주기는 총합-주파수 생성 준-위상 매칭 피크가 불일치 ΔkSFG를 보상하도록 적절히 시프트되게 하는 주기이다. 또한, 준-위상 매칭 피크의 스펙트럼 분할은 실질적으로 그들의 왜곡을 이끄는 그러한 준-위상 매칭 피크들간 간섭을 피하기 위해 각각의 준-위상 매칭 피크의 폭보다 더 클 것이다. 관련된 실시예들에 있어서, 섹션 280 및 282의 순서는 유사한 결과의 성능을 갖는 광로를 따라 반전될 것이다. 펌프 소모가 염려되는 경우, 최적 비율의 섹션 280 및 282의 길이는 광로를 따라 그들 출현의 순서에 따라 약간 변경될 것이다.
외측의 2차 조화파 생성 QPM 피크를 생성하는 제1결정 섹션(280)은 상술한 부호-반전(π-위상-시프트) 또는 준-위상 매칭 피크를 2개의 준-위상 매칭 피크로 효율적으로 분할하는 다른 기술에 기초한다. 예컨대, 만약 파장 변환장치(230)의 제1섹션(280)이 총합-주파수 생성 프로세스에 대응하는 중심의 준-위상 매칭 피크보다 4배 높아져야 하는 2차 조화파 생성 프로세스에 대응하는 외측의 준-위상 매칭 피크, 및 길이 L1을 갖는 부호-반전에 의한 위상-변조 주기성을 포함할 경우, 비분포(즉, 실제 주기) 중심의 준-위상 매칭 피크의 제2결정 섹션의 길이 L2는 제1결정 섹션의 준-위상 매칭 피크가 균일한 QPM 격자를 갖는 결정에 비해 약 0.41의 인자로 감소되는 것을 고려하여 이하의 식에 의해 L1과 관련된다:
Figure pct00028
(18)
그러한 0.41의 인자는 위상 매칭 함수의 일부 주기만이 그러한 위상-매칭 구조 내에 맞추어지는 경우 몇몇 퍼센트의 변화를 이끄는 위상-매칭 구조의 단부에서 PMF가 어떻게 잘리는지에 따라 실제 값에 가까워진다. 식 (18)로부터 L2=0.32*L1이 구해지고, 이러한 실시예에 따른 총 파장 변환장치 길이는 L=L1+L2=1.32*L1이다. 상술한 바와 같이, 위상-변조 섹션의 길이 L1은 0.41보다 다소 양호한 2개의 스펙트럼 피크의 표준화된 크기를 얻기 위해 PMF의 우호적인 끝 자름을 제공하도록 정수 m을 갖는 (m+0.3)ΛPM과 거의 같은 것을 선택할 것이다. 이후 길이 L1 및 L2의 비율이 3개의 출력 피크의 광 파워를 재조정하기 위해 다소 조절될 필요가 있다. 또한, 총합-주파수 생성으로 할당된 짧은 QPM 섹션은 광로를 따라 2차 조화파 생성으로 할당된 위상-변조 섹션에 선행한다.
예로서 한정되지 않으며, 기본 QPM 주기(Λ1)에 적용된 50%의 듀티 사이클 및 1 mm의 주기를 갖는 불연속 위상 변조 함수를 갖는 QPM 격자를 갖춘 6.05 mm의 긴 제1분극 리튬 니오베이트 결정 또는 도파로 섹션으로 이루어진 파장 변환장치는 약 4 nm의 기본 파장으로 분할된 2개의 준-위상 매칭 피크를 생성한다. 스펙트럼 피크의 반치폭(FWHM)은 Δk 공간에서
Figure pct00029
가 되거나 또는 0.3 nm의 기본 파장이 될 것이다. ΔkSFG를 보상하기 위해 적절히 선택된 길이 L2=1.95 mm 및 QPM 주기 Λ2를 갖는 제2분극 리튬 니오베이트 결정 섹션은 Δk 공간에서
Figure pct00030
의 스펙트럼 폭 또는 1 nm의 기본 파장을 가질 것이다. 중간의 준-위상 매칭이 반점 감소에는 불필요한 외측의 준-위상 매칭 피크보다 더 넓기 때문에 그러한 2개-섹션 파장 변환장치가 충분히 최적화되지 못한다는 것을 알아야 한다.
각각의 2개의 기본 스펙트럼 피크가 반도체 레이저의 다중의 종방향 모드로 이루어지는 경우, 그러한 위상-매칭 피크의 스펙트럼 응답 크기의 최적 비율이 변경된다. 파장 변환장치의 출력 상의 3개의 주파수 업-변환 스펙트럼 피크는 2개의 기본 스펙트럼 피크를 구성하는 여러 종방향 펌프 레이저 모드에 대응하는 좁은 라인(narrow line)의 총합-주파수 믹싱 또는 주파수 더블링에 의해 생성된 다수의 스펙트럼 라인으로 이루어질 것이다.
예컨대, 펌프 빔의 각각의 2개의 기본 스펙트럼 피크가 M개의 종방향 모드로 이루어진다고 하자. 표준화된 크기 1을 갖는 스펙트럼 피크 내의 단일의 종방향 모드의 주파수 더블링의 효율을 η0라 하고 각각의 3개의 위상-매칭 또는 QPM 스펙트럼 피크가 1의 표준화된 크기를 갖는다고 하자. 파장 변환장치의 위상-매칭 또는 QPM 스펙트럼 피크의 대역폭이 여러 모드들간 주파수 믹싱의 효율을 제한한다고 가정하면, 다음의 관계들을 유지한다:
1) 각기 다른 스펙트럼 피크에 속하는 주파수 성분(모드)들간 총합-주파수 생성 믹싱 효율에 있어, ηSFG=4η0이며,
2) 또 다른 기본 스펙트럼 피크로부터 모드에 의한 믹싱을 제외하고, 파장 변환장치의 단지 하나의 대응하는 SHG 위상-매칭 또는 QPM 스펙트럼 피크에 의해 생성된 기존 스펙트럼 피크들 중 어느 하나의 성분(모드)들의 총 주파수 업-변환에 있어, ηSFG=(2-1/M)η0이다. 이러한 관계는 1의 상대적 웨이트(weight)를 갖는 각각의 펌프 종방향 모드의 주파수 더블링 및 4의 상대적 웨이트를 갖는 각기 다른 종방향 모드(동일한 기본 스펙트럼 피크 내에 포함된)의 총합-주파수 믹싱의 기여를 고려함으로써 이끌어진다.
주파수-변환 출력의 광 파워가 3개의 주파수-변환 스펙트럼 피크로 균일하게 분배될 때 반점 콘트라스트의 최대 감소가 다시 관찰될 것이다. 이것은 ηSHG1:ηSFG:ηSHG2=4:1(2-1/M):4와 같이 3개의 준-위상 매칭 피크의 표준 피크 효율을 조절함으로써 얻어질 수 있다. M＞＞1일 때, 최적의 비율이 2:1:2가 된다. 동일한 파장 변환장치 길이에 있어, 각각의 기본 스펙트럼 피크가 단일 모드를 포함하는 경우와 비교하여, 다중-모드 실시예가 사실상 보다 높은 전체 변환 효율을 제공한다. 이것은 다중-모드 2차 조화파 생성 준-위상 매칭 피크의 전체 변환 효율이 2가지 요인에 의해 증가되기 때문이다. 반점 콘트라스트의 최대 감소를 얻기 위해, 중심의 총합-주파수 준-위상 매칭 피크의 효율이 그러한 거의 동일한 요인에 의해 증가됨으로써, 전체 효율을 상승시킨다. 이러한 효율의 상승은 만약 기본 스펙트럼 피크의 스펙트럼 폭이 준-위상 매칭 응답의 준-위상 매칭 피크의 수용 대역폭과 같거나 더 넓을 경우 감소될 것이다.
도 12~14b는 다중-모드 실시예에서의 파장 변환장치의 3개의 주파수-변환 스펙트럼 피크를 생성하기 위해 채용되는 위상 변조의 또 다른 실시예를 나타낸다. 도 12에 나타낸 PMF는 캐리어 주기성(Λ)에 적용될 때 위상-변조 주기성을 갖는 다수의 도메인을 제공하는 싸인 함수(170)이다. 비록 그러한 싸인 함수(170)가 다중의 종방향 모드를 갖는 기본 스펙트럼 피크와 관련하여 기술했을 지라도, 그와 같은 싸인 함수는 기본 스펙트럼 피크가 단일의 종방향 모드를 갖는 실시예에서도 채용될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 단일-모드 기본 스펙트럼 피크의 최적의 반점 감소에 적절한 피크 비율을 제공하기 위해 위상 변조 깊이가 조절될 것이다.
도 4~6과 관련하여 상기 기술한 바와 같이 다수 도메인의 위상을 직접 변조하는 것이 아니라, 그 싸인 함수는 위상 매칭 주기(Λ)에 의해 규정된 정상 주기 위치와 관련된 강유전체 도메인의 위치를 연속으로 시프트하는 결과를 갖는다. 불연속 PMF와 관련하여 상기 기술한 바와 같이, 위상-변조 주기성은, 준-주기 분극 도메인의 형태로 비선형 광학 재료에 적용될 때, 중심이 δk인 단일의 준-위상 매칭 피크를 중심의 준-위상 매칭 피크(183: 도 14a)에 인접한 등간격의 측대역(182, 184)을 생성하는 3개의 준-위상 매칭 피크로 분할하는 효과를 갖는다. 싸인 PMF(170)는 위상 매칭 주기(Λ)와 비교하여 매우 큰 주기를 가지며 그에 따라 매우 작은 k-벡터를 갖는다. 따라서, 그러한 싸인 함수는 분극 도메인의 상대적 위치에 매우 작은 교란을 이끈다.
특히 도 12 및 13을 참조하여, PMF 및 위상-변조 주기성을 갖는 결과의 다수의 분극 도메인의 일 실시예를 기술한다. 도 12는 위상 매칭 주기(Λ)에 적용될 때, 이하의 식으로 표현된 Δx(x1)만큼 분극 도메인의 위치를 연속으로 시프트하는 싸인 함수(170)를 나타낸다:
Figure pct00031
(19)
여기서, ε은 위상 변조 진폭(Φ0 PM)에 2배에 가까운 위상 변조의 깊이이다. 그러한 변조의 깊이(ε)는 결과의 준-위상 매칭 피크(182, 183, 184)의 상대적 크기에 영향을 준다.
도 12~14b로 특성화된 준-주기 분극 파장 변환장치(330)는 약 0.25 nm 폭으로 각각 중심이 1060.5 및 1062.4인 2개의 기본 스펙트럼 피크(125, 127)를 갖는 펌프 빔에 의해 펌프된 7.706 mm의 긴 분극된 리튬 니오베이트 파장이다. 각각의 기본 스펙트럼 피크는 3 내지 5개의 모드를 포함한다. 따라서, 최적의 스펙트럼 응답률은 4:1.67:4와 4:1.8:4 사이가 될 것이다. 4:1.75:4의 스펙트럼 응답률을 갖는 파장 변환장치(130)를 달성하기 위해, 싸인 함수(170)로 제공된 위상 변조의 깊이(ε)는 약 1.066π이고 싸인 함수(170)의 주기는 약 2.335 mm이다. 그러한 파장 변환장치(130)는 캐리어 주기성에 적용된 싸인 위상 변조 함수(170)의 약 3.3 주기를 갖는다. 파장 변환장치(330)의 길이는 싸인 함수(170)에 의해 제공된 위상-변조의 최적의 끝 자름에 의해 결정될 것이다. 싸인 함수(170)의 주기와 분극 도메인의 위상-변조 주기성의 길이간의 관계가 이하와 같을 경우 그러한 위상-변조의 최적의 끝 자름이 얻어질 것이다:
Figure pct00032
(20)
여기서, Λs는 싸인 함수(170)의 주기이고 m=1,2,3 ...이다. 그러한 적절한 값의 범위는 m+0.3정도가 최적의 중심인 약 m+0.2 내지 약 m+0.45 사이가 된다. 파장 변환장치(330)의 길이가 이들 범위 중에서 선택되고 그러한 싸인 함수가 그 파장 변환장치의 중심에 대해 대칭으로 적용될 때, 가장 효율적인 대역폭 영역이 3개의 원하는 준-위상 매칭 피크(182, 183, 184)로 유지되고 대상의 중심 파장 영역 외측의 비사용 준-위상 매칭 피크(예컨대, 181, 185)로 덜 간다.
파장 변환장치의 길이가 이러한 방식으로 선택될 경우, 그 파장 변환장치의 2개의 엣지 상의 끝 잘림이 싸인 함수의 피크점 또는 저점 후 바로 발생하고 급경사 후 곧바로 발생한다. 그 위상의 코싸인의 피크점 및 저점은 그 분극 주기가 위상-변조 QPM-격자에 의해 커버된 주기의 범위 중심 근처의 값을 갖는 영역이다. 싸인 함수의 경사 부분에서 위상 변화가 빠른 영역은 로컬 주기가 평균 주기보다 거의 짧거나 긴 영역이다. 그와 같은 주기는 중심 파장과 먼 파장에 대한 2차 조화파 생성을 위상 매칭시키고, 이에 따라 대상의 중심 영역 외측의 효율이 확대된다.
도 13은 파장 변환장치(330)의 일부를 개략적으로 나타낸다. 파장 변환장치(330)는 업(↑) 및 다운(↓) 화살표로 나타낸 바와 같이 결정 방위로 교호되는 다수의 분극 도메인(132)을 포함한다. 분극 도메인(132)의 각각의 위치는 캐리어 주기성으로 규정된(점선 136으로 나타낸) 정상 주기 위치에 대해 종방향으로 시프트된다. 그러한 시프트는 싸인 PMF에 따라 연속한다. 예컨대, 도메인(139)은 싸인 함수(170)의 피크에 따라 시프트되고, 그에 따라 변조의 진폭(Φ0 PM)으로 특성화된 정상 주기 위치에 대한 최대치로 시프트된다. 도 13에 나타낸 바와 같이, 반전 도메인(132)의 위치는 종방향으로 연속해서 시프트된다.
도 14a 및 14b에 나타낸 바와 같이, 3개의 준-위상 매칭 피크(182, 183, 194)의 응답률(180)은 약 4:1.75:4이다. 도 14a는 δk 공간에서의 준-위상 매칭 피크(182, 183, 184)를 나타내며, 반면 도 14b는 주기적-분극 MgO-도핑 리튬 니오베이트 도파로의 경우에 대한 파장 공간에서의 그 준-위상 매칭 피크를 나타낸다. 반도체 레이저에 의해 방출된 펌프 빔의 2개의 다중-모드 기본 피크(125, 127; 도 3a)의 경우, 전체 변환 효율은 도 4~6에 기술된 구조를 이용한 단일-모드 기본 스펙트럼 피크의 효율만큼 높은 거의 2배가 될 것이다. 도 14b의 경우(식 (5)와 비교하여), 변환 효율은 이하에 의해 기술된다:
Figure pct00033
(21)
일반적으로, 각각의 기본 스펙트럼 피크가 N개의 모드를 포함하면, 다중-모드 기본 피크를 사용하는 경우와 단일-모드 기본 피크를 사용하는 경우에 있어서의 효율의 증가는 (2-1/N)로 가까울 것이다. 식 (21)로부터 산출된 그러한 증가는 단일-모드 펌프 스펙트럼 피크와 관련하여 상기 기술한 부호-반전 구조와 비교하여 튜닝 곡선의 양호한 최적화로 인해 더 높아진다. 몇몇의 경우, 그러한 효율의 증가는 예컨대 광 펄스의 스펙트럼 대역폭이 그러한 준-위상 매칭 피크의 QPM 수용가능 대역폭과 같거나 보다 클 경우 각각의 그러한 준-위상 매칭 피크의 한정된 QPM 대역폭의 효과로 인해 더 작아질 것이다. 또한, 준-위상 매칭 피크 크기의 실험상의 비율은 불완전한 장치 제조로 인해 이론적인 비율에 비해 다소 변할 수 있다. 그와 같은 불완전성은 제한하진 않지만 도파로에 기초한 파장 변환장치의 경우에 있어서의 길이에 따른 중간 수준의 분극 충실도 및 다소의 도파로 불균일성을 포함할 것이다. 통상 준-위상 매칭 피크 비율의 작은 변화는 반점 감소 특성에 작은 영향을 줄 것이다.
파장 변환장치를 펌프하기 위해 다중-모드 기본 스펙트럼 피크를 갖는 펌프 빔을 사용할 경우의 또 다른 고려사항은 각각의 그러한 기본 피크의 전체 스펙트럼 대역폭이 대응하는 준-위상 매칭 피크(SHG 또는 SFG에 대한)의 QPM 대역폭(펌프 파장과 관련한)과 견줄만하다는 것이다. 이것은 변환 효율을 제한하거나 또는 준-위상 매칭 피크가 기본 광학 주파수를 부분적으로 필터링할 때 준-위상 매칭 피크의 최적 비율을 다소 변경할 것이다. 예컨대, 만약 각각의 기본 스펙트럼 피크가 파장 공간에서 0.3 nm의 스펙트럼 선폭을 갖는다면, 0.3 nm이거나 이보다 작은 소정의 준-위상 매칭 피크의 준-위상 매칭 FWHM 대역폭은 실질적으로 QPM 피크에 의해 제공된 변환 효율을 바꿀 것이다. 상술한 다중-모드 분석의 한계 내에 머물게 하기 위해, 파장 변환장치는 파장 공간에서 적어도 다중-모드 기본 스펙트럼 피크의 스펙트럼 피크만큼 넓은 위상 매칭 피크를 가질 것이다. 이것은 다중의 준-위상 매칭 피크를 생성하기 위해 사용된 상부구조의 복잡성 또는 파장 변환장치의 길이의 한계에 부딪칠 것이다. 보다 좁은 준-위상 매칭 피크는 반점 감소를 위한 최적 피크의 작은 변화를 제공하지만 동일한 최대 응답 크기의 충분히 넓은 준-위상 매칭 피크에 비해 낮은 전체 업-변환 효율을 나타낸다. 한편, 보다 좁은 준-위상 매칭 피크는 보다 긴 QPM 파장 변환장치로 인한 것이며, 이들 준-위상 매칭 피크의 최대 크기가 더 높아져, 많은 경우 전체 효율을 증가시킬 것이다.
그러한 파장 변환장치의 제한은 전체 변환 효율의 한계를 이끌 것이다. 예컨대, 만약 각각의 기본 스펙트럼 피크가 0.3 nm이면, 각각의 준-위상 매칭 피크는 스펙트럼 분할 외에 스펙트럼 확장을 허용하는 좀더 정교한 상부구조를 디자인하기 위한 추가의 수단이 취해지지 않는 한 6 mm 이내의 총 장치 길이를 이끌 뿐만 아니라 적어도 0.3 nm 폭이 될 것이다. 또한 도 11에 도시한 그리고 상술한 ΔkSFG를 매칭시키기 위해 시프트된 하나의 준-위상 매칭 피크를 갖는 보다 짧은 균일하게 분극된 제2결정 섹션(282)이 뒤따르는 특정 분극 도메인의 부호-반전에 의해(예컨대, 불연속 부호-반전 PMF(150)의 적용에 의해) 달성된 2개의 준-위상 매칭 피크를 갖는 제1결정 섹션의 2개-섹션 파장 변환장치가 이러한 경우에 채용될 수 있다. 그러한 중심 피크 크기를 증가시키기 위한 그러한 필요성은 관련 부분에서의 총 길이의 증가 및 그 대역폭의 증가를 이끈다. 중심의 준-위상 매칭 피크의 대역폭이 외측의 준-위상 매칭 피크에 비해 클 필요가 없기 때문에, 이러한 실시예는 반점을 감소시켜 효율적으로 대역폭을 이용할 수 있다. 적절한 대역폭을 예상하면, 높은 다중-모드 펌프 스펙트럼 피크에 대한 길이 비율은 이하의 식에 의해 결정된다:
Figure pct00034
(22)
예로서 한정하지 않으며, 8 mm의 총 길이를 갖는 파장 변환장치는 약 5.52 mm의 길이(L1)를 갖는 위상-반전 제1결정 섹션(280) 및 약 2.48 mm의 길이(L2)를 갖는 중심의 총합-주파수 준-위상 매칭 피크에 대한 균일하게 분극된 제2결정 섹션(282)를 가질 것이다. 파장 공간에서 그러한 2개의 2차 조화파 생성 준-위상 매칭 피크의 QPM 대역폭은 약 0.36 mm가 될 것이다. 총합-주파수 생성 준-위상 피크의 QPM 대역폭은 약 0.83 mm가 될 것이다. 만약 그러한 2차 조화파 준-위상 매칭 피크가 그들의 불충분한 대역폭에 의해 변환 효율을 감소시키면, 총합-주파수 생성 준-위상 매칭 피크를 생성하는 추가 QPM 섹션의 길이는 반점 콘트라스트를 최소화시키기 위해 그 총합-주파수 준-위상 매칭 피크에 대한 효율을 대응적으로 감소시키도록 다소 짧아질 것이다.
또한 ΔkSHG1 및 ΔkSFH2의 평균에 대한 ΔkSFG의 시프트와 관련하여 상기 기술한 제한이 다중-모드 적용에 적용될 수 있다. 따라서, 적절한 대역폭에 대한 제한된 길이를 갖는 분극 구조를 갖춘 파장 변환장치, 또는 시프트된 중심의 준-위상 매칭 피크를 갖는 분극 구조를 갖춘 파장 변환장치는 반점 감소가 준-위상 매칭 피크의 보다 큰 주파수 간격을 필요로 할 경우 사용될 수 있다. 최적의 반점 감소에 있어서, 불균일한 파장 간격을 갖는 그러한 출력의 준-위상 매칭 피크의 비율이 여전히 비율 4:(2-1/N):4를 거의 정확하게 매칭시키기 위해 사용될 것이다.
파장 변환장치를 위한 분극 구조를 디자인할 때 고려해야 할 또 다른 고려사항은 DBR 레이저에 의해 방출된 각 개별 모드가 정확하게 동일한 파워를 갖지 못한다는 것이다. 따라서, 다중-모드 적용을 위한 파장 변환장치의 QPM 디자인은 3개의 출력 스펙트럼 피크의 강도를 같게하기 위해 다소 조절될 필요가 있다.
또 다른 고려사항은 2개의 펌프 스펙트럼 피크가 광 파워가 다소 다를 수 있는 경우이다. 그 경우, 중심 피크의 위치와 관련하여 QPM 피크 크기의 대칭이 펌프 스펙트럼 피크의 동일하지 않은 파워를 보상하기 위해 깨질 수 있다. 이것은 상술한 소정의 주기 PMF의 적절한 비-제로(non-zero) 위상 시프트를 적용하거나, 또는 그 위상-변조 함수에 2차의 처프(chirp)를 부가함으로써 달성될 수 있다. 대안적으로, 선형 도파로 특성의 변경을 통해 처프를 제공하기 위해 불균일 파장 디자인이 채용될 수 있다. QPM 구조의 중심에 대해 PMF를 시프팅함으로써, 필요에 따라 크기가 다른 SHG에 이용된 측면 준-위상 매칭 피크를 제공하는 위상 시프트를 야기한다.
여기에 기술된 실시예들은 2개의 기본 스펙트럼 피크를 방출하는 반도체 레이저 및 3개의 주파수-변환 스펙트럼 피크를 갖는 출력 빔을 방출하는 파장 변환장치로 제한하지 않는다는 것을 알아야 한다. 예컨대, 상술한 방법들은
Figure pct00035
또는
Figure pct00036
를 이끄는 ＞0.5 nm로 분할된 5개 또는 6개의 거의 동일한 강도 주파수-변환의 스펙트럼 피크를 방출하는 주파수-변환 광학 시스템을 디자인하는데 이용될 것이다. 이 경우, 그러한 반도체 레이저는 3개의 동일하게 간격되거나 또는 동일하지 않게 간격된 기본 스펙트럼 피크를 방출하고, 파장 변환장치는 적어도 5개 또는 6개의 (준-)위상 매칭 피크를 갖도록 디자인되며, 2차 조화파 생성에 있어서는 3개, 그리고 총합-주파수 생성에 있어서는 2개 또는 3개를 갖도록 디자인된다. 기본 스펙트럼 피크가 파장이 균일하게 간격될 경우, 3개의 SFG 파장 중 하나는 "중간" SHG 파장에 대응한다. 7, 8, 9개 또는 그 이상의 주파수-변환 스펙트럼 피크를 방출하는 레이저가 디자인될 수 있으며, 각각의 경우 레이저는 N개의 동일하게 간격된 기본 스펙트럼 피크를 방출하며, 그 파장 변환장치는 2N-1개 또는 그 이상의 준-위상 매칭 피크를 갖는다: SHG 또는 SHG+SFG에 있어서는 N개, 그리고 SFG 프로세스에 있어서는 단지 (N-1)개. 불균일하게 간격된 N개의 기본 스펙트럼 피크의 경우, (N+1)N/2개 출력 스펙트럼 피크까지의 풀 세트가 생성되며, SHG에 대해서는 N개 그리고 SFG에 있어서는 (N-1)/N/2개이다. 펄스 동작으로 인한 변환 효율 이득(평균 파워보다 높은 피크 파워)이 동일한 길이의 평탄 위상-매칭 구조의 단일 피크와 비교된 다중-피크 매칭 디자인의 각각의 (준-)위상 매칭 피크의 보다 낮은 변환 효율을 보상하는데 사용될 수 있다.
다른 실시예에 있어서, 비선형 장치의 광 강도는 내부-공동 파장 변환에 의해 증가되며, 그러한 비선형 광학 매체는 펌프 레이저의 공진기 내측에 삽입되거나, 또는 비선형 매체를 포함하는 각 개별 공동에서 기본 또는 업-변환된 광학 신호를 공진시킴으로써 삽입될 것이다. 또한, 그러한 변환 효율은 펌프 광이 그 펌프 이득 매체로부터 먼 방향과 그 펌프 이득 매체 쪽의 대향 방향 모두로 비선형 매체로 이동할 때 주파수 업-변환 신호가 생성되는 비선형 매체에서의 더블-패스 파장 변환에 의해 증가될 것이다.
상기의 상세한 설명은 청구된 바와 같은 주요내용의 특성 및 특징을 이해하기 위한 개관 또는 뼈대를 제공하기 위한 것이라는 것을 이해해야 한다. 당업자가 발명의 목적 및 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 여기에 기술된 실시예들을 다양하게 변형 및 변경할 수 있다는 것은 당업자에게는 자명하다. 따라서, 이는 본 발명이 부가된 청구항들과 그 등가물의 범위 내에서 제공된 본 발명의 변형 및 변경을 커버하기 위함이다.
"바람직하게", "공통적으로", 그리고 "통상적으로"와 같은 용어는 소정 특징들이 청구한 발명의 구조 또는 기능에 대해 임계적이고, 본질적이며, 심지어 유력하다는 것을 암시하거나 청구한 발명의 범위를 한정하려는 것이 아니라는 것을 알야야 한다. 오히려, 이들 용어들은 단지 본 발명의 실제 실시예들에 사용되거나 사용되지 않는 대체의 또는 추가의 특징들을 강조하기 위한 것일 뿐이다. 더욱이, 수치, 파라미터, 또는 또 다른 수치, 파라미터, 또는 변수의 "함수"가 존재하는 변수에 대한 참조가 그러한 수치, 파라미터, 또는 변수가 하나의 변수이고 단지 하나의 수치, 파라미터, 또는 변수라는 것을 의미하지 않는다는 것을 알아야 한다.
본 발명을 설명 및 정의하기 위해, 용어 "실질적으로", "거의" 및 "약"이 소정 양의 비교, 수치, 측정, 또는 다른 대상으로 볼 수 있는 불확실성의 정도를 나타내기 위해 이용된다는 것을 알아야 한다. 또한 용어 "실질적으로"는 양의 표현, 예컨대 "실질적으로 제로 이상"이 기술된 참조, 예컨대 "제로"로부터 변경되는 정도를 나타내기 위해 여기서 사용되며, 그러한 양의 표현이 그 기술된 참고로부터 용이하게 식별할 수 있는 양으로 변경될 필요가 있다는 것으로 해석될 수 있다.

Claims (24)

  1. 광원 및 파장 변환장치를 포함하는 광학 시스템에 있어서,
    상기 광원은 적어도 2개의 기본 스펙트럼 피크를 갖는 펌프 빔을 방출하도록 구성된 레이저를 포함하고,
    상기 파장 변환장치는 상기 광원의 펌프 빔이 상기 파장 변환장치의 입력면에 입사될 때 거의 동일한 파워를 갖는 적어도 3개의 주파수-변환 스펙트럼 피크를 포함하는 출력 빔이 상기 파장 변환장치의 출력면으로부터 방출되도록 상기 적어도 2개의 기본 스펙트럼 피크의 주파수 더블링(frequency doubling)과 각각의 적어도 2개의 기본 스펙트럼 피크의 총합-주파수 믹싱(sum-frequency mixing)을 위상 매칭시키도록 구성된 비선형 광학 매체를 포함하는 광학 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 파장 변환장치는 레이저의 광학 공동 내에 위치되는 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 레이저는 2개의 기본 스펙트럼 피크가 거의 동일한 파워를 갖도록 펄스 모드로 동작하는 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 출력 빔의 주파수-변환 스펙트럼 피크의 수는 펌프 빔의 기본 스펙트럼 피크의 수보다 큰 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 레이저는 N개의 기본 스펙트럼 피크를 갖는 펌프 빔을 방출하도록 구성되고,
    거의 동일한 파워를 갖는 2N-1개와 (N+1)N/2개 사이의 주파수-변환 스펙트럼 피크를 갖는 출력 빔은 광원의 펌프 빔이 파장 변환장치의 입력면에 입사될 때 파장 변환장치의 출력면으로부터 방출되는 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 파장 변환장치는 제1, 제2, 및 제3위상 매칭 피크로 특성화되고,
    상기 제1 및 제3위상 매칭 피크는 2차 조화파 생성을 위한 것이고, 상기 제2위상 매칭 피크는 총합-주파수 생성을 위한 것이며,
    상기 제1, 제2, 및 제3위상 매칭 피크는 펌프 빔이 파장 변환장치의 입력면에 입사될 때 거의 동일한 파워를 갖는 3개의 주파수-변환 스펙트럼 피크를 생성하는 응답률을 갖는 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
  7. 청구항 6에 있어서,
    제1 및 제3주파수-변환 스펙트럼 피크에 대응하는 파장 변환장치의 위상 매칭 피크는 제2주파수-변환 스펙트럼 피크에 대응하는 파장 변환장치의 위상 매칭 피크의 크기보다 큰 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
  8. 청구항 6에 있어서,
    각각의 2개의 기본 스펙트럼 피크는 약 M개의 종방향 레이저 모드를 포함하며,
    제1위상 매칭 피크, 제2위상 매칭 피크, 및 제3위상 매칭 피크간 응답률은 약 4:(2-1/M):4인 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
  9. 청구항 1에 있어서,
    3개의 주파수-변환 스펙트럼 피크는 약 0.25 nm 이상의 파장으로 분할되는 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
  10. 청구항 1에 있어서,
    비선형 광학 매체는 준-주기 분극(quasi-periodically poled)되며, 적어도 일부의 분극 도메인의 각각의 위치가 캐리어 주기성에 의해 규정된 정상 주기 위치에 대해 종방향으로 이동되도록 캐리어 주기성에 겹쳐진 위상 변조 함수로 특성화되는 위상-변조 주기성에 따른 파장 변환장치의 종방향 광학축을 따라 위치된 다수의 분극 도메인을 포함하고,
    상기 다수의 분극 도메인의 위상-변조 주기성은 적어도 2개의 기본 스펙트럼 피크를 갖는 펌프 빔이 파장 변환장치의 입력면에 입사될 때 적어도 3개의 주파수-변환 스펙트럼 피크가 거의 동일한 파워를 갖게 하는 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
  11. 청구항 10에 있어서,
    위상 변조 함수는 선택된 도메인의 주기적 부호-반전에 의해 다수의 도메인이 위상-변조되는 직사각파 위상 변조 함수인 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
  12. 청구항 11에 있어서,
    주기적 부호-반전은 약 0.27 내지 약 0.39의 범위 내의 듀티 사이클을 갖는 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
  13. 청구항 10에 있어서,
    위상 변조 함수는 주기적 사다리꼴 함수인 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
  14. 청구항 10에 있어서,
    위상 변조 함수는 주기적 직사각형 함수인 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
  15. 청구항 10에 있어서,
    위상 변조 함수는 다수의 도메인이 연속 위상-변조된 싸인 함수인 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
  16. 청구항 15에 있어서,
    싸인 함수는 약 0.88π 내지 1.22π의 범위를 갖는 총 위상 변조 깊이로 특성화되는 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
  17. 청구항 10에 있어서,
    위상-변조 주기성은 파장 변환 장치가 제1, 제2 및 제3준-위상 매칭 피크를 포함하는 3개의 준-위상 매칭 피크로 특성화하고, 상기 3개의 준-위상 매칭 피크는 광원의 펌프 빔이 파장 변환장치의 입력면에 입사될 때 거의 동일한 파워를 갖는 3개의 주파수-변환 스펙트럼 피크를 생성하는 응답률을 가지며,
    상기 제1 및 제3준-위상 매칭 피크는 적어도 2개의 기본 스펙트럼 피크의 주파수 더블링을 위한 것이고, 제2준-위상 매칭 피크는 적어도 2개의 기본 스펙트럼 피크의 총합-주파수 생성을 위한 것인 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
  18. 청구항 17에 있어서,
    제1 및 제3주파수-변환 스펙트럼 피크에 대응하는 파장 변환장치의 준-위상 매칭 피크는 제2주파수-변환 스펙트럼 피크에 대응하는 파장 변환장치의 준-위상 매칭 피크의 크기보다 큰 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
  19. 청구항 10에 있어서,
    파장 변환장치의 길이는 약 (m+0.1)*Λs 내지 약 (m+0.5)*Λs의 범위 내이며, 상기 Λs는 위상 변조 함수의 주기이고 m은 비-음의 정수인 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
  20. 청구항 10에 있어서,
    3개의 준-위상 매칭 스펙트럼 피크는 제1주파수-변환 스펙트럼 피크에 대응하는 제1준-위상 매칭 피크, 제2주파수-변환 스펙트럼 피크에 대응하는 제2준-위상 매칭 피크, 및 제3주파수-변환 스펙트럼 피크에 대응하는 제3위상 매칭 피크를 포함하고,
    파장 변환장치는 제1섹션 및 제2섹션을 포함하며,
    상기 제1섹션은 제1 및 제3준-위상 매칭 피크를 생성하도록 분극되고,
    상기 제2섹션은 제2준-위상 매칭 피크를 생성하도록 주기적으로 분극되는 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
  21. 청구항 20에 있어서,
    제1섹션의 길이는 제2섹션의 길이보다 큰 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
  22. 청구항 1에 있어서,
    비선형 광학 매체는 파장 변환장치의 종방향 광학축을 따라 적어도 부분적으로 비선형 광학 매체의 유효 굴절률에 기초하여 2차 조화파 생성 및 총합-주파수 생성을 위한 적어도 3개의 위상 매칭 피크로 특성화되는 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
  23. 청구항 1에 있어서,
    비선형 광학 매체는 투명한 매체로 분할되는 다수의 정렬된 복굴절 위상-매칭 매체를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
  24. 광원 및 파장 변환장치를 포함하는 광학 시스템에 있어서,
    상기 광원은 적어도 0.5 nm 파장으로 분할된 적어도 2개의 기본 스펙트럼 피크를 갖는 펌프 빔을 방출하도록 구성된 적어도 하나의 레이저를 포함하고,
    상기 파장 변환장치는 적어도 일부의 도메인의 각각의 위치가 캐리어 주기성에 의해 규정된 정상 주기 위치에 대해 종방향으로 이동되도록 캐리어 주기성에 겹쳐진 위상 변조 함수로 특성화되는 위상-변조 주기성에 따른 파장 변환장치의 종방향 광학축을 따라 위치된 다수의 도메인을 포함하는 준-주기 분극 비선형 광학 매체를 포함하며,
    다수의 분극 도메인의 위상-변조 주기성은 광원의 펌프 빔이 상기 파장 변환장치의 입력면에 입사될 때 적어도 0.25 nm의 파장으로 분할되고 거의 동일한 파워를 갖는 적어도 3개의 주파수-변환 스펙트럼 피크를 포함하는 출력 빔이 파장 변환장치의 출력면으로부터 방출되게 하고,
    출력 빔의 주파수-변환 스펙트럼 피크의 수가 펌프 빔의 기본 스펙트럼 피크의 수보다 큰 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
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