KR20130118902A - 제3 고조파 변환을 위한 다중 결정 주파수 트리플러 - Google Patents

제3 고조파 변환을 위한 다중 결정 주파수 트리플러 Download PDF

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마크 에이. 헤네시안
앰버 엘. 벌링턴
켄 알. 메인즈
메리 스패스
로버트 데리
크리스 에이. 에버스
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로렌스 리버모어 내쇼날 시큐리티, 엘엘시
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Abstract

광학 시스템은 기본 파장에서 레이저 빔을 출력할 수 있는 레이저 소스 및 주파수 변환 시스템을 포함한다. 상기 주파수 변환 시스템은 복수의 제1 비선형 광학 결정을 포함하는 주파수 더블러 모듈과, 복수의 제2 비선형 광학 결정을 포함하는 주파수 트리플러 모듈을 포함한다. 상기 광학 시스템은 또한 상기 주파수 변환 시스템에 연결된 제어 시스템 및 상기 주파수 변환 시스템에 연결된 진단 시스템을 포함한다.

Description

제3 고조파 변환을 위한 다중 결정 주파수 트리플러{MULTI-CRYSTAL FREQUENCY TRIPLER FOR THIRD HARMONIC CONVERSION}
관련 출원의 상호 참조
본 출원은 2010년 11월 9일자로 미합중국에 출원된 임시특허출원 제61/411,754호를 우선권 주장의 기초로 하고, 그 개시 내용은 전체가 여하한 목적으로 참조에 의하여 본 명세서에 편입된다.
하기의 PCT 출원(본원을 포함)은 모두 계속 중이며, 이들 출원에 개시된 모든 내용은 여하한 목적으로 참조에 의하여 본 명세서에 편입된다.
출원번호 PCT/US11__, 출원일: 2011년 11월 8일, 발명의 명칭 "MULTI-CRYSTAL FREQUENCY TRIPLER FOR THIRD HARMONIC CONVERSION" (고객 번호: IL-12360, 대리인 서류 번호: 91920-825120(006610PC))
출원번호 PCT/US11/59688, 출원일: 2011년 11월 8일, 발명의 명칭 "METHOD OF PULSE REFORMATTING FOR OPTICAL AMPLIFICATION AND FREQUENCY CONVERSION" (고객 번호: IL-12359, 대리인 서류 번호: 91920-824881(006010PC))
미합중국 연방 정부의 지원에 의한 연구 및 개발에 의해 창출된
발명에 대한 권리의 주장
미합중국 정부는, 로렌스 리버모어 내쇼날 래보러토리의 운용에 관한 미합중국 에너지부(United States Department of Energy) 및 로렌스 리버모어 내쇼날 시큐리티, 엘엘시(Lawrence Livermore National Security, LLC) 간의 계약 DE-AC52-07NA27344호에 따라 본 발명에 대한 권리를 갖는다.
본 발명에 의하면, 광학 시스템에 관련된 기술들이 제공된다. 구체적으로, 본 발명의 실시예들은 레이저 입력광을 주파수 변환하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다. 특정 실시예에서는, 다중 결정(multi-crystal) 주파수 변환 시스템이 넓은 범위의 강도(intensity)를 커버하는 레이저 펄스들의 변환 효율을 향상시키기 위한 고유의 각도 튜닝 시스템을 포함한다.
에너지 정보청(Energy Information Agency)에 의한 예측과 기후 변화에 관한 정부간 협의체(Intergovernmental Panel on Climate Change; IPCC)의 현재의 시나리오에 의하면 전세계의 전력 수요는 현재 약 2 테라와트 전력(terawatt electrical power; TWe)으로부터 2030년에는 4TWe로 2배가 증가할 것으로 예상되고, 2100년에는 8-10TWe에 이를 것으로 예상된다. 이들은 또한 앞으로 30 내지 50년 동안은 전력 생산 수요의 대부분이 일반적으로 석탄과 천연 가스인 화석 연료에 의해 제공될 것으로 예상한다. 석탄은 현재 세계 전기 에너지의 41%를 공급하고, 2030년까지 45%를 공급할 것으로 예상된다. 또한, IPCC로부터의 가장 최근의 보고서는 대기로 CO2를 배출하는 인공적인 소스가 지구의 기후에 심각한 영향을 미치는 비율이 90%에 이를 가능성이 있다고 평가했다. 배출 전망치("Business as usual") 기준 시나리오에 따르면, 2050년에는 이산화탄소의 배출이 현재 상태의 거의 2.5배에 이를 것으로 예상된다. 과거 어느 때보다, 대기중 CO2 농도를 안정 및 감소시키고 이에 수반되는 대기 변화를 완화하기 위해 시도하는 동시에, 선진국과 개발도상국 모두에서 증가하는 에너지 수요를 만족시키기 위한 새로운 기술과 대체 에너지원이 필수적이다.
탄소를 배출하지 않는 에너지원인 핵 에너지는 1950년대 이래로 전세계 에너지 생산의 핵심 요소가 되어 왔고, 현재는 전세계 전력 생산의 약 16%를 차지하며 그 비율은 이론상 증가될 수 있다. 그러나, 몇몇 요인들은 그 장기적 지속성을 어렵게 만든다. 이러한 요인들은 핵 물질의 확산 및 핵 연료 사이클로부터 나타나는 기술의 위험성; 지형적으로 깊은 보관소에 묻어야 하는 수명이 긴 방사성 핵 폐기물의 발생; 현재의 일회전용(once through), 개방 핵 연료 사이클에 대한 의존성; 및 저가의 저탄소 배출 우라늄 광물의 이용가능성을 포함한다. 미국에서만, 원자로들이 55,000 메트릭톤(metric ton; MT) 이상의 사용후 핵연료(spent nuclear fuel; SNF)를 이미 발생시켰다. 가까운 장래에, 우리는 합법적으로 70,000MT의 한계 용량을 갖는 유카산의 지형적 폐기물 보관소를 채우기에 충분한 사용후 핵연료를 갖게 될 것이다.
핵융합은 미래의 전력 생산을 위한 매력적인 에너지 옵션이고, 핵융합 발전 설비에 대한 두 개의 주요한 접근 방식이 현재 개발 중이다. 첫 번째 접근 방식에서는, 중수소(deuterium; D) 및 삼중수소(tritium; T)의 혼합물을 담은 캡슐을 빠르게 압축하기 위해 관성 봉입 핵융합(Inertial Confinement Fusion; ICF)이 레이저, 중이온 빔 또는 펄스형 에너지를 사용한다. 캡슐 반경이 감소하고 DT 가스 밀도 및 온도가 증가할수록, DT 핵융합 반응은 압축된 캡슐의 중심에 있는 작은 점에서 개시된다. 이러한 DT 핵융합 반응은 알파 입자(alpha particle)와 14.1MeV 중성자를 모두 생성한다. 핵융합 연소면(burn front)은 현저한 에너지 이득을 발생시키면서 상기 점으로부터 전파된다. 두 번째 접근 방식인 자기적 융합 에너지(magnetic fusion energy; MFE)는 DT 플라즈마를 봉입하고, 연소 플라즈마를 유지하고 에너지 이득을 발생시키기 위해 요구되는 조건을 생성하기 위해 강한 자기장을 이용한다.
ICF를 위한 중요한 기술은 주로 본 발명의 양수인인 캘리포니아 리버모어에 소재한 로렌스 리버모어 내쇼날 래버러토리(LLNL)의 내쇼날 이그니션 퍼실리티(National Ignition Facility; NIF)에서 개발 중이다. 열핵(thermonuclear) 융합 점화 및 연소를 달성하기 위해 설계된 레이저 기반의 ICF 프로젝트는 1 내지 2MJ의 레이저 에너지를 사용한다. 10 내지 20MJ 정도의 융합 출력이 기대된다. 만약 핵융합 기술이 비용효율적인 전력 생산을 위해 독립적으로 사용되어야 한다면, 중심 핫스팟(hot spot) 융합 구조에서는 200MJ을 초과하는 융합 출력이 요구될 것으로 예상된다. 따라서, 순수한 ICF 에너지에 의한 전력의 경제성을 달성하기 위해서는 중대한 기술적 과제들이 남아있다.
ICF 애플리케이션 이외에도, 물질의 가공, 천공, 절삭, 용접, 군사 분야 등을 위한 고 평균 출력(high-average-power) 레이저 분야에 대한 관심이 높다. 레이저 광의 주파수 변환은 시스템에서 사용중이거나 처리중인 물질의 흡수 계수를 향상시킬 수 있다. 고 평균 출력 레이저 및 이러한 레이저로부터의 출력 빔의 주파수 변환에서 이루어진 개선에도 불구하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서는 레이저 및 주파수 변환에 관련된 향상된 시스템 및 방법에 대한 요구가 존재한다.
본 발명에 의하면, 광학 시스템에 관련된 기술들이 제공된다. 보다 구체적으로, 본 발명의 실시예들은 레이저 입력광을 주파수 변환시키기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다. 특정 실시예에서는, 다결정 주파수 변환 시스템이 넓은 범위의 강도(intensity)를 커버하는 레이저 펄스들의 변환 효율을 향상시키기 위한 고유의 각도 튜닝(angle tuning) 시스템을 포함한다. 본 명세서에 기술된 방법 및 시스템들은 고 반복율(repetition rate), 고 평균 출력 레이저 및 증폭기를 포함하는 다양한 레이저 및 증폭기 시스템에 적용될 수 있다. 본 명세서에서 사용된 "고조파 변환(harmonic conversion)" 및 "주파수 변환(frequency conversion)"이라는 용어는 기본 주파수 또는 파장의 레이저 빔을 제2, 제3 및 제4 고조파와 같은 기본파의 고차 고조파로 주파수 변환하는 프로세스를 가리킨다.
본 발명은 고출력 레이저 및 증폭기 시스템에 사용하기에 적합하고 높은 에너지 변환 효율이 특징인 주파수 트리플링(tripling; 3배가) 시스템에 관한 것이다. 본 명세서에서 설명된 주파수 변환 시스템은, 본 출원의 양수인에 의해 개발중인 레이저 관성 봉입 핵융합 에너지(Laser Inertial Fusion Energy; LIFE) 시스템을 위한 관성 봉입 핵융합(inertial confinement fusion; ICF) 레이저를 포함하는 다양한 레이저 애플리케이션에 유용하다. 본 명세서에서 설명된 본 발명의 특정 실시예는 낮은 흡수 손실, 큰 개구(전형적으로 40 x 40cm)의 고도로 중수소화된 인산이수소칼륨(potassium dihydrogen phosphate; DKDP) 결정을 이용한다. 그러나, 본 발명의 실시예들은 특정 비선형 결정으로 국한되지 않으며, 이트륨 칼슘 옥시보레이트(yttrium calcium oxyborate; YCOB) 및 리튬 트리보레이트(lithium triborate; LBO)와 같은 다른 적합한 비선형 광학 물질이나, KDP와 DKDP의 동형(isomorphic) 결정이 이용될 수 있다.
본 명세서 전반에 걸쳐 자세히 설명되는 바와 같이, 본 발명의 일부 실시예는 타입 I 또는 타입 II 위상 정합(phase matching)을 포함하는 "캐스케이드(cascade)" 구성으로 배열된 4개 및 최대 6개의 결정을 사용한다. 특정 실시예에서는, 둘 또는 그 이상의 제2 고조파 생성 결정이 둘 또는 그 이상의 주파수 혼합 결정들과 광학적으로 결합하여, 균일한 편광의 고전력 및 고에너지의 제3 고조파 빔을 제공한다. 높은 반복률(예를 들면, LIFE 애플리케이션에서는 최대 15Hz)을 얻기 위해, 실시예들은 사파이어 및/또는 용융 실리카 광학 플레이트에 의해 결정면(crystal face)에 매우 가깝게 유도되거나 인도되고, 또는 결정면에 직접 접합된 헬륨이나 다른 불활성 가스 냉각을 이용하여 결정면을 냉각시킨다. 이러한 플레이트는 윈도우로서 기능할 수 있다. 또한, ICF 레이저 드라이버를 위해, 연속적 임의 위상 수차 플레이트(continuous random phase aberration plate)가 별개의 광학 기판 혹은 광학 윈도우 중의 하나에 패턴닝되어 제2 고조파 섹션과 제3 고조파 섹션 사이에 삽입될 수 있다.
본 발명의 실시예에 의하면, 주파수 변환 시스템이 제공된다. 주파수 변환 시스템은 빔 경로를 따라 배치되고 복수의 제1 비선형 결정을 포함하는 주파수 더블러 모듈 및 상기 빔 경로를 따라 배치되고 복수의 제2 비선형 결정을 포함하는 주파수 트리플러 모듈을 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에 의하면, 주파수 변환된 광을 생성하는 방법이 제공된다. 상기 방법은 기본 파장 및 주파수를 갖는 입력 빔을 제공하는 단계 및 상기 입력 빔의 일부를 기본 파장의 1/2인 이중(doubled) 파장을 갖는 이중(doubled) 빔으로 주파수 변환하는 단계를 포함한다. 상기 입력 빔을 주파수 변환하는 단계는 상기 입력 빔을 복수의 제1 비선형 광학 결정을 통하여 이송하고, 상기 이중 빔과 상기 입력 빔의 다른 일부를 출력하는 단계를 포함한다. 또한, 상기 방법은 상기 이중 빔과 상기 입력 빔의 상기 다른 일부를 상기 이중 파장의 2/3인 삼중(tripled) 파장을 갖는 삼중(tripled) 빔으로 주파수 변환하는 단계를 포함한다. 상기 이중 빔과 상기 입력 빔의 나머지 부분을 주파수 변환하는 단계는 이중 빔 광과 상기 입력 빔의 상기 나머지 부분을 복수의 제2 비선형 광학 결정을 통하여 이송하고 상기 삼중 빔을 출력하는 단계를 포함한다.
본 발명의 특정 실시예에 의하면, 광학 시스템이 제공된다. 상기 광학 시스템은 기본 파장에서 레이저 빔을 출력하는 레이저 소스 및 주파수 변환 시스템을 포함한다. 상기 주파수 변환 시스템은 복수의 제1 비선형 광학 결정을 포함하는 주파수 더블러 모듈 및 복수의 제2 비선형 광학 결정을 포함하는 주파수 트리플러 모듈을 포함한다. 또한 상기 광학 시스템은 상기 주파수 변환 시스템에 연결된 제어 시스템 및 상기 주파수 변환 시스템에 연결된 진단 시스템을 포함한다.
본 발명의 실시예들은 다양한 레이저 시스템에 유용하고, 특히, 제3 고조파 파장(예를 들면, Nd 기반의 이득 매질에서 351nm)에서, 고전력 및 높은 에너지 변환 효율을 제공하는 레이저 및 증폭기 시스템에 유용하다. 이러한 시스템들은, 제한 없이, LIFE 발전 설비를 위한 ICF 레이저 드라이버, ICF 실험을 위한 레이저 드라이버, 고 에너지 밀도 연구를 위한 플라즈마 생성에 사용되는 레이저, 높은 반복률, 물질 처리를 위한 고 평균 출력 주파수 변환 레이저 등을 포함한다.
본 발명은 종래 기술에 비해 많은 장점을 실현할 수 있다. 예를 들면, 본 발명의 실시예들은 종래의 시스템보다 더 높은 변환 효율을 특징으로 하는 방법과 시스템을 제공한다. 이 외에도, 본 발명의 실시예들은 하나 또는 그 이상의 냉각 구조를 사용하는 주파수 변환 결정의 열적 관리를 가능하게 한다. 본 발명의 이러한 실시예와 그 밖의 다른 실시예들은 그 장점 및 특징들과 함께 이하의 상세한 설명 및 첨부된 도면을 참조하여 보다 자세히 설명될 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 합성 펄스 형태를 도시하는 단순화된 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 다중 결정 주파수 변환 시스템의 단순화된 개념도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 주파수 변화기를 이용한 레이저 시스템을 도시하는 단순화된 개념도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 온도의 차이를 결함 반경의 함수로서 도시하는 단순화된 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 레이저 입력 빔을 주파수 변환하는 방법을 도시하는 단순화된 흐름도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 광학 시스템을 도시하는 단순화된 개념도이다.
도 7a는 본 발명의 일 실시예에 의한, 한 쌍의 더블링(doubling) 또는 트리플링(tripling) 결정에 대하여 평행 Z 구성에 있어서의 결정 각도 튜닝을 설명하는 단순화된 개념도이다.
도 7b는 본 발명의 일 실시예에 의한, 한 쌍의 더블링 또는 트리플링 결정에 대하여 대안 Z 구성에 있어서의 결정 각도의 튜닝을 설명하는 단순화된 개념도이다.
도 8a는 본 발명의 일 실시예에 의한, 더블링 또는 트리플링 결정의 트리플렛(triplet)에 대하여 평행 Z 구성에 있어서의 결정 각도의 튜닝을 설명하는 단순화된 개념도이다.
도 8b은 본 발명의 일 실시예에 의한, 더블링 또는 트리플링 결정의 트리플렛에 대하여 대안 Z 구성에 있어서의 결정 각도의 튜닝을 설명하는 단순화된 개념도이다.
도 9는 타입 I 위상-정합 주파수 더블링 및 타입 II 위상-정합 트리플링을 포함하는 4 결정 주파수 트리플링 시스템의 단순화된 개념도이다.
도 10은 타입 I 위상-정합 주파수 더블링 및 타입 II 위상-정합 트리플링을 포함하는 6 결정 주파수 트리플링 시스템의 단순화된 개념도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 의한 타입 II 위상-정합 주파수 더블링 및 트리플링을 포함하는 4 결정 주파수 트리플링 시스템의 단순화된 개념도이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 의한 타입 II 위상-정합 주파수 더블링 및 트리플링을 포함하는 4 결정 주파수 트리플링 시스템의 단순화된 개념도이다.
본 발명에 따르면, 광학 시스템에 관련된 기술이 제공된다. 특히, 본 발명의 실시예들은 고조파 변환 프로세스라고도 불리는, 레이저 입력 광을 주파수 변환하기 위한 방법 및 시스템에 관한 것이다. 특정 실시예에서, 다중 결정 주파수 변환 시스템은 향상된 변환 효율을 위한 고유의 각도 튜닝 기술을 포함한다. 본 명세서에서 설명되는 방법 및 시스템은 고 반복율, 고 평균 출력 레이저 및 증폭기를 포함하는 다양한 레이저 및 증폭기 시스템에 적용가능하다.
ICF 시스템에서 1053nm(1ω)의 기본 파장을 각각 527nm(2ω)와 351nm(3ω)의 제2 및 제3 고조파 파장으로 주파수 변환함으로써, 타겟에서 보다 높은 효율로 레이저 에너지를 흡수할 수 있음이 입증되었다. 이러한 주파수 변환 프로세스는 핵융합에 있어서 관성 봉입된 타겟의 (엑스선을 통한) 직접 혹은 간접 압축을 위한 레이저 타겟 결합의 효율을 증가시킨다. 기본 광의 제3 고조파로의 에너지 변환 효율, 폭넓은 강도 범위에서의 펄스 성형의 정확도, 펄스 타이밍의 정확성, 및 타겟 면에서 요구되는 제3 고조파 피크 파워(전력)의 생성은 LIFE 시스템의 중요한 요소이다.
본 발명의 실시예들은 고도로 중수소화된 인산이수소칼륨(DKDP) 결정을 사용하여 제3 고조파 파장에서 LIFE 시스템에 필요한 펄스 형상을 효율적으로 변환하는 다중 결정 구조를 제공한다. 고도로 중수소화된 KDP는, 종래의 KDP 및 다른 고조파 결정에 비해 잠재적인 낮은 흡수성 및 상대적으로 낮은 횡방향 유도 라만 이득(stimulated Raman gain)으로 인해, 고 에너지, 고 피크 파워, 및 고 평균 출력 레이저 및 증폭기 시스템에 있어서 주파수 변환에 유용한 비선형 광학 물질이다. DKDP 결정에 매우 가까운 용융 실리카 윈도우 또는 결정 사파이어는 헬륨이나 다른 불활성 가스가 흐르는 냉각 채널을 형성하거나, 결정면에 직접 접촉될 때, 상기 냉각 채널로의 흡수로 인하여 열을 추출할 수 있다. 예를 들면, 제2 고조파 변환에서는 YCOB 및/또는 제2 및 제3 고조파 변환에서는 LBO와 같은, 다른 고조파 생성 결정들이 본 발명의 다른 실시예에서 사용될 수 있으며, 본 명세서에서 DKDP에 적용된 것과 같은 타입 I 및 타입 II 위상 정합 및 빔 편광과 관련하여 논의된 내용은 KDP 및 DKDP의 동형 결정을 포함하는 이러한 다른 비선형 광학 물질에도 일반적으로 적용될 수 있다.
본 명세서 전반에 걸쳐 기술하는 바와 같이, 본 명세서에서 설명되는 다중 결정 주파수 트리플링 구조는, LIFE 시스템을 포함하는 다양한 고 에너지 레이저 및 증폭기 시스템에서의 사용에 적합한, 70% 이상의 에너지 변환 효율을 갖고 광 펄스가 폭 넓은 강도 범위에서 시간적으로 성형되는 주파수 변환 시스템을 제공한다. 비록 본 발명의 일부 실시예들은 4 결정 혹은 6 결정 주파수 트리플링 구조와 관련하여 설명되어 있으나, 본 발명은 특정 구조로 제한되는 것은 아니며, 고 평균 출력 동작 동안 열 및 스트레스 관리 문제를 해결할 뿐 아니라, 고 평균 출력 설계에서 고 전력 및 고 에너지의 제3 고조파 빔을 제공하기 위해 다른 실시예들은 둘 또는 그 이상의 주파수 혼합 결정이 "캐스케이드" 구조로 후속하는 둘 또는 그 이상의 제2 고조파 생성 결정을 이용한다.
본 발명의 실시예들은 다중 결정 주파수 트리플러 설계에, 레이저 시스템용 제3 고조파로의 최적의 에너지 변환 효율을 위한 펄스 형태와 빔 매핑(mapping)을 제공한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 합성 펄스 형상을 도시한 단순화된 그래프이다. 타겟에 전달되는 합성 펄스 형태(즉, 제3 고조파 펄스)는 합성 펄스 형태를 형성하기 위해 합성되는 별개의 풋(foot) 부분 및 드라이브(drive) 부분을 포함한다. 이 예에서는, 풋 부분 및 드라이브 부분이 개별적인 LIFE 빔 라인들로 매핑되고, 3개의 "드라이브" 펄스마다 1개의 "풋" 펄스의 비율로 주파수 변환기 모듈 및 증폭기를 횡단한다. 본 발명의 다른 실시예에서는 드라이브 펄스에 대한 풋 펄스의 다른 비율이 이용될 수 있다.
"풋" 및 "드라이브" 펄스(별개로 고려됨)는 유사한 피크 강도를 가지므로, 하나의 변환기로 "전체(total)" 펄스를 주파수 변환하는 것에 비해, 주파수 변환기를 최적의 효율에 도달하도록 설계할 수 있다. 각 펄스의 초점면(focal plane)들은 통합된 펄스의 형태가 ICF 타겟 물리학을 사용하여 결정되는 펄스 형태와 정합하도록 타겟 상에서 중첩한다는 점에 유의해야 한다. 전체적인 에너지 변환 효율은 3번의 "드라이브" 변환 효율의 평균과 한 번의 "풋" 변환 효율의 합이다. 연속적 임의 광학 위상판(continuous random optical phase plate; CPP)은 제2 및 제3 고조파 섹션 사이에 배치될 수 있으며, 타겟 면에 "풋" 빔과 "드라이브" 빔의 중첩된 초점 분포를 균질하게 하여, ICF 물리학에서 요구되는 "전체" 펄스 형태의 정확도를 향상시킬 수 있다. "풋" 및 "드라이브" 펄스에 관한 추가 설명은, 본 명세서에 참조에 의하여 편입되고, 동일 출원인에게 양도된 미합중국 특허출원 제13/___ (고객 번호: IL-12359, 대리인 서류 번호: 91920-795275(006010US))에 제공되어 있다.
일 실시예에서, "풋" 및 "드라이브" 빔 주파수 변환기는, LIFE 설비 내의 호환성을 제공하기 위해, 동일한 결정 위상-정합 타입과 두께에 최적화된다. "풋" 및 "드라이브" 빔에 최적화된 개별적인 설계들에 의하여 전체 에너지 변환이 2~3% 정도의 증가되고, 최종 고조파 성분들의 호환성이 상위 시스템 엔지니어링 값으로 판정되지 않으면 이러한 설계들이 이용될 수 있다. 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자(이하, "당업자")는 다수의 변형, 수정 및 대안을 인식할 수 있을 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 다중 결정 주파수 변환 시스템(예컨대, KDP/DKDP 기반의 주파수 변환 시스템)의 단순화된 개념도이다. 도 2에 도시한 바와 같이, 제1 주파수 변환 장치(210)(즉, 한 쌍의 타입 I 또는 타입 II 더블러 211 및 213)와 제2 주파수 변환 장치(230)(즉, 한 쌍의 타입 II 트리플러 231 및 233)가 주파수 변환 시스템의 구성요소로서 도시되어 있다. 제1 주파수 변환 장치(210)는 주파수 더블러 모듈 또는 제2 고조파 모듈로 불릴 수 있고, 제2 주파수 변환 장치(230)는 주파수 트리플러 모듈 또는 제3 고조파 모듈로 불릴 수 있다. 한 쌍의 더블러와 한 쌍의 트리플러가 도시되어 있지만, 이러한 특정 개수의 더블러 및 트리플러가 본 발명에 필수적인 것은 아니며, 하나 또는 둘 이상의 더블러와 하나 또는 둘 이상의 트리플러는 본 발명의 범위에 속한다. 일 예로서, 제1 더블러 결정 및 제1 트리플러 결정의 어느 하나에 있어서의 열 부하를 감소시키기 위해서, 이들 결정의 각각은 본래의 결정보다 얇은 2개의 결정으로 대체되어도 좋다. 도 2에 도시된 개념도에 주파수 변환 유닛(210, 230)(즉, 더블러 세트 및 트리플러 세트) 사이에 미리 정해진 간격이 도시되어 있음에 유의해야 한다. 실제 구현에 있어서, 통상적으로 실제 공간은 도시된 것보다 작고, 이는 도면이 실제 척도로 도시되지 않았음을 의미한다. 일 예로서, 주파수 더블러 모듈(210) 또는 주파수 트리플러 모듈(230) 중 어느 하나는 3개의 비선형 광학 결정 세트의 첫 번째 결정의 두께가 상기 3개의 비선형 결정 세트의 두 번째 결정의 두께보다 얇은 3개의 비선형 광학 결정 세트를 이용할 수 있다. 일 예로서 더블러를 사용하면, "캐스케이드" 주파수 더블링의 결과 첫 번째 결정에서의 1ω 광량은 두 번째 결정에서의 1ω 광량보다 크기 때문에, 상기 첫 번째 결정은 상기 두 번째 결정보다 얇다. 이에 따라, 그 두께가 감소함으로 인하여 상기 첫 번째 결정에서의 1ω 광의 흡수로 인한 열 부하는 두 번째 혹은 그 뒤의 더블링 결정에 비해 감소된다. 이 분석에서, 제2 또는 제3 고조파 광에 비해서 기본 광의 흡수는 DKDP에서 지배적인데, 이는 실험 데이터에 의해 입증된다.
일부 실시예에서, 구성요소당 열 부하를 줄이기 위해 더 얇은 다수의 구성요소를 사용하는 상황에서는, 구성요소들 사이의 공간에 냉각 유체를 유동시킴으로써 열을 제거한다. 도 2에 도시하는 바와 같이, 각 주파수 변환 결정은, 이들 결정이 유동하는 헬륨 가스에 의해 냉각될 수 있도록, 사파이어 또는 용융 실리카 윈도우(212, 214, 216, 218)에 의해 둘러싸여 질 수 있다. 일부 실시예에서는, 주파수 변환 결정에서의 흡수가 결정의 두께를 포함하는 결정의 사양을 정하는 결정 내 열 부하를 생성한다. 윈도우(212, 214, 216, 218)는 결정 표면을 따라 흐르는 냉각 가스를 운반하거나, 결정 표면에 접촉하여 유동 냉각 가스로 열을 끌어들일 수 있다. 당업자는 다양한 변형, 수정 및 대안을 인식할 수 있을 것이다. 캐스케이드식의 더블러 또는 트리플러 결정의 각 쌍 사이에 있는 내부 윈도우는 광학 글래스의 굴절 분산율(index of refraction dispersion)로 인해 제2 및 제3 고조파 영역 각각에 "고조파 간섭"을 일으킬 수도 있음에 유의해야 한다. 이런 이유로, 고조파 모듈 중 하나에서 내부 윈도우가 이용되는 실시예에서는, 내부 윈도우가 광 경로 길이에 있어서 마이크론 수준에서 용인되도록 조절된다. 동일한 "고조파 간섭" 효과는 유동하는 가스 냉각제에도 발생하지만, 분산율이 매우 작기 때문에 (수 ㎝ 정도의) 짧은 가스 길이는 용인될 수 있다. 첫 번째 변환 모듈과 두 번째 변환 모듈 사이의 공간에서, 간격은 임의적일 수 있으며 전적으로 기계적인 고려에 따른다.
도 2를 참조하면, 제1 주파수 변환 장치(210)는 본래의 주파수로부터 x 방향을 따라 편광된 1ω 입력 광의 미리 정해진 비율(예를 들면, 과반)을 원래의 편광에 직교 편광하고 원래 주파수의 2배의 주파수(즉, 2ω)(즉, 제1 주파수 변환 장치와 제2 주파수 변환 장치 사이에 도시된 바와 같이 y 방향으로 정렬된 2ω 광)로 변경한다. 1ω 입력 광의 제2의 미리 정해진 비율은, 상기 제1 주파수 변환 장치와 제2 주파수 변환 장치 사이에 도시된 바와 같이, 원래의 편광과 원래의 주파수로 남는다.
이중(doubled) 주파수에서의 미리 정해진 비율과 원래의 주파수의 제2의 미리 정해진 비율은 제2 주파수 변환 장치(230)에서 변환(즉, 혼합)되어, 빔 방향(즉, z 방향)을 따라 진행하는 1ω 입력 광에 정렬된 편광(즉, x 방향)을 갖는 주파수 삼중 빔(즉, 3ω)을 생성한다.
다른 실시예에서, 제1 주파수 변환 장치는 한 쌍의 타입 II 더블러를 포함할 수 있고, 입력 빔은 제1 및 제2 주파수 변환 장치 사이에서 1ω 및 2ω 빔을 생성하기 위해 소정 각도(γ)로 배향될 수 있다. 당업자에게 자명한 바와 같이, 입력 빔은 타입 II 더블링에 적절하도록 x 방향 및 y 방향으로 정렬(즉, 이 실시에서는 y 방향으로 2/3가 정렬되고, x 방향으로 1/3이 정렬됨)된 성분을 포함할 수 있다.
도 2에 도시한 바와 같이, 일부 실시예는 각각의 제2 및 제3 고조파 변환에 2개의 DKDP 결정을 포함하는 캐스케이드식 4-결정 설계를 통해 제2 및 제3 고조파를 변환한다. 도 2에 도시한 4 결정 구현에서는, 더블러 결정과 트리플러 결정의 각 쌍이 서로에 대해 빔 진행 축을 기준으로 180° 회전되어 있으므로, 도 2의 화살표(242, 244, 252, 254)에 의해 도시되는 바와 같이 결정 광학 축의 방향에 있어서의 대안을 형성한다. 이러한 구현은 대안-Z로 불릴 수 있다. 다른 실시예에서, 평행 Z 축 동작은 더블러 각도 튜닝의 부호(sign)의 변경에 유의하면서 이용된다. 트리플러 결정 각도 튜닝에 있어서의 부호 변경은 성능에 있어 특별한 장점이 있다. 고 평균 출력 운전과 관련한 열 부하로 인해, 본 명세서에서 설명된 4 결정 구조는 고 평균 출력 운전 하에서 열 및 스트레스 관리에 가장 적합한 얇은 결정(일반적으로 두께가 5 내지 13㎜)을 이용한다. 이는 또한 광범위의 입사 강도에서 효율적인 변환을 가능하게 하며, 통상의 주파수 변환기 설계와 비교하여 동적 범위를 확장시킨다.
도 2를 참조하면, 4 결정 변환기 설계에서 사용되는 냉각 설계가 도시되어 있다. 윈도우(212/214, 216/218 및 232/234, 236/238)는 각각의 주파수 변환 결정에 인접하여 제공되고, 플레이트(plate)의 일면과 하나의 결정 표면 사이에서 가압된 헬륨 가스가 유동하도록 한다. 상기 윈도우는 압축 실리카 플레이트, 사파이어 플레이트 등을 포함하는 다양한 물질로 제조될 수 있다. 다른 실시예에서, 상기 윈도우는 매우 얇고 유연한 "졸 겔(sol gel)" 타입의 광학 접촉제 또는 접합제를 이용하여 결정 표면에 접합되므로, 높은 열 전달률을 갖는 플레이트는 "열 확산기"로서 작용한다. 이와 같은 접합된 애플리케이션의 경우, 광이 변환됨에 따라 1ω에서는 더블러, 3ω에서는 트리플러의 표면이 최고의 열 부하를 받게 되므로, 제1 더블러 결정의 입력 표면과 마지막 트리플러 결정이 접합되는 것이 바람직할 수 있다. 도 2는 내부 윈도우(214/216 및 234/236)를 도시하고 있지만, 상기한 "고조파 간섭"의 영향이 있으므로, 일부 실시예에서는 이들 윈도우를 제거하고 결정 쌍들(211/213 및 231/233)을 매우 근접시킬 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 용융 실리카와 같이 기판 상에 패터닝된 연속적 임의 위상판(CPP)(275)은 제1 주파수 변환 장치(210)와 제2 주파수 변환 장치(230) 사이(예를 들어, 중간)에 위치할 수 있다. CPP는 기본 및 제2 고조파 빔만을 통과시키고, 투명 광학 글래스 기판 상에 또는 냉각 채널 윈도우 중 하나에 패터닝되므로 가스 냉각을 요구하지 않는다. 대부분의 ICF 애플리케이션에서, CPP는 ICF 타겟에 고에너지를 조사하는데 유용한 구성요소로서 이용된다. 또한, 본 발명의 일부 실시예에서 CPP는 스펙트럼 대역폭과 스펙트럼 분산을 이용한 타겟 방사용 빔 스무딩(smoothing) 시스템의 구성요소일 수 있다. CPP는 특정 애플리케이션에 따라 일부 실시예에서는 선택 사항이다. LIFE 디자인에서, CPP는 "풋" 빔과 "드라이브" 빔의 공간적으로 중첩된 초점 분포를 균질하게 하고, 원하는 "전체"의 제3 고조파 펄스의 형태가 타겟 면에 입사되도록 한다.
단일 결정 사파이어는 매우 투명한 윈도우 물질(파장이 200㎚부터 3㎛ 이상)이면서도, 어느 정도 복굴절성(birefringent)을 갖는다. 따라서, 일부 실시예에서, 사파이어 플레이트는 부가적인 위상 부정합을 회피하기 위해 제1 더블러의 입력면과 제2 더블러의 출력면에서만 사용된다. 광학적으로 등방성인 용융 실리카 플레이트는 일부 실시예에서는 내부 표면에서 사용된다. 유사하게, 사파이어는 제1 트리플러 결정의 입력 면이나 마지막 트리플러 결정의 출력면에서 다른 윈도우로서 이용되는 용융 실리카와 함께 사용될 수 있다. 사파이어의 복굴절축은 선형 편광된 필드의 방향에 정합되어 탈편광(depolarization) 손실을 방지하는 것이 바람직하다. 본 발명에 의하면, 플레이트가 접합되어 있던지 또는 분리되어 장착되던지, 플레이트가 유동 가스의 채널로서 또는 유동 가스의 유도에 사용되는지에 관계없이, 더블러들의 사이, 제2 더블러와 제1 트리플러의 사이, 그리고 트리플러 결정들의 사이 또는 광학 플레이트들의 사이에 가스 유동 냉각이 제공될 수 있다.
본 명세서에서 설명된 "캐스케이드"식 다중 결정 설계는 한 쌍의 주파수 더블러 결정과 한 쌍의 주파수 트리플러 결정 사이에 존재하는 냉각 가스 및/또는 광학 윈도우 물질에서의 굴절 분산율에 의한 고조파 필드 간섭 효과에 영향을 받을 수 있다. 즉, 제2 더블러의 고조파 필드의 위상이 기본 필드(1ω) 위상에 의해 결정되고, 이는 그 사이에 존재하는 가스 및/또는 광학 플레이트에서의 분산율로 인해 제1 더블러에서 생성된 고조파 필드에 비해 지연되기 때문에, 제1 더블러 결정에서 생성된 고조파 필드(2ω)는 제2 더블러에서 생성된 고조파 필드(2ω)와 광학적으로 간섭하게 될 것이다. 유사한 효과가 트리플러 결정 쌍에서도 발생하는데, 기본 필드(1ω) 및 2개의 고조파 필드(2ω, 3ω)와 관련된다. 따라서, 본 발명의 일부 실시예에서는 분산에 의한 광학 경로의 차이를 줄이기 위해, 냉각 가스 채널과 광학 윈도우 물질의 두께를 줄이거나 최소화한다. 상기한 바와 같이, 동일한 "고조파 간섭" 효과가 유동하는 가스 냉매에서 일어나지만, 분산율이 광학 글래스보다 매우 작기 때문에, 가스의 경로(몇 ㎝까지)는 용인될 수 있다. 더블러 결정 쌍과 트리플러 결정 쌍 사이에서는 고조파 간섭이 일어나지 않으므로, 이들은 결정의 장착에 관한 공학적 설계에서 필요한 만큼, 또는, 냉각 가스를 필요한 만큼 유도하기 위한 중간의 광학 플레이트 또는 윈도우를 포함하는 스텝 모터 드라이브(후술하는 각도 조절을 위한 것임)와 CPP가 사용된다면 CPP를 위한 위치를 제공하기 위해 이격될 수 있다.
다시 도 2를 참조하면, 타입 I 또는 타입 II 위상 정합은 제2 고조파 또는 더블러 결정에 이용될 수 있고, 타입 II 위상 정합은 제3 고조파 또는 트리플러 결정에 이용된다. 일부 실시예에서, 다중 결정 타입 II/타입 II 구조는 타입 I 위상 정합 더블러와 비교했을 때 도 1에 도시된 LIFE 펄스 형태에 대하여 더 높은 변환율을 갖기 때문에(74.1% 대 68.8%), 더블러에 대해서는 타입 II 위상 정합이 더 바람직하다. 타입 I/타입 II 트리플링은 1ω 빔의 어느 정도 균일하지 않은 편광을 용인할 수 있는 DKDP의 위상 정합 구조이다. 그러므로, 이는 트리플링 구조로서 사용될 수 있다. LIFE 레이저 설계에서, 적극적인 복굴절 보상은 편광의 불균일성을 제한하고, 타입 I/타입 II 구조 또는 타입 II/타입 II 구조 중 어느 하나에서 효율적인 주파수 변환을 가능하게 한다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 다양한 위상 정합 구조를 이용할 수 있다.
타입 I 위상 정합에 있어서, 입력 편광은 선형적이며, 제1 더블러의 정상 축을 따른다. 본 명세서 전체에 걸쳐 자세하게 설명되고 있는 바와 같이, 기본파의 제2 고조파로의 변환을 제한하여 트리플링에 있어서 미리 정해진 혼합률을 유지하기 위해, 타입 I 더블링 결정에서 이상적으로 위상-정합된 제2 고조파 변환으로부터 벗어나는 각도 튜닝(예를 들어, 큰 각도로)이 사용된다. 도 9 및 도 10과 관련하여 설명된 바와 같이, 본 발명의 실시예들은 타입 I/타입 II 트리플링을 위한 4 및 6 결정 설계를 제공한다. 한편, 타입 II 위상 정합 더블링 및 트리플링에서는, 입사하는 기본 빔이 제1 더블러 결정의 정상 축에 대해 35.3° 편광된다. 이는 결정 덩어리로부터 타입 II 결정을 적당히 잘라내 35.3°편광 각도(결정에 대하여 내부)가 입사 1ω 편광 방향에 정합하도록 함으로써 이루어질 수 있고, 또는, 도 2에 도시된 바와 같이 1ω 편광 방향을 결정 축에 정합시키기 위해 (결정 사파이어, KDP, DKDP 등으로 만들어진 1/2 파장판과 같은) 편광 회전자(rotator)가 사용될 수도 있다. 도 11 및 도 12과 관련하여 설명된 바와 같이, 본 발명의 실시예들은 타입 II/타입 II 트리플링을 위한 4 및 6 결정 설계를 제공한다. 도 11 및 도 12에 도시된 바와 같이, 1/2 파장판이 제1 더블링 결정보다 앞에서 사용된다. 일부 실시예에서, 예를 들어 1/2 파장판이 DKDP로 제조되는 경우, 이러한 1/2 파장판은 온도 제어를 위해 능동 냉각을 이용할 수 있고, 고조파 변환기 어셈블리 내에 함께 위치할 수 있다. 도 9 내지 도 12에 도시된 바와 같이, 각 결정의 에지는 상당한 경사(~15°)를 갖는다. 실제로, 큰 개구(예를 들어, 40㎝)를 갖는 고조파 변환기에 있어서, 이는 횡단 유도된 브릴리언(Brillioun) 및 라만(Raman) 산란을 저감하는데 이용된다.
빔의 진행 방향에 대한 결정 표면의 법선 사이에 소정 각도를 두면, 결정의 광 축에 대한 빔의 진행 각도 사이에 내각(internal angle)이 생기고, 이것이 필드 간의 모멘텀 부정합을 변경한다. 따라서, 본 발명의 실시예들은, "완전한" 위상 정합을 얻기보다는, 주파수 변환 효율을 높이기 위해 튜닝 편각(angle deviation) 혹은 소위 "디튜닝(detuning)"을 도입한다.
더블러의 위상 정합 조건을, 예를 들어, 200 내지 300μrad 정도의 "완전" 위상 정합으로부터 내각만큼 디튜닝함으로써, 더블러는 기본 광을 제2 고조파로 완전히 변환하지 못하므로, 상기 디튜닝 각도를 이용하여 트리플러의 입력에서 있어서 제2 고조파 광에 대한 제1 고조파 광의 비율을 제어할 수 있다.
더블러 및 트리플러에 다수의 결정을 사용하면, 각도 디튜닝이 가까이 있는 결정들 사이에서 변경될 수 있다. 이는 도 7a 및 도 7b에 도시되어 있다. 화살표들은 물질에 따라 "일정(locked)"한 광학 C 축의 방향을 나타내고, 점선은 빔 방향에 대한 완전 위상 정합을 위한 광 축 배향(orientation)의 공간 내에서의 방향을 나타낸다. 일 예로서, 더블러 내의 제1 결정은 제1 방향으로 수백 마이크로 라디안(μrad), 예컨대, +Δθ1 튜닝될 수 있고, 더블러 내의 제2 결정은 상기 제1 방향에 대향하는 제2 방향으로 수백 μrad, 예컨대, -Δθ2 튜닝될 수 있다. 이것이 도 7a의 "평행(parallel)-Z" 구성이다. 도 7b에서 "대안-Z" 구성으로 도시된 바와 같이, 튜닝 각도에서는 이러한 변형을 유지하면서 광축은 역전될 수 있다. 두 구성은 그 성능면에서는 동등한 것으로 예상된다. 본 명세서에 개시된 고성능 시스템에서는, 광이 제2 및 후속 결정을 통과하여 진행함에 따라, 제1 결정에서 일어난 고조파 변환 프로세스와 관련한 위상 천이가 보상될 수 있는 보상 효과가 발생한다. 그 예로서, 표 2와 관련하여 후술하는 바와 같이, 일 실시예에서는 제1 결정이 +280μrad으로 디튜닝되고, 제2 결정은 -240μrad으로 디튜닝된다. 유사하게, 이 실시예에서 트리플러 내의 결정들은 +30μrad 및 -30μrad으로 각각 디튜닝된다. 이러한 특정 튜닝 각도는 주파수 변환 시스템의 특정 파라미터에 따라 달라지고, 본 명세서의 예는 단지 설명을 위한 것일 뿐이다. 실제로 이러한 제각각의 튜닝은 고조파 변환기 패키지의 각도 대역(즉, 각도 수용폭)을 확장하고, 부가적으로 변환율을 높인다는 이점이 있다.
타입 II 위상 정합에 있어서, 정상 축 및 이상 축을 따르는 입사 기본파(1ω) 강도의 비율은 2:1이다. 이는 트리플러에서 제3 고조파(3ω)를 생성하기 위해 기본파(1ω)와 제2 고조파(2ω) 광의 최적의 1:1 혼합비를 제공한다. 타입 I 위상 정합에 있어서, 제1 더블러의 출구에서 기본파와 제2 고조파 광의 2:1 혼합비는 정확한 위상 정합에서 미리 정해진 각도만큼 벗어나도록 더블러를 각도 튜닝(디튜닝이라고 함)함으로써 얻어진다. 일부 실시예에서, 디튜닝 각도는 수 μrad에서 수백 μrad이다. 후술하는 바와 같이, 디튜닝 각도는 각각의 결정에 따라, 예를 들어, 30μrad 내지 300μrad 사이에서 달라질 수 있다. 2개의 타입 I 더블러를 이용하는 4 결정 설계에서, 트리플러 결정에 있어서 주파수 혼합의 동적 범위의 증가는 2개의 더블러를 반대 방향으로 각도 디튜닝(예를 들어, +280μrad과 -240μrad)함으로써 얻어질 수 있다. 제1 더블러에 입사하는 기본파(1ω) 강도의 넓은 범위에 걸쳐서 (제1 더블러가 아니라) 제2 더블러의 출구에서 2:1 혼합비를 얻는 것이 목적이기 때문에, 이 디튜닝은 종래의 2 결정 타입 I/타입 II 변환기에서 사용되는 것보다 그 양이 더 크다. 더블러 결정의 "트리플렛(triplet)"에서, 일부 실시예는 제1 및 제2 더블러를 함께 "조작(gang)"하고, 도 8a 및 도 8b에 도시된 바와 같이, 평행-Z 또는 대안-Z 구성 중 하나를 이용하여 제 3 더블러 결정들을 다른 각도로 튜닝한다. 당업자라면 다수의 변형, 수정 및 대안을 인식할 수 있을 것이다.
특정 실시예에서, 결정 제조에 있어서의 에러를 고려할 때 타입 II 위상 정합 트리플러에서는 정확한 위상 정합으로부터 30μrad의 튜닝 에러가 허용된다. 대안-Z 트리플러는 빔 진행 방향을 중심으로 180° 회전된 정상적인 트리플러이므로, 각도 튜닝 에러의 부호는 결정의 대안-Z 배향에 따라, 예를 들어 +30μrad 및 -30μrad과 같이 역전된다. 2개의 트리플러 결정 사이에서 다른 부호의 각도 튜닝이 클수록 4 결정 설계의 동적 범위는 더 증가될 것이다. 이러한 트리플러 튜닝은 타입 I/타입 II 및 타입 II/타입 II 다중 결정 설계 모두에 효과가 있다.
본 명세서에서 기술된 구현예들은 기본파(1ω) 빔에 부여된 FM 대역의 60GHz의 위상 비정합 효과를 포함하는데, 이는 초점면에서의 빔의 스무딩 및 큰 개구의 ICF 레이저에서 횡단 유도 브릴리언 효과를 억제하기 위해 구현된다. 이는 더블러 및 트리플러 결정 모두에 있어서, 모든 다른 원인(각도 튜닝, 열 튜닝, 결정 덩어리 및 표면 왜곡 등)에 의한 위상 비정합에 FM 위상 변조로부터의 RMS 위상 비정합을 제곱합의 제곱근 방식으로 더함으로써 이루어진다. 위상 비정합의 부호는 각도 종속 항들의 부호에 의해 결정된다.
본 발명의 실시예들은, 빔의 미리 정해진 부분(예를 들어, 빔의 절반)이 제1 방향(예를 들어, 수평)으로 정렬된 3ω 편광 상태로 제공될 수 있고, 다른 미리 정해진 부분(예를 들어, 빔의 다른 절반)이 상기 제1 방향에 수직인 제2 방향(예를 들어, 수직)으로 정렬된 3ω 편광 상태로 제공될 수 있기 때문에, 편광 스무딩도 제공한다. 직교 편광을 갖는 빔들을 제공하면, 빔이 타겟 상에서 겹칠 때 생기는 스펙클(speckle) 필드들이 비간섭적으로 더해지므로, 결과적으로 타겟에서 편광 스무딩이 일어난다. 실시예들은 편광 회전자(예를 들어, 파장판으로서 기능하는 DKDP 결정)를 더블링 및/또는 트리플링 구조 내에서 구현할 수 있고, 또는, 별도의 광학 소자로서 편광 회전을 구현할 수 있다. 당업자는 다수의 변형, 수정 및 대안을 인식할 수 있을 것이다.
본 발명의 실시예들은 통상의 설계보다는 높은 주파수 변환기 에너지 효율을 제공한다. 표 1 내지 표 6은 본 발명의 다양한 실시예의 주파수 변환 파라미터와 효율을 기재하고 있다. 표 1 내지 표 4는 4 결정 타입 I/타입 II와 타입 II/타입 II 주파수 변환기 구조에 대한 파라미터 및 효율을 열거하고 있다. 표 5와 표 6은 2 결정 타입 I/타입 II와 타입 II/타입 II 설계에 대한 파라미터 및 효율을 기재하고 있다. 이 표들로부터 분명히 알 수 있는 바와 같이, 4 결정 설계는 2 결정 설계에 비해 높은 효율을 갖는다. 표에 기재된 바와 같이, 펄스의 "풋" 부분과 "드라이브" 부분이 증폭되고 별개의 빔에서 변환되는 구조뿐만 아니라, "전체" 펄스를 위한 최적의 변환기 설계가 제공된다. 주어진 제3 고조파 펄스 형태에 대해, 입사 펄스 형태와 필요한 입력 에너지는 레이저 증폭기와 주파수 변환기 체인의 입력에서 계산된다. 회절 및 빔 품질은 1053nm 레이저 체인과 주파수 변환기에서 고려된다. 변환 효율은 결정의 길이와 각도 튜닝을 변경함으로써 최적화될 수 있다. 변환기 설계는 "풋" 빔과 "드라이브" 빔에 대해 개별적으로 최적화될 수 있음에 반해, 표 1에 기재된 "풋" 빔과 "드라이브" 빔에 대한 4 결정 타입 II/타입 II 설계는 9mm의 동일한 결정 길이를 이용하여 74.1%의 전체 효율을 달성한다. "풋"과 "드라이브" 펄스 및 빔을 분리하는 것은 특히 4 결정 타입 II/타입 II 변환기 설계에서 효과적이다. 타입 I/타입 II 구조에서는, 더 두꺼운 제1 더블러가 이용되지만, 본 발명에서 필수적인 것은 아니다. 4 결정 타입 II/타입 II 구조의 전체적인 효율은 별도의 "풋" 및 "드라이브" 펄스 포맷 및 빔 매핑을 구현함으로써 60.2%에서 68.8%까지 높아질 수 있다.
표 1은 도 2에 도시된 4 결정 타입 II/타입 II 트리플링 구조의 주파수 변환기 파라미터를 열거한다. 결정의 길이와 각도 디튜닝 값들은 주파수 더블러 모듈의 제1 결정/상기 주파수 더블러 모듈의 제2 결정/주파수 트리플러 모듈의 제1 결정/상기 주파수 트리플러 모듈의 제2 결정 순으로 제공된다.
전체 펄스 펄스의 풋 부분 펄스의 드라이브 부분
결정 길이(mm) 11/11/9.5/9.5 9/9/8.5/8.5 9/9/8.5/8.5
각도 디튜닝(μrad) 30/-30/30/-30 30/-30/30/-30 30/-30/30/-30
변환 효율 66.52% 68.81% 77.03%
표 2는 도 2에 도시된 4 결정 "두껍고-얇은" 타입 I/타입 II 트리플링 구조의 주파수 변환기 파라미터들을 열거한다.
전체 펄스 펄스의 풋 부분 펄스의 드라이브 부분
결정 길이(mm) 14/11/10/10 13/9/9/9 13/9/9/9
각도 디튜닝(μrad) 280/-240/30/-30 280/-240/30/-30 280/-240/30/-30
변환 효율 61.77% 62.99% 72.77%
표 3은 도 2에 도시된 4 결정 "얇고-두꺼운" 타입 I/타입 II 트리플링 구조의 주파수 변환기 파라미터들을 열거한다.
전체 펄스 펄스의 풋 부분 펄스의 드라이브 부분
결정 길이(mm) 11/13/10/10 8/12/8/8 8/12/8/8
각도 디튜닝(μrad) 280/-320/30/-30 280/-320/30/-30 280/-320/30/-30
변환 효율 60.37% 61.01% 72.19%
표 4는 도 2에 도시된 4 결정 "얇고-두꺼운" 타입 II/타입 II 트리플링 구조의 주파수 변환기 파라미터들을 열거한다.
전체 펄스 펄스의 풋 부분 펄스의 드라이브 부분
결정 길이(mm) 10/12/9.5/9.5 6/12/8.5/8.5 6/12/8.5/8.5
각도 디튜닝(μrad) 30/-30/30/-30 30/-30/30/-30 30/-30/30/-30
변환 효율 66.55% 68.83% 77.07%
표 5는 2개 결정 타입 I/타입 II 트리플링 구조의 주파수 변환기 파라미터를 개시하고 있다.
전체 펄스 펄스의 풋 부분 펄스의 드라이브 부분
결정 길이(mm) 26/18 25/16 25/16
각도 디튜닝(μrad) 120/30 120/30 120/30
변환 효율 54.46% 61.48% 66.82%
표 6은 2개 결정 타입 II/타입 II 트리플링 구조의 주파수 변환기 파라미터를 개시하고 있다.
전체 펄스 펄스의 풋 부분 펄스의 드라이브 부분
결정 길이(mm) 18/18 15/15 15/15
각도 디튜닝(μrad) 30/30 30/30 30/30
변환 효율 56.50% 60.08% 67.70%
열 관리 문제를 해결하고 결정 파손의 위험을 줄이기 위해, 얇은 제1 더블러가 이용될 수 있고, 그 결과로 변환 효율에는 작은 손실이 있을 뿐이다. 타입 I/타입 II의 4 결정 변환기를 위한 전형적인 얇고/두꺼운 설계가 표 3에 개시되어 있고, 타입 II/타입 II 변환기를 위한 얇고-두꺼운 설계가 표 4에 개시되어 있다. 또한, 열 구배를 제한하기 위해 제3 더블러 또는 트리플러 결정을 부가할 수 있으므로, 모든 설계에 있어서 에너지 변환 효율에 있어 약간의 손실이 있는 얇은 결정을 사용할 수 있다. 수직적 열 구배는 고도로 중수소화된 KDP(>98%)에 있어서 0.5℃를 넘지 않을 것으로 예상되고, 이로써 주파수 트리플링에 있어서 변환 효율을 70% 근방으로 유지될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 주파수 변환기를 이용한 레이저 시스템을 설명하는 단순 개략도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 주파수 삼중 빔(3ω)은 타겟 챔버에 위치할 수 있는 타겟 상에 초점을 맞추기 위해 20m 길이의 진공 망원경을 거쳐 중계되어 20m 초점 길이를 갖는 비축(off-axis) 파라볼라로 릴레이된다. 레이저(310)로부터 나온 광은 도 2에 도시된 설계를 이용할 수 있는 주파수 변환기(315)를 사용하여 주파수 변환된다. 릴레이 면은 주파수 변환기(315)의 출력에서 정의된다. 주파수 변환기(315)의 출력에서 주파수 삼중 광은 렌즈(320)를 향해 광학 경로를 따라 진행한다.
일부 실시예에서, 릴레이 면으로부터 렌즈(320)까지의 거리는 640㎝이고, 렌즈(320)에서 렌즈(322)까지의 거리는 800㎝이다. 도시된 실시예에서, 렌즈(320)와 렌즈(322)의 초점 거리의 합은 2m(즉, F1 + F2 = 200cm)이다.
렌즈(320, 322)는 망원경을 제공하고, 이는 진공 상태에서 동작할 수 있다. 중성자 배플(baffle)은 망원경의 중심에 위치하여 시스템이 중성자 손상을 견딜 수 있는 정도로 중성자의 전파를 막을 수 있다.
상기 망원경으로부터의 광은 터닝 거울(330)에서 반사되고, 파라볼릭 거울(340)에서 반사되어 타겟 챔버(TCC)로 향한다. 일부 실시예에서, 제2 렌즈(322)로부터 파라볼릭 거울(340)까지의 거리는 560㎝이고, 파라볼릭 거울(340)에서 타겟 챔버까지의 거리는 2000㎝이다. 일부 구현예에서, 거울과 프레넬 렌즈를 조합하여 파라볼릭 거울(340)을 대신할 수 있다. 위에서 제시된 거리는 단순히 예로서 제공된 것으로, 본 발명의 실시예에 따라 다른 광학적 구성도 이용될 수 있다.
본 발명의 실시예들은 열 관리 해법을 제공한다. 결정의 두께를 제한하면 파손의 위험이 줄어든다. 결정의 중심과 표면 사이의 온도 차이는 KDP에서 응력-파손 및 표면 광택의 품질에 의해 제한된다. 도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 온도의 차이를 결함 반경(flaw radius)의 함수로서 도시한 단순화된 그래프이다. 이 그래프에서, DKDP에서 파손이 예상되는 결정의 중심과 표면 간의 온도 차이 (Tmax - Tsurf)는 결함 반경의 함수로 도시된다. 이 계산에서 결함은, 주어진 반경의 동전 반쪽 형태의 결점인 것으로 고려된다. 25㎛의 결함 반경을 허용하는 시스템 사양(예를 들어, NIF 사양)에서, KDP 결정은 결정의 중간 면으로부터 입구 또는 출구 표면까지의 온도 차이가 ~6.1K가 되면 파손될 것이다. 본 명세서에서 설명된 시스템에서 이용될 수 있는 예시적 결정으로서 1㎝ 두께의 KDP 결정은 1.8K의 온도 차이에서의 이러한 파손 한계보다 3.4배 낮은 파손 한계를 갖고, 신뢰할 만한 동작을 제공한다. 다른 실시예에서는, 파손을 방지하기 위해, 두꺼운 결정을 2개의 결정으로 나누거나 까다로운 광택 요건을 부과한다. 도 4를 참조하면, 최대 허용 온도 구배는 결함의 크기를 반경 5㎛ 미만으로 할 경우 2배 이상이 된다. 당업자는 다수의 변형, 수정 및 대안을 인식할 수 있을 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 주파수 변환 광을 생성하는 방법을 설명하는 간략화된 흐름도를 도시한다. 이 방법은 기본 파장을 갖는 입력 빔을 제공하고(510), 상기 입력 빔의 일부를 기본 파장의 1/2인 이중 파장을 갖는 이중 빔으로 주파수 변환한다(512). 입력 빔의 다른 일부는 주파수 변환되지 않고 이송된다(514). 주파수 변환시의 손실이 0이라고 가정하면, 상기 다른 일부는 주파수가 변환되지 않은 상기 입력 빔의 나머지 부분과 동일하다. 상기 입력 빔의 주파수 변환은 상기 입력 빔을 복수의 제1 비선형 광학 결정(타입 I 또는 타입 II 결정 중 하나)을 통해 이송하는 단계와 상기 이중 빔과 상기 입력 빔의 상기 다른 일부를 출력하는 단계를 포함한다. 상기 입력 빔의 상기 일부를 이중 빔으로 주파수 변환하는 것은 상기 복수의 제1 비선형 광학 결정의 제1 결정을 제1 각도로 디튜닝하고, 상기 복수의 제1 비선형 광학 결정의 제2 결정을 제2 각도로 디튜닝하는 단계를 포함한다. 일부 실시예에서, 상기 제1 각도는 제1 방향(예를 들어, 양의 각도)으로 상기 제1 결정의 광축과 빔 진행 방향 사이에서 측정되고, 상기 제2 각도는 상기 제1 방향과 반대인 제2 방향(예를 들어, 음의 각도)으로 제2 결정의 광축과 상기 빔 진행 방향 사이에서 측정된다.
이 방법은 또한 상기 이중 빔과 상기 입력 빔의 상기 다른 일부(예를 들어, 나머지 부분)를 이중 파장의 2/3인 삼중 파장을 갖는 삼중 빔으로 주파수 변환하는 단계를 포함한다(516). 상기 이중 빔과 상기 입력 빔의 나머지 부분을 주파수 변환하는 단계는 상기 이중 빔 광과 상기 입력 빔의 상기 나머지 부분을 복수의 제2 비선형 광학 결정을 통하여 이송하는 단계 및 상기 삼중 빔을 출력하는 단계를 포함한다. 상기 이중 빔과 상기 입력 빔의 나머지 부분을 삼중 빔으로 주파수 변환하는 단계는 복수의 제2 비선형 광학 결정의 제1 결정을 제3 각도로 디튜닝하고, 상기 복수의 제1 비선형 광학 결정의 제2 결정을 제4 각도로 디튜닝하는 단계를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 제3 각도는 제1 방향(예를 들어, 양의 각도)으로 상기 제1 결정의 광축과 빔 진행 방향 사이에서 측정되고, 상기 제4 각도는 상기 제1 방향과 반대인 제2 방향(예를 들어, 음의 각도)으로 상기 제2 결정의 광축과 빔 진행 방향 사이에서 측정된다.
본 발명의 일 실시예에서, 복수의 제1 비선형 결정은 DKDP를 포함하고, 복수의 제2 비선형 결정은 DKDP를 포함한다. 또한, 특정 실시예에 의해 제공되는 방법은 적어도 상기 이중 빔과 상기 입력 빔의 나머지 부분 또는 삼중 빔의 편광을 회전시키는 단계를 포함한다.
도 5에 도시된 구체적인 단계들은 본 발명의 일 실시예에 의한 주파수 변환 광을 생성하는 특정한 방법을 제공한다. 다른 실시예에 따라서는 다른 일련의 단계가 수행될 수도 있다. 예를 들어, 본 발명의 다른 실시예는 위에 제시된 단계들을 다른 순서로 수행할 수 있다. 또한, 도 5에 도시된 개별 단계들은 그 개별 단계에 적절하도록 다양한 순서로 수행될 수 있는 복수의 하위 단계를 포함할 수 있다. 또한, 특정 애플리케이션에 따라 부가 단계가 추가 또는 제거될 수 있다. 당업자는 다수의 변형, 수정 및 대안을 인식할 수 있을 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 광학 시스템을 설명하는 단순화된 개념도이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 1ω 레이저 또는 증폭기 시스템(650)에 1ω의 광 출력이 제공된다(이러한 레이저/증폭기 시스템을 1ω 빔 박스라고도 부를 수 있다). 예를 들어, 1ω 시스템은 NIF 레이저 빔 라인, LIFE 빔 라인 등 일 수 있다. 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에게 자명하며, 앞서 도 4에서 도시한 바와 같이, 레이저/증폭기 시스템(650)은 능동 광학 소자를 포함하는 하나 또는 그 이상의 광학 소자가 포함된다. "1ω"라는 용어는 레이저 시스템의 기본 광학 주파수를 의미하며, 사용되는 레이저 이득 매질에 따라 다양한 파장에서의 광학 출력을 포함한다.
또한, 광학 시스템은 도 2에 도시된 하나 또는 그 이상의 주파수 변환 소자를 포함할 수 있고, 복수의 결정(662)과 제어 시스템(670)의 제어 하에서 결정(662)의 디튜닝을 수행할 수 있는 회전/병진 스테이지(664)를 포함하는 주파수 변환기(660)를 포함한다. 일부 실시예에서 주파수 변환기(660)는 2ω의 광학 출력을 생성하고, 다른 실시예에서는 3ω의 광학 출력을 생성한다. 주파수 변환기(660)는, 예를 들어, 하나 이상의 (중수소화되지 않거나, 일부 또는 전부 중수소화된) KDP 또는 DKDP 결정과 같은 비선형 광학 물질 또는 다른 적절한 비선형 광학 소자를 포함한다. 당업자는 다수의 변형, 수정 및 대안을 인식할 수 있을 것이다. 제어 시스템(670)과 진단 시스템(680)이 레이저 또는 증폭기 시스템 및 주파수 변환기와의 통신을 위해 제공된다. 제어 전자 부품, 센서 등은 본 발명의 범위에 속한다. 본 명세서에 설명된 결정을 디튜닝하기 위해서, 회전 및/또는 병진 스테이지 또는 통합된 회전/병진 스테이지가 제어 시스템(670)의 제어 하에서 주파수 변환 시스템의 요소로서 제공될 수 있다.
도 7a는 본 발명의 일 실시예에 따라 평행 Z 구조에서 더블링 결정 쌍 또는 트리플링 결정 쌍 중 어느 하나에 대한 결정 각도 튜닝을 설명하는 단순화된 개념도이다. 이 예에서, 2개의 타입 I 더블링 결정이 도시된다. 파선은 최적의 위상 정합 방향을 도시하고, 실선은 실제 C 축 방향을 도시한다. 이 방향 사이의 디튜닝 각도는 제1 결정에 대해서는 양의 각도로, 제2 결정에 대해서는 음의 각도로서 도시된다.
도 7b는 본 발명의 일 실시예에 의한 대안 Z 구조에서 더블링 결정 쌍 또는 트리플링 결정 쌍 중 하나에 대한 결정 각도 튜닝을 도시하는 단순화된 개념도이다.
도 8a는 본 발명의 일 실시예에 따라 평행 Z 구조에서 더블링 또는 트리플링 결정의 트리플렛 중 어느 하나에 대한 결정 각도 튜닝을 도시하는 단순화된 개념도이다. 이 예에서, 3개의 타입 I 더블링 결정이 도시된다. 파선은 최적의 위상 정합 방향을 나타내고, 실선은 실제 C 축 방향을 나타낸다. 이들 방향 사이의 디튜닝 각도는 트리플렛의 처음 2개의 결정에 대해서는 양의 각도를, 상기 트리플렛의 세 번째 결정에 대해서는 음의 각도로 도시된다.
도 8b는 본 발명의 일 실시예에 의한 대안 Z 구조에서 더블링 또는 트리플링 결정의 트리플렛 중 어느 하나에 대한 결정 각도 튜닝을 도시하는 단순화된 간략도이다. 도 8a 및 8b에 도시된 트리플렛 설계는, 4 결정 고조파 변환기 설계(2개의 더블러 결정과 2개의 트리플러 결정) 내의 결정들이 열 응력에 의한 손상을 해결하기 위해 더블러 결정의 트리플렛 또는 트리플러 결정의 트리플렛으로 나누어질 때 사용될 수 있다.
도 9는 타입 I 위상 정합 주파수 더블링(910)과 타입 II 위상 정합 주파수 트리플링(920)을 포함하는 4 결정 주파수 트리플링 시스템의 단순화된 개념도이다. 도 9에 도시된 바와 같이, 제3 고조파 빔은 방향(902)을 따라 진행하는 기본 주파수의 입력 빔(901)의 편광과 평행한 편광(903)을 갖는다. 이 실시예에서는 CPP 플레이트(915)가 도시되지만, 일부 설계에서 이는 선택 사항이다. 설명의 명확화를 위해, 가스 냉각을 위해 사용되는 윈도우는 도시하지 않았으나, 특정 애플리케이션에 따라 적절하게 이용될 수 있다.
도 10은 타입 I 위상 정합 주파수 더블링(1010)과 타입 II 위상 정합 주파수 트리플링(1020)을 포함하는 6 결정 주파수 트리플링 시스템의 단순화된 개념도이다. 도 10에 도시된 바와 같이, 제3 고조파 빔은 방향(1002)을 따라 진행하는 입력 기본 빔(1001)의 편광에 평행한 편광(1003)을 갖는다. 가스 냉각을 위한 윈도우는 설명의 명료화를 위해 도시하지 않았다. 도 10에 도시된 바와 같이, 더블러 트리플렛 내의 3개 결정 중 2개의 C 축 방향이 정렬되어 있고, 트리플러 트리플렛 내의 3개의 결정 중 2개의 C 축 방향이 정렬된다. 다른 실시예에서, 결정의 방향은 특정 애플리케이션에 따라 적절하게 변경될 수 있다. 선택적인 CPP 플레이트(1015)는 도 10에 도시되어 있다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 의한 타입 II 위상 정합 주파수 더블링(1110)과 타입 II 위상 정합 주파수 트리플링(1120)을 포함하는 4 결정 주파수 트리플링 시스템의 단순화된 개념도이다. 도 11에 도시된 바와 같이, 제3 고조파 빔은 방향(1102)을 따라 진행하는 입력 기본 빔(1101)의 편광에 평행한 편광(1103)을 갖는다. 주파수 더블링 모듈보다 광학적으로 상류에 위치하는, 예를 들어, 수정, 사파이어, 또는 DKDP 1/2 파장판과 같은 1/2 파장판(1105)은 법선 방향으로 평행하게 편광된 입력 빔을 35.3°만큼 회전시킨다. 가스 냉각을 위한 윈도우는 명료함을 위해 도시되지 않는다. 설명된 실시예에서, 도 11에 도시된 바와 같이, 1/2 파장판의 광 축은 수평으로부터 17.65°로(각도 α로 표시된 것과 같이) 설정되어 있고, 1ω 주파수의 입력 편광을 35.3°로 회전시킨다. 선택적인 CPP 플레이트(1115)가 도 11에 도시되어 있다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 의한 타입 II 위상 정합 주파수 더블링(1210)과 타입 II 위상 정합 주파수 트리플링(1220)을 포함하는 6 결정 주파수 트리플링 시스템의 단순화된 개념도이다. 예를 들어, 수정, 사파이어, 또는 DKDP 1/2 파장판과 같은 1/2 파장판(1205)은 법선 방향에 평행하게 편광된 입력 빔을 35.3°만큼 회전시킨다. 도 11과 관련하여 논의된 바와 같이, 1/2 파장판의 광학 축은 수평에 대해 17.65°로 (각도 α로 표시된 것과 같이) 설정되어 있고, 1ω 주파수의 입력 편광을 35.3°로 회전시킨다. 도 12에 도시된 바와 같이, 제3 고조파 빔은 방향(1202)을 따라 진행하는 입력 기본 빔(1201)의 편광에 평행한 편광(1203)을 갖는다. 가스 냉각을 위한 윈도우는 명료함을 위해 도시되지 않는다. 선택적인 CPP 플레이트(1215)가 도 12에 도시되어 있다.
부가적으로, 도 10과 관련하여 설명한 바와 같이, 더블러 트리플렛(1210) 내의 3개의 결정 중 2개의 C 축 방향이 정렬되어 있고, 트리플러 트리플렛(1220) 내의 3개의 결정 중 2개의 C 축 방향이 정렬되어 있다. 다른 실시예에서, 결정의 방향은 특정 애플리케이션에 따라 적절하게 변경될 수 있다.
본 명세서에서 설명된 예 및 실시예들은 단지 설명을 위한 것이고, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 이들에 비추어 다수의 수정 및 변경을 도출할 수 있을 것이며, 이들을 본 출원의 사상 및 범주와 첨부된 특허청구범위에 속한다.

Claims (34)

  1. 주파수 변환 시스템에 있어서,
    빔 경로를 따라 배치되고, 복수의 제1 비선형 결정을 포함하는 주파수 더블러 모듈; 및
    상기 빔 경로를 따라 배치되고, 복수의 제2 비선형 결정을 포함하는 주파수 트리플러 모듈
    을 포함하는 주파수 변환 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 제1 비선형 결정 중 제1 결정은 제1 각도로 디튜닝되고, 상기 복수의 제1 비선형 결정 중 제2 결정은 제2 각도로 디튜닝(detuning)되며,
    상기 복수의 제2 비선형 결정 중 제1 결정은 제3 각도로 디튜닝되고, 상기 복수의 제2 비선형 결정 중 제2 결정은 제4 각도로 디튜닝되는
    주파수 변환 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 각도는 제1 방향으로 상기 복수의 제1 비선형 결정 중 상기 제1 결정의 광 축과 빔 진행 방향 사이에서 측정되고,
    상기 제2 각도는 상기 제1 방향의 반대인 제2 방향으로 상기 복수의 제1 비선형 결정 중 상기 제2 결정의 광 축과 상기 빔 진행 방향 사이에서 측정되는
    주파수 변환 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 각도는 양의 각도이고, 상기 제2 각도는 음의 각도인
    주파수 변환 시스템.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 제3 각도는 제1 방향으로 상기 복수의 제2 비선형 결정 중 상기 제1 결정의 광 축과 빔 진행 방향 사이에서 측정되고,
    상기 제4 각도는 상기 제1 방향의 반대인 제2 방향으로 상기 복수의 제2 비선형 결정 중 상기 제2 결정의 광 축과 상기 빔 진행 방향 사이에서 측정되는
    주파수 변환 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제3 각도는 양의 각도이고, 상기 제4 각도는 음의 각도인
    주파수 변환 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 주파수 더블러 모듈과 상기 주파수 트리플러 모듈 사이에서 상기 빔 경로를 따라 배치되는 연속적 임의 위상판을 더 포함하는
    주파수 변환 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 주파수 더블러 모듈은 1ω 빔을 수광하고, 상기 1ω 빔의 일부 및 2ω 빔을 출력하고,
    상기 주파수 트리플러 모듈은 상기 1ω 빔과 상기 2ω 빔을 수광하고, 3ω 빔을 출력하는
    주파수 변환 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 제1 비선형 결정은 적어도 2개의 타입 I 결정을 포함하는
    주파수 변환 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 제1 비선형 결정은 적어도 2개의 타입 II 결정을 포함하는
    주파수 변환 시스템.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 제2 비선형 결정은 타입 II 결정 세트를 포함하는
    주파수 변환 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 타입 II 결정 세트는 3개의 결정을 포함하는
    주파수 변환 시스템.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 제1 비선형 결정은 DKDP를 포함하고, 상기 복수의 제2 비선형 결정은 DKDP를 포함하는
    주파수 변환 시스템.
  14. 제1항에 있어서,
    편광 회전자를 더 포함하는
    주파수 변환 시스템.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 편광 회전자는 DKDP 1/2 파장판을 더 포함하는
    주파수 변환 시스템.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 주파수 더블러 모듈 또는 상기 주파수 트리플러 모듈의 적어도 하나는 3개의 비선형 광학 결정들의 세트를 포함하며, 상기 3개 비선형 광학 결정 세트의 제1 결정의 두께는 상기 3개 비선형 광학 결정 세트의 제2 결정의 두께보다 작은
    주파수 변환 시스템.
  17. 주파수 변환 광을 생성하는 방법에 있어서,
    기본 파장을 갖는 입력 빔을 제공하는 단계;
    상기 입력 빔의 일부를 상기 기본 파장의 반인 이중 파장을 갖는 이중 빔으로 주파수 변환하는 단계 - 상기 입력 빔을 주파수 변환하는 단계는, 상기 입력 빔을 복수의 제1 비선형 광학 결정을 통해 이송하는 단계와, 상기 이중 빔 및 상기 입력 빔의 다른 일부를 출력하는 단계를 포함함 -; 및
    상기 이중 빔 및 상기 입력 빔의 상기 다른 일부를 상기 이중 파장의 2/3인 삼중 파장을 갖는 삼중 빔으로 주파수 변환하는 단계 - 상기 이중 빔 및 상기 입력 빔의 나머지 부분을 주파수 변환하는 단계는, 상기 이중 빔과 상기 입력 빔의 나머지 부분을 복수의 제2 비선형 광학 결정을 통해 이송하는 단계 및 상기 삼중 빔을 출력하는 단계를 포함함 -
    를 포함하는 주파수 변환 광 생성 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 입력 빔의 일부을 이중 빔으로 주파수 변환하는 단계는,
    상기 복수의 제1 비선형 광학 결정 중 제1 결정을 제1 각도로 디튜닝하는 단계; 및
    상기 복수의 제1 비선형 광학 결정 중 제2 결정을 제2 각도로 디튜닝하는 단계를 포함하는
    주파수 변환 광 생성 방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 제1 각도는 제1 방향으로 상기 제1 결정의 광 축과 빔 진행 방향 사이에서 측정되고,
    상기 제2 각도는 상기 제1 방향의 반대인 제2 방향으로 상기 제2 결정의 광 축과 상기 빔 진행 방향 사이에서 측정되는
    주파수 변환 광 생성 방법.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 제1 각도는 양의 각도이고 상기 제2 각도는 음의 각도인,
    주파수 변환 광 생성 방법.
  21. 제17항에 있어서,
    상기 이중 빔 및 상기 입력 빔의 나머지 부분을 삼중 빔으로 주파수 변환하는 단계는,
    상기 복수의 제2 비선형 광학 결정 중 제1 결정을 제3 각도로 디튜닝하는 단계: 및
    상기 복수의 제2 비선형 광학 결정 중 제2 결정을 제4 각도로 디튜닝하는 단계를 포함하는
    주파수 변환 광 생성 방법.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 제3 각도는 제1 방향으로 상기 제1 결정의 광 축과 빔 진행 방향 사이에서 측정되고,
    상기 제4 각도는 상기 제1 방향의 반대인 제2 방향으로 상기 제2 결정의 광 축과 상기 빔 진행 방향 사이에서 측정되는
    주파수 변환 광 생성 방법.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 제3 각도는 양의 각도이고 상기 제4 각도는 음의 각도인,
    주파수 변환 광 생성 방법.
  24. 제17항에 있어서,
    상기 복수의 제1 비선형 결정은 둘 또는 그 이상의 타입 I 결정의 세트를 포함하는
    주파수 변환 광 생성 방법.
  25. 제17항에 있어서,
    상기 복수의 제1 비선형 결정은 둘 또는 그 이상의 타입 II 결정의 세트를 포함하는
    주파수 변환 광 생성 방법.
  26. 제17항에 있어서,
    상기 복수의 제2 비선형 결정은 둘 또는 그 이상의 타입 II 결정의 세트를 포함하는
    주파수 변환 광 생성 방법.
  27. 제17항에 있어서,
    상기 복수의 제1 비선형 결정은 DKDP를 포함하고, 상기 복수의 제2 비선형 결정은 DKDP를 포함하는
    주파수 변환 광 생성 방법.
  28. 제17항에 있어서,
    적어도 상기 이중 빔 및 상기 입력 빔의 나머지 부분 또는 상기 삼중 빔의 편광을 회전시키는 단계를 더 포함하는
    주파수 변환 광 생성 방법.
  29. 광학 시스템에 있어서,
    기본 파장으로 레이저 빔을 출력하는 레이저 소스;
    주파수 변환 시스템 - 상기 주파수 변환 시스템은,
    복수의 제1 비선형 광학 결정을 포함하는 주파수 더블러 모듈; 및
    복수의 제2 비선형 광학 결정을 포함하는 주파수 트리플러 모듈을 포함함 - ;
    상기 주파수 변환 시스템에 연결된 제어 시스템; 및
    상기 주파수 변환 시스템에 연결된 진단 시스템을 포함하는
    광학 시스템.
  30. 제29항에 있어서,
    상기 주파수 더블러 모듈은 복수의 제1 회전 스테이지를 더 포함하고,
    상기 복수의 제1 회전 스테이지의 각각은 상기 복수의 제1 비선형 광학 결정 중 하나를 회전시키는
    광학 시스템.
  31. 제29항에 있어서,
    상기 주파수 트리플러 모듈은 복수의 제2 회전 스테이지를 더 포함하고,
    상기 복수의 제2 회전 스테이지의 각각은 상기 복수의 제2 비선형 광학 결정 중 하나를 회전시키는
    광학 시스템.
  32. 제29항에 있어서,
    상기 주파수 변환 시스템은 상기 주파수 더블러 모듈과 상기 주파수 트리플러 모듈 사이에 배치된 CPP 플레이트를 더 포함하는
    광학 시스템.
  33. 제29항에 있어서,
    상기 복수의 제1 비선형 광학 결정은 DKDP 결정을 포함하고, 상기 복수의 제2 비선형 광학 결정은 DKDP 결정을 포함하는
    광학 시스템.
  34. 제29항에 있어서,
    상기 주파수 변환 시스템은 상기 주파수 더블러 모듈보다 광학적으로 상류에 1/2 파장판을 더 포함하는
    광학 시스템.
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Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2014204528A2 (en) * 2013-03-14 2014-12-24 Lawrence Livermore National Security, Llc Method for predicting lifetime of optimal conditioned kdp optics
RU2596000C1 (ru) * 2015-06-26 2016-08-27 Виктор Андреевич Павлов Способ имитации оптического излучения воздушных целей
CN105281192B (zh) * 2015-10-12 2018-06-22 哈尔滨工业大学 带有晶体温度调控功能的大口径激光倍频转换及聚焦装置
US10170883B1 (en) * 2017-12-21 2019-01-01 Innoven Energy Llc Method for direct compression of laser pulses with large temporal ratios
CN108767650B (zh) * 2018-06-15 2020-07-24 南开大学 一种功能复合电光q开关
RU2728491C1 (ru) * 2019-12-30 2020-07-29 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") Способ настройки преобразователя частоты лазерного излучения в третью гармонику
CN112510476B (zh) * 2020-12-02 2021-11-12 北京科益虹源光电技术有限公司 266nm固体激光器及其光束质量优化方法

Family Cites Families (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4272694A (en) * 1979-11-15 1981-06-09 The University Of Rochester System for converting the frequency of coherent radiation
US4510402A (en) * 1982-06-10 1985-04-09 The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy Optical harmonic generator
FR2595496B1 (fr) * 1986-03-04 1988-05-06 Labo Electronique Physique Relais optique operant en mode d'accumulation de charges
US4961195A (en) * 1988-08-03 1990-10-02 The University Of Rochester Systems for controlling the intensity variations in a laser beam and for frequency conversion thereof
US5206868A (en) * 1990-12-20 1993-04-27 Deacon Research Resonant nonlinear laser beam converter
US5247389A (en) * 1992-06-15 1993-09-21 Cygnus Laser Corporation Nonlinear optical frequency converter
JPH07120797A (ja) * 1993-10-19 1995-05-12 Internatl Business Mach Corp <Ibm> 波長変換装置
US5477378A (en) * 1994-08-11 1995-12-19 Spectra-Physics Lasers, Inc. Multiple crystal non-linear frequency conversion apparatus
US6441948B1 (en) * 1999-01-12 2002-08-27 California Institute Of Technology Tandem optical frequency mixer
DE10147362B4 (de) * 2001-09-26 2009-07-30 Lumera Laser Gmbh Vorrichtung und Verfahren zur optischen Frequenzkonversion von zumindest zwei Laserstrahlen aus ultrakurzen Strahlungsimpulsen
AUPS266302A0 (en) * 2002-05-30 2002-06-20 Clvr Pty Ltd Solid state uv laser
EP1810380B1 (en) * 2004-09-23 2015-01-07 Lighthouse Technologies Pty Ltd Wavelength selectable multiwavelength laser for outputting visible light
JP4978468B2 (ja) * 2005-04-14 2012-07-18 パナソニック株式会社 短波長光源
DE102007002821A1 (de) * 2007-01-19 2008-07-31 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Verfahren und Anordnung zur Frequenzkonvertierung kohärenter optischer Strahlung
US7801188B2 (en) * 2007-04-02 2010-09-21 Cobolt Ab Continuous-wave ultraviolet laser
KR100809271B1 (ko) * 2007-04-17 2008-02-29 삼성전기주식회사 파장가변 레이저 장치
US8298335B2 (en) * 2007-12-18 2012-10-30 Kla-Tencor Technologies Corporation Enclosure for controlling the environment of optical crystals

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