KR20130132455A - 갭-결합 전극을 갖는 전기 광학 소자 - Google Patents

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KR20130132455A
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로버트 제이. 데리
마크 에이. 로즈
앤드류 제이. 베이래미안
존 에이. 케어드
마크 에이. 헤네시안
크리스토퍼 에이. 에버스
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로렌스 리버모어 내쇼날 시큐리티, 엘엘시
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Abstract

전기 광학 소자는 미리 정해진 두께, 제1 면 및 제2 면을 갖는 전기 광학 결정을 포함한다. 또한, 전기 광학 소자는 제1 면에 대향하여 배치된 제1 전극 기판을 더 포함한다. 제1 전극 기판은 제1 두께를 갖는 제1 기판 재료 및 제1 기판 재료에 결합된 제1 전극 코팅을 포함한다. 전기 광학 소자는 제2 면에 대향하여 배치된 제2 전극 기판을 더 포함한다. 제2 전극 기판은 제2 두께를 갖는 제2 기판 재료 및 제2 기판 재료에 결합된 제2 전극 코팅을 포함한다. 전기 광학 소자는 제1 전극 코팅 및 제2 전극 코팅에 전기적으로 연결된 전압원을 더 포함한다.

Description

갭-결합 전극을 갖는 전기 광학 소자{ELECTRO-OPTIC DEVICE WITH GAP-COUPLED ELECTRODE}
미합중국 연방 정부의 지원에 의한 연구 또는 개발에 의해 창출된 발명에
대한 권리의 주장
미합중국 정부는, 로렌스 리버모어 내쇼날 래버러토리의 운용을 위한 미합중국 에너지부(United States Department of Energy)와 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 시스템과 관련된 기술들이 제공된다. 구체적으로, 본 발명의 실시예들은 고 전력 포켈스 셀을 위한 시스템 및 그 동작 방법에 관한 것이다. 단지 예시로서, 본 발명은 전기 광학 결정으로부터 공간적으로 분리된 기판들에 배치된 투명 전극들을 갖는 포켈스 셀(Pockels cell)에 적용되었다. 본 명세서에 기술된 상기 방법 및 시스템은 증폭기 및 레이저 시스템에 사용하는데 적합한 다른 광학 시스템에도 적용할 수 있다.
고 에너지/고 전력 레이저 빔을 위한 현재의 광 스위치 기술은, 도 1에 도시된 바와 같이 종방향 또는 횡방향으로 전기장이 인가된 DKDP 스위치 결정(deuterated potassium dihydrogen phosphate switch crystals)을 기반으로 하는 전기 광학 포켈스 셀(Pockels Cell)을 이용한다. 인가된 전기장은 광 빔의 편광을 변화시키고, 편광의 변화는 외부 편광기를 이용하여 세기 변조(intensity modulation) 및 방향 변경(redirection)으로 전환될 수 있다. 횡단(transverse) 전극 구조(geometry)에 기반하는 디바이스들은 2가지 단점을 갖는다: 이들은 개구(aperture)의 크기와 함께 증가하는 큰 스위칭 전압(25cm 개구에서 >55 kV)을 필요로 하고, 전기 광학 스위칭을 달성하기 위한 적절한 결정 방위(crystal orientation)는 개구 평면에서 이방성 광 굴절률(복굴절)을 초래하는데, 이는 바람직하지 않은 편광 회전을 유도한다. 이러한 복굴절은 일반적으로 한 쌍인 2개의 매칭 소자를 이용하여 보상되는데, 이는 일반적으로 양 결정(crystal)의 두께가 1㎛보다 더 우수한 엄격한 매칭을 요구한다.
도 1은 결정, 개구, 및 전기장 방향에 대한 정의를 도시한다. 종방향의 전기장(E-필드)은 광 전파 방향 z에 평행인 반면, 횡방향의 전기장(x축을 따름)은 광 전파 방향에 수직이다. 광 입력은 x-y 평면 내에서 제한된 횡단량(transverse extent)을 갖는데, 이는 광 개구에 의해 기술된다. 결정의 두께는 전파 방향 z을 따라 측정된다.
고 전력 광 스위치에 대해 이루어진 발전에도 불구하고, 당해 기술 분야에서는 광 스위치와 관련된 개선된 방법 및 시스템에 대한 요구가 존재한다.
본 발명에 의하면, 광학 시스템과 관련된 기술들이 제공된다. 구체적으로, 본 발명의 실시예들은 고 전력 포켈스 셀을 위한 시스템 및 그 동작 방법에 관한 것이다. 단지 예시로서, 본 발명은 전기 광학 결정으로부터 공간적으로 분리된 기판들에 배치된 투명 전극들을 갖는 포켈스 셀(Pockels cell)에 적용되었다. 본 명세서에 기술된 상기 방법 및 시스템은 증폭기 및 레이저 시스템에 사용하는데 적합한 다른 광학 시스템에도 적용할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 전기 광학 소자가 제공된다. 전기 광학 소자는 미리 정해진 두께 및 면(face)을 갖는 전기 광학 결정 및 상기 면에 대향하여 배치된 전극 기판을 포함한다. 전극 기판은 소정의 두께를 갖는 기판 재료 및 기판 재료에 결합된 전극 코팅을 포함한다. 또한, 전기 광학 소자는 전극 코팅에 전기적으로 연결된 전압원을 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 전기 광학 소자가 제공된다. 전기 광학 소자는 미리 정해진 두께, 제1 면, 및 제2 면을 갖는 전기 광학 결정을 포함한다. 또한, 전기 광학 소자는 제1 면에 대향하여 배치된 제1 전극 기판을 포함한다. 제1 전극 기판은 제1 두께를 갖는 제1 기판 재료 및 제1 기판 재료에 결합된 제1 전극 코팅을 포함한다. 일 실시예에서, 제1 전극 코팅은 제1 기판 재료 상에 피착(deposit)된다. 전기 광학 소자는 제2 면에 대향하여 배치된 제2 전극 기판을 더 포함한다. 제2 전극 기판은 제2 두께를 갖는 제2 기판 재료 및 제2 기판 재료에 결합된 제2 전극 코팅을 포함한다. 일 실시예에서, 제2 전극 코팅은 제2 기판 재료 상에 피착된다. 또한, 전기 광학 소자는 제1 전극 코팅 및 제2 전극 코팅에 전기적으로 연결된 전압원을 포함한다. 전압원은 전기 광학 결정을 가로지르는 전기장을 인가하도록 동작 가능하다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 포켈스 셀을 동작시키는 방법이 제공된다. 본 방법은 입력면(input surface), 출력면(output surface), 및 출력면에 결합된 제1 전극 코팅을 갖는 제1 전극 기판을 구비한 포켈스 셀을 제공하는 단계를 포함한다. 또한, 포켈스 셀은 제1 전극 기판에 인접하여 배치된 전기 광학 결정과 입력면, 출력면, 및 입력면에 결합된 제2 전극 코팅을 갖는 제2 전극 기판을 구비한다. 또한, 본 방법은 제1 편광 상태를 갖는 입력 빔을 제1 전극 기판의 입력면 상에 충돌하게 하고, 입력 빔의 적어도 일부를 제1 전극 기판에 통과시키고, 입력 빔의 적어도 일부를 제1 전극 코팅에 통과시키도록 방향 설정하는 단계를 포함한다. 본 방법은 제1 전극 코팅과 제2 전극 코팅 사이에 전압을 인가하고, 전기 광학 결정을 이용하여 제1 편광 상태를 제2 편광 상태로 변화시키는 단계를 더 포함한다. 또한, 본 방법은 입력 빔의 적어도 일부를 제2 전극 코팅을 통과시키고, 입력 빔의 적어도 일부를 제2 전극 기판을 통과시키는 단계를 포함한다.
본 발명의 특정 실시예에 따르면, 반사형 스위치(reflective switch)가 제공된다. 반사형 스위치는 입력면 및 입력면에 대향하는 제2 면 및 제2 면에 배치된 전기 도전형 코팅을 갖는 전극 기판을 포함한다. 반사형 스위치는 전극 기판에 대향하는 전기 광학 결정 및 전기 광학 결정에 열적으로 결합된 열 싱크를 더 포함한다. 전기 도전형 코팅에의 전압의 인가는 전기 광학 결정을 가로지르는 전기장을 발생시켜, 입력 빔의 편광을 스위칭할 능력을 제공할 것이다.
종래 기술에 비해 본 발명은 수많은 이점을 얻게 한다. 예를 들어, 본 발명의 실시예들은 입력 빔의 편광 상태를 변경하고, 일반적으로 포켈스 셀과 관련된 스위칭 기능을 제공하기에 적합한 방법들 및 시스템들을 제공한다. 큰 펄스 에너지 및 높은 반복률(높은 평균 전력)에 의해 동작하는 펄스형 레이저 시스템들은 본 발명의 실시예들을 이용함으로써 혜택을 받을 것이다. 이러한 레이저들은 일반적으로 전기 광학 스위치를 이용하여 고출력 광 증폭기의 안팎으로 광 펄스들을 라우팅시키고, 기생 레이징(parasitic lasing)을 방지하고 레이저 출력의 반사에 대한 보호를 제공하는 이득 분리(gain isolation)를 제공한다. 높은 광 출력에서의 동작을 가능하게 하도록, 본 발명의 실시예들은 큰 개구(1cm보다 큼)를 이용하고, 높은 분리도(~100:1의 온/오프 비) 및 빠른 스위칭 타임(100ns 수준)을 제공하면서도 높은 광 에너지 및 전력을 견뎌낸다. 본 발명의 이들 실시예 및 다른 실시예는 그 수많은 장점 및 특징들과 함께 이하의 상세한 설명 및 첨부 도면과 연계하여 상세히 설명된다.
도 1은 결정, 개구, 및 전기장 방향에 대한 정의를 도시하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 광학 소자의 개략적인 투시도이다.
도 3은 유동 냉매(flowing coolant)를 포함하는 본 발명의 일시예에 따른 포켈스 셀의 개략적인 측면도이다.
도 4는 외부 유동 냉매를 포함하는 본 발명의 일 실시예에 따른 포켈스 셀의 개략적인 측면도이다.
도 5는 측방향 전도(lateral conduction)를 포함하는 본 발명의 일 실시예에 따른 포켈스 셀의 개략적인 측면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 반사 방지형 코팅들을 포함하는 포켈스 셀의 개략적인 측면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 복굴절 보상을 포함하는 포켈스 셀 세트의 개략적인 측면도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 반사형 스위치의 개략적인 측면도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 포켈스 셀을 동작시키는 방법을 도시하는 개략적인 흐름도이다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 종방향 전극 구조의 포켈스 셀 형태를 갖는 광 스위치들이 제공된다. 본 발명의 일부 실시예에 따르면, 구동 전압은 결정 두께와 무관하고, 결정은 개구 평면 내에서 등방성이다. 후술하는 바와 같이, 전기장을 인가하는 데 사용되는 전극들은 광 개구와 오버래핑되고, 그에 따라 광 전파를 허용하도록 투명이거나 반투명이다.
링 전극(ring electrode)들을 갖는 포켈스 셀들은 결정 표면의 일부를 노출되지 않은 상태로 두지만, 프린징(fringing) 효과가 감소되는 종방향 전기장을 얻기 위해 보다 두꺼운 결정(즉, 높은 두께:개구 비)을 이용한다. 따라서, 이러한 설계는 증가된 흡수 및 열 복굴절을 초래한다. 그 결과, 링 전극 소자들을 큰 개구에 대해 크기 조절하는 것이 어렵다. 플라즈마(저압력 기체상) 전극들을 갖는 종방향 소자들이 구성되었지만, 이는 플라즈마와 전기 광학 결정 사이의 밀접한 접촉에 의존한다. 플라즈마는 전기 광학 결정의 개구 면들의 방열(heat-sinking)을 방지하는데, 이는 상기 소자가 결정 내에서 고 출력 레이저 광의 잔여 광 흡수로 인해 발생하는 열적 문제에 영향을 받기 쉽게 한다. 또한, 플라즈마 전극들은 소자의 복잡도를 증가시키는데, 이는 요구되는 가스 조절 시스템, 잠재적인 진공 시스템 누수, 및 플라즈마 부식 및 아크 등의 잠재적인 전극 문제들로 인해 그 비용 및 강인성에 영향을 미친다.
본 발명의 실시예들은 종방향 구성의 전극으로서 투명한 도전성 고체를 이용한다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 투명이란 100% 투과보다 낮은 저 흡수재를 포함한다. 따라서, 투명은 100% 투과도를 지칭하도록 의도된 것이 아니라, 예컨대 80%보다 높은, 85%보다 높은, 90%보다 높은, 95%보다 높은, 96%보다 높은, 97%보다 높은, 98%보다 높은, 또는 99%보다 높은 등의 관심 파장에서의 높은 투과도를 나타낸다. 충분한 광 투과도를 갖는 투명 전극들은 산화인듐, 산화주석, ITO(indium tin oxide), 그 외 투명한 도전성 재료 등의 재료들을 이용한 초박형 금속층들 또는 투명한 도전성 산화물(TCO)을 기반으로 하는 다양한 타입의 코팅 처리(예컨대, 화학 증착, 스퍼터링, 증착, 전자 빔 증착, 스프레이 코팅 등)를 이용하여 제조될 수 있다. TCO는 디스플레이 및 광전지를 위한 소자에 널리 이용된다.
본 발명의 발명자들은 투명한 전극들이 0이 아닌 광 흡수를 나타내는 것으로 판단하였다. 이러한 잔여 흡수는 전극이 짧은 광 펄스와 연관된 광 손상(optical damage)에 영향을 받기 쉽게 한다. 예를 들어, 펄스 흡수는 코팅 파괴를 야기할 수 있는 순간적인 열 응력을 생성한다. 또한, 전극 흡수는 코팅 두께에 따라 증가하는 반면, 전극 직렬 저항(시트 저항)은 코팅 두께의 감소에 따라 증가한다. 따라서, 전극 코팅들 내에서 스위칭 속도와 광 손상 저항 간에 트레이드오프(tradeoff)가 존재한다. 지금까지, 높은 광 손상 저항(~1% 미만의 코팅 흡수)과 낮은 시트 저항(~ 100Ω/sq) 양자 모두를 갖는 적합한 코팅이 DKDP 상에서 실현되지 못하였다. 대부분의 TCO 코팅 처리는 글래스 기판을 위해, 예컨대 디스플레이 등 상업적 애플리케이션에 이용하기 위해 개발되었으며, 투명도-저항의 트레이드오프를 개선하기 위해 고온(피착 동안 및/또는 피착 후 어닐링 동안 ~300℃ 기판 온도)을 이용한다. 글래스 기판은 이러한 고온 처리와 호환성이 있지만, 전기 광학 결정들은 일반적으로 이러한 고온 처리에 그다지 적합하지 않다. 예를 들어, DKDP 결정들은 145℃에서 파괴적인 상 전이를 겪는다. 따라서, KDP 및 DKDP 등의 전기 광학 결정에 ITO를 직접 코팅하려는 시도는 전극이 낮은 파괴 임계치를 갖거나 또는 높은 직렬 저항을 갖는 결과를 초래하였다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 광학 소자의 개략적인 투시도이다. 인가 전압으로 인한 광 입력의 편광 상태를 변경시키는 예시적인 전기 광학 소자는 포켈스 셀이다. 본 명세서에 걸쳐, 포켈스 셀은 본 발명의 실시예들에 의해 제공되는 전기 광학 소자의 일례로서 논의될 것이지만, 본 발명은 포켈스 셀의 구현에 한정되지 않는다. 다른 전기 광학 소자들이 본 발명의 범위 내에 포함된다.
일 구현에서, 전기 광학 결정이 아닌 투명한 광 기판 상에 투명한 도전성 고체 코팅(즉, 전극 막)을 피착하고, 전기 광학 결정의 인접부에 코팅 전극을 종방향 구조로 배치함으로써 포켈스 셀 전극이 형성된다. 전극 막들에는 전압이 인가되어 전기 광학 결정 양단에 전기장이 생성된다. 일부 실시예에서는 코팅-결정 갭(gap)이 짧은 거리로 유지되어 용량성 전압 강하 및 그에 따른 스위칭 전압을 감소시키거나 최소화시킨다. 본 발명의 실시예들은 전기 광학 결정의 선택과는 무관하게 투명한 도전성 코팅을 위한 기판이 최적화되게 하는 것을 포함하여 수많은 장점을 제공한다. 코팅의 순간적인 냉각(우수한 열 전도성 및 체적 열 용량), 감소된 코팅 열 응력(코팅에 매칭되는 팽창 계수), 및 (저항 및 투명도를 개선하는 코팅 어닐링을 가능하게 하는) 고온 처리와의 호환성을 개선시키도록 기판을 선택할 수 있다. 또 다른 장점은 적절한 기판 선택에 의해 높은 투명도(높은 광 손상 임계치), 낮은 저항 전극이 비-플라즈마(non-plasma) 설계로 실현될 수 있다는 것이다.
또한, 전극과 결정 사이의 갭은 결정의 면 냉각(face cooling)을 제공하기 위해 투명한 열 도전성 매체로 충진될 수 있다. 일부 실시예에서는 면 냉각이 바람직한데, 그 이유는 일부 엣지 냉각 기법에 비해 열 복굴절 효과를 감소시키기 때문이다. 명확화를 위해, 도 2에는 반사 방지(AR) 코팅이 도시되지 않았다는 점을 주목해야 한다. 본 명세서에 걸쳐 상술되는 바와 같이, 성능을 개선하기 위해 광학 소자들의 하나 이상의 표면에 AR 코팅들이 도포될 수 있다. 당업자라면 다양한 변경, 개조, 및 대안을 인식할 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 인가 전압으로 인한 광 입력의 편광 상태를 변경하는 전기 광학 소자가 제공된다. 전기 광학 소자는 전기 광학 결정(220) 및 한 쌍의 전극 기판(210/230)(도 2에 도시된 실시예에서는 결정의 각 면에 하나)을 포함한다. 전극으로 지칭되기도 하는 전극 기판의 각각은 전극 기판의 하나 이상의 표면 상에 투명한 전기 도전성 코팅(212/232)을 포함한다. 전극 기판은 미리 정해진 두께를 갖는 갭들에 의해 전기 광학 결정으로부터 분리되는데, 이는 갭들 내의 투명한 냉매(coolant) 물질을 지지할 수 있다. 일 실시예에서, 전극들은 전기 광학 결정을 직접적으로 가압하여 갭 크기를 본질적으로 0으로 감소시킨다. 일 실시예에서, 광 입력은 전기 광학 결정의 면들에 수직인 방향을 따라 전파되고, 도전성으로 코팅된 전극 표면들은 결정 면들 및 광 개구 모두에 평행인 방향이다. 따라서, 소자는 투과형 모드로 동작한다.
도 2를 참조하면, 도면에 도시된 전기 광학 결정(220)은 미리 정해진 두께 tx를 갖는 DKDP(deuterated potassium dihydrogen phosphate; 중수소화 포타슘 2수소 칼륨)를 포함한다. 본 발명의 실시예들에 따르면, 전기 광학 결정(예컨대, DKDP)의 두께는 약 tx=3mm 내지 약 tx=30mm의 범위, 예컨대 tx=5mm를 갖는다. 얇은 결정일수록 낮은 적분 결정 흡수로 인해 열 복굴절 효과를 감소시키거나 최소화시키기 때문에, 본 명세서에서 논의되는 포켈스 셀에 이용하기 위해서는 박형의 결정(예컨대, 5mm의 두께)이 적합하다. 5mm보다 얇은 결정은 본 발명의 범위 내에 포함되는데, 이는 역효과의 감소 및 기계적 강인성을 제공한다. 전극 갭 내에 기체-기반 냉매를 이용하는 실시예에 대한 도 3과 관련하여 논의된 바와 같이, 갭 내의 전기장이 갭 냉매의 유전 파괴 전기장 EBR보다 작도록 전기 광학 결정의 두께 tx가 충분한 두께로 제공된다:
Figure pct00001
여기서, ε'은 전기 광학 결정의 유전 상수이고, VSWITCH는 스위칭 전압(예컨대, 원하는 편광 회전도에 따른 결정의 반파장 또는 1/4 파장 전압)이다. 예를 들어, 반파장 전압에서 동작하는 10mm 두께의 DKDP 결정에서, 갭 필드는 307kV/cm이다. 따라서, t~1mm의 전형적인 갭 두께 값들은 He:SF6 기체 냉매에 적합하다. 본 명세서에 걸쳐 기술된 바와 같이, 다른 실시예들에서, 갭 두께는 수 밀리(예컨대, 25-50㎛) 이하로 감소된다. 따라서, 수 마이크로미터부터 수십 밀리미터까지 갭 두께의 범위는 본 발명의 범위 내에 포함된다.
도 2에 도시된 전기 광학 소자는 DKDP 결정을 이용하지만, 전기 광학 효과 및 우수한 광 투과도를 보이는 다른 고체들은 다른 실시예들의 사용에 적합하다. 예를 들어, 다른 적절한 전기 광학 결정들은 중수소화(deuterated) KDP, 니오브산 리튬, KTP(potassium titanyl phosphate), RTP(rubidium titanyl phosphate), RTA(rubidium titanyl arsenate), BBO(beta barium borate) 등을 포함하지만, 이에 한정되지 않는다. 또한, 도 2에 도시된 전기 광학 소자는 2개의 전극 기판을 이용하지만, 이러한 특정 구현은 본 발명의 실시예들에 필수적인 것은 아니며, 다른 실시예들에서는 단일 전극 기판이 사용될 수도 있다. 일례로서, PEPC(플라즈마 전극 포켈스 셀; plasma electrode Pockels cell)로부터의 전극 요소들이 제1 전극으로서 사용될 수 있고, 본 명세서에 기술된 전극 기판이 제2 전극으로서 사용되어 전기 광학 소자를 형성할 수 있다. 또한, 도 8과 관련하여 이하 논의되는 바와 같이, 반사형 구현에 단일 전극 기판이 사용될 수 있다. 당업자라면 수많은 변경, 개조, 및 대안을 인식할 것이다.
전극 기판들(210/230)(기판이라고도 지칭됨)은 높은 광 투과, 기계적 강인성, 및 전극 코팅들(212/232)의 형성에 적합한 기판을 제공하는 임의의 적절한 재료로 이루어질 수 있다. 일례로서, 전극 기판들은, 예컨대 1mm 두께의 사파이어 기판일 수 있다. 사파이어는 높은 투명도, 우수한 열 전도율, 및 체적 열 용량 때문에 본 명세서에 기술된 애플리케이션에 적합하다. 또한, 사파이어는 ITO에 근사하게 매칭되는 열 팽창 계수(7×10-6/K)를 보이는데, 이는 ITO의 흡수로 인한 순간적인 가열이 전극 코팅에 최소의 응력을 일으킬 것이라는 것을 의미한다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 계면 응력으로 발생하는 디바이스 파괴를 방지한다. 일 실시예에서, 사파이어는 광 전파 방향에 수직인 방향이 광학적으로 등방성이 되도록 배향되는데, 이는 기판으로 인한 편광 변화를 방지할 것이다. 일례로서, 기판 평면은 c-평면 사파이어일 수 있지만, 이러한 특정 구성은 본 발명에 필수적인 것은 아니다.
대안적인 기판 재료는 셀렌화(selenide) 아연, 산화 아연, 인화 갈륨, 이들 재료, 이들 재료의 조합 등으로 이루어진 세라믹을 포함하지만, 이에 한정되지 않는다. 이들 기판들 중 일부는 낮은 열 성능을 갖는 사파이어보다 저렴한 비용을 제공한다. 열 성능의 추가적인 감소가 이들 기판들과 연관될 수 있음에도 불구하고 글래스 및 용융 실리카가 기판으로서 이용될 수도 있다. 일부 실시예에서, 전극 기판은 또한 광학 시스템에 추가의 파장판(wave plate)을 대체하기 위한 파장판의 기능을 제공하며, 이로써 이용되는 광학 소자의 수를 감소시킨다. 따라서, 전극 기판은 전극 코팅의 형성을 위해 적합한 기판 면으로서 뿐만 아니라 파장판으로서의 이중적인 기능을 수행할 수 있다. 파장판 애플리케이션에 적합한 바와 같이, 전극 기판은 파장판 기능을 제공하기 위해 함께 부착되는 사실상 복수의 판일 수 있다.
다시 도 2를 참조하면, 전극 기판들(210/230)의 하나 이상의 표면 상에 투명한 도전성 전극 코팅(212/232)(전극 코팅 또는 투명한 도전성 전극 박막이라고도 지칭됨)이 제공된다. 일 실시예에서, 전극 코팅은 약 5nm 내지 약 50nm의 범위의 두께를 갖는 ITO(예컨대, In2O3 내의 10% 내지 20%의 주석)를 이용하여 제조된다. 코팅 두께는 코팅 투명도와 전기 저항 간의 트레이드오프를 최적화하기 위한 특정 애플리케이션에 따라 조절될 수 있다. 일례로서, ITO는 코팅 처리와 코팅 처리 후 100℃보다 높은 온도에서 어닐링되는 동안에 100℃보다 높은 온도에서 유지되는 기판 상에 피착될 수 있다.
도 2에 도시된 실시예에서, 전극 코팅들은 코팅된 전극 기판들이 전극 광학 결정(220)과 대향하도록 배치된다. 이러한 배향은 용량성 전압 강하의 감소 및 그에 따른 스위칭 전압의 감소(즉, 기판 양단의 전압 강하가 없음)를 포함하는 이점들을 제공한다. 대안적인 배치는 대향하는 코팅 표면들을 갖는 전극 코팅들을 전기 광학 결정으로부터 멀리 배치하는 것이다. 이는 일반적으로 스위칭 전압을 증가시킬 것이지만, 일부 구성에서는 도전성 코팅 표면과 외부 전원 간의 전기적 컨택(contact)의 제조를 단순화한다.
대안적인 코팅 재료들은 임의의 투명한 도전성 산화물(예컨대, 산화 인듐, 산화 주석, 산화 지르코늄, 산화 아연 등), 임의의 박형 금속 코팅(예컨대, 금, 은, 알루미늄 등), OLED 디바이스에 사용되는 투명한 도전성 폴리머, 또는 그 외 적절한 투명한 도전성 코팅들을 포함한다. 당업자라면 수많은 변경, 개조, 및 대안을 인식할 것이다.
전극 코팅은 스퍼터링, TCOs에 대한 O2의 부분 압력에서의 반응성 스퍼터링, 열 증착, e-빔 증착, 이온 빔 보조 증착, 화학 기상 증착, 딥 코팅, 스프레이 코팅 등을 포함하는 다양한 기법들 중 임의의 기법에 의해 피착될 수 있다. 일부 구현에서, 접착층, 예컨대 Cr 또는 Ti가 전극 재료와 기판 사이에 제공된다. 다른 실시예에서, 버퍼층, 임피던스 정합층 등으로 기능하는 전극 코팅을 형성하기 전에, HfO2, 실리케이트 층 등의 하드 코팅이 기판 상에 피착될 수 있다. 따라서, 전극 기판 상에 직접적으로 전극 코팅을 형성하는 것은 본 발명의 실시예에서 필수적인 것이 아니며, 단지 예시로서 논의된다.
기판의 온도와, 코팅 및 피착 후 임의의 어닐링 동안의 조건들(예컨대, 온도, 분위기 기체(들), 비활성 기체(들), 압력 등)은 전극 코팅에 대해 원하는 투명도 및 전기 저항을 달성하도록 최적화될 수 있다. 피착 및/또는 어닐링 동안의 일반적인 온도는 300℃ 근처일 수 있다. ITO의 피착에 사용되는 일반적인 어닐링 기체는 Ar 또는 N2 등의 비활성 기체 내의 10%의 O2이다. 전기 광학 결정 상에 투명한 도전성 코팅들을 피착하려는 노력과는 대조적으로, 본 명세서에서 사용되는 전극 기판들은 고온 처리에 적합하며, 높은 투명도 및 높은 전도도 모두를 갖는 투명한 도전성 코팅들의 (예컨대, 피착에 의한) 형성을 가능하게 한다.
각각의 전극 코팅과 전기 광학 결정 사이의 갭은 일반적으로 약 0mm 내지 약 1mm의 범위를 갖는다. 특정 실시예에서, 이 갭은 0.5mm이다. 본 명세서의 전체에 기술된 바와 같이, 갭은 애플리케이션에 따라 변하는데, 작은 갭은 정체 냉매(stagnant coolant)와 연관되며, 큰 갭은 유동 냉매와 연관될 것이다. 일부 구현에서, 갭은 기계적 안정성, 강인성, 및 균일성의 제약 조건을 따르면서 스위칭 전압을 최소화하기 위해 가능한 얇게 만들어진다. 스위칭 전압은 다음과 같이 주어진다.
Figure pct00002
여기서, Vπ는 결정의 반파장 전압, tx는 전기 광학 결정의 두께, tGAP은 갭의 두께, ε'x는 전기 광학 결정의 유전 상수, 그리고 ε'GAP는 갭 내의 재료의 유전 상수이다. 정수 m은 스위칭 구성을 기술한다(반파장에 대해서는 m=1, 1/4 파장에 대해서는 m=2). 일부 구현에서, 갭의 두께는 개구 전체의 광 투과 균일성에 대해 갭 변화가 미치는 영향을 최소화하도록 조절된다. 일부 실시예에서, 20 내지 30kV 정도의 스위칭 전압은 100 내지 150ns 정도의 스위칭 시간에 제공된다. 특정 설계에서, 50ns 정도의 스위칭 시간이 달성된다. 본 발명의 범위 내에는 다른 스위칭 전압 및 스위칭 시간도 포함된다.
국소적인 결정의 편광 회전은 결정 내의 국소적인 전기장에 의존한다. 갭 크기가 소자의 개구 전체에 일정하지 않다면, 출력 편광은 불균일할 수 있다. 편광기들 사이에 배치되는 경우, 이러한 불균일성은 광 세기 프로파일의 측방향 불균일을 초래할 수 있다. 예를 들어, tGAP=0.2mm 갭(ε'GAP=1)을 갖는 고 중수소화 KDP(highly deuterated KDP)(Vπ/m=6.4kV, ε'x=48, tx=25mm)에 기반하는 반파장 스위치(half-wave switch)에서, 갭 크기의 10㎛ 변화는 결정 전압을 136V 만큼 변화시킨다. 이러한 변화는 국소적 광 세기를 0.45% 변화시킨다.
갭 두께의 변화는 기계적 조립 결함, 진동, 및 (고압 냉매의 사용으로 인해) 전극들에 걸리는 압력 차(이는 휨을 일으킴)로부터 기인할 수 있다. 유동 냉매를 이용하는 설계에서, 결정을 가로지르는 유동에 의한 압력 강하가 충분히 낮아지는 적절한 폭으로 갭 두께가 제공된다. 일부 실시예에서, 압력 강하는 고압 유동 기체(예컨대, 2~5 atm)에 대해서는 약 0.1mm, 그리고 유동 액체에 대해서는 0.4mm의 갭 두께에서 발생한다.
전술한 바와 같이, 일 실시예에서, 갭 두께는 본질적으로 0으로 감소된다. 이는 전극을 전기 광학 결정에 기계적으로 가압하는 것("드라이 컨택"으로 지칭되는 기법)을 포함하여, 몇몇 방법에 의해 달성될 수 있다. 드라이 컨택 방법은 레이저 유도 손상에 영향을 받기 쉬운 결함의 생성을 방지하기 위해 컨택 표면들의 청결에 대해 극도로 주의하는 것으로부터 이득을 얻는다. 또 다른 방법은 전극과 결정 표면들의 "직접 본딩(direct bonding)"(때로는 "확산 본딩", "접착제가 없는 본딩", 또는 "웨이퍼 본딩"이라고도 지칭됨)이다. 이러한 처리는 SiO2-기반 물질, 예컨대 AR 코팅에 이용될 수 있는 졸겔 물질에 의한 이들 표면들의 코팅을 포함할 수 있다. 졸겔 물질의 이용은 전극 기판과 전기 광학 결정 사이의 결합층(coupling layer)을 제공할 수 있기 때문에, 갭은 제로가 아니지만, 전극 기판과 전기 광학 결정 간에 직접적인 물리적 컨택이 제공된다. 이들 애플리케이션에서는 졸겔 대신에 무기물 유체(inorganic fluid)가 사용될 수도 있다. 또 다른 방법은 투명한 접착제를 갖는 본딩이다. 이 방법은 높은 광 플루언스(fluence) 및 전력에 견딜 수 있는 접착제를 사용한다. 갭 두께를 실질적으로 0으로 감소시키는 다른 방법들은 본 발명의 범위 내에 포함되며, 이들 방법들은 단지 예시로서 제공된다. 당업자라면 수많은 변경, 개조, 및 대안을 인식할 것이다.
전기 광학 결정의 냉각을 용이하게 하기 위해, 전극 기판들과 전기 광학 결정들 사이의 갭 영역 내에 유동 또는 정체 "냉매" 재료가 제공될 수 있다. 이러한 냉매는 투명한 기체, 액체 등을 포함할 수 있다. 일 구현에서, SF6 기체가 2.5atm 압력에서 사용되는 반면, 다른 구현에서는, SF6:He의 1:1 혼합물(체적 단위)이 5atm에서 사용된다. 정체 냉매의 설계는 적어도 2.5atm 부분 압력의 SF6를 포함하는 기체 또는 유전 파괴를 방지하기 위해 적절한 다른 기체를 사용할 수 있다. 상기 기체에 헬륨의 부가는 냉각 기체의 열 전도율을 향상시킨다. 기체 냉매의 조성은 높은 레이저 플루언스 또는 전력에서 TCO의 화학적 분해를 방지하기 위해 부분 압력을 갖는 산소를 포함할 수 있다. 레이저 샷(laser shot) 동안 냉매가 소자를 통해 흐르는 펄스 형태로 냉매의 흐름이 제공되어, 상기 샷 동안 정체 유체가 제공되고 그 후 샷들 사이의 유동 냉매를 이용하여 열을 제거할 수 있다. 따라서, 유동 냉매의 본 발명의 실시예로의 융합은 주어진 기간 동안 소정 시간에서 냉매가 0이 아닌 흐름을 갖는 구현들을 포함한다.
냉각 액체를 이용하는 구현에서, 갭 영역 내에는 플루오르화 데칼린(데카히드로나프탈린)이 제공된다. "냉매"의 목적은 (전극 면들의 외부 냉각을 가정하는 경우) 결정면들과 전극들 사이의 열 전도 경로를 제공하여, 결정면들을 넘어 유동함으로써 직접적인 열 제거를 제공하는 것이거나, 또는 다른 냉각 기능일 수 있다. 투명한 전극들과 관련하여 논의된 바와 같이, 냉매재의 투명도는 100%의 투명도를 요구하는 것이 아니며, 단지 높은 투과도 값을 요구한다.
기판 면들을 외부 유동 유체로 면 냉각을 행함으로써 소자가 외부적으로 냉각되는 실시예들에서, 기판의 두께는 일반적으로 기계적 강도는 부합하면서 (낮은 열 저항을 제공하기 위해) 가능한 얇다. 기계적 강도 요건은 갭 "냉매"와 기판 외부의 매체 간의 임의의 압력 차에 의해 영향을 받는다.
전술한 바와 같이, 액체, 기체, 및 이들의 조합이 냉매로서 사용될 수 있다. 액체는 정체 냉매 또는 유동 냉매로서 사용될 수 있다. 냉매 액체를 유동시킴으로써 얻을 수 있는 장점은 높은 광 플루언스로부터 기인하는 카본 부산물이 액체로부터 연속적으로 필티링되어 영구적인 광 열화를 방지할 수 있다는 것이다. 유동 냉매는 정체 냉매에 대해 전술한 바와 동일한 기체를 사용할 수 있거나, 또는 광 손상에 저항성을 갖는 투명한 액체를 사용할 수 있다. 당업자에게는 명백할 것이지만, 소자의 냉각은 유동 유체로의 열 전달을 포함할 수 있으며, 유동 유체는 그 후 소자의 외부에서 냉각된다(그리고 필터링될 수도 있다). 이러한 냉각 설계는 면 냉각을 제공할 수 있는데, 이는 열 복굴절 효과를 감소시키거나 최소화시킨다.
도 2에 도시된 바와 같이, 전극 기판들과 전기 광학 결정은 광 입력으로부터 광 출력으로 확장되는 광 경로를 따라 배치된다. 일 실시예에서, 각종 광학 소자들의 중심들은 광 경로를 따라 배치되어 도시된 각종 광학 소자들을 포함하는 단일 광학 시스템을 형성한다. 따라서, 본 실시예에서, 전극 기판들은 전기 광학 결정의 반대측들에서 전기 광학 결정에 인접해 있으며, 전극 기판들의 입력면 및 출력면과 전기 광학 결정은 평행하다. 다른 실시예들에서, 입력면 및 출력면은 일반적으로 평행하지만 반사를 감소시키기 위해 기울어져 있다. 본 발명에서는 평행한 면들이 필수적인 것이 아님을 유념해야 한다. 일례로서, 전극 및 전기 광학 결정 면들은 만곡(curved)될 수 있으며, 만곡된 면들에 걸쳐 일정한 기체를 제공한다. 따라서, 본 설명에서 평행이라는 용어의 사용은 면 평행을 요구하는 것으로 의도된 것이 아니다. 당업자라면 수많은 변경, 개조, 및 대안을 인식할 것이다.
도 3은 유동 냉매를 포함하는 본 발명의 일시예에 따른 포켈스 셀의 개략적인 측면도이다. 도 3-7은 포켈스 셀로서 이용된 본 발명의 실시예들에 대해 설명하지만, 이러한 구현들은 포켈스 셀로서의 이용에 한정되지 않으며, 다른 전기 광학 소자들도 본 발명의 범위 내에 포함된다. 따라서, 포켈스 셀에 대한 설명은 본 발명의 다양한 양태들이 설명될 수 있는 것 중에 예시적인 실시예들을 설명하기 위해 단지 제공된 것에 불과하다. 갭 영역 내의 냉매가 도 3에 도시된 바와 같이 유동하는 경우, 이 냉매는 전술한 바와 같은 소자 냉각에 이용될 수 있다. 이 유동 냉매는 외부적으로 필터링되어, 고 에너지 또는 고 전력 동작 하에서 신뢰성을 제한할 수 있는 레이저 유도 냉매 열화에 의해 형성되는 입자들 및 오염물의 축적을 방지할 수 있다. 도 3의 명료함을 위해 AR 코팅들이 도시되지 않았지만, 사용될 수도 있다.
전극 기판들(310/330)은 전극 코팅들(312/332)을 포함한다. 전기 광학 결정(320) 양단에는 전압이 인가될 수 있다. 전극 코팅들과 전기 광학 결정 사이의 갭들이 두께가 동일한 것으로 도시되어 있지만, 이는 본 발명의 실시예들에 필수적인 것은 아니다.
도 4는 외부 유동 냉매를 포함하는 본 발명의 일 실시예에 따른 포켈스 셀의 개략적인 측면도이다. 도 4에 도시된 실시예에서, 전극 갭 내의 냉매는 정체되어 있으며, 정체된 냉매로부터 외부 열 싱크(미도시)로의 열 전달을 행하기 위해 외부 냉각이 이용된다. 도 4에 도시된 실시예에서, 전극 기판의 외부면들에 대해 유동하는 개별 냉매는 이러한 유동 냉매를 포함하도록 외부 윈도우 쌍을 따라 제공된다. 일 구현에서, 유동 냉매(즉, 외부 냉매)는 고압 헬륨 기체를 포함한다. 유동 냉매가 높은 전기장 내에는 배치되어 있지 않으므로, 전기적 파괴의 방지를 위해 SF6가 요구되지는 않는다. 유동 기체 냉매 외에, 유동 액체 냉매가 사용될 수도 있다. 도 4의 명료함을 위해 AR 코팅들이 도시되지 않았지만, 사용될 수도 있다.
도 4에 도시된 외부 윈도우들은 광 손상에 저항성을 갖는 임의의 투명한 재료, 예컨대 용융된 실리카 또는 사파이어일 수 있다. 외부 윈도우들의 두께는 압력 차와 연관된 응력 복굴절로 인한 편광 변형을 방지하도록 선택된다.
도 5는 측방향 전도(lateral conduction)를 포함하는 본 발명의 일 실시예에 따른 포켈스 셀의 개략적인 측면도이다. 도 5에 도시된 대안적인 설계는 전극 기판들의 엣지들을 방열시킴으로써 소자의 전도 냉각(conductive cooling)(즉, 전극 기판을 통한 측방향 전도)을 제공한다. 이러한 방식은 충분한 열 전도율을 갖는 전극 기판들, 예컨대 사파이어, ZnO, ZnS 등을 이용한다. 본 구현에 있어서 글래스 또는 실리카 기판들이 보다 덜 적합할지라도, 이들은 전극 기판들로서 함께 사용될 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 반사 방지형 코팅들을 포함하는 포켈스 셀의 개략적인 측면도이다. 일반적인 구현에서, 이러한 소자의 모든 적합한 표면들에는, 예컨대 도 6에 도시된 바와 같이, AR 코팅이 행해질 것이다. AR 코팅에 적합한 표면들은 전기 광학 결정(644/646)의 양 표면, 양 전극 기판들(640/642 및 648/650)의 양 표면, 및 부가적인 냉각 유체를 한정하는 데 사용되는 임의의 외부 윈도우의 표면들을 포함한다. AR 코팅들은 도전성 코팅의 상부에 도포될 수 있다; 즉, 층 스택은 도시된 구현에서 전극 기판/도전성 코팅(620/622)/AR 코팅(642/648)이다. 특정 애플리케이션에 따라, 이들 표면들 중 하나 이상은 전기 광학 소자를 통과하는 광 투과도를 개선하기 위해 AR 코팅될 수 있다. 특정 애플리케이션에 따라, 이들 표면들 중 하나 이상은 광 에탈론 효과(optical etalon effect)를 감소시키거나 최소화시키기 위해 기울어질 수 있다. 따라서, 도 6에 도시된 구현에서는 모든 표면들이 코팅되어 있지만, 이는 본 발명에 필수적인 것은 아니다. 일례로서, 유동 액체 냉매를 이용하는 일부 구현에서는, 액체 냉매가 인덱스 매칭 기능을 제공하여, 전기 광학 결정 및 전극 코팅 상의 AR 코팅에 대한 필요성을 감소시키거나 제거할 수 있다. 따라서, 일부 표면들은 구현에 따라 AR 코팅되지 않을 수도 있다. 당업자라면 수많은 변경, 개조, 및 대안을 인식할 것이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 복굴절 보상을 포함하는 포켈스 셀 세트의 개략적인 측면도이다. 특정 냉각 구조, 또는 매우 큰 광 전력에 대해, 전기 광학 소자는 바람직하지 않은 잔여 열 복굴절을 보일 수 있다. 이 경우, 도 7에 도시된 2개의 전기 광학 소자 사이에 광 회전기 결정(optical rotator crystal)이 직렬로 배치되어 있는 이들 2개의 전기 광학 소자를 이용하여 열 복굴절을 보상할 수 있다. 광 회전기는 쿼츠 또는 이티온산 칼륨 등의 키랄(chiral)의 (광학적으로 활성화된) 결정을 이용하여 실현될 수 있다. 1㎛ 파장에서의 동작에서, 쿼츠 회전기는 약 13.7 mm의 두께를 갖는다. 회전기 결정은 일반적으로 AR 코팅이 되어 있다. 대안적으로, 광 회전기는 자기장 내에서 패러데이 회전기 재료를 사용할 것이다. 적절한 패러데이 회전기 결정들은 테류븀 갈륨 가넷, 소정의 도핑된 글래스 등을 포함한다.
도 7에 도시된 실시예에서, 동일하거나 또는 거의 동일한 두께를 갖는 전기 광학 결정들을 사용하는 것이 바람직하다. 보상되는 복굴절은 횡방향 전극의 구성에 비해 매우 작기 때문에, 두께 매칭에 대한 공차는 횡방향 구성으로부터 크게 완화된다. 예를 들어, 25 mm 두께의 결정을 갖는 고 중수소화(98%) KDP는 3.6×10-4의 열 복굴절을 보일 것이며, 0.26 mm 정도의 두께 매칭을 필요로 할 것이다. 도 7의 명료함을 위하여 AR 코팅이 도시되어 있지 않지만, 이용될 수는 있다.
과잉의 열 복굴절을 보상하기 위한 대안적인 방법은 별도로 전기 광학 결정의 주변을 가열하는 것이다. 이는, 예컨대 저항성 히터들을 이용하여 추가의 광원으로부터의 조사에 의해, 또는 그 외 적절한 기법을 이용하여 달성될 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 반사형 스위치의 개략적인 측면도이다. 본 구현에서, 전술한 바와 같이 투과형 모드 소자에서와 동일한 전극 방식이 반사형 모드 소자에 적용된다. 도면에 도시된 바와 같이, 단일 전극은, 투명한 전기 도전성 박막(820)으로 코팅된 한 면을 갖는 투명한 기판을 포함하는 갭-결합형 전극 기판(810)의 형태로 사용된다. 금속 열 싱크(860)는 방열을 제공하는 데 이용될 수 있다. 도시된 실시예에서, 갭 내의 냉매는 선택적이다. 도 8에 도시된 설계에 대한 변형례로서, 금속 블록은 전기 광학 소자의 광 스루풋(optical throughput) 및 광 손상 임계치 모두를 향상시키기 위해 고 반사(HR) 코팅(850)으로 코팅될 수 있다. 전기 광학 결정에 대한 전압의 인가는 입력 광의 편광이 변경되게 하여, 스위칭 기능을 제공할 수 있다. AR 코팅(840/842/844)이 도시되어 있다. 당업자라면 수많은 변경, 개조, 및 대안을 인식할 것이다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 반사형 전기 광학 소자가 제공된다. 반사형 전기 광학 소자는 입력면 및 출력면을 갖는 전극 기판과 출력면에 결합된 전극 코팅을 포함한다. 반사형 전기 광학 소자는 제1 면 및 제2 면을 갖는 전기 광학 결정을 더 포함한다. 전기 광학 결정의 제1 면은 미리 정해진 두께를 갖는 갭에 의해 전극 코팅으로부터 분리되어 있다. 전기 광학 결정의 제2 면에는 HR 코팅이 결합되어 있다. 전기 광학 결정은 전기 광학 결정의 제2 면에 열적으로 결합된 열 싱크에 탑재된다. 전극 기판의 입력면 상에 입사하는 광은 전극 기판, 투명한 전극 코팅, 갭, 및 전기 광학 결정을 통과한다. 그 후 광은 HR 코팅에 의해 반사되고, 도 8에 도시된 바와 같이 전술한 구조들을 되돌아 통과한다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 포켈스 셀을 동작시키는 방법을 도시한 개략적인 흐름도이다. 본 방법은 입력면, 출력면, 및 출력면에 결합된 제1 전극 코팅을 갖는 제1 전극 기판을 구비한 포켈스 셀을 제공하는 단계(910)를 포함한다. 또한, 포켈스 셀은 제1 전극 기판과 입력면, 출력면, 및 입력면에 결합된 제2 전극 코팅을 갖는 제2 전극 기판에 인접하여 배치된 전기 광학 결정을 구비한다. 일례로서, 전기 광학 결정은 DKDP일 수 있다. 본 명세서 전체에서 논의되는 바와 같이, 제1 전극 코팅이 ITO를 포함할 수 있고, 제2 전극 코팅이 ITO를 포함할 수 있다. 또한, 본 방법은 제1 편광 상태를 갖는 입력 빔을 제1 전극 기판의 입력면 상에 충돌하게 하고(912), 입력 빔의 적어도 일부를 제1 전극 기판에 통과시키고(914), 입력 빔의 적어도 일부를 제1 전극 코팅에 통과시키도록 방향 설정하는 단계(916)를 포함한다.
본 방법은 제1 전극 코팅과 제2 전극 코팅 사이에 전압을 인가하고(918), 전기 광학 결정을 이용하여 제1 편광 상태를 제2 편광 상태로 변화시키는 단계(920)를 더 포함한다. 일부 실시예에서, 편광 상태의 변화는 반파장에 대한 제1 편광 상태와 제2 편광 상태 간의 위상 차에 연관되어 있는 한편, 다른 실시예에서, 편광 상태의 변화는 1/4 파장에 대한 제1 편광 상태와 제2 편광 상태 간의 위상 차에 연관되어 있다. 따라서, 포켈스 셀은 반파장 플레이트(half-wave plate), 1/4 파장 플레이트 등으로서 기능할 수 있다. 동작 중에, 포켈스 셀은 선형의 편광 상태를 원형의 편광 상태, 타원형의 편광 상태 등으로 전환할 수 있다. 또한, 본 방법은 입력 빔의 적어도 일부를 제2 전극 코팅에 통과시키는 단계(922) 및 입력 빔의 적어도 일부를 제2 전극 기판에 통과시키는 단계(924)를 포함한다.
도 9에 도시된 특정 단계들은 본 발명의 일 실시예에 따른 포켈스 셀을 동작시키는 특정 방법을 제공한다. 대안적인 실시예들에 따라, 다른 순서의 단계들이 수행될 수도 있다. 예를 들어, 본 발명의 대안적인 실시예들은 전술한 단계들을 다른 순서로 수행할 수 있다. 또한, 도 9에 도시된 개별 단계들은 개별 단계에 적합한 다양한 순서로 수행될 수 있는 복수의 서브-단계들을 포함할 수 있다. 또한, 특정 애플리케이션들에 따라 추가의 단계들이 부가되거나 또는 제거될 수 있다. 당업자라면 수많은 변경, 개조, 및 대안을 인식할 것이다.
투명한 도전성 박막의 레이저-유도 가열로 인한 열 응력 및 기계적 응력을 시뮬레이션하였다. 박막 기판의 최적화로 인한 변화들을 조사하였다. 상기 막 및 기판의 특성을 표 1에 나타내었다. 두께 100nm의 어닐링된 막 및 어닐링되지 않은 막의 ITO 광 흡수에 대한 전형적인 값들이 선택되었다.
재료 열전도율
W/m-K		 열용량
J/kg-K		 밀도
kg/cm3 		열팽창
ppm/K		 영률
GPa		 광흡수
ITO(어닐링되지 않음) 3.2 365 7140 7.25 170 5%
ITO(어닐링됨) 3.2 365 7150 7.25 170 2%
DKDP 1.4 857 2355.5 24.90
사파이어 42.0 761 3980 7.00
용융 실리카 1.4 740 2200 0.55
온도에 독립적인 재료 파라미터들을 이용하는 순간적인 1차원 써멀 솔버(thermal solver)를 이용하여, 코팅의 레이저-유도 가열로 인한 열기계적 충격(thermomechanical shock)을 시뮬레이션하였다. 모든 시뮬레이션에는 100nm의 코팅 두께가 사용되었다. 플루언스 0.35J/cm2 및 듀레이션 3ns의 직사각형(square) 레이저 펄스가 상정되었으며, 박막 내의 균일한 체적 가열에 의한 것으로 시뮬레이션되었다. 2%의 투명도 및 100nm의 막 두께에서, 이것은 상기 펄스 동안에 2.33×1017W/m3의 피크 가열 부하에 해당한다.
열적 시뮬레이션은 ITO 표면 및 ITO-기판 계면에서 최대 온도를 제공한다. 계면 온도는 다음 식을 이용하여 코팅 상에 열적으로 유도된 응력 및 변형을 추정하는 데 이용될 수 있다.
변형 ε= Δα ΔΤ
응력 σ= Ε ε,
여기서, ΔΤ는 계면에서의 온도 증가량, Δα는 ITO와 기판 사이의 시차 열팽창(differential thermal expansion), E는 코팅의 영률이다.
레이저-유도형 열기계적 부하에 대한 시뮬레이션 결과가 표 2에 도시되어 있다. DKDP 상의 어닐링되지 않은 ITO에서, 코팅 온도는 매우 높다. 대응하는 기계적 응력은, 예컨대 ITO의 휨 강도(flexural strength) 165MPa에 비해 (팽창 계수의 큰 불일치로 인해) 매우 크다. 145℃에서 DKDP의 파괴적 상 전이로 인해, DKDP 기판 상에서의 어닐링은 실현 가능하지 않다. 이러한 결과들은 DKDP 상에 피착된 ITO에 대해 성취될 수 있는 작은 광 손상 임계치를 반정량적으로 설명해 주는데, 이는 (보다 큰 물질 흡수율로 인한)높은 광 흡수, DKDP의 열등한 열적 특성, 및 ITO와 DKDP 간의 팽창 계수의 큰 불일치로부터 기인한다.
기판
 ITO 흡수
 온도 상승(K) 계면 부하
ITO 표면 계면 응력(MPa) 변형
DKDP 5% 613.7 418.5 1255 7.40E-03
용융 실리카 2% 245.8 173.8 198 1.16E-03
사파이어 5% 559.8 142.0 6.0 6.50E-05
사파이어 2% 220.9 56.8 2.4 1.40E-05
또한, 표 2는 (코팅의 흡수를 낮추는) 어닐링이 어떻게 열기계적 부하들을 개선된 레벨로 향상시키는지를 보여준다. 특히, ITO의 최대 레이저-유도 온도 상승은 일반적으로 TCO 막들에 이용되는 어닐링 온도(300~500℃)와 유사하다. 이러한 결과들은 글래스 기판 상의 ITO에 대해 관찰되는 우수한 광 손상 저항성을 설명한다.
마지막으로, 시뮬레이션은 실리카 상에서 어닐링된 ITO의 계면 응력이 여전히 다소 높다(198MPa)는 것을 나타낸다. 동일한 막들이 사파이어 기판 상에서는 매우 낮은 응력을 보여주는데, 그 이유는 사파이어가 높은 열 전도율로 인해 계면으로부터 열을 제거하는 우수한 열 수송력을 제공함과 함께, 팽창 계수가 ITO와 근접하게 일치하기 때문이다. 이러한 결과들은 ITO가 사파이어 기판 상에 피착될 때 레이저-유도 가열에 대해 매우 강건할 것이라는 것을 의미한다(80×낮은 계면 변형).
이하에는 본 발명의 실시예와 관련된 소자 설계 및 성능 계산을 제공한다. 설계는 25×25 cm2의 개구를 가정하고, 고 중수소화 z-절단 DKDP 결정을 이용한다. 계산에 이용되는 DKDP 특성들은 다음과 같다:
흡수 계수, z: 0.25%/cm
유전 상수, z: 48
반파장 전압: 6.4 kV
열 전도율, z: 1.2 W/m-K
열 전도율, xy: 1.4 W/m-K
ln νπ의 온도 계수 = d ln νπ/dT: 0.0132/K
큐리(Curie) 온도: 222 K
큐리 상수: 3572 K
열 팽창, z: 44 ppm/K
열 팽창, xy: 24.9 ppm/K
기계적 강성 텐서 Cij: Landolt Bornstein로부터
ITO 코팅의 흡수는 전극당 2%인 것으로 가정하였다.
플루언스 0.345J/cm2 및 반복 속도 16Hz의 광 빔을 가정하여 설계가 평가되었다. 이는 포켈스 셀 상에 입사되는 펄스 에너지 215.6J 및 평균 전력 3.45kW에 해당한다.
시뮬레이션 방법론은 내부 결정 온도 변화, 및 유동 냉매의 열량 상승(caloric rise)에 있어서, 스위칭 전압 및 소자 용량에 대한 분석적 공식(analytic fomulae)을 사용하였다(프린징 자장(fringing field)에 의한 면에 평행한 커패시터 근사는 무시하였다). 압력 차로 인한 기계적 플레이트 변형(휨)에는 분석적 급수 전개(analytic series expansion)를 사용하였다.
유체 흐름으로 인한 압력 강하는 난류(turbulent flow)에 대해서는 스무드 채널용 페투호프 상관(Petukhov correlation)을 이용하고, 층류(laminar flow)에 대해서는 다르시(Darcy)의 공식을 이용하여 계산하였다. 유동하는 유체의 경계 층들을 가로지르는 대류성 열 전달은 난류에 대해서는 Gnielinski 상관을 이용하고, 층류에 대해서는 균일한 온도 상관을 이용하여 계산하였다. 이러한 결과들은 스무드 채널과 완전히 발달한 흐름을 가정하고, 채널로의 전이 및 채널로부터의 전이와 연관된 압력 강하는 무시한다.
난류성 기체 흐름에서 광 산란으로 인한 손실은 실험적 데이터로부터 결정된 상관들을 이용하여 추정되었는데, 예컨대 결과들이 N2에 대해 얻어졌으며, Gladstone-Dale 계수들의 비를 이용하여 다른 기체들에 대해 스케일링되었다.
"오프" 상태(인가 전압 없음)에서의 소광비(extinction ratio)의 열화는 일부 실시예에서 적은 양의 광이 스위치를 통해 누출을 야기하는 열 복굴절에 의해 축퇴된다. 이러한 누출은 레이저-유도 가열(결정 흡수)로 인해 발생하는 DKDP 내의 변형 분포 및 온도 분포에 대한 유한 요소의 계산으로부터 추정되었다. 이러한 계산들은 결정의 이방성 열적 특성 및 기계적 특성을 이용하였다. 변형 분포는 다음의 식을 이용하여 복굴절에 매핑되었다.
δn= n3 p66 εxy
여기서, p는 변형-광 계수(strain-optic coefficient)이다.
우리의 세부적인 결과에서는 아이솔레이션, 즉 이상적인 소자에서 0.0인 역 소광비로서 보고되었으며, 유한한 열 복굴절을 가지며, 이는 다음의 식으로 주어진다.
sin2 2πδn L/λ
냉매의 열량 상승으로 인해 선형의 횡방향 온도 기울기를 갖더라도, 면 냉각(face-cooled)이 행해진 소자들은 이상적으로는 열 복굴절을 보이지 않지만, 유한한 양의 레이저 빔은 일반적으로 레이저 빔의 엣지에서의 횡방향 열 확산으로 인해 유한한 복굴절을 생성한다.
복굴절로 인해 계산되는 소광비의 열화는 단지 열 복굴절을 포함한다. 이는 압력 차가 발생하기 쉬운 윈도우들 및 기판들의 응력 복굴절을 포함하지 않는다; 이러한 효과는, 필요하다면, 기계적 응력이 가해진 재료들의 두께를 증가시킴으로써 완화될 수 있다.
"온" 상태에서(0가 아닌 전압의 인가), 광 출력 편광 (및 편광기의 트래버싱 후의 강도)의 횡방향 변화는 전극을 휘게 하거나 또는 결정에 대한 열적 변화에 의해 유도될 수 있다. 휨 효과는 결정 내의 국소적인 자장에 대한 평행판 커패시터 공식을 이용하여 추정되었다. 온도 효과는 νπ의 온도 계수 및 DKDP 유전 상수의 온도 변화(큐리의 법칙)으로부터 추정되었다.
이하의 섹션은 본 발명의 실시예들에 따른 4가지의 서로 다른 설계에 대한 상세 사항을 제공한다. 모든 경우에서, 이하의 설계 제약이 만족되었다.
DKDP 결정 두께는 항상 내부 종방향 온도 변화(도 1의 z축을 따름)가 1℃보다 작다는 것을 보장하도록 제한되었다. 이는 결정 내의 내부 응력이 파괴 한계인 6%보다 작도록 유지시킨다.
DKDP 두께, 기체 조성, 및 기체 압력의 조합은 기체 내부의 전기장이 기체의 유전 파괴 자장의 1.8배보다 항상 작도록 조절되었다.
갭 두께는 항상 적어도 25 마이크로미터였다.
유동 냉매의 압력 강하는 결코 1psi를 넘지 않았다.
윈도우들 및 기판들의 두께는 이들 재료에 걸리는 압력 차에 의한 파괴에 대한 안전 마진(safty margin)의 적어도 1.5배를 제공하기에 항상 충분하였다.
소자에 대한 냉매의 입구 온도는 냉동의 필요성을 방지하기 위해 300K이었다.
4가지 예시적인 설계는 다음과 같이 요약될 수 있다:
일반적인 설계는 21 내지 31 kV의 반파장 스위칭 전압을 요구한다. 특정 설계는 7 내지 8kV의 낮은 스위칭 전압을 제공하지만, 이들 설계는 25 내지 50 마이크로미터의 안정된 갭 크기를 유지하는 것을 필요로 하고, 열 복굴절에 보다 영향을 받기 쉽다.
액체 냉각 소자들은 매우 낮은 열 복굴절을 제공할 수 있으며, 또한 (8mm 미만의) 얇은 DKDP 결정들 및 사파이어 기판들을 이용할 수 있다. 이들 소자에 대한 주된 관심은 높은 광 전력 및 플루언스에서 액체 냉매에 대한 장시간의 안정성이다.
기체 냉매를 갖는 소자들은 기체 파괴를 방지하기 위해 두꺼운 DKDP 결정들(25mm) 및 높은 기체 압력(5atm)을 요구한다. 이는 두꺼운 기판들 또는 윈도우들을 필요로 한다. 또한, 이는 증가된 열 복굴절로 인해 국소적 소광비(1.2%)의 상당한 손실을 일으킨다. 이렇게 감소된 소광값은 결정의 소영역에 국소화된다.
횡단으로 냉각된 소자는 나쁜 국소적 소광을 보인다(>2%).
설계 1: 갭 내의 유동 기체 냉매를 갖는 면 냉각 설계(도 3 참조)
설계 파라미터들
결정 두께: 25 mm
갭 두께: 1.0 mm
기판: c-평면 사파이어
기판 두께: 20 mm
냉매: 체적비 1:1 He:SF6, 5atm 압력
냉매 유동: 18m/s
열적 및 냉각 성능
냉매의 열량 상승: 0.3℃
결정 내부의 온도 상승: 0.9℃
경계층의 온도 상승: 2.6℃(결정과 냉매의 계면)
전체 결정의 온도 상승: 3.8℃
냉매 유동 압력 강하: 0.5psi
전기적 성능
반파장 스위치 전압: 30.9kV
용량: 257pF
전기 광학 성능
광 흡수: 4.6% (KDP + ITO)
광 산란 손실: 0.16% (SF6 기체)
국소적 소광 열화: 1.22% (열 복굴절)
투과 시 콘트라스트 열화
휨 <0.01%
횡방향 온도 변화 <0.01%
갭 내의 전기장은 기체의 파괴 전기장보다 1.8배 낮은 레벨에 있으며, 스위칭 전압은 갭을 0.7mm로 감소시키고, 냉매 유동을 8.4m/s로 변경하고, 0.6C의 열량 상승을 허용함으로써 23.5 kV로 감소될 수 있다. 이러한 변화들은 337 pF의 증가된 소자 용량을 초래하고, 2cm의 기판 두께는 충분한 파괴 저항을 제공하고, 기판의 휨(가압된 냉매로 인해 국소화된 스위치 전압의 변화)을 방지하고, 9.2cm의 실리카 기판은 사파이어 대신 사용될 수 있다. 그러나, ITO의 파괴 저항은 감소될 가능성이 있다.
설계 2: 갭 내의 유동 액체 냉매를 갖는 면 냉각 설계(도 3 참조)
설계 파라미터들
결정 두께: 8mm
갭 두께: 0.4mm
기판: c-평면 사파이어
기판 두께: 5mm
냉매: 플루오르화 데칼린
냉매 유동: 0.24m/s
열적 및 냉각 성능
냉매의 열량 상승: 0.1℃
결정의 내부 온도 상승: 0.1℃
경계층의 온도 상승: 2.0℃ (결정과 냉매의 계면)
전체 결정의 온도 상승: 2.2℃
냉매 유동 압력 강하: 1.0psi
전기적 성능
반파장 스위치 전압: 20.8kV
용량: 1194pF
전기 광학 성능
광 흡수: 4.2% (KDP + ITO)
광 산란 손실: 0% (SF6 기체)
국소적 소광 열화: 0.02% (열 복굴절)
투과 시 콘트라스트 열화
휨 <0.01%
측방향 온도 변화 <0.01%
액체 냉매는 외부적으로 필터링되어(마이크로 세공) 레이저-유도 열화에 의해 생성되는 잠재적인 불순물들을 제거한다는 점에 유념해야 한다.
설계 3: 기판의 외부에 기체 냉매를 유동시키는 면 냉각 설계(도 4 참조)
설계 파라미터들
결정 두께: 25mm
갭 두께: 0.050mm
갭 재료: 정체(stagnant) 1:1 He:SF6 체적비, 5atm 압력
기판: c-평면 사파이어
기판 두께: 1mm
윈도우: 용융 실리카
윈도우 두께: 10mm
냉매: 1:1 He:SF6 체적비, 5 atm 압력
냉매 유동: 25.5m/s
열적 및 냉각 성능
냉매의 열량 상승: 0.4℃
결정 내부의 온도 상승: 0.9℃
경계층의 온도 상승: 4.8℃ (결정과 냉매의 계면)
전체 결정의 온도 상승: 6.1℃
냉매 유동 압력 강하: 0.2psi
전기적 성능
반파장 스위치 전압: 7.6kV
용량: 1041pF
전기 광학 성능
광 흡수: 4.6% (KDP + ITO)
광 산란 손실: 0% (SF6 기체)
국소적 소광 열화 TBD, >1.22% (열 복굴절)
투과 시 콘트라스트 열화
휨 0%
횡방향 온도 변화 <0.01%
갭 내의 전기장은 기체의 파괴 전기장보다 1.8배 낮은 레벨에 있으며, 냉매에서 SF6의 난류가 발생하지 않으므로, 산란 손실이 본질적으로 0이고; 기판에 압력 강하가 없으므로, 그 두께는 기계적 강인성의 고려에 의해서만 제한되고; 기판에 압력 강하가 없으므로, 콘트라스트의 휨-유도(bowing-induced) 열화가 없으며; 기체 조절을 간소화하기 위해, 본 설계의 변형에서는 갭과 기체 및 유동 냉매 모두에 대해 1:1의 He:SF6 혼합물을 이용한다는 점에 유념해야 한다. 이는 경계층의 온도 상승을 2.6℃, 그리고 전체 온도 상승을 4.1℃ 감소시킨다. 그러나, 이는 광 산란 손실을 0.03% 증가시킨다.
설계 4: 갭 내에 정체 기체를 갖는 엣지 냉각(전도 냉각) 설계(도 5 참조)
설계 파라미터들
결정 두께: 25mm
갭 두께: 0.025mm
갭 재료: 정체(stagnant) 1:1 He:SF6 체적비, 5atm 압력
기판: c-평면 사파이어
기판 두께: 23mm
유동 냉매: 없음
열적 및 냉각 성능
횡방향 온도 변화: 1.8℃(결정 개구에 대한 변화)
결정 내부의 온도 상승: 0.9℃
전체 결정의 온도 상승: 미계산
전기적 성능
반파장 스위치 전압: 7.0kV
용량: 1131pF
전기 광학 성능
광 흡수: 4.6% (KDP + ITO)
광 산란 손실: 0% (SF6 기체)
국소적 소광 열화 2.1% (열 복굴절)
투과 시 콘트라스트 열화
휨 0%
횡방향 온도 변화 0.03%
갭 내의 전기장은 기체의 파괴 자기장보다 1.8배 낮은 레벨에 있으며, 냉매에 SF6의 난류가 없으므로, 산란 손실이 본질적으로 0이라는 점에 유념해야 한다.
본 명세서에 기술된 예시들 및 실시예들은 단지 예시를 위한 것이며, 다양한 개조 및 변경들이 당업자에게 제안될 것이며, 본 출원 및 첨부한 청구범위의 사상 및 영역 내에 포함된다는 것을 이해해야 한다.

Claims (29)

  1. 전기 광학 소자에 있어서,
    미리 정해진 두께 및 면을 갖는 전기 광학 결정;
    상기 면에 대향하여 배치된 전극 기판 - 상기 전극 기판은 일정 두께를 갖는 기판 재료 및 상기 기판 재료에 결합된 전극 코팅을 포함함 - ; 및
    상기 전극 코팅에 전기적으로 연결된 전압원
    을 포함하는 전기 광학 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전기 광학 결정은 제2 면을 더 포함하고, 상기 전기 광학 소자는 상기 제2 면에 대향하여 배치된 제2 전극 기판을 더 포함하고, 상기 제2 전극 기판은 제2 두께를 갖는 제2 기판 재료 및 상기 제2 기판 재료에 결합된 제2 전극 코팅을 포함하고, 상기 전압원은 상기 제2 전극 코팅에 전기적으로 연결되어 있는,
    전기 광학 소자.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 기판 재료 또는 상기 제2 기판 재료 중 적어도 하나는 사파이어를 포함하는 전기 광학 소자.
  4. 제2항에 있어서,
    적어도 하나의 제1 전극 코팅은 상기 제1 기판 재료와 상기 전기 광학 결정 사이에 배치되거나, 또는 상기 제2 전극 코팅은 상기 제2 기판 재료와 상기 전기 광학 결정 사이에 배치되는 전기 광학 소자.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 제1 전극 코팅 및 상기 제2 전극 코팅은 ITO를 포함하는 전기 광학 소자.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 제1 전극 코팅 또는 상기 제2 전극 코팅 중 적어도 하나의 코팅 상에 배치된 반사 방지 코팅을 더 포함하는 전기 광학 소자.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1 면 및 상기 제2 면 상에 배치된 반사 방지 코팅을 더 포함하는 전기 광학 소자.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 제1 전극 코팅과 상기 제1 면 사이에 제1 갭이 정의되거나, 또는 상기 제2 전극 코팅과 상기 제2 면 사이에 제2 갭이 정의되는 전기 광학 소자.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1 갭 또는 상기 제2 갭 중 적어도 하나의 갭 내에 배치된 냉매 유체를 더 포함하는 전기 광학 소자.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 냉매 유체는 상기 갭을 통해 유동하는 기체를 포함하는 전기 광학 소자.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 냉매 유체는 상기 갭을 통해 유동하는 액체를 포함하는 전기 광학 소자.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 제1 전극 기판 및 상기 제2 전극 기판의 외부에 배치된 윈도우 세트; 및
    상기 윈도우 세트와 상기 제1 전극 기판 및 상기 제2 전극 기판 사이에서 유동할 수 있는 냉매
    를 더 포함하고,
    상기 냉매 유체는 정체 유체(stagnant fluid)를 포함하는 전기 광학 소자.
  13. 제2항에 있어서,
    적어도 하나의 제1 전극 기판은 상기 제1 면에 대해 기울어져 있거나, 또는 상기 제2 전극 기판은 상기 제2 면에 대해 기울어져 있는 전기 광학 소자.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 전기 광학 결정은 DKDP를 포함하는 전기 광학 소자.
  15. 포켈스 셀(Pockels cell)을 동작시키는 방법에 있어서,
    포켈스 셀을 제공하는 단계 - 상기 포켈스 셀은,
    입력면, 출력면, 및 상기 출력면에 결합된 제1 전극 코팅을 갖는 제1 전극 기판;
    상기 제1 전극 기판에 인접하여 배치된 전기 광학 결정; 및
    입력면, 출력면, 및 상기 입력면에 결합된 제2 전극 코팅을 갖는 제2 전극 기판
    을 포함함 - ;
    제1 편광 상태를 갖는 입력 빔을 상기 제1 전극 기판의 상기 입력면 상에 충돌하도록 방향 설정(directing)하는 단계;
    상기 제1 전극 기판을 통해 상기 입력 빔의 적어도 일부를 통과시키는 단계;
    상기 제1 전극 코팅을 통해 상기 입력 빔의 적어도 일부를 통과시키는 단계;
    상기 제1 전극 코팅과 상기 제2 전극 코팅 사이에 전압을 인가하는 단계;
    상기 전기 광학 결정을 이용하여 상기 제1 편광 상태를 제2 편광 상태로 변화시키는 단계;
    상기 제2 전극 코팅을 통해 상기 입력 빔의 적어도 일부를 통과시키는 단계; 및
    상기 제2 전극 기판을 통해 상기 입력 빔의 적어도 일부를 통과시키는 단계
    를 포함하는 포켈스 셀 동작 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 전기 광학 결정은 DKDP를 포함하고, 상기 제1 전극 코팅은 ITO를 포함하고, 상기 제2 전극 코팅은 ITO를 포함하는 포켈스 셀 동작 방법.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 제1 전극 코팅과 상기 전기 광학 결정 사이에 제1 냉매를 유동시키는 단계 및 상기 전기 광학 결정과 상기 제2 전극 코팅 사이에 제2 냉매를 유동시키는 단계
    를 더 포함하는 포켈스 셀 동작 방법.
  18. 제15항에 있어서,
    상기 제2 편광 상태와 상기 제1 편광 상태 간의 위상차는 반파장을 포함하는 포켈스 셀 동작 방법.
  19. 제15항에 있어서,
    상기 제2 편광 상태와 상기 제1 편광 상태 간의 위상차는 1/4 파장을 포함하는 포켈스 셀 동작 방법.
  20. 제15항에 있어서,
    상기 제1 편광 상태는 선형 편광 상태를 포함하고, 상기 제2 편광 상태는 원형 편광 상태를 포함하는 포켈스 셀 동작 방법.
  21. 반사형 스위치에 있어서,
    입력면 및 상기 입력면에 대향하는 제2 면을 갖는 전극 기판;
    상기 제2 면 상에 배치된 전기 도전성 코팅;
    상기 전극 기판에 대향하는 전기 광학 결정; 및
    상기 전기 광학 결정에 열적으로 결합된 열 싱크
    를 포함하는 반사형 스위치.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 전극 기판은 사파이어를 포함하는 반사형 스위치.
  23. 제21항에 있어서,
    상기 전기 도전성 코팅은 ITO를 포함하는 반사형 스위치.
  24. 제21항에 있어서,
    상기 전기 광학 결정은 상기 전극 기판에 실질적으로 평행한 반사형 스위치.
  25. 제21항에 있어서,
    상기 전기 도전성 코팅은 상기 제2 면 상에 배치된 접착층 및 상기 접착층 상에 배치된 투명막을 포함하는 반사형 스위치.
  26. 제21항에 있어서,
    상기 전기 광학 결정과 상기 열 싱크 사이에 배치된 고 반사형 코팅을 더 포함하는 반사형 스위치.
  27. 제21항에 있어서,
    상기 입력면, 상기 전기 도전성 코팅, 및 상기 전기 광학 결정의 적어도 일 표면 상에 배치된 반사 방지 코팅들을 더 포함하는 반사형 스위치.
  28. 제21항에 있어서,
    상기 전기 도전성 코팅과 상기 전기 광학 결정 사이에 갭이 정의되고, 상기 반사형 스위치는 상기 갭 내에 냉매 유체를 수용하는 반사형 스위치.
  29. 제28항에 있어서,
    상기 냉매 유체는 상기 갭을 통해 유동하는 SF6을 포함하는 반사형 스위치.
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Families Citing this family (22)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101974799B1 (ko) * 2010-10-29 2019-05-02 로렌스 리버모어 내쇼날 시큐리티, 엘엘시 콤팩트하고 효율적인 레이저 구조를 위한 방법 및 시스템
US20140218795A1 (en) * 2013-02-05 2014-08-07 Electro-Optics Technology, Inc. Power scalable multi-pass faraday rotator
CN103197442A (zh) * 2013-03-12 2013-07-10 中国科学院上海光学精密机械研究所 反射式透明导电膜电光开关
US20150124318A1 (en) * 2013-11-05 2015-05-07 Electro-Optics Technology, Inc. High magnetic field-type multi-pass faraday rotator
CN104155776B (zh) * 2014-07-22 2017-02-15 京东方科技集团股份有限公司 电子窗及其控制方法
EP3368279B1 (en) 2015-10-30 2022-10-19 Seurat Technologies, Inc. Part manipulation using printed manipulation points
EP3411170A4 (en) 2016-01-28 2020-02-12 Seurat Technologies, Inc. GENERATIVE PRODUCTION, SYSTEM AND METHOD FOR SPACIAL HEAT TREATMENT
US11148319B2 (en) 2016-01-29 2021-10-19 Seurat Technologies, Inc. Additive manufacturing, bond modifying system and method
RU2621365C1 (ru) * 2016-08-22 2017-06-02 Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики Российской академии наук" (ИПФ РАН) Ячейка Поккельса для мощного лазерного излучения
US10718963B1 (en) 2016-11-16 2020-07-21 Electro-Optics Technology, Inc. High power faraday isolators and rotators using potassium terbium fluoride crystals
US11014302B2 (en) 2017-05-11 2021-05-25 Seurat Technologies, Inc. Switchyard beam routing of patterned light for additive manufacturing
GB201708315D0 (en) * 2017-05-24 2017-07-05 Science And Tech Facilities Council Laser amplifer module
US11281069B2 (en) * 2017-07-03 2022-03-22 Electro Scientific Industries, Inc. Optically contacted acousto-optic device and method of making the same
US10983372B2 (en) * 2017-07-14 2021-04-20 Redlen Technologies, Inc. Fast-switching electro-optic modulators and method of making the same
EP3676657A4 (en) * 2017-08-28 2021-05-05 Lawrence Livermore National Security, LLC GAS COOLED FARADAY ROTATOR AND PROCESS
US10437082B2 (en) * 2017-12-28 2019-10-08 Tetravue, Inc. Wide field of view electro-optic modulator and methods and systems of manufacturing and using same
CN113195127A (zh) 2018-12-14 2021-07-30 速尔特技术有限公司 使用用于二维打印的高通量激光从粉末创建对象的增材制造系统
EP3898058A4 (en) 2018-12-19 2022-08-17 Seurat Technologies, Inc. ADDITIONAL MANUFACTURING SYSTEM USING A PULSE MODULATED LASER FOR TWO-DIMENSIONAL PRINTING
EP3783422B1 (en) * 2019-08-16 2024-02-28 Bme Messgeräte Entwicklung Kg An optical system comprising a symmetric cooling arrangement for cooling an optical device
WO2022087139A1 (en) * 2020-10-23 2022-04-28 Seurat Technologies, Inc. Laser damage hardening of light modulator components for use with high optical fluence systems
CN113031315B (zh) * 2021-04-28 2022-06-24 青岛海泰光电技术有限公司 晶体电光开关及其制作方法
CN118556206A (zh) * 2022-02-18 2024-08-27 金泰克斯公司 改进的电光元件电极

Family Cites Families (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS607766B2 (ja) * 1977-09-24 1985-02-27 住友電気工業株式会社 画像変換素子
US4229079A (en) * 1978-07-20 1980-10-21 United Technologies Corporation Electro-optic modulator with improved acousto-optic suppression, heat transfer and mechanical support
DE2903838C2 (de) * 1979-02-01 1986-01-23 Philips Patentverwaltung Gmbh, 2000 Hamburg Elektrooptisches Lichtmodulationselement
US4615588A (en) * 1984-10-19 1986-10-07 The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy Transparent electrode for optical switch
JP3144270B2 (ja) * 1995-06-21 2001-03-12 富士ゼロックス株式会社 光偏向素子
US6016023A (en) * 1998-05-12 2000-01-18 Ultra Sonus Ab Tubular ultrasonic transducer
JP2003177370A (ja) * 2001-12-12 2003-06-27 Nippon Hoso Kyokai <Nhk> 画像変換素子およびその製造方法
SG115590A1 (en) * 2002-11-27 2005-10-28 Asml Netherlands Bv Lithographic projection apparatus and device manufacturing method
US20060011326A1 (en) * 2004-07-15 2006-01-19 Yassour Yuval Heat-exchanger device and cooling system
US7531239B2 (en) * 2005-04-06 2009-05-12 Eclipse Energy Systems Inc Transparent electrode
NL1036407A1 (nl) * 2008-01-23 2009-07-27 Asml Netherlands Bv Polarization control apparatus and method.
US8131124B2 (en) * 2008-04-22 2012-03-06 Jamshid Nayyer Optical guided mode spatial switches and their fabrication
GB0821670D0 (en) 2008-11-28 2008-12-31 Durham Scient Crystals Ltd Laser modulator

Also Published As

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