KR20140030210A - 극저온 냉각 레이저 증폭기 시스템 및 방법 - Google Patents

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temperature
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Inventor
로버트 제이. 데리
앨빈 씨. 얼랜슨
앤드류 제이. 베이래미안
레이먼드 제이. 비치
Original Assignee
로렌스 리버모어 내쇼날 시큐리티, 엘엘시
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Abstract

레이저 증폭기 시스템은, 세로 축 및 상기 세로 축에 실질적으로 평행한 복수의 측면들을 포함하는 이득 매질을 포함한다. 상기 레이저 증폭기 시스템은 또한 복수의 안쪽 표면들을 포함하는 도파관을 포함한다. 상기 안쪽 표면들의 각각은 상기 이득 매질의 상기 복수의 측면들 중 하나에 광학적으로 연결된다. 상기 도파관은 또한, 복수의 바깥쪽 표면들을 포함한다. 또한, 상기 레이저 증폭기 시스템은 상기 도파관의 상기 바깥쪽 표면들에 광학적으로 연결되는 클래딩을 더 포함한다.

Description

극저온 냉각 레이저 증폭기 시스템 및 방법{METHOD AND SYSTEM FOR CRYOCOOLED LASER AMPLIFIER}
관련 출원의 상호 참조
본 출원은 2011년 6월 13일자로 출원된 "극저온 냉각 레이저 증폭기 시스템 및 방법(Method and System for Cryocooled Laser Amplifier)"이라는 명칭의 미국 임시특허출원 제61/496,481호를 우선권 주장의 기초로 하고, 상기 임시특허출원의 개시 내용은 그 전체가 여하한 목적으로 본 명세서에 참조로서 편입된다.
미합중국 연방 정부의 지원에 의한 연구 또는 개발에 의해 창출된
발명에 대한 권리의 주장
미합중국 정부는, 로렌스 리버모어 내쇼날 래보러토리(Lawrence Livermore National Laboratory)의 운영에 관한, 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 발명은 일반적으로 레이저 시스템에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은, 이득 매질(gain medium)로부터의 자연 증폭 방출(amplified spontaneous emission; ASE)을 흡수하는데 사용되는 물질이 상기 이득 매질보다 높은 온도에서 작동되는 동안 상기 이득 매질이 미리 정해진 온도로 냉각되는, 극저온 냉각 레이저 증폭기를 위한 방법 및 시스템에 관련된다. 단지 예시로서, 본 발명은 열적으로 격리된 에지 흡수체를 구비한 극저온 냉각 증폭기 어셈블리에 적용되었다. 본 발명의 방법 및 시스템은 다른 다양한 레이저 증폭기 구조 및 레이저 시스템에 적용될 수 있다.
이테르븀 도핑된 YAG(Yb:YAG)는 고출력 다이오드 펌핑 고체 상태 레이저를 위한 고체 상태 레이저 이득 매질로서 사용되어 왔다. 이테르븀(ytterbium; Yb)은 940nm에서 넓은, 18nm 광(wide) 흡수 대역을 갖고 1030nm에서 이득을 생성한다. Yb:YAG 레이저 및 증폭기는 고출력 1064nm Nd:YAG 레이저/증폭기에 의해 지원되는 몇몇 애플리케이션에서 사용될 수 있고 515nm로의 주파수 배가(frequency doubling)는 기존에 514nm 아르곤 이온 레이저에 의해 지원되는 몇몇 애플리케이션에서의 사용을 가능하게 한다.
고체 상태 레이저 및 증폭기 시스템의 개발에서 이루어진 진보에도 불구하고, 고체 상태 레이저와 관련된 향상된 방법 및 시스템에 관한 요구는 관련 기술 분야에서 여전히 존재한다.
본 발명은 일반적으로 레이저 시스템에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은, 이득 매질로부터의 자연 증폭 방출(amplified spontaneous emission)을 흡수하는데 사용되는 물질이 상기 이득 매질보다 높은 온도에서 작동되는 동안 상기 이득 매질이 미리 정해진 온도로 냉각되는, 극저온 냉각 레이저 증폭기를 위한 방법 및 시스템에 관련된다. 단지 예시로서, 본 발명은 열적으로 격리된 에지 흡수체를 구비한 극저온 냉각 증폭기 어셈블리에 적용되었다. 본 발명의 방법 및 시스템은 다른 다양한 레이저 증폭기 구조 및 레이저 시스템에 적용될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 의하면, 레이저 이득 물질은 극저온에서 작동되는 한편 흡수 에지 클래딩(cladding)은 더 높은 온도에서 작동되어, 냉각 요건을 감소시키고 이로써 시스템 효율을 증가시킨다. 몇몇 실시예에서는, ASE와 같은 기생 방사(parasitic radiation)를 흡수하는데 사용되는 에지 클래딩이 더 따뜻한 온도에서 작동되고, 극저온 냉각된 이득 매질이 이용된다. 열적 격리(thermal isolation)는 이득 매질과 에지 클래딩 사이의 자유 공간(free space) 커플링뿐만 아니라 광 도파관(optical waveguide)의 형태를 취할 수 있다. 본 발명의 실시예들은 Yb뿐만 아니라 다른 극저온 냉각된 이득 매질에도 적용가능하고 반사성(reflective)과 투과성(transmissive) 증폭기의 양쪽 구조에서 구현될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 레이저 증폭기 시스템이 제공된다. 상기 레이저 증폭기 시스템은, 세로 축 및 상기 세로 축에 실질적으로 평행한 복수의 측면들을 포함하는 이득 매질을 포함한다. 상기 레이저 증폭기 시스템은 또한, 복수의 안쪽 표면들을 포함하는 도파관을 포함한다. 상기 안쪽 표면들의 각각은 상기 이득 매질의 상기 복수의 측면들 중 하나에 광학적으로 연결된다. 상기 도파관은 또한, 복수의 바깥쪽 표면들을 포함한다. 또한, 상기 레이저 증폭기 시스템은 상기 도파관의 상기 바깥쪽 표면들에 광학적으로 연결되는 클래딩(cladding)을 더 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에 의하면, 반사성 광 증폭기가 제공된다. 상기 반사성 광 증폭기는, 입출력 면과 후면을 포함하는 이득 소자를 포함한다. 상기 이득 소자는 폭, 길이, 및, 상기 폭과 상기 길이보다 작은 두께를 갖는 이득 매질을 포함한다. 상기 이득 소자는 또한, 상기 이득 매질을 부분적으로 둘러싸는 도파관 및 상기 도파관을 부분적으로 둘러싸는 에지 흡수체를 포함한다. 상기 반사성 광 증폭기는 또한, 상기 후면에 근접하여 배치된 반사 소자 및 상기 반사 소자에 근접하여 배치된 냉각 소자를 포함한다.
본 발명의 특정 실시예에 의하면, 광 증폭기 시스템이 제공된다. 상기 광 증폭기 시스템은, 종방향을 따라 배열된 한 세트의 증폭기 유닛들을 포함한다. 상기 증폭기 유닛들의 각각은, 상기 종방향을 따라 전파되는 광을 증폭하고, 횡방향 및 측방향을 따라 ASE를 생성하는 이득 슬래브를 포함한다. 상기 횡방향은 상기 종방향에 직교하고 상기 측방향은 상기 종방향과 상기 횡방향에 직교한다. 상기 증폭기 유닛들의 각각은 또한, 상기 이득 슬래브의 주변부에 광학적으로 연결된 도파관, 및, 상기 도파관에 광학적으로 연결되고 상기 횡방향을 따라 전파되는 ASE를 반사하는 한 세트의 반사기들을 포함한다. 상기 증폭기 유닛들의 각각은 한 세트의 냉각 베인들을 더 포함한다. 상기 냉각 베인들의 각각은 상기 반사기들 중 하나에 연결되고 상기 횡방향을 따라 흐르는 냉각 유체를 유도한다. 상기 증폭기 유닛들의 각각은 또한, 상기 도파관에 광학적으로 연결되고 상기 측방향을 따라 전파되는 ASE를 흡수하는 하나 또는 그 이상의 흡수성 에지 클래딩을 포함한다. 상기 광 증폭기 시스템은 또한, 상기 횡방향을 따라 흐르는 냉각제를 공급하는 냉각 시스템을 포함한다.
본 발명의 다른 특정 실시예에 의하면, 레이저 증폭기를 작동시키는 방법이 제공된다. 상기 방법은 세로 축, 가로 축 및 측방향 축을 갖는 이득 매질을 제공하는 단계 및 상기 이득 매질을 펌핑하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 또한 상기 세로 축을 따라 상기 이득 매질을 통해 광을 유도하는 단계 및 상기 광을 이득 매질에서 증폭시키는 단계를 포함한다. 상기 방법은 상기 이득 매질이 제1 온도에 의해 특징지어지도록 상기 이득 매질을 냉각시키는 단계 및 상기 이득 매질 내에서 ASE를 생성하는 단계를 더 포함한다. 상기 ASE는 상기 가로 축 및 상기 측방향 축을 따라 전파된다. 또한, 상기 방법은 상기 이득 매질에 광학적으로 연결된 도파관을 통해 상기 ASE를 유도하는 단계 및 상기 도파관에 광학적으로 연결된 에지 클래딩 내에서 상기 ASE의 일부를 흡수하는 단계를 포함한다. 상기 클래딩은 상기 제1 온도보다 높은 제2 온도에 의해 특징지어진다.
본 발명에 의하면 종래의 기술에 비하여 다양한 이점들을 얻을 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 실시예들은 큰 펄스 에너지를 생성하고 높은 반복률(repetition rate)로 동작하는(즉, 높은 평균 파워) 펄스형 레이저 시스템을 제공한다. 일부 실시예에서, 이득 매질의 냉각은 종래의 기술과 비교하여 본질적인 레이저 효율 및 저장 수명(storage lifetime)을 향상시킨다. 자연 증폭 방출 흡수체를 냉각시키는데 사용되는 전력의 양을 감소시킴으로써, 본 발명의 실시예들은 종래의 시스템보다 더 높은 시스템 효율을 제공한다. 일부 실시예들은 이득 매질에 인접한 부근으로부터 흡수 에지 클래딩을 제거함으로써, 시스템 효율을 현저히 향상시킨다. 본 발명의 상기한 그리고 다른 실시예들과 다수의 이점 및 특징들은 이하의 상세한 설명 및 첨부 도면에서 보다 상세히 설명된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한, 성능 계수의 역수를 온도의 함수로서 나타내는 단순화된 그래프를 도시한다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 의한, 몇몇 냉각 구성에서 Nd-도핑된 유리 이득 매질에 대하여 피크 펌프 파워의 함수로서 레이저 시스템 효율을 나타내는 단순화된 그래프를 도시한다.
도 2b는 본 발명의 일 실시예에 의한, 몇몇 냉각 구성에 있어서 200K에서의 Yb:YAG 이득 매질에 대하여 피크 펌프 파워의 함수로서 레이저 시스템 효율을 나타내는 단순화된 그래프를 도시한다.
도 2c는 본 발명의 일 실시예에 의한, 몇몇 냉각 구성에 있어서 150K에서의 Yb:YAG 이득 매질에 대하여 피크 펌프 파워의 함수로서 레이저 시스템 효율을 나타내는 단순화된 그래프를 도시한다.
도 2d는 본 발명의 일 실시예에 의한, 몇몇 냉각 구성에 있어서 200K 및 150K에서의 Yb:YAG 및 Nd:Glass 이득 매질에 대하여 피크 펌프 파워의 함수로서 레이저 시스템 효율을 나타내는 단순화된 그래프를 도시한다.
도 3a는 본 발명의 일 실시예에 의한 극저온 냉각을 포함하는 증폭기 슬래브 구성의 종면도(end view)를 도시하는 단순화된 개념도이다.
도 3b는 도 3a에 도시된 증폭기 슬래브 구성의 단면(cross-section)을 도시하는 단순화된 개념도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 다양한 구성에 대하여 도파관을 통과하는 전도성 열 부하(conductive heat load)를 나타내는 단순화된 그래프를 도시한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 테이퍼링(tapering) 된 도파관을 도시하는 단순화된 단면 개념도이다.
도 6a는 본 발명의 일 실시예에 의한 능동 냉각된 거울이 통합된 도파관 구성의 단순화된 단면도이다.
도 6b는 도 6a에 도시된 능동 냉각된 거울과 통합된 도파관 구성의 단순화된 종면도이다.
도 7a는 본 발명의 일 실시예에 의한 극저온 냉각을 포함하는 증폭기 슬래브 형태의 단순화된 종면도이다.
도 7b는 도 7a에 도시된 증폭기 슬래브 형태의 단순화된 평면도이다.
도 7c는 본 발명의 일 실시예에 의한 극저온 냉각 및 가스 성형을 포함하는 증폭기 슬래브 형태의 단순화된 종면도이다.
도 8a는 본 발명의 일 실시예에 의한 유동 배리어를 포함하는 증폭기 슬래브 형태의 단순화된 종면도이다.
도 8b는 도 8a에 도시된 증폭기 슬래브 형태의 단순화된 평면도이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 의한 도파관 구성의 단순화된 평면도이다.
도 10a는 본 발명의 일 실시예에 의한, 몇몇 냉각 구성에 있어서 200K에서 작동되는 Yb:YAG 이득 매질을 나타내는 단순화된 그래프를 도시한다.
도 10b는 본 발명의 일 실시예에 의한, 몇몇 냉각 구성에 있어서 150K에서 작동되는 Yb:YAG 이득 매질을 나타내는 단순화된 그래프를 도시한다.
도 10c는 본 발명의 일 실시예에 의한, 몇몇 냉각 구성에 있어서 피크 펌프 파워의 함수로서 레이저 시스템 효율을 나타내는 단순화된 그래프를 도시한다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 의한 광 증폭기를 작동하는 방법을 도시하는 단순화된 흐름도이다.
고출력 고체 상태 레이저는 광 이득을 제공하기 위해 펌핑된 고체 상태 이득 매질을 이용한다. 이러한 레이저가 더 높은 파워를 갖도록, 특히, 펄스형 시스템에서 더 높은 펄스 에너지를 갖도록 하는 것은 레이저 물질의 광 손상 문턱값에 의해 부과된 한계를 피하기 위하여 더 큰 개구(aperture)의 이득 매질(즉, 광축을 가로지르는 더 큰 면적)을 사용하는 것을 포함한다. 개구 크기 X가 증가함에 따라, 광축을 횡단하여 전파되는 광자에 대한 광 증폭 이득 G=egX도 증가한다. 결과적인 횡방향 자연 증폭 방출(amplified spontaneous emission; ASE)은 이득 매질에 저장된 에너지의 손실을 만들고 시스템이 횡방향의 기생 레이징(lasing)에 더욱 민감하게 만든다.
본 발명의 실시예들에 의하면, 기생 광을 억제하고 이득 매질에서의 기생 레이징을 피하기 위해, 예컨대, 클래딩(cladding) 또는 에지 클래딩이라고도 불리는 ASE 파장에서 높은 광 손실을 갖는 에지 흡수체를 사용함으로써, 횡방향으로 전파되는 ASE가 이득 매질을 통과하는 다수의 경로를 만들지 못하게 한다. 일부 실시예들은 이득 매질의 에지 표면의 처리를 포함하는 구조(예컨대, AR 코팅, 경사면 또는 연마된 표면 등)를 이용한다. 본 명세서의 전반에 걸쳐 보다 상세히 설명되는 바와 같이, 후방 반사(back reflection)를 막기 위해 에지 흡수체의 굴절률은 일반적으로 이득 매질의 굴절률에 가깝게 매칭된다.
본 발명의 발명자들은, 만약 ASE 흡수 에지 클래딩도 극저온 냉각된다면, 극저온 냉각된, Yb-도핑 이득 매질을 이용하는 종래의 고 에너지 펄스형 레이저 증폭기는 상온(room temperature)에서 작동되는 Nd-도핑 이득 매질에 비해 현저한 이점을 제공하지 않는다는 것을 알아냈다. 효율과 펌프 파워 간의 트레이드오프(tradeoff)는, 저온에서의 냉각과 관련된 비효율성으로 인하여, 극저온 냉각된 매질에서 더욱 악화된다. 본 발명의 실시예들에 의하면, 에지 클래딩을 이득 매질로부터 열적으로 분리시킴으로써 효율-펌프 파워의 트레이드오프를 현저히 향상시킬 수 있다. 본 발명의 실시예들에 의하여 제공되는 몇 가지 설계가 본 명세서에 개시되는데, 이들은 원하는 열적 분리를 달성하고 종래의 시스템에 비하여 향상된 성능을 제공한다.
레이저가 높은 평균 파워로 작동될 때, 현저한 열 부하가 에지 흡수체에 누적된다. 본 발명의 일부 실시예들은 1053nm의 파장에서 동작하고 Nd 도핑된 유리 이득 매질을 이용하는 레이저 증폭기 빔 라인에 관련된다. 레이저 동작과 에지 흡수체에서의 열 부하의 일 예로서, 25×25cm2 개구로부터 6.33KJ 펄스를 생성하기 위해, 1J 광 시드 펄스(optical seed pulse)가 한 쌍의 증폭기로서 배열된 일련의 32 유리 슬래브들을 통과하는 네 개의 경로를 만든다. 각 슬래브는 1cm 두께이고 1.05의 광 이득을 갖는다. 이러한 이득 레벨에서, 슬래브는 872nm에서 0.5J/cm2/슬래브의 펌프 에너지를 이용하고, ASE는 대략 294J의 에너지가 각 증폭기 슬래브의 에지 클래딩 내에 흡수되게 한다. 15Hz의 펄스 반복률에서 작동될 때, 이는 각 슬래브의 에지 흡수체로의 4.4kW의 열 부하에 대응된다. 이러한 높은 열 부하는 일반적으로 각 흡수체의 능동 냉각을 요구하고, 이는, 예컨대, 열을 추출하기 위해 상기 흡수체를 지나도록 차가운 유체를 흘림으로써, 성취될 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들은 Yb 이온의 광학적 천이(optical transition)에 기초한 극저온 냉각된 이득 매질의 사용을 가능하게 한다. 이러한 물질들은 향상된 광 효율(예컨대, 이들의 낮은 양자 결손(quantum defect)에 기인함)을 제공할 수 있고, 이들의 긴 여기 상태 수명(excited state lifetime)(≥1ms)은 펄스형 시스템 내에서의 더 긴 펌프 지속시간과 양립할 수 있고 이는 피크 펌프 파워 요건을 감소시켜 다이오드 펌프의 가격을 줄이기 때문에 더 낮은 시스템 비용을 가능하게 한다. YAG(yttrium aluminum garnet; 이트륨 알루미늄 가넷, Y3Al5O12) 결정(crystal) 또는 세라믹 호스트(host) 물질 내에서의 Yb의 사용과 관련된 연구 및 CaF2 또는 삼이산화물(sesquioxide) 호스트의 사용과 관련된 다른 연구가 이루어져 왔다. 이러한 호스트들 중 일부는 매력적인 열-기계적 특성들과 연관된 추가적인 레이저 장점들을 제공한다.
본 발명의 발명자들은, 대부분의 Yb 도핑된 이득 매질과 연관된 근본적인 단점은 극저온 냉각을 위한 요건이라는 점을 발견했다. 상온에서, Yb에서의 레이징 천이의 준(quasi) 3-레벨 속성은 더 낮은 레이징 레벨의 열적 파퓰레이션(thermal population)으로 인하여 광 효율(optical efficiency)을 감소시킨다. 이러한 이유로, 상온에서 대부분의 Yb 도핑된 매질을 효율적으로 작동시킬 수 있기 위해서는 매우 높은 펌프 강도가 요구된다. 실제로, 이러한 펌프 강도를 얻기는 일반적으로 쉽지 않다. 본 발명의 발명자들은, 그러나, 충분히 낮은 온도에서는, 더 낮은 레이징 레벨의 열적 파퓰레이션이 크게 감소되어 Yb가 4-레벨 시스템처럼 행동하고 광 효율이 현저히 향상된다는 것을 알아냈다.
시스템 관점에서, 총 레이저 월플러그(wallplug) 효율은 광 펌핑을 위해 요구되는 파워뿐 아니라 냉각을 위해 요구되는 파워를 포함해야 한다. 냉동 효율은 온도가 감소함에 따라 감소하기 때문에, 극저온 냉각 Yb 매질의 향상된 광 효율은 에지 흡수체 냉각의 감소된 효율에 의해 상쇄된다. 냉각 효율은 제거된 열을 냉각 시스템을 동작시키기 위해 요구되는 전력에 의해 나눈 비율인 "성능 계수(coefficient of performance; COP)"에 의해 특징지어진다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한, 성능 계수의 역수를 온도의 함수로서 나타내는 단순화된 그래프를 도시한다. 도 1에 도시된 바와 같이, COP는 냉각 온도가 감소함에 따라 빠르게 저하된다. 도 1에 도시된 곡선은 이상적인 카르노 냉각기(Carnot refrigerator) 성능(실선), 실험적 데이터에 대한 대수 근사(logarithmic fit)(에미트(Emmet) 등), 및 데이터 포인트들에 대한 다른 대수 근사(데리 로그 핏(Deri Log Fit)) 뿐만 아니라 측정된 데이터 및 계산된 데이터를 포함한다. 그래프의 우측에 원으로 표시된 데이터 포인트들은 이러한 근사에 포함되지 않는다. 도 1에 도시된 냉각 COP의 큰 감소는 에지 흡수체도 냉각되는 극저온 냉각 레이저 시스템의 전체 월플러그 효율을 현저히 떨어뜨릴 수 있다.
디스크 레이저의 종래의 형태는 이득 매질에 근접한 부근에 에지 클래딩을 배치한다. 이러한 매질들을 결합하기 위해 얇은 접착 층(mm 크기)이 채용될 수 있고, 또는, 이들이 함께 확산 접합(diffusion bonding)될 수도 있다. 어느 경우든, 에지 클래딩과 이득 매질에 인접한 부근은 양 물질이 매우 유사한 온도에서 동작할 수 있게 하고, 따라서, 각각의 냉각 서브시스템(예컨대, 슬래브 표면을 위한 헬륨 및 에지 클래딩을 위한 액체) 또한 매우 유사한 온도에서 동작한다.
본 명세서에 개시된 디바이스들의 효율 및 펌프 파워 요건들은 레이저 성능을 분석하기 위해 계산될 수 있다. 일 예로서, 6.33KJ/펄스에서 동작하고, 25×25cm2 개구 및 4 경로를 이용하는 증폭기 구성에 대하여 계산이 행해질 수 있다. 상온에서 동작하는 Nd:Glass 이득 매질(예컨대, Schott으로부터 입수가능한 APG-1) 또는 150 또는 200K의 온도에서 동작하는 극저온 냉각된 Yb 도핑 YAG 이득 매질이 비교될 수 있다. 일부 실시예에서는 열 충격(thermal shock) 문제를 피하기 위해 유리 슬래브가 1cm 두께로 제조되는 한편, 일부 실시예에서는 향상된 열 기계적 특성을 이용하기 위해 YAG 두께가 2cm까지의 범위를 갖는다. 양쪽 경우에, 증폭기 슬래브의 수, 슬래브당 이득 계수, 및 펌프 지속시간은 성능의 최적 영역을 구축하기 위해 변화되었다. 시스템들은 고정된 펌프 에너지에 대한 효율을 기초로 비교된다. 본 명세서에 개시된 계산에서, 펌프 파워는 각각이 2 증폭기 서브모듈을 포함하는 768 증폭기 빔 라인의 시스템을 기준으로 하고, 상기 시스템은 펄스당 총 4.9MJ의 1.05㎛ 파장 레이저 에너지를 생성한다.
레이저 성능은 실험적으로 보고된, 온도 의존성 흡수 및 방출 스펙트럼으로부터 결정되는 단면을 사용하여, 프란츠-노드빅(Frantz-Nodvik) 공식을 이용하여 계산되었다. 이 계산에서 여기 상태 수명 파라미터들은 문헌에 보고된 실험으로부터 얻어졌고 ASE 거동(behavior)은 문헌에 보고된 것과 유사한 방법을 이용하여 계산되었다.
증폭기 슬래브의 벌크 내에서 발생된 열(예컨대, 양자 결손에 기인하여 발생된 열)을 제거하기 위해 차가운 헬륨 가스와 같은 기체를 5atm 압력으로 흘린다. 에지 흡수체 내의 열은 상기 에지 흡수체에 열적으로 연결된 내부 영역(예컨대, 튜브)을 통해 기체 또는 액체(예컨대, 차가운 플루오르화탄소(fluorocarbon) 액체)를 흘림으로써 제거된다. 양쪽 냉각제(예컨대, 헬륨 가스 및 플루오르화탄소 액체)를 위한 냉각 서브시스템은 열 교환기를 통해 펌프 또는 압축기 및 냉각되는 부품을 포함하는 제2 루프로 냉각을 제공하는 냉각 루프로서 제공된다. 냉각을 위한 전력은 상기 펌프/압축기 파워(이상적인 값의 75%로 추정됨) 및 전기 냉각 파워를 모두 포함하고, 상기 전기 냉각 파워는 도 1에 도시된 COP 데이터에 대한 근사 곡선을 이용하여 (열 교환기에서의) 초기 온도의 함수로서 결정되었다. 다른 시뮬레이션 파라미터들은 표 1에 요약되어 있고, 표 1은 다양한 이득 매질을 위한 펄스형 레이저 증폭기 설계들의 비교를 제공한다. 본 발명의 실시예들은 이러한 특정 이득 매질들로 한정되지 않고, 이들은 단지 예시적인 목적으로 사용된다. 표 1에 기재된 Nd:Glass 레이저 시스템은 768 빔 라인(1536 증폭기)을 포함하고 1.05㎛의 파장에서 4.9MJ의 에너지를 전달한다.
이득 매질 Nd:Glass Yb:YAG Yb:YAG
온도(K) 295 200 150
광 출력 파라미터
광 출력(kJ) 6.33 6.33 6.33
반복률(Hz) 15 15 15
슬래브 구성 파라미터
슬래브/빔라인의 수 32 20 24
슬래브 개구(cm×cm) 25×25 25×25 25×25
슬래브 두께(cm) 1.0 2.0 2.0
이득 계수(%/cm) 10.0 8.8 9.5
수동(passive) 손실/표면(%) 0.2 0.2 0.2
펌프 파라미터
펌프 파워(GW/시스템) 83.6 89.2 69.7
펌프 지속시간(ms) 0.21 0.15 0.15
펌프 효율 73% 73% 73%
슬래브 열 부하
벌크 열(kW/슬래브) 1.7 0.9 0.7
흡수체 열(kW/슬래브) 4.4 3.2 2.0
레이저 시스템 효율
냉각 없음
냉각 있음
13.7%
10.3%
16.8%
10.2%
21.3%
8.2%
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 의한, 몇몇 냉각 구성에서 Nd-도핑된 유리 이득 매질에 대하여 피크 펌프 파워의 함수로서 레이저 시스템 효율을 나타내는 단순화된 그래프를 도시한다. 도 2b는 본 발명의 일 실시예에 의한, 몇몇 냉각 구성에 있어서 200K에서의 Yb:YAG 이득 매질에 대하여 피크 펌프 파워의 함수로서 레이저 시스템 효율을 나타내는 단순화된 그래프를 도시한다. 도 2a 및 2b에서, 각각의 데이터 포인트는 서로 다른 레이저 설계를 나타낸다.
도 2a를 참조하면, 295K(상온에 가까움)에서 작동되는 25cm×25cm Nd:APG-1 증폭기 슬래브에 대해서 효율이 피크 펌프 파워의 함수로서 도시된다. 냉각 파워가 없는, 그리고, 일련의 여덟 개의 관류(one through) 증폭기 슬래브에 대한 동작이 도시된다. 도 2b를 참조하면, 피크 펌프 파워의 함수로서의 효율이 200K에서 작동되는 에지 클래딩을 구비한, 200K에서 작동되는 Yb:YAG 증폭기 슬래브(들)에 대해서 도시된다. 냉각 파워가 없는, 그리고, 일련의 여덟 개의 관류 증폭기 슬래브에 대한 동작이 도시된다. 따라서, 상기 도면들은 총 시스템 효율(냉각 서브시스템을 포함함)과 레이저만(냉각 없음)에 대한 결과를 모두 보여준다. 도 2a 및 2b는 시스템 효율과 요구되는 펌프 파워 간의 기본적인 트레이드오프를 나타내고, 이는 다이오드 펌프 부품의 필요 비용을 나타낸다. 이러한 트레이드오프는 펌프 펄스의 지속시간을 변화시킴으로써 조정된다. 상기 도면들을 통해, 냉각된 Yb 이득 매질의 사용은 필요한 펌프 파워를 현저히 감소시키고, 이는, 부분적으로는, Nd 이온과 비교해 Yb 이온의 여기 상태 수명이 실질적으로 더 길다(Yb에 있어서는 ~1ms이고, Nd에 대해서는 ~250㎲)는 점에 기인한다는 것을 알 수 있다. 일부 실시예에서, 펌프 파워의 감소는 전체 시스템 효율의 감소에 의해 얻어진다. 표 1에 도시된 바와 같이, 200K에서 극저온 냉각 Yb:YAG 시스템에 대해 요구되는 펌프 파워는 ~89GW이고, Nd:Glass 시스템의 효율에 필적하는 효율, 예컨대, 10%를 얻는다.
도 2c는 본 발명의 일 실시예에 의한, 몇몇 냉각 구성에 있어서 150K에서의 Yb:YAG 이득 매질에 대하여 피크 펌프 파워의 함수로서 레이저 시스템 효율을 나타내는 단순화된 그래프를 도시한다. 도 2c에 도시된 실시예에서 에지 클래딩 또한 150K에서 작동된다. 상기 도면들은, 극저온 냉각 시스템의 일부 실시예는 레이저가 높은 에너지의 펄스형 동작 모드에서 작동될 때 10%보다 작은 효율로 동작함을 보여준다. 도시된 실시예에서, 냉각이 고려되지 않을 때 상온의, 유리 기반 설계보다 극저온 냉각 이득 매질을 포함하는 시스템이 더 좋은 성능을 나타내는 한편, 극저온 냉각에 필요한 전력의 증가는 전체적인 시스템의 순 효율을 감소시킨다.
도 2d는 본 발명의 일 실시예에 의한, 몇몇 냉각 구성에 있어서 200K 및 150K에서의 Yb:YAG 및 Nd:Glass 이득 매질에 대하여 피크 펌프 파워의 함수로서 레이저 시스템 효율을 나타내는 단순화된 그래프를 도시한다. 이득 매질과 에지 흡수체는 동일한 온도로 유지된다(즉, 200K/200K 또는 150K/150K). 냉각을 포함하는 총 레이저 시스템 효율만이 도시된다. 도 2d에 도시된 극저온 냉각 Yb:YAG 레이저 시스템과 상온 Nd:glass 시스템 간의 비교를 통해, 극저온 냉각 시스템의 일부 실시예는 낮은 펌프 파워와 시스템 효율에서는 향상된 성능을 제공하지만, 9%를 초과하는 시스템 효율이 요구될 때는 이러한 실시예에서 극저온 냉각된 매질을 채용함으로써 거의 또는 어떠한 이점도 얻을 수 없음을 알 수 있다.
그러므로, 10%를 초과하는 효율을 얻을 수 없다는 것은, 관성 융합 에너지(inertial fusion energy) 발전 플랜트를 포함하는, 10% 또는 그보다 큰 효율을 갖는 고 에너지 펄스형 레이저를 이용할 수 있는 일부 애플리케이션에 있어서 Yb-도핑된 이득 매질에 기초한 종래의 극저온 냉각 시스템의 사용을 제한한다.
위에서 논의된 것처럼, 극저온 냉각된, Yb-도핑된 이득 매질을 기초로 하는 고 에너지 펄스형 레이저 시스템의 전체 효율은 냉각 요건에 크게 영향을 받는다. 표 1을 참조하면, 극저온 열 부하는 증폭기 슬래브 내의 횡방향 ASE에 기인한 에지 클래딩의 가열에 의해 지배된다는 것이 명확하고, 증폭기 슬래브 내의 횡방향 ASE는 양자 결손 및 비방사 감쇠(nonradiative decay)로 인한 벌크(용적) 슬래브 가열보다 현저히 더 크다. 클래딩으로부터 이러한 열을 제거하기 위해 요구되는 전력은 냉각 시스템의 동작 온도에 크게 의존하기 때문에, 전체 시스템 효율은 상온에 가까운 온도에서 에지 클래딩 흡수체를 작동시킴으로써 향상될 수 있다. 일부 실시예에서, 에지 클래딩 흡수체는 수냉(water cooling) 또는 다른 적합한 냉각 시스템을 사용하는 특정 애플리케이션에 적합하도록 상온보다 높은 또는 낮은 온도에서 작동될 수 있다. 이는 에지 클래딩이 차가운 이득 물질에 매우 근접해 있는 종래의 디바이스에 대해서는 실용적이지 않은데, 열 응력 및 슬래브로의 기생 열 누수와 연관된 한계 때문이다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 에지 클래딩을 이득 물질로부터 열적으로 분리시켜 상기 클래딩이 상기 이득 매질보다 더 높은 온도에서 작동되게 할 수 있는 디바이스 구조를 이용한다.
본 명세서에 보다 상세히 설명되는 바와 같이, 본 발명의 일부 실시예들은 투명 물질의 영역을 상기 이득 매질과 에지 클래딩 사이에 삽입하여, 열적 격리를 제공하는 동시에 ASE를 이득 매질로부터 에지 클래딩으로 유도하는 도파관으로서 작용한다.
도 3a는 본 발명의 일 실시예에 의한 극저온 냉각을 포함하는 증폭기 슬래브 구성의 종면도(end view)를 도시하는 단순화된 개념도이다. 도 3b는 도 3a에 도시된 증폭기 슬래브 구성의 단면(cross-section)을 도시하는 단순화된 개념도이다. 도 3a에 도시된 바와 같이, 이득 매질 310은 tGUIDE와 동일한 폭을 갖는 투명 도파관 320에 의해 부분적으로 둘러싸인다. 에지 클래딩 330은 상기 투명 도파관 320을 부분적으로 둘러싼다. 상기 도파관 320의 굴절률은 상기 클래딩 330 및 상기 이득 매질 310 모두와 근사하게 매칭되어, 도 3a의 평면 내에 놓이는 슬래브의 면에서 기생 레이징을 방지한다. 투명 도파관 320의 표면(예컨대, 도 3b에 도시된 최상면)은 일부 ASE가 내부 전반사(total internal reflection)에 의해 도파관 물질에 갇히도록 폴리싱될 수 있다. 충분히 큰 도파관 폭 tGUIDE를 선택함으로써, 도파관은 이득 매질과 클래딩이 매우 다른 온도에서 동작하도록 열적 격리를 제공한다.
일부 실시예에서, 도파관 구조의 특성들은 다음을 포함한다:
1. 레이저 파장(예컨대, 일부 실시예에서는 일반적으로 ~1050nm이고 Yb 기반 이득 매질을 사용하는 것과 같은 다른 실시예에서는 ~1030nm)에서의 높은 투명도. 본 명세서에서 사용될 때 투명하다는 용어는 100% 투과보다 더 적을 수 있는 낮은 흡수를 포함한다. 따라서, 투명하다는 용어가 100% 투과를 나타내기 위한 것은 아니고, 관심있는 파장에서의 높은 투과 및 낮은 흡수, 예컨대, 10% 미만, 9% 미만, 8% 미만, 7% 미만, 6% 미만, 5% 미만, 4% 미만, 3% 미만, 2% 미만, 1% 미만, 0.5% 미만, 0.25% 미만, 0.1% 미만, 0.05% 미만, 0.025% 미만, 또는 0.01% 미만의 흡수 계수(즉, 파워 흡수)를 나타내기 위한 것이다. 따라서, 본 명세서에서 "투명"이라는 용어의 사용은 관심있는 파장들의 100% 투과를 요구하지 않지만, 이러한 파장들의 과반 또는 실질적으로 모두를 통과시키는 물질을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
2. 일반적으로 0.05 내로 또는 그보다 우수하게, 클래딩과 이득 매질 모두에 매칭된 굴절률(이득 계수 및 증폭기 슬래브의 치수에 의존함)
3. 증폭기 슬래브 상의 다른 열 부하와 비교해서 클래딩으로부터 이득 매질로의 전도성 열 유동에 기인한 상기 증폭기 슬래브 상의 열 부하가 작도록 충분히 넓은 tGUIDE. 이 열 부하는 다음 등식으로 표현될 수 있다: 4tXKΔT/tGUIDE<<QSLAB. 여기서, X와 t는 이득 매질의 개구 폭 및 두께, K는 도파관 물질의 열 전도율, ΔT는 클래딩과 이득 매질 간의 온도 차이, QSLAB는 양자 결손 및 비방사 감쇠에 기인한 증폭기 슬래브의 용적(volumetric) 가열이다.
4. 어셈블리를 파손시키거나 휘어지게 할 수 있는 열 응력(thermal stress)을 피하기 위한 충분한 도파관 폭 tGUIDE.
5. 열 파손 또는 휨을 피하기 위해 이득 매질에 충분히 잘 매칭된 열 팽창 계수.
6. 방사 열 수송을 방지하기 위해 도파관 물질은 원적외선(far infrared)에 대해 불투명해야 함. 상온에 가까운 에지 클래딩 온도에 대해서, 클래딩 열 스펙트럼은 약 9.7㎛에서 최대가 된다. 그러므로, 일부 실시예들은 ~4㎛의 투과 차단 파장(transparency cutoff wavelength)을 갖는 도파관 물질을 이용한다.
도파관 및 에지 클래딩을 위해 선택된 물질은 레이저 이득을 제공하기 위해 선택되는 물질에 의존한다. 이하의 예시적인 실시예에서, 두 가지 이득 매질 호스트를 위한 물질의 옵션들이 제시된다: YAG 세라믹 및 CaF2 결정.
Yb: YAG 이득 물질
~1.82의 굴절률을 갖는 Yb: YAG 이득 매질에 있어서, 도파관 물질은 도핑되지 않은 YAG 세라믹, 고굴절률 유리(예컨대, Schott LaSF) 또는 유사한 열 팽창 계수를 갖는 다른 적합한 인덱스 매칭 물질로부터 제조될 수 있다. 에지 클래딩은 구리, 코발트 등과 같은 흡수 금속 이온으로 도핑된 동일한 호스트 물질을 사용하여 제조될 수 있다. 도파관 및 클래딩 모두를 위해 YAG를 사용하는 경우의 장점은 열 팽창 계수가 완벽에 가깝게 매칭되는 것이고, 이는 어셈블리 내에서의 열 응력을 방지한다. YAG 도파관 및 클래딩 물질에 의해 제공되는 다른 장점은 이러한 물질들이 접착제가 없는, 공동 소결(co-sintering) 프로세스를 사용하여 증폭기 슬래브에 직접 결합될 수 있다는 것이다. 도파관을 위한 유리 물질의 사용은 ~1.82의 굴절률을 갖는 광학 접착제의 사용을 포함할 수 있다. 이러한 접착제를 위한 하나의 옵션은 높은 굴절률의 나노입자들을 상기 접착제에 넣는 것을 포함하고, 이는 1.84를 넘는 굴절률을 달성한다. 유리 도파관에 의해 제공되는 장점은 실질적으로 감소된 열 전도도이고, 이는 도파관을 통해 흐르는 기생 열을 줄인다. YAG와 유리의 적외선 투과 차단 파장(허수 지수(imaginary index)>1×10-4)은 각각 ~4㎛와 ~2㎛이고, 양 물질은 직접 방사 수송을 막을 것이다.
Yb:CaF2 이득 물질
~1.42의 굴절률을 갖는 Yb:CaF2 이득 물질에 있어서, 도파관과 클래딩은 CaF2, 유리, 또는 폴리머 물질 등으로부터 제조될 수 있다. 에지 클래딩은, 위에서 논의된 바와 같이, 흡수 금속 이온으로 도핑된 유리로부터 제조될 수 있다. CaF2는 18ppm/K의 상대적으로 높은 열 팽창 계수에 의해 특징지어진다. 따라서, 일부 실시예는 극저온 냉각에 의해 유도된 도파관/증폭기 슬래브 어셈블리 내의 열 응력을 해결한다. 예를 들어, 합리적인 인덱스 매칭을 갖는 유리(예컨대, (예컨대, Schott으로부터 입수가능한 N-FKS)는 현저한 팽창 계수 미스매치(mismatch)를 나타낸다(12.7ppm/K). CaF2로부터 제조된 도파관은 이러한 문제를 피하지만, CaF2의 상대적인 기계적 취성(fragility; 파괴되기 쉬운 성질) 때문에 다른 물질들에 기초한 솔루션들은 여전히 매력적이다. 본 발명의 일부 실시예들은 유연한 광학 접착제의 적정한 얇은 두께의 층들(예컨대, ~1mm)에 의해 분리된 유리(예컨대, N-FKS)를 포함하는, 중첩된(nested) 일련의 도파관 층들을 이용함으로써 열 팽창 미스매치 문제를 완화한다. 미스매치 변형의 대부분은 간삽된 접착제에 인가되는데, 이는 접착제의 낮은 모듈러스(modulus) 때문이다. 접착제의 고유한 유연성이 충분하고 인터페이스에서의 접착력이 충분하면, 이 설계는 큰 응력을 수용할 수 있다.
도 3a에 도시된 형태는 도파관에 매우 근접한(즉, 부착된) 흡수 물질(즉, 에지 클래딩)을 이용하지만, 본 발명이 이를 반드시 요구하는 것은 아니다. 다른 실시예에서는, 반사 방지(antireflection; AR) 코팅이 도파관의 종면(end surface)에 도포되어, 광이 증폭기의 외측으로 멀리 떨어진 흡수 빔 덤프(dump)까지 전파된다.
흡수성 에지 클래딩 330의 폭은 에지 클래딩의 바깥쪽 표면으로부터의 유효 반사율(effective reflectivity)이 충분히 낮도록 선택된다. 이러한 반사율은 클래딩을 통한 단일 경로 흡수의 두 배로 감소되고, 이는 클래딩 흡수 계수 α' 및 두께 L에 대해서 e-2α'L이다. 동시에, 에지 클래딩과 액체 냉각 시스템(다수의 증폭기 슬래브들이 서로 밀접하여 적층되는 실시예에서 에지 클래딩의 바깥쪽 에지에만 열적으로 접속될 수 있음) 사이의 열 수송이 더 얇은 에지 클래딩에 의해 향상된다. 일부 실시예에서, 에지 클래딩 두께는 약 0.1mm 내지 5mm의 범위가 될 것이다. 특정 실시예에서, 에지 클래딩 두께는 L∼1mm이다.
표 1을 다시 참조하면, 충분한 열적 격리를 제공하는 도파관 폭 tGUIDE는 온도 의존성 열 전도도(conductivity)를 이용하여 25cm 개구, 2cm 두께의 증폭기 슬래브 형태에 대하여 계산되었다. 세라믹 YAG에 대한 온도 의존성 열 전도도는 4㎛의 세라믹 그레인(grain) 크기를 가정한다. LaSF 유리의 온도 의존성 열 전도도는 유리의 열 전도도를 위해 사용되었다(35℃에서 1.06W/m-K).
Yb:YAG와 Yb:CaF2 이득 물질들이 위에서 논의되었지만, 본 발명의 실시예들은 이러한 물질들로 한정되지 않고, 유리, 스트론튬 플루오라파타이트(strontium fluoroapatite; SFAP) 등을 포함하는 다른 적합한 호스트 물질들이 사용될 수도 있다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자(이하, "당업자"라고도 함)는 많은 변형, 수정 및 대안을 인식할 것이다. 또한, 본 명세서에서는 Yb가 적합한 희토류 이득 매질로서 논의되었지만, 극저온 냉각 온도에서의 동작에 적합한 다른 이득 매질들도 고효율을 제공하는 열적으로 격리된 에지 클래딩을 포함하는 레이저 시스템을 제공하는데 이용될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 다양한 구성에 대하여 도파관을 통과하는 전도성 열 부하(conductive heat load)를 나타내는 단순화된 그래프를 도시한다. 도 4에 도시된 열 부하는 1-D 유한 요소 시뮬레이션으로부터 계산된 25cm×2cm 도파관 단면(2cm 두께의 25cm×25cm 증폭기 슬래브)에 걸친 열 플럭스의 4배를 사용하여 계산되었다. 양자 결손 및 비방사 프로세스에 기인한 증폭기 슬래브 상의 일반적인 벌크 열 부하는 ~900W(표 1 참조)이기 때문에, 본 발명의 실시예들은 YAG에 대해서는 약 10cm 내지 15cm, 유리에 대해서는 약 3cm 내지 5cm 범위의 도파관 폭을 이용한다.
일부 실시예에서, 레이저 시스템의 전체 크기를 줄이기 위해서는 도파관 폭 tGUIDE의 최소화가 바람직하다. 크기의 감소는 몇 가지 방법을 통해 이루어질 수 있다:
1. 열 전파 방향을 따라 가이드(guide) 층의 치수를 테이퍼링(tapering)함으로써, 열 전달을 위한 유효 단면을 감소시키고 더 작은 도파관 또는 감소된 전도성 열 부하를 가능하게 함. 도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 테이퍼링 된 도파관을 도시하는 단순화된 단면 개념도이다. 도 5에 도시된 것처럼, 이득 매질 510(즉, 증폭기 슬래브)과의 연결부에서의 도파관 520의 단면은 이득 매질에 매칭되지만, 전파 방향에 직교하는 축 방향에서의 도파관의 치수는 에지 클래딩 530을 향해 점점 가늘어진다. 예를 들어, 이득 매질에서 2cm×25cm 단면으로부터 에지 클래딩에서 1cm×25cm 단면으로 테이퍼링하면 열 부하가 ~25% 감소된다. 일 예로서, 테이퍼링 된 세라믹 YAG 도파관은 이득 매질로의 열 전도를 줄이기 위해 사용될 수 있다.
2. 약간 감소된 온도(예컨대, 280K)에서 에지 클래딩을 작동시킴.
3. 더 낮은 열 전도도를 갖는 물질로 도파관을 구성함. 예를 들어, 세라믹 YAG 도파관에 있어서, 더 작은 그레인 크기를 갖는 물질을 사용하면 열 전도도가 감소되기 때문에 약간의 이점이 있다. 호스트 물질과 현저히 다른 원자 질량 또는 결합 세기를 갖는(광자 산란 중심(phonon scattering centers)을 유도) 종(species)으로 도파관 물질을 도핑하면, 특히 낮은 온도에서, 열 전도도를 줄이기 위해 사용될 수 있다.
팽창이 매칭된 도파관/이득 매질 쌍에 있어서 최악의 열-기계적 응력은 다음과 같이 추정될 수 있다.
σMAX=EαΔT/(1-v)
여기서, E는 영 모듈러스(Young's modulus), α는 열 팽창 계수, v는 프와송 비(Poisson's ratio), ΔT는 온도 차이다. 세라믹 YAG에 대한 물질 계수를 사용하면, 추정되는 최대 응력은 200K에서의 증폭기 슬래브에 있어서 150MPa 이하이다. 이러한 추정은 최악의 경우에 대한 값인데, 강하게 구속된 어셈블리와 온도에 대해 독립적인 팽창 계수를 가정하고 있기 때문이다. 실제의 어셈블리들은 열-기계적 문제를 피하기 위해 느슨하게 고정되고, α는 온도가 감소함에 따라 감소하는 것으로 알려져 있어서, 유효 팽창 변형은 ∫αdT<αΔT이다. σMAX=150MPa인 최악의 경우의 추정은 세라믹 YAG의 파단 강도(340~360MPa) 및 결정 YAG의 탄성 한계(280MPa)보다 훨씬 낮고, σMAX 추정의 보수적인 속성에 대해서도 도파관을 가로지르는 열 구배는 현저한 문제로 보이지 않는다.
에지 클래딩을 더 높은 온도에서 작동함으로써 얻는 추가적인 장점은 액체 냉각제의 향상된 성능이다. 135K 정도로 낮은 유동점(pour point)을 갖는 냉각제 액체들이 사용가능하지만, 상기 유동점보다 높은 수십 켈빈 도(degree Kelvin; K)에서 작동될 때는 이들의 점성이 매우 크다. 점성이 높을수록 유체를 펌핑하는데 요구되는 전력이 증가한다. 이와 달리, 상온 근처에서의 작동은 낮은 점성, 뛰어난 열 용량 및 낮은 가격을 나타내는 매우 효과적인 냉각제(예컨대, 물, 물/글리콜 브라인(glycol brines) 등)의 사용을 가능하게 한다.
도 6a는 본 발명의 일 실시예에 의한 능동 냉각된(actively cooled) 거울이 통합된 도파관 구성의 단순화된 단면도이다. 도 6b는 도 6a에 도시된 능동 냉각된 거울과 통합된 도파관 구성의 단순화된 종면도이다. 도 6a 및 6b에 도시된 도파관 구성은 레이저 빔이 동일한 면을 통해 증폭기 슬래브로 들어가고 그로부터 나오는 설계에 적합하다. 따라서, 증폭기 슬래브의 한 면은 도 6a에 도시된 것처럼 냉각을 위해 사용될 수 있다.
액체 냉각제 또는 고체, 열 전도성 블록일 수 있는 냉각 매질 610은 증폭기 슬래브에 매우 근접하여 배치된다. 도시된 실시예에서, 냉각 매질 610은 고반사(high reflectance; HR) 다층 유전체 스택일 수 있는 반사 코팅 620에 의해 이득 매질로부터 분리된다. 도 6a에 도시된 것처럼, (도 6b의 평면과 정렬되는 x-y 평면 내에서의) 냉각 블록의 횡방향 치수는 증폭기 슬래브/투명 도파관/에지 클래딩 어셈블리보다 작아서, 저온 냉각 매질은 도파관을 가로질러 열적 "쇼트서킷(short circuit)"을 제공하지 않는다. 이득 매질과 에지 클래딩 사이의 열적 격리때문에, 이득 매질은 에지 클래딩과 별도로 필요에 따라 냉각될 수 있고, 에지 클래딩은 이득 매질보다 더 높은 온도로 동작할 수 있다.
증폭기 슬래브의 면들이 유체에 의한 직접 냉각을 위해 접근 가능할 때, 이득 매질은 그 면들 위로 고압 가스를 유동시킴으로써 냉각될 수 있다. 이러한 방식의 몇 가지 구현은 다음을 포함한다:
1. 헬륨 가스는 산란 손실을 최소화하기 위해 사용될 수 있다.
2. 증폭기 슬래브들 및 이들의 커버 윈도우, 또는 도 6a와 같은 반사성 구조를 위한 이들의 반사기는 일반적으로 좁은 가스 유동 채널들을 형성하도록 배열되고, 상기 가스 유동 채널들은 채널을 직접적으로 가로지르는 열 전달을 향상시키기 위해 가스 속도를 증가시킨다.
3. 가스 입구 및 이득 매질 채널로의 출구는 최적의 유동 패턴을 얻기 위해 "베인(vane)"으로 성형된다.
이러한 냉각 방식에 있어서, 가스 냉각제가 더 높은 온도의 에지 클래딩 위로 지나가면서 가열될 수 있기 때문에, 일부 도파관 구성은 차선책이 된다. 이는 냉각 시스템 상의 열 부하를 증가시키고, 따라서, 시스템 효율을 낮출 수 있다.
도 7a는 본 발명의 일 실시예에 의한 극저온 냉각을 포함하는 증폭기 슬래브 형태의 단순화된 종면도이다. 도 7b는 도 7a에 도시된 증폭기 슬래브 형태의 단순화된 평면도이다. 도 7에 도시된 도파관 구성은 ASE의 방향을 증폭기 슬래브 어셈블리의 두 에지에만 배치된 흡수성 에지 클래딩 730으로 바꾸기 위해 반사기들 740을 이용한다. 반사기들 740은 도파관 물질 720의 각진 에지들에 HR 코팅을 입힘으로써 제조될 수 있다. 도시된 것처럼, 반사기들 740은 흡수성 에지 클래딩으로 ASE를 유도하기 위해 각도 θ만큼 기울어져 있다. 이 에지들은 적절한 가스 유동을 보장하기 위해 도 7a 및 7b의 가스 성형 베인 750에 접속되고, 비 광학적 투명 물질로 만들어질 수 있다. 가스 성형 베인 750의 결합은 에폭시를 포함하는 다양한 물질을 이용하여 행해질 수 있는데, 인덱스 매칭 또는 투명도에 대한 요구가 없기 때문이다. 이득 슬래브 710, 도파관 물질 720, 반사기 740, 가스 성형 베인 750, 및 흡수성 에지 클래딩 730은 증폭기 유닛이라고 불릴 수도 있다. 도시된 실시예에서, 증폭기 유닛들은 증폭기 유닛들의 세트를 통한 전파 중에 레이저 광이 증폭되는 방향을 따라 종방향(길이 방향)으로 배열된다. 흡수성 에지 클래딩과 이득 매질 사이의 열적 분리는 이득 매질이 제1 온도(예컨대, 극저온 냉각 온도)에서 동작하게 할 수 있는 한편, 흡수성 에지 클래딩은 상기 제1 온도보다 높은 제2 온도(예컨대, 상온)에서 동작한다.
도 7a에 도시된 바와 같이, 냉각제 유동이 냉각제 유동의 일부 또는 대부분이 에지 클래딩과 상호작용하지 않는 방식으로 냉각제의 유동을 이득 매질로 공급한다. 냉각제 유동의 중심부는 이득 매질에 도달하기 전에 에지 클래딩 위로 흐르지 않지만, 에지 클래딩에 평행하게 흐른다. 따라서, 이 실시예에서는, 에지 클래딩이 냉각제 유동에 평행한 어셈블리의 주변부에 위치되기 때문에, 추가적인 레벨의 에지 흡수체들과 이득 매질 사이의 열적 분리가 제공된다.
도 7c는 본 발명의 일 실시예에 의한 극저온 냉각 및 가스 성형을 포함하는 증폭기 슬래브 형태의 단순화된 종면도이다. 도 7c에 도시된 바와 같이, 추가적인 도파관 물질 720'은 도 7c의 평면에 평행한 도파관 에지를 형성하기 위해 사용된다. 추가적인 도파관 물질 720'의 사용은 결합을 단순화시키고 열 응력을 줄일 수 있다.
도 7a를 참조하면, 반사 표면 및 에지 클래딩은 횡단 면(도 7a의 평면) 내에서의 기생 레이징을 방지하고 이득 매질 내에서의 여기 상태 에너지의 ASE 유도 손실을 최소화하도록 정렬된다. 도시된 것처럼, HR 코팅된 에지들은 레이징 캐비티의 형성을 피하기 위해 서로 평행하게 배향되지 않는다. 일부 실시예에서, 거리 t'GUIDE는 충분히 큰 거리로 설정되고 각도 θ는 충분히 작은 각도로 설정되어, 도 7a의 평면 내의 대부분의 각도에서 이득 매질로부터 방출되는 ASE가 HR 코팅으로부터 이득 매질로 다시 반사되지 않게 한다.
어셈블리 온도는 가스 유동을 횡단하는 방향으로 눈에 띄게 변활 것이기 때문에, 냉각 가스가 어셈블리를 횡단할 때 냉각 가스의 측방향(lateral) 이송을 방지함으로써 향상된 냉각 성능을 얻을 수 있다. 50 내지 100m/s의 일반적인 가스 속도에 대해서, 가스가 도파관 및 슬래브를 가로질러 흐르는 ~10ms 동안에는 약간의 측방향 확산만이 존재해야 한다. 도 8a는 본 발명의 일 실시예에 의한 유동 배리어를 포함하는 증폭기 슬래브 형태의 단순화된 종면도이다. 도 8b는 도 8a에 도시된 증폭기 슬래브 형태의 단순화된 평면도이다. 도 8a에 도시된 유동 배리어 810은 잔류 이송을 줄인다. 일부 실시예에서는, 상기 유동 배리어가 높은 압력차를 지탱하거나 누설 밀봉(leak tight seal)을 만들 필요가 없음에 유의한다. 배리어의 양측에서 유사한 가스 압력을 유지함으로써, 상기 배리어는 측방향 유동에 대한 지형적 장애물을 제공한다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 의한 도파관 구성의 단순화된 평면도이다. 도 9에 도시된 단면은 도 8b에 도시된 단면과 유사하다. 냉각제 유동 경로를 따라 증가된 도파관 물질의 길이는 어셈블리에 걸쳐 압력 강하를 증가시킬 것이다. 이러한 증가된 압력 강하는 증폭기를 통해 가스 냉각제를 추진하는 압축기에 의해 소모되는 전력을 증가시키기 때문에 바람직하지 않다. 도 9에 도시된 구성은 유동 방향을 따라 도파관을 테이퍼링함으로써 압력 강하를 완화한다. 이득 매질로부터 떨어진 냉각제 유동 채널의 폭을 증가시킴으로써, 이 영역의 유동 속도 및 마찰이 감소된다. 이에 더하여, 도 9에 도시된 구성은 투명 도파관의 열 전도도를 감소시켜, 에지 클래딩과 이득 매질 사이의 열 전도를 감소시킨다.
본 발명의 발명자들은 상온 흡수체를 포함하는 극저온 냉각 레이저/증폭기가 상온 Nd:glass 레이저/증폭기보다도 매력적인 성능 향상을 제공한다는 것을 입증하기 위해 시스템 시뮬레이션을 개발했다. 에지 클래딩 냉각 시스템의 향상된 성능 계수는 냉각 전력을 감소시키고, 결과적으로 시스템 효율을 향상시킨다.
도 10a는 본 발명의 일 실시예에 의한, 몇몇 냉각 구성에 있어서 200K에서 작동되는 Yb:YAG 이득 매질을 나타내는 단순화된 그래프를 도시한다. 도 10a는 295K에서 작동되는 에지 클래딩을 포함하는, 200K에서 작동되는 Yb:YAG 증폭기 슬래브에 기초한 레이저에 대하여 효율-펌프 파워 트레이드오프를 도시한다. 도 10b는 본 발명의 일 실시예에 의한, 몇몇 냉각 구성에 있어서 150K에서 작동되는 Yb:YAG 이득 매질을 나타내는 단순화된 그래프를 도시한다. 도 10b는 295K에서 작동되는 에지 클래딩을 포함하는, 150K에서 작동되는 Yb:YAG 증폭기 슬래브에 기초한 레이저에 대하여 효율-펌프 파워 트레이드오프를 도시한다.
도 10a 및 10b의 그래프들을 연산하기 위해 사용된 레이저 파라미터들은 표 1에 열거된 것들과 동일하다. 이전의 결과들과의 유일한 차이는 에지 클래딩이 극저온 냉각 온도 대신 295K(즉, 대략 상온)에서 작동된다는 것이다. 80GW를 초과하는 범위의 펌프 파워에서, 200K Yb:YAG 시스템 효율은 13%를 넘는데, 이에 비해 동일한 펌프 파워의 Nd:Glass 시스템에 대해서는 ~10%이다(표 1 참조). 10% 효율을 얻는데는 ~25GW의 펌프 파워만이 요구된다(이에 비해 Nd:glass의 경우에는 82GW). 따라서, 본 발명의 실시예들은 (고정된 펌프 파워에서) 레이저 효율을 ~3% 향상시키고 (10%의 고정된 효율에서) 펌프 파워를 약 3배 줄일 수 있는 200K 극저온 냉각된 Yb:YAG 레이저를 가능하게 하기 위해 ASE 흡수체의 상온 작동을 이용한다.
도 10c는 본 발명의 일 실시예에 의한, 몇몇 냉각 구성에 있어서(즉, 295K에서 작동되는 에지 흡수체를 포함하는 200K에서 작동되는 Yb:YAG 증폭기 슬래브 및 295K에서 작동되는 에지 흡수체를 포함하는 150K에서 작동되는 Yb:YAG 증폭기 슬래브) 피크 펌프 파워의 함수로서 레이저 시스템 효율을 나타내는 단순화된 그래프를 도시한다. 도 10c에 도시된 바와 같이, 더 높은 온도(예컨대, 상온)에서 작동되는 에지 흡수체를 포함하는 극저온 냉각 이득 매질은 상온 Nd:glass 레이저에 비해 현저한 향상을 제공할 수 있다. 도 10c에 도시된 데이터는 Yb:YAG 증폭기 슬래브의 150K 및 200K에서의 동작은 유사한 시스템 성능을 가져온다는 것을 보여준다. 따라서, 저온 동작은 일반적으로 추가적인 시스템 비용 및 복잡성을 요구하므로, 일부 시스템들은 200K의 온도에서 작동되는 것이 바람직하다. 당업자는 많은 변형, 수정 및 대안을 인식할 것이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 의한 광 증폭기를 작동하는 방법을 도시하는 단순화된 흐름도이다. 방법 1100은 세로 축, 가로 축 및 측방향 축을 갖는 이득 매질(예컨대, Yb:YAG 또는 Yb:CaF2와 같은 Yb-기반 증폭기 매질)을 제공하는 단계를 포함한다(1110). 일 실시예에서, 이득 매질은 폭 및 길이(각각 가로 및 측방향 축을 따라 측정됨)보다 작은 두께(세로 축을 따라 측정됨)를 갖는 이득 슬래브(증폭기 슬래브라고도 함)이다. 상기 방법은 또한 이득 매질을 펌핑하는 단계(1112) 및 상기 세로 축을 따라 이득 매질을 통해 광을 유도하는 단계(1114)를 포함한다. 이 광은 이득 매질에서 증폭되고(1116) 이득 매질이 제1 온도에 의해 특징지어지도록 상기 이득 매질이 냉각된다(1118). 일 실시예에서, 상기 제1 온도는 상온보다 낮은, 150K 또는 200K 등과 같은 극저온 냉각 온도이다.
상기 방법은 또한 이득 매질 내에서 ASE를 생성하는 단계를 포함한다(1120). 상기 ASE는 가로 축 및 측방향 축을 따라 전파된다. 상기 방법은 상기 이득 매질에 광학적으로 연결된 도파관을 통해 ASE를 유도하는 단계를 더 포함한다(1122). 상기 도파관은 일부 실시예에서 투명하고, 상기 도파관을 통해 상기 ASE의 90% 이상이 투과된다. 상기 도파관은 상기 가로 축 및 측방향 축과 정렬된 방향을 따라 상기 이득 매질을 부분적으로 둘러싸고, 세로 축에 수직인 이득 매질의 면들에 대한 광학적 접근을 가능하게 한다. 일부 실시예에서, 상기 도파관은 이득 매질과 동일한 호스트 물질로 만들어지지만, 활성 종(active species)(예컨대, Yb)은 포함하지 않는다.
또한, 상기 방법은 상기 도파관에 광학적으로 연결된 에지 클래딩 내에서 상기 ASE의 일부를 흡수하는 단계를 포함한다(1124). 상기 클래딩은 상기 제1 온도보다 높은 제2 온도에 의해 특징지어진다. 상기 제2 온도는 상온일 수 있다. 상기 클래딩은 상기 도파관에 의해 상기 이득 매질로부터 열적으로 격리되기 때문에, 동작 중에 상기 클래딩의 온도는 상기 이득 매질보다 더 높은 온도로 유지될 수 있다.
도 11에 도시된 구체적인 단계들은 본 발명의 일 실시예에 의한 광 증폭기를 작동하는 특정 방법을 제공한다는 점에 유의하여야 한다. 다른 실시예에 의하면 다른 단계들이 수행될 수도 있다. 예를 들어, 본 발명의 다른 실시예들은 상기 단계들을 다른 순서로 행할 수 있다. 또한, 도 11에 도시된 각 단계들은 개별 단계에 적합하도록 다양한 순서로 수행될 수 있는 다수의 하위 단계들을 포함할 수 있다. 또한, 특정 애플리케이션에 따라서는 추가적인 단계들이 부가되거나 제거될 수 있다. 당업자는 많은 변형, 수정 및 대안을 인식할 수 있을 것이다.
본 명세서에 개시된 예들과 실시예들은 단지 예시의 목적이며 당업자는 이를 기초로 한 다양한 변형 및 수정을 인식할 수 있고, 이러한 변형 및 수정은 본 출원의 사상 및 범위, 그리고, 첨부된 청구범위의 영역에 포함되어야 한다는 점이 이해되어야 한다.

Claims (39)

  1. 레이저 증폭기 시스템에 있어서,
    동작 중에 제1 온도에 의해 특징지어지는 이득 매질, 및
    동작 중에 상기 제1 온도보다 높은 제2 온도에 의해 특징지어지는 클래딩
    을 포함하는 레이저 증폭기 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2 온도는 실질적으로 상온인 레이저 증폭기 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 이득 매질은 세로 축과 상기 세로 축에 실질적으로 평행한 복수의 측면들을 포함하는, 레이저 증폭기 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 이득 매질은, 상기 세로 축에 직교하고 상기 세로 축을 따라 측정된 두께보다 큰 폭 및 길이를 갖는 직사각형의 슬래브를 포함하는 레이저 증폭기 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 이득 매질은 Yb:YAG 또는 Yb:CaF2 중 적어도 하나를 포함하는 레이저 증폭기 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    도파관, 및
    클래딩을 더 포함하고,
    상기 도파관은,
    복수의 안쪽 표면들 - 상기 안쪽 표면들의 각각은 상기 이득 매질의 복수의 측면들 중 하나에 광학적으로 연결됨 -; 및
    복수의 바깥쪽 표면들을 포함하고,
    상기 클래딩은 상기 도파관의 상기 바깥쪽 표면에 광학적으로 연결되는,
    레이저 증폭기 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 이득 매질은 이득 파장에서 광을 증폭시키는 레이저 증폭기 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 도파관은 상기 이득 파장에서 실질적으로 투명한 레이저 증폭기 시스템.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 클래딩은 상기 이득 파장에서 흡수성을 갖는 레이저 증폭기 시스템.
  10. 제5항에 있어서,
    상기 도파관은, 안쪽 표면들이 제1 표면 영역에 의해 특징지어지고 바깥쪽 표면들이 상기 제1 표면 영역보다 작은 제2 표면 영역에 의해 특징지어지도록, 테이퍼링되는, 레이저 증폭기 시스템.
  11. 반사성 광 증폭기에 있어서,
    입출력 면과 후면을 포함하는 이득 소자;
    상기 후면에 근접하여 배치된 반사 소자; 및
    상기 반사 소자에 근접하여 배치된 냉각 소자를 포함하고,
    상기 이득 소자는,
    폭, 길이, 및, 상기 폭과 상기 길이보다 작은 두께를 갖는 이득 매질;
    상기 이득 매질을 부분적으로 둘러싸는 도파관; 및
    상기 도파관을 부분적으로 둘러싸는 에지 흡수체
    를 포함하는,
    반사성 광 증폭기.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 이득 매질은 이테르븀(ytterbium) 활성 종을 포함하는,
    반사성 광 증폭기.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 이득 매질은 YAG 또는 CaF2 호스트 결정(host crystal) 중 적어도 하나를 포함하는, 반사성 광 증폭기.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 이득 매질은 호스트 결정 내에 위치되는 활성 종을 포함하고 상기 도파관은 상기 호스트 결정을 포함하는,
    반사성 광 증폭기.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 에지 흡수체는 상기 호스트 결정 내에 흡수 종(absorbing species)을 포함하는,
    반사성 광 증폭기.
  16. 제11항에 있어서,
    상기 반사 소자는 유전체 스택 거울을 포함하는,
    반사성 광 증폭기.
  17. 제11항에 있어서,
    상기 냉각 소자는 냉각 면을 포함하고, 상기 냉각 면은 상기 폭과 상기 길이를 곱한 것과 거의 동일한 공간적 크기를 갖는,
    반사성 광 증폭기.
  18. 제11항에 있어서,
    상기 이득 매질은 동작 중에 제1 온도에 의해 특징지어지고, 상기 에지 흡수체는 동작 중에 상기 제1 온도보다 높은 제2 온도에 의해 특징지어지는,
    반사성 광 증폭기.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 제2 온도는 실질적으로 상온인,
    반사성 광 증폭기.
  20. 광 증폭기 시스템에 있어서,
    종방향을 따라 배열된 한 세트의 증폭기 유닛들 -
    상기 증폭기 유닛들의 각각은,
    상기 종방향을 따라 전파되는 광을 증폭하고, 상기 종방향에 직교하는 횡방향 및 상기 종방향과 상기 횡방향에 직교하는 측방향을 따라 ASE를 생성하는 이득 슬래브;
    상기 이득 슬래브의 주변부에 광학적으로 연결된 도파관;
    상기 도파관에 광학적으로 연결되고 상기 횡방향을 따라 전파되는 ASE를 반사하는 한 세트의 반사기들;
    각각이 상기 반사기들 중 하나에 연결되고 상기 횡방향을 따라 흐르는 냉각 유체를 유도하는 한 세트의 냉각 베인들; 및
    상기 도파관에 광학적으로 연결되고 상기 측방향을 따라 전파되는 ASE를 흡수하는 하나 또는 그 이상의 흡수성 에지 클래딩
    을 포함함 - ; 및
    상기 횡방향을 따라 흐르는 냉각제를 공급하는 냉각 시스템
    을 포함하는 광 증폭기 시스템.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 도파관의 두께는 상기 이득 슬래브의 두께와 실질적으로 동일한,
    광 증폭기 시스템.
  22. 제20항에 있어서,
    상기 한 세트의 반사기들은 상기 ASE의 파장에서 고반사 유전체 거울을 포함하는 광 증폭기 시스템.
  23. 제20항에 있어서,
    상기 이득 매질은 이테르븀을 포함하는, 광 증폭기 시스템.
  24. 제23항에 있어서,
    상기 이득 매질은 YAG 또는 CaF2 중 적어도 하나를 포함하는,
    광 증폭기 시스템.
  25. 제20항에 있어서,
    상기 측방향을 따라 전파되는 상기 ASE는 상기 한 세트의 반사기들로부터 반사되는 ASE를 포함하는, 광 증폭기 시스템.
  26. 제20항에 있어서,
    한 세트의 냉각 베인들은 상기 도파관과 동일한 물질을 포함하는 광 증폭기 시스템.
  27. 제20항에 있어서,
    상기 증폭기 유닛들 사이에 배치된 하나 또는 그 이상의 횡방향 유동 배리어를 더 포함하는, 광 증폭기 시스템.
  28. 제20항에 있어서,
    상기 도파관은 상기 횡방향으로 테이퍼링되는, 광 증폭기 시스템.
  29. 레이저 증폭기를 작동시키는 방법에 있어서,
    세로 축, 가로 축 및 측방향 축을 갖는 이득 매질을 제공하는 단계;
    상기 이득 매질을 펌핑하는 단계;
    상기 세로 축을 따라 상기 이득 매질을 통해 광을 유도하는 단계;
    상기 광을 상기 이득 매질에서 증폭시키는 단계;
    상기 이득 매질이 제1 온도에 의해 특징지어지도록 상기 이득 매질을 냉각시키는 단계;
    상기 이득 매질 내에서 ASE를 생성하는 단계 - 상기 ASE는 상기 가로 축 및 상기 측방향 축을 따라 전파됨 - ;
    상기 이득 매질에 광학적으로 연결된 도파관을 통해 상기 ASE를 유도하는 단계; 및
    상기 도파관에 광학적으로 연결된 에지 클래딩 내에서 상기 ASE의 일부를 흡수하는 단계를 포함하고,
    상기 클래딩은 상기 제1 온도보다 높은 제2 온도에 의해 특징지어지는,
    레이저 증폭기의 작동 방법.
  30. 제29항에 있어서,
    상기 이득 매질은, 이테르븀을 포함하는 이득 슬래브를 포함하는 레이저 증폭기의 작동 방법.
  31. 제29항에 있어서,
    상기 도파관은 상기 ASE와 연관된 파장에서 90%보다 큰 투과율을 나타내는 광학 소자를 포함하는 레이저 증폭기의 작동 방법.
  32. 제29항에 있어서,
    상기 도파관은 상기 가로 축 및 상기 측방향 축과 정렬된 방향을 따라 상기 이득 매질을 부분적으로 둘러싸는 레이저 증폭기의 작동 방법.
  33. 제29항에 있어서,
    상기 이득 매질은 호스트 물질을 포함하는 레이저 증폭기의 작동 방법.
  34. 제33항에 있어서,
    상기 도파관은 상기 호스트 물질을 포함하는 레이저 증폭기의 작동 방법.
  35. 제29항에 있어서,
    호스트 물질은 YAG 또는 CaF2 중 적어도 하나를 포함하는,
    레이저 증폭기의 작동 방법.
  36. 제35항에 있어서,
    상기 도파관은 YAG 또는 CaF2 중 적어도 하나를 포함하는,
    레이저 증폭기의 작동 방법.
  37. 제29항에 있어서,
    상기 제1 온도는 상온보다 낮은, 레이저 증폭기의 작동 방법.
  38. 제37항에 있어서,
    상기 제1 온도는 200K이거나 그보다 낮은, 레이저 증폭기의 작동 방법.
  39. 제29항에 있어서,
    상기 제2 온도는 상온인, 레이저 증폭기의 작동 방법.
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