KR20140039146A - 컴팩트한 고 에너지 중파 opcpa 레이저 - Google Patents

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KR20140039146A
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에드워드 제이. 미에삭
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록히드 마틴 코포레이션
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Abstract

레이저 펄스를 위한 광 파라메트릭 처프 펄스 증폭의 시스템 및 방법이 제공된다. 상기 기술 및 부품들은 레이저 시스템의 크기, 중량, 가격 및 환경 감도를 감소시키기 위해 펄스 스트레처 및/또는 펄스 압축기를 처프 볼륨 브래그 그레이팅(CVBG)으로 대체하는 것을 포함한다.

Description

컴팩트한 고 에너지 중파 OPCPA 레이저{COMPACT HIGH ENERGY MID WAVE OPCPA LASER}
본 출원은, 크기가 컴팩트하며 부품 수가 감소되고 손상이나 오정렬(mis-alignment)의 위험이 없이 이동/운반될 수 있는 진동에 내성이 있는(vibration-tolerant) 레이저 펄스의 고 에너지 소스(source)에 관한 것이다. 이는 이동하는 플랫폼 상에서 신뢰성있게 사용될 수 있도록 충분히 단단하다.
본 출원은, 전체 내용이 본 명세서에 참조로 병합된 2010년 12월 30일자로 출원된 미국 가출원 제61/428,362호에 대한 35 U.S.C. 제119조 제(e)항 하의 우선권을 주장한다. 본 발명은 또한 전체 내용이 본 명세서에 참조로 병합된 2010년 7월 29일자로 미국 특허청에 출원된 미국 특허 출원 제12/846,606호의 일부 계속 출원이다.
처프 펄스 증폭(chirped pulse amplification)은 효과적인 펨토초(energetic femtosecond) 레이저 펄스를 만들기 위한 기술이다. 이 기술에서 피크 전력이 펄스를 스트레칭함으로써 감소된 후 상기 펄스가 증폭되며 최종적으로 원래의 펄스 폭이 압축을 통해 복원된다. 스트레칭/압축비는 5000이나 되며 증폭을 위해 50 펨토초 펄스를 2 나노초 이상까지 스트레칭(즉, 연신)한다. 처프 펄스 증폭 기술의 어려움 중의 하나는 펄스 스트레처(pulse stretcher)와 압축기의 크기이다.
피코초 및 펨토초 레이저 펄스를 생성할 수 있는 극초단 펄스 레이저(Ultrashort Pulse Laser: USPL)는 펄스 스트레처와 압축기를 필요로 한다. 종래 기술에서 알려진 스트레처와 압축기는 부설하기 어렵고 정렬하기는 더 어렵다. 이들은 진동 및 미세한 동요에 아주 민감하다. 또한 이들은 일반적으로 주문 제작되며, 적당한 상용제품(commercial off-the-shelf: COTS) 대체품이 없다.
근접 및 중파 적외에서 작동하는 짧은 펄스 레이저(즉, 대략 1 내지 8 미크론의 파장을 갖는 레이저)를 위한 증폭은 전형적으로 광 파라메트릭 증폭기(Optical Parametric Amplifier: OPA)에서 차 주파수 생성을 사용하여 달성된다. 이것은 OPA로 하여금 맨리-로 방정식(Manley- Rowe equation)에 따라 출력 펄스 및 아이들러 펄스를 생성하도록 하며, 그것은 OPA를 펌핑하기 위해 사용된 펌프 레이저 파장의 역이 신호 및 아이들러 출력 펄스 파장의 역의 합계와 동등한 것을 진술한다(1/λ펌프 = 1/λ신호 + 1/λ아이들러).
출력 펄스의 재압축은 과거에는 실행되었지만 크고 복잡한 펄스 스트레처 및 압축기를 필요로 했다. 전형적인 펄스 스트레처 및 압축기는 대형이며 많은 민감한 부품들을 가졌다. 전형적인 펄스 스트레처 볼륨은 스트레치량에 관련된다. 작은 것은 5 ft3을 점유할 수 있다. 전형적인 펄스 스트레처에서 정렬 공차는 아주 작아서 간섭계 공차와 유사하다. 임계 길이는 일반적으로 서브 밀리미터다. 큰 전체 크기와 아주 엄격한 정렬 및 임계 길이 공차의 이 조합은 전형적인 펄스 스트레처를 포함하는 레이저가 진동, 오염 및 온도 여행을 묵인하는 것을 방지한다. 이 형식의 레이저(처프 펄스 증폭 또는 CPA)는 이동하는 차량에 장착될 기회는 거의 없다.
전형적인 펄스 압축기는 전형적인 펄스 스트레처의 이 크기 및 정렬 공차 제한들을 공유한다. 전형적인 고 전력(펄스당 줄(joule)) 처프 펄스 증폭(CPA) 레이저 시스템에서, 스트레처와 압축기 부품들은 전형적으로 시스템 크기의 큰 부분을 차지한다. 전형적인 펄스 스트레처와 전형적인 펄스 압축기를 구비한 CPA 레이저는 15 입방 피트를 넘는 총 볼륨을 가지며, 펄스 스트레처와 펄스 압축기에 의해 점유된 부피를 갖는다. 1 개 이상의 스트레처와 압축기를 갖는 CPA 시스템은 더 크다. 그리고, 상술한 서브 밀리미터 정렬 공차 때문에 이런 CPA 시스템은 적절히 정렬하기 어렵고 랩 환경의 외측에 정렬된 채로 잔류하지 않아서 그들을 실제 적용에 적절하지 않게 만들며 어떤 종류의 필드 또는 모바일 세팅에 효과적으로 사용할 수 없게 한다.
전술한 기술 및 시스템의 소정의 변형예는 광 파라메트릭 처프 펄스 증폭(OPCPA) 레이저 시스템에 관한 것으로서, 상기 시스템은, 시드 레이저; 펌프 레이저; 입력 측과 출력 측을 가지되, 상기 입력 측 상에 상기 시드 레이저와 상기 펌프 레이저가 배치되는 증폭기; 상기 시드 레이저와 상기 증폭기의 상기 입력 측 사이에 배치된 처프 볼륨 브래그 그레이팅(chirped volume Bragg grating: CVBG) 펄스 스트레처; 및 상기 증폭기의 출력 측 상에 배치된 그레이팅 압축기를 포함한다.
소정의 변형예에서, 상기 시드 레이저는 2.9㎛보다 작은 파장을 갖는다. 다른 변형예에서 펄스 스트레처는 4×4×25㎜이다. 또 다른 변형예는 환경적인 인자에 기인한 손상, 오정렬 및/또는 고장으로부터 시스템 부품들을 보호하는 단단한 인클로저(ruggedized enclosure)를 포함한다. 또 다른 변형예에서, 상기 그레이팅 압축기가 또한 CVBG이다.
소정의 변형예에서, 상기 증폭기는 광 파라메트릭 증폭기(OPA)이다. 다른 변형예에서, 상기 증폭기는 신호 출력 펄스와 아이들러 출력 펄스를 생성시키도록 구성된다. 또 다른 변형예에서, 상기 시스템은 상기 증폭기와 그레이팅 압축기 사이에서 증폭기의 출력 측 상에 배치된 아이들러 추출 모듈; 및 상기 아이들러 추출 모듈에 의해 추출된 아이들러 펄스를 수신하도록 상기 증폭기의 출력 측 상에 배치된 아이들러 그레이팅 압축기를 더 포함한다. 또 다른 변형예에서, 상기 그레이팅 압축기가 또한 CVBG이다.
소정의 변형예에서, 상기 CVBG 그레이팅 압축기는 CVBG 펄스 스트레처와 동일한 처프를 갖는다. 다른 변형예에서, CVBG 아이들러 그레이팅 압축기는 CVBG 펄스 스트레처와 동일한 처프 및 동일한 부호(sing)를 갖는다. 상기 증폭기는 대략 20억배 증폭을 제공하는 OPA 체인을 포함한다.
전술한 기술 및 시스템의 추가적인 변형예는 광 파라메트릭 처프 펄스 증폭(OPCPA) 레이저 시스템에서 고 에너지를 생성하기 위한 방법에 관한 것으로서, 상기 방법은 시드 레이저 소스로부터 시드 레이저 신호를 제공하는 단계; 처프 볼륨 브래그 그레이팅(CVBG) 펄스 스트레처를 제공하는 단계; 제공된 시드 레이저 신호를 상기 CVBG 펄스 스트레처로 스트레칭시키는 단계; 스트레칭된 레이저 신호를 증폭기로 증폭시키는 단계로서, 상기 증폭이 펌프 레이저 소스로 증폭기를 펌핑하는 것을 포함하는 것인, 상기 증폭시키는 단계; 및 증폭된 레이저 신호를, 그레이팅 압축기를 이용해서 출력 펄스로 압축시키는 단계를 포함한다.
소정의 방법 변형예에서, 상기 증폭시키는 단계는 광 파라메트릭 증폭(OPA)을 실행하는 단계를 포함한다. 다른 방법 변형예에서, 상기 증폭시키는 단계는 아이들러 펄스를 생성하는 단계를 포함하며, 또한 상기 방법은 상기 증폭기의 출력 측으로부터 생성된 아이들러 펄스를 추출하는 단계; 및 추출된 아이들러 펄스를, 아이들러 그레이팅 압축기를 이용해서 출력 펄스로 압축시키는 단계를 포함한다.
소정의 방법 변형예에서, 상기 증폭된 레이저 신호를 압축시키는 단계는, CVBG 펄스 압축기를 그레이팅 압축기로서 제공하는 단계; 및 CVBG 펄스 압축기로 증폭된 레이저 신호를 압축시키는 단계를 포함하며, 상기 CVBG 펄스 압축기는 CVBG 펄스 스트레처와 동일한 처프를 갖는다. 다른 방법 변형예에서, 상기 OPA를 실행하는 단계는 대략 20억배 증폭을 제공하는 OPA 체인을 제공하는 단계를 포함한다.
전술한 기술 및 시스템의 또 다른 변형예는 광 파라메트릭 처프 펄스 증폭(OPCPA) 레이저 시스템에 관한 것으로서, 상기 시스템은 중파, 적외 시드 레이저; 펌프 레이저; 입력 측과 출력 측을 가지되, 상기 입력 측 상에 상기 시드 레이저와 상기 펌프 레이저가 배치되는 광 파라메트릭 증폭기(OPA); 상기 시드 레이저와 상기 OPA 압력 측 사이에 배치된 처프 볼륨 브래그 그레이팅(CVBG) 펄스 스트레처; 상기 OPA의 출력 측 상에 배치된 신호 그레이팅 압축기; 상기 OPA의 출력 측 상에 배치된 아이들러 그레이팅 압축기; 상기 OPA의 출력 측과 아이들러 그레이팅 압축기 사이에 배치된 아이들러 추출 모듈; 및 환경적인 인자에 기인한 손상, 오정렬 및/또는 고장으로부터 시스템 부품들을 보호하는 단단한 인클로저를 포함한다.
소정의 이러한 변형예에서, 상기 아이들러 그레이팅 압축기와 신호 그레이팅 압축기는 모두 펄스 스트레처와 동일한 처프를 갖는 CVBG이다. 다른 변형예에서, 상기 OPA는 대략 20억배 증폭을 제공하는 OPA 체인을 제공하며, 상기 시스템은 5 줄(Joule)까지의 에너지를 갖는 출력 펄스를 생성하도록 구성된다. 또 다른 변형예에서, 상기 인클로저는 4 입방 피트 미만의 총 볼륨(total volume)을 갖는다.
본 발명의 더 나아간 적용의 범위는 이후의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다. 그러나, 상세한 설명과 특정 예들은 본 발명의 바람직한 실시예들을 나타내지만 단지 설명을 위해 주어지므로 본 발명의 정신과 범위 내에서 상세한 설명으로부터 다양한 변경과 수정이 가능함은 당 분야의 기술자에게는 명백할 것이다.
본 발명은 후술하는 상세한 설명과 첨부 도면에 의해 보다 충분히 이해될 것이며, 이것은 단지 설명을 위해 부여되는 것일 뿐, 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다.
도 1은 본 발명에 따른 시스템 아키텍처(architecture)의 일 실시예를 도시한 도면;
도 2a는 본 발명에 따른 CVBG 펄스 스트레처의 일 실시예를 도시한 도면;
도 2b는 본 발명에 따른 CVBG 펄스 압축기의 일 실시예를 도시한 도면;
도 3은 본 발명에 따른 시스템 아키텍처의 대안적인 실시예를 도시한 도면.
상기 도면들은 본 발명의 상세한 설명에 따라 상세히 설명될 것이다.
본 발명의 상세한 설명은 첨부 도면을 참고로 한다. 상이한 도면들의 동일한 도면 부호는 동일 또는 유사한 요소를 나타낸다. 또한 하기 상세한 설명은 본 발명을 제한하지 않는다. 대신에, 본 발명의 범위는 첨부된 특허 청구의 범위 및 그 균등물에 의해 한정된다.
전술한 레이저 시스템의 일 변형예는 크고 복잡하며 취약한 펄스 스트레처를 작은 처프 볼륨 브래그 그레이팅(CVBG)으로 대체한다. 전술한 레이저 시스템의 실시예는 시드 및 펌프로서 표준 레이저를 사용한다. 전술한 실시예의 일 변형예는 증폭 공정의 부산물, 아이들러를 추출하며, 출력으로서 추출된 아이들러를 사용한다. 소정의 변형예에서, 상기 아이들러는 표준 그레이팅 페어 압축기에서 재압축된다. CVBG는 그레이팅 압축기에 잘 정합된 제2 오더 분산(order dispersion)을 갖게 구성된다. 다른 변형예에서, 상기 아이들러는 다른 CVBG를 사용하여 재압축된다.
본 발명의 교시에 따른 레이저 시스템의 일 실시예가 도 1에 도시된다. 도시된 바와 같이, 시드 레이저(1020)는 초극단 펄스(ultra-short pulse: USP)를 생성한다. 그 후 이 USP는 CVBG (1030)를 통과하여 증폭기(1010)에서 신호가 증폭되기 전에 신호를 스트레칭한다. 소정의 변형예에서, 증폭기(1010)는 OPA이다. 다른 변형예에서, 상기 증폭기(1010)는, 그 중 일부가 OPA인 다중 증폭기를 포함하는 증폭 체인이다. 또 다른 변형예에서, 증폭기(1010)는 1개 이상의 다중 통과 OPA를 포함한다.
시드 레이저(1020)가 USP를 생성하는 변형예에서, 상기 USP는, USP를 증폭하기가 어렵기 때문에, 바람직하게는 스트레칭된다. 스트레칭되지 않은 상태에서 증폭되면, USP의 강도는 레이저 시스템의 공차 또는 능력을 아주 빠르게 초과한다. 어떤 경우, 바람직하지 않은 비 선형 효과가 나타나기 시작하며, 그것은 펄스를 더 증폭시키거나 제어하기 힘들게 한다. 이런 바람직하지 않은 효과는 비 선형 위상, 이득 포화, 이득 분산, 일시적 및 스펙트럼 펄스 형상, 자기 집속, 및 증폭된 자발 방사를 포함하지만 이에 제한되지는 않는다
USP를 크기의 1개 이상의 오더만큼(예를 들어 100 fsec부터 10 psec까지 가는 100x와 같은) 스트레칭시키는 것은 비교량(100x 스트레치에 대해 100x)만큼 강도를 낮추며 동일한 강도 제한 및 연관된 비 선형 효과 및 관련된 어려움에 도달하기 전에 스트레칭된 펄스의 에너지가 100x까지 증가될 수 있게 한다.
소정의 변형예에서, 상기 증폭기(1010)는 증폭기 형식과 원하는 증폭 레벨에 기초하여 선택된 펌프 레이저(1001)에 의해 공급될 수 있다. 소정의 변형예에서, 펌프 파장의 역은 신호 파장의 역과 아이들러 파장의 역의 합계와 같다. 따라서 어떤 경우에, 상기 펌프 파장은 원하거나 예상했던 아이들러 신호에 따라 선택되거나 구성될 수 있다. 다중 증폭기를 포함한 소정의 변형예에서, 하나 이상의 증폭기는 자체 펌프 레이저를 가질 수 있다. 다른 변형예에서는, 공통의 펌프 레이저가 다중 증폭기를 펌핑하는데 사용될 수 있다.
증폭기(1010) 또는 증폭 체인은 바람직하게는 3개의 출력을 생성하도록 구성된다. 즉, 신호 출력(1090), 펌프 출력(1080) 및 아이들러 출력(1070)이며, 이들은 상기 증폭 공정의 부산물이다. 상기 아이들러는 에너지 보존의 결과로서 신호 증폭의 부산물이다. 상기 3 파장 관계는 맨리-로의 방정식을 기초로 하며, 그것은 증폭기(1010)를 펌핑하는데 사용된 상기 펌프 레이저 파장의 역은 신호 출력 펄스 파장의 역과 아이들러 출력 펄스 파장의 역의 합계와 같다는 것을 말한다(1/λ펌프 = 1/λ신호 + 1/λ아이들러). 특정한 아이들러 출력(1070)이 요망되는 변형예에 있어서, 상기 증폭기(1010) 또는 증폭 체인은 적어도 1개의 OPA를 포함하며, OPA 에 대하여 시드 레이저(1020)의 파장 및 펌프 레이저(1001)의 파장은 특정 아이들러 파장 또는 마음에 있는 파장 범위로 맨리-로 방정식을 기초로 하여 선택될 수 있다.
많은 적용에서는, 단지 넓은 스펙트럼 신호 증폭만이 주목된다. 이런 경우에 아이들러는 그것이 믹싱 크리스털(mixing crystal)을 떠나면 무시하거나 폐기되거나 억제된다.
대부분의 경우에 아이들러 신호가 억제되거나 무시되거나 폐기되는 반면에, 도 1에 도시된 상기 시스템은 아이들러(1070) 출력과 신호(1090) 출력을 남겨 두고, 펌프 출력(1080)을 억제하는 아이들러 추출부(1040)를 통해 상기 증폭기(1010)의 출력을 통과시킨다. 소정의 변형예에서, 상기 아이들러 추출부(1040)는 단지 아이들러만 반사하는 미러 또는 필터와 조합되어 단지 아이들러만 통과시키는 반사기를 포함한다. 상기 아이들러(1070) 펄스와 신호(1090) 펄스는 그 후 극초단 펄스 출력을 생성하기 위해 각각 그레이팅 압축기(1050), (1060)로 보내진다.
이런 증폭된 극초단 펄스를 위한 용도들은 종종 파장에 의해 한정된다. 2개의 출력 파장을 생성하는 것은 더 많은 다용도의 시스템을 가능하게 한다. 도 1에 도시된 바와 같이 그런 다른 변형예들은 단지 상기 아이들러 출력(1070)을 사용하고 상기 신호(1090) 출력과 펌프(1080) 출력 모두 억제하거나 폐기하거나 무시할 것이다. 그런 변형예들에서, 단일 그레이팅 압축기(1060) 또는 압축 작업이 요구될 수 있다.
소정의 변형예들에서, 신호의 그레이팅 압축기(1050)는 CVBG 스트레처(1030)와 같지만 부호가 반대인 처프를 갖는다. 소정의 변형예들에서, CVBG는 신호 파장에 대한 스트레처(1030)와 압축기(1050)로서 사용될 수 있다. 그런 변형예들에서, 상기 펄스 스트레처(1030)에 사용된 것과 동일한 형식의 CVBG가 펄스 압축(1050)에 사용될 수 있다. 소정의 변형예들에서, 약 2.9㎛보다 작은 신호 파장이 이 식으로 스트레칭되거나 압축될 수 있다. 또 다른 변형예들에서, 상기 아이들러(1060)에 대한 그레이팅 압축기는 상기 스트레처(1030)와 동일한 처프를 가지며 동일한 부호도 갖는다. 또한 문제의 파장에 따라 CVBG는 상기 아이들러에 대한 압축기(1060)로 사용될 수 있다. 그러나 어떤 파장은 CVBG 압축에 적합하지 않을 수 있다. 이것은 CVBG를 만드는 데 사용된 물질과 전송 능력과 한계와 관련된 인자일 것이다.
소정의 변형예에서, 시드 레이저(1020)는 COTS 근적외(NIR) 레이저이고, 상기 펄스 스트레처(1030)는 COTS CVBG일 수 있다. 상기 시드 출력은 광 파라메트릭 증폭기(OPA)(1010)에서 증폭될 수 있으며, 3에서 5 미크론 사이의 파장을 갖는 중파 아이들러(1070)를 생성한다. 상기 중파 아이들러(1070)는 그 후 단지 상기 아이들러(1040)를 반사하는 미러로 증폭기 출력으로부터 추출될 수 있으며 그레이팅 압축기(1060)를 사용하여 압축될 수 있다.
소정의 변형예에서, 분리되거나 폐기되는 대신에, 상기 펌프(1080) 신호는 추출되거나 상기 시드(1090) 펄스와 아이들러(1070) 펄스 중 하나 또는 모두와 조합될 수 있다. 소정의 변형예에서, 증폭기(1010)나 단일-패스 혹은 다중-패스 OPA 또는 다중 OPA를 포함하는 증폭 체인이 사용될 수 있다. 다른 변형예에서는, 상이한 증폭기 형식들이 사용될 수 있다. 바람직하게는, 상기 사용된 증폭기나 증폭기 세트가 아이들러를 생성한다. 소정의 변형예에서, 전술한 형식의 시스템은 먼지, 습기 및 기타 환경 오염 물질에 대하여 밀봉된 휴대용 또는 차량 탑재 인클로저에 배치된다. 이런 인클로저는 충격 흡수 부품이나 망원경, 미러 및 다른 부품들이 적절하게 연결되도록 유지하기 위한 조립체를 포함한다.
소정의 변형예에서, 전체 시스템은 오염으로부터 보호하는 인클로저 및/또는 차광 환경을 제공하는 인클로저에 포함된다. 일부 변형예에서, 상기 인클로저 내의 부품들은 단지 부품들 사이의 빔-경로가 인클로저 내 개방 공간이 되도록 하기 위해 폼 또는 성형 재료에 더 둘러싸인다. 다른 변형예에서, 인클로저는 조립체의 방향이나 전위와 상관없이 개별 시스템 부품들의 정렬을 보존하는 자이로스코프 요소들을 포함한다.
본 발명에서 제안된 해결책은 CVBG를 갖는 펄스 스트레처를 제거하는데, 그것은 경미한 오정렬에 매우 내성이 있는 단일 광 부품이며, 그것은 단일 부품인 덕분에, 전형적인 펄스 스트레처의 정렬 문제 또는 내부 혼란의 형식의 대상이 아니다. 이것은 레이저 시스템을 이동하는 플랫폼에 존재하는 형식의 외부 조건에 더욱 내성이 있게 만든다. 그것은 또한 시스템을 더 작게 만든다. 전형적인 펄스 스트레처 볼륨은 스트레치량에 관련된다. 작은 것은 3 내지 5 ft3을 점유할 수 있다. 전형적인 펄스 스트레처에서 정렬 공차는 매우 작고 간섭계 공차와 유사하다. 임계 길이는 일반적으로 서브 밀리미터이다.
대조적으로, CVBG는 그 자체가 밀리미터 단위로 측정된다. 일부 변형예에서, 4㎜×4㎜×25㎜의 CVBG는 약 100 fsec(펨토초)에서부터 약 150 psec(피코초)까지의 펄스를 스트레칭하는데 사용될 수 있다. 비교할 만한 전형적인 펄스 스트레처는 약 4-5 ft3이다. CVBG 펄스 스트레처의 예는 도 2a에 도시한다.
도면에 도시된 바와 같이, CVBG(121)는 블록 혹은 광열 굴절 유리를 포함하여 적정 열특성을 가지는 플라스틱 또는 폴리머 등 재료의 범위로 만들어진 다른 단단한 물체이다. 상기 예에서 도시한 대로 CVBG(121)는 각각이 동일한 대역폭을 갖는 4개의 그레이팅(121-1), (121-2), (121-3), (121-4)을 갖는다. CVBG(121)의 변형예들은 비용, 공간 및 동력 요구 조건이 허락하는 한 많은 그레이팅을 갖는다. 스트레처로서 CVBG를 사용하여, 좁은 펄스(141-1)는 상기 CVBG의 페이스로 전송되며, 개별 그레이팅들은 전체 출력이 더 길고 복귀된 펄스 부분들로 구성된 다중 스펙트럼 펄스(141-2)가 되도록 입력 펄스의 한 부분으로 복귀한다. CVBG 스트레처의 일례에서, 각기 대략 1 나노미터의 반사 대역으로 N개의 그레이팅을 갖는 CVBG는 N 내지 N*100 피코초의 대역폭을 갖는 입력 펄스를 스트레칭한다.
도 2b는 압축기로서 사용되는 CVBG 의 일 실시예를 도시하며, 길고 다중 스펙트럼 펄스(131-1)가 상기 CVBG(151)의 대향면으로 입력되며 개별적인 그레이팅(151-4), (151-3), (151-2), (151-1)은 모든 부분이 짧은 고 전력 펄스(131-2)를 생성하기 위해 동시에 CVBG를 나가도록 입력 펄스의 부분들을 복귀시킨다.
전술한 레이저 시스템의 소정의 변형예에서 펄스 스트레처(1030) 또는 그레이팅 압축기(1060), (1050)는 그 전체 내용이 참고로 여기에 통합된 2010.7.29. 미국 특허청에 출원된 미국 특허 출원 제12/846,606호에 게재된 형식의 다판 볼륨 블래그 그레이팅(VBG)이다. 다른 변형예에서 CVBG는 CVBG의 어느 면이 입력면으로서 사용되는가에 따라 펄스 스트레처(1030) 또는 그레이팅 압축기(1060), (1050) 모두로 사용될 수 있다. 소정의 변형예에서 전술한 레이저 시스템은 하나의 입력면에서 스트레칭될 입력 펄스를 수신하며 대향 입력면에서 압축될 출력 펄스를 수신하는 단일 CVBG를 구비한다.
도 1a에 도시한 장치는 CVBG 펄스 스트레처와 그레이팅 압축기를 쌍을 이루게 함으로써 고 출력 강도에 도달할 수 있게 한다. 스트레처와 압축기 모두를 CVBG 기술로 대체하는 것은 전형적인 펄스 스트레처와 압축기가 환경 효과에 민감하고 대형이며 고가이므로 CPA 레이저로 하여금 환경 조건에 대해 참으로 단단하고 내성을 가질 수 있게 한다. 그들을 제거하는 것은 시스템으로부터의 문제를 제거하며 부품들의 전체 개수와 실패의 수반점들을 감소시킨다.
CVBG 기반 펄스 스트레칭 및 압축 초극단 레이저 펄스 시스템의 대안적인 실시형태가 도 1b에 도시되어 있다. 도시한 실시예에서 1.55 미크론 신호 레이저(1101)는 1.55 미크론 초극단 펄스를 생성시키며 상기 펄스는 4×4×25㎜ CVBG(1120) 내로 공급되어 펄스를 스트레칭한다. 그 후 스트레칭된 펄스는 1.064 미크론 펌프(1110)에 의해 펌핑되는 광 파라메트릭 증폭기(OPA)(1130)에 공급된다. OPA의 펌프 파장의 역이 신호 및 아이들러 파장의 역의 합계와 동등하므로, 상기 OPA는, 증폭된 1.55 미크론 펌프 신호에 추가하여, 3.39 미크론 스트레치 아이들러 펄스를 생성하며, 이는 중파, 적외 펄스이다. 상기 펌프, 신호 및 아이들러는 필터(1140)로 공급되며, 상기 필터는 펌프 신호를 제거하여 증폭된 신호와 아이들러 펄스만 남게 한다. 그 후 이들 각각은 그레이팅 압축기(1150), (1160)로 통과된다. 그레이팅 압축기들도 CVBG 장치들이며, 레이저 시스템의 복잡도를 더 감소시킨다. 그레이팅 압축기는 1.55 미크론 신호와 3.39 미크론 아이들러 펄스를 초극단 펄스로 되돌린다. 지금 각 압축된 펄스는 스트레칭되는 동안 증폭되는 덕분에 고 전력을 갖는다. 소정의 변형예에서, 5 nJ의 펄스 에너지를 갖는 시드 레이저와 대략 20억배 증폭을 제공하는 OPA 체인은 증폭 전후의 CVBG 펄스 스트레칭과 압축 때문에 5 J까지의 에너지를 갖는 출력 펄스를 생성한다. 큰 개구(aperture)를 갖는 CVBG의 변형예는 증폭의 더 높은 레벨을 허용한다.
본 발명이 이와 같이 설명되었지만, 본 발명이 다양하게 변할 수 있음은 명백하다. 이런 변형예들은 본 발명의 정신과 범위를 일탈하는 것으로 간주되지 않으며, 이런 수정들이 하기 특허청구범위 내에 포함되는 것임은 당 분야의 기술 자에게는 명백할 것이다.

Claims (20)

  1. 처프 펄스 증폭(chirped pulse amplification: CPA) 레이저 시스템으로서,
    시드 레이저;
    펌프 레이저;
    입력 측과 출력 측을 가지되, 해당 입력 측 상에 상기 시드 레이저와 상기 펌프 레이저가 배치되는 증폭기;
    상기 시드 레이저와 상기 증폭기의 상기 입력 측 사이에 배치된 처프 볼륨 브래그 그레이팅(chirped volume Bragg grating: CVBG) 펄스 스트레처(pulse stretcher); 및
    상기 증폭기의 출력 측 상에 배치된 그레이팅 압축기를 포함하는 처프 펄스 증폭(CPA) 레이저 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 시드 레이저가 2.9㎛보다 작은 파장을 갖는 근 적외 레이저인 것인 CPA 레이저 시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 시스템은 환경적인 인자에 기인한 손상, 오정렬(mis-alignment) 및/또는 고장으로부터 시스템 부품들을 보호하는 단단한 인클로저(ruggedized enclosure)를 더 포함하는 CPA 레이저 시스템.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 그레이팅 압축기는 또한 CVBG인 것인 CPA 레이저 시스템.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 증폭기는 광 파라메트릭 증폭기(Optical Parametric Amplifier: OPA)를 포함하는 것인 CPA 레이저 시스템.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 증폭기는 신호 출력 펄스와 아이들러 출력 펄스를 생성시키도록 구성된 것인 CPA 레이저 시스템.
  7. 제5항 또는 제6항에 있어서, 상기 시스템은,
    상기 증폭기와 상기 그레이팅 압축기 사이에서 상기 증폭기의 상기 출력 측 상에 배치된 아이들러 추출 모듈; 및
    상기 아이들러 추출 모듈에 의해 추출된 아이들러 펄스를 그것이 수신하도록 상기 증폭기의 출력 측 상에 배치된 아이들러 그레이팅 압축기를 더 포함하는 CPA 레이저 시스템.
  8. 제7항에 있어서, 상기 아이들러 그레이팅 압축기는 또한 CVBG인 것인 CPA 레이저 시스템.
  9. 제5항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 CVBG 그레이팅 압축기는 CVBG 펄스 스트레처와 동일한 처프를 갖는 것인 CPA 레이저 시스템.
  10. 제9항 또는 제9항에 있어서, 상기 CVBG 아이들러 그레이팅 압축기는 상기 CVBG 펄스 스트레처와 동일한 처프 및 동일한 부호(sign)를 갖는 것인 CPA 레이저 시스템.
  11. 제6항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 증폭기는 대략 20억배 증폭을 제공하는 OPA 체인을 포함하는 것인 CPA 레이저 시스템.
  12. 처프 펄스 증폭(CPA) 레이저 시스템에서 고 에너지 레이저 펄스를 생성하기 위한 방법으로서, 상기 방법은,
    시드 레이저 소스로부터 시드 레이저 신호를 제공하는 단계;
    처프 볼륨 브래그 그레이팅(CVBG) 펄스 스트레처를 제공하는 단계;
    제공된 상기 시드 레이저 신호를 상기 CVBG 펄스 스트레처로 스트레칭시키는 단계;
    스트레칭된 상기 레이저 신호를 증폭기로 증폭시키는 단계로서, 상기 증폭이 펌프 레이저 소스로 상기 증폭기를 펌핑하는 것을 포함하는 것인, 상기 증폭시키는 단계; 및
    증폭된 상기 레이저 신호를, 그레이팅 압축기를 이용해서, 출력 펄스로 압축시키는 단계를 포함하는, 고 에너지 레이저 펄스의 생성 방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 증폭시키는 단계는 광 파라메트릭 증폭(OPA)을 실행하는 단계를 포함하는 것인, 고 에너지 레이저 펄스의 생성 방법.
  14. 제12항 또는 제13항에 있어서, 상기 증폭시키는 단계는 아이들러 펄스를 생성하는 단계를 포함하며, 또한 상기 방법은,
    생성된 상기 아이들러 펄스를 상기 증폭기의 출력 측으로부터 추출하는 단계; 및
    추출된 상기 아이들러 펄스를, 아이들러 그레이팅 압축기를 이용해서, 출력 펄스로 압축시키는 단계를 포함하는, 고 에너지 레이저 펄스의 생성 방법.
  15. 제12항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 증폭된 레이저 신호를 압축시키는 단계는,
    CVBG 펄스 압축기를 상기 그레이팅 압축기로서 제공하는 단계; 및
    상기 증폭된 레이저 신호를, 상기 CVBG 펄스 압축기를 이용해서 압축시키는 단계를 포함하며,
    상기 CVBG 펄스 압축기는 상기 CVBG 펄스 스트레처와 동일한 처프를 갖는 것인, 고 에너지 레이저 펄스의 생성 방법.
  16. 제13항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 OPA를 실행하는 단계는 대략 20억배 증폭을 제공하는 OPA 체인을 제공하는 단계를 포함하는 것인, 고 에너지 레이저 펄스의 생성 방법.
  17. 광 파라메트릭 처프 펄스 증폭(OPCPA) 레이저 시스템으로서, 상기 시스템은,
    중파, 적외 시드 레이저;
    펌프 레이저;
    입력 측과 출력 측을 가지되, 상기 입력 측 상에 상기 시드 레이저와 상기 펌프 레이저가 배치되는 광 파라메트릭 증폭기(OPA);
    상기 시드 레이저와 상기 OPA의 상기 입력 측 사이에 배치된 처프 볼륨 브래그 그레이팅(CVBG) 펄스 스트레처;
    상기 OPA의 출력 측 상에 배치된 신호 그레이팅 압축기;
    상기 OPA의 출력 측 상에 배치된 아이들러 그레이팅 압축기;
    상기 OPA의 출력 측과 상기 아이들러 그레이팅 압축기 사이에 배치된 아이들러 추출 모듈; 및
    환경적인 인자에 기인한 손상, 오정렬 및/또는 고장으로부터 시스템 부품들을 보호하는 단단한 인클로저를 포함하는 OPCPA 레이저 시스템.
  18. 제17항에 있어서, 상기 아이들러 그레이팅 압축기와 신호 그레이팅 압축기는 둘 모두 펄스 스트레처와 동일한 처프를 갖는 CVBG인 것인 OPCPA 레이저 시스템.
  19. 제17항 또는 제18항에 있어서, 상기 OPA는 대략 20억배 증폭을 제공하는 OPA 체인을 포함하며, 상기 시스템은 5 줄(Joule)까지의 에너지를 갖는 출력 펄스를 생성하도록 구성된 것인 OPCPA 레이저 시스템.
  20. 제17항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 인클로저는 4 입방 피트 미만의 총 볼륨을 갖는 것인 OPCPA 레이저 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
US9506858B2 (en) * 2013-05-09 2016-11-29 The Board Of Trustees Of The University Of Illinois Optical parametric amplification of weak signals for imaging biological tissue
WO2015068048A1 (en) * 2013-11-11 2015-05-14 King Abdullah University Of Science And Technology High repetition rate thermometry system and method
JP6341596B2 (ja) * 2013-12-26 2018-06-13 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構 レーザー装置
US10599008B1 (en) * 2019-03-21 2020-03-24 Shanghai Jiao Tong University Method and device for ultrafast group-velocity control via optical parametric amplification in chirped quasi-phase-matching structure
CN110112644A (zh) * 2019-04-29 2019-08-09 华中科技大学 一种高能量少周期光参量放大方法及装置
CN110739603B (zh) * 2019-09-30 2020-09-01 中国科学院西安光学精密机械研究所 一种中长波红外飞秒脉冲产生与放大装置
US10907967B1 (en) 2019-10-02 2021-02-02 Honeywell International Inc. Ring laser gyroscopes with active volume Bragg grating

Family Cites Families (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5499134A (en) * 1994-08-24 1996-03-12 Imra America Optical pulse amplification using chirped Bragg gratings
US6181463B1 (en) * 1997-03-21 2001-01-30 Imra America, Inc. Quasi-phase-matched parametric chirped pulse amplification systems
US6198568B1 (en) 1997-04-25 2001-03-06 Imra America, Inc. Use of Chirped Quasi-phase-matched materials in chirped pulse amplification systems
US6873454B2 (en) * 2001-12-13 2005-03-29 The Regents Of The University Of California Hybrid chirped pulse amplification system
US7054065B2 (en) 2003-03-27 2006-05-30 The Regents Of The University Of California Durable silver thin film coating for diffraction gratings
US7257302B2 (en) 2003-06-03 2007-08-14 Imra America, Inc. In-line, high energy fiber chirped pulse amplification system
US7804864B2 (en) * 2004-03-31 2010-09-28 Imra America, Inc. High power short pulse fiber laser
US7349452B2 (en) * 2004-12-13 2008-03-25 Raydiance, Inc. Bragg fibers in systems for the generation of high peak power light
US7424185B2 (en) * 2005-01-24 2008-09-09 University Of Central Florida Research Foundation, Inc. Stretching and compression of laser pulses by means of high efficiency volume diffractive gratings with variable periods in photo-thermo-refractive glass
KR20070116960A (ko) 2005-03-30 2007-12-11 노바룩스 인코포레이티드 제조가능 수직 연장 공동 표면 발광 레이저 어레이
US7444049B1 (en) 2006-01-23 2008-10-28 Raydiance, Inc. Pulse stretcher and compressor including a multi-pass Bragg grating
US20070237191A1 (en) * 2006-01-30 2007-10-11 Kafka James D Devices for high power, high-repetition rate, broadly tunable coherent radiation, and its applications
KR100784837B1 (ko) * 2006-07-05 2007-12-14 한국과학기술원 3차 분산 처핑을 이용한 스펙트럼 배증 광 매개형 처프펄스 증폭장치
FR2926406B1 (fr) * 2008-01-16 2010-01-15 Amplitude Systemes Amplificateur a fibre a derive de frequence a compensation non lineaire
JP5376652B2 (ja) * 2009-06-02 2013-12-25 独立行政法人日本原子力研究開発機構 レーザー装置及びレーザー増幅方法

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