KR20140050660A - 2개의 증폭된 및/또는 스펙트럼 확장된 광학 빔들의 코히렌트 결합용 디바이스 및 수동 방법 - Google Patents

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마르 한나
루이스 다니아울트
요안 자오우터
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에꼴레 폴리테크닉
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Abstract

본 발명은 적어도 하나의 양방향성 광학 부품(A1, A2)을 이용하는 2개의 증폭 및/또는 스펙트럼 확장된 광학 빔들의 코히렌트 결합용 방법 및 수동 디바이스에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 디바이스는 입사 광학 빔(S0)을 수광하고 입사 광학 빔을 제1 이차 입력 빔(H1) 및 제2 이차 입력 빔(H2)으로 공간적으로 분할하기 위해 배치된 광학 스플리팅 및 재결합 수단들, 상기 간섭계에서 링(ring)의 형태로 광학 경로를 규정하기 위해 배치된 광학 가이딩 수단들, 상기 링 간섭계의 광학 경로 상에 배치된 적어도 하나의 양방향성 광학 수단(A1, A2)을 포함하는 진폭 분할 링 간섭계를 포함하고, 상기 스플리팅 및 재결합 수단들은 코히렌트 출력 빔을 형성하도록 상기 제1 이차 출력 빔(H"1) 및 제2 이차 출력 빔(H"2)을 수광하고 공간적으로, 시간적으로 그리고 코히렌트하게 재결합하기 위해 배치된다.

Description

2개의 증폭된 및/또는 스펙트럼 확장된 광학 빔들의 코히렌트 결합용 디바이스 및 수동 방법{DEVICE AND PASSIVE METHOD FOR THE COHERENT COMBINATION OF TWO AMPLIFIED AND/OR SPECTRALLY BROADENED OPTICAL BEAMS}
본 발명은 에너지 및/또는 평균 파워 및/또는 피크 파워가 제한된 광학 부품(optical component)들에 의해 변형된 2개의 광학 빔들의 코히렌트 결합용(coherent combination) 디바이스 및 방법에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 예를 들어 2개의 독립적인 광학 증폭기들에 의해 증폭되는 2개의 광학 빔들의 코히렌트 결합용 디바이스 및 방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 2개의 독립적인 스펙트럼 확장 디바이스들(spectral broadening devices)에 의해 스펙트럼이 확장된 2개의 광학 빔들의 코히렌트 결합용 디바이스 및 방법에 관한 것이다. 또한 본 발명은 예를 들어 2개의 비선형 광학 증폭기들에 의해 증폭되고 스펙트럼이 확장된 2개의 광학 빔들의 코히렌트 결합용 디바이스 및 방법에 관한 것이다.
광학 빔들, 특히 더 높은 피크 파워 및/또는 평균 파워를 갖지만 우수한 공간 특성(spatial quality)을 보유한 광학 빔들을 갖는 에너지 레이저 빔들을 개발하는 것을 목적으로 한다. 또한, 집적된 광학 부품들의 사용에 기초한 감소된 부피(reduced-volume)의 디바이스, 예를 들어 광섬유 증폭기, 또는 중공(hollow) 모세관 섬유 또는 큰 코어(LMA 또는 큰 모드 영역) 섬유, 또는 특정 분산 특성을 갖는 작은 코어 섬유들에 기초한 스펙트럼 확장 디바이스를 개발하는 것을 목적으로 한다. 그러나, 이 광학 부품들은 에너지 및/또는 평균 파워 및/또는 피크 파워가 제한적이다. 몇몇 독립적인 광학 부품들 사이에서 빔의 에너지를 분산하기 위하여 상이한 디바이스들이 제안되었는데, 각각의 광학 부품들은 에너지 및/또는 평균 파워 및/또는 피크 파워가 제한적이었다. 다음으로 공간, 스펙트럼, 시간 특성(temporal quality)을 보존하기 위해, 상이한 빔들을 코히렌트 재결합(coherently recombine)하기는 어렵지만, 반면에 그들의 에너지, 평균 파워, 피크 파워는 증가된다. 광학 증폭의 경우, 고(high) 에너지 광학 빔을 얻기 위한 제1 기술은 2개의 연속 증폭 단계에 의해 빔을 증폭하는 것이다. 10 pJ 내지 1 μJ의, 도메인에서 초기 펄스들이 발생시키는 오실레이터로부터 시작하여 전치 증폭기(pre-amplifier)는 10 nJ 내지 수 μJ의 중간 에너지들을 갖는 펄스들을 얻게 한다. 제2 광학 파워 증폭기는 대부분의 증폭에서 요구되는 10 μJ 내지 수 mJ의 에너지들에 도달하기 위해 필요하다. 그러나, 비선형 광학 매체에서의 광학 증폭은 증폭된 빔의 광학 특성, 보다 정확하게는 광학 빔의 시간(초단 펄스) 및/또는 스펙트럼 특성들을 저하시키는 비선형 효과들(자가-위상 변조(self-phase modulation)...)을 발생시키기 쉽다. 또한, 고에너지 파워 증폭은 열-광학(thermo-optical) 효과들로 인해 빔(단일-모드 빔)의 공간 특성들을 저하시킬 수 있다.
고 에너지 및/또는 고 파워 및/또는 고 피크 파워 빔을 얻기 위한 또 다른 방법은 수개의 소스들 또는 수개의 독립적인 증폭기들을 사용하고, 이 상이한 소스들 또는 이 상이한 증폭기들로부터 유래되는 빔들을 결합하는 것이다. 그러나, 레이저 빔의 모든 특성들을 보존하기 위해서, 상이한 빔들의 재결합은 그들의 공간 및 시간 합성(superimposition)을 허용할뿐 아니라, 즉 시간에 따라 안정한 위상 차를 가진 코히렌트 재결합을 허용하여야 한다. 증폭된 레이저 빔들의 코히렌트 결합은 고 에너지 및/또는 고 평균 파워 및/또는 고 피크 파워 레이저 시스템의 개발에서 매우 유망한 기술이다. 그러나, 상이한 빔들의 상대적 위상들은 빠르게 변동할(fluctuate) 수 있다. 코히렌트 재결합에 의해 제기되는 가장 어려운 기술적 문제는 상이한 광학 빔들 사이에서 일정한(constant) 상대적 위상을 유지하는 것이다.
그렇지만, 수개의 광학 빔들의 코히렌트 재결합은 수동 또는 능동(active) 디바이스들에 의해 제조되었다.
콴텀 일렉트로닉스, vol 11, No. 3, 2005에서 채택된 주제들인, T.Y. Fan의 IEEE 저널의 간행물 "고-파워, 고-광휘 소스를 결합하는 레이저 빔(Laser beam combining for High-Power, high-radiance sources)"은 레이저 빔들의 재결합을 수행하는데 필요한 기본적 조건(파워, 상대적 위상, 편광, 진폭 및 결합되는 각각의 빔들의 얼라이먼트의 조절)을 나타내고, 공간, 시간, 스펙트럼 및 거의 이상적인 편광 특성들을 갖는 고(high) 평균 파워 빔을 얻기 위해, 광학 빔들의 코히렌트 결합을 위한 상이한 방법들을 기술한다.
미국특허 제5307369호(D.E. Kimberlin)는 세미-반사성 미러(semi-reflective mirror)에 의해 2개의 서브-캐비티(sub-cavities)들로 나뉘는 통상의 공명 캐비티(resonant cavity) 내에 위치한 2개의 증폭기의 코히렌트 결합을 위한 수동 시스템을 기술한다. 이 장치는 이중 광학 역-반응 오실레이터(double optical counter-reaction oscillator), 제2 레이저 증폭기의 서브-캐비티에 주입되는 제1 레이저 증폭기에 의해 방출되는 빔의 일부와 유사하며 그 역도 성립한다(vice versa). 레이저 빔과 결합된 출력(output)은 레이저 캐비티에서 발생하는 다중 코히렌트 반사(multiple coherent reflections)의 결과이다. 이 디바이스는 연속 레이저 빔(continuous laser beam) 또는 2개의 레이저에 의해 방출된 동기화된(synchronized) 레이저 펄스의 평균 파워가 두 배가 되게 한다. 그러나, 2개의 서브-캐비티들 간의 광학 경로들의 차이는 수동 디바이스 및 출력 파워의 안정성을 제한하는 위상 변이를 유도한다.
광학 빔들의 코히렌트 재결합을 위하여, 제한적으로 보이는 수동 결합, 다양한 능동 디바이스들이 제안되어 왔다. 능동 재결합은 결합되는 광학 빔들 간의 상대적 위상의 직접 또는 간접 측정과 각각의 광학 빔에서 피드백 루프에 의해 능동적으로 조절된 위상 변이의 도입에 기초한다. 코히렌트 재결합을 위한 능동 디바이스는 광학 빔들 간의 위상 변이의 측정을 능동 디바이스로부터 추출하기 위해 재결합 전후에 일반적으로 빔의 일부를 취하고, 음향 광학 변조기(acousto-optic modulator), 압전 미러(piezoelectric mirror)에 의해, 또는 광학 펌핑 파워(optical pumping power)의 조정에 의해 각각의 빔에 대하여 실시간으로 상대 위상(in real time the relative phase)을 구성한다.
따라서, 증폭기에 대해서는, 코히렌트 결합의 능동 디바이스가 일반적으로 사용된다(Wei Liang, Naresh Satyan, Firooz Aflatouni, Amnon Yariv, Anthony Kewitsch, George Rakuljic, and Hossein Hashemi, "Coherent beam combining with multilevel optical phase-locked loops," J. Opt. Soc. Am. B 24, 2930-2939 (2007); T.Shay, V. Benham, J. T. Baker, A. D. Sanchez, D. Pilkington, and C. A.Lu, IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 13, 480 (2007)). 코히렌트 결합은 연속적 및 거의 연속적인 레짐(regime)에서 그리고 최근에는 펨토 초(femtosecond) 레짐에서 보여졌다(참조. the publications L. Daniault, M. Hanna, L. Lombard, Y. Zaouter, E. Mottay, D. Goular, P. Bourdon, F. Druon, and P. Georges, "Coherent beam combining of two femtosecond fiber chirped-pulse amplifiers," Opt. Lett. 36, 621-623 (2011) and Enrico Seise, Arno Klenke, Jens Limpert, and Andreas Tunnermann, "Coherent addition of fiber-amplified ultrashort laser pulses," Opt. Express 18, 27827-27835 (2010)).
그러나, 구현하기 어렵고 고가인 실시간 피드백 전자 시스템을 필요로 하기 때문에 코히렌트 재결합을 위한 능동 디바이스들은 복잡하다.
따라서, 더 높은 에너지 및/또는 평균 파워를 위한 코히렌트 재결합용 능동 디바이스들의 파워 증가가 문제로 남아있다.
본 발명의 목적 중 하나는 2개의 증폭 및/또는 스펙트럼이 확장된 광학 빔들의 코히렌트 재결합용 디바이스를 제공하는 것이고, 이 디바이스는 시간이 지나도 광학적으로 안정하고 고 에너지 및/또는 파워 및/또는 피크 파워를 지원하고 발생할 수 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 연속 레짐부터 펨토 초 펄스까지의 임의의 시간적 레짐, 임의의 광학 증폭기의 형태 또는 임의의 스펙트럼을 확장하는 디바이스의 형태에 적용될 수 있는 디바이스 및 방법을 제공하는 것이고, 여기에서 증폭은 필요하다면 동시에 스펙트럼의 확장을 유도할 수 있다.
본 발명은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것이고, 구체적으로는 2개의 증폭 및/또는 스펙트럼이 확장된 광학 빔들의 코히렌트 결합을 위한 수동 디바이스에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 상기 디바이스는 진폭-분할 링 간섭계(amplitude-division ring interferometer)를 포함하고, 상기 간섭계는 다음을 포함한다:
- 입사 광학 빔(incident optical beam)을 수광하여 상기 입사 광학 빔을 제1 이차 입력 빔 및 제2 이차 입력 빔으로 공간적으로 분할하기 위해 배열된 광학 스플리팅 및 재결합 수단;
- 상기 간섭계의 링(ring) 광학 경로를 규정하기(define) 위해 배열되는 광학 가이딩 수단-상기 제1 이차 입력 빔은 시계방향으로 링 간섭계를 통해 이동하여 제1 이차 출력 빔을 형성하고, 각각(and respectively) 상기 제2 이차 입력 빔은 반시계 방향으로 링 간섭계를 통해 이동하여 제2 이차 출력 빔을 형성함-;
- 상기 링 간섭계의 광학 경로 상에 배열된 적어도 하나의 양방향성 광학 부품-상기 적어도 하나의 양방향성 광학 부품은 한편으로는 시계 방향으로 전파되는 이차 광학 빔을, 다른 한편으로는 반시계 방향으로 전파되는 이차 광학 빔을, 증폭 및/또는 스펙트럼적으로 확장시키도록 구성됨-;
- 증폭 및/또는 스펙트럼적으로 확장된 출력 코히렌트 빔을 형성하기 위해 상기 제1 이차 출력 빔 및 상기 제2 이차 출력 빔을 수광하고, 공간적으로, 시간적으로 그리고 코히렌트하게 재결합시키도록 배열되는 상기 스플리팅 및 재결합 수단.
본 발명의 다양한 특정 실시형태들에 따르면, 본 장치는 다음을 추가로 포함한다:
- 입사 광학 빔 및 증폭 및/또는 스펙트럼이 확장되는 출력 코히렌트 빔을 공간적으로 분할하기 위해 상기 링 간섭계의 상류 측에(upstream) 배열되는 광학 차단(optical isolation) 수단;
- 상기 광학 가이딩 수단은 고 반사성 미러들(highly reflective mirror), 처프 미러들(chirped mirror), 광섬유 섹션들, 및/또는 편광 유지 광섬유 섹션들 및/또는 특정 산란 광섬유 섹션들(specific scattering optical fiber sections)을 포함하고;
- 상기 장치는, 제1 이차 출력 빔 및 제2 이차 출력 빔을 링 간섭계 쪽으로 반사시켜, 코히렌트하게 재결합 전에 서로 반대 방향으로 각각 상기 제1 이차 출력 빔 및 제2 이차 빔이 링 간섭계를 통해 다시(a second time) 이동되도록 하기 위하여 스플리팅 및 재결합 광학 수단들의 출력부에 배열되는 페러데이 미러 또는 반사성 미러를 추가로 포함하고;
- 상기 스플리팅 및 재결합 광학 수단은 입사 빔을 제1 이차 입력 빔 및 제2 이차 입력 빔으로 분할하기 위해 배열된 편광 스플리터(splitter)를 포함하고, 상기 제1 및 제2 이차 입력 빔들은 직교 편광(orthogonal polarizations)의 선형 편광되고, 상기 디바이스는 링 간섭계의 경로에 배열되는 편광 수단을 포함하고, 상기 편광 수단은 제1 이차 출력 빔은 제2 이차 입력 빔과 동일한 편광으로 선형 편광되고 상기 제2 이차 출력 빔은 제1 이차 입력 빔과 동일한 편광으로 선형 편광되도록 구성되고;
- 상기 편광 수단은 반파장 플레이트(half-wave plate), 또는 2개의 1/4 파장 플레이트들(quarter-wave plate), 반파장 플레이트 또는 2개의 1/4 파장 플레이트들, 또는 페러데이 회전자(Faraday rotator) 또는 페러데이 미러, 또는 편광 스플리팅 큐브, 1/4 파장 플레이트 및 반사성 미러를 포함하는 서브-유닛을 포함하고;
-상기 광학 스플리팅 및 재결합 수단들은 서로에 대해 수직으로 편광된 상기 제1 이차 출력 빔 및 상기 제2 이차 출력 빔과 동일한 편광 상태에서 재결합하기 위해 구성된, 편광판 및/또는 웨이브 플레이트 및/또는 광 아이솔레이터를 포함하고;
- 상기 적어도 하나의 양방향성 광학 부품은 공동-전파 펌핑(co-propagative pumping) 및/또는 확장된 광학 역-전파 펌핑(broadened optical counter-propagative pumping)을 갖는 광학 증폭기를 포함하고;
- 상기 적어도 하나의 양방향성 광학 부품은 제1 양방향성 광학 증폭기 및 제2 양방향성 광학 증폭기를 포함하고, 상기 광학 증폭기들은 링 간섭계의 광학 경로에 직렬로(in series) 배열되고;
- 제1 광학 증폭기는 제1 광섬유 증폭기를 포함하고, 제2 광학 증폭기는 제2 광섬유 증폭기를 포함하고;
- 상기 적어도 하나의 양방향성 광학 부품은 상기 이차 광학 빔들을 스펙트럼적으로 확장하도록 구성된 제1 양방향성 광학 부품 및 상기 이차 광학 빔들을 스펙트럼적으로 확장하도록 구성된 제2 양방향성 광학 부품을 포함한다.
또한, 본 발명은 2개의 증폭 및/또는 스펙트럼이 확장된 광학 빔들의 수동 코히렌트 결합을 위한 방법에 관한 것으로, 상기 방법은 다음의 단계들을 포함한다:
- 입사 광학 빔을 진폭-분할 링 간섭계에 커플링하는 단계-상기 간섭계는 상기 링 간섭계의 광학 경로에 배열된 광학 스플리팅 및 재결합 수단 및 적어도 하나의 양방향성 광학 부품을 포함하고, 상기 적어도 하나의 광학 부품은 간섭계에서 한편으로는 시계 방향으로 전파되는 이차 광학 빔을, 다른 한편으로는 반시계 방향으로 전파되는 이차 광학 빔을, 증폭 및/또는 스펙트럼적으로 확장하도록 구성됨-,
- 상기 광학 스플리팅 및 재결합 수단에 의해 입사 광학 빔을 제1 이차 입력 빔 및 제2 이차 입력 빔으로 공간적으로 진폭을 스플리팅하는 단계(spatially amplitude splitting),
- 제1 이차 입력 빔이 링 간섭계를 통해 시계 방향으로 이동되도록 그리고, 제1 이차 입력 빔이 상기 적어도 하나의 광학 부품에 의해 증폭 및/또는 스펙트럼적으로 확장되어, 상기 광학 스플리팅 및 재결합 수단들을 향하는 제1 이차 출력 빔을 형성하도록, 상기 제1 이차 입력 빔을 광학적으로 가이딩하는 단계;
- 제2 이차 입력 빔이 링 간섭계를 통해 반시계 방향으로 이동하고, 제2 이차 입력 빔이 상기 적어도 하나의 광학 부품에 의해 증폭 및/또는 스펙트럼적으로 확장되어, 상기 광학 스플리팅 및 재결합 수단들을 향하는 제2 이차 출력 빔을 형성하도록, 상기 제1 이차 입력 빔을 광학적으로 가이딩하는 단계;
- 상기 광학 스플리팅 및 재결합 수단에 의해 제1 이차 출력 빔 및 제2 이차 출력 빔을 코히렌트하게(coherently), 공간적으로 재결합하여 증폭 및/또는 스펙트럼적으로 확장된 출력 코히렌트 빔을 형성하는 단계.
바람직한 실시형태에 따르면, 코히렌트 결합을 위한 방법은 다음을 포함한다:
- 입사 광학 빔을 제1 이차 입력 빔 및 제2 이차 입력 빔으로 공간적으로 진폭 스플리팅하는 단계는 편광 스플리팅을 포함하고, 상기 제1 이차 입력 빔 및 제2 이차 입력 빔은 직교 편광되고,
- 링 간섭계에서 광학적으로 가이딩하는 단계는 90˚의 편광 회전을 포함하고, 상기 제1 이차 출력 빔은 제2 이차 입력 빔과 동일한 편광을 갖고, 제2 이차 출력 빔은 제1 이차 입력 빔과 동일한 편광을 갖고,
- 코히렌트 공간적 재결합은 제1 이차 출력 빔 및 제2 이차 출력 빔의 재결합을 포함하고, 제1 이차 출력 빔 및 제2 이차 출력 빔의 편광은 직교(orthogonal)하는 것이다.
본 발명은 우수한 광학 특성을 가진 빔의 고 에너지 및/또는 파워 및/또는 고 피크 파워 레이저 소스를 제조하는데 특히 유리하게 적용될 수 있다.
또한 본 발명은 다음의 설명으로부터 명확해질 것이고 단독으로 또는 기술적으로 가능한 결합들 중 임의의 것을 고려하여야 한다.
단지 비-제한적인(non-limitative) 실시예로서, 주어진 이 설명은 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 어떻게 구현되는가를 더 잘 이해하게 할 것이다:
도 1은 본 발명의 제1 실시형태에 따른 2개의 증폭된 광학 빔들의 코히렌트 결합용 수동 디바이스를 개략적으로 도시한다.
도 2는 본 발명의 제2 실시형태의 제1 변형예에 따른 2개의 증폭된 광학 빔들의 코히렌트 결합용 수동 디바이스를 개략적으로 도시한다.
도 3은 본 발명의 제2 실시형태의 제2 변형예에 따른 2개의 증폭된 광학 빔들의 코히렌트 결합용 수동 디바이스를 개략적으로 도시한다.
도 4는 본 발명의 제2 실시형태의 제3 변형예에 따른 2개의 증폭된 광학 빔들의 코히렌트 결합용 디바이스를 개략적으로 도시한다.
도 5는 하나의 입력 편광 성분에 대한 본 발명의 제2 실시형태의 제4 변형예에 따른 2개의 증폭된 광학 빔들의 코히렌트 결합용 디바이스를 개략적으로 도시한다.
도 6은 다른 입력 편광 성분에 대한 도 5와 같은 디바이스를 도시한다.
도 7은 하나의 입력 편광 성분에 대한 본 발명의 제2 실시형태의 제5 변형예에 따른 2개의 증폭된 광학 빔들의 코히렌트 결합용 디바이스를 개략적으로 도시한다.
도 8은 다른 입력 편광 성분에 대한 도 7과 같은 디바이스를 도시한다.
도 9는 본 발명의 제3 실시형태에 따른 2개의 증폭된 광학 빔들의 코히렌트 결합용 수동 디바이스를 개략적으로 도시한다.
도 10은 본 발명의 제2 실시형태의 제5 변형예에 따른 2개의 증폭된 광학 빔들의 코히렌트 결합용 디바이스를 개략적으로 도시한다.
도 11은 35 MHz에서 20 W 및 1 MHz에서 10 W의 전체 파워(total power) 각각에 대한, 증폭된 펨토 초 펄스용 자기상관(autocorrelation) 측정을 도시한다.
도 12는 35 MHz에서 20 W(블루) 및 1 MHz에서 10 W(레드)의 총 파워 각각에 대한, 증폭된 펨토 초 펄스용 광학 스펙트럼 측정을 도시한다.
도 13은 1 MHz 및 35 MHz의 반복 주파수에 대한 펄스 에너지의 함수로서 증폭된 펄스들의 코히렌트 결합 효율의 측정을 도시한다.
도 14는 두 번의 증폭 단계들을 갖는 종래 구조(architecture) 및 본 발명에 따른 2개의 증폭기들의 코히렌트 결합용 구조에 대한 자기상관의 측정값을 도시한다.
도 15a-15c는 제1 증폭된 빔 단독(9a), 제2 증폭된 빔 단독(9b) 및 결합된 빔(9c) 각각에 대한 빔 프로파일 및 빔 특성 측정의 이미지를 도시한다.
도 16은 본 발명의 제3 실시형태의 제1 변형예에 따른 2개의 스펙트럼 확장된 광학 빔들의 코히렌트 결합용 수동 디바이스를 개략적으로 도시한다.
도 17은 본 발명의 제3 실시형태의 제2 변형예에 따른 2개의 스펙트럼 확장된 광학 빔들의 코히렌트 결합용 수동 디바이스를 개략적으로 도시한다.
도 18은 본 발명의 제3 실시형태의 제3 변형예에 따른 2개의 스펙트럼 확장된 광학 빔들의 코히렌트 결합용 디바이스를 개략적으로 도시한다.
2개의 광학 증폭기들의 코히렌트 결합용 디바이스 및 방법에 대한 본 발명의 제1 적용은 도 1 내지 15에 기술되어 있고, 여기에서 각각의 광학 증폭기는 평균 파워 및/또는 피크 파워 및/또는 에너지에서 제한된다.
제1 실시형태에 따른 코히렌트 재결합용 수동 디바이스는 도 1에 도시된다. 작동 원리는 반대 광학 경로들과의 상호성(reciprocity)에서 유리하게 이용되는, 링 간섭계(ring interferometer), 예를 들어 사냑 간섭계(Sagnac interferometer)의 사용에 기초한다.
사냑 간섭계는 일반적으로 그로부터 회전의 측정을 추론하기(deduce) 위하여 사냑 효과를 측정하는데 사용된다. 구조상으로, 사냑 간섭계에서 시계 방향 및 반시계 방향으로 각각 전파하는 광학 웨이브는 가역 광학 경로(reciprocal optical path)를 전적으로 따른다. 사냑 간섭계는 매우 낮은 진폭을 갖는 사냑 효과에 민감할 정도의 긴(long) 광학 루프를 형성하기 위하여 광섬유를 가진 또는 자유 공간(free space)의 광학 부품을 사용한다. 광섬유 자이로스코프에서, 광학 루프의 길이는 일반적으로 수 백 미터 내지 수 킬로미터를 포함한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시형태에 따른 2개의 증폭된 빔들의 코히렌트 결합용 수동 디바이스를 개략적으로 도시한다. 소스(1)는 증폭될 입사광 빔(S0)을 발생시킨다. 광학 순환기(2)는 입사 빔(S0)을 링 간섭계의 입력으로 보낸다. 도 1의 개략도에서, 자유 공간의 간섭계는 간섭계의 링 경로를 형성하는 고 반사성 미러(M1, M2, M3)의 세트를 포함하는 것으로 도시된다. 스플리팅 플레이트(splitting plate)(3)는 입사 빔(S0)을 제1 이차 입력 빔(H1) 및 제2 이차 입력 빔(H2)으로 공간적으로(spatially) 분할한다. 바람직하게는, 스플리팅 플레이트는 이차 입력 빔들(H1 및 H2)이 동일한 파워를 갖도록 선택된다. 그러나, 2개의 이차 빔들을 동일하지 않게 분할하는 것은 간섭계의 2개의 광학 경로들의 파워 및/또는 피크 파워 및/또는 편광 및/또는 비-선형 효과들에서 있을 수 있는 비평형(possible unbalance)을 보상하는데 유리하게 사용될 수 있다. 이어서, 이차 입력 빔들(H1 및 H2)의 이 동일하지 않은 분배(distribution)는 코히렌트 조합의 효율을 더 향상시킬 것이다. 제1 이차 입력 빔(H1)은 스플리팅 플레이트(3)에 의해 반사되고, 제1 이차 출력 빔(H"1)을 전송하는 스플리팅 플레이트(3)까지, 링 간섭계의 광학 경로를 따라 시계 회전 방향으로 이동한다. 상호적으로, 제2 이차 입력 빔(H2)은 스플리팅 플레이트(3)를 따라 전송되어 링 간섭계로 들어가고, 제2 이차 출력 빔(H"2)을 반사하는 스플리팅 플레이트(3)까지 링 간섭계의 광학 경로를 따라 반시계 회전 방향으로 이동한다.
제1 광학 증폭기(A1) 및 제2 광학 증폭기(A2)는 링 간섭계의 광학 경로 상에서 직렬로 배열된다. 2개의 광학 증폭기들(A1, A2)은 양방향성 광학 증폭기들, 즉 2개가 각각 반대 방향으로 전파되는 광학 빔을 증폭하도록 구성된다. 각각의 광학 증폭기(A1, A2)는 자체 광학 펌핑 수단들을 구비한다(도시하지 않음). 바람직하게는, 2개의 광학 증폭기들은 동일(동일한 게인(gain), 동일한 대역폭...)하고, 링 간섭계의 광학 경로에 대칭으로 배열된다. 그러나, 2개의 광학 증폭기들(A1, A2)이 정확하게 동일할 필요는 없다. 따라서, 제1 이차 입력 빔(H1)은 제1 증폭기(A1)을 먼저 통과하고, 다음으로 제2 증폭기(A2)를 통과한다. 따라서, 제1 이차 빔(H1)은 제1 증폭기(A1)에 의해 먼저 증폭되어 1회-증폭된(once-amplified) 빔(H'1)을 형성하고, 다음으로 1회-증폭된 빔(H'1) 자체가 제2 증폭기(A2)에 의해 증폭되고, 제1 출력 증폭된 이차 빔(H"1)(2회-증폭)을 형성한다. 상호적으로, 제2 이차 출력 빔(H2)은 제2 증폭기(A2)를 먼저 통과하고, 다음으로 제1 증폭기(A1)을 통과한다. 따라서, 제2 이차 빔(H2)은 제2 증폭기(A2)에 의해 1회 증폭되어 1회-증폭된 빔(H'2)를 형성하고, 다음으로 1회-증폭된(H'2) 자체가 제1 증폭기(A1)에 의해 증폭되어 제2 출력 증폭된 이차 빔(H"2)(2회-증폭)을 형성한다. 스플리팅 플레이트(3)는 제1 출력 증폭된 이차 빔(H"1) 및 제2 출력 증폭된 이차 빔(H"2)을 수광하고, 그들을 코히렌트(coherently) 재결합하여 출력 증폭된 빔(S1)을 형성한다. 광학 순환기(2)는 광학 소스의 손상을 피하기 위해, 입사 빔(S0)의 출력 증폭된 빔(S1)을 공간적으로 분할한다.
제1 이차 출력 빔(H"1) 및 제2 이차 출력 빔(H"2)은 첫번째 순서에서(at the first order) 서로 가역 경로를 따라 링 간섭계를 통해 이동하였다. 실제로, 이들 2개의 빔들은 서로 공간적으로 중첩된 광학 경로를 따라 링 간섭계를 통과하여 이동한다. 광학 경로들은 동일한 파장을 갖고 시계 방향 및 반시계 방향을 따르고, 제1 이차 출력 빔(H"1) 및 제2 이차 출력 빔(H"2)은 또한 일시적으로 서로 중첩된다. 이 2개의 빔들은 스플리팅 플레이트(3) 상에서 전송 및 반사, 미러들(M1, M2, M3) 상에서의 동일한 수의 반사, 제1 광학 증폭기(A1)에 의한 증폭 및 제2 광학 증폭기(A2)에 의한 증폭을 각각 거친다. 따라서, 제1 출력 증폭된 이차 빔(H"1) 및 제2 출력 증폭된 이차 빔(H"2)은 구조적으로, 첫번째 순서에서(at the first order) 안정한 상대 위상(relative phase)을 갖는다. 따라서, 가역 광학 경로를 따르는 링 구조는 제1 출력 증폭된 이차 빔(H"1)과 제2 출력 증폭된 이차 빔(H"2)의 코히렌트 재결합을 가능하게 한다. 바람직한 실시형태에 따르면, 제1 출력 증폭된 이차 빔(H"1) 및 제2 출력 증폭된 이차 빔(H"2)은, 간섭계의 출력부에서 재결합된 빔이 최대 강도를 갖도록 동일한 진폭을 갖는다. 제1 증폭기(A1) 및 제2 증폭기(A2)의 광학 펌핑 수단들은 2개의 증폭기(A1, A2)의 평형화된 진폭(amplitude)을 보존하기 위해 구성될 수 있다. 대안으로, 증폭기들(A1, A2)에 누적된 위상들이 π에 의해 상이하면, 코히렌트 결합은 출력(S2)에 대해 작동한다.
도 2는 본 발명의 제2 실시형태의 제1 변형예에 따른 2개의 증폭된 빔들의 코히렌트 결합용 수동 디바이스를 개략적으로 도시하고, 도 1에서 자세히 기술한 참조 부호들과 동일한 참조 부호들은 동일한 요소에 대응한다. 도 2에 설명된 실시형태는 이차 빔들에 따른 경로와 구별하기 위하여 편광 상태들을 사용한다. 도 2의 디바이스는 여기에 선형 편광된 입사 빔(S0)를 발생시키는 광학 소스(1)를 포함한다. 도 2에서, 도면의 평면과 평행한 편광(편광 p)을 따라 선형 편광된 빔은 이중 화살표(double arrow)로 표시되고, 도면의 평면에 대해 수직으로 편광된 빔은 디스크(disk; ⊙)로 표시된다. 또한, 도 2의 디바이스는 제1 편광 스플리팅 큐브(21)에 이어서 제1 편광 회전자(polarization rotator; 22), 예를 들어 패러데이 회전자(Faraday rotator), 위상 플레이트 또는 1/4 파장 플레이트를 포함한다. 세퍼레이팅 플레이트(3)는 제1 편광 스플리팅 큐브(21)과 평행하게 배향된 제2 편광 스플리팅 큐브(32)에 의해 대체된다. 제2 편광 스플리팅 큐브(32)는 링 간섭계의 입력-출력을 형성한다. 도 1의 디바이스와 유사하게, 링 간섭계는 간섭계의 가역 광학 경로 상에서, 직렬로 배열된 제1 광학 증폭기(A1) 및 제2 광학 증폭기(A2)를 포함한다. 간섭계는 링 간섭계의 광학 경로 상에 배열된, 예를 들어 도 2에서 설명된 바와 같이, 제1 증폭기(A1)와 제2 증폭기(A2) 사이에 배열된 제2 편광 회전자(4)를 포함한다. 당업자는 제2 편광 회전자가 링 간섭계의 광학 경로 상의 또 다른 위치에 배열될 수 있다는 것, 특히 제1 광학 증폭기(A1) 및/또는 제2 광학 증폭기(A2)에 집적될(integrated) 수 있다는 것을 이해할 것이다.
도 2의 디바이스의 입력부에서, 편광 p에 선형 편광된 입사 빔(S0)은 입사 빔(S0)의 편광에 대해 평행하게 배향된 제1 편광 스플리팅 큐브(21)에 의해 전송된다. 제1 편광 회전자(22)는 p-편광된 입사 빔(S0)을 수광하고, 입사 빔의 편광 축을 45˚ 회전시킨다. 제2 편광 스플리팅 큐브(32)는 편광 p의 성분(component) 및 편광 s의 성분을 포함하는 선형 편광된 입사 빔을 받기 위해 배열된다. 제2 편광 스플리팅 큐브(32)는 입사 빔을 직교로 편광된 2개의 이차 입력 빔으로 분할한다: 편광 s의 제1 이차 입력 빔(H1) 및 편광 p의 제2 이차 입력 빔(H2). 제1 이차 빔은 스플리팅 큐브(32)의 제1 포트(port)에서 동일한 스플리팅 큐브(32)의 제2 포트로 간섭계를 통해 시계 방향으로 이동한다. 상호적으로, 제2 이차 빔은 스플리팅 큐브(32)의 제2 포트에서 동일한 스플리팅 큐브(32)의 제1 포트로 간섭계를 통해 반시계 방향으로 이동한다. 편광 s의 제1 이차 입력 빔(H1)은 제1 증폭기에 의해 증폭되어, 편광 s의 1회-증폭된 빔(H'1)을 형성한다. 제2 편광 회전자(4)는 예를 들어, 반파장 플레이트이다. 제2 편광 회전자(4)는 제2 증폭기(A2)를 향하는 편광 p의 빔을 형성하기 위해 빔(H'1)의 편광을 90˚ 회전시킨다. 제2 증폭기(A2)는 편광 p의 제1 이차 1회-증폭된 빔을 증폭시키고 편광 p의 제1 출력 증폭된 이차 빔(H"1)을 형성한다. 상호적으로, 편광 p의 제2 이차 입력 빔(H2)은 제2 증폭기(A2)에 의해 증폭되어, 편광 p의 제2 1회-증폭된 빔(H'2)을 형성한다. 제2 편광 회전자(4)는 제1 증폭기(A1)를 향하는 편광 s의 빔을 형성하기 위해 빔(H'2)의 편광을 90˚ 회전시킨다. 제1 증폭기(A1)는 편광 s의 제2 1회-증폭된 이차 빔을 증폭시키고, 편광 s의 제2 출력 증폭된 이차 빔(H"2)을 형성한다. 편광 스플리팅 큐브(32)는 제2 포트 상에서 편광 p의 제1 출력 증폭된 이차 빔(H"1) 및 제1 포트 상에서 편광 s의 제2 출력 증폭된 이차 빔(H"2)을 수광하고, 이들을 코히렌트 재결합하여 45˚ 선형 편광된 출력 증폭된 빔(S1), 즉 편광 p의 성분 및 동일한 진폭의 편광 s의 성분을 포함하는 빔을 형성한다. 제1 편광 회전자(22)는 편광 s의 출력 증폭된 빔(S1)을 형성하기 위해 증폭된 코히렌트 빔의 편광 축을 45˚ 회전시킨다. 제1 편광 스플리팅 큐브(21)는 편광 p의 입사 빔(S0)으로부터 편광 s의 빛을 분할하기 위해 편광 s의 증폭된 빔(S1)을 반사한다. 따라서, 도 2의 디바이스는 공간적으로, 시간적으로, 코히렌트적으로(coherently), 그리고 동일한 편광 상태 이후에, 제1 및 제2 출력 증폭된 이차 빔들(H"1 및 H"2)을 재결합한다.
도 2의 디바이스의 입력부에서, 편광 p의 입사 빔(S0)는 선형 편광된다. 당업자는 편광 s의 선형 편광된 입사 빔(S0)을 위해 디바이스를 쉽게 구성할 것이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시형태의 제2 변형예에 따른 2개의 증폭된 빔들의 코히렌트 결합용 수동 디바이스를 개략적으로 도시한다. 또한, 도 3의 디바이스는 편광 상태(polarization states)를 이용하여 시계 방향 및 반시계 방향 이차빔들 각각이 따라가는 경로를 구별하고, 도 2에 참조부호와 동일한 참조 부호들은 동일한 요소들에 대응된다. 스플리팅 큐브(splitting cube; 21) 및 제1 편광 회전자(22)의 위치에서, 페러데이 아이솔레이터(Faraday isolator)가 사용되며, 페러데이 아이솔레이터는 서로에 대해 45˚의 각도로 교차되는 2개의 편광판들(polarizers) 사이에 위치하는 페러데이 회전자의 구성성분이다. 광학 루프(optical loop)의 입력에서 빔 스플리터-결합기 부품(beam splitter-combiner component; 32)은 증폭 빔 스플리터이고, 이차 입력 빔들의 편광 재결합은 페러데이 아이솔레이터(23)의 제1 편광 큐브에서(on) 수행된다. 더욱이, 도 3의 디바이스의 작동은 도 2의 디바이스의 작동과 유사하다. 다른 한편으로, 플레이트(4)의 배향(orientation)에 따라, 편광 스플리팅 큐브(31)의 제2 출력부에서 재결합된 신호(S2)를 회복하는 것이 유리할 수 있다. 아이솔레이터에서의 출력부(S3)는 S1에서 거부되지 않고 S2에서 재결합되는 출력 신호의 보상 부분(complementary part)에 대응한다.
임의로, 도 3의 디바이스는 위상 플레이트(phase plate; 27), 예를 들어, 2개의 이차 빔들 사이의 파워 분배(power distribution)를 조정하기 위한 반파장 플레이트를 포함할 수 있다. 플레이트(27)의 배향은 2개의 이차 빔들의 파워를 50%-50%로 평형화하거나, 또는 반대로 두 경로들 사이에서 45%-55% 또는 30%-70%의 파워 분배를 얻게 할 수 있다. 실제로, 2개의 이차 출력 빔들의 동일한 파워온(poweron)을 얻는 것은 때때로 어렵고, 2개의 증폭기들(A1 및 A2)이 동일할 필요는 없다. 반파장 플레이트(27)는 시계 방향 경로와 반시계 방향 경로 사이의 파워 또는 에너지 비대칭(dissymmetry)을 구성함으로써, 코히렌트 결합 효율을 증가시킬 수 있다.
도 4는 본 발명의 제2 실시형태의 제3 변형예에 따른 2개의 증폭된 빔들의 코히렌트 결합용 수동 디바이스를 개략적으로 도시한다. 또한, 도 4의 디바이스는 이차빔들에 따른 경로를 구별하기 위해 편광 상태를 이용하고, 도 2의 참조부호와 동일한 참조부호들은 동일한 요소들에 대응된다. 편광 회전자(4)의 위치에서, 도 4의 디바이스는 제3 편광 스플리팅 큐브(41), 1/4 파장(quater-wave) 플레이트(42) 또는 페러데이 회전자 및 리턴 미러(return mirror; 43)를 포함한다. 도 2의 디바이스와 유사하게, 입사 빔(S0)은 동일한 파워의 2개의 이차 입력 빔들(H1, H2)로 분할되고 직교(orthogonally) 편광된다. 제1 이차 입력 빔(H1)은 제1 광학 증폭기(A1)에 의해 증폭되는 반면, 제2 이차 입력 빔(H2)은 제2 광학 증폭기(A2)에 의해 증폭된다. 이러한 제1 증폭의 출력부에서, 1회-증폭된(once-amplified) 빔들(H'1 및 H'2)은 제3 편광 스플리팅 큐브(41)에 의해 공간적으로 커버된다. s-편광된, 제1 1회-증폭된 이차 빔(H'1)은 반사되는 반면, p-편광된, 제2 1회-증폭된 이차 빔(H'S)은 제3 편광 스플리팅 큐브(41)에 의해 전송된다. 따라서, 1회-증폭된 이차 빔들(H'1 및 H'2)은 공통 경로를 따르고, 미러(43)에 의해 반사되고, 각각의 빔들은 1/4 파장 플레이트(42)에서 이중 통과(double passage)를 거친다. 이 이중 통과는 이차 빔 각각(H'1 및 H'2)의 선형 편광 상태의 90˚ 회전을 각각 유도한다. 이어서, p-편광된, 제1 이차 빔(H'1)은 제2 증폭기(A2) 쪽을 향하게 된다. 마찬가지로, s-편광된, 제2 이차 빔(H'2)은 제1 증폭기(A1) 쪽을 향하게 된다. 따라서, 제1 이차 빔(H1)은 A1 및 A2에서 연속적으로 증폭되고, 제2 이차 빔(H2)에 대해서는 그 역이 성립한다. 이어서, 출력 증폭된 빔들(H"1 및 H"2)은 편광 스플리팅 큐브(33)에서 동일한 위상(phase), 동일한 그룹 지연(group delay), 직교 선형 편광 상태(orthogonal linear polarization states) 및 동일한 공간 프로파일(spatial profile)로 재결합된다. 마지막으로, 편광 회전자(22) 및 스플리팅 큐브(21)에서의 통과는 2개의 직교 편광 성분들을 재결합하고 p-편광된 입력 빔(S0)으로부터 s-편광된 출력 코히렌트 빔(S1)을 분할할 수 있다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 제2 실시형태의 제4 변형예에 따른 2개의 증폭된 빔들의 코히렌트 결합용 수동 디바이스를 개략적으로 도시한다. 도 5는 입력 빔의 s-편광된 성분의 전파를 도시하고, 도 6은 입력 빔의 p-편광된 성분의 전파를 도시하며, 도 2의 참조부호와 동일한 참조 부호들은 동일한 요소들에 대응된다. 편광 회전자(4)의 위치에서, 도 5의 디바이스는 편광 스플리팅 큐브(32)의 출력부에 배열된 페러데이 미러(44)를 포함한다. 도 5에서 s-편광된, 제1 이차 입력 빔(H1)은, 제1 광학 증폭기(A1)에 의해 처음 증폭되고, 이어서 편광의 변화없이 제2 광학 증폭기(A2)에 의해 증폭되는 동안, 시계 방향으로 간섭계를 통해 이동한다. 시계 방향의 회전의 종료시에, 2회-증폭된(twice-amplified) 빔(H"1)은 페러데이 미러(44)를 향하는 편광 스플리팅 큐브(32)에 의해 반사된다. 페러데이 미러(44) 상에서 반사 후, 증폭된 빔(H"1)은 편광이 변화되고, p-편광되고, 편광 스플리팅 큐브(32)에 의해 간섭계의 광학 루프를 향해 시계 방향으로 다시 전송된다. 이어서, 제1 이차 빔은, 동일한 경로이지만, 제1 통로의 편광과는 수직인 편광 경로를 따라 제1 광학 증폭기(A1)에 의해, 그 다음 제2 광학 증폭기(A2)에 의해 2회 증폭된다. 이어서, 제1 이차 빔은 제1 증폭기(A1)에 의해 2회, 제2 증폭기(A2)에 의해 2회 증폭되어, 스플리팅 큐브(32) 상에 p-편광된 빔(H""1)을 형성하고, 여기서 p-편광된 빔은 광 아이솔레이터(23)를 향해 전송된다.
상호적으로, 도 6에서 볼 수 있는 바와 같이, p-편광된, 제2 이차 입력 빔(H2)은 먼저, 반시계 방향을 따라 간섭계의 루프를 따라 편광의 변화없이 이동하고, 이어서, 제2 광학 증폭기(A2) 및 제1 광학 증폭기(A1)에 의해 1차로 증폭된 빔(H"2)은 편광 스플리팅 큐브(32)에 의해 페러데이 미러(44)를 향하여 전송된다. 페러데이 미러(44)에서 반사된 후, 증폭된 빔(H"2)은 편광 스플리팅 큐브(32)에 의해 간섭계의 광학 루프를 향하여, 여기서 다시 반시계방향이지만 이번에는 S-편광되어 반사된다. 이어서, 제2 이차 빔은 동일한 반시계 방향 경로를 따라 제2 광학 증폭기(A2)에 의해, 그 다음 제1 광학 증폭기(A1)에 의해 2차로 증폭된다. 4회 증폭된 제2 이차 빔이 스플리팅 큐브에 되돌아올 때, 제2 이차 빔은 광 아이솔레이터(23)를 향해 전송된다.
스플리팅 큐브(32) 및 광 아이솔레이터(23)는, 각각 2개의 광학 증폭기(A1 및 A2)에서의 이중 통과에 의해 증폭된 2개의 이차 출력 빔들(H""1 및 H""2)을 편광으로 재결합한다. 따라서, 도 5의 디바이스에서는 각 증폭기에서 빔의 통과 횟수에 2를 곱할 수 있다. 이 구성은 로우-게인(low-gain) 광학 증폭기들(A1, A2)에 특히 유리하다.
도 7 및 8은 본 발명의 제2 실시형태의 제5 변형예에 따른 2개의 증폭된 빔들의 코히렌트 결합용 수동 디바이스를 개략적으로 도시한다. 이 디바이스는 도 5 및 6과 관련하여 도시된 디바이스와 유사하고, 여기서는 페러데이 미러(44)가, 반사 동안에 빔의 편광을 변경하지 않는 고-반사성(highly-reflective) 미러(M4)로 대체된다. 그러나, 도 7에서, 이차 빔은 1차로 간섭계의 루프를 따라 시계 방향으로 이동하고, 미러(M4)에서 반사되고, 이어서 편광의 변화없이, 간섭계의 루프를 따라 반시계 방향으로 2차로 이동한다(도 7 참조). 상호적으로, 도 8에서, 이차 빔이 1차로 간섭계의 루프를 따라 반시계 방향으로 이동하고, 미러(M4)에서 반사되며, 편광의 변화없이, 간섭계의 루프를 따라 시계 방향으로 2차로 이동한다(도 8 참조). 제5 변형예에 따르면, s-편광 이차 빔은 스플리팅 큐브(31)에 의해 4회 반사된다. 상호적으로, p-편광 2차 빔은 스플리팅 큐브(31)에 의해 4회 전달된다. 또한, 도 7 및 8의 디바이스는 증폭기(A1)에서의 2번의 통과와 증폭기(A2)에서의 2번의 통과에 의해 각 이차빔을 4회 증폭시킨다.
도 9는 본 발명의 제3 실시형태에 따른 2개의 증폭된 광학 빔들의 코히렌트 결합용 수동 디바이스를 개략적으로 도시한다. 도 9의 디바이스는 간섭계의 광학 경로 상에 단일 양방향성 광섬유(bidirectional optical fiber) 증폭기(A1)와 반파장 플레이트(47)를 포함한다. 입력 빔(S0)은 선형 편광되고, 광 아이솔레이터(23)를 통과한 후에, 입력 빔의 편광축은 링 간섭계의 입력에 있는 편광 스플리터(32)의 고유(proper) 축들에 대해 45˚이다. 스플리터는 s-편광 성분(H1)과 p-편광 성분(H2)으로 분할한다. 도 9의 도식에서, 처음에 s-편광된 성분(H1)은 반시계 방향으로 간섭계를 통해 이동하는 반면, 처음에 p-편광된 성분(H2)은 시계 방향으로 간섭계를 통해 이동한다. 이차 빔(H1)은 반파장 플레이트를 통과하여 p-편광이 된다. 증폭기(A1)는 반시계 방향으로 전파되는 p-편광 이차 빔(H1)을 수광하여 증폭시켜, 증폭된 이차 빔(H'1)을 형성한다. 상호적으로, 증폭기(A1)는 시계 방향으로 전파되는 p-편광 이차 빔(H2)을 수광하여 증폭시켜, 증폭된 이차 빔(H'2)을 형성한다. 증폭된 이차 빔(H'2)은 반파장 플레이트를 통과하고 s-편광이 된다. 편광 스플리터-결합기(32)는 상기 2개의 p-편광(H'1) 및 s-편광(H'2) 증폭 이차 빔들을 재결합시킨다. 상기 2개의 증폭 이차 빔들(H'1 및 H'2)이 동일한 진폭(amplitude)을 가지면, 재결합된 빔은 편광 스플리터-결합기(32)의 고유 축에 대해 45˚인 편광축을 가지고 선형 편광된다. 유리하게는, 증폭기(A1)는, 일 단부(end)에 의해 공동-전파(co-propagative) 방식으로 펌프(pumped)되고 타 단부에 의해 역-전파(counter-propagative) 방식으로 펌프되는 광섬유 증폭기이다. 이중 펌핑(double pumping)은 집단의 도치(inversion of population), 게인(gain)의 길이방향 분배(longitudinal distribution), 및 그래서 두 방향의 증폭의 증폭기(A1)의 비-선형성(non-linearities)을 대칭화할 수 있다. 그러나, 상기 2개의 증폭된 이차 빔들의 재결합은, 이들이 링 간섭계에서 가역 광학 경로들을 따라 이동하기 때문에, 코히렌트하다. 유리하게는, 광섬유 증폭기(A1)는 편광-유지(polarization-maintaining) 증폭 광섬유를 포함하고, 편광-유지 증폭 광섬유의 고유 축들은 이차 빔들의 편광에 대하여 정렬된다. 제3 실시형태의 변형예에 따르면, 반파장 플레이트는 이차 빔들(H'1 및 H'2)의 광학 경로 상에 배열된다. 제3 실시형태의 또 하나의 변형예에 따르면, 디바이스는 증폭기(A1)의 양 측면 상에(on either side) 배열된 2개의 반파장 플레이트들을 포함한다. 제3 실시형태의 다른 변형예에 따르면, 파형 플레이트는, 광학 빔들의 편광 상태가 변하지 않도록 정렬되는 광학 경로에 위치하지 않는다. 따라서, 이차 출력 빔(H'1)의 편광은 이차 입력 빔(H1)의 편광과 동일하다. 상호적으로, 이차 출력 빔(H'2)의 편광은 이차 입력 빔(H2)의 편광과 동일하다. 따라서, 빔들의 코히렌트 재결합은 출력부(S2)에서 수행된다.
제3 실시형태의 제1 변형예에 따르면, 도 9의 디바이스는, 증폭기(A1)에 의해 1회-증폭된 2개의 이차 빔들을 링 간섭계쪽으로 반사시키기 위하여, 신호(S2)의 출력 포트에 배열된 고 반사성 미러(M4)를 포함한다. 그와 같이, 각각의 이차 빔은 링 간섭계를 통해, 동일한 편광을 갖고 제1 루프에 대해 반대 경로를 따라 한번 더 이동한다. 이 변형예는 이차 빔들을 재결합시키기 전에, 단일 증폭기(A1)에 의해 각각의 이차 빔을 2회 증폭시킬 수 있다.
제3 실시형태의 제2 변형예에 따르면, 디바이스는, 증폭기(A1)에 의해 1회-증폭된 2개의 이차 빔들을 링 간섭계를 향해 반사시키기 위하여, 신호(S2)의 출력 포트에 배열된 페러데이 미러(44)를 포함한다. 그와 같이, 각각의 이차 빔은 링 간섭계를 통해 수직 편광을 갖고, 제1 루프에 대해 반대 경로를 따라 한번 더 이동한다. 또한, 이차 빔들을 재결합시키기 전에, 단일 증폭기(A1)에 의해 각각의 이차 빔을 2회 증폭시킬 수 있다.
도 10은 본 발명의 제4 실시형태에 따른 2개의 증폭된 광학 빔들의 코히렌트 결합용 디바이스를 나타낸다. 또한, 여기서 스플리팅/재결합 디바이스는 빔들의 편광을 사용한다. 증폭기들(A1 및 A2)은 희토류가 도핑된(rare-earth-doped) 편광 유지 광섬유 증폭기들이다. 예시적인 실시형태에 따르면, 각각의 증폭기(A1, A2)는 에테르븀이 도핑된(Ytterbium-doped) 코어, 이중 클래드(double clad) 및 1.6 m 길이의 광섬유 섹션(section)을 포함한다. 소스(source)는 35 MHz의 반복률(repetition rate)로 250 fs의 펄스를 생성하는 오실레이터(oscillator)이다. 오실레이터 뒤에는 펄스 피커(pulse picker; 11) 및 펄스를 일시적으로 150 ps까지 신장하는 스트레쳐(stretcher; 7)가 이어진다. 스트레쳐(7)로부터 오는 입사 빔은 링 간섭계에 결합되고, 출력 빔(S1)은 증폭된 펄스들을 일시적으로 재압축(recompress)하는 압축기(compressor; 8)에 전송된다. 디바이스는 광 아이솔레이터(23), 반파장 플레이트(24) 및 편광 스플리터 큐브(33)를 포함한다. 광 아이솔레이터(23)는 증폭된 빔들의 코히렌트 재결합 및 증폭된 빔(S1)의 추출을 할 수 있다. 아이솔레이터(23)는, 증폭된 빔들(H"1 및 H"2)이 서로 간섭되도록, 45˚에서 2개의 직교 편광들을 투사(project)할 수 있다. 아이솔레이터(22)의 제1 출력부는 출력 빔의 비-재결합(non-recombined) 부분(S2)을 거부한다. 아이솔레이터(22)의 제2 출력부는 재결합된 빔(S1)을 추출할 수 있다. 간섭계(4, 5 및 6)에 있는, 그리고 간섭계(24)의 외부에 있는 반파장 플레이트들은, 최상의 코히렌트 결합을 얻도록, 암들(arms) 사이의 파워 분배를 정교하게 조절하는데 사용된다. 각 순간에(At each instant), 제1 증폭기(A1)는 간섭계의 시계 방향으로 전파하는 제1 이차 빔(H1)을 증폭시키고, 반시계 방향으로 전파하는 제2 이차 빔(H'2)은 제2 증폭기(A2)에 의해 1회-증폭된다. 마찬가지로, 각 순간에, 제2 증폭기(A2)는 간섭계의 반시계 방향으로 전파하는 제2 이차 빔(H2)을 증폭시키고, 시계 방향으로 전파하는 제1 이차 빔(H'1)은 제1 증폭기(A1)에 의해 1회-증폭된다. 따라서, 각각의 증폭기(A1, A2)는 이차 빔용 전치 증폭기(pre amplifier)와 다른 이차 빔용 파워 증폭기로서 작동한다. 각각의 빔(H1, H2)은 2개의 동일한 증폭기들(A1 및 A2)에서 증폭된다. 2개의 광학 증폭기들(A1, A2)은, 증폭이 각각의 전파 방향에서 가능하도록 구성된다. 출력에서, 증폭기의 입력은 다른 증폭기의 출력에서 주입되고, 그 반대의 경우도 가능하다. 따라서, 빔(H'1)은 A2에서 한번 더 증폭되고, 빔(H'2)은 A1에서 증폭되며, 전파방향은 이제 역전된다. 시스템이 대칭적이고, 각각 반대 방향으로 전파하는 2개의 빔들은 동일한 광학 경로와 동일한 증폭의 게인을 보여준다. 실제로, 이 간섭계는, 사냑 간섭계(Sagnac interferometer)와 유사하고, 루프에 배열된 비선형 광학 증폭기들을 포함한다는 점에서 주요한 차이점을 갖는다. 따라서, 2개의 2배로 증폭된 빔들은, 동일한 위상, 동일한 그룹 지연, 동일한 편광 상태 및 동일한 공간 프로파일(spatial profile)을 갖고 입출력 스플리터에서 재결합된다. 그러므로, 파워의 거의 대부분(almost-totality)은 편광 스플리팅 큐브(32)에 의해 편광 회전자(22)로 다시 보내진다(redirect). 편광 회전자(22)를 통과함으로써, 편광 상태는, 재결합된 출력 빔(S1)이 제1 편광 스플리팅 큐브(21)에 의해 방출(eject)되도록 변경된다. 실제 실험 시스템에서 나타나는 비대칭에 대한 보상은 시스템의 많은 부분들(얼라인먼트(alignment), 증폭기들의 펌핑, 이차 입력 빔들의 파워 분배 등)에서 이루어진다.
각각의 이차 빔에 있어서, 펌핑은 제1 증폭 동안에는 상호-전파성(co-propagative)이고, 제2 증폭동안에는 역-전파성(counter-propagative)이다. 이 배열 구조는 자가-위상 변조(self-phase modulation; SPM)로 인해 B 계수(B integral)를 제한할 수 있고, 이에 따라 광학 빔의 우수한 공간 특성(spatial quality)을 보존할 수 있다. 간섭계에서 완전 회전에 대한 광학 빔의 길이는 5 m이다. 그러므로, 디바이스는 10 MHz보다 낮은 주파수에서는 위상 노이즈들에 크게 민감하지 않고, 열적 노이즈 및 음향 노이즈는 10 kHz 위에서 제한된다. 따라서, 간섭계의 출력부에서 빔들의 결합은 위상이 매우 안정하고, 환경 방해(environment disturbances)에 저항성이 있다.
도 10의 디바이스는 먼저 35 MHz의 반복 주파수와 300 mW의 입사 빔(S0)의 파워를 갖고 작동한다. 각각의 증폭기(A1, A2)에 대한 50 W의 펌프 파워는 95%의 결합 효율(combination efficiency)로 20 W의 파워를 갖는 출력 빔을 얻을 수 있다. 결합 효율의 부족은, 본질적으로 증폭된 자발적 방출(spontaneous emission) 및 정렬 결함(alignment defect)에 기인한다. 펄스 지속시간(pulse duration)은 상대적으로 잘 보존되며, 출력 펄스 지속시간은 도 11에서 설명된 바와 같이, 270 fs(FWHM)이며, 이는 35 MHz의 반복 주파수에서 20 W의 펄스 및 1 MHz의 반복 주파수에서 10 W의 펄스에 대하여 각각 자기상관(autocorrelation)을 나타낸다.
더 높은 피크 파워를 얻기 위해, 반복 주파수는 1 MHz로 고정된다. 그러나, 누적된(accumulated) 비선형 위상은 무시할 수 없을 정도가 되며, 2개의 반대-전파성(contra propagative) 빔들이 양호한 결합 효율을 유지하기 위해서는, 동일해야만 한다. 이는 실제로, 펌프들의 파워와 주입 조건들을 조정함으로써 이루어질 수 있다. 자가-위상 변조가 특히 파워 증폭기의 출력부에서 발생하는 것을 고려하면, 각각의 증폭기(A1, A2)는, 다른 빔의 영향을 적게 받으면서, 2개의 빔들 중 단 하나의 빔의 비선형 위상을 제어한다. 이는 실험적으로 관측되고, 펌프 파워의 공차(tolerance)는 약 100 mW이다. 도 12는 35 MHz의 반복 주파수에서 20W의 펄스와 1 MHz의 반복 주파수에서 10W의 펄스에 대한 광학 스펙트럼을 각각 도시한다. 10 W에서, 에너지는 약 10 μJ이고 각 빔에서의 B 계수는 12 rad 이다. B 계수의 높은 값은 펄스를 완전히 변형시키지만(도 11 및 12 참조), 코히렌트 결합 효율은 84%로 높게 유지한다.
도 13은 35 MHz와 1 MHz의 반복 주파수에 대한 펄스 에너지의 함수로서 코히렌트 결합 효율의 측정값을 도시한다. 2개의 펌프들의 파워들을 정밀하게 조정함에도 불구하고, 펄스 에너지의 함수로서 결합 효율의 느린 감소가 관측된다. 이러한 효과는 주목할만하게, 완전한 대칭이 아닌, 2개의 광섬유들 사이에 상호 재주입(mutual reinjection)으로부터 얻을 수 있다. 비선형 전파는, 이 파라미터에 의해 영향을 받는데, 그 이유는 시계 방향 및 반시계 방향 광학 경로들 간의 상대 스펙트럼 위상이 완전히 평형화되지 않은 고차의 항들(terms of higher orders)을 갖기 때문이다.
본 발명의 디바이스의 증폭 구조는, 간섭계에 아이솔레이터를 삽입함으로써 표준 2단(two-stages) 증폭 구조와 비교하여 이점들을 제공한다. 도 14는 본 발명의 코히렌트 결합용 수동 디바이스와 표준 2단 증폭 디바이스에 있어서 1 MHz의 반복 주파수에서 2W의 출력 파워에 대한 자기상관의 측정값을 도시한다. 본 발명의 디바이스는 종래의 구성에서 관측되는 일시적인 왜곡(temporal distortion)을 완전히 억제할 수 있다. 코히렌트 결합된 빔에서 측정되는 파워 변동(fluctuation)은 차단시 고려되는 각 빔의 파워 변동과 동일하다. 이는 위상 노이즈가 출력 파워의 안정성에서 무시할 정도의 역할을 하는 것을 나타낸다.
도 15는 얻어진 빔 프로파일들과 측정된 파라미터(M2)의 값들을 도시한다. 파라미터(M2)는 레이저 빔의 공간 특성 및 동일한 레이저 빔의 이상적인 값(ideal value)을 평가하는데(assessing) 사용되는 디지털 파라미터이다. 도 15a는 제1 증폭된 이차 빔(H"1)의 프로파일을 도시한다. 도 15b는 제2 증폭된 이차 빔(H"2)의 프로파일을 도시한다. 도 15c는 출력 코히렌트 결합된 빔(S1)의 프로파일을 도시한다. 간섭계의 주의깊은 정렬 및 포커싱의 경우에, 얻어진 빔 특성(beam quality)은 만족스럽다. 이 정렬은 빔들의 중첩(superimposition)과 높은 결합 효율을 얻는데 극히 중요하다.
본 발명은 2개의 독립 레이저 증폭기들의 수동 코히렌트 결합을 위한 광학 시스템을 제안한다. 이 시스템의 작동원리는, 2개의 증폭기들에서 역순으로(in a reverse order) 그리고 각각 다른 순간에 그러나 높은 효율의 코히렌트 결합을 가능하게 하는 에너지 레벨과 누적된 광학 위상 레벨까지 증폭된 2개의 이차 빔들로의 입력 신호의 진폭 분할(amplitude division)에 기초하고 있다. 시스템의 출력부에서, 상호(reciprocally) 증폭된 2개의 이차 빔들은, 초기 분할을 가능하게 하는 동일한 광학 부품에서 코히렌트하게 재결합된다. 출력 코히렌트 증폭된 빔은 광 아이솔레이터에 의해 출력 신호로부터 분리될 수 있다.
본 발명의 디바이스는 수동 시스템의 모든 이점을 갖는다: 디바이스는 위상 측정과 실시간 음의 피드백(negative feedback)용 복합 전자 디바이스를 필요로 하지 않고 안정하다. 더욱이, 2개의 증폭기들을 갖는 디바이스는, 종래의 광학 부품들의 사용시 단일 증폭기를 갖는 시스템에 대하여 광학 파워, 에너지 및 피크 파워를 2배로 할 수 있다. 비교로서, 직렬의 2개의 증폭 단들을 갖는 종래기술의 광학 증폭기 디바이스에 있어서, 제2 증폭 단은 최대 전송된 피크 파워를 지지하며 이것은 결과적으로 제2 파워 증폭기에 대한 음의 비선형 영향들을 초래한다. 대조적으로, 본 발명의 디바이스는, 2개의 증폭기들 사이에서 증폭된 파워를 분배할 수 있고, 이는 각각의 증폭기에서 원치않는 영향들(특히, 열적 및 비선형 영향들)이 더 쉽게 누적되는 것을 제한할 수 있다. 전체 파워는, 코히렌트 결합용 수동 시스템을 통해 2개의 증폭기들 외부에서 재결합된다. 본 발명의 디바이스는 높은 재결합 효율(95%까지 또는 이벤트 100%까지)을 얻을 수 있는 반면, 광학 빔의 우수한 공간적인 특성을 보존할 수 있다.
발명자들은, 2개의 광학 스펙트럼을 확장(broadening)하는 디바이스들의 코히렌트 결합용 시스템을 포함하는 스펙트럼을 확장하는 디바이스 및 방법에 대한 본 발명의 제2 응용을 도 16 내지 18과 관련하여 기술하고, 각각의 광학 스펙트럼 확장 디바이스는 파워 및/또는 에너지 및/ 또는 피크 파워에 있어서 제한된다.
도 16은 본 발명의 제3 실시형태의 제1 변형예에 따른 2개의 스펙트럼이 확장된 광학 빔들의 코히렌트 결합용 수동 디바이스를 개략적으로 도시한다. 도 16의 디바이스는 2개의 중공 모세관(hollow capillary) 광섬유들(A1 및 A2), 소위 중공(hollow core) 모세관 섬유들을 포함한다. 중공 모세관 광섬유들은 고 에너지 및/또는 고 파워 레이저 펄스들을 스펙트럼적으로 늘이는데 사용된다. 그러나, 모세관 섬유는 에너지 면에서 제한되고, 최대 에너지는 대략 수십 fs당 10 mJ의 펄스이다. 도 16의 디바이스는 링 간섭계의 광학 경로에 직렬로 배열된 2개의 모세관 섬유들(A1 및 A2)을 포함한다. 바람직하게는, 편광 스플리팅 큐브(31)는 입사 빔(S0)을 2개의 선형 편광 이차 입력 빔들(H1 및 H2)로 분할하는데 사용된다. 원형 편광에서 바람직하게 작동하는 모세관 섬유에서의 확장에서, 1/4 파장 플레이트(45, 46) 각각은 스플리팅 큐브(31)와 각각의 모세관 섬유(A1, A2) 사이에 위치된다. 선형의 s-편광된 제1 이차 빔(H1)은 제1의 1/4 파장 플레이트(25)를 통과하고, 이의 편광은 원형(circular)이 된다. 원형의-편광된(circular-polarized) 제1 이차 빔은 제1 중공 모세관 섬유(A1)에 의해 제1 스펙트럼 확장이 되고, 이어서 제2 중공 모세관 섬유(A2)에 의해 제2 스펙트럼 확장이 된다. 2배로 스펙트럼이 확장되고 여전히 원형으로 편광된 제1 이차 빔은 제2의 1/4 파장 플레이트(46)를 통과하고, 이어서 제1 이차 출력 빔은 p-편광된다. 상호적으로, 선형의 p-편광된 제2 이차 빔(H2)은 제2의 1/4 파장 플레이트(46)를 통과하고, 이의 편광은 원형이 된다. 원형 편광된 제2 이차 빔은 제2 중공 모세관 섬유(A2)에 의해 제1 스펙트럼 확장이 되고, 이어서 제1 중공 모세관 섬유(A1)에 의해 제2 스펙트럼 확장이 된다. 2배로 스펙트럼이 확장되고 여전히 원형으로 편광된 제2 이차 빔은 제1의 1/4 파장 플레이트(45)를 통해 지나가고, 이어서 제2 이차 빔은 s-편광된다. 이어서, 스플리팅 큐브(31)는 각각 2배로 확장된 스펙트럼을 갖는 2개의 이차 출력 빔들을 재결합한다.
도 17은 본 발명의 제3 실시형태의 제2 변형예에 따른 2개의 스펙트럼이 확장된 광학 빔들의 코히렌트 결합용 수동 디바이스를 개략적으로 도시한다. 도 17의 디바이스는 고 에너지 및/또는 파워 레이저 펄스를 스펙트럼으로 확장하는 2개의 중공 모세관 섬유들(A1 및 A2)을 포함한다. 편광 스플리팅 큐브에서, 박막 편광기(thin-film polarizer; 34)가 사용된다. 또한, 처프 미러들(Chirped mirrors; M11, M12 및 M13)이 사용된다. 도 17의 디바이스는, 일반적으로 열등한 스펙트럼 위상 특성을 갖는 광 아이솔레이터를 제거할 수 있다. 이어서, 도 17의 디바이스의 출력부에서, 800 nm의 파장에서 20 mJ보다 더 높은 펄스당 에너지의, 20 펨토 초의 펄스를 얻을 수 있다. 유리하게는, 도 16 또는 17의 디바이스는 화상(imagery)의 시스템, 예를 들어 제2 중공 모세관 섬유(A2)의 반대 단부에서 제1 중공 모세관 섬유(A1)의 단부의 이미지를 형성하는 광학 시스템(2f-2f)으로 이루어진 화상의 시스템을 포함할 수 있다.
도 18은 본 발명의 제3 실시형태의 제3 변형예에 따른 2개의 스펙트럼이 확장된 광학 빔들의 코히렌트 결합용 디바이스를 개략적으로 도시한다. 도 18의 디바이스는 2개의 라지 모드(large mode) 광섬유들(라지 모드 영역 섬유들)(A1, A2)을 포함하고, 보다 구체적으로, 저-에너지 초단파(ultra-short) 레이저 펄스의 스펙트럼 확장에 적용된다. 도 18의 디바이스는 입력 빔(S0)을 각각 2개의 s 및 p 선형의 편광 이차 빔들로 분할하는 광 아이솔레이터(23)를 포함한다. 바람직하게는, 라지 모드 섬유들은 실리카 단일-모드 섬유들이고, 선형 편광으로 작동한다. 디바이스는, 500 fs의 펄스를 갖고, 빔의 펄스 당 에너지가 2 μJ보다 높은 출력 코히렌트 재결합된 빔을 1030 nm의 파장에서 생성할 수 있다.
도 16 내지 18에 도시된 디바이스는 레이저 빔의 스펙트럼 확장에 대한 응용을 설명하고, 여기서 디바이스는, 링 간섭계의 경로에서 배열된 2개의 광학 부품들 사이에 광학 빔의 에너지 및/또는 파워를 분배하여, 2개의 광학 부품들 중 하나에 의해 수광되는 최대 한계보다 더 높은 에너지 및/또는 파워를 갖는 출력 빔을 형성할 수 있다.

Claims (13)

  1. 2개의 증폭 및/또는 스펙트럼 확장된 광학 빔들의 코히렌트 결합용 수동 디바이스로서,
    - 진폭-분할 링 간섭계를 포함하고, 상기 간섭계는:
    - 입사 광학 빔(S0)을 수광하여 상기 입사 광학 빔(S0)을 제1 이차 입력 빔(H1) 및 제2 이차 입력 빔(H2)으로 공간적으로 분할하기 위해 배열된 광학 스플리팅 및 재결합 수단(3, 31, 32, 33);
    - 상기 간섭계의 링(ring) 광학 경로를 규정하기 위해 배열되는 광학 가이딩 수단(M1, M2, M3, M4, M11, M12, M13)-상기 제1 이차 입력 빔(H1)은 시계 방향으로 링 간섭계를 통해 이동하여 제1 이차 출력 빔(H1")을 형성하고, 각각 상기 제2 이차 입력 빔(H2)은 반시계 방향으로 링 간섭계를 통해 이동하여 제2 이차 출력 빔(H2")을 형성함-;
    - 상기 링 간섭계의 광학 경로 상에 배열된 적어도 하나의 양방향성 광학 부품(A1, A2)-상기 적어도 하나의 양방향성 광학 부품(A1, A2)은 한편으로는 시계 방향으로 전파되는 이차 광학 빔(H1, H2)을, 다른 한편으로는 반시계 방향으로 전파되는 이차 광학 빔(H1, H2)을, 증폭 및/또는 스펙트럼적으로 확장시키도록 구성됨-;
    - 증폭 및/또는 스펙트럼적으로 확장된 출력 코히렌트 빔(S1, S2, S3)을 형성하기 위해 상기 제1 이차 출력 빔(H1") 및 상기 제2 이차 출력 빔(H2")을 수광하고, 공간적으로, 시간적으로 그리고 코히렌트하게 재결합시키도록 배열되는 상기 스플리팅 및 재결합 수단(3, 31, 32, 33)을 포함하는, 코히렌트 결합용 수동 디바이스.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 입사 광학 빔(S0) 및 증폭 및/또는 스펙트럼이 확장되는 출력 코히렌트 빔(S1, S2, S3)을 공간적으로 분할하기 위해 상기 링 간섭계의 상류 측에 배열되는 광학 차단 수단(2, 21, 22, 23)을 추가로 포함하는, 코히렌트 결합용 수동 디바이스.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 광학 가이딩 수단(M1, M2, M3, M4, M11, M12, M13)은 고 반사성 미러들(M1, M2, M3, M4), 처프 미러들(M11, M12, M13), 광섬유 섹션들, 및/또는 편광 유지 광섬유 섹션들 및/또는 특정 산란 광섬유 섹션들을 포함하는, 코히렌트 결합용 수동 디바이스.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    제1 이차 출력 빔(H1") 및 제2 이차 출력 빔(H2")을 링 간섭계 쪽으로 반사시켜 상기 제1 이차 출력 빔 및 제2 이차 빔이 코히렌트하게 재결합 전에 링 간섭계를 통해 다시 이동되도록 하기 위하여 스플리팅 및 재결합 광학 수단들의 출력부에 배열되는 페러데이 미러(44) 또는 반사성 미러(M4)를 추가로 포함하는, 코히렌트 결합용 수동 디바이스.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스플리팅 및 재결합 광학 수단은 입사 빔(S0)을 제1 이차 입력 빔(H1) 및 제2 이차 입력 빔(H2)으로 분할하기 위해 배열된 편광 스플리터(31, 32, 33)를 포함하고, 상기 제1 및 제2 이차 입력 빔들(H1, H2)은 직교 편광(orthogonal polarization)으로 선형 편광되고,
    상기 디바이스는 링 간섭계의 경로에 배열되는 편광 수단들(4, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47)을 추가로 포함하고,
    상기 편광 수단들(4, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47)은 제1 이차 출력 빔(H1")은 제2 이차 입력 빔(H2)과 동일한 편광으로 선형 편광되고 상기 제2 이차 출력 빔(H2")은 제1 이차 입력 빔(H1)과 동일한 편광으로 선형 편광되도록 구성되는, 코히렌트 결합용 수동 디바이스.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 편광 수단들은 반파장 플레이트(4, 47), 또는 2개의 1/4 파장 플레이트들(45, 46), 또는 2개의 반파장 플레이트들, 또는 페러데이 회전자(42) 또는 페러데이 미러(44), 또는 편광 스플리팅 큐브(41), 1/4 파장 플레이트(42) 및 반사성 미러(43)를 포함하는 서브-유닛을 포함하는, 코히렌트 결합용 수동 디바이스.
  7. 제5항 또는 제6항에 있어서,
    상기 광학 스플리팅 및 재결합 수단들은 서로에 대해 수직으로 편광된 상기 제1 이차 출력 빔(H"1) 및 상기 제2 이차 출력 빔(H"2)을 동일한 편광 상태에서 재결합하기 위해 구성된, 편광판 및/또는 웨이브 플레이트(22, 24, 27) 및/또는 광 아이솔레이터(23)를 포함하는, 코히렌트 결합용 수동 디바이스.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 양방향성 광학 부품(A1, A2)은 광학 증폭기(A1)를 포함하는, 코히렌트 결합용 수동 디바이스.
  9. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 양방향성 광학 부품(A1, A2)은 제1 양방향성 광학 증폭기(A1) 및 제2 양방향성 광학 증폭기(A2)를 포함하고,
    상기 광학 증폭기들(A1, A2)은 링 간섭계의 광학 경로에 직렬로 배열되는, 코히렌트 결합용 수동 디바이스.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제1 광학 증폭기(A1)는 제1 광섬유 증폭기를 포함하고, 상기 제2 광학 증폭기(A2)는 제2 광섬유 증폭기를 포함하는, 코히렌트 결합용 수동 디바이스.
  11. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 양방향성 광학 부품(A1, A2)은 상기 이차 광학 빔들(H1, H'2)을 스펙트럼적으로 확장하도록 구성된 제1 양방향성 광학 부품(A1) 및 상기 이차 광학 빔들(H2, H'1)을 스펙트럼적으로 확장하도록 구성된 제2 양방향성 광학 부품(A2)을 포함하는, 코히렌트 결합용 수동 디바이스.
  12. 2개의 증폭 및/또는 스펙트럼이 확장된 광학 빔들의 수동 코히렌트 결합을 위한 방법으로서,
    - 입사 광학 빔(S0)을 진폭-분할 링 간섭계에 커플링하는 단계-상기 간섭계는 상기 링 간섭계의 광학 경로에 배열된 광학 스플리팅 및 재결합 수단(3, 31, 32, 33) 및 적어도 하나의 양방향성 광학 부품(A1, A2)을 포함하고, 상기 적어도 하나의 광학 부품(A1, A2)은 간섭계에서 한편으로는 시계 방향으로 전파되는 이차 광학 빔을, 다른 한편으로는 반시계 방향으로 전파되는 이차 광학 빔을, 증폭 및/또는 스펙트럼적으로 확장하도록 구성됨-;
    - 상기 광학 스플리팅 및 재결합 수단(3, 31, 32, 33)에 의해 입사 광학 빔(S0)을 제1 이차 입력 빔(H1) 및 제2 이차 입력 빔(H2)으로 공간적으로 진폭 스플리팅하는 단계;
    - 제1 이차 입력 빔(H1)이 링 간섭계를 통해 시계 방향으로 이동되도록 그리고, 제1 이차 입력 빔(H1)이 상기 적어도 하나의 광학 부품(A1, A2)에 의해 증폭 및/또는 스펙트럼적으로 확장되어, 상기 광학 스플리팅 및 재결합 수단들(3, 31, 32, 33)을 향하는 제1 이차 출력 빔(H"1)을 형성하도록, 상기 제1 이차 입력 빔(H1)을 광학적으로 가이딩하는 단계;
    - 제2 이차 입력 빔(H2)이 링 간섭계를 통해 반시계 방향으로 이동하고, 제2 이차 입력 빔(H2)이 상기 적어도 하나의 광학 부품(A1, A2)에 의해 증폭 및/또는 스펙트럼적으로 확장되어, 상기 광학 스플리팅 및 재결합 수단들(3, 31, 32, 33)을 향하는 제2 이차 출력 빔(H"2)을 형성하도록, 상기 제2 이차 입력 빔(H2)을 광학적으로 가이딩하는 단계;
    - 상기 광학 스플리팅 및 재결합 수단(3, 31, 32, 33)에 의해 제1 이차 출력 빔(H"1) 및 제2 이차 출력 빔(H"2)을 코히렌트하게(coherently), 공간적으로 재결합하여 증폭 및/또는 스펙트럼적으로 확장된 출력 코히렌트 빔(S1, S2, S3)을 형성하는 단계를 포함하는, 방법.
  13. 제11항에 있어서,
    - 상기 입사 광학 빔(S0)을 제1 이차 입력 빔(H1) 및 제2 이차 입력 빔(H2)으로 공간적으로 진폭 스플리팅하는 단계는 편광 스플리팅을 포함하고, 상기 제1 이차 입력 빔(H1) 및 제2 이차 입력 빔(H2)은 직교 편광되고,
    - 링 간섭계에서 광학적으로 가이딩하는 단계는 90˚의 편광 회전을 포함하고, 상기 제1 이차 출력 빔(H"1)은 제2 이차 입력 빔(H2)과 동일한 편광을 갖고, 제2 이차 출력 빔(H"2)은 제1 이차 입력 빔(H1)과 동일한 편광을 갖고,
    - 상기 코히렌트 공간적 재결합은 제1 이차 출력 빔(H"1) 및 제2 이차 출력 빔(H"2)의 재결합을 포함하고, 제1 이차 출력 빔(H"1) 및 제2 이차 출력 빔(H"2)의 편광은 직교하는 것인, 코히렌트 결합을 위한 방법.
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