KR20140113326A - 인트라-캐비티 디지털 홀로그램을 이용한 레이저 및 레이저 장치를 작동하는 방법 - Google Patents

인트라-캐비티 디지털 홀로그램을 이용한 레이저 및 레이저 장치를 작동하는 방법 Download PDF

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Abstract

레이저 장치는 출력 커플러, 레이저 광을 생성하기 위한 이득 매질, 배후 광학 소자, 그리고 입력 커플러를 포함한다. 상기 입력 커플러는 펌프 빔 (pump beam)이 상기 이득 매질로 향하게 하며 그리고 상기 출력 커플러와 상기 배후 광학 소자 사이의 광학 경로를 한정하도록 배치된다. 상기 배후 광학 소자는 디지털 방식으로 주소가 지정될 수 있는 인트라-캐비티 디지털 홀로그래픽 거울로서 행동하도록 배치된 공간 광 변조기이다. 상기 공간 광 변조기는 홀로그램의 그레이-스케일 이미지를 선택적으로 디스플레이하며, 그럼으로써 캐비티에서 레이저 광을 위상-변조하며, 그래서 원하는 특성에 구비한 출력 레이저 빔을 생성하는 것을 가능하게 한다. 상기 장치는 원하는 출력 빔 특성에 대응하는 적어도 하나의 홀로그램을 생성하도록 배치된 컴퓨터, 그리고 상기 컴퓨터로부터의 출력에 응답하여 상기 공간 광 변조기 상의 홀로그램의 대응 그레이-스케일 이미지를 생성하는 구동 회로를 포함한다.

Description

인트라-캐비티 디지털 홀로그램을 이용한 레이저 및 레이저 장치를 작동하는 방법{Method of operating a laser and laser apparatus using intra-cavity digital holograms}
본 발명은 인트라-캐비티 빔 형성을 이용한 레이저 및 레이저 장치를 작동하는 방법에 관한 것이다.
레이저 빔을 형성하는 도구들이 지난 수십 년 간 발전하여 레이저 빔을 원하는 횡단면을 갖도록 (레이저 캐비티에 대하여) 외부에서 재형성하는 것이 가능해졌다.4 원하는 광학적 변환을 결정하는 절차는 잘 알려져 있으며4, 예를 들어, 회절 광학소자, 자유형상(free-form) 광학소자 또는 더욱 최근의 공간 광 변조기(SLM)에 기입된 디지털 홀로그램 등과 같은 다양한 방법에 의하여 실행될 수 있다.
그러나 레이저를 레이저 캐비티 내에서 형성하는 인트라-캐비티 레이저 빔 형성은 장점들이 있으며, 이는 수 년간 관심의 대상이 되었으며2, 3, 여러 설계 기술들이 이용 가능해 졌고5-10, 그들이 몇몇은 성공적으로 실행되었다. 그러한 예들로서 공간 모드 선택을 위해 위상-단독 (phase-only)11-14, 진폭 단독(amplitude-only)1-3,15,16및 광학적으로 어드레스된 액정 광학 소자17를 이용하는 기법들이 있다. 이러한 모든 기법들은 예를 들어 특정 모드를 위해 설계된 회절 미러 또는 위상 플레이트와 같은 커스텀화된 광학소자들을 요구한다. 반면에 광학적으로 주소 지정된 액정을 이용하는 방법은 광학 소자를 어드레스하기 위한 (예를 들어 회절 광학소자 또는 SLM과 같은) 외부 빔 형성 소자, 파면 센서 및 원하는 위상 프로파일로 반복하기 위한 최적화 루틴 등을 요구하여, 미터 단위의 길이 비전형적인 캐비티들이 초래된다.
변형 미러들을 사용하는 동적 인트라-캐비티 빔 제어를 하는 시도가 있었는데18-23, 그러한 요소들은 제한된 스트로크를 갖고 수용할 수 있는 위상 프로파일이 제한되어 있어서18, 19, 레이저 모드 형성에 있어서 거의 응용되지 못하였다. 오히려 그러한 미러들은 (예를 들어 열 부하로 인한) 모드 왜곡 보정 또는 에너지 추출 극대화 및 레이저 밝기 최적화 등과 같은 고출력 응용에 사용되어 왔다20-23. 현재까지 레이저 모드의 온-디맨드 선택을 위한 기법은 시현된 바가 없다.
본 발명의 목적은 인트라-캐비티 빔을 제어를 사용하여 온-디맨드 레이저 모드 선택을 가능하게 하는 레이저 및 장치를 작동하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명에 따라 레이저 장치가 제공되며, 이 레이저 장치는:
출력 커플러;
레이저 광을 생성하기 위한 이득 매질 (gain medium);
배후 광학 소자; 그리고
펌프 빔 (pump beam)이 상기 이득 매질로 향하게 하며 그리고 상기 출력 커플러와 상기 배후 광학 소자 사이의 광학 경로를 한정하도록 배치된 입력 커플러를 포함하며,
이 경우에 상기 배후 광학 소자는 공간 광 변조기이며, 이 공간 광 변조기는 인트라-캐비티 (intra-cavity) 홀로그래픽 거울로서 행동하고 그리고 홀로그램의 그레이-스케일 이미지를 선택적으로 디스플레이하도록 배치되며, 그럼으로써 상기 캐비티에서 레이저 광을 위상-변조하여, 원하는 특성을 구비한 출력 레이저 빔을 생성한다.
상기 공간 광 변조기는 디지털 방식으로 주소가 지정된 홀로그래픽 거울로서 동작하도록 배치된 위상-단독 (phase-only) 반사 기기인 것이 바람직하다.
바람직하게는 상기 장치는 상기 공간 광 변조기가 수직 또는 수평의 원하는 편광으로 동작하는 것을 돕기 위해서 인트라-캐비티 브루스터 윈도우 (Brewster window)를 포함한다.
상기 공간 광 변조기는 상기 캐비티 내에서 수직 입사 (normal incidence)에 배치된 것이 바람직하다.
바람직하게는, 상기 공간 광 변조기는 1% 미만의 변이를 가진 위상의 함수로서 반사율을 가진다.
상기 장치의 프로토타입에서, 상기 공간 광 변조기는 병렬-정렬된 네마틱 (nematic) 액정을 포함하는 기기이다.
상기 입력 커플러는 상기 펌프 빔 파장에서의 높은 투과성 (high transmission)을 그리고 레이징 빔 파장에서의 높은 반사도 (high reflectance)를 위해 코팅된 제1 거울을 포함하는 것이 바람직하며, 그리고 이는 상기 펌프 빔이 상기 이득 매질로 향하게 하며, 그리고 레이징 빔이 상기 공간 광 변조기로 향하게 하도록 방향이 정해진다.
상기 출력 커플러는 상기 펌프 빔 파장에서의 높은 투과성 그리고 상기 레이징 빔 파장에서의 높은 반사도를 위해 코팅된 제2 거울을 포함하는 것이 바람직하며, 그리고 이는 상기 펌프 빔 그리고 상기 출력 레이저 빔을 분리하도록 방향이 정해진다.
상기 레이저 장치는, 원하는 출력 빔 특성에 대응하는 적어도 하나의 홀로그램을 생성하도록 배치된 컴퓨터, 그리고 상기 컴퓨터로부터의 출력에 응답하여 상기 공간 광 변조기 상의 홀로그램의 대응 그레이-스케일 이미지를 생성하는 구동 회로를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 컴퓨터는 원하는 출력 빔 특성들 각각에 대응하는 복수의 상이한 미리 정해진 홀로그램들을 생성하도록 동작하여, 원하는 출력 레이저 빔의 온-더-플라이 (on-the-fly) 선택을 가능하게 한다.
본 발명은 상기에서 한정된 장치를 이용하는 레이저를 동작시키는 방법으로 확장된다.
본 발명의 효과는 본 명세서의 해당되는 부분들에 개별적으로 명시되어 있다.
도 1은 엑스트라-캐비티 빔 형성을 사용하는 종래의 레이저 장치의 개요도;
도 2는 본 발명에 따른 디지털 레이저 장치의 단순화된 개요도;
도 3는 장치와 함께 사용되는 진단 및 제어 장비를 포함하는 도 2의 레이저 장치의 보다 상세한 개요도;
도 4a는 도 3의 장치의 플랫 출력 커플러에 위치한 웨이스트 평면을 갖는 정형 평면 오목 발진기의 개요도;
도 4b는 SLM을 사용하는 디지털 레이저의 출력을 물리적 미러를 사용하는 레이저의 출력과 비교하는 두 가지의 곡률(R=400mm 및 R=500mm)에 대하여 측정된 강도 프로파일을 보여주는 도면;
도 4c는 디지털 방식으로 부과된 곡률에 따른 측정된 빔 사이즈의 변화가 이론적 커브와 어떻게 일치하는지 보여주는 그래프;
도 4d는 R=400mm인 경우 SLM으로부터의 추가 손실로 인하여 디지털 레이저의 문턱값이 종래의 레이저보다 높음을 보여주는 그래프;
도 5는 도 2 및 3에 의해 발생되고 대응하는 SLM 홀로그램이 사용된 커스텀화된 빔들의 다양한 예들을 보여주는 도면;
도 6은 엑스트라-캐비티 모드 및 인트라-캐비티 모드에서 사용되는 앞 세대의 SLM의 경우 흑색(0)부터 백색(2π)까지 그레이 스케일 레벨의 변화에 대한 반사된 레이저 출력의 두 가지 플롯을 보여주는 그래프;
도 7은 본 발명의 레이저 장치에 사용된 새로운 세대의 SLM의 경우 흑색부터 백색까지 그레이 스케일 레벨의 변화에 대한 정규화된 반사된 레이저 출력의 그래프이다.
본 발명은 인트라-캐비티 디지털 홀로그램을 사용한 인트라-캐비티 레이저 빔 형성의 현재의 한계를 극복하는 것을 목적으로 한다. 본 발명의 하나의 실시예로서, 인트라-캐비티 디지털 홀로그램이 위상-단독(phase-only) 반사 공간 광 변조기(SML)을 사용하여 구현되어, 표준 레이저 캐비티 거울 대신에 재기입가능 홀로그래픽 거울을 형성한다. 후술하는 바와 같이, 이는 높은 해상도와 위상값의 매우 넓은 동적 레인지를 갖는 온-디맨드 모드 선택을 가능하게 한다. 중요한 점은, 이 "디지털 레이저"는 SLM 장치에 기입된 디지털 홀로그램 (그레이 스케일 그림)을 간단히 변경함으로써 진폭-단독 (amplitude-only), 위상-단독 또는 진폭 및 위상 변조를 실행하기 위해 사용될 수 있다는 것이다.
도 1은 공간 광 변조기(SLM)이 레이저 캐비티의 외부에 사용된 종래의 엑스트라-캐비티 구조의 레이저 장치를 예를 보여준다.
이러한 SLM을 캐비티 외부에서 사용하는 것은 입사 빔의 편광이 SLM의 편광과 일치하도록 조정하는 동작을 포함한다. 대부분의 경우 SLM이 입사광에 대하여 소정의 각도로 배치되어야 하는데, 수평으로 편광된 빛의 입사 빔을 받아들이기 위해 SLM도 수평으로 편광되어야 한다.
SLM 상의 입사 빔은 통상 그것이 SLM 표면의 큰 부분을 커버하고 빛의 강도가 SLM 스크린의 표면에 균일하게 분포되도록 시준(collimate)된다. SLM 스크린에 의한 입사 빔의 형성은 요구되는 빔의 위상을 로딩하고 반사광의 차수들 (orders)을 분리하기 위한 격자(grating)를 추가하여 달성된다. 입사광의 형성은 항상 대부분의 경우 매우 작은 에너지를 포함하는 제1 차수 (1st order)의 반사된 빔에 대하여 발생한다. 그러면 형성된 빛은 CCD 카메라에 포착되어 모니터(2) 상에서 관찰된다. 원하지 않는 반사 광에서는 많은 양의 에너지가 손실된다.
종종 많은 양의 에너지를 포함하는 0차 차수 (0th order)의 빛은 SLM 상에 위상 패턴을 보이지 않고, 따라서 그것이 정확하게 편광되어 있다 하더라도 SLM에 의하여 형성되지 않는다. 0차 차수의 빛의 프로파일을 CCD 카메라에서 관찰하면, 그것은 SLM 상의 입사 빔과 유사한 프로파일을 가질 것이다.
만약 SLM이 격자 없이 입사 빔에 대하여 직교하도록 배치되면, 모든 차수의 빛이 서로 중첩될 것이다. 이는 원하는 빔을 왜곡시키는데, 이것이 빛의 차수들을 분리하기 위해 일반적으로 격자가 추가되는 이유이다.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 레이저 장치를 개략적으로 도시한다. 이 장치는 이득 매질로서 Nd:YAG 레이저 크리스털을 포함하는 통상적인 폴드된 공진기 구조를 포함한다.(후술 참조) 통상적인 점은 캐비티의 흑색 광학 소자로서 위상-단독 반사 SLM을 사용하는 것인데, 그리하여 디지털 방식으로 주소 지정된 홀로그래픽 거울이 효과적으로 창출된다. 본 발명에 사용되는 SLM에 요구되는 주된 특징은 고 해상도, 고 효율성, 원하는 평광에서의 고 반사성, 낮은 위상-진폭 혼선, 적절한 내구성 및 레이저 파장에서의 큰 위상 시프트이다.
Nd:YAG 레이저는 다이오드 파장(808nm)에서 높은 전달율을 갖고 레이징 파장(1064nm)에서 높은 반사도를 갖도록 코팅된 45° 거울을 통하여 캐비티로 커플링된 고출력 다이오드 레이저로부터의 빔 LD에 의하여 광학적으로 펌핑된다. 이 폴딩 거울은 L자 형의 캐비티를 형성하여, 고출력 다이오드 빔은 SLM과 상호작용하지 않게 되어 손상을 방지한다. 레이저를 펌핑하기 위하여 다른 수단들이 사용될 수 있고, L자 형상 캐피티는 본 발명의 요구 조건은 아님을 이해하여야 한다.
캐피티의 중요한 특징은 SLM을 위한 원하는 편광(프로토타입 셋업에서 수직) 방향으로 진동하도록 레이저를 유도하기 위해 인트라-캐비티 브루스터 윈도우(Brewster window; 도 3 참조)를 사용하는 것이다.
도 2의 장치는 도 3의 블록도에 더욱 상세히 도시되어 있다.
이 장치는 808nm의 파장에서 작동하는 파이버 커플링된 레이저 다이오드를 포함하는 레이저 펌프를 포함한다. 초점 거리 25.5mm인 제1 구형 렌즈(L1)이 펌프 빔을 시준하기 위하여 사용된다. 펌프 빔의 파장에서 높은 반사도를 갖는 거울(M3) 및 초점 거리 150mm인 제2 구형 렌즈(L2)가 펌프 빔을 Nd:YAG 레이저 크리스털로 펌핑하기 위하여 사용된다. 프로토타입 셋업에서의 펌프 빔은 2mm의 직경을 갖는다.
다이오드 파장(808nm)에서 높은 투과성 (high transmission)을 갖고 레이징 파장(1064nm)에서 높은 반사도를 갖도록 코팅된 제1 거울(M2)을 포함하는 입력 커플러가 입사 펌프 빔에 대하여 45° 각도로 배치되어 펌프 빔을 레이저 크리스털로 향하도록 하는 한편, 레이징 빔은 거울(M2)에 의하여 브루스터 윈도우(BW)를 경유하여 공간 광 변조기(SLM)로 향하여 진다. SLM은 수직으로 위치하여 레이저 캐비티의 최종 거울로서 사용된다. 브루스터 윈도우는 레이저를 수직 편광을 갖고 작동하도록 하기 위하여 사용된다. 레이저 파장 1064nm에서 40%의 투과성을 갖는 출력 커플러 거울(M1)이 사용된다.
제2의 45° 거울(M2) 및 125mm의 초점 거리를 갖는 한 쌍의 구형 렌즈(L3)는 1064nm 파장의 레이저 빔을 CCD 카메라에 이미징하기 위하여 사용되었다. 거울(M2)은 펌프 빔이 SLM 및 CCD 카메라와 상호작용하거나 파손을 일으키는 것을 방지하기 위한 폴딩 거울로서 기능한다. CCD 카메라는 레이저 캐비티 출력 커플러로부터의 출력 레이저 빔을 캡쳐하고 분석하기 위하여 사용된다.
레이저에 사용되는 제어 장비는 하마마쯔 실리콘상 액정 공간 광 변조기(LCOS-SLM) X10468 시리즈이며, 이는 모니터를 구비한 개인용 컴퓨터(PC; 1)에 접속된 LCOS-SLM(SLM)과 LCOS-SLM 드라이버 (driver; 구동기)로 이루어진다. 본 장치를 구동하기 위해 사용된 LCOS-SLM 제어 소프트웨어는 제작자의 소프트웨어이다.
CCD 카메라의 출력은 모니터 2를 구비한 제2의 PC에 공급되어 분석 및 디스플레이된다.
시스템을 작동하기 위해, 우선 원하는 빔을 생성하기 위해 필요한 디지털 홀로그램이 계산된다. 장치의 이미지 부하는 이 디지털 홀로그램의 그레이 스케일 형태이며, 이는 PC 1의 모니터 1에 보여진다. PC 1은 선택된 이미지를 SLM 드라이버로 전송하고, SLM 드라이버는 그 이미지를 SLM 스크린에 로딩한다. 레이저 캐비티의 최종 거울로 기능하는 SLM 스크린 상의 이미지는 레이저 캐비티 내부의 원하는 레이저 빔을 위한 원하는 위상을 본뜨게 된다. 원하는 레이저 빔이 레이저 캐비티 내부에서 정형적이면, 레이저에 의해 레이저 빔이 생성되고 그 출력이 CCD 카메라를 통하여 모니터 2 상에서 관찰될 것이다.
도 4a에 개략적으로 도시된 바와 같이, 원리 검증 실험으로 홀로그래픽 거울은 곡률 반경 R을 갖는 통상적 오목 거울을 본뜨도록 프로그램되었는데, 곡률 반경 R은 공진기가 정형적인 평면-오목 캐비티를 형성하는 것을 보장하도록 선택된다. 이는 렌즈의 디지털 홀로그램이 거울의 곡률을 본뜨도록 초점 거리 f=R인 SLM으로 프로그램될 것을 요구한다. 그러한 캐비티 내에서 진동하는 가우시안 모드의 (플랫 출력 커플러에서의) 웨이스트 사이즈는 아래와 같은 식 (1)과 같이 분석적으로 기술될 수 있다.1
Figure pat00001
이때 L은 공진기의 유효 길이이며,
Figure pat00002
는 레이저 파장이다. 디지털 레이저를 시험하기 이전에, SLM 대신에 동일한 셋업에서 2개의 물리적 오목 거울들이 (독립적으로) 사용되었고, 출력에서 가우시안 빔 사이즈가 기록되었다. R = 400 mm 와 R = 500 mm 인 두 경우에 대한 결과가 도 4b에 도시되어 있으며, 도 4c에는 그 결과가 식 (1)에 따른 이론적 곡선과 함께 도시되어 있다. 동일한 테스트 곡선들의 예가 디지털 방식으로 프로그램되어, 도 4b에 물리적 거울 측정치와 함께 도시되었다. 모드 선택 측면에서 레이저는 두 가지 설정에서 동일하게 동작한다. 이어서, 도 4c와 같이 디지털 홀로그램의 프로그램된 곡률이 변경되어, 측정된 출력 가우시안 빔 사이즈가 식 (1)에 따라 변경된다.
이는 디지털 레이저가 표준 정형 캐비티로서 동작하는 것을 확인하여 주며, 그 결과로부터 SLM이 높은 신뢰도로 정형 캐비티를 본뜨는 것이 명확하다. 디지털 레이저의 원하는 동작을 확인해 주는 것에 추가하여, 이 실험은 또 다른 실용적 장점을 보여준다: 물리적 거울의 경우 사용할 수 있는 거울의 특성이 제한적이고 연속적이지 못한 반면에, 디지털 방식의 경우 요구에 따라 디지털 홀로그램을 표현하는 그레이 스케일 이미지를 간단히 변경함에 의하여 실제로 어떠한 거울 곡률도 생성할 수 있으며, 단지 사용하는 SLM의 해상도에 의해서만 제약을 받을 뿐이다.
위에서 설명한 바와 같은 레이저 장치에 인트라-캐비티 SLM을 사용하려는 초기 시도는 성공적이지 못했다. 이는 위상을 변조하는 오래된 트위스티드 네마틱 액정 기술을 구현하는 SLM을 사용하는데 따른 것이었으며, 또한 그로부터 반사되는 빔의 진폭에 대하여 작은 위상종속 잔류 변조를 일으키기 때문이었다. 이 잔류 진폭 변조의 영향은 공진기 내부의 SLM에 대하여 심각하여 위상 변조 효과를 무력화하여 실제로 진폭 변조기로 동작하도록 한다.
앞 세대의 SLM을 평행배열 네마틱 액정을 포함하는 신세대 SLM으로 교체하였더니, 위상종속 진폭 변조를 거의 야기하기 않아 문제가 해결되었다. 그러한 장비를 사용하자 진폭의 영향은 무시할 정도로 되고, 위상의 효과가 지배적이 되어 위상 변조에 의한 빔 형성이 가능해 졌다.
위상의 함수로서의 SLM의 반사도는 최적 성능을 위해 1% 미만의 변이를 갖는 것이 필요하다는 것이 발견되었다.
종래의 거울에 비해 높은 SLM의 손실은 도 4d와 같이 레이저 발생을 위한 문턱값을 높이게 된다. 그리하여 디지털 레이저가 기능하기 위해서는 다음과 같은 두 가지 조건이 동시에 만족되어야 한다: 레이저의 이득이 손실을 극복하기 위해 충분히 높아야 하며 인트라-캐비티 순환 강도는 SLM의 손상 문턱값을 초과하지 않아야 한다. 본 발명의 실시예에서, 이러한 요구조건들은 고 출력 펌프 소스 및 L자형 캐비티를 사용하여 충족되고 있는데, 이들 이외에도 (예를 들어 크리스털의 도핑 농도를 높이는 등의) 여러 다른 가능한 접근 방식이 존재한다. 이러한 조건들이 균형이 잡혔을 때, 디지털 레이저는 설계된 대로 기능한다.
마지막 시험으로 전술한 디지털 레이저는 주지의 허미트-가우시안, 라게르-가우시안, 수퍼 가우시안(플랫톱 (flat-top) 및 아이리 (Airy) 빔을 선택적으로 생성하기 위해 사용되었다.(도 5 참조) 복잡한 진폭 변조에 의하여 커스텀화된 고손실 영역들의 세트는 레이저 출력으로 허미트-가우시안 빔 (n = 3, m = 0) 및 라게르-가우시안 빔(
Figure pat00003
) 의 중첩을 생성한다. 허미트-가우시안 및 라게르 가우시안 모드의 선택은 위상-단독 SLM에서 진폭 변조를 구현하기 위해 복잡한 진폭 변조를 사용하여야 하였다.24 환언하면, SLM는 커스텀화된 애퍼처를 생성하기 위해 예를 들어 과거에는 허미트-가우시안 모드 선택에 사용되었던 미세 와이어(손실 라인)이 사용되었다.1,2
위상-단독 변조에 의해 캐비티의 정형적 모드로서 플랫톱 빔 및 아이리 빔이 생성되었다.
방사상 라게르-가우시안 빔(p = 1, l = 0)을 생성하기 위한 디지털 홀로그램은 위상-단독 곡률 반경을 가진 고손실 환상 애퍼처를 포함하였다. 환상 애퍼처는 라게르-가우시안 모드의 제1 제로로 설정되었고, 곡률 반경은 모드 사이즈를 선택하고 제어하기 위해 사용되었다. 진폭 및 위상 효과를 조합함으로써 선택된 사이즈의 라게르-가우시안 빔(p = 1, l = 0)의 선택이 가능하게 되었다.
마지막으로, 특정 모드 선택을 위해 인트라-캐비티 회절 광학소자의 설계를 위한 많은 기법들이 존재한다.5-10 이들 모두는 용이하게 디지털 레이저에 적용될 수 있다. 도 5에는 위상-단독 디지털 홀로그램에 의하여 아이리 빔25 및 플랫톱 빔7이 생성된 예가 제시되어 있다. 한 모드로부터 다른 모드로의 전환은 디지털 홀로그램을 형성하는 그레이 스케일 이미지의 변경 이외에 다른 것을 요구하지 않는다는 점을 알 수 있다. 그리하여 모드 전환을 위해 어떠한 재정렬이나 추가의 광학 소자가 요구되지 않는다. 전통적으로, 도 5와 같은 모드들의 스펙트럼을 생성하기 위해서는 각각 고가의 커스텀 광학소자를 구비한 다수의 레이저 공진기 셋업이 요구되었다.
결론적으로 본 발명의 신규의 디지털 레이저는 즉석에서 실행될 수 있는 임의의 인트라-캐비티 레이저 빔 형성을 가능하게 한다. 디지털 레이저는 종래의 정형적 공진기 캐비티뿐만 아니라 커스텀 레이저 공진기들을 복제하여 보다 특이한 레이저 모드들을 생성할 수 있다. 현재의 디지털 레이저는 출력할 수 있는 출력이 제한되어 있으나, 이는 맞춤 생산형 액정을 세심하게 설계함으로써 극복될 수 있다. 레이저 캐비티 외부의 SLM이 제작 이전에 고출력 빔 형성 소자들을 시험하는 뛰어난 수단이라는 점이 밝혀졌고, 그 과정에서 (예를 들어 홀로그래픽 광학 트위저와 같은) 구조화된 빛의 낮은 평균 출력 어플리케이션을 위한 많은 접근 방법들이 제시되었다. 그리하여 디지털 레이저는 인트라-캐비티 빔 형성을 위한 강력하고 간편한 테스트 베드가 될 수 있다. 또한 디지털 레이저는 재기입이 가능하므로 예를 들어 실시간 열 렌스효과 및 수차를 제어하기 위한 실시간 모드 제거 및 전환을 위한 동적 인트라-캐비티 빔 형성에 적용될 수 있다. 그리하여 커스텀화된 레이저 모드들의 구현이 매우 가까워졌다.
예 (Example)
여러 공간 광 변조기들 (spatial light modulators (SLMs))이 디지털 레이저를 테스트하는데 사용되었으며, 그리고 최종적으로는 Hamamatsu (LCOS-SLM X110468E) 시리즈 SLM 기기가 디지털 레이어용으로 선택되었다. 다른 SLM들을 이용한 이전의 테스트들은 인트라-캐비티 (intra-cavity) 동작 동안에 뚜렷해지는 위상-진폭 커플링으로 인해서 주로 실패했다. 이득 매질은 30 mm (길이) x 4mm (직경) 크기의 1% 도핑된 Nd:YAG 수정 막대였다. 이 수정은 808nm에서 동작하는 75 W Jenoptik (JOLD 75 CPXF 2P W) 멀티모드 파이버-커플된 레이저 다이오드로 말단-펌프 (end-pumped)되었다. 출력 커플러 (평탄 곡률 (flat curvature))는 60%의 반사율을 가지며 반면 상기 SLM은 원하는 편광 (수직)에서 91% 그리고 원하지 않는 편광 (수평)에서 93%의 측정 반사율을 가진다.
상기 캐비티가 수직 편광 상으로 레이저를 쬐도록 강제하기 위해서, 인트라-캐비티 브루스터 (intra-cavity Brewster) 플레이트가 사용되었다. 이 편광 상에서, SLM에 대한 교정 테스트들은 제1 차수 (order)로 ~86%의 대표 효율 그리고 제로 (zero) 차수로는 ~1%의 효율을 드러낸다. 상기 인트라-캐비티 구성에서, 이 큰 차이는 아주 더 높은 라운드 트립 손실들로 인한 제로 차수 (zeroth order)의 억제의 결과가 되며, 그래서 SLM은 수직 입사 (normal incidence)에서 그리고 격자 (grating) 없이 동작될 수 있을 것이다. 상기 SLM은 모든 그레이 레벨들을 가로질러 ~0.4%의 표준적인 편향을, 즉, 위상 변조 동안 최소의 진폭 효과들을 가진다.
상기 캐비티의 공칭 길이 (nominal length)는 약 390mm 이지만, 수정의 굴절률 (refractive index)는 물론이며 수정의 펌프 흡입 (pump absorption)으로 인한 작은 열 렌징 (thermal lensing)에 대해서 보상하기 위해 373mm의 유효 길이를 가지도록 결정되었다. 상기 유효 길이는 상기 모드 사이즈들에 대한 모든 계산에서 사용되었다. 상기 공진기 출력은 강도 측정을 위해서 Spiricon CCD 카메라 상으로 1:1로 상을 비추었으며, 그리고 모드 분리 (modal decomposition) 연구들을 위해 두 번째 SLM으로 향하도록 할 수 있을 것이다. 파 필드 (far field) 테스트들을 위해서 상기 망원경의 제1 렌즈는 제거되었다.
격자 없이 수직 입사에서 상기 레이저 인트라-캐비티부에 SLM을 위치시키는 것은 여러 도전들을 극복한다:
1. SLM에 의한 위상 변조:
SLM이 위상-단독 (phase-only) 소자로서 행동하라는 요구는 상기 SLM 스크린 상에 로딩된 그레이-스케일 칼라 이미지가 흑색에서 백색으로 느리게 변할 때에, 반사된 제1 차수 빔 전력은 변하지 않아야만 하며, 또는 그레이-스케일이 변할 때에 전력에 있어서 아주 작은 변화만이 있어야 한다는 것을 의미한다. 도 3에서의 CCD 카메라를 전력 미터로 대체한다면 그리고 전력에 있어서 큰 범위의 그레이-스케일 레벨들을 넘어서는 큰 급강하가 측정된다면, 그러면 상기 SLM은 위상 변조기 대신에 진폭 변조기로서 행동하고 있을 것이다.
도 6은 캐비티 외부에서 또는 내부에서 위치할 때에 구세대의 Holoeye SLM으로부터 반사된 제1 차수 빔의 전력을 흑색 (0)부터 백색 (2π)까지의 디스플레이된 그레이-스케일 레벨들의 함수로서 도시한다. 상기 SLM이 상기 캐비티의 외부에 위치할 때에 출력 전력에 있어서 최소의 변동이 있다는 것이 도 6으로부터 명백하다 (수평 플롯). 이는 입사 광을 형성하기 위해서 SLM을 캐비티 외부에 위치시키는 방법이 왜 수년동안 성공적이었는가를 설명한다.
그러나, 상기 SLM을 상기 인트라-캐비티부에 위치시키고 그리고 그레이-스케일 레벨들을 흑색으로부터 백색으로 변경하는 것은 레이저의 출력 전력에 있어서 큰 변동들을 생성한다 (불규칙한 플롯). 이는 상기 광이 수행해야만 하는 많은 라운드 트립들로 인해서 상기 작은 변동들이 레이저 인트라-캐비티부에서 증폭되기 때문이다. 이는 구세대 SLM을 인트라-캐비티 사용을 위한 위상-단독 SLM으로서 적합하지 않도록 만든다.
그 후 상기에서 설명된 것과 같은 더욱 현대적인 Hamamatsu SLM 상에서 테스트들이 수행되었다. 측정된 전력 변동들은 정규화 되었으며 그리고 모든 그레이 레벨들에 대해서 ~0.4%의 표준 편향이 도 7에서 보이는 것처럼 관찰되었다. 상기 Hamamatsu SLM의 이런 더욱 큰 선형성은 상기에서 설명된 것과 같은 인트라-캐비티 사용을 위해서 Hamamatsu SLM을 적합하게 만든다.
2. 편광화 (Polarization):
SLM을 이용하지 않는 레이저 광의 보통의 캐비티 편광화 (cavity polarization)는 수평으로 편광되는 것으로 판별되었다. 명백한 접근 방식은 입사 광이 또한 수평으로 편광화되는 것을 허용하기 위해서 말단 거울을 93% 반사율을 가진 수평으로 위치한 SLM으로 대체하는 것일 수 있다. 그러나, 상기 설명된 장치에서 상기 SLM은 수직으로 위치하고 있으며, 이 경우에 91% 반사율이다. 동작하는 동안에, 레이저 광의 대부분은 수직으로 편광화되도록 SLM에 의해서 자동적으로 변환되었으며 그리고 아주 작은 광이 수평으로 편광화된다. 이는 레이저가 이중의 편광화로 동작하는 결과가 되며, 이 경우에 상기 수직으로 편광화된 광은 상기 SLM 상의 이미지를 "보고" 그래서 형성되며 반면에 상기 수평으로 편광화된 광은 상기 SLM 상 이미지를 "보지" 못하며 그래서 형성되지 않았다.
이것은 상기 캐비티 내부에 브루스터 윈도우 (Brewster window)를 삽입하여 해결되었으며, 이는 상기 수평으로 편광화된 광을 상기 레이저 캐비티 밖으로 커플링함으로써 그 수평으로 편광화된 광에 대한 높은 손실들을 초래했으며 그리고 상기 수직으로 편광화된 광만이 상기 캐비티 내부에서 발진하도록 허용했다.
3. 캐비티으로부터 제0 차수 커플링 아웃:
상기 브루스터 윈도우가 상기 캐비티 내부에 삽입되었음에 불구하고, 상기 SLM 상의 이미지를 보지 않았던 수직으로 편광화된 제0 차수 (0th order) 빔 또는 제n 차수 (nth order) 빔들은 제1 차수 빔과 함께 상기 캐비티 내부에서 발진하도록 또한 허용되었다. 그러나, 상기 레이저는 이 원치 않는 빔들에 대해 자동적으로 구별하고 있는 것으로 판별되었다. 상기 SLM으로부터의 반사된 제1 차수 빔을 분석한 이후에, 그것의 효율은 ~1% 효율이었던 제0 차수 빔에 비교하면 ~86 - 91% 사이에 있었다. 많은 캐비티 라운드-트립들을 통한 효율에 있어서의 이 큰 차이는 상기 제1 차수 빔이 상기 제0 차수에 대해 우위를 차지하도록 하였으며, 제0 차수를 효율적으로 제거한다. 그러므로, 상기 레이저는 필요한 레이저 빔으로 효율적으로 자체-수렴할 것이며, 그래서 레이저가 원하는 레이저 빔으로 수렴하는 것을 강제하는 최적화 알고리즘을 사용할 필요가 없도록 만든다.
4. SLM의 손상 문턱값 (damage threshold):
디지털 SLM들에 결부된 대부분의 실험들에서, 입사 빔은 항상 평행하게 되며 그리고 상기 SLM 상의 넓은 영역을 커버하기 위해서 확대된다. 이는 SLM으로부터 더 나은 성능을 얻기 위해서 그리고 상기 SLM 상의 단위 영역 당 전력의 양을 또한 줄이기 위해서 수행되며, 이는 상기 SLM을 손상시키는 확률을 최소화할 것이다. Hamamatsu LCOS-SLM에 대해서 최대로 인용된 손상 문턱값은 100시간의 노출에 대해 2.0W/cm2 이다. 이 낮은 전력 손상 문턱값은 상기 캐비티 내부에 SLM을 삽입하는 것이 왜 예전에는 시도되지 않았는지를 또한 설명하며, 캐비티 내부에 SLM을 삽입하는 경우 레이저 강도는 항상 매우 높으며, SML을 외부에서 사용하는 것에 비해 90% 더 큰 것이 보통이다.
전통적인 접근 방식은 캐비티 내부에서 SLM을 사용하기를 원한다면 SLM 상에서 큰 빔을 얻기 위해서 레이저 캐비티 내부에 콜리메이터 (collimator)들, 빔 확대기들 또는 망원경을 삽입하는 것이다. 이것은 더 나은 성능을 주고 그리고 SLM에 손상을 가하는 위험을 최소화할 것으로 기대된다. 그러나, 레이저 캐비티 내부에 그런 추가적인 광학 장치들을 포함시키는 것은 요구가 있으면 상이한 유형의 빔을 생성할 수 있는 다용도의 기기의 생성을 배제하는 경향이 또한 있을 것이며, 이는 안정된 그리고 올바른 동작을 위해서 홀로그램이 기기로 로딩되는 매번 마다 컴포넌트들의 아슬아슬한 정렬을 필요로 하는 캐비티 내부의 망원경 효과를 원하는 홀로그램이 계산될 때마다 고려해야만 할 것이기 때문이다.
그러나, 레이저 캐비티 내부에서 상기 원하는 빔을 생성하고 지속시키기 위해서 그 빔의 반경 내 약 5개 픽셀들만이 필요하다는 것이 실험들을 통해 알려졌다. 이는 SLM이 외부에서 반사성 형성 거울로서 사용되어 그 반사된 빔이 한 차례만 상기 SLM과 상호 작용 (interact)할 뿐인 때와 비교하면 많은 개수의 캐비티 라운드-트립들로 인해서 상기 레이저 캐비티 내부에서 상기 광의 강도 레벨들이 증폭되기 때문이다.
실험들의 결과는 LCOS-SLM에 대한 손상 문턱값은 상기 인용된 한계 2W/cm2 보다 아주 더 높다는 것을 또한 보여주었으며, 그리고 25W/cm2 로 테스트해도 상기 SLM에는 어떤 눈에 보이는 손상도 관찰되지 않았다는 것을 보여주었다. 높은 손상 문턱값 그리고 광을 형성하기 위한 SLM 상에 대한 작은 영역 요구사항 (requirement)은 상기 캐비티 내부의 망원경 시스템을 제거하고 그리고 그 동공을 간단하게 유지하는 것을 가능하게 만들었다. 이는 특수한 레이저 캐비티 길이 내에서 발진할 특정 빔을 생성하기 위해서 상기 레이저 캐비티가 마치 텅 빈 캐비티인 것처럼 취급하여 홀로그램을 계산하기만 할 것을 필요로 한다는 것을 의미한다. 고려해야 할 필요가 있는 단 하나의 사실은 수정의 굴절률이며, 그리고 그 수정이 매우 짧다면 심지어 그 수정의 영향을 무시할 수 있을 것이다.
상기 설명된 디지털 레이저는 그것이 레이저 빔을 제어하기 위해서 SLM만을 필요로 할 뿐이며, 어떤 외래의 솔루션들을 필요로 하지 않는다는 점에서 특이하다. 그것은 상기의 요구사항들을 충족하는 상업적으로 이용 가능한 SML들을 이용하여 동작한다. 상기 설명된 레이저 장치의 다른 이점은 아주 더 큰 알려진 장치에 비해서 그것이 약 0.25m로 매우 짧다는 것이다. 상기 장치의 주요한 실제적인 강제는 더 높은 전력 동작을 위해서 더 높은 손상 문턱값을 가진 SLM들을 필요로 한다는 것이다.
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본 발명은 디지털 홀로그램, 특히 인트라-캐비티 빔 형성을 이용한 레이저의 분야에서 사용될 수 있다.

Claims (10)

  1. 출력 커플러;
    레이저 광을 생성하기 위한 이득 매질 (gain medium);
    배후 광학 소자; 그리고
    펌프 빔 (pump beam)이 상기 이득 매질로 향하게 하며 그리고 상기 출력 커플러와 상기 배후 광학 소자 사이의 광학 경로를 한정하도록 배치된 입력 커플러를 포함하며,
    상기 배후 광학 소자는 공간 광 변조기이며, 이 공간 광 변조기는 인트라-캐비티 (intra-cavity) 홀로그래픽 거울로서 행동하고 그리고 홀로그램의 그레이-스케일 이미지를 선택적으로 디스플레이하도록 배치되며, 그럼으로써 상기 캐비티에서 레이저 광을 위상-변조하여, 원하는 특성을 구비한 출력 레이저 빔을 생성하는, 레이저 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 공간 광 변조기는 디지털 방식으로 주소가 지정된 홀로그래픽 거울로서 동작하도록 배치된 위상-단독 (phase-only) 반사 기기인, 레이저 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 공간 광 변조기가 수직 또는 수평의 원하는 편광으로 동작하는 것을 돕기 위해서 인트라-캐비티 브루스터 윈도우 (Brewster window)를 포함하는, 레이저 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 공간 광 변조기는 상기 캐비티 내에서 수직 입사 (normal incidence)에 배치된, 레이저 장치.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 공간 광 변조기는 1% 미만의 변이를 가진 위상의 함수로서 반사율을 가지는, 레이저 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 공간 광 변조기는 병렬-정렬된 네마틱 (nematic) 액정을 포함하는 기기인, 레이저 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 입력 커플러는 상기 펌프 빔 파장에서의 높은 투과성 (high transmission)을 그리고 레이징 빔 파장에서의 높은 반사도를 위해 코팅된 제1 거울을 포함하며, 이는 상기 펌프 빔이 상기 이득 매질로 향하게 하며, 그리고 레이징 빔이 상기 공간 광 변조기로 향하게 하도록 방향이 정해진, 레이저 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 출력 커플러는 상기 펌프 빔 파장에서의 높은 투과성 그리고 상기 레이징 빔 파장에서의 높은 반사도를 위해 코팅된 제2 거울을 포함하며, 이는 상기 펌프 빔 그리고 상기 출력 레이저 빔을 분리하도록 방향이 정해진, 레이저 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    원하는 출력 빔 특성에 대응하는 적어도 하나의 홀로그램을 생성하도록 배치된 컴퓨터, 그리고
    상기 컴퓨터로부터의 출력에 응답하여 상기 공간 광 변조기 상의 홀로그램의 대응 그레이-스케일 이미지를 생성하는 구동 회로를 포함하는, 레이저 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 컴퓨터는 원하는 출력 빔 특성들 각각에 대응하는 복수의 상이한 미리 정해진 홀로그램들을 생성하도록 동작하여, 원하는 출력 레이저 빔의 온-더-플라이 (on-the-fly) 선택을 가능하게 하는, 레이저 장치.
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