KR20150079675A - 개선된 시간적 콘트라스트를 갖는 레이저 펄스를 증폭시키기 위한 디바이스 - Google Patents

개선된 시간적 콘트라스트를 갖는 레이저 펄스를 증폭시키기 위한 디바이스 Download PDF

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Abstract

개선된 시간적 콘트라스트를 갖는 레이저 펄스를 증폭시키기 위한 디바이스
　
본 발명은 다중 파장 펄싱된 레이저 빔 (2) 을 증폭시키기 위한 디바이스에 관한 것으로, 이는:
- 2 개의 평탄면들인, 전면 (12) 및 반사 후면 (11) 을 갖는 고체 증폭 매체 (1), 및
- 후면 (11) 에 의해 증폭 매체 (1) 를 냉각하기 위한 디바이스를 포함한다.
증폭 매체 (1) 의 전면 (12) 은 제 1 넌제로 기울기만큼 증폭 매체의 후면 (11) 에 대해 기울어지고, 디바이스는 사다리꼴 프리즘 (4) 을 더 포함하며, 사다리꼴 프리즘은 그들 사이에 제 2 넌제로 기울기를 형성하는 입력면 및 출력면을 가지며, 제 1 및 제 2 기울기들은 각각의 파장의 빔들이 프리즘 (4) 의 출력에서 서로 평행하도록 하는 것이다.

Description

개선된 시간적 콘트라스트를 갖는 레이저 펄스를 증폭시키기 위한 디바이스{DEVICE FOR AMPLIFYING A LASER PULSE HAVING IMPROVED TEMPORAL CONTRAST}
본 발명의 분야는 과학, 산업, 의료, 및 군사 응용들에 대한 고체 상태 레이저 소스들에 대한 것이다. 좀더 구체적으로, 통상적으로 1:3 보다 적은, 레이저 빔의 전파의 축을 따른 어퍼쳐와 비교하여, 상대적으로 작은 두께를 갖는 (크리스탈과 같은) 매체 재료들을 증폭시키는 것은 매유 유리하게 이용된다.
레이저들을 펌핑하는 기술은 최근 몇년 동안에 상당히 진화하였고, 이제 대략 100 와트 정도의 평균 펌핑 전력 및 동일한 크기의 크리스탈에서의 열 증착을 제공하는 펄싱된 레이저 소스를 갖는 것이 가능하게 되었다.
크리스탈에서의 열 에너지의 추출의 문제를 해결하기 위해 다양한 해결책들이 구현되었다:
- 크리스탈이 크리스탈의 주변에서의 물의 순환에 의해 종래의 방식으로 냉각되는데, 이는 효과적인 해결책이지만 100 와트 정도 및 그 이상에서 동작하는 시스템들을 생성하는 것이 가능하지 않다,
- 또는, 크리스탈은 극저온 시스템을 이용함으로써 냉각되는데, 이는 크리스탈의 열 전도도를 증가시켜 크리스탈의 냉각을 향상시키고 광학 펌핑에 의해 유발되는 크리스탈에서의 열 충전과 관련된 포커싱 효과들을 감소시킨다.
이러한 구성들은, 특히, 비용들, 풋프린트, 및 진동들의 면에서 결점들을 보인다.
높은 평균 전력 (> 10 와트) 의 레이저들에서, 이러한 해결책들은 충분하지 않고, 후면 냉각이 이용된다.
(화살표에 의해 도시된) 후방 냉각에 의한 증폭 매체 (1) 의 냉각을 구현하는 예시적인 다중패스 증폭 디바이스 구성이 도 1a 및 도 1b 에 도시된다. 증폭될 빔 (2) 은 정면도 (도 1a) 에 따르면 입사의 각도 (
Figure pct00001
) 및 상부로부터의 뷰 (도 1b) 에 따르면 입사각의 각도 (
Figure pct00002
) 로 증폭 매체 (1) 상에 도착한다. 이러한 디바이스는 빔 (2) 이 거울들 (3) 에 의해서 증폭 매체 (1) 를 거쳐 수차례 통과한다는 점에 의해서 다중패스이다. 증폭 매체의 후면 (11) 은 증폭 매체 쪽으로 빔을 반사하도록 반사한다. 증폭된 빔 (6) 은 방향 (Oy) 으로 떠나고, 오직 도 1a 에서만 볼 수 있다. 이러한 도면들에서, 빔은 단일 광선으로 나타내어진다.
냉각은 유체, 액체나 가스, 또는 고체에 의해 획득될 수 있다. 후면에 의한 이러한 냉각은 열 교환 표면 영역을 증가시키는 것을 가능하게 한다. 또한, 크리스탈에서 레이저의 전파의 방향으로 열 구배를 발생시키고, 따라서 높은 열 추출을 달성하는 것을 가능하게 한다. 크리스탈에서의 온도 변화들과 관련된 인덱스 변화들은 레이저 빔의 전파의 방향과 동일한 방향으로 대부분 배향된 경사도들이다. 그러나, 그러면 이전의 해결책들에서는 부딪치지 않았던 시간적 콘트라스트의 문제가 생긴다. 시간적 콘트라스트는 메인 펄스, 및 펄스의 풋, 및/또는 임의의 기생 펄스들의 강도 사이의 비율에 의해 정의된다.
결과적으로, 오늘날에도 여전히, 냉각 및 시간적 콘트라스트의 면에서, 동시에 상술된 요구사항들 모두에 대한 만족을 주는 증폭 디바이스에 대한 필요성이 있다.
좀더 구체적으로, 본 발명의 대상은 다중 파장 펄싱된 레이저 빔을 증폭시키기 위한 디바이스로서, 이는:
- 2 개의 평탄면들인, 이른바 증폭될 입사 빔을 수신하기 위한 전면 및 반사 후면을 가지는, 굴절률 (n1) 의 고체 증폭 매체, 및
- 후면에 의해 증폭 매체를 냉각하기 위한 디바이스를 포함한다.
매체의 전면이 제 1 넌제로 기울기만큼 매체의 후면에 대해 기울어진다는 점, 및 굴절률 (n2) 의 사다리꼴 프리즘을 더 포함한다는 점을 주된 특징으로 하며, 사다리꼴 프리즘은 그 사이에 제 2 넌제로 기울기를 형성하며, 증폭 매체의 후면에 의해 반사되고 전면에 의해 굴절되는 빔 (즉, 증폭된 빔이라고도 불리는, 증폭 매체를 통과한 후에 증폭 매체의 출력에서의 빔) 의 경로 상에 있도록 하는 위치에 위치되는 입력면 및 출력면을 가지고, 제 1 및 제 2 기울기들은 각각의 파장의 빔들이 프리즘의 출력에서 서로 평행이 되게 하는 것이다.
따라서, 증폭 매체에서의 전파 후에, 기생 반사들은 메인 펄스로부터 공간적으로 분리되고, 시간적 콘트라스트 (temporal contrast) 는 더 이상 기생 반사들에 의해 저하되지 않는다.
바람직하게는, n1 >> (n1-1)/v1 이며, v1 은 증폭 매체의 컨스트린전스 (constringence) 이다. 본 목표는 프리즘의 출력에서 빔의 다중 파장 속성을 보존하는 것이다.
본 발명의 피처에 따르면, 증폭 매체의 전면은 입사 빔을 수신하고 이른바 기생 빔을 반사하고자 하며, 프리즘은 이러한 기생 빔의 경로 외부, 즉, 기생 빔이 입사 빔으로부터 분리되는 곳에 증폭 매체로부터 떨어져 위치된다.
본 발명의 다른 피처에 따르면, 증폭 매체의 전면은 반사 방지 코딩될 수 있다. 선택적으로, 필터링 스크린이 기생 빔의 경로 상에 있도록 하는 위치에 위치된다.
증폭 매체는, 예를 들어, 크리스탈 (crystal), 또는 유리, 또는 중합체이다.
증폭될 빔은 통상적으로 10 W 보다 큰 평균 전력을 갖는다.
본 발명의 다른 피처들 및 이점들은 첨부된 도면들을 참조로 비제한적인 예로서 주어지는 다음의 상세한 설명을 읽을 때 명백해질 것이다.
도 1a 및 도 1b 는 이미 개략적으로 설명된, 전면에서 본 (도 1a) 및 위에서 본 (도 1b), 선행 기술에 따른, 후면에 의한 냉각을 갖는 다중경로 증폭 디바이스를 나타낸다.
도 2a, 도 2b, 및 도 2c 는, 전면에서 본 (도 2a), 위에서 본 (도 2b), 및 투영해서 본 (도 2c), 본 발명에 따른, 후면에 의한 냉각을 갖는 예시적인 증폭 디바이스를 나타낸다.
도면마다, 동일한 엘리먼트들은 동일한 도면부호들에 의해 식별된다.
서두에서 설명된 2 개의 증폭 해결책들에서, 증폭될 레이저 빔은 일 측 상에 진입하여 다른 측 상에서 떠남으로써 크리스탈을 통과하고, 기생 빔은, 공기/크리스탈 인터페이스들에서의 기생 반사들때문에, 그 다음에 보다 긴 광학 경로를 따라 이동한다. 사전 펄스 콘트라스트는 그러면 기생 펄스들 (= 기생 빔) 이 메인 펄스 (= 증폭된 빔) 이후에 도착하기 때문에 저하되지 않는다.
후면에 의한 냉각을 갖는 레이저 증폭 디바이스들은 반사 후면때문에 빔의 기하학적 접힘 (folding) 을 요구하여, 크리스탈의 출력면이 입력면과 동일하도록 하며, 이는 (전면 상에서의 기생 반사들로 인한) 기생 펄스들이 메인 펄스의 앞에 위치되어, 결과적으로 펄스의 시간적 콘트라스트를 저하시킨다.
이러한 저하를 피하기 위해, 공기/크리스탈 인터페이스는 메인 펄스와 기생 펄스들을 분리하도록 수정된다: 증폭 크리스탈의 입력면에 약간의 각도가 주어지며, 이러한 입력면은 따라서 후면과 기울기를 형성한다. 따라서, 전파 후에, 기생 펄스들은 메인 펄스로부터 공간적으로 분리된다.
도 1b 의 위에서 본 뷰에 대응하나 어수선하게 하지 않기 위해 거울들이 나타내어지지 않은 도 2b 에서 볼 수 있는 바와 같이, 직경 (Φ) 의 증폭될 빔 (= 펄스) (2) 은 Oz 에 대해 직각으로 있는 전면 (12) 상의 평면 (xOz) 에서 입사의 각도 (θi) 으로 증폭 매체 (1) 상에 도착한다. 유용한 빔은 후면 (11) 에 의해 반사되며, 기생 빔 (5) (점선) 은 전면 (12) 에 의해 반사되고: 기생 펄스들이라고도 불리는 기생 빔은 각도 (2θi) 만큼 이러한 전면 상에서 방향이 바뀌게 된다. 메인 펄스라고도 불리는, 증폭 매체 (1) 에서 증폭된 빔 (6) 은 각도 (2β'1n1) 만큼 출력에서 방향이 바뀌며, n1 은 증폭 매체 (1) 의 굴절률이다.
유사하게, 도 1a 의 위에서의 뷰에 대응하는 도 2a 에서 볼 수 있는 바와 같이, 직경 (Φ) 의 증폭될 빔 (2) 은 Oz 에 대해 직각으로 있는 전면 (12) 상의 평면 (yOz) 에 입사의 각도 (
Figure pct00003
) 로 증폭 매체 (1) 상에 도착한다. 유용한 빔은 후면 (11) 에 의해 반사되며, 기생 빔 (5) (점선) 은 전면 (12) 에 의해 반사되고: 기생 빔은 각도 (
Figure pct00004
) 만큼 이러한 전면 상에서 방향이 바뀌게 된다. 증폭된 빔 (6) 은 각도 (
Figure pct00005
) 만큼 출력에서 방향이 바뀌게 된다. 이러한 도면들에서,
Figure pct00006
이고
Figure pct00007
이다.
도 2c 는 도 2a 및 도 2b 의 디바이스의 투시도이며, 기생 빔은 도시되지 않았다.
다중 파장 레이저 소스에 관한 것이기 때문에, 면들 (12 및 11) 이 평면 (xOz) (각각, 평면 yOz) 에 형성하는 각도 (
Figure pct00008
) (각각
Figure pct00009
) 는 기생 이펙트를 생성하며, 기생 이펙트는, 증폭 매체 (1) 를 통과한 후에, 파장들의 각각의 함수로서 메인 펄스 (6) 의 각 분리를 생성한다. 도 2a, 도 2b, 및 도 2c 에서는, 2 개의 파장들이 나타내어진다. 보상 프리즘 (4) 이 그러면, 메인 펄스들 (6) 과 기생 펄스들 (5) 의 분리 후에, 메인 펄스 (6) 의 경로 상에 추가되어, 파장들의 함수로서 이러한 공간적 분산을 정정한다.
그래서, 프리즘 (4) 의 출력에서, 각각의 파장의 빔들이 서로 평행하도록, 증폭 매체 (1) 의 면들의 각도 (
Figure pct00010
) (각각
Figure pct00011
) 와 보상 프리즘 (4) 의 면들의 각도 (
Figure pct00012
) ( (각각
Figure pct00013
) 사이에 다음의 색지움 (achromatization) 의 조건이 있고:
Figure pct00014
이고 각각
Figure pct00015
이며,
Figure pct00016
이고
Figure pct00017
이며,
Figure pct00018
는 컨스트린전스이며,
Figure pct00019
은 중심 파장이고,
Figure pct00020
및
Figure pct00021
는 입사 빔 (2) 의 스펙트럼 제한들이고,
Figure pct00022
는 프리즘 (4) 의 굴절률이다.
　이러한 수식에서는, 빔들은 공기 또는 진공에서 전파되는 것으로 가정된다.
증폭 매체의 전면 (12) 은 유리하게는 반사 방지 코팅된다. 그럼에도 불구하고, 잔류물이 남아 있을 수 있다.
바람직하게는, 프리즘 (4) 은 증폭 매체 (1) 로부터 L 만큼 떨어져 배열되며, 여기서 기생 빔 (5) 과 입사 빔 (2) 이 공간적으로 분리되는데, 즉, 기생 빔과 입사 빔 사이에 임의의 중첩을 보이지 않는다. 좀더 구체적으로, L 은 프리즘과 증폭 매체 사이의 거리이며, 프리즘 (1) 의 전면 (12) 에 대해 직각으로 축 (Oz) 상으로 투영된다.
이러한 분리는:
Figure pct00023
이고
Figure pct00024
이도록 L 에 대해 획득된다.
바람직하게는, 또한, L 은 증폭된 빔 (6) 및 기생 빔 (5) 이 공간적으로 분리되도록 선택된다. 평면 (xOz) 은 그 다음에 우선적으로 기생 펄스들을 "빼내는데" 이용되며, 따라서
Figure pct00025
이다. 평면 (xOz) 에서의 각도 (
Figure pct00026
) 의 투영 (
Figure pct00027
) 은
Figure pct00028
와 동일한 반면, 평면 (yOz) 에서의 각도 (
Figure pct00029
) 의 투영 (
Figure pct00030
) 은 제로이다. 그리고 나서, 하기의 수치적 예에서와 같이 제로의 입사의 각도
Figure pct00031
를 선택하는 것이 가능하다.
프리즘 (4) 은 당연히 입사 빔 (2) 을 가리지 말아야 한다. 바람직하게는, 또한, L 은 증폭된 빔 (6), 입사 빔 (2), 및 기생 빔 (5) 이 공간적으로 분리되도록 선택된다. 이러한 분리는:
Figure pct00032
또는
Figure pct00033
이도록 L 에 대해 획득된다.
프리즘 (4) 상에서, 입사 빔 (6) 의 스펙트럼 컴포넌트들은 직경 (
Figure pct00034
) 의 한 지점을 형성한다.
Figure pct00035
은 프리즘 (1) 을 통한 이중 경로에서 빔의 발산에 의해 도입되고 그 다음에 프리즘 (1) 과 프리즘 (4) 의 출력면 (12) 사이에서 경로 상에 빔의 발산에 의해 도입되는 직경에서의 증가를 포함하며; 동일한 직경 (
Figure pct00036
) 이 이러한 정정 프리즘 (4) 의 출력에서 획득된다는 것이 유의되어야 할 것이다. 출력 빔의 다중 파장 속성을 보전하기 위해, 증폭된 빔 (6) 의 직경의 확장 (
Figure pct00037
) 이
Figure pct00038
와 비교하여 작도록 할 것이 요구된다.
그러한 것은:
　
Figure pct00039
이기 때문이다.
이제, 다음의
Figure pct00040
이 여전히 적용되는데,
Figure pct00041
이기 때문이며, 이는
Figure pct00042
임을 의미한다.
예를 들어, 티타늄 이온들 (
Figure pct00043
) 로 도핑된 사파이어 단결정의 경우에 있어서는, 다음이 적용된다:
Figure pct00044
,
Figure pct00045
은 최소 거리 (L) 이다.
750 nm 내지 850 nm 대역에 걸쳐 증폭된 빔의 확장 (
Figure pct00046
) 은:
Figure pct00047
의 값을 가지며, 이는
Figure pct00048
와 비교된다.
다음이 그러면 획득된다:
Figure pct00049
.
정정 프리즘 (4) 후에, 상이한 파장들은 따라서 공간적으로 분리되도록 사라진다. 고려되어야 할 광기계적 마진들을 고려하면, 측면으로의 쉬프트 (
Figure pct00050
) 는 증폭된 빔의 직경 (
Figure pct00051
) 의 1/10 이다. 그 현상은
Figure pct00052
이기 때문에 임의의 경우에 무시할 수 있다.
증폭될 빔은 통상적으로 IR 빔이며, 이에는 제한이 없다.
예들에서 가리켜진 바와 같이, 증폭 매체 (1) 는 티타늄 또는 Yb:YAG, Yb:CaF2 로 도핑된 사파이어와 같은 크리스탈, 또는 중합체 재료, 또는 유리, 또는 고체 상태에 있는 임의의 다른 재료일 수 있다. 프리즘 (4) 의 재료는 증폭 매체 (1) 의 재료와 동일할 수 있으며; 이 경우
Figure pct00053
이다.
본 발명에 따른 증폭 디바이스는 바람직하게는 다중패스 디바이스이지만, 반드시 그럴 필요는 없다.

Claims (9)

  1. 다중 파장 펄싱된 레이저 빔 (2) 을 증폭시키기 위한 디바이스로서,
    - 굴절률 (n1) 의 고체 증폭 매체 (1) 로서, 2 개의 평탄면들인, 증폭될 이른바 입사 빔 (11) 을 수신하기 위한 전면 (12) 및 반사 후면 (11) 을 가지며, 상기 전면 (12) 은 제 1 넌제로 기울기만큼 상기 고체 증폭 매체의 후면 (11) 에 대해 기울어져 있는, 상기 굴절률 (n1) 의 고체 증폭 매체 (1), 및
    - 상기 후면 (11) 에 의해 상기 증폭 매체 (1) 를 냉각하기 위한 디바이스를 포함하고,
    굴절률 (n2) 의 사다리꼴 프리즘 (4) 을 더 포함하며, 상기 사다리꼴 프리즘은 입력면과 출력면을 갖고 상기 입력면과 상기 출력면 사이에 제 2 넌제로 기울기를 형성하며, 상기 프리즘은 상기 후면 (11) 에 의해 반사되고 상기 증폭 매체 (1) 의 상기 전면 (12) 에 의해 굴절되는 상기 빔 (6) 의 경로 상에 있도록 하는 위치에 위치되고, 상기 제 1 및 제 2 넌제로 기울기들은 각각의 파장의 상기 빔들이 상기 프리즘 (4) 의 출력에서 서로 평행이 되도록 하는 것을 특징으로 하는 다중 파장 펄싱된 레이저 빔을 증폭시키기 위한 디바이스.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 증폭 매체의 상기 전면 (12) 은 축 (Oz) 에 대해 직각으로 있고, 상기 제 1 기울기는 평면 (yOz) 에 대해 각도 (β'1) 및 평면 (xOz) 에 대해 각도 (β"1) 를 형성하며, 상기 제 2 기울기는 상기 평면 (yOz) 에 대해 각도 (β'2) 및 상기 평면 (xOz) 에 대해 각도 (β"2) 를 형성하고, 다음의:
    Figure pct00054

    이 적용되는 것을 특징으로 하는 다중 파장 펄싱된 레이저 빔을 증폭시키기 위한 디바이스.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    n1 >> (n1-1)/v1 이며, v1 은 상기 증폭 매체의 컨스트린전스 (constringence) 인 것을 특징으로 하는 다중 파장 펄싱된 레이저 빔을 증폭시키기 위한 디바이스.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 증폭 매체의 상기 전면 (12) 은 상기 입사 빔 (2) 은 수신하고 이른바 기생 빔 (5) 은 반사하도록 의도되며, 상기 프리즘 (4) 은 상기 기생 빔의 경로의 외부에 위치되는 것을 특징으로 하는 다중 파장 펄싱된 레이저 빔을 증폭시키기 위한 디바이스.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 증폭 매체의 상기 전면 (12) 은 반사 방지 코팅되는 것을 특징으로 하는 다중 파장 펄싱된 레이저 빔을 증폭시키기 위한 디바이스.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    n1=n2 인 것을 특징으로 하는 다중 파장 펄싱된 레이저 빔을 증폭시키기 위한 디바이스.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 증폭 매체의 상기 전면 (12) 에 의해 반사된 빔 (5) 의 경로 상에 있도록 하는 위치에 위치되는 필터링 스크린을 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 파장 펄싱된 레이저 빔을 증폭시키기 위한 디바이스.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 증폭 매체 (1) 는 크리스탈 또는 유리 또는 중합체인 것을 특징으로 하는 다중 파장 펄싱된 레이저 빔을 증폭시키기 위한 디바이스.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    펄스당 에너지는 1mJ 보다 크고, 평균 전력은 10W 보다 큰 것을 특징으로 하는 다중 파장 펄싱된 레이저 빔을 증폭시키기 위한 디바이스.
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