KR20150106418A - 강력한 펄스식 자기-궤환 co2 레이저 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 CO2 레이저 및 해당 CO2 레이저를 위한 방법을 개시한다. CO2 레이저는 반투명 출력 커플러(3)를 구비하는 제1 광학 공진기 형태의 불안정한 레이저 공동부, 불안정한 레이저 공동부 내에 있는 레이저 매질(2) 및 레이저 매질(2)을 여기시키기 위한 수단(1)을 포함한다. 출력 커플러(3)의 광 개구부를 넘어 전파 중인 레이저 빔의 일부분은 제2 공진기로 지향되고, 제2 공진기는 적어도 1개의 포커싱 부재(6)를 포함하며, 제2 공진기의 광학 길이는, 제1 광학 공진기의 광학 길이와 동등하거나 그의 배수이다. 포커싱 부재(6)의 초점면을 통과하는 레이저 빔의 일부부은, 레이저 매질의 여기가 Q-스위칭 디바이스(8)의 동작과 동기되는 방식으로 Q-스위칭 디바이스(8)를 이용해서 변조된다.

Description

강력한 펄스식 자기-궤환 CO2 레이저{POWERFUL PULSED SELF-SEEDING CO2 LASER}
본 발명은 레이저 기술에 관한 것으로, 특히 고-파워 펄스식 레이저 시스템에 관한 것이다.
낮은 발산의 레이저 빔을 동시에 지니면서 높은 출력 파워의 레이저 방사선을 얻는 것은, 레이저 시스템을 작성할 때 쟁점일 수 있다.
출력 레이저 방사선의 발산은 레이저 공동부의 특성들에 의해 주로 결정된다. 매우 낮은 발산을 지니는 레이저 빔을 생성하기 위하여 불안정한 공동부들(unstable cavities)이 이용될 수 있다. 이러한 공동부들에 있어서, 레이저 매질에 의해 방출된 광 포톤(light photon)은, 해당 광 포톤이 광축에 대해서 무의미한 각도 하에 방출된다고 해도 고정된 횟수의 왕복 이동(round trip)으로 공동부 개부의 가장자리부에 도달한다. 이와 같이 해서, 가능하게는 레이저 매질 및 공동부 반사체(reflector)에 존재하는 광학적 수차가 출력 방사선의 광학 품질에 상당한 영향을 미치지 않는다.
불안정한 공동부는, 해당 공동부 내의 두 연속적 이동 내에서의 선형 광빔의 크기들 간의 비로서 정의될 수 있는 배율 필드 계수(magnification field factor)(M)를 특징으로 할 수 있다.
불안정한 공동부에 기반한 레이저는 고반사율을 지니는 출력 거울(output mirror)을 포함할 수 있다. 이러한 레이저에 있어서, 출력 레이저 빔은 고리 형태로 출력 거울의 개구부를 넘어 생성될 수 있다. 그러나, 이러한 형태의 광빔은 최대 축 강도(가우스 공간 강도 분포 혹은 불균일한 것에 근사함)로 광빔의 사용을 요구하는 적용분야에는 적합하지 않다.
대안적으로, 불안정한 공동부들에 기반한 레이저는 반투명한 출력 커플러를 포함할 수 있다. 출력 빔의 공간적 발산과 그의 실제 이용의 편리성 간의 절충은 이러한 레이저에서 달성될 수 있다.
고 피크 파워를 지니는 레이저 펄스는, 예를 들어, 거대 펄스 형성(giant pulse formation)이라고도 알려져 있는 Q-스위칭의 방법에 의해 얻어질 수 있다. 이 레이저 동작 모드는 레이저 공동부 내부에서 레이저 매질의 여기 동안 공동부 손실을 높은 값에서 낮은 값으로 변화시키는 것으로 구성될 수 있다.
높은 값의 공동부 손실 계수에서, 레이저 발생 역치는 레이저 발생의 발달을 방지하는 수준에서 유지된다. 이 단계에서, 레이저 매질은 여기 공급원으로부터 여기 에너지를 입수하고 그 에너지를 축적시킨다. 목적으로 하는 수준의 축적된 에너지에 도달하면, 공동부 손실이 가능한 한 신속하게 낮은 값으로 내려간다. 이 발생 역치는 극적으로 감소되고, 레이저는 이득이 그 손실을 상당히 초과하는 방식으로 유도 방출을 발생하기 시작한다.
그 결과, 강력한 레이저 출력 펄스가 나타나고, 이때 그 펄스의 에너지는 공동부 손실의 저감 순간까지 레이저 매질 내에 축적된 에너지에 가깝다. 펄스 지속 기간은 수회 주기의 공동부 이동과 동등하다.
Q-스위칭은 각종 방식으로 구현될 수 있다. 간단한 접근법은 소위 광-기계식 기술이다. 이 접근법에서, 공동부 내부에 기계식 초퍼(mechanical chopper)를 배치함으로써 공동부에서의 높은 수준의 손실이 달성된다. 방사선의 통로로부터 초퍼를 제거함으로써 낮은 수준의 손실이 얻어진다.
광-기계식 기술이 이용될 경우, 고-손실 상태에서 저-손실 상태로의 과도 기간 동안 요구되는 시간은 기계식 초퍼 위치의 평면에서 가능한 작은 크기의 레이저 빔을 사용함으로써 최소화될 수 있다.
기계식 초퍼 위치의 평면에서 레이저 빔 크기를 최소화하기 위하여, 추가적인 공동부내 요소 또는 공동부 오목 거울(concave mirror)의 포커싱 특성이 이용된다(문헌[《Scaling of a Q-switch CO2 laser for pulsed laser deposition》, Proc. SPIE, Vol.3343, 1998, pp.759-768] 참조).
저 펄스 에너지를 지니는 레이저를 위하여, 방사선의 공동부내 포커싱은 상당히 허용 가능할 수 있다. 그러나, 고 파워 레이저 시스템에서, 이것은 광학 절연파괴(optical breakdown) 등과 같은 바람직하지 않은 효과를 초래할 수 있다. Q-스위칭된 레이저의 펄스 발생의 지속기간은 수 나노초에서 수 백 나노초까지의 범위일 수 있다. 따라서, 펄스 발생의 지속기간은 공동부내 손실을 저감시키기 위하여 기계적 수단에 의해 취해지는 시간(수 마이크로초)보다 훨씬 짧을 수 있다. 방출은 그의 피크 파워에 도달할 수 있는 한편, 기계식 초퍼는 여전히 방출된 방사선의 전파선 상에 있다. 그 결과, 기계식 초퍼는 방출에 의해 손상될 수 있다.
Q-스위칭은 또한 예를 들어 전기-광학 기술에 의해 수행될 수 있다. 이런 유형의 Q-스위칭은 광학적 요소에 의해 구현될 수 있고, 이때 전송은 해당 광학 요소에 인가된 전기적 전압에 좌우된다.
고 파워 레이저 시스템 내에서의 전기-광학 Q-스위치 기술의 구현은 또한 전기-광학 결정이 일반적으로 다른 비결정 공동부내 요소보다 훨씬 낮은 광학 절연파괴 역치를 지니므로 문제가 있을 수 있다. 예를 들어, 미국 특허 제US4498179호는 출력 거울이 반투명인 주 공동부 내에 배치된 레이저 매질, 상기 주 공동부와 광학적으로 커플링된 추가적인 공진기, 상기 추가적인 공진기 내부에 있는 전기-광학 Q-스위치, 및 Q-스위치 제어 유닛을 포함하는 펄스식 레이저를 개시한다. 이 레이저는 이용된 전기-광학 변조기 때문에 낮은 출력 파워의 방사선을 지닌다.
강력한 펄스를 발생하는 레이저 시스템을 작성하기 위한 가능한 접근법은 저-파워 펄스식 레이저와 증폭기의 조합이다(《Generation of CO2 laser pulses by Q-switching and cavity dumping and their amplification by a microwave excited CO2 laser》, J. Phys. D: Appl. Phys. 29, 1996, pp.57-67). 이러한 시스템에서, Q-스위칭된 레이저는, 낮은 에너지의 짧은 펄스를 발생하고 이것은 이어서 증폭기의 입력 펄스로서 이용된다. 입력 펄스가 증폭기의 이득 매체를 통해 1회 이상 통과함에 따라서, 방사선은 요구되는 수준의 에너지에 도달한다. 그러나, 실제로, 증폭기를 포함하는 레이저 시스템은 복잡하고 번거로울 수 있다. 이것은 추가적인 동기화 시스템의 이용을 필요로 할 수 있고, 따라서 높은 비용과 저감된 효율을 초래할 수도 있다.
주 레이저 공동부에서의 방사선의 효과적인 변조는 공동부 내부에 변조기를 배치함으로써, 또는 다회통과식 증폭기의 역할을 하는 주 공동부 내로 변조된 방사선을 시딩(seeding)시키기 위하여 외부 방사선 공급원을 이용함으로써 제공될 수 있다.
레이저 공동부 내부의 변조기의 경우에, Q-스위칭을 위한 요건들은, 공동부 내의 포톤의 수명과 변조 깊이 간의 관계에 의해 결정될 수 있다. 낮은 변조 깊이를 지니는 변조기가 이용되는 레이저에 있어서, 고-콘트라스트 펄스의 발생은 단지 저 공동부 손실만으로 달성될 수 있다. 공동부 손실이 보다 높다면(그리고 레이저 매질이 높은 이득을 지닌다면), 변조 깊이는 포톤이 공동부를 떠나기 전에 단지 수회의 왕복 이동을 하는 시간을 지닐 수 있으므로 증가되어야 할 필요가 있을 수 있다. 공동부내 변조기들의 낮은 광학 절연파괴 역치 때문에, 높은 피크 파워와 높은 평균 파워의 레이저 방사선을 동시에 달성하는 것은 곤란할 수 있다.
외부 방사선 공급원의 경우에, 상기 제약은 피할 수 있지만, 주 공동부 내의 방사선의 고-콘트라스트 변조를 달성하는 것은 쟁점으로 될 수 있다. 외부 변조된 변조 시딩 방사선이 주 공동부 내로 주입된다면(이때 자기-여기(self-excitation)의 조건이 이미 도달되어 있고 유도 방출이 시딩 방사선과는 독립적으로 일어남), 주 공동부 내의 출력 방사선의 변조 깊이는 시딩 광과 자기-여기된 발광 간의 파워 비에 의존한다. 따라서, 시딩 방사선의 파워가 불충분하다면, 시딩 방사선이 주 공동부의 발광에 그의 변조를 부여할 수는 없다. 다른 한편, 변조된 시딩 방사선의 파워가 충분히 증가된다면, 위에 기재된 바와 같은 고 파워 변조와 관련된 문제가 일어날 수 있다.
본 발명의 목적은 상기 결점을 완화시키기 위한 방법 및 해당 방법을 구현하는 장치를 제공하는 것이다. 본 발명의 목적은 독립 청구항들에 기술된 것을 특징으로 하는 방법 및 배열에 의해 달성된다. 본 발명의 바람직한 실시형태는 종속 청구항들에 개시되어 있다.
자기-궤환(self-seeding) CO2 레이저는 신규한 구성 및 광학적 레이아웃에 기반할 수 있되, 여기서 레이저는 반투명 출력 커플러를 구비한 주 레이저 공동부 내에 배치된 레이저 매질, 레이저 매질의 여기 수단, 레이저 공동부와 광학적으로 커플링된 제2 공진기를 포함한다.
레이저 공동부는 불안정 상태로 구성된다. 출력 커플러는 출력 레이저 빔의 직경보다 작은 개구부를 지닐 수 있고, 공진기는 출력 커플러의 개구부를 넘어 불안정한 레이저 공동부와 광학적으로 커플링될 수 있다.
제2 공진기는 커플링된 적어도 2개의 거울에 의해 획정될 수 있고, 적어도 1개의 포커싱 부재를 포함할 수 있다. 공진기의 광학 길이는 상기 레이저 공동부의 광학 길이와 동등하거나 해당 레이저 공동부의 광학 길이의 배수(multiple)일 수 있다.
레이저는 Q-스위칭 디바이스를 더 포함한다. Q-스위칭 디바이스는 공진기의 포커싱 부재의 초점면에 배치된 초퍼로서 구현될 수 있다. Q-스위칭 디바이스를 위한 제어 유닛은 레이저 매질의 여기 수단에 전기적으로 접속될 수 있다. 제어는 레이저 매질의 여기 수단의 동작을 Q-스위칭 디바이스의 동작과 동기시킬 수 있다.
개시된 구성 및 광학적 레이아웃을 사용함으로써, 높은 평균 출력 파워에서 높은 피크 파워를 지니는 높은 콘트라스트 레이저 펄스들을 생성하는 것이 가능하다.
이하에서, 본 발명은 첨부 도면을 참조하여 바람직한 실시형태에 의해 더욱 상세히 설명될 것이다:
도 1은 제2 공진기 내에 무수차 포커싱 소자(stigmatic focusing element)를 포함하는 예시적인 CO2 레이저의 개략적 레이아웃을 도시한 도면;
도 2 및 도 3은 제2 공진기가 비점수차식 포커싱 부재(astigmatic focusing element)를 포함하는 예시적인 레이저를 도시한 도면; 및
도 4 및 도 5는 기계식 초퍼의 예시적인 형상을 도시한 도면.
본 발명은 불안정한 레이저 공동부, 레이저 공동부 내에 CO2 레이저 가스 혼합물로 채워진 레이저 챔버 등과 같은 레이저 매질, 그리고 레이저 매질을 여기시키기 위한 수단을 포함하는 CO2 레이저를 위한 방법을 개시한다. 불안정한 레이저 공동부는 반투명 출력 커플러를 구비하는 제1 광학 공진기의 형태일 수 있다. 불안정한 레이저 공동부는, 예를 들어, 텔레스코픽 레이아웃(telescopic layout)으로 제조될 수 있다. 레이저 공동부에서, 레이저 빔은 레이저 매질을 여기시킴으로써 생성될 수 있다.
출력 커플러의 개구부의 직경은 불안정한 레이저 공동부에서 발생된 레이저 빔의 직경보다 작을 수 있다. 출력 커플러는, 발생된 레이저 빔을, 출력 커플러의 개구부를 통과하는 통로를 따라가는 제1 부분과 출력 커플러의 개구부에 의해 통과하는 통로를 따라가는 제2 부분으로 분할하도록 구성될 수 있다.
발생된 레이저 빔을 변조시킬 수 있도록 하기 위하여, 제2 공진기는 출력 커플러의 광 개구부를 넘어 제1 광학 공진기와 광학적으로 커플링될 수 있다. 즉, 출력 커플러의 광 개구부를 넘어 전파 중인 레이저 빔의 부분, 즉, 레이저 빔의 제2 부분은, 제2 공진기로 지향될 수 있다. 제2 공진기는 그곳으로 지향된 빔의 부분을 변조시키는데 이용된다. 레이저 빔의 변조된 부분은 이어서 불안정한 레이저 공동부로 도로 주입될 수 있다.
강력한 방사선의 효과적인(100%) 변조는 제1 광학 공진기에 주입된 방사선의 양이 레이저의 총 출력 파워의 적어도 20%인 경우에 달성될 수 있다. 총 파워의 20%의 조건은 √1.2
Figure pct00001
1.1보다 큰 불안정한 레이저 공동부의 배율 필드 계수(M)를 초래한다.
제2 광학 공진기는 적어도 2개의 거울에 의해 획정될 수 있다. 제2 공진기는 개구부에 구멍을 가진 제1 거울을 사용함으로써 불안정한 레이저 공동부와 광학적으로 커플링될 수 있다. 제1 거울은, 레이저 빔의, 제2 부분, 즉, 개구부에 의해 통과하는 통로를 따라가는 부분을 반사하도록 구성될 수 있다.
시드 방사선과 공동부내 파 간의 위상 공액(phase conjugation)의 조건은 개시된 레이저의 중요한 측면이다. 위상 공액의 조건에 도달할 수 없다면, 출력 레이저 빔의 광학 품질이 저감될 수 있고, 발생 역치가 증가된다. 이 조건의 존재를 확실하게 하기 위하여, 제2 공진기의 광학 길이는 제1 광학 공진기의 광학 길이와 동등하거나 그의 배수일 수 있다.
제2 공진기는 적어도 1개의 포커싱 부재를 포함할 수 있다. 포커싱 부재는 무수차식 혹은 비점수차식일 수 있다. 포커싱 부재의 초점면을 통과하는 레이저 빔의 부분은, 레이저 매질의 여기가 Q-스위칭 디바이스의 동작과 동기되는 방식으로 Q-스위칭 디바이스를 사용함으로써 변조될 수 있다. Q-스위칭 디바이스는 제2 공진기 내부의 상기 포커싱 부재의 초점면 내에 배열될 수 있다. Q-스위칭 디바이스는, 예를 들어, 기계식 초퍼일 수 있다.
레이저는 레이저 매질을 여기시키기 위한 수단의 동작을 Q-스위칭 디바이스의 동작과 동기화시키기 위한 수단을 포함할 수 있다. 이들 수단은 레이저 매질의 여기 수단에 전기적으로 접속될 수 있다.
도 1는 무수차 포커싱 소자를 그의 제2 공진기 내에 포함하는 예시적인 CO2 레이저의 개략적 레이아웃을 도시한다. 도 1에서, 레이저는 고반사성 후방 거울(4) 및 출력 커플러로서 작용하는 반투명 출력 거울(3)에 의해 획정된 제1 광학 공진기의 형태의 주 레이저 공동부를 포함한다. 도 1에서, 레이저 매질(2)은 주 레이저 공동부 내에 위치된다. 펌핑 디바이스(1)는 레이저 매질(2)을 여기시키기 위한 수단으로서 작용한다.
주 레이저 공동부는 불안정한 상태로 구성된다. 출력 거울(3)의 개구부의 직경은 주 레이저 공동부에서 발생된 레이저 빔의 직경보다 작다. 그 결과, 레이저 빔의 제1 부분은 출력 거울(3)의 개구부를 통과하는 한편, 레이저 빔의 제2 부분은 출력 거울(3)의 개구부를 통과한다.
도 1에서, 거울(3 및 4)의 초점은 일치하고, 배율 필드 계수(M)는 다음과 같이 구해질 수 있다:
Figure pct00002
식 중, R 3은 출력 거울(3)의 곡률반경이고, R 4는 거울(4)의 곡률 반경이다.
도 1에서의 레이저는 제2 광학 공진기를 형성하는 거울(5, 6 및 7)을 더 포함한다. 제2 광학 공진기는 거울(3)의 광 개구부를 넘어 주 레이저 공동부와 광학적으로 커플링된다. 제2 광학 공진기의 광학 길이는 주 공동부의 광학 길이와 동등하거나 그의 배수이다.
도 1에서, 거울(5)은 주 공동부의 광축 상에 배치되고, 그의 개구부의 중앙에 구멍을 지닌다. 이 구멍의 형상은 주 공동부의 광축 방향에서 출력 거울(3)의 개구부의 형상과 정합한다. 거울(5)은, 거울(3)의 광 개구부를 넘어 출력 거울(3)의 개구부에 의해 통과하는 레이저 빔의 부분을 반사시키고 그 빔을 거울(6 및 7)로 지향시키는 방식으로 경사져 있다.
도 1에서, 구형 거울(6 및 7)은 포커싱 부재로서 작용한다. 거울(6 및 7)은 거울(6)의 초점이 거울(7)의 곡률 중심과 일치하도록 배치된다.
도 1의 제2 광학 공진기에 있어서, Q-스위칭 디바이스(8)는 거울(6)의 초점면 내에 배열되어 있다. Q-스위칭 디바이스(8)는 도 4에 도시된 바와 같은 기계식 초퍼의 형태이다. 도 4에서의 예시적인 기계식 초퍼는 원형 초퍼 판(41)을 통해 원형 개구(42)를 지니는 해당 판(41)을 포함한다. 동작 동안, 판(41)은 해당 판(41)의 평면에 수직인 축(43)을 중심으로 회전한다.
도 1의 레이저는 레이저 매질(2)을 여기시키기 위한 수단의 동작을 Q-스위칭 디바이스(8)의 동작과 동기화시키기 위한 수단을 더 포함한다. 제어 유닛(9)은 도 1에서 동기화시키기 위한 수단으로서 작용한다. Q-스위칭 디바이스는 제어 유닛(9)에 전기적으로 접속되고, 이 제어 유닛은 이어서 레이저 매질(2)의 펌핑 디바이스(1)에 전기적으로 접속된다. 제어 유닛(9)은, Q-스위칭 디바이스(8)의 회전각 등과 같은 상태에 의거해서 펌핑 디바이스(1)를 제어한다.
도 1의 레이저는 다음과 같은 방법으로 동작한다. 레이저 빔은 레이저 매질(2)을 여기시킴으로써 주 레이저 공동부에서 생성된다. 펌핑 디바이스(1)는 레이저 매질(2)의 역분포 조건(condition of inverse population)을 제공한다. 자발 발광이 여기 하에 레이저 매질(2)에서 일어나, 주 레이저 공동부의 거울(3 및 4)로부터 반사되어, 유도 전이로 인해 증폭된 간섭성 레이저 방사선을 초래한다.
주 레이저 공동부가 불안정 상태이고 레이저 빔이 각 왕복 이동의 M배로 확장됨에 따라서, 빔의 제1 부분, 즉, 주변 부분이 출력 거울(3)의 광 개구부를 넘어 전파된다. 제1 부분은 편향 거울(5)에 도달하여, 해당 편향 거울로부터 반사된다. 이와 같은 방식에서, 빔의 제1 부분은 제2 공진기로 지향된다.
동시에, 빔의 제2 부분, 즉, 반투명 출력 거울(3)의 광 개구부 내의 주 공동부 내측에서 전파 중인 레이저 빔의 근축 부분은, 거울(3)로부터 부분적으로 반사된다. 빔의 반사된 부분은 주 공동부를 관통하는 이하의 통로에서 시작된다. 빔의 나머지는, 거울(3)을 통과하고, 구멍의 직경이 출력 거울(3)의 광 개구부의 직경과 동일하게 됨에 따라서 구멍을 통해 편향 거울(5)을 우회한다.
거울(5)에 의해 주 공동부로부터 배당된 방사선은 고리 형상을 갖는다. 이 방사선은 구형 거울(6)의 형태의 무수차 포커싱 부재로 지향된다. 빔의 횡방향 크기는 구형 거울(6)의 초점면의 두 횡방향 좌표 중 어느 하나에서 최소로 되게 된다.
구형 거울(6)의 초점면에서, Q-스위칭 디바이스(8)의 기계식 초퍼는 초점면을 통해 통과하는 레이저 빔의 부분의 진폭을 변조시킨다. 제어 유닛(9)은 레이저 매질(2)의 여기가 Q-스위칭 디바이스(8)의 동작과 동기되는 것을 제어한다. 제어 유닛(9)은, 예를 들어, 기계식 초퍼의 회전에 기초하여 펌핑 디바이스(1)의 동작을 제어할 수 있다.
방사선은, 기계식 초퍼를 통과한 후, 제2 공진기의 구형 후방 거울(7)에 도달한다. 방사선은, 후방 거울(7)로부터 반사된 후, Q-스위칭 디바이스(8)와 구형 거울(6)을 역순으로 통과한다. 방사선은 이어서 편향 거울(5)에 의해 출력 거울(3)의 광 개구부를 넘어 주 레이저 공동부로 도로 지향된다. 주 공동부 내에서, 주입된 빔의 횡방향 크기는 이어서 각 왕복 이동 상에서 저감되고, 방사선의 강도는 증가한다.
제2 공진기의 광학 길이가 주 레이저 공동부의 광학 길이와 동등하거나 그의 배수이므로, 주 공동부 내에서 발생된 방사선과 주입된 방사선의 위상 공액의 조건은 실현된다. 따라서, 주입된 변조된 방사선은, 주 레이저 공동부 내의 방사선으로 그의 변조가 효과적으로 시행됨으로써, 높은 평균 출력 파워에서 높은 피크 파워의 높은 콘트라스트 펄스의 발생을 확실하게 한다.
개시된 방법은 또한 다양한 다른 방식으로 구현될 수도 있다. 도 2 및 도 3은 제2 공진기가 비점수차식 포커싱 부재를 포함하는 실시예들을 도시한다.
도 2에서, 출력 거울(22)에 의해 통과하는 레이저 빔의 제1 부분을 반사시키는 거울(21)은, 주 공동부의 외측에 배치된다. 도 2에서, 주 공동부의 광학 길이(L)와 제2 공진기의 요소들 간의 광학 거리들(L 1, L 2 및 L 3)의 총합 간의 비는 하기 식의 조건을 충족시킨다:
Figure pct00003
식 중, k는 정수이다.
도 1의 것과 마찬가지로, 빔의 제1 부분, 즉, 주변 부분은 출력 거울(22)의 광 개구부를 넘어 전파된다. 제1 부분은 편향 거울(21)로부터 반사되어, 도 2의 제2 공진기로 지향된다.
도 2에서, 제2 공진기의 비점수차식 포커싱 부재는 원통형 오목 거울(23 및 24)에 의해 형성된다. 빔의 횡방향 크기는 포커싱 요소의 초점면에서 횡방향 좌표들 중 하나에서만 최소로 된다.
Q-스위칭 디바이스(25)는 거울(23)의 초점면에 배치된다. Q-스위칭 디바이스(25)는, 예를 들어, 도 5에 도시된 바와 같은 기계식 초퍼를 포함할 수 있다. 도 5의 예시적인 기계식 초퍼는 원형 초퍼 판(51)을 통해서 슬릿-형상 개구(52)를 구비하는 해당 판(51)을 포함한다. 판(51)은 해당 판(51)의 평면과 수직인 축(53)을 중심으로 회전한다.
도 2에서, 빔은, 기계식 초퍼를 통과한 후, 제2 공진기의 원통형 거울(24)에 도달한다. 도 1의 것과 마찬가지로, 빔은 후방 거울(24)로부터 반사되고, Q-스위치(25)와 원통형 거울(23)을 통과한다. 빔은 이어서 거울(21)을 사용함으로써 주 레이저 공동부로 도로 지향된다.
도 3에서, 출력 거울(32)에 의해 통과하는 레이저 빔의 제1 부분을 반사시키는 거울(31)은 주 공동부 내부에 배치된다. 앞서의 실시예에서처럼, 주 공동부의 광학 길이(L)와 도 3에서의 제2 공진기의 요소들 간의 광학 거리들(L 1, L 2 및 L 3)의 총합 간의 비는 식(2)의 조건을 충족시킨다. 도 2에서처럼, 도 3에서의 제2 공진기의 비점수차식 포커싱 부재는 도 3에서의 원통형 오목 거울(33 및 34)에 의해 형성된다. Q-스위칭 디바이스(35)는, 예를 들어, 도 5에 도시된 바와 같은 기계식 초퍼를 포함한다.
본 발명의 개념이 각종 방식으로 구현될 수 있다는 것은 당업자에게 명백할 것이다. 본 발명 및 그의 실시형태들은 위에서 기재된 실시예로 제한되지 않고 특허청구범위의 범주 내에서 변화될 수 있다.

Claims (9)

  1. 반투명 출력 커플러를 구비한 제1 광학 공진기 형태의 불안정한 레이저 공동부(unstable laser cavity), 상기 불안정한 레이저 공동부 내에 있는 레이저 매질 및 상기 레이저 매질을 여기시키기 위한 수단을 포함하는 CO2 레이저로서, 상기 레이저는,
    상기 출력 커플러의 광 개구부를 넘어 상기 불안정한 레이저 공동부와 광학적으로 커플링된 제2 광학 공진기로서, 상기 제2 광학 공진기는 적어도 1개의 포커싱 부재를 포함하고, 상기 제2 광학 공진기의 광학 길이는 상기 제1 광학 공진기의 광학 길이와 동등하거나 해당 제1 광학 공진기의 광학 길이의 배수(multiple)인, 상기 제2 광학 공진기,
    상기 포커싱 부재의 초점면 내에 배열된 Q-스위칭 디바이스, 및
    상기 레이저 매질을 여기시키기 위한 수단의 동작을 상기 Q-스위칭 디바이스의 동작과 동기화시키기 위한 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, CO2 레이저.
  2. 제1항에 있어서, 상기 출력 커플러(3)의 상기 개구부의 직경은 상기 불안정한 레이저 공동부에서 발생되는 레이저 빔의 직경보다 작고, 상기 출력 커플러는, 발생된 레이저 빔을, 상기 출력 커플러의 상기 개구부를 통과하는 통로를 따라가는 제1 부분과 상기 출력 커플러의 상기 개구부에 의해 통과하는 통로를 따라가는 제2 부분으로 분할하도록 구성되며,
    상기 제2 공진기는 개구부 내에 구멍을 가진 제1 거울(mirror)에 의해 상기 불안정한 레이저 공동부와 광학적으로 커플링되고, 상기 제2 공진기의 상기 제1 거울은 상기 발생된 레이저 빔의 상기 제2 부분을 반사하도록 구성되는, 레이저.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 불안정한 레이저 공동부의 배율 필드 계수(magnification field factor)가 1.1보다 큰, 레이저.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 포커싱 부재는 비점수차식(astigmatic)인, 레이저.
  5. 제4항에 있어서, 상기 포커싱 부재는 원통형 오목 거울(cylindrical concave mirror)인, 레이저.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 Q-스위칭 디바이스는 기계식 초퍼(mechanical chopper)인, 레이저.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 공진기는 텔레스코픽 레이아웃(telescopic layout)을 구비하는, 레이저.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 동기화시키기 위한 수단은 상기 Q-스위칭 디바이스의 상태에 기초하여 상기 레이저 매질을 여기시키기 위한 수단을 제어하는, 레이저.
  9. CO2 레이저를 위한 방법으로서, 상기 방법은,
    반투명 출력 커플러를 구비한 제1 광학 공진기의 형태의 불안정한 레이저 공동부 내에 있는 레이저 매질을 여기시킴으로써 상기 레이저 공동부 내에 레이저 빔을 생성하는 단계를 포함하되, 상기 방법은,
    상기 출력 커플러의 광 개구부를 넘어 전파 중인 상기 레이저 빔의 일부분을 제2 공진기로 지향시키는 단계로서, 상기 제2 공진기는 적어도 1개의 포커싱 부재를 포함하고, 상기 제2 공진기의 광학 길이는 상기 제1 광학 공진기의 광학 길이와 동등하거나 해당 제1 광학 공진기의 광학 길이의 배수인, 상기 지향시키는 단계, 및
    상기 레이저 매질의 상기 여기가 Q-스위칭 디바이스의 동작과 동기화되는 방식으로 상기 Q-스위칭 디바이스를 사용함으로써 상기 포커싱 부재의 초점면을 통과하는 상기 레이저 빔의 일부분을 변조시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, CO2 레이저를 위한 방법.
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