KR20150136487A - 초단 레이저 펄스들을 발생시키기 위한 장치 및 방법 - Google Patents

초단 레이저 펄스들을 발생시키기 위한 장치 및 방법 Download PDF

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시모네트 피에로
프란코이스 사린
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일렉트로 싸이언티픽 인더스트리이즈 인코포레이티드
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Abstract

장치는 펄스 조절기 및 증폭기를 포함한다. 펄스 조절기는 입력 레이저 펄스의 시간적 세기 프로필을 변형함으로써, 0.13 미만의 미스피트 파라미터, M을 갖는 조절된 시간적 세기 프로필을 갖는 조절된 레이저 펄스를 생성하도록 구성되고, 여기서
Figure pct00037
, 여기서 |Ψ(t)|2는 조절된 레이저 펄스의 펄스 시간적 세기 프로필을 나타내며 |ΨPfit(t)|2는 조절된 레이저 펄스의 파라볼릭 피트를 나타낸다. 증폭기는 증폭된 레이저 펄스를 생성하는 조절된 레이저 펄스의 전력을 증가시킨다. 방법에서 적어도 1 ps의 펄스 지속기간을 갖는 입력 레이저 펄스의 시간적 세기 프로필은 조절된 레이저 펄스를 생성하도록 변형되고, 이는 증폭된 레이저 펄스를 생성하기 위해 증폭되며, 이는 입력 펄스 지속기간보다 짧은 압축된 펄스 지속기간을 갖는 압축된 레이저 펄스를 발생시키기 위해 시간적으로 압축된다. 시드 레이저(102)는 수십 ps 단위 상의 지속기간을 갖는 푸리에 변환 제한 시드 펄스를 방출할 수 있고 이 펄스는 자체 위상 변조 및 GVD에 의한 펄스 스펙트럼을 확장시키기 위한 표준 단일 모드 통신 파이버(104)로 발산됨으로써 고차원 솔루션의 전파를 야기한다. 파라볼릭 펄스는 증폭기(106)에서 증폭되고 압축기(108)에 의해 제시간에 압축되어 약 1ps의 지속기간의 및 자재 프로세싱에 적합한 고 전력 펄스들을 야기할 수 있다.

Description

초단 레이저 펄스들을 발생시키기 위한 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR GENERATING ULTRASHORT LASER PULSES}
본 출원에서 대표적으로 설명되는 본 발명의 실시예들은 일반적으로 초단 레이저 펄스들의 발생에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명의 실시예들은 높은 피크 전력을 갖는 초단 레이저 펄스들의 발생에 관한 것이다.
높은 피크 전력을 갖는 초단 레이저 펄스들(즉, 수십 피코초 내지 1 펨토초 범위 내 FWHM 펄스 지속기간을 갖는 레이저 펄스들)은 마킹, 조형, 미세 기계가공, 절삭, 드릴링 등과 같은 자재 프로세싱 애플리케이션을 구현하는데 바람직하다. 통상적으로, 그러한 레이저 펄스들은 레이저 발진기에 의해 생성된 피코초 또는 펨토초 레이저 펄스들을 증폭시킴으로써 생성된다. 그러나 단 그리고 초단 펄스들의 증폭은 증폭기 내 자체 위상 변조(SPM)와 같은 비선형적 효과들에 의해 크게 영향을 받는다. 보통의 가우시안 시간적 세기 프로필을 갖는 펄스들을 갖고, SPM은 피코초에서 펨토초 지속기간들로의 펄스 압축을 위해 사용될 수 있는 강한 스펙트럼 확장을 유도하지만, 시간적 위상의 가우시안 변조는 격자 쌍 압축기들과 같은 종래의 수단에 의해 완벽하게 보상될 수 없다. 레이저 펄스가 증폭 시 강한 SPM을 경험하고 한 쌍의 격자들을 사용하여 시간적으로 압축될 때, 압축된 증폭된 레이저 펄스의 시간적 세기 프로필은 통상적으로 메인 펄스 주위의 윙들에 놓인 상대적으로 큰 에너지량을 가질 것이며, 이는 자재 프로세싱 애플리케이션들에 적합하지 않은 펄스를 만들 수 있다.
증폭기 내에 유도된 SPM의 크기는 증폭기를 통해 이동하는 레이저 펄스의 세기에 비례한다는 것이 공지되어 있다. 따라서, 종래 SPM은 증폭기로 진입하는 레이저 펄스들이 상대적으로 낮은 세기를 갖는다는 것을 보장함으로써 제어되어왔다. 레이저 펄스 세기를 감소시키는 하나의 전통적인 방법은 직경이 큰 증폭기를 사용하여(예를 들어, 디스크 레이저를 통해) 펄스의 공간적 빔 크기를 증가하는 것을 수반한다. 처프 펄스 증폭(CPA)으로 알려진, 다른 방법은 초기 레이저 펄스의 피크 전력보다 낮은 피크 전력을 갖는 신장된 레이저 펄스(통상적으로 초기 레이저 펄스의 펄스 지속기간보다 1000배를 초과하는 더 긴 펄스 지속기간을 갖는)를 생성하기 위해 레이저 발진기에 의해 생성되는 초기 레이저 펄스를 시간적으로 신장하는 것을 수반한다. 이후, 신장된 펄스는 증폭된 후 시간적으로 압축된다. CPA는 초기 레이저 펄스가 펨토초 레이저 발진기들에 의해 생성되면 매우 효과적일 수 있으나, 초기 레이저 펄스가 펄스의 매우 작은 스펙트럼 대역폭으로 인해 1 ps 보다 긴 펄스 지속기간을 가지면 다루기 힘들고 비효율적이 된다. 어떤 경우에서든, 압축된 레이저 펄스의 펄스 지속기간은 최대한, 초기 레이저 펄스의 펄스 지속기간만큼 짧다. SPM은 또한 증폭없는 펄스 압축에서 사용되어왔다. 그러한 기술들은 통상적으로 파이버에서 강한 SPM을 유도하는 것 및 격자들, 프리즘들 등과 같은 분산 요소들을 사용한 결과로 생긴 처프를 보상하는 것을 수반한다. 압축된 레이저 펄스들의 질은 일반적으로 자재 프로세싱 애플리케이션들에 적합하지 않다.
이하 본 출원에서 대표적으로 설명될 본 발명의 실시예들은 종래 기술과 연관된 이들 및 다른 제한들을 처리한다.
장치의 예는 펄스 조절기 및 증폭기를 포함한다. 펄스 조절기는 입력 레이저 펄스의 시간적 세기 프로필을 변형하도록 구성됨으로써, 0.13 미만의 미스피트(misfit) 파라미터, M에 의해 특징지어지는 조절된 시간적 세기 프로필을 갖는 조절된 레이저 펄스를 생성하며, 여기서 M은 다음 식에 의해 획득된다:
Figure pct00001
여기서 |Ψ(t)|2 는 조절된 레이저 펄스의 펄스 시간적 세기 프로필을 나타내고 |Ψ Pfit (t)|2 은 조절된 레이저 펄스의 파라볼릭 피트(parabolic fit)를 나타낸다. 증폭기는 펄스 조절기 소스의 출력에 결합되고 조절된 레이저 펄스의 전력을 증가시키도록 구성됨으로써, 증폭된 레이저 펄스를 생성한다. 장치의 다양한 예들은 다음의 하나 이상을 포함할 수 있다.
증폭된 레이저 펄스의 시간적 세기 프로필은 1 이상의, 양호도 Q에 의해 특징지어질 수 있고, 여기서 Q는 다음 식에 의해 획득된다:
Figure pct00002
여기서 τFWHM은 조절된 레이저 펄스의 펄스 지속기간이고, τC는 다음 식에 의해 획득되며:
Figure pct00003
여기서
Figure pct00004
및
Figure pct00005
여기서 t는 시간(예를 들어, 초로 측정된)이고 I(t)는 시간 함수로서의 레이저 펄스 세기이다.
펄스 조절기 및 증폭기 중 적어도 하나는 조절된 레이저 펄스를 적어도 근사 직선으로 처프하도록 더 구성될 수 있다.
장치는 또한 증폭된 레이저 펄스를 시간적으로 압축함으로써, 압축된 레이저 펄스를 생성하도록 구성된 펄스 압축기를 포함한다. 압축된 레이저 펄스의 시간적 세기 프로필은 0.2 이상의, 양호도 Q에 의해 특징지어질 수 있고, 여기서 Q는 다음 식에 의해 획득된다:
Figure pct00006
여기서 τFWHM은 압축된 레이저 펄스의 펄스 지속기간이고, τc는 다음 식에 의해 획득되며:
Figure pct00007
여기서
Figure pct00008
및
Figure pct00009
여기서 t는 시간(예를 들어, 초로 측정된)이고 I(t)는 시간 함수로서의 레이저 펄스 세기이다.
방법의 제1 예는 다음과 같이 수행된다. 입력 레이저 펄스의 시간적 세기 프로필이 변형됨으로써, 0.13 미만의 미스피트 파라미터, M에 의해 특징지어지는 조절된 시간적 세기 프로필을 갖는 조절된 레이저 펄스를 생성하며, 여기서 M은 다음 식에 의해 획득된다:
Figure pct00010
여기서 |Ψ(t)|2는 조절된 레이저 펄스의 펄스 시간적 세기 프로필을 나타내며 |ΨPfit(t)|2는 조절된 레이저 펄스의 파라볼릭 피트를 나타낸다. 조절된 레이저 펄스는 증폭됨으로써, 증폭된 레이저 펄스를 생성한다.
방법의 제2 예는 다음과 같이 수행된다. 적어도 1 ps의 펄스 지속기간을 갖는 입력 레이저 펄스의 시간적 세기 프로필은 조절된 레이저 펄스를 생성하기 위해 변형된다. 조절된 레이저 펄스는 증폭된 레이저 펄스를 생성하기 위해 증폭된다. 증폭된 레이저 펄스는 입력 펄스 지속기간보다 짧은 압축된 펄스 지속기간을 갖는 압축된 레이저 펄스를 발생시키기 위해 시간적으로 압축된다.
도 1은 초단 레이저 펄스들을 발생시키기 위한 장치의 일 실시예를 개략적으로 예시한다.
도 2 및 도 3은 각각, 도 1에 도시된 장치에 의해 조절되고, 증폭되며, 선택적으로 압축될 수 있는 입력 레이저 펄스의 시간적 세기 및 스펙트럼 프로필들의 대표적인 자기상관 기록을 예시한다.
도 4는 도 1에 도시된 장치의 펄스 조절 스테이지 내에서 생성되는 조절된 레이저 펄스의 시간적 세기 프로필의 대표적인 자기상관 기록을 예시한다.
도 5는 도 1에 도시된 장치의 펄스 조절 스테이지 내에서 생성되는 조절된 레이저 펄스의 대표적인 스펙트럼 프로필을 예시한다.
도 6은 도 1에 도시된 장치의 증폭 스테이지 내에서 생성되는 증폭된 레이저 펄스의 대표적인 스펙트럼 프로필을 예시한다.
도 7은 도 1에 도시된 장치에 의해 발생되는 압축된 레이저 펄스의 시간적 세기 프로필의 대표적인 자기상관 기록을 예시한다.
도 8은 펄스 조절 스테이지가 생략되었을 때 도 1에 도시된 장치의 증폭 스테이지 내에서 생성될 수 있는 증폭된 레이저 펄스의 대표적인 스펙트럼 프로필을 예시한다.
도 9는 펄스 조절 스테이지가 생략되었을 때 도 1에 도시된 장치에 의해 발생될 수 있는 압축된 레이저 펄스의 시간적 세기 프로필의 대표적인 자기상관 기록을 예시한다.
예시적인 실시예들이 첨부 도면들을 참조하여 아래에서 설명된다. 많은 상이한 형태들 및 실시예들이 본 발명의 사상 및 교시를 벗어나지 않고 가능하고 따라서 본 개시내용은 본 출원에 제시되는 예시적인 실시예들을 제한하는 것으로 간주되어서는 안 된다. 오히려, 이들 예시적인 실시예들은 본 개시내용이 철저하고 완전하도록 제공되며, 당해 기술분야의 통상의 기술자들에게 본 발명의 범위를 전달할 것이다. 도면들에서, 구성요소들의 크기들 및 상대적 크기들은 명확성을 위하여 확대될 수 있다. 본 출원에서 사용된 용어는 단지 특정한 예시적인 실시예들을 설명하기 위함이며 제한하도록 의도되지는 않는다. 본 출원에서 사용되는 바와 같이, 단수 형태들 "한", "하나의" 및 "그"는 문맥상 명확하게 다르게 표시되지 않는 한, 복수 형태들도 포함하도록 의도된다. 용어들 "포함한다" 및/또는 "포함하는"은, 본 명세서에서 사용될 때, 서술된 특징들, 정수들, 단계들, 동작들, 요소들 및/또는 구성요소들의 존재를 명시하지만, 하나 이상의 다른 특징, 정수, 단계, 동작, 요소, 구성요소 및/또는 이들의 그룹의 존재 또는 부가를 불가능하게 하지는 않음을 더욱 이해할 것이다. 다르게 명시되지 않는 한, 값들의 범위는 나열될 때, 범위의 상한 및 하한 양자뿐만 아니라, 그 사이 임의의 서브-범위들을 포함한다.
본 발명의 실시예들은 자체 위상 변조(SPM)와 같은 비선형적 효과들의 부정적인 영향을 받지 않고 파이버 레이저 증폭기들에서 매우 높은 피크 전력 펨토초 또는 피코초 레이저 펄스들의 발생을 용이하게 할 수 있다. 본 발명의 실시예들은 또한 자재 프로세싱 애플리케이션들에 적합한 시간적 세기 프로필을 갖는 레이저 펄스를 발생시키기 위해 초단 지속기간으로 시간적으로 압축될 수 있는 증폭된 레이저 펄스들의 발생을 용이하게 한다. 본 발명의 실시예들은 또한 1 내지 수십 피코초 단위의 펄스 지속 기간들을 갖고 CPA 시스템들의 비용 또는 복잡성 없이, 대체로 더 긴 펄스 지속기간들(예를 들어, 나노초 체제의)을 갖는 레이저 펄스들을 발생하는 레이저 시스템들로부터 통상적으로 이용 가능한 다른 특성들(예를 들어, 평균 전력, 펄스 에너지, 펄스 반복률 등)을 더 갖는 레이저 펄스들의 발생을 용이하게 한다.
도 1을 참조하면, 초단 레이저 펄스들들 발생시키기 위한, 장치(100)와 같은 장치는 시드 레이저(seed laser)(102), 시드 레이저(102)의 출력에 광학적으로 결합되는 펄스 조절기(104), 펄스 조절기(104)의 출력에 광학적으로 결합되는 증폭기(106), 및 증폭기(106)의 출력에 광학적으로 결합되는 선택적인 펄스 압축기(108)를 포함할 수 있다. 함께 고려하면, 시드 레이저(102) 및 펄스 조절기(104)는 총괄적으로 "파라볼릭 펄스 소스(parabolic pulse source)"로 본 출원에서 지칭될 수 있다.
일반적으로, 시드 레이저(102)는 입력 레이저 펄스들을 발생시키도록 구성되며, 이는 시드 레이저(102)로부터 펄스 조절기(104)로의 출력(예를 들어, 화살표(102a)에 의해 표시되는 바와 같은)일 수 있다. 시드 레이저(102)는 모드 잠금 고체 상태 벌크 레이저, 모드 잠금 파이버 레이저, 모드 잠금 다이오드 레이저, Q 스위치 레이저, 이득 스위치 레이저, 또는 그 밖에 유사한 것 또는 이들의 조합과 같은 레이저 발진기로서 제공될 수 있다. 일 실시예에서, 시드 레이저(102)는 피코초 레이저 발진기로서 제공된다. 입력 레이저 펄스들은 20 kHz 내지 200 MHz, 또는 그 부근 범위 내 펄스 반복률을 갖는 시드 레이저(102)로부터의 출력이다. 일 실시예에서, 입력 레이저 펄스들은 100 kHz 내지 80 MHz 범위 내(예를 들어, 100 kHz 내지 50 MHz 범위 내) 펄스 반복률을 갖는 시드 레이저(102)로부터의 출력이다. 원하는 펄스 반복률이 레이저 발진기를 사용하여 설정된 펄스 반복률을 갖는 입력 레이저 펄스들을 직접적으로 발생시킴으로써 또는 임의의 적합한 또는 유익한 펄스 피킹(pulse picking) 방법을 간접적으로 구현함으로써 달성될 수 있다는 것이 인식될 것이다(예를 들어, 여기서 레이저 발진기에 의해 발생된 레이저 펄스들의 펄스 반복률은 10 kHz 내지 100 MHz 범위 내 최종 반복률을 설정하는 전기 신호에 의해 구동되고 발진기 반복률에 외부적으로 동기화된 자유 공간 또는 파이버 결합된 음향 광학 펄스 피커를 사용하여 효과적으로 조정된다).
일반적으로, 시드 레이저(102)에 의한 출력인 입력 레이저 펄스들은 가우시안 프로필, sech2 프로필, 로렌치안 프로필, 또는 0.13 이상인 미스피트 파라미터, M에 의해 다르게 특징지어질 수 있는 프로필을 갖는 시간적 세기 프로필을 가지며, 여기서 M은 다음 식에 의해 획득된다:
Figure pct00011
여기서 |Ψ(t)|2는 조절된 레이저 펄스의 펄스 시간적 세기 프로필을 나타내며 |ΨPfit(t)|2는 조절된 레이저 펄스의 파라볼릭 피트를 나타낸다. 시드 레이저(102)에 의해 출력된 입력 레이저 펄스의 시간적 세기 프로필의 대표적인 자기상관 기록이 도 2에 도시된다.
시드 레이저(102)는 시드 레이저(102)에 의해 궁극적으로 출력된 입력 레이저 펄스들이 1 피코초(ps) 내지 100 ps, 또는 그 부근 범위 내 입력 펄스 지속기간(즉, 펄스 지속기간의 측면에서 반치전폭, 또는 "FWHM"으로 측정된)을 가질 수 있도록 작동될 수 있다. 일 실시예에서, 입력 펄스 지속기간은 15 ps 내지 50 ps 범위 내일 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 입력 레이저 펄스의 입력 펄스 지속기간은 38 ps일 수 있다. 시드 레이저(102)는 그것으로부터의 출력인 입력 레이저 펄스들이 0.01 나노미터(nm) 내지 1 nm, 또는 그 부근 범위의 입력 스펙트럼 대역폭(즉, FWHM으로 측정된)을 갖도록 구성될 수 있다. 일 실시예에서, 입력 스펙트럼 대역폭은 0.01 nm 내지 0.3 nm (예를 들어, 0.03 nm 내지 0.15 nm) 범위 내이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 시드 레이저(102)에 의해 출력된 입력 레이저 펄스의 대표적인 입력 스펙트럼 대역폭은 0.06 nm일 수 있다. 시드 레이저(102)는 입력 레이저 펄스들이 260 nm 내지 2600 nm, 또는 그 부근 범위 내의 입력 중심 파장을 갖도록 더 구성될 수 있다. 일 실시예에서, 입력 중심 파장은 자외선(UV) 스펙트럼(예를 들어, 343 nm, 또는 그 부근), 가시 스펙트럼(예를 들어, 515 nm, 또는 그 부근), 또는 적외선(IR) 스펙트럼(예를 들어, 1030 nm, 또는 그 부근) 내이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 시드 레이저(102)에 의해 출력된 입력 레이저 펄스의 대표적인 입력 중심 대역폭은 1031 nm보다 약간 작을 수 있다. 마지막으로, 시드 레이저(102)는 각 입력 레이저 펄스가 10 피코줄(pJ) 내지 10 나노줄(nJ), 또는 그 부근 범위 내의 입력 펄스 에너지를 갖도록 구성될 수 있다. 일 실시예에서, 하나 이상의 입력 레이저 펄스들의 입력 펄스 에너지는 100 pJ 내지 5 nJ 범위(예를 들어, 500 pJ 내지 3 nJ 범위) 내일 수 있다.
펄스 조절기(104)는 시드 레이저(102)로부터 출력된 입력 레이저 펄스들을 수신하고, 그렇게 함으로써 조절된 레이저 펄스들을 형성하기 위해 수신된 레이저 펄스들을 변형하며, 조절된 레이저 펄스들을 증폭기(106)로 출력하도록(예를 들어, 화살표(104a)에 의해 표시된 바와 같이) 구성된다. 일반적으로, 펄스 조절기(104)는 제1 말단(즉, 여기서 입력 레이저 펄스들이 시드 레이저(102)로부터 수신된다) 및 제1 말단에 대향하는 제2 말단(즉, 여기서 조절된 레이저 펄스들이 증폭기(106)로 전달된다)을 갖는 광섬유(예를 들어, 단일 모드, 보통 분산 광섬유)를 포함한다. 각 입력 레이저 펄스가 광섬유 내에서 제1 말단으로부터 제2 말단으로 전달됨에 따라, 각 레이저 펄스는 그렇게 함으로써 조절된 레이저 펄스가 되기 위해 SPM 및 그룹 속도 분산(GVD)을 격는다.
광섬유 내에서 이동하며, 입력 레이저 펄스의 시간적 세기 프로필은 조절된 레이저 펄스가 입력 레이저 펄스의 입력 레이저 펄스 지속기간보다 긴 조절된 펄스 지속기간을 달성하도록 GVD 및 SPM의 연합 작용으로 인해 변형되어 간다. 예를 들어, 조절된 레이저 펄스의 조절된 레이저 펄스 지속기간은 입력 레이저 펄스의 입력 레이저 펄스 지속기간 보다 1.5 내지 5배 더 긴(또는 그 부근) 범위 내일 수 있다. 일 실시예에서, 조절된 펄스 지속기간은 입력 레이저 펄스 지속기간보다 1.5 내지 2.5배 더 긴 범위 내일 수 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 펄스 조절기(104)에 의해 출력된 조절된 레이저 펄스의 조절된 펄스 지속기간은 58.5 ps일 수 있다.
또한, 각 입력 레이저 펄스들이 광섬유를 통해 이동함에 따라, GVD 및 SPM은 조절된 레이저 펄스가 도 4에 도시된 프로필과 같은 시간적 세기 프로필(예를 들어, 적어도 근사 파라볼릭 시간적 세기 프로필)을 달성하도록 입력 레이저 펄스의 시간적 세기 프로필을 변형시킨다. 일반적으로, 앞서 언급된 미스피스 파라미터 M에 의해 특징지어질 때, 조절된 시간적 세기 프로필은 0.13 미만의 M 값을 갖는다. 일 실시예에서, 조절된 시간적 세기 프로필은 0.11 내지 0.01, 또는 그 부근 범위 내인 M 값을 갖는다.
또한, 각 입력 레이저 펄스가 광섬유의 제1 말단으로부터 제2 말단으로 전달되기 때문에, 입력 레이저 펄스는 또한 적어도 근사 직선으로 처프되며, 따라서 그 결과로 생긴 조절된 레이저 펄스는 도 5에 도시된 바와 같이 조절된 스펙트럼 대역폭을 갖는 공간적 프로필을 달성한다. 일반적으로, 조절된 레이저 펄스의 조절된 스펙트럼 대역폭은 입력 레이저 펄스의 입력 스펙트럼 대역폭보다 클 것이다(예를 들어, 입력 스펙트럼 대역폭의 20 내지 100배, 또는 그 부근 범위 내). 일 실시예에서, 조절된 스펙트럼 대역폭은 0.1 nm 내지 10 nm, 또는 그 부근 범위이다. 예를 들어, 조절된 스펙트럼 대역폭은 0.3 nm 내지 8 nm 범위(예를 들어, 1 nm 내지 5nm 범위 내)일 수 있다. 도 5에 도시된 바와 같이, 펄스 조절기(104)에 의해 출력된 조절된 레이저 펄스의 대표적인 조절된 스펙트럼 대역폭은 3.1 nm일 수 있다.
광섬유는 50 m 내지 2000m 범위, 또는 그 부근 범위 내의, 제1 말단으로부터 제2 말단까지 측정된, 길이를 갖는다. 일 실시예에서, 광섬유는 50 m 내지 500 m (예를 들어, 100 m 내지 400m) 범위 내 길이를 가질 수 있다. 광섬유는 3 ㎛ 내지 25 ㎛, 또는 그 부근 범위 내 중심 직경을 가질 수 있다. 일 실시예에서, 광섬유의 중심 직경은 4 ㎛ 내지 15 ㎛ 범위 내(예를 들어, 6 ㎛ 내지 10 ㎛ 범위 내)일 수 있다. 광섬유는 1 x 10-16 cm2/W 내지 10 x 10-16 cm2/W 범위 내 비선형 굴절률을 가질 수 있다. 일 실시예에서, 광섬유의 비선형 굴절률은 2 x 10-16 cm2/W 내지 5 x 10-16 cm2/W 범위 내(예를 들어, 2.5 x 10-16 cm2/W 내지 3.5 x 10-16 cm2/W 범위 내)일 수 있다. 광섬유는 0.001 ps2/m 내지 0.25 ps2/m, 또는 그 부근 범위 내 그룹 속도 분산을 가질 수 있다. 일 실시예에서, 광섬유의 그룹 속도 분산은 0.02 ps2/m 내지 0.15 ps2/m 범위 내(예를 들어, 0.02 ps2/m 내지 0.05 ps2/m 범위 내)일 수 있다. 일반적으로, 광섬유의 앞서 언급된 특징들은 적어도 근사 파라볼릭 시간적 세기 프로필을 갖는 조절된 레이저 펄스를 내는 SPM 및 GVD 사이 적절한 균형을 달성하기 위해 입력 레이저 펄스의 특성들(예를 들어, 중심 파장, 펄스 지속기간, 피크 전력 등)에 따라 조정될 수 있다. 예를 들어, 광섬유의 길이 및/또는 그룹 속도 분산은 입력 펄스 지속기간을 증가시키며 증가될 수 있다. 또한, 광섬유 및 피크 전력 입력 레이저 펄스들(각 입력 레이저 펄스의 입력 펄스 지속기간뿐만 아니라)의 길이는 원하거나 유익한 시간적 세기 프로필 및 스펙트럼 처프를 갖는 조절된 레이저 펄스를 생성하기 위해 자체 위상 변조(SPM) 및 그룹 속도 분산(GVD)의 원하거나 유익한 균형을 제공하도록 산출될 수 있다. 광섬유의 하나 이상의 특성들(예를 들어, 광섬유의 길이), 입력 레이저 펄스(예를 들어, 입력 펄스 지속기간, 입력 펄스 에너지 등), 또는 이들의 조합에 따라, 조절된 레이저 펄스는 2 내지 100 범위 내, 솔리톤 수 N을 갖는 것과 같이 특징지어질 수 있다. 일 실시예에서, N은 2 내지 64 범위 내(예를 들어, 2.4, 또는 그 부근)일 수 있다.
증폭기(106)는 펄스 조절기(104)로부터 출력된 조절된 레이저 펄스들을 수신하고, 그렇게 함으로써 증폭된 레이저 펄스들을 형성하기 위해 조절된 레이저 펄스들의 전력을 증가시키며, 증폭된 레이저 펄스들을 출력하도록(예를 들어, 화살표(106a)에 표시된 바와 같이) 구성된다. 일 실시예에서, 증폭기(106)는 1 kW 내지 4 MW, 또는 그 부근 범위의 피크 전력을 갖는 증폭된 레이저 펄스들을 발생시키도록 구성될 수 있다.
일반적으로, 증폭기(106)는 단일 스테이지 광학 증폭 시스템으로서, 또는 멀티 스테이지 증폭 시스템으로서 제공될 수 있다. 예를 들어, 증폭기(106)는 조절된 레이저 펄스를 증폭함으로써 예비 증폭된 레이저 펄스를 생성하도록 구성된 전치 증폭기 스테이지, 및 예비 증폭된 레이저 펄스를 더 증폭함으로써 앞서 언급된 증폭된 레이저 펄스를 생성하도록 구성된 전력 증폭기 스테이지를 포함할 수 있다. 증폭기 스테이지는 20 m 미만(예를 들어, 3 m 미만)의 길이를 갖고, 예를 들어, 어븀, 네오디뮴, 이터븀, 프라세오디뮴, 톨륨, 또는 그 밖에 유사한 것 또는 이들의 조합과 같은 도펀트 이온들로 도핑된 실리카 코어(예를 들어, 20 ㎛ 내지 100 ㎛, 또는 그 부근 범위의 직경을 갖는)를 포함하는 파이버 증폭기를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 파이버 증폭기는 다수 모드 광섬유, 단일 모드 광섬유 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 다른 실시예들에서, 증폭기 스테이지는 멀티 패스 증폭기, 재생 증폭기, 또는 그 밖에 유사한 것 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 증폭 스테이지 내에서, 증폭기의 이득 매체들은 파이버 흡수를 증가시키고 그것의 길이를 감소시키기 위해 큰 코어 직경 및 작은 펌프 클래드 직경을 갖도록 선택될 수 있다. 예로서, 전치 증폭기 스테이지는 976 nm으로 동작하는 50 W 다이오드 레이저를 사용하여 펌핑되는 40 ㎛ 코어 로드 타입 파이버와 제공될 수 있고, 전력 증폭기 스테이지는 976 nm으로 동작하는 200 W 다이오드 레이저를 사용하여 펌핑되는 75 ㎛ 로드 타입 파이버와 제공될 수 있다. 두 개의 증폭기 스테이지들은 광 아이솔레이터를 사용하여 분리될 수 있다.
상기 설명된 바와 같이 구성되면, 증폭기(106)는 증폭된 레이저 펄스를 생성하기 위해 각 조절된 레이저 펄스를 증폭한다. 증폭기(106)에서, 조절된 레이저 펄스들은 강한 SPM을 경험하나, 증폭기(106)의 길이가 상대적으로 작기 때문에 어떤 GVD도 경험하지 않는다(또는 적어도 실질적으로). 각 조절된 레이저 펄스의 시간적 세기 프로필은 상기 논의된 바와 같이 적어도 근사 파라볼릭이기 때문에, 증폭기(106) 내 임의의 SPM은 그것이 증폭될 때 레이저 펄스 상에 근사 파라볼릭 위상을 유도한다. 결과적으로, 증폭기(106)에 의해 출력된 증폭된 레이저 펄스는 그것이 생성되었던 조절된 레이저 펄스의 펄스 지속기간 및 시간적 세기 프로필을 적어도 실질적으로 유지한다. 결과적으로, 증폭기(106)에 의해 출력된 각 증폭된 레이저 펄스의 시간적 세기 프로필은 1 이상인 값을 갖는 양호도, Q에 의해 특징지어질 수 있다. 일부 실시예들에서, 증폭된 레이저 펄스들의 Q 팩터는 1.8 이상까지일 수 있다. 본 출원에서의 논의의 목적들을 위해, 양호도, Q는 다음 식에 의해 획득된다:
Figure pct00012
여기서 τFWHM는 압축된 레이저 펄스의 펄스 지속기간이고, τC는 다음 식에 의해 획득되며:
Figure pct00013
여기서
Figure pct00014
및
Figure pct00015
여기서 t는 시간(예를 들어, 초로 측정된)이고 I(t)는 시간 함수로서의 레이저 펄스 세기이다. 증폭기(106) 내에 유도되는 근사 파라볼릭 위상은 매우 강한 비-선형성이 있는데서도 적어도 실질적으로 선형을 통제하기 위해 증폭기(106) 내 임의의 추가적인 처프를 유지한다. 이와 같이, 증폭기(106)에 의해 출력된 증폭된 레이저 펄스들은 도 6에 예시된 바와 같이 공간적 프로필을 달성한다. 도 6에 도시된 바와 같이, 증폭기(106)에 의해 출력된 증폭된 레이저 펄스의 대표적인 스펙트럼 대역폭은 3.6 nm일 수 있다.
장치(100)와 함께 존재할 때, 펄스 압축기(108)는 증폭기(106)로부터 출력된 증폭된 레이저 펄스들을 수신하고, 그렇게 함으로써 증폭된 레이저 펄스들과 비교하여 시간적으로 압축되는 압축된 레이저 펄스들을 형성하기 위해 증폭된 레이저 펄스들을 디-처프하며, 압축된 레이저 펄스들을 출력하도록(예를 들어, 화살표(108a)에 의해 표시된 바와 같이) 구성된다. 일반적으로, 펄스 압축기(108)는 증폭된 레이저 펄스들의 선형적으로 처프된 스펙트럼을 디-처프하도록 구성된 분산 펄스 압축기(예를 들어, 한 쌍의 회절 격자들, 프리즘 쌍, 광 파이버, 처프된 미러, 처프된 파이버 브래그 격자, 볼륨 브래그 격자, 또는 그 밖에 유사한 것 또는 이들의 조합)로서 제공된다. 일 실시예에서, 펄스 압축기(108)는 한 쌍의 1800 l/mm 격자들로서 제공된다.
증폭된 레이저 펄스들을 디-처프할 때, 각 증폭된 레이저 펄스의 시간적 세기 프로필의 파라볼릭 위상은 시간적으로 압축되고 펄스 압축기(108)에 의해 출력된 압축된 레이저 펄스들의 스펙트럼 대역폭은 증폭기(106)에 의해 출력된 증폭된 레이저 펄스들의 스펙트럼 대역폭과 본질적으로 유사하다.
각 압축된 레이저 펄스는 그것이 생성되었던 레이저 펄스의 펄스 지속기간 미만의 압축된 펄스 지속기간을 가질 수 있다. 예를 들어, 압축된 펄스 지속기간은 조절된 펄스 지속기간 미만의 10 내지 100배 범위 내일 수 있다(이는 증폭된 레이저 펄스와 적어도 실질적으로 동일한 펄스 지속기간이다). 또한, 압축된 펄스 지속기간은 입력 레이저 펄스 지속기간 미만의 10 내지 60배 범위 내일 수 있다. 일 실시예에서, 압축된 펄스 지속기간은 0.1 ps 내지 10 ps, 또는 그 부근 범위 내일 수 있다. 예를 들어, 압축된 펄스 지속기간은 0.3 ps 내지 3 ps 내(예를 들어, 0.5 ps 내지 1.5 ps 내)일 수 있다. 도 7은 1.0 ps의 압축된 펄스 지속기간을 갖는 압축된 레이저 펄스의 시간적 세기 프로필의 대표적인 자기상관 기록을 예시한다. 증폭된 레이저 펄스들을 시간적으로 압축할 시, 각 압축된 레이저 펄스가 10 kW 내지 500 MW 범위 내 피크 전력을 달성할 수 있다.
시드 레이저(102)에 의해 출력된 입력 레이저 펄스들은 적어도 실질적으로 선형적으로 처프되기 때문에(예를 들어, 먼저 펄스 조절기(104)에 의해 그리고 그 후 증폭기(106)에 의해), 그리고 펄스 조절기(104)에 의해 출력된 조절된 레이저 펄스들의 시간적 세기 프로필은 증폭기(106)에 의해 출력된 증폭된 레이저 펄스들에 의해 적어도 실질적으로 유지되기 때문에, 펄스 압축기(108)에 의해 출력된 압축된 레이저 펄스들은 그것들을 자재 프로세싱 애플리케이션들에서 사용하기에 유익하게 적합하게 만드는 시간적 세기 프로필을 갖는다. 특히, 펄스 압축기(108)에 의해 출력된 각 압축된 레이저 펄스의 시간적 세기 프로필은 0.2 내지 0.5 범위 내 값을 갖는 양호도, Q에 의해 특징지어질 수 있다. 그러나, 증폭된 레이저 펄스가 압축된 레이저 펄스, 증폭된 레이저 펄스의 양호도 등을 생성하기 위해 압축되는 정도와 같은 팩터들에 따라, 펄스 압축기(108)에 의해 출력된 압축된 레이저 펄스의 양호도는 0.5 초과일 수 있다. 앞서 언급된 펄스 조절기(104)가 장치(100)로부터 생략되면, 증폭기(106)에 의해 출력된 증폭된 레이저 펄스들의 공간적 프로필은 도 8에 도시된 바와 같이, 상당히 비-선형적으로 처프될 수 있다. 결과적으로, 펄스 압축기(108)에 의해 출력된 압축된 레이저 펄스들은 0.06의 Q 팩터 값을 갖는, 도 9에 대표적으로 도시된 바와 같은 시간적 세기 프로필을 달성할 수 있다. 도 9에 도시된 것과 같은 시간적 세기 프로필을 갖는 레이저 펄스들은 FWHM 펄스 지속기간 5배의 그러한 레이저 펄스들의 로컬 전력이 레이저 펄스의 피크 전력의 1% 초과이기 때문에 자재 프로세싱 애플리케이션들에 적합하지 않다.
예
상기 논의된 실시예들의 하나의 대표적인 구현예에서, 시드 레이저(102)는 15 ps 내지 50 ps 범위 내(예를 들어, 38 ps) 입력 펄스 지속기간 및 도 2에 도시된 것과 같은 입력 시간적 세기 프로필(예를 들어, 가우시안 프로필) 및 도 3에 도시된 것과 같은 스펙트럼 프로필을 갖는, 푸리에 변환 제한 펄스들을 전달하는 모드 잠금 레이저로서 제공될 수 있다.
시드 레이저(102)에 의해 발생된 입력 레이저 펄스들은 펄스 조절기(104)로 전달되며, 이는 용융 실리카 단일 모드 광섬유(예를 들어, 통신 파이버)로서 제공된다. 광섬유를 통해 전파하는 동안, 입력 레이저 펄스는 그렇게 함으로써 조절된 레이저 펄스가 되기 위해 SPM 및 그룹 속도 분산(GVD)을 겪는다. 입력 레이저 펄스의 시간적 세기 프로필은 조절된 레이저 펄스가 도 4에 도시된 것과 같은 시간적 세기 프로필(예를 들어, 적어도 근사 파라볼릭 시간적 세기 프로필)을 달성하도록 GVD 및 SPM의 연합 작용으로 인해 조절되어진다. 입력 레이저 펄스는 적어도 근사 직선으로 처프되어지고 조절된 레이저 펄스는 도 5에 도시된 바와 같은 스펙트럼 프로필을 달성한다. 광섬유의 길이 및 입력 레이저 펄스들의 피크 전력 및 펄스 지속기간이 앞서 언급된 시간적 세기 프로필 및 스펙트럼 처프를 갖는 펄스를 생성하기 위해 자체 위상 변조(SPM) 및 그룹 속도 분산(GVD)의 정확한 균형을 제공하도록 신중하게 고려된다.
그 후 조절된 펄스들은 레이저 펄스들이 1MW까지의 피크 전력을 갖는 증폭된 레이저 펄스들을 생성하기 위해, 104 내지 106의 팩터에 의해 증폭될 수 있는 파이버 증폭기(106)(예를 들어, 하나 이상의 Yb-도핑된 파이버 증폭기 스테이지들로 구성된)에 송신된다. 증폭기(106)에서, 조절된 레이저 펄스들은 강한 SPM을 경험하나, 증폭기(106)의 길이가 상대적으로 작기 때문에(예를 들어, 3 m 미만) 어떤 GVD도 경험하지 않는다(또는 적어도 실질적으로). 각 조절된 레이저 펄스의 시간적 세기 프로필은 상기 논의된 바와 같이 적어도 근사 파라볼릭이기 때문에, 증폭기(106) 내 임의의 SPM은 그것이 증폭될 때 레이저 펄스 상에 근사 파라볼릭 위상을 유도한다. 결과적으로, 증폭된 레이저 펄스들은 도 4에 도시된 바와 같은 시간적 세기 프로필을 적어도 실질적으로 유지한다. 증폭기(106) 내에서 유도되는 근사 파라볼릭 위상은 매우 강한 비-선형성이 있는데서도 적어도 실질적으로 선형인 증폭기(106) 내에서 처프를 유지한다. 이렇게 하여, 각 증폭된 레이저 펄스는 도 6에 예시된 바와 같은 스펙트럼 프로필을 달성한다.
일 실시예에서, 증폭기(106)의 출력(106a)에서 발생된 증폭된 레이저 펄스들-1 내지 수십 피코초 단위의 펄스 지속기간들을 갖는-은 자재 프로세싱 애플리케이션들을 위해 원하는 바대로 사용될 수 있다. 그러나, 다른 실시예에서, 증폭기(106)의 출력(106a)에서 발생된 증폭된 레이저 펄스들은 압축기(108)(예를 들어, 한 쌍의 회절 격자들, 처프된 볼륨 브래그 격자(VBG; Volume Bragg Grating) 등)에 송신될 수 있고, 여기서 압축기는 증폭된 레이저 펄스들의 선형적으로 처프된 스펙트럼을 디-처프함으로써 입력 펄스 지속기간보다 10 내지 60배 더 짧은 압축된 펄스 지속기간으로 증폭된 레이저 펄스들을 시간적으로 압축할 수 있다. 바람직하게는, 압축된 레이저 펄스들의 시간적 세기 프로필은 레이저 펄스들이 장치 내 다양한 스테이지들에서 적어도 실질적으로 선형으로 처프되었기 때문에 자재 프로세싱 애플리케이션들에 유익하게 적합하다. 압축기(108)는 증폭된 레이저 펄스들의 시간적 세기 프로필의 파라볼릭 위상을 압축한다. 이와 같이, 펄스 조절기(104)가 생략되면, 증폭된 레이저 펄스들의 시간적 세기 프로필은 두드러지게 가우시안일 수 있고 압축된 레이저 펄스는 자재 프로세싱 애플리케이션들에 적합하지 않은, 도 9에 도시된 것과 같은 시간적 세기 프로필을 달성할 수 있다.
상기 내용은 본 발명의 예시적인 실시예들의 예시이고 그의 제한으로서는 해석되지 않아야 한다. 몇몇 예시적인 실시예가 설명되었지만, 당해 기술분야의 통상의 기술자들은 많은 변형이 본 발명의 새로운 교시들 및 이점들로부터 실질적으로 벗어나지 않고 가능하다는 것을 용이하게 인식할 것이다. 따라서, 모든 그러한 변형들이 다음 청구항들에 정의된 바와 같은 본 발명의 범위 내에 포함되도록 의도된다.
다음 절들은 상기에서 설명된 기술에 따른 장치 및 방법들의 다양한 예들의 측면들을 설명한다.
1. 장치에 있어서:
펄스 조절기로서, 입력 레이저 펄스의 시간적 세기 프로필을 변형하도록 구성됨으로써, 0.13 미만의 미스피트 파라미터(misfit parameter), M에 의해 특징지어지는 조절된 시간적 세기 프로필을 갖는 조절된 레이저 펄스를 생성하며, 여기서 M은 다음 식에 의해 획득되고:
Figure pct00016
여기서 |Ψ(t)|2는 조절된 레이저 펄스의 펄스 시간적 세기 프로필을 나타내며 |ΨPfit(t)|2는 조절된 레이저 펄스의 파라볼릭 피트를 나타내는, 상기 펄스 조절기; 및
펄스 조절기 소스의 출력에 결합되고 조절된 레이저 펄스의 전력을 증가시킴으로써, 증폭된 레이저 펄스를 생성하도록 구성되는 증폭기를 포함하는, 장치.
2. 절 1에 있어서, 펄스 조절기는 조절된 레이저 펄스가 조절된 스펙트럼 대역폭을 갖도록 입력 레이저 펄스의 스펙트럼 대역폭을 확장하도록 더 구성되는, 장치.
3. 절 1 또는 2에 있어서, 펄스 조절기는 입력 레이저 펄스를 적어도 근사 직선으로 처프하도록 더 구성되는, 장치.
4. 절 1 내지 3 중 어느 하나에 있어서, 증폭된 레이저 펄스의 시간적 세기 프로필은 조절된 레이저 펄스의 형상과 적어도 실질적으로 동일한 형상을 갖는, 장치.
5. 절 1 내지 4 중 어느 하나에 있어서, 증폭된 레이저 펄스의 시간적 세기 프로필은 1 이상의 양호도, Q에 의해 특징지어지고, 여기서 Q는 다음 식에 의해 획득되고:
Figure pct00017
여기서 τFWHM은 조절된 레이저 펄스의 상기 펄스 지속기간이고, τC는 다음 식에 의해 획득되며:
Figure pct00018
여기서
Figure pct00019
및
Figure pct00020
여기서 t는 시간(예를 들어, 초로 측정된)이고 I(t)는 시간 함수로서의 레이저 펄스 세기인, 장치.
6. 절 5에 있어서, 증폭된 레이저 펄스의 시간적 세기 프로필은 1.8 이하의 양호도, Q에 의해 특징지어지는, 장치.
7. 절 1 내지 6에 있어서, 증폭기는 조절된 레이저 펄스를 적어도 근사 직선으로 처프하도록 더 구성되는, 장치.
8. 절 1 내지 7 중 어느 하나에 있어서, 증폭된 레이저 펄스를 시간적으로 압축함으로써 압축된 레이저 펄스를 발생시키도록 구성된 펄스 압축기를 더 포함하는, 장치.
9. 절 8에 있어서, 펄스 압축기는 증폭된 레이저 펄스를 디-처프하도록 구성되는, 장치.
10. 절 8 또는 9에 있어서, 압축된 레이저 펄스의 시간적 세기 프로필은 0.2 이상의 양호도, Q에 의해 특징지어지고, 여기서 Q는 다음 식에 의해 획득되고:
Figure pct00021
여기서 τFWHM은 압축된 레이저 펄스의 펄스 지속기간이고, τC는 다음 식에 의해 획득되며:
Figure pct00022
여기서
Figure pct00023
및
Figure pct00024
여기서 t는 시간(예를 들어, 초로 측정된)이고 I(t)는 시간 함수로서의 레이저 펄스 세기인, 장치.
11. 절 10에 있어서, 압축된 레이저 펄스의 시간적 세기 프로필은 0.5 이하의 양호도, Q에 의해 특징지어지는, 장치.
12. 절 1 내지 11 중 어느 하나에 있어서, 입력 레이저 펄스를 발생시키도록 구성된 시드 레이저를 더 포함하는, 장치.
13. 장치에 있어서:
0.13 미만의 미스피트 파라미터, M에 의해 특징지어지는 시간적 세기 프로필을 갖는 레이저 펄스를 발생시키도록 구성된 파라볼릭 펄스 소스(parabolic pulse source)로서, 여기서 M은 다음 식에 의해 획득되고:
Figure pct00025
여기서 |Ψ(t)|2는 레이저 펄스의 펄스 시간적 세기 프로필을 나타내며 |ΨPfit(t)|2는 레이저 펄스의 파라볼릭 피트를 나타내는, 상기 파라볼릭 펄스 소스; 및
파라볼릭 펄스 소스의 출력에 결합되고 레이저 펄스의 전력을 증가시킴으로써 증폭된 레이저 펄스를 생성하도록 구성된 증폭기를 포함하는, 장치.
14. 절 13에 있어서, 파라볼릭 펄스 소스는:
입력 시간적 세기 프로필을 갖는 입력 레이저 펄스를 발생시키도록 구성된 시드 레이저; 및
입력 시간적 세기 프로필을 변형시킴으로써, 0.13 미만의 M 값에 의해 특징지어지는 시간적 세기 프로필을 갖는 레이저 펄스를 생성하도록 구성된 펄스 조절기를 포함하는, 장치.
15. 절 13 또는 14에 있어서, 증폭된 레이저 펄스를 시간적으로 압축함으로써 압축된 레이저 펄스를 발생시키도록 구성된 펄스 압축기를 더 포함하는, 장치.
16. 장치에 있어서:
적어도 1 ps의 펄스 지속기간을 갖는 입력 레이저 펄스의 시간적 세기 프로필을 변형함으로써, 조절된 레이저 펄스를 생성하도록 구성된 펄스 조절기;
펄스 조절기 소스의 출력에 결합되고 조절된 레이저 펄스의 전력을 증가시킴으로써, 증폭된 레이저 펄스를 생성하도록 구성되는 증폭기; 및
증폭된 레이저 펄스를 일시적으로 압축함으로써, 입력 펄스 지속기간 미만의 압축된 펄스 지속기간을 갖는 압축된 레이저 펄스를 발생시키도록 구성된 펄스 압축기를 포함하는, 장치.
17. 절 1 내지 16 중 어느 하나에 있어서, 펄스 조절기는 제1 단부 및 제1 단부에 대향하는 제2 단부를 갖는 광섬유를 포함하는, 장치.
18. 절 17에 있어서, 광섬유는 단일 모드 파이버인, 장치.
19. 절 17 또는 18에 있어서, 광섬유는 보통의 분산 광섬유인, 장치.
20. 절 17 내지 19 중 어느 하나에 있어서, 제1 단부로부터 제2 단부까지 광섬유의 길이는 50 m 내지 2000 m 범위 내인, 장치.
21. 절 17 내지 20 중 어느 하나에 있어서, 제1 단부로부터 제2 단부까지 광섬유의 길이는 50 m 내지 500 m 범위 내인, 장치.
22. 절 17 내지 21 중 어느 하나에 있어서, 제1 단부로부터 제2 단부까지 광섬유의 길이는 100 m 내지 400 m 범위 내인, 장치.
23. 절 17 내지 22 중 어느 하나에 있어서, 광섬유는 3 ㎛ 내지 25 ㎛ 범위 내의 코어 직경을 갖는, 장치.
24. 절 17 내지 23 중 어느 하나에 있어서, 광섬유는 4 ㎛ 내지 15 ㎛ 범위 내의 코어 직경을 갖는, 장치.
25. 절 17 내지 24 중 어느 하나에 있어서, 광섬유는 6 ㎛ 내지 10 ㎛ 범위 내의 코어 직경을 갖는, 장치.
26. 절 17 내지 25 중 어느 하나에 있어서, 광섬유는 1 x 10-16 cm2/W 내지 10 x 10-16 cm2/W 범위 내 비선형 굴절률을 갖는, 장치.
27. 절 17 내지 26 중 어느 하나에 있어서, 광섬유는 2 x 10-16 cm2/W 내지 5 x 10-16 cm2/W 범위 내 비선형 굴절률을 갖는, 장치.
28. 절 17 내지 27 중 어느 하나에 있어서, 광섬유는 2.5 x 10-16 cm2/W 내지 3.5 x 10-16 cm2/W 범위 내 비선형 굴절률을 갖는, 장치.
29. 절 17 내지 28 중 어느 하나에 있어서, 광섬유는 0.001 ps2/m 내지 0.25 ps2/m 범위 내 그룹 속도 분산을 갖는, 장치.
30. 절 17 내지 29 중 어느 하나에 있어서, 광섬유는 0.02 ps2/m 내지 0.15 ps2/m 범위 내 그룹 속도 분산을 갖는, 장치.
31. 절 17 내지 30 중 어느 하나에 있어서, 광섬유는 0.02 ps2/m 내지 0.05 ps2/m 범위 내 그룹 속도 분산를 갖는, 장치.
32. 절 1 내지 31 중 어느 하나에 있어서, 조절된 레이저 펄스는 0.11 이하인 M 값을 갖는 조절된 시간적 세기 프로필을 갖는, 장치.
33. 절 1 내지 32 중 어느 하나에 있어서, 조절된 레이저 펄스는 0.10 이하인 M 값을 갖는 조절된 시간적 세기 프로필을 갖는, 장치.
34. 절 1 내지 33 중 어느 하나에 있어서, 조절된 레이저 펄스는 0.09 이하인 M 값을 갖는 조절된 시간적 세기 프로필을 갖는, 장치.
35. 절 1 내지 34 중 어느 하나에 있어서, 조절된 레이저 펄스는 0.08 이하인 M 값을 갖는 조절된 시간적 세기 프로필을 갖는, 장치.
36. 절 1 내지 35에 있어서, 조절된 레이저 펄스는 0.07 이하인 M 값을 갖는 조절된 시간적 세기 프로필을 갖는, 장치.
37. 절 1 내지 36 중 어느 하나에 있어서, 조절된 레이저 펄스는 0.06 이하인 M 값을 갖는 조절된 시간적 세기 프로필을 갖는, 장치.
38. 절 1 내지 37 중 어느 하나에 있어서, 조절된 레이저 펄스는 0.05 이하인 M 값을 갖는 조절된 시간적 세기 프로필을 갖는, 장치.
39. 절 1 내지 38 중 어느 하나에 있어서, 조절된 레이저 펄스는 0.04 이하인 M 값을 갖는 조절된 시간적 세기 프로필을 갖는, 장치.
40. 절 1 내지 39 중 어느 하나에 있어서, 조절된 레이저 펄스는 0.03 이하인 M 값을 갖는 조절된 시간적 세기 프로필을 갖는, 장치.
41. 절 1 내지 40 중 어느 하나에 있어서, 조절된 레이저 펄스는 0.02 이하인 M 값을 갖는 조절된 시간적 세기 프로필을 갖는, 장치.
42. 절 1 내지 41 중 어느 하나에 있어서, 조절된 레이저 펄스는 0.01 이하인 M 값을 갖는 조절된 시간적 세기 프로필을 갖는, 장치.
43. 절 1 내지 42 중 어느 하나에 있어서, 입력 레이저 펄스는 조절된 시간적 세기 프로필에 대한 M 값 보다 큰 M 값을 갖는 입력 시간적 세기 프로필을 갖는, 장치.
44. 절 43에 있어서, 입력 시간적 세기 프로필의 M 값은 0.13 이상인, 장치.
45. 절 1 내지 44 중 어느 하나에 있어서, 입력 레이저 펄스의 입력 시간적 세기 프로필은 가우시안 프로필인, 장치.
46. 절 1 내지 45 중 어느 하나에 있어서, 입력 레이저 펄스의 입력 시간적 세기 프로필은 sech2 프로필인, 장치.
47. 절 1 내지 46 중 어느 하나에 있어서, 입력 레이저 펄스의 입력 시간적 세기 프로필은 로렌치안 프로필인, 장치.
48. 절 1 내지 47 중 어느 하나에 있어서, 입력 레이저 펄스는 1 ps 보다 긴 입력 펄스 지속기간을 갖는, 장치.
49. 절 1 내지 48 중 어느 하나에 있어서, 입력 레이저 펄스는 100 ps 보다 짧은 펄스 지속기간을 갖는, 장치.
50. 절 1 내지 49 중 어느 하나에 있어서, 입력 레이저 펄스는 15 ps 내지 50 ps 범위 내 입력 펄스 지속기간을 갖는, 장치.
51. 절 1 내지 50 중 어느 하나에 있어서, 조절된 레이저 펄스는 입력 레이저 펄스의 입력 레이저 펄스 지속기간보다 긴 조절된 펄스 지속기간을 갖는, 장치.
52. 절 1 내지 51 중 어느 하나에 있어서, 조절된 펄스 지속기간은 입력 펄스 지속기간보다 1.5 내지 5배 더 긴 범위 내인, 장치.
53. 절 1 내지 52 중 어느 하나에 있어서, 조절된 펄스 지속기간은 입력 레이저 펄스 지속기간보다 1.5 내지 2.5배 더 긴 범위 내인, 장치.
54. 절 1 내지 53 중 어느 하나에 있어서, 압축된 레이저 펄스는 조절된 레이저 펄스의 조절된 펄스 지속기간 미만의 압축된 펄스 지속기간을 갖는, 장치.
55. 절 54에 있어서, 압축된 펄스 지속기간은 조절된 펄스 지속기간보다 10 내지 100배 더 짧은 범위 내인, 장치.
56. 절 54 또는 55에 있어서, 압축된 레이저 펄스는 입력 레이저 펄스의 입력 레이저 펄스 지속기간보다 짧은 압축된 펄스 지속기간을 갖는, 장치.
57. 절 56에 있어서, 압축된 펄스 지속기간은 입력 레이저 펄스 지속기간보다 10 내지 60배 더 짧은 범위 내인, 장치.
58. 절 54 내지 57 중 어느 하나에 있어서, 압축된 펄스 지속기간은 0.1 ps 내지 10 ps 범위 내인, 장치.
59. 절 54 내지 58 중 어느 하나에 있어서, 압축된 펄스 지속기간은 0.3 ps 내지 3 ps 범위 내인, 장치.
60. 절 54 내지 59 중 어느 하나에 있어서, 압축된 펄스 지속기간은 0.5 ps 내지 1.5 ps 범위 내인, 장치.
61. 절 1 내지 61중 어느 하나에 있어서, 입력 레이저 펄스는 0.01 nm 내지 1 nm 범위 내 입력 스펙트럼 대역폭을 갖는, 장치.
62. 절 61에 있어서, 입력 스펙트럼 대역폭은 0.01 nm 내지 0.3 nm 범위 내인, 장치.
63. 절 61 내지 62 중 어느 하나에 있어서, 입력 스펙트럼 대역폭은 0.03 nm 내지 0.15 nm 범위 내인, 장치.
64. 절 1 내지 63 중 어느 하나에 있어서, 조절된 레이저 펄스는 입력 레이저 펄스의 입력 스펙트럼 대역폭보다 긴 조절된 스펙트럼 대역폭을 갖는, 장치.
65. 절 64에 있어서, 조절된 스펙트럼 대역폭은 입력 스펙트럼 대역폭의 20 내지 100배의 범위 내인, 장치.
66. 절 64 또는 65에 있어서, 조절된 스펙트럼 대역폭은 0.1 nm 내지 10 nm 범위 내인, 장치.
67. 절 64 내지 66 중 어느 하나에 있어서, 조절된 스펙트럼 대역폭은 0.3 nm 내지 8 nm 범위 내인, 장치.
68. 절 64 내지 67 중 어느 하나에 있어서, 조절된 스펙트럼 대역폭은 1 nm 내지 5 nm 범위 내인, 장치.
69. 절 1 내지 68 중 어느 하나에 있어서, 입력 레이저 펄스는 260 nm 보다 큰 입력 중심 파장을 갖는, 장치.
70. 절 1 내지 69 중 어느 하나에 있어서, 입력 레이저 펄스는 2600 nm 보다 짧은 입력 중심 파장을 갖는, 장치.
71. 절 69 또는 70에 있어서, 입력 레이저 펄스는 적외선 스펙트럼의 입력 중심 파장을 갖는, 장치.
72. 절 69 또는 70에 있어서, 입력 레이저 펄스는 가시 스펙트럼 내 입력 중심 파장을 갖는, 장치.
73. 절 69 또는 70에 있어서, 입력 레이저 펄스는 자외선 스펙트럼 내 입력 중심 파장을 갖는, 장치.
74. 절 1 내지 73 중 어느 하나에 있어서, 입력 레이저 펄스는 10 pJ 내지 10 nJ 범위 내 입력 펄스 에너지를 갖는, 장치.
75. 절 1 내지 74 중 어느 하나에 있어서, 입력 레이저 펄스는 100 pJ 내지 5 nJ 범위 내 입력 펄스 에너지를 갖는, 장치.
76. 절 1 내지 74 중 어느 하나에 있어서, 입력 레이저 펄스는 500 pJ 내지 3 nJ 범위 내 입력 펄스 에너지를 갖는, 장치.
77. 절 1 내지 76 중 어느 하나에 있어서, 증폭기는 파이버 증폭기를 포함하는, 장치.
78. 절 1 내지 77 중 어느 하나에 있어서, 파이버 증폭기는 단일 모드 광섬유를 포함하는, 장치.
79. 절 1 내지 78 중 어느 하나에 있어서, 파이버 증폭기는 어븀, 네오디뮴, 이터븀, 프라세오디뮴, 톨륨 또는 그 밖에 유사한 것 또는 이들의 조합과 같은 도펀트 이온들로 도핑된 실리카 코어를 포함하는, 장치.
80. 절 1 내지 79 중 어느 하나에 있어서, 코어는 20 ㎛ 내지 100 ㎛ 범위 내 직경을 갖는, 장치.
81. 절 1 내지 80 중 어느 하나에 있어서, 파이버 증폭기의 길이는 20 m 미만인, 장치.
82. 절 81에 있어서, 파이버 증폭기의 길이는 3 m 미만인, 장치.
83. 절 1 내지 82 중 어느 하나에 있어서, 증폭기는 멀티패스 증폭기를 포함하는, 장치.
84. 절 1 내지 83 중 어느 하나에 있어서, 증폭기는 재생 증폭기를 포함하는, 장치.
85. 절 1 내지 84 중 어느 하나에 있어서, 증폭기는:
조절된 레이저 펄스를 증폭함으로써, 예비 증폭된 레이저 펄스를 생성하도록 구성된 전치 증폭기; 및
예비 증폭된 레이저 펄스를 더 증폭함으로써, 증폭된 레이저 펄스를 생성하도록 구성되는 전력 증폭기 스테이지를 포함하는, 장치.
86. 절 1 내지 85 중 어느 하나에 있어서, 증폭된 레이저 펄스의 피크 전력은 1 kW 내지 4 MW 범위 내인, 장치.
87. 절 1 내지 86 중 어느 하나에 있어서, 압축된 레이저 펄스의 피크 전력은 10 kW 내지 500 MW 범위 내인, 장치.
88. 절 1 내지 87 중 어느 하나에 있어서, 펄스 압축기는 분산 펄스 압축기를 포함하는, 장치.
89. 절 1 내지 88 중 어느 하나에 있어서, 분산 펄스 압축기는 한 쌍의 회절 격자, 프리즘 격자, 광 파이버, 처프된 미러, 처프된 파이버 브래그 격자, 볼륨 브래그 격자, 또는 그 밖에 유사한 것 또는 이들의 조합을 포함하는, 장치.
90. 방법에 있어서:
입력 레이저 펄스의 시간적 세기 프로필을 변형함으로써, 0.13 미만의 미스피트 파라미터, M에 의해 특징지어지는 조절된 시간적 세기 프로필을 갖는 조절된 레이저 펄스를 생성하는 단계로서, 여기서 M은 다음 식에 의해 획득되고:
Figure pct00026
여기서 |Ψ(t)|2는 조절된 레이저 펄스의 펄스 시간적 세기 프로필을 나타내며 |ΨPfit(t)|2는 조절된 레이저 펄스의 파라볼릭 피트를 나타내는, 상기 생성하는 단계; 및
조절된 레이저 펄스를 증폭함으로써, 증폭된 레이저 펄스를 생성하는 단계를 포함하는, 방법.
91. 방법에 있어서:
적어도 1 ps의 펄스 지속기간을 갖는 입력 레이저 펄스의 시간적 세기 프로필을 변형함으로써, 조절된 레이저 펄스를 생성하는 단계;
조절된 레이저 펄스를 증폭함으로써, 증폭된 레이저 펄스를 생성하는 단계; 및
증폭된 레이저 펄스를 시간적으로 압축함으로써, 입력 펄스 지속기간 미만의 압축된 펄스 지속기간을 갖는 압축된 레이저 펄스를 발생시키는 단계를 포함하는, 방법.

Claims (24)

  1. 펄스 조절기로서, 입력 레이저 펄스의 시간적 세기 프로필을 변형하도록 구성됨으로써, 0.13 미만의 미스피트 파라미터(misfit parameter), M에 의해 특징지어지는 조절된 시간적 세기 프로필을 갖는 조절된 레이저 펄스를 생성하며, 여기서 M은 다음 식에 의해 획득되고:
    Figure pct00027

    여기서 |Ψ(t)|2는 상기 조절된 레이저 펄스의 상기 펄스의 시간적 세기 프로필을 나타내며 |ΨPfit(t)|2는 상기 조절된 레이저 펄스의 파라볼릭 피트(parabolic fit)를 나타내는, 상기 펄스 조절기; 및
    상기 펄스 조절기 소스의 출력에 결합되고 상기 조절된 레이저 펄스의 전력을 증가시킴으로써, 증폭된 레이저 펄스를 생성하도록 구성되는 증폭기를 포함하는, 장치.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 펄스 조절기는 상기 조절된 레이저 펄스가 조절된 스펙트럼 대역폭을 갖도록 상기 입력 레이저 펄스의 스펙트럼 대역폭을 확장하도록 더 구성되는, 장치.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 증폭된 레이저 펄스의 시간적 세기 프로필은 1이상의 양호도, Q에 의해 특징지어지고, 여기서 Q는 다음 식에 의해 획득되고:
    Figure pct00028

    여기서 τFWHM은 상기 조절된 레이저 펄스의 상기 펄스 지속기간이고, τC는 다음 식에 의해 획득되며:
    Figure pct00029

    여기서
    Figure pct00030
    및
    Figure pct00031

    여기서 t는 시간(예를 들어, 초로 측정된)이고 I(t)는 시간 함수로서의 레이저 펄스 세기인, 장치.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 펄스 조절기 및 상기 증폭기 중 적어도 하나는 상기 조절된 레이저 펄스를 적어도 근사 직선으로 처프하도록 더 구성되는, 장치.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 증폭된 레이저 펄스를 시간적으로 압축함으로써, 압축된 레이저 펄스를 발생시키도록 구성된 펄스 압축기를 더 포함하는, 장치.
  6. 청구항 5에 있어서, 상기 압축된 레이저 펄스의 시간적 세기 프로필은 0.2 이상의 양호도, Q에 의해 특징지어지고, 여기서 Q는 다음 식에 의해 획득되고:
    Figure pct00032

    여기서 τFWHM은 상기 압축된 레이저 펄스의 상기 펄스 지속기간이고, τC는 다음 식에 의해 획득되며:
    Figure pct00033

    여기서
    Figure pct00034
    및
    Figure pct00035

    여기서 t는 시간(예를 들어, 초로 측정된)이고 I(t)는 시간 함수로서의 레이저 펄스 세기인, 장치.
  7. 청구항 1에 있어서, 파라볼릭 펄스 소스를 더 포함하고, 상기 파라볼릭 펄스 소스는:
    입력 시간적 세기 프로필을 갖는 상기 입력 레이저 펄스를 발생시키도록 구성된 시드 레이저(seed laser)를 포함하는, 장치.
  8. 청구항 7에 있어서, 상기 입력 레이저 펄스의 상기 입력 시간적 세기 프로필은 가우시안 프로필, sech2 프로필, 및 로렌치안 프로필 중 선택된 하나인, 장치.
  9. 청구항 1에 있어서, 상기 조절된 레이저 펄스는 상기 입력 레이저 펄스의 입력 레이저 펄스 지속기간보다 긴 조절된 펄스 지속기간을 갖는, 장치.
  10. 청구항 5에 있어서, 압축된 펄스 지속기간은 조절된 펄스 지속기간보다 10 내지 100배 더 짧은 범위 내인, 장치.
  11. 청구항 5에 있어서, 압축된 펄스 지속기간은 입력 레이저 펄스 지속기간보다 10 내지 60배 더 짧은 범위 내인, 장치.
  12. 청구항 5에 있어서, 압축된 펄스 지속기간은 0.1 ps 내지 10 ps 범위 내인, 장치.
  13. 청구항 1에 있어서, 상기 입력 레이저 펄스는 0.01 nm 내지 1 nm 범위 내 입력 스펙트럼 대역폭을 갖는, 장치.
  14. 청구항 1에 있어서, 상기 조절된 레이저 펄스는 상기 입력 레이저 펄스의 입력 스펙트럼 대역폭보다 넓은 조절된 스펙트럼 대역폭을 갖는, 장치.
  15. 청구항 14에 있어서, 상기 조절된 스펙트럼 대역폭은 상기 입력 스펙트럼 대역폭의 20 내지 100배의 범위 내인, 장치.
  16. 청구항 14에 있어서, 상기 조절된 스펙트럼 대역폭은 0.1 nm 내지 10 nm 범위 내인, 장치.
  17. 청구항 1에 있어서, 상기 입력 레이저 펄스는 260 nm보다 큰 입력 중심 파장을 갖는, 장치.
  18. 청구항 1에 있어서, 상기 입력 레이저 펄스는 10 pJ to 10 nJ 범위 내 입력 펄스 에너지를 갖는, 장치.
  19. 청구항 1에 있어서, 상기 증폭기는 파이버 증폭기, 멀티 패스 증폭기, 및 재생 증폭기 중 적어도 하나를 포함하는, 장치.
  20. 청구항 1에 있어서, 상기 증폭기는:
    상기 조절된 레이저 펄스를 증폭함으로써, 예비 증폭된 레이저 펄스를 생성하도록 구성된 전치 증폭기 스테이지; 및
    상기 예비 증폭된 레이저 펄스를 더 증폭함으로써, 상기 증폭된 레이저 펄스를 생성하도록 구성되는 전력 증폭기 스테이지를 포함하는, 장치.
  21. 청구항 1에 있어서, 상기 증폭된 레이저 펄스의 상기 피크 전력은 1 kW 내지 4 MW 범위 내인, 장치.
  22. 청구항 5에 있어서, 상기 압축된 레이저 펄스의 상기 피크 전력은 10 kW 내지 500 MW 범위 내인, 장치.
  23. 입력 레이저 펄스의 시간적 세기 프로필을 변형함으로써, 0.13 미만의 미스피트 파라미터, M에 의해 특징지어지는 조절된 시간적 세기 프로필을 갖는 조절된 레이저 펄스를 생성하는 단계로서, 여기서 M은 다음 식에 의해 획득되고:
    Figure pct00036

    여기서 |Ψ(t)|2는 상기 조절된 레이저 펄스의 상기 펄스 시간적 세기 프로필을 나타내며 |ΨPfit(t)|2는 상기 조절된 레이저 펄스의 파라볼릭 피트를 나타내는, 상기 생성하는 단계; 및
    상기 조절된 레이저 펄스를 증폭함으로써, 증폭된 레이저 펄스를 생성하는 단계를 포함하는, 방법.
  24. 적어도 1 ps의 펄스 지속기간을 갖는 입력 레이저 펄스의 시간적 세기 프로필을 변형함으로써, 조절된 레이저 펄스를 생성하는 단계;
    상기 조절된 레이저 펄스를 증폭함으로써, 증폭된 레이저 펄스를 생성하는 단계; 및
    상기 증폭된 레이저 펄스를 시간적으로 압축함으로써, 상기 입력 펄스 지속기간 미만의 압축된 펄스 지속기간을 갖는 압축된 레이저 펄스를 발생시키는 단계를 포함하는, 방법.
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