KR20160006129A - 광학 증폭기 및 그 프로세스 - Google Patents

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Abstract

광학 증폭기는 1064nm의 파장을 가진 시드(seed) 레이저를 수신한다. 증폭은 펌프 소스를 갖고 펌프된 세그먼트 Nd:YVO4 이득매질(gain medium)에서 발생한다. 이득매질의 각 세그먼트는 길이 및 도판트 농도를 갖고, 세그먼트와 함께하여 레이저의 펄스 에너지와 평균 파워를 증가시키는 높은 파워 단부 펌프(end pump)를 사용할 수 있는 이득매질 내의 파워 흡수를 향상시킨다. 이득매질의 제1단부는 쿼드-패스(quad-pass) 광학 증폭기를 배치하여 높은 추출(extraction) 효과를 달성하게 하는 ?지 면(wedge surface)을 포함한다.

Description

광학 증폭기 및 그 프로세스{OPTICAL AMPLIFIER AND PROCESS}
본 발명은 주 진동 파워 증폭기(MOPA: master oscillator-power-amplifier) 레이저의 분야에 관한 것이다. 주 진동 파워 증폭기(MOPA)의 구성은 시드(seed) 레이저 및, 상기 시드 레이저의 파워 출력을 증가시켜 유용한 작업을 하는 증폭기를 포함한다.
펭(Peng) 등에게 허여된 미국특허 제 7,720,121호의 요약서: 마이크로 머시닝, 집적회로의 비아(via) 드릴링, 및 자외선(UV) 변환 등의 용도에는 하이 파워 다이오드-펌핑 고체(DPSS) 펄스 레이저가 바람직하다. Nd:YVO4(바나데이트) 레이저는 광대역폭의 펌핑 파장에 걸쳐 높은 에너지 흡수계수를 갖기 때문에 파워가 높은 용도용으로 좋은 후보이다. 그러나 바나데이트는 단단하고(stiff) 열적 응력을 받았을 때 쉽게 파손될 수 있다는 점에서 열역학적 성질은 열악하다. 레이저 매개 변수를 최적화하고, 펌핑 파장을 선택하고, 이득매질(gain medium)의 농도를 도핑하여, 흡수계수를 2cm-1 미만, 예를 들면 약 910nm와 약 920nm 사이의 펌핑 파장으로 제어하여서, 도핑된 바나데이트 레이저가 열 렌징(lensing)을 40% 줄이면서, 결정 재료를 파괴하지 않고 최대 100W의 출력 파워를 생성하도록 향상시킬 수 있다.
버터워쓰(Butterworth)의 미국특허 제 7,203,214A호는 "레이저가: 적어도 5mm의 길이를 가진 Nd:YVO4의 이득 요소를 구비하는 레이저 공진기를 포함하며, 상기 이득 요소는 단부-펌프(end-pumped)되며, 펌프-광은 이득 요소의 피크 흡수 파장과는 다르게 선택되며 이득 요소의 열적 응력과 파손을 감소하도록 약 814nm 및 825nm 사이에 떨어지는 파장을 갖고, 따라서 펌프 소스가 이득매질로 22Watt 보다 큰 파워를 전달하도록 작동될 수 있다." 는 기술구성을 공개했다.
샤오유안 펭, 레이 수, 아난드 아순디에 의해 명칭 "다이오드-펌프된 Nd:YVO4 레이저의 파워 조정"으로 IEEE JOURNAL OF QUANTUM ELECTRONICS, 2002년 9월호 VOL.38, No.9에 공개된 기술내용은, 그 전체내용이 본원에 참고로 포함되었다. 이 제품은 Nd도핑 농도에 대한 정보를 포함하며, 또한 그들의 능력이 펌프 파워의 레벨을 처리하는 한에 있어서는 이득매질의 단면적 크기에 대한 정보도 포함한다.
주 진동 파워 증폭기(MOPA) 레이저가 게시되었다.
상기 증폭기는 시드 레이저 형태의 입력 신호를 가진 광학 증폭기이며, 상기 시드 레이저는 더 큰 광 파워를 갖는 출력 신호를 발생한다. 증폭은 외부 소스로부터 에너지가 제공되는 이득매질에서 일어난다. 이득매질은 에너지의 외측 소스로부터 펌프되거나 또는 에너지화된다. 전형적으로, 에너지의 외측 소스는 빛이다. 펌프는 광 펌프 또는 다른 적당한 에너지원일 수 있다. 상기 펌프는 다이오드 펌프된 광원일 수 있다.
시드 레이저는 오실레이터, 일정 길이의 광파이버(또는 무공간(free space) 공동), 1개 또는 2개의 거울, 반사 코팅부를 가진 및/또는 갖지 않은 Q-스위치, 및 광학계(optics)를 포함할 수 있다. 시드 레이저는 1064nm(1064nanometers)의 파장에서 바람직하게 작동하지만, 그 밖에 다른 파장도 특정적으로 고려된다. Q-스위치는 전기-광학 변조기 또는 음향-광학 변조기일 수 있다. 제어되는 양쪽 유형의 Q-스위치는 전자식 구동기에 의해 구동된다. 높은 펄스 에너지를 균일하게 제공하는 높은 반복율의 모드-고정된 레이저(mode-locked laser)에 대해서, 펄스 픽커(picker)가 반복율을 낮추는데 필요하다. 전기-광학 펄스 픽커를 사용하는 경우, 포켈스 셀(Pockels cell) 및 편광 광학계를 사용할 수 있다. 포켈스 셀은 편광 상태를 처리하며, 편광자(polarizer)는 포켈스 셀의 편광에 따라 펄스를 전달하거나 차단한다.
음향-광학 펄스 픽커를 사용하는 경우, 짧은 RF펄스가 음향-광학 변조기에 적용되어 사용하기 위해 약간 변경된 방향으로 원하는 펄스를 편향시키며, 다른 비편향된 펄스는 차단된다. 음향-광학 변조기(AOM)는 전기적 구동신호로 레이저 빔의 파워, 주파수 또는 공간적 방향을 제어하기 위해 사용될 수 있다. AOM은 음향-광학 효과에 기초하며, 상기 효과는 음파(sound wave)의 진동-기계적 압력을 적용하여 결정의 굴절률을 변경시킨다. 굴절률의 변경으로, 원하는 펄스의 방향이 변경되며, 편향된 펄스를 사용할 수 있다.
광파이버의 길이는 유효한 공동치수가 바뀌게 변경될 수 있다. 모드-고정된 레이저와 같은 시드 레이저는 10kHz와 100MHz 사이의 반복율로 대략 5-30피코초의 펄스 폭의 펄스를 가진 펄스 출력을 발생한다. 상기 펄스 폭은 특정적으로 다른 펄스 폭을 사용하는 것을 고려할 수 있다. 특정적으로, 펄스 폭의 범위는 본원에 기재된 발명에 의해 발생할 수 있는, 즉 15밀리초와 15펨토초와의 사이의 펄스 폭이 본원에 기재된 발명에 의한 원하는 특성을 갖고 생성될 수 있음을 고려한다. 15밀리초의 펄스 폭과 같은 긴 펄스 폭에 대해서, 반복율의 적절한 감소가 필요하며, 달성할 수 있다. 반복율은 10Hz 내지 최대 100MHz 미만일 수 있다. 시드 레이저는 제1편광을 포함하며, 상기 편광은 부차적으로 Nd:YVO4 이득매질의 편광과 정합하는 편광으로 전환된다. 시드 레이저의 펄스 출력의 펄스는 광 펌프에 의해 광학적으로 펌핑되는 Nd:YVO4 이득매질에 의해 증폭된다. 높은 반사성의 거울이 사용되어, 시드 레이저의 펄스 출력이 단면으로 일반적인 직사각형상의 Nd:YVO4 이득매질을 통해 이루어지는 횟수(통과수)를 제어한다. Nd:YVO4 이득매질은 사각 단면이거나, 원형 단면이거나, 임의적인 다른 형상의 단면일 수 있다. 게인 매질의 제1단부는 ?지 각(θ1)으로 지향된 평탄한 ?지 면이다.
Nd:YVO4 이득매질은 제1단부와 제2단부를 포함한다. 이득매질은 5-30mm의 긴 길이의 범위 내에 있을 수 있고, 1㎟과 36㎟ 사이에 있는 횡단면을 가질 수 있다. 5-30mm 결정은 충분히 허용할 수 있는 고 Nd 도핑 농도를 가진 808nm에서 40W 펌프 파워의 99%를 흡수하기에 충분한 긴 길이이다. 긴 길이의 결정(longer crystals)은 열을 제거하는데 바람직하다. 선택적으로 직사각형과는 다른 단면의 구조를 가진 Nd:YVO4 이득매질이 사용될 수 있다. 예를 들어, 원형 단면의 Nd:YVO4 이득매질이 사용될 수 있다. 작은 직경과 긴 길이를 가진 낮은 흡수계수의 원형 Nd:YVO4 이득매질이 바람직하게 열을 방사하며, 파쇄에 대해 결정을 보호한다. 막대 형상의 Nd:YVO4 이득매질이 사용될 수 있다.
각 세그먼트에서의 Nd 농도는 광학 펌프 근방에 최저 농도로 저(low)로부터 고(high)로 배치되도록 제한을 받지는 않는다. 각 세그먼트의 길이는 흡수 길이를 결정하며, 이득에 대한 Nd 농도를 조정한다.
*다른 펌프 파장이 사용될 수 있으며, 예를 들면, 펌프 중앙 파장은 808nm, 820nm, 880nm, 888nm 또는 915nm, +/- 10nm 로 있을 수 있다. 펌프는 1개의 단부 펌프 또는 1개 이상의 사이드 펌프일 수 있다. 1개 이상의 사이드 펌프가 사용되면, 이때 사이드 펌프는 다른 파워 출력 레벨을 가질 수 있다. 다른 파워 출력 레벨은 필요에 따라 각 세그먼트가 Nd 도프되는 상태로 필요에 따라 세그먼트 이득매질의 각 세그먼트에 적용될 수 있다. 펌프는 다이오드 펌프 광원 또는 다른 적당한 광원일 수 있다. 광학 펌프와는 다른 유형의 펌프를 사용하는 것이 본 발명에 의해 고려된다.
증폭기의 Nd:YVO4 이득매질은 제2편광을 포함한다. 증폭기의 Nd:YVO4 이득매질의 제2편광과 시드 레이저의 제1편광을 정합시키기 위한 편광 변환 수단은 시드 레이저의 출력 렌즈와 증폭기의 Nd:YVO4 이득매질의 제1단부의 입력 ?지 면과의 사이에 위치한다.
증폭기의 Nd:YVO4 이득매질의 제2단부는 808nm에서 동작하는 다이오드 펌프 광원의 근방에 제2단부 면을 포함한다. 특정하게는 40W다이오드 펌프 광원(단부 펌프)는 808nm에서 동작하며, Nd:YVO4 이득매질의 제2단부 근방에 위치한다. 그 밖에 다이오드 펌프 와트는 30 - 60와트 사이의 것이 고려된다.
Nd:YVO4 이득매질의 제1단부는 반사방지 코팅물로 코팅된 ?지 면을 포함한다. 시드 레이저의 펄스된 출력의 펄스는 제1외부 경로를 따라서 입사각(θ2)으로 Nd:YVO4 이득매질의 ?지 면 상의 반사방지 코팅에 입사한다. 입사각(θ2)은 Nd:YVO4 이득매질의 ?지 면에 대해 직교하는 선에 대해 측정된다. ?지 면은 평탄한 면이며 ?지 각(θ1)으로 형성된다는 사실에 유념한다. ?지 각(θ1)은 ?지 면의 한 지점을 통해 절단된 한 수직 면에 대해 측정된다. 또한, 입력 시드 레이저가 이득매질의 중앙선에 평행한 선에 대해 각도(θ6)에서 ?지 면에 입사한다는 사실에도 유념한다. θ6 = θ2 - θ1. ?지 각(θ1)은 3 - 10도 사이로 설계되며, 5 - 7도의 범위 내에 있는 것이 바람직하다. 시드 레이저의 입사각(θ2)은 15도 이하이다. 또한, 각도(θ2)는 추가로 후술되는 바와 같이 쿼드 패스의 예에서 펄스의 제4패스의 굴절된 각도이다. 5 - 7도의 ?지 각(θ1)은 대략 0.78도의 바람직한 반사각(θ3)을 산출한다.
굴절각(θ2')은 제1패스 상의 ?지 면 안으로 입사하는 시드 레이저에 의해 생성된 굴절각이다. 굴절각(θ2')은 ?지 면에 직교하는 선에 대해 측정된다.
시드 레이저는 Nd:YVO4 이득매질 내에서 내부 반사각(θ3)에서 반사된다. 내부 반사각(θ3)은 Nd:YVO4 이득매질의 중앙선에 대해 한정된다. 상술한 상태로서, 바람직한 굴절각(θ3)은 대략 0.78도 이다. 이득매질을 통해 지나갈 때 레이저로 가능한 많은 에너지를 효과적으로 전송하도록 이득매질을 통하는 축의 중앙선에 대해 상대적으로 시드 레이저의 펄스가 중앙에 남아 있도록, 이득매질 내의 시드 레이저의 반사각(θ3)을 최소로 하는 것이 바람직하다. 시드 레이저로부터의 펄스의 에너지는 펄스가 이득매질을 통해 지나감으로써 증가된다. 또한, 바람직한 반사각(θ3 = 0.78도)은 이득매질로부터 출력되는 시드 레이저로부터의 이득매질의 ?지 면 내로 입력되는 시드 레이저의 분리를 보장하기에 충분하게 커야한다.
내부 반사각(θ3 = 0.78도)은 대략 20mm 길이의 이득매질에 대해 대략 0.27mm의 이득매질 축에 대한 시프트를 산출한다. 또한, 이득매질이 대략 10mm의 길이이면, 내부 반사각(θ3=0.78도)은 대략 0.135mm의 이득매질의 축에 대한 시프트를 생성한다.
시드 레이저는 Nd:YVO4 이득매질의 제2단부 면 쪽으로 이동할 때 각도(θ2')에서 제1경로를 따라 Nd:YVO4 이득매질을 통해 내부를 지나가는 제1패스 때 굴절된다. 펌프 근방에 Nd:YVO4 이득매질의 제2단부 면은 1064nm 파장에서 시드 레이저에 대해 고 반사성을 갖는 제2코팅을 포함하며, 제2코팅은 808nm 파장에서 단부 펌프로부터의 광에 고 투과성이다.
시드 레이저는 Nd:YVO4 이득매질의 제2면 상의 고 반사성 제2코팅에 의해 내부 반사각(θ3)에서 반사되며, 1064nm 파장 레이저 펄스가 Nd:YVO4 이득매질의 ?지 면 쪽으로 Nd:YVO4 이득매질을 통해 내부를 지나가는 제2패스에서 이동하게 한다. 시드 레이저의 경로는 입사각(θ4)에서 ?지 면에 접근한다. 레이저 펄스는 제2외부 경로를 따라서 굴절각(θ5)에서 Nd:YVO4 이득매질의 ?지 면을 출사한다. 굴절각(θ5)과 입사각(θ4)은 Nd:YVO4 이득매질의 제1단부에 수직(직교)한 선에 대해 측정된다.
본 발명은 10kHz 과 100MHz 사이의 반복율에서 10피코초 +/- 5피코초의 펄스 폭을 가진 펄스된 레이저를 생성하는 것이다. 100kHz 이상에서 100μJ의 펄스 에너지는 10J/s의 평균 파워 또는 10W 이상의 평균 파워를 생성한다. 출력 파워는 또한 서브-mW(예를 들면 1와트 미만) 및 멀티-와트 사이의 범위에 있는 입력 시드 레이저 평균 파워의 함수이다. 고 입력 시드 레이저 평균 파워를 가진 상태에서 본 발명은 10W을 훨씬 초과하는 평균 출력 파워를 생성할 수 있다.
본 발명의 다른 예는 세그먼트된 이득매질을 포함하며, 이득매질의 각각의 세그먼트는 다른 Nd 도판트 농도를 포함한다. 이득매질의 세그먼트는 필요에 따라서 도핑 농도와 관련하여 배치될 수 있다. 예를 들어, 최저 Nd 농도를 가진 세그먼트는 펌프 광원의 근방에 있을 것이다. 다음, 다음 최저 Nd 농도를 가진 세그먼트가 최저 Nd 농도를 가진 세그먼트 근방에 있을 것이다. 최종적으로, 최고 Nd 농도를 가진 제3세그먼트가 마지막 라인에 있을 것이다. 세그먼트는 Nd 농도의 차순으로 배치될 수 있다. 1개 이상의 세그먼트의 Nd 농도는 제로일 수 있다.
단부 펌프된 이득매질을 통하는 시드 레이저 펄스의 복수의 패스는 매우 높은 이득을 달성한다. 1개 이상의 광학 펌프를 가진 이득매질의 사이드 펌핑을 기재하였고, 이를 청구하였다. 이득매질은 다른 이득과 분포를 초래하는 다른 길이와 도판트 농도를 가진 3개의 확산 접합된 세그먼트를 포함한다. 선택적으로, 확산 접합 대신에, 세그먼트가 세그먼트 사이에 반사방지 코팅을 사용하여 함께 고정될 수 있다. 3의 인수에 의한 도핑 퍼센테이지를 조정하여 α = 0.15 를 산출하며, α는 흡수계수이다. 흡수효과는:
η = (1 - e- αL ) 이다.
따라서, Nd:YVO4 결정의 추가적인 지식을 갖지 않고, 효과가 큰 긴 길이의 결정을 사용하여 및/또는 흡수계수를 증가시켜 달성되어 질 것이다. 그러나, 흡수계수(α)는 계수(α)와 적용된 파워에 대한 열 렌징 효과와 물리적 임계치를 나타내는 것만은 아니다. Nd:YVO4 결정에 적용된 파워가 증가함으로써, Nd 도핑의 농도가 감소되며, 결정의 횡단면(직사각형, 원형 또는 다른 형상의 횡단면)도 감소된다. 낮아진 도핑 농도는 높은 펌프 파워의 사용을 가능하게 한다. 샤오유안 펭, 레이 수, 아난드 아순디에 의해 명칭 "다이오드-펌프된 Nd:YVO4 레이저의 파워 조정"으로 IEEE JOURNAL OF QUANTUM ELECTRONICS, 2002년 9월호 VOL.38, No.9에 공개된 기술내용은, 그 전체내용이 본원에 참고로 포함되었다. 이 물품은 Nd 도핑 농도에 대한 정보를 포함하며, 또한 이들의 능력이 파워 레벨을 처리하는 한에서는 횡단면 영역에 대한 정보도 포함한다.
세그먼트 당 Pabs은 다음과 같은 방정식으로 주어진다.
Pabs = Pinput(1 - e- αL )
부차적인 세그먼트에 대해 사용가능한/전송되는 파워는 다음과 같은 방정식으로 주어진다.
Pinput = Ppump - (ΣPabs)
세그먼트에 펌프 파워를 흡수하여 펌프 파워를 조정하는 이런 시스템의 적용은 고 펌프 파워의 사용 및 Nd:YVO4 결정으로의 고 에너지 전달을 할 수 있다. Nd:YVO4 결정으로의 고 에너지 전달은 이득매질 내에서의 이동 시에 시드 레이저의 높은 이득을 초래한다.
점진적으로 증가된 도핑 농도를 가진 세그먼트의 사용은 세그먼트의 파쇄를 막는다. 만일 고 파워 광학 단부 펌프를 사용하기를 원하게 되면, 세그먼트의 단면적은 감소되고 그리고 Nd 도판트 농도는 감소된다. 단면적을 줄이고 Nd 도판트 농도를 감소시키는 조정은 고 파워 펌프를 사용할 수 있게 하며, 상기 펌프는 차례로 에너지를 시드 레이저의 펄스된 출력의 펄스로 전송되게 하는 Nd:YVO4 결정으로 대형 에너지/파워를 할 수 있다. 만일 각 세그먼트에 적용된 파워가 계산되며, 그 단면적과 도판트 농도에 대한 수용할 수 있는 임계치 내에서 지켜진다면, 상기 결정의 파쇄는 방지된다.
각 세그먼트도 또한 임의적인 이득을 가진 증폭기의 한 단계로서 처리될 수도 있다. 복합된 이득은 복수의 증폭 단계에 의해 제공되며, 각 세그먼트에 대한 이득의 최적한 설계는 제공된 펌프 파워로부터 최고의 추출효과를 이룰 수 있음을 기대할 수 있다.
본 발명의 목적은 고 이득매질을 가진 레이저를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 다량의 파워를 Nd:YVO4 이득매질로 전달하는 레이저를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 다량의 파워를 Nd:YVO4 이득매질에 의해 흡수될 수 있도록 적당한 농도의 Nd 도판트와 적당한 단면적을 가진 세그먼트를 포함하는 고 이득매질을 가진 레이저를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 상당히 낮은(작은) 시드 레이저에서도 펌프 대 레이저로부터 고 추출 효과를 갖는 레이저를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 셀프 렌징을 막도록 그 일 단부 상에서 ?지 면을 포함하는 고 이득매질을 가진 레이저를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 입사 및 출사 펄스의 충분한 분리를 제공하도록 그 일 단부 상에서 ?지 면을 포함하는 고 이득매질을 가진 레이저를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 시드 레이저 출력의 이득이 증가하도록 그를 통하는 복수의 패스를 가진 고 이득매질을 구비하는 레이저를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 시드 레이저 출력의 이득이 증가하도록 그를 통하는 복수의 패스를 가진 세그먼트된 고 이득매질을 구비하는 레이저를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 ?지 면을 포함하는 고 이득매질을 가진 레이저를 제공하며, 시드 레이저의 펄스된 출력의 입사 펄스의 입사각이 ?지 면에 부딪혀, 이들이 이득매질 내에서 이동하여 펄스로의 에너지 전달을 최대로 하는 펌프 스폿 크기 내에 위치하도록 고 이득매질 내의 제1내부 경로에서 일정한 각도로 굴절된다.
본 발명의 목적은 이득매질에서 펌프 스폿 크기 내에서 시드 레이저를 유지하는 것이다.
본 발명의 상기 목적과 다른 목적들은 첨부 도면을 참조하여 이하에서 설명되는 기술로부터 용이하게 이해할 수 있을 것이다.
도1은 시드 레이저 입력, 편광자, 2개의 반 파장판, 회전자 및 쿼드 패스 Nd:YVO4 이득매질을 포함하는 레이저의 구성도이며, 제1증폭기는 광학 단부 펌프, 쿼드 패스 Nd:YVO4 이득매질, 및 고 반사성 거울을 포함한다.
도1a는 시드 레이저 입력, 편광자, 2개의 반 파장판, 회전자 및 듀얼 패스 Nd:YVO4 이득매질을 포함하는 레이저의 구성도이며, 제2증폭기는 광학 단부 펌프, 듀얼 패스 Nd:YVO4 이득매질, 및 고 반사성 거울을 포함한다.
도1b는 도1의 구성도의 사시도이다.
도1c는 광학적으로 사이드 펌프된 Nd:YVO4 이득매질을 포함하는 레이저의 구성도이다.
도1d는 광학적으로 사이드 펌프된 Nd:YVO4 이득매질을 포함하는 레이저의 다른 예의 구성도이다.
도1e는 광학적으로 사이드 펌프된 Nd:YVO4 이득매질을 포함하는 레이저의 다른 예의 구성도이다.
도2는 듀얼 패스 이득매질(203)을 가진 제2증폭기와 결합된 쿼드 패스 Nd:YVO4 이득매질을 가진 제1증폭기를 예시한 구성도이며, 제1증폭기는 광학 단부 펌프를 포함하며, 제2증폭기는 광학 단부 펌프를 포함하며, 4개의 거울이 도2의 예에서는 사용된다.
도3은 도1의 쿼드 패스의 구성도에 대한 다양한 mW 평균 시드 파워 펄스의 파워 증폭을 나타내는 그래프이다.
도4는 도1a의 듀얼 패스의 구성도에 대한 다양한 mW 평균 시드 파워 입력신호의 파워 증폭을 나타내는 그래프이다.
도5는 이득매질의 제1단부에서 ?지 면을 갖고 시드 레이저의 제1외부 경로와, 증폭된 시드 레이저의 제1내부 경로와, 증폭된 시드 레이저의 제2내부 경로, 및 증폭된 시드 레이저의 제2외부 경로가 함께하는 이득매질의 제2단부에서 제2단부 면을 갖는 Nd:YVO4 이득매질을 나타내는 구성도이다.
도5a는 5A-5A선을 따라 절취된 도5의 단부도이다.
도5b는 Nd:YVO4 이득매질의 원형 횡단면의 단부도이다.
도6은 시드 레이저의 입사각(θ2)에 대한 Nd:YVO4 이득매질의 ?지 각; 및 이득매질 내의 시드 레이저의 내부 반사각에 대한 Nd:YVO4 이득매질의 ?지 각의 그래프이다.
도7은 ?지 각의 함수로서 레이저의 출력 경로로부터 레이저의 입력 경로의 이득매질의 제1단부 면에 분할 거리; 및 입사 시드 레이저로의 거울(M1) 사이의 거리의 플롯 그래프이다.
도8은 이득매질, 제1거울, 및 제2거울을 포함하는 쿼드 패스 증폭기의 구성도이다.
도8a는 제1패스, 제2패스, 제3패스, 제4패스, 및 제1거울, 제2거울의 로케이션을 가리키는 도8의 구성도에 대한 이동거리의 함수로서 스폿 크기의 그래프이다.
도9는 1064nm의 파장 및 100kHz의 반복율에 시드 레이저의 구성도이다.
도9a는 이득매질의 제2단부 근방에 위치하는 광학 펌프와 시드 레이저 펄스된 출력을 나타낸 구성도이다.
도10은 1064nm의 파장 및 100kHz의 반복율에 시드 레이저의 구성도이다.
도10a는 광학 펌프와 이득매질의 제2단부 근방에 위치한 시드 레이저를 나타낸 구성도이며, 상기 이득매질은 다른 이득 및 펌프 파워 흡수를 초래하는 다른 길이와 도판트 농도를 가진 3개의 확산 접합된 세그먼트를 포함한다.
도10b는 도판트 농도(C%at.), 세그먼트 길이, 알파(조정된 도판트 농도), 세그먼트 당 Pabs(흡수된 파워)의 챠트이다.
도11은 도5와 유사한 구성도이며, Nd:YVO4 이득매질은 각 세그먼트에 대한 다른 도핑 농도를 가진 3개의 세그먼트를 포함한다.
도1은 시드 레이저(111), 시드 렌즈(110), 편광자(107), 2개의 반 파장판(106, 112), 회전자(105) 및 쿼드 패스 Nd:YVO4 이득매질(103)로 이루어진 구성도(100)이며, 증폭기는 광학 단부 펌프(101), 이득매질(103), 및 고 반사성 거울(114)을 포함한다. 시드 레이저 스폿 크기는 대체로 렌즈(110)의 선택에 의해 결정된다. 필요한 이득매질에서의 레이저 스폿 크기의 결정은 필요한 이득에 기초한다. Nd:YVO4 이득매질(103) 내의 이득 볼륨은 광학 단부 펌프의 스폿 크기와 Nd의 도핑 농도에 종속한다. 바람직하게는 시드 레이저의 적당한 크기의 스폿 크기와 광학 단부 펌프의 적당한 크기의 스폿 크기를 사용하는 것이다.
광학 단부 펌프(101)는 바람직하게 다이오드 단부 펌프이다. 이득매질(103)은 반사방지 코팅물로 코팅된 ?지 형상의 단부 면(103A)을 갖는다. ?지 단부 면(103A)은 이득매질(103)의 제1단부 상에 있다. 이득매질의 제2단부 면(101C)은 평탄하며 808nm의 파장에서 고 투명성(투과성) 코팅물로 코팅되며, 상기 코팅은 1064nm의 파장에서 고 반사성이다.
시드 레이저(111)는 10kHz과 100MHz 사이의 반복율 및 1064nm의 파장에서 대략 10피코초, +/- 5피코초의 펄스 폭을 가진 펄스를 가진 펄스된 출력(111A)을 생성한다. 상기 펄스는 1064nm의 파장을 가진 광을 포함한다. 펄스가 이득매질(103) 내로 통해서 입사함으로써, 이들은 제2단부 면(101C)에 부딪쳐서, 그 표면 상의 고 반사성 코팅에 의해 반사된다.
도1을 참조하여, Nd:YVO4 이득매질(103)은 808nm의 파장에서 동작하는 레이저 다이오드에 의해 단부 펌프된다. 다른 펌프 파장이, 예를 들면, 펌프 중앙 파장이 808nm, 820nm, 880nm, 888nm, 또는 915nm, ±10nm에서 사용될 수 있다. 펌프는 1개의 단부 펌프 또는 1개 이상의 사이드 펌프일 수 있다. 도1c, 1d 및 1e를 참조한다. 펌프는 다이오드 펌프 광원 또는 다른 적당한 광원일 수 있다. 화살표(102)는 파워의 흐름이 이득매질 안으로 향하는 것을 가리킨다. 이득매질(103) 결정은 ?지 면(103A) 상의 1064nm의 파장에 대해 AR-코팅 된다(anti-reflective coated). 이득매질(103)의 제2단부 면(101C)은 1064nm의 파장에 대해 HR-코팅 되며(highly reflective coated), 펌프 면 상의 808nm에서 HT-코팅 된다(highly transmissive coated). HR-코팅은 다른 파장, 즉 820nm, 880nm, 888nm, 915nm 에서 펌핑하는 데 사용된다. 이것은 면(101C)이 회전자(105)에서 나오는 증폭된 시드 레이저(104)를 반사함을 의미한다. 1064nm의 파장에서 편광된 시드 레이저는 편광자(107), 하프-람다 파의 평판(106), 및 회전자(105)를 통해 이득매질(103)을 통과한다. 도면부호 104/104A는 다른 회(times)에서의 펄스/레이저의 양방향 흐름을 나타낸다.
도1을 계속 참조하면, 시드 레이저는 이득매질(103) 내에서 4회 이동한다. 증폭된 레이저 출력(104A)은 시드 레이저(111A)의 출력 펄스의 편광에 대해 90도로 편광을 시프트 하는 편광자(107)에 의해 분리된다.
이득매질(103)은 단면이 원형, 직사각형, 정사각형 또는 다른 형상으로 이루어질 수 있다. 이득매질은 임의적인 다른 형상의 단면으로 이루어질 수 있다. 만일 단면의 형상이 직사각형이면, 직사각형의 면은 정사각의 단면을 형성하는 길이가 일반적으로 동일하다. 직사각형의 각 면은 1-6mm 사이에 있고, 이득매질의 길이는 5-30mm사이에 있다. 일반적으로 직사각형 형상의 이득매질이 사용된다. 단면으로 원통형의 막대(rod)를 사용할 수 있으며, 작은 직경의 막대로부터의 열전달은 양호하다.
도1을 계속 참조하면, 시드 레이저(111)는 편광기(107), 반 파장판(106), 및 회전자(105) 쪽으로 통해서 경로(111A)를 따라 펄스를 출사하며, 편광은 이득매질(103)의 편광으로 반전된다. 도1a는 거울(M1)을 제거하여 생성되는 듀얼패스 증폭기의 예의 구성도(100A)이다. 도1b는 시드 레이저(111), 렌즈(110), 편광자(107), 회전자, 냉각실 내에 수용된 이득매질(103), 및 광학 펌프(101)를 예시한 도1의 구성도의 사시도(100B)이다.
도1c는 광학적으로 사이드 펌프된 Nd:YVO4 이득매질(103)을 포함하는 레이저의 구성도(100C)이다. 사이드 펌프(199)는 필요에 따라 부분적으로 또는 전체적으로 이득매질(103)을 둘러싼다. 도1d는 필요에 따라 부분적으로 또는 전체적으로 이득매질(103)을 둘러싸는 제1광학 사이드 펌프(199A) 및 제2광학 사이드 펌프(199B)를 가진 광학적으로 사이드 펌프된 Nd:YVO4 이득매질(103)을 포함하는 레이저의 다른 예의 구성도(100D)이다. 도1e는 필요에 따라 부분적으로 또는 전체적으로 이득매질(103R)을 둘러싸는 3개의 광학 사이드 펌프(199C, 199D, 199E)를 가진 광학적으로 사이드 펌프된 Nd:YVO4 이득매질(103R)을 포함하는 레이저의 다른 예의 구성도(100E)이다.
도2는 듀얼 패스 이득매질(203)을 가진 제2증폭기와 결합된 쿼드 패스 Nd:YVO4 이득매질(103)을 가진 제1증폭기를 예시한 구성도(200)이다. 제1증폭기는 광학 단부 펌프(101)를 포함하며, 제2증폭기는 광학 단부 펌프(201)를 포함한다. 도2의 예에서는 거울[M1(114), M2(221), M3(214), M4(217)]이 사용된다. 또한 도2의 예에서는 절연체(219)도 사용되었다. 편광자(107)는 고 편광 소멸 비율을 갖고, 쿼드 패스 증폭기와 시드 레이저 사이에 자연적인 절연을 제공한다. 회전자(105)는 듀얼 패스 증폭기로부터의 피드백 파워를 차단하는 기능을 한다.
도3은 도1의 쿼드 패스(302) 및 도1a와 도2의 듀얼 패스(301)에 대한 다양한 mW 평균 시드 파워 펄스의 파워 증폭을 나타내는 그래프(300)이다. 쿼드 패스(302)는 도4에 나타낸 바와 같이 더블 패스(301)보다 나은 증폭 이득을 나타낸다. 1-2mW의 시드 파워는 30W 펌프를 약 1.5W 증폭할 수 있다. 최대 35W의 높은 펌프 파워와 20mW의 시드 레이저 평균 파워를 가진 상태에서, 5W 출력 파워보다 큰 파워를 단일 단계의 쿼드 패스 증폭기로 달성할 수 있다.
도4는 도1a의 듀얼 패스 구성도에 대한 다양한 mW 평균 시드 파워 입력신호의 파워 증폭을 나타내는 그래프(400)이다.
도5는 이득매질의 제1단부(520F)에서 ?지 면(103A)을 갖고 이득매질(103)의 제2단부(530S)에서 제2단부 면(101C)을 갖는 Nd:YVO4 이득매질(103)을 나타내는 구성도(500)이다. 도5는 시드 레이저의 제1외부 경로(111E), 제1회 증폭된 시드 레이저의 제1내부 경로(111I), 제2회 증폭된 시드 레이저의 제2내부 경로(115I), 및 제2회 증폭된 시드 레이저의 제2외부 경로(115E)를 나타낸 도면이다.
도1a의 듀얼 패스 증폭기에서, 입사 레이저는 이득매질을 통하는 2개의 패스를 만든다. 입사 펄스는 입사각(θ2)에서 제1외부 경로(111E)를 따라 도달하며, 이들은 ?지 면(103A)에 부딪쳐서, 이들이 제2면(101C)에 부딪칠 때까지 굴절각(θ2')에서 제1내부 통로(111I)를 따라 굴절한다. 제1내부 경로(111I)를 따라서, 레이저가 때때로 제1회 증폭된 레이저로서 본원에서 지칭된다. 상기 레이저는 ?지 면(103A)을 향해 제2내부 경로(115I)를 따라 반사각(θ3)으로 제2패스 상에서 반사된다. 제2내부 경로(115I)를 따라서, 레이저가 때때로 제2회 증폭된 레이저로서 본원에서 지칭된다. 상기 레이저는 제2외부 경로(115E)를 따라 굴절각(θ5)으로 굴절되는 입사각(θ4)으로 ?지 면(103A)에 도달한다. 도1a에 예시된 듀얼 패스에서는 M1은 나타나지 않았다.
도4는 도1a의 듀얼 패스 구성도에 대한 다양한 mW 평균 시드 파워 입력신호의 파워 증폭을 나타내는 그래프이다.
도1 및 도5를 참조하면, 쿼드 패스 증폭기에서, 거울(114)(M1)이 이득매질(103)로 레이저가 다시 돌아오는데 사용된다. 도5를 참조하며, 도1 및 도2에 나타낸 쿼드 패스 증폭기를 고려하면, 고 반사성 거울(114)은 로케이션(502)에서 그리고 입사각(θ5)에서 ?지 면(103A)으로 제2외부 경로(115E)를 따라서 레이저를 반사하며, 상기 레이저는 제3회 증폭된 레이저로서 굴절각(θ4)으로 제2내부 경로(115I)를 따라서 굴절된다. 레이저는 때때로 굴절각(θ4)으로 제2내부 경로(115I)를 따라 굴절되는 제3회 증폭된 레이저로 여기에서는 지칭된다. 제3회 증폭된 레이저는 제2내부 경로(115I)를 따라 진행하여 고 반사성 면(101C) 상에 부딪치며, 이곳에서 ?지 면(103A)을 향해 내부 반사각(θ3)을 따라서 제1내부 경로(111I)를 따라 제4회 증폭된 레이저로서 반사된다. 상기 레이저는 때때로 입사각(θ2')으로 제1내부 경로(111I)를 따른 이동으로 제4회 증폭된 레이저로 여기에서는 지칭된다. 제1내부 경로(111I)는 ?지 면(103A)에 대해 직교하는 선에 대한 입사각(θ2')으로 위치한다. 제4회 증폭된 레이저가 ?지 면(103A)에 부딪치면, 굴절각(θ2)과 제1출사 경로(111E)로 굴절되며, 제4회 증폭된 레이저는 회전자(105), 반 파장판(106), 편광자(107) 및 반 파장판(112) 쪽으로 통해 지나가며, 제4회 증폭된 레이저는 화살표(113) 방향으로 진행한다.
도1은 증폭의 4개의 단계를 가진 쿼드 패스 증폭기를 나타낸다. 레이저가 이득매질을 통해 지나가는 각 회(time)에서, 레이저는 증폭되어 더 많은 에너지를 선취한다. 도1a는 듀얼 패스 증폭기를 나타내며, 여기에는 2단계의 증폭이 있다. 도2는 6단계의 증폭을 할 수 있는 쿼드 패스(쿼드 증폭, 도1)와 듀얼 패스(더블 증폭, 도1a)의 조합을 나타낸다.
도5a는 5A-5A선을 따라 절취된 도5의 단부도(500A)이다. 도5a는 제1외부 경로(111E)를 따르는 유입 펄스의 ?지 면(103A)상의 입구 로케이션(501)을 나타낸다. 도5a는 또한 제2외부 경로(115E)를 따르는 유출 펄스의 ?지 면(103A)상의 출구 로케이션(502)도 나타낸다. 이득매질이 쿼드 패스 증폭기로서 사용되는 예에서, 로케이션(502)은 제3패스를 위한 입구 로케이션이 되며, 로케이션(501)은 제4패스를 위한 출구 로케이션이 된다.
도5 및 도5a를 계속 참조하여, 다이오드 펌프(101)가 808nm의 파장에서 고 투명성(투과성)이고 1064nm의 파장에서 고 반사성인 근접하여 있는 제2단부 면(101C)이 설명된다. 만일 다른 펌핑 파장(820nm, 880nm, 888nm, 915nm)이 사용되면, 상기 면(101C)은 이들 파장에서 고 전송을 한다. 면(101C)은 코팅되며, 그 코팅은 각각의 파장에서 상술한 특성을 갖는다. 도면부호 103B, 103C, 103D, 103E는 Nd:YVO4 이득매질(103)의 영역을 가리킨다. 영역(103B)은 비교적 고 에너지/파워가 전송되는 단부 면(101C)의 근방에 있다. 스티플링(도트)/볼륨의 농도는 이득매질로 전송되는 에너지/파워의 상대적인 양을 가리킨다. 또한, 도5는 에너지가 이득매질의 원통형 코어로 전송되며, 에너지 전송은 이득매질에 유입하는 펌프 에너지의 스폿 크기에 의해 한정되는 구조도 나타내었다. 영역(103C)은 이득매질로 전송되는 에너지/파워의 상대적인 양이 영역(103B)에서 작음을 가리키는 적은 수의 도트/볼륨을 갖는다. 마찬가지로, 영역(103D, 103E)은 이득매질로 전송되는 에너지/파워의 상대적인 양이 808nm 펌프의 함수로 더 낮음을 가리키는 점진적으로 적은 수의 도트/볼륨을 가리킨다. 도면번호 '599'는 808nm의 파장에서 파워를 방출하는 다이오드 단부 펌프의 반경 범위를 개략적으로 나타낸다. 다른 펌프 파장이 사용될 수 있으며, 그 예를 들면 펌프 중앙 파장이 808nm, 820nm, 880nm, 888nm 또는 915nm, +/- 10nm 인 것을 들 수 있다. 펌프는 단부 펌프 또는 1개 이상의 사이드 펌프일 수 있다. 펌프는 다이오드 펌프 광원 또는 다른 적당한 광원일 수 있다. 다른 유형의 펌프를 사용할 수도 있다.
도5 및 도5a를 계속 참조하여, 쿼드 패스와 듀얼 패스 증폭기 구조의 중요한 파트는 이득매질(103)이며, 이득 물질, 도핑 농도, 횡단면 구역, 길이, 구조 및 코팅을 포함한다. Nd:YVO4 은 이득매질의 물질이다. Nd:YVO4 는 고 방출 횡단면과 충분한 대역폭을 가져서 10피코초의 펄스 폭을 허용한다. Nd:YVO4 는 자연적으로 편광된 결정이며, 그것은 a-cut 이다. 발생된 레이저의 편광은 결정의 c-축을 따라서 있다. 도5에 예시된 바와 같은 Nd:YVO4 이득매질(103)은 일정하게 도핑된다. 일정한 도핑은 일반적으로 균일한 도핑(homogeneous doping)으로 참고된다. 0.05 - 3.0%at.(atomic weight percentage) 사이의 도핑 농도는 자연적으로 편광된 Nd:YVO4 결정에 사용된다. Nd:YVO4 이득매질의 예는 0.05 - 3.0%at.의 범위의 농도에서 일정하게 도핑된 것이다. Nd:YVO4 는 Neodymium-doped Yttrium Vanadate를 나타내며 의미한다.
적당한 도핑 농도의 설계는 많은 요소(factor)에 종속한다. 이득 및 열 렌징 효과에 더하여, 하나의 중요한 요소가 적용된 (전형적으로 30-60W) 최대 펌프 파워 및 Nd:YVO4 결정의 횡단면 치수이다. 최적한 펌프 스폿 크기는 전형적으로 0.3 내지 2mm 범위의 직경이다. 펌프 파워가 증가하면, 도판트 농도는 낮아질 것으로 예상된다. 낮은 도핑 농도가 높은 펌프 파워를 사용할 수 있다. Nd:YVO4 결정에 단부 펌프에 의해 적용된 파워는 결정 자체의 구조에 의해 제한을 받는다. 만일 너무 많은 파워가 주어진 도판트 농도의 결정에 적용되었다면, 열에 의해 유발된 인장응력으로 인해서 파쇄될 것이다. 상대적으로 더한 파워가, 대형 횡단면, 예를 들면 36㎟ 을 가진 이득매질과 대비하여, 소형 횡단면, 예를 들면 1㎟ 을 가진 Nd:YVO4 결정 이득매질에 적용될 수 있다. 또한, 상대적으로 더한 펌프 파워가 낮은 Nd 농도, 예를 들면 0.05%at.를 가진 Nd:YVO4 결정에 적용될 수 있다. 또한, 상대적으로 더한 펌프 파워가 대형 펌프 스폿 반경을 사용하여 적용될 수도 있다. 따라서, 일정하게 도핑된 결정의 사이징 작업은 상술한 고려사항들을 모두 계산하여 취해야 한다. 도10 및 도11은 세그먼트된 이득매질을 예시하고 설명한 것이다. 펌프 스폿 크기는 이들이 이득매질을 통해 지나갈 때 시드 레이저를 완전히 덮기에 충분하게 대형이어야 한다. 따라서, 세그먼트된 도핑 결정의 사이징 작업(sizing)도 상술한 고려사항들을 모두 계산하여 취해야 한다.
Nd:YVO4 은 자연적으로 편광된 결정이며, 바람직하게 5 내지 30mm 길이이며, 상기 길이는 적당한 도핑 농도에서 808nm 및 3nm 대역폭(FWHM)에 99% 펌프 파워보다 많이 흡수할 수 있다. 또한, 긴 길이의 결정은 열을 제거하기 위한 더 많은 표면적을 제공한다. 펌프 스폿 크기는 통상적으로 0.3 내지 2mm 직경이다. 결정의 횡단면은, 결정의 시드 레이저 스폿 크기가 약 0.4 - 0.6mm 직경인 경우, 4㎟ 정도로 작을 수 있다. 따라서, 결정의 바람직한 크기는 레이저에 대해 충분한 구멍을 제공하는 4㎟ 의 횡단면을 갖는 것이다.
Nd:YVO4 의 횡단면 치수는 1㎟ 내지 36㎟ 사이에 있을 것이다. 0.05%at. 내지 3.00%at. 사이의 범위에 있는 도핑 농도는 적용된 (통상적으로 30 - 50W) 최대 펌프 파워 및 펌프 빔 스폿 크기에 의해 결정될 수 있다.
상술한 상태에서, Nd:YVO4 이득매질(103)의 제1단부 면(103A)은 도5에 도시된 바와 같이 평판한 ?지 면이다. 이득매질(103)의 ?지 면의 설계는 증폭기의 중요한 면이다. ?지 면은 2개의 평행한 면에 의해 일어나는 에탈론 효과(Etalon effect)를 없앤다. 이득매질의 2개의 평행한 면은 광학 공동을 형성한다. 에탈론 효과는 펄스 폭을 확장하며, 펌프된 이득매질 내에 셀프-레징을 형성한다. 셀프-레징은 레이저의 출력 제어를 파괴하여서 바람직하지 않은 것이다. ?지 면(103A)은 이득매질(103)의 면(103A, 101C) 사이에 셀프-레징을 제거한다. AR(anti-reflective) 코팅이 결정의 양측에 적용되었더라도, 포텐셜 레징이 이득매질의 평행한 제1 및 제2면 사이에서 발생할 수 있다. 또한, ?지 면의 사용은 이득매질 면과 증폭기에 사용되는 다른 광학 면과의 사이의 셀프-레징 효과를 감소시키는 것을 돕는다.
도5를 계속 참조하여 설명하면, 이득매질(103)의 ?지 면(103A)은 제1외부 경로(111E)를 따르는 펄스된 출력의 유입 펄스와 제2외부 경로(115E)를 따르는 유출 펄스와의 사이의 넓은 분할 각도를 제공한다. ?지 면(103A)은 Nd:YVO4 의 a-c평면에 대해 직교하며, 증폭된 레이저의 편광은 a-c평면에 있다. ?지 면(103A)은 1064nm의 파장에서 AR-코팅되며, 제2면(101C)은 808nm의 파장에서 HT-코팅되며 1064nm의 파장에서 HR-코팅된다. 적당한 코팅은 작동 파장과 연관하여 사용된다.
도5를 계속 참조하여 설명하면, 일반적인 직사각형 형상의 Nd:YVO4 이득매질은 반사 방지 코팅으로 코팅된 ?지 면(103A)을 포함한다. 시드 레이저는 입사각(θ2)에서 Nd:YVO4 이득매질의 ?지 면(103A)상에 반사 방지 코팅물에 들어간다. 입사각(θ2)은 Nd:YVO4 이득매질(103)의 ?지 면(103A)에 직교하는 선(505P)과 연관하여 측정된다. ?지 면은 평탄한 면이며, ?지 각(θ1)으로 형성된다는 사실에 유념한다. ?지 각(θ1)은 ?지 면의 일 포인트를 통해 수직면 절단(cut)과 연관하여 측정된다. 또한, 입력 시드 레이저는 이득매질의 중앙선에 대해 평행한 선과 관련한 선(111E)을 따라서 각도(θ6)에서 ?지 면에 입사한다는 사실에 유념한다. θ6 = θ2 - θ1을 나타내는 도5를 참조한다. ?지 각(θ1)은 필요에 따라 바람직하게 5도 내지 7도 사이에서 변하여, 15도 이하의 시드 레이저의 입사각(θ2)을 유지할 수 있다. 5 -7도의 ?지 각이 대략 0.78도의 바람직한 내부 반사각(θ3)을 산출한다.
본 발명의 목적은 ?지 면을 포함하는 높은 이득매질을 가진 레이저를 제공하는 것이다. 레이저는 도5에 도시된 바와 같이 이득매질의 중앙선(505C)과 정렬되지 않는 경로(111E)에 도달한다. 입사각(θ2)은 시드 레이저가 ?지 면에 부딪히도록 선택되며, 이들이 이득매질 내에서 이동하여 레이저에 대한 에너지 전달을 최대로 하도록 펌프 스폿 크기 내에 있도록 높은 이득매질 내에서 제1내부 경로(111I) 상의 각도(θ2')에서 굴절된다. 도면번호 '599'는 펌프 스폿 크기의 방사 범위를 나타낸다. 이득매질의 펌프 스폿 크기 내의 레이저와 정합하는 것이 바람직하다. 펌프의 에너지의 대부분은 이득매질의 중앙선(505C)을 따라서 집중된다.
시드 레이저는 ?지 면(103A)에 부딪치는 각도(θ2')에서 굴절된다. 시드 레이저는 Nd:YVO4 이득매질(103) 내의 제2경로(115I)를 따라서 내부 반사각(θ3)에서 면(101C)으로부터 반사된다. 내부 반사각(θ3)은 Nd:YVO4 이득매질의 중앙선(505C)에 대해 한정된다. 또한, 바람직한 내부 반사각(θ3)은 대략 0.78도이다. 이득매질(103) 내에서의 시드 레이저의 반사각(θ3)을 최소로 하여, 이들이 이득매질을 통과할 때 시드 레이저가 펌프 에너지를 효과적으로 추출할 수 있도록 이득매질을 통과하는 축의 중앙선과 관련하여 상대적으로 중앙에서 유지하는 것이 바람직하다. 이득매질 안으로 펌프되는 에너지는 단부 펌프의 스폿 크기 내에서 집중된다. 만일 시드 레이저의 유입 펄스가 Nd:YVO4 이득매질 내의 펌프 스폿 크기 내에서 조화된다면, 펌프 스폿 크기는 레이저의 제1내부 경로(111I)와 제2내부 경로(115I) 상의 시드 레이저를 오버랩 하며, 에너지는 레이저에 효과적으로 전송된다.
또한, 내부의 바람직한 반사각(θ3 = 0.78도)은 이득매질의 평탄한 면을 빠져나가는 증폭된 레이저로부터 Nd:YVO4 이득매질의 ?지 면을 형성하는 평탄한 면 안으로 들어오는 시드 레이저의 분리를 보장하기에 충분히 커야 한다.
내부 반사각(θ3 = 0.78도)은 대략 20mm 길이의 이득매질에 대해 대략 0.27mm의 이득매질의 축에 대한 시프트를 생성한다. 또한, 만일 이득매질이 대략 10mm의 길이이면, 바람직한 굴절 각도(θ3 = 0.78도)는 대략 0.135mm의 이득매질의 축에 대한 시프트를 생성한다.
시드 레이저는 Nd:YVO4 이득매질의 제2단부 면(101C) 쪽으로 이동하여 Nd:YVO4 이득매질을 통해 그 안에서 제1내부 경로(111I)를 따라 제1패스(증폭된 제1회)에서 굴절된다. 펌프 근방에 Nd:YVO4 이득매질의 제2단부 면(101C)은 1064nm에서 시드 레이저에 대해 고 반사성의 제2코팅을 포함하며, 상기 제2코팅은 808nm 파장에서 단부 펌프로부터의 광에 대해 고 투과성이다.
시드 레이저는 Nd:YVO4 이득매질의 제2단부 면(101C) 상의 고 반사성 제2코팅에 의애 내부 반사각(θ3)에서 반사되며, 1064nm 파장 레이저가 Nd:YVO4 이득매질의 ?지 면(103A) 쪽으로 Nd:YVO4 이득매질을 통해 그 안에 제2내부 경로(115I)를 따라 제2패스(증폭된 제2회)에서 이동하게 한다. 레이저 펄스는 굴절각(θ5)에서 Nd:YVO4 이득매질의 ?지 면을 나간다(exit). 회절각(θ5)은 Nd:YVO4 이득매질의 제1단부에 대한 수직(직교)선에 대해 측정된다.
도5a는 횡단면이 사각형인 이득매질을 설명하는 5A-5A선을 따라 나타낸 도5의 단부(500A)이다. 도면번호 '599'는 이득매질에서의 펌프 스폿 크기의 방사방향 범위를 가리킨다. 도면번호 '501' 및 '502'는 레이저의 각각의 입구 및 출구 로케이션을 가리킨다. 도5b는 Nd:YVO4 이득매질의 원형 횡단면의 단부도(500B)이다.
도6은 시드 레이저(601)의 펄스된 출력의 펄스의 입사각(θ2)에 대한 Nd:YVO4 이득매질의 ?지 각(θ1); 이득매질(602) 내의 내부 반사각(θ3)에 대한 Nd:YVO4 이득매질의 ?지 각(θ1); 및 수직 입사 코팅 임계치(603)에 대한 Nd:YVO4 이득매질의 ?지 각(θ1)의 그래프(600)이다. 따라서, 수직 입사 AR-코팅에 기초하여, 5 - 7도의 ?지 각은 약 15도의 입사각에 대응하며, 내부 반사각은 대략 0.78도 이다.
도7은 ?지 각(θ1)의 함수로서 출사 펄스의 출력 경로(115E)로부터의 입사 레이저의 입력 경로(111E)의 제1단부 면(103A)상의 분할 거리의 플롯(701); 및 ?지 각(θ1)의 함수로서 입사 시드 레이저(111E)의 플롯(702) 그래프이다.
도8은 Nd:YVO4 이득매질(805), 제1거울(806), 및 제2거울(807)을 포함하는 쿼드 패스 증폭기의 구성도(800)이다. 도8a는 제1패스(801), 제2패스(802), 제3패스(803), 제4패스(804), 및 평 거울(806)과 제2곡면 거울(807)의 로케이션을 가리키는 도8의 구성도에 대한 이동거리의 함수로서 시드 레이저의 스폿 크기의 그래프(800A)이다. 제1패스(801)는 대략 64mm의 길이이며, 제2패스(802)는 대략 161mm의 길이이며, 제3패스(803)는 대략 161mm의 길이이며, 제4패스(804)는 대략 64mm의 길이이다. 도면번호 '810'은 이득매질(810)에서 제1패스(801)의 개시 점을 나타낸다. 도면번호 '811'은 시드 빔 웨이스트 이며, 도8에 광학 펌프의 웨이스트(도시되지 않음)에 부합하는 시드 레이저 웨이스트를 위치 설정하는 것이 바람직하다. 시드 레이저 웨이스트는 펌프 면(도8에는 도시되지 않음)으로부터 멀어지는 방향으로 이득매질 내측으로 대략 2mm 지점에 배치된다.
쿼드-패스 증폭기에서, 레이저 및 펌프 모드의 모드 매치는 각각의 패스에 대하여 매우 중요하다. 정상적으로, 레이저와 펌프 스폿 사이의 모드 매치 비율[(레이저의 스폿 직경)/(펌프의 스폿 직경)]은 0.6 - 1.2 이다. 도8a는 쿼드-패스 증폭기의 레이저 빔 전파를 나타낸다. 고 파워 펌프에서의 이득매질의 열 렌징 효과를 고려하여, 도8a에 예시된 M1 및 M2의 적당한 설계가 펌프 모드와 매치하도록 제2, 제3, 제4패스에 대한 레이저 모드의 스폿 크기를 제어한다.
도9는 1064nm의 파장에서의 시드 레이저, 100kHz의 반복율, 및 10피코초의 펄스 폭을 가진 시드 레이저를 나타내는 구성도(900)이다. 평균 파워는 도9에 예시된 펄스 스트림에 대해 특정되지 않는다. 도9a는 Nd:YVO4 이득매질(903)의 제2단부(904) 근방에 위치하는 광학 펌프(902)와 시드 레이저(901)의 구성도(900A)이다. 이 예에서, 시드 입력(901)은 펌프(902)와 일치하며, 시드 입력은 이득매질(903)의 제2단부(930S)의 제2단부 면(904)에 입사한다. 제2단부 면(904)은 808nm에서 다이오드 펌프 방사의 전송 및 1064nm에서 시드 레이저(901)의 전송을 허용한다. 증폭된 레이저는 화살표(930)로 나타낸 바와 같이 이득매질의 제2단부(920F)의 제2단부 면(905)을 출사한다.
도9a를 계속 참조하며, 화살표(930S)는 이득매질(903)의 제2단부를 나타내며, 화살표(920F)는 이득매질(903)의 제1단부를 가리킨다. 도면부호 903B, 903C, 903D, 903E는 Nd:YVO4 이득매질(903)의 영역을 나타낸다. 영역(903B)은 비교적 고 에너지/파워가 흡수되는 단부 면(904)에 근방에 영역이다. 스티플링(stippling)의 농도(도트/볼륨)는 이득매질에 흡수되는 상대적인 양의 에너지/파워를 나타낸다. 또한, 파워가 이득매질(903)에 흡수되는 것을 도9a로부터 인식할 수도 있다. 추출 효과는 시드 레이저 파워 및 이득과 관련된다. 영역(903B 내지 903E)으로부터, 각 세그먼트에 흡수되는 파워가 펌프 축을 따라 기하급수적으로 쇠퇴한다.
도10은 1064nm의 파장, 100kHz의 반복율, 10피코초의 펄스 폭, 약 1mW의 평균 파워에서 시드 레이저의 펄스된 출력(1001)의 펄스를 나타낸 구성도(1000)이다.
도10a는 808nm의 파장에서 작동하는 광학 펌프(1002)와 이득매질의 제2단부 근방에 위치한 시드 레이저(1001)의 구성도(1000A)이며, 상기 이득매질은 각 세그먼트에서 다른 이득분포를 초래하는 다른 길이와 도판트 농도를 가진 3개의 확산 접합된 세그먼트(1010, 1011, 1012)를 포함한다. 특정하게는, 도10a는 각각의 세그먼트에 대한 원자중량 퍼센트(%at.)의 Nd의 도판트 농도, 각 세그먼트에 대한 흡수된 파워(Pabs); 각 세그먼트에 대한 전송된 파워(PT); 각 세그먼트에 대한 광학 이득(G); 및 각 세그먼트에 대한 흡수 계수(α)를 가진 3개의 세그먼트(1010, 1011, 1012)를 포함하는 확산 접합된 이득매질, Nd:YVO4 를 설명하는 단부 펌프된 세그먼트의 매질의 구성도(1000A)이다. 도10b는 도판트 농도(C%at.), 세그먼트 길이(mm), 크기조정된 도판트 농도(알파), 세그먼트 당 흡수된 파워(Pabs)의 챠트(100B)이다. 선택적으로, 확산 접합 대신에, 세그먼트(1010, 1011, 1012)가 세그먼트 사이에 반사방지 코팅을 사용하여 함께 고정될 수 있다.
도10a 및 도10b를 참조하여, 제1세그먼트(1010)는 가장 낮은 Nd도핑 농도(0.05%)를 갖고, 2mm의 긴 길이이다. 3의 인수로 도핑 퍼센테이지를 크기조정하여 α = 0.15를 산출하며, α는 흡수 계수이다. 흡수 계수는
η = (1 - e- αL ) 이다.
따라서, Nd:YVO4 결정에 대한 추가적인 지식을 갖지 않고, 효율의 증가가 긴 길이의 결정을 사용하고 및/또는 흡수계수의 증가에 의해 달성되어 졌음을 나타내었다. 그러나, 흡수 계수는 계수(α) 및 적용된 파워에 대한 물리적인 제한이 있음을 나타내지 않는다. Nd:YVO4 결정에 적용된 파워가 증가함으로서, Nd도핑의 농도가 감소되며, 결정의 단면이 감소된다. 낮아진 도핑 농도는 높은 펌프 파워를 사용할 수 있다.
도10a 및 도10b를 참조하면, mW의 범위 내의 시드 레이저는 4㎟의 횡단면적을 가진 세그먼트된 매질에 적용된다. 이 예에서, 펌프 파워는 40W이며, 펌프 스폿 크기는 0.5mm 직경이다. 세그먼트 당 Pabs는 다음과 같은 방정식으로 제공된다.
Pabs = Pinput(1 - e- αL )
단부 펌프된 파워의 40W가 제1세그먼트에 적용되어서, Pabs = 40(1-e(-0.15)(2)) W = 10.36Watts 를 빼서 제2세그먼트(1011)에서 사용할 수 있는 29.64W를 남긴다. 부차적인 세그먼트에서 사용가능하거나 전송되는 파워는 다음의 방정식으로 주어진다.
Pinput = Ppump - (ΣPabs)
세그먼트(1011)에 대한 Pinput = 40W - (10.36W) = 29.64W 이다.
따라서, 29.64W는 제2세그먼트(1011)로 사용할 수 있거나 전송된다. Nd의 도핑 농도가 작아서, 즉 0.05%at. 이기 때문에 40W는 파쇄의 위험 없이 제1세그먼트(1010)에 안전하게 적용될 수 있음에 유념한다.
다음, 나머지 비흡수된 29.64W은 Pabs = 29.64(1-e(-0.39)(1)) W = 9.57W 를 산출하는 1mm 길이 이며 0.13%at.의 Nd농도를 가진 세그먼트(1011)에 적용된다. 제3세그먼트(1012)에 사용되거나 전송되는 파워는:
세그먼트(1012)에 Pinput = 40W - (10.36 + 9.57)W = 20.07W 이다.
이제, 제3확산 접합된 세그먼트(1012)에 사용되거나 전송되는 파워는 20.07W 이다. 제3세그먼트가 0.25%at. Nd 도프되고 그리고 12mm의 긴 길이이므로,
Pabs = 20.07(1-e(-0.75)(12)) W = 20.07W 이다.
세그먼트의 펌프 파워의 흡수에 의해 펌프 파워를 조정하는 시스템을 적용하여 고 펌프 파워의 사용 및 Nd:YVO4 결정으로의 고 에너지 전송을 할 수 있다. Nd:YVO4 결정으로의 고 에너지 전송은 이득매질 내에서의 이동으로 시드 레이저의 높은 이득을 초래한다.
각 세그먼트는 증폭기의 하나의 단계로 처리될 수 있다. 그 실시예를 기술하면 다음과 같다. 세그먼트(1010)는 10.9dB의 이득을 생성하며, 약 1mW 입력 및 흡수된 대략 10W 펌프 파워와 같이 작은 신호의 시드 레이저에 대해서, 제1세그먼트로부터 증폭된 평균 파워는 12.5mW 이다. 이득은 다음과 같은 식으로 계산된다.
이득(Gain) = 10[log10Pout/Pin]dB
세그먼트(1011)는 8.2dB의 이득을 생성하며, 12.5mW 평균 파워 시드 입력 및 흡수된 10W 펌프 파워에 대해서, 제2세그먼트(1011)를 출사하는 증폭된 평균 파워가 83mW이다. 마찬가지로, 세그먼트(1012)는 10.8dB의 이득을 생성하며, 83mW 파워 시드 입력 및 흡수된 대략 20W 펌프 파워에 대해서, 제3세그먼트를 출사하는 증폭된 평균 파워는 1W이다. 3세그먼트의 집작된 이득(전체 이득)은 30dB이다.
만일 단일 결정의 설계이면, 이득은 1mW 시드 레이저 및 40W 펌프 파워를 가진 28.7dB가 될 것이다. 분명히, 멀티-세그먼트 이득은 1000mW/743mW = 1.34 로서 34% 이상으로 향상되었다
점진적으로 증가되는 도핑 농도를 가진 세그먼트를 사용하여, 각 세그먼트에 대한 파워 입력이 수용할 수 있는 레벨에 있어서 세그먼트의 파쇄를 방지하여, 결정이 파쇄하지 않고 흡수할 수 있다.
다른 도핑 농도를 가진 세그먼트를 사용하여, 이득 분포가 고 추출 효과를 구하도록 최적하게 될 수 있다.
샤오유안 펭, 레이 수, 아난드 아순디에 의해 명칭 "다이오드-펌프된 Nd:YVO4 레이저의 파워 조정"으로 IEEE JOURNAL OF QUANTUM ELECTRONICS, 2002년 9월호 VOL.38, No.9에 공개된 기술내용은, 그 전체내용이 본원에 참고로 포함되었다.
도11은 도5와 유사한 구성도(1100)이며, Nd:YVO4 이득매질은 각 세그먼트에 대한 다른 도핑 농도를 가진 3개의 세그먼트(1110, 1011, 1012)를 포함한다. 도11은 듀얼 패스 증폭기를 나타낸 것 이외에는 도10a의 예와 유사한 예이다. 시드 레이저는 이들이 제1내부 경로(111I)와 제2외부 경로(115I) 모두를 이동함으로써 증폭된다. 따라서, 이득은 듀얼 패스 구조에서 크지만, 이득은 쿼드 패스 구조에서도 여전히 크다.
100-쿼드 패스 증폭기의 구성도
100-듀얼 패스 증폭기의 구성도
100-도1의 예의 구성의 사시도
100-광학 사이드 펌프 장비의 구성의 사시도
100-광학적 사이드 펌프된 Nd:YVO4 이득매질을 포함하는 레이저의 다른 예의 구성도
100-광학적 사이드 펌프된 Nd:YVO4 이득매질을 포함하는 레이저의 다른 예의 구성도
101-808nm, 820nm, 880nm, 888nm, 915nm, +/- 10nm 단부 펌프
101-결정의 코팅된 단부 면, 코팅은 단부 펌프(101)로부터 펌핑되는 808으로 고 투명성이며, 코팅은 피코초 펄스 내에 묻히는 1064 입사 시드 신호에서 고 반사성이다.
102-808 단부 펌프의 방향을 가리키는 화살표
103-Nd:YVO4 결정, 이득매질
103-반사방지 코팅물로 코팅된, 결정의 평면 ?지 면
103, 103, 103, 103-이득매질 내의 펌프의 세기 변화
103-Nd:YVO4 결정, 이득매질
104-시드 레이저 입력의 방향을 가리키는 화살표
104-결정(103)으로부터 회전자(105)로의 증폭된 출력신호의 방향을 가리키는 화살표
111-결정(103)으로 시드 레이저 입력(111)에 대한 회전자(105) 후의 위치, 쿼드 패스 증폭기로부터 증폭된 출력 신호에 대한 회전자(105) 전의 위치
105-회전자
106, 112-λ/2 파 평판
107-편광자
108-λ/2 파 평판(112)의 방향으로의 편광자의 출력
109-시드 레이저의 방향을 가리키는 화살표
110-렌즈
111-시드 레이저
111A-렌즈 출력
111-레이저의 제1외부 경로
111-이득매질(103) 내의 레이저의 제1내부 경로
111-레이저의 제1외부 경로
113-증폭된 레이저 신호의 출력을 가리키는 화살표
114-추가 증폭을 위해 쿼드 패스 증폭기로 증폭된 신호를 재반사하는 거울
115-레이저의 제2외부 경로
115-이득매질(103) 내의 레이저의 제2내부 경로
199-808nm, 820nm, 880nm, 888nm, 915nm, +/- 10nm 광학 사이드 펌프
199A-808nm, 820nm, 880nm, 888nm, 915nm, +/- 10nm 광학 사이드 펌프
199B-808nm, 820nm, 880nm, 888nm, 915nm, +/- 10nm 광학 사이드 펌프
199C-808nm, 820nm, 880nm, 888nm, 915nm, +/- 10nm 광학 사이드 펌프
199D-808nm, 820nm, 880nm, 888nm, 915nm, +/- 10nm 광학 사이드 펌프
199E-199C-808nm, 820nm, 880nm, 888nm, 915nm, +/- 10nm 광학 사이드 펌프
200-듀얼 패스 파워 증폭기와 조합된 쿼드 패스 전치 증폭기(preamplifier)
201-제2 Nd:YVO4 결정, 이득매질을 활성화하기 위한 제2 808nm 펌프
203-제2 Nd:YVO4 결정, 이득매질
214-거울 M3
215-도면번호 214인 거울 M3로의 이득매질(203)로부터의 신호
216-거울(214)과 거울(217) 사이의 신호
217-거울 M4
218-절연체(219)를 향하는 레이저 신호의 경로
219-절연체
221-광을 듀얼 패스 증폭기로 향하게 하기 위한 제2거울
222-렌즈
223-듀얼 패스 증폭기로의 증폭된 레이저 신호의 경로
224-듀얼 패스 증폭기로의 증폭된 레이저 신호의 방향을 가리키는 화살표
300-낮은 시드 파워(1-25mW) 및 증폭된 파워(와트)
301-듀얼 패스 증폭된 파워
302-쿼드 패스 증폭된 파워
400-도1a의 듀얼 패스 구성을 위한 다양한 mW 평균 시드 파워 입력신호의 파워 증폭을 나타내는 그래프(400)
500-이득매질(103)의 구성 다이어그램
500A-이득매질(103)의 단부도
500B-원형 단면 이득매질(103)의 단부도
501-이득매질에 입사되는 펄스의 입구 로케이션
502-이득매질로부터의 펄스의 출구 로케이션
503-이득매질의 원형 횡단면
505C-이득매질(103)의 중앙선
505P, 505X-?지 면(103A)에 대해 직교하는 선
520F-이득매질(103)의 제1단부를 가리키는 화살표
530S-이득매질(103)의 제2단부를 가리키는 화살표
599-이득매질에서의 펌프 스폿 크기의 방사 범위
600-?지 각(θ1) 대 입사각(θ2)의 그래프, 및 ?지 각(θ1) 대 반사각(θ3)의 그래프
601-?지 각(θ1) 대 입사각(θ2)의 그래프의 플롯
602-?지 각(θ1) 대 반사각(θ3)의 그래프의 플롯
700-?지 각(θ1)의 함수(702)로서 중앙선에 대한 거울(M1) 사이의 거리의 그래프; ?지 각(θ1)의 함수(701)로서 출력 빔으로부터 입력 빔의 분리 거리의 그래프; ?지 각(θ1)의 함수(703)로서 입사각(θ2) 마이너스 굴절각(θ5)의 분리 그래프
701-?지 각(θ1)의 함수로서 출력 빔으로부터의 입력 빔의 제1단부 면(103A) 상의 분리 거리의 플롯
702-?지 각(θ1)의 함수로서 시드 레이저 입사(111E)에 대한 거울(M1) 사이의 거리의 플롯
800-M1, 거울(806), M2, 거울(807), 및 이득매질(805)을 사용하는 쿼드 패스 증폭기 설계
801-대략 64mm 길이의 제1패스
802-대략 161mm 길이의 제2패스
803-대략 161mm 길이의 제3패스
804-대략 64mm 길이의 제4패스
805-Nd:YVO4 이득매질
806-거울 M1
807-거울 M2
810-이득매질에서의 제1패스의 스타트
900-1064nm의 파장, 펄스 폭 10ps, 100kHz의 반복율, 약 1mW의 평균 파워를 가진 시드 입력부의 펄스 트레인/신호
900A-단부 펌프된 이득매질(903)의 구성도
901-시드 입력
902-808nm 펌프
903-Nd:YVO4 이득매질
903B, 903C, 903D, 903E-이득매질 내의 펌프의 세기 변화
904-808nm과 1064nm에서 고 투과성 코팅물로 코팅된 제2단부 면
920F-이득매질의 제1단부
930-레이저 출력을 가리키는 화살표
930S-이득매질의 제2단부
1000-1064nm의 파장, 펄스 폭 10ps, 100kHz의 반복율, 약 1mW의 평균 파워를 가진 시드 입력의 구성도
1000A-확산 접합된 이득매질 Nd:YVO4 을 설명하는 단부 펌프된 세그먼트 매질의 구성이며, 각 세그먼트에 대해 Nd %at.의 도판트 농도를 가진 3개의 세그먼트; 각 세그먼트에 대한 흡수된 파워(Pabs); 및 각 세그먼트에 대한 흡수 계수를 포함한다.
1000B-흡수된 파워에 대한 식에 따라서, 흡수된 파워(Pabs), 흡수계수(a), 도판트 농도 길이를 예시하는 3개의 세그먼트 이득매질, Nd:YVO4 에 대한 테이블
1001-1064nm의 파장, 펄스 폭 10ps, 100kHz의 반복율, 약 1mW의 평균 파워를 가진 시드 입력의 구성도
1002-808nm 펌프
1003-Nd:YVO4 이득매질
1004-이득매질(1003)의 레이저 출력을 가리키는 화살표
1005-808nm과 1064nm에서 고 투과성(투명성) 코팅물로 코팅된 이득매질(1003)의 제2단부의 제2단부 면
1006-808nm과 1064nm에서 고 투과성(투명성) 반사방지 코팅부를 가진 이득매질(1003)의 제1단부 면
1010-제1세그먼트 길이 2mm, Nd 농도 0.05%at. Pabs=10.4W, 이득=10.9dB, Pt=29.6W, α=0.15
1011-제2세그먼트 길이 1mm, Nd 농도 0.13%at. Pabs=9.6W, 이득=8.2dB, Pt=20.1W, α=0.30
1012-제3세그먼트 길이 12mm, Nd 농도 0.25%at. Pabs=20.1W, 이득=10.8dB, Pt=0.1W, α=0.75
1020F-이득매질(1003)의 제1단부를 가리키는 화살표
1030S-이득매질(1003)의 제2단부를 가리키는 화살표
1100-시드 입력 신호와 관련하여 사용하기 위한 세그먼트된 이득매질의 구성 다이어그램
1110-제1세그먼트 길이 2mm, Nd 농도 0.05%at. Pabs=10.4W, 이득=10.9dB, Pt=29.6W, α=0.15
1111-제2세그먼트 길이 1mm, Nd 농도 0.13%at. Pabs=9.6W, 이득=8.2dB, Pt=20.1W, α=0.30
1112-제3세그먼트 길이 12mm, Nd 농도 0.25%at. Pabs=20.1W, 이득=10.8dB, Pt=0.1W, α=0.75
θ1-?지 각
θ2-경로(111E)를 따라 시드 레이저의 제1패스에 대한 입사각(최대 15도); 경로(111E)를 따라 시드 레이저의 제4패스에 대한 굴절각;
θ2'-경로(111I)를 따라 시드 레이저의 제1패스에 대한 굴절각; 쿼드 패스 예에서 경로(111I)를 따라 시드 레이저의 제4패스에 대한 입사각;
θ3-1064nm에서 고 반사성인, 면(101C)상에 부딪치는 내부 반사각(.78도);
θ4-경로(115I)를 따라 시드 레이저의 제2패스에 대한 입사각; 쿼드 패스 예에서 경로(115I)를 따라 제3패스에 대한 굴절각;
θ5-경로(115E)를 따라 시드 레이저의 제2패스에 대한 굴절각; 쿼드 패스에서 경로(115E)를 따라 시드 레이저의 제3패스에 대한 입사각;
Pabs = Pinput(1 - e- αL )
Pinput = Ppump - (ΣPabs)
이득(Gain) = 10[log10 Pout/Pin]dB

Claims (1)

  1. 레이저는:
    1064nm의 제1파장에서 작동하는 시드 레이저와;
    Nd:YVO4 이득매질과 광학 펌프를 가진 증폭기를 포함하며;
    상기 시드 레이저는 펄스된 출력을 포함하며, 상기 펄스된 출력은 반복율, 펄스 폭, 평균 파워 및 하나의 편광 방향에서 상기 시드 레이저로부터 방사하는 펄스를 포함하며;
    상기 Nd:YVO4 이득매질은 Nd 도프되며;
    상기 광학 펌프는 제2파장에서 작동하는 다이오드 펌프된 광원이며;
    상기 증폭기의 Nd:YVO4 이득매질은 편광시키는 성질을 구비하고;
    상기 입사 시드 레이저의 편광 방향은 일반적인 Nd:YVO4 이득매질의 편광 방향과 정합하며;
    상기 Nd:YVO4 이득매질은 제1단부와 제2단부를 구비하며;
    상기 증폭기의 Nd:YVO4 이득매질의 제2단부는 다이오드 펌프된 광원에 인접하는 제2단부 면으로 형성되고;
    Nd:YVO4 이득매질의 상기 제1단부는 ?지 면으로 형성되고; 상기 ?지 면은 Nd:YVO4 이득매질의 수직한 평면에 대해 ?지 각(θ1)으로 방향진 평탄한 평면이며;
    Nd:YVO4 이득매질의 제1단부의 ?지 면은 반사방지 코팅을 포함하며;
    상기 시드 레이저는 제1외부 경로를 따라서 Nd:YVO4 이득매질의 ?지 면의 상기 반사방지 코팅부에 입사하며;
    상기 시드 레이저는 Nd:YVO4 이득매질의 제2단부 면을 향해 이동하는 Nd:YVO4 이득매질을 통한 내부에 제1내부 경로를 따라 굴절되며, 상기 레이저는 제1회 증폭되며;
    상기 다이오드 펌프된 광원 근방에 Nd:YVO4 이득매질의 상기 제2단부 면은 제2코팅을 포함하며, 상기 제2코팅은 1064nm의 파장에서 시드 레이저의 펄스된 출력의 펄스에 대해 고 반사성이고 그리고 다이오드 펌프된 광원에서 나온 광에 고 투과성이며;
    Nd:YVO4 이득매질의 상기 제2단부 면의 제2코팅은 상기 다이오드 펌프된 광원으로부터의 광을 허용하여 Nd:YVO4 이득매질을 활성화하며;
    상기 제1회 증폭된 시드 레이저는 Nd:YVO4 이득매질의 ?지 면을 향해 이동하는 Nd:YVO4 이득매질을 통한 내부의 제2내부 경로를 따라 Nd:YVO4 이득매질의 제2면의 고 반사성 제2코팅에 의해 반사되며, 반사 후 상기 레이저는 제2회 증폭되며;
    상기 제2회 증폭된 레이저는 제2외부 경로를 따라 Nd:YVO4 이득매질의 ?지 면을 빠져나가며;
    제1고 반사거울은 상기 제2외부 경로를 따라 Nd:YVO4 이득매질을 빠져나가는 시드 레이저의 제2외부 경로에 대해 수직적으로 배치되며;
    상기 제2회 증폭된 시드 레이저는 제2외부 경로를 따라 뒤로 그리고 Nd:YVO4 이득매질의 상기 제1단부의 ?지 면으로 뒤로 제1고 반사거울에 의해 반사되며;
    상기 제2회 증폭된 레이저는 Nd:YVO4 이득매질의 제2단부 면 상의 고 반사성 제2코팅부를 향해 이동하는 Nd:YVO4 이득매질을 통해 내부의 제2내부 경로에서 그를 따라서 굴절되며, 상기 레이저는 제2내부 경로에서 그를 따라 굴절된 후 제3회 증폭되며;
    상기 제3회 증폭된 레이저는 Nd:YVO4 이득매질의 제2단부의 제2면 상의 고 반사성 제2코팅부와 부딪치며, Nd:YVO4 이득매질의 제1단부의 ?지 면을 향해 이동하는 Nd:YVO4 이득매질을 통해 내부의 제1내부 경로를 따라서 반사되며, 반사 후 상기 레이저는 제4회 증폭되며;
    상기 제4회 증폭된 레이저는 Nd:YVO4 이득매질의 제1단부의 ?지 면으로부터 제1외부 경로를 따라서 전송되는 것을 특징으로 하는 레이저.
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