KR20160052415A - 포켈스 셀을 스위칭하여 버스트 모드를 발생하기 위한 방법 - Google Patents

포켈스 셀을 스위칭하여 버스트 모드를 발생하기 위한 방법 Download PDF

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슈미트 마이클
아다미에츠 후버트
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하이 큐 레이저 게엠베하
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Abstract

레이저 조립체에 의해 일련의 레이저 펄스들을 발생하기 위한 방법으로서, 레이저 조립체는 적어도 2개의 반사 부재들, 레이저 매질 및 전기-광학 변조기를 포함한다. 이 방법은 광 증폭 모드에서 레이저 조립체를 작동시키는 단계 - 여기서 증폭된 레이저 펄스가 제공됨 - , 및 펄스 추출 시퀀스를 실행하는 단계를 포함한다. 본 발명에 따르면, 펄스 추출 시퀀스는 증폭 전압과 관련하여 규정된 전압 변경(40)을 적용하여 실행되고, 적어도 하나의 중간 스위칭 상태가 시간 기간 내에서 중간 전압을 인가하여 전기-광학 변조기 측에서 발생되도록 전압의 변경은 조정되고, 중간 스위칭 상태는 전기-광학 변조기에 의해 증폭된 레이저 방사의 편광의 특정 변경을 제공하고, 그 결과 최종 스위칭 상태가 시간 기간의 끝에서 최종 추출 전압을 인가하여 전기-광학 변조기 측에서 발생되고, 그 결과 적어도 하나의 중간 스위칭 상태에서 전기-광학 변조기와의 증폭된 레이저 펄스의 적어도 하나의 중간 상호작용이 증폭된 레이저 펄스의 적어도 하나의 각각의 중간 순환에 대해 제공되고, 최종 스위칭 상태에서 전기-광학 변조기와의 증폭된 레이저 펄스의 최종 상호작용이 적어도 하나의 중간 순환에 연속적인 증폭된 레이저 펄스의 순환에 대해 제공된다.

Description

포켈스 셀을 스위칭하여 버스트 모드를 발생하기 위한 방법{Method for generating a burst mode by means of switching a pockels cell}
본 발명은 일반적으로 레이저 조립체에 전기-광학 시스템을 사용하여, 특히 레이저 펄스들의 버스트(burst)의 일련의 레이저 펄스들을 발생하기 위한 방법에 관한 것이다.
소 컷팅(saw cutting)과 같은 깨지기 쉬운 재료들의 기계 가공 및 스크라이빙(scribing)하기 위한 확립된 기계적 방법들은 산업적 요구들을 만족시킬 수 없거나 또는 품질 및 스루풋의 면에서 요구들을 충족시키기 위해 고가의 후 처리를 필요로 한다. 오늘날, 레이저들은 상이한 유형들의 재료들을 기계가공하기 위해 점점 더 사용되고 있다. 레이저 절단 처리들 예컨대 멜팅(melting), 증발 및 용융 절단이 금속들 및 폴리머들과 같은 연성 재료들의 절단을 위해 사용된다. 이들 방법들은 요구되는 고품질 및 특정 절단 속도 표준들을 충족시키기 위해 투명 또는 반투명 재료들의 절단에는 적합하지 않다.
투명 재료들의 그와 같은 절단을 위해, 예를 들어 D. Helie 및 R. Vallee 의 "Micromachining of Thin Glass Plates with a Femtosecond Laser " Proc . of SPIE Vol. 7386, 738639, Photonics North 2009로부터 알려져 있는 것과 같이, 제어된 파단 기술은 이들 재료들의 기계 가공을 위해 매우 적합한 방법이다.
곡선적 및/또는 폐쇄형 내부 특징들이 절단될 필요가 있을 때, 레이저 직접 어블레이션 공정(laser direct ablation process)이 이용될 수 있다. 그러나, 삭마율, 즉 직접 어블레이션 방법의 처리 속도는 레이저 평균 파워로 스케일링되고 통상 수 mm/s로 제한된다. 이러한 사실은 레이저 직접 어블레이션 공정들에 대한 처리 속도를 제한한다.
글라스 기판의 기계가공을 위한 펨토초 레이저 필라멘테이션(filamentation)의 적용은 직접 어블레이션 공정에 대한 관심이 있는 대안이다. 샘플이 글라스 클리빙 이전에 펨토초 레이저 펄스들을 이용하여 미리 처리되는 디스플레이 글라스의 고속 절단의 아이디어가 Ahmed 등(F. Ahmed , M.S. Lee , H. Sekita , " Display Glass Cutting by Femtosecond Laser induced single shot periodic void array " Appl . Phys . A(2008) 93, 189- 192)에 의해 제안되었다. 이러한 연구에서 달성된 최대 처리 속도는 15 mm/s였다. 이 속도는 보이드들(voids) 간의 최소 거리에 의해 제한되었는데 그 이유는 그것이 보이드 간격이 10 μm보다 클 때 샘플을 쪼개는 것이 가능하지 않았기 때문이다.
필라멘테이션에 의해 증가되는 스트레스 및 그것에 의해 유도되는 미세 결함들이 얇은 붕규산 글라스 기판을 절단하고 상이한 유형들의 글라스로부터 단지 3D 부분들을 생성하는 데 사용되는 것이 알려져 있다.
재료의 처리를 위한 위의 접근방법들의 주된 문제점들은 이용 가능한 레이저 파워들, 펄스 지속기간들, 반복 주파수들(repetition frequencies) 및 펄스 형상들로 인해 도달될 수 있는 상당히 낮은 처리 속도이다. 처리 결과, 예컨대 각각의 재료에서의 얻어진 컷 또는 크랙은 주로 이들 인자들에 의존한다.
높은 반복율을 갖는 일련의 단(short) 또는 초단 레이저 펄스들을 제공하여, 재료의 처리가 대응적으로 높은 처리 속도에 의해 수행될 수 있는데, 그 이유는 더 많은 수의 펄스들이 동일한 시간 기간에 대해 재료에 적용될 수 있기 때문이다. 그와 같은 펄스들은 이들의 강도들에 관해 부가적으로 조정될 수 있다. 그와 같은 짧은 펄스의 발생 및 포켈스 셀의 특정 스위칭을 이용한 이들의 강도들의 연속 조정이 예컨대 US 7,649,667 B2에 기재되어 있다.
그와 같은 접근방법을 이용하여, 규정된 수의 짧은 펄스들이 규정된 시간 간격(즉 증폭기에 의해 주어진)에서 적용 가능하다. 그러나, 포켈스 셀을 스위칭 온 및 오프시키는 가능한 속도가 제한되기 때문에, 펄스들의 발생이 그에 따라 제한된다. 더욱이, 방출되는 원하는 레이저 파워를 제공하기 위해, 규정된 레벨의 광증폭이 각각의 개개의 펄스를 방출하기 전에 도달되어야 한다.
재료 처리에 관한 다른 양상은 재료와의 상호작용 시의 하나의 단일 레이저 펄스의 개개의 결과(예컨대 얻어진 클랙의 크기)와 관련이 있다. 그와 같은 결과는 펄스 지속 기간들 및/또는 에너지들에 의존할 뿐만 아니라 연속 펄스들 간의 시간 지연에도 의존한다. 모든 이들 인자들의 동시 조정 가능성은 위에서와 같은 종래 기술의 시스템들에 의해 제한된다. 최적화(더 효율적인 견지에서) 세팅들은 어렵거나 심지어 글라스와 같은 각각의 특정 재료들에 대해 실현되지 않는다.
그러므로, 본 발명의 목적은 위에서 언급한 문제점들을 극복하는 개선된 레이저 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 최적화된 레이저 파라미터들에 의해, 특히 재료에서 처리 결과들의 더 효율적인 생성에 의해 재료의 더 빠른 처리를 가능하게 하는 레이저 시스템을 제공하는 것이다.
이들 목적들은 독립 청구항들의 특징들을 실현하여 달성된다. 대안 또는 유리한 방식으로 본 발명을 더 발전시키는 양상들은 종속 특허 청구항들에 기재된다.
본 발명은 일반적으로 증폭된 레이저 방사로부터 추출되는 일련의 버스트 펄스들을 생성하기 위한 방법에 관한 것이다. 버스트 펄스들의 추출은 전기-광학 시스템, 특히 포켈스 셀 시스템을 사용하여 실현되고, 더욱이, 전기-광학 시스템의 단지 하나의 단일 스위칭 시퀀스에 의해 실현된다. 전기-광학 시스템은 바람직하게는 레이저 공진기에 제공되고, 레이저 공진기 내부에서의 순환 및 펌핑된 레이저 매질과의 상호작용에 의해 레이저 광의 증폭, 예컨대 레이저 펄스를 유지하기 위해 작동된다. 대안으로, 레이저 펄스들의 버스트의 발생은 종래 기술로부터 알려진 포켈스 셀을 포함하는 임의의 다른 종류의 적합한 레이저 시스템의 재생 레이저 증폭기를 이용하여 행해질 수 있다.
일반적으로, 포켈스 셀 형태의 전기-광학 시스템은 전압-제어 파장판으로서 고려될 수 있고, 여기서 복굴절 값은 특히 s- 및 p-편광 광에 관해, 원하는 위상 지연을 생성하기 위해 전자적으로 조정될 수 있다. 이러한 복굴적은 인가된 전기장에 비레한다.
포켈스 셀의 원리 기능은 다음에 예시적으로 기재된다. 포켈스 셀은 전압이 예컨대 빔의 직교 편광 성분들(부분들) 간의 위상 지연을 일으킴으로써 셀에 인가된 때 전달된 광 빔의 편광을 변경하는 것을 가능하게 한다.
인가된 장이 없을 때, 굴절율이 이때 양 편광 방향들과 동일하기 때문에 광 빔의 직교 편광 성분들 간의 위상 지연의 차이가 없고, 그래서 전달된 광의 편광 변경은 없다. 그러나, 인가된 전기장은 서로에 대해 90도로 빠르고 느린 축선들을 생성한다. 인가된 전압에 의한, 이들 2개의 방향들을 따른 편광 부분들을 갖는 빔들에 대한 속도의 차이는 다른 편광 성분에 대한 하나의 편광 성분의 위상을 지연시켜 생겨난 빔의 편광 상태를 변경시킨다.
상대 위상 지연(Φ)은 다음 표현에 의해 주어진다:
Figure pat00001
여기서, Δn은 복굴절(광의 2개의 편광들에 대한 굴절율의 차)이고, L은 결정 길이이고, λ는 파장이다.
직교 방향들에 따른 편광 방향을 갖는 광의 발생 강도들은 Δn의 크기에 의존한다. 포켈스 셀의 빠르고 느린 축선들에 대해 45°로 입사하는 선형으로 편광된 광에 대해, 평행 폴라라이저를 통해 전달될 수 있는 강도인, 인입 광과 동일한 편광 방향을 갖는 전달된 강도는 T||에 대한 표현으로 주어지고; 교차 폴라라이저를 통해 전달될 수 있는 강도는 T⊥에 대한 표현으로 주어진다:
Figure pat00002
일반적으로, 전달된 광은 타원 편광된다. 지연(Φ)이 π/2 또는 1/4 파장값인 특수한 경우에, 전달된 광은 원형 편광되고; 지연(Φ)이 1/2 파장 지연값인 π일 때, 전달된 광의 편광은 90°만큼 회전된다. 포켈스 셀의 전기장에 대한 유도 굴절율 변경(Δn)에 관한 표현은 다음 형태로 될 수 있고:
Figure pat00003
여기서 rij은 전기-광학 계수이고, E는 인가된 전압(V)의 인가에 의해 결정이 경험하는 전기장이고, n0은 정상 굴절율이다. 예컨대 BBO 포켈스 셀들에 의해 사용되는 횡단 구성에 대해, E = V/d이고, 여기서 V는 인가된 전압이고 d는 전극 간격이다. 반파장 전압(Vλ/2)에서, 위상 지연(Φ)은 π와 같고, 그러므로:
Figure pat00004
이다.
횡방향 장(field) 포켈스 셀에 대한 반파장 전압은 d/L에 비례하고, 전극 간격은 결정 길이에 의해 나누어지는 것을 주목하라. 길이방향 포켈스 셀에 대해, 반파장 전압은 결정 길이에 독립적이다.
본 발명은 레이저 조립체, 특히 레이저 공진기 또는 재생 증폭기에 의한 일련의 레이저 펄스들(레이저 펄스들의 버스트)을 발생하기 위한 방법에 관한 것이다. 레이저 조립체는 적어도 2개의 반사 부재들을 포함한다. 특히, 반사 부재들 중 하나는 규정된 파장에 대해 예컨대 펌프 광에 대해 부분적으로 투명할 수 있고, 레이저 조립체(공진기)의 내부에서 증폭된 레이저 광의 파장을 반사시킬 수 있다. 대안으로 또는 부가적으로, 반사 부재들 중 하나는 조립체로부터 레이저 방사선의 적어도 일부를 추출하기 위해, 편광 선택 요소, 특히 편광 빔 스플리터 큐브 또는 박막 폴라라이저 형태로 될 수 있다.
레이저 조립체는 편광 및/또는 위상의 전압-제어 변경을 제공하기 위한 레이저 매질 및 전기-광학 변조기, 특히 포켈스 셀을 더 포함한다
전기-광학 변조기 및 레이저 매질은 특히 2개의 반사 부재들 사이에 배열되고, 따라서, 공진기를 제공한다. 다른 말로, 반사 단부 부재들, 예컨대 (반투명) 미러들, 빌드(build) 레이저 공진기는 레이저 매질을 부가적으로 포함한다. 전기-광학 변조기는 공진기 내에서 순환하는 광이 각각의 순환 시 포켈스 셀을 통과하는 방식으로 공진기 내에 제공될 수 있다.
레이저 매질은 예컨대 이테르븀 도핑 텅스텐산염(예컨대 Yb:KYW 또는 Yb:KGW) 또는 네오디뮴 도핑 바나듐산염(예컨대 Nd:YVO4)과 같은 이테르븀- 또는 네오디뮴-도핑 레이저 매질로서 구현될 수 있다.
이 방법은 전기-광학 변조기에 증폭 전압을 인가하여 광 증폭 모드에서 레이저 조립체를 작동시켜 규정된 순환 시간(반사 단부 부재들 간의 (광학 또는 지리적) 거리로 규정되는)에 의해 레이저 조립체에서 도입된 시드 레이저 펄스의 순환 및 각각의 순환 시 레이저 매질과의 상호작용들로 인한 시드 레이저 펄스의 증폭을 제공하는 단계를 포함하고, 여기서 증폭된 레이저 펄스가 제공된다. 게다가, 펄스 추출 시퀀스는 전기-광학 변조기에 인가되는 증폭 전압을 변화, 특히 강하시키거나 또는 상승시켜 레이저 조립체로부터 적어도 하나의 레이저 펄스를 추출하기 위해 실행된다.
본 발명에 따르면, 펄스 추출 시퀀스는 증폭 전압에 대해 규정된 전압 변경을 적용하여 규정된 시간 기간 동안 실행되고, 여기서 전압의 변경은, 적어도 하나의 중간 스위칭 상태들이 시간 시간 내에서 중간 전압을 인가하여 전기-광학 변조기 측에서 발생되도록 조정된다. 중간 스위칭 상태는 전기-광학 변조기에 의해 증폭된 레이저 방사의 편광의 특정 변경을 제공한다. 더욱이, 최종 스위칭 상태는 시간 기간의 끝에서 최종 추출 전압을 인가하여 전기-광학 변조기 측에서 발생되고, 특히 여기서 중간 스위칭 상태는 최종 스위칭 상태와 다르다. 다른 말로, 전기-광학 변조기를 스위칭하는 시간 기간 내에서, 적어도 하나의 규정된 중간 및 하나의 최종 스위칭 상태가 제공되고, 특히 여기서 중간 스위칭 상태에 제공되는 변조기에 의해 실행되는 편광의 변경은 최종 스위칭 상태에 있는 변조기에 의한 실행된 편광 변경과 다르다.
부가적으로, 전기-광학 변조기와 증폭된 레이저 펄스의 적어도 하나의 중간 상호작용이 증폭된 레이저 펄스의 적어도 하나의 각각의 중간 순환에 대해 제공되도록 전압의 변경은 조정되고, 여기서 전기-광학 변조기는 적어도 하나의 중간 스위칭 상태에 있다(즉 중간 전압은 변조기에 인간된다). 최종 스위칭 상태에 있는 전기-광학 변조기와의 증폭된 레이저 펄스의 최종 상호작용은 적어도 하나의 중간 순환에 연속적인 증폭된 레이저 펄스의 순환에 대해 제공된다.
특히, 전체(나머지 부분) 증폭된 레이저 광(증폭된 레이저 펄스)이 전기-광학 변조기에 의해 실행되어 편광이 변경되고 그 결과 얻어진 편광 상태가 규정된 전체 추출 기준을 충족시키도록 최종 스위칭 상태는 조정된다. 그것에 의해, 모든 나머지 증폭된 레이저 광인 최종 스위칭 상태를 적용하여 레이저 조립체로부터 추출 가능하다.
다른 말로, 이들은 전기-광학 변조기가 비증폭 및 비-최종 스위칭 상태(중간 스위칭 상태)에 있는 동안 전기-광학 변조기와 순환하는 레이저 광의 적어도 하나의 상호작용 및 전기-광학 변조기가 최종 스위칭 상태에 있을 때 전기-광학 변조기와 순환하는 레이저 광의 추가의 상호작용을 일으킨다. 최종 스위칭 상태에서의 상호작용은 중간 스위칭 상태에서 적어도 하나의 상호작용에 대해 직접 연속하여, 즉 조립체에서 레이저 광의 다음(연속) 순환에 의해 제공되고, 특히 여기서 순환 펄스 광이 조립체로부터 전체적으로 추출된다.
그 결과, 일련(버스트)의 적어도 2개의 레이저 펄스들이 각각의 스위칭 상태들에 있는 전기-광학 변조기와 각각의 순환에서의 증폭된 레이저 펄스의 상호작용들에 따라 추출된다.
펄스 추출 시퀀스는 전압 변경이 최종 전압(예컨대 0V)에 도달할 때까지 제공되는 시간 기간에 의해 규정된다. 전압 변경은 특히 각각의 기울기들 및/또는 스텝들(점프들)을 포함하는 전압의 강하 또는 상승 형태로 될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 레이저 조립체는 편광 선택 요소를 포함한다. 그 때문에, 편광 선택 요소는 편광 빔 스플리터 큐브 또는 박막 폴라라이저로 구성될 수 있다. 편광 선택 요소는 특히 2개의 반사 부재들 사이에 (레이저 매질과 함께) 배열될 수 있고 또는 반사 부재들 중 하나로서 설계될 수 있다. 편광 선택 요소는 바람직하게는 그것이 하나의 편광(예컨대 p-편광)을 전부 전달하고 대응하는 수직 편광(예컨대 s-편광)을 전부 반사시키는 방식으로 배열된다.
그러므로, 예컨대 포켈스 셀(전기-광학 변조기) 및 편광 선택 요소와 증폭된 레이저 펄스의 상호작용으로 인해, 증폭된 레이저 광(펄스의)의 부분만이 편광 선택 요소에 의해 스위칭 아웃되어 규정된 추출 요건이 충족된다. 스위칭 아웃되지 않은 증폭된 레이저 광의 나머지 부분은 레이저 조립체 내에서 순환하는 채로 있다.
그와 같은 추출 방법은 일련의 레이저 펄스들에 상당히 작은 펄스-대-펄스 지연을 제공하고, 예컨대 지연은 공진기 내부에서 증폭된 레이저 광의 순환의 시간에 대응하고, 따라서 이들 펄스들에 의해 처리될 재료의 스트레스 완화 시간에 기본적으로 대응하는 작은 지연을 갖는 2개 이상의 연속 펄스들을 방출할 수 있게 한다. 그 결과, 펄스들의 버스트들은 처리될 재료에서 상당히 큰 결과(예컨대 크랙)를 가져온다.
특히, 순환하는 증폭된 레이저 펄스의 증폭된 레이저 광의 편광은 각각의 순환(증폭된 펄스의)을 갖는 중간(또는 최종) 스위칭 상태들에서 전기-광학 변조기와의 상호작용들에 의해 변경되고 그 결과 증폭된 광의 얻어진 편광은 규정된 추출 기준, 특히 규정된 편광 상태를 충족시킨다. 예를 들어, (타원 또는 원형 편광) 레이저 펄스의 s-편광 부분은 편광 선택 요소에 의해 영향을 받고(반사되고) 따라서 레이저 조립체로부터 추출된다. 증폭된 레이저 광(예컨대 p-편광 부분)의 부분은 레이저 조립체 내에서 순환하는 채로 있는 편광 선택 요소에 의해 영향을 받지(전달되지) 않는다. 전기광학 변조기의 중간 또는 최종 스위칭 상태로 인해 변경된 편광을 갖는 증폭된 레이저 광의 전달 및 반사된 부분들 간의 비는 전기-광학 변조기에 대한 인가된 전압에 의해 조정 가능하고, 여기서 전기-광학 변조기의 복굴절 결과는 그에 따라 조정될 수 있다.
본 발명에 따른 방법은 특히 중간 또는 최종 스위칭 상태들의 존재에서 증폭된 레이저 펄스와의 전기-광학 변조기의 상호작용을 제공하고, 그 결과 증폭된 레이저 펄스에는 변경된 편광 상태가 제공되고, 여기서 변경된 편광 상태는 적어도 2개의 편광 부분들의 비에 의해 규정되고, 이 비는 인가된 중간 전압에 의존한다. 이들 부분들 중 하나는 레이저 조립체의 추출 요소에 의해 제공되는 추출 효과에 대응할 수 있다.
본 발명에 따르면, 증폭된 레이저 펄스의 부분(규정된 방식으로, 즉 중간 또는 최종 스위칭으로 인해 전기-광학 변조기에 의해 변경된 편광을 갖는)은 예컨대 편광 빔 스플리터에 의해, 증폭된 레이저 펄스의 레이저 광의 편광 민감 스플리팅(polarisation sensitive splitting)에 기초하여 추출되고, 특히 여기서 적어도 2개의 편광 부분들 중 하나가 추출된다.
본 발명에 대해, 특히 시드 레이저 펄스는 증폭(게이트 또는 레이저 조립체의 설계에 의존하는 영) 전압을 인가하여 레이저 조립체에 도입되고, 여기서 레이저 매질은 펌프 광에 의해, 예컨대 레이저 다이오드에 의해 펌핑되고, 도입된 시드 레이저 펄스는 활성 레이저 매질을 통과할 때 각각의 순환에서 증폭된다. 시드 레이저 펄스는 편광 빔 스플리터에 의해 인입 펄스를 반사시켜 레이저 조립체에 도입될 수 있다. 시드 레이저 펄스는 특정 편광 방향을 더 포함할 수 있다.
더욱이, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 규정된 전압 변경(강하 또는 상승)의 적용은 레이저 조립체 내에서 증폭된 레이저 펄스의 전파와 동기되고 그 결과 증폭된 레이저 펄스는 적어도 하나의 중간 스위칭 상태 동안 전기-광학 변조기(예컨대 포켈스 셀)와 상호작용한다. 포켈스 셀에 대한 스위칭 스텝들의 그와 같은 적응은 제어 유닛 또는 구동기에 의해 각각 공급되는 트리거 신호들에 의해 제공될 수 있다.
따라서, 전기-광학 변조기의 복굴절의 개개의 상태들은 증폭된 레이저 펄스가 전기-광학 변조기를 통과하는 순간들에 대응하여 일시적으로(temporally) 유도될 수 있다.
본 발명의 특정 실시예에 따르면, 일련(버스트)의 적어도 2개의 레이저 펄스들 중 제 1 펄스는 제 1 중간 스위칭 상태에서 전기-광학 변조기와 증폭된 레이저 펄스의 상호작용으로 인해 추출되고 일련(버스트)의 적어도 2개의 레이저 펄스들 중 제 2 펄스는 제 2 중간 스위칭 상태에서 전기-광학 변조기와 증폭된 레이저 펄스의 상호작용으로 인해 추출되고, 특히 여기서 전압 변경은 레이저 조립체에서 증폭된 레이저 펄스의 전파에 대해 일시적으로 조정된다.
본 발명에 따른 방법의 상황에서 인가되는 전압들에 관해, 증폭 전압은 전기광학 변조기의 게이트 전압, 특히 λ/4-전압, 또는 영의 전압에 대응할 수 있다. 더욱이, 전압 변경은 특히 전압 점프 및/또는 규정된 기울기를 포함하는, 전압 강하 또는 전압 상승의 형태로 될 수 있다. 특히, 증폭 전압 및/또는 전압 변경은 레이저 조립체의 설계에 의존한다.
본 발명에 따라 인가된 전압 변경의 설정에 관해, 전압 파라미터들의 세트는 전압 변경, 예를 들어 전압 변경에 대한 기울기를 규정하는 전압 파라미터들 및/또는 시간 기간의 시간적 연장에 대해 규정될 수 있다.
특히, 전압 파라미터들은 시간 기간의 시간적 연장이 적어도 2개의 중간 레이저 펄스들을 제공하기 위해 레이저 조립체에서 증폭된 레이저 펄스의 적어도 순환 시간, 특히 순환 시간의 배수에 대응하는 방식으로 규정된다. 예시적으로, 시간적 연장은 10 ns 내지 200 ns의 범위, 특히 15 ns 내지 100 ns의 범위에 있고, 여기서 그와 같은 값들은 레이저 공진기의 설계 및 관련 순환 시간에 주로 의존한다.
부가적으로 또는 대안으로, 전압 파라미터들은 전압 변경을 위한 기울기가 특히 나노초 당 0.0 V 내지 15 V 또는 순환 당 0.0 V 내지 250 V의 범위에서 각각 비교적 얕은(약간의) 방식으로 규정될 수 있다.
다른 말로, 종래 기술에 따른 포켈스 셀의 스위칭과는 대조적으로, 여기서 스위칭 공정은 가능한 한 빨리 포켈스 셀들의 상태들의 스위칭에 초점을 맞추지 않고 긴 스위칭 기간(셀의 중간 편광/스위칭 상태들을 제공하는)을 제공하기 위해 일시적으로 연장되고 변경된다.
본 발명의 특정 실시예에 따르면, 펄스 추출 시퀀스는 적어도 2개의 전압 변경 영역들(zones)을 포함하고, 전압 변경 영역들 각각은 특정 펄스 파라미터들, 특히 펄스 피크 파워를 제공하는 전압 변경의 규정된 코스를 규정하고, 특히 전압 변경의 코스는 특히 개개의 기울기들 및 기속 기간들에 대해, 적어도 2개의 전압 변경 영역들에 걸쳐 변하는 것으로 규정된다.
전기광학 변조기에서 전압 변경의 그와 같은 조정은 예컨대 다수의 개개의 버스트 펄스들을 발생(방출)하기 위해 제공하고, 펄스들 각각은 특히 그것의 펄스 에너지에 대해 조정된다.
본 발명은 또한 레이저 조립체에서 증폭된 레이저 펄스의 규정된 순환 시간을 제공하는 일련의 레이저 펄스들을 발생한다. 레이저 조립체는 적어도 2개의 반사 부재들을 포함하고, 특히 여기서 2개의 반사 부재들 중 적어도 하나는 펌프-광의 파장 및 특히 일부품 구성(one-piece construction)으로 될 수 있는 반사 부재들 중 하나와 구조적으로 결합될 수 있는 레이저 매질에 대해 부분적으로 투명할 수 있다(및 공진기에서 증폭된 레이저 광을 반사시키고 있다). 또, 조립체는 편광 및/또는 위상의 전압-제어 변경(변조)을 제공하고 전기-광학 변조기에 인가되는 증폭 전압을 변경하여(그럼으로써 상이한 방식으로 증폭된 레이저 펄스의 편광에 영향을 주어) 레이저 조립체로부터 레이저 광을 추출하기 위한 전기-광학 변조기, 특히 포켈스 셀을 포함한다. 더욱이, 레이저 조립체는 전기광학 변조기에 규정된 전압들을 제공하고 그럼으로써 전기-광학 변조기 및 적어도 규정된 전압들이 전기-광학 변조기에 인가되는 방식으로 회로의 스위칭을 제어하기 위한 제어 유닛을 구동하기 위한 회로를 포함한다.
본 발명에 따르면, 제어 유닛 및 회로는 전압이 규정된 펄스 추출 시퀀스에 따라 전기-광학 변조기에 인가 가능하도록 협력적으로 구현되고, 펄스 추출 시퀀스는 규정된 시간 기간 동안 게이트 전압에 대한 규정된 전압 변경을 포함한다. 특히, 전압 변경들은 전압의 강하 또는 상승 및/또는 각각의 기울기들 및/또는 시간 기간 내의 전압 점프들을 포함한다. 그것에 의해, 적어도 하나의 중간 스위칭 상태가 시간 기간 내에 중간 전압을 인가하여 전기-광학 변조기 측에서 발생되도록 시간에 대해 전압의 변경이 조정된다. 중간 스위칭 상태는 전기-광학 변조기에 의한 증폭된 레이저 방사의 편광의 특정 변경을 제공한다. 부가적으로, 최종 스위칭 상태는 시간 기간의 끝에서 최종 추출 전압을 인가하여 전기광학 변조기 측에서 발생된다. 다른 말로, 전기-광학 변조기를 스위칭하는 시간 기간 내에서, 적어도 하나의 규정된 중간 및 하나의 최종 스위칭 상태가 제공된다.
부가적으로, 전기-광학 변조기와 증폭된 레이저 펄스의 적어도 하나의 중간 상호작용이 증폭된 레이저 펄스의 적어도 하나의 각각의 중간 순환에 대해 제공되도록 전압의 변경이 조정되고, 여기서 전기-광학 변조기는 적어도 하나의 중간 스위칭 상태에 있다. 최종 스위칭 상태에 있는 전기-광학 변조기와 증폭된 레이저 펄스의 최종 상호작용이 적어도 하나의 중간 순환에 연속적인 증폭된 레이저 펄스의 순환에 대해 제공된다.
그것에 의해, 일련(버스트)의 적어도 2개의 레이저 펄스들이 각각의 스위칭 상태들에 있는 전기-광학 변조기(예컨대 포켈스 셀)와 각각의 순환들에서의 증폭된 레이저 펄스의 제공된 상호작용들에 따라 추출 가능하다.
본 발명에 따른 레이저 조립체와 함께 사용되는 회로에 관해, 회로는 3개의 스위치들, 2개의 파워 서플라이들 및 가변 전류 제한기를 포함할 수 있다.
더욱이, 전기-광학 변조기는 제 1 스위칭 단계에 의해 전기-광학 변조기의 충전(charging)이 유도되고 제 2 스위칭 단계에 의해 적어도 가변 전류 제한기를 통한 변조기(셀)의 제어된 방전이 제공되는(전압 강하) 방식으로 회로에 접속될 수 있다.
특히, 적어도 스위치들 및 가변 전류 제한기가 제어 유닛에 의해 제어될 수 있어 전압 강하가 규정된 방식으로 포켈스 셀에 적용되고 전압 강하의 기울기 및/또는 전압 강하의 시간적 연장이 규정된 방식으로, 즉 제어 유닛의 각각의 설정들에 의해 규정될 수 있다.
바람직하게 사용되는 현재의 소스들은 종래 기술로부터, 에컨대 U. Tietze 및 Ch. Schenk의 "Halbleiter-Schaltungstechnik", Springer, 13th Edition, p. 774로부터 알려져 있다.
본 발명의 특정 실시예에 따르면, 펄스 추출 시퀀스의 실행 시, 증폭된 레이저 펄스의 증폭된 레이저 광의 초기 편광 상태가 변경되어 얻어진 편광이 규정된 추출 기준을 충족시키고 - 특히 여기서 추출 기준은 적어도 편광 선택 요소에 의해 규정됨 - 레이저 조립체로부터 방출되는 증폭된 레이저 펄스의 부분을 규정하도록 제어 유닛 및 회로는 협력적으로 구현된다. 게다가, 추출 편광 상태로의 초기 편광 상태의 변경은 중간 및/또는 최종 스위칭 상태 동안 전기-광학 변조기와 증폭기 레이저 펄스의 상호작용으로 인해 제공될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 레이저 조립체는 증폭된 레이저 방사로부터 레이저 광의 편광 민감 추출을 위한 편광 선택 요소, 특히 편광 빔 스플리터를 포함하고, 특히 여기서 편광 선택 요소는 2개의 반사 부재들 중 하나에 의해 구현된다. 예를 들어, 편광 빔 스플리터는 s-편광 광의 반사 및 p-편광 광의 전달을 제공한다.
본 발명은 또한 기계판독 가능 매체 상에 저장되거나 또는 위에서 언급한 방법의 실시예에 따라 펄스 추출 시퀀스를 실행시키기 위해 구현되는 컴퓨터 실행 가능 명령들을 가지는 프로그램 코드 세그먼트를 포함하는 전자기파에 의해 구현되는 프로그램 코드를 포함하는 컴퓨터 프로그램 제품에 관한 것으로서, 특히 여기서 컴퓨터 프로그램 제품은 프로그램 가능 로직들에 의해 제공되거나 또는 하드-와이어드 로직들로서 구현된다.
본 발명에 따른 방법 및 장치들은 도면들에 개략적으로 나타낸 작업 예들을 참조하여 단지 예로서, 이하에 더 상세히 기재되고 설명된다.
도 1a-b는 본 발명에 따른 전기-광학 변조기를 포함하는 레이저 조립체들의 실시예들을 나타내고;
도 2는 본 발명에 따라 포켈스 셀을 구동하기 위한 회로의 실시예를 나타내고;
도 3은 스위칭 포인트들 및 각각 실행되는 전위 변경들을 묘사하는 본 발명에 따라 포켈스 셀을 스위칭하기 위한 스위칭 다이어그램을 나타내고;
도 4는 포켈스 셀의 하나의 단일 스위칭 시퀀스에 의한 레이저 조립체로부터 본 발명에 따른 3개의 레이저 펄스들의 추출의 절차를 나타내고;
도 5는 추출된 펄스들 및 순환 펄스의 증폭의 상황에서 본 발명에 따른 포켈스 셀의 다른 예시적인 동작을 나타내고;
도 6은 셀에 인가되는 상승 전압을 이용한 본 발명에 따른 포켈스 셀의 다른 예시적인 동작을 나타낸다.
도 1a는 본 발명에 따른 레이저 조립체(10)의 실시예를 (개략적으로) 나타낸다. 여기서, 레이저 조립체(10)는 광학 재생 증폭기로서 구현된다. 조립체(10)는 아이솔레이터(isolator; 11), 예컨대 패러데이 아이솔레이터, 제 1 편광 요소(12), 예컨대 반파장(λ/2) 판, 편광 빔 스플리터(13), 제 2 편광 요소(14), 예컨대 1/4 파장(λ/4) 판, 전기-광학 변조기(15), 예컨대 포켈스 셀, 반사 단부 부재(16), 예컨대 HR-미러, 반투명 코팅을 갖는 레이저 매질(17), 예컨대 Yb:텅스텐산염 결정 및 펌프 광원(18), 예컨대 레이저 다이오드를 포함한다.
알 수 있는 것과 같이, 전기-광학 변조기(15)는 레이저 공진기 내의 빔 경로에 배열되고, 공진기는 제 1 반사 단부 부재(16) 및 즉 얻어진 증폭된 레이저 광의 파장에 대해 증폭 레이저 방사선의 반사, 및 펌프 광에 관해 전달을 제공하는 레이저 매질(17)에서의 코팅에 의해 규정된다. 대안으로, 레이저 매질(17)에 인가되는 코팅 대신에, 공간적으로 분리된 반사 부재가 펌프 광원(18)과 레이저 결정(17) 사이에 제공될 수 있다(도 1b 참조). 따라서 공진기 내의 레이저 광의 순환 시간은 레이저 매질(17) 측의 코팅 또는 분리된 반사 부재에서 반사 단부 부재(16)와 반사 지점 간의 거리에 의해 규정된다.
다음은 도시된 레이저 조립체(10)의 작동 원리에 관한 예시적으로 주어진 설명이다.
p-편광(20)을 갖는 레이저 빔, 예컨대 시드 레이저 펄스는 아이솔레이터(11) 및 제 1 편광 유닛(12)을 통해 안내되고, 그것에 의해 레이저 빔의 편광이 회전되고 그 결과 레이저 빔은 s-편광을 포함한다. 빔 스플리터(13)는 s-편광 광을 반사시키고 따라서 공동(공진기)에 광을 도입한다. 다음의 레이저 광은 레이저 광의 원형 편광을 제공하는 제 2 편광 요소(14)를 통과한다.
레이저 광은 이후 전기-광학 변조기(15)를 통해 전파된다. 전기-광학 변조기(15)가 오프로 된 때(즉 제로 전압이 셀(15)에 인가된 때), 셀(15)은 편광에 영향을 주지 않는 수동 소자로서 간주된다. 빔은 미러(16)에서 반사되고 다시 전기-광학 변조기(15) 및 편광 요소(14)(예컨대 1/4 파장판)을 통해 전파되어 레이저 광의 p-편광을 가져오고 빔 스플리터(13)로 전달된다. 레이저 매질(17)에서 반사된 후, 레이저 빔은 제 3 시간 동안 편광 요소(14) 및 전기-광학 변조기(15)를 통과하고, 미러(16)에서 반사되고 셀(15)을 통과하고 제 4 시간 동안 셀(15) 및 폴라라이저(14)를 통과한다. 이러한 전파는 s-편광의 레이저 광을 생성한다. 그 결과, 레이저 광은 이후 스플리터(13)에서 반사되고 (증폭된) 레이저 펄스(21)로서 레이저 공동을 빠져 나간다. 이러한 공정은 또한 "더블 패스(double pass)"(주입된 시드 레이저 펄스의)로 불린다.
대안의 작동 원리에 따르면, 전기광학 변조기(15)는 규정된 전압(U)에 의해, 예컨대 1/4 파장 전압(λ/4-전압)을 셀(15)에 인가하여 능동적으로 구동된다. 인가된 전압(스위칭, 증폭 또는 게이트 전압)의 크기는 특히 복굴절이 셀(15)에 의해 제공되도록 선택된다. 그렇게 함으로써, 전기-광학 변조기(15)는 전파하는 광의 편광에 능동적으로 영향으로 주고, 그렇게 함으로써 도입된 레이저 펄스(20)는 레이저 공진기에 같힐 수 있는데 그 이유는 증폭된 광의 편광이 레이저 광의 각각의 순환에서 조정되고 그 결과 그것이 빔 스플리터(13)로 전달되기 때문이다.
부가적으로, 그와 같이 갇힌 레이저 펄스는 각각의 순환에 의해 증폭되고 전기-광학 변조기의 상태를 변경하여 레이저 공진기로부터 방출될 수 있다. 이것은 전형적으로 셀에서의 전압을 제로 전압으로 감소시켜 실현되는 데, 이것은 다시 전기-광학 변조기가 수동 소자이게 한다. 증폭된 레이저 펄스는 필요시 그와 같은 스위칭에 의해 공진기로부터 방출될 수 있다.
전기-광학 변조기(15)를 스위칭하기 위해, 본 발명에 따르면, 규정된 전압 곡선에 따른 전압 변경(여기서: 전압 강하)이 전기-광학 변조기(15)에 인가된 증폭(게이트) 전압에 대해 적용된다.
그 전압 곡선에 따라, 전압 강하가 특히 셀(15)을 "스위칭 온(switching on)"하기 위한 게이트 전압에 대응하는, 변조기(15)에 인가되는 초기 증폭 전압으로부터 시작해서 적용된다.
전압 강하는 시간에 대한 전압의 특정 강하, 즉 전압에 대한 특정 기울기 및/또는 점프를 규정한다. 시간 및 기울기에 대한 전압 강하는 기울기의 크기가 (하나의 레이저 펄스를 추출하는 고속 스위칭을 제공하기 위해 가능한 한 가파르게 강하가 구현되는 종래 기술에 따른 전압 강하에 비해) 비교적 낮도록 각각 규정된다.
전기-광학 변조기(15)에서 시간에 따라 그와 같은 상대적으로 약간의 전압 강하를 적용한 결과, 전기-광학 변조기(15)는 강하의 지속 기간에 대해 중간 스위칭 상태들(적어도 하나)을 제공한다. 따라서, 순환하는 (공진기 내에서) 레이저 광의 일부만이, 빔 스플리터(13)를 통과하고 반사(및 추출)될 때 s-편광을 포함하는 레이저 광이 제공된다. 레이저 광의 나머지는 공진기 내에서 진행하는 채로 있다.
전압 강하의 시간 기간, 즉 추출 시퀀스(전압 강하 또는 상승 및/또는 전압 기울기의 약간의 강하)의 지속 기간은 공진기 내에서 레이저 광의 순환 시에 조정된다. 이러한 공정은 하나의 단일 스위칭 시퀀스를 사용하여 공진기 내에서 증폭된 레이저 방사로부터 적어도 2개의 서브-레이저펄스들(버스트 펄스들)의 추출을 제공한다. 이것은 셀(15)의 스위칭으로 인한 하나의 단일 레이저 펄스가 스위칭 프로세스에 의해 (즉 전압 강하의 적용에 의해) 추출될 뿐만 아니라 더 많은 수의 펄스들이 공동으로부터 추출 가능하다는 것을 의미한다.
적어도 제 1 서브-펄스(버스트 펄스)가 중간 스위칭 상태에서 변조기와 증폭된 레이저 광의 상호작용에 의해 유도되는 편광 변경으로 인해 추출되고; 제 2(최종) 서브-펄스는 최종 스위칭 상태에 있는 변조기와의 상호작용으로 인해 추출된다. 이들 스위칭 상태들는 서로 상이하고 특히 편광의 실행된 변경들에 관한 상호작용 레이저 광에 대해 상이한 결과들을 제공한다.
전압 강하 기울기에 대해 전압 강하를 조정함으로써, 심지어 2개의 서브-펄스들 외의 각각의 전압 점프들 및 지속 기간은 공동으로부터 연속해서 추출될 수 있다. 더욱이, 기울기를 각각 조정함으로써, 예컨대 펄스들마다의 펄스 에너지들의 변화가 규정될 수 있다. 그렇게 하기 위해, 대안의 기울기들 및/또는 전압들을 갖는 적어도 2개의 상이한 전압 변경 (강하) 영역들을 포함하는 추출 시퀀스가 구현될 수 있다.
도 1b는 2개의 반사 부재들(16, 26), 레이저 매질(17) 및 포켈스 셀(15)을 갖는 레이저 공진기 형태의 본 발명의 다른 실시예를 나타낸다. 증폭된 레이저 방사(레이저 펄스)는 공진기 내부에서 순환하고, 여기서 규정된 게이트 (증폭) 전압은 포켈스 셀(15)에 인가된다.
레이저 펄스들의 버스트의 추출, 즉 버스트 모드를 발생하기 위해, 포켈스 셀(15)은 포켈스 셀(15)에 규정된, 약간의 전압 강하를 적용하고 따라서 순환하는 레이저 광의 편광의 그와 같은 변경을 제공하여 구동되고, 그 결과 광의 제 1 부분은 공진기 내에서 순환하는 채로 있고, 여기서 방사선의 잔여 부분은 예컨대 편광 빔 스플리터와의 상호작용으로 인해 조립체로부터 방출된다.
도 2는 본 발명에 따른 포켈스 셀을 구동하기 위한 회로의 실시예를 나타낸다. 회로는 2개의 고전압원들(31, 32), 3개의 스위치들(33, 34, 35) 및 가변 전류 제한기(36)를 포함한다. 더욱이, 레이저 공진기 내에서 전압-제어 파장판으로서 작용하는 포켈스 셀(또는 임의의 다른 적합한 전기-광학 변조기)을 갖는 접속부(37)가 제공된다. 제어 유닛(도시하지 않음)은 가변 전류 제한기(36)에 대한 설정들을 스위칭들 및/또는 규정하는 것을 적어도 트리거하기 위해 회로에 기능적으로 접속된다.
증폭 모드에서 공진기를 구동하는 것에 대해, λ/4-전압에 대응하는 고전압원들(31, 32)을 갖는 인가 전압들에 관한 전위차가 각각의 순환에서 공진기 내에서 순환하는 레이저 광의 각각의 편광 변경들을 제공하기 위해 적용되어야 한다.
2개의 고전압 출력 펄스들이 2개의 고전압원들(31, 32)의 도움을 받아 동시에 발생 가능하도록 회로 및 제어 유닛은 상호 접속된다. 도시된 것과 같이, 포켈스 셀은 양 전압 펄스들의 차를 수용하기 위해 양 고전압원들(31, 32)에 접속된다.
본 발명에 따른 방법의 실시예는 다음의 도 2 및 3의 상황에서 기재된다. 포켈스 셀의 단지 하나의 스위칭 프로세스에 의해 적어도 2개의 레이저 펄스들의 발생을 유도하기 위해, 스위치들(33, 34)은 시간 T0에서 폐쇄되고, 여기서 스위치(35)는 개방 위치(미완성)에 있다. 그렇게 함으로써, 증폭 전압(여기서: 게이트 전압, λ/4-전압)이 포켈스 셀에 인가되고 포켈스 셀은 최종 충전 상태가 얻어질 때까지(T1) 충전한다.
이후, 스위치들(33, 34)은 개방되고 스위치(35)는 시간 T2에서 완료된다. 그 결과, 포켈스 셀의 제 1 전극은 직접 접지된다(스위치(35)에 의해 도시된 접지에 대해 전기 접속을 완료하여). 한편, 포켈스 셀의 제 2 전극은 가변 전류 제한기(36)를 통해 방전되고, 여기서 제 2 전극의 전하는 느리게 그리고 제어된 방식으로 방전된다. 포켈스 셀에서 얻어진 (전체) 전압 곡선 및 특히 그것의 경사진 기울기(T2과 T3 사이)의 코스는 가변 전류 제한기(36)의 조정들에 의존한다.
그러므로, 본 발명에 따르면, 가변 전류 제한기(36)의 존재 및 조정들은 포켈스 셀에서 전압의 약간의 붕괴를 제공하고 따라서 공진기의 레이저 펄스들을 순환시키는 것으로부터 적어도 2개의 레이저 펄스들의 추출을 위해 제공한다.
T2로부터 T3(또는 T4 각각)까지의 시간 기간은 그것이 포켈스 셀과 증폭된 레이저 광의 상호작용의 시간보다 크고, 및 - 추출될 중간 펄스들의 수에 의존하여 - 하나의 중간 펄스를 추출하기 위한 공진기 내에서 레이저 광의 순환 시간보다 작거나 또는 더 많은 중간 펄스들을 추출하기 위해 그것의 배수보다 작도록 규정되고, 여기서 적어도 포켈스 셀과의 순환하는 레이저 펄스의 이중 상호작용들, 중간 편광 상태(스위칭 상태)에서의 적어도 하나 및 최종 스위칭 상태(여기서: 제로 전압)에서의 하나가 제공된다.
시간 기간 T3 내지 T4에서, 전류 제한기(36)의 설정들은 포켈스 셀에서의 전압이 신속하게 영으로 강하하도록 조정된다.
도 3은 스위치들(33,34, 35)(T0 및 T2)의 스위칭 순간들, 시간에 따른 가변 전류 제한기에서의 전류(I), 전원들(31, 32(고전압원들)의 출력 전압들 및 포켈스 셀에서의 얻어진 전압, 즉 31 및 32의 출력 신호들의 차이를 나타낸다.
시간 기간(펄스 추출 시퀀스, 즉 스위칭 시퀀스)의 지속 기간에 관해, 규정된 지속 기간은 발생될 버스트 펄스들의 수에 의존한다.
2개의 펄스들을 발생하기 위해, 시간 기간은 순환 시간보다 짧은데, 그 이유는 레이저 광의 제 1 순환을 위한 하나의 단일 중간 스위칭 상태 및 연속의 제 2 순환을 위한 최종 스위칭 상태에 대한 요구만이 있기 때문이다. 따라서, 중간 스위칭 상태는 포켈스 셀과 레이저 광의 제 1 상호작용 동안 제공되고, 여기서, 그와 같은 상호작용 직후, 제로 전압(최종 스위칭 상태)이 제 2 상호작용 동안 인가될 수 있다.
3개의 버스트 펄스들을 발생하기 위해, 시간 기간의 시간적 크기(temporal extent)는 순환 시간보다 커야 하지만 순환 시간의 2배보다는 작아야 한다. 그렇게 함으로써, 2개의 중간 상태들을 갖는 레이저 광의 2개의 상호작용들이 공진기 내에서의 광의 각각의 연속하는 순환들에 대응하여 제공된다.
일반적으로 말해, 시간 기간(t)의 지속 기간, 중간 스위칭 상태들(nis)이 제공될 상호작용들의 수 및 순환 시간(tc)의 상관 관계는:
Figure pat00005
에 의해 주어진다.
도 4는 포켈스 셀의 하나의 단일 스위칭 시퀀스에 의한 3개의 레이저 펄스들의 추출 시의 본 발명에 따른 레이저 조립체의 거동을 나타낸다.
상부에, 포켈스 셀(41)에서의 시간에 따른 전압이 도시되고, 전압은 본 발명에 따라 규정된 전압 강하(40)를 포함한다. 그와 같은 전체 전압은 특정 회로(각각의 구동기 또는 제어 유닛을 각각 포함하는)를 사용하고 회로의 스위칭 스텝들을 각각 트리거링하여 생성된다.
전체 전압(41) 아래에서, 공진기, 포켈스 셀 및 편광 선택 요소에서 순환하는 레이저 펄스의 상호작용들에 의해 생성되는 3개의 레이저 펄스들(42)의 발생이 도시된다. 전압 강하(40)의 시작과 제 1 펄스의 추출 간의 규정된 지연은 포켈스 셀의 편광 상태들을 변경하는 지속 기간 및 스위칭에 의해 주어진다.
아래에, 레이저 공진기(43) 내에서 순환하는 레이저 펄스의 발생 및 증폭이 묘사된다. 순환하는 레이저 펄스의 진폭에 대해, 각각의 순환에 의한 증폭을 알 수 있고, 여기서 진폭은 제 1 레이저 펄스가 순환하는 레이저 광으로부터 추출되고 따라서 순환 펄스의 파워의 부분이 추출되자마자 감소한다.
곡선(42)에 따른 추출된 레이저 펄스들은 기본적으로 동일한 피크 파워들로 된다. 이것은 초기 전압 강화 및 전압 강하의 기울기의 각각의 설정에 의해 각각 제공된다.
공진기 내부에서의 레이저 펄스의 순환 시간은 곡선 43으로 표현되는 펄스 신호의 최대 거리에 대응한다. 버스트 펄스들의 반복 주파수는 증폭된 레이저 광의 순환 시간에 의존한다.
본 발명의 특정 실시예에 따르면, 전압 변경(곡선 41에 따른)의 기울기는 0 V/RT 내지 250 V/RT (RT = 라운드트립 또는 순환)의 범위에 있도록 설정된다.
도 5는 추출된 펄스들 및 순환 펄스의 증폭의 상황에서, 레이저 조립체, 예컨대 재생 증폭기의 포켈스 셀의 다른 예시적인 동작을 나타낸다.
도 4의 실시예에 비해 얻어진 추출된 펄스들에는 2개의 주요 차이들이 있다. 먼저, 여기서 3개의 펄스들이 아닌 4개의 버스트가 증폭된 펄스(곡선 42' 참조)로부터 추출된다. 둘째, 추출된 펄스들의 피크 파워는 변한다(또한 곡선 42' 참조). 또, 측정된 순환 펄스의 진폭의 감소(곡선 43')를 버스트 펄스들의 추출을 시작하는 것으로 인해 알 수 있다.
도 4 및 5의 전압 강하들(곡선들 41 및 41')과 비교함으로써, 사람은 곡선 41'(곡선 43'의 기록된 펄스 신호들과 강하의 기술기에 관한 차이 간의 시간 간격(time gap)에 의해 표현된 순환 시간을 참조하여)에 따른 전압 강하의 더 큰 시간적 연장을 알 수 있다. 그와 같은 더 긴 강하 시간 및 각각 조정된 기울기의 결과로서, 4개의 버스트 펄스들이 하나의 스위칭 시퀀스에 의해 추출될 수 있고, 여기서 추출된 펄스들의 각각의 피크 파워들은 그에 따라 조정될 수 있다. 전압 강하의 그와 같은 조정은 예를 들어 도 2에 따른 회로에 의해 제공될 수 있고, 여기서 가변 전류 제한기에 의한 각각의 설정 및 스위칭 순간들이 선택된다.
펄스 추출 시퀀스의 시간적 연장을 확대는 각각의 상호작용 프로세스에서 레이저 광의 편광의 규정된 변경을 제공하는 스위칭 상태를 포함하는 포켈스 셀과의 순환하는 레이저 광의 더 많은 수의 상호작용들로 이어진다.
특히, 도 5에서도 알 수 있는 것과 같이, 추출 시퀀스는 적어도 2개의 강하 범위들을 포함하고, 강하 범위들 각각은 특정의 전압 점프 및/또는 기울기 및 이들 범위들 내에서 전압 변경에 관한 규정된 지속 기간에 의해 규정된다.
도 6은 추출된 펄스들 및 순환 펄스의 증폭의 상황에서, 레이저 조립체, 예컨대 재생 증폭기의 포켈스 셀의 다른 예시적인 동작을 나타낸다. 도 4 및 5와는 대조적으로, 여기서 전압 강하 및 전압 상승이, 레이저 조립체 자체의 대응하여 상이한 설계로 인해, 다수의 버스트 펄스들의 발생을 제공하는 포켈스 셀에 적용된다. 순환하는 레이저 광의 편광의 특정 변경은 인가된 전압의 증가에 의해 실행되고, 여기서 증가하는 전압의 기울기는, 2개의 레이저 펄스들이 셀의 각각의 중간 스위칭 상태들로 인해 추출되고 제 3 펄스가 최종 (충전된) 상태에서 셀과의 상호작용으로 인해 추출되도록 조정되고, 모두 3개의 펄스들이 기본적으로 동일한 특성들(예컨대 파워)을 갖고 발생될 수 있다.
비록 본 발명이 부분적으로 일부 특정 실시예들을 참조하여 위에 설명되었지만, 실시예들의 상이한 특징들의 수 많은 변경들 및 조합들이 만들어질 수 있고 상이한 특징들은 종래 기술로부터 알려진 레이저 조립체들 및/또는 펄스 레이저 시스템들과 조합될 수 있다는 것이 이해되어야 한다.

Claims (15)

  1. 레이저 조립체(10), 특히 레이저 공진기 또는 재생 증폭기로 일련의 레이저 펄스들을 발생하기 위한 방법으로서, 상기 레이저 조립체(10)는 적어도
    · 2개의 반사 부재들(16,26)로서, 특히 2개의 반사 부재들(16,26) 중 하나의 규정된 파장에 대해 부분적으로 투명한, 상기 2개의 반사 부재들(16,26),
    · 레이저 매질(17) 및
    · 편광 및/또는 위상의 전압-제어 변경을 제공하기 위한 전기-광학 변조기(15), 특히 포켈스 셀(Pockels cell; 15)을 포함하고,
    상기 방법은
    · 증폭 전압을 상기 전기-광학 변조기(15)에 인가하여 광 증폭 모드에서 상기 레이저 조립체(10)를 작동시켜 규정된 순환 시간에 의해 상기 레이저 조립체(10)에서 도입된 시드 레이저 펄스(20)의 순환, 및 증폭된 레이저 펄스가 제공되는 각각의 순환 시 상기 레이저 매질(15)과의 상호작용들로 인한 상기 시드 레이저 펄스(20)의 증폭을 제공하는 단계, 및
    · 상기 전기-광학 변조기(15)에 인가되는 상기 증폭 전압을 변경하여 상기 레이저 조립체로부터 적어도 하나의 레이저 펄스(21)를 추출하기 위해 펄스 추출 시퀀스를 실행하는 단계를 포함하는, 일련의 레이저 펄스들을 발생하기 위한 방법에 있어서,
    상기 증폭 전압을 참조하여 규정된 전압 변경(40)을 인가함으로써 규정된 시간 기간 동안 상기 펄스 추출 시퀀스를 실행하는 단계를 포함하고, 상기 전압의 변경은,
    · 적어도 하나의 중간 스위칭 상태가 상기 시간 기간 내에서 중간 전압을 인가하여 상기 전기-광학 변조기(15) 측에서 발생되고, 상기 중간 스위칭 상태는 상기 전기광학 변조기(15)에 의해 상기 증폭된 레이저 방사의 편광의 특정 변경을 제공하고,
    · 최종 스위칭 상태가 상기 시간 기간의 끝에서 최종 추출 전압을 인가하여 상기 전기-광학 변조기(15) 측에서 발생되고,
    · 상기 적어도 하나의 중간 스위칭 상태에서 상기 전기-광학 변조기(15)와 상기 증폭된 레이저 펄스의 적어도 하나의 중간 상호작용이 상기 증폭된 레이저 펄스의 적어도 하나의 각각의 중간 순환에 대해 제공되고,
    · 상기 최종 스위칭 상태에서 상기 전기-광학 변조기(15)와 상기 증폭된 레이저 펄스의 최종 상호작용이 상기 적어도 하나의 중간 순환에 연속적인 상기 증폭된 레이저 펄스의 순환에 대해 제공되도록 조정되고,
    그 결과, 일련의 적어도 2개의 레이저 펄스들은 각각의 스위칭 상태들에 있는 상기 전기-광학 변조기(15)와 각각의 순환에서의 상기 증폭된 레이저 펄스의 상기 상호작용들에 따라 추출되는 것을 특징으로 하는, 일련의 레이저 펄스들을 발생하기 위한 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 순환하는 증폭된 레이저 펄스의 상기 증폭된 레이저 광의 상기 편광이 각각의 순환을 갖는 중간 및/또는 최종 스위칭 상태들에서 상기 전기-광학 변조기(15)와의 상호작용들에 의해 변경되어 상기 얻어진 편광이 규정된 추출 기준을 충족시키는 것을 특징으로 하는, 일련의 레이저 펄스들을 발생하기 위한 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 전기-광학 변조기(15)가 상기 중간 또는 최종 스위칭 상태의 존재에서 상기 증폭된 레이저 펄스와 상호작용하여 상기 증폭된 레이저 펄스는 변경된 편광 상태가 제공되고, 상기 변경된 편광 상태는 적어도 2개의 편광 부분들의 비에 의해 규정되고, 상기 비는 상기 인가된 중간 전압에 의존하는 것을 특징으로 하는, 일련의 레이저 펄스들을 발생하기 위한 방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 증폭된 레이저 펄스의 부분은 상기 증폭된 레이저 펄스의 상기 증폭된 레이저 광의 편광 민감 스플리팅(splitting)에 기초하여 추출되고, 특히 상기 적어도 2개의 편광 부분들 중 하나가 추출되는 것을 특징으로 하는, 일련의 레이저 펄스들을 발생하기 위한 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 증폭된 레이저 펄스가 상기 적어도 하나의 중간 스위칭 상태 동안 상기 전기-광학 변조기(15)와 상호작용하도록 상기 레이저 조립체 내에서 상기 증폭된 레이저 펄스의 전파와 상기 규정된 전압 변경의 상기 인가를 동기화하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 일련의 레이저 펄스들을 발생하기 위한 방법.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    · 상기 일련의 적어도 2개의 레이저 펄스들 중 제 1 펄스는 제 1 중간 스위칭 상태에서 상기 전기-광학 변조기(15)와 상기 증폭된 레이저 펄스의 상호작용으로 인해 추출되고,
    · 상기 일련의 적어도 2개의 레이저 펄스들 중 제 2 펄스는 제 2 중간 스위칭 상태에서 상기 전기-광학 변조기(15)와 상기 증폭된 레이저 펄스의 상호작용으로 인해 추출되고,
    특히 상기 전압 변경(40)은 상기 레이저 조립체 내에서 상기 증폭된 레이저 펄스의 상기 전파에 대해 일시적으로(temporally) 조정되는 것을 특징으로 하는, 일련의 레이저 펄스들을 발생하기 위한 방법.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 증폭 전압은
    · 상기 전기-광학 변조기(15)의 게이트 전압, 특히 λ/4-전압, 또는
    · 제로 전압
    에 대응하고,
    및/또는
    · 상기 전압 변경은 특히 전압 점프를 포함하는 전압 강하 또는 전압 상승 형태로 되어 있고, 특히 상기 증폭 전압 및/또는 상기 전압 변경은 상기 레이저 조립체(10)의 설계에 의존하는 것을 특징으로 하는 일련의 레이저 펄스들을 발생하기 위한 방법.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전압 변경(40)을 위한 전압 파라미터들의 세트를 규정하는 단계를 포함하고, 상기 전압 파라미터들은 상기 전압 변경에 대한 기울기 및/또는 상기 시간 기간의 시간적 연장(temporal extend)을 규정하는 것을 특징으로 하는, 일련의 레이저 펄스들을 발생하기 위한 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 전압 파라미터들은
    · 상기 시간 기간의 상기 시간적 연장이 적어도 2개의 중간 레이저 펄스들을 제공하기 위해 상기 레이저 조립체에서 상기 증폭된 레이저 펄스의, 적어도 상기 순환 시간, 특히 상기 순환 시간의 배수에 대응하고, 및/또는
    · 상기 전압 변경에 대한 상기 기울기가 특히 순환 당 0[V] 내지 250[V]의 범위 내에서 비교적 얕은 방식으로 규정되는 것을 특징으로 하는 일련의 레이저 펄스들을 발생하기 위한 방법.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    펄스 추출 시퀀스는 적어도 2개의 전압 변경 영역들을 포함하고, 2개의 전압 변경 영역들 각각은 특정 펄스 파라미터들, 특히 펄스 피크 파워를 제공하는 상기 전압 변경(40)의 규정된 코스를 규정하고, 특히 상기 전압 변경의 상기 코스는 상기 적어도 2개의 전압 변경 영역들에 걸쳐 변하는 것으로 규정되는 것을 특징으로 하는 일련의 레이저 펄스들을 발생하기 위한 방법.
  11. 상기 레이저 조립체(10)에서 증폭된 레이저 펄스의 규정된 순환 시간을 제공하는 일련의 레이저 펄스들을 발생하기 위한 레이저 조립체(10), 특히 레이저 공진기 또는 재생 레이저 증폭기로서, 적어도
    · 2개의 반사 부재들(16,26)로서, 특히 2개의 반사 부재들(16,26) 중 적어도 하나는 펌프-광(pump-light)의 파장에 대해 부분적으로 투명한, 상기 2개의 반사 부재들(16,26),
    · 레이저 매질(17),
    · 편광 및/또는 위상의 전압-제어 변경을 제공하고 상기 전기-광학 변조기(15)에 인가된 증폭 전압을 변경하여 상기 레이저 조립체(10)로부터 레이저 광의 추출을 위한 전기-광학 변조기(15), 특히 포켈스 셀(15),
    · 규정된 전압들을 상기 전기-광학 변조기(15)에 제공하여 상기 전기-광학 변조기(15)를 구동하기 위한 회로, 및
    · 적어도 상기 규정된 전압들이 상기 전기-광학 변조기(15)에 인가되는 방식으로 상기 회로의 스위칭을 제어하기 위한 제어 유닛을 포함하는, 레이저 조립체(10)에 있어서,
    상기 제어 유닛 및 상기 회로는 상기 전압이 규정된 펄스 추출 시퀀스에 따라 상기 전기-광학 변조기(15)에 적용 가능하도록 협력적으로 구현되고, 상기 펄스 추출 시퀀스는 규정된 시간 기간 동안 상기 증폭 전압을 참조한 규정된 전압 변경(40)을 포함하고, 상기 전압의 변경은
    · 적어도 하나의 중간 스위칭 상태가 상기 시간 기간 내에서 중간 전압을 인가하여 상기 전기-광학 변조기(15) 측에서 발생되고, 상기 중간 스위치 상태는 상기 전기광학 변조기(15)에 의해 상기 증폭된 레이저 방사의 편광의 특정 변경을 제공하고,
    · 최종 스위칭 상태가 상기 시간 기간의 끝에서 최종 추출 전압을 인가하여 상기 전기-광학 변조기(15) 측에서 발생되고,
    · 상기 적어도 하나의 중간 스위칭 상태에 있는 상기 전기-광학 변조기(15)와 상기 증폭된 레이저 펄스의 적어도 하나의 중간 상호작용이 상기 증폭된 레이저 펄스의 적어도 하나의 각각의 중간 순환에 대해 제공되고,
    · 상기 최종 스위칭 상태에서 상기 전기-광학 변조기(15)와 상기 증폭된 레이저 펄스의 최종 상호작용이 상기 적어도 하나의 중간 순환에 연속적인 상기 증폭된 레이저 펄스의 순환에 대해 제공되도록 조정되고,
    그 결과 일련의 적어도 2개의 레이저 펄스들이 각각의 스위칭 상태들에 있는 상기 전기-광학 변조기(15)와의 각각의 순환에서의 상기 증폭된 레이저 펄스의 제공된 상기 상호작용들에 따라 추출 가능한 것을 특징으로 하는, 레이저 조립체.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 회로는
    · 3개의 스위치들(33,34,35),
    · 2개의 파워 서플라이들(31,32) 및
    · 가변 전류 제한기(36)를 포함하고,
    특히 적어도 상기 스위치들(33,34,35) 및 상기 가변 전류 제한기(36)는 상기 제어 유닛에 의해 제어 가능하고 그 결과 상기 전압 변경(40)은 규정된 방식으로 상기 전기-광학 변조기(15)에 인가되고 상기 전압 변경의 기울기 및/또는 상기 전압 변경의 시간적 연장은 규정된 방식으로 되는 것을 특징으로 하는, 레이저 조립체.
  13. 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서,
    상기 레이저 조립체(10)는 상기 증폭된 레이저 방사로부터 레이저 광의 편광 민감 추출을 위한 편광 선택 요소(13), 특히 편광 빔 스플리터를 포함하고, 특히 상기 편광 선택 요소(13)는 상기 2개의 반사 부재들(16,26) 중 하나에 의해 구현되는 것을 특징으로 하는, 레이저 조립체.
  14. 제 11 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어 유닛 및 상기 회로는 상기 펄스 추출 시퀀스의 실행에 의해
    · 상기 증폭된 레이저 펄스의 상기 증폭된 레이저 광의 초기 편광 상태가 변경되어 상기 얻어진 편광이 규정된 추출 기준을 충족시키고, 특히 상기 추출 기준이 적어도 상기 편광 선택 요소에 의해 규정되고 상기 레이저 조립체로부터 방출되는 상기 증폭된 레이저 펄스의 부분을 규정하고,
    · 추출 편광 상태로의 상기 초기 편광 상태의 상기 변경이 상기 적어도 하나 중간 및/또는 상기 최종 스위칭 상태 동안 상기 전기-광학 변조기(15)와 상기 증폭된 레이저 펄스의 상호작용들로 인해 제공
    되도록 협력적으로 구현되는 것을 특징으로 하는, 레이저 조립체.
  15. 특히 제 11 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 따른 레이저 조립체(10)의 제어 유닛 상에서 실행될 때, 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 따른 펄스 추출 시퀀스를 실행하기 위해 구현되는 컴퓨터-실행 가능 명령들을 가지는, 기계-판독 가능 매체 상에 저장되거나 또는 프로그램 코드 세그먼트를 포함하는 전자기파에 의해 구현되는 프로그램 코드를 포함하는 컴퓨터 프로그램 제품으로서, 특히 프로그램 가능 로직들에 의해 제공되거나 또는 상기 컴퓨터 프로그램 제품은 하드-와이어드 로직들로서 구현되는, 컴퓨터 프로그램 제품.
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