KR20160065924A - 초단파 펄스 중적외선 모드-동기 레이저 - Google Patents

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세르게이 바실리예프
마이클 미로프
발렌틴 가폰트시프
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아이피지 포토닉스 코포레이션
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Abstract

단파 모드-동기 레이저가 적어도 2개의 반사성 요소 사이의 공진 캐비티를 정의하는 적어도 2개의 반사성 요소, 수직 입사하도록 공진 캐비티 내에 배치되고 전이 금속으로 도핑된 II-VI족 물질로부터 선택되는 레이저 이득 요소(gain element; GE); 및 펄스 반복 속도 주파수 fpump에서 이득 요소를 동기식 또는 준-동기식 펌프하기 위해 펄스된 출력을 방출하는 광학 펌프를 포함하고, 펌프는 fpump가
Figure pct00003
이 되도록 공진 캐비티에서 역왕복 시간, flaser에 실질적으로 일치하도록 구성되며, 여기서 c는 빛의 속도이며, L은 공진 캐비티의 길이이다. 동기식 또는 준-동기식 펌핑은 피코초 또는 펨토초 펄스 지속시간을 갖는 레이저의 단파-펄스 방출을 트리거하고 유지한다.

Description

초단파 펄스 중적외선 모드-동기 레이저{ULTRA-SHORT PULSE MID-IR MODE-LOCKED LASER}
본 발명은 일반적으로 전이 금속들("TM:II-VI족")로 도핑된 II-VI족 칼코제나이드(chalcogenide)로 구성되는 이득 매질에 관한 것이다. 더욱 특히, 본 명세서는 TM:II-VI족 이득 매질에 모두 기반하고, 1.8 - 8㎛ 스펙트럼 범위에서 피코초 및 펨토초 펄스를 방출하도록 동작하는 중적외선 솔리드 스테이트 모드 동기 레이저 및 광학 증폭기에 관한 것이다.
펄스 레이저는, 가령 광학 신호 처리, 레이저 수술, 바이오 의약품, 광학 진단, 이광자 현미경, 광학 탐색, 광 반사계측, 레이저 분광학, 물질 처리 등과 같은 다양한 분야에서의 활용을 위한 엄청난 잠재력을 가진다. 펄스된 레이저는 2개의 주요 분류가 있는데, 이들은 즉, Q-스위치 레이저 및 모드-동기 레이저이며, 후자는 본 명세서에서 특히 관심을 두고 있다.
모드-동기 레이저는 높은 반복 속도에서 초단파 광펄스를 생성할 수 있다. 해당 기술분야에서 알려진 바와 같이, 모드-동기(mode-locked) 레이저는 고정된 관계에서 서로에 대해 그들 각각의 위상이 동기되어 동시에 진동하는 다수의 세로 모드(longitudinal mode)를 가진다. 모드 동기를 달성하기 위해, 모드-동기 메커니즘이 레이징 모드의 위상을 동기화하는데 요구되어서, 모든 레이징 모드들 사이의 위상 차이가 일정하게 유지되도록 한다. 이러한 광학적으로 위상-동기된 모드는 이후 단파 광펄스를 형성하기 위해 서로와 간섭한다.
2개의 넓은 분류의 모드-동기 기법은 활성 모드 동기 및 수동 모드 동기를 포함하며, 이들은 본 출원에서 관심을 두는 기법이다. 2개의 기법 모두를 구현하기 위한 다양한 방법 및 장치가 해당 기술분야에서 알려져 있다.
수동 모드-동기 기법은 레이저 캐비티에서 또는 캐비티 외부 내이지만 레이저 캐비티에 광학적으로 연결된 적어도 하나의 비선형 광학 요소 또는 장치를 사용한다. 이러한 비선형 광학 요소는 연속 파장 레이징에 걸친 광펄스의 형성에 유리한 강도-의존형 응답을 가지며, 따라서 수동 모드-동기 레이저에서 모드-동기기(mode-locker)로 동작한다. 모드 동기기의 특성은 진폭 비선형성(입력 광의 강도의 비선형 함수로서의 흡수), 커-타입(Kerr-type)(입력 광의 강도의 비선형 함수로서의 위상 또는 굴절률) 비선형성, 또는 모드 동기를 용이하게 하는 이들 양자의 조합을 포함할 수 있다.
진폭 비선형성은 피코초 단위의 빠른 재생 수명을 갖는 포화성 흡수체(saturable absorber)에 의해 제공될 수 있다. 포화성 흡수체는 특정 동작 파장 영역에서의 입사광 강도에 따른 광 투명성의 변화를 디스플레이하는 물질로 만들어진다. 입사광 강도가 약한 선형 영역에서, 포화성 흡수체는 입사광을 흡수하여 입사광의 광 강도의 감쇠를 발생시킨다. 입사광 강도가 더 높은 수준으로 올라갈 때, 흡수의 포화가 발생하고, 포화성 흡수체에 의한 흡수는 감소하여 입사광의 광 강도의 감쇠를 감소시킨다. 이러한 종류의 강도-종속형 감쇠는 펄스의 고강도 성분은 통과시키지만, 펄스 윙, 페데스탈(pedastal) 및 배경 연속파(continuous wave; CW) 복사와 같은 저강도 성분은 통과되지 않도록 한다. 포화성 흡수체가 레이징 캐비티에 배치될 때, 펄스 영역이 레이저 동작의 CW 영역보다 선호될 것이다.
적절한 흡수체의 예는, "A SESAM passively mode-locked Cr:ZnS laser", Optical Society of America, 2005; 및 "Sensitive Multiplex Spectroscopy in the molecular fingerprint 2.4㎛ region with a Cr2:ZnSe femtosecond laser" Optical Society of America, 2007을 포함하는 I.T. Sorokina 등이 저술한 논문에서 다른 것들과 함께 개시된 공지된 모드-동기 결정질 레이저에서 널리 사용되는 SESAM(semiconductor saturable absorber mirror)을 포함한다. 본 논문은 본 명세서에 참조로 전체가 통합된다.
SESAM은 복잡하고 고비용인 제조 시스템을 요구한다. 그것은 또한, 장기간의 환경적 안정성을 위한 값비싼 밀봉 패키징이 필요할 수 있고, 높은 광 전력에 대항하지 못할 수 있다. 동작할 때, 본 명세서에 개시되는 유형의 SESAM에 기반한 단파장 펄스 레이저는 SESAM의 열싱크의 온도 증가로 인한 일정한 불안정성 제약을 나타낸다. 또한, 강한 초점 맞춤에 있어서, 바람직하지 않은 다중-펄스 동작 영역이 아마도 SESAM의 이광자 흡수로 인해 관측될 수 있다.
대안으로, 커-타입(Kerr-type) 비선형성 및 커-렌즈 방법(커-초점맞춤, 자동-초점맞춤, 이하 커-렌즈 모드-동기(Kerr-Lens Mode-lock; KLM)라고 함)은 TM:II-VI족 물질들에 고유한 현상이다. 이는 초고속 레이저 모드-동기 메커니즘을 제공하는데 사용된다. 비록 포화성 흡수체는 아니지만, 커 효과와 같은 비선형성 광학 특성들은, 임의의 진성 포화성 흡수체보다 훨씬 빠른 반응 시간을 갖는 인공의 "포화성 흡수체" 효과를 준다.
KLM 메커니즘을 이용하는 모드-동기 레이저 기법이 시현되었다. 이러한 기법의 특정 이점은 매우 빠른 반응과 특별한 포화성 흡수체 매질이 필요하지 않다는 사실로부터 기인한다. 초고속 TM:II-VI족 레이저의 안정성 및 양산가능성은, 높은 광 품질을 갖는 이득 요소의 이용가능성 및 레이저 특성의 균일성에 의존한다. 매우 최근까지도, TM:II-VI족 레이저에서 KLM 영역은, 전체 샘플의 결정 격자가 연속적이고 샘플의 가장자리까지도 깨지지 않으며, 입자 테두리를 가지지 않는 단결정 이득 매질의 사용이 요구되는 것으로 널리 알려져 왔다. 명세서 전반에 걸쳐 사용되는 용어 "이득 매질(gain media)"은, 광학적 발광을 발생시키며 광학적 발광과 동일한 파장 범위에서 광신호를 증폭시킬 수 있는 광학 컴포넌트를 의미한다. 현재, 고품질의 TM:II-VI족 단결정 물질은 용이하게 입수할 수 없다. 성장 프로세스에서 결정의 승화(crystal sublimation)는 단일-결정 샘플의 균일성의 저하를 발생시키고 도펀트 농도(dopant concentration)를 제한한다. 레이저의 KLM 영역을 달성하기 위해서는 단결정 내에서 "좋은 위치"를 찾는 것이 대개는 요구된다. 따라서, 단결정에서 TM:II-VI족 레이저 물질의 비용 및 대개 의심이 되는 품질을 고려할 때, 심지어는 이러한 타입의 레이저의 대량 생산의 가능성조차도 거의 고려되지 않거나 전혀 고려되지 않는다.
하지만, 근래에 얻어진 결과들은 초고속 펄스된 레이저에서 대개 세라믹으로 불리우는 다결정질 TM:II-IV족 물질의 사용을 장려한다. 다결정질 TM:II-VI족 레이저 물질의 단결정-기반 구조에 대비되는 중요한 이점은 성장-후 확산 도핑(post-growth diffusion doping)이라 하는, 고농도 도펀트, 균일한 도펀트 분포 및 낮은 손실을 갖는 대형 레이저 이득 요소의 대량 생산을 가능하게 하는 기술이다.
II-VI족 물질들(ZnSe, ZnS, ZnTe 등)은 니오비움산 리튬, 제1 인산 암모늄, 인산이수소칼륨(potassium dihydrogen phosphate; KDP)과 같은 표준 비선형 물질의 값을 초과하거나 그 값과 비교 가능한 높은 2차 비선형 감수율을 보인다. 다결정질 구조는 무작위의 준-위상 정합된 3-파장 혼합(제2 고조파 생성, 합 주파수 생성, 차 주파수 생성, 및 광 정류로 각각 알려진 효과들)[M. Baudrier-Raybaut, R. Haidar, Ph. Kupecek, Ph. Lemasson and E. Rosencher, "Random quasi-phase-matching in bulk polycrystalline isotropic nonlinear materials", Nature 432, 374-376 (2004) 참조]을 허용한다. 성장-후 도핑 기술은 다결정질 TM:II-VI족 레이저 이득 매질의 미세구조를 (어느 정도) 제어할 수 있고, 따라서 특정 타입의 3파장 혼합 프로세스에 유리하게 이득 요소의 파라미터들을 조정할 수 있는 가능성을 제공한다. 따라서, TM:II-VI족 레이저 이득 매질에서의 무작위 준-위상-정합은 기본 레이저 파장 및 비선형 주파수 변환으로 인해 생성된 다수의 2차 파장들에서 단파 광펄스의 동시 생성을 허용한다. 다결정질 TM:II-VI족 레이저 이득 매질의 이러한 특징은 실용적 활용에 있어 중요하다.
수동 모드-동기기(예컨대, SESAM)을 이용하는 모드-동기 레이저는 보통, 소위 모드-동기 레이저 영역의 자동-시작, 즉 레이저가 임의의 특별한 도움없이 단파 펄스의 방출을 시작하는 것을 보여준다. KLM 레이저들은 보통 모드-동기 영역을 시작하는데 있어 어려움을 보인다: 전원을 키면, 레이저는 연속파 복사를 방출하고, 단파 펄스의 방출은 외부의 개입, 예컨대 레이저의 광학 컴포넌트를 두드리거나 움직이는 것으로만 시작될 수 있다. 모드-동기된 영역의 기계적인 개입의 필요성은 실용적이지 않다. 하지만, 많은 산업적 활용은 안정적인 시작 메커니즘을 갖는 KLM 레이저로부터 이득을 얻을 수 있다.
자동-시작 문제는 CLEO에서 제시된 논문 "Self-Starting Kerr-Mode-Locked Polycrystalline Cr2:ZnSe Laser"(2008, OSA/C:LEO/QEL)에서 발표되었고, 전체가 본 명세서에 참조로 통합된다. 논문은 다결정질 형태의 TM:II-VI족 레이저 물질의 사용을 개시한다. CW 선형적으로 양극화된 Er 광섬유 레이저에 의해 펌프되는, 보고된 레이저는, 가령 자동-시작 커-모드-동기 영역과 같은 바람직한 결과를 보여줬다. 하지만, 그 당시의 산업은 모드-동기 레이저 영역, KLM의 단파 펄스 지속시간 및 지속가능성을 신뢰성 있게 확인할 수 있는 충분히 정제된 측정 장비를 구비하지 않았다.
따라서, TM:II-VI족 물질에 기반하고 공지된 레이저와 관련된 어려움을 최소화하도록 구성된 신뢰성 있고 양산가능한 커-렌즈 모드 동기 펨토초 레이저에 대한 필요가 존재한다.
이러한 필요는 다결정질 TM:II-VI족 레이저 물질에 기반하는 개시되는 커-렌즈 모드-동기 펨토초 레이저(KLM 다결정질 TM:II-VI족 레이저)에 의해 충족된다. 독창적인 레이저는, 각각이 개별적으로 또는 다른 양태와 조합으로 1.8 내지 8㎛ 파장 범위에서 상업적으로 실행가능한 펨토초 펄스 레이저의 생산을 이루어낼 다음의 양태들에 따라 구성된다.
개시된 레이저는 그 중에서도, 가령 다결정질 TM:II-VI족 물질과 같은 이득 매질을 갖는 레이저 캐비티, 이득 매질의 일측면에 있는 적어도 하나의 미러, 및 레이저 캐비티에서 미러(들)과 함께 광 경로를 정의하는 출력 결합기를 포함한다. 이득 매질은 광 경로에 배치되고, 출력 결합기는 1.8-8 마이크로미터 범위의 파장에 걸쳐 파장의 함수로 광 펄스를 커플링 아웃(couple out)시키기 위한 손실 프로파일을 갖는다.
일양태에 따르면, 개시되는 레이저는, 소정의 파장에서 TM:II-VI족 이득 매질의 광 펌핑에 사용되는 펌프를 갖도록 또한, 구성된다. 펌프는 연속파(CW) 영역 또는 펄스 영역을 동작시킬 수 있고, 저전력 시드 레이저(CW 또는 펄스형)가 일련의 레이저 증폭기들에서 증폭되는 MOPA(master oscillator/power amplifier)로 구성될 수 있다.
개시되는 레이저는 KLM 다결정질 TM:II-VI족 레이저의 동기식 펌핑으로 제공될 수 있다. 이 기법에서, 펌프 펄스의 반복 주파수는 레이저 캐비티에서 역왕복 시간과 동일하며, 따라서 KLM 다결정질 TM:II-VI족 레이저의 반복 주파수와 동일하다.
대안으로, KLM 다결정질 TM:II-VI족 레이저의 준-동기식 펌핑 기법이 본 명세서의 범위 내에서 구현된다. 이 기법에서, 펌프 펄스의 반복 주파수는 KLM 다결정질 TM:II-VI족 레이저의 반복 주파수에 가깝지만, 동일할 필요는 없다.
펌프 펄스의 반복 주파수와 KLM TM:II-VI족 레이저의 반복 주파수 사이의 제어되는 이조(detuning)는 레이저 방출이 최대 강도 및 자동-시작의 최대 확률로 스파이크하도록 하고, 따라서 최초의 시작 이후 KLM 영역을 유지한다. KLM TM:II-VI족 레이저의 펄스된 펌핑은 KLM 레이저 영역을 시작하는 데에만 사용될 수 있다. 독창적인 레이저의 KLM 영역이 시작되면, 펌프는 연속파(CW) 영역에서 동작할 수 있다.
따라서, 공지된 선행 기술과 대조적으로, 독창적인 레이저는, 바람직하게는 다결정질 형태를 포함할 수 있을 뿐만 아니라, 단결정 형태에 기반하여 동작할 수도 있는 TM:II-VI족 물질에서 KLM 영역을 시작시키고 안정화하도록 동작하는 모든 광학 및 전자식 수단을 갖도록 구성될 수 있다.
본 명세서의 다른 양태에 따르면, 독창적인 레이저는 모드-동기 커 비선형성의 기본 메커니즘이 수반되고, 다른 비선형 광학 효과, 즉 2차 비선형성으로 인한 3파 혼합에 의해 영향을 받도록 구성된다. 독창적 레이저에서 이용되는 다결정질 TM: II-VI족 물질은 무작위 준-위상 정합으로 인한 상대적으로 강력한 3-파 혼합 효과를 보인다.
본 명세서의 또 다른 양태는 독창적 레이저의 솔리톤 모드-동기 영역에 관한 것이다. 솔리톤 모드 동기는 더 강한 비선형 위상 이동을 허용하고, 펨토초 레이저의 안정성을 향상시킨다. 독창적 레이저는 솔리톤 영역을 가능하게 하는데 필요한 캐비티에서의 이상 분산을 생성하는 분산 요소로 구성된다.
또한, 추가적인 양태는, TM:II-VI족 레이저 물질에 기반한 펨토초("fs") 증폭기에 관한 것이다. 개시되는 증폭기에 사용되는 물질은 단일-결정 및 다결정질 형태를 모두 포함한다.
본 명세서의 전술한 양태 및 다른 양태, 특징들, 및 이점들은 다음의 도면들로부터 더 용이하게 명백해질 것이다.
도 1은 독창적 KLM 레이저의 광학적 도식도이다.
도 2는 연속 펌핑을 갖는 KLM 레이저를 도시하는 컴퓨터-생성된 이미지이다.
도 3a는 KLM의 핸드-오프 시작 이후 관찰되는 도 2의 개시된 레이저에서 KLM의 광학 트리거링 및 유지(sustaining)를 도시하는 컴퓨터-생성된 이미지이다.
도 3b는 자동-시작된 KLM이 구현된 후 광 펌프가 CW 스위칭된 도 2의 개시된 레이저에서 광학 트리거링 및 유지를 도시하는 컴퓨터-생성된 이미지이다.
도 4는 80-120 fs의 펄스 지속시간을 갖는 도 2의 다결정질 Cr:ZnSe 레이저에서 KLM의 광학 트리거링 및 유지를 도시하는 컴퓨터-생성된 이미지이다.
도 5는 자동-시작 및 유지가능한 솔리톤 동기 영역에서 동작하도록 구성된 독창적 레이저의 광학적 도식도이다.
도 6은 도 5의 독창적 레이저의 다결정질 Cr:ZnS에서 솔리톤 영역을 도시하는 컴퓨터-생성된 이미지이다.
도 7a는 도 5의 독창적 레이저의 컴퓨터-생성된 플롯 방출 스펙트럼이다.
도 7b는 로그 스케일에서의 도 6a의 컴퓨터-생성된 방출 스펙트럼이다.
도 8은 주파수 배가(frequency doubling)를 갖는 독창적 KLM 레이저의 광학 도식도이다.
도 9는 도 8의 독창적 KLM 레이저의 펨토초 펄스 트레인의 컴퓨터-생성된 이미지이다.
도 10은 TM:II-VI족 단일 및 다결정에 기반한 펨토초 증폭기의 광학 도식도이다.
도 11은 단일-패스 Cr:ZnS 증폭기의 펨토초 펄스 증폭의 실험적 시연이다.
도 12는 (위에서 아래로) 펨토초 발진기에 대해, 증폭기의 펌프의 전원이 꺼진 채로 증폭기 단계의 출력에서, 5W 증폭기 펌핑에서의 증폭기 단계의 출력에서, 10W 증폭기 펌핑에서의 증폭기 단계의 출력에서 획득된 자기상관 트레이스를 도시하는 컴퓨터-생성된 이미지들이다.
도 13은 광간섭 자기상관기에 의한 초단파 펄스의 지속시간을 측정하기 위한 셋업을 도시하는 광학적 도식도이다.
이제 본 발명의 실시예들을 더 상세하게 참조할 것이다. 가능하다면 동일하거나 유사한 번호가 동일하거나 유사한 부분이나 단계를 언급하고자 도면 및 상세한 설명에서 사용된다. 도면은 단순화된 형태이며 정확한 척도로 되어있지 않다. 특별히 표시되지 않는다면, 명세서 및 청구범위에서 용어 및 구절은 광섬유 레이저 기술분야에서 통상의 기술자에게 통상적이며 익숙한 의미로 주어질 것이다. 단어 "커플" 및 유사한 용어들은 직접적이며 즉각적인 연결을 필연적으로 의미하는 것은 아니지만, 자유 공간 또는 중간 요소를 통한 기계적인 광학 연결을 포함한다.
도 1은 Z-형상 캐비티로 알려진 중간-IR 스펙트럼 범위에서 초단파 펄스를 생성하기 위한 레이저 캐비티 (또는 공진기)의 다수의 알려진 구성들 중 하나를 도시한다. 반사적 요소의 개수가 다양할 수 있는 한편, 반사적 요소의 불변 부분은 공진기 내에 배치된 이득 요소(1)를 포함한다. 레이저 캐비티는 높은 반사성("HR") 평면 미러(3) HR과 오목 미러(2) 사이에 정의된 높은 반사성 암(arm), 및 다른 HR 오목 미러(2) 및 부분 투과성 미러(4)에 의해 대향 단부로 범위가 정해지는 제2 암을 포함한다. 미러(4)는 출력 커플러(output coupler; OC)로 사용된다. 이득 요소는 전위 금속으로 도핑된 II-VI족 물질로부터 선택된다. 중적외선 파장 범위에서 동작하는 적절한 결정질 물질의 제한하지 않는 예는 TM 도핑된 셀렌화 아연("ZnSe"), 황화 아연("ZnS"), CdZnSe, CdZTe 및 1.8-8 마이크로미터 스펙트럼 범위에서 레이저 방출을 획득할 수 있게 하는 다른 II-VI족 물질을 포함할 수 있다.
본 명세서의 핵심 컨셉에 따르면, 상기 언급된 것들과 다른 II-VI족 물질은 가령 크롬("Cr"), 철("Fe") 및 당업자에게 알려진 다른 것들과 같은 전이 금속으로 도핑될 때, 커-렌즈 모드 동기(KLM)가 가능하며, 이는 매우 일반적인 용어로 다음과 같이 요약될 수 있는 유용한 모드 동기 기술이다: 커 효과로 인해, 강렬한 신호가 게인 요소에 비선형 렌즈를 유도한다. 레이저 캐비티는 조정되어서, 더 강렬한 신호가 덜 강렬한 신호보다 낮은 손실을 경험하도록 하고, 이러한 강도-의존형 손실은 레이저의 모드-동기된 영역을 가능하게 한다.
도 1로 돌아가서, 이득 요소(1)가 예컨대, Cr 또는 Fe 도핑된 II-VI족 단결정 또는 다결정질 반도체 물질, 예컨대 ZnSe, ZnS를 포함하는 평면-평행한 플레이트로부터 만들어진다. 이득 요소(1)는 코팅이 제거될 수 있고, 브루스터가 장착되거나 AR 코팅될 수 있으며, 수직 입사하여 장착된다. 미러(2)는, 바람직한 레이저 파장에서의 높은 반사성 및 펌프 파장에서의 높은 투과성을 갖는 오목한 유전체 코팅된 미러로 구성된다. 평면 미러(3)는 유전체 또는 메탈 코팅될 수 있고, 레이저 파장에서 높은 반사성을 갖도록 구성될 수 있다. 출력 커플러(4)는 레이저 파장에서 부분 투과성을 갖는 평면 유전체 코팅된 미러로 구성된다.
선택적으로, 확산 보상 플레이트(5)(용융 실리카, 사파이어, YAG(yttrium aluminum garnet), 또는 유사한 물질로 만들어진 평면-평행 플레이트)가 브루스터 각도에서 레이저 공진기에 장착된다. 확산 보상 요소는 확산이 플레이트의 물질에 의해 도입되는 벌크 요소로서 작용한다. 대안으로, 확산형 보상 요소는 확산형 프리즘의 쌍으로 구성될 수 있다.
대안으로, 확산형-보상 요소는, 소정의 반사성 밴드 및 파장에서 그룹 지연 확산의 특정 의존성을 제공하는 특수한 다중층 유전체 코팅을 갖는 유전체 미러로 구성될 수 있다. 따라서, 확산형 미러는 평면-평행 플레이트 또는 프리즘 쌍보다 유연하다.
펌프(6)는 다이오드 레이저, 벌크 레이저 또는 광섬유 레이저로 구성된다. 펌프(6)는 저전력 시드 레이저(CW 또는 펄스형) 및 일련의 레이저 증폭기로 구성되는 MOPA로 구성될 수 있다. 마지막으로, 렌즈 또는 미러에 기반할 수 있는 빔 형성 및 초점 광학계(7)는 이득 요소(1) 내에서 펌프 빔 파라미터와 레이저 빔의 각각의 파라미터 사이의 정합을 제공하도록 구성된다. 도 1에 도시된 레이저는 3개의 영역: (i) 연속적 펌핑, (ii) 동기식 펄스된 펌핑, (iii) 준-동기식 펄스된 펌핑에서 펌핑될 수 있다.
TM:II-VI족 단일 및 다중결정의 연속적 펌핑, 레이저 발진기의 적절한 정렬, 및 발진기의 확산의 적절한 관리는 커-렌즈 모드-동기식 레이저 영역을 획득하게 할 수 있고, 따라서 펌프 레이저 방출을 1.8-8 ㎛ 스펙트럼 범위에서 초단파 중-적외선 출력 펄스로 효과적으로 변환시킨다. 적절히 정렬된 KLM 레이저는 보통 전원이 켜지면 연속파 복사를 방출한다. 외부적인 개입(광학 컴포넌트의 두드리기 또는 이동)이 레이저의 모드-동기된 영역을 시작하는데 일반적으로 요구된다.
구체적인 예로, 도 1의 레이저는 1567nm에서 CW Er 광섬유 레이저로 구성되는 펌프(6)를 포함할 수 있고, 이득 요소(1)는 다결정질 Cr:ZnSe로 구성된다. 이득 요소는 AR 코팅되고 수직 입사하도록 장착된다. 레이저 공진기는 커-렌즈 모드 동기된 레이저 영역에 대해 적절히 정렬되고 공진기의 확산은 적절히 관리된다. 펌프를 돌린 후에, 레이저는 CW 복사를 방출하고, 모드-동기된 레이저 영역이 출력 커플러(4)의 변환에 의해 시작될 수 있다. 시작된 후, 레이저는 표준적인 실험 환경에서 수일 동안 모드-동기된 영역을 유지한다.
도 2는 커-렌즈 모드-동기된 동작 영역에서 연속적으로 펌프되는 다결정질 Cr:ZnSe 레이저의 파라미터들을 도시한다. 83MHz 펄스 반복 주파수에서의 레이저 펄스 트레인이 오실로스코프를 사용하여 얻어졌다. 획득된 자기상관 트레이스는 44fs 레이저 펄스 지속시간(약 5개의 광싸이클)에 해당한다. 자기상관 트레이스 및 획득된 레이저 방출 스펙트럼의 형상은 모드-동기된 레이저 방출의 높은 품질을 보여준다: 소위 레이저 펄스의 시간-대역폭 곱은 0.32와 같고, 이는 이론상의 한계인 0.315에 매우 근접한다. 레이저 방출 스펙트럼의 왜곡은(회색 커브로 도시됨) 중적외선 스펙트럼 범위에서의 공기 흡수로 인한 것이다.
동기식 펌핑의 영역에서 펌프 펄스의 반복 주파수 fpump는: fpump
Figure pct00001
flaser = c/2L와 같이 레이저 공진기에서의 역왕복 시간 flaser에 정확히 일치하며, 여기서 c는 빛의 속도이고, L은 공진기의 길이이다. 2개의 반복 속도의 동기화는 펌프 반복 속도를 정확하게 조정하거나 레이저 공진기 길이의 정확한 조정(예컨대, 공진기의 미러 중 하나는 변환 단계상에 배치되거나 피에조-변환기에 의해 제어가능함)에 의해 구현된다. 준-동기식 펌핑의 영역에서 펌프 펄스의 반복 주파수 fpump는 flaser에 근접하나 같을 필요는 없다.
동기식 펌핑하에, 공진기에서 순환하는 레이저 방출의 일정 부분은 모든 왕복 이동마다 펌프 펄스와 동시에 이득 요소(1)를 통과한다. 이러한 동기화 (및 공진기의 적절한 정렬)은 레이저 펄스의 형성을 발생시키고, 펌프 펄스 지속시간에 비교되는 레이저 펄스 지속 시간의 상당한 감소를 발생시킨다.
TM:II-VI족 단결정 및 다결정질의 동기식 펌핑은 (i) 나노초 또는 서브-나노초 펌프 펄스를 1.8-8㎛ 스펙트럼 범위에서 피코초 중적외선 출력 펄스로 효율적으로 변환하고; (ii) 펨토초 펌프 펄스를 1.8-8㎛ 스펙트럼 범위에서 초단파의 몇몇 싸이클의 펨토초 출력 펄스로 효율적으로 변환하도록 한다. 공진기의 적절한 정렬 및 그것의 확산의 관리가 후자의 경우 필요할 것이다.
구체적인 예로, 도 1의 레이저는 1645nm, 200 피코초 펄스 지속시간 및 160MHz 펄스 반복 속도에서의 Er:YAG 펌프 소스로 구성되는 펌프(6)를 포함할 수 있고, 이득 요소(1)는 브르스터 각도로 장착된 다결정질 Cr:ZnSe 이득 요소로 구성된다. 동기식 펌프된 Cr:ZnSe 레이저의 펄스 지속시간은 약 2 피코초(100배수의 감소)였다.
더욱이, TM:II-VI족 단일 및 다결정질의 동기식 및 준-동기식 펌핑은 외부 개입(광학 컴포넌트를 두드리거나 이동하는 것)없이 커-렌즈 모드 동기 레이저 영역을 시작하는 것을 허용한다. 모드-동기는 자주(free-running) 레이저의 강도 변동에서의 스파이크로부터 시작된다. 충분히 높은 강도를 갖는 스파이크는 무작위 강도 변동으로 인해 발생할 수 있다. 연속 펌핑의 경우, 스파이크가 보통 생성되며, KLM 레이저 영역은 레이저 공진기에 대한 기계적인 "킥(kick)"에 의해 시작된다. 환경적 방해가 KLM 레이저 영역의 중단 및 재시작의 필요를 발생시킬 수 있다.
도 1에 도시된 레이저는 TM:II-VI족 레이저의 커-렌즈 모드-동기(KLM) 영역의 시작 및 안정화를 위한 모든-광학적 및 전자적 수단을 갖도록 구성될 수 있다. 펌프는 펄스되고 동기식 또는 준-동기식 펌핑을 위해 구성된다. 펌프 펄스의 반복 주파수 fpump는 flaser에 근접하지만 동일할 필요는 없다.
모드-동기 영역에서 동작하지 않는 동안에 도시된 KLM 레이저의 강도 변동은 주파수 flaser의 배수에서 발생한다. 펌프 변조 주파수 및 강도 변동 주파수 사이의 상호작용은 레이저 강도에서의 스파이크의 출현을 발생시키고, 따라서 KLM 레이저 영역의 시작을 발생시킨다. flaser로부터 fpump를 적절히 이조시키는 것은 최대 강도를 갖는 스파이크를 허용하고, 따라서 KLM 영역이 시작되는 최대의 확률을 허용한다. 이조의 정확한 값은 레이저 공진기 및 이득 요소의 파라미터들에 따른다. 펌프 레이저 방출의 변조는 시작 후에도 유지될 수 있고, 따라서 그것의 중단 후에 KLM 영역의 자동 재시작을 보장한다.
동기식 및 준-동기식 펌핑 기법은 (i) 제어가능한 펄스 반복 속도를 갖는 펄스된 펌프 레이저 및/또는 (ii) CW 펌프 레이저의 강도 변조(필요하다면, 저전력 CW 펌프 레이저의 변조된 출력이 레이저 증폭기에서 증폭될 수 있음)에 의해 구현될 수 있다.
제어가능한 반복 속도를 갖는 준-동기식 기법의 예는 1645㎚, 200 피코초 펄스 지속시간 및 160MHz 펄스 반복 속도에서 동작하는 Er:YAG 펌프 소스를 포함할 수 있다. 강도 변조 구성에서, 1550㎚에서의 저전력 반도체 레이저의 방출은 전자-광강도 변조기에 의해 변조되고 Er 섬유 증폭기에서 증폭된다. 다결정질 Cr:ZnSe 및 Cr:ZnS 이득 요소가 KLM 레이저 매질로 사용되었다. 공진기의 적절한 정렬에 의해, 펌핑 영역 둘 다에서(펄스된 펌핑 및 변조된 펌핑), Cr:ZnSe KLM 레이저의 핸드-오프 시작 및 장기간의 동작이 반복적으로 얻어졌다.
도 3a 및 3b는, 준-동기식 펌핑 기법을 통한 Cr:ZnSe 레이저에서 KLM의 광학적 자동-시작 및 유지가능성의 실험적 예를 도시한다. 도 3a의 자기상관 트레이스(A)는, 펌프 펄스 반복 속도 및 레이저 캐비티 왕복운동 사이의 실험적으로 최적화된 이조로 준-동기식 펌핑하에 KLM을 핸드-오프를 시작한 후에 획득된다. 도 3b의 자기상관 트레이스(B)는, 준-동기식 펌핑 및 펌프 레이저의 CW 영역으로의 후속적 스위칭 하에 KLM을 핸드-오프 시작한 후 획득된다. 보여지는 것처럼, KLM 영역은 펄스된 영역에서 CW 영역으로 펌프의 스위칭을 한 후에 유지된다.
도 4는, 준-동기식 펌핑 기법으로 Cr:ZnSe 레이저에서의 KLM을 광학 트리거링하고 유지하는 것 모두를 도시하는 컴퓨터 생성된 샷이다. KLM 레이저 방출 스펙트럼이, 준-동기식 펌핑하에 KLM을 핸드-오프 시작한 후에 획득된다. 보여지는 것처럼, 획득된 자기상관 트레이스 및 넓은 레이저 방출 스펙트럼은 80-120 펨토초의 펄스 지속시간을 갖는 KLM 레이저 동작을 확인시켜준다.
도 5를 참조하면, 독창적인 레이저는 또한, 솔리톤 KLM 영역을 시작하고 유지하도록 구성된다. 도시된 레이저의 구성은 다결정질 Cr 도핑된 ZnS로 만들어지는 평면-평행형 플레이트로 구성되는 이득 요소(1)를 포함한다. 이득 요소(1)는 코팅되지 않을 수 있고, 브루스터 장착되거나 AR 코딩되고 수직 입사하도록 장착될 수 있다. 오목한 유전체 코팅된 미러(2)는 원하는 레이저 파장에서 높은 반사성을 보이며, 주어진 펌프 파장에서 높은 투과성을 보인다. 평면 미러(3)는 주어진 레이저 파장(유전체 또는 금속 코팅됨)에서 높은 반사성을 갖도록 구성된다. 출력 커플러(4)는 주어진 레이저 파장에서 부분 투과성을 갖는 평면의 유전체 코팅된 미러이다. 레이저는 선택적인 확산 보상 요소(5)를 가질 수 있다. 펌핑 기법은 도 1의 실시예에서 구현되는 기법들을 수반할 수 있다.
도 6은 다결정질 Cr: ZnS에서 솔리톤 KLM 영역의 컴퓨터 생성된 이미지를 도시한다. 획득된 자기상관 트레이스의 형상은 변환이-제한된 sech2 펄스에 해당한다.
도 7a 및 7b는 다결정질 Cr:ZnS에서의 솔리톤 KLM 영역을 도시한다. 도 7a의 플롯은 획득된 레이저 방출 스펙트럼을 도시하고, 도 7b의 플롯은 동일한 스펙트럼을 로그스케일로 도시한다. 스펙트럼의 형상과 Kelly 사이드밴드의 존재는 126 펨토초 펄스 지속시간의 변환이 제한된 sech2 펄스를 갖는 솔리톤 모드 동기의 증거가 된다.
도 8은, 다결정질 TM:II-VI족 매체에서의 모드-동기 커 비선형성의 주 메커니즘이 수반되고 다른 비선형성 광학 효과: 다결정질 TM:II-VI족 매체에서의 무작위 준-위상-동기로 인한 제2 고조파 생성에 영향을 받도록 구성된 독창적 레이저를 도시한다. 개략도는 다음과 같이 구성된다: 이득 요소(1)(다결정질 TM:II-VI족 재료)는 코팅되지 않을 수 있고 브루스터 장착되거나 AR 코팅되고 수직 입사하도록 장착될 수 있다. 오목한 유전체 코팅된 미러(2)는 레이저 파장에서 높은 반사성을 갖고 펌프 파장에서 높은 투과성을 갖는다. 평면 미러(3)는 유전체 또는 금속일 수 있는 레이저 파장에서의 높은 반사성 코팅을 갖도록 구성된다. 출력 커플러(4)는 레이저 방출 파장에서 부분 투과성을 갖는 평면 유전체 코팅된 미러로 구성된다. KLM 레이저 출력(8)은 기본 파장에서 방출되는 한편, 제2 고조파에서의 KLM 레이저 출력(9)은 미러(3)를 통해 부분적으로 투과되고, 제2 고조파 파장에서 레이저 복사에 민감한 포토검출기(10)에 의해 감지된다. 다결정질 TM:II-VI족 이득 매질(11)은 다양한 크기 및 배향의 다수의 미세 입자로 구성된다.
비선형 재료에서의 SHG의 효율은 확산, 즉 기본 레이저 파장에서의 광 전파 속도와 제2 고조파(second harmonic; SH) 파장에서의 광 전파 속도의 차이에 의해 제한된다. 따라서, 기본파에서 SH파로의 에너지 전달은 가간섭성 길이(coherence length; CL)로 알려진 비선형성 재료의 제한된 길이에서 발생한다. 대부분의 재료에서, CL은 약한 SHG 효율을 발생시키는 몇십 ㎛의 단위이다. 이러한 제약을 회피할 수 있게 하는 기술이 개발되었다. 종래의 기술은 임의의 비선형성 결정의 복굴절에 기반한다. 더욱 최근의 개발은 비선형성 재료의 미세 구조의 엔지니어링(준위상 정합 또는 QPM)에 기반한다. 표준 QPM 결정은 일반적인 패턴을 포함하고, 예컨대, 제한된 대역폭을 가지므로, 특정 레이저 파장에서의 가장 효율적인 비선형성 주파수 변환에 대해 최적화된다. 더욱 세밀한 패터닝은 전체 변환 효율의 감소가 수반되는 증가된 대역폭을 허용한다.
다결정질 TM:II-VI족 이득 매질은 미세 단결정 입자로 구성된다. 구체적으로 개발된 기술적 프로세스는 (파장 및 재료 타입에 따라, 30-60㎛의) 중적외선 파장 범위에서 SHG 프로세스의 가간섭성 길이의 배수인 입자 크기를 갖는 다결정질 TM:II-VI족 샘플의 생성을 허용한다. 따라서, TM:II-VI족 이득 매질은 표준 QPM 물질과 같이 패터닝될 수 있다. 표준 QPM 물질과는 다르게, 패터닝은 완벽하지 않으나, 무작위적이다(결정학적 축들의 배향 및 입자 크기에서의 비유사성이 있음). 이러한 패터닝의 무작위화는 (표준 QPM 물질에 비한다면) 낮은 SHG 효율을 발생시킨다. 하지만, 무작위화는 매우 넓은 스펙트럼 범위, 즉 매우 큰 대역폭에서의 SHG를 허용한다.
다결정질 TM:II-VI족 이득 매질의 특성은 펨토초 모드-동기 레이저 활용에 있어서 중요하다: (i) 물질의 약한 SHG 효율은 펨토초 레이저의 매우 높은 피크 전력에 의해 보상되고, (ii) 다결정질 TM:II-VI족 이득 매질의 매우 큰 SHG 대역폭은 (레이저 영역에 따라 30nm 이상인) 펨토초 레이저의 전체 방출 스펙트럼의 SHG를 허용한다.
레이저 발진의 모드-동기 영역은 레이저 공진기에 삽입되는 특별히 최적화된 비선형 결정에서의 제2 고조파 생성(second harmonic generation; SHG) 수단에 의해 이루어질 수 있다고 알려진다. SHG 결정과 공진기의 미러들(소위 주파수 배가 비선형 미러 또는 NLM) 중 하나의 조합이 모드 동기를 가능하게 만들기에 적절한 포화형 흡수기와 동등하다는 것이 보여졌다. 보통 NLM을 주 모드 동기기로 갖는 레이저들은 피코초 영역에서 동작한다. 여기서 펨토초 레이저는, 주모드 동기 메커니즘이 SHG 프로세스가 수반되고 영향을 받는 커 렌즈 비선형성인 것으로 기술된다. 레이저의 특정한 특징은 동일한 다결정질 TM:II-VI족 물질의 레이저 이득 매질, 커 렌즈 모드 동기기, 및 SHG 비선형성 변환기로의 사용이다.
무작위 QPM을 갖는 다결정질 TM:II-VI족 이득 매질의 2개의 중요한 특징은: (i) 물질에서의 커 렌즈 비선형성(1차 모드 동기 메커니즘)과 물질에서의 SHG(2차 모드 동기 메커니즘) 사이의 상호작용, (ii) 제2 고조파 파장에서의 모드-동기된 펨토초 레이저의 2차 출력이 펨토초 레이저 영역의 표시자로 사용될 수 있는 점이다. SHG 신호는 모드 동기없이 노이즈 수준에 있지만, 레이저가 모드 동기되고 펨토초 펄스를 생성한다면, 저비용 근접 적외선 포토검출기에 의해 표명되고 용이하게 감지가능하다.
감지된 SHG 신호는 펨토초 레이저(반복 속도, 출력 전력 등)의 활성 안정화를 위한 피드백 루프에서 사용될 수 있다. 근접 IR SHG 신호의 감지는, 근적외선 밴드를 위한 빠른 포토검출기의 상당히 개선된 성능 및 저비용으로 인해 기본 중적외선 파장에서의 신호 감지보다 유리하다. 또한, SHG 신호의 강도는 기본 중적외선 파장에서의 광학 강도의 제곱에 비례한다. 이러한 펨토초 레이저 강도의 변동에 대한 SHG 신호의 비선형 응답은 더 명백한 에러 신호의 생성을 허용하고, 따라서 피드백 루프의 성능을 증가시킨다.
도 8에 추가로 도 9를 참조하면, 다결정질 TM:II-VI족 이득 매질에서의 무작위 준-위상 동기를 통해 실현되는 자기-주파수 배가(self-frequency doubling)를 갖는 독창적 KLM 레이저의 펨토초 펄스 트레인이 도시된다. SH 파장에서의 광학 신호는, 레이저 캐비티 밖에 배치되고, SHG 파장(약 1200nm)에서 민감하지만 기본 레이저 파장(약 2400nm)에서 민감하지 않도록 구성된 포토검출기(10)로 도 8의 레이저(9)의 2차 SHG 출력에서 감지된다. 측정된 펄스 폭은 포토검출기의 응답 시간(약 0.5ns)에 의해 제한된다. 펨토초 펄스의 실제 지속시간은 본 명세서의 하기에서 논의되는 자기상관기를 사용하여 간접적으로 측정될 수 있다.
도 10은 TM:II-VI족 단일 및 다결정질에 기반한 펨토초 단일 패스 증폭기를 도시한다. 펨토초 증폭기는 TM:II-VI족 단일 및 다결정질을 갖도록 구성된 이득 요소(1)에 기반한다. 이득 요소(1)는 코팅되지 않고 브루스터 장착되거나 AR 코팅되고 수직 입사하도록 장착될 수 있다. 이득 요소(1)는 평면-평행하게 절단되거나 쐐기형태일 수 있다; DM-다이크로익 유전체 코팅된 미러는 펨토초 레이저 파장에서 높은 반사성을 갖고 펌프 레이저 파장에서 높은 투과성을 갖거나 (그 반대일 수 있다). 참조번호 2는 펨토초 레이저 빔을 표시한다. 참조 번호 3은 입력 펌프 레이저 빔; 참조 번호 4는 (렌즈 또는 미러에 기반한) 입력 펨토초 레이저 빔을 위한 빔 형성 및 초점맞춤 광학계; 참조 번호 5는 (렌즈 또는 미러에 기반한) 입력 펌프 레이저 빔을 위한 빔 형성 및 초점맞춤 광학계; 참조 번호 6은 (렌즈 또는 미러에 기반한) 출력 펨토초 레이저 빔을 위한 빔 형성 및 초점맞춤 광학계; 참조 번호 7은 출력 펨토초 레이저 빔; 참조 번호 8은 출력 펌프 레이저 빔을 표시한다.
입력 펨토초 및 펌프 빔을 위한 빔 형성 및 초점맞춤 광학계와 다이크로익 미러는, 예컨대 다이크로익 미러에서 빔을 조합하고 조합된 빔을 동일한 렌즈에 의해 초점 맞추거나 커브형 다이크로익 미러에 의해 펨토초 빔의 초점을 맞추고 분리된 렌즈에 의해 펌프 빔의 초점을 맞추는 것과 같이 조합될 수 있다.
펨토초 레이저 소스(2)는 도 1, 5 및 8의 개시된 실시예들 전부에 따라 구성될 수 있다. 대안으로, 개시된 레이저(2)는 임의의 중적외선 펨토초 레이저 소스(벌크형, 반도체형, 또는 광섬유 기반)일 수 있다.
펌프(3)는 Er 또는 Tm으로 도핑된 CW 또는 펄스된 광섬유 레이저로 구성될 수 있다. 대안으로, 펌프(3)는, 방출 파장이 TM:II-VI족 레이저 물질의 펌핑에 적절한 (벌크형, 반도체형, 또는 광섬유 기반) 임의의 레이저 소스일 수 있다.
구체적인 예로, 도 10의 펨토초 단일 패스 증폭기는 1567nm에서 연속파 Er 광섬유 레이저로 구성된 펌프(3)와, 다결정질 Cr:ZnS로 구성된 이득 요소(1)를 포함할 수 있다. 이득 요소(1)는 AR 코팅되고 수직입사로 장착된다. 도 11은 펨토초 단일 패스 증폭기의 기술된 구성의 파라미터들을 도시한다. 수평축은 가해진 펌프 전력을 표시하고, 좌측 수직축(흑색 커브)은 출력 펨토초 레이저 전력을 표시하며; 우측 수직측(녹색 커브)은 증폭기 이득을 표시한다. 실선/폐쇄형 심볼은 펨토초 입력 신호에 대해 획득된 결과를 표시하고, 점선/개방형 심볼은 동일한 중심 파장, 빔 파라미터 및 평균 전력에서 CW 레이저에 대해 획득된 결과를 표시한다. 보이는 것처럼, 펨토초 신호 증폭의 효율은 동일한 파라미터를 갖는 CW 신호에 대해 같다. 따라서, CW 펌프 전력의 일부는 펨토초 펄스로 효율적으로 변환된다.
도 12는: (위에서 아래로) 펨토초 발진기에 대해, 증폭기의 펌프의 전원이 꺼진 채로 증폭기 단계의 출력에서, 5W 증폭기 펌핑에서의 증폭기 단계의 출력에서, 10W 증폭기 펌핑에서의 증폭기 단계의 출력에서 획득된 자기상관 트레이스들의 비교를 도시한다.
획득된 결과는 증폭기 단계가 증폭기 펌프 전력의 범위에서 펨토초 레이저 영역을 유지하는 것을 명확히 보여준다. 자기상관 트레이스들의 형상에서의 관측된 차이점들은 이득 요소의 확산으로 인한 펨토초 펄스 왜곡의 증거가 된다. 이득 요소의 확산 및 그에 따른 관측된 시간적 왜곡은 표준형 수단(즉, 격자, 프리즘, 또는 확산형 미러에 기반한 추가적 확산 보상 단계)에 의해 보상될 수 있다.
도 13은 상기 개시된 실험 데이터를 신뢰성 있게 감지하는 측정 기술을 도시한다. 특히, 도시된 간섭 측정의 자기상관기는 유입되는 빔(1), 분할기(2), 미러(3, 4) 및 유입되는 빔의 2개의 사본의 중첩(5)의 특징을 갖는다. 마지막으로, 참조 번호 6은 비선형 감지기를 표시한다.
펄스 지속시간 측정을 위한 자기상관기의 동작의 기본 원리는 다음과 같이 설명될 수 있다: 50% 반사성 및 50% 투과성을 갖는 (소위 빔 분할기(beam splitter; BS)로 불리는) 특수 미러는 입력 레이저 펄스의 2개의 사본을 생성한다. 이러한 2개의 사본은 2개의 미러 수단에 의해 비선형 매질에서 중첩된다. 비선형 상호작용의 강도는, 펄스의 2개의 사본이 시간적으로 겹친다면 높고, 겹침이 발생하지 않는다면 낮다. 통상의 100 펨토초 레이저 펄스는 약 30㎛의 공간적 범위를 가진다. 따라서, 자기상관기 미러 중 하나의 심지어 작은 변위라도, 유입되는 펄스의 2개의 사본의 완벽한 공간적 그리고 시간적 겹침으로부터 자기상관기를 이조시키는 것을 허용한다. 따라서, 완벽한 오버랩에 해당하는, 위치 주위의 미러의 스캐닝은 펄스의 공간적 범위 및 그에 따른 지속시간을 측정할 수 있게 한다. 따라서, 매우 짧은 펄스 지속시간은 저속 포토검출기로 측정될 수 있고; 감지기는 (일반적 펄스 트레인이 자기상관기 내로 전송된다는 것을 추정할 때) 평균 전력만을 측정할 필요가 있다.
(임의의 수반되는 청구항, 초록 및 도면들을 포함하는) 본 명세서에 개시된 모든 특징들은, 달리 명시되지 않는다면, 동일, 동등 또는 유사한 목적을 수행하는 대안적 특징들에 의해 대체될 수 있다. 따라서, 달리 명시되지 않는다면, 각각의 개시된 특징은 일반적인 일련의 동등 또는 유사한 특징들의 하나의 예일 뿐이다. 선호되는지 여부와 무관하게 임의의 특징은, 선호되는지와 무관하게 임의의 다른 특징과 조합될 수 있다.
독자의 관심은 본 명세서와 함께 제출되는 모든 논문들 및 문서들에 맞춰지며, 이들은 본 명세서와 함께 공중의 검사에 대해 개방되어 있으며, 이러한 모든 논문들 및 문서들의 내용은 본 명세서에 참조로 통합된다.

Claims (23)

  1. 적어도 2개의 반사성 요소 사이의 광학 공진기를 정의하는 적어도 2개의 반사성 요소;
    공진기 내에 수직 입사하도록 장착된 레이저 이득 요소(gain element; "GE"); 및
    이득 요소 내로 커플링된 연속 또는 불연속 출력을 방출하고, 커-렌즈 모드(Kerr Lens mode)를 트리거하고 유지하도록 구성된 광학 펌프를 포함하고,
    상기 이득 요소는 전이 금속으로 도핑된 다결정질 II-VI족 물질로부터 선택되는 펨토초 커-렌즈 모드-동기(Kerr-lens mode-locked; "KLM") 레이저.
  2. 적어도 2개의 반사성 요소 사이의 공진 캐비티(cavity)를 정의하는 적어도 2개의 반사성 요소;
    공진 캐비티 내에 배치된 레이저 이득 요소("GE"); 및
    펄스 반복 속도 주파수 fpump에서 이득 요소를 동기식으로 펌프하기 위해 펄스된 출력을 방출하는 광학 펌프를 포함하고,
    상기 이득 요소는 전이 금속으로 도핑된 II-VI족 물질로부터 선택되며,
    상기 펌프는, fpump가: fpump
    Figure pct00002
    flaser = c/2L과 같이 공진 캐비티에서의 역왕복 시간 flaser에 실질적으로 일치하도록 구성되며, 여기서 c는 빛의 속도이고, L은 공진 캐비티의 길이이며,
    상기 동기식 펌핑은 피코초 또는 펨토초 펄스 지속시간을 갖는 레이저의 단파 펄스 방출을 트리거하고 유지하는 서브-나노초 모드-동기 레이저.
  3. 적어도 2개의 반사성 요소 사이의 공진 캐비티를 정의하는 적어도 2개의 반사성 요소;
    공진 캐비티 내에 배치된 레이저 이득 요소("GE"); 및
    펄스 반복 속도 주파수 fpump에서 이득 요소를 준-동기식으로 펌프하기 위해 펄스된 출력을 방출하는 광학 펌프를 포함하고,
    상기 이득 요소는 전이 금속으로 도핑된 II-VI족 물질로부터 선택되며,
    상기 펌프는 fpump가 공진 캐비티에서의 역왕복 시간, flaser에 실질적으로 일치하도록 구성되는 서브-나노초 단파 펄스 모드-동기 레이저.
  4. 제 3 항에 있어서,
    광학 펌프는 fpump가 레이저의 ±10% 이내로 선택되도록 구성되는 모드-동기 레이저.
  5. 제 2 항 또는 제 3항에 있어서,
    광학 펌프는 커 렌즈 모드("KLM")를 트리거하고 유지하도록 구성되는 모드-동기 레이저.
  6. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    이득 요소는 크롬("Cr"), 철("Fe") 및 코발트("Co")로부터 선택되는 전이 금속을 포함하는 모드-동기 레이저.
  7. 제 6 항에 있어서,
    이득 요소는 단결정질 형태 또는 다결정질 형태를 갖는 TM:II-VI족을 포함하는 모드-동기 레이저.
  8. 제 7 항에 있어서,
    TM:II-VI족 이득 요소는 크롬 도핑된 셀렌화 아연("Cr:ZnSe"), 크롬 도핑된 황화 아연("Cr:ZnS"), 크롬 도핑된 셀렌화 카드뮴("Cr:CdSe"), 크롬 도핑된 황화 카드뮴("Cr:CdS"), 철 도핑된 셀렌화 아연("Fe:ZnSe"), 철 도핑된 황화 아연("Fe:ZnS"), 철 도핑된 셀렌화 카드뮴("Fe:CdSe"), 철 도핑된 황화 카드뮴("Fe:CdS"), 철 도핑된 텔루르화 카드뮴("Fe:CdTe"), 3차 또는 4차 철 도핑된 II-VI족 이득 요소("GE")를 포함하는 모드-동기 레이저.
  9. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    펌프는 피코초-펨토초 지속시간 범위에서 펄스를 출력하도록 동작하는 벌크 또는 광섬유 레이저로부터 선택된 레이저로 구성되는 모드-동기 레이저.
  10. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    공진 캐비티 내에 배치된 적어도 하나의 확산 보상 요소를 더 포함하는 모드-동기 레이저.
  11. 제 10 항에 있어서,
    확산 보상 요소는 평면 평행형 플레이트(YAG, 용융 석영 사파이어) 또는 복수의 확산 보상 프리즘 또는 복수의 확산형 미러를 포함하는 모드-동기 레이저.
  12. 제 11 항에 있어서,
    확산형 미러는 각각, 소정의 반사성 밴드 및 그룹 지연 확산의 파장에 대한 선택된 의존성을 제공하도록 선택된 다중층 코팅을 갖도록 구성되는 모드-동기 레이저.
  13. 제 12 항에 있어서,
    확산 보상 요소는 솔리톤 모드-동기 영역을 제공하도록 구성되는 모드-동기 레이저.
  14. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    이득 요소는 비균일 단결정 입자의 패턴을 갖는 다결정질 형태로 구성되고,
    단결정 입자의 패턴 및 평균 크기는, 이득 요소에서의 제2 고조파 생성(second harmonic generation; SHG), 합-주파수 생성(sum-frequency generation; SFG), 차 주파수 생성(difference frequency generation; DFG) 및 광학 정합(optical rectification; OR) 및 이들의 조합으로 구성되는 그룹으로부터 선택된 무작위 준-위상-정합된 3-파장 혼합 현상을 제공하고, SHG, SFG, DFG, 또는 OR의 수율을 선택적으로 최대화하도록 선택되는 모드-동기 레이저.
  15. 제 14 항에 있어서,
    공진 캐비티 외부에 위치하고 SHG를 감지하도록 구성된 적외선 포토검출기를 더 포함하고, SHG의 감지는 레이저의 방출 스펙트럼들을 가로지르는 KLM의 표시자인 모드-동기 레이저.
  16. 제 14 항에 있어서,
    KLM 영역을 동적으로 안정화시키기 위해 감지된 SHG에 해당하는 신호를 가이드하도록 구성된 피드백 루프를 더 포함하는 모드-동기 레이저.
  17. 전이 금속으로 도핑된 다결정질 또는 단결정질 II-VI족 물질로부터 선택되는 레이저 이득 요소("GE");
    연속 또는 불연속 출력을 방출하는 광학 펌프; 및
    이득 요소에서 펌프 빔 및 모드-동기 중적외선 레이저 빔을 중첩하고 초점을 맞추도록 동작하는 적어도 하나의 광학 요소를 포함하고,
    상기 적어도 하나의 광학 요소 또는 시스템은 이득 요소의 출력에서 레이저 빔을 분리하고 시준하도록 동작하는 제 1 항 내지 제 16 항의 모드-동기 중적외선 레이저의 방출을 증폭하도록 동작하는 펨토초 단일 패스 레이저 증폭기.
  18. 제 17 항에 있어서,
    이득 요소는 크롬("Cr"), 철("Fe") 및 코발트("Co")로부터 선택된 전이 금속을 포함하는 레이저 증폭기.
  19. 제 17 항에 있어서,
    이득 요소는 단결정질 또는 다결정질 형태의 TM:II-VI족을 포함하는 레이저 증폭기.
  20. 제 19 항에 있어서,
    TM:II-VI족 이득 요소는 크롬 도핑된 셀렌화 아연("Cr:ZnSe"), 크롬 도핑된 황화 아연("Cr:ZnS"), 크롬 도핑된 셀렌화 카드뮴("Cr:CdSe"), 크롬 도핑된 황화 카드뮴("Cr:CdS"), 철 도핑된 셀렌화 아연("Fe:ZnSe"), 철 도핑된 황화 아연("Fe:ZnS"), 철 도핑된 셀렌화 카드뮴("Fe:CdSe"), 철 도핑된 황화 카드뮴("Fe:CdS"), 철 도핑된 텔루르화 카드뮴("Fe:CdTe"), 3차 또는 4차 철 도핑된 II-VI족 이득 요소 또는 3차 또는 4차 크롬 도핑된 II-VI족 이득 요소를 포함하는 레이저 증폭기.
  21. 제 17 항에 있어서,
    펌프는 반도체, 벌크, 또는 광섬유 레이저로부터 선택된 레이저로 구성되는 레이저 증폭기.
  22. 제 17 항에 있어서,
    펌프는 펄스된 나노초, 피코초 또는 펨토초 레이저로 구성되는 레이저 증폭기.
  23. 제 22 항에 있어서,
    펌프 펄스의 반복 주파수 fpump는 입력 모드-동기 중적외선 레이저 펄스의 반복 주파수 flaser와 동일한 레이저 증폭기.
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