KR20170012446A - 회절 소자에 의한 초단 레이저 펄스들의 공간 재결합을 위한 시스템 - Google Patents

Abstract

제안된 솔루션은 빔들을 결합하기 위해 회절 광학 소자 DOE 를 사용하는 중첩에 의한 재결합에 기초한다. 본 발명에 따르면, 광학 회절 어셈블리는 이 회절 광학 소자의 상류에 배치되어, 적합한 이미징 시스템을 통해, 초단 펄스 체제에서 결합 효율성을 최적화하는 것을 가능하게 한다.

Description

회절 소자에 의한 초단 레이저 펄스들의 공간 재결합을 위한 시스템{SYSTEM FOR SPATIAL RECOMBINATION OF ULTRASHORT LASER PULSES BY MEANS OF A DIFFRACTIVE ELEMENT}

본 발명의 분야는 다수의 초단 펄스 (ultra-short pulse), 다시 말해 피코초보다 작은 펄스 폭을 갖는 레이저 소스들의 코히런트 재결합의 분야이다. 본 발명의 프레임워크는, 다르게는 완벽하게 동기화되는 것으로 가정된, 이들 레이저 펄스들의 공간 재결합의 기법에 관한 것이다.

초단 펄스 레이저 소스들의 코히런트 재결합은 특히, 고-에너지 레이저 소스들의 실현에 적용한다.

코히런트 빔들을 공간적으로 재결합하는 방법들은, 파 필드에서 광학 빔들을 병치하는 것 또는 니어 필드에서 이들을 중첩시키는 것을 선택하는지 여부에 따라, 다시 말해, 시스템의 출사동 (exit pupil) 의 레벨에서 2 개의 카테고리들로 나뉜다.

병치에 의해 재결합하기 위한 시스템이 도 1a 에 도시된다. 이 경우에서, 레이저 소스들 F_k (k 는 0 에서 N 까지 변함) 에서 발생하는, 재결합될 빔들은 콜리메이팅 렌즈들 (MLC) 의 어레이에 의해 니어 필드에서 평행하고 콜리메이팅되고, 가능한 가장 콤팩트 방식으로, 서로 옆에 배치된다. 빔들의 중첩은 그 후, 파 필드까지 자유 전파에 의해 수행된다. 이러한 시스템은 임의의 분산적인 하드웨어 컴포넌트들을 수반하지 않고, 따라서 피코초 미만의 펄스 폭들에 대해 동일하게 적용한다. 그러나, 이 시스템의 주요 단점은, 특히 그레이팅 로브들에서 손실된 에너지의 몫에 의한 시스템에서의 상대적으로 낮은 효율성이다.

니어-필드 중첩 시스템의 경우에서, 예를 들어, 전자기 필드의 편광을 사용함으로써 광학 빔들을 재결합하는 것이 가능하다: 레이저 소스들 F_k 에서 발생하고 콜리메이팅 렌즈들 CL_k 에 의해 콜리메이팅된 광학 빔들은 도 1b 의 예에 의해 예시된 바와 같이, 반파장판들 HWP_k 과 연관된 편광-스플리터 큐브들 PBS_k 각각에 의해 니어 필드에서 중첩된다. 이 시스템에 따르면, N 개의 빔들에 대한 재결합 효율성은 다음과 같이 제공된다:

여기서,

은 각각의 쌍 (편광-스플리터 큐브/반파장판) 의 투과 계수 (coefficient of transmission) 이다. 이 아키텍처의 이점은 재결합될 빔들의 감소된 수: 통상적으로, 최대 약 10 개의 빔들에 대한 구현의 그 상대적인 간단함이다. 다수의 빔들에 대해, 한편으로는 시스템의 구현은 매우 복잡하게 되고, 다른 한편으로는 재결합 효율성이 소스들의 수와 함께 빠르게 하락한다 (

=99% 에 대해, 1000 개의 재결합된 빔들에 대한 효율성은 10% 까지 하락한다).

콜리메이팅된 그리고 평행한 빔들의 자유 전파에 의해 파 필드에서 재결합을, 또는 스플리터 판 또는 편광-스플리터 큐브를 사용하는 것에 의해 니어-필드 빔들의 중첩을 포함하든 아니든, 즉 효율성 (파-필드 디바이스에 대한 그레이팅 로브들) 의 문제, 또는 니어-필드 시스템들에 대한 구현의 문제로 인해, 이들 시스템들의 어느 것도 다수의 펄스들 (통상적으로 >100 또는 실제로 1000) 의 재결합을 위해 적합하지 않다.

중첩에 의해 재결합하기 위한 다른 기법은 회절 광학 소자를 사용하여 빔들을 결합하는 것이다. 도 1c 에서 예시된 이 기법에 따르면, 푸리에-변환 셋업에서의 렌즈 (23) 는 (레이저 소스들 F_k 에서 발생하는) 재결합될 빔들을 콜리메이팅하고, 렌즈 (23) 의 초점 면에 놓인 회절 광학 소자 또는 DOE (1) 를 향해 빔들을 디렉팅시키는 것을 가능하게 한다. 렌즈 (23) 의 오브젝트 평면 A 내에서 소스 포인트들의 공간 분포 (주기 P_A 의 주기적 분포) 는 광학 소자 DOE (1) 상의 입사각들의 분포로 변환된다. 광학 소자 (1) 는 통상적으로, 예를 들어 다만 (Damann) 그레이팅 타입의 주기적 위상 그레이팅이고, 이것은 차수 (order) 0 상에서 모든 입사 빔들의 보강 간섭을, 다른 차수들 모두 상에서 상쇄 간섭을 보장한다; 이 그레이팅의 주기 Λ 및 입사각들 θ_2k 은 회절 그레이팅들에 대한 공지된 공식에 의해 관련된다:

이 아키텍처의 이점들은 특히, 고 효율성 (연속적인 체제에서 실증된 90% 이상) 이고, 이 집단적 포지셔닝, 가능한 2-차원 어레인지먼트, 및 단일 렌즈의 사용 때문에 매우 큰 수 (통상적으로 >100) 의 빔들에 잘 맞는 아키텍처이다. 반면에, 이 기법은 초단 펄스 체제에 있는 것과 같이 적용하지 않을 수도 있다.

해결될 기술적 문제는, 레이저 펄스들 각각의 에너지를 코히런트 프로세스에 의해 단일 펄스로 가능한 한 효율적으로 트랜스퍼하면서, 최종 펄스의 빔 품질을 소자 펄스들에 대하여 가능한 한 적게 열화시키면서, 다수의 합산된 펄스들과 또한 서브-피코초 펄스 지속기간과 호환 가능한 것으로 이루어진다.

제안된 솔루션은 회절 광학 소자 DOE 를 사용하여 빔들을 결합하기 위해 중첩에 의한 재결합에 기초한다. 본 발명에 따르면, 적합한 이미징 시스템을 통해 초단 펄스 체제에서 결합 효율성을 최적화하는 것을 가능하게 하도록 이 회절 광학 소자의 상류에 광학 회절 어셈블리가 배치된다.

더 정확하게는, 본 발명의 대상은, k 가 1 에서 N 까지 변하고, N 이 >1 인 정수인, N 개의 동기화된 소스들 k 에서 발생하는, λ₀ 주변에 센터링된 동일한 파장의 펄스 레이저 빔들의 공간 재결합을 위한 시스템으로서,

이 시스템은 광학 축을 갖고,

- 미리정의된 오브젝트 평면 및 미리정의된 이미지 평면을 갖는, 초점 길이 f₂ 의 푸리에 렌즈로서, 레이저 빔들은 오브젝트 평면 (평면 A) 에서 스페이싱 P_A 의 주기적인 공간 구성을, λ₀ 에서 나타내는, 상기 푸리에 렌즈,

- 주기적 위상 프로파일을 갖는 재결합 회절 광학 소자로서, 소자 상에서 N 개의 빔들은 빔들마다 각기 상이한 입사각 θ_2k 에 따라 푸리에 렌즈에 의해 디렉팅되도록 의도되고, 이들 입사각들은 재결합 회절 광학 소자의 주기의 함수로서 결정되는, 상기 재결합 회절 광학 소자를 포함한다.

이 시스템은 주로, 소스들이 10^-12 s 미만의 지속기간의 펄스들을 방출할 수 있는 것을 특징으로 하고,

시스템은,

- 소스 당 하나의 보상 회절 광학 소자, 빔들마다 각기 상이한 입사각 θ_1k, 및 이웃하는 보상 회절 광학 소자들 간에 상이한 그레이팅 스페이싱 Λ_1k 을 갖는 주기적 그레이팅을 갖는 N 개의 보상 회절 광학 소자들 (DOEs),

- 재결합 회절 광학 소자 상에 각각의 보상 회절 광학 소자를 이미징할 수 있고, 미리정의된 배율

의 더블-FT 셋업을 푸리에 렌즈와 함께 형성하고, 미리정의된 오브젝트 평면 및 미리정의된 이미지 평면을 갖고, 소스 당 하나의 렌즈를 갖는 렌즈들의 어레이로서, 보상 DOE 는 렌즈들의 어레이의 오브젝트 평면에 놓이고, 재결합 DOE 는 푸리에 렌즈의 이미지 평면에 놓이고, 렌즈들의 어레이의 이미지 평면은 푸리에 렌즈의 오브젝트 평면과 일치하는, 상기 렌즈들의 어레이를 포함하는 것을 특징으로 하고,

각각의 보상 DOE 에 대해, 보상 DOE 상의 빔의 입사각 θ_1k, 광학 축 상의 보상 DOE 의 경사각

, 및 그 그레이팅의 스페이싱 Λ_1k 은 재결합 회절 광학 소자의 스페이싱 P_A, k, λ₀, 배율

, 초점 길이 f₂ 및 주기에 기초하여 결정되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 실시형태에 따르면, 보상 DOE들의 경사각

은 0 이고, 이 DOE들은 하나의 동일한 평면에 놓인다.

소스들은 1-차원 또는 2-차원 공간 구성에 따라 배치될 수 있다.

바람직하게, 보상 DOE 그레이팅들은 블레이징된 그레이팅들이다.

본 발명의 특징에 따르면, 레이저 소스들에서 발생하는 동일한 출구 평면을 갖고, 시스템은 레이저 소스들의 출구 평면 및 레이저 소스들의 평면이 놓이는 오브젝트 평면을 갖는 다른 푸리에 렌즈를 포함한다. 렌즈의 오브젝트 평면에서 소스들의 분리 뿐만 아니라, 보상 회절 광학 소자들의 어셈블리가 놓이는 평면에 대하여 이 렌즈의 이미지 평면의 포지션은 푸리에 렌즈의 초점 길이, 주기 P_A, 및 각도들 θ_1k 의 함수로서 결정된다.

본 발명의 다른 특징들 및 이점들은 첨부된 도면들을 참조로 비제한적인 예에 의해 주어지는 다음의 상세한 설명을 읽을 때 명백해질 것이다.
이미 설명된 도 1 은 니어 필드 (도 1a) 에서, 파 필드 (도 1b) 에서 그리고 회절 소자 (도 1c) 에 의해 코히런트 빔들의 공간 재결합을 위한 시스템들을 개략적으로 나타낸다.
도 2 는 회절 소자: 색채 분산 (도 2a), 공간 오버랩의 결함 (도 2b), 뿐만 아니라 동공 사이즈의 함수로서 오버랩 계수의 예시적인 커브 (도 2c) 에 의해 코히런트 빔들의 공간 재결합을 위한 시스템에 의해 제기된 문제들을 개략적으로 예시한다.
도 3 은 본 발명에 따른 회절 소자에 의한 코히런트 빔들의 공간 재결합을 위한 시스템에 의해 충족된 조건들을 개략적으로 예시한다.
도 4 는 본 발명에 따른 회절 소자에 의한 코히런트 빔들의 공간 재결합을 위한 예시적인 시스템을 개략적으로 나타낸다.
도 5 는 본 발명에 따른 빔들의 공간 재결합을 위한 시스템에 의해 공간 오버랩의 최적화 및 색채분산 보상의 원리 (도 5a), 보상 DOE 를 통과하는 펄스의 공간 분포의 경사를 예시하는 보상 DOE 의 레벨에서 더 상세한 뷰 (도 5b), 및 그레이팅의 입사각들과 경사각, 및 입사 파동 벡터

의 함수로서 보상 DOE 의 그레이팅 벡터

의 기하학적 구성을 예시하는 대응하는 기하학적 구성 (도 5c) 을 단일 소스에 대해 개략적으로 나타낸다.
도 6 은 2 개의 상이한 파장들에 대해 보상 DOE (도 6a) 및 결합 DOE (도 6b) 상에서 회절의 각도들의 그래픽 결정을 개략적으로 예시한다.
도 7 은 색채 분산의 보상 및 결합 DOE 상에서 펄스들의 오버랩의 최적화를 위한 보상 그레이팅들의 입사각 및 경사각의 예시적인 계산을 예시한다.
도 8 은 색채 보상 (도 8b) 또는 오버랩 결함의 보상 (도 8a) 이 선호되는 경우, 보상 DOE들이 하나의 동일한 평면에 배치되어 있는, 본 발명에 따른 빔들의 공간 재결합을 위한 시스템의 2 개의 예시적인 실시형태들을 나타낸다.
도면마다 각기, 동일한 엘리먼트들은 동일한 도면부호들에 의해 태그된다.
설명된 도면들의 방향을 참조하여 설명이 주어진다. 시스템이 다른 방향들에 따라 포지셔닝될 수 있는 한에 있어서, 방향성 전문 용어는 제한이 아닌 예시의 방식으로 나타내어진다.

시스템이, 통상적으로 1 피코초 미만의 펄스 폭을 갖는, 펄스 레이저 소스들을 재결합하는 것을 목표로 하는 경우, 도 2 에서 설명된 바와 같이 DOE 를 갖는 재결합 시스템을 셋업하는데 있어서 2 가지 어려움들이 발생한다:

- 제 1 어려움은 펄스들의 스펙트럼 폭 (통상적으로 △t~100.10^-15s 에 대해 △λ=10nm 의 정도) 에 관련된다. 회절 소자 (1) 는 소정의 동작 파장 (operating wavelength) 에 대해 지정 및 생성된다. 그러나, 10nm 정도의 스펙트럼 폭은 DOE 의 재결합의 효율성에 실질적으로 영향을 주지 않는다 (통상적으로, 10nm 의 스펙트럼 폭에 대해 수 % 의 효율성 손실). 반면에, DOE 의 각분산 δθ₀ 은 더 문제가 된다 (펄스의 스펙트럼의 블루 컴포넌트는, 도 2a 에 예시된 바와 같이, 레드 컴포넌트와 상이한 각도를 갖고 DOE 를 떠날 것이다).

이 효과는 한편으로는 그 분산을 증가시킴으로써 재결합된 빔의 공간 품질에 유해하고, 다른 한편으로는 빔의 공간 분산을 열화시키고 일시적으로 펄스를 넓힌다.

- 제 2 어려움은 DOE 상에 상이한 입사각을 갖는 단 펄스들의 공간 오버랩에 관련된다. 이 효과는 도 2b 에 예시되고 펄스들의 제한된 공간 규모에 관련된다: 광의 전파 방향에 가로방향으로 (1/e² 에서) 2ω 에 제한되고, 광의 전파 방향에서 c.△t 에 제한된다 (c 는 광의 속도이고, △t 는 펄스의 지속기간임). 전파 방향들 사이에는 제로 각도에 대한 펄스들의 완벽한 오버랩, 및 이 각도가 증가할 때 감소하는 오버랩이 존재한다. 1 과 동일한 개구수 (numerical aperture) 에 대해 도 1c 에 예시된 애플리케이션에서, 전파 방향들 사이의 각도는 평면 A 에서 최소로 총 동공의 사이즈에 동일한, 사용된 푸리에 렌즈 (23) 의 초점 길이, 즉, (1-차원, 또는 레이저 소스들의 배치의 패턴의 직경에 따른) 채널들의 수에 평면 A 에서 2 개의 연속적인 소스들 사이의 공간이 곱해진 곱에 의존한다. 도 2c 는 푸리에 렌즈의 초점 길이의 최고 값에 대한 평면 A 에서 동공의 사이즈의 함수로서 계산된 (지속기간 300 10^-15s 의) 펄스들 사이의 오버랩의 계수를 제공한다. 이 계산은 (1 차원상에서) 통상적으로 10 보다 큰 채널들의 수에 대해 단 펄스 체제 (<10^-12s) 에서 도 1c 에 도시된 바와 같은 아키텍처를 효율적으로 사용하는 것의 불가능성을 명확히 예시한다.

최종적으로, 전파의 단일 방향을 따라 모든 펄스들의 보강 간섭을, 그리고 모든 다른 방향들에 따라 상쇄 간섭을 보장하는 광학 회절 소자 DOE 를 사용하는 재결합 시스템은 다수의 펄스들을 재결합하기 위한 우수한 후보일 수는 있지만, 초단 펄스 체제에서는 다음의 2 개의 주요한 문제점들을 겪는다:

- 펄스들의 스펙트럼 폭에 관련된 문제, 및

- 빔들의 입사각들의 분포 때문에, DOE 의 레벨에서 펄스들의 공간적 오버랩의 결함.

본 발명에 따른 시스템은 보상 구성을 포함하고, 이것의 기술적 효과는 도 3 에 예시된 조건들을 실현하는 것이며, 다시 말해:

- 한편으로는, 펄스의 스펙트럼의 레드 및 블루 컴포넌트들은, 어떤 파장일지라도, 이 결합 DOE 를 떠나자마자 파동 벡터들이 모두 도면의 z 축을 따라 있는 그러한 방식으로 계산된, 결합 DOE (1) 상의 상이한 입사각들로 도달해야 한다;

- 다른 한편으로는, 결합 DOE 상의 펄스의 입사각이 무엇이든 간에, 일정 순간에서 에너지의 공간 분포는 결합 DOE (1) 에 평행, 즉 도면의 yOx 평면에 평행해야 하고, 이것은 결합 DOE 상의 펄스들의 공간 오버랩을 최적화하도록 하는 것이다.

이 보상 구성 (2) 은 도 4 와 도 5a, 도 5b 및 도 5c 와 함께 설명된다.

제 1 회절 보상 어셈블리 (21) 는 이미징 디바이스에 의해 결합 DOE (1) 상에 이미징된다. 이 이미징 디바이스는:

- 스페이싱 P_A 만큼 떨어져 이격된 초점 길이들 f₁ 의 M 개의 렌즈들 (빔당 하나의 렌즈) 의 어레이 (22) 로서, P_A 는 평면 A 에서 λ₀ 의 빔들의 공간 주기인, 상기 어레이, 및

- 적어도 N×f₁ 와 동일한 어퍼처 및 초점 길이 f₂ 의 푸리에 렌즈 (23) 로서, N 은 (도 5a 에 표현된 디멘전을 따라) 레이저 소스들의 수인, 상기 푸리에 렌즈를 포함한다.

렌즈들의 이 어레이 (22) 는 미리결정된 배율

의 더블-FT 셋업을 푸리에 렌즈 (23) 와 함께 형성하고, 재결합 회절 광학 소자 (1) 상에 회절 광학 보상 어셈블리 (21) 를 이미징할 수 있다: 회절 광학 보상 어셈블리 (21) 는 렌즈들 (22) 의 어레이의 오브젝트 평면에 놓이고, 재결합 DOE (1) 는 푸리에 렌즈 (23) 의 이미지 평면에 놓이고, 렌즈들 (22) 의 어레이의 이미지 평면은 푸리에 렌즈 (23) 의 오브젝트 평면과 일치한다.

이 회절 보상 어셈블리 (21) 는 P_A 만큼 또한 떨어져 이격된 N 개의 보상 DOE들로 세분되고, 각각의 보상 DOE (211) 는 스페이싱 Λ_1k 의 진폭 그레이팅 및/또는 주기적 위상을 포함한다. 펄스 레이저 소스들 S_k 에서 발생하는 광학 빔들은 시스템의 상류에 콜리메이팅되고 (이들은 예를 들어, 평면에 놓이고 렌즈에 의해 콜리메이팅되고, 또는 각각의 소스와 연관된 콜리메이팅 렌즈와의 그 입사각 θ_1k 에 따라 똑바로 포지셔닝되고), 각각의 빔은 대응하는 보상 DOE (211) 상에 특정 각도 θ_1k 를 갖고 도달한다. 각각의 스페이싱 Λ_1k 은, 중심 파장 λ₀ 에서, 모든 레이저 빔들은 떠나는 보상 DOE들을 떠나자마자 평행하고, 다시 말해 중심 파장 λ₀ 에서, 보상 DOE들을 떠나는 펄스들의 파동 벡터들

은 모두 동일하도록, 대응하는 보상 DOE 상에서 빔의 입사각 θ_1k 및 z 축 상의 보상 DOE 의 경사각

의 함수로서 계산된다 (

이지만,

). 이들 DOE들 (211) 의 중간부들은 렌즈들의 어레이 (22) 의 f₁ 에 놓인 하나의 동일한 평면 상에 높인다.

푸리에 렌즈 (23) 는 평면 A 에서 결합 DOE (1) 의 평면으로 푸리에 변환을 동작한다; 따라서, 결합 DOE 상에서 펄스들의 입사각들 θ_2k 은 다음과 같이 제공된다:

.

전제부에서 나타난 바와 같이, 이들 각도 θ_2k 들은 또한, 원하는 최적의 결합을 획득하도록 결합 DOE (1) 의 그레이팅의 주기에 관련된다.

도 5a 에 도시된 바와 같이, 결합 DOE (1) 상의 입사 펄스들의 에너지의 공간 분포들이 결합 DOE 의 평면 (도면에서 평면 xOy) 에 평행하도록, 렌즈 (23) 전의 펄스들의 에너지 분포의 (평면 xOz 에서의) 경사각은 θ_2k 와 동일해야 한다. 결합 DOE (1) 의 레벨에서 펄스들의 최적의 오버랩을 위해, 배율 (

=-f₂/f₁) 의, 푸리에 렌즈 (23) 및 렌즈들 (22) 의 어레이로 이루어진 이미징 디바이스는, 그 후 각각의 보상 DOE (211) 를 떠나자마자 에너지

의 공간 분포들의 경사각 상에 다음의 조건을 부과한다:

또한, 각각의 보상 DOE (211) 는 균일한 스페이싱 Λ_k 의 그레이팅을 포함하고, 그 법선 (normal) 은 (도 5a, 도 5b, 도 5c 에서 z 축) DOE (211) 를 떠나자마자 원하는 전파 방향에 대하여 각도

만큼 기울어진다. 소스 S_k 의 입사 방향과 DOE 로부터의 출구 상의 원하는 전파 방향 사이의 각도는 θ_1k 로 지정된다. 최종적으로,

는 펄스의 에너지의 공간 분포와 펄스의 전파 축 사이에서, 보상 DOE (211) 로부터의 출구 상의 각도를 지정한다. 보상 DOE (211) 로의 입구 및 이로부터의 출구 상에서 파동 벡터들은 평행하지 않다 (기울어지지 않은, 다시 말해: θ₀=0 인 보상 DOE 를 제외하고); 각도들 Θ_k, θ_1k 및

은 다음과 같이 연결된다:

결합 DOE 의 레벨에서 펄스들의 공간 오버랩의 최적화는 다음을 나타낸다:

이것은 시스템을 디멘져닝하는 파라미터들 간의 제 1 관계를 제공한다:

평면 A 에서 소스 포인트들의 공간 주기 P_A,

소스의 인덱스 k,

펄스들의 중심 파장 λ₀,

이미징 디바이스의 배율

,

푸리에 렌즈 (23) 의 초점 길이 f₂.

또한, 도 5c 에 예시된 바와 같이, 각각의 보상 DOE (211) 에 대해, 그 그레이팅의 스페이싱 Λ_1k 은 입사 방향 θ_1k, 그레이팅의 경사 방향, 및 파장 λ₀ 의 함수로서 다음과 같이 확립된다:

최종적으로, 결합 DOE (1) 의 레벨에서 펄스들의 공간 오버랩의 최적화는, 시스템의 파라미터들 간에 다음의 관계들이 만족된다면, 도 4 및 도 5a 에서 설명된 시스템에 의해 보장된다:

즉:

색채 분산 (chromatic dispersion) 의 보상이 이제 고려된다.

제 1 근사를 위해, 결합 DOE 는 다음에 의해 주어진 스페이싱 Λ_2k 의 N 개의 사인파 그레이팅의 중첩인 것으로 고려된다 (N 은 결합될 빔들의 수임):

결합 DOE 의 그레이팅의 주기는 따라서, 다음과 동일하다:

_.

θ_2k 는 중심 파장 λ₀ 에서, 결합 DOE (1) 상의 인덱스 k 의 빔의 입사각이다. k 로 인덱싱된 빔에 대한 색채 분산의 보상을 다루기 위해, 단지 k 로 인덱싱된 그레이팅이 고려된다. 빔은 각도

를 갖고 결합 DOE (1) 상에 입사하는 파장

에서 고려된다. 도 6b 에 예시된 바와 같이, λ₀ 에서 그리고

에서 DOE (1) 에 의해 회절된 빔들이 전파 (또는 파동 벡터들) 의 평행 방향들을 갖기 위해, 파동 벡터의 DOE 의 평면에 탄젠트인 컴포넌트의 보전은 다음을 나타낸다:

결합 DOE (1) 의 색채 분산은 따라서, 다음과 동일하다:

유사하게, 보상 DOE (211) 에 대해, 보상 그레이팅의 스페이싱 Λ_1k 은 그레이팅의 입사 방향 θ_1k 의, 경사 방향의, 그리고 파장 λ₀ 의 함수로서 다음과 같이 확립된다:

도 6a 에서 예시되고, 파장 λ₀ 과

에서 보상 DOE (211) 에 의해 회절된 파동 벡터들 간의 각도 디스패리티

의 계산은 다음을 제공한다:

보상 DOE (211) 의 각분산은 따라서, 다음과 동일하다:

색채 보상 조건은 도 5a 에 설명된 시스템의 것과 같은 가로 배율 (

) 의 중심을 벗어난 (off-centered) 이미징 디바이스의 각배율의 계산으로부터 추정된다. 따라서, 다음의 조건이 획득된다:

최종적으로, 결합 DOE (1) 의 색채분산의 보상은, 다음의 관계들이 만족되는 경우 도 4 및 도 5a 에서 설명된 디바이스에 의해 보장된다:

이전 섹션들에서 확립된 조건들에 따라, 결합 DOE (1) 의 색채분산 및 결합 DOE (1) 의 레벨에서 펄스들의 공간 오버랩의 결함의 동시적 보상은, 다음의 관계들이 만족되는 경우 도 4 및 도 5a 에서 설명된 디바이스에 의해 보장된다:

다음 경우들의 예를 고려해보자:

2mm 의 주기 P_A 에 따라 라인에 배치된 101 개의 초단 (300 ps) 펄스 소스들을 결합하기를 원한다 (NB: 다음의 계산은 최대 직경에서 101 개의 소스들, 즉 육각 틸팅에서 7651 개의 소스들을 갖는 2 차원 배치에 대해 동등하다).

이미징 시스템의 배율은

=-5 에 고정된다.

중심 파장은 λ₀ = 1030nm 와 동일하다.

도 7 은 상기 시스템을 만족하는, 보상 DOE들 (211) 의 경사각 (

) 들 및 보상 DOE들 상에서 입사각 (θ_1k -

) 의 값들을 나타내고, 따라서 결합 DOE (1) 의 색채분산의 효과들 및 결합 DOE 상에서 펄스들의 공간 오버랩의 결함의 동시적 보상을 보장한다.

도 8a 및 도 8b 에서 도시되는 예인 본 발명의 특정 실시형태에 따르면, 보상 DOE들 (211) 은 하나의 동일한 평면 상에 놓이고, 이에 의해 시스템을 단순하게 하고, 특히, 벌크이며 전체 시스템의 비용을 증가시키는 각각의 DOE (211) 를 배향시키기 위한 디바이스들을 회피한다. 이러한 것은, 그레이팅들이 예를 들어 동일한 지지부 상에 제조된 경우이고, 따라서 시간 및 제조 비용의 관점에서 이점들을 보인다. 이것은 그 후, 보상 DOE들의 제로 경사각

들에 의해 이전 관계들에서 명시된다:

=0.

그러면, 각각의 보상 DOE (211) 에 대해, 빔의 입사각 θ_1k 은 다음과 같다:

- 색채 보상의 손상에 재결합된 펄스들의 오버랩의 결함의 선호하는 보상을 원하는 경우,

(도 8a), 또는

- 오버랩 결함의 보상의 손상에 재결합된 펄스들의 선호하는 색채 보상을 원하는 경우,

(도 8b), .

보상 DOE들의 그레이팅들은 유리하게 블레이징된 위상 그레이팅들이다. 대안으로, 이들은 사인파의 연속적인 프로파일을 갖고, 바이너리 프로파일을 갖는 위상 그레이팅들, 또는 바이너리 프로파일 (블랙 앤 화이트) 또는 어느 그레이 레벨도 갖지 않는 강도 그레이팅들 일 수도 있다. 모든 이들 예들은, 블레이징된 그레이팅들을 제외하고, 다중 회절 차수들을 보이고, 따라서 시스템의 전체 효율성을 불리하게 만든다.

도면들의 예들에서, 결합 DOE (1) 및 보상 DOE (211) 는 투과 (transmission) 에서 동작한다; 본 발명에 따른 시스템의 원리는 반사에서 DOE들을 사용하는 경우 계속 유효하다.

Claims (8)

1. k 가 1 에서 N 까지 변하고, N 이 >1 인 정수인, N 개의 동기화된 소스들 k 에서 발생하는, λ₀ 주변에 센터링된 동일한 파장의 펄스 레이저 빔들의 공간 재결합을 위한 시스템으로서,
   광학 축을 갖고,
   - 미리정의된 오브젝트 평면 및 미리정의된 이미지 평면을 갖는, 초점 길이 f₂ 의 푸리에 렌즈 (23) 로서, 상기 레이저 빔들은 상기 오브젝트 평면 (평면 A) 에서 스페이싱 P_A 의 주기적인 공간 구성을 λ₀ 에서 나타내는, 상기 푸리에 렌즈, 및
   - 주기적 위상 프로파일을 갖는 재결합 회절 광학 소자 (1) 로서, 상기 소자 상에서 N 개의 빔들은 빔들마다 각기 상이한 입사각 θ_2k 에 따라 상기 푸리에 렌즈 (23) 에 의해 디렉팅되도록 의도되고, 이들 입사각들은 상기 재결합 회절 광학 소자의 주기의 함수로서 결정되는, 상기 재결합 회절 광학 소자를 포함하고,
   상기 소스들은 10^-12 s 미만의 지속기간의 펄스들을 방출할 수 있고,
   상기 시스템은,
   - 소스 당 하나의 보상 회절 광학 소자 (211), 빔들마다 각기 상이한 입사각 θ_1k, 및 이웃하는 보상 회절 광학 소자들 간에 상이한 그레이팅 스페이싱 Λ_1k 을 갖는 주기적 그레이팅을 갖는 N 개의 보상 회절 광학 소자들, 및
   - 상기 재결합 회절 광학 소자 (1) 상에 각각의 보상 회절 광학 소자 (211) 를 이미징할 수 있고, 미리정의된 배율

   

   의 더블-FT 셋업을 상기 푸리에 렌즈 (23) 와 함께 형성하고, 미리정의된 오브젝트 평면 및 미리정의된 이미지 평면을 갖고, 소스 당 하나의 렌즈 (221) 를 갖는 렌즈들의 어레이 (22) 로서, 상기 보상 회절 광학 소자들은 상기 렌즈들의 어레이 (22) 의 상기 오브젝트 평면에 놓이고, 상기 재결합 회절 광학 소자 (1) 는 상기 푸리에 렌즈 (23) 의 상기 이미지 평면에 놓이고, 상기 렌즈들의 어레이 (22) 의 상기 이미지 평면은 상기 푸리에 렌즈 (23) 의 상기 오브젝트 평면과 일치하는, 상기 렌즈들의 어레이를 포함하고,
   각각의 보상 회절 광학 소자 (211) 에 대해, 상기 보상 회절 광학 소자 상의 상기 빔의 상기 입사각 θ_1k, 상기 광학 축 상의 상기 보상 회절 광학 소자의 상기 경사각

   

   , 및 그 그레이팅의 상기 스페이싱 Λ_1k 은 상기 재결합 회절 광학 소자 (1) 의 스페이싱 P_A, k, λ₀ , 상기 배율

   

   , 상기 초점 길이 f₂, 및 상기 주기에 기초하여 결정되는 것을 특징으로 하는 공간 재결합 시스템.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 보상 회절 광학 소자들 (211) 의 상기 경사각

   

   들은 0 이고, 상기 보상 회절 광학 소자들은 하나의 동일한 평면에 놓이는 것을 특징으로 하는 공간 재결합 시스템.
3. 제 2 항에 있어서,
   각각의 보상 회절 광학 소자 (211) 에 대해, 상기 빔의 입사각 θ_1k 는

   

   이도록 되는 것을 특징으로 하는 공간 재결합 시스템.
4. 제 2 항에 있어서,
   각각의 보상 회절 광학 소자 (211) 에 대해, 상기 빔의 입사각 θ_1k 는

   

   이도록 되는 것을 특징으로 하는 공간 재결합 시스템.
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 소스들은 1-차원 또는 2-차원 공간 구성에 따라 배치되는 것을 특징으로 하는 공간 재결합 시스템.
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 레이저 소스들에서 발생하는 상기 빔들은 동일한 출구 평면을 갖고,
   상기 레이저 소스들의 상기 출구 평면이 놓이는 오브젝트 평면을 갖는 다른 푸리에 렌즈를 포함하는 것을 특징으로 하는 공간 재결합 시스템.
7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
   N>100 인 것을 특징으로 하는 공간 재결합 시스템.
8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 보상 회절 광학 소자들의 그레이팅들은 블레이징된 그레이팅들인 것을 특징으로 하는 공간 재결합 시스템.

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