KR20170026451A - 초단파 고출력 및／또는 고에너지 펄스들을 갖는 ｕｖ­가시광선 레이저 시스템 - Google Patents

초단파 고출력 및／또는 고에너지 펄스들을 갖는 ｕｖ­가시광선 레이저 시스템 Download PDF

Info

Publication number
KR20170026451A
KR20170026451A KR1020177000192A KR20177000192A KR20170026451A KR 20170026451 A KR20170026451 A KR 20170026451A KR 1020177000192 A KR1020177000192 A KR 1020177000192A KR 20177000192 A KR20177000192 A KR 20177000192A KR 20170026451 A KR20170026451 A KR 20170026451A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
pulses
laser
microwave
pulse
nonlinear optical
Prior art date
Application number
KR1020177000192A
Other languages
English (en)
Inventor
안토인 쿠르조드
Original Assignee
엠플리튜드 시스떼메
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 엠플리튜드 시스떼메 filed Critical 엠플리튜드 시스떼메
Publication of KR20170026451A publication Critical patent/KR20170026451A/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/23—Arrangements of two or more lasers not provided for in groups H01S3/02 - H01S3/22, e.g. tandem arrangements of separate active media
    • H01S3/2383—Parallel arrangements
    • H01S3/2391—Parallel arrangements emitting at different wavelengths
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/0604—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by a combination of beams
    • B23K26/0608—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by a combination of beams in the same heat affected zone [HAZ]
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/0604—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by a combination of beams
    • B23K26/0613—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by a combination of beams having a common axis
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/062—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by direct control of the laser beam
    • B23K26/0622—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by direct control of the laser beam by shaping pulses
    • B23K26/0624—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by direct control of the laser beam by shaping pulses using ultrashort pulses, i.e. pulses of 1ns or less
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/005—Optical devices external to the laser cavity, specially adapted for lasers, e.g. for homogenisation of the beam or for manipulating laser pulses, e.g. pulse shaping
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/005—Optical devices external to the laser cavity, specially adapted for lasers, e.g. for homogenisation of the beam or for manipulating laser pulses, e.g. pulse shaping
    • H01S3/0092—Nonlinear frequency conversion, e.g. second harmonic generation [SHG] or sum- or difference-frequency generation outside the laser cavity
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/05—Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
    • H01S3/06—Construction or shape of active medium
    • H01S3/063—Waveguide lasers, i.e. whereby the dimensions of the waveguide are of the order of the light wavelength
    • H01S3/067—Fibre lasers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/23—Arrangements of two or more lasers not provided for in groups H01S3/02 - H01S3/22, e.g. tandem arrangements of separate active media
    • H01S3/2308—Amplifier arrangements, e.g. MOPA
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/05—Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
    • H01S3/06—Construction or shape of active medium
    • H01S3/063—Waveguide lasers, i.e. whereby the dimensions of the waveguide are of the order of the light wavelength
    • H01S3/067—Fibre lasers
    • H01S3/06754—Fibre amplifiers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/14—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range characterised by the material used as the active medium
    • H01S3/16—Solid materials
    • H01S3/1601—Solid materials characterised by an active (lasing) ion
    • H01S3/1603—Solid materials characterised by an active (lasing) ion rare earth
    • H01S3/1608—Solid materials characterised by an active (lasing) ion rare earth erbium
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/14—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range characterised by the material used as the active medium
    • H01S3/16—Solid materials
    • H01S3/1601—Solid materials characterised by an active (lasing) ion
    • H01S3/1603—Solid materials characterised by an active (lasing) ion rare earth
    • H01S3/1618—Solid materials characterised by an active (lasing) ion rare earth ytterbium

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)
  • Lasers (AREA)

Abstract

본 발명은 고출력 및/또는 고에너지의 초단파 펄스를 갖는 자외선-가시광선 레이저 시스템에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 레이저 시스템은 2개의 별개의 레이저 펄스 소스들(11, 12)에 의해 각각 방출된 가시광선 또는 적외선 영역의 2개의 별개의 초단파 레이저 펄스들(31, 32)을 수신하도록 구성된 적어도 하나의 비선형 광학 크리스탈(1)과, 그리고, 임의의 위상 시프트를 가지며 또한 합 주파수에 의해 상기 2개의 별개의 레이저 펄스들(31, 32)의 각각의 광 주파수들의 합과 동일한 광 주파수를 갖는 초단파 레이저 펄스를 생성하는 상기 비선형 광학 크리스탈(1)에서 상기 2개의 초단파 레이저 펄스들(31, 32)이 시간적으로 및 공간적으로 중첩되도록 구성된 시간 동기화 수단(41, 42)을 포함한다.

Description

초단파 고출력 및／또는 고에너지 펄스들을 갖는 ＵＶ­가시광선 레이저 시스템{UV-VISIBLE LASER SYSTEM HAVING ULTRASHORT HIGH-POWER AND/OR HIGH-ENERGY PULSES}
본 발명은 자외선-가시광선(UV-가시광선) 스펙트럼 영역의 초단파(ultrashort) 고출력 및/또는 고에너지 펄스를 갖는 레이저 시스템에 관한 것이다.
더 상세하게는, 본 발명은 출력 레이저 펄스들의 광 주파수를 제어하기 위해 광 주파수를 변환시키는 비선형 광학 디바이스를 사용하여 초단파 UV-가시광선 레이저 펄스를 생성하는 레이저 시스템에 관한 것이다. 본 명세서에서, 용어 '광-주파수 변환'은, 합 주파수(sum frequency)를 생성하고 다수의 고조파를 생성하는 비선형 광학 기술을 포괄한다.
본 명세서에서, 초단파 펄스들은, 피코 초, 서브-피코 초 또는 펨토 초 지속시간(duration)의 펄스들을 의미한다. 더 정확하게는, 피코 초 펄스는 1 ps와 20 ps 사이의 지속시간을 갖는 광 펄스를 의미하며, 펨토 초 펄스는 1 fs와 1 ps 사이의 지속시간을 갖는 광 펄스를 의미한다. 보통, 초단파 펄스를 갖는 레이저 시스템은, 일반적으로 50 kHz와 10 MHz 사이의 높은 반복율(repetition rate)로 방출한다. 따라서, 1 MHz의 속도를 갖는 초단파 펄스들을 갖는 레이저 시스템은 일련의(a train of) 초단파 펄스들을 방출하는데, 여기서 각각의 펄스는 ps 또는 fs 지속시간을 가지고, 그리고 연속 펄스들 사이에는 약 1 마이크로 초의 시간 간격을 갖는다. 고출력 펄스는 평균 파워가 10 W 내지 1 MW, 바람직하게는 10 W 이상의 광 펄스를 의미하며, 고에너지 펄스는 에너지가 100 μJ 내지 1 kJ, 바람직하게는 1 mJ 이상의 광 펄스를 의미한다. 여기서, 자외선(UV) 스펙트럼 영역은 200 nm로부터 450 nm까지, 가시광선 영역은 450 nm로부터 750 nm까지, 그리고 적외선 영역은 750 nm로부터 1600 nm까지 포괄하는 것으로 간주된다.
광 주파수(ν)는, 방정식 ν = c/λ (여기서 c는 진공에서의 광속을 나타냄)에 의해 정의된 광 복사의 파장(λ)에 반비례하는 변수를 의미한다.
초단파 펄스 레이저들은 레이저 미세 가공, 레이저 마킹, 분석 화학, 나노 수술 및 안과 수술을 포함하는 많은 응용 분야를 찾아낸다.
범위가 UV 범위에서 아주 낮은(lower and lower) 파장들의, 아주 높은(higher and higher) 펄스 에너지들의, 및/또는 아주 높은 펄스 파워의 UV-가시광선 영역의 초단파 펄스 레이저들을 개발하는 것이 요구된다.
일반적으로, UV-가시광선 레이저 펄스 시스템은, 적외선 레이저 소스와, 예를 들면 합 주파수(sum frequency)에 의한(고조파 발생이라고도 함) 광 주파수의 변환을 위한 비선형 광학 디바이스에 기반을 두고 있다. 이것은, 적외선 영역의 고성능 크리스탈 또는 광 파이버 소스들 및 증폭기(amplifier)들이, 시도되고 테스트된 산업 기술의 존재로 인해, 이용가능하기 때문이다. 이러한 초단-펄스 적외선 레이저 소스로 인해, 적외선 영역에서 고출력 및/또는 고에너지 레이저 펄스들을 생성하고 증폭시키는(amplify) 것이 가능해진다. 합 주파수에 의한 광 주파수의 변환을 위한 비선형 광학 디바이스로 인해, 적외선 레이저 펄스들을 적외선 펄스들의 광 주파수의 2배, 3배 또는 4배 고조파와 동일한 광 주파수를 갖는 레이저 펄스들로 변환하는 것이 가능해진다. 이러한 방식으로 초단파 UV-가시광선 레이저 펄스들의 소스가 얻어진다.
합 주파수는 사실상, 광 주파수들 사이의 다음 방정식으로 링크된, 광 주파수들(ν1 및 ν2)을 각각 갖는 2개의 방사들로부터의 광 주파수(ν3)에서의 광 방사를 만들어내는 것으로 이루어진다.
ν3 = ν1 + ν2
그리고 이 방정식은 각각의 파장들 사이의 다음 방정식과 같다.
1/λ3 = 1/λ1 + 1/λ2
예시적인 예로써, 도 1은 주파수 변환을 위한 종래의 UV-가시광선 초단파 펄스 레이저 구성을 도시한다. 이 UV-가시광선 펄스 레이저는, 근적외선 펄스들의 소스(11), 및 직렬로 배치된 2개의 비선형 광학 크리스탈(1, 2)의 사용에 기반한 주파수-변환 비선형 광학 디바이스를 포함한다. 예를 들어, 소스(11)는 이터븀(ytterbium)이 도핑된 파이버 레이저 소스이다. 적외선 레이저 펄스들의 소스(11)는 적외선 파장(λ1)의 초단파 광 펄스들(110)을 방출한다. 제1 비선형 광학 크리스탈(1)은 적외선 광 펄스들(110)을 수신한다. 특정 조건들, 특히 광 펄스들(110)의 밀도 및 위상 정합(phase matching) 조건들 하에서, 제1 비선형 광학 크리스탈(1)은 파장(λ1)과는 다른 파장(λ2)의 광 펄스(111)를 생성한다. 특히, 비선형 광학 크리스탈이 주파수 2배화(doubling)로 동작할 때, 파장(λ2)은 파장(λ1)의 절반과 같다. 예를 들어 파장(λ1)이 1030 nm인 경우 파장(λ2)은 515 nm와 같다. 비선형 광학 크리스탈에서 파장(λ1)으로부터 파장(λ2)으로의 에너지 전이는 부분적이므로(partial), 제1 비선형 광학 크리스탈(1)의 출력에는 파장(λ2)의 펄스(111)와 파장(λ1)의 펄스(110)가 존재한다.
도 1의 예에는, 또 하나의 비선형 광학 크리스탈(2)이 제1 비선형 광학 크리스탈(1)의 출력의 광 경로 상에 배치된다. 다른 비선형 광학 크리스탈(2)은 파장(λ1)의 광 펄스들(110)과 파장(λ2)의 광 펄스들(111)을 수신하며, 이 광 펄스들(110 및 111)은 동일한 소스(11)로부터 유래한 것이다. 특정 위상-정합 조건들 하에서, 다른 비선형 광학 크리스탈(2)은, 합 주파수에 의해, 파장들(λ2 및 λ1)과는 다른 파장(λ3)의 다른 광 펄스(112)를 생성한다. 따라서, 다른 광 펄스(112)는 2개의 입사 광 펄스들(110, 111)의 광 주파수들의 합과 동일한 광 주파수를 갖는다. 이러한 디바이스로 인해, 소스 펄스들의 주파수의 3배 또는 4배인 주파수 고조파를 얻는 것이 가능해지고, 여기서 광 펄스들(112)의 파장(λ3)은 적외선 펄스 소스(11)에 의해 방출된 광 펄스들(110)의 파장(λ1)의 1/3 또는 1/4과 각각 동일하다. 따라서, 예를 들어 1030 nm의 파장(λ1)에서는, 3배화(tripling)의 경우에 343.3 nm와 동일한 파장(λ3)의 펄스들 또는 4배화(quadrupling)의 경우에는 257.5 nm와 동일한 파장의 펄스들을 얻을 수 있다.
레이저 소스(11)가 근적외선의 광 펄스들(110)을 생성할 때에는, 주파수 2배화(frequency doubling)에 의한 단일 변환에 의해서는, 자외선 파장들을 얻는 것이 가능하지 않다. 자외선 펄스들을 얻기 위해서는, 일반적으로 3배 또는 4배 고조파의 생성이 필요하다.
하지만, 비선형 광학 크리스탈에서의 고조파 생성에 의한 주파수 변환 효율은, 고조파 증배 인자(multiplication factor)가 증가함에 따라 감소한다. 따라서, 주파수 변환 효율은, 주파수 2배화에서는 50 % ~ 70 %에 도달할 수 있지만 주파수 3배화에서는 20 % ~ 30 % 그리고 주파수 4배화에서는 10 % ~ 25 %이다.
종래의 큰 길이의 광 파이버, 예를 들어, 어븀(erbium)이 도핑된 또는 어븀-이터븀(erbium-ytterbium)이 공통-도핑된 광 파이버를 갖는 적외선 펄스들의 소스의 경우에는, 광 파이버는 에너지 측면에서 제한된다. 고에너지 초단파 펄스들이 처프된 펄스 증폭(CPA; chirped pulse amplification) 타입의 시스템에서 증폭될 때에는, 이들 미리 스트레치된(prestretched) 펄스는 증폭 파이버에서의 증폭 동안에 서로에게 가산되는 비선형 왜곡을 겪게 된다. 이 경우, 주파수 변환기의 출력에서의 UV-가시광선 펄스들은 광 파이버 적외선 펄스 소스의 최대 에너지에 의해 에너지가 제한된다.
예를 들어 Yb:YAG 레이저와 같은 크리스탈 고체 레이저 소스의 경우에는, 크리스털 레이저는 크리스털의 열 효과들로 인해 파워가 제한된다. 이 경우, 주파수 변환기의 출력에서의 UV-가시광선 펄스는 크리스탈 고체 레이저 소스의 최대 파워에 의해 파워가 제한된다.
큰 코어 직경 및 짧은 길이(50 cm 내지 수 미터)를 갖는 대형 모드 영역(LMA) 파이버 타입의 증폭 매체의 경우에는, 이것이 종래의 파이버 레이저들과 고체 레이저들 사이의 중간적 경우이며, 여기서 주파수 변환기로부터 출력된 UV-가시광선 펄스들은 대형 모드 영역의 광 파이버 레이저 소스의 최대 파워 및/또는 에너지에 의해 파워 및/또는 에너지가 제한된다.
그러므로, 일반적으로, 주파수 변환에 의해 얻어지며 피코 초 또는 펨토 초 지속시간을 갖는 레이저 펄스들(111 또는 112)의 파워 및/또는 에너지는, 사용된 레이저 소스(11)의 파워 및/또는 에너지에 의해 그리고 사용된 비선형 광학 크리스탈 또는 크리스탈들의 변환 효율에 의해 제한된다.
본 발명의 목적들 중 하나는, 특히 소스가 광 파이버 기술에 기반할 때에는, UV-가시광선 영역의 초단파 펄스 소스의 에너지 및/또는 파워를 증가시키는 것이다. 본 발명의 또 하나의 목적은, 파장을 고에너지 및/또는 고출력 초단파 펄스 소스에서 자외선쪽으로 낮추는 것이다. 본 발명의 또다른 목적은 고에너지 및/또는 고출력 UV-가시광선 초단파 펄스 레이저의 시간에 따른 안정성을 개선하는 것이다.
또한, 주파수 변환을 위한 비선형 광학 디바이스를 사용하여 고에너지 및/또는 고출력 초단파 펄스 UV-가시광선 레이저의 출력에서 레이저 펄스들의 파워 및/또는 에너지를 증가시키기 위한 시스템 및 방법이 요구된다.
또한, 자외선의 단파장들을 가지며, 바람직하게는 광 파이버 레이저 기술에 기반한, 고에너지 및/또는 고출력 초단파 펄스 레이저가 요구된다.
본 발명의 목적은 종래 기술의 단점들을 해결하는 것이며, 더 상세하게는 고출력 및/또는 고에너지 초단파 펄스 UV-가시광선 레이저 시스템에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 레이저 시스템은, 각 레이저 펄스 소스가 가시광선 영역 또는 적외선 영역의 적어도 하나의 초단파 레이저 펄스를 방출하도록 구성된, 2개 내지 5개의 별개의 소스들을 포함하는 복수의 레이저 펄스 소스들; 2개의 별개의 레이저 펄스 소스들에 의해 각각 방출되는 2개의 초단파 레이저 펄스들을 수신하도록 구성된 적어도 하나의 비선형 광학 크리스탈; 및 임의의 위상 시프트를 갖는 상기 비선형 광학 크리스탈에서 상기 2개의 초단파 레이저 펄스들이 시간적으로 및 공간적으로 중첩되도록, 상기 비선형 광학 크리스탈에 입사하는 상기 2개의 초단파 레이저 펄스들을 제시간에 동기화시키도록 구성된 동기화 수단을 포함하고, 상기 적어도 하나의 비선형 광학 크리스탈은, 합 주파수에 의해, 상기 비선형 광학 크리스탈에서 시간적으로 및 공간적으로 중첩된 2개의 초단파 레이저 펄스들의 각각의 광 주파수들의 합과 동일한 광 주파수를 갖는 주파수 변환된 초단파 레이저 펄스를 생성하도록 구성된다.
임의의 위상 시프트에 의해, 2개의 별개의 소스로부터 생성되고 비선형 광학 크리스탈에서 중첩된 2개의 초단파 펄스들 사이의 위상 시프트가 임의의 값을 취할 수 있다는 것을 의미한다. 추가로, 이러한 임의의 위상 시프트는, 동일한 비선형 광학 크리스탈에서 중첩되도록, 한 쌍의 초단파 펄스들로부터 또 한 쌍의 초단파 펄스들로 시간에 따라 변할 수 있다.
UV-가시광선 레이저 시스템으로 인해, 주파수-변환 손실을 증가시키지 않으면서도 주파수-변환된 초단파 펄스들의 파워 및/또는 에너지를 증가시키는 것이 가능해진다. 초단파 UV-가시광선 펄스들의 에너지 및/또는 파워는 사용된 소스의 개수에 따라 증가한다.
본 발명의 시스템으로 인해, 소정의 변환 효율을 갖는 펄스를 만들어 내는 것이 가능해진다. 레이저 시스템이 소정의 반복율(repetition rate)로 일련의 초단파 펄스들을 생성할 때, 본 발명의 시스템으로 인해, 하나의 펄스에서 그 다음 펄스로의 주파수 변환의 효율의 안정성을 보장하는 것이 가능해지고, 그리하여 UV-가시광선 초단파 펄스들의 파워 및/또는 에너지의 안정성을 보장하는 것이 가능해진다.
본 발명의 시스템은, 주파수-변환 비선형 광학 크리스탈에서 중첩된 초단파 펄스들의 각 쌍 사이의 광 위상 시프트를 측정하고 제어하기 위한 간섭계(interferometric) 시스템을 필요로 하지 않는다. 간단한 시간 동기화 시스템이 나노 초 체제(regime)에서 동작하는 레이저에 일반적으로 사용되는 간섭계 시스템을 대체하여, 합 주파수에 의한 주파수 변환을 갖는 비선형 광학 크리스탈에서 중첩된 빔들 사이의 위상-정합 조건을 달성한다. 위상 시프트는 하나의 초단파 펄스에서 그 다음 초단파 펄스로 변동될 수 있다. 이와 반대로, 나노 초 체제에서, 비선형 광학 크리스탈에서 주파수 변환하기를 원하는 펄스 트레인에서 펄스들의 각 쌍에 대한 위상 정합을 제어할 필요가 있다. 이것은, 주입된 나노 초 체제(regime)에서 레이저는 일반적으로 하나의 ns 펄스에서 다음 ns 펄스까지 불안정성을 생성하는 복수의 세로 방향의(longitudinal) 모드들을 방출하기 때문이다. 특히 유리한 방식으로, ps 또는 fs 체제에서, 초단파 펄스 트레인들은 최대 몇 분(minutes)에 이르는 주기들에 걸쳐 큰 안정성을 갖는다.
특정의 유리한 실시예에 따르면, 레이저 시스템은, N이 2이상의 정수인 N개의 비선형 광학 크리스탈들을 포함하고, 각 비선형 광학 크리스탈은 2개의 별개의 레이저 펄스 소스들에 의해 각각 방출된 또는 2개의 초단파 레이저 펄스 소스들로부터의 합 주파수 변환에 의해 생성된, 2개의 별개의 레이저 펄스들을 수신하도록 구성되고, 비선형 광학 크리스탈에 입사된 상기 2개의 레이저 펄스들은 시간에 대하여 동기화되고, 그리고 상기 N개의 비선형 광학 크리스탈들에서의 연속적인 합 주파수에 의해 주파수-변환된 레이저 펄스를 생성하기 위해 상기 N개의 비선형 광학 크리스탈들이 배치된다.
일 실시예에 따르면, 펄스 레이저 시스템은, 2개의 별개의 레이저 펄스 소스들 - 각 레이저 펄스 소스는 가시광선 또는 적외선 영역의 초단파 레이저 펄스를 방출하도록 구성됨 -; 그리고 2개의 별개의 레이저 펄스 소스들 각각으로부터 초단파 레이저 펄스를 동시에 수신하도록 구성된 비선형 광학 크리스탈을 포함하고, 상기 비선형 광학 크리스탈은 합 주파수에 의해 2개의 소스들의 광 주파수들의 합과 동일한 광 주파수를 갖는 초단파 레이저 펄스를 생성하도록 구성된다.
또 하나의 실시예에 따르면, 상기 수(N)는 3과 동일하고, 상기 펄스 레이저 시스템은 3개의 별개의 레이저 펄스 소스들 - 각각의 레이저 펄스 소스는 가시광선 또는 적외선 영역의 초단파 레이저 펄스를 방출하도록 구성됨 -; 그리고 3개의 별개의 레이저 펄스 소스들 중 2개에 의해 각각 방출된 2개의 초단파 레이저 펄스들을 동시에 수신하도록 구성된 제1 비선형 광학 크리스탈을 포함하고, 상기 동기화 수단은 상기 2개의 입사 레이저 펄스들이 임의의 위상 시프트를 갖는 제1 비선형 광학 크리스탈에서 시간적으로 및 공간적으로 중첩되도록 제1 비선형 광학 크리스탈에 입사한 상기 제2 레이저 펄스들을 시간에 대하여 동기화시키도록 구성되고, 제1 비선형 광학 크리스탈은 합 주파수에 의해 상기 2개의 소스들의 광 주파수들의 합과 동일한 광 주파수를 갖는 주파수-변환된 초단파 레이저 펄스를 생성하도록 구성되고, 제2 비선형 광학 크리스탈은 상기 주파수-변환된 초단파 레이저 펄스와 3개의 레이저 펄스 소스들 중에서의 다른 레이저 펄스 소스에 의해 각각 방출된 또 하나의 초단파 레이저 펄스를 동시에 수신하도록 구성되고, 상기 동기화 수단은 상기 초단파 레이저 펄스들이 임의의 위상 시프트를 갖는 제2 비선형 광학 크리스탈에서 시간적으로 그리고 공간적으로 중첩되도록 제2 비선형 광학 크리스탈에 입사하는 상기 주파수 변환된 초단파 레이저 펄스와 상기 다른 초단파 레이저 펄스를 시간에 대하여 동기화하도록 구성되고, 제2 비선형 광학 크리스탈은 합 주파수에 의해 상기 3개의 소스들의 광 주파수들의 합과 동일한 광 주파수를 갖는 초단파 레이저 펄스를 생성하도록 구성된다.
본 발명의 특정의 및 유리한 양상에 따르면, 각각의 레이저 펄스 소스는 초단파 펄스를 방출하도록 구성되고, 상기 동기화 수단은 상기 2개의 별개의 레이저 펄스들은 상기 초단파 펄스들의 지속시간의 10 % rms 이하, 바람직하게는 상기 초단파 펄스들의 지속시간의 5 % rms 이하의 시간 정밀도로써 상기 비선형 광학 크리스탈에서 시간에 대하여 중첩되도록 비선형 광학 크리스탈에 입사한 2개의 별개의 레이저 펄스들을 시간에 대하여 동기화시키도록 구성된다.
본 발명의 특정하고 유리한 양상에 따르면, 상기 동기화 수단은 한편에는 상기 광 펄스 소스들 중 하나와 다른 한편에는 상기 비선형 광학 크리스탈 사이에 배치된 적어도 하나의 광 지연 라인을 포함하고, 상기 광 지연 라인은 상기 비선형 광학 크리스탈에 입사하는 2개의 광 펄스들 사이의 시간 지연을 감소시키도록 구성된다.
본 발명의 특정하고 유리한 양상에 따르면, 상기 동기화 수단은 비선형 광학 크리스탈에서 2개의 초단파 레이저 펄스를 시간에 대하여 동기화시키도록 구성된 전자적 동기화 수단을 포함한다.
하나의 실시예에서, 상기 복수의 광 펄스 소스들은 복수의 레이저 소스들을 포함하며, 각각의 레이저 펄스 소스는 적어도 하나의 레이저 펄스를 방출하도록 구성된다.
또 하나의 실시예에서, 상기 복수의 광 펄스 소스들은 파장(λ1)의 초단파 모(parent) 광 펄스들을 생성하도록 구성된 공통 광 발진기; 및 복수의 광 증폭 시스템들 - 각각의 광 증폭 시스템은 파장(λ1)의 초단파 모 광 펄스를 수신하고 그리고 파장(λ1)의 증폭된 초단파 광 펄스를 생성하도록 구성됨 - 을 포함한다.
발명의 특정하고 유리한 양상에 따르면, 상기 레이저 시스템은 비선형 광학 크리스탈에 입사하는 2개의 별개의 레이저 펄스들 사이의 시간 지연을 측정하도록 구성된 차동 교차-상관기(a differential cross-correlator)를 포함하는 시간 피드백 디바이스를 더 포함한다.
바람직하게는, 비선형 광학 크리스탈은 편광에 의한 다중화(multiplexing by polarization) 또는 각도 다중화(angular multiplexing)를 갖는 비선형 광학 크리스탈이며, 상기 비선형 광학 크리스탈은 베타 바륨 보레이트 크리스탈(β-BaB2O4) 또는 리튬 트리보레이트 크리스탈(LiB3O5) 또는 의사-위상 정합(quasi-phase matched) 타입 또는 PPLN 타입의 리튬 니오베이트 크리스탈(LiNbO3)을 포함한다.
하나의 실시예에서, 상기 복수의 별개의 레이저 펄스 소스들은 고에너지 광 파이버 광학소자(optics)를 갖는 복수의 레이저 소스들을 포함한다.
또 하나의 실시예에서, 상기 복수의 별개의 레이저 펄스 소스들은 고출력 크리스탈들을 갖는 복수의 고체 레이저 소스들을 포함한다.
본 발명의 제2 실시예의 특정하고 유리한 양상에 따르면, 상기 동기화 수단은 상기 복수의 레이저 소스들에 의해 각각 방출된 복수의 레이저 펄스들을 시간에 대하여 동기화하도록 구성된 전자적 동기화 수단을 포함한다.
본 발명의 또 하나의 특정하고 유리한 양상에 따르면, 주파수 변환을 위한 비선형 광학 시스템은:
- 파장에서 적어도 하나의 다른 광 펄스를 방출하도록 구성된 광 펄스들의 또 하나의 소스;
- 한편으로는 비선형 광학 크리스탈의 출력에서 주파수 변환에 의해 생성된 파장(λ2)의 광 펄스와 다른 한편으로는 광 펄스들의 다른 소스에 의해 방출된 파장(λ1)의 상기 다른 광 펄스를 시간에 대해 동기화시키도록 구성된 동기화 수단; 및
- 파장(λ2)의 상기 광 펄스와 파장(λ1)의 다른 광 펄스를 수신하도록 구성된 또 하나의 비선형 광학 크리스탈을 포함하고, 각각의 파장들(λ2 및 λ1)의 상기 광 펄스들은 제시간에(in time) 동기화되고, 그리고 다른 비선형 광학 크리스탈은 주파수 변환에 의해 상기 동기화된 광 펄스들의 파장들(λ2 및 λ1)과는 다른 파장(λ3)의 적어도 하나의 다른 광 펄스를 생성하도록 구성된다.
특정 실시예에서, 상기 복수의 별개의 레이저 광 소스들은 광 파이버 광학소자를 갖는 복수의 고에너지 레이저 소스들을 포함한다.
특정 실시예에서, 상기 복수의 별개의 레이저 펄스 소스들은 고출력 크리스탈들을 갖는 복수의 고체 레이저 소스들을 포함한다.
또한, 본 발명은 비선형 광학 주파수-변환 방법에 관한 것으로서, 상기 방법은:
a) 복수의 광 펄스 소스들에 의해, 각각 복수의 광 펄스들을 방출하고;
b) 복수의 동기화된 광 펄스들을 생성하기 위해 상기 복수의 광 펄스들을 시간에 대해 동기화시키고;
c) 비선형 광학 크리스탈에서 상기 복수의 동기화된 광 펄스들을 수신하는 것을 포함하고, 상기 비선형 광학 크리스탈은 주파수 변환에 의해 상기 광 펄스 소스들로부터의 상기 광 펄스의 파장들과는 다른 파장의 적어도 하나의 출력 광 펄스를 생성하도록 구성된다.
바람직하게는, 시간 동기화의 단계 b)는, 광 펄스 소스와 비선형 광학 크리스탈 사이에 배치된 적어도 하나의 광 지연 라인에서의 광 지연을 조정하는 단계를 포함한다.
제1 실시예에 따르면, 방출 단계 a)는, 발진기에 의해 복수의 광 펄스들을 방출하고 그리고 별개의 광 증폭기에 의한 상기 소스 펄스들의 각각을 증폭하는 것을 포함한다.
제2 실시예에 따르면, 방출 단계 a)는, 복수의 레이저 소스들에 의한 복수의 레이저 펄스들을 방출하는 것을 포함하며, 각각의 레이저 소스는 적어도 하나의 레이저 펄스를 방출하도록 구성된다.
바람직하게는, 제2 실시예에서, 시간 동기화 단계 (b)는. 상기 복수의 레이저 소스들 각각에 의해 방출된 복수의 레이저 펄스들을 시간에 대하여 동기화시키도록 구성된 전자적 동기화 단계를 포함한다.
본 발명은 초단파 레이저 펄스 시스템들에서 특히 유리한 적용예를 찾아낼 것이다.
본 발명은 유리하게, 복수의 광 소스들을 결합하여 그들을 광 주파수로 변환하고 또한 광 파워를 합산하는 것 둘 다를 가능하게 한다.
또한, 본 발명은, 이어지는 설명에서 드러날 특징들 및 별개로 또는 그것의 임의의 기술적인 가능한 조합들에 따라 고려되어야 하는 특징들에 관한 것이다.
본 설명은 비제한적인 예로서 주어진 것이며, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 어떻게 구현될 수 있는지에 대해 더 잘 이해될 것이다.
- 도 1은 종래기술에 따른 주파수-변환 비선형 광학 시스템을 개략적으로 도시한다.
- 도 2는 본 발명에 따른 주파수-변환 비선형 광학 시스템의 원리를 개략적으로 도시한다.
- 도 3은 본 발명의 제1 실시예를 개략적으로 도시한다.
- 도 4는 본 발명의 제2 실시예를 개략적으로 도시한다.
- 도 5는 본 발명의 제3 실시예를 개략적으로 도시한다.
- 도 6은 2개의 레이저 펄스들 사이의 광 지연을 측정하기 위한 차동 교차-상관기를 개략적으로 도시한다.
도 2는 합 주파수에 의해 변환된 고출력 및/또는 고에너지 초단파 펄스들에 대한 UV-가시광선 레이저 시스템을 보여준다. 제안된 UV-가시광선 레이저 시스템의 구성은, 도 1에 도시된 종래 시스템에서의 단일 소스보다는 별개의 레이저 소스들의 사용에 근거한다.
예시적인 예로서, 도 2의 시스템은 3개의 별개의 레이저 소스: 레이저 소스(11), 레이저 소스(12) 및 레이저 소스(13)를 포함한다. 유리하게는, 레이저 소스들(11, 12, 13)은 모드 잠김형 타입(mode locked type)의 초단파-펄스 레이저 소스들이다.
일반적으로, 본 발명의 시스템은, 적어도 2개의 별개의 레이저 소스들 및 최대 5개의 별개의 초단파 펄스 레이저 소스들을 포함한다.
도 2의 시스템에서, 제1 소스(11)와 제2 소스(12)가 초기에 고려되고, 이들은 공간적으로 별개의 레이저 소스들이다. 제1 소스(11)는 파장(λ1)의 초단파 펄스들(31)을 방출하고, 제2 소스(12)는 파장(λ2)의 초단파 펄스들(32)을 방출한다. 제1 소스(11)와 제2 소스(12)는 서로 코히어런트하지 않다(are not coherent). 제1 소스(11) 및 제2 소스(12)는, 제1 소스(11)로부터의 초단파 펄스(31)와 제2 소스(12)로부터의 또 하나의 초단파 펄스(120)를 제1 주파수 변환 비선형 크리스탈(1)에서 커플링하도록 배치된다. 이를 위해, 광학 시스템은, 제1 주파수 변환 비선형 크리스탈(1)에서 초단파 펄스(31)와 초단파 펄스(32)를 공간적으로 그리고 시간적으로 중첩시키도록, 소스들(11, 12)과 비선형 광학 크리스탈(1) 사이에 배치될 수 있다.
나노 초 체제에 있어서, 비선형 광학 크리스탈에서 합 주파수에 의해 펄스들을 생성하기 위해서는, 연속적인 입사 펄스들 사이의 광 위상을 제어하는 것이, 시간의 함수로서 주파수-변환된 펄스들의 파워 및/또는 에너지 측면에서 안정성을 보장하기 위해서 필수적이다. 광 위상의 제어는 일반적으로, 나노 초 지속시간의 연속적인 펄스들 사이의 광 위상 시프트를 측정하기 위한 정밀 간섭계 시스템의 사용을 필요로 한다.
그와는 반대로, 본 발명에 따르면, 비선형 크리스탈에서 위상-정합 조건들(phase-matching conditions)을 수행하는 것 이외에, 비선형 크리스탈(1)에서 합 주파수에 의해 초단파 펄스들(피코 초 체계에서, 20 ps까지, 또는 펨토 초 체계에서)을 만들어내기 위한 필요 조건 및 충분 조건은, 초단파 펄스(31)와 또 하나의 초단파 펄스(32)가 비선형 크리스탈(1)에서 이들 2개의 펄스들(31 및 32) 사이의 임의의 시간적 위상 관계로 제시간에(in time) 중첩되는 것이다. 바람직하게, 2개의 소스들(11, 12)은 동일한 반복율로 동일한 레벨의 에너지를 가지면서 동일한 펄스 지속시간을 갖는 초단파 펄스들(31 및 32)을 방출하고, 이들 초단파 펄스들(31 및 32)은 비선형 광학 크리스탈(1)에서 공간적으로 중첩된다. 범위가 1 마이크로 초에서 수 분까지의 시간 간격에 속하는 일련의 초단파 펄스들에 대한 주파수 변환의 효율의 안정성을 보장하는 데에 시간적 제어로도 충분하다. 시간적 동기화의 제어는 광 위상의 제어없이 수행되기 때문에, 하나의 초단파 주파수-변환된 펄스로부터 동일한 펄스 트레인에서의 또한 주파수-변환된 그 다음의 초단파 펄스들까지 어떠한 불안정성도 관측되지 않는다.
그러므로, 이것은 초단파 펄스들의 지속시간보다 양호한 시간 정밀도로 제1 주파수 변환 비선형 광학 크리스탈(1) 내의 2개의 소스들(11 및 12)의 초단파 펄스들(31 및 32) 사이의 시간 동기화를 보장하는 경우이다. 이 시간 동기화는, 도 3 내지 도 5에서 상세히 설명되는 바와 같이, 전자적으로 또는 광학적으로 제공될 수 있다.
제1 소스(11) 및 제2 소스(12) 및 제1 비선형 주파수 변환 크리스탈(1)로 인해, 소스들(11 및 12)에 의해 각각 생성된 초단파 소스 펄스들(31 및 32)의 각각의 광 주파수들의 합과 동일한 광 주파수를 갖는 초단파 펄스들(131)을 생성하는 것이 가능해지고, 또한 초단파 펄스들(31 및 32)의 동기화에 의존하게 된다.
도 2의 시스템은 또한 제3 소스(13) 및 제2 주파수 변환 비선형 크리스탈(2)을 포함한다. 제3 소스(13)는, 제1 소스(11)와 제2 소스(12) 각각으로부터 공간적으로 분리되어 있다. 제1 소스(11), 제2 소스(12) 및 제3 소스(13)는 서로 코히어런트하지 않다. 제3 소스(13)는 파장(λ3)의 초단파 펄스(33)를 방출한다. 제2 주파수 변환 비선형 광학 크리스탈(2)은, 제3 소스(13)로부터의 초단파 펄스(33)와 비선형 광학 크리스탈(1)에서의 합 주파수에 의해 생성된 초단파 펄스(131)를 수신하도록, 제1 비선형 광학 크리스탈(1)의 하류의 광 경로 상에 배치되어 있다. 이를 위해, 광학 시스템(도시하지 않음)은 제3 소스(13)와 제1 및 제2 비선형 광학 크리스탈들(1, 2) 사이에 광학계(도시하지 않음)가 배치된다.
제3 소스(13)로부터 나오는 초단파 펄스(33)와 제1 비선형 광학 크리스탈(1)에서 합 주파수에 의해 생성된 초단파 펄스(131)가, 제2 비선형 광학 크리스탈(2)에서 공간적으로 그리고 시간적으로 중첩되는 조건 하에서는, 새로운 초단파 펄스(132)의 생성이 관측되고, 그의 광 주파수는 3개의 광 소스들(11, 12 및 13)의 광 주파수들의 합과 동일하다.
여기서, 2개의 초단파 펄스들(31, 32)의 지속시간들과, 비선형 광학 크리스탈(1)에서 결합되어 생성되는 초단파 펄스(131)의 지속시간과, 그리고 비선형 광학 크리스탈(2)에서 결합되어 생성되는 초단파 펄스들(33)의 지속시간은, 피코 초 체제에 있던지 아니면 펨토 초 체제에 있던지 동일하다고 가정된다.
제2 주파수 변환 비선형 광학 크리스탈(2)에서 초단파 펄스들(33 및 131) 사이의 동기화는, 이들 펄스의 지속시간보다 양호한 시간 정밀도로 보장되어야 한다. 이러한 동기화는 도 3 내지 도 5에서 상세히 설명되는 바와 같이, 전자적인 또는 광학적인 능동화 방식으로 달성될 수 있다.
이렇게 구성된 초단파 펄스들을 갖는 UV-가시광선 레이저 시스템으로 인해, 펄스 당 강한 평균 파워 및/또는 강한 에너지를 갖는 자외선 범위의 초단파 펄스들을 만들기 위하여 연속으로 배치된 비선형 크리스탈에서 연속적인 주파수들을 합함으로써 다양한 소스들로부터의 초단파 펄스들을 둘씩 짝지어 변환할 목적으로, 서로에 대하여 제시간에 동기화된 복수의 적외선 레이저 소스들(11, 12, 13)로부터의 초단파 레이저 펄스들을 결합하는 것이 가능해질 수 있다.
예를 들어, 3개의 소스들(11,12,13)이 동일한 파장의 초단파 펄스들(31, 32, 33)을 방출하면, 상기 레이저 시스템은 3배의 광 주파수로 또는 다시 말해서 소스들(11, 12, 13)의 파장의 1/3과 동일한 파장으로, 초단파 펄스들을 생성할 수 있다.
복수의 소스들(11, 12, 13)의 초기 적외선 파워의 분포 또는 복수의 증폭 채널들로 인해, 자외선 영역에서의 파워 및/또는 에너지의 도달 가능한 성능들을 푸시(push)하는 것이 주어진 기술의 한계들에서 가능해진다. 주파수 변환에 의해 얻어진 초단파 펄스(132)는, 소스 펄스들(31, 32, 33)의 에너지 또는 파워 각각의 합에 따라 증가하는 에너지 및 파워 각각을 갖는다. 초단파 펄스(132)의 에너지와 파워 각각은, 소스들(31, 32, 33) 중 하나의 에너지와 파워 각각에 의해서가 아니라, 다양한 소스들(11, 12, 13)의 에너지와 파워 제한들 각각의 합에 의해 제한된다.
도 2에서 개시된 이런 원리는 기본적인 방사로부터 임의의 고조파 등급(degree)까지 확장될 수 있고, 조합될 수 있는 최대 레이저 소스들의 개수에 해당하는 고조파 등급까지 확장될 수 있다. 따라서 주파수 2배화를 위해서는 2개의 별개의 레이저 소스가 이용가능할 것이고, 3배화를 위해서는 3개의 레이저 소스들, 4배화를 위해서는 2개 내지 4개의 레이저 소스들이 이용가능할 것이다.
추가 소스의 결합이, 비선형 광학 크리스탈을 반드시 추가하지 않더라도, 독립적인 소스 모듈과 동기화를 추가함으로써 달성될 수 있다. 복수의 소스들을 결합하는 레이저 시스템으로 인해, 상기 시스템에 의해 전달된 주파수-변환된 초단파 펄스들의 에너지 및/또는 파워 안정성을 보장하는 것이 가능해진다.
도 2에 도시된 구성은, 특히 초단파 펄스들이 모드-잠금된 레이저 소스들에 의해 주입될 때에, 특히 초단파 펄스 소스들(11, 12, 13)용으로 개조된다.
하나의 펄스에서 그 다음 펄스로의 최상의 변환 효율 및/또는 최상의파워 안정성을 얻기 위해서는, 주파수-변환 비선형 광학 크리스탈에서의 펄스들의 시간 동기화가 도 3 내지 도 6에서 설명되는, 다양한 능동 동기화 전략에 따라, 문제의 펄스들의 지속시간에 대하여 제어되고 최적화된다.
도 3은 능동 광 동기화를 갖는 제1 실시예에 따른 다중-빔 주파수-변환 레이저 시스템을 개략적으로 도시한다.
제1 실시예는 발진기(10)로 지칭되는 공통 주입 레이저 소스의 사용에 근거한다. 발진기(10)는 초단파 모 펄스들(20)을 방출한다. 초단파 모 펄스들(20)은 광 증폭기들(21, 22, 23)로 지칭되는 복수의 증폭 모듈 사이에 공간적으로 분포된다. 발진기(10) 및 증폭기(21)는 초단파 펄스(31)의 제1 소스(211)를 형성한다. 발진기(10) 및 증폭기(22)는 초단파 펄스들(32)의 제2 소스(212)를 형성한다. 초단파 펄스들의 3개의 소스들(211,212,213)은 따라서 공간적으로 분리된다. 발진기(10) 및 증폭기(23)는 초단파 펄스들(33)의 제3 소스(213)를 형성한다. 도 3의 시스템은 제1 변환 비선형 광학 크리스탈(1) 및 제2 변환 비선형 광학 크리스탈(2)을 포함한다.
가장 먼저, 2개의 광 증폭기(21, 22)와 제1 변환 비선형 광학 크리스탈(1)을 고려하자. 광 증폭기(21)는 초단파 펄스(20)를 수신하고 초단파 증폭된 펄스(31)를 생성한다. 유사한 방식으로, 광 증폭기(22)는 초단파 펄스(20)를 수신하고 증폭된 초단파 펄스(32)를 생성한다. 증폭된 초단파 펄스들(31, 32)은 발진기(10)의 모 펄스(20)와 동일한 광 주파수 또는 동일한 파장(λ1) 및 일반적으로 동일한 지속시간을 갖는다. 도 2에 도시되지 않은, 예를 들어 미러들을 갖는 광학 시스템은, 증폭된 초단파 펄스들(31, 32)을 제1 변환 비선형 광학 크리스탈(1)로 향하게 한다. 하지만, 증폭기(21)에서 증폭된 초단파 펄스(31) 및 증폭기(22)에서 증폭된 초단파 펄스(32)는, 하나의 광 증폭기(21)에서 다른 광 증폭기(22)까지 서로 다를 수 있는 시간 지연을 나타낸다. 이 시간 지연은 일반적으로 수 피코 초이다. 그것은 한 펄스에서 그 다음 펄스까지는 일정하지만, 몇 분의 주기에 걸쳐서 천천히 변한다. 이런 시간 지연은, 결과적으로 광 증폭기들(21 및 22)과 각각 관련된 광 채널들 사이의 광 경로의 길이의 차이로부터 야기된다. 이러한 시간 지연은, 증폭 기술에 의존하며, 특히 증폭 시간 및 통과된 재질, 그리고 이 증폭 동안에 펄스의 전파 거리에 영향을 미치는 온도 변화들에 의존한다.
도 3의 다중-빔 주파수-변환 레이저 시스템은, 적어도 하나의 채널 상에, 예를 들어 광 증폭기(21)의 출력 및/또는 광 증폭기(22)의 출력 각각에, 적어도 하나의 광 지연 라인(각각 41, 42)을 배치한다. 에러 신호가 검출되는데, 시간 지연을 최소화하기 위해, 예를 들어 교차-상관기를 이용하여 에러 신호를 최소화하는 것이 요구된다. 광 지연 라인 또는 라인들(41, 42)로 인해 광 증폭기(21)로부터 나오는 증폭된 초단파 펄스(31)와 광 증폭기(22)로부터 나오는 증폭된 초단파 펄스(32) 사이의 시간 지연을 보상하는 것이 가능해진다. 따라서, 교차-상관기에 의해 생성된 신호를 이용함으로써, 증폭된 초단파 펄스들(31, 32)이 변환 비선형 광학 크리스탈(1)에서 제시간에 동기화된다. 변환 비선형 광학 크리스탈(1)의 출력에서, 주파수가 2배화된 초단파 펄스(131)가 얻어진다.
이제, 또 하나의 광 증폭기(23) 및 또 하나의 변환 비선형 광학 크리스탈(2)을 고려하자. 바람직하게는, 다른 광 증폭기(23)는 또한 발진기(10)로부터 오는 초단파 모 펄스(20)를 수신한다. 광 증폭기(23)는 초단파 모 펄스(20)를 증폭하고, 증폭된 초단파 펄스들(31 및 32)과 동일한 파장(λ1)을 갖는 증폭된 초단파 펄스(33)를 생성한다.
도 3에 도시되지 않은 광학 시스템은, 증폭된 초단파 펄스(33) 및 주파수-변환된 초단파 펄스(131)를 다른 변환 비선형 광학 크리스탈(2)로 향하게 한다.
하지만, 증폭된 초단파 펄스(33)는 일반적으로 제1 비선형 광학 크리스탈(1)로부터 나오는 주파수-변환된 초단파 펄스(131)에 대해 시간 지연을 갖는다. 이 시간 지연은 일반적으로 수 피코 초이지만, 하나의 펄스로부터 그 다음 펄스까지는 일정하고, 몇 분의 주기에 걸쳐서 천천히 변한다. 다중-빔 변환 디바이스는 광 증폭기(23)의 채널 상에, 예를 들어 이 광 증폭기(23)의 출력에, 또 하나의 광 지연 라인(43)을 배치한다. 광 지연 라인(43)으로 인해 광 증폭기(23)로부터 나온 증폭된 초단파 펄스(33)와 제1 비선형 광학 크리스탈(1)로부터 나온 주파수-변환된 초단파 펄스(131) 사이의 시간 지연을 보상하는 것이 가능해진다. 따라서, 증폭된 초단파 펄스(33)와 주파수-변환된 초단파 펄스(131)는 변환 비선형 광학 크리스탈(2)에서 제시간에 동기화된다. 변환 비선형 광학 크리스탈(2)의 출력에서, 발진기(10)의 주파수에 대하여 주파수가 3배화된(tripled) 초단파 펄스(132)가 얻어진다.
변환 비선형 광학 크리스탈(1, 2)에서 펄스들을 결합하기 위해 여러 방법들이 채용될 수 있다. 특히, 편광에 의한 다중화 및 각도 다중화가 여기서 고려된다. 편광에 의한 다중화는, 크리스탈에서 각각의 입사된 펄스들이 서로 직교하는 편광을 가지도록 2개의 펄스를 배치하는 것으로 이루어지고, 이에 의해 상호작용의 타입(type of interaction)은 변환 크리스탈에서 타입 II가 된다. 각도 다중화는, 2개의 입사 펄스들이 동일한 변환 크리스탈에서 공간적으로 중첩된다면, 2개의 입사 펄스들이 크리스탈에서 서로 다른 입사각을 형성하도록, 2개의 입사 펄스들을 배치하는 것으로 이루어진다. 각도 다중화의 경우에 있어서, 상기 2개의 펄스는 그리고 동일 편광(타입 I 상호작용) 또는 직교 편광(타입 II 상호작용)을 가질 수 있다.
제1 변환 비선형 광학 크리스탈(1)은 예를 들어 타입 II 베타 바륨 보레이트(또는, BBO) 크리스탈이고, 제2 변환 비선형 광학 크리스탈(2)은 예를 들면 또한 타입 II BBO 크리스탈이다. 바람직하게는, 비선형 광학 크리스탈은 수직 입사 방향으로(in normal incidence) 배향되고, 크리스탈의 절단 각도(cutting angle)는 크리스탈에서 전파하는 3개의 파동들 사이의 위상 정합(phase matching)을 달성하는 것을 가능하게 해야한다. 펄스의 에너지 레벨에 따라, 공선형 구성(colinear configuration)의 저에너지들(nJ)에 대해서는, 주기적으로 분극된(periodically poled) 리튬 니오베이트, 또는 PPLN과 같은, 의사-위상-정합 크리스탈들(quasi-phase-matching crystals)이 바람직할 수 있으며, 반면에, 공선형 타입 II 또는 비공선형 타입 I의 고에너지(mJ)에 대해서는 리튬 트리보레이트(또는 LBO)가 바람직할 수 있다.
예로서, 종래 기술의 펨토 초 이터븀-도핑된 파이버를 갖는 레이저 소스(11)가 고려된다. 이러한 소스(11)는 전형적으로, 1030 nm의 중심 파장(λ1)에서 그리고 1 MHz의 속도에서, 400 fs의 펄스 지속시간을 갖는, 펄스 당 20 μJ 에너지의 펄스(31)를 방출한다. 이러한 소스(11)는 능동 파이버에서 이전에 미리 스트레치된 펄스의 증폭 동안에 축적되는 광학 비선형성들에 의해 에너지가 제한된다. 343 nm의 자외선 파장에서 그리고 1 MHz에서 에너지 18 μJ의 펄스들을 얻기 위해서는, 종래의 접근법은 1 MHz에서 적어도 60 μJ를 방출하는 소스를 개발하는 것으로 이루어지고 증폭 전에 펄스를 3배보다 크게 스트레칭(stretching)하거나 유효 영역이 3배보다 더 큰 파이버 구조를 필요로 한다. 두 경우 모두, 또한 이 동일한 능동 파이버에서 열 침착을 3배보다 더 크게 관리할 필요가 있다.
이와 반대로, 도 3에 도시된 실시예에 따르면, 동일한 펨토 초 발진기터(10)에 의해 주입되는, 각각이 20 μJ의 에너지를 갖는 펄스들을 방출하는, 3개의 증폭기들(21, 22, 23)이 사용된다. 증폭된 펄스들(31, 32, 33)의 동기화는 예를 들면 차동 광 교차-상관기 디바이스에 의해 제어되며, 그리고 광 교차-상관기 디바이스로 인해, 비선형 크리스탈들(1, 2)에서 합 주파수에 의해 연속적으로 결합되는 3개의 펄스들 사이의 시간 지연을 능동적으로 조정하는 것이 가능해진다.
이런 제1 실시예로 인해, 각각의 광 파이버 증폭기들(21, 22, 23)에서 열 침착(deposition) 한계를 초과하지 않고 자외선의 고에너지 펄스를 얻는 것이 가능해진다.
제2 실시예는 펄스 지속시간보다 짧은 시간 정밀도로 서로가 전자적으로 동기화된 복수의 별개의 레이저 소스들을 사용한다.
도 4는, 전자적 동기화를 갖는, 제2 실시예에 따른 다중빔 주파수 변환 광학 시스템을 개략적으로 도시한다.
먼저 2개의 레이저 소스들(11, 12)과 변환 비선형 광학 크리스탈(1)을 고려하자. 레이저 소스(11)는 초단파 펄스 레이저 펄스(31)를 방출한다. 레이저 소스(12)는 초단파 펄스 레이저 펄스(32)를 방출한다. 레이저 소스들(11 및 12)은 공간적으로 분리되어 있다. 이 경우, 레이저 소스들(11, 12)은 서로 코히어런트되지 않는다. 종래의 전자적 동기화 시스템(50)은 한편으로는 전자적 연결부(51)에 의해 레이저 소스(11)에 연결되고, 다른 한편으로는 전자적 연결부(52)에 의해 레이저 소스(12)에 연결된다. 레이저 소스(11)의 방출과 레이저 소스(12)의 방출 사이의 전자적 지연(electronic delay)은 종래의 RF 기술에 의한 전자적 신호들의 위상 검출기를 이용하여 측정된다. 따라서, 전자적 동기화 시스템(50)으로 인해 초단파 레이저 펄스(31)와 초단파 레이저 펄스(32)를 시간적으로 동기화하는 것이 가능해진다.
광학 시스템(도시하지 않음)은 초단파 레이저 펄스들(31, 32)을 변환 비선형 광학 크리스탈(1)로 향하게 한다.
보완적인 방식으로는, 도 4에 도시된 바와 같이, 다중빔 변환 시스템은 또한 적어도 하나의 채널에, 예를 들어 레이저 소스(11)의 출력 및/또는 레이저 소스(12)의 출력 각각에, 적어도 하나의 광 지연 라인(41 및/또는 42)을 각각 포함한다. 초단파 레이저 펄스(31)와 초단파 펄스 레이저 펄스(32) 사이의 상대적인 시간 지연은 예를 들어 교차-상관기에 의해 측정된다. 지연 라인 또는 라인들(41, 42)로 인해, 레이저 소스(11)로부터 나오는 초단파 레이저 펄스(31)와 레이저 소스(12)로부터 나오는 초단파 레이저 펄스(32) 사이의 상대적인 시간 지연을 보상하는 것이 가능해진다. 여기서, 서로 다른 소스들(11, 12)은 동일한 지속시간 및 동일한 반복율의 초단파 펄스들을 생성하는 것으로 가정한다. 전술한 바와 같이, 초단파 펄스 체제에서, 2개의 소스들로부터 나오는 초단파 펄스들(31, 32) 사이의 시간 지연은 일반적으로 1 ps 정도이지만, 이런 지연은 하나의 펄스에서 그 다음 펄스까지는 일정하지만, 몇 분의 시간 주기에 걸친 초단파 펄스의 지속시간에 의해 천천히 변한다.
전자적 시간적 동기화 시스템에 의해, 그리고 선택적으로는 지연 라인들(41, 42)에 의해, 초단파 레이저 펄스들(31, 32)은 변환 비선형 광학 크리스탈(1)에서 시간적으로 동기화된다. 비선형 광학 크리스탈(1)의 출력에서, 주파수가 2배화된(frequency doubled) 초단파 펄스(131)가 얻어진다. 그 다음의 펄스들(31, 32)도 또한 동기화된다.
이제 또 하나의 레이저 소스(13)와 또 하나의 변환 비선형 광학 크리스탈(2)을 고려하자.
다른 레이저 소스(13)는 또 하나의 초단파 레이저 펄스(33)를 방출한다.
광학 시스템(도 4에는 도시되지 않음)은 초단파 펄스 레이저 펄스(33)와 주파수-변환된 초단파 펄스(31)를 다른 비선형 광학 크리스탈(2)로 향하게 한다.
하지만, 초단파 레이저 펄스(33)는 일반적으로 변환 비선형 광학 크리스탈(1)로부터 나오는 주파수-변환된 초단파 펄스(131)에 대해 시간 지연을 갖는다.
바람직하게는, 전자적 동기화 시스템(50)은, 변환 비선형 광학 크리스탈(2)에서 초단파 펄스 레이저 펄스(33)를 주파수-변환된 초단파 펄스(131)와 동기화시키는 것을 가능하게 하는 전자적 연결부(53)에 의해, 레이저 소스(131)에 연결된다.
보완적인 방식으로는, 광 지연 라인(43)이 변환 비선형 크리스탈(2)에서 초단파 레이저 펄스(33)의 동기화와 주파수-변환된 초단파 펄스(131)의 동기화를 개선하기 위해, 레이저 소스(13)와 변환 비선형 광학 크리스탈(2) 사이에 배치된다.
변환 비선형 크리스탈(2)은 주파수 변환에 의해 초단파 레이저 펄스(33)와 주파수-변환된 초단파 펄스(131)로부터 초단파 펄스(132)를 생성한다. 초단파 펄스(132)는 레이저 펄스(33)와 변환된 펄스(131)의 광 주파수들의 합과 동일한 광 주파수를 갖는다. 초단파 펄스(132)는, 비선형 크리스탈들(1 또는 2)의 정상적인 변환 효율: 2차 고조파 생성(SHG)에서는 50 % ~ 70 %, 3차 고조파 생성(THG)에서는 20 % ~ 30 %, 4차 고조파 생성(FHG)에서는 15 % ~ 25 %에 의존하는 에너지에서, 초단파 펄스 레이저 펄스(31, 32 또는 33)와 동일한 지속시간 및 동일한 공간적 프로파일을 가진다.
도 5는 본 발명의 제3 실시예를 개략적으로 도시한다.
동일한 참조 부호는 도 4에서와 동일한 요소를 나타낸다.
레이저 시스템은, 펨토 초 발진기 및 상기 발진기에 이어지는 발진기에 의해 전달된 펄스들을 시간적으로 스트레치하기 위한 스트레처(stretcher)를 포함하는 디바이스(80)를 포함한다. 제1 증폭 시스템(81)은, 제1 광 증폭기 및 상기 제1 광 증폭기에 이어지는 증폭된 펄스들을 재압축하기 위한 제1 압축기를 포함한다. 마찬가지로, 제2 증폭 시스템(82)은, 제2 광 증폭기 및 상기 제2 광 증폭기에 이어지는 증폭된 펄스들을 재압축하기 위한 제2 압축기를 포함하고, 제3 증폭 시스템(83)은 증폭된 펄스들을 재압축하기 위한 제3 압축기를 갖는 제3 광 증폭기를 포함한다. 바람직하게는, 각 압축기들은 펄스 전파 시간을 수정하는 것을 가능하게 하는 변환 플레이트(translation plate)를 포함한다. 따라서, 각각의 증폭 시스템(81, 82, 83)의 각 압축기는 광 지연 라인 기능뿐만 아니라 스트레치된 펄스들을 재압축하는 기능을 포함한다. 따라서, 이들 압축기들로 인해, 다양한 증폭된 펄스들(31, 32, 33) 사이의 동기화를 조정하는 것이 가능해진다.
증폭 시스템(81)은 디바이스(80)와 함께 초단파 펄스들(31)의 제1 소스(311)를 형성한다. 유사한 방식으로, 증폭 시스템(82)은 디바이스(80)와 함께 초단파 펄스(32)의 제2 소스(312)를 형성한다. 마지막으로, 증폭 시스템(83)은 디바이스(80)와 함께 초단파 펄스들(33)의 제3 소스(313)를 형성한다.
이런 제3 실시예의 변형예에서, 광 동기화 수단과 전자적 동기화 수단은 동일한 레이저 시스템 내에서 결합된다. 이러한 결합으로 인해, 각 기술에 특유한 동기화 동역학(dynamics)으로부터 혜택을 얻고, 그에 의해 피드백 루프들을 역상관화(decorrelate)시키는 것이 가능해진다.
도 5의 레이저 시스템은 또한, 초단파 펄스(31)와 초단파 펄스(32) 사이의 시간 지연을 측정하기 위해, 제1 증폭 시스템(81)의 출력과 제2 증폭 시스템(82)의 출력 사이에 배치된 차동 교차-상관기(61)를 포함한다. 도 5의 레이저 시스템은 또한, 주파수-변환된 초단파 펄스(131)와 제3 증폭 시스템(83)으로부터 나오는 초단파 펄스(33) 사이의 시간 지연을 측정하기 위해, 제1 변환 비선형 광학 크리스탈(1)의 출력과 제3 증폭 시스템(83)의 출력 사이에 배치된 또 하나의 차동 교차-상관기(62)를 포함한다.
도 6은 2개의 초단파 레이저 펄스들 사이의 광 지연을 측정하기 위한 차동 교차-상관기 디바이스를 개략적으로 도시한다.
차동 교차-상관기는 2개의 비선형 크리스탈들이 직렬로 구성된 디바이스 또는 이중 경로(double pass)에 사용되는 비선형 광학 크리스탈을 포함하는 디바이스에 기반을 두고 있으며, 2개의 펄스들이 상기 이중 경로를 통과하고, 2개의 펄스들의 시간 동기화를 제공하고자 추구된다.
도 6에 도시된 예에서, 동기화될 2개의 초단파 펄스들(31, 32)은, 교차-편광을 가지며 제1 이색성(dichroic) 미러(71)를 통과한다. 시간상(timewise) 서로에 대하여 중첩된 각 초단파 펄스(31, 32)의 부분들이, 합 주파수 비선형 광학 크리스탈(72)에서의 합 주파수에 의해 변환되고, 이 주파수-변환된 펄스의 총 에너지는 제2 이색성 미러(74)를 통해 검출기(75)에서 측정된다. 기본파가 제2 이색성 미러(74)에서 반사됨으로써, 각 펄스는 복굴절 플레이트(73)를 통한 이중 경로때문에 전체 서로다른 지연(total different delay)을 2번 경험한다. 2개의 펄스의 중첩 구역들은 더 이상 동일하지 않으며, 그리고 변환된 에너지는 제1 이색성 미러(71)에서의 반사에 의해 제2 검출기(76) 상에서 측정된다. 검출기들(75, 76)에 의해 측정된 2개의 신호들 사이의 차이(77)는, 2개의 펄스들(31 및 32) 사이의 지연의 지표(indicator)와 지연 방향의 지표를 제공한다. 따라서, 이 에러 신호(77)는, 예를 들어, 증폭 시스템들(81, 82)의 2개의 압축기들 중 하나의 광 지연 라인에 피드백 루프로 직접 전송될 수 있다.
대안적인 및/또는 보완적인 방식으로, 본 발명의 시스템은, 주파수-변환기 비선형 광학 크리스탈에서 다양한 소스들로부터 나오는 초단파 펄스들 사이의 시간 동기화를 안정화시키기 위해 개조된 패시브(passive) 동기화 수단을 포함한다. 이러한 패시브 동기화 수단은, 예를 들어, 동일한 비선형 광학 크리스탈에 입사하는 초단파 펄스들 사이의 광 지연 변동들을 감소시키기 위해, 진동들에 대한 기계적 안정화를 위한 디바이스를 포함한다. 패시브 동기화 수단은 또한, 초단파 펄스들 사이의 열적으로 유도된 광 지연 변동들을 감소시키기 위해, 열적 안정화 수단을 포함할 수 있다: 예를 들어, 초단파 펄스들의 광 경로상의 미러들의 지지체는 열 이동들(thermal drifts)을 제한하기 위해, 바람직하게는 인바(Invar)로 만들어진다.
본 발명은 여기서 설명된 실시예들로 결코 제한되지 않는다.
본 발명은 특히, 4개의 소스들의 광 주파수의 제4 고조파와 동일한 광 주파수를 갖는 초단파 펄스들을 형성하기 위해, 동일한 광 주파수의 4개의 초단파 펄스 소스들과 3개의 비선형 광학 크리스탈들을 갖는 실시예에 적용된다.
이 실시예로 인해, 적외선을 방출하는 소스로부터, 고출력 및/또는 고에너지의 UV 범위의 초단파 펄스들을 생성하는 것이 가능하며, 하나의 펄스에서 또 하나의 펄스로 안정한 변환 효율을 얻을 수 있다.
마찬가지로, 본 발명은, 5개의 소스들의 광 주파수의 제5 고조파와 동일한 광 주파수를 갖는 초단파 펄스를 형성하기 위해, 동일한 광 주파수의 5개의 소스들과 4개의 비선형 광학 크리스탈들을 갖는 실시예에 적용된다 .
본 발명의 제1 산업상 응용은, 각 광 파이버의 에너지가 제한되는 광 파이버 레이저들을 사용하여, UV 범위에서 고에너지를 갖는 초단파 펄스들의 레이저 소스를 구현하는 것에 관한 것이다. 이러한 시스템은, 펄스들의 트레인에서 하나의 펄스로부터 그 다음 펄스까지의 에너지 안정성이 우수하고, UV 범위에서 고에너지의 초단파 펄스들을 전달할 수 있는 장점을 제공한다.
본 발명의 또 하나의 산업상 응용은, 각 크리스탈 레이저의 파워가 제한되는 크리스탈 고체 레이저들을 사용하여, UV 범위에서 고출력의 초단파 펄스들의 레이저 소스를 구현하는 것에 관한 것이다. 이러한 시스템은, 일련의 펄스들에서 하나의 펄스로부터 그 다음 펄스까지 파워 안정성이 우수하고, UV 범위에서 고출력의 초단파 펄스들을 전달할 수 있는 장점을 제공한다.
시간 동기화를 조정하는 것이 간섭계 시스템을 조정하는 것보다 쉽고 강인하다.
본 발명의 시스템은 모듈형이고 비교적 저렴하다는 장점을 갖는다. 초단파 펄스들 출력의 파워 또는 에너지를 적응시키기 위해, 또 하나의 소스 모듈을 추가하거나 하나의 소스 모듈을 또 하나의 소스 모듈과 대체하는 것이 쉽다. 또한 이 시스템은, 모듈 교체에 의해, 시스템의 나머지 부분과는 독립적으로 유지 관리를 용이하게 할 수 있는 장점을 제공한다.

Claims (13)

  1. 초단파 고출력 및/또는 고에너지 펄스들을 갖는 자외선-가시광선 레이저 시스템에 있어서,
    - 복수의 레이저 펄스 소스들(11, 12, 13, 211, 212, 213, 311, 312, 313) - 상기 복수의 소스들은 2개 내지 5개 사이의 별개의 광원을 포함하고, 각 소스(11, 12, 13, 211, 212, 213, 311, 312, 313)는 가시광선 또는 적외선 영역의 적어도 하나의 초단파 레이저 펄스(31, 32)를 방출하도록 구성됨 -;
    - 2개의 별개의 레이저 펄스 광원들(11, 12, 211, 212, 311, 312)에 의해 각각 방출된 2개의 초단파 레이저 펄스들(31, 32)을 수신하도록 구성된 적어도 하나의 비선형 광학 크리스탈(1);
    - 임의의 위상 시프트를 갖는 상기 비선형 광학 크리스탈(1)에서 상기 2개의 초단파 레이저 펄스들(31, 32)이 시간적으로 및 공간적으로 중첩되도록, 상기 비선형 광학 크리스탈(1)에 입사하는 상기 2개의 초단파 레이저 펄스들(31, 32)을 제시간에 동기화시키도록 구성된 동기화 수단(41, 42, 50, 51, 52)을 포함하고,
    - 상기 적어도 하나의 비선형 광학 크리스탈(1)은, 합 주파수에 의해, 상기 비선형 광학 크리스탈(1)에서 시간적으로 및 공간적으로 중첩된 상기 2개의 초단파 레이저 펄스들(31, 32) 각각의 상기 광 주파수들의 상기 합과 동일한 광 주파수를 갖는 주파수 변환된 초단파 레이저 펄스(131)를 생성하도록 구성된 것을 특징으로 하는, 초단파 고출력 및/또는 고에너지 펄스들을 갖는 자외선-가시광선 레이저 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    N이 2 이상의 정수인 N개의 비선형 광학 크리스탈들(1, 2)을 포함하고,
    각 비선형 광학 크리스탈들(1, 2)은 2개의 별개의 레이저 펄스 소스들에 의해 각각 방출된 또는 2개의 초단파 레이저 펄스 소스들로부터 합 주파수 변환에 의해 생성된, 2개의 별개의 레이저 펄스들을 수신하도록 구성되고,
    비선형 광학 크리스탈에 입사되는 상기 2개의 레이저 펄스들은 시간에 대하여 동기화되고, 그리고
    상기 N개의 비선형 광학 크리스탈들(1, 2)에서 연속적인 합 주파수에 의해 주파수-변환된 레이저 펄스(132)를 생성하기 위해, 상기 N개의 비선형 광학 크리스탈들(1, 2)이 배치되는, 초단파 고출력 및/또는 고에너지 펄스들을 갖는 자외선-가시광선 레이저 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    - 2개의 별개의 레이저 펄스 소스들(11, 12, 211, 212, 311, 312) - 각각의 레이저 펄스 소스(11, 12, 211, 212, 311, 312)는 가시광선 또는 적외선 영역의 초단파 레이저 펄스(31, 32)를 방출하도록 구성됨 -;
    - 상기 2개의 별개의 레이저 펄스 소스들(11, 12, 211, 212, 311, 312)의 각각으로부터 초단파 레이저 펄스(21, 32)를 동시에 수신하도록 구성된 비선형 광학 크리스탈(1)을 포함하고,
    - 상기 비선형 광학 크리스탈(1)은, 합 주파수에 의해, 상기 2개의 소스들(11, 12, 211, 212, 311, 312)의 상기 광 주파수들의 상기 합과 동일한 광 주파수를 갖는 초단파 레이저 펄스(131)를 생성하도록 구성되는, 초단파 고출력 및/또는 고에너지 펄스들을 갖는 자외선-가시광선 레이저 시스템.
  4. 제2항에 있어서,
    - 3개의 별개의 레이저 펄스 소스들(11, 12, 13, 211, 212, 213, 311, 312, 313) - 각 레이저 펄스 소스(11, 12, 13, 211, 212, 213, 311, 312, 313)는 상기 가시광선 또는 적외선 영역의 초단파 레이저 펄스(31, 32, 33)를 방출하도록 구성됨 -;
    - 상기 3개의 별개의 레이저 펄스 소스들(11, 12, 211, 212, 311, 312) 중 2개에 의해 각각 방출된 2개의 초단파 레이저 펄스들(31, 32)을 동시에 수신하도록 구성된 제1 비선형 광학 크리스탈(1);
    - 상기 2개의 별개의 레이저 펄스들(31, 32)이 임의의 위상 시프트를 갖는 상기 제1 비선형 광학 크리스탈(1)에서 시간적으로 및 공간적으로 중첩되도록, 상기 제1 비선형 광학 크리스탈(1)에 입사하는 상기 2개의 레이저 펄스들(31, 32)을 시간에 대하여 동기화시키도록 구성된 시간적(temporal) 동기화 수단(41, 42, 50, 51, 52) - 상기 제1 비선형 광학 크리스탈(1)은, 합 주파수에 의해, 상기 2개의 소스들(11, 12, 211, 212, 311, 312)의 상기 광 주파수들의 상기 합과 동일한 광 주파수를 갖는 주파수-변환된 초단파 레이저 펄스(131)를 생성하도록 구성됨 -;
    - 상기 주파수-변환된 초단파 레이저 펄스(131)와, 상기 3개의 레이저 펄스 소스들 중 다른 레이저 펄스 소스(13, 213, 313)에 의해 각각 방출된 또 하나의 초단파 레이저 펄스(33)를 동시에 수신하도록 구성된 제2 비선형 광학 크리스탈(2);
    - 상기 초단파 레이저 펄스(131, 33)가 임의의 위상 시프트를 갖는 상기 제2 비선형 광학 크리스탈(2)에서 시간적으로 및 공간적으로 중첩되도록, 상기 제2 비선형 광학 크리스탈(2)에 입사하는 상기 주파수 변환된 레이저 펄스(131)와 상기 다른 레이저 펄스(33)를 시간에 대하여 동기화시키도록 구성된 동기화 수단(43, 50, 53)을 포함하고,
    상기 제2 비선형 광학 크리스탈(2)은, 합 주파수에 의해, 상기 3개의 소스들(11, 12, 13, 211, 212, 231, 311, 312, 313)의 상기 광 주파수들의 상기 합과 동일한 광 주파수를 갖는 초단파 레이저 펄스(132)를 생성하도록 구성되는, 을 포함하고, 초단파 고출력 및/또는 고에너지 펄스들을 갖는 자외선-가시광선 레이저 시스템.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    각각의 레이저 펄스 소스(11, 12, 13, 211, 212, 213, 311, 312, 313)는 초단파 펄스(31, 32, 33)를 방출하도록 구성되고, 그리고
    상기 동기화 수단(41, 42, 43, 51, 52, 53)은, 상기 2개의 별개의 레이저 펄스들(31, 32, 33)이 상기 초단파 펄스들의 상기 지속시간(duration)의 10% rms 이하, 바람직하게는 상기 초단파 펄스들의 상기 지속시간의 5% rms 이하인 시간 정밀도로써, 상기 비선형 광학 크리스탈(1, 2)에서 시간에 대하여 중첩되도록, 비선형 광학 크리스탈(1, 2)에 입사하는 2개의 별개의 레이저 펄스들(31, 32, 33)을 시간에 대하여 동기화시키도록 구성되는, 초단파 고출력 및/또는 고에너지 펄스들을 갖는 자외선-가시광선 레이저 시스템.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 동기화 수단은, 한편으로는 상기 광 펄스 소스들(11, 12, 211, 212) 중 하나의 광 펄스 소스와 상기 비선형 광학 크리스탈(1) 사이에 배치된 적어도 하나의 광 지연 라인(41, 42)을 포함하고,
    상기 광 지연 라인(41, 42)은 상기 비선형 광학 크리스탈(1)에 입사하는 2개의 광 펄스들(31) 사이의 시간 지연을 줄이도록 구성된, 초단파 고출력 및/또는 고에너지 펄스들을 갖는 자외선-가시광선 레이저 시스템.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 동기화 수단은, 비선형 광학 크리스탈(1, 2)에서 2개의 초단파 레이저 펄스들(31, 32)을 시간에 대해 동기화시키도록 구성된 전자적 동기화 수단(50, 51, 52, 53)을 포함하는, 초단파 고출력 및/또는 고에너지 펄스들을 갖는 자외선-가시광선 레이저 시스템.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수의 광 펄스 소스들은, 복수의 레이저 소스들(11, 12, 13)을 포함하고,
    각각의 레이저 펄스 소스(11, 12, 13)가 적어도 하나의 초단파 레이저 펄스(31, 32, 33)를 방출하도록 구성되는, 초단파 고출력 및/또는 고에너지 펄스들을 갖는 자외선-가시광선 레이저 시스템.
  9. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수의 광 펄스 소스들은:
    - 파장(λ1)의 초단파 모(parent) 광 펄스들을 생성하도록 구성된 공통 광 발진기(10, 80); 및
    - 각각의 광 증폭 시스템(21, 22, 23, 81, 82, 83)이 파장(λ1)의 초단파 모 펄스(20)를 수신하도록 그리고 파장(λ1)의 증폭된 초단파 광 펄스(31, 32, 33)를 생성하도록 구성된 복수의 광 증폭 시스템(21, 22, 23, 81, 82, 83)을 포함하는, 초단파 고출력 및/또는 고에너지 펄스들을 갖는 자외선-가시광선 레이저 시스템.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    시간적 피드백 디바이스를 더 포함하고,
    상기 시간적 피드백 디바이스는, 비선형 광학 크리스탈(1, 2)에 입사하는 2개의 별개의 레이저 펄스들(31, 32, 33) 사이의 시간 지연을 측정하도록 구성된 차동 교차-상관기(differential cross-correlator)를 포함하는, 초단파 고출력 및/또는 고에너지 펄스들을 갖는 자외선-가시광선 레이저 시스템.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 비선형 광학 크리스탈(1, 2)은, 편광에 의한 다중화 또는 각도 다중화를 갖는 비선형 광학 크리스탈이고,
    상기 비선형 광학 크리스탈(1, 2)은, 베타 바륨 보레이트 크리스탈(β-BaB2O4), 리튬 트리보레이트 크리스탈(LiB3O5) 또는 의사-위상-정합된 타입 또는 PPLN 타입의 리튬 니오베이트 크리스탈(LiNbO3)로부터 선택되는, 초단파 고출력 및/또는 고에너지 펄스들을 갖는 자외선-가시광선 레이저 시스템.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수의 별개의 레이저 펄스 소스들(11, 12, 13, 211, 212, 213, 311, 312, 313)은 복수의 고에너지 광 파이버 레이저 소스들을 포함하는, 초단파 고출력 및/또는 고에너지 펄스들을 갖는 자외선-가시광선 레이저 시스템.
  13. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수의 별개의 레이저 펄스 소스들(11, 12, 13, 211, 212, 213, 311, 312, 313)은 복수의 고출력 크리스탈 레이저 소스들을 포함하는, 초단파 고출력 및/또는 고에너지 펄스들을 갖는 자외선-가시광선 레이저 시스템.
KR1020177000192A 2014-07-03 2015-07-03 초단파 고출력 및／또는 고에너지 펄스들을 갖는 ｕｖ­가시광선 레이저 시스템 KR20170026451A (ko)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR1456388 2014-07-03
FR1456388A FR3023423B1 (fr) 2014-07-03 2014-07-03 Systeme laser uv-visible a impulsions ultra-courtes de forte puissance et/ou de forte energie
PCT/FR2015/051847 WO2016001604A1 (fr) 2014-07-03 2015-07-03 Système laser uv-visible à impulsions ultra-courtes de forte puissance et/ou de forte énergie

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20170026451A true KR20170026451A (ko) 2017-03-08

Family

ID=51485750

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020177000192A KR20170026451A (ko) 2014-07-03 2015-07-03 초단파 고출력 및／또는 고에너지 펄스들을 갖는 ｕｖ­가시광선 레이저 시스템

Country Status (7)

Country Link
US (1) US10020632B2 (ko)
EP (1) EP3164917A1 (ko)
JP (1) JP2017520806A (ko)
KR (1) KR20170026451A (ko)
CN (1) CN107078452A (ko)
FR (1) FR3023423B1 (ko)
WO (1) WO2016001604A1 (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102146327B1 (ko) 2019-09-16 2020-08-20 국방과학연구소 고출력 광섬유 레이저용 특성 측정 시스템

Families Citing this family (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR3023423B1 (fr) * 2014-07-03 2016-07-08 Amplitude Systemes Systeme laser uv-visible a impulsions ultra-courtes de forte puissance et/ou de forte energie
FR3042609B1 (fr) * 2015-10-19 2018-02-16 Amplitude Systemes Systeme optique non lineaire de generation ou d'amplification d'impulsions lumineuses par melange a n ondes comportant un dispositif de modulation rapide
WO2017209989A1 (en) 2016-06-02 2017-12-07 Imra America, Inc. Stable difference frequency generation using fiber lasers
DE102017104662A1 (de) 2017-03-06 2018-09-06 Rheinmetall Waffe Munition Gmbh Waffensystem mit wenigstens zwei HEL-Effektoren
FR3067524B1 (fr) * 2017-06-09 2019-07-26 Centre National De La Recherche Scientifique Dispositif et procede de microscopie multiphotonique
FR3076959B1 (fr) * 2018-01-12 2020-07-17 Amplitude Systemes Systeme laser et procede de generation d'impulsions laser de tres haute cadence
EP3752317A4 (en) 2018-03-23 2021-12-01 Lawrence Livermore National Security, LLC LASER DRILLING AND MACHINING IMPROVEMENT USING CONTROLLED CW AND SHORT PULSED LASERS
DE102018221363A1 (de) * 2018-12-10 2020-06-10 Trumpf Laser Gmbh Lasersystem und Verfahren zum Betreiben eines solchen Lasersystems
CN112787722B (zh) * 2021-03-12 2021-12-28 苏州大学 自适应调光的可见光通信系统及调制解调方法

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH05110179A (ja) * 1991-10-14 1993-04-30 Hamamatsu Photonics Kk 短波長短パルス光源
JPH1152443A (ja) * 1997-08-06 1999-02-26 Sony Corp レーザ光発生装置
US6256327B1 (en) * 1997-09-30 2001-07-03 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Army Red light source
AU2002211459A1 (en) * 2000-10-06 2002-04-15 The Johns Hopkins University A compact, highly efficient and rugged uv source based on fiber laser
DE10147362B4 (de) * 2001-09-26 2009-07-30 Lumera Laser Gmbh Vorrichtung und Verfahren zur optischen Frequenzkonversion von zumindest zwei Laserstrahlen aus ultrakurzen Strahlungsimpulsen
WO2008153594A1 (en) * 2006-11-30 2008-12-18 Massachusetts Institute Of Technology Compact background-free balanced cross-correlators
CN101990729B (zh) * 2008-03-31 2013-02-27 伊雷克托科学工业股份有限公司 结合多重激光束以形成高重复率、高平均功率的极化激光束
US7920606B2 (en) * 2008-12-15 2011-04-05 Coherent, Inc. Frequency-tripled fiber MOPA
JP2011069945A (ja) * 2009-09-25 2011-04-07 Nikon Corp レーザ光発生方法
FR2999023B1 (fr) * 2012-12-04 2016-10-21 Amplitude Systemes Systeme et procede de generation d'une salve d'impulsions laser ultracourtes et de forte puissance
FR3023423B1 (fr) * 2014-07-03 2016-07-08 Amplitude Systemes Systeme laser uv-visible a impulsions ultra-courtes de forte puissance et/ou de forte energie

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102146327B1 (ko) 2019-09-16 2020-08-20 국방과학연구소 고출력 광섬유 레이저용 특성 측정 시스템

Also Published As

Publication number Publication date
US10020632B2 (en) 2018-07-10
WO2016001604A1 (fr) 2016-01-07
JP2017520806A (ja) 2017-07-27
FR3023423B1 (fr) 2016-07-08
EP3164917A1 (fr) 2017-05-10
CN107078452A (zh) 2017-08-18
US20170141530A1 (en) 2017-05-18
FR3023423A1 (fr) 2016-01-08

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10020632B2 (en) UV-visible laser system having ultrashort highpower and/or high-energy pulses
US8531761B2 (en) High peak power optical amplifier
US9407056B2 (en) Controllable multi-wavelength laser source
US7733922B1 (en) Method and apparatus for fast pulse harmonic fiber laser
US20120263196A1 (en) Ultrafast raman laser systems and methods of operation
US20220149579A1 (en) Ultrashort pulse laser source with chirped pulse amplification and tailored pulse train
US10522962B2 (en) Pulse light source device and method for creating CEP stable fs laser pulses
Huang et al. Optical waveform synthesizer and its application to high-harmonic generation
US8494016B2 (en) Mode locked laser system
WO2007037243A1 (ja) ＴＨｚ波発生装置
Kakehata et al. Measurements of carrier-envelope phase changes of 100-Hz amplified laser pulses
US8373924B2 (en) Frequency-tripled fiber MOPA
CN104201547A (zh) 带光纤种子的一体化超短脉冲激光系统及其倍频系统
US20230014323A1 (en) Laser Device for Generating an Optical Frequency Comb
Huang et al. Highly efficient difference-frequency generation for mid-infrared pulses by passively synchronous seeding
KR102657136B1 (ko) 고속 변조 디바이스를 포함하며 n－파 혼합에 의해 광 펄스들을 생성하거나 증폭하기 위한 비선형 광학 시스템
Khare et al. Temporal stretching of laser pulses
JP2017517038A (ja) 光学パラメトリック発生器
US20220263292A1 (en) Laser device and method for generating laser light
JP2001249367A (ja) 光発生方法及び光源
EP2830169A2 (en) Method and device for time-multiplexing of light pulses
Azim Coherent Beam Combining of Ultrashort Laser Pulses
Fan et al. Relative CEP-locking laser source: Narrowband CW injection seeded optical parametric amplifier
Devi et al. FM mode-locked optical parametric oscillator: Pulse formation and spectral characteristics
Klenke et al. 3mJ coherently combined two channel femtosecond fiber CPA laser system

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E601 Decision to refuse application