KR20170080485A - 단펄스 레이저의 임의 트리거링을 위한 이득 제어 - Google Patents

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Abstract

디바이스는 동적 평형의 하한 및 상한, 및 높은 에너지 입력 펄스를 더 높은 에너지 출력 펄스로 증폭하기 위한 저장된 에너지를 정의하는 목표 레벨과 연관된 저장된 에너지를 갖는 과도 광학 증폭기를 포함할 수 있다. 디바이스는 증폭기의 저장된 에너지를 증가시키기 위한 펌프, 및 증폭기로 낮은 에너지 제어 펄스 또는 높은 에너지 입력 펄스를 통과시키기 위한 소스를 포함할 수 있다. 디바이스는 높은 반복 주파수로 증폭기를 위한 낮은 에너지 제어 펄스를 요청함으로써 증폭기의 저장된 에너지를 동적 평형으로 유지하도록 구성된 컨트롤러를 포함할 수 있다. 컨트롤러는 트리거를 수신하기를 기다릴 수 있다. 트리거를 수신하는 것에 기반하여, 디바이스는 증폭기로 낮은 에너지 제어 펄스를 통과시키는 것을 정지시킬 수 있고, 그리고 증폭기의 저장된 에너지가 목표 레벨에 도달할 때 증폭기로 높은 에너지 입력 펄스를 통과시킬 수 있다.

Description

단펄스 레이저의 임의 트리거링을 위한 이득 제어{GAIN CONTROL FOR ARBITRARY TRIGGERING OF SHORT PULSE LASERS}
본 발명은 레이저 시스템 및 레이저 시스템을 동작시키는 방법에 관한 것이다. 더 구체적으로, 본 발명은 임의로 타이밍된 레이저 단펄스의 증폭을 조정하기 위한 방법 및 시스템에 관한 것이다.
단펄스 레이저 시스템은 마이크로초-이하 펄스 폭 및 밀리초-이하 시간 간격을 갖는 광학 펄스를 발생시킨다. 여기에서 사용될 때, 광의 단펄스는 시간 지속시간이 마이크로초(10-6초)보다 작은 전자기 펄스이다. 단펄스 레이저 시스템은 나노초, 피코초 및 펨토초 레이저 시스템 및 마이크로초-이하 펄스 폭 및 밀리초-이하 시간 해상도를 갖는 증폭된 광학 펄스를 산출할 수 있는 다른 레이저 시스템과 같은 초단 펄스 레이저 시스템(또는 반대로 초고속 레이저 시스템)을 포함한다.
관용적 단펄스 레이저 시스템에서, 높은 에너지 펄스는 일정 주파수 및 일정 에너지에서 산출된다. 그러한 레이저에서의 펄스들 간 시간을 변화시키는 것은 레이저 또는 펄스가 인가되는 물체에 대한 손상의 잠재력을 갖는 각각의 펄스의 에너지에서의 상당한 차이를 산출할 수 있다. 각각의 트리거링된 광학 펄스의 에너지를 제어하면서 짧은 지속시간 펄스를 제공하도록 어느 임의 시간에서라도 트리거링될 수 있는 단펄스형 레이저에 대한 필요성이 있다. 그러한 레이저는 미세가공에 대해 그리고 잠재적으로는 다른 분야(예컨대, 안과학, 생체의학 이미징, 초고속 분광학, 초고속 광학 네트워크, 반응 트리거링, 펨토 화학 등)에서 유익할 것이다.
단지 일례로서 관용적 초고속 레이저 미세가공을 고려하면, 광학 빔은 특정 패턴으로 빔을 인가하도록 피가공물 상에서 이동된다. 패턴을 트레이싱하기 위해 빔이 이동될 수 있거나, 피가공물이 이동될 수 있거나, 또는 양자가 이동될 수 있다. 프로세싱 속도를 최대화하기 위해, 이러한 이동은 가능한 고속이어야 한다; 그렇지만, 속도는 이동의 정확도에 대한 요건에 의해 제한된다. 이동은 일직선에 대해서는 매우 고속일 수 있지만, 작거나 복잡한 피처에 대해서는 매우 저속일 필요가 있을 수 있다. 고속과 저속 이동 간 전이는, 트레이싱되고 있는 패턴의 복잡도에 종속하여, 동적으로 일어난다.
초고속 레이저로 미세가공할 때, 피가공물에 인가되는 광학 빔은 kHz 내지 ㎒ 범위의 펄스 반복 주파수(PRF)를 갖는 나노초 내지 펨토초 지속시간 광학 펄스를 포함한다. 이상적으로, 각각의 펄스의 에너지는 일정하게 유지되고 그리고 펄스는 피가공물 상의 물리적 위치에 균등하게 이격된다. 피가공물 상에서의 펄스의 간격은 스캐닝 속도(광학 빔과 피가공물 간 상대 속도) 및 광학 펄스들 간 시간(또는 역으로, 광학 빔의 펄스 반복 주파수(PRF))에 비례한다. 스캐닝 속도가 동적으로 변화하기 때문에, 광학 펄스들 간 시간도 펄스의 간격을 피가공물 상에서 일정하게 유지하도록 동적으로 변화한다. 불행하게도, 관용적 증폭된 초고속 레이저의 동적으로 변화하는 PRF는 출력 광학 펄스의 에너지를 변화시킬 것이다. 도 1에서, 실선은 증폭기(예컨대, 관용적 초고속 레이저의 증폭기)의 저장된 에너지이고, 입력 펄스는 속 찬 원에 의해 표현되고, 그리고 출력 펄스는 속 빈 원에 의해 표현된다. 펄스의 상대적 에너지 레벨은 그 속 찬 또는 속 빈 원의 직경에 의해 표현된다.
도 1은 (그 전체가 참조에 의해 여기에 편입되는 2008년 6월 10일자로 발행된 미국 특허 제7,386,019호 "Light pulse generating apparatus and method"에 따른 초고속 레이저와 같은) 관용적 초고속 레이저의 증폭기의 저장된 에너지 그래프이다. 실선은 시간의 흐름에 따른 증폭기의 저장된 에너지를 표현한다. 그래프 상의 속 찬 원은 증폭기에 들어가는 입력 펄스를 표현하되 속 찬 원의 크기는 입력 펄스의 에너지를 표현한다. 그 대응하는 입력 펄스와 동심원인 외곽 원은 출력 펄스를 표현하고, 그리고 속 빈 원의 크기는 출력 펄스의 에너지를 표현한다. 도 1의 예에서, 모든 입력 펄스의 에너지는 동일한 채로 있다. 관용적으로, 그리고 처음 3개의 입력 펄스에 대해 예시된 바와 같이, 시간 간격은 증폭기에 펄스를 제공하는 소스(예컨대, 단펄스 레이저 소스 등)의 펄스 반복 주파수에 기반하여 고정된다. 처음 3개의 펄스에 대해, 시간 간격은 고정되어 있고, 저장된 에너지는 동적 평형에 있고, 다음 펄스가 도착할 때와 동시에 목표 레벨로 복귀하고, 그리고 그에 따라 출력 펄스는 일정한 에너지 레벨을 갖는다. 펄스들 간 시간 간격이 변화할 때, 증폭기의 동적 평형은 깨진다. 펄스들 간 시간이 증가하는 경우, 증폭기는 목표를 오버슈팅하고 다음 펄스의 에너지는 펄스가 레이저, 피가공물 또는 다른 물건을 손상시킬 수 있을 정도로 클 수 있다. 펄스들 간 시간이 감소할 때, 증폭기는 그 저장된 에너지를 목표 레벨로 재보충할 수 없고 그리고 다음 펄스의 에너지는 그 태스크를 수행하기에 불충분할 수 있다. 심지어 하나의 펄스의 타이밍이라도 충분히 벗어나면, 증폭기는 그 평형을 재-확립하는데 상당한 양의 시간이 걸릴 수 있다. 이들 문제는 더 많은 펄스가 일정한 시간 간격, 또는 일정한 펄스 반복 주파수로부터 이탈함에 따라 더 심각해진다. 추가적 문제는 각각의 입력 펄스의 에너지가 일정하게 유지되지 않으면 일어난다.
펄스 에너지 요동을 충분히 작게 유지하는 임의로 타이밍된, 또는 임의로 트리거링된 펄스형 레이저의 부족은 처리율이든, 품질이든, 시스템 복잡도든 떨어뜨리는 결과를 초래한다. 오늘날의 초고속 레이저 애플리케이션 및 마켓 분야 중 많은 것들에서, 이것은 아주 상당한 제한이다. 따라서, 모든 광학 펄스의 에너지를 제어할 수 있으면서 각각의 트리거와 연관하여 짧은 지속시간 광학 펄스를 제공하도록, 높은 시간 해상도로, 임의 시간에서 트리거링될 수 있는 펄스형 레이저를 갖는 것이 유익할 것이다.
일부 가능한 구현에서, 방법은 과도 광학 증폭기(transient optical amplifier)를 연속적으로 펌핑하여 그로써 증폭기의 저장된 에너지를 증가시키는 것을 포함할 수 있다. 증폭기의 저장된 에너지는 3개의 증가하는 에너지 레벨과 연관될 수 있다: 동적 평형의 하한; 동적 평형의 상한; 및 높은 에너지 입력 펄스를 더 높은 에너지 출력 펄스로 증폭하기 위한 저장된 에너지를 정의하는 목표 레벨. 방법은 높은 반복 주파수로 소스로부터 증폭기로 낮은 에너지 제어 펄스를 통과시킴으로써 증폭기의 저장된 에너지를 동적 평형으로 유지하는 것을 포함할 수 있다. 방법은, 트리거를 수신하는 것에 기반하여, 증폭기로 낮은 에너지 제어 펄스를 통과시키는 것을 정지시키는 것을 포함할 수 있다. 방법은 펌핑하는 것이 증폭기의 저장된 에너지를 목표 레벨로 증가시키기를 기다리는 것을 포함할 수 있다. 방법은 증폭기로 높은 에너지 입력 펄스를 통과시키는 것을 포함할 수 있다. 방법은 높은 에너지 입력 펄스를 더 높은 에너지 출력 펄스로 증폭하고 그로써 증폭기의 저장된 에너지를, 목표 레벨 아래로, 고갈된 레벨로 감소시키는 것을 포함할 수 있다. 방법은 더 높은 에너지 출력 펄스를 출력하는 것을 포함할 수 있다.
일부 가능한 구현에서, 소스는 5 메가헤르츠(㎒)보다 더 큰 펄스 반복 주파수를 갖는 단펄스 레이저 소스를 포함할 수 있다. 소스는 단펄스 레이저 소스로부터의 레이저 펄스의 방출 및 에너지를 제어하기 위한, 단펄스 레이저 소스에 광학적으로 접속된, 펄스 피커를 포함할 수 있다.
일부 가능한 구현에서, 방법은, 레이저 펄스의 방출 및 에너지를 제어할 때, 단펄스 레이저 소스로부터의 레이저 펄스를, 펄스 피커에 의해, 통과시키거나, 부분적으로 통과시키거나 또는 차단하는 것을 포함할 수 있다.
일부 가능한 구현에서, 방법은, 낮은 에너지 제어 펄스를 통과시키는 것을 정지시킬 때, 단펄스 레이저 소스로부터의 레이저 펄스를, 펄스 피커에 의해, 차단하는 것을 포함할 수 있다.
일부 가능한 구현에서, 단펄스 레이저 소스 또는 펄스 피커 중 적어도 하나는 마이크로초-이하 응답 시간을 제공할 수 있다.
일부 가능한 구현에서, 낮은 에너지 제어 펄스, 높은 에너지 입력 펄스, 및 더 높은 에너지 출력 펄스는 1 마이크로초보다 더 작은 펄스 폭을 가질 수 있다.
일부 가능한 구현에서, 고갈된 레벨은 동적 평형의 하한보다 더 낮을 수 있다.
일부 가능한 구현에서, 동적 평형의 중심 에너지 레벨은 목표 레벨에 또는 고갈된 레벨에보다 목표 레벨과 고갈된 레벨의 중심 에너지 레벨에 더 가까울 수 있다.
일부 가능한 구현에서, 트리거를 수신하는 것과 더 높은 에너지 출력 펄스를 출력하는 것 사이의 시간 지연은 대략 5 나노초 내지 대략 100 나노초 사이일 수 있다.
일부 가능한 구현에서, 디바이스는 3개의 증가하는 에너지 레벨인 동적 평형의 하한; 동적 평형의 상한; 및 높은 에너지 입력 펄스를 더 높은 에너지 출력 펄스로 증폭하기 위한 저장된 에너지를 정의하는 목표 레벨과 연관된 저장된 에너지를 갖는 과도 광학 증폭기를 포함할 수 있다. 디바이스는 증폭기의 저장된 에너지를 증가시키기 위한 펌프를 포함할 수 있다. 디바이스는 증폭기로 낮은 에너지 제어 펄스 또는 높은 에너지 입력 펄스를 통과시키기 위한 소스를 포함할 수 있다. 디바이스는 높은 반복 주파수로 증폭기로 낮은 에너지 제어 펄스를 통과시키라고 소스에 요청함으로써 증폭기의 저장된 에너지를 동적 평형으로 유지하도록 구성된 컨트롤러를 포함할 수 있다. 컨트롤러는 트리거를 수신하기를 기다리도록 구성될 수 있다. 컨트롤러는, 트리거를 수신하는 것에 기반하여, 증폭기로 낮은 에너지 제어 펄스를 통과시키는 것을 정지시키고, 그리고 증폭기의 저장된 에너지가 목표 레벨에 도달할 때 증폭기로 높은 에너지 입력 펄스를 통과시키라고 소스에 요청하도록 구성될 수 있다.
일부 가능한 구현에서, 소스는 레이저 다이오드를 포함할 수 있다.
일부 가능한 구현에서, 컨트롤러는, 낮은 에너지 제어 펄스를 통과시키는 것을 정지시킬 때, 레이저 다이오드에 의한 펄스의 방출을 방지하도록 레이저 다이오드를 제어하도록 구성된다.
일부 가능한 구현에서, 소스는 연속파 낮은 평균 전력 제어 빔으로서 낮은 에너지 제어 펄스를 제공하는 연속파 레이저 및 높은 에너지 입력 펄스를 제공하는 제2 레이저를 포함할 수 있다.
일부 가능한 구현에서, 증폭기의 저장된 에너지는 높은 에너지 입력 펄스의 증폭에 의해 고갈된 레벨로 고갈될 수 있다. 높은 반복 주파수는 낮은 에너지 제어 펄스 없이 목표 레벨과 고갈된 레벨 사이의 평형으로 증폭기의 저장된 에너지를 유지하였을 반복 주파수보다 더 클 수 있다.
일부 가능한 구현에서, 상한과 하한 간 차이는 목표 레벨과 고갈된 레벨 간 차이의 60 퍼센트보다 작거나 같을 수 있다.
일부 가능한 구현에서, 상한과 하한 간 차이는 목표 레벨과 고갈된 레벨 간 차이의 20 퍼센트보다 작거나 같을 수 있다.
일부 가능한 구현에서, 디바이스는 더 높은 에너지 출력 펄스를 출력할 수 있다. 그러한 구현에서, 상한과 하한 간 차이를 감소시키는 것은 더 높은 에너지 출력 펄스를 출력하는 시간과 트리거를 수신하는 시간 간 타이밍 지터, 또는 소망 에너지 레벨과 더 높은 에너지 출력 펄스의 에너지 레벨 간 에너지 지터 중 적어도 하나를 감소시킬 수 있다.
일부 가능한 구현에서, 증폭기는 하나 이상의 단일 패스 증폭기, 하나 이상의 멀티-패스 증폭기, 또는 하나 이상의 단일 패스 증폭기와 하나 이상의 멀티-패스 증폭기의 조합 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
일부 가능한 구현에서, 디바이스의 컨트롤러는 트리거가 버스트로 일련의 펄스를 제공하도록 나타낸다고 결정하도록 구성될 수 있다. 디바이스의 컨트롤러는, 증폭기의 저장된 에너지가 목표 레벨에 도달할 때, 버스트로 일련의 펄스로서 높은 에너지 입력 펄스를 요청하도록 구성될 수 있다.
일부 가능한 구현에서, 디바이스는 출력 전에 더 높은 에너지 출력 펄스 및 증폭된 낮은 에너지 제어 펄스의 에너지 레벨을 감축, 차단 또는 통과시키도록, 증폭기 후에, 출력 제어부를 더 포함할 수 있다.
일부 가능한 구현에서, 디바이스의 컨트롤러는 컨트롤러가 소스로부터 낮은 에너지 펄스를 요청하고 있을 때 펄스를 차단하라고 출력 제어부에 요청하도록 구성될 수 있다.
일부 가능한 구현에서, 출력 제어부는 펄스 피커 또는 펄스-온-디맨드를 포함할 수 있다.
일부 가능한 구현에서, 디바이스는 증폭기 후에 비선형 파장 변환기를 포함할 수 있다.
일부 가능한 구현에서, 디바이스는 다수의 트리거를 수신할 수 있고 그리고 다수의 트리거에 대응하는 다수의 더 높은 에너지 출력 펄스를 출력할 수 있다. 그러한 구현에서, 다수의 트리거에 대응하는 다수의 더 높은 에너지 출력 펄스의 타이밍 지터 및 에너지 지터는, 각각, 대략 1 마이크로초 및 5%보다 더 작을 수 있다.
일부 가능한 구현에서, 단펄스 레이저 이득 조정 방법은 레이저 시스템의 과도 광학 증폭기를, 레이저 시스템에 의해, 펌핑하고, 그로써 증폭기의 저장된 에너지를 증가시키는 것을 포함할 수 있다. 방법은 트리거를 수신하기를, 레이저 시스템에 의해, 기다리는 것을 포함할 수 있다. 증폭기의 저장된 에너지가 유지 에너지 레벨 아래에 있는 동안, 방법은 증폭기로 레이저 시스템의 펄스 소스로부터의 레이저 펄스의 방출을, 레이저 시스템에 의해, 방지하는 것을 포함할 수 있다. 증폭기의 저장된 에너지가 유지 에너지 레벨에 도달하고 그리고 트리거가 수신되지 않았을 때, 방법은 펄스 소스로부터 증폭기로 낮은 에너지 제어 펄스를, 레이저 시스템에 의해, 방출하는 것을 포함할 수 있다. 각각의 낮은 에너지 펄스는 증폭기의 저장된 에너지의 일부를 감소시키고, 펌핑에 반작용하고, 그로써 증폭기의 저장된 에너지를 유지 에너지 레벨 아래 및 가까이의 동적 평형으로 유지할 수 있다. 트리거가 수신될 때, 방법은 증폭기의 저장된 에너지가 유지 에너지 레벨보다 더 높은 목표 에너지 레벨에 도달할 때까지 증폭기로 펄스 소스로부터의 레이저 펄스의 방출을, 레이저 시스템에 의해, 방지하고, 그 후 펄스 소스로부터 증폭기로 높은 에너지 입력 펄스를 방출하고, 더 높은 에너지 출력 펄스로 증폭기에서 높은 에너지 입력 펄스를 증폭하는 것을 포함할 수 있다. 방법은 더 높은 에너지 출력 펄스를, 레이저 시스템에 의해, 출력하는 것을 포함할 수 있다.
일부 가능한 구현에서, 트리거는 어느 임의 시간에라도 레이저 시스템의 컨트롤러 내부에서 발생되거나 외부에서 수신될 수 있다.
일부 가능한 구현에서, 증폭 이전에, 낮은 에너지 제어 펄스의 각각의 낮은 에너지 제어 펄스는 높은 에너지 입력 펄스보다 각각 더 작은, 또는 25%, 에너지를 가질 수 있다. 그러한 구현에서, 낮은 에너지 제어 펄스의 반복률은 낮은 에너지 제어 펄스 없이 목표 레벨과 고갈된 레벨 사이의 평형으로 증폭기의 저장된 에너지를 유지하였을 펄스 반복 주파수(PRF)보다 각각 더 크거나, 또는 4배일 수 있다. 증폭기의 저장된 에너지는 높은 에너지 입력 펄스의 증폭에 의해 고갈된 레벨로 고갈될 수 있다.
일부 가능한 구현에서, 증폭 이전에, 낮은 에너지 제어 펄스의 각각의 낮은 에너지 제어 펄스는 높은 에너지 입력 펄스의 에너지의 대략 0.1% 내지 대략 40% 사이를 포함할 수 있다.
일부 가능한 구현에서, 낮은 에너지 제어 펄스의 각각의 낮은 에너지 제어 펄스는 대략 0.001 나노줄(nanojoule)과 대략 100 나노줄 사이의 에너지를 포함할 수 있다.
일부 가능한 구현에서, 낮은 에너지 제어 펄스는 에너지 및 타이밍을 제외하고는 높은 에너지 입력 펄스와 동일한 광학 속성을 가질 수 있다.
일부 가능한 구현에서, 높은 에너지 입력 펄스는 더 높은 에너지 출력 펄스로서 출력되기 전에 증폭기의 이득 매질을 통해 다수 횟수 주행할 수 있다.
일부 가능한 구현에서, 트리거를 수신하는 것과 더 높은 에너지 출력 펄스를 출력하는 것 사이의 시간 지연은 대략 1 마이크로초보다 더 작을 수 있다.
일부 가능한 구현에서, 레이저 시스템은 나노초 레이저, 피코초 레이저, 펨토초 레이저, 마스터 발진기 전력 증폭기 레이저, 또는 재생 증폭기 레이저 중 하나를 포함할 수 있다.
이 절, 아래의 절, 및 도면에서 기술되는 구현의 각각은 단독으로 그리고/또는 이 절, 아래의 절, 및 도면에서 기술되는 다른 구현 중 어느 것이라도 조합하여 적용될 수 있다.
도 1은 일정 및 가변 펄스 타이밍의 효과를 예시하는, 단펄스 레이저 시스템에 관한, 일례의 그래프;
도 2는 임의로 타이밍된 레이저 펄스의 증폭을 조정하기 위한 여기에서 기술된 일례의 구현의 선도;
도 3은 여기에서 기술되는 시스템 및/또는 방법이 구현될 수 있는 일례의 환경의 선도;
도 4는 여기에서 기술되는 시스템 및/또는 방법이 구현될 수 있는 일례의 레이저의 선도;
도 5는 임의로 타이밍된 레이저 펄스를 증폭하도록 저장된 에너지를 조정하기 위한 일례의 프로세스의 순서도;
도 6a는 도 4에 따른 단펄스 레이저 시스템으로부터의 출력 펄스의 제1 시퀀스의 에너지를 도시하는 그래프;
도 6b는 도 6a에 대응하는 증폭기 저장된 에너지를 도시하는 그래프;
도 6c는 도 4에 따른 단펄스 레이저 시스템으로부터의 출력 펄스의 제2 시퀀스의 에너지를 도시하는 그래프;
도 6d는 도 6c에 대응하는 증폭기 저장된 에너지를 도시하는 그래프;
도 7은 여기에서 기술되는 시스템 및/또는 방법이 구현될 수 있는 일례의 마스터 발진기 전력 증폭기 초고속 레이저 시스템의 선도; 및
도 8은 여기에서 기술되는 시스템 및/또는 방법이 구현될 수 있는 일례의 재생 증폭기 레이저 시스템의 선도.
이하의 상세한 설명은 수반 도면을 참조한다. 여러 다른 도면에서 동일한 참조 번호는 동일하거나 유사한 요소를 식별시킬 수 있다.
시간 및 에너지 해상도 양자의 관점에서 대단한 정밀도 및 정확도를 갖는 증폭기의 이득을 제어하기 위한 예시적 방법 및 디바이스가 개시된다. 구체적으로, 과도 광학 증폭기 조정은 펄스형, 일정한 에너지 증폭된 레이저 광의 임의, 반드시 고정되지는 않은 반복률, 트리거링을 가능하게 한다. 과도 광학 증폭기 조정은 단펄스 레이저의 불규칙한 외부 트리거와 통상 연관된 펄스 에너지 요동을 소거한다. 무작위 트리거 타이밍에도 불구하고, 마이크로초-이하 타이밍 지터 및/또는 5% 미만 에너지 지터가 일부 실시형태에서 달성될 수 있다. 예시적 방법 및 디바이스를 구현하는 것은 단순하고, 강건하고 그리고 비용-효과적일 수 있다. 예시적 방법 및 디바이스는 많은 단펄스 레이저 애플리케이션에서 증가된 처리율 및/또는 프로세스 품질을 초래할 수 있다. 순차로 이것은 산업 애플리케이션에서 그러한 레이저의 사용에 대한 경제적 난관을 낮춘다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따라 동작되는 연속적 펌핑형 과도 광학 증폭기의 저장된 에너지의 시간 대비 그래프이다. 이러한 그래프는 축척대로는 아니고, 저장된 에너지와, 시간과, 레이저 광의 펄스 간 일반적 관계를 제공한다. 도 2에서, 증폭기의 저장된 에너지(10)는 그래프에서 실선에 의해 표현된다. 각각의 원(12, 14, 16, 18)은 레이저 광의 펄스를 표현한다. 각각의 원의 상대적 크기는 그 펄스의 상대적 에너지 레벨을 표현한다. 작은 속 찬 원은 증폭기에 들어가는 낮은 에너지 제어 펄스(12)를 표현한다. 더 큰 속 찬 원은 증폭기에 들어가는 높은 에너지 입력 펄스(14)를 표현한다. 작은 외곽 원은 증폭된 낮은 에너지 제어 펄스(16)를 표현하는 한편 큰 외곽 원은 더 높은 에너지 출력 펄스(18)를 표현한다. x표는 더 높은 에너지 출력 펄스(18)를 출력하도록 트리거(20)를 수신하는 것을 표현한다. 4개의 파선은 높은 에너지 입력 펄스(14)가 더 높은 에너지 출력 펄스(18)의 소망 에너지 레벨로 증폭될 수 있는 목표 에너지 레벨(22), 동적 평형(30)(예컨대, 유지 에너지 레벨)의 상한(24), 동적 평형(30)의 하한(26) 및 높은 에너지 입력 펄스(14)를 더 높은 에너지 출력 펄스(18)로 증폭한 후 증폭기의 고갈된 에너지 레벨(28)을 표현한다. 도 1 및 도 2에 예시된 바와 같이, 그리고 당업계에 주지되어 있는 바와 같이, 입력 펄스로부터 출력 펄스로의 에너지 전달은 사실상 순시적이다.
높은 레벨에서, 도 2에서의 그래프는 어떻게 본 발명의 실시형태가 트리거(20)를 수신하기를 기다리는 동안 목표 레벨(22) 아래에서, 상한(24)과 하한(26) 사이에서 발진하면서, 증폭기의 저장된 에너지를 동적 평형으로 유지하는지 예시한다. 증폭기의 저장된 에너지(10)가 상한(24)에 도달할 때, 낮은 에너지 제어 펄스(12)는 증폭기로 통과되어 증폭기 저장된 에너지를 하한(26)으로 고갈시킨다. 낮은 에너지 제어 펄스(12)를 증폭기로 통과시키는 것은, 트리거(20)를 기다리는 동안, 무한히 계속할 수 있다. 일부 실시형태에서, 낮은 에너지 제어 펄스(12)를 통과시키는 것은 높은 펄스 반복 주파수(PRF)에서 일어난다. 트리거(20)가 수신될 때, 증폭기의 저장된 에너지(10)는 목표 레벨(22)로 증가하도록 허용되고 그리고 그것이 그 레벨에 도달할 때, 높은 에너지 입력 펄스(14)는 증폭기로 방출되어, 더 높은 에너지 출력 펄스(18)로 증폭되고 그리고 궁극적으로는 출력된다.
도 1 및 도 2를 비교하면, 도 1의 입력 펄스는 시간적으로 그리고 에너지 레벨에서 도 2의 높은 에너지 입력 펄스(14)에 대응함을 알 수 있다; 그렇지만, 도 1의 출력 펄스는 입력 펄스의 시간 간격이 불규칙하게 될 때 광범위하게 달라지는 에너지 레벨을 갖는 한편 도 2의 더 높은 에너지 출력 펄스(18)는 높은 에너지 입력 펄스(14)들 간 시간에 무관하게 일정하다.
도 3은 여기에서 기술되는 시스템 및/또는 방법이 구현될 수 있는 일례의 환경(300)의 선도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 환경(300)은 레이저 시스템(310), 빔 배달 시스템(320), 및 작업 표면(330)을 포함할 수 있다. 환경(300)의 디바이스들은 유선 접속, 무선 접속, 또는 유선과 무선 접속의 조합을 통하여 상호접속될 수 있다.
레이저 시스템(310)은 펄스형 광학 빔을 출력할 수 있는 하나 이상의 디바이스를 포함할 수 있다. 예컨대, 레이저 시스템(310)은 단펄스 레이저 시스템(예컨대, 피코초 펄스형 레이저 시스템, 나노초 펄스형 레이저 시스템, 펨토초 펄스형 레이저 시스템 등) 등을 포함할 수 있다. 레이저 시스템(310)은 (예컨대, 작업 표면(330) 상의 피가공물의 미세가공을 위한, 콜드 애블레이션을 위한, 컷팅을 위한, 드릴링을 위한 등) 펄스형 광학 빔을 출력할 수 있다.
빔 배달 시스템(320)은 레이저 시스템(310)에 의해 출력된 광학 빔을 수정할 수 있는 하나 이상의 컴포넌트를 포함할 수 있다. 예컨대, 빔 배달 시스템(320)은 코팅된 레이저 광학계, 코팅된 및/또는 코팅되지 않은 기판(예컨대, 플라노 기판, 곡선형 기판, 렌즈 등), 지연판, 편광자, 빔 가이드, 빔 이동 메커니즘(예컨대, 검류계-기반 광학 스캐닝 시스템, 다각형 스캐닝 시스템, 음향-광학 스캐너 등), 전동 스테이징 시스템, 빔 배달 시스템 제어 컴포넌트 등을 포함할 수 있다.
작업 표면(330)은 레이저 시스템(310)으로부터 펄스형 광학 빔을 수신하기 위한 표면을 포함할 수 있다. 예컨대, 작업 표면(330)은 피가공물 등을 탑재할 표면을 포함할 수 있다. 일부 구현에서, 작업 표면(330)은 (작업 표면(330)의 전동 스테이징 시스템 등에 기반하여) 빔 배달 시스템(320)에 대해 그리고/또는 레이저 시스템(310)에 대해 측방으로 이동할 수 있다. 부가적으로 또는 대안으로, 레이저 시스템(310)에 의해 출력된 광학 빔은 (예컨대, 빔 배달 시스템(320)의 빔 이동 메커니즘 등에 기반하여) 작업 표면(330)에 대해 측방으로 이동할 수 있다.
도 3에 도시된 디바이스의 수 및 배열은 일례로서 제공된다. 실제로는, 도 3에 도시된 것들과는 다르게 배열된 디바이스, 다른 디바이스, 더 적은 디바이스, 또는 부가적 디바이스가 있을 수 있다. 더욱, 도 3에 도시된 2개 이상의 디바이스는 단일 디바이스 내에 구현될 수 있거나, 또는 도 3에 도시된 단일 디바이스는 다수의, 분산된 디바이스로서 구현될 수 있다. 부가적으로 또는 대안으로, 환경(300)의 일 세트의 디바이스(예컨대, 하나 이상의 디바이스)는 환경(300)의 다른 세트의 디바이스에 의해 수행되는 것으로 기술된 하나 이상의 기능을 수행할 수 있다. 도 4는 소스(103), 소스에 광학적으로 접속된 증폭기(106), 증폭기에 접속된 펌프(107), 증폭기(106)에 광학적으로 접속된 선택사항인 출력 제어부(108), 및 소스(103)에 접속된 그리고 선택사항으로서는 증폭기(106), 펌프(107) 및/또는 출력 제어부(108)에 접속된 컨트롤러(109)를 포함하는 레이저(100)를 예시한다. 소스(103), 증폭기(106) 및 출력 제어부(108)는 광학 경로(111)를 따라 광학적으로 접속된다. 일부 구현에서, 레이저(100)는 레이저 시스템(310)에 대응할 수 있다.
레이저(100)는 마이크로초, 나노초, 피코초 및 펨토초의 범위의 어디에라도 있는 펄스 폭을 갖는 레이저 펄스를 출력한다. 출력 레이저 펄스는 초, 밀리초, 마이크로초, 마이크로초-이하 등의 범위의 어디에라도 있는 시간적 간격을 갖는다. 반대로, 출력 레이저 펄스는 헤르츠(Hz) 범위, 킬로헤르츠(kHz) 범위, 메가헤르츠(㎒) 범위 등에 있는 최대 펄스 반복률을 가질 수 있다; 그렇지만, 출력 레이저 펄스가 반복 주파수를 고수할 필요는 없다. 오히려, 레이저 펄스는 어느 임의 시간에라도 출력될 수 있다. 출력 레이저 펄스가 고정된 반복률을 갖든지 임의로 시간 이격되든지, 레이저(100)는 일정한, 구성가능한, 에너지 레벨을 각각의 출력 펄스에 제공한다. 레이저 펄스는, 예컨대, 밀리줄-이하 내지 줄 범위의 어디에라도 있는 에너지를 가질 수 있다. 예컨대, 도 6a와 연관하여 기술되는 바와 같이, 레이저 펄스는 대략 17 마이크로줄의 에너지를 가질 수 있다. 다른 예로서, 일부 실시형태에서, 레이저 펄스는 대략 50 밀리줄 내지 대략 200 밀리줄 범위에 있는 에너지 값을 가질 수 있다. 또 다른 예로서, 일부 실시형태에서, 레이저 펄스는 밀리줄-이하 범위에 있는 에너지를 가질 수 있다.
레이저(100)는 마스터 발진기 전력 증폭기(MOPA), 재생 증폭기 또는 당업자에게 주지된 다른 구성을 포함하는 다양한 다른 레이저 구성으로 구현될 수 있다. MOPA 및 재생 증폭기 구성은 아래에서 더 상세히 기술될 것이다; 그렇지만 다른 구성이 동등하게 가능하고 단지 간략함을 위해 생략되었다.
소스(103)는 컨트롤러(109)의 커맨드 하에 레이저 광의 펄스를 증폭기(106)에 제공한다. 소스(103)는 여러 다른, 구성가능한 에너지 레벨로 그리고 임의 타이밍으로 단(또는 초단) 레이저 펄스를 출력하도록 구성된다. 임의 타이밍은 펄스의 무작위 타이밍, 펄스의 온-디맨드 트리거링, 펄스의 기-설정된 패턴 및 고정된 반복률 펄스를 포함하는 어느 타이밍이라도 포함한다. 일부 실시형태에서, 소스(103)는 레이저 다이오드를 포함할 수 있다. 일부 실시형태에서, 소스(103)는 펄스 피커에 광학적으로 결합된 낮은 에너지, 높은 PRF 초고속 시드 발진기를 포함할 수 있다. 가능한 일례로서, 소스(103)는 대략 5 메가헤르츠(㎒)보다 크거나 같은 주파수로 레이저 펄스를 제공할 수 있다. 대안의 실시형태에서, 소스(103)는 낮은 에너지 제어 펄스 대신에 낮은 평균 전력 광학 빔을 제공하도록 연속파 레이저를 포함할 수 있고 그리고 제2 레이저는 높은 에너지 펄스를 제공하도록 사용될 수 있다. 소스(103)로부터의 펄스 및 광학 빔을, 증폭기(106) 전에, 제어함으로써 더 큰 정밀도로 증폭기의 더 큰 조정을 달성하는 것이 가능하다. 일부 구현(예컨대, 소스(103)가 펄스 피커를 포함하는 구현)에서, 소스(103)는 5% 미만의 오차로 특정 효율(예컨대, 0.01%, 0.1%, 1%, 10%, 50%, 90% 등)로 광학 신호를 통과시킬 수 있을 수 있다. 일부 구현에서, 소스(103)는 특정 오차 레벨(예컨대, 5%-이하 상대 오차 등)로 여러 다른 에너지(예컨대, 크기의 1차수 범위에 있는 에너지, 크기의 2 차수 범위에 있는 에너지 등)를 갖는 광학 펄스를 통과시킬 수 있을 수 있다. 일부 구현에서, 소스(103)는, 일부 구현에서는, 특정 응답 시간(예컨대, 마이크로초 또는 나노초 응답 시간)에 따라 변화될 수 있는 가변 효율로 광학 신호를 통과시킬 수 있을 수 있다. 일부 구현에서, 소스(103)는 특정 응답 시간으로 동적 가변 전력/에너지 레벨로 광학 신호를 통과시킬 수 있을 수 있다.
증폭기(106)는 소스(103)로부터의 펄스를 수신하고 증폭된, 즉, 더 높은 에너지 레벨, 펄스를 출력한다. 증폭기(106)는 당업자에게 공지된 어느 과도 체제 광학 증폭기라도 포함할 수 있다. 예시적 증폭기 유형은 라드 증폭기, 슬랩 증폭기, 디스크 증폭기, 및 광섬유 증폭기를 포함한다. 증폭기(106)는 증폭기 및/또는 일련의 다수의 증폭기를 포함할 수 있다. 증폭기(106)는 멀티-패스, 단일 패스, 또는 직렬로 어느 수의 단일 패스 및/또는 멀티-패스 증폭기의 조합에 대해서라도 구성될 수 있다. 예컨대, 증폭기는 (예컨대, 직렬로) 하나 이상의 단일 패스 증폭기, (예컨대, 직렬로) 하나 이상의 멀티-패스 증폭기, 및/또는 직렬로 하나 이상의 단일 패스 증폭기와 하나 이상의 멀티-패스 증폭기를 포함할 수 있다. 증폭기(106)는 증폭된 펄스를 출력 제어부(108)로 또는 직접 레이저(100)의 밖으로 출력할 수 있다. 증폭기(106)는, 소스(103)로부터의 광이 증폭되지 않을 때 증폭기의 저장된 에너지의 예측가능한 증가를 제공하는, 연속적 펌핑으로 과도 체제에서 동작한다. 증폭기(106)는, 레이저 크리스탈 또는 레이저 글래스(예컨대, 네오디뮴-도핑된 이트륨 알루미늄 가닛(YAG), 이테르븀-도핑된 텅스텐산염 크리스탈(예컨대, 칼륨 가돌리늄 텅스텐산염(KGW) 크리스탈, 칼륨 이트륨 텅스텐산염(KYW) 크리스탈), 에르븀-도핑된 YAG, 티타늄-사파이어 크리스탈 등)과 같은 이득 매질(예컨대, 라드, 슬랩, 디스크 등과 같은 벌크 이득 매질, 광섬유-기반 이득 매질), 세라믹 이득 매질, 복합 이득 매질 등을 포함할 수 있다.
증폭기(106)는 증폭기(106)가 증폭기 이득 매질을 통과하는 광학 펄스에 제공할 수 있는 전위 이득을 표현하는 저장된 에너지를 갖는다. 펄스를 증폭하는 것은 증폭기의 저장된 에너지를 감소시키고 그리고 증폭기의 저장된 에너지는 펄스를 동일한 에너지 레벨로 증폭하는 것을 계속하기 위해 재보충되어야 한다.
펌프(107)는 증폭기의 저장된 에너지를 증가시키기 위해 증폭기(106)에 접속된다. 일부 실시형태에서, 펌프(107)는 증폭기(106)에 전기적으로 또는 광학적으로 접속되고 증폭기의 저장된 에너지에 대한 예측가능한 증가율을 제공한다. 일부 실시형태에서, 펌프(107)는 증폭기의 저장된 에너지를 증가 또는 재보충하도록 에너지를 일정하게 제공하는 연속적 펌핑을 제공한다. 증폭기의 이득 매질은 여기에서는 펌핑이라고 지칭되는 프로세스에서 펌프(107)로부터 광학 신호의 증폭을 위한 에너지를 수신할 수 있다.
선택사항인 출력 제어부(108)는 증폭기(106)로부터 증폭된 레이저 펄스를 수신하고 펄스를 차단, 통과 또는 부분적으로 통과시키도록 (예컨대, 컨트롤러(109)에 의해) 구성될 수 있다. 일례의 출력 제어부(108)는 펄스 피커, 펄스 피커를 포함하는 펄스-온-디맨드 모듈, 또는 다른 유형의 출력 제어부를 포함한다. 출력 제어부(108)는 또한 비선형 크리스탈 재료, 광자 크리스탈 광섬유, 가스 등에 기반하여 파장 변환기(예컨대, 비선형 파장 변환기)를 포함할 수 있다. 그러한 구현에서, 부가적 출력 제어 요소는 주파수 더블링 프로세스, 합 및 차 주파수 발생 프로세스, 라만 변환 프로세스, 초연속 발생 프로세스, 높은 고조파 발생 프로세스 등을 수행할 수 있다. 펄스를 부분적으로 통과시키는 것은 펄스의 에너지를 그 최고 레벨(펄스를 통과시키는 것)로부터 중간 레벨로 감축한다.
컨트롤러(109)는 소스(103)에 접속되고 그리고/또는 제어하고, 그리고 선택사항으로서는 증폭기(106), 펌프(107) 및 출력 제어부(108)에 접속되고 그리고/또는 제어한다. 컨트롤러(109)는 증폭기의 저장된 에너지를 조정하는 것 및, 출력 펄스에 대해, 트리거 또는 요청에 응답하여 레이저(100)로부터 더 높은 에너지 출력 펄스를 출력하는 것을 조정한다. 예시적 실시형태에서, 컨트롤러(109)는 소스(103)로부터의 낮은 에너지, 높은 주파수 펄스 또는 다른 낮은 평균 전력 광을 사용하여 저장된 에너지를 고갈시킴으로써 펌프(107)로부터의 증폭기의 증가하는 저장된 에너지의 균형을 유지함으로써 증폭기의 저장된 에너지를 조정한다. 컨트롤러(109)는 소프트웨어 및/또는 하드웨어로 구현될 수 있다. 예컨대, 컨트롤러(109)는 디지털 신호 프로세서와 같은 프로세서, 마이크로프로세서, 집적 회로(예컨대, 광자 집적 회로, 주문형 반도체 등), 필드-프로그래머블 게이트 어레이 등을 포함할 수 있다. 컨트롤러(109)는 또한, 메모리 디바이스, 통신 인터페이스, 입력 컴포넌트, 및/또는 출력 컴포넌트와 같은, 프로세서와 상호작용하는 다른 컴포넌트를 포함할 수 있다. 메모리 디바이스는 프로세서에 의해 사용되는 명령어 또는 데이터를 저장할 수 있다. 통신 인터페이스는 프로세서가 레이저 시스템의 다른 컴포넌트와 통신하고, 레이저 시스템 외부로부터 커맨드를 수신하고, 그리고/또는 레이저 시스템 외부에 데이터를 제공할 수 있게 할 수 있다. 컨트롤러(109)는 범용 컴퓨터, (FPGA와 같은) 재구성가능한 하드웨어, (ASIC와 같은) 애플리케이션 특정 하드웨어, 다른 전기적 및 조합의 이들 구현 기술에 의한 실행을 위해 비-일시적 컴퓨터 판독가능한 매체에 저장된 컴퓨터-판독가능한 명령어를 포함할 수 있다.
일 실시형태에서, 컨트롤러(109)는 펌프(107)로부터의 연속적 펌핑에 기인하는 증폭기의 저장된 에너지의 증가율의 지식 및 기-정의된 시간 지연을 사용하여 증폭기(106)를 조정한다. 높은 에너지 입력 펄스를 증폭한 후에, 컨트롤러(109)는 기-정의된 시간 동안 낮은 에너지 제어 펄스를 통과시키지 않는다. 증폭기의 저장된 에너지는, 높은 에너지 입력 펄스의 증폭 직후에, 고갈된 레벨로 감소할 것이고, 그래서 기-정의된 시간 후에, 저장된 에너지 레벨은 상한에 있다고 알려질 것이다. 컨트롤러(109)가 기-정의된 PRF 및 에너지를 갖는 제어 펄스를 요청하고 나면, 증폭기의 저장된 에너지는 상한과 하한 사이에서 평형인 채로 있을 것이고, 그래서 컨트롤러(109)는 그것이 트리거를 수신할 때까지 제어 펄스를 제공하기를 계속한다. 컨트롤러(109)가 트리거를 수신할 때, 그것은 그것이 다음 제어 펄스를 발생시킬 시간까지 기다린다. 기다리는 시간은, 트리거를 수신하는 타이밍에 종속하여, 제어 펄스들 간 시간과 영 사이의 어느 시간량이라도 될 수 있다. 이러한 불확실성은 결국에는 더 높은 에너지 출력 펄스와 트리거 간 시간의 시간 지연 지터를 도입할 것이다. 기다리는 시간이 끝날 때, 다음 제어 펄스를 통과시키는 대신에, 컨트롤러(109)는 제2 기-정의된 시간 간격 동안 제어 펄스를 정지시킨다. 이러한 시점에서, 컨트롤러(109)는 증폭기의 저장된 에너지가 상한에 있음을 알고, 그리하여 제2 시간 지연은 증폭기의 저장된 에너지가 목표 레벨로 증가할 수 있게 하도록 선결된다. 제2 시간 간격 후에, 컨트롤러(109)는 높은 에너지 입력 펄스를 요청한다. 컨트롤러(109)에 의해 취해진 동작은 그 후 각각의 임의로 타이밍된 트리거에 대해 반복될 수 있다.
그리하여, 이러한 실시형태에서, 컨트롤러(109)는 2개의 기-정의된 시간 간격을 사용하여 증폭을 제어한다: 하나는 출력 펄스가 방출된 후에 제어 펄스를 정지, 생략 등을 하기 위한 것, 그리고 다른 하나는 트리거가 수신된 후에 제어 펄스를 정지, 생략 등을 하기 위한 것. 그러한 일 실시형태에서는, 트리거링된 펄스들 간 가능한 최소 시간과 등가인 최대 반복률(PRFmax)이 있다. 이것은 2개의 기-정의된 고정된 시간 간격의 합과 등가이다. 일부 구현에서, 컨트롤러(109)는 (예컨대, 여러 다른 PRFmax 값에 대해 여러 다른 시간 간격으로 컨트롤러(109)를 프로그래밍하는 것에 기반하여) 여러 다른 PRFmax 값에 기반하여 구성될 수 있다.
도 4에 도시된 디바이스 및 컴포넌트의 수 및 배열은 일례로서 제공된다. 실제로는, 도 4에 도시된 것들과는 다르게 배열된 디바이스/컴포넌트, 다른 디바이스/컴포넌트, 더 적은 디바이스/컴포넌트, 또는 부가적 디바이스/컴포넌트가 있을 수 있다.
도 5는 임의로-타이밍된 레이저 펄스를 증폭하도록 저장된 에너지를 조정하기 위한 일례의 방법(500)을 예시한다. 방법(500)은 레이저(100)와 같은 의도-구축된 레이저에서, 또는 예컨대 다운로드가능한 컴퓨터 또는 리프로그래머블 게이트 어레이 명령어, 그 유사한 것을 포함하고 있는 비-일시적 컴퓨터 판독가능한 매체, 또는 심지어 컨트롤러(109)와 같은 대체 집적 회로 또는 다른 모듈을 제공함으로써 적합하게 재구성될 수 있는 그리고 방법(500)에서 기술된 파라미터를 동작시킬 수 있는 현존 레이저에서 구현될 수 있다. 일부 구현에서, 방법(500)의 하나 이상의 동작은 레이저(100) 또는 레이저 시스템(310)에 의해 수행될 수 있다. 일부 구현에서, 도 5의 하나 이상의 프로세스 동작은, 빔 배달 시스템(320)과 같이, 레이저(100) 또는 레이저 시스템(310)을 포함하거나 그와는 별개인 소정 그룹의 디바이스 또는 다른 디바이스에 의해 수행될 수 있다.
방법(500)은 과도 광학 증폭기(106)를 연속적으로 펌핑(502)하여 그로써 증폭기의 저장된 에너지(10)를 증가시킴으로써 개시한다. 증폭기의 저장된 에너지(10)는 3개의 증가하는 에너지 레벨과 연관된다: 동적 평형(30)의 하한(26), 동적 평형(30)의 상한(24), 및 높은 에너지 입력 펄스(14)를 더 높은 에너지 출력 펄스(18)로 증폭하기 위한 저장된 에너지를 정의하는 목표 레벨(22). 일부 경우에, 상한(24)과 하한(26) 간 차이는 특정 값(예컨대, 60%, 20% 등)보다 작거나 같을 수 있다. 연속적으로 펌핑(502)하는 것은 당업계에 공지된 전기적, 광학적 또는 다른 펌핑 수단에 의한 펌프(107)에 의해 달성될 수 있다. 펌핑은 펌핑(502)이 과도 체제에서 동작하는 광학 증폭기(106)에 증폭기의 저장된 에너지(10)에 대한 예측가능한 증가율을 제공한다는 의미에서 연속적이다.
연속적으로 펌핑(502)하는 동안, 방법(500)은 높은 반복 주파수로 증폭기(106)로 낮은 에너지 제어 펄스(12)를 통과시킴으로써 증폭기의 저장된 에너지(10)를 동적 평형(30)으로 유지(504)함으로써 계속된다. 증폭기의 저장된 에너지(10)를 동적 평형(30)으로 유지(504)하는 것은 증폭기의 저장된 에너지(10)가 상한(24)으로 증가할 수 있게 하고 그 후 낮은 에너지 제어 펄스(12)를 증폭기(106)로 통과시키고 증폭기의 저장된 에너지(10)를 동적 평형(30)의 하한(26)으로 고갈시킴으로써 달성된다. 다른 그러한 펄스(12)는 증폭기의 저장된 에너지(10)가 동적 평형(30)의 상한(24)으로 (연속적 펌핑(502)에 기인하여) 복귀할 때 증폭기(106)로 통과된다. 낮은 에너지 제어 펄스(12)들 간 시간과 낮은 에너지 제어 펄스가 펄스당 증폭기(106)로부터 추출하는 에너지를 매칭시킴으로써, 방법(500)은 어느 시간 길이 동안에라도 증폭기(106)의 저장된 에너지를 동적 평형(30)으로 유지할 수 있다. 더 높은 에너지 제어 펄스는 증폭기(106)로부터 더 많은 에너지를 추출할 것이고 그 결과 더 낮은 에너지 제어 펄스보다 덜 빈번하게 인가될 수 있다. 다른 한편으로, 더 낮은 에너지 제어 펄스는 증폭기(106)로부터 더 적은 에너지를 추출할 것이고 그 결과 더 높은 에너지 제어 펄스보다 더 빈번하게 인가될 수 있다. 제어 펄스의 반복률이 증가되면서 제어 펄스의 에너지는 낮춰지므로, 제어 펄스의 트레인은 모델링될 수 있고, 실로 제어 펄스의 트레인으로서 동일한 평균 전력을 갖는 연속파(cw) 광학 빔으로 대체될 수 있다.
증폭기(106)의 저장된 에너지를 안정화하기 위해, 제어 빔의 입력 전력은 추출된 전력이 연속적 펌핑에 의해 제공된, 시간의 흐름에 따른, 저장된 에너지 증가와 같게 되도록 선택되어야 한다. 일례로서 1 밀리와트(mW) 평균 전력을 사용할 때, 20㎒ PRF에서의 0.05 나노줄(nJ) 펄스, 40㎒에서의 0.025nJ 펄스 및 200㎒에서의 0.005nJ 펄스는 모두 동일한 1mW 평균 전력을 달성한다. 펄스 에너지가 계속 감소하고 PRF가 계속 증가하면, 1mW의 전력을 갖는 연속파 빔에 도달한다. 펄스당 에너지가 감소하고 PRF가 증가하므로, 동적 평형(30)의 상한과 하한 간 분리도 감소하고 제어 펄스가 연속파 광학 빔을 포함할 때 목표 레벨 아래 단일 증폭기 저장된 에너지 레벨로 수렴한다. 일부 경우에, 동적 평형(30)의 중심 에너지 레벨은 목표 레벨(22) 또는 고갈된 레벨(28)에보다 목표 레벨(22)과 고갈된 레벨(28)의 중심 에너지 레벨에 더 가까울 수 있다. 중심 에너지 레벨은 단순히 2개의 다른 에너지 레벨 간 평균일 수 있다.
증폭기의 저장된 에너지(10)를 목표 레벨(22) 아래의 동적 평형(30)으로 유지(504)하는 것은 트리거(20)를 기다리는 동안 무한히 계속된다. 트리거(20)는 레이저(100)로부터 더 높은 에너지 출력 펄스(18)가 요청되었다는 컨트롤러(109)로의 신호이다. 트리거에 기반하여(예컨대, 그에 응답하여, 그 수신에 기반하여, 그 발생에 기반하여 등)(506), 증폭기의 저장된 에너지(10)를 동적 평형(30)으로 유지하는 것은 정지되고 그리고 일련의 동작은 레이저(100) 또는 레이저 시스템(310)으로부터 더 높은 에너지 출력 펄스(18)의 출력(518)을 야기한다.
더 구체적으로, 방법(500)은 증폭기(106)로 낮은 에너지 제어 펄스(12)를 통과시키는 것을 정지(508)시키고 펌핑(502)이 증폭기의 저장된 에너지(10)를 목표 레벨(22)로 증가시키는 것을 기다림(510)으로써 트리거(20)에 응답한다. 통과시키는 것을 정지(508)시키는 것은 소스(103)에 의해 증폭기(106)로 방출되고 있는 제어 펄스를 차단하는 것, 그러한 펄스의 방출을 중단하는 것, 및 그러한 낮은 에너지 제어 펄스(12)를 차단 또는 중단하라고 소스(103)에, 컨트롤러(109)에 의해, 요청 또는 명령하는 것을 포함한다. 통과시키는 것을 정지(508)시키는 것은 또한 다른 낮은 에너지 제어 펄스(12)를 소스(103)에, 컨트롤러(109)에 의해, 요청 또는 명령하지 않는 것을 포함한다.
증폭기의 저장된 에너지(10)가 목표 레벨(22)에 도달할 때, 방법(500)은 높은 에너지 입력 펄스(14)를 증폭기(106)로 통과(512)시켜 증폭기(106)가 높은 에너지 입력 펄스(14)를 더 높은 에너지 출력 펄스(18)로 증폭(514)하게 야기하고 동시다발적으로 증폭기의 저장된 에너지(10)를 목표 레벨(22) 아래의 고갈된 레벨(28)로 감소(516)시키고 그 후 레이저(100) 또는 레이저 시스템(310)으로부터 더 높은 에너지 출력 펄스(18)를 출력(518)한다. 도 2에서, 고갈된 레벨(28)은 하한(26) 아래로 예시되어 있다. 그렇지만, 레이저(100) 또는 레이저 시스템(310)의 구성에 종속하여, 고갈된 레벨(28)은 하한(26)보다 더 높거나 상한(24)보다 더 높을 수 있다.
높은 에너지 입력 펄스(14)를 증폭기(106)로 통과(512)시키는 것은 컨트롤러(109)가 높은 에너지 입력 펄스(14)를 방출하라고 소스(103)에 요청 또는 명령하는 것을 포함할 수 있다. 높은 에너지 입력 펄스(14)를 통과(512)시키는 것은 또한 펄스 버스트를 통과시키는 것을 포함할 수 있다.
출력(518)하는 것은 또한 트리거(20)를 기다리는 동안 증폭된 제어 펄스(16)를 출력하는 것을 포함할 수 있다. 예컨대, 낮은 에너지 제어 펄스(12)는, 증폭 후에도, 미세가공되고 있는 피가공물에 무해할 수 있고 그래서 이들 펄스를 차단하도록 부가적 복잡도를 부가할 필요가 없다. 그렇지만, 일부 실시형태에서, 증폭된 낮은 에너지 제어 펄스(16)는 차단되거나 부분적으로만 출력된다. 예컨대, 출력 제어부(108), 펄스 피커 또는 비-선형 파장 변환기는 증폭기(106) 후에 위치하여 증폭된 낮은 에너지 제어 펄스(16)를 감축하거나 전적으로 차단할 수 있다.
더 높은 에너지 출력 펄스(18)를 출력(518)한 후에, 방법(500)은 증폭기의 저장된 에너지(10)를 동적 평형(30)으로 유지(504)하면서 트리거(20)를 수신하기를 기다리는 것으로 복귀한다. 일부 실시형태에서, (예컨대, 레이저에 전원을 인가하는 것을 포함하여) 방법(500)은 제어 펄스를 연속적으로 인가할 수 있고, 그리고 상한(24)과 하한(26) 사이의 증폭기(106)의 저장된 에너지 평형이 확립될 때까지 기다릴 수 있다.
도 5가 방법(500)의 예시적 블록을 예시하고 있기는 하지만, 일부 구현에서, 방법(500)은 도 5에 묘사된 것들과는 다르게 배열된 블록, 다른 블록, 더 적은 블록, 또는 부가적 블록을 포함할 수 있다. 부가적으로 또는 대안으로, 방법(500)의 블록 중 2개 이상은 병렬로 수행될 수 있다.
도 6a는, 각각의 원형-상단 수직선이 증폭된 펄스의 에너지를 표현하는, 일례의 레이저 시스템(310)에 대한 더 높은 에너지 출력 펄스(18) 및 증폭된 낮은 에너지 제어 펄스(16)의 그래프(600)이다. 처음 50 마이크로초 동안, 레이저 시스템(310)은 어느 제어 펄스도 없이 (출력 펄스들 간 5 마이크로초에 대응하는) 200kHz의 고정된 PRF에서의 더 높은 에너지 출력 펄스(602)를 트리거링한다. 50 마이크로초 후에, 트리거는 무작위로 되고 그리고 제어 펄스는 가능으로 된다. 5 마이크로초의 규칙적 펄스 기간보다 더 짧은 소정 기-설정된 시간(예컨대, 2.5 마이크로초) 후에, 낮은 에너지 제어 펄스(604)는 적합하게 선택된 펄스 에너지로 2㎒의 PRF(펄스들 간 0.5 마이크로초)로 증폭기에 보내진다. 증폭된 제어 펄스(604)는 제어 펄스의 2㎒ PRF가 트리거에 의해 요청된 높은 에너지 입력 펄스의 200kHz PRF보다 10배 더 높기 때문에 더 높은 에너지 출력 펄스(602)의 에너지의 약 10%인 에너지 레벨을 갖는다.
다음 트리거가 수신될 때(도시되지 않음), 제어 펄스(604)는 차단 또는 턴 오프 되어, 점(606)에 의해 식별된 더 높은 에너지 출력 펄스가 증폭 및 출력되는 목표 레벨로 증폭기의 저장된 에너지가 회복될 수 있게 한다. 펄스(606)를 증폭한 후에, 증폭기의 저장된 에너지는 고갈된 레벨로 고갈되고, 그래서 제어 펄스는 증폭기의 저장된 에너지가 상한으로 회복될 때까지 차단된다. 점(608)에서 저장된 에너지는 상한에 도달하고, 제어 펄스는 재차 시작된다. 이러한 시점(대략 80 마이크로초)에서, 다른 트리거는 제1 제어 펄스 후에 수신되고, 제어 펄스는 정지되고, 저장된 에너지는 목표 레벨로 재차 상승하고, 그리고 펄스(602, 606)와 유사한 높은 에너지 입력 펄스가 방출된다. 이러한 패턴은 나머지 트리거링되는 펄스로 계속된다.
도 6b는 도 6a에 대응한다. 도 6b는 도 1 및 도 2에서와 같이 증폭기의 저장 에너지를 연속적으로 트레이싱하는 대신에 증폭기의 저장된 에너지의 전이의 일례의 그래프(610)이다. 증폭기의 저장된 에너지의 전이는 도 6a에서 기술된 출력 펄스를 발생시키는 것과 연관된다. t=50 마이크로초일 때까지, 증폭기의 저장된 에너지는 높은 에너지 입력 펄스가 증폭기에 들어가기 직전 목표 레벨에서의 점(612)과 그 펄스가 더 높은 에너지 출력 펄스로 증폭된 직후 고갈된 에너지 레벨에서의 점(614) 사이에서 발진하여 동적으로 안정하다. t=50 마이크로초인 직후에, 증폭기의 저장된 에너지는, 기-설정된 시간 동안, 목표 레벨 아래의 상한으로 부분적으로만 회복하도록 허용되고 그리고 그 후 낮은 에너지 제어 펄스는 즉시 2 ㎒ PRF 및 펄스당 기-설정된 낮은 에너지로 론칭되어 상한에서의 점(616)과 하한에서의 점(618) 사이의 새로운 동적 정상-상태를 확립한다. 다음 트리거가 수신될 때(도시되지 않음), 제어 펄스는 차단 또는 턴 오프 되어, 증폭기의 저장된 에너지가 5 마이크로초의 원래 펄스 기간보다 더 짧은 시간, 예컨대 2.5 마이크로초 동안 점(620)에서의 목표 레벨로 회복될 수 있게 한다. 그 후 증폭기의 저장된 에너지는 다음 높은 에너지 입력 펄스를 더 높은 에너지 출력 펄스로 증폭하여 증폭기의 저장된 에너지가 점(622)으로 고갈되고 그 후 제어 펄스가 재차 시작되는 점(624)으로 올라가게 야기하도록 준비된 목표 레벨에 있을 것이다. 이러한 시점(대략 t=80 마이크로초)에서, 다른 트리거는 제1 제어 펄스 후에 수신되고, 그래서 제어 펄스는 정지되고, 저장된 에너지는 목표 레벨로 재차 상승하고, 그리고 높은 에너지 입력 펄스가 방출된다. 이러한 패턴은 나머지 트리거링되는 펄스로 계속된다.
도 6c 및 도 6d는, 각각, 도 6a 및 도 6b와 유사하다; 그렇지만, 제어 펄스는 10배 더 빠른 PRF(10배 더 작은 0.05 마이크로초 시간 간격에 대응하는 20㎒)로 인가된다. 이것은 소스로부터의 제어 펄스의 에너지가 대략 10배 더 작을 것을 요구하고 그리고 트리거를 기다리는 동안 더 좁은 동적 평형을 확립한다. 또한 한 단계 더 나아가 시드 발진기의 전 반복률, 예컨대, 100㎒를 사용할 수 있다. 그때 동결 기간은 10㎱의 배수일 것이고, 그래서 트리거와 더 높은 에너지 출력 펄스 간, 타이밍 지터, 또는 시간 지연에서의 최대 차이는 10㎱가 될 것이다. 10㎱ 정도로 낮은 타이밍 지터는 산업 애플리케이션에 충격을 줄 것 같지 않고 완벽한(또는 순시적) 출력 펄스 타이밍이라고 생각될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시형태는 출력 펄스의 무시할 수 있는 타이밍 지터로 그리고 출력 펄스 안정성에 관해 사실상 불이익 없이 초고속 레이저의 임의로 타이밍된 트리거링을 가능하게 한다고 할 수 있다. 유일한 조건은 어느 2개의 트리거 펄스 간에라도 최소 시간적 분리가 있다, 즉, 애플리케이션이 필요로 하는 것에 따라 선택될 수 있는 최대 PRF 및 연관된 트리거링된 출력 펄스 에너지가 있다는 것이다.
목표와 고갈된 에너지 레벨 사이의 동적 평형에서 고정된 PRF로 높은 에너지 펄스로 레이저를 사용하는 것과 본 발명에 따른 제어를 가능으로 하여 더 높은 PRF로 낮은 에너지 제어 펄스를 사용하여 상한과 하한 간 새로운 동적 평형을 확립하는 것 사이에는 전이 시간이 없다는 것을 주목할 만하다. 증폭기는 트리거가 수신될 때까지 항상 동적 평형으로 유지될 수 있다. 제어 펄스의 에너지 및 PRF는, 기-정의된 상한 레벨을 고려하여, 증폭기가 목표 레벨보다 더 낮은 새로운 동적 평형에 있게 되도록 선택된다. 이것은 정규의 고정된 PRF 동작과 트리거 기반 동작 간 레이저 시스템의 동적 및 순시적 전이를 가능하게 한다. 레이징을 시작하여야 하는 부차적 공동이 없다, 즉, 새로운 정상-상태에 도달하기 전에 레이저 스파이킹 체제를 거쳐갈 시간 지연이 없다. 증가된 전이 시간을 초래하고 그리고/또는 증폭기 이득 크리스탈의 열적 상태가 그 평형으로부터 이탈되게 야기하였을 펌프 전력 조절도 필요하지 않다.
도 6a 및 도 6b로 복귀하면, 제어 펄스에 대해 2㎒의 PRF가 선택되었다. 각각의 제어 펄스는 증폭기의 저장된 에너지가 상한으로 회복되기 위해 1/2㎒ = 0.5 마이크로초 회복 시간을 요구한다. 그래서, 증폭기의 저장된 에너지는 바람직하게는 0.5 마이크로초의 배수일 시간 윈도 동안 동결될 수 있다. 트리거에 관한 일정한 레이턴시 시간(예컨대, 지연 시간)을 갖는 출력에 비해, 광학 펄스는 0.5 마이크로초의 시간적 지터를 가질 수 있다. 일부 애플리케이션에서, 이러한 타이밍 지터는 중요하지 않다. 0.5 마이크로초가 중요한 경우, 제어 펄스는 (타이밍 지터를 허용가능한 값으로 감축하도록, 도 6c 및 도 6d에서와 같이) 더 높은 PRF를 가질 수 있다. 도 6c 및 도 6d의 예의 실시형태는 0.05 마이크로초로 감축되는 시간적 지터를 제공한다. 다른 실시형태에서, 무시할 수 있는 타이밍 지터가 소망되고 다소의 에너지 지터가 허용가능할 수 있을 때, 높은 에너지 입력 펄스는 요청된 때, 그러나 증폭기의 저장된 에너지가 목표 레벨에 가까이 있지만 도달하지는 않았을 때 방출될 수 있다.
도 6a 내지 도 6d는 도 5에 도시된 예의 방법(500)과 관련된 증폭기 저장된 에너지 및 펄스 에너지 값의 예의 그래프를 예시한다. 도 6a 내지 도 6d는 단지 예로서 제공된다. 다른 예가 가능하고 기술된 예와는 다를 수 있다.
도 7은 소스(702)가 시드 발진기(704) 및 펄스 피커(706)를 포함하는 마스터 발진기 전력 증폭기 초고속 레이저 시스템(700)을 예시한다. 펄스 발생은 (통상 10-200㎒의 범위에 있는) 고정된 반복률로, 전형적으로는 근적외선 파장 영역(약 1 마이크로미터)에 있는, 낮은 에너지(약 1nJ 내지 100nJ) 피코초 또는 펨토초 시드 펄스(703)를 발생시키는 시드 발진기(704)로 시작된다. 시드 발진기(704)는 모드-동기 시드 발진기, 펄스형 다이오드 레이저, Q-스위치형 레이저, 펄스형 광섬유 레이저, 또는 당업계에 공지된 바와 같이 과도 광학 증폭기에 시딩하는데 적합한 다른 레이저를 포함할 수 있다.
펄스 피커(706)는 시드 발진기(704)로부터 광학 펄스를 수신하고 그리고, 예컨대, 10kHz 내지 100㎒ 범위의 고정된 PRF로 단일 펄스, 때로는 소위 버스트라는 펄스 그룹을 선택함으로써 반복률을 감축할 수 있다. 펄스 피커(706)는 음향-광학적 또는 전자-광학적일 수 있고 그리고 바람직하게는 시드 발진기(704)로부터, 비-반복적 시퀀스를 포함하는, 어느 펄스 시퀀스라도 선택할 수 있다. 더욱, 펄스 피커(706)는 충분히 짧은 응답 시간으로 선택 효율, 즉, 선택된 펄스(707)의 에너지를 제어할 수 있다. 일부 구현에서, 펄스 피커(706)는 5% 미만의 상대 오차로 특정 효율(예컨대, 0.01%, 0.1%, 1%, 10%, 50%, 90% 등)로 광학 신호를 통과시킬 수 있을 수 있다. 일부 구현에서, 펄스 피커(706)는, 일부 구현에서는, 특정 응답 시간(예컨대, 마이크로초 또는 나노초 응답 시간)에 따라 변화될 수 있는 가변 효율로 광학 신호를 통과시킬 수 있을 수 있다. 이것은 펄스 피커(706)가 시드 펄스(703)를 차단하거나, 시드 펄스를 낮은 에너지 제어 펄스(705)로서 부분적으로 통과시키거나, 시드 펄스를 높은 에너지 입력 펄스(707)로서 통과시키거나, 또는 시드 펄스 버스트를 통과시킬 수 있게 한다. 가능한 예로서, 제어 펄스는 대략 1 피코줄, 대략 0.01 나노줄, 대략 0.1 나노줄, 대략 1 나노줄, 대략 0.01 마이크로줄, 대략 0.1 마이크로줄, 대략 2.5 마이크로줄 등의 에너지로 통과될 수 있고, 그리고 높은 에너지 입력 펄스는 제어 펄스보다 4배 더 높은, 제어 펄스보다 10배 더 높은, 제어 펄스보다 100배 더 높은 등의 에너지로 통과될 수 있다.
하나 이상의 스테이지의 증폭기(708)는 소스(702)로부터 펄스 피커(706)에 의해 통과된 제어 펄스(705) 및 입력 펄스(707)를 수신하고 그것들을, 각각, 증폭된 제어 펄스(709) 및 더 높은 에너지 출력 펄스(711)로 증폭한다. 증폭기(708)는 광학 신호를 증폭할 수 있는 하나 이상의 과도, 연속-파-펌핑형 증폭기를 포함한다. 증폭기(708)는 더 높은 에너지 출력 펄스(711)를 대략 1 마이크로줄 내지 1,000 마이크로줄 사이로 증폭할 수 있다. 펄스당 그러한 에너지 레벨에서, 더 높은 에너지 출력 펄스(711)는 콜드 애블레이션, 즉, 낮은 온도에서 재료의 제거 및 그래서 미세가공에 대한 높은 프로세스 품질을 야기할 수 있다. 하나 이상의 증폭기(708)는 하나 이상의 펌프를 포함할 수 있다. 일부 구현에서, 증폭기(708)는 증폭기의 이득 매질을 통한 단일 또는 다수 패스를 갖는 증폭기를 포함할 수 있다.
증폭기(708) 후에, 레이저(700)는 선택사항으로서는 제2 펄스 피커일 수 있는 펄스 온 디맨드 모듈(POD)(710)을 포함한다. POD(710)는 선택사항인 출력 제어부(108)의 일례이다. POD(710)는 광학 빔의 고속 턴 온/오프, 증폭된 제어 펄스(709)의 차단을 가능하게 하고 그리고 출력 펄스(713)로서 레이저(700)로부터 방출되는 더 높은 에너지 출력 펄스(711)의 에너지 레벨을 감소시키거나 완전 통과시키도록 제어를 가능하게 할 수 있다.
컨트롤러(712)는 증폭기의 저장된 에너지를 관리하면서 펄스 피커(706), POD(710) 및 트리거(20)를 조정한다. 컨트롤러(712)는 또한 시드 발진기(704) 또는 하나 이상의 스테이지의 증폭기(708)를 위한 하나 이상의 펌프를 제어할 수 있다.
이러한 방식으로, 본 발명의 실시형태는 시드 발진기(704)의 높은 반복률을 완전히 이용할 수 있다. 시드 펄스(703)의 빔은 높은 에너지 출력 펄스(713)를 발생시키도록 입력 펄스(707)를 증폭기에 시딩하는데는 물론, 요구대로 그리고 높은 시간 해상도로 증폭기의 저장된 에너지를 조정하도록 낮은 에너지 제어 펄스(705)를 제공하는데에도 사용된다. 일 실시형태에서, 단일 음향-광학 변조기(AOM)는 모든 개개의 시드 펄스의 에너지를 조정하는 컨트롤러(712)에 의해 구동된다. 이러한 고도로 동적인 변조 능력은 높은 에너지 입력 펄스(707)는 물론 낮은 에너지 제어 펄스(705)도 제어하도록 단일 AOM을 사용하는 것을 가능하게 한다. 후자는 연이은 높은 에너지 입력 펄스(707) 간 시간 간격보다 더 짧은, 바람직하게는 훨씬 짧은 시간 간격을 갖는다. 제어 펄스(705)의 간격이 고체-상태 이득 재료의 상위 상태 수명(전형적으로는 100 마이크로초 내지 2000 마이크로초)보다 더 짧은 크기의 차수(예컨대, 대략 10 나노초 내지 1 마이크로초)일 수 있기 때문에, 제어 펄스(705)의 빔은 사실상 연속파로서 증폭기(708)에 보인다. 이것은 증폭기(708)의 스테이지의 이득 진화에 대한 완전 제어를 가능하게 한다. 증폭기 이득 재료의 더 느린 응답 시간은 또한 높은 PRF 낮은 에너지 펄스의 빔 대신에 낮은 평균 전력 연속파(cw) 빔을 제공하도록 낮은 전력 cw 소스로 단일의 높은 PRF 소스(702)의 대체를 가능하게 한다. 그러한 대안의 실시형태는 높은 에너지 입력 펄스(707)를 위한 제2 레이저 또는 제2 소스를 포함할 것이다.
도 7의 예의 실시형태로 복귀하면, 제어 펄스(705)가 증폭기(708)의 현재 이득에 매칭되는 광학 전력을 가지므로, 컨트롤러(712)는 증폭기의 저장된 에너지를 조정하는데 완전 제어를 갖는다. 이것은 어느 이득 다이내믹스라도 제거하는 것을 가능하게 한다. 높은 시드 발진기 반복률에 기인하여, 제어 펄스(705)는 그것들이 필요로 되자마자 그리고 필요로 되는 전력으로 (증폭기(708)의 응답 시간보다 더 큰 시간 간격으로) 본질적으로는 순시적으로 이용가능하다. 따라서, 본 발명의 실시형태는, 임의 시간 지속시간 동안 그리고 어느 저장된 에너지 레벨에서라도, 증폭기(708)의 저장된 에너지(및 그리하여 증폭기(708)의 이득)의 거의 순시적 동결이 가능하다. 이것은, 소망되는 어느 에너지 레벨에서라도, 필요로 되는 정도로 길게 단순히 증폭기의 이득 진화(증폭기의 저장된 에너지의 변화)를 휴지시킴으로써 불규칙한 트리거링을 가능하게 한다.
도 7의 예의 실시형태에서, 낮은 에너지 제어 펄스는 바람직하게는, 그들 에너지 및 그들 타이밍을 제외하고는, 높은 에너지 입력 펄스와 동일한 광학 속성을 갖는다. 그래서, 제어 펄스는, 어떠한 복잡도도 부가하지 않고, 어느 수의 스테이지라도 포함하고 있는 복합 증폭기 체인을 제어하도록 사용될 수 있다. 다양한 스테이지는 심지어 매우 다를 수 있고, 제1 스테이지는 낮은 에너지에서 10000배의 이득을 제공할 수 있고, 그리고 제2 스테이지는 높은 에너지에서 2배의 이득을 제공할 수 있고, 그것들 양자는 동일한 제어 펄스에 의해 안정화될 것인데 후자가 본질적으로는 높은 에너지 입력 펄스와 (증폭기에 의해) 구별될 수 없기 때문이다. 증폭기의 전체 체인은 목표 레벨 아래에서 동적 평형으로 일정하게 유지될 수 있다.
제어 펄스를 증폭하는 것은 트리거가 없을 때 증폭기의 저장된 에너지가 과도하게 증가하는 것을 방지한다. 그렇지만, 증폭된 제어 펄스를 출력하는 것은 일부 애플리케이션에서는 바람직하지 않을 수 있다. 일부 실시형태에서, 증폭된 제어 펄스는 그것들이 레이저 시스템을 퇴장하기 전에 덤핑될 수 있다. POD와 같은 출력 제어부가 있으면, 그것은 증폭된 제어 펄스를 제거하도록 용이하게 사용될 수 있다. 다른 가능성은 일종의 비선형성에 의존함으로써 더 낮은(잠재적으로는 훨씬 더 낮은) 제어 펄스 에너지를 사용하는 것이다. 본 출원 자체는 이러한 비선형성을 제공할 수 있다. 초단 레이저 펄스로 미세가공에서, 예컨대, 콜드 애블레이션의 프로세스는 임계 에너지를 갖고 그리고 증폭된 제어 펄스는 이러한 임계치 아래에 있을 수 있다. 파장 변환된 레이저에서, 비선형성은 파장 변환 프로세스에 의해 제공될 수 있다. 예컨대, 트리거링된, 더 높은 에너지 출력 펄스의 최대 PRF보다 100배 더 높은, 높은 제어 펄스 PRF를 선택함으로써, 증폭된 제어 펄스 에너지는 더 높은 에너지 출력 펄스에 비해 100배 더 작을 것이다. 그래서, 증폭된 제어 펄스는 변환되지 않은 제어 펄스가 파장 필터링을 사용하여 파장-변환된 출력 펄스와 용이하게 분리될 수 있게 되도록 무시할 수 있는 효율을 갖는 더 높은 고조파 파장으로 변환될 것이다.
도 5에 예시된 바와 같이, 방법(500)은 트리거를 수신하는 것을 포함할 수 있다. 일부 구현에서, 컨트롤러(109)는 외부 트리거를 수신할 수 있다. 예컨대, 레이저 시스템은 (예컨대, 빔이 작업 표면(예컨대, 작업 표면(330))에 상대적으로 이동될 때 출력된 펄스의 물리적 간격을 유지하기 위해) 트리거링된 펄스가 출력되어야 하는 시간에 기반하여 트리거를 수신할 수 있다. 일부 구현에서, 레이저 시스템은 내부 트리거를 발생시킬 수 있다. 예컨대, 레이저 시스템이 제1 PRF로 펄스를 출력한다고 가정한다. 레이저 시스템이 (예컨대, 제1 PRF가 변화되게 야기하는 사용자 상호작용에 기반하여, 레이저 시스템의 입력에 인가된 전압에 기반하여 등) 제2의, 더 낮은 PRF로 변화시키기로 결정한다고 더 가정한다. 일부 경우에서, 레이저 시스템은 제2 PRF로 내부 트리거를 발생시킬 수 있다. 일부 구현에서, 레이저 시스템은, 레이저를 사용하는 애플리케이션에 특정된 명령어에 기반하여, 레이저 시스템과 연관된 컴퓨터 프로그램에 기반하여 등, 특정 반복 주파수 없이(예컨대, 무작위로, 임의로, 불규칙하게 등), 변화하는 PRF로 내부 트리거를 발생시킬 수 있다.
일부 구현에서, 컨트롤러(109)는 시간량에 기반하여 증폭기의 저장된 에너지가 목표 레벨로 펌핑되었다고 결정할 수 있다. 예컨대, 펌프(107)가 특정률로 증폭기(106)의 저장된 에너지를 펌핑한다고 가정하고, 그리고 각각의 낮은 에너지 제어 펄스가 목표 임계치보다 더 작은 특정 값으로 증폭기(106)의 저장된 에너지를 고갈시킨다고 가정한다. 그 경우에, 컨트롤러(109)는, 가장 최근 제어 펄스가 증폭되었던 시간에 기반하여, 저장된 에너지가 목표 임계치를 충족한다고 결정하도록 구성될 수 있다. 예컨대, 제어 펄스가 증폭되는 것과 저장된 에너지가 목표 이득 임계치로 펌핑되는 것 사이에 특정량의 시간이 지나갈 수 있고, 그리고 컨트롤러(109)는 가장 최근 제어 펄스가 증폭된 이후로 특정량의 시간이 지나갔다고 결정할 수 있다. 부가적으로 또는 대안으로, 컨트롤러(109)는 센서에 기반하여 저장된 에너지가 목표 임계치로 펌핑되었다고 결정할 수 있다.
타이밍 지터는 트리거를 수신하는 것과 더 높은 에너지 출력 펄스를 출력하는 것 사이의 최소와 최대 시간 지연 간 차이라고 지칭될 수 있다. 본 발명에 따른 레이저 시스템에 대한 타이밍 지터는 제어 펄스와 연관된 높은 PRF의 역과 같을 수 있다. 최소 시간 지연은 레이저 시스템이 제어 펄스를 요청하기 직전에 트리거를 수신하는 경우 일어날 수 있다. 최대 시간 지연은 레이저 시스템이 제어 펄스를 요청한 직후에 트리거를 수신하는 경우 일어날 수 있다. 레이저(100)는 (동일한 평균 전력에 대해) 더 낮은 에너지 제어 펄스로 더 높은 PRF를 사용함으로써 타이밍 지터를 감축하고 시간 지연을 감축할 수 있다. 감축된 타이밍 지터는 미세가공 프로세스의 정확도를 개선할 수 있다. 가능한 예로서, 타이밍 지터 값은 대략 5 나노초 내지 대략 100 나노초 사이에 있을 수 있거나, 또는 다른 범위의 시간 값 내에 있을 수 있다.
이제까지, 예시적 실시형태는 임의로 타이밍된 트리거링 그러나 일정한 에너지 출력 펄스가 가능하기 위해 증폭기의 저장된 에너지를 조정하고 그로써 과도 광학 증폭기의 이득을 동결하는 높은-해상도 제어 펄스의 인가를 기술하였다. 광학 이득을 제어하는 기저 원리는 또한 펄스 에너지 변조를 구현하는데 사용될 수 있다, 즉, 출력 펄스 에너지 레벨을 일정하게 유지하는 대신에, 본 발명의 실시형태는 더 높은 에너지 레벨, POD 또는 펄스 피커가 할 수 없는 어떤 것을 갖게 연속하는 출력 펄스를 변조하도록 구성될 수 있다.
일부 구현에서, 레이저(100)는 레이저 펄스의 증폭을 조정하도록 여러 다른 세트의 파라미터를 사용할 수 있다. 예컨대, 레이저(100)는 제1 PRF로부터 (예컨대, 더 높은 출력 에너지 및 더 낮은 PRF와 연관되는) 제2 PRF로 또는 (예컨대, 더 낮은 출력 에너지 및 더 높은 PRF와 연관되는) 제3 PRF로 등 변화될 수 있다. 제1 PRF, 제2 PRF 및 제3 PRF는 각각의 제1 시간 간격 및 각각의 제2 시간 간격과 각각 연관될 수 있다. 제1 시간 간격은 높은 에너지 입력 펄스를 증폭하는 것과 낮은 에너지 제어 펄스의 증폭을 재개하는 것 사이에 기다릴 시간량을 정의할 수 있다. 제2 시간 간격은, 트리거가 수신되고 상한에 도달된 후, 시간량을 정의할 수 있으며, 그 후에 높은 에너지 입력 펄스를 증폭한다. 레이저(100)는 여러 다른 PRF에 대응하여 제1 시간 간격과 제2 시간 간격을 사용함으로써 여러 다른 PRF 간 스위칭할 수 있다. 예컨대, 제1 PRF로부터 제2 PRF로 스위칭하기 위해, 레이저(100)는 제1 PRF와 연관된 제1 시간 간격 및 제2 시간 간격을 사용하는 것을 정지시킬 수 있고, 그리고 제2 PRF와 연관된 제1 시간 간격 및 제2 시간 간격을 사용하는 것을 시작할 수 있다.
도 8은 일례의 재생 증폭기 레이저 시스템(800)을 예시한다. 레이저 시스템(800)은 (예컨대, 시드 발진기(SO)(810) 및 펄스 피커(PP)(820)를 포함하는) 소스(809), 하나 이상의 증폭기(830), 하나 이상의 펌프 소스(840), 출력 제어부(850), 컨트롤러(860), 포켈스 셀(Pockels cell: PC)(870), 및 편광 컴포넌트(880)를 포함할 수 있다. 소스(809), 시드 발진기(810), 펄스 피커(820), 펌프 소스(840), 출력 제어부(850), 및 컨트롤러(860)는, 위에, 도 7과 연관하여 더 상세히 기술되어 있다. 증폭기(830)는 당업계에 주지되어 있는 바와 같은 재생 증폭기를 포함한다. 증폭기(830)는 2개의 미러(M1, M2) 사이에 획정된 공진기 공동, 이득 매질(831), 포켈스 셀(870), 및 편광 컴포넌트(880)를 포함할 수 있다. 포켈스 셀(870)은 광학 신호가 편광 컴포넌트(880)에 의해 공진기 공동 안으로 통과되는지 그리고/또는 밖으로 통과되는지 제어할 수 있고 그리고/또는 공진기 공동이 차단되는지 또는 차단되지 않는지(예컨대, 폐쇄되는지 또는 개방되는지) 제어할 수 있다. 포켈스 셀(870)은 높은 에너지 펄스를 취급할 수 있는 나노초 응답 시간을 갖는 다른 스위치 또는 다른 전자-광학 스위치를 포함할 수 있다.
MOPA 레이저 시스템에서, 증폭기를 통하는 모든 펄스는, (예컨대, MOPA 레이저 시스템에서와 같이) 멀티-패스 증폭기에서, 패스의 수량은 증폭기를 통하는 빔 경로의 공간적 구성에 의해 정의되기 때문에 동일한 수의 패스를 한다. 재생 레이저 시스템에서, 컨트롤러(860)는 포켈스 셀(870)을 제어함으로써 펄스(예컨대, 높은 에너지 입력 펄스 및 낮은 에너지 제어 펄스)가 증폭기를 통해 다른 수의 패스를 하게 야기할 수 있다. 가능한 일례로서, 낮은 에너지 제어 펄스는 트리거를 기다리는 동안 이득 매질을 통해 하나의 라운드 트립만을 통과할 수 있다. 일부 실시형태에서, 제어 펄스당 이러한 단일 라운드 트립은 증폭기의 저장된 에너지를 조정하기에 충분할 수 있다. 다른 실시형태에서는, 재생 증폭기의 이득 매질을 통한 다수 패스가 요구될 수 있다. 이것은, 예컨대, 공동에서의 제어 펄스의 일부가 빠져나가는 한편 소스로부터의 다른 제어 펄스의 일부가 증폭기에 들어오게 되도록 포켈스 셀(870)을 통해 제어 펄스를 부분적으로 통과시킴으로써 달성될 수 있다. 부가적으로 또는 대안으로, 이것은, 예컨대, 제어 펄스의 에너지가 저장된 에너지를 소망의 하한으로 고갈시키기에 충분히 높게 되기 위해, 기-정의된 수량의 라운드 트립 동안 제어 펄스를 포착함으로써 달성될 수 있다.
도 7 및 도 8에 도시된 컴포넌트의 수 및 배열은 일례로서 제공된다. 실제로는, 도 7 및 도 8에 도시된 것들과는 다르게 배열된 컴포넌트, 다른 컴포넌트, 더 적은 컴포넌트, 또는 부가적 컴포넌트가 있을 수 있다. 예컨대, 레이저 시스템(800)은 하나 이상의 패러데이 회전자, (예컨대, 펄스 피커(820)와 편광 컴포넌트(880) 사이의, 포켈스 셀(870)과 편광 컴포넌트(880) 사이의 등) 하나 이상의 파장판, 출력 제어부(850), 하나 이상의 부가적 편광 컴포넌트(880) 등을 포함할 수 있다.
더욱, 도 7 및 도 8에 도시된 2개 이상의 컴포넌트는 단일 디바이스 내에 구현될 수 있다. 부가적으로 또는 대안으로, 레이저 시스템(700, 800)의 일 세트의 컴포넌트(예컨대, 하나 이상의 컴포넌트)는, 각각, 레이저 시스템(700, 800)의 다른 세트의 컴포넌트에 의해 수행되는 것으로 기술된 하나 이상의 기능을 수행할 수 있다.
상기 개시는 예시 및 설명을 제공하지만, 개시된 바로 그 형태로 구현을 한정하거나 총망라한 것으로 의도되지는 않는다. 수정 및 변형은 위 개시에 비추어 가능하거나 또는 구현의 실시로부터 취득될 수 있다.
여기에서 기술된 시스템 및/또는 방법이 여러 다른 형태의 하드웨어, 펌웨어, 또는 하드웨어와 소프트웨어의 조합으로 구현될 수 있음은 분명할 것이다. 이들 시스템 및/또는 방법을 구현하는데 사용된 실제 전문적 제어 하드웨어 또는 소프트웨어 코드는 구현의 한정은 아니다. 그리하여, 시스템 및/또는 방법의 동작 및 거동은 여기에서는 특정 소프트웨어 코드에 대한 참조 없이 기술되었다 - 소프트웨어 및 하드웨어는 여기에서의 설명에 기반하는 시스템 및/또는 방법을 구현하도록 설계될 수 있다고 이해되는 것이다.
특징의 특정 조합이 청구범위에서 나열되고/되거나 명세서에서 개시되고 있기는 하지만, 이들 조합은 가능한 구현의 개시를 한정하려는 의도는 아니다. 실제로, 이들 특징 중 다수는 구체적으로는 청구범위에서 나열되고/되거나 명세서에서 개시되지 않은 방식으로 조합될 수 있다. 아래에 열거된 각각의 종속 청구항이 하나의 청구항에만 직접 종속할 수 있기는 하지만, 가능한 구현의 개시는 청구항 세트 내 모든 다른 청구항마다 조합한 각각의 종속 청구항을 포함한다.
여기에서 사용된 어떠한 요소, 단계 또는 명령어도 중대하거나 본질적이라고 명시적으로 기술되지 않는 한 그처럼 해석되어서는 안 된다. 또한, 여기에서 사용될 때, 부정 관사는 하나 이상의 항목을 포함하려는 의도이고, "하나 이상"과 호환가능하게 사용될 수 있다. 더욱, 여기에서 사용될 때, 용어 "세트"는 하나 이상의 항목(예컨대, 관련된 항목, 무관한 항목, 관련된 항목과 무관한 항목의 조합 등)을 포함하려는 의도이고, "하나 이상"과 호환가능하게 사용될 수 있다. 하나의 항목만이 의도되는 경우에는, 용어 "하나" 또는 유사한 언어가 사용된다. 또한, 여기에서 사용될 때, 용어 "갖는다" 또는 그 활용형들은 개방형 용어가 되게 하려는 의도이다. 더욱, 구절 "기반하는"은, 명시적으로 달리 서술되지 않는 한, "적어도 부분적으로 기반하는"을 의미하려는 의도이다.

Claims (33)

  1. 방법으로서,
    과도 광학 증폭기를 연속적으로 펌핑하는 단계로서, 그로써 상기 증폭기의 저장된 에너지를 증가시키고, 상기 증폭기의 저장된 에너지는 3개의 증가하는 에너지 레벨인
    동적 평형의 하한,
    상기 동적 평형의 상한, 및
    높은 에너지 입력 펄스를 더 높은 에너지 출력 펄스로 증폭하기 위한 저장된 에너지를 정의하는 목표 레벨과 연관된 상기 펌핑하는 단계;
    높은 반복 주파수로 소스로부터 상기 증폭기로 낮은 에너지 제어 펄스를 통과시킴으로써 상기 증폭기의 저장된 에너지를 상기 동적 평형으로 유지하는 단계; 및
    트리거를 수신하는 것에 기반하여,
    상기 증폭기로 낮은 에너지 제어 펄스를 통과시키는 것을 정지시키는 단계,
    상기 펌핑하는 단계가 상기 증폭기의 저장된 에너지를 상기 목표 레벨로 증가시키기를 기다리는 단계,
    상기 증폭기로 상기 높은 에너지 입력 펄스를 통과시키는 단계,
    상기 높은 에너지 입력 펄스를 더 높은 에너지 출력 펄스로 증폭하는 단계로서, 그로써 상기 증폭기의 저장된 에너지를, 상기 목표 레벨 아래로, 고갈된 레벨로 감소시키는 상기 증폭하는 단계, 및
    상기 더 높은 에너지 출력 펄스를 출력하는 단계를 포함하는, 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 소스는 5 메가헤르츠(㎒)보다 더 큰 펄스 반복 주파수를 갖는 단펄스 레이저 소스; 및 상기 단펄스 레이저 소스로부터의 레이저 펄스의 방출 및 에너지를 제어하기 위한, 상기 단펄스 레이저 소스에 광학적으로 접속된, 펄스 피커를 포함하는, 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 레이저 펄스의 상기 방출 및 에너지를 제어하는 것은
    상기 단펄스 레이저 소스로부터의 레이저 펄스를, 상기 펄스 피커에 의해, 통과시키거나, 부분적으로 통과시키거나 또는 차단하는 것을 포함하는, 방법.
  4. 제2항에 있어서, 상기 낮은 에너지 제어 펄스를 통과시키는 것을 정지시키는 단계는
    상기 단펄스 레이저 소스로부터의 레이저 펄스를, 상기 펄스 피커에 의해, 차단하는 단계를 포함하는, 방법.
  5. 제2항에 있어서, 상기 단펄스 레이저 소스 또는 상기 펄스 피커 중 적어도 하나는 마이크로초-이하 응답 시간을 제공하는, 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 낮은 에너지 제어 펄스, 상기 높은 에너지 입력 펄스, 및 상기 더 높은 에너지 출력 펄스는 1 마이크로초보다 더 작은 펄스 폭을 갖는, 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 고갈된 레벨은 상기 동적 평형의 상기 하한보다 더 낮은, 방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 동적 평형의 중심 에너지 레벨은 상기 목표 레벨에 또는 상기 고갈된 레벨에보다 상기 목표 레벨과 상기 고갈된 레벨의 중심 에너지 레벨에 더 가까운, 방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 트리거를 수신하는 것과 상기 더 높은 에너지 출력 펄스를 출력하는 것 사이의 시간 지연은 대략 5 나노초 내지 대략 100 나노초 사이인, 방법.
  10. 디바이스로서,
    3개의 증가하는 에너지 레벨인
    동적 평형의 하한,
    상기 동적 평형의 상한, 및
    높은 에너지 입력 펄스를 더 높은 에너지 출력 펄스로 증폭하기 위한 저장된 에너지를 정의하는 목표 레벨과 연관된 저장된 에너지를 갖는 과도 광학 증폭기;
    상기 증폭기의 저장된 에너지를 증가시키기 위한 펌프;
    상기 증폭기로 낮은 에너지 제어 펄스 또는 상기 높은 에너지 입력 펄스를 통과시키기 위한 소스; 및
    컨트롤러를 포함하고, 상기 컨트롤러는
    높은 반복 주파수로 상기 증폭기로 낮은 에너지 제어 펄스를 통과시키라고 상기 소스에 요청함으로써 상기 증폭기의 저장된 에너지를 상기 동적 평형으로 유지하고;
    트리거를 수신하기를 기다리고; 그리고
    상기 트리거를 수신하는 것에 기반하여,
    상기 증폭기로 낮은 에너지 제어 펄스를 통과시키는 것을 정지시키고, 그리고
    상기 증폭기의 저장된 에너지가 상기 목표 레벨에 도달할 때 상기 증폭기로 상기 높은 에너지 입력 펄스를 통과시키라고 상기 소스에 요청하도록 구성된, 디바이스.
  11. 제10항에 있어서, 상기 소스는 레이저 다이오드를 포함하는, 디바이스.
  12. 제11항에 있어서, 상기 컨트롤러는, 상기 낮은 에너지 제어 펄스를 통과시키는 것을 정지시킬 때,
    상기 레이저 다이오드에 의한 펄스의 방출을 방지하도록 상기 레이저 다이오드를 제어하도록 구성되는, 디바이스.
  13. 제10항에 있어서, 상기 소스는 연속파 낮은 평균 전력 제어 빔으로서 상기 낮은 에너지 제어 펄스를 제공하는 연속파 레이저 및 상기 높은 에너지 입력 펄스를 제공하는 제2 레이저를 포함하는, 디바이스.
  14. 제10항에 있어서, 상기 증폭기의 저장된 에너지는 상기 높은 에너지 입력 펄스의 증폭에 의해 고갈된 레벨로 고갈되고; 그리고
    상기 높은 반복 주파수는 상기 낮은 에너지 제어 펄스 없이 상기 목표 레벨과 상기 고갈된 레벨 사이의 평형으로 상기 증폭기의 저장된 에너지를 유지하였을 반복 주파수보다 더 큰, 디바이스.
  15. 제14항에 있어서, 상기 상한과 상기 하한 간 차이는 상기 목표 레벨과 상기 고갈된 레벨 간 차이의 60 퍼센트보다 작거나 같은, 디바이스.
  16. 제14항에 있어서, 상기 상한과 상기 하한 간 차이는 상기 목표 레벨과 상기 고갈된 레벨 간 차이의 20 퍼센트보다 작거나 같은, 디바이스.
  17. 제16항에 있어서, 상기 더 높은 에너지 출력 펄스를 출력하는 것을 더 포함하고; 그리고
    상기 상한과 상기 하한 간 상기 차이를 감소시키는 것은
    상기 더 높은 에너지 출력 펄스를 출력하는 시간과 상기 트리거를 수신하는 시간 간 타이밍 지터, 또는
    소망 에너지 레벨과 상기 더 높은 에너지 출력 펄스의 에너지 레벨 간 에너지 지터 중 적어도 하나를 감소시키는, 디바이스.
  18. 제10항에 있어서, 상기 증폭기는
    하나 이상의 단일 패스 증폭기,
    하나 이상의 멀티-패스 증폭기, 또는
    하나 이상의 단일 패스 증폭기와 하나 이상의 멀티-패스 증폭기의 조합 중 적어도 하나를 포함하는, 디바이스.
  19. 제10항에 있어서, 상기 컨트롤러는
    상기 트리거가 버스트로 일련의 펄스를 제공하도록 나타낸다고 결정하고; 그리고
    상기 증폭기의 저장된 에너지가 상기 목표 레벨에 도달할 때, 버스트로 상기 일련의 펄스로서 상기 높은 에너지 입력 펄스를 요청하게 되는, 디바이스.
  20. 제10항에 있어서, 출력 전에 더 높은 에너지 출력 펄스 및 증폭된 낮은 에너지 제어 펄스의 에너지 레벨을 감축, 차단 또는 통과시키도록, 상기 증폭기 후에, 출력 제어부를 더 포함하는, 디바이스.
  21. 제20항에 있어서, 상기 컨트롤러는 상기 컨트롤러가 상기 소스로부터 낮은 에너지 펄스를 요청하고 있을 때 펄스를 차단하라고 상기 출력 제어부에 요청하도록 구성되는, 디바이스.
  22. 제20항에 있어서, 상기 출력 제어부는 펄스 피커 또는 펄스-온-디맨드를 포함하는, 디바이스.
  23. 제10항에 있어서, 상기 증폭기 후에 비선형 파장 변환기를 더 포함하는, 디바이스.
  24. 제10항에 있어서, 상기 디바이스는 다수의 트리거를 수신하고 상기 다수의 트리거에 대응하는 다수의 더 높은 에너지 출력 펄스를 출력하고; 그리고
    상기 다수의 트리거에 대응하는 상기 다수의 더 높은 에너지 출력 펄스의 타이밍 지터 및 에너지 지터는, 각각, 대략 1 마이크로초 및 5%보다 더 작은, 디바이스.
  25. 단펄스 레이저 이득 조정 방법으로서,
    레이저 시스템의 과도 광학 증폭기를, 상기 레이저 시스템에 의해, 펌핑하는 단계로서, 그로써 상기 증폭기의 저장된 에너지를 증가시키는 상기 펌핑하는 단계;
    트리거를 수신하기를, 상기 레이저 시스템에 의해, 기다리는 단계;
    상기 증폭기의 저장된 에너지가 유지 에너지 레벨 아래에 있는 동안, 상기 증폭기로 상기 레이저 시스템의 펄스 소스로부터의 레이저 펄스의 방출을, 상기 레이저 시스템에 의해, 방지하는 단계;
    상기 증폭기의 저장된 에너지가 상기 유지 에너지 레벨에 도달하고 그리고 상기 트리거가 수신되지 않았을 때, 상기 펄스 소스로부터 상기 증폭기로 낮은 에너지 제어 펄스를, 상기 레이저 시스템에 의해, 방출하는 단계로서, 각각의 낮은 에너지 펄스는 상기 증폭기의 저장된 에너지의 일부를 감소시키고, 펌핑에 반작용하고, 그로써 상기 증폭기의 저장된 에너지를 상기 유지 에너지 레벨 아래 및 가까이의 동적 평형으로 유지하는 상기 방출하는 단계;
    상기 트리거가 수신될 때, 상기 증폭기의 저장된 에너지가 상기 유지 에너지 레벨보다 더 높은 목표 에너지 레벨에 도달할 때까지 상기 증폭기로 상기 펄스 소스로부터의 레이저 펄스의 방출을, 상기 레이저 시스템에 의해, 방지하고, 그 후 상기 펄스 소스로부터 상기 증폭기로 높은 에너지 입력 펄스를 방출하고, 더 높은 에너지 출력 펄스로 상기 증폭기에서 상기 높은 에너지 입력 펄스를 증폭하는 단계; 및
    상기 더 높은 에너지 출력 펄스를, 상기 레이저 시스템에 의해, 출력하는 단계를 포함하는, 단펄스 레이저 이득 조정 방법.
  26. 제25항에 있어서, 상기 트리거는 어느 임의 시간에라도 상기 레이저 시스템의 컨트롤러 내부에서 발생되거나 외부에서 수신되는, 단펄스 레이저 이득 조정 방법.
  27. 제25항에 있어서, 증폭 이전에, 상기 낮은 에너지 제어 펄스의 각각의 낮은 에너지 제어 펄스는 상기 높은 에너지 입력 펄스보다 각각 더 작은, 또는 25%, 에너지를 포함하고; 그리고 상기 낮은 에너지 제어 펄스의 반복률은 상기 낮은 에너지 제어 펄스 없이 상기 목표 레벨과 고갈된 레벨 사이의 평형으로 상기 증폭기의 저장된 에너지를 유지하였을 펄스 반복 주파수(PRF)보다 각각 더 크거나, 또는 4배이고,
    상기 증폭기의 저장된 에너지는 상기 높은 에너지 입력 펄스의 증폭에 의해 상기 고갈된 레벨로 고갈되는, 단펄스 레이저 이득 조정 방법.
  28. 제25항에 있어서, 증폭 이전에, 상기 낮은 에너지 제어 펄스의 각각의 낮은 에너지 제어 펄스는 상기 높은 에너지 입력 펄스의 에너지의 대략 0.1% 내지 대략 40% 사이를 포함하는, 단펄스 레이저 이득 조정 방법.
  29. 제25항에 있어서, 상기 낮은 에너지 제어 펄스의 각각의 낮은 에너지 제어 펄스는 대략 0.001 나노줄(nanojoule) 내지 대략 100 나노줄 사이의 에너지를 포함하는, 단펄스 레이저 이득 조정 방법.
  30. 제25항에 있어서, 상기 낮은 에너지 제어 펄스는 에너지 및 타이밍을 제외하고는 상기 높은 에너지 입력 펄스와 동일한 광학 속성을 갖는, 단펄스 레이저 이득 조정 방법.
  31. 제25항에 있어서, 상기 높은 에너지 입력 펄스는 상기 더 높은 에너지 출력 펄스로서 출력되기 전에 상기 증폭기의 이득 매질을 통해 다수 횟수 주행하는, 단펄스 레이저 이득 조정 방법.
  32. 제25항에 있어서, 상기 트리거를 수신하는 것과 상기 더 높은 에너지 출력 펄스를 출력하는 것 사이의 시간 지연은 대략 1 마이크로초보다 더 작은, 단펄스 레이저 이득 조정 방법.
  33. 제25항에 있어서, 상기 레이저 시스템은,
    나노초 레이저,
    피코초 레이저,
    펨토초 레이저,
    마스터 발진기 전력 증폭기 레이저, 또는
    재생 증폭기 레이저 중 하나를 포함하는, 단펄스 레이저 이득 조정 방법.
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