KR20180006675A - 레이저 펄스 필터 및 이를 구비한 레이저 출력장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 왜곡에 의해 발생된 프리 펄스와 포스트 펄스를 필터링 할 수 있는 레이저 펄스 필터 및 이를 구비한 레이저 출력장치에 관한 것으로서, 본 발명의 일 형태에 따르면, 소스 레이저 펄스를 발진시키는 레이저 발진기, 상기 레이저 발진기에서 발진된 소스 레이저 펄스를 시간적으로 늘리는 펄스 확장기, 상기 펄스 확장기에서 시간적으로 늘려진 레이저 펄스를 증폭하는 증폭기, 증폭된 레이저 펄스에 포함된 프리펄스와 포스트펄스를 필터링 하는 레이저 펄스 필터, 상기 레이저 펄스 필터를 통과한 레이저 펄스를 시간적으로 압축하는 펄스 압축기를 포함하는 레이저 펄스 필터가 구비된 레이저 출력장치가 개시된다.

Description

레이저 펄스 필터 및 이를 구비한 레이저 출력장치{Laser Pulse Filter and Device for Emitting Laser having the Same}
본 발명은 레이저 펄스 필터 및 이를 구비한 레이저 출력장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 왜곡에 의해 발생된 프리 펄스와 포스트 펄스를 필터링 할 수 있는 레이저 펄스 필터 및 이를 구비한 레이저 출력장치에 관한 것이다.
레이저 출력장치는 산업 현장은 물론, 각종 과학연구분야에 사용되고 있다. 그 중에 초 고출력(PW), 극초단(fs) 레이저 펄스는 과학 연구용 X-ray 소스나 핵융합, 입자물리연구, 초극단 물리현상 분석 과학연구분야등에 사용되고 있다.
이러한 초 고출력 레이저는 그 출력이 커질수록 극한 조건의 물리적 환경을 제공할 수 있으므로, 출력의 증대를 위한 연구가 지속되고 있다.
한편, 레이저의 고출력을 위하여, 최근 처프펄스증폭(CPA)방식이 개발되고 있다.
레이저 펄스를 직접적으로 증폭시킬 경우, 레이저 시스템을 구성하는 광학 부품들의 한계 때문에 레이저 펄스를 길게 변형할 수 있는 처프펄스를 사용한다.
처프펄스증폭방식이란 레이저가 증폭하는 동안 임계 출력 미만이 되도록 충분히 긴 펄스폭으로 상기 소스가 되는 레이저 펄스를 시간적으로 늘린다. 그리고, 임계 출력에 도달할 만큼 충분히 증폭되면 레이저 펄스를 원래의 극초단 펄스로 압축하여 고출력 레이저 빔을 발생시키는 기술이다.
그러나, 이러한 CPA방식에서도 레이저 빔이 증폭될 때 증폭매질을 통과하면서 증폭매질에 축적되는 열 때문에 왜곡이 발생된다. 일반적으로 이러한 왜곡된 펄스는 주 펄스의 10-5 정도인데, 레이저 출력이 고출력 PW 급으로 발전되면서, 왜곡에 의해 발생되는 프리 펄스 또는 포스트 펄스 또한 GW급으로 발생되어 대상물이 메인펄스에 의해 반응되기 전에 프리 펄스에 먼저 반응되어 원하는 결과를 얻기 힘든 문제점이 있다.
한편, 이러한 왜곡된 펄스에 의한 문제점을 해결하기 위하여 플라즈마 미러를 사용하고 있는데, 이러한 플라즈마 미러는 반복사용이 불가한 일회용 부품이며, 플라즈마 미러 교체 후 정렬을 위한 기계적인 정렬장치가 필요하여 반복사용이 불편하며 시간이 오래걸리는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, CPA 방식에서 발생되는 프리 펄스와 포스트 펄스를 필터링 하기 위한 레이저 펄스 필터 및 이를 구비한 레이저 출력장치를 제공하는 것이 과제이다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않는 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 형태에 따르면, 소스 레이저 펄스를 발진시키는 레이저 발진기(Laser Oscillator), 상기 레이저 발진기에서 발진된 소스 레이저 펄스를 시간적으로 늘리는 펄스 확장기(Optical Expander), 상기 펄스 확장기에서 시간적으로 늘려진 레이저 펄스를 증폭하는 증폭기(Laser Amplifier), 증폭된 레이저 펄스에 포함된 프리펄스와 포스트펄스를 필터링 하는 레이저 펄스 필터(Spatial Filter), 상기 레이저 펄스 필터를 통과한 레이저 펄스를 시간적으로 압축하는 펄스 압축기(Optical Compressor)를 포함하는 레이저 펄스 필터가 구비된 레이저 출력장치가 개시된다.
상기 레이저 펄스 필터는, 상기 증폭된 레이저가 집속되는 지점에 설치될 수 있다.
상기 레이저 펄스 필터는 증폭기와 압축기 사이에 설치될 수 있다.
상기 증폭된 레이저 펄스의 빔 직경을 확장시키는 빔 익스펜더가 구비되며, 상기 레이저 펄스 필터는 상기 빔 익스펜더 내에서 빔이 집속되는 위치에 설치될 수 있다.
상기 레이저 펄스 필터는, 집속된 빔의 포스트 펄스와 프리 펄스를 필터링 하고, 메인 펄스를 통과시키는 필터링 홀이 형성될 수 있다.
상기 필터링 홀은, 중앙부의 반경이 제일 작고, 빔의 입구와 출구를 향할수록 반경이 커지는 형태일 수 있다.
상기 필터링 홀의 중앙부 반경은 집속된 빔의 메인 펄스의 반지름과 프리 펄스 및 포스트 펄스의 중앙부 빈 공간의 반지름 사이의 길이를 갖을 수 있다.
상기 메인 펄스의 반지름은, 집속된 빔의 형상에서 메인 펄스의 최대세기가 나타나는 지점으로부터 최대세기의 10-5의 세기가 되는 지점까지의 거리일 수 있다.
상기 프리 펄스 및 포스트 펄스의 중앙부 빈 공간의 반지름은, 집속된 빔의 형상에서 프리 펄스 및 포스트 펄스의 중앙부의 빔 세기가 제일 약한 지점부터, 프리 펄스 및 포스트 펄스의 최대세기의 10-5의 세기가 되는 지점까지의 거리일 수 있다.
집속된 빔의 형상은,
Figure pat00001
의 식을 통해 구하는 것일 수 있다. (이 때, circ(r)은 빔 에너지의 공간적 분포를 의미하며,
Figure pat00002
는 위상의 왜곡을 뜻함)
한편, 본 발명의 다른 형태에 따르면, 처프펄스증폭(CPA) 방식을 이용한 레이저 출력장치의 레이저 펄스 중 프리펄스와 포스트펄스를 필터링하는 레이저 펄스 필터에 있어서, 상기 레이저 펄스 필터는, 증폭된 레이저 펄스에 포함된 프리펄스와 포스트펄스를 필터링 하도록 필터링 홀이 형성된 것을 특징으로 한다.
상기 필터링 홀은, 중앙부의 반경이 제일 작고, 빔의 입구와 출구를 향할수록 반경이 커지는 형태일 수 있다.
상기 필터링 홀의 중앙부 반경은 집속된 빔의 메인 펄스의 반지름과 프리 펄스 및 포스트 펄스의 중앙부 빈 공간의 반지름 사이의 길이를 갖을 수 있다.
상기 메인 펄스의 반지름은, 집속된 빔의 형상에서 메인 펄스의 최대세기가 나타나는 지점으로부터 최대세기의 10-5의 세기가 되는 지점까지의 거리일 수 있다.
상기 프리 펄스 및 포스트 펄스의 중앙부 빈 공간의 반지름은, 집속된 빔의 형상에서 프리 펄스 및 포스트 펄스의 중앙부의 빔 세기가 제일 약한 지점부터, 프리 펄스 및 포스트 펄스의 최대세기의 10-5의 세기가 되는 지점까지의 거리일 수 있다.
집속된 빔의 형상은,
Figure pat00003
의 식을 통해 구할 수 있다(이 때, circ(r)은 빔 에너지의 공간적 분포를 의미하며,
Figure pat00004
는 위상의 왜곡을 뜻함).
본 발명의 레이저 펄스 필터 및 이를 구비한 레이저 출력장치에 따르면, 고출력 레이저 증폭시 발생되는 프리 펄스와 포스트 펄스를 효과적으로 제거할 수 있어 레이저를 보다 안정적으로 초 고출력으로 증폭할 수 있는 효과가 있다.
또한, 레이저 펄스 필터가 반영구적으로 사용될 수 있어 반복율이 우수하며, 경제성이 우수한 효과가 있다.
또한, 플라즈마를 이용하여 반사하는 방식과는 다르게 반사되지 아니하며 메인펄스를 통과시키는 방법으로 필터링 하므로 효율이 우수하여 보다 초 고출력을 달성하기 용이한 효과가 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
아래에서 설명하는 본 출원의 바람직한 실시예의 상세한 설명뿐만 아니라 위에서 설명한 요약은 첨부된 도면과 관련해서 읽을 때에 더 잘 이해될 수 있을 것이다. 본 발명을 예시하기 위한 목적으로 도면에는 바람직한 실시예들이 도시되어 있다. 그러나, 본 출원은 도시된 정확한 배치와 수단에 한정되는 것이 아님을 이해해야 한다.
도 1은 처프펄스증폭 장치의 구성을 도시한 개념도;
도 2는 처프펄스 증폭방식에 의해 증폭되는 레이저의 형태를 도시한 도면;
도 3은 도 1의 증폭기 내부 모습을 도시한 도면;
도 4는 최초 증폭매질에 입사되기 전에 시간적으로 늘어진 상태의 레이저 펄스의 시간에 따른 밀도 형태를 도시한 그래프;
도 5는 증폭매질을 1회 통과한 후의 레이저 펄스의 형태를 도시한 그래프;
도 6은 증폭매질을 4회 통과한 후의 레이저 펄스의 형태를 도시한 그래프;
도 7은 레이저 펄스의 시간에 따른 단면 형태를 도시한 그래프;
도 8은 도 3의 레이저 펄스 필터를 도시한 사시도;
도 9는 도 8의 단면도;
도 10은 도 8의 단면 사시도;
도 11은 도 9의 레이저 펄스 필터가 빔 익스펜더에 구비된 모습을 도시한 도면;
도 12는 도 9의 레이저 펄스 필터가 반사형 빔 익스펜더에 구비된 모습을 도시한 도면;
도 13의 원형 빔의 좌표계에서의 단면을 도시한 도면이다.
이하 본 발명의 목적이 구체적으로 실현될 수 있는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 본 실시예를 설명함에 있어서, 동일 구성에 대해서는 동일 명칭 및 동일 부호가 사용되며 이에 따른 부가적인 설명은 생략하기로 한다.
본 실시예에 따른 레이저 펄스 필터가 구비된 레이저 출력장치는 도 1 및 도 3에 도시된 바와 같이, 레이저 발진기(110), 펄스 확장기(120), 증폭장치(130), 레이저 펄스 필터(140) 및 펄스 압축기(150)를 포함할 수 있다.
상기 레이저 발진기(110)는 도 2에 도시된 바와 같이, 소스가 되는 레이저 펄스를 발진시키는 구성요소로서, 시간적으로 매우 짧은 극초단 레이저 펄스를 발진시킨다.
그리고, 상기 펄스 확장기(120)는 상기 레이저 발진기(110)에서 발진된 극초단 레이저 펄스를 시간적으로 매우 늘려주는 구성요소이다.
상기 증폭장치(130)는 상기 펄스 확장기(120)에서 시간적으로 늘어진 레이저 펄스를 증폭시키는 구성요소이다. 이러한 증폭장치(130)는 레이저를 증폭시키는 증폭매질이 구비되는데 일반적으로 사파이어(Sapphire)나 야그(YAG)등을 사용할 수 있다. 본 실시예에서는 증폭매질로서 Ti:Sapphire를 사용하는 것을 예로 들어 설명하기로 한다.
Ti:Sapphire는 700nm~900nm에 이르는 넓은 증폭파장폭을 가지고 있으며, 증폭을 위한 펌프빔으로 비교적 쉽게 얻을 수 있는 532nm 파장의 빔을 사용할 수 있다. 또한, 기계적, 열적 내구성도 뛰어난 이점이 있다.
다만, 본 발명의 증폭장치(130)의 증폭매질은 Ti:Sapphire에 한정되지 아니하며, 알려진 다른 재질의 증폭매질을 사용하는 것이 가능하다.
상기 증폭장치(130)에서 레이저 펄스를 증폭 시킬 때에는 증폭매질의 임계 출력 이하로 증폭시킬 수 있다.
상기 증폭장치(130)에서 증폭매질의 임계 출력 이하로 증폭된 레이저 펄스는 펄스 압축기(150)를 통해 다시 원래의 극초단 펄스로 압축되면서 증폭장치의 임계출력보다 더 큰 고출력의 레이저 빔이 발생되는 것이다.
그러나, 상기 펄스 확장기(120)에서 시간적으로 늘어진 레이저 펄스가 증폭장치에서 증폭될 때 증폭매질의 임계 출력 이하로 증폭되기는 하지만, 조사되는 레이저 펄스 및 펌프빔에 의해 열이 잔류될 수 있다.
또한, 도 3에 도시된 바와 같이, 레이저 펄스를 안정적으로 증폭시키기 위하여, 상기 증폭장치(130)에서 레이저 펄스가 증폭매질(132)을 여러 번 통과하게 되는데, 이 때 매질에 잔류되는 열 또한 증가되며, 이에 의해 증폭매질(132)이 팽창하며, 이로 인해 증폭매질(132) 내부에 응력이 형성되어 렌즈의 형태가 왜곡되고 결정구조가 뒤틀리게 되며 이로 인해 메인펄스(main pulse)외에 포스트 펄스(post pulse) 및 프리 펄스(pre pulse)가 발생될 수 있다.(도 3에서 붉은 색 선이 증폭되는 레이저 펄스 빔의 경로이며, 초록색 선은 펌핑 빔 이다.)
즉, 열에 의해 왜곡된 Ti:Sapphire 증폭매질(132)에 입사한 빔의 일부가 메인펄스의 성분과 수직성분으로 왜곡되며, 이 왜곡된 성분은 메인펄스와 시간적으로 거리가 벌어진다. 이는 Ti:Sapphire 증폭매질이 복굴절 성질을 가지고 있으며, 빔의 편광방향에 따라 증폭의 효율이 다르기 때문이다. Ti:Sapphire 증폭매질은 빔의 진행방향과 수평한 방향의 편광(C-축 편광 방향)일 때 가장 높은 효율을 보이며 가장 낮은 굴절률을 가진다. 따라서, 메인펄스가 왜곡된 펄스보다 빠른 속도로 매질 내부를 진행하며, 이 과정에서 메인 펄스의 뒤를 따르는 포스트 펄스(Post pulse)가 형상된다.
한편, 전술한 바와 같이, 레이저 펄스의 증폭을 위해 증폭매질(132)을 여러 번 통과하게 되는데, 이 과정에서 포스트 펄스의 일부 성분이 프리 펄스(Pre pulse)로 옮겨질 수 있다.
이는 증폭되는 레이저 펄스가 파장을 축으로 길게 늘어졌기 때문이며 메인 펄스와 포스트 펄스가 함께 존재하는 상황에서 이를 주파수 변환하면 Frequency-cmob형태(ripple형태)로 나타난다. CPA 방식에서는 파장에 따른 경로 차이로 펄스를 늘였기 때문에 이러한 ripple이 시간적으로 실제하게 되고, 빔의 세기에 의해 나타나는 비선형 효과로 ripple이 메인펄스와 포스트 펄스에 영향을 주어 메인 펄스를 기준으로 시간적으로 대칭이 되는 위치에 프리 펄스가 형성된다.
이를 그래프를 이용하여 설명하자면 아래와 같다.
도 4는 최초 증폭매질에 입사되기 전에 시간적으로 늘어진 상태의 레이저 펄스의 시간에 따른 밀도 형태를 도시한 그래프이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 최초 입사되는 레이저 펄스는 중앙부에 밀도가 집중된 형태를 띄고 있다. 이 때, 최로 입사되는 레이저 펄스의 중앙부에 집중되어 형성된 부분을 메인펄스라 칭하기로 한다.
도 5는 증폭매질을 1회 통과한 후의 레이저 펄스의 형태를 도시한 그래프이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 증폭매질을 1회 통과하게 되면 메인 펄스의 뒤를 따르는 포스트 펄스가 생성됨을 알 수 있다.
도 6은 증폭매질을 수회 통과한 후의 레이저 펄스의 형태를 도시한 그래프이다. 본 실시예에서는 4회 통과한 상태의 레이저 펄스의 형태를 도시하였다.
도 6에 도시된 바와 같이, 레이저 펄스가 증폭매질을 통과하는 횟수가 증가함에 따라 포스트 펄스가 증가하며, 메인펄스보다 더 늦어지는 현상을 볼 수 있다. 또한, 상기 메인펄스를 기준으로 포스트 펄스와 대칭적인 위치에 프리펄스가 형성됨을 알 수 있다.
이러한 프리 펄스와 포스트 펄스 중 특히 프리 펄스는 초고출력 레이저 펄스의 사용에 있어서 메인펄스보다 앞서서 타겟에 도착하여 타겟에 작용함으로써 실험에 큰 영향을 끼친다. 즉 타겟과 먼저 반응하여 타겟의 성질을 바꾸어 놓아 타겟의 메인 펄스에 의한 반응을 방해하고, 일부 영역에서는 에너지를 반사시킬 수 있다.
또한, 포스트 펄스 또한 메인 펄스에 의해 반응된 타겟에 뒤늦게 작용하여 타겟의 영향을 주어 메인 펄스에 의한 영향을 정확하게 평가하는 것을 방해할 수도 있다.
따라서, 본 실시예에서는 상기 프리 펄스와 포스트 펄스를 필터링 할 수 있는 레이저 펄스 필터(140)가 구비된다.
즉, 상기 레이저 펄스 필터(140)가 프리 펄스와 포스트 펄스를 필터링 하고, 메인 펄스만 통과시킴으로써, 타겟에 메인 펄스만 도달하도록 할 수 있다.
도 7은 레이저 펄스의 시간(위상)에 따른 단면 형태를 도시한 그래프이다.
그래프에서 0 ps일 때가 메인 펄스이며, 메인 펄스 보다 앞서 발생되는 것이 프리 펄스이고, 상기 메인 펄스 보다 늦게 발생되는 것이 포스트 펄스이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 메인 펄스는 중앙부에 집중된 형태를 가지며, 프리 펄스와 포스트 펄스는 집중되지 못하고 주변부로 분포되어 퍼진 형상을 띔을 알 수 있다.
좀 더 정확하게 설명하자면, 프리 펄스와 포스트 펄스는 중앙부가 빈 중공을 가지는 형상을 가질 수 있다.
따라서, 상기 레이저 펄스 필터는 상기 펄스 확장기(120)에 의해 시간적으로 늘려진 레이저 펄스가 증폭장치에 의해 증폭된 후 집속되는 곳에 설치될 수 있다.
예를 들어, 도 3 및 도 8에 도시된 바와 같이, 펄스 확장기(120)에 의해 시간적으로 늘려진 레이저 펄스가 증폭장치에 의해 증폭된 후에 펄스 압축기를 향하게 되는데, 이 때 펄스 압축기(150)에 너무 강한 세기의 레이저 펄스가 조사되면 펄스 압축기의 손상을 야기할 수 있으므로, 증폭장치(130)에 의해 증폭된 레이저 펄스의 직경을 확장시켜 그 밀도를 낮출 수 있다. 이렇게 레이저 펄스의 직경을 확장시키는 장치를 빔 익스펜더(134)라 칭하며, 이러한 빔 익스펜더(134)는 상기 증폭장치(130)와 펄스 압축기(150) 사이에 구비되며 적어도 한 쌍의 렌즈 등의 광학계를 가질 수 있다.
도 11에 도시된 바와 같이, 상기 레이저 펄스는 이러한 빔 익스펜더(134)를 통과하면서, 집속된 후 확장되는데, 상기 레이저 펄스 필터는 상기 빔 익스펜더에서 상기 레이저 펄스가 집속되는 지점에 설치될 수 있다.
물론, 본 발명에서 상기 레이저 펄스 필터(140)의 위치가 이러한 빔 익스펜더에 설치되는 것에 한정되지 아니하며, 도 12에 도시된 바와 같이, 빔의 형태를 제어하는 반사형 빔 익스펜더(136) 내부에 설치될 수 도 있는 등 빔이 집속되는 곳이라면 어디든지 설치가 가능하다. 상기 반사형 빔 익스펜더(136)은 웨지챔버 등의 형태로 구현될 수 있다.
한편, 상기와 같은 레이저 펄스 필터(140)의 형태는 도 8 내지 도 10에 도시된 바와 같이 중앙부에 집속된 빔의 메인 펄스가 통과하는 필터링 홀(142)이 형성된 것일 수 있다.
상기 필터링 홀은 상기 레이저 빔의 펄스와 동심을 이루며, 상기 메인 펄스의 직경보다는 크고, 프리 펄스와 포스트 펄스의 중앙부의 중공의 직경보다는 작은 크기를 가져, 메인 펄스는 통과시키고, 프리 펄스와 포스트 펄스는 필터링하도록 구비될 수 있다.
또한, 상기 필터링 홀(142)은 집속되는 빔의 집속각도와 집속된 후 확산되는 각도를 고려하여 원추형으로 수렴되거나 발산되는 형태일 수 있다.
즉, 상기 필터링 홀(142)은 상기 레이저 펄스 필터의 단면 중앙부의 반경이 제일 작고, 레이저 펄스의 입구와 출구를 향할수록 반경이 커지는 형태로 형성될 수 있다.
이 때, 상기 필터링 홀(142)의 중앙부 반경은 집속된 빔의 메인 펄스의 반지름과 프리 펄스 및 포스트 펄스의 중앙부 빈 공간의 반지름 사이의 길이를 가질 수 있다.
또한, 상기 레이저 펄스 필터(140)는 고출력의 레이저 펄스를 견딜 수 있는 재질로 이루어질 수 있다.
본 실시예에서는 증폭매질로서 직경 7cm, 두께 2cm의 Ti:Sapphire를 사용하고, 펌핑 레이저가 100J - 10Hz의 조건에서 상기 필터링 홀의 중앙부 직경은 0.3mm이고, 재질은 Alloy 22인 것을 예를 들어 설명하기로 한다.
그러나, 상기 필터링 홀(142)의 중앙부 직경은 레이저 펄스의 출력 및 기타 여러 가지 조건 등에 의해 변할 수 있는 것으로서, 이하에서는, 집속된 레이저 펄스의 메인 펄스의 직경 및 프리 펄스와 포스트 펄스의 중앙부 직경 계산하는 방법을 소개하기로 한다.
일단, 집속된 레이저 펄스의 직경을 구하기 위해서는 먼저, 집속된 레이저 펄스의 단면 형상을 계산할 필요가 있다.
먼저, 이상적인 빔의 형상은 다음 식 1과 같이 표현될 수 있다.
(식 1)
Figure pat00005
이 때,
Figure pat00006
이고,
Figure pat00007
이며,
Figure pat00008
이다.
또한,
Figure pat00009
는 집속되기 전 레이저 펄스 빔의 직경이며,
Figure pat00010
는 집속된 빔의 반지름을 뜻한다.
왜곡이 전혀 없는 이상적인 원형 빔의 경우 원형함수인
Figure pat00011
로 나타낼 수 있다.
그러나, 실제 운전에서 왜곡이 없기란 불가능하므로, 왜곡을 포함한 빔의 형상을 계산하는 것이 필요하며, 이 경우,
Figure pat00012
왜곡이 포함된 경우 빔의 집속형상은 식 2로 표현할 수 있다.
(식 2)
Figure pat00013
한편, 원형빔의 단면상 세기 분포의 일반적인 형태는 도 13과 같이 나타날 수 있다. 도 13의 좌측 그림은 원형 빔의 좌표계에서의 단면을 도시한 도면이고, 우측그림은 좌측의 원형 빔의 미소단위를 확대하여 도시한 도면이다.
이 때, 상기 레이저 펄스 필터의 필터링 홀의 직경을 결정하기 위해서는 집속된 레이저 펄스 빔의 반지름을 구해야 하는데, 도 7에 도시된 바와 같이, 메인 펄스는 중앙부에 집중된 형태를 가지며, 프리 펄스와 포스트 펄스는 집중되지 못하고 주변부로 분포되어 퍼진 형상이므로, 메인 펄스의 경우에는 레이저 펄스 빔이 집속된 중앙부의 반지름을 구하며, 프리 펄스와 포스트 펄스의 경우 레이저 펄스 빔의 중앙부의 중공의 반지름을 구해야 한다.
본 실시예 에서는 중앙부에 집중된 형태를 가지는 메인 펄스는 최대세기를 나타내는 중앙부로부터 최대세기의 10-5를 나타내는 지점까지의 거리를 반지름으로 정의한다.
또한, 중앙부는 비어있고 주변부로 분포되어 퍼져, 중앙부의 세기가 가장 약하며, 주변부로 반지름이 멀어질수록 세기가 강해지는 형태의 프리 펄스 및 포스트 펄스는 최소세기를 나타내는 중앙부로부터 최대세기의 10-5를 나타내는 지점까지의 거리를 중공의 반지름이라 정의한다.
이러한 기준으로 레이저 펄스 빔의 단면 형상을 유도하기 위해서는 빔 에너지의 공간적 분포(circ(r))과 위상의 왜곡(
Figure pat00014
)를 알아야 한다.
이 때, 직경 7cm, 두께 2cm의 Ti:sapphire를 증폭매질로 사용하는 조건에서 빔의 형상, 즉 공간적 분포는 플렛탑(flat-top) 가정할 수 있다.
그러나, 위상의 왜곡(
Figure pat00015
)을 구하기 위해서는 레이저 펄스 빔의 각 위치에서 위상의 지연을 정확하게 알아야 한다. 위상지연은 아래 식으로 구할 수 있다.
Figure pat00016
위의 미분방정식과 미분식을 나타내기 위한 2차 행렬은 본 출원인이 독자적으로 고안한 방식이다.
이 때, gx, gy는 x, y각 편광 방향 전기장 성분의 증폭율이다.
또한,
Figure pat00017
로서, 매질의 고유복굴절에 의한 위상지연을 뜻한다. 여기서, nx, ny는 각각 편광이 x, y 방향일 때의 굴절율을 뜻한다.
그리고,
Figure pat00018
로서, 열응력에 생성된 복굴절에 의한 위상지연을 뜻하며, np1, np2는 p1, p2 방향으로의 굴절율을 뜻하고, p1, p2는 열응력의 주축의 방향을 뜻한다.
한편,
Figure pat00019
로서, 열응력에 의해 형성된 굴절율의 차이를 뜻하고, no는 매질의 정상방향 굴절율 이다.
또한,
Figure pat00020
는 열응력 주축방향과 x-y직교 좌표간의 각도 차이를 의미한다.
이 때,
Figure pat00021
는 상대비유전투자율(Relative dielectric permability)의 변화량으로서 굴절율과는 아래의 관계가 있다.
Figure pat00022
따라서,
Figure pat00023
에서 굴절률의 변화를 구할 수 있다.
한편, 상기 상대비유전투자율의 유도과정은 아래와 같다.
Figure pat00024
여기서, pmn 은 elasto-optics coefficirnt이고, srn은 elasto-compliance coefficient이며,
Figure pat00025
은 매질 내부에 생성된 열응력이다.
이 때, p와 s텐서는 매질의 특성으로 물리량이 주어져 있다.
Figure pat00026
한편 매질 내부에 생성된 열적 응력은 다음의 식들로 표현할 수 있다.
Q는 단위면적당 생성되는 열량을 뜻한다.
Figure pat00027
여기서, r0는 증폭매질인 원형 사파이어의 반지름이며, r은 해당지점의 위치(반지름)을 뜻한다.
또한, Pheat는 레이저 발진중에 증폭매질에서 발생하는 열이며, L은 증폭매질의 두께를 뜻한다.
또한, 위 식에서
Figure pat00028
는 열팽창 계수이며, E는 증폭매질의 탄성계수이다. 그리고, 카파(
Figure pat00029
)는 증폭매질의 열전도율이며, 누우(
Figure pat00030
)는 증폭매질의 프아송 비 이다.
위의 극좌표 식에서 직교좌표로 변환하면 아래와 같이 쓸 수 있다.
Figure pat00031
따라서, 위와 같은 과정을 통해 집속된 레이저 펄스 빔의 메인 펄스의 포스트 펄스 및 프리 펄스의 반지름을 구할 수 있으며, 그에 따라 상기 필터링 홀의 직경을 결정할 수 있다.
한편, 상기 필터링 홀은 원추형으로 형성되는데, 이 때 상기 필터링 홀 내주면의 각도(
Figure pat00032
)는 다음 식으로 표현될 수 있다.
Figure pat00033
이때, f는 레이저 빔 펄스의 집속을 위한 광확부품에 의한 초점거리이며, rb는 레이저 펄스 빔의 집속 이전의 반지름이고, rf는 필터링 홀(142)의 중심부의 반지름 이다.
이상과 같이 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 살펴보았으며, 앞서 설명된 실시예 이외에도 본 발명이 그 취지나 범주에서 벗어남이 없이 다른 특정 형태로 구체화 될 수 있다는 사실은 해당 기술에 통상의 지식을 가진 이들에게는 자명한 것이다. 그러므로, 상술된 실시예는 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 여겨져야 하고, 이에 따라 본 발명은 상술한 설명에 한정되지 않고 첨부된 청구항의 범주 및 그 동등 범위 내에서 변경될 수도 있다.
110: 레이저 발진기 120: 펄스 확장기
130: 증폭장치 132: 증폭매질
134: 빔 익스펜더 136: 반사형 빔 익스펜더
140: 레이저 펄스 필터 142: 필터링 홀
150: 압축기

Claims (16)

  1. 소스 레이저 펄스를 발진시키는 레이저 발진기;
    상기 레이저 발진기에서 발진된 소스 레이저 펄스를 시간적으로 늘리는 펄스 확장기;
    상기 펄스 확장기에서 시간적으로 늘려진 레이저 펄스를 증폭하는 증폭기;
    증폭된 레이저 펄스에 포함된 프리펄스와 포스트펄스를 필터링 하는 레이저 펄스 필터;
    상기 레이저 펄스 필터를 통과한 레이저 펄스를 시간적으로 압축하는 펄스 압축기;
    를 포함하는 레이저 펄스 필터가 구비된 레이저 출력장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 레이저 펄스 필터는,
    상기 증폭된 레이저가 집속되는 지점에 설치되는 레이저 펄스 필터가 구비된 레이저 출력장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 레이저 펄스 필터는 증폭기와 압축기 사이에 설치되는 레이저 펄스 필터가 구비된 레이저 출력장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 증폭된 레이저 펄스의 빔 직경을 확장시키는 빔 익스펜더가 구비되며,
    상기 레이저 펄스 필터는 상기 빔 익스펜더 내에서 빔이 집속되는 위치에 설치되는 레이저 펄스 필터가 구비된 레이저 출력장치.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 레이저 펄스 필터는,
    집속된 빔의 포스트 펄스와 프리 펄스를 필터링 하고, 메인 펄스를 통과시키는 필터링 홀이 형성된 레이저 펄스 필터가 구비된 레이저 출력장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 필터링 홀은, 중앙부의 반경이 제일 작고, 레이저 펄스의 입구와 출구를 향할수록 반경이 커지는 형태인 레이저 펄스 필터가 구비된 레이저 출력장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 필터링 홀의 중앙부 반경은 집속된 빔의 메인 펄스의 반지름과 프리 펄스 및 포스트 펄스의 중앙부 빈 공간의 반지름 사이의 길이를 갖는 레이저 펄스 필터가 구비된 레이저 출력장치.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 메인 펄스의 반지름은,
    집속된 빔의 형상에서 메인 펄스의 최대세기가 나타나는 지점으로부터 최대세기의 10-5의 세기가 되는 지점까지의 거리인 레이저 펄스 필터가 구비된 레이저 출력장치.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 프리 펄스 및 포스트 펄스의 중앙부 빈 공간의 반지름은,
    집속된 빔의 형상에서 프리 펄스 및 포스트 펄스의 중앙부의 빔 세기가 제일 약한 지점부터, 프리 펄스 및 포스트 펄스의 최대세기의 10-5의 세기가 되는 지점까지의 거리인 레이저 펄스 필터가 구비된 레이저 출력장치.
  10. 제8항 또는 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    집속된 빔의 형상은,
    Figure pat00034
    의 식을 통해 구하는 레이저 펄스 필터가 구비된 레이저 출력장치.
    (이 때, circ(r)은 빔 에너지의 공간적 분포를 의미하며,
    Figure pat00035
    는 위상의 왜곡을 뜻함)
  11. 처프펄스증폭(CPA) 방식을 이용한 레이저 출력장치의 레이저 펄스 중 프리펄스와 포스트펄스를 필터링하는 레이저 펄스 필터에 있어서,
    상기 레이저 펄스 필터는,
    증폭된 레이저 펄스에 포함된 프리펄스와 포스트펄스를 필터링 하도록 필터링 홀이 형성된 것을 특징으로 하는 레이저 펄스 필터.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 필터링 홀은, 중앙부의 반경이 제일 작고, 빔의 입구와 출구를 향할수록 반경이 커지는 형태인 레이저 펄스 필터.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 필터링 홀의 중앙부 반경은 집속된 빔의 메인 펄스의 반지름과 프리 펄스 및 포스트 펄스의 중앙부 빈 공간의 반지름 사이의 길이를 갖는 레이저 펄스 필터.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 메인 펄스의 반지름은,
    집속된 빔의 형상에서 메인 펄스의 최대세기가 나타나는 지점으로부터 최대세기의 10-5의 세기가 되는 지점까지의 거리인 레이저 펄스 필터.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 프리 펄스 및 포스트 펄스의 중앙부 빈 공간의 반지름은,
    집속된 빔의 형상에서 프리 펄스 및 포스트 펄스의 중앙부의 빔 세기가 제일 약한 지점부터, 프리 펄스 및 포스트 펄스의 최대세기의 10-5의 세기가 되는 지점까지의 거리인 레이저 펄스 필터.
  16. 제14항 또는 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    집속된 빔의 형상은,
    Figure pat00036
    의 식을 통해 구하는 레이저 펄스 필터.
    (이 때, circ(r)은 빔 에너지의 공간적 분포를 의미하며,
    Figure pat00037
    는 위상의 왜곡을 뜻함)
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