KR20180052867A - 레이저 최적화 장치 및 레이저 진단 장치를 포함하는 레이저 최적화 시스템 - Google Patents

레이저 최적화 장치 및 레이저 진단 장치를 포함하는 레이저 최적화 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 레이저 최적화 장치는 레이저의 진행 경로 사이에 위치하여 상기 레이저를 최적화시킨다. 여기에서, 상기 레이저 최적화 장치는 상기 레이저가 상기 레이저 최적화 장치 내부로 입사되는 경로를 형성하는 입사부; 복수의 플라즈마 거울을 포함하며, 상기 입사부로부터 입사되는 레이저의 세기 대조비를 증가시켜 상기 레이저를 시간적으로 최적화시키는 레이저 변조부; 및 상기 레이저 변조부로부터 반사되는 레이저가 상기 레이저 최적화 장치의 외부로 출사되는 경로를 형성하는 출사부;를 포함한다.

Description

레이저 최적화 장치 및 레이저 진단 장치를 포함하는 레이저 최적화 시스템{APPARATUS AND SYSTEM FOR OPTIMIZING LASER}
본 발명은 레이저 최적화 기술에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 레이저의 진행경로 사이에 위치하여 레이저를 시공간적으로 최적화시킬 수 있는 레이저 최적화 장치 및 레이저 진단 장치를 포함하는 레이저 최적화 시스템에 관한 것이다.
일반적인 극초단 고출력 레이저 시스템에서 레이저 펄스의 시간적 모양은 에너지가 증폭되는 동안 가우시안(Gaussian) 형태에서 많이 벗어나게 된다. 그리고, 시간 영역 내에서 주펄스(main pulse) 주위에 증폭된 자발방출(Amplified Spontaneous Emission; ASE)로부터 발생된 선행 펄스(prepulse)와 페데스탈(Pedestal)이 존재하게 된다(도 1의 a 참조).
이러한 형태의 레이저 펄스는 타겟(target)들과의 상호작용에 의해 다양한 이차선원(secondary source)을 발생시키는데, 이러한 이차선원의 특성은 시간적으로 먼저 입사하는 선행펄스와 페데스탈의 세기에 의해 크게 좌우된다.
최근에는, 1020 W/cm2이상의 높은 첨두 출력을 갖는 레이저 시스템이 개발되고 있고, 일반적으로 선행 펄스/페데스탈의 주 펄스에 대한 세기 대조비가 10-6∼10-7임을 고려할 경우, 선행펄스/페데스탈은 1014W/cm2 이상의 상당히 높은 출력을 갖게 된다. 이 경우 시간적으로 앞선 선행 펄스 및 페데스탈만으로도 타켓과의 상호작용에 의해 플라즈마를 형성할 수 있다. 따라서, 주펄스가 도달되었을 때는 타겟 자체가 이미 다른 환경을 갖게 되어 여러 가지 이차선원의 발생 특성이 향상되는 것을 제한하는 요소로 작용하는 것이다.
따라서, 선행펄스/페데스탈에 대한 주펄스의 세기 대조비를 증가시킬 수 있도록 플라즈마 거울을 이용하여 여러 가지 이차 선원의 발생 특성을 향상시키는 실험이 수행되고 있다.
구체적으로, 도 1을 참조하면, 고출력 펨토초 레이저 펄스가 레이저 파장에 투명한 거울에 입사하면, 시간적으로 거울 표면에 먼저 도달하는 선행펄스와 페데스탈은 거울을 투과하게 된다. 그리고, 주펄스의 앞단이 거울의 표면에 도달하게 되는데, 이때 주펄스는 에너지가 높고 펄스폭이 짧기 때문에 거울 표면의 손상 한계(damage threshold)를 넘어서게 된다. 이 과정에서, 거울의 표면은 상기 주펄스에 의해 이온화가 되면서 플라즈마가 발생하는데, 플라즈마 내의 전자 밀도가 입사 레이저 파장에 해당하는 임계 밀도를 넘어서게 되면, 주펄스의 나머지 부분은 거울 표면의 플라즈마에 의해 반사된다. 즉, 대부분의 선행펄스와 페데스탈은 거울을 투과하고, 주펄스의 앞단에 의해 발생되는 플라즈마에 의해 나머지 주펄스 영역은 반사가 이루어지는 바, 선행펄스/페데스탈에 대한 주펄스의 세기 대조비를 극적으로 향상시키는 것이 가능하다.
다만, 이와 같이 플라즈마 거울을 이용하는 경우, 상기 플라즈마 거울로 입사되는 레이저의 집속도에 따라, 플라즈마 거울로부터 반사되는 레이저의 반사율 및 선행펄스/페데스탈에 대한 주펄스의 세기 대조비가 상이하게 달라질 수 있다. 따라서, 최대 반사율 및 최대 세기 대조비를 갖는 레이저로 변조하기 위해서는 집속도를 조절할 필요가 있었으나, 이를 제어하는 것이 복잡하여 상당히 많은 시간이 소요되는 문제가 발생하였다.
한편, 플라즈마 거울은 소정 부위로 레이저가 조사되어 플라즈마가 형성되면, 동일한 위치에 레이저를 조사하여 동일한 결과를 얻는 것이 곤란하다. 따라서 반복적으로 레이저 변조 공정을 수행하고자 하는 경우 플라즈마 거울의 위치를 변경하거나 교체하여야 한다. 종래의 경우 플라즈마 거울의 위치 변경 또는 교체하는 것이 용이하지 않았다.
또한, 레이저가 반사되는 플라즈마 거울의 개수(즉, 변조 공정의 횟수)에 따라 상이한 결과를 나타낼 수 있으나, 플라즈마 거울의 개수를 추가 또는 제거하는 것이 용이하지 않으며, 이후 플라즈마 거울을 다시 최적으로 정렬하는 과정 역시 용이하지 않았다.
더욱이, 플라즈마 거울을 정렬하는 과정에서도 변조되는 레이저의 상태 또는 경로를 확인할 수 없어, 레이저의 최적화를 위한 공정 시간이 지연되는 문제가 있었다.
미국등록특허 제4,723,247호
따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 플라즈마 거울을 이용하여 레이저 빔을 시간적으로 최적화시키되, 레이저 빔이 반사되는 플라즈마 거울의 개수를 용이하게 변경시킴으로써 레이저의 최적화 시간을 최소화할 수 있는 레이저 최적화 장치를 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 플라즈마 거울에 입사되는 레이저의 위치를 용이하게 변경시킴으로써 변조 공정 효율을 향상시킬 수 있는 레이저 최적화 장치를 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 플라즈마 거울을 이용하여 시간적으로 최적화된 레이저 빔을 적응 광학계를 이용하여 공간적으로 최적화시킴으로써, 시간 및 공간적으로 레이저 빔을 최적화시킬 수 있는 레이저 최적화 장치를 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 플라즈마 거울을 정렬하는 과정에서 변조되는 레이저의 상태 또는 경로를 확인하여 레이저 최적화 장치를 제어할 수 있도록 함으로써, 변조 공정 효율을 향상시킬 수 있는 레이저 최적화 시스템을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 레이저 최적화 장치는 레이저의 진행 경로 사이에 위치하여 상기 레이저를 최적화시킨다. 여기에서, 상기 레이저 최적화 장치는 상기 레이저가 상기 레이저 최적화 장치 내부로 입사되는 경로를 형성하는 입사부; 복수의 플라즈마 거울을 포함하며, 상기 입사부로부터 입사되는 레이저의 세기 대조비를 증가시켜 상기 레이저를 시간적으로 최적화시키는 레이저 변조부; 및 상기 레이저 변조부로부터 반사되는 레이저가 상기 레이저 최적화 장치의 외부로 출사되는 경로를 형성하는 출사부;를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 레이저 변조부는 제1 수평 스테이지 상부면에 상기 복수의 플라즈마 거울이 배치되어 구성되되, 상기 제1 수평 스테이지의 회전 이동에 따라, 상기 입사부로부터 입사되는 레이저가 반사되는 플라즈마 거울의 개수가 변경되도록 구성될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 레이저 최적화 장치는 상기 제1 수평 스테이지의 회전 이동에 따라, 상기 입사부로부터 입사되는 레이저를 하나의 플라즈마 거울로 반사시키는 싱글 플라즈마 거울(SPM, Single Plasma Mirror) 모드, 또는 두 개의 플라즈마 거울로 반사시키는 더블 플라즈마 거울(DPM, Double Plasma Mirror) 모드로 동작할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 입사부는 상기 레이저 최적화 장치 내부로 입사되는 레이저의 광 경로를 변경하는 제1 반사 거울; 및 상기 제1 반사 거울로부터 반사되는 레이저를 집광시켜 상기 레이저 변조부의 플라즈마 거울로 입사시키는 제1 파라볼릭(parabolic) 거울;을 포함하여 구성될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 레이저 최적화 장치는 상기 입사부의 전단에 상기 레이저의 편광 특성을 변경시키는 편광자(polarizer)를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 출사부는 상기 레이저 변조부의 플라즈마 거울로부터 반사되는 레이저를 평행광으로 전환시키는 제2 파라볼릭 거울; 및 상기 제2 파라볼릭 거울로부터 반사되는 레이저를 상기 레이저 최적화 장치 외부로 출사시키는 제2 반사 거울;을 포함하여 구성될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제2 반사 거울은 상기 제2 파라볼릭 거울로부터 반사되는 레이저의 파면(wave front)을 보정하여 상기 레이저를 공간적으로 최적화시키는 적응 광학계(adaptive optics)로 구성될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 입사부 및 출사부는 상기 레이저 변조부를 중심으로 대칭을 이루도록 구성될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1 및 제2 반사 거울은 수평 이동이 가능하도록 구성되는 제2 수평 스테이지 상부면에 배치될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 레이저 최적화 장치는 상기 제1 수평 스테이지 또는 제2 수평 스테이지가 기 설정된 거리만큼 수평 이동함에 따라,, 레이저가 상기 입사부, 레이저 변조부 및 출사부를 거치지 않고 그대로 통과하는 무변조 모드로 동작할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 레이저 변조부는 상기 복수의 플라즈마 거울 각각의 수직 위치를 이동시킬 수 있는 수직 구동 유닛; 및 상기 복수의 플라즈마 거울 각각을 표면 방향을 따라 슬라이딩시킬 수 있는 수평 구동 유닛;을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 레이저 변조부는 상기 레이저 최적화 장치가 더블 플라즈마 모드로 동작하는 경우, 상기 두 개의 플라즈마 거울을 각각의 표면 방향을 따라 슬라이딩시켜, 상기 두 개의 플라즈마 거울 사이 간격을 조절할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 출사부는 상기 플라즈마 거울의 위치가 변경되더라도, 상기 레이저 변조부를 중심으로 상기입사부와 대칭을 이룰 수 있도록 상기 제2 파라볼릭 거울 또는 제2 반사 거울을 수평 이동시킬 수 있는 수평 구동 유닛을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 레이저 최적화 장치는 상기 레이저 변조부를 진공상태로 유지시키기 위한 진공 챔버를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 플라즈마 거울의 평면 중 적어도 일부는 HR 코팅(High Refletion Coating) 영역으로 구성될 수 있다.
본 발명의 다른 일 측면에 따르면, 레이저 최적화 시스템은 레이저의 진행 경로 사이에 위치하여 상기 레이저를 최적화시키는 레이저 최적화 장치; 및 상기 레이저 최적화 장치의 제어를 위하여 상기 레이저 최적화 장치에 의하여 변조되는 레이저의 상태를 진단하는 레이저 진단 장치;를 포함한다.
여기에서, 상기 레이저 최적화 장치는 상기 레이저가 상기 레이저 최적화 장치 내부로 입사되는 경로를 형성하는 입사부; 복수의 플라즈마 거울로 구성되며, 상기 입사 광학계에 의하여 입사되는 레이저의세기 대조비를 증가시켜 상기 레이저를 시간적으로 최적화시키는 레이저 변조부; 및 상기 레이저 변조부로부터 반사되는 레이저가 상기 레이저 최적화 장치 외부로 출사되는 경로를 형성하는 출사부;를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 레이저 진단 장치는 상기 출사부로부터 출사되는 레이저에 대한 스펙트럼, 시간 대조비 및 2차원 프로파일과, 상기 플라즈마 거울의 위치 변경에 따른 레이저 빔의 이동 정도와, 상기 플라즈마 거울의 반사율 중 적어도 하나를 측정할 수 있다.
본 발명에 따르면, 플라즈마 거울을 이용하여 레이저 빔을 시간적으로 최적화시키되, 레이저 빔이 반사되는 플라즈마 거울의 개수를 용이하게 변경시킴으로써 레이저의 최적화 시간을 최소화할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 플라즈마 거울에 입사되는 레이저의 위치를 용이하게 변경시킴으로써 변조 공정 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 플라즈마 거울을 이용하여 시간적으로 최적화된 레이저 빔을 적응 광학계를 이용하여 공간적으로 최적화시킴으로써, 시간 및 공간적으로 레이저 빔을 최적화시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 플라즈마 거울을 정렬하는 과정에서 변조되는 레이저의 상태 또는 경로를 확인하여 레이저 최적화 장치를 제어할 수 있도록 함으로써, 변조 공정 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 플라즈마 거울의 동작을 설명하기 위한 참고도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 최적화 시스템을 설명하기 위한 참고도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 최적화 장치를 설명하기 위한 참고도이다.
도 4 및 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 최적화 장치의 동작 모드를 설명하기 위한 참고도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 최적화 장치의 동작을 설명하기 위한 참고도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 거울을 설명하기 위한 참고도이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 도 2 내지 7을 참조하여 본 발명에 따른 레이저 최적화 기술에 대하여 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 최적화 시스템을 설명하기 위한 참고도이다.
도 2를 참조하면, 레이저 최적화 시스템(1)은 레이저 최적화 장치(10) 및 레이저 진단 장치(20)를 포함한다. 여기에서, 레이저 최적화 장치(10)는 레이저의 진행 경로 사이에 위치하여 레이저를 시간적 또는 공간적으로 최적화시키는 장치에 해당하며, 레이저 진단 장치(20)는 레이저 최적화 장치(10)에 의하여 변조되는 레이저의 상태를 진단하는 장치에 해당한다. 레이저 최적화 장치(10) 및 레이저 진단 장치(20)의 세부 구성 및 동작에 관한 설명은 후술한다.
본 발명에 따른 레이저 최적화 시스템(1)은 레이저의 진행 경로 사이에 위치하여 레이저를 시공간적으로 최적화시키는 시스템으로서, 예를 들어, 레이저 최적화 시스템(1)은 펄스 압축기(pulse compressor)(미도시)와 타켓 챔버(target chamber)(미도시) 사이에 위치하도록 설치될 수 있다. 여기에서, 레이저 최적화 시스템(1)은 펄스 압축기를 통과한 펨토초 레이저 펄스를 최적화시킨 후 타겟 챔버로 입사시키도록 구성될 수 있다.
한편, 이러한 예시는 본 발명의 권리범위를 한정하고자 하는 것은 아니며, 본 발명에 따른 레이저 최적화 장치(1)는 시공간적으로 최적화된 레이저가 필요한 다양한 응용 기술에 활용될 수 있다.
이하, 도 3 내지 도 7을 참조하여, 본 발명에 따른 레이저 최적화 장치(20)의 세부 구성 및 동작에 대하여 상세하게 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 최적화 장치를 설명하기 위한 참고도이고, 도 4 및 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 최적화 장치의 동작 모드를 설명하기 위한 참고도이며, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 최적화 장치의 동작을 설명하기 위한 참고도이다. 또한, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 거울을 설명하기 위한 참고도이다.
도 3a을 참조하면, 레이저 최적화 장치(20)는 레이저가 레이저 최적화 장치(20) 내부로 입사되는 경로를 형성하는 입사부(100)와, 입사부(100)로부터 입사되는 레이저의 세기 대조비를 증가시켜 레이저를 시간적으로 최적화시키는 레이저 변조부(200)와, 레이저 변조부(200)로부터 반사되는 레이저가 레이저 최적화 장치(20)의 외부로 출사되는 경로를 형성하는 출사부(300)를 포함한다.
일 실시예에서, 입사부(100)는 레이저 최적화 장치(20) 내부로 입사되는 레이저의 광 경로를 변경하는 제1 반사 거울(110) 및 제1 반사 거울(110)로부터 반사되는 레이저를 집광시켜 레이저 변조부(100)의 플라즈마 거울(210 또는 220)로 입사시키는 제1 파라볼릭(parabolic) 거울(120)을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 레이저 최적화 장치(20)는 입사부(100)의 전단에 레이저의 편광 특성을 변경시키는 편광자(400)를 더 포함할 수 있으며, 여기에서, 편광자(400)는 HWP(half wave plate) 또는 QWP(quarter wave plate)로 구성될 수 있다.
일반적으로 플라즈마 거울에서 반사되는 레이저는 레이저의 편광에 따라 반사율 및 세기 대조비가 달라질 수 있다. 보다 구체적으로, P 편광된 레이저는 공명흡수(resonant absorption)로 인해 S 편광된 레이저와 비교하여 반사율 및 세기대조비가 현저히 떨어질 수 있다. 이에, 본 실시예에 따라 입사부(100)의 전단에 구성되는 편광자(400)를 통해 입사되는 레이저의 편광 특성을 P편광에서 S편광으로 변경시킬 수 있다.
일 실시예에서, 제1 파라볼릭 거울(120)은 비축 파라볼릭 거울(off axis parabolic mirror)로 구성되어, 제1 반사 거울(110)로부터 평행광으로 반사되는 레이저를 집광시켜 레이저 변조부(100)의 플라즈마 거울(210 또는 220)로 입사시킬 수 있다.
일 실시예에서, 레이저 변조부(200)는 복수의 플라즈마 거울(210, 220)을 포함할 수 있다. 여기에서, 복수의 플라즈마 거울 중 적어도 일부의 플라즈마 거울(예 : 210a, 210b)이 입사부(100)로부터 입사되는 레이저를 출사부(300)로 반사시키는 광경로를 형성할 수 있다. 즉, 레이저 변조부(200)에 구성되는 일부의 플라즈마 거울만(예 : 210a, 210b)이 레이저 최적화 과정에 이용될 수 있으며, 제1 파라볼릭 거울(120)로부터 입사되는 레이저에 의해 플라즈마가 발생하여, 플라즈마에 의해 입사되는 레이저를 선택적으로 반사하여 레이저 빔을 시간적으로 최적화(선행펄스 및 페데스탈에 대한 주펄스의 세기 대조비 증가)시킬 수 있다.
한편, 레이저 변조부(200)에 구성되는 복수의 플라즈마 거울 중 두 개의 플라즈마 거울(210a, 210b)이 제1 파라볼릭 거울(120)로부터 입사되는 레이저를 순차적으로 반사하여 출사부(300)로 레이저를 입사시키는 경우, 각각의 플라즈마 거울(210a, 210b)은 서로 다른 방향으로 비스듬하게 기울어진 상태로 마주보도록 설치되는 것이 바람직하다.
예를 들어, 도 3a을 참조하면, 레이저 변조부(200)는 레이저가 진행하는 방향으로 제1 및 제2 플라즈마 거울(210a, 210b)이 소정의 각도를 이루며 배치되어, 제1 파라볼릭 거울(120)에서 -x축 방향으로 진입하는 레이저는 제1 플라즈마 거울(210a)에서 반사되어 +y축 방향으로 제2 플라즈마 거울(210b)로 입사되고, 이후 제2 플라즈마 거울(210b)에서 +x축 방향으로 반사된 레이저는 출사부(300)의 제2 파라볼릭 거울(320)로 입사될 수 있다.
일 실시예에서, 레이저 변조부(200)는 제1 수평 스테이지(230) 상부면에 복수의 플라즈마 거울(210, 220)이 배치되어 구성될 수 있다. 여기에서, 레이저 최적화 장치(20)는 제1 수평 스테이지(230)의 회전 이동에 따라, 입사부(100)로부터 입사되는 레이저가 반사되는 플라즈마 거울의 개수가 변경되도록 구성될 수 있다.
도 3a을 참조하면, 제1 수평 스테이지(230) 상부면에 3개의 플라즈마 거울(210a, 210b, 220)이 배치되되, 2개의 플라즈마 거울(210a, 210b)은 소정의 각도를 이루며 서로 마주보도록 구성되고, 상기 2개의 플라즈마 거울이 마주보는 방향과 반대되는 방향에는 하나의 플라즈마 거울(220)이 수직으로 배치될 수 있다.
도 3a에 도시된 바와 같이 레이저 변조부(200)가 구성되는 경우, 레이저 최적화 장치(20)는 2 개의 플라즈마 거울(210a, 210b)이 입사부(100)로부터 입사되는 레이저를 순차적으로 반사시켜 레이저 최적화 과정에 이용되는 더블 플라즈마 거울(DPM, Double Plasma Mirror) 모드로 동작할 수 있다.
여기에서, 제1 수평 스테이지(230)가 180도 회전하는 경우, 도 4에 도시된 바와 같이, 레이저 최적화 장치(20)는 하나의 플라즈마 거울(220)이 입사부(100)로부터 입사되는 레이저를 반사시켜 레이저 최적화 과정에 이용되는 싱글 플라즈마 거울(SPM, Single Plasma Mirror) 모드로 동작할 수 있다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 복수의 플라즈마 거울들을 수평 스테이지 상부면에 배치하고, 수평 스테이지를 회전 제어하여 최적화 과정에 이용되는 플라즈마 거울의 개수를 용이하게 변경시킬 수 있다.
일 실시예에서, 레이저 변조부(200)는 복수의 플라즈마 거울 각각(210, 220)의 수직 위치를 이동시킬 수 있는 수직 구동 유닛(미도시) 및 복수의 플라즈마 거울 각각을 표면 방향을 따라 슬라이딩시킬 수 있는 수평 구동 유닛(미도시)을 포함할 수 있다.
여기에서, 도 6을 참조하면, 수직 및 수평 구동유닛(미도시)은 제1 수평 스테이지(230)에 구성될 수 있으며, 예를 들어, 구동 유닛은 플라즈마 거울의 수직 또는 수평으로 이동시킬 수 있는 액츄에이터로 구현될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 레이저 변조부(200)는 플라즈마 거울(210, 220)의 위치를 조절할 수 있는 수직 및 수평 구동유닛을 통해, 하나의 플라즈마 거울을 이용하여 보다 많은 레이저 변조 공정을 진행할 수 있다. 도 7을 참조하면, 제1 및 제2 플라즈마 거울(210a, 210b)의 위치를 수직 및 수평 구동 유닛을 통해 기설정된 거리 단위만큼 이동시켜 플라즈마 거울에 조사되는 레이저에 의한 손상 위치를 변경시킴으로써, 플라즈마 거울 각각이 수백 내지 1000 회 정도의 변조 공정을 수행할 수 있도록 한다.
일 실시예에서, 레이저 변조부(200)는 제1 수평 스테이지(230)를 수평 이동시킬 수 있는 구동 유닛을 포함할 수 있다. 여기에서, 레이저 변조부(200)는 제1 수평 스테이지(230)를 이동시켜 상부면에 구성되는 플라즈마 거울(210, 220)의 위치를 조절함으로써, 플라즈마 거울(210, 220) 표면에 입사하는 레이저의 에너지 집속도를 연속적으로 조절할 수 있다. 레이저 변조부(200)에 의해 변조되는 레이저의 변조 특성 및 반사율은 플라즈마 거울에 입사되는 에너지의 집속도에 따라 현저하게 달라지는 바, 본 실시예에 의할 경우 레이저의 집속도를 연속적으로 조절하여 최적의 레이저 변조 조건을 선택할 수 있다.
레이저의 에너지 집속도는 단위 면적 당 에너지 크기로 정의됨에 따라, 플라즈마 거울(210)에 입사되는 레이저의 집속도는 거울 표면에 맺히는 레이저의 빔사이즈에 의해 결정될 수 있다. 여기에서, 레이저는 입사부(100)로부터 기 설정된 유효 초점 거리로 집속되면서 레이저 변조부(200)로 입사되는 것을 고려할 때, 레이저가 입사되는 경로를 따라 플라즈마 거울(210 또는 220)의 위치를 조절하여 집속도를 조절하는 것이 가능하다.
일 실시예에서, 레이저 변조부(200)는 레이저 최적화 장치(20)가 더블 플라즈마 모드로 동작하는 경우, 수평 구동 유닛을 통해 두 개의 플라즈마 거울(210a, 210b)을 각각의 표면 방향을 따라 슬라이딩시켜, 두 개의 플라즈마 거울(210a, 210b) 사이 간격을 조절할 수 있다.
보다 구체적으로, 레이저 최적화 장치(20)가 더블 플라즈마 모드로 동작하여 레이저가 두 개의 플라즈마 거울(210a, 210b)에 의해 순차적으로 반사되는 경우, 레이저는 각각의 플라즈마 거울(210a, 210b)에 동일한 집속도로 입사되는 것이 바람직하다. 이 경우, 빔 프로파일이 개선되어 공간적인 분포가 양호한 레이저를 획득하는 것이 용이하기 때문이다.
이를 위해, 제1 파라볼릭 거울(120)에 의한 레이저의 초점(f)이 두 플라즈마 거울(210a, 210b) 사이의 중심에 위치하도록 구성하는 것이 바람직하다. 다만, 전술한 바와 같이, 플라즈마 거울(210a, 210b)은 제1 수평 스테이지(230)의 제어를 통해 레이저의 입사 경로를 따라 위치가 변경될 수 있다. 이때, 레이저는 제1 파라볼릭 거울(120)에 의해 기 설정된 유효 초점거리로 집속되므로, 제1 플라즈마 거울(210a)의 위치에 따라 제1 플라즈마 거울(210a)로부터 초점까지의 거리가 다르게 형성된다. 따라서, 플라즈마 거울(210a, 210b)의 위치가 변경되더라도 두 개의 플라즈마 거울(210a, 210b) 사이에 레이저의 초점이 위치할 수 있도록, 수평 구동유닛을 통해 제1, 제2 플라즈마 거울(210a, 210b) 사이의 간격을 조절할 수 있도록 구성되는 것이 바람직하다. (제1, 제2 플라즈마 거울 사이의 간격이라 함은 레이저의 진행 경로 중 제1, 제2 플라즈마 거울 사이의 경로 간격을 의미하며, 상기 제1, 제2 플라즈마 거울의 중심이라 함은 제1, 제2 플라즈마 거울 사이의 레이저 진행 경로의 가운데 지점을 의미한다.)
일 실시예에서, 출사부(300)는 레이저 변조부(200)의 플라즈마 거울로부터 반사되는 레이저를 평행광으로 전환시키는 제2 파라볼릭 거울(320) 및 제2 파라볼릭 거울(320)로부터 반사되는 레이저를 레이저 최적화 장치(20) 외부로 출사시키는 제2 반사 거울(310)을 포함하여 구성될 수 있다.
일 실시예에서, 제2 파라볼릭 거울(320)은 비축 파라볼릭 거울(off axis parabolic mirror)로 구성되어, 레이저 변조부(200)의 플라즈마 거울로부터 반사되는 레이저를 평행광으로 전환시켜, 제2 반사 거울(310)로 반사시킬 수 있다.
일 실시예에서, 제2 반사 거울(310)은 적응 광학계(adaptive optics)로 구성될 수 있으며, 예를 들어, 도 3b에 도시된 바와 같이, 제2 반사 거울(310)은 가변 거울(deformable mirror)로 구성될 수 있다. 여기에서, 제2 반사 거울(310)이 적응 광학계로 구성되는 경우, 레이저 최적화 장치(20)는 레이저 변조부(200)에 의하여 시간적으로 최적화된 레이저의 파면(wave front)을 보정하여 레이저를 공간적으로 최적화(공간적인 빔 프로파일을 개선)시킬 수 있다.
일 실시예에서, 제1 반사 거울(110) 및 제2 반사 거울(310)은 수평 이동이 가능하도록 구성되는 제2 수평 스테이지(500) 상부면에 배치될 수 있다. 여기에서, 제2 수평 스테이지(500)는 x축 방향으로 좌우 수평 이동하도록 구성될 수 있다.
여기에서, 도 5에 도시된 바와 같이, 레이저 최적화 장치(20)는 제1 수평 스테이지(230) 또는 제2 수평 스테이지(500)가 기 설정된 거리만큼 수평 이동함에 따라, 레이저가 입사부(100), 레이저 변조부(200) 및 출사부(300)를 거치지 않고 그대로 통과하는 무변조 모드로 동작할 수 있다.
일 실시예에서, 입사부(100) 및 출사부(300)는 레이저 변조부(200)를 중심으로 대칭을 이루도록 구성될 수 있다. 즉, 제1 반사 거울(110) 및 제2 반사 거울(120)과, 제1 파라볼릭 거울(120) 및 제2 파라볼릭 거울(320)은 상호 대응되는 크기 및 형상으로 구성될 수 있다. 이에, 레이저 변조부(200)를 통과한 레이저는 입사부(100)의 광 경로와 대칭으로 형성되는 출사부(300)의 광 경로를 통과하여 레이저 최적화 장치(20) 외측으로 출사될 수 있다.
일 실시예에서, 출사부(300)는 플라즈마 거울(210, 220)의 위치가 변경되더라도, 레이저 변조부(200)를 중심으로 입사부(100)와 대칭을 이룰 수 있도록 제2 파라볼릭 거울(320) 또는 제2 반사 거울(310)을 수평 이동시킬 수 있는 수평 구동 유닛을 포함할 수 있다.
보다 구체적으로, 레이저 변조부(200)를 통과한 레이저는 입사부(100)의 광 경로와 대칭으로 형성되는 출사부(300)의 광 경로를 통과하여 레이저 최적화 장치(20) 외측으로 출사되기 위해서는, 플라즈마 거울(210, 220)이 구동유닛에 의해 이동하는 경우에도, 출사부(300)가 레이저 변조부(200)를 중심으로 입사부(100)와 대칭으로 형성되어야 한다. 따라서, 도 6에 도시된 바와 같이, 플라즈마 거울(210, 220)의 위치가 변경되더라도, 레이저 변조부(200)를 중심으로 입사부(100)와 대칭을 이룰 수 있도록 제2 파라볼릭 거울(320) 또는 제2 반사 거울(310)을 수평 이동시킬 수 있는 수평 구동 유닛을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 레이저 최적화 장치(20)는 레이저 변조부(200)를 진공상태로 유지시키기 위한 진공 챔버를 포함할 수 있다. 여기에서, 진공 챔버의 내부에는 레이저의 광 경로 상에 배치되는 입사부(100), 레이저 변조부(200) 및 출사부(300) 등 복수의 구성들이 배치될 수 있으나, 비용 효율성을 고려할 때 레이저 변조부(200)만이 내부에 배치될 수 있다.
일 실시예에서, 플라즈마 거울(210, 220)에서 레이저가 반사되는 평면의 적어도 일부는 AR 코팅(Anti Refletion coating) 영역이 형성될 수 있다. 여기에서, AR 코팅 영역을 제외한 나머지 영역 중 적어도 일부는 HR 코팅(High Refletion Coating) 영역이 형성될 수 있다.
도 7을 참조하면, 제1 및 제2 플라즈마 거울(210a, 210b)의 전면(레이저가 반사되는 평면)에서 중간 일부 영역은 HR 코팅 영역으로 구성될 수 있다. 여기에서, HR 영역은 레이저를 선택적으로 반사하지 않고(즉, 레이저의 최적화 공정을 수행하지 않고), 레이저를 그대로 반사시키는 영역에 해당한다. 본 실시예에 따르면, 구동 유닛을 통해 레이저가 HR 코팅 영역에 반사되도록 플라즈마 거울(210a, 210b)의 위치를 조절함으로써, 레이저 최적화 장치(20)를 정렬하는 과정에서 CCD를 통해 레이저의 광 경로를 확인할 수 있어, 레이저 최적화 공정의 수행 전에 각 구성을 용이하게 정렬할 수 있는 장점이 있다.
레이저 진단 장치(20)는 레이저 최적화 장치(10)에 의하여 변조되는 레이저의 상태를 진단하는 장치에 해당한다. 여기에서, 레이저 진단 장치는 출사부(300)로부터 출사되는 레이저에 대한 스펙트럼, 시간 대조비 및 2차원 프로파일과, 플라즈마 거울(210, 220)의 위치 변경에 따른 레이저 빔의 이동 정도와, 플라즈마 거울(210, 220)의 반사율 중 적어도 하나를 측정할 수 있다.
도 2를 참조하면, 레이저 진단 장치(20)는 Fiber spectrometer, 3rd order cross-correlator, Power (energy) meter, 원거리장 이미징을 위한 CCD(for Far field imaging) 및 근거리장 이미징을 위한 CCD (for Near field imaging) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
여기에서, 레이저 진단 장치(20)는 Fiber spectrometer를 통해 레이저 빔의 스펙트럼을 측정할 수 있으며, 3rd order cross-correlator를 통해 레이저 빔의 시간 대조비를 측정할 수 있다. 또한, 레이저 진단 장치(20)는 Power (energy) meter를 통해 플라즈마 거울(210, 220)의 반사율을 측정할 수 있으며, CCD (for Far field imaging)를 통해 플라즈마 거울(210, 220)의 움직임에 따른 빔의 이동 정도(빔포인팅)를 측정할 수 있고, CCD (for Near field imaging)를 통해 레이저 빔의 2차원 프로파일을 측정할 수 있다.
예를 들어, 레이저 진단 장치(20)는 3rd order cross-correlator를 통해 더블 플라즈마 거울 모드(DPM), 싱글 플라즈마 거울 모드(SPM) 및 무변조 모드(without PM)에서 동작하는 각각 경우에 대한, 레이저 빔의 시간 대조비를 측정할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 3rd order cross-correlator를 이용하여 각 모드에서의 레이저 빔의 시간 대조비를 측정함으로써, 선행펄스/페데스탈에 대한 주펄스의 세기 대조비를 모드별로 비교 확인할 수 있다.
다른 예를 들어, 레이저 진단 장치(20)는 Power (energy) meter를 통해 싱글 플라즈마 모드로 동작하는 경우와 더블 플라즈마 모드로 동작하는 경우 각각에 대한 반사율(reflectance)을 측정할 수 있다. 여기에서, 레이저 진단 장치(20)는 각각의 모드에서 S 편광 및 P 편광 레이저에 의한 반사율을 비교하여 출력할 수 있다.
또 다른 예를 들어, 레이저 진단 장치(20)는 CCD (for Near field imaging)를 통해 더블 플라즈마 거울 모드(DPM), 싱글 플라즈마 거울 모드(SPM) 및 무변조 모드(without PM)에서 동작하는 각각 경우에 대한, 레이저 빔의 2차원 프로파일을 측정할 수 있다.
본 일 실시예에 따르면, 레이저 진단 장치(20)를 이용하여 레이저 빔의 2차원 프로파일을 측정하고, 이를 기초로 레이저 최적화 장치(10)의 제어를 통해 빔 프로파일을 개선할 수 있다. 예를 들어, 레이저 최적화 장치(10)는 싱글 플라즈마 거울 모드(SPM) 또는 더블 플라즈마 거울 모드(DPM)로 동작하는 경우 energy fluence를 제어함으로써, 무변조 모드(without PM)로 동작하는 경우와 근접하는 정도의 빔 프로파일을 나타내도록 할 수 있으며, 여기에서, 본 발명의 일 실시예에 따른 적응 광학계(310)를 이용하여 무변조 모드(without PM)로 동작하는 경우와 완전히 동일한 빔 프로파일을 나타내도록 보정할 수 있다.
또 다른 예를 들어, 레이저 진단 장치(20)는 CCD (for Far field imaging)를 통해 플라즈마 거울(210, 220)의 움직임에 따른 빔의 이동 정도(빔포인팅)를 측정할 수 있다. 여기에서, CCD (for Far field imaging)를 이용해 빔 포인팅 측정을 수행함으로써, 플라즈마 거울의 스캔에 따른 레이저 빔의 이동 정도(빔 포인팅)를 목적하는 거리 이내(예 : 30 μm Radian (F/3 OAP 적용시))로 유지시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 레이저 진단 장치(20)는 플라즈마 거울의 적용 전후 레이저 빔의 시공간적인 정보 (2차원 빔 프로파일, 시간 영역의 세기 대조비)와 반사율을 동시에 측정할 수 있으며, Far field 이미징을 통해 플라즈마 거울의 스캔에 따른 레이저 빔의 이동 정도 (빔 포인팅)을 목적하는 거리 이내(예 : 30 μm Rad. 내)로 유지시킬 수 있다. 또한, 레이저 진단 장치(20)는 레이저 최적화 장치(10)의 세가지 모드(더블 플라즈마 거울 모드, 싱글 플라즈마 거울 모드 및 무변조 모드) 각각에 대한 세기 대조비, 빔 프로파일 또는 반사율을 측정함으로써 각 모드의 변조 특성을 용이하게 비교할 수 있다.
상기한 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대해 통상의 지식을 가진 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.
1 : 레이저 최적화 시스템
10 : 레이저 최적화 장치
20 : 레이저 진단 장치
100 : 입사부
110 : 제1 반사 거울
120 : 제1 파라볼릭 거울
200 : 레이저 변조부
210, 220 : 플라즈마 거울
230 : 제1 수평 스테이지
300 : 출사부
310 : 제2 반사 거울
320 : 제2 파라볼릭 거울
400 : 편광자
500 : 제2 수평 스테이지

Claims (17)

  1. 레이저의 진행 경로 사이에 위치하여 상기 레이저를 최적화시키는 레이저 최적화 장치에 있어서,
    상기 레이저가 상기 레이저 최적화 장치 내부로 입사되는 경로를 형성하는 입사부;
    복수의 플라즈마 거울을 포함하며, 상기 입사부로부터 입사되는 레이저의 세기 대조비를 증가시켜 상기 레이저를 시간적으로 최적화시키는 레이저 변조부; 및
    상기 레이저 변조부로부터 반사되는 레이저가 상기 레이저 최적화 장치의 외부로 출사되는 경로를 형성하는 출사부;
    를 포함하는 레이저 최적화 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 레이저 변조부는
    제1 수평 스테이지 상부면에 상기 복수의 플라즈마 거울이 배치되어 구성되되, 상기 제1 수평 스테이지의 회전 이동에 따라, 상기 입사부로부터 입사되는 레이저가 반사되는 플라즈마 거울의 개수가 변경되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 레이저 최적화 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 레이저 최적화 장치는
    상기 제1 수평 스테이지의 회전 이동에 따라, 상기 입사부로부터 입사되는 레이저를 하나의 플라즈마 거울로 반사시키는 싱글 플라즈마 거울(SPM, Single Plasma Mirror) 모드, 또는 두 개의 플라즈마 거울로 반사시키는 더블 플라즈마 거울(DPM, Double Plasma Mirror) 모드로 동작하는 것을 특징으로 하는 레이저 최적화 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 입사부는
    상기 레이저 최적화 장치 내부로 입사되는 레이저의 광 경로를 변경하는 제1 반사 거울; 및
    상기 제1 반사 거울로부터 반사되는 레이저를 집광시켜 상기 레이저 변조부의 플라즈마 거울로 입사시키는 제1 파라볼릭(parabolic) 거울;
    을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 레이저 최적화 장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 레이저 최적화 장치는
    상기 입사부의 전단에 상기 레이저의 편광 특성을 변경시키는 편광자(polarizer)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 최적화 시스템.
  6. 제4항에 있어서, 상기 출사부는
    상기 레이저 변조부의 플라즈마 거울로부터 반사되는 레이저를 평행광으로 전환시키는 제2 파라볼릭 거울; 및
    상기 제2 파라볼릭 거울로부터 반사되는 레이저를 상기 레이저 최적화 장치 외부로 출사시키는 제2 반사 거울;
    을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 레이저 최적화 장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 제2 반사 거울은
    상기 제2 파라볼릭 거울로부터 반사되는 레이저의 파면(wave front)을 보정하여 상기 레이저를 공간적으로 최적화시키는 적응 광학계(adaptive optics)로 구성되는 것을 특징으로 하는 레이저 최적화 장치.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 입사부 및 출사부는 상기 레이저 변조부를 중심으로 대칭을 이루도록 구성되는 것을 특징으로 하는 레이저 최적화 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 반사 거울은 수평 이동이 가능하도록 구성되는 제2 수평 스테이지 상부면에 배치되는 것을 특징으로 하는 레이저 최적화 장치.
  10. 제9항에 있어서, 상기 레이저 최적화 장치는
    상기 제1 수평 스테이지 또는 제2 수평 스테이지가 기 설정된 거리만큼 수평 이동함에 따라, 레이저가 상기 입사부, 레이저 변조부 및 출사부를 거치지 않고 그대로 통과하는 무변조 모드로 동작하는 것을 특징으로 하는 레이저 최적화 장치.
  11. 제8항에 있어서, 상기 레이저 변조부는
    상기 복수의 플라즈마 거울 각각의 수직 위치를 이동시킬 수 있는 수직 구동 유닛; 및 상기 복수의 플라즈마 거울 각각을 표면 방향을 따라 슬라이딩시킬 수 있는 수평 구동 유닛;을 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 최적화 장치.
  12. 제11항에 있어서, 상기 레이저 변조부는
    상기 레이저 최적화 장치가 더블 플라즈마 모드로 동작하는 경우, 상기 두 개의 플라즈마 거울을 각각의 표면 방향을 따라 슬라이딩시켜, 상기 두 개의 플라즈마 거울 사이 간격을 조절하는 것을 특징으로 하는 레이저 최적화 장치.
  13. 제12항에 있어서, 상기 출사부는
    상기 플라즈마 거울의 위치가 변경되더라도, 상기 레이저 변조부를 중심으로 상기입사부와 대칭을 이룰 수 있도록 상기 제2 파라볼릭 거울 또는 제2 반사 거울을 수평 이동시킬 수 있는 수평 구동 유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 최적화 장치.
  14. 제1항에 있어서, 상기 레이저 최적화 장치는
    상기 레이저 변조부를 진공상태로 유지시키기 위한 진공 챔버를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 최적화 장치.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 플라즈마 거울의 평면 중 적어도 일부는 HR 코팅(High Refletion Coating) 영역으로 구성되는 것을 특징으로 하는 레이저 최적화 시스템.
  16. 레이저의 진행 경로 사이에 위치하여 상기 레이저를 최적화시키는 레이저 최적화 장치; 및 상기 레이저 최적화 장치의 제어를 위하여 상기 레이저 최적화 장치에 의하여 변조되는 레이저의 상태를 진단하는 레이저 진단 장치;를 포함하는 레이저 최적화 시스템에 있어서,
    상기 레이저 최적화 장치는
    상기 레이저가 상기 레이저 최적화 장치 내부로 입사되는 경로를 형성하는 입사부;
    복수의 플라즈마 거울로 구성되며, 상기 입사 광학계에 의하여 입사되는 레이저의세기 대조비를 증가시켜 상기 레이저를 시간적으로 최적화시키는 레이저 변조부; 및
    상기 레이저 변조부로부터 반사되는 레이저가 상기 레이저 최적화 장치 외부로 출사되는 경로를 형성하는 출사부;
    를 포함하는 레이저 최적화 시스템.
  17. 제16항에 있어서, 상기 레이저 진단 장치는
    상기 출사부로부터 출사되는 레이저에 대한 스펙트럼, 시간 대조비 및 2차원 프로파일과, 상기 플라즈마 거울의 위치 변경에 따른 레이저 빔의 이동 정도와, 상기 플라즈마 거울의 반사율 중 적어도 하나를 측정하는 것을 특징으로 하는 레이저 최적화 시스템.
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