KR20180063109A - 펄스형 펌핑을 가지는 단일 통과 레이저 증폭기 - Google Patents

펄스형 펌핑을 가지는 단일 통과 레이저 증폭기 Download PDF

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Abstract

단일 통과 레이저 증폭기로 시드 펄스를 스펙트럼적으로 확장하는 시스템 및 방법이 개시된다. 조합된 이득 및 비선형적 특성을 가지는 벌크 TM:II-VI 다결정질 재료는 큰 파워 시드 펄스의 수동적(콜드) 스펙트럼 확장을 제공한다. 연속적인 펌핑은 더 상당한 스펙트럼 확장을 제공한다. 특히, TM:II-VI 다결정질 재료(예를 들어, Cr2+:ZnS, Cr2+:ZnSe, 및 Cr2+:CdSe)의 펄스형 펌핑은 초연속체 생성(SCG) 레벨까지의 상당한 스펙트럼 확장을 제공하는 것으로 보여진다. 펄스 픽킹, 펌프 공급원, 마스터 발진기 및 다양한 광학적 구성요소가 설명된다.

Description

펄스형 펌핑을 가지는 단일 통과 레이저 증폭기
본 발명의 분야는 스펙트럼적으로 확장된 레이저 시스템이다. 특히, 본 발명은 초연속체 출력(supercontinuum output)을 가지는 단펄스 중간-IR 레이저에 관한 것이다.
초단 또는 펨토초(fs)의 펄스 지속시간, 큰 파워, 및 넓은 광학적 스펙트럼을 조합하는, 펄스형 레이저 공급원은 분광학, 감지, 가간섭성 단층촬영, 생물-의학 등의 다양한 적용예를 위한 큰 수요를 갖는다. 스펙트럼적으로 넓은 레이저 발진을, 소위 중간-IR 범위인, 2 내지 10 ㎛ 파장까지 확장하는 것은, 중간-IR 지문 영역에서의 공진 지문(resonant fingerprint)을 특징으로 하는 물질, 예를 들어 일반적인 분자(비제한적으로, H2O, CO2, CO, 및 NH4 포함), 생물 의학 재료, 공기 오염물질, 위험 재료의 검출을 위해서 매우 바람직하다. 또한, 넓고 가간섭적인 광학적 스펙트럼을 가지는 큰 파워의 중간-IR fs 공급원은 물리학 및 화학에서의 기본적인 프로세스의 시간-분석 연구(time-resolved study)에 있어서 매우 중요하다.
fs 펄스의 스펙트럼 확장을 위한 표준 기술은 소위 초연속체 발생(supercontinuum generation)(SCG)이다. 지난 십년간 SCG는 대부분 파장 규모(wavelength scale)의 광학 섬유 및 도파관에서 연구되었다. 전체 중간-IR '지문 영역'을 포함하는 SCG는 칼로겐화물 계단형 섬유(chalcogenide step-index fiber)에서 매우 최근에 시연되었다. 그러나, 본질적인 피크 및 평균 파워 한계가 있고, 정렬 민감도가 섬유-계 및 도파관-계 SCG의 방법에서 문제가 되었다.
보다 최근에, 벌크 재료 내의 SCG는, 상대적인 단순성, 유연성, 큰 피크 및 평균 파워와 같은 그 장점을 가지는 새로운 가능성을 보여준다. 예를 들어, M. Durand 등의 "Study of filamentation threshold in zinc selenide," Opt. Express 22, 5852-5858 (2014)를 참조한다. 벌크 재료 내에서, 레이저 전파는 재료 횡단면 프로파일에 의해서 제한되지 않고, 그에 따라 정렬 민감도가 완화된다. 또한, 일부 벌크 재료 내의 SCG은, 펨토초 입력 펄스를 몇 광학 사이클만을 포함하는 더 짧은 출력 펄스로 압축하는 것을 특징으로 하고, 이에 대해서는 H. Liang 등의 "Three-octave-spanning supercontinuum generation and sub-two-cycle self-compression of mid-infrared filaments in dielectrics," Opt. Lett. 40, 1069-1072 (2015)를 참조한다. Durant 및 Liang 모두는 중간-IR을 생성하기 위해서 광학 매개변수적 증폭기 시스템(OPA)을 이용한다.
벌크 재료가 광학적 구성요소로서 기능하여, 예를 들어 레이저 시스템 내에서 광을 전달할 때, 벌크 재료는 벌크 매체로서 지칭될 수 있다. 확장 연속체를 생성하기 위한 벌크 매체의 능력을 정의하는 중요한 매개변수는 소위 자가-포커싱을 위한 임계 파워(Pc)이다. 임계 파워는 재료-특이적 매개변수이고, 비선형 굴절률(n2)을 통한 재료의 3-차 비선형성에 의해서 정의되고, Pc는 λ2/n2에 의해서 개산된다. 임계 파워는 (예를 들어, ZnSe 및 ZnS와 같은 II-VI 반도체에서) 수백 kW로부터 (예를 들어, YAG 또는 CaF2에서) 수십 MW까지 달라질 수 있다.
전형적으로, 임계 파워 초과에서의 피크 파워 레벨은 fs 발진기로부터 직접적으로 도달될 수 없다. 그에 따라, SCG 스테이지로의 전달에 앞서서, fs 펄스를 위한 증폭 스테이지가 일반적으로 이용된다. 또한, 많은 표준 fs 발진기(예를 들어, Ti:사파이어, 섬유-계)는 근-IR 내에서 방출한다. 그에 따라, 근-IR fs 펄스를 중간-IR 범위로 주파수 변환하기 위한 스테이지가(예를 들어, OPA)가 SCG 스테이지에 앞서서 이용된다. 한편으로, 중간-IR 범위로의 주파수 변환을 위한 기술 및 fs 펄스의 증폭을 위한 기술은 잘 개발되어 있다. 다른 한편으로, 복수의 스테이지를 가지는 전체적인 셋업(setup)은 매우 복잡하고, 규모가 크고(bulky), 고비용이며, 이는 기존 중간-IR 벌크 재료 SCG 공급원의 실질적인 이용을 크게 제한한다.
그러한 출력을 생산하기 위해서 복수의 스테이지에 의존하지 않는, 확장 스펙트럼 출력을 가지는 피코-초 및 보다 더 바람직하게 펨토초 레이저가 필요하다. 본 발명자는, 단일 통과 구성에서 증폭하고 스펙트럼적으로 확장하는 단일 스테이지를 가지는 레이저 시스템을 구성함으로써, 그러한 필요성을 만족시켰다. 펄스 압축과 같은 다른 비선형적 효과가 이러한 레이저 시스템에 의해서 더 제공될 수 있다.
본 발명은, 단일-통과 레이저 증폭기에서 시드 펄스를 증폭하고 스펙트럼적으로 확장하도록 구성된 광학적 체계로부터 이득을 취하는, 단-펄스의, 확장 스펙트럼 발생 레이저 방법 및 시스템을 제공한다. 단일-통과 증폭기에서, 자가-포커싱을 위한 임계 파워는 비선형적 광학적 매체 내에서 초과되고, 레이저 출력이 스펙트럼적으로 확장된다. 비선형적 광학적 매체는 레이저 이득 및 비선형적 성질의 조합을 가지고, 매체는 광학적 펌프 펄스 및 시드 펄스로 동시에 조사된다(irradiated). 펄스 픽커(pulse picker)를 이용하여 증폭을 위한 시드 펄스를 선택할 수 있다. 스펙트럼 확장은 레이저 초연속체를 생성할 수 있다.
본 발명의 적어도 하나의 실시예에서, 비선형적 재료는 다결정질 Cr:ZnS, Cr:ZnSe, Cr:CdS, Fe:ZnSe 또는 Fe:ZnS과 같은 TM:II-VI 다결정질 재료이다.
본 발명의 적어도 하나의 실시예에서, 펌프 레이저는 Er-도핑된 섬유 레이저, Tm-도핑된 섬유 레이저, 또는 TM:II-VI 벌크 매체 레이저이다.
본 발명의 적어도 하나의 실시예에서, 시드 펄스를 생성하기 위해서 마스터 발진기가 이용된다.
본 발명은 또한, 시드 펄스의 피크 파워를 증가시키도록 그리고 스펙트럼을 확장하도록 동작될 수 있는 벌크 재료(GM-NM) 내로의 마스터 발진기로부터의 시드 펄스의 전파, 그리고 더 큰 펄스 에너지 및 더 확장된 스펙트럼을 가지는 펄스가 GM-NM로부터 방출되도록 시드 펄스 및 벌크 매체의 레이저 상호작용을 생성하기에 충분한 광학적 펌프 펄스로 벌크 매체를 동시에 펌핑하는 것에 의해서, 시드 펄스의 성질을 향상시키는 방법을 제공한다.
적어도 하나의 실시예에서, 본 발명은 선택 가능한 펌핑 모드를 제공한다.
개시 내용의 전술한 그리고 다른 양태, 특징 및 장점이 이하의 도면의 도움으로 보다 용이하게 명확해질 것이다.
도 1a는 중간-IR SCG 시스템의 광학적 개략도를 제공한다.
도 1b는 중간-IR SCG 시스템의 광학적 개략도를 제공한다.
도 2a는 "콜드 증폭기(cold amplifier)"를 가지는 마스터 발진기의 광학적 개략도를 제공한다.
도 2b는 "콜드 증폭기"를 가지는 마스터 발진기의 측정된 스펙트럼을 제공한다.
도 3은 "핫 증폭기(hot amplifier)"를 가지는 마스터 발진기의 광학적 개략도를 제공한다.
도 4는 "핫 증폭기"를 가지는 출력 펄스의 측정된 스펙트럼을 제공한다.
도 5는 "핫 증폭기"를 가지는 출력 펄스의 자동상관(autocorrelation)을 제공한다.
도 6은 "핫 증폭기"의 측정된 특성들을 비교하는 그래프를 제공한다.
도 7은 본 발명의 실시예의 광학적 개략도를 제공한다.
도 8은 본 발명의 실시예의 광학적 개략도를 제공한다.
도 9는 본 발명의 실시예의 출력 펄스의 측정된 스펙트럼을 제공한다.
도 10은 본 발명과 함께 이용하기 위한 마스터 발진기의 개략도를 제공한다.
이제 본 발명의 실시예를 구체적으로 설명할 것이다. 가능한 경우에는 언제든지, 동일한 또는 유사한 참조 번호 또는 문자를 도면 및 상세한 설명에서 이용하여, 동일한 또는 유사한 부분 또는 단계를 나타낸다. 도면은 단순화된 형태이고 정밀한 축척(scale)을 가지지는 않는다. 편의성 및 명료함만을 목적으로, 방향적(상/하 등) 또는 운동적(전방/후방 등) 용어가 도면과 관련하여 사용될 수 있다. "결합"이라는 단어 및 그 유사 용어가 반드시 직접적이고 즉각적인 연결을 나타내는 것이 아니고, 중간 요소를 통한 연결을 또한 포함한다.
전이-금속-도핑된 II-VI 반도체(TM:II-VI)를 기초로 하는 fs 발진기의 최근의 출현은 중간-IR 스펙트럼 범위 내의 fs 광학적 펄스를 직접적으로 획득할 수 있게 하였고, 그에 따라 표준 근-IR fs 발진기의 중간-IR로의 주파수 변환을 위한 복잡한 셋업의 필요성을 제거한다. 또한, 다결정질 Cr2+:ZnS 및 Cr2+:ZnSe 컬-렌즈 모드-록드 레이저 기술(Kerr-lens mode-locked laser technology)에서의 매우 최근의 진보는 fs 중간-IR 발진기의 출력 매개변수, 예를 들어 평균 파워(2 W), 펄스 에너지(24 nJ), 및 펄스 지속시간(≤29 fs)에서 상당한 개선을 초래하였다. 이러한 4개의 간행물: S. Mirov 등의 "Progress in mid-IR lasers based on Cr and Fe doped II-VI chalcogenides", IEEE J. Sel. Topics Quantum Electron., 21(1), 1601719 (2015); I. T. Sorokina 및 E. Sorokin의, "Femtosecond Cr2+-based lasers", IEEE J. Sel. Topics Quantum Electron., 21(1), 1601519 (2015); S. Vasilyev, M. Mirov, 및 V. Gapontsev의, "Mid-IR Kerr-lens mode-locked polycrystalline Cr2+:ZnS laser with 0.5 MW peak power" in Advanced Solid State Lasers, OSA Technical Digest (online) (Optical Society of America, 2015), paper AW4A.3; 그리고 S. Vasilyev, I. Moskalev, M. Mirov, S. Mirov, 및 V. Gapontsev의, "Three optical cycle mid-IR Kerr-lens mode-locked polycrystalline Cr2+:ZnS laser" submitted to Opt. Lett. (2015);의 전체가 참조로 포함된다.
일반적인 중간-IR 벌크 재료 SCG 셋업이 도 1a에 도시되어 있다. 시스템은 fs 마스터 발진기(11), 주파수 변환 스테이지(12), fs 레이저 증폭기(13), 포커싱 광학기기(14), 연속체 발생을 위한 벌크 매체(15)로 이루어진다. 시스템은 스펙트럼적으로 확장된 중간-IR 연속체(16)를 방출하도록 구성된다. 다시 말해서 주파수 변환이 SCG 스테이지를 위한 중간-IR 입력을 생성할 필요가 없을 때, 적절한 중간-IR 마스터 발진기를 이용하여 주파수 변환 스테이지(12)를 생략한다. 사용될 때, 주파수 변환 스테이지는, 도 1a에 도시된 바와 같이 마스터 발진기와 증폭기 사이에서, 또는 도 1b에 도시된 바와 같이 증폭기 스테이지와 SCG 스테이지 사이에서 이용될 수 있다.
도 2a 및 도 2b는 벌크 Cr2+:ZnS, Cr2+:ZnSe, 및 Cr2+:CdSe 재료 내의 중간-IR fs 발진기의 스펙트럼 확장에 관한 실험을 나타내고, 여기에서 벌크 재료는 펌핑되지 않고, 그에 따라 이는 "콜드 증폭기"로 간주되며, 그에 의해서 시드 펄스로부터의 에너지 만이 벌크 매체 내로 부여된다. 이러한 "콜드 증폭기" 결과는, 0.5 MW 레벨의 피크 파워가 다결정질 Cr2+:ZnS, Cr2+:ZnSe, 및 Cr2+:CdSe 내의 일부 스펙트럼 확장을 획득하는데 있어서 충분하다는 것을 보여주나, 이는 확장 연속체의 생성을 위해서 충분하지 않다. 구체적으로, 도 2a는 실험적인 셋업; fs 마스터 발진기(21), 포커싱 렌즈(22), 및 벌크 매체(23)의 광학적 개략도를 설명한다. 시스템은 스펙트럼적으로 확장된 중간-IR 연속체(24)를 방출하도록 구성된다. 도 2b는 실험의 측정된 스펙트럼을 설명하고, 여기에서 중간-IR fs 레이저가 마스터 발진기 시드 레이저로서 이용되고 벌크 재료는 이하의 II-VI 재료: Cr2+:ZnS, Cr2+:ZnSe, 및 Cr2+:CdSe 중 하나이다. 펄스의 측정된 스펙트럼은 대수 눈금(logarithmic scale)으로 도시되어 있고, 입력은 쇄선에 의해서 지정되었고 출력은 실선에 의해서 지정되었다.
도 3은, "핫 증폭기(hot amplifier)"를 이용하는 다른 실험의 광학적 개략도를 설명한다. 이러한 "핫 증폭기"는, 동시에 광학적으로 CW 펌핑되고 마스터 발진기 펄스로 시드되는(seeded) 벌크 매체를 포함한다. 도 3의 기구는, 시드 레이저 펄스(35)를 제공하는 중간-IR fs 마스터 발진기(MO)(30), CW 광학적 펌핑(34)을 제공하는 펌프 레이저(32), 레이저 이득 매체와 비선형적 매체(예를 들어, 다결정 Cr2+:ZnS, Cr2+:ZnSe, 및 Cr2+:CdSe)의 양 성질들을 조합하는 단일 벌크 재료(GM-NM)(37), MO 빔(31)을 위한 포커싱 광학기기, 및 펌프 빔을 위한 포커싱 광학기기(33)를 포함한다. 펌프 빔 및 MO 빔은 이색성 거울(36)로 중첩되고 벌크 GM-NM 내에서 포커스된다. 기구는 빔 조향(34)을 위한 그리고 이색성 거울(39)로 출력 빔(38)을 잔류 펌프 복사선(40)으로부터 분리하기 위한 선택적인 광학기기를 포함한다.
벌크 GM-NM의 CW 광학적 펌핑은, MO로부터의 입력 펄스의 증폭을 초래하고, 벌크 GM-NM의 비선형성은 입력 펄스의 스펙트럼 확장을 초래하며; 벌크 GM-NM을 통한 펄스 전파 중의 펄스의 증폭은 펄스의 피크 파워의 증가를 초래하고, 그에 따라, 추가적인 스펙트럼 확장을 초래한다. 이러한 실험을 위해서 이용되는 펌프는, 매사추세츠주 옥스포드에 소재하는 IPG Photonics가 모델 번호 ELR-20-1567-LP로 판매하는 에르븀 섬유 레이저였다.
측정된 실험 결과가 도 4, 도 5, 도 6에 요약되어 있다. 실험은 벌크 매체로서 다결정질 Cr2+:ZnS, 즉 GM-NM을 이용하여 실행되었다. 유사한 결과가 다결정질 Cr2+:ZnSe를 이용하여 획득되었다.
도 4는 핫 증폭기 내의 스펙트럼 확장을 보여주는, 도 3의 기구로부터의 실험 결과를 보여준다. 구체적으로, "'핫' 증폭기"로 표시된 출력 펄스 데이터의 측정된 스펙트럼과 "콜드 증폭기"로 표시된 데이터를 비교하면, 증가된 스펙트럼 폭이 명확하다. '핫 스펙트럼'은 시드 펄스와 동시적으로 20 W CW 펌프 파워 입력에서 측정되었고, 그에 따라 이는 "핫 증폭기"였고 7.1 W 평균 출력 파워가 1.9 W의 시드로부터 증가되었다. 회색 선은 펌프 파워의 증가에 따른 스펙트럼 확장을 도시한다. 상단의 그래프는 1 m 표준 공기 및, 이색성 거울(39)인, 펌프 분리기의 투과를 도시한다. 도시된 바와 같이, 획득된 스펙트럼은 2.0 내지 2.5 ㎛의 대기 투명도 창(atmospheric transparency window)을 완전히 채운다.
도 5는 측정된 실험 출력 펄스들의 자동상관을 제공한다. '콜드 자동상관'은 펌프 레이저를 턴 오프한 상태에서 측정되었고, '핫 자동상관'은 20 W CW 펌프 파워 및 7.1 W 출력 파워에서 측정되었다. 도시된 바와 같이, 입력 펄스의 증폭은 44 fs로부터 약 33 fs로의 입력 펄스의 압축을 수반한다.
도 6은 장치의 측정된 특성 대 펌프 파워를 제공한다. 상단 그래프는 (- 10 dB 레벨에서의) 스펙트럼 대역폭 및 펄스 지속시간을 비교한다. 하단 그래프는 증폭기의 이득을 비교한다. 도시된 바와 같이, 펌프 파워의 증가는 (i) 스펙트럼 확장, (ii) 펄스 압축, (iii) 출력 파워의 증가를 초래한다. fs 펄스의 증폭이 CW 레이저의 증폭만큼 효과적으로 발생된다는 것에 주목하는 것이 중요하다.
따라서, 도 3의 기구는 CW 펌핑된 단일 통과 증폭기 내의 fs 광학적 펄스의 측정 가능한 스펙트럼 확장 및 증폭을 생성한다. 이러한 결과는, 벌크 매체를 통한 단일 통과에서 중간-IR fs 펄스의 증폭, 스펙트럼 확장 및 압축이 있었다는 것을 보여준다.
연속적인 펌핑 체제에서, 마스터 발진기의 평균 파워(P)를 증폭시켰다(즉, ~100 MHz 반복율에서 펄스 트레인 내의 모든 펄스가 동일한 방식으로 증폭되었다). 마스터 발진기(~2 W)의 평균 파워는 연속적인 펌프(~20 W)의 평균 파워와 동일한 차수(order)이다. 그에 따라, 증폭기의 이득은 비교적 작고(POUT/PIN ~ 5) 스펙트럼 확장은 적당하다.
이제, CW 펌프 체제의 적당한 스펙트럼 확장과 대조적으로, 본 발명의 양태는 보다 상당한 스펙트럼 확장, 예를 들어 SCG가 가능한 스펙트럼 확장, 다시 말해서 1 옥타브 초과를 제공한다. 이러한 레벨의 스펙트럼 확장을 달성하기 위해서, 펄스형 펌핑 체제를 이용한다.
적어도 하나의 펄스형 펌핑 체제 실시예에서, 도 7을 참조하면, 벌크 재료(GM-NM)(37)(예를 들어, Cr2+:ZnS, Cr2+:ZnSe, 및 Cr2+:CdSe) 내의 펄스형 펌프(70)로부터의 펌프 펄스(71)와 일치하는 마스터 발진기(35)의 펄스 트레인으로부터의 시드 펄스(35)의 펄스 에너지(E)를 증폭하였다. 약 20 nJ의 시드 펄스의 에너지는 펌프 펄스 에너지(2 mJ)보다 100000배 더 작다. 그에 따라, 증폭기의 이득은 매우 커서 약 500의 EOUT/EIN이며, 출력(72) 내의 스펙트럼 확장은 강력하다.
마스터 발진기로부터의 입력 펄스와 벌크의 비선형적 상호작용은 비선형적 광학적 효과를 초래한다. 이러한 비선형적 광학적 효과는 자가-포커싱, 자가-위상 변조, 교차-위상 변조, 4-파동 혼합, 필라멘테이션(filamentation) 및 펄스 압축 중 임의의 하나 또는 임의 조합을 포함할 수 있다. 상당한 스펙트럼 확장을 달성하기 위해서, 시드 광자(s)의 에너지는 매체의 밴드갭 에너지보다 상당히 작아야 한다.
펌프 펄스의 반복율은 마스터 발진기의 펄스 트레인에서의 반복율보다 훨씬 작고(예를 들어, 각각 1 kHz 대 100 MHz), 그에 따라 펄스 트레인(35)의 작은 분율(fraction) 만이 증폭되고 평균 파워에서의 이득은 CW 펌핑에 비해서 작다. 도 8에 도시된 바와 같이, 펄스 픽커(82)를 이용하여 마스터 발진기 펄스 트레인(35)으로부터 시드 펄스(80)를 선택할 수 있고, 증폭을 위해서 그러한 시드 펄스를 펌프 펄스(71)와 동기화시킬 수 있다. 시드 펄스 및 펌프 펄스는 이색성 거울(81)로 벌크 GM-NM(37) 내에서 중첩된다. 스펙트럼적으로 확장된 출력(84)은 이색성 거울(83)로 증폭기 출력으로부터 분리된다. 증폭된 시드 펄스 출력에 더하여, 증폭기 출력은, 이색성 거울(86)로 잔류 펌프(40)로부터 분리되는 광학적 고조파(85)(예를 들어, 주파수 배가된 제2 고조파)를 포함할 수 있다. 시드 펄스 폭은, 예를 들어, 1 fs 내지 10 ps일 수 있다.
펄스형 펌프 레이저는 예를 들어 mJ, ns, Q-스위치드 벌크(switched bulk) Er:YAG, Ho:YAG 레이저, 또는 Ho:YLF 레이저일 수 있다. 적어도 일 실시예에서, 펌프 레이저는 1.65 ㎛의 2 mJ, 1 kHz Er:YAG 레이저이다. 적어도 하나의 실시예에서, 시드 레이저는 20 nJ, fs 펄스를 가지는, 80 MHz, Cr:ZnS 레이저이다.
도 9는 실험 결과를 도시한다. 곡선(A)은 마스터 발진기로부터의 펄스의 초기 "콜드" 스펙트럼을 도시하고, 곡선(B)은 "핫" 연속적으로 펌핑된 단일-통과 증폭기 내의 스펙트럼 확장을 도시하며, 곡선(C)은 펄스-펌핑된 단일-통과 증폭기 내의 강력한 스펙트럼 확장을 도시하며, 본질적으로 1.8 내지 4.5 um로부터 중간-IR 초연속체를 생성하였다.
본 발명에서 이용하기 위한 예시적인 마스터 발진기가 도 10에 도시되어 있다. 예시적인 마스터 발진기는, 렌즈(91)에 의해서 포커스된, Er-도핑된 섬유 레이저(EDFL)(90)에 의해서 1567 nm에서 광학적으로 펌핑된다. AR 코팅된 다결정질 Cr2+:ZnS 이득 요소(93)가 2개의 곡선형 거울들(92 및 94) 사이의 수직 입사로 공진기 내에 장착된다. 이러한 예에서, 이득 요소는 11%의 낮은-신호 투과를 가지는 5 mm 길이이고 상온의 물로 냉각된다. 공진기의 다리들은 통상적으로 2:5의 비율로 동일하지 않다. 레이저는 2개의 광학적 출력: 출력 커플러(OC)(97)를 통한 중간-IR(99) 및 SHG 파장 범위 내에서 큰 투과를 가지는 곡선형 이색성 거울(94)을 통한 제2 고조파 발생 SHG(98)를 갖는다. 광학적 코팅의 반사율 및 그룹 지연 분산(group delay dispersion)(GDD)은 2200 내지 2700 nm 파장 범위 내에서 최적화되었다. 공진기의 순(net) GDD는, 음의 GDD를 가지는 설치된 고 반사부(HR)(95)의 유형 및 수를 변화시키는 것에 의해서, 이산 단계들로 조정될 수 있다. 이득 요소의 3차 분산(TOD)은 전용 거울(96)(HR*)에 의해서 보상되었다. 레이저는 최대 CW 출력 파워를 위해서 최적화되었다. 이어서, (OC 전환(translation)에 의해서 개시된) 컬-렌즈 모드-록드 체제를 가능하게 하기 위해서, 곡선형 거울들 사이의 거리가 미세-조정되었다. 모드-록드 레이저의 스펙트럼 및 시간 매개변수는, 0.15 m 이중 그레이팅 단색화 장치(dual grating monochromator) 및 간섭측정 자동상관기(interferometric autocorrelator)를 이용하여 특성화되었다. OC의 3.2 mm 두께의 ZnSe 기재를 통한 전파로 인한 출력 펄스의 왜곡(2400 nm에서 GDD = +710 fs2)은 5 mm 두께의 YAG 판 및 TOD 보상기(HR*)의 조합에 의해서 공진기 외측에서 보상되었다.
본 발명의 레이저 시스템은 부가적인 광학적 구성요소로부터 추가적인 이점을 취할 수 있다. 적어도 하나의 실시예에서, 레이저 시스템은 벌크 재료(GM-NM) 이전에 또는 이후에 배치된 적어도 하나의 분산 요소를 포함한다. 그러한 분산 요소는 평면-평행 판, 또는 분산 프리즘의 세트, 또는 분산 거울 중 어느 하나 또는 조합을 포함할 수 있다.
광학적 증폭의 단일 스테이지가 바람직하지만, 마스터 발진기 이후의 복수의 증폭 스테이지도 본 발명의 범위에 포함된다. 예를 들어, 증가된 출력 파워 및 증가된 스펙트럼 확장을 위해서, 주 파워 증폭기에 앞서서 펄스 파워를 증가시키기 위한 예비-증폭 스테이지가 마스터 발진기 스테이지에 후속될 수 있다. 시스템은 직렬 또는 병렬 구성의 다수의 펌핑된 파워 증폭 스테이지를 가질 수 있다.
일반적으로, 출력을 스펙트럼적으로 확장하도록 적어도 하나의 증폭 스테이지가 구성될 것이나, 복수의 스테이지가 스펙트럼 확장에 기여할 수 있다. 임계 파워 레벨에 도달하기 위해서 마스터 발진기가 충분한 피크 파워로 스펙트럼 확장을 개시할 수 있고, 파워 증폭기 스테이지에서의 부가적인 스펙트럼 확장이 후속될 수 있다. 다수의 GM-NM 스테이지가 있는 경우에, 이득 및 확장 특성이 스펙트럼들 사이에서 다를 수 있다. 빔 성질 및 펌프 특성을 포함하는 시스템 매개변수가 이득 및 확장을 선택적으로 향상시킬 수 있다. 예를 들어, GN-NM 부피의 일 부분이 이득을 위해서 최적화될 수 있고, 다른 부분이 확장을 위해서 최적화될 수 있다.
당업자는, 단지 일상적인 실험을 이용하여, 본원에서 설명된 발명의 구체적인 실시예에 대한 많은 균등물을 인지하거나 알아낼 수 있을 것이다. 개시된 개략도가 임의의 레이저 시스템과 함께 이용될 수 있으나, 여기에서 개시된 구조에 대한 원동력(impetus)은 스펙트럼 확장에 있다. 그에 따라, 전술한 실시예가 단지 예로서 제시된 것이고, 첨부된 청구항 및 그 균등물의 범위 내에서, 본 발명이 구체적으로 설명된 것과 달리 실행될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 본 개시 내용은 본원에서 설명된 각각의 개별적인 특징부, 시스템, 재료, 및/또는 방법에 대한 것이다. 또한, 둘 이상의 그러한 특징부, 시스템, 물품, 재료, 및/또는 방법의 임의 조합은, 그러한 특징부, 시스템, 물품, 재료, 및/또는 방법이 상호 불일치되지 않는다면, 본 발명의 범위 내에 포함된다.

Claims (24)

  1. 스펙트럼적으로 확장된 레이저 출력을 가지는 단-펄스, 단일-통과, 증폭기 기반의 레이저 시스템이며:
    시드 레이저; 및
    증폭된, 스펙트럼적으로 확장된 레이저 출력을 방출하도록 구성된 펄스-펌핑된 단일-통과 레이저 증폭기를 포함하고;
    시드 레이저는 초고속 중간-IR 시드 펄스의 트레인을 방출하도록 구성되고;
    레이저 증폭기는 적어도 하나의 시드 펄스의 에너지를 수신 및 증폭하도록 구성되며;
    레이저 증폭기는 자가-포커싱을 위한 임계 파워를 특징으로 하는 비선형적 광학적 매체를 포함하고; 그리고
    비선형적 광학적 매체는 자가-포커싱을 위한 임계 파워 초과의 단일-통과 레이저 증폭기 내에서 조사되고, 그에 의해서 레이저 출력이 스펙트럼적으로 확장되는, 레이저 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    비선형적 광학적 매체는 레이저 이득 및 비선형적 광학적 성질의 조합을 가지는, 레이저 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    시드 레이저와 레이저 증폭기 사이에 배치된 펄스 픽커를 더 포함하고, 펄스 픽커는, 증폭을 위해서 펌프 펄스와 동기화되는 적어도 하나의 시드 펄스를 선택하도록 구성되는, 레이저 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    레이저 증폭기 내의 레이저 이득은 증폭된 펄스 파워를 제공하고, 증폭된 펄스 파워는 비선형적 매체 내의 자가-포커싱을 위한 임계 파워를 초과하는, 레이저 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    적어도 하나의 방출된 시드 레이저 펄스는, 비선형적 매체 내의 자가-포커싱을 위한 임계 파워를 초과하는 피크 파워를 가지는, 레이저 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    레이저 출력 주파수 스펙트럼이 하나의 전체 옥타브를 초과하는, 레이저 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    레이저 출력 파장 스펙트럼 범위가 1.8 내지 4.5 미크론인, 레이저 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    단일-통과 레이저 증폭기의 광학적 펌핑과 동시에 비선형적 광학적 매체에 시드하기 위해서 펄스형 fs 출력을 방출하는 마스터 발진기를 더 포함하는, 레이저 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    펌프 펄스 및 시드 레이저 방출을 비선형적 광학적 매체 상에 중첩 및 포커스하기 위한 광학기기를 더 포함하는, 레이저 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    스펙트럼적으로 확장된 출력 펄스를 잔류 펌프 펄스로부터 분리하기 위한 광학기기를 더 포함하는, 레이저 시스템.
  11. 제1항에 있어서,
    적어도 하나의 시드 펄스의 피크 파워가 비선형적 광학적 매체 내의 자가-포커싱을 위한 임계 파워(Pc)를 초과하는 , 레이저 시스템.
  12. 제8항에 있어서,
    비선형적 광학적 매체 내의 마스터 발진기로부터의 시드 펄스의 비선형적인 상호작용이 펄스형 출력의 스펙트럼 확장을 초래하는, 레이저 시스템.
  13. 제1항에 있어서,
    비선형적 광학적 매체는 TM:II-VI 다결정질 재료를 포함하는, 레이저 시스템.
  14. 제13항에 있어서,
    비선형적 광학적 매체는 Cr:ZnS, Cr:ZnSe, Cr:CdS, Fe:ZnSe 및 Fe:ZnS로 이루어진 군으로부터 선택되는, 레이저 시스템.
  15. 제1항에 있어서,
    펌프 레이저는 Er-도핑된 섬유 레이저, Tm-도핑된 섬유 레이저 및 TM:II-VI 벌크 매체 레이저로 이루어진 군으로부터 선택되는, 레이저 시스템.
  16. 제1항에 있어서,
    펌프 레이저는 mJ, ns, Q-스위치드 벌크 Er:YAG 레이저인, 레이저 시스템.
  17. 제1항에 있어서,
    시드 레이저 펄스 폭은 1 fs 내지 10 ps인, 레이저 시스템.
  18. 광학적 초연속체를 생성하는 방법이며:
    벌크 재료(GM-NM)를 동시에 시딩 및 펌핑하는 단계; 및
    GM-NM 내의 자가-포커싱을 위해서 임계 파워를 초과하게 하는 단계를 포함하고,
    동시에 시딩 및 펌핑하는 단계는 시드 펄스 증폭을 제공하기 위해서 GM-NM 재료 내에서 시드 펄스 및 펌프 펄스를 중첩시키는 단계를 포함하고; 그리고
    자가-포커싱을 위해서 임계 파워를 초과하게 하는 단계는, 레이저 출력이 초연속체가 되도록 강력한 스펙트럼 확장을 제공하는, 방법.
  19. 펨토초 레이저 펄스의 성질을 향상시키는 방법이며:
    마스터 발진기로부터의 펨토초 시드 펄스를 벌크 재료(GM-NM) 내로 전파시키는 단계로서, 시드 펄스는 펄스 에너지 및 스펙트럼 폭을 특징으로 하고, GM-NM은 피크 펄스 파워를 증가시키도록 그리고 시드 펄스의 스펙트럼을 확장하도록 동작 가능한, 단계; 및
    광학적 펌프 펄스로 벌크 매체를 동시에 펌핑하는 단계를 포함하고,
    펌프 펄스 에너지는 시드 펄스와 벌크 매체 사이의 레이저 상호작용을 생성하기에 충분하고,
    레이저 상호작용 및 적어도 하나의 비선형적 프로세스가 펨토초 시드 펄스의 성질을 향상시키고, 그에 따라 증가된 펄스 에너지 및 증가된 스펙트럼 폭을 가지는 향상된 펄스가 출력 펄스로서 GM-NM으로부터 방출되는, 방법.
  20. 제19항에 있어서,
    출력 펄스의 스펙트럼은, 마스터 발진기로부터의 입력 펄스의 스펙트럼보다 넓은, 방법.
  21. 제19항에 있어서,
    출력 펄스의 시간적 펄스 폭은, 마스터 발진기로부터의 입력 펄스의 펄스 폭보다 좁은, 방법.
  22. 제19항에 있어서,
    펄스의 출력에너지는, 마스터 발진기로부터의 입력 펄스의 에너지보다 큰, 방법.
  23. 스펙트럼적 펄스 확장을 위한, 단-펄스, 단일-통과 증폭기 기반의 레이저 시스템이며:
    초고속 중간-IR 시드 펄스의 트레인을 방출하도록 구성된 시드 레이저;
    선택 가능한 연속적인 펌핑 모드 및 펄스형 펌핑 모드로 동작될 수 있는 펌프 레이저;
    단일-통과 레이저 증폭기; 및
    레이저 증폭기 내에서 시드 펄스를 스펙트럼적으로 확장하도록 그리고 증폭하도록 구성된 비선형적 광학적 매체를 포함하고;
    연속적인 펌핑 모드는 시드 펄스 트레인의 큰 평균 파워 증폭을 제공하고;
    펄스형 펌핑 모드는 시드 펄스 트레인의 큰 피크 파워를 제공하는, 시스템.
  24. 제23항에 있어서,
    수동 모드를 더 포함하고, 시드 펄스는 펌프 파워가 없이 스펙트럼적으로 확장되는, 시스템.
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