KR20180068984A - 레이트 및/또는 진폭이 시간 변조되는 펄스 레이저 시스템 - Google Patents

레이트 및/또는 진폭이 시간 변조되는 펄스 레이저 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 소스 신호(100)를 생성하기 위한 소스(10) 및 광 증폭기 시스템(30, 31, 32, 33)을 포함하는 레이저 시스템에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 레이저 시스템은 소스 신호(100)를 선택 또는 가변시켜 하나 이상의 광 펄스들로 구성된 주 신호(120)를 형성하도록 구성된 펄스 선택 또는 가변 디바이스(20)를 포함한다. 주 신호(120)는 리듬 및/또는 진폭 면에서 시간적으로 가변될 수 있다. 레이저 시스템은 주 신호(110)와 보조 신호(120)를 상기 광 증폭기 시스템(30)에 주입하도록 구성된다. 보조 신호(120)는 상기 주 신호(110)의 리듬 및/또는 진폭 면에서 시간 가변에 기초하여 가변됨으로써 광 증폭기 시스템(30)에 저장된 출력을 시간-종속 방식으로 안정시키고, 레이저 시스템은 증폭된 주 신호(310)를 증폭된 보조 신호(320)로부터 공간적으로 분리하도록 구성된다.

Description

레이트 및/또는 진폭이 시간 변조되는 펄스 레이저 시스템
본 발명은 일반적으로 펄스 레이저 분야에 관한 것이다.
보다 구체적으로, 본 발명은 펄스들이 시간 변조되는 고-출력 및/또는 고-에너지 펄스 레이저 시스템에 관한 것이다. 본 발명은 또한 레이저 시스템으로부터 증폭된 펄스들의 레이트 및/또는 진폭을 고속 변조하는 방법에 관한 것으로서, 이 펄스들은 고출력 및/또는 고에너지를 갖는다. 본 발명은 또한, 수백 MHz 또는 GHz 정도의 매우 높은 반복 주파수로부터 매우 낮은 레이트(rate)까지 확장될 수 있는 넓은 주파수 범위에서 시간 변조된 레이저 펄스들을 발생시키는 방법, 또는 심지어 요구에 따라 펄스를 발생시키는 방법에 관한 것이다.
펄스 레이저에 의해 방출되는 펄스들의 레이트 또는 반복 주파수는 종종 레이저 빔에 사용되는 구조(architecture) 및 요구되는 사양의 함수로서 결정된다.
마스터 발진기 출력 증폭기(Master Oscillator Power Amplifier; MOPA) 유형의 구조는 일반적으로 고-출력 레이저 소스를 만드는데 사용된다. 이 경우, "마스터 발진기"라 불리는 소스(10)는 소스 펄스들로 구성된 소스 신호(100)를 생성한다. 이 소스 신호(100)는 직렬의 하나 이상의 증폭단(amplification stages)을 포함하는 광 증폭기 시스템(30)에서 증폭된다. 다양한 유형의 소스들(10)이 존재한다. 이 소스(10)는 주기적일 수 있으며, 특히 발진기 캐비티 길이(oscillator cavity length)가 반복 주파수를 정의하는 모드-동기 레이저(mode-locking laser)에 기초한 소스일 수 있다. 주기 소스(10)는 또한 Q-스위치 발진기(Q-switched oscillator)에 기초한 것일 수 있다. 모드-동기 또는 Q-스위치 소스들은 피코초 지속 시간의 펄스들을 생성할 수 있게 하지만, 요구에 따라 펄스를 생성할 수 있게 하지는 못한다. 더구나, 발진기가 펄스 다이오드(pulsed diode)로 구성되고 발진기 레이트가 고정되어 있지 않은 소위 나노초 또는 연속 MOPA들이 또한 존재한다. 이러한 펄스 레이저 다이오드 MOPA들은 요구에 따라 펄스를 생성할 수 있게 하지만 나노초 단위의 펄스 지속 시간에 의해 제한된다.
특정 적용들에서, 사용자는 반복 주파수를 변화시키고/변화시키거나 초단 레이저 펄스들(ultra-short laser pulses)의 진폭을 변조하거나, 고-출력 및/또는 고-에너지 레이저 펄스의 방출을 또한 부분적으로 또는 완전히 차단한 다음 재개할 필요가 있을 수 있다.
펄스 변조 또는 선택 디바이스(pluse modulation or selection device)를 광 증폭기의 상류 또는 하류의 광학 경로에 삽입함으로써 레이저 펄스 방출의 제어가 다양한 방식들로 수행될 수 있다.
제1 방법은 주파수-감축 디바이스(frequency-reducer device)를 사용하여 발진기 반복 주파수보다 낮은 레이저 출력 주파수의 펄스들을 생성하는 것이다. 주파수 감축기는 일반적으로 2개, 3개 또는 N개 중에서 하나의 펄스를 선택하고, 따라서 발진기 반복 주파수의 1/2, 1/3 또는 1/N과 각각 동일한 반복 주파수의 펄스들을 생성한다. 또 하나의 방법은 사용자의 요구에 따라 펄스의 방출을 촉발시키기 위해, 전자 제어 신호를 이용하여, 요청시 펄스를 선택하는 디바이스를 사용하는 것을 포함한다. 또 하나의 방법은 시간에 맞춰 한 펄스로부터 다음 펄스로 레이저 빔을 스위치-오프(switch-off) 또는 스위치-온(switch-on) 하기 위해 레이저 출력부에 고속 셔터(fast shutter)를 이용하는 것을 포함한다.
도 1에는 종래 기술의 시간 변조 펄스 레이저 시스템이 도시되어 있다. 이 레이저 시스템은 소스(10), 광 증폭기 시스템(30), 소스(10)와 광 증폭기 시스템(30)의 입력부에 배치된 펄스 선택기(20) 및/또는 광 증폭기 시스템(30)의 출력부에 배치된 또 하나의 펄스 선택기(25)를 포함한다. 소스(10)는 예를 들면, 일반적으로 약 10kHz와 약 10MHz 또는 심지어 수 GHz 사이의 고정된 레이트로 방출되는 광 펄스들로 구성된 소스 신호(100)를 생성하는 모드-동기 발진기(mode-locking oscillator)로 구성된다. 소스 신호(100)의 광 펄스들의 지속 시간은 일반적으로 1 펨토초 또는 1 피코초 정도이다. 일 예에서, 광 증폭기 시스템(30)은 MOPA 유형의 구조에 기초한다. 선택적으로, 증폭기 시스템은 증폭기 시스템의 상류측에 있는 스트레쳐(stretcher) 및 하류의 압축기를 포함하는 처프 펄스 증폭기(Chirped Pulse Amplifier: CPA) 유형의 구조에 통합될 수 있다.
펄스 선택기(20)(또는 펄스 피커(pulse picker))는 광 증폭기 시스템(30)의 상류의 소스 신호(100)로부터 하나 이상의 광 펄스를 제거하고, 하나 이상의 선택된 광 펄스로 구성된 변조 신호(110)가 통과하게 한다. 광 증폭기 시스템(30)은 변조 신호(110)를 증폭하고, 하나 이상의 증폭되고 선택된 광 펄스들로 구성된 증폭 신호(300)를 생성한다. 따라서, 펄스 선택기(20)는 증폭 이전에 발진기(10)로부터의 펄스들의 반복 주파수를 감소시키거나 심지어 증폭 이전에 요구에 따라 소스 신호로부터 하나 이상의 광 펄스를 선택하는 것을 가능하게 한다. 단일 펄스형(single-pulse regime)으로 요구에 따라 펄스들을, 또는 원하는 회절 효율에 도달하기 위해 대략 10kHz 및 대략 100MHz, 또는 심지어 수 GHz 사이로 대체로 구성되는 주파수 범위 및 수 W 내지 대략 10W의 RF 출력을 갖는 주기적인 펄스를 전달하는 것을 가능하게 하는 브래그(Bragg) 또는 전자-광 셀(electro-optic cell), 예를 들면 포켈스 셀(Pockels cell)에 기초한 다양한 유형, 특히 음향-광학(acousto-optic) 유형의 펄스 선택기(20)가 존재한다.
그러나, 광 증폭기 시스템(30)의 상류측의 변조 신호(110)의 펄스들 사이의 반복 주파수 또는 시간 간격을 변경하는 것은 일반적으로 증폭 신호(300)의 펄스들의 파라미터들의 변경을 초래한다. 소스 신호(100)의 펄스들은 모두 파장, 지속 시간 및 에너지가 동일하지만, 증폭 신호(300)의 펄스들은 동일하지 않다는 것이 관찰된다. 실제로는, 증폭 신호(300)의 펄스들의 에너지 및/또는 지속 시간, 증폭 신호(300)의 펄스 빔의 형상 및/또는 품질은 변조 신호(110)의 선택된 펄스들 사이의 레이트 변동의 함수로서 가변될 수 있다.
특히, 일련의 레이저 펄스들의 발생 중에, 제1 증폭 펄스는 일반적으로 일련의 후속 펄스보다 매우 높은 에너지 및/또는 출력을 갖는다. 이 고출력(superpower)은 연속적으로 펌핑되는 증폭 매질, 및 펄스들 사이의 시간 간격이 증가할 때 증폭기에 저장된 에너지가 증가한다는 사실에 기인한다. 따라서, 일련의 제1 펄스는 증폭 매질로부터 후속 펄스보다 높은 에너지를 추출한다. 이러한 제1 고-출력 펄스는 광 증폭기 시스템(30)의 부품들 또는 광 증폭기 시스템(30)의 하류측의 광학 경로의 열화 또는 심지어 파손을 초래할 수 있으며, 일반적으로 일정하고 안정적인 에너지를 요구하는 레이저 방법에 부정적인 영향을 미친다.
따라서, 광 증폭기 시스템(30)의 상류의 펄스들의 선택 또는 소스 신호의 주파수 및/또는 진폭의 변조는, 지금까지는, 방출된 펄스들의 특성에 영향을 미치지 않으면서 레이저 시스템의 출력부에서 증폭 펄스들(300)의 주파수 및/또는 진폭을 임의대로 변조시키는 것을 불가능하게 한다.
펄스 트레인의 방출을 제어하는데 통상적으로 사용되는 또 하나의 기술은 레이저 뒤에 (음향-광학 또는 전자-광학 유형의) 광 변조기(25)를 배치하는 것을 포함한다. 이 변조기(25)는 활성화될 때, 특정 증폭 펄스들(250)을 다른 증폭 펄스들(252)로부터 공간적으로 분리할 수 있도록 변조기를 통과하는 하나 이상의 펄스들의 편광(polarization), 전파 방향(direction of propagation), 진폭(amplitude) 및/또는 위상 특성(phase properties)을 선택적으로 변경할 수 있게 한다. 이 기술은 주로 다음과 같은 이유로 제한된다. 첫째, 광 증폭기의 하류에 배치된 전자-광학(EO) 또는 음향-광학(AO) 변조기의 현재 속도(current speed)는 수 MHz 또는 대략 10MHz의 최대 레이트로 변조기들의 사용을 제한한다. 둘째, 펄스 레이저의 출력부에 배치된 광 변조기(25)는 (음향-광 변조기의 경우 10 내지 20%, 전자-광학 변조기의 경우 5% 정도의) 출력 손실을 초래한다. 마지막으로, 고출력 레이저의 경우, 레이저 빔은 증폭 시스템(30)의 출력부에 배치된 광 변조기(25)를 손상시킬 수 있다. 광 변조기(25)는 또한; 예를 들면, 열 렌즈(thermal lens)의 영향하에서 공간적으로 또는 비-선형 효과의 작용에 의해 시간적(temporally), 스펙트럼적으로(spectrally) 또는 공간적으로(spatially) 출력 레이저 빔의 파라미터를 변경할 수 있다.
따라서, 고-에너지 및/또는 고-출력 펄스 레이저 시스템의 레이트 및/또는 진폭을 시간 변조할 수 있게 하는 시스템 및 방법이 필요하며, 여기서 변조는 증폭 펄스들의 특성(에너지, 지속 시간, 공간적 형상, 빔 품질)을 제어하고 증폭 시스템의 시간에 따른 안정성을 보장하면서 최대 펄스들의 반복 레이트까지 빠르게 될 수 있다.
종래기술의 전술한 단점을 개선하기 위해, 본 발명은 소스 광 펄스들로 구성된 소스 신호를 생성하도록 구성된 소스 및 상기 소스 신호를 수신하고 증폭하도록 구성된 광 증폭기 시스템을 포함하는, 레이트 및/또는 진폭이 시간 변조되는 펄스 레이저 시스템을 제안한다.
보다 구체적으로는, 본 발명에 따르면, 소스 신호를 선택 또는 변조하여 하나 이상의 광 펄스들로 구성된 주 신호를 형성하도록 구성된 펄스 선택 또는 변조 디바이스(pulse selection or modulation device)를 포함하는 시간 변조되는 펄스 레이저 시스템이 제안되고, 상기 주 신호는 레이트 및/또는 진폭이 시간 변조되고, 상기 레이저 시스템은 한편으로는 주 신호를 다른 한편으로는 보조 신호를 광 증폭기 시스템에 주입하도록 구성되고, 상기 광 증폭기 시스템은 한편으로는 레이트 및/또는 진폭이 시간 변조 및 증폭된 주 신호를 형성하고 다른 한편으로는 증폭된 보조 신호를 형성하고, 보조 신호는 주 신호의 레이트 및/또는 진폭의 시간 변조의 함수로서 실시간으로 변조되어, 시간의 함수로서 상기 광 증폭기 시스템에 저장된 에너지를 안정시키고, 상기 레이저 시스템은 레이트 및/또는 진폭이 시간 변조된 증폭된 주 신호를 제1 출력부 측으로 공간적으로 분리하고, 증폭된 보조 신호를 제2 출력부 측으로 공간적으로 분리하도록 구성된다.
본 발명은 레이저에 손실을 많이 또는 전혀 유발하지 않으면서, 증폭된 광 펄스들의 트레인(train)을 제어된 방식으로 변조 가능하게 한다. 레이저 시스템은 널(null) 주파수에서 제1 소스의 주파수까지 확장되는 GHz 단위에 도달할 수 있는 주파수 범위에서 작동 가능하며, 보통은 고에너지 및/또는 고출력의 증폭된 펄스에 대해 취약한 광 디바이스인 펄스 선택기가 증폭 후에 노출되는 것을 피할 수 있다.
개별적으로 또는 임의의 기술적으로 가능한 조합에 따라 취해진, 본 발명에 따른 시간 변조되는 펄스 레이저 시스템의 다른 비-제한적이고 유리한 특징들은 다음과 같다:
- 상기 광 증폭기 시스템은 제1 파장의 주 신호를 그리고 제2 파장의 보조 신호를 증폭시키도록 구성된 스펙트럼 게인 대역(spectral gain band)을 갖고, 상기 레이저 시스템은 제1 파장의 증폭된 주 신호를 그리고 제2 파장의 증폭된 보조 신호를 스펙트럼적으로 분리하도록 구성된 스펙트럼 필터(spectral filter)를 포함한다;
- 상기 광 증폭기 시스템은 제1 편광 상태(first polarization state)로 편광된 주 신호 및 제2 편광 상태(second polarization state)로 편광된 보조 신호를 각각 수신하고 증폭시키도록 형성되고, 상기 제1 편광 상태 및 제2 편광 상태는 서로 직교하고, 상기 레이저 시스템은 한편으로는 제1 편광 상태로 편광된 증폭된 주 신호를 다른 한편으로는 제2 편광 상태로 편광된 증폭된 보조 신호를 분리하도록 배치되고 구성된 편광 분리 필터(polarizing separation filter)를 포함한다;
- 상기 광 증폭기 시스템은 광 증폭기 시스템의 제1 입-출력부와 제2 입-출력부 사이에서 서로 반대방향을 따라 전파되는 주 신호와 보조 신호를 증폭하도록 형성되고, 상기 레이저 시스템은 한편으로는 증폭된 주 신호를 다른 한편으로는 증폭된 보조 신호를 분리하도록 배치되고 구성된 적어도 하나의 광 필터(optical filter)를 포함한다;
- 상기 광 증폭기 시스템은 제1 방향을 따라 전파되는 주 신호 및 제2 방향을 따라 전파되는 보조 신호를 증폭시키도록 구성된 공간 및/또는 개구각을 구비하고, 상기 제2 방향은 제1 방향과 공간적으로 및/또는 각도적으로 분리되고, 상기 레이저 시스템은 제1 방향을 따라 전파되는 증폭된 주 신호 및 제2 방향을 따라 전파되는 증폭된 보조 신호를 각각 공간적으로 및/또는 각도적으로 분리하도록 구성된다;
- 소스 신호를 방출하는 제1 소스와 보조 신호를 방출하는 제2 소스를 포함하고, 상기 펄스 선택 또는 변조 디바이스는 상기 제1 소스와 상기 광 증폭기 사이에 배치된 펄스 선택기 또는 변조기(pulse selector or modulator)를 포함하고, 상기 펄스 선택기 또는 변조기는 소스 신호를 수신하여 주 신호를 형성하고, 상기 레이저 시스템은 한편으로는 주 신호를 다른 한편으로는 보조 신호를 상기 광 증폭기 시스템에 주입하도록 배치되고 구성된 광 빔 결합기(optical beam combiner)를 더 포함한다;
- 소스 신호를 방출하는 단일의, 바람직하게는 주기 소스를 포함하고, 상기 펄스 선택 또는 변조 디바이스는 상기 소스와 상기 광 증폭기 시스템 사이에 배치된 펄스 선택기 또는 변조기를 포함하고, 상기 펄스 선택기 또는 변조기는 주기 소스 신호를 수신하여 한편으로는 주 신호를 다른 한편으로는 보조 신호를 형성한다;
- 상기 펄스 선택 또는 변조 디바이스는 광학 편광 변조기(optical polarization modulator)를 포함하고, 이 광 변조기는 소스 신호를 수신하고 편광 변조하여 제1 편광 상태로 편광된 주 신호를 생성하고 제2 편광 상태로 편광된 보조 신호를 생성하도록 구성된다;
- 상기 펄스 선택 또는 변조 디바이스는 소스 신호를 수신하고 변조하여 일 방향을 따라 전파되는 주 신호를 생성하고 또 하나의 방향을 따라 전파되는 보조 신호를 생성하도록 구성된 광학 방향 변조기(optical direction modulator)를 포함한다;
- 상기 펄스 선택 또는 변조 디바이스는 주기 소스 신호를 수신하고 진폭 변조하여 진폭-변조된 주 신호를 생성하도록 구성된 광 변조기를 포함하고, 보조 신호는 주 신호의 진폭의 시간 변조 함수로서 진폭 변조된다.
또 하나의 실시예에 따르면, 상기 광 증폭기 시스템은 제1 광 증폭기를 구비한 제1 부분과 제2 부분을 포함하는 재생 캐비티(regenerative cavity)를 포함하고, 상기 펄스 선택 또는 변조 디바이스는 제1 부분과 제2 부분 사이에서 상기 재생 캐비티에 배치된 포켈스 셀(Pockels cell)을 포함하고, 상기 포켈스 셀은 상기 재생 캐비티 내의 광학 위상 시프트(optical phase shift)를 변조하도록 구성되고, 광 필터링 디바이스(optical filtering device)는 캐비티의 포켈스 셀과 제1 부분 사이에 배치된 제1 편광기(first polarizer) 및 캐비티의 포켈스 셀과 제2 부분 사이에 배치된 제2 편광기를 포함하고, 상기 포켈스 셀은 광학 위상 시프트를 첫 번째로 변조하여 소스 광 펄스(source light pulse)가 상기 재생 캐비티 안으로 포획(trap)되도록 구성되고, 상기 재생 캐비티는 증폭된 광 펄스를 형성하기 위해 포획된 광 펄스를 증폭시키고, 상기 포켈스 셀은 증폭된 광 펄스가 재생 캐비티의 제1 부분에서 순환되어 증폭된 주 신호를 형성할 때 또는 증폭된 광 펄스가 재생 캐비티의 제2 부분에서 순환되어 증폭된 보조 신호를 형성할 때 두 번째로 광학 위상 시프트를 변조하도록 구성되고, 상기 제2 편광기는 증폭된 주 신호가 재생 캐비티의 제1 출력부를 향하게 하도록 구성되고, 상기 제1 편광기는 증폭된 보조 신호가 재생 캐비티의 제2 출력부를 향하게 하도록 구성된다.
유리하게는, 상기 펄스 선택 또는 변조 디바이스는 ns 미만과 수 ns 사이의 스위칭 시간(switching time)으로 소스 신호를 전자적으로 선택 또는 변조하도록 구성된다.
바람직하게는, 상기 제1 소스는 10kHz 내지 1GHz의 반복 주기를 갖도록 주기적이고, 상기 소스 광 펄스들은 대략 1피코초 내지 수백 나노초의 지속 시간(duration)을 갖는다.
다양한 실시예들에서, 상기 펄스 선택 또는 변조 디바이스는 바람직하게는 대략 1ns 내지 10ns의 스위칭 시간으로 소스 신호를 선택 또는 변조하기 위해 전자적으로 제어된다.
본 발명은 또한 재생 캐비티의 제1 편광기와 제2 편광기 사이에 배치된 포켈스 셀을 포함하는 재생 캐비티의 출력부에서 펄스들의 레이트 및/또는 진폭을 변조하는 방법에 관한 것으로서, 상기 포켈스 셀은 재생 캐비티의 제1 부분과 제2 부분의 범위를 정하고, 상기 재생 캐비티는 재생 캐비티의 제1 부분에 배치된 적어도 하나의 광 증폭기를 포함하고, 상기 방법은:
- 소스 광 펄스를 상기 재생 캐비티 내에 주입하고 포획하도록 상기 포켈스 셀에 제1 임펄스 스위칭 전압(first impulse switching voltage)을 인가하는 단계;
- 상기 포켈스 셀에 제로 변조 전압(zero modulation voltage)을 인가하는 동안, 증폭된 광 펄스를 형성하기 위해 상기 재생 캐비티 내에 포획된 광 펄스를 증폭시키는 단계;
- 증폭된 광 펄스가 상기 재생 캐비티의 제1 부분에서 순환되어 증폭된 주 신호를 형성할 때, 및/또는 증폭된 광 펄스가 상기 재생 캐비티의 제2 부분에서 순환되어 증폭된 보조 신호를 형성할 때, 광학 위상 시프트를 변조하기 위해 상기 포켈스 셀에 제2 임펄스 스위칭 전압을 인가하는 단계를 포함하고,
상기 제2 편광기는 증폭된 주 신호가 상기 재생 캐비티의 제1 출력부를 향하게 하도록 구성되고, 상기 제1 편광기는 증폭된 보조 신호가 상기 재생 캐비티의 제2 출력부를 향하게 하도록 구성된다.
특수한 실시예에 따르면, 제2 전압의 인가는 제1 출력부를 향하는 증폭된 주 신호 및/또는 제2 출력부를 향하는 증폭된 보조 신호를 진폭 변조하도록 시간의 함수로서의 슬로프(slope)를 포함한다.
제한되지 않는 예로써 제공된, 첨부된 도면들에 대한 다음의 설명은 본 발명이 무엇으로 구성되고 어떤 방법으로 이루어지는지를 잘 이해할 수 있게 할 것이다.
도 1은 종래기술에 따른 시간 변조 펄스 레이저 시스템을 개략적으로 나타낸다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 시간 변조 펄스 레이저 시스템의 일반적인 원리를 개략적으로 나타낸다.
도 3은 제1 실시예의 변형에 따른 시간 변조 펄스 레이저 시스템을 개략적으로 나타낸다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 시간 변조 펄스 레이저 시스템을 개략적으로 나타낸다.
도 5는 제2 실시예의 일 예에 따른 시간 변조 펄스 레이저 시스템을 개략적으로 나타낸다.
도 6은 본 발명의 제3 실시예에 따른 시간 변조 펄스 레이저 시스템을 개략적으로 나타낸다.
도 7은 본 발명의 제4 실시예에 따른 시간 변조 펄스 레이저 시스템을 개략적으로 나타낸다.
도 8은 본 발명의 제5 실시예에 따른 시간 변조 펄스 레이저 시스템을 개략적으로 나타낸다.
도 2에는 시간 변조 펄스 레이저 시스템의 제1 실시예가 개략적으로 도시되어 있다. 이 실시예는 광 증폭기의 상류에 배치된 펄스 선택기(20), 상이한 파장 및/또는 편광의 주 신호 및 보조 신호 모두를, 이 2개의 신호들을 증폭하도록 구성된 광 증폭기 시스템(30)에 주입하도록 구성된 광 빔 결합기, 및 증폭된 주 신호와 증폭된 보조 신호를 분리하도록 구성된 스펙트럼 및/또는 편광 필터링 디바이스를 포함한다.
더 구체적으로, 도 2의 도식에는, 제1 소스(11), 펄스 선택기(20), 제2 소스(12), 광 빔 결합기(60), 광 증폭기 시스템(30) 및 광 필터(50)를 포함하는 펄스 레이저 시스템이 도시되어 있다.
제1 소스(11)는 소스 신호(100)를 방출한다. 제1 소스(11)는 예를 들면 결정된 반복 주파수(frep)에서 주기 소스 신호(100)를 방출하는 주기적 발진기(periodic oscillator)로 구성된다. 주기적 발진기는 모드-동기 레이저 또는 Q-스위치 발진기로 구성될 수 있다. 소스 신호(100)의 펄스들은 바람직하게는 수 10ps 내지 나노 초 단위의 지속 시간을 갖는다.
광 증폭기 시스템(30)은 단일 광 증폭기 또는 직렬로 배치된 복수의 광 증폭기 또는 병렬로 배치되며 분할 결합기(splitting coupler)에 의해 다중화된 복수의 광 증폭기를 포함할 수 있다. 동일한 시스템의 광 증폭기는: 고체, 크리스탈, 박막 디스크(박막 디스크 레이저), 슬래브(슬래브 레이저), 광섬유 또는 광결정 섬유 광 증폭기(photonic crystal fibre optical amplifier)와 같이 특성이 다를 수 있다. 광 증폭기(30)는 일반적으로 연속적으로 펌핑된다. 게인 광 증폭 매질(gain optical amplifying medium)은 희토류 원소(rare earth element), 특히 이테르븀(ytterbium), 네오디뮴(neodymium), 에르븀(erbium), 툴륨(thulium), 홀뮴(holmium) 또는 이들 희토류 원소들 중 특정 합금으로 도핑될 수 있다.
펄스 선택기(20)는 제1 소스(11)와 광 증폭기(30)를 연결하는 광학 경로에 배치된다. 펄스 선택기(20)는 예를 들면 음향-광학 또는 전자-광학 변조기를 포함한다. 펄스 선택기(20)는 2개의 연속적인 펄스들을 분리하는 지속 시간과 동일한 차수이거나 또는 약간 더 높은, 그리고 일반적으로 대략 1ns (또는 심지어 특정 경우에는 더 빠른) 내지 수 ns의 빠른 응답 시간으로 스위칭되도록 전자적으로 제어된다. 펄스 선택기(20)는 (흡수, 음향-광학 변조에 의한 편향, 전단-모드에서 전기-광학 또는 음향-광학 변조에 의한 편광 변환에 의해) 소스 신호의 하나 이상의 광 펄스를 제거하고, 하나 이상의 선택된 광 펄스로 구성된 주 신호(110)를 형성한다.
제2 소스(12)는 주 신호(110)의 변조의 함수로서, 예를 들면 요구에 따라 선택적으로 생성되는 하나 이상의 제2 광 펄스들로 구성된 보조 신호(120)를 방출하도록 구성된다. 제2 소스(12)는 일반적으로 ~ 1ns (어떤 경우에는 심지어 ~ ps) ... 내지 ~ 10ns 사이의 빠른 응답 시간으로 스위칭되도록 전자적으로 제어된다. 또한, 예를 들어 요구시에 단발 증폭 펄스(single-shot amplified pulse)를 생성하기 위해 매우 낮은 레이트로 주 신호를 변조하는 것이 요구되는 경우에는, 제2 소스가 활성화되어 있는 지속 시간 또한 길어질 수 있으며, 이 지속 시간은 예를 들면 몇 초일 수 있다.
광 빔 결합기(60)는 한편으로는 주 신호(110)를 수신하고 다른 한편으로는 보조 신호(120)를 수신하도록 배치된다. 광 빔 결합기(60)는 제1 소스(11) 및 제2 소스(12)의 신호들의 각각의 특성의 함수로서 선택된다. 광 빔 결합기(60)는 큐브 또는 부분적으로 투명하고 부분적으로 반사하는 플레이트와 같은 공간적인 유형(spatial type)의 광 결합기, 또는 예를 들면 다이크로익 플레이트(dichroic plate)와 같은 스펙트럼 유형의 결합기, 또는 예를 들면 편광 큐브(polarizing cube)와 같은 편광 결합기일 수 있다. 광 결합기(60)는 주 신호(110)와 보조 신호(120)를 광 증폭기 시스템(30)에 주입할 수 있게 한다. 따라서, 광 증폭기 시스템(30)은 주 신호(110)와 보조 신호(120) 모두를 증폭시켜 증폭된 주 신호(310)와 증폭된 보조 신호(320)를 형성한다.
발명자들은 보조 신호(120)가 광 증폭기(30)의 주 신호(110)와 거의 동일한 반전 분포(population inversion)를 소모하는 조건들을 고려한다. 더 구체적으로, 주 신호(110)의 시간 변조에 상관없이 광 증폭기에 저장된 에너지가 시간에 따라 일정한 레벨로 유지되도록 보조 신호(120)가 시간 변조된다. 일반적으로, 주 신호(110)와 보조 신호(120)의 펄스들은 동일한 지속 시간 및/또는 동일한 에너지를 갖지 않는다. 그럼에도 불구하고, 주 신호(110)와 보조 신호(120)의 조합이 주 신호(110)의 변조에 상관없이 광 증폭기(30)의 반전 분포 레벨을 시간에 따라 일정한 값으로 유지하는 효과가 있도록 보조 신호(120)의 크기가 정해진다. 따라서, 주 신호(110)의 2개의 연속적인 선택된 펄스들을 분리하는 시간 간격에 상관없이, 광 증폭기 시스템(30)의 게인은 증폭된 주 신호(310)의 각 펄스마다 일정하게 유지된다. 선택된 펄스들로 구성된 주 신호(110)가 광 증폭기(30)에 전송될 때, 하나 이상의 소스 펄스들을 제거하는 차단(interruption) 이후에, 주 신호(110)의 선택된 모든 펄스들은 동일한 게인으로 증폭된다.
실제로, 증폭된 주 신호(310)의 펄스들의 에너지가 안정되도록, 시간의 함수로서 증폭된 주 신호(310)의 펄스 에너지가 측정되고 주입된 보조 신호(120)의 펄스의 출력, 에너지, 파장 및/또는 지속 시간이 변경된다.
이 제1 실시예에서, 제2 소스(12)는 펄스 선택기(20)의 작동의 함수로서 충분히 신속하게 스위치 온 및 스위치 오프될 수 있어야 한다. 제1 예에서, 제2 소스(12)는 제1 소스(11)의 파장에 가까운 파장으로 신속하게 변조될 수 있는 레이저 다이오드를 포함하고, 제1 소스(11) 및 제2 소스(12)의 파장은 광 증폭기 시스템(30)의 게인 대역(gain band) 내에 위치한다. 제2 소스(12)는 1GHz 정도의 대역폭을 갖는 통신에서 사용되는 유형의 레이저 다이오드일 수 있다. 이 레이저 다이오드(12)에 의해 방출된 펄스들의 지속 시간은 전형적으로 나노 초 단위(예를 들면, 1 내지 20ns)이다. 변형 예에 따르면, 제2 소스(12)는 레이트 면에서 제1 소스(11)의 주 발진기와 동기화되는 제2 모드-동기 발진기로 구성된다. 이 변형 예는 통신 다이오드보다 더 비싸지만 원하는 스펙트럼 범위에서 이용 가능한 다이오드가 없는 경우 유리한 대안이 될 수 있다.
특히 유리하게는, 레이저 시스템은 펄스 선택기가 소스 신호(100)로부터 광 펄스를 제거할 때 보조 신호(120)의 펄스의 방출을 촉발하도록 펄스 선택기(20)와 제2 소스(12)를 연결하는 동기화 디바이스(synchronization device)를 포함한다.
광 필터(50)는 광 증폭기(30)의 출력부에 배치된다. 광 필터(50)는, 증폭된 주 신호(310)를 제1 출력부(S1) 측으로 공간적으로 분리하고 증폭된 보조 신호(320)를 제2 출력부(S2) 족으로 공간적으로 분리하도록 구성된다. 이 증폭된 보조 신호(320)는 억제되거나 또 하나의 애플리케이션에 사용될 수 있다.
이 제1 실시예의 일 예에서, 제1 소스(11)는 제1 파장의 주 신호(100)를 방출하고 제1 파장과는 다른 제2 파장의 보조 신호(120)를 방출한다. 제1 소스(11)와 제2 소스(12)는 제1 파장과 제2 파장이 광 증폭기(30)의 게인 대역 내에 위치하도록 선택된다. 바람직하게는, 광 증폭기(30)의 게인은 제1 파장과 제2 파장에서 거의 동일하다. 그러나, 제1 소스(11)는 일반적으로 초단(ultra-short)이며, FWHMprince로 표시되는 스펙트럼 폭을 갖는다. 나노 초 단위의 지속 시간 및 (델타(Delta)에 가까운) 좁은 스펙트럼 폭의 펄스들을 갖는 제2 소스가 선택된다. 증폭된 주 신호(310)의 큰 손실없이, 증폭된 주 신호(310)를 증폭된 보조 신호(320)로부터 분리하기 위해, 제1 파장에 중심을 둔 스펙트럼 대역 밖에 있고 그리고 대략 1.5*FWHMprince 또는 2*FWHMprince와 동일한 폭을 갖는 제2 파장이 선택된다. 이 예에서, 빔 결합기(60)는 예를 들면 주 신호(110)를 제1 파장에 결합시키고 보조 신호(120)를 제2 파장에 결합시키도록 구성된 다이크로익 필터(dichroic filter)이다. 유리하게는, 광 필터(50)는 한편으로는 제1 파장의 증폭된 주 신호(310) 및 다른 한편으로는 제2 파장의 증폭된 보조 신호(320)의 스펙트럼 분리를 허용하도록 선택된 다이크로익 필터이다. 레이저 다이오드(12)는 빔 결합기(60)를 통해 보조 신호(120)를 주입하도록 매우 신속하게 변조될 수 있다. 레이저 다이오드(12)의 출력, 에너지, 파장 및/또는 지속 시간은 보조 신호(120)가 주 신호(110)와 거의 같은 게인을 소모하도록 조정될 수 있다. 따라서, 이 실시예는 증폭된 주 신호(310)의 안정성을 제어하는 것을 가능하게 한다.
제1 실시예의 이러한 예는 게인 매질(gain medium)을 갖는 임의의 광 증폭기(30)에 적용될 수 있고, 상기 게인 매질은 스펙트럼 필터(50)에 의해 서로 분리될 수 있는 상이한 파장의 2개의 신호를 증폭하기에 충분한 증폭 스펙트럼 대역을 갖는다.
변형 예에서, 주 신호(110) 및 보조 신호(120)는 각각 서로 직교하는 편광 상태들로 편광되며, 광 증폭기 시스템은 이들 직교 편광 상태에 따라 신호들을 증폭하도록 구성된다. 이 변형 예에서, 광 필터(50)는 증폭된 주 신호(310)를 출력부(S1)로, 그리고 증폭된 보조 신호(320)를 출력부(S2)로, 공간적으로 분리하도록 구성된 편광 필터, 예를 들면 편광기를 포함한다. 빔 결합기는 예를 들면 제1 편광 상태로 편광된 주 신호(110) 및 제2 편광 상태로 편광된 보조 신호(120)를 결합하도록 구성된 편광기이다.
도 3에는 편광 변조에 기초한, 레이저 시스템의 제1 실시예의 변형 예가 개략적으로 도시되어 있다. 이 변형 예에서, 도 2에서와 동일한 요소들은 동일한 참조 부호들로 표시된다. 신호 소스(10)는 제1 소스(11)와 제2 소스(12)를 대체한다. 소스(10)는 일반적으로 결정된 반복 주파수(frep)의 펄스들로 구성된 소스 신호(100)를 방출한다. 이 변형 예에서, 편광 변조기(21)가 사용된다. 소스 신호(100)의 광 펄스들은 여기에서 제1 편광 상태, 예를 들면 선형 또는 원형 또는 타원형으로 편광된다. 편광 변조기(21)는 제1 편광 상태와, 제1 편광 상태와 직교하는 제2 편광 상태 사이에서 소스 신호의 편광의 고속 스위칭을 허용하도록 구성된다. 편광 변조기(21)의 스위칭 시간은 바람직하게는 1ns 내지 수 ns이다. 편광 변조기(21)는 예를 들면 포켈스 셀(Pockels cell) 또는 음향-광학 변조기에 기초한 전기-광학 변조기로 구성된다. 예로서, 편광 변조기(21)는 0과 동일한 위상 시프트를 선택적으로 도입하여 제1 편광 상태로 편광된 펄스들로 구성된 주 신호(110)를 형성하거나, 또는 π와 동일한 위상 시프트를 선택적으로 도입하여 제2 편광 상태로 편광된 펄스들로 구성된 보조 신호(120)를 형성하는 위상 변조기이다. 광 증폭기 시스템(30)은 한편으로는 주 신호(110)를 증폭하여 제1 편광 상태로 편광된 증폭된 주 신호(310)를 형성하고, 보조 신호(120)를 증폭하여 제2 편광 상태로 편광된 증폭된 보조 신호(320)를 형성한다. 광 증폭기 시스템(30)의 출력부에서, 편광기 유형의 광 필터(52)는, 제1 편광 상태로 편광된 증폭된 펄스들로 구성된 증폭된 주 신호(310)를 출력부(S1)로 공간적으로 분리하고 제2 편광 상태로 편광된 증폭된 펄스들로 구성된 증폭된 보조 신호(320)를 출력부(S2)로 공간적으로 분리하게 할 수 있도록 배치되고 배향된다.
예시적인 실시예에서, 소스(10)는 화이버 소스(fibred source)이고, 광 증폭기(30)는 증폭 광섬유를 포함한다. 증폭 광섬유는 제1 편광 상태 및 제2 편광 상태를 유지하도록 제어된 환경에 배치된 편광-유지 화이버(polarization-holding fibre) 또는 표준 화이버(standard fibre)일 수 있다. 주 신호(110)의 펄스들의 선택은 편광 변조기(21)의 제어 시스템에 의해 전자적으로 수행된다. 구성에 의해, 주 신호(110) 및 보조 신호(120)의 광 펄스들은 동일한 파장, 동일한 출력을 갖는다. 따라서, 광 증폭기(30)는 주 신호의 편광 변조에 상관없이 일정한 레벨의 반전 분포를 갖는다.
증폭된 주 신호(310) 및 증폭된 보조 신호(320)는 서로에 대해 독립적으로 사용될 수 있다. 일 적용예에서, 편광 변조기(21)는 다른 모든 펄스를 선택하며, 이는 증폭기 시스템의 출력부에 증폭된 주기 펄스들로 구성된 2개의 레이저 빔을 가질 수 있게 하고, 각각의 출력부는 소스(10)의 반복 주파수의 절반과 동일한 반복 주파수를 갖는다. 따라서, 2개의 완전한 레이저 시스템보다 적은 비용으로 2개의 주기적인 레이저 펄스 출력이 얻어진다.
따라서, 발명자들은 광 게이트로 하여금 증폭된 펄스들(310)의 파라메트릭 값(에너지, 지속 시간, 공간적 형상 ... )을 변화시키지 않고 레이저 펄스를 방출하거나 또는 방출하지 않게 할 수 있고, 이 광 게이트는 하나의 펄스로부터 다음의 펄스까지 개방 또는 폐쇄될만큼 충분히 빠르다. 이 광 게이트의 상태 변동 속도가 디바이스가 작동할 수 있는 최대 레이트를 정의한다.
제1 실시예의 이 예들은 주기 소스 신호로부터의 하나 이상의 제1 펄스들 전체를 포함하는 주 신호의 선택을 기술하고 있다.
보다 일반적으로는, 주 신호는 시간의 함수로서 진폭이 변조된 소스 신호의 일부로 구성될 수 있다. 따라서, 완전한 펄스를 선택하거나 선택하지 않는 대신에, 소스 펄스의 일부로 구성된 적어도 하나의 제1 펄스가 선택된다. 예를 들면, 소스 펄스의 에너지의 80%가 선택된다. 선택된 펄스의 진폭은 필요에 따라 하나의 펄스로부터 다음의 펄스로 가변될 수 있다. 본 개시의 원리와 유사하게, 주 신호의 진폭 변조에 상관없이, 광 증폭기 시스템의 게인을 안정시키기 위해 주 신호의 펄스의 진폭 변동을 보상하도록 구성된 주 신호가 주입된다. 광 증폭기로 진폭이 변조된 주 신호와 보조 신호를 동시 주입하면, 이들 두 신호의 증폭 간의 경쟁(competition)이 일어난다. 주 신호와 보조 신호의 각각의 증폭 게인은 서로 다를 수 있다. 예를 들면, 광 증폭기 시스템에서의 여기 이온(excited ions)의 반전 분포를 시간에 따라 본질적으로 일정하게 유지하기 위하여, 주입된 보조 신호의 진폭, 에너지 및/또는 지속 시간이 변경된다. 바람직하게는, 보조 신호의 강도는 광 증폭기의 포화 게인(saturated gain)이 일정하게 유지되도록 주 신호의 강도의 함수로서 조정된다. 따라서, 광 증폭기 시스템의 일정한 게인을 보장하면서 증폭된 주 신호의 아날로그 진폭 변조가 이루어진다. 그러면 증폭된 주 신호와 증폭된 보조 신호는 기술된 예들 중 임의의 하나에 따라 서로 공간적으로 분리된다.
이 진폭 변조의 일 실시예에서, 편광 변조기(21)는 소스의 편광 상태를 스위칭할 뿐만 아니라 주 신호(110)의 선택된 펄스들의 진폭을 변조하는 것을 가능하게 한다. 이러한 진폭 변조는 제1 편광 상태의 일부가 제2 편광 상태로 변환될 수 있을때 얻어진다. 예를 들면, 전자-광학 유형의 편광 변조기(21)는 0과 1/2 파장 사이의 위상 시프트를 도입하도록 제어될 수 있다. 마찬가지로, 음향-광학 유형의 편광 변조기는 0차수와 1차수 사이에서 상이한 회절 효율을 생성하도록 제어될 수 있다. 따라서, 일반적으로, 광 증폭기 시스템에 주입된 주 신호(110)는 소스 신호(100)의 일부로 구성되고, 광 증폭기 시스템에 주입된 보조 신호(120)는, 주 신호의 시간 변화에 상관없이 광 증폭기의 반전 분포 레벨이 일정하게 유지되도록 주 신호(110)의 시간 변화의 함수로서 시간 변조된다.
도 4에는 본 발명의 제2 실시예에 따른 레이트 및/또는 진폭이 시간 변조되는 펄스 레이저 시스템이 개략적으로 도시되어 있다.
이 제2 실시예는 양방향 광 증폭기 시스템(33)의 사용에 기초하는데, 즉 양방향 광 증폭기 시스템(33)은 광 증폭기 시스템(33) 내부에서 서로 반대방향으로(mutually opposed senses) 전파되는 2개의 빔을 증폭하도록 구성된다. 이 제2 실시예에서는, 광 증폭기 시스템(30)으로의 보조 신호(120)의 주입은 주 신호(110)의 주입과 반대방향으로 이루어진다.
도 4의 레이저 시스템은 제1 소스(11)와 제2 소스(12)를 포함한다. 제1 소스(11)와 양방향 광 증폭기 시스템(33)의 제1 입-출력부 사이에는 음향-광학 또는 전자-광학 유형의 펄스 선택기 또는 변조기(20)가 배치된다. 펄스 선택기 또는 변조기(20)는 소스(10)와 광 증폭기(33)를 연결하는 광학 경로에서 바람직한 주기 소스 신호(100)로부터 펄스 부분 또는 하나 이상의 광 펄스를 제거하고, 소스 신호의 일부, 예를 들면 하나 이상의 선택된 광 펄스들의 일부로 구성된 주 신호(110)를 광 증폭기 시스템(33)을 향하여 통과시킨다. 주 신호(110)는 제1 전파 방향을 따라 양방향 광 증폭기(33) 내에서 전파된다. 펄스 선택기 또는 변조기(20)의 스위칭 시간은 바람직하게 ~ 1ns (또는 심지어 ns 미만)와 ~ 10ns 사이이다. 주 신호(110)는 제1 전파 방향을 따라 전파되는 증폭된 주 신호(310)를 형성하도록 증폭된다.
제2 소스(12)는 주 신호(110)의 진폭 및/또는 레이트 변조의 함수로서 변조 된 보조 신호(120)를 방출한다. 광 필터(51)는 제2 소스(12)와 광 증폭기 시스템(33)의 제2 입-출력부 사이에 배치된다. 광 필터(51)는 주 신호 또는 보조 신호의 특성에 따라, 공간 필터(빔 결합기), 방향 필터(광 서큘레이터 또는 광 아이솔레이터), 스펙트럼 필터 또는 편광 필터 중에서 선택될 수 있다. 광 필터(51)는 제2 입-출력부를 통해 양방향 광 증폭기 시스템(33)에 보조 신호(120)를 주입하여, 보조 신호(120)는 양방향 광 증폭기 시스템(33)의 주 신호와 반대 방향으로 전파된다. 따라서, 보조 신호(120)는 제1 전파 방향과 반대방향을 따라 전파되는 증폭된 보조 신호(320)를 형성하도록 증폭된다. 또한, 광 필터(51)는 증폭된 주 신호(310)가 제1 출력부(S1)를 향하도록 보조 신호(120)로부터 증폭된 주 신호(310)를 분리할 수 있게 한다.
펄스 선택기 또는 변조기(20)와 광 증폭기 시스템(33)의 제1 입-출력부 사이에 또 하나의 광 필터(52)가 배치된다. 이 광 필터(52)는 주 신호(110)로부터 증폭된 보조 신호(320)를 공간적으로 분리하고 증폭된 보조 신호(320)를 제2 출력부(S2)로 향하게 한다. 바람직하게는, 광 필터(52)는 패시브 필터(passive filter), 예를 들면 상이한 파장의 소스들(11, 12)이 사용되는 경우 다이크로익 미러(dichroic mirror)이거나, 또는 2개의 상이한 편광 상태로 편광된 신호들(110, 120)이 사용되는 경우 편광기, 또는 광 서큘레이터 또는 광 아이솔레이터일 수 있다.
이 제2 실시예는 특히, 일반적으로 양방향성이지만 일반적으로 빔들의 공간 및/또는 각도 분리를 허용하지 않는 광섬유 증폭기에 적용된다.
도 5에는 본 발명의 제2 실시예의 일 예에 따른 시간 변조 펄스 레이저 시스템이 개략적으로 도시되어 있다. 레이저 시스템은 결정된 반복 주파수(frep)의 광 펄스들로 구성된 주기 소스 신호(100)를 방출하는 주 소스(10)를 포함한다. 소스 신호(100)의 광 펄스들은 여기에서 제1 편광 상태, 예를 들면 선형 또는 원형 또는 타원형으로 편광된다. 광 변조기(22)는 한편으로는 소스 신호(100)로부터 광 증폭기(33)의 제1 입-출력부로 향하는 주 신호(110)를 형성하고, 다른 한편으로는 광 증폭기(33)의 제2 입-출력부로 향하는 보조 신호(120)를 형성한다. 여기에서, 광 아이솔레이터(51)는 증폭된 주 신호(310)를 출력부(S1) 측으로 분리할 수 있게 한다. 또 하나의 광 아이솔레이터(52)는 증폭된 보조 신호(320)를 출력부(S2) 측으로 분리할 수 있게 한다.
도 6에는 본 발명의 제3 실시예에 따른 시간 변조 펄스 레이저 시스템이 개략적으로 도시되어 있다.
제3 실시예는 공간적으로 및/또는 각도적으로 서로 분리된 2개의 레이저 펄스 빔을 증폭시키기 위해 충분한 공간 크기(spatial extent) 및/또는 개구각(angular aperture)을 갖는 광 증폭기 시스템(30)의 사용에 기초하고 있다.
도 6의 시스템은 반복 주파수(frep)의 주기적인 광 펄스들로 구성된 주기 소스 신호(100)를 방출하는 소스(10)를 포함한다. 광 변조기(24)는 소스 펄스들(100)의 광학 경로에서, 소스(10)와 광 증폭기 시스템(30) 사이에 배치된다. 광 변조기(24)는 주기 소스 신호(100)를, 한편으로는 예를 들면 주기 소스 신호(100)의 전파 방향과 동일한 전파 방향을 따라 전파되는 주 신호(110)로, 다른 한편으로는 예를 들면 주 신호(110)의 전파 방향에 대해 각도 편향된 보조 신호(120)로, 공간적으로 및/또는 각도적으로 분리하도록 형성되고 구성된다. 광 변조기(24)는 예를 들면 보조 신호(120)를 편향시킬 수 있도록 구성된 음향-광학 변조기이다. 광 변조기(24)의 스위칭 시간은 ~1ns 내지 10ns이다. 주 신호(110)는 제1 전파 방향을 따라 광 증폭기(30)로 안내되고 증폭된 주 신호(310)를 형성하도록 증폭된다. 광 증폭기(30)는 제2 방향으로 전파되는 보조 신호(120)를 수용하기 위해 충분히 넓은 공간 크기 및/또는 개구각을 갖는다. 필요하다면, 광 신호(30)의 주 신호와 보조 신호 사이의 공간 및/또는 각도 분리를 증가시키기 위해, 주 신호 및/또는 보조 신호의 광학 경로에 미러-기반 광학 시스템(mirror-based optical system)이 배치된다. 보조 신호(120)는 제1 전파 방향으로부터 공간적으로 및/또는 각도적으로 분리되어 제2 전파 방향을 따라 광 증폭기(30) 내부로 전파된다. 광 증폭기(30)는 주 신호(110)를 증폭시켜 제1 방향을 따라 전파되는 증폭된 주 신호(310) 및 보조 신호(120)를 증폭시켜 제2 각도 방향을 따라 전파되는 증폭된 보조 신호(320)를 형성한다. 유리하게는, 제1 및 제2 전파 방향은 충분히 공간적으로 및/또는 각도적으로 서로 분리되어, 출력부(S1) 상의 증폭된 주 신호(310) 및 가능하게는 출력부(S2) 상의 증폭된 보조 신호(320)를 선택적으로 사용할 수 있게 한다. 이 제3 실시예에서, 증폭 후의 필터링은 공간 및/또는 각도 유형의 필터링이다. 필요하다면, 예를 들면 하나 이상의 미러에 기초한 공간 필터 디바이스(spatial filter device)는 광 증폭기 시스템의 출력부에 배치되고 2개의 증폭된 신호들(310, 320) 사이의 공간 및/또는 각도 분리를 증가시키도록 구성된다.
이 제3 실시예는 특히, 예를 들면 Yb:YAG, 네오디뮴-YAG(Nd:YAG) 또는 티타늄-사파이어 크리스탈(titanium-sapphire crystal)과 같은 Yb, Nd, Er, Tm, Ho, Ti 및/또는 크롬-도핑 크리스탈(Cr-doped crystal), 또는 Er:YAG, Tm:YAG, Ho:YAG 크리스탈을 기반으로 하는 광 증폭기에 적용된다.
도 7에는 본 발명의 제4 실시예에 따른 시간 변조 펄스 레이저 시스템의 예시적인 실시예가 개략적으로 도시되어 있다.
도 7의 레이저 시스템은 도 7의 평면에 평행한, 예를 들면 p-편광 상태에서 선형적으로 편광된 광 펄스들로 구성된 주기 소스 신호(100)를 방출하는 소스(10)를 포함한다. 레이저 시스템은 음향-광학 변조기(24)를 포함한다. 음향-광학 변조기(24)의 제1 상태에서, 조정 변조 전압(adapted modulation voltage)이 음향-광학 변조기(24)에 인가되면, 소스 신호는 1차 회절에 의해 편향되고 제1 전파 방향을 따라 전파되는 주 신호(110)를 형성한다. 반면, 제로 변조 전압(zero modulation voltage)이 음향-광학 변조기(24)에 인가되면, 소스 신호는 편향되지 않고 제1 전파 방향으로부터 각도 분리된, 제2 전파 방향을 따라 전파되는 보조 신호(120)를 형성한다. 음향-광학 변조기(24)의 출력부에서, 주 신호(110) 및 보조 신호(120)는 동일한 편광 상태, 여기에서는 p-편광 상태를 갖는다. 미러-기반 광학 시스템(41, 42)은 주 신호(110)가 광 아이솔레이터(56)를 향하게 할 수 있다. 반-파 플레이트(half-wave plate; 54)(λ/2)은 주 신호(110)의 편광 상태를 수직 선형 편광 상태(orthogonal linear polarization state)로, 여기서는 s-편광 상태로 변경하는 것을 가능하게 한다. 또 하나의 미러-기반 광학 시스템(45)은 보조 신호(120)가 편광기(90)를 향하게 할 수 있다. 편광기(90)는 제1 광학 경로를 따라 전파되는 s-편광 주 신호(110)를 제2 광학 경로를 따라 전파되는 p-편광 보조 신호(120)와 결합시키는 것을 가능하게 한다. 편광기(90)의 출력부에서, 음향-광학 변조기(24)의 출력부에서의 각도 편향과 비교하여 이들 2개의 신호 사이의 각도 편향이 감소되지만, s-편광 주 신호(110)는 p-편광 보조 신호(120)와는 다른 전파 방향을 따라 전파된다. 예를 들면 아포컬 망원경(afocal telescope; 36), 뒤에 이어지는 포커싱 렌즈(focusing lens; 37) 및 다이크로익 미러(dichroic mirror; 38)로 구성된 광학 시스템은 s-편광 주 신호(110) 및 p-편광 보조 신호(120)가 광 증폭기 크리스탈(30)을 향하게 할 수 있다. 펌프 소스(35)는 다이크로익 미러(38)에 의한 결합으로 인해 광 증폭기 크리스탈(30)의 연속적인 광 펌핑을 보장한다. 광 증폭기 크리스탈(30)에 중심을 둔 곡률 반경 R을 갖는 포커싱 미러(39)는 광 증폭기 크리스탈(30)에서 증폭될 신호들의 이중 통과(double passage)를 가능하게 한다. 광 증폭기 크리스탈(30) 내부에서, p-편광 보조 신호(120)에 s-편광 주 신호(110)가 중첩되어 광 증폭기(30)의 게인의 항상성을 보장한다. 광 증폭기 크리스탈(30)에서의 이중 증폭 후에, 증폭된 주 신호(310)와 증폭된 보조 신호(320)는 편광기(90)를 향한다. 이 편광기(90)는 증폭된 주 신호(310)와 증폭된 보조 신호(320)를 서로 공간적으로 분리할 수 있게 한다. 편광기(90)의 출력부에서의 s-편광 증폭된 주 신호(310)는 증폭된 주 신호(310)의 편광 상태를 수직 선형 편광 상태로, 여기서는 p-편광 상태로 변경시키는 반-파 플레이트(54)를 통과한다. 광 아이솔레이터(56)는 p-편광 증폭된 주 신호(310)를 출력부(S1) 측으로 추출하는 것을 가능하게 한다. 그리고 나서 이 증폭된 주 신호(310)는 압축기로 또는 임의의 고려된 어플리케이션을 위해 전송될 수 있다. 한편, 증폭된 보조 신호(320)는 예를 들면 흡수 디바이스(absorption device; 46)(또는 빔 덤프(beam dump))와 같은 출력부(S2)를 향해 미러(45)에서 반사된다.
이 예시적인 실시예에서, 광 변조기(24)는 소스(10)의 광학 경로에 배치되고 따라서 저-출력의 주기 소스 신호(100)를 변조한다. 이러한 구성은 광 변조기(24)의 손상을 피하면서 고효율의 변조를 보장한다. 또한, 이 변조는 광 변조기(24)의 스위칭 시간이 ~ 1ns (또는 심지어 ns 미만) 내지 ~ 10ns이므로 빠르다. 1차에서(in the order 1) 회절된 주기 소스 신호는 대략 85% 이상의 회절 효율로 회절된다. 1차에서 회절된 이 빔은 주기 소스 신호의 일부로 구성된 주 신호(110)를 형성한다. 따라서, 주 신호(110)에서의 손실은 매우 제한된다. 음향-광학 변조기가 활성화될 때, 0차에서(in the order 0) 편향되지 않은 잔류 빔은 또한 광 증폭기 크리스탈(30)에서 증폭된다. 그러나, 오버랩(overlap)은 0차에서 회절되지 않은 잔류 빔의 오버랩과 비교하여 1차에서 회절된 주 신호에서 더 크기 때문에, 0차에서 회절되지 않은 빔은 더 낮은 게인을 보게 된다. 음향-광학 변조기(24)가 비활성화되면, 펄스 빔은 1차에서 회절되지 않는다. 보조 신호(120)는 광 증폭기 크리스탈(30)에서 증폭되고, 증폭된 보조 신호(320)는 편광기(90)에 의해 공간적으로 분리되며 흡수 디바이스(46)에서 차단된다.
도 8에는 본 발명의 제5 실시예에 따른 시간 변조 펄스 레이저 시스템이 개략적으로 도시되어 있다. 이 제5 실시예는 재생 캐비티 내부에 배치된 하나의 광 변조기(80)를 포함하는 재생 캐비티를 갖는 레이저의 사용을 기반으로 한다. 이 광 변조기(80)는 펄스 선택기와 광 변조기로서의 역할을 하여, 광 변조기의 스위칭 순간의 함수로서 펄스들을 제1 출력부(S1) 또는 제2 출력부(S2) 측으로 향하게 한다.
종래기술의 재생 캐비티 증폭기 내에서, 제1 광 변조기는 바람직하게는 시간에 따라 일정한 반복 주파수로 재생 캐비티 내에 한 번에 하나의 펄스를 주입하기 위해 광 캐비티 내부에 배치된 광 스위치로서의 역할을 한다. 제2 광 변조기는 일반적으로 증폭된 펄스들을 공간 및/또는 시간 변조하기 위해 재생 캐비티의 출력부에 배치된다. 이들 2개의 광 변조기는 음향-광학 유형 또는 포켈스 셀 유형일 수 있다.
도 8의 시스템은 광 펄스들로 구성된 주기 소스 신호(100)를 생성하는 소스(10)를 포함한다. 소스(10)는 예를 들면 반복 주파수(fOSC)를 갖는 발진기이다. 소스 신호(100)의 광 펄스들은 여기에서 s-편향 상태로 선형적으로 편향된다. 광 아이솔레이터(56)는 재생 캐비티의 제1 입-출력부를 형성한다. 반-파 플레이트(54)(λ/2)는 소스 신호(100)의 광 펄스들의 편광 상태를 p-편광 상태로 변화시킨다. 편광기(53)는 포켈스 셀(80)을 향하여 p-편향된 소스 신호(100)를 전송한다.
재생 캐비티는 제1 증폭부(131), 제2 증폭부(132) 및 이 제1 증폭부(131)와 제2 증폭부(132) 사이에 배치된 포켈스 셀(80)을 포함한다. 재생 캐비티의 제1 증폭부(131)는 제1 미러(M1)와 편광기(61) 사이에 배치된 제1 광 증폭기(31)를 포함한다. 마찬가지로, 재생 캐비티의 제2 증폭부(132)는 제2 미러(M2)와 또 하나의 편광기(62) 사이에 배치된 제2 광 증폭기(32)를 포함한다. 따라서 포켈스 셀은 편광기(61)와 편광기(62) 사이에 위치한다.
펄스가 재생 캐비티에 포획되지 않고 포켈스 셀(80)이 유휴 상태(idle state)에 있을 때 (즉, 포켈스 셀에 인가된 변조 전압이 0일 때), 편광기(62)에 의해 반사되고 포켈스 셀(80)을 통과하는 p-편광 소스 펄스(100)는 p-편광된 상태로 유지된다. 편광기(61)는 재생 캐비티의 제1 증폭부(131)에서 s-편광만을 전달하고 출력부(S2)를 향해 p-편광을 전달하도록 배향된다. 따라서, 변조기가 비활성 상태로 유지되는 한, 재생 캐비티의 제1 증폭부(131)에는 어떠한 p-편광 소스 펄스도 입력되지 않는다.
펄스 포획(pulse trapping) 및 펄스 재생 증폭(pulse regenerative amplification)은 다음과 같이 수행된다. 포켈스 셀(80)이 활성화되어 있을 때, 포켈스 셀에 인가된 변조 전압은 포켈스 셀이 반-파 위상 시프트(half-wave phase shift)를 생성할 정도이다. 활성화된 포켈스 셀은 p-편광 소스 펄스(100)를 수신하고, 소스 신호(100)를 구성하는 이 펄스의 편광을 s-편광으로 변경한다. 편광기(52)는 이 s-편광 소스 펄스(100)를 재생 캐비티의 제1 증폭부(131)로 전송한다. s-편광 소스 펄스는 미러(M1)를 향해 제1 광 증폭기(31)를 통과하여 첫 번째로 증폭되고, 그리고 나서 미러(M1) 상에서 반사되며, 편광기(52)를 향해 제1 광 증폭기(31)를 통과하여 두 번째로 증폭된다. 포켈스 셀(80)의 변조 전압은 반-파 위상 시프트로부터 제로 위상 시프트로 스위칭되는 한편, 이 s-편광 소스 펄스(100)는 재생 캐비티의 제1 부분(131) 내에서 그리고 포켈스 셀을 두 번째로 다시 통과하기 전에 순환된다. 따라서, 포켈스 셀은 재생 캐비티의 제1 증폭부(131)로부터 나오는 증폭된 펄스의 s-편광을 변경하지 않는다. 편광기(53)는 이 s-편광 증폭 펄스를 재생 캐비티의 제2 증폭부(132)로 전송한다. s-편광 펄스는 s-편광을 유지하면서, 미러(M2)를 향해 제2 광 증폭기(32)를 통과하여 다시 증폭되고, 그리고 나서 미러(M2) 상에서 반사되며, 편광기(53)를 향해 제2 광 증폭기(32)를 통과하여 두 번째로 증폭된다. 따라서, s-편광 펄스는 제1 증폭부(131)에 포획되어 주기적으로 증폭된 후, 재생 캐비티의 제2 증폭부(132)에 포획되어 주기적으로 증폭된다. 포켈스 셀의 전압이 0으로 유지되는 한, 제1 광 증폭기 및 제2 광 증폭기에서 재생 증폭된 펄스의 편광은 s-편광으로 유지된다. 제로 위상 시프트를 생성하는 포켈스 셀을 통과하는 모든 다른 p-편광 소스 펄스(100)는 p-편광된 상태로 유지된다. 편광기(61)는 출력부(S2)를 통해 재생 캐비티의 제1 증폭부(131)로부터 나오는 모든 다른 p-편광 소스 펄스(100)를 거부한다. 재생 캐비티는 바람직하게는 한 번에 하나의 펄스를 포획하고 증폭하도록 치수가 정해진다.
2개의 추출 모드가 제공된다. 제1 추출 모드는 s-편광 증폭 펄스가 재생 캐비티의 제1 부분(131)에서 순환할 때, 포켈스 셀(80)의 변조 전압을 제로 위상 시프트로부터 반파 위상 시프트로 스위칭하는 것을 포함한다. s-편광 증폭 펄스가 제2 부분(132)을 향하여 활성화된 포켈스 셀(80)을 통과하는 동안, 증폭된 펄스는 편광 변화되어 p-편광된다. 편광기(62)는 이 재생 캐비티의 p-편광 증폭 펄스를 추출하고 이 펄스가 반-파 플레이트(54)를 향하게 한다. 반-파 플레이트(54)는 편광기(51)를 향해 전파되는 증폭된 펄스의 편광을 s-편광으로 다시 변화시킨다. 편광기(51)는 반-파 플레이트(54)로부터 나오는 s-편광 증폭 펄스를 필터링하고 그것을 출력부(S1) 측으로 향하게 한다. 따라서, 증폭된 펄스로 구성된 증폭된 주 신호(310)가 출력부(S1) 상에 얻어진다.
제2 추출 모드는 s-편광 증폭 펄스가 재생 캐비티의 제2 증폭부(132)에서 순환할 때, 포켈스 셀(80)의 변조 전압을 제로 위상 시프트로부터 반-파 위상 시프트로 스위칭하는 것으로 이루어진다. 증폭된 펄스가 제1 부분(131)을 향하여 활성화된 포켈스 셀을 통과하는 동안, 증폭된 펄스는 편광 변화되어 p-편광된다. 편광기(62)는 출력부(S2)를 통해 이 p-편광 증폭 펄스를 추출하고, p-편광 증폭된 보조 신호(320)를 형성한다.
이 작동 모드의 장점은 포켈스 셀에 인가된 전압이 0이지만 펄스의 증폭이 발생한다는 것이다.
한편, 포켈스 셀은 시간에 따라 일정한 반복 주파수(frep)로 재생 캐비티 내에 소스 펄스를 주입 포획하도록 (주입을 위해 제로 위상 시프트로부터 반-파 위상 시프트로 통과시키고, 주입 직후에 포획을 위해 반-파 위상 시프트로부터 제로 위상 시프트로 통과시킴으로써) 펄스 방식으로 첫 번째로 스위칭된다. 따라서, 재생 캐비티는 일정한 반복 주파수로 펄스들을 증폭시킨다.
한편, 포켈스 셀은 또한 (증폭된 펄스의 추출을 위해 제로 위상 시프트로부터 반-파 위상 시프트로 통과시키고 추출 직후에 포켈스 셀을 유휴 상태로 되돌리기 위해 반-파 위상 시프트로부터 제로 위상 시프트로 통과시킴으로써) 펄스 방식으로 스위칭되지만, 원하는 출력의 함수로서 선택된 스위칭 순간에 스위칭된다. 첫 번째 경우에, 증폭된 펄스가 재생 캐비티의 제1 증폭부(131)에서 순환하는 순간에 포켈스 셀이 스위칭될 때, 증폭된 펄스는 경로(S1) 측으로 추출되어 증폭된 주 신호를 형성한다. 두 번째 경우, 증폭된 펄스가 재생 캐비티의 제2 증폭부(132)에서 순환하는 순간에 포켈스 셀이 스위칭될 때, 증폭된 보조 신호의 펄스는 경로(S2) 측으로 추출되어 증폭된 보조 신호를 형성한다. 재생 캐비티로부터 추출된 펄스들은 2개의 출력부(S1, S2) 상에 공간적으로 분포되고 반복 주파수(frep)에서 완전히 추출되어 재생 캐비티의 광 증폭기(31, 32)의 작동의 안정성을 보장한다.
이 제5 실시예의 양호한 작동을 보장하는 작동 조건은 재생 캐비티가 반-파 위상 시프트를 발생시키는 전압으로 차단되어야 하고, 포켈스 셀의 스위칭 속도가 재생 캐비티의 제1 증폭부(131) 및 제2 증폭부(132)에서의 순환 지속 시간과 비교하여 충분히 빨라야한다는 것이다(Tfall < TpartI), Trise < TpartII). 포켈스 셀의 스위칭 시간은 일반적으로 ~1ns 내지 수 ns이다.
바람직하게는, 제1 부분(131)에서의 왕복 지속 시간(T1)이 제2 부분(132)에서의 왕복 지속 시간(T2)과 동일하도록, 동일한 제1 증폭부(131) 및 제2 증폭부(132)가 선택된다. 재생 캐비티에서의 사이클의 지속 시간은 지속 시간(T1) 및 지속 시간(T2)의 합과 거의 같다. 여기에서, 재생 캐비티의 제1 증폭부(131) 및 제2 증폭부(132)에서 하나의 펄스가 각각 순환되도록 2개의 소스 펄스들(100) 사이의 주기(1/fosc)가 지속 시간(T1) 및 지속 시간(T2)보다 높다는 가설이 세워진다.
이 제5 실시예의 변형 예에서, 재생 캐비티는 예를 들면 제1 부분에 하나의 광 증폭기(31)를 포함한다.
제5 실시예의 대안적인 예에 따르면, 반-파 플레이트는 편광기(61)와 편광기(62) 사이에 위치한다. 따라서, 출력 증폭 펄스들의 편광은 90도만큼 스위칭되고, 포켈스 셀(80)에 전압이 인가될 때 펄스의 증폭이 일어난다.
또한, 대안적인 작동 모드에 따르면, 포켈스 셀은 증폭된 신호의 진폭 변조를 수행 가능하게 한다. 예를 들면, 추출 중에 포켈스 셀에 인가된 고전압의 슬로프(slope)가 결정된다. 따라서, 이 고전압 슬로프에 타임 시프트(time shift)를 적용함으로써 진폭 변조된 위상 시프트가 제로 위상 시프트 값과 반-파 위상 시프트 값 사이에 적용되고, 이것은 출력부(S1) 측으로 펄스의 일부 및 출력부(S2) 측으로 동일한 펄스의 또 다른 일부를 추출하는 것을 가능하게 한다. 각각의 출력부들(S1, S2)로 추출된 펄스의 일부는 시간의 함수로서 위상 시프트의 슬로프를 조정함으로써 제어될 수 있다. 따라서, 출력부들(S1, S2) 상에 증폭된 펄스들의 진폭 변조가 얻어진다.
이 제5 실시예의 또 하나의 대안적인 예에 따르면, 재생 캐비티의 제1 및 제2 증폭부(131)는 일련의 하나 이상의 광 증폭기를 포함하는 링 캐비티(ring cavity)로 대체된다.
본 발명은 레이저 출력부의 펄스들의 에너지, 출력, 지속 기간, 공간적 품질 면에서 성능에 타협하지 않고, 증폭된 레이저 펄스의 레이트 및/또는 진폭의 시간 변조에 큰 유연성을 제공하기 위해 많은 유형의 펄스 레이저 시스템에서 쉽게 구현될 수 있다.
본 발명은 펄스 지속 시간, 파장, 출력, 에너지에 상관없이 레이저 펄스를 발생시키는 임의의 레이저 시스템에 적용된다. 본 발명은 특히 선험적으로 결정된 반복 주파수를 갖는 펄스 레이저의 고속 펄스 대 펄스 변조에 적용된다. 본 발명은 또한 증폭된 레이저 펄스의 진폭의 고속 변조에 적용된다.
본 발명은 특히 높은 그리고 매우 높은 반복 주파수를 갖는 레이저, 예를 들면 10MHz와 1GHz 사이, 특히 수백 MHz 또는 그 이상의 반복 주파수(frep)를 갖는 레이저에 적용된다. 본 발명은 특히 마스터 발진기 및 적어도 하나의 증폭단을 포함하는 펄스 레이저에 적용된다. 본 발명은 높은 평균 출력(1W 내지 수백W, 또는 심지어 50W보다 높은 수 kW의 평균 출력)의 레이저 또는 고 에너지(수백 밀리줄 내지 나노줄의 범위)의 펄스 레이저에도 적용되며, 여기서 상세한 설명에 기술된 장점(증폭 체인(amplifying chain) 후에 손실이 없고, 고출력 전송에 필수적인 능동 소자(active element)가 없음)이 특히 중요하다.
광 증폭기 시스템의 상류측에 그리고 가능하게는 제2 소스(12)의 상류측에 배치된 펄스 선택기 또는 변조기의 스위칭 속도는 광 증폭기의 작동 안정성을 보장하면서 증폭된 주 빔의 매우 빠른 변조를 가능하게 한다. 즉, 펄스 선택기 또는 변조기의 스위칭 속도 그리고 가능하게는 제2 소스의 스위칭 속도는 10MHz 및 1GHz의, 바람직하게는 수백 MHz의 매우 높은 주파수 범위에서 초단 광 펄스의 변조와 호환 가능하다. 따라서, 본 발명은, 매우 넓은 주파수 범위에서 변조된 고에너지 및/또는 고출력의 초단 펄스 레이저를 제안함으로써, 광 증폭기 시스템의 열화의 위험이 없이, 요구에 따라 초단 펄스 또는 높은 반복 주파수를 갖는 초단 펄스도 제공할 수 있다.

Claims (15)

  1. 레이트 및/또는 진폭이 시간 변조되는 펄스 레이저 시스템으로서,
    - 소스 광 펄스들로 구성된 소스 신호(100)를 생성하도록 구성된 제1 소스(10, 11);
    - 상기 소스 신호(100)를 수신하고 증폭시키도록 구성된 광 증폭기 시스템(30, 31, 32, 33); 및
    - 소스 신호(100)를 선택 또는 변조하여 하나 이상의 광 펄스들로 구성된 주 신호(110)를 형성하도록 구성된 펄스 선택 또는 변조 디바이스(20, 21, 22, 24, 80)를 포함하고, 상기 주 신호(110)는 레이트 및/또는 진폭이 시간 변조되고,
    - 상기 펄스 레이저 시스템은 한편으로는 주 신호(110)를 다른 한편으로는 보조 신호(120)를 상기 광 증폭기 시스템(30, 31, 32, 33)에 주입하도록 구성되고, 상기 광 증폭기 시스템(30, 31, 32, 33)은 한편으로는 레이트 및/또는 진폭이 시간 변조된 증폭된 주 신호(310)를 형성하고 다른 한편으로는 증폭된 보조 신호(320)를 형성하고,
    - 상기 보조 신호(120)는 주 신호(110)의 레이트 및/또는 진폭의 시간 변조의 함수로서 실시간으로 변조되어, 시간의 함수로서 상기 광 증폭기 시스템(30, 31, 32, 33)에 저장된 에너지를 안정시키고,
    - 상기 펄스 레이저 시스템은 레이트 및/또는 진폭이 시간 변조된 증폭된 주 신호(310)를 제1 출력부(S1) 측으로 공간적으로 분리하고, 증폭된 보조 신호(320)를 제2 출력부(S2) 측으로 공간적으로 분리하도록 구성되는 시간 변조 펄스 레이저 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 광 증폭기 시스템(30, 33)은 제1 파장의 주 신호(110)를 그리고 제2 파장의 보조 신호(120)를 증폭시키도록 구성된 스펙트럼 게인 대역을 갖고, 상기 펄스 레이저 시스템은 제1 파장의 증폭된 주 신호(310)를 그리고 제2 파장의 증폭된 보조 신호(320)를 스펙트럼적으로 분리하도록 구성된 스펙트럼 필터(50)를 포함하는 시간 변조 펄스 레이저 시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 광 증폭기 시스템(30)은 제1 편광 상태로 편광된 주 신호(110) 및 제2 편광 상태로 편광된 보조 신호(120)를 각각 수신하고 증폭시키도록 형성되고, 상기 제1 편광 상태 및 제2 편광 상태는 서로 직교하고, 상기 펄스 레이저 시스템은 한편으로는 제1 편광 상태로 편광된 증폭된 주 신호(310)를 다른 한편으로는 제2 편광 상태로 편광된 증폭된 보조 신호(320)를 분리하도록 배치되고 구성된 편광 분리 필터(50, 90)를 포함하는 시간 변조 펄스 레이저 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 광 증폭기 시스템(33)은 광 증폭기 시스템(33)의 제1 입-출력부(331)와 제2 입-출력부(332) 사이에서 서로 반대방향을 따라 전파되는 주 신호(110)와 보조 신호(120)를 증폭하도록 형성되고, 상기 펄스 레이저 시스템은 한편으로는 증폭된 주 신호(310)를 다른 한편으로는 증폭된 보조 신호(320)를 분리하도록 배치되고 구성된 적어도 하나의 광 필터(51, 52)를 포함하는 시간 변조 펄스 레이저 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 광 증폭기 시스템(30)은 제1 방향을 따라 전파되는 주 신호(110) 및 제2 방향을 따라 전파되는 보조 신호(120)를 증폭시키도록 구성된 공간 및/또는 개구각을 구비하고, 상기 제2 방향은 제1 방향과 공간적으로 및/또는 각도적으로 분리되고, 상기 펄스 레이저 시스템은 제1 방향을 따라 전파되는 증폭된 주 신호(310) 및 제2 방향을 따라 전파되는 증폭된 보조 신호(320)를 각각 공간적으로 및/또는 각도적으로 분리하도록 구성되는 시간 변조 펄스 레이저 시스템.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    소스 신호(100)를 방출하는 제1 소스(11)와 보조 신호(120)를 방출하는 제2 소스(12)를 포함하고, 상기 펄스 선택 또는 변조 디바이스는 상기 제1 소스(11)와 상기 광 증폭기(30) 사이에 배치된 펄스 선택기 또는 변조기(20)를 포함하고, 상기 펄스 선택기 또는 변조기(20)는 소스 신호(100)를 수신하여 주 신호(110)를 형성하고, 상기 펄스 레이저 시스템은 한편으로는 주 신호(110)를 다른 한편으로는 보조 신호(120)를 상기 광 증폭기 시스템(30, 31, 32, 33)에 주입하도록 배치되고 구성된 광 빔 결합기(60, 51, 52)를 더 포함하는 시간 변조 펄스 레이저 시스템.
  7. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    소스 신호(100)를 방출하는 단일 소스(10)를 포함하고, 상기 펄스 선택 또는 변조 디바이스는 상기 소스(10)와 상기 광 증폭기 시스템(30, 31, 32, 33) 사이에 배치된 펄스 선택기 또는 변조기(21, 22, 24, 80)를 포함하고, 상기 펄스 선택기 또는 변조기(21, 22, 24, 80)는 소스 신호(100)를 수신하여 한편으로는 주 신호(110)를 다른 한편으로는 보조 신호(120)를 형성하는 시간 변조 펄스 레이저 시스템.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 펄스 선택 또는 변조 디바이스는 광학 편광 변조기를 포함하고, 상기 광학 편광 변조기는 소스 신호(100)를 수신하고 편광 변조하여 제1 편광 상태로 편광된 주 신호(110)를 생성하고 제2 편광 상태로 편광된 보조 신호(120)를 생성하도록 구성되는 시간 변조 펄스 레이저 시스템.
  9. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 펄스 선택 또는 변조 디바이스는 소스 신호(100)를 수신하고 변조하여 일 방향을 따라 전파되는 주 신호(110)를 생성하고 또 하나의 방향을 따라 전파되는 보조 신호(120)를 생성하도록 구성된 광학 방향 변조기를 포함하는 시간 변조 펄스 레이저 시스템.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 펄스 선택 또는 변조 디바이스는 소스 신호(100)를 수신하고 진폭 변조하여 진폭-변조된 주 신호(110)를 생성하도록 구성된 광 변조기를 포함하고, 보조 신호(120)는 주 신호(110)의 시간 진폭 변조의 함수로서 진폭 변조되는 시간 변조 펄스 레이저 시스템.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 광 증폭기 시스템(30, 31, 32)은 제1 광 증폭기(31)를 구비한 제1 부분(131)과 제2 부분(132)을 포함하는 재생 캐비티를 포함하고, 상기 펄스 선택 또는 변조 디바이스는 제1 부분(131)과 제2 부분(132) 사이에서 상기 재생 캐비티에 배치된 포켈스 셀(80)을 포함하고, 상기 포켈스 셀(80)은 상기 재생 캐비티 내의 광학 위상 시프트를 변조하도록 구성되고, 광 필터링 디바이스는 캐비티의 포켈스 셀(80)과 제1 부분(131) 사이에 배치된 제1 편광기(61) 및 캐비티의 포켈스 셀(80)과 제2 부분(132) 사이에 배치된 제2 편광기(62)를 포함하고, 상기 포켈스 셀(80)은 광학 위상 시프트를 첫 번째로 변조하여 소스 광 펄스(100)가 상기 재생 캐비티 안으로 포획되도록 구성되고, 상기 재생 캐비티는 증폭된 광 펄스를 형성하기 위해 포획된 광 펄스를 증폭시키고, 상기 포켈스 셀(80)은 증폭된 광 펄스가 재생 캐비티의 제1 부분(131)에서 순환되어 증폭된 주 신호(310)를 형성할 때 또는 증폭된 광 펄스가 재생 캐비티의 제2 부분(132)에서 순환되어 증폭된 보조 신호(320)를 형성할 때 두 번째로 광학 위상 시프트를 변조하도록 구성되고, 상기 제2 편광기(62)는 증폭된 주 신호(310)가 재생 캐비티의 제1 출력부(S1)를 향하게 하도록 구성되고, 상기 제1 편광기(61)는 증폭된 보조 신호(320)가 재생 캐비티의 제2 출력부(S2)를 향하게 하도록 구성되는 시간 변조 펄스 레이저 시스템.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 펄스 선택 또는 변조 디바이스(20, 21, 22, 24, 80)는 ns 미만과 수 ns 사이의 스위칭 시간으로 소스 신호(100)를 선택 또는 변조하도록 구성되는 시간 변조 펄스 레이저 시스템.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 소스(10, 11)는 10kHz 내지 1GHz의 반복 주기를 갖도록 주기적이고, 상기 소스 광 펄스들은 대략 1피코초 내지 수백 나노초의 지속 시간을 갖는 시간 변조 펄스 레이저 시스템.
  14. 재생 캐비티의 제1 편광기와 제2 편광기 사이에 배치된 포켈스 셀(80)을 포함하는 재생 캐비티의 출력부에서 펄스들의 레이트 및/또는 진폭을 변조하는 방법으로서,
    상기 포켈스 셀은 재생 캐비티의 제1 부분(131)과 제2 부분(132)의 범위를 정하고, 재생 캐비티는 재생 캐비티의 제1 부분(131)에 배치된 적어도 하나의 광 증폭기(31)를 포함하고, 상기 방법은:
    - 소스 광 펄스(100)를 상기 재생 캐비티 내에 주입하고 포획하도록 상기 포켈스 셀(80)에 제1 펄스 스위칭 전압을 인가하는 단계;
    - 상기 포켈스 셀에 제로 변조 전압을 인가하는 동안, 증폭된 광 펄스를 형성하기 위해 상기 재생 캐비티 내에 포획된 광 펄스를 증폭시키는 단계; 및
    - 증폭된 광 펄스가 상기 재생 캐비티의 제1 부분(131)에서 순환되어 증폭된 주 신호(310)를 형성할 때, 및/또는 증폭된 광 펄스가 상기 재생 캐비티의 제2 부분(132)에서 순환되어 증폭된 보조 신호(320)를 형성할 때, 광학 위상 시프트를 변조하기 위해 상기 포켈스 셀(80)에 제2 펄스 스위칭 전압을 인가하는 단계를 포함하고,
    상기 제2 편광기(62)는 증폭된 주 신호(310)가 상기 재생 캐비티의 제1 출력부(S1)를 향하게 하도록 구성되고, 상기 제1 편광기(61)는 증폭된 보조 신호(320)가 상기 재생 캐비티의 제2 출력부(S2)를 향하게 하도록 구성되는 변조 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    제2 전압의 인가는 제1 출력부(S1)를 향하는 증폭된 주 신호(310) 및/또는 제2 출력부(S2)를 향하는 증폭된 보조 신호(320)를 진폭 변조하도록 시간의 함수로서의 슬로프를 포함하는 변조 방법.
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