KR20180072687A - 고속 변조 디바이스를 포함하며 n－파동 혼합에 의해 광 펄스들을 생성하거나 증폭하기 위한 비선형 광학 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 적어도 하나의 제1 광 펄스(51)와 하나의 제2 광 펄스(52, 522)를 수신할 수 있는 비선형 광학 매질(20)를 포함하고, N-파동 혼합에 의해 광 펄스들을 생성하거나 증폭하기 위한 비선형 광학 시스템에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 상기 시스템은, 상기 비선형 광학 매질(20) 내에서 상기 제2 광 펄스(52)와 상기 제1 광 펄스(51) 사이의 시간 지연을 변조하기 위한 고속 변조 디바이스(40)를 포함하고, 상기 시간 지연 변조 디바이스(40, 41, 42)는 상기 비선형 광학 매질(20)로부터의 상류에 배치되고, 상기 시간 지연 변조 디바이스(40, 41, 42)는 상기 비선형 광학 매질(20) 내에서 상기 적어도 하나의 제1 광 펄스(51)와 하나의 제2 광 펄스를 N-파동 혼합함으로써 광 펄스(60)의 생성 또는 증폭을 변조하기 위해 적어도 하나의 제1 지연값(R1)과 제2 지연값(R2)의 사이에서 변조한다.
Description
본 발명은 자외선, 가시광선 또는 적외선(UV, 가시광, IR) 스펙트럼 영역의 고출력 및/또는 고에너지 광 펄스들을 생성하거나 증폭하기 위한 비선형 광학 시스템에 관한 것이다.
더욱 상세하게, 본 발명은 적어도 3개의 파동들을 혼합(mix)하여 동작하는 비선형 광학 시스템으로부터의 펄스 트레인의 제어된 고속 변조를 위한 디바이스에 관한 것이다.
초단(ultra-short) 펄스들을 생성하거나 증폭하기 위한 비선형 광학 시스템은 일반적으로 50kHz 내지 100MHz 사이의 높은 반복율(repetition rate)로 방출한다.
본 명세서에서 "광 펄스들"은, 밀리 초 미만인 지속시간의 단 펄스들, 또는 피코 초, 서브-피코 초 또는 펨토 초 지속시간의 초단 펄스들을 의미한다. "고출력 펄스들"은 1kW 내지 1GW 사이, 바람직하게는 1MW 이상의 피크 출력(power)을 갖는 광 펄스를 의미하고, 그리고 "고에너지 펄스"는 100 마이크로 줄(joule) 내지 1 킬로 줄 사이, 바람직하게는 1 밀리 줄 이상의 에너지를 갖는 광 펄스를 의미한다.
서로 다른 비선형 N-파동 혼합 광학 시스템들이 존재한다(여기서, N은 3 이상의 자연수임). 비선형 광학계에서, N-파동 혼합은 특히 3-파동 혼합(여기서, 에너지의 전달은 비선형 매질 내에서 상호작용하는 3개의 전자기파들 사이에서 일어난다)과 4-파동 혼합(여기서, 에너지의 전달은 비선형 매질 내에서 상호작용하는 4개의 전자기파들 사이에서 일어난다)을 포괄한다. 3-파동 혼합은, 무엇보다도, 합 주파수 특히 주파수 배가(doubling), 주파수 차분(differencing) 및 광학 파라메트릭(parametric) 증폭에 응용된다.
도 1은 제2조파(second-harmonic) 생성이라고도 불리는 광학 주파수 배가를 위해 구성된 종래의 비선형 광학 시스템을 개략적으로 도시한다. 제1 레이저 소스(11)는 주어진 반복 주파수의 광 펄스들로써 형성된 제1 소스 신호(51)를 생성한다. 제2 레이저 소스(12)는 제1 소스 신호(51)의 광 펄스들에 동기화된 광 펄스들로써 형성된 제2 소스 신호(52)를 생성한다. 2개의 레이저 소스들(11, 12)은 여기서는 동일한 파장을 갖는다. 2개의 광 펄스 신호들(51, 52)은 비선형 광학 매질(20)쪽으로 향한다. 비선형 광학 매질은 고체 매질, 예를 들어 LBO, BBO, KDP 결정, 또는 광섬유일 수 있으며, 기체 매질일 수도 있다. 비선형 광학 매질(20) 내에서의 2개의 소스 신호들(51, 52)의 공간적 및 시간적 중첩은, 2개의 레이저 소스들(11, 12)의 광학 주파수의 2배와 동일한 광학 주파수이고 또한 2개의 소스들(11, 12)과 동일한 반복 주파수인 광 펄스들로 구성된 출력 신호(60)를 생성하는 것을 가능케 한다.
도 2는 광 펄스들의 광학 파라메트릭(parametric) 증폭을 위해 구성된 비선형 광학 시스템의 또 하나의 예시를 개략적으로 도시한다. 동일한 참조 부호들은 도 1의 구성 요소와 유사한 구성 요소를 나타낸다. 2개의 레이저 소스들(11, 12)은 일반적으로는 동일한 반복 주파수를 갖지만, 펄스들 각자의 지속시간이 동일할 필요는 없다. 도 1과는 다르게 도 2에서의 2개의 레이저 소스들(11, 12)은 일반적으로는 동일한 파장이 아니다. 고에너지 펄스들로써 구성된 펌프 빔(52)이 보다 낮은 에너지의 신호 빔(51)과 결합하기 위해 비선형 광학 매질(20)로 보내진다. 특정 조건 하에서, 특히 비선형 광학 매질(20) 내에서의 펌프 빔(12)의 펄스들과 신호 빔(11)의 펄스들의 공간적 및 시간적 중첩 하에서, 에너지의 전달은 펌프 빔(12)으로부터 신호 빔(11)쪽으로 일어날 수 있고, 따라서, 증폭된 빔(61)이 생성되고 저에너지의 잔여(residual) 빔(62)의 방출이 수반된다. 광학 파라메트릭 증폭의 이러한 기술은 신호(51)를 증폭하여 상기 증폭된 신호(61)를 생성하는 것을 가능케 한다.
관련있는 모든 펄스들의 공간적 및 시간적 중첩을 필요로 하는 N-파동 혼합의 서로 다른 물리적 프로세스들은, 비선형 광학계의 순간적인 현상이다.
출력 펄스의 조사율(shooting rate)은 광 펄스 빔에 사용되는 아키텍처 및 그것에 요구되는 특성들의 함수로써 종종 정해진다. "마스터 발진기, 출력 증폭기" (MOPA) 아키텍처는 통상적으로, 고출력 광 펄스 레이저 소스들을 생성하는 데에 사용된다. 이 경우에는, 레이저 소스의 마스터 발진기는 주어진 레이트(rate)로 소스 펄스들을 생성하고, 이러한 소스 펄스들은 하나 이상의 증폭 스테이지들에서 증폭된다.
이제, 특정 응용들의 경우, 사용자는 비선형 광학 변환에 의해 생성된 신호의 펄스율을 변경하거나 심지어 샷들(shots)을 완전히 차단(interrupt)한다음 재개시킬 필요가 있을 수 있다.
비선형 광학 시스템에서 생성되거나 증폭된 펄스 트레인(train)에 대한 명령(command) 또는 제어는 서로 다른 목적을 가질 수 있다. 일부 경우들에서, 하나의 펄스로부터 다음 펄스까지의 빔을 스위치-오프하고 스위치-온하기 위해, N-파동 혼합 시스템의 출력부에 고속 셔터를 구비하는 것이 바람직하다. 다른 경우들에서는, 예를 들어, 2개 중에서, 3개 중에서 또는 N개 중에서 하나의 펄스를 선택함으로써, 레이저 소스의 발진기의 반복 주파수보다 낮은 반복 주파수의 출력 신호를 생성하기 위해, 주파수 감축기(reducer)를 구비하는 것이 바람직하다. 또한, 전자 제어 신호를 통해서 사용자의 요청에 따라 펄스의 방출이 트리거되고 또한 펄스를 요구에 따라 생성할 수 있게 하는 제어 시스템을 구비하는 것이 바람직하다.
공지된 기술은 비선형 광학 변환 시스템으로부터의 상류에서 조사 주파수(shooting frequency)를 변경하는 것을 포함한다. 하지만, 이러한 주파수 변경은 일반적으로는 출력 빔의 특징들(펄스 에너지 및 지속시간, 형태 및 품질)의 변경을 일으킨다. 특정 아키텍처들에서, 비선형 광학(NLO) 매질에 앞서서 조사 주파수를 변경하는 것은 초고출력(super-power) 펄스들을 생성할 수 있고, 비선형 광학 매질의 성능저하(degradation) 심지어는 파괴를 초래할 수도 있다.
펄스 트레인을 제어하기 위해 기존에 사용된 또 하나의 기술은, 음향-광학(acousto-optic) 또는 전자-광학(electro-optic) 유형의 광학 변조기를 비선형 광학 변환 시스템의 출력부에 배치하는 것을 포함한다. 이러한 광학 변조기는, 활성화되는 경우에는, 그것을 통과하는 펄스들의 특성들을 변경한다. 이 펄스들은 나중에 다른 하나의 펄스들로부터 공간적으로 분리될 수 있다. 하지만, 전자-광학 또는 음향-광학 변조기의 속도(speed)는, 현재 10MHz 차수(order)의 레이트(rate)로 제한되어 있다. 한편, 비선형 광학 변환 시스템의 출력부에 배치된 광학 변조기는 출력 손실을 유발했다. 이러한 손실은, 음향-광학 변조기의 경우에는 10 내지 20% 정도(order)이고 전자-광학 변조기의 경우에는 5% 정도이다. 마지막으로, 고출력 레이저들의 경우에 있어서, 레이저 빔은, 증폭 체인의 끝에 위치하는 경우에는 광학 변조기를 손상시킬 수 있다. 따라서, 비선형 광학 변환기 시스템의 출력부에 광학 변조기를 배치하는 것은 상당한 제한들에 직면한다.
본 발명은, 각각이 동일한 차수(order)의 크기의 지속시간들을 갖는 적어도 하나의 제1 광 펄스와 하나의 제2 광 펄스를 수신하도록 구성된 비선형 광학 매질을 포함하는, N-파동 혼합(여기서, N은 3 이상의 자연수)에 의해 광 펄스를 생성하거나 증폭하기 위한 비선형 광학 시스템을 제안한다.
전술한 종래 기술의 단점을 개선하기 위해, 본 발명은 N-파동 혼합(여기서, N은 3 이상의 자연수)에 의해 광 펄스를 생성하거나 증폭하기 위한 비선형 광학 시스템을 제안하는데, 상기 비선형 광학 시스템은 각각이 동일한 차수의 크기의 지속시간들을 갖는 적어도 하나의 제1 광 펄스와 하나의 제2 광 펄스를 수신하도록 구성된 비선형 광학 매질을 포함한다.
보다 상세하게는, 본 발명에 따르면, 비선형 광학 매질 내에서 제2 광 펄스와 제1 광 펄스 사이의 시간 지연을 변조하기 위한 디바이스를 포함하는 광 펄스들을 생성하거나 증폭하기 위한 비선형 광학 시스템이 제안되며, 상기 시간 지연 변조 디바이스는 비선형 광학 매질로부터의 상류에 배치된다. 그리고 상기 변조 디바이스는, 비선형 광학 매질 내에서의 적어도 하나의 제1 광 펄스와 하나의 제2 광 펄스의 N-파동 혼합에 의해 광 펄스의 생성 또는 증폭을 변조하기 위해서, 서로 동기화된 제1 광 펄스와 제2 광 펄스를 수신하고 적어도 하나의 제1 지연값과 하나의 제2 지연값 사이에서 시간 지연을 스위칭하도록 구성된다.
이러한 시간 지연 변조 디바이스는, 유리하게, N-파동 혼합에 의해 생성된 출력 펄스 트레인의 레이트를 제어하는 것을 가능케 한다. 이러한 시스템은 사용된 시간 지연 변조 디바이스의 스위칭 속도에 의해서만 제한된다. 시간 지연 변조를 사용하는 이러한 비선형 변환 펄스 시스템은, 소스의 최대율(maximum rate)로부터 단일 펄스까지 그리고 N-파동 혼합에 의해 생성된 신호의 완전 소멸(extinction)까지, 펄스를 요구에 따라 N-파동 혼합에 의해 생성하는 것을 가능케 한다.
바람직하게, 시간 지연 변조 디바이스는 제1 지연값과 제2 지연값 사이에서 스위칭가능하며, 상기 제1 지연값은 상기 적어도 하나의 제1 광 펄스와 하나의 제2 광 펄스가 비선형 광학 매질 내에서 공간적으로 및 시간적으로 서로 중첩하도록 구성되고, 비선형 광학적 매질은 상기 적어도 하나의 제1 광 펄스와 하나의 제2 광 펄스의 N-파동 혼합(여기서 N은 3 이상의 정수임)에 의해 광 펄스를 생성하거나 증폭하도록 구성되고, 그리고 상기 제2 지연값은 상기 제2 광 펄스가 상기 비선형 광학 매질 내에서 상기 제1 광 펄스에 대하여 시간 지연을 갖도록 구성되고, 상기 제2 지연값은 비선형 광학 매질 내에서 상기 적어도 하나의 광 펄스와 하나의 제2 광 펄스의 N-파동 혼합에 의한 생성 또는 증폭을 제한하도록 구성된다.
본 명세서에서, N-파동 혼합에 의한 생성 또는 증폭을 제한한다는 것은, N-파동 혼합에 의해 생성된 펄스를 미리결정된 진폭 또는 강도(intensity)로 제한하는 것, 예를 들어 제1 지연값에 대하여 N-파동 혼합에 의해 생성된 펄스의 50%, 또는 10% 미만, 바람직하게는 1% 미만 또는 1/1000 미만으로 제한하는 것을 의미한다.
이러한 시간 지연 변조 디바이스는 유리하게는, 출력 펄스 트레인의 율(rate)을 제어하는 것을 가능케 한다. 그것은 사용되는 시간 지연 변조 디바이스의 스위칭 속도에 의해서만 제한된다. 시간 지연 변조를 갖는 이러한 비선형 변환 펄스 레이저는, 소스의 최대율로부터 단일 펄스까지 그리고 N-파동 혼합에 의해 생성된 신호의 완전 소멸까지, 펄스를 요구에 따라 N-파동 혼합에 의해 생성하는 것을 가능케 한다.
시간 지연 변조 디바이스는 비선형 광학 매질의 출력부에서 어떠한 출력 손실도 일으키지 않는데, 이는 시간 지연이 비선형 광학 매질의 상류에서 조정되기 때문이다. 이러한 변조 디바이스는 펄스 출력 또는 에너지에 제한되지 않는다. 이러한 변조 디바이스는 비선형 광학 매질 내에서 이루어지는 비선형 변환의 유형과는 독립적이고 또한 생성되거나 증폭된 펄스들의 지속시간과도 독립적이다.
또한, 변조 디바이스는 비선형 프로세스에 의해 생성된 파장과는 독립적이며, 이 비선형 프로세스는 주파수-조정가능 시스템의 경우에 있어서 매우 유리할 수 있다.
개별적으로 또는 기술적으로 가능한 모든 조합에 따라 얻어진 본 발명에 따른 시간 지연 변조 디바이스를 포함하는 시스템의 기타의 비제한적이고 유리한 특징들은 다음과 같다:
- 시스템은 비선형 광학 매질의 출력부에 배치된 광학 필터링 디바이스를 포함하며, 상기 광학 필터링 디바이스는 N-파동 혼합에 의해 생성되거나 증폭된 광 펄스를 하나의 출력부로 그리고 제1 광 펄스 및/또는 제2 광 펄스를 다른 하나의 출력부로 공간적으로 분리시키도록 구성되고;
- 비선형 광학 매질은 합 주파수에 의해 또 하나의 광 펄스를 생성하도록 구성되고, 합 주파수에 의해 생성된 광 펄스의 광학 주파수는 상기 적어도 하나의 제1 광 펄스와 하나의 제2 광 펄스의 광학 주파수들의 합과 동일하고, 그리고 광학 필터링 디바이스는 합 광학 주파수를 상기 적어도 하나의 제1 광 펄스와 하나의 제2 광 펄스 각자의 광학 주파수들로부터 분리시키도록 구성된 스펙트럼 필터를 포함하고;
- 시스템은 제1 소스 신호를 수신하여 제1 광 펄스를 형성하도록 배치된 제1 광학 증폭기와 제2 소스 신호를 수신하여 제2 광 펄스를 형성하도록 배치된 제2 광학 증폭기를 포함하고;
- 시스템은 제1 소스 신호를 생성하도록 구성된 제1 소스와 제2 소스 신호를 생성하도록 구성된 제2 소스를 포함하고, 그리고 제1 소스 신호를 제2 소스 신호에 대해 동기화하기 위한 디바이스를 포함하고;
- 변조 디바이스는 제2 소스에 통합되고;
- 시스템은 소스 펄스 광 신호를 생성하도록 구성된 소스와, 소스 펄스 광 신호를 분리하여 제1 소스 신호 및 제2 소스 신호를 형성하도록 구성된 빔 스플리터를 포함하고;
- 시스템은 소스와 빔 스플리터 사이에 배치된 레이트 감축기(rate reducer)를 더 포함하고;
- 시간 지연 변조 디바이스는 제1 소스 신호의 광학 경로에 배치된 제1 펄스 선택기와 상기 제2 소스 신호의 광학 경로에 배치된 제2 펄스 선택기를 포함하고;
- 시간 지연 변조 디바이스는 제2 소스 신호의 광학 경로에 배치된 가변 광학 지연 라인을 포함하고;
- 가변 광학 지연 라인은, 제2 소스 신호를, 상기 제1 시간 지연값과 관련된 제1 광학 지연값을 갖는 제1 광학 경로쪽으로 또는 제2 시간 지연값과 관련된 제2 광학 지연값을 갖는 제2 광학 경로쪽으로 스위칭하도록 구성된 음향-광학 또는 전자-광학 변조기를 포함한다.
비제한적인 예시로서의 첨부된 도면들과 관련한 다음의 설명은 본 발명이 무엇을 구성하는지 그리고 어떻게 구현될 수 있는지를 잘 이해할 수 있게 한다.
도 1은 종래 기술에 따른, 주파수 배가를 위해 구성된 비선형 광학 변환 시스템을 도시한다.
도 2는 종래 기술에 따른, 광학 파라메트릭 증폭을 위해 구성된 비선형 광학 시스템을 도시한다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른, 출력 펄스율 고속 변조 디바이스가 통합된 비선형 광학 N-파동 혼합 시스템을 개략적으로 도시한다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른, 또 하나의 출력 펄스율 고속 변조 디바이스가 통합된 또 하나의 비선형 광학 N-파동 혼합 시스템을 개략적으로 도시한다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예의 변형에 따른, 또 하나의 출력 펄스율 고속 변조 디바이스가 통합된 비선형 광학 N-파동 혼합 시스템을 개략적으로 도시한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른, 스위칭가능한 광학 지연 라인의 예시를 도시한다.
도 7은 본 발명의 또 하나의 실시예에 따른, 출력 펄스율 고속 변조 디바이스가 통합된 비선형 광학 4-파동 혼합 시스템을 개략적으로 도시한다.
도 1은 종래 기술에 따른, 주파수 배가를 위해 구성된 비선형 광학 변환 시스템을 도시한다.
도 2는 종래 기술에 따른, 광학 파라메트릭 증폭을 위해 구성된 비선형 광학 시스템을 도시한다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른, 출력 펄스율 고속 변조 디바이스가 통합된 비선형 광학 N-파동 혼합 시스템을 개략적으로 도시한다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른, 또 하나의 출력 펄스율 고속 변조 디바이스가 통합된 또 하나의 비선형 광학 N-파동 혼합 시스템을 개략적으로 도시한다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예의 변형에 따른, 또 하나의 출력 펄스율 고속 변조 디바이스가 통합된 비선형 광학 N-파동 혼합 시스템을 개략적으로 도시한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른, 스위칭가능한 광학 지연 라인의 예시를 도시한다.
도 7은 본 발명의 또 하나의 실시예에 따른, 출력 펄스율 고속 변조 디바이스가 통합된 비선형 광학 4-파동 혼합 시스템을 개략적으로 도시한다.
도 3에는 제1 레이저 소스(11), 제2 레이저 소스(12), 비선형 광학 매질(20) 및 광학 필터(30)를 포함하는 비선형 광학 N-파동 혼합 시스템이 도시되어 있다.
제1 레이저 소스(11)는 제1 소스 펄스 신호(51)를 방출하고, 제2 레이저 소스(12)는 제2 소스 펄스 신호(52)를 방출한다. 제2 레이저 소스(12)는 제1 레이저 소스(11)에 동기화된다. 소스 펄스 신호들의 펄스들(각각 51, 52)은 일반적으로 동일한 차수의 크기의 지속시간(D)을 갖는데, 반드시 동일한 지속시간일 필요는 없다. 바람직하게는, 소스 펄스 신호들(51, 52)은 동일한 반복율(repetition rate)를 갖는다. 대안적으로, 레이저 소스(11)의 반복율은 다른 레이저 소스(12)의 반복율의 정수배이다. 여기서, 제1 레이저 소스(11)로부터 비선형 광학 매질(20)까지의 광학 경로는 제2 레이저 광원(12)으로부터 비선형 광학 매질(20)까지의 광학 경로와 동일한 길이를 갖는다고 가정한다.
본 명세서에서, "동기 펄스들(synchronized pulses)"은, 몇 분 내지 몇 시간의 시간 간격(time interval)에 있는 펄스들의 지속시간(D)이 절대값으로 10% 이하, 바람직하게는 5% 이하, 더 바람직하게는 1% 또는 0,5% 이하의 상태에 있는, 잔여 동기화 결함(residual synchronization defect)(또는 "지터")을 갖는 펄스들을 의미한다. 예를 들어, 300fs의 지속시간을 갖는 펄스들은, 몇 분 내지 몇 시간의 레이저 사용 주기에 걸쳐, 30fs 이하의 잔여 동기화 결함을 갖도록 동기화된다. 이상적으로, 펄스 잔여 동기화 결함은 제로(null)이다.
도 3의 시스템은 제2 레이저 소스(12)에 통합된 전자 유형 또는 전자-광학 유형의 시간 지연 제어 및 명령 디바이스(40)를 더 포함한다. 시간 지연 제어 및 명령 디바이스(40)는 비선형 광학 매질에서 제2 신호(52)의 하나의 펄스의 시간 지연을 제1 신호(51)의 하나의 펄스에 관해서 제어하는 것을 가능케 한다. 보다 정확하게, 시간 지연 제어 및 명령 디바이스(40)는 제1 시간 지연값 및 제2 시간 지연값 중 어느 하나를 적용하는 것을 가능케 한다. R1로 표시된 제1 지연값은 절대값이 소스 펄스들의 지속시간(D)보다 작고, 바람직하게는 제로(또는, 소스 신호들(51, 51)의 반복 주기의 배수와 동일함)이며 또는 달리 표현하면 |R1|<D (modulo T)인, 지연에 해당한다. R2로 표시된 제2 지연값은 제로가 아닌 지연에 해당하는데, 그것은 절대값이 소스 펄스들의 지속시간(D)보다 크고 광 펄스의 지속시간(D)만큼 감소된 소스 신호들(51, 52)의 반복 주기(T)보다 작으며(펄스 반복 주기(T)의 modulo) 또는 달리 표현하면 D<|R2| (modulo T)이다.
따라서, 시간 지연이 제1값(R1)과 동일한 경우에는, 파동 혼합(예를 들면, 주파수 변환)에 의해 펄스(60)를 생성하기 위해, 제1 소스 신호(51)의 펄스와 제2 소스 신호(52)의 또 하나의 펄스는 비선형 광학 매질(20) 내에서 시간적으로 및 공간적으로 중첩된다.
한편, 시간 지연이 제2값(R2)과 동일한 경우에는, 제1 소스 신호(51)의 펄스와 제2 소스 신호의 지연된 펄스(522)는 비선형 광학 매질(20) 내에서 시간적으로 중첩되지 않으므로, 어떠한 파동 혼합도 일어날 수 없다.
이때, 시간 지연을 제2값(예를 들어, 제로가 아닌 지연(R2))으로부터 제1값(예를 들어, 제로 지연(R1))으로 빠르게 스위칭함으로써, 비선형 광학 매질(20) 내에서의 파동 혼합에 의한 펄스(60)의 방출이 요구에 따라 트리거된다. 반대로, 시간 지연을 제1값(제로 지연(R1))으로부터 제2값(예를 들어, 2·D와 같은 제로가 아닌 지연(R2))으로 빠르게 스위칭함으로써, 비선형 광학 매질(20) 내에서의 파동 혼합은 즉각적으로 중지된다. 시간 지연 변조는 펄스 반복 주파수보다 빠르다.
제2 소스(12)의 시간 지연 변조 디바이스는 비선형 광학 매질(20)의 출력부에서 비선형 변환된 펄스들의 반복 주파수를 변경하는 것을 가능케 한다.
제1 레이저 소스(11)와 제2 레이저 소스(12) 각각에 의해 생성된 2개의 펄스들(51, 52)이 비선형 광학 매질(20)에 동시에 도달하는 경우에는, 파동 혼합에 의해 펄스(60)가 생성된다. 비선형 광학 매질(20)이 주파수 변환에 의해 파동을 혼합하도록 예를 들어 합 주파수를 생성하도록 구성된 경우에는, 펄스(60)는 소스 펄스들(51, 52)의 각각의 광학 주파수들의 합과 동일한 광학 주파수를 갖는다.
반대로, 제2 레이저 소스(12)로부터의 지연된 펄스(522)가 비선형 광학 매질(20)에서 제1 레이저 소스(11)의 펄스(51)에 대한 시간 지연(R2)을 갖는 경우에는, 이 시간 지연은 소스 펄스(51 및/또는 522)의 지속시간(D) 이상이고 T-D 이하이며; 제1 소스의 광 펄스(51)는 비선형 광학 매질(20) 내에서 제2 소스의 지연된 펄스(522)와 상호작용할 수 없으며; 또한, 펄스들(51, 522)은 파동 혼합에 의한 신호가 생성되지 않으면서 전송된다.
비선형 광학 매질(20)의 출력부에 있는 광학 필터(30)는, 파동 혼합에 의해 생성된 광 펄스 신호(60)를 출력부(31)로 그리고 비선형 광학 매질(20) 내에서 파동 혼합에 의해 상호작용하지 않은 소스 신호들(51, 522)을 또 하나의 출력부(32)로 각각 공간적으로 분리시키도록 구성된다.
광학 필터(30)는, 소스 신호들(51, 52)의 특성 및 파동 혼합에 의해 생성되거나 증폭된 신호(들)(60)의 특성들에 따라, 스펙트럼 필터 및/또는 편광 필터 중에서 선택된다.
대안적으로, 제1 레이저 소스(11)로부터 비선형 광학 매질(20)까지의 광학 경로의 길이가 제2 레이저 소스(12)로부터 비선형 광학 매질(20)까지의 광학 경로의 길이와 다른 경우에는, 제2 소스에 적용된 지연은 제1값(R1)과 제2값(R2) 사이에서 스위칭하도록 구성된다. 보다 정확하게는, 소스 펄스들(51, 521)이 비선형 광학 매질(20) 내에서 공간적으로 및 시간적으로 서로 중첩되며 1 펄스의 지속시간 미만의 상대 시간 지연을 가지도록, 제1값(R1)은 광학 경로차의 함수로써 결정된다. 그리고, 소스 펄스들(51, 522)이 비선형 광학 매질(20) 내에서 1 펄스의 지속시간 이상이고 1 펄스의 지속시간만큼 감소된 반복 주기(T) 이하인 상대 시간 지연을 가지도록, 제2값(R2)은 광학 경로차의 함수로써 결정된다.
제2 소스(12)에 의해 방출된 각 펄스(52)의 시간 지연 변조는, 펄스들의 특성들(지속시간, 에너지, 공간적 형태 ...)에 영향을 미치지 않고 어떠한 출력 손실도 없이, 매우 빠른 방식으로 비선형 변환 스테이지로부터의 펄스 트레인을 제어하는 것을 가능케 한다.
비선형 광학 매질(20)로부터 상류에서의 광 펄스들(51, 52) 사이의 이러한 지연 변조는 많은 장점들을 갖는다:
- 출력 펄스 트레인(60) 상에서의 속도(speed)의 제어는 사용된 지연 라인의 스위칭 속도에 의해서만 제한되고;
- 이러한 변조는, 소스들의 최대율로부터 단일 펄스까지 그리고 비선형 광학 매질 내에서 N-파동 혼합에 의해 생성되거나 증폭된 펄스들의 완전 소멸까지, 요구에 따라 N-파동 혼합에 의해 펄스들을 생성하는 것을 가능케 한다.
지연 변조 디바이스는 매우 소형이고 저렴한 가변 지연 라인으로서 만들어질 수 있다.
지연 변조 디바이스는 펄스 출력 및 에너지가 제한되지 않는다.
지연 변조 디바이스는 비선형 광학 매질 내에서 이루어진 N-파동 혼합에 의한 비선형 변환의 유형으로부터 독립되어 있다. 결과적으로, 지연 변조 디바이스는 생성된 펄스들의 파장으로부터 독립되어 있다.
시간 지연 변조 디바이스는 도 4 내지 도 6과 관련하여 설명된 서로 다른 기술들에 기반할 수 있다.
도 4는 2개의 동기화된 발진기들(11, 12)에 대한 간단한 대안으로서의 단일 발진기(10)를 포함하는 예시적인 실시예를 도시한다. 비선형 광학 시스템은 소스(10), 광학 빔 스플리터(15), 제1 광학 증폭기(81)로부터 상류에 배치된 제1 펄스 선택기(41)를 포함하는 제1 채널, 제2 광학 증폭기(82)로부터 상류에 배치된 제2 펄스 선택기(42)를 포함하는 제2 채널을 포함한다. 비선형 광학 시스템은 도 3에 도시된 것과 유사한 비선형 광학 매질(20)과 필터(30)를 더 포함한다.
도 4에서, 광학 빔 스플리터(15)는 제1 및 제2 소스 빔을 형성하기 위해, 발진기(10)로부터 나오는 소스 빔을 분리한다. 광학 빔 스플리터(15)는 진폭 분리기(예를 들어, 부분 반사판(partially reflective plate)), 편광 스플리터 또는 파장 스플리터 중에서 선택될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 광폭 스펙트럼 발진기(10)와 스펙트럼 필터(예를 들어, 이색성 거울(dichroic mirror))가 제1 소스 빔과 제2 소스 빔을 스펙트럼적으로 분리하기 위해 사용된다.
제1 펄스 선택기(또는, pulse-picker)(41)는 제1 소스 빔의 Fosc 레이트(rate)를 제1 광학 증폭기(81)의 동작율(Frep1)로 감소시킨다. (Frep1 = Fosc/N, N>1). 유사하게, 제2 펄스 선택기(42)는 제2 소스 빔의 Fosc 레이트를 제2 광학 증폭기(82)의 동작율(Frep2)로 감소시킨다. (Frep12 = Fosc/N', N'>1). 2개의 광학 증폭기들(81, 82)은 반드시 동일한 레이트로 동작할 필요는 없다. 광학 증폭기의 레이트(Frep1)는 다른 광학 증폭기의 레이트(Frep2)의 약수(sub-multiple)일 수 있다. 특정 경우에, 2개의 광학 증폭기들은 동일한 동작율(Frep)로 동작한다.
비선형 광학 매질(20)은 제1 광학 증폭기(81)의 출력부에서 제1 소스 신호를 수신하고 제2 광학 증폭기(82)의 출력부에서 제2 소스 신호를 각각 수신한다. 비선형 광학 매질(20)과 광학 필터링 디바이스(30)는 도 3과 유사하게 동작한다.
제1 및 제2 펄스 선택기(41, 42) 각각이 소스 발진기(10)의 펄스를 2개 채널 광학 경로들의 각각의 파장들을 고려하여 이들 2개의 펄스들이 비선형 광학 매질(20) 내에서 공간적 및 시간적으로 서로 중첩하게 되도록 선택하면, 비선형 광학 매질(20) 내에서 비선형 변환이 발생한다. 2개의 채널들의 광학 경로들이 동일한 길이인 경우에는, 소스 발진기(10)의 동일 펄스로부터 나오는 2개의 동일 펄스들을 선택하는 것만으로 충분하다. 반대로, 2개의 채널들의 광학 경로들이 서로 다른 길이인 경우에는, 서로 다른 소스 펄스들로부터 나오는 2개의 펄스들은, 2개의 증폭 라인들 중 하나에서의 지연을 보상하고 또한 비선형 광학 매질(20) 내에서의 펄스들의 공간적 및 시간적 중첩을 얻도록, 특별히 선택된다.
비선형 광학 매질(20)의 출력부에서 비선형 변환된 신호(60)의 펄스를 스위치-오프하는 것이 바람직한 경우에는, 제1 펄스 선택기(41)를 써서 순간(t)에서 비선형 광학 매질(20)에 입사하는 제1 소스 신호(51)의 펄스를 선택하는 것이 단지 필요하며, 상기 순간(t)에서 비선형 광학 매질에 입사하는 제2 소스 신호(52)의 펄스를 선택하지 않지만 예를 들어 순간(t + 1/Fosc)에서 비선형 광학 매질에 입사하는 제2 소스 신호(52)의 펄스를 선택하도록 제2 펄스 선택기(42)를 구성하는 것이 단지 필요하다. 제1 소스 신호(51)의 펄스와 제2 소스 신호(52)의 펄스가 비선형 광학 매질(20) 내에서 시간적으로 1/Fosc 만큼 떨어진 경우에는, 비선형 광학 매질(20) 내에서 어떠한 비선형 광학 변환도 발생하지 않는다.
바람직하게는, 이러한 지연 변조 디바이스는 증폭기(81, 82)의 출력부에서 출력 손실을 발생시키지 않는다. 2개의 증폭기들(81, 82)의 열 전하(heat charge)는 비선형 광학 매질(20)까지 동일하게 유지된다.
도 5는 비선형 광학 매질(20)로부터 상류에 있는 2개의 채널들 중 하나에서 제어되는 단일 광학 지연 라인(42)을 사용하는 또 하나의 실시예를 도시한다. 이러한 구성에서, 발진기(10)로부터 나오는 펄스들은 레이트 감축기(rete reducer)(44)를 통과한다. 광학 빔 스플리터는, 소스 신호를, 병렬 채널들에 배치된 제1 및 제2 광학 증폭기(81, 82) 각각에서 동시에 증폭될 제1 및 제2 소스 신호 각각으로, 예를 들어 진폭, 편광 및/또는 파장에 있어서 분리한다. 제2 채널에서 제1 채널에 대한 제2 채널의 광학 지연을 제어하는 것을 가능케 하는 가변 광학 지연 라인(42)이 사용된다. 가변 광학 지연 라인(42)은, 상기 지연을 2개의 미리결정된 값들(R1, R2) 사이에서 스위칭함으로써, 제2 광학 증폭기(81, 82)에 의해 증폭된 펄스에 적용되는 지연값을 제어하는 것을 가능케 한다.
도 6은 제1 광학 지연값과 제2 광학 지연값 사이에서 스위칭가능한 가변 광학 지연 라인의 예시를 도시한다. 전자-광학 또는 음향-광학 유형의 광학 변조기(45)는 펄스를 제1 광학 경로(46)쪽으로 또는 제2 광학 경로(47)쪽으로 향하게 하는 것을 가능케 한다. 제1 및 제2 광학 경로들(46, 47)은 서로에 대해 다른 길이들을 갖도록 구성된다. 제1 및 제2 광학 경로들(46, 47)은 예를 들어 서로 다른 길이들의 광섬유에 기반한다. 빔 결합기(beam combiner)(48), 예를 들어 편광기는 제1 및 제2 광학 경로들을 재결합시키는데 사용된다.
광 변조기(45)에 인가된 변조 전압의 함수로써, 펄스는 제1 광학 경로(46) 또는 제2 광학 경로(47)를 취한다.
제1 광학 경로(46)는 제1 광학 지연값을 가지도록 구성되고, 이는 결과적으로 제1 광학 증폭기(81)로부터의 펄스와 제2 광학 증폭기(82)로부터의 펄스 사이에서 제로 시간 지연을 가져오며, 비선형 광학 매질(20) 내에서 이러한 펄스들이 동기화될 수 있게 한다. 이 경우에는, 비선형 광학 매질(20)은 펄스들이 지연 라인의 제1 광학 경로(46)를 취하는 경우에 비선형 변환된 신호를 생성한다.
반대로, 제2 광학 경로(47)는 제1 광학 증폭기(81)로부터의 펄스와 제2 광학 증폭기(82)로부터의 펄스 사이에서 제로가 아닌 시간 지연을 일으키는 제2 광학 지연값을 가지도록 구성되어, 비선형 광학 매질(20) 내에서 이러한 펄스들이 적어도 부분적으로 바람직하게는 완전히 비동기화(desynchronize)된다. 펄스들이 서로로부터 완전히 비동기인 경우에 있어서, 인가된 변조 전압이 펄스들을 지연 라인의 제2 광학 경로(47)쪽으로 향하게 하는 경우에는, 비선형 광학 매질(20)은 비선형 변환된 신호를 생성하지 않는다. 펄스들이 부분적으로 비동기인 경우에는, 비선형 광학 매질(20)은 비선형 변환된 신호를 생성하는데, 상기 비선형 변환된 신호의 진폭은 제2 광학 경로(47)에 의해 유도된 지연값의 함수로써 제한된다.
따라서, 가변 광학 지연 라인은 매우 소형인 방식으로 그리고 저비용으로 만들어진다.
도 7은 제1 레이저 소스(11), 제2 레이저 소스(12), 제3 레이저 소스(13), 비선형 광학 매질(20) 및 광학 필터(30)를 포함하는 비선형 광학 4-파동 혼합 시스템을 도시한다.
제1 레이저 소스(11)는 제1 소스 펄스 신호(51)를 방출하고, 제2 레이저 소스(12)는 제2 소스 펄스 신호(52)를 방출하고, 제3 레이저 소스(13)는 제3 소스 펄스 신호(53)를 방출한다. 제3 레이저 소스(13)는 제1 레이저 소스(11)와 동기화된다.
예시로서, 3개의 소스 펄스 신호들(51, 52, 53)은 동일한 반복 주파수 및 동일한 파장으로 방출된다고 간주된다.
시간 지연 제어 및 명령 디바이스(40)는 제2 레이저 소스(12)에 결합된다. 시간 지연 제어 및 명령 디바이스(40)는 제2 신호(52)의 펄스의 시간 지연을 제1 신호(51) 및 제3 신호(53)의 펄스에 관해서 제어하는 것을 가능케 한다. 도 3과 관련하여 설명된 디바이스와 유사하게, 시간 지연 제어 및 명령 디바이스(40)는 R1로 표시된 제1 시간 지연값 또는 R2로 표시된 제2 시간 지연값을 적용하는 것을 가능케 한다.
시간 지연이 제1값(R1)과 동일한 경우에는, 4-파동 혼합에 의해 펄스(60)를 생성하도록 제1 소스 신호(51)의 펄스, 제2 소스 신호(52)의 펄스 및 제3 소스 신호(53)의 펄스가 비선형 광학 매질(20) 내에서 서로 시간적으로 및 공간적으로 중첩된다. 따라서, 펄스(60)는 예를 들어 주파수가 3배가될 수 있다. 즉, 소스 펄스들(51, 52, 53)의 파장의 1/3로 된다.
반대로, 시간 지연이 제2값(R2)과 동일한 경우에는, 제2 소스 신호의 펄스(522)는 제1 소스 신호(51) 및 제3 소스 신호(53)의 펄스에 관해서 지연되고, 이들 3개의 펄스들은 비선형 광학 매질(20) 내에서 시간적으로 서로 중첩되지 않아서, 4-파동 혼합이 일어날 수 없다. 이 경우에는, 비선형 광학 매질(20)의 출력부에서, 제1 신호(S1), 제3 신호(S3) 및 지연된 제2 신호(522) 각각의 펄스들이 발견된다.
비선형 광학 매질(20)의 출력부에서, 필터(30)는 4-파동 혼합에 의해 얻어진 펄스들(60)을 제1 채널(31)로 그리고 입사 신호들(51, 53, 522)의 잔여 펄스들을 제2 채널(32)로, 예를 들어 편광 및/또는 스펙트럼에 의해 분리한다.
본 발명은 밀리 초 내지 펨토 초의 임의의 지속시간을 갖는 펄스들의 N-파동 혼합에 적용된다.
당업자라면 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서도 다른 N-파동 혼합 응용들에서 본 발명을 유리하게 구현할 수 있을 것이다.
Claims (11)
- 서로 동일한 차수(order)의 크기를 갖는 적어도 하나의 제1 광 펄스(51, 53)와 하나의 제2 광 펄스(52, 522)를 수신하도록 구성된 비선형 광학 매질(20)를 포함하고, N-파동 혼합에 의해 광 펄스들(60, 61)을 생성하거나 증폭하기 위한 비선형 광학 시스템으로서, 상기 시스템은:
- 서로 동기화된 상기 제1 광 펄스(51, 53)와 상기 제2 광 펄스(52, 522)를 수신하도록 구성되고, 상기 비선형 광학 매질(20) 내에서 상기 제2 광 펄스(52)와 상기 제1 광 펄스(51) 사이의 시간 지연을 변조하도록 구성된 변조 디바이스(40, 41, 42)를 포함하고,
상기 시간 지연 변조 디바이스(40, 41, 42)는, 상기 비선형 광학 매질(20)로부터의 상류에 배치되고,
상기 변조 디바이스(40, 41, 42)는, 상기 비선형 광학 매질(20) 내에서 상기 적어도 하나의 제1 광 펄스(51)와 하나의 제2 광 펄스를 N-파동 혼합함으로써 광 펄스(60)의 생성 또는 증폭을 변조하기 위해, 적어도 하나의 제1 지연값(R1)과 제2 지연값(R2)의 각각으로 상기 시간 지연을 스위칭하도록 구성되는, N-파동 혼합에 의해 광 펄스들을 생성하거나 증폭하기 위한 비선형 광학 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 시간 지연 변조 디바이스(40, 41, 42)는 상기 제1 지연값(R1)과 상기 제2 지연값(R2) 사이에서 스위칭가능하고,
- 상기 제1 지연값(R1)은 상기 적어도 하나의 제1 광 펄스(51)와 하나의 제2 광 펄스(52)가 상기 비선형 광학 매질(20) 내에서 공간적으로 및 시간적으로 서로 중첩하도록 구성되고, 그리고 상기 비선형 광학 매질(20)은 상기 적어도 하나의 제1 광 펄스(51)와 하나의 제2 광 펄스(52)를 N-파동 혼합(N은 3 이상의 정수)함으로써 광 펄스(60)를 생성하거나 증폭하도록 구성되고,
- 상기 제2 지연값(R2)은 상기 제2 광 펄스(522)가 상기 비선형 광학 매질(20) 내에서 상기 적어도 하나의 제1 광 펄스(51, 53)에 관해서 시간 지연을 갖도록 구성되고, 상기 제2 지연값(R2)은 상기 비선형 광학 매질(20) 내에서 상기 적어도 하나의 제1 광 펄스(51, 53)와 하나의 제2 광 펄스(522)를 N-파동 혼합하여 상기 광 펄스의 상기 생성 또는 상기 증폭를 제한하도록 구성되는, N-파동 혼합에 의해 광 펄스들을 생성하거나 증폭하기 위한 비선형 광학 시스템. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 비선형 광학 매질(20)의 출력부에 배치된 광학 필터링 디바이스(30)를 더 포함하고, 상기 광학 필터링 디바이스(30)는, N-파동 혼합에 의해 생성되거나 증폭된 상기 광 펄스(60, 61)를 하나의 출력부(31)로 그리고 상기 제1 광 펄스(51) 및/또는 상기 제2 광 펄스(522)을 또 하나의 출력부(32)로 공간적으로 분리시키도록 구성되는, 시스템. - 제3항에 있어서,
상기 비선형 광학 매질(20)은 합 주파수에 의해 광 펄스(60)를 생성하도록 구성되고, 합 주파수에 의해 생성된 상기 광 펄스(60)의 상기 광학 주파수는 상기 적어도 하나의 제1 광 펄스(51)와 하나의 제2 광 펄스(52)의 상기 광학 주파수들의 합과 동일하고, 또한 상기 광학 필터링 디바이스(30)는 상기 적어도 하나의 제1 광 펄스(51, 53)와 하나의 제2 광 펄스(52)의 상기 광학 주파수들 각각으로부터 상기 합 광학 주파수를 분리하도록 구성된 스펙트럼 필터를 포함하는, 시스템. - 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
제1 소스 신호를 수신하고 상기 제1 광 펄스(51)를 형성하도록 배치된 제1 광학 증폭기(81)와, 제2 소스 신호를 수신하고 상기 제2 광 펄스(52)를 형성하도록 배치된 제2 광학 증폭기(82)를 포함하는, 시스템. - 제5항에 있어서,
상기 제1 소스 신호를 생성하도록 구성된 제1 소스(11), 상기 제2 소스 신호를 생성하도록 구성된 제2 소스(12), 및 상기 제1 소스 신호를 상기 제2 소스 신호에 동기화시키기 위한 디바이스를 포함하는, 시스템. - 제6항에 있어서,
상기 변조 디바이스는 상기 제2 소스(12)에 통합되는, 시스템. - 제5항에 있어서,
소스 펄스 광 신호를 생성하도록 구성된 소스(10)와, 상기 소스 펄스 광 신호를 분리시키고 상기 제1 소스 신호와 상기 제2 소스 신호를 형성하도록 구성된 빔 스플리터(15)를 포함하는, 시스템. - 제5항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 시간 지연 변조 디바이스는, 상기 제1 소스 신호의 광학 경로에 배치된 제1 펄스 선택기(41)와 상기 제2 소스 신호의 또하나의 광학 경로에 배치된 제2 펄스 선택기(42)를 포함하는, 시스템. - 제5항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 시간 지연 변조 디바이스는 상기 제2 소스 신호의 상기 광학 경로에 배치된 가변 광학 지연 라인(42)을 포함하는, 시스템. - 제10항에 있어서,
상기 가변 광학 지연 라인은, 상기 제2 소스 신호를 상기 제1 시간 지연값과 관련된 제1 광학 지연값을 갖는 제1 광학 경로쪽으로 또는 상기 제2 시간 지연값과 관련된 제2 광학 지연값을 갖는 제2 광학 경로쪽으로 스위칭하도록 구성되는, 시스템.
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