KR20180126045A - 강도 펄스 형상 보정을 이용하는 초고속 펄스 레이저 시스템 - Google Patents

Abstract

본 개시내용의 초고속 펄스 광섬유 레이저 시스템은 조정가능한 출력 파워를 갖도록 구성되고, 펄스 무결성의 저하를 감소시키도록 동작한다. 개시된 레이저 시스템은 처핑된 펄스 증폭 그리고 원래의 광 신호로부터 발생되는 보정된 전기 신호에 의한 고속 강도 변조기 드라이버를 사용한 주 및 부수 펄스 사이의 초기 펄스 콘트라스트의 개선 그리고 개선된 펄스 형상을 통해 펄스 왜곡을 억제하도록 구성된다. 개선을 제공하는 구조는 처핑된 광 펄스를 측정하여 그것을 전기 신호로 변환하도록 동작하는, 포토다이오드 그리고 전기 신호를 부수 펄스를 억제하는 요구된 신호로 신속하게 변환하는 아날로그 전자장치를 포함한다.

Description

강도 펄스 형상 보정을 이용하는 초고속 펄스 레이저 시스템

본 발명은 조정가능한 출력 파워를 갖고 감소된 펄스 무결성 저하를 갖는 초고속 펄스 광섬유 레이저 시스템에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명의 광섬유 레이저 시스템은 처핑된 펄스 증폭 그리고 원래의 광 신호로부터 발생되는 보정된 전기 신호에 의해 구동되는 고속 강도 변조기 드라이버를 사용한 주 및 부수 펄스 사이의 초기 펄스 콘트라스트의 개선 그리고 펄스 형상의 개선을 통해 펄스 왜곡을 억제하도록 구성된다.

초고속 펄스 레이저는 20 피코초보다 짧고 5 펨토초 정도로 짧은 펄스를 발생시킨다. 이들 레이저는 의료계에서 그리고 산업계에서 적용분야를 찾았다. 초단 펄스를 사용하는 레이저 기계가공은 다광자 흡수를 통한 저온 절삭의 원리에 기초하여 작용한다. 이러한 타입의 펄스는 매우 작은 열 영향 영역을 발생시키고, 흔적을 거의 남기지 않는다. 이것은 열에 상당히 민감한 정밀 부품 또는 기계가공 재료를 가공할 때에 그 사용을 허용한다. 다광자 흡수의 과정은 레이저의 파장이 재료의 흡수 대역과 중첩될 것을 요구하지 않으므로, 거의 모든 재료가 그러한 펄스에 의해 가공될 수 있다.

최대 100 μJ의 펄스 에너지가 미세기계가공 적용분야에 요구되고, 최대 20 μJ가 안과 적용분야에 요구된다. 다른 과학 적용분야는 훨씬 더 높은 펄스 에너지를 요구한다. 펄스가 왜곡되는 것을 방지하면서 충분한 에너지를 추출하는 것은 높은 피크 파워 펄스가 재료를 통해 전파되는 동안에 자기-위상 변조(self-phase modulation)(SPM)의 비선형적인 광학적 영향으로 인해 문제이다. 이러한 재료는 전형적으로 펄스를 증폭시키는 이득을 제공하는 재료이고, 그에 따라 그 영향을 피하기 어렵다. 더 많은 펄스 에너지를 추출하는 하나의 대중적인 방법은 처핑된 펄스 증폭(chirped pulse amplification)(CPA)으로 불린다. 이러한 방법에서, 펄스는 스펙트럼 포락선 내에서 각각의 길이방향 모드의 위상을 조정함으로써 시간이 신장된다. 벌크 격자, 프리즘, 광섬유, 처핑된 광섬유 브래그 격자(Bragg grating) 또는 처핑된 체적 브래그 격자가 이러한 분산을 도입함으로써 펄스를 신장시키는 데 사용될 수 있다. 그러면, 펄스는 이득 재료를 통해 증폭되어 SPM을 유도할 수 있는 피크 파워에 도달하기 전에 더 높은 펄스 에너지를 성취할 수 있다. 마지막으로, 펄스는 피코초 또는 펨토초 펄스 지속시간까지 펄스를 재압축하도록 정합 분산 요소에 의해 압축되어 요구된 펄스 에너지 및 초단 펄스를 성취한다.

CPA 방법이 상당한 펄스 에너지를 추출하는 데 사용될 수 있지만, 이러한 방법은 여전히 제한된다. 초고속 펄스는 SPM과 같은 광학적 비선형성으로 인해 피크 출력 파워의 증가에 따라 펄스 지속시간의 증가를 나타낸다. 초단 광 펄스가 0-아닌 비선형 굴절률을 갖는 임의의 재료를 통해 전파될 때에, SPM의 과정을 통한 비선형 위상 시프트의 축적이 있다. 펄스는 선행-펄스 또는 후행 펄스(도 1 내지 5 참조)의 형성을 저하시키기 시작하여 시간 포락선의 총 지속시간을 증가시킨다. 이것은 도 2에 도시된 바와 같이, 피크 파워가 증가되거나, 펄스가 재료를 통해 충분한 거리만큼 전파됨에 따라 일어난다.

도 1의 시간 영역에서의 부수 펄스의 발생은 도 3에 도시된 바와 같이, 스펙트럼 영역에서의 강도 리플의 존재에 대응한다. 리플의 강도는 도 4에 도시된 바와 같이 피크 파워의 증가에 따라 증가한다. 따라서, 부수 펄스/강도 리플의 존재는 피크 파워 및 펄스 에너지를 감소시키고, 이것은 많은 적용분야가 높은 피크 파워 및 높은 펄스 에너지를 갖는 초단 펄스를 요구하므로 방해가 된다.

광섬유 레이저 시스템에서의 비선형성의 감소 그리고 성능 개선은 여러 방법에 의해 성취될 수 있다. 예를 들어, 비선형성은 더 낮은 비선형 굴절률을 갖는 재료를 사용하거나, 빔 크기/모드 영역을 증가시키거나, 비선형 상호작용 길이를 감소시킴으로써 어느 정도 억제될 수 있다. 그러한 최적화는 초기에 출력 펄스 성능을 개선하도록 수행된다. 불행하게도, 더 고차의 모드의 여기는 광섬유에서 최대로 성취가능한 모드 영역을 제한하고, 길이는 활성 광섬유의 펌프 흡수로 인해 제한된다.

하나의 방법에서, 포물선 스펙트럼 형상을 갖는 초고속 펄스를 발생시키려는 노력이 행해진다. 도 5를 참조하면, 다른 펄스 형상과 대조적으로, 포물선 펄스의 피크 파워는 광섬유 레이저 시스템에서의, B-적분에 의해 도면에 나타낸, 비선형성의 증가에 의해 영향을 받지 않는다. 도 6에 도시된 또 다른 방법에서, 처핑된 펄스는 증폭 전의 주 및 부수 펄스 사이의 초기 펄스 콘트라스트가 높으면, 즉 부수 펄스가 아주 적은 에너지를 수용하면 비선형성에 의해 상당히 적게 영향을 받는다.

양호한 펄스 콘트라스트 및 포물선 스펙트럼 형상을 성취하는 것은 시드 레이저로부터 직접적으로 발생시키기 어렵다. 강도 및 위상의 후행 펄스 성형은 요구된 결과를 성취할 수 있다. 시간 영역에서의 그리고 또한 공간 영역에서의 기술을 비롯한 다수의 기술이 제안되었다. 공간 영역 기술은 공간 광 변조기를 사용하여 출력 스펙트럼을 공간 영역 내로 매핑하는 것을 포함한다. 액정 위상 변조기, MEM, 또는 음향-광학 변조기와 같은 요소는 공간 빔 프로파일을 횡단하여 강도 및/또는 위상을 제어한다. 이러한 기술은 상당히 폭넓고 단순하지 않다.

시간 영역 기술은 전형적으로 고속 전자장치에 대한 제한으로 인해 사용되지 않는다. 펄스 형상을 직접적으로 합성하는 전자장치는 크고 비싸다. 측정된 포토다이오드 신호에 의해 구동되는 위상 변조기를 사용하여 신장된 광 펄스의 SPM을 보정하는 것이 제안되었다. 이러한 방법은 상당히 덜 복잡하고 더 작고 덜 비싸다. 그러나, 이러한 기술은 매끄러운 포물선 스펙트럼 형상을 성취하기 위해 스펙트럼 강도 프로파일을 직접적으로 보정하지 않는다.

본 발명은 고속 강도 변조기 그리고 고속 광검출기를 통한 측정된 광 신호를 사용하여 시간 영역에서의 스펙트럼 강도 프로파일을 보정함으로써 초고속 레이저 시스템의 펄스 왜곡의 문제를 다룬다.

이러한 필요성은 강도 변조기를 이용하여 시간 영역에서의 펄스 스트레처 뒤에서의 광 신호의 선형적으로 처핑된 펄스의 스펙트럼 프로파일을 보정하는 개시된 초고속 마스터 발진기 파워 광섬유 증폭기 CPA 레이저 시스템에 의해 충족된다. 펄스의 스펙트럼 프로파일은 선형적으로 처핑된 펄스 스트레처를 사용함으로써 시간 영역에서 매핑된다. 마하-잰더(Mach-Zander) 리튬 니오베이트 변조기, 마하-잰더 인듐 포스파이드 반도체 변조기와 같은 고속 강도 변조기, 또는 고속 반도체 광 증폭기가 고속 전자장치와 연계하여 시간 영역에서의 펄스의 스펙트럼 형상을 보정하는 데 사용될 수 있다. 강도 변조기는 광 신호 그 자체로부터 발생되어 스펙트럼 리플을 보정하는 특정의 또는 임의의 파형을 갖는다.

본 개시내용의 일 양태에 따르면, 거의 변환 제한된 펄스를 출력하는 개시된 CPA 레이저 시스템에는 ㎰-㎱ 펄스 지속시간 범위 내의 광 신호의 처핑된 펄스의 열(train)을 수신하여 각각의 광 신호를 제1 및 제2 부분으로 분할하도록 동작하는 빔 스플리터가 구성된다. 광 신호의 제2 부분은 광전자 컨버터 내로 커플링되고, 광전자 컨버터는 광 신호의 수신된 제2 부분을 무선-주파수(radio-frequency)(RF) 신호로 변환한다. 광 신호의 제1 부분은 강도 변조기를 향해 안내되어 그 내로 커플링된다. 전기 신호는 광전자 컨버터에서 변환되는 광 신호의 제2 부분으로부터 발생된다. 전기 신호는 적어도 하나의 무선-주파수(RF) 발생기 구조체(scheme) 내로 커플링되고, RF 발생기 구조체는 강도 변조기에 가해질 전기 신호를 처리하여 강도 변조기의 출력부에서 처핑된 펄스의 스펙트럼 강도 프로파일을 보정한다.

이전의 양태 그리고 후속의 양태 중 임의의 양태와 조합하여 고려되는 본 개시내용의 제2 양태에 따르면, CPA 레이저 시스템은 광 신호의 ㎱-미만 펄스의 열을 출력하는 이득-스위칭된 또는 모드 로킹된 레이저로서 구성되는 단일 횡단방향 모드(single transverse mode)(SM) 시드 레이저를 포함한다. SM 시드 레이저는 이득-스위칭된 또는 모드 로킹된 레이저로서 구성될 수 있다. 시드 바로 뒤에서 처프를 취득할 수 있거나 취득하지 않을 수 있는 ㎱-미만 펄스는 SM 시드 레이저와 빔 스플리터 사이에 위치되는 펄스 스트레처 내로 추가로 커플링된다. 스트레처는 ㎱-미만 펄스를 ㎰-㎱ 펄스 지속시간 범위까지 처핑하여 광 신호의 파워 밀도를 감소시키는 것을 가능케 하도록 구성된다. 스트레처의 구성은 회절 격자, 또는 광섬유 브래그 격자 또는 체적 브래그 격자, 또는 프리즘의 쌍 또는 임의의 다른 적합한 구성 그리고 이들의 조합을 포함할 수 있다. 또한, 이러한 양태의 개시된 시스템의 구조는 광 신호의 제1 부분을 수신하여 증폭시키는 광섬유 증폭기가 각각에 제공되는 단일 또는 다수의 증폭 스테이지를 또한 포함한다. 마지막으로, 제2 양태의 개시된 구조에는 보정된 스펙트럼 프로파일을 갖는 각각의 펄스의 광 신호의 증폭된 제1 부분을 수신하여 ㎱-미만 펄스의 열을 출력하도록 동작하는 하나 또는 다수의 펄스 압축기가 추가로 구성된다. 펄스 압축기는 트레이시 격자(Tracey Grating) 압축기, 프리즘 압축기, 또는 처핑된 체적 브래그 격자 압축기 또는 이들의 조합을 포함하는 구성을 갖는다. 펄스 피커(pulse picker)와 같은 다른 구성요소가 더 높은 펄스 에너지 추출을 위해 펄스 반복률을 감소시키는 데 사용될 수 있다.

위에서-언급된 그리고 하기의 양태 중 하나의 CPA 레이저 시스템의 제3 양태는 빔 스플리터 및 광전자 컨버터의 세부사항에 관한 것이다. 빔 스플리터는 바람직하게는 각각의 광 신호를 분할하고 그에 따라 강도 변조기에 커플링되는, 광 신호의 제1 부분이 광 신호의 제2 부분보다 크거나 작거나 그것과 동일하도록 구성되는 광섬유 커플러를 포함한다. 광 신호의 제2 부분을 처리하는 광전자 컨버터는 최대 수백 기가헤르츠(㎓)의 대역폭에서 동작하는 고속 광검출기를 포함한다. 광검출기는 각각의 처핑된 펄스의 광 신호의 수신된 제2 부분을 RF 신호로 변환한다. RF 신호의 전기 강도는 각각의 처핑된 펄스에서의 광의 광 강도에 대응한다.

추가적인 양태에서, 위에서-개시된 양태 중 임의의 양태 그리고 또한 아래에서-개시될 양태 중 임의의 양태의 RF 발생기 구조체에는 0.5 내지 500 ㎓의 범위를 갖는 고주파수로 동작하는 일련의 연결된 아날로그 구성요소가 구성된다. 광전자 컨버터로부터의 RF 신호는 RF 필터 내로 커플링된다. RF 필터는 각각의 RF 신호의 미리 결정된 스펙트럼 영역을 통과시키도록 동작한다. 필터링된 RF 신호는 각각의 RF 신호의 필터링된 영역을 플립-플롭하는 RF 인버터 내로 추가로 커플링된다. 마지막으로, RF 증폭기가 인버터의 출력부에 커플링되어 강도 변조기에 가해질 각각의 RF 신호의 플립-플롭된 필터링된 영역을 증폭시키고 그에 따라 광 신호의 제1 부분의 스펙트럼 강도 프로파일을 보정하도록 동작한다.

위에서 논의된 그리고 아래에서 논의될 양태 중 임의의 양태에 개시되는 CPA 레이저 시스템의 구성요소는 빨라야 한다. 적어도 100 ㎰인 처핑된 펄스에 대해, 강도 변조기는 강도 스펙트럼 프로파일을 보정하기에 충분히 빨라야 한다. 그러한 펄스에 대해, 적어도 20 ㎓ 강도 변조기 및 20 ㎓ 고속 RF 전자장치가 요구된다. 처핑된 펄스 지속시간의 증가에 따라, 스펙트럼 분해능이 또한 증가하고, 더 미세한 펄스 성형이 달성될 수 있다. 또한, 수반되는 전자장치를 갖는 기술의 강도 변조기가 예를 들어, 500 ㎓까지 개선됨에 따라, 스펙트럼 펄스 성형을 위한 분해능의 추가적인 개선이 성취될 수 있다. 예로서, 현재에 용이하게 이용가능한 100 ㎓ 강도 변조기 그리고 1.5 ㎱의 처핑된 펄스 지속시간이 사용되면, 대역폭의 1% 미만 분해능을 갖는 것이 가능하다. 40 ㎓ 그리고 0.5 ㎱ 처핑된 펄스 지속시간에 대해서도, 분해능은 대역폭의 5%일 것이고, 광 스펙트럼을 보정하기에 충분하다. 또 다른 예로서, 1.5 ㎱ 처핑된 펄스가 발생되면, 10 ㎓ 강도 변조기를 사용하여 대역폭의 7% 미만의 분해능을 성취하는 것이 가능하다.

또 다른 양태에 따르면, 위에서-언급된 그리고 아래에서 논의될 양태 중 임의의 양태의 ㎱-미만 CPA 레이저 시스템은 마하-젠더 간섭계(Mach-Zehnder interferometer) 구조를 갖는 강도 변조기를 포함한다. 강도 변조기에는 간섭계의 입력부에서의 광 신호의 제1 부분의 분리 시에 형성되는 각각의 레플리카를 안내하는 제1 및 제2 암이 구성된다. 하나의 암은 증폭된 RF 신호를 수신하여 제1 암에 안내되는 광 신호의 제1 부분의 레플리카에 대한 위상 시프트를 유도하는 위상 변조기를 포함한다. 레플리카의 둘 모두는 마하-젠더 간섭계의 출력부에서 간섭되어 제1 및 제2 레플리카 사이의 위상차를 각각의 처핑된 펄스에서의 광 신호의 제1 부분의 정확한 강도 프로파일로 변환한다.

본 개시내용의 추가적인 양태는 이전의 5개의 그리고 아래에서 개시될 양태 중 임의의 양태의 ㎱-미만 CPA 레이저 시스템에 관한 것으로, 레이저 시스템은 하나의 RF 발생기 구조체와 동일하게 구성되고 광전자 컨버터로부터 RF 신호를 수신하는 제2 RF 발생기 구조체를 포함한다. 강도 변조기는 광 신호의 제1 부분의 각각의 레플리카를 안내하는 제1 및 제2 도파로 암이 제공되는 마하-젠더 간섭계이다. 암은 각각의 하나의 및 제2 RF 발생기 구조체로부터 상이한 진폭을 갖는 증폭된 RF 신호를 수신하는 각각의 하나의 및 제2 위상 변조기를 포함한다. RF 신호의 둘 모두는 광 신호의 제1 부분의 레플리카에 대한 각각의 위상 시프트를 유도하고 그에 따라 마하-젠더 간섭계의 출력부에서 간섭되어 제1 및 제2 레플리카 사이의 위상차를 광 신호의 제1 부분의 정확한 강도 프로파일로 변환한다.

본 개시내용의 제7 양태에 따르면, 위의 양태 중 임의의 양태 그리고 하기의 양태 중 임의의 양태의 개시된 CPA 레이저 시스템은 제2 RF 신호를 발생시키는 제2 RF 신호 발생기를 포함하고, 제2 RF 신호는 제2 RF 발생기에서 증폭된다. 각각의 RF 신호 발생기 구조체에 의해 발생되는 RF 신호는 상이한 진폭을 갖는다. 그 후에, 이들 2개의 증폭된 전기 신호는 광 신호의 제1 부분의 각각의 레플리카를 안내하는 제1 및 제2 도파로 암을 갖는 마하-젠더 간섭계로서 구성되는 강도 변조기에 가해진다. 제1 및 제2 암에는 제1 및 제2 레플리카 상에 각각의 그리고 상이한 위상 시프트를 부과하는 각각의 위상 변조기가 구성된다. 그러면, 레플리카는 마하-젠더 간섭계의 출력부에서 간섭되어 제1 및 제2 레플리카 사이의 위상차를 각각의 처핑된 펄스에서의 광 신호의 제1 부분의 정확한 강도 프로파일로 변환한다.

본 개시내용의 다음의 양태는 반도체 광 증폭기로서 구성되는 강도 변조기를 갖는 제1 내지 제4 양태 중 어느 한 양태의 CPA 레이저 시스템에 관한 것이다. 반도체 증폭기는 이러한 증폭기의 출력부에서 광 신호의 제1 부분의 강도 프로파일의 매끄러운 포락선을 발생시키는 이득 증가 원리에 기초하여 동작한다.

또 다른 양태에 따르면, 위에서-언급된 양태 중 임의의 양태의 ㎱-미만 CPA 레이저 시스템은 증폭된 RF 신호를 강도 변조기에서의 광 신호의 제1 부분과 동기화하도록 구성되는 광섬유 지연 라인을 포함한다. 광섬유 지연 라인은 광섬유의 루프를 포함할 수 있고 및/또는 스풀의 다수의 부분 주위에 감겨진 광섬유를 갖는 다수 부분 스풀을 사용할 수 있다. 다수의 스풀 부분은 감겨진 광섬유에 대한 인장력을 조정하도록 서로에 대해 제어가능하게 이동가능하고 그에 따라 동기화 과정을 용이하게 한다.

또 다른 양태에 따르면, 위에서-개시된 양태 중 임의의 양태의 초단 펄스 레이저 시스템은 광 신호 그 자체로부터 발생되어 강도 변조기 뒤에서 그리고 증폭기 스테이지의 모두 또는 일부 앞에서 스펙트럼 리플을 자기-보정하는 특정의 파형을 갖는 강도 변조기를 사용할 수 있다. 자기-보정은 태핑된 입사 광 신호에 대응하는 전기 신호를 수신하여 그것을 조작하고 그에 따라 상보성 파형을 발생시켜 스펙트럼 리플을 보상하는 고속 아날로그 전자장치를 사용하여 수행된다. 조작된 전기 신호의 진폭의 조정가능성은 미세 조정이 임의의 잔류 스펙트럼 리플을 억제하는 것을 돕게 한다. 이러한 구성의 이익은 강도 변조기 뒤에서의 출력이 시드 레이저 또는 다른 구성요소의 스펙트럼 형상에 대한 임의의 변화에 의해 자동보정된다는 것이다.

추가적인 양태는 이전의 그리고 후속의 양태 중 임의의 양태의 개시된 CPA 레이저 시스템의 강도 변조기와 관련된다. 구체적으로, 강도 변조기는 광 신호의 제1 부분의 스펙트럼 리플이 보정되고 및/또는 포물선 스펙트럼 형상이 발생되도록 선택되는 임의의 파형을 갖는다. 수반되는 전자장치는 필드 프로그래밍가능 게이트 어레이(Field Programmable Gate Array)(FPGA)를 사용하거나 ASIC(주문형 집적 회로(Application Specific Integrated Circuit)) 또는 다른 동등한 IC와 같은 유사한 디지털 방법을 사용하여 고속 파형을 발생시켜 태핑된 광 신호의 전기 신호를 합성할 수 있다.

본 개시내용의 위의 그리고 다른 양태가 하기의 도면과 연계하여 상세하게 설명될 것이다.
도 1a-1c는 상이한 평균 펄스 파워에 따라 발생되는 부수-펄스가 수반되는 선형적으로 처핑된 펄스의 시간 영역 강도 프로파일을 도시한다.
도 2는 시스템 비선형성의 상이한 정도에서의 선형적으로 처핑된 펄스의 시간 영역 피크 파워 프로파일을 도시한다.
도 3의 (a)- 도 3의 (b)는 증폭 전후의 선형적으로 처핑된 펄스의 주파수 영역 강도 프로파일을 도시한다.
도 4a-4c는 상이한 평균 펄스 파워에서의 선형적으로 처핑된 펄스의 주파수 영역 강도 프로파일을 도시한다.
도 5는 신장된 펄스의 상이한 스펙트럼 형상에 대한 펄스 피크 파워의 의존성을 도시한다.
도 6은 시스템의 비선형성의 정도에 대한 부수 펄스 내에 수용된 에너지의 의존성을 도시한다.
도 7은 본 발명의 ㎱-미만 펄스형 레이저 시스템의 일 양태를 도시한다.
도 8은 도 7의 개시된 펄스형 레이저 시스템의 세부사항을 도시한다.
도 9는 개시된 ㎱-미만 레이저 시스템의 또 다른 양태를 도시한다.
도 10은 개시된 ㎱-미만 펄스형 레이저 시스템의 또 다른 양태를 도시한다.
도 11은 개시된 ㎱-미만 펄스형 레이저 시스템의 추가적인 양태를 도시한다.

본 발명의 실시예에 대한 언급이 이제부터 상세하게 수행될 것이다. 가능하면, 동일 또는 유사한 도면 부호는 도면 및 설명에서 동일 또는 유사한 부분 또는 단계를 지칭하는 데 사용된다. 도면은 단순화된 형태로 되어 있고, 정확한 축척으로 되어 있지 않다. 용어 "커플" 그리고 유사한 용어는 직접적인 그리고 즉각적인 연결을 반드시 의미하지 않는 것은 아니고, 그러나 중간 요소 또는 디바이스를 통한 연결을 또한 포함한다.

도 7-11에 도시된 본 발명의 초고속 펄스 광섬유 레이저 시스템(10)에는 신호 광의 초단 ㎱-미만 펄스(14)의 열을 발생시키는, 모드 로킹된 또는 이득-스위치 레이저와 같은, 펄스 광원(12)이 구성된다. 펄스 광원(12) 바로 뒤에서 약간의 처프를 취득할 수 있거나 취득하지 않을 수 있는 펄스(14)는 펄스 스트레처(16)에서 선형 처핑을 겪고, 펄스 스트레처(16)는 스펙트럼 형상(18)을 갖는 처핑된 펄스를 출력한다. 단지 예로서 주어지면, 펄스 지속시간은 1 ㎰ 펄스(14)로부터 나노초 범위 내의 펄스(18)까지 증가될 수 있다. 펄스 스트레처(16)는 이러한 분산을 도입함으로써 펄스를 신장시키는 데 사용될 수 있는 특히, 벌크 격자, 프리즘, 광섬유, 처핑된 광섬유 브래그 격자 또는 처핑된 체적 브래그 격자를 포함하는 다양한 구성을 가질 수 있다. 바람직하게는, 스트레처(16)는 피그테일형 서큘레이터에 장착된다.

빔-스플리터 또는 탭 커플러(20)를 통해 전파되는, 광 신호의 신장된 펄스(18)는 동일할 수 있거나 동일하지 않을 수 있는 2개의 부분으로 분리되고, 동일하지 않은 경우에, 하나의 부분은 다른 부분보다 작거나 크다. 하나의 부분은 강도 변조기(22) 내로 직접적으로 커플링된다. 다른 부분은 태핑되어 광전자 컨버터에 의해 수신되고, 광전자 컨버터는 광 신호의 수신된 태핑된 부분으로부터 전기, RF 신호를 발생시키는 포토다이오드(24)의 구성을 갖는다. 전기 신호는 처핑된 광 신호(18)의 시간 형상과 유사하고, 처핑된 광 신호(18)는 조정가능 RF 발생기 구조체(25)에서 추가로 합성된다.

적어도 100 ㎰인 처핑된 펄스에 대해, 강도 변조기(22)는 신장된 펄스(18)의 강도 스펙트럼 프로파일을 보정하기에 충분히 빨라야 한다. 그러한 펄스에 대해, 적어도 10 기가헤르츠(㎓) 강도 변조기 그리고 낮은 ㎓ 범위 내의 RF 발생기 구조체(25)는 빨라야 한다. 처핑된 펄스 지속시간이 증가함에 따라, 스펙트럼 분해능이 또한 증가하고, 더 미세한 펄스 성형이 달성될 수 있다. 또한, 수반되는 전자장치를 갖는 기술의 강도 변조기가 100 ㎓ 및 200 ㎓까지 개선됨에 따라, 스펙트럼 펄스 성형을 위한 분해능의 추가적인 개선이 성취될 수 있다. 예로서, 현재에 용이하게 이용가능한 100 ㎓ 강도 변조기(22) 그리고 1.5 ㎱의 처핑된 펄스 지속시간이 사용되면, 대역폭의 1% 미만 분해능을 갖는 것이 가능하다. 40 ㎓ 그리고 0.5 ㎱ 처핑된 펄스 지속시간에 대해서도, 분해능은 대역폭의 5%일 것이고, 광 스펙트럼을 보정하기에 충분하다. 또 다른 예로서, 1.5 ㎱ 처핑된 펄스가 발생되면, 10 ㎓ 강도 변조기를 사용하여 대역폭의 7% 미만의 분해능을 성취하는 것이 가능하다.

합성된 RF 신호는 강도 변조기(22) 내로 커플링되어 강도 리플(26)을 매끄럽게 하고 및/또는 변조기의 출력부에서 최대로 가능한 포물선 형상을 제공한다. 도시된 바와 같이, 변조기(22)의 출력부에서의 보정된 광 신호는 강도 리플을 갖지 않는 시간 영역 강도 프로파일(28)을 갖는다. ㎱-미만 펄스(14)가 선형 처프를 겪으므로, 강도 변조기(22)의 출력부에서의 변조된 광 신호의 주파수 영역 강도 프로파일은 시간 영역에서의 프로파일(28)과 정합된다. 레이저의 기술분야의 통상의 기술자라면 포물선 펄스 형상만이 강도 변조기(22)의 출력부에서 요구되면, 전자장치(25)가 강도 리플을 보상하는 데 요구되는 범위보다 상당히 낮은 한 자릿수의 ㎓ 범위 내에서 동작할 수 있다는 것을 용이하게 인식한다. 변조기의 출력부에서의 강도 리플의 부재는 부수-펄스 억제의 직접적인 지표이다.

광 신호의 변조된 제1 부분은 추가로 증폭된다. 증폭은 단일의 증폭 스테이지 또는 다수의 증폭 스테이지(32, 34)에서 수행될 수 있다. 증폭 스테이지의 개수와 무관하게, 시드 레이저를 포함하는 광원(12) 그리고 하나 이상의 증폭 스테이지는 마스터 발진기 파워 광섬유 증폭기(master oscillator power fiber amplifier)(MOPFA) 구성을 갖는다.

빈번하게, 펄스 에너지는 조정되어야 한다. 전형적으로, 펄스 에너지를 증가시키는 것이 바람직하고, 이것은 펄스 반복률을 감소시킴으로써 수행될 수 있다. 이것은 시드 레이저와 증폭기 사이의 임의의 위치에 펄스 피커(36)를 위치시킴으로써 성취될 수 있다. 그러면, 증폭기는 요구된 펄스에 대해서만 작용할 것이다.

임의의 CPA 시스템과 같이, 본 발명의 시스템(10)은 처핑된 증폭된 펄스를 압축하도록 동작하는 펄스 압축기(38)를 포함한다. 디처핑(dechirping)은 트레이시 격자 압축기, 프리즘 압축기, 또는 처핑된 체적 브래그 격자 또는 위의 것들의 임의의 조합에 의해 달성된다.

위의 내용을 요약하면, 본 발명의 초고속 펄스 시스템은 원래의 광 신호(제2 부분)로부터 발생되는 보정된 전기 신호에 의해 구동되는 고속 강도 변조기 드라이버를 사용한 초기 펄스 콘트라스트의 증가를 통해 펄스 왜곡을 억제할 수 있다.

구체적으로 도 7을 참조하면, 강도 변조기(22)는 광파의 진폭을 제어하는 데 사용되는 마하-젠더(MZ) 간섭계를 갖는다. 신호 광의 제1 부분은 각각의 도파로 암(40, 42)을 따라 안내되는 2개의 레플리카로 분리된다. 하나의 암, 예를 들어 암(42)에는 위상 변조기(44)가 제공된다. 전압이 위상 변조기(44)를 횡단하여 인가되면, 암(42)을 통과하는 레플리카에 대한 위상 시프트가 유도된다. 레플리카들이 MZ 간섭계의 출력부에서 재결합될 때에, 그 사이의 위상차는 아래에서 설명되는 바와 같이, 2개의 레플리카 사이의 간섭으로 인해 진폭 변조로 변환된다.

RF 발생기 구조체(25)는 포토다이오드(24)로부터 수신되는 RF 신호를 처리하여 위상 변조기(44)를 횡단하여 가해지는 상보성 신호를 발생시키고 그에 따라 MZ 간섭계(22)의 출력부에서의 광 신호의 시간 형상은 강도 리플을 갖지 않는다. 광 신호에서의 강도 리플을 평탄화하기 위해, 암(40, 42)에서의 강도 리플(26)은 서로를 보상하고 바람직하게는 상쇄한다.

이것은 전기 신호의 요구된 부분, 즉 고주파수 강도 리플(26)을 갖는 상부 또는 중심 부분(48)을 격리하도록 동작하는 RF 필터(46)를 포함하는 RF 발생기 구조체(25)에 의해 실현된다. 이것은 전기 신호의 저주파수 측 부분을 필터링하고 고주파수 상부 부분(48)을 RF 인버터(50)에 통과시킴으로써 수행된다. RF 인버터는 수신된 상부 부분을 반전시키고 그에 따라 광 신호의 레플리카들이 MZ 간섭계(22)의 출력부에서 간섭될 때에, 각각의 리플(26)은 서로를 보상하고 바람직하게는 상쇄한다. 전기 신호의 반전된 중심 부분은 RF 증폭기(52)에 가해져, RF 증폭기는 변조된 레플리카의 리플(26)의 진폭이 변조기(22)의 암(40)을 따라 안내되는 레플리카의 진폭과 정합되도록 조정가능하다.

도 8을 참조하면, 통상의 기술자가 인지하는 바와 같이, 위상 변조기(44)를 횡단하여 가해지는 상보성 신호는 DC 및 RF 성분으로 구성된다. 전형적으로, 도 7의 RF 증폭기(52)는 이러한 요건을 충족시키도록 동작하는 구성을 갖는다. 그러나, RF 증폭기(52)가 DC 성분을 제공할 수 있는 능력을 갖지 않으면, RF 발생기(25)는 DC 전원(56) 그리고 RF 및 DC 성분을 결합하도록 동작하는 바이어스 티(bias tee)(54)를 또한 갖는다. 도 8의 나머지 구성은 도 7의 나머지 구성과 동일하다.

도 9를 참조하면, 도 7 및 8의 위상 변조기(44)에 추가하여, 추가적인 위상 변조기(58)가 MZ 간섭계(22)의 암(40)에 제공된다. 동일한 강도 변조 원리에 기초하여, 상이한 진폭을 갖는 2개의 전기 신호가 각각의 위상 변조기(40, 58)에 가해진다. 위상 변조기(58)에 가해지는 제2 상보성 신호는 별개의 RF 발생기 구조체(55)를 포함하는 외부 전자장치에 의해 발생될 수 있다. RF 발생기 구조체는 임의의 파형을 갖는 신호 발생기(60) 그리고 통상의 기술자에게 널리 공지된 방식으로 동작하는 조정가능 RF 증폭기(62)를 가질 수 있다.

도 10에서, 도 9의 임의의 파형을 갖는 외부 전자장치 대신에, 추가적인 위상 변조기(58)는 그 자체의 광 신호로부터 발생되는 구동 전압 신호를 수신한다. 구체적으로, 시스템(25)은 광 신호의 태핑된 부분을 2개의 하위-부분으로 분리하는 추가적인 커플러(64)를 갖고, 2개의 하위-부분에서, 하나의 하위-부분은 포토다이오드(24)에 가해지고, 다른 하위-부분은 추가적인 포토다이오드(66)로 안내된다. 포토다이오드는 전기 신호를 발생시키고, 발생된 전기 신호는 제2 RF 발생기에 가해지고, 제2 RF 발생기는 수신된 전기 신호를 증폭시키고, 증폭된 신호는 위상 변조기(58)를 횡단하여 추가로 가해진다. 각각의 위상 변조기(44, 58)에 가해지는 구동 전압은 서로 상이하고 그에 따라 제1 부분의 변조된 레플리카들이 MZ 간섭계(22)의 출력부에서 간섭되게 한다. 간섭의 결과로서, 거의 변환 제한된 펄스는 각각 시간 및 스펙트럼 영역의 둘 모두에서 요구된 형상(28, 30)을 취득한다. 이러한 도면에 도시된 구성은 광 신호의 제1 레플리카의 위상 변조를 제어할 수 있지만, 그 강도는 제어할 수 없다는 것을 주목하여야 한다. 이것은 각각의 위상 변조기(44, 58)에 가해지는 전압의 둘 모두가 동일하도록 RF 증폭기를 의도적으로 조정함으로써 실현될 수 있다.

도 11을 참조하면, MZ 간섭계는 광 신호의 제1 부분의 강도 변조를 제공하는 반도체 광 증폭기(68)로 교체된다. 통상의 기술자에게 공지된 바와 같이, 이러한 타입의 증폭기는 이득 원칙에 기초하여 동작한다. 바꿔 말하면, 인접 리플(26) 사이의 밸리가 증폭되어 이전에 개시된 구성과 유사하게 리플을 갖지 않는 거의 변환 제한된 펄스의 매끄러운 포물선 형상(28, 30)을 제공한다.

도 7-11의 시스템(25)을 참조하면, 광 신호 및 전기 신호의 제1 부분의 레플리카는 위상 변조기에 가해질 때에 동기화되어야 한다. 이것은 광 신호의 제2 부분이 도 7-9 및 11에서의 포토다이오드(24)에 도달하기 전에 그것을 다루는 광섬유의 루프(70)를 제공함으로써 수행된다. 강도 변조기(22)에 2개의 위상 변조기(44, 58)가 제공되는, 도 10의 실시예에서, 추가적인 시간 지연 루프(72)가 커플러(64)와 포토다이오드(66) 사이에 형성된다. 이러한 특징의 실시는 특정하게 선택된 추가적인 길이의 광섬유를 포함할 수 있다. 또한, 미세 조정을 위해, 서로에 대해 제어가능하게 변위가능한, 2개의 별개의 스풀 부분 주위에 감겨진 광섬유를 갖는 스풀이 실시될 수 있다. 조작자가 2개의 스풀 부분을 변위시켜 요구된 장력을 광섬유에 제공하고 그에 따라 전기 및 광 신호가 단일의 위상 변조기(44) 또는 도 10의 변조기(44, 58)의 둘 모두에 동기식으로 가해지게 하기에 충분한 간단한 나사가 사용될 수 있다.

따라서, 초단 펄스형 레이저 시스템(25)은 강도 변조기 뒤에서 그리고 증폭기 스테이지의 모두 또는 일부 앞에서 스펙트럼 리플이 보정되고 및/또는 포물선 스펙트럼 형상이 발생되도록 임의의 파형을 갖는 강도 변조기(22, 68)를 사용할 수 있다. 수반되는 전자장치는 필드 프로그래밍가능 게이트 어레이(FPGA)를 사용하거나 ASIC(주문형 집적 회로) 또는 다른 동등한 IC와 같은 유사한 디지털 방법을 사용하여 고속 파형을 발생시킬 수 있다.

강도 변조기(22, 68)는 광 신호 그 자체로부터 발생되어 강도 변조기 뒤에서 그리고 증폭기 스테이지의 모두 또는 일부 앞에서 스펙트럼 리플을 자기-보정하는 특정의 파형을 갖는다. 자기-보정은 고속 아날로그 전자장치를 사용하여 수행된다. 고속 포토다이오드(24, 66)는 펄스 스트레처(16) 뒤에서 그리고 일부의 또는 모든 증폭기 스테이지 앞에서 태핑된 입사 광 신호로부터 전자 신호를 발생시킨다. 전기 신호는 포토다이오드 앞에서 광섬유(70, 72)의 길이를 사용하여 시간이 지연되고 그에 따라 가해지는 RF 신호는 강도 변조기를 통해 전파 중인 광 펄스와 정합된다. RF 신호는 상보성 파형을 발생시켜 스펙트럼 리플을 보상하도록 조작되어야 한다. 신호의 진폭의 조정가능성은 미세 조정이 임의의 잔류 스펙트럼 리플을 억제하는 것을 돕게 한다. 그러한 구성의 이익은 강도 변조기 뒤에서의 출력이 시드 레이저 또는 다른 구성요소의 스펙트럼 형상에 대한 임의의 변화에 의해 자동보정된다는 것이다.

본 발명의 실시예가 첨부 도면을 참조하여 설명되었지만, 본 발명은 그 정확한 실시예로 제한되지 않고, 다양한 변화, 변형, 및 개조가 첨부된 청구범위에 한정된 바와 같은 본 발명의 범주 또는 사상을 벗어나지 않으면서 본 기술분야의 통상의 기술자에 의해 그 내에서 수행될 수 있다는 것이 이해되어야 한다.

Claims (12)

1. 거의 변환 제한된 펄스를 출력하는 나노초-미만(㎱-미만) 펄스형 레이저 시스템이며,
   ㎰-㎱ 펄스 지속시간 범위 내의 광 신호의 처핑된 펄스의 열을 수신하여 각각의 광 신호를 제1 및 제2 부분으로 분할하도록 동작하는 빔 스플리터;
   광 신호의 제2 부분을 수신하여 제1 무선-주파수(RF) 신호로 변환하는 적어도 하나의 광전자 컨버터;
   각각의 광 신호의 제1 부분을 수신하는 강도 변조기; 및
   강도 변조기에 가해질 RF 신호를 수신하여 처리하고 그에 따라 강도 변조기의 출력부에서 처핑된 펄스의 스펙트럼 강도 프로파일을 보정하는 적어도 하나의 조정가능 무선-주파수(RF) 발생기 구조체
   를 포함하는, ㎱-미만 펄스형 레이저 시스템.
2. 제1항에 있어서, 광 신호의 처핑된 ㎱-미만 펄스의 열을 출력하는 이득-스위칭된 또는 모드 로킹된 레이저로서 구성되는 단일 횡단방향 모드(SM) 시드 레이저;
   SM 시드 레이저와 빔 스플리터 사이에 위치되어 ㎱-미만 펄스를 ㎰-㎱ 펄스 지속시간 범위까지 처핑하도록 구성되는 펄스 스트레처;
   보정된 스펙트럼 강도 프로파일을 갖는 광 신호의 제1 부분을 수신하여 증폭시키는 광섬유 증폭기가 각각에 제공되는 단일 또는 다수의 증폭 스테이지; 및
   보정된 스펙트럼 프로파일을 갖는 각각의 펄스의 광 신호의 증폭된 제1 부분을 수신하여 ㎱-미만 펄스의 열을 출력하도록 동작하는 펄스 압축기
   를 추가로 포함하고,
   처핑된 펄스의 각각은 빔 스플리터의 입력부에서 시간 영역에서의 펄스 콘트라스트 그리고 주파수 영역에서의 스펙트럼 리플의 개선을 취득하는,
   ㎱-미만 펄스형 레이저 시스템.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 빔 스플리터는 각각의 광 신호를 분할하고 그에 따라 강도 변조기에 커플링되는, 광 신호의 제1 부분이 광전자 컨버터로 안내되는 광 신호의 제2 부분보다 크거나 작거나 그것과 동일하도록 구성되는 광섬유 커플러를 포함하고, 하나의 광전자 컨버터는 최대 수백 기가헤르츠(㎓)의 대역폭에서 동작하여 각각의 처핑된 펄스의 광 신호의 수신된 제2 부분을 각각의 처핑된 펄스에서의 광의 광 강도에 비례하는 하나의 RF 신호로 변환하는 고속 광검출기인, ㎱-미만 펄스형 레이저 시스템.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 하나의 RF 발생기 구조체에는,
   하나의 광전자 컨버터의 출력부에 커플링되어 제1 RF 신호의 미리 결정된 영역을 통과시키도록 동작하는 RF 필터,
   제1 RF 신호의 필터링된 영역을 플립-플롭하는 RF 인버터, 및
   강도 변조기에 가해질 제1 RF 신호의 플립-플롭된 필터링된 영역을 증폭시켜 광 신호의 제1 부분의 스펙트럼 강도 프로파일을 보정하도록 동작하는 RF 증폭기
   가 구성되는, ㎱-미만 펄스형 레이저 시스템.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 강도 변조기는 광 신호의 제1 부분의 각각의 레플리카를 안내하는 제1 및 제2 도파로 암이 제공되는 마하-젠더 간섭계이고, 적어도 제1 암은 증폭된 제1 RF 신호를 수신하여 제1 암에 안내되는 광 신호의 제1 부분의 레플리카에 대한 위상 시프트를 유도하는 위상 변조기를 포함하고, 제1 및 제2 레플리카는 마하-젠더 간섭계의 출력부에서 간섭되어 제1 및 제2 레플리카 사이의 위상차를 각각의 처핑된 펄스에서의 광 신호의 제1 부분의 정확한 강도 프로파일로 변환하는, ㎱-미만 펄스형 레이저 시스템.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 하나의 RF 발생기 구조체와 동일하게 구성되고 광 신호의 제2 부분의 소부분을 수신하여 제2 RF 신호를 발생시키는 제2 RF 발생기 구조체
   를 추가로 포함하고,
   강도 변조기는 광 신호의 제1 부분의 각각의 레플리카를 안내하는 제1 및 제2 도파로 암이 제공되는 마하-젠더 간섭계이고, 제1 및 제2 암은 각각의 하나의 및 제2 RF 발생기 구조체로부터 상이한 진폭을 갖는 증폭된 제1 및 제2 RF 신호를 수신하는 각각의 하나의 및 제2 위상 변조기를 포함하고, 하나의 및 제2 RF 신호는 광 신호의 제1 부분의 레플리카의 둘 모두에 대한 위상 시프트를 유도하고 그에 따라 마하-젠더 간섭계의 출력부에서 간섭되어 제1 및 제2 레플리카 사이의 위상차를 각각의 처핑된 펄스에서의 광 신호의 제1 부분의 정확한 강도 프로파일로 변환하는,
   ㎱-미만 펄스형 레이저 시스템.
7. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 제2 RF 신호를 발생시키도록 동작하는 제2 RF 발생기 구조체; 및
   제2 RF 신호를 증폭시켜 하나의 RF 발생기 구조체에 의해 발생되는 RF 신호와 상이한 진폭을 갖도록 동작하는 제2 조정가능 RF 증폭기
   를 추가로 포함하고,
   강도 변조기는 광 신호의 제1 부분의 각각의 레플리카를 안내하는 제1 및 제2 도파로 암이 제공되는 마하-젠더 간섭계이고, 제1 및 제2 암은 각각의 증폭된 RF 신호를 수신하는 각각의 하나의 및 제2 위상 변조기를 포함하고, 제1 및 제2 RF 신호는 광 신호의 제1 부분의 제1 및 제2 레플리카에 대한 각각의 위상 시프트를 유도하고 그에 따라 마하-젠더 간섭계의 출력부에서 간섭되어 제1 및 제2 레플리카 사이의 위상차를 각각의 처핑된 펄스에서의 광 신호의 제1 부분의 정확한 강도 프로파일로 변환하는, ㎱-미만 펄스형 레이저 시스템.
8. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 강도 변조기는 반도체 광 증폭기이고, 상기 반도체 광 증폭기는 RF 신호를 수신하여 광 신호의 제1 부분에 이득을 선택적으로 제공하고 그에 따라 반도체 광 증폭기의 출력부에서 정확한 강도 프로파일을 획득하는, ㎱-미만 펄스형 레이저 시스템.
9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
   RF 발생기 구조체는
   5 내지 500 ㎓의 범위를 갖는 비교적 높은 주파수로 동작하여 강도 변조기의 출력부에서 신호 광의 제1 부분에서의 강도 리플을 보정하고, 또는
   최대 2 ㎓의 비교적 낮은 주파수로 동작하여 시간 및 스펙트럼 영역에서 포물선 형상을 갖는 신호 광의 변조된 제1 부분의 각각의 펄스를 제공하는, ㎱-미만 펄스형 레이저 시스템.
10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 광 신호의 제2 부분을 빔-스플리터와 광전자 컨버터 사이로 안내하여 증폭된 RF 신호 그리고 강도 변조기 내로 커플링되는 광 신호의 제1 부분을 동기화하는 적어도 하나의 광섬유 지연 구성요소를 추가로 포함하는, ㎱-미만 펄스형 레이저 시스템.
11. 제7항에 있어서, 빔 스플리터와 하나의 광전자 구성요소 사이의 제1 광섬유 지연 구성요소;
    제1 광섬유 지연 구성요소와 하나의 광전자 컨버터 사이에 위치되어 광 신호의 제2 부분을 제1 및 제2 소부분으로 분리하도록 동작하는 추가적인 광섬유 커플러; 및
    추가적인 커플러와 제2 RF 신호 발생기 구조체 사이의 추가적인 광섬유 지연 구성요소로서, 제1 및 제2 광섬유 지연 구성요소는 제1 및 제2 RF 신호가 광 신호의 제1 부분의 각각의 레플리카와 동기식으로 각각의 위상 변조기를 횡단하여 가해지는 그러한 시간 지연을 갖는 광 신호의 제2 부분의 각각의 소부분을 제공하도록 구성되는, 추가적인 광섬유 지연 구성요소
    를 추가로 포함하는, ㎱-미만 펄스형 레이저 시스템.
12. 제10항 및/또는 제11항에 있어서, 시간 지연 구성요소는 서로에 대해 제어가능하게 변위가능한 다수의 부분 주위에 감겨진 광섬유를 갖는 다수 부분 스풀을 포함하는, ㎱-미만 펄스형 레이저 시스템.

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