KR20190014503A - 고전력 레이저를 위한 이중-축 적응형 광(ao) 시스템 - Google Patents

고전력 레이저를 위한 이중-축 적응형 광(ao) 시스템 Download PDF

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KR20190014503A
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데이비드 엠. 필가스
앤드류 디. 더블유. 맥키
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레이던 컴퍼니
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Abstract

시스템은 저전력 광학 빔을 생성하도록 구성된 주 발진기(102)를 포함한다. 또한, 상기 시스템은 상기 저전력 광학 빔을 사용하여 고전력 광학 빔을 생성하도록 구성된 평판 도파관 (PWG) 증폭기(104)를 포함한다. 상기 PWG 증폭기는 저속-축 방향으로 더 큰 차원 및 고속-축 방향으로 더 작은 차원을 갖는다. 상기 시스템은 상기 저속-축 방향을 따라 상기 저전력 광학 빔을 수정하고, 상기 고속-축 방향을 따라 상기 저전력 광학 빔을 수정하도록 구성된 적어도 하나의 적응형 광(AO) 소자(120, 122)를 더 포함한다. 또한, 상기 시스템은 상기 적어도 하나의 AO 소자를 제어하도록 구성된 피드백 루프(116-118, 302-318)를 포함한다. 저속-축 방향에서의 수정은 PWG 증폭기에 의해 생성된 열-기반 왜곡을 보상할 수 있고, 고속-축 방향에서의 수정은 주 발진기 및 PWG 증폭기와 관련된 광학 오정렬을 보상할 수 있다.

Description

고전력 레이저를 위한 이중-축 적응형 광(AO) 시스템
본 개시는 일반적으로 고전력 레이저 시스템(high-power laser systems)에 관한 것이다. 더 구체적으로는, 본 개시는 고전력 레이저(high-power lasers)를 위한 이중-축(dual-axis) 적응형 광(adaptive optic; AO) 시스템(system)에 관한 것이다.
고전력 레이저 시스템은 다수의 군용 및 상업용 애플리케이션을 위해 개발되고 있다. 일부 레이저 시스템에서, 주 발진기/전력 증폭기(master oscillator/power amplifier; MOPA) 구성은 주 발진기를 사용하여 저전력 광학 신호를 생성한 다음 전력 증폭기에 의해 증폭하여 고전력 출력 빔(high-power output beam)을 생성한다. 불행하게도, MOPA 구성을 갖는 고전력 레이저 시스템은 다양한 요인들로 인해 출력 빔의 전반적인 품질에서의 저하를 경험할 수 있다. 이러한 요인들은 전력 증폭기의 이득 매체(gain medium) 내에서 생성된 열적으로-유도된 왜곡(thermally-induced distortions)뿐만 아니라 전력 증폭기에 대한 주 발진기의 빔의 오정렬(misalignment)을 포함할 수 있다.
본 개시는 고전력 레이저를 위한 이중-축 적응형 광(AO) 시스템을 제공한다.
제1 실시예에서, 시스템은 저전력 광학 빔(low-power optical beam)을 생성하도록 구성된 주 발진기(master oscillator)를 포함한다. 또한, 상기 시스템은 상기 저전력 광학 빔을 사용하여 고전력 광학 빔(high-power optical beam)을 생성하도록 구성된 평판 도파관 (PWG) 증폭기(planar waveguide (PWG) amplifier)를 포함한다. 상기 PWG 증폭기는 저속-축 방향(slow-axis direction)에 더 큰 차원(larger dimension) 및 고속-축 방향(fast-axis direction)에 더 작은 차원(smaller dimension)을 갖는다. 상기 시스템은 상기 저속-축 방향을 따라 상기 저전력 광학 빔을 수정하고, 상기 고속-축 방향을 따라 상기 저전력 광학 빔을 수정하도록 구성된 적어도 하나의 AO 소자(AO element)를 더 포함한다. 또한, 상기 시스템은 상기 적어도 하나의 AO 소자를 제어하도록 구성된 피드백 루프(feedback loop)를 포함한다.
제2 실시예에서, 방법은 주 발진기를 사용하여 저전력 광학 빔을 생성하는 단계를 포함한다. 또한, 상기 방법은 PWG 증폭기를 사용하여 고전력 광학 빔을 생성하도록 상기 저전력 광학 빔을 증폭하는 단계를 포함한다. PWG 증폭기는 저속-축 방향에 더 큰 차원을 갖고 저속-축 방향에 더 작은 차원을 갖는다. 상기 방법은 적어도 하나의 AO 소자를 사용하여, 상기 고속-축 방향을 따라 및 상기 저속-축 방향을 따라 상기 저전력 광학 빔을 수정하는 단계를 더 포함한다. 또한, 상기 방법은 피드백 루프를 사용하여 상기 적어도 하나의 AO 소자를 제어하는 단계를 포함한다.
제3 실시예에서, 장치는 주 발진기에 의해 생성된 저전력 광학 빔을 사용하여 PWG 증폭기에 의해 생성된 고전력 광학 빔의 샘플의 측정치(measurements)를 수신하도록 구성된 적어도 하나의 인터페이스(interface)를 포함한다. 상기 PWG 증폭기는 저속-축 방향에 더 큰 차원 및 고속-축 방향에 더 작은 차원을 갖는다. 또한, 상기 장치는 상기 고속-축 방향을 따라 및 상기 저속-축 방향을 따라 상기 저전력 광학 빔을 수정하도록 적어도 하나의 AO 소자를 제어하도록 구성된 적어도 하나의 처리 디바이스(processing device)를 포함한다.
다른 기술적 특징들은 다음의 도면, 설명 및 청구항으로부터 당업자에게 쉽게 명백해질 수 있다.
이 개시의 보다 완전한 이해를 위해, 첨부 도면과 관련하여 취해진 다음의 설명이 참조된다.
도 1은 본 개시에 따른 이중-축 적응형 광(AO) 시스템을 지원하는 일 예시의 고전력 레이저 시스템을 도시한다.
도 2는 본 개시에 따른 고전력 레이저 시스템에서 사용하기 위한 일 예시의 평판 도파관을 도시한다.
도 3a 및 도3b는 본 개시에 따른 이중-축 AO 시스템에서 사용하기 위한 예시적인 센서 배열을 도시한다.
도 4는 본 개시에 따른 이중-축 AO 시스템에서 사용하기 위한 일 예시의 AO 제어기를 도시한다.
도 5는 본 개시에 따른 고전력 레이저 시스템에서의 이중-축 AO 보정을 위한 일 예시의 방법을 도시한다.
아래에서 설명되는, 도 1 내지 도 5 및 본 특허 문헌에서의 본 발명의 원리를 설명하는데 사용된 다양한 실시예는 단지 설명을 위한 것이고, 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안된다. 당업자는 본 발명의 원리가 임의의 유형의 적절히 배열된 장치 또는 시스템에 구현될 수 있다는 것을 이해할 것이다.
도 1은 본 개시에 따른 이중-축 적응형 광(AO) 시스템을 지원하는(supporting) 일 예시의 고전력 레이저 시스템(100)을 도시한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 레이저 시스템(100)은 주 발진기(102) 및 평판 도파관 (PWG) 증폭기(104)를 포함한다. 따라서, 레이저 시스템(100)은 주 발진기/전력 증폭기 (MOPA) 구성을 갖는다.
주 발진기(102)는 일반적으로 저전력 광학 신호를 생성하도록 동작한다. 저전력 광학 신호는 상대적으로 낮은 전력을 갖는 임의의 적합한 광학 신호를 나타낼 수 있다. 예를 들어, 저전력 광학 신호는 지속파(CW; continuous wave) 출력, 연속 펄스 트레인 (CPT; continuous pulse train), 펄스 버스트(pulse burst) 또는 임의의 다양한 다른 파형을 갖는 광학 신호를 포함할 수 있다. 주 발진기(102)는 하나 이상의 저전력 광학 신호를 생성하기 위한 임의의 적합한 구조(들)를 포함한다. 일부 실시예에서, 주 발진기(102)는 파이버 레이저(fiber laser)를 포함한다.
PWG 증폭기(104)는 주 발진기(102)로부터의 저전력 광학 신호 및 펌프 전력(pump power)을 수신한다. PWG 증폭기(104)는 일반적으로 저전력 광학 신호를 증폭하고 고전력 광학 신호를 생성하도록 동작한다. 예를 들어, PWG 증폭기(104)는 저전력 CW 또는 다른 광학 신호를 고전력 CW 또는 10 킬로와트(kilowatts) 이상의 전력을 갖는 다른 광학 신호로 증폭시킬 수 있다. 수신된 펌프 전력은 이 증폭을 위해 PWG 증폭기의 이득 매체에서 필요한 밀도 반전(population inversion)을 제공한다.
PWG 증폭기(104)의 이득 매체는 도 2에 도시된 일 예시의, 평판 도파관을 사용하여 형성된다. 도 2에 도시된 바와 같이, 평판 도파관(200)은 일반적으로 코어 영역(core region)(202) 또는 하나 이상의 클래딩 층(cladding layers)(204a-204b)을 포함하는 구조를 나타낸다. 코어 영역(202)은 적어도 하나의 특정 파장의 광학 신호에 응답하는 활성 이온 종(active ion species)으로 도핑되고(doped), 하나 이상의 클래딩 층(204a-204b)은 광학적으로 투명하고 코어 영역(202)과 접촉한다. 클래딩 층(204a-204b)의 입력 또는 출력면에 반사-방지 코팅(anti-reflective coating)(206)과 같은, 다수의 부가적인 특징이 사용될 수 있다. 주 발진기(102)로부터의 신호 빔(208)는 평판 도파관(200)의 코어 영역(202)에 연결되고, 펌프라이트(pumplight)(210)는 코어 영역(202) 및/또는 하나 이상의 클래딩 층(204a-204b)에 연결되어 광학 증폭을 위한 펌프 전력을 제공한다. 코어 영역(202) 및 클래딩 층(들)(204a-204b)의 굴절률 및 유전 상수는 상이하고 신호 빔(208)의 광학 신호를 반사하는 경계를 생성한다. 따라서, 평판 도파관(200)은 신호 빔(208)의 광학 신호를 더 좁은 차원("고속 축(fast axis)"또는 "가이드된 축(guided axis)" 방향이라고 함)로 가이드하지만 더 넓은 차원("저속 축" 또는 "가이드되지 않은 축" 방향이라고 함)로는 가이드하지 않도록 동작한다. 평판 도파관(200)은 임의의 적절한 재료 및 임의의 적절한 방식으로 형성될 수 있다.
도 1로 돌아가서, 릴레이 광학기(relay optics)(106)는 주 발진기(102)로부터의 광학 신호를 이중-축 AO 시스템(108)으로 향하게 하고, 릴레이 광학기(110)는 광학 신호를 AO 시스템(108)으로부터 PWG 증폭기(104)로 향하게 한다. 또한, 릴레이 광학기(106, 110)는 각각 AO 시스템(108) 및 PWG 증폭기(104)로의 주입에 필요한 광학 신호의 단면 차원을 바꿀 수 있다. 릴레이 광학기(106, 110)의 각각은 광학 신호를 지향 또는 포맷팅(formatting)하기 위한 임의의 적합한 광학 디바이스(들)를 포함한다.
AO 시스템(108)은 일반적으로 광학 신호가 PWG 증폭기(104)에 도달하기 전에 주 발진기(102)로부터의 광학 신호를 수정하도록 동작한다. 예를 들어, AO 시스템(108)은, PWG 증폭기(104) 내에서 생성된 열적으로-유도된 광학 위상 왜곡을 실질적으로 또는 완전히 보상하기 위하여, 주 발진기(102)로부터 광학 신호의 위상 프로파일(phase profile)을 사전-왜곡(pre-distort)할 수 있다. 또한, AO 시스템(108)은 주 발진기(102)로부터의 광학 신호의 진폭 및 위상 모두를 사전-왜곡할 수 있다. AO 시스템(108)은 2-축 팁/기울기 정렬 제어(two-axis tip/tilt alignment control) 및 고차 빔 제어(higher-order beam control)를 위한 별도의 제어 디바이스를 더 포함할 수 있다. 또한, AO 시스템(108)은 주 발진기/전력 증폭기 빔라인에서 광학 구성 요소의 오정렬을 보정할 수 있다. AO 시스템(108)에 관한 부가적인 세부 사항은 아래에 제공된다.
PWG 증폭기(104)에 의해 생성된 고전력 출력 빔은 빔 스플리터(beam splitter)(112)를 향하게 한다. 빔 스플리터(112)는 시스템 고전력 출력 빔(114)으로서 고전력 출력 빔의 실질적인 부분을 제공한다. 또한, 빔 스플리터(112)는 AO 시스템(108)의 피드백 루프에 샘플로서 고전력 출력 빔의 소량을 제공한다. 다른 것들 중에서, 피드백 루프는 AO 시스템(108) 내의 AO 소자의 동작을 제어하고 수정하는데 사용된다. 빔 스플리터(112)는 광학 신호를 분할하기 위한 임의의 적절한 구조(들)를 포함한다.
피드백 루프는 하나 이상의 광학 센서(optical sensors)(116) 및 AO 제어기(AO controller)(118)를 포함한다. 광학 센서(116)는 고전력 출력 빔(114)의 샘플의 측정치를 생성하고, AO 제어기(118)로 측정치를 출력한다. AO 제어기(118)는 출력 빔(114)의 품질을 증가시키거나 최대화하기 위하여 AO 시스템(108) 내의 AO 소자의 동작을 수정하는 방법을 결정하기 위해 측정치를 사용한다. PWG 증폭기(104) 이전에 존재하는 것으로 여기에 도시되었지만, 다른 또는 추가적인 AO 기능들은 PWG 증폭기(104) 다음에 배치될 수 있고, AO 제어기(118)에 의해 제어될 수 있다.
아래에서 더 상세히 설명되는 바와 같이, AO 시스템(108)은 도 2에 도시된 평판 도파관(200)의 저속-축 및 고속-축 방향과 같은 다중 축을 따라 주 발진기의 신호 빔을 수정하도록 동작한다. 광학 센서(116)는 AO 시스템(108)을 제어하도록 AO 제어기(118)에 의해 사용되는 측정치를 제공한다. 효과적으로, 이것은 고속-축 방향을 위한 적어도 하나 및 저속-축 방향을 위한 적어도 하나의 다중 제어 루프(control loops)를 형성한다. 더욱이, 상이한 센서 측정치는 상이한 제어 루프에서 사용되어, 고속-축 및 저속-축 제어 루프가 고전력 출력 빔(114)의 상이한 메트릭스(metrics)에 기초하도록 한다.
광학 센서(116)는 광학 신호의 샘플의 하나 이상의 특성을 측정하기 위한 임의의 적합한 구조(들)를 포함한다. 일부 실시예에서, 하나 이상의 광학 센서(116)는 평판 도파관(200)의 저속-축 방향 및 고속-축 방향에서의 출력 빔(114)의 샘플의 측정치를 캡쳐(capture)하는데 사용된다. 이는 단일 다차원 광학 센서(single multi-dimensional optical sensor) 또는 다중(multiple) 1차원(one-dimensional; 1D) 또는 다차원 광학 센서(multi-dimensional optical sensors)를 사용하여 완수될 수 있다. 특정 예시로서, 2차원 카메라(two-dimensional camera)가 샘플의 측정치를 캡쳐하는데 사용될 수 있는데, 여기서 카메라의 하나의 차원(one dimension)은 저속-축 방향에 대응하고, 카메라의 직교 차원(orthogonal dimension)은 고속-축 방향에 대응한다. 광학 센서(116)의 다른 예시적인 구현예는 도 3a 및 도 3b에 도시되고, 이는 아래에서 설명된다.
AO 제어기(118)는 적응형 광 소자의 동작을 제어하기 위한 임의의 적합한 구조를 포함한다. 예를 들어, AO 제어기(118)는 하나 이상의 마이크로프로세서(microprocessors), 디지털 신호 프로세서(digital signal processors), 필드 프로그램 가능 게이트 어레이(field programmable gate arrays), 주문형 집적 회로(application specific integrated circuits) 또는 이산 논리 디바이스(discrete logic devices)와 같은 하나 이상의 처리 디바이스를 포함할 수 있다. 또한, AO 제어기(118)는 처리 디바이스(들)에 의해 사용, 생성 또는 수집된 명령 또는 데이터를 저장하도록 구성된 하나 이상의 메모리를 포함할 수 있다. AO 제어기(118)는 다른 구성 요소 또는 시스템과의 통신을 용이하게 하도록 구성된 하나 이상의 인터페이스를 더 포함할 수 있다.
상술한 바와 같이, MOPA 구성을 갖는 고전력 레이저 시스템은 다양한 요인들로 인해 출력 빔의 전반적인 품질 저하를 경험할 수 있다. 이러한 요인들은 PWG 증폭기의 평판 도파관 내에서 생성된 열적으로-유도된 위상 왜곡을 포함할 수 있다. 종래의 PWG 증폭기에서, 평판 도파관의 코어 영역의 두께는 충분히 작고, 코어 영역과 클래딩 층(들) 사이의 굴절률 차이는 충분히 작아서 저차 도파관 모드(low-order waveguide modes)만이 낮은 손실로 전파되도록 허용된다. 이는 PWG 증폭기의 열적 왜곡(thermal distortion)에 관계없이, PWG 증폭기의 고속-축 방향에서의 주 발진기의 신호 빔에 대해 높은 빔 품질을 유지하는데 도움이 된다(helps). 주 발진기의 신호 모드를 최저차 도파관 모드(lowest order waveguide mode)와 일치시킴으로써, PWG 증폭기의 단일 모드 동작은 획득될 수 있다.
그러나, 종래의 PWG 증폭기의 설계 때문에, PWG 증폭기의 횡 저속-축 방향(transverse slow-axis direction)으로 가이드 또는 모드 제어가 존재하지 않는다. 결과적으로, PWG 증폭기의 저속 축을 가로 지르는 온도 차이로 인한 열적 왜곡은 신호 빔이 PWG 증폭기의 길이(length)를 가로 지를 때 저속 축을 통해 주 발진기의 신호 빔에 상당한 위상 왜곡을 일으킬 수 있다. 이러한 온도 차이는 (i) PWG 증폭기의 불균일 펌핑(non-uniform pumping), (ii) 펌핑 프로세스에 의해 PWG 증폭기에 증착된 에너지의 불균일 자극 방출 추출(non-uniform stimulated emission extraction), (iii) 자연 증폭 방출(ASE; amplified spontaneous emission) 및 기생 레이징(parasitic lasing)과 같은 유해 메커니즘(deleterious mechanisms)을 통한 에너지의 불균일 추출, (iv) 냉각 소자에 대한 불균일 열 접촉 저항(non-uniform thermal contact resistance) 및 (v) 냉각 소자의 열효율 불균일성 등과 같은, 다양한 이유로 인해 발생할 수 있다. 이것은 높은 dn/dt를 의미하는, 온도에 따른 굴절률의 변화가 큰 평판 도파관에서, 특히 문제일 수 있다. 열 효과의 심각성에 따라, PWG 증폭기의 출력 빔은 열적으로-유도된 수차(thermally-induced aberrations)로 인해 크게 저하될 수 있다.
또한, MOPA 구성은 신호 빔이 전력 증폭기에 진입하는 동안 주 발진기의 신호 빔의 오정렬(translational misalignment)로 인해 출력 빔의 전체 품질이 저하될 수 있다. 예를 들어, 전력 증폭기의 평판 도파관에서의 전력 손실은 신호 빔이 평판 도파관(200)의 코어 영역(202)에 진입할 때 주 발진기의 신호 빔의 비네팅(vignetting)으로 인해 발생할 수 있다. 이러한 비네팅은 병진 오정렬에 의해 야기될 수 있으며, 특히, 평판 도파관(200)의 고속 축에서 심각하다. 또한, 도파관 표면에 의해 부분적으로만 반사되는 광선의 누설로 인해 전력 손실이 발생할 수 있다. 이는 평판 도파관(200)의 고속 축에서의 각도 오정렬로 인한 것일 수 있다. 전력 손실은 주로 평판 도파관(200)의 더 민감한 고속 축에서의 병진(translational) 및 각도 오정렬의 조합에 기인할 수 있다. 전반적으로, 신호 빔이 전력 증폭기에 진입할 때 주 발진기의 신호 빔의 오정렬은 적어도 평판 도파관 (200)의 기본 모드 내에서 측정되는 동안 출력 빔(114)의 전체 전력을 감소시킨다. 불행히도, 주 발진기/전력 증폭기 빔라인 내의 오정렬은 시간이 지남에 따라 변할 수 있다. 제조 또는 설치 동안 구성 요소가 완벽하게 정렬되더라도, 동작 온도에서의 광학 마운트 및 구조(optical mounts and structures)의 상대적 슬립 모션 또는 변형(relative slip motion or deformation) 또는 필드에서의 충격 및 진동 컨디션으로 인한 것과 같은, 오정렬이 나중에 발생할 수 있다.
종래의 접근법은 전형적으로 고전력 출력 빔에서 포인팅 및 파면 에러(wavefront errors)를 보정하기 위해 출력 빔 경로에서 (전력 증폭기에 이어) 고전력 적응형 광학기를 사용한다. 그러나, 이러한 접근법은, 특히 평판 도파관의 더-민감한 고속 축에서의 주 발진기/전력 증폭기 빔라인에서, 광학 구성 요소의 오정렬을 보정할 수 없다.
본 개시에 따르면, AO 시스템(108)은 주 발진기(102)로부터의 신호 빔의 이중-축 수정을 제공한다. 이중-축 변형은 광학 센서(들)(116)에 의해 AO 제어기(118)에 제공된 피드백에 기초한다. AO 시스템(108)에 의한 신호 빔의 수정(modification)은 PWG 증폭기(104)의 평판 도파관(200) 내에 생성된 열적으로-유도된 수차를 보정하는 것에 도움이 된다. 예를 들어, PWG 증폭기(104)에 의해 생성된 위상 왜곡이 발생하면, 고전력 출력 빔(114)이 (이상적으로) 열적으로-유도된 왜곡이 실질적으로 없도록, 주 발진기(102)로부터의 신호 빔의 위상 프로파일은 AO 시스템(108)에 의해 사전-왜곡될 수 있다. 또한, AO 시스템(108)에 의한 신호 빔의 수정은 주 발진기/전력 증폭기 빔라인의 오정렬을 교정하는 것에 도움이 된다.
도 1에서, AO 시스템(108)은 하나 이상의 AO 소자(120-122)(이 예시에서는 2 개의 AO 소자)를 포함한다. 각각의 AO 소자(120-122)는 광학 신호를 수정하도록 구성된 구조를 나타낸다. 예를 들어, 각각의 AO 소자(120-122)는 저전력 가변 거울(low-power deformable mirror), 액정-기반 광학 위상 어레이(liquid crystal-based optical phased array)(OPA) 또는 다른 공간 광변조기(other spatial light modulator), 또는 스티어링 거울(steering mirror)을 나타낼 수 있다. AO 소자(120-122)는 주 발진기(102)와 PWG 증폭기(104) 사이에 위치되기 때문에, AO 소자(120-122)는 AO 소자가 PWG 증폭기(104) 이후에 배치되면 필요한 고전력 광학 디바이스들과 달리, 주 발진기의 신호 빔에서 동작하는 저전력 광학 디바이스이다.
하나 이상의 AO 소자(120-122)는 평판 도파관(200)의 고속-축 및 저속-축 방향 모두에서 주 발진기(102)로부터 신호 빔의 수정을 제공하도록 구성된다. 하나 이상의 AO 소자(120-122)는 예를 들어, PWG 증폭기(104)의 평판 도파관(200)에서 생성된 열적으로-유도된 수차를 보상하는 것에 도움이 되기 위해 저속-축 방향에서 주 발진기(102)로부터의 신호 빔을 수정할 수 있다. 또한 또는, 하나 이상의 AO 소자(120-122)는, 예를 들어 주 발진기/전력 증폭기 빔라인에서 오정렬을 보상하는 것에 도움이 되기 위해, 고속-축 방향에서 주 발진기(102)로부터의 신호 빔을 대안적으로 수정할 수 있다.
구현에 따라, 동일한 AO 소자(들)는 주 발진기(102)로부터의 신호 빔의 고속-축 및 저속-축 수정 모두에 대해 사용될 수 있거나, 상이한 AO 소자는 주 발진기(102)로부터의 신호 빔의 고속-축 및 저속-축 수정에 사용될 수 있다. 예를 들어, 각 AO 소자(120-122)는 AO 소자(120-122)의 축이 직교하는, 단일-축 제어를 제공할 수 있다. 하나의 AO 소자는 저속-축 방향에서만 빔 수정을 위해 사용될 수 있고, 다른 AO 소자는 고속-축 방향에서만 빔 수정을 위해 사용될 수 있다. 특정 예시로서, 제1 AO 소자(120)는 고속-축 방향에서만 신호 빔을 제어하고, 고차 보정(high-order correction) 없이 신호 빔을 스티어링(steer)할 수 있다. 제2 AO 소자(122)는 저속-축 방향에서만 신호 빔을 제어하고, 적응형 광학기 보정의 모든 공간 차수(spatial orders)(출력 센서의 분해능 및 액추에이터 간격(actuator spacing)에 의해 설정된 것과 같은 실제 한계까지)를 제공할 수 있다.
또한, 하나 또는 다중 AO 소자(120-122)는 주 발진기(102)로부터의 신호 빔의 고속-축 수정을 위해 사용될 수 있고, 하나 또는 다중 AO 소자(120-122)는 주 발진기(102)로부터의 신호 빔의 저속-축 수정을 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 다중 고속-축 위상 제어 소자 또는 다른 AO 소자(120-122)는 주 발진기(102)로부터의 신호 빔의 병진 및 각도 오정렬을 제어하는데 사용될 수 있다.
AO 제어기(118)는 광학 센서(들)(116)로부터의 측정치에 기초하여 하나 이상의 AO 소자(120-122)의 동작을 제어한다. 후술되는 일부 실시예에서, AO 제어기(118)는 (i) 파면 및/또는 원거리 센서 측정치(wavefront and/or far-field sensor measurements)에 기초하여 출력 빔(114)의 위상 프론트(phase front)의 형상을 결정하고, (ii) 하나 이상의 AO 소자(120-122)에 입력되는 제어 명령을 유도하여, 주 발진기(102)로부터의 신호 빔의 저속-축 보정을 야기하도록 동작한다. 이는 주 발진기의 신호 빔(208)의 위상 프론트를 사전-왜곡하고 출력 빔(114)의 파면 에러를 보정하는 것에 도움이 된다. 또한, AO 제어기(118)는 (ⅲ) 하나 이상의 AO 소자(120-122)에 입력되는 제어 명령을 유도하여, 출력 전력 측정치(output power measurements)에 기초하여 주 발진기(102)로부터의 신호 빔의 고속-축 보정을 야기하도록 동작한다. 이는 신호 빔이 PWG 증폭기(104)의 코어 영역에 진입할 때 주 발진기의 신호 빔(208)을 정렬하는 것에 도움이 된다. 특정 실시예에서, 출력 빔(114)의 전력을 최대화하고 그 피크 전력에서 출력 빔(114)을 유지하기 위하여, AO 제어기(118)는 힐-클라이밍 알고리즘(hill-climbing algorithm) 또는 다른 알고리즘을 사용하여 고속-축의 AO 소자(들)를 제어한다.
평판 도파관(200)의 고속-축 및 저속-축 방향이 직교이기 때문에, 하나의 축에서 주 발진기의 신호 빔을 수정하기 위한 제어는 다른 축에서 주 발진기의 신호 빔을 수정하기 위한 제어와 실질적으로 무관할 것으로 예상된다. 달리 말하면, 고속-축 방향에서의 신호 빔에 대한 변화가 신호 빔의 저속-축 특성에 영향을 미치지 않을 가능성이 있으며, 그 반대도 마찬가지이다. 그러나, 반드시 그럴 필요는 없고, 이러한 실시예에서 AO 제어기(118)는 고속-축과 저속-축 AO 제어 루프(fast-axis and slow-axis AO control loops) 사이의 경쟁을 줄이거나 회피하기 위한 조치를 취할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, AO 제어기(118)는 AO 제어 루프를 동작시켜 제어 루프가 상이한 주파수 또는 간격(intervals)에서 발생하도록 할 수 있으며, 예를 들어 오정렬을 위한 고속-축 제어가 빔 품질을 위한 저속-축 제어보다 훨씬 더 느리게(덜 빈번하게) 발생하는 것을 보장한다. 이는 더 느린 오정렬-보정 루프가 더 빠른 빔 품질-보정 루프(들)의 파면 보정을 손상시키는 것을 방지하는 데 도움이 될 수 있다. 다른 실시예에서, AO 제어 루프는 유사한 대역폭(주파수)에서 기능할 수 있고, 고속-축 보정의 결과로서 발생하는 저속-축 왜곡은 저속-축 보정에 사용되는 AO 제어 신호를 수정함으로써 알고리즘적으로 고려되고 보상될 수 있다.
도 1은 이중-축 AO 시스템(108)을 지원하기 위한 고전력 레이저 시스템(100)의 일 예시를 도시하지만, 도 1에 다양한 변경이 이루어질 수 있다. 예를 들어, 임의의 수의 각각의 구성 요소가 레이저 시스템(100)에 사용될 수 있다. 특정 예시로서, 단일 PWG 증폭기(104)보다는 일련의 PWG 증폭기(104)가 사용될 수 있다. 도 2는 고전력 레이저 시스템에서 사용하기 위한 평판 도파관(200)의 일 예시를 도시하지만, 도 2에 다양한 변경이 이루어질 수 있다. 예를 들어, 코어 영역(202)은 평판일 필요는 없고, 테이퍼 형상(tapered shape)을 가질 수 있고, 및/또는 클래딩 층(204a-204b)은 대칭일 필요는 없다.
도 3a 및 3b는 본 개시에 따른 이중-축 AO 시스템에서 사용하기 위한 예시적인 센서 배열(sensor arrangements)을 도시한다. 특히, 도 3a 및 도 3b는 도 1의 AO 시스템(108)의 광학 센서(들)(116)이 구현될 수 있는 예시적인 방법들을 도시한다. 그러나, 전술한 바와 같이, 다양한 개별 센서들 또는 센서들의 조합이 광학 센서(들)(116)로서 사용될 수 있으며, 도 3a 및 도 3b는 이러한 구현의 비-제한적 예시들일 뿐이다. 광학 센서(들)(116)의 다른 구현들이 또한 사용될 수 있다.
도 3a에 도시된 바와 같이, 고전력 출력 빔의 샘플은 빔 스플리터(112)로부터 수신되고, 빔 스플리터(302)는 샘플의 일부를 하나 이상의 센서(304-306)에 제공한다. 센서(304-306)는 샘플의 측정치를 생성하고, AO 제어기(118)에 측정치를 출력한다. 예를 들어, 센서(304)는 저속-축 파면(WF) 센서(slow-axis wavefront (WF) sensor) 및/또는 원거리 빔 품질 (BQ) 센서(far-field beam quality (BQ) sensor)를 나타낼 수 있고, 이는 PWG 증폭기(104)의 출력에 배치되고, AO 제어기(118)에 입력을 공급한다. AO 제어기(118)는 파면 및/또는 원거리 데이터를 처리하고, 하나 이상의 AO 소자(120-122)에게 주 발진기(102)로부터의 신호 빔을 저속-축 방향에서 수정하도록 명령한다. 예를 들어, 이것은 PWG 증폭기(104)의 평판 도파관(200)에서의 열적으로-유도된 수차를 보상하는 것에 도움이 될 수 있다. 일반적으로, 센서(304)는 출력 빔(114)의 위상 왜곡을 나타내는 임의의 적합한 특성을 측정할 수 있다.
센서(306)는 광학 전력 센서를 나타낼 수 있으며, 이는 또한 PWG 증폭기(104)의 출력에 배치되고 AO 제어기(118)에 별도의 입력을 제공할 수 있다. AO 제어기(118)는 광학 전력 데이터를 처리하고, 하나 이상의 AO소자(120-122)에게 주 발진기(102)로부터의 신호 빔을 고속-축 방향에서 수정하도록 명령한다. 예를 들어, 이는 주 발진기/전력 증폭기 빔라인의 오정렬을 보상하는 데 도움이 될 수 있다. 광학 전력 센서는 평판 도파관(200)의 기본 모드에서 총 광학 전력 또는 광학 전력을 측정할 수 있다. 일반적으로, 센서(306)는 출력 빔(114)의 출력 전력을 나타내는 임의의 적합한 특성을 측정할 수 있다.
도시된 바와 같이, 센서(304-306)는 상이한 AO 제어 루프에 대해 상이한 측정치를 제공한다. 이는 고속-축 및 저속-축 제어 루프가 고전력 출력 빔(114)의 상이한 메트릭스(metrics)에 기초하도록 한다. 이 구성에서, 제어 신호가 직교하기 때문에, 이것은 상이한 AO 디바이스가 유사한 대역폭에서 동작될 수 있게 한다.
도 3b는 센서(304)의 일 특정 구현을 도시한다. 전술한 바와 같이, 빔 스플리터(302)는 고전력 출력 빔(114)의 샘플의 일부를 센서(304)에 제공한다. 이 예시에서, 센서(304)는 파면 센서 (WFS)(wavefront sensor (WFS))(308) 및/또는 전력-인-더-버킷 (PIB) 센서(power-in-the-bucket (PIB) sensor) 또는 선형 어레이 센서(linear array sensor)(310)를 사용하여 구현된다. 둘다 사용될 때, 추가 빔 스플리터(312)는 고전력 출력 빔(114)의 샘플을 센서들(308-310)에 대한 다중 샘플 신호들로 나누는데 사용될 수 있다. 릴레이 광학기(314)는 샘플 신호들 중 하나를 센서(308) 상으로 포커싱(focus) 또는 재 포맷팅(reformat)하는데 사용될 수 있다. 릴레이 광학기(316)는 (선형 어레이가 사용되는 경우) 센서(310) 상으로 직접, 또는 (PIB 센서가 사용되는 경우) 슬릿 구조(slit structure)(318) 상으로 다른 샘플 신호를 포커싱 또는 재 포맷팅하는데 사용될 수 있다.
파면 센서(308)는 PWG 증폭기(104)의 저속 축을 가로 지르는 고전력 출력 빔(114)의 샘플에서의 위상 왜곡을 감지하도록 구성된다. 파면 센서(308)는 파면 데이터를 AO 제어기(118)에 출력하며, 이는 주 발진기(102)로부터의 신호 빔을 사전-왜곡하는 방법을 결정할 때 파면 데이터를 사용한다. 파면 센서(308)는 위상 왜곡을 측정하기 위한 임의의 적합한 구조(들)를 포함한다. 특정 예시로서, 파면 센서(308)는 선형 원기둥 렌즈 어레이(linear cylindrical lens array) 및 1D 반도체 광검출기 어레이(1D semiconductor photodetector array)를 구비한 1차원 (1D) 샤크-하트만 센서(one-dimensiondimensional (1D) Shack-Hartman sensor)를 포함할 수 있다. 샤크-하트만 센서는 일반적으로 렌즈 어레이를 사용하여 빔 프로파일을 가로 질러 여러 위치에서 왜곡된 위상 프론트(distorted phase front)의 기울기(tilt)를 측정하여 빔 개구(beam aperture)를 다중 서브-개구(sub-apertures)로 나누고(break), 광검출기는 서브-개구의 초점 포인트(focus points)에 위치되어 초점 스폿(focal spots)의 변위를 측정하고 따라서 서브-개구 기울기를 유도한다. 다른 기술들 및 디바이스들이 간섭계 및 위상 다이버시티 수신기들(phase diversity receivers)과 같은 위상 프론트 감지를 위해 사용될 수 있다. 광학기(314)는 PWG 증폭기(104)의 출구 개구를 파면 센서(308) 상에 재 이미징(reimage)하는데 사용될 수 있다. 광학기(314)는 광학 신호를 포커싱 또는 재 포맷팅하기 위한 임의의 적합한 광학 디바이스(들)를 포함한다.
센서(310)는 PIB 센서로서 구현될 때, 슬릿 구조(318)를 통해 출력 빔(114)의 샘플의 일부를 획득함으로써, 높은 빔 품질의 빔 프로파일의 부분의 일부분만이 수신되는 것을 보장하는데 도움이 된다. 이 부분은 "버킷에서의 전력(power in the bucket)" (PIB)를 측정하는도록 PIB 센서(310)에 의해 측정되며, 이는 고전력 출력 빔(114)의 원거리 빔 품질 측정치를 나타낸다. PIB 센서(310)는 단일 광검출기 또는 광검출기의 그룹과 같은 원거리 빔 품질 측정치를 캡처하기 위한 임의의 적합한 구조(들)를 포함한다. 광학기(316)는 고전력 출력 빔(114)의 샘플을 슬릿 구조(318) 상에 포커싱하기 위해 사용될 수 있다. 광학기(316)는 광학 신호를 포커싱 또는 재 포맷팅하기 위한 임의의 적합한 광학 디바이스(들)를 포함한다. 슬릿 구조(318)는 광이 통과할 수 있는 슬릿을 한정하는 임의의 적합한 구조를 포함한다.
선형 어레이로서 구현되는 경우 센서(310)는 PWG 증폭기(104)의 출력에서 원거리 빔 프로파일을 측정할 수 있는 이미징 센서들의 어레이를 나타낸다. 따라서, 선형 어레이는 PWG 증폭기(104)의 저속 출구에서의 PWG 증폭기의 출구 빔 프로파일을 측정하는데 사용될 수 있다. 선형 어레이는 광학 빔 또는 그 일부를 이미징하기 위한 임의의 적합한 구조(들)를 나타낸다.
다양한 알고리즘이 AO 제어기(118)에 의해 사용되어 파면, PIB 또는 선형 어레이 측정치를 처리하고 주 발진기의 신호 빔의 저속-축 수정을 위한 제어 신호를 생성할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, AO 제어기(118)는 파면 센서 데이터를 사용하여 고속, 고 대역폭, 저 공간 차수 보정(fast, high bandwidth, low spatial order correction)을 제공한다. 특정 실시예에서, 이는 파면 데이터를 르장드르 또는 체비셰프 다항식(Legendre or Chebyschev polynomials)과 같은 1D 직교 다항식으로 분해하고(decomposing), 1D 가변 거울 또는 다른 적응형 광학기에 대한 액추에이터 명령(actuator commands)을 직접적으로 유도하기 위해 저-차수 항(low-order terms)에 매트릭스 곱셈 프로세스(matrix multiplication process)를 적용함으로써 수행될 수 있다. 또한, AO 제어기(118)는 PIB 또는 어레이 측정을 사용하여 저속, 저 대역폭, 더 정확한 고 공간 차수 보정(slow, low bandwidth, more accurate high spatial order correction)을 제공할 수 있다. 특정 실시예에서, 이것은 위상 왜곡의 시간 변화(temporal evolution)가 정상-상태(steady-state)로 변화함에 따라 원거리 빔 품질을 향상시키기 위해 (가능하면 시행 착오 방식(trial and error fashion)으로) 다항식 항에 상이한 가중치를 연속적으로 적용함으로써 수행될 수 있다.
일부 실시예에서, AO 제어기(118)는 미국 특허 번호 8,787,768 (이는 본 명세서에 참고로 인용됨)에 설명된 사전-왜곡 접근법을 사용할 수 있다. 이들 기술은 1D 다항식 분해에 기초한 상술한 알고리즘의 성능을 향상시키기 위하여 공간 파형(spatial waveforms)에 적용될 수 있다. 또한, 이들 기술은 주 발진기(102)가 처음 턴온(turns on)되고, PWG 증폭기(104)가 고 이득으로 램핑(ramped)된 후 짧은 과도 기간(brief transient period) 동안 사전-왜곡 프로세스를 "킥 스타트(kick start)"하는 메커니즘을 포함한다. 부가적으로, 알고리즘 또는 룩-업 테이블(look-up table)은, 예를 들어 레이저 시스템(100)의 하나의 맞물림(engagement)의 끝과 후속 맞물림의 시작 사이의 PWG 레이징 매체(PWG lasing medium)의 결정론적 열 변화(deterministic thermal changes)로 인해 발생하는 파형의 변화를 수용하는 데 사용될 수 있다. 특정 실시예에서, 알고리즘 계산 또는 룩-업 테이블의 결과들은 전술한 직교 다항식에 적용되는 계수들 및/또는 스케일링 파라미터들(set of coefficients and/or scaling parameters)의 세트를 포함할 수 있다.
또한, AO 제어기(118)는 PWG 증폭기(104)의 출력에서 개선된 파면 보정을 위해 사전-왜곡 신호를 조정하도록 하나 이상의 역 전파 알고리즘(back-propagation algorithms)의 사용을 지원할 수 있다. 이 기능을 지원하기 위해, AO 제어기(118)는 적어도 하나의 웨이브 광학 전파 모델(wave optics propagation model)을 포함할 수 있으며, 이는 광이 PWG 증폭기(104) 및 레이저 시스템(100)의 다른 구성 요소 내에서 어떻게 왜곡될 수 있는지를 수학적으로 나타낸다. AO 제어기(118)는 파면 센서(308)로부터의 측정치를 사용하여 출력 빔(114)의 왜곡된 파면을 식별할 수 있다. AO 제어기(118)는 PWG 증폭기(104)의 출력측에서 측정된 왜곡된 파면을 AO 소자(120-122) 중 하나 이상이 위치되는 광학 평면으로 "역 전파(back propagate)"시키기 위한 모델(들)을 사용할 수 있다. AO 제어기(118)는 AO 소자(120-122) 중 하나 이상이 어떻게 주 발진기의 신호 빔을 사전-왜곡해야 하는지를 결정할 때 이 정보를 사용한다.
임의의 적합한 모델은 PWG 증폭기(104) 및 레이저 시스템(100)에 사용된 다른 구성 요소에 기초하여 생성될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, PWG 증폭기(104)에 의해 생성된 위상 왜곡은 PWG 증폭기(104)의 길이를 따라 고르게 분포된다고 가정된다. 역 전파 프로세스는 파면 센서(308)의 개구에서 시작한다. 각도, 웨이브렛(wavelet) 또는 다른 디지털 전파 루틴(other digital propagation routines)은 시스템(100)에서의 하나의 위치로부터 다음 위치로의 진폭 및 위상 프론트의 변화를 계산하는데 사용될 수 있다. 빔의 가장자리 근처에서 앨리어싱(aliasing)을 피하기 위해 전파 위상 프론트를 나타내기에 충분히 큰 어레이 크기를 사용하는 데 주의를 기울여야 할 수 있다. 다른 실시예에서, 위상 왜곡은 PWG 증폭기(104)를 통한 광학 경로를 따라 불균일하게 모델링될 수 있다. 예를 들어, 진폭 및 위상 프론트의 변화의 계산은 PWG 증폭기(104)에서 열 구배(thermal gradients)가 가장 높은 영역들 및/또는 PWG 증폭기(104)의 종단(ends) 근처와 같은 열적 왜곡이 가장 큰 곳에서 더 밀접하게 그룹화된 위치에 대해 발생할 수 있다. 가장 큰 열적 왜곡의 영역은, 실제 동작 동안 PWG 증폭기(104)의 열화를 사용하거나, 다른 열 분석 기술을 사용하여, 특정 광학 펌핑 및 레이저 전력 추출 조건 하에 PWG 증폭기(104)의 유한 소자 열적 분석(finite element thermal analysis)과 같은 임의의 적합한 방식으로 식별될 수 있다.
도 3a 및 도 3b는 이중-축 AO 시스템(108)에서 사용하기 위한 센서 배열의 예시들을 도시하지만, 도 3a 및 도 3b에 대한 다양한 변경이 이루어질 수 있다. 예를 들어, 상술한 바와 같이, 단일 센서(2차원 카메라와 같은)는 다중 축을 따라 센서 측정치를 캡쳐하도록 사용될 수 있다. 또한, 파면 센서(308) 및 PIB/선형 어레이 센서(310) (및 이들의 관련 구성 요소들) 모두가 도 3b의 피드백 루프에서 사용된다. 그러나, 파면 측정치 또는 단지 PIB/선형 어레이 측정치만을 사용하는 것이 가능하며, 이 경우 다른 측정치를 위한 구성 요소는 생략될 수 있고, 빔 스플리터(312)는 생략되거나 또는 거울과 같은 다른 광학 디바이스(들)로 대체될 수 있다.
도 4는 본 개시에 따른 이중-축 AO 시스템에서 사용하기 위한 일 예시의 AO 제어기(118)를 도시한다. 도 4에 도시된 바와 같이, AO 제어기(118)는 버스 시스템(bus system)(402)를 포함하며, 이는 적어도 하나의 처리 디바이스(processing device)(404), 적어도 하나의 저장 디바이스(storage device)(406), 적어도 하나의 통신 유닛(communications unit)(408), 및 적어도 하나의 입력/출력 장치 (input/output; I/O) 유닛(410) 사이의 통신을 지원한다.
처리 디바이스(404)는 메모리(412)에 로딩될 수 있는 명령어(instructions)를 실행한다. 명령어는 저속-축 및 고속-축 적응형 광 제어 계산과 같은, AO 제어기(118)의 임의의 적합한 기능을 지원할 수 있다. 처리 디바이스(404)는 임의의 적합한 배열로 프로세서 또는 다른 컴퓨팅 디바이스의 임의의 적합한 수 및 유형을 포함할 수 있다. 예시적인 처리 디바이스(404)의 유형은 마이크로 프로세서, 마이크로 제어기, 디지털 신호 프로세서, 필드 프로그램 가능 게이트 어레이, 주문형 집적 회로, 및 개별 회로를 포함한다.
메모리(412) 및 영구 저장소(persistent storage)(414)는 저장 디바이스(406)의 예시들이며, 이는 (데이터, 프로그램 코드, 및/또는 일시적 또는 영구적 베이시스(temporary or permanent basis)의 다른 적합한 정보와 같은) 정보의 검색을 저장하고 용이하게 할 수 있는 임의의 구조(들)를 나타낸다. 메모리(412)는 랜덤 액세스 메모리 또는 임의의 다른 적합한 휘발성 또는 비-휘발성 저장 디바이스(들)를 나타낼 수 있다. 영구 저장소(414)는 판독 전용 메모리, 하드 드라이브, 플래시 메모리, 또는 광학 디스크와 같은 데이터의 장기 저장을 지원하는 하나 이상의 구성 요소 또는 디바이스를 포함할 수 있다.
통신 유닛(408)은 다른 시스템 또는 디바이스와의 통신을 지원한다. 예를 들어, 통신 유닛(408)은 네트워크 인터페이스 카드(network interface card) 또는 센서(304-306) 및 AO 소자(120-122)와의 통신을 용이하게 하는 무선 송수신기를 포함할 수 있다. 통신 유닛(408)은 임의의 적합한 물리적 또는 무선 통신 링크(들)를 통한 통신을 지원할 수 있다.
I/O 유닛(410)은 데이터의 입력 및 출력을 허용한다. 예를 들어, I/O 유닛(410)은 키보드, 마우스, 키패드, 터치스크린, 또는 다른 적절한 입력 디바이스를 통한 사용자 입력을 위한 커넥션(connection)을 제공할 수 있다. I/O 유닛(410)은 또한 출력을 디스플레이, 프린터 또는 다른 적합한 출력 디바이스에 전송할 수 있다.
도 4는 이중-축 AO 시스템(108)에서 사용하기 위한 AO 제어기(118)의 일 예시를 도시하지만, 도 4에 다양한 변경이 이루어질 수 있다. 예를 들어, 도 4의 다양한 구성 요소들은 결합되거나, 더 세분되거나, 또는 생략 및 추가 구성 요소가 특정 요구에 따라 추가될 수 있다. 또한, 컴퓨팅 디바이스(computing devices)는 다양한 구성으로 될 수 있으며, 도 4는 임의의 특정 레이저 제어기에 대한 본 개시를 제한하지 않는다.
도 5는 본 개시에 따른 고전력 레이저 시스템에서의 이중-축 AO 보정을 위한 일 예시의 방법(500)을 도시한다. 설명을 용이하게 하기 위해, 방법(500)은 도 1의 레이저 시스템(100)에서 동작하는 AO 시스템(108)에 관하여 설명된다. 그러나, 방법(500)은 임의의 적합한 디바이스(들) 및 임의의 적합한 시스템(들)에 의해 사용될 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 신호 빔은 단계(502)에서 주 발진기를 사용하여 생성되고, 신호 빔은 단계(504)에서 고전력 출력 빔을 생성하기 위해 PWG 증폭기를 사용하여 증폭된다. 이것은 예를 들어 원하는 파형을 갖는 저전력 신호 빔을 생성하는 주 발진기(102)를 포함할 수 있다. 이것은 또한 고전력 출력 빔(114)을 생성하기 위해 (예를 들어, 레이저 다이오드의 하나 이상의 어레이로부터의) 펌프 전력을 사용하여 더 낮은-전력 신호 빔을 증폭시키는 PWG 증폭기(104)를 포함할 수 있다.
고전력 출력 빔의 샘플의 특성은 단계(506)에서 측정되고, 단계(508)에서 AO 제어기에 의해 획득된다. 이것은 예를 들어, 파면, 전력-인-더-버킷, 선형 어레이, 또는 고전력 출력 빔(114)의 샘플의 출력 전력 측정치를 캡쳐하는 광학 센서(들)을 포함할 수 있다. 이것은 또한 AO 제어기(118)에 측정치를 제공하는 광학 센서(들)(116)를 포함할 수 있다.
AO 제어기는 단계(510)에서 주 발진기의 신호 빔의 하나 이상의 저속-축 특성 및 하나 이상의 고속-축 특성을 조정하는 방법을 결정한다. 예를 들어, 이는 주 발진기의 신호 빔의 하나 이상의 저속-축 특성을 조정하는 방법을 결정하기 위해 광학 센서(들)(116)로부터 파면, 전력-인-더-버킷, 또는 선형 어레이 측정치를 사용하는 AO 제어기(118)를 포함할 수 있다. 특정 예시로서, AO 제어기(118)는 하나 이상의 AO 소자가 주 발진기의 신호 빔의 위상 프로파일을 어떻게 사전-왜곡할 수 있는지를 결정하기 위해 파면, 전력-인-더-버킷 또는 선형 어레이 측정치를 사용할 수 있다. 이것은 또한 주 발진기의 신호 빔의 하나 이상의 고속-축 특성을 조정하는 방법을 결정하기 위해 출력 전력 측정치를 사용하는 AO 제어기(118)를 포함할 수 있다. 특정 예시로서, AO 제어기(118)는 출력 빔(114)에 포함된 전력을 증가시키거나 최대화하기 위하여 하나 이상의 AO 소자가 주 발진기의 신호 빔을 PWG 증폭기 코어와 정렬시키는 방법을 결정하기 위해 출력 전력 측정치를 사용할 수 있다.
단계(512)에서, 하나 이상의 제어 신호는 생성되어 하나 이상의 AO 소자에 제공되고, 단계(514)에서, 하나 이상의 AO 소자는 제어 신호에 기초하여 주 발진기의 신호 빔의 고속-축 및 저속-축 특성(들)을 조정한다. 예를 들어, 주 발진기/전력 증폭기 빔라인의 오정렬을 감소시키거나 제거하기 위해 고속-축 보정을 제공하는 (소자(120)와 같은) AO 소자들 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 이것은 또한 출력 빔(114)의 위상 왜곡을 감소시키거나 제거하기 위해 저속-축 보정을 제공하는 (소자(122)와 같은) AO 소자 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상술한 바와 같이, 단일 AO 소자를 사용하여 보정의 두 형태 모두를 제공하거나, 다중 AO 소자를 사용하여 보정의 각 형태를 제공할 수 있다.
전술한 바와 같이, AO 제어기(118)에 의해 이루어진 고속-축 및 저속-축 계산은 다양한 방식으로 발생할 수 있음을 주목한다. 예를 들어, 오정렬을 위한 고속-축 계산은 빔 품질을 위한 저속-축 계산보다 훨씬 느리게 또는 덜 빈번하게 발생할 수 있다. 다른 예시로서, 고속-축 및 저속-축 제어 루프는 유사한 대역폭에서 동작할 수 있고, 저속-축 보정 신호는 오정렬 보정으로부터 발생하는 파면 변화를 설명하기 위해 알고리즘적으로 보정될 수 있다.
도 5는 고전력 레이저 시스템에서 이중-축 AO 보정을 위한 방법(500)의 일 예시를 도시하지만, 다양한 변경이 도 5에 이루어질 수 있다. 예를 들어, 일련의 단계로서 도시되어 있지만, 도 5에서의 다양한 단계는 중첩되거나, 병렬로 발생하거나, 다른 순서로 발생하거나, 임의의 횟수로 발생할 수 있다. 특정 예시로서, 단계(506-514)는 단계(502-504)가 수행되는 동안 반복적으로 또는 연속적으로 발생할 수 있다.
상기 논의에서, AO 시스템(108)의 AO 소자(120-122)는 저전력 광학 경로에서 열 및 각도 보정을 제공하는 것으로 통상적으로 설명된다. 그러나, AO 시스템(108)의 AO 소자(120-122)는 왜곡의 다른 소스(other sources of distortion)를 보정하는 데에도 사용될 수 있다. 예를 들어, 저속-축 보정을 제공하는 하나 이상의 AO 소자(120-122)는 저속-축 빔 라인에서 광학적 및 열적 수차의 조합을 보정할 수 있다.
전술한 바와 같은 고전력 레이저 시스템은 다수의 군용 및 상업용 애플리케이션에 사용될 수 있다. 다음의 논의는 다양한 상업적 애플리케이션에 대한 설명을 제공한다. 그러나, 다음의 논의는 임의의 특정 애플리케이션에 대한 본 개시를 제한하지 않는다.
고전력 레이저 시스템은 드릴링(drilling), 마이닝(mining) 또는 코어링(coring) 작업과 같은 상업용 마이닝 애플리케이션에 사용될 수 있다. 예를 들어, 고전력 레이저 시스템은 드릴 비트(drill bits)를 사용하여 어스 베드(earth bed)를 통해 드릴링하기 전에 어스 베드를 부드럽게 하거나 약화시키는 데 사용할 수 있다. 이는 드릴 비트 변경을 적게하고 수명이 연장되고 드릴 비트의 신뢰성을 높이게 한다. 여기에서는, 레이저 시스템의 출력 창으로부터 고전력 레이저 빔의 자유-공간 전파(free-space propagation)가 사용되어, 종래의 파이버 레이저에 비해 더 먼 거리에서 더 깊이 관통할 수 있다.
고전력 및 하이-빔 품질의 레이저 시스템(High-power and high-beam quality laser systems)은 또한 산업 또는 다른 자동화 설정과 같은 원격 레이저 용접, 절단, 드릴링 또는 열처리 작업에 사용할 수 있다. 고전력 및 하이-빔 품질의 레이저 시스템을 사용하면 레이저 시스템으로부터 더 큰 동작 거리에서 더 두꺼운 재료를 처리하면서 열 영향을 최소화하고 수직 또는 다른 절단 라인을 유지할 수 있다. 무엇보다도, 이것은 용접 또는 절단 사이트와의 근접이 어렵거나 위험한 용접 또는 절단 작업을 지원하는 데 도움이 된다. 또한, 레이저 시스템 및 가능한 모든 작업자를 연기, 파편 또는 다른 유해한 물질로부터 보호하는 데 도움이 된다.
고전력 레이저 시스템은 건설 및 철거 작업에 더욱 사용할 수 있다. 예시 동작은 금속 표면 처리(metal resurfacing) 또는 슬래그 제거(deslagging), 페인트 제거 및 산업 철거 작업을 포함할 수 있다. 고전력 레이저 시스템은 종래의 동작에 비해 훨씬 빠르고 안전하게 재료를 제거하는 데 사용될 수 있다. 이 기능의 특정 예시로서, 고전력 레이저 시스템을 사용하여 원자로 또는 다른 위험한 구조물의 철거를 지원하는데 사용될 수 있다. 여기서, 고전력 레이저 시스템은 오염된 콘크리트 또는 핵 격납 용기 또는 장거리의 원자로와 같은 오염된 구조물을 절단하는 데 사용될 수 있다. 이것은 워터 제트 절단(water jet cutting) 또는 오염된 물과 같은 유해 폐기물을 생성하는 다른 기술의 사용을 방지하는 데 도움이 된다. 또한, 작업자는 오염된 구조물이 철거될 때까지 더 멀리 떨어져 있을 수 있기 때문에 향상된 안전성을 제공한다.
다수의 추가적인 애플리케이션이 가능하다. 예를 들어, 고전력 레이저 시스템은, 고전력 레이저 빔이 원격 디바이스의 광전지(태양 전지)를 대상으로 재충전될 수 있는, 전력 빔 애플리케이션에서 사용될 수 있다. 고전력 레이저 시스템은, 레이저 시스템이 유해 재료를 덜 유해하거나 유해하지 않은 재료로 가열 및 분해하는데 사용되는, 유해 재료 (hazardous material; HAZMAT) 애플리케이션(applications)에서 사용될 수 있다.
이 특허 문헌 전체에 걸쳐 사용된 특정 단어 및 어구의 정의를 설명하는 것이 유리할 수 있다. "통신하다(communicate)"란 용어뿐만 아니라 그 파생어는 직접적인 및 간접적인 의사 소통을 포함한다. "포함하다(include)" 및 "포함하다(comprise)"라는 용어뿐만 아니라 그 파생어는 제한없이 포함을 의미한다. "또는(or)"이라는 용어는 포괄적이며, 및/또는을 의미한다. "~와 관련된(associated with)"이라는 어구뿐만 아니라 그 파생어는 포함하는(include), ~내에 포함되는(be included within), ~와 상호 연결하는(interconnect with), 포함하는(contain), ~내에 포함되는(be contained within), ~와 또는 ~에 연결하는(connect to or with), ~와 또는 ~에 연결하는(couple to or with), 전달할 수 있는(be communicable with), ~와 협력하는(cooperate with), 인터리브하는(interleave), 병치하는(juxtapose), ~에 근접한(be proximate to), ~와 또는 ~에 바인딩되는(be bound to or with), 갖는(have), ~의 속성을 갖는(have a property of), ~와 또는 ~에 관계를 갖는(have a relationship to or with), 등을 의미할 수 있다. "~ 중 적어도 하나(at least one of)"라는 어구는 항목 목록과 함께 사용될 때 나열된 항목 중 하나 이상의 상이한 조합이 사용될 수 있으며, 목록의 한 항목만 필요할 수 있음을 의미한다. 예를 들어 "A, B 및 C 중 적어도 하나"에는 A, B, C, A 및 B, A 및 C, B 및 C, 그리고 A 및 B 및 C의 조합 중 어느 하나를 포함한다.
본 특허 문헌의 설명은 임의의 특정 요소, 단계 또는 기능이 청구 범위에 포함되어야 하는 필수 또는 중요한 요소임을 암시하는 것으로 해석되어서는 안된다. 또한, 어떠한 청구항도 특정 청구항에 "~을 위한 수단" 또는 "~을 위한 단계"라는 정확한 단어가 명시적으로 사용되고, 그 뒤에 기능을 식별하는 원리 어구가 따르는 경우를 제외하고는 첨부된 청구 범위 또는 청구항 요소 중 어느 하나와 관련하여 35 U.S.C. §112(f)을 적용하는 것으로 의도되지 않는다. 청구항 내에서 "메커니즘", "모듈", "장치", "유닛", "구성 요소", "소자", "멤버(member)", "머신(machine)", "시스템", "프로세서", "처리 디바이스" 또는 "제어기"는 청구항 자체의 특징에 의해 추가로 수정되거나 강화된 것으로 당업자에게 알려진 구조를 의미하는 것으로 이해되고 의도되며, 35 U.S.C. § 112(f)를 적용하는 것으로 의도되지 않는다.
본 개시가 특정 실시예 및 일반적으로 관련된 방법을 설명하였지만, 이들 실시예 및 방법의 변경 및 치환은 당업자에게 명백할 것이다. 따라서, 예시적인 실시예들의 상기 설명은 본 개시를 한정하거나 제한하지 않는다. 또한, 다음의 청구항에 의해 정의되는 바와 같이, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 변경, 대체 및 변형이 가능하다.

Claims (23)

  1. 저전력 광학 빔을 생성하도록 구성된 주 발진기;
    상기 저전력 광학 빔을 사용하여 고전력 광학 빔을 생성하도록 구성된 평판 도파관(PWG) 증폭기 - 상기 PWG 증폭기는 저속-축 방향에 더 큰 차원 및 고속-축 방향에 더 작은 차원을 갖음 -;
    상기 저속-축 방향을 따라 상기 저전력 광학 빔을 수정하고, 상기 고속-축 방향을 따라 상기 저전력 광학 빔을 수정하도록 구성된 적어도 하나의 적응형 광(AO) 소자; 및
    상기 적어도 하나의 AO 소자를 제어하도록 구성된 피드백 루프
    를 포함하는,
    시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 AO 소자는,
    상기 PWG 증폭기에 의해 생성된 열-기반 왜곡(thermal-based distortions)을 보상하기 위하여, 상기 저속-축 방향을 따라 상기 저전력 광학 빔을 수정하도록 구성되고,
    상기 적어도 하나의 AO 소자는,
    상기 주 발진기 및 상기 PWG 증폭기와 관련된 광학 오정렬(optical misalignment)을 보상하기 위하여, 상기 고속-축 방향을 따라 상기 저전력 광학 빔을 수정하도록 구성되는
    시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 피드백 루프는,
    상기 고전력 광학 빔의 샘플의 다중 특성에 대한 측정치를 생성하도록 구성된 하나 이상의 센서; 및
    상기 측정치에 기초하여 적어도 하나의 AO 소자를 제어하도록 구성된 제어기
    를 포함하는,
    시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 피드백 루프는,
    상기 저속-축 방향을 따라 상기 저전력 광학 빔의 수정을 제어하도록 구성된 제1 제어 루프 및 상기 고속-축 방향을 따라 상기 저전력 광학 빔의 수정을 제어하도록 구성된 제2 제어 루프
    를 포함하고,
    상기 제1 및 제2 제어 루프는,
    상기 샘플의 상이한 특성의 측정치를 사용하도록 구성되는
    시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 제어 루프는,
    상이한 주파수 또는 간격에서 동작하도록 구성되는
    시스템.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 제어 루프는,
    유사한 주파수에서 동작하도록 구성되고,
    상기 제1 제어 루프는,
    상기 제2 제어 루프에 의해 야기되는 상기 저전력 광학 빔에 대한 변화를 고려하도록 구성되는
    시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    다중 AO 소자는,
    상기 주 발진기 및 상기 PWG 증폭기와 관련된 병진 및 각도 오정렬을 보정하도록 구성되는
    시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    각각의 AO 소자는,
    가변 거울, 액정-기반 광학 위상 어레이, 공간 광변조기 및 스티어링 거울 중 하나를 포함하는
    시스템.
  9. 주 발진기를 사용하여 저전력 광학 빔을 생성하는 단계;
    평판 도파관 (PWG) 증폭기를 사용하여 고전력 광학 빔을 생성하도록 상기 저전력 광학 빔을 증폭하는 단계 - 상기 PWG 증폭기는 저속-축 방향에 더 큰 차원 및 고속-축 방향에 더 작은 차원을 갖음 -;
    적어도 하나의 적응형 광(AO) 소자를 사용하여, 상기 고속-축 방향을 따라 및 상기 저속-축 방향을 따라 상기 저전력 광학 빔을 수정하는 단계; 및
    피드백 루프를 사용하여 상기 적어도 하나의 AO 소자를 제어하는 단계
    를 포함하는 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 저전력 광학 빔을 수정하는 단계는,
    상기 PWG 증폭기에 의해 생성된 열-기반 왜곡을 보상하기 위하여, 상기 저속-축 방향을 따라 상기 저전력 광학 빔을 수정하는 단계; 및
    상기 주 발진기 및 상기 PWG 증폭기와 관련된 광학 오정렬을 보상하기 위하여, 상기 고속-축 방향을 따라 상기 저전력 광학 빔을 수정하는 단계
    를 포함하는,
    방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 피드백 루프를 사용하여 상기 적어도 하나의 AO 소자를 제어하는 단계는,
    하나 이상의 센서로부터 상기 고전력 광학 빔의 샘플의 다중 특성의 측정치를 획득하는 단계; 및
    상기 측정치에 기초하여 적어도 하나의 AO 소자를 제어하는 단계
    를 포함하는,
    방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 피드백 루프는,
    상기 저속-축 방향을 따라 상기 저전력 광학 빔의 수정을 제어하는 제1 제어 루프 및 상기 고속-축 방향을 따라 상기 저전력 광학 빔의 수정을 제어하는 제2 제어 루프
    를 포함하고,
    상기 제1 및 제2 제어 루프는,
    상기 샘플의 상이한 특성의 측정치를 사용하는
    방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 제어 루프는,
    상이한 주파수 또는 간격에서 동작하는
    방법.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 제어 루프는,
    유사한 주파수에서 동작하고,
    상기 제1 제어 루프는,
    상기 제2 제어 루프에 의해 야기되는 상기 저전력 광학 빔에 대한 변화를 고려하는
    방법.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 제1 제어 루프는,
    파면 센서 측정치, 전력-인-더-버킷 센서 측정치, 및 선형 어레이 센서 측정치 중 적어도 하나에 기초하여 상기 저속-축 방향을 따라 상기 저전력 광학 빔의 수정을 제어하고,
    상기 제2 제어 루프는,
    출력 전력 센서 측정치에 기초하여 상기 고속-축 방향을 따라 상기 저전력 광학 빔의 수정을 제어하는
    방법.
  16. 제11항에 있어서,
    상기 하나 이상의 센서는 2차원 카메라를 포함하고,
    상기 카메라의 하나의 차원은 상기 저속-축 방향에 대응하고,
    상기 카메라의 직교 차원은 고속-축 방향에 대응하는
    방법.
  17. 제11항에 있어서,
    다중 AO 소자는,
    상기 주 발진기 및 상기 PWG 증폭기와 관련된 병진 및 각도 오정렬을 보정하도록 구성되는
    방법.
  18. 주 발진기에 의해 생성된 저전력 광학 빔을 사용하여 평판 도파관 (PWG) 증폭기에 의해 생성된 고전력 광학 빔의 샘플의 측정치를 수신하도록 구성된 적어도 하나의 인터페이스 - 상기 PWG 증폭기는 저속-축 방향에 더 큰 차원 및 고속-축 방향에 더 작은 차원을 갖음 -; 및
    상기 고속-축 방향을 따라 및 상기 저속-축 방향을 따라 상기 저전력 광학 빔을 수정하도록 적어도 하나의 적응형 광(AO) 소자를 제어하도록 구성된 적어도 하나의 처리 디바이스
    를 포함하는 장치.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 처리 디바이스는,
    상기 적어도 하나의 AO 소자를 제어하도록 구성되어,
    상기 PWG 증폭기에 의해 생성된 열-기반 왜곡을 보상하기 위하여, 상기 저속-축 방향을 따라 상기 저전력 광학 빔을 수정하고,
    상기 주 발진기 및 상기 PWG 증폭기와 관련된 광학 오정렬을 보상하기 위하여, 상기 고속-축 방향을 따라 상기 저전력 광학 빔을 수정하는
    장치.
  20. 제18항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 처리 디바이스는,
    상기 저속-축 방향을 따라 상기 저전력 광학 빔의 수정을 제어하는 제1 제어 루프의 일부 및 상기 고속-축 방향을 따라 상기 저전력 광학 빔의 수정을 제어하는 제2 제어 루프의 일부를 형성하도록 구성되고,
    상기 적어도 하나의 처리 디바이스는,
    상기 상이한 제어 루프에 대한 상기 샘플의 상이한 특성의 측정치를 사용하도록 구성되는
    장치.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 제어 루프는,
    상이한 주파수 또는 간격에서 동작하도록 구성되는
    장치.
  22. 제20항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 제어 루프는,
    유사한 주파수에서 동작하도록 구성되고,
    상기 제1 제어 루프는,
    상기 제2 제어 루프에 의해 야기되는 상기 저전력 광학 빔에 대한 변화를 고려하도록 구성되는
    장치.
  23. 제18항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 처리 디바이스는,
    상기 저속-축 방향을 따라 상기 저전력 광학 빔을 수정하도록 하나 이상의 제1 AO 소자를 제어하고,
    상기 고속-축 방향을 따라 상기 저전력 광학 빔을 수정하도록 하나 이상의 제2 AO 소자를 제어하도록 구성되는
    장치.
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