KR20190034203A - 단광 펄스 또는 극단광 펄스를 생성하기 위한 시스템 - Google Patents

단광 펄스 또는 극단광 펄스를 생성하기 위한 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 단광 펄스 또는 극단광 펄스를 생성하는 시스템에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 상기 시스템은, 시간적인 연속-파동 광 방사(20)를 방출하도록 구성된 광원(2)과, 5와 100 GHz 사이의 통과 대역에서 조절가능한 주파수에서 동작하도록 구성되고 그리고 10 ps와 100 ps 사이의 지속시간의 적어도 하나의 전기 펄스를 포함하는 아날로그 변조 전기 신호(50)를 방출하도록 구성된 전력 생성기(5), 및 상기 아날로그 변조 전기 신호(50)를 수신할 수 있는 전기 통과 대역과 전극들을 구비한 전기-광학 변조기(4)를 포함한다. 상기 전기-광학 변조기(4)는 상기 아날로그 변조 전기 신호에 의존하여 상기 연속-파동 광 방사를 광학적으로 진폭변조하도록 구성되고 그리고 10 ps와 100 ps 사이의 지속시간의 적어도 하나의 광 펄스를 포함하는 변조된 광 방사(40)를 생성하도록 구성된다.

Description

단광 펄스 또는 극단광 펄스를 생성하기 위한 시스템
본 발명은, 일반적으로, 광 펄스 생성 시스템들 및 레이저들의 분야에 관한 것이다.
본 발명은, 보다 상세하게는, 단광 펄스 또는 극단광 펄스(short or ultra-short light pulses)을 생성하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것으로, 이들 광 펄스들은 레이트(rate) 또는 반복(repetition) 주파수가 조절가능하다.
본 발명은, 특히, 또한, 지속시간(duration) 및/또는 파장이 더욱 조절가능한 극단광 펄스들을 생성하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.
단광 펄스 내지 극단광 펄스를 사용하여, 과학, 산업 또는 의학 분야에서 많은 애플리케이션이 제공된다. 본 명세서에서, 단광 펄스는, 수 피코 초와 수 피코 초 사이의 지속시간(duration)을 갖는 광 펄스를 의미한다. 극단광 펄스는, 대략 1 펨토 초(fs)와 대략 10 피코 초(ps) 사이의 지속시간을 갖는 광 펄스를 의미한다. 본 명세서에서, 반복 주파수들 및 레이트의 용어들은 동등하게 사용된다.
광섬유 레이저들이 오늘날, 단광 펄스 또는 극단광 펄스를 생성하는 데에 통상적으로 사용된다. 특히, 희토류 원소들, 특히 이터븀으로 도핑된 광섬유들은, 일반적으로 대략 1 ㎛(일반적으로 976 내지 1200 nm)의 적외선 범위에서 넓은 이득 대역을 갖는다. 넓은-이득-대역의 도핑된 광섬유와 능동 또는 수동 모드 로킹(active or passive mode locking) 디바이스를 조합함으로써, 단(ps) 또는 극단(fs) 광 펄스들을 생성할 수 있게 된다. 또한, 이들 도핑된 광섬유들은 일반적으로 고이득이다. 이러한 고이득은, 이러한 광섬유 레이저의 동작을 손상시키지 않으면서, 필터들과 같은 광학 요소들을 도입할 수 있게 한다.
광섬유 레이저 시스템들은 소형화 및 집적화의 장점들이 있다. 또한, 이중-클래드 및 대형-코어 광섬유들의 개발은 고-평균-전력(high-mean-power) 및/또는 고-에너지 광 펄스들을 생성할 수 있게 했다. 이제, 광섬유 레이저 시스템들은 다이오드-펌핑된 고체(solid-state) 레이저들에 대응하는 중요한 경쟁 상대들이다.
실제로, 대형의(massive) 크리스탈들에 기초한 광학 발진기들은, 특히, 얇은 디스크 레이저 기술을 사용하여 펨토 초 레짐(regime)에 있어서 수 줄(joule)의 펄스 에너지에 도달하도록, 높은 평균 전력들을 실제로 보여줄 수 있었다.
하지만, 이들 고체 레이저 시스템들의 구조들은 매우 복잡하다. 이들 크리스탈 레이저 시스템들은 외부 환경의 변화에 민감하다는 단점이 있다. 이들 단점들은 고체 레이저들을 산업용 디바이스들에 통합하는 데에 장해가 된다.
비록, 광섬유 레이저들이 고체 레이저에 대해 특정의 장점들이 있을지라도, 그들은 여전히 많은 단점들이 있다. 광섬유 레이저에서, 광 펄스들은 광섬유의 작은 부피(volume)에 공간적으로 갇힌다. 이러한 갇힘으로 인해, 광 펄스들은 모드-록된(mode-locked) 광섬유 레이저의 에너지(또는, 최대 전력)를 제한하기 쉬운 비선형 광학 효과들의 소스일 수 있다. 한편, 광섬유에서의 색 분산(chromatic dispersion)은, 특히 파장-조절가능 레이저들에 대해, 기능 장애들(dysfunctions)을 일으킬 수도 있다.
그럼에도 불구하고, 광섬유 레이저들은, 광 펄스 파장들과 광 펄스 지속시간들 또는 에너지들 둘 다의 관점으로부터 매우 넓은 범위를 포괄한다. 하지만, 실제로, 이러한 광대한 선택은, 상당한 수의 서로 다른 광섬유 레이저 아키텍처들을 구현함으로써만이 이용 가능하다.
일반적으로, 공진하는 레이저 캐비티(cavity)에서의 모드 로킹 프로세스는, 극단광 펄스들(fs 또는 ps)을 생성하기 위해 선택된 메커니즘이다. 이러한 모드 로킹 프로세스는 여전히 복잡한데, 그 이유는 캐비티에서 발진하는 상당한 수의 길이방향(longitudinal) 모드들이 위상 정렬되어야 하기 때문이다.
이러한 목적을 위해, 서로 다른 능동 또는 수동 모드 로킹 기술들이 존재한다.
능동 모드 로킹은 음향-광학 또는 전기-광학 변조기를 레이저 캐비티에 배치하는 것과 시간에 따라 캐비티의 손실들을 능동적으로 변조하는 것으로 구성된다. 능동 모드 로킹은 광학 변조기를 제어하기 위해 외부 전기 공급기의 사용이 필요하다. 또한, 능동 모드 로킹에 의해 생성된 펄스들의 지속시간은 수십 또는 수백 피코 초 정도(order)이다.
수동 모드 로킹은 외부 광학 변조기를 사용하지 않고도 펄스들을 생성하기 위해서, 비선형 광학 효과들의 이용하는 것에 있다. 세기에 따른 손실 변동(포화 가능한 흡수 효과)에 기초한 몇 가지 방법들, 예를 들어, 비선형 반도체 미러들(SESAM), 비선형 광 루프 미러들(NOLM), 비선형 증폭 루프 미러들(NALM) 또는 비선형 편광 회전(RNLP)이 이용된다. 이들 비선형 광학 기술들은 정밀한 조건들에서 동작한다.
하지만, 이들 비선형 광학 방법들을, 파장, 펄스-지속시간 및/또는 반복-주파수 조절가능 레이저 시스템들에서 사용하기는 쉽지 않다.
실제로, SESAM 기술은 다양한 요소들을 설계하고 만들 수 있게 하는데, 이 요소들의 동작은 이터븀 이온의 방출 스펙트럼의 각각의 파장들에 개별적으로 적용되지만, 단지 수십 나노미터로 본질적으로 제한된 스펙트럼 대역에 적용된다. 따라서, 확장된 파장 조절가능 범위에 걸쳐 단지 하나의 SESAM만 사용하는 것은 가능하지 않다.
이것은 NALM 기술에 대해서도 동일한데, NALM 기술의 동작은 이득과 캐비티의 총 분산에 기초한다. 또한, 모드 로킹을 획득하기 위한 자유도가 극도로 감소되고 이러한 기술의 높은 숙련도가 필요하다.
마지막으로, RNLP는 위상 플레이트들과 같은 자유-공간 광학 성분들을 사용한다. 이들 광학 성분들은 광섬유 기술에서 사용할 수 없고, 그것의 사용은 섬유 밖의 자유 공간으로 빔을 전파하는 것을 수반한다. 따라서, 이 기술로는 완전히-섬유화된 레이저 광원들을 만들 수 없다. 또한, 열적 또는 기계적 효과에 의한 광섬유 복굴절의 변동은 모드 로킹을 저하시킨다. 따라서, 안정적인 펄스 트레인을 다시 획득하기 위해 위상 플레이트들의 방향이 자주 조정되어야 한다.
또한, 이들 시스템들은 반복 레이트들 및 전달된 펄스들의 지속시간에 있어서는 본질적으로 고정되어 있다. 실제로, 펄스 지속시간과 반복 레이트는 레이저 캐비티의 특성들, 특히 레이저 캐비티의 길이에 의해 주어진다.
따라서, 단광 펄스 또는 극단광 펄스를 생성하기 위한 시스템 및 방법에 대한 요구가 있는데, 이들 광 펄스들은 넓은 주파수 범위에 걸쳐 반복 주파수가 조절가능하다.
또한, 단광 펄스 또는 극단광 펄스를 생성하기 위한 시스템 및 방법에 대한 요구가 있는데, 이들 광 펄스들은 넓은 시간 범위 및/또는 넓은 스펙트럼 범위에 걸친 지속시간이 조절가능하다.
종래 기술의 전술한 단점을 개선하기 위해, 본 발명은 단광 펄스 또는 극단광 펄스를 생성하기 위한 시스템을 제안한다.
특히, 시간적으로 연속적인 광 방사를 방출하도록 구성된 광원; 적어도 최대 1 기가헤르츠까지 확장된 대역폭에 걸쳐 조절가능한 주파수에서 동작하도록 구성된 그리고 1 피코 초와 수 나노 초 사이의 지속기간의 적어도 하나의 전기 펄스를 포함하는 아날로그 전기 변조 신호를 방출하도록 구성된 전력 생성기; 상기 아날로그 전기 변조 신호를 수신하기 위한 전기 대역폭을 갖는 전기 또는 전기-광학 변조 수단 - 상기 전기-광학 변조 수단은, 상기 아날로그 전기 변조 신호에 따라 상기 광 방사를 진폭에서 변조하도록 구성되고 그리고 10 ps와 수 나노 초 사이의 지속시간의 적어도 하나의 광 펄스를 포함하는 변조된 광 방사를 생성하도록 구성됨 - 을 포함하는, 본 발명에 따른 시스템이 제안된다.
바람직하게, 전력 생성기의 대역폭은 연속에서 5 GHz 또는 심지어 100 GHz까지 확장된다.
이 시스템은, 공진하는 레이저 캐비티와 모드 로킹을 사용하지 않기 때문에, 단광 펄스 또는 극단광 펄스 광원들의 분야에서 기술적인 돌파구를 보여준다. 이러한 광 펄스 생성 시스템은 소형화, 사용 용이성 및 작동 범위에서 많은 장점들이 있다. 그것은, 광 펄스 지속 시간, 반복 속도 및/또는 파장이 쉽게 조절가능하다.
개별적으로 또는 기술적으로 가능한 모든 조합들에 따라 취득된, 본 발명에 따른 단광 펄스 또는 극단광 펄스를 생성하기 위한 시스템의 다른 비제한적이고 유리한 특징들은 다음과 같다:
- 상기 전력 생성기는, 10 ps와 수 나노 초 사이의 지속시간의 적어도 하나의 전기 펄스를 포함하는 상기 아날로그 전기 변조 신호를 방출하도록 구성되고, 그리고 상기 광원은 전극들을 구비한 레이저 다이오드를 포함하고, 상기 변조 수단은 상기 아날로그 전기 변조 신호를 상기 레이저 다이오드의 상기 전극들에 인가하도록 구성된다.
- 상기 전력 생성기는, 적어도 최대 10 기가헤르츠까지 확장된 대역폭에 걸쳐 조절가능한 주파수에서 동작하도록 구성되고 그리고 10 ps와 50 pa 사이의 지속시간의 상기 적어도 하나의 전기 펄스를 포함하는 상기 아날로그 전기 변조 신호를 방출하도록 구성되고, 그리고 상기 레이저 다이오드가 적어도 최대 10 기기헤르츠까지 확장된 레이트에서 10 ps와 50 ps 사이의 지속시간의 적어도 하나의 광 펄스를 포함하는 상기 변조된 광 방사를 생성하도록, 상기 레이저 다이오드가 이득 스위칭된다.
특정의 및 유리한 실시예에 따르면, 상기 광원은 시간적으로 연속적인 광 방사를 방출하도록 조정되고, 상기 전력 생성기는, 1 기가헤르츠와 100 기가헤르츠 사이의 대역폭에 걸쳐 조절가능한 주파수에서 동작하도록 구성되고 그리고 10 ps와 100 ps 사이의 지속시간의 상기 적어도 하나의 전기 펄스를 포함하는 상기 아날로그 전기 변조 신호를 방출하도록 구성되고, 상기 시스템은, 전극들 및 상기 아날로그 전기 변조 신호를 수신하도록 조정된 전기 대역폭을 구비한 전기-광학 변조기를 더 포함하고, 상기 전기-광학 변조기는 상기 연속 광 방사를 상기 아날로그 전기 변조 신호의 함수로서 진폭에서 광학적으로 변조하도록 구성되고 그리고 10 피코 초와 100 피코 초 사이의 지속시간의 상기 적어도 하나의 광 펄스를 포함하는 변조된 광 방사를 생성하도록 구성된다.
다른 특정의 및 유리한 형태에 따르면:
- 상기 전력 생성기는, 10 kHz와 20 GHz 사이의 주파수 범위에 걸쳐 조절가능한 레이트에서 10 ps와 10 ns 사이의 지속시간의 전기 펄스 트레인을 포함하는 상기 아날로그 전기 변조 신호를 방출하도록 구성되고, 그리고 상기 전기-광학 변조기는, 상기 연속 광 방사를 상기 아날로그 전기 변조 신호의 함수로서 변조하도록 구성되고 그리고 10 ps와 10 ns 사이의 지속시간의 광 펄스들 - 상기 광 펄스들은 상기 조절가능한 레이트를 가짐 - 의 트레인을 포함하는 변조된 광 방사를 생성하도록 구성된다.
- 상기 시스템은, 10 피코 초와 100 피코 초 사이의 지속시간의 상기 적어도 하나의 광 펄스를 수신하도록 구성되고 그리고 1 피코 초 이하의 압축된 광 펄스를 생성하도록 구성된 광학 펄스 압축 디바이스를 더 포함한다.
- 상기 시스템은, 상기 광원과 상기 압축기 사이에 배치된 적어도 하나의 광학 디바이스를 더 포함하고, 상기 광학 디바이스는 스펙트럼 분산 광학 디바이스, 편광 광학 디바이스, 자기-위상 변조 비선형 광학 디바이스 및/또는 커르-효과 비선형 광학 디바이스 중에서 선택된다.
- 상기 광원은 단색성 또는 다색성 연속 광 방사를 방출하도록 구성된다.
- 상기 시스템은, 상기 연속적인 광 방사의 파장을 조절하기 위한 디바이스를 포함한다.
- 상기 광원은, 레이저 다이오드 또는, 에르븀, 이터븀, 툴륨 또는 네오디뮴 도핑된 광섬유 레이저 광원 중에서 선택되는 희토류-도핑된 광섬유 레이저 소스를 포함한다.
- 상기 시스템은, 상기 변조된 광 방사를 수신하도록 구성되고 그리고 증폭된 펄스 광 방사를 생성하도록 구성된 광학 증폭 디바이스를 포함한다.
- 상기 시스템은, 상기 전기 또는 전기-광학 변조 수단의 상기 출구에 배치되고 상기 변조된 광 방사의 일부분을 픽-업하도록 구성된 광학 커플러, 적어도 최대 1 기가헤르츠까지 확장된 대역폭에서 상기 변조된 광 방사의 상기 일부분의 세기를 측정하도록 구성된 검출 시스템, 및 바이어스 신호를 상기 측정된 세기의 함수로서 상기 변조 신호에 인가하도록 배치된 피드백 루프를 포함한다.
- 상기 시스템은, 상기 변조된 광 방사를 수신하도록 배치되고 그리고 확장된 변조된 광 빔을 분석할 소정의 구역으로 지향시키도록 배치된 빔-확장 광학 시스템, 및 상기 구역의 이미지를 형성하도록 구성된 이미지 검출 시스템을 한다.
본 발명은 또한 다음의 단계들을 포함하는 단광 펄스 또는 극단광 펄스를 생성하기 위한 방법을 제안한다.
- 예를 들면 시간적으로 연속적인 광 방사를 방출하는 단계;
- 10 kHz와 20 GHz 사이의 마이크로파 대역폭을 갖는 아날로그 전기 변조 신호를 생성하는 단계 - 상기 아날로그 전기 변조 신호는 10 ps와 100 ps 사이의 지속시간의 적어도 하나의 전기 펄스를 포함함 -;
- 상기 아날로그 전기 변조 신호를 전기-광학 변조기 또는 레이저 다이오드의 전극들에 인가하는 단계 - 상기 전기-광학 변조기 또는 상기 레이저 다이오드는 상기 광 방사를 상기 아날로그 전기 변조 신호의 함수로서 진폭에서 광학적으로 변조하도록 구성되고 그리고 10 ps와 100 ps 사이의 지속시간의 적어도 하나의 광 펄스를 포함하는 변조된 광 방사를 생성하도록 구성됨 -.
상기 방법의 유리한 변형예에서, 상기 레이저 다이오드가 적어도 최대 10 기가헤르츠까지 확장된 레이트에서 10 ps와 50 ps 사이의 지속시간의 적어도 하나의 광 펄스를 포함하는 상기 변조된 광 방사를 생성하도록, 상기 레이저 다이오드가 이득 스위칭된다.
비제한적인 예시들로서 제공된 첨부 도면들과 관련한 다음의 설명은, 본 발명이 무엇으로 구성되는지 그리고 그것이 어떻게 구현될 수 있는지가 잘 이해되게 할 것이다.
도 1은 일 실시예에 따른 단광 펄스 또는 극단광 펄스를 생성하기 위한 시스템을 개략적으로 보여준다.
도 2는 전기 펄스를 포함하는 아날로그 전기 변조 신호의 예를 도시하는데, 이 아날로그 전기 변조 신호는 전력 생성기에 의해 생성된다.
도 3은 도 2의 아날로그 전기 변조 신호가 인가되는 전기-광학 변조기의 출구에서 생성된 변조된 광 방사의 예를 도시한다.
도 4는 도 3의 변조된 광 방사의 압축 후에 획득된 극단광 펄스의 예를 보여준다.
도 5는 피드백 루프를 갖는 광 펄스 생성 시스템의 변형예를 개략적으로 보여준다.
도 6은 하나 또는 수 개의 펄스 증폭, 분산 및/또는 압축 디바이스들을 사용한 광 펄스 생성 시스템의 다른 변형예들을 개략적으로 보여준다.
도 7은 비선형 편광 회전 디바이스를 개략적으로 보여준다.
도 8은 넓은 스펙트럼 범위에 걸쳐 파장이 조절가능한 광 펄스들을 생성하는 예를 보여준다.
디바이스
도 1에는 광원(2), 전력 생성기(5), 제어 유닛(6) 및 전기-광학 변조기(4)를 포함하는 광 펄스들(100)을 생성하기 위한 시스템(1)이 도시되어 있다. 변형예에서, 광 펄스 생성 시스템(1)은 광 펄스 분산 모듈(7) 및/또는 압축 모듈(8)을 더 포함한다. 도 1에서, 전기 신호들은 단순 실선으로 표시되고, 광 빔들은 이중 실선으로 표시된다.
광원(2)은 시간적으로 연속하는(temporally continuous) 광 방사(20)를 방출한다. 광원(2)은 예를 들어 바람직하게는 광섬유 출구(fibred exit)를 갖는 레이저 소스를 포함한다. 특히 바람직하게는, 광원(2)은 파장-조절가능 단색(monochromatic) 광 방사(20)를 방출한다. 바람직하게는, 광원(2)은 횡행 단일-모드(ransverse single-mode) TM00 광 방사를 생성한다.
예시적인 실시예로서, 광원(2)은, 수 나노미터에 걸쳐 레이저 다이오드의 온도의 함수로서 조정될 수 있는 소정의 파장에서 광 방사(20)를 방출하는 레이저 다이오드를 포함한다. 또 하나의 예에서, 광원(2)은 예를 들어 광 발진기 및 파장-조절가능 필터를 포함한다. 광원(2)은 예를 들어 희토류-도핑된 광섬유 레이저 소스를 포함한다. 따라서, 예를 들어, 이터븀-도핑된 광섬유 레이저 소스는 974 nm에서 1200 nm까지 확장되는 이터븀의 방출 스펙트럼 범위에 걸쳐 파장이 연속적으로 조절가능하다. 이러한 조절가능함(tunability)은, 레이저 캐비티에 분별 요소(discriminating element)(예를 들어, 필터, 편광 요소 또는 기타)를 삽입하여 원하지 않는 파장들에서 손실을 일으킴으로써 얻어질 수 있다. 또 하나의 예에서, 에르븀-도핑된 광섬유 레이저 소스는 대략 1.5 ㎛의 에르븀 방출의 스펙트럼 범위에 걸쳐서 연속적으로 조절가능하다. 다른 또 하나의 예에 따르면, 툴륨-도핑된 광섬유 레이저 소스는 대략 2 마이크로미터(㎛)의 툴륨 방출의 스펙트럼 범위에 걸쳐서 연속적으로 조절가능하다. 유사하게, 네오디뮴-도핑된 광섬유 레이저 소스는 대략 900 nm의 방출 파장의 스펙트럼 범위에 걸쳐 파장이 연속적으로 조절가능하다. 희토류-도핑된 광섬유 레이저 소스들은 수백 밀리와트의 전력을 갖는 시간적으로 연속적인 광 방사(20)를 방출하고, 그리고 그것은 가시광 및/또는 근적외선 도메인의 수십 내지 수백 nm의 넓은 스펙트럼 범위에 걸쳐 파장이 조절가능하다.
대안으로서, 광원(2)은 수백 나노미터에 걸쳐 확장되는 스펙트럼 범위의 수 개의 불연속(discrete) 파장들을 포함하는 다색 광 방사(20)를 방출한다(각각의 불연속 파장은 10 kHz 내지 300 GHz 정도(order)의 스펙트럼 폭을 가짐).
시간적으로 연속하는 광 방사(20)는 전기-광학 변조기(4)의 입구(entry)에 주입된다. 전기-광학 변조기(4)는 바람직하게는 마하-젠더(Mach-Zehnder) 유형의 진폭 변조기이다. 10 GHz에서 20 GHz까지 또는 5 GHz에서 100 GHz까지 확장되는 전자적 대역폭을 갖는 전기-광학 변조기(4)가 선택된다. 예를 들어, 마하-젠더 전기-광학 변조기(4)는, 광학 도파관 및 전극들을 포함하는 광학 집적 회로 변조기이다. 바람직하게는, 전기-광학 변조기(4)는 적어도 하나의 광섬유 입구와 하나의 광섬유 출구를 포함한다. 마하-젠더 전기-광학 변조기(4)의 전극들은 전력 생성기(5)에 연결된다.
전력 생성기(5)는 제어 유닛에 의해 생성된 외부 아날로그 제어 신호(60)를 수신하고, 전기-광학 변조기(4)의 전극들에 아날로그 전기 변조 신호(50)를 인가한다. 이하에서 더 상세히 설명될 변형예에서, 아날로그 전기 변조 신호(50)는 소스 레이저 다이오드(2)의 전극들 상에 직접 인가된다.
보다 정확하게, 전력 생성기(5)는 10 ps와 10 ns 사이의 지속시간의 적어도 하나의 전기 펄스를 포함하는 아날로그 전기 변조 신호(50)를 생성하도록 구성된 고속 전자 기판을 포함한다. 바람직하게는, 이 전기 펄스는 전기-광학 변조기(4)를 제어하도록 조정된, 2 V와 4 V 사이의 진폭을 갖는다. 비제한적인 예로서, 전자 기판은 28 Gbps - 32 Gbps 또는 100 Gbps 도메인에서 동작하는 디지털 마이크로파 전자 성분들을 포함한다. 이러한 마이크로파 전자 성분들은 저-진폭 고속 통신 신호용 논리 전자기기에서 사용되지만 아날로그 신호들을 제공하는 데에는 적합하지 않다. 비제한적인 예로서, 서로에 대해 반전되고 전자 지연 라인에 의해 연결된 2 개의 논리 게이트들이, 10 ps와 10 ns 사이의 지속시간의 아날로그 전기 펄스를 생성하는 데에 사용된다. 전자 지연 라인은 아날로그 전기 펄스의 지속시간을 결정한다. 유리한 실시예에서, 전자 지연 라인은, 10 ps와 10 ns 사이의 조절가능한 지속시간의 아날로그 전기 펄스를 생성하기 위해, 조절가능한 지연 유형이다. 하지만, 마이크로파 논리 전자 성분들은 마하-젠더 유형의 전기-광학 변조기를 직접 제어하는 것은 허용하지 않는다. 실제로, 이러한 변조기는, 수 볼트의 스위칭 전압들을 필요로 한다. 넓은 대역폭(약 20 GHz)의 연산 증폭기 시스템은, 수 kHz에서 적어도 5 GHz까지, 바람직하게는 10 GHz, 20 GHz 또는 심지어 100 GHz까지 확장되는 대역폭에 걸쳐 예를 들어 대략 2 V와 4 V 사이의 진폭을 갖는 아날로그 전기 변조 신호를 생성할 수 있게 한다
바람직하게는, 아날로그 전기 변조 신호(50)는 예를 들어 50 kHz에서 적어도 5 GHz까지의 조절가능한 반복 주파수를 갖는 주기 신호이다. 따라서, 전력 생성기(5)는 50 kHz에서 적어도 5 GHz까지의 조절가능한 레이트를 갖는 전기 펄스 트레인을 생성한다. 전기 펄스 트레인은 10 ps와 10 ns 사이의 고정된 지속시간 또는 조절가능한 지속시간의 전기 펄스들을 포함할 수 있다.
예를 들어, 컴퓨터 또는 클록(6)은, 수 kHz에서 수 GHz 또는 심지어 수십 GHz까지 확장되는 주파수 도메인에서 시간적으로 변조된 아날로그 전기 변조 신호(50)를 생성하도록, 아날로그 제어 신호(60)를 전술한 바와 같은 마이크로파 전자 기판으로 전송한다.
이러한 전력 생성기(5)에서는, 아날로그 전기 펄스, 또는 50 kHz에서 적어도 5 GHz, 10 GHz, 20 GHz 또는 심지어 50 GHz까지의 조절가능한 레이트를 가지면서 조절가능한 지속시간(10 ps - 10 ns)의 아날로그 전기 펄스들(2 - 4 V)의 트레인을 포함하는 아날로그 전기 변조 신호(50)가 요구에 따라 생성될 수 있다. 또한, 이러한 전력 생성기(5)는 전력 소비가 적고 원가를 통제할 수 있다는 장점이 있다.
도 2는 전술한 바와 같이 전력 생성기(5)의 출구에 배치된 증폭기의 출구에서의 아날로그 전기 변조 신호(50)의 예를 도시한다. 전력 생성기(5)는 200 MHz의 주파수(fin)의 제어 신호(60)를 수신하고, 진폭이 -0.5 V와 0 V 사이에서 변동하는 아날로그 전기 신호를 생성한다. 하지만, 광자 응용물(photonic application)들에서, 아날로그 전기 변조 신호(50)의 특성들을 정확하게 제어하는 것이 중요하다. 특히, 아날로그 전기 변조 신호(50)의 콘트라스트, 즉, 전기 펄스의 피크 레벨과 외란들(disturbances)의 레벨 사이의 비율이 우수해야 한다. 도 2의 삽입부분에는 아날로그 전기 변조 신호(50)가 로그 스케일로 도시되어 있다. 바운스들(bounces)의 진폭은 4 %보다 낮게 유지되어, 마하-젠더 유형의 전기-광학 변조기에 매우 적합하다는 것을 알 수 있다.
이 아날로그 전기 변조 신호(50)는, 단일 아날로그 전기 펄스 및/또는 10 kHz에서 적어도 5 GHz까지, 또는 심지어 20 GHz 또는 50 GHz까지의 반복 주파수의 아날로그 전기 펄스들의 주기적인 트레인을 전달할 수 있다.
광 펄스들의 생성은, 전술한 바와 같이, 10 ps와 10 ns 사이의 지속시간의 전기 펄스들을 전달하는 전력 생성기(5), 및 광대역 전기-광학 변조기(4)에 의해 만들어진다.
아날로그 전기 변조 신호(50)는 전기-광학 변조기(4)의 전극들 사이에 인가된다. 전기-광학 변조기(4)는 시간적으로 연속적인 광 방사(20)를 수신하고 이 광 방사(20)의 진폭을 아날로그 전기 변조 신호의 함수로서 변조하여 변조된 광 방사(40)를 생성한다. 전기-광학 변조기(4)는 적어도 최대 5 GHz까지, 예를 들어 10 GHz, 20 GHz 또는 100 GHz까지 확장되는 전자 대역폭을 갖는다. 아날로그 전기 변조 신호(50)는 10 ps와 10 ns 사이의 지속시간의 적어도 하나의 아날로그 전기 펄스를 포함한다. 따라서, 아날로그 전기 변조 신호(50)는 10 ps와 10 ns 사이의 지속시간의 적어도 하나의 광 펄스를 포함하는 변조된 광 방사(40)를 유도한다. 환언하면, 전기-광학 변조기(4)는 광학적으로 아날로그 전기 변조 신호(50)를 10 ps와 10 ns 사이의 지속시간의 적어도 하나의 광 펄스를 포함하는 변조된 광 방사(40)로 변환한다.
도 3은 도 2의 아날로그 전기 변조 신호가 인가되는 전기-광학 변조기(4)의 출구에서의 변조된 광 방사(40)의 세기 측정의 예를 도시한다. 높은 콘트라스트와 대략 25 ps의 지속시간을 가지며, 인가된 전기 펄스와 지속시간이 동일한 광 펄스가 관측된다. 따라서, 전기-광학 변조기(4)는 직접 100 ps보다 낮은 지속시간의 광 펄스를 생성한다.
따라서, 전기-광학 변조기(4)는 10 ps와 10 ns 사이의 지속시간의 단일 광 펄스 또는 10 kHz에서 5 GHz, 20 GHz 또는 심지어 50 GHz까지가 될 수 있는 반복 주파수의 광 펄스 트레인을 아날로그 전기 변조 신호(50)의 함수로서 전달할 수 있다.
따라서, 전술한 바와 같이 광원(2), 전력 생성기(5) 및 전기-광학 변조기(4)로 구성된 시스템은, 광원(2)의 연속적인 광 방사를 시간적으로 커트(cut)할 수 있게 하여, 매우 높은 신호-잡음비와 잘 제어된 시간적 형상(temporal shape)을 갖는 피코 초 광 펄스들을 만든다. 이러한 광 펄스들은 안정된 진폭을 가지면서 조정가능한 레이트를 가질 수 있다.
먼저, 이 시스템은 넓은 범위의 지속시간들에서 광 펄스들의 지속시간을 쉽게 전자적으로 조정할 수 있게 한다. 그 후, 이러한 시스템은 불안정성을 일으키지 않으면서도 넓은 주파수 범위에서 광 펄스들의 반복 주파수를 쉽게 전자적으로 조정할 수 있게 한다. 따라서, 이 시스템은 높은 반복 주파수 도메인에 도달할 수 있게 한다. 또한, 이 시스템은, 종래의 광 펄스 선택 디바이스(또는, 펄스-피커)로는 도달하기 어려운, 낮은 반복 주파수 도메인에 도달할 수 있게 한다.
특히 바람직하게는, 광 펄스 생성 시스템은 압축기(8), 예를 들어 회절 격자들 및/또는 프리즘에 기초한 종래의 스펙트럼 압축기를 더 포함한다. 압축기(8)는, 서로 다른 스펙트럼 성분들 사이의 위상 관계를 갖는 스펙트럼을 생성하기 위해서, 10 ps와 100 ps 사이의 지속시간의 미리 처핑된 또는 형상화된(previously chirped or shaped) 광 펄스를 펨토 초 지속시간 즉, 1 ps보다 낮은 광 펄스로 시간적으로 압축할 수 있게 한다. 따라서, 펨토 초 소스가 만들어지며, 이것은 작고, 지속시간, 레이트 및/또는 파장이 쉽게 조절가능하다.
도 4는 도 1에 개략적으로 도시되고 그리고 압축기(8)를 포함하는 시스템의 출구에서 시간적으로 압축된 광 펄스의 측정을 도시한다. 압축기는, 도 3에 도시된 바와 같이, 50 ps 정도(order)의 지속시간의 광 펄스를 수신하여, 극단광 펄스(100)를 생성한다. 도 4는, 광 펄스(100)의 시간 프로파일의 가우시안(Gaussian) 조정 곡선을 보여준다. 여기서, 자동-상관기(auto-correlator) 지속시간의 대략 460 fs와 동일한, 즉 실제 지속시간으로 대략 326 fs인, 광 펄스의 지속시간이 결정된다.
변형예에 따르면, 전력 생성기(5)는, 예를 들어 전류를 공급하기 위한 전극들을 갖는 신호 레이저 다이오드와 같은 광원(2)의 전극들에 직접 전기 펄스들을 인가한다. 이 변형예에서는, 전기-광학 변조기(4)가 생략된다. 이러한 방식으로, 다이오드는 50 ps와 수 ns 사이의 지속시간을 가지며 0에서 1 GHz까지의 범위에 포함되는 레이트를 갖는 광 펄스들을 포함하는 변조된 광 방사(40)를 출력으로서 직접 생성한다. 펄스 지속시간을 줄이기 위해서는, 신호 다이오드가 0과 10 GHz 사이의 레이트에서 5와 50 ps 사이의 지속시간의 광 펄스들을 획득하기 위해, 전기 제어 펄스들을 그것의 전극들에 직접 인가함으로써 이득스위칭될 수 있다. 대안으로서, 레이저 다이오드의 전극들에 인가되는 전류의 진폭은 0과 10 GHz 사이의 레이트에서 5와 50 ps 사이의 지속시간의 광 펄스들을 직접 생성하도록 변조된다.
도 5와 관련하여 기술된 특정 양태에 따르면, 시스템은 변조된 광 방사의 신호-잡음비를 제어하기 위한 피드백 루프를 더 포함한다. 광 커플러(19)는 전기-광학 변조기의 출구에 배치되고, 변조된 광 방사(40)의 작은 일부(예를 들어, 1 %)를 픽-업(pick-up)하도록 구성된다. 검출 시스템(9)은 최대 수십 기가헤르츠까지의 대역폭에서 변조된 광 방사의 일부의 세기를 측정하도록 구성된다. 마이크로파 전자 기판은 이러한 측정치를 분석할 수 있게 하고, 바이어스 신호를 변조된 광 신호(40)의 콘트라스트, 예를 들어 신호-잡음비 또는 소멸(extinction) 레벨의 측정치로서 생성할 수 있게 한다. 따라서, 아날로그 전자 피드백 신호는 전기-광학 변조기(4)에 대한 바이어스 전압을 바이어스 신호의 함수로서 인가할 수 있게 한다. 이 피드백 디바이스는 전기-광학 변조기에 인가되는 전압을 예를 들어 변조된 광 빔의 소멸의 함수로서 적용할 수 있게 한다. 이 피드백 디바이스는 펄스 지속시간과 레이트의 전체 범위에 걸쳐 전기-광학 변조기(4)가 우수한 신호-잡음비와 높은 콘트라스트를 유지할 수 있게 한다.
도 6과 관련하여 기술된 특정 실시예에서, 단광 펄스 또는 극단광 펄스를 생성하기 위한 시스템은 전기-광학 변조기(4)의 출구에 배치된 광학 증폭 디바이스를 더 포함한다. 광학 증폭 디바이스는 하나의 광학 증폭기 또는 직렬로 배열된 수 개의 광학 증폭기들을 포함하여 변조된 광 방사(40)를 수신하여 증폭된 펄스 광 방사를 생성한다. 예를 들어, 광학 증폭 디바이스는 제1 광학 전치증폭기(10), 또 하나의 광학 전치증폭기(11) 및 광학 전력 증폭기(12)를 포함한다. 도핑된 광섬유들(Yb, Er, Th 및/또는 Nd) 및/또는 크리스탈 및/또는 도핑된-유리 증폭기들(예를 들어, Yb:YLF, Yb:YAG, Yb:CALGO, Yb:CaF2, Yb:LUAG, Nd:YAG 또는 Er:YAG 또는 Ho:YAG)에 기초한 광학 증폭기들이 예시적으로 사용된다. 서로 다른 증폭 스테이지들 사이에는, 서로간에 동기화된 고정 또는 조절가능한 파장의 광학 필터들이 배치되는 것이 바람직하며, 이로 인해 광학 증폭기들에서 발생하는 증폭된 자연스러운 방출을 제거할 수 있다.
시간적 압축 기술은 10 ps보다 낮은, 예를 들어 피코 초 또는 펨토 초의 지속시간을 갖는 광 펄스들을 생성하는 광원을 만들 수 있게 한다.
바람직하게는, 전력 증폭 스테이지의 증폭에 앞서서 광 펄스의 스펙트럼을 확장하기 위해서, 스펙트럼 확장 디바이스가 전력 증폭 스테이지 이전에 사용된다. 따라서, 광학 증폭 디바이스는 시간적으로 처프된 스펙트럼을 갖는 증폭된 광 펄스를 생성하고, 이후, 이 광 펄스는 분산 압축기에 의해 이후에 시간적으로 재압축될 수 있다. 알려진 바와 같이, 이어서 증폭 후에, 증폭된 광 펄스를 피코 초 또는 펨토 초 지속시간에 도달하도록 시간적으로 재압축할 수 있다. 압축기(8)는 특정의 분산을 갖는 회절 격자(들), 프리즘(들), 분산 거울(들) 및/또는 광섬유(들)에 기초할 수 있다.
제1 실시예는 분산 모듈(7)의 사용에 있다. 비제한적인 예로서, 분산 모듈(7)은 긴 길이(30 m와 300 m 사이)의 편광 유지(PM) 섬유 및/또는 광자 크리스탈 섬유(PCF) 또는 스텝 인덱스 수동형 광섬유를 포함한다. 자기-위상 변조(SPM)와 같은 비선형 효과들에 의해, 이러한 광섬유는 광 펄스의 스펙트럼 확장을 일으킨다. 실제로, 광섬유에서의 광 펄스의 전파 중에 SPM에 의해 축적된 위상 변동들은, 펄스의 진폭을 수정하지 않으면서 펄스의 시간적 엔벨로프에서의 변화들을 유도한다. 알려진 바와 같이, 주파수 도메인에서, 이러한 위상 변동들은 펄스 스펙트럼의 확산으로 변환되는데, 그 이유는 후자가 비선형 위상 시프트의 도함수이기 때문이다. 자기-위상 변조는 효과를 위해 저주파 성분들을 펄스 전방으로 시프트시키고 고주파 성분을 펄스 후방으로 시프트시켜야 하며, 이것은 1 ㎛ 정도(order)의 파장들에 대하여 실리카 광섬유들에 의해 만들어지는 이상 레짐(anomalous regime)에 있어서의 분산 효과들의 역이다.
또 하나의 예시적인 실시예는, 제2 전치증폭 스테이지(11)와 전력 증폭기(12) 사이에 배치된 비선형 편광 회전(RNLP) 모듈(17)의 사용에 의존한다. 도 7은 RNLP 모듈(17)의 구조 및 동작을 도시한다. RNLP 모듈(171)은, 도 7에서 편광 요소(171), 수동형 (non PM) 광섬유(173) 및 편광 제어기(172)를 포함한다. 광 펄스(40)는, 그것의 편광이 커르(Kerr) 효과에 의해 광섬유(173)에서의 광 펄스의 전파 중에 비선형적으로 전개되는 것을 본다. 편광기(171)(또는, 아이솔레이터) 이후에, 입사 펄스(40)는 결국 그것의 모든 성분들이 선형으로 편광된다. 편광 제어기(172)는 선형 편광을 타원형 편광으로 변환할 수 있게 한다. 타원형으로 편광된 광 펄스는 광섬유(173)에서의 그것의 전파 중에 그것의 편광 상태의 비선형적 전개를 겪는다. 이것은 자기-위상 변조와 커르 효과에 의해 편광의 두 성분들에 유도된 교차-위상 변조의 결합 효과들에 기인한다. 광 펄스의 서로 다른 시간적 성분들은 동일한 굴절 인덱스를 감지하지 못하는데, 그 이유는, 굴절 인덱스가 편광 상태를 변화시키고 광 펄스의 서로 다른 성분들 사이의 위상-시프트를 유도하는 피크 세기에 의존하기 때문이다. 결과적으로, 도 7에서 굵은 선으로 표시된 광 펄스의 가장 강한 부분은 전기장 세기의 최대 값에 의존하는 각도만큼 편광 회전을 겪고, 따라서 타원축의 위치를 변화시킨다. 반대로, 도 7에서 가는 선으로 표시된 광 펄스의 덜 강한 부분은 어떤 편광 회전도 겪지 않는다. 따라서, 편광의 회전 각도는 세기에 비례한다. 광섬유(173)의 출구에, 또 하나의 편광 제어기(174)가 타원형 편광 상태를 선형 편광 상태로 변환하기 위해 광섬유의 선형 복굴절을 보상하도록 배향된다. 마지막으로, 또 하나의 편광기(175)는 편광이 회전된 광 펄스의 가장 강한 부분을 통과시킴으로써 편광을 분석하도록 배치된다. 이 강한 부분은 광 펄스의 덜 강한 부분보다 적은 손실을 겪는다. 따라서, 획득된 광 펄스(100)는 감소된 지속시간을 갖는다. 이 예시적인 실시예에서, 압축기를 사용할 필요는 없다. 예시적인 실시예는 사용이 쉽고 비용이 제한된다는 장점을 갖는다.
또 다른 실시예의 구현은 최종 증폭 스테이지 이후에 축퇴된(degenerated) 4-파 믹싱(FWM)에 의해 동작하는 주파수 변환 모듈(27)의 사용에 있다. 이러한 모듈(27)은, 바람직하게는 가시 도메인(visible domain)에서, 교차-위상 변조로 인한 스펙트럼 확장을 갖는 새로운 파장을 생성할 수 있게 한다. FWM에 의해 그리고 스펙트럼 확장에 의해 획득된 수 나노미터의 스펙트럼 대역은, 대략 100 펨토 초 정도(order)의 지속시간에서 수 피코 초의 지속시간을 갖는 광 펄스를 재압축할 수 있게 한다. 실제로, 축퇴된 FWM은, 두 개의 동일한 펌프 광자들이 소멸되어 서로 다른 파장들과 동일한 총 에너지를 갖는 두 개의 광자들을 생성할 때 나타난다. 서로 다른 파장들의 수 개의 파동들이 광섬유 내에서 전파할 때에는, 그것의 비트들(beats)이 광학 커 효과와 회절 효과들를 통해 인덱스 격자(index grating)를 생성한다. 이러한 인덱스의 주기적 변조는, 시간적 회절에 의해, 새로운 주파수들을 생성하기 쉬운 주파수들 사이의 에너지 전달의 물리적 프로세스(physical process of energy transfer)를 유도한다. 이들은, 에너지 보존 조건으로 인해, 초기 주파수들의 특정의 조합물들이다. 동일한 광섬유에서의 이러한 서로 다른 파동들의 동시 전파는, 교차-위상 변조(XPM)에 의해, 펄스의 스펙트럼 확장을 일으킨다. 이 효과는, 강한 전계의 영향하에서 매질의 굴절률의 수정으로 표현되는 광학적 커 효과의 직접적인 결과이다. 실제로, 두 개의 파동들이 광섬유에서 동시에 전파될 때에는, 그들 중 하나가 매질상의 제1 파동의 영향들을 겪으며, 또한, 서로 주고받는다. 따라서, 임의의 펄스는 제2 펄스에 의해 유도된 비선형 위상 시프트를 겪을 것이다. 따라서, 이러한 광 펄스들은 1 ps보다 낮은 지속시간에서 압축될 수 있다. 이 경우, 압축된 광 펄스는 전기-광학 변조기(4)에 인가된 전기 펄스의 지속시간보다 더 낮은 지속시간을 갖는다.
도 8은 1 ㎛에 맞춰 방출하는 적외선 광원(2)과 파장-조절가능 방출 스펙트럼을 갖는 광 펄스들을 생성하도록 구성된 FWM 디바이스를 포함하는 단광 펄스 또는 극단광 펄스를 생성하기 위한 시스템의 사용예를 도시한다. 따라서, 파장이 750 nm에서 대략 900 nm까지 연속적으로 변할 수 있는 단광 펄스 또는 극단광 펄스를 생성하기 위한 시스템이 만들어진다.
앞에서 상세하게 설명된 실시예들 중 하나에 기술된 바와 같이, 단광 펄스 또는 극단광 펄스를 생성하기 위한 시스템은 레이저 방법들의 분야에서 새로운 가능성을 열어 준다. 예를 들어 갈바노메트릭 헤드(galvanometric head) 또는 F-Theta 렌즈(F-Theta lens)의 움직임들에 기초하는 펄스 광 빔 변위 시스템에서, 움직임들의 가속들 및 감속들은 에너지 디포지션(energy deposition)의 균일성(uniformity)에 악영향을 준다. 본 개시의 시스템 목적은, 광 펄스들의 레이트를 광 빔 변위 시스템과 실시간으로 동기화시킬 수 있게 하고, 그래서 빔 편향 시스템의 가속들을 고려하여 에너지의 일정한 디포지션을 갖는 레이저 프로세싱을 수행할 수 있게 하는 것이다. 따라서, 광 펄스들의 용이한 지속시간 및/또는 레이트 조절은, 레이저 프로세싱의 정확성 및 규칙성(rerularity)을 향상시킬 수 있게 한다. 또한, 이 시스템은 다중 파라미터 범위에서 그리고 매우 넓은 활동(dynamics)에 걸쳐 레이저 방법을 적용할 수 있게 하는데, 그 이유는 레이저와 물질과의 상호작용들을 조정하기 위하여 레이저 동작 중에 펄스들의 파장, 레이트 및 지속시간을 동시에 조정할 수 있기 때문이다. 따라서, 단일의 광원으로 최적의 레이저 파라미터들을 유지하면서, 불균일한 구성의 요소들을 연속적으로 처리할 수 있다.
특정 실시예에서, 단광 펄스 또는 극단광 펄스를 생성하기 위한 시스템은 또한, 살아있는 세포들 및 조직들에 대한 생물학적 연구들에 적응되는 다중-광자 형광 여기(multiphoton fluorescence excitation)에 기초한 전체 필드 이미징(full field imaging)의 시스템 및 방법의 응용들을 발견한다. 다중-광자 이미징은, 신호가 펄스 지속시간의 제곱에 반비례하여 변동하는 비선형 현상에 기초한다. 반면에, 단광 펄스 또는 극단광 펄스를 생성하기 위한 시스템은 수 kHz에서 수 GHz까지 확장되는 주파수 범위에 걸쳐 광 펄스들의 방사 레이트를 조정할 수 있게 한다. 이 레이트 범위는, 현재의 기술들로는 달성될 수 없으며, 비파괴의 광 펄스들의 범위를 유지하면서 신호-잡음비를 이미지화된 타겟의 함수로서 미세하게 조정할 수 있게 한다.
특정하고 유리한 실시예에 따르면, 단광 펄스 또는 극단광 펄스를 생성하는 시스템은 이터븀-도핑된 광섬유 기술을 구현한다. 이터븀-도핑된 광섬유는, 종래의 광 발진기에 의해 제공되는 수 W와 비교하여, 특히 50 W보다 큰 평균 전력까지의 증폭에 적용된다. 따라서, 수 ㎠의 구역을 조명하는 것이 가능하고 그리고 전체 필드 이미지를 형성하는 것이 가능하다. 비교해 보면, 현재의 레이저 이미징 기술들은 일반적으로 50 μm2 지점까지 레이저 빔을 포커싱하는 것(focusing), 이미지화될 표면을 스캔하는 것 그리고 이미지를 하나씩(point-by-point) 재구성하는 것에 기초하는데, 이것은 이들 기술들을 매우 오래 걸리게 한다. 반면에, 본 발명에서 제안하는 단광 펄스 또는 극단광 펄스를 생성하기 위한 시스템과 결합된 이미징은 실제적인 기술적 돌파구를 구성하는데, 그 이유는 이미지가 단일 동작으로 획득되기 때문이다. 초고속 카메라는, 예를 들어 이미지를 하나씩 재구성하는 것에 의해 이전에는 얻을 수 없었던, 생물학적 세포들의 전개를 따라가는 시간적인 활동들에 적응할 수 있게 한다.

Claims (15)

  1. 광 방사(20)를 방출하는 광원(2);
    적어도 최대 1 기가헤르츠까지 확장된 대역폭에 걸쳐 조절가능한 주파수에서 동작하도록 그리고 1 피코 초와 수 나노 초 사이의 지속기간의 적어도 하나의 전기 펄스를 포함하는 아날로그 전기 변조 신호(50)를 방출하도록 구성된 전력 생성기(5);
    상기 아날로그 전기 변조 신호(50)를 수신하기 위한 전기 대역폭을 갖는 전기 또는 전기-광학 변조 수단 - 상기 전기-광학 변조 수단은, 상기 광 방사(20)를 상기 아날로그 전기 변조 신호(50)의 함수로서 진폭에서 변조하도록 구성되고 그리고 10 ps와 수 나노 초 사이의 지속시간의 적어도 하나의 광 펄스를 포함하는 변조된 광 방사(40)를 생성하도록 구성됨 -;를 포함하는, 단광 펄스 또는 극단광 펄스를 생성하기 위한 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전력 생성기(5)는, 10 ps와 수 나노 초 사이의 지속시간의 적어도 하나의 전기 펄스를 포함하는 상기 아날로그 전기 변조 신호(50)를 방출하도록 구성되고, 그리고
    상기 광원(2)은 전극들을 구비한 레이저 다이오드를 포함하고,
    상기 변조 수단은 상기 아날로그 전기 변조 신호(50)를 상기 레이저 다이오드의 상기 전극들에 인가하도록 구성되는, 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 전력 생성기(5)는, 적어도 최대 10 기가헤르츠까지 확장된 대역폭에 걸쳐 조절가능한 주파수에서 동작하도록 구성되고 그리고 10 ps와 50 pa 사이의 지속시간의 상기 적어도 하나의 전기 펄스를 포함하는 상기 아날로그 전기 변조 신호(50)를 방출하도록 구성되고, 그리고
    상기 레이저 다이오드가 적어도 최대 10 기기헤르츠까지 확장된 레이트(rate)에서 10 ps와 50 ps 사이의 지속시간의 적어도 하나의 광 펄스를 포함하는 상기 변조된 광 방사(40)를 생성하도록, 상기 레이저 다이오드가 이득 스위칭되는, 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 광원(2)은 시간적으로 연속적인 광 방사(20)를 방출하도록 조정되고,
    상기 전력 생성기(5)는, 1 기가헤르츠와 100 기가헤르츠 사이의 대역폭에 걸쳐 조절가능한 주파수에서 동작하도록 구성되고 그리고 10 ps와 100 ps 사이의 지속시간의 상기 적어도 하나의 전기 펄스를 포함하는 상기 아날로그 전기 변조 신호(50)를 방출하도록 구성되고,
    상기 시스템은, 전극들 및 상기 아날로그 전기 변조 신호(50)를 수신하도록 조정된 전기 대역폭을 구비한 전기-광학 변조기(4)를 더 포함하고, 상기 전기-광학 변조기는 상기 연속 광 방사(20)를 상기 아날로그 전기 변조 신호(50)의 함수로서 진폭에서 광학적으로 변조하도록 구성되고 그리고 10 피코 초와 대략 100 피코 초 사이의 지속시간의 상기 적어도 하나의 광 펄스를 포함하는 변조된 광 방사(40)를 생성하도록 구성되는, 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 전력 생성기는, 10 kHz와 20 GHz 사이의 주파수 범위에 걸쳐 조절가능한 레이트에서 10 ps와 10 ns 사이의 지속시간의 전기 펄스 트레인을 포함하는 상기 아날로그 전기 변조 신호(50)를 방출하도록 구성되고, 그리고
    상기 전기-광학 변조기는, 상기 연속 광 방사를 상기 아날로그 전기 변조 신호(50)의 함수로서 변조하도록 구성되고 그리고 10 ps와 10 ns 사이의 지속시간의 광 펄스들 - 상기 광 펄스들은 상기 조절가능한 레이트를 가짐 - 의 트레인을 포함하는 변조된 광 방사(40)를 생성하도록 구성되는, 시스템.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    10 피코 초와 100 피코 초 사이의 지속시간의 상기 적어도 하나의 광 펄스를 수신하도록 구성되고 그리고 1 피코 초 이하의 압축된 광 펄스(100)를 생성하도록 구성된 압축기(8)를 더 포함하는, 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 광원(2)과 상기 압축기(8) 사이에 배치된 적어도 하나의 광학 디바이스(7, 17, 27)를 더 포함하고, 상기 광학 디바이스(7, 17, 27)는 스펙트럼 분산 광학 디바이스(7), 편광 광학 디바이스(17) 또는 비선형 광학 디바이스(27) 중에서 선택되는, 시스템.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광원(2)은 단색성 또는 다색성 연속 광 방사를 방출하도록 구성되는, 시스템.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광 방사(20)의 파장을 조절하기 위한 디바이스를 포함하는, 시스템.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광원은, 에르븀, 이터븀, 툴륨 또는 네오디뮴 도핑된 광섬유 레이저 광원 중에서 선택되는, 희토류-도핑된 광섬유 레이저 다이오드 또는 레이저 소스를 포함하는, 시스템.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 변조된 광 방사(40)를 수신하도록 구성되고 그리고 증폭된 펄스 광 방사를 생성하도록 구성된 광학 증폭 디바이스(10, 11, 12)를 포함하는, 시스템.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전기 또는 전기-광학 변조 수단의 상기 출구에 배치되고 상기 변조된 광 방사의 일부분을 픽-업(pick-up)하도록 구성된 광학 커플러,
    적어도 최대 1 기가헤르츠까지 확장된 대역폭에서 상기 변조된 광 방사의 상기 일부분의 세기를 측정하도록 구성된 검출 시스템, 및
    바이어스 신호를 상기 측정된 세기의 함수로서 상기 변조 신호에 인가하도록 배치된 피드백 루프를 포함하는, 시스템.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 변조된 광 방사를 수신하도록 배치되고 그리고 확장된 변조된 광 빔을 분석할 소정의 구역으로 지향시키도록 배치된 빔-확장 광학 시스템, 및
    상기 구역의 이미지를 형성하도록 구성된 이미지 검출 시스템을 포함하는, 시스템.
  14. 단광 펄스 또는 극단광 펄스를 생성하기 위한 방법으로서:
    광 방사(20)를 방출하는 단계;
    10 kHz와 20 GHz 사이의 마이크로파 대역폭의 주파수를 갖는 아날로그 전기 변조 신호(50)를 생성하는 단계 - 상기 아날로그 전기 변조 신호는 1 피코 초와 수 나노 초 사이의 지속시간의 적어도 하나의 전기 펄스를 포함함 -;
    상기 아날로그 전기 변조 신호를 전기-광학 변조기 또는 레이저 다이오드의 전극들에 인가하는 단계 - 상기 전기-광학 변조기 또는 상기 레이저 다이오드는 상기 광 방사(20)를 상기 아날로그 전기 변조 신호(50)의 함수로서 진폭에서 광학적으로 변조하도록 구성되고 그리고 10 ps와 100 ps 사이의 지속시간의 적어도 하나의 광 펄스를 포함하는 변조된 광 방사(40)를 생성하도록 구성됨 - 를 포함하는, 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 레이저 다이오드가 적어도 최대 10 기가헤르츠까지 확장된 레이트에서 10 ps와 50 ps 사이의 지속시간의 적어도 하나의 광 펄스를 포함하는 상기 변조된 광 방사를 생성하도록, 상기 레이저 다이오드가 이득 스위칭되는, 방법.
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