KR20190053863A - 캐스케이드된 롱 펄스 및 연속파 라만 레이저 - Google Patents

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로버트 윌리엄즈
리차드 폴 마일드렌
데이비드 제임스 스펜스
올리버 럭스
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맥쿼리 유니버시티
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Abstract

n차 스톡스 천이된 출력을 가지는 라만 레이저 장치로서, 상기 장치는 레이저 펌프 입력부; 각 단부에 피드백 부재를 갖는 레이징 캐비티; 상기 캐비티 내의 다이아몬드 라만 활성 이득 매질을 포함하고, 상기 라만 활성 이득 매질은 상기 레이저 펌프 입력부에 의해 펌핑 될 때 1차 및 더 높은 스톡스 방출을 나타내고; 상기 피드백 부재는 상기 펌프 입력부, 상기 이득 매질로부터 출력된 1차 스톡스 및 상기 상위 스톡스 출력의 이득 부를 피드백하며, 상기 n차 스톡스 출력의 송신부는 상기 장치의 출력부이다.

Description

캐스케이드된 롱 펄스 및 연속파 라만 레이저
본 발명은 고전력 레이저의 파장 범위를 다양화하는 시스템 및 방법을 제공한다. 본 발명은 또한 라만 주파수 변환을 사용하여 고출력 전력 레이징을 제공하는 시스템 및 방법을 제공한다.
[1] V. R. Supradeepa and J. W. Nicholson, Optics Letters 38(14), 2538-2541 (2013).
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Figure pct00001
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본 명세서 전반에 걸친 배경 기술에 대한 어떠한 논의도, 그러한 기술이 널리 알려져 있거나 본 기술분야의 공통되며 일반적인 지식의 일부를 구성한다는 것을 인정하는 것으로 간주되어서는 안된다.
1.5-1.6μm 파장 범위와 그 이상에서 고휘도 연속파(continuous-wave, CW) 빔은, 대기 투명성과 산란된 방사선으로부터의 상대적인 "안구 안전"의 조합으로 장거리에 이르는 빔 전파를 요구하는 방위, 보안, 산업 및 감지 용도로 큰 관심을 받는다. 이것에도 불구하고, Er-도핑된 광섬유 레이저들의 전력 스케일링은 Yb-및 Tm-도핑된 광섬유 레이저들의 전력 스케일링만큼 거의 성공적이지 못했다.
Yb-도핑된 광섬유 레이저들은 회절-제한 빔에서 약 1.1㎛에서 10kW 전력 레벨에 도달하였으며, Tm-도핑된 광섬유 레이저들은 2.0μm에서 1 kW의 전력을 초과했다. 그에 비해, 약 1.5μm에서 CW 회절 한계 빔 전력은 단일-가로-모드(single-transverse-mode) 광섬유 레이저들의 경우 301W를 초과하지 않았다[1]. Er, Yb 동시 도핑된 광섬유들은 이테르븀(ytterbium)의 효율을 제한하는 패러스틱 레이징(parasitic lasing)의 시작에 의해 방해된다[2]. 1.48μm에서의 에르븀(erbium)의 인-밴드 펌핑(in-band pumping)을 위한 1.48㎛에서의 다이오드(diode)들은 여전히 고비용이다. 직접적인 다이오드 펌핑의 대안으로 Jebali 등은 에르븀의 인-밴드 펌핑을 달성하기 위해 36개의 Er, Yb가 동시 도핑된 광섬유 레이저들의 조합을 이용했고 264 W 출력에 도달했다[3].
라만 광섬유 레이저들 및 증폭기들은 5회의 스톡스 천이(stokes shift)에서 1.12에서 1.48μm까지의 고전력 변환을 가능하게 했다[1]; 그러나 유리 섬유들에서 라만 게인(Raman gain)으로부터 스펙트럼의 확장은 10nm보다 큰 선폭들을 초래하고 대기 투명성 창으로 더 캐스캐이딩되는 것을 방해한다. 그러므로 약 1.5μm와 그 이상의 고휘도 CW 빔에 대한 요구를 충족시키기 위해서는 새로운 소스 기술들이 필요된다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예는,
본 발명의 제 1 양상에 따르면, 2차 스톡스 천이된 출력을 갖는 라만 레이저 장치가 제공되며, 상기 장치는: 레이저 펌프 입력부; 각 단부에 피드백 부재를 갖는 레이징 캐비티; 레이저 펌프 입력부에 의해 펌핑될 때 1차 및 2차 스톡스 방출을 나타내는 캐비티 내의 다이아몬드 라만 활성 이득 매질;을 포함하고, 거기서 상기 피드백 부재는 상기 펌프 입력부를 피드백하고, 상기 이득 매질로부터 1차 스톡스 출력 및 이득부, 상기 장치의 2차 스톡스 출력으로서 상기 2차 스톡스 출력의 일부를 전송한다.
상기 피드백 부재는 출력경이 2차 스톡스 파장에서 더 낮은 반사율을 갖고 펌프 및 1차 스톡스 파장에서 높은 반사율을 갖는 거울을 구성할 수 있다.
일부 실시 예에서, 펌프 및 1차 스톡스 파장에서의 거울 반사율은 98%를 초과한다. 일부 실시 예에서, 상기 출력경은 2차 스톡스 파장에서 약 50% 미만의 반사율을 갖는다. 일부 실시 예에서, 상기 출력경은 2차 스톡스 파장에서 약 12% 미만의 반사율을 갖는다.
레이저 펌프는 연속파 입력을 제공할 수 있고 2차 스톡스 출력은 연속파 출력이 될 수 있다. 펌프 파장은 대략 1.06-1.1μm 범위가 될 수 있다. 상기 다이아몬드는 낮은 복굴절, 낮은 질소 다이아몬드 물질을 구성할 수 있다. 상기 펌프 레이저는 Nd:Yag 레이저를 구성할 수 있다.
일부 실시예에서, 레이저 펌프 입력부는 조정가능하며 조정가능한 2차 스톡스 천이된 출력을 생성한다. 레이저 펌프는 상기 레이저 펌프 입력부를 생성하기 위해 2차 레이저 증폭기에 의해 증폭되어 1차 출력을 생산하는 가변 DFB 레이저를 포함 할 수 있다. 상기 장치는 또한 상기 레이저 펌프 입력부와 레이징 캐비티 사이에 연결된 광 아이솔레이터를 포함 할 수 있다. 일부 예에서, 상기 장치는 2차 스톡스 출력에서 피드백을 제공하는 볼륨 브래그 격자(VBG) 2차 캐비티 거울을 포함한다. VBG는 온도 안정화 될 수 있다.
본 발명의 또 다른 양상에 따르면, n차 스톡스 천이된 출력을 갖는 라만 레이저 장치가 제공되며, 상기 장치는: 레이저 펌프 입력부; 각 단부에 피드백 부재를 갖는 레이징 캐비티; 상기 레이저 펌프 입력부에 의해 펌핑될 때 1차 및 2차 스톡스 방출을 나타내는 상기 캐비티 내의 다이아몬드 라만 활성 이득 매질;을 포함하고, 상기 피드백 부재는 상기 펌프 입력 및 상기 이득 매질로부터 출력 된 1차 스톡스와 상기 고차 스톡스 출력의 이득부를 피드백하고, 상기 n차 스톡스 출력의 송신부는 상기 장치의 출력부가 되도록 한다.
본 발명의 또 다른 양상에 따르면, n차 스톡스 천이된 출력을 갖는 라만 레이저 장치가 제공되며, 상기 장치는: 레이저 펌프 입력부; 각 단부에서 피드백(즉, 특정 스톡스 파장에서 공진)부재를 갖는 레이징 캐비티; 상기 레이저 펌프 입력부에 의해 펌핑 될 때 다수의 캐스케이드된 스톡스 방출을 나타내는 상기 캐비티 내의 다이아몬드 라만 활성 이득 매질;을 포함하고, 상기 피드백 부재는 선택된 n차 스톡스 출력 차수까지의 모든 스톡스 차수에서 강한 피드백을 제공하고, 상기 이득 매질로부터 출력되는 n차 스톡스에서 피드백을 제공하고 n+1차 스톡스 방출의 피드백을 억제하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 것을 포함한다. 일부 실시 예에서, n은 홀수이고 (n+1)차의 스톡스 방출은 짝수이다. 홀수 및 짝수 차수에 대한 최적화 된 출력 커플링 값과 (n+1)차에 대한 최적 요구 손실 값은 놀랍게도 상당히 다른 것으로 나타났다.
본 발명의 또 다른 양상에 따르면, 실질적으로 약 2㎛보다 큰 영역에서 레이징하는 라만 레이저 시스템이 제공되며, 상기 시스템은: 다이아몬드 코어 레이징 매질; 상기 코어를 감싸고 상기 코어 내에 1차 및 2차 스톡스들을 출력하는 캐스 케이드 된 스톡스 발생 시스템; 상기 캐스케이드된 스톡스 발생 시스템은, 다이아몬드 코어 레이저 매질에서 약 2㎛ 미만의 스톡스 출력을 생성하는 1차 스톡스 발생 시스템; 및 약 2미크론보다 큰 범위의 2차 스톡스 출력을 생성하기 위해 1차 스톡스 출력과 관련하여 다이아몬드 코어 레이저 매질을 펌핑하는 1차 스톡스 펌핑 시스템을 포함한다.
본 발명의 실시 예는 첨부 된 도면을 참조하여 예의 방법으로서만 기술될 것이다.
도 1은 본 발명에 사용하기에 적합한 장치의 실시 예의 개략도이다.
도 2는 입력 펌프 전력에 대한 2차 스톡스 출력 전력의 기울기 효율 곡선을 도시하는 그래프이며, 삽입도는 빔 형상을 도시한 도면이다.
도 3은 고반사율의 2차 스톡스 거울을 위한, 입력 펌프 전력에 대한 2차 스톡스 출력 전력의 기울기 효율 곡선을 도시한 그래프이다.
도 4는 실시 예에 따라 형성되어 제안된 프로토 타입 레이저의 측면을 나타낸 도면이다.
도 5는 가변 2차 스톡스 라만 레이저의 대안적 예를 개략적으로 도시한다.
도 6은 잔류 펌프 전력 대 펌프 전력뿐만 아니라 1차 및 2차 스톡스 방사선의 출력 전력을 갖는 2차 스톡스 다이아몬드 라만 레이저의 성능을 도시한다.
도 7은 DFB 펌프 레이저 다이오드의 온도에 의존하는 라만 레이저 스펙트럼을 도시한다.
도 8은 VBG-안정화된 2차 스톡스 라만 레이저의 실험 구성을 도시한다.
도 9는 2차 스톡스 다이아몬드 라만 레이저의 스펙트럼 특성을 도시한다: (a) 볼륨브래그격자(VBG)로부터의 광학 피드백이 있거나 VBG로부터 피드백이 없는 스톡스 출력 스펙트럼.
도 10은 500mW 스톡스 전력에서 측정된 중심 파장의 시간 변동을 도시한다.
도 11은 2차 스톡스 다이아몬드 라만 레이저의 모드 호핑(mode hopping)을 도시한다.
도 12는 2차 스톡스 라만 레이저에서 유효 모드 간격은 캐비티 모드 간격의 2배인 것을 나타낸 도면이다.
도 13은 다이아몬드에서 다중 포논 흡수를 무시한 30㎛ 반경의 지점에 초점을 맞춘 1.06㎛ 펌핑 하에서의 300W 펌프 전력을 갖는 1, 2, 3, 4 또는 5차 스톡스 천이 각각에서 출력 커플링을 위한 외부-캐비티 다이아몬드 라만 레이저의 모델의 그래프이다.
도 14는 0.53㎛ 펌핑 하에서 15㎛ 반경의 지점에 초점을 맞춘 50W의 펌프전력을 갖는 1, 2, 3, 4 또는 5차 스톡스 천이에서 출력 커플링을 위한 외부-캐비티 다이아몬드 라만 레이저의 그래프이다.
도 15 및 도 16은 n차 스톡스 레이저를 위한 (n+1)차 스톡스 차수에 캐스케이드되는 것을 피하기 위해 (n+1)차 스톡스 차수에서의 최소 허용 가능한 손실을 도시한다(증가된 펌프전력을 위해 n차 스톡스 출력을 클램프함).
도 17은 파수와 다이아몬드 흡수 계수를 나타낸다.
제시된 실시 예들은 CW, 나노 초(nanosecond), 펨토 초(femtosecond) 펄스 영역들의 도달하기 어려운 다양한 파장들에 효율적이고 고-전력 주파수 변환을 제공하는 시스템과 방법을 제공한다.
다이아몬드에서 라만 변환은 CW, 나노 초, 펨토 초 펄스 영역들에서 다양한 도달하기 어려운 파장들로 주파수 변환을 가능하도록 제공하는 것이 부상하고 있는 기술이다[4-9].
다이아몬드의 예외적인 열적 특성은 이것을 보편적인 라만 결정체들로부터 차별화시키고, 큰 해로운 열적 효과 없이 CW 전력 레벨을 380W까지 도달하는 것을 가능하게 한다[10]. 또한, 다이아몬드의 물질 특성은 외부 캐비티 형태의 고전력에서 CW변환[7], 광섬유 레이저들과 같은 존재하는 고전력 펌프 소스들의 변환에 적합한 디자인을 가능하게 한다. 외부 캐비티 CW 영역에서 다이아몬드 라만 변환은 1차 스톡스 천이를 증명했고(1.06μm에서 1.24 μm까지), 최근 모델링은 장치 수행에서 디자인 파라미터들의 효과를 자세히 설명했다[11].
안구-안전 파장으로의 변환을 위한, 외부 캐비티에서 2차 스톡스 천이로 캐스케이딩하는 것은 나노초-펄스펌핑으로 증명되었고[12, 13], 고피크 펌프 강도들이 전형적으로 고이득을 제공하는 수치적 방법들을 이용하여 모델화되었다[12].
그러나, 펌프 강도들과 왕복 스톡스 이득이 매우 낮다고 여겨지는 CW 외부-캐비티 영역에서 효율적인 캐스케이드된 스톡스 천이는 증명되지 않았다.
제 1실시 예는, CW용으로 1.06-1.1μm에서의 1.5 μm스펙트럼 범위로 이테르븀 광섬유 레이저들의 직접적인 변환을 가능하게 하는 외부 캐비티를 사용하는 캐스케이드된 스톡스 결정화된 라만 오실레이터(oscillator)를 제공한다.
다이아몬드의 예외적인 열적 특성은 회절-제한 빔 특성을 유지하면서 고출력 전력에서 효율적인 변환을 가능하게 하고, 다이아몬드의 큰 라만 천이(1332 cm-1)는 2차 스톡스 천이에서 1.1에서 1.5μm까지 변환을 용이하게 한다.
이론에 구속되지 않으면, 이 분석은 효율적인 변환의 방법으로서 2차 스톡스의 고-이득 영역을 드러내는 2차 스톡스 외부 캐비티 라만 오실레이터의 분석모델을 검토한다. 효율적인 변환은 이 영역에서 100W이상의 출력과 55%의 기울기 효율을 달성함으로써 증명된다. 모델의 검증을 위해, 강한(고-Q) 및 약한(저-Q) 2차 스톡스 피드백의 사용을 포함하는 실험결과들이 얻어졌다. 이러한 결과들은, 효율적인 작동은 약한 피드백으로 얻어지고 강한 피드백을 사용할 때 펌프로부터 전환을 억제하기 때문에 효율은 감소한다는 것을 보여준다. 미국 특허 공보 2015/0085348 및 [10]에 개시된 바와 같이, 1차 스톡스 다이아몬드 레이저 결과들과 결합된 고-이득 영역에서 입증된 효율의 경향은, 이 기술에 대한 전력-스케일링 가능성을 300W 이상으로 활용될 수 있다.
도 1은 전술한 미국 특허 공보 2015/0085348에 개시된 레이저의 실시 예를 보여준다. 장치는 그에 의해 수신된 광(12)을 변환하기 위해 제공되며, 장치는 일반적으로 숫자 10으로 표시된다. 광(12)은 임의의 적합한 광원이 사용될 수 있지만, 연속파 희토류 이온 도핑된 레이저의 형태의 광원(11), 특히 네오디뮴(neodymium) 도핑된 이트륨(yttrium) 알루미늄 석류석 결정을 갖는 레이저에 의해 생성된다. 다른 실시 예에서, 레이저는 네오디뮴 도핑된 바나듐산염(vanadate)결정을 갖는다. 장치(10)와 광원(11)은 장치가 광(12)을 수용하도록 협력적으로 배치된다. 즉, 반드시 모든 실시 예에서 필요한 것은 아니지만, 광원(11)의 빔 출력은 장치의 입력 광 포트(15)에서 광학 축(13)과 정렬된다.
도 1의 배치는 높은 수준제시된 실시 예들은 CW, 나노 초(nanosecond), 펨토 초(femtosecond) 펄스 영역들의 도달하기 어려운 다양한 파장들에 효율적이고 고-전력 주파수 변환을 제공하는 시스템과 방법을 제공한다.
다이아몬드에서 라만 변환은 CW, 나노 초, 펨토 초 펄스 영역들에서 다양한 도달하기 어려운 파장들로 주파수 변환을 가능하도록 제공하는 것이 부상하고 있는 기술이다[4-9].
다이아몬드의 예외적인 열적 특성은 이것을 보편적인 라만 결정체들로부터 차별화시키고, 큰 해로운 열적 효과 없이 CW 전력 레벨을 380W까지 도달하는 것을 가능하게 한다[10]. 또한, 다이아몬드의 물질 특성은 외부 캐비티 형태의 고전력에서 CW변환[7], 광섬유 레이저들과 같은 존재하는 고전력 펌프 소스들의 변환에 적합한 디자인을 가능하게 한다. 외부 캐비티 CW 영역에서 다이아몬드 라만 변환은 1차 스톡스 천이를 증명했고(1.06μm에서 1.24μm까지), 최근 모델링은 장치 수행에서 디자인 파라미터들의 효과를 자세히 설명했다[11].
안구-안전 파장으로의 변환을 위한, 외부 캐비티에서 2차 스톡스 천이로 캐스케이딩하는 것은 나노초-펄스펌핑으로 증명되었고[12, 13], 고피크 펌프 강도들이 전형적으로 고이득을 제공하는 수치적 방법들을 이용하여 모델화되었다[12].
그러나, 펌프 강도들과 왕복 스톡스 이득이 매우 낮다고 여겨지는 CW 외부-캐비티 영역에서 효율적인 캐스케이드된 스톡스 천이는 증명되지 않았다.
제 1실시 예는, CW용으로 1.06-1.1μm에서의 1.5μm스펙트럼 범위로 이테르븀 광섬유 레이저들의 직접적인 변환을 가능하게 하는 외부 캐비티를 사용하는 캐스케이드된 스톡스 결정화된 라만 오실레이터(oscillator)를 제공한다.
다이아몬드의 예외적인 열적 특성은 회절-제한 빔 특성을 유지하면서 고출력 전력에서 효율적인 변환을 가능하게 하고, 다이아몬드의 큰 라만 천이(1332cm-1)는 2차 스톡스 천이에서 1.1에서 1.5μm까지 변환을 용이하게 한다.
이론에 구속되지 않으면, 이 분석은 효율적인 변환의 방법으로서 2차 스톡스의 고-이득 영역을 드러내는 2차 스톡스 외부 캐비티 라만 오실레이터의 분석모델을 검토한다. 효율적인 변환은 이 영역에서 100W이상의 출력과 55%의 기울기 효율을 달성함으로써 증명된다. 모델의 검증을 위해, 강한(고-Q) 및 약한(저-Q) 2차 스톡스 피드백의 사용을 포함하는 실험결과들이 얻어졌다. 이러한 결과들은, 효율적인 작동은 약한 피드백으로 얻어지고 강한 피드백을 사용할 때 펌프로부터 전환을 억제하기 때문에 효율은 감소한다는 것을 보여준다. 미국 특허 공보 2015/0085348 및 [10]에 개시된 바와 같이, 1차 스톡스 다이아몬드 레이저 결과들과 결합된 고-이득 영역에서 입증된 효율의 경향은, 이 기술에 대한 전력-스케일링 가능성을 300W이상으로 활용될 수 있다.
도 1은 전술한 미국 특허 공보 2015/0085348에 개시된 레이저의 실시 예를 보여준다. 장치는 그에 의해 수신된 광(12)을 변환하기 위해 제공되며, 장치는 일반적으로 숫자 10으로 표시된다. 광(12)은 임의의 적합한 광원이 사용될 수 있지만, 연속파 희토류 이온 도핑된 레이저의 형태의 광원(11), 특히 네오디뮴(neodymium) 도핑된 이트륨(yttrium) 알루미늄 석류석 결정을 갖는 레이저에 의해 생성된다. 다른 실시 예에서, 레이저는 네오디뮴 도핑된 바나듐산염(vanadate)결정을 갖는다. 장치(10)와 광원(11)은 장치가 광(12)을 수용하도록 협력적으로 배치된다. 즉, 반드시 모든 실시 예에서 필요한 것은 아니지만, 광원(11)의 빔 출력은 장치의 입력 광 포트(15)에서 광학 축(13)과 정렬된다.
도 1의 배치는 높은 수준의 2차 스톡스 빔 전력을 제공하기 위해 이용되었다. 외부-캐비티 CW 변환을 위한 실제 레이저 설계를 기반으로 간단한 분석 모델을 허용하기 위해 다음과 같은 가정이 이루어진다. 이 경우 결정의 전반에 걸친 고정된 반경과 펌프, 1차 및 2차 스톡스 빔에 대한 동일한 반경의 가장 높은 빔 형상, 결정을 통한 고정된 반경의 가정이 허용되며, 여기서 결정 길이는 펌프 및 스톡스 빔의 공초점 파라미터와 유사하다.
각 빔에 대한 동일한 반경의 가정은 유효 이득을 과대평가하지만, CW 동작에서 적당한 한계점을 달성하는데 필요한 스톡스 빔과 엄격하게 초점을 맞춘 펌프의 경우에는 허용된다. 이 모델에서는 다이아몬드를 통한 펌프의 이중-통과를 포함하며 선형 캐비티가 사용되기 때문에 스톡스 필드는 왕복운동 당 결정을 두 번 통과를 만든다. 펌프 필드의 소모(depletion)와 2차 스톡스 필드의 이득은 모두 1차 스톡스 내부-캐비티 강도의 함수이며 다음과 같이 쓸 수 있다.
Figure pct00002
여기서 Ip, I1S, 및 I2S는 각각 펌프, 1차 스톡스 및 2차 스톡스 내부-캐비티 강도이고; z는 빔 전파 축이고; L은 다이아몬드의 길이이고; α는 2차 스톡스 필드(라만 결정에서 흡수 및 산란을 설명)에 대한 분포 손실 계수이고; g는 1차 스톡스 필드에 대한 라만 이득 계수이고;
Figure pct00003
는 1차 스톡스 천이 (
Figure pct00004
는 각각 펌프 및 1차 스톡스 파장이다.)에 대한 양자 결함이다; 그리고 마찬가지로
Figure pct00005
이다. 펌프의 소모는 각각 산란된 1차 스톡스 광자에 대한 포논(phonon)에 대한 에너지 손실로 인해 g/η1에 비례하며 2차 스톡스의 이득은 더 긴 파장에서 감소된 라만 이득을 설명하기 위해 η2g에 비례한다.
I1S(z) + I1S(2L - z)는 다이아몬드의 z지점에서 전방 및 후방으로 전파하는 1차 스톡스 강도들의 합이다. 실제의 2차 스톡스 레이저의 경우, 1차 스톡스에서의 캐비티 출력-커플링(coupling)은 가능한 한 제로에 가까워질 것이고, 따라서 1차 스톡스에 대한 캐비티에서 큰 이산 손실이 없기 때문에, 1차 스톡스 강도는 정상 상태에서 z에서 불변이라고 가정된다. 따라서, I1S(z) + I1S(2L - z) = 2I1S 및 식(1)과 (2)는 다음과 같은 왕복 운동에 통합될 수 있다:
Figure pct00006
정상 상태에 있는 레이저의 경우, 2차 스톡스 출력 커플러 R2S = I2S(0)/I2S(2L)의 반사율을 다음과 같이 대체할 수 있다.
Figure pct00007
따라서, 2차 스톡스 한계값 이상으로 펌프 전력을 증가시키기 위해, 내부-캐비티 1차 스톡스 강도는 고정된 수준으로 클램프(clamp)되며, 식(5)는 간단히 2차 스톡스 레이저의 한계조건이다. I1S 에 대한 수식을 식(3)에 대입하면, 다음과 같다.
Figure pct00008
2차 스톡스 오실레이션의 한계값을 넘은 잔류 펌프 전력은 부여된 펌프 전력에 비례하고, 비례상수는 출력-커플러의 반사율에 가깝다(패러스틱 손실이 작은 일반적인 레이저에서). 그러므로, 낮은 2차 스톡스 출력-커플링 (R2S가 1에 가까운)을 위해, 다이아몬드 캐비티는 거의 펌프에 대해 투명하고, 펌프로부터 1차 및 2차 스톡스로의 변환은 억제된다. 반면에 높은 2차 스톡스 출력-커플링을 위한, 펌프 소모와 2차 스톡스로의 변환은 높을 수 있다.
1차 스톡스 내부-캐비티 필드는 2차 스톡스 레이저에 클램프되기에, 에너지 보존에 의해, 2차 스톡스 레이징의 한계값를 초과하여 부여된 펌프 광의 소모된 일부가 2차 스톡스로 변환된다. 따라서 아웃-커플된 2차 스톡스 강도는 다음과 같다:
Figure pct00009
여기서, IpTh(z)는 2차 스톡스 발생을 위한 한계값에서 내부-캐비티 펌프 강도이다. 표 1은 1.06μm (
Figure pct00010
= 1.49μm, 양자 제한 효율 η1η2 = 72%)에서 펌핑된 2차 스톡스 다이아몬드 레이저에 대한 R2S값의 집합에 대한 잔류 펌프의 기울기 및 기울기 효율에 대한 계산 된 값을 제공한다.
1차 스톡스 출력의 클램핑은 낮은 진폭의 잡음을 가진 라만 레이저를 개발하기에 유용할 수 있고 펌프 레이저 강도 변동에 둔감하다는 것을 유의 해야 한다.
R2S Slope efficiency Residualpump
10 69 4
50 45 38
95 5 92
다이아몬드에서 1064nm를 펌핑을 위한 2차 스톡스 기울기 효율 및 잔류펌프의 모델 값들
다이아몬드 라만 레이징 캐비티 설계는 거울들이 2차 스톡스 작동을 이용하도록 설계되었다는 점을 제외하고 우리의 이전 작업[7, 10, 14]와 유사하다. 입력커플러 거울은 펌프(1.06μm)를 위해 실질적으로 투명하도록 형성되었고, 1차 및 2차 스톡스 파장(각각 1.24μm, 1.49μm)에서 고도로 반사하고, 100mm의 곡률반경을 가졌다. 사용된 다이아몬드는 8Х4Х2mm 저 복굴절, 저 니트로젠, 단일-결정 다이아몬드(ElementSix Ltd., UK)이다. 이 모델에 의해 드러난 새로운 경향을 증명하기 위해 3가지 다른 출력 커플러(output coupler, OC)들은 테스트되었고, 표2에 반사율이 기재되었다. 이들 출력 커플러들의 곡률반경은 각각 OC 1, 2 및 3에 대해, 100mm, 100mm 및 50mm였다.
OC # R 2 S (%) R 1 S (%) R pum p (%)
1 11 > 99.9 > 99
2 45 > 99.9 > 99
3 96.5 98.8 > 99
Figure pct00011
에서 테스트된 출력커플러들의 반사율들
이 실험들에서 사용된 펌프 레이저는 [14]에서 사용된 것과 유사하고; 준-CW Nd:YAG 레이저는 M2< 1.2 빔 품질로 250μs 펄스 동안 270W까지 정기적인 전력을 생산한다. 100μs 만큼의 짧은 시간 동안의 지속 시간은 엄격한 포커싱 하 다이아몬드에서 정상 상태의 열적 구배를 얻기에 충분하다 [14]. 따라서 이 영역 하에서 다이아몬드 레이저의 전력 스케일링 및 빔 품질은 CW 작동과 비슷하다.
도2에서 도시된 바와 같이, OC 1(R2S= 11%)를 사용하여, 2차 스톡스 천이에서 작동된 레이저는 약 53W의 한계값을 가지고 그 이상의 출력은 55%의 기울기로 선형적으로 증가하여 1.06μm에서 부여된 펌프 전력 258W으로부터 1.49μm에서 최대 114W 출력을 가진다. 최대 변환 효율은 2차 스톡스 작동에 대한 더 큰 양자 결함에도 불구하고 많은 보고된 CW 1차 스톡스 다이아몬드 레이저를 초과하는 44% 인 것으로 밝혀졌으며, 이 파장에서 작동하는 나노 초 펄스 다이아몬드 레이저 (40-51%[12, 13])와 비교할 수 있다. 출력 전력은 출력 포화도가 표시되지 않은 상태로 펌프가 제한되어 있었고 최대 전력에서의 2차 스톡스 빔 형상은 가우시안이었다(도 2의 삽입도 참조). 펌프 및 1차 스톡스 파장에서 OC 1의 높은 반사율로 인해 분광계로 측정한 출력의 스펙트럼 순도는> 99%였다.
다이아몬드 레이저는 모델에서 예상한 바와 같이 감소된 변환효율과 OC 2 및 3에 대해 증가된 잔류펌프로 작동했다. OC 2의 경우에 대해, 2차 스톡스 한계값과 기울기 효율은 각각 27W와 36%였다. 그리고 OC 3의 경우 2차 스톡스 한계값과 기울기 효율은 각각 77W 및 2.6%였다(도 3 참고). OC 3에 대한 증가된 한계값은 이 거울(1.2%)에 대한 실질적인 1차 스톡스 출력 커플링에 기인하며, 더 높은 1차 스톡스 한계값을 발생시킨다.
이 모델에서 예상한 바와 같이 각 경우의 잔류 펌프 광은 2차 스톡스 한계값 이상으로 선형적으로 증가했다. 입력 전력의 함수로서 잔류 전력의 구배는 OC 1, 2 및 3 각각 23%, 48% 및 95%였다. 추출된 펌프 출력을 양자 결함 η1η2로 나눈 제 2 스톡스 출력으로 계산함으로써, OC 1의 경우, 잔류 펌프와 추출 된 펌프의 기울기의 합이 주입된 펌프 출력의 >99%을 차지하는 것으로 나타났고 OC 2 및 3의 경우 >98%을 차지하는 것으로 나타나 모델의 결과를 확인하였다. 즉 2차 스톡스 한계값보다 높으면 1차 스톡스 필드가 클램핑되고 모든 소모된 펌프는 2차 스톡스로 변환된다.
이 레이저들의 변환 효율은 모델에 의해 예측된 것보다 작으며 잔류 펌프의 기울기는 각각의 경우에(특히 OC 1 및 2) 상응하여 더 높다. 예를 들어, 이 모델은 OC 1이 55%가 아닌 68%의 기울기 효율을 산출해야 한다고 예측한다. 이는 1차 및 2차 스톡스 레이징 한계값 사이에서 펌프의 소모가 대게 관찰되는 것보다 높지 않기 때문에 캐비티 내의 스톡스 모드와 펌프 웨이스트(waist)의 비-최적 배치에 기인할 수 있다. 이상적인 경우 1차 스톡스가 한계값을 초과할 때 잔류 펌프의 기울기는 음의 값을 가져야 한다([11]의 도 2 및 4 참조). 반면에 모든 경우 기울기는 양수이다. 따라서 여기에 제시된 것보다 높은 효율의 작동이 OC 1로 달성될 수 있다. 광섬유 레이저와 같은 CW 고출력 펌프 소스들에는 없는 Nd:YAG 펌프 레이저 사이클의 첨단에서 대부분 큰 강도의 스파이크로 인해 발생할 수 있는 고 펌프 출력에서 경험되는 거울 코팅이 손상되어 더 많은 정렬 최적화가 회피되었다([4]의 그림 4 참조).
이 레이저의 추가적인 파워 스케일링을 위한 주요 고려 사항은 열 렌즈 효과와 광학 코팅 손상이다. 광학 코팅 손상의 관점에서, 여기 제시된 시스템 설계는 매우 견고하다. 1차 스톡스 내부-캐비티 강도는 한계값(이 모델에 따르면 약 20kW 수준) 이상으로 클램프되므로, 이 순환 필드로부터 손상의 위험은 더 높은 전력에서 증가하지 않는다. 효율적인 2차 스톡스 발생을 위해 여기서 사용된 출력 커플링 은 89%만큼 높고, 2차 스톡스의 내부-캐비티 강도는 kW 출력 전력 수준에 될 때까지 1차 스톡스의 강도에 근접하지 않을 것이다.
열적 렌즈 효과의 관점에서, 2차 스톡스 레이저는 고출력 커플링으로 인해 다이아몬드에서 2차 스톡스의 무시할 수 있는 전력 손실로부터 이점을 갖는다. 상기 한 바와 같이, 잔류 펌프 전력, 2차 스톡스 출력 전력 및 양자 결함을 고려하면 결함, 불순물 흡수 및 산란과 같은 패러스틱 효과로 인해 생성된 2차 스톡스 전력의 <1%가 다이아몬드에서 소멸되는 것으로 밝혀졌다. 1차 스톡스 필드로 인한 이러한 효과로 인해 소멸되는 전력은 2차 스톡스 한계값보다 높은 펌프 전력으로 고정되어있다. 따라서 2차 스톡스 전력을 증가시킬 때, 열부하의 주요 원인은 생성된 라만 포논이다. 출력 커플링이 훨씬 더 낮은(흔히 1% 이하) 1차 스톡스 CW 다이아몬드 레이저의 경우, 다이아몬드로의 전력 손실은 생성된 스톡스 전력의 10-50% 또는 이상이 될 수 있다[10, 14](출력 커플링을 포함한 총 손실에 대한 다이아몬드 손실 비율에 따르면). 그러므로, 최적화된 2차 스톡스 레이저에서 라만 물질의 가열에 대한 불순물 및 결함 흡수 기여는 크게 감소된다. 1.06에서 1.49μm의 2차 스톡스 천이에 대해, 이는 소모된 펌프 전력의 28% (출력 2차 스톡스 전력의 40%와 동일)에 달한다. 108W 레이저와 380W 레이저에 대해 다이아몬드와 라만 생성 포논에서 1차 스톡스 손실로부터 결합 된 열이 대략 각각 150W[14]와 120W[10]에 이르는 1차 스톡스 다이아몬드 라만 레이저들의 이전 결과와 비교하면(PHeat= Pout Х [2αL/Toc + (1- η1)/ η1], Toc는 출력 커플러 투과율이고 Pout는 측정 된 스톡스 출력으로 계산) 그 열 수준을 초과하지 않고 2차 스톡스 레이저는 375W 출력에 접근 할 수 있다. 그 수준을 넘어서는 파워 스케일링은 빔 품질의 손실 없이 모드 크기가 증가 할 가능성이 있지만 다이아몬드에서 상당한 열 추출이 필요하다.
상기 실시 예들은 외부 캐비티 구성에서 CW, 2차 스톡스 결정체 라만 레이저를 제공한다. 분석 모델은 2차 스톡스 출력 커플링과 펌프의 소모율 사이에 거의 선형의 비례 관계를 나타내므로 효율적인 변환을 위해서는 2차 스톡스에서 고출력 커플링이 요구된다.
다이아몬드의 탁월한 열적 특성과 큰 라만 천이를 활용하여 1.06μm에서 1.49μm까지 최대 114W 출력 전력, 55% 기울기 효율과 44% 변환 효율까지 효율적인 변환을 보였다. 이 소형 레이저는 Yb광섬유 레이저를 1.5-1.6μm 스펙트럼 범위로 직접 변환하는 데 적합하며 이러한 파장에서 작동하는 파이버 레이저의 현재 기능을 초과한 더한 전력 스케일링을 위한 우수한 가능성을 보여준다. 다이아몬드에서 높은 라만 이득을 얻기 위해서 약 50GHz 이하의 펌프 선폭이 선호된다. 다이아몬드는 열적 특성을 개선하기 위해 상온 이하로 냉각될 수 있으므로 고전력을 처리할 가능성이 있다. 이것은 반사 방지-코팅된 결정이거나 브루스터-커팅된 결정일 수 있다. 이것은 동위원소인 정제된 결정일 수 있다. 반사 방지 코팅을 사용할 때 홀수 차수의 스톡스 파장에 대해 낮은 반사율을 제공하는 것이 특히 중요하다. 짝수 차수에 대한 반사 방지 요구 사항의 완화는 높은 손상 한계값과 낮은 코팅비용을 제공하는 데 실질적인 이점을 가질 수 있디.
이제 도 4를 참조하면, 실시 예의 교시와 같이 구성된 적합한 라만 레이저(40)의 작동부들의 일 형태의 측면 사시도가 도시된다. 장치(40)에서, 다이아몬드 광 매질(41)가 제공되어 열 흡수원(42) 및 구리와 같은 고 열전도 재료로 형성될 수 있는 기저부(43) 상에 장착된다. 기저부(43)는 또한 스테이지(48) 상에 장착될 수 있다. 테이블(2)에 개략적으로 나타낸 바와 같은 반사율을 갖는 2개의 반사 경(44, 45)이 또한 스테이지(48) 상에 형성된다. 장치(40)는 입력 빔(46)에 의해 펌핑되고 출력 빔(47)을 생산한다.
초기 실시 예가 단일 레이저 이득 캐비티를 참조하여 설명되었지만, 링 캐비티 레이저 및 다중 거울 배열을 포함하는 다른 형태의 배치가 이용될 수 있음은 당업자에게 명백할 것이다.
다른 실시 예
다른 실시 예에서, 효율적인 주파수 변환을 위한 성숙한 레이저 시스템의 소량의 가스 검출을 추적하기에 적합한 선택된 방출 파장을 가능하게 하는 라만 레이저가 제공된다. 간결함과는 별개로 라만 레이저의 중요한 주요 이점은 열 위상차 및 이조(detuning)를 감소시키는 자동 위상 매칭 뿐 아니라 소위 라만 빔 정화 효과이다. 후자는 생성된 스톡스 빔에 의해 경험된 공간 이득 형상이 가우시안 분포에 수렴하는 펌프 및 스톡스 필드의 결합이며, 따라서 기본 가로 모드(TEM00) 출력과 회절 제한된 빔 품질을 제공한다는 사실을 설명한다.
또한, 최근 연구들은 협대역 레이저 방출의 전제조건인 단일-종방향 모드 동작이 정상파 캐비티들에서 공간 틈 연소(spatoal hole burning)의 부족으로 인해 라만 레이저들에서 용이해짐을 보여주었다. CVD 다이아몬드는 큰 라만 게인 이득 상관계수와 라만 빔 정화 효과와 결합하여 유해한 열 렌즈 효과를 방지하고 고휘도 출력을 제공하는 유리한 열 기계적 특성으로 인해 고전력 주파수 변환에 우수한 소재로 증명되었다.
다이아몬드 라만 레이저들은 근적외선 스펙트럼 영역에서 선택된 흡수선들에서 주파수 안정 및 협대역 출력을 생성할 수 있다. 이 목적을 위해, 1483에서 1488nm까지 조정할 수 있는 단일-종 방향 모드(SLM)에서 작동하는 외부 캐비티 다이아몬드 라만 레이저가 개발되었는데, 주변 대기의 수증기는 흡수 가스 종으로 선택되어 레이저의 미량 가스 검출 가능성을 입증했다. 수증기는 지구 대기 상에 풍부하며 지구 온난화의 핵심 증폭기로서의 역할로 주요한 온실 가스이다. 대기 수증기 농도를 정확한 측정은 그러므로 기후 모델을 확인 및 개선하고 보다 정확한 기후 변화 및 기상 예측을 제공하는 것이 필수적이다.
실시 예는 라만 레이저의 스펙트럼 특성에 따른 볼륨 브래그 격자(VBG)의 활용을 포함한다. VBG는 레이저에서의 스펙트럼 축소 및 모드 선택을 위한 작고 견고한 광학 요소이다. 이 실시 예는 또한 스톡스 차수에 따라 스케일링하는 SLM 라만 레이저의 유효 모드 간격(effective mode spacing)을 나타내며, 그러므로 고차 스톡스 라만 레이저에서 단일 모드 동작을 용이하게 한다.
도 5는 외부 캐비티 2차 스톡스 라만 레이저의 초기 설정(50)을 개략적으로 도시한다. 단일-주파수 분배된 피드백(distributed feedback, DFB) 레이저(51)(TOPTICA Photonics, 모델 DL DFB BFY)로부터의 출력은 Yb광섬유 증폭기(52)(IPG Photonics, 모델 YAR-LP-SF)에 의해 증폭되고 펌프 소스로서 회절 한계 빔 품질 (M2= 1.05) 및 고주파 안정성 (1시간에 40MHz)에서 최대 40W CW 출력 전력을 제공한다. 펌프 파장은 80pm/K의 열 동조율로 DFB 레이저(51)의 작동 온도를 변화시킴으로써 1062.8 내지 1065.6nm 범위에서 조정 가능 하였다.
펌프와 라만 레이저 사이의 광 피드백은 광 아이솔레이터(53) 및 편광 정렬기(54, 55)를 사용함으로써 방지되었다. 반-파장 판(56)은 다이아몬드 매질(60)의 축[111]을 따르는 펌프 복사선의 분극을 보장하기 위해 사용되었고, 그러므로 가장 높은 라만 이득을 제공한다. 초점 길이가 fL1= 50 mm 인 평면-볼록 렌즈(58)를 사용하여 펌프 빔을 저 질소, 저 복굴절, 근-동심 광 캐비티의 중심의 구리 블록 (61)위에 있는 CVD-성장 단-결정 다이아몬드(ElementSix, Ltd.)(60)로 초점을 맞추기 위해 사용되었다.
선형 라만 오실레이터는 각각 50mm 및 100mm의 곡률 반경을 갖는 2개의 오목 거울들(59, 63)에 의해 형성된다. 두 거울은 kW 범위에서 내부 캐비티 1차 스톡스 필드 전력을 생성하면서 1차 스톡스 파장에서 높은 반사율을 가졌다. 입력 커플러(M1 59)는 또한 2차 차수 스톡스 광에서 높은 반사율이나, 출력 커플러(M2 63)는 이 성분을 부분적으로 투과했다(T
Figure pct00012
30%).
도 6은 1차 및 2차 스톡스 발생에 대한 낮은 한계값(
Figure pct00013
? 6W)을 보여주는 1차(예를 들어, 74) 및 2차(예를 들어, 73) 스톡스 레이저 성능(70)의 측정을 도시하는 반면, 1차 스톡스 전력은 2차 스톡스 필드가 발생하면, 거의 일정하게 유지된다. 2차 스톡스 한계값 이상에서, 1차 스톡스 필드는 펌프(71)와 2차 스톡스 필드 사이의 중재자로서 작용하여, 후자로의 효율적인 변환이 달성된다. 최대 2차 스톡스 전력은 21%의 변환 효율에 상응하는 34W 펌프 전력에서 7W가 되는 것으로 측정되었다.
출력 파장은 1483에서 1488nm까지 조정 범위를 실현하면서 DFB 펌프 레이저 다이오드(51, 그림 5)의 온도를 변화시킴으로써 연속적으로 조정될 수 있다. 결과 스펙트럼은 레이저 스펙트럼 분석기를 사용하여 취해진 도 7에 도시된다. 잔잔한 로오렌찌안(Lorentzian)선 모양은 약 100mW의 낮은 출력에서 라만 레이저의 SLM 작동을 나타낸다. 이는 펌프 주파수 변동(40MHz)에 의해서만 제한되는 중심 주파수의 높은 안정성으로도 확인된다. 그러나, 멀티 모드 동작 및 훨씬 더 큰 변동이 증가 된 출력 전력에서 관찰되었다. 라만 천이 및 광 경로 길이에서 열적으로 유도된 변화들은 SLM 전력을 제한하는 주된 이유로 고려된다. 라만 생성된 포논 붕괴로 인한 열은 1차 스톡스 레이저에 비해 약 두 배이다. 또한, 강한 내부 캐비티 1차 스톡스 필드에 의해 유도된 불순물 및 결함 흡수로 인해, 다이아몬드의 열적 부하는 1차 스톡스 라만 레이저에 비해 악화될 수 있다. 이는 스톡스 전력과 광학 공동 길이 사이의 강한 커플링을 초래하고, 결과적으로 최대 SLM 출력 전력이 감소되고 주파수 안정성이 열악해진다.
볼륨 브래그 격자를 이용한 파장 안정화
SLM 전력을 높이고 보다 긴 시간 규모에서 주파수 안정성을 향상시키기 위해 볼륨 브래그 격자(VBG) 설계가 시스템에 통합되었다.
도 8은 수정된 설계에서 VBG(91)의 활용(90)을 도시한다. VBG는 약100pm(FWHM)의 반사 대역폭을 갖는 회절 격자의 수직 입사에서 1486.0nm 파장에서 55%의 피크 회절 효율(반사율)을 갖도록 설계되었다. 이러한 방식으로, 두 거울(M1 및 M2)에 의해 형성된 내부 레이징 캐비티에 광학 피드백을 제공하면서 외부 광학 공진기의 2차 출력 커플러로서 작용한다. M2 뒤에 배치 된 평면-볼록 렌즈는 출력 방사선을 평행화하여, VBG로부터 입사하여 반사 된 2차 스톡스 광의 양호한 공간 중첩을 보장하고, 제 2위치에서 매우 투과성 인 롱-패스 필터(Long Pass Filter, LPF)(92) 스톡스 파장은 내부 캐비티를 통해 누설되는 펌프 및 1차 스톡스 방사선을 억제하기 위해 사용되었다. VBG-안정화 된 라만 레이저의 파장 동조는 온도 제어 오븐에서 격자(91)를 가열하는 것과 함께 펌프 레이저 파장을 스캐닝함으로써 달성되었다. 후자는 약 1pm(135MHz)의 정확도로 VBG 피크 파장을 1486.0에서 1486.6nm로 조정할 수 있었다.
라만 레이저의 스펙트럼 순도에 대한 VBG의 영향은, 2차 스톡스 파장이 격자 피크와 함께 온 또는 오프 공진으로 조정되는 경우 그 스펙트럼을 기록함으로써 조사되었다. 도 9는 500mW 출력 전력에서 측정된 케이스(101, 102) 모두를 도시한다. VBG는 온 공진(101) 및 오프 공진(102)을 나타낸다. 다중 모드 동작은 라만 레이저가 오프-공진으로 조정되었을 때 명백하고 그래서 VBG는 2차 스톡스 복사(radiation)에 대해 투명했고, 반면에 단일파장모드(102)의 오실레이션은 펌프레이저파장이 1486.00nm파장에서 상온 VBG 피크 파장과 일치하고 광 피드백이 제공되도록 설정되었을 때 관찰된다. 다중 모드의 진동이 관찰되었지만 VBG가 2차 스톡스 방사선에 대해 투명하도록 라만 레이저가 오프-공진(101) 펌프 레이저 파장이 2차 스톡스 파장이 1486.00nm에서 실온 VBG 피크 파장과 일치하고 광 피드백이 제공되도록 설정되었을 때, 도 10은 중심 파장의 안정성이 펌프 주파수 변동의 순서인 1 내지 2분의 기간에 걸쳐 약 40MHz 였음을 나타낸다. 따라서, VBG의 이용은 약 100pm의 넓은 대역폭에도 불구하고 모드 차별화를 향상 시킴에 따라 SLM 동작을 용이하게 한다.
몇 분에 걸친 중심 파장의 시간 변화의 측정은, 도 11의 121, 122, 123, 124로 도시된 바와 같이 모드- 호프의 발생이 드러냈다. 이것은 다이아몬드의 가열과 그것의 마운트로 인한 것으로 고려된다. 강한 내부-캐비티 1차 스톡스 필드 (Stokes field)로 인해, 다이아몬드는 몇 분 안에 수십 켈빈씩 가열되어 광학 경로 길이가 증가하고 라만 천이의 중심 값에도 영향을 준다. 모드-호프는 내부 공동의 광학 길이로부터 계산된 모드 간격의 2배인 2GHz 정도 인 것으로 측정되었다.
이론에 구속되지 않으면, 그 이유는 아마 다음과 같이 설명된다. 1차 스톡스 구성의 SLM 동작의 경우, 상응하는 필드는 반드시 펌프와 동일한 주파수로 공진하며, 이는 도 12에 도시된 바와 같이 주파수가 내부 캐비티 모드 간격
Figure pct00014
의 정수배임을 의미하며, 1240nm 부근의 라만 이득의 피크에 근접한다. 2차 스톡스 모드는 펌프로서의 1차 스톡스 필드로 인한 이득을 겪게 될 것이고, 자발적 라만 산란과, 1차 스톡스 주파수는 n은 양의 정수인;
Figure pct00015
를 가지는 기본 주파수의 4-파장 믹싱과 매칭된 비위상의 결과에 의해 기인한다. 전자의 과정은 잠재적으로 모든 캐비티 모드들에 기인하지만, 후자는 에너지보존으로 인해 오직
Figure pct00016
에서 기인된 것을 제공한다. 그러므로, 4-파장 믹싱이 우세한 기인된 메커니즘인 관찰된
Figure pct00017
의 모드 호프간격으로부터 추론된다. 결과적으로, 2차 스톡스 필드는 1차 스톡스 라만 캐비티와도 공진한다.
1차 스톡스 레이저에 대해 모드-호프가 발생하면 포논 주파수(라만 천이)는 캐비티 모드 간격의 양만큼 증가(또는 감소)된다. 이것은 1차 스톡스에서 2차 스톡스로의 더 큰(또는 보다 작은) 천이를 초래하여, 하나의 모드는 생략되고 유효 모드 간격은 1차 스톡스에 대해 2배만큼 크다. 이 개념은 더 높은 스톡 차수로 이전될 수 있다. 스톡스 차수에 비례하여 주파수 간격이 증가함에 따라, 라만 이득 대역폭 내에서 이용 가능한 종 방향 모드의 수가 감소된다. 이는 2차 모드를 보다 쉽게 구별 할 수 있는 유용한 기능이고, 예를 들어 주파수 선택적 캐비티 요소에 의해 결합되어 SLM 안정성을 지원한다.
위 설명은 M1에 의해 형성된 커플된 캐비티 및 VBG 및 M1 및 M2의 광 길이는 그들이 공진상태에 있도록 선택되도록 가정되었다는 것을 유의해야 한다. 그러나 렌즈 L2와 롱-패스 필터에 의해 도입된 내부 캐비티 손실에 의해 더 감소되는 VBG에 의해 형성된 캐비티의 낮은 기능 때문에, 정확한 캐비티 길이는 2차 스톡스 레이저의 안정한 SLM작동를 위해 비교적 중요하지 않다. 일반적으로 거울 간격은 안정적인 단일 모드 작동을 보장하기 위해 활성 거울 포지셔너 및 피드백 전자 장치로 정확하게 제어되어야 한다.
안구-안전 스펙트럼 영역에서 방출하는 다이아몬드 라만 레이저의 SLM 작동이 다른 실시 예에서 증명되었다. 2차 스톡스 구성부품으로의 가변 펌프 레이저의 유효 주파수 변환은 1483에서 1488nm까지의 범위에서 7W 멀티-모드 출력 전력을 생산했다. 볼륨 브래그 격자의 실행은 주파수 변동을 40MHz로 감소시키는 반면 단일모드 출력전력을 500mW까지 증가시켰다. 장기간 주파수 안정성을 분석은, 라만 레이저의 유효 모드 간격은 캐비티 모드 간격의 두배이고, SLM을 작동 할 때 고차 라만 레이저의 유익한 고유의 특성을 제공한다는 것이 밝혀졌다. 마지막으로, 라만 레이저는 수증기 검출에 성공적으로 사용되었다.
측정 오차의 현저한 감소는 레이저 주파수 안정성을 개선함으로써 확인될 수 있으며 예를 들어, 상온 피크 파장이 선택된 흡수선의 중심 파장과 일치하는 VBG를 사용함으로써 확인될 수 있다.
다른 기체 종류의 검출은 Yb 광섬유 증폭기 이득 스펙트럼의 더 많은 부분 (예: 1010에서 1120nm까지)을 사용하도록 현재 시스템을 조정함으로써 수행될 수 있다, 그러므로 처음부터 근-적외선의 주요 부분(1165-1320nm) 및 2차 스톡스(1380-1600nm) 발생에 접근을 가능하게 한다. 그러므로 발전된 개념에 기반한 SLM 라만 레이저는 대기 가스의 원격 감지에 적용되는 기존의 OPO/OPA 및 Er:YAG 레이저 소스에 대한 유망한 대안으로 기대된다. 또한, 가시 스펙트럼 범위로의 이용 가능한 방출 파장의 확장은, 예를 들어 Sr 원자 시계에서 1S0 → 3P0 클록 변이의 파장을 나타내는 698nm에 도달하는 차후 2차 고조파 발생에 의해 달성 될 수 있다.
이 실시 예는 특히 다이아몬드 라만 레이저의 파워 스케일링에 대한 잠재력을 보여 주며, 원격 탐사 응용 분야뿐만 아니라 중력파 탐지 및 레이저 냉각과 같은 다른 영역에서도 중요한 관심을 끄는 고전력 SLM 레이저를 개발하기 위한 새로운 기회를 열어 준다.
다른 대안 실시 예
상기의 배치는 다수의 스톡스 캐스케이드로 일반화될 수 있다. 이것은 비-공진 또는 약한-공진 펌핑과 캐스케이드된 스톡스 롱-펄스 및 외부 캐비티를 사용하는 연속파-라만 레이저를 초래할 수 있다.
설계 파라미터는 결정에 있어서, 펌프빔으로부터 에너지를 2차 또는 그 이상의 캐스케이드된 스톡스 천이를 통해 스톡스 천이된 빔으로 변환하기 위해 하나 이상의 스톡스 파장에서 광 캐비티 공진의 비-공진 또는 약-공진 펌핑을 사용하는 결정에서 효율적이고, 롱-펄스 또는 연속파 라만 빔 변환을 허용한다.
상기 실시 예는 이에 따라 2차 이상의 스톡스 차수에서 효율적인 변환을 달성하는데 요구되는 출력 커플링 값을 허용한다.
2차 스톡스 CW 외부 캐비티 라만 레이저에서 펌프 변환를 지배하는 일반적인 방정식은 다음과 같다.
Figure pct00018
여기서 Ip(0)는 주입된 펌프강도이고: γ = 4 g1L/ η1, g1 은 1차 스톡스 파장에서 라만 이득 계수이고, L은 이득 결정의 길이이고, η1는 1차 스톡스 파장에 의해 나눈 펌프파장과 동일하며:
Figure pct00019
과
Figure pct00020
은 각각 왕복 1회에 걸쳐 순환하는 1차 및 2차 스톡스 필드의 평균강도이다. IpTH1= (- ln R1 + 2α1L) /(4 g1L), R1은 1차 스톡스 파장에서 캐비티 반사율(즉, 두 개의 경면반사율의 곱)이고, α1은 1차 스톡스 파장에서 다이아몬드의 낮은 계수이다.
이 방정식은 이중-통과 펌핑에 적용된다; 반면에 단일-통과 펌핑 γ =2 g1L/ η1과 2차 스톡스 항의 앞에 2개의 요인이 있다(즉,
Figure pct00021
는
Figure pct00022
로 대체될 수 있다.)
1차 스톡스 레이저만
Figure pct00023
=0, 2차 스톡스 레이저에 대해서 아래와 같이 주어진다.
Figure pct00024
높은 캐스케이드된 스톡스 차수에 대해 모든 스톡스 차수에 대해 성립하는 다음 방정식을 이용해서 어떤 홀수 차수도
Figure pct00025
로, 어떤 짝수 차수도
Figure pct00026
로 대체하는 것이 가능하다.
Figure pct00027
Rn-1 은 (n-1)차 스톡스 파장에서 캐비티 반사율이고, αn-1는 (n-1)차 스톡스 파장에서 결정 손실 계수이고, gn-1은 (n-1)차 스톡스 파장에서 라만이득계수이다.
예를 들어, 5차 스톡스 레이저에 대해, 주어진 내부 캐비티 5차-스톡스 강도를 성취하기 위해 요구되는 펌프 강도는 아래와 같이 주어진다.
Figure pct00028
4차 스톡스 레이저에 대해, 주어진 내부 캐비티 4차 스톡스 강도를 성취하기 위해 요구되는 펌프 강도는 아래와 같이 주어진다.
Figure pct00029
어떤 주어진 스톡스 선에서 출력 전력은 다음의 식을 이용해서 내부 캐비티 강도로부터 계산될 수 있다:
Figure pct00030
,
A는 결정에서의 빔의 영역이다.
캐스케이드된 스톡스 선의 정상-상태 내부-캐비티 강도를 묘사하는 상기 유도된 분석 방정식은 모든 홀수-차수 스톡스 천이는 주입된 펌프강도와 비슷한 관계를 가진다는 것을 나타내고 그러므로 최적 출력 커플링 값들은 모든 홀수-차수 스톡스 천이로 유효변환에 있어서 비슷하게 낮다. 유사하게, 모든 짝수-차수 오실레이팅 스톡스 천이의 내부-캐비티 강도는 주입된 펌프강도와 비슷한 관계를 가지며, 홀수 스톡스 차수의 그것과 매우 다른 것으로 최적 출력 커플링 값들은 모든 짝수-차수 스톡스 천이로의 유효 변환에 대해 비슷하다.
상기 유도된 분석 방정식은 또한 2차 스톡스로의 유효변환에 대한 솔루션을 포함한다, 홀수-차수 스톡스 천이를 위한 최적 값과 비교해서 모든 짝수-차수 스톡스 천이에 대해 상대적으로 매우 높은 출력 커플링 값이 최적 변환 효율을 위해 요구된다는 것을 나타낸다.
이러한 경향은 펌프로부터 스톡스 천이로부터 1, 2, 3, 4, 5차 스톡스 천이에서 출력을 포함하는 다이아몬드 라만 레이저의 최종(n차) 스톡스 출력 커플링의 함수로서 총 전력 변환 효율을 도시하는 도 13과 도 14에 명확하게 도시되어 있다. 도 13은 1차, 2차, 3차, 4차 또는 5차 스톡스 천이(131-135)에서 다이아몬드에서 반경 30μm의 반점, 4차 및 5차 스톡스 천이(2.5μm 및 3.7μm)에서 다이아몬드의 다중 포논 흡수를 무시한 출력 커플링을 위한 외부 캐비티 다이아몬드 라만 레이저에 대한 모델 결과의 그래프를 나타낸다.
도 14는 다이아몬드에서 반경 15μm의 지점에 초점을 맞춘 50W 펌프 전력으로 0.53μm 펌핑 하에서 1차, 2차, 3차, 4차 또는 5차 스톡스 천이(141-145)에서 출력 커플링을 위한 외부-캐비티 다이아몬드 라만 레이저에 대한 모델 결과의 그래프를 도시한다.
그래프는 위의 분석 방정식을 풀어서 생성되었다. 모든 경우에, 출력 커플링은 최종(n차) 스톡스 파장보다 낮은 차수(<n)의 모든 스톡스 파장에 대해 작고(약 0), 원치 않는 추가적 캐스케이딩을 막기 위해 더 높은 캐스케이드된 스톡스 파장(n+1차)에서 충분히 높다. 유도된 솔루션은 보다 일반적으로 적용할 수 있다, 예를 들어 다수의 스톡스 차수에서 동시 출력에 적용할 수 있다.
두 가지 경우가 제시된다. 도 13에서, 1.06㎛에서 300W로 펌핑하고, 도 14에서 0.53㎛에서 50W로 펌핑한다. 도 13 및 도 14는 짝수-차 스톡스 천이에 대한 훨씬 높은 최적 출력 커플링 값과 비교하여 명백히 홀수-차 스톡스 천이에 대한 20% 미만의 출력 커플링 값에 대한 가장 높은 변환 효율을 명확하게 보여준다(도 13 및 도 14에서 제시된 대부분의 경우 60% 이상).
도 13을 생성하기 위해 모델에서 사용 된 매개변수는 다음과 같다: 중간의 스톡스 차수에서 경면 반사율로 인한 캐비티 손실: -log(0.999); (n+1)차 스톡스 차수에서 경면 반사율로 인한 캐비티 손실: -log(0.0000001); 주입 된 펌프 동력: 300W; 펌프 및 다이아몬드의 모든 스톡스 웨이스트 반경: 30μm; 이득 매질 길이: 0.8cm; 모든 스톡스 파장에서 이득 매질의 분포 손실 계수: 0.00375cm-1; 1차 스톡스에서의 라만 이득 계수: 10cm/GW; 스톡스 파장(1차부터 6차까지 차수): 1240nm, 1485nm, 1851nm, 2457nm, 3653nm, 7119nm; 2차 및 그 이상의 스톡스 차수에 대한 이득 계수는 라만 이득의
Figure pct00031
스케일링 및 공진기 내의 모드 영역의
Figure pct00032
스케일링을 설명하기 위해 1차 스톡스에서의 이득에 비례하고 파장의 제곱에 반비례한다 (이는 빔 강도의 반비례 스케일링 그러므로 라만 이득을 야기한다).
도 14를 생성하기 위해 모델에서 사용된 파라미터는 다음을 제외하고는 도 13과 동일하다: 주입된 펌프 전력, 50W; 펌프와 다이아몬드의 모든 스톡스 웨이스트 반경, 15μm; 모든 스톡스 파장에서 이득 매질에서 분포된 손실 계수, 0.011cm-1; 1차 스톡스에서의 라만 이득 계수, 20cm/GW; 스톡스 파장(1차 내지 6차까지 차수대로 141-146, 573nm, 620nm, 676nm, 742nm, 824nm, 926nm).
n차 스톡스 차수에서의 내부 캐비티 강도는 펌프 강도에 대한 1차 및 2차 스톡스 강도와 관련된 위 방정식을 풀어서, 상기 방정식에 따른 더 높은 오실레이팅 스톡스 차수를 대표하는 1차 및 2차 스톡스 항(I1(z) 및 I2(z))으로 대체함으로써 계산된다. 이 모델에서 빔 반경은 펌프 및 모든 스톡스 차수에 대해 일정하고 동일하게 설정되기 때문에 n차 스톡스 차수에 대한 변환 효율은 n차 스톡스에서의 내부 캐비티 강도에 -log(Rn)를 곱한 값을 주입된 펌프 강도로 나누어서 계산된다, 여기서 Rn은 n차 스톡스 파장에서 출력 커플러 반사율이다.
격자 흡수 때문에 발생하는 다이아몬드(2.5μm와 3.7μm)의 1.06μm에서 4 차와 5차 스톡스 천이에 상응하는 파장에서 다이아몬드의 높은 광 손실은 그들이 이 펌프 파장을 가진 다이아몬드에 특유함에 따라, 이 모델에서 설명되지 않았다. 이러한 모델은 펌프와 다양한 내부-캐비티 스톡스 필드 사이의 상호 작용하는 이득 및 손실항으로 인한 최적 출력 커플링에서의 경향을 나타낸다. 모든 파장에서 예측 된 성능을 정확하게 모델링하기 위해서는 방정식에 위의 가정된 값보다는 각 스톡스 파장에 대해보다 정확한 손실값을 대체하는 것이 필요하다.
낮은 출력 커플링 값에 대한 짝수 스톡스 차수의 변환 효율이 안좋은 원인은 낮은 출력 커플링이 왕복당 펌프 소모율을 낮추고, 펌프가 캐비티 내에서 공진하지 않기 때문이고 이것은 총 펌프에서 낮은 전력 변환율을 의미한다.
이 모델의 또 다른 중요한 통찰은 n이 홀수인 효율적인 n차 스톡스 레이저를 얻기 위해서 (n+1)차 스톡스에 대한 캐비티 반사율을 고도로 최소화하는 것이 필요하다는 것이다.
도 15 및 도 16은 동일한 분석 방정식을 사용하고, 동일한 파라미터를 사용하여 (n+1)차 스톡스 차수에 캐스케이드되는 것을 피하기 위해 원하는 (n)차 스톡스 차수에서 캐비티 출력 커플링의 함수로서 (n+1)차 스톡스 차수에서 최소로 요구되는 캐비티 손실을 해결하기 위한 그래프를 도시한다. 이 솔루션은 1~5차 스톡스 레이저에 대해 제공된다. 출력 커플링<20%인 홀수-차수 스톡스 레이저(도 15에 주어진 최적 값 근처)에 대해 다음 짝수 스톡스 차수에 대한 최소 허용 캐비티 손실은 전형적으로 매우 높다는 것을 보여준다. 반면, 짝수 스톡스 차수 레이저(n=2,4 등)의 경우, (n+1)차 스톡스 차수의 최소 요구 손실은 전체 범위에서 상대적으로 낮다.
도 15 및 도 16은 (n+1)차 스톡스 차수에 캐스케이드되는 것을 피하기 위해 n차 스톡스 레이저에 대해 (n+1)차 스톡스 차수에서 최소 요구 손실을 도시한다 (증가된 펌프 전력에 대해 n차 스톡스 출력이 클램프되는). 그래프는 도 15에서 사용된 동일한 파라미터에 대해 4차 및 5차 스톡스 천이(2.5㎛ 및 3.7㎛) 에서 다이아몬드의 다중-포논 흡수는 무시한 300W 펌프 전력이 1.06μm 펌핑 하에서 다이아몬드에서 반경 30μm의 지점에 포커싱을 맞추어 주어졌다. 도 16은 0.53㎛ 펌핑 하에서 50W 펌프 전력이 다이아몬드에서 반경 15㎛의 지점에 포커싱된 것을 보여준다.
이 결과의 실용적인 의미는, 1차 스톡스 레이저를 포함한 효율적인 홀수-차수의 스톡스 레이저를 만들기 위해서는 다음 짝수 스톡스 차수로 캐스케이드 되는 것을 방지하기 위해 특별한 주의를 기울여야 하고, 원하는 스톡스 차수의 출력 전력의 결과적인 클램핑이라는 것이다. 반면 효율적인 짝수-스톡스 차수 레이저의 경우, 홀수 스톡스 차수로 원하지 않는 캐스케이딩을 억제해도 캐비티 반사/손실에 대해 엄격한 요구 사항이 추가로 적용되지 않는다. 이 주장은 2차 고 이득 라만 모드(예: 칼륨 가돌리늄 텅스텐산염)를 가질 수 있는 다이아몬드 이외의 물질에도 적용된다. 이 경우, 2차 모드의 스톡스 천이의 해당 파장에서 충분한 손실을 제공하는 것도 중요하다.
캐스케이드된 스톡스 라만레이저에 대한 저출력 및 고출력 커플링 방식의 장단점은 다음과 같다. 주어진 출력 스톡스 차수에 대해, 낮은 출력 커플링 또는 전송은 SBS 및 4-파장-믹싱과 같은 강한 패러스틱 비선형 효과, 출력 커플링에 비해 패러스틱 손실(예. 흡수 및 산란)의 고비율, 짝수 스톡스 차수 출력 커플링의 경우에 대해 낮은 펌프 소모를 결과로 한다. 홀수-차수 스톡스 레이저의 경우, 다음 스톡스 차수로 원치 않는 캐스케이딩이 발생하고 원하는 스톡스의 출력을 클램핑할 위험이 높다.
출력 커플링 또는 전송이 매우 높은 경우, 한계값이 증가하고(특히 홀수-스톡스-차수 출력 커플링의 경우) 레이저 효율이 감소한다.
이 모델의 결과는 홀수-차수 스톡스 출력의 효율성과 다음 고 차수(짝수)의 억제임을 확인할 수 있다. 이것은 짝수-차수 스톡스 출력보다 훨씬 엄격하다(도 15, 16에서와 같이). 실제로 이것은 캐비티 거울들이 고차수에서 높은 투과를 보장함으로써 달성될 수 있다. 필터, 에탈론(etalons) 및 흡수체와 같은 내부 캐비티 요소는 또한 억압을 달성하기 위해 사용될 수 있다. 억압 수준을 높이기 위한 또 다른 기술은 접힌 캐비티(예: "접이식"거울에서 여분의 튀어 오름)를 사용하고 접이식(폴딩) 거울이 고차수에서 높은 손실을 가지도록 보장하는 것이다. 이 경우 전반적인 왕복-운동 손실은 적어도 거울 손실의 두 배 이상이다.
더 짧은 파장에서 내부 캐비티에서 고주파 발생의 가능성 또한 있다. 이 경우 출력 커플링은 출력 커플러를 통해 출력되는 비선형 2차 고조파 생성에 의해 대신 제공된다(즉, 고조파에 대해 고도로 전송됨). 출력 커플링의 최적화는 부분적으로 반사경과 비슷한 방식으로 발생한다. 출력 커플링 값은 주로 비선형 재료, 결정 길이, 결정 내 빔의 크기에 따라 달라진다.
다른 레이저도 사용될 수 있다. Nd:YAG 에 더하여, 펌프 레이저에는 Yb:YAG레이저, Yb광섬유 레이저, VECSELs 및 Er광섬유 레이저 및 그들의 고조파가 포함된다. 여기에 설명된 같은 원리는 동시적으로 펌핑되는 초단 라만 레이저 (예. 피코(pico)초(s) 라만 레이저)에도 적용된다.
볼륨 브래그 격자가 사용되는 경우, 일반적으로 공진기 거울 분리의 캐비티 길이를 안정화하거나 능동적으로 제어하는 것이 중요할 것이다. 이는 가변 또는 단일 종단 모드에서 작동하는 파장 안정 레이저에 대해 알려진 요구 사항이다
다른 대안적인 실시 예 - 2.1㎛ 영역 이상
2.1㎛이상의 파장(실리카 광섬유의 전송 창)에서 방출되는 고체 레이저 소스는 특히 연속파 동작에서 여러 가지 이유로 실현하기가 어렵다. 부드러운 유리를 기반으로 한 광섬유 레이저소스는 고 전력에는 적합하지 않으며 대부분의 레이저 전환은 비효율적이다. 이 파장 범위의 고전력 레이저는 특히 플라스틱은 첨가제나 증감제 없이 이러한 파장에서 빛을 흡수하므로 플라스틱 용접에 요구된다.
다이아몬드는 레이저 전이를 필요로 하지 않지만 더 짧은 파장의 레이저에서 라만 주파수 변환에 의존하는 라만 레이징을 사용하여 이러한 문제를 잠재적으로 극복 할 수 있다. 예를 들어, 플라스틱 용접 응용 분야에서 이 파장 영역의 레이저를 개발해야 한다는 주요 요구가 있다.
그러나 다이아몬드는 2-3μm 파장 영역에서 상당한 손실을 겪는다. 이것은 1.9미크론(microns)(4 포논) 흡수에서 한계 파장에서 어느 정도 발생하고 2.5미크론(3 포논)에서 훨씬 더 강하게 발생하는 다이아몬드에서의 고유의 다중 포논 흡수(격자 흡수)의 문제로 인한 것으로 생각된다(2 포논은 3.75미크론에서 시작한다). 도 17은 다중광자 흡수 특성을 나타내는, 파수에 의한 다이아몬드의 흡수 계수의 대수 그래프를 도시한다. 결과적으로, 이 범위에 걸쳐 레이징 시스템을 제공 할 특별한 필요가 있다
레이저 모델링은 단일 라만 천이를 기반으로 한 이러한 파장(또는 파수)에서 작동하는 다이아몬드 레이저는 이러한 높은 한계 전력 요구 사항과 그런 낮은 출력 효율을 가질 것을 암시하므로 그러한 접근 방법을 쓸모 없게 만든다. 예를 들어, 2-3.8μm에서 다이아몬드 손실은 0.2-2 cm-1 (1.2μm에서 <0.004 cm-1)이다. 일반적인 다이아몬드 레이저의 경우: 왕복운동 당 결정을 통과하는 0.8cm 다이아몬드의 경우 왕복 운동 당 손실은 1.2μm에서 0.6%인데 비해 27-96%이다.
예를 들어, 1차 스톡스 레이저는
Figure pct00033
= 2.46μm,
Figure pct00034
= 1.85μm, 2.46μm 에서 손실계수는 α2.46= 0.3cm-1 (그러므로 왕복 손실 = 62%)이며 경면 반사율 R1R2= 1Х0.8 = 0.8, 이득 계수 g1= 10-8 Х1240/2457cm.W-1, 다이아몬드 길이 L= 0.8cm이며, 최대 변환 효율은 다음과 같이 제공된다.
Figure pct00035
상기의 변환 효율에 도달하기 위해서, 한계펌프 전력 Pthreshold의 약 4배인 펌프전력이 요구된다.
Figure pct00036
다이아몬드의 펌프 초점 반경 w0= 0.003cm의 경우, 한계값 이상으로 다수배의 매우 높은 한계값 및 효율적인 전환 가능성이 낮기 때문에 이 유형의 레이저는 모든 응용분야에 대한 무시해도 될 전망으로 실용적이지 못하다.
이 실시 예는 캐스케이드된 연속파 라만 레이저를 이용하여 효율적으로 그리고 훨씬 낮은 한계 펌프 전력 요건으로 작동 할 수 있는 이들 파장(또는 레이저 파장에서의 높은 손실을 갖는 임의의 상황)에서의 작동을 위한 레이저 설계를 달성한다. 효율적으로 작동하기 위해 저-적합함/ 고-이득 캐비티가 필요한 2차 스톡스 천이에서 작동시킴으로써, 1차 스톡스 천이에서 작동하도록 설계된 라만 레이저보다 패러스틱 손실의 영향을 훨씬 덜 받는다.
이하에서 논의되는 예는 2차 스톡스 레이저 설계에 대한 한계 전력 및 예측 된 기울기 효율을 제공한다.
2~3μm의 파장에서 작동하는 고전력 고체 레이저는 수많은 응용 분야를 가진다. 즉각적인 타겟 적용은 플라스틱 용접이다. 이 실시 예는 실질적으로 높은 패러스틱 손실의 존재 하에서 효율적인 동작을 달성하기 위한 설계 원리 및 이론에 관한 것이다
비슷한 출력 파장에서 작동하는 2차 스톡스 레이저의 경우:
Figure pct00037
= 2.46μm,
Figure pct00038
= 1.85μm,
Figure pct00039
= 1.49μm, 2.46μm에서 손실계수 α2.46= 0.3cm-1, 1.85μm에서 손실계수 α1.85= 0.004cm-1, 1.85μm에서의 라만 이득 계수 g1= 10-8 Х1240/2457cm. W-1 및 2.46μm에서 유효 라만 이득 계수 (1차 스톡스 모드에 비해서 확대 된 빔 크기를 고려한 캐비티 내의 2차 스톡스 모드) g2= 10-8 Х(1240/2457)(1851/2457)cm.W-1, 1차 스톡스 파장에 대한 경면 반사율 R2 1.55= 0.996, 2차 스톡스 파장에서의 경면 반사율 R2.46= R1R2 = 1 Х 0.3= 0.3, 다이아몬드 내의 펌프 웨이스트 반경 w0= 0.003cm, 다이아몬드 길이 L= 0.8cm, 2.46μm에서 2차 스톡스 레이징에 대한 한계 펌프 전력은 다음과 같이 계산된다.
Figure pct00040
그러므로 2차 스톡스의 경우(특히 높은 패러스틱 손실이 큰 레이저에서 임계 값은 증가하지만 경사 효율도 증가하는 경향이 있음) 훨씬 더 높은 거울 전송이더라도, 한계 펌프 전력 요구사항은 1차 스톡스 레이저와 비교하여 24배 이상 감소된다.
임계 값 이상에서 이 레이저의 기울기 효율은 레이저 파장에서 높은 패러스틱 손실과 결합한 1.49μm(1-1485/2457= 40%)의 더 짧은 파장에서 펌핑된 양자 결함을 고려할 때 매우 높게 고려되는 에너지 손실인 32%로 계산된다. 따라서 1.49μm에서 150W 펌프 전력의 경우 2.46μm에서 약 32W의 출력을 얻을 수 있다. 그러므로 2.5μm 파장 영역에 도달하기 어려운 실용적이고 상대적으로 효율적인 레이저를 얻을 수 있다.
위의 예에서 언급 한 다이아몬드의 손실 값은 대략적인 값이다. 그러나, 이러한 예들은 1차 스톡스 천이에서의 동작과 비교하여, 손실 파장에서의 2차 스톡스 천이에서의 동작으로부터 달성할 수 있는 매우 우수한 성능을 명확하게 설명한다.
1.5마이크론 주위의 적합한 펌프소스로는 에르븀 광섬유 레이저, 라만 광섬유 레이저 및 다이아몬드 라만 레이저가 있다. 후자의 경우, 2단계 다이아몬드 레이저 배치는 성숙한 1미크론 광섬유 레이저 기술을 주 구동 레이저로 사용할 수 있게 한다. 또 다른 대안은 1미크론 펌프를 사용하고 4차 스톡스 출력에서 다이아몬드 레이저를 작동시키는 것이다. 캐비티에서 손실되는 파장에서 효율적인 출력을 생성하기 위한 2차 스톡스 출력의 사용은 다른 짝수 차수의 스톡스 파장에도 또한 적용된다. 4차 스톡스 레이저는 2단계 DRL에 비해 더 간단할 가능성이 있지만, 거울 코팅의 스펙이 충족하기가 더 어려울 수 있다는 단점이 있다.
해석
본 명세서 전체에 걸쳐 "일 실시 예(one embodiment)", "일부 실시 예(some embodiments)"또는 "실시 예(an embodiment)"는 실시 예와 관련하여 설명된 특정 특징, 구조 또는 특성이 본 발명의 적어도 하나의 실시 예에 포함됨을 의미한다. 따라서, 본 명세서 전체의 다양한 곳에서 "일 실시 예에서(in one embodiment)", "일부 실시 예들에서(in some embodiments)"또는 "실시 예에서(in an embodiment)"라는 문구의 출현은 모두 반드시 동일한 실시 예를 지칭하는 것이 아니다, 그러나 동일한 실시 예를 지칭 할 수도 있다. 또한, 특정 특징들, 구조들 또는 특성들은 하나 이상의 실시 예들에서 본 개시 내용으로부터 당업자에게 자명함에 따라 임의의 적절한 방식으로 결합 될 수 있다.
본 명세서에 사용된 바와 같이, 달리 명시되지 않는 한, 공통 객체를 기술하기 위한 서론 형용사 "1차(first)", "2차(second)", "3차(third)"등의 사용은 단지 유사한 객체의 상이한 예가 참조되고 있음을 나타낼 뿐이며, 그렇게 기술된 대상이 시간적, 공간적, 순차적 또는 다른 방식으로 주어진 순서에 있어야 함을 암시하고자 한다.
이하의 특허 청구범위 및 여기의 설명에서, '포함하는', '~을 포함하는' 또는 '포함하는 것'은 용어들 중 어느 하나는 적어도 뒤에 오는 요소들/특징들을 포함하지만 다른 것들을 배제하지 않는 것을 의미하는 개방형 용어이다. 따라서, 청구항에서 사용되는 용어 '포함하는'은 이후에 열거 된 수단 또는 요소 또는 단계를 제한하는 것으로 해석되어서는 안된다. 예를 들어, A 및 B를 구성하는 장치의 표현의 범위는 A 및 B 요소만 포함하는 장치로 제한되어서는 안된다. 본 명세서에서 사용되는 '포함하여' 또는 '포함' 또는 '그것을 포함하는' 중 임의의 하나는 또한 용어를 따르지만 다른 것들을 배제하지 않는 적어도 요소들/특징들을 포함하는 것을 의미한다. 그러므로,'포함하여'는 '포함하는'과 동의어이며 '포함하는'것을 의미한다.
본 명세서에 사용 된 바와 같이, "예시적인(exemplary)"이라는 용어는 품질을 나타내는 것과는 대조적으로 예를 제공한다는 의미로 사용된다. 즉, "예시적인 실시 예(exemplary embodiment)"는 필연적으로 모범적인 품질의 실시 예인 것과는 반대로, 예로서 제공된 실시 예다.
본 발명의 예시적인 실시 형태의 상기 설명은 다양한 양태의 하나 또는 그 이상의 특징의 이해를 돕고 개시를 간소화하기 위한 목적으로 그룹화된 실시 예, 그림 또는 설명으로 정리 될 수 있다. 그러나 이 개시 방법은 청구된 발명이 각 청구항에 명시적으로 기재된 것보다 많은 특징을 필요로 한다는 의도를 반영하는 것으로 해석되는 것은 아니다. 오히려, 첨부된 특허 청구 범위가 반영하듯, 발명의 특징은 하나의 전술의 개시된 실시 예의 모든 특징보다 적다. 따라서 상세한 설명에 이어지는 특허 청구 범위는 이 상세한 설명에 명백하게 포함되어 있으며, 각 청구항은 본 발명의 다른 실시 예로서 그 자체에 근거한다.
또한, 본 명세서에 기재된 일부 실시 예는 다른 실시 예에 포함 된 일부 특징을 포함하나, 다른 실시 예에 포함된 다른 특징을 포함하지는 않고, 다른 실시 형태의 특징의 조합은 본 발명의 범위 내에 있음을 의미 하고, 당업자가 이해할 수 있음에 따라 다른 실시 예를 형성한다. 예를 들어, 첨부된 청구항들은 청구항들에 기재된 실시 예들 중 어느 것이든 임의의 조합으로 사용할 수 있다.
또한, 본 명세서에서 설명된 일부 실시 예들은 컴퓨터 시스템의 프로세서에 의해 또는 그 기능을 수행하는 다른 수단에 의해 구현 될 수 있는 방법의 요소 또는 방법들의 조합으로서 기술된다. 그러므로, 그러한 방법 또는 방법의 요소를 수행하기 위해 필요한 지시들을 갖는 프로세서는 방법의 성분 또는 요소를 수행하기 위한 수단을 형성한다. 또한, 장치 실시 예의 여기에서 설명 된 요소는 본 발명을 수행하기 위해 요소에 의해 수행되는 기능을 수행하기 위한 수단의 예이다.
본 명세서에 제공된 설명에서, 다수의 특정한 사항이 설명된다. 그러나, 본 발명의 실시 예들은 이들 특정 사항 없이도 실시 될 수 있음이 이해된다. 다른 예들에서, 잘 알려진 방법, 구조 및 기술들은 설명의 이해를 모호하게 하지 않기 위해 상세하게 도시되지 않았다.
마찬가지로, "커플된(coupled)" 용어는 청구 범위에서 사용될 때 직접 접속에만 한정되는 것으로 해석되어서는 안됨을 알린다. "커플된(coupled)" 및 "연결된(connected)"이라는 용어는 그들의 파생 용어들과 마찬가지로, 함께 사용될 수 있다. 이들 용어는 서로 동의어로 의도되지 않는다는 것을 이해되어야 한다. 따라서, 디바이스 B에 커플된 디바이스 A의 표현의 범위는 디바이스 A의 출력이 디바이스 B의 입력에 직접 접속되는 디바이스 또는 시스템으로 제한되어서는 안된다. 이는 다른 장치 또는 수단을 포함하는 경로 일 수 있는 A의 출력과 B의 입력 사이에 경로가 존재한다는 것을 의미한다. "커플된(coupled)"은 둘 또는 그 이상의 요소가 직접 물리적 또는 전기적 접촉에 있거나 둘 또는 그 이상의 요소가 서로 직접 접촉하지는 않지만 여전히 협력하거나 서로 상호 작용한다는 것을 의미 할 수 있다.
따라서, 본 발명의 바람직한 실시 예인 것으로 여겨지는 것을 설명 하였지만, 당업자는 본 발명의 사상을 벗어남이 없이 다른 변경들이 행해질 수 있다는 것을 인식 할 것이며, 이러한 모든 변화 및 변경은 본 발명의 범위 내에 속한다. 예를 들어, 위에 주어진 수식은 단지 사용될 수 있는 절차의 대표 일뿐이다. 기능적으로, 블록 다이어그램에서 기능을 추가하거나 삭제할 수 있으며 작동은 기능적인 블록간에 상호 교환 될 수 있다. 단계들은 본 발명의 범위 내에서 설명된 방법들에 추가되거나 삭제 될 수 있다.
이상, 본 명세서에는 본 발명을 당업자가 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 도면에 도시한 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당업자라면 본 발명의 실시 예로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 보호범위는 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.

Claims (25)

  1. 2차 스톡스 천이(stokes shift)된 출력을 가지는 라만(raman) 레이저 장치로서,
    상기 장치는
    레이저 펌프 입력부;
    피드백 부재를 갖는 레이징 캐비티(lasing cavity);
    상기 레이저 펌프 입력부에 의해 펌핑될 때 1차 및 2차 스톡스 방출을 나타내는 상기 캐비티 내의 라만 활성 이득 매질;을 포함하고
    상기 피드백 부재는 상기 펌프 입력부, 상기 이득 매질로부터의 1차 스톡스 출력 및 2차 스톡스 출력의 이득부를 피드백하고, 상기 2차 스톡스 출력의 송신부가 상기 장치의 출력부인,
    라만 레이저 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 피드백 부재는 상기 1차 스톡스 파장에서 고 반사율의 거울을 포함하고, 출력경은 상기 2차 스톡스 파장에서 저 반사율을 갖는
    라만 레이저 장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 1차 스톡스 파장에서의 상기 거울의 반사율은 98%를 초과하는
    라만 레이저 장치.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 출력경은 상기 2차 스톡스 파장에서 약 50% 미만의 반사율을 갖는,
    라만 레이저 장치.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 출력경은 상기 2차 스톡스 파장에서 약 12% 미만의 반사율을 갖는,
    라만 레이저 장치.
  6. 제 4항에 있어서,
    상기 출력경은 상기 2차 스톡스 파장에서 약 12% 미만의 반사율을 갖는,
    라만 레이저 장치.
  7. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 레이저 펌프는 연속적인 파장 입력을 제공하고, 상기 2차 스톡스 출력은 연속적인 파장 출력인,
    라만 레이저 장치.
  8. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 펌프의 파장은 대략적으로 1.00~1.1μm의 범위인,
    라만 레이저 장치.
  9. 제 1항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 레이저 펌프는 Nd:Yag 레이저를 포함하는
    라만 레이저 장치.
  10. 제 1항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 레이저 펌프 입력부는 조정가능하고, 조정가능한 2차 스톡스 천이된 출력을 제공하는,
    라만 레이저 장치.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 레이저 펌프는 상기 레이저 펌프 입력부를 제공하기 위해 2차 레이저 증폭기에 의해 증폭되어 1차 출력을 제공하는 가변 DFB 레이저를 포함하는,
    라만 레이저 장치.
  12. 제 1항 내지 제 11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 레이저 펌프 입력부와 상기 레이징 캐비티 사이에 연결된 광 아이솔레이터(isolator)를 더 포함하는
    라만 레이저 장치.
  13. 제 1항 내지 제 12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 레이징 캐비티는, 피드백을 필터링하기 위한 볼륨 브래그 격자(Volume Bragg Grating, VBG)와 파장에 선택적인 피드백 부재를 더 포함하는
    라만 레이저 장치.
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 VBG는 온도 안정화된,
    라만 레이저 장치.
  15. n차 스톡스 천이된 출력을 가지는 라만 레이저 장치로서,
    상기 장치는,
    레이저 펌프 입력부;
    말미에 피드백 부재를 포함하는 레이징 캐비티; 및
    상기 레이저 펌프 입력부에 의해 펌핑될 때 1차 및 보다 고차의 스톡스 방출을 나타내는 상기 캐비티 내의 다이아몬드 라만 활성 이득 매질;을 포함하고,
    상기 피드백 부재는 상기 펌프 입력부 및 상기 이득 매질로부터의 1차 스톡스 출력을 피드백하고, 고차의 스톡스 출력의 이득부는 n차 스톡스 출력의 송신부가 상기 장치의 출력부인 것으로 하는,
    라만 레이저 장치.
  16. n차 스톡스 천이된 출력을 가지는 라만 레이저 장치로서,
    상기 장치는,
    레이저 펌프 입력부;
    말미에 피드백 부재를 포함하는 레이징 캐비티; 및
    상기 레이저 펌프입력에 의해 펌핑될 때 다수의 캐스케이드된 스톡스 방출을 나타내는 상기 캐비티 내의 다이아몬드 라만 활성 이득 매질; 을 포함하고,
    상기 피드백 부재는 상기 펌프 입력부를 피드백하고, 상기 이득 매질로부터의 n차 스톡스 출력은 n+1차의 스톡스 방출의 피드백을 억제하도록 설계된,
    라만 레이저 장치.
  17. 제 16항에 있어서,
    n은 홀수인,
    라만 레이저 장치.
  18. 제 16항에 있어서,
    n은 짝수인,
    라만 레이저 장치.
  19. 2μm 구역보다 실질적으로 넓은 레이징을 위한 라만 레이저 시스템에 있어서,
    상기 시스템은 다이아몬드 코어 레이징 매질을 포함하고,
    캐스케이드된 스톡스 발생 시스템은 상기 코어를 감싸고 상기 코어, 1차 및 2차 스톡스 출력을 발생시키고,
    상기 시스템은,
    상기 다이아몬드 코어 레이징 매질에서 약 2μm 이하의 스톡스 출력을 발생시키는 1차 스톡스 발생 시스템; 및
    약 2미크론(microns)보다 큰 범위의 2차 스톡스 출력을 발생시키기 위해 상기 다이아몬드 코어 레이징 매질과 함께 1차 스톡스 출력을 펌핑하는 1차 스톡스 펌핑 시스템을 포함하는
    라만 레이저 시스템.
  20. 제 19항에 있어서
    상기 캐스케이드된 스톡스 발생 시스템은 상기 스톡스 출력으로 튜닝된 조정된 반사경들을 포함하는 1차 및 2차 레이징 캐비티를 포함하는
    라만 레이저 시스템.
  21. 제 20항에 있어서
    상기 조정된 반사경들은 상기 2차 스톡스 출력에서 약 0.3의 반사율을 가지는 출력경을 포함하는,
    라만 레이저 시스템.
  22. 제 20항에 있어서
    상기 조정된 반사경들은 상기 1차 스톡스 출력에서 약 0.996의 반사율을 가지는 출력경을 포함하는,
    라만 레이저 시스템.
  23. 제 19항에 있어서
    상기 2차 스톡스 출력은 약 2.46μm인,
    라만 레이저 시스템.
  24. 제 19항에 있어서
    상기 1차 스톡스 출력은 약 1.85μm인,
    라만 레이저 시스템.
  25. 제 19항에 있어서
    상기 펌핑 시스템은 약 1.49μm에서 작동하는,
    라만 레이저 시스템.
KR1020197008737A 2016-09-22 2017-09-21 캐스케이드된 롱 펄스 및 연속파 라만 레이저 KR20190053863A (ko)

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AU2016903830A AU2016903830A0 (en) 2016-09-22 Cascaded, Long Pulse and Continuous Wave Raman Lasers
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