KR20190093652A - 버스트 모드에서의 레이저 펄스들의 생성 - Google Patents

Abstract

본 발명은 시간 오프셋을 갖는 레이저 펄스들을 생성하기 위한 광학적 컴포넌트에 관한 것으로서, 상기 광학적 컴포넌트는, 입력 섬유를 통해 분할 엘리먼트에 진입하는 레이저 펄스(1)가 이에 의해 적어도 2개의 섬유 암들(5, 6) 사이에서 분할되는 광-섬유 분할 엘리먼트(3), 및 적어도 2개의 섬유 암들(5, 6)을 통해 결합 엘리먼트에 진입하는 레이저 펄스들이 이에 의해 출력 섬유 내에서 결합되는 광-섬유 결합 엘리먼트(4)를 가지며, 적어도 2개의 섬유 암들(5, 6)은, 레이저 펄스들이 출력 섬유 내에서 광-섬유 결합 엘리먼트(4)에 의해 시간 오프셋을 가지고 버스트(2) 내에 결합되도록 길이 차이를 갖는다. 본 발명에 의해 다루어지는 문제는, 펄스 분할의 원리를 사용하여 버스트 모드로 고-품질의 레이저 펄스들을 생성하는 방법을 찾는 것이며, 이는 컴팩트하고 강건한 방식으로 그리고 가능한 한 멀리까지 광 섬유들을 이용하여 구현될 수 있다. 본 발명은, 상이한 분산들을 갖는 광 섬유들에 의해 섬유 암들(5, 6)이 형성된다는 점에 있어서 이러한 문제를 해결한다. 본 발명은 또한 버스트 모드로 레이저 펄스들을 생성하기 위한 디바이스 및 방법에 관한 것이다.

Description

버스트 모드에서의 레이저 펄스들의 생성

본 발명은 시간적 오프셋을 갖는 레이저 펄스들을 생성하기 위한 광학적 컴포넌트에 관한 것으로서, 상기 광학적 컴포넌트는:

- 입력 섬유를 통해 분할 엘리먼트로 공급되는 레이저 펄스를 적어도 2개의 섬유 암(arm)들로 분할하는 광-섬유 분할 엘리먼트; 및

- 결합 엘리먼트로 공급되는 레이저 펄스들을 적어도 2개의 섬유 암들을 통해 버스트(burst)로 출력 섬유 내로 중첩시키는(superimpose) 광-섬유 결합 엘리먼트를 포함하며,

적어도 2개의 섬유 암들은 상이한 길이를 가져서, 레이저 펄스들은 광-섬유 결합 엘리먼트에 의해 시간적인 오프셋을 가지고 출력 섬유 내로 중첩된다.

또한, 본 발명은 버스트 모드로 레이저 펄스들을 생성하기 위한 디바이스 및 방법에 관한 것이다.

단-펄스 레이저들은 최근 몇 년 동안 고-정밀 재료 프로세싱에서 다목적 툴로서 자리잡았다. 이러한 경우에 있어서, (펄스 지속기간 < 10 ps을 갖는) 초단(ultrashort) 레이저 펄스들은 작업물 내로 입력되는 더 낮은 열(소위 저온 어블레이션(cold ablation))에 기인하여 (ns 범위의 펄스 지속기간을 갖는) 더 긴 레이저 펄스들을 뛰어 넘는 이점들을 보여준다. 프로세싱의 속도는 단펄스 레이저의 펄스 반복 레이트(rate)에 의해 결정된다. 최근에 비용-효율적인 프로세싱을 가능하게 하기 위하여 고 반복성 레이저 시스템들이 개발되었다. 이는 주어진 펄스 에너지에 대하여 동등하게 증가된 평균 파워를 의미한다. 도입되는 열이 축적되기 때문에, 평균 파워가 증가함에 따라, 최단 펄스 지속기간들(펨토초 펄스들)에서도 작업물 내로 입력되는 열 및 그에 따른 작업물에 대한 연관된 손상 및 프로세싱 품질의 감소가 회피될 수 없다는 것이 보여질 수 있다.

레이저 펄스 트레인(laser pulse train)의 높은 평균 파워에서의 이러한 손상 효과를 감소시키기 위하여, (10 ms 내지 10 μs의 시간적 펄스 간격에 대응하는, 10 kHz 내지 10 MHz의 범위 내의 전형적인 펄스 반복 레이트를 갖는) 등거리 펄스 간격 대신에 소위 버스트 모드를 사용하는 것이 제안되었다. 이는, <10 ns, 이상적으로는 <200 ps의 짧은 시간 간격(소위 마이크로펄스 반복 레이트)을 갖는 특정한 수의 레이저 펄스들의 시퀀스가 펄스 패킷(버스트)을 형성하며, 추가로 펄스 패킷들은 더 큰 시간 간격(예를 들어, 소위 마이크로펄스 레이트를 갖는, 원본 펄스 트레인의 그것)(다시, ms 내지 마이크로s의 범위 내)을 따른다는 것을 의미한다.

이러한 접근 방식은, 작업물 내로 도입되는 열의 시간적으로 제한되는 전파 속도에 의해 정당화된다. 펄스 간격이 너무 짧아서 가열되는 재료가 빠르게 뒤따르는 펄스에 의해 제거되는 경우, 작업물 내로 입력되는 열이 상당히 감소될 수 있으며, 그럼으로써 최고 평균 파워에서도 탁월한 프로세싱 결과들이 예상된다.

따라서, 다음의 파라미터들은 고-정밀 재료 프로세싱에 대하여 버스트 모드로 동작하는 레이저 시스템에 대한 희망되는 명세(specification)들로서 도출될 수 있다:

펄스 지속 기간 <300 fs (또는 더 짧음);

1-10 μJ(또는 더 많은) 펄스 에너지 범위 내의 펄스 에너지;

적어도 1GHz, 이상적으로는 > 5GHz의 마이크로펄스 반복 레이트;

버스트 내의 펄스들의 수 > 50(또는 이상);

마이크로펄스 레이트 > 1 kHz(또는 이상);

버스트 내의 펄스 에너지 분포는 이상적으로는 유연(프로그램가능)해야 만 한다.

고-반복 레이트(모드-로킹된(mode-locked)) 초단 펄스 레이저의 방사의 진폭 변조에 의해 펄스 버스트들을 구성하는 레이저 펄스 트레인을 생성하기 위한 것이 종래 기술로부터 공지되어 있다. 진폭 변조는, 예를 들어, 음향-광학 변조기(acousto-optical modulator; AOM) 또는 전기-광학 변조기(electro-optical modulator; EOM)에 의해 수행된다(예를 들어, P. Elahi, S. Y?. B. Eldeniz, and F.

. Ilday, "Generation of picosecond pulses directly from a 100 W, burst-mode, doping-managed Yb-doped fiber amplifier," Opt. Lett. 39, 236-239, 2014, 뿐만 아니라 Sven Breitkopf, Arno Klenke, Thomas Gottschall, Hans-J

rgen Otto, Cesar Jauregui, Jens Limpert, and Andreas T

nnermann, "58 mJ burst comprising ultrashort pulses with homogenous energy level from an Yb-doped fiber amplifier," Opt. Lett. 37, 5169-5171, 2012 참조). 이러한 접근 방식에 대한 도전들이 1 GHz 이상의 범위 내의 반복 레이트를 갖는 펨토초 펄스들의 생성과 관련하여 발생한다. 모드-로킹된 초단 펄스 레이저들은 전형적으로 단지 10 MHz 내지 250 MHz의 반복 레이트만을 제공한다.

다른 공지된 접근 방식은 펄스 분할에 기초한다. 이러한 방법은, 예를 들어, 펄스 피크 파워를 감소시키기 위하여 레이저 증폭기들에서 사용되며, "분할된 펄스 증폭(Divided Pulse Amplification; DPA)"으로 알려져 있다. 펄스 분할의 하나의 공지된 방법은 복굴절 크리스탈들의 사용 및 서로에 대해 직교하는 편파(polarization)들의 상이한 런 타임(run time)들의 이용에 의존한다. 상이한 길이들의 크리스탈들의 시퀀스는 단일 펄스를 복수의 펄스들로 분할하는 것을 가능하게 한다. 전형적으로, 증폭 이후에, 펄스 시퀀스는 단일 펄스로 밀착하여 중첩된다(Shian Zhou, Frank W. Wise, and Dimitre G. Ouzounov, "Divided-pulse amplification of ultrashort pulses," Opt. Lett. 32, 871-873, 2007 참조). 이러한 접근 방식을 이용하면, 자유-제트(free-jet) 전파를 갖는 체적-광학 구조물에서 간섭에 영향을 받기 쉬울지라도, 매우 짧은 펄스 간격 및 그에 따른 높은 마이크로펄스 반복 레이트가 생성된다.

마지막으로, 광-섬유 빔 스플리터(splitter)들의 캐스케이딩(cascading)을 사용함으로써 고 반복 버스트 광-섬유를 생성하는 것이 또한 알려져 있다(A. Haboucha, W. Zhang T. Li, M. Lours, A. N. Luiten, Y. Le Coq, and G. Santarelli, "Optical-fiber pulse rate multiplier for ultralow phase-noise signal generation, Opt. Lett. 36, 2011 참조). 그러나, 이러한 경우에 있어서, 상이한 전파 경로들 내의 분산(dispersion)이 보상되지 않으며, 이는 애플리케이션에 대하여 유해한 버스트를 따른 펄스 지속기간의 편차를 야기한다.

이러한 배경기술에 대하여, 펄스 분할의 원리에 기초하여 높은 품질을 갖는 버스트 모드에서 레이저 펄스들을 생성하기 위한 옵션을 제공하는 것이 본 발명의 목적이며, 이러한 생성은 간결하고 강건하며, 광-섬유 내에서 가능한 한 완전히 실현될 수 있다. 이러한 방식으로 광-섬유 증폭기들 내로의 통합이 가능한 한 간단하게 만들어져야만 한다.

이러한 목적은, 섬유 암들이 상이한 분산을 갖는 광 섬유들에 의해 형성되는, 초기에 지정된 유형의 광학적 컴포넌트들로부터 시작하여 본 발명에 의해 달성된다.

상업적으로 입수할 수 있는 광 섬유 스플리터들이 광-섬유 분할 및 결합 엘리먼트들로서 사용될 수 있다.

제안된 구조체는 마하-젠더(Mach-Zehnder) 간섭계와 유사하다. 광-섬유 분할 엘리먼트로 시작하여, 입력 섬유를 통해 거기에 공급되는 레이저 펄스는 적어도 2개의 섬유 암들로 분할되며, 여기에서 2개의 섬유 암들 내의 레이저 펄스들은 시간적으로 지연되고 그에 따라서 광-섬유 결합 엘리먼트에서 간섭 측정으로(interferometrically) 중첩되는 것이 아니라, 시간적 지연을 가지고 출력 섬유 내로 공급될 뿐이며, 이에 의해 적어도 2개(섬유 암들의 수에 대응함)의 펄스들로 구성된 버스트가 발생한다.

실제적인 애플리케이션에 대하여 충분한 마이크로펄스 반복 레이트를 달성하기 위하여, 섬유 암들의 길이의 차이에 의해 생성되는 시간적 오프셋은 4 ns보다 더 작아야만 하며, 바람직하게는 1 ns보다 더 작아야만 하고, 더 바람직하게는 250 ps보다 더 작아야만 한다.

이상적으로는 버스트의 모든 펄스들이 거의 동일한 펄스 지속기간을 갖는다. 따라서, 상이한 섬유 길이들에 의해 초래되는 섬유 암들 둘 모두에서의 런타임 차이들에도 불구하고, 분산에서의 최소 차이들만이 2개의 섬유 암들에서 발생한다. 이는 섬유 암들 내에서의 상이한 분산의 광 섬유들의 사용에 의해 본 발명에 따라 가능해 지며, 따라서, 섬유 암들 내에 각기 축적되는 고차(higher-order) 위상 항(term)들의 합이 거의 동일하며, 즉 아래의 식과 같고,

(i ≥ 2차)

이러한 경우에,

는 제 1 섬유 암에 대한 (주파수 ω에 따른) 스펙트럼 위상 i-번째 차수이며,

는 제 2 섬유 암에 대한 것이다. 물론, 스펙트럼 대역폭 및 펄스 지속기간에 의존하여, 제안되는 접근 방식은, 위상 차수들이 오로지 부분적으로만 보상될 때에도, 예를 들어, 2차에 대해서만 보상될 때에도 또한 작동한다.

본 발명의 선호되는 실시예에 있어서, 섬유 암들의 광 섬유들은, 섬유 암들을 통해 결합 엘리먼트에 공급되는 레이저 펄스들이, 개별적인 분산에 의해 생성되는 처프(chirp)에 대하여, 섬유 암들의 길이의 1 미터 차이로 정규화된 레이저 펄스들의 4 fs/nm 미만만큼, 바람직하게는 1 fs/nm미만 만큼 서로 상이하게 되는 방식으로, 분산 및 거리에 관해서 서로 매칭된다. 이는 버스트의 레이저 펄스들의 충분히 동일한 길이의 펄스 지속기간을 야기한다.

가능한 일 실시예에 있어서, 더 긴 섬유 암이, 더 짧은 섬유 암의 광 섬유의 분산보다 레이저 펄스들의 스펙트럼 범위에서 더 낮은 분산을 갖는 광 섬유의 적어도 하나의 섹션을 갖는다는 것이 제공될 수 있다. 대안적으로, 더 짧은 섬유 암이 더 긴 섬유 암의 광 섬유의 분산보다 레이저 펄스들의 스펙트럼 범위에서 더 높은 분산을 갖는 광 섬유의 적어도 하나의 섹션을 갖는다는 것이 제공될 수 있다. 섬유 암들은 특정 분산의 광 섬유의 하나의 섹션으로만 구성될 수도 있다. 섬유 암들 각각이, 상이한 길이의 섬유 암들 내에 전체적으로 생성되는 스펙트럼 위상들의 희망되는 정렬을 달성하기 위하여 전파 방향에서 다른 것 뒤에 하나가 배열되는 상이한 분산의 섹션들로 구성되는 것이 또한 고려될 수 있다.

선호되는 실시예에 있어서, 더 긴 섬유 암은 광 섬유의 섹션을 가질 수 있으며, 버스트의 스펙트럼 범위에서의 이러한 광 섬유의 섹션의 분산은 4 ps/km/nm 미만, 바람직하게는 ps/km/nm 미만, 더 바람직하게는 1 ps/km/nm 미만이다. 이러한 실시예에 있어서, 분산의 보상은, 더 긴 섬유 암 내에 (예를 들어, 특수 마이크로구조 섬유(special microstructured fiber) 형태의) 거의 무-분산(dispersion-free) 섬유의 섹션을 사용함으로써 실현될 수 있다. 예를 들어, 10 nm x 1030 nm 파장의 대역폭에 걸쳐 < 2 ps/km/nm의 (양에 따른) 분산을 갖는 섬유가 사용될 수 있다. (5 GHz 마이크로펄스 반복 레이트에 대응하는) 200 ps의 지연에 대하여, 약 4 cm의 2개의 섬유 암들의 길이에서의 차이가 요구될 것이다(섬유 재료로서 석영 유리를 가정함). 10 nm 스펙트럼 대역폭(100 fs의 레이저 펄스들의 펄스 지속기간에 대한 전형적인 값) 및 언급된 분산은 1 fs 미만의 펄스 지속시간 차이를 야기하며, 이는 재료 프로세싱에 있어서 전술된 애플리케이션들에 대하여 무시할 수 있는 것으로 간주될 것이다.

본 발명에 따른 광학적 컴포넌트의 가느한 가장 강건한 구성을 달성하기 위하여, 입력 섬유, 출력 섬유 및/또는 섬유 암들은 편파-유지 광 섬유들에 의해 형성되어야만 한다.

섬유 암들 중 적어도 하나 내의 언급된 무-분산(마이크로구조) 섬유들의 섹션은 아마도 스플라이스 손실(splice loss)들을 야기할 것이며, 이는 일정하지 않은 버스트 내의 레이저 펄스들의 진폭을 야기할 것이다. 이는, 개별적인 다른 섬유 암 내로 동일한 (그렇지만 상이한 길이의) 섬유 섹션을 삽입함으로써 또는 50:50으로부터 벗어나는 분할 비율을 갖는 분할 엘리먼트를 사용함으로써 용이하게 보상될 수 있다.

본 발명의 주제는 또한, 개별적인 시간적 등거리 레이저 펄스들의 시퀀스로 구성된 레이저 펄스 트레인을 생성하고 이를 광 섬유 내로 결합하는 펄스형(pulsed) 광원을 가지며, 이상에서 설명된 유형의 2개 이상의 광학적 컴포넌트들의 직렬 배열을 갖는, 버스트 모드로 레이저 펄스들을 생성하기 위한 디바이스이며, 여기에서 2개의 개별적인 직렬의 연속적인 광학적 컴포넌트들의 섬유 암들의 길이의 차이가 서로 상이하고, 여기에서 광학적 컴포넌트들 중 제 1 광학적 컴포넌트는 입력 측 상에 직렬 배열로 펄스형 광원에 연결된다.

본 발명에 따른 디바이스는 버스트 내의 레이저 펄스들의 수를 늘리기 위하여 이상에서 설명된 직렬 배열의 광학적 컴포넌트를 사용한다. 이러한 경우에 있어서, 2개의 개별적인 직렬의 연속적인 광학적 컴포넌트들의 섬유 암들의 길이의 차이들은 서로 상이해야만 한다. 이상적으로는, 2개의 개별적인 직렬의 연속적인 광학적 컴포넌트들의 섬유 암들의 길이의 차이들은 본질적으로 서로 2배만큼 상이하다. 결과적으로, 버스트 내에 시간적으로 거의 등거리의 레이저 펄스들을 갖는 버스트들이 생성된다. 2번의 분할들은 버스트 내에 4개의 레이저 펄스들을 야기하며, 3번의 분할들은 8개의 레이저 펄스들을 야기하고, 여기에서 직렬 배열의 제 3 광학적 컴포넌트 내의 섬유 암들의 길이의 차이는 이상적으로는 제 1 광학적 컴포넌트에서보다 4배이다. 시퀀스가 희망되는 바와 같이 계속될 수 있으며, 이에 의하여 결과적인 손실들이 광-섬유 증폭기들에 의해 용이하게 보상될 수 있다. 2^N개의 레이저 펄스들의 버스트를 생성하기 위하여, N개의 분할들이 직렬로 사용되어야만 하며, 제 N 광학적 컴포넌트 내의 섬유 암들의 길이의 차이는 제 1 광학적 컴포넌트에서보다 2^N-1배 더 커야만 한다. 심지어 버스트 내에 매우 많은 수(> 50)의 레이저 펄스들을 갖는 극단적인 구성에서도, 레이저 펄스들의 펄스 지속기간 차이는 재료 프로세싱에 있어서의 애플리케이션들에 대하여 용인할 수 있을 것이다.

본 발명에 따른 광학적 컴포넌트는 레이저 증폭기 시스템의 부분일 수 있다. 본 발명에 따른 디바이스의 선호되는 실시예에 있어서, 대응하여 버스트들로 구성된 레이저 펄스 트레인을 증폭하는 광학적 증폭기가 대응하여 제공되며, 여기에서 광학적 컴포넌트들의 직렬 배열은 레이저 펄스 트레인의 전파 방향에서 광학적 증폭기의 전방에 위치된다. 따라서, 버스트 생성은 유익하게는 증폭 이전이다. 결과적으로, 본 발명에 따른 광학적 컴포넌트들은 오로지 저-출력 레이저 펄스들에 대해서만 설계되어야 한다.

매우 강력한 레이저 펄스들을 생성하기 위한 공지된 기술은 소위 CPA("처프형 펄스 증폭(Chirped Pulse Amplification)") 방법이다. 이러한 경우에 있어서, 레이저 펄스들은 처음에는 비교적 낮은 펄스 파워로 생성된다. 따라서, 생성되는 레이저 펄스들은 적절한 분산성 광학적 엘리먼트들(예를 들어, 격자들)을 이용하여 시간적으로 펼쳐진다. 시간적으로 펼쳐진 광 펄스들이 광학적 증폭기에서 증폭된다. 마지막으로, 증폭된 광 펄스들이 다시 적절한 분산성 광학적 엘리먼트들을 이용하여 재압축(recompress)된다. 결과물은 초단 레이저 펄스들에 비해 매우 강력하고 짧으며 재료 프로세싱에 적절하다. 시간적인 펼침에 기인하여 펄스 피크 파워가 감소된다. 이는, 광학적으로 펌핑되는 증폭기 매체를 손상시키기 않고 그리고 광학적 증폭기 매체에서 발생하는 비선형 효과들 없이 광학적 증폭이 달성될 수 있다는 것을 보장한다. 개별적인 광 펄스들은 광 펄스들의 재압축에 기인하여 시간적으로 단축되며, 그럼으로써 펄스 피크 파워를 그에 따라서 증가시킨다. CPA 개념에 따르면, 본 발명에 따른 디바이스는, 일 실시예에 있어서, 버스트들로 구성된 레이저 펄스 트레인의 레이저 펄스들을 시간적으로 펼치는 펄스 스트레처(pulse stretcher)로서, 여기에서 광학적 증폭기는 펄스 스트레처의 하류측에 존재하는, 펄스 스트레처, 및 증폭 이후에 레이저 펄스들을 시간적으로 압축하는 펄스 압축기를 갖는다. 이러한 경우에 있어서, 광학적 컴포넌트들의 직렬 배열은 유익하게는 버스트들로 구성된 레이저 펄스의 전파 방향에서 펄스 스트레처의 하류측에 존재한다.

본 발명에 따른 디바이스의 추가적인 선호되는 실시예에 있어서, 버스트들로 구성된 레이저 펄스 트레인의 전파 방향에서 광학적 증폭기의 상류측에 그리고 광학적 컴포넌트들의 직렬 배열의 하류측에 존재하는 진폭 변조기가 제공된다. 진폭 변조기의 목적은, 예를 들어, 광학적 증폭기에서 발생하는 포화(saturation) 효과들에 대하여 보상하는 것이다. 이러한 목적을 위하여, 개별적인 레이저 펄스들의 진폭과 관련하여 버스트들로 구성된 레이저 펄스 트레인을 변조하기에 적절하며 진폭 변조기를 제어하는 제어 디바이스가 제공될 수 있다. 변조는, 증폭 이후에 버스트 내의 레이저 펄스들이 본질적으로 일정한 펄스 에너지를 갖게 하는 방식으로 일어날 수 있다.

본 발명에 따른 디바이스의 추가적인 선호되는 실시예에 있어서, 레이저 펄스들의 스펙트럼 넓힘(broadening) 및 시간적 압축을 초래하는 비선형 압축 스테이지가 제공될 수 있으며, 여기에서 비선형 압축 스테이지는 버스트의 전파 방향에서 광학적 컴포넌트의 직렬 배열의 하류측에 존재한다. 이는 펄스 피크 파워의 추가적인 최대화를 달성한다.

추가로, 본 발명의 주제는 버스트 모드로 레이저 펄스들을 생성하기 위한 방법이며, 상기 방법은 하기의 단계들을 갖는다:

- 레이저 펄스 트레인, 즉, 시간적으로 등거리의 개별적인 레이저 펄스들의 시퀀스를 생성하는 단계,

- 레이저 펄스 트레인을 광 섬유 내로 결합하는 단계, 및

- 레이저 펄스 트레인을 펄스 버스트들의 시퀀스로 변환하는 단계로서, 레이저 펄스 트레인은 광 섬유에 연결된 이상에서 설명된 유형의 2개 이상의 광학적 컴포넌트들의 직렬 배열을 통과하며, 2개의 개별적인 직렬의 연속적인 광학적 컴포넌트들의 섬유 암들의 길이의 차이는 서로 상이한, 단계.

이하에서 본 발명의 실시예들에 도면들을 참조하여 더 상세하게 설명된다. 다음과 같이 도시된다.
도 1은 시간적 오프셋을 갖는 레이저 펄스들을 생성하기 위한 본 발명에 따른 광학적 컴포넌트의 개략적인 표현이다.
도 2는 버스트 모드로 레이저 펄스들을 생성하기 위한 본 발명에 따른 디바이스의 개략적인 표현이다.
도 3은 광학적 증폭기 내의 본 발명에 따른 디바이스의 통합의 예시이다.

도 1은 시간적 오프셋을 갖는 레이저 펄스들을 생성하기 위한 본 발명에 따른 광학적 컴포넌트를 개략적으로 도시한다. 제안된 구조체는 마하-젠더(Mach-Zehnder) 간섭계와 유사하다. 광-섬유 분할 엘리먼트(3)로 시작하면, 입력 섬유를 통해 거기에 공급되는 레이저 펄스(1)는 적어도 2개의 섬유 암들(5, 6)로 분할되며, 여기에서 2개의 섬유 암들(5, 6) 내의 레이저 펄스들은 시간적으로 상이하게 지연되고 따라서 광 섬유 결합 엘리먼트(4) 상에서 시간적으로 일치하지 않으며 간섭 측정으로 중첩되지 않고, 오히려 출력 섬유 내로 시간적으로 지연되어 공급되어 적어도 2개(섬유 암들의 수에 대응함)의 레이저 펄스들로 구성된 펄스 버스트(2)를 야기한다. 본 발명에 따르면, 상이한 섬유 길이들에 의해 초래되는 2개의 섬유 암들(5, 6) 내에서의 런 타임 차이들에도 불구하고, 2개의 섬유 암들(5, 6) 내의 분산에서 오로지 최소 차이들만이 발생하며, 따라서 펄스 버스트(2)의 레이저 펄스들은 거의 동일한 펄스 지속기간을 갖는다. 이러한 목적을 위하여, 상이한 분산의 광 섬유들이 섬유 암들(5, 6)에서 사용되며, 따라서, 섬유 암들 내에 각기 축적되는 고차의 위상 항들의 합들이 거의 동일하다. 섬유 암들(5, 6)의 광 섬유들은, 섬유 암들(5, 6)을 통해 결합 엘리먼트(4)에 공급되는 레이저 펄스들이, 개별적인 분산에 의해 생성되는 처프(chirp)에 대하여, 섬유 암들의 길이의 1 미터 차이로 정규화된 레이저 펄스들의 4 fs/nm(바람직하게는 1 fs/nm)미만 만큼 서로 상이하게 되는 방식으로, 분산 및 거리에 관해서 매칭된다.

도 2는 버스트 모드로 레이저 펄스들을 생성하기 위한 본 발명에 따른 디바이스를 도시한다. 예시된 레이저 시스템은 도 2에 도시된 바와 같이 버스트 내의 레이저 펄스들의 수를 증가시키기 위하여 직렬 배열로 이상에서 설명된 광학적 컴포넌트를 복수 회 사용한다. 직렬 배열의 광학적 컴포넌트들 중 제 1 광학적 컴포넌트는, 예를 들어, 10 MHz의 범위 내의 반복 레이트로 펨토초 레이저 펄스들을 생성하는 상용 (모드-로킹된) 단-펄스 레이저인 펄싱형 광원(P)을 갖는 입력 측 상에 존재한다. 2개의 개별적인 직렬의 연속적인 광학적 컴포넌트들의 섬유 암들(6, 7, 9)의 길이의 차이들은 서로 상이하며, 즉, 2배만큼 상이하다. 결과적으로, 버스트 내에 시간적으로 거의 등거리의 레이저 펄스들을 갖는 버스트들이 생성된다. 2번의 분할들은 버스트(8) 내에 4개의 레이저 펄스들을 야기하며, 3번의 분할들은 퍼스트(10) 내에 8개의 레이저 펄스들을 야기하는 등이며, 여기에서 직렬 배열의 제 3 광학적 컴포넌트 내의 섬유 암들의 길이의 차이는 제 1 광학적 컴포넌트에서보다 4배이다. 시퀀스는 희망되는 바와 같이 계속될 수 있다.

도 3은 광학적 증폭기를 사용하는 펄스 분할에 의한 버스트 생성의 본 발명에 따른 결합을 예시한다. 도 2에 따른 분할 컴포넌트들의 직렬 배열은 광학적 파워 증폭기(14)의 전방에 위치된다. 파워 증폭기(14)에서 발생하는 임의의 포화 효과들을 보상하기 위하여, 도 2에 도시된 디바이스를 사용하여 생성되는 버스트(11)를 사전형성하는 진폭 변조기(12)(예를 들어, AOM, 바람직하게는 EOM)가 제공되며, 그 결과 증폭 이후에, 개별적인 레이저 펄스들의 거의 동일한 펄스 에너지를 갖는 버스트(15)이 발생한다. 수 GHz의 대역폭을 갖는 전기-광학 변조기(Electro-optical modulator; EOM)들이 레이저 펄스들의 진폭들의 펄스-정밀 제어를 가능하게 한다. 도 3의 하부 도면에 예시된 바와 같이, 그 후에 버스트들(16, 17) 내에서 유실되는 개별적인 레이저 펄스들이 제거될 수 있거나, 또는 버스트들(16, 17)의 포락선이 임의로 성형될 수 있다.

레이저 증폭기 시스템의 펄스 지속기간은 본질적으로 사용되는 광학적으로 펌핑되는 이득 매체의 이득 대역에 의해 제한된다. 애플리케이션들이 증폭 대역폭에 의해 지원되는 것보다 더 짧은 펄스 지속기간을 요구하는 경우, 펄스 단축을 위하여 비선형적인 펄스 압축 방법을 추가로 사용하는 것이 말이 된다. 이러한 경우에 있어서, 증폭 이후에, 레이저 펄스들은 비선형적인 매체(예를 들어, 도시되지는 않았지만, 추가적인 도파관)를 통과하며, 그럼으로써 비선형적인 위상을 축적하고, 이는 레이저 펄스들의 스펙트럼 넓힘을 초래하여 결과적으로 펄스가 분산성 엘리먼트들에 의해 단축되는 것을 허용된다. 피크 펄스 파워는 비선형적인 매체 내에서의 스펙트럼 넓힘을 결정한다. 이상에서 설명된 바와 같은 펄스 트레인이 이러한 펄스 단축 방법을 겪지 않는 경우, 펄스 트레인 내의 모든 레이저 펄스들이 대략적으로 동일한 펄스 지속기간을 갖는다는 것이 본질이다. 펄스 분할의 섬유 암들 내의 분산 차이들의 보상에 의해 레이저 펄스들의 대략적으로 동일한 펄스 지속기간을 갖는 버스트 펄스를 생성하는 옵션은 본 발명의 중요한 이점이다.

Claims (17)

1. 시간적 오프셋을 갖는 레이저 펄스들을 생성하기 위한 광학적 컴포넌트로서,
   - 입력 섬유를 통해 분할 엘리먼트로 공급되는 레이저 펄스(1)를 적어도 2개의 섬유 암(arm)들(5, 6) 내로 분할하는 광-섬유 분할 엘리먼트(3); 및
   - 결합 엘리먼트로 공급되는 레이저 펄스들을 상기 적어도 2개의 섬유 암들(5, 6)을 통해 출력 섬유 내로 중첩시키는 광-섬유 결합 엘리먼트(4)를 가지며,
   상기 적어도 2개의 섬유 암들(5, 6)은, 상기 레이저 펄스들이 상기 광-섬유 결합 엘리먼트(4)에 의해 시간적 오프셋을 가지고 버스트(burst)(2)로 상기 출력 섬유 내로 중첩되도록 상이한 길이를 가지고,
   상기 섬유 암들(5, 6)은 상이한 분산(dispersion)을 갖는 광 섬유들에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는, 광학적 컴포넌트.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 시간적 오프셋은 4 ns 미만, 바람직하게는 1 ns 미만, 더 바람직하게는 250 ps 미만인 것을 특징으로 하는, 광학적 컴포넌트.
   
3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
   상기 섬유 암들(5, 6)의 광 섬유들은, 상기 섬유 암들(5, 6)을 통해 상기 결합 엘리먼트(4)에 공급되는 상기 레이저 펄스들이, 개별적인 분산에 의해 생성되는 처프(chirp)에 대하여, 상기 섬유 암들(5, 6)의 길이의 1 미터 차이로 정규화된 상기 레이저 펄스들의 1 nm 스펙트럼 대역폭 당 4 fs 미만만큼, 바람직하게는 1 fs 미만만큼 서로 상이하게 되는 방식으로, 분산 및 거리에 관해서 매칭되는 것을 특징으로 하는, 광학적 컴포넌트.
   
4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
   더 긴 섬유 암(6)은, 더 짧은 섬유 암(5)의 광 섬유의 분산보다 레이저 펄스 트레인의 스펙트럼 범위에서 더 낮은 분산을 갖는 광 섬유의 적어도 하나의 섹션을 갖는 것을 특징으로 하는, 광학적 컴포넌트.
   
5. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
   더 짧은 섬유 암(5)은 더 긴 섬유 암(6)의 광 섬유의 분산보다 레이저 펄스 트레인의 스펙트럼 범위에서 더 높은 분산을 갖는 광 섬유의 적어도 하나의 섹션을 갖는 것을 특징으로 하는, 광학적 컴포넌트.
   
6. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 섬유 암들(5, 6) 중 적어도 하나는, 상기 레이저 펄스들의 스펙트럼 범위에서의 분산이 4 ps/km/nm 미만, 바람직하게는 ps/km/nm 미만, 더 바람직하게는 1 ps/km/nm 미만인 광 섬유의 섹션을 갖는 것을 특징으로 하는, 광학적 컴포넌트.
   
7. 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 입력 섬유, 상기 출력 섬유 및/또는 상기 섬유 암들(5, 6)은 편파-유지(polarization-maintaining) 광 섬유들로 형성되는 것을 특징으로 하는, 광학적 컴포넌트.
   
8. 청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 광-섬유 분할 엘리먼트(3)는 50:50으로부터 벗어나는 분할 비율로 상기 레이저 펄스를 상기 섬유 암들(5, 6)로 분할하도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 광학적 컴포넌트.
   
9. 시간적으로 등거리의 개별적인 레이저 펄스들(1)의 시퀀스로 구성된 레이저 펄스 트레인을 생성하며 이들을 광 섬유 내로 결합하는, 펄스 광원(P)을 갖는, 버스트 모드로 레이저 펄스들을 생성하기 위한 디바이스로서,
   청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 따른 2개 이상의 광학적 컴포넌트들의 직렬 어레이로서, 2개의 개별적인 직렬의 연속적인 광학적 컴포넌트들의 섬유 암들(5, 6, 7, 9)의 길이의 차이는 서로 상이하며, 상기 직렬 배열 내의 상기 광학적 컴포넌트들 중 제 1 광학적 컴포넌트는 입력 측 상의 상기 펄스 광원(P)에 연결되는 것을 특징으로 하는, 디바이스.
   
10. 청구항 9에 있어서,
    2개의 개별적인 직렬의 연속적인 광학적 컴포넌트들의 상기 섬유 암들(5, 6, 7, 9)의 길이의 차이들은 기본적으로 2배만큼 서로 상이한 것을 특징으로 하는, 디바이스.
    
11. 청구항 9 또는 청구항 10에 있어서,
    버스트(13) 내에 중첩된 레이저 펄스들(1)을 증폭하는 광학적 증폭기(14)로서, 상기 광학적 컴포넌트들의 상기 직렬 배열은 상기 버스트(13)의 전파 방향에서 상기 광학적 증폭기(14) 전방에 위치되는 것을 특징으로 하는, 디바이스.
    
12. 청구항 11에 있어서,
    상기 버스트(13)의 레이저 펄스들을 시간적으로 펼치는 펄스 스트레처(pulse stretcher)로서, 상기 광학적 증폭기는 상기 펄스 스트레처의 하류측에 존재하며, 및 증폭 이후에 상기 레이저 펄스들을 시간적으로 압축하는 펄스 압축기를 특징으로 하는, 디바이스.
    
13. 청구항 12에 있어서,
    상기 광학적 컴포넌트들의 직렬 배열은 버스트(13)의 전파 방향에서 상기 펄스 스트레처의 하류측에 존재하는 것을 특징으로 하는, 디바이스.
    
14. 청구항 11 내지 청구항 13 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 레이저 펄스 트레인의 전파 방향에서 상기 광학적 증폭기(14)의 상류측에 그리고 상기 광학적 컴포넌트들의 직렬 배열의 하류측에 존재하는 진폭 변조기(12)를 특징으로 하는, 디바이스.
    
15. 청구항 14에 있어서,
    개별적인 레이저 펄스들의 진폭과 관련하여 상기 레이저 펄스 트레인을 변조하기에 적절하며 상기 진폭 변조기(12)를 제어하는 제어 디바이스를 특징으로 하는, 디바이스.
    
16. 청구항 11 내지 청구항 15 중 어느 한 항에 있어서,
    레이저 펄스들의 스펙트럼 넓힘(broadening) 및 시간적 압축을 초래하는 비선형 압축 스테이지로서, 상기 비선형 압축 스테이지는 상기 버스트의 전파 방향에서 상기 광학적 컴포넌트(13)의 하류측에 존재하는 것을 특징으로 하는, 디바이스.
    
17. 버스트 모드로 레이저 펄스들을 생성하기 위한 방법으로서,
    - 시간적으로 등거리의 레이저 펄스들(1)의 시퀀스로부터 레이저 펄스 트레인을 생성하는 단계,
    - 상기 레이저 펄스 트레인을 광 섬유 내로 결합하는 단계, 및
    - 상기 레이저 펄스 트레인을 펄스 버스트들(10)의 시퀀스로 변환하는 단계로서, 상기 레이저 펄스 트레인은 광 섬유에 연결된 청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 따른 2개 이상의 광학적 컴포넌트들의 직렬 배열을 통과하며, 2개의 개별적인 직렬의 연속적인 광학적 컴포넌트들의 섬유 암들(5, 6, 7, 9)의 길이의 차이는 서로 상이한, 단계를 포함하는, 방법.

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