KR20200011271A - Solid state laser apparatus having saturable absorber for suppressing amplified spontaneous emission - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a solid-state laser apparatus having a saturable absorber for suppressing amplified spontaneous emission. The solid-state laser apparatus comprises: a first amplification medium storing pumping energy supplied by a pumping source, and amplifying and transmitting the laser input from the outside; a second amplification medium storing pumping energy supplied by the pumping source, spaced apart from one side of the first amplification medium, and amplifying and transmitting again the laser introduced from the first amplification medium; a saturable absorber spaced apart from one side of the second amplification medium to suppress amplified spontaneous emission components generated in the first and second amplification media, and transmitting the laser introduced from the second amplification medium; and a reflective mirror spaced apart from one side of the saturable absorber and reflecting again the laser introduced from the saturable absorber. The reflected laser is re-amplified while being sequentially transmitted through the saturable absorber, the second amplification medium, and the first amplification medium so as to be output to the outside. According to the present invention, the amplified spontaneous emission components generated in the amplification media can be effectively suppressed by using the saturable absorber added between the amplification media and the reflective mirror. Therefore, the output of the laser can be increased by increasing the maximum energy capacity of the pumping energy which can be stored in the amplification media.

Description

자연 증폭 방출 억제용 포화 흡수체를 가지는 고체 레이저 장치{Solid state laser apparatus having saturable absorber for suppressing amplified spontaneous emission}Solid state laser apparatus having saturable absorber for suppressing amplified spontaneous emission

본 발명은 자연 증폭 방출 억제용 포화 흡수체를 가지는 고체 레이저 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 포화 흡수체를 활용하여 증폭 매질에서 자연적으로 발생되는 자연 증폭 방출 성분을 억제하고 이를 통해 레이저 출력 성능과 동작 안정성을 향상시킬 수 있는 고체 레이저 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a solid state laser device having a saturable absorber for suppressing spontaneous amplification emission, and more particularly, by utilizing a saturable absorber to suppress spontaneous amplification emission components naturally occurring in the amplification medium and thereby laser output performance and operational stability. It relates to a solid state laser device that can improve the.

전자산업 등의 발전으로 레이저의 고사양이 요구되고 있다. 특히, 시드 레이저(Seed Laser)를 증폭하여 사용할 경우 고출력의 레이저 시스템을 구현할 수 있다.With the development of the electronics industry, high specifications of lasers are required. In particular, when amplifying the seed laser (Seed Laser) can be used to implement a high power laser system.

고체 레이저 시스템은 고체 상태의 증폭 매질(Gain Medium)을 사용하여 레이저 빔을 출력한다. 증폭 매질은 펌핑 소스(ex, 플래시 램프)에 의해 펌핑된 에너지를 저장하며, 펌핑된 증폭 매질에 시드 레이저(Seed Laser)를 입력하면 높은 파워의 레이저가 출력될 수 있다. 여기서, 펌핑 에너지를 높이거나 펌핑 소스 및 시드 레이저의 파워를 높일 경우에 더욱 높은 레이저 출력을 얻을 수 있다.The solid state laser system outputs a laser beam using a solid medium amplification medium (Gain Medium). The amplification medium stores energy pumped by a pumping source (eg, flash lamp), and when a seed laser is input to the pumped amplification medium, a high power laser may be output. Here, higher laser power can be obtained when the pumping energy is increased or the power of the pumping source and the seed laser is increased.

그런데, 증폭 매질 내 에너지 축적량이 일정 이상으로 높아지면, 증폭 매질에서 광이 자연적으로 발산하며 축적된 에너지를 흡수해 방출하는 자연 증폭 방출(ASE; Amplified Spontaneous Emission)이 일어난다. 또한 에너지 축적량이 높아질수록 자연 증폭 방출로 인한 손실량도 더욱 증가하게 되고 이는 증폭 매질의 증폭 이득(Gain) 증가세를 둔화시키는 요인이 된다.However, when the amount of energy accumulation in the amplification medium is higher than a certain level, light is naturally emitted in the amplification medium, and amplified spontaneous emission (ASE) is generated in which the accumulated energy is absorbed and emitted. In addition, the higher the energy accumulation, the greater the loss due to natural amplification emission, which slows down the increase in gain of the amplification medium.

도 1은 레이저 장치의 증폭 매질에 축적된 에너지와 증폭 이득 간의 관계를 설명하기 위한 도면이다. 1 is a diagram for explaining a relationship between energy accumulated in an amplification medium of a laser device and an amplification gain.

도 1의 가로축은 증폭 매질에 저장된 펌핑 에너지의 크기이고, 세로축은 증폭 매질의 이득이다. 도 1에서 점선(Ideal)은 이상적인 상황에서의 증폭 매질의 이득을 나타내고 실선(Real)은 실제 증폭 매질의 이득을 나타낸다.1 is the magnitude of the pumping energy stored in the amplification medium, and the vertical axis is the gain of the amplification medium. In Fig. 1, the dotted line represents the gain of the amplification medium in an ideal situation and the real line represents the gain of the actual amplification medium.

도 1에 나타낸 것과 같이, 이상적인 상황(Ideal)에서는 증폭 매질에 축적된 에너지가 높아질수록 이득도 함께 증가하며 이득 증가세 역시 점차 강화되는 것을 알 수 있다.As shown in FIG. 1, in an ideal situation, as the energy accumulated in the amplification medium increases, the gain also increases and the gain increase gradually increases.

하지만, 실제 상황(Real)에서는 증폭 매질에 축적되는 에너지 용량이 일정 이상이 되면, 자연 증폭 방출로 인한 손실이 발생하게 되며 이득 증가세가 둔화되기 시작하는데, 특히 에너지 용량이 증가될수록 둔화 정도가 더욱 심각해진다. 즉, 실제 상황에서는 이득 그래프에 변곡점이 발생한 이후부터 이득 증가세가 점차 둔화된다.However, in real situations, when the energy capacity accumulated in the amplification medium is above a certain level, the loss due to natural amplification emission occurs and the gain increase starts to slow down, especially as the energy capacity increases. Become. In other words, the gain increase gradually slows down after the inflection point occurs in the gain graph.

따라서, 자연 증폭 방출이 일어나는 시점까지 에너지를 저장해야 하며 한계 에너지 이상으로 저장하는 것에는 큰 의미가 없다.Therefore, the energy must be stored until the point of spontaneous amplification emission and it is not meaningful to store above the limit energy.

종래에는 자연 증폭 방출에 의한 영향을 감소시키기 위하여 증폭 매질 간의 거리를 넓히거나, 공간 필터, 광 정류기, 반사체 등을 부가하는 방법을 사용하였지만, 이러한 기존의 방법들은 구조의 복잡도를 높이거나 자연 증폭 방출 성분을 억제하는 데에는 한계가 있었다.Conventionally, in order to reduce the influence of natural amplification emission, a method of increasing the distance between the amplification media or adding a spatial filter, an optical rectifier, a reflector, etc. is used. However, these conventional methods increase the complexity of the structure or the natural amplification emission. There was a limit to suppressing the ingredients.

본 발명의 배경이 되는 기술은 한국등록특허 제10-0789278호(2008.01.02 공고)에 개시되어 있다.The background technology of the present invention is disclosed in Korea Patent Registration No. 10-0789278 (2008.01.02 notification).

본 발명은 포화 흡수체를 활용하여 증폭 매질에서 발생되는 자연 증폭 방출 성분을 효과적으로 억제하고 이를 통해 레이저의 출력 성능과 동작 안정성을 향상시킬 수 있는 자연 증폭 방출 억제용 포화 흡수체를 가지는 고체 레이저 장치를 제공하는데 목적이 있다.The present invention provides a solid state laser device having a saturated absorber for suppressing a natural amplification emission, which can effectively suppress a natural amplified emission component generated in an amplification medium by utilizing a saturated absorber, thereby improving output performance and operational stability of the laser. There is a purpose.

본 발명은, 자연 증폭 방출(ASE; Amplified Spontaneous Emission)을 억제하기 위한 고체 레이저 장치에 있어서, 펌핑 소스에 의해 공급된 펌핑 에너지를 저장하며, 외부로부터 입력된 레이저를 증폭하여 투과시키는 제1 증폭 매질과, 펌핑 소스에 의해 공급된 펌핑 에너지를 저장하고, 상기 제1 증폭 매질의 일측에 이격 설치되며, 상기 제1 증폭 매질로부터 유입된 레이저를 다시 증폭하여 투과시키는 제2 증폭 매질과, 상기 제1 및 제2 증폭 매질에서 발생되는 자연 증폭 방출 성분을 억제하도록 상기 제2 증폭 매질의 일측에 이격 설치되며, 상기 제2 증폭 매질로부터 유입된 레이저를 투과시키는 포화 흡수체, 및 상기 포화 흡수체의 일측에 이격 설치되며 상기 포화 흡수체로부터 유입된 레이저를 다시 반사시키는 반사 거울을 포함하며, 상기 반사된 레이저는, 상기 포화 흡수체, 상기 제2 증폭 매질, 그리고 상기 제1 증폭 매질을 차례로 투과하면서 재증폭되어 외부로 출력 제공되는 고체 레이저 장치를 제공한다.The present invention relates to a solid state laser device for suppressing Amplified Spontaneous Emission (ASE), comprising: a first amplification medium storing pumping energy supplied by a pumping source and amplifying and transmitting a laser input from the outside; And a second amplifying medium which stores pumping energy supplied by a pumping source, is spaced apart from one side of the first amplifying medium, and amplifies and transmits the laser introduced from the first amplifying medium again. And a saturable absorber spaced apart from one side of the second amplification medium so as to suppress a natural amplification emission component generated in the second amplification medium, and a saturable absorber for transmitting the laser introduced from the second amplification medium, and a side of the saturated absorber. And a reflecting mirror installed to reflect back the laser introduced from the saturated absorber, wherein the reflected laser comprises: Provided is a solid-state laser device that is amplified and sequentially output while passing through a saturated absorber, the second amplification medium, and the first amplification medium.

또한, 상기 고체 레이저 장치는, 상기 포화 흡수체에 의해 상기 자연 증폭 방출 성분이 억제되어, 상기 제1 및 제2 증폭 매질에 저장 가능한 상기 펌핑 에너지의 최대 용량이 증가될 수 있다.In addition, the solid state laser device may suppress the spontaneous amplified emission component by the saturable absorber, thereby increasing the maximum capacity of the pumping energy that can be stored in the first and second amplification media.

또한, 상기 외부로부터 입력된 레이저는 펄스 형태의 레이저 신호일 수 있다.In addition, the laser input from the outside may be a pulsed laser signal.

또한, 상기 고체 레이저 장치는, 상기 제1 및 제2 증폭 매질 사이에 배치된 쿼츠 로테이터(QR; Quartz Rotator), 및 상기 포화 흡수체와 상기 반사 거울 사이에 배치되는 λ/4 편광 플레이트를 더 포함할 수 있다.The solid state laser device may further include a quartz rotator (QR) disposed between the first and second amplifying media, and a λ / 4 polarizing plate disposed between the saturable absorber and the reflecting mirror. Can be.

또한, 상기 포화 흡수체는, Cr:YAG, Cr:ZnS, Cr:ZnSe, V:YAG, Co:MgAl2O4, GaAs, 탄소나노튜브(Carbon nanotube), 그래핀(Graphene), Cr:YAG, Cr:ZnS, Cr:ZnSe, V:YAG, Co:MgAl2O4, GaAs, 탄소나노튜브(Carbon nanotube), 그래핀(Graphene), 희토류 이온이 첨가된 광학 물질 중에서 선택된 적어도 하나의 재료를 포함하여 이루어질 수 있다.In addition, the saturated absorber is Cr: YAG, Cr: ZnS, Cr: ZnSe, V: YAG, Co: MgAl2O4, GaAs, Carbon nanotube, Graphene, Cr: YAG, Cr: ZnS , Cr: ZnSe, V: YAG, Co: MgAl 2 O 4, GaAs, carbon nanotubes, carbonene, graphene, and at least one material selected from optical materials added with rare earth ions.

또한, 상기 포화 흡수체는 Cr:YAG로 이루어지고, 상기 제1 및 제2 증폭 매질은 Nd:YAG로 이루어질 수 있다.In addition, the saturated absorber may be made of Cr: YAG, and the first and second amplification media may be made of Nd: YAG.

또한, 상기 포화 흡수체에 포함된 상기 Cr의 이온 농도, 상기 제1 및 제2 증폭 매질에 각각 포함된 상기 Nd의 이온 농도, 상기 포화 흡수체의 길이, 그리고 상기 제1 및 제2 증폭 매질 각각의 길이는 아래의 수학식에 의해 결정될 수 있다.In addition, the ion concentration of the Cr contained in the saturated absorbent, the ion concentration of the Nd contained in the first and second amplifying media, the length of the saturated absorbent, and the length of each of the first and second amplifying media, respectively. May be determined by the following equation.

Figure pat00001
Figure pat00001

여기서, A는 상기 Cr의 이온 농도, B는 상기 Nd의 이온 농도, C는 상기 포화 흡수체의 길이, D는 상기 제1 및 제2 증폭 매질의 길이를 나타낸다.Where A is the ion concentration of Cr, B is the ion concentration of Nd, C is the length of the saturated absorber, and D is the length of the first and second amplification media.

본 발명에 의하면, 증폭 매질과 반사 거울 사이에 부가한 포화 흡수체를 이용하여 증폭 매질에서 발생되는 자연 증폭 방출 성분을 효과적으로 억제할 수 있음은 물론, 이를 통해 증폭 매질 내 저장 가능한 펌핑 에너지의 최대 에너지 용량을 증가시킴에 따라 결과적으로 레이저의 출력 성능을 향상시키는 동시에 레이저의 안정적인 동작을 보장할 수 있는 이점을 제공한다.According to the present invention, a saturated absorber added between the amplifying medium and the reflecting mirror can be used to effectively suppress the natural amplified emission component generated in the amplifying medium, and thereby the maximum energy capacity of the pumping energy that can be stored in the amplifying medium. Increasing the result, the result is that the output performance of the laser can be improved while at the same time ensuring the stable operation of the laser.

도 1은 레이저 장치의 증폭 매질에 축적된 에너지와 증폭 이득 간의 관계를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 포화 흡수체를 가지는 고체 레이저 장치의 구성을 나타낸 도면이다.
도 3은 도 2에서 포화 흡수체를 제외한 구성을 나타낸 도면이다.
도 4는 도 3의 레이저 경로 상에 각 지점의 넘버를 부여한 도면이다.
도 5는 도 2의 레이저 경로 상에 각 지점의 넘버를 부여한 도면이다.
도 6 및 도 7은 각각 도 4 및 도 5의 각 지점에 관측되는 레이저 세기를 시뮬레이션한 결과를 나타낸 도면이다.
1 is a diagram for explaining a relationship between energy accumulated in an amplification medium of a laser device and an amplification gain.
2 is a diagram showing the configuration of a solid state laser device having a saturated absorber according to an embodiment of the present invention.
3 is a view showing a configuration excluding the saturated absorber in FIG.
4 is a diagram in which the number of each point is given on the laser path of FIG. 3.
FIG. 5 is a diagram illustrating the number of each point on the laser path of FIG. 2.
6 and 7 are diagrams showing the results of simulation of the laser intensity observed at each point of FIGS. 4 and 5, respectively.

그러면 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.DETAILED DESCRIPTION Hereinafter, exemplary embodiments of the present disclosure will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily implement the present disclosure.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 포화 흡수체를 가지는 고체 레이저 장치의 구성을 나타낸 도면이다. 2 is a diagram showing the configuration of a solid state laser device having a saturated absorber according to an embodiment of the present invention.

도 2에 나타낸 것과 같이, 본 발명의 실시예에 따른 고체 레이저 장치(100)는 제1 증폭 매질(110), 제2 증폭 매질(120), 포화 흡수체(130), 반사 거울(140), 쿼츠 로테이터(150), 그리고 편광 플레이트(160)를 포함하며, 외부의 공진기(Oscillator)에서 출력한 시드 레이저(Seed Laser)(이하, 레이저)를 입력받아 이를 증폭하여 출력한다.As shown in FIG. 2, the solid state laser device 100 according to an exemplary embodiment of the present invention may include a first amplifying medium 110, a second amplifying medium 120, a saturated absorber 130, a reflective mirror 140, and quartz. It includes a rotator 150, and a polarizing plate 160, and receives a seed laser (hereinafter referred to as a laser) output from an external oscillator to amplify it and output it.

제1 및 제2 증폭 매질(110,120)은 펌핑 소스(Pumping Source)에 의해 공급된 펌핑 에너지를 각각 저장하며, 이를 이용하여 입력된 레이저 신호를 더욱 큰 크기로 증폭할 수 있다. The first and second amplification media 110 and 120 store pumping energy supplied by a pumping source, respectively, and amplify the input laser signal to a larger size.

펌핑 소스는 각 증폭 매질(110,120)에 광을 제공하는 플래시 램프(Flash Ramp)일 수 있으며, 그 밖의 공지된 다른 수단이 사용될 수도 있다. 펌핑 소스는 각각의 증폭 매질(110,120)에 대해 개별 구비될 수 있으며, 레이저 장치 내 구성 요소로 포함될 수도 있다.The pumping source may be a flash ramp that provides light to each amplification medium 110, 120, and other known means may be used. The pumping source may be provided separately for each amplification medium 110, 120 and may be included as a component in the laser device.

제1 및 제2 증폭 매질(110,120)은 각각 Nd:YAG로 구성될 수 있으며, 도 2에 도시된 것과 같이, 좌우로 긴 길이 방향을 가지는 Nd:YAG 로드의 형태로 구현될 수 있다. The first and second amplification media 110 and 120 may be configured as Nd: YAG, respectively, and may be implemented in the form of Nd: YAG rods having a long longitudinal direction, as shown in FIG. 2.

제1 증폭 매질(110)은 공진기(미도시)에서 출력된 레이저를 입력받아 이를 증폭하여 투과시킨다. 여기서, 공진기가 제공하는 레이저는 펄스 형태의 레이저 신호일 수 있다. 제1 증폭 매질(110)은 공진기로부터 입력된 펄스 레이저 신호를 펌핑 에너지를 이용하여 증폭하여 출력하게 된다.The first amplification medium 110 receives a laser output from a resonator (not shown) and amplifies and transmits the laser. Here, the laser provided by the resonator may be a pulsed laser signal. The first amplification medium 110 amplifies and outputs the pulsed laser signal input from the resonator using pumping energy.

제2 증폭 매질(120)은 제1 증폭 매질(110)의 일측에 이격 설치되며, 제1 증폭 매질(110)로부터 유입된 시드 레이저를 다시 증폭하여 투과시킨다. 제2 증폭 매질(120) 역시 제2 증폭 매질로부터 입력된 펄스 레이저 신호를 펌핑 에너지를 이용하여 증폭하여 출력한다. 이에 따라 반사 거울(140)로 레이저 신호가 전달되기 까지 증폭이 두 번 이루어진다.The second amplification medium 120 is spaced apart from one side of the first amplification medium 110, and amplifies and transmits the seed laser introduced from the first amplification medium 110 again. The second amplification medium 120 also amplifies and outputs the pulsed laser signal input from the second amplification medium using pumping energy. Accordingly, amplification is performed twice before the laser signal is transmitted to the reflection mirror 140.

포화 흡수체(130)(SA;Saturable Absorber)는 제2 증폭 매질(120)의 일측에 이격 설치되어 제1 및 제2 증폭 매질(110,120)에서 발생되는 자연 증폭 방출(ASE; Amplified Spontaneous Emission) 성분을 억제하도록 한다. 이와 같이, 포화 흡수체(130)는 자연 증폭 방출 신호를 흡수하는 역할을 하며 Cr:YAG와 같은 재료로 구성될 수 있다.A saturable absorber 130 (SA) is installed on one side of the second amplification medium 120 to provide amplified spontaneous emission (ASE) component generated in the first and second amplification medium (110,120). Suppress it. As such, the saturated absorber 130 serves to absorb the natural amplified emission signal and may be made of a material such as Cr: YAG.

자연 증폭 방출(ASE)은 배경 기술에서 설명한 바와 같이 증폭 매질에 일정 용량 이상의 펌핑 에너지가 저장될 때 자연적으로 발생(자가 유도 방출)되는 것이며, 실질적으로 증폭 매질의 증폭 이득(Gain)의 증가를 둔화시키는 요인이 되므로 억제될 필요가 있다.Natural Amplified Release (ASE) is a naturally occurring (self-induced release) when a certain amount of pumping energy is stored in the amplification medium, as described in the background art, and substantially slows the increase in the amplification gain of the amplification medium. It must be suppressed because it becomes a factor.

본 발명의 실시예의 경우, 제2 증폭 매질(120)과 반사 거울(140) 사이에 해당하는 제2 증폭 매질(120)의 일측에 포화 흡수체(130)를 부가함으로써 제1 및 제2 증폭 매질(110,120)에서 발생되는 자연 증폭 방출(ASE) 성분을 효과적으로 흡수하는 것을 통해 억제할 수 있다.In an exemplary embodiment of the present invention, the first and second amplifying mediums may be added by adding a saturated absorber 130 to one side of the second amplifying medium 120 corresponding to the second amplifying medium 120 and the reflecting mirror 140. It can be suppressed by effectively absorbing the natural amplified emission (ASE) component generated in the 110,120.

레이저의 유입 경로 면에서, 펄스 레이저 신호는 제1 및 제2 증폭 매질(110,120)을 차례로 경유하기 때문에, 두 증폭 매질(110,120)에 의한 자연 증폭 방출(ASE)의 영향을 모두 억제하기 위해서 포화 흡수체(130)는 제2 증폭 매질(120)와 반사 거울(140) 사이에 부가되는 것이 바람직하다.In terms of the laser's ingress path, the pulsed laser signal passes through the first and second amplification media 110, 120 in turn, so that the saturable absorber in order to suppress both the effects of spontaneous amplification emission (ASE) by the two amplification media 110, 120. 130 is preferably added between the second amplification medium 120 and the reflecting mirror 140.

포화 흡수체(130)는 제1 및 제2 증폭 매질(110,120)에 의해 증폭된 레이저를 투과시켜 반사 거울(140)을 향해 보낸다. 이때, 포화 흡수체(130)는 앞서 상술한 것과 같이 신호를 흡수하는 성질을 가지고 있으므로 레이저의 전량을 모두 투과시키지는 못하며 흡수되고 남은 일부량을 투과시켜 반사 거울(140)로 전달한다. 이러한 원리는 추후 반사 거울(140)로부터 반사되어 되돌아오는 레이저에 대해서도 동일하게 적용된다. 이와 관련한 데이터는 후술할 것이다.The saturable absorber 130 transmits the laser amplified by the first and second amplification media 110 and 120 toward the reflective mirror 140. At this time, since the saturable absorber 130 has the property of absorbing the signal as described above, it does not transmit all of the laser, but transmits the remaining part of the absorbed portion to the reflective mirror 140. This principle applies equally to the laser reflected back from the reflecting mirror 140 later. Data relating to this will be described later.

물론, 포화 흡수체(130)는 자연 증폭 방출(ASE) 성분을 흡수할 때는 높은 흡수율로 흡수하고 레이저 빔은 비교적 높은 투과율로 투과시킨다. 이는 에너지를 흡수하여 포화 상태가 되면 흡수율이 점차 낮아지는 것과도 관계된다.Of course, when the saturated absorber 130 absorbs the natural amplified emission (ASE) component, it absorbs at a high absorption rate and transmits the laser beam at a relatively high transmittance. This is also related to the absorption rate gradually lowering when energy is absorbed and saturated.

반사 거울(140)은 포화 흡수체(130)의 일측에 이격 설치되며, 포화 흡수체(130)로부터 유입된 레이저를 다시 거의 100% 반사시킨다. 반사된 레이저는 도 2에 도시된 경로와 같이, 포화 흡수체(130), 제2 증폭 매질(120), 그리고 제1 증폭 매질(110)을 차례로 투과하면서 재증폭되어 외부로 출력 제공된다.The reflective mirror 140 is spaced apart from one side of the saturable absorber 130, and reflects the laser introduced from the saturable absorber 130 to almost 100% again. The reflected laser is re-amplified and transmitted through the saturable absorber 130, the second amplification medium 120, and the first amplification medium 110, as shown in FIG. 2, to be output to the outside.

λ/4 편광 플레이트(160)는 λ/4 판에 해당하는 것으로, 포화 흡수체(130) 및 반사 거울(140) 사이에 배치된다. 쿼츠 로테이터(150)(QR; Quartz Rotator)는 제1 및 제2 증폭 매질(110,120) 사이에 배치되어 편광 왜곡을 상쇄한다. λ/4 편광 플레이트(160) 및 쿼츠 로테이터(150)는 기 공지된 요소에 해당하므로 상세한 설명은 생략한다.The λ / 4 polarizing plate 160 corresponds to the λ / 4 plate and is disposed between the saturable absorber 130 and the reflecting mirror 140. A quartz rotator 150 (QR) is disposed between the first and second amplification media 110 and 120 to cancel polarization distortion. Since the λ / 4 polarization plate 160 and the quartz rotator 150 correspond to known elements, detailed description thereof will be omitted.

이러한 본 발명의 실시예에서 포화 흡수체(130)에 포함된 Cr의 이온 농도, 제1 및 제2 증폭 매질(110,120)에 각각 포함된 Nd의 이온 농도, 포화 흡수체(130)의 길이, 그리고 제1 및 제2 증폭 매질(110,120) 각각의 길이는 아래의 수학식 1에 의해 결정될 수 있다.In this embodiment of the present invention, the ion concentration of Cr included in the saturated absorber 130, the ion concentration of Nd included in the first and second amplifying media 110 and 120, respectively, the length of the saturated absorber 130, and the first And the length of each of the second amplification media 110 and 120 may be determined by Equation 1 below.

Figure pat00002
Figure pat00002

여기서, A는 Cr의 이온 농도, B는 Nd의 이온 농도, C는 포화 흡수체(130)의 길이, D는 제1 및 제2 증폭 매질(110,120)의 길이를 나타낸다. 여기서 길이란 도 2에서 보여지는 각 요소의 좌우 길이를 의미할 수 있다.Here, A is the ion concentration of Cr, B is the ion concentration of Nd, C is the length of the saturated absorber 130, D is the length of the first and second amplification medium (110, 120). Here, the length may mean the length of the left and right of each element shown in FIG.

물론, 레이저 장치의 최적 효율은 매질 형태, 작동 전압 등에 따라 달라질 수 있다.Of course, the optimum efficiency of the laser device may vary depending on the type of medium, the operating voltage and the like.

또한, 본 발명의 실시예에서 포화 흡수체(130)는 반드시 Cr:YAG 소재로 한정되지 않으며, Cr:YAG, Cr:ZnS, Cr:ZnSe, V:YAG, Co:MgAl2O4, GaAs, 탄소나노튜브(Carbon nanotube), 그래핀(Graphene), 희토류 이온이 첨가된 광학 물질 중에서 선택된 적어도 하나의 재료를 포함하여 이루어질 수 있다.In addition, in the embodiment of the present invention, the saturated absorber 130 is not necessarily limited to Cr: YAG material, Cr: YAG, Cr: ZnS, Cr: ZnSe, V: YAG, Co: MgAl 2 O 4, GaAs, carbon nanotubes ( Carbon nanotube), graphene (Graphene), may comprise at least one material selected from the added optical material rare earth ions.

이러한 본 발명의 실시예의 경우, 고체 레이저 장치(100) 내에 유입된 시드 레이저가 제1 증폭 매질(110) 및 제2 증폭 매질(120)을 차례로 통과하면서 2회 증폭된 후에, 증폭된 레이저 신호는 반사 거울(140)에 의한 반사 이전과 이후에 포화 흡수체(130)를 두 번 경유하면서 다소 감쇄되었다가, 다시 제2 증폭 매질(120) 및 제1 증폭 매질(110)을 차례로 경유하면서 2회 추가로 증폭된다. 이에 따라, 결과적으로 고출력의 레이저가 출력될 수 있다.In this embodiment of the present invention, after the seed laser introduced into the solid state laser device 100 is amplified twice while sequentially passing through the first amplification medium 110 and the second amplification medium 120, the amplified laser signal is Attenuation was slightly attenuated twice via the saturable absorber 130 before and after reflection by the reflecting mirror 140, and then added twice, in turn via the second amplification medium 120 and the first amplification medium 110 in turn. Is amplified. As a result, a high power laser can be output as a result.

특히, 본 발명의 실시예의 경우, 포화 흡수체(130)에 의해 자연 증폭 방출(ASE) 성분이 억제되어, 제1 및 제2 증폭 매질(110,120)에 각각 저장 가능한 펌핑 에너지의 최대 용량이 증가된다. 펌핑 에너지의 용량 증가는 곧 레이저의 출력 크기의 향상을 의미한다.In particular, in the embodiment of the present invention, the natural amplified emission (ASE) component is suppressed by the saturable absorber 130, thereby increasing the maximum capacity of pumping energy that can be stored in the first and second amplification media 110, 120, respectively. Increasing the capacity of the pumping energy means improving the output size of the laser.

본 발명의 실시예의 경우, 직경: 0.5 inch, 길이: 85 mm를 갖는 Nd:YAG 로드를 증폭 매질로 각각 사용하였으며, 포화 흡수체(130)가 부가된 상태에서 해당 규격의 Nd:YAG 로드를 플래시 램프로 펌핑한 결과, 최대 1.82 J의 펌핑 에너지가 저장 가능한 것으로 나타났다. 하지만 이하 도 3에서와 같이 포화 흡수체가 없는 경우에는 1.55 J의 펌핑 에너지만이 저장 가능한 것으로 나타났다.In the exemplary embodiment of the present invention, Nd: YAG rods having a diameter of 0.5 inch and a length of 85 mm were used as amplification media, respectively, and Nd: YAG rods of the corresponding specification were used in a state in which a saturated absorber 130 was added. As a result, pumping energy of up to 1.82 J was found to be measurable. However, when there is no saturated absorber as shown in FIG. 3, only 1.55 J of pumping energy can be stored.

도 3은 도 2에서 포화 흡수체를 제외한 구성을 나타낸 도면이다. 도 3의 경우는 포화 흡수체(130)가 제거된 상태에서 동일 규격의 Nd:YAG 로드에 동일 조건의 플래시 램프를 가동한 결과로서, 최대 1.55 J의 펌핑 에너지가 저장되는 것으로 나타났다. 3 is a view showing a configuration excluding the saturated absorber in FIG. In the case of Figure 3, as a result of operating the flash lamp of the same conditions in the Nd: YAG rod of the same specification in the state where the saturable absorber 130 is removed, it was shown that up to 1.55 J of pumping energy is stored.

포화 흡수체(130)가 부가된 경우, 자연 증폭 방출(ASE) 성분이 억제되면서 도 1과 같은 변곡점이 더욱 늦게 발생할 수 있으며, 더 많은 양의 펌핑 에너지가 저장될 수 있다.When the saturable absorber 130 is added, the inflection point as shown in FIG. 1 may occur later while the natural amplification emission (ASE) component is suppressed, and a larger amount of pumping energy may be stored.

이처럼, 본 발명의 실시예는 포화 흡수체(130)를 삽입하는 것에 의해, 펌핑 에너지의 최대 저장 용량을 증가시킴에 따라, 기존보다 더 많은 용량의 펌핑 에너지를 증폭 매질에 저장할 수 있다. 증폭 매질에 저장되는 펌핑 에너지의 용량 증대는 증폭 매질의 이득의 증가로 이어지기 때문에, 결과적으로 기존보다 고출력의 레이저 신호를 제공할 수 있다.As such, the embodiment of the present invention increases the maximum storage capacity of the pumping energy by inserting the saturable absorber 130, thereby storing more capacity of the pumping energy in the amplification medium than before. Since the increase in the capacity of the pumping energy stored in the amplification medium leads to an increase in the gain of the amplification medium, it is possible to provide a higher power laser signal than the conventional one.

물론, 동일 출력 성능(출력 에너지)을 기준으로, 고체 레이저 장치에 포화 흡수체가 부가된 경우는 그렇지 않은 경우와 달리 자연 증폭 방출(ASE) 성분을 억제할 수 있기 때문에, 고체 레이저 장치의 더욱 안정적인 동작이 가능해지는 효과도 제공한다.Of course, when a saturated absorber is added to the solid state laser device based on the same output performance (output energy), the natural amplified emission (ASE) component can be suppressed unlike the case where the solid state laser device is more stable. This also provides the effect.

이하에서는 포화 흡수체의 삽입 전과 후의 레이저 출력 성능을 시뮬레이션한 결과를 비교 설명한다.Hereinafter, the result of simulating the laser output performance before and after insertion of a saturated absorber is compared and demonstrated.

도 4는 도 3의 레이저 경로 상에 각 지점의 넘버를 부여한 도면이고, 도 5는 도 2의 레이저 경로 상에 각 지점의 넘버를 부여한 도면이다. 4 is a diagram illustrating the number of each point on the laser path of FIG. 3, and FIG. 5 is a diagram illustrating the number of each point on the laser path of FIG. 2.

도 4 및 도 5 각각에서 ①번 지점을 통해 인가된 시드 레이저는 내부적으로 증폭, 반사, 그리고 다시 증폭을 거친 후 ⑥번 지점을 통해 출력된다. In FIG. 4 and FIG. 5, the seed laser applied through point ① is internally amplified, reflected, and again amplified and then output through point ⑥.

앞서 설명한 바와 같이, 포화 흡수체가 없는 도 4의 경우 최대 1.55 J의 펌핑 에너지가 저장된다. 하지만, 포화 흡수체가 존재하는 본 실시예에 따른 도 5의 구조의 경우 약 20% 상승된 용량인 최대 1.82 J의 펌핑 에너지가 저장된 것을 알 수 있다.As described above, up to 1.55 J of pumping energy is stored for FIG. 4 without a saturable absorber. However, in the structure of FIG. 5 according to the present embodiment in which the saturated absorber is present, it can be seen that pumping energy of up to 1.82 J, which is about 20% higher capacity, is stored.

도 6은 도 4의 각 지점에 관측되는 레이저 세기를 시뮬레이션한 결과를 나타낸 도면이다.FIG. 6 is a diagram illustrating a result of simulation of laser intensity observed at each point of FIG. 4.

도 6에 포함된 그래프는 시간(t)에 따른 강도(Intensity) 값이며, 그래프 아래 부분의 면적을 이용하면 J 단위의 레이저 세기를 얻을 수 있다.The graph included in FIG. 6 is an intensity value according to time t, and the laser intensity in J units can be obtained by using the area of the lower portion of the graph.

도 6을 참조하면, ①번 지점에 입력된 1 mJ의 시드 레이저는 제1 증폭 매질을 통해 6mJ(②)로 증폭 후 다시 제2 증폭 매질을 통해 40 mJ(③)로 증폭된다. 이후, 거울로부터 반사되어 그대로 되돌아온 40 mJ(④)의 레이저가 제2 증폭 매질을 통해 245 mJ(⑤)로 증폭된 후 다시 제1 증폭 매질을 통해 1 J(⑥)까지 증폭되어 최종 출력된다. Referring to FIG. 6, the seed laser of 1 mJ input at point ① is amplified to 6 mJ (②) through the first amplification medium and then amplified to 40 mJ (③) through the second amplification medium. Subsequently, the 40 mJ (④) laser reflected from the mirror and returned as it is is amplified to 245 mJ (⑤) through the second amplification medium, and then amplified to 1 J (⑥) through the first amplification medium and finally output.

이와 같이 포화 흡수체가 없는 도 4의 구조에서는 1 mJ의 레이저를 입력받아 1 J의 레이저를 출력한다. Thus, in the structure of FIG. 4 without a saturated absorber, 1 mJ laser is input and 1 J laser is output.

도 7은 도 5의 각 지점에 관측되는 레이저 세기를 시뮬레이션한 결과를 나타낸 도면이다. 여기서, 도 7의 상단의 각 수치 옆의 괄호 표기는 비교의 용이성을 위해 도 6의 결과를 병기한 것이다.FIG. 7 is a diagram illustrating a result of simulation of laser intensity observed at each point of FIG. 5. Here, the notation in parentheses next to each numerical value at the top of FIG. 7 indicates the results of FIG. 6 for ease of comparison.

먼저, ①번 지점에 입력된 1 mJ의 시드 레이저는 제1 증폭 매질(110)을 통해 8.26 mJ(②)로 증폭 후, 다시 제2 증폭 매질(120)을 통해 74.6 mJ(③)로 증폭된다. First, the 1 mJ seed laser input at point ① is amplified to 8.26 mJ (②) through the first amplification medium 110 and then amplified to 74.6 mJ (③) through the second amplification medium 120. .

증폭된 레이저는 포화 흡수체(130)를 지나서 반사 거울(140)로 입사된 후 다시 반사되어 포화 흡수체(130)를 재차 통과하면서 2번의 감쇄(신호 흡수) 과정이 발생하므로 74.6 mJ(③)에서 38 mJ(④)까지 감소한 것을 알 수 있다. The amplified laser passes through the saturable absorber 130 and enters the reflecting mirror 140 and then is reflected again, passing through the saturable absorber 130 again, so that two attenuation (signal absorption) processes occur. It can be seen that mJ (④) has decreased.

④번 지점을 기준으로 보았을 때는 포화 흡수체를 삽입하지 않은 경우가 포화 흡수체를 삽입한 경우보다 더욱 높은 신호 세기를 나타내는 것을 알 수 있다. 하지만, ④번 지점 이후, 제2 증폭 매질(120)을 통과하면서부터는 증폭 매질 내 펌핑 에너지 용량 증대(1.55 -> 1.82 J)로 인한 실질적인 증폭 이득 향상의 효과가 발생한다.From the point ④, it can be seen that the case where no saturated absorber is inserted shows a higher signal strength than when the saturated absorber is inserted. However, after the point ④, while passing through the second amplification medium 120, the effect of substantial amplification gain improvement due to the increase in pumping energy capacity in the amplification medium (1.55-> 1.82 J) occurs.

즉, 포화 흡수체(130)를 통과한 38 mJ(④)의 레이저는 다시 제2 증폭 매질(120)을 통과하면서 307 mJ로 증폭된 다음, 제1 증폭 매질(110)을 통과하면서 1.39 J(⑥)까지 증폭되어 최종 출력된다. 1.39 J은 1 J보다 약 40% 정도 높은 세기를 나타낸다.That is, the 38 mJ (④) laser passing through the saturated absorber 130 is amplified to 307 mJ while passing through the second amplification medium 120, and then 1.39 J (⑥) while passing through the first amplification medium 110. Amplified to the final output. 1.39 J represents about 40% higher intensity than 1 J.

결과적으로, 포화 흡수체가 없는 도 4의 구조에서는 1 mJ의 레이저를 입력받아 1 J의 레이저를 출력한 반면, 포화 흡수체가 있는 본 실시예에 따른 도 5의 구조에서는 최대 펌핑 에너지 용량의 증가로 인하여, 1 J 보다 훨씬 높은 1.39 J의 레이저를 출력하는 것을 알 수 있다. As a result, in the structure of FIG. 4 without the saturable absorber, the laser of 1 mJ is input and output 1 J laser, whereas in the structure of FIG. 5 according to the present embodiment with the saturable absorber, due to the increase of the maximum pumping energy capacity. We can see that the laser outputs 1.39 J much higher than 1 J.

이는 포화 흡수체(130)의 삽입에 따른 신호 감쇄와 손실 효과에 비해, 증폭 매질의 최대 펌핑 에너지 용량의 증가로 인한 이득 증대 효과가 훨씬 더 컸음을 의미한다.This means that the gain increase effect due to the increase in the maximum pumping energy capacity of the amplification medium is much greater than the signal attenuation and loss effects of the insertion of the saturated absorber 130.

이러한 결과로부터, 포화 흡수체(130)는 자연 증폭 방출(ASE) 성분을 흡수할 때는 높은 흡수율로 흡수하여 억제하고 레이저 빔은 비교적 높은 투과율로 투과시키는 것을 알 수 있다.From these results, it can be seen that the saturated absorber 130 absorbs and suppresses at a high absorption rate when absorbing the natural amplified emission (ASE) component, and transmits the laser beam at a relatively high transmittance.

본 발명의 실시예는 자연 증폭 방출(ASE)의 억제를 통한 고 에너지 펄스의 생성을 주요 용도로 하고 있지만, 필요에 따라 레이저의 안정적인 동작을 위하여 사용될 수도 있다. 예를 들어, 포화 흡수체(SA) 없이도 1 J의 에너지를 가진 펄스 생성은 가능하지만, 이는 자연 증폭 방출(ASE)의 한계에 가까워 출력의 안정도를 떨어뜨리고, 외부 요인으로 인해 순간적으로 자연 증폭 방출(ASE) 성분의 발진이 나타날 수 있다. 하지만, 포화 흡수체(SA)를 삽입한 경우 상술한 자연 증폭 방출(ASE)에 대한 우려 없이도 1 J의 에너지를 안정적으로 발진할 수 있다.The embodiment of the present invention mainly uses the generation of high energy pulses through the suppression of spontaneous amplified emission (ASE), but may be used for the stable operation of the laser as needed. For example, pulse generation with 1 J of energy is possible without a saturable absorber (SA), but this is close to the limit of spontaneous amplification emission (ASE), resulting in less stable output and instantaneous spontaneous amplification due to external factors. Rash of the ASE) component may appear. However, when the saturated absorber SA is inserted, energy of 1 J can be stably oscillated without concern about the above-described natural amplification emission (ASE).

이상과 같은 본 발명에 따르면, 증폭 매질과 반사 거울 사이에 부가한 포화 흡수체를 이용하여 증폭 매질에서 발생되는 자연 증폭 방출 성분을 효과적으로 억제할 수 있음은 물론 이를 통해 증폭 매질 내 저장 가능한 펌핑 에너지의 최대 에너지 용량을 증가시킴에 따라, 결과적으로 레이저의 출력 성능을 향상시키는 동시에 레이저의 안정적인 동작을 보장할 수 있다.According to the present invention as described above, by using a saturated absorber added between the amplification medium and the reflection mirror, it is possible to effectively suppress the natural amplification emission component generated in the amplification medium, and through this, the maximum of the pumping energy that can be stored in the amplification medium. By increasing the energy capacity, it is possible to improve the laser's output performance as a result and to ensure the stable operation of the laser.

본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.Although the present invention has been described with reference to the embodiments illustrated in the drawings, this is merely exemplary, and it will be understood by those skilled in the art that various modifications and equivalent other embodiments are possible. Therefore, the true technical protection scope of the present invention will be defined by the technical spirit of the appended claims.

100: 고체 레이저 장치 110: 제1 증폭 매질
120: 제2 증폭 매질 130: 포화 흡수체
140: 반사 거울 150: 쿼츠 로테이터
160: 편광 플레이트
100: solid state laser device 110: first amplification medium
120: second amplification medium 130: saturated absorber
140: reflection mirror 150: quartz rotator
160: polarizing plate

Claims (7)

자연 증폭 방출(ASE)을 억제하는 고체 레이저 장치에 있어서,
펌핑 소스에 의해 공급된 펌핑 에너지를 저장하며, 외부로부터 입력된 레이저를 증폭하여 투과시키는 제1 증폭 매질;
펌핑 소스에 의해 공급된 펌핑 에너지를 저장하고, 상기 제1 증폭 매질의 일측에 이격 설치되며, 상기 제1 증폭 매질로부터 유입된 레이저를 다시 증폭하여 투과시키는 제2 증폭 매질;
상기 제1 및 제2 증폭 매질에서 발생되는 자연 증폭 방출 성분을 억제하도록 상기 제2 증폭 매질의 일측에 이격 설치되며, 상기 제2 증폭 매질로부터 유입된 레이저를 투과시키는 포화 흡수체; 및
상기 포화 흡수체의 일측에 이격 설치되며 상기 포화 흡수체로부터 유입된 레이저를 다시 반사시키는 반사 거울을 포함하며,
상기 반사된 레이저는,
상기 포화 흡수체, 상기 제2 증폭 매질, 그리고 상기 제1 증폭 매질을 차례로 투과하면서 재증폭되어 외부로 출력 제공되는 고체 레이저 장치.
A solid state laser device that suppresses spontaneous amplified emission (ASE),
A first amplification medium that stores the pumping energy supplied by the pumping source and amplifies and transmits the laser input from the outside;
A second amplifying medium that stores pumping energy supplied by a pumping source, is spaced apart from one side of the first amplifying medium, and amplifies and transmits the laser introduced from the first amplifying medium again;
A saturated absorber installed at one side of the second amplifying medium to suppress the natural amplifying emission component generated in the first and second amplifying media and transmitting a laser beam introduced from the second amplifying medium; And
It is installed on one side of the saturable absorber and includes a reflecting mirror to reflect back the laser flowing from the saturable absorber,
The reflected laser,
And amplified through the saturable absorber, the second amplification medium, and the first amplification medium in order to be re-amplified and output to the outside.
청구항 1에 있어서,
상기 포화 흡수체에 의해 상기 자연 증폭 방출 성분이 억제되어, 상기 제1 및 제2 증폭 매질에 저장 가능한 상기 펌핑 에너지의 최대 용량이 증가되는 고체 레이저 장치.
The method according to claim 1,
And the natural amplified emission component is inhibited by the saturable absorber so that the maximum capacity of the pumping energy that can be stored in the first and second amplification media is increased.
청구항 1에 있어서,
상기 외부로부터 입력된 레이저는,
펄스 형태의 레이저 신호인 고체 레이저 장치.
The method according to claim 1,
The laser input from the outside,
Solid state laser device that is a pulsed laser signal.
청구항 1에 있어서,
상기 제1 및 제2 증폭 매질 사이에 배치된 쿼츠 로테이터(QR; Quartz Rotator); 및
상기 포화 흡수체와 상기 반사 거울 사이에 배치되는 λ/4 편광 플레이트를 더 포함하는 고체 레이저 장치.
The method according to claim 1,
A quartz rotator (QR) disposed between the first and second amplification media; And
And a λ / 4 polarizing plate disposed between the saturable absorber and the reflecting mirror.
청구항 1에 있어서,
상기 포화 흡수체는,
Cr:YAG, Cr:ZnS, Cr:ZnSe, V:YAG, Co:MgAl2O4, GaAs, 탄소나노튜브(Carbon nanotube), 그래핀(Graphene), Cr:YAG, Cr:ZnS, Cr:ZnSe, V:YAG, Co:MgAl2O4, GaAs, 탄소나노튜브(Carbon nanotube), 그래핀(Graphene), 희토류 이온이 첨가된 광학 물질 중에서 선택된 적어도 하나의 재료를 포함하여 이루어진 고체 레이저 장치.
The method according to claim 1,
The saturated absorber,
Cr: YAG, Cr: ZnS, Cr: ZnSe, V: YAG, Co: MgAl2O4, GaAs, Carbon nanotube, Graphene, Cr: YAG, Cr: ZnS, Cr: ZnSe, V: A solid state laser device comprising at least one material selected from YAG, Co: MgAl 2 O 4, GaAs, carbon nanotubes, graphene, and optical materials added with rare earth ions.
청구항 1에 있어서,
상기 포화 흡수체는 Cr:YAG로 이루어지고, 상기 제1 및 제2 증폭 매질은 Nd:YAG로 이루어진 고체 레이저 장치.
The method according to claim 1,
The saturable absorber is made of Cr: YAG, and the first and second amplification media are made of Nd: YAG.
청구항 6에 있어서,
상기 포화 흡수체에 포함된 상기 Cr의 이온 농도, 상기 제1 및 제2 증폭 매질에 각각 포함된 상기 Nd의 이온 농도, 상기 포화 흡수체의 길이, 그리고 상기 제1 및 제2 증폭 매질 각각의 길이는 아래의 수학식에 의해 결정되는 고체 레이저 장치:
Figure pat00003

여기서, A는 상기 Cr의 이온 농도, B는 상기 Nd의 이온 농도, C는 상기 포화 흡수체의 길이, D는 상기 제1 및 제2 증폭 매질의 길이를 나타낸다.
The method according to claim 6,
The ion concentration of the Cr contained in the saturated absorbent, the ion concentration of the Nd contained in the first and second amplifying media, the length of the saturated absorbent, and the length of each of the first and second amplifying media are Solid state laser device determined by the equation:
Figure pat00003

Where A is the ion concentration of Cr, B is the ion concentration of Nd, C is the length of the saturated absorber, and D is the length of the first and second amplification media.
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