KR20200083504A - 공간적으로 국소적인 고강도 레이저 빔을 발생시키기 위한 시스템 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 공간적으로 국소적인 고강도 레이저 빔을 발생시키기 위한 시스템에 관한 것으로서, 상기 시스템은: 지속 시간이 1 피코초 이하인 N개의 레이저 펄스들의 버스트를 발생시키도록 설계된 레이저 소스(80) - N개의 레이저 펄스들은 제1 반복 주파수(f1)가 0.5 기가헤르츠 이상임 -; N개의 레이저 펄스들의 버스트를 수용하고 저장하도록 설계된 공진 광학 캐비티(10) - 공진 광학 캐비티(10)는 N개의 레이저 펄스들의 버스트를 공진 광학 캐비티(10)의 상호작용 영역(25)에 집중시키도록 설계됨 -; 및 공진 광학 캐비티에서의 왕복 거리에 대해 제1 반복 주파수(f1)를 제어하도록 설계된 서보 제어 시스템(13) - 버스트의 N개의 펄스들은 상호작용 영역(25)에서 시간적으로 공간적으로 중첩되어 보강 간섭함으로써 하나의 자이언트 초단 고에너지 펄스를 형성함 - 을 포함한다.

Description

공간적으로 국소적인 고강도 레이저 빔을 발생시키기 위한 시스템 및 방법
본 발명은 일반적으로 레이저 분야에 관한 것이다.
보다 구체적으로는, 본 발명은 공간의 어느 지점에 국소적으로 존재하는(localised) 초고강도 레이저 빔을 발생시키는 레이저 시스템에 관한 것이다.
본 발명은 또한, 국소적인 지점에서 비탄성 산란(inelastic scattering)에 의해 하전 입자 빔 또는 분석될 샘플과 상호작용하기 위한 초고강도 레이저 시스템에 관한 것이다.
본 발명은 특히, 레이저 빔과 하전 입자 빔 사이의 상호작용에 의해 발생된 역 콤프턴 산란(inverse Compton scattering)을 측정하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
입자 가속기는 특히, 기초 물리학에 사용되는 중요한 과학 기구이다. 과학 기구 또는 의료 디바이스 분야에서, 이러한 입자 빔을 위한 새로운 애플리케이션들의 개발이 연구되고 있다. 이러한 애플리케이션들은, 예를 들어 의료 또는 미술사 환경에서의 사용을 위해, 강력하면서 소형인 X선 소스의 개발을 필요로 한다.
특히, 전자 패킷과 레이저 빔 사이의 콤프턴 상호작용에 기초하여 역 콤프턴 산란 방사선(inverse Compton scattering radiation)을 발생시키는 것이 연구되고 있다. 이제, 비탄성 산란에 의해 발생된 방사선의 강도는, 상호작용시의 광자의 개수와 전자의 개수 둘 다에 의존한다. 또한, 역 콤프턴 산란 방사선의 강도는 등방성으로(isotropically) 분포되지 않는다. 실제로, 역 콤프턴 산란 방사선의 강도는, 전자 빔과 레이저 빔 사이의 각도 및/또는 입사 레이저 빔과 산란 빔 사이의 각도에 크게 의존한다. 따라서, 검출된 역 콤프턴 산란 방사선의 강도를 최대화하는 것이 연구되고 있다.
선형 또는 링형의 서로 다른 유형의 가속기들은, (50MeV 정도의) 저에너지 전자 패킷들을 만들도록 고려된다. 저장 링(storage ring)은 그것의 소형화, 저비용 및 사용 용이성으로 인해 유리한 구성을 가진다. 소형화 및 저에너지는 입자 가속기의 선택을 어렵게 할 뿐만 아니라 입자 빔과 레이저 빔 사이의 커플링 구성을 어렵게 한다.
동일한 200mJ 레이저 펄스를 32회 순환시키기 위해 2개의 포물면 미러들과 31쌍의 나선형-배치 미러들을 포함하는 광 재순환기(optical recirculator)를 사용하는, ELI-NP-GS 소스가 알려져 있다. 따라서, 이 동일한 200mJ 레이저 펄스는 동일한 초점에서 100 헤르츠(Hz)의 속도로 발생된 32개의 전자 패킷들과 연속적으로 상호작용한다. 하지만, 이러한 유형의 광 재순환기는 부피가 크다. 또한, 64개의 미러들을 진공 챔버 내에 세팅하는 것은 특히 복잡하다.
또한, 안정-상태의 레이저 빔을 증폭시키기 위해, 레이저 빔을 파브리-페로 캐비티(Fabry-Perot cavity)에 결합시키는 시스템이 존재한다.
일반적으로, 결정된 지점에 국소적으로 존재하는, 고강도 레이저 시스템을 갖는 것이 바람직하다.
보다 구체적으로는, 하전 입자 빔과 고강도 레이저 빔 사이의 상호작용을 위한 시스템의 개발이 연구되고 있는데, 이 시스템은 구현하기 쉽고 또한 이 상호작용에 의해 발생된 역 콤프턴 효과에 의한 비탄성 산란 빔의 강도를 증가시켜야 한다.
종래 기술의 전술한 단점을 해결하기 위해, 본 발명은 공간적으로 국소적으로 존재하는 고강도 레이저 빔을 발생시키기 위한 시스템을 제안한다.
보다 구체적으로는, 본 발명에 따르면, N개의 레이저 펄스들의 버스트(burst)를 발생시키도록 구성된 레이저 소스 - 여기서, N은 1보다 큰 자연수이고, 상기 N개의 레이저 펄스들은 제1 반복 주파수(f1)를 가지며, 상기 레이저 펄스들은 지속 시간이 1 피코초 이하인 초단 레이저 펄스들(ultra-short laser pulses)이고, 그리고 상기 제1 반복 주파수(f1)는 0.5 기가헤르츠 이상임 -, N개의 레이저 펄스들의 상기 버스트를 수용하고 저장하도록 구성된 공진 광학 캐비티 - 상기 공진 광학 캐비티는 N개의 레이저 펄스들의 상기 버스트를 상기 공진 광학 캐비티의 상호작용 영역에 집중시키도록 구성되며, 상기 공진 광학 캐비티에서의 왕복 거리는 c/f1이고, 여기서, c는 광속임 - , 그리고, 상기 버스트의 상기 N개의 펄스들이 상기 상호작용 영역에서 시간적으로 및 공간적으로 서로 중첩되어 보강 간섭(constructive interferences)함으로써 초단 고에너지 자이언트 펄스(ultra-short and high-energy giant pulse)를 형성하도록 상기 제1 반복 주파수(f1)를 상기 공진 광학 캐비티의 상기 왕복 거리에 관련하여 제어하도록 구성된 서보 제어 시스템을 포함하는, 시스템이 제안된다.
이 시스템은 결정된 상호작용 영역을 발생시키게 하고, 레이저 빔은 매우 높은 강도를 가지며, 이 레이저 펄스는 지속 시간이 매우 짧고(ultra-short) 공진 광학 캐비티에 의한 인자(N)를 대략적으로 곱한 출력를 갖는다.
바람직하게는, N은 10 내지 1000 사이, 보다 바람직하게는 100 내지 300 사이에 있는 자연수이다.
특정 실시예에서, 레이저 소스는 제1 반복 주파수(f1)로 방출하는 발진기를 포함한다.
또 하나의 특정 실시예에서, 레이저 소스는, 재생 증폭기, 바람직하게 광섬유형 재생 증폭기를 포함하는데, 여기서, 광증폭기는 1차 광학 캐비티를 포함하고, 서보 제어 시스템은 1차 광학 캐비티의 길이를 조정하여 제1 반복 주파수(f1)를 제어하도록 구성된다.
바람직하게는, 제1 반복 주파수(f1)는 1GHz 이상이다.
유리하게는, 레이저 소스는, 제2 반복 주파수(f2)가 4MHz 이하인 상태에서 N개의 초단 레이저 펄스들의 버스트를 선택하도록 구성된 펄스 피커(pulse picker)를 포함한다.
바람직하게는, 공진 광학 캐비티는 평면 구성으로 배치된 미러들을 포함한다.
특정의 유리한 실시예에 따르면, 공진 광학 캐비티는 2개의 구면 미러들과 2개의 평면 미러들을 포함하는데, 2개의 구면 미러들과 2개의 평면 미러들은 평면 구성으로 배치된다.
변형예에 따르면, 공진 광학 캐비티는 2개의 구면 미러들과 단 1개의 평면 미러를 포함한다.
유리하게는, 공진 광학 캐비티는, 곡률 반경(R/2)의 제1 오목 구면 미러(M3)와 곡률 반경(R/2)의 제2 오목 구면 미러(M4)를 포함하는데, 제1 오목 구면 미러(M3)와 제2 오목 구면 미러(M4)는 동심 구성으로 배치되고, 제1 오목 구면 미러(M3)와 제2 오목 구면 미러(M4) 사이의 거리는 R과 같다.
특정 양태에 따르면, 서보 제어 시스템은 공진 광학 캐비티에서의 버스트의 N개의 펄스들의 보강 간섭을 나타내는 신호를 검출하도록 구성된 검출기를 포함한다.
일 실시예에 따르면, 공진 광학 캐비티는 N개의 초단 레이저 펄스들의 버스트를 수용하도록 구성된 적어도 하나의 개구를 포함하는 진공 챔버에 배치되는데, 적어도 하나의 개구는 하전 입자 빔을 수용하도록 구성되고, 공진 광학 캐비티는, 하전 입자 빔이 상호작용 영역에서의 레이저 펄스들의 버스트의 전파 방향에 대해 5도 이하의 입사각 조건하에서 상호작용 영역에서 전파되도록, 배치된다.
특히 유리하게는, 공진 광학 캐비티는 수 dm3 미만, 바람직하게는 1dm3 미만의 크기를 갖는다.
본 발명은 또한, 공간적으로 국소적인 고강도 레이저 빔을 발생시키기 위한 시스템 - 여기서, 상기 시스템에는 상호작용 영역이 분석할 샘플을 수용하도록 의도되어 있음 - 을 포함하는 라만 분광 측정 디바이스를 제안하는데, 라만 분광 측정 디바이스는 상호작용 영역의 샘플 상에 상기 초단 자이언트 펄스를 산란시킴으로써 형성된 라만 산란 광 빔을 측정하도록 배치된 라만 분광계를 포함한다.
본 발명은 또한, 공간적으로 국소적으로 존재하는 고강도 레이저 빔을 발생시키는 방법을 제안하는데, 상기 방법은 다음 단계들을 포함한다:
- 지속 시간이 1 피코초 이하인 레이저 펄스를 제1 반복 주파수(f1)로 발생시키는 단계 - 상기 제1 반복 주파수는 0.5 기가헤르츠 이상임 -;
- 상기 제1 반복 주파수(f1)의 N개의 레이저 펄스들의 버스트를 선택하는 단계 - 여기서, N은 1 이상의 자연수임 -;
- 공진 광학 캐비티 내로 N개의 레이저 펄스들의 상기 버스트를 주입하는 단계 - 상기 공진 광학 캐비티는 왕복 거리가 c/f1과 같고, 여기서, c는 상기 공진 광학 캐비티에서의 광속이고, 상기 공진 광학 캐비티는 N개의 레이저 펄스들의 상기 버스트를 상기 공진 광학 캐비티의 상호작용 영역에 집중시키도록 구성됨 -; 및
- 상기 버스트의 상기 N개의 펄스들이 상기 상호작용 영역에서 시간적으로 및 공간적으로 서로 중첩되어 보강 간섭에 의해 초단 고에너지 자이언트 펄스를 형성하도록, 상기 제1 반복 주파수(f1)를 상기 공진 광학 캐비티의 상기 왕복 거리에 관련하여 제어하는 단계를 포함한다.
본 발명은 또한, 청구된 방법에 따라 발생된 상기 초단 자이언트 펄스와 상기 초단 자이언트 펄스에 동기하여 상기 공진 광학 캐비티의 상기 상호작용 영역에서 전파되는 하전 입자 빔과의 상호작용에 의한 비탄성 산란을 측정하는 방법을 제안한다.
마지막으로, 본 발명은, 청구된 방법에 따라 발생된 상기 초단 자이언트 펄스와 상기 공진 광학 캐비티의 상기 상호작용 영역에 배치된 샘플과의 상호작용에 의한 비탄성 산란을 측정하는 방법을 제안한다.
비제한적인 예로 제공된, 첨부된 도면과 관련된 다음의 설명은, 본 발명이 무엇을 구성하는지 또한 그것이 어떻게 구현될 수 있는지를 잘 이해할 수 있게 할 것이다.
도 1은, 본 발명에 따른 초단 자이언트 레이저 펄스 발생 시스템을 개략적으로 도시한다.
도 2는, 일 실시예에 따른 공진 광학 캐비티를 포함하는 진공 챔버의 사시도를 개략적으로 도시한다.
도 3은, 도 2의 공진 광학 캐비티의 미러 프레임들의 배치의 사시도를 개략적으로 도시한다.
도 4는, 미세-정밀 조정되는 미러 프레임의 예를 도시한다.
도 5는, 4개의 미러들이 동일 평면 구성으로 배치되는, 공진 광학 캐비티를 형성하는 미러 프레임의 배치의 예적 실시예를 개략적으로 도시한다.
도 6은, 역 콤프턴 산란 빔을 형성하기 위한, 하전 입자 빔과 4-미러 공진 광학 캐비티의 하나의 지점에 집중된 초단 고에너지 자이언트 레이저 펄스와의 커플링을, 사시도로 개략적으로 도시한다.
도 7은, 역 콤프턴 산란 빔을 형성하기 위한, 하전 입자 빔과 고에너지 펄스 레이저 빔의 4-미러 공진 광학 캐비티에서의 상호작용을, 또 하나의 시점으로 개략적으로 도시한다.
도 8은, 3-미러 공진 광학 캐비티 변형예를 도시한다.
도 9는, 본 발명의 변형예에 따른 초단 자이언트 레이저 펄스 발생 시스템을 개략적으로 도시한다.
디바이스 및 방법
도 1에는 초단 자이언트 레이저 펄스 발생 시스템이 도시되어 있다.
본 명세서에서, "초단 펄스(ultra-short pulse)"는 일반적으로, 지속 시간이 20fs와 약 10ps 사이이고, 스펙트럼 폭이 0.1 내지 50nm인 광 펄스를 의미한다.
도 1의 시스템은, 공진 광학 캐비티(10) 및 피드백 루프 제어 시스템과 결합된, 초단 고에너지 레이저 펄스들의 버스트를 발생시키도록 구성된 레이저 소스(80)를 포함한다.
일 실시예에서, 레이저 소스(80)는 펄스형 발진기(1), 빔 스플리터(2), 펄스 피커(pulse picker)(3), 광증폭 시스템(4), 빔 결합기(5), 반사 미러들(6 및 7)을 포함한다. 발진기(1)는 튜닝가능한 레이저 캐비티에 기준한다. 발진기(1)는, f1로 표시되는 제1 반복 주파수의 소스 펄스들(100)을 발생시키도록 구성된다. 바람직하게는, 제1 반복 주파수는 500MHz 이상, 바람직하게는 1GHz 또는 심지어 수 GHz 이상이다. 제1 반복 주파수(f1)의 함수로서, 소스 펄스들(100)은 0.3ns와 2ns 사이의 시간 간격만큼 서로로부터 분리된다.
빔 스플리터(2)와 빔 결합기(5)는 예를 들어 편광 스플리터 큐브형이다. 이 경우, 소스 펄스들(100)은, 예를 들어 발진기(1)의 출구에서 선형으로 편광된다. 빔 스플리터(2)는, 소스 펄스 빔(100)을 펄스 빔(110)과, 다른 펄스 빔(120)으로 공간적으로 분할하도록 배치되고 지향된다. 펄스 빔(110)은 미러들(6, 7)에서 반사되고 제1 반복 주파수(f1)의 저출력 펄스 빔(110)을 형성한다.
펄스 피커(3)는, 예를 들어 전기-광학 변조기에 기초한다. 펄스 피커(3)는 발진기(1)로부터 오는 상기 다른 펄스 빔(120)을 수용하고 N개의 소스 펄스들의 버스트를 선택하는데, 여기서, N은 1보다 큰, 바람직하게는 25와 10000 사이, 더욱 바람직하게는 100과 300 사이의 자연수이다. 유리하게는, 펄스 피커(3)는, 4MHz 이하의 f2로 표시되는 제2 반복 주파수로 동작한다. 대안으로서, 펄스 피커(3)는 또한, 단일 펄스 버스트를 선택하여 동작할 수도 있다. N개의 펄스들의 동일한 버스트에서, 펄스들은 제1 반복 주파수(f1)에 의해 결정되는 시간 간격만큼 이격된다.
광증폭 시스템(4)은 직렬로 배치된 하나 또는 몇 개의 광증폭기를 포함한다. 광증폭 시스템(4)은 광섬유, 디스크 및/또는 고체 증폭기에 기초할 수 있다. 광증폭 시스템(4)은, N개의 펄스들의 버스트를 수용하고 또한 상기 펄스들을 증폭하여 N개의 고출력 광 펄스들의 버스트를 형성한다. 따라서, 광증폭 시스템(4)은 N개의 펄스들의 버스트들로 구성된 고출력 펄스 빔(120)을 전달하는데, 상기 버스트들은 일반적으로 제2 반복 주파수(f2)로 방출된다.
변형예에 따르면, 고주파 펄스 발진기와 하나 또는 몇 개의 선형 광증폭기를 대신하여, 레이저 소스(80)가 재생 증폭기, 바람직하게는 광섬유형 재생 증폭기를 포함한다. 바람직하게는, 이 경우, 재생 증폭기는, 재생 광학 캐비티, 반복 주기(T1)의 소스 펄스들을 상기 재생 광학 캐비티에 주입하기 위한 수단, 및 상기 레이저 펄스들을 상기 재생 광학 캐비티로부터 추출하기 위한 수단을 포함한다. 이 경우, 재생 광학 캐비티는 상기 재생 광학 캐비티에서 각 펄스가 왕복하는 지속 시간이 주기(T1)의 N-1 배와 N 배 사이에 있도록 전체 길이를 나타내며(여기서, N은 2 이상의 정수임), 상기 주입 수단은 N개의 레이저 펄스들의 버스트를 상기 재생 광학 캐비티 안에 가두도록(trap) 구성되고, 상기 추출 수단은 상기 재생 광학 캐비티의 N개의 레이저 펄스들의 상기 버스트를 추출하도록 구성되고, 그리고 상기 광증폭기 매체(medium)는 증폭된 레이저 펄스들의 버스트를 형성하도록 구성된다. 유리하게는, 주입 수단과 추출 수단은, 펄스들의 상기 버스트의 주입과 펄스들의 상기 버스트의 추출 사이를 완전히 차단하도록 구성된, 포켈스 셀(Pockels cell)들을 포함한다. 바람직하게는, 재생 광학 캐비티는 다중-통과 캐비티(multi-pass cavity)이고, 증폭기 매체는 펄스들의 버스트의 펄스가 증폭기 매체를 통과한 복수의 경로(passages)를 거치도록 상기 다중-통과 재생 광학 캐비티에 배치된다. 유리하게는, 재생 광학 캐비티는, 상기 미러들의 각각에의 입사 빔이 상기 다중-통과 캐비티의 각 경로에서 공간적으로 오프셋되도록 그리고 상기 증폭기 매체가 재생 광학 캐비티 내부에 배치되도록 미러들이 배치된 광학 시스템을 포함하는 다중-통과 캐비티이다.
따라서, N개의 초단 고출력 레이저 펄스들의 버스트를 발생시키는 레이저 소스가 이용 가능한데, 동일한 버스트의 펄스들은 0.5 기가헤르츠(GHz) 이상, 바람직하게는 1GHz 이상인 제1 반복 주파수(f1)를 갖는다.
이하에서, 다음의 용어들은 등가물로서 사용된다: 펄스들의 버스트, 펄스들의 트레인, 일련의 펄스들, 또는 매크로-펄스(다중-다발).
제1 반복 주파수(f1)의 저출력 펄스 빔(110)과 N개의 펄스들의 버스트로 구성된 고출력 펄스 빔(120)을 광 펄스 빔(150)으로 공간적으로 재결합시키도록, 빔 결합기(5)가 배치되고 지향된다.
이 광 펄스 빔(150)은, 개구(9)를 통해, 공진 광학 캐비티를 포함하는 진공 챔버(8) 내로 주입된다.
도 2 내지 도 7은, 본 발명의 제1 실시예에 따른 4-미러 공진 광학 캐비티를 상세하게 도시한다.
공진 광학 캐비티(10)는 2개의 평면 미러들(M1, M2)과 2개의 구면 미러들(M3, M4)을 포함한다. 미러들(M1, M2, M3, M4)은, 길쭉한 사변형의 가장자리들에, 평면 구성으로 배치된다. 미러들(M3 및 M4)은 동심 구성(concentric configuration)으로 배치되고 바람직하게는 동일한 곡률 반경(R/2)을 가지며, 미러들(M3 및 M4) 사이의 거리는 R과 같다. 펄스 빔(150)은, 평면 미러(M1)를 통해 공진 광학 캐비티 내로 주입되고, 펄스 빔(150)을 구면 미러(M3)를 향해 반사하는 평면 미러(M2)를 향해 진행한다. 미러(M3)는, 펄스 빔(150)을 미러(M3)와 미러(M4) 사이의 광축 상에 위치된 상호작용 영역(25)에 집중시키면서, 상기 빔을 미러(M4)를 향해 반사시킨다. 상기 미러는 펄스 빔(150)을 미러(M1)를 향해 반사시키고, 따라서 폐루프 광 경로를 형성한다. 따라서, 공진 광학 캐비티(10)는 펄스 빔(150)이 X-형상의 접혀진 루프(X-shape folded loop)(도 7 내지 8 참조)를 따라 전파될 수 있게 한다. 공진 광학 캐비티에서의 총 왕복 길이는, 동일한 버스트의 N개의 펄스들이 서로 코히어런트하게(coherently) 중첩되어 보강 간섭에 의해 공진 광학 캐비티에서 자이언트 펄스를 형성하도록, 조정된다. 또한, 공진 광학 캐비티(10)는 자이언트 펄스를 상호작용 영역(25)에, 예를 들어 미러들(M3 및 M4) 사이에 위치된 초점면(20)에 집중시킨다(focuses). 자이언트 펄스는 캐비티에서 GHz 속도로 N 번 순환한다. 공진 광학 캐비티(10)는, 펄스 버스트의 속도(rate)로, 즉, 제2 반복 주파수(f2)로 채워지고 비워진다(emptied).
자이언트 펄스는 레이저 소스의 레이저 펄스들과 동일한 지속 시간을 갖는다.
지속 시간이 ~200fs이고 소스 펄스당 에너지가 20-30mJ 정도인 N
Figure pct00001
2000 펄스들의 버스트에 대해, 1015W/cm2 정도의 강도를 갖는 펄스가 상호작용 영역(25)에서 얻어진다. 레이저 빔의 허리 형상부(waist)의 횡방향 크기는 30 미크론 정도이다. 따라서, 버스트의 펄스들의 에너지는 상호작용 지점에 저장된다(store). 또한, 자이언트 펄스는, 동일한 상호작용 영역(25)에서, 제2 반복 주파수로 반복될 수 있다. 따라서, 자이언트 레이저 펄스와 여러 번 상호작용하는 것이 가능하다.
공진 광학 캐비티(10)에서 왕복하는 동안의 광 경로의 길이는, 제1 반복 주파수(f1)의 함수로서 결정된다. 보다 정확하게는, 이 왕복 길이는 c/f1과 동일한데, 여기서, c는 공진 광학 캐비티에서의 광속이다. 예를 들어, ~1GHz의 제1 반복 주파수(f1)에 대해, 공진 광학 캐비티에서의 왕복 길이는 ~30cm로 선택된다. 이 경우의 공진 광학 캐비티의 물리적 길이(L)는 ~15cm 정도이고, 미러들(M3 및 M4)은 약 8cm의 곡률 반경을 갖는다. 공진 광학 캐비티의 물리적 길이(L)는, 본 명세서에서, 동일한 왕복 길이를 갖는 2-미러 공진 광학 캐비티에 비해 4배 작다. 또 하나의 예에서, 3GHz의 제1 반복 주파수(f1)로 동작하는 발진기에 대해, 공진 광학 캐비티에서의 ~10cm의 왕복 길이가 선택되며, 여기서, 미러들(M3, M4)은 2.5cm 정도의 곡률 반경을 갖는다. 미러들(M1, M2, M3, M4)의 직경은, 1mm와 수 센티미터의 사이, 예를 들어 6mm(또는, 1/4 인치) 정도를 포함한다. 하지만, 이 구성은, 이 공진 광학 캐비티의 효율을 유지해야 하는 제약하에서, 공진 광학 캐비티를 광학적으로 정렬하는 것은 기술적 어려움을 갖는다. 이 구성은, 원하는 간섭계 조정을 얻기 위해, 소형화된 초고정밀 광-기계 조정들을 필요로 한다. 따라서, 초소형 공진 광학 캐비티가 얻어진다. 공진 광학 캐비티는 접혀지는데(folded), 이것은 상호작용 영역에 관련된 공진 광학 캐비티의 크기가 감소될 수 있게 한다. 공진 광학 캐비티가 소형화된다(handy). 이러한 소형화는 공진 광학 캐비티가 소형 진공 챔버에 배치될 수 있게 하고, 이것은 이 시스템의 구현을 상당히 간소화한다. 진공 챔버와 공진 광학 캐비티의 소형화는, 주변 진동에 대한 격리를 향상시키고 전체 시스템의 비용 절감한다. 또한, 작은 크기의 공진 광학 캐비티는, 진공 챔버에 배치되더라도, 이 시스템이 하전 입자 빔 라인 내로 쉽게 삽입될 수 있게 하는데, 하전 입자 빔 라인의 환경은 일반적으로 다양한 과학 기구들에 의해 매우 혼잡하다. 이러한 구성은, 결정된 상호작용 영역에서의 초고강도 레이저 펄스와 하전 입자 빔 사이의 상호작용을 더 쉽게 만들 수 있다.
도 3은, 미러들(M1, M2, M3 및 M4)의 지지대들의 동일한 플랫폼(28) 상의 장착을 도시한다. 보다 정확하게는, 미러(M1)는 지지대(21) 상에 장착되고, 미러(M2)는 지지대(22) 상에, 미러(M3)는 지지대(23) 상에, 그리고 미러(M4)는 지지대(24) 상에 각각 장착된다. 지지대(21)는 병진 플레이트(translation plate)(41) 상에 배치된다. 유사하게, 지지대들(22, 23, 24) 각각은, 병진 플레이트들(42, 43, 44)에 각각 배치된다.
도 4는, 마이크로미터 조정부(31)가 제공된 지지대(21) 상의 미러(M1)의 장착을 더욱 상세히 도시한다.
보다 정확하게는, 펄스 모드로 동작하는 레이저 발진기(1)는, 버스트의 레이저 펄스들의 에너지를 보강 간섭들에 의해 저장(store)하도록, 공진 광학 캐비티(10)에 기준하여(on) 주파수가 제어된다.
재생 증폭기가 펄스들의 버스트를 발생시키도록 사용되는 변형예에서, 제1 반복 주파수를 결정하는 재생 광학 캐비티의 길이는 버스트의 레이저 펄스들의 에너지를 보강 간섭들에 의해 저장하도록 공진 광학 캐비티(10)에 기준하여(on) 제어된다.
미러(M1)는, 펄스들의 버스트와 동시에 공진 광학 캐비티(10)로 주입된 저출력 펄스 빔의 일부(200)를 통과시키도록 구성된다. 검출기(12)는 공진 광학 캐비티(10)로부터 추출된 저출력 펄스 빔의 상기 일부(200)를 검출한다. 저출력 펄스 빔의 일부(200)는 또한, 제1 반복 주파수(f1)에 있다.
서보 제어 시스템(13)은, 그것으로부터 에러 신호를 추론하고, 이 에러 신호를 적용하여 레이저 발진기(1)의 캐비티 또는 재생 증폭기의 재생 광학 캐비티를 각각 제어한다. 따라서, 제1 반복 주파수(f1)는, 공진 광학 캐비티의 상호작용 영역(25)에서의 자이언트 펄스의 에너지 및/또는 출력을 최대화하도록, 공진 광학 캐비티의 길이의 함수로서 제어된다. 이 제어 루프는, 1MHz 정도의 주파수로 동작한다. 따라서, 레이저 소스의 주파수는 공진 광학 캐비티(10)의 길이의 슬로우 드리프트(slow drifts)의 함수로서 제어된다.
도 5는, 4-미러 공진 광학 캐비티의 광-기계적 장착을 도시한다. 특히 유리하게, 공진 광학 캐비티(10)는 구면 미러(M3) 아래에 있는 프레임(23) 상의 제1 개구(26)를 포함한다. 마찬가지로, 공진 광학 캐비티(10)는 미러(M4) 위에 있는 프레임(24) 상의 제2 개구(27)를 포함한다.
공진 광학 캐비티는 입자 가속기 상에 구현될 수 있다.
도 6 및 도 7에 도시된, 전자 빔과 레이저 빔 사이의 상호작용에 대한 애플리케이션에서, 전자 빔(40)은 공진 광학 캐비티(10) 내로 주입된다. 보다 정확하게, 전자 빔(40)은, 제1 개구(26) 및/또는 제2 개구(27)를 통과하여 공진 광학 캐비티(10)의 초점 영역을 향하도록, 지향된다. 따라서, 전자 빔(40)은 공진 광학 캐비티(10)의 상호작용 영역(25)에 형성된 자이언트 펄스와 상호작용할 수 있다. 이 상호작용은, 검출될 수 있는 역 콤프턴 산란 빔(50)을 발생시킨다.
구면 미러들(M3, M4)의 직경은 하전 입자 빔(40)과 레이저 빔(160) 사이의 최소 교차 각을 결정한다.
미러들 사이의 거리는, 병진 플레이트들(41, 42, 43 및/또는 44)에 의해, 하전 입자들의 패킷들 사이의 거리의 함수로서 조정될 수 있다. 교차 각(ALPHA)이 작고 또한 레이저 빔의 횡방향 크기가 하전 입자 빔의 횡방향 크기에 비해 작으면, 자이언트 레이저 펄스와 하전 입자 빔의 중첩이 향상된다, 왕복 길이가 ~30cm인 캐비티에서는, 3 또는 4 도 이하의 교차 각(ALPHA)이 얻어진다.
이 시스템은, 하전 입자의 패킷들이 1ns 정도의 패킷-간 주기(inter-packet period)로, 즉, 기가헤르츠 정도의 주파수로 방출되는 경우에 특히 유리하다. 실제로, 발진기의 제1 반복 주파수(f1)는, 제2 서보 제어 시스템을 통해, 하전 입자들의 패킷들의 발생 주파수에 동기화될 수 있다(be synchronized via a second servo control system on the frequency of generation of the packets of charged particles).
도 8은, 3-미러 변형예에 따른 공진 광학 캐비티를 도시한다. 이 변형예에서, 공진 광학 캐비티(10)는, 주입을 위한 평면 미러(M1), 그리고 2개의 구면 미러들(M3, M4)을 포함한다. 3개의 미러들(M1, M3, M4)은 평면 구성으로 배치된다. 유리하게는, 2개의 구면 미러들(M3, M4)은 동심 구성으로 배치된다. 예를 들어, 구면 미러들(M3, M4)은 동일한 곡률 반경(R/2)을 가지며, 미러들(M3 및 M4) 사이의 거리는 R과 같다. 따라서, 자이언트 레이저 펄스가 집중되는 상호작용 영역은, 미러(M3)와 미러(M4) 사이의 거리의 절반에 위치된다. 3-미러 공진 광학 캐비티의 물리적 길이(L)는, 본 명세서에서, 동일한 왕복 길이를 갖는 2-미러 공진 광학 캐비티에 비해 3배 작다.
도 9는, 미러들(M2 및 M4)로부터 오는 다른 누설 신호들을 검출하도록 배치된 다른 검출기들(14, 15, 16)을 더 포함하는, 초단 고에너지 자이언트 레이저 펄스 발생 시스템의 변형예를 도시한다.
또 하나의 애플리케이션에서, 공진 광학 캐비티에 기준하여(on) 제어되는 레이저 소스는, 레이저 빔과 샘플 사이의 상호작용을 발생시키기 위해, 및 비탄성 산란, 예를 들어 라만 산란 유형의 비탄성 산란을 측정하기 위해, 사용될 수 있다.
이 목적을 위해, 분석될 샘플이 전술한 바와 같은 시스템의 공진 광학 캐비티의 상호작용 영역(25)에 배치되고, 자이언트 레이저 펄스의 샘플 상에서의 산란에 의해 형성된 광 빔이 수집된다. 필터는, 산란된 광 빔을, 탄성 산란 성분 또는 레일리 산란을 나타내는 광 빔과 비탄성 산란 성분, 예를 들어 라만 산란을 나타내는 광 빔으로 분리한다. 분광계는 비탄성 산란 광 빔을 스펙트럼으로 분석한다. 이 시스템은, 샘플에 자이언트 레이저 펄스가 초고강도로 입사됨으로 인해, 비탄성 산란 광 빔의 강도가 증가될 수 있게 한다.

Claims (10)

  1. 공간적으로 국소적인 고강도 레이저 빔을 발생시키기 위한 시스템으로서:
    - N개의 레이저 펄스들의 버스트를 발생시키도록 구성된 레이저 소스(80) - N은 1보다 큰 자연수이고, 상기 N개의 레이저 펄스들은 제1 반복 주파수(f1)를 가지며, 상기 레이저 펄스들은 지속 시간이 1 피코초 이하인 초단 레이저 펄스들이고, 그리고 상기 제1 반복 주파수(f1)는 0.5 기가헤르츠 이상임 -,
    - N개의 레이저 펄스들의 상기 버스트를 수용하고 저장하도록 구성된 공진 광학 캐비티(10) - 상기 공진 광학 캐비티(10)는 N개의 레이저 펄스들의 상기 버스트를 상기 공진 광학 캐비티(10)의 상호작용 영역(25)에 집중시키도록 구성되며, 상기 공진 광학 캐비티에서의 왕복 거리는 c/f1이고, c는 광속임 - , 및
    - 상기 버스트의 상기 N개의 펄스들이 상기 상호작용 영역(25)에서 시간적으로 및 공간적으로 서로 중첩되어 보강 간섭함으로써 초단 고에너지 자이언트 펄스를 형성하도록, 상기 제1 반복 주파수(f1)를 상기 공진 광학 캐비티의 상기 왕복 거리에 관련하여 제어하도록 구성된 서보 제어 시스템(13)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 레이저 소스는, 1GHz 이상의 제1 반복 주파수(f1)로 방출하는 발진기(1)를 포함하는, 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 레이저 소스(80)는, 1차 광학 캐비티를 포함하는 재생 증폭기를 포함하고,
    상기 서보 제어 시스템(13)은, 상기 1차 광학 캐비티의 길이를 조정하여 상기 제1 반복 주파수(f1)를 제어하도록 구성되는, 시스템.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 레이저 소스(80)는, 제2 반복 주파수(f2)가 4MHz 이하인 상태에서 N개의 초단 레이저 펄스들의 상기 버스트를 선택하도록 구성된 펄스 피커(3)를 포함하는, 시스템.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 공진 광학 캐비티는, 평면 구성으로 배치된 미러들(M1, M2, M3, M4)을 포함하는, 시스템.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 공진 광학 캐비티(10)는, N개의 초단 레이저 펄스들의 상기 버스트를 수용하도록 구성된 적어도 하나의 개구(9)를 포함하는 진공 챔버(8)에 배치되고,
    상기 적어도 하나의 개구(9)는, 하전 입자 빔(40)을 수용하도록 구성되고,
    상기 공진 광학 캐비티(10)는, 상기 하전 입자 빔(40)이 상기 상호작용 영역(25)에서 레이저 펄스들의 상기 버스트의 전파 방향에 대해 5도 이하의 입사각 하에서 상기 상호작용 영역(25)에서 전파하도록, 배치되는, 시스템.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 시스템을 포함하는 라만 분광측정 디바이스에 있어서,
    상기 상호작용 영역(25)은, 분석될 샘플을 수용하도록 의도되고,
    상기 라만 분광측정 디바이스는, 상기 상호작용 영역(25)의 상기 샘플 상에 상기 초단 자이언트 펄스를 산란시킴으로써 형성된 라만 산란 광 빔을 측정하도록 배치된 라만 분광계를 포함하는, 시스템.
  8. 공간적으로 국소적인 고강도 레이저 빔을 발생시키기 위한 방법으로서:
    - 지속 시간이 1 피코초 이하인 레이저 펄스를 제1 반복 주파수(f1)로 발생시키는 단계 - 상기 제1 반복 주파수는 0.5 기가헤르츠 이상임 -;
    - 제1 반복 주파수(f1)의 N개의 레이저 펄스들의 버스트를 선택하는 단계 - N은 1 이상의 자연수임 -;
    - 공진 광학 캐비티(10) 내로 N개의 레이저 펄스들의 상기 버스트를 주입하는 단계 - 상기 공진 광학 캐비티(10)는 c/f1과 동일한 왕복 거리를 가지며, c는 상기 공진 광학 캐비티에서의 광속이고, 상기 공진 광학 캐비티(10)는 N개의 레이저 펄스들의 상기 버스트를 상기 공진 광학 캐비티(10)의 상호작용 영역(25)에 집중 시키도록 구성됨 -; 및
    - 상기 버스트의 상기 N개의 펄스들이 상기 상호작용 영역(25)에서 시간적으로 및 공간적으로 서로 중첩되어 보강 간섭함으로써 초단 고에너지 자이언트 펄스를 형성하도록, 상기 제1 반복 주파수(f1)를 상기 공진 광학 캐비티(10)의 상기 왕복 거리에 관련하여 제어하는 단계를 포함하는, 방법.
  9. 제8항의 방법에 따라 발생된 상기 초단 자이언트 펄스와 상기 공진 광학 캐비티(10)의 상기 상호작용 영역(25)에서 전파되는 하전 입자 빔과의 상호작용에 의한 비탄성 산란을 측정하는, 방법.
  10. 제8항의 방법에 따라 발생된 상기 초단 자이언트 펄스와 상기 공진 광학 캐비티(10)의 상기 상호작용 영역(25)에 배치된 샘플과의 상호작용에 의한 비탄성 산란을 측정하는, 방법.
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