KR20200104875A - 매우 높은 반복 레이트의 레이저 펄스를 발생시키기 위한 레이저 시스템 및 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 매우 높은 반복 레이트를 갖는 고전력 레이저 펄스들을 발생시키기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 상기 레이저 시스템은, 800 메가헤르츠 이상의 제1 반복 주파수(F1)의 펨토 초 또는 피코 초 지속 시간을 갖는 일련의 소스 펄스들(100)을 포함하는 소스 레이저 빔을 발생시킬 수 있는 발진기(1), 그리고 매우 높은 반복 주파수를 갖는 일련의 레이저 펄스들을 발생시키기 위해, 상기 제1 반복 주파수(F1)와 동일하거나 그의 배수(상기 배수는 2 이상인 음이 아닌 정수임)인 제2 반복 주파수(F2)의 상기 일련의 소스 펄스들(100)을 수신하여 증폭하도록 구성된 광 증폭 시스템(2)을 포함한다.
Description
본 발명은 일반적으로 펄스 레이저의 분야에 관한 것이다.
보다 구체적으로, 본 발명은 초단파 및 고전력 펄스 레이저 시스템에 관한 것이다.
특히, 본 발명은, 변조가능한 반복 주파수를 갖는, 초단파, 고전력 레이저 펄스를 발생시키기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.
펄스 레이저에 의해 방출된 펄스들의 반복 레이트(repetition rate) 또는 주파수는 종종, 사용된 아키텍처 및 레이저 빔에 대한 원하는 사양의 함수로서 결정된다.
MOPA(Master Oscillator-Power Amplifier) 유형의 아키텍처는 일반적으로 고전력 레이저 소스들을 만드는 데에 사용된다. 이 경우, 마스터 발진기라고 지칭되는 소스는, 소스 펄스들로 구성된 소스 신호를 발생시킨다. 이 소스 신호는 일련의 하나 또는 몇 개의 증폭 단계들을 포함하는 광 증폭기 시스템에서 증폭된다. 서로 다른 유형들의 소스들도 존재한다. 소스, 특히 모드-동기 레이저(mode-locking laser)에 기초한 소스는 펄싱될 수 있는데, 상기 소스의 발진기 캐비티 길이가 반복 주파수를 정의한다. 펄스 소스는 또한 스위치드 발진기(Q-스위치드)에 기반할 수 있다.
특정 애플리케이션들에서, 사용자는, 레이저 펄스들의 초단기 지속 시간 및 에너지를 유지하면서 입사 레이저 빔의 전력을 증가시켜야 할 수도 있다.
펄스 반복 주파수의 증가는 레이저 빔의 전력을 증가시킬 수 있지만, 펄스 당 에너지를 감소시킬 수 있다(Can Kerse 등의 간행물, "3.5GHz 인트라-버스트 반복 레이트 초고속 Yb-도핑된 파이버 레이저", 광학 통신 366, 2016, 404-406 참조).
J. Magne 등의 간행물 "중첩의 광섬유 브래그 격자들(superimposed fiber Bragg gratings) 및 비선형 변환을 사용한 단일-파장 10-GHz 모드-동기 레이저로부터 4 x 100GHz 펄스-트레인의 발생", 광 파장 기술 저널, 24권, 5호, 2006은, 중첩된 FBGs(광섬유 브래그 격자들)에 기초한 반복 주파수 체배기(multiplier)를 개시한다.
Elsmere S.P. 등의 간행물 "광섬유-증폭된 수직-외부-캐비티 표면-방출 반도체 레이저 펄스들의 높은-반복 레이트 서브 피코 초 소스(High-repetition-rate subpicosecond source of fiber-amplified Vertical-External-Cavity Surface-Emitting Semiconductor Laser pulses)", IEEE 포토닉스 기술 레터, 20권, 8호, 2008은, 모드-동기 포화 흡수기(SESAM) 캐비티에 결합된 VECSEL 유형의 반도체 레이저가 개시되어 있는데, 상기 레이저는 수 기가헤르츠의 반복 주파수로 펄스들을 직접적으로 방출한다.
Michelle Y Sander 등의 간행물 "10GHz 도파관 인터리브된 펨토 초 펄스 트레인(10GHz waveguide interleaved femtosecond pulse train)", 레이저들 및 전자-광학 콘퍼런스(CLEO), 2011은, 2배 또는 4배의 발진 주파수에서 펨토 초(fs) 펄스들의 트레인을 발생시키도록 열적으로 조정가능한 Mach-Zehnder 간섭계들을 포함하는 평면 회로에 통합된 도파관 디바이스에 결합된 펨토 초(fs) 발진기를 포함하는 레이저 소스를 개시한다.
매우 높은 에너지 및/또는 매우 높은 레이트로 고전력 레이저 펄스들을 발생시키도록 구성된 산업용 레이저 시스템을 개발하는 것이 바람직하다.
일반적으로, 광 증폭기들의 개수를 제한하면서, 펄스 레이저 소스에서 이용가능한 피크 전력을 증가시키는 것이 바람직하다.
특히, 조절가능한 반복 주파수에서, 100nJ 내지 10분의 몇 μJ의 고전력 및 고에너지의 레이저 펄스들을 발생시키는 레이저 시스템을 개발하는 것이 바람직한데, 이는 펄스-온-디맨드(a pulse on demand)로부터 매우 높은 레이트의 펄스 트레인에 또는 각 버스트의 및/또는 연속하는 버스트들 사이에서 조절가능한 지속 시간을 갖는 하나 또는 수 개의 버스트들에 걸쳐있다.
상술한 종래 기술의 단점들을 해결하기 위해, 본 발명은 매우 높은 레이트의 레이저 시스템을 제안한다.
특히, 본 발명에 따르면, 800 메가헤르츠 이상의 제1 반복 주파수(F1)로, 펨토 초 또는 피코 초 지속 시간의 일련의 소스 펄스들(100)을 포함하는 소스 레이저 빔을 발생시키도록 구성된 모드-동기 발진기(1); 및 매우 높은 반복 주파수의 일련의 레이저 펄스들을 발생시키기 위해, 상기 일련의 소스 펄스들(100)을 수신하여 상기 제1 반복 주파수(F1)와 같거나 그의 배수(상기 배수는 2 이상의 자연수)인 제2 반복 주파수(F2)로 증폭하도록 구성된 광 증폭기 시스템(2)을 포함하는, 매우 높은 레이트의 레이저 시스템이 제안된다.
특정의 유리한 실시예에 따르면, 상기 레이저 시스템은, 상기 발진기(1)와 상기 광 증폭기 시스템(2) 사이에 배열된 반복 주파수 체배기 디바이스(4, 44)를 더 포함하고, 상기 반복 주파수 체배기 디바이스(4, 44)는, 제1 광 커플러-스플리터(41), 제1 광 지연 라인(51)과 제1 출력부(S1)를 갖는 제2 광 커플러-스플리터(42)를 포함하고, 상기 제1 광 커플러-스플리터(41)는, 소스 레이저 빔(100)을, 제1 반복 주파수(F1)의 제1 펄스 빔(110)과 제1 반복 주파수(F1)의 제2 펄스 빔(120)으로 공간적으로 분할하도록 구성되고, 상기 제1 광 지연 라인(51)은, 상기 제1 반복 주파수(F1)의 상기 제2 펄스 빔(120)의 궤적 상에 있는 상기 제1 광 커플러-스플리터(41)와 상기 제2 광 커플러-스플리터(42) 사이에 배열되고, 상기 제1 광 지연 라인(51)은, 상기 제2 펄스 빔(120) 상의 상기 제1 반복 주파수(F1)의 반주기와 동일한 광 지연을 유도하도록 및 반주기만큼 지연된 제2 펄스 빔(130)을 발생시키도록 구성되고, 상기 제2 광 커플러-스플리터(42)는, 상기 제1 빔(110)과 반주기만큼 지연된 상기 제2 빔(130)을 재결합하도록 및 상기 제1 출력부(S1) 상에 상기 펄스들이 상기 제1 반복 주파수(F1)의 2배와 동일한 상기 제2 반복 주파수(F2)를 갖는 것으로 평가되는 제1 재결합 빔(142)을 형성하도록 구성된다.
유리하게는, 상기 제2 광 커플러-스플리터(42)는 제2 출력부(S2)를 구비하고, 상기 제2 광 커플러-스플리터(42)는 상기 제2 출력부(S2) 상에, 상기 제1 반복 주파수(F1)의 2배와 동일한 상기 제2 반복 주파수(F2)의 펄스들을 포함하는 제2 재결합 빔(152)을 형성하도록 구성되고, 상기 제1 재결합 빔(142)과 상기 제2 재결합 빔(152)은 상기 제2 광 커플러-스플리터(42)의 상기 출력부에서 서로 간에 동기화된다.
상기 실시예의 변형에 따르면, 상기 반복 주파수 체배기 디바이스(44)는 제2 광 지연 라인(52)과 제1 출력부(S1)를 구비한 광 컴바이너(49)를 포함하고, 상기 제2 광 지연 라인(52)은 상기 제2 펄스 빔(152)의 궤적 상에 있는 상기 제2 광학 커플러-스플리터(42)와 상기 광 컴바이너(49) 사이에 배열되고, 상기 제2 광 지연 라인(52)은 상기 제2 재결합 빔(152) 상의 상기 제1 반복 주파수(F1)의 1/4 주기와 동일한 광 지연을 유도하도록 및 1/4 주기만큼 지연된 제2 펄스 빔(162)을 발생시키도록 구성되고, 및 상기 광 컴바이너(49)는 상기 제1 재결합 빔(142)과 1/4 주기만큼 지연된 상기 제2 펄스 빔(162)을 재결합하도록 및 그것의 제1 출력부(S1)에서 상기 제1 반복 주파수(F1)의 4배와 동일한 제3 반복 주파수(F3)의 펄스들을 포함하는 제1의 4배 반복 주파수 빔(170)을 형성하도록 구성된다.
유리하게는, 상기 광 컴바이너(49)는 제2 출력부(S2)를 구비하고, 상기 광 컴바이너(49)는 상기 제2 출력부(S2) 상에, 상기 제1 반복 주파수(F1)의 4배와 동일한 상기 제3 반복 주파수(F3)의 펄스들을 포함하는 제2의 4배 반복 주파수 빔(180)을 형성하도록 구성되고, 상기 제1의 4배 주파수 빔(170)과 상기 제2의 4배 반복 주파수 빔(180)은 상기 광 컴바이너(49)의 상기 출력부에서 서로 간에 동기화된다.
특정의 유리한 양태에 따르면, 상기 제1 광 커플러-스플리터(41), 상기 제2 광 커플러-스플리터(42) 및 상기 광 컴바이너(49)는, 편광 또는 편광면-보존 커플러들이고, 또한, 상기 제1 재결합 빔(142)과 상기 제2 재결합 빔(152)을, 또는 상기 제1의 4배 반복 주파수 빔(170)과 상기 제2의 4배 반복 주파수 빔(180)을 결합하도록 구성된 편광 디바이스를 더 포함한다.
또 하나의 특정의 유리한 양태에 따르면, 상기 레이저 시스템은, 상기 제2 광 커플러-스플리터(42)의 상기 제1 출력부(S1) 상에 배치된 펄스 압축기(8) 및/또는 상기 제2 광 커플러-스플리터(42)의 상기 제2 출력부(S2) 상에 배치된 또 하나의 펄스 압축기를 더 포함한다.
더욱 또 하나의 특정의 유리한 양태에 따르면, 상기 레이저 시스템은, 상기 광 컴바이너(49)의 상기 제1 출력부(S1) 상에 배치된 펄스 압축기(8) 및/또는 상기 광 컴바이너(49)의 상기 제2 출력부(S2) 상에 배치된 또 하나의 펄스 압축기(8)를 더 포함한다.
개별적으로 또는 기술적으로 가능한 모든 조합에 따라 취해진, 본 발명에 따른 레이저 시스템의 기타 비제한적이고 유리한 특징들은 다음과 같다:
- 모드-동기 발진기는 다음 중에서 선택된다: 예를 들어 솔리턴 상태(soliton regime)에서 동작하는 반도체 발진기 또는 고체-상태 발진기, 7cm 내지 10cm 길이의 고농도-도핑된 광섬유를 가진 발진기, 또는 예를 들어 광섬유 액티브 매질로서의 7cm 내지 10cm를 포함하여, 대략 15cm 이하의 길이를 가진 초단파 고농도-도핑된 광섬유를 가진 하이브리드 섬유/고체 상태 발진기;
- 광 증폭기 시스템은, 다음 유형들의 광 증폭기들 중에서 선택되는 광 증폭기 또는 복수의 광 증폭기들: 액티브 광섬유-광증폭기 및/또는 크리스탈 증폭기를 포함하고;
- 크리스탈 증폭기는 로드, 슬래브 또는 얇은 디스크 유형이고;
- 광 증폭기 시스템은 캐스케이드로 배열된 복수의 광 증폭기를 포함하는데, 상기 복수의 광 증폭기는 광 전력 증폭기를 포함하고;
- 레이저 시스템은 비선형, 광학 주파수 2배기 또는 광학 주파수 3배기 광학 시스템을 더 포함하고;
- 레이저 시스템은 발진기로부터 하류이고 광 증폭기 시스템 또는 광 전력 증폭기로부터는 상류에 위치한 펄스 피커를 더 포함하고, 상기 펄스 피커는 펄스들의 버스트를 선택하고 및/또는 진폭에서 변조하도록 또한, 상기 펄스들의 버스트를 광 증폭기 시스템 또는 광 전력 증폭기 각각에 주입하도록 구성되고;
- 레이저 시스템은 선택적으로, 상기 펄스들의 버스트와 상보적인 펄스 빔을 발생시키도록 구성된 또 하나의 소스와, 2차 빔과 펄스들의 소스 버스트를 수신하여 그것들을 상기 펄스들의 버스트의 인트라-버스트 반복 주파수와 동일한 반복 주파수를 갖는 복합 펄스 빔에 결합하도록, 배열된 또 하나의 커플러를 더 포함하고, 나머지 커플러는 상기 복합 펄스 빔을 광 증폭기 시스템 또는 광 전력 증폭기에 주입하도록 구성된다.
- 레이저 시스템은 광 증폭기 시스템으로부터 하류에 배치된 광 변조기를 더 포함하고, 상기 광 변조기는 증폭된 펄스들의 버스트 또는 복수의 버스트들을 선택하거나 및/또는 증폭된 펄스들의 버스트 또는 복수의 버스트들을 진폭에서 변조하도록 구성된다.
본 발명은 또한 다음 단계들을 포함하는 매우 높은 레이트의 레이저 펄스들을 발생시키는 방법을 제안한다:
- 800 메가헤르츠 이상의 제1 반복 주파수를 갖는 발진기에 의해 펨토 초 또는 피코 초 지속 시간의 일련의 소스 펄스들을 발생시키는 단계; 및
- 상기 일련의 소스 펄스들을 제1 반복 주파수(F1)와 동일하거나 그의 배수인 제2 반복 주파수로 광학적으로 증폭시키는 단계, 상기 배수는 일련의 매우 높은 레이트의 레이저 펄스들을 발생시키도록, 2 이상의 자연수이다.
비제한적인 예로서 주어진 첨부된 도면과 관련한 다음의 설명은, 본 발명이 무엇으로 구성되었는지 및 어떻게 구현될 수 있는지가 잘 이해되도록 할 것이다.
도 1은 매우 높은 레이트의 발진기에 기초한 본 발명에 따른 레이저 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 매우 높은 레이트로 동작하는 펨토 초 레이저 발진기의 예시적인 실시예를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 매우 높은 레이트로 동작하는 펨토 초 레이저 발진기의 또 하나의 예시적인 실시예를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4는 매우 높은 레이트의 발진기에 기초한, 본 발명의 제1 실시예에 따른 레이저 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 5는 펄스 피커를 더 포함하는, 본 발명의 제2 실시예에 따른 레이저 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 6은 광 전력 증폭기 시스템을 위한 반전 안정화 디바이스를 포함하는, 본 발명의 제3 실시예에 따른 레이저 시스템을 개략적으로 도시한다.
도 7은 상기 실시예들 중 하나와 조합하여 사용되도록 의도된 반복 주파수 2배기의 구조를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예들 중 하나와 결합하여 사용되도록 의도된 팩터-4 반복 주파수 체배기의 구조를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 9는 매우 높은 레이트의 발진기에서 나오는 소스 펄스들의 예를 도시한다.
도 10 내지 도 11은 고에너지 레이저 펄스들의 버스트들이 매우 높은 레이트로 발생되는 예를 도시한다.
도 2는 매우 높은 레이트로 동작하는 펨토 초 레이저 발진기의 예시적인 실시예를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 매우 높은 레이트로 동작하는 펨토 초 레이저 발진기의 또 하나의 예시적인 실시예를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4는 매우 높은 레이트의 발진기에 기초한, 본 발명의 제1 실시예에 따른 레이저 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 5는 펄스 피커를 더 포함하는, 본 발명의 제2 실시예에 따른 레이저 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 6은 광 전력 증폭기 시스템을 위한 반전 안정화 디바이스를 포함하는, 본 발명의 제3 실시예에 따른 레이저 시스템을 개략적으로 도시한다.
도 7은 상기 실시예들 중 하나와 조합하여 사용되도록 의도된 반복 주파수 2배기의 구조를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예들 중 하나와 결합하여 사용되도록 의도된 팩터-4 반복 주파수 체배기의 구조를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 9는 매우 높은 레이트의 발진기에서 나오는 소스 펄스들의 예를 도시한다.
도 10 내지 도 11은 고에너지 레이저 펄스들의 버스트들이 매우 높은 레이트로 발생되는 예를 도시한다.
디바이스
및 방법
도 1은, 블록 다이어그램으로, 1GHz에 가까운 높은 레이트로 작동하는 모드-동기 발진기(1), 패시브 광섬유(5), 제1 액티브 광섬유 모놀리식 서브 시스템을 기반으로 한 레이저 시스템(17), 및 자유 공간에서 동작하는 또 하나의 광학 서브 시스템(18)을 기초로 한 레이저 시스템의 주요 부품들을 보여준다.
본 명세서에서, 액티브 광섬유란, 광 증폭기 매체로서 사용되는 도핑된 광섬유, 예를 들어 희토류 도핑된 광섬유를 의미한다. 패시브 광섬유란, 광 증폭기 매체로 사용되지 않고 주로 전송 기능을 갖는 일반적으로 도핑되지 않은 광섬유를 의미한다.
종래의 펄스 레이저 시스템에서, 액티브 광섬유 발진기가 일반적으로 사용되는데, 이것은 100MHz 정도의 반복 주파수에서, 그리고 어떤 경우에는 500MHz보다 낮은 주파수에서 동작한다. 이 주파수 범위의 광섬유 발진기는, 발진기 동작에 필요한 모든 기능을 통합하기 위해 적어도 20cm의 길이를 갖는 캐비티(cavity)에 해당한다.
발진기(1)는 여기서 F1으로 표시되는 제1 반복 주파수의 초단파 소스 펄스들(100)을 발생시키는 펨토 초(또는, 피코 초) 발진기이다. 500MHz 이상, 바람직하게는 800MHz 이상 또는 1GHz 이상인 제1 반복 주파수(F1)에서 동작하는 발진기가 선택된다.
발진기(1)는 바람직하게는 모드-동기 발진기이다. 일례에서, 발진기(1)는 (VCSEL 유형의) 반도체 발진기 또는 또한 솔리톤 영역(soliton regime)에서 동작하는 고체-상태 발진기이다. 또 하나의 변형예에서, 발진기(1)는 자유 공간의 요소들 및 수 cm 길이의 고농도 도핑된 광섬유를 포함하는 하이브리드 발진기이다.
발진기(1)는 펄스 당 1 내지 100pJ 정도의 저에너지의 초단파 소스 펄스들(100)을 발생시킨다. 이 펄스 당 에너지의 레벨은 유리, 반도체 또는 금속과 같은 고체 재료들의 용발 임계값(ablation threshold)에 도달하는 데에 필요한 에너지보다 훨씬 낮으며, 이 용발 임계값은 100mJ/cm2를 초과한다.
VCSEL 유형의 이원 또는 삼원 반도체 화합물, 예를 들어 InGaAs, InP 또는 InGaP를 기반으로 하는 발진기는, 소스 펄스들의 파장을, 약 1030nm의 파장에서 작동하는 이테르븀이 도핑된 액티브 광섬유 증폭기, 약 1500nm의 파장에서 작동하는 에르븀-도핑된 액티브 광섬유 증폭기, 또는 약 2000nm의 파장에서 작동하는 툴륨 또는 홀뮴-도핑된 액티브 광섬유 증폭기와 호환되는 넓은 스펙트럼 대역으로, 쉽게 조정할 수 있게 한다. 또한, VCSEL 유형의 발진기는 최대 10GHz 또는 20GHz의 반복 주파수 범위에서 작동하도록 구성되어 있다.
제1 액티브 광섬유 모놀리식 서브 시스템(17)은, 예를 들어 액티브 광섬유 전치 증폭기 및 잠재적으로 하나 또는 수 개의 액티브 광섬유 전력 증폭기를 포함하는 액티브 광섬유 증폭기 시스템(2)을 포함한다. 바람직하게는, 제1 서브 시스템(17)은 액티브 광섬유 전치 증폭기와 액티브 광섬유 전력 증폭기(들) 사이에 배열된, 펄스 피커(3) 및/또는 펄스 스트레처(6) 및/또는 광 아이솔레이터(7)를 더 포함한다. 펄스 스트레처(6)는 바람직하게는 적절한 길이의 패시브 광섬유로 구성되거나 또는 처프드 브래그 격자들(chirped Bragg gratings)로 구성되거나, 또는 특정 분산 광섬유(밴드갭 광섬유)로 구성된 패시브 광섬유로 구성된다.
기타 광학 서브 시스템(18)은 예를 들어 광학 아이솔레이터, 잠재적으로 광학 전력 증폭기, 펄스 압축기(8) 및/또는 광학 변조기(9)를 포함한다. 공지된 방식으로, 펄스 압축기(8)는, 광 전력 증폭기로부터 상류에 있는 제1 서브 시스템(17)의 스트레처(6)에서 신장된 펄스들(stretched pulses)을 재압축하도록 동작한다. 광 변조기(9)는 광 게이트의 기능을 가지며, 출력부에서 하나 또는 수 개의 펄스 트레인들을 선택하도록 동작한다.
도 1의 레이저 시스템은, 1 기가헤르츠(GHz) 이상의 반복 주파수의 펨토 초 레이저 펄스 트레인(900) 또는 1 기가헤르츠(GHz) 이상의 인트라-버스트(intra-burst) 반복 주파수 및 예를 들어 100Hz 또는 100kHz의 버스트 반복 주파수 또는 1MHz 정도 또는 그 이상의 인터-버스트(inter-burst) 반복 주파수의 펨토 초 레이저 펄스 버스트 트레인을 발생시킬 수 있다.
도 2는 모드-동기 및 반복-주파수 발진기의 구성에 대한 자세한 예를 도시한다. 모드-동기 발진기(1)는 펌프(11), 입력 광학 시스템(12), 미러들(M1, M2, M3, M4 및 M5)을 포함하는 공진 광학 캐비티, 공진 광학 캐비티에 배열된 레이저 액티브 매체(10) 및 출력 광학 시스템(13)을 포함한다. 바람직하게는, 레이저 액티브 매체(10)는 예를 들어 10mm와 동일한 두께를 갖는 레이저 크리스탈로 구성된다. 레이저 액티브 매체(10)는 예를 들어 패시브 고체 매트릭스(유리, YAG, KGW, 섬유 …) 및 희토류 이온-기반 액티브 도펀트(가장 빈번하게 이테르븀 또는 에르븀, 툴륨 또는 홀뮴)로 구성된다. 공진 캐비티에서의 왕복의 광학 길이는 15cm 정도이다. 최대 길이가 약 7cm 내지 10cm인 크리스탈 또는 초고농도 도핑된 매우 짧은 액티브 광섬유는, 실제 길이를 크리스탈 또는 액티브 광섬유의 광학 인덱스로 나눔으로써 정의되는 공진 캐비티의 광학 길이를, 상대적으로 약하게 도핑된 액티브 광섬유에 기초한 액티브 매체와 비교하여 상당히 줄일 수 있고, 그래서 구조에 따라, 매우 높은 제1 반복 주파수를 갖는 발진기를 만들 수 있게 한다. 여기서, 크리스탈 또는 초고농도 도핑된 광섬유란, 펌프 파장에서의 흡수 길이가 크리스탈 또는 광섬유 길이(인자 1 또는 2)보다 훨씬 작도록, 액티브 이온이 도핑된 크리스탈 또는 광섬유를 의미한다. 실제는, 이 경우, 흡수 길이는 수 cm보다 짧다.
예시적인 실시예에서, 레이저 액티브 매체(10)는 공기 중에 배치된다. 변형예에 따르면, 레이저 액티브 매체(10)는, 2개의 비-도핑 유리 또는 크리스탈 블록에 의해 공진 캐비티의 2개의 엔드 미러에 고정되어, 에어리스 모놀리식 구조를 형성하는 크리스탈이다.
펌프 다이오드(11)는 연속 또는 거의 연속적인 펌프 방사선(111)을 발생시킨다. 입력 광학 시스템(12)은 미러(M2)를 통해 캐비티의 종방향 광축(19)을 따라 공진 광학 캐비티로 펌프 방사선(111)을 주입한다. 미러(M2)는 펌프 방사선(111)에 대해 투명하다. 입력 광학 시스템(12)은 예를 들어 렌즈 광학 시스템이다. 입력 광학 시스템(12)은 펌프 방사선(111)을 액티브 레이저 매체(10)에 집속시킨다. 액티브 레이저 매체(10)는 소스 레이저 빔을 방출한다. 미러(M1, M2, M4 및 M5)들은 소스 레이저 빔에 대해 반사적이다. 미러(M5)는 모드-동기 효과를 개시하고 유지할 수 있게 하는 반도체 포화 흡수체(semiconductor saturable absorber)를 포함한다. 미러(M3)는 소스 레이저 빔에 대해 부분적으로 반사적이고 부분적으로 투명하다.
예시적인 실시예에서, 입력 광학 시스템(12)과 액티브 레이저 매체(10) 사이의 거리(L1)는 약 60mm이고, 오목 미러(M2)의 중심과 액티브 레이저 매체(10)를 형성하는 크리스탈의 일 면(a face) 사이의 거리(L2)는 약 15mm이고, 오목 미러(M1)의 중심과 액티브 레이저 크리스탈(10)의 다른 면(the other face) 사이의 거리(L3)는 약 15mm이고, 오목 미러(M1)와 미러(M4) 사이의 거리는 약 66mm이고, 미러(M4)와 미러(M5) 사이의 거리는 약 15mm이고, 오목 미러(M2)와 미러(M3) 사이의 거리는 약 60mm이다. 캐비티의 물리적 길이는 약 170mm이다. 그 후, 반복 주파수(F1)는 880MHz이고, 반복 주기는 약 1.1ns이다.
공지된 바와 같이, 공진 광학 캐비티는, 공진 광학 캐비티의 출력부에서, 800 메가헤르츠(MHZ) 이상의 제1 반복 주파수(F1)에서의 펨토 초 지속 시간의 소스 펄스 트레인(100)을 포함하는 소스 레이저 빔을 발생시키도록, 동기 모드(locked mode)로 동작하도록 구성된다. 출력 광학 시스템(13)은 펄스 소스 레이저 빔을 패시브 광섬유(5)에 주입한다.
패시브 광섬유(5)는 펄스 소스 레이저 빔을 제1 모놀리식 서브 시스템(17)에 주입한다. 광 증폭기 시스템(2)은 소스 펄스들(100)을 증폭시키고 제1 반복 주파수(F1)의 레이저 펄스들을 형성한다. 바람직하게는, 펄스 피커(3)는 제1 반복 주파수(F1)와 동일한 인트라-버스트 반복 주파수를 갖는 펄스들의 버스트를 형성하는 수 개의 펄스들을 선택한다. 대안으로서, 펄스 피커(3)는 수 개의 펄스들의 버스트들을 선택한다. 특정 실시예에서, 펄스 피커(3)는 결정된 수의 펄스들을 선택하여 하나 또는 수 개의 펄스들의 버스트들을 생성한다.
도 3은 모드-동기 및 고-반복 주파수 발진기 구성의 또 하나의 구체적인 예를 도시한다. 동일한 참조 부호들은, 도 1 내지 도 2에서와 동일한 요소를 나타낸다. 도 3의 구성에서, 공진 광학 캐비티는 레이저 액티브 매체(10), 미러(M1), 미러(M2) 및 미러(M3)만을 포함한다. 도 3에 도시된 캐비티의 길이는, 도 2에 도시된 것보다 짧다. 따라서, 도 3의 구성은 높은 예를 들어 1GHz보다 높은 제1 반복 주파수(F1)를 얻을 수 있게 한다.
도 4는 발진기(1)와 광 증폭기 시스템(2)을 포함하는 레이저 시스템을 도시한다.
광 증폭기 시스템(2)은 캐스케이드로 배열된 광 증폭기 또는 수 개의 광 증폭기를 포함한다. 광 증폭기 시스템(2)은 하나 또는 수 개의 액티브 광섬유 증폭기(들) 및/또는 크리스탈 증폭기(들) 및/또는 하이브리드 증폭기 시스템으로 구성된다. 본 명세서에서, 하이브리드 증폭기 시스템이란, 적어도 하나의 광섬유 증폭기와 적어도 하나의 크리스탈 증폭기의 결합을 포함하는 시스템을 의미한다. 예를 들어, 광 증폭기 시스템(2)은 제1 광 증폭기(21) 또는 전치-증폭기, 제2 광 증폭기(22) 및 제N 광 증폭기(2N)를 포함한다. 광 증폭기들(22, …, 2N)은 예를 들어 광 전력 증폭기들이다.
도 4에 도시된 제1 실시예에서, 발진기(1)는 제1 반복 주파수(F1)의 일련의 소스 펄스들(100)을 포함하는 소스 레이저 빔을 발생시킨다. 광 증폭기 시스템(2)은 상기 일련의 소스 펄스들(100)을 수신하고, 이를 증폭시켜 제1 반복 주파수(F1)의 일련의 레이저 펄스(200)를 형성한다. 이러한 제1 실시예는 매우 높은 제1 반복 주파수(F1)의 레이저 펄스들(200)을 발생시킬 수 있게 한다. 하지만, 평균 전력은 광 증폭기 시스템(2)에 의해 제한되고, 그리고 각 레이저 펄스(200)의 에너지는 매우 높은 반복 주파수(F1)에 의해 제한된다. 예시적인 실시예에서, 880MHz의 제1 반복 주파수(F1)의 약 250fs 지속 시간의 소스 펄스들을 발생시키는 발진기(1)는, 패시브 광섬유 스트레처, 단일-모드 광섬유 전치-증폭기 및 와이드-코어 단일-모드 광섬유 증폭기를 포함하는 광 증폭기 시스템(2)과 결합되는 것으로 여겨진다. 광 증폭기 시스템(2)의 출력부에서의 평균 전력은 약 20W이다. 이 경우, 레이저 펄스들(200)은 1.1ns로 시분할되고(temporally separated by), 에너지(E)는, kW 정도의 평균 전력들에 대하여 마이크로주울에 이를 수 있는, 출력부(S)에서의 레이저 펄스(200) 당 약 십 분의 몇 나노 주울(about a few tenths of nanojoules)로 제한된다. 펄스 당 이러한 에너지의 레벨은 발진기(1)의 출력부에서보다 훨씬 높다. 하지만, 이러한 에너지 레벨은 일반적으로 유리, 반도체 또는 금속과 같은 고체 재료(8)의 용발 임계값을 초과하기에는 충분하지 않지만, 중합체와 같은 낮은 용발 임계값 재료로는 적합하다.
그럼에도 불구하고, 용발 효율은 레이저 펄스 당 에너지에만 의존하지는 않는 것으로 여겨진다. 따라서, 비교적 제한된 에너지의 및 매우 높은 반복 주파수(F1)의 초단파 레이저 펄스들의 적용은, 소위 용발 냉각 효과(ablation cooling effect)(융제-냉각된 재료 제거)를 얻을 수 있게 하고, 재료의 용발의 효율을 상당히 증가시킬 수 있게 한다.
도 5 내지 도 8에서, 동일한 참조 부호들은 도 1 내지 도 4와 동일하거나 유사한 요소들을 나타낸다.
도 5에 도시된 제2 실시예에서, 펄스 피커(3)는 전치 증폭기(21)와 전력 증폭기들(22, …, 2N) 사이에 배치된다. 발진기(1)가 충분한 전력(예를 들어, 50mW 초과)을 전달하는 경우, 펄스 피커(3)는 또한 발진기(1)와 전치 증폭기(21) 사이에 배치될 수 있다.
전치 증폭기(21)는 제1 반복 주파수(F1)의 소스 펄스들(100)을 수신하고 이들을 증폭하여 제1 반복 주파수(F1)의 전치 증폭된 펄스들(210)을 형성한다.
펄스 피커(3)는 전자-광학 또는 음향-광학 유형의 광 변조기를 포함한다. 펄스 피커(3)는 전치 증폭된 펄스들(210)을 수신한다. 펄스 피커(3)는 M 펄스들의 버스트(300)를 선택하는데, 여기서 M은 일반적으로 1과 1000 사이 또는 50과 500 펄스들 그리고 바람직하게는 50과 200 펄스들 사이에 포함되는 자연수이다. 펄스 피커(3)는, 펄스-온-디맨드 모드(pulse-on-demand mode)로 또는, F3으로 표시되는, 100Hz 와 10MHz 사이에 포함되는, 최대 100MHz일 수 있는 제3 반복 주파수에서, 버스트-온 디맨드 모드(burst-on-demand mode) 또는 주기적 버스트 모드(periodic burst mode)로 동작할 수 있다. 2개의 버스트들 사이의 시간 간격은 애플리케이션에 따라 변동될 수 있다. 이러한 반복 주파수 변동은 증폭기들의 이득 동태(gain dynamics)를 수정하고 펄스 당 에너지의 변동을 가져올 수 있다. 일례에서, 펄스 피커(3)는 50% 미만, 바람직하게는 30% 미만 또는 심지어 20% 미만으로 감소된 듀티 사이클로 작동한다. 특정 실시예에서, 펄스 피커(3)는, M
80 펄스들의 버스트들을 주기적으로 선택함으로써, 약 2MHz와 동일하고 듀티 사이클이 18%인 제3 반복 주파수(F3)로 동작한다.
본 명세서에서, 버스트의 듀티 사이클이란, 버스트 지속 시간과 두 연속 버스트들 사이의 시간 간격 사이의 비를 의미한다.
따라서, 펄스 피커(3)의 출력부에서, 펄스들(300)은 제1 반복 주파수(F1)와 동일한 인트라-버스트(intra-burst) 반복 주파수를 갖는다. 펄스 피커(3)는 2개의 연속적인 버스트들 사이의 특정의 시간 간격으로, 단일의 펄스들의 버스트 또는 펄스들의 수 개의 연속적인 버스트들을 선택할 수 있다. 특정 실시예에서, 펄스 피커(3)는 연속적인 버스트들 사이에 일정한 시간 간격을 갖는 주기적인 버스트들을 선택한다. 즉, 펄스 피커(3)는 제3 반복 주파수(F3)와 동일한 인터-버스트(inter-burst) 반복 주파수로 동작할 수 있다.
특정 실시예에 따르면, 펄스 피커(3)는, 사용자에 의해 정의된 엔벨로프에 따라, 펄스들의 진폭을 펄스들의 버스트로 변조하도록 제어된다. 예를 들어, 펄스 피커(3)는 탑-햇 선택(top-hat selection)을 펄스들의 버스트에 적용한다. 따라서, 선택된 버스트의 펄스들은 모두 동일한 진폭을 갖는다. 대안으로서, 펄스 피커(3)는 상승 에지, 고원(plateau) 및 하강 에지를 갖는 진폭 변조를 적용한다. 이 경우, 선택된 버스트의 펄스들은, 증가한 다음 일정하며 그 다음에 감소하는 진폭을 갖는다. 또 하나의 대안에 따르면, 펄스 피커(3)는 예를 들어 버스트의 제1 펄스에 대해 최대를 적용한 후 다음 펄스에 대해 감소하는, 톱니형 진폭 변조를 적용한다. 당업자는 애플리케이션들의 함수로서 펄스 피커(3)의 진폭 변조 프로파일을 용이하게 조정할 것이다.
M 펄스들(300)의 버스트는 광 전력 증폭기들(22, …, 2N)에 주입된다. 따라서, 광 증폭기 시스템(2)은 제1 반복 주파수(F1)와 동일한 인트라-버스트 반복 주파수 및 제3 반복 주파수(F3)와 동일한 인터-버스트 반복 주파수를 갖는, 레이저 펄스들의 버스트(500)를 출력부(S)에서 방출한다. 광 전력 증폭기들(22, …, 2N)은 제1 반복 주파수(F1)의 펄스 트레인과 동일한 평균 전력을 전달하지만, 제한된 수(M)의 펄스에 걸칠 뿐이다. 결과적으로, 버스트의 증폭된 펄스들(500)는, 동일한 광 증폭기 시스템(2)에 의해 증폭된, 제1 반복 주파수(F1)의 펄스 트레인의 펄스들의 에너지보다 높은 펄스 당 에너지를 갖는다. 탑-햇 버스트의 경우에서, 따라서, 버스트의 에너지는 제3 반복 주파수(F3)로 나눈 전력과 동일하고, 상기 버스트에서의 펄스 당 에너지는 이 버스트의 에너지를 상기 버스트 내의 펄스들의 수(M)로 나눈 것과 동일하다.
따라서, 버스트의 각 펄스는 애플리케이션의 함수로서 10 nJ 내지 수 μJ 사이의 에너지에 도달하도록 증폭된다. 따라서, 제2 실시예는 제1 인트라-버스트 반복 주파수(F1)를 감소시키지 않으면서 펄스 당 에너지를 증가시킬 수 있게 한다.
더욱이, 펄스들의 버스트의 에너지는 버스트의 각 펄스의 에너지들의 합과 동일하다. 한편으로는 약 80fs 또는 ps 펄스들의 버스트, 나노 초 정도의 지속 시간을 갖는 펄스들의 버스트를, 다른 한편으로는 상기 fs 또는 ps 펄스들의 버스트의 적분된 에너지(integrated energy)와 동일한 에너지를 갖는 나노 초 지속 시간의 레이저 펄스를 고려해 보자. 하지만, 버스트의 각 펄스의 지속 시간은 펨토 초 또는 피코 초이고, 펄스들의 버스트의 피크 전력은 나노 초 펄스의 피크 전력보다 훨씬 높다. 버스트 모드는, 에너지를, 나노 초 단일 펄스와는 전혀 다른 방식으로, 시간의 함수로서 분배할 수 있게 한다. 레이저-재료 상호 작용들(laser-material interactions)은 따라서 강하게 변화된다.
따라서, 제2 실시예는 이용가능한 피크 전력을 증가시킬 수 있게 한다. 버스트에서의 펄스들 수는 광 증폭기 시스템의 한계를 고려하여 선택된다.
이제, 펄스 레이저에 의한 고체 재료의 용발 효율은 펄스 당 에너지, 펄스 지속 시간뿐만 아니라 버스트 모드에서의 인트라-버스트 반복 주파수 및 증폭된 펄스들의 버스트들의 듀티 사이클에 의존하는 것으로 여겨진다. 따라서, 상대적으로 제한된 에너지 및 매우 높은 인트라-버스트 반복 주파수(F1)의 초단파 레이저 펄스들의 버스트의 애플리케이션은, 용발 냉각 효과(융제-냉각된 재료 제거)를 달성하고, 재료의 용발 효율의 증가, 즉, 제거된 재료의 양을 증가시킬 수 있게 한다.
변형예에 따르면, 레이저 시스템은 광 증폭기 시스템(2)의 출력부에 배열된 전자-광학 또는 음향-광학 유형의 광 변조기(9)를 더 포함한다. 광 변조기(9)는, 예를 들어, 도 4에 도시된, 펄스 피커(3)가 없는 시스템에서 사용될 수 있다. 대안으로서, 광 변조기(9)는, 예를 들어, 도 5 내지 도 6에 도시된, 펄스 피커(3)를 포함하는 시스템에서 사용된다. 광 변조기(9)는, 사용자에 의해 정의된 엔벨로프에 따라, 증폭된 펄스들의 진폭을 변조하도록 제어된다. 예를 들어, 광 변조기(9)는 증폭된 펄스들의 버스트에 탑-햇 선택을 적용한다. 따라서, 선택된 버스트의 증폭된 펄스들은 모두 동일한 진폭을 갖는다. 대안으로서, 펄스 피커(3)는 상승 에지, 고원 및 하강 에지를 갖는 진폭 변조를 적용한다. 이 경우, 선택된 버스트의 증폭된 펄스들은 증가한 다음 일정하며 그리고 나서 감소하는 진폭을 갖는다. 또 하나의 대안에 따르면, 광학 변조기(9)는 예를 들어 버스트의 제1 펄스에 대해 최대를 적용한 후 다음 펄스들에 대해 감소하는, 톱니형 진폭 변조를 적용한다. 당업자는 애플리케이션들의 함수로서 광학 변조기(9)의 진폭 변조 프로파일을 용이하게 조정할 것이다.
하지만, 제2 실시예는 광 전력 증폭기들(22, …, 2N)에 대한 단점들을 보여줄 수 있다. 실제는, 두 버스트들 사이의 주기 변화는 이득 불안정성들을 초래하기 쉽다.
광 전력 증폭기들의 반전 레벨 및 이득을 안정화시키기 위해, 도 6에 도시 된 제3 실시예가 제안된다. 제3 실시예는 M 펄스들의 버스트(300)를 보완하는 2차 신호(40)를 발생시키도록 구성된 또 하나의 소스(14)를 더 포함한다.
커플러(15)는 광 전력 증폭기들의 입력부에서 M 펄스들의 버스트(300)와 2차 신호(40)를 결합하도록 동작한다.
광 증폭기 시스템(2)의 출력부에서, 커플러-스플리터는 한편으로는 M 증폭된 펄스들의 버스트(500)와 다른 한편으로는 증폭된 2차 신호(400)를 공간적으로 분할하도록 동작한다.
더 정확하게는, 광 전력 증폭기(들)(22, …, 2N) 내에서의 모집단(population)의 반전을 사용자에 의해 선택된 M 펄스들의 다음 버스트를 원하는 에너지의 레벨로 증폭하는 데에 필요한 레벨에 정확 유지하도록, 2차 신호(40)가 구성되는 조건들에 있다. 보다 정확하게, 2차 신호(40)는, 광 전력 증폭기 시스템(22, …, 2N)에 저장된 에너지를, M 펄스들의 다음 버스트(300)를 원하는 에너지 레벨로 증폭시키는 데에 필요한 레벨에 유지되도록 시간 변조된다. 일반적으로, 펄스들의 버스트 및 2차 신호(40)의 펄스들은 동일한 지속 시간 및/또는 동일한 에너지를 갖지 않는다. 그럼에도 불구하고, 2차 신호(40)는, M 펄스들의 버스트(300)와 2차 신호(40)의 결합이, 광 증폭기(22, …, 2N)의 모집단의 반전 레벨을 M 펄스들의 다음 버스트(300)를 갖는 원하는 버스트 에너지를 추출하는 데에 필요한 값으로 유지하는 효과가 있도록, 크기가 조정된다. 따라서, 2차 신호(40)가 대응하는 시간 간격이 M 펄스들의 2개의 버스트들(300)을 분리하는 시간 간격보다 크도록 시간 변조되면, 광 증폭기 시스템(22, …, 2N)의 이득은 M 증폭된 펄스들의 버스트(500)의 각 펄스에 대해 일정하게 유지된다. M 선택된 펄스들의 버스트(300)로 구성된 메인 신호가 광 전력 증폭기(22, …, 2N)로 보내지면, 하나 또는 수 개의 소스 펄스들을 제거하는 변조 이후에, M 펄스들의 버스트(300)의 모든 선택된 펄스들이 동일한 이득으로 증폭된다.
실제는, M 증폭된 펄스들의 버스트(300)의 펄스들의 에너지는 시간의 함수로서 측정되고, 주입된 2차 신호(40)의 펄스들의 전력, 에너지, 파장 및/또는 지속 시간은, M 증폭된 펄스들의 버스트(300)의 펄스들의 에너지를 안정화시키도록 변화된다.
따라서, 광 전력 증폭기들(22,…, 2N)은 펄스 피커(3)에 의해 선택된 펄스들의 버스트(30) 및 2차 신호(40) 를 동시에 증폭한다.
유리하게는, 펄스들의 버스트(30) 및 2차 신호(40)는 상호 횡방향 편광 상태(mutually transverse polarization states)를 갖는다. 이 경우, 커플러(19)와 커플러-스플리터(16)는 편광 광학 부품들로 구성될 수 있다.
변형예에서, 펄스들의 버스트(30) 및 2차 신호(40)는, 광 증폭기 시스템(2)의 대역폭에 위치한, 서로 다른 파장들을 갖는다. 이 변형예에서, 커플러(15) 및 커플러-스플리터(16)는 이색성 광학 부품들(dichroic optical components)로 구성될 수 있다.
따라서, 제3 실시예는 버스트 모드에서 광 전력 증폭기들을 안정화시킬 수 있게 한다. 선택적으로, 레이저 시스템은 M 증폭된 펄스들의 버스트(500)의 진폭을 변조하기 위해 커플러-스플리터(16)의 출력부에 배치된 광 변조기(9)를 더 포함한다.
또 하나의 실시예에서, 높은 반복 주파수 발진기, 광 증폭기 시스템 및 반복 주파수 체배기의 사용이 결합된다.
Can Kerse 등의 문헌("3.5GHz 인트라-버스트 반복 레이트 초고속 Yb-도핑된 광섬유 레이저(3.5GHz intra-burst repetition rate ultrafast Yb-doped fiber laser)", 광 통신 366, 2016, 404-409)은, 3.5GHz의 인트라-버스트 반복 주파수 및 1kHz의 버스트 반복 주파수의 레이저 펄스들의 버스트들을 발생시키는 광섬유 증폭기 시스템을 개시한다. 다음의 분석은 본 발명에 속한다. MOPA(마스터 발진기 전력 증폭기) 유형의 이 시스템은, 108MHz의 소스 반복 주파수의 소스 레이저 펄스들을 방출하는 레이저 발진기, 패시브 광섬유 반복 주파수 체배기 디바이스(4), 및 능동 광섬유 증폭기들의 시스템을 포함한다. 보다 정확하게, 반복 주파수 체배기 디바이스(4)는, 직렬로 배열된 6개의 50/50 커플러들, 5개의 광 지연 라인들을 포함하고, 각각의 광 지연 라인은 2개의 연속적인 50/50 커플러들 사이에 배열된다. 이 반복 주파수 체배기 디바이스(4)는 소스 반복 주파수에 25와 동일한 인자를 곱하도록 동작하여, 소스 반복 주파수를 108MHz에서 3.5GHz로 증가시킨다. 또한, 이 시스템은 전치-증폭기, 음향-광학 변조기 및 9 스테이지의 광섬유 증폭기들을 사용한다. 음향-광학 변조기는 1kHz의 반복 주파수의 펄스들의 버스트의 형태를 결정하는 엔벨로프를 적용한다. 그런 다음 펄스들의 버스트들은 9 스테이지의 광섬유 증폭기들에서 증폭된다. 하지만, 이 시스템은 캐스케이드된 많은 부품들을 필요로 한다. 더욱이, 이 기술의 단점은, 특히 50/50 커플러들의 브랜치들 사이의 비대칭성으로 인해, 출력 펄스들의 에너지 및 시간 간격 안정성을 유지하기 어렵다는 점이다. 반면, 3.5GHz 이상의 반복 주파수 범위에서 이러한 시스템을 활용하는 것은 추가적인 커플러들, 추가적인 초고 정확도 지연 라인들 및 추가적인 증폭기 스테이지들을 필요로 할 것이므로 어려운 것으로 여겨진다.
도 7 내지 도 8은 전술한 실시예들 중 하나에 결합될 수 있는 특정 양상을 도시한다. 이 특정 양상은, 인자-2 또는 4 반복 주파수 체배기 디바이스에 관한 것이다. 이 반복 주파수 체배기 디바이스는 발진기(1)와 광 증폭기 시스템(2) 사이에 배치되도록 의도되는 것이 바람직하다. 변형예에 따르면, 반복 주파수 체배기 디바이스는 광 전치 증폭기와 광 전력 증폭기 시스템 사이에 배치된다. 또 하나의 변형예에 따르면, 반복 주파수 체배기 디바이스는 광 증폭기 시스템(2)의 출력부에 배열된다.
보다 정확하게, 도 7은 인자-2 반복 주파수 체배기 또는 반복 주파수 2배기(4)를 도시한다. 반복 주파수 체배기 디바이스(4)는 제1 광 커플러-스플리터(41), 제1 광 지연 라인(51) 및 제2 광 커플러-스플리터(42)를 포함한다. 제1 광 지연 라인(51)은 제1 광 커플러-스플리터(41)와 제2 광 커플러-스플리터(42) 사이에 배열된다. 반복 주파수 체배기(4)는 제1 반복 주파수(F1)의 레이저 펄스들을 포함하는 레이저 빔(100, 200, 500)을 수신하는데, 각 레이저 펄스는 E로 표시된 펄스 당 에너지를 가진다. 제1 광 커플러-스플리터(41)는, 레이저 빔(100, 200 또는 500)을, 제1 반복 주파수(F1)를 갖는 것으로 평가되며(rated) E/2와 동일한 펄스 당 에너지를 갖는 제1 펄스 빔(110)과 제1 반복 주파수(F1)를 갖는 것으로 평가되며 E/2와 동일한 펄스 당 에너지를 갖는 제2 펄스 빔(120)으로 공간적으로 분할하도록 구성된다. 제1 광 커플러-스플리터(41)의 출력부에서, 2개의 분할 빔들은 동일한 특성이 있는데, 여기서 "제1 펄스 빔" 및 "제2 펄스 빔"이라는 용어는 여기서 어떠한 순서 개념을 수반하지 않고 이하에서 서로가 구별되도록 임의로 사용된다. 제1 광 지연 라인(51)은, 제2 펄스 빔(120)의 궤적 상에서, 제1 광 커플러-스플리터(41)와 제2 광 커플러-스플리터(42) 사이에 배치된다. 제1 광 지연 라인(51)은, 제1 펄스 빔(110)에 대해 반주기만큼 시간적으로 지연된 제2 펄스 빔(130)을 형성하기 위해, 제2 펄스 빔(120) 상의 제1 반복 주파수(F1)의 반주기와 동일한 광 지연을 유도하기에 적합하다. 제2 광 커플러-스플리터(42)는, 제1 반복 주파수(F1)의 제1 펄스 빔(110) 및 제1 반복 주파수(F1)이며 반주기만큼 지연된 제2 펄스 빔(130)을 수신한다. 광 지연 라인(51)은 예를 들어 적절한 길이의 패시브 광섬유로 구성된다. 제2 광 커플러-스플리터(42)는 예를 들어 4개의 입력-출력 광 커플러이다. 제2 광 커플러-스플리터(42)는, 제1 빔(110) 및 반주기만큼 지연된 제2 빔(130)을 재결합하고, 제1 출력부(S1) 상에 (펄스들이 E/4와 동일한 펄스 당 에너지를 가지며 제1 반복 주파수(F1)의 2배와 동일한 제2 반복 주파수(F2)를 갖는 것으로 평가되는) 제1 재결합 빔(142)을 형성하도록 구성된다. 특히 유리하게, 제2 광 커플러-스플리터(42)는, 제1 빔(110)과, 반주기만큼 지연된 제2 빔(130)을 재결합하고, 제2 출력부(S2) 상에 (펄스들이 E/4와 동일한 펄스 당 에너지를 가지며 제1 반복 주파수(F1)의 2배와 동일한 제2 반복 주파수(F2)를 갖는 것으로 평가되는) 제2 재결합 빔(152)을 형성하도록 구성될 수 있다. 유리하게는, 제1 광 커플러-스플리터(41) 및 제2 광 커플러-스플리터(42)는 50/50 커플러들이다. 이 경우, 2개의 출력들(S1 및 S2)은 상호 교환 가능하다.
따라서, 반복 주파수 체배기 디바이스(4)는 F1에 대해 인자 2를 곱하여 얻어진 반복 주파수(F2)를 갖는 펄스 빔(142)을 발생시키도록 동작하는데, 여기서 펄스 당 에너지는 단지 4로 나누어진다. 800MHz의 제1 반복 주파수(F1)를 갖는 소스 발진기로부터 시작하여, 2 x 800MHz = 1.6GHz의 반복 주파수를 갖는, 재결합 빔(142 및/또는 152)이 얻어진다. 이 구성은 또한, 고려되는 재료를 에칭하기에 적합한 펄스 당 에너지를 얻기 위해, 광 증폭기들의 수를 제한할 수 있게 한다.
2개의 출력들(S1 또는 S2) 중 하나는 일반적으로, 광 증폭기 시스템에서 소스 발진기의 반복 주파수의 2배인 반복 주파수의 펄스 빔을 증폭시키기 위해 사용된다. 실제는, 대부분의 광 증폭기 시스템들에서, 증폭은 단일 광 축을 따라 수행되어야 한다. 이 경우, 이 반복 주파수 체배기 디바이스의 유용한 출력 전력은, 반복 주파수 체배기 디바이스의 주입 손실들을 고려하지 않을 때, 입력 전력(P)의 약 절반이다.
도 8은 주파수 체배기, 보다 정확하게는 인자-4 반복 주파수 체배기 또는 반복 주파수 4배기(44)의 또 하나의 예를 도시한다. 동일한 참조 부호들은 도 7에서와 동일한 요소들을 나타낸다. 반복 주파수 체배기(44)는 광 컴바이너(49)와 제2 광 지연 라인(52)을 더 포함한다. 제2 광 지연 라인(52)은 제2 광 커플러-스플리터(42)와 광 컴바이너(49) 사이에 배치된다. 바람직하게는, 제2 광 커플러-스플리터(42)는 4개의 입력부들-출력부들을 포함한다. 제2 광 커플러-스플리터(42)는, 하나의 입력부에서는 펄스 당 에너지(E/2)를 갖는 제1 반복 주파수(F1)의 제1 펄스 빔(110)을 수신하고, 또 하나의 입력부에서는 제1 반복 주파수(F1)의 반주기만큼 시간 지연되며 펄스 당 에너지(E/2)를 갖는 제2 펄스 빔(130)을 수신한다. 도 7과 관련하여 설명된 바와 같이, 제2 광 커플러-스플리터(42)는, 제1 펄스 빔(110)과 상기 지연된 제2 펄스 빔(130)을 재결합하도록 그리고 그것들을 제1 반복 주파수의 2배(2xF1)를 가지며(rated) E/4와 동일한 펄스 당 에너지를 갖는 제1 결합 빔(142)과 제1 반복 주파수의 2배(2xF1)를 가지며 E/4와 동일한 펄스 당 에너지를 갖는 제2 결합 빔(152)으로 공간적으로 분할하도록 구성된다. 제2 광 지연 라인(52)은 제2 재결합 빔(152)의 궤적 상에 배열된다. 제2 광 지연 라인(52)은, 제1 재결합 빔(142)에 대한 1/4 주기만큼 시간 지연된 제2 펄스 빔(162)을 형성하기 위해, 제2 재결합 빔(152) 상의 제1 반복 주파수(F1)의 1/4 주기와 동일한 광 지연을 유도하도록 구성된다. 광 컴바이너(49)는 제1 반복 주파수의 2배(2xF1)를 가지는(rated) 제1 재결합 빔(142) 및 제1 반복 주파수의 2배(2xF1)를 가지며 반복 주파수(F1)의 1/4 주기만큼 시간 지연된 제2 펄스 빔(162)을 수신한다. 광 컴바이너(49)는, 제1 재결합 빔(142) 및 1/4 주기만큼 지연된 제2 펄스 빔(162)을 재결합하여 제1 출력부(S1)에서, (펄스들이 E/8과 동일한 펄스 당 에너지를 갖고 제1 반복 주파수(F1)의 4배와 동일한 제3 반복 주파수(F3)를 갖는 것으로 평가되는) 제1의 4배-주파수 빔(170)을 형성하도록 구성된다. 특히 유리하게는, 광 컴바이너(49)는 제1 분할 빔(142)과 다른 분할 빔(162)을 재결합하여 제2 출력부(S2) 상에 (펄스들이 E/8과 동일한 펄스 당 에너지를 갖고 제1 반복 주파수(F1)의 4배와 동일한 제3 반복 주파수(F3)를 갖는 것으로 평가되는) 제2의 4배 주파수 빔(180)을 형성하도록 구성될 수 있다. 유리하게는, 광 컴바이너(49)는 50/50 커플러이다. 이 경우, 2개의 출력들(S1과 S2)은 상호 교환 가능하다.
따라서, 반복 주파수 체배기(44)는, 펄스 당 에너지가 8로만 나누어지는 F1에 대해, 인자 4를 곱한 제3 반복 주파수(F3)를 갖는 적어도 하나의 펄스 빔(170, 180)을 발생시킬 수 있게 한다. 따라서, 800MHz의 제1 반복 주파수(F1)를 갖는 소스 발진기로부터 시작하여, 반복 주파수 4 x 800MHz = 3.2GHz를 갖는 재결합된 빔이 얻어진다.
따라서, 반복 주파수는 인자 2 또는 4가 곱해질 수 있다. 추가될 부품들(지연 라인들(51, 52) 및 50/50 커플러들))의 삽입 손실들은 적은 수의 부품들에 의해 여전히 제한된다. 따라서, 광 컴바이너(49) 및 광 지연 라인들(51, 52)의 광 커플러-스플리터(41, 42)의 수를 제한하기 위해, 반복 주파수 체배기를 반복 주파수 2배기 또는 4배기로 제한하는 것이 선택된다.
이 반복 주파수 4배기 디바이스의 유용한 출력 전력은, 반복 주파수 체배기 디바이스의 주입 손실들, 즉, 반복 주파수 2배기 디바이스에 의해 얻어진 전력과 같은 정도의 전력을 고려하지 않으면, 반복 주파수 2배기의 경우와 같이, 입력 전력(P)의 약 절반이다.
일반적으로, 발진기(1)는 선형 편광된다. 따라서, 소스 펄스들(100), 증폭 된 펄스들(200), 및 펄스들의 버스트(500)의 펄스들은 각각 선형 편광된다.
일 실시예에서, 제1 광 커플러-스플리터(41), 제2 광 커플러-스플리터(42) 및 광 컴바이너(49)는 입력 또는 출력 신호들의 편광 상태에 영향을 미치지 않는 등방성 커플러들이다. 대안으로서, 제1 광 커플러-스플리터(41), 제2 광 커플러-스플리터(42) 및 광 컴바이너(49)는 편광 또는 편광면-보존(PM; polarization-maintaining) 커플러들이다. 이 경우, 이 커플러들은, 편광된 입력 신호의 편광을 수정하지 않도록 그리고 입력 신호의 편광에 50/50의 분할비를 제공하도록 구성되고 지향된다(directed). 이 구성은 등방성이거나 양쪽 편광 축들을 따라 동일한 증폭기 인자들(amplifier factors)을 갖는 증폭기 시스템들에서 확실하게 사용될 수 있다. 실제는, 제1 출력부(S1) 상의 제1의 4배 주파수 빔(170) 및 제2 출력부(S2) 상의 제2의 4배 주파수 빔(180)이 동시에 사용될 수 있다. 예를 들어, 반파 플레이트가 제1의 4배 주파수 빔(170) 또는 제2의 4배 주파수 빔(180)의 편광을 90도 회전시키기 위해 사용되고, 편광자(polarizer)가 두 편광들을 결합하기 위해 사용된다. 이어서, 재결합 빔은 등방성 광 증폭기 또는 등방성 광 증폭기들의 체인에서 증폭될 수 있다. 증폭기들의 상기 체인의 입력부에 존재하는 에너지 손실은, 디바이스의 최종 에너지에 제한적인 영향만을 미친다.
대안으로서, 제2 출력부(S2) 상의 제2 재결합 빔(180)은, 병렬로 배열되어 2개의 거의 동일하고 동기적인 GHz 소스들을 갖는 또 하나의 유사한 광 증폭기 시스템에서 증폭되도록 사용될 수 있다.
또 하나의 대안에 따르면, 제1 재결합 빔(142) 및 1/4 주기만큼 시간 지연된 제2 펄스 빔(162)은 재결합되기 전에 증폭된다. 따라서, 제1 출력부(S1) 상의 제1의 4배 주파수 빔(170) 및 제1 출력부(S2) 상의 제2의 4배 주파수 빔(180)은 동시에 사용될 수 있다. 바람직하게는, 펄스 압축기는, 제1 출력부(S1)와 제2 출력부(S2)에서 서로 다른 펄스 지속 시간을 갖지만, 동일한 반복 주파수의 펄스들을 획득하기 위해, 제1 출력부(S1) 상에만 배치된다. 서로 다른 지속 시간들의 이러한 펄스들은, 유리하게는, 동일한 샘플에서, 미리결정된 측면 이동(lateral shift)이 있거나 없이, 공간적으로 재결합된다.
특정 애플리케이션에서, 제1 출력부(S1) 상의 제1 재결합 빔(170) 및 제2 출력부(S2) 상의 제2 재결합 빔(180)은 펌프-프로브 구성(pump-probe configuration)에 따른 현장 진단을 위해 사용된다.
재료 가공을 위한 최적 레이트(optimum rate)가 소스 발진기의 레이트보다 높은 경우, 이미 매우 높은 소스 발진기 레이트로 인해 복잡성이 상당히 줄어든 상태에서, 시간 분할 및 결합 솔루션이 적용될 수 있다. 예를 들어, 500MHz(각 펄스 사이에는 2ns의 주기)의 발진기에서 시작하여, 50/50 펄스 분할, 펄스들 중 하나를 절반 주기만큼 지연시키는 광학 지연 라인, 및 재결합 디바이스로, 약 1GHz의 레이트가 수행될 수 있다. 재결합은 공간적으로 또는 편광에 의해 수행될 수 있다. 편광에 의한 재결합은 본질적으로 전력 손실없이 수행되지만, 잘 정의된 편광 상태가 손상될 것이다. 공간적 재결합은 예를 들어 50/50 커플러를 통해 수행될 수 있다. 이 재결합은 전력을 희생하면서만 가능한데, 왜냐하면 입사광의 50%는 제1 출력부(S1)로 가고 50%는 제2 출력부(S2)로 가기 때문이다. 그럼에도 불구하고, 이 방법은 유연성 덕분에 여전히 선호된다. 레이저 시스템의 초저전력 부분에서의 이 50%의 손실은 완전한 레이저 시스템의 효율성에 큰 영향을 미치지 않고, 허용될 수 있다.
출력 반복 주파수가 높기 때문에, 광 지연 라인(들)(51, 52)은 제어하기가 더 어렵다. 실제는, 반복 주파수 체배기 디바이스가 최대 10GHz 또는 그 이상의 반복 주파수에 도달할 수 있게 한다.
반복 주파수 체배기 디바이스는 유리하게는 동일한 반복 주파수의 레이저 펄스 빔을 각각 방출하는 2개의 출력부들(S1, S2)을 가질 수 있게 한다. 이러한 디바이스는, 예를 들어 소위 펌프 레이저 빔을 형성하기 위한 제1 출력부 및 소위 프로브 레이저 빔을 형성하기 위한 제1 출력부를 사용하는, 펌프 프로브 레이저 애플리케이션을 가능케 한다.
매우 높은 레이트를 갖는 소스 발진기(1)는, 수-GHz 도메인에서 반복 주파수에 응하면서, 분할 및 재결합 동작들의 수를 2 또는 4로 제한할 수 있다. 따라서, GHz 도메인에서 제2 반복 주파수(F2)의 초단파 펄스들을 발생시키는 레이저 시스템이 얻어진다.
상술한 바와 같이, 펄스 피커(3)를 사용하여, GHz 도메인에서 인트라-버스트 반복 주파수를 갖는 펄스들의 버스트가 발생될 수도 있다. GHz 도메인의 인트라-버스트 반복 주파수 및 100Hz와 100MHz 사이에 포함된 인터-버스트 반복 주파수를 갖는 펄스들의 주기적 버스트들이 발생될 수 있다. 펄스들은 GHz 레이트 및 1W 내지 1000W, 바람직하게는 수십 내지 수백 W 정도의 전력을 갖는다.
일 실시예에 따르면, 펄스 피커(3)는 반복 주파수 체배기(4 또는 44)로부터 상류에 배치된다. 이 경우, 펄스 피커(3)에 입사하는 두 펄스들 사이의 간격은 매우 좋은 콘트라스트(contrast)를 갖는 펄스-투-펄스 제어(pulse-to-pulse control)를 가능케 할 만큼(약 1 내지 2ns) 크다. 따라서 펄스 피커(3)는 결정된 수의 펄스들를 선택한다. 그리고 반복 주파수 체배기(4, 44)는 펄스 피커에 의해 선택된 펄스들의 수의 배수를 포함하는 펄스들의 버스트를 발생시키며, 상기 버스트는 거의-평평한(또는, 탑-햇) 형상을 가진다.
전술한 실시예들 중 어느 하나와 결합될 수 있는 변형예에서, 또 하나의 광 변조기(9)가 반복 주파수 체배기(4 또는 44)의 하류에 배열된다. 광 변조기(9)는 진폭의 아날로그 제어를 갖는 음향-광학 또는 전자-광학 유형이다. 광 변조기(9)는 출력 펄스들의 진폭을 변조하거나 펄스들의 버스트를 선택하도록 동작한다. 그런 다음, 광 변조기(9)에 입사하는 2개의 펄스들 사이의 주기(period)는 소스 펄스들의 주기에 대하여 인자 2 또는 4만큼 감소된다. 이 경우에, 광 변조기(9)는, 광 변조기(9)의 상승 시간이 광 변조기(9)에 입사하는 2개의 펄스들 사이의 주기보다 클 때, 탑-햇 버스트를 선택하기에는 너무 느릴 수 있다.
도 9는 도 2 또는 3에 도시된 바와 같은 모드-동기 레이저 발진기의 출력부에서의 소스 펄스 빔(100)의 측정을 도시한다. 모드-동기 레이저 발진기는 약 900MHz의 제1 반복 주파수(F1)를 갖는 소스 펄스들을 발생시킨다. 두 개의 연속적인 레이저 펄스들 사이의 주기는 약 1.1ns이다. 펄스들의 지속 시간은 약 200fs이다. 펄스들의 지속 시간은 예를 들어 100fs 정도이거나 심지어 100fs보다 더 짧을 수 있다.
도 10 내지 도 11은 도 9의 소스 펄스들로부터 매우 높은 레이트의 고에너지 레이저 펄스들의 버스트들을 발생시키는 예를 도시한다. 도 5에 개략적으로 도시된 바와 같은 레이저 시스템이 사용된다. 도 10은 발진기에서 나와서 액티브 광섬유 증폭기 시스템에서 증폭된 약 80 펄스들의 버스트를 도시한다. 도 11은 2MHz의 인터-버스트 반복 주파수를 가지며, 듀티 사이클이 약 18%이고, 액티브 광섬유 증폭기 시스템의 출력 전력이 20W 정도이고, 증폭된 펄스들의 지속 시간이 약 200fs인 일련의 레이저 펄스들 버스트를 도시한다.
전술한 실시예들 중 하나에 따른 펄스 레이저 시스템은, 특히 유리와 같은 고체 재료, 실리콘과 같은 반도체, 또는 예를 들어 구리, 알루미늄 또는 스테인레스 스틸과 같은 금속의 용발에서 많은 애플리케이션들을 갖는다. 중합체 또는 생물학적 재료들(각막, 상아질 등)을 이러한 레이저 처리할 수 있다.
본 발명은, 특히 소위 용발 냉각을 얻을 수 있도록, 1GHz 또는 1GHz 이상, 또는 심지어 10GHz 또는 20GHz 이상의 레이트로 다양한 고체 재료들의 용발을 위한 애플리케이션들을 갖는다.
바람직하게는, 비선형 광학 주파수 2배기 또는 광학 주파수 3배기 광학 시스템은, 전술한 실시예들 중 어느 하나에 따른 매우 높은 레이트의 레이저 시스템의 출력부에서 광학 주파수를 2배 또는 3배함으로써, 펄스 빔의 파장을 변환하는 데에 사용된다.
이러한 레이저 시스템은 용발의 품질과 펨토 초(또는, 피코 초) 가공의 정확성을 유지하면서 생산성을 향상시킬 수 있다. 실제는, 이 레이저 시스템은 1GHz보다 높은 인트라-버스트 반복 주파수(또는, 제2 반복 주파수(F2))를 갖는 버스트를 발생시킴으로써, 재료 내의 에너지의 축적(deposition of energy)을 최적화할 수 있게 한다. 더욱이, 레이저 시스템은, 잠재적으로 낮은 레이트의 펄스들의 트레인에서, 버스트 내의 매우 높은 레이트의 M 펄스들의 에너지를 연속적으로 공급함으로써 재료에서의 에너지의 축적을 제어할 수 있게 한다. 마지막으로, 레이저 시스템은, 서로 다른 다음의 파라미터들을 조정함으로써, 상호 작용이 필요한 재료의 함수로서 에너지의 축적을 제어하고 최적화할 수 있게 한다: 버스트에서의 펄스 레이트(또는, 버스트에서의 펄스들 사이의 시간 분할), 버스트에서의 펄스들 수 및/또는 펄스 트레인의 레이트.
본 발명의 레이저 시스템은 안정성(robustness) 및 신뢰성과 관련하여 가혹한(demanding) 산업 애플리케이션들에 적합하다. 더욱이, 본 레이저 시스템은 특히 컴팩트한데, 왜냐하면, 본질적으로 소형-크기 부품들(로드, 플레이트 또는 얇은 디스크 증폭기 크리스탈) 및/또는 광섬유 부품들에 기초하기 때문이다.
1GHz를 초과하는 반복 주파수로 레이저 펄스들을 발생시키는 방법은 고체 재료들의 레이저 용발 효율의 증가를 구현하기에 적합하다.
Claims (16)
- 매우 높은 레이트의 레이저 시스템으로서:
- 800 메가헤르츠 이상의 제1 반복 주파수(F1)로, 펨토 초 또는 피코 초 지속 시간의 일련의 소스 펄스들(100)을 포함하는 소스 레이저 빔을 발생시키도록 구성된 모드-동기 발진기(1);
- 매우 높은 반복 주파수의 일련의 레이저 펄스들을 발생시키기 위해, 상기 일련의 소스 펄스들(100)을 수신하여 상기 제1 반복 주파수(F1)와 같거나 그의 배수(상기 배수는 2 이상의 자연수)인 제2 반복 주파수(F2)로 증폭하도록 구성된 광 증폭기 시스템(2)을 포함하는, 레이저 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 발진기(1)와 상기 광 증폭기 시스템(2) 사이에 배열된 반복 주파수 체배기 디바이스(4, 44)를 더 포함하고,
상기 반복 주파수 체배기 디바이스(4, 44)는, 제1 광 커플러-스플리터(41), 제1 광 지연 라인(51)과 제1 출력부(S1)를 갖는 제2 광 커플러-스플리터(42)를 포함하고,
상기 제1 광 커플러-스플리터(41)는, 소스 레이저 빔(100)을, 제1 반복 주파수(F1)의 제1 펄스 빔(110)과 제1 반복 주파수(F1)의 제2 펄스 빔(120)으로 공간적으로 분할하도록 구성되고,
상기 제1 광 지연 라인(51)은, 상기 제1 반복 주파수(F1)의 상기 제2 펄스 빔(120)의 궤적 상에 있는 상기 제1 광 커플러-스플리터(41)와 상기 제2 광 커플러-스플리터(42) 사이에 배열되고,
상기 제1 광 지연 라인(51)은, 상기 제2 펄스 빔(120) 상의 상기 제1 반복 주파수(F1)의 반주기와 동일한 광 지연을 유도하도록 및 반주기만큼 지연된 제2 펄스 빔(130)을 발생시키도록 구성되고,
상기 제2 광 커플러-스플리터(42)는, 상기 제1 빔(110)과 반주기만큼 지연된 상기 제2 빔(130)을 재결합하도록 및 상기 제1 출력부(S1) 상에 상기 펄스들이 상기 제1 반복 주파수(F1)의 2배와 동일한 상기 제2 반복 주파수(F2)를 갖는 것으로 평가되는 제1 재결합 빔(142)을 형성하도록 구성되는, 레이저 시스템. - 제2항에 있어서,
상기 제2 광 커플러-스플리터(42)는 제2 출력부(S2)를 구비하고,
상기 제2 광 커플러-스플리터(42)는 상기 제2 출력부(S2) 상에, 상기 제1 반복 주파수(F1)의 2배와 동일한 상기 제2 반복 주파수(F2)의 펄스들을 포함하는 제2 재결합 빔(152)을 형성하도록 구성되고,
상기 제1 재결합 빔(142)과 상기 제2 재결합 빔(152)은 상기 제2 광 커플러-스플리터(42)의 상기 출력부에서 서로 간에 동기화되는, 레이저 시스템. - 제3항에 있어서,
상기 반복 주파수 체배기 디바이스(44)는 제2 광 지연 라인(52)과 제1 출력부(S1)를 구비한 광 컴바이너(49)를 포함하고,
상기 제2 광 지연 라인(52)은 상기 제2 펄스 빔(152)의 궤적 상에 있는 상기 제2 광학 커플러-스플리터(42)와 상기 광 컴바이너(49) 사이에 배열되고,
상기 제2 광 지연 라인(52)은 상기 제2 재결합 빔(152) 상의 상기 제1 반복 주파수(F1)의 1/4 주기와 동일한 광 지연을 유도하도록 및 1/4 주기만큼 지연된 제2 펄스 빔(162)을 발생시키도록 구성되고, 및
상기 광 컴바이너(49)는 상기 제1 재결합 빔(142)과 1/4 주기만큼 지연된 상기 제2 펄스 빔(162)을 재결합하도록 및 그것의 제1 출력부(S1)에서 상기 제1 반복 주파수(F1)의 4배와 동일한 제3 반복 주파수(F3)의 펄스들을 포함하는 제1의 4배 반복 주파수 빔(170)을 형성하도록 구성되는, 레이저 시스템. - 제4항에 있어서,
상기 광 컴바이너(49)는 제2 출력부(S2)를 구비하고,
상기 광 컴바이너(49)는 상기 제2 출력부(S2) 상에, 상기 제1 반복 주파수(F1)의 4배와 동일한 상기 제3 반복 주파수(F3)의 펄스들을 포함하는 제2의 4배 반복 주파수 빔(180)를 형성하도록 구성되고,
상기 제1의 4배 주파수 빔(170)과 상기 제2의 4배 반복 주파수 빔(180)은 상기 광 컴바이너(49)의 상기 출력부에서 서로 간에 동기화되는, 레이저 시스템. - 제3항 또는 제5항에 있어서,
상기 제1 광 커플러-스플리터(41), 상기 제2 광 커플러-스플리터(42) 및 상기 광 컴바이너(49)는,
편광 또는 편광면-보존 커플러들이고, 또한,
상기 제1 재결합 빔(142)과 상기 제2 재결합 빔(152)을, 또는 상기 제1의 4배 반복 주파수 빔(170)과 상기 제2의 4배 반복 주파수 빔(180)을 결합하도록 구성된 편광 디바이스를 더 포함하는, 레이저 시스템. - 제3항에 있어서,
상기 제2 광 커플러-스플리터(42)의 상기 제1 출력부(S1) 상에 배열된 펄스 압축기(8) 및/또는 상기 제2 광 커플러-스플리터(42)의 상기 제2 출력부(S2) 상에 배열된 또 하나의 펄스 압축기를 더 포함하는, 레이저 시스템. - 제5항에 있어서,
상기 광 컴바이너(49)의 상기 제1 출력부(S1) 상에 배치된 펄스 압축기(8) 및/또는 상기 광 컴바이너(49)의 상기 제2 출력부(S2) 상에 배치된 또 하나의 펄스 압축기(8)를 더 포함하는, 레이저 시스템. - 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 모드-동기 발진기는, 반도체 발진기 또는 고체-상태 발진기, 하이브리드 발진기 또는 광섬유-광학 발진기 중에서 선택되는, 레이저 시스템. - 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 광 증폭기 시스템(2)은, 액티브 광섬유 증폭기 및/또는 크리스탈 증폭기를 포함하는 광 증폭기들의 유형 중에서 선택된, 광 증폭기(21) 또는 복수의 광 증폭기들(21, 22, ..., 2N)을 포함하는, 레이저 시스템. - 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 광 증폭기 시스템(2)은, 캐스케이드로 배열된 복수의 광 증폭기들(21, 22, ..., 2N)을 포함하고,
상기 복수의 광 증폭기들(21, 22, ..., 2N)은 광 전력 증폭기를 포함하는, 레이저 시스템. - 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
비선형 광 주파수 2배기 또는 광 주파수 3배기 광 시스템을 포함하는, 레이저 시스템. - 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 발진기(1)로부터의 하류이고, 상기 광 증폭기 시스템(2)으로부터의 상류 또는 상기 광 전력 증폭기(22, 2N)로부터의 상류에 배치된 펄스 피커(3)를 더 포함하고,
상기 펄스 피커(30)는, 펄스들의 버스트(30)를 선택하고 및/또는 진폭으로 변조하도록, 또한 상기 펄스들의 버스트를 상기 광 증폭기 시스템(2)에 또는 상기 광 전력 증폭기(22, 2N)에 주입하도록 구성되는, 레이저 시스템. - 제13항에 있어서
상기 펄스들의 버스트(30)에 상보적인 펄스 빔(40)을 발생시키도록 구성된 또 하나의 소스(14) 및
상기 2차 빔과 상기 펄스들의 소스 버스트를 수신하여 그것들을 상기 펄스들의 버스트의 상기 인트라-버스트 반복 주파수와 동일한 반복 주파수를 갖는 복합 펄스 빔에 결합하도록 구성된 또 하나의 커플러(15)를 더 포함하고,
상기 다른 커플러(15)는 상기 복합 펄스 빔을 상기 광 증폭기 시스템(2)에 또는 상기 광 전력 증폭기(22, 2N)에 주입하도록 구성되는, 레이저 시스템. - 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 광 증폭기 시스템(2)으로부터의 하류에 배치된 광 변조기(9)를 더 포함하고,
상기 광 변조기(9)는 증폭된 펄스들(200)의 버스트 또는 복수의 버스트들을 선택하도록 및/또는 증폭된 펄스들의 상기 버스트 또는 상기 복수의 버스트들을 진폭으로 변조하도록 구성되는, 레이저 시스템. - 매우 높은 레이트의 레이저 펄스들을 발생시키기 위한 방법으로서,
800 메가헤르츠 이상인 제1 반복 주파수(F1)를 갖는 발진기(1)에 의해 펨토 초 또는 피코 초 지속 시간의 일련의 소스 펄스들(100)을 발생시키는 단계; 및
일련의 매우 높은 레이트의 레이저 펄스들(140, 150, 170, 180)을 발생시키기 위해서, 상기 일련의 소스 펄스들을 상기 제1 반복 주파수(F1)와 동일하거나 그의 배수(상기 배수는, 2 이상의 자연수임)인 제2 반복 주파수(F2)로 광학적으로 증폭시키는 단계를 포함하는, 방법.
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