KR20210053693A - 선분산 보상 장치를 포함한 레이저 증폭 시스템 - Google Patents

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엘레나 살
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Abstract

본 발명은 선분산 보상 장치를 포함한 레이저 증폭 시스템에 관한 것으로서, 본 발명의 레이저 증폭 시스템은 증폭기에서 발생하는 분산에 따른 펄스폭 넓어짐 현상을 미리 고려하여 증폭기 앞단에 선분산 보상 장치를 두어 펄스가 음분산 값으로 처핑되도록 하여 증폭기를 통과한 후에 별도의 펄스 압축기 없이도 좁은 펄스폭을 갖는 증폭 펄스를 발생시킬 수 있다.

Description

선분산 보상 장치를 포함한 레이저 증폭 시스템{Laser Amplifying System Including Pre-Chirping Unit as Dispersion Compensator}
본 발명은 레이저 증폭 시스템에 관한 것으로서, 특히, 증폭기 앞단에 선분산 보상 장치를 두어 별도의 펄스 압축기가 필요없는 레이저 증폭 시스템에 관한 것이다.
고출력 극초단 펄스의 발생을 위하여 통상적으로 도 1과 같은 펨토초 펄스 발생기(oscillator)(13), 펄스 확장기(stretcher)(14), 펄스 증폭기(amplifier)(15), 펄스 압축기(compressor)(16)로 구성되는 처프 펄스 증폭 (chirped-pulse amplification: CPA)이 활용되고 있다.
그러나, 도 1과 같은 CPA 시스템은 고에너지 펄스를 이득매질의 손상없이 안정적으로 증폭시킬 수 있으나 시스템이 크고 복잡하며 이에 따른 시스템 구성 비용이 높아지고 안정성이 다소 떨어지는 한계가 있다.
따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은, 증폭기에서 발생하는 분산에 따른 펄스폭 넓어짐 현상을 미리 고려하여 증폭기 앞단에 선분산 보상 장치를 두어 펄스가 음분산 값으로 처핑되도록 하여 증폭기를 통과한 후에 별도의 펄스 압축기 없이도 좁은 펄스폭을 갖는 증폭 펄스를 발생시킬 수 있는 레이저 증폭 시스템을 제공하는 데 있다.
먼저, 본 발명의 특징을 요약하면, 상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일면에 따른 레이저 증폭 시스템은, 펄스를 발생하는 발진기; 및 상기 펄스를 증폭시키는 레이저증폭부를 포함하고, 상기 레이저증폭부는, 상기 펄스가 음의 분산을 나타내도록 처프하는 선분산 보상기; 및 상기 음의 분산으로 처프된 상기 펄스의 입사에 대해 펄스 출력을 증폭시키는 레이저 증폭기를 포함한다.
상기 레이저증폭부는 상기 선분산 보상기 및 상기 레이저 증폭기를 하나의 단위 모듈 형태로 제작하여, 상기 레이저증폭부를 복수로 다단 결합하여 상기 펄스의 다단 증폭이 가능하다.
상기 레이저 증폭 시스템은, 상기 레이저 증폭기의 레이저 매질 및 광학계 매질의 양의 분산에 의해 펄스폭이 커지는 것에 대하여, 미리 상기 선분산 보상기의 음의 분산에 의해 상기 펄스의 폭을 좁히기 위해 상기 음의 분산으로 처프된 상기 펄스를 상기 레이저 증폭기로 입사한다.
압축기 없이도 상기 레이저 증폭기에서 펄스폭이 좁은 레이저 펄스를 발생시키되, 상기 레이저 증폭기에서의 상기 레이저 펄스의 펄스폭은, 상기 선분산 보상기가 사용되지 않을 때의 상기 레이저 증폭기에서의 펄스폭 보다 좁다.
상기 레이저 증폭기는, 레이저 매질로서 Yb:YAG, Nd:YAG, Yb:Y2O3, Yb:CALGO, Yb:KGW, Yb:KYW, Yb:KLuW, Yb:glass, Yb:YVO4, Er:YAG, Tm:YAG, Ho:YAG, 또는 Cr:YAG를 포함한다.
상기 선분산 보상기는, 상기 펄스를 일반 고반사 미러 및 음의 분산값을 갖는 처프 미러 사이에서 미리 결정된 횟수 만큼 반사시켜 출력할 수 있다.
또한, 상기 선분산 보상기는, 상기 펄스를 하나의 처프 미러만으로 반사시켜 출력할 수도 있다.
상기 선분산 보상기는, 상기 펄스를 음의 분산값을 갖는 2개의 처프 미러 사이에서 미리 결정된 횟수 만큼 반사시켜 출력할 수도 있다.
상기 선분산 보상기는, 음의 분산값을 갖는 처프 미러(chirped mirror), GTI (Gires-Tournois interferometers) 미러를 포함하는 유전체 분산 미러(dielectric dispersive mirror), 회절 격자쌍(pairs of diffraction grating), 프리즘쌍(prism pairs), CVBG (Chirped Volume Bragg gratings), 또는 GRISMs을 이용할 수 있다.
그리고, 본 발명의 다른 일면에 따른 레이저 증폭 방법은, 발진기를 이용하여 펄스를 발생하는 단계; 상기 펄스에 대해 레이저 펄스를 증폭시키는 단계를 포함하고, 상기 레이저 펄스를 증폭시키는 단계는, 상기 펄스가 음의 분산을 나타내도록 처프하는 단계; 및 상기 음의 분산으로 처프된 상기 펄스의 입사에 대해 펄스 출력을 증폭시키는 단계를 포함한다.
본 발명에 따른 레이저 증폭 시스템에 따르면, 증폭기 앞단에 선분산 보상 장치를 두어 펄스가 음분산 값으로 처핑되도록 하여 증폭기를 통과한 후에 별도의 펄스 압축기 없이도 좁은 펄스폭을 갖는 증폭된 펄스빔을 발생시킬 수 있다.
종래 CPA 기술은 펄스 확장기와 펄스 압축기를 별도로 구성해야 하는 번거로움이 있지만, 본 발명은 선분산 보상 장치 하나만으로도 확장된 펄스가 증폭기를 통과하면서 증폭 압축된 효과를 동시에 볼 수 있다. 또한 증폭기 전 pre-chirp 장치를 도입하는 PCMA(pre-chirp managed amplification) 기술의 경우에는 음분산 또는 양분산 값으로 펄스를 처핑한 후 증폭기를 통과한 후 펄스 압축기를 반드시 두어 펄스를 압축해야만 극초단 펄스를 구현할 수 있으며, 또한 SPM(self phase modulation)이 많이 발생할 수 있는 광섬유 형태의 증폭기에서만 구현 가능하였다.
본 발명은 기존 CPA 증폭 방식에 비해 시스템이 더욱 간소하여 작고 안정적인 산업용 극초단 펄스 시스템을 구성하는데 용이하며 시스템 구성 비용을 절감할 수 있다. 특히 thin-rod(가는 막대) 형태의 증폭기를 구성할 경우 광섬유 형태에 비해 이득 매질 내에서 펄스의 비선형성이 낮으므로 CPA 구성 없이도 본 발명에서 제시하는 선분산 보상 장치를 통해 극초단 고출력 펄스 구현이 가능하다. 또한 최적화된 선분산 보상 장치와 증폭기를 하나의 모듈로 구성할 경우 출력 사양에 따라 용이하게 모듈을 가감하여 전체 시스템을 구성할 수 있다는 장점이 있다.
또한, 펄스 압축기를 증폭기 뒷단에 두어 펄스를 압축하는 경우에는 증폭된 펄스의 출력 세기 및 에너지가 높아 압축기를 구성하는 광학 부품에 손상을 줄 수 있거나 손상이 없는 고가의 고출력용 광학 부품이 필요하다. 하지만 본 발명의 선 분산 보상 장치를 적용하는 경우 출력이 증폭되기 전인 증폭기 앞단에 위치하기 때문에 압축 부품의 광학적 손실을 줄이거나 광학 부품의 구성 비용을 절감할 수 있다.
본 발명에 관한 이해를 돕기 위해 상세한 설명의 일부로 포함되는 첨부도면은, 본 발명에 대한 실시예를 제공하고 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 설명한다.
도 1은 종래의 레이저 증폭용 CPA 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 일반적인 프리-처프 발생 장치를 갖는 PCMA 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 일반적인 레이저의 분산 매질 통과시의 분산을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 선분산 보상에 따라, 레이저의 증폭기 분산 매질 통과 시, 좁은 펄스폭의 증폭 펄스 발생의 개념을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 증폭 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 선분산 보상기 및 레이저 증폭기의 하나의 단위 모듈 형태를 설명하기 위한 도면이다.
도 7a 내지 도 7c는 본 발명의 선분산 보상기의 다양한 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 선분산 보상기의 처프 미러 반사 횟수에 따른 펄스폭의 감소 효과를 설명하기 위한 증폭 압축된 레이저 펄스의 펄스폭 측정 결과이다.
이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 대해서 자세히 설명한다. 이때, 각각의 도면에서 동일한 구성 요소는 가능한 동일한 부호로 나타낸다. 또한, 이미 공지된 기능 및/또는 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 이하에 개시된 내용은, 다양한 실시 예에 따른 동작을 이해하는데 필요한 부분을 중점적으로 설명하며, 그 설명의 요지를 흐릴 수 있는 요소들에 대한 설명은 생략한다. 또한 도면의 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시될 수 있다. 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것이 아니며, 따라서 각각의 도면에 그려진 구성요소들의 상대적인 크기나 간격에 의해 여기에 기재되는 내용들이 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서, 본 발명과 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 상세한 설명에서 사용되는 용어는 단지 본 발명의 실시 예들을 기술하기 위한 것이며, 결코 제한적이어서는 안 된다. 명확하게 달리 사용되지 않는 한, 단수 형태의 표현은 복수 형태의 의미를 포함한다. 본 설명에서, "포함" 또는 "구비"와 같은 표현은 어떤 특성들, 숫자들, 단계들, 동작들, 요소들, 이들의 일부 또는 조합을 가리키기 위한 것이며, 기술된 것 이외에 하나 또는 그 이상의 다른 특성, 숫자, 단계, 동작, 요소, 이들의 일부 또는 조합의 존재 또는 가능성을 배제하도록 해석되어서는 안 된다.
또한, 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되는 것은 아니며, 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
도 2는 일반적인 프리-처프 발생 장치를 갖는 PCMA 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 2와 같이, 증폭기 앞단에 프리-처프(pre-chirp)를 발생하는 장치를 두어 펄스를 증폭하는 PCMA(pre-chirp managed amplification) 시스템에 관한 연구도 있으나, 이러한 시스템에서 선분산(pre-chirp) 장치를 넣는 것은 광섬유 증폭기(fiber amplifier)에서 발생하는 SPM(self-phase modulation) 현상을 이용하여 스펙트럼의 밴드폭을 넓히고자 하는 목적에서 사용되는 것이며, 따라서 이와 같은 시스템에서도 증폭기 후 펄스 압축기(compressor)를 통한 펄스 압축이 필요하게 된다. 다시 말하여, 도 2와 같은 PCMA 시스템의 경우, 증폭기 전에 pre-chirp 장치를 구성하고 있지만, pre-chirp을 통해 음분산 또는 양분산 값으로 펄스를 처핑하지만 분산을 보정하는 것이 아니라 스펙트럼 밴드폭을 넓혀 펄스 압축 이후 좁은 펄스폭을 구현하는 것이 목적이며, 따라서 선 분산 장치뿐만 아니라 펄스 압축기가 반드시 있어야 좁은 펄스폭이 구현 가능한 것이다.
한편, 펄스의 반복율이 높아 펄스 에너지가 낮은 경우이거나 또는 thin-rod 형태의 증폭기처럼 비선형 현상이 적게 발생하는 경우에는 처프 펄스 증폭 구성 없이 증폭기만으로도 안정적으로 펄스 출력을 증폭시킬 수 있다. 하지만 이러한 경우에도 이득매질을 포함하여 증폭기 내부의 여러 광부품들에 의해 발생하는 분산에 따라 펄스 폭이 늘어나는 현상이 발생하므로 증폭기 후에 펄스 압축기를 구성하여야지만 좁은 펄스폭을 구현할 수 있다.
일반적으로 레이저 극초단 펄스는 도 3과 같이 분산 매질을 통과하면서 분산에 따라 펄스폭이 넓어지는 현상이 발생한다. 고출력 펄스의 발생을 위해 극초단 펄스의 출력을 증폭하는 과정에서도 증폭기를 구성하는 다양한 광학 매질에 의해 이러한 펄스폭 넓어짐 현상이 발생하므로 좁은 펄스폭을 구현하기 위해서는 통상적으로 증폭기 뒷단에 펄스 압축기를 구성하여 펄스를 압축하게 된다.
이와 같은 펄스 압축기를 증폭기 뒷단에 두어 펄스를 압축하는 경우에는 증폭된 펄스의 출력 세기 및 에너지가 높아 압축기를 구성하는 광학 부품에 손상을 줄 수 있거나 손상이 없는 고가의 고출력용 광학 부품이 필요하다.
본 발명에서는 이러한 증폭기 내부에서 발생할 수 있는 분산 효과를 선분산 보상 장치를 증폭기 앞단에 둠으로써 펄스가 음분산 값으로 처핑되도록 하여 증폭기 내부에서 안정적으로 출력을 증폭시킨 후, 펄스 압축기 없이도 증폭기 통과 후 좁은 펄스폭을 갖는 펄스의 방출이 가능하도록 하였다. 이러한 선분산 보상 장치는 출력이 증폭되기 전인 증폭기 앞단에 위치하기 때문에 압축 부품의 광학적 손실을 줄이거나 광학 부품의 구성 비용을 절감할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 증폭 시스템(100)을 설명하기 위한 도면이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 증폭 시스템(100)는, 펄스(예, 극초단 광펄스)를 발생하는 발진기(Master Oscillator)(110), 발진기(110)로부터의 펄스가 음의 분산을 나타내도록 처프하는(chirping) 선분산 보상기(120), 및 상기 음의 분산으로 처프된 상기 펄스의 입사에 대해 레이저 펄스를 증폭시키는 레이저 증폭기(130)를 포함한다. 레이저 증폭기(130)는 레이저 펄스를 증폭시키기 위하여 렌즈, 미러 등 광학계를 구비할 수 있으며, 레이저발생소자로서 Yb:YAG, Nd:YAG, Yb:Y2O3, Yb:CALGO, Yb:KGW, Yb:KYW, Yb:KLuW, Yb:glass, Yb:YVO4, Er:YAG, Tm:YAG, Ho:YAG, 또는 Cr:YAG 등으로 구성된 씬 로드(thin rod)를 포함한 다양한 형태의 레이저 매질을 포함할 수 있다.
도 6은 본 발명의 선분산 보상기(120) 및 레이저 증폭기(130)의 하나의 단위 모듈 형태를 설명하기 위한 도면이다.
도 6과 같이, 선분산 보상기(120) 및 레이저 증폭기(130)는 펄스 입사에 대해 레이저 펄스를 발생시키기 위한 레이저증폭부(210/220)로서, 레이저증폭부(210/220)는 하나의 단위 모듈 형태로 제작될 수 있다. 즉, 레이저증폭부(210/220)가 하나의 단위 모듈 형태로 제작됨으로써, 사용자는 펄스의 다단 증폭을 위하여, 복수의 레이저증폭부(210/220)를 이전 것의 출력과 다음 것의 입력을 결합하는 방식으로 복수개를 다단 결합하여 필요한 만큼 파워가 증폭되고 펄스폭이 압축된 레이저 펄스를 용이하게 획득하는 것도 가능하다. 도면에서는 2개의 레이저증폭부(210/220)가 직렬 구성된 것을 도시하였으나, 이에 한정되지 않으며 더 많은 수의 레이저증폭부 단위 모듈이 직렬 결합되도록 가감하여 필요한 증폭 압축된 레이저 펄스를 출력시킬 수 있다.
본 발명에서는 이와 같이 하나의 레이저증폭부 또는 복수의 레이저증폭부 단위 모듈이 결합된 레이저증폭부(210/220)를 이용함으로써, 레이저 증폭기(130) 앞단의 선분산 보상기(120)에 의해 펄스가 음의 분산값으로 처핑되도록 하여 증폭기(130)를 통과한 후에 별도의 펄스 압축기 없이도 좁은 펄스폭을 갖는 증폭 압축된 레이저 펄스빔을 발생시킬 수 있다.
즉, 레이저 증폭기(130)의 레이저 매질(예, Yb:YAG, Nd:YAG, Yb:Y2O3, Yb:CALGO, Yb:KGW, Yb:KYW, Yb:KLuW, Yb:glass, Yb:YVO4, Er:YAG, Tm:YAG, Ho:YAG, 또는 Cr:YAG 등) 및 다수의 광학계의 매질의 양의 분산(positive dispersion)에 의해 펄스폭이 커지는 것에 대하여, 미리 선분산 보상기(120)의 음의 분산에 의해 펄스의 폭을 좁히기 위해 선분산 보상기(120)에 의해 해당 음의 분산으로 처프된(chirped) 펄스를 레이저 증폭기(130)로 입사한다. 이에 따라 음의 분산값으로 처핑된 후 증폭기(130)를 통해 증폭되며 이러한 과정에서 증폭기에서 발생하는 양의 분산값과 서로 상쇄되어 분산값이 적절히 보상된 좁은 펄스폭을 갖는 펄스가 방출되게 된다. 즉, 후속 압축기 없이도 레이저 증폭기(130)에서 펄스폭이 좁은 레이저 펄스를 발생시킬 수 있게 되며, 레이저 증폭기(130)에서의 레이저 펄스의 펄스폭은, 선분산 보상기(120)가 사용되지 않을 때의 레이저 증폭기(130)에서의 펄스폭 보다는 좁게 된다.
도 7a는 본 발명의 선분산 보상기(120)의 일례를 설명하기 위한 도면이다.
도 7a를 참조하면, 본 발명의 선분산 보상기(120)는 일반 고반사 미러(121) 및 처프(chirp) 미러(122)를 포함하며, 선분산 보상기(120)는 입력 펄스를 일반 고반사 미러(121) 및 음의 분산값을 갖는 처프 미러(122) 사이에서 미리 결정된 횟수 만큼 반사시킴으로써, 음의 분산을 나타내는 처프된 펄스를 출력한다. 선분산 보상기(120)의 음의 분산값을 갖도록 하기 위한 미러(122)는, 처프 미러(chirped mirror), GTI (Gires-Tournois interferometers) 미러를 포함하는 유전체 분산 미러(dielectric dispersive mirror), 회절 격자쌍(pairs of diffraction grating), 프리즘쌍(prism pairs), CVBG (Chirped Volume Bragg gratings), 또는 GRISMs 등의 형태일 수 있다.
레이저 증폭기(130)의 레이저 매질(예, Y Yb:YAG, Nd:YAG, Yb:Y2O3, Yb:CALGO, Yb:KGW, Yb:KYW, Yb:KLuW, Yb:glass, Yb:YVO4, Er:YAG, Tm:YAG, Ho:YAG, 또는 Cr:YAG 등)과 같은 매질이, 양의 분산을 보이는 것은, 장파장의 위상 속도가 단파장의 위상 속도보다 높다는 것을 의미한다. 매질이 음의 분산을 보이는 것은, 그 반대로 단파장의 위상 속도가 장파장의 위상 속도보다 높다는 것을 의미하고, 이는 위와 같은 유전체 분산 미러 등을 이용하여 구현될 수 있다.
예를 들어, 일반 고반사 미러(121)는 소정의 파장 범위(예, 1030nm 근방)에서 99.9% 반사율을 가질 수 있으며, 처프 미러(122)는 소정의 파장 범위(예, 1030nm 근방)에서 GDD(group delay dispersion)값을 -10,000fs2 정도로 가질 수 있다.
도 7b는 본 발명의 선분산 보상기(120)의 다른 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 7b를 참조하면, 본 발명의 선분산 보상기(120)는 처프 미러(122) 하나만을 이용하여 입력 펄스를 반사시킴으로써 음의 분산을 나타내는 처프된 펄스를 출력하는 경우를 포함한다.
위와 같은 GDD 값이 작아서 증폭 과정에서 양분산이 크지 않게 발생할 경우에 처프 미러(122) 하나만을 이용하여 음의 분산을 나타내는 처프된 펄스를 출력할 수 있으며, 정밀한 분산값의 보정이 필요한 경우 도 7a와 같이 고반사 미러(121) 및 처프 미러(122) 사이에서 미리 결정된 횟수 만큼 반사시킴으로써, 음의 분산을 나타내는 처프된 펄스를 출력할 수도 있다.
도 7c는 본 발명의 선분산 보상기(120)의 또 다른 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 7c를 참조하면, 본 발명의 선분산 보상기(120)는 음의 분산값을 갖는 처프 미러(122) 2개를 이용하여, 그 사이에서 입력 펄스를 미리 결정된 횟수 만큼 반사시킴으로써, 음의 분산을 나타내는 처프된 펄스를 출력할 수도 있다. 이는 위와 같은 GDD 값 커서 증폭 과정에서 양분산이 크게 발생할 경우에 유리하다.
도 8은 본 발명의 선분산 보상기(120)의 처프 미러(122) 반사 횟수에 따른 펄스폭의 감소 효과를 설명하기 위한 증폭 압축된 레이저 펄스의 펄스폭 측정 결과이다. 여기서는 입력 펄스가 처프 미러(122)에서 반사되는 횟수를 통해 총 음의 분산값을 조절해 가며, 증폭기(130)를 통과한 펄스폭이 최저값이 되도록 실험한 결과를 보여준다.
도면에서 본 발명의 선분산 보상기(120)가 없을 경우(810) 증폭기(130)를 통과한 펄스폭은 분산에 따른 펄스폭 늘어남 현상으로 인해 617 펨토초를 갖는 것으로 나타났다. 이 때 처프 미러(122)를 반사하는 횟수를 3회로 하여 음의 분산을 가했을 경우(820) 펄스폭은 544 펨토초로 줄어들었으며, 처프 미러(122) 반사 횟수가 4회일 경우(830) 펄스폭이 499 펨토초로 최저값을 갖는 것을 확인하였다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 레이저 증폭 시스템(100)에 따르면, 증폭기(130) 앞단에 선분산 보상기(120)를 두어 펄스가 음분산 값으로 처핑되도록 하여 증폭기(130)를 통과한 후에 별도의 펄스 압축기 없이도 좁은 펄스폭을 갖는 증폭된 펄스빔을 발생시킬 수 있다. 종래 CPA 기술은 펄스 확장기와 펄스 압축기를 별도로 구성해야 하는 번거로움이 있지만, 본 발명은 선분산 보상기(120) 하나만으로도 확장된 펄스가 증폭기(130)를 통과하면서 증폭 압축된 효과를 동시에 볼 수 있다. 또한 증폭기(130) 전 pre-chirp 장치를 도입하는 PCMA 기술의 경우에는 음분산 또는 양분산 값으로 펄스를 처핑한 후 증폭기(130)를 통과한 후 펄스 압축기를 반드시 두어 펄스를 압축해야만 극초단 펄스를 구현할 수 있으며, 또한 SPM(self phase modulation)이 많이 발생할 수 있는 광섬유 형태의 증폭기(130)에서만 구현 가능하였다. 본 발명은 기존 CPA 증폭 방식에 비해 시스템이 더욱 간소하여 작고 안정적인 산업용 극초단 펄스 시스템을 구성하는데 용이하며 시스템 구성 비용을 절감할 수 있다. 특히 thin-rod(가는 막대) 형태의 증폭기(130)를 구성할 경우 광섬유 형태에 비해 이득 매질 내에서 펄스의 비선형성이 낮으므로 CPA 구성 없이도 본 발명에서 제시하는 선분산 보상기(120)를 통해 극초단 고출력 펄스 구현이 가능하다. 이와 같은 선 분산 보상 장치의 경우 출력이 증폭되기 전인 증폭기 앞단에 위치하기 때문에 압축 부품의 광학적 손실을 줄이거나 광학 부품의 구성 비용을 절감할 수 있다. 또한 최적화된 선분산 보상 보상기(120)와 증폭기(130)를 하나의 모듈로 구성할 경우 출력 사양에 따라 용이하게 모듈을 가감하여 전체 시스템을 구성할 수 있다는 장점이 있다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
발진기(110)
선분산 보상기(120)
레이저 증폭기(130)
레이저증폭부(210, 220)

Claims (18)

  1. 펄스를 발생하는 발진기; 및
    상기 펄스를 증폭시키는 레이저증폭부를 포함하고,
    상기 레이저증폭부는,
    상기 펄스가 음의 분산을 나타내도록 처프하는 선분산 보상기; 및
    상기 음의 분산으로 처프된 상기 펄스의 입사에 대해 펄스 출력을 증폭시키는 레이저 증폭기
    를 포함하는 레이저 증폭 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 레이저증폭부는 상기 선분산 보상기 및 상기 레이저 증폭기를 하나의 단위 모듈 형태로 제작하여, 상기 레이저증폭부를 복수로 다단 결합하여 상기 펄스의 다단 증폭이 가능한 레이저 증폭 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 레이저 증폭기의 레이저 매질 및 광학계 매질의 양의 분산에 의해 펄스폭이 커지는 것에 대하여, 미리 상기 선분산 보상기의 음의 분산에 의해 상기 펄스의 폭을 좁히기 위해 상기 음의 분산으로 처프된 상기 펄스를 상기 레이저 증폭기로 입사하는 레이저 증폭 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    압축기 없이도 상기 레이저 증폭기에서 펄스폭이 좁은 레이저 펄스를 발생시키되, 상기 레이저 증폭기에서의 상기 레이저 펄스의 펄스폭은, 상기 선분산 보상기가 사용되지 않을 때의 상기 레이저 증폭기에서의 펄스폭 보다 좁은 레이저 증폭 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 레이저 증폭기는, 레이저 매질로서 Yb:YAG, Nd:YAG, Yb:Y2O3, Yb:CALGO, Yb:KGW, Yb:KYW, Yb:KLuW, Yb:glass, Yb:YVO4, Er:YAG, Tm:YAG, Ho:YAG, 또는 Cr:YAG를 포함하는 레이저 증폭 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 선분산 보상기는,
    상기 펄스를 일반 고반사 미러 및 음의 분산값을 갖는 처프 미러 사이에서 미리 결정된 횟수 만큼 반사시켜 출력하는 레이저 증폭 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 선분산 보상기는,
    상기 펄스를 하나의 처프 미러만으로 반사시켜 출력하는 레이저 증폭 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 선분산 보상기는,
    상기 펄스를 음의 분산값을 갖는 2개의 처프 미러 사이에서 미리 결정된 횟수 만큼 반사시켜 출력하는 레이저 증폭 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 선분산 보상기는, 음의 분산값을 갖는 처프 미러(chirped mirror), GTI (Gires-Tournois interferometers) 미러를 포함하는 유전체 분산 미러(dielectric dispersive mirror), 회절 격자쌍(pairs of diffraction grating), 프리즘쌍(prism pairs), CVBG (Chirped Volume Bragg gratings), 또는 GRISMs을 이용하는 레이저 증폭 시스템.
  10. 발진기를 이용하여 펄스를 발생하는 단계;
    상기 펄스에 대해 레이저 펄스를 증폭시키는 단계를 포함하고,
    상기 레이저 펄스를 증폭시키는 단계는,
    상기 펄스가 음의 분산을 나타내도록 처프하는 단계; 및
    상기 음의 분산으로 처프된 상기 펄스의 입사에 대해 펄스 출력을 증폭시키는 단계
    를 포함하는 레이저 증폭 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 펄스가 상기 음의 분산을 나타내도록 처프하는 선분산 보상기 및 상기 음의 분산으로 처프된 상기 펄스의 입사에 대해 레이저 펄스를 증폭시키는 레이저 증폭기를 하나의 단위 모듈 형태로 제작하여, 상기 단위 모듈을 복수로 다단 결합하여 상기 펄스의 다단 증폭이 가능한 레이저 증폭 방법.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 레이저 펄스를 발생시키는 레이저 증폭기의 레이저 매질 및 광학계 매질의 양의 분산에 의해 펄스폭이 커지는 것에 대하여, 미리 선분산 보상기에서의 상기 음의 분산에 의해 상기 펄스의 폭을 좁히기 위해 상기 선분산 보상기에 의해 상기 음의 분산으로 처프된 상기 펄스를 상기 레이저 증폭기로 입사하는 레이저 증폭 방법.
  13. 제10항에 있어서,
    압축기 없이도 상기 레이저 증폭기에서 펄스폭이 좁은 레이저 펄스를 발생시키되, 상기 레이저 증폭기에서의 상기 레이저 펄스의 펄스폭은, 상기 선분산 보상기가 사용되지 않을 때의 상기 레이저 증폭기에서의 펄스폭 보다 좁은 레이저 증폭 방법.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 레이저 펄스를 발생시키는 레이저 증폭기는, 레이저 매질로서 Yb:YAG, Nd:YAG, Yb:Y2O3, Yb:CALGO, Yb:KGW, Yb:KYW, Yb:KLuW, Yb:glass, Yb:YVO4, Er:YAG, Tm:YAG, Ho:YAG, 또는 Cr:YAG를 포함하는 레이저 증폭 방법.
  15. 제10항에 있어서,
    상기 펄스가 상기 음의 분산을 나타내도록 처프하는 선분산 보상기에서,
    상기 펄스를 일반 고반사 미러 및 음의 분산값을 갖는 처프 미러 사이에서 미리 결정된 횟수 만큼 반사시켜 출력하는 레이저 증폭 방법.
  16. 제10항에 있어서,
    상기 펄스가 상기 음의 분산을 나타내도록 처프하는 선분산 보상기에서,
    상기 펄스를 하나의 처프 미러만으로 반사시켜 출력하는 레이저 증폭 시스템.
  17. 제10항에 있어서,
    상기 펄스가 상기 음의 분산을 나타내도록 처프하는 선분산 보상기에서,
    상기 펄스를 음의 분산값을 갖는 2개의 처프 미러 사이에서 미리 결정된 횟수 만큼 반사시켜 출력하는 레이저 증폭 시스템.
  18. 제10항에 있어서,
    상기 펄스가 상기 음의 분산을 나타내도록 처프하는 선분산 보상기는, 처프 미러(chirped mirror), GTI (Gires-Tournois interferometers) 미러를 포함하는 유전체 분산 미러(dielectric dispersive mirror), 회절 격자쌍(pairs of diffraction grating), 프리즘쌍(prism pairs), CVBG (Chirped Volume Bragg gratings), 또는 GRISMs를 이용하는 레이저 증폭 방법.
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