KR20210066834A - 단 또는 초단 광 펄스들을 압축하는 시스템 및 방법, 그리고 이와 관련된 광 펄스 레이저 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 광원에 의해 방출된 단 또는 초단 광 펄스들을 압축하는 시스템에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 상기 압축 시스템(4)은, 멀티-패스 셀(14)을 포함하는 제1 비선형 광 펄스 압축 모듈(10) - 상기 멀티-패스 셀(14)은 제1 비선형 광학 매질을 포함함 -; 및 기체상의 제2 비선형 광학 매질로 채워진 모세관(24) 및 상기 모세관(24)의 출력부에 배치된 압축기(28)를 포함하는 제2 비선형 광 펄스 압축 모듈(20)을 포함하고; 상기 제1 비선형 압축 모듈(10)과 상기 제2 비선형 압축 모듈(20)은 소스 광 펄스들의 소스 광선(100)의 경로상에 직렬로 배치된다. 본 발명은 또한, 광-펄스 레이저 시스템(1) 및 단 또는 초단 광 펄스들을 압축하는 방법에 관한 것이다.
Description
본 발명은 일반적으로 고출력 및/또는 고 에너지 초단파 광 펄스들을 생성하기 위한 레이저 시스템 분야에 관한 것이다.
특히, 본 발명은, 광 펄스들을 시간적으로(temporally) 압축하는, 광 펄스 압축 시스템 또는 광 펄스 압축기 분야에 관한 것이다.
더욱 구체적으로, 본 발명은 단 또는 초단(short or ultra-short) 광 펄스들을 압축하는 시스템 및 방법에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 광 펄스 압축 시스템을 포함하는 레이저 시스템에 관한 것이다.
비선형 압축 시스템의 사용은, 일반적으로 시간적인 분산(temporal dispersion) 및 증폭 후, 광 펄스들의 지속 시간을 줄이기 위해 자주 사용되는 방법이다. 많은 비선형 압축 시스템이 알려져 있는데, 이들은 본질적으로, 비선형 광학 특성들을 갖는 고체상의 또는 기체상의 매질에서 입사 광 펄스들의 셀프-위상 변조(SPM; self-phase modulation) 스펙트럼 확장에 기반한다.
알려진 압축 시스템은 중실 섬유(solid-core fibre)를 활용하여 구성된다. 이 디바이스의 투과 효율은 일반적으로 대략 80%이지만, 광 펄스들의 입사 에너지는 수 마이크로줄(μJ)로 제한된다.
또 하나의 압축 시스템은 가스로 채워진 중공 섬유를 활용하여 구성된다. 중공 섬유는, 낮은 손실들(이상적으로는, 무손실)로 광 펄스들의 가이딩을 보장할 수 있게 하는 구조를 가진 도파관으로서 작용한다. 이를 위해, 중공 섬유 클래딩은 이러한 가이딩 특성이 구비되도록, 마이크로-구조화된다. 따라서, 이 디바이스의 전송 효율은, 수십 마이크로줄의 에너지에서, 전형적으로 대략 90%로, 매우 높다. 그러나 이러한 중공 섬유는 레이저 파라미터들(예를 들어, 포인팅 안정성)의 강인성(robustness) 또는 입사 편광의 유지(preservation)와 관련하여 제한된다.
또 다른 압축 시스템은 물질 판들(plates of material)을 활용하여 구성된다. 이러한 물질 판들은 소스에서 방출되는 파장에 투명한 모든 유형의 물질들을 포함한다. 그것은, 예를 들어, 용융 실리카, 이트륨-알루미늄 가넷 결정(YAG 결정), 불화 칼슘(CaF2) 또는 인산염 티타닐 칼륨(KTP)이다. 이 디바이스는 강한 투과율을 얻을 수 있게 하지만, 광선의 공간적 및 시공간적 품질을 유지하기 위해서는 압축 계수가 제한되어야 한다(전형적으로 5 미만).
또 다른 압축 시스템은 가스로 채워진 모세관(capillary)을 활용하여 구성된다. 고 에너지 펄스들(예를 들어, 1mJ 초과)을 사용하여 강력한 압축 계수들이 획득된다(전형적으로 10 초과). 그러나 가스로 채워진 모세관은 도파관 역할을 하지 않으므로, 광 펄스들의 전파(propagation)는 손실없이 발생한다. 따라서, 이 디바이스의 손실을 제한하려면, 사용되는 모세관의 길이와 직경 사이에서 절충안을 찾아야 한다.
마지막으로, 또 하나의 압축 시스템은, 광선이 수 회 왕복하는, 비선형 광학 특성들을 가진, 가스 또는 고체 요소를 포함하는 멀티-패스 셀(multi-pass cell)을 활용하여 구성된다. 이 디바이스는, 전형적으로 90% 초과의 강력한 전송 효율을 보장함으로써, 10 미만의 압축 계수를 얻을 수 있게 한다. 더욱, 광선의 공간적 품질이 보존된다. 그러나 셀에 사용되는 거울들의 광학적 특성들은 이 디바이스의 성능을 제한한다.
결국, 알려진 압축 시스템 중 어느 것에 의해서도, 고효율(전형적으로 50% 초과) 및 고압축률(전형적으로 10과 400 사이에 포함됨) 둘 다를 갖는, 수 개의 광학 사이클들(예를 들어, 10개 미만의 광학 사이클들)의 광 펄스와 같은, 단 또는 초단 광 펄스들을 획득할 수 없다.
전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해, 본 발명은 단 또는 초단 광 펄스들을 압축하는 시스템을 제시한다.
특히, 본 발명에 따르면, 광원에 의해 방출된 단 또는 초단 광 펄스들을 압축하는 시스템이 제시된다. 본 발명에 따르면, 상기 압축 시스템은:
- 멀티-패스 셀을 포함하는 제1 비선형 광 펄스 압축 모듈 - 멀티-패스 셀은 제1 비선형 광학 매질을 포함함 -; 및
- 기체상의 제2 비선형 광학 매질로 채워진 모세관 및 모세관의 출력부에 배치된 압축기를 포함하는 제2 비선형 광 펄스 압축 모듈을 포함하고,
제1 비선형 압축 모듈과 제2 비선형 압축 모듈은 소스 광 펄스들의 소스 광선의 경로상에 직렬로 배치되고, 제1 비선형 압축 모듈은 제2 비선형 압축 모듈의 상류에 배치된다.
유리하게는, 멀티-패스 셀을 포함하는 제1 압축 모듈과 모세관을 포함하는 제2 압축 모듈을 사용함으로써, (수 개 이하의 광학 사이클들의 지속 시간을 가질 수 있는) 단 또는 초단 광 펄스들의 강한 에너지 전송을 얻을 수 있다. 압축 시스템의 출력부에서 전송되는 평균 출력은 이러한 광 펄스 지속 시간 동안 매우 높다. 더욱, 본 발명의 구성은 소형의 압축 시스템에서 광선의 높은 안정성을 제공한다.
이 제1 압축 모듈과 이 제2 압축 모듈의 조합으로써 시간적 또는 공간적-스펙트럼 저하를 나타내지 않으면서, 50% 초과의 에너지 효율을 얻을 수 있다.
개별적으로 또는 모든 기술적으로 가능한 조합들을 고려한, 본 발명에 따른 단 또는 초단 광 펄스들을 압축하는 시스템의 다른 비제한적이고 유리한 특징들은 다음과 같다:
- 제1 비선형 압축 모듈은 멀티-패스 셀의 출력부에 배치된 또 하나의 압축기를 포함한다;
- 멀티-패스 셀은 적어도 2개의 거울들을 포함하고, 소스 광 빔의 전파 영역은 2개의 거울들 사이에 정의된다;
- 2개의 거울들은 분산형(dispersive)이고, 멀티-패스 셀은 음의 분산을 도입한다;
- 멀티-패스 셀의 제1 비선형 광학 매질은 비선형 광학 특성을 갖는 유체 매질을 포함한다;
- 멀티-패스 셀의 제1 비선형 광학 매질은 고체상 비선형 광학 요소를 포함한다;
- 제1 비선형 압축 모듈은 소스 광선을 집속시키기 위한 제1 집속 광학 시스템을 포함하고, 제1 집속 광학 시스템은 상기 제1 비선형 압축 모듈의 입력부에 배치되고, 제1 집속 광학 시스템은 전파 모드(propagation mode)를 멀티-패스 셀의 초점 영역에서의 소스 광선의 사이즈에 결합시키도록 구성된다;
- 제2 비선형 압축 모듈은 제2 집속 광학 시스템을 포함하고, 제2 집속 광학 시스템은 제2 비선형 압축 모듈의 입력부에 배치되고, 제2 집속 광학 시스템은 제1 비선형 압축 모듈로부터 모세관의 입력부로 나오는 제1 압축된 광선을 집속하도록 구성된다;
- 제2 비선형 압축 모듈은 제2 압축된 광선의 분산을 조정하기 위한 광학 디바이스를 포함하고, 상기 광학 디바이스는 제2 비선형 광선 압축 모듈의 출력부에 배치된다;
- 다른 압축기는 적어도 하나의 분산 거울 및/또는 회절 격자 및/또는 프리즘 및/또는 Gires-Tournoi 간섭계를 포함하고, 압축기는 적어도 하나의 분산 거울 및/또는 회절 격자 및/또는 프리즘 및/또는 Gires-Tournoi 간섭계를 포함한다;
- 제1 비선형 압축 모듈의 출력부에서의 광 펄스들의 시간적 압축의 제1 계수는 1 초과 20 이하이고, 바람직하게는 5와 20 사이이고, 제2 비선형 압축 모듈의 출력부에서의 광 펄스들의 시간적 압축의 제2 계수는 1 초과 20 이하이고, 바람직하게는 5와 20 사이이다.
유리하게는, 이 제1 압축 모듈과 이 제2 압축 모듈의 조합에 의해, 10 초과이고 400에 도달하기 쉬운 총 시간적 압축 계수를 얻을 수 있다.
본 발명은 또한, 광 펄스 레이저 시스템을 제시하는데, 이것은:
- 단 또는 초단 광 펄스들을 생성하도록 구성된 광원, 및
- 앞서 정의된 광 펄스 압축 시스템을 포함한다.
본 발명은 또한, 광원에 의해 방출된 단 또는 초단 광 펄스들을 시간적으로 압축하는 방법을 제시한다.
본 발명에 따르면, 그 방법은 연속적으로:
- 제1 비선형 광 펄스 압축 모듈에 의해 비선형으로 광 펄스를 압축하는 제1 단계 - 여기서, 상기 제1 모듈은 멀티-패스 셀을 포함하고, 멀티-패스 셀은 제1 비선형 광학 매질을 포함함 -; 및
- 제2 비선형 광 펄스 압축 모듈에 의해 비선형으로 광 펄스를 압축하는 제2 단계 - 여기서, 제2 모듈은 기체상의 제2 비선형 광학 매질로 채워진 모세관과 모세관의 출력부에 배치된 압축기를 포함함 - 를 포함하고,
제1 비선형 압축 모듈과 제2 비선형 압축 모듈은 소스 광 펄스들의 소스 광선의 경로상에 직렬로 배치되고, 제1 비선형 압축 모듈은 제2 비선형 압축 모듈의 상류에 배치된다.
비제한적인 예시들로서 제공된, 첨부 도면들과 관련된 아래의 설명은, 본 발명이 무엇으로 구성되고 어떻게 구현될 수 있는지에 대해 잘 이해할 수 있게 할 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 레이저 시스템의 서로 다른 요소들에 대한 개략도를 제시한다.
도 2는 본 발명에 따른 레이저 시스템의 서로 다른 요소들에 대한 또 하나의 개략도를 제시한다.
도 1은 본 발명에 따른 레이저 시스템의 서로 다른 요소들에 대한 개략도를 제시한다.
도 2는 본 발명에 따른 레이저 시스템의 서로 다른 요소들에 대한 또 하나의 개략도를 제시한다.
도 1은 예시적인 실시예에 따른 광 펄스 레이저 시스템(1)의 서로 다른 요소들의 첫번째 개략도를 제시한다. 도 2는 본 발명에 따른 광 펄스 레이저 시스템의 서로 다른 요소들의 또 하나의 개략도를 제시한다. 두 도면들에서 공통 요소들은 아래에서 동시에 설명된다.
광 펄스 레이저 시스템(1)은 광원(2)과 광 펄스 압축 시스템(4)을 포함한다.
광원(2)은 단 또는 초단 광 펄스들을 생성하도록 구성된다. 본원에서, "단 또는 초단 광 펄스들"이라는 것은, 그 지속 시간이 수 펨토초(fs)와 100ps 사이에 포함되는 광 펄스들을 의미한다. 광원(2)에 의해 방출되는 광 펄스들의 지속 시간은, 예를 들어 200fs와 400fs 사이에 포함된다. 여기에서, 광원(2)은 대략 1030 나노미터(nm)의 중심 파장을 가지며, 중간-높이 스펙트럼 폭은 대략 7nm이다. 대안으로, 광원의 중심 파장은 가시광 범위 또는 근적외선 범위 또는 평균-적외선(mean-infrared) 범위에 있을 수 있다.
여기서 실제로는, 광원(2)은 고 에너지 광 펄스들을 생성한다. 본원에서, "고 에너지 광 펄스들"이라는 것은, 에너지가 10μJ 초과, 예를 들어 10μJ와 500mJ 사이에 포함되는 광 펄스들을 의미한다. 고 에너지 광 펄스들은 여기서 예를 들어 100μJ와 1mJ 사이의 에너지를 가진다. 실제로, 광원(2)은 예를 들어 "Amplitude Systemes"사의 탠저린(Tangerine) 레이저 소스, 도핑된 이터븀 파이버 레이저 및 증폭기이다. 이 경우, 광원(2)은, 광 펄스당 대략 330fs의 지속 시간과 대략 225μJ의 에너지를 갖는 펄스들을 대략 150kHz의 반복 주파수로 생성한다. 해당하는 평균 출력은 대략 34W이다.
소스 광선(100)은 광원(2)의 출력부에서 생성된 펄스들로부터 형성된다. 실제로, 광원(2)의 출력부에서 소스 광선(100)의 품질 계수(quality factor; M2)는 2 미만이다. 광원(2)의 출력부에서 소스 광선(100)의 품질 계수(M2)는 예를 들어 1.4 x 1.2와 같다.
도 1과 도 2에서 볼 수 있는 바와 같이, 이어서 소스 광선(100)은 아래에서 압축 시스템(4)이라고도 불리는 광 펄스 압축 시스템(4)을 향하게 된다.
압축 시스템(4)은, 아래에서 제1 압축 모듈(10)이라고도 불리는 제1 비선형 광 펄스 압축 모듈(10)과 아래에서 제2 압축 모듈(20)이라고도 불리는 제2 비선형 광 펄스 압축 모듈(20)을 포함한다.
제1 비선형 압축 모듈(10)은 소스 광선(100)의 제1 집속 광학 시스템(12), 멀티-패스 셀(14)을 포함한다. 도시된 예에서, 제1 비선형 압축 모듈(10)은 제1 압축기(16)를 더 포함한다. 제1 압축기(16)는 본원에서 다른 압축기라고도 불린다.
제1 집속 광학 시스템(12)은 제1 압축 모듈(10)의 입력부에 배치된다. 제1 집속 광학 시스템(12)은, 제1 비선형 압축 모듈(10)에 있는 멀티-패스 셀(14)의 상류에 위치한다. 이 설명에서, 용어들 "상류"와 "하류"는, 광원(2)에서의 소스 광선(100)의 발생으로부터 레이저 시스템(1)의 출력부까지, 광선의 전파 방향에 따라 사용된다.
제1 집속 광학 시스템(12)은, 소스 광선(100)이 멀티-패스 셀(14)의 입력부를 향하도록 구성된다. 특히, 제1 집속 광학 시스템(12)은 전파 모드(propagation mode)를 멀티-패스 셀(14)의 집속 영역의 소스 광선(100)의 사이즈(size)("허리(waist)"라고도 함)에 결합하도록 구성된다. 실제로, 제1 집속 광학 시스템(12)은 예를 들어 3-렌즈 배치를 포함한다.
멀티-패스 셀(14)은 적어도 2개의 거울들(30)을 포함한다. 실제로, 2개의 거울들(30)은 오목형이다. 멀티-패스 셀(14)에 배치된 (그리고 아래에서 설명되는) 제1 비선형 광학 매질의 분산에 대해 같은 부호 또는 반대 부호를 갖는 2개의 거울들(30)에 의해 유도된 분산은, 실제로는 제로이다. 예를 들어, 거울들(30)은 약 5cm의 직경과 약 300mm의 곡률 반경을 갖는다. 2개의 거울들(30)은 서로 대향하여 배치되고 거울들(30)의 곡률 반경의 2배 미만의 거리만큼 이격된다. 실제로, 멀티-패스 셀(14)은 예를 들어 약 450mm만큼 이격된 2개의 오목 거울들에 의해 형성된다. 멀티-패스 셀(14)에서 전파하는 광선(102)의 전파 영역은 2개의 거울들(30) 사이에 정의된다.
멀티-패스 셀(14)은 또한, 소스 광선(100)을 전파 영역으로 도입하기 위한 적어도 하나의 광학 요소(31)를 포함한다. 도입 광학 요소(31)는 멀티-패스 셀(14)의 입력부에 배치된다. 도입 광학 요소(31)는, 소스 광선(100)이 거울들(30)을 향하도록 구성된다. 도 2에서 볼 수 있는 바와 같이, 멀티-패스 셀(14)은 또한, 선택적으로, 멀티-패스 셀(14)의 부피(bulk)를 감소시키도록 구성된 편향 거울(32)을 포함한다.
실제로, 도입 광학 요소(31)는 평면 거울, 예를 들어 3mm x 10mm 크기의 직사각형 평면 거울을 포함한다.
대칭적으로, 멀티-패스 셀(14)은, 2개의 거울들(30) 사이의 전파 영역으로부터 광선(102)을 추출하기 위한 적어도 하나의 추출 광학 요소(35)를 포함한다. 추출 광학 요소(35)는 멀티-패스의 출력부에, 거울들(30)의 하류에 배치된다. 추출 광학 요소(35)는 멀티-패스 셀(14)에서 나오는 그리고 특히 전파 영역에서 나오는 광선(105)을 추출하도록, 그리고 추출된 광선(105)이 멀티-패스 셀(14)의 출력부를 향하도록 구성된다. 도 2에서 볼 수 있는 바와 같이, 멀티-패스 셀(14)은 선택적으로 또 하나의 편향 거울(34)을 더 포함한다.
실제로, 추출 광학 요소(35)는 평면 거울, 예를 들어 3mm x 10mm 크기의 직사각형 평면 거울을 포함한다.
도입 광학 요소(31) 및 추출 광학 요소(35)는, 광선(105)이 전파 영역에서 2개의 거울들(30) 사이에서 미리결정된 거리를 이동할 수 있게 하는 방식으로 결합된다. 예를 들어, 여기서, 광선(105)은, 2개의 거울들(30) 사이의 전파 영역에서, 약 27회 왕복에 해당하는, 약 24m의 총 전파 거리를 이동한다.
멀티-패스 셀(14)은 제1 비선형 광학 매질을 포함한다. 이 제1 비선형 광학 매질은 셀프-위상 변조에 필요한 차수 3의 비선형 민감성(non-linear susceptibility)을 얻는 데에 유리하다. 광 펄스들과 이 제1 비선형 매질의 상호 작용은, 이러한 광 펄스들의 스펙트럼 확장을 가능케 한다.
실제로, 제1 비선형 광학 매질은 2개의 거울들(30) 사이에서 관찰된 거리의 전체에 걸쳐 연장된다. 변형예로서, 제1 비선형 광학 매질은 2개의 거울들(30) 사이의 거리의 일부분을 덮을 수 있다.
제1 비선형 광학 매질은 예를 들어 유체 매질이다. 유체 매질은 기체상의 매질 또는 액체상의 매질을 의미한다. 이 유체 매질은 비선형 광학 특성들을 가진다.
예를 들어, 제1 비선형 광학 매질은 기체상 매질이다. 가스는 예를 들어 아르곤이며, 압력은 5bar이다. 변형예로서, 기체상 매질은 예를 들어 크세논, 크립톤, 네온 또는 헬륨과 같은 임의의 희가스, 또는 예를 들어 공기와 같은 임의의 분자 가스를 포함한다. 그 다음, 멀티-패스 셀(14)은 적어도 하나의 가스 전송 요소(36)를 포함한다. 가스 전송 요소(36)는, 가스가 멀티-패스 셀(14)로 주입되고/되거나 멀티-패스 셀(14)로부터 추출될 수 있게 한다.
변형예로서, 멀티-패스 셀은, 전송 요소(36) 덕분에 전파되는 가스 흐름의 시트(seat)가 될 수 있다. 또 하나의 변형예로서, 멀티-패스 셀(14)은 정적인(static) 가스 압력하에 있을 수 있는데, 이 압력은 대기압 미만이거나 초과일 수 있으며, 예를 들어 20bar 미만이다,
또 다른 변형예로서, 제1 비선형 광학 매질은 비선형 광학 특성을 갖는 액체 매질일 수 있다. 실제로, 액체 매질은 예를 들어 물, 아세톤 또는 메탄올과 같은 모든 유형의 액체를 포함할 수 있다.
또 다른 변형예로서, 제1 비선형 광학 매질은 2개의 거울들(30) 사이의 전파 영역에 배치된 고체상 비선형 광학 요소일 수 있다. 고체상 비선형 광학 요소는 예를 들어 용융 실리카 또는 사파이어 또는 이트륨-알루미늄 가넷(YAG 결정)으로 구성된다.
또 다른 변형예로서, 제1 비선형 매질은, 2개의 거울들(30) 사이의 거리를 부분적으로 덮는 고체상 비선형 광학 요소와 유체 매질의 조합을 포함할 수 있다.
도 1과 도 2에 도시된 예시적인 실시예에서, 제1 압축기(16)는 제1 압축 모듈(10)의 출력부에 배치된다. 제1 압축기(16)는 제1 압축 모듈(10)에 있는 멀티-패스 셀(14)의 하류에 위치한다.
이러한 압축 시스템에서 초단 펄스들의 생성은, 특히, 수 개의 광학 사이클들 예를 들어 10개 미만의 광학 사이클들의 펄스를 제공하는(supporting) 스펙트럼의 경우에, 멀티-패스 셀(14)에 축적되는 분산 효과의 정확한 제어를 필요로 한다.
제1 압축기(16)는 멀티-패스 셀(14)로부터 나오는 광선(105)의 광 펄스들을 시간적으로 압축하도록 구성된다. 제1 압축기(16)에서 구현되는 압축은 선형적이다. 예를 들어(도 2), 제1 압축기(16)는 2개의 분산 거울들(40)을 포함하며, 예를 들어 대략 -4900fs2의 총 그룹 지연 분산을 도입한다. 변형예로서, 제1 압축기(16)는 하나의 분산 거울을 포함할 수 있다. 변형예로서, 제1 압축기(16)는 예를 들어 Gires-Tournoi 간섭계(GTI) 또는 소위 "처프드(chirped)" 분산 거울들을 포함한다.
변형예로서, 제1 압축기(16)는 하나 또는 수 개의 회절 격자(diffraction grating)(들) 및/또는 하나 또는 수 개의 프리즘(들)을 포함할 수 있다. 또 다른 변형으로서, 제1 압축기(16)는 회절 격자와 프리즘들의 조합을 포함할 수 있다.
또 다른 변형예로서, 멀티-패스 셀(14)의 거울들은 분산 거울들, 예를 들어 Gires-Tournoi 간섭계(GTI) 또는 소위 "처프드" 거울 유형의 거울들이고, 이로써, 거울들(30) 및 제1 비선형 광학 매질을 포함하는 멀티-패스 셀은 음의 순 분산(negative net dispersion)을 갖는다. 이 경우, 멀티-패스 셀은 스펙트럼 확장과 제1 시간 압축을 광 펄스들에 동시에 적용한다. 그 후, 셀프-압축 현상이 멀티-패스 셀(14)에서 발생한다. 변형예로서, 이 경우, 제1 비선형 압축 모듈(10)은 제1 압축기(16)를 포함하지 않을 수 있으며, 압축은 멀티-패스 셀(14)에서만 발생한다.
전술한 바와 같이, 압축 디바이스(4)는 또한, 제2 압축 모듈(20)을 포함한다. 이 제2 압축 모듈(20)은 광선의 경로상에서 제1 압축 모듈(10)과 직렬로 배치된다. 제2 압축 모듈(20)은 앞서 소개된 제1 압축 모듈(10)의 하류에 배치된다.
제2 압축 모듈(20)은, 제2 집속 광학 시스템(22), 모세관(24), 시준 광학 시스템(26), 제2 압축기(28) 및 광선의 분산을 조정하기 위한 광학 디바이스(60)를 포함한다. 제2 압축기(28)는 또한, 본원에서 압축기라고도 불린다.
제2 집속 광학 시스템(22)은 제2 압축 모듈(20)의 입력부에 배치된다. 제2 집속 광학 시스템(22)은 제2 압축 모듈(20)에 있는 모세관(24)의 상류에 위치한다. 이 제2 집속 광학 시스템(22)은, 제1 압축 모듈(10)로부터 나오는 제1 압축된 광선(110)을 모세관(24)의 입력부로 집속시키도록 구성된다. 예시적인 실시예에서, 이 제2 집속 광학 시스템(22)은, 제1 압축된 광선(110)의 포인팅 안정성(pointing stability)을 보장하고 단시간 및 장시간(term)에서 광 펄스의 안정성을 얻을 수 있게 한다. 실제로, 제2 집속 광학 시스템(22)은 예를 들어 대략 f=400mm인 초점 거리의 렌즈를 포함한다.
그 다음, 제1 압축된 광선(110)은 모세관(24)을 통해 전파된다. 모세관(24)은 예를 들어 대략 1 미터의 미리결정된 길이에 걸쳐 연장된다. 모세관(24)은 50㎛와 10mm 사이의, 예를 들어 대략 400㎛의 직경을 갖는다. 모세관(24)은 제2 비선형 광학 매질을 포함한다. 이 제2 비선형 광학 매질은 셀프-위상 변조에 필요한 차수 3(order 3)의 비선형 민감성을 얻는 데에 유리하다. 광 펄스들과 이 제2 비선형 매질의 상호 작용은, 이러한 광 펄스들의 스펙트럼 확장을 가능케 한다.
이 제2 비선형 광학 매질은 기체상이다. 이 기체상 매질은 예를 들어 아르곤, 크세논, 크립톤, 네온 또는 헬륨 등의 임의의 희가스, 또는 공기 또는 이질소(dinitrogen) 등의 임의의 분자 가스를 포함한다. 예를 들어, 여기에서, 모세관(24)은 크세논이 500mbar의 압력으로 채워진다. 변형예로서, 그것은, 멀티-패스 셀(14)에 존재하는 것과 같은 가스일 수 있다. 모세관(24)은 또한, 적어도 또 하나의 가스 전송 요소(27)를 포함한다. 다른 가스 전송 요소(27)는, 가스가 모세관(24) 내부로 주입되고 및/또는 모세관(24)으로부터 추출될 수 있게 한다.
변형예로서, 모세관(24)은, 다른 전송 요소들(27) 덕분에 전파되는, 가스 흐름의 시트가 될 수 있다. 이 경우, 모세관(24)은 차등(differential) 가스 압력하에 있다. 이 차등 압력은 모세관에서 다른 전송 요소들(27)을 통해 가스를 주입하고 추출함으로써 얻어진다.
또 하나의 변형예로서, 모세관(24)은 정적인 가스 압력하에 있을 수 있다.
실제로, 모세관(24)은, 예를 들어 입력부 윈도우(23)와 출력부 윈도우(25)를 포함하고, 이들 각각을 통해 광선이 모세관(24)으로 들어가고 모세관(24)으로부터 나오게 된다.
도 1과 도 2에서 볼 수 있는 바와 같이, 제2 압축 모듈(20)은 또한, 시준 광학 시스템(26)을 포함한다. 시준 광학 시스템(26)은 모세관(24)으로부터 나오는 광선(115)의 경로상에서 모세관(24)의 하류에 배치된다. 이 시준 광학 시스템(26)은 모세관(24)으로부터 나오는 광선(115)을 시준하도록 구성된다. 실제로, 시준 광학 시스템(collimating optical system)(26)은 렌즈 또는 축외 포물경(off-axis parabolic mirror) 또는 구면경이다. 예를 들어, 시준 광학 시스템(26)은 대략 10mm의 직경 및/또는 대략 800mm의 곡률 반경의 구면경일 수 있다.
변형예로서, 이 시준 광학 시스템(26)은 제2 압축 모듈(20)에서 생략될 수 있다.
그 다음, 제2 압축기(28)는 제2 압축 모듈(20)의 출력부에 배치된다. 제2 압축기(28)는 제2 압축 모듈(20)에 있는 시준 광학 시스템(26)의 하류에 위치한다.
제2 압축기(28)는 모세관(24) 및 시준 광학 시스템(26)으로부터 나오는 광선(115)의 광 펄스들을 시간적으로 압축하도록 구성된다. 제2 압축기(28)에서 실현되는 압축은 선형적이다. 도 2의 예에서, 제2 압축기(28)는, 예를 들어 대략 -300fs2의 총 그룹 지연 분산(total group delay dispersion)을 도입하는, 적어도 2개의 분산 거울들(50)을 포함한다. 변형예로서, 제2 압축기(28)는 하나의 분산 거울을 포함할 수 있다. 변형예로서, 제2 압축기(28)는 GTI(Gires-Tournoi) 간섭계 또는 소위 "처프드" 거울들을 포함한다.
제2 압축기(28)는 모세관(24)으로부터 나오는 광선(115)을 수신하고 압축된 광선(120)을 생성한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 압축된 광선(120)의 분산을 조정하기 위한 광학 디바이스(60)는, 제2 압축 모듈(20)의 출력부에 배치된다. 분산 조정 광학 디바이스(60)는 제2 압축기(28)의 하류에 위치한다. 분산 조정 광학 디바이스(60)는 제2 압축 모듈(20)의 출력부에서 제2 압축된 광선(120)의 분산을 미세하게 조정하도록 구성된다. 실제로, 분산 조정 광학 디바이스(60)는 두께가 가변적인 2개의 물질의 판들을 포함한다. 제2 압축된 광선(120)의 전파를 따라 이러한 판들을 삽입함에 따라 가변량의 그룹 스피드 분산(a variable quantity of group speed dispersion)을 도입하는 것이 가능케 되며, 이 양은 통과되는 물질의 두께에 의존한다. 예를 들어, 분산 조정 광학 디바이스(60)는 적어도 하나의 프리즘, 바람직하게는 1쌍의 CaF2 프리즘들을 포함할 수 있다. 이 쌍의 2개의 프리즘들은 제2 압축된 광선(120)에 대해 각도 분산을 도입하지 않도록 위치된다.
변형예로서, 분산 조정 광학 디바이스(60)는 제2 압축 모듈(20)에서 생략될 수 있다.
전술한 광선 레이저 시스템(1)은 아래와 같은 광 펄스 압축 방법을 구현할 수 있게 한다. 이 방법은 특히, 단 또는 초단 광 펄스들의 압축에 적합하다.
본 발명의 방법에 따르면, 광원(2)은 복수의 단 또는 초단 및 고-에너지 광 펄스들을 생성한다. 전술한 예에서와 같이, 광원(2)은 여기서 대략 1030nm의 중심 파장(central wavelength)을 가지며, 대략 7nm의 중간-높이 스펙트럼 폭(mid-height spectral width)을 갖는다. 여기서, 광원(2)은, 펄스 당 330fs와 같은 지속 시간과 대략 225μJ의 에너지를 가지는 광 펄스들을, 1Hz와 100MHz 사이에 포함되는 예를 들어 대략 150kHz의 반복 주파수로 생성한다. 해당하는 평균 출력은 대략 34W이다.
본 발명에 따른 방법은, 에너지 전송 효율을 유지하면서, 레이저 시스템(1)의 출력부에서 훨씬 더 짧은 지속 시간의 펄스들을 얻을 수 있게 한다.
그 주제에 대해, 본 방법은 2개의 연속적인 압축 단계들을 포함한다: 제1 비선형 압축 단계와 제2 비선형 압축 단계.
제1 비선형 압축 단계는 제1 비선형 압축 모듈(10)에서 실행된다. 광원(2)에 의해 생성된 광 펄스들로부터 형성된 소스 광선(100)은, 제1 집속 광학 시스템(12)에 의해, 멀티-패스 셀(14)을 향하게 된다.
그리고 나서, 소스 광선(100)은, 도입 광학 요소(31) 및 편향 광학 요소(32) 덕분에, 멀티-패스 셀(14)의 2개의 거울들(30) 사이의 전파 영역으로 도입된다.
전술한 바와 같이, 광선(102)은, 2개의 거울들(30) 사이의 아르곤 가스를 포함하는 전파 영역에서, 미리결정된 왕복 횟수(여기서는 27)를 만든다. 가스의 압력은, 비선형 광학 효과에 의한 원하는 스펙트럼 확장을 얻기 위해, 추가로 조정된다. 추출 광학 요소(35) 및 편향 광학 요소(34)는, 전파 영역의 멀티-패스 셀(14)로부터 나오는 광선(105)을 추출하여 멀티-패스 셀(14)의 출력부를 향하게 한다. 멀티-패스 셀(14)은, 멀티-패스 셀(14)로부터 나오는 광선(105)의 스펙트럼 확장을 가능케 한다. 예를 들어, -10dB에서의 스펙트럼 폭은 대략 65nm이다.
멀티-패스 셀(14)의 출력부에서, 광선(105)의 광 펄스들은 제1 압축기(16)에서 시간적으로 압축된다. 따라서, 제1 압축 모듈(10)의 출력부에서, 광 펄스들의 지속 시간은, 대략 87%의 시간적 스트렐 비(temporal Strehl ratio)에서 대략 40fs이고, 여기서 상기 비는 유효하게(effectively) 획득된 피크 출력과 (즉, 전체 스펙트럼에 걸쳐 스펙트럼 위상 상수를 적용하는) 이상적 압축에서 달성될 수 있는 피크 출력 사이의 비의 특성을 나타낸다. 이 제1 압축 모듈(10)의 제1 압축 계수는 1 초과인데, 예를 들어 1과 20 사이, 예를 들어 대략 8이다. 일반적으로, 제1 압축 계수의 최대값은 멀티-패스 셀(14)의 거울들에 의해 반사된 최대 스펙트럼 대역에 종속된다. 집속 광학 시스템(12) 및 제1 압축기(16)의 분산 거울들을 고려하면 제1 압축 모듈(10)의 투과율은 대략 85%이다. 제1 압축 모듈(10)의 출력부에서, 광 펄스들의 에너지는 대략 190μJ이고, 약 28.7W의 평균 출력에 해당한다. 제1 압축 모듈(10)의 출력부에서 제1 압축된 광선(110)의 품질 계수(M2)는 1.2 x 1.2와 같다. 따라서, 멀티-패스 셀(14)은, 광 펄스들의 고 에너지 전송을 유지하면서, 펄스 지속 시간을 (거울들에 의해 정의된 가능한 한계 내에서) 상당히 감소시킬 수 있게 한다.
본 발명에 따른 방법은 비선형 압축의 제2 단계로 이어진다.
비선형 압축의 제2 단계는 제2 비선형 압축 모듈(20)에서 수행된다. 제1 압축 모듈(10)의 출력부에서, 제1 압축된 광선(110)이 제2 압축 모듈(20)을 향하게 된다. 실제로, 제2 집속 광학 시스템(22)은 제1 압축된 광선(110)이 크세논 가스로 채워진 모세관(24)을 향하게 한다.
모세관(24)은 고-에너지 광 펄스들로부터 나오는 광선의 전파를 가능케 한다. 모세관(24)의 직경은 비교적 크며, 바람직하게는 대략 400㎛인데, 이는 고-에너지 광 펄스들을 수신하고 압축 시스템(4)의 투과율을 증가시킬 수 있게 한다. 모세관(24)은, 제1 압축된 광선(10)의 가이딩된 전파 및 셀프-위상 변조(SPM) 스펙트럼 확장을 가능케 한다. 특히, 모세관(24)에 채워진 크세논 가스는, -10dB에서 대략 430nm의 스펙트럼 폭으로, 800nm 내지 1200nm의 스펙트럼 확장을 가능케 한다.
모세관(24)을 채우는 가스에서 전파된 후에 모세관(24)으로부터 나오는 광선(115)은, 시준 광학 시스템(26)에 의해 지향되고 및 시준되고, 그 다음에 제2 압축기(28)에서 시간적으로 압축된다. 예를 들어 분산 거울들(50)을 포함하는 제2 압축기(28)는, 음의 그룹 스피드 분산을 도입함으로써, 모세관(115)으로부터 나오는 광선(115)을 시간적으로 압축하는 것을 가능케 한다. 분산 조정 광학 디바이스(60)에 의해, 제2 압축 모듈(20)의 출력부에서, 분산이 더욱 미세하게 조정될 수 있다.
제2 압축 모듈(20)의 출력부에서, 광 펄스들의 지속 시간은 대략 69%의 시간적 스트렐 비율에서, 대략 6fs이다. 이 광 펄스들의 지속 시간은, 그것은 수 개의 광학 사이클들이기 때문에, 관련 에너지에 대해서, 특히 유리하다. 여기에서, 이 지속 시간은 1030nm에서 2개의 광학 사이클들에 해당한다. 제2 집속 광학 시스템(22) 및 제2 압축기(28)의 분산 거울들(50)을 고려하면 제2 압축 모듈(20)의 투과율은, 대략 72%이다. 이 제2 압축 모듈(20)의 제2 압축 계수는 2와 20 사이에 포함되며, 예를 들어 대략 7이다. 제2 압축 모듈(20)의 출력부에서, 광 펄스들의 에너지는 대략 150μJ이고, 대략 23W의 평균 출력에 해당한다. 제2 압축 모듈(20)의 출력부에서 광선의 품질 계수(M2)는 1.2 x 1.2와 같다. 모세관(24)은 매우 큰 스펙트럼 대역을 가지는데, 따라서, 금지된 투과 대역들을 도입함(imposing)으로써 투과 스펙트럼 대역을 제한하는 마이크로-구조 클래딩 중공 섬유와는 달리, 광선 스펙트럼의 투과를 제한하지 않는다. 모세관(24)은, 고 압축 계수를 얻을 수 있게 하고 수 개의 광학 사이클들 이하의 지속 시간의 단 또는 초단 펄스들을 생성할 수 있게 한다. 더욱, 모세관(24)은 우수한 공간적 품질을 갖는 출력 광선을 제공할 수 있게 한다.
마지막으로, 레이저 시스템(1)의 출력부에서 광 펄스들의 시간적 압축의 계수는 10과 400 사이이다. 광 펄스 압축 시스템(4)의 총 투과율은 50% 초과이며 일반적으로 대략 61%인데, 출력부에서, 광 펄스당 대략 6fs의 광 펄스 지속 시간과 대략 150μJ의 에너지를 가지며, 반복 주파수는 1Hz과 100MHz 사이에 포함되는 예를 들어 대략 150kHz이다. 해당하는 평균 출력은 대략 24W이다.
따라서, 멀티-패스 셀을 포함하는 제1 압축 모듈과 모세관을 포함하는 제2 압축 모듈의 조합은, 50% 초과의 에너지 전송을 얻을 수 있게 하고(예를 들어 2개의 모세관들을 사용하는 것은 불가능함), 입사 광선의 에너지에 관계없이 수 개의 광학 사이클들 이하의 단 또는 초단 펄스들을 생성할 수 있게 하고(예를 들어 2개의 멀티-패스 셀들 또는 2개의 중공 코어 섬유들을 사용하는 것은 불가능함), 그리고 고-에너지 펄스들을 생성할 수 있게 및/또는 양호한 공간적 품질을 갖게 할 수 있다(예를 들어 2개의 물질 판들 또는 2개의 고체상-코어 섬유들을 사용하는 경우에는 해당되지 않음).
본 발명에서 설명된 레이저 시스템(1)은, 광 펄스당 적은 수의 광학 사이클들을 갖는 시스템들의 경우, 전형적으로 매우 짧은 지속 시간들, 예를 들어 30fs 미만의 경우에 유리하게 적용될 수 있다. 이것은 특히, 극 자외선 또는 X-선들을 방출하는 소스들을 포함하는 레이저 시스템들의 경우에 적용된다.
Claims (11)
- 광원(2)에 의해 방출되는 단 또는 초단 광 펄스들을 압축하는 광 펄스 압축 시스템(4)으로서,
상기 광 펄스 압축 시스템(4)은:
멀티-패스 셀(14)을 포함하는 제1 비선형 광 펄스 압축 모듈(10) - 상기 멀티-패스 셀(14)은 제1 비선형 광학 매질을 포함함 -; 및
기체상의 제2 비선형 광학 매질로 채워진 모세관(24) 및 상기 모세관(24)의 출력부에 배치된 압축기(28)를 포함하는 제2 비선형 광 펄스 압축 모듈(20)을 포함하고,
상기 제1 비선형 압축 모듈(10)과 상기 제2 비선형 압축 모듈(20)은 소스 광 펄스들의 소스 광선(100)의 경로상에 직렬로 배치되고,
상기 제1 비선형 압축 모듈(10)은 상기 제2 비선형 압축 모듈(20)의 상류에 배치되는 것을 특징으로 하는, 광 펄스 압축 시스템(4). - 제1항에 있어서,
상기 비선형 압축 모듈(10)은 상기 멀티-패스 셀(14)의 출력부에 배치된 또 하나의 압축기(16)를 포함하는, 광 펄스 압축 시스템(4). - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 멀티-패스 셀(14)은 적어도 2개의 거울들(30)을 포함하고,
상기 소스 광선(100)의 전파 영역은 상기 2개의 거울들(30) 사이에 정의되는, 광 펄스 압축 시스템(4). - 제3항에 있어서,
상기 2개의 거울들(30)은 분산형(dispersive)이고,
상기 멀티-패스 셀(14)은 음의 분산을 도입하는, 광 펄스 압축 시스템(4). - 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 멀티-패스 셀(14)의 상기 제1 비선형 광학 매질은 비선형 광학 특성을 갖는 유체 매질을 포함하는, 광 펄스 압축 시스템(4). - 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 다중-패스 셀(14)의 상기 제1 비선형 광학 매질은 고체상의 비선형 광학 요소를 포함하는, 광 펄스 압축 시스템(4). - 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제2 비선형 압축 모듈(20)은 제2 압축된 광선(120)의 분산을 조정하기 위한 광학 디바이스(60)를 포함하고,
상기 광학 디바이스(60)는 상기 제2 비선형 광선 압축 모듈(20)의 출력부에 배치되는, 광 펄스 압축 시스템(4). - 제2항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 또 하나의 압축기(16)는 적어도 하나의 분산 거울 및/또는 회절 격자 및/또는 프리즘 및/또는 Gires-Tournoi 간섭계를 포함하고,
상기 압축기(28)는 적어도 하나의 분산 거울 및/또는 회절 격자 및/또는 프리즘 및/또는 Gires-Tournoi 간섭계를 포함하는, 광 펄스 압축 시스템(4). - 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 비선형 압축 모듈(10)의 출력부에서의 상기 광 펄스들의 시간적 압축의 제1 계수는 1 초과 20 이하이고,
상기 제2 비선형 압축 모듈의 출력부에서의 상기 광 펄스들의 시간적 압축의 제2 계수는 1 초과 20 이하인, 광 펄스 압축 시스템(4). - 광 펄스 레이저 시스템(1)으로서,
단 또는 초단 광 펄스들을 생성하도록 구성된 광원(2); 및
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 광 펄스 압축 시스템(4)을 포함하는, 광 펄스 레이저 시스템(1). - 광원(2)에 의해 방출되는 단 또는 초단 광 펄스들을 시간적으로 압축하는 방법으로서, 상기 방법은, 연속하여:
제1 비선형 광 펄스 압축 모듈(10)에 의해 비선형으로 광 펄스를 압축하는 제1 단계 - 상기 제1 모듈(10)은 멀티-패스 셀(14)을 포함하고, 상기 멀티-패스 셀(14)은 제1 비선형 광학 매질을 포함함 -; 및
제2 비선형 광 펄스 압축 모듈(20)에 의해 비선형으로 광 펄스를 압축하는 제2 단계 - 상기 제2 모듈(20)은 기체상의 제2 비선형 광학 매질로 채워진 모세관(24)과 상기 모세관(24)의 출력부에 배치된 압축기를 포함함 - 를 포함하고,
상기 제1 비선형 압축 모듈(10)과 상기 제2 비선형 압축 모듈(20)은 소스 광 펄스들의 소스 광선(100)의 경로상에 직렬로 배치되고,
상기 제1 비선형 압축 모듈(10)은 상기 제2 비선형 압축 모듈(20)의 상류에 배치되는, 방법.
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