KR20210102390A - 패턴화된 srb4bo7 또는 pbb4o7 결정에 기초한 고전력 레이저 변환기 - Google Patents

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알렉산더 체레파킨
아나톨리 잠코브
니콜라이 에브티키브
댄 퍼로브
알렉산더 자이체브
안드레이 사도브스키
니키타 라디오노브
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Abstract

개시된 레이저 시스템은 기본 주파수에서 광을 출력하는 레이저 소스로 구성된다. 출력 광은 기본 주파수를 더 높은 고조파로 변환하도록 작동하고 적어도 하나의 주파수 변환 스테이지를 포함하는 주파수 변환기에 입사된다. 주파수 변환기는 복수의 도메인으로 구성된 SrB4O7(SBO) 또는 PbB4O7(PBO) 비선형 결정에 기초한다. 도메인은 결정 축의 주기적으로 교번하는 극성을 가져서 QPM 사용을 가능하게 하고, 10mm 거리에 걸쳐 서로 1미크론 미만으로 벗어난 매우 평행한 벽들을 각각 갖도록 형성된다.

Description

패턴화된 SRB4BO7 또는 PBB4O7 결정에 기초한 고전력 레이저 변환기
본 개시 내용은 패턴화된 스트론튬 테트라보레이트 SrB4BO7(SBO) 및 납 테트라보레이트 PbB4O7(PBO) 결정을 기초로 하는, 적어도 하나의 비선형 변환기가 구비된 고전력 고체 상태 레이저(high power solid state laser)에 관한 것이다.
자외선(UV) 및 특히 고전력 심자외선(DUV) 범위의 레이저 공구에 대한 수요는 중공업, 의료업, 데이터 저장, 광 통신, 오락 등에 의해 경험되는 요구를 해결하기 위해 크게 증가하고 있다. 예를 들어, 반도체 포토리소그래피, 미세 가공 및 재료 처리 애플리케이션(material-processing application)에서의 발전은 UV 및 DUV 스펙트럼 영역 내에서 작동하는 가간섭성 광원에 대한 수요를 창출하고 있다.
비록 엑시머 레이저와 같은 일부 가스 레이저가 높은 평균 출력 전력을 가지는 UV 및 DUV 스펙트럼 영역 내의 가간섭성 광의 격리된 파장을 방출할 수 있다 해도, 공지된 고효율성, 적은 유지보수, 작은 풋프린트(footprint) 및 전체적으로 낮은 비용으로 인해서, 이러한 스펙트럼 범위 내의 비선형 광학(NLO) 결정을 가지는 콤팩트하고 효율적인 고체 상태 레이저가 여전히 요구된다. UV 및 DUV 스펙트럼 영역에서 고체 상태 레이저의 성능은 대부분 지난 20년에 걸쳐 발견된 효율적이고 신뢰성 있는 NLO 결정의 제조의 발전에 의존한다.
동시 계류중인 미국 특허 출원 번호는 여기에서 전체가 참조로 포함되는 패턴화된 비강자성 비선형 SBO 또는 PBO를 제조하는 방법을 개시하고 있다. 붕산염의 이러한 하위군은 일부 주목할 만한 특성을 갖는다. 먼저, 이는 (심지어 붕산염 중에서도) 고유하게 큰 ~9eV의 밴드갭을 가지며, 그 UV 컷-오프(cutoff)는 약 130nm이다. 문헌 데이터는 없으나, (많은 다른 붕산염과 같이) SBO가 VIS 근적외선(IR)에서 매우 투명해야 할 가능성이 높다. 흡수율은 단일 ppm/cm 범위에 있어야 한다. 이는 기계적으로 안정하고 비흡습성이다. 공지된 종래 기술에 의해 이러한 결정을 성장시키는 것이 용이하다.
또한, 이러한 결정은 (붕산염의 경우에) ~16W/m*K의 매우 큰 열 전도도를 갖는다. 이는 BBO 및 LBO의 열 전도도보다 10배 정도 높다. 마지막으로 중요한 것은, SBO 결정이 266nm에서 2광자 흡수(TPA)(전력 손실 및 광 유도 손상을 증가시키는 비선형 효과)를 갖지 않는 매우 소수의 비선형 재료 중 (유일하지 않더라도) 하나이다. 고유한 광학적 투명도 및 높은 LIDT와 조합되어, SBO/PbBO 결정은, 비선형 변환 체제에서 전형적인 플루언스(fluence)(~100-500MW/cm2)를 가지는 266nm에서의 지속 가능한 멀티-와트 작동(multi-watt operation)(펄스형 및 CW)을 견딜 수 있는 유일한 비선형 재료일 것이다. 명백하게, 동시 계류중인 출원에 개시된 주기적인 위상 정합 구조 제조 방법에 있어서 붕산염의 이러한 군이 비선형 상호작용을 위한 이상적인 재료이다.
그러므로, SBO 또는 PBO에 기초한 레이저를 제공하는 것이 바람직하다.
이러한 요구는 UV 주파수 범위에서 작동할 수 있는 고전력 레이저 시스템의 군에 의해 충족된다. 개시된 시스템 모두는 공통의 일반적인 광학 개략도를 갖는다. 후자에는 UV 스펙트럼 영역에서 서브 나노초, 바람직하게는 피코초 펄스를 출력하기 위해 레이저 소스 및 적어도 하나의 주파수 변환기가 제공된다. 통상의 기술자가 용이하게 알고 있는 바와 같이, UV 광과 같은 더 높은 고조파를 생성하는 데 참여하는 ps 섬유 레이저는 ns 섬유 레이저보다 유리한데, 이는 ps 펄스형 체제(pulsed regime) 내의 비선형 결정이 ns 펄스에 의해서 조사되는 결정의 유효 수명보다 긴 유효 수명을 가지기 때문이다. 이러한 장점은 SBO 또는 PBO가 사용될 때 훨씬 더 현저해지는데, 이는 이들 결정 내에 2광자 흡수가 존재하지 않기 때문이다.
전술한, 그리고 다른 양태 및 특징이 후속하는 도면과 함께 더 용이하게 명확해질 것이다.
도 1은 본 발명의 레이저 시스템의 일반적인 광학 개략도이다.
도 2는 본 발명의 시스템의 패턴화된 SBO/PBO 결정을 도시한다.
도 3은 FH의 생성을 위해 사용되는 도 1의 발명의 시스템의 예시 개략도이다.
도 4는 3차 이상의 고조파의 생성을 위해 사용되는 도 1의 본 발명의 시스템의 예시 개략도이다.
도 5는 5차 고조파의 생성을 위해 사용되는 도 1의 본 발명의 시스템의 예시 개략도이다.
도 6은 파라메트릭 변환을 위해 사용되는 도 1의 본 발명의 시스템의 예시적 개략도이다.
도 7은 복수의 연속적인 고조파로의 기본 주파수의 주파수 변환을 제공하기 위한 단일 슬래브로부터 구성된 도 2의 SBO/PBO 결정이다.
이제 개시된 발명 개념을 상세하게 참조할 것이다. 가능한 경우에, 동일하거나 유사한 부분 또는 단계를 나타내기 위해 도면 및 설명에서 동일하거나 유사한 참조 번호가 사용된다. 도면은 단순화된 형태이고 정밀한 축척을 가지지는 않는다.
도 1은 본 발명의 레이저 시스템의 일반적인 광학적 개략도(40)를 도시한다. 개략도(40)는 적어도 부분적으로, 패턴화된 SBO 또는 PBO 비선형 결정(10)을 기초로 하고 기본 주파수를 더 높은 고조파로 변환하도록 구성되는 주파수 변환기(44) 상에 입사하는 전자기(EM) 복사선(42)의 소스로서 구성된다. 통상적으로, 변환기는 단일 패스 공진기 또는 다중 패스 공진기 내에 배치된다.
EM 소스(42)는 연속파(CW) 모드, 준연속파(QCW) 모드 및 펄스 모드를 포함하는 다양한 체제에서 작동하는 레이저 시스템이다. 많은 용례에서, 소스(42)는 적어도 1kW 및 MW 정도로 높은 출력을 갖는 고전력 소스이다. 그러나, kW 전력 레벨 이하에서 작동되는 레이저 시스템도 개시되는 발명의 요지의 일부이다.
소스(42)의 구성은 임의의 특정한 레이저 발광 매체(lasing medium)로 제한되지 않는다. 바람직하게는, 이는 섬유 및 이트륨 알루미늄 유리(YAG) 레이저 발광 매체를 포함하는 고체 상태 레이저 시스템이며, 디스크 레이저는 YAG의 하위 부류이다. 레이저 발광 매체 내에 도핑된 발광 이온은 다양한 희토류 금속을 포함한다. 기본 파장 및 이들의 더 높은 고조파의 산업적 범위가 1μm 내지 2μm 범위의 광을 방출하는 레이저 소스와 대부분 연관되기 때문에, 이테르븀(Yb), 에르븀(Er), 네오디뮴(Nd) 및 툴륨의 이온이 아마도 가장 자주 이용된다. 그러나, 언급된 원소들은 본 발명의 시스템에서 광 생성을 위해 사용될 수 있는 모든 희토류 원소들의 배타적인 목록을 나타내지 않는다.
레이저 소스(42)의 아키텍처는 다양한 구체적 구성에 의해 표현될 수 있다. 예를 들어, 레이저 소스는 마스터 발진기(MO)(43) 및 전력 증폭기(PA)(44)의 조합을 포함하는 MOPA 구성을 가질 수 있다. MO(43)는 바람직하게는 단일 주파수에서 작동하는 반도체 또는 섬유를 포함할 수 있다. 예를 들어, MO(43)는 본 출원의 양수인이 소유하고 있으며 그 전체가 참조로 본원에 포함된 PCT/US15/65798 및 PCT/US15/52893에 개시된 개략도에 따라 구성될 수 있다. 공지된 발진기의 현대의 전력 레벨이 kW 레벨에 도달하였다는 것을 고려하면, 소스(42)의 아키텍처는 레이저에 의해서만 표현될 수 있고, 그에 따라 증폭기를 생략할 수 있다. 증폭기에 관하여, 그 예는 Yb/YAG 시스템을 개시하는 PCT/US2017/064297, 또는 섬유 증폭기를 개시하는 USP 8068705 및 본 출원의 양수인이 소유하고 있으며 그 전체가 참조로 본원에 포함되는 많은 다른 문헌에서 찾을 수 있다. 그 구성과 무관하게, 레이저 소스(42)는 바람직하게는 QCW 및 펄스형 체제(pulsed regime)에서 단일 주파수, 단일 횡방향 모드 서브 나노초 출력을 출력한다. 그러나, 빔 품질 인자(M2)가 예를 들어 1.5로, 1 보다 클 수 있다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 주파수 변환기(44)는 2차 고조파(SH), 3차 고조파(TH), 4차 고조파(FH), 및 다른 더 높은 고조파를 생성시킬 뿐만 아니라 광학적 파라메트릭 상호작용을 수행하도록 작동한다. 결정 SBO 또는 PBO(10)는 서로 교번하는 개별적 반대 극성(+/-)을 갖는 도메인(30, 32)의 주기적 구조(12)로 구성된다. 이 도메인들은 매우 평행한 벽을 갖는다. 주기적 구조(12)는 QPM 기술의 이용으로 펌프 광의 높은 고조파를 생성할 수 있게 한다. 본 출원인에 의해 수행된 최근의 실험에서 결정(10)을 생성하였는데, 이 결정에는 서로 교번하며 최대 수 센티미터의 직경을 갖는 유효 개구를 결정에 제공하는 개별적인 양극성 및 음극성을 갖는 균일한 치수의 3D 도메인(30, 32)의 시퀀스를 포함하는 체적 주기적 패턴(volume periodic pattern)이 제공된다. 각각의 도메인은 요구되는 가간섭성 길이(coherence length)(l)에 대응하고 약 0.2μm 내지 약 20μm의 범위의 균일한 두께 및 약 1mm에서 약 5cm까지의 다양한 직경을 갖는 유효 개구로 구성된다. 결정(10)은 다양한 주파수 범위에서 작동하는 레이저에 통합된 주파수 변환기와 같은 광학 요소로서 이용될 수 있다. 예를 들어, 레이저 소스(42)의 기본 주파수를 DUV 범위로 변환하도록 구성된 결정(10)은 0.2nm 내지 약 5nm의 범위의 가간섭성 길이(l)를 갖는다. 체적 패턴은 면 +C와 -C 사이의 결정 블록(10)의 전체 두께를 통해 연장하거나, 이들 면들 중 하나로부터 거리를 두고 종결할 수 있다. 결정(10)은 위에서 논의된 고유한 품질을 기초로 하고 동시 계류 중이며 공동 소유의 미국 출원 62781371에 개시되는데, 이 출원은 본 출원과 동시에 출원되었으며, 그 전체가 참조로 본원에 포함된다.
SBO/PBO(10)는 UV 및 DUV 스펙트럼에서의 투과율을 보장하는, 짧은 UV 흡수 컷-오프(λcutoff) 또는 넓은 에너지 밴드갭(Eg)을 특징으로 한다. 더욱이, 큰 밴드갭은 2광자 흡수 또는 다광자 흡수를 상당히 감소시키고, 그에 따라 결국 결정 내에서의 레이저 유도 손상 임계치를 증가시키고, 바람직하지 못한 감소된 열-광학 효과를 초래한다. 붕산염의 선형 흡수 역시 통상적으로 매우 낮다.
따라서, SBO/PBO 결정(10)은 자외선/심자외선(UV/DUV) 주파수 범위에서 작동되는 레이저 시스템에서 이용될 때 특히 매력적이다. UV/DUV 레이저는 다양한 용례에 널리 채용된다. 예를 들어, 266nm에서의 DUV가 탄소 K-에지를 넘어서는 과학적 연구에서 매우 유용한, 약 4nm 정도로 짧은 출력을 가지는 자유 전자 레이저의 외부 시드로서 이용되었다. 산업적 용례, 넓은 밴드갭 재료의 레이저 가공, 마이크로전자기기 및 많은 다른 것들이 이들의 높은 광자 에너지로 인한 DUV 레이저의 직접적인 수혜자이다. 변환 방식에는 여러 가지가 있고, 그 예가 아래에서 개시된다.
도 3을 참조하면, 시스템(40)의 예시적인 개략적 구성은 SHG(46) 및 FHG(48) 스테이지로 구성된 변환기(46)를 포함한다. SHG(46)는 1μm 파장 범위 내의 펌프파의 주파수를 녹색 광으로 배증시키고, 녹색 광은 2xxnm 파장 이하의 자외선/심자외선(UV/DUV(50)) 광을 획득하기 위해서 주파수 변환을 계속한다. 예를 들어, 소스(42)에 의해서 출력되는 1060nm(기본 주파수(ω))에서의 펌프 파장이 SHG(46) 내에서 2차 고조파 2ω(532nm 파장)로 변환되고, 이는 결국 4차 고조파 4ω(266nm 파장)로 변환된다. SHG(46)는 BBO, LBO CLBO, SBO, PBO 및 다른 비선형 결정을 기초로 할 수 있다. FHG(48)는 SBO/PBO 결정(10)을 포함한다.
도 4는 3차 고조파(THG)(50)를 생성하도록 구성된 개략도를 예시한다. 시스템(40)은 SHG(46)에 입사되는 기본 주파수(ω)의 광을 출력하는 소스(42)를 포함한다. SHG(46)는 기본 주파수를 2차 고조파(2ω)로 변환한다. THG(50)는 기본 주파수 및 2차 고조파에서 광의 잔여 부분을 수용하고, 이들 주파수를 조합하여 3차 고조파를 생성한다. SHG(46)는 도 3의 구성을 가질 수 있고, SBO/PBO 결정(10)을 포함하는 THG(50) 또한 그러할 수 있다. 비포괄적인 예는 결국 약 355nm의 TH로 변환되는 1064nm의 기본 파장에 의해 예시될 수 있다. 시스템(40)에는 미사용 SH 및 생성된 TH를 조합하는 FiHG(52)가 추가로 제공될 수 있다.
도 5는 5차 고조파(FiHG)를 생성시키도록 구성된 변환기(44)를 갖는 시스템(40)의 또 다른 예를 도시한다. 변환기(44)는 초기에 SHG(46) 내에서 SH를 생성함으로써 작동된다. 기본(펌프)에서의 미사용 광이 SHG(46)의 출력에서 SH로부터 분리되고, 거울 또는 프리즘과 같은 반사 요소에 의해서 형성된 경로를 따라서 5차 고조파 생성기(FiHG)(52)로 더 안내된다. 원한다면, 기본 주파수의 변환되지 않은 광은 FHG(48)를 통해 안내될 수 있다.
전술한 내용을 기초로, SBO/PBP 준위상 정합 결정(10)이 주파수 배증, 3배증 등 뿐만 아니라 합주파수 및 차주파수 생성을 위해서 이용될 수 있다. 이는 또한 파라메트릭 증폭에 사용될 수 있다. 도 6을 참조하면, 신호 파장에서의 광은 더 짧은 파장의 펌프 빔과 함께 결정(10)을 통해 전파되어, 통상의 기술자에게 공지된 바와 같이, 아이들러(idler), 잔류 펌프 빔 및 신호 분리 출력을 포함하는 여러 출력을 초래한다.
통상의 기술자에게 공지된 바와 같이, FH를 생성시키기 위해 PPKTP 또는 PIPLIN과 같은 표준 결정을 사용하는 것은 비실용적인데, 이는 1" 내지 2"의 기본 파장의 이러한 고조파가 이 재료들의 컷오프 파장과 일치하기(또는 심지어 그를 넘어서기) 때문이다. 언급된 FH를 생성시킬 수 있는 결정은 매우 낮은 비선형성을 갖는다. 그러나, SBO/PBO는 매우 비선형적이고 약 130nm의 컷오프 파장을 갖는데, 이는 변환 능력을 DUV 주파수 범위로 명백하게 확장하여, 본 발명의 레이저 시스템(40)이 200nm보다 훨씬 미만 및 심지어 160nm 미만에서 작동할 수 있게 한다.
도 7은 이 개략도에서 다이오드 레이저인 도 1의 레이저 소스(42) 및 SBO/PBO(10)를 포함하는 시스템(40)의 다른 구성을 도시한다. 후자는 먼저 기본 주파수를 배증시키고, 예를 들어 355nm 및 266nm에서 더 높은 고조파를 추가로 생성할 수 있는 모놀리식 슬래브로 구성된다. 이러한 이유로, 슬래브를 통과하는 기본 주파수에서의 광의 경로를 따르는 도메인 주기는 SHG를 위한 주기로부터 예를 들어 FHG를 위한 주기로 변경된다. 이러한 구성은 mW 출력을 생성하기 위해 바나데이트 상의 레이저 다이오드와 SBO/PBO(10)를 포함하는 5mm 내지 10mm 이하의 마이크로칩에 사용될 수 있다. 결정(10)의 구성은 2개보다 많은 주기를 포함할 수 있다.
본 발명이 상세한 설명과 함께 설명되었지만, 전술한 설명은 예시를 위한 것이고 첨부된 청구항의 범주에 의해서 규정되는 본 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아님을 이해하여야 한다. 예를 들어, 개시된 시스템의 펄스형 체제는 처프(chirp) 펄스 증폭 기술을 이용함으로써 구현될 수 있다. 펄스 레이저 소스는 또한 나노초 및 서브 나노초, 즉 펨토초 및 피코초 펄스를 출력하는 수동 모드 잠금형 레이저 또는 능동 모드 잠금형 레이저에 기초할 수도 있다. 개시된 펄스형 시스템의 출력의 평균 전력은 UV/DUV 주파수 범위에서 밀리와트(mW)와 약 100W 사이에서 변경될 수 있다. 개시된 개략도는 5차 고조파보다 높은 고조파를 생성하도록 작동할 수 있다. 따라서, 다른 양태, 장점, 및 수정이 하기 청구항의 범주 내에 포함된다.

Claims (10)

  1. 레이저 시스템이며,
    기본 주파수에서 광을 출력하는 레이저 소스; 및
    기본 주파수를 더 높은 고조파로 변환하도록 작동되고, SrB4O7(SBO) 또는 PbB4O7(PBO) 결정을 기초로 하는 적어도 하나의 주파수 변환 스테이지를 포함하는 주파수 생성기로서, SBO/PBO 결정은 QPM 사용을 가능하게 하는 결정 축의 개별적인 주기적 교번 극성을 갖는 복수의 도메인으로 구성되고, 도메인은 10mm 거리에 걸쳐 1미크론 미만으로 서로로부터 벗어난 평행한 벽들을 가지는, 주파수 생성기를 포함하는, 레이저 시스템.
  2. 제 1항에 있어서, SBO/PBO 결정은 2차 고조파, 3차 고조파, 4차 고조파, 및 5차 고조파 그리고 더 높은 고조파의 조합으로 구성된 군으로부터 선택되는 더 높은 고조파를 생성하도록 구성되는, 레이저 시스템.
  3. 제1항에 있어서, SBO/PBO 결정은 광학적 파라메트릭 상호작용을 제공하도록 구성되는, 레이저 시스템.
  4. 제1항에 있어서, SBO/PBO는 0.2μm와 약 20μm 사이에서 변경되는 VIS-DUV 광 범위에 대한 각각의 도메인의 두께, 및 최소 직경이 약 1mm에서 약 5cm 까지의 범위를 갖는 유효 개구를 갖는, 레이저 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 레이저 소스는 연속파(CW), 준연속파(QCW) 또는 펄스형 체제에서 작동하는 레이저 시스템을 포함하는, 레이저 시스템.
  6. 제5항에 있어서, 레이저 소스는 섬유 레이저, 이트륨 알루미늄 유리(YAG) 및 디스크 레이저로 구성된 군으로부터 선택되는 고체 상태 레이저를 포함하고, 고체 상태 레이저는 희토류 원소로부터 선택되는 발광 도펀트로 도핑되는 이득 매체로 구성되고 1μm 내지 2μm 파장 범위의 광을 출력하는, 레이저 시스템.
  7. 제5항에 있어서, 레이저 소스는 마스터 발진기(MO) 전력 증폭기(PA) 구성을 가지는, 레이저 시스템.
  8. 제7항에 있어서, 레이저 소스는 나노초, 서브 나노초 펄스 지속 범위 내의 펄스 열을 출력하는, 레이저 시스템.
  9. 제1항에 있어서, 변환기는 적어도 2개의 상이한 도메인 주기로 형성된 SBO/PBO의 단일 모놀리식 슬래브를 포함하고, 기본 주파수의 광은 슬래브를 통과하는 경로를 따라 전파되고, 슬래브는 SHG를 위한 주기가 제공된 그 상류 단부 및 더 높은 고조파를 위한 주기를 갖는 슬래브의 하류 단부를 갖는, 레이저 시스템.
  10. 제2항에 있어서, SBO는 높은 고조파에서, 적어도 10W의 평균 전력 및 약 130nm의 파장에서 단일 모드 광을 출력하는, 레이저 시스템.
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