KR20210118169A - Multi-stage optical parametric module and picosecond pulsed laser source with integrated module - Google Patents
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Abstract
다단 광학 파라메트릭(OP) 모듈은, 단일 광 경로를 따라 배열되고 각각의 λp, λ3 및 λf 파장에서 펌프, 신호 및 IR 광 빔과 상호 작용하는 상류, 다중 중간 및 출력 광학 파라메트릭 증폭(OPA) 스테이지를 갖게 구성된다. OPA 스테이지 각각에는 단일 광 경로를 따라 OPA 스테이지와 교번하는 시간 지연 보상(TDC) 조립체가 제공된다. TDC 조립체 각각은 펌프와 신호 빔 사이의 그룹 속도 불일치를 보상하고 각각의 후속 파라메트릭 상호 작용 후에 아이들러 빔의 전파를 방지하면서 OPA 스테이지들 사이의 광 경로를 따라 IR, 펌프 및 신호 빔을 안내하도록 구성된다.Multi-stage optical parametric (OP) module, and arranged along a single optical path to each of λp, λ3, and λ f upstream wavelength pump, signal, and interact with the IR light beams from the multi intermediate and output optical parametric amplification (OPA ) is configured to have a stage. Each OPA stage is provided with a time delay compensation (TDC) assembly that alternates with the OPA stage along a single optical path. Each TDC assembly is configured to guide the IR, pump and signal beams along the optical path between the OPA stages while compensating for group velocity mismatch between the pump and signal beam and preventing propagation of the idler beam after each subsequent parametric interaction. do.
Description
본 개시내용은 피코초 레이저에 관한 것이다. 특히, 본 개시내용은 복수의 비선형 결정 기반 파라메트릭 증폭기(OPA) 스테이지를 갖게 구성된 광학 파라메트릭 모듈에 기초한 고출력 준연속(quasi-continuous)(QCW) 피코초 레이저 및 OPA 모듈을 이용하는 용례에 관한 것이다.The present disclosure relates to picosecond lasers. In particular, the present disclosure relates to use of high power quasi-continuous (QCW) picosecond lasers and OPA modules based on optical parametric modules configured to have a plurality of non-linear crystal based parametric amplifier (OPA) stages. .
많은 과학 및 산업 용례에는 조절 가능한 중심 파장, 가변 스펙트럼 폭, 및 가시 주파수 범위의 다양한 펄스 지속 기간을 갖는 높은 평균 출력 펄스 레이저가 필요하다. 적외선 주파수 범위의 고출력 단일 모드(single mode)(SM) 레이저가 개발되어 다양한 산업 분야에서 널리 이용되고 있지만, 일반적으로 고출력 청색 레이저 및 구체적으로 초고속 고출력 청색 레이저는 수백 와트 내지 적어도 1 kW의 어디든 원하는 출력 범위에서 아직 수행되지 않았다.Many scientific and industrial applications require high average power pulsed lasers with tunable central wavelengths, tunable spectral widths, and variable pulse durations in the visible frequency range. Although high-power single-mode (SM) lasers in the infrared frequency range have been developed and widely used in various industries, high-power blue lasers in general and specifically ultrafast high-power blue lasers with any desired output power anywhere from hundreds of watts to at least 1 kW. Not yet done in scope.
청색 레이저 광을 생성하기 위한 실용적인 기술 접근법이 거의 없다. 하나의 접근법은 질화갈륨(GaN)에 기초하여 청색 다이오드 레이저를 제조하는 것을 포함한다. GaN 기반 다이오드 레이저는 수명이 긴 것으로 알려져 있지 않으며 제한된 광학 효율을 갖는다.There are few practical technical approaches for generating blue laser light. One approach involves fabricating a blue diode laser based on gallium nitride (GaN). GaN-based diode lasers are not known for long lifetimes and have limited optical efficiency.
수년 동안, 초고속 청색 레이저 기반 소스의 개발에 대한 가장 효과적인 접근법은 비선형 변환, 즉, 케어-렌즈-모드-로킹(Kerr-lens-mode-locked)(KLM) Ti:사파이어 레이저, Nd:YAG 레이저, 모드-로킹 EDFA, 및 보다 최근의 나노초(ns) Yb-섬유 레이저를 비롯한 모드-로킹 레이저의 주파수 3배 및 4배 증가를 기초로 하였다.For many years, the most effective approaches to the development of ultrafast blue laser-based sources have been nonlinear transformations, i.e. Kerr-lens-mode-locked (KLM) Ti:sapphire lasers, Nd:YAG lasers, It was based on 3-fold and 4-fold increases in frequency of mode-locked lasers, including mode-locked EDFAs, and more recent nanosecond (ns) Yb-fiber lasers.
초고속 청색 레이저 소스 개발에 널리 사용되는 또 다른 접근법은 파라메트릭 비선형 광학 디바이스(parametric non-linear optical device)를 기초로 한다. 특히, 녹색-펌핑된 OPA, 광학 파라메트릭 발진기(optical parametric oscillators)(OPO) 및 OP 생성기(OP generator)(OPG)는 넓은 조절 범위와 평균 출력 확장성으로 인해 매력적인 레이저 소스이다. 예를 들어, 동기식으로 펌핑된 광학 파라메트릭 디바이스는 광범위한 스펙트럼 영역에 걸쳐 평균 출력을 제공하는 조절 가능한 간섭성 방사선의 실행 가능한 초고속 소스이다.Another widely used approach to developing ultrafast blue laser sources is based on parametric non-linear optical devices. In particular, green-pumped OPAs, optical parametric oscillators (OPO) and OP generators (OPG) are attractive laser sources due to their wide tuning range and average power scalability. For example, a synchronously pumped optical parametric device is a viable ultrafast source of tunable coherent radiation that provides an average output over a wide spectral region.
파라메트릭 프로세스에서 에너지 보존 법칙은 다음과 같다: The law of conservation of energy in parametric processes is:
(1) (One)
SHS/SHI - 신호/아이들러의 2차 고조파 생성:SHS/SHI - Second harmonic generation of signal/idler:
(2) (2)
SFS/SFI - 신호/아이들러 및 IR 레이저 파장의 합산-주파수 생성(Sum-Frequency generation)(SFG)SFS/SFI - Sum-Frequency generation (SFG) of signal/idler and IR laser wavelengths
(3) (3)
도 1은 USP 7,106,498호에 개시된 바와 같이 스테이지형 합산-주파수 파라메트릭 증폭기에 기초한 청색 레이저 소스의 예시적인 개략도를 예시한다. 이 개략도는 기존의 청색 레이저 소스를 타당하게 대표하며 다중 거울(9)을 통해 2개의 상이한 광학 아암을 따라 각각 기본 및 펌프 주파수에서 광 단편을 안내하는 스플리터(1)를 포함한다. 합산-주파수 조절 가능한 생성기(sum-frequency tunable generator)(SFG)(14)에서 광학적으로 함께 결합된 출력부는 레이저 분야의 숙련자에게 널리 알려진 방식으로 생성된 각각의 상이한 주파수에서 4개의 광 신호(17, 18, 19, 20)를 포함한다. 스플리터, 결합기 및 다중 거울을 갖는 도시된 2-아암 개략도는 파라메트릭 증폭을 기초로 하는 공지된 청색 레이저의 큰 단점인 큰 풋프린트와 복잡한 구성을 갖는다.1 illustrates an exemplary schematic diagram of a blue laser source based on a staged summing-frequency parametric amplifier as disclosed in USP 7,106,498. This schematic is reasonably representative of a conventional blue laser source and includes a splitter 1 that guides light fragments at fundamental and pump frequencies respectively along two different optical arms through multiple mirrors 9 . The outputs optically coupled together in a sum-frequency tunable generator (SFG) 14 include four
파라메트릭 프로세스에 사용되는 다양한 NLO 중에서, 리튬 트리보레이트 LiB3O5(LBO) NL 결정은 손상 방지 및 무흡수가 매우 우수한 것으로 입증되었고, 결과적으로 달리 쉽게 손상될 수 있는 고출력 파라메트릭 디바이스에 적합하다. 다른 붕산염 NL 결정(β-붕산바륨, BaB2O4 또는 BBO 및 붕산비스무트, BiB3O6 또는 BiBO) 및 주기적으로 극성을 갖는 NL 결정(PPLT, PPLN 및 PPKTP)은 동등하게 효과적일 수 있으며 때로는 대부분 그보다 큰 비선형 계수(deff)로 인해 파라메트릭 증폭에 대해 LBO 결정을 능가할 수도 있다. 불행히도, BBO 및 BIBO를 사용할 때 원하는 최소 펄스 피크 출력은 사용된 임계 위상 정합 조건으로 인해 상대적으로 높다. 주기적으로 극성을 갖는 가장 일반적인 결정은 광굴절 또는 광변색 손상을 받기 쉬워, 평균 출력의 스케일링을 제한한다. 그러나, 다양한 용례에서는 높은 평균 출력의 청색 광으로부터만 이점이 있을 수 있다. 파라메트릭 변환은 청색 광 생성에만 제한되지 않는다. 파라메트릭 프로세스에 의해 생성된 다른 파장은 다양한 산업 분야에서 유리하게 사용될 수 있다.Among the various NLOs used in parametric processes, lithium triborate LiB3O5 (LBO) NL crystals have proven to be very good in damage protection and non-absorption, and as a result are suitable for high power parametric devices that would otherwise be easily damaged. Other borate NL crystals (β-barium borate, BaB2O4 or BBO and bismuth borate, BiB3O6 or BiBO) and periodically polarized NL crystals (PPLT, PPLN and PPKTP) can be equally effective, sometimes mostly with higher nonlinear coefficients ( deff) may outperform the LBO determination for parametric amplification. Unfortunately, when using BBO and BIBO, the desired minimum pulse peak output is relatively high due to the critical phase matching conditions used. The most common crystals with periodic polarity are susceptible to photorefractive or photochromic damage, limiting the scaling of the average power. However, various applications may only benefit from high average power blue light. Parametric transformation is not limited to blue light generation. Other wavelengths generated by the parametric process can be advantageously used in various industries.
따라서, 광학 스플리터 및 결합기를 특징으로 하지 않는 콤팩트한 구조를 갖는 조절 가능한 초단파 파라메트릭 모듈을 제공하는 것이 바람직하다.Accordingly, it would be desirable to provide an adjustable microwave parametric module having a compact structure that does not feature optical splitters and combiners.
개시된 파라메트릭 모듈과 조합하여 ps 펄스 섬유 레이저 소스를 제공하는 것이 또한 바람직하다It is also desirable to provide a ps pulsed fiber laser source in combination with the disclosed parametric module.
본 개시내용의 일 양태에 따르면, 다단 광학 파라메트릭(OP) 모듈은, 단일 광 경로를 따라 배열되고 각각의 λp, λ3 및 λf 파장에서 펌프, 신호 및 IR 광 빔과 상호 작용하는 상류, 다중 중간 및 출력 광학 파라메트릭 증폭(OPA) 스테이지를 갖게 구성된다. OPA 스테이지 각각에는 단일 광 경로를 따라 OPA 스테이지와 교번하는 시간 지연 보상(time delay compensation)(TDC) 조립체가 제공된다. TDC 조립체 각각은 펌프와 신호 빔 사이의 그룹 속도 불일치를 보상하고 각각의 후속 파라메트릭 상호 작용 후에 아이들러 빔의 전파를 방지하면서 OPA 스테이지들 사이의 광 경로를 따라 IR, 펌프 및 신호 빔을 안내하도록 구성된다.In accordance with one aspect of the present disclosure, the multi-stage optical parametric (OP) module, upstream of the array and the interaction pump, signal and the IR light beam and in each of λp, λ 3 and λ f wavelengths along a single optical path, It is constructed with multiple intermediate and output optical parametric amplification (OPA) stages. Each OPA stage is provided with a time delay compensation (TDC) assembly that alternates with the OPA stage along a single optical path. Each TDC assembly is configured to guide the IR, pump and signal beams along the optical path between the OPA stages while compensating for group velocity mismatch between the pump and signal beam and preventing propagation of the idler beam after each subsequent parametric interaction. do.
본 개시내용의 추가 양태에 따르면, 광학 펌프는 광학 파라메트릭 모듈을 펌핑하는 선형 편광(linearly polarized)(LP) ps 섬유 레이저 소스를 갖게 구성된다. 유리하게는, 그러나 배타적이지 않게, 개시된 소스는 적색, 녹색 및 청색 광을 동시에 출력하기 위해 사용될 수 있다. ps 레이저 소스는 1 μm 스펙트럼 범위의 기본 파장에서 출력을 생성하기 위해 처프 펄스 증폭(CPA) 기술을 사용하는 모드-로킹 ps 섬유 레이저를 갖게 구성된다. 원하는 기본 파장을 적절하게 선택함으로써, 소스는 평균 펄스 출력이 100 W를 초과하는 적색 및 청색 광을 동시에 출력할 수 있다. 예를 들어, 기본 파장은 1030, 1048, 1060 및 1071 nm로 구성된 그룹으로부터 선택될 수 있다.According to a further aspect of the present disclosure, the optical pump is configured with a linearly polarized (LP) ps fiber laser source that pumps the optical parametric module. Advantageously, but not exclusively, the disclosed source may be used to simultaneously output red, green and blue light. The ps laser source is configured with a mode-locked ps fiber laser that uses chirped pulse amplification (CPA) technology to produce an output at a fundamental wavelength in the 1 μm spectral range. By properly selecting the desired fundamental wavelength, the source can simultaneously output red and blue light with an average pulse power exceeding 100 W. For example, the fundamental wavelength may be selected from the group consisting of 1030, 1048, 1060 and 1071 nm.
상기 양태 각각은 하기 특정 설명 및 청구범위에 상세히 설명된 바와 같이 서로 구조적으로 결합될 수 있는 과다한 피처를 특징으로 한다. 각각의 양태의 피처는 레이저 기술 분야의 통상의 기술자가 쉽게 식별할 수 있는 방식으로 결합될 수 있다.Each of the above aspects is characterized by a plethora of features that can be structurally coupled to one another as detailed in the specific description and claims below. The features of each aspect may be combined in a manner readily discernible to one of ordinary skill in the laser art.
본 개시내용의 상기 및 기타 양태 및 피처는 다음 도면과 관련하여 보다 쉽게 명백해질 것이며, 도면에서:
도 1은 공지된 종래 기술에 따른 청색 레이저의 광학 개략도이고;
도 2는 본 발명의 섬유 광원의 개략도이며;
도 3a는 도 2의 본 발명의 섬유 레이저 소스에 통합된 적색 광 생성 OPA 모듈의 개략도이고;
도 3b는 도 3a의 적색 광 생성 모듈과 조합된 파라메트릭 청색 광 생성 모듈의 일 예이며;
도 3c는 도 3a의 적색 광 생성 모듈과 조합된 청색 광 생성 모듈의 다른 예이고;
도 3d는 OPA 모듈의 또 다른 예이며;
도 3e는 본 발명의 OPA 모듈의 추가 예이고;
도 4a는 하나의 특정 예에 따른 본 발명의 청색 레이저의 상세한 광학 개략도이며;
도 4b는 다른 예에 따른 본 발명의 청색 레이저의 상세한 광학 개략도이고;
도 5는 개시된 RG 광원의 청색-적색 파장 관계를 예시하며;
도 6은 개시된 ps 섬유 레이저 기반 펌프 모듈의 광학 개략도이고;
도 7은 본 발명의 양태에 따른 펄스 복제기 모듈의 일 예의 개략도이며;
도 8은 본 발명의 양태에 따른 펄스 복제기 모듈의 다른 예의 개략도이다.These and other aspects and features of the present disclosure will become more readily apparent with reference to the following drawings, in which:
1 is an optical schematic diagram of a blue laser according to the known prior art;
2 is a schematic diagram of a fiber light source of the present invention;
Fig. 3a is a schematic diagram of a red light generating OPA module incorporated in the fiber laser source of the present invention of Fig. 2;
Fig. 3B is an example of a parametric blue light generating module combined with the red light generating module of Fig. 3A;
Fig. 3C is another example of a blue light generating module combined with the red light generating module of Fig. 3A;
3D is another example of an OPA module;
3e is a further example of an OPA module of the present invention;
4A is a detailed optical schematic diagram of a blue laser of the present invention according to one specific example;
4B is a detailed optical schematic diagram of a blue laser of the present invention according to another example;
5 illustrates the blue-red wavelength relationship of the disclosed RG light source;
6 is an optical schematic diagram of the disclosed ps fiber laser based pump module;
7 is a schematic diagram of an example of a pulse replicator module in accordance with aspects of the present invention;
8 is a schematic diagram of another example of a pulse replicator module in accordance with aspects of the present invention.
이제, 개시된 시스템을 상세히 참조할 것이다. 가능하면, 동일하거나 유사한 참조 번호가 도면 및 설명에서 동일하거나 유사한 부분 또는 단계를 가리키는 데 사용된다. 도면은 단순화된 형태이며 정확한 실척은 전혀 아니다. 편의 및 명확성만을 위해, "연결하다", "결합하다", "조합하다" 및 그 굴절 형태소를 갖는 유사한 용어는 반드시 직접적이고 즉각적인 연결을 나타내는 것은 아니고, 매개 요소 또는 디바이스를 통한 결합도 포함한다.Reference will now be made in detail to the disclosed system. Wherever possible, the same or similar reference numbers are used in the drawings and description to refer to the same or similar parts or steps. The drawings are in simplified form and are not at all to scale. For convenience and clarity only, "connect," "join," "combines," and similar terms having their inflected morphemes do not necessarily denote direct and immediate connection, but also include coupling through an intermediary element or device.
도 2는 서로 광학적으로 결합된 몇 개의 모듈을 포함하는 본 발명의 광원(10)을 개략적으로 예시한다. 섬유 레이저 소스 모듈(12)은 광 경로를 따라, 예를 들어 1030, 1048, 1060 또는 1071 nm로부터 선택되는 기본 파장(λf)으로 전파하는 ps IR 펄스의 트레인을 생성하도록 작동한다. IR 빔은 펌프(14)의 NLO와 상호 작용하여 IR 광의 일부를 펌프 파장 λp = λf/2에서 펌프 광으로 변환함으로써 SH를 생성한다. 펌프(14)는 또한 섬유 레이저 소스(12)를 포함하고 펌프 및 나머지 IR 광을 각각의 λp 및 λf 파장으로 출력하는 펌프 모듈(16)에 패키징될 수 있다. 파라메트릭 NLO 모듈(18)은 펌프 모듈(16)로부터 수신된 출력을 처리하고 각각의 신호, 펌프 및 청색 파장에서 적색, 녹색 및 청색 광을 출력하도록 구성된다. 이하에서 개시되는 바와 같이, 다양한 구조적 예가 본 발명의 개념을 예시한다. 모든 개시된 예에 공통되는 것은, 다음의 도면에 더 잘 예시된 바와 같이, 단일 광 경로를 따라 위치되는 여러 OPA 스테이지를 포함하는 NLO 모듈(18)의 광학 개략도이다.Figure 2 schematically illustrates a
도 3a 내지 도 3c는 도 2의 NLO(16)의 작동 원리 및 구조를 예시한다. 특히, 도 3a는 LBO 결정을 각각 포함하는 4개의 OPA 스테이지를 예시한다. 상류 OPA1은 신호 빔, 즉, 777 - 854 nm 파장 범위의 적색 광을 생성하도록 구성되어 있으며, 이는 후속 중간 OPA2-OPA3 스테이지를 통해 광 경로를 따라 안내되어 점진적으로 증폭된다. 도시된 개략도는 섬유 레이저 소스(12)의 피크 출력이 수 MW에 의해 제한되기 때문에 그곳에서 전파되고 생성되는 광 성분의 충분한 증폭을 제공하기 위해 적어도 3개 이상의 상류 및 중간 LBO OPA 스테이지를 포함할 필요가 있다. 여기에는 도시되지 않았지만 아래에 개시된 레이저 소스는, 2차 고조파 생성기(second harmonic generator)(SHG)(여기에는 도시되지 않음)에 결합된 ps IR 펄스를 출력하고, 그 후 IR 광은 필터링되고 양자 노이즈와 함께 펌프 파장 λp에서 생성된 녹색 광은 상류 LBO OPA 스테이지 1에 결합된다. 결과적으로, 후자는 각각의 신호 및 아이들러 파장(λ3, λ4)에서 녹색 펌프 광 빔, 생성된 적색 신호 빔, 및 아이들러 빔을 출력한다.3A-3C illustrate the operating principle and structure of the
초고속 OPA는 LBO 결정의 출력에서 펌프와 신호 펄스 빔 사이의 그룹 속도 불일치에 대한 시간 지연 보상(time-delay compensation)(TDC)을 필요로 한다. 따라서, LBO OPA 스테이지 2에서 적색 신호 빔의 추가 파라메트릭 증폭 전에, 전파하는 녹색/펌프 및 적색 신호 빔은 인접한 LBO OPA 스테이지들 사이의 모든 OPA 스테이지와 인라인으로 위치 설정된 TDC1 상에 입사한다. 요약하면, OPA 모듈(18)은 광 경로를 따라 서로 교번하는 복수의 OPA 스테이지 및 TDC를 갖게 구성된다.Ultrafast OPA requires time-delay compensation (TDC) for the group velocity mismatch between the pump and signal pulse beam at the output of the LBO crystal. Thus, prior to further parametric amplification of the red signal beam in
TDC는 처프 거울(chirped mirror), 다이크로익 거울(dichroic mirror)(아이들러 폐기) 및 다양한 재료로 제조되고 다양한 온도에 배치된 복굴절 윈도우를 포함할 수 있는 구성요소의 광학 시스템이다. 결과적으로, 예를 들어 처프 거울과 재료 분산의 조합을 사용하여, 스펙트럼 조절은 LBO의 온도를 변경함으로써만 달성될 수 있다.A TDC is an optical system of components that may include a chirped mirror, a dichroic mirror (discard idler), and a birefringent window made of various materials and placed at various temperatures. Consequently, spectral tuning can only be achieved by changing the temperature of the LBO, using, for example, a combination of chirped mirrors and material dispersion.
위에 개시된 동작은 적색 신호가 도시된 4개의 순차적으로 위치 설정된 스테이지 OPA1-OPA4에서 증폭될 때마다 반복되는 반면, 각각의 OPA 스테이지에서 생성된 아이들러는 후속 OPA 스테이지 전에 지정된 TDC1-TDC3에 의해 폐기된다. 통상의 기술자라면 알다시피, 아이들러가 후속 OPA 스테이지에 결합되면 의미 있는 파라메트릭 상호 작용이 발생하지 않을 것이다. 도시된 개략도의 출력에서, 소스 광은 증폭된 적색 신호에 투명하고 녹색 펌프 광을 지정된 출력으로 반사하는 다이크로익 거울과 같은 스펙트럼 필터에 충돌한다.The operation disclosed above is repeated whenever the red signal is amplified in the four sequentially positioned stages OPA1-OPA4 shown, while the idlers created in each OPA stage are discarded by the designated TDC1-TDC3 before the subsequent OPA stage. As one of ordinary skill in the art knows, no meaningful parametric interaction will occur if the idler is coupled to the subsequent OPA stage. At the output of the schematic diagram shown, the source light strikes a spectral filter, such as a dichroic mirror, which is transparent to the amplified red signal and reflects the green pump light to a designated output.
도 3a의 구성을 갖는 OPA 블록을 예시하는 도 3b는 도 2의 본 발명의 모듈(18)의 출력 청색 광 생성 OPA 스테이지의 일 예를 나타낸다. 특히, 신호 파장 λ3에서의 적색 신호 빔은 도 3a의 개략도에 따라 증폭되고, 2차 고조파, 즉, 청색 광 빔을 생성하는 출력 LBO SHG에 추가로 결합된다. 추가적인 다이크로익 거울은 적색 신호 빔을 투과하지만, 생성된 청색 광 빔을 반사한다.FIG. 3B , illustrating an OPA block having the configuration of FIG. 3A , shows an example of an output blue light generating OPA stage of
도 3c는 출력 청색 및 적색 광의 편광 둘 모두를 이용하는 출력 청색 광 생성 OPA 스테이지의 다른 예를 도시한다. 특히, 출력 OPA 스테이지는 광 경로를 따라 서로 이격되고 이중 반파장 판을 포함하는 제4 TDC4와 인접하는 2개의 SHG를 갖게 구성된다. 모듈(18)의 출력에서, 교차 편광된 청색 광 및 나머지 적색 광은 도 2의 소스(10)의 출력에서 이들 광을 분리하는 후속 다이크로익 거울에 입사된다. 도 3b 및 도 3c의 NLO 모듈(18)의 개략도는 아래에 개시되는 바와 같이 RGB 엔진에서 유리하게 이용되는 각각의 녹색, 적색 및 청색 광에 대해 별개의 출력을 제공한다는 점에 유의한다.3C shows another example of an output blue light generating OPA stage that utilizes both polarizations of output blue and red light. In particular, the output OPA stage is configured with two SHGs spaced apart from each other along the optical path and adjacent to a fourth TDC4 comprising a double half-wave plate. At the output of
도 3d 및 도 3e의 개략도는 기본 파장 λf에서 IR 광을 이용하는 NLO 모듈(18)의 다소 상이한 구성을 예시하며, 이 중 일부는 펌프 파장에서 녹색 광 빔을 생성하도록 구성된 상류 SHG 이후에 남아 있다(여기에 도시되지 않음). 특히, 도 3d는 각각의 도 3a 내지 도 3c의 구성과 유사하게 구성된 다단 NLO 모듈(18)을 예시한다. IR 광은 도 3a와 동일하게 구성된 OPA 블록에 입사되고 파라메트릭 작동에 의해 영향을 받지 않는 모든 OPA 스테이지를 통해 전파된다. 따라서, 이 도면에 도시된 바와 같이, OPA 블록의 출력은 IR 광 빔, 신호 적색 광 빔 및 펌프 녹색 광 빔을 포함하며 이들 모두는 적색 및 IR 광 둘 모두에 투명한 출력 상류 다이크로익 거울에 충돌하지만 녹색 광을 반사한다. IR 및 적색 광 빔은 결합된 IR 및 적색 광을 혼합한 결과로 청색 광을 생성하는 SFG 스테이지로 결합된다. 광 경로를 따라 SFG로부터 하류에 이격된 출력 하류 다이크로익 거울은 청색 광을 반사하고 IR 및 적색 광 빔의 나머지 부분을 투과시킨다. 따라서, 소스(10)는 각각의 적색, 녹색 및 청색 광 빔이 가로지르는 3개의 출력 포트를 포함한다.3D and 3E illustrate a slightly different configuration of an NLO module 18 using IR light at the fundamental wavelength λ f , some of which remain after the upstream SHG configured to generate a green light beam at the pump wavelength. (not shown here). In particular, FIG. 3D illustrates a
도 3e는, 도 3c와 같이, 적색, 청색 및 IR 광 빔선의 직교 편광 방향을 이용하는 가능성을 유리하게 제공한다. 이는 이격된 상류 출력과 하류 출력 LBO SFG1 및 LBO SFG2 및 TDC4의 조합에 의해 실현된다. 후자는 다른 거울과 함께 삼중 반파장 판을 포함하며 SFG1과 SFG2 사이에 위치된다. 상류 출력 SFG는 IR 및 적색 광 빔을 혼합하여 청색 광 빔 출력을 초래한다. 3개의 광은 모두 선형 편광된 광의 편광 방향을 이동시키는 삼중 반파장 판에 입사한다. 하류 SFG는 이 SFG의 입력에서 청색 광의 편광에 직교하는 편광 방향을 갖는 청색 광의 합산 주파수 생성을 제공한다. 하류 SFG의 출력에서, 교차 편광된 광은 출력 다이크로익 거울에 입사하여 청색 광 빔을 반사하고 적색/IR 광 빔을 투과시킨다.Fig. 3e advantageously offers the possibility of using orthogonal polarization directions of the red, blue and IR light beams, as in Fig. 3c. This is realized by the combination of spaced upstream and downstream outputs LBO SFG1 and LBO SFG2 and TDC4. The latter contains a triple half-wave plate with another mirror and is located between SFG1 and SFG2. The upstream output SFG mixes the IR and red light beams resulting in a blue light beam output. All three lights are incident on the triple half-wave plate which shifts the polarization direction of the linearly polarized light. The downstream SFG provides the summation frequency generation of blue light with a polarization direction orthogonal to the polarization of the blue light at the input of this SFG. At the output of the downstream SFG, cross-polarized light is incident on the output dichroic mirror to reflect the blue light beam and transmit the red/IR light beam.
앞서 설명한 도 3a 내지 도 3e를 참조하면, 개시된 개략도는 인라인으로 위치되고 예시된 전체 배열을 통해 단일 광 경로를 함께 규정하는 교번하는 OPA 및 TDC를 특징으로 한다는 것을 쉽게 알 수 있다. 앞서 개시된 구조의 실험 페이즈는 매우 유망한 결과를 가져왔다. 예를 들어, 50% 변환 효율의 경우, 도 3a 내지 도 3c의 초고속 OPA는 정규 섬유 레이저에 의해 쉽게 달성되는 50 - 500 nJ 펄스 에너지에 의해 펌핑될 수 있다. 일반적으로 사용되는 주기적으로 극성을 갖는 재료 대신에 낮은 흡수율과 높은 손상 임계값의 LBO 벌크 NLO를 사용하면, 앞서 개시된 광원(10)(도 2)의 개략도가 가까운 장래에 1.5 내지 3 nm 스펙트럼 범위의 스펙트럼 선폭을 갖는 1 kW 초과의 청색 광 펄스 출력을 생성할 수 있다는 것이 개연성 있다.Referring to FIGS. 3A-3E previously described, it can be readily seen that the disclosed schematic features alternating OPAs and TDCs positioned in-line and together defining a single optical path through the illustrated overall arrangement. The experimental phase of the previously disclosed structure has yielded very promising results. For example, for a 50% conversion efficiency, the ultrafast OPA of FIGS. 3A-3C can be pumped by 50 - 500 nJ pulse energies easily achieved by a regular fiber laser. Using low absorption and high damage threshold LBO bulk NLOs instead of commonly used periodically polarized materials, the schematic diagram of the previously disclosed light source 10 (FIG. It is plausible that it is possible to produce a blue light pulse output greater than 1 kW with a spectral linewidth.
도 4a는 443 - 467 nm 파장 범위에서 소스 청색 출력을 생성하는 광원(10)의 예시적인 상세한 광학 개략도를 예시한다. 예시된 개략도는 단일 선형 각도 광 경로를 제공하도록 구성된다. 그러나, 레이저 분야의 통상의 기술자는 도 3a 내지 도 3e에 도시된 것과 유사한 인라인 아키텍처를 갖고 도 3d 및 도 3e의 개략도와 동일하게 구성되도록 도시된 개략도를 쉽게 재구성할 수 있다.4A illustrates an exemplary detailed optical schematic diagram of a
특히, 레이저 모듈(12)은 1030 nm 기본 파장 λf에서 ps 펄스의 IR 광을 그리고 펌프 파장 λp = 515 nm에서 녹색 펌프 신호를 생성한다. 2차 고조파 생성 동안, IR 광의 일부는 도 2의 SHG(14)에서 펌프 신호로 전달된다. 기본 및 펌프 파장에서 ps 펄스의 트레인은 NLO 모듈(18)의 상류 스테이지를 구성하는 OPG/A 파라메트릭 디바이스 둘 모두로서 기능하는 제1 NLO(26)의 중심 영역으로 각각의 펄스를 트레인시키는 초점 렌즈(L2)에 입사한다. 제1 비선형 결정(26)은 각각의 제3 신호 및 제4 파장(λ3 및 λ4)에서 적색 광 신호 빔 및 아이들러 빔을 생성하기 위해 녹색 펌프 빔과 상호 작용한다. 일부가 상류 SHG(도시되지 않음)와 상호 작용한 후 남아 있는 기본 파장의 조합은, OPG(26)의 출력과 SFS(46)의 입력 사이에서 자유롭게 전파되고, 상류 OPA 스테이지의 NLO(26)와 펌프 신호 빔 사이의 상호 작용 후에 λp 파장에서의 펌프 광 빔의 단편과, λ3 파장에서 생성된 적색 광 신호 빔은 제1 다이크로익 거울(28)에 입사된다. 다이크로익 오목 거울(28)은 아이들러에 대해 투명하지만, 한 방향에 대향되고 평행하지 않은 방향으로 펌프 및 신호 광 빔을 반사하여, 반사된 광은 OPA로서 작동하는 동일한 NLO(26)에 입사된다. 따라서, 다이크로익 거울(28)은 반사된 펌프와 적색 광 빔 사이의 그룹 속도 불일치를 보상하는 TDC 조립체의 일부이다. 반사된 광은 반대 방향으로 상류 OPA 스테이지의 NLO(26)를 통해 전파되므로, 다른 방향의 NLO(26)에서와 유사한 프로세스가 반복된다.Specifically, the
반사된 광이 제1 NLO(26)와 상호 작용함에 따라, 신호 파장 λ3에서의 적색 신호 빔이 더욱 증폭된다. 파장 λ4에서의 아이들러 빔이 다시 생성되고 추가 감쇠된 녹색 펌프 빔 및 증폭된 적색 광 빔과 함께 동축으로 전파된다. 다이크로익 평면 거울(30)에 충돌할 때, 거울(30)을 통해 전파되는 새로 생성된 아이들러를 제외한 모든 파장의 광 빔은 모듈(18)의 적어도 하나의 중간 OPA 스테이지를 향해 반사된다.As the reflected light interacts with the
반사된 광 빔은 중간 OPA 스테이지의 제2 비선형 결정을 통해 한 방향으로 반사하는 오목 거울(34)을 향해 광을 안내하는 평면 거울(32)에 추가로 입사되고 이 거울로부터 반사된다. 제2 NLO(36)와 펌프 신호 사이의 상호 작용은 λ3에서 적색 신호를 추가로 증폭시키고, 이어서 이 신호는 나머지 펌프 신호, 적색 신호 및 아이들러와 함께 다이크로익 곡면 거울(38)에 입사되는데 후자는 이 거울을 통해 투과된다. 반사된 광은 반대 방향으로 제2 NLO(36)를 통해 전파되어 상류 OPA 스테이지에서와 유사한 프로세스가 반복된다. 결과적으로, 증폭된 적색 신호, 펌프의 제3 단편, 아이들러 및 각각의 λ3, λp, λ4 및 λf에서의 IR은 평면 거울(40)에 충돌하여 아이들러를 제외한 모든 광을 하류 스테이지를 향해 지향시킨다. The reflected light beam is further incident on and reflected from a
이전 OPA 스테이지와 마찬가지로, 하류 스테이지는 LBO NLO(46)를 포함하는 SFG(SHS로 표시됨)를 통해 수신된 광을 한 방향으로 순차적으로 안내하는 평면 거울(42) 및 곡면 거울(44)을 갖게 구성된다. 후자는 파장 λ3에서의 이전에 증폭된 적색 광 신호와 파장 λf에서의 나머지 IR 광을 혼합하여 파장 λsso =(1/λf + l/λ3)-1에서 소스 신호 출력을 생성한다. 따라서, 출력 ps 청색 광은 443 - 467 nm 파장 범위의 파장에서 평면 거울(52)을 통해 투과된다.Like the previous OPA stage, the downstream stage is configured to have a
도시된 바와 같이, 각각의 펌프 λ3 및 신호 λf 파장에서의 나머지 적색 및 IR 광은 추가로 사용될 수 있다. 이 광은 NLO(46)를 통해 반대 방향으로 곡면 거울(48)로부터 반사되어 평면 거울(50)에 입사하는 청색 광을 다시 생성하고 출력 스테이지의 평면 거울(54)을 향해 추가로 반사된다. 반파장 판(56)은 거울(54)과 광 통신하고 거울(48)을 통해 투과된 청색 광의 편광에 직교하도록 청색 광의 편광을 변경하도록 구성된다. 반파장 판(56)의 하류에서, 박막 편광기(TFP)(58)는 원하는 443 또는 467 nm 중심 파장에서 출력되는 청색 광을 결합한다. 일반적으로, 출력 OPA 스테이지는 다양한 파라메트릭 디바이스를 단독으로 또는 원하는 출력 파장을 생성하는 디바이스와 조합하여 가질 수 있다. 따라서, 합산 주파수, 차주파수, 합산 주파수, 차주파수 및 2차 고조파 생성을 포함하는 변환 유형을 포함하는 모든 유형의 파라메트릭 생성은 본 기술 분야의 숙련자에 의해 실현될 수 있는 출력 스테이지를 적절하게 구성함으로써 사용될 수 있다.As shown, the remaining red and IR light at each pump λ3 and signal λ f wavelength can be further used. This light is reflected from the curved mirror 48 in the opposite direction through the
앞서 설명한 바와 같이, 모든 OPA 스테이지는 각각 단일 통과 LBO NLO를 제공하도록 구성될 수 있다. 이러한 변경으로, 도 4a의 개략도는 도 3a 내지 도 3e에 도시된 것과 동일하지만 2배만큼 많은 LBO NLO를 갖는 인라인 아키텍처를 제공하도록 재구성될 수 있다.As previously described, all OPA stages can each be configured to provide a single pass LBO NLO. With this change, the schematic diagram of FIG. 4A can be reconfigured to provide an inline architecture identical to that shown in FIGS. 3A-3E but with twice as many LBO NLOs.
도 4b는 343 nm 청색 광 빔을 출력하는 소스(10)의 본 발명의 OPA 모듈(18)의 다른 예를 예시한다. 도 4b에 이용된 소스는 343 nm 펌프 파장에서 작동하는 ps UV 섬유 레이저 소스(도시되지 않음)를 포함한다. 일반적으로 도 4a의 개략도와 유사하게 구성되어, 모듈(18)은 515 nm 파장의 펌프 빔을 갖는 이전에 개시된 모듈의 SFG NLO 대신에 광학 파라메트릭 증폭기가 제공된 하류 OPA 스테이지를 갖는다.4B illustrates another example of an
다양한 유형의 NLO 결정이 본 개시내용의 문맥 내에서 이용될 수 있다. 결정은 WOC 판에 의해 보상될 수 있는 임의의 기존 공간 워크오프에 대해 임계적으로 위상 일치되거나 일치되지 않을 수 있다. 따라서, BBO, BIBO, KTP, KTA, 주기적으로 극성을 갖는 LiNbO3(PPLN), 주기적으로 극성을 갖는 LiTaO3(PPLT) 등과 같은 결정 유형이 도 2 및 도 3의 개략도에서 구현될 수 있다. 그러나, 출력 전력에서 100 W 이상을 제공할 수 있는 유일한 결정은 다른 모든 대안적인 NLO 결정보다 가장 낮은 벌크 흡수와 가장 높은 손상 임계값을 갖기 때문에 LBO(및 가능하게는 BIBO)이다. NLO는 비임계적으로 위상 일치된 결정일 수 있거나 아닐 수도 있다. 임의의 공간적 워크오프가 존재하는 경우, 통상의 기술자에게 공지된 바와 같이 보상될 수 있다. 각각의 NLO 결정은 최상의 위상 정합 조건을 제공하기 위해 개별적으로 열 제어된다.Various types of NLO determinations may be used within the context of this disclosure. The decision may or may not be critically phase matched for any existing spatial walkoff that can be compensated for by the WOC plate. Thus, crystal types such as BBO, BIBO, KTP, KTA, periodically polarized LiNbO 3 (PPLN), periodically polarized LiTaO 3 (PPLT), etc. can be implemented in the schematic diagrams of FIGS. 2 and 3 . However, the only crystal capable of providing more than 100 W in output power is LBO (and possibly BIBO) as it has the lowest bulk absorption and highest damage threshold than all other alternative NLO crystals. The NLO may or may not be a non-critical phase matched crystal. If any spatial walk-off exists, it can be compensated as known to those skilled in the art. Each NLO crystal is individually thermally controlled to provide the best phase matching conditions.
위에 개시된 NLO 모듈(18)은 하나의 레이저 소스로부터 모든 3개의 기본 색상을 생성해야 하는 시각적 디스플레이에서 RGB 엔진에 사용될 때 특히 유리하다. RGB 엔진의 효율은 다음과 같은 주요 고려 사항을 기초로 한다. 첫째, 사람의 눈이 색 재현율(color gamut)의 90% 초과를 검출할 수 있도록 기본 적색, 녹색 및 청색 색상을 선택해야 한다. 둘째, 영상 왜곡을 유발하는 스펙클 현상을 최소화하고 바람직하게는 제거해야 한다. 또한, RGB 광원은 본 출원에 개시된 바와 같이 섬유 펌프의 최소 출력 전력에서 변환된 가시광의 높은 벽 플러그 효율 및 높은 발광 효능을 특징으로 해야 한다. 그러나, 디스플레이 산업만이 도 2의 개시된 소스(10)로부터 이익을 얻는 유일한 것은 아니다. 예를 들어, 도 3a 내지 도 3e에 도시된 동일한 파라메트릭 모듈(18)은 IR 광 빔을 펌프 빔으로서 사용하고 LBO 결정 대신에 BIBO 결정을 사용하여 1.7 - 2.5 μm 파장 범위에서 출력을 제공하는 것으로 입증되었다. 구조적으로, 출력 OPA 스테이지는 2개의 SHG를 갖게 구성될 수 있고, 나머지 OPA 스테이지는 도 4a 및 도 4b와 유사하게 파라메트릭 증폭기를 갖게 구성될 수 있다.The
도 2로 복귀하면, 펌프 모듈(16)은 이테르븀(Yb) 도핑 모드-로킹 ps 섬유 레이저(12)를 포함한다. 대부분의 산업용 Yb 섬유 레이저는 약 1030 nm 또는 1064 nm(방출) 기본 파장 λf에서 작동한다. 이들 파장 중 임의의 것의 선택은 아래에서 설명되는 바와 같이 NLO 모듈(18)의 구성을 결정한다.Returning to FIG. 2 , the
도 5는 1030 nm 기본 파장(도 2)에서 Yb 섬유 레이저(12)로부터의 IR 신호와 상호 작용하는 SHG(14)에 의해 생성된 515 nm 펌프 파장을 갖는 수학식 1, 2 및 3에 기초한 청색-적색 파장 관계를 예시한다. 곡선(120)은 각각의 펌프 파장의 광과 상호 작용하는 2개의 2차 고조파 생성기(SHG 및 SHGi)의 조합을 사용하여 결정된다. 대안적으로, 곡선(120)은 합산 주파수 생성기(SFG 및 SFGi)의 조합을 사용하여 모델링될 수 있다. 또 다른 대안에 따르면, 곡선(120)은 SFG와 SHG 파라메트릭 디바이스의 조합을 이용하여 모델링된다. 이 곡선(120)은 원하는 적색 및 청색 파장이 2개의 SHG 디바이스 또는 2개의 SFG 디바이스를 이용함으로써 획득될 수 있음을 나타낸다. 청색 광 파장이, 예를 들어 445 nm 파장으로 변경되었지만 610 nm 아이들러 파장이 여전히 필요한 경우, SFG 스테이지의 조합은 곡선(122)에 대응한다. SHG 및 SFG 스테이지의 조합에 대응하는 곡선(124)은 610 nm 아이들러 파장이 필요한 경우 효율적인 RGB(10)에 이 조합을 사용할 수 없음을 나타낸다. 다양한 파라메트릭 디바이스의 조합은 원하는 파장을 초래할 수 있다. 임의의 원하는 파장에 적응하기 위해 도 3a 내지 도 3e 및 도 4a 및 도 4b의 NLO 모듈(18)의 구조적 유연성을 이용하여 쉽게 획득할 수 있는 파라메트릭 메커니즘의 하나 또는 다른 조합을 궁극적으로 결정하는 것은 광원(10)의 효율이다.FIG. 5 is a blue color based on
표 1은 각각의 478 nm 및 610 nm 파장에서 청색 및 신호(적색) 출력을 생성하기 위해 1030 nm 기본 파장에서 고효율 RGB 소스(10)에 의해 사용되는 파라메트릭 작동 및 필요한 데이터를 제공한다. 알 수 있는 바와 같이, RGB 소스(10)는 610 nm 파장에서 원하는 소스 아이들러 출력을 생성하기 위해 1220 nm 파장의 SHG를 포함하는 NLO(18)를 갖게 구성된다. 그러나, 478 nm 파장에서 소스 출력 신호를 생성하기 위해, SHG 메커니즘은 효과적으로 작동하지 않는다. 그러나, 892 nm에서의 신호와 상호 작용하는 SFG 디바이스를 사용하면 478 nm 소스 신호 출력에서 RGB 소스 10을 효율적으로 작동할 수 있다. 또한, 이 표는 스펙클을 방지하는 데 도움이 되는 각각의 3 nm, 4 nm 및 5 nm 선폭을 사용하여 소스 신호, 펌프 및 소스 아이들러 출력에 대한 선폭을 제공한다. 모듈(12)의 레이저 소스의 최소 출력에서 기본 파장의 IR 광을 각각의 적색, 녹색 및 청색 신호로 변환하는 효율은 8% 내지 20%로 매우 높은 것으로 고려되는 반면, 출력 적색 및 청색 신호 평균 출력은 각각 158 W, 106 W 및 114 W로 중형 2D 영화관에 대해서 또한 비범하다. 각각의 적색 및 특히 청색 스펙트럼 영역에서 이러한 유형의 영사기에 대해 비교할 만한 변환 효율 및 출력이 없다고 믿어진다.Table 1 provides the parametric operation and necessary data used by the high
표 1에 나타낸 상이한 파장들의 관계는 515 nm 파장에서 펌프 광을 생성하는 도 2의 펌프 모듈(16)을 기초로 한다. 다른 펌프 파장은 분명히 광학 파라메트릭 프로세스의 에너지 보존 법칙에 기초한 파라메트릭 NLO 모듈(18)과 함께 이용될 수 있다. 표 2는 1064 nm 파장에서 IR 광의 SH인 532 nm 파장에서 녹색 광에 의해 펌핑된 OPA/OPO로부터 생성된 신호 적색 및 청색 파장을 예시한다. 표 2는 1064 nm 소스의 RGB 광원을 2D 영화관에 가장 효율적으로 만드는 데이터 및 파라메트릭 메커니즘을 제공한다.The relationship of the different wavelengths shown in Table 1 is based on the
도 6은 펄스 복제와 조합된 처프 펄스 증폭(CPA) 아키텍처를 갖는 ps 섬유 소스(100)에 기초한 섬유 레이저 펌프 모듈(12)을 예시한다. 소스(100)는 전체 섬유 또는 YAG 기반 구조를 포함하는 다양한 구성을 가질 수 있다. 바람직하게는, 소스는 ps 펄스의 트레인과 섬유 또는 다른 유형의 증폭기 또는 부스터(150)를 출력하는 마스터 발진기를 포함하는 MOPA 구성을 특징으로 한다. 소스(100)는 또한 펄스 스트레처(130), 펄스 복제기 모듈(140), 시드와 부스터 사이에 모두 위치되는 격리기(160), 및 섬유 부스터(150)에 뒤따르는 펄스 압축기(170)를 갖게 구성된다. 입력 레이저 펄스(112)는 펄스 스트레처(130)를 사용하여 적시에 신장되고, 부스터(150) 및 임의로 전치 증폭기(154)를 포함하는 증폭 스테이지에서 증폭되며, 펄스 압축기(170)를 사용하여 압축 해제된다. 증폭 전에, 신장된 펄스(132)는 펄스 복제기 모듈(140)을 사용하여 복제된다.6 illustrates a fiber
펄스 스트레처(130)는 감소된 피크 출력을 갖는 신장된 펄스(132)의 트레인을 생성하기 위해 펄스(112)의 입력 트레인의 펄스 지속 기간을 신장시키도록 구성된다. 일부 실시예에 따르면, 펄스 스트레처(130)는 초기 펄스 트레인(112)의 펄스를 몇 나노초 정도의 펄스 지속 기간으로 신장하고, 일부 경우에는 10 ns일 수 있다. 신장된 레이저 펄스(132)의 반복률은 펄스 복제기 모듈(140)에 의해 증가될 수 있으며, 펄스 복제기 모듈은 신장된 레이저 펄스(132)의 광학 파형을 적시에 복제하여 수정된 펄스 트레인(148)을 생성한다. 펄스 스트레처(130)에 의해 출력된 신장된 레이저 펄스(132)의 트레인의 시간 플롯은 t의 펄스 주기 및 1/t의 펄스 반복률을 갖는다. 일부 실시예에 따르면, 펄스 복제기(140)는 t가 수정된 펄스 트레인(148)의 레이저 에너지가 연속적으로 나타나는 정도로 감소되도록 신장된 레이저 펄스를 복제하는 데 사용될 수 있다. 수정된 펄스 트레인(148)의 거의 연속파 특성화는 펄스 스트레처(130)에 의해 수행되는 신장과 펄스 복제 모듈(140)에 의해 수행되는 복제 모두의 함수이다. 이러한 레이저 광을 이용하는 시스템의 예는 아래에서 더 상세히 설명된다. 펄스 복제기(140)는 신장된 레이저 펄스(132)의 반복률을 수십 MHz 및 멀티 GHz 레벨로 증가시키도록 구성될 수 있다. 펄스 스트레처(130) 및/또는 펄스 복제기 모듈(140)은 원하는 피크 대 평균 출력비를 갖는 수정된 펄스(148)를 생성하도록 구성될 수 있다. 아래에서 예를 설명한다.
펄스 복제기 모듈(140)은 입력 융합 광섬유 커플러 및 출력 광섬유 커플러를 포함하는 적어도 2개의 광섬유 커플러 및 입력과 출력 융합 광섬유 커플러 사이에 배치된 적어도 하나의 광섬유 지연 라인을 포함하는 전체 섬유 디바이스이다. 모든 광섬유 커플러는 편광 유지형이다. 광섬유 커플러는 또한 단일 모드 비편광 유지형(non polarization-maintaining)(PM) 융합 광섬유 커플러로서 구성될 수 있다. 펄스 스트레처(130) 및 펄스 복제기 모듈(140)의 구성요소는 맞춤형(높은) 반복률로 펄스를 출력하도록 구성될 수 있다. 펄스 압축기(170)는 처프 증폭된 펄스(153)의 펄스 폭을 압축한다. 펄스 압축기의 비제한적 예는 CVBG 및 트레시(Treacy) 압축기와 같은 격자 압축기, 뿐만 아니라 마르티네즈(Martinez) 압축기 및 프리즘 압축기를 포함한다.The
펄스 압축기(170)로부터 출력되는 증폭 및 압축된 레이저 펄스(174)는 높은 반복률 및 높은 평균 출력을 갖는 초단파 펄스 레이저 광으로 특징지어질 수 있다. 이 출력의 특정 용례는 높은 평균 출력의 UV 레이저 방사선 생성을 포함하며 아래에서 설명된다.The amplified and
도 5는 펄스 복제기 모듈(440)의 제1 예의 개략도이다. 이 구성에 따르면, 입력 융합 광섬유 커플러(442)는 광섬유 스플리터로서 구성된다. 출력 광섬유 커플러(443)의 결합 영역을 빠져나가는 2개의 섬유 중 하나는 수정된 펄스 트레인(148)을 포함하는 출력(436)을 형성한다. 광 빔스플리터(442)는 입력부(434)를 갖고, 이 경우에 입력부(434)는 광 펄스 스트레처(130)(도 4)에 결합되고, 출력 커플러(443)의 출력부(436)는 섬유 출력 증폭기(150)에 연결되거나 달리 결합된다. 펄스 복제기 모듈(440)은 또한 입력 커플러(442)와 출력 커플러(443) 사이에 배치된 적어도 하나의 광섬유 커플러(444)를 포함한다.5 is a schematic diagram of a first example of a
입력 스플리터(442)의 출력 중 하나에 대해, 지연(τ)이 적절한 길이의 단일 모드 섬유(즉, 광섬유 지연 라인(445))를 사용하여 추가되어, 쌍 중에서 하나의 다리 또는 출력 세그먼트(445)는 다른 다리(446)와 상이한(그보다 긴) 광 경로 길이를 갖는다. 이는 스플리터(442)의 둘 모두의 출력 섬유(4451 및 4461)에서 τ에 의해 분리된 2개의 펄스를 생성한다. 2τ의 지연은, 이들 2개의 출력이 커플러(444)에서 결합될 때 4개의 펄스의 2 세트를 생성하기 위해 이러한 경로 중 하나에 들어간다. 이 프로세스는 원하는 수의 복제가 획득할 때까지 2개의 경로 사이의 차등 지연을 두 배로 늘려 반복될 수 있다. 그 후, 2개의 경로는 결합기(443)를 사용하여 결합된다. 지연(τ)의 길이는 펄스 중첩 및 간섭을 피하기 위해 레이저 펄스의 길이보다 약간 더 길게 선택될 수 있다.For one of the outputs of the input splitter 442, a delay τ is added using a single mode fiber of an appropriate length (i.e., fiber delay line 445), so that one leg or output segment 445 of the pair is has a different (longer) optical path length than the
펄스 복제기(440)는 각각의 연속적인 스테이지가 신장된 레이저 펄스(132)에 시간 지연을 도입하도록 광섬유 지연 라인(445)을 각각 포함하는 복수의 스테이지(449)를 포함한다. 도 5에 도시된 예의 경우, 펄스 복제기(440)는 4개의 스테이지(4491, 4492, 4493, 4494)를 포함하고, 여기서 각각의 스테이지에서, 신호 출력은 고정된 시간 지연으로 분할 및 재결합된다. 복제의 수가 각각의 스테이지(449)에서 2배로 되기 때문에(즉, 50:50 커플러), 결합기(443)로 전파되는 2개의 출력(4454 및 4464)은 각각 2x 복제를 포함하고, 여기서 x는 사용된 스테이지의 수이다(이 예에서는 x = 4). 따라서, 펄스 복제기(440)는 각각의 연속적인 스테이지가 신장된 레이저 펄스(132)에 고정된 시간 지연을 도입하는 다단 수동 펄스 복제기로서 구성된다. 시간 지연은 각각의 연속 스테이지에서 미리 결정된 양만큼 증가하거나 감소할 수 있다.The
복제기(440)의 마지막 스테이지(4454 및 4464)의 출력은 결합기(443)에서 결합되어 출력부(436)에서 수정된 펄스 트레인(148)으로서 시간 지연 복제 펄스의 트레인을 생성한다. 도 6에서 볼 수 있는 바와 같이, 섬유 다리(4454 및 4464)의 8개의 복제 펄스 각각은 결합기(443)에서 결합되어 16개의 펄스를 생성한다. 이들 16개의 펄스는 펄스 버스트로서 구성되고, 따라서 수정된 펄스 트레인(148)은 16개의 펄스를 각각 포함하는 펄스 버스트의 시퀀스를 포함할 것이다. 지연 라인(4451-4454)의 길이는 버스트 반복률(즉, 버스트 사이의 시간 간격)을 나타낸다.The outputs of the
이해되는 바와 같이, 펄스 스트레처(130) 및 펄스 복제기 모듈(140)의 구성요소는 맞춤형 반복률로 펄스를 출력하도록 구성될 수 있다. 반복률은 피크 출력이 바람직하지 않은 손상을 피하기에 충분히 낮지만, 효율적인 주파수 변환을 위해 충분히 높도록 선택될 수 있다. 펄스 복제기 모듈의 섬유 커플러 및 섬유 지연 라인은 다양한 펄스 형태를 생성하는 데 사용할 수 있고, 도 8은 펄스 복제기 모듈(540)의 다른 예의 개략도이다. 일부 실시예에 따르면, 펄스 복제기 모듈은 별도로 각각 구성될 수 있는 서브모듈의 시퀀스를 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 5에 도시된 펄스 복제기 모듈(540)은 도 7의 펄스 복제기 모듈(440)의 출력부를 입력부로서 사용하지만, 복제기 모듈(540)은 또한 그 자체로 또는 다른 구성을 갖는 서브모듈과 함께 사용될 수 있음을 이해하여야 한다.As will be appreciated, components of
도 6의 복제기 모듈(440)과 유사한 방식으로, 펄스 복제기 모듈(540)은 또한 입력 융합 광섬유 커플러(542) 및 출력 광섬유 커플러(543)를 포함한다. 입력 커플러(542)와 출력 커플러(543) 사이에는 중간 섬유 커플러(544), (547a), 및 (547b)가 있다. 각각의 스테이지(549)로부터의 지연 라인이 인접(하류) 스테이지로 지향되게 되는 대신에, 적어도 하나의 지연 라인은 도 6의 구성에 도시된 바와 같이 하나 이상의 하류 스테이지를 우회한다. 이 예에 따르면, 지연 라인(5454)은 제1 스테이지(5491)의 출력부에서 중간 커플러(544)로부터 출력 결합기(543)로 지향되고, 이에 의해 제2 및 제3 스테이지(5492 및 5493)를 우회하고 제4 스테이지(5494)의 지연 라인을 형성한다. 이와 같이, 각각의 연속적인 스테이지에서 도입되는 시간 지연 증가는 모두 서로 동일하지 않다. 도 5에 나타낸 바와 같이, 이 구성은 9 ns의 총 지속 기간(인벨로프)을 갖는 초기 16 펄스 버스트가 4개의 스테이지(5491-5494)를 통해 90 ns의 인벨로프를 갖는 160 펄스 버스트로 변환되게 하고, 여기서 각각의 펄스 지속 기간은 0.45 ns이고 펄스는 0.56 ns만큼 분리된다. 아래의 표 1은 각각의 스테이지를 개괄한 것이다.In a manner similar to the
도 7 및 도 8에 도시된 펄스 복제기의 예는 제한으로 의도되지 않고 다른 구성이 또한 본 개시내용의 범위 내에 있다.The examples of pulse replicators shown in FIGS. 7 and 8 are not intended to be limiting and other configurations are also within the scope of the present disclosure.
따라서, 적어도 하나의 예의 여러 양태를 설명하였지만, 다양한 변경, 수정 및 개선이 본 기술 분야의 숙련자에게 쉽게 연상될 것임을 이해하여야 한다. 예를 들어, 본 명세서에 개시된 예는 또한 다른 문맥에서 사용될 수 있다. 이러한 변경, 수정 및 개선은 본 개시내용의 일부로 의도되고, 본 명세서에서 설명된 예의 범위 내에 있는 것으로 의도된다. 따라서, 앞서 설명한 설명 및 도면은 예시에 불과하다.Thus, while various aspects of at least one example have been described, it should be understood that various changes, modifications, and improvements will readily occur to those skilled in the art. For example, examples disclosed herein may also be used in other contexts. Such changes, modifications, and improvements are intended to be part of this disclosure and are intended to be within the scope of the examples described herein. Accordingly, the description and drawings described above are merely examples.
Claims (22)
펌프 파장 λp에서 선형 편광된 펌프 빔을 수신하고 각각의 파장 λ3 및 λ4에서 신호 및 아이들러 빔을 생성하도록 구성된 상류 광학 파라메트릭 증폭(OPA) 스테이지 - 펌프, 신호 및 아이들러 빔의 단편은 단일 광 경로를 따라 전파됨 -;
광 경로를 따라 서로 광학적으로 결합된 복수의 중간 OPA 스테이지 및 선행 OPA 스테이지로부터 펌프 빔의 점진적으로 더 약한 단편 및 증폭된 신호 빔을 수신하는 각각의 후속 OPA 스테이지;
경로를 따라 OPA 스테이지와 교번하고, 펌프와 신호 빔 사이의 그룹 속도 불일치를 보상하며 각각의 후속 파라메트릭 상호 작용 후에 아이들러의 전파를 방지하면서 광 경로를 따라 펌프 및 신호 빔을 안내하도록 구성된 복수의 시간 지연 보상(TDC) 조립체; 및
펌프 빔의 단편 및 증폭된 신호 빔을 수신하고 신호 빔의 파장 λ3과 상이한 원하는 출력 파장 λo에서 출력 빔을 생성하도록 구성된 출력 OPA 스테이지를 포함하는, OP 모듈.A multi-stage optical parametric (OP) module comprising:
An upstream optical parametric amplification (OPA) stage configured to receive a linearly polarized pump beam at a pump wavelength λp and generate a signal and idler beam at wavelengths λ 3 and λ 4 , respectively - the pump, a fragment of the signal and idler beam is a single light propagated along the path -;
a plurality of intermediate OPA stages optically coupled to one another along the optical path and each subsequent OPA stage receiving progressively weaker fragments of the pump beam and an amplified signal beam from the preceding OPA stage;
a plurality of times configured to alternate with the OPA stage along the path, compensate for group velocity mismatch between the pump and signal beam, and guide the pump and signal beam along the optical path while preventing propagation of idlers after each subsequent parametric interaction delay compensation (TDC) assembly; and
An OP module comprising an output OPA stage configured to receive a fragment of the pump beam and the amplified signal beam and to generate an output beam at a desired output wavelength λo different from a wavelength λ 3 of the signal beam.
상류 및 중간 OPA 스테이지는 단일 각도 경로 광을 따라 하나 및 반대의 비평행 방향으로 펌프 및 신호 빔이 가로지르는 광학 파라메트릭 증폭기(OPA)를 각각 포함하고;
출력 OPA 스테이지는 적어도 하나 이상의 합산 주파수 생성(SFG) 파라메트릭 디바이스, 적어도 하나 이상의 2차 고조파 생성(SHG) 파라메트릭 디바이스 또는 SFG와 SHG 파라메트릭 디바이스의 조합, OPA 스테이지가 출력 파장 λo에서 2개의 출력 빔을 생성하도록 출력 OPA 스테이지를 일 방향 및 반대 방향으로 교차하는 펌프, 신호 및 출력 빔의 단편, 및 출력 빔 중 하나의 선형 편광을 시프트하고 출력 빔을 상이한 편광과 추가로 결합하여 결합된 교차 편광된 출력 빔을 제공하도록 구성된 편광 조립체를 포함하는, OP 모듈.The method of claim 1 , wherein the OPA stages are spaced apart from each other along a single inclined light path,
The upstream and intermediate OPA stages each include an optical parametric amplifier (OPA) with the pump and signal beams traversed in one and opposite non-parallel directions along a single angular path light;
The output OPA stage comprises at least one summation frequency generation (SFG) parametric device, at least one second harmonic generation (SHG) parametric device, or a combination of SFG and SHG parametric devices, the OPA stage having two outputs at the output wavelength λo. A pump that crosses the output OPA stage in one and opposite directions to produce a beam, a fragment of the signal and output beams, and cross polarization combined by shifting the linear polarization of one of the output beams and further combining the output beam with a different polarization an OP module comprising a polarization assembly configured to provide an output beam.
단일 광 경로를 따라 펌프 파장 λp에서 선형 편광된 펄스 펌프 빔을 생성하도록 작동하는 ps 섬유 레이저 기반 광학 펌프;
광학 펌프의 하류에서 펌프 빔을 수신하고 다음, 즉:
펌프 파장 λp에서 선형 편광된 펌프 빔을 수신하고 단일 광 경로를 따라 전파되는 각각의 파장 λ3 및 λ4에서 신호 및 아이들러 빔을 생성하도록 구성된 상류 광학 파라메트릭 증폭(OPA) 스테이지;
광 경로를 따라 서로 광학적으로 결합된 복수의 중간 OPA 스테이지 및 선행 OPA 스테이지로부터 펌프 빔의 점진적으로 더 약한 단편 및 증폭된 신호 빔을 수신하는 각각의 후속 OPA 스테이지;
경로를 따라 OPA 스테이지와 교번하고, 펌프와 신호 빔 사이의 그룹 속도 불일치를 보상하며 각각의 후속 파라메트릭 상호 작용 후에 아이들러의 전파를 방지하면서 광 경로를 따라 펌프 및 신호 빔을 안내하도록 구성된 복수의 시간 지연 보상(TDC) 조립체를 갖게 구성된, 파장 변환 파라메트릭 모듈; 및
펌프 빔의 단편 및 증폭된 신호 빔을 수신하고 원하는 출력 파장 λo에서 출력 빔을 생성하도록 구성된 출력 OPA 스테이지를 포함하는, 피코초 단일 모드 펄스 레이저 소스.A picosecond (ps) single mode (SM) pulsed laser source comprising:
a ps fiber laser based optical pump that operates to produce a linearly polarized pulsed pump beam at a pump wavelength λp along a single optical path;
Receive the pump beam downstream of the optical pump, i.e.:
an upstream optical parametric amplification (OPA) stage configured to receive a linearly polarized pump beam at a pump wavelength λp and generate a signal and an idler beam at respective wavelengths λ 3 and λ 4 propagating along a single optical path;
a plurality of intermediate OPA stages optically coupled to one another along the optical path and each subsequent OPA stage receiving progressively weaker fragments of the pump beam and an amplified signal beam from the preceding OPA stage;
a plurality of times configured to alternate with the OPA stage along the path, compensate for group velocity mismatch between the pump and signal beam, and guide the pump and signal beam along the optical path while preventing propagation of idlers after each subsequent parametric interaction a wavelength conversion parametric module, configured with a delay compensation (TDC) assembly; and
A picosecond single mode pulsed laser source comprising an output OPA stage configured to receive a fragment of the pump beam and the amplified signal beam and generate an output beam at a desired output wavelength λo.
기본 파장 λf에서 ps 펄스의 입력 트레인을 제공하는 펄스 또는 버스트 영역에서 작동하도록 구성된 Yb 모드-로킹 섬유 레이저;
신장된 펄스의 트레인을 생성하기 위해 펄스 지속 기간을 신장하도록 구성된 광 펄스 스트레처;
광 펄스 스트레처에 광학적으로 결합되고 각각의 펄스를 복수의 복제로 분할하도록 구성된 펄스 복제기 모듈;
펄스 복제기 모듈에 광학적으로 결합되고 각각의 복제를 증폭하도록 구성된 섬유 출력 증폭기;
섬유 출력 증폭기에 광학적으로 결합되고 증폭된 복제를 기본 파장에서 각각의 ps 펄스로 일시적으로 압축하도록 구성된 펄스 압축기; 및
펌프 파장 λp에서 펌프 출력 빔을 출력하는 2차 고조파 생성기(SHG)를 포함하는, 피코초 단일 모드 펄스 레이저 소스.The method of claim 11 , wherein the fiber laser based optical pump comprises:
a Yb mode-locked fiber laser configured to operate in a pulsed or burst region providing an input train of ps pulses at a fundamental wavelength λf;
an optical pulse stretcher configured to stretch a pulse duration to produce a train of stretched pulses;
a pulse duplicator module optically coupled to the optical pulse stretcher and configured to split each pulse into a plurality of replicas;
a fiber output amplifier optically coupled to the pulse replicator module and configured to amplify each replica;
a pulse compressor optically coupled to the fiber output amplifier and configured to temporally compress the amplified replicas into respective ps pulses at a fundamental wavelength; and
A picosecond single mode pulsed laser source comprising a second harmonic generator (SHG) that outputs a pump output beam at a pump wavelength λp.
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