KR20210142185A - 레이저 펄스를 발생시키기 위한 방법 및 장치 - Google Patents

레이저 펄스를 발생시키기 위한 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 공진기(4)의 Q 인자를 가변시킴으로써 레이저 펄스(3a, 3b)를 발생시키기 위한 방법에 관한 것으로서, 공진기(4)의 제1 Q 인자를 생성하기 위한 광변조기(10)의 제1 작동 상태(B1)와, 공진기(4)의 제2 Q 인자를 생성하기 위한 광변조기(10)의 제2 작동 상태(B2) 간에 전환시키기 위한 제어 신호(S)를 사용하여, 광변조기(10)를 제어함으로써 레이저 펄스(3a, 3b)를 발생시키는 단계를 포함한다. 제1 레이저 펄스(3a)가 제1 레이저 펄스(3a)와 상이한 제2 레이저 펄스(3b)와 교번하는 레이저 펄스(3a, 3b)의 시퀀스(2)를 발생시키기 위해, 광변조기(10)는, 각각의 제1 레이저 펄스(3a) 및 각각의 제2 레이저 펄스(3b)를 발생시키기 위한 제어 신호(S)를 사용하여 교대로 각각의 경우 상이하게 제어된다. 또한, 본 발명은 레이저 펄스(3a, 3b)를 발생시키기 위한 관련 장치(1)에 관한 것이다.

Description

레이저 펄스를 발생시키기 위한 방법 및 장치
본 발명은 (레이저) 공진기의 Q 인자(Q-factor)를 가변시킴으로써 레이저 펄스를 발생시키기 위한 방법에 관한 것으로서, 공진기의 제1 Q 인자를 생성하기 위한 광변조기의 제1 작동 상태와, 공진기의 제2 Q 인자를 생성하기 위한 광변조기의 제2 작동 상태 간에 전환시키도록 광변조기를 제어함으로써, 레이저 펄스를 발생시키는 단계를 포함하며, 상기 제2 Q 인자는 제1 Q 인자와 상이하다. 또한, 본 발명은 레이저 펄스를 발생시키기 위한 관련 장치에 관한 것으로서, 공진기; 공진기에 배치된 광변조기; 및 공진기의 제1 Q 인자를 생성하기 위한 제1 작동 상태와, 공진기의 제2 Q 인자를 생성하기 위한 제2 작동 상태 간에 광변조기를 전환시키기 위한 제어 신호를 발생시키도록 구성된 제어 장치를 포함하며, 상기 제2 Q 인자는 제1 Q 인자와 상이하다.
예를 들어, 재료 가공에 사용되는 바와 같은, 매우 짧은 펄스 지속시간(duration)을 갖는 레이저 펄스의 시퀀스는, 예를 들어 Q 스위칭(Q-switching) 또는 캐비티 덤핑(cavity dumping)을 사용하여, 레이저 공진기에서 발생될 수 있다. 캐비티 덤핑을 통한 펄스 발생의 경우, 이 경우, 공진기의 손실 또는 출력 결합의 정도는, 특히 전형적으로, 레이저 펄스를 구축(build up)시키기 위해 공진기가 폐쇄되거나 거의 완전히 폐쇄되는 제1 작동 상태(즉, 전형적으로, 0% 내지 20%의 손실 또는 출력 결합의 정도)와, 레이저 펄스가 공진기로부터 결합해제되는(coupled out) 제2 작동 상태(전형적으로 30% 내지 100%의 손실 또는 출력 결합의 정도) 간에, Q 스위칭에 의해 변조된다. 공진기의 손실은, 공진기의 Q 인자에 반비례하는 무차원 양이다.
통상적인 Q 스위칭의 경우, 레이저 매체의 이득을 구축시키기 위해, 광변조기의 제1 작동 상태의 손실은 높고(즉, 약 40% 내지 100%), Q 인자는 낮다. 제2 작동 상태에서는, 레이저 펄스를 구축시키기 위해, 그리고 레이저 공진기로부터 이를 결합해제시키기 위해, Q 인자가 높고, 손실은 낮다(즉, 전형적으로 약 0% 내지 60%). 따라서, 캐비티 덤핑의 경우와 달리, 통상적인 Q 스위칭의 경우, 레이저 펄스는 제2 작동 상태에서 구축될 뿐만 아니라 결합해제된다.
공진기의 Q 인자 또는 출력 결합의 정도의 이러한 변조는, 예를 들어, 광변조기와 함께 고정 위상 지연(retardation)을 생성하기 위한 지연 장치(예를 들어, 지연 플레이트) 또는 음향 광변조기, 예를 들어, 편광판(polarizer) 형태의 편광-선택적 출력 결합 장치와 조합되는, 가변 위상 지연을 생성하기 위한 예를 들어 전기 광변조기를 통해 달성될 수 있다. 통상적인 Q 스위칭의 경우, 편광-선택적 출력 결합 장치는 선택적으로 생략될 수 있다(즉, 출력 결합은 예를 들어, 부분적으로 투과성 (단부) 미러에 의해 달성될 수 있다).
레이저 역학으로 인해, 레이저 발진기 또는 레이저 공진기는, 펄싱 작동 동안, 펄스 에너지 및/또는 모드 프로파일의 변동을 나타낼 수 있다(예를 들어, Q 스위칭의 경우 또는 캐비티 덤핑의 경우). 발진-설정 모드 프로파일, 즉 각각의 레이저 펄스가 구축되는 경우 멀티 모드 공진기에서 여기되는 (횡방향) 모드는, 전형적으로 미리 한정되지 않거나 제어되지 않으며, 그러한 이유로, 빔 프로파일 및 에너지가 레이저 펄스 간에 제어되지 않는 방식으로 변동될 수 있다. 모드 세트의 상이한 펄스 구축 시간의 결과로, 에너지 변동 외에, 시간 변동 또는 시간 지터(temporal jitter)가 추가적으로 발생한다.
US 5,365,532는 캐비티 덤핑에 의해, 펄스 발생 동안 레이저의 출력 진폭을 안정화시키기 위한 장치 및 방법을 설명한다. 이 경우, 검출기에 의해, 공진기의 레이저 방사선의 펄스 구축 또는 상승 강도가 모니터링되며, 강도의 임계값에 도달하면, 레이저 펄스가 결합해제되는 시점이 트리거된다. 출력 결합의 트리거된 시점으로 인해 발생하는 시간 지터는, 다른 수단에 의해 감소될 수 있다.
US 4,044,316은 이완 발진(relaxation oscillation)이 억제되는 캐비티 덤핑을 사용하는 안정화 Nd:YAG 레이저를 설명한다. 수백 밀리초의 크기 정도의 감폭(damping) 시간을 갖는 발진을 야기하는, 공진기 내의 전력 구축 동안 전력이 그 정상 상태 값을 초과하는 경우, 이완 발진이 발생한다. 감폭 시간을 감소시키기 위해, 주파수 배가(frequency doubling) 또는 제2 고조파 발생(second harmonic generation; SHG)을 위한 광학 결정(optical crystal)이 공진기에 배치된다. 감폭 시간을 감소시키기 위해, 이는 광학 결정이 기본 주파수에서 전력의 약 0.1%의 크기 정도의 제2 고조파 전력을 발생시키는 경우 충분하다.
본 발명은 Q 스위칭 또는 캐비티 덤핑에 의해 발생되는 레이저 펄스의 시간 변동 및 에너지 변동을 감소시킬 수 있게 하는 방법 및 장치를 제공하는 목적을 기반으로 한다.
이러한 목적은 도입부에 언급된 유형의 방법에 의해 본 발명에 따라 달성되며, 제1 레이저 펄스가 제1 레이저 펄스와 상이한 제2 레이저 펄스와 교번하는 레이저 펄스의 시퀀스를 발생시키기 위해, 광변조기는, 각각의 제1 레이저 펄스 및 각각의 제2 레이저 펄스를 발생시키기 위한 제어 신호를 사용하여, 교대로 각각의 경우 상이하게 제어된다.
본 발명에 따라, 개별 레이저 펄스의 변동을 감소시키는 대신에, 목표된 방식으로 광변조기를 교대로 제어함으로써, 레이저 공진기가 강력한 쌍안정 상태로 되는 것이 제안되며, 즉 레이저 공진기는, 각각의 경우 안정된 모드 프로파일 또는 안정된 펄스 에너지를 갖는 2개의 상태 간에 발진된다. 추가로 전술한 시간 변동은, 특히 주파수의 주기 지속시간이 각각 여기된 레이저 레벨의 형광 수명에 해당하는 주파수의 범위(전형적으로, Yb:YAG의 경우, 수 kHz의 범위)에서 발생한다. 다른 주파수 범위에서, 특히 < 100 Hz의 초저주파수에서 또는 > 1 MHz의 초고주파수에서, 2개의 상이한 발진-설정 모드 세트의 결과로, 대체로 제어되지 않는 변동이 발생하지 않으므로, 대체로, 이러한 주파수 범위에서 목표된 방식으로 광변조기를 교대로 제어할 필요가 없다. 각각의 (제1 및 제2) 레이저 펄스가 발생되는 전형적인 (펄스) 주파수는, 약 200 Hz 내지 약 1000 kHz, 바람직하게는 약 1 kHz 내지 약 100 kHz이다.
전형적으로, 제1 레이저 펄스 및 제2 레이저 펄스는, 상이한 펄스 에너지에 따라, 특히 상이한 (최대) 펄스 진폭에 의해 상이하다. 본원에 설명된 바와 같이, 광변조기가 교대로 제어되는 결과로, 각각의 제1 레이저 펄스 및 각각의 제2 레이저 펄스가 약 1 ns 미만의 시간 지터를 갖는 펄스 시퀀스를 발생시키는 것이 가능하다. 전형적으로, 레이저 펄스의 시퀀스는, 소재(workpiece)의 레이저 가공 동안, 예를 들어 10초 이상일 수 있는 응용 특유적 작동 지속시간에 따라, 다수(예를 들어, 1000개 초과)의 레이저 펄스, 선택적으로, 약 100000개 초과의 레이저 펄스를 포함한다. 공진기의 쌍안정 작동의 결과로, 높은 평균 전력의 경우에도, 각각의 제1 레이저 펄스 및 각각의 제2 레이저 펄스에 포함된 에너지의 양이 설정될 수 있다. 또한, 각각의 제1 레이저 펄스 및 각각의 제2 레이저 펄스는 높은 에너지 안정성을 갖는다.
레이저 펄스의 시퀀스는, 제1, 제2, … 레이저 펄스와 교번하는 제3, 제4, … 레이저 펄스를 추가적으로 가질 수 있으며, 제1, 제2, 제3, 제4, … 레이저 펄스는 각각의 경우 서로 상이함은 물론이다. 이 경우에도, 각각의 제1, 제2, 제3, 제4, … 레이저 펄스를 발생시키기 위한 광변조기는, 각각의 경우 제어 신호를 사용하여 교대로 상이하게 제어되며, 제3, 제4, … 레이저 펄스마다 상태들이 반복되는 안정된 레이저 작동이 이루어진다.
일 변형예에서, 방법은, 바람직하게는, 레이저 공진기의 외부에 배치된 추가적인 광변조기에 의해, 제2 레이저 펄스를 억제함으로써, 제1 레이저 펄스의 시퀀스를 발생시키는 단계를 포함한다. 제1 및 제2 레이저 펄스 간의 구별은 임의적인 것이며, 그러한 이유로, 위의 표현과 "제1 레이저 펄스를 억제함으로써, 제2 레이저 펄스의 시퀀스를 발생시키는 단계"라는 표현은 동등한 것이다. 더 낮은 최대 펄스 에너지를 갖는 (제1 또는 제2) 레이저 펄스의 그러한 그룹 또는 시퀀스는 전형적으로 억제된다. (제1 또는 제2) 레이저 펄스의 시퀀스 또는 그룹을 억제함으로써, 억제되지 않은 (제2 또는 제1) 레이저 펄스의 시퀀스의 주파수가 반감된다. 따라서, 원하는 출력 주파수를 갖는 레이저 펄스의 그러한 시퀀스를 발생시키기 위해, 제어 신호의 주파수가 원하는 출력 주파수의 2배에 해당하는 제어 신호를 사용하여, 광변조기를 제어할 필요가 있다. 바람직하게는, 제2 레이저 펄스의 억제 또는 차폐는 추가적인 (외부) 광변조기에 의해 달성되지만, 선택적으로 일부 다른 방식으로도 달성될 수 있다. 제2 레이저 펄스의 억제는, 대체로 더 낮은 에너지 또는 전력을 갖는 억제된 레이저 펄스가 각각의 적용예에서 방해 효과를 갖는 경우에만 필요하기 때문에, 단지 선택적인 것임은 물론이다.
추가적인 변형예에서, 광변조기는 일정한 제어 주파수를 갖는 제어 신호로 제어되며, 각각의 경우 제1 레이저 펄스 및 제2 레이저 펄스, 그리고 선택적으로 제3 레이저 펄스, 제4 레이저 펄스 등은 제어 신호의 주기 지속시간 동안 발생된다. 대체로, 제어 신호는, 전형적으로 2개 이상의 이산 신호 레벨 간에 전환되는 신호 프로파일을 가지며, 즉 신호 프로파일은 전형적으로 연속적인 프로파일을 갖지 않는다. 주기 지속시간 동안 2개의 레이저 펄스를 발생시키기 위해, 제1 작동 상태와 제2 작동 상태 간에 두 번 전후로 전환되어야 한다. 교번 제어를 위해, 제1 및 제2 레이저 펄스의 발생 동안, 제어 신호가 주기 지속시간 내에서 각각의 신호 레벨로 유지되는 지속시간은, 상이하도록 선택될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 제1 레이저 펄스의 발생 및 제2 레이저 펄스의 발생을 위한 각각의 신호 레벨은, 광변조기를 교대로 제어하는 목적을 위해서도 상이하도록 선택될 수 있다. 광변조기의 제어 주파수는, 바람직하게는 200 Hz 내지 1000 kHz, 특히 1 kHz 내지 100 kHz이다. 주기 지속시간 동안 2개 초과의 레이저 펄스를 발생시키기 위해, 제1 작동 상태와 제2 작동 상태 간에 두 번 초과로 전환시키는 것도 가능하다. 추가로 전술한 바와 같이, 작동 상태의 각각의 Q 인자 또는 신호 레벨도 이 경우 달라질 수 있다.
일 전개예에서, 제1 레이저 펄스의 발생 동안 제1 작동 상태의 광변조기의 체류 지속시간(residence duration), 및 제2 레이저 펄스의 발생 동안 제1 작동 상태의 광변조기의 체류 지속시간(및 선택적으로, 제3 레이저 펄스, 제4 레이저 펄스 등의 발생 동안 제3 작동 상태의 광변조기의 체류 지속시간)은 상이하도록 선택된다. 이러한 변형예에서, 레이저 공진기의 각각의 제1 및 제2(선택적으로, 제3, 제4, …) 레이저 펄스를 구축시키기 위해 이용 가능한 이득 시간은 상이하도록 선택된다.
이러한 변형예에서, 특히, 제1 레이저 펄스의 발생 동안 그리고 제2 레이저 펄스의 발생 동안, 제1 및 제2 작동 상태의 광변조기의 총 체류 지속시간은, 동일한 길이로 선택될 수 있다(즉, 총 체류 지속시간은, 각각의 경우 제어 신호의 주기 지속시간의 절반에 해당한다). 이 경우, 제1/제2 레이저 펄스의 발생 동안 제1 작동 상태의 광변조기의 상이한 체류 지속시간으로 인해, 필연적으로, 제1/제2 레이저 펄스의 발생 동안 제2 작동 상태의 광변조기의 상이한 체류 지속시간을 야기한다.
추가적인 전개예에서, 제1 레이저 펄스의 발생 동안 제1 및 제2 작동 상태의 광변조기의 총 체류 지속시간, 및 제2 레이저 펄스의 발생 동안 제1 및 제2 작동 상태의 광변조기의 총 체류 지속시간은 상이하도록 선택된다. 펄스 구축을 위해 그리고 각각의 레이저 펄스의 출력 결합을 위해 이용 가능한 주기 지속시간은 이 경우 교번된다. 레이저 공진기의 쌍안정 상태도 이러한 방식으로 달성될 수 있다.
일 전개예에서, 제1 레이저 펄스의 발생 동안의 제1 Q 인자, 및 제2 레이저 펄스의 발생 동안의 제1 Q 인자는 상이하도록 선택되거나/선택되며, 제1 레이저 펄스의 발생 동안의 제2 Q 인자, 및 제2 레이저 펄스의 발생 동안의 제2 Q 인자는 상이하도록 선택된다. 이 경우, 제1 레이저 펄스의 발생 동안 및 제2 레이저 펄스의 발생 동안 제1 및/또는 제2 작동 상태의 Q 인자(손실에 반비례함) 또는 광변조기의 손실은 상이하도록 선택된다. 이러한 목적을 위해, 각각의 제1 및 제2 레이저 펄스를 발생시키기 위한 각각의 제1 및 제2 작동 상태로의 광변조기의 제어를 위한 제어 신호는, 2개의 상이한 신호 레벨을 갖는다. 일반적으로, 더 높은 펄스 에너지를 갖는 (제1 또는 제2) 레이저 펄스의 발생을 위해 사용되는 신호 레벨은, 레이저 공진기의 손실 또는 출력 결합의 정도가 0%이도록(즉, 레이저 공진기가 제1 작동 상태에서 최소 손실을 갖도록) 선택된다. 더 낮은 펄스 에너지를 갖는 레이저 펄스의 발생 동안 제어 신호의 신호 레벨은, 공진기의 레이저 매체의 이득에 따라 한정될 수 있다. 예를 들어, 낮은 이득을 갖는 디스크 레이저의 경우, 약 5% 미만의 광변조기의 손실은 캐비티 덤핑 동안 펄스 에너지를 크게 감소시키기에 충분한 반면에, 높은 이득을 갖는 슬래브 레이저의 경우, 약 50% 초과의 손실이 불가피할 수 있다.
추가적인 변형예에서, 공진기에서 레이저 펄스를 구축시키기 위한 공진기의 제1 Q 인자는 제1 작동 상태에서 생성되며, 공진기로부터 레이저 펄스를 결합해제시키기 위한 더 낮은 제2 Q 인자는 제2 작동 상태에서 생성된다. 이러한 변형예에서, 공진기는 캐비티 덤핑(즉, 높은 Q 인자)으로 작동되므로, 제1 작동 상태에서 공진기의 낮은 손실이 생성됨으로써, 제2 작동 상태에서 공진기로부터 결합해제되는 레이저 펄스 또는 레이저 전력이 구축할 수 있다.
일 전개예에서, 광변조기는, 공진기에서 구축되는 레이저 전력의 미리 한정된 전력 임계값에 도달하면, 제1 작동 상태로부터 제2 작동 상태로 전환되며, 제1 강도 임계값은, 제1 레이저 펄스의 발생 동안 선택되고, 제1 강도 임계값과 상이한 제2 강도 임계값은, 제2 레이저 펄스의 발생 동안 선택된다. 이러한 변형예에서, 예를 들어, 본 출원의 내용에 그 전체가 참조로 포함되는, 도입부에서 인용된 US 5,365,532에 설명된 바와 같이, 제1 작동 상태로부터 제2 작동 상태로의 전환은, 레이저 공진기에서 구축하는 레이저 펄스의 전력의 임계값의 도달에 의해 트리거된다. 레이저 공진기에서 구축하는 레이저 펄스의 전력은, 예를 들어 검출기에 의해, 예를 들어 포토다이오드에 의해 측정될 수 있다. 전력 측정을 위해(또는 이와 동일하게, 레이저 공진기의 레이저 방사선의 강도의 측정을 위해), 레이저 공진기에서 전파되는 레이저 방사선의 전력의 고정식으로 미리 한정된 적은 일부는, 전형적으로 레이저 공진기로부터 결합해제된다. 따라서, 공진기에 존재하는 광학 구성 요소(예를 들어, 부분적으로 투과성 단부 미러)는, 출력 결합을 위해 사용될 수 있다.
2개의 상이한 전력 임계값의 선택으로 인해, 각각의 제1 및 제2 레이저 펄스의 구축 동안 2개의 상이한 이득 지속시간을 야기하기 때문에, 제1 작동 상태로부터 제2 작동 상태로 전환하기 위한 각각의 전력 또는 강도 임계값의 상이한 선택에 의해, 레이저 공진기가 마찬가지로 쌍안정 상태로 작동될 수 있다. 이 경우에도, 광변조기는 일정한 제어 주파수를 갖는 제어 신호로 제어될 수 있으며, 즉 제어 신호의 주기 지속시간은 일정하고, 제1 레이저 펄스 및 제2 레이저 펄스 모두의 발생 동안, 제1 작동 상태로부터 제2 작동 상태로 전환되는 각각의 시점만이 정확하게 미리 한정되지 않으며, 각각의 경우 약간 변동될 수 있다. 원칙적으로, 제1 레이저 펄스를 발생시키는 경우, 전력 임계값에 도달하면, 제1 작동 상태로부터 제2 작동 상태로 전환시킬 가능성도 있고, 제2 레이저 펄스를 발생시키는 경우, 제1 작동 상태로부터 제2 작동 상태로 전환시키는 시점을 고정식으로 미리 한정할 가능성도 있음은 물론이다(또는 그 반대로도 마찬가지이다). 이 경우, 제1 레이저 펄스를 발생시키는 경우의 제1 작동 상태의 관련 체류 지속시간이 제2 레이저 펄스를 발생시키는 경우의 제1 작동 상태의 체류 지속시간으로부터 벗어나도록, 강도 임계값이 선택될 수 있다. 또한, 제1 작동 상태로부터 제2 작동 상태로의 전환이 강도 임계값의 도달에 의해 트리거되는, 제1 레이저 펄스를 발생시키는 경우의 제1 및 제2 작동 상태의 총 체류 지속시간은, 제1 작동 상태로부터 제2 작동 상태로 전환시키는 시점이 제2 레이저 펄스를 발생시키는 경우 고정식으로 미리 한정되면, 제2 레이저 펄스를 발생시키는 경우의 제1 및 제2 작동 상태의 총 체류 지속시간과 상이할 수 있다.
대안적인 변형예에서, 공진기의 레이저 활성 매체의 이득을 구축시키는 목적을 위해, 제1 Q 인자가 제1 작동 상태에서 생성되며, 레이저 활성 매체의 이득을 감소시키는 목적을 위해, 그리고 레이저 펄스를 결합해제시키는 목적을 위해, 더 높은 제2 Q 인자가 제2 작동 상태에서 생성된다. 이러한 변형예에서, 통상적인 Q 스위칭이 공진기에서 달성되며, 레이저 활성 매체의 최대 이득에 도달될 때까지, 제1 작동 상태에서, 이득이 레이저 활성 매체에서 구축된다. 제2 작동 상태에서, 레이저 펄스가 공진기로부터 결합해제됨으로써, 이득은 감소된다.
추가적인 변형예에서, 기본 주파수로 전파되는 레이저 방사선의 일부는, 공진기의 주파수 배가 장치에 의해, 2배의 기본 주파수를 갖는 레이저 방사선으로 변환된다. 대체로, 주파수 배가 장치는, 제2 고조파 발생(SHG)을 위해 구성된 광학 결정, 전형적으로 복굴절 결정이다. 광학 결정은, 예를 들어, 리튬 트리보레이트(LiB3O5), 베타 붕산바륨(BaB2O4), 바륨 니오브산나트륨(Ba2Na(NbO3)5) 또는 일부 다른 적합한 광학 결정일 수 있다. 제2 고조파 발생은, 에너지 안정성을 개선하기 위해 바람직한 것으로 입증되었다.
본 발명의 추가적인 양태는 도입부에 언급된 유형의 장치에 관한 것으로서, 제어 장치는, 제1 레이저 펄스가 제1 레이저 펄스와 상이한 제2 레이저 펄스와 교번하는 레이저 펄스의 시퀀스를 발생시키기 위한 목적으로, 제어 신호에 의해, 각각의 제1 레이저 펄스 및 각각의 제2 레이저 펄스를 발생시키기 위해, 교대로 각각의 경우 상이하게 광변조기를 제어하도록 구현되거나 구성/프로그래밍된다. 제어 장치는, 예를 들어, 원하는 제어 신호를 발생시키는 제어 컴퓨터 또는 전자 제어 회로(IC, 프로그래밍 가능 게이트 어레이 등)일 수 있다. 제어 신호(보다 정확하게 말하면, 그 신호 프로파일)는, 방법과 관련하여 추가로 전술한 바와 같이, 제1 레이저 펄스의 발생을 위해 그리고 제2 레이저 펄스의 발생을 위해, 상이하게 구성된다. 제어 장치는, 특히, 전기 광변조기의 전극에 인가되는 제어 전압의 형태(예를 들어, 포켈스 셀(Pockels cell)의 형태)의 제어 신호를 발생시키도록 구성될 수 있다.
일 실시형태에서, 장치는, 제2 레이저 펄스를 억제하기 위한 추가적인 광변조기를 추가로 포함하며, 상기 추가적인 광변조기는 레이저 공진기의 외부에 배치된다. 광변조기는, 음향 광변조기의 경우와 같이, 예를 들어, 제1 레이저 펄스의 빔 경로로부터 제2 레이저 펄스를 편향시키도록 구성될 수 있다. 이러한 목적을 위해, 제1 레이저 펄스 또는 제1 레이저 펄스의 빔 경로는 또한 광변조기에 의해 편향될 수 있는 반면에, 제2 레이저 펄스는 편향 없이 이를 통과한다는 것은 물론이다. 또한, 선택적으로, 급속하게 전환 가능한 광학 필터에 의해, 또는 상이한 빔 경로 간에 제1 및 제2 레이저 펄스를 분할하기 위한 편광판과 조합되는 추가적인 전기 광변조기에 의해, 제2 레이저 펄스가 억제될 수 있다. 레이저 펄스가 필요한 각각의 적용예에서, 제2 레이저 펄스가 방해 효과를 갖는 경우에만, 추가적인 광변조기가 필요하다. 이 경우라면, 장치에 의해 발생되는 레이저 펄스의 시퀀스의 주파수는 반감된다. 이 경우, 제어 신호의 제어 주파수가 레이저 펄스의 시퀀스의 목표 주파수의 2배인 제어 신호를 사용하여, 광변조기를 제어할 필요가 있다.
바람직하게는, 제어 장치는, 제어 신호의 주기 지속시간 동안 제1 레이저 펄스 및 제2 레이저 펄스를 발생시키는 역할을 하는 일정한 제어 주파수를 갖는 제어 신호를 사용하여, 광변조기를 제어하도록 구현되거나 구성/프로그래밍된다. 제어 신호의 제어 주파수는 약 1 kHz 내지 약 1000 kHz, 바람직하게는 약 1 kHz 내지 약 100 kHz인 경우에 적절하다.
일 실시형태에서, 제어 장치는, 제1 작동 상태에서 공진기의 레이저 펄스를 구축시키기 위해 공진기의 제1 Q 인자를 생성하도록 구성되며, 제2 작동 상태에서 공진기로부터 레이저 펄스를 결합해제시키기 위해 더 낮은 제2 Q 인자를 생성하도록 구성된다. 방법과 관련하여 추가로 전술한 바와 같이, 공진기는 이 경우 캐비티 덤핑으로 작동된다.
추가적인 실시형태에서, 장치는, 광변조기의 제1 작동 상태에서 레이저 공진기에서 구축하는 레이저 펄스의 전력을 검출하기 위한 검출기를 포함한다. 추가로 전술한 바와 같이, 검출기는, 예를 들어, 제1 작동 상태 동안 레이저 공진기로부터 결합해제되는 레이저 방사선의 전력을 검출하는 포토다이오드 등일 수 있다. 측정된 전력은, 출력 결합의 시점(즉, 제1 작동 상태로부터 제2 작동 상태로 전환되는 시점)을 적절하게 선택하는 역할을 할 수 있다(아래 참조).
추가적인 실시형태에서, 제어 장치는, 레이저 공진기에서 구축되는 레이저 전력의 미리 한정된 전력 임계값에 도달하면, 제1 작동 상태와 제2 작동 상태 간에 광변조기를 전환시키도록 구성되며, 제어 장치는, 제1 레이저 펄스를 발생시키는 목적을 위한 제1 전력 임계값, 및 제2 레이저 펄스를 발생시키는 목적을 위한 제1 전력 임계값과 상이한 제2 전력 임계값을 미리 한정하도록 구성된다. 이러한 실시형태에서, 예를 들어, 방법과 관련하여 추가로 전술한 방식으로 값이 측정될 수 있는, 레이저 공진기에 현재 나타나는 전력의 값은, 제1 및 제2 레이저 펄스의 발생 동안 상이한 전력 임계값과 비교된다. 레이저 작동의 강력한 쌍안정 상태도 이러한 방식으로 생성될 수 있다.
추가적인 실시형태에서, 제어 장치는, 제1 작동 상태에서 공진기의 레이저 활성 매체의 이득을 구축시키는 목적을 위해 제1 Q 인자를 생성하도록 구성되며, 레이저 활성 매체의 이득을 감소시키는 목적을 위해 그리고 제2 작동 상태에서 레이저 펄스를 결합해제시키는 목적을 위해, 더 높은 제2 Q 인자를 생성하도록 구성된다. 방법과 관련하여 추가로 전술한 바와 같이, 공진기는 이 경우 통상적인 Q 스위칭으로 작동된다.
추가적인 실시형태에서, 공진기에서 기본 주파수로 전파되는 레이저 방사선의 일부를 2배의 기본 주파수의 레이저 방사선으로 변환하는 역할을 하는 주파수 배가 장치가 공진기에 배치된다. 주파수 배가 장치는 특히, 비선형, 예를 들어 복굴절 결정일 수 있다. 주파수 변환의 경우에 대체로 통상적인 바와 같이, 이 경우에도, 주파수 변환을 위해 위상 조정이 필요하며, 상기 위상 조정은 가능하게는 광학 결정의 적합한 온도 조절을 필요로 한다.
추가적인 실시형태에서, 공진기는, 레이저 활성 매체, 예를 들어, 공진기로부터 레이저 펄스를 결합해제시키기 위한 편광판과 같은, 특별한 편광-선택적 출력 결합 장치; 및 바람직하게는, 고정 위상 지연을 생성하기 위한 위상 지연 장치를 추가로 포함한다. 전형적으로, 레이저 활성 매체는, 예를 들어 레이저 결정의 형태(예를 들어, Yb:YAG, Nd:YAG, Nd:YVO4, … 의 형태)인 솔리드 스테이트(solid-state) 매체이다. 레이저 활성(솔리드 스테이트) 매체는, 레이저 디스크, 레이저 로드(laser rod), 레이저 슬래브 등의 형태로 구성될 수 있다. 레이저 활성 매체의 여기를 위해, 후자는 전형적으로 펌프 방사선을 사용하여 펌핑되며, 그러한 목적을 위해 장치는, 펌프 광원, 예를 들어 펌프 레이저 소스를 포함할 수 있다.
또한, 캐비티 덤핑 및 Q 스위칭은, 예를 들어 광변조기로서 음향 광변조기가 사용되는 경우, 위상 지연 장치 없이도 달성될 수 있다. 그러나, 광변조기 및 선택적으로 추가적인 지연 플레이트로 구성된 지연 장치가 대체로 캐비티 덤핑을 위해 사용된다. 이 경우, 변조기는 일시적으로 가변 위상 지연을 생성하는 반면에, 지연 플레이트는 고정식으로 미리 한정된 위상 지연을 생성한다. 지연 플레이트는, 예를 들어 λ/4 지연 플레이트(또는 링 레이저의 경우 λ/2 플레이트)일 수 있지만, 다른 지연도 적절하다. 대체로, 지연 장치는, 제2 작동 상태에서 자신의 최대 위상 지연을 생성하며, 이는 레이저 방사선이 지연 장치를 이중으로 통과할 때 최대로 지연되는 효과를 가짐으로써, 레이저 펄스가 편광-선택적 출력 결합 장치에서 레이저 공진기로부터 결합해제될 수 있다. λ/4 지연 플레이트를 갖는 선형 공진기의 경우, 지연을 이중으로 통과할 때, 레이저 방사선의 편광이 90°만큼 회전될 수 있으며, 이는 최대 출력 결합에 해당한다. 편광-선택적 출력 결합 장치는, 예를 들어, 제1 편광 방향을 갖는 레이저 방사선을 투과시키고, 제1 편광 방향에 수직인 제2 편광 방향을 갖는 레이저 방사선을 반사시키는 박막 편광판일 수 있다. 또한, 예를 들어, 복굴절 매체에서 편광 성분(각각 s-편광 및 p-편광)의 빔 오프셋을 가능하게 하여 편광 성분의 분리 등을 가능하게 하는, 복굴절 매체를 포함하는 편광판과 같은, 다른 유형의 편광판이 레이저 공진기의 편광-선택적 출력 결합 장치로서 사용될 수 있다. 고정 위상 지연을 생성하기 위한 지연 장치는, 레이저 펄스가 결합해제될 수 없고 공진기의 구성 요소를 손상시킬 때까지 추가로 증폭되는, 결함의 경우, 즉 광변조기의 고장의 경우, 공진기가 폐쇄되는 것을 방지한다. 여기서, 지연 장치의 고정 위상 지연은, 결함의 경우, 즉, 광 스위치의 고장의 경우, 레이저 펄스가 자동으로 결합되도록 선택된다.
편광-선택적 출력 결합 장치를 갖는 공진기, 및 선택적으로 고정 위상 지연을 갖는 지연 장치도 통상적인 Q 스위칭으로 작동될 수 있다. 이 경우, 예를 들어, 부분적으로 투과성 출력 결합 미러(예를 들어, 부분적으로 투과성 단부 미러)의 형태의 출력 결합 장치에서 공진기로부터 레이저 펄스가 결합해제됨으로써, 편광 선택 없이 공진기로부터 레이저 펄스가 결합해제될 수 있다. 이 경우, 공진기의 손실은 광변조기 및 편광-선택적 요소에 의해 생성된다.
본 발명의 추가적인 이점은 설명 및 도면으로부터 명백하다. 마찬가지로, 위에 언급된 특징 및 아래에 추가로 제시되는 것들은, 각각의 경우, 그 자체로 사용될 수 있거나, 임의의 원하는 조합으로 복수로 사용될 수 있다. 도시되고 설명되는 실시형태는 완전한 리스트로서 이해되어서는 안되며, 오히려 본 발명의 개요를 설명하기 위한 예시적인 특징이다.
도면으로서:
도 1은 교번하는 제1 및 제2 레이저 펄스의 시퀀스를 발생시키기 위한 교대로 제어되는 광변조기를 포함하는 레이저 공진기에서, 캐비티 덤핑 또는 Q 스위칭에 의해 레이저 펄스의 시퀀스를 발생시키기 위한 장치의 예시적인 실시형태의 개략도를 도시한다;
도 2는 장치가 공진기의 주파수 배가 장치, 및 제2 레이저 펄스를 억제하기 위한 외부 변조기를 추가로 포함하는, 도 1과 유사한 도면을 도시한다;
도 3a 내지 도 3d는 캐비티 덤핑 동안 광변조기의 쌍안정 제어를 위한 제어 신호의 시간 프로파일의 4개의 도면을 도시한다;
도 4는 Q 스위칭 동안 광변조기의 쌍안정 제어를 위한 제어 신호의 시간 프로파일의 도면을 도시한다; 그리고
도 5는 레이저 공진기의 Q 스위칭 동안 레이저 펄스의 시퀀스를 발생시키기 위한 장치를 갖는 도 1과 유사한 도면을 도시한다.
도면의 이하의 설명에서, 동일한 참조 부호는 동일하거나 기능적으로 동일한 구성 요소를 위해 사용된다.
도 1은 레이저 펄스(3a, 3b)의 시퀀스(2)를 발생시키기 위한 장치(1)의 예시적인 구성을 도시하며, 상기 장치는 레이저 공진기(4)를 포함한다. 레이저 공진기(4)는, 본 실시예에서, 방열기(7)에 도포되는 Yb:YAG 결정인, 디스크 형상의 레이저 활성 매체(6), 및 2개의 단부 미러(5a, 5b)를 포함한다. 레이저 활성 매체(6)는, 방열기(7)에 대향하는 자신의 일면 상이 반사 코팅되며, 펌프 레이저(도시되지 않음)의 펌프 방사선에 의해 광학적으로 여기되고, 그 결과로, 1030 nm의 레이저 파장(λ)의 레이저 방사선(8)이 레이저 공진기(4)에서 발생된다.
레이저 공진기(4)는, 레이저 활성 솔리드 스테이트 매체(6)를 통하는 레이저 방사선(8)의 다중 통과를 유발하기 위해, 복수의 접이식 미러(9a-d)를 포함한다. 레이저 공진기(4) 또는 레이저 활성 솔리드 스테이트 매체(6)에서 발생된 레이저 방사선(8)은 선형으로 편광된다(예를 들어, s-편광된다).
레이저 공진기(4)는, 전기 광변조기(보다 정확하게 말하면, 포켈스 셀) 형태의 광변조기(10), 및 제어 신호(S)를 사용하여 전기 광변조기(10)를 제어하기 위한 제어 장치(11)를 더 포함한다. 또한, 예를 들어, λ/4의 일정한 위상 지연을 생성하기 위한 λ/4 지연 플레이트 형태의 지연 장치(12); 및 아래에 상세히 설명되는 바와 같이, 부분적으로 투과성 미러로서 작용하고, 레이저 공진기(4)에서 발생된 레이저 펄스(3a, 3b)가 결합해제되는, 박막 편광판 형태의 편광-선택적 출력 결합 장치(13)가 레이저 공진기(4)에 배치된다.
광변조기(10)는, 캐비티 덤핑을 위해, 원칙적으로 2개의 작동 상태(B1, B2)로 작동된다. 제1 작동 상태(B1)는 공진기(4)의 레이저 펄스(3a, 3b)를 구축시키는 역할을 하는 반면에, 제2 작동 상태(B2)에서는, 각각의 레이저 펄스(3a, 3b)가 공진기(4)로부터 결합해제된다.
제1 작동 상태(B1)에서, 제어 신호(S)(전압 신호의 형태임)가 제어 장치(11)에 의해 전기 광변조기(10)에 인가될 수 있으며, 상기 신호는 (양의) 1/4 파장 전압, 즉, + λ/4의 레이저 방사선(8)의 위상 지연을 야기하는 전압을 발생시킨다. 지연 플레이트(12)가 - λ/4의 반대 방향 위상 지연을 생성함으로써, 지연 플레이트(12)의 위상 지연과 제1 작동 상태(B1)의 전기 광변조기(10)의 위상 지연의 합은 0이다. 따라서, 레이저 공진기(4)에서 발생된 s-편광된 레이저 방사선(8)의 편광 상태가 변경되지 않으며, 상기 레이저 방사선은, s-편광된 방식으로 박막 편광판(13) 상에 충돌하여 후자에서 편향되고, 즉 레이저 방사선(8)은 박막 편광판(13)에서 결합해제되지 않는다. 위상 지연의 부호의 정의는, 전기 광변조기(10)에 인가되는 양/음의 전압이 양/음의 부호를 갖는 위상 지연을 야기하는 규정에 기초한다.
제2 작동 상태(B2)에서, 전기 광변조기(10)에서 0의 위상 지연이 생성되며, 즉, 전압차가 없거나, 0 V의 전압을 갖는 제어 신호(S)가 상기 변조기에 존재한다. 이 경우, 지연 플레이트(12)를 통하는 레이저 방사선(8)의 이중 통과로 인해, 2 x (- λ/4) = - λ/2의 위상 지연을 야기한다. 이러한 위상 지연은, 선형으로 편광된 레이저 방사선(8)의 편광 방향(E-벡터)이 90°만큼 회전됨으로써, 후자가 박막 편광판(13) 형태의 출력 결합 장치 상에 p-편광된 방식으로 충돌하여 상기 편광판에서 레이저 공진기(4)로부터 결합해제되는 효과를 갖는다. 적절하게 설계되어 제어되는 전기 광변조기(10)의 경우, 지연 플레이트(12)는, ± λ/4와 상이한 (임의적인) 고정 위상 지연을 가질 수도 있다.
도 1에 도시된 레이저 공진기(4)는, 교번하는 제1 및 제2 레이저 펄스(3a, 3b)의 시퀀스(2)가 발생되는 쌍안정 상태로 작동되며, 상기 레이저 펄스는 적어도 하나의 특성에서 서로 상이하다. 도 1에서 명백한 바와 같이, 이 경우, 제1 레이저 펄스(3a)는, 제2 레이저 펄스(3b)보다 더 큰 최대 펄스 전력 또는 에너지를 갖는다. 대안적으로, 제1 레이저 펄스(3a)는, 제2 레이저 펄스(3b)보다 더 낮은 에너지 또는 더 낮은 최대 펄스 전력을 가질 수 있음은 물론이다. 상이한 특성을 갖는 교번하는 제1 및 제2 레이저 펄스(3a, 3b)를 발생시키기 위해, 제어 신호(S)를 사용하여 전기 광변조기(10)가 교대로 제어되며, 전기 광변조기(10)를 교대로 제어하기 위한 다수의 가능성이 있고, 그 중에서, 예를 들어, 4개의 가능성이 도 3a 내지 도 3d의 실시예로서 도시된다. 각각의 경우 다른 (제1, 제2, …) 레이저 펄스와 상이한 특성을 갖는 제3, 제4, … 레이저 펄스의 시퀀스를 발생시키기 위해, 전기 광변조기(10)가 제3, 제4, … 상태의 안정된 레이저 작동을 달성하도록 이에 따라 제어될 수 있음은 물론이다.
도 3a 내지 도 3d에 도시된 4개의 모든 실시예에서, 제어 신호(S)는, 예를 들어 수 kHz의 크기 정도일 수 있는 일정한 제어 주파수(f)(예를 들어, 200 Hz 내지 1000 kHz, 바람직하게는 1 kHz 내지 100 kHz)를 갖는다. 제어 신호(S)의 주기 지속시간(T) 동안, 제1 레이저 펄스(3a) 및 제2 레이저 펄스(3b)가 발생되도록 각각의 경우 광변조기(10)가 제어된다. 각각의 제1 또는 제2 레이저 펄스(3a, 3b)를 발생시키기 위해, 각각의 경우 한 번 제1 작동 상태(B1)와 제2 작동 상태(B2) 간에 전후로 전환시킬 필요가 있다. 도 3a 내지 도 3d에서, 1로 지정된 최대 손실(L)(최소 Q 인자(Q)에 해당함)과 0으로 지정된 최소 손실(L)(최대 Q 인자(Q)에 해당함) 사이에, Q 인자(Q)(보다 정확하게 말하면, (손실(L)에 비례하는) 1/Q) 또는 제어 신호(S)의 신호 레벨이 각각의 경우 표시된다. 도시된 실시예에서, 최소 Q 인자(Q)(및 최대 손실(L))의 경우, 광변조기(10)는 추가로 전술한 바와 같은 0의 위상 지연을 생성하는 반면에, 최대 Q 인자(Q)(및 최소 손실(L))의 경우, 광변조기(10)는 + λ/4의 위상 지연을 생성한다(위 참조).
도 3a에 도시된 실시예에서, 교대 제어는 제어 신호(S)를 사용하여 달성되며, 각각의 제1 레이저 펄스(3a) 및 각각의 제2 레이저 펄스(3b)의 발생의 지속시간은 동일한 크기이고, 제어 신호(S)의 주기 지속시간의 절반(T/2)에 해당한다. 그러나, 도 3a에 도시된 실시예에서, 제1 레이저 펄스(3a)의 발생 동안 제1 작동 상태(B1)의 체류 지속시간(tB1,1)은, 제2 레이저 펄스(3b)의 발생 동안 제1 작동 상태(B1)의 체류 지속시간(tB1,2)과 상이하다. 제1 레이저 펄스(3a)의 발생 동안 제1 작동 상태(B1)의 체류 지속시간(tB1,1)은, 제2 레이저 펄스(3b)의 발생 동안 제1 작동 상태(B1)의 체류 지속시간(tB1,2) 초과이다. 이러한 방식으로, 각각의 제1 레이저 펄스(3a)의 펄스 구축을 위해 또는 이득을 위해, 더 긴 시간 주기가 이용 가능하며, 이는 도 1에 도시된 바와 같이, 제2 레이저 펄스(3b)와 비교하여, 제1 레이저 펄스(3a)의 더 높은 최대 전력을 유발한다.
도 3b에 도시된 실시예에서, 상이한 시점에 달성되는 2개의 레이저 펄스(3a, 3b)의 발생 동안 제1 및 제2 작동 상태(B1, B2) 간의 전환에 의해, 교대 제어가 마찬가지로 달성된다. 그러나, 도 3b에 도시된 실시예에서, 제1 레이저 펄스(3a) 및 제2 레이저 펄스(3b) 동안 제1 작동 상태(B1)의 각각의 체류 지속시간(tB1,1 및 tB1,2)은 동일한 길이이다. 그러나, 도 3b에서, 제1 레이저 펄스(3a)의 발생 동안 제1 작동 상태(B1) 및 제2 작동 상태(B2)의 광변조기(10)의 총 체류 지속시간(ttot,1)은, 제2 레이저 펄스(3b)의 발생 동안 제1 작동 상태(B1) 및 제2 작동 상태(B2)의 광변조기(10)의 총 체류 지속시간(ttot,2)과 상이하다. 2개의 체류 지속시간(각각 ttot,1 및 ttot,2)의 합은, 제어 신호(S)의 일정한 주기 지속시간(T)에 해당한다. 제1 레이저 펄스(3a)의 발생 동안 광변조기(10)의 더 긴 총 체류 지속시간(ttot,1)으로 인해, 후자는 제2 레이저 펄스(3b)보다 더 큰 최대 펄스 전력을 갖는다. 여기서 중요한 것은, 제1 레이저 펄스(3a)의 발생 동안 제2 작동 상태(B2)의 광변조기(10)의 더 긴 체류 지속시간으로 인해, 제2 레이저 펄스(3b)의 발생 동안보다 레이저 활성 매체(6) 내로 더 많은 에너지 또는 이득이 도입된다는 점이다. 따라서, 제1 작동 상태(B1)의 후속적인 체류 지속시간 동안, 제2 레이저 펄스보다 제1 레이저 펄스에 대해 더 많은 에너지를 추출하는 것이 가능하다.
도 3a 및 도 3b에 도시된 교대 제어를 위한 가능성은 조합될 수도 있으며, 즉 제1 작동 상태(B1)의 체류 지속시간(tB1,1), 및 제1 레이저 펄스(3a)의 발생 동안 제1 및 제2 작동 상태(B1, B2)의 총 체류 지속시간(ttot,1)은, 제1 작동 상태(B1)의 체류 지속시간(tB1,2), 및 제2 레이저 펄스(3b)의 발생 동안 제1 및 제2 작동 상태(B1, B2)의 총 체류 지속시간(ttot,2)과 각각 상이할 수 있음은 물론이다.
도 3c에 도시된 실시예에서, 2개의 레이저 펄스(3a, 3b)를 발생시키기 위한 상이한 제어는, 2개의 작동 상태(B1, B2)의 상이한 체류 지속시간에 의해 달성되는 것이 아니라, 오히려, 제2 레이저 펄스(3b)의 발생 동안 제1 작동 상태(B1')의 광변조기(10)의 Q 인자(Q1')와 상이한, 제1 레이저 펄스(3a)의 발생 동안 제1 작동 상태(B1)의 광변조기(10)의 Q 인자(Q1)에 의해 달성된다. 각각의 Q 인자(Q1, Q1')는 무차원 값이 되며, 손실(L1, L1')에 반비례한다. 제1 레이저 펄스(3a)의 발생 동안의 제1 작동 상태(B1)의 경우, 도 3a, 도 3b의 2개의 실시예의 경우와 같이, 레이저 공진기(4)의 손실(L1)은 실제로 0과 동일하고, Q 인자(Q1)가 최대인 것은 유효하다. 제2 레이저 펄스(3b)의 발생 동안 광변조기(10)가 작동되는 제1 작동 상태(B1')의 경우, 대조적으로 L1'= 0.2인 것이 유효하며, 예를 들어, 값이 0.01 내지 0.5일 수 있는 레이저 활성 매체(6)의 유형에 따라, 손실(L1')의 다른 값이 가능하다. 제1 작동 상태(B1')의 제2 레이저 펄스(3b)의 발생 동안, 광변조기(10)는, 0과 상이한 광변조기(10)의 위상 지연을 야기하는 신호 레벨을 갖는 제어 신호(S)로 제어된다. 이에 따라, 선형으로 편광된 레이저 방사선(8)의 편광 방향(E-벡터)이 회전되고, 제1 작동 상태(B1') 동안 레이저 공진기(4)로부터 결합해제되는 일부를 갖는 효과가 있다. 이러한 방식으로, 제2 레이저 펄스(3b)는, 자신의 최대 펄스 전력이 제1 레이저 펄스(3a)의 경우보다 더 낮은 결과로, 더 적은 에너지를 추출 및 구축시킬 수 있다.
마지막으로, 도 3d는 광변조기(10)를 교대로 제어하기 위한 가능성을 도시하며, 레이저 공진기(4)에서 구축되는 레이저 방사선(8)의 전력(P)이 2개의 레이저 펄스(3a, 3b)의 발생 동안 상이한 크기를 갖도록 선택된 미리 한정된 전력 임계값(PS,1, PS,2)을 초과하는 즉시, 광변조기(10)가 제1 작동 상태(B1)로부터 제2 작동 상태(B2)로 전환된다. 도시된 실시예에서, 제1 레이저 펄스(3a)를 위한 제1 전력 임계값(PS,1)은, 제2 레이저 펄스(3b)를 위한 제2 전력 임계값(PS,2)보다 더 크도록 선택된다. 따라서, 제1 레이저 펄스(3a)의 발생 동안, 광변조기(10)는, 이후의 시점(즉, 제1 레이저 펄스(3a)의 발생 동안 제1 작동 상태(B1)의 체류 지속시간(tB1,1)은, 제2 레이저 펄스(3b)의 발생 동안 제1 작동 상태(B1)의 체류 지속시간(tB1,2) 초과임)에서, 제1 작동 상태(B1)로부터 제2 작동 상태(B2)로 전환된다.
제1 작동 상태(B1)의 정확한 체류 지속시간(tB1,1, tB1,2)은, 각각의 연속적인 제1 레이저 펄스(3a) 및 제2 레이저 펄스(3b)의 경우, 레이저 펄스(3a, 3b)의 시퀀스(2)의 발생 동안 각각의 경우 약간 변동되는, 각각의 전력 임계값(PS,1, PS,2)의 도달에 의해 결정된다. 그럼에도 불구하고, 제2 작동 상태(B2)로부터 제1 작동 상태(B1)로의 전환은 각각의 주기 지속시간(T) 내에서 고정식으로 미리 한정된 시점에 각각의 경우 달성되기 때문에, 제어 신호(S)는, 이 경우에도, 일정한 제어 주파수(f)를 갖는다. 따라서, 단지 제1 작동 상태(B1)로부터 제2 작동 상태(B2)로 전환되는 시점이 고정식으로 미리 한정된 것이 아니라, 오히려 각각의 전력 임계값(PS,1, PS,2)의 도달에 의해 트리거된다는 점에서, 도 3d에 도시된 제어 신호(S)는 도 3a에 도시된 제어 신호(S)와 상이하다.
제1 작동 상태(B1)의 레이저 공진기(4)의 레이저 방사선(8)의 (순간) 전력(P)을 결정하기 위해, 도 1에 도시된 장치(1)는, 포토다이오드의 형태로 구성된 검출기(14)를 포함한다. 검출기(14)는 레이저 공진기(4)의 외부에 배치된다. 레이저 공진기(4)에서 전파되는 레이저 방사선(8)의 적은 일부가 검출을 위해 결합해제되도록 하기 위해, 레이저 공진기(4)의 제2 단부 미러(5b)는 부분적으로 투과성으로 구성된다(즉, 이는 레이저 공진기(4)에서 전파되는 레이저 방사선(8)에 대해 약 0.01% 이하의 투과율을 갖는다). 광변조기(10)가 도 3a 내지 도 3c와 관련하여 설명된 방식으로 교대로 제어되는 경우, 검출기(14)는 선택적으로 생략될 수 있다.
도 2는 레이저 펄스의 시퀀스(2)를 발생시키기 위한 장치(1)를 도시하며, 그러한 장치는, 예를 들어, 레이저 공진기(4)의 외부에 배치된 음향 광변조기 형태의 추가적인 광변조기(15)를 포함한다는 점에서, 도 1에 도시된 장치(1)와 실질적으로 상이하다. 추가적인 광변조기(15)는, 레이저 공진기(4)로부터 결합해제되는 제1 및 제2 레이저 펄스(3a, 3b)의 시퀀스(2)로부터 제2 레이저 펄스(3b)를 억제하거나, 결합해제시키는 역할을 한다. 음향 광변조기(15)는, 제2 레이저 펄스(3b)를 흡수체(도면에 도시되지 않음)로 전향시킨다. 이러한 전향을 위해, 제어 신호(S)의 제어 주파수(f)의 절반에 해당하는 미리 한정된 스위칭 주파수(f/2)를 갖는 초음파 발생기를 사용하여, 광학 결정에서 음향 광변조기(15)에 의해 위상 회절 격자가 생성된다.
대안적으로, 외부 광변조기(15)는, 위상 시프트 또는 위상 지연을 생성하기 위한 예를 들어, 포켈스 셀 형태의 추가적인 전기 광변조기일 수 있다. 두 경우 모두, 외부 광변조기(15)는, 제1 레이저 펄스(3a)만이 장치(1)에서 배출되도록, 레이저 펄스(3a, 3b)의 시퀀스(2)로부터 제2 레이저 펄스(3b)를 제거하기 위해, 제어 장치(11)를 사용하여 제어 신호의 제어 주파수(f)의 절반(f/2)으로 제어될 수 있다. 예를 들어, 전자 제어 회로 형태의 전용 제어 장치가 추가적인 광변조기(15)를 위해 선택적으로 제공될 수 있음은 물론이다. 이 경우, 광변조기(10) 및 추가적인 광변조기(15)의 제어를 적절하게 동기화시킬 필요가 있다. 이러한 목적을 위해, 실시예로서, 공통 주파수 발생기가 장치(1)에 제공될 수 있다.
레이저 공진기(4)에서 발생된 레이저 방사선(8)은, 레이저 파장(λ)에 반비례하는 기본 주파수(fG)를 갖는다. 레이저 펄스(3a, 3b)의 시퀀스의 발생 동안 시간 지터 및 특히 에너지 변동의 추가적인 억제를 위해, 주파수 배가 결정(SHG 결정) 형태의 주파수 배가 장치(16)가 도 2의 레이저 공진기(4)에 배치된다. SHG 결정(16)에서, 레이저 공진기(4)에서 발생되는 레이저 방사선(8)의 적은 일부(대체로 10% 미만 또는 1% 미만)가 2배의 기본 주파수(2fG)를 갖는 레이저 방사선(17)으로 변환된다. 파장-선택적 광학 요소로서 구성된 편향 미러(9a) 중 하나에서, 변환된 레이저 방사선(17)이 투과되어 레이저 공진기(4)로부터 결합해제된다.
도 4는 도 3a 내지 도 3d에 도시된 바와 같은 캐비티 덤핑이 아닌, 통상적인 Q 스위칭으로 레이저 공진기(4)가 작동되는 경우, 제어 신호(S)의 시간 프로파일을 도시한다. 이 경우, 제1 작동 상태(B1)에서, 공진기(4)가 거의 L1 = 1.0의 높은 손실(L1) 또는 0에 가까운 Q 인자(Q1)로 작동됨으로써, 공진기(4)의 레이저 활성 매체(6)의 이득(V)이 구축된다. 레이저 활성 매체(6)의 이득(V)이 (고정식으로 미리 한정된 시점에) 자신의 최대값을 나타내는 즉시, 광변조기(10)는 제1 작동 상태(B1)로부터 제2 작동 상태(B2)로 전환된다. 제2 작동 상태(B2)에서, 광변조기(10)는, 레이저 활성 매체(6)의 이득(V)을 감소시키기 위해, 그리고 레이저 공진기(4)로부터 레이저 펄스(3a, 3b)를 결합해제시키기 위해, 제1 작동 상태(B1)의 제1 Q 인자(Q1)보다 더 큰 (제2) Q 인자(Q2)를 생성한다(손실(L2, L2')은 0에 가깝다).
도 4에 도시된 실시예에서, 제1 레이저 펄스(3a)의 발생 동안의 제2 Q 인자(Q2), 및 제2 작동 상태(B2)의 제2 레이저 펄스(3b)의 발생 동안의 제2 Q 인자(Q2')는 상이하도록 선택되며, 제1 레이저 펄스(3a)의 발생 동안의 제2 Q 인자(Q2)는, 제2 레이저 펄스(3b)의 발생 동안의 제2 Q 인자(Q2')보다 더 크다(그리고 이에 따라, 손실(L2)은 손실(L2') 미만이다). 따라서, 각각의 제1 레이저 펄스(3a)는, 각각의 제2 레이저 펄스(3b)보다 더 큰 펄스 에너지를 갖는다. 도 4에 도시된 바와 같은 광변조기(10)의 제어와 더불어 또는 대안으로서, 적어도 하나의 특성이 서로 상이한 제1 및 제2 레이저 펄스(3a, 3b)는, 캐비티 덤핑에 대해 도 3a, 도 3b와 관련하여 추가로 전술한 방식과 유사하게 발생될 수도 있음은 물론이다.
도 5는, 레이저 공진기(4)가 통상적인 Q 스위칭으로 마찬가지로 작동되는, 레이저 펄스(3a, 3b)를 발생시키기 위한 장치(1)의 일 실시예를 도시한다. 도 5에 도시된 장치(1)는, 단지 공진기(4)의 제1 단부 미러(5a)가 부분적으로 투과성 미러(예를 들어, 10%의 투과율을 가짐)로 구성되어 출력 결합 장치의 역할을 하는 반면에, 박막 편광판(13')이 출력 결합 장치로서 작용하지 않는다는 점에서(즉, 부분적으로 투과성으로 구성되지 않음), 도 1에 도시된 장치와 사실상 상이하다. 지연 플레이트(12)는 이 경우 생략될 수 있다. 공진기(4)의 손실은 이 경우 음향 광변조기(10)에 의해 생성된다. 도 5에 도시된 장치(1)의 경우에도, 제어 신호(S)를 사용하는 음향 광변조기(10)의 제어는 도 4에서 설명된 방식으로 달성될 수 있다. 음향 광변조기 대신에, 전기 광변조기가 도 5의 장치에 사용될 수도 있다.
요약하면, 광변조기(10)의 교대 제어를 사용함으로써, 레이저 공진기(4)가 견고한 쌍안정 상태로 작동될 수 있다. 이러한 방식으로, 각각의 레이저 펄스(3a, 3b)의 매우 적은 시간 지터 및 높은 에너지 안정성 둘 모두가 달성될 수 있는 레이저 펄스(3a, 3b)의 시퀀스(2)가 장치(1)에 의해 발생될 수 있다.

Claims (19)

  1. 공진기(4)의 Q 인자(G)를 가변시킴으로써 레이저 펄스(3a, 3b)를 발생시키기 위한 방법으로서,
    상기 공진기(4)의 제1 Q 인자(G1)를 생성하기 위한 광변조기(10)의 제1 작동 상태(B1)와, 상기 공진기(4)의 제2 Q 인자(G2)를 생성하기 위한 상기 광변조기(10)의 제2 작동 상태(B2) 간에 전환시키기 위해 제어 신호(S)를 사용하여, 상기 광변조기(10)를 제어함으로써 상기 레이저 펄스(3a, 3b)를 발생시키는 단계
    를 포함하며,
    상기 제2 Q 인자는 상기 제1 Q 인자와 상이하고,
    제1 레이저 펄스(3a)가 상기 제1 레이저 펄스(3a)와는 상이한 제2 레이저 펄스(3b)와 교번하는 레이저 펄스(3a, 3b)의 시퀀스(2)를 발생시키기 위해, 상기 광변조기(10)는, 각각의 제1 레이저 펄스(3a) 및 각각의 제2 레이저 펄스(3b)를 발생시키도록 상기 제어 신호(S)를 사용하여 교대로 각각의 경우 상이하게 제어되는 것인, 공진기(4)의 Q 인자(G)를 가변시킴으로써 레이저 펄스(3a, 3b)를 발생시키기 위한 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    바람직하게는 상기 공진기(4)의 외부에 배치된 추가적인 광변조기(15)에 의해, 상기 제2 레이저 펄스(3b)를 억제함으로써, 제1 레이저 펄스(3a)의 시퀀스(2)를 발생시키는 단계
    를 더 포함하는, 공진기(4)의 Q 인자(G)를 가변시킴으로써 레이저 펄스(3a, 3b)를 발생시키기 위한 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 광변조기(10)는, 일정한 제어 주파수(f)를 갖는 제어 신호(S)로 제어되며,
    각각의 경우 제1 레이저 펄스(3a) 및 제2 레이저 펄스(3b)는, 상기 제어 신호(S)의 주기 지속시간(T) 동안 발생되는 것인, 공진기(4)의 Q 인자(G)를 가변시킴으로써 레이저 펄스(3a, 3b)를 발생시키기 위한 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 레이저 펄스(3a)의 발생 동안의 상기 제1 작동 상태(B1)의 상기 광변조기(10)의 체류 지속시간(tB1,1), 및 상기 제2 레이저 펄스(3b)의 발생 동안의 상기 제1 작동 상태(B1)의 상기 광변조기(10)의 체류 지속시간(tB1,2)은 상이하도록 선택되는 것인, 공진기(4)의 Q 인자(G)를 가변시킴으로써 레이저 펄스(3a, 3b)를 발생시키기 위한 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 레이저 펄스(3a)의 발생 동안의 상기 제1 및 제2 작동 상태(B1, B2)의 상기 광변조기(10)의 총 체류 지속시간(ttot,1), 및 상기 제2 레이저 펄스(3b)의 발생 동안의 상기 제1 및 제2 작동 상태(B1, B2)의 상기 광변조기(10)의 총 체류 지속시간(ttot,2)은 상이하도록 선택되는 것인, 공진기(4)의 Q 인자(G)를 가변시킴으로써 레이저 펄스(3a, 3b)를 발생시키기 위한 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 레이저 펄스(3a)의 발생 동안의 제1 Q 인자(Q1), 및 상기 제2 레이저 펄스(3b)의 발생 동안의 제1 Q 인자(Q1')는 상이하도록 선택되거나/선택되며,
    상기 제1 레이저 펄스(3a)의 발생 동안의 제2 Q 인자(Q2), 및 상기 제2 레이저 펄스(3b)의 발생 동안의 제2 Q 인자(Q2')는 상이하도록 선택되는 것인, 공진기(4)의 Q 인자(G)를 가변시킴으로써 레이저 펄스(3a, 3b)를 발생시키기 위한 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 공진기(4)에서 레이저 펄스(3a, 3b)를 구축시키기 위한 상기 공진기(4)의 제1 Q 인자(Q1)는 상기 제1 작동 상태(B1)에서 생성되며,
    상기 공진기(4)로부터 상기 레이저 펄스(3a, 3b)를 결합해제시키기 위한 더 낮은 제2 Q 인자(Q2)는 상기 제2 작동 상태(B2)에서 생성되는 것인, 공진기(4)의 Q 인자(G)를 가변시킴으로써 레이저 펄스(3a, 3b)를 발생시키기 위한 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 광변조기(10)는, 상기 공진기(4)에서 구축되는 레이저 전력(P)의 미리 한정된 전력 임계값(PS,1, PS,2)에 도달하면, 상기 제1 작동 상태(B1)로부터 상기 제2 작동 상태(B2)로 전환되며,
    제1 레이저 펄스(3a)의 발생 동안 제1 강도 임계값(PS,1)이 선택되고,
    제2 레이저 펄스(3b)의 발생 동안, 상기 제1 강도 임계값(PS,1)과는 상이한 제2 강도 임계값(PS,2)이 선택되는 것인, 공진기(4)의 Q 인자(G)를 가변시킴으로써 레이저 펄스(3a, 3b)를 발생시키기 위한 방법.
  9. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    제1 Q 인자(Q1)는, 상기 공진기(4)의 레이저 활성 매체(6)의 이득(V)을 구축시키는 목적을 위해, 상기 제1 작동 상태(B1)에서 생성되며,
    더 높은 제2 Q 인자(Q2)는, 상기 레이저 활성 매체(6)의 상기 이득(V)을 감소시키는 목적을 위해 그리고 레이저 펄스(3a, 3b)를 결합해제시키는 목적을 위해, 상기 제2 작동 상태(B2)에서 생성되는 것인, 공진기(4)의 Q 인자(G)를 가변시킴으로써 레이저 펄스(3a, 3b)를 발생시키기 위한 방법.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 공진기(4)에서 기본 주파수(fG)로 전파되는 레이저 방사선(8)의 일부는, 주파수 배가 장치(16)에 의해, 2배의 상기 기본 주파수(2fG)를 갖는 레이저 방사선(17)으로 변환되는 것인, 공진기(4)의 Q 인자(G)를 가변시킴으로써 레이저 펄스(3a, 3b)를 발생시키기 위한 방법.
  11. 레이저 펄스(3a, 3b)를 발생시키기 위한 장치(1)로서,
    공진기(4);
    상기 공진기(4)에 배치된 광변조기(10);
    상기 공진기(4)의 제1 Q 인자(G1)를 생성하기 위한 제1 작동 상태(B1)와, 상기 공진기(4)의 제2 Q 인자(G2)를 생성하기 위한 제2 작동 상태(B2) 간에 상기 광변조기(10)를 전환시키기 위해 제어 신호(S)를 발생시키도록 구성된 제어 장치(11)
    를 포함하며,
    상기 제2 Q 인자는 상기 제1 Q 인자와 상이하고,
    상기 제어 장치(11)는, 제1 레이저 펄스(3a)가 상기 제1 레이저 펄스(3a)와는 상이한 제2 레이저 펄스(3b)와 교번하는 레이저 펄스(3a, 3b)의 시퀀스(2)를 발생시키기 위한 목적으로, 상기 제어 신호(S)에 의해, 각각의 제1 레이저 펄스(3a) 및 각각의 제2 레이저 펄스(3b)를 발생시키도록, 교대로 각각의 경우 상이하게 상기 광변조기(10)를 제어하도록 구성되는 것인, 레이저 펄스(3a, 3b)를 발생시키기 위한 장치(1).
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제2 레이저 펄스(3b)를 억제하기 위한 추가적인 광변조기(15)
    를 더 포함하며,
    상기 추가적인 광변조기는 상기 공진기(4)의 외부에 배치되는 것인, 레이저 펄스(3a, 3b)를 발생시키기 위한 장치(1).
  13. 제11항 또는 제12항에 있어서,
    상기 제어 장치(11)는, 제어 신호(S)의 주기 지속시간(T) 동안 제1 레이저 펄스(3a) 및 제2 레이저 펄스(3b)를 발생시키기 위해, 일정한 제어 주파수(f)를 갖는 상기 제어 신호(S)를 사용하여 상기 광변조기(10)를 제어하도록 구성되는 것인, 레이저 펄스(3a, 3b)를 발생시키기 위한 장치(1).
  14. 제11항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어 장치(11)는,
    상기 제1 작동 상태(B1)에서 상기 공진기(4)의 레이저 펄스(3a, 3b)를 구축시키기 위한 상기 공진기(4)의 제1 Q 인자(Q1)를 생성하며,
    상기 제2 작동 상태(B2)에서 상기 공진기(4)로부터 상기 레이저 펄스(3a, 3b)를 결합해제시키기 위한 더 낮은 제2 Q 인자(Q2)를 생성하도록 구성되는 것인, 레이저 펄스(3a, 3b)를 발생시키기 위한 장치(1).
  15. 제11항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광변조기(10)의 상기 제1 작동 상태(B1)에서 상기 공진기(4)에서 구축되는 레이저 전력(P)을 검출하기 위한 검출기(14)
    를 더 포함하는, 레이저 펄스(3a, 3b)를 발생시키기 위한 장치(1).
  16. 제15항에 있어서,
    상기 제어 장치(11)는, 상기 공진기(4)에서 구축되는 상기 레이저 전력(P)의 미리 한정된 전력 임계값(PS,1, PS,2)에 도달하면, 상기 제1 작동 상태(B1)와 상기 제2 작동 상태(B2) 간에 상기 광변조기(10)를 전환시키도록 구성되며,
    상기 제어 장치(11)는, 제1 레이저 펄스(3a)를 발생시키는 목적을 위한 제1 전력 임계값(PS,1), 및 제2 레이저 펄스(3b)를 발생시키는 목적을 위한, 상기 제1 전력 임계값(PS,1)과는 상이한 제2 전력 임계값(PS,2)을 미리 한정하도록 구성되는 것인, 레이저 펄스(3a, 3b)를 발생시키기 위한 장치(1).
  17. 제11항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어 장치(11)는,
    상기 제1 작동 상태(B1)에서, 상기 공진기(4)의 레이저 활성 매체(6)의 이득(V)을 구축시키는 목적을 위해, 제1 Q 인자(Q1)를 생성하며,
    상기 제2 작동 상태(B2)에서, 상기 레이저 활성 매체(6)의 상기 이득(V)을 감소시키는 목적을 위해 그리고 레이저 펄스(3a)를 결합해제시키는 목적을 위해, 더 높은 제2 Q 인자(Q2)를 생성하도록 구성되는 것인, 레이저 펄스(3a, 3b)를 발생시키기 위한 장치(1).
  18. 제11항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 공진기(4)에 배치된 주파수 배가 장치(16)
    를 더 포함하며,
    상기 주파수 배가 장치(16)는, 상기 공진기(4)에서 기본 주파수(fG)로 전파되는 레이저 방사선(8)의 일부를 2배의 상기 기본 주파수(2fG)의 레이저 방사선(17)으로 변환하는 역할을 하는 것인, 레이저 펄스(3a, 3b)를 발생시키기 위한 장치(1).
  19. 제11항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 공진기(4)는,
    레이저 활성 매체(6);
    상기 공진기(4)로부터 상기 레이저 펄스(3a, 3b)를 결합해제시키기 위한 특별한 편광-선택적 출력 결합 장치(13, 5a); 및
    바람직하게는 위상 지연 장치(12)
    를 더 포함하는 것인, 레이저 펄스(3a, 3b)를 발생시키기 위한 장치(1).
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