KR20230064203A - 레이저 증폭 매질의 손상한계측정장치 및 손상한계측정방법 - Google Patents

레이저 증폭 매질의 손상한계측정장치 및 손상한계측정방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 레이저 증폭 매질의 손상한계측정장치 및 손상한계측정방법에 관한 것으로, 본 발명의 일 실시예에 의한 레이저 증폭 매질의 손상한계측정장치는 극초단 펄스를 가지는 레이저 광을 생성하는 극초단 펄스 발생부; 상기 레이저 광을 레이저 증폭 매질에 조사하여, 상기 레이저 광의 출력을 증폭하는 증폭부; 및 상기 증폭부에서 출력되는 상기 레이저 광의 빔 프로파일을 생성하고, 커 렌즈(Kerr lens) 현상에 따른 상기 빔 프로파일의 변화를 이용하여, 상기 레이저 증폭 매질의 손상임계치를 측정하는 빔측정부를 포함할 수 있다.

Description

레이저 증폭 매질의 손상한계측정장치 및 손상한계측정방법 {Apparatus and method for measuring damage limit level of laser gain medium}
본 발명은 레이저 증폭 매질의 손상한계측정장치 및 손상한계측정방법에 관한 것으로, 커 렌즈(Kerr lens) 효과에 의한 레이저 증폭 매질의 손상한계를 측정할 수 있는 레이저 증폭 매질의 손상한계측정장치 및 손상한계측정방법에 관한 것이다.
극초단 펄스는 펄스폭이 피코(pico)초에서 펨토(femto)초에 이르는 매우 짧은 시간폭을 가지는 펄스로, 극초단 펄스를 가지는 레이저 광(이하, 극초단 레이저)은 물질의 열적 변성이 적은 비열 가공이 가능하며, 기존 레이저 가공에 비해 고품질의 초정밀 가공이 가능하다. 특히, 생체 조직 및 유기재료 기반의 물질은 열에 취약하므로, 열적 변성이 적은 극초단 펄스의 레이저 광을 이용하면, 유기재료와 전기전자 소재, 생체조직의 미세 절개 등 다양한 형태의 정밀 가공에 활용할 수 있다. 즉, 초정밀 레이저 가공을 위한 고출력 극초단 레이저의 경우, 산업적 수요가 증가하고 있으며, 가공 효율 및 생산성을 높이기 위해 극초단 레이저에 대한 고출력화가 요구되고 있다.
일반적으로, 극초단 레이저의 고출력화를 위하여, 극초단 종자 펄스를 레이저 증폭 매질에 입사시켜 펄스 에너지를 증폭하는 방식을 활용할 수 있다. 기존에는 벌크(bulk) 형태의 레이저 증폭 매질을 사용하였으나, 이 경우 열문제로 인한 출력향상의 한계가 존재한다. 따라서, 이러한 한계를 극복하기 위해 효과적으로 열을 배출할 수 있는 구조인 얇은 원반(Thin disk), 슬래브(slab), 광섬유(fiber) 등 다양한 형태의 레이저 증폭 매질들이 제안되고 있다. 얇은 원반이나 슬래브의 경우 구조가 복잡하고, 광섬유 형태는 고에너지 펄스에서 발생하는 비선형 효과에 따라 첨두출력(peak power)을 높이는데 한계가 존재한다.
이를 해결하기 위한 방안으로, TRA(Thin Rod Amplifier)가 제안되고 있으며, TRA는 길고 얇은 원통모양의 레이저 증폭 매질로 극초단 레이저는 내부에서 가이딩 없이 진행되고, 펌핑 레이저는 내부에서 가이드되는 구조를 가질 수 있다. 이를 통하여 간소한 구조를 가지면서도, 안정적으로 레이저 출력을 향상시키는 것이 가능하다.
다만, TRA를 사용하는 경우에도, 극초단 레이저의 증폭과정에서 TRA 내부의 첨두출력이 높은 펄스가 커렌즈(kerr lens) 효과에 의해 집속될 수 있으며, 이 경우 자기집속(self-focusing)에 의한 매질의 손상이 발생할 수 있다. 즉, 레이저 증폭 매질의 열적 특성, 비선형성 특성 등을 고려하여, 레이저 증폭 매질이 손상되지 않는 안전한 영역에서 안정적으로 출력을 증폭시킬 필요가 있다. 특히, 간단한 구성으로 효율적인 열방출 및 펄스 증폭을 가능하게 하는 TRA의 경우, 레이저 증폭 매질의 길이가 기존의 벌크 형태의 증폭 매질에 비해 길기 때문에, 자기 집속에 따른 표면 손상이 더 쉽게 발생할 수 있다.
한국등록특허공보 제10-0757101호
본 발명은, 레이저 증폭 매질들에 대한 손상임계치를 제공할 수 있는 레이저 증폭 매질의 손상한계측정장치 및 손상한계측정방법을 제공하고자 한다.
본 발명은, 극초단 펄스의 첨두 출력 세기가 높아졌을 경우, 커 렌즈 효과에 의해 빔 크기가 변화하는 특성을 이용하여, 레이저 증폭 매질의 손상한계를 정확하게 측정할 수 있는 레이저 증폭 매질의 손상한계측정장치 및 손상한계측정방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 의한 레이저 증폭 매질의 손상한계측정장치는, 극초단 펄스를 가지는 레이저 광을 생성하는 극초단 펄스 발생부; 상기 레이저 광을 레이저 증폭 매질에 조사하여, 상기 레이저 광의 출력을 증폭하는 증폭부; 및 상기 증폭부에서 출력되는 상기 레이저 광의 빔 프로파일을 생성하고, 커 렌즈(Kerr lens) 현상에 따른 상기 빔 프로파일의 변화를 이용하여, 상기 레이저 증폭 매질의 손상임계치를 측정하는 빔측정부를 포함할 수 있다.
여기서 상기 극초단 펄스 발생부는, 극초단 펄스를 가지는 초기 레이저 광을 생성하는 주 발진기; 상기 초기 레이저 광의 출력세기를 조절하는 출력조절기; 및 상기 초기 레이저 광의 펄스수를 조절하여, 상기 레이저 광의 반복률을 설정하는 펄스피커(pulse picker)를 포함할 수 있다.
여기서 상기 빔측정부는, 저반복율을 가지는 제1 레이저 광의 출력세기를 증가시키면서 측정한 제1 빔 프로파일과, 고반복율을 가지는 제2 레이저 광의 출력세기를 증가시키면서 측정한 제2 빔프로파일을 생성할 수 있다.
여기서 상기 빔측정부는, 상기 제1 빔프로파일의 크기와 상기 제2 빔 프로파일의 크기를 비교하여, 상기 제1 빔 프로파일의 크기가 제2 빔 프로파일의 크기보다 설정값 이상 커지는 출력세기를 추출하고, 상기 출력세기를 이용하여 상기 레이저 증폭 매질에 대한 손상임계치를 구할 수 있다.
여기서 상기 출력조절기는, 반파장판(half wave plate) 및 편광판(polarizer)을 이용하여 상기 초기 레이저 광의 출력세기를 조절할 수 있다.
여기서 상기 펄스피커는, 포켈셀(Pockels Cell), 편광판 및 반사경(High Reflective Mirror)을 이용하여, 상기 초기 레이저 광의 펄스수를 조절할 수 있다.
여기서 상기 레이저 증폭 매질은, TRA(Thin Rod Amplifier)일 수 있다.
여기서 상기 빔측정부는, 이미지센서를 이용하여, 상기 레이저 광의 단면 이미지에 대응하는 빔 프로파일을 생성할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 레이저 증폭 매질의 손상한계측정방법은, 극초단 펄스를 가지는 레이저 광을 생성하는 단계; 상기 레이저 광을 레이저 증폭 매질에 조사하여, 상기 레이저 광의 출력을 증폭하는 단계; 및 상기 증폭된 레이저 광의 빔 프로파일을 생성하고, 커 렌즈(Kerr lens) 현상에 따른 상기 빔 프로파일의 변화를 이용하여, 상기 레이저 증폭 매질의 손상임계치를 측정하는 단계를 포함할 수 있다.
덧붙여 상기한 과제의 해결수단은, 본 발명의 특징을 모두 열거한 것이 아니다. 본 발명의 다양한 특징과 그에 따른 장점과 효과는 아래의 구체적인 실시형태를 참조하여 보다 상세하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 의한 레이저 증폭 매질의 손상한계측정장치 및 손상한계측정방법에 의하면, 각각의 레이저 증폭 매질들에 대한 손상임계치를 제공할 수 있다. 따라서, 레이저 증폭 매질들의 손상 한계를 고려하여, 레이저 증폭 매질이 손상되지 않는 조건으로 레이저 증폭 시스템을 구성하는 것이 가능하다.
본 발명의 일 실시예에 의한 레이저 증폭 매질의 손상한계측정장치 및 손상한계측정방법에 의하면, 레이저 증폭 매질의 비선형성에 의한 커렌즈 효과와, 펌프 레이저의 펌프열에 의한 열렌즈 효과가 모두 고려된 정확한 손상 임계치를 측정하는 것이 가능하다.
본 발명의 일 실시예에 의한 레이저 증폭 매질의 손상한계측정장치 및 손상한계측정방법에 의하면, 레이저 증폭 매질의 손상 임계치를 정확하게 예측할 수 있으므로, 극초단 광펄스 증폭기를 효율적으로 구성할 수 있어 레이저 증폭 효율이 크게 증가될 수 있다. 또한, 레이저 증폭 매질이 손상되지 않는 범위에서 안정적으로 출력을 증폭시킬 수 있으므로, 레이저 개발 비용을 크게 줄일 수 있다.
도1은 본 발명의 일 실시예에 의한 레이저 증폭 매질의 손상한계측정장치를 나타내는 블록도이다.
도2는 본 발명의 일 실시예에 의한 레이저 증폭 매질의 손상한계측정장치를 나타내는 개략도이다.
도3은 TRA 구조의 Yb:YAG 레이저 매질을 활용하여 극초단 레이저를 증폭하는 과정에서 발생한 레이저 증폭 매질의 손상예이다.
도4는 본 발명의 일 실시예에 의한 빔 프로파일을 나타내는 예시도이다.
도5는 본 발명의 일 실시예에 의한 손상한계 측정을 나타내는 그래프이다.
도6은 본 발명의 일 실시예에 의한 레이저 증폭 매질의 손상한계측정방법을 나타내는 순서도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 도면 전체에 걸쳐 동일한 부호를 사용한다.
덧붙여, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 '연결'되어 있다고 할 때, 이는 '직접적으로 연결'되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 '간접적으로 연결'되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 '포함'한다는 것은, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "~부", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
또한, 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되는 것은 아니며, 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
도1은 본 발명의 일 실시예에 의한 레이저 증폭 매질의 손상한계측정장치를 나타내는 블록도이다.
도1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 손상한계측정장치(100)는 극초단 펄스 발생부(110), 증폭부(120) 및 빔측정부(130)를 포함할 수 있다.
이하, 도1을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 의한 레이저 증폭 매질의 손상한계측정장치를 설명한다.
극초단 펄스 발생부(110)는 극초단 펄스를 가지는 레이저 광을 생성할 수 있다. 즉, 극초단 펄스 발생부(110)에서 1차적으로 레이저 광을 생성한 후, 생성한 레이저 광을 증폭부(120)로 전송하여 레이저 광을 증폭시킬 수 있다.
구체적으로, 극초단 펄스 발생부(110)는 주 발진기(Master Oscillator, 111), 출력조절기(Power Controller, 112) 및 펄스피커(Pulse Picker, 113)를 포함할 수 있다.
주 발진기(111)는 극초단 펄스를 가지는 초기 레이저 광을 생성하는 것으로, Yb:YAG, Nd:YAG, Yb:Y2O3, Yb:CALGO, Yb:KGW, Yb:KYW, Yb:KLuW, Yb:glass, Yb:YVO4, Er:YAG, Tm:YAG, Ho:YAG, Cr:YAG 등의 레이저 매질을 포함할 수 있다. 다만 이에 한정되는 것은 아니며, 주 발진기(111)는 이외에도 광섬유, 고체 등 다양한 형태의 레이저 매질을 이용하여 극초단 펄스를 가지는 초기 레이저 광을 생성할 수 있다.
출력조절기(112)는 주 발진기(111)로부터 초기 레이저 광을 입력받을 수 있으며, 입력받은 초기 레이저 광의 출력세기를 조절할 수 있다. 도2를 참조하면, 출력조절기(112)는 반파장판(half wave plate) 및 편광판(TFP: Thin Film Polarizer)을 포함할 수 있으며, 이들을 이용하여 초기 레이저 광의 출력세기를 조절할 수 있다. 주 발진기(111)에서 출력된 초기 레이저 광은 콜리메이션 렌즈(collimation lens)에 의해 정렬되어 출력조절기(112)로 입력될 수 있으며, 출력조절기(112)에서 출력된 초기 레이저 광은 광 분리기(F-iso: Faraday isolator)를 통하여 펄스피커(113)로 입력될 수 있다. 광 분리기(F-iso)는 출력조절기(112)로부터 펄스피커(113) 방향으로는 레이저 광이 진행하지만, 펄스피커(113)로부터 출력된 레이저 광은 출력조절기(112)로 입사되지 않도록 차단할 수 있다.
펄스피커(113)는 초기 레이저 광의 펄스수를 조절하여, 초기 레이저 광의 반복율을 설정할 수 있다. 도2에 도시한 바와 같이, 펄스피커(113)에는 포켈셀(Pockels Cell), 편광판 및 반사경(HR: High Reflective Mirror)이 포함될 수 있으며, 이때 펄스피커(113)는 EOM(Eletro-Optic Modulator)이나 AOM(Acousto-Optic Modulator) 방식으로 레이저 광의 펄스수를 조절할 수 있다. 실시예에 따라서는, 펄스피커(113)가 초기 레이저 광의 반복율을 100~1000kHz의 저반복율을 가지도록 조절하거나, 10~80MHz의 고반복율을 가지도록 조절할 수 있다.
증폭부(120)는 극초단 펄스 발생부(110)로부터 레이저 광을 수신할 수 있으며, 수신한 레이저 광을 레이저 증폭 매질(A)에 조사하여, 레이저 광의 출력을 증폭시킬 수 있다. 여기서 증폭부(120)에는 손상임계치을 측정하고자 하는 레이저 증폭 매질(A)이 설치될 수 있다.
도2를 참조하면, 증폭부(120)는 LWPF(Long Wave Pass Filter)를 이용하여, 레이저 광과 함께 펌프 레이저 다이오드(Pump LD)의 펌프 광을 레이저 증폭 매질(A)에 입사할 수 있으며, 나머지 펌프 광은 LWPF를 통하여 덤퍼(Dumper)로 전송할 수 있다. 이때, 펌프 레이저 다이오드에서 출력된 펌프 광은 CL(Collimation Lens)과 FL(Focusing Lens)을 거쳐서 LWPF로 입사될 수 있다.
여기서, 레이저 증폭 매질(A)로 TRA가 설치될 수 있으며, 이 경우 TRA는 Yb:YAG, Nd:YAG, Yb:Y2O3, Yb:CALGO, Yb:KGW, Yb:KYW, Yb:KLuW, Yb:glass, Yb:YVO4, Er:YAG, Tm:YAG, Ho:YAG, 또는 Cr:YAG 등의 레이저 매질로 구현한 것일 수 있다. 이하에서는 레이저 증폭 매질(A)로 TRA가 설치된 경우를 예를 들어 설명한다. 다만, 본 발명의 내용이 이에 한정되는 것은 아니며, TRA 이외에 손상임계치를 측정하고자 하는 다양한 종류의 레이저 증폭 매질(A)들을 증폭부(120)에 설치하여 손상임계치를 측정할 수 있다.
한편, TRA를 구성하는 물질들은 대부분 비선형 물질로써, 첨두출력의 세기가 높은 펄스가 통과할 때 전기장 세기의 제곱에 비례하여 굴절률이 변하는 커렌즈(kerr lens) 효과가 발생할 수 있다. 커렌즈 효과는 일반적으로 펄스 세기가 가장 높은 빔의 중심부위에서 가장 크고, 빔의 가장자리 부위에서 더 작기 때문에, 공간에 따른 굴절율의 변화가 렌즈의 작용과 유사하게 작용되어 펄스빔이 집속되는 효과가 나타나며, 이를 자기집속(self-focusing)이라 한다. 극초단 레이저의 증폭시 이러한 커렌즈 현상에 따른 자기집속이 발생하여 레이저 증폭 매질(A)이 손상되는 경우가 다수 발생할 수 있다. 구체적으로, 도3은 TRA 구조의 Yb:YAG 레이저 매질을 활용하여 극초단 레이저를 증폭하는 과정에서 발생한 레이저 증폭 매질의 손상예이다. 도3(a)에 도시한 바와 같이, TRA의 표면에서 자기집속에 의하여 Yb:YAG 표면이 손상될 수 있으며, 도3(b)에 도시한 바와 같이 TRA의 표면이외에 자기집속에 의한 필라멘테이션(Filamentation) 진행 등에 따라 레이저 증폭 매질 내부에서도 다수의 손상이 발생할 수 있음을 확인할 수 있다. 여기서, 레이저 증폭 매질의 손상이 발생했을 때의 첨두 출력세기는 도3(a)의 경우 5MW, 도3(b)의 경우 5.2MW에 해당한다.
여기서는, 극초단 레이저의 첨두 출력 세기를 점차 높여 커렌즈 효과를 유도한 후, 증폭부(120)에 설치된 레이저 증폭 매질(A)이 손상되는 시점의 첨두 출력 세기를 측정하는 방식으로, 레이저 증폭 매질(A)에 대한 손상임계치를 측정할 수 있다.
빔측정부(130)는 증폭부(120)에서 출력되는 레이저 광의 빔 프로파일을 생성할 수 있으며, 커 렌즈(Kerr lens) 현상에 따른 빔 프로파일의 변화를 이용하여, 레이저 증폭 매질의 손상임계치를 측정할 수 있다. 도2에 도시한 바와 같이, 빔측정부(130)는 이미지센서를 포함할 수 있으며, 이미지센서를 이용하여 레이저 광의 단면 이미지에 대응하는 빔 프로파일을 생성할 수 있다. 여기서, 이미지센서는 CCD(Charge-Coupled Device) 또는 CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor) 등으로 구현할 수 있으며, 이외에도 레이저광의 빔 프로파일을 생성할 수 있는 것이면 어떠한 것도 활용할 수 있다. 추가적으로, 빔측정부(130)는 출력세기측정부(Power Meter, 131)를 더 포함하여, 증폭부(120)에서 출력되는 증폭된 레이저 광의 출력세기를 측정할 수 있다.
구체적으로, 빔측정부(130)는 저반복율을 가지는 제1 레이저 광의 출력세기를 증가시키면서 제1 빔 프로파일을 생성하고, 고반복율을 가지는 제2 레이저 광의 출력세기를 증가시키면서 제2 빔프로파일을 생성할 수 있다.
여기서, 고반복율인 경우는, 첨두 출력세기가 낮아서 비선형 현상이 적게 발생하는 경우에 해당하며, 증폭부(120)의 펌핑 레이저 다이오드의 출력 세기를 높여가며 펄스의 출력세기를 점차 증폭시켜, 증폭된 출력세기에 따른 제1 빔 프로파일을 생성할 수 있다. 예를들어, 80MHz의 고반복율로 출력세기를 높여가면서 생성한 제1 빔 프로파일은 도4의 상단에 나타난 바와 같이 생성될 수 있다.
반면에, 저반복율인 경우, 첨두 출력세기가 높아서 비선형 현상이 높게 발생 가능한 경우에 해당하며, 증폭부(120)의 펌핑 레이저 다이오드의 출력 세기를 높여가며 펄스의 출력세기를 점차 증폭시켜, 증폭된 출력세기에 따른 제2 빔 프로파일을 생성할 수 있다. 예를들어, 1MHz의 저반복율로 출력세기를 높여가면서 생성한 제2 빔 프로파일은 도4의 하단에 나타난 바와 같이 생성될 수 있다.
이후, 빔측정부(130)는 제1 빔프로파일의 크기와 제2 빔 프로파일의 크기를 비교하여, 제1 빔 프로파일의 크기가 제2 빔 프로파일의 크기보다 설정값 이상 커지는 출력세기를 추출할 수 있다. 예를들어, 도4의 제1 빔 프로파일과 제2 빔 프로파일을 비교하면, 제1 빔 프로파일의 경우, 출력세기측정부(131)에서 측정한 출력세기가 1.5W, 3.4W, 6.9W, 8W로 증가하는 경우에도 빔의 크기(빔의 직경)이 크게 변화하지 않으나, 제2 빔 프로파일의 경우 적어도 6.9W에서부터는 빔의 크기가 급격히 커지는 것을 확인할 수 있다. 따라서, 출력세기가 6.9W되기 전에 레이저 증폭 매질(A) 내에 손상이 발생한 것으로 판별할 수 있다.
구체적으로, 도5를 참조하면, 출력세기측정부(131)에서 측정된 출력세기가 2.5W보다 낮을 때에는 제1 빔 프로파일과 제2 빔 프로파일의 크기가 거의 동일하나, 2.5W 보다 더 증폭이 많이 된 경우에는 1MHz 반복율에서 빔의 크기가 상대적으로 급격히 커지는 것을 확인할 수 있다. 따라서, 출력세기 2.5W에서 레이저 증폭 매질(A) 내에 손상이 발생한 것으로 판별할 수 있다. 이를 활용하여, 빔측정부(130)는 제1 빔프로파일의 크기(직경)와 제2 빔프로파일의 크기(직경)를 비교한 후, 제1 빔 프로파일의 크기가 설정값 이상 커지는 경우를 인식하여, 그때의 출력세기를 추출할 수 있다.
여기서, 출력세기 2.5W에 대응하는 펄스 에너지는 2.5μJ이고, 레이저 광의 펄스폭이 500fs인 경우, 첨두 출력세기는 5MW에 해당한다. 이는 레이저 증폭 매질(A)에 5MW보다 높은 첨두 출력 세기의 레이저 광이 입사될 경우, 커렌즈 현상에 의해 자기집속 현상이 급격히 발생할 수 있음을 나타낸다. 따라서, 빔측정부(130)는 레이저 증폭 매질(A)에 자기집속 현상이 생길때의 첨두 출력세기를, 해당 레이저 증폭 매질(A)의 손상한계치로 설정할 수 있다. 여기서, 측정된 손상한계치 5MW는, 도3에서 실제 레이저 증폭매질의 손상이 발생한 5,2MW, 5MW와 비교할 때 잘 일치하는 결과를 보여준다.
추가적으로, 레이저 증폭 매질(A)의 손상한계치는, 레이저 증폭 매질(A) 내에 입사되는 레이저 광의 빔 크기를 더 고려하여 설정할 수 있다. 즉, 레이저 증폭 매질(A) 내에 입사되는 각각의 레이저 광의 빔 크기가 상이한 경우, 레이저 증폭 매질(A)에 손상이 발생하는 시점이 달라질 수 있으므로, 손상임계치를 첨두 출력 밀도(W/cm2)를 이용하여 보다 정확히 나타낼 수 있다. 예를들어, 증폭부(120)로 입사되는 레이저 광의 빔 크기가 400μm이고 손상한계 첨두 출력세기가 5MW이면, 첨두 출력밀도 대략 4GW/cm2에 해당하게 된다. 따라서, 해당 레이저 증폭 매질(A)의 경우, 첨두 출력밀도가 4GW/cm2를 넘지 않도록 레이저 증폭 시스템을 설계할 수 있다.
도6은 본 발명의 일 실시예에 의한 레이저 증폭 매질의 손상한계측정방법을 나타내는 순서도이다. 여기서, 각 단계들은 본 발명의 일 실시예에 의한 손상한계측정장치에 의하여 수행할 수 있다.
도6을 참조하면, 손상한계측정장치는 극초단 펄스를 가지는 레이저 광을 생성할 수 있다(S10). 손상한계측정장치는 주 발진기, 출력조절기, 펄스피커 등을 포함할 수 있으며, 주 발진기에서 극초단 펄스를 가지는 초기 레이저 광을 생성한 후, 출력조절기에서 입력받은 초기 레이저 광의 출력세기를 조절하고, 펄스피커에서 초기 레이저 광의 펄스수를 조절하여, 초기 레이저 광의 반복율을 설정할 수 있다.
이후, 손상한계측정장치는 레이저 광을 레이저 증폭 매질에 조사하여, 레이저 광의 출력을 증폭할 수 있다(S20). 구체적으로, 손상한계측정장치는 LWPF를 이용하여, 레이저 광과 함께 펌프 레이저 다이오드의 펌프 광을 레이저 증폭 매질에 입사할 수 있으며, 나머지 펌프 광은 LWPF를 통하여 덤퍼로 전송할 수 있다. 여기서, 손상한계측정장치 내에는 레이저 증폭 매질로 TRA가 설치될 수 있으며, TRA는 Yb:YAG, Nd:YAG, Yb:Y2O3, Yb:CALGO, Yb:KGW, Yb:KYW, Yb:KLuW, Yb:glass, Yb:YVO4, Er:YAG, Tm:YAG, Ho:YAG, Cr:YAG 등의 레이저 매질로 구현한 것일 수 있다. 또한, TRA 이외에 손상임계치를 측정하고자 하는 다양한 종류의 레이저 증폭 매질들을 손상한계측정장치 내에 설치될 수 있다.
이후, 손상한계측정장치는 증폭된 레이저 광의 빔 프로파일을 생성하고, 커 렌즈(Kerr lens) 현상에 따른 빔 프로파일의 변화를 이용하여, 레이저 증폭 매질의 손상임계치를 측정할 수 있다(S30). 손상한계측정장치는 이미지센서를 포함할 수 있으며, 이미지센서를 이용하여 레이저 광의 단면 이미지에 대응하는 빔 프로파일을 생성할 수 있다. 여기서, 이미지센서는 CCD 또는 CMOS 등으로 구현할 수 있으며, 이외에도 레이저광의 빔 프로파일을 생성할 수 있는 것이면 어떠한 것도 활용할 수 있다.
여기서, 손상한계측정장치는 저반복율을 가지는 제1 레이저 광의 출력세기를 증가시키면서 제1 빔 프로파일을 생성하고, 고반복율을 가지는 제2 레이저 광의 출력세기를 증가시키면서 제2 빔프로파일을 생성할 수 있다. 이후, 손상한계측정장치는 제1 빔프로파일의 크기와 제2 빔 프로파일의 크기를 비교하여, 제1 빔 프로파일의 크기가 제2 빔 프로파일의 크기보다 설정값 이상 커지는 출력세기를 추출할 수 있다.
즉, 고반복율일 때는 첨두 출력세기가 낮아서 레이저 증폭 매질에 대한 손상이 발생하지 않으나, 저반복율일 때는 높은 첨두 출력세기에 의하여 레이저 증폭 매질에 대한 손상이 발생할 수 있다. 따라서, 제1 빔 프로파일과 제2 빔 프로파일을 비교함으로써, 해당 레이저 증폭 매질 내 손상 발생여부를 판별하는 것이 가능하다. 실시예에 따라서는, 제1 빔프로파일의 크기(직경)와 제2 빔프로파일의 크기(직경)를 비교한 후, 제1 빔 프로파일의 크기가 설정값 이상 커지는 경우에 레이저 증폭 매질 내 손상이 발생한 것으로 판별하여, 그때의 출력세기를 추출할 수 있다. 따라서, 손상한계측정장치는 추출한 출력세기를 이용하여 첨두 출력세기를 구한 후, 이를 해당 레이저 증폭 매질의 손상한계치로 설정할 수 있다. 여기서, 출력세기는 레이저 증폭 매질에 의하여 증폭된 레이저 광의 출력세기에 해당한다.
한편, 실시예에 따라서는, 레이저 증폭 매질의 손상한계치를 첨두 출력 밀도(W/cm2)로 나타내는 것도 가능하다. 예를들어, 레이저 증폭 매질로 입사되는 레이저 광의 빔 크기가 400μm이고 손상한계 첨두 출력세기가 5MW이면, 첨두 출력밀도인 4GW/cm2를 손상한계치로 설정할 수 있다. 이 경우, 해당 레이저 증폭 매질에 대한, 첨두 출력밀도가 4GW/cm2를 넘지 않도록 레이저 증폭 시스템을 설계할 수 있다.
본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명에 따른 구성요소를 치환, 변형 및 변경할 수 있다는 것이 명백할 것이다.
100: 손상한계측정장치 110: 극초단 펄스 발생부
111: 주 발진기 112: 출력조절기
113: 펄스피커 120: 증폭부
130: 빔측정부

Claims (9)

  1. 극초단 펄스를 가지는 레이저 광을 생성하는 극초단 펄스 발생부;
    상기 레이저 광을 레이저 증폭 매질에 조사하여, 상기 레이저 광의 출력을 증폭하는 증폭부; 및
    상기 증폭부에서 출력되는 상기 레이저 광의 빔 프로파일을 생성하고, 커 렌즈(Kerr lens) 현상에 따른 상기 빔 프로파일의 변화를 이용하여, 상기 레이저 증폭 매질의 손상임계치를 측정하는 빔측정부를 포함하는 레이저 증폭 매질의 손상한계측정장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 극초단 펄스 발생부는
    극초단 펄스를 가지는 초기 레이저 광을 생성하는 주 발진기;
    상기 초기 레이저 광의 출력세기를 조절하는 출력조절기; 및
    상기 초기 레이저 광의 펄스수를 조절하여, 상기 레이저 광의 반복률을 설정하는 펄스피커(pulse picker)를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 증폭 매질의 손상한계측정장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 빔측정부는
    저반복율을 가지는 제1 레이저 광의 출력세기를 증가시키면서 측정한 제1 빔 프로파일과, 고반복율을 가지는 제2 레이저 광의 출력세기를 증가시키면서 측정한 제2 빔프로파일을 생성하는 것을 특징으로 하는 레이저 증폭 매질의 손상한계측정장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 빔측정부는
    상기 제1 빔프로파일의 크기와 상기 제2 빔 프로파일의 크기를 비교하여, 상기 제1 빔 프로파일의 크기가 제2 빔 프로파일의 크기보다 설정값 이상 커지는 출력세기를 추출하고, 상기 출력세기를 이용하여 상기 레이저 증폭 매질에 대한 손상임계치를 구하는 것을 특징으로 하는 레이저 증폭 매질의 손상한계측정장치.
  5. 제2항에 있어서, 상기 출력조절기는
    반파장판(half wave plate) 및 편광판(polarizer)을 이용하여 상기 초기 레이저 광의 출력세기를 조절하는 것을 특징으로 하는 레이저 증폭 매질의 손상한계측정장치.
  6. 제2항에 있어서, 상기 펄스피커는
    포켈셀(Pockels Cell), 편광판 및 반사경(High Reflective Mirror)을 이용하여, 상기 초기 레이저 광의 펄스수를 조절하는 것을 특징으로 하는 레이저 증폭 매질의 손상한계측정장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 레이저 증폭 매질은
    TRA(Thin Rod Amplifier)인 것을 특징으로 하는 레이저 증폭 매질의 손상한계측정장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 빔측정부는
    이미지센서를 이용하여, 상기 레이저 광의 단면 이미지에 대응하는 빔 프로파일을 생성하는 것을 특징으로 하는 레이저 증폭 매질의 손상한계측정장치.
  9. 극초단 펄스를 가지는 레이저 광을 생성하는 단계;
    상기 레이저 광을 레이저 증폭 매질에 조사하여, 상기 레이저 광의 출력을 증폭하는 단계; 및
    상기 증폭된 레이저 광의 빔 프로파일을 생성하고, 커 렌즈(Kerr lens) 현상에 따른 상기 빔 프로파일의 변화를 이용하여, 상기 레이저 증폭 매질의 손상임계치를 측정하는 단계를 포함하는 레이저 증폭 매질의 손상한계측정방법.

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