KR20230084611A - 레이저 빔 방법 및 시스템 - Google Patents

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야니프 비드네
베나야후 우르바흐
란 버레드
스티븐 마이클 잭컬
이샤이 알벡
지브 그로스
아브라함 부빌
가브리엘 텔러
에얄 셰켈
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시반 어드밴스드 테크놀러지스 엘티디.
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Abstract

레이저 빔의 조작 및 변조를 위한 방법 및 장치. 이 방법과 장치는 레이저 시스템이 작동 전력을 유지하는 동안, 레이저 빔의 활성화 및 비활성화를 가능하게 한다.
또한, 코어 및 적어도 하나의 클래드를 갖는 광섬유에 결합되도록 구성된 하이브리드 펌프 모듈은, 광섬유를 사용하여 광학적으로 적어도 하나의 포커싱 렌즈; 각각이 클래드를 사용하여 광경로에서 다중 모드 빔을 출력하도록 구성된 복수의 다이오드 모듈; 및 선택된 기능을 제공하도록 구성된, 코어와 함께 광 경로에 있는 적어도 하나의 코어 연관 모듈을 포함한다. 또한, 광학 방사의 주파수 배가를 위해 구성된 장치 및 방법.

Description

레이저 빔 방법 및 시스템{LASER BEAMS METHODS AND SYSTEMS}
본 발명은 레이저 빔 방법 및 시스템에 관한 것이다.
레이저, 레이저 빔 어레이 및 광섬유 어레이에서 나오는 빔을 처리하는 능력은 용접, 절단, 측량, 의류 산업, 레이저 핵융합, 통신, 레이저 프린팅, CD 및 광 디스크, 분광학, 열처리, 바코드 스캐너, 레이저 냉각, 추적 및 표적화 기술을 포함하는 다양한 분야에서 중요해졌다. 이러한 분야 및 기타 관련 분야에서, 레이저의 응용은 레이저 빔의 고속 활성화 및 비활성화가 자주 필요하다.
현재, 광섬유 빔을 처리(활성화/비활성화)하기 위해 사용되는 방법은 레이저 시스템의 전력의 처리를 필요로 한다. 예를 들면, 시드 빔 장치의 "켜기"/"끄기"(종료), 또는 시드 빔의 전송/차단, 또는 전류 차단이다. 이러한 전력 처리는 예를 들어 파이버 레이저의 자발적 방출 시간으로 인해 비교적 느리고(1-5 KHz 범위), 레이저가 증폭된 자발적 방출을 발생하는 경우 레이저 시스템의 컴포넌트의 일부를 손상시킬 수 있다.
예를 들어 빔 스캔 및 기타 빠른 재료 가공 중에 사용될 수 있는 고출력 레이저 빔의 고속 처리(활성화/비활성화)를 허용할 수 있는 방법 및/또는 장치에 대한 필요성이 있다.
고출력 파이버 레이저 및 파이버 증폭기는 이온을 여기시키고 레이저 프로세스를 시작하기 위해 고휘도 펌프 소스 및 도핑된 파이버와 결합될 효율적인 기술을 필요로 한다. 신호 전력을 파이버 코어와 결합하는 것도 중요하다.
펌프 및/또는 신호광을 도핑된 파이버와 결합하는 일반적인 방법은 종단면 펌핑 기술에 기초한 파이버 결합기 또는 융합 테이퍼링된 파이버 번들(tapered fiber bundle, TFB)인 융합 커플러를 통하는 것이다. 신호 피드스루(feedthrough)가 있는 TFB 결합기는 단일 피그테일(pigtail) 파이버에서 신호와 펌프광을 결합하는 중앙 입력 신호 파이버와 출력 피그테일(구부러진) 이중 클래드(double-clad, DC) 파이버를 포함한다. TFB의 사용에는 여러 다중 모드 파이버로 둘러싸인 신호광을 안내하고 펌프광을 안내하는 것이 포함된다. 파이버 번들의 직경을 출력 피그테일 파이버의 직경과 매칭시키기 위해, 번들은 천천히 녹여지고 테이퍼링된다. 테이퍼링 프로세스 후, 파이버 번들은 테이퍼 허리 주위에서 절단되고 출력 피그테일 DC 파이버에 융합 접합된다. 그러나, 파이버 번들의 테이퍼링은 본질적으로 펌프광의 개구수(numerical aperture, NA)를 증가시키고 신호광의 모드 필드 직경(mode field diameter, MFD)을 변경하는 것을 포함한다. 따라서, 테이퍼링된 파이버 번들과 출력 피그테일 DC 파이버 사이에 필요한 광학 매칭 및 기계적 정렬 요구사항은 TFB 구조의 몇 가지 단점으로 이어질 수 있다. 예를 들면,
- 테이퍼링 프로세스 후, 출력 피그테일 DC 파이버와 일치할 수 있는 입력 파이버 선택의 유연성이 떨어지고.
- 테이퍼링된 입력 신호 파이버의 신호 모드 필드 직경(MFD)과 출력 피그테일 DC 파이버 사이에 약간의 불일치 또는 오정렬로 인해 주로 신호 삽입 손실과 함께 빔 품질이 저하되며 이는 또한 고전력 작동시 파이버에 심각한 손상으로 이어지며,
- 역방향 전파 신호의 경우, 예를 들어, 역 전파 펌핑된 파이버 증폭기의 경우, 신호 삽입 손실(최대 10%까지)은 증폭된 신호광에 대한 불충분한 절연으로 인해 펌프 다이오드에 손상을 줄 수 있다.
또 다른 일반적인 기술은 다중 클래드 파이버의 최외측 클래딩에 하나 이상의 테이퍼링된 다중 모드 파이버의 직접 융합, 또는 다중 클래드 파이버 주위에 테이퍼형 모세관의 사용으로, 점진적 전송(gradually transferred, GT) 파동 커플러와 같은 모놀리식 전체 파이버 결합기를 포함한다.
그러나, 전류 결합기의 결합 효율은 고전력 증폭기 및 레이저에서 사용하기에는 충분하지 않다. 또한, 신호 파이버가 펌프 파이버와 함께 테이퍼링 다운됨에 따라 신호 파이버의 코어 직경이 작아지면 모드 영역이 큰 이중 클래드 파이버와의 결합에 심각한 불일치 문제가 발생한다. 이러한 큰 모드 필드 직경 불일치는 용납할 수 없을 정도로 높은 신호 손실을 유발하여 온도 상승과 TFB 손상을 유발할 수 있다.
또 다른 단점은 레이저 신호가 수십 메가 헤르츠보다 좁은 선폭을 가질 때 발생하는 기생 비선형 프로세스, 주로 유도 브릴루앙 산란(stimulated Brillouin scattering, SBS)에 대한 민감성이다. 이는 광학 신호 필드의 긴 상호작용 길이(컴포넌트 추가 파이버 길이로 인함)와 파이버의 핵심 재료 때문이다.
따라서, 전술한 결점을 극복하고, 융합 포인트의 수량을 줄이며, 에너지 손실을 감소시킬 수 있는 새로운 기술이 필요하다.
본 발명은 일부 실시예에서 비선형 크리스탈(Non-Linear Crystal, NLC)에서 높은 평균 전력 레이저 빔의 주파수 변환에 관한 것이다. 그것은 단일 또는 다중 NLC 체인 중 첫 번째에서 발생할 수 있는 기본 주파수 입력 빔과 주파수 변환된 출력 빔 사이의 유해한 불일치 위상(Mismatched Phase, MP)을 정정하는 수단에 대해 다룬다.
높은 평균 전력 고조파 변환을 달성하기 위한 과거의 노력은 손상 임계값(크리스탈의 벌크 내 또는 반사 방지 코팅의 손상) 또는 흡수 유도 열 효과에 의해 결정된 한계에 도달하였다.
크리스탈 및 반사 방지(Anti-Reflection, AR) 코팅에 대한 개선으로 인해 열 유도 불일치 위상(Thermally induced Mismatched Phase, TMP)이 높은 평균 전력 성능의 주요 제한자로 남아 있니다. TMP를 제어하는 한 가지 옵션은 초저 흡수 크리스탈을 사용하는 것이다. 한 가지 예는 1064nm 레이저의 주파수 배가를 위한 리튬 트리보레이트(Lithium triborate, LBO)이다.
그럼에도 불구하고, 어느 정도의 전력 레벨에서, 크리스탈의 가열은 성능을 저하시키기 시작하고, 따라서 일부 보상 방법이 채택되어야 한다.
문헌에서 보고된 한 가지 접근법은 중간 위상 불일치 보상기(Phase Mismatch Compensator, PMC)와 함께 두 개의 크리스탈을 사용하는 것이다. PMC는 색 분산 및/또는 편광 의존 굴절률을 나타내는 광학 요소이다. 이러한 분산은 재료의 고유한 특성일 수 있거나[D. Fluck, P. Gunter, "KNbO 결정의 렌즈 파형 가이드에 의한 효율적인 2차 고조파 생성", Optics Comm. 147, 305-308(1998); AK Hansen, M. Tawfieq, OB Jensen, PE Andersen, B. Sumpf, G. Erbert 및 PM Petersen, "비선형 크리스탈의 캐스케이드를 사용하는 전력 스케일링 2차 고조파 생성에 대한 개념" Optics Express 23, 15921-15934(2015); A. K. Hansen, O. B. Jensen, B. Sumpf, G. Erbert, A. Unterhuber, W. Drexler, PE Andersen, PMl Petersen, "비선형 크리스탈의 캐스케이드에 있는 단일 테이퍼링된 다이오드 레이저의 SHG로부터의 3.5 W의 회절 제한 녹색광 생성" Proc. of SPIE Vol. 8964 (2016); X. Liu, X. Shen, J. Yin 및 X. Li, "2차 고조파 생성에서 열 유도 위상 불일치 보상을 위한 3개의 크리스탈 방법", J. Opt. Soc. Am. B 34, 383-388 (2017)], 또는 외부 필드(포켈 셀과 같은 전기 광학 재료에 적용되는 전기장)에 의해 부과될 수 있다[Z. Cui, D. Liu, 1, M. Sun, J. Miao 및 J. Zhu, "고전력 레이저 시스템에서 주파수 변환 중 온도 유도 위상 불일치에 대한 보상 방법" JOSA B 33, 525-534 (2016)].
PMC는 실험실과 시뮬레이션에서 두 개의 크리스탈 주파수 배가 체인의 제2 크리스탈에서 MP를 보상하는 데 매우 효과적인 것으로 입증되었다. 그러나, 충분히 높은 입력 전력에서, 제1 주파수 변환 크리스탈에서 MP를 더 잘 처리할 필요가 있다.
입력 레이저 광의 파장을 변환하는 데 사용되는 주파수 배가 모듈은 직렬로 배치된 하나 이상의 비선형 크리스탈(NLC)로 구성될 수 있다. 입력광은 제1 크리스탈에 초점을 맞춘 다음 무채색 광학을 사용하여 후속 크리스탈 사이에서 릴레이 이미지화하여, 크리스탈 및 배가 시스템 당 배가를 최대화할 수 있다. 크리스탈은 특정 크리스탈의 고강도 상호작용 영역 이전에, 배가 프로세스 중에 발생하는 기본 빔과 고조파 빔 사이의 위상 불일치를 보정하는 기능인 위상 불일치 보상기(Phase Mismatch Compensator, PMC)에 의해 분리될 수 있다.
일반적으로, 그러한 시스템은 크리스탈의 작동 온도를 변경함으로써 어느 정도의 제어가 시도될 수 있지만 정적 시스템으로서 간주된다. 현재의 주파수 배가 시스템은 고정된 양의 위상차를 유지하도록 조정된 PMC와 함께 단일 작동 포인트에서 작동하도록 구성된다. 따라서, 향상된 능력을 제공하기 위해 액티브 PMC가 필요하다.
일부 실시예에서, 방법은, 적어도 하나의 시드 레이저 장치 및 상기 시드 레이저 장치의 시드 빔을 수신하고 증폭된 레이저 빔을 선택적으로 제공하도록 구성된 코히어런트 빔 결합(coherent beam combining, CBC) 시스템을 포함하는 레이저 시스템에 의해 제공되는 레이저 빔을 변조하기 위한 것이며, 상기 CBC 시스템은,
- 모두 CBC 포인트에서 보강 또는 파괴 빔 간섭을 가능하게 하도록 배열된, 시드 빔, 복수의 광학 증폭기, 적어도 하나의 빔 스플리터 및 선택적으로 적어도 하나의 빔 결합기를 구비한 광학 연결로 구성된 복수의 위상 변조기들; 및
- 상기 CBC 포인트에서 상기 빔 간섭을 모니터링하고 그에 따라 상기 위상 변조기들 중 적어도 하나를 제어하도록 구성된 적어도 하나의 제어 회로
를 포함하고,
상기 레이저 빔을 변조하기 위한 방법은,
ㆍ 상기 CBC 포인트에서 상기 보강 빔 간섭을 제공하기 위해 상기 위상 변조기들을 제어함으로써 상기 레이저 빔을 활성화시키는 단계 ― 상기 레이저 빔을 활성화시킴으로써 상기 레이저 빔을 제공함 ―; 및
ㆍ 상기 CBC 포인트에서 상기 파괴 빔 간섭을 제공하기 위해 상기 위상 변조기들을 제어함으로써 상기 레이저 빔을 비활성화시키는 단계 ― 상기 레이저 빔을 비활성화시킴으로써 상기 레이저 빔을 방지함 ―
를 포함한다.
일부 실시예에서, 상기 보강 빔 간섭을 제공하기 위해 상기 위상 변조기들을 제어함으로써 활성화시키는 단계는, 최대 강도로 상기 보강 빔 간섭을 제공하기 위해 상기 위상 변조기들을 조정하는 단계를 포함한다.
일부 실시예에서, 상기 파괴 간섭을 제공하기 위해 상기 위상 변조기들을 제어함으로써 비활성화시키는 단계는, 반 위상(π)을 그들의 빔에 추가하기 위해 조정된 위상 변조기들 중 절반을 제어하는 단계를 포함한다.
일부 실시예에서, 상기 파괴 간섭을 제공하기 위해 상기 위상 변조기들을 제어함으로써 비활성화시키는 단계는, 상기 조정된 위상 변조기들 중 일부를 수정하는 단계를 포함한다.
일부 실시예에서, 상기 조정된 위상 변조기들 각각은 서로 다르게 수정된다.
일부 실시예에서, 최대 빔 강도를 제공하기 위해 조정된, 상기 위상 변조기들 중 일부를 수정함으로써 상기 레이저 빔을 조정하는 단계를 더 포함하며, 상기 수정은 상기 레이저 빔의 강도가 상기 최대 강도의 미리 결정된 백분율과 동일하게 되도록 구성된다.
일부 실시예에서, 상기 파괴 빔 간섭을 제공하기 위해 상기 위상 변조기들을 제어함으로써 비활성화시키는 단계는, 최소 강도로 상기 빔 간섭을 제공하기 위해 상기 위상 변조기들을 조정하는 단계를 포함한다.
일부 실시예에서, 레이저 시스템에 의해 제공되는 레이저 빔을 변조하기 위한 방법은 ― 상기 레이저 시스템은,
- 적어도 하나의 시드 레이저 장치;
- 상기 시드 레이저 장치의 시드 빔을 수신하고 그 대역폭을 변조하도록 구성된 고속 광학 변조기(fast optical modulator, FOM);
- 변조된 시드 빔을 수신하고 그에 따라 증폭된 레이저 빔을 제공하도록 구성된 코히어런트 빔 결합(CBC) 시스템
을 포함함 ―,
상기 레이저 빔을 변조하기 위한 방법은,
ㆍ 상기 CBC 시스템의 CBC 포인트에서 보강 간섭이 가능하도록 구성된 제1 대역폭(Δω1)을 상기 시드 빔에 제공하기 위해 상기 FOM을 제어함으로써 상기 레이저 빔을 활성화시키는 단계 ― 상기 레이저 빔을 활성화시킴으로써 상기 레이저 빔을 제공함 ―; 및
ㆍ 상기 CBC 포인트에서 보강 간섭이 불가능하도록 구성된 제2 대역폭(Δω2, 여기서 Δω2 > Δω1)을 상기 시드 빔에게 제공하기 위해 상기 FOM을 제어함으로써 상기 레이저 빔을 비활성화시키는 단계 ― 상기 레이저 빔을 비활성화시킴으로써 상기 레이저 빔을 방지함 ― 를 포함한다.
일부 실시예에서, 상기 CBC 시스템은,
- 모두 상기 CBC 포인트에서 보강 또는 파괴 빔 간섭을 가능하게 하도록 배열된, 변조된 시드 빔, 복수의 광학 증폭기, 적어도 하나의 빔 스플리터 및 선택적으로 적어도 하나의 빔 결합기를 구비한 광학 연결로 구성된 복수의 위상 변조기들; 및
- 상기 CBC 포인트에서 상기 빔 간섭을 모니터링하고 그에 따라 상기 위상 변조기들 중 적어도 하나를 제어하도록 구성된 적어도 하나의 제어 회로를 포함하고,
상기 활성화시키는 단계는, 상기 보강 빔 간섭을 제공하기 위해 상기 위상 변조기들을 제어하는 단계를 더 포함한다.
일부 실시예에서, 상기 보강 빔 간섭을 제공하기 위해 상기 위상 변조기들을 제어하는 단계는, 최대 강도로 상기 보강 빔 간섭을 제공하기 위해 상기 위상 변조기들을 조정하는 단계를 포함한다.
일부 실시예에서, 레이저 시스템에 의해 제공되는 레이저 빔을 변조하기 위한 방법은 ― 상기 레이저 시스템은,
- 시드 레이저 빔을 수신하고 그에 따라 증폭된 레이저 빔을 제공하도록 구성된 코히어런트 빔 결합(CBC) 시스템;
- 제1 파장(λ1)을 갖는 제1 시드 빔을 제공하도록 구성된 제1 시드 레이저 장치;
- 제1 파장과 다른 제2 파장(λ2)(λ2 ≠ λ1)을 갖는 제2 시드 빔을 제공하도록 구성된 제2 시드 레이저 장치; 및
- 상기 제1 및 제2 시드 빔 중 하나만을 상기 CBC 시스템에 연결하도록 구성된 광학 스위치
를 포함함 ―,
상기 CBC 시스템은,
- 모두 CBC 포인트에서 보강 빔 간섭을 가능하게 하도록 배열된, 연결된 시드 레이저 빔, 복수의 광학 증폭기, 적어도 하나의 빔 스플리터 및 선택적으로 적어도 하나의 빔 결합기를 구비한 광학 연결로 구성된 복수의 위상 변조기들; 및
- 상기 CBC 포인트에서 상기 빔 간섭을 모니터링하고 그에 따라 상기 위상 변조기들 중 적어도 하나를 제어하도록 구성된 적어도 하나의 제어 회로
를 포함하고,
상기 레이저 빔을 변조하기 위한 방법은,
ㆍ 상기 제1 시드 빔을 상기 CBC 시스템에 연결하기 위해 상기 광학 스위치를 제어하고 그리고 상기 보강 빔 간섭을 제공하기 위해 위상 변조기들을 제어함으로써 상기 레이저 빔을 활성화시키는 단계 ― 상기 레이저 빔을 활성화시킴으로써 상기 레이저 빔을 제공함 ―; 및
ㆍ 상기 제2 시드 빔을 상기 CBC 시스템에 연결하기 위해 상기 광학 스위치를 제어함으로써 상기 레이저 빔을 비활성화시키는 단계 ― 상기 레이저 빔을 비활성화시킴으로써 상기 보강 빔 간섭을 불가능하게 하고 상기 레이저 빔을 방지함 ―
를 포함한다.
일부 실시예에서, 상기 보강 빔 간섭을 제공하기 위해 상기 위상 변조기들을 제어하는 것은, 최대 강도로 상기 보강 빔 간섭을 제공하기 위해 상기 위상 변조기들을 조정하는 것을 포함한다.
일부 실시예에서, 레이저 시스템에 의해 제공되는 레이저 빔을 변조하기 위한 방법으로서 상기 레이저 시스템은,
- 시드 레이저 빔을 수신하고 그에 따라 증폭된 레이저 빔을 제공하도록 구성된 코히어런트 빔 결합(CBC) 시스템;
- 제1 대역폭(Δω1)을 갖는 제1 시드 레이저 빔을 제공하도록 구성된 제1 시드 레이저 장치;
- 제1 파장보다 큰 제2 대역폭(Δω2)(Δω2 > Δω1)을 갖는 제2 시드 레이저 빔을 제공하도록 구성된 제2 시드 레이저 장치; 및
- 상기 제1 및 제2 시드 빔 중 하나만을 상기 CBC 시스템에 연결하도록 구성된 광학 스위치
를 포함하고,
상기 제1 대역폭(Δω1)은 상기 CBC 시스템의 CBC 포인트에서 보강 빔 간섭을 가능하도록 구성되고, 상기 제2 대역폭(Δω2)은 상기 CBC 포인트에서 보강 빔 간섭을 불가능하도록 구성됨 ―,
상기 레이저 빔을 변조하기 위한 방법은,
ㆍ 상기 제1 시드 레이저 빔을 상기 CBC 시스템에 연결하기 위해 상기 광학 스위치를 제어함으로써 상기 레이저 빔을 활성화시키는 단계 ― 상기 레이저 빔을 활성화시킴으로써 상기 레이저 빔을 제공함 ―;
ㆍ 상기 제2 시드 레이저 빔을 상기 CBC 시스템에 연결하기 위해 상기 광학 스위치를 제어함으로써 상기 레이저 빔을 비활성화시키는 단계 ― 상기 레이저 빔을 비활성화시킴으로써 상기 보강 간섭을 불가능하게 하고 상기 레이저 빔을 방지함 ― 를 포함한다.
일부 실시예에서, 상기 CBC 시스템은,
- 모두 상기 CBC 포인트에서 보강 빔 간섭을 가능하게 하도록 배열된, 연결된 시드 빔, 복수의 광학 증폭기, 적어도 하나의 빔 스플리터 및 선택적으로 적어도 하나의 빔 결합기를 구비한 광학 연결로 구성된 복수의 위상 변조기들; 및
- 상기 CBC 포인트에서 상기 빔 간섭을 모니터링하고 그에 따라 상기 위상 변조기들 중 적어도 하나를 제어하도록 구성된 적어도 하나의 제어 회로를 포함하고,
상기 활성화시키는 단계는, 상기 보강 빔 간섭을 제공하기 위해 상기 위상 변조기들을 제어하는 단계를 더 포함한다.
일부 실시예에서, 상기 보강 빔 간섭을 제공하기 위해 상기 위상 변조기들을 제어하는 단계는, 최대 강도로 상기 보강 빔 간섭을 제공하기 위해 상기 위상 변조기들을 조정하는 단계를 포함한다.
일부 실시예에서, 레이저 시스템에 의해 제공되는 레이저 빔을 변조하기 위한 방법은 ― 상기 레이저 시스템은,
- 시드 빔을 수신하고 증폭된 레이저 빔을 제공하도록 구성된 코히어런트 빔 결합(CBC) 시스템;
- 제1 파장(λ1)을 갖는 제1 시드 빔을 제공하도록 구성된 제1 시드 레이저;
- 제1 파장과 서로 다른 제2 파장(λ2)(λ2 ≠ λ1)을 갖는 제2 시드 빔을 제공하도록 구성된 제2 시드 레이저;
- 상기 제1 및 제2 시드 빔 중 하나만을 상기 CBC 시스템에 연결하도록 구성된 광학 스위치; 및
- 증폭된 레이저 빔을 수신하고, 상기 제1 파장(λ1)을 갖는 빔을 상기 레이저 시스템의 출력으로 전송하며, 상기 제2 파장(λ2)을 갖는 빔을 반사함으로써, 상기 출력 레이저 빔을 선택적으로 제공하도록 구성된 다이크로익 미러(dichroic mirror)
를 포함함 ―,
상기 레이저 빔을 변조하기 위한 방법은,
ㆍ 상기 제1 시드 빔을 상기 CBC 시스템에 연결하기 위해 상기 광학 스위치를 제어함으로써 상기 레이저 빔을 활성화시키는 단계 ― 상기 레이저 빔을 활성화시킴으로써 상기 레이저 빔을 전송하여 제공함 ―;
ㆍ 상기 제2 시드 빔을 상기 CBC 시스템에 연결하기 위해 상기 광학 스위치를 제어함으로써 상기 레이저 빔을 비활성화시키는 단계 ― 상기 레이저 빔을 비활성화시킴으로써 상기 레이저 빔을 반사하여 회피함 ―를 포함한다.
일부 실시예에서, 상기 CBC 시스템은,
- 모두 CBC 포인트에서 보강 빔 간섭을 가능하게 하도록 배열된, 연결된 시드 빔, 복수의 광학 증폭기, 적어도 하나의 빔 스플리터 및 선택적으로 적어도 하나의 빔 결합기를 구비한 광학 연결로 구성된 복수의 위상 변조기들; 및
- 상기 CBC 포인트에서 상기 빔 간섭을 모니터링하고 그에 따라 상기 위상 변조기들 중 적어도 하나를 제어하도록 구성된 적어도 하나의 제어 회로
를 포함하고,
상기 레이저 빔을 변조하기 위한 방법은, 적어도 상기 활성화시키는 단계 동안에, 상기 CBC 포인트에서 상기 보강 빔 간섭을 제공하기 위해 상기 위상 변조기들을 제어하는 단계를 더 포함한다.
일부 실시예에서, 상기 보강 빔 간섭을 제공하기 위해 상기 위상 변조기들을 제어하는 단계는, 최대 강도로 상기 보강 빔 간섭을 제공하기 위해 상기 위상 변조기들을 조정하는 단계를 포함한다.
일부 실시예에서, 레이저 시스템에 의해 제공되는 레이저 빔을 변조하기 위한 방법으로서 ― 상기 레이저 시스템은,
- 시드 빔을 수신하고 증폭된 레이저 빔을 제공하도록 구성된 마스터 오실레이터 전력 증폭기(master oscillator power amplifier, MOPA);
- 제1 파장(λ1)을 갖는 제1 시드 빔을 제공하도록 구성된 제1 시드 레이저;
- 제1 파장과 다른 제2 파장(λ2)(λ2 ≠ λ1)을 갖는 제2 시드 빔을 제공하도록 구성된 제2 시드 레이저;
- 상기 제1 및 제2 시드 빔 중 하나만을 상기 MOPA에 연결하도록 구성된 광학 스위치; 및
- 증폭된 레이저 빔을 수신하고, 상기 제1 파장(λ1)을 갖는 빔을 상기 레이저 시스템의 출력으로 전송하며, 상기 제2 파장(λ2)을 갖는 빔을 반사함으로써, 상기 출력 레이저 빔을 선택적으로 제공하도록 구성된 다이크로익 미러
를 포함함 ―,
상기 레이저 빔을 변조하기 위한 방법은,
ㆍ 상기 제1 시드 빔을 상기 MOPA에 연결하기 위해 상기 광학 스위치를 제어함으로써 상기 레이저 빔을 활성화시키는 단계 ― 상기 레이저 빔을 활성화시킴으로써 상기 레이저 빔을 전송하여 제공함 ―; 및
ㆍ 상기 제2 시드 빔을 상기 MOPA에 연결하기 위해 상기 광학 스위치를 제어함으로써 상기 레이저 빔을 비활성화시키는 단계 ― 상기 레이저 빔을 비활성화시킴으로써 상기 레이저 빔을 반사하여 회피함 ―를 포함한다.
일부 실시예에서, 레이저 시스템에 의해 제공되는 레이저 빔을 변조하기 위한 방법으로서 ― 상기 레이저 시스템은,
- 적어도 하나의 시드 레이저 장치;
- 상기 시드 레이저 장치의 시드 레이저 빔을 수신하고 그 편광 방향을 변조하도록 구성된 광학 편광 결합기(optical polarization combiner, OPC) ― 상기 변조는 적어도 두 개의 편광 성분을 갖는 시드 빔을 제공하는 것을 포함하고, 상기 편광 성분 중 하나는 미리 결정된 편광 방향(P1)을 포함함 ―;
- 편광 변조된 시드 빔을 수신하고 증폭된 레이저 빔을 제공하도록 구성된 코히어런트 빔 결합(CBC) 시스템; 및
- 증폭된 레이저 빔을 수신하고 상기 미리 결정된 편광 방향(P1)을 갖는 빔만을 상기 레이저 시스템의 출력으로 전송하며 다른 편광 방향을 갖는 빔을 반사함으로써 선택적으로 상기 레이저 빔을 제공하도록 구성된 편광 빔 스플리터(polarization beam splitter, PBS)를 포함함 ―,
상기 레이저 빔을 변조하기 위한 방법은,
ㆍ 상기 미리 결정된 편광 방향(P1)을 갖는 빔 성분을 상기 시드 레이저 빔의 전체 강도의 50%보다 큰 강도(I1)를 갖도록 제공하기 위해 상기 OPC를 제어함으로써 상기 레이저 빔을 활성화시키는 단계 ― 상기 레이저 빔을 활성화시킴으로써 상기 레이저 빔을 제공함 ―;
ㆍ 상기 미리 결정된 편광 방향(P1)을 갖는 빔 성분을 상기 시드 레이저 빔의 전체 강도의 50% 이하의 강도(I1)로 제공하도록 상기 OPC를 제어함으로써 상기 레이저 빔을 비활성화시키는 단계 ― 상기 레이저 빔을 비활성화시킴으로써 상기 레이저 빔을 회피함 ―
를 포함한다.
일부 실시예에서, 상기 미리 결정된 편광 방향(P1)을 갖는 빔 성분을 상기 시드 레이저 빔의 전체 강도의 미리 결정된 백분율과 동일한 강도(I1)로 제공하기 위해 상기 OPC를 제어함으로써 상기 레이저 빔을 조정하는 단계를 더 포함한다.
일부 실시예에서, 상기 CBC 시스템은,
- 모두 CBC 포인트에서 보강 빔 간섭을 가능하게 하도록 배열된, 상기 편광 변조된 시드 빔, 복수의 광학 증폭기, 적어도 하나의 빔 스플리터 및 선택적으로 적어도 하나의 빔 결합기를 구비한 광학 연결로 구성된 복수의 위상 변조기들; 및
- 상기 CBC 포인트에서 상기 빔 간섭을 모니터링하고 그에 따라 상기 위상 변조기들 중 적어도 하나를 제어하도록 구성된 적어도 하나의 제어 회로를 포함하고,
상기 레이저 빔을 변조하기 위한 방법은, 적어도 상기 활성화시키는 단계 동안에, 상기 CBC 포인트에서 상기 보강 빔 간섭을 제공하기 위해 상기 위상 변조기들을 제어하는 단계를 더 포함한다.
일부 실시예에서, 상기 OPC는,
- 제1 편광 방향(P1)을 갖는 입력 빔을 수신하고 상기 제1 편광 방향(P1) 및 제1 강도(I1)를 갖는 제1 빔(B1(I1, P1))과 상기 제1 편광 방향(P1) 및 제2 강도(I2)를 갖는 제2 빔(B2(I2, P1))을 출력하도록 구성된 빔 스플릿 어셈블리 ― 상기 제1 및 제2 강도의 합(I1 + I2)은 상기 입력 빔의 강도와 같음 ―;
- 상기 빔 스플릿 어셈블리 출력 빔(B1 또는 B2) 중 하나를 수신하고 그의 편광(S로부터 P, 또는 P로부터 S, 따라서 P1≠P2, B2(I2, P2))을 변환하도록 구성된 편광 변환기; 및
- 제1 출력 빔(B1(I1, P1))과 제2 변환된 출력 빔(B2(I2, P2))을 수신하여 상기 CBC 시스템에 대한 입력으로 제공되는 제3 빔으로 결합하도록 구성된 편광 빔 스플리터(polarization beam splitter, PBS); 또는, 제1 출력 빔(B1(I1, P1)) 및 상기 제2 변환된 출력 빔(B2(I2, P2))을 수신하여 결합하고, 이들을 두 개의 출력 빔으로 스플릿하도록 구성된 커플러 ― 상기 두 개의 출력 빔 중 하나만이 상기 CBC 시스템에 대한 입력으로서 제공됨 ―
를 포함한다.
일부 실시예에서, 상기 빔 스플릿 어셈블리는,
- 입력 빔을 수신하고 상기 입력 빔을 두 개의 빔으로 스플릿하도록 구성된 빔 스플리터;
- 상기 두 개의 빔 중 하나의 위상을 변조하도록 구성된 위상 변조기;
- 상기 두 개의 빔을 수신하고 두 개의 위치에서 그들의 간섭을 제공함으로써 상기 제1 출력 빔(B1(I1, P1))과 상기 제2 출력 빔(B2(I2, P1)을 제공하도록 구성된 커플러;
- 상기 두 개의 간섭 위치 중 하나를 모니터링하고 위상 변조기를 제어하여, 그에 따라 모니터링된 위치에서 보강 또는 파괴 빔 간섭을 가능하게 하도록 구성된 전자 제어기 ― 비 모니터링 간섭 위치에서는 각각 파괴 또는 보강 빔 간섭이 제공됨 ―
를 포함하고,
상기 OPC를 제어하는 단계는 (제어기를 통해) 상기 위상 변조기를 제어하는 단계를 포함한다.
일부 실시예에서, 레이저 시스템에 의해 제공되는 레이저 빔을 변조하기 위한 방법으로서 ― 상기 레이저 시스템은,
- 적어도 하나의 시드 레이저 장치;
- 상기 시드 레이저 장치의 시드 빔을 수신하고 그 편광 방향을 변조하도록 구성된 광학 편광 결합기(OPC) ― 상기 변조는 적어도 두 개의 편광 성분을 갖는 시드 빔을 제공하는 것을 포함하고, 상기 편광 성분 중 하나는 미리 결정된 편광 방향(P1)을 포함함 ―;
- 변조된 시드 빔을 수신하고 증폭된 레이저 빔을 제공하도록 구성된 마스타 오실레이터 전력 증폭기(MOPA); 및
- 상기 증폭된 레이저 빔을 수신하고 상기 미리 결정된 편광 방향(P1)을 갖는 빔만을 상기 레이저 시스템의 출력으로 전송하며 다른 편광 방향을 갖는 빔을 반사함으로써 선택적으로 상기 레이저 빔을 제공하도록 구성된 편광 빔 스플리터(PBS)
를 포함함 ―,
상기 레이저 빔을 변조하기 위한 방법은,
ㆍ 상기 미리 결정된 편광 방향(P1)을 갖는 빔 성분을 상기 빔의 전체 강도의 50%보다 큰 강도(I1)를 갖도록 제공하기 위해 상기 OPC를 제어함으로써 상기 레이저 빔을 활성화시키는 단계 ― 상기 레이저 빔을 활성화시킴으로써 상기 레이저 빔을 제공함 ―;
ㆍ 상기 미리 결정된 편광 방향(P1)을 갖는 빔 성분을 상기 빔의 전체 강도의 50% 이하의 강도(I1)로 제공하도록 상기 OPC를 제어함으로써 상기 레이저 빔을 비활성화시키는 단계 ― 상기 레이저 빔을 비활성화시킴으로써 상기 레이저 빔을 회피함 ―
를 포함한다.
일부 실시예에서, 레이저 빔을 변조하도록 구성된 레이저 시스템이 제공되며,
- 적어도 하나의 시드 레이저 장치;
- 상기 시드 레이저 장치의 시드 빔을 수신하고 그 편광 방향을 변조하도록 구성된 적어도 하나의 광학 편광 결합기(OPC) ― 상기 변조는 적어도 두 개의 편광 성분을 갖는 시드 빔을 제공하는 것을 포함하고, 상기 편광 성분 중 하나는 미리 결정된 편광 방향(P1)을 포함함 ―;
- 편광 변조된 시드 빔을 수신하고 증폭된 레이저 빔을 제공하도록 구성된 코히어런트 빔 결합(CBC) 시스템;
- 증폭된 레이저 빔을 수신하고 상기 미리 결정된 편광 방향(P1)을 갖는 빔만을 상기 레이저 시스템의 출력으로 전송하며 다른 편광 방향을 갖는 빔을 반사함으로써 선택적으로 상기 레이저 빔을 제공하도록 구성된 편광 빔 스플리터(PBS); 및
- ㆍ 상기 미리 결정된 편광 방향(P1)을 갖는 빔 성분을 상기 빔의 전체 강도의 50%보다 큰 강도(I1)를 갖도록 제공하기 위해 상기 OPC를 제어함으로써 상기 레이저 빔을 활성화시키고 ― 상기 레이저 빔을 활성화시킴으로써 상기 레이저 빔을 제공함 ―;
ㆍ 상기 미리 결정된 편광 방향(P1)을 갖는 빔 성분을 상기 빔의 전체 강도의 50% 이하의 강도(I1)로 제공하도록 상기 OPC를 제어함으로써 상기 레이저 빔을 비활성화시키도록 ― 상기 레이저 빔을 비활성화시킴으로써 상기 레이저 빔을 회피함 ―
구성된 전자 제어기를 포함한다.
일부 실시예에서, 상기 CBC 시스템은,
- 모두 CBC 포인트에서 보강 빔 간섭을 가능하게 하도록 배열된, 상기 편광 변조된 시드 빔, 복수의 광학 증폭기, 적어도 하나의 빔 스플리터 및 선택적으로 적어도 하나의 빔 결합기를 구비한 광학 연결로 구성된 복수의 위상 변조기들; 및
- 상기 CBC 포인트에서 상기 빔 간섭을 모니터링하고 그에 따라 CBC 포인트에서 상기 보강 간섭을 제공하기 위해 상기 위상 변조기들 중 적어도 하나를 제어하도록 구성된 적어도 하나의 제어 회로를 포함한다.
일부 실시예에서, 상기 OPC는,
- 제1 편광 방향(P1)을 갖는 입력 빔을 수신하고, 상기 제1 편광 방향(P1) 및 제1 강도(I1)를 갖는 제1 빔(B1(I1, P1)과 상기 제1 편광 방향(P1) 및 제2 강도(I2)를 갖는 제2 빔(B2(I2, P1))을 출력하도록 구성된 빔 스플릿 어셈블리 ― 상기 제1 및 제2 강도의 합(I1 + I2)은 상기 입력 빔의 강도와 같음 ―;
- 상기 빔 스플릿 어셈블리 출력 빔(B1 또는 B2) 중 하나를 수신하고 그의 편광(S로부터 P, 또는 P로부터 S, 따라서 P1≠P2, B2(I2, P2))을 변환하도록 구성된 편광 변환기; 및
- 제1 출력 빔(B1(I1, P1))과 제2 변환된 출력 빔(B2(I2, P2))을 수신하여 상기 CBC 시스템에 대한 입력으로 제공되는 제3 빔으로 결합하도록 구성된 편광 빔 스플리터(PBS); 또는, 제1 출력 빔(B1(I1, P1)) 및 상기 제2 변환된 출력 빔(B2(I2, P2))을 수신하여 결합하고, 이들을 두 개의 출력 빔으로 스플릿하도록 구성된 커플러 ― 상기 두 개의 출력 빔 중 하나만이 상기 CBC 시스템에 대한 입력으로 제공됨 ―를 포함한다.
일부 실시예에서, 상기 빔 스플릿 어셈블리는,
- 입력 빔을 수신하고 상기 입력 빔을 두 개의 빔으로 스플릿하도록 구성된 빔 스플리터;
- 상기 두 개의 빔 중 하나의 위상을 변조하도록 구성된 위상 변조기;
- 상기 두 개의 빔을 수신하고 두 개의 위치에서 그들의 간섭을 제공함으로써 상기 제1 출력 빔(B1(I1, P1))과 상기 제2 출력 빔(B2(I2, P1)을 제공하도록 구성된 커플러;
- 상기 두 개의 간섭 위치 중 하나를 모니터링하고 그에 따라 모니터링된 위치에서 보강 또는 파괴 빔 간섭을 가능하게 하도록 상기 위상 변조기를 제어하도록 구성된 전자 제어기 ― 비 모니터링 간섭 위치에서는 각각 파괴 또는 보강 빔 간섭이 제공됨 ―를 포함한다.
본 발명의 일부 실시예에서, 코어 및 적어도 하나의 클래드(clad)를 갖는 광섬유에 결합되도록 구성된 하이브리드 파이버 결합 다이오드 펌프 레이저 모듈(및 간략하게, 펌프 모듈)이 제공되며, 펌프 모듈은,
상기 펌프 모듈은,
- 상기 광섬유가 있는 광경로 내의 적어도 하나의 포커싱 렌즈;
- 각각 상기 클래드가 있는 광경로에서 다중 모드 빔을 출력하도록 구성된, 복수의 다이오드 모듈;
- a) 상기 코어를 향해 단일 모드 빔을 출력하는 기능;
b) 상기 코어로부터 빔을 수신하고, 수신된 빔을 출력 광섬유에 결합하는 기능;
c) 상기 코어로부터 빔을 수신하고, 수신된 빔을 상기 코어로 다시 반사하는 기능; 및
d) 상기 코어로부터 빔을 수신하고, 수신된 빔의 일부를 상기 코어로 다시 반사하고, 상기 수신된 빔의 다른 부분을 출력 광섬유에 결합하는 기능
으로 구성된 그룹에서 선택된 기능을 제공하도록 구성된 상기 코어가 있는 광경로 내의 적어도 하나의 코어 연관 모듈을 포함한다.
일부 실시예에서, 빔을 미리 결정된 범위의 파장으로 좁히고 잠그도록 구성된 VBG(volume Bragg grating)를 더 포함한다.
일부 실시예에서, 상기 복수의 다이오드 모듈 및 상기 코어 연관 모듈은 출력 빔이 각각의 행(row)마다 서로 평행하도록 적어도 하나의 행으로 배열된다.
일부 실시예에서, 두 개 이상의 행의 경우, 상기 펌프 모듈은,
- 제1 빔의 행의 경로에 있는 적어도 하나의 편광기 빔 결합기;
- 각각의 추가 행 마다 각각의 폴딩 미러가 있는 하나 이상의 폴딩 미러 ― 각각의 폴딩 미러는 대응하는 행의 평행 빔을 각각의 편광기 빔 결합기로 리디렉션(redirection)하도록 구성됨 ―를 더 포함한다.
일부 실시예에서, 상기 다이오드 모듈 각각은,
- 광역 레이저(broad area laser, BAL);
- 연관된 BAL과 상기 클래드 사이에 광경로를 갖도록 구성된 BAL 연관 폴딩 미러; 및
- 선택적으로, 상기 BAL의 빔의 형상을 조정하도록 구성된, 상기 BAL과 그의 연관된 폴딩 미러 사이에 배열된 하나 이상의 렌즈를 포함한다.
일부 실시예에서, 상기 코어 연관 모듈은,
- 시드 레이저 장치에 결합되도록 구성된 적어도 하나의 시드 입력;
- 상기 시드 입력과 상기 코어 사이의 광경로를 위해 구성된 시드 연관 폴딩 미러; 및
- 선택적으로, 상기 시드 빔의 형상을 조정하도록 구성된, 상기 시드 입력과 그의 연관된 폴딩 미러 사이에 배열된 적어도 하나의 렌즈를 포함하는 시드 모듈을 포함한다.
일부 실시예에서, 상기 시드 연관 모듈은,
- 상기 시드 빔을 증폭하도록 구성된 빔 증폭기;
- 상기 시드 빔을 샘플링하도록 구성된 탭(tap) 또는 부분 미러, 그리고 후방 빔 전송을 모니터링하고 경고하도록 구성된 모니터; 및
- 한 방향으로만 광의 투과를 허용하도록 구성된 아이솔레이터
중 적어도 하나를 더 포함한다.
일부 실시예에서, 상기 코어 연관 모듈은,
- 선택적으로 엔드 캡 요소(end-cap element)를 포함하는 출력 파이버;
- 상기 코어와 상기 출력 파이버 사이의 광경로를 위해 구성된, 상기 출력 파이버와 연관된 폴딩 미러;
- 선택적으로, 수신된 코어 빔의 형상을 조정하도록 구성된, 상기 출력 파이버와 그의 연관된 폴딩 미러 사이에 배열된 적어도 하나의 렌즈; 및
- 최적으로, 펌프 덤프(pump dump)
를 포함하는 출력 모듈을 포함한다.
일부 실시예에서, 상기 코어 연관 모듈은,
- 고 반사(high reflecting, HR) 미러;
- 상기 코어와 상기 HR 미러 사이의 광경로를 위해 구성된, 상기 HR 미러와 연관된 폴딩 미러; 및
- 선택적으로, 연관된 빔의 형상을 조정하도록 구성된, 상기 HR 미러와 그의 연관된 폴딩 미러 사이에 배열된 적어도 하나의 렌즈
를 포함하는 HR 모듈을 포함한다.
일부 실시예에서, 상기 HR 모듈은, 반사된 빔을 변조하도록 구성된, 상기 HR 미러와 그의 연관된 폴딩 미러 사이에 배열된 인트라 공동 변조기(intra cavity modulator)를 더 포함한다.
일부 실시예에서, 상기 코어 연관 모듈은,
- 선택적으로 엔드 캡을 포함하는 출력 파이버;
- 상기 출력 파이버가 있는 광경로 내의 부분 반사(partial reflecting, PR) 미러;
- 상기 코어와 상기 PR 미러 사이의 광경로를 위해 구성된, 상기 PR 미러와 연관된 폴딩 미러; 및
- 선택적으로, 연관된 빔의 형상을 조정하도록 구성된, 상기 PR 미러와 그의 연관된 폴딩 미러 사이에 배열된 적어도 하나의 렌즈
를 포함하는 PR 모듈을 포함한다.
일부 실시예에서, 펌프 모듈은 베이스 표면, 리브(rib), 나사 및 이들의 임의의 조합으로 구성된 그룹에서 선택된 적어도 하나의 열 분배 요소를 더 포함한다.
본 발명의 일부 실시예에서, 파이버 증폭 시스템이 제공되며,
- 코어 및 적어도 하나의 클래드를 포함하는 광섬유;
- 상기 광섬유의 제1 단부에 결합된 제35항의 하이브리드 펌프 모듈을 포함한다.
일부 실시예에서, 상기 파이버 증폭 시스템은 펌프 덤프, 엔드 캡 요소로부터 선택된 적어도 하나를 더 포함한다.
일부 실시예에서, 상기 파이버 증폭 시스템은 상기 광섬유의 제2 단부에 결합된 상기 실시예의 적어도 일부에 따른 펌프 모듈을 더 포함한다.
본 발명의 일부 실시예에서, 파이버 레이저 시스템이 제공되며,
- 코어 및 적어도 하나의 클래드를 포함하는 광섬유;
- 상기 광섬유의 제1 단부에 결합된 제38항의 하이브리드 펌프 모듈; 및
- 상기 광섬유의 제2 단부에 결합된 파이버 브래그 격자(Fiber Bragg Grating, FBG) 또는 상기한 실시예 중 적어도 일부에 따른 하이브리드 펌프 모듈
을 포함한다.
일부 실시예에서, 파이버 레이저 시스템은 펌프 덤프 및 엔드 캡 요소 중 적어도 하나를 더 포함한다.
본 발명의 일부 실시예는 전력 주파수 더블러(Power Frequency Doubler) 비선형 크리스탈(Non-Linear Crystal, NLC) 이전에 고전력 기본 빔에 약한 2차 고조파 시드 빔을 추가하는 것을 기반으로 한다. 따라서, 시드와 기본 빔 사이의 위상차가 제어되어, 제1 PFD NLC에서 발생할 수 있는 켤레(conjugate) 위상차를 제공할 수 있다. 최종 결과는 PFD의 입력과 NLC의 고조파 변환 영역을 통한 최소 불일치 위상(Mismatched Phase, MP)이다.
일부 실시예에서, 온도 및/또는 각도 조정된 PFD NLC가 제공되며, 최대 변환의 영역(렌즈가 사용되는 경우 초점 허리, 또는 빔이 시준되는 경우 전체 크리스탈 길이)에서 최적의 고조파 변환을 위해 구성되고, 따라서, 시드 빔을 추가하면 MP 부재시 달성된 것의 5% 이내에서 변환 효율에 도달할 수 있는 충분한 파라미터가 제공된다.
본 발명의 일부 실시예에서, 광학 방사의 주파수 배가(doubling)를 위해 구성된 새로운 장치가 제공되며, 이 장치는 적어도 두 개의 순차적 비선형 크리스탈(nonlinear crystal, NLC):
- 기본 주파수(fundamental frequency, FF)에서 기본 빔을 수신하고, 상기 기본 주파수(FF)에서 강한 잔류 빔과 함께 2차 고조파 주파수(FH)에서 약한 2차 고조파 빔을 방출하도록 구성된 제1 NLC ― 상기 약한 2차 고조파 빔과 상기 기본 빔 사이의 전력비는 각각 5×10-3 대 1보다 작음 ―; 및
- 이전의 NLC의 기본 주파수(FF)에서 잔류 빔 그리고 상기 2차 고조파 주파수(FH)에서 2차 고조파 빔을 수신하고, 상기 기본 주파수(FF)에서 잔류 빔과 함께 상기 2차 고조파 주파수(FH)에서 강한 주파수 배가된 빔을 방출하도록 구성된 적어도 하나의 제2 NLC ― 상기 강한 주파수 배가된 빔과 상기 기본 빔 사이의 전력비는 각각 0.3 : 1보다 큼 ―을 포함한다.
일부 실시예에서, 상기한 장치는, 상기 제2 NLC에 의해 수신되기 전에, 상기 기본 주파수(FF)에서 잔류 빔과 상기 2차 고조파 주파수(FH)에서 2차 고조파 빔 사이의 위상 관계를 보정하도록 구성된 적어도 하나의 위상 불일치 보상기(phase mismatch compensator, PMC)를 더 포함한다.
일부 실시예에서, 상기한 장치는, 상기 강한 주파수 배가된 빔을 샘플링하고 그에 따라 상기 강한 주파수 배가된 빔에 대한 최대 전력을 허용하기 위해 상기 PMC를 조정하도록 구성된 적어도 하나의 피드백 및 제어 시스템을 더 포함한다.
일부 실시예에서, 상기 피드백 및 제어 시스템은, 적어도 하나의 측정 요소, 적어도 하나의 처리 요소, 및 상기 PMC를 조정하도록 구성된 적어도 하나의 조정 요소를 포함한다.
일부 실시예에서, 상기한 장치는, 각각 NLC의 온도를 조정하도록 구성된 적어도 하나의 오븐을 더 포함한다.
일부 실시예에서, 상기 제1 NLC의 길이(LS)는 상기 제2 NLC의 길이(LD)의 10% 이하(LS ≤ 0.1 LD)이다.
일부 실시예에서, 상기 제2 NLC는 LBO를 포함하고 그의 길이(LD)는 40 mm보다 크다.
일부 실시예에서, 상기 기본 주파수(FF)는 적외선(infra-red, IR) 광의 특성(λF = 1064nm)을 포함하며, 따라서 2차 고조파 주파수(FH)는 가시광의 특성(λH = 532nm)을 포함한다.
일부 실시예에서, 상기 NLC 각각은 그의 결정학적 축을 따른 기본 빔 편광 또는 상기 결정학적 축에 대한 45°의 기본 빔 편광을 갖도록 구성된다.
일부 실시예에서, 상기 NLC 각각은 BBO, KTP, LBO, CLBO, DKDP, ADP, KDP, LiIO3, KNbO3, LiNbO3, AgGaS2, AgGaSe2로 구성된 그룹에서 선택된 적어도 하나의 재료를 포함한다.
일부 실시예에서, 상기 NLC 각각의 측면 영역의 치수는 수신된 입력 빔의 치수보다 크다.
일부 실시예에서, 상기한 장치는, 빔을 NLC로 포커싱하도록 구성된 적어도 하나의 수렴 요소를 더 포함한다.
본 발명의 일부 실시예에서, 광학 방사의 주파수 배가를 위한 새로운 방법이 제공되며, 이 방법은,
- 기본 주파수(FF)에서 기본 빔 그리고 2차 고조파 주파수(FH)에서 약한 2차 고조파 빔을 갖는 비선형 크리스탈(NLC)을 제공하는 단계; 및
- 상기 비선형 크리스탈(NLC)을 제공함으로써, 상기 NLC를 통해, 상기 기본 주파수(FF)에서 잔류 빔과 함께 상기 2차 고조파 주파수(FH)에서 강한 주파수 배가된 빔을 방출하는 단계를 포함하며,
제공된 약한 2차 고조파 빔과 상기 기본 빔 사이의 전력비는 각각 5×10-3 대 1보다 작고, 방출된 강한 주파수 배가된 빔과 상기 기본 빔 사이의 전력비는 각각 0.3 대 1보다 크다.
일부 실시예에서, 상기 방법의 상기 제공하는 단계는, 상기 기본 및 약한 2차 고조파 빔 사이의 위상 불일치 보상 단계를 더 포함하고, 상기 광학 방사의 주파수 배가를 위한 방법은, 상기 강한 주파수 배가된 빔에 대한 최대 전력을 허용하기 위해 상기 PMC를 제어하는 단계를 더 포함한다.
본 발명의 일부 실시예에서, 광학 방사의 입력의 주파수를 배가(doubling)하고 2차 고조파 주파수를 포함하는 출력 빔을 제공하도록 구성된 장치가 제공된다. 이 장치는,
- 적어도 두 개의 순차적 비선형 크리스탈(NLC) ― 각각의 NLC는, 기본 주파수(FF)에서 제1 빔, 그리고 선택적으로 이전 NLC로부터 2차 고조파 주파수(FH)에서 제2 빔을 수신하고, 기본 주파수(FF)에서 잔류 빔과 함께 2차 고조파 주파수(FH)에서 강한 주파수 배가된 빔을 방출하도록 구성됨 ―;
- 상기 두 개의 NLC 사이에 위치한 적어도 하나의 위상 불일치 보상기(PMC) ― 상기 PMC는 다음의 NLC에 의해 수신되기 전에, 상기 기본 주파수(FF)에서 잔류 빔과 상기 2차 고조파 주파수(FH)에서 2차 고조파 빔 사이의 위상 관계를 보정하도록 구성됨 ―; 및
- 상기 PMC를 능동적으로 회전시키므로, 상기 잔류 빔과 상기 2차 고조파 빔 사이의 위상 관계의 보정을 능동적으로 조정하도록 구성된 각각의 PMC 당 전동식 회전 장치를 포함한다.
일부 실시예에서, 상기 장치는, 상기 강한 주파수 배가된 빔에 대해 최대 전력을 허용하기 위해, 상기 전동식 회전 장치를 통해, 상기 강한 주파수 배가된 빔을 샘플링하고 그에 따라 상기 PMC를 틸팅하도록 구성된 적어도 하나의 피드백 및 제어 시스템을 더 포함한다.
일부 실시예에서, 상기 피드백 및 제어 시스템은, 적어도 하나의 빔 스플리터, 적어도 하나의 측정 요소, 적어도 하나의 처리 요소, 및 상기 전동식 회전 장치를 제어하도록 구성된 적어도 하나의 제어 요소를 포함한다.
일부 실시예에서, 상기 PMC는 상기 빔이 윈도우를 통과해야 하는 거리가 회전 각도에 대해 변하도록, 크로매틱 분산을 나타내는 광학적으로 투명한 윈도우를 포함한다. 일부 실시예에 따르면, PMC는 빔이 윈도우(예를 들어, 양면에서 연마된 광학적으로 투명한 플레이트)를 통과해야 하는 거리가 회전 각도에 대해 변하도록 색 분산을 나타내는 플레이트를 포함한다.
일부 실시예에서, 상기 모터는 상기 PMC를 단계적 및/또는 연속적 모션으로 회전시키도록 구성된다.
일부 실시예에서, 상기 모터는 상한값과 하한값 사이에 경계가 있는 디더 형태로 상기 PMC를 회전시키도록 추가로 구성된다.
일부 실시예에서, 피드백 및 제어 시스템은,
a. 상기 다음의 NLC에서 역변환을 최소화함으로써 상기 출력 빔의 전력을 최대화하는 것;
b. 상기 다음의 NLC에서 역변환을 최대화함으로써 상기 출력 빔의 전력을 최소화하는 것;
c. 다양한 입력 레이저 전력 및/또는 다양한 오븐 온도를 포함할 수 있는 정적 또는 동적 작동 조건 동안, 상기 최대와 상기 최소 사이에 미리 결정된 값으로 상기 출력 빔의 전력을 조정하는 것
중 적어도 하나를 제공하기 위해 상기 디더 형태를 사용하도록 구성된다.
일부 실시예에서, 상기 모터는 상기 출력 빔이 각각 켜지고(turn ON) 그리고 꺼지도록(turn OFF), 최대 및 최소 고조파 변환 상태 사이에서 토글 모드로 상기 PMC를 회전시키도록 구성된다.
일부 실시예에서, 상기 모터는 제어된 상승 및 하강 시간, 그리고 제어 가능한 지속 시간의 상부가 평평한 펄스(flat-topped pulse)를 제공하기 위해 상기 PMC를 회전시키도록 구성된다.
일부 실시예에서, 상기 모터는 룩업 테이블에 따라 상기 PMC를 회전시키므로, 형상화된 고조파 펄스를 제공하도록 구성된다.
일부 실시예에서, 상기 장치는 상기 잔류 빔의 적어도 일부를 상기 출력 빔으로부터 분리하도록 구성된 적어도 하나의 다이크로익(dichroic) 빔 스플리터를 더 포함한다.
일부 실시예에서, 상기 방출된 강한 주파수 배가된 빔과 상기 방출된 기본 빔 사이의 전력비는 각각 0.3 대 1보다 크다.
일부 실시예에서, 상기 장치는 각각 상기 NLC의 온도를 조정하도록 구성된 적어도 하나의 오븐을 더 포함한다. 일부 실시예에서, 상기 장치는 적어도 두 개의 오븐을 더 포함하며, 각각의 오븐은 상이한 NLC의 온도를 조정하도록 구성된다.
일부 실시예에서, 상기 PMC의 능동 제어는 상기 NLC를 수용하는 오븐의 온도 변화에 의해 야기되는 전력 변화를 최소화하도록 구성된다.
일부 실시예에서, NLC 중 적어도 하나는 LBO를 포함하고 그것의 길이(LD)는 상당한 고조파 광을 달성하기에 충분하다. 일부 실시예에서, NLC 중 적어도 하나는 LBO를 포함하고 그의 길이(LD)는 40mm보다 크다.
일부 실시예에서, 상기 기본 주파수(FF)는 적외선(IR) 광의 특성(λF = 1064nm)을 포함하며, 따라서 2차 고조파 주파수(FH)는 가시광의 특성(λH = 532nm)을 포함한다.
일부 실시예에서, 상기 NLC 각각은 그의 결정학적 축을 따른 기본 빔 편광 또는 상기 결정학적 축에 대한 45°의 기본 빔 편광을 갖도록 구성된다.
일부 실시예에서, 상기 NLC 각각은 BBO, KTP, LBO, CLBO, DKDP, ADP, KDP, LiIO3, KNbO3, LiNbO3, AgGaS2, AgGaSe2로 구성된 그룹에서 선택된 적어도 하나의 재료를 포함한다.
일부 실시예에서, 상기 NLC 각각의 측면 영역의 치수는 수신된 입력 빔의 치수보다 크다.
일부 실시예에서, 상기 장치는 상기 기본 및 고조파 빔을 NLC로 포커싱하도록 구성된 적어도 하나의 무채색 수렴 요소를 더 포함한다.
본 발명의 일부 실시예에서, 상기한 장치로부터 배가된 주파수 출력 빔을 활성화("ON")시키고 그리고/또는 비활성화("OFF")시키는 방법이 제공되며, 이 방법은,
- 출력 빔을 샘플링하고 측정하는 단계;
- 상기 출력 빔이 "ON" 출력에 대해 필요한 최대 값(또는 "OFF" 출력의 경우 필요한 최소값)에 도달하는지를 판정하는 단계,
ㆍ "아니오"인 경우 상기 PMC를 회전시키고, 상기 샘플링 단계에 따른 방법을 반복하는 단계;
ㆍ "예"인 경우 현재의 각도 αMAX(또는 αMIN)를 유지하고, 동적 입력 빔 및/또는 동적 오븐 온도에 대해 샘플링 단계에 따른 방법을 반복하는 단계를 포함한다.
본 발명으로 간주되는 주제는 명세서의 결론 부분에서 특히 지적되고 명확하게 청구된다. 그러나, 목적, 특징 및 이점과 함께 구성 및 작동 방법에 관한 본 발명은 첨부 도면과 함께 판독되는 경우 다음의 상세한 설명을 참조하여 가장 잘 이해될 수 있다.
도 1은 코히어런트 빔 결합(coherent beam combining, CBC) 시스템에 대한 종래 기술의 예를 개략적으로 도시한다.
도 2는 증폭된 레이저 빔을 변조하기 위해 모두 구성된 시드 레이저 장치 및 코히어런트 빔 결합(CBC) 시스템을 포함하는 일부 실시예에 따른 레이저 시스템을 개략적으로 도시한다.
도 3은 증폭된 레이저 빔을 변조하도록 구성된 시드 레이저 장치, 고속 광학 변조기(fast optical modulator, FOM) 및 코히어런트 빔 결합(CBC) 시스템을 포함하는 일부 실시예에 따른 레이저 시스템을 개략적으로 도시한다.
도 4는 증폭된 레이저 빔을 변조하기 위해 모두 구성된, 각각 다른 파장을 갖는 시드 빔을 제공하는 2개의 시드 레이저 장치, 광학 스위치 및 코히어런트 빔 결합(CBC) 시스템을 포함하는 일부 실시예에 따른 레이저 시스템을 개략적으로 도시한다.
도 5는 증폭된 레이저 빔을 변조하도록 구성된, 각각 다른 대역폭을 갖는 시드 빔, 광학 스위치 및 코히어런트 빔 결합(CBC) 시스템을 제공하는 2개의 시드 레이저 장치를 포함하는 일부 실시예에 따른 레이저 시스템을 개략적으로 도시한다.
도 6a는 증폭된 레이저 빔을 변조하기 위해 모두 구성된, 각각 다른 파장을 갖는 시드 빔, 광학 스위치, 다이크로익 미러(dichroic mirror) 및 코히런트빔 결합(CBC) 시스템을 제공하는 2개의 시드 레이저 장치를 포함하는 일부 실시예에 따른 레이저 시스템을 개략적으로 도시한다.
도 6b는 증폭된 레이저 빔을 변조하기 위해 모두 구성된, 각각 다른 파장을 갖는 시드 빔, 광학 스위치, 다이크로익 미러 및 마스터 오실레이터 전력 증폭기(master oscillator power amplifier, MOPA)를 제공하는 2개의 시드 레이저 장치를 포함하는 일부 실시예에 따른 레이저 시스템을 개략적으로 도시한다.
도 6c는 증폭된 레이저 빔을 변조하기 위해 모두 변조된, 각각 다른 파장을 갖는 시드 빔, 광학 스위치, 다이크로익 미러 및 코히어런트 빔 결합(CBC) 시스템을 제공하는 2개의 시드 레이저 장치를 포함하는 일부 실시예에 따른 또 다른 레이저 시스템을 개략적으로 도시한다.
도 7a는 증폭된 레이저 빔을 변조하기 위해 모두 구성된, 시드 레이저 장치, 광학 편광 결합기(optical polarization combiner, OPC), 편광 빔 스플리터(polarization beam splitter, PBS) 및 코히어런트 빔 결합(CBC) 시스템을 포함하는 일부 실시예에 따른 레이저 시스템을 개략적으로 도시한다.
도 7b는 증폭된 레이저 빔을 변조하기 위해 모두 구성된, 시드 레이저 장치, 광학 편광 결합기(OPC), 편광 빔 스플리터(PBS) 및 마스터 오실레이터 전력 증폭기(MOPA)를 포함하는 일부 실시예에 따른 레이저 시스템을 개략적으로 도시한다.
도 8a는 일부 실시예에 따른 광학 편광 결합기(OPC)를 개략적으로 도시한다.
도 8b는 일부 실시예에 따른 다른 광학 편광 결합기(OPC)를 개략적으로 도시한다.
도 9는 파이버 증폭 시스템에 대한 종래 기술의 예를 개략적으로 도시한다.
도 10a, 10b, 10c 및 10d는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 하이브리드 펌프 모듈을 개략적으로 도시한다.
도 11a, 11b 및 11c는 본 발명의 일부 실시예에 따fms 코어 연관 모듈이 시드 연관 모듈인 하이브리드 펌프 모듈을 개략적으로 도시한다.
도 12는 본 발명의 일부 실시예에 따른, 코어 연관 모듈이 출력 모듈인 하이브리드 펌프 모듈을 개략적으로 도시한다.
도 13은 본 발명의 일부 실시예에 따른, 코어 연관 모듈이 고 반사 모듈인 하이브리드 펌프 모듈을 개략적으로 도시한다.
도 14는 본 발명의 일부 실시예들에 따른, 코어 연관 모듈이 부분 반사 모듈인 하이브리드 펌프 모듈을 개략적으로 도시한다.
도 15는 본 발명의 일부 실시예에 따른 파이버 증폭 시스템을 개략적으로 도시한다.
도 16a 및 16b는 본 발명의 일부 실시예에 따른 파이버 레이저 시스템을 개략적으로 도시한다.
도 17a, 17b 및 17c는 본 발명의 일부 실시예에 따른 방사 레이저 빔의 주파수 배가를 위한 장치에 대한 몇 가지 설정을 개략적으로 도시한다.
도 18a는 본 발명의 일부 실시예에 따른, 저전력 주파수 배가를 위해 설정되지만 고전력에서 작동되는 오븐에 배치된 단결정에서 광축을 따른 온도 변화의 예를 개략적으로 도시한다.
도 18b는 크리스탈 내의 각각의 포인트까지 축적된 기본 빔과 이중 빔 사이의 위상차의 예를 개략적으로 도시한다.
도 19의 도 19a, 19b 및 19c는 초점 영역에서 최소 MP 및 최적 온도를 달성하기 위해 공액 위상차를 갖는 2차 고조파 시드 빔을 추가한 후 PFD의 온도 재조정을 개략적으로 도시한다.
도 20a, 20b 및 20c는 500W 입력 빔과 50mm 시더 크리스탈로 수행된 시뮬레이션 세트의 요약을 도시한다.
도 21은 본 발명의 일부 실시예에 따른 공진을 벗어난(off-resonant) 온도에서 시더 빔 프로파일을 도시한다.
도 22a 및 22b는 본 발명의 일부 실시예에 따라 시더 빔이 있거나 없는 시뮬레이션 결과 및 이들의 비교를 도시한다.
도 23은 본 발명의 일부 실시예에 따라 시더 빔을 사용하는 것에 대한 부가 가치를 보여준다.
도 24는 본 발명의 일부 실시예에 따라 녹색 출력 빔 대 PMC 회전을 제시함으로써 시더 빔이 위상 효과를 제공하는 것을 도시한다.
도 25a, 25b 및 25c는 본 발명의 일부 실시예에 따른 주파수 배가 장치에 대한 다양한 구성을 개략적으로 도시한다.
도 26a 및 26b는 본 발명의 일부 실시예에 따른 PMC의 회전 또는 틸팅 각도,도 26a의 정면도 및 도 26b의 측면도를 개략적으로 도시한다.
도 27은 본 발명의 일부 실시예에 따라 PMC의 회전 각도를 연속적으로 조정하는 데 사용되는 선택적 피드백 알고리즘을 개략적으로 도시한다.
도 28a 및 28b는 본 발명의 일부 실시예에 따라 오븐 제어기 언더슈트/오버 슈트로 인한 시간 및 두 배의 전력 변화에 따른 크리스탈 온도를 개략적으로 도시한다.
도 29는 오븐 언더슈트/오버 슈트를 극복하도록 구성된 본 발명의 일부 실시예에 따라 PMC를 회전시키기 위한 디더(Dither) 제어를 통한 출력 전력 안정화를 개략적으로 도시한다.
도 30은 본 발명의 일부 실시예에 따라 작동 조건의 변경 후 PMC 각도를 최적화하는 데 사용되는 피드백을 이용한 디더링 제어의 실험 결과를 도시한다.
도 31a 및 31b는 본 발명의 일부 실시예에 따라 각각 정적 및 동적 PMC로 변동을 감소시키면서 고조파 전력을 최대 값으로 유지하는 실험 결과를 도시한다.
도 32는 본 발명의 일부 실시예에 따른 안정화 알고리즘이 있거나 없는 1시간 실행 동안 고조파 출력의 전력 스펙트럼을 도시한다.
도 33은 본 발명의 일부 실시예에 따른 역변환 위상차를 개략적으로 도시한다.
도 34a 및 34b는 도 34a에서와 같이 레이저를 빠르게 켜고 PMC 위치를 토글함으로써 본 발명의 일부 실시예에 따라 달성된 상승 시간 사이의 비교를 도시한다.
예시의 단순성 및 명료성을 위해, 도면에 도시된 요소가 반드시 일정한 비율로 그려진 것은 아니라는 것을 이해할 것이다. 예를 들어, 일부 요소의 치수는 명확성을 위해 다른 요소에 비해 과장될 수 있다. 또한, 적절하다고 간주되는 경우, 도면간에 참조 번호가 반복되어 대응하거나 유사한 요소를 나타낼 수 있다.
다음의 상세한 설명에서, 본 발명의 완전한 이해를 제공하기 위해 다수의 특정 세부 사항이 설명된다. 그러나, 당업자는 본 발명이 이러한 특정 세부 사항 없이도 실시될 수 있음을 이해할 것이다. 다른 예에서, 잘 알려진 방법, 절차 및 컴포넌트는 본 발명을 모호하게 하지 않기 위해 상세히 설명되지 않았다.
여기에서 사용된 바와 같이, 일 실시예에서 용어 "약(about)"은 ±10 %를 지칭한다. 다른 실시예에서, 용어 "약"은 ±9 %를 지칭한다. 다른 실시예에서, 용어 "약"은 ±9 %를 지칭한다. 다른 실시예에서, 용어 "약"은 ±8 %를 지칭한다. 다른 실시예에서, 용어 "약"은 ±7 %를 지칭한다. 다른 실시예에서, 용어 "약"은 ±6 %를 지칭한다. 다른 실시예에서, 용어 "약"은 ±5 %를 지칭한다. 다른 실시예에서, 용어 "약"은 ±4 %를 지칭한다. 다른 실시예에서, 용어 "약"은 ±3 %를 지칭한다. 다른 실시예에서, 용어 "약"은 ±2 %를 지칭한다. 다른 실시예에서, 용어 "약"은 ±1 %를 지칭한다.
레이저 빔을 변조하기 위한 방법 및 시스템
본 발명은 레이저, 레이저 빔 어레이 및 광섬유 어레이로부터 레이저 빔을 처리하고 변조하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 레이저 빔의 활성화 및 비활성화를 가능하게 하는 방법 및 장치를 제공하는 한편, 레이저 시스템은 예를 들어 시스템의 전원을 끄거나 줄이지 않고 또는 시드 레이저 빔을 차단하지 않고 작동 전력을 유지한다. 따라서, 예를 들어 증폭기와 같은 컴포넌트를 손상시키지 않고 더 높은 작동 주파수(예를 들어, 변조 주파수가 10GHz에 도달할 수 있음)를 활성화하여 작동 시간을 절약(단축)한다.
레이저 증폭 시스템, 코히어런트 빔 결합(coherent beam combining, CBC) 시스템에 대한 예는 시드 레이저 및 광학 증폭 서브시스템을 포함하고 시드 레이저의 출력을 수신하며 증폭된 레이저 출력을 제공하는 레이저 시스템을 보여주는 미국 공보 2013/0107343에 개시되고, 광학 증폭 서브시스템은 제1 복수의 증폭기 어셈블리를 포함하고, 제1 복수의 증폭기 어셈블리 각각은 제2 복수의 광학 증폭기, 및 제1 복수의 증폭기 어셈블리 각각과 연관된 위상 변조 기능을 포함하는 위상 제어 회로를 포함한다.
코히어런트 빔 결합(CBC)에 대한 일반 또는 전형적인 모델/설계가 도 1에 설명되어 있다. 시스템(1100)은 CBC 시스템(1101)에 시드 빔을 제공하도록 구성된 시드 레이저(1110)를 포함한다. CBC 시스템(1101)은 시드 레이저(1110)의 출력을 수신하고 제1 증폭된 출력 빔을 제공하는 제1 광학 증폭기(1121)를 포함한다. 제1 빔 스플리터(1131)는 병렬 구성으로 배열된 제2 복수의 광학 증폭기(1122)에 의해 수신되도록 제1 출력 빔을 제1 복수의 입력 빔으로 분할한다. 제2 복수의 광학 증폭기(1122)는 제2 복수의 증폭된 출력 빔을 제공하도록 구성된다. 제2 복수의 출력 빔은 제2 복수의 입력 빔을 제공하는 제2 복수의 빔 스플리터(1132)에 의해 분할되고, 병렬 구성으로 배열된 제3 복수의 광학 증폭기(1123)에 의해 수신되어 제3의 복수의 증폭된 출력 빔을 제공한다. 그 다음, 제3 복수의 증폭된 출력 빔은 단일 CBC 출력 빔(170)으로 일관되게 결합된다. 코히어런트 결합은 예를 들어, CBC 포인트(1171)로 표시된 위치에서 빔 간섭을 제공하도록 구성되는 적어도 하나의 빔 결합기(1140)에 의해 제공될 수 있으므로, CBC 출력 빔이 된다. 코히어런트 빔 결합은 다르게는 CBC 포인트(1171)로 표시된 위치에서 빔 간섭이 발생하는 자유 공간(어떠한 결합없이 시준된 자유 공간, 도시안됨)에서 제공될 수 있다.
CBC 시스템은 제2 복수의 입력 빔 각각과 연관된 위상 변조 기능(1150)을 포함하는 위상 제어 회로(1160)를 더 포함한다. 제어 회로(1160)는 CBC 포인트(1171)에서 빔 간섭을 모니터링하고 복수의 위상 변조기(1150)를 통해 제2 복수의 입력 빔 각각의 위상을 제어하도록 구성되어, 건설적인 빔 간섭이 CBC 포인트(1171)에서 수신될 수 있다. 모든 광학 연결이 광섬유(1102)를 통해 제공될 수 있다는 점에 유의한다. 또한, 광학 증폭기(1121, 1122, 1123)는 동일하거나 상이한 강도 특징을 위해 구성될 수 있으며, 빔 결합기(1140)는 미국 공보 2013/0107343, 도 4a 및 도 4b에서 설명된 바와 같이 구성될 수 있다.
레이저의 펄스 작동은 연속파(continuous wave, CW)로 분류되지 않는 임의의 레이저를 지칭하므로, 광학 전력은 일정한 반복 속도에서 일정 기간의 펄스로 나타날 수 있다. 이러한 레이저 파형의 사용은 다양한 동기를 다루는 광범위한 기술을 포함한다. 일부 레이저는 연속 모드에서 실행할 수 없기 때문에 단순히 펄스된다. 다른 경우에, 가능한 한 큰 에너지를 갖는 펄스의 생성을 위해 애플리케이션이 필요하다. 펄스 에너지는 반복 속도로 나눈 평균 전력과 같기 때문에, 이러한 목표는 때때로 펄스 속도를 낮춤으로써 펄스 사이에 더 많은 에너지가 축적될 수 있다. 다른 애플리케이션은 특히 비선형 광학 효과를 획득하기 위해 피크 펄스 전력(펄스의 에너지 대신)에 의존한다. 주어진 펄스 에너지에 대해, 가능한 가장 짧은 기간의 펄스의 생성이 필요하다. 레이저의 QCW(Quasi Continuous Wave) 작동은 펌프 소스가 특정 시간 간격 동안만 "켜짐"을 의미하며, 이러한 시간 간격은 열 효과를 크게 줄일 수 있을 만큼 충분히 짧지만 레이저 프로세스가 정상 상태에 가까워질만큼 충분히 긴 시간이다. 즉, 레이저는 광학적으로 연속파 작동 상태에 있다. 듀티 사이클("온" 시간의 백분율)은 예를 들어 몇 퍼센트일 수 있으므로, 열 렌즈 및 과열로 인한 손상과 같은 가열 및 모든 관련 열 효과를 크게 줄일 수 있다. 따라서, QCW 작동은 더 낮은 평균 전력 대신 더 높은 출력 피크 전력으로 작동할 수 있게 한다. https://en.wikipedia.org/wiki/Pulsed_laser에서 인용됨(https://en.wikipedia.org/wiki/Wikipedia: Text of Creative Commons Attribution-ShareAlike 3.0 Unported License 참조).
숙련된 기술자는 용어 "고속 광학 변조기/들(fast optical modulator, FOM)"이 전기 제어 신호로 레이저 빔의 전력, 위상 또는 편광을 제어하기 위해 사용되도록 구성된 전기 광학 변조기(electro-optic modulator, EOM)(또는 electrooptic modulator)를 지칭할 수 있음을 인식할 것이다. 일부 실시예에서, 작동 원리는 선형 전기 광학 효과(또한 포켈 효과(Pockels effect)라고도 함), 즉 전계 강도에 비례하는 전기장에 의한 비선형 크리스탈의 굴절률 수정에 기반할 수 있다.
숙련된 기술자는 용어 "위상 변조기/들"이 레이저 빔의 광학 위상을 제어하는 데 사용될 수 있는 광학 변조기를 지칭할 수 있음을 인식할 것이다. 자주 사용되는 위상 변조기 유형은 포켈 셀에 기초한 전기 광학 변조기 및 액정 변조기이지만, 또한 예를 들어 열적으로 유도된 굴절률 변화 또는 예를 들어 광섬유의 길이 변화를 활용하거나, 또는 스트레칭에 의해 길이 변화를 유도하는 것이 가능하다. 다양한 종류의 위상 변조기는 변조된 광이 도파관에서 전파되는 통합 광학의 영역 내에서 사용된다.
숙련된 기술자는 용어 "마스터 오실레이터 전력 증폭기/들(master oscillator power amplifier, MOPA)"이 출력 전력을 높이기 위해 마스터 레이저(또는 시드 레이저) 및 광학 증폭기로 구성된 구성을 지칭할 수 있음을 이해할 것이다. 일부 실시예에서, 전력 증폭기는 파이버 장치이다. 다른 실시예에 따르면, MOPA는 고체 벌크 레이저 및 벌크 증폭기 또는 조정 가능한 외부 캐비티 다이오드 레이저 및 반도체 광학 증폭기로 구성될 수 있다.
숙련된 기술자는 용어 "빔 스플리터"가 입사광 빔(예를 들어, 레이저 빔)을 두 개 이상의 빔으로 분할하도록 구성된, 동일한 광학 전력을 가질 수 있고 아닐 수도 있는 광학 장치를 지칭할 수 있음을 인식할 것이다. 일부 실시예에서, 빔 스플리터는 몇 개의 빔을 단일 빔으로 결합하기 위한 빔 결합기로서 사용된다. 일부 실시예에서, 빔 스플리터는 간섭계, 자동 상관기, 카메라, 프로젝터 및 레이저 시스템에서 필요하다. 일부 실시예에서, 빔 스플리터는,
- 유전체 거울, 이는 광 빔을 분할하기 위해 사용될 수 있는 부분 반사 거울일 수 있다. 레이저 기술에서, 유전체 거울은 종종 이러한 목적으로 사용된다. 입사각은 또한 출력 빔의 각도 분리, 예를 들어 45°를 결정하며, 이는 종종 편리하지만, 또한 다른 값을 가질 수도 있으며, 빔 스플리터의 특성에 영향을 준다. 다양한 설계의 유전체 코팅을 통해 광범위한 전력 분할 비율이 달성될 수 있다.
- 큐브, 여기서 빔 분리는 큐브 내의 인터페이스에서 발생한다. 이러한 큐브는 종종 두 개의 삼각형 유리 프리즘으로 만들어지며, 투명한 수지 또는 시멘트와 함께 접착된다. 해당 레이어의 두께는 주어진 파장에 대한 전력 분할 비율을 조정하는 데 사용될 수 있다.
- 광섬유 스플리터, 이는 광섬유 빔 스플리터로서 사용되는 광섬유 커플러의 유형이다. 이러한 장치는 융합 결합 파이버로 만들 수 있으며, 두 개 이상의 출력 포트를 가질 수 있다. 벌크 장치의 경우, 분할 비율은 입력의 파장과 편광에 크게 좌우될 수도 있고 그렇지 않을 수도 있다.
- 평면 광파 회로(Planar Lightwave Circuit, PLC) 스플리터. PLC는 광 집적 회로(IC) 또는 광자를 라우팅하기 위해 광 도파관을 사용하여 만들어진 광학 회로 기판이다.
- 격자는 광을 서로 다른 방향으로 이동하는 여러 빔으로 분할하고 회절시키는 주기적인 구조를 가진 광학 컴포넌트이다. 이들 빔의 방향은 격자의 간격과 광의 파장에 따라 달라진다. 일부 실시예에서, 격자는 빔 결합기로도 사용될 수 있다.
- 다중 모드 간섭(multimode interference, MMI), 이는 광을 안내하는 공간적으로 불균일한 구조를 갖는 광 도파관이다. 즉, 광이 전파될 수 있는 공간 영역을 제한하기 위한 것이다. MMI는 예를 들어 통합된 광학 간섭계에서 광 빔을 분할하고 결합하기 위해 사용될 수 있다.
숙련된 기술자는 "파이버 커플러"또는 "커플러"라는 용어가 하나 이상의 입력 파이버 및 하나 또는 여러 출력 파이버를 갖는 광섬유 장치를 지칭할 수 있음을 인식할 것이다. 입력 파이버로부터의 광은 하나 이상의 출력에 나타날 수 있으며, 전력 분포는 잠재적으로 파장과 편광에 따라 달라진다.
숙련된 기술자는 "탭(tap)"이라는 용어가 50:50, 75:25, 90:10, 또는 99:1의 커플링 출력 비율을 위해 구성된 커플러를 지칭할 수 있음을 인식할 것이다. 파이버 태핑은 연결을 끊지 않고 광섬유에서 신호를 추출하는 네트워크 탭 방식을 사용할 수 있다. 광섬유를 태핑하면 광섬유 코어에서 전송되는 신호의 일부를 다른 파이버 또는 검출기로 전환할 수 있다.
숙련된 기술자는 "빔 간섭" 또는 "간섭"이라는 용어가 더 크거나, 더 낮거나, 또는 동일한 진폭의 결과적인 파형을 형성하기 위해 두 개 이상의 광파가 중첩되는 현상을 지칭할 수 있음을 인식할 것이다. 결과적인 파형이 두 개의 원본 중 하나보다 더 큰 상황은 "보강 간섭(constructive interference)"이라고 하며, 두 파형의 합이 두 파동보다 작은 경우, 단독으로도 0과 같을 수 있는 것을 "파괴 간섭(destructive interference)"이라고 한다.
숙련된 기술자는 "광학 증폭기"라는 용어가 일부 입력 신호를 수신하고 더 높은 광학 전력을 갖는 출력 신호를 생성하는 장치를 지칭할 수 있음을 인식할 것이다. 일부 실시예에서, 입력 및 출력은 자유 공간 또는 파이버에서 전파하는 레이저 빔이다. 증폭은 외부 소스로부터 "펌핑"(즉, 에너지가 제공됨)되어야 하는 소위 이득 매체에서 발생한다. 일부 실시예에서, 광학 증폭기는 광학적으로, 화학적으로 또는 전기적으로 펌핑된다.
숙련된 기술자는 용어 "다이크로닉 거울(dichroic mirror)"이 두 개의 상이한 파장에서 상당히 상이한 반사 또는 투과 특성을 갖는 거울을 지칭할 수 있음을 인식할 것이다.
숙련된 기술자는 용어 "시드 레이저"가 증폭기 또는 다른 레이저에 주입되는 출력인 레이저를 지칭할 수 있음을 인식할 것이다. 일반적인 유형의 시드 레이저는 소형 레이저 다이오드(단일 주파수 또는 이득 스위칭됨), 짧은 공동 파이버 레이저(short-cavity fiber laser) 및 비평면 링 오실레이터(nonplanar ring oscillator,　NPRO)와 같은 소형 고체 레이저이다.
이제, 본 발명의 일부 실시예에 따라 레이저 빔(1270)(더 구체적으로는 고전력 레이저 빔)을 제공하고 변조하도록 구성된 레이저 시스템(1200)을 도시한 도 2를 참조한다. 시스템(1200)은,
- 코히어런트 빔 결합(coherent beam combining, CBC) 시스템, 및
- CBC 시스템(1201)에게 적어도 하나의 입력 시드 빔을 제공하도록 구성된 적어도 하나의 시드 레이저 장치(1210)를 포함하고, 출력 레이저 빔(1270)은 CBC 시스템에 의해 선택적으로 제공된다.
본 발명의 일부 실시예에서, CBC 시스템의 컴포넌트는 많은 상이한 설계 및 구성으로 제공될 수 있으며, 이들 중 일부는 도 1에 도시된 바와 같이 비 제한적인 예를 위해 CBC 시스템(1101) 또는 도 2에 도시된 바와 같이 또 다른 비 제한적인 예를 위해 CBC 시스템(1201)으로 공지되어 있으며,
- 모두 CBC 포인트(1271)에서 보강 또는 파괴 빔 간섭을 가능하게 하도록 배열된, 시드 레이저 장치에 의해 제공되는 시드 빔, 복수의 광학 증폭기(1220), 적어도 하나의 빔 스플리터(1230) 및 선택적으로 적어도 하나의 빔 결합기(1240)(빔 코히어런트 결합은 임의의 결합기 없이 제공될 수 있으며, 예를 들어 자유 공간 시준됨; 도시되지 않음)을 구비한, 직접 또는 간접 광학 연결부(1202)(예를 들어 광섬유를 통해)로 구성된 복수의 위상 변조기(1250), 및
- CBC 포인트(1271)에서 빔 간섭을 모니터링하고 이에 따라 보강 또는 파괴 빔 간섭을 제공하기 위해 적어도 하나의 위상 변조기(1250)를 제어하도록 구성된 적어도 하나의 제어 회로(1260)를 포함한다.
일부 실시예에서, 레이저 시스템(1200)은 다음의 방법에 따라 출력 레이저 빔(1270)의 빠르고 효과적인 변조를 제공하도록 구성되며,
- 레이저 빔(1270)을 활성화하기 위해(즉, 레이저 빔(1270)이 "온"이어야 하는 경우), CBC 포인트(1271)에서 보강 간섭을 가능하게 하기 위해, 제어 회로(1260)를 통해, 위상 변조기(1250)를 제어함으로써, 출력 레이저 빔(1270)을 제공하는 단계,
- 레이저 빔(1270)을 비활성화하기 위해 (즉, 레이저 빔(1270)이 "오프"되어야하 하는 경우), CBC 포인트(1271)에서 파괴 간섭을 가능하게 하기 위해, 제어 회로(1260)를 통해, 위상 변조기(1250)를 제어함으로써, 출력 레이저 빔(1270)를 방지하는 단계를 포함한다.
일부 실시예에서, 보강 간섭을 가능하게 하기 위한 위상 변조기의 제어 단계는 CBC 포인트(1271)에서 레이저 빔에 최대 강도를 제공하도록 위상 변조기를 조정하는 단계를 포함한다.
- 일부 관련 실시예에서, 파괴 간섭을 가능하게 하기 위한 위상 변조기의 제어 단계는 이전에 조정된 빔에 반 위상(π)을 추가하기 위해 최대 빔 강도를 제공하도록 이전에 조정된 위상 변조기(1250)의 절반을 제어하는 단계를 포함한다.
- 다른 관련 실시예에 따르면, 파괴 간섭을 가능하게 하기 위한 위상 변조기의 제어 단계는 최대 빔 강도를 제공하도록 이전에 조정된 위상 변조기(1250)의 일부를 수정하는 단계를 포함하며, 수정은 동일하거나 서로 다를 수 있다.
- 일부 실시예에서, 레이저 강도가 최대 강도의 50%보다 크면 보강 간섭이 고려되며, 여기서 레이저 강도가 최대 강도의 약 100%이면 바람직하게는 보강 간섭이 고려된다. 일부 실시예에서, 레이저 강도가 최대 강도의 50% 이하이면 파괴 간섭이 고려되며, 여기서 레이저 강도가 최대 강도의 약 0%이면 바람직하게는 파괴 간섭이 고려된다.
일부 다른 관련 실시예에서, 방법은 최대 빔 강도를 제공하도록 (제어기(1250)를 통해) 조정된 위상 변조기의 일부를 수정함으로써 레이저 빔(1270)을 조정하는 단계를 더 포함하며, 여기서 수정은 출력 레이저 빔(1270)의 강도가 이전에 제공된 최대 강도의 0%와 100% 사이의 미리 결정된 백분율(예를 들어, 5%, 10%, 25%, 50%, 75%, 90%, 95% 또는 기타 백분율)과 같도록 구성된다.
일부 실시예에서, 파괴 간섭을 가능하게 하기 위해 제어기(1260)를 통한 위상 변조기의 제어 단계는 CBC 포인트(1271)에서 레이저 빔에게 최소 강도를 제공하도록 위상 변조기를 수정하는 단계를 포함한다.
이제 본 발명의 일부 실시예에 따라 레이저 빔(1370)(보다 구체적으로는 고전력 레이저 빔)을 제공하고 변조하도록 구성된 또 다른 레이저 시스템(1300)을 나타내는 도 3을 참조한다. 시스템(1300)은,
- 적어도 하나의 시드 레이저 장치(1310);
- 시드 레이저 장치의 시드 레이저 빔을 수신하고 그 대역폭을 변조하도록 구성된 고속 광학 변조기(fast optical modulator, FOM)(1316);
- 변조된 시드 빔을 수신하고 그에 따라 증폭된 레이저 빔(1370)을 제공하도록 구성된 코히어런트 빔 결합(coherent beam combining, CBC) 시스템(1301)을 포함한다.
일부 실시예에서, FOM(1316) 변조는 2개의 미리 결정된 대역폭, 제1 대역폭(Δω1) 또는 제2 대역폭(Δω2) 중에서 선택하도록 구성되며, 여기서 제2 대역폭은 제1 대역폭보다 크다(Δω2> Δω1).
일부 실시예에서, 제1 대역폭(Δω1)은 그것의 코히어런트 길이(Lc1)가 시스템의 상이한 채널들 사이의 광 경로 차이(optical path difference, OPD)의 RMS(root mean square)보다 길도록 선택되고(Lc1>OPD), 여기서 제2 대역폭(Δω2)은 그것의 코히어런트 길이(Lc2)가 시스템에서 상이한 채널들 사이의 OPD의 RMS보다 짧도록 선택된다(Lc2 < OPD).
본 발명의 일부 실시예에서, CBC 시스템의 컴포넌트는 많은 상이한 설계 및 구성으로 제공될 수 있으며, 이들 중 일부는 본 기술분야에서 공지되어 있으며, 비 제한적인 예로서 도 1에 도시된 바와 같은 CBC 시스템(1101)이 있거나, 또는 다른 비 제한적인 예로서 도 3에 도시된 바와 같은 CBC 시스템(1301)이 있으며,
- CBC 포인트(1371)에서 보강 또는 파괴 빔 간섭을 가능하게 하도록 모두 배치된, 시드 레이저 장치(1310)에 의해 제공되는 시드 빔, 복수의 광학 증폭기(1320), 적어도 하나의 빔 스플리터(1330), 및 선택적으로 적어도 하나의 빔 결합기(1340)(빔 결합은 임의의 결합기, 예를 들어 자유 공간 시준 없이 제공될 수 있으며, 도시되지 않음)을 구비하는 직접 또는 간접 광학 연결로 구성된 복수의 위상 변조기(1350), 및
- CBC 포인트(1371)에서 빔 간섭을 모니터링하고, 그에 따라 보강 또는 파괴 빔 간섭을 제공하기 위해 위상 변조기(1350) 중 적어도 하나를 제어하도록 구성된 적어도 하나의 제어 회로(1360)를 포함한다.
일부 실시예에서, 레이저 시스템(1300)은,
ㆍ 레이저 빔(1370)을 활성화하기 위해, CBC 포인트(1371)에서, 보강 간섭을 가능하게 하도록 구성된 좁은 대역폭(Δω1)을 가진 시드 레이저 빔을 제공하기 위해 FOM(1316)을 제어함으로써 출력 레이저 빔(1370)을 제공하는 단계;
ㆍ 레이저 빔(1370)을 비활성화하기 위해, CBC 포인트(1371)에서 보강 간섭을 비활성화하도록 구성된 넓은 대역폭(Δω2, 여기서 Δω2 > Δω1)을 가진 시드 레이저 빔을 제공하기 위해 FOM(1316)을 제어함으로써 출력 레이저 빔(1370)을 방지하는 단계를 포함하는 방법에 따라 출력 레이저 빔(1370)의 빠르고 효과적인 변조를 제공하도록 구성된다.
일부 실시예에서, 좁은 대역폭을 가진 시드 레이저 빔을 제공하기 위해 FOM(1316)을 제어하는 단계는 CBC 포인트(1371)에서 보강 간섭을 가능하게 하기 위해, 제어 회로(1360)를 통해, 위상 변조기(1350)를 제어하는 단계를 더 포함한다.
일부 실시예에서, 보강 빔 간섭을 제공하기 위해 위상 변조기를 제어하는 단계는 최대 강도로 보강 빔 간섭을 제공하기 위해 위상 변조기를 조정하는 단계를 포함한다.
일부 실시예에서, 레이저 강도가 최대 강도의 50%보다 크면, 보강 간섭이 고려되며, 여기서 레이저 강도가 최대 강도의 약 100%이면, 바람직하게는 보강 간섭이 고려된다. 일부 실시예에서, 레이저 강도가 최대 강도의 50% 이하이면, 파괴 간섭이 고려되며, 여기서 레이저 강도가 최대 강도의 약 0%이면, 바람직하게는 파괴 간섭이 고려된다.
일부 실시예에서, FOM(1316)의 제어는 CBC 시스템(1301)의 적어도 하나의 제어 회로(1360)에 의해 제공된다. 다른 실시예에 따르면, FOM(1316)의 제어는 CBC 시스템(1301)의 FOM(1316) 및 적어도 하나의 제어 회로(1360) 모두를 제어하도록 구성된 상위 제어 회로(1361)에 의해 제공된다.
이제 본 발명의 일부 실시예에 따라 레이저 빔(1470)(더 구체적으로는 고전력 레이저 빔)을 제공하고 변조하도록 구성된 또 다른 레이저 시스템(1400)을 나타내는 도 4를 참조한다. 시스템(1400)은,
- 시드 레이저 빔을 수신하고 그에 따라 증폭된 레이저 빔(1470)을 제공하도록 구성된 코히어런트 빔 결합(CBC) 시스템(1401);
- 제1 파장(λ1)을 갖는 제1 시드 빔을 제공하도록 구성된 제1 시드 레이저 장치(1410);
- 제1 파장과 다른 제2 파장(λ2)(λ2 ≠ λ1)을 갖는 제2 시드 빔을 제공하도록 구성된 제2 시드 레이저 장치(1411); 및
- 제1 및 제2 시드 레이저 빔 중 하나만을 CBC 시스템(1401)에 링크시키도록 구성된 광학 스위치(1415)를 포함하고,
출력 레이저 빔(1470)은 그에 따라 CBC 시스템(1401)에 의해 제공된다.
본 발명의 일부 실시예에서, CBC 시스템의 컴포넌트는 많은 상이한 설계 및 구성으로 제공될 수 있고, 이들 중 일부는 본 기술분야에서 공지되어 있으며, 비 제한적인 예로서 도 1에 도시된 바와 같은 CBC 시스템(1101), 또는 다른 비 제한적인 예로서 도 4에 도시된 바와 같은 CBC 시스템(1401)이 있으며, CBC 시스템(1401)은,
- CBC 포인트(1471)에서 보강 빔 간섭을 가능하게 하도록 모두 배치된, 링크된 (제1 또는 제2) 시드 레이저 빔, 복수의 광학 증폭기(1420), 적어도 하나의 빔 스플리터(430) 및 선택적으로 적어도 하나의 빔 결합기(1440)(빔 결합은 임의의 결합기, 예를 들어 자유 공간 시준 없이 제공될 수 있으며, 도시되지 않음)를 구비한 직접 또는 간접 광학 연결로 구성된 복수의 위상 변조기(1450), 및
- CBC 포인트(1471)에서 빔 간섭을 모니터링하고 그에 따라 위상 변조기 중 적어도 하나를 제어하도록 구성된 적어도 하나의 제어 회로(1460)를 포함한다.
일부 실시예에서, 위상 변조기(1450)가 제1 파장(λ1)에 기초하여 보강 간섭을 허용하도록 조정되는 경우, CBC 포인트(1471)에서 보강 빔 간섭을 제공할 수 없도록 제2 파장(λ2)이 선택된다.
일부 실시예에서, 적어도 하나의 빔 결합기(1440)는 파장에 민감하여 특정 파장, 즉 제1 파장(λ1)을 갖는 빔을 결합하고 제2 파장(λ2)을 포함하여 다른 파장을 갖는 빔을 산란시키도록 구성된 회절 광학 요소(diffractive optical element, DOE)이다. 이러한 결합기에 대한 비 제한적인 예는 결합된 빔 사이의 최적 각도가 파장에 매우 민감한 담만 격자(Dammann grating)이다. 따라서, 빔은 제1 파장(λ1)을 갖는 제1 시드 레이저 빔에 대한 최대 결합 효율을 달성하도록 배열된다. 따라서, 시드 레이저 빔이 제2 파장(λ2, 여기서 λ2 ≠ λ1)을 갖는 제2 레이저 빔으로 스위칭되는 경우, 결합 효율이 떨어지므로 출력 빔(1470)이 비활성화된다.
일부 실시예에서, 레이저 시스템(1400)은,
ㆍ 레이저 빔(1470)을 활성화하기 위해, 제1 시드 빔을 CBC 시스템(1401)에 링크시키도록 광학 스위치(1415)를 제어하고, CBC 포인트(1471)에서 보강 간섭을 가능하게 함으로써 출력 레이저 빔(1470)을 제공하기 위해 제어 회로(1460)를 통해 위상 변조기(1450)를 제어하는 단계,
ㆍ 레이저 빔(1470)을 비활성화하기 위해, (위상 변조기(1450)를 수정하지 않고) 제2 시드 빔을 CBC 시스템(1401)에 링크시킴으로써, CBC 포인트(1471)에서 보강 간섭을 비활성화하고 출력 레이저 빔(1470)을 방지하기 위해 광학 스위치(1415)를 제어하는 단계를 포함하는 방법에 따라 출력 레이저 빔(1470)의 빠르고 효과적인 변조를 제공하도록 구성된다.
명확히 하기 위해, 레이저 빔(1470)을 활성화한 후, 위상 변조기(1450)는 제1 시드 레이저 빔(1410)의 제1 파장(λ1)에 기초하여 CBC 포인트(1471)에서 보강 간섭을 가능하게 하도록 조정됨에 따라, 광학 스위치(1415)가 제2 파장(λ2, λ2 ≠ λ1)을 갖는 제2 시드 레이저 빔을 링크시키는 경우, 위상 변조기(1450)가 재조정되지 않으므로, 보강 간섭이 발생하지 않아 비활성화된다. 따라서, 광학 스위치(1415)가 제1 파장(λ1)을 갖는 제1 시드 레이저 빔을 다시 링크시키는 경우, 위상 변조기(1450)가 이미 조정되어 있다.
일부 실시예에서 λ1 및 λ2는 이들의 차이(λ2 ≠ λ1)가 상기한 실시예 및 이들의 선택된 특징에 따라 빔 활성화 및 비활성화를 허용하도록 선택된다.
일부 실시예에서, 보강 빔 간섭을 제공하기 위해 위상 변조기(1450)를 제어하는 단계는 최대 강도로 보강 빔 간섭을 제공하기 위해 위상 변조기를 조정하는 단계를 포함한다.
일부 실시예에서, 레이저 강도가 최대 강도의 50%보다 크면, 보강 간섭이 고려되며, 여기서 레이저 강도가 최대 강도의 약 100%이면, 바람직하게는 보강 간섭이 고려된다. 일부 실시예에서, 레이저 강도가 최대 강도의 50% 이하이면, 파괴 간섭이 고려되며, 여기서 레이저 강도가 최대 강도의 약 0%이면, 바람직하게는 파괴 간섭이 고려된다.
일부 실시예에서, 광학 스위치(1415)의 제어는 CBC 시스템(1401)의 적어도 하나의 제어 회로(1460)에 의해 제공된다. 다른 실시예에 따르면, 광학 스위치(1415)의 제어는 CBC 시스템(1401)의 광학 스위치(1415) 및 적어도 하나의 제어 회로(1460) 둘 다를 제어하도록 구성된 상위 제어 회로(1461)에 의해 제공된다.
이제, 본 발명의 일부 실시예에 따라, 레이저 빔(1570)(더 구체적으로는 고전력 레이저 빔)을 제공하고 변조하도록 구성된 레이저 시스템(1500)을 보여주는 도 5를 참조한다. 시스템(1500)은,
- 시드 레이저 빔을 수신하고 그에 따라 증폭된 레이저 빔을 제공하도록 구성된 코히어런트 빔 결합(CBC) 시스템(1501);
- 좁은 대역폭(Δω1)을 갖는 제1 시드 레이저 빔을 제공하도록 구성된 제1 시드 레이저 장치(1510);
- 제1 파장(여기서 Δω2 > Δω1)보다 큰 넓은 대역폭(Δω2)을 갖는 제2 시드 레이저 빔을 제공하도록 구성된 제2 시드 레이저 장치(1511); 및
- 제1 및 제2 시드 레이저 빔 중 하나만을 CBC 시스템(1501)에 링크시키도록 구성된 광학 스위치(1515)를 포함하며,
여기서 좁은 대역폭(Δω1)은 CBC 시스템(1501)의 CBC 포인트(1571)에서 보강 빔 간섭을 가능하게 하도록 구성되고, 넓은 대역폭(Δω2)은 CBC 포인트(1571)에서 보강 빔 간섭을 비활성화되도록 구성되며, 그에 따라 출력 레이저 빔(1570)은 CBC 시스템(1501)에 의해 제공된다.
일부 실시예에서, 제1 대역폭(Δω1)은 코히어런트 길이(Lc1)가 시스템 내의 상이한 채널들 사이의 광경로 차이(optical path difference, OPD)의 RMS보다 길도록 선택되며(Lc1 > OPD), 여기서 제2 대역폭(Δω2)은 코히어런트 길이(Lc2)가 시스템 내의 상이한 채널들 사이의 OPD의 RMS보다 짧도록 선택된다(Lc2 < OPD)).
본 발명의 일부 실시예에서, CBC 시스템의 컴포넌트는 많은 상이한 설계 및 구성으로 제공될 수 있으며, 이들 중 일부는 본 기술분야에서 공지되어 있고, 비 제한적인 예로서 도 1에 도시된 바와 같은 CBC 시스템(1101), 또는 다른 비 제한적인 예로서 도 5에 도시된 바와 같은 CBC 시스템(1501)이 있으며, CBC 시스템(1501)은,
- CBC 포인트(1571)에서 보강 빔 간섭을 가능하게 하도록 모두 배치된, 링크된 (제1 또는 제2) 시드 레이저 빔, 복수의 광학 증폭기(1520), 적어도 하나의 빔 스플리터(1530) 및 선택적으로 적어도 하나의 빔 결합기(1540)(빔 결합은 임의의 결합기, 예를 들어 자유 공간 시준 없이 제공될 수 있으며, 도시되지 않음)를 구비한 직접 또는 간접 광학 연결로 구성된 복수의 위상 변조기(1550), 및
- CBC 포인트(1571)에서 빔 간섭을 모니터링하고 그에 따라 위상 변조기 중 적어도 하나를 제어하도록 구성된 적어도 하나의 제어 회로(1560)를 포함한다.
일부 실시예에서, 레이저 시스템(1500)은,
ㆍ 레이저 빔(1570)을 활성화하기 위해, 제1 시드 레이저 빔을 CBC 시스템(1501)에 링크시킴으로써 CBC 포인트(1571)에서 보강 간섭을 가능하게 하고, 출력 레이저 빔(1570)을 제공하기 위해 광학 스위치(1515)를 제어하는 단계;
ㆍ 레이저 빔(1570)을 비활성화하기 위해, 제2 시드 레이저 빔을 CBC 시스템(1501)에 링크시킴으로써 CBC 포인트(1571)에서 보강 간섭을 비활성화하고, 출력 레이저 빔(1570)을 방지하기 위해 광학 스위치(1515)를 제어하는 단계
를 포함하는 방법에 따라 출력 레이저 빔(1570)의 빠르고 효과적인 변조를 제공하도록 구성된다.
일부 실시예에서, 활성화 단계는 CBC 포인트(1571)에서 보강 간섭을 가능하게하기 위해 제어기(1560)를 통해 위상 변조기(1550)를 제어하는 단계를 더 포함한다.
일부 실시예에서, 보강 빔 간섭을 제공하기 위해 위상 변조기(1550)를 제어하는 단계는 최대 강도로 보강 빔 간섭을 제공하기 위해 위상 변조기를 조정하는 단계를 포함한다.
일부 실시예에서, 레이저 강도가 최대 강도의 50%보다 크면, 보강 간섭이 고려되며, 여기서 레이저 강도가 최대 강도의 약 100%이면, 바람직하게는 보강 간섭이 고려된다. 일부 실시예에서, 레이저 강도가 최대 강도의 50% 이하이면, 파괴 간섭이 고려되며, 여기서 바람직하게는 레이저 강도가 최대 강도의 약 0%이면, 파괴 간섭이 고려된다.
일부 실시예에서, 광학 스위치(1515)의 제어는 CBC 시스템(1501)의 적어도 하나의 제어 회로(1560)에 의해 제공된다. 다른 실시예에 따르면, 광학 스위치(1515)의 제어는 CBC 시스템(1501)의 광학 스위치(1515) 및 적어도 하나의 제어 회로(1560) 모두를 제어하도록 구성된 상위 제어 회로(1561)에 의해 제공된다.
이제 본 발명의 일부 실시예에 따라 레이저 빔(1670A/1670C)(보다 구체적으로 고전력 레이저 빔)을 제공하고 변조하도록 구성된 레이저 시스템(1600A/1600C)을 보여주는 도 6a 및 6c를 참조한다.
도 6a에 도시된 바와 같이, 시스템(1600A)은,
- 시드 빔을 수신하고 증폭된 레이저 빔(1672A)을 제공하도록 구성된 코히어런트 빔 결합(CBC) 시스템(1601A);
- 제1 파장(λ1)을 갖는 제1 시드 빔을 제공하도록 구성된 제1 시드 레이저(1610);
- 제1 파장과 다른 제2 파장(λ2)(λ2 ≠ λ1)을 갖는 제2 시드 빔을 제공하도록 구성된 제2 시드 레이저(1611);
- 제1 및 제2 시드 빔 중 하나만을 CBC 시스템(1601A)에 링크시키도록 구성된 광학 스위치(1615); 및
- 증폭된 레이저 빔(1672A)을 수신하고, 제1 파장(λ1)을 갖는 빔을 레이저 시스템(1600A)의 출력으로 전송하며, 제2 파장(λ2)을 갖는 빔을 반사하여 출력 레이저 빔을 선택적으로 제공하도록 구성된 다이크로익 미러(1680A)를 포함한다.
일부 실시예에서, 제1 파장(λ1), 제2 파장(λ2) 및 다이크로익 미러(1680A)는 다이크로익 미러(1680A)가 제1 파장(λ1)을 갖는 경우 빔의 50% 이상(바람직하게는 약 100%)을 통과하고, 제2 파장(λ2)을 갖는 경우 빔의 50% 이상(바람직하게는 약 100%)를 반사하도록 선택된다.
도 6c에 도시된 바와 같이, 시스템(1600C)은,
- 시드 빔을 수신하고 증폭된 레이저 빔(1672C)을 제공하도록 구성된 코히어런트 빔 결합(CBC) 시스템(1601C);
- 제1 파장(λ1)을 갖는 제1 시드 빔을 제공하도록 구성된 제1 시드 레이저(1610);
- 제1 파장과 다른(λ2 ≠ λ1) 제2 파장(λ2)을 갖는 제2 시드 빔을 제공하도록 구성된 제2 시드 레이저(1611);
- 제1 및 제2 시드 빔 중 하나만을 CBC 시스템(1601C)에 링크시키도록 구성된 광학 스위치(1615); 및
- 증폭된 레이저 빔(1672C)을 수신하고, 제1 파장(λ1)을 갖는 빔을 레이저 시스템(1600C)의 출력으로 전송하며, 제2 파장(λ2)을 갖는 빔을 반사하여 출력 레이저 빔(1670C)을 선택적으로 제공하도록 구성된 다이크로익 미러(1680C)를 포함한다.
일부 실시예에서, 제1 파장(λ1), 제2 파장(λ2) 및 다이크로익 미러(1680C)는 다이크로익 미러(1680A)가 제1 파장(λ1)을 갖는 경우 빔의 50% 이상(바람직하게는 약 100%)을 통과하고, 제2 파장(λ2)을 갖는 경우 빔의 50% 이상(바람직하게는 약 100%)를 반사하도록 선택된다.
본 발명의 일부 실시예에서, CBC 시스템의 컴포넌트는 많은 상이한 설계 및 구성으로 제공될 수 있으며, 이들 중 일부는 본 기술분야에서 공지되어 있고, 비 제한적인 예로서 도 1에 도시된 바와 같은 CBC 시스템(1101), 또는 다른 비 제한적인 예로서 도 6a에 도시된 바와 같은 CBC 시스템(1601A)이 있으며, CBC 시스템(1601A)은,
- CBC 포인트(1671A)에서 보강 빔 간섭을 가능하도록 모두 배치된, 링크된 (제1 또는 제2) 시드 빔, 복수의 광학 증폭기(1620), 적어도 하나의 빔 스플리터(1630) 및 적어도 하나의 빔 결합기(1640)를 구비한 (직접 또는 간접) 광학 연결로 구성된 복수의 위상 변조기(1650); 및
- CBC 포인트(1671A)에서 빔 간섭을 모니터링하고 그에 따라 위상 변조기 중 적어도 하나를 제어하도록 구성된 적어도 하나의 제어 회로(1660)를 포함한다.
일부 실시예에서, 적어도 하나의 빔 결합기(1640)를 포함하는 도 6a에 도시된 바와 같은 CBC 시스템 구성(1601A)의 경우, 다이크로익 미러(1680A)는 CBC 포인트(1671A)를 넘어 배치될 수 있다. 일부 실시예에서, 다이크로익 미러(1680A)는 CBC 포인트 전에 배치될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, CBC 시스템 구성(1601C)은 도 6c에 도시된 바와 같이,
- 빔 결합이 자유 공간(자유 공간 시준됨)에서 발생하도록 구성된 경우, 본 개시에서는 원거리에서 제공된, CBC 포인트(1671C)에서 보강 빔 간섭을 가능하게 하도록 모두 배치된, 링크된 (제1 또는 제2) 시드 빔, 복수의 광학 증폭기(1620), 적어도 하나의 빔 스플리터(1630)를 구비한 (직접 또는 간접) 광학 연결로 구성된 복수의 위상 변조기(1650); 및
- CBC 포인트(1671C)에서 빔 간섭을 모니터링하고 그에 따라 위상 변조기 중 적어도 하나를 제어하도록 구성된 적어도 하나의 제어 회로(1660)를 포함한다.
도 6c에서 제시된 실시예에 따르면, 다이크로익 미러(1680C)는 CBC 포인트(1671C) 전에 배치된다.
일부 실시예에서, 도 6a 및 6c에서 도시된 구성 모두의 레이저 시스템(1600A/1600C)은,
ㆍ 레이저 빔(1670A/1670C)을 활성화하기 위해, 제1 시드 레이저 빔을 CBC 시스템(1601A/1601C)에 링크시킴으로써 출력 레이저 빔(1670A/1670C)을 전송하여 제공하도록 광학 스위치(1615)를 제어하는 단계;
ㆍ 레이저 빔(1670A/1670C)을 비활성화하기 위해, 제2 시드 레이저 빔을 CBC 시스템(1601A/1601C)에 링크시킴으로써 출력 레이저 빔(1670A/1670C)을 반사하여 회피하도록 광학 스위치(1615)를 제어하는 단계
를 포함하는 방법에 따라 출력 레이저 빔(1670A/1670C)의 빠르고 효과적인 변조를 제공하도록 구성된다.
일부 실시예에서, 방법은 보강 간섭을 가능하게 하기 위해 제어 회로(1660)를 통해 위상 변조기(1650)를 제어하는 단계를 더 포함한다. 일부 실시예에서, 위상 변조기를 제어하는 이러한 단계는 레이저 빔을 활성화하는 단계 동안에만 발생할 수 있으며, 비활성화 중에 위상 변조가 발생하지 않을 수 있다.
일부 실시예에서, 보강 빔 간섭을 제공하기 위해 위상 변조기(1650)를 제어하는 단계는 최대 강도로 보강 빔 간섭을 제공하기 위해 위상 변조기를 조정하는 단계를 포함한다.
일부 실시예에서, 레이저 강도가 최대 강도의 50%보다 크면, 보강 간섭이 고려되며, 여기서 바람직하게는 레이저 강도가 최대 강도의 약 100%이면, 보강 간섭이 고려된다. 일부 실시예에서, 레이저 강도가 최대 강도의 50% 이하이면, 파괴 간섭이 고려되며, 여기서 바람직하게는 레이저 강도가 최대 강도의 약 0%이면, 파괴 간섭이 고려된다.
일부 실시예에서, 광학 스위치(1615)의 제어는 CBC 시스템(1601A/1601C)의 적어도 하나의 제어 회로(1660)에 의해 제공된다. 다른 실시예에 따르면, 광학 스위치(1615)의 제어는 CBC 시스템(1601A/1601C)의 광학 스위치(1615) 및 적어도 하나의 제어 회로(1660) 모두를 제어하도록 구성된 상위 제어 회로(1661)에 의해 제공된다.
이제 레이저 빔(1670B)을 제공하고 변조하도록 구성된 레이저 시스템(1600B)을 나타내는 도 6b를 참조한다. 시스템(1600B)은,
- 시드 빔을 수신하고 증폭된 레이저 빔(1672B)을 제공하도록 구성된 마스터 오실레이터 전력 증폭기(master oscillator power amplifier, MOPA)(1620B);
- 제1 파장(λ1)을 갖는 제1 시드 레이저 빔을 제공하도록 구성된 제1 시드 레이저(1610B);
- 제1 파장(λ2 ≠ λ1)과 다른 제2 파장(λ2)을 갖는 제2 시드 레이저 빔을 제공하도록 구성된 제2 시드 레이저(1611B);
- 제1 및 제2 시드 레이저 빔 중 하나만을 MOPA(1620B)에 링크시키도록 구성된 광학 스위치(1615B); 및
- 증폭된 레이저 빔(1672B)을 수신하고, 제1 파장(λ1)을 갖는 빔을 레이저 시스템(1600B)의 출력으로 전송하며, 제2 파장(λ2)을 갖는 빔을 반사하여 출력 레이저 빔(1670B)을 선택적으로 제공하도록 구성된 다이크로익 미러(1680B)를 포함한다.
레이저 시스템(1600B)은,
ㆍ 레이저 빔(1670B)을 활성화하기 위해, 제1 시드 빔을 MOPA(1620B)에 링크시킴으로써 레이저 빔(1670B)을 전송하여 제공하도록 광학 스위치(1615B)를 제어하는 단계;
ㆍ 레이저 빔(1670B)을 비활성화하기 위해, 제2 시드 빔을 MOPA(1620B)에 링크시킴으로써 레이저 빔(1670B)을 반사하여 회피하도록 광학 스위치(1615B)를 제어하는 단계를 포함하는 방법에 따라 출력 레이저 빔(1670B)의 빠르고 효과적인 변조를 제공하도록 구성된다.
일부 실시예에서 λ1 및 λ2는 이들의 차이(λ2 ≠ λ1)가 상기한 실시예 및 이들의 선택된 특징에 따라 빔 활성화 및 비활성화를 허용하도록 선택된다.
이제, 본 발명의 일부 실시예에 따라 레이저 빔(1770)(보다 구체적으로는 고전력 레이저 빔)을 제공하고 변조하도록 구성된 레이저 시스템(1700A)을 나타내는도 7a를 참조한다. 시스템(1700A)은,
- 적어도 하나의 시드 레이저 장치(1710);
- 시드 레이저 장치의 시드 레이저 빔을 수신하고 그 편광 방향(출력 빔은 참조 번호 1718로 표시됨)을 변조하도록 구성된 광학 편광 결합기(optical polarization combiner, OPC)(1717) ― 변조는 시드 빔에 적어도 2개의 편광 성분을 제공하는 것을 포함하며, 편광 성분 중 하나는 미리 결정된 편광 방향(P1)을 포함함 ―;
- 편광 변조된 시드 레이저 빔(1718)을 수신하고 증폭된 레이저 빔(1772)을 제공하도록 구성된 코히어런트 빔 결합(CBC) 시스템(1701); 및
- 증폭된 레이저 빔(1772)을 수신하고, 미리 결정된 편광 방향(P1)을 갖는 빔만을 레이저 시스템(1700A)의 출력으로 전송하고 다른 편광 방향을 갖는 빔은 반사함으로써 선택적으로 레이저 빔(1770)을 제공하도록 구성된 편광 빔 스플리터(polarization beam splitter, PBS)(1790)를 포함하고,
출력 레이저 빔(1770)은 그에 따라 CBC 시스템(1701)을 통해 제공된다.
본 발명의 일부 실시예에서, CBC 시스템의 컴포넌트는 많은 상이한 설계 및 구성으로 제공될 수 있으며, 이들 중 일부는 본 기술분야에서 공지되어 있으며, 비 제한적인 예로서 도 1에 도시된 바와 같은 CBC 시스템(1101), 또는 다른 비 제한적인 예로서 도 7에 도시된 바와 같은 CBC 시스템(1701)이 있으며, CBC 시스템(1701)은,
- CBC 포인트(1771)에서 보강 빔 간섭을 가능하게 하도록 모두 배열된, 편광 변조 시드 빔(1718), 복수의 광학 증폭기(1720), 적어도 하나의 빔 스플리터(1730), 및 선택적으로 적어도 하나의 빔 결합기(1740)를 구비한 (직접 또는 간접) 광학 연결로 구성된 복수의 위상 변조기(1750); 및
- CBC 포인트(1771)에서 빔 간섭을 모니터링하고 그에 따라 위상 변조기 중 적어도 하나를 제어하도록 구성된 적어도 하나의 제어 회로(1760)를 포함한다.
일부 실시예에서, 레이저 시스템(1700A)은,
ㆍ 레이저 빔(1770)을 활성화하기 위해, 시드 레이저 빔의 전체 강도의 50%보다 큰(바람직하게는 약 100%) 강도(I1)를 갖는 미리 결정된 편광 방향(P1)을 갖는 빔 성분을 제공함으로써 출력 레이저 빔(1770)을 제공하기 위해 OPC(1717)을 제어하는 단계;
ㆍ 레이저 빔(1770)을 비활성화하기 위해, 시드 레이저 빔의 전체 강도의 50% 이하(바람직하게는 약 0%)의 강도(I1)로 미리 결정된 편광 방향(P1)을 갖는 빔 성분을 제공함으로써 출력 레이저 빔(1770)을 회피하기 위해 OPC(1717)을 제어하는 단계를 포함하는 방법에 따라 출력 레이저 빔(1770)의 빠르고 효과적인 변조를 제공하도록 구성된다.
일부 실시예에서, 그 방법은 OPC(1717)을 제어하여 시드 레이저 빔의 전체 강도의 미리 결정된 퍼센트와 동일한 강도(I1)의 미리 결정된 편광 방향(P1)을 갖는 빔 성분을 제공함으로써 레이저 빔을 조정하는 단계를 더 포함한다.
일부 실시예에서, 그 방법은 제어 회로(1760)를 통해 CBC 포인트(1771)에서 보강 간섭을 가능하게 하기 위해 위상 변조기(1750)를 제어하는 단계를 더 포함한다. 일부 실시예에서, 위상 변조기를 제어하는 이러한 단계는, 레이저 빔을 활성화하는 단계 중에만 발생할 수 있으며, 비활성화하는 동안 변조가 발생하지 않을 수 있다.
일부 실시예에서, 보강 빔 간섭을 제공하기 위해 위상 변조기(1750)를 제어하는 단계는 최대 강도로 보강 빔 간섭을 제공하기 위해 위상 변조기를 조정하는 단계를 포함한다.
일부 실시예에서, 레이저 강도가 최대 강도의 50%보다 크면, 보강 간섭이 고려되며, 여기서 레이저 강도가 최대 강도의 약 100%이면, 바람직하게는 보강 간섭이 고려된다. 일부 실시예에서, 레이저 강도가 최대 강도의 50% 이하이면, 파괴 간섭이 고려되며, 여기서 레이저 강도가 최대 강도의 약 0%이면, 바람직하게는 파괴 간섭이 고려된다.
일부 구현예에서, 그리고 도 8a 및 도 8b에 도시된 바와 같이, 광학 편광 결합기(OPC)(1717)는,
- 제1 편광 방향(P1)을 갖는 입력 빔을 수신하고 제1 편광 방향(P1) 및 제1 강도(I1)를 갖는 제1 빔(B1(I1, P1)) 및 제1 편광 방향(P1) 및 제2 강도(I2)를 갖는 제2 빔(B2(I2, P1))을 출력하도록 구성된 빔 스플리팅 어셈블리(1820) ― 제1 및 제2 강도의 합(I1 + I2)은 입력 시드 빔의 강도와 동일함 ―;
- 빔 스플리팅 어셈블리(1820) 출력 빔(B1 또는 B2) 중 하나를 수신하고 그것의 편광을 S로부터 P로 또는 P로부터 S로 변환함으로써 P1 ≠ P2가 되도록 구성된 편광 변환기(1830) ― 예를 들어, B2의 편광의 경우, B1(I1, P1) 및 B2(I2, P2)가 변환되거나(도 8a 및 8b에 도시된 바와 같음), 또는 다른 예를 들어, B1의 편광의 경우, B1(I1, P2) 및 B2(I2, P1)이 변환된(도시되지 않음) ―; 및
- 제1 출력 빔(B1(I1, P1)) 및 제2 변환된 출력 빔(B2(I2, P2))을 수신하고 이들을 CBC 시스템(1701)에 대한 입력으로서 제공되는 제3 빔으로 결합하도록 구성된 편광 빔 스플리터(polarization beam splitter, PBS)(840A)(도 8a에 도시된 바와 같음); 또는, 제1 출력 빔(B1(I1, P1)) 및 제2 변환된 출력 빔(B2(I2, P2))을 수신하고, 이들을 결합(중첩)하며, 그 후 그들을 2개의 출력 빔으로 스플릿하도록 구성된 커플러(1840B)(도 8b에 도시된 바와 같음) ― 2개의 출력 빔 중 하나만이 CBC 시스템(1701)에 대한 입력으로서 제공됨 ―를 포함한다. 일부 실시예에서, 다른 출력 빔은 다른 시스템에 의해 사용될 수 있다.
일부 실시예에서, 빔 스플리팅 어셈블리(1820)은,
- 입력 빔을 수신하고 입력 빔을 2개의 출력 빔으로 스플릿하도록 구성된 빔 스플리터(1821) ― 일부 실시예에서, 2개의 출력 빔의 강도 사이의 관계는 일정함 ―;
- 2개의 빔 중 하나의 위상을 변조하도록 구성된 위상 변조기(1822);
- (빔 중 하나의 위상을 변조한 후) 2개의 빔을 수신하고 두 위치(1823A 및 1823B)에서 그들의 간섭을 제공함으로써 제1 출력 빔(B1(I1, P1)) 및 제2 출력 빔(B2(I2, P1))을 제공하도록 구성된 커플러(1823);
- TAP(1824) 및 다이오드(1825)를 통해 2개의 간섭 위치 중 하나(1823A)를 모니터링하고, 그에 따라 모니터링된 위치(1823A)에서 보강 또는 파괴 빔 간섭을 가능하게 하도록 위상 변조기(1822)를 제어하도록 구성된 전자 제어기(1826) ― 비 모니터링 간섭 위치(1823B)는 이에 의해 각각 파괴 또는 보강 빔 간섭이 제공되고, 이에 의해 제1 강도(I1)를 결정함 ―를 포함하며,
여기서 OPC(1717)를 제어하는 방법 단계는 (제어기(1826)를 통해) 위상 변조기(1822)를 제어하는 단계를 포함한다.
일부 실시예에서, OPC(1717)의 제어는 CBC 시스템(1701)의 적어도 하나의 제어 회로(1760)에 의해 제공된다. 다른 실시예에 따르면, 광학 스위치(1717)의 제어는 CBC 시스템(1701)의 광학 스위치(1717) 및 적어도 하나의 제어 회로(11760) 모두를 제어하도록 구성된 상위 제어 회로(761)에 의해 제공된다.
이제 본 발명의 일부 실시예에 따라 레이저 빔(1770B)을 제공하고 변조하도록 구성된 레이저 시스템(1700B)을 나타내는 도 7b를 참조한다. 시스템(11700B)은,
- 시드 레이저 장치(710B);
- 시드 레이저 장치의 시드 레이저 빔을 수신하고 그 편광 방향(그 출력 빔은 참조 번호 1718B로 표시됨)을 변조하도록 구성된 광학 편광 결합기(OPC)(1717) ― 변조는 적어도 2개의 편광 성분을 갖는 시드 빔을 제공하는 것을 포함하고, 편광 성분 중 하나는 미리 결정된 편광 방향(P1)을 포함함 ―;
- 시드 빔을 수신하고 증폭된 레이저 빔(1772B)을 제공하도록 구성된 마스터 오실레이터 전력 증폭기(MOPA)(1720B); 및
- 증폭된 레이저 빔(1772B)을 수신하고, 미리 결정된 편광 방향(P1)을 갖는 빔만을 레이저 시스템(1700B)의 출력으로 전송하고 다른 편광 방향을 갖는 빔을 반사함으로써 출력 레이저 빔(1770B)을 선택적으로 제공하도록 구성된 편광 빔 스플리터(PBS)(1790B)를 포함한다.
레이저 시스템(1700B)은,
ㆍ 레이저 빔(1770B)을 활성화하기 위해, 빔의 전체 강도의 50%보다 큰(바람직하게는 약 100%) 강도(I1)로 미리 결정된 편광 방향(P1)을 갖는 빔 성분을 제공함으로써 레이저 빔(1770B)을 제공하기 위해 OPC(1717)을 제어하는 단계;
ㆍ 레이저 빔(1770B)을 비활성화하기 위해, 빔의 전체 강도의 50% 이하(바람직하게는 약 0%)의 강도(I1)로 미리 결정된 편광 방향(P1)을 갖는 빔 성분을 제공함으로써 레이저 빔(1770B)을 회피하기 위해 OPC(1717)를 제어하는 단계
를 포함하는 방법에 따라 출력 레이저 빔(1770B)의 빠르고 효과적인 변조를 제공하도록 구성된다.
본 발명의 모든 실시예는 두 변조 상태(빔 "온"/빔 "오프") 동안 시드 레이저 및 CBC 시스템(및 그 다양한 컴포넌트)을 활성 상태로 유지함으로써 배경에서 설명된 바와 같이 시드 빔 "셔팅(shutting)" 또는 "차단"에서 발생할 수 있는 손상을 방지할 수 있는 레이저 변조 방법 및/또는 시스템을 제공한다는 점에 유의한다.
본 발명의 일부 실시예에서, 상기한 레이저 변조 방법 및/또는 시스템(1200, 1300, 1400, 1500, 1600A, 1600B, 1600C, 1700A, 1700B)은 그들의 제어기를 통해 제어될 수 있고, 준 레이저의 연속파(QCW) 작동은 최대 10GHz(예를 들어, 10MHz, 100MHz, 1GHz, 10GHz, 100GHz 및 이들의 임의의 조합)의 매우 높은 주파수에서 레이저 수단의 QCW(quasi continuous wave) 작동을 위해 사용될 수 있으며, 스위칭 요소의 제한에 따라 달라진다. 본 발명의 일부 실시예에서, 상기한 레이저 변조 방법 및/또는 시스템(1200, 1300, 1400, 1500, 1600A, 1600B, 1600C, 1700A, 1700B)은 제어기를 통해 제어될 수 있고, 0%와 100% 사이(예를 들어, 1%, 5%, 10%, 25%, 50%, 75%, 95%, 99% 및 이들의 임의의 조합)의 다양한 듀티 싸이클 측정에서레이저 수단의 QCW 작동을 위해 사용될 수 있다.
본 발명의 일부 실시예에서, 상기한 시스템(1200, 1300, 1400, 1500, 1600A, 1600B, 1600C, 1700A, 1700B)을 사용하는 상기한 방법 중 적어도 일부는 보다 유연한 레이저 빔의 작동을 위해 하나의 레이저 시스템으로 결합될 수 있다.
하이브리드 파이버 결합 다이오드 펌프 레이저 모듈
일부 실시예에서, 본 발명은 광 신호 증폭기를 제공하도록 구성된 방법 및 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 광섬유에 결합되도록 구성된 하이브리드 파이버 결합 다이오드 펌프 레이저 모듈(및 간단히 말해서, 하이브리드 펌프 모듈)에 관한 것이다. 숙련된 기술자는 용어 "하이브리드"가 일부 실시예에 따라 펌프 및 신호의 결합을 지칭할 수 있음을 이해할 것이다.
숙련된 기술자는 파이버 증폭 시스템이 여러 다중 모드 펌프 및 일반적으로 하나의 단일 모드 시드 장치로부터 에너지를 흡수하고 결합하며 이를 증폭하여 고전력 단일 모드 빔을 출력하도록 구성되어 있음을 인식할 것이다.
파이버 증폭 시스템에 대한 일반적인 또는 전형적인 모델/설계가 도 9에 도시되어 있다. 파이버 증폭 시스템(2100)은, 다중 모드 결합기(multi-mode combiner, MMC)(2170)에 대한 입력으로써 모두, 광섬유를 통해 증폭기(2120), 아이솔레이터(2130), 탭 엘리먼트(2140) 및 모니터(2141)에 연결된(선 및 융합 포인트 사인 ×로 표시됨) 시드 레이저 장치(2110), 및 시드 장치로부터 시작되는 하나의 광섬유와 함께 6개의 펌프 모듈(2160)의 광섬유를 활성 파이버(2180)로 결합하도록 구성되는 모드 필드 어댑터(mode field adaptor, MFA)(2150)를 포함한다. 활성 파이버(active fiber)는 입력 신호를 수신하고 더 높은 광학 전력을 갖는 출력 신호를 생성하도록 구성된다. 도시된 바와 같이, 활성 파이버는 제1 단부에서 MMC에 연결되고(상기한 바에 따라) 제2 단부에서 클래드에서 잔류 펌프 전력 및 산란 신호를 덤프하도록 구성된 펌프 덤프(2190)에 연결되며, 여기서 시스템의 출력은 일반적으로 엔드캡(end-cap)(2191)을 갖는 출력 파이버를 통한다. 설명된 바와 같이, 광 빔을 전송하기 위한 광섬유의 사용은 "×"로서 기호적으로 부호화된 다중 융합 포인트(2192)를 필요로 한다.
숙련된 기술자는 상기한 "융합 포인트"가 융합 스플라이스(fusion splice)로도 알려져 있음을 인식할 것이다. 숙련된 기술자는 융합 스플라이싱이 열을 사용하여 두 개의 광섬유를 단대단으로 연결하는 행위임을 인식할 것이다. 목표는 광섬유를 통과하는 광이 스플라이스에 의해 산란되거나 반사되지 않고 스플라이스와이를 둘러싼 영역이 원래 광섬유 자체만큼 강하도록 두 개의 파이버를 융합하는 것이다. 융합 스플라이서에서 스플라이싱된 파이버를 제거하기 전에 스플라이스가 처리, 포장 및 확장된 사용을 견딜 수 있을 만큼 충분히 강한 것을 보장하기 위해 증명 테스트가 수행된다. 노출된 파이버 영역은 재코팅 또는 스플라이스 보호기로 보호된다. 따라서, 융합 포인트의 수량을 줄이고 에너지 손실 및 생산 비용을 줄일 수 있는 파이버 증폭 시스템이 필요하다.
숙련된 기술자는 "다중 모드 결합기(MMC)"라는 용어가 여러 파이버를 하나의 파이버로 결합(도 9의 예에서: 6개의 펌프 연결 파이버 + 1개의 시드 연결 파이버)하도록 구성된 광학 컴포넌트를 지칭할 수 있으며, 이는 파이버 증폭기와 호환되어 펌프 모듈로부의 광이 클래드로 들어가고 시드로부터의 광이 코어로 들어갈 수 있도록 할 수 있는 것이 인식될 것이다. MMC는 복잡한 장치(예를 들어, 열을 분배하기 위해 특별한 기능이 필요함)이므로 비싸다.
숙련된 기술자는 "파이버 증폭기" 또는 "활성 파이버 증폭기"라는 용어가 일부 실시예에 따라 여러 펌프 모듈 및 시드 모듈(예를 들어, 도 9: 6개의 다중 모드 빔 + 1개의 단일 모드 빔)로부터 전력을 수신하고 강화된 단일 모드 빔(단일 모드 시드에 의함)을 출력하는 도핑된 파이버를 지칭할 수 있음을 인식할 것이다. 모든 직경은 약 400 마이크로 미터가 될 수 있으며, 여기서 코어 직경은 약 20 마이크로 미터가 될 수 있다. 펌프 모듈로부터의 광은 클래드로 들어가고 시드로부터의 광은 코어로 들어간다. 예를 들어, 파이버 증폭기는 Er3+, Nd3+ 또는 Yb3+와 같은 레이저 활성 이온으로 도핑된 파이버 코어를 갖는 "활성" 파이버에 기초한다. 일반적으로 파이버 커플러는 입력 신호 광에 추가하여 일부 "펌프 광"을 도입하는 데 사용된다. 이러한 펌프 광은 레이저 활성 이온에 의해 흡수되어 여기된 전자 상태로 전환되어 자극 방출을 통해 다른 파장의 광을 증폭할 수 있다.
숙련된 기술자는 "펌프 덤프"라는 용어가 본 발명의 일부 실시예에 따라 클래드에서 잔류 비 흡수 펌프 전력 또는 산란 신호를 흡수하거나 또는 편향하도록 설계된 장치인 빔 덤프를 지칭할 수 있음을 이해할 것이다. 도 9의 예를 들면, 활성 파이버의 클래드에 남아 있는 방출을 흡수한다.
숙련된 기술자는 "아이솔레이터"라는 용어가 본 발명의 일부 실시예에 따라 한 방향으로만 광의 투과를 허용하도록 구성된 광학 요소를 지칭할 수 있음을 인식할 것이다.
숙련된 기술자는 "펌프 모듈"이라는 용어가 본 발명의 일부 실시예에 따라 다중 모드 빔을 제공하는 다이오드를 갖는 모듈을 지칭할 수 있음을 인식할 것이다. 숙련된 기술자는 "광역 레이저(broad area laser, BAL) 다이오드"라는 용어가 타원형 단면을 가진 다중 모드 빔을 제공하는 다이오드를 지칭할 수 있음을 인식할 것이다. BAL(또한 넓은 스트라이프 또는 넓은 이미터 레이저 다이오드, 단일 이미터 레이저 다이오드 및 고휘도 다이오드 레이저라고도 함)은 전면의 방출 영역이 넓은 스트라이프의 형상을 갖는 에지 방출 레이저 다이오드이다.
숙련된 기술자는 "단일 모드"라는 용어가 본 발명의 일부 실시예에 따라 단 하나의 횡방향 모드가 여기를 갖는 광학 빔을 지칭할 수 있음을 인식할 것이다.
숙련된 기술자는 "편광기 빔 결합기"라는 용어가 본 발명의 일부 실시예에 따라 수직 편광을 갖는 두 신호를 함께 결합하도록 구성된 광학 요소를 지칭할 수 있음을 인식할 것이다.
숙련된 기술자는 "볼륨 브래그 격자(volume Bragg grating, VBG)"라는 용어가 본 발명의 일부 실시예에 따라 입사 빔 파장에 대한 천사로 입사 빔을 반사하도록 구성된 유리 블록 내에 격자를 포함하는 광학 수단을 지칭할 수 있음이 인식될 것이다. 볼륨 브래그 격자의 일반적인 적용은 레이저, 대부분의 경우 레이저 다이오드의 파장 안정화이다.
숙련된 기술자는 "엔드 캡(end cap)"이라는 용어가 본 발명의 일부 실시예에 따라 빔의 단면을 확장하도록 구성된 광학 수단을 지칭할 수 있음을 인식할 것이다. 파이버 엔드 캡은 짧은 길이의 재료를 파이버 종단면에 융합 스플라이싱 또는 레이저 융합하여 생성된다. 파이버 엔드 캡은 공기/실리카 인터페이스에서 출력 밀도를 줄이고 환경 침투로부터 구조화된 파이버를 보호하기 위해 고전력 파이버 레이저 빔의 확장을 허용하도록 시준기(collimator)의 생성을 포함한 여러 응용 분야에 필요하다.
숙련된 기술자는 용어 "위상 변조기/들"이 본 발명의 일부 실시예에 따라 레이저 빔의 광학 위상을 제어하는 데 사용될 수 있는 광학 변조기를 지칭할 수 있음을 인식할 것이다. 자주 사용되는 위상 변조기 유형은 포켈 셀, 니오이움산 리튬(Litium Niobate, LiNbO3) 전기 광학 모듈레이터에스디(Modulatorsd) 및 액정 변조기에 기초하는 전기 광학 변조기이지만, 또한 열적으로 유도된 예를 들어 광학 파이버의 굴절률 변화 또는 길이 변화를 활용하거나 또는 스트레칭에 의해 길이 변화를 유도하는 것이 가능하다. 변조된 광이 도파관에서 전파되는 통합된 광학 영역 내에서 다양한 종류의 위상 변조기가 사용된다.
숙련된 기술자는 용어 "빔 스플리터"가 본 발명의 일부 실시예에 따라 입사광 빔(예를 들어, 레이저 빔)을 둘 이상의 빔으로 스플릿하도록 구성된 광학 장치를 지칭할 수 있으며, 이는 동일한 광 전력을 가질 수도 있고 아닐 수도 있음을 인식할 것이다. 일부 실시예에서, 빔 스플리터는 몇몇의 빔을 단일 빔으로 결합하기위한 빔 결합기로서 사용된다. 일부 실시예에서, 빔 스플리터는 간섭계, 자동 상관기, 카메라, 프로젝터 및 레이저 시스템에 필요하다. 일부 실시예에서, 빔 스플리터는,
- 광빔을 스플릿하기 위해 사용될 수 있는 부분 반사 미러일 수 있는 유전체 미러. 레이저 기술에서, 유전체 미러는 종종 이러한 목적으로 사용된다. 입사각은 출력 빔의 각도 분리, 예를 들어 45″를 결정하며, 이는 종종 편리하지만 다른 값을 가질 수도 있으며, 빔 스플리터의 특성에 영향을 준다. 유전체 코팅의 다양한 설계를 통해 광범위한 전력 스플리팅 비율이 달성될 수 있다.
- 큐브 내 인터페이스에서 빔 분리가 발생하는 큐브. 이러한 큐브는 종종 두 개의 삼각형 유리 프리즘으로 만들어지며, 투명한 수지 또는 시멘트와 함께 접착된다. 해당 레이어의 두께는 주어진 파장에 대한 전력 스플리팅 비율을 조정하는 데 사용될 수 있다.
- 광섬유 빔 스플리터로서 사용되는 파이버 커플러의 유형인 광섬유 스플리터. 이러한 장치는 융합 결합 파이버로 만들 수 있으며, 두 개 이상의 출력 포트를 가질 수 있다. 벌크 장치의 경우, 스플리팅 비율은 입력의 파장과 편광에 크게 좌우될 수도 있고 그렇지 않을 수도 있다.
- 격자는 광을 서로 다른 방향으로 이동하는 여러 빔으로 스플릿하고 회절하는 주기적 구조를 가진 광학 컴포넌트이다. 떠오르는 착색은 구조적 착색의 한 형태이다. 이러한 빔의 방향은 격자가 분산 요소로 작용하도록 격자의 간격과 광의 파장에 따라 달라진다. 일부 실시예에서, 격자는 빔 결합기로도 사용될 수 있다.
숙련된 기술자는 "파이버 커플러" 또는 "커플러"라는 용어가 본 발명의 일부 실시예에 따라 하나 이상의 입력 파이버 및 하나 또는 여러 출력 파이버를 갖는 광섬유 장치를 지칭할 수 있음을 인식할 것이다. 입력 파이버로부터의 광은 전력 분포가 잠재적으로 파장과 편광에 따라 달라지도록 하나 이상의 출력에 나타날 수 있다.
숙련된 기술자는 "탭" 또는 "탭 요소"라는 용어가 본 발명의 일부 실시예에 따라 50:50, 75:25, 90:10, 또는 99:1의 커플링 출력 비율을 위해 구성된 커플러를 지칭할 수 있음을 인식할 것이다. 파이버 태핑은 연결을 끊지 않고 광섬유로부터 신호를 추출하는 네트워크 탭 방법을 사용할 수 있다. 광섬유의 태핑은 파이버의 코어에서 전송되는 신호의 일부를 다른 파이버나 검출기 또는 모니터로 전환할 수 있게 한다.
숙련된 기술자는 영어 "광학 증폭기"가 본 발명의 일부 실시예에 따라 일부 입력 신호를 수신하고 더 높은 광 전력으로 출력 신호를 생성하는 장치를 지칭할 수 있음을 인식할 것이다. 일부 실시예에서, 입력 및 출력은 자유 공간 또는 파이버에서 전파하는 레이저 빔이다. 증폭은 외부 소스로부터 "펌핑"(즉, 에너지가 제공됨)되어야 하는 소위 이득 매체에서 발생한다. 일부 실시예에서, 광학 증폭기는 광학적으로, 화학적으로 또는 전기적으로 펌핑된다.
숙련된 기술자는 용어 "다이크로익 미러"가 일부 실시예에 따라 2개의 상이한 파장에서 상당히 상이한 반사 또는 투과 특성을 갖는 미러를 지칭할 수 있음을 인식할 것이다.
숙련된 기술자는 용어 "시드 레이저"가 본 발명의 일부 실시예에 따라 증폭기 또는 다른 레이저에 주입되는 출력인 레이저를 지칭할 수 있음을 인식할 것이다. 일반적인 유형의 시드 레이저는 소형 레이저 다이오드(단일 주파수 또는 이득 스위칭됨), 짧은 공동 파이버 레이저 및 비평면 링 오실레이터(nonplanar ring oscillator,　NPRO)와 같은 소형 고체 레이저이다.
이제 광섬유(2240)에 결합되도록 구성된 하이브리드 펌프 모듈을 개략적으로 나타내는 도 10a, 10b, 10c 및 10d를 참조한다. 일부 실시예에서, 광섬유는 도핑된(활성) 파이버 또는 수동 파이버(투명한 데이터 포맷)일 수 있다. 광섬유는 코어(2241) 및 적어도 하나의 클래드(2242)를 포함한다. 도 10a, 10b, 10c 및 10d에 도시된 바와 같이 펌프 모듈(2200)은,
- 광섬유(2240)를 갖는 자유 공간 광경로에 있는 적어도 하나의 초점 렌즈(2230);
- 각각이 광학 렌즈를 통해 광섬유의 클래드(2242)를 갖는 자유 공간 광경로에 있는 다중 모드 빔을 출력하도록 구성된 복수의 다이오드 모듈(2210);
- a) 광학 렌즈를 통해 광섬유의 코어(2241)를 향해 단일 모드 빔을 출력하는 기능;
b) 포커싱 렌즈를 통해 광섬유의 코어(2241)로부터 빔을 수신하고, 수신된 빔을 출력 광섬유(2411)에 결합하는 기능;
c) 포커싱 렌즈를 통해 광섬유의 코어(2241)로부터 빔을 수신하고, 포커싱 렌즈를 통해 다시, 수신된 빔을 코어(2241)로 다시 반사시키는 기능; 및
d) 포커싱 렌즈를 통해 광섬유의 코어(2241)로부터 빔을 수신하고, 다시 포커싱 렌즈를 통해, 수신된 빔의 일부를 다시 코어로 반사하며, 수신된 빔의 다른 부분을 출력 광섬유(2610)로 결합하는 기능(도 14)
으로 구성된 그룹에서 선택된 기능을 제공하도록 구성된 광섬유의 코어(2241)를 갖는 자유 공간 광경로에 있는 적어도 하나의 코어 연관 모듈(2220)을 포함한다.
일부 실시예에서, 용어 "단일 모드 빔"은 1과 10 모드 사이의 범위에서 하나 또는 소수의 빔 모드로 구성된 빔을 지칭한다.
일부 실시예에서, 복수의 다이오드 모듈(2210)은 광섬유의 클래드(2242)를 갖는 자유 공간 광경로에 있다. 일부 실시예에서, 이러한 광경로는 광경로를 위한 어떠한 광섬유도 포함하지 않는다. 일부 실시예에서, 다이오드 모듈(2210)의 일부는 광섬유의 코어(2241)를 갖는 자유 공간 광경로에 있다.
일부 실시예에서, 코어 연관 모듈(2220)은 광섬유의 코어(2241)만을 갖는 자유 공간 광경로에 있으며, 이는 광학 광이 광섬유(2240)의 클래드(2242)에 결합되지 않음을 의미한다. 일부 실시예에서, 이러한 광경로는 광경로를 위한 어떠한 광섬유도 포함하지 않는다.
일부 실시예에서, 하이브리드 펌프 모듈(2200)은 다이오드의 빔을 좁은 미리 결정된 범위의 파장으로 좁히고 잠그도록 구성된 볼륨 브래그 격자(volume Bragg grating, VBG)(2250)를 더 포함한다. 일부 실시예에서, 공통 VGB는 976 파장 잠금 모듈이며, 이는 높은 흡수 좁은 선폭 이트륨 붕화물(Yttrium boride, Yb) 이온과 완벽하게 일치한다. 일부 실시예에서, 그리고 도 10d에 도시된 바와 같이, VGB는 포커싱 렌즈(2230)와 광섬유(2240) 사이에 위치한다.
일부 실시예에서, 복수의 다이오드 모듈(2210) 및 코어 연관 모듈(2220)은 적어도 하나의 행(2281)으로 배열되어, 그 출력 빔이 각각의 행마다 서로 평행하도록 한다. 도 10a, 10b 및 10c는 복수의 다이오드 모듈(2210)(본 예에서, 8개의 다이오드 모듈) 및 코어 연관 모듈(2220)을 갖는 시스템이 단일 행으로 배열된 등각도, 평면도 및 정면도를 도시한다. 도 10d는 복수의 다이오드 모듈(2210)(본 예에서, 17개의 다이오드 모듈) 및 코어 연관 모듈(2220)을 갖는 시스템이 2개의 행(2281 및 2282)으로 배열된 등각도를 도시한다.
일부 실시예에서 그리고 도 10d에 도시된 바와 같이, 두 개의 행 이상(2181, 2182)의 경우, 펌프 모듈은,
- 제1 빔 행(2281)의 광경로에 있는 적어도 하나의 편광기 빔 결합기(2260);
- 하나 이상의 폴딩 미러(2282A) ― 각각의 폴딩 미러는 각각의 추가 행에 대응하며, 각각의 폴딩 미러는 대응하는 행의 평행 빔을 각각의 편광기 빔 결합기로 리디렉션하도록 구성됨 ―을 더 포함한다.
일부 실시예에서 그리고 도 10a 및 10b에서, 다이오드 모듈(2210) 각각은,
- 다중 모드 빔을 출력하도록 구성된 광역 레이저(BAL)(2211);
- (포커싱 렌즈(2230)를 통해) 연관된 BAL과 광섬유의 클래드(2242) 사이의 광경로를 갖도록 구성된 BAL 연관 폴딩 미러(2212); 및
- 선택적으로, BAL의 빔의 형상을 조정하도록 구성된, BAL과 연관 폴딩 미러(2242) 사이에 배열된 적어도 하나의 렌즈(2213, 2214)을 포함한다.
이제 도 11a, 11b 및 11c를 참조하여, 도 10a 내지 10d에 도시된 하이브리드 펌프 모듈(2200)에서와 같이 적어도 일부 특징 및 요소를 포함하는 하이브리드 펌프 모듈(2300)을 개략적으로 설명한다. 일부 실시예에서, 코어 연관 모듈은 광학 렌즈를 통해 광섬유의 코어를 향해 단일 모드 빔을 출력하도록 구성된 시드 연관 모듈(2301)이다. 시드 연관 모듈(2301)은,
- 광섬유(2310)를 통해 시드 레이저 장치(2702)(도 15에 도시됨)에 결합되도록 구성된 적어도 하나의 시드 입력(2311);
- 포커싱 렌즈(2230)를 통해 광섬유의 시드 입력과 코어(2241) 사이의 광경로를 위해 구성된 시드 연관 폴딩 미러(2312), 및
- 선택적으로, 시드 빔의 형상을 조정하도록 구성된, 시드 입력과 그와 연관된 폴딩 미러(2312) 사이에 배열된 적어도 하나의 렌즈(2313)를 포함한다.
일부 실시예에서, 시드 연관 모듈(2300)은,
- 시드 빔을 샘플링하고, 그것을 모니터링하며 후방 빔 전송(다시 시드 입력(2311)으로)을 경고하도록 구성된, 시드 입력(2311)과 최적 렌즈(2313) 또는 폴딩 미러(2312) 사이에 위치한, 도 11a에 도시된 바와 같은, 탭(도시되지 않음) 또는 부분 미러(2305) 및 모니터(2306);
- 시드 빔을 증폭하도록 구성된, 시드 입력(2311)과 최적 렌즈(2313) 또는 폴딩 미러(2312) 사이에 위치한, 도 11b에 도시된 바와 같은, 빔 증폭기(2315); 및
- 한 방향으로만 광의 투과를 허용하도록 구성된, 시드 입력(2311)과 최적 렌즈(2313) 또는 폴딩 미러(2312) 사이에 위치한, 도 11c에 도시된 바와 같은, 아이솔레이터(2316) 중 적어도 하나를 더 포함한다.
이제 도 10a 내지 도 10d에 도시된 하이브리드 펌프 모듈(2200)에서와 같은 특징 및 요소 중 적어도 일부를 포함하는 하이브리드 펌프 모듈(2400)을 개략적으로 도시한 도 12를 참조한다. 일부 실시예에서, 코어 연관 모듈은 포커싱 렌즈를 통해 광섬유의 코어로부터 빔을 수신하고 수신된 빔을 출력 광섬유(2411)에 결합하도록 구성된 출력 모듈(2401)이다. 출력 모듈(2401)은,
- 엔드 캡 요소(4209)를 선택적으로 포함하는 출력 파이버(2411);
- 광섬유의 코어(2241)와 출력 파이버(2411) 사이의 광경로를 위해 구성된 출력 파이버(2411)와 연관된 폴딩 미러(2412);
- 선택적으로, 수신된 코어 빔의 형상을 조정하도록 구성된, 출력 파이버(2411)와 그와 연관된 폴딩 미러(2409) 사이에 배열된 적어도 하나의 렌즈(2413); 및
- 최적으로, 펌프 덤프(도시되지 않음)를 포함한다.
일부 실시예에서, 출력 모듈(2400)은 시드 빔을 샘플링하고, 그것을 모니터링하며 후방 빔 전송(폴딩 미러(2412)로 다시)을 경고하도록 구성된, 출력 파이버(2411)와 최적 렌즈(2413) 또는 폴딩 미러(2412) 사이에 위치한, 탭(도시되지 않음) 또는 부분 미러(2405) 및 모니터(2406)를 추가로 포함한다.
이제 도 10a 내지 10d에서 도시된 하이브리드 펌프 모듈(2200)에서와 같은 특징 및 요소 중 적어도 일부를 포함하는 하이브리드 펌프 모듈(2500)을 개략적으로 도시한 도 13을 참조한다. 일부 실시예에서, 코어 연관 모듈은 포커싱 렌즈를 통해 광섬유의 코어(2241)로부터 빔을 수신하고 포커싱 렌즈를 통해 다시 수신된 빔을 코어(2241)로 반사하도록 구성된 고 반사(high reflecting, HR) 모듈(2501)이다. (HR) 모듈 2501은,
- HR 미러(2511),
- 광섬유의 코어(2241)와 HR 미러 사이의 광경로를 위해 구성된, HR 미러(2511)와 연관된 폴딩 미러(2512), 및
- 선택적으로, 연관된 빔을 조정하도록 구성된, HR 미러(2511)와 그와 연관된 폴딩 미러(2512) 사이에 배열된 적어도 하나의 렌즈(2513)를 포함한다.
일부 실시예에서, (HR) 모듈(2501)은 파이버 공진기의 형태로 수신된 빔을 앞뒤로 반사하도록 구성된다.
일부 실시예에서, HR 모듈(2501)은 반사된 빔의 진폭, 또는 위상, 또는 편광 또는 이들의 임의의 조합을 변조하도록 구성된, HR 미러(2511)와 그와 연관된 폴딩 미러(2512) 사이에 배열된 인트라 공동 변조기(intra cavity modulator)(2510)를 더 포함한다. 일부 실시예에서, 인트라 공동 변조기는 음향 광학 변조기(acusto-optic modulator) 또는 전기 광학 변조기를 포함한다. 일부 실시예에서, 인트라 공동 변조는 펄스 레이저 동작을 허용한다.
이제 도 10a 내지 10d에 도시된 하이브리드 펌프 모듈(2200)에서와 같은 특징 및 요소 중 적어도 일부를 포함하는 하이브리드 펌프 모듈(2600)을 개략적으로 도시한 도 14를 참조한다. 일부 실시예에서, 코어 연관 모듈은,
- 선택적으로 엔드 캡(2609)을 포함하는 출력 파이버(2610);
- 출력 파이버(2610)를 갖는 광경로 내의 부분 반사(partial reflecting, PR) 미러(2611);
- 광섬유의 코어(241)와 PR 미러(2611) 사이의 광경로를 위해 구성된, PR 미러(2611)와 연관된 폴딩 미러(2612); 및
- 선택적으로, 연관된 빔의 형상을 조정하도록 구성된, PR 미러(2611)와 그와 연관된 폴딩 미러(2612) 사이에 배열된 적어도 하나의 렌즈(2613)
를 포함하는 PR 모듈(2601)이다.
일부 실시예에서, 하이브리드 펌프 모듈(2200, 2300, 2400, 2500, 2600)의 어셈블리는 빔 경로를 측정하고 상기한 바와 같은 요소의 위치 및/또는 방향을 조정함으로써 광학 기계적으로 정렬되도록 구성된다. 일부 실시예에서, 그 조정은 지그 진공 캐처(Jig vacuum catcher)에 의해 제공된다. 일부 실시예에서, 조정된 요소는 코어 모듈 중 임의의 하나, 다이오드 모듈 중 임의의 하나, 시드 장치 중 임의의 하나, BAL 중 임의의 하나, 폴딩 미러 중 임의의 하나, 렌즈 중 임의의 하나, 빔 증폭기 중 임의의 하나, 탭 또는 부분 미러 및 모니터 중 임의의 하나, 아이솔레이터 중 임의의 하나, HR 미러 중 임의의 하나, PR 미러 중 임의의 하나, 시드 입력 중 임의의 하나, 초점 렌즈/들, VGB로부터 선택된 적어도 하나이다.
일부 실시예에서, 빔의 단면을 형성하도록 구성된 렌즈(2213, 2214, 2313, 2413, 2513, 2613) 중 적어도 일부는 고속 접근 시준기(fast access collimator, FAC)(2213) 및 저속 접근 시준기(slow access collimator, SAC)(2214)로부터 선택된다.
일부 실시예에서, 폴딩 미러(2212, 2312, 2412, 2512, 2612) 중 적어도 일부는 추가의 모니터링 목적을 위해(예를 들어, 도 11 2399에서 도시된 바와 같이) 반사된 빔의 일부를 탭(통과)하도록 구성된다.
이제 파이버 증폭 시스템(2700)을 개략적으로 도시한 도 15를 참조한다. 본 발명의 일부 실시예에서, 파이버 증폭 시스템(2700)은,
- 코어 및 적어도 하나의 클래드를 포함하는 활성 광섬유(2740);
- 광섬유의 제1 단부(2744)에 결합된, 상기 실시예에 따른 시드 모듈(2301)을 포함하는 하이브리드 레이저 펌프 모듈(2300)을 포함한다.
도 15에 도시된 바와 같이, 파이버 증폭 시스템(2700)은 시드 레이저 장치(2702)로부터 시드 레이저 빔을 수신하고 이를 고전력 단일 모드 레이저 빔으로 증폭하도록 구성된다.
일부 실시예에서, 파이버 증폭 시스템(2700)은 광섬유의 제2 단부(2745)에 결합된 출력 모듈(2401)을 포함하는 하이브리드 펌프 모듈(2400)을 더 포함한다. 기술자는 하이브리드 펌프 모듈(2400)이 활성 광섬유(2745)에서 빔 증폭을 증가시키도록 구성된 카운터 펌프 모듈로서 작동한다는 것을 인식할 것이다.
일부 실시예에서, 파이버 증폭 시스템(2700)은 펌프 덤프(2703), 활성 광섬유(2740)의 제2 단부(2745)에 결합된 엔드 캡 요소(2704)를 갖는 출력(2411)으로부터 선택된 적어도 하나를 더 포함한다.
기술자는 상술한 바와 같은 다양한 실시예에 따른 파이버 증폭 시스템(2700)이 필요한 융합 스플라이스의 수량을 상당히 감소시키면서 비 종속적인 수량의 다이오드 모듈을 허용함을 인식할 것이다. 예를 들어, 도 9의 종래 기술 시스템(2100)은 6개의 다이오드를 포함하고 적어도 9개의 융합 스플라이스를 필요로 한다. 현재의 시스템2(2700)는 적어도 8개(더 많을 수 있음)의 다이오드 모듈을 포함하지만 2개의 융합 스플라이스만을 필요로 한다.
이제, 본 발명의 일부 실시예에 따른 파이버 레이저 시스템(2800)을 개략적으로 도시한 도 16a 및 16b을 참조하며, 파이버 레이저 시스템(2800)은,
- 코어 및 적어도 하나의 클래드를 포함하는 광섬유(2840);
- 광섬유의 제1 단부(2844)에 결합된, HR 모듈(2501)을 포함하는 하이브리드 레이저 펌프 모듈(2500); 및
- 파이버 브래그 격자(fiber Bragg grating, FBG)(2804)(도 16b에 도시된 바와 같음), 또는 광섬유의 제2 단부(2845)에 결합된, PR 모듈(2601)(도 16a에 도시된 바와 같음)을 포함하는 하이브리드 레이저 펌프 모듈(2600)을 포함한다.
기술자는 하이브리드 펌프 모듈(2600)이 활성 광섬유(2840)에서 빔 증폭을 증가시키도록 구성된, 카운터 펌프 모듈로서 작동함을 인식할 것이다.
일부 실시예에서, 파이버 레이저 시스템(2800)은 펌프 덤프(2803) 및 엔드 캡 요소(2804)를 포함하는 출력 파이버 중 적어도 하나를 더 포함한다.
1차 빔에서 동일선상으로 생성된 약한 고주파 시드 빔을 통한 향상된 주파수 변환
본 발명의 일부 실시예는 비선형 크리스탈(Non-Linear Crystal, NLC)에서 높은 평균 전력 레이저 빔의 주파수 변환에 관한 것이다. 일부 실시예에서, 1064nm의 파장을 갖는 광의 주파수 배가의 예에서, 용어 "높은 평균 전력"은 연속 레이저로부터 300W보다 큰 전력을 지칭하며, 여기서 저 흡수 LBO에서 "높은 전력 녹색(high power green)"은 100W보다 크다.
일부 실시예에서, 본 발명은 비 선형 크리스탈(NLC)의 단일 또는 다중 전력 주파수 더블러(Power Frequency Doubler, PFD) 체인의 첫 번째에서 발생할 수 있는 기본 주파수 입력 빔과 주파수 변환 출력 빔 사이의 유해한 불일치 위상(Mismatched Phase, MP)을 보정하기 위한 수단을 제공한다.
본 출원은 일부 실시예에서 "비선형 크리스탈", 또는 간단히 "NLC" 또는 "크리스탈"을 개시하고, 이러한 용어는 대안으로 사용된다는 점에 유의한다. 본 출원은 일부 실시예에서 "전력 주파수 더블러", 또는 간단히 "PFD" 또는 "배가(doubling)"를 개시하며; 이러한 용어는 대안으로 사용된다는 점에 유의한다. 본 출원은 일부 실시예에서 "비선형 크리스탈의 전력 주파수 더블러", 또는 간단히 "PFD NLC", 또는 "배가 NLC", 또는 "배가 크리스탈"를 개시하며, 이러한 용어는 대안으로 사용된다는 점에 유의한다. 본 출원은 일부 실시예에서 "2차 고조파" 또는 간단히 "고조파"를 개시하며; 이러한 용어는 대안으로 사용된다는 점에 유의한다.
일부 실시예에서, 2개의 인자가 효율적인 주파수 변환을 위해 제어된다: 크리스탈의 상호 작용 영역의 온도, 및 기본 빔과 NLC의 출력 고조파 빔/들 사이의 상대 위상.
종래 기술에 따르면, 제1 배가 NLC와 관련하여, 고조파 변환 영역에서 거의 최적의 크리스탈 파라미터만이 오븐에 의해 유지되며, 이는 빔이 제1 배가 NLC 입구(1차 고조파 광자가 생성된 곳)로부터 해당 제1 배가 NLC의 1차 고조파 변환으로 전파됨에 따라 축적된 위상 불일치를 제어하지 않았다. 이로 인해, 고전력 주파수 변환이 열악해졌다. 그 이유는 균일 온도 오븐(Uniform Temperature Oven, UTO)이 변할 수 있는 하나의 파라미터(오븐 온도)만을 가지며 오븐의 입력면 근처 빔의 MP가 해당 위치에서의 로컬 온도에 의해 결정되기 때문이다. 일부 실시예에서, 본 발명은 빔이 고조파 변환 구역으로 전파될 때 최적이되도록 제1 배가 NLC의 전면에서 빔 사이에 필요한 임의의 위상차를 부과하는 수단을 제공한다.
문헌에서 보고된 접근법은 중간 위상 불일치 보상기(Phase Mismatch Compensator, PMC)를 갖는 2개의 PFD NLC를 사용하는 것이다. PMC는 색 분산 및/또는 편광 의존 굴절률을 나타내는 광학 요소이다. 이러한 분산은 재료의 고유한 속성이거나 외부 필드, 즉 포켈스 셀(Pockels cell)과 같은 전기 광학 재료에 적용되는 전기장에 의해 부과될 수 있다.
이러한 인라인 크리스탈-PMC-크리스탈 접근법의 장점은 분산 요소가 두 파장의 공동 전파 빔 사이에 제어 가능한 위상차를 유발하도록 작용할 뿐이며 별도로 생성된 빔에 대한 간섭계(서브 파장) 광경로 길이 제어를 달성하는 데 필요하지 않다는 것이다. 이것은 감도 및 안정성 요구사항을 크게 줄인다.
위상 불일치 보정을 사용한 사전 작업에 대한 중요한 사항은 다음과 같다.
i. 각각의 NLC는 최대 주파수 변환을 달성하도록 구성된다. 즉, 각각은 PFD 역할을 한다. 사용되는 각각의 크리스탈 유형에 대해 가장 낮은 흡수 등급이 찾아진다.
ii. PMC는 제1 크리스탈을 나온 후에만 제1 크리스탈의 TMP를 보정한다.
iii. PMC는 온도 및/또는 각도 조정과 함께 제2 배가 크리스탈에서 TMP를 보정할 수 있다.
iv. 제1 PFD 크리스탈의 온도 또는 각도 조정을 제외하고는 오늘날까지 균일 온도 오븐(Uniform Temperature Oven, UTO)에 배치된 제1 크리스탈 내에서 TMP를 보상하거나, 또는 다르게는, 1차 변환 구역(포커싱 렌즈가 사용되는 경우, 초점 영역)에서 최적의 고조파 변환을 위한 조건을 유지하기 위한 수단이 없었다.
v. 더 복잡한 GTO(Gradient Temperature Oven)는 단일 오븐 내에서 MP의 생성을 제거할 수 있다. 그러나, GTO는 선형 경사(linear gradient)가 필요한 경우 오븐 입력 및 출력 온도를 제어해야 하거나, 또는 광 흡수로 인한 온도 상승이 크리스탈의 길이에 따라 달라지는 경우(크리스탈의 중심에 포커싱된 빔의 경우처럼), 오븐 축을 따라 여러 지점의 온도를 제어해야 한다.
일부 실시예에서, 여기에서 제시된 본 발명은 포인트 (iv)에서 언급된 제한을 극복하는 수단, 제1(및 후속 PFD))에서 배가 효율을 향상시키기 위해 제1 PFD NLC에서 MP를 보상하기 위한 수단에 관한 것이다.
본 발명의 일부 실시예에서, 그리고 도 17a에 도시된 바와 같이, 개선은 제1 FPD NLC(3200) 이전에 고전력 기본 빔(3101)에 배치된 "시더" NLC(3100)에서 저전력 2차 고조파 시드 빔을 생성함으로써 제공된다. 기본 빔(3101)과 시더 NLC로부터의 고조파 빔/들(3202) 사이의 위상차는 PMC(3502)의 추가에 의해 제어된다. 일부 실시예에서 그리고 도 17b에 도시된 바와 같이, 시더 NLC(3100)는 온도 제어된 오븐(3701)에서 제공된다. 일부 실시예에서, 시더 크리스탈(3100) 뒤에 배치된 PMC(3502)는 제1 PFD NLC(3200) 후에 고조파 광(3202)을 샘플링하고 그에 따라 최대 고조파 광(3202)을 위해 PMC를 제어하도록 구성된 피드백 제어 시스템(3602)과 함께 제공된다.
시더 크리스탈(3100)이 기본 빔(3101)과 관련된 위상이 제어될 수 있는 저전력 고조파 빔(3102)을 생성하기만 하면 된다는 점을 강조하는 것이 중요하다. 따라서, 기본 빔을 시더 크리스탈(3100) 내의 작은 지점에 포커싱할 필요가 없고 시더 크리스탈이 제1 배가 NLC(3200)를 위해 사용된 것과 거의 동일한 길이(Ls)를 가질 필요가 없을 수 있다.
고전력에서의 광 흡수는 고조파 변환에 영향을 미치는 횡방향 및 축 방향 온도 변화를 생성한다. 따라서, 전파 축을 따라 모든 위치에서(전면에서 임의의 초점을 통해 후면까지) 레이저 전력이 증가함에 따라 온도가 증가한다. 이를 위해서는 레이저 전력이 증가함에 따라 오븐 온도를 낮추어야 할 필요가 있다.
일부 실시예에서, UTO(Uniform Temperature Ovens)를 사용하는 모든 경우에, 가열이 크리스탈의 후반 부분으로 갈수록 커질 수 있도록 흡수(녹색 흡수가 IR 흡수보다 높음)를 변화시키기 때문에, 그리고 레이저 강도를 높이기 위해 포커싱 렌즈가 사용되는 경우 냉각이 레이저 빔 반경에 따라 달라지기 때문에, 광축을 따른 온도가 변한다. 종래 기술의 시나리오에서, 제1 PFD NLC에서 기본 빔과 고조파 빔 사이의 초기 위상 일치에 대한 독립적인 제어가 없다. 관찰 가능한 유일한 파라미터는 출력 고조파 전력이며, 이는 전체 크리스탈 길이를 따라 일어나는 일의 영향을 받는다. 종래 기술 시나리오는 오븐 온도를 변화시킴으로써 생성되는 고조파 광의 양을 최대화하는 것이다. 포커싱된 빔의 위상 일치의 경우, 주요 관심사는 초점 영역에서 정확한 온도를 유지하는 것이다. 초점 영역에서 최적의 고조파 변환을 위해 온도를 변경하는 것은 크리스탈의 시작에서 온도가 최적이 아니라는 것을 의미한다. 결과적인 MP는 고조파 변환을 저하시킨다. 본 발명은 다음과 같은 개선을 제공한다.
일부 실시예에서, 오븐 온도는 초점 영역에서 위상 일치를 얻기 위해 재조정될 수 있지만, UTO 내에서 앞면에서 제1 PFD NLC의 중간까지 축적된 MP를 보정할 수 없다.
일부 실시예에서, 제1 PFD NLC(3200) 이전에 고전력 기본 빔(3101)에 약한 2차 고조파 시드 빔(3102)을 추가하는 것은 초점 영역에서 위상 일치를 독립적으로 조절하는 제1 PFD NLC 이전에 입력 위상차를 조정할 수 있도록 구성된다.
본 발명의 실시예에 따르면, "짧은" 비선형 크리스탈(시더 크리스탈)(3100)이 제1 긴 PFD NLC(3200) 이전에 제공된다. 시더 크리스탈(3100)은 강한 기본 빔에 비해 제어 가능한 단계에 있을 수 있는 약한 2차 고조파 빔을 생성하도록 구성된다.
일부 실시예에서, PMC(3501)는 시더 NLC(3100) 이후에 IR-녹색 MP를 조정하기 위해 제공되어, 제1 PFD NLC의 전반부로부터의 제1 PFD MP를 더한 시더 NLC MP가 0이 되도록 한다. 즉,
ΣMP = MPseeder + MP1/2 PFD = 0
PFD 크리스탈의 전반에서 축적된 MP는 후반에서 축적된 MP보다 더 중요하다는 것에 유의한다. 이것은 초점까지의 MP가 초점 영역에서 두 배로 크게 영향을 미치기 때문이다. 초점 구역 이후에 축적된 MP는 강도가 이미 떨어지고 있기 때문에 해당 크리스탈의 배가를 크게 저하시키지 않는다. 또한, 이러한 MP의 후반부는 다음의 PMC에 의해 보정될 수 있다.
NLC 흡수에 의해 열이 생성되는 경우, 온도는 위상 일치, 특히 비 임계 위상 일치(Noncritical Phase Matching, NCPM)에 필요한 온도에서 벗어난다. 부정적인 결과는 다음과 같다.
ㆍ 온도, 각도, 스펙트럼 대역폭 감소 → 대부분의 배가가 발생하는 초점 영역에서 가장 중요하다.
ㆍ 빔이 크리스탈을 통해 전파됨에 따라 위상 불일치가 축적된다; 심지어 약한 배가 영역에서 조차. 이러한 위상 불일치는 나중에 효율성을 두 배로 감소시키거나 역변환을 유발할 수 있다. MP의 축적은 입구면과 초점 영역의 단부 사이에서 가장 안좋다.
일부 실시예에서, 균일한 오븐 온도 재조정 기술은 열 효과의 일부를 완화하기 위해 제공된다.
일부 실시예에서, 오븐 온도를 조정하는 것은 초점 영역에서 T = TPhase matchimg을 달성하거나 또는 NLC의 초점 영역까지 ΣMP = 0을 달성하기 위한 하나의 효과만을 정정할 수 있다.
일부 실시예에서, 시더 NLC 및 PMC를 추가하면 입력 위상이 크리스탈의 위상 불일치에 대한 켤레(conjugate)로서 설정될 수 있다. 즉,
Δφseeder = (-) MPPFD
PFD NLC의 초점에서 온도와 무관함.
일부 구현예에서, PMC는 필요하지 않을 수 있다. 시더 크리스탈 자체는 전력 배가 크리스탈에서 최적의 배가에 필요한 위상 불일치를 생성할 수 있다. 이러한 불일치의 소스는 IR 빔의 통과 중에 시더 크리스탈을 가열하는 제어 수준, 또는 오븐 온도에서 작업자에 의해 부과된 변경에 의해 유발된 의도적 시프트에 의해 제공될 수 있다. 그러나, 오븐 온도를 변경하는 것은 PMC를 회전시키거나 또는 전기 광학 PMC 장치에 전압을 적용하는 것보다 훨씬 느린 응답을 갖는다는 점을 상기해야 한다.
일부 실시예에서, PMC는 어떤 위상차(기본 빔과 고조파 빔 사이)가 시더 크리스탈을 빠져 나가든 상관없이 필요한 또는 미리 결정된 위상차를 생성할 수 있다. 일부 실시예에서, PMC는 오븐 온도보다 훨씬 빠르게 조정될 수 있다. 일부 실시예에서, PMC는 위상차가 조정됨에 따라 시더 크리스탈의 전력이 고정된 상태로 유지되도록 한다.
일부 실시예에서, PFD NLC 내에서 유도된 임의의 위상 불일치는 다양한 레이저 파장 및/또는 오븐 온도 유도 MP를 완화하기 위한 켤레(conjugate) 불일치와 함께 시더 NLC의 사용에 의해 완화될 수 있다.
일부 실시예에서, 위에서 언급한 기술은 일정한 폴링 주기를 갖는 임의의 주기적으로 폴링된 크리스탈에 적용될 수 있다.
이제 본 발명의 다양한 실시예에 따라 고전력 입력 빔(기본 빔)(3101)에 대한 위상을 제어하기 위해, 약한 2차 고조파 시드 빔(3102)을 생성하도록 구성된 장치(3000)에 대한 여러 설정(3100)을 보여주는 도 17a 내지 17c를 참조한다. 일부 실시예에서, 2차 고조파 시드 빔(3102)의 생성 및 위상 오프셋의 조정 후에, 빔은 전력 주파수 배가(Power Frequency Doubling, PFD) 크리스탈(3200)로 전파된다. 여기에서 설명된 상황에서, 하나의 장파장 빔은 주파수가 배가된다. 무채색 광학(3402)(무채색 렌즈 또는 다중 파장 미러)은 강도를 증가시켜 주파수 변환을 향상시키기 위해 두 빔(3102, 3103)을 첫 번째 PFD 크리스탈(3200) 내의 동일한 지점에 포커싱하는 데 사용될 수 있다.
일부 실시예에서, 주파수 배가는 위상 일치가 발생할 때 효율적이다.
일부 실시예에서, 입력 파형(3102, 3103)은 1차 고주파 광자의 시작으로부터 그리고 주파수 변환 구역의 끝을 통해 밖으로 PFD 크리스탈(3200)을 통해 정확히 동일한 속도로 전파된다. 일부 실시예에서, 두 파장 사이의 위상 일치는 결정학적 축에 대한 빔의 편광 배향을 제어함으로써 특정 크리스탈에서 발생하도록 만들 수 있다. 더 높은 주파수 빔은 우선적인 위상 일치 축을 따라 자동으로 편광될 것이다.
일부 실시예에서, 위상 일치는 굴절률의 함수이며, 이는 차례로 결정학적 축에 대한 전파, 편광 및 크리스탈 온도의 함수이다. 일부 실시예에서, 특정 입력 파장에 대해 특정 온도에서 유지되는 특정 크리스탈은 전파 각도 및/또는 대역폭에 특히 민감하지 않다. 이러한 경우의 주파수 변환은 NCPM(Non-Critical Phase Matching)으로 지칭된다. 따라서, 예를 들어 149.1℃에서 유지된 LBO가 1064nm 빔의 주파수를 두 배로 늘리는 데 사용되는 경우, 빔이 비교적 긴 크리스탈에 포커싱될 수 있다. 일부 실시예에서, 초점 및 상호 작용 길이가 최적화될 수 있다. 그러나, NCPM은 온도 및 추론에 의해 광 흡수에 민감하다. 녹색광 흡수는 IR 흡수보다 약 4배 더 크다.
본 발명의 일부 실시예에서, 광학 방사의 주파수 배가를 위해 구성된 새로운 장치(3000)가 제공되며, 도 17a 내지 도 17c에서 도시된다. 장치(3000)는 다음과 같은 적어도 2개의 순차적인 비선형 크리스탈(NLC)(3100, 3200, 3300)을 포함한다.
- 기본 주파수(FF)에서 기본 빔(3101)을 수신하고, 기본 주파수(FF)에서 강한 잔류 빔(3103)과 함께 2차 고조파 주파수(FH)에서 약한 2차 고조파 빔(3102)을 방출하도록 구성된 제1 NLC(100) ― 약한 2차 고조파 빔(3102)과 기본 빔(3101) 사이의 전력비는 각각 5×10-3 대 1보다 작음 ―; 및
- 기본 주파수(FF)에서 잔류 빔(3103, 3203)과, 선택적으로 최적의 주파수 배가를 위해 그들의 위상차가 조정된 후에, 이전의 NLC(3100, 3200)의, 2차 고조파 주파수(FH)에서 2차 고조파 빔(3102, 3202)을 수신하도록 구성되고, 기본 주파수(FF)에서 잔류 빔(3203, 3303)과 함께, 2차 고조파 주파수(FH)에서 강한 주파수 배가된 빔(3202, 3302)을 방출하도록 구성된 적어도 하나의 제2 NLC(3200) 및 임의의 선택적인 후속 NLC(3300) ― 강한 주파수 배가된 빔(3202, 3302)과 기본 빔(3101) 사이의 전력비는 각각 0.3 대 1보다 큼 ―.
일부 실시예에서, 장치(3000)는 제2 NLC(3200) 및/또는 임의의 후속 NLC(3300)에 의해 수신되기 전에, 기본 주파수(FF)에서 잔류 빔(3103, 3203)과 2차 고조파 주파수(FH)에서 2차 고조파 빔(3102, 3202) 사이의 위상 관계를 보정하도록 구성된 적어도 하나의 위상 불일치 보상기(PMC)(3502, 3503)를 더 포함한다. 일부 실시예에서, PMC는 적분 값이 틸팅 또는 인가된 전압에 의해 제어될 수 있는 색 분산 요소를 포함한다.
도 17a 내지 17b는 본 발명의 다양한 실시예에 따라, 단지 하나의 배가 NLC(3200)를 갖는 장치(3000)를 도시하는 반면, 도 17c는 두 개의 배가 NLC(3200, 3300)(제1 배가 NLC(3200) 및 제2 배가 NLC(3300))를 갖는 장치를 도시한다. 도 17a 내지 17b는 PMC(3502)가 제1 배가 NLC(3200) 이전에 제공되는 장치(3000)를 도시하는 반면, 도 17c는 두 개의 PMC(3502, 3503), 하나의 PMC(3502)는 제1 배가 NLC(3200) 이전에, 다른 하나는 제2 배가 NLC(3300) 이전에 제공되는 장치를 도시한다.
일부 실시예에서, 장치(3000)는 강한 주파수 배가 빔(3202, 3302)을 샘플링하고 그에 따라 광범위한 작동 조건에서 강한 주파수 배가 빔(3202, 3302)의 최대 전력을 허용하도록 PMC(3502, 3503)을 조정하도록 구성된 적어도 하나의 피드백 및 제어 시스템(3602, 3603)을 더 포함한다.
도 17b는 제2 NLC(3200)(제1 배가 NLC임)에 의해 방출된 강한 주파수 배가 빔(3202)을 샘플링하고 이에 따라 제1 배가 NLC(3200) 이전에 제공된 PMC(3502)를 조정하도록 구성된 피드백 및 제어 시스템(3602)을 도시하는 반면, 도 17C는 제3 NLC(3300)(제2 배가 NLC임)에 의해 방출된 강한 주파수 배가 빔(3302)을 샘플링하고 이에 따라 제2 배가 NLC(3300) 이전에 제공된 PMC(3503)를 조정하도록 구성된 피드백 및 제어 시스템(3603)을 도시하며, 3602, 3603 모두 순차적으로 제공될 수 있다.
일부 실시예에서, 피드백 및 제어 시스템(3602, 3603)은,
- 적어도 하나의 측정 요소(도시되지 않음), 예를 들어 광 검출기;
- 데이터 분석을 위해 구성되고, 적어도 하나의 측정 요소로부터 수신되어, 이에 따라 PMC 조정/들을 위한 제어 명령을 제공하도록 구성된 적어도 하나의 처리 요소(도시되지 않음); 및
- 제어 명령에 따라 PMC(3502, 3503)을 조정하도록 구성된 적어도 하나의 조정 요소(도시되지 않음), 예를 들어, 전동식 회전 장치 및/또는 PMC에 인가된 전압에 의해 PMC를 틸팅함
를 포함한다.
일부 실시예에서, 장치(3000)는 각각 NLC(3100, 3200)(시더 NLC(3100) 및/또는 배가 NLC(3200))의 온도를 조정하도록 구성된 적어도 하나의 오븐(3701, 3702)(도 17b에 도시됨)을 더 포함한다.
일부 실시예에서, 제1 NLC(3100)(시더 NLC)의 길이(LS)는 제2 NLC(3100)(배가 NLC)의 길이(LD)보다 실질적으로 더 작다. 일부 실시예에서, LS는 LD의 10% 이하이다. 즉, LS ≤ 0.1 LD이다.
일부 실시예에서, 제2 NLC(3200) 및 임의의 선택적 후속 NLC(3300)는 (연속파 레이저를 변환하기 위한) LBO 물질을 포함하고 그 길이(LD)는 40 mm보다 크다.
일부 실시예에서, 기본 주파수(FF)는 적외선(infra-red, IR) 광(λF = 1064nm)의 특성을 포함하므로, 2차 고조파 주파수(FH)는 가시광 특성(λH = 532nm)을 포함한다.
일부 실시예에서, 각각의 NLC는 결정학적 축(유형 1)을 따른 기본 빔 편광으로 구성되거나 또는 결정학적 축(유형 2)에 대한 45°의 기본 빔 편광으로 구성된다.
일부 실시예에서, 각각의 NLC는 BBO, KTP, LBO, CLBO, DKDP, ADP, KDP, LiIO3, KNbO3, LiNbO3, AgGaS2, AgGaSe2로 구성된 그룹에서 선택된 적어도 하나의 재료를 포함한다.
일부 실시예에서, 각각의 NLC의 측면 영역(3210)의 치수는 수신된 입력 빔의 치수보다 크다.
일부 실시예에서, 장치는 입력 광선을 정확하게 평행하게 만들도록 구성된 적어도 하나의 시준 렌즈(3401)를 더 포함한다. 일부 실시예에서, 장치는 주파수 배가 빔 및 잔류 빔 모두를 후속 요소, 예를 들어 NLC 또는 PMC로, 선택적으로 중심(예를 들어, 도 17a에서의 3215)으로 포커싱하도록 구성된 적어도 하나의 수렴 요소(3402, 3403)를 더 포함한다.
본 발명의 일부 실시예에서, 광학 복사의 주파수 배가를 위한 새로운 방법이 제공되며, 이 방법은,
- 기본 주파수(FF)에서 기본 빔 그리고 2차 고조파 주파수(FH)에서 약한 2차 고조파 빔이 있는 비선형 크리스탈(NLC)를 제공하는 단계
- 그럼으로써, NLC를 통해 기본 주파수(FF)에서 잔류 빔과 함께 2차 고조파 주파수(FH)에서 강한 주파수 배가 빔을 방출하는 단계를 포함하며,
여기서, 제공된 약한 2차 고조파 빔과 기본 빔 사이의 전력비는 각각 5×10-3 대 1보다 작고,
방출된 강한 주파수 배가 빔과 기본 빔 사이의 전력비는 각각 0.3 대 1보다 크다.
일부 실시예에서, 제공하는 단계는 위상 불일치 보상기(phase mismatch compensator, PMC)를 통해 기본 빔과 약한 2차 고조파 빔 사이의 위상 불일치를 보상하는 단계를 더 포함하고, 상기 방법은 강한 주파수 배가 빔에 대한 최대 전력을 허용하도록 PMC를 제어하는 단계를 더 포함한다.
이제 도 18a 및 도 18b를 참조한다. 도 18a는 저전력 대화를 위해 온도 조정된 단일 크리스탈에서 광축을 따라 온도 변화를 개략적으로 도시하지만, 높은 전력에서 작동할 때 가열을 경험하는 반면, 도 18b는 크리스탈의 모든 위치 Z까지 축적된 위상을 도시한다. 온도는 (T0=149.1℃)로 주어지며, 여기서 T0(Z)는 축상 온도이다. 도시된 바와 같이, 크리스탈은 초점 영역에서 가장 뜨겁다. 이는 열이 통과해야 하는 열 발생 영역(빔) 주변 영역이 초점에서 가장 낮고 열 전달 영역(조명되지 않은 크리스탈)을 떠나기 전에 열이 통과해야 하는 거리가 초점에서 가장 길기 때문이다. 빔이 전파됨에 따라 더 많은 녹색(green)이 생성되어 크리스탈의 후반부에 더 많은 광이 흡수되기 때문에 온도 분포는 초점 영역에 대해 비대칭이다. 이 경우, 크리스탈 내의 모든 지점이 너무 뜨겁기 때문에 MP가 단조롭게 증가한다.
상기한 바와 같이, 도 18a는 1064nm 빔의 저전력 주파수 배가를 위해 설정된 오븐에 배치된 단일 LBO 크리스탈에서 광축을 따른 온도 변화를 개략적으로 도시한다. 일부 실시예에서, 최적의 배가는 149.1℃에서 발생한다. T0는 레이저 빔에 의한 가열로 인해 최적 온도보다 높다. 빔이 크리스탈 중심으로 포커싱되고 녹색 흡수가 IR 흡수보다 약 4배 더 크기 때문에 온도 프로파일이 균일하지 않다. 이러한 가열로 인해 최적의 배가가 발생하지 않을 것이다.
도 18b는 기본 빔과 배가 빔 사이의 전체 위상차를 개략적으로 도시한다. 위상 불일치는 크리스탈의 전면에서 시작하여 대부분의 배가가 초점 영역에서 발생하더라도 축적된다. 이러한 MP의 축적은 초점 영역의 주파수 변환에 큰 영향을 미칠 수 있다.
이제 대부분의 주파수 변환이 발생하는 초점 영역에서 최소 MP 및 최적 온도를 달성하기 위해 켤레 시드 위상차를 추가하는 것이 후속되는 PFD 크리스탈의 온도 재조정을 도시한 도 19a 내지 도 19c를 참조한다. 일부 실시예에서, 도 18a 내지 18b에 도시 된 조건은 시작 조건으로 간주된다.
도 19a는 이러한 해결수단의 기초인 시더 크리스탈에 의해 제공되는 온도 재조정 및 위상 오프셋을 갖는, 일부 실시예에 따른 해결수단을 도시한다. 제1 단계로, PFD는 도 19b에 도시된 바와 같이, 기존 접근 방식에서와 같이 온도가 재조정되며, 여기서, 피드백 파라미터는 제1 PFD 이후의 최대 고조파 전력이다. 그러나, 일부 실시예에서, 시더 크리스탈에 의해 생성된 2차 고조파 시드 빔의 위상은 최적이 아닐 수 있다. 시더 크리스탈로부터 최적의 위상차를 달성하기 위해, PMC는 도 19c와 같이 변경된다. 이러한 2단계 프로세스는 더 이상의 개선이 달성되지 않을 때까지 반복된다. 시뮬레이션에 따르면 초기 위상차에 관계없이 거의 항상 최적이 달성되며, 이러한 최적은 완벽한 PM으로 달성된 변환 효율에 매우 가깝다.
일부 실시예에서, 상기한 바와 같은 장치(3000)는 다양한 시스템에 통합될 수 있으며, 몇 가지 비 제한적인 예는 다음과 같다,
ㆍ 절단, 용접, 표면 처리 또는 적층 제조를 위한 적외선 흡수가 약한 공작물 조사와 같은 산업 응용 시스템.
ㆍ 높은 반복률과 높은 평균 전력에서 펨토초 펄스를 생성하거나 추가 합산 주파수 혼합/추가 주파수 배가 또는 광학 파라메트릭 오실레이터의 추가를 통한 2차 고조파 미만의 조정 가능한 주파수를 통해 더 높은 주파수를 생성하기 위한 목적으로 Ti:sapphire를 펌핑하는 것과 같은 과학적 응용 시스템.
ㆍ 침습적 절차가 신속하게 수행되어야 하는 의료 응용 시스템.
시뮬레이션 테스트
이제 500W 입력 빔으로 수행된 일련의 시뮬레이션에 대한 결과를 도시한 도 20a, 20b 및 20c를 참조한다. 두꺼운 50mm 시더 크리스탈은 PFD NLC에서 MP를 보정하는 데 필요한 켤레 위상차에서 위상차가 크게 떨어진 2차 고조파 시드 빔을 생성하는 데 사용된다. 필요한 시더 빔 전력의 관점에서 볼 때, 훨씬 더 얇은 크리스탈이 사용될 수 있었다.
시뮬레이션에 통합된 모델은,
a. 파장 당 축 방향에 따른 흡수.
b. 빔은 크리스탈의 중앙으로 포커싱한다.
c. 빔(가열 구역) 및 비 조사 구역(열 전달 구역) 내에서 계산된 횡단 온도.
d. 열 광학 계수 및 세그먼트 전파 길이에 기초하여 계산된 위상.
e. SNLO를 사용하여 세그먼트 당 배가.
f. 7개의 세그먼트로 분할된 크리스탈. 각각의 빔 직경 상수.
g. 정성 분석을 위해 출력을 사용한다.
도 20a 내지 20c는 최적 온도(파란색 점선)에서 오프셋된 세 가지 경우의 축 방향 온도를 도시한다. 입력 레이저 출력은 500W이고 50mm 시더 크리스탈이 사용되었다. 테스트 결과는 다음과 같다.
ㆍ 실선의 원이 있는 검은색 선은 저전력에서 오븐을 재조정하지 않은 상태에서 온도 변화를 나타낸다.
ㆍ 사각형이 있는 주황색 선은 최대 배가된 전력을 위한 온도 조정 후의 온도 오프셋을 나타낸다.
ㆍ 삼각형이 있는 녹색 선은 PMC를 재조정하고 최종(작은) 온도를 재조정한 후의 온도를 나타낸다.
최적화 타깃은 초점 영역의 중심에서 T0(Z) = 149.1℃로 설정되었다. 입력면을 따른 열 전달은 내부와 동일하다고 가정하였다. 입력면을 가로 지르는 열 전달은 0과 같다고 가정하였다. 다른 경계 조건이 테스트되었다.
도 20b는 제공된 시더 NLC를 사용한 기본(입력) 빔과 배가 빔 사이의 위상차를 도시한다. PMC 위상은 PFD NLC의 중심에서 최적의 배가에 도달하도록 조정되었다. 이러한 전략은 항상 최적의 배가를 가져왔다.
도 20c는 빔이 PFD를 통해 전파될 때 녹색 빔 전력을 나타낸다. 온도 및 PMC 재조정 이전의 열악한 변환이 중요하다. 또한, 온도 재조정 후 PMC를 추가하면 출력이 1.3배 증가하고 위상 불일치 없이 계산된 전력에 도달하였다.
[표 1]은 50mm 시더 크리스탈이 있거나 없는 500W 입력 빔의 배가에 대한 시뮬레이션 결과의 요약을 나타낸다.
Figure pat00001
[표 2]는 10mm 시더 크리스탈이 있거나 없는 500W 입력 빔의 배가에 대한 테스트 결과의 요약을 나타낸다.
Figure pat00002
상기한 시뮬레이션 테스트에서 주목해야 할 중요한 사항은 다음과 같다.
ㆍ 두 개의 독립적인 파라미터가 온도와 PMC의 위상 불일치를 보정하는 데 필요하다. 온도로 인한 위상 불일치를 분석했지만, 온도 + PMC 보정 기술은 MP의 다른 원인에 적용될 수 있다.
ㆍ 균일한 온도 오븐을 사용하여 분석된 초점 기하에서 PFD의 긴 섹션에 걸쳐 허용 가능한 위상 일치가 달성되었다.
ㆍ 보정은 성능을 크게 향상시킬 수 있다. 성능 수준은 MP가 없는 PFD 수준까지 올릴 수 있다.
(시더 크리스탈 + PMC)의 사용은 다중 PFD와 완전히 호환된다. 이 경우, 각각의 추가 PFD 앞에 자체 PMC가 있다. 제2 PFD 크리스탈을 통해 시뮬레이션을 수행하면 ~ 350W(변환 효율 70%)가 달성될 수 있음을 알 수 있다.
한 실험 테스트의 목적은 상기한 실시예에의 일부에서와 같이, 제어된 기본 고조파 위상차를 갖는 약한 시드 빔의 주입이 시드되지 않은 구성보다 "전력 배가"에서 더 나은 주파수 배가를 생성할 수 있다. 이 테스트는 다음과 같은 특징을 갖는다.
a. 약한 시드 빔을 생성하기 위한 1차 오븐의 낮은 온도. 상이한 비 공진 온도에 대한 시드 빔 프로파일이 도 21에 도시되어 있다. 온도가 원하는 전력을 제공하는 2차 피크에 대응하는 경우 최상의 프로파일이 획득된다. 이 경우, 190mW가 선택되었다.
b.
Figure pat00003
에 대한 최적의 2차 오븐 온도를 결정한다.
c. 추가 가열을 시뮬레이션하기 위해 2차 오븐의 온도를 높인다. PMC를 일정한 각도로 유지한 다음 PMC를 회전시켜 최대 두 배가 되도록 하는 것을 두 번 수행한다.
입력 전력 증폭과 위상 유도 효과를 구별하기 위해 두 개의 시더 전력이 테스트되었다.
도 22a 및 22b는 시더 빔이 있거나 없는 실험 결과와 그 비교를 나타낸다. 0.643 Watt 시더의 경우의 도 22a와 0.188 Watt 시더의 경우의 도 22b에서, 주황색(상부) 선은 "시더가 있음"을 나타내고, 청색(하부) 선은 "시더가 없음"을 나타낸다. 도 22a 및 22b는 다음을 나타낸다.
1. 0.643 Watt 시더에 대한 최적 온도에서 시더가 '있고" 그리고 '없는' 결과 사이에 차이가 있다. 이것은 전력 증폭 및 위상 효과를 나타낸다.
2. 0.188 Watt 시더에 대한 최적의 온도에서 시더가 "있고' 그리고 "없는" 결과 사이에는 차이가 없다. 온도가 상승하면 불일치된 위상 효과를 나타낼 뿐이다. 그 차이(수평 및/또는 수직은 개선을 보여준다).
도 23은 다음을 계산하여 시더 빔 사용에 대한 부가 가치를 나타낸다.
(P2W-with seeder - P2W-without seeder)/P2W-with seeder 대 2차 오븐 온도
최대가 날개에서 나타나고 최대 두 배로 돌아 가지 않기 때문에 일반적인 것으로 보인다.
일부 실시예에서, 상업용 제품의 경우, SD = ±1.5% 정도의 변동을 갖는 일정한 전력 빔이 생성된다. 더블러의 온도 대역폭이 넓을수록 안정성을 유지하기가 더 쉽다.
[표 3]은 98.5% 수준에서 온도 조정 곡선의 폭을 나타낸다.
온도 대역폭 - ℃
시더 없음 ±0.06
시더 있음 ±0.27
개선 4.5×
따라서 "시더 없음" 대역폭은 오븐 제어기의 능력보다 타이트하다. "시더 있음" 대역폭은 가능하다.
도 24는 녹색 출력 빔 대 PMC 회전을 표현함으로써 시더 빔이 위상 효과를 제공함을 나타낸다.
1. 위상 제어만이 역변환(전력 감소)을 유발할 수 있다.
2. 고정된 오븐 온도를 위해 PMC를 회전하면 전력이 수정된다.
3. 단지 0.19 Watt의 시더로 인해 7W의 출력 감소가 발생하였다. 따라서, 위상 제어가 확인된다.
따라서, 상기한 시더 시뮬레이션 테스트는 상기한 일부 실시예에 따라, 시드 빔을 사용하여 단일 빔으로부터 녹색 전력의 출력 > 200 Watt가 제공될 수 있다는 결론으로 이어진다.
두 개의 크리스탈 사이에서 능동적으로 제어된 위상 불일치 보상기를 사용하는 고조파 변환 시스템에 대한 향상된 기능
일부 실시예에서, 본 발명은 주파수 변환 시스템의 기능을 확장하기 위해 피드백 또는 룩업 테이블을 통해 PMC에 동적 제어를 추가하는 것을 제공한다. 일부 실시예에서, 이는 크리스탈을 수용하는 오븐에서 온도 변화의 존재 하에서 향상된 안정성, 레이저의 평균 전력의 변화, 및 고조파 빔을 변조하는 능력 중 적어도 하나를 초래할 수 있다.
일부 실시예에서, 여기에서 기술된 PMC는 유리 윈도우로 구성된다. 일부 실시예에서, PMC는 일반적으로 일부 외부 제어 가능한 파라미터의 함수인 색 분산을 나타내는 임의의 광학 요소에 적용 가능하다.
광학 방사(4101)의 입력의 주파수를 배가하고 2차 고조파 주파수(4302)를 포함하는 출력 빔(4400)을 제공하도록 구성된 장치(4000)를 도시한 도 25a, 25b 및 25c를 참조한다. 그 장치는,
- 적어도 두 개의 순차적 비선형 크리스탈(NLC)(4200, 4300); 각각의 NLC는 기본 주파수(FF)에서 제1 빔(4101 또는 4203), 그리고 선택적으로 이전 NLC(4202)로부터 2차 고조파 주파수(FH)에서 제2 빔을 수신하고, 기본 주파수(FF)에서 잔류 빔과 함께, 2차 고조파 주파수(FH)에서 강한 주파수 배가 빔(4202, 4302)을 방출하도록 구성됨.
- 두 개의 NLC 사이에 위치한 적어도 하나의 위상 불일치 보상기(PMC)(4503); PMC는 다음의 NLC에 의해 수신되기 전에, 기본 주파수(FF)에서 잔류 빔(4203)과 2차 고조파 주파수(FH)에서 2차 고조파 빔(4202) 사이의 위상 관계를 보정하도록 구성됨; 및
- PMC를 능동적으로 회전시키고 따라서 잔류 빔과 제2 고조파 빔 사이의 위상 관계의 보정을 능동적으로 조정하도록 구성된 각가의 PMC 당 전동식 회전 장치(4650)
를 포함한다.
일부 실시예에서, 장치(4000)는 강한 주파수 배가 빔을 실시간으로 샘플링하고, 그에 따라 강한 주파수 배가 빔에 대한 최대 전력을 지속적으로 허용하기 위해 전동식 회전 장치를 통해 PMC를 연속 또는 단계적 방식으로 틸팅하도록 구성된 적어도 하나의 피드백 및 제어 시스템을 더 포함한다.
일부 실시예에서, 피드백 및 제어 시스템은 적어도 하나의 빔 스플리터(4610), 적어도 하나의 측정 요소(예를 들어, 포토다이오드(4620)), 적어도 하나의 처리 요소(4630), 및 전동식 회전 장치(4650)를 제어하도록 구성된 적어도 하나의 제어 요소(4640)를 포함한다.
일부 실시예에서, PMC는 빔이 윈도우를 통과해야 하는 거리가 그 회전 각도에 대해 변하도록 색 분산을 나타내는 광학적으로 투명한 윈도우를 포함한다. 일부 실시예에서, PMC는 빔이 윈도우(예를 들어, 양면에서 연마된 투명 플레이트)를 통과해야 하는 거리가 회전 각도에 대해 변하도록 색 분산을 나타내는 플레이트를 포함한다.
일부 실시예에서, 모터는 연속 실시간 방식으로 단계적 및/또는 연속적 모션으로 PMC를 회전 시키도록 구성된다.
일부 실시예에서, 모터는 상한값과 하한값 사이에 경계가 있는 디더(Dither) 형태로 PMC를 회전시키도록 추가로 구성된다.
일부 실시예에서, 피드백 및 제어 시스템은 다음 중 적어도 하나를 제공하기 위해 디더 형태를 사용하도록 구성된다:
- 다음의 NLC에서 역변환을 최소화함으로써, 출력 빔의 전력을 최대화한다.
- 다음의 NLC에서 역변환을 최대화함으로써, 출력 빔의 전력을 최소화한다.
- 선택적으로 다양한 입력 레이저 전력 및 다양한 오븐 온도에서 선택된 정적 또는 동적 작동 조건 동안, 출력 빔의 전력을 최대와과 최소 사이의 미리 결정된 값으로 조정한다.
일부 실시예에서, 모터는 출력 빔이 각각 턴 온(ON) 및 턴 오프(OFF)되도록 최대 및 최소 고조파 변환 상태 사이에서 토글 모드로 PMC를 회전시키도록 구성된다.
일부 실시예에서, 모터는 제어된 상승 및 하강 시간 및 제어 가능한 지속 시간의 상부가 평평한 펄스를 제공하기 위해 PMC를 회전시키도록 구성된다.
일부 실시예에서, 모터는 룩업 테이블에 따라 PMC를 회전시키므로, 성형된 고조파 펄스를 제공하도록 구성된다.
일부 실시예에서, 장치(4000)는 출력 빔(4400)으로부터 잔류 빔(4303)의 적어도 일부를 분리하도록 구성된 적어도 하나의 다이크로익 빔 스플리터(4801)를 더 포함한다.
일부 실시예에서, 방출된 강한 주파수 배가 빔과 방출된 기본 빔 사이의 전력비는 각각 0.3 대 1보다 크다.
일부 실시예에서, 장치(4000)는 각각 NLC의 온도를 조정하도록 구성된 적어도 하나의 오븐을 더 포함한다. 일부 실시예에서, 장치(4000)는 적어도 두 개의 오븐을 더 포함하고, 각각의 오븐은 상이한 NLC의 온도를 조정하도록 구성된다.
일부 실시예에서, PMC의 능동 제어는 NLC를 수용하는 오븐의 온도 변화로 인한 전력 변화를 최소화하도록 구성된다.
일부 실시예에서, NLC 중 적어도 하나는 LBO를 포함하고 그것의 길이(LD)는 상당한 고조파 광을 달성하기에 충분하다. 일부 실시예에서, NLC 중 적어도 하나는 LBO를 포함하고 그의 길이(LD)는 40mm보다 크다.
일부 실시예에서, 기본 주파수(FF)는 적외선(IR) 광(λF = 1064 nm)의 특성을 포함하므로, 2차 고조파 주파수(FH)는 가시광 특성(λH = 532nm)을 포함한다.
일부 실시예에서, 각각의 NLC는 그것의 결정학적 축을 따라 기본 빔 편광으로 또는 그것의 결정학적 축에 대해 45°에서의 기본 빔 편광으로 구성된다.
일부 실시예에서, NLC 각각은 BBO, KTP, LBO, CLBO, DKDP, ADP, KDP, LiIO3, KNbO3, LiNbO3, AgGaS2, AgGaSe2로 구성된 그룹에서 선택된 적어도 하나의 재료를 포함한다.
일부 실시예에서, NLC 각각의 측면 영역의 치수는 수신된 입력 빔의 치수보다 크다.
일부 실시예에서, 장치(4000)는 기본 및 고조파 빔을 NLC로 포커싱하도록 구성된 적어도 하나의 무채색 수렴 요소(4223 또는 4231 및 4232)를 더 포함한다.
본 발명의 일부 실시예에서, 장치(4000)는 통과하는 빔 광선을 대략 정확하게 평행하게 만들도록 구성된 적어도 하나의 시준 렌즈(4406)를 더 포함한다. 일부 실시예에서, 장치(4000)는 주파수 배가 빔 및 잔류 빔 모두를 후속 요소, 예를 들어 추가 NLC로 포커싱하도록 구성된 무채색 렌즈 또는 미러와 같은 적어도 하나의 수렴 요소(4404, 4405)를 더 포함한다.
일부 실시예에서, PMC는 얇은(~ 1mm) 반사 방지 코팅된 용융 실리카 윈도우로 구성된다. 일부 실시예에서, 재료의 고유 색채 분산은 그것을 통과하는 기본 빔과 고조파 빔 사이에 제어 가능한 양의 위상차를 추가하기 위해 사용된다.
다음의 예는, 일부 실시예에 따라, 향상된 능력이 PMC의 능동 제어를 통해 달성된다는 것을 입증한다. 일부 실시예에서, PMC는 전동식 회전(또는 틸팅) 베이스(4650)에 장착된다. 일부 실시예에서, 도 26a 및 26b에 도시된 바와 같이, 기본 고조파 위상차는 PMC의 회전 각도 α에 따라 증가한다. 증가된 회전(또는 틸팅) 각도 α(빔에 수직으로 위치한 PMC로부터, α = 0)는 PMC를 통한 광경로를 증가시키며, 도 2b에서, P1 > P0이고, 여기서 P0은 α=0에 대한 경로이고, P1은 α> 0에 대한 경로이다.
일부 실시예에서, 최적의 출력 빔(예를 들어, 사용자 지정 전력의 빔)(4400)을 제공하는 최적의 회전 각도는 도 25a 및 도 25b(피드백 시스템 구비)에 도시된 바와 같이, 룩업 테이블(이전의 데이터베이스에 기초하여 미리 정의된 테이블)에 기초하여, 또는 피드백 시스템(4603)을 사용하여, 미리 결정된 위치로 회전한 결과로서 선택될 수 있으며; 도 25c는 피드백 시스템이 없는 장치를 나타낸다. 일부 실시예에서, 그리고 도 25a 및 25b에 도시된 바와 같이, 피드백은 전력 측정 검출기(예를 들어, 포토다이오드, 도 25b의 4620)를 사용하여 출력 빔(4400)을 샘플링함으로써 달성될 수 있다. 일부 실시예에서, 두 경우(룩업 테이블 및 피드백 시스템), 컴퓨터(또는 마이크로프로세서)가 사용되어 구동기 전자 장치(4640)를 통해 모터(4650)에 제어 신호를 전송한다.
일부 실시예에서, 그리고 예를 들어 도 27에 도시된 바와 같이, 피드백 알고리즘은 PMC의 회전 각도를 연속적으로 조정하여 최대 배가 효율을 찾아 유지하고 일정한 결정 온도를 유지하는 데 사용되는 오븐의 온도 안정성 제한으로 인해 발생하는 녹색 전력 변동을 감소시키기 위해(예를 들어, 둘의 인자에 의해) 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 피드백 제어는 상이한 광 흡수량으로 인해 크리스탈 온도가 변하게 하는 레이저 입력 전력의 변화를 극복하기 위해 PMC의 각도를 보정하는 데 사용될 수 있다.
일부 실시예에서, 주파수 배가의 반대는 역변환이다. 제1 크리스탈에서 생성된 두 배의 광은 위상차가 그 효과를 유발하도록 조정되면 제2 크리스탈의 기본 주파수로 역변환될 수 있다. PMC는 이러한 역변환 위상차를 도입하는 데 효과적이다. 따라서, PMC는 주파수 배가를 최대화하거나 최소화하기 위해 회전될 수 있다. 이러한 효과는 PMC 각도를 옅은 녹색(Low Green, LG)으로 출력 빔 "오프(OFF)"와 짙은 녹색(High Green, HG) 각도로 출력 빔 "온(ON)" 사이에서 토클함으로써 고조파 펄스의 생성을 가능하게 한다.
일부 실시예에서, 그리고 도 27에 도시된 바와 같이, 상기한 장치(4000)로부터 배가된 주파수 출력 빔을 활성화("ON") 및/또는 비활성화("OFF")하기 위한 방법(5000)이 제공된다. 이 방법은,
ㆍ 실시간으로 샘플링하고 출력 빔을 측정하는 단계(4710);
ㆍ "ON" 출력(또는 "OFF" 출력에 대해 필요한 최소값)에 대해 출력 빔이 필요한 최대 값에 도달했는지를 지속적으로 또는 자주 결정하는 단계(4720),
- 만약 "아니오"이면 PMC를 회전시키고(4730), 본 방법은 샘플링 단계(4710)부터의 방법을 반복하는 단계;
- "예"이면 현재 각도 αMAX(또는 αMIN)를 유지하고 동적 입력 빔 및/또는 동적 오븐 온도의 임의의 경우에 대해, 샘플링 단계(4710)의 방법을 반복하는 단계
를 포함한다.
일부 실시예에서, "온"/"오프" 상태는 최적의 최대/최소가 달성될 수 있도록 충분히 길다. 일부 실시예에서, 더 빠른 "상승" 또는 "하강" 시간("온"/"오프")에 대해, 회전시키는 단계는 두 개의 미리 결정된 상태 사이에서 PMC를 토글하는 단계를 포함하고, 따라서 고조파 출력 빔이 빨리 변조된다.
장치(4000) 및 방법(5000)은 사용되는 특정 데이터 통신 하드웨어에 의해서만 상승 시간(30 ms)이 제한되는 출력 빔(4400) 활성화("온")를 테스트하고 시연 하였다. 일부 실시예에서, 상승 시간은 토크 및 두 위치("온"/"오프") 사이에서 토글링하는 모터의 정확도와 함께 회전 시스템의 관성에 의해서만 제한되어야 한다. 이렇게 하면, 위상 토글 모드에서 상승 시간 < 1ms 이어야 한다.
일부 실시예에서, 도 25b는 다음 테스트 시연을 위해 사용된 구성에서, 두 개의 비선형 크리스탈(NLC)(4200, 4300)을 포함하는 상기한 장치(4000)를 개략적으로 도시한다. 시연된 고조파 변환 설정은 오븐에 배치되고 능동적으로 제어되는 위상 불일치 보상기(Phase Mismatch Compensator, PMC) 플레이트로 분리된 두 개의 비선형 크리스탈을 사용한다. PMC는 고조파 출력 빔을 샘플링하는 포토다이오드에서 제공되는 룩업 테이블 또는 피드백을 사용하여 위치가 컴퓨터로 제어되는 모터에 장착된다. 이러한 설정에서, 빔은 크리스탈 당 변환 효율을 최대화하기 위해 각각의 크리스탈로 포커싱된다. 일부 실시예에서, 그리고 이러한 테스트 설정에서 사용된 바와 같이, 리튬 트리보레이트(Lithium triborate, LBO)를 포함하는 NLC는 유형 1, 비 임계 위상 일치를 위해 배향된다. 도시된 바와 같이, NLC는 약 149.1 ± 0.15℃의 온도를 유지하는 저항성 오븐에 수용된다. 최적 온도는 기본 및 고조파 파장에서 광의 흡수로 인해, 입력 전력의 함수에 따라 달라진다. 크리스탈 흡수의 정도는 중요한 인자이다. 이반적인 최적 온도의 변화는 10W와 250W 기본 빔 전력 사이의 몇 도이다.
일부 실시예에서, 온도 스케일의 변화에 대한 민감도는 크리스탈 길이에 반비례한다. 테스트된 장치에서, 개별 크리스탈의 길이는 최소 40mm이며 장치 당 두 개의 전력 배가 크리스탈이 있다. 요구사항은 일반적으로 ±1% 고조파 전력 안정성이다. 이는 두 개의 크리스탈 패스를 통해 약 ±0.04℃의 오븐 온도 안정성 요구사항을 의미하며, 본 예에서는 동일한 온도 변화를 겪는다(하나의 크리스탈을 이중 통과하여 테스트). 이러한 온도 안정성은 대부분의 오븐과 제어기의 능력을 뛰어 넘는다. 오븐 제어기는 온도가 특정 수준 이하로 떨어질 때마다 가열 저항에 전기 펄스를 인가하도록 작동한다. 이것은 크리스탈 온도를 상승시키지만, 항상 오버슈트를 발생한다.
도 28a 및 28b는 오븐 제어기 언더슈트/오버슈트로 인한, 본 발명의 일부 실시예에 따른, 시간에 따른 크리스탈 온도 및 배가 전력 변화를 개략적으로 도시한다. 도 28a는 주파수 배가를 위한 최적 온도에 걸쳐 있지 않은 오븐 온도 변화를 나타내고, 반면에 도 28b는 최적 배가 온도에 걸쳐 있는 오븐 온도를 나타낸다. 일반적인 시스템의 경우, 가열 및 냉각에 대한 특성 시간은 약 1분이다. 도시된 바와 같이, 고조파 광 전력 변동은 도 28a에 도시된 바와 같이, 온도가 최적 온도 지점을 넘지 않는 경우 오븐 온도 변동의 주파수를 모방한다. 오븐 온도가 도 28b에 도시된 바와 같이, 최적 온도 지점을 넘는 경우, 고조파 전력 변동의 주파수는 온도 변동 주파수의 두 배까지 증가한다(온도 변동이 Toptimum 주변에서 대칭일 때). 이러한 결과는 온도가 Toptimum을 통과할 때(상승 또는 하강할 때)마다 고조파 전력이 피크에 도달하지만 양수 및 음수 둘 다에 대해 전력이 하강(ΔT)한다는 사실의 결과이다.
일부 실시예에서, 온도 변화가 기본 광과 고조파 광 사이의 불일치 위상을 초래하기 때문에, PMC(Phase Mismatch Compensator) 플레이트가 오븐 유도 불일치 위상을 무효화하기 위해 켤레 위상을 추가하는 데 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 오븐 온도가 지속적으로 변하기 때문에, PMC 회전도 또한 지속적으로 변한다. 이러한 이유로, PMC는 전동식 회전 스테이지 상에 배치된다. 일부 실시예에서, PMC 회전 각도는 디더 제어를 통해 변한다. 일부 실시예에서, 디더 제어는 대규모 패턴을 방지하는, 양자화 오류를 랜덤화하는 데 사용되는, 의도적으로 적용된 형태의 잡음이다.
도 29는 오븐 언더슈트/오버슈트를 극복하도록 구성된 PMC를 회전시키기 위한 디더 제어를 통해, 본 발명의 일부 실시예에 따른 출력 전력 안정화를 도시한다. 도시된 바와 같이, 활성 PMC 응답은 시간에서 수직선으로 표시된다. 회전 방향과 속도는 각각의 응답 기간의 끝에서 평가된다. 오류 결과 및 전력 강하는 크리스탈이 가열되거나 냉각되기 시작하는 시간과 PMC의 방향이 다시 조정되는 시간 사이의 지연으로 인해 발생한다. 도시된 바와 같이, 고주파수, 소 진폭, 회전 디더 제어가 PMC에 적용된다. 일부 실시예에서, 디더 주파수 상한은 물리적 관성과 피드백 신호 통합 및 시스템의 응답 시간에 의해 결정된다. 일부 실시예에서, 디더 주파수 하한은 적용 요구사항 또는 디더 유도 전력 변동의 높이/깊이에 의해 결정된다. 일부 실시예에서, 최적의 PMC 유도 위상은 일정하지 않지만, 오븐 온도 변화와 동일한 주기를 갖는 톱니이다. 이러한 느린 변동 외에도 디더 위상 변동이 있다. 디더 제어가 오븐 변동을 올바르게 추적하는 경우, 디더 주파수의 두 배로 고조파 전력에 변동이 있다. PMC 위상에 오류가 있는 경우(예를 들어, 오븐이 켜진 후 크리스탈이 방금 가열되기 시작하고 피드백 신호를 처리하고 PMC로 제어 신호를 전송하는 데 지연이 있는 경우), 전력이 떨어지고 고주파수 변동은 디더 주파수로 감소한다.
일부 실시예에서, 피드백을 이용한 디더링 제어는 도 30에서 도시된 바와 같이, 작동 조건의 변화 후에, 그리고 일부 실시예에 따라, 최대 값으로 고조파 전력을 유지하기 위해, PMC 각도를 최적화하는 데 사용되며, 한편, 도 31a에서 도시된 바와 같이, 정적 PMC를 사용하여 약 ±3.7%의 전형적인 값으로부터 변동을 감소시키고, 그리고 일부 실시예에 따라, 연속 디더가 사용된 도 31b에 도시된 바와 같이(우측 상단 섹션은 1440.5-1442.7 초의 시간대에서 확대된 보기를 나타낸다), PMC가 능동 피드백 제어로 작동되는 경우, 약 ±1.6%로 변동을 감소시킨다. 이러한 측정을 위해, 피드백 포토다이오드가 모니터링되었다. 참고: 도 30은 피드백 제어된 PMC가 출력을 최대 레벨(P2ω = 80Watt)로 가져가기 위해 회전되었기 때문에 출력의 녹색 전력을 나타낸다. 전력 상승 중 톱니는 PMC의 디더 제어의 결과이다. 데이터는 피드백 포토다이오드를 사용하여 취해졌다. 도 31a 및 31b는 연속 피드백 제어된 PMC 안정화가 없고(도 31a) 그리고 있는(도 31b) 때의 전력 변동의 비교를 나타낸다. 도 31a 및 31b는 60분 실행 중 10분 윈도우를 나타낸다. 이러한 측정을 위해, 피드백 포토다이오드가 모니터링되었다.
일부 실시예에서, 주파수 도메인의 전력계 데이터를 살펴봄으로써 추가적인 통찰력이 획득될 수 있다. 이는 도 32에서 보여지며, 1시간 실행은 안정화 알고리즘이 있고(하단 그래프) 그리고 없는(상단 그래프) FFT(Fast Fourier Transforms)를 사용하여 분석되었다. 안정화 알고리즘 없이 수행된 실행의 경우, 고조파 변환이 최적의 위상 일치에서 시작되었지만, 시간이 지남에 따라 드리프트되었다. 따라서, 오븐의 특성 온도 응답 주파수와 두 배의 주파수에서 두 개의 오프셋 피크가 관찰될 수 있었다. 또한, 0Hz에서 일정한 전력(일정한 출력) 스파이크를 넘어서서 저주파수 전력이 증가하고 있음에 유의한다. 참고: 0Hz에서는 1과 같은 값의 지점이 있다. 이것은 신호의 일정한 전력 컴포넌트이다. 일부 실시예에서, 완벽하게 안정된 빔은 이러한 하나의 지점만을 포함한다. 이것은 전력 드리프트의 또 다른 지시이다. 지속적인 디더 안정화의 결과는 매우 다르다. 오븐 유도 전력 변동은 약 5배 정도 감소했으며 저주파수 드리프트도 또한 크게 감소하였다. 디더 안정화 알고리즘으로 인해 플롯 범위를 벗어난 더 높은 주파수 성분이 생성되었다. 이들 주파수는 사용된 오빌(Ophir) 50(150) 전력계의 주파수 응답을 넘어섰다.
일부 실시예에서, 두 개의 NLC 장치(4000)에서 고조파 변환을 최대화하기 위해 사용된 것과 동일한 기술로 높은 레벨의 역변환이 달성되고 유지될 수 있다. 일부 실시예에서, 변경되는 유일한 파라미터는 적외선(IR) ― 녹색 위상차이다. 이러한 효과의 시뮬레이션은 도 33에 나와 있으며, 서로 다른 입력 전력에 대해 고조파 출력 전력에서 PMC 플레이트를 회전시키는 효과에 대한 스미스 비 선형 광학(Smith Non-Linear Optics, SNLO) 시뮬레이션을 보여준다. 10배 이상의 일반적인 옅은 녹색 대 짚은 녹색 비율은 실험적으로 높은 전력에서 달성되었다(LG/HG < 0.10). 일부 실시예에서, 이러한 효과는 고전력 연속파(continuance wave, CW) 녹색 빔을 변조("ON"/"OFF")하는 데 사용될 수 있다. 이것은 기본 빔을 켜고 끄는 것만으로도 상승 시간이 몇 분 밖에 걸리지 않기 때문에 중요하다. 참고: 그 이유는 고전력 배가의 경우 IR에 녹색 흡수를 더하는 것을 고려하여 오븐 온도가 낮아지기 때문이다. 레이저가 처음 켜지면, 온도가 너무 낮기 때문에 배가 효율이 낮다. IR 광이 흡수됨에 따라, 크리스탈 온도가 상승하고 더 많은 녹색이 생성된다. 녹색의 흡수는 크리스탈 온도를 더욱 상승시켜, 최적의 고전력 값에 접근한다. 일부 실시예에서, 완전한 배가 효율은 기본적이고 녹색 흡수가 크리스탈을 열 평형 상태로 만들 때까지 도달될 수 없다.
도 34a 및 34b는 도 34a에서와 같이 입력 레이저 빔을 빠르게 "온"시키고, 그리고 도 34b에서와 같이 PMC 위치를 토글함으로써, 일부 실시예에 따라 달성된 상승 시간(최소 전력에서 최대 전력까지) 사이의 비교를 나타내며, IR 입력 전력은 246Watt이고, 최대 녹색 전력은 75W이다. 서모파일(Thermopile) 전력계(τrise = 2sec)는 도 34a의 측정을 수행하는 데 사용되었으며, 피드백 포토다이오드는 도 34b에서 도시된 트레이스(τrise = 30ms)를 획득하는 데 사용되었다. 이러한 테스트 설정에서, PMC 활성화 시스템의 상승 시간은 포토다이오드와 컴퓨터 사이, 컴퓨터와 PMC 로터리 스테이지 사이의 통신 시간에 의해 제한되었다. 파선은 급격한 턴온시 파이버 레이저의 상승 시간을 나타낸다. 점선은 녹색 출력 전력의 훨씬 느린 상승을 나타낸다. 이러한 느린 응답은 열 평형에 도달하는 데 필요한 시간 때문이며, 먼저 IR 흡수로 인한 다음 더 많은 녹색 전력이 생성됨에 따라 녹색 흡수로 인해 발생한다. PMC 토글링을 사용한 훨씬 빠른 응답은 제1 크리스탈이 열 평형 상태에 있고 제2 크리스탈이 IR 흡수로 인해 부분적으로 가열된다는 사실의 결과이다. 관성을 최소화하고 모터와 제어기를 적절히 선택함으로써 밀리 초 미만의 상승 시간이 달성될 수 있어야 한다.
보다 복잡한 펄스 형성은 이러한 기술의 직접적인 확장이라는 점이 지적되어야 한다. 일부 실시예에서, 관련 시간 종속적인 PMC 각도가 유도되고 프로그래밍된 다음 실행될 수 있는 한 임의의 형상 펄스가 생성될 수 있다.
일부 실시예에서, 상기한 장치(4000)는 다양한 시스템에 통합될 수 있으며, 비 제한적인 몇 가지 예는 다음과 같다.
ㆍ 절단, 용접, 표면 처리 또는 적층 제조를 목적으로 적외선 흡수가 약한 공작물 조사와 같은 산업 응용 시스템.
ㆍ 높은 반복률과 높은 평균 전력에서 펨토초 펄스를 생성하거나 또는 추가 합산 주파수 혼합/추가 주파수 배가 또는 광학 파라메트릭 오실레이터의 추가를 통한 2차 고조파 미만의 조정 가능한 주파수를 통해 더 높은 주파수를 생성할 목적으로 Ti:sapphire를 펌핑하는 것과 같은 과학적 응용 시스템
ㆍ 침습적 절차가 신속하게 수행되어야 하는 의료 응용 시스템.
본 발명의 특정 특징이 본 명세서에 예시되고 설명되었지만, 많은 수정, 대체, 변경 및 등가물이 이제 당업자에게 발생할 것이다. 따라서, 첨부된 청구 범위는 본 발명의 진정한 사상에 속하는 그러한 모든 수정 및 변경을 포함하도록 의도 된 것임이 이해되어야 한다.

Claims (23)

  1. 적어도 하나의 시드 레이저 장치(1210, 1310, 1410, 1510) 및 상기 시드 레이저 장치의 시드 빔을 수신하고 증폭된 레이저 빔(1270, 1370, 1470, 1570)을 선택적으로 제공하도록 구성된 코히어런트 빔 결합(coherent beam combining, CBC) 시스템(1201, 1301, 1401, 1501)을 포함하는 레이저 시스템(1200, 1300, 1400, 1500)에 의해 제공되는 레이저 빔을 변조하기 위한 방법으로서,
    상기 CBC 시스템은,
    - 모두 CBC 포인트(1271, 1371, 1471, 1571)에서 보강 또는 파괴 빔 간섭을 가능하게 하도록 배열된, 시드 빔, 복수의 광학 증폭기(1220, 1320, 1420, 1520), 적어도 하나의 빔 스플리터(1230, 1330, 1430, 1530) 및 선택적으로 적어도 하나의 빔 결합기(1240, 1340, 1440, 1540)를 구비한 광학 연결로 구성된 복수의 위상 변조기들(1250, 1350, 1450, 1550); 및
    - 상기 CBC 포인트(1271, 1371, 1471, 1571)에서 상기 빔 간섭을 모니터링하고 그에 따라 상기 위상 변조기들 중 적어도 하나를 제어하도록 구성된 적어도 하나의 제어 회로(1260, 1360, 1460, 1560)
    를 포함하고,
    상기 레이저 빔을 변조하기 위한 방법은,
    ㆍ 상기 CBC 포인트(1271, 1371, 1471, 1571)에서 상기 보강 빔 간섭을 제공하기 위해 상기 레이저 시스템(1200, 1300, 1400, 1500) 내의 빔들의 관련된 위상들을 제어함으로써 상기 레이저 빔(1270, 1370, 1470, 1570)을 활성화시키는 단계 ― 상기 레이저 빔을 활성화시킴으로써 상기 레이저 빔을 제공함 ―; 및
    ㆍ 상기 CBC 포인트(1271, 1371, 1471, 1571)에서 파괴 빔 간섭을 제공하기 위해 상기 레이저 시스템(1200, 1300, 1400, 1500) 내의 빔들의 관련된 위상들을 제어함으로써 상기 레이저 빔(1270, 1370, 1470, 1570)을 비활성화시키는 단계 ― 상기 레이저 빔을 비활성화시킴으로써 상기 레이저 빔을 방지함 ―
    를 포함하는, 레이저 빔을 변조하기 위한 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    ㆍ 상기 활성화시키는 단계는 상기 CBC 포인트(1271, 1371, 1471, 1571)에서 상기 보강 빔 간섭을 제공하기 위해 상기 위상 변조기들(1250, 1350, 1450, 1550)을 제어하는 단계를 포함하여, 상기 레이저 빔(1270, 1370, 1470, 1570)을 제공하고;
    ㆍ 상기 비활성화시키는 단계는 상기 CBC 포인트(1271, 1371, 1471, 1571)에서 파괴 빔 간섭을 제공하기 위해 상기 위상 변조기들(1250, 1350, 1450, 1550)을 제어하는 단계를 포함하여, 상기 레이저 빔(1270, 1370, 1470, 1570)을 방지하는,
    레이저 빔을 변조하기 위한 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 보강 빔 간섭을 제공하기 위해 상기 위상 변조기들을 제어함으로써 활성화시키는 단계는,
    최대 강도로 상기 보강 빔 간섭을 제공하기 위해 상기 위상 변조기들을 조정하는 단계를 포함하는,
    레이저 빔을 변조하기 위한 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 파괴 간섭을 제공하기 위해 상기 위상 변조기들을 제어함으로써 비활성화시키는 단계는,
    반 위상(π)을 그들의 빔에 추가하기 위해 조정된 위상 변조기들 중 절반을 제어하는 단계를 포함하는, 레이저 빔을 변조하기 위한 방법.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 파괴 간섭을 제공하기 위해 상기 위상 변조기들을 제어함으로써 비활성화시키는 단계는,
    상기 조정된 위상 변조기들 중 일부를 수정하는 단계를 포함하는, 레이저 빔을 변조하기 위한 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 조정된 위상 변조기들 각각은 서로 다르게 수정되는, 레이저 빔을 변조하기 위한 방법.
  7. 제3항에 있어서,
    최대 빔 강도를 제공하기 위해 조정된, 상기 위상 변조기들 중 일부를 수정함으로써 상기 레이저 빔을 조정하는 단계를 더 포함하며,
    상기 수정은 상기 레이저 빔의 강도가 상기 최대 강도의 미리 결정된 백분율과 동일하게 되도록 구성되는, 레이저 빔을 변조하기 위한 방법.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 파괴 빔 간섭을 제공하기 위해 상기 위상 변조기들을 제어함으로써 비활성화시키는 단계는,
    최소 강도로 상기 빔 간섭을 제공하기 위해 상기 위상 변조기들을 조정하는 단계를 포함하는, 레이저 빔을 변조하기 위한 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 레이저 시스템(1300)은,
    - 상기 시드 레이저 장치(1310)의 시드 빔을 수신하고 그 대역폭을 변조하도록 구성된 고속 광학 변조기(fast optical modulator, FOM)(1316);
    을 포함하고,
    상기 레이저 빔을 변조하기 위한 방법은,
    ㆍ 상기 CBC 시스템(1301)의 CBC 포인트(1371)에서 보강 간섭이 가능하도록 구성된 제1 대역폭(Δω1)을 상기 시드 빔에 제공하기 위해 상기 FOM(1316)을 제어하는 단계를 포함하여 상기 레이저 빔(1370)을 제공하는 활성화시키는 단계; 및
    ㆍ 상기 CBC 포인트(1371)에서 보강 간섭이 불가능하도록 구성된 제2 대역폭(Δω2, 여기서 Δω2 > Δω1)을 상기 시드 빔에게 제공하기 위해 상기 FOM(1316)을 제어하는 단계를 포함하여 상기 레이저 빔(1370)을 방지하는 비활성화시키는 단계,
    를 포함하는 레이저 빔을 변조하기 위한 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 레이저 시스템(1400)은,
    - 제1 파장(λ1)을 갖는 제1 시드 빔을 제공하도록 구성된 시드 레이저 장치(1410);
    - 제1 파장과 다른 제2 파장(λ2)(λ2 ≠ λ1)을 갖는 제2 시드 빔을 제공하도록 구성된 제2 시드 레이저 장치(1411); 및
    - 상기 제1 시드 빔 및 제2 시드 빔 중 하나만을 상기 CBC 시스템(1401)에 연결하도록 구성된 광학 스위치(1415)
    를 포함하고,
    상기 레이저 빔을 변조하기 위한 방법은,
    ㆍ 상기 제1 시드 빔을 상기 CBC 시스템(1401)에 연결하기 위해 상기 광학 스위치(1415)를 제어하고 그리고 상기 CBC 시스템(1401)의 CBC 포인트(1471)에서 상기 보강 빔 간섭을 제공하기 위해 위상 변조기들(1450)을 제어하는 단계를 포함하여 상기 레이저 빔(1470)을 제공하는 활성화시키는 단계; 및
    ㆍ 상기 제2 시드 빔을 상기 CBC 시스템(1401)에 연결하기 위해 상기 광학 스위치(1415)를 제어하는 단계를 포함하여 CBC 포인트(1471)에서 보강 빔 간섭을 불가능하게 하고 상기 레이저 빔(1470)을 방지하는 비활성화시키는 단계,
    를 포함하는, 레이저 빔을 변조하기 위한 방법.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 레이저 시스템(1500)은,
    - 제1 대역폭(Δω1)을 갖는 제1 시드 레이저 빔을 제공하도록 구성된 시드 레이저 장치(1510);
    - 제1 대역폭보다 큰 제2 대역폭(Δω2)(Δω2 > Δω1)을 갖는 제2 시드 레이저 빔을 제공하도록 구성된 제2 시드 레이저 장치(1511); 및
    - 상기 제1 시드 빔 및 제2 시드 빔 중 하나만을 상기 CBC 시스템에 연결하도록 구성된 광학 스위치(1515)
    를 포함하고,
    상기 제1 대역폭(Δω1)은 상기 CBC 시스템(1501)의 CBC 포인트(1571)에서 보강 빔 간섭을 가능하도록 구성되고, 상기 제2 대역폭(Δω2)은 상기 CBC 포인트(1571)에서 보강 빔 간섭을 불가능하도록 구성됨 ―,
    상기 레이저 빔을 변조하기 위한 방법은,
    ㆍ 상기 제1 시드 레이저 빔을 상기 CBC 시스템(1501)에 연결하기 위해 상기 광학 스위치(1515)를 제어하는 단계를 포함하여 보강 간섭을 가능하게 하고 상기 레이저 빔(1570)을 제공하는 활성화시키는 단계;
    ㆍ 상기 제2 시드 레이저 빔을 상기 CBC 시스템에 연결하기 위해 상기 광학 스위치(1515)를 제어하는 단계를 포함하여 보강 간섭을 불가능하게 하고 상기 레이저 빔(1570)을 방지하는 비활성화시키는 단계,
    를 포함하는 레이저 빔을 변조하기 위한 방법.
  12. 레이저 시스템(1600)에 의해 제공되는 레이저 빔(1670A, 1670C)을 변조하기 위한 방법으로서 ― 상기 레이저 시스템은,
    - 시드 빔을 수신하고 증폭된 레이저 빔(1672A, 1672C)을 제공하도록 구성된 코히어런트 빔 결합(CBC) 시스템(1601A, 1601C);
    - 제1 파장(λ1)을 갖는 제1 시드 빔을 제공하도록 구성된 제1 시드 레이저(1610);
    - 제1 파장과 서로 다른 제2 파장(λ2)(λ2 ≠ λ1)을 갖는 제2 시드 빔을 제공하도록 구성된 제2 시드 레이저(1611);
    - 상기 제1 시드 빔 및 제2 시드 빔 중 하나만을 상기 CBC 시스템(1601A, 1601C)에 연결하도록 구성된 광학 스위치(1615); 및
    - 증폭된 레이저 빔(1672A, 1672C)을 수신하고, 상기 제1 파장(λ1)을 갖는 빔을 상기 레이저 시스템(1600)의 출력으로 전송하며, 상기 제2 파장(λ2)을 갖는 빔을 반사함으로써, 상기 출력 레이저 빔(1670A, 1670C)을 선택적으로 제공하도록 구성된 다이크로익 미러(dichroic mirror)(1680A, 1680C)
    를 포함함 ―,
    상기 레이저 빔을 변조하기 위한 방법은,
    ㆍ 상기 제1 시드 빔을 상기 CBC 시스템에 연결하기 위해 상기 광학 스위치(1615)를 제어함으로써 상기 레이저 빔을 활성화시키는 단계 ― 상기 레이저 빔을 활성화시킴으로써 상기 레이저 빔을 전송하여 제공함 ―;
    ㆍ 상기 제2 시드 빔을 상기 CBC 시스템에 연결하기 위해 상기 광학 스위치(1615)를 제어함으로써 상기 레이저 빔을 비활성화시키는 단계 ― 상기 레이저 빔을 비활성화시킴으로써 상기 레이저 빔을 반사하여 회피함 ―
    를 포함하는 레이저 빔을 변조하기 위한 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 CBC 시스템(1601)은,
    - 모두 CBC 포인트(1671A, 1671C)에서 보강 빔 간섭을 가능하게 하도록 배열된, 연결된 시드 빔, 복수의 광학 증폭기(1620), 적어도 하나의 빔 스플리터(1630) 및 선택적으로 적어도 하나의 빔 결합기(1640)를 구비한 광학 연결로 구성된 복수의 위상 변조기들(1650); 및
    - 상기 CBC 포인트에서 상기 빔 간섭을 모니터링하고 그에 따라 상기 위상 변조기들 중 적어도 하나를 제어하도록 구성된 적어도 하나의 제어 회로(1660)
    를 포함하고,
    상기 레이저 빔을 변조하기 위한 방법은,
    적어도 상기 활성화시키는 단계 동안에, 상기 CBC 포인트에서 상기 보강 빔 간섭을 제공하기 위해 상기 위상 변조기들을 제어하는 단계
    를 더 포함하는, 레이저 빔을 변조하기 위한 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 보강 빔 간섭을 제공하기 위해 상기 위상 변조기들을 제어하는 단계는,
    최대 강도로 상기 보강 빔 간섭을 제공하기 위해 상기 위상 변조기들을 조정하는 단계를 포함하는, 레이저 빔을 변조하기 위한 방법.
  15. 레이저 시스템(1700A)에 의해 제공되는 레이저 빔(1770)을 변조하기 위한 방법으로서 ― 상기 레이저 시스템은,
    - 적어도 하나의 시드 레이저 장치(1710);
    - 상기 시드 레이저 장치의 시드 레이저 빔을 수신하고 그 편광 방향(1718)을 변조하도록 구성된 광학 편광 결합기(optical polarization combiner, OPC)(1717) ― 상기 변조는 적어도 두 개의 편광 성분을 갖는 시드 빔을 제공하는 것을 포함하고, 상기 편광 성분 중 하나는 미리 결정된 편광 방향(P1)을 포함함 ―;
    - 편광 변조된 시드 빔(1718)을 수신하고 증폭된 레이저 빔(1772)을 제공하도록 구성된 코히어런트 빔 결합(CBC) 시스템(1701); 및
    - 증폭된 레이저 빔(1772)을 수신하고 상기 미리 결정된 편광 방향(P1)을 갖는 빔만을 상기 레이저 시스템(1700A)의 출력으로 전송하며 다른 편광 방향을 갖는 빔을 반사함으로써 선택적으로 상기 레이저 빔(1770)을 제공하도록 구성된 편광 빔 스플리터(polarization beam splitter, PBS)(1790)
    를 포함함 ―,
    상기 레이저 빔을 변조하기 위한 방법은,
    ㆍ 상기 미리 결정된 편광 방향(P1)을 갖는 빔 성분을 상기 시드 레이저 빔의 전체 강도의 50%보다 큰 강도(I1)를 갖도록 제공하기 위해 상기 OPC(1717)를 제어함으로써 상기 레이저 빔(1770)을 활성화시키는 단계 ― 상기 레이저 빔(1770)을 활성화시킴으로써 상기 레이저 빔을 제공함 ―;
    ㆍ 상기 미리 결정된 편광 방향(P1)을 갖는 빔 성분을 상기 시드 레이저 빔의 전체 강도의 50% 이하의 강도(I1)로 제공하도록 상기 OPC(1717)를 제어함으로써 상기 레이저 빔을 비활성화시키는 단계 ― 상기 레이저 빔(1770)을 비활성화시킴으로써 상기 레이저 빔을 회피함 ―
    를 포함하는 레이저 빔을 변조하기 위한 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 미리 결정된 편광 방향(P1)을 갖는 빔 성분을 상기 시드 레이저 빔의 전체 강도의 미리 결정된 백분율과 동일한 강도(I1)로 제공하기 위해 상기 OPC(1717)를 제어함으로써 상기 레이저 빔을 조정하는 단계
    를 더 포함하는 레이저 빔을 변조하기 위한 방법.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 CBC 시스템(1701)은,
    - 모두 CBC 포인트(10)에서 보강 빔 간섭을 가능하게 하도록 배열된, 상기 편광 변조된 시드 빔, 복수의 광학 증폭기, 적어도 하나의 빔 스플리터 및 선택적으로 적어도 하나의 빔 결합기를 구비한 광학 연결로 구성된 복수의 위상 변조기들; 및
    - 상기 CBC 포인트에서 상기 빔 간섭을 모니터링하고 그에 따라 상기 위상 변조기들 중 적어도 하나를 제어하도록 구성된 적어도 하나의 제어 회로
    를 포함하고,
    상기 레이저 빔을 변조하기 위한 방법은,
    적어도 상기 활성화시키는 단계 동안에, 상기 CBC 포인트에서 상기 보강 빔 간섭을 제공하기 위해 상기 위상 변조기들을 제어하는 단계
    를 더 포함하는, 레이저 빔을 변조하기 위한 방법.
  18. 제15항에 있어서,
    상기 OPC(1717)는,
    - 제1 편광 방향(P1)을 갖는 입력 빔을 수신하고, 상기 제1 편광 방향(P1) 및 제1 강도(I1)를 갖는 제1 빔(B1(I1, P1))과 상기 제1 편광 방향(P1) 및 제2 강도(I2)를 갖는 제2 빔(B2(I2, P1))을 출력하도록 구성된 빔 스플릿 어셈블리(1820) ― 상기 제1 및 제2 강도의 합(I1 + I2)은 상기 입력 빔의 강도와 같음 ―;
    - 상기 빔 스플릿 어셈블리(1820)의 출력 빔(B1 또는 B2) 중 하나를 수신하고 그의 편광을 변환하도록 구성된 편광 변환기(1830); 및
    - 제1 출력 빔(B1(I1, P1))과 제2 변환된 출력 빔(B2(I2, P2))을 수신하여 상기 CBC 시스템(1701)에 대한 입력으로 제공되는 제3 빔으로 결합하도록 구성된 편광 빔 스플리터(polarization beam splitter, PBS)(1840A); 또는, 제1 출력 빔(B1(I1, P1)) 및 상기 제2 변환된 출력 빔(B2(I2, P2))을 수신하여 결합하고, 이들을 두 개의 출력 빔으로 스플릿하도록 구성된 커플러(1840B) ― 상기 두 개의 출력 빔 중 하나만이 상기 CBC 시스템에 대한 입력으로서 제공됨 ―
    를 포함하는, 레이저 빔을 변조하기 위한 방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 빔 스플릿 어셈블리는,
    - 입력 빔을 수신하고 상기 입력 빔을 두 개의 빔으로 스플릿하도록 구성된 빔 스플리터(1821);
    - 상기 두 개의 빔 중 하나의 위상을 변조하도록 구성된 위상 변조기(1822);
    - 상기 두 개의 빔을 수신하고 두 개의 위치(1823A 및 1823B)에서 그들의 간섭을 제공함으로써 상기 제1 출력 빔(B1(I1, P1))과 상기 제2 출력 빔(B2(I2, P1)을 제공하도록 구성된 커플러(1823); 및
    - 상기 두 개의 간섭 위치 중 하나를 모니터링하고 위상 변조기(1822)를 제어하여, 그에 따라 모니터링된 위치에서 보강 또는 파괴 빔 간섭을 가능하게 하도록 구성된 전자 제어기(1826) ― 비 모니터링 간섭 위치에서는 각각 파괴 또는 보강 빔 간섭이 제공됨 ―
    를 포함하고,
    상기 OPC를 제어하는 단계는 상기 위상 변조기를 제어하는 단계
    를 포함하는, 레이저 빔을 변조하기 위한 방법.
  20. 레이저 빔(1770)을 변조하도록 구성된 레이저 시스템(1700A)으로서,
    - 적어도 하나의 시드 레이저 장치(1710);
    - 상기 시드 레이저 장치의 시드 빔을 수신하고 그 편광 방향(1718)을 변조하도록 구성된 적어도 하나의 광학 편광 결합기(OPC)(1717) ― 상기 변조는 적어도 두 개의 편광 성분을 갖는 시드 빔을 제공하는 것을 포함하고, 상기 편광 성분 중 하나는 미리 결정된 편광 방향(P1)을 포함함 ―;
    - 편광 변조된 시드 빔(1718)을 수신하고 증폭된 레이저 빔(1772)을 제공하도록 구성된 코히어런트 빔 결합(CBC) 시스템(1701);
    - 증폭된 레이저 빔(1772)을 수신하고 상기 미리 결정된 편광 방향(P1)을 갖는 빔만을 상기 레이저 시스템(1700A)의 출력으로 전송하며 다른 편광 방향을 갖는 빔을 반사함으로써 선택적으로 상기 레이저 빔(1770)을 제공하도록 구성된 편광 빔 스플리터(PBS)(1790); 및
    - ㆍ 상기 미리 결정된 편광 방향(P1)을 갖는 빔 성분을 상기 빔의 전체 강도의 50%보다 큰 강도(I1)를 갖도록 제공하기 위해 상기 OPC를 제어함으로써 상기 레이저 빔을 활성화시키고 ― 상기 레이저 빔을 활성화시킴으로써 상기 레이저 빔을 제공함 ―;
    ㆍ 상기 미리 결정된 편광 방향(P1)을 갖는 빔 성분을 상기 빔의 전체 강도의 50% 이하의 강도(I1)로 제공하도록 상기 OPC(1717)를 제어함으로써 상기 레이저 빔을 비활성화시키도록 ― 상기 레이저 빔을 비활성화시킴으로써 상기 레이저 빔을 회피함 ―
    구성된 전자 제어기(1761)
    를 포함하는 레이저 시스템.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 CBC 시스템은,
    - 모두 CBC 포인트에서 보강 빔 간섭을 가능하게 하도록 배열된, 상기 편광 변조된 시드 빔, 복수의 광학 증폭기, 적어도 하나의 빔 스플리터 및 선택적으로 적어도 하나의 빔 결합기를 구비한 광학 연결로 구성된 복수의 위상 변조기들; 및
    - 상기 CBC 포인트에서 상기 빔 간섭을 모니터링하고 그에 따라 CBC 포인트에서 상기 보강 간섭을 제공하기 위해 상기 위상 변조기들 중 적어도 하나를 제어하도록 구성된 적어도 하나의 제어 회로
    를 포함하는, 레이저 시스템.
  22. 제20항에 있어서,
    상기 OPC(1717)는,
    - 제1 편광 방향(P1)을 갖는 입력 빔을 수신하고, 상기 제1 편광 방향(P1) 및 제1 강도(I1)를 갖는 제1 빔(B1(I1, P1)과 상기 제1 편광 방향(P1) 및 제2 강도(I2)를 갖는 제2 빔(B2(I2, P1))을 출력하도록 구성된 빔 스플릿 어셈블리(1820) ― 상기 제1 및 제2 강도의 합(I1 + I2)은 상기 입력 빔의 강도와 같음 ―;
    - 상기 빔 스플릿 어셈블리 출력 빔(B1 또는 B2) 중 하나를 수신하고 그의 편광을 변환하도록 구성된 편광 변환기; 및
    - 제1 출력 빔(B1(I1, P1))과 제2 변환된 출력 빔(B2(I2, P2))을 수신하여 상기 CBC 시스템에 대한 입력으로 제공되는 제3 빔으로 결합하도록 구성된 편광 빔 스플리터(PBS); 또는, 제1 출력 빔(B1(I1, P1)) 및 상기 제2 변환된 출력 빔(B2(I2, P2))을 수신하여 결합하고, 이들을 두 개의 출력 빔으로 스플릿하도록 구성된 커플러 ― 상기 두 개의 출력 빔 중 하나만이 상기 CBC 시스템에 대한 입력으로 제공됨 ―
    를 포함하는, 레이저 시스템.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 빔 스플릿 어셈블리는,
    - 입력 빔을 수신하고 상기 입력 빔을 두 개의 빔으로 스플릿하도록 구성된 빔 스플리터;
    - 상기 두 개의 빔 중 하나의 위상을 변조하도록 구성된 위상 변조기;
    - 상기 두 개의 빔을 수신하고 두 개의 위치에서 그들의 간섭을 제공함으로써 상기 제1 출력 빔(B1(I1, P1))과 상기 제2 출력 빔(B2(I2, P1)을 제공하도록 구성된 커플러;
    - 상기 두 개의 간섭 위치 중 하나를 모니터링하고 그에 따라 모니터링된 위치에서 보강 또는 파괴 빔 간섭을 가능하게 하도록 상기 위상 변조기를 제어하도록 구성된 전자 제어기 ― 비 모니터링 간섭 위치에서는 각각 파괴 또는 보강 빔 간섭이 제공됨 ―
    를 포함하는, 레이저 시스템.
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