KR20230091996A - 체적 브래그 격자에 의한 광대역 레이저 빔을 분광적으로 조합하기 위한 장치 - Google Patents

Abstract

적어도 하나의 투과 체적 처핑된 브래그 격자(TVCBG)를 포함하는 스펙트럼 빔 조합기는 1. 브래그 조건을 만족하고 (+)(-) 브래그 각도 중 하나로 TVCBG에 입사하는 하나의 중심 파장에서 전파하는 제1 광대역 빔을 회절시키고, 2. 브래그 조건을 만족하지 않는 제2 중심 파장에서 전파하는 적어도 하나의 제2 광대역 빔을 투과한다. 제2 광대역 빔은 제1 광대역 빔의 하나의 브래그 각도와 반대인 브래그 각도에서 TVCBG에 입사한다. TVCBG는 회절 평면에서, 하나의 TVCBG의 분산으로부터 발생하는 제1 광대역 빔의 발산을 제거하고, 제1 회절 광대역 빔 및 제2 투과 광대역 빔을 제1 단일 고출력 시준 광대역 출력 빔으로 조합하도록 구성된다.

Description

체적 브래그 격자에 의한 광대역 레이저 빔을 분광적으로 조합하기 위한 장치

본 개시내용은 레이저 빔 조합 기술에 관한 것이다. 특히, 본 개시내용은 고출력 광대역 레이저 빔을 고출력 고휘도(high-brightness) 광대역 시준 빔으로 분광적으로 조합하는 적어도 하나의 투과 체적 브래그 격자(volume Bragg grating: TVBG)를 포함하는 빔 조합 시스템에 관한 것이다.

수많은 산업 및 군사 용례는 고출력 레이저 빔을 필요로 한다. 통상적으로, 고출력 단일 모드(SM) 및 로우 모드(low mode: LM) 레이저 빔, 즉, 고품질 레이저 빔이 특히 다양한 용례에서 특정 수요가 있다. 그러나, 비선형 및 열 효과는 좁은 대역폭(최대 3 nm)을 갖는 독립형 SM 레이저의 출력을 약 1 kW로 제한하고, 반면 넓은 대역폭(4 내지 10 nm)의 SM 레이저는 최대 10 kW를 출력할 수 있다. 제한된 확장성은 무엇보다도, 유한한 펌프 휘도, 제한된 도핑 농도 및 비선형 효과를 포함하여 다양한 이유를 갖는다. SM 섬유 레이저의 도파로 설계는 확장성 한계를 증가시키는 라만(Raman) 및 브릴루앙(Brillouin) 비선형 효과의 악영향을 다소 완화할 수도 있지만, 섬유 코어 직경은 이 한계를 타협 불가능하게 축소시킨다.

각각의 섬유 레이저로부터 2개 이상의 SM 출력이 함께 조합되면 고출력 한계가 훨씬 더 높을 수 있다. 다양한 빔 조합의 방법은 무엇보다도, 가간섭성(coherent)(CBC) 및 스펙트럼(SBC) 빔 조합 기술을 포함한다.

CBC는 상호 가간섭성 빔, 즉, 그 각각의 파동 사이/중의 위상차가 일정하도록 동일한 파장에서 전파되는 빔에 의해 실현된다. 이 기술은 출력 빔 사이에 보강 간섭을 제공하기 위해 각각의 소스로부터 SM 빔의 상대 위상을 제어하는 것을 필요로 한다. 위상 제어는 안정한 가간섭성 가산(coherent addition)을 제공하는 능동 또는 수동 피드백을 포함한다. 그러나, 요구된 제어는 CBC 시스템의 구조적 복잡성을 증가시킨다.

SBC 또는 파장 빔 조합은 위상을 제어하는 것을 필요로 하지 않는 비간섭성(incoherent) 빔 조합 기술이다. SBC의 목표는 각각 상이한 파장으로 전파되는 2개 이상의 고출력 레이저 빔을 고출력일 뿐만 아니라, 또한 공간 휘도를 결정하는 보존된 빔 품질을 갖는 조합된 빔으로 조합하는 것이다. 따라서, VBG에 기초하는 스펙트럼 조합 시스템에서 스펙트럼 휘도는 스펙트럼 확장으로 인해 감소하지만, 공간 휘도는 비공진 파장에서 빔을 투과하고 아래에 상세히 설명되는 공진(브래그) 파장에서 빔을 회절함으로써 증가한다. 전술된 내용에 기초하여, CBC에 비한 SBC의 주요 장점은 개별 빔의 위상을 모니터링하고 조정할 필요가 없기 때문에 구조적 단순성이다.

CBS와 SBC의 모두는 무엇보다도, 프리즘, 표면 회절 격자 및 체적 브래그 격자(VBG)를 포함하여 분광적 분산 광학 요소를 채용한다. 프리즘 및 표면 회절 격자는 협대역 레이저 소스의 사용을 필요로 하는데, 이는 이들 요소의 각도 분산이 굴절 또는 회절의 평면에서 발산의 극적인 증가를 야기하기 때문이다. 그러나, 전술된 바와 같이, 협대역 레이저는 제한된 출력의 빔을 출력한다. 예를 들어, 2 내지 100 kW와 같은 더 높은 출력을 얻기 위해, 많은 수의 SM 협대역 레이저가 동시에 동작해야 한다. 그러나, 다중 레이저 시스템은 상당히 많은 광학 및 치수 문제를 갖는다.

VBG는 kW-레벨 출력 부하 하에서 양호하게 기능하는 것으로 알려진 광열 굴절(PTR) 유리에 기록될 수 있다. 이들 격자의 제조는 간섭 줄무늬 패턴을 홀로그래픽으로 기록하는 것을 포함한다. 노출된 유리 샘플의 열처리는 그 내부에 영구적인 공간 굴절률 변조(RIM)를 생성한다.

VBG에서 광의 회절은 공진(브래그) 파장과 "+" 및 "-" 브래그 각도로서 알려진 2개의 특정 입사각에서만 발생한다. 이들 조건은 브래그 조건으로서 알려져 있다. 입사각 및 파장에 의존하는 VBG의 회절 효율은 도 1a 및 도 1b에 도시되어 있는 바와 같이, 제로들(zeros)에 의해 분리된 중앙 로브(16) 및 다수의 사이드 로브(18)를 갖는다. 예를 들어, 1075 nm 파장에서의 빔이 브래그 각도 중 하나에서 이 격자에 입사하면, VBG는 최대 회절 효율로 이를 회절시킨다. 예를 들어, 스펙트럼의 제로들 중 하나에 대응하는 1069.3 nm 파장에서의 다른 빔이 1075 nm 파장에 대한 다른 브래그 각도에서 VBG를 조명할 때, VBG는 이 빔을 회절된 1075 nm 빔과 동일한 방향으로 투과한다.

도 1a 및 도 1b의 각각의 그래프는 1.5 ㎛의 주기(Λ) 및 1 mm의 두께로 설계된 VBG를 도시하고 있다. 볼 수 있는 바와 같이, 예시된 VBG는 32.6°(공기 중 브래그 각도)에서 발사되는 1075 nm(브래그 또는 공진 파장)에서의 방사선에 대해 100% 회절 효율을 갖는다. 반치전폭(full-width half-maximum: FWHM) 파장과 각도 선택성은 각각 Δλ=5.2 nm 및 Δθ=1.8 mrad이다. VBG 특성의 모델링은 레이저 분야의 통상의 기술자에게 잘 알려진 결합파 이론에 기초한다.

2개의 기본 유형의 VBG: 브래그 조건을 만족하는 광의 회절을 모두 제공하는 투과 VBG(TVBG)와 반사 VBG(RVBG)가 존재한다. TVBG와 RVBG는 상이한 빔 조합 능력을 갖는다. 표준 RVBG는 나노미터의 작은 분율을 초과하지 않는 스펙트럼 폭과 협대역 빔만을 효과적으로 조합하는데 이는 광대역 고출력 레이저 시스템에 대한 RVBG 유용성을 제한한다.

RVBG에 대조적으로, TVBG는 1 ㎛ 파장 범위에서 2 내지 10 kW SM 빔을 출력하는 SM 섬유 레이저에 매우 통상적인 3 nm 초과 내지 10 nm(및 그 초과) 범위의 넓은 스펙트럼 폭을 갖는 방사선을 효과적으로 회절할 수 있다. 전술된 바에 기초하여, 고출력, 넓은 스펙트럼 폭 방사선을 회절시키는 TVBG의 능력은 이러한 유형의 격자를 고출력 광대역 빔을 조합하기 위해 특히 매력적이게 한다. TVBG가 예를 들어, (+) 브래그 각도에서 최대 효율로 하나의 빔을 회절하고 반대 (-) 브래그 각도에서 다른 빔을 투과하면, 회절 빔과 투과 빔이 조합된 시준된 고휘도 빔으로 병합된다.

도 2는 λ1 파장에 대해 "+" 및 "-" 브래그 각도에서 동일 측면에 각각 입사하는 2개의 상이한 파장(λ1, λ2)에서 각각 2개의 레이저 빔(12, 14)을 조합하는 TVBG(10)의 동작을 도시하고 있다. 도 1a의 1075 nm에 대응하는 λ1 파장에서의 빔(12)은 격자와 공진하고 대부분 회절된다(브래그 각도의 2배만큼 편향됨). 예를 들어, 1069.3 nm인 제2 λ2에서의 제2 빔(14)은 회절 효율 곡선의 제1 최소값(또는 제로)에 있고 최소 손실로 TVBG(10)를 통과한다. 달리 말하면, TVBG(10)는 빔(14)을 의미 있게 회절시키지 않고 이를 투과시킨다. 이상적으로, 회절 빔(12)과 투과 빔(14)은 중첩되고 근거리 및 원거리 광학 필드의 모두에서 동일선상에 있을 것인데, 즉, 단일 출력 시준된 공간적으로 밝은 빔(20)으로 병합된다. 그러나, 회절 빔(12)이 이중 화살표(15)로 도시되어 있고 아래에 설명된 바와 같이 출력에서 패닝되기(fanned) 때문에 현실은 다르다.

광대역 빔을 조합하기 위해 TVBG를 사용하는 것은 몇 가지 문제를 제기한다. 이들 문제 중 적어도 일부의 근본 원인은 빔 발산이다. 이는 빔의 출력 밀도와 조합된 빔의 공간 휘도의 감소를 야기한다. 이하에는 TVBG에 의해 회절된 빔이 발산하게 하는 물리적 현상을 설명한다.

통상의 기술자가 알고 있는 바와 같이, 임의의 격자는 도 3에 도시되어 있는 각도 분산을 도입한다. 실제로, 각도 분산은 정확하게 그 스펙트럼 선택성으로 인해 임의의 유형의 격자의 가장 매력적인 특징 중 하나일 것이다. 후자의 특성을 이해하기 위해, 브래그 각도에서 TVBG(10)에 입사하는 빔(12)과 같은, 브래그 파장에서 단일 다색 시준 빔을 가정한다. 다색 빔(12)은 고체 파장(λ_1B)(브래그 파장)에 중심설정된 약간 오프셋된 스펙트럼 성분(λ_1L 및 λ_1S)(각각 긴/점선 및 짧은/점선 파장)으로 이루어진다. 입사 빔 내의 모든 스펙트럼 성분은 평행하지만, TVBG(10)은 전체 빔을 회절시키고, 여기서 상이한 파장(λ_1L, λ_1S 및 λ_1B )이 각각의 상이한 각도로 편향된다. 양 짧은/점선 및 긴/점선 파장(λ_1S 및 λ_1L) 스펙트럼 성분은 각각 공진 브래그 성분으로부터 발산한다. 상이한 파장을 인식하는 격자의 이러한 능력은 이를 다양한 용례에 대해 매우 매력적이게 한다.

그러나, 격자의 전술된 특징은 그것이 빔 조합기로서 기능할 때 바람직하지 않다. 또한, 격자의 스펙트럼 선택성은 여전히 빔 조합에 가장 중요하지만, 회절 빔이 발산한다는 사실은 아래에서 본 명세서에 설명되는 바와 같이 본 발명의 목적에 매우 바람직하지 않다.

발산형 또는 팬 형상(fan-shaped) 빔은 더 낮은 공간 휘도를 갖는다. 그러나, 많은 산업 용례는 그 스펙트럼 성분이 모두 평행한 높은 공간 휘도 빔을 필요로 한다. 이들 빔은 시준 근거리 회절 제한 빔으로서 알려져 있다. 각도 분산은 표준 주기적 TVCBG에 한정되지 않고 또한 투과 체적 처핑된(chirped) 브래그 격자(TVCBG)에서도 발생한다. 그러나, 아래에서 본 명세서에 설명되는 바와 같이, TVCBG는 주기적인 TVBG와는 상이한 방식으로 회절 빔과 상호 작용한다.

주기적이고 처핑된 TVBG와 연관된 다른 문제는 빔의 발산에 영향을 미치는 열 렌즈 현상(thermal lensing phenomenon)이다. 고출력 레이저 빔이 VBG를 통해 전파될 때, 후자는 빔을 부분적으로 흡수하고 이어서 VBG를 가열하는 광 에너지를 방출한다. 가열은 굴절률의 변화 및 PTR 유리의 팽창을 야기한다. VBG 내의 온도 분포가 균일하지 않은데, 이는 렌즈의 형성을 초래한다. 따라서, 이 현상은 열 렌즈 효과로서 알려져 있다.

열 렌즈 효과는 그 중심 영역에서 가장 높은 출력 밀도를 갖고 날개 영역에서 낮은 출력 밀도를 갖는 회절 빔의 발산 및 품질을 왜곡한다. 렌즈를 보상하기 위해, 다양한 위상 마스크가 성공적으로 사용된다. 그러나, 알려진 위상 마스크는 모두 단색이고 광대역 빔을 효과적으로 성형할 수 없다.

광대역 빔을 조합하기 위해 사용되는 TVBG(및 TVCBG)와 연관된 또 다른 문제는 스펙트럼 채널 또는 빔 사이의 누설이다. 도 2로 복귀하면, 누설은 투과 빔(14), 즉, 회절되지 않고 전파되어야 하는 빔이 여전히 부분적으로 회절될 때 발생한다. 이를 회피하기 위해, TBG(10)의 스펙트럼 폭은 광대역 빔(12)을 회절시키지만 빔(14)은 회절시키지 않을만큼 충분히 넓어야 한다. 더 넓은 스펙트럼 범위로 확산하는 도 1a의 사이드 로브(18)에 대해, 다소 억제되고 더 양호하게 또한 완전히 제거되어야 한다. 사이드 로브의 진폭은 PTR 매질의 체적에서 굴절률 변조(RIM)의 균일한 분포를 갖고 VBG에 고유하다. 스펙트럼 채널 사이의 상당한 누설을 회피하기 위해, 이들 사이의 거리는 적어도 3Δλ이어야 한다. 이는 많은 산업 용례에서 중요한 Yb-도핑 섬유 레이저에 대해, 최대 3개 내지 4개의 채널/레이저 소스가 효과적인 SBC에 사용될 수 있다는 것을 의미한다. 그러나, 제한된 수의 소스는 TVBG의 출력 확장성을 축소시킨다.

전술된 내용에 기초하여, 광대역 빔을 조합된 고출력, 고휘도 시준 빔으로 조합하기 위한 SBC 기술을 이용하는 TVCBG- 및 TVBG-기반 빔 조합기를 갖는 것이 바람직한데, 이는:

회절 빔에 대한 각도 분산의 효과를 최소화하거나 바람직하게는 제거하고,

렌즈 효과를 최소화하고,

다중 광대역 빔(또는 채널) 사이의 누설을 최소화하도록 구성된다.

개시된 조합기는 전술된 문제를 해결하고 기존의 요구를 만족시킨다. 본 발명의 구조는 고출력 광대역 빔을 조합된 광대역 멀티-KW 시준 출력 빔으로 병합하는 빔 조합기로서 기능하는 적어도 하나의 TVBG를 포함한다.

본 발명의 구조는 TV(C)BG의 각도 분산을 제거한다. 각도 분산을 취급하는 몇몇 개요는 단일 TVCBG를 포함한다. 다른 개요는 한 쌍의 2개의 동일한 주기적 TVBG와 관련된다.

TVCBG는 공간 굴절률 변조(RIM)의 점진적으로 변하는 주기를 갖는 구조이다. TVCBG는 CTVBG의 상이한 영역으로부터 상이한 파장을 회절하고 그 회절각을 제어하는 것이 가능하다. 따라서, 단일의 적절하게 설계된 TVCBG는 회절된 빔의 각도 분산을 보상하는 것이 가능하다. 빔 조합기로서, PTR 유리에 기록된 TVCBG는 (+)(-) 브래그 각도 중 하나로 그 위에 입사하는 제1 광대역 빔을 투과하고 다른 반대 브래그 각도에서 제2 광대역 빔을 회절시킨다. 회절 빔 및 투과 빔은 시준 광대역 출력 빔으로 서로 병합된다.

상기에 개시된 개요는 3개 이상의 광대역 빔을 조합하도록 배열된 복수의 TVCBG를 포함할 수 있다. 이 개요에서, 제1 상류 TVCBG는 제1 빔 및 투과 제2 빔을 포함하는 단일 광대역 시준 광대역 빔을 출력한다. 제1 시준 광대역 빔은 왜곡 없이 이 빔을 투과하는 적어도 하나의 하류 TVCBG에 입사된다. 그러나, 하류 TVCBG는 상류 TVCBG와 마찬가지로, 그 위에 입사되는 제3 광대역의 각도 분산을 보상한다. 그 결과, 모든 3개의 빔은 하류 TVCBG의 출력에서 고휘도 고출력 광대역 시준 빔으로 병합된다. TVCBG의 수는 비한정적이다. 원하는 경우, 하나 이상의 TVCBG가 하나 또는 다수의 쌍의 주기적인 TVBG와 조합하여 효과적으로 동작할 수 있다.

각각의 쌍의 TVBG는 광로를 따라 이격되고 각각의 "+" 및 "-" 브래그 각도로 정렬된다. 상류 TVBG는 예를 들어 "+" 브래그 각도로 그 위에 입사하는 제1 빔을 회절시킨다. 고유한 각도 분산으로 인해, 빔의 스펙트럼 성분은 TVBG의 출력에서 발산한다. "-" 브래그 각도에서 하류 TVBG로 회절 제1 빔을 발사할 때, 그 스펙트럼 성분은 다시 회절되지만 상류 TVBG에 의해 제공된 것과 반대 방향이다. 따라서, 각각의 TVBG의 분산 효과는 서로 상쇄된다. 이는 하류 TVBG가 상류 TVBG에 입사하는 빔의 입사 브래그 각도와 동일한 각도에서 멀티-KW 시준된 광대역 출력 빔을 출력할 수 있게 한다.

따라서, 하류 TVBG는 회절 및 제2 투과 광대역 빔에 대한 조합 TVBG로서 기능한다. 제2 빔은 제1 빔의 브래그 파장과는 상이한 파장에 중심설정되고 이를 투과하는 하류 TVBG에 직접 입사한다. 2회 회절 제1 빔 및 투과 제2 빔은 근거리 및 원거리 광학 필드의 모두에서 서로 중첩하여 따라서 출력 공간적으로 밝은 광대역 시준 빔으로 병합된다. 통상의 기술자가 즉시 이해하는 바와 같이, TVBG의 정렬된 쌍의 수는 단지 단일 쌍으로 한정되지 않고, 다중 광대역 빔이 결국 단일 고휘도 고출력 조합 빔을 출력하는 최대 하류 TVBG에서 서로 중첩하도록 위치된 다중 쌍을 포함할 수 있다.

또 다른 개요는 단일 유리 플레이트에 여러 표준 TVBG를 기록하는 것을 허용하는 PTR 유리를 활용한다. TVBG는 플레이트 내에서 서로 완전히 중첩하지만, 이들은 광학적으로 독립적이다. 이에 따라, 이 개요는 서로로부터 오프셋된 브래그 파장에서 각각의 빔을 회절시키는 2개의 상류 "-" 및 "+" TVBG를 갖는다. 회절 빔은 이어서 동일한 유리 플레이트에 기입된 각각의 "+" 및 "-" 하류 TVBG에 입사된다. 2회 회절 빔은 단일 고출력 광대역 시준 출력 빔을 형성하기 위해 PTR 유리에서 출사하는 동안 서로 중첩된다.

누설 문제를 취급하는 본 개시내용의 양태는 사이드 로브의 억제를 야기하는 격자 벡터에 수직인 방향으로 RIM의 특정(예를 들어, 가우시안) 프로파일을 형성하는 것을 포함한다. 특히, 개시된 TVBG는 최적화된 아포다이제이션(apodization)(또는 공간적으로 불균일 결합) 프로파일로 구성되어 채널 사이의 감소된 거리 및 따라서 증가된 이들 채널의 수를 초래할 수도 있는 사이드 로브의 거의 완전한 억제를 가능하게 한다.

본 개시내용의 다른 양태는 TVCBG 및 TVBG를 포함하는 상기에 개시된 광대역 빔 조합기에서의 열 렌즈 보상을 다룬다. 열 렌즈 현상을 최소화하는 개요 중 하나는 최소 가능한 두께로 구성된 본 발명의 조합기를 포함한다. 후자는 방사선의 흡수를 감소시켜 따라서 열 발생을 제한하고, 표면에 대한 열 전도도를 가속화하고, 광학 경로를 감소시키고, 렌즈의 초점 거리를 증가시킨다.

TVBG(및 TVCBG)를 가로지르는 온도 구배를 최소화하는 다른 개요는 가우시안 강도 분포가 플랫탑 강도 분포로 변환되도록 SM 광대역 빔을 성형하는 것에 기초한다. SM 빔의 중앙 및 날개 영역 사이의 출력 밀도 구배가 낮을수록, 격자에서 열 발생이 더 균일하다. 플랫탑 빔은 가우시안 빔의 피크 출력의 약 절반인 빔의 단면을 통해 실질적으로 일정한 출력 밀도를 갖는다. 그러나, 평균 출력은 실질적으로 동일하다.

이들 빔 성형 개요 중 하나는 조합 TVBG(또는 단일 TVCBG)로부터 하류의 광로를 따라 위치된 전용 PTR 유리 플레이트에서 생성된 홀로그래픽 무색 위상 마스크로 구성된 본 발명의 조합기를 포함한다. 공지의 단색 마스크에 대조적으로, 홀로그래픽 마스크는 광대역 빔으로 효과적으로 동작한다. 동일한 PTR 플레이트에 TVBG 또는 TBCBG와 마스크를 갖는 것이 가능하다.

이 양태의 다른 개요에 따르면, 전술된 양태에 개시된 빔 조합기는 광학 와류(라게르-가우시안(Laguerre-Gaussian) 빔)로 이를 변환하면서 광대역 SM 빔을 투과시키는 개별 홀로그래픽 위상 마스크를 추가로 포함한다. 변환 빔이 회절 빔과 병합될 때, 조합 빔의 반경방향 강도 분포는 플랫탑 프로파일을 취한다.

이들 예시적인 양태 및 실시예의 또 다른 양태, 실시예, 및 장점이 아래에 상세히 개시된다. 더욱이, 전술된 정보 및 이하의 상세한 설명의 모두는 다양한 양태 및 실시예의 단지 예시적인 예일 뿐이고, 청구된 양태 및 실시예의 성질 및 특성을 이해하기 위한 개요 또는 프레임워크를 제공하도록 의도된다. 임의의 상기에 개시된 양태를 예시하는 각각의 개요의 특징은 2개의 다른 상기에 개시된 양태를 나타내는 임의의 개요에 완전히 통합될 수 있다.

상기 및 다른 특징은 실제 축척대로 도시되어 있지 않은 첨부 도면을 참조하여 더 명백해질 것이다. 도면은 다양한 양태 및 개요의 예시 및 추가의 이해를 제공하고, 본 명세서의 부분을 구성하지만, 임의의 특정 개요 또는 양태의 제한을 나타내지는 않는다. 도면에서, 다양한 도면에 나타나 있는 각각의 동일한 또는 거의 동일한 구성요소는 유사한 도면 부호에 의해 나타낸다. 명확성을 위해, 모든 구성요소가 동일한 참조 번호를 갖지는 않을 수도 있다. 도면에서:
도 1a 및 도 1b는 각각 파장 및 입사각에 대한 예시적인 주기적인 TVBG의 회절 효율의 의존성을 도시하고 있다.
도 2는 단일 주기적인 TVBG에 의한 스펙트럼 조합을 도시하고 있다.
도 3은 도 2의 TVBG에 의해 회절된 광대역 빔의 스펙트럼 성분의 각도 분산을 도시하고 있다.
도 4는 양의 브래그 각도로 정렬된 TVCBG에 의한 다파장 평면파 회절의 광선 추적을 도시하고 있다.
도 5는 음의 브래그 각도로 정렬된 도 4의 TVCBG에 의한 다파장 평면파 회절의 광선 추적을 도시하고 있다.
도 6은 도 4 또는 도 5의 TVCBG에 의해 각각의 상이한 파장에 중심설정된 3개의 광대역 빔을 분광적으로 조합하기 위해 본 발명의 개념에 따라 구성된 다른 예시적인 개략도를 도시하고 있다.
도 7은 조합하여, 다색 빔의 스펙트럼 성분의 각도 분산을 제거하는 2개의 순차적으로 위치된 TVBG를 포함하는 본 발명의 개략도를 도시하고 있다.
도 8은 파동이 양의 브래그 각도로 TVBG에 입사되는 다파장 평면파 회절의 광선 추적을 도시하고 있다.
도 9는 1075 nm 파장에 대한 브래그 각도에서의 여기를 위한 파장에 대한 도 8의 TVBG에서 회절각의 의존성을 도시하고 있다.
도 10은 파동이 음의 브래그 각도로 TVBG에 입사되는 다파장 평면파 회절의 광선 추적을 도시하고 있다.
도 11은 각각의 도 8 및 도 10의 2개의 순차적인 TVBG에서의 다파장 평면파 회절의 광선 추적을 도시하고 있다.
도 12는 본 발명의 개념에 따라 2개의 광대역 고출력 빔을 단일의 광대역 고출력 고휘도 시준된 출력 빔으로 조합하도록 구성된 하나의 예시적인 광학 개략도를 도시하고 있다.
도 13은 다중 광대역 고출력 빔을 단일의 광대역 고출력 시준된 출력 빔으로 조합하도록 구성된 다른 예시적인 광학 개략도를 도시하고 있다.
도 14는 다중화된 TVBG로 다중 광대역 고출력 빔을 단일의 광대역 고출력 시준된 출력 빔으로 조합하도록 구성된 또 다른 예시적인 광학 개략도를 도시하고 있다.
도 15a는 도 7 또는 도 11의 제1 TVBG에서 "+" 브래그 회절 후에 초발광 다이오드 빔(M²=1)의 실험적으로 얻어진 발산을 도시하고 있다.
도 15b는 도 7 또는 도 11의 제1 TVBG에서 순차적인 "+" 브래그 회절 및 제2 TVBG에서 "-" 브래그 회절 후에 초발광 다이오드 빔(M²=1)의 실험적으로 얻어진 발산을 도시하고 있다.
도 16은 가우스 함수로 모델링된 Yb-도핑 섬유 레이저의 통상적인 고출력 SM 빔의 방출 스펙트럼을 도시하고 있다.
도 17a는 각각의 1060, 1070 및 1080 nm 파장에서 빔을 조합하도록 구성된 도 7 내지 도 14의 본 발명의 빔 조합기를 도시하고 있다.
도 17b는 도 17a의 본 발명의 조합기의 각각의 상류 및 하류 격자의 회절 효율 스펙트럼 및 상이한 중심 파장을 갖는 도 16의 3개의 레이저 소스의 방출 스펙트럼을 도시하고 있다.
도 17c는 균일하고 아포다이징된(apodized) TVBG에 대한 입사각에 대한 회절 효율의 의존성을 도시하고 있다.
도 18은 회절의 수평 평면(M_x) 및 수직 평면(M_y)에서 TVBG에 의해 회절된 1 KW SM 빔의 품질을 도시하고 있다.
도 19는 고출력 광대역 빔에 의해 조합 TVBG에서 생성되는 열 렌즈의 바람직하지 않은 효과를 보상하기 위해 홀로그래픽 무색 위상 마스크를 갖고 구성된 도 7 내지 도 14 및 도 17a의 본 발명의 조합기를 도시하고 있다.
도 20은 조합 TVBG에서 유도된 열 렌즈의 악영향을 최소화하기 위해 가우시안 빔(TEM₀₀)을 시준된 광학 와류로 변환하기 위한 홀로그래픽 위상 마스크 또는 마스크들을 갖고 구성된 도 7 내지 도 14 및 도 17a의 본 발명의 조합기를 도시하고 있다.
도 21은 회절된 가우시안 빔과 투과된 와류 빔을 다중화하는 조합 TVBG에서의 반경방향 강도 분포 프로파일을 도시하고 있다.
도 22는 TVBG의 두께에 대한 TVBG의 100% 회절 효율을 위해 요구되는 RIM의 의존성을 도시하고 있다.

도 4 내지 도 13은 각도 분산 - 파장에 대한 회절각의 의존성 - 및 스펙트럼 빔 조합에서의 그 역할을 취급하는 각각의 개략도를 도시하고 있다. 각도 분산은 VBG의 고유한 특성이다. 물리적으로, 각도 분산은 VBG에서 회절된 다색 빔의 발산 증가 및 따라서 감소된 공간 휘도의 원인이 된다. VBG가 복수의 광대역 빔을 조합하는 빔 조합기로서 동작할 때, 각도 분산은 조합된 빔의 공간 휘도에 악영향을 미친다. 광대역 빔은 통상적으로 예를 들어, 섬유 레이저를 포함하는 고출력 레이저와 연관된다. 그러나, 개시된 주제는 다른 유형의 레이저에 완전히 적용 가능하다. 여기서 SM 레이저가 특히 관심이 있지만, 본 발명의 개념은 마찬가지로 멀티모드(MM) 레이저를 커버한다는 것을 주목하라.

CTVBG로 복귀하여, 도 4는 TVCBG(62)에 의해 양의 브래그 각도에서 회절된 다파장 시준 입사 빔(25)에 대한 광선 추적을 도시하고 있다. 빔(25)의 상이한 스펙트럼 성분은 격자 라인(P₁, P₂, P₃)이 각각의 스펙트럼 성분에 대한 브래그 조건에 대응하는 TVCBG(62)의 각각의 위치에서 회절된다. 이 경우, 브래그 파장이 격자 주기(Λ)(

)에 비례하기 때문에, 각각의 스펙트럼 성분에 대한 회절각(θ_dS, θ_dB, θ_dL)은 동일하다. 이는 회절 빔(25')이 시준된다는 것을 의미한다. 상이한 스펙트럼 성분의 회절은 회절 빔의 유도 타원율을 야기한다.

특히, 도 4는 3개의 스펙트럼 성분: 중심 브래그 조건(λ_B, K_B), 더 긴 파장(λ_L, K_L) 및 더 짧은 파장(λ_S, K_S)에 대한 TVCBG(62)에서 양의 브래그 각도에서 회절의 광선 추적을 도시하고 있다. K_GS, K_GB 및 K_GL은 TVCBG(22) 내부의 각각의 영역(P1 내지 P3)에서의 각각의 격자 벡터이다. θ _i - 공기 내의 입사각, θ _im - 매질 내의 입사각, θ _dB - 매질 내의 공진 파장에 대한 회절각(브래그 각도), θ _dL 및 θ _dS - 더 긴 및 더 짧은 파장에 대한 매질 내의 회절각, θ _e - 공기 내의 출사각, θ _tm - 매질 내의 투과각, θ _t - 공기 내의 투과각이다. 따라서, 적절하게 설계된 단일 TVCBG(62)에 의해 회절된 광대역 시준 빔은 시준된 상태로 유지된다. 요약하면, PTR 유리에 기록된 단일 TVCBG는 음의 각도에서 TVCBG(62)에 입사하는 나타낸 빔과 다른 빔(여기에는 나타내지 않음)에 대한 분산 보상기 및 빔 조합기로서 동작한다.

도 5는 도 4의 것과 유사하게 구성되었지만, 입사 빔(25)의 음의 브래그 각도에 대해 정렬된 TVCBG(64)를 도시하고 있다. 회절 메커니즘은 도 4의 것과 동일하다는 것을 쉽게 알 수 있다. 통상의 기술자는 반대 각도에서 TVCBG(62, 64) 중 하나에 입사하는 제2 빔이 시준 광대역 출력 빔으로 시준 회절 빔과 병합된다는 것을 즉시 이해한다.

도 6은 각각의 λ₁, λ₂ 및 λ₃에 중심설정된 3개의 광대역 빔(66, 68, 70)의 스펙트럼 조합을 제공하는 빔 조합기(50)를 도시하고 있다. 조합기(50)는 각각의 대향 브래그 각도에 대해 정렬된 순차적인 상류 및 하류 TVCBG(CBG₁)(62) 및 TVCBG(CBG₂)(64)를 포함한다. 상류 TVCBG(62)는 그 전파 방향을 변경하지 않고 λ₁ 스펙트럼 성분을 포함하고 (-) 브래그 각도로 입사하는 빔(66)을 투과한다. 그러나, TVCBG(62)는 복수의 스펙트럼 성분(λ₂)을 갖는 입력 빔(68)을 회절시켜 이들 성분이 서로 평행하게 유지되게 한다. 그 결과, 단일 CTVBG(62)는 투과 및 회절 빔(66, 68)을 각각 λ₁ 및 λ₂ 스펙트럼 성분을 포함하는 제1 조합 시준 광대역 빔으로 조합한다.

부가의 제3 광대역(70)이 제1 조합된 것과 조합될 필요가 있는 경우, 하류 TVCBG(64)가 TVCBG(62)로부터 하류에 설치된다. TVCBG(64)는 음의 브래그 각도로 그 위에 입사되는 제1 조합 빔을 인터셉트하고, 이 빔을 왜곡 없이 투과한다. 광대역 빔(70)은 이어서, 양의 브래그 각도에서 하류 TVCBG(64)에 입사하고 이 빔 출구 TVCBG(64)의 모든 스펙트럼 성분(λ₃)이 서로 평행하고 제1 조합된 광대역 빔의 λ₁ 및 λ₂ 스펙트럼 성분에 평행하도록 회절된다. 그 결과, 빔 조합기, 즉 TVCBG(64)는 고출력 고 공간 휘도 광대역 시준 출력 빔(72)을 출력한다.

2개 이상의 TVCBG(62, 64)로 구성된 빔 조합기(50)는, 격자의 스펙트럼 폭이 레이저 빔의 폭과 동일하거나 크고 반면 스펙트럼 빔/채널 사이의 거리가 각각의 TVCBG의 스펙트럼 폭의 것보다 크면 높은 회절 효율로 동작한다. 복수의 부가의 TVCBG는 광로를 따라 어디에나 배치될 수 있다. 각각의 TVCBG는 분산 보상기 및 빔 조합기의 모두로서 기능한다. 또한, TVCBG 전 또는 후에 위치된 주기적인 TVBG의 하나 또는 다수의 쌍이 각각의 도 4 내지 도 6의 임의의 방안에 더 추가될 수 있다.

도 7은 각도 분산을 제거하기 위해 하나 이상의 쌍으로 배열된 주기적인 TVBG와 관련된 개요를 도시하고 있다. TVBG(22 및 24)는 동일하고 시준된, 즉, 팬 형상이 아닌 광대역 빔(28)을 출력하기 위해 광로를 따라 각각의 "+" 및 "-" 브래그 각도에 대해 순차적으로 정렬된다. 출력 빔(28)은 양의 브래그 각도에서 상류 TVBG(22)에 입사하는 입력 다색 빔(25)에 평행하게 전파된다는 점을 주목하라.

예시된 개요는 이하의 방식으로 동작한다. 입사 빔(25)은 상류 TVBG(22)에 결합될 때 먼저 회절된다. TVBG(22)의 각도 분산은 격자의 출력에서 스펙트럼 성분(26)의 팬(fan)을 야기한다. 볼 수 있는 바와 같이, 고체 중심 브래그 파장은 이중 브래그 각도에서 회절되고, 팬 형상 빔(26)의 긴/점선 및 짧은/점선 파장(또는 스펙트럼 성분)은 브래그 각도에 대해 각각의 각도에서 출력된다. 팬 형상 빔(26)은 또한 음의 브래그 각도에서 하류 TVBG(24)에 입사된다. 결과적으로, 하류 TVBG(24)는 각각의 긴 및 짧은 파장이 상류 TVBG(22)에서 회절되는 각도를 역전시키고 시준된 광대역 빔(28)을 출력한다. 달리 말하면, 각각의 TVBG(22, 24)에서의 각도 분산의 효과는 서로 상쇄된다. 회절 평면에서 시준된 출력 빔(28)의 폭은 입사 빔(25)의 폭보다 큰데, 이는 TVBG에서 상이한 스펙트럼 성분이 상이한 측방향 변위를 갖기 때문이다. 그러나, 아래에 상세히 설명되는 바와 같이, 광 출력 밀도가 빔(28)의 원거리 필드에서 감소하지 않기 때문에, 증가된 폭은 타겟에 현저히 영향을 미치지 않는다.

각도 분산 및 주기적인 TVBG에서 이를 보상하기 위한 메커니즘의 더 상세한 설명이 도 8 내지 도 11을 참조하여 설명된다. 특히, 도 8 및 도 10은 도 7의 각각의 TVBG(22, 24)에서 다파장 평면파의 회절을 위한 광선 추적을 도시하고 있다. 단순화를 위해, TVBG(22, 24)는 각각 격자 벡터(K _G )가 표면 법선에 수직인 대칭성 VBG이다. 격자 벡터(K _G )는 격자의 방향과 주기를 표현한다. 통상의 기술자가 즉시 이해하는 바와 같이, 격자 벡터는 표면에 수직이 아닐 수도 있고, 임의의 각도로 경사질 수도 있다. VBG의 각도 분산 현상은 어떤 면에서는 아마도 가장 잘 알려진 법칙 중 하나인 - 그에 따르면 입사각이 반사각과 동일하다는 반사 법칙을 무시한다. 대조적으로, 여기서 TVBG에 입사하는 빔의 스펙트럼 성분은 모두 서로 평행하지만, 이들은 출력 빔에 팬 형상 형태를 제공하는 각각의 상이한 각도에서 발산한다.

도 8은 205 내지 3500 nm 파장 범위로부터 선택된 브래그 조건(λ_B, K_B)의 공진 파장에 대한, 더 긴 파장(λ_L, K_L)에 대한, 및 더 짧은 파장(λ_S, K_S)에 대한 상류 TVBG(22)의 양의 브래그 각도에서의 회절의 광선 추적을 도시하고 있다. K_G는 격자 벡터이다. θ _i - 공기 내의 입사각, θ _im - 매질 내의 입사각, θ _dB - 매질 내의 공진 파장에 대한 회절각(브래그 각도), θ _dL 및 θ _dS - 더 긴 및 더 짧은 파장에 대한 매질 내의 회절각, θ _e - 공기 내의 출사각, θ _tm - 매질 내의 투과각, θ _t - 공기 내의 투과각, A-A 라인은 일정한 굴절률의 평면이다.

양의 브래그 회절은 K _G 와 K _B 사이의 각도가 양인(반시계 방향) 회절이다. 회절각은 격자 벡터와 특정 파동 벡터 - 팬 형상 빔의 벡터 합으로서 결정된다. 대칭성 VBG에 대해, 브래그 파장(실선)에 대한 매질 내의 입사각 및 회절각은 동일한데, 즉, θ _im =θ _dB 이다. 따라서, 회절된 중심 스펙트럼 성분의 출사각 - 브래그 파장 - 은 입사각과 동일한데, θ _i =θ _eB 이다. 동일한 평면파에서 전파하지만 브래그 파장으로부터 이조된(detuned) 입사 빔(25)의 스펙트럼 성분에 대해, 파동 벡터의 상이한 길이로 인해 대칭성이 파괴된다. 따라서, 파장 λ _B 에 대한 브래그 각도에서 여기되는 이조된 파장(더 짧은 λ _S 및 더 긴 λ _L )에 대해, 각각의 회절각은 입사각과 동일하지 않다. 이에 따라, 출력 빔(26)의 스펙트럼 성분의 팬은 파장이 증가하는 동안 스펙트럼 성분 전파의 방향이 음의 방향(시계 방향)으로 스위프(sweeps)하는 회절 평면에서 발산을 획득한다.

도 9는 파장에 대한, 1 μ 주기(Λ)로 기록된 TVBG(22)에서의 회절각의 의존성을 도시하고 있다. 도시되어 있는 그래프에서, 수직 축은 공진 파장 1075 nm에 대한 회절각으로부터의 편향(θ _d,λ -θ _d,1075 )이다. 볼 수 있는 바와 같이, 수 나노미터에 대한 이조는 수 밀리라디안 편향을 야기한다. 수 밀리미터를 초과하는 직경을 갖는 고품질 레이저 빔에 대해, 회절 제한 발산은 밀리라디안 미만이다. 그래프는 도 8의 광대역 SM 레이저 빔(25)을 회절시키는 TVBG의 각도 분산이 빔의 발산을 상당히 증가시키는 것을 명확하게 도시하고 있다.

도 10은 TVBG(24)에서 음의 하류 브래그 각도에서의 회절의 광선 추적을 도시하고 있다. 이 도면에 도시되어 있는 메커니즘은 도 5의 것과 동일하다. 그러나, 도 8과 대조적으로, 여기서 다색 입사 SM 빔(25)은 파장이 증가하는 동안 스펙트럼 성분(26)의 전파 방향이 양의 방향(반시계 방향)으로 스위프하는 회절 평면에서 발산을 획득한다.

도 11은 상기에 개시된 도 8 및 도 10 각각의 조합 교시에 기초하는 본 발명의 구조를 도시하고 있다. 이는 대응하는 음 및 양의 브래그 각도에서 각각 2개의 순차적인 동일한 VBG(22, 24)에 의해 회절된 다파장 평면파를 도시하고 있다. 따라서, 도시되어 있는 구성은 시준된 광대역 빔(28)을 형성하는 각도 분산을 제거한다. 도면에서, 브래그 조건의 공진 파장에 대해, 파장과 격자 벡터는 λ_B 및 K_B로 표시되고, 더 긴 파장에 대해 -λ_L 및 K_L, 더 짧은 파장에 대해 -λ_S 및 K_S로 표시되고, K_G는 격자 벡터이다.

전술된 바와 같이, 본 발명의 개요는 2회 회절 레이저 빔에서 스펙트럼 성분의 측방향 워크오프(walk-off)(측방향 스펙트럼 처프(chirp)) 및 근거리 필드에서 타원율을 야기한다. 10 mm 직경의 빔과 4 mrad의 각도 분산에 대해, 50 mm 전파 후 직경 증가는 0.2 mm일 것이다. 이 효과는 근거리 필드에서 빔의 출력 밀도의 작은 감소를 야기하지만 원거리 필드에서 출력 밀도를 변화시키지 않는다. 따라서, 휘도는 불변 유지된다.

도 12는 도 8 내지 도 11의 교시에 기초하는 본 발명의 2-빔 조합기(50)의 기본 개요를 도시하고 있다. 조합기(50)는 각각의 고출력 레이저 소스(LS₁, LS₂)에 의해 방출되는 λ₁ 및 λ₂의 각각의 중심 파장에서 2개의 광대역 빔(30, 32)을 시준된 조합 빔(34)으로 분광적으로 조합한다. 개요는 2개의 동일하고 순차적으로 위치된 상류 및 하류 격자 TVBG₁B-(22) 및 TVBG₁B+(24)를 각각 포함한다. 빔(30)은 브래그 각도에서 상류 TVBG₁(22)에 입사하여 회절 평면에서 발산을 획득하고 λ₁ 스펙트럼 성분의 팬 형상 빔으로서 TVBG(22)에서 출사한다. λ₁ 스펙트럼 성분의 팬은 또한 하류 TVBG₁B+(24)에서 발사되는데, 이는 이들 팬을 반대 각도 방향으로 회절하여 빔(30)이 상류 TVBG₁B-(22)에서 획득하는 각도 분산을 상쇄한다.

다른 빔(32)은 스펙트럼 성분(λ₂)을 갖고 λ₁에 대해 "-" 브래그 각도로 입사되고, 반면 λ₂는 도 1a에 도시되어 있는 회절 스펙트럼에서 제로들 중 하나로 이조된다. 따라서, 빔(32)은 회절 없이 격자를 통과한다.

도 12는 모든 다른 유사한 도면과 마찬가지로, 측방향 시프트를 갖는 회절 및 투과 빔(30, 32)을 각각 도시하고 있다. 그러나, 양 빔은 근거리 및 원거리 필드의 모두에서 완전히 중첩한다. 조합된 출력 빔(34)(30+32)은 감소된 스펙트럼 휘도에 의해 특징화되지만, 공간 휘도는 2배가 된다.

도 13은 다수의 TVBG(22, 24, 22', 24')를 포함하는 3-빔 조합기(50)를 도시하고 있다. TVBG는 각각의 쌍으로 배열된다. 하나의 쌍은 상류 "-" 및 하류 "+" TVBG(22, 24)를 각각 포함하고, 반면 TVBG B-(22') 및 TVBG B+(24')는 다른 쌍을 형성한다.

특히, 빔 조합기(50)는 각각의 λ₁, λ₂ 및 λ₃ 파장에서 중심설정된 3개의 광대역 빔(42, 40, 36)을 분광적으로 조합한다. 상류 및 하류 TVBG(22, 24)는 각각 도 12의 것들과 동일하게 동작하고, 각각의 TVBG(22, 24)에서 빔(40)에 영향을 미치는 각도 분산을 상쇄하기 위해 빔(40)의 λ₂에 중심설정된 성분을 2회 회절시킨다. 이에 따라, 2회 회절된 출력 빔(40')은 시준되고 빔(40)의 입사각과 동일한 각도로 TVBG(24)로부터 하류로 전파된다. 빔(42)은 도 1a의 VBG의 회절 스펙트럼에서 제로들 중 하나에 대응하는 λ₁에 중심설정된 스펙트럼 성분을 갖고, 따라서 왜곡 없이 TVBG(24)를 통해 전파된다. 빔(42, 40')은 λ₁ 및 λ₂ 파장으로 구성된 제1 광대역 고출력 시준된 출력 빔(34)을 함께 형성하는 근거리 및 원거리 광학 필드의 모두에서 서로 중첩된다.

동일한 TVBG(22', 24') 다른 쌍은 각각 또한 각각 도 12의 기본 개요에 따라 동작한다. λ₃에 중심설정된 제3 빔(36)은 음의 브래그 각도에서 상류 TVBG(22')에 충돌한다. 1회 회절된 팬 형상 빔(36)은 하류(+) TVBG(24')에서 다른 회절을 경험한다. 후자는 λ₃에서 2회 회절된 시준 빔(36')과 λ₁ 및 λ₂에서 광대역 시준 빔(34)을 고휘도 및 고출력 광대역 시준 출력 빔(44)으로 조합한다. 제1 쌍의 TVBG(22, 24) 및 제2 쌍의 TVBG(22', 24')는 모두 서로 동일할 수도 있다. 대안적으로, 제2 쌍의 TVBG는 제1 쌍의 것들과 상이할 수도 있다. 예를 들어, 제2 쌍의 TVBG는 제1 쌍의 TVBG에 대해 약간 각형성될 수도 있거나 제1 쌍의 것들에 비교하여 상이한 주기를 가질 수도 있다.

조합된 채널 - 광대역 빔의 수는 비한정적이라는 것이 도 13의 개요로부터 명백하다. 결국, 모든 빔은 근거리 및 원거리 필드의 모두에서 중첩된다. 채널의 수에 대한 제한은 개별 레이저의 스펙트럼 폭과 비교하여 레이저 매질 이득 스펙트럼의 총 폭에 의해 결정된다.

도 14는 예를 들어, 도 12와 관련하여 설명된 본 발명의 원리에 따라 동작하는 빔 조합기(50)의 또 다른 개요를 도시하고 있다. 그러나, 도 12(및 도 13)와 대조적으로, 이 개요는 홀수의 PTR 유리 플레이트를 포함한다. 이는 단일 PTR 유리 플레이트가 다수의 격자를 호스팅할 수 있기 때문이다. 이에 따라, 도시되어 있는 개요는 전용 PTR 플레이트에 각각 기록된 2개의 상류 TVBG(22, 22')를 포함한다. 그러나, 각각의 상류 TVBG(22, 22')와 쌍을 이루는 하류 TVBG(24, 24')는 동일한 PTR 유리 플레이트(35)를 공유한다.

상류 TVBG₂(22) 및 TVBG₃(22')는 λ₃ 및 λ₂에서 중심설정된 스펙트럼 성분의 각각의 그룹을 포함하는 각각의 광대역 빔(54, 56)을 회절시킨다. 일단 회절되면, λ₃ 및 λ₂에 중심설정된 스펙트럼 성분의 각각의 팬은 하류 PTR 플레이트(35)에 충돌한다. PTR 플레이트(35)에 기록된 하류 TBVG(24, 24')는 각각의 상류 격자(22, 22')의 것들에 반대하는 브래그 각도에서 회절을 제공한다. 그 결과, λ₃ 및 λ₂에서 시준 빔이 각각 근거리 및 원거리 필드에서 중첩된다. λ₁에서 제3 광대역 빔(52)은 왜곡 없이 다중화된 홀로그램(35)을 통해 전파하고 근거리 및 원거리 필드에서 2회 회절 빔(54, 56)을 중첩한다. 상기에 개시된 개요와 유사하게, TVBG의 수는 나타낸 3개의 격자로 한정되지 않는다.

도 15a 및 도 15b는 TVBG의 각도 분산을 보상하기 위한 공간적으로 균일한 TVBG의 쌍(도 7 및 도 11)의 능력을 확인하는 실험 데이터를 도시하고 있다. 데이터는 도 7 및 도 11에 도시되어 있는 바와 같이, 본 발명의 구조의 순차적으로 위치된 (+) 상류 및 (-) 하류 TVBG를 통해 전파되는 품질 파라미터 M²=1(최고 품질)로 시준 빔을 출력하는 SM 초발광 다이오드를 사용하여 얻어졌다. TVBG는 각각 2.47 ㎛의 주기(Λ) 및 1.5 mm의 두께를 갖는다.

도 15a를 구체적으로 참조하면, 상류 "+" TVBG에 의해 XZ 평면에서 입사 빔을 회절할 때, 빔 품질은 M_y ²=1.03 및 M_x ²=2.25로 악화된다. 볼 수 있는 바와 같이, 회절 빔의 발산은 격자의 결함으로 인해 Y-방향으로 미미하게 증가되었다. 그러나, 회절 평면(X-방향)에서, 회절 빔은 빔의 품질에 악영향을 미치는 현저히 더 큰 발산을 나타냈다. 이러한 X 방향 열화의 이유는 TVBG의 각도 분산의 결과이다.

도 15b는 하류 "-" TVBG가 1회 회절된 빔에 미치는 영향을 도시하고 있다. 특히, "-" 브래그 각도에서 회절시, 단일 모드(SM) 이테르븀(Yb) 빔과 같은 2회 회절 빔은 M_y ²=1.07 및 M_x ²=1.08을 가졌는데, 이는 통상의 기술자가 즉시 이해하는 바와 같이, 이 빔이 고품질인 것을 나타낸다.

TVBG 및 TVCBG와 연관된 제2 문제는 채널 사이의 방사선의 누설, 즉, 투과 빔의 부분 회절로부터 유래한다. 전술된 바와 같이, VBG의 스펙트럼 폭은 도 16에 도시되어 있는 것과 같은, 광대역 빔을 회절시키기에 충분히 넓어야 한다. 특히, 후자는 다소 통상적인 고출력 SM Yb 섬유 레이저의 출력의 방출 스펙트럼을 도시하고 있다. 누설은 최대 회절 효율의 메인 로브(16)를 플랭킹하는 도 1a의 사이드 로브(18)가 투과되어야 하는 인접 빔을 분광적으로 확산하고 회절할 때 발생한다.

도 17a 및 도 17b는 2개 이상의 채널을 조합하는 전술된 TVCBG 및 각각의 도 4 내지 도 6, 도 7, 도 11 내지 도 14의 TVBG의 본 발명의 조합기(50)에서의 누설 메커니즘의 예시를 제공한다. 예로서, 각각의 1060, 1070 nm 및 1080 nm 파장을 조합하는 주기적인 TVBG를 포함하는 3채널 구조가 아래에 설명되지만, 통상의 기술자가 즉시 인식하는 바와 같이, 이하의 설명은 TVCBG에 완전히 적용 가능하다.

도 17a를 참조하면, TVBG(22)는 1060 nm 채널을 회절시키고 1070 채널을 투과하는데 이는 1060 및 1070 nm에서 제1 시준 조합 빔으로 병합한다. 후자는 제1 조합 빔을 투과하고 1080 nm 채널을 회절하여 모든 3개의 빔이 총 조합된 시준 빔에서 조합되게 하는 하류 TVBG(24)에 입사된다. 상기에 나타낸 바와 같이, 조합기(50)는 본 발명의 구조로 인한 각도 분산을 최소화한다. 그러나, 각도 분산은 아래에 설명되는 바와 같이, 도시되어 있는 구조에서 관찰되는 유일한 현상은 아니다.

도 17b는 도 17a의 격자(22, 24)의 회절 효율 스펙트럼을 도시하고 있다. 구체적으로, 격자는 PTR 유리에서 2.05 ㎛ 주기 및 2.37 mm의 두께로 기록된다. 적색 곡선은 3.4 nm의 스펙트럼 폭(FW10dB)을 갖는 각각의 SM Yb 레이저의 방출 스펙트럼이다. 격자는 1060 및 1080 nm에서 각각의 빔의 효율적인 회절을 제공하기 위해 각각의 넓은 스펙트럼을 갖는다. 달리 말하면, 1060 및 1080 채널은 각각 대응 격자의 스펙트럼의 최대 회절 효율에 배치된다. 1060 및 1070 nm에서의 채널과 채널 1080 nm 및 1070 nm 사이의 불필요한 누화를 회피하기 위해, 1070 nm 채널은 각각의 격자(22 또는 24)의 회절 스펙트럼에서 제1 제로에 배치된다. 그러나, 전술된 바와 같이, VBG의 특성으로 인해, 각각의 격자의 스펙트럼은 또한 다른 채널의 영역 내로 확산하는 사이드 로브의 그룹을 갖는다. 따라서, 양 상류 및 하류 격자(22, 24)는 각각 중앙 로브와 사이드 로브의 날개에서 저효율 회절에 의해 야기된 몇몇 손실을 갖고 1070 nm 채널을 투과한다. 부가적으로, 하류 조합 TVBG(24)는, 제1 조합 빔이 이 TVBG를 통해 전파하기 때문에, 회절시키지 않아야 하는 각각의 1060 및 1070 nm 채널의 일부를 회절시킨다. 격자(22, 24)의 상대 위치가 역전되면 동일한 결과 - 투과된 채널의 바람직하지 않은 회절 - 가 얻어질 것이다. 이 경우, TVBG(22)는 상류 격자(24)에서 제1 출력 빔으로 조합된 1080 및 1070 nm 채널에 영향을 미치는 하류 조합 격자일 것이다. 전술된 바에 기초하여, 각각의 격자(22, 24)의 스펙트럼의 사이드 로브를 억제할 필요가 있다.

도 17c는 통상의 기술자에게 알려진 아포다이제이션 기술을 사용함으로써, 도 7 내지 도 14의 하류 TVBG(24)와 같은, 단일의 TVBG의 도 1a의 사이드 로브(18)의 억제를 도시하고 있다. 일반적으로, 용어 아포다이제이션은 사이드 로브(18)와 같은 스펙트럼의 부적절한 특징을 제거하게 하는 빔 전파 방향으로의 RIM의 점진적인 변화를 의미한다. 여기서, 아포다이제이션은 도 4, 도 5, 도 8, 도 10 및 도 11의 격자 벡터(K_G)에 수직인 방향으로 RIM의 특정 프로파일을 형성하는 것을 포함한다. 특히, 여기서 사용되는 아포다이제이션 기술은 표면층을 단파장 UV 방사선에 노출시킴으로써 RIM을 점진적으로 소거하는 것을 포함한다. 도 17c에 도시되어 있는 결과는 3 ㎛의 주기(Λ)를 갖는 4 mm 두께 TVBG 및 0.5 mm 두께 표면층에서 RIM의 점진적인 소거를 사용하여 얻어졌다. 균일한 TVBG(74)와 비교하여, 아포다이징된 TVBG(76)는 사이드 로브(18)의 상당한 억제를 제공한다. 아포다이제이션 프로파일의 철저한 최적화는 사이드 로브(16)를 실질적으로 완전히 억제할 수 있는데 이는 인접한 채널 사이의 감소된 스펙트럼 거리를 허용한다. 그 각각이 4개 이하의 광대역 빔/채널을 조합하는 본 발명의 TVBG 및 TVCBG와 비교하여, 본 발명의 아포다이징된 VBG는 5 내지 6개의 채널을 조합할 수 있어 총 멀티-kW 출력 파워를 상당히 증가시킨다.

TVCBG 및 TVBG의 모두에 관련된 본 발명에 의해 처리되는 제3 문제는 본 발명의 조합기에서 고출력 광대역 빔의 흡수의 결과인 열에 의해 유도되는 열 렌즈 효과이다. 열 렌즈의 악영향 중 하나는 TVBG 또는 TVCBG를 통과하는 빔의 평행도 및 빔 품질에 대한 그 악영향이다. 1 ㎛ 파장 범위에서 레이저 방출의 흡수는 약 10^-4cm^-1(

250 ppm/cm)이다. 이는 열광학 계수 dn/dT<1 ppm/K 및 열 팽창 계수 CTE = 9.5 ppm/K를 갖는다. 따라서, PTR 유리 홀로그래픽 요소의 열 렌즈는 너무 작아서 1 kW/cm² 미만의 출력 밀도에 대해서는 문제가 되지 않는다.

낮은 출력 밀도에 대조적으로, 더 높은 출력 밀도는 빔 품질에 상당한 영향을 미친다. 예를 들어, 1 kW SM 섬유는 브래그 각도에서 TVBG에 입사하는 빔 품질 파라미터 M²= 1.1을 갖는 6 mm 빔을 출력한다. 주기(Λ) 1.17 ㎛, 두께 1 mm, 구경 25×25 mm²로 구성된 격자는 약 3.5 kW/cm²의 평균 출력 밀도로 빔을 회절시킨다.

도 18은 상기에 개시된 1 kW 섬유 레이저로 실험 중에 얻어진 회절 빔의 빔 품질을 도시하고 있다. 볼 수 있는 바와 같이, 정사각형으로 표시된 수직 방향("y")에서 회절 빔의 M²는 열 렌즈 효과로 인해 M²=1.25로 열화된다. 그러나, 빔 품질은 각도 분산 및 열 렌즈 효과의 누적 효과로 인해 수평 방향("x")에서 M² = 1.57로 급격하게 저하된다. 본 발명의 조합기는 이 문제를 해결하는 상기에 개시된 주요 구조에 대한 몇 가지 구조적 추가를 포함한다.

구조적 추가 중 하나는 위상 마스크 사용을 포함한다. 그러나, 광대역 빔으로 동작할 수 없는 단색 위상 마스크에 대조적으로, 본 발명의 조합기는 빔 조합기에 축적된 열 왜곡을 보정하는 홀로그래픽 무색 위상 마스크(HAPM)를 이용한다. 출력 밀도의 가우시안 프로파일을 갖는 고출력 빔에 의해 본 발명의 조합기의 조합 TVBG(또는 단일 TVCBG)에서 유도된 열 렌즈는 일반적으로 복잡한 형상을 갖는 오목 렌즈이다. 이에 따라, 유도된 발산을 최소화하기 위해, 이 빔은 양의 열 렌즈에 의해 야기되는 스펙트럼 수차를 실질적으로 보상하는 복잡한 형상의 음의 렌즈를 통과한다. 따라서, HAPM은 유도된 열 렌즈에 의한 효과와 반대되는 광학적 효과를 제공하고 따라서 조합 TVBG에서 유도된 열 렌즈를 보상한다. 이에 따라, HAPM이 제공된 본 발명의 조합기는 HAPM이 없는 본 발명의 조합기에서 조합된 빔보다 실질적으로 더 높은 품질 및 따라서 더 큰 휘도를 갖는 조합된 빔을 출력한다. 본 발명에 사용된 HAPM은 본 출원과 함께 공동 소유되고 그대로 본 명세서에 참조로서 합체되어 있는 계류 중인 특허 출원 PCT/US21/16588에 상세히 개시되어 있다.

도 19는 복잡한 종래의 또는 프레넬 렌즈의 홀로그램과 같은 전술된 HAPM을 포함하는 도 4 내지 도 14의 본 발명의 조합기(50)의 예를 도시하고 있다. 상류 및 하류 TVBG₁(22, 24)의 제1 쌍은 각각 "-" 및 "+" 브래그 각도로 정렬된다. 하류 TVBG₁(24)는 λ₁ 파장에 중심설정된 스펙트럼 성분의 광대역 고출력 빔을 투과한다. 상류 TVBG₁(22) 및 하류 TVBG₁(24)는 스펙트럼 성분 λ₂ 파장을 갖는 다른 고출력 빔을 회절시켜 λ₂ 파장에서의 조합 시준 빔과 λ₁에서의 투과 빔이 제1 조합 빔을 구성하게 된다. 동일한 상류 22' 및 하류 24' TVBGS₂의 제2 쌍은 스펙트럼 성분 λ₃의 그룹을 2회 회절한다. 조합 하류 TVBG 24₂'는 제1 조합 빔을 투과하고 λ₁, λ₂ 및 λ₃에서 총 조합 빔을 출력한다. 조합 빔의 출력 밀도 반경방향 구배는 빔 발산을 증가시키는 열 렌즈를 유도한다. 총 조합 빔의 휘도를 개선하기 위해, 후자는 TVBG(24')의 열 렌즈 효과를 보상하도록 구성된 HAPM(74)을 통해 안내된다. 다른 HAPM(74)은 제1 조합 빔의 휘도를 증가시키기 위해 TVBG(24, 24') 사이에 각각 위치될 수 있다. 대안적으로, HAPM(74)은 TVBG(24')와 동일한 PTR 유리 내에 기입될 수도 있다. 전술된 TVBG의 전부 또는 일부는 처핑될 수도 있다는 것을 주목하라.

도 20 및 도 21은 열 렌즈를 보상하기 위한 다른 구조적 해결책이 제공된 본 발명의 빔 조합기(50)를 도시하고 있다. 추가된 구조는 홀로그래픽 위상 마스크(HPM)를 통합함으로써 조합 빔의 휘도에 대한 열 렌즈의 영향을 최소화한다. 후자는 투과 빔의 강도 프로파일을 변경하고 이를 도넛 형상 프로파일로 변환한다. 그 결과, 도넛 형상 빔과 가우시안 빔의 병합은 플랫탑 조합 빔을 생성한다.

도 20을 구체적으로 참조하면, 전술된 개념을 실현하는 조합기(50)는, 예를 들어 각각의 스펙트럼 성분(λ₁, λ₂ 및 λ₃)의 그룹을 갖는 3개의 광대역 빔을 조합한다. 각각 "-" 및 "+" HPM(76, 78)의 상류 쌍은 λ₁ 스펙트럼 성분을 갖는 가우시안 빔(TEM₀₀)이 시준된 광학 와류 빔, 예를 들어 도 21에서 더 양호하게 볼 수 있는 일반적으로 도넛 형상을 갖는 라게르-가우시안 빔(LG₀₁)으로 변환되도록 제1 광대역 가우시안 빔의 λ₁ 스펙트럼 성분을 순차적으로 회절한다. 후자는 그 전파 축을 따라 회전 대칭성을 갖고 빔의 경로를 따라 모든 것에 영향을 미치는 고유한 회전 궤도 각운동량을 전달한다. 본 발명의 주요 개념에 따라 격자의 각도 분산을 제거하는 TVBG(22, 24 및 22', 24')의 각각의 쌍의 하류 TVBG(24, 24')는 LG01 빔을 투과한다. 후자는 각각의 하류 TVBG(24, 24')에서 λ₂ 및 λ₃ 스펙트럼 성분의 각각의 회절 빔과 순차적으로 병합하고 이들 격자의 각각 내의 열 렌즈의 영향을 최소화한다. HPM(76, 78)의 빔 변환 시스템은 필요한 경우 부가의 HPM을 포함할 수도 있는데, 이는 증가된 수의 TVBG 쌍을 갖는 경우일 수도 있다.

도 21은 도 17의 상기에 개시된 구조를 사용하여 얻어진 결과를 도시하고 있다. 볼 수 있는 바와 같이, 도넛 형상의 LG₀₁과 회절 가우시안 빔(TEM₀₀)의 병합은 플랫탑 강도 프로파일을 갖는 전체 빔을 생성한다.

도 22는 최소 가능한 두께를 갖는 TVBG 또는 TVCBG를 구성하는 것을 포함하는 또 다른 구조적 고려 사항을 도시하고 있다. 이 접근법은 방사선의 최소 흡수, 최소 열 발생, 표면에 대한 최고속 열 전도도, 및 최소 광학 경로, 및 따라서 렌즈의 최대 초점 거리를 제공한다. 최적 두께의 결정은 굴절률 변조(RIM) 및 두께에 대한 격자 효율의 의존성에 기초한다.

본 발명에 따라 본 명세서에 개시된 양태는 구성의 상세 및 이하의 설명에 설명되거나 첨부 도면에 도시되어 있는 구성요소의 배열에 그 용례에 있어 한정되지 않는다. 이들 양태는 다른 실시예를 취하는 것이 가능하고 다양한 방식으로 실시되거나 수행되는 것이 가능하다. 특정 구현예의 예는 단지 예시 목적으로만 본 명세서에 제공되고 한정이 되도록 의도된 것은 아니다. 특히, 임의의 하나 이상의 실시예와 관련하여 설명된 행위, 구성요소, 요소 및 특징은 임의의 다른 실시예에서 유사한 역할로부터 배제되도록 의도되지 않는다.

또한, 본 명세서에 사용된 어법 및 용어는 설명을 위한 것이며 한정적인 것으로서 고려되어서는 안된다. 단수 또는 복수 형태의 참조는 현재 개시된 시스템 또는 방법, 그 구성요소, 행위 또는 요소를 한정하도록 의도된 것은 아니다. 게다가, 이 문서와 본 명세서에 참조로서 합체되어 있는 문서 사이에 용어의 불일치 사용의 경우, 합체된 참조 문헌에서의 용어 사용이 이 문서의 사용을 보완하고; 양립할 수 없는 불일치의 경우, 이 문서에서의 용어 사용이 우선한다.

이와 같이 적어도 하나의 예의 다수의 양태가 설명되었지만, 통상의 기술자는 다양한 변경, 수정 및 개량이 통상의 기술자에게 즉시 발생할 것이라는 것을 즉시 이해한다. 예를 들어, 본 명세서에 개시된 예는 다른 맥락에서 적용 가능하다. 이러한 변경, 수정 및 개선은 본 개시내용의 일부이다. 이에 따라, 전술된 설명 및 도면은 단지 예시일 뿐이다.

Claims (19)

1. 적어도 하나의 투과 체적 처핑된 브래그 격자(TVCBG)를 포함하는 스펙트럼 빔 조합기이며,
   브래그 조건을 만족하고 (+)(-) 브래그 각도 중 하나로 TVCBG에 입사하는 하나의 중심 파장에서 전파하는 제1 광대역 빔을 회절시키고,
   브래그 조건을 만족하지 않고 제1 광대역 빔의 하나의 브래그 각도와 반대인 브래그 각도에서 TVCBG에 입사하는 제2 중심 파장에서 전파하는 적어도 하나의 제2 광대역 빔을 투과하고,
   하나의 TVCBG는:
   회절 평면에서, 하나의 TVCBG의 분산으로부터 발생하는 제1 광대역 빔의 발산을 제거하고,
   제1 회절 광대역 빔 및 제2 투과 광대역 빔을 제1 단일 고출력 시준 광대역 출력 빔으로 조합하도록 구성되는, 스펙트럼 빔 조합기.
2. 제1항에 있어서, 하나의 TVCBG로부터 상류 또는 하류에 위치되고 브래그 각도에서 전파되고 브래그 조건을 만족하는 중심 파장에서 부가의 TVCBG에 입사하는 제3 광대역 빔을 회절시키는 적어도 하나 이상의 부가의 TVCBG를 더 포함하고, 부가의 TVCBG는 제1 시준 출력 부가의 빔을 제2 고출력 시준 광대역 출력 빔으로 병합하는, 스펙트럼 빔 조합기.
3. 제1항에 있어서, 제1 열 렌즈 보상기를 더 포함하고, 열 렌즈는 제1 및 제2 광대역 빔 중 하나 또는 모두에 의해 하나의 TVCBG 내에 유도되는, 스펙트럼 빔 조합기.
4. 제3항에 있어서, 제1 열 렌즈 보상기는 하나의 TVCBG로부터 하류에 위치된 지정된 PTR 유리 플레이트에 기록되거나 하나의 TVBG와 함께 PTR 유리 플레이트에 기록되는 홀로그래픽 무색 광대역 위상 마스크(HAPM)를 포함하는, 스펙트럼 빔 조합기.
5. 제3항에 있어서, 제1 열 렌즈 보상기는 하나의 TVCBG로부터 상류에서 각각 반대 브래그 각도로 정렬되는 하나의 쌍의 홀로그래픽 위상 마스크(HPM)를 포함하고, HPM은 그 가우시안 강도 프로파일을 도넛 형상 강도 프로파일로 변환하면서 제2 광대역 빔을 회절시키는, 스펙트럼 빔 조합기.
6. 제1항에 있어서, TVCBG와 광 통신하고 광로를 따라 그로부터 이격된 적어도 하나의 쌍의 동일한 제1 및 제2 투과 체적 브래그 격자(TVBG)를 더 포함하고, TVBG는 이격되고 각각의 반대 "+" 및 " -" 브래그 각도로 정렬되는, 스펙트럼 빔 조합기.
7. 제6항에 있어서, 제1 및 제2 TVBG는 브래그 조건을 만족하는 제4 중심 파장에서 제4 광대역 빔을 순차적으로 회절시켜 2회 회절 제4 시준 광대역 빔을 제공하고, 제2 TVBG는 단일 제3 광대역 시준 출력 빔으로 2회 회절 제4 시준된 빔과 병합하는 제1 광대역 출력 빔을 투과시키는, 스펙트럼 빔 조합기.
8. 제7항에 있어서, 브래그 조건을 만족하고 제1, 제2 및 제4 중심 파장과는 상이한 제5 중심 파장에서 제5 광대역 빔의 순차적 회절을 제공하기 위해 각각의 반대 브래그 각도로 정렬된 적어도 하나의 부가의 쌍의 제1 및 제2 동일한 TVBG를 더 포함하는, 스펙트럼 빔 조합기.
9. 제8항에 있어서, 각각의 쌍의 제1 및 제2 TVBG는 각각 지정된 PTR 유리 플레이트에 기록되는, 스펙트럼 빔 조합기.
10. 제8항에 있어서, 각각의 쌍의 제1 TVBG는 각각 지정된 PTR 유리 플레이트에 기록되고, 반면 각각의 쌍의 제2 TVBG는 모두 단일의 다중화 PTR 유리 플레이트에 기록되는, 스펙트럼 빔 조합기.
11. 제6항에 있어서, 제2 TVBG로부터 하류에 위치된 지정된 PTR 유리 플레이트에 기록되거나 제2 TVBG와 함께 PTR 유리에 기록되는 홀로그래픽 무색 광대역 위상 마스크(HAPM)를 포함하는 제2 열 렌즈 보상기를 더 포함하는, 스펙트럼 빔 조합기.
12. 제6항에 있어서, 한 쌍의 홀로그래픽 위상 마스크(HPM)를 포함하고 제1 TVBG로부터 상류에 위치되는 제2 열 렌즈 보상기를 더 포함하고, HPM은 그 가우시안 강도 프로파일을 도넛 형상 강도 프로파일로 변환하면서 제1 광대역 시준 출력 빔 제2 광대역 빔을 2회 회절시키기 위해 각각의 반대 브래그 각도로 정렬되는, 스펙트럼 빔 조합기.
13. 제12항에 있어서, 도넛 형상 강도 프로파일을 갖는 제1 광대역 시준 출력 빔은 제3 시준 광대역 출력 빔이 플랫탑 강도 프로파일을 갖도록 제2 TVBG에서 제4 2회 회절 광대역 빔과 병합하는, 스펙트럼 빔 조합기.
14. 제6항에 있어서, 제1 및 제2 TVBG는 1 ㎛ 범위의 2회 회절 제1 광대역 빔의 파장에서 100% 회절 효율을 제공하기 위해 각각 최대 약 1 mm의 두께 및 약 1000 ppm의 굴절률 변조(RIM)를 갖는, 스펙트럼 빔 조합기.
15. 제6항에 있어서, 제1 및 제2 TVBG는 회절 빔과 투과 빔 사이의 누설을 최소화하기 위해 아포다이징되고, 아포다이징된 TVBG는 TVBG의 격자 벡터에 수직인 방향으로 기록된 RIM의 벨 형상 프로파일로 구성되는, 스펙트럼 빔 조합기.
16. 제1항에 있어서, 제1 및 제2 광대역 빔은 각각 3 내지 10 nm 범위의 스펙트럼 폭을 갖는, 스펙트럼 빔 조합기.
17. 제1항에 있어서, 제1 및 제2 광대역 빔은 각각 단일 횡방향 모드 빔 또는 멀티모드 빔인, 스펙트럼 빔 조합기.
18. 제6항에 있어서, 제1 및 제2 TVBG는 각각 표면에 대해 임의의 배향을 갖는 격자 벡터(K_G)로 구성되는, 스펙트럼 빔 조합기.
19. 제1항에 있어서, 제1 및 제2 중심 파장은 각각 205 내지 3500 nm 파장 범위로부터 선택되는, 스펙트럼 빔 조합기.

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