KR20230119143A - 레이저 빔을 증폭시키기 위한 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 다파장 레이저 빔을 증폭하기 위한 장치(10)로서:
a. 증폭되는 빔을 상기 빔이 활성 레이저 매질(M)을 통과할 때마다 수신하기 적합한 전면(20) 및 반사성 후면(22)을 가지는 활성 레이저 매질(M)로서, 반사성 후면(22)은 전면(20)에 대해 기울어지고, 제n 통과 동안 후면(22)에 의해 반사되고 전면(20)에 의해 굴절되는 빔은 제n 유용한 빔으로 불리는 활성 레이저 매질(M); 및
b. 제1 유용한 빔(F_U1)의 경로를 따라 배치되고 제1 유용한 빔(F_U1)을 활성 레이저 매질(M)을 통한 제2 통과를 위해 전면(20)으로 귀환시키도록 구성되어 제2 유용한 빔(F_U2)을 형성하는 각 파장의 서브 빔이 제2 통과의 종료시 서로 평행한 제1 광학 귀환 유닛(18)을 포함하는 다파장 레이저 빔을 증폭하기 위한 장치에 관련된다.

Description

레이저 빔을 증폭시키기 위한 장치

본 발명은 다파장 레이저 빔을 증폭시키는 장치에 관련된다.

본 발명의 분야는 과학, 산업, 의학 및 군사 응용을 위한 고체 상태 레이저 소스 분야이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 레이저 빔의 전파 축을 따르는 개구에 비해 상대적으로 작은 두께, 일반적으로 1:3 미만의 두께를 가지는 활성 레이저 매질 재료(예컨대 결정)에 유리하게 사용된다.

레이저 펌핑 기술은 최근 몇 년 동안 실질적으로 발전했으며 이제 100와트 단위의 평균 펌핑 출력을 제공하는 펄스 레이저 소스를 가질 수 있다.

하지만, 특정 수의 구성은 높은 에너지 및 높은 평균 출력(보다 높은 반복률)을 추구하는 차세대 펌프와 호환되지 않는다.

이 분야의 현재 상태에서, 활성 레이저 매질, 일반적으로 증폭기 섬유, 아주 얇은 디스크, 슬래브 및 소위 두꺼운 디스크의 폼 팩터에서 동작함으로써 활성 레이저 매질에서 열 에너지의 추출을 위해 상이한 해결책이 사용된다.

두꺼운 디스크 해결책은 비정질 재료(예컨대 유리), 투명 세라믹 또는 Ti:SA(티타늄:사파이어의 약자)와 같은 결정과 같은 특정 활성 레이저 매질에 아주 적합하다. 재료의 큰 증폭 스펙트럼으로 인해, 이러한 해결책은 높은 에너지 레벨, 높은 평균 출력, 짧은 펄스 길이에 대한 접근을 제공한다.

두꺼운 디스크 기술에서, 활성 레이저 매질(예컨대, 결정)은 후면을 통해 냉각된다. 그리고 냉각은 액체나 기체 같은 유체 또는 고체에 의해 획득된다. 이러한 후면을 통한 냉각은 열 교환 표면을 증가시킨다. 나아가, 결정을 통한 레이저의 전파 방향을 따라 열 구배를 생성하고 또한 높은 열 추출을 달성하기 위해 같은 것이 사용될 수 있다. 결정에서 온도 변화에 관한 지수 변화는 주로 레이저 빔의 전파 방향과 같은 방향을 따라 배향된 기울기이다.

하지만, 후면 냉각이 있는 레이저 증폭 장치는 결정의 반사성 후면 때문에 빔의 기하학적 반전을 유도한다. 결정의 출력면은 입력면과 동일한데, 즉 스퓨리어스 펄스(전면의 스퓨리어스 반사로 인한)가 메인 펄스 전에 발견되므로, 펄스의 시간 대비가 저하된다. 시간 대비는 메인 펄스와 펄스의 발 및/또는 임의의 스퓨리어스 펄스의 강도 간의 비율로 정의된다.

이러한 저하를 피하기 위해, 특허 EP 2 915 226 B에는 메인 펄스와 스퓨리어스 펄스를 분리하기 위하여 공기/결정 계면을 수정하는 방법이 공지되었다. 이 목적을 위하여, 활성 레이저 매질의 전면은 후면에 대해 0이 아닌 각도로 기울어진다. 이로써, 활성 레이저 매질을 통한 전파 후 스퓨리어스 반사가 주 펄스와 공간적으로 분리되고 시간 대비가 더 이상 스퓨리어스 반사에 의해 저하되지 않는다.

(넓은 스펙트럼을 가지는) 짧은 펄스에 대해, 상기 각도는 EP 2 915 226 B에 기술된 바와 같이 빔의 경로를 따라 배치된 보상 프리즘에 의해 보상되는 프리즘 효과를 생성한다. 이로써, 활성 레이저 매질을 통한 복수의 통과가 수행될 때, 복수의 프리즘이 증폭 시스템에 사용되어야 한다.

재정적 영향 외에도, 전송을 위한 많은 광학 [부품]의 사용이 광학 손실의 원인 및 잠재적인 고장의 원인이다(레이저를 사용할 수 없게 되는 손상과 부품 수리 비용 및 재정렬을 위한 인건비).

따라서 냉각 및 시간 대비 측면에서 만족을 유지하며 광 손실을 최소화하는 증폭 장치가 필요하다.

이를 위하여, 본 발명의 구성요소는 다파장 레이저 빔을 증폭하기 위한 장치로서 다음을 포함한다.

a. 증폭되는 빔을 상기 빔이 활성 레이저 매질을 통과할 때마다 수신하기 적합한 전면 및 반사성 후면 중에서 적어도 두 평면을 가지는 고체 활성 레이저 매질로서, 전면은 후면에 대해 0이 아닌 경사로 기울어지고, 후면은 냉각되기 적합하고, 제1 통과 동안 전면에 수신되는 빔은 입사 빔으로 불리고, 제n 통과 동안 후면에 의해 반사되고 전면에 의해 굴절되는 빔은 제n 유용한 빔으로 불리는 고체 활성 레이저 매질; 및

b. 제1 유용한 빔의 경로를 따라 배치되는 제1 광학 귀환 유닛으로서, 제1 광학 귀한 유닛은 제1 유용한 빔을 활성 레이저 매질을 통한 제2 통과를 위해 전면으로 귀환시키도록 구성되어 제2 유용한 빔을 형성하는 각 파장의 서브 빔이 제2 통과의 종료시 서로 평행한 제1 광학 귀한 유닛.

본 발명의 다른 유리한 양태에 따르면, 장치는 개별적으로 취하거나 모든 기술적으로 가능한 조합에 따라 다음 특징 중 하나 또는 복수를 포함하는데:

- 제1 광학 귀환 유닛은 제2 유용한 빔이 색상 공간 분산의 관점에서 평면과 평행면을 가지는 플레이트의 출력에서 상기 플레이트의 전면에 활성 레이저 매질 상의 입사 빔의 입사각과 동일한 입사각으로 도달하는 입사 빔으로부터 얻어지는 빔과 동등하도록 구성된다.

- 활성 레이저 매질은 그 평면이 전면과 후면인 디스크이고, 상기 면은 베이스로 불리는 삼각형 또는 사다리꼴 베이스를 가지는 우측 프리즘에 새겨지고, 제1 광학 귀환 유닛은 활성 레이저 매질과 제1 거울 사이의 제1 유용한 빔의 경로가 대칭면에 대하여 제1 유용한 빔과 제2 거울 사이의 제1 유용한 빔의 경로와 대칭이도록 배향되는 두 거울을 포함하고, 대칭면은 활성 레이저 매질의 베이스를 포함하는 평면 및 후면을 포함하는 평면에 수직한 평면이다.

- 활성 레이저 매질의 전면은 입사 빔을 수신하고 입사 빔으로부터 제1 스퓨리어스 빔으로 불리는 빔을 반사하기 적합하고, 제1 광학 귀환 유닛은 제1 스퓨리어스 빔의 경로 바깥에 배치된다.

- 제2 유용한 빔은 입사 빔의 직경에 비해 확장된 직경을 가지고, 증폭 장치는 적어도 제3 및 제4 통과를 위해 제2 유용한 빔을 활성 레이저 매질로 귀환시키기 적합한 제2 광학 귀환 유닛을 포함하여, 출력 빔으로 불리는 활성 레이저 매질의 출력에서 마지막 유용한 빔이 입사 빔의 직경과 실질적으로 동일한 직경을 가지고, 상기 출력 빔을 형성하는 각 파장의 서브 빔이 서로 평행하다.

- 제2 광학 귀환 유닛은 출력 빔이 직경 및 색상 공간 분산의 관점에서 평면과 평행면을 가지는 제1 및 제2 플레이트를 통한 입사 빔의 연속적인 통과 후 얻어지는 빔과 동등하도록 구성되고, 제1 플레이트는 입사 빔이 활성 레이저 매질에서 입사 빔의 입사각과 동일한 제1 입사각으로 제1 플레이트의 전면에 도달하도록 배향되고, 제2 플레이트는 제1 플레이트의 출력에서 제1 입사각의 반대와 동일한 제2 입사각으로 빔을 수신하도록 배향된다.

- 제2 광학 귀환 유닛은 증폭되는 빔의 활성 레이저 매질을 통한 통과의 총 횟수가 4의 배수이도록 활성 레이저 매질을 통해 제2 유용한 빔을 귀환시키기 적합하다.

- 제2 광학 귀환 유닛은 증폭되는 빔의 활성 레이저 매질을 통한 통과의 총 횟수가 2의 배수이고 증폭되는 빔이 상기 빔의 활성 레이저 매질로의 제1 입력과 상기 빔의 활성 레이저 매질의 마지막 출력 사이에 바깥을 향하는 경로 및 바깥을 향하는 경로와 중첩되는 귀환 경로를 이동하도록 활성 레이저 매질을 통해 제2 유용한 빔을 귀환시키기 적합하다.

- 활성 레이저 매질을 통한 각 통과에서, 활성 레이저 매질의 전면에서 직접 반사되는 스퓨리어스 빔이 획득되고, 제1 귀환 유닛 및 제2 귀환 유닛은 증폭되는 빔의 활성 레이저 매질을 통한 홀수 통과로부터 기인하는 각 스퓨리어스 빔의 경로 바깥에 배치된다.

- 활성 레이저 매질의 출력에서 마지막 유용한 빔은 출력 빔으로 불리고, 입사 빔과 출력 빔은 공간적으로 시프트된다.

본 발명의 내용 중에 포함되어 있다.

본 발명의 다른 특징과 이점이 제한적 예시로만 주어지는 본 발명의 실시예를 따르는 다음의 설명을 읽고 다음 도면을 참조할 때 명백해질 것이다.
도 1은 제1 실시예에 따른 증폭 장치의 개략적인 상면도 표현이다.
도 2는 제1 실시예의 증폭 장치와 색상 공간 분산의 측면에서 동등한 광학 시스템의 개략적인 표현이다.
도 3은 제2 실시예에 따른 증폭 장치의 제1 예시의 개략적인 상면도 표현으로, 증폭 장치의 입력 빔과 출력 빔이 제1 예시에서 중첩되고 전파가 동일 평면에서 수행된다.
도 4는 제2 실시예에 따른 증폭 장치의 제2 예시의 개략적인 사시도 표현으로, 증폭 장치의 입력 빔과 출력 빔이 제2 예시에서 공간적으로 시프트된다.
도 5는 제2 실시예의 증폭 장치와 색상 공간 분산 및 색상 측면 분산의 측면에서 동등한 광학 장치의 개략적인 표현이다.

이하의 설명에서, 전파 방향 z가 정의되고, 도면에서 축 z로 표현되며 레이저 빔의 전파 방향에 대응된다. 전파 방향에 수직인 제1 횡방향이 정의되고, 도면에 축 x로 표현되어, 평면(xOz)은 증폭 장치(10)의 상면도에 대응한다. 제2 횡방향(y)도 정의되고, 전파 방향(z)와 제1 횡방향(x)에 수직하다. 제2 횡방향(Y)은 도면에서 축 y로 표현되고 평면(yOz)은 증폭 장치(10)의 측면도에 대응한다. 통상의 기술자는 이러한 축을 위해 사용되는 표기가 임의적이고 다른 표기로 대체될 수 있음을 이해할 것이다.

이하 설명에서, 용어 "색상 공간 분산"은 광학 표면에서 파장의 함수로서 편향각의 변화로 인한 빔의 각도 분산을 의미한다. 용어 "색상 측면 분산"은 경계면이 평행인(평행면을 가지는 판) 2개의 광학 표면을 통과한 후 파장의 함수로서 빔의 직경이 넓어지는 것(동공의 이동)을 의미한다.

증폭 장치(10)의 제1 실시예는 도 1에 도시된다.

증폭 장치(10)는 레이저 빔, 특히 다파장 펄스 레이저 빔을 증폭시키도록 구성된다. 증폭되는 빔은 예컨대 적외선 빔이다.

증폭되는 빔은 예컨대 10와트(W)보다 큰 평균 출력을 가진다.

제1 실시예에 따른 증폭 장치(10)는 활성 레이저 매질(M)과 제1 광학 귀환 유닛(18)을 포함한다.

매질(M)은 고체 매질이다. 매질(M)은 예컨대 티타늄 도핑된 사파이어와 같은 결정, 또는 Yb:YAG, Yb:CaF2 또는 폴리머, 세라믹이나 유리 또는 고체 상태의 다른 물질이다.

매질(M)은 굴절률(n)을 가진다. 우선적으로, 다음 관계가 확인된다.

이 때 ν은 활성 레이저 매질(M)의 컨스트린전스이다. 상기는 증폭 장치(10)의 출력에서 빔(F_S)의 다파장 특성을 보존하기 위한 것이다.

매질(M)은 증폭되는 빔을 상기 빔이 활성 레이저 매질(M)을 통과할 때마다 수신하기 적합한 전면(20) 및 반사 후면(22) 중 적어도 두 면을 가진다.

전면(20)은 후면(22)에 대해 0이 아닌 경사 β(각도)로 기울어진다. 이하, β'은 평면(xOz)에 대한 경사 β의 투영이고 β''은 평면(yOz)에 대한 경사 β의 투영이다. 한 구현 예시에서, 활성 레이저 매질(M)은 면(전면(20)와 후면(22))이 베이스(24)라 불리는 삼각형 또는 사다리꼴 베이스를 가지는 우측 프리즘에 새겨지는 디스크이다. 프리즘의 베이스(24), 및 따라서 경사(β)는 후면(22)을 포함하는 평면(P₂₂) 및 평면(yOz)에 수직한 평면에 수직한 평면에 완전히 포함된다.

활성 레이저 매질(M)의 전면(20)은 상기 빔이 활성 레이저 매질(M)을 통과할 때마다 증폭되는 빔을 수신하고 스퓨리어스 빔을 반사하고(직접 반사) 유용함 빔을 이러한 빔이 후면(22)에 의해 반사된 후 굴절시키기 적합하다. 제1 통과 동안 전면(20)에서 수신되는 빔은 입사 빔(F_I)으로 불린다. n번째 통과 동안 후면(22)에 의해 반사되고 전면(20)에 의해 굴절되는 빔은 제n 유용한 빔(F_UN)으로 불린다. 마지막 통과 동안 활성 레이저 매질(M)의 출력에서 유용한 빔은 출력 빔(F_S)으로도 불린다. n번째 통과 동안 증폭되는 빔으로부터 전면(20)에 의해 직접 반사되는 빔은 제n 스퓨리어스 빔(F_Pn)으로 불린다.

유리하게는, 전면(20)은 반사 방지 처리된다.

활성 레이저 매질(M)의 후면(22)은 각 통과시 증폭되는 빔을 그 활성 레이저 매질(M)의 전면(20)을 통한 통과 후 반사하기 적합하여, 대응하는 유용한 빔을 형성한다.

후면(22)은 예컨대 증폭 장치(10)에 포함되는 냉각 장치에 의해 냉각되기 적합하다. 냉각은 도 1에서 후면(22)에 붙은 화살표로 표현된다.

제1 광학 귀환 유닛(18)은 제1 유용한 빔(F_U1)의 경로를 따라 배치된다. 제1 광학 귀환 유닛(18)은 활성 레이저 매질(M)을 통한 제2 통과를 위해 제1 유용한 빔(F_U1)을 전면(20)으로 귀환시키도록 구성되어 제2 유용한 빔(F_U2)을 형성하는 각 파장의 서브 빔이 제2 통과의 종료시 서로 평행하다. 도 1에서, 도면의 과부하를 피하기 위해 두 서브 빔만이 도시되었다. 따라서 매질(M)의 전면(20)과 후면(22) 사이의 경사(β)에서 기인하는 프리즘 효과에 의해 유도되는 색상 공간 분산을 보상하기 위해 제1 광학 귀환 유닛(18)이 사용된다.

유리하게는, 도 2에 도시된 바와 같이 제2 유용한 빔(F_U2)이 색상 공간 분산의 관점에서 활성 레이저 매질(M)에서 입사 빔(F_I)의 입사각(θ)과 동일한 입사각으로 플레이트의 전면에 도달하는 입사 빔으로부터 평면 및 평행면(L1)을 가지는 플레이트의 출력에서 얻어지는 빔과 동등하도록 제1 광학 귀환 유닛(18)이 구성된다.

도 1에 도시된 예시에서, 제1 광학 귀환 유닛(18)은 활성 레이저 매질(M)과 제1 거울(M1) 사이의 제1 유용한 빔(F_U1)의 경로가 대칭면(PH)에 대해 제2 거울(M2)과 활성 레이저 매질(M) 사이의 제1 유용한 빔(F_U1)의 경로와 대칭이도록 배향되는 두 거울(M1, M2)를 포함한다. 대칭면(PH)은 활성 레이저 매질(M)의 베이스(24)를 포함하는 평면(P₂₄) 및 후면(22)을 포함하는 평면(P₂₂)에 수직한 평면이다.

이로써, 거울(M1)에서 제1 반사와 거울(M2)에서 제2 반사 후, 증폭되는 빔의 이미지는 활성 레이저 매질(M)의 전면(20)에 도달하면 귀환한다. 이와 같은 활성 레이저 매질(M)은 선행 기술의 보상 프리즘의 역할을 한다. 도 1의 특정한 구성에서, 대칭면(P_H)은 평면(xOz)(도 1에서 종이면)에 수직하고 후면(22)을 포함하는 평면(P₂₂)에 수직한 평면이고, 이미지는 방향 x를 따라 귀환한다.

유리하게는, 제1 광학 귀환 유닛(18)은 프리즘을 포함하지 않는다.

유리하게는, 제1 광학 귀환 유닛(18)은 제1 스퓨리어스 빔(F_P1)의 경로 바깥에 배치된다.

제1 실시예에 따른 증폭 장치(10)의 동작이 이제 서술된다.

처음에, 직경 Φ의 증폭되는 빔(펄스)(F_I)은 활성 레이저 매질(M)의 전면(20)에 평면(xOz)의 각도(θ_x)와 및 평면(yOz)의 각도(θ_y)로 나눠지는 입사각(θ)으로 도착한다.

유용한 빔(메인 펄스)은 후면(22)에 의해 반사되고, 스퓨리어스 빔(F_P1)은 전면(20)에 의해 반사된다. 스퓨리어스 펄스로도 불리는 스퓨리어스 빔은 전면(20)에서 평면(xOz)의 각도 2θ_x 및 평면(yOz)의 2θ_y로 편향된다. 유용한 빔은 출력에서 평면(xOz)의 각도 2(θ_x+β′.(n-1)=2(θ_x+β.(n-1) 및 평면(yOz)의 2(θ_y+β′.(n-1)= 2θ_y로 편향된다.

소스가 다파장 레이저 소스기 때문에, 면(20, 22)에 의해 형성된 각도 β는 프리즘 효과를 생성한다. 이로써, 활성 레이저 매질(M)을 통한 제1 통과 후, 제1 유용한 빔(F_U1)의 파장은 각도로 분리된다.

제1 유용한 빔(F_u1)과 제1 스퓨리어스 빔(F_P1)의 분리 후 제1 유용한 빔(F_U1)의 경로를 따라 배열되는 제1 광학 귀환 유닛(18)은 색상 공간 분산을 보정하기 위해 사용된다.

특히, 도 1에 도시된 특정 예시에서, θ_y=0, β'= β 및 β''=0이고, 모든 전파가 평면(xOz)에서 일어나는 결과가 된다.

활성 레이저 매질(M)의 출력에서, 제2 유용한 빔(D_u2)의 스펙트럼 성분은 직경 Φ+ΔΦ의 스팟을 형성하는 것을 유의하여야 한다. ΔΦ는 활성 레이저 매질(M)을 통한 제1 통과 동안 빔의 발산에 의해 야기되는 직경의 증가를 포함하고, 증가는 활성 레이저 매질(M)로부터의 출사와 활성 레이저 매질(M)로의 제2 진입 사이의 빔의 발산에 의해 야기됨을 유의하여야 한다. 동일한 직경Φ+ΔΦ는 활성 레이저 매질(M)을 통한 제2 통과 후 발견된다. 출력 빔의 다파장 특성을 보존하기 위하여, 제2 유용한 빔(Fu2)의 직경의 확장 ΔΦ은 Φ과 비교하여 작아야 한다. 이것은 일 때의 경우이다.

실제로,

일 때 인데, ΔΦ≪Φ을 의미한다.

이로써, 제1 실시예에 따른 증폭 장치(10)는 활성 레이저 매질(M)의 경사 β에 의해 유도되는 색상 공간 분산을 보상하기 위해 사용되지만, 추가 손실을 가져오지 않는다. 반면, 보상은 활성 레이저 매질(M)을 통한 추가 통과에 의해 달성되는데, 손실은 가져오지 않는 반면 더 많은 이득을 가져온다.

따라서 제1 실시예에 따른 증폭 장치(10)는 냉각, 이득 및 시간 측면에서 만족을 유지하며 광 손실을 최소화하는데 사용된다.

도 3 및 4에서 알 수 있는 제2 실시예에 따르면, 도 1을 참조하여 서술된 제1 실시예에 따른 증폭 장치(10)와 동일한 요소는 반복되지 않는다. 차이점만이 강조된다.

제2 실시예에서, 제1 증폭 장치(10)의 요소에 추가로, 증폭 장치(10)는 적어도 제3, 제4 통과를 위해 제2 유용한 빔(F_U2)을 활성 레이저 매질(M)로 귀환시키기 적합한 제2 광학 귀환 유닛(30)을 포함하여 활성 레이저 매질(M)의 출력에서 출력 빔(F_S)으로 불리는 마지막 유용한 빔이 입사 빔(F_I)의 직경 Φ와 실질적으로 동일한 직경을 가지고 상기 출력 빔(F_S)을 형성하는 각 파장의 서브 빔이 서로 평행하다. 이로써, 제1 광학 귀환 유닛(18)과 제2 광학 귀환 유닛(30)에 의해 형성되는 광학 조립체는 색상 공간 분산과 색상 측면 분산 모두를 보상하는데 사용된다.

유리하게는, 도 5에 도시된 바와 같이, 제2 광학 귀환 유닛(30)은 출력 빔(F_S)이 직경(색상 측면 분산)과 색상 공간 분산의 관점에서 입사 빔의 평면과 평행면(L1, L2)를 가지는 제1, 제2 플레이트를 통한 다음 연속적인 통과에서 얻어지는 빔과 동등하도록 구성되고, 제1 플레이트(L1)는 입사 빔이 제1 플레이트에 활성 레이저 매질(M) 상의 입사 빔의 입사각(θ)과 동일한 제1 입사각(θ₁)으로 전면에 도달하도록 배향되고, 제2 플레이트(L2)는 제1 플레이트(L1)의 출력에서 제1 입사각(θ₁)의 반대와 동일한 제2 입사각(θ₂)으로 빔을 수신하도록 배향된다.

유리하게는, 제2 광학 귀환 유닛(30)은 증폭되는 빔의 활성 레이저 매질(M)을 통한 통과의 총 수가 4의 배수이도록 하여 제2 유용한 빔(F_U2)을 활성 레이저 매질(M)로 귀환시키기 적합하다.

추가로 또는 변형으로, 제2 광학 귀환 유닛은 증폭되는 빔의 활성 레이저 매질(M)을 통한 통과의 총 수가 2의 배수이고 증폭되는 빔이 상기 빔의 활성 레이저 매질(M)로의 제1 입력과 활성 레이저 매질(M)로부터 상기 빔의 마지막 출력 사이에 바깥을 향하는 경로 및 바깥을 향하는 경로와 중첩되는 귀환 경로를 이동하도록 하여 제2 유용한 빔(F_U2)을 활성 레이저 매질(M)로 귀환시키기 적합하다. 광의 가역성 원리에 따르면, 이 방식으로 증폭 장치(10)의 출력에서 빔(F_S)의 색상 측면 분산을 보상하는 것이 가능하다.

도 3 및 4에 도시된 예시에서, 증폭되는 빔은 활성 레이저 매질(M)을 통해 4번 통과한다.

더 정확하게는, 도 3에 도시된 예시에서, 제2 광학 귀환 유닛(30)은 증폭되는 빔이 증폭 장치(10)에서 왕복을 하게 하기 적합한 거울(M_AR)(평면 거울)을 포함한다. 증폭되는 빔이 이미 제1 광학 유닛을 두번 통과했기 때문에, 활성 레이저 매질(M)의 총 통과 횟수는 4이다.

도 4에 도시된 예시에서, 제2 광학 귀환 유닛(30)은 4개의 거울(M3, M4, M5, M6)을 포함한다. 거울(M3, M4)은 활성 레이저 매질(M)로의 제3 통과를 위해 제2 유용한 빔(F_U2)을 활성 레이저 매질(M)로 귀환시키기 적합하다. 거울(M5, M6)은 활성 레이저 매질(M)로의 제4 통과를 위해 제3 유용한 빔(F_U3)을 활성 레이저 매질(M)로 귀환시키기 적합하다. 이로써, 활성 레이저 매질(M)을 통한 통과의 총 횟수는 4이다. 특히, 상기 예시에서, P_H는 증폭 장치(10)의 거울(M1, M2)에 대한 수평 대칭면을 표시하고 P_V는 거울(M1, M2)의 거울(M5, M6)에 대한 수직 대칭면을 표시한다. 증폭되는 빔은 중앙(M)의 사분면 1)을 통해 진입하고, 제2 통과는 사분면 2)를 통하고, 제3 통과는 사분면 3)을 통하고, 제4 통과는 사분면 4)를 통한다.

유리하게는, 제2 광학 귀환 유닛(30)은 적어도 하나의 거울을 포함한다.

유리하게는, 제2 광학 귀환 유닛(30)은 프리즘을 포함하지 않는다.

유리하게는, 제1 귀환 유닛(18)과 제2 귀환 유닛(30)은 활성 레이저 매질(M)을 통한 홀수 통과로부터 기인하는 각 스퓨리어스 빔의 경로 바깥에 배치된다. 이로써, 도 3 및 4에 도시된 예시에서, 제1 스퓨리어스 빔(F_P1)과 제3 스퓨리어스 빔(F_P3)은 활성 레이저 매질(M)로 다시 반사되지 않고 이로써 제거된다.

입사 빔(F_I)과 출력 빔(F_S)이 중첩될 때, 증폭 장치(10)는 예컨대 두 빔을 분리하기 위한 광학 분리 조립체(40)를 포함한다. 도 3에 도시된 예시에서, 광학 분리 조립체(40)는 편광 큐브(42)와 4분의1 파장판(44)뿐만 아니라 거울(M0)도 포함한다.

우선적으로, 입사 빔(F_I)과 출력 빔(F_S)은 공간적으로 시프트된다(중첩되지 않음). 특히, 이러한 구성은 도 4에 도시된다. 이러한 구성은 입사 빔(F_I)과 출력 빔(F_S)을 분리하기 위한 광학 조립체를 생략하는 것을 가능하게 한다.

제2 실시예에 따른 증폭 장치(10)의 기능 도중, 제1 실시예에 서술된 기능에 추가로, 제2 유용한 빔(F_U2)이 상기 매질(M)을 통한 제3 통과를 위해 제2 광학 귀환 유닛(30)을 통해 활성 레이저 매질(M)의 전면(20)으로 귀환한다. 제3 스퓨리어스 반사(F_P3)와 제3 유용한 빔(F_U3)이 여기서 기인한다. 제3 유용한 빔(F_U3)이 결국 상기 매질(M)을 통한 제4 통과를 위해 제2 광학 귀환 유닛(30)을 통해 활성 레이저 매질(M)의 전면(20)으로 귀환한다. 제4 스퓨리어스 반사(F_P4)와 제4 유용한 빔(F_U4)이 여기서 기인한다. 도 2에서, 명확성을 위하여, 스퓨리어스 반사(F_P2, F_P3, F_P4)은 도시되지 않았음을 유의하여야 한다.

이로써 제1 광학 유닛(18)과 활성 레이저 매질(M)에 대한 제2 광학 유닛(30)의 구성은 증폭 장치(10)의 증폭된 출력 빔의 색상 측면 분산을 보상하는데 사용될 수 있다.

제1 귀환 유닛(18)과 제2 귀환 유닛(30)의 적절한 배열을 선택함으로써, 활성 레이저 매질(M)을 통한 홀수 통과(특히 제1 및 제3 통과) 동안 생성된 스퓨리어스 빔은 활성 레이저 매질(M)로 귀환하지 않고 배출된다.

활성 레이저 매질(M)을 통한 짝수 통과 동안 생성된 스퓨리어스 빔도 쉽게 유용한 빔과 분리될 수 있다. 실제로, 2차원 배열의 경우(도 3), 짝수 통과 동안 생성된 스퓨리어스 펄스는 유용한 펄스와 동일한 광학 경로를 따르지만 메인 펄스에 대해 지연된다. 따라서 이러한 펄스는 유용한 빔(펄스) 후 "포스트 펄스"의 원점이 된다. 스퓨리어스 펄스가 유용한 빔 이후 도달하기 때문에, 대비를 감소시키지 않고 필터링이 쉽다. 3차원 배열의 경우(도 4), 짝수 통과 동안 생성된 스퓨리어스 펄스는 유용한 펄스와 동일한 광학 경로를 따르지만 반대 방향이고, 이로써 대비에 영향을 주지 않는다.

이로써, 제1 실시예의 이점에 추가로, 제2 실시예에 따른 증폭 장치(10)는 추가 손실을 가져오지 않으며 활성 레이저 매질(M)의 첫 두 교차 동안 유도되는 색상 측면 분산을 보상하는데 사용된다. 한편, 보상은 활성 레이저 매질(M)을 통한 추가 통과에 의해 달성되는데, 이로써 냉각 및 시간 대비의 측면에서 만족을 유지하며 증폭 이득을 가져온다.

통상의 기술자는 도 3 및 4의 예시는 활성 레이저 매질(M)을 통한 4번의 통과만 도시함을 이해할 것이다. 그럼에도 불구하고, 제2 실시예는 4의 배수를 조건으로 활성 레이저 매질(M)을 통한 더 많은 수의 통과로 일반화되거나(2의 배수이지만 4의 배수가 아니면 색상 공간 분산만 보상하고 색상 측면 분산을 보상하지 않음), 상기 수는 2의 배수이지만 증폭되는 빔이 증폭 장치(10)를 통한 왕복을 한다.

통상의 기술자는 상술한 실시예와 예시의 특징이 조합이 호환될 때 서로 조합될 가능성이 있음을 이해할 것이다.

Claims (10)

1. 다파장 레이저 빔을 증폭하기 위한 장치(10)로서:
   a. 증폭되는 빔을 상기 빔이 활성 레이저 매질(M)을 통과할 때마다 수신하기 적합한 전면(20) 및 반사성 후면(22) 중에서 적어도 두 평면을 가지는 고체 활성 레이저 매질(M)로서, 전면(20)은 후면(22)에 대해 0이 아닌 경사(β)로 기울어지고, 후면(22)은 냉각되기 적합하고, 제1 통과 동안 전면(20)에 수신되는 빔은 입사 빔(F_I)으로 불리고, 제n 통과 동안 후면(22)에 의해 반사되고 전면(20)에 의해 굴절되는 빔은 제n 유용한 빔(F_Un)으로 불리는 고체 활성 레이저 매질(M); 및
   b. 제1 유용한 빔(F_U1)의 경로를 따라 배치되는 제1 광학 귀환 유닛(18)으로서, 제1 광학 귀한 유닛(18)은 제1 유용한 빔(F_U1)을 활성 레이저 매질(M)을 통한 제2 통과를 위해 전면(20)으로 귀환시키도록 구성되어 제2 유용한 빔(F_U2)을 형성하는 각 파장의 서브 빔이 제2 통과의 종료시 서로 평행한 제1 광학 귀환 유닛(18)을 포함하는 다파장 레이저 빔을 증폭하기 위한 장치.
2. 청구항 1에 있어서,
   제1 광학 귀환 유닛(18)은 제2 유용한 빔(F_U2)이 색상 공간 분산의 관점에서 평면과 평행면을 가지는 플레이트의 출사에서 상기 플레이트의 전면에 활성 레이저 매질(M) 상의 입사 빔(F_I)의 입사각(θ)과 동일한 입사각으로 도달하는 입사 빔으로부터 얻어지는 빔과 동등하도록 구성되는 다파장 레이저 빔을 증폭하기 위한 장치.
3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
   활성 레이저 매질(M)은 그 평면이 전면(20)과 후면(22)인 디스크이고, 상기 면(20, 22)은 베이스(24)로 불리는 삼각형 또는 사다리꼴 베이스를 가지는 우측 프리즘에 새겨지고, 제1 광학 귀환 유닛(18)은 활성 레이저 매질(M)과 제1 거울(M1) 사이의 제1 유용한 빔(F_U1)의 경로가 대칭면(P_H)에 대하여 제1 유용한 빔(F_U1)과 제2 거울(M2) 사이의 제1 유용한 빔(F_U1)의 경로와 대칭이도록 배향되는 두 거울(M1, M2)을 포함하고, 대칭면(P_H)은 활성 레이저 매질(M)의 베이스(24)를 포함하는 평면(P₂₄) 및 후면(22)을 포함하는 평면(P₂₂)에 수직한 평면인 다파장 레이저 빔을 증폭하기 위한 장치.
4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 하나의 항에 있어서,
   활성 레이저 매질(M)의 전면(20)은 입사 빔(F_I)을 수신하고 입사 빔(F_I)으로부터 제1 스퓨리어스 빔(F_P1)으로 불리는 빔을 반사하기 적합하고, 제1 광학 귀환 유닛(18)은 제1 스퓨리어스 빔(F_P1)의 경로 바깥에 배치되는 다파장 레이저 빔을 증폭하기 위한 장치.
5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 하나의 항에 있어서,
   제2 유용한 빔(F_U2)은 입사 빔(F_I)의 직경(Φ)에 비해 확장된 직경(Φ+ΔΦ)을 가지고, 증폭 장치(10)는 적어도 제3 및 제4 통과를 위해 제2 유용한 빔(F_U2)을 활성 레이저 매질(M)로 귀환시키기 적합한 제2 광학 귀환 유닛(30)을 포함하여, 출력 빔(F_S)으로 불리는 활성 레이저 매질(M)의 출력에서 마지막 유용한 빔이 입사 빔(F_I)의 직경(Φ)과 실질적으로 동일한 직경을 가지고, 상기 출력 빔(F_S)을 형성하는 각 파장의 서브 빔이 서로 평행한 다파장 레이저 빔을 증폭하기 위한 장치.
6. 청구항 5에 있어서,
   제2 광학 귀환 유닛(30)은 출력 빔(F_S)이 직경 및 색상 공간 분산의 관점에서 평면과 평행면을 가지는 제1 및 제2 플레이트를 통한 입사 빔의 연속적인 통과 후 얻어지는 빔과 동등하도록 구성되고, 제1 플레이트는 입사 빔이 활성 레이저 매질(M)에서 입사 빔의 입사각(θ)과 동일한 제1 입사각(θ₁)으로 제1 플레이트의 전면에 도달하도록 배향되고, 제2 플레이트는 제1 플레이트의 출력에서 제1 입사각(θ₁)의 반대와 동일한 제2 입사각(θ₂)으로 빔을 수신하도록 배향되는 다파장 레이저 빔을 증폭하기 위한 장치.
7. 청구항 5 또는 청구항 6에 있어서,
   제2 광학 귀환 유닛(30)은 증폭되는 빔의 활성 레이저 매질(M)을 통한 통과의 총 횟수가 4의 배수이도록 활성 레이저 매질(M)을 통해 제2 유용한 빔(F_U2)을 귀환시키기 적합한 다파장 레이저 빔을 증폭하기 위한 장치.
8. 청구항 5 내지 청구항 7 중 어느 하나의 항에 있어서,
   제2 광학 귀환 유닛(30)은 증폭되는 빔의 활성 레이저 매질(M)을 통한 통과의 총 횟수가 2의 배수이고 증폭되는 빔이 상기 빔의 활성 레이저 매질(M)으로의 제1 입력과 상기 빔의 활성 레이저 매질(M)의 마지막 출력 사이에 바깥을 향하는 경로 및 바깥을 향하는 경로와 중첩되는 귀환 경로를 이동하도록 활성 레이저 매질(M)을 통해 제2 유용한 빔(F_U2)을 귀환시키기 적합한 다파장 레이저 빔을 증폭하기 위한 장치.
9. 청구항 5 내지 청구항 8 중 어느 하나의 항에 있어서,
   활성 레이저 매질(M)을 통한 각 통과에서, 활성 레이저 매질(M)의 전면(20)에서 직접 반사되는 스퓨리어스 빔이 획득되고, 제1 귀환 유닛(18) 및 제2 귀환 유닛(30)은 증폭되는 빔의 활성 레이저 매질(M)을 통한 홀수 통과로부터 기인하는 각 스퓨리어스 빔의 경로 바깥에 배치되는 다파장 레이저 빔을 증폭하기 위한 장치.
10. 청구항 1 내지 청구항 9 중 어느 하나의 항에 있어서,
    활성 레이저 매질(M)의 출력에서 마지막 유용한 빔은 출력 빔(F_S)으로 불리고, 입사 빔(F_I)과 출력 빔(F_S)은 공간적으로 시프트되는 다파장 레이저 빔을 증폭하기 위한 장치.