KR20230151994A - 지속시간 및/또는 반복 주파수 조절이 가능한 서브피코초의지속시간을 갖는 광 펄스를 생성하기 위한 시스템 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 개시는 광 펄스 생성 시스템에 관한 것으로, 광 펄스 생성 시스템은 광원(1); 광원 레이저 방사선(10)을 수신하고 100피코초 이하의 지속시간을 갖는 적어도 하나의 광원 광 펄스를 형성하고 그리고 지속시간 및/또는 반복 주파수에 있어서 광원 광 펄스를 조절하도록 구성된 전기 광학 변조기(2); 비정상의 분산 영역에서 동작하여 증폭된 광 펄스(40)를 형성하는 광증폭기(41); 및 증폭된 광 펄스(40)를 수신하고 스펙트럼적으로 확대된 증폭 광 펄스(60)를 생성하도록 배치된 수동형 광파이버(61)를 포함하고, 증폭된 광 펄스(40)는 수동형 광파이버에서의 자기 위상 변조에 의해 증폭된 광 펄스를 스펙트럼적으로 확대하고 비선형 라만 신호를 생성하기 위해 결정된 임계값보다 큰 피크 파워를 가지며 비선형 라만 신호는 스펙트럼적으로 확대된 증폭 광 펄스(60)의 에너지를 안정화하도록 구성된다.

Description

지속시간 및/또는 반복 주파수가 조절 가능한 피코초 미만의 지속시간의 광 펄스를 생성하기 위한 시스템 및 방법
본 개시는 1 내지 10피코초 사이의 지속시간을 갖는 단파(short) 광 펄스 또는 1피코초 미만의 지속시간을 갖는 초단파(ultra-short) 광 펄스를 생성하기 위한 디바이스 및 방법의 기술 분야에 관한 것이다.
1 내지 수백 펨토초(fs) 또는 1 내지 수십 피코초 범위의 지속시간을 갖는 광 펄스의 사용은 과학, 산업 또는 의료 분야에서 수많은 응용을 발견한다.
위의 분야에서, 다양한 기술에 의해 단파 또는 초단파 광 펄스를 생성하는 것이 알려져 있다.
단파 또는 초단파 광 펄스들(펨토초 또는 피코초)을 얻기 위해 사용된 주요 기술은, 레이저 공진기(cavity)에서의 모드 잠금(locking) 프로세스를 기반으로 한다. 레이저 공진기에서 진동 세로(oscillating longitudinal) 모드를 잠그려면, 동기화뿐만 아니라 수많은 세로 모드 간의 위상 일치(matching)가 필요하다. 실제로 모드 잠금 기술은 여전히 복잡하다. 특히 능동형(active) 또는 수동형(passive) 모드 잠금 방법이 있다.
능동형 모드 잠금은 레이저 공진기의 광손실(optical losses)의 능동형 변조를 생성하기 위해, 레이저 공진기에서 음향 광학(acousto-optical) 또는 전기 광학 변조기의 사용을 기반으로 한다. 하지만 능동형 모드 잠금에는 외부 전원 공급 장치의 사용이 필요하다. 또한, 능동형 모드 잠금에 의해 생성된 광 펄스의 지속시간은 수십 또는 심지어 수백 피코초 수준이다.
수동형 모드 잠금은 외부 광 변조기가 필요하지 않고 비선형 광학 효과를 활용하여 펄스를 생성한다. 광도(light intensity)의 함수로서 포화 흡수 매체의 광손실의 변화에 기초한 몇 가지 방법이 있다. 비선형 반도체 미러(SESAM), 비선형 광학 루프 미러(NOLM), 비선형 증폭 루프 미러(NALM) 또는 비선형 편광 회전(RNLP)이 언급될 수 있다. 이러한 수동형 기술은 외부 전원 공급 장치가 필요하지 않기 때문에 능동형 기술보다 선호된다.
그럼에도 불구하고, 이러한 모든 방법은 파장, 펄스 지속시간 또는 반복 주파수의 면에서 명확하게 정의된 매개변수 범위에서 동작한다.
지금까지 알려진 능동형 또는 수동형 모드 잠금 방법은, 애자일(agile), 즉 파장, 펄스 지속시간 및/또는 반복 속도(repetition rate)에 있어서, 유리하게는 하나의 펄스로부터 또 하나의 펄스로, 조절 가능한, 레이저 시스템에 주요 결점(drawbacks)을 갖는다.
실제로, SESAM 기술은 방출 스펙트럼(emission spectrum)의 각각의 파장에 동작이 개별적으로 적응되는 다양한 요소들을 설계하고 생산하는 것을 가능하게 한다. 하지만 광범위한 파장 조절 범위에 걸쳐 단일의 SESAM 컴포넌트를 사용하는 것은 불가능하다. NALM 기술에서도 마찬가지이며, 이 기술의 동작은 공진기의 이득 및 총 분산(dispersion)을 기반으로 한다. 또한, 수동형 모드 잠금을 얻는 자유도(degrees of freedom)가, 극도로 감소하고 이 기술에 대한 높은 수준의 숙달이 필요하다. 마지막으로, RNLP 기술은 위상 플레이트들과 같은 자유 공간에서 거대한 컴포넌트들을 사용한다. 이들 컴포넌트는 파이버 기술에서는 사용할 수 없으므로, 그것들을 사용하면 광빔의 전파가 자유 공간 내에서 이루어지게 된다. 따라서 이 기술에 의해서는 모놀리식 레이저 광원들을 만드는 것이 불가능하다. 게다가, 열적 또는 기계적 효과에 의한 파이버의 복굴절(birefringence) 변화는 모드들의 잠금을 저하시킨다. 이후 안정적인 펄스들의 열을 다시 한 번 얻기 위해서는 위상 플레이트들의 방향을 자주 재조절할 필요가 있다.
또한, 이들 시스템은 전송되는 펄스의 속도 또는 반복 주파수 및 지속시간의 수준에서 본질적으로 고정된 상태로 유지되는데, 그 이유는 이들 시스템은 레이저 공진기 및 증폭 매체의 특성과 직접 연관되고 이 특성에 의해 결정되기 때문이다.
문헌 US2004/0240037A1은 초고속 고에너지 레이저용 가변 반복 주파수 광원를 설명한다. 문서 US10,862,263은 펨토초 레이저 광원를 설명한다.
하지만 역시 애자일, 즉 파장, 펄스 지속시간 및/또는 반복 주파수에 있어서, 유리하게는 하나의 펄스로부터 또 하나의 펄스로, 조절 가능한 단파 또는 초단파 지속시간의 광 펄스를 생성하기 위한 시스템 및 방법이 필요하다.
또한, 견고하고 안정적이며 유리하게는 모놀리식(monolithic)인 단파 또는 초단파 지속시간의 광 펄스를 생성하는 애자일 레이저 시스템이 요구된다.
이를 위해, 본 개시는 지속시간 및/또는 반복 주파수의 조절 가능한 적어도 하나의 광 펄스를 생성하기 위한 시스템을 제안한다.
보다 구체적으로, 본 개시는 지속시간 및/또는 반복 주파수를 조절할 수 있는 적어도 하나의 광 펄스를 생성하기 위한 시스템에 관한 것으로, 상기 시스템은: 광원 레이저 방사선의 광원; 전기 광학 변조기 - 상기 전기 광학 변조기는 상기 광원 레이저 방사선을 수신하고 100피코초 이하의 지속시간을 갖는 적어도 하나의 광원 광 펄스를 형성하도록 구성되고, 상기 전기 광학 변조기는 지속시간 및/또는 반복 주파수에 있어서 상기 적어도 하나의 광원 광 펄스를 조절하도록 구성됨 -; 비정상의 분산 영역에서 동작하는 광증폭기를 포함하는 광증폭 시스템, - 상기 광증폭 시스템은 상기 적어도 하나의 광원 광 펄스를 수신하고 적어도 하나의 증폭된 광 펄스를 형성하도로 구성됨 -; 상기 적어도 하나의 증폭 광 펄스를 수신하고 적어도 하나의 스펙트럼적으로 확대된 증폭 광 펄스를 생성하도록 배치된 수동형 광파이버 - 상기 증폭된 광 펄스는 상기 수동형 광파이버에서의 자체 위상 변조에 의해 증폭된 상기 적어도 하나의 광 펄스를 스펙트럼적으로 확대하고 비선형 라만 신호를 생성하기 위해 미리 결정된 임계값보다 큰 피크 파워를 가지며, 상기 비선형 라만 신호는 상기 적어도 하나의 스펙트럼적으로 확대된 증폭 광 펄스의 에너지를 안정화시키도록 구성됨 -; 및 상기 적어도 하나의 스펙트럼적으로 확대된 증폭 광 펄스 수용하고 적어도 하나의 압축 펄스를 생성하도록 배치된 압축기를 포함하고, 전기 광학 변조기에 의해 지속시간 및/또는 반복 주파수를 조절할 수 있다.
상기 시스템은 하나의 펄스에서 또 하나의 펄스로, 안정적인 에너지를 가지면서 전자 수단에 의해 지속시간 및/또는 반복 주파수를 조절할 수 있는 피코초 미만의 지속시간의 적어도 하나의 광 펄스를 생성할 수 있게 한다.
특정한 형태에 따르면, 상기 전기 광학 변조기는 N개의 광원 광 펄스들의 패킷을 형성하도록 구성되고, 여기서 N은 100 내지 10000 사이의 정수이고, 상기 패킷은 1MHz 내지 100MHz 사이의 주파수에서 반복된다.
특정하고 유리한 실시예에 따르면, 상기 광증폭 시스템은 스펙트럼 선택 미러(spectrally selective mirror)를 형성하는 브래그 격자 파이버를 포함하고, 상기 브래그 격자 파이버는 상기 광증폭기에 의해 첫번째 증폭된 적어도 하나의 광 펄스를 수신하고 그리고 두번째 증폭을 위해 상기 증폭된 광 펄스를 광증폭기로 되돌아가도록 배치된다.
일 실시예에 따르면, 상기 수동형 광파이버는 상기 광증폭기 및 상기 브래그 격자 파이버 사이에 배치된다.
또 하나의 실시예에 따르면, 상기 광증폭기는 상기 수동형 광파이버 및 상기 브래그 격자 파이버 사이에 배치된다.
또 하나의 다른 실시예에 따르면, 상기 광증폭기 및 상기 브래그 격자 파이버 사이에 배치된 또 하나의 수동형 광파이버를 포함한다.
특히 유리하게는, 상기 광증폭기는 에르븀, 이테르븀, 툴륨, 홀뮴 또는 네오디뮴이 도핑된 광 파이버 증폭기 및/또는 이테르븀 또는 네오디뮴이 도핑된 크리스탈형 또는 유리형 증폭기를 포함한다.
유리하게는, 상기 수동형 광파이버는 실리카 유리 또는 플루오르화 유리를 기반으로 한다.
특정한 형태에 따르면, 적어도 하나의 광 펄스를 생성하기 위한 상기 시스템은 변조된 전기 신호를 상기 전기 광학 변조기에 인가하도록 구성된 전기 생성기를 포함하고, 상기 변조된 전기 신호는 상기 적어도 하나의 광원 광 펄스를 시간적으로 형성하도록 구성된다.
특정한 실시예에 따르면, 상기 전기 광학 변조기는 마하젠더형(Mach-Zehnder type) 진폭 변조기이고, 피코초 미만의 지속시간의 적어도 하나의 광 펄스를 생성하기 위한 상기 시스템은 상기 전기 광학 변조기의 피드백 루프의 서보 시스템을 포함한다.
본 개시는 또한, 지속시간 및/또는 반복 주파수를 조절할 수 있는, 피코초 미만의 지속시간의 적어도 하나의 광 펄스를 생성하는 방법에 관한 것으로, 상기 방법은: 광원 레이저 방사선을 생성하는 단계; 적어도 하나의 광원 광 펄스를 형성하고 지속시간 및/또는 반복 주파수에 있어서 상기 적어도 하나의 광원 광 펄스를 조절하도록 구성된 전기 광학 장치에 의해 상기 광원 레이저 방사선을 변조하는 단계; 비정상의 분산 영역에서 동작하는 광증폭기에서 상기 적어도 하나의 광원 광 펄스를 광학적으로 증폭하여 적어도 하나의 증폭된 광 펄스를 형성하는 단계; 수동형 광파이버에서 상기 적어도 하나의 증폭된 광 펄스를 전송하는 단계 - 상기 증폭된 광 펄스는 자기 위상 변조에 의해 적어도 하나의 스펙트럼적으로 확대된 증폭 광 펄스를 생성하고 그리고 동시에 비선형 라만 신호를 생성하기 위해 미리 결정된 임계값보다 큰 피크 파워를 가짐 -; 그리고 상기 적어도 하나의 스펙트럼적으로 확대된 증폭 광 펄스를 압축하여 적어도 하나의 압축 펄스를 생성하는 단계를 포함하고, 전기 광학 변조기에 의해 지속시간 및/또는 반복 주파수를 조절할 수 있다.
물론, 본 개시의 서로 다른 특성, 변형 및 실시예는 그들이 각각 서로 양립할 수 없거나 배타적이지 않은 한 다양한 결합으로 서로 연관될 수 있다.
본 개시는 또한, 지속시간 및/또는 반복 주파수가 조절 가능한 피코초 미만의 지속시간의 적어도 하나의 광 펄스를 생성하기 위한 방법을 제안한다.
또한, 본 개시의 다양한 다른 특징은 본 개시의 실시예의 비제한적 형태를 도시하는 도면을 참조하여 이루어진 첨부된 설명으로부터 나타난다:
도 1은 이중 통과의 파이버 광증폭기 시스템과 증폭기 시스템 출력부에 있는 비선형 광학 모듈을 기반으로 한 제1 실시예에 따른 도면이다.
도 2는 이중 통과의 파이버 광증폭기 시스템과 파이버 광증폭기와 광파이버 브래그 격자 파이버 스펙트럼 미러 사이에 배치된 비선형 광학 모듈을 기반으로 한 제2 실시예에 따른 도면이다.
도 3은 이중 통과의 파이버 광증폭기 시스템 및 브래그 격자를 갖는 파이버 광 스펙트럼 미러를 기반으로 하고, 파이버 광증폭기가 2개의 비선형 광학 모듈 사이에 배치된 제2 실시예의 변형에 따른 도면이다.
도 4는 이중 통과의 광 파이버 증폭기 시스템 및 비선형 광학 모듈 및 브래그 격자 파이버를 갖는 스펙트럼 미러 사이에 배치된 광파이버 증폭기를 기반으로 한 제1 실시예와 제2 실시예를 결합한 변형예에 따른 도면이다.
도 5는 서로 다른 입력 광 파워들에 대한 파장의 함수로서의 출력 광 파워의 스펙트럼 측정치를 나타내고, 입력 광 파워의 함수로서의 라만 피크의 출현을 도시한다.
도 6은 서로 다른 입력 광 파워에 대한 파장의 함수로서의 출력 광 파워의 스펙트럼 측정치를 나타내고, 자체 위상 변조에 의한 대역폭 확대 효과 및 특정의 입력 광 파워를 초과하는 스펙트럼 대역폭의 안정화 효과를 도시한다.
도 7은 단일 통과의 광파이버 증폭기 시스템 및 증폭기 시스템의 출력부에 있는 비선형 광학 모듈을 기반으로 한 제1 실시예의 변형예에 따른 도면이다.
이들 도면에서 서로 다른 변형들에 공통인 구조적 및/또는 기능적 요소는 동일한 참조 부호를 가질 수 있다는 점에 유의해야 한다.
도 1은 제1 실시예에 따라 피코초 미만의 지속시간의 광 펄스를 생성하기 위한 시스템을 개략적으로 도시한다. 이 시스템은 레이저 광원 또는 신호 광원이라고도 하는 광원(1), 전기 광학 변조기(2), 광증폭 시스템(4), 광증폭 시스템(4)의 출력부에 배치된 수동형 광파이버(61), 및 압축기(8)를 포함한다.
광원(1)은 광원 레이저 방사선(10)을 방출한다. 광원(1)은 일반적으로 단일 신호 파장에서 방출한다. 유리하게는, 신호 파장은 종래의 도핑된 파이버의 방출 대역에서 조절할 수 있다. 특히 유리하게는, 광원(1)은 파이버 출력부를 갖는다. 광원(1)은 광증폭 시스템(4)의 대역폭에 따라 적응된 스펙트럼 범위에서 방출 파장을 조절할 수 있다. 예를 들어, 레이저 광원(1)은 이테르븀 도핑 파이버에 근거한 광파이버 증폭기와 함께 사용하기 위해 974nm 내지 1200nm 사이의 스펙트럼 범위에서 파장이 연속적으로 조절될 수 있다. 대안으로 또는 부가적으로, 레이저 광원(1)은 에르븀 도핑된 파이버에 근거한 광파이버 증폭기와 함께 사용하기 위해 약 1550nm, 예를 들어 1530nm 내지 1630nm 사이의 스펙트럼 범위에서 파장이 연속적으로 조절될 수 있다. 대안으로 또는 부가적으로, 레이저 광원(1)은 툴륨 도핑된 파이버에 근거한 광파이버 증폭기와 함께 사용하기 위해 약 2000nm, 예를 들어 1930nm 내지 2030nm 사이의 스펙트럼 범위에서 파장이 연속적으로 조절될 수 있다. 대안으로 또는 부가적으로, 레이저 광원(1)은 홀뮴 도핑 파이버에 근거한 광파이버 증폭기와 함께 사용하기 위해 약 2100nm의 스펙트럼 범위에서 파장이 연속적으로 조절될 수 있다. 대안으로 또는 부가적으로, 레이저 광원(1)은 네오디뮴 도핑 파이버에 근거한 광파이버 증폭기와 함께 사용하기 위해 약 900nm의 스펙트럼 범위에서 파장이 연속적으로 조절될 수 있다. 네오디뮴(Nd:YAG) 또는 에르븀(Er:YAG) 도핑된 이트륨 및 알루미늄 가넷 증폭기의 경우에는, 레이저 광원(1)이 Nd:YAG, Er:YAG 각자의 스펙트럼 범위에서 파장이 연속적으로 조절될 수 있다.
변형으로서, 사용된 파이버 광증폭기에 따라 위에 표시된 스펙트럼 범위들 중 적어도 하나의 스펙트럼 범위에서 복수의 개별 파장들(a plurality of discrete wavelengths)로 방사선을 방출하는 광원(1)이 사용된다. 개별 파장들은 일반적으로 광 주파수에서 떨어져 있으며, 광원 방사선(10)는 10kHz에서 최대 300GHz 사이의 스펙트럼 폭을 갖는다.
전기 광학 변조기(electro-optical modulator)(2)는 광 방사선(light radiation)을 시간적으로(temporally) 변조하도록 구성된 전기 펄스 생성기(23)에 연결된다. 전기 광학 변조기(2)는 예를 들어 마하 젠더(Mach-Zehnder) 타입의 전기 광학 진폭 변조기(EOM)이다. 전기 광학 변조기는 5GHz 내지 100GHz 사이의 대역폭을 갖는다. 전기 광학 변조기(2)는 광원 레이저 방사선(10)을 수신한다. 전기 펄스 생성기(23)는 10ps 내지 10ns 사이의 지속시간의 적어도 하나의 전기 펄스를 포함하는 전기 신호를 전송한다. 클록 타입의 신호 생성기, 저주파 생성기 또는 합성기는 전기 펄스의 반복(recurrence)을 제어할 수 있게 한다. 전기 신호는 전기 광학 변조기(2)의 적어도 하나의 전극에 인가되어 광 방사선의 진폭을 시간적으로 변조하고 전기 광학 변조기(2)의 출력부에서 적어도 하나의 광원 광 펄스(20)를 포함하는 변조된 광 방사선을 형성한다. 예를 들어, 광원 레이저 방사선가 시간상 연속적이며, 전기 광학 변조기(2)는 신호 파장에서 100피코초 이하의 지속시간의 적어도 하나의 광원 광 펄스(20)를 차단한다.
전기 생성기는 필요에 따라 전기 펄스, 즉 1kHz 내지 40GHz 사이의 반복 주파수를 갖는 전기 펄스 열을 생성하도록 구성된다. 예를 들어, 20GHz의 반복 주파수가 사용되면, 전기 펄스의 지속시간은 40ps이다. 특히 유리한 변형에 따르면, 전기 생성기는 전기 펄스 패킷 형태의 신호를 생성하도록 구성된다. 전기 펄스들의 각 패킷은 N개의 펄스들을 포함하며, 여기서 N은 100에서 10000 사이의 정수이다. 전기 펄스들의 패킷들은 1MHz 내지 20GHz 사이의 패킷들 간의 반복 주파수로 주기적으로 방출된다. 이를 위해, 전기 신호는 일반적으로 정현파 모양의 패킷들 간의 반복 주파수에 있어서 주기적 신호로 구성되는 반송파를 포함한다. 반송파는 1Hz 내지 1MHz 사이의 또 하나의 주파수의 또 하나의 주기적 입력 신호에 의해 변조되며, 이것은 사각형, 정현파, 삼각형 또는 기타일 수 있다.
전기 입력 신호는 미리 기록된 형상을 얻도록 역시 프로그래밍될 수 있다. 대안으로, 전기 입력 신호는 고려된 응용의 요구 사항에 적응하기 위해 광 펄스 생성 시스템을 사용하는 동안 조절된다. 이러한 타입의 동작은, 광 펄스의 지속시간 및/또는 반복 속도를 실시간으로 조절이 필요하며, 이에 따라 프로세스 또는 처리가 시간에 따라(over time) 전개될 수 있는 용도에 특히 유용하다.
전기 입력 신호는 이후 반송파 반복 속도에서 10ps 내지 10ns 사이의 지속시간의 전기 펄스를 생성하도록 형성된다.
형성된 전기 신호는 전기 광학 변조기(2)의 전극들에 인가된다. 변조기의 소광(extinction) 레벨에 대응하는, 최상의 신호 대 노이즈비를 보장하기 위해 피드백 루프가 전기 광학 변조기(2)에 적용된다. 전기 광학 변조기(2)의 출력부에 배치된 광 커플러(21)와 전기 광학 변조기(2)에 피드백 신호를 인가하는 바이어스 제어기(22)가 사용된다. 광 커플러(21)는, 하나의 채널 상에서, 변조된 광 방사선의 일부(예를 들어 99%)를 광증폭 시스템(4) 방향으로 통과하게 할 수 있다. 광 커플러(21)는, 또 하나의 채널 상에서, 변조된 광 방사선의 또 하나의 부분(예를 들어 1%)을 픽업한다. 바이어스 제어기(22)는 전기 광학 변조기의 출력부에서 소광 레벨을 분석하고 측정된 소광율의 함수로서 바이어스 전압을 변화시킨다. 바이어스 전압은 전기 광학 변조기(2)의 단자들에 인가된다. 일반적으로 측정된 소광율은 30dB 정도의 값들로 유지된다. 하지만 소광률은 특히 열 변화로 인해 시간이 지남에 따라 20dB 내지 40dB 사이에서 변할 수 있다. 피드백 루프는 전기 광학 변조기(2)의 소광율을 안정화할 수 있게 하고, 이에 따라 광 펄스들의 에너지 안정화에 기여한다.
전기 광학 변조기(2)의 출력부에서, 신호 파장에서 적어도 하나의 광원 광 펄스(20)를 포함하는 변조된 광 방사선은 광증폭 시스템(4)의 방향으로 전송된다.
광증폭 시스템(4)은 하나 이상의 증폭 스테이지를 포함한다. 유리하게는, 광증폭 시스템(4)은 수정/유리 증폭기들(Nd:YAG, Er:YAG 등)에서 또는 도핑된 광파이버(Yb, Er, Tm, Nd)에 근거한 하나 이상의 증폭기의 사용에 근거한다.
도 1에 도시된 제1의 예시적인 실시예에서, 광증폭 시스템(4)은 도핑된 광파이버의 증폭기(41)를 포함한다. 광파이버 증폭기(41)는 여기서 이중 통과로 사용된다. 보다 정확하게는, 광증폭 시스템(4)은 광 순환기(3), 펌프(42), 펌프-신호 결합기(43), 광파이버 증폭기(41), 및 스펙트럼 선택 미러(spectrally selective mirror)를 형성하는 브래그 격자 파이버(5)를 포함한다. 광 순환기(3)는 전기 광학 변조기(2)의 출력부에 배치된다. 피드백 루프 디바이스가 전기 광학 변조기(2)의 안정화를 위해 사용될 때에는, 전술한 바와 같이, 광 순환기(3)가 광 커플러(2)의 출력부에 배치된다. 광파이버 증폭기(41)는 광 순환기(3)와 브래그 격자 파이버(5) 사이에 배치된다. 펌프-신호 결합기(43)는 사용된 펌핑 방식에 따라 광파이버 증폭기(41)의 일단에 배치된다. 도 1에 도시된 예시에서, 펌프 신호 결합기(43)는 광 순환기(3)와 광파이버 증폭기(41) 사이에 배치된다. 펌프(42)는 펌프 신호 결합기(43)를 통해 광파이버 증폭기(41)로 전송되는 펌프 파장의 펌프 신호를 생성한다. 펌프 파장은 예를 들어 증폭 매체에 따라 790nm, 915nm, 976nm 또는 1470nm이다. 동시에, 광 순환기(3)는 전기 광학 변조기(2)로부터 나오는 변조된 광 방사선을 수신하고 변조된 광 방사선을 펌프-신호 결합기(43)로 전송한다. 펌프 신호 결합기(43)는 적어도 하나의 광원 광 펄스(20)를 포함하는 변조된 광 방사선을 광파이버 증폭기(41)로 전송하고, 광파이버 증폭기(41)는 광파이버 증폭기(41)를 첫번째 통과하는 동안, 다른 말로는 정방향으로 통과하는 동안, 1차로 이 광원 광 펄스(20)를 증폭한다. 1차 증폭된 광 펄스는 브래그 격자 파이버(5)에 입사되며, 이 브래그 격자 파이버(5)는 증폭기에서 증폭된 자연 방출에 의해 생성하는 노이즈를 스펙트럼적으로 필터링하고, 신호파의 길이를 중심으로 1차 증폭되고 필터링된 광 펄스를 광파이버 증폭기(41)의 방향으로 반사시킨다. 광파이버 증폭기(41)는 광파이버 증폭기(41)를 두번째 통과하는 동안, 다른 말로는 복귀 방향으로 통과하는 동안, 이 한 번 증폭되고 필터링된 광 펄스를 2차로 증폭하여 예를 들어 1nm 정도의 대역폭을 갖는 신호 파장에서 적어도 하나의 증폭된 광 펄스(40)를 형성한다. 광증폭 시스템(4)의 출력부에서, 광 순환기(3)는 상기 적어도 하나의 증폭된 광 펄스(40)를 수신하고 증폭된 광 펄스(40)를 광 아이솔레이터(7) 방향의 출력 채널 방향으로 전송한다. 보다 일반적으로, 2개의 증폭 스테이지들 간에는, 광증폭 시스템(4)이 유리하게는 파장이 고정되거나 조절 가능한 하나 이상의 광학 필터를 포함하고 서로 동기화되며, 이러한 광학 필터는 이들 증폭기에서 생성된 증폭된 자연 방출을 억제하기에 적합하다.
광증폭 시스템(4)은 비정상의 분산 영역(dispersion regime)에서 동작하도록 선택된다. 특히, 광파이버 증폭기(41)는 비정상 분산을 갖는다.
피코초 미만의 지속시간의 적어도 하나의 광 펄스를 생성하기 위한 시스템은 광 아이솔레이터의 출력부(7)에서 상기 적어도 하나의 증폭된 광 펄스(40)를 수신하도록 배치된 수동형 광파이버(61)를 포함한다. 수동형 광파이버(61)는 예를 들어 스텝 인덱스(step-index) 파이버 또는 광결정(photonic crystal) 파이버(PCF) 타입의 실리카 또는 플루오르화 유리를 기반으로 편광 유지(polarization-maintaining) 광파이버이다. 수동형 광파이버(61)는 여기서 자기 위상 변조(SPM)와 같은 비선형 광학 효과를 구현함으로써 증폭된 광 펄스(40)의 스펙트럼을 확대하도록 구성된다. 실제로, SPM은 그 결과 증폭된 광 펄스(40)의 스펙트럼 확대을 야기한다. SPM에 의해 유도된 이러한 스펙트럼 확대의 효과는 수동형 파이버에서 광 펄스가 전파되는 동안 전자기장의 누적된 위상의 변화에 기인한다. 따라서 SPM은 그것의 진폭을 수정하지 않고 증폭된 펄스의 시간 포락선의 변화를 유도한다. 주파수 도메인에서, SPM은 그 결과 신호 파장 주변에서 증폭된 펄스의 스펙트럼의 확대을 야기하는데, 그 이유는 SPM이 비선형 위상 변이의 파생물(derivative)이기 때문이다. 자체 위상 변조는 스펙트럼의 저주파 성분을 펄스의 앞쪽으로 이동시키고 스펙트럼의 고주파 성분을 펄스의 뒤쪽으로 이동시키는 효과가 있다. 이 SPM 효과는 비정상 영역에서의(at anomalous regime) 분산 효과의 역이다. 비정상의 분산 영역에서의 이 두 가지 효과의 상호 보상은 체인의 끝에서 솔리톤들, 즉, 프로필이 시간과 전파에 따라 변하지 않는 고정 펄스(stationary pulses)의 형성을 가능하게 한다.
압축기(8)는 수동형 광파이버(61)의 하류에 배치된다. 따라서 압축기(8)는 SPM에 의해 스펙트럼적으로 확대되고 증폭된 펄스를 수신하고 압축 펄스(80)를 생성한다. 전기 광학 변조기(2)는 지속시간 및/또는 반복 주파수에 있어서 압축 펄스(80)를 쉽게 조절할 수 있게 한다.
압축기(8)의 출력부에서 안정적인 에너지를 나타내면서 지속시간 및/또는 주파수가 조절 가능한 압축 펄스(80)를 얻을 수 있게 하기 위해 수동형 광파이버(61)와 결합된 광증폭 시스템의 동작 모드를 더 자세히 설명할 것이다.
실제로, 여기서 원하는 스펙트럼 확대(spectral broadening)는 주로 수동형 광파이버(61)에서 증폭된 펄스의 전파 동안 위상 자체 변조로부터 생기고, 따라서 실리카 또는 플루오르화물 유리의 비선형 광학 지수로부터 생기는 것이 관찰된다. 이 비선형 광학 효과는 증폭된 펄스(40)의 피크 파워에 의존한다. 증폭된 펄스(40)의 피크 파워의 변동은, 일반적으로 수동형 광파이버(61)의 출력부에서 확대된 스펙트럼의 변경을 가져온다. 결과적으로, 압축기(8)의 입력부에서의 펄스의 스펙트럼 폭의 변화는 압축 펄스들의 지속시간에 변화를 일으킬 수 있다. 전술한 바와 같이, 전기 광학 변조기(2)는 광원 레이저 방사선(10)로부터의 신호 파장 주변의 적어도 하나의 광원 광 펄스(20)를 포함하는 변조된 광 방사선을 생성한다. 하지만 마하젠더 간섭계 타입의 전기 광학변조기(2)는 보강(constructive) 간섭과 상쇄(destructive) 간섭의 효과에 의존하는 소광율을 갖는다. 이 소광율은 환경 조건 그리고 특히 주위 온도 변화에 따라 달라진다. 마하젠더 간섭계 간섭계는 안정화시키기가 매우 복잡하다.
광원 레이저 방사선은 시간적으로 연속적일 수 있다. 대안으로, 광원의 레이저 방사선은 펄스들을 포함한다.
본 개시에서는 수동형 광파이버(61)에서 생성된 비선형 라만 효과와 SPM의 결합을 이용하는 수동형 광파이버(61) 및 광증폭 시스템(4)의 동작 모드를 제안한다.
보다 구체적으로, 본 발명자들은 전기 광학 변조기, 광증폭 시스템(4), 및 증폭된 펄스의 스펙트럼에서 자연적인 라만 효과에 의해 새로운 파장을 생성하도록 구성된 수동형 광파이버(61)의 동작 영역에 본 개시의 중점을 둔다. 이를 위해서는 증폭된 펄스들의 피크 파워가 수동형 광파이버(61)에서의 자연적인 라만 효과 생성 임계값보다 클 필요가 있다. 하지만 최대 에너지가 신호 파장 주변의 SPM에 의해 확대된 스펙트럼 대역 내에 남아 있고 주로 라만선(들)로 전송되지 않는 체제에 있다. 더욱이, 라만선들은 신호 파장에 대해 스펙트럼적으로 이동하며 신호 파장 주변의 SPM에 의해 확대된 스펙트럼 대역 밖에 있게 된다. 각 라만선이 신호 파장 주변에서 증폭되고 SPM에 의해 확대된 펄스의 파워보다 낮은 파워를 갖도록 수동형 광파이버의 길이가 선택되고 입력 파워가 조절한다. 이러한 절충(compromise)에 의해 신호 파장 주변의 각 증폭 펄스에서 일정한 에너지를 유지할 수 있게 된다.
도 5 및 도 6을 참조하여 수동형 광파이버(61)에서 SPM에 의한 라만 효과 생성 및 스펙트럼 확대의 결합된 효과를 보다 구체적으로 설명한다. 여기서 수동형 광파이버(61)는 그 길이가 약 150m인 실리카 파이버이다.
도 5는 파장의 함수로서 스펙트럼 광 파워 측정의 예시를 나타내며, 스펙트럼 광 파워(P)은 수동형 광파이버(61)의 출력부에서 측정된다. 스펙트럼 광 파워(P)는 여기서 동일한 광 펄스 생성 시스템에 대해 그리고 광증폭 시스템(4)의 출력부에서의 서로 다른 평균 출력에 대해 측정된다. 증폭기의 펌프의 파워가 증가하면 출력부에서의 평균 파워의 증가를 얻을 수 있다. 도 6은 SPM의 스펙트럼 대역 확대 효과를 보다 명확하게 보여주기 위해 증폭된 펄스의 중심 파장 주변에서 확대된 도 5와 동일한 측정값들을 도시한다.
이 예시에서, 광증폭 시스템(4)의 출력부에서의 22mW의 평균 파워에 대해서는, 1031nm 파장에서 증폭된 펄스의 최대값이 도 5에서 관찰된다. 도 6에서, 1031nm의 신호 파장 주변의 해당하는 스펙트럼 폭은 BW1로 표시되며, SPM에 의해 확대된 후 1nm 미만이다. 이 22mW의 평균 파워에서는 어떠한 라만선도 스펙트럼에서 관찰되지 않는다.
광증폭 시스템(4)의 출력부에서의 161mW의 평균 파워에 대해서는, 1031nm의 신호 파장에서 증폭된 펄스의 최대값이 도 5에서 관찰되며, 해당 스펙트럼 폭은 도 6에서 BW2로 표시되고 SPM으로 인해 약 6nm이다. 또한, 도 5에서, 161mW의 평균 파워에 대해, 약 1090nm 주위에 RI로 표시된 제1 라만선이 관찰된다. 이 예시에서 161mW의 평균 파워는 제1 자연적인 라만 생성 임계값보다 크다. 이 임계값은 특히 수동형 광파이버(61)의 길이에 따라 달라진다. 본 개시에서, 제1 라만선은 1차 라만선이라고도 한다. 제1 라만선(R1)는 신호 파장 주변의 SPM에 의해 확대된 스펙트럼 대역 밖에 위치하는 것으로 관찰된다. 또한, 제1 라만선(R1)은 신호 파장 주변에서 증폭되고 SPM에 의해 확대된 펄스의 파워보다 약 20dB 낮은 파워를 갖는다.
광증폭 시스템(4)의 출력부에서 330mW의 평균 파워에 대해서는, 파장 1031nm에서 증폭된 펄스의 최대값이 도 5에서 관찰되며, 해당 스펙트럼 폭은 도 6에서 BWL로 표시되고 SPM으로 인해 약 10nm이다. 또한, 도 5에서, 330mW의 평균 파워에 대해, 1090nm 주위에 RI로 표시되는 제1 라만선과 대략 1140nm에서 R2로 표시되는 제2 라만선의 출현이 관찰된다. 이 예시에서, 330mW의 평균 파워는 제2 자연적인 라만 생성 임계값보다 크다. 본 개시에서는 제2 라만선을 2차 라만선이라고도 한다. 제1 라만선(R1) 및 제2 라만선(R2)은 신호 파장 주변에서 SPM에 의해 확대된 스펙트럼 대역 밖에 위치하는 것으로 관찰된다. 또한, 제1 라만선(R1) 및 제2 라만선(R2)는 중심 파장 주변에서 증폭되고 그리고 SPM에 의해 확대된 펄스의 파워보다 약 15-20dB 낮은 파워를 갖는다.
광증폭 시스템(4)의 출력부에서의 480mW, 660mW 또는 816mW의 평균 파워 각자에 대해서, 도 5는 또한, 파장 1031nm에서 증폭된 펄스의 최대값을 보여주며, 파장 1031nm에서 SPM 및 적어도 2개의 라만선의 자연적인 라만 효과 생성의 결합된 효과와 관련된 약 10nm의 일정한 스펙트럼 폭(BWL)을 갖는다. 실제로, 480mW, 660mW 또는 816mW의 평균 파워 각자에 대해서는, 도 5에서 제1 라만선(R1) 및 제2 라만선(R2)이 관찰된다. 660mW 및 816mW의 평균 파워에 대해 R3으로 표시된 제3 라만선의 출현이 약 1195nm에서 관찰된다. 마지막으로, 816mW의 평균 파워에 대해 R4로 표시된 제4 라만선의 출현이 약 1250nm에서 관찰된다. 하지만, 도 6에서는 1031nm 파장에서 증폭된 펄스의 스펙트럼 폭은 약 1140nm에서 제2 라만선의 출현에 해당하는 330mW의 평균 파워으로부터 일정하게 유지된다는 것이 관찰된다. 펄스의 평균 파워가 330mW에서 816mW로 변할 때, 이 스펙트럼 폭이 일정하게 유지된다는 사실은 압축기 출력부에서 스펙트럼 대역폭(BWL)에 의해 제한되는 미리 결정된 지속시간을 갖는 압축 펄스의 파워를 조절하면서 이들 압축 펄스들의 생성을 가능하게 한다. 제1 라만선(R1), 제2 라만선(R2), 제3 라만선(R3) 및 제4 라만선(R4) 모두는 신호 파장 주변에서 SPM에 의해 확대된 스펙트럼 대역 밖에 위치함을 알 수 있다. 또한, 제1 라만선(R1), 제2 라만선(R2), 제3 라만선(R3) 및 제4 라만선(R4) 각각은 중심 파장 주변의, SPM에 의해 확대된 증폭 펄스의 파워보다 약 10~15dB 정도 낮은 파워를 갖는다.
따라서 수동형 광파이버(61)에서의 SPM 생성 및 라만 효과 생성의 결합된 효과는 압축기 출력부에서의 압축 펄스들의 특성을 안정화시킬 수 있게 하고, 펄스 지속시간 범위 및 결정된 파워 범위에 의해 결정된 동작 범위 내에서, 압축 펄스들의 지속시간 및 압축 펄스들의 파워를 독립적으로 조절할 수 있게 한다.
보다 구체적으로, 적어도 제1 라만선, 유리하게는 제2 라만선, 훨씬 더 유리하게는 제3 라만선 및 가능하게는 제4 라만선의 출현은 자체 위상 변조에 의해 스펙트럼적으로 확대된 증폭 펄스의 에너지를 안정화시킬 수 있게 한다. 즉, 에너지는 한 펄스에서 다음 펄스까지 일정하게 유지된다. 1차, 2차, 3차 또는 4차 라만선들의 출현으로 스펙트럼 확대의 포화가 관찰된다.
실리카에 근거한 수동형 파이버에 대해서는, 각 라만선이 13THz의 광 주파수에서 분리된다.
수동형 광파이버(61)는 신호 파장에서 양(positive)의 분산을 갖도록 선택된다. 또한, 수동형 광파이버(61)는 수동형 광파이버(61)가 수신한 펄스들의 피크 파워 범위에서 SPM 효과 및 자연적인 라만 생성 효과를 생성할 수 있을 정도의 길이를 갖는다.
다른 시스템과 달리, 여기서 목표는 SPM 및 라만 생성 중 어느 하나를 촉진하는 것이 아니라 전기 광학 변조기를 통해 지속시간 및/또는 반복 속도를 조절하면서 시간이 지남에 따라 안정적인 압축 펄스를 얻기 위해 이들 두 가지 효과를 결합하고 제어하는 것이다.
도 5 및 도 6에 도시된 현상의 비제한적 해석은 다음과 같다. 증폭된 펄스들의 피크 파워가 증가함에 따라, 펄스의 에너지를 전송하여 새로운 파장 길이를 생성하는 라만 효과가 나타날 때까지 자체 위상 변조에 의해 얻어진 광 스펙트럼은 더 많은 스펙트럼 컴포넌트를 함유한다. 라만 효과는 자체 위상 변조의 생성에 필요한 피크 파워보다 큰 피크 파워에 대해 나타나므로 펨토초 펄스를 얻는데 유해하지 않는다. 따라서 펄스들의 피크 파워의 변화가, SPM에 의해 생성된 스펙트럼 컴포넌트를 유지하고 그리고 라만선들이 아닌 신호 파장 주변의 SPM에 의해 확대된 스펙트럼 대역 내에서 최대 에너지를 유지하면서, 라만 피크의 파워 강하를 일으키는 라만 이득의 전개(evolution)를 야기하도록, 라만 효과 출현의 임계값에 도달함으로써 위상 자체 변조를 포화시키는 것이 가능하다. 라만선은 이후 압축기에서 필터링된다.
본 개시에 따른 광 펄스 생성 시스템은 요구에 따라 피코초 미만 또는 펨토초 범위에서 조절 가능한 지속시간의 펄스를 생성할 수 있게 한다. 광 펄스 생성 시스템은 또한, 전기 광학 변조기의 반복 주파수에 있어서 피코초 미만(sub-ps) 또는 펨토초(fs) 범위 내에서 조절 가능한 지속시간의 일련의 펄스를 생성할 수 있게 하며, 이들 펄스는 시간이 지남에 따라 에너지가 안정적이다. 마지막으로, 광 펄스 생성 시스템은 피코초 미만(sub-ps) 또는 펨토초(fs) 범위에서 조절 가능한 지속시간의 펄스 트레인을 생성할 수 있게 하며, 버스트 내(intra-burst) 및 버스트 간(inter-burst) 반복 주파수는 전기 광학 변조기를 제어하는 전기 생성기에 의해 결정된다. 본 개시에 따른 시스템은 펄스 열 모드의 펄스들의 지속시간 및 에너지를 펄스 지속시간 및 피크 파워의 조절 범위 내에서 안정화할 수 있다. 또한, 전기 생성기는 펄스들의 시간적인 형상을 조절할 수 있다.
도 1, 도 5, 도 6 및 도 7을 참조하여 위에 설명한 본 개시의 원리는 서로 다른 실시예들 및/또는 변형들에 따라 채택될 수 있다.
도 7은 단일 통과 광파이버 증폭기 시스템 및 증폭기 시스템의 출력부에 있는 비선형 광학 모듈에 근거한 제1 실시예의 변형예를 도시한다. 동일한 참조 부호는 도 1과 관련하여 설명된 제1 실시예에 공통인 구조적 및/또는 기능적 요소들을 나타낸다. 광원(1)은 광원 레이저 방사선(10)을 방출한다. 전기 광학 변조기(2)는 연속 광원 레이저 방사선(10)를 수신하고, 신호 파장에서 적어도 하나의 광원 광 펄스(20)를 포함하는 변조된 광 방사선을 형성한다. 선택적으로, 광 아이솔레이터(17)는 전기 광학 변조기(2)의 출력부와 광증폭 시스템(4) 사이에 배치된다. 광증폭 시스템(4)은 단일 통과에서 사용된 적어도 하나의 광파이버 증폭기(41)를 포함한다. 또 하나의 광 아이솔레이터(7)는 광증폭 시스템(4)의 출력부에 배치된다. 수동형 광파이버(61)는 광 아이솔레이터(7)의 출력부에서 상기 적어도 하나의 증폭된 광 펄스(40)를 수신하도록 배치된다. 수동형 광파이버(61)의 출력부)에서, 증폭되고 스펙트럼적으로 확대된 펄스(60)는 압축기(8)로 전송된다. 압축기의 출력부에서 압축 펄스(80)가 얻어진다. 전기 광학 변조기(2)는 지속시간 및/또는 반복 주파수에 있어서 압축 펄스(80)를 쉽게 조절할 수 있다. 상기 동작은 광파이버 증폭기가 여기에서 단일 통과로 사용된다는 점을 제외하고는 도 1과 관련하여 설명된 것과 유사하다.
도 2 내지 도 4는 이들 실시예 및/또는 변형의 일부를 예시한다.
도 2는 제2 실시예에 따라 피코초 미만의 지속시간의 광 펄스를 생성하기 위한 시스템을 도시한다. 이 시스템은 광파이버 증폭기(41)와 광파이버 브래그격자 스펙트럼 미러(5) 사이에 수동형 광파이버(61)가 배치된다는 점에서 도 1의 시스템과 다르다. 광파이버 증폭기(41)를 첫번째 통과한 후, 한 번 증폭된 펄스는 수동형 광파이버(61)로 전송된다. 여기에서 시스템은, 한 번 증폭된 펄스들의 피크 파워가 수동형 광파이버(61)를 첫번째 통과하는 동안의 SPM 생성 및 자연적인 라만 생성 임계값보다 크도록 구성된다. 수동형 광파이버(61)의 출력부에서, 증폭되고 스펙트럼적으로 확대된 펄스는 브래그 격자 파이버(5)에 의해 필터링된 후, 수동형 광파이버(61)를 두번째 통과한 후 두번째 증폭을 위해 광파이버 증폭기(41)로 되돌려진다.
도 3은 제2 실시예의 변형에 따라 피코초 미만의 지속시간의 광 펄스를 생성하기 위한 시스템을 도시한다. 여기서 수동형 광파이버(61)는 또한, 광증폭 시스템(4) 내부에 배치된다. 이 시스템은 광파이버 증폭기(41)가 수동형 광파이버(61)와 광 브래그 격자 파이버 스펙트럼 미러(5) 사이에 배치된다는 점에서 도 2의 시스템과 다르다. 변조된 펄스(20)는 수동형 광파이버(61)에 의해 광증폭기(41) 방향으로 전송된다. 광파이버 증폭기(41)를 첫번째 통과한 후, 한 번 증폭된 펄스는 일단 브래그 격자 파이버(5)로 전송되고 이후 두번째 증폭을 위해 광파이버 증폭기(41)를 향해 반사된다. 두 번 증폭된 펄스는 이후 복귀 방향으로 수동형 광파이버(61)로 전송된다. 시스템은 여기에서 두 번 증폭된 펄스들의 피크 파워가 수동형 광파이버(61)를 두번째 통과하는 동안에 SPM 생성 및 자연적인 라만 생성 임계값보다 크도록 구성된다. 수동형 광파이버(61)의 출력부에서, 증폭되고 스펙트럼적으로 확대된 펄스(60)는 광 순환기(3)를 통해 광 아이솔레이터(7)로 전송되고 이어서 압축기(8)로 전송된다.
도 4는 제1 실시예와 제2 실시예를 결합한 변형에 따라 피코초 미만의 지속시간의 광 펄스를 생성하기 위한 시스템을 도시한다. 여기서 시스템은 제1 수동형 광파이버(61) 및 제2 수동형 광파이버(62)를 포함한다. 제1 수동형 광파이버(61) 및 제2 수동형 광파이버(62)는 광증폭 시스템(4) 내부에 배치된다. 광파이버 증폭기(41)는 제1 수동형 광파이버(61) 및 제2 수동형 광파이버(62) 사이에 배치된다. 제1 수동형 광파이버(61)는 펌프 결합기(43) 및 광파이버 증폭기(41) 사이에 배치된다. 제2 수동형 광파이버(62)는 광파이버 증폭기(41) 및 브래그 격자 파이버 스펙트럼 미러(5) 사이에 배치된다. 변조된 펄스(20)는 제1 수동형 광파이버(61)에 의해 광증폭기(41) 방향으로 전송된다. 광파이버 증폭기(41)를 첫번째 통과한 후, 한 번 증폭된 펄스는 제2 수동형 광파이버(62)로 전송된다. 시스템은 여기서 한 번 증폭된 펄스들의 피크 파워가 제2 수동형 광파이버(62)를 첫번째 통과하는 동안에 SPM 및 자연적인 라만 생성을 생성하기 위한 임계값보다 크도록 구성된다. 수동형 광파이버(62)의 출력부에서, 증폭되고 스펙트럼적으로 확대된 펄스는 브래그 격자 파이버(5)에 의해 필터링되고, 이후 복귀 방향으로 제2 수동형 광파이버(62) 방향 그리고 이후 두번째 증폭을 위해 광파이버 증폭기(41)를 향해 되돌아간다. 두 번 증폭된 펄스는 이후 복귀 방향으로 제1 수동형 광파이버(61)로 전송된다. 시스템은 여기에서 두 번 증폭된 펄스들의 피크 파워가 제1 수동형 광파이버(61)를 두번째 통과하는 동안에 SPM 생성 및 자연적인 라만 생성 임계값보다 크도록 구성된다. 제1 수동형 광파이버(61)의 출력부에서, 증폭되고 스펙트럼적으로 확대된 펄스(60)는 광 순환기(S)를 통해 광 아이솔레이터(7)로 그리고 이후 압축기(8)로 전송된다.
본 개시는 과학, 산업 또는 의료 분야에서 1 내지 수백 펨토초(fs) 또는 1 내지 수십 피코초 범위의 지속시간을 갖는 광 펄스들의 사용에서 응용을 발견한다. 특히, 본 개시는 제모(hair removal)를 위한 미용(cosmetics) 또는 피부과에서의 응용을 발견한다.
물론, 다양한 다른 수정이 첨부된 특허청구범위 내에서 본 개시에 대해 이루어질 수 있다.

Claims (11)

  1. 지속시간 및 반복 주파수를 조절할 수 있는 적어도 하나의 광 펄스를 생성하기 위한 시스템으로서:
    광원 레이저 방사선(10)의 광원(1); `
    전기 광학 변조기(2) - 상기 전기 광학 변조기(2)는 상기 광원 레이저 방사선(10)을 수신하고 100피코초 이하의 지속시간을 갖는 적어도 하나의 광원 광 펄스(20)를 형성하도록 구성되고, 상기 전기 광학 변조기(2)는 지속시간 및 반복 주파수 중 적어도 하나에서 상기 적어도 하나의 광원 광 펄스(20)를 조절하도록 구성됨 -;
    비정상의 분산 영역에서 동작하는 광증폭기(41)를 포함하는 광증폭 시스템(4), - 상기 광증폭 시스템(4)은 상기 적어도 하나의 광원 광 펄스(20)를 수신하고 적어도 하나의 증폭된 광 펄스(40)를 형성하도록 구성됨 -;
    상기 적어도 하나의 증폭된 광 펄스(40)를 수신하고 적어도 하나의 스펙트럼적으로 확대된 증폭 광 펄스(60)를 생성하도록 배치된 수동형 광파이버(61) - 상기 증폭된 광 펄스(40)는 상기 수동형 광파이버에서의 자체 위상 변조에 의해 상기 적어도 하나의 증폭된 광 펄스를 스펙트럼적으로 확대하고 그리고 비선형 라만 신호를 생성하기 위해 결정된 임계값보다 큰 피크 파워를 가지며, 상기 비선형 라만 신호는 상기 적어도 하나의 스펙트럼적으로 확대된 증폭 광 펄스(60)의 에너지를 안정화시키도록 구성됨 -; 및
    상기 적어도 하나의 스펙트럼적으로 확대된 증폭 광 펄스(60)를 수신하고 적어도 하나의 압축 펄스(80)를 생성하도록 배치된 압축기를 포함하고,
    상기 전기 광학 변조기(2)에 의해 지속시간 및 반복 주파수 중 적어도 하나를 조절할 수 있는, 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전기 광학 변조기(2)는 N개의 광원 광 펄스들(20)의 패킷을 형성하도록 구성되고, 여기서 N은 100 내지 10000 사이의 정수이고, 상기 패킷은 1MHz 내지 100MHz 사이의 주파수에서 반복되는, 시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 광증폭 시스템(4)은 스펙트럼 선택 미러(spectrally selective mirror)를 형성하는 브래그 격자 파이버(5)를 포함하고, 상기 브래그 격자 파이버(5)는 상기 광증폭기(41)에 의해 1차 증폭된 적어도 하나의 광 펄스를 수신하고 그리고 2차 증폭을 위해 상기 증폭된 광 펄스를 광증폭기(41)로 되돌아가도록 배치된, 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 수동형 광파이버(61)는 상기 광증폭기(41) 및 상기 브래그 격자 파이버(5) 사이에 배치된, 시스템.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 광증폭기(41)는 상기 수동형 광파이버(61) 및 상기 브래그 격자 파이버(5) 사이에 배치된, 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 광증폭기(41) 및 상기 브래그 격자 파이버(5) 사이에 배치된 또 하나의 수동형 광파이버(62)를 포함하는, 시스템.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광증폭기(41)는 에르븀, 이테르븀, 툴륨, 홀뮴 또는 네오디뮴이 도핑된 광파이버 증폭기 및 이테르븀 또는 네오디뮴이 도핑된 크리스탈형 또는 유리형 증폭기 중 적어도 하나를 포함하는, 시스템.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 수동형 광파이버(61)는 실리카 유리 또는 플루오르화 유리를 기반으로 하는, 시스템.
  9. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    변조된 전기 신호를 상기 전기 광학 변조기(2)에 인가하도록 구성된 전기 생성기(23)를 포함하고,
    상기 변조된 전기 신호는 상기 적어도 하나의 광원 광 펄스(20)를 시간적으로 형성하도록 구성되는, 시스템.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 전기 광학 변조기(2)는 마하젠더형(Mach-Zehnder type) 진폭 변조기이고,
    피코초 미만의 지속시간의 적어도 하나의 광 펄스를 생성하기 위한 상기 시스템은 상기 전기 광학 변조기의 피드백 루프를 갖춘 서보 제어 시스템(21, 22)을 포함하는, 시스템.
  11. 지속시간 및 반복 주파수 중 적어도 하나를 조절할 수 있는, 피코초 미만의 지속시간의 적어도 하나의 광 펄스를 생성하기 위한 방법으로서:
    광원 레이저 방사선(10)를 생성하는 단계;
    적어도 하나의 광원 광 펄스(20)를 형성하고 지속시간 및 반복 주파수 중 적어도 하나에 있어서 상기 적어도 하나의 광원 광 펄스(20)를 조절하도록 구성된 전기 광학 변조기에 의해 상기 광원 레이저 방사선을 변조하는 단계;
    비정상의 분산 영역에서 동작하는 광증폭기(41)에서 상기 적어도 하나의 광원 광 펄스를 광학적으로 증폭하여 적어도 하나의 증폭된 광 펄스(40)를 형성하는 단계,
    수동형 광파이버에서 상기 적어도 하나의 증폭된 광 펄스(40)를 전송하는 단계 - 상기 증폭된 광 펄스(40)는 자기 위상 변조에 의해 적어도 하나의 스펙트럼적으로 확대된 증폭 광 펄스(60)를 생성하고 그리고 동시에 비선형 라만 신호를 생성하기 위해 결정된 임계값보다 큰 피크 파워를 가짐 -; 그리고
    상기 적어도 하나의 스펙트럼적으로 확대된 증폭 광 펄스(60)를 압축하여 적어도 하나의 압축 펄스(80)를 생성하는 단계를 포함하고,
    상기 전기 광학 변조기에 의해 지속시간 및 반복 주파수 중 적어도 하나를 조절할 수 있는, 방법.
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