KR20230164125A - 무전극 점화를 갖는 레이저-구동 광원 - Google Patents

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KR20230164125A
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KR1020237037130A
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매튜 파트로
도널드 스미스
매튜 비젠
아키노리 아사이
Original Assignee
하마마츠 포토닉스 가부시키가이샤
에너제틱 테크놀로지 아이엔씨.
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Abstract

무전극 레이저-구동 광원은 CW 지속광을 생성하는 레이저를 포함한다. 펌프 레이저는 펌프광을 생성한다. Q-스위치 레이저 결정은 펌프 레이저에 의해 생성된 펌프광을 수신하고 생성된 펌프광에 응답하여 출력에서 펄스 레이저 광을 생성한다. 제1 광학 소자는 펄스 레이저 광을 제1 축을 따라 이온화 가스를 포함하는 가스-충전 벌브 내 항복 영역으로 투사한다. 제2 광학 소자는 CW 지속광을 제2 축을 따라 이온화 가스를 포함하는 가스-충전 벌브 내 CW 플라즈마 영역으로 투사한다. 검출기는 CW 플라즈마에 의해 생성된 플라즈마 광을 검출하여 검출 신호를 생성한다. 제어기는 검출 신호가 임계값 레벨을 초과한 후 시간 지연 내에 펄스 레이저 광을 소거하기 위해 Q-스위치 레이저 결정에 대한 펌프광을 제어하는 제어 신호를 생성한다.

Description

무전극 점화를 갖는 레이저-구동 광원
본 명세서에 사용되는 섹션 제목은 단지 체계화를 목적으로 하는 것이며 어떤 방식으로든 본 출원에서 설명된 주제를 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다.
수많은 상업 및 학술 응용 분야에서는 넓은 파장 범위에 걸친 고휘도 광이 필요하다. 예를 들어, 높은 신뢰성과 긴 수명을 가지며 극자외선에서부터 가시 영역을 거쳐 적외선 영역까지의 스펙트럼의 스펙트럼 범위에 걸쳐 고휘도를 제공하는 레이저-구동 광원을 사용할 수 있다. 이러한 고휘도 광원의 다양한 예는 매사추세츠주 윌밍턴에 위치한 Hamamatsu Company의 Energetiq에 의해 생산되고 있다.
예를 들어, 반도체 계측, 센서 교정 및 테스트, 형상광 생성, 표면 계측, 분광학 및 생물학, 화학, 기후, 및 물리학을 포함하는 다양한 분야에서 다른 광학 측정 애플리케이션을 포함하는 애플리케이션을 위한 고휘도 광원에 대한 수요가 증가하고 있다. 따라서, 이러한 중요한 유형의 광대역 광원의 크기, 비용, 복잡성, 신뢰성, 안정성 및 효율성을 개선시킬 수 있는 고휘도 광원에 대한 발전이 필요하다.
바람직하고 예시적인 실시예에 따른 본 교시는, 그 추가적인 이점과 함께, 첨부 도면을 함께 고려하여, 후술하는 상세한 설명에서 보다 구체적으로 설명된다. 당업자는 이하에서 설명되는 도면들이 단지 예시를 목적으로 함을 이해할 것이다. 도면들은 반드시 축적대로 작성된 것은 아니며, 그 대신 일반적으로 본 교시의 원리를 설명하는데 강조가 표시될 수 있다. 도면들은 어떤 방식으로든 출원인의 교시 범위를 제한하려는 의도가 없다.
도 1a는 본 교시에 따른, 한 축을 따라 가스-충전 벌브 내로 투사되는 펄스(pulsed) 레이저 광과 다른 축을 따라 가스-충전 벌브 내로 투사되는 CW 레이저 광을 사용하는 무전극 레이저-구동 광원의 실시예를 나타낸다.
도 1b는 본 교시에 따른, 한 축을 따라 가스-충전 벌브 내로 투사되는 펄스 레이저 광과 동일한 축을 따라 가스-충전 벌브 내로 투사되는 CW 레이저 광을 사용하는 무전극 레이저-구동 광원의 실시예를 나타낸다.
도 2a는 펄스 레이저 여기만 갖는 방출을 나타내는 본 교시에 따른 무전극 레이저-구동 광원의 실시예에서의 가스-충전 벌브의 이미지를 나타낸다.
도 2b는 CW 레이저 여기만 갖는 방출을 나타내는 도 2a에 도시된 가스-충전 벌브의 이미지를 나타낸다.
도 3은 본 교시에 따른 무전극 레이저-구동 광원에서 플라즈마를 점화하기 위한 방법의 단계들의 흐름도를 나타낸다.
도 4는 본 교시에 따른, 무전극 레이저-구동 광원으로부터의 펄스 레이저 조명, 펌프 레이저 조명, 및 플라즈마 방출 각각에 대한 오실로스코프 트레이스 세트를 나타낸다.
도 5a는 본 교시에 따른 게인 영역 및 가포화 흡수체 영역을 포함하는 Q-스위치 결정의 실시예를 나타낸다.
도 5b는 본 교시에 따른 무전극 레이저-구동 광원에 사용하기 적합한 곡면을 갖는 YAG-기반 수동 Q-스위치 레이저 막대의 실시예를 나타낸다.
도 6은 본 교시에 따른 무전극 레이저-구동 광원의 실시예에서 사용되는 의사-CW 펌프 펄스의 펄스 길이의 함수로서 가스 항복을 가져오기 충분한 레이저 펄스를 생성하는 펌프 레이저에 대한 펄스 에너지 및 펌프 전류 임계값의 그래프를 나타낸다.
도 7은 본 교시에 따른 무전극 레이저-구동 광원의 실시예에서 사용되는 포커싱 렌즈 어셈블리를 구비한 베어 벌브를 나타낸다.
본 교시는 이제 첨부 도면에 도시된 바와 같은 예시적인 실시예를 참조하여 더 상세하게 설명될 것이다. 본 교시는 다양한 실시예 및 예시와 함께 설명되지만, 본 교시가 그러한 실시예로 제한되도록 의도되는 것은 아니다. 반대로, 본 교시는 당업자에 의해 이해될 수 있는 것처럼, 다양한 대안물, 수정물 및 등가물을 포함한다. 본 명세서의 교사에 접하는 당업자는 추가적인 구현물, 수정물 및 실시예뿐만 아니라 다른 사용 분야를 인지할 것이며, 이는 본 명세서서 설명된 본 개시의 범위 내에 포함된다.
명세서에서 "일 실시예" 또는 "실시예"에 대한 참조는 실시예와 함께 설명되는 특정한 특징, 구조 또는 특성이 이 교시의 적어도 하나의 실시예에 포함된다는 것을 의미한다. 본 명세서의 여러 위치에 기재되어 있는 "일 실시예에서"라는 구문의 출현은 반드시 모두 동일한 실시예를 지칭하는 것은 아니다.
본 교시의 방법의 개별 단계는 이 교시가 작동 가능하게 유지되는 한 임의의 순서 및/또는 동시에 수행될 수 있음을 이해해야 한다. 또한, 본 교시의 장치 및 방법이 본 교시가 작동 가능하게 유지되는 한 설명된 실시예 중 임의의 수 또는 전부를 포함할 수 있음을 이해해야 한다.
레이저 구동 광원은 CW 레이저를 사용하여 가스 플라즈마를 광대역 광학 광을 생성하는데 필요한 고온으로 직접 가열한다. 고휘도 레이저 구동 광원은 플라즈마를 유지하기 위해 고전압 전극을 사용하는 광원에 비해 상당한 이점을 가지고 있다. 레이저 구동 소스는 예를 들어 아크-램프 디바이스에 사용되는 전기 방전 플라즈마와 달리 광-방전 플라즈마에 따라 달라진다. 전기 방전 램프에서는, 전극 물질이 증발할 수 있으며, 램프의 수명에 걸쳐 방전의 속성을 변경할 수 있다. 이것은 램프 수명을 단축시킨다. 또한, 전극-기반 시스템은 광원의 열적, 기계적, 및 전기적 스트레스를 유발한다. 알려진 레이저 구동 광원은 플라즈마를 지속시키기 위해 전극에 따라 달라지지는 않지만, 여전히 플라즈마 점화를 위해 전극을 사용한다.
전극에 따라 달라지는 알려진 광원은 심각한 제한을 가질 수 있다. 예를 들어, 전극-기반 광원은 램프 헤드 크기에 제한이 있고 벌브가 장착될 수 있는 방법에 제한이 있을 수 있다. 전극-기반 광원은 기생 아크(parasitic arcs)를 방지하도록 설계되어야 하며, 램프 헤드는 전극과 점화 회로를 위해 충분한 체적으로 구성되어야 한다. 전극-기반 광원은 벌브의 저온 충전 압력에 제한이 있는데, 이는 예를 들어 전극의 유리-금속 밀봉이 최대 충전 압력을 제한할 수 있기 때문이다. 또한, 벌브 크기가 전극-기반 광원에서 더 커질 수 있는데, 이는 벌브 충전 압력에 영향을 줄 수 있다. 전극-기반 광원도 수용될 수 있는 벌브 모양이 제한되어 있다. 이는 예를 들어 전극-기반 광원이 전극의 위치 지정, 고정 및 연결을 필요로 하기 때문이다. 이러한 설계 제약으로 인해 광원에 노이즈가 발생할 수 있다.
따라서, 무전극 점화를 갖는 레이저 구동 광원을 제공하면 신뢰성, 성능이 향상되고, 비용 및 복잡성이 감소할 뿐만 아니라 다른 이점도 얻을 수 있다. 광학 조명으로 플라즈마를 점화하려면 플라즈마를 점화시키는데 사용되는 광원 및 관련 광 전달 메커니즘에 대한 신중한 설계 및 제어를 필요로 한다. 본 교시의 하나의 특징은 무전극 점화를 갖는 레이저-구동 광원을 제공하는 것이다. 이러한 소스에서 플라즈마는 알려진 레이저 구동 고휘도 광원에서와 같이 전극에 의해 제공되는 전기 에너지가 아닌 광학 조명에 의해 점화된다.
무전극 레이저 구동 광원에는 수많은 특징과 이점이 있다. 무전극 광원은 종래 기술의 광원보다 더 높은 최대 충전 압력을 갖는 더 작은 벌브를 사용하여 구현될 수 있다. 충전 압력이 높을수록 특히 특정 레이저 파워 체제에서 밝기가 높아질 수 있다. 무전극 광원은 전극 물질로 인한 오염이 없다. 또한, 램프 모양의 기하학적 제한도 더 적다. 일반적으로 동일한 특성을 위해 더 작은 램프 헤드를 사용할 수 있다. 또한, 파워를 공급하는 능동형 전기 구성 요소가 없으므로, 관련 파워 공급기, 제어 전자 장치 및 전기 연결의 필요성이 감소하여, 필요한 구성 요소의 개수를 크게 감소시킨다. 그러나, 무전극 레이저 구동 광원의 일부 실시예는 전극 점화를 갖는 레이저-구동 광원의 기존 램프 패키지에 구현될 수 있다. 이는 적어도, 부분적으로, 무전극 디바이스가 일반적으로 전극-레이저 구동 광원보다 덜 복잡하고 더 작기 때문이다.
도 1a는 본 교시에 따른 한 축(106)을 따라 가스-충전 벌브(104) 내로 투사되는 펄스 레이저 광(102)과 다른 축(110)을 따라 가스-충전 벌브(104) 내로 투사되는 CW 레이저 광(108)을 사용하는 무전극 레이저-구동 광원(100)의 실시예를 나타낸다. 펄스 레이저 광(102)은 펌프 레이저(116)에 의해 생성된 펌프 레이저 광(114)으로 펌핑되는 Q-스위치 결정(112)을 사용하여 생성된다. 커플링 광학계(optics)(118)는 펌프 레이저 광(114)을 Q-스위치 결정(112)에 커플링하는데 사용된다. 광학 소자(120)는 Q-스위치 결정(112)에서 생성된 펄스 레이저 광(102)이 벌브(104)를 향하게 하고 펌프 레이저 광(114)이 벌브로부터 멀어지게 하는데 사용된다. 일부 실시예에서, 광학 소자(120)는 다이크로익 광학 소자이다. 플라즈마 항복 영역(126)에 제공되는 펄스 레이저 광(102)으로부터의 에너지는 플라즈마를 점화시킨다.
CW 레이저는 CW 레이저 광(108)을 생성한다. 광학 소자(124)는 벌브(104) 내 플라즈마 항복 영역(126)을 포함하는 영역에 CW 지속광을 투사 및/또는 포커싱한다. 일부 실시예에서, 광학 소자(124)는 렌즈와 같은 포커싱 소자이다. 광학 소자(128)는 벌브(104) 내 플라즈마 항복 영역(126)을 포함하는 영역에 펄스 레이저 광(102)을 투사 및/또는 포커싱한다. 일부 실시예에서, 광학 소자(128)는 렌즈와 같은 포커싱 소자이다. 펄스 레이저 광에 의해 조명되는 영역은 펄스 조명 영역으로 지칭되며, Q-스위치 결정(112)으로부터의 광학 광을 지향시키는데 사용되는 투사 요소에 기초하여 명확한 위치와 모양를 갖는다. 플라즈마 항복 영역(126)에 제공된 펄스 레이저 광(102)으로부터의 에너지는 플라즈마를 점화시킨다. CW 지속광에 의해 조명되는 영역은 CW 지속 조명 영역으로 지칭되며, CW 레이저(122)로부터의 광학 광을 지향시키는데 사용되는 투사 요소에 기초하여 명확한 위치 및 형상을 갖는다. 플라즈마 항복 영역(126)에 제공되는 CW 레이저 광(108)으로부터의 에너지는 플라즈마를 지속시킨다.
플라즈마 항복 영역(126)은 CW 플라즈마 광(130)을 생성한다. CW 플라즈마 광(130)은 검출기(132)에 입사된다. CW 플라즈마 광(130)은 광학 소자(120)에 의해, 또는 자유 공간을 통해 및/또는 다른 광학 전송 수단에 의해 검출기(132)로 지향될 수 있다. 검출기(132)는 제어기(134)에 접속된 출력에서 검출 신호를 생성한다. 제어기(134)는 펌프 레이저(116)의 제어 입력에 접속된다. 제어기(134)는 Q-스위치 레이저 결정(112)으로 향하는 펌프 광(114)의 파라미터를 제어하는 제어 신호를 생성한다. 일부 실시예에서, 제어기(134)는 검출기(132)로부터의 검출 신호가 미리 결정된 임계값 레벨을 초과한 후 시간 지연 내에 펄스화된 레이저 광(102)을 소거하는(extinguish) 방식으로 펌프 레이저(116) 및 펌프광(114)의 파라미터를 제어하도록 구성된다.
높은-피크-파워 펄스 광(102)은 플라즈마 항복 영역(126) 내 플라즈마를 점화하는데 필요하다. 그러나, 지속되는 CW 플라즈마 광(130)을 생성하는 것은, 펄스 광이 특정 임계값을 초과해서는 안 되며, 이는 플라즈마 광이 미리 정해진 임계값에 도달한 후 미리 정해진 지연 후에 펄스가 플라즈마 내에 존재할 때 발생할 수 있다. 펄스 광이 너무 많으면 플라즈마를 소거할 수 있다. 임계값에 도달하기 전에 펄스 광을 소거함으로써, CW 지속광(108)만을 적용함으로써 플라즈마 광이 지속될 수 있다.
일부 실시예에서, 특정 수, 예를 들어, 펄스 광으로부터의 하나 이상의 펄스가 플라즈마를 점화하기 위해서 필요하지만, 점화 후 추가 펄스는 플라즈마를 소거할 것이다. 이와 같이, 플라즈마 광(130)이 검출기(132)에서 검출되면, 펄스는 점화시키는 펄스 이후 다음 펄스가 생성되기 전에 없어진다. 이러한 구성은 본 교시의 이러한 측면의 단지 하나의 예라는 것이 이해되어야 한다. 플라즈마 광(130)의 시작에 대한 다양한 지연 후에 펌프광(114)을 소거하기 위한 다양한 알고리즘 및 임계값이 본 교시에 따른 시스템에 의해 사용될 수 있다. 이러한 파라미터는 예를 들어 가스의 유형, 밀도 및/또는 온도를 포함하는 다양한 인자에 따라 달라질 것이다. 또한, 이들 파라미터는 펄스 광 및 CW 지속광(108)의 상대 파워에 따라 달라질 것이다. 또한, 이들 파라미터는 광학 소자(124, 128)의 포커싱 및 기타 광학 속성에 따라 달라질 것이다. 또한, 이들 파라미터는 플라즈마 항복 영역 내 CW 지속광(108) 및/또는 펄스 광(102)의 에너지 밀도에 따라 달라질 것이다.
본 교시의 특징 중 하나는 펄스 광과 CW 지속광의 축이 다양한 상대 위치를 취할 수 있다는 점이다. 예를 들어, 도 1a를 참조하면. 축(106, 110)은 실질적으로 직교한다. 펄스 광과 CW광이 동일한 축에 있도록 무전극 레이저-구동 광원을 구성할 수도 있다.
도 1b는 본 교시에 따른 한 축을 따라 가스-충전 벌브(154) 내로 투사되는 펄스 레이저 광(152) 및 동일한 축을 따라 가스-충전 벌브 내로 투사되는 CW 레이저 광(156)을 사용하는 무전극 레이저-구동 광원(150)의 실시예를 나타낸다. 무전극 레이저-구동 광원(150)은 도 1a의 무전극 레이저-구동 광원(100)과 많은 공통 요소를 공유한다. Q-스위치 결정(158)은 펌프 레이저(162)에 의해 생성된 펌프 레이저 광(160)으로 펌핑된다. 일부 실시예에서, 커플링 광학계(164)는 콜리메이션 패키지이며, 이는 명복상 광을 콜리메이트하고, 펌프 레이저(162)에 의해 생성된 광을 수신하고 이를 Q-스위치 결정(158)에 지향시킨다.
광학 소자(166)는 Q-스위치 결정(158)에서 생성된 펄스 레이저 광(152)을 벌브(154)를 향해 지향시키는데 사용된다. 광학 소자(166)는 펌프 레이저 광(160)을 벌브(154)로부터 멀어지게 지향(예를 들어 반사)할 수 있다. 일부 실시예에서, 광학 소자(166, 168)는 다이크로익 광학 소자이다. 일부 실시예에서, 광학 소자(166)는 펄스 광 파장(152)을 갖는 광을 전송하고 CW 레이저 광(156)도 전송한다. CW 레이저(170)는 CW 레이저 광(156)을 생성한다. 광학 소자(172)는 CW 지속광(156)과 펄스 레이저 광(152)을 벌브(154) 내 플라즈마 항복 영역(174)을 포함하는 영역에 투사 및/또는 포커싱한다. 일부 실시예에서, 광학 소자(172)는 렌즈와 같은 포커싱 소자이다.
플라즈마 항복 영역(174)은 CW 플라즈마 광(176)을 생성한다. CW 플라즈마 광(176)은 검출기(178)에 입사된다. CW 플라즈마 광(176)은 광학 소자(166)에 의해, 또는 자유 공간을 통해 및/또는 다른 광학 전송 수단에 의해 검출기(178)로 지향될 수 있다. 검출기(178)는 검출된 CW 플라즈마 광에 응답하여 출력에서 검출 신호를 생성한다. 검출기(178)의 출력은 제어기(180)에 접속된다. 제어기(180)는 펌프 레이저(162)의 제어 입력에 연결된다. 제어기(180)는 Q-스위치 레이저 결정(158)으로 향하는 펌프광(160)의 파라미터를 제어하는 제어 신호를 생성한다. 일부 실시예에서, 제어기(180)는 검출기(178)로부터의 검출 신호가 미리 결정된 임계값 레벨을 초과한 후 시간 지연 내에 펄스 레이저 광(152)을 소거하는 방식으로 펌프 레이저(162) 및 펌프광(160)의 관련 파라미터를 제어하도록 구성된다. 일부 실시예에서, CW 레이저(170)로부터의 광은 콜리메이션 패키지(182)를 사용하여 콜리메이트된다. 하나 이상의 광학 소자를 포함할 수 있는 광학 소자(184)는 Q-스위치 결정(158) 상에 펌프 레이저 광(160)을 포커싱하는데 사용된다.
본 교시의 또 다른 특징은 펄스 광 및 CW 지속광이, 일부 실시예에서, 플라즈마 영역 내 독립적인 조명 영역을 형성하도록 지향될 수 있다는 점이다. 2개의 조명 영역은 원하는 대로 서로 구별될 수 있거나 또는 부분적으로 또는 전체적으로 겹칠 수 있다. 펄스 조명 영역과 CW 지속 조명 영역의 상대적인 위치와 모양에 대한 제어가 이들 두 소스에 의해 전달되는 에너지의 특정 공간 분포를 제공하는데 사용될 수 있다. 본 명세서에서 더 설명되는 것처럼, CW 지속광 및 펄스 광 각각의 에너지 밀도는 플라즈마의 점화 및 지속 가능성에 영향을 미친다. 이와 같이, 펄스 조명 영역과 CW 지속 조명 영역의 상대적 위치 및 형상을 제어하는 능력은 플라즈마에 제공되는 에너지 밀도 프로파일의 제어를 가능하게 한다. 이러한 위치 지정은 펄스화조명 영역에서 생성된 점화된 플라즈마가 안정적인 CW 플라즈마로서 CW 조명 영역으로 전환되는 능력에 영향을 준다.
도 2a는 펄스 레이저 여기만 갖는 방출을 나타내는 본 교시에 따른 무전극 레이저-구동 광원의 실시예의 가스-충전 벌브의 이미지(200)를 나타낸다. 두 이미지(202, 204)는 그것의 측면에서 보여지지만, 펄스 조명 영역의 위치와 CW 레이저의 포커스의 3차원 포지셔닝을 나타내기 위해 각도가 오프셋되어 있다. 펄스 조명 영역의 범위와 위치는 이들 이미지(202, 204)에서 볼 수 있다. 펄스 항복의 위치는 펄스 에너지에 따라 달라짐에 유의한다. 에너지가 증가함에 따라, 항복 위치는 펄스 레이저 쪽으로 이동한다. 펄스 광 및 CW 레이저의 포커스에 대한 펄스 레이저 항복 플라즈마의 3차원 정렬은 이 방법이 더 낮은 CW 레이저 파워 및/또는 더 낮은 펄스 에너지로 동작할 수 있게 한다.
도 2b는 CW 레이저 여기만 갖는 방출을 나타내는 도 2a에 도시된 가스-충전 벌브의 이미지(250)를 예시한다. 두 이미지(252, 254)는 측면에서 보여지지만, 펄스 조명 영역 위치와 CW 레이저의 포커스의 3차원 포지셔닝을 설명하기 위해 각도가 오프셋되어 있다. 펄스 조명 영역의 범위와 위치 지정은 이들 이미지(252, 254)에서 볼 수 있다. 도 2a의 이미지(202, 204)로부터의 펄스 조명 영역의 윤곽(256, 258)이 또한 도시되어 있다. 본 실시예에서, 펄스 조명 영역과 CW 지속 조명 영역의 상대 위치 및 형상은 두 영역이 구별되고 중첩되지 않도록 한다. 펄스 조명 영역은 광이 더 조밀하게 포커싱되기 때문에 더 작아지며, 그 결과 조명에 의해 플라즈마에 전달되는 펄스 에너지의 밀도가 높아진다.
도 2a-도 2b의 이미지는 플라즈마 점화를 제공하는 펄스에 대한 동작 파라미터를 결정하기 위해 실험 중에 수집되었다. 실험 조건의 일부 세부 사항은 아래에 설명되어 있다. 예를 들어, 2kHz 펄스 레이트와 1ns 지속 기간 펄스를 사용하면, 안정적인 플라즈마 점화가 135 내지 225 마이크로줄의 에너지 범위에 걸쳐 제논 가스-충전 벌브에서 실현될 수 있다. 펄스 광은 1064nm의 파장을 가졌다. 실험 구성의 이 특정 예의 경우, 안정적인 CW 플라즈마를 달성하기 위해 광을 항복시키기 위한 임계값 에너지는 135 마이크로 줄이었다. 또한, 210 마이크로 줄에서, 플라즈마가 점화되어 결국 안정될 수 있지만, 안정적인 동작 전에 CW 플라즈마가 점화 및 소거될 수 있다. 또한 225 마이크로 줄에서 점화를 실현할 수 있다. 240 마이크로줄 이상에서, CW 플라즈마가 일부 구성에서 안정적이지 않았다. 펄스 광 조명과 CW 광 조명의 상대적 위치가 중요하다. 펄스 레이저의 광축을 따라 벌브 및 CW 레이저 정렬을 조정하면 점화가 향상되거나 또는 '턴오프'된다. CW 플라즈마를 점화한 후, CW 레이저 파워가 8-10W로 낮아질 수 있으며, CW 레이저 플라즈마를 계속 지속할 수 있다. 15.5와트 이상의 CW 레이저 파워의 임의 값에서, 펄스에서 CW로 확실하게 전환되었다. CW 레이저 파워에는 상한선이 없었다. 당업자에 의해 이해되는 바와 같이, 빔 품질은 주어진 레이저 파워에 대해 가스에 전달되는 에너지에 영향을 미친다.
본 교시의 무전극 점화의 또 다른 특징은 CW 플라즈마 점화가 2단계 프로세스로 구현될 수 있다는 인식이다. 제1 단계에서는, 제논 가스가 레이저 펄스의 적용으로 분해된다. 제2 단계에서는, 펄스 플라즈마로부터 지속 CW 플라즈마로의 전환 또는 "핸드오프"이다. 그런 다음, 지속된 플라즈마가 생성되기 시작한 후에 펄스 레이저 광에 대한 셧 다운이 수행됨으로써 핸드오프가 실현될 수 있다. 예를 들어, CW 플라즈마의 "제1 광"에서 셧 오프를 수행함으로써, 핸드오프가 실현될 수 있다. 후속 펄스가 CW 플라즈마 광을 없앨(knock-out) 수 있기 때문에, 점화 후 추가 펄스 전에 펄스 광을 셧 다운하는 것이 중요하다. 허용할 수 있는 펄스 수는 CW 플라즈마 광의 파워에 따라 달라진다. 일부 실시예에서, 펄스 광은 충분히 짧은 시간 내에 소거되어 점화 펄스 이후의 기간에 있는 다음 펄스가 소거된다.
도 3은 본 교시에 따른 무전극 레이저-구동 광원에서 플라즈마를 점화시키는 방법의 단계들의 흐름도(300)를 나타낸다. 흐름도(300)는 고휘도 광원의 종래 기술에서와 같이 전극에 의해 제공되는 전기 에너지보다는 조명에 의해 플라즈마가 점화되는 고휘도 광을 생성하기 위해 가스-충전 벌브에 포함되는 플라즈마 영역으로의 에너지 전달을 제어하는 단계를 나타낸다. 제1 단계(302)에서, 전자기 에너지는 연속 CW 레이저 광을 사용하여 벌브 내의 가스에 제공된다. 이는 CW 지속광이라고 지칭될 수 있다. 일부 실시예에서, 가스는 제논 가스이다. 제2 단계(304)에서, 레이저 펄스는 Q-스위치 결정에 펌프 레이저 광을 제공함으로써 생성된다. 본 교시의 하나의 특징은 Q-스위치 결정에 의해 제공되는 펄스가 결정으로의 펌프 광의 인가를 제어함으로써 제어될 수 있다는 인식이다. 제3 단계(306)에서, 레이저 펄스는 벌브 내의 가스에 제공되어, 항복 영역이 가스 내에 형성되게 한다. 제4 단계(308)에서, 펄스 광에 의해 생성된 이온 및 전자의 적절한 밀도가 달성될 때, 벌브에 제공된 CW 레이저 광이 흡수된다. 제5 단계(310)에서, CW 레이저 광의 흡수는 이온과 전자에 에너지를 공급하고 플라즈마 영역에서 고휘도 광을 방출하는 CW 플라즈마를 생성한다. 즉, CW 지속광에 의해 제공되는 전자기 에너지는 벌브로부터의 CW 플라즈마 광의 생성으로 이어진다.
제6 단계(312)에서, 벌브로부터 방출된 고휘도 광의 일부가 검출기에서 검출된다. 검출기는 수신하는 CW 플라즈마 광의 일부에 응답하여 플라즈마 검출 신호를 생성한다. 이 신호는 제어기에 제공될 수 있다. 제7 단계(314)에서, 플라즈마 검출 신호가 미리 결정된 임계값을 초과할 때 펌프 레이저가 중지된다. 펌프가 정지하면 펄스가 중단된다. 즉, 펌프 광이 Q-스위치 결정에 도달하는 것을 중지하는 것에 응답하여 펄스 광이 소거된다. 일부 실시예에서, 제어기는 레이저 펌프를 중지시킨다. 제8 단계(316)에서, CW 플라즈마는 CW 지속광을 사용하여 지속된다. 일부 실시예에서, CW 연속 광은 높은 펄스 레이트에서 펄스 레이저 동작에 의해 생성되는 실질적으로 연속 광원이라는 점에 유의한다.
본 교시의 무전극 점화를 갖는 레이저-구동 고휘도 소스의 다양한 실시예는 가스에 제공되는 광의 상이한 파라미터를 사용한다. 예를 들어, Q-스위치 레이저 펄스의 반복 레이트가 제어될 수 있다. 가스에 제공되는 펄스 광의 펄스 에너지가 제어될 수 있다. Q-스위치 레이저 펄스의 지속 기간도 제어될 수 있다. 또한, CW 레이저 광의 파워도 제어된다. 일부 실시예에서, 펄스 레이저 광의 펄스 반복 레이트는 1kHz 내지 20kHz 범위 내에 있다.
실험적 및/또는 이론적 평가는 예를 들어 펄스 레이저 광의 펄스 반복 레이트가 1kHz 이하가 되도록 Q-스위치 레이저 결정이 구성될 때, 양질의 CW 플라즈마가 제공될 수 있다고 결정했다. 펄스 레이저 광의 펄스 에너지가 50 마이크로 줄 내지 500 마이크로 줄 범위에 있도록 Q-스위치 레이저 결정이 구성될 때 연속파 플라즈마가 생성될 수 있다.
연속파 플라즈마는 특정 구성에 따라 달라지는 다양한 펄스 에너지, 펄스 지속 기간 및 CW 파워 조건하에 생성된다. 예를 들어, 펄스 레이저 광의 펄스 에너지가 500 마이크로 줄 내지 5 밀리 줄 내에 있도록 Q-스위치 레이저 결정이 구성될 때, 연속파 플라즈마가 생성된다. 또한, 펄스 레이저 광의 펄스 지속 기간이 0.1ns 내지 10ns 범위 내에 있도록 Q-스위치 레이저 결정이 구성될 때, 연속파 플라즈마가 생성될 수 있다. CW 지속광의 파워가 5W 내지 50W 범위 내에 있도록 CW 레이저 소스가 구성될 때, 연속파 플라즈마도 생성될 수 있다. 또한, CW 지속광의 파워가 5W 내지 1500W 범위에 있도록 CW 레이저 소스가 구성될 때, 연속파 플라즈마를 생성할 수 있다. 상술된 범위는 단지 동작 범위의 예일 뿐이며, 어떤 방식으로든 본 교시를 제한하려는 의도는 아니다.
본 교시의 하나의 특징은 CW 플라즈마의 검출이 점화 펄스 레이저 광을 제어하는데 사용될 수 있다는 것이다. 일부 실시예에서, 이 제어는 플라즈마가 점화된 후 CW 플라즈마 광에 대한 펄스의 소거 또는 다른 바람직하지 않은 영향을 방지한다. 도 4는 본 교시에 따른, 무전극 레이저-구동 광원으로부터의 펄스 레이저 조명, 펌프 레이저 조명, 및 플라즈마 방출 각각에 대한 오실로스코프 트레이스 세트(400)를 예시한다. 오실로스코프 트레이스 세트(400)는 본 교시의 무전극 레이저-구동 광원의 실시예에서 레이저 동작 및 플라즈마 광 생성의 타이밍을 나타낸다. 도 4에서, 측정된 펄스 레이저 조명 트레이스(402), 측정된 펌프 레이저 조명 트레이스(404) 및 측정된 플라즈마 방출 트레이스(406)가 오실로스코프 트레이스 세트(400)에서 시간 함수로서 도시되어 있다. 트레이스(404)에 나타내진 펌프광의 존재는 플라즈마 광 트레이스(402)에서 볼 수 있는 2개의 펄스(408, 410)를 생성한다. 플라즈마 점화는 제2 펄스(410) 이후에 시작되어, 트레이스(406)에 나타내진 측정된 CW 플라즈마 광의 증가를 유발한다.
이러한 데이터를 생성한 시스템에서 사용되는 제어기는 트레이스(406)에 나타내진 검출된 CW 플라즈마 광이 임계값(412)에 도달되었을 때, 펌프가 셧 다운(414)되도록 구성된다. Q-스위치 결정으로부터 소거된 펄스가 트레이스(402)에 나타내진다. 다양한 제어 구성요소가 도 4의 오실로스코프 트레이스 세트(400)에 나타내진 조건을 대신하거나 또는 추가될 수 있다. 실질적으로펌프 레이저의 셧 다운 또는 펌프 레이저 광의 소거가 CW 플라즈마 광의 임계값이 실현된 후 실질적으로 즉시 발생하도록 구성될 수 있다. 펌프 레이저의 셧 다운 또는 펌프 레이저 광의 소거는 또한 CW 플라즈마 광의 임계값이 실현된 후 미리 결정된 지연 후에 발생하도록 구성될 수도 있다. 본 교시에 따른 다양한 방법에서, 다양한 임계값이 원하는 성능을 달성하기 위해 이용될 수 있다.
일부 실시예에서, 검출 신호는 플라즈마 광의 파워를 나타내고, 임계값은 동작 파워에 대한 플라즈마 광의 파워의 원하는 비율이 되도록 선택된다. 일부 실시예에서, 원하는 비율은 실질적으로 50%이다. 다른 실시예에서, 원하는 비율은 실질적으로 90%이다. 또 다른 실시예에서, 원하는 비율은 30% 내지 95% 범위 내에 속한다.
미리 결정된 지연은 펄스 레이저 광의 펄스 주기에 대한 특정 관계를 갖도록 선택될 수 있다. 이를 통해 펄스 시퀀스의 다음 펄스가 생성되기 전에 펌프가 셧 다운될 수 있게 한다. 일부 실시예에서, 펄스 레이저 광 내 펄드들 간 주기는 시간 지연보다 크다. 일부 실시예에서, 시간 지연이 펄스 레이저 광의 하나의 펄스 주기보다 작도록 제어기가 구성된다. Q-스위치 결정 및/또는 펌핑 구성 및 파워 레벨이 조정되어 펄스 주기를 제어할 수 있다는 점을 이해해야 한다.
본 교시의 하나의 특징은 알려져 있는 서로 다른 Q-스위치 결정을 사용할 수 있다는 것이다. 펄스 광의 파장은 벌브 내 가스 종을 분해하게 하는데 적합해야 한다. 도 5a는 본 교시에 따른 게인 영역(502) 및 가포화 흡수체 영역(504)을 포함하는 Q-스위치 결정(500)의 실시예를 나타낸다. 당업자에 의해 이해되는 바와 같이, 상이한 호스트 물질 및 도펀트가 적합한 게인 영역(502) 및 가포화 흡수체 영역(504)을 제공하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 결정(500)은 유리 호스트, 이트륨 알루미늄 가넷 호스트 또는 스피넬 호스트일 수 있는 호스트 물질을 가질 수 있다. 예를 들어, 결정(500)은 게인 영역(502)과 가포화 흡수체 영역(504) 중 하나 또는 모두에 도펀트를 가질 수 있는데, 도펀트는 이테르븀 도펀트, 크롬 도펀트, 코발트 도펀트 또는 바나듐 도펀트일 수 있다. Q-스위치 결정은 또한 예를 들어 제논 스펙트럼 내 파장을 차단 및/또는 플라즈마 광 중 적어도 일부를 반사하는데 사용될 수 있는 협대역 필터를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, Q-스위치 레이저 결정은 한쪽 표면 상에 코팅을 갖는다. 예를 들어, 이 코팅은 보호 코팅, 반사 코팅 및/또는 반사-방지 코팅일 수 있다.
도 5b는 본 교시에 따른 무전극 레이저-구동 광원에 사용하기 적합한 곡면(552)을 갖는 이트륨 알루미늄 가넷 기반(YAG 기반) 수동형 Q-스위치 레이저 막대(550)의 실시예를 나타낸다. 가포화 흡수체 영역(554)은 이트륨 알루미늄 가넷 호스트 내 크롬 도펀트이다. 게인 영역(556)은 이트륨 알루미늄 가넷 호스트 내 이테르븀 도펀트이다. 도펀트와 호스트는 펄스 광의 파장뿐만 아니라 펄스의 상승 및 하강 시간을 설정하는 데에 기여한다. 가포화 흡수체 영역 길이(558) L2, 게인 영역 길이(560) L1 및 결정 폭(562) W는 예를 들어 펄스 반복 레이트, 펄스 지속 기간, 펄스 에너지를 포함하는 원하는 출력 펄스 파라미터를 제공하도록 선택된다.
Q-스위치 결정은 입증된 기술이다. 예를 들어, Q-스위치 결정은 알려진 수동형 Q-스위치 마이크로칩 레이저에 사용된다. 하나의 특정 예로서, 가포화 흡수체 영역 길이(558), L2=1.36mm, 게인 영역 길이(560), L1=3mm, 결정 폭(562), W=3mm로, 도 5b와 관련하여 설명된 결정(550)과 유사한 결정을 사용하는 마이크로칩 레이저가 14-kH 반복 레이트에서 74 마이크로줄의 에너지를 갖는 1.6ns 펄스를 제공했고, 970nm 파장 펌프 레이저에서 10-W 펌프 파워로부터 실현되었다. 펌프 파워가 증가하면, 평균 출력 파워 및 생성된 펄스 반복 레이트는 펌핑 파워 9.3W에 대해 각각 1W 및 13.6kHz로 증가될 수 있다. 최대 출력 파워는 관찰 가능한 열(thermal) 롤오버없이 도달될 수 있다. 1.58±0.04ns의 평균 펄스 폭도 실현될 수 있다. 실제로, 각각 73.8±0.7μJ 및 46.0±0.8kW의 펄스 에너지 및 피크 파워 값이 실현되었다. 본 교시의 하나의 특징은 Q-스위치 결정(500, 550)에 의해 제공되는 광 펄스의 고가용성, 소형, 그리고 신뢰성 있는 소스에 의해 실현될 수 있는 펄스 광 파라미터로 무전극 점화가 실현될 수 있다는 것이다.
펌핑 효율 및 펄스 출력은 이득 결정(502, 556), 도핑 요소(예를 들어 YB 또는 Nd), 도핑 백분율, 및 직경 및 길이를 포함하는 결정(500, 550)의 다양한 속성에 따라 달라진다. 가포화 흡수체 결정(504, 552)의 경우, 도핑 요소(예를 들어 Cr 또는 V), 도핑 백분율, 초기 흡수 백분율, 직경 및/또는 길이. 일부 실시예에서, 펌프 파장 및 펄스 광 파장에 대한 반사 및/또는 투과 코팅이 결정(500, 550)의 하나 이상의 종단에 제공된다. 예를 들어, Yb:YAG-Cr:YAG 결합 결정은 940nm의 높은 투과율과 1030nm의 높은 반사율을 갖는 Yb:YAG 종단 상의 코팅을 포함할 수 있다. 그리고, Cr:YAG 종단 상에서, 결정은 1030nm에서 부분적으로만 반사되는 코팅을 가질 수 있다(즉, 출력 커플러). 많은 Q-스위치 레이저는 들어오는 펌프 레이저로부터 반대편 종단 상에 가포화 흡수체와 출력 커플러가 있는 펌프 구성을 가지고 있지만, 무전극 점화를 위한 펄스 Q-스위치 결정은 가포화 흡수체 종단이 아닌 펌프 입력 종단에 출력 커플러를 가질 수 있다.
결정(500, 550)의 일부 실시예는 비흡수 미러라고 할 수 있는 Yb&Cr YAG 주위에 미도핑 종단부를 가질 수 있다. 이러한 구성은 열 과부하 및 패싯 장애(facet failure)를 방지한다. 게인 영역(502, 556)에서, Nd:YAG의 이득 매질은 일반적이고 비교적 저렴하다. Nd:YAG 게인 영역(502, 556)은 808nm에서 펌핑되고, 1064nm에서 광을 방출한다. Yb:YAG의 게인 영역(502, 556)은 덜 일반적이고 더 비싸다. 이 물질은 940 또는 970nm 파장에서 펌핑되고 1030nm에서 광을 방출한다. 이러한 Yb:YAG 결정이 940nm 펌핑을 수용하기 위해 가장 일반적으로 코팅된다. 940nm에대해 코팅된 결정은 970nm에서 제대로 작동하지 않을 수 있다(예를 들어, 940nm 코팅은 970nm에서 60%만 투과 가능). 또한, 940nm 파장 광은 일반적으로 970nm 광보다 1030nm에서 분리하기가 더 쉽다. Yb 도핑된 유리가 975nm에서 펌핑될 수도 있다. 이 펌프 파장은 알려진 레이저 구동 광원 레이저 파장에 사용되는 것과 동일하다.
본 교시에 따른 무전극 점화를 위해 펄스 광을 생성하기 위한 Q-스위치 결정의 설계에 대한 일부 중요한 특징은, 예를 들어 레이저 파장의 선택, 코팅 배치의 순서, 게인부, 가포화 흡수부 및 펌프 펄스 입력 및 출력의 방향을 포함할 수 있다. 다른 중요한 특징은 펌프와 플라즈마 빔의 결합/분리와 Q-스위치 결정에 의해 생성된 펄스로부터 CW 레이저를 보호하기 위한 필요 사항에 대한 수용을 포함한다. 도 1a-도 1b를 다시 참고하면, 광원(100, 150)의 서로 다른 실시예는 이러한 설계 선택에 영향을 미치는 펌프 레이저(116, 162), Q-스위치 결정(112, 158) 및 CW 레이저(122, 170)의 위치에 대해 서로 다른 구성을 갖는다. 또한, 펄스 에너지가 높기 때문에, 결정의 장착 및 관련 열 관리가 중요한 고려 사항이다.
도 6은 본 교시에 따른 무전극 레이저-구동 광원에서 사용되는 의사-CW(QCW) 펌프 펄스의 펄스 길이의 함수로서 가스 항복을 가져오기 충분한 레이저 펄스를 생성하는 펌프 레이저에 대한 펄스 에너지 및 펌프 전류 임계값의 그래프(600)를 나타낸다. 즉, 펄스 길이는 의사-CW 펌프광 신호를 생성하는데 사용되는 반복적인 펄스의 폭(예를 들어 구형파 신호로 된 펄스 폭)이다. 그래프(600)는 제논 가스를 포함하는 벌브에 대한 측정값을 나타낸다. 그래프(600)는 예시적인 동작 포인트를 나타내고, 동작이 펄스 지속 기간의 범위에 걸쳐 행해질 수 있음을 나타낸다. 임계값은 ~500마이크로초의 펄스 길이 이상을 유지한다. 본 교시의 광원의 다양한 실시예는 이 예시 데이터에 나타내진 것과 상이한 파라미터로 동작할 수 있다는 점에 유의한다. 특정 예에서와 같이 제논 가스로 충전되는 22기압 저온 벌브에 대해 펄스 점화 및 전환 핸드오프의 동작 파라미터의 일부 예는 다음과 같다: (1) CW 전환 핸드오프는 980nm 파장에서 14W만큼 낮은 CW 레이저 파워로 실현될 수 있다; (2) CW 전환 핸드오프는 972nm만큼 낮은 CW 레이저 광 중심 파장으로 실현될 수 있다: (3) 거의 즉각적인 CW 전환 핸드오프는 975nm만큼 낮은 CW 레이저 광 중심 파장으로 실현될 수 있다; 그리고 4) CW 전환 핸드오프는 50와트만큼 높은 CW 레이저 파워로 실현될 수 있다. 980nm에서 레이저 스펙트럼의 내용이 0으로 될 때, 전환 핸드오프는 몇 초에서 1~2분이 걸릴 수 있다. CW 레이저 파워가 20W일 때, 중심 파장의 편차는 성공적인 전환 핸드오프를 위한 980nm 중심 파장으로부터 1~2nm 떨어져 있다. 30기압 저온 충전 벌브를 사용하면, 30W 및 CW 레이저로부터의 976nm 중심 파장에서 CW 전환 핸드오프를 달성할 수 있다. 일반적으로, 점화는 더 낮은 압력 벌브보다 더 높은 고압 압력 벌브에서 더 강력하다. 예를 들어, 30atm 이상의 압력을 갖는 벌브는 일반적으로 약 22atm의 압력을 갖는 벌브보다 점화가 더 강력할 것이다.
도 7은 본 교시에 따른 무전극 레이저-구동 광원의 실시예에서 사용되는 포커싱 렌즈 어셈블리(704, 706)를 갖는 베어 벌브(702)를 포함하는 벌브 시스템(700)을 나타낸다. 플라즈마 영역(708)이 도시되어 있다. 포커싱 렌즈 어셈블리(704, 706)는 서로 90도로 향하는 평면에서 구성된다. 하나의 어셈블리(704)는 펄스 광을 벌브(702) 내 플라즈마 영역(708)으로 지향시키고, 다른 어셈블리(706)는 CW 지속광을 벌브(702) 내 플라즈마 영역(708)으로 지향시킨다. 본 명세서에서 설명된 것처럼, 플라즈마 영역(708)에서 펄스 조명 및 CW 지속 조명의 모양은 동일하거나 또는 다를 수 있다. 플라즈마 영역(708)에서 펄스 조명 및 CW 지속 조명의 위치는 중첩되거나 또는 별개일 수 있다. 일부 실시예에서, 벌브(702)는 제논 가스로 충전된다. 일부 실시예에서, 벌브(702)는 구 모양으로 형성된다. 또한, 일부 실시예에서, 가스로 충전진 벌브(702) 내 압력은 20atm 내지 50atm 범위에 있는 압력일 수 있다.
등가물
출원인의 교시 내용은 다양한 실시예와 관련하여 설명되지만, 출원인의 교시 내용이 그러한 실시예들로 한정되는 것이 의도되지 않는다. 반대로, 출원인의 교시 내용은 다양한 대안예, 수정예 및 등가물을 포함하며, 이는 당업자에 의해 이해될 수 있으며, 이는 교시 내용의 정신과 범위를 벗어나지 않고 그 안에서 이루어질 수 있다.

Claims (43)

  1. a) 출력에서 연속파(CW) 지속광을 생성하는 레이저 소스;
    b) 출력에서 펌프광을 생성하는 펌프 레이저;
    c) 상기 펌프 레이저의 상기 출력에서 생성된 상기 펌프광을 수신하도록 위치되며, 상기 생성된 펌프광에 응답하여 출력에서 펄스 레이저 광을 생성하는 Q-스위치 레이저 결정;
    d) 상기 펄스 레이저 광의 경로에 위치되어, 제1 축을 따라 상기 펄스 레이저 광을 이온화 가스를 포함하는 가스-충전 벌브 내 항복(breakdown) 영역으로 투사하는 제1 광학 소자;
    e) 상기 CW 지속광의 경로에 위치되어, 제2 축을 따라 상기 CW 지속광을 상기 이온화 가스를 포함하는 상기 가스-충전 벌브 내 CW 플라즈마 영역으로 투사하는 제2 광학 소자;
    f) 상기 CW 플라즈마 영역에 적어도 부분적으로 위치되어 CW 플라즈마에 의해 생성된 플라즈마 광을 검출하고 출력에서 검출 신호를 생성하는 검출기; 및
    g) 상기 검출기의 상기 출력에 전기적으로 연결된 입력 및 상기 펌프 레이저의 제어 입력에 전기적으로 연결된 출력을 갖는 제어기―상기 제어기는 상기 검출 신호가 임계값 레벨을 초과한 후 시간 지연 내에 상기 펄스 레이저 광을 소거하기 위해, 상기 Q-스위치 레이저 결정으로의 상기 펌프광을 제어하는 제어 신호를 생성함―을 구비하는, 무전극 레이저-구동 광원.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 검출 신호는 상기 플라즈마 광의 파워를 나타내고, 상기 임계값 레벨은 동작 파워에 대한 상기 플라즈마 광의 파워의 원하는 비율인, 무전극 레이저-구동 광원.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 원하는 비율은 실질적으로 50%인, 무전극 레이저-구동 광원.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 원하는 비율은 실질적으로 90%인, 무전극 레이저-구동 광원.
  5. 청구항 2에 있어서,
    상기 원하는 비율은 30% 내지 95% 범위 내에 있는, 무전극 레이저-구동 광원.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 펄스 레이저 광 내 펄드들 간 주기는 상기 시간 지연보다 큰, 무전극 레이저-구동 광원.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 Q-스위치 레이저 결정은 상기 펄스 레이저 광 내 펄드들 간 주기가 상기 시간 지연보다 크도록 구성되는, 무전극 레이저-구동 광원.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어기는 상기 시간 지연이 상기 펄스 레이저 광의 1펄스 주기보다 작도록 구성되는, 무전극 레이저-구동 광원.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 생성된 펌프광의 경로와 상기 생성된 펄스 레이저 광의 경로에 위치된 제3 광학 소자를 더 포함하고, 상기 제3 광학 소자는 상기 생성된 펄스 레이저 광으로부터 상기 생성된 펌프광을 분리시키도록 구성되는, 무전극 레이저-구동 광원.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 제3 광학 소자는 다이크로익 소자를 포함하는, 무전극 레이저-구동 광원.
  11. 청구항 9에 있어서,
    상기 제3 광학 소자는 상기 생성된 펌프광을 반사하도록 구성되는, 무전극 레이저-구동 광원.
  12. 청구항 9에 있어서,
    상기 제3 광학 소자는 상기 생성된 펄스 레이저 광을 투과하도록 구성되는, 무전극 레이저-구동 광원.
  13. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 축과 상기 제2 축은 동일한 축인, 무전극 레이저-구동 광원.
  14. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 축과 상기 제2 축은 상이한 축인, 무전극 레이저-구동 광원.
  15. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 축과 상기 제2 축은 공선형(co-linear)인 무전극 레이저-구동 광원.
  16. 청구항 1에 있어서,
    상기 Q-스위치 레이저 결정은 펄스 레이저 광의 펄스 반복 레이트가 1kHz 내지 20kHz 범위에 있도록 구성되는, 무전극 레이저-구동 광원.
  17. 청구항 1에 있어서,
    상기 Q-스위치 레이저 결정은 상기 펄스 레이저 광의 펄스 반복 레이트가 1kHz 이하가 되도록 구성되는, 무전극 레이저-구동 광원.
  18. 청구항 1에 있어서,
    상기 Q-스위치 레이저 결정은 상기 펄스 레이저 광의 펄스 에너지가 50 μJ 내지 500μJ 범위에 있도록 구성되는, 무전극 레이저-구동 광원.
  19. 청구항 1에 있어서,
    상기 Q-스위치 레이저 결정은 상기 펄스 레이저 광의 펄스 에너지가 500μJ 내지 5mJ 범위에 있도록 구성되는 무전극 레이저-구동 광원.
  20. 청구항 1에 있어서,
    상기 Q-스위치 레이저 결정은 상기 펄스 레이저 광의 펄스 지속 기간이 0.1ns 내지 10ns 범위에 있도록 구성되는, 무전극 레이저-구동 광원.
  21. 청구항 1에 있어서,
    상기 레이저 소스는 상기 CW 지속광의 파워가 5W 내지 50W 범위에 있도록 구성되는, 무전극 레이저-구동 광원.
  22. 청구항 1에 있어서,
    상기 레이저 소스는 상기 CW 지속광의 파워가 5W 내지 1500W 범위에 있도록 구성되는, 무전극 레이저-구동 광원.
  23. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 광학 소자는 포커싱 렌즈를 포함하는, 무전극 레이저-구동 광원.
  24. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 광학 소자는 포커싱 렌즈를 포함하는, 무전극 레이저-구동 광원.
  25. 청구항 1에 있어서,
    상기 Q-스위치 레이저 결정은 게인부와 가포화(saturable) 흡수부를 포함하는 무전극 레이저-구동 광원.
  26. 청구항 1에 있어서,
    상기 Q-스위치 레이저 결정은 유리 호스트, 이트륨 알루미늄 가넷 호스트, 또는 스피넬 호스트 중 적어도 하나를 포함하는, 무전극 레이저-구동 광원.
  27. 청구항 1에 있어서,
    상기 Q-스위치 레이저 결정은 크롬 도펀트, 코발트 도펀트 또는 바나듐 도펀트 중 적어도 하나를 포함하는, 무전극 레이저-구동 광원.
  28. 청구항 1에 있어서,
    상기 Q-스위치 레이저 결정은 협대역 필터를 포함하는, 무전극 레이저-구동 광원.
  29. 청구항 28에 있어서,
    상기 협대역 필터는 상기 플라즈마 광의 적어도 일부를 반사하는, 무전극 레이저-구동 광원.
  30. 청구항 28에 있어서,
    상기 협대역 필터는 제논 스펙트럼의 파장을 차단하는, 무전극 레이저-구동 광원.
  31. 청구항 1에 있어서,
    상기 Q-스위치 레이저 결정은 한쪽 표면 상에 코팅을 포함하는, 무전극 레이저-구동 광원.
  32. 청구항 1에 있어서,
    상기 가스-충전 벌브는 제논 가스를 포함하는, 무전극 레이저-구동 광원.
  33. 청구항 1에 있어서,
    상기 가스-충전 벌브는 구 모양으로 형성된, 무전극 레이저-구동 광원.
  34. 청구항 1에 있어서,
    상기 가스-충전 벌브 내 압력은 20atm 내지 50atm 범위에 있는 압력을 포함하는, 무전극 레이저-구동 광원.
  35. a) 연속파(CW) 지속광을 사용하여 가스-충전 벌브 내의 가스에 전자기 에너지를 제공하고;
    b) 레이저 펄스가 생성되도록 Q-스위치 레이저 결정에 레이저 펌프 방사를 제공하고;
    c) 상기 Q-스위치 레이저 결정에 의해 생성된 상기 레이저 펄스를 상기 가스-충전 벌브 내의 가스에 제공하여 항복 영역에 펄스 플라즈마를 형성하고;
    d) 상기 항복 영역에서 상기 펄스 플라즈마의 형성에 응답하여 상기 가스에 상기 제공된 전자기 에너지를 사용하여 CW 플라즈마 영역에서 CW 플라즈마를 생성하여 플라즈마 광이 상기 가스-충전 벌브로부터 방출되고;
    e) 상기 방출된 플라즈마 광의 일부를 검출하여 검출 신호를 생성하고; 그리고
    f) 상기 검출 신호가 임계값 레벨을 초과한 후 시간 지연 내에 상기 Q-스위치 레이저 결정에 대한 상기 레이저 펌프 방사를 소거하여, 상기 레이저 펄스를 소거하는, 무전극 고휘도 플라즈마 광원을 점화시키는 방법.
  36. 청구항 35에 있어서,
    상기 생성된 검출 신호는 상기 플라즈마 광의 파워를 나타내고, 상기 임계값 레벨은 동작 파워에 대한 상기 플라즈마 광의 상기 파워의 원하는 비율인, 무전극 고휘도 플라즈마 광원을 점화시키는 방법.
  37. 청구항 35에 있어서,
    상기 항복 영역과 상기 CW 플라즈마 영역은 공간적으로 중첩되어 있는, 무전극 고휘도 플라즈마 광원을 점화시키는 방법.
  38. 청구항 35에 있어서,
    상기 항복 영역과 상기 CW 플라즈마 영역은 물리적으로 분리되어 있는, 무전극 고휘도 플라즈마 광원을 점화시키는 방법.
  39. 청구항 35에 있어서,
    상기 시간 지연은 상기 레이저 펄스의 1펄스 주기보다 작은, 무전극 고휘도 플라즈마 광원을 점화시키는 방법.
  40. 청구항 35에 있어서,
    상기 레이저 펄스의 펄스 에너지는 50μJ 내지 500μJ 범위 내에 있는, 무전극 고휘도 플라즈마 광원을 점화시키는 방법.
  41. 청구항 35에 있어서,
    상기 레이저 펄스의 펄스 에너지는 500μJ 내지 5mJ 범위 내에 있는, 무전극 고휘도 플라즈마 광원을 점화시키는 방법.
  42. 청구항 35에 있어서,
    상기 레이저 펄스의 펄스 지속 기간은 0.1ns 내지 10ns 범위 내에 있는, 무전극 고휘도 플라즈마 광원을 점화시키는 방법.
  43. 청구항 35에 있어서,
    상기 CW 지속광의 파워는 5W 내지 1500W 범위 내에 있는, 무전극 고휘도 플라즈마 광원을 점화시키는 방법.
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