KR20240054342A - 광학 펌프 소스를 균일화하는 씬디스크 레이저 시스템 - Google Patents

Abstract

레이저 다이오드 모듈을 갖는 씬디스크 레이저 헤드의 직접 펌핑을 위한 빔 성형 광학 시스템. 본 발명은 레이저 시스템에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 다이오드 펌핑 레이저 시스템에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 본 발명은 레이저 헤드가 섬유 케이블에 의해 레이저 다이오드 펌핑 소스에 결합되는 레이저 다이오드 펌핑 씬디스크 레이저에 관한 것이다.

Description

광학 펌프 소스를 균일화하는 씬디스크 레이저 시스템

본 발명은 휴대용 레이저 시스템에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 바람직하게는 레이저 다이오드 스택에 의해 펌핑되는, 불균일하게 펌핑된 씬디스크(thin disk) 레이저 시스템에 관한 것이다. 바람직한 실시예에서, 본 발명은 얇은 증폭 디스크를 포함하는 레이저 헤드가 불균일한 펌프 빔을 전달하는 레이저 다이오드 펌핑 소스에 결합되고, 시스템이 펌프 빔을 균일화하는 레이저 다이오드 펌핑 씬디스크 레이저에 관한 것이다.

씬디스크 레이저는 다이오드 펌핑 방식의 고출력 솔리드-스테이트 레이저이다. 이득 매질은 씬디스크로, 두께가 직경보다 상당히 작다. 이러한 기하학적 구조는 디스크 전체 표면의 효율적인 냉각을 가능하게 하며 1D 열 흐름(1D-heat flow)을 통해 균일한 온도 프로파일을 제공하므로 자체 위상 변조(self-phase modulation(SPM)) 또는 자체 초점 조정(self-focusing(SF))과 같은 낮은 열 렌징(low thermal lensing) 및 비선형 효과가 발생한다. 디스크의 두께가 얇기 때문에 일반적으로 단일 또는 이중 패스만 사용할 경우 펌프 흡수가 비효율적으로 발생한다. 이 문제는 일반적으로 파라볼릭 미러와 프리즘 역반사기를 포함하는 잘 설계된 광학 설정을 사용할 때 소형으로 만들 수 있는 다중 경로 펌프 배열을 사용하여 해결된다. 이러한 배열은 펌프 빔 품질에 대한 지나치게 엄격한 요구사항 없이 디스크를 통한 펌프 방사선의 복수 통과를 용이하게 배열하는 것을 허용한다.

레이저 디스크는 다이오드 펌핑 소스에서 분리되며, 펌핑 광은 광섬유에 의해 레이저 헤드로 전달된다. 레이저 헤드는 펌핑 광과 그 흡수를 수용하기 위한 상기한 씬디스크를 포함한다. 기본 구조는 펌프 빔을 생성하는 다이오드 펌핑 소스(1)를 도시하는 도 1에 도시되어 있으며, 다이오드 펌핑 소스(1)는 광케이블(2)을 통해 펌핑 챔버에 연결된다. 펌프 빔은 펌프 빔 흡수를 위한 씬디스크(5)에 대한 빔 반사를 위해 시준 렌즈(3)와 파라볼릭 미러(4)로 향한다. 씬디스크(5)는 히트 싱크(6)에 연결된다. 펌핑 챔버에는 펌프 빔을 받아 반사시키는 반사경(7)이 구비된다. 펌프 빔의 최종 통과가 끝나면 레이저 빔(8)은 씬디스크에 거의 완전히 흡수된다.

광섬유(2)는 원형 단면을 갖는다. 그러나 파라볼릭 미러(4)에서 처음 반사된 후의 씬디스크 상의 펌프 스폿 형상은 타원형이고 파라볼릭 미러(4)에 의해 도입된 수차(aberrations)로 인해 약화된다. 파라볼릭 미러에서 반사된 후의 실제적인 타원형 펌프 스폿 형상(10)이 도 2에 도시되어 있으며, 여기에는 파라볼릭 미러(4) 대신 구면 포커싱 렌즈를 사용하는 경우 얻을 수 있는 이상적인 원형 모양(11)도 또한 도시되어 있다. 도 2에 도시된 바와 같이 제시된 스케일은 어떠한 제한도 나타내지 않는다. 이는 도 3a에 도시된 바와 같이 제공될 수 있는 실시예의 간단한 예이다. 도 3b에 도시된 것처럼 타원형 빔이 펌핑 챔버를 통해 전파될 때, 다중 반사 후 타원형의 약화된 빔의 중첩으로 인해 준원형 펌프 스폿 모양이 나타나고 단면은 도 3c에 개략적으로 도시된 바와 같이 펌프 스폿의 상당한 약화(decline)와 번진(smeared) 에지를 나타낸다.

DE 10 2017 108 936 A1은 균일한 빔을 씬디스크에 전달하기 위한 레이저 시스템을 개시하며, 펌프 소스는 불균일한 펌프 빔을 제공하는 레이저 다이오드의 스택이다. 위에서 언급한 해결책에 따른 레이저 시스템은 씬디스크에 균일화된 빔을 전달할 수 있으며, 여기서 펌프 빔은 증폭된다. 그러나 시스템은 쉽게 제조되지 않는 복수의 마이크로렌즈를 포함하며, 더욱이 마이크로렌즈는 정렬에 대한 추가 요구사항을 필요로 한다.

펌프 빔의 증폭이 효율적이고 또한 균일하도록 씬디스크를 포함하는 레이저 헤드로 전달되는 균일한 강도를 갖는 바람직하게는 원형 스폿을 갖는 톱 해트(top hat) 빔 스폿을 제공하는 것이 일반적인 기술적 요구이다. 따라서, 본 발명의 목적은 불균일한 강도, 바람직하게는 원형 빔 프로파일을 보상하는 빔 성형 시스템을 제공하는 것이다. 동시에, 본 발명은 특히 렌즈나 프리즘과 같은 광학 요소와 관련하여 광학 빔 정렬 문제를 극복해야 하며 솔루션에 포함된 모든 광학 요소의 정밀도에 대한 요구 사항은 가능한 한 적어야 할 것이다.

전술한 기술적 과제는 본 출원에 첨부된 독립항에 기재된 본 발명에 의해 해결된다.

첫 번째 양상에서, 본 발명은 강도 측면에서 광학 펌프 빔을 형상화하고 균일화할 수 있는 레이저 시스템에 관한 것이다. 시스템은 균일화된 펌프 광학 빔을 레이저 헤드, 특히 펌프 빔을 증폭하는 씬디스크에 제공한다. 펌핑된 광학 빔의 소스는 예를 들어 레이저 다이오드 스택으로부터의 펌프 빔과 같은 직사각형 또는 정사각형 프로파일의 빔과 같은 불균일한 광학 빔이며, 본 발명에 따른 시스템은 균일한 빔 스폿을 씬디스크에 전달하고 레이저 출력으로서 원형 스폿을 전달한다. 시스템은 청구항 1에 의해 정의된다.

시스템은:

- 광학 강도 측면에서 불균일한 광학 빔을 생성하기 위한 소스로서, 불균일한 광학 빔은 반드시 배타적이지는 않지만, 예를 들어 레이저 다이오드 스택으로부터의 직사각형 또는 정사각형 빔 형상과 같은 비원형 형상의 프로파일일 수 있는 소스;

- 불균일한 광학 빔을 수신하는 단일 피스의 빔 분할 및 회전 프리즘으로서, 상기 빔 분할 및 회전 프리즘은 더 긴 광학 경로를 제공하는 제1 부분과 더 짧은 광학 경로를 제공하는 제2 부분을 갖고,

- 상기 빔 분할 및 회전 프리즘은 불균일한 광학 빔을 두 부분으로 분할하도록 구성되며, 제1 부분은 더 긴 광학 경로를 통해 전파되고, 제2 부분은 더 짧은 광학 경로를 통해 전파되며,

- 상기 빔 분할 및 회전 프리즘은 각 부분을 동일한 방향 및 동일한 각도로 회전시키도록 구성되는, 빔 분할 및 회전 프리즘;

- 상기 빔 분할 및 회전 프리즘으로부터 빔의 두 부분을 수신하고; 및 이를 균일화기로 포커싱하고; 그럼으로써 균일화된 광학 펌프 빔을 제공하는 포커싱 수단; 및

- 상기 균일화기로부터 균일화된 광학 빔을 수신하고, 씬디스크를 포함하고, 균일화된 광학 빔은 씬디스크 상으로 지향되는, 레이저 헤드를 포함한다.

빔 분할 및 회전 프리즘과 광학 빔 균일화기의 결합은 레이저 헤드에 포함된 씬디스크 상으로 전달되는 균일화된 광학 빔 스폿을 제공한다. 회전을 반복하고 다수의 다각형 스폿을 중첩함으로써 바람직하게는 원형에 가까운 펌프 스폿 형상을 씬디스크 상에서 얻을 수 있다. 일부 실시예에서, 빔 분할 및 회전 프리즘은 균일화기로의 결합 효율을 증가시키기 위해 레이저 빔용 펌프 빔으로 적합한 광학 빔의 종횡비를 줄일 수 있다. 또한, 본 발명은 손으로 조작할 수 있는 휴대용 시스템으로 제작이 가능하다. 또한 단일 피스의 빔 분할 및 회전 프리즘으로 인해 마이크로렌즈의 정렬 및 정밀도에 대한 기술적 문제가 극복된다. 또한 단일 피스의 빔 분할 및 회전 프리즘은 예를 들어 광학 테이블의 서로 다른 위치에 배치된 복수의 프리즘이 필요한 솔루션과 관련된 빔 정렬 문제를 극복한다.

균일화기로 빔을 펌핑하기에 적합한 불균일한 광학 빔을 생성하는 소스는 다이오드 스택에 저장된 복수의 레이저 다이오드, 복수의 다이오드 스택, 복수의 다이오드 모듈 또는 복수의 추가 레이저 빔일 수 있다. 광학 빔은 강도가 불균일하지만 공간적으로 광학 펌프 빔을 생성하는 소스와 이 광학 빔을 수신하는 빔 분할 및 회전 프리즘 사이에서 시준될 수 있으며, 일부 실시예에서는 수직 발산 <1° 및 수평 발산 <5°를 갖는다. 바람직한 실시예에서, 빔은 강도가 불균일할 수 있지만 원형, 정사각형 또는 직사각형으로 배열된 복수의 레이저 다이오드와 같은 불균일한 광학 펌프 빔을 생성하는 소스와 회전된 펌프 빔을 수신하고 이를 다각형 또는 타원형 균일화기로 포커싱하며, 수직 발산 <1.8° 및 수평 발산 <3.6°를 갖는 포커싱 수단 사이에서 공간적으로 시준될 수 있다. 불균일한 광학 빔을 생성하는 소스의 바람직한 실시예는 청구항 2에 의해 정의된다. 가장 바람직한 실시예는 그 스택에서의 배열로 인해 함께 직사각형 엔벨로프 또는 정사각형 엔벨로프를 형성하는 레이저 다이오드와 같은 복수의 타원형 또는 원형 빔을 포함하는 불균일한 광학 빔을 생성하는 소스이다.

빔 분할 및 회전 프리즘은 두 부분을 갖는 단일 피스의 프리즘이다. 제1 부분은 더 긴 광학 경로를 제공한다. 제2 부분은 더 짧은 광학 경로를 제공한다. 두 부분 모두 투명 유리와 같은 동일한 재질로 만들어진다. 불균일한 광학 빔은 빔 분할 및 회전 프리즘의 전면에서 수신될 때 두 부분으로 분할된다. 전반부는 더 긴 광학 경로를 통해 전파된다. 후반부는 더 짧은 광학 경로를 통해 전파된다. 그런 다음 두 부분 모두 직각으로 두 번 반사되어 제1 부분과 제2 부분이 서로에 대해 반전된 모양과 강도 분포를 갖는다. 빔 분할 및 회전 프리즘의 뒤쪽에서 빔은 여전히 불균일하지만, 두 배로 늘어나고 절반은 뒤집혀져 각각 다른 부분에 대해 반전된다.

바람직한 실시예에서, 포커싱 수단은 2개의 원통형 렌즈이고, 여기서 제2 렌즈 방향은 제1 렌즈에 직교하고, 초점 거리는 빔 분할 및 회전 프리즘으부터 방출되는 빔의 크기에 기초하여 균일화기의 개구수 내에 맞도록 선택된다.

균일화기는 표면에 고반사 코팅이 제공되고 불균일한 광학 펌프 빔을 다중 반사하여 레이저 로드 끝에서 빔이 완전히 균일화되는 광학 투명 레이저 로드이다. 이러한 균일화기는 종래 기술, 예를 들어 선행 기술 부분에 인용된 문서로부터 알려져 있다. 바람직한 실시예에서, 균일화기는 다각형, 훨씬 더 바람직하게는 비대칭 기하학적 구조를 갖는 팔각형 균일화기이며, 여기서 수직 및 수평 단면 치수는 파라볼릭 미러의 수차에 의해 도입된 수직 및 수평 평면의 배율 차이를 보상하도록 구성된다.

더욱 바람직한 실시예에서, 시스템은 복수의 레이저 다이오드 스택 사이에 배치된 아나모픽 프리즘 쌍을 더 포함하며, 바람직하게는 큰 직사각형 모양의 방출 영역과 빔 분할 및 회전 프리즘을 갖는다. 아나모픽 프리즘 쌍을 사용하면 불균일한 광학 빔의 크기를 줄이고 불균일한 광학 빔을 거의 정사각형 모양으로 변환하고 빔을 빔 분할 및 회전 프리즘에 맞출 수 있다.

더욱 바람직한 실시예에서, 시스템은 불균일한 광학 빔의 복수의 소스를 포함한다. 불균일한 광학 빔의 적어도 2개의 소스는 더 높은 펌핑 파워를 제공하므로, 레이저 헤드에서 방출되는 레이저 빔의 더 높은 펌핑 파워를 제공한다.

더욱 바람직한 실시예에서, 시스템은 복수의 레이저 다이오드 스택과 빔 분할 및 회전 프리즘 사이에 위치된 바 미러 어레이를 더 포함한다.

보다 바람직한 실시예에서, 시스템은 복수의 레이저 스택과 빔 분할 및 회전 프리즘 사이에 배치된 편광기를 더 포함한다. 더욱 바람직한 실시예에서, 반파장 판이 레이저 다이오드 스택 앞에 삽입된다. 이러한 배열을 통해 두 개의 편광 빔을 하나의 보다 강력한 빔으로 결합할 수 있다.

더욱 바람직한 실시예에서, 시스템은 복수의 레이저 다이오드 스택과 빔 분할 및 회전 프리즘 사이에 배치된 바 미러 어레이를 더 포함한다. 이러한 배열은 레이저 다이오드 스택 중 하나에서의 바에서 방출되는 빔을 두 번째 레이저 다이오드 스택의 방출 방향으로 반사함으로써 빔을 하나의 보다 강력한 빔으로 결합할 수 있게 한다.

더욱 바람직한 실시예에서, 시스템은 <0.5°의 고속 축 발산 및 <4°의 저속 축 발산을 제공하는 고속 및 저속 축 콜리메이터를 갖는 레이저 다이오드 스택 모듈을 더 포함한다.

본 발명의 대안적인 실시예는 불균일 펌프 소스로부터 광학 펌프 빔을 균일화하고 균일화된 펌프 빔을 증폭하는 씬디스크 활성 매체를 포함하는 레이저 헤드에 균일한 펌프 빔을 전달하는 레이저 시스템이다.

시스템은:

- 광학 강도 측면에서 불균일한 광학 빔을 생성하는 복수의 소스;

- 빔 분할 및 시준 수단으로서,

- 복수의 소스로부터 불균일한 광학 빔을 수신하는 고속 축 콜리메이터;

- 고속 축 콜리메이터로부터 광학 빔을 수신하는 빔 트위스터; 및

- 빔 트위스터로부터 불균일한 광학 빔을 수신하는 저속 축 콜리메이터를 포함하는 빔 분할 및 시준 수단; 및

- 빔 분할 및 시준 수단으로부터 빔을 수신하고; 및 이를 균일화기로 포커싱하고; 그럼으로써 균일화된 광학 펌프 빔을 제공하는 포커싱 수단; 및

- 균일화기로부터 균일화된 광학 빔을 수신하고, 씬디스크를 포함하고, 균일화된 광학 빔은 씬디스크 상으로 지향되는, 레이저 헤드를 포함한다.

다른 실시예에서, 팔각형 균일화기는 팔각형 전면 치수를 갖는다: 폭 1.3mm, 높이 1.6mm, 45도에서 모따기 0.4mm; 펌프 파워의 경우 최대 1kW의 평균 파워.

다른 실시예에서, 팔각형 균일화기는 80-100 mm 범위의 길이를 갖는다.

또 다른 실시예에서, 팔각형 균일화기는 100-120 mm 범위의 길이를 갖는다.

또 다른 실시예에서, 팔각형 균일화기는 120-150 mm 범위의 길이를 갖는다.

위에서 언급한 실시예는 모든 산업 응용 분야, 특히 절단, 에칭, 어닐링, 용접, 드릴링, 납땜, 고온 플라즈마 생성, 입자 가속 또는 과학 도구로서 무제한적으로 사용될 수 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 펌핑 챔버에 위치한 씬디스크를 포함하는 다이오드-펌핑 솔리드-스테이트 레이저의 개략도를 나타낸다.
도 2는 종래 기술에 따른 파라볼릭 미러로부터의 반사 결과로서 렌즈 기반 시스템으로부터의 최적의 원형 펌프 스폿과 타원형 빔 사이의 차이를 개략적으로 나타낸다.
도 3a - 3d는 펌프 파이버 팁 끝에서부터-이전 기술(a), 파라볼릭 미러로부터의 제1 반사를 통해(b) 파라볼릭 미러로부터의 모든 반사가 중첩된 위치(c)로의 빔 전파를 보여주는 종래 기술에 따른 레이저 시스템을 기반으로 한 시뮬레이션 결과를 나타내는 것으로. 여기서(d)는 최종 펌프 스폿 구조의 단면을 보여준다.
도 4는 균일화기의 끝에서부터-본 발명(a), 파라볼릭 미러로부터의 제1 반사를 통해(b) 파라볼릭 미러로부터의 모든 반사가 겹쳐진 위치(c)로의 빔 전파를 보여주는 본 발명에 따른 레이저 시스템에 기초한 시뮬레이션 결과를 나타내는 것으로, 여기서 (d)는 최종 펌프 스폿 구조의 단면을 보여준다.
도 5는 본 발명의 실시예를 개략적으로 나타낸다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 빔 분할 프리즘에 대한 상세도를 나타낸다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 균일화기에서의 펌프 빔 단면 강도 변화의 시뮬레이션을 나타낸다.
도 8은 펌프 빔이 펌핑 챔버로 향하는 본 발명에 따른 균일화기를 개략적으로 나타낸다. 도 5에는 균일화기 끝 부분과 씬디스크 상에 빔 프로파일의 표시가 수반된다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따라 씬디스크에서 다중 반사로 빔 분할 및 회전 프리즘, 균일화기 및 펌핑 챔버를 통해 전송한 후의 펌프 빔 프로파일의 시뮬레이션을 나타낸다.
도 10a 및 도 10b는 도 5의 실시예의 출력으로서 시뮬레이션된 최종 펌프 스폿 크기의 단면을 나타낸다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 아나모픽(anamorphic) 프리즘 쌍을 더 포함하는 개선된 실시예를 개략적으로 나타낸다.
도 12는 도 11에 따른 제2 실시예의 단면을 개략적으로 나타내며, 펌프 빔 경로가 개략적으로 도시되어 있다.
도 13은 본 발명의 제3 실시예에 따라 바 미러 어레이 및 400W 레이저 빔을 제공하는 두 개의 다이오드 스택을 갖춘 파워 스케일링 장치에 관한 추가적인 개선된 실시예를 나타낸다.
도 14는 두 개의 다이오드 스택과 펌핑 빔의 전파를 갖는 도 13에 도시된 실시예의 평면도를 나타낸다.
도 15는 도 14의 실시예에 따라 박막 편광기, 반파장판 및 400W 레이저 빔을 제공하는 2개의 다이오드 스택을 갖는 파워 스케일링 장치에 관한 추가 실시예를 나타낸다.
도 16은 도 15의 실시예에 대한 평면도를 나타낸다.
도 17은 빔 균일화에 대한 대안적인 실시예를 나타낸다.
도 18은 도 17의 대안적인 실시예에 대한 상세도를 나타낸다. 특히, 도 18은 고속 축 콜리메이터(FAC), 빔 트위스터(BT) 및 저속 축 콜리메이터(SAC)를 갖는 레이저 다이오드를 포함하는 본 발명에 따른 실시예를 나타낸다.
도 19는 빔의 직사각형 엔벨로프가 표시된 레이저 다이오드 스택의 4개 다이오드 바에서 나오는 강도 빔 분포를 나타낸다.
도 20은 본 발명에 사용되는 팔각형 균일화기의 개략도를 나타낸다.

다음 설명은 균일화되고 성형된 광학 빔을 제공할 수 있는 시스템의 예시적인 실시예를 제공하기 위해 제시된다. 상기한 광학 빔은 레이저 빔을 방출하는 레이저 헤드, 특히 직접적인 레이저 다이오드 펌핑을 갖춘 콤팩트하고 견고한 레이저 헤드로 향하는 펌프 빔으로 사용될 수 있다. 펌핑 광학 빔은 레이저 다이오드 스택과 같은 복수의 광학 소스에 의해 방출되어 광학 강도 측면에서 불균일한 광학 빔을 생성한다. 레이저 다이오드 스택의 경우 최종 엔벨로프는 레이저 다이오드 스택의 형상에 따라 직사각형 또는 정사각형이 될 수 있다. 예를 들어 톱햇(top-hat) 빔과 같은 균일한 빔을 레이저 헤드에 전달하는 것이 일반적인 요구이다. 본 발명의 주요 장점은 레이저 시스템의 휴대성과 시스템 내에서 특수 광학 요소를 정렬할 필요 없이 시스템을 쉽게 설치할 수 있다는 점이다.

첫 번째 예에서, 발명자는 레이저 다이오드 스택을 갖는 씬디스크 레이저 헤드의 직접 펌핑을 제안하며, 이는 수많은 이점을 제공한다. 첫째, 섬유 결합 레이저 다이오드로부터의 펌프 광을 씬디스크 레이저 헤드로 전달하는 데 일반적으로 사용되는 광섬유가 없기 때문에 견고성과 신뢰성이 크게 향상된다. 이러한 광섬유는 산업용 씬디스크 레이저의 경우 레이저에서 나오는 섬유가 섬유 결합 레이저 다이오드로 레이저 캐비닛에 연결되는 고객 현장에서 부분적으로 수행되는 설치 중에 특히 주의 깊은 취급이 필요하다(두 모듈 모두는 운송 및 설치 공정을 위해 분리되어야 함). 이러한 설계로 인해 연결 시 고출력 섬유의 끝 부분이 손상될 위험이 항상 존재한다.

둘째, 광섬유가 없고 가격이 비싸고 복잡한 섬유 결합 레이저 다이오드 모듈 대신 저렴한 레이저 다이오드 스택을 직접 사용할 수 있기 때문에 씬디스크 레이저의 비용을 크게 줄일 수 있다.

또 다른 중요한 개선 사항은 빔 펌핑 소스의 서비스가 더 간단해진다는 것이다. 다이오드와 시준 광학 장치(collimation optics)가 분리되어 있으므로 결함이 있는 레이저 다이오드 스택만 교체하는 것이 가능하다. 반면, 현재의 섬유 결합 레이저 다이오드 모듈은 일반적으로 전체 모듈의 서비스 수리가 필요하며, 레이저 다이오드 스택 교환의 경우 섬유 결합 광학 장치를 다시 정렬해야 하므로 전체 수리가 더욱 복잡해진다.

또한 이 솔루션은 넓은 범위의 펌핑 파장에서 사용할 수 있는 적절한 레이저 다이오드 스택을 선택하기만 하면 서로 다른 이득 재료의 경우 다른 펌핑 파장을 사용할 수 있기 때문에 추가적인 이점을 제공한다. 게다가 광섬유가 없기 때문에 더 많은 펌핑 파장을 고려할 수 있는데, 이는 이 구성 요소가 더 이상 2μm 범위 레이저에 중요한 제한 사항이 아니기 때문이다.

표준형 섬유 펌프 레이저 헤드의 경우 섬유에서 나오는 펌프 빔은 원형이며(도 3a) 레이저 헤드의 파라볼릭 미러에서 반사된 후 파라볼릭 미러의 수차로 인해 변형되고, 씬디스크 상의 스폿은 타원형이 되고 단면에서 약화되며(declined) 중심에서 벗어난다(도 3b). 이 타원형 빔이 펌핑 챔버를 통해 전파되면 여러 번 반사된 후 타원형의 약화된 빔이 중첩되어 준원형 펌프 스폿 모양이 되고(도 3c) 도 3d의 시뮬레이션 결과에서 볼 수 있듯이 단면은 펌프 스폿의 상당한 약화와 에지의 번짐을 나타낸다. 본 발명에서, 발명자들은 파라볼릭 미러의 수차를 보상하여 균일화기(homogenizer)의 출력에서의 빔은 파라볼릭 미러로부터 반사된 후 씬디스크에서 대칭이 되는(도4b) 타원형 형태(도4a)를 갖는다. 이 빔이 펌핑 챔버를 통해 전파되면 여러 번 반사된 후 빔이 중첩되어 원형 펌프 스폿 형상이 되고(도 4c) 단면은 섬유 펌핑된 솔루션과 비교하여 펌프 스폿 모양의 상당한 개선을 보여준다(도 4d).

도 5는 본 발명의 실시예의 상세도를 나타낸다. 특히, 도 5는 불균일한 광학 빔(11)을 생성하는 소스(1)를 도시한다. 불균일한 광학 빔(11)은 예를 들어 도 19에 도시된 바와 같이 서로 다른 강도 프로파일을 갖는다. 이러한 강도 분포는 직사각형 모양의 레이저 다이오드 스택(1)의 복수의 다이오드 배열에 의해 제공될 수 있다. 도 5는 소스(1), 특히 레이저 다이오드 스택(1)으로부터 불균일한 광학 빔(11)을 수신하는 단일 피스의 빔 분할 및 회전 프리즘(2)을 더 도시한다. 불균일한 빔(11)의 소스(1)는 940nm 파장에서 평균 파워 200W를 전달하는 4개의 바(바 당 19개의 이미터(emitter))를 갖는 레이저 다이오드 스택을 포함할 수 있다. 출력 빔은 고속(fast) 및 저속(slow) 축 콜리메이터(axis collimator)로 시준된다. 그 후, 빔은 도 5와 같이 두 개의 원통형 렌즈 세트에 의해 반으로 분할되고 90도 회전된 후 팔각형 균일화 로드에 포커싱된다. 빔 분할 및 회전 프리즘(2)은 빔(11)을 2개의 부분(201)으로 분할하고, 제1 부분은 더 긴 광학 경로를 통해 전파되고, 제2 부분(202)은 더 짧은 경로를 통해 전파되도록 구성된다. 프리즘(2)은 각 부분을 동일한 방향 및 동일한 각도로 회전시키도록 구성된다. 그러나, 광학 경로의 차이로 인해, 제1 부분(201)의 결과 빔(21)은 빔(21)의 제2 부분(202)에 대해 반전된다. 따라서, 빔(21)은 불균일한 빔(11)에 대해 두 배가 된다. 도 5는 초점 수단(3), 특히 2개의 원통형 렌즈(3, 4)를 도시하며, 여기서 제2 렌즈(4) 방향은 제1 렌즈(3)에 직교하고, 초점 거리는 빔 분할 및 회전 프리즘(2)에서 방출되는 빔의 크기를 기반으로 균일화기의 개구수(numerical aperture) 내에 맞도록 선택된다. 도 5는 상기 인용 문헌에 개시된 바와 같은 종래 기술에 따른 균일화기일 수 있는 균일화기(5)를 더 도시한다. 균일화기(5)에서 나오는 광학 빔은 완전히 균일화되어 펌프 빔 증폭을 위한 씬디스크를 포함하는 레이저 헤드에 포커싱될 준비가 되어 있다. 레이저 헤드(7)에 대한 포커싱은 종래 기술의 포커싱 수단(6)에 의해 제공될 수 있다.

도 6은 불균일 펌프 광학 빔(11)을 수신하는 빔 분할 및 회전 프리즘(2)에 대한 상세도이다. 도 6은 특히 짧은 광학 경로와 긴 광학 경로를 제공하는 두 부분(201, 202)을 보여주는 빔 분할 및 회전 프리즘(2)의 구성도를 개시하며, 여기서 광학 경로는 선으로 표시된다. 빔 분할 및 회전 프리즘은 두 부분을 갖는다. 빔 분할 및 회전 프리즘은 크리스탈이나 유리와 같은 단일 재료로 제조된다. 제조방법은 부품을 별도로 제작한 후 결합하는 방식일 수 있다. 제1 부분은 더 긴 광학 경로를 제공하므로 저속 축에 해당한다. 제2 부분은 빔 분할 및 회전 프리즘의 제1 부분에 비해 더 짧은 광학 경로를 제공한다. 이 도면에서 볼 수 있듯이 빔(21)은 포커싱 수단(3), 한 쌍의 원통형 렌즈(3, 4)를 통해 더 전파되고, 그런 후 빔(32), 각각(41)이 균일화기(5)로 전파한다.

본 발명으로 획득된 원형의 균일한 펌프 스폿 구조는 도 7의 시뮬레이션 결과에 나타나 있다. 이 고품질 펌프 스폿 형상은 단일 모드(TEM00) 체제에서 동작하는 고출력 씬디스크 레이저의 성능에 중요하다. 특히 도 7은 빔 균일화기(5)를 통한 다중 반사에 의한 빔 균일화 프로세스를 나타낸다.

도 8은 포커싱된 균일화된 펌프 빔(61)을 레이저 헤드(7)로 전송하는 지면의 추가 포커싱 수단(6)에 의해 수신되는 균일화기(5)로부터 출력된 펌프 빔(51)을 개시한다. 레이저 헤드(7)는 빔(61)을 씬디스크로 전송하는 복수의 미러를 포함할 수 있다. 씬디스크와 레이저 헤드(7) 및 펌프 빔 증폭 과정은 종래 기술로 알려져 있다.

도 9는 본 발명에 따른 시스템으로부터 얻을 수 있는 증폭된 균일한 빔의 시뮬레이션 결과를 나타낸다.

도 10a 와 10b는 도 9의 빔 스폿의 단면이다 .

도 11은 빔 분할 및 회전 프리즘(2)과 레이저 스택(1) 사이에 위치된 한 쌍의 아나모픽 프리즘(8)을 개시한다.

도 12는 도 11에 도시된 실시예의 평면도이다.

본 발명의 펌핑 파워를 증가시키기 위해, 본 발명의 추가 실시예에 통합되는 세 가지 접근 방식이 있다. 특정 실시예에서, 많은 수의 다이오드 바를 갖는 레이저 다이오드 스택이 사용될 수 있다. 레이저 다이오드의 방출 영역이 증가하기 때문에, 도 11 및 12에 도시된 빔 분할 및 회전 프리즘에 맞도록 아나모픽 프리즘 쌍(8)이 빔 크기를 줄이기 위해 사용될 수 있다.

또 따른 파워 업스케일링 방법은 도 13 및 14에 도시된 바와 같이, 제2 (또는 그 이상의) 다이오드 스택의 빔을 동일한 방향으로 편향시키기 위해 바 미러 어레이(11)를 사용하여 두 개(또는 그 이상)의 레이저 다이오드 스택을 빔 결합하는 것이다.

또한, 박막 편광기(12)와 반파장판(91)을 사용하여 2개 (또는 그 이상)의 다이오드 스택으로부터의 다중 빔을 결합하는 것도 가능한데, 여기서 제2 (또는 그 이상의) 다이오드 스택으로부터 나오는 빔은 도 15 및 16에 도시된 바와 같이, 분극의 변화에 의해 제1 다이오드 스택으로부터 나오는 빔으로 결합된다. 불균일한 빔(102, 101)은 함께 결합된다.

위에서 언급한 파워 확장 방법을 사용하면 kW 수준의 펌핑 파워를 얻을 수 있다.

본 발명의 대안적인 실시예가 도 17 및 18에 도시되어 있다. 불균일한 펌프 소스(1)로부터 광학 펌프 빔을 균일화하고, 균일화된 펌프 빔을 증폭시키는 씬디스크 활성 매체를 포함하는 레이저 헤드(7)에 균일한 펌프 빔을 전달하는 레이저 시스템으로서, 시스템은: 광학 강도 측면에서 불균일한 광학 빔을 생성하는 복수의 소스(1); 빔 분할 및 시준 수단(2')으로서: 복수의 소스(1)로부터 불균일한 광학 빔(11)을 수신하는 고속 축 콜리메이터(FAC); 고속 축 콜리메이터(FAC)로부터 광학 빔을 수신하는 빔 트위스터; 및 빔 트위스터로부터 불균일한 광학 빔(11)을 수신하는 저속 축 콜레메이터(SAC)를 포함하는, 빔 분할 및 시준 수단(2'); 및 빔 분할 및 시준 수단(2')으로부터 빔을 수신하고; 이를 균일화기(5)로 포커싱하고; 그럼으로써 균일화된 광학 펌프 빔(51)을 제공하는 포커싱 수단(301, 302); 및 균일화기(5)로부터 균일화된 광학 빔(51)을 수신하는 레이저 헤드(7)로서, 레이저 헤드(7)는 씬디스크를 포함하고, 균일화된 광학 빔(51)은 씬디스크 상으로 지향되는, 레이저 헤드(7)를 포함한다.

도 20은 크기와 함께 균일화기의 바람직한 실시예를 나타낸다.

1: 레이저 다이오드 스택
2: 빔 분할 및 회전 프리즘
3: 제1 렌즈
4: 제2 렌즈
5: 균일화기
6: 포커싱 수단
7: 레이저 헤드
8: 아나모픽 프리즘 쌍
9: 바 미러 어레이
10: 불균일 빔의 제2 소스 - 제2 다이오드 스택
11: 박막 편광기
12: 반파장판
FAC: 고속 축 콜레메이터
BT: 빔 트위스터
SAC: 저속 축 콜리메이터

Claims (10)

1. 불균일한 펌프 소스(1)로부터 광학 펌프 빔(11)을 균일화하고, 균일화된 펌프 빔(61)을 증폭시키는 씬디스크 활성 매체를 포함하는 레이저 헤드(7)에 상기 균일한 펌프 빔(61)을 전달하는 레이저 시스템으로서, 상기 레이저 시스템은:
   광학 강도 측면에서 불균일한 광학 빔(11)을 생성하는 소스(1);
   상기 불균일한 광학 빔(11)을 수신하는 단일 피스의 빔 분할 및 회전 프리즘(2) - 상기 빔 분할 및 회전 프리즘은 더 긴 광학 경로를 제공하는 제1 부분(201)과 더 짧은 광학 경로를 제공하는 제2 부분(202)을 가지며, 상기 빔 분할 및 회전 프리즘(2)은 상기 불균일한 광학 빔(11)을 두 부분으로 분할하도록 구성되며, 상기 제1 부분은 상기 더 긴 광학 경로를 통해 전파되고, 상기 제2 부분은 상기 더 짧은 광학 경로를 통해 전파되며, 상기 빔 분할 및 회전 프리즘(2)은 각 부분을 동일한 방향과 동일한 각도로 회전시키도록 구성됨 -;
   상기 빔 분할 및 회전 프리즘(2)으로부터 상기 빔의 두 부분(21, 31)을 수신하고, 그리고 이를 균일화기(5)로 포커싱하고, 그럼으로써 균일화된 광학 펌프 빔(51)을 제공하는 포커싱 수단(3, 4); 및
   상기 균일화기(5)로부터 상기 균일화된 광학 빔(51)을 수신하는 레이저 헤드(7)를 포함하고,
   상기 레이저 헤드(7)는 씬디스크를 포함하고, 상기 균일화된 광학 빔(51)은 상기 씬디스크 상으로 지향되는, 레이저 시스템.
2. 제1항에 있어서,
   불균일한 광학 빔(11)을 생성하는 상기 소스(1)는,
   정사각형 및/또는 직사각형 및/또는 원형의 스택으로 배열된 복수의 레이저 다이오드; 및/또는
   상기 불균일한 광학 펌프 빔(11)이 상기 빔 분할 및 회전 프리즘(2)으로 전달되도록 공간에 배열된 복수의 레이저 다이오드 스택(1, 10); 및/또는
   복수의 레이저 바; 및/또는
   복수의 레이저 이미터인, 레이저 시스템.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 균일화기(5)는 다각형 균일화기, 바람직하게는 비대칭 기하학적 구조를 갖는 팔각형 균일화기이고, 수직 및 수평 단면 치수는 파라볼릭 미러의 수차(aberration)에 의해 도입된 수직 및 수평 평면의 배율 차이를 보상하도록 구성되는, 레이저 시스템.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 포커싱 수단(3 및 4)은 2개의 원통형 렌즈이고, 상기 제2 렌즈(4) 방향은 상기 제1 렌즈(3)에 직교하고, 초점 길이는 상기 빔 분할 및 회전 프리즘(2)에서 방출된 상기 빔(21)의 크기에 기초하여, 상기 균일화기(5)의 개구수(numerical aperture) 내에 피팅되도록 선택되는 것인, 레이저 시스템.
5. 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 복수의 레이저 다이오드 스택(1, 10)과 상기 빔 분할 및 회전 프리즘(2) 사이에 위치된 아나모픽 프리즘 쌍(anamorphic prism pair)(8)을 더 포함하는 레이저 시스템.
6. 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 복수의 레이저 다이오드 스택(1, 10)과 상기 빔 분할 및 회전 프리즘(2) 사이에 위치된 바 미러 어레이(9)를 더 포함하는 레이저 시스템.
7. 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 복수의 레이저 다이오드 스택(1, 10)과 상기 빔 분할 및 회전 프리즘(2) 사이에 위치된 편광기(11)를 더 포함하는 레이저 시스템.
8. 제7항에 있어서,
   상기 복수의 레이저 다이오드 스택(1, 10)과 상기 편광기(11) 사이에 위치된 반파장판(12)을 더 포함하는 레이저 시스템.
9. 제7항 또는 제8항에 있어서,
   상기 복수의 레이저 다이오드 스택(1, 10)과 상기 빔 분할 및 회전 프리즘(2) 사이에 배치된 추가 바 미러 어레이(9)를 더 포함하는 레이저 시스템.
10. 불균일한 펌프 소스(1)로부터 광학 펌프 빔(11)을 균일화하고, 균일화된 펌프 빔(61)을 증폭시키는 씬디스크 활성 매체를 포함하는 레이저 헤드(7)에 상기 균일한 펌프 빔(61)을 전달하는 레이저 시스템으로서, 상기 레이저 시스템은:
    광학 강도 측면에서 불균일한 광학 빔(11)을 생성하는 복수의 소스(1);
    빔 분할 및 시준 수단(2')으로서:
    - 상기 복수의 소스(1)로부터 불균일한 광학 빔(11)을 수신하는 고속축 콜리메이터(fast axis collimator: FAC);
    - 상기 고속 축 콜리메이터(FAC)로부터 상기 광학 빔을 수신하는 빔 트위스터; 및
    - 상기 빔 트위스터로부터 상기 불균일한 광학 빔(11)을 수신하는 저속 축 콜레메이터(slow axis collimator: SAC)를 포함하는, 빔 분할 및 시준 수단(2'); 및
    상기 빔 분할 및 시준 수단(2')으로부터 상기 빔을 수신하고, 이를 균일화기(5)로 포커싱하고, 그럼으로써 균일화된 광학 펌프 빔(51)을 제공하는 포커싱 수단(301, 302); 및
    상기 균일화기(5)로부터 상기 균일화된 광학 빔(51)을 수신하는 레이저 헤드(7)를 포함하고,
    상기 레이저 헤드(7)는 씬디스크를 포함하고, 상기 균일화된 광학 빔(51)은 상기 씬디스크 상으로 지향되는, 레이저 시스템.