KR910004171B1 - 레이저 증폭기 버퍼 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

레이저 증폭기 버퍼

제 1 도는 본 발명의 원리에 따른 레이저 증폭기 버퍼(laser amplifier buffer)의 제 1 실시예를 도시한 도면.

제 2a, b 도는 제 1 도의 레이저 증폭기 버퍼의 동작을 도시한 도면.

제 3 도는 본 발명의 원리에 따른 레이저 증폭기 버퍼의 제 2 실시예를 도시한 도면.

제 4a, b 도는 제 3 도의 레이저 증폭기 버퍼의 동작을 도시한 도면.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

21,21' : 레이저 증폭기 버퍼 22 : 웨지(wedge)

23 : 전기-광학 편광 스위치 24 : 반사경

25 : 입사 레이저 빔(beam) 31 : 회전자

32 : 제 2 웨지 33 : 전압원

본 발명은 주로 레이저 증폭기 버퍼에 관한 것으로, 특히 2개의 편광 성분들을 갖고 있는 레이저 에너지를 전송하는 이중-통과 증폭기 체인(chain)내에 사용될 수 있는 레이저 증폭기 버퍼에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 레이저 발진기용 전기-광학 Q-스위치에 관한 것이다.

다수의 레이저 증폭기들을 사용하는 고이득 레이저 증폭기 시스템에서는, 초방사 레이징(superradiant lasing)을 방지하기 위해 증폭기들 사이에 버퍼가 필요하다. 이전의 버퍼 장치들은 주로 양측상의 편광기들 사이에 샌드위치된(sandwiched) 전기-광학 스위치를 사용하였다. 그러나, 이 장치들은 1개의 편광만을 통과시키는 식으로 동작한다. 그러므로, 이 장치들은 단일-통과 레이저 증폭기 체인과 함께 사용되지 못한다.

이중-통과 증폭기들은 2개의 통로로부터 증폭기 체인을 통해 개량된 에너지 추출을 제공한다. 그러나, 이중-통과 증폭기에서는 버퍼 장치가 2개의 편광을 전송해야 하는 레이저 증폭기의 전반사 반사경에 인접해 있어야 한다. 그러므로, 상술한 종래의 증폭기 버퍼들은 이중-통과 시스템에 사용될 수 없다.

전기-광학 스위치 또는 Q-스위치는 상태 밀도 반전이 증가되는 동안 발진기의 이득을 낮게 유지시키고, 상태 밀도 반전이 최대일 때 이득을 높은 값으로 스위치시키는 기술을 제공하기 위해 레이저 발진기에 사용된다. 이 기술은 높은 피크(peak) 전력에서 단일 펄스를 발생시킨다. 전기-광학 스위치 동작은 케르셀(kerr cell) 또는 포켈 셀(pockel cell) 등으로 달성될 수 있다. 그러나, 비편광 레이저 출력을 발생시키도록 이득을 2개의 편광 성분들에 대해 높게 스위치시키는 레이저 발진기에 전기-광학 Q-스위칭 장치가 사용되지 않았었다.

그러므로, 본 발명의 특징은 소정의 임의 편광의 레이저 에너지라도 각이 있게 스위치시킬 수 있고 이중-통과 레이저 증폭기 시스템에 사용될 수 있는 레이저 증폭기 버퍼를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 특징은 비편광 레이저 출력빔을 발생시키기 위해 레이저 에너지의 2개의 편광 성분들을 각이 있게 스위치시키는 레이저 Q-스위칭 장치를 제공하는 것이다.

본 발명에 따른 레이저 증폭기 버퍼는 임의 편광을 갖고 있는 증폭기 광학 축에 평행한 레이저 에너지를 수신하고 각이 있게 분리된 2개의 성분들을 전송하기 위해 광학 통로를 따라 배치되고 직교 선형 편광 상태를 갖고 있는 복굴절 물질의 웨지를 포함한다. 전기-광학 편광 스위치는 이중 통과중에 통과하는 2개의 성분들의 편광을 선택적으로 90°만큼 회전시키기 위해 광학 통로를 따라 배치된다. 각각의 성분의 선형 편광 에너지는 제 1 통과시에 원형 편광 에너지로 변환되고, 제 2 통과시에 90'만큼 회전된 선형 편광 에너지로 다시 변환된다. 스위치에 의해 전송된 레이저 에너지를 다시 스위치를 통해 반사시키기 위해 평면 반사경이 사용된다.

버퍼 장치는 임의 편광의 레이저 에너지를 수신하여 2개의 직교 편광을 갖고 있는 편광된 에너지를 전송한다. 편광된 성분들은 스위치가 턴 오프(off)될 때 버퍼 출구에서 선정된 각 만큼 각이 있게 편기되는 2개의 분리된 통로를 따라 전송된다. 편광된 성분들은 스위치가 턴온(on)될 때 버퍼 출구에서 거의 평행한 2개의 분리된 통로를 따라 전소된다. 그러므로, 입력 에너지 빔은 스위치가 턴온될 때 버퍼 장치를 이중-통과된 후 90°편광 회전되어 버퍼 출구에서 재형성된다.

레이저 증폭기 버퍼는 초방사 레이징을 방지하기 위해 이중-통과 증폭기 체인의 전반사 반사경에 사용될 수 있다. 버퍼가 턴오프되면(전압이 인가되지 않으면), 2개의 편광 성분들은 인입 에너지와 각이 있게 오배열된 증폭기를 따라 다시 반사된다. 이것은 증폭기 체인내의 초방사 레이징 동작을 방지시킨다. 버퍼가 턴온되면(전압이 인가되면), 편광 성분들은 서로 평행한 증폭기내로 다시 반사되므로, 조준된 빔이 버퍼에 인가될 때 증폭기내에 조준된 빔을 형성하게 된다.

부수적으로, 증폭기 버퍼는 비편광 출력 빔을 얻기 위해 Q-스위치로서 발진기 내에 사용될 수 있다. 발진기내에 사용될 때, 버퍼는 스위치가 오프될 때 레이징을 방지하고, 스위치가 온될 때, 2개의 편광의 레이징을 허용한다. 2개의 편광 성분들이 발진기의 단부 반사경에 관련해서 오배열되기 때문에 발진은 방지된다. 스위치가 온상태일 때, 2개의 단부 반사경은 2개의 편광 성분들에 대해 배열되므로, 2개의 편광들의 레이저 발진을 허용하게 된다.

레이저 증폭기 버퍼의 더 복잡한 변형예는 샌드위치된 형태로 형성된 제 1 복굴절 웨지 이외에도 제 2 복굴절 웨지 및 90°회전자를 부수적으로 사용할 수 있다. 이 형태는 레이저 빔 통로를 기하학적으로 신장시키고 더 넓은 빔 편향각을 제공하기 위해 사용된다.

이제부터 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 다수의 특징 및 장점들에 대해서 설명하겠다.

제 1 도를 참조하면, 본 발명에 따른 레이저 증폭기 버퍼(21)의 제 1 실시예가 도시되어 있다. 이 버퍼(21)은 복굴절 물질의 웨지(22) 및 전기-광학 편광 스위치(23)을 포함한다. 웨지(22)는 웨지 꼭지점에 평행한 광학 축을 갖고 있다. 스위치(23)의 전압 유도 고속 및 저속 축들은 웨지 꼭지점에 대해 45°기울어져 있다. 웨지(22) 및 스위치(23)은 레이저 발진기 또는 레이저 증폭기 체인 등의 과학 통로를 따라 배치되므로, 임의 편광의 레이저 광선을 포함하는 입사 레이저 빔(25)는 이 2개의 구성부품을 통해 전달된다. 부수적으로, 평면 반사경(24)가 웨지(22)와 대향한 스위치(23)에 인접하여 배치된다. 반사경(24)는 레이저 증폭기 체인 또는 발진기의 전반사 단부 반사경이다.

웨지(22)는 결정성 수정등으로 구성될 수 있고, 전기-광학 스위치(23)은 니오브화리튬(lithium niobate) 등으로 구성될 수 있다. 또한, 전기-광학 스위치(23)은 0 전압 또는 1/4파 전압을 스위치(23)에 선택적으로 인가시킬 수 있는 전압원(33)을 포함한다.

제 2a 도 및 제 2b 도를 참조하면, 동작시에, 레이저 증폭기 버퍼(21)은 이 버퍼(21)을 이중-통과하는 입사 레이저 빔(25)를 각이 있게 스위치시키는 식으로 동작한다. 이 설명을 하기 위해서, 버퍼(21)이 이중-통과증폭기 체인의 일부라고 가정한다. 예를들어, 입사 빔(25)는 선형 편광 광선일 수도 있다. 이 입사 레이저 빔(25)는 제 2a 도의 우측으로부터 웨지(22)상에 입사된다. 웨지(22)를 통과할 때, 빔(25)은 직교되어 있고 각이 있게 분리되어 있는 정상 및 이상 편광 성분들로 분리된다. 이 2개의 편광들은 제 1 도 및 제 2 도에 e 및 o광선으로 도시되어 있다. 이 광선들은 웨지 각과 웨지(22)의 복굴절의 함수인, △로 표시된 선정된 각 만큼 분리된다. 이 2개의 편광들은 전기-광학 스위치(23)을 통과하여 반사경(24)로부터 반사되고 스위치(23) 및 웨지(22)로 다시 반사된다.

제 2a 도는 스위치(23)이 턴오프될 때의 버퍼(21)의 동작을 도시한 것이다. 이 모우드에서, 2개의 직교 편광 광선은 버퍼(21)을 완전히 통과하는 동안 계속 편광 상태를 유지한다. 반사경(24)는 2개의 광선이 입사 빔(25)와 오배열된 버퍼(21)을 빠져나오도록 배열된다. 제 2b 도는 스위치(23)이 턴온될 때의 버퍼(21)의 동작을 도시한 것이다. 따라서, 전압원(33)은 1/4파 전압을 스위치(23)에 인가한다. 이 동작 모우드에서, 웨지(22)로부터의 정상 및 이상 광선들은 스위치(23)의 제 1 통과중에 원형 편광된다. 스위치(23)을 다시 통하는 제 2 통과는, 광선들이 다시 선형 편광되게 하지만 편광은 90°회전하게 된다. 그러므로, 웨지(22)를 통한 제 2 통과후에, 정상 광선은 이상 광선으로 되고 이상 광선은 정상 광선으로 된다. 이 2개의 광선들은 서로 평행하도록 웨지(22)에 의해 편향된다. 그러므로, 버퍼(21)에 입사되는 빔(25)의 2개의 편광 성분들은, 이 편광 성분들이 버퍼(21)을 빠져나갈 때 선형 편광 빔을 발생시키도록 결합된다. 배출되는 빔의 편광은 입사 편광에 대해 90°회전된다.

상기 설명은 입사 빔(25)가 선형 편광되었다고 가정하였다. 그러나, 입사 빔(25)는 다른 편광으로 되거나 비편광될 수도 있다.

따라서, 임의 편광의 입력 빔(25)가 우측으로 버퍼(21)상에 입사될 수 있다. 웨지(22)의 복굴절로 인해, 입력 빔(25)의 2개의 편광들(정상 및 이상 광선)은 웨지(22)를 통한 제 1 통과시에 각 △만큼 분리된다.

반사경(24)는 법선이 2개의 편광을 이등분하여 반사경(24)상의 2개의 편광들에 대한 입사각이 동일하고 정반대로 되도록 각이 있게 조정될 수 있다. 전기-광학 스위치(23)에 전압이 인가되지 않으면, 2개의 편광들은 동일하고 정반대인 각(△)만큼 입력 빔(25)와 오배열된 버퍼(21)을 빠져나온다. 1/4파 전압이 스위치(23)에 인가되면, 2개의 입사 편광들은 전기-광학 스위치(23)을 이중 통과하는 동안 90°만큼 변하므로 정반대의 편광을 웨지(22)로 재인입시키게 된다. 2개의 편광은 입력 빔(25)와 평행한 웨지(22)를 빠져나와, 초기 편광이 90°만큼 회전된 빔을 발생시키도록 재결합된다.

전형적으로, 이중-통과 증폭기 체인의 입력 레이저 빔(25)는 이에 관련된 단일 선형 수평 또는 수직 편광을 갖고 있다. 버퍼 전압이 온 상태로 되면, 입력 빔은 90°회전된 편광과 함께 증폭기내로 복귀된다. 이것은 출력 빔이 증폭기 체인의 입구 및 출구에 있는 박막 편광기와 같은 편광 스위치에 의해 입력 빔으로부터 분리되게 한다. 버퍼 전압이 온 상태로 스위치될 때까지, 2개의 편광들은 증폭기 체인이 초방사 레이징하지 못하도록 오정렬 된다.

제 3 도를 참조하면, 본 발명에 따른 레이저 증폭기 버퍼(21')의 제 2 실시예가 도시되어 있다. 이 실시예는 부수적으로 광학 통로를 따라 90°회전자(31) 및 제 2 복굴절 웨지(32)와 결합된 것을 제외하면, 제 1 도의 실시예와 거의 동일하다. 회전자(31) 및 제2웨지(32)는 복굴절 웨지(22)와 샌드위치 형태로 배열되어 있다. 제 2 웨지(32)는 웨지(22)에 관련해서 반전되어 있다. 웨지-회전자-웨지 샌드위치 형태는 점선 박스(box, 34)로 표시되어 있다. 이 특정한 실시예는 입력 빔 통로와 일렬로 배열하고 더 넓은 빔 편향 각(△)을 제공하도록 빔 통로를 기하학적으로 신장시키는데 사용될 수 있다.

제 4a 도 및 제 4b 도는 레이저 증폭기 버퍼(21')의 제 2 실시예의 동작 상태를 도시한 것인데, 제 4a 도는 버퍼(21')가 오프 상태로 된 경우이고 제 4b 도는 버퍼(21')가 온 상태로 된 경우이다. 제 4a 도 및 제 4b 도로부터 알 수 있는 바와 같이, 입사 직교 편광 빔은 스위치(23)이 오프상태일 때 오배열되고 스위치(23)이 온 상태일 때 배열된 버퍼(21')를 빠져나온다.

상술한 레이저 증폭기 버퍼(21,21')는 레이저 발진기 내에 Q-스위치로서 사용될 수도 있다. 이 버퍼는 발진기 공동의 한 단부에 사용될 수 있다. 활성 이득 매질은 버퍼(Q-스위치)가 오프 상태로 있는 동안 펌프(pump)된다. 버퍼는 출력 단부 반사경을 향해 전송될 때 2개의 편광 성분들을 오배열시키기 때문에, 레이저는 레이징하지 못하게 된다. 버퍼가 턴온될 때, 2개의 편광은 발진기의 발진축에 관련하여 배열되고, 2개의 편광의 레이저 방사선은 단부 반사경들 사이에서 자유롭게 발진하게 된다.

지금까지, 이중-통과 레이저 증폭기 체인내에 사용될 수 있는 새롭고 개량된 레이저 증폭기 버퍼에 대해서 기술하였다. 이 버퍼는 스위치가 오프상태일 때 초방사 레이징을 방지하기 위해 레이저 에너지를 각이 있게 스위칭시킨다. 또한, 이 버퍼는 스위치가 온상태일 때 입력으로부터 증폭기 출력을 분리시키도록 레이저 에너지의 편광을 회전시킨다. 또한, 이 버퍼는 레이저 발진기내에 Q-스위치로서 사용될 수도 있다.

상술한 실시예들은 단지 본 발명의 원리의 응용을 나타내는 특정한 실시예를 설명한 것이다. 본 분야에 숙련된 기술자들은 본 발명의 원리 및 범위를 벗어나지 않고서 본 발명을 여러 가지로 수정 및 변경시킬 수가 있다. 예를들어, 반사경 배열 및 전기-광학 스위치 인가 전압을 변화시키면, 본 발명이 편광 발진기로서 동작하게 된다.

Claims (6)

1. 임의 편광을 갖고 있는 버퍼의 광학 축에 평행한 레이저 에너지를 수신하고 상기 레이저 에너지를 2개의 직교 편광 성분으로 각이 있게 분리시키기 위해 광학 통로를 따라 배치된 복굴절 물질의 웨지, 직교 편광 성분들에 대해 45°기울어진 전압-유도 고속 및 저속 축을 갖고 있는 선택적으로 인가된 1/4파 전압을 갖고 있으며, 전압이 인가되지 않을 때 변화없이 상기 2개의 편광 성분들을 전송시키고, 상기 전압이 인가될 때 이중 통과하기 위해 상기 2개의 편광 성분들의 편광을 90°만큼 회전시키기 위해, 상기 광학 통로를 따라 배치된 전기-광학 편광 스위치, 및 상기 스위치에 의해 전송된 편광 성분들을 다시 상기 스위치를 통해 반사시키기 위해 상기 광학 통로를 따라 배치되고, 법선이 각이 있게 분리된 편광 성분들 사이의 각을 이등분하도록 배열되는 평면 반사경으로 구성된 것을 특징으로 하는 레이저 증폭기 버퍼.
2. 임의 편광을 갖고 있는 버퍼의 광학 축에 평행한 레이저 에너지를 수신하고 상기 레이저 에너지를 2개의 직교 편광 성분으로 각이 있게 분리시키기 위해 광학 통로를 따라 배치된 복굴절 물질의 웨지, 상기 광학 통로를 따라 배치되고 선택적으로 인가된 1/4파 전압을 갖고 있으며, 전압이 인가되지 않을 때 변화없이 상기 2개의 편광 성분들을 전송시키고, 상기 전압이 인가될 때 이중 통과하기 위해 상기 2개의 편광 성분들의 편광을 90°만큼 회전시키는 전기-광학 편광 스위치, 상기 스위치에 의해 전송된 편광 성분들을 다시 상기 스위치를 통해 반사시키기 위해 상기 광학 통로를 따라 배치되고, 법선이 각이 있게 분리된 편광 성분들 사이의 각을 이등분하도록 배열되는 평면 반사경을 포함함으로써, 버퍼 장치가, 전압이 인가되지 않을 때 편광 성분들이 상기 인가된 레이저 에너지에 관련해서 각이 있게 오배열되도록 상기 편광 성분들을 전송하고, 전압이 인가될 때 편광 성분들이 서로 일렬로 배열되고 상기 인가된 레이저 에너지와 일렬로 배열되도록 상기 편광 성분들을 전송하는 것을 특징으로 하는 레이저 증폭기 버퍼.
3. 임의 편광을 갖고 있는 스위치의 광학 축에 평행한 레이저 에너지를 수신하고 상기 레이저 에너지를 2개의 직교 편광 성분으로 각이 있게 분리시키기 위해 광학 통로를 따라 배치된 복굴절 물질의 웨지, 직교 편광 성분들에 대해 45°기울어진 전압-유도 고속 및 저속 축을 갖고 있고 선택적으로 인가된 1/4파 전압을 갖고 있으며, 전압이 인가되지 않을 때 회전없이 상기 2개의 편광 성분들을 전송시키고 상기 전압이 인가될 때 이중 통과하기 위해 상기 2개의 편광 성분들의 편광을 90°만큼 변화시키기 위해, 상기 광학 통로를 따라 배치된 전기-광학 편광 스위치, 및 상기 스위치에 의해 전송된 편광 성분들을 다시 상기 스위치를 통해 반사시키기 위해 상기 광학 통로를 따라 배치되고, 법선이 각이 있게 분리된 편광 성분들 사이의 각을 이등분하도록 배열되는 평면 반사경으로 구성된 것을 특징으로 하는 레이저 Q-스위치.
4. 임의 편광을 갖고 있는 스위치의 광학 축에 평행한 레이저 에너지를 수신하고 상기 레이저 에너지를 2개의 직교 편광 성분으로 각이 있게 분리시키기 위해 광학 통로를 따라 배치된 복굴절 물질의 웨지, 직교 편광 성분들에 대해 45°기울어진 전압-유도 고속 및 저속 축을 갖고 있고 선택적으로 인가된 1/4파 전압을 갖고 있으며, 전압이 인가되지 않을 때 변화없이 상기 2개의 편광 성분들을 전송시키고 상기 전압이 인가될 때 이중 통과하기 위해 상기 2개의 편광 성분들의 편광을 90°만큼 회전시키기 위해, 상기 광학 통로를 따라 배치된 전기-광학 편광 스위치, 및 상기 스위치에 의해 전송된 편광 성분들을 다시 상기 스위치를 통해 반사시키기 위해 상기 광학 통로를 따라 배치되고, 법선이 각이 있게 분리된 편광 성분들 사이의 각을 이등분하도록 배열되는 평면 반사경을 포함함으로써, Q스위치가, 전압이 인가되지 않을 때 편광 성분들이 상기 인가된 레이저 에너지에 관련해서 각이 있게 오배열되도록 상기 편광 성분들을 전송하고, 상기 전압이 인가될 때 편광 성분들이 서로 일렬로 배치되고 상기 인가된 레이저 에너지와 일렬로 배열되도록 상기 편광 성분들을 전송하는 것을 특징으로 하는 레이저 Q-스위치.
5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 웨지와 상기 전기-광학 스위치 사이에 상기 광학 통로를 따라 배치되고, 상기 웨지에 관련해서 반전되는 복굴절 물질의 제 2 웨지, 및 통과하는 에너지의 편광을 90°만큼 회전시키기 위해 상기 웨지들 사이에 상기 광학 통로를 따라 배치된 편광 회전자를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 증폭기 버퍼.
6. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서, 상기 웨지와 상기 전기-광학 스위치 사이에 상기 광학 통로를 따라 배치되고 상기 웨지에 관련해서 반전되는 복굴절 물질의 제 2 웨지, 및 통과하는 에너지의 편광을 90°만큼 회전시키기 위해 상기 웨지들 사이에 상기 광학 통로를 따라 배치된 편광 회전자를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 Q-스위치.

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