KR900007800B1 - 효율적인 위상 공액 레이저 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

효율적인 위상 공액 레이저

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명에 대해서 상세하게 기술하겠다.

제1도는 본 발명의 원리에 따른 고 추출 효율 레이저 장치를 도시한 도면이다.

제2도는 다수의 이득 소자 및 중요한 영상 원래를 사용하는 본 발명에 따른 고 추출 효율 레이저를 도시한 도면이다.

제3도는 위상 공액 반사기의 선택적인 실시예를 도시한 도면이다.

배경

본 발명은 레이저에 관한 것으로, 더욱 상세하게 말하자면 파두왜곡(wavefront distortion)을 보상하기위해 위상 공액(phase conjugate) 반사기를 사용하는 레이저 발진기 증폭기에 관한 것이다.

레이저 및 레이저 시스템은 몇가지 파두 왜곡 및 스팩트럼 폭 확대 소오스의 영향을 받는다. 열 응력 또는 변화도, 진동, 또는 수차(aderration)에 의해 야기된 영향들은 레이저를 횡단하는 (traversing) 방사선파두 내의 왜곡에 기여하는 문제점들이다. 부수적으로, 열 효과는 광학 소자들에 대한 정상 상태 동작의 열평형에 도달되기 전에, 시동(start-up)중의 동작에 대한 큰 과도(transient) 효과를 야기시킨다. 이것은 펄스화 레이저 및 CW레이저가 버스트(burst) 내에서 동작되는 경우에 심각한 문제점이 될 수 있는네, 그 이유는 과도 기간이 전체 레이저 동작 싸이클의 상당한 퍼센테이지를 포함하기 때문이다.

파두 왜곡은 레이저의 성능을 저하시키고, 자체는 빈약한 에너지 추출 효율 및 비임 발산(beam divergence)을 나타낸다. 요구된 출력 비임 질(quality) 및 전력 레벨에 따라, 레이저 내부의 부품들내의 파두 왜곡은 레이저를 소정의 응용용으로 부적합하게 만들 수 있다. 이것은 거의 회절이 제한된 레이저 출력이 요구되는 진보된 통신 또는 트랙킹 시스템의 경우에 사실이다. 더우기, 정상 상태 동작이 종래의 장치에 의해 만족될 수 있더라도, 고 전력 또는 고 에너지 밀도 레이저내의 열효과는 레이저 소자들이 열평형을 획득할 때 정상 상태 동작전의 초기 시동 기간 중에 불만족스러운 성능을 여전히 발생시킨다.

특수화된 역-반사기(retro-reflector) 및 변형가능한 반사경을 포함하는 파두 왜곡을 제거하거나 방지하기 위한 몇가지 기술들이 제안되어 왔다. 전형적인 고상(solid state) 레이저 로드(rod)내에서, 펌핑(pumping) 에너지에 의해 발생된 열 변화도는 네가티브(negative)렌즈로 수정될 수 있는 포지티브렌징(positive lensing)으로서 공지된 효과를 발생시킨다. 그러나, 과도 상태의 경우에, 변화 렌징을 동적으로 보상하기 위해 기계적 드라이브(drive)들이 사용되어야 한다. 이것은 어느 정도 성공적으로 사용되어 왔지만, 몇가지 결점들이 있다. 첫째, 슬래브(slab) 기하학적 형태 레이저 이득(gain) 매질과 같은 방사상 대칭이 아닌 기하학적 형태의 경우에, 매질 렌징 효과는 간단한 렌즈의 효과가 아니고, 보상하기 위해 복잡한 렌즈 구조물을 필요로 한다. 둘째, 소정의 "동적"렌즈시스템은 고속 징밀 폐쇄-루우프 검출 및 조정을 필요로 한다. 이것은 대형 레이저 시스템내의 전자 제어식, 기계 구동식 변형가능하거나 가요성이 있는 반사경 및 궤환 루우프 또는 서보(servo) 시스템의 개발을 유도하였다. 명백한 바와같이, 이것은 레이저 또는 레이저 시스템이 요구된 것보다 더욱 복잡하고 가격이 비싸며 정렬 에러가 발생하기 쉽게 만든다. 또한, 이 해결 방법은 다수의 응용을 적합하게 보상하기 위해 과도 효과를 간단히 정합(match)시킬 수 없는 동작 응답(속도) 제한을 여전히 갖는다. 어떠한 기계적 시스템도 진보된 거의 회절이 제한된 레이저용으로 요구된 보상 레벨을 달성하지 못하였다.

부수적으로, 대부분의 응용들은 동작의 초기 워밍-업 또는 시동중에도 효율적인 동작을 필요로 하거나 요구한다. 이전에 제한된 정교한 기계적 열 렌징 보상 시스템은 과도 워밍-업 상태하에서 효율면에서 양호한 성능을 달성하지 못하였다. 회절 제한 성능은 정상 상태 조건하에서 실험용 레이저 내에서만 증명되었다.

레이저 내의 수차 보상에 대한 선택적인 제안은 위상 공액 반사기를 사용하는 것이다. 이때, 이득 매질로부터의 레이저 에너지는 종래의 레이저 반사경 대신에 교체된 위상 공액 반사기에 의해 반사된 다음, 이중 통과 형태로 이득 매질을 다시 통과한다.

위상 공액 반사기는 파두가 입사 파두의 시간 역전 변형(time reversed version)으로서 작용하는 반사 방사선을 발생시킨다. 이것은 방사선이 반대 의미로 소정의 수차를 포함하는 동일 광학 통로를 다시 횡단하게하므로, 비-왜곡 파두로 된다. 이것에 대해서는 SCIENTIFIC AMERICAN 253, #6.54(1985년 12월)내에 브이.브이.쉬크노프(V.V.Shknov) 및 비.와이.젤 도비크(B.Y.Zel'dovich)가 "Optical Phase Conjugation"이란 명칭으로 저술한 논문내에 상세하게 기술되어 있다. 이 해결 방법내에서, 정상 상태 광학 왜곡을 보상할 뿐만 아니라 단기간 및 장기간 과도 응답 또는 특성을 수동적으로 보상하기 위해 위상 공액이 사용되었다. 그러나, 문헌내에 기술된 제안된 위상 공액 기법 또는 실시예들은 증명되지 않았고, 비교적 많은양의 발진기 전력을 필요로 하며, 따라서 비교적 효율적이 아니거나 증폭 매질내의 증폭된 자발 방출에 의해 부여된 에너지 추출에 대한 제한을 제공하지 않는다.

발진기/증폭기 배열의 기본 사항은 다음과 같다. 우수한 비임질 및 과도 성능을 갖고 있는 발진기들은 저전력에서 제조될 수 있다. 발진기들이 고전력 스케일(scale)될때, 레이징 매질내의 열 문제점은 점차적으로 더욱 심화되어, 양호한 발진기 질, 과도 성능 및 효율을 동시에 얻기가 점차적으로 더 어렵게 된다 동일한 문제점들이 증폭기에서도 발생하지만, 증폭기에 있어서 이 문제점들은 위상 공액 또는 그외의 다른 기술을사용함으로써 더욱 용이하게 극복될 수 있다. 그러므로, 발진기/증폭기 내에서, 발진기 내의 총 출력 및 입력 에너지의 분율을 최소화시키는 것이 바람직하다.

위상 공액을 사용하는 레이저 발진기/증폭기에 대해서는 ZhETF PIS. RED. 제16권, 제11호, 617-621페이지(1972.12.5)에 오.와이.노사크 (O.Y.Nosach)등이 저술한 "Cancellatlon of phase Distortions in an Amlifying Medium with a Brillouin Mirror"및 ZhETF PIS.RED. 제15권, 제3호 160-164폐이지 (1972.2.5)에 비.와이.젤도비크 등이 저술한 "Connection between the Wave Fronts of the Reflected and Exciting Light in Stimulated Mandel'Shtam-Brillouin Scattering"과 같은 소비에트 연방 논문내에 기술되어 있다. 고 에너지로 동작하는 펄스화 시스템이 기술되어 있지만, 고반복율로 동작하는 시스템의 이득 및 에너지는 낮았다.

부수적으로 레이저 또는 레이저 시스템에 대해서는 에프도호프(Evtohov)의 미합중국 특허 제 4,321,550호 및 왕(WANG)등의 미합중국 특허 제4,233,571호 내에 기술되어 있다. 이 특허들은 레이저 방사선이 이득 매질을 1회 또는 수회 통과한 후 출력이 얻어지는 레이저를 커버(cover)한다. 레이저는 l회 왕복시에 이득 매질의 외부에서 추출된다. 이 레이저들은 수차 보상 및 향상된 파두출력을 제공하지만, 이 레이저들은 매질이 포화 상태로 효율적으로 구동되지 않기 때문에 구동하기 위해 비교적 많은 양의 발진기 에너지를 필요로 한다. 또한, 이 설계들은 레이징 매질내의 광범위한 광학 왜곡을 허용하지 않으므로, 과도 성능이 양호하지 못하고, 성능이 좁은 전력 범위로 제한된다.

이때, 요구되는 것은 레이저 이득 매질을 포학시키므로 발진기 성능 필요조건을 최소화시키면서 높은 추출 효율을 얻기 위한 방법이다. 이것은 증폭기가 높은 이득을 갖는 것을 필요로 한다. 그러나, 이득이 증폭된 자발 방출에 의해 제한되기 때문에, 방법들은 이 효과를 최소화시켜야 한다. 동시에, 위상 공액이 광범위한 광학 왜곡에 걸쳐 효율적으로 행해질 수 있도록 광학 배치(layout)를 개량시켜야 하므로, 과도 상태중 및 넓은 전력 범위에 걸쳐 동작을 하게 된다.

요약

본 발명의 목적은 위상 공액을 사용하면서 이득 매질로부터의 에너지의 추출을 최대화시키기 위한 것이다.

본 발명의 제2목적은 위상 공액 레이저에 대한 출력 전력 범위 및 과도 응답을 향상시키기 위한 것이다. 본 발명의 제3목적은 발전기 에너지에 대한 증폭기의 비율을 최대화시킴으로써 발진기/증폭기 구성의 전체 효율을 증가시키기 위한 것이다.

본 발명의 제4목적은 전럭 출력량을 증가시키기 위한 것이다.

본 발명의 제5목적은 광학 통로를 따르는 위상 정보의 손실을 최소화시키는 광학 설계에 의해 위상 공액의 충실도(fidelity)을 최대화시키기 위한 것이다.

본 발명의 이 목적들 및 그외의 다른 목적들은 마스터(master)발진기가 요구된 고 전력 출력 레이저 방사선을 제공하기 위해 증폭되는 증폭 단(stage)내로 주입되는 방사선 소오스를 제공하는 마스터 발진기 전력 증폭기(MOPA) 구성을 사용하는 레이저 장치내에서 실현된다. 마스터 발진기는 레이저 방사선 펄스를 제공하는 저 에너지, 양호한 동위상 파면(Phase front) 질 및 고 스펙트럼 순도(purity) 레이저 발진기를포함한다. 이 펄스들은 사용된 발진기 매질의 형태 뿐만 아니라 요구된 레이저 응용에 의해 결정된 기간 및 파장을 갖는다.

증폭기 단은 한 단부상에 배치된 위상 공액 반사기 장치와 다른 단부상의 결합 장치 사이에서 연장되는 광학 통로를 따라 배치된 최소한 1개의 레이징 매질 이득 소자를 포함한다.

마스터 발진기로부터의 에너지는 마스터 발진기로부터의 출력의 선정된 퍼센테이지를 광학 통로를 따라 이득 소자를 통해 선택적으로 결합시키기 위해 결합 장치를 사용하여 이득 소자 내에 결합된다. 또한, 결합장치는 모든, 허지만 증폭기 단으로부터 출력되는 방사선의 선정된 퍼센테이지가 마스터 발진기로 다시 들어가지 못하게 하도록 구성된다.

또한, 레이저는 위상 공액 장치로부터의 소정의 반사된 방사선이 이득 소자로 다시 들어가지 전에 위상공액 장치를 향해 마스터 발진기 출력으로부터의 방사선 펄스들이 횡단하여 이득 소자로부터 상당히 출력되게 하도록 이득 소자와 위상 공액 장치 사이에 배치된 지연 장치를 사용한다. 이 지연 장치는 양호하게도 길이가 거리 D(이때, D=1/2τcn)이다 여기서, τ는 마스터 발진기에 의해 주입되는 펄스의 임시 기간이고, c는 광속이며, n은 횡단되는 매질의 굴절률이다) 이상인 이득 소자와 위상 공액 반사기 사이의 광학통로를 설정함으로써 달성된다.

본 발명의 다른 형태내에서, 결합 장치는 마스터 발진기로부터 이득 소자 광학 통로내 또는 이 광학 통로를 따르는 방사선의 편광의존 투과성을 갖고, 레이저는 위상 공액 반사기에 의해 반사된 방사선의 편광을 회전시키고 결합 장치를 향해 광학 통로를 따라 횡단 시키기 위한 편광 회전 장치를 포함한다. 양호하게도, 이것은 마스터 발진기 입력 방사선에 관련하여 브루스터각(Brewster's angle)으로 배치된 양질의 광학 플래트(flat)와 편광 회전기, 1/4파 플레이트, 또는 브류스터 플레이트에 인접한 주파수 이배기(frequency doubler)를 사용함으로써 달성된다. 이 배열은 발진기와 증폭기사이를 분리시킨다.

본 발명의 또 다른 형태내에서, 레이저는 매질로부터 위상 공액 반사기로 및 뒤로의 위상 정보의 최대 전송을 제공하도록 이득 소자와 위상 공액 반사기 사이의 광학 통로를 따라 배치된 1개 이상의 영상(imaging) 소자를 사용한다. 이것은 공액의 충실도, 증폭 및 포화의 효율, 및 장치가 동작할 수 있는 전력의 범위를 증가시킨다.

본 발명의 다른 형태내에서, 마스터 발진기 및 증폭기 단은 양호하게 플라즈마 셔터(plasma shutter)인 분리 장치에 의해 서로 광학적으로 분리된다. 이것은 선정된 에너지 밀도 이상의 레이저 방사선이 증폭기단으로부터 마스터 발진기로 다시 둘어가지 못하게 한다.

본 발명의 또 다른 형태 내에서, 부수적으로 레이저 이득 소자들은 제1이득 소자와 위상 공액 반사기 사이의 광학 통로를 따라 배치될 수 있다. 위상 공액 반사기는 요구된 파장에서 동작하는 유도 브릴루앙 산란매질(Stimulated Brillouin Scattering medium) 또는 도파관을 포함할 수 있다.

양호한 실시예의 설명

본 발명은 이중 통과 반사를 위해 증폭기 단과 위상 공액 반사기 사이에 배치된 지연 장치 뿐만 아니라 마스터 발진기와 증폭기 단 사이의 결합 장치를 갖고 있는 기본 마스터 발진기 전력 증폭기(MOPA) 구성을 사용하는 레이저 장치를 포함한다. 이 구성은 레이저 이득 매질로부터의 추출 효율이 증가되고 젼력 출력이 높다는 장점을 갖는다.

본 발명의 원리들은 레이저(10)이 단일 레이저 이득 소자(14)를 펌프하기 위해 펄스를 제공하는 마스터 발진기 소오스(12)를 갖고 있는 제1도에 도시되어 있다. 제1도의 실시예 내에서, 마스터 발진기는 양호하게 레이저 발진기이고, 설계면에서 비교적 종래적이다. 레이저 발진기는 몇가지 공지된 레이저 또는 레이저 형태들 중 1가지를 포함할 수 있고, 개스, 다이(dye) 또는 고상 레이저 매질을 사용할 수 있다. 통상적인 실시예내의 레이저 발진기는 매우 양질의 출력 비임, 즉 단일 방사 및 축방향 모우드 성능을 제공한다. 그러나, 발진기의 출력은 레이저(10)의 요구된 소정의 동위상 파면을 갖도록 설계될 수 있다. 레이저(10)의 출력은 이 발진기 동위상 파면을 복사(duplicate)하게 된다. MOPA 구성은 다음에 기술한 다른 소자들과 함께 이득 소자(14)로부터의 레이저(10)의 에너지 추출을 증가시키므로, 발진기(12)가 수 밀리주울 정도의 매우 낮은 에너지에서 동작하게 한다. 이것은 이전의 레이저 설계와 상이하고, 매우 양질의 출력의 갖고 있는 발진기(12)를 구성하기 쉽게 한다. 이것은 저 에너지 및 전력 모우드 질, 발산, 및 스펙트럼 폭 확대의 제어가 뎌욱 쉽다는 사실을 따른다.

전형적으로, 발진기(12)는 증폭기(14)의 에너지 레벨의 1내지 2%에서만 동작된다. 이 실계의 추가된 장점은 발진기(12) 동작이 전체 에너지 효율에 거의 영향을 미치지 않고서 과도 상태하에서 양호한 성능을 갖도록 더욱 용이하게 행해질 수 있다는 것이다.

발진기(12)의 출력은 결합 장치(16)을 사용하여 이득 소자(14)내에 결합된다. 결합 장치(16)은 소자(24)와 함께 복귀를 허용하지 않고서 이득 소자(14)로 통하는 광학 통로에 발진기(12) 출력의 선정된 퍼센테이지를 전송할 수 있는 광학 소자를 포함한다. 제1도의 양호한 실시예는 브류스터 플레이트를 사용한다. 또한, 결합 장치(16)은 제한적인 것은 아니지만 편광기, 피막된 광학 플래트, 또는 감쇠기를 포함하는 본 분야내에 공지된 다른 소자를로 구성될 수 있다.

브류스터 플레이트는 몇가지 목적을 제공한다. 이것은 파두 수차들이 위상 공액에 의해 수정되는 면을 정한다. 브류스터 플레이트 다음의 광학 트레일 내에 배치된 모든 광학 부품들은 수정된 수차를 갖는다. 더욱 중요하게, 이것은 발진기와 증폭기를 서로 분리시킨 것을 돕는다. 브류스터 플레이트는 광학 물리학의 기본원리에 따라, 사용된 유리 형태에 따라 발진기(12) 출력의 약 15%를 매질(14)내로 반사시키게 된다. 이것은 2가지 편광 모우드, 즉 P 및 S 편광으로 입사 발진기(12)출력이 자동 분리됨으로써 달성된다. 통상적으로, 모든 발진기 출력이 P편광이도록 배열되기 때문에, 단지 발진기 출력의 15%만이 증폭기 단으로 들어간다. 상반적으로, P편광을 갖고 있는 소정의 증폭된 자발 방출의 15%만이 이득 소자(14)로부터 발진기(12)로 들어가게 된다. 증폭된 자발 방출이 이득 매질 및 발진기를 다수회 통과함으로써 발생하는 것을 효율적으로 방지하는 이 약 16dB의 유도 손실은 분리를 제공한다. 이것이 충분하지 않으면, 부류스터 플레이트, 감쇠기 또는 그외의 다른 장치 내에 선택적인 유리를 사용함으로써 부수적인 손실이 유도될 수 있다.

앞의 절은 발진기 펄스가 발생되기 전의 증폭기로부터의 발진기의 분리의 중요성을 기술한 것이지만, 증폭기 소자는 고 이득을 갖는다. 또한, 발진기 펄스가 발생된 후 증폭기로부터의 고 에너지가 발진기에 충돌되는 것을 방지 또는 차폐하는 것이 중요하다. 지점(22 또는 24)내에서의 편광 브류스터 플레이트와 편광변경 소자의 결합은 이것을 행한다. 소자(22 또는 24) 이것들은 동시에 사용되지 않는다)가 1/4파 플레이트 또는 45°파라데이(Faraday) 회전기이면, 결합은 본 분야에 공지된 방법이다. 이 경우에 부류스터 플레이트는 투과에 대한 "S"편광 반사의 매우 작은 비로 인해 부분적으로 효율적이다. 소자(24)가 90°위상 정합으로서 본 분야에 공지되는 방식으로 동작하는 고 효율 주파수 이배기이면, 발진기의 효율적인 차폐가 달성된다.

제1도의 양호한 실시예 내에서, 브류스터 플레이트(16)은 피막되지 않은 광학 플래트이므로, 이것의 손상 임계값은 높다. 제한적인 것은 아니지만 다층 유진 피막을 갖고 있는 비임 분할기와 같은 다른 광학 소자들이 결합기(16)용으로 사용될 수 있다. 그러나, 유전 피막은 낮은 손상 임계값을 갖는다. 이 경우에, 레이저(10)은 양호한 증폭기 에너지 추출에 유리한 높은 변량(fluence) 레벨이 손상없이 사용될 수 없기 때문에 본 명세서 내에 기술한 것과 같은 간단하고 효율적인 구성으로 동작될 수 없다. 피막되지 않는 브류스터 플레이트의 사용은 광학 소자인 이득 소자가 허용가능한 레이저 방사선 변량을 제한하게 한다.

이득 소자(14)는 방사선이 소자(14)를 횡단하고 광학 통로를 따라 반사기(20)으로 출력될 때 결합기(16)에 의해 주입된 방사선을 증폭시킨다. 반사기(20)은 몇가지 공지된 위상 공액 물질 또는 소자들을 포함할수 있는 의상 공액 반사기이다. 그러나, 양호한 실시예 및 최고 효율 출력의 경우에, 몇가지 위상 공액 기법들은 이 응용용으로 적합하지 않다. 전형적으로, 일례로서, 4-파 혼합소자는 복잡도가 증가할 뿐만 아니라 더 많은 전력을 요구하므로 입력에너지 비에 대한 낮은 출력을 요구하는 부수적인 펌핑 비임 또는 광학회로를 필요로 한다. 다른 곤란한 점은 4-파 혼합기가 소정의 입사 방사선 에너지에서 공액을 수행한다는 사실이다. 어느 정도 낮은 에너지 유도 방출이 항상 존재하기 때문에, 반사 및 증폭되는데, 이것은 바람직하지 못한 결과이다.

그러므로, 양호한 위상 공액 반사기(20)은 유도 산란형 매질을 포함한다. 위도 브릴루앙 산란(SBS)는 반사기는 양호한 실시예내에 사용된 이득 소자의 선폭(linewidth)에 의해 용이하게 허용될 수 있는 작은 파장 전이를 유도한다.

유도 산란 위상 공액 반사기의 다른 매우 중요한 장점은 임계효과의 존재이다. 이 임계 효과는 최소 세기(intensity)가 위상 공액 반사기(20)을 구성하는 매질내에 존재할 때 까지 위상 공액이 발생하기 시작하지 않는다는 것을 의미한다. 양호한 실시예내에서, 위상 공액기는 예상된 증폭 자발 방출 보다 높지만 효율적인 반사가 발생하는 증폭된 발진기 펄스보다 상당히 낮은 임계값을 갖도록 신중히 실계된다.

임계 효과는 이득 소자(14)로부터의 증폭된 자발 방출 방사선이 매우 낮은 세기를 가질때 반사되거나 위상 공액되지 않는다는 것을 의미한다. 이 분리는 수동적 및 간단한 방식으로 SBS 반사기에 의해 제공된다. 이러한 분리는 종래의 장치에 의해 달성하기가 매우 어렵게 된다. 통상적인 반사경으로 소정 형태의 정교한 분리 장치 없이는 레이저(10)의 동작은 불가능한데, 그 이유는 매우 높은 이득으로 펌프되는 이득 소자의 자체 발진이 확실히 발생하게 되기 때문이다. 이 발진은 SBS 반사경으로 발생할 수 없는데, 그 이유는 이득 소자의 저레벨 자발 방출의 경우에 0방사경율을 갖도록 설계되기 때문이다.

또한, 위상 공액 반사기(20)의 배치는 본 발명의 기능을 제한한다. 위상 공액 반사기르 사용하는 이미 제안된 레이저는 이것의 중요성을 인식하지 못했다. 그러므로, 구성목적, 감소된 비임 발산 또는 그외의 다른 이유를 위해 매질에 가까운 위상 공액 반사기를 갖는 것이 바람직한 것으로 절대적으로 생각되었다. 그러나, 이것은 그렇지 않다. 반사기(18)로부터 반사된 방사선에 대한 주행 시간(transit time)은 레이저(10)의 효율에 기여하는 중요한 요인이다.

발진기(12)는 방사선(CW가 아니라고 가정함)의 펄스를 광학 통로를 따라 이득 소자(14)를 통해 반사기(20)에 주입시킨다. 이 펄스는 어느 정도의 유한 기간, 즉 10내지 30피트(3,048 내지 9,144 ) 1ft(0,3048/nsec)의 길이에 대응하는 10내지 30 nsec 징도의 펄스를 갖는다. 동시에, 이득 소자의 길이는 통상적으로 수인치이다. 이득 소자의 길이가 수 피트인 경우에도, 발진기 펄스는 한번에 일부씩 증폭기를 통해 주행하게 된다는 것이 명백하다.

반사기(20)이 이득 소자(14)에 너무 가까우면, 전체 펄스가 소자(14)를 클리어(clear)하기 전에 펄스 전방부는 반사기(20)으로 부터 반사되기 시작하게 된다. 그러므로, 위상 공액 및 다중 통과 증폭하기 위한 이전의 해결 방법으로 일어난 것은 전체 펄스가 제1통과를 클리어하기 전에 소정의 펄스가 이득 소자로 복귀하는 것이다. 이것은 소정의 초기에 주입된 펄스가 여전히 증폭되고 있는 동안에, 소정의 복귀 펄스가 이미 펌프된 이득 매질 외부의 에너지를 취하고 있다는 것을 의미한다.

상세한 레이저 증폭 프로세스에 의해, 증폭 매질을 횡단하는 펄스는 에너지학 적으로 펌프된 원자 또는 분자로부터 방출을 발생시킴으로써 증폭된다. 펄스내의 소량의 에너지의 경우에, 이득은 예를 들어 100 : 1정도로 높다. 반사된 펄스가 주요 차이를 갖고 있는 경우에 동일한 프로세서가 발생한다. 복귀 펄스 에너지는 이미 높으므로, 이득은 포화되므로, 비율은 10 : 1정도로 낮다.

일반적으로, 이득은 증폭기 이득 소자내에 저장된 에너지에 비례한다. 레이저(10)은 저장된 에너지의 최대 추출의 소자(14)를 통하는 방사선의 최종 또는 제2통과시에 발생하도록 설계된다. 레이저 설계 분야내에 공지된 기술을 사용하면, 이득 소자 특성 및 발진기 에너지는 제1통과 이득이 높고 이득 소자 매질이 이득 소자 매질로부터 매우 높은 에너지 및 효율적인 추출을 발생시키는 복귀 펄스에 의해 포화되도록 조정된다. 양호하게 분리되지 않는 한, 증폭기 소자 내의 고 이득을 가질 수 없다.

제1방사선 통과가 제2방사선 통과와 동시에 발생하면, 인입펄스의 후반부는 매우 적게 증폭되는데, 그이유는 저장된 에너지의 상당부, 즉 이득이 이미 제거되었기 때문이다. 이 경우에 모든 초기 펄스들이 증폭되는 것은 아니므로, 복귀 통과시의 포화를 보장하기에 충분한 에너지를 갖고 있지 않는 반사 펄스를 발생시키게 된다. 다른 방식을 취하기 위해, 소정의 초기 펄스가 에너지를 얻으려고 하는 동안, 고 에너지에서의 복귀 펄스는 이미 매질을 감손시킨다. 발진기(12)로부터의 인입 펄스의 최종부는 이 감손으로 인해 적합하게 증폭되지 않는다. 결과적으로, 참조번호(20)으로부터 반사된 때, 펄스의 최종부는 복귀시에 증폭기 매질을 포화시키지 않게 되므로 최적 이하의 출력을 발생시키게 된다. 과거에, 이 문제점에 대한 제안된 해결방법은 최종 통과시에 총 추출을 실행하기에 충분한 에너지를 갖고 있는 펄스를 초기에 제공하기 위해서 고에너지 발진기를 사용하는 것이었다. 이것은 다른 문제점을 발생시킨다. 첫째, 더 높은 에너지 및 전력, 즉 실현하기가 더욱 어렵고 비 효율적인 양질의 발진기가 요구된다. 둘째, 반사기(16 및 20)은 더 많은 양의에너지를 효율적으로 반사시킬 수 있어야 한다. 즉 손실은 레이저 효율에 대한 더 큰 효과를 갖는다 셋째, 펄스의 임시 구조의 더 큰 왜곡이 발생한다.

레이저(10)은 모든 초기 펄스가 복귀전에 매질을 횡단하게 하도록 위상 공액 반사기(20)과 이득 소자(l4)사이의 광학 지연을 사용함으로써 이 문제점들을 해결한다. 지연통로의 사용은 지연없는 형태의 에너지 추출 어려움을 제거한다. 최대 가능한 이득이 제1방사선 통과 중에 달성되는데, 그 이유는 이득 소자(14)가 이 통과시에 높은 감손되지 않는 저장 에너지를 갖기 때문이다. 그다음, 제2통과시에 고 추출이 달성되는데, 그 이유는 이득이 매우 적게 감손되고 제1통과가 발진기 에너지를 증폭기에 대한 포화 변량 이상으로 증폭시키도록 발진기 에너지가 선택되었기 때문이다.

광학 지연은 제1도의 양호한 실시예 내에서 길이 D가 거리 1/2τc[여기서, C는 광속인데, 이 광선은 발진기(l2)의 펄스 기간τ동안 주행한다.] 이상이 되도록 선택되는 광학통로(26)으로서 실행된다. 그러므로, 펄스는 제2통과전에 증폭기의 제1횡단을 완료한다. 이 특징은 적은 발진기 에너지로 증폭기가 매우 효율적으로 동작하게 한다.

이득 소자(14)로부터 출력되는 증폭 펄스는 다시 결합 장치(16)과 만난다. 펄스의 편광이 입력 편광으로부터 약 90°회전되면, 펄스는 레이저(10) 외부로 통과한다. 브류스터 플레이트로부터의 반사에 의한 에너지의 15%의 전송에 관련하여 전술한 설명을 상기하면, 비-편광 회전 펄스의 에너지의 15%만이 발진기(12)를 향해 복귀하게 된다.

높은 퍼센테이지 출력 및 발진기(12)로의 낮은 퍼센테이지 반사를 달성하기 위해, 이득 소자(14)로부터의 출력은 발진기로부터의 입력에 수직으로 선형 편광된다. 이것은 주파수 이배기, 1/4파 플레이트, 또는 45°파라데이 회전기를 사용하는 수단을 포함하는 몇가지 수단들 중 1가지 수단을 사용함으로써 달성된다. 제1도에 도시한 실시예는 이득 소자(14)와 반사기(20)사이, 즉 참조번호(22) 또는 브류스터 플레이트(16)과 이득 소자(14)사이, 즉 참조번호(24)에 배치된 파라데이 회전기 또는 1/4파 플레이트, 또는 주파수 이배기(24)를 사용한다. 그러므로, 출력은 손실없이 브류스터 플레이트를 통과할 수 있다. 참조번호(22 및 24)는 상이한 실시예 내에서 상이한 광학 소자를 나타낼 수 있다.

기술한 바와 같이, 비임의 편광을 변화시키는 부품이 증폭기 체인(chain) 내에서 요구된다. 편극 보상 위상 공액 반사경이 사용되면, 파라데이 회전기 또는 주파수 이배기와 같은 비상반 소자가 필요하게 된다.

본 발명의 대부분의 기본 원리들은 제1도 내에 기술되어 있지만, 레이저(10)의 출력을 향상시키기 위해 다른 소자를이 사용될 수 있다. 이 추가부품들은 기본 MOPA 형태를 사용하는 레이저(100)이 도시되어 있는 제2도 내에 도시되어 있다. 제1도와 유사한 참조번호를 갖고 있는 소자들은 동일하므로, 소자(112,114,116등)은 기능면에서 제1도 내의 참조번호(12,14,16 등)과 등가이다.

제2도내에서. 마스터 발진기(112)는 펌핑 레이저 이득 소자(114a 및 114b)용 펄스를 제공한다. 증가된 에너지 및 출력을 얻기 위해서 다수의 이득 소자들이 사용된다. 도시한 실시예내에서, 이들 사이의 증폭된 자발 방출(ASE)를 방지하도록 떨어져 배치된 2개의 르드 들이 사용된다. 그러나, ASE 고찰과 일치하는 소정의 횡단 기하학이 사용될 수 있다.

다수의 이득 소자들을 사용할 때, 각각의 소자의 애퍼츄어 크기는 각각의 연속 소자가 이전의 것보다 작도록 제어된다. 위상 공액 반사경이 유한 반사율을 갖기 때문에, 효율 고찰은 이 반사경으로부터 소량의 에너지를 반사시키는 것이 바람직하게 만든다. 등급식 크기의 다수의 증폭들이 사용되면, 위상 공액 반사경으로 손실된 에너지는 적게 된다. 본 발명에 경우에, 약 20mJ이 이 방식으로 손실되었고, 출력은 850mJ이었다. 반사경에서의 에너지량은 l00mJ이었다.

레이저(100)의 발진기(112) 입력부는 발진기를 표유(stray) 증폭기 출력으로부터 보호하기 위한 부수적인소자를 갖는다. 주파수 이배기(124)가 이득 소자(114)에 인접한 레이저(100) 내에 포함되면, 브류스터 플레이트(116)에 의해 발진기를 향해 15%의 이배 되지 않는 잔류 에너지가 다시 반사된다. 이것은 발진기를 손상시킬 수 있었다. 또한, 이것은 출력의 많은 퍼센테이지가 입력과 동일한 편광을 갖게 하는 충분한 편극이 존재하는 경우에 주파수 이배기가 아닌 다른 것이 사용될 때 발생할 수 있다. 이 손상을 방지하기 위해, 플라즈마 셔터(p1sama shutter)로서 배열된 포지티브 렌즈 텔레스크프(positive lens telescope, 130)이 발진기 출력의 광학 통로내에 배치된다. 텔레스고프(130)은 방사선을 좁은 웨이스트(waist) 또는 스포트(spot)에 집속시키는 렌즈 소자들로 구성된다. 이 렌즈들은 에어 스파크(air spark)가 관련 부품의 손상 허영도를 고려하는 계수 만큼 발진기 출력의 에너지 레벨 이상인 에너지 레벨의 경우에 발생하게 된다.

브류스터 각 편광 비임 분할기(118)은 제1도에서와 같이 발진기(112) 출력의 편광을 제거하도록 작용하고, 브류스터 플레이트(116)과 함께 편리하고 이동에 둔감하며 접혀지도록 작용한다.

부수적인 보호 또는 분리가 요구되면, 브류스터 각 또는 그외의 다른 수동 포화가능한 흡수기 다이 Q-스위치가 마스터 발진기와 증폭기 소자와 발진기 출력 결합용으로 사용된 다수의 에탈론(etalon)사이에 배치될 수 있다. 또한, 이것은 발진기를 표유 증폭기 출력으로부터 보호하고, 발진기 및 증폭기의 분리가 Q-스위치 개방 전에 예비-레이징 되는 것을 방지하는데 도움이 된다.

아포다이스(apodize) 될 수 있거나 될 수 없거나, 로드 단부로 구성될 수 있거나 구성될 수 없는 단일 애퍼츄어가 휠드 스포트 크기 근처의 증폭기 비임을 정하기 위해 사용된다. 애퍼츄어를 제한하는 1개의 비임만이 비임에 의해 만난다는 것이 중요하다.

또한, 제2도의 실시예는 본 발명을 사용함으로써 레이저 동작의 효율을 향상시키는 다른 수단을 도시한 것이다. 영상(imaging)소자(128a,b,c)로서 사용된 일련의 렌즈 및 비임 전달을 변경시키기 위해 사용된 렌즈(132)가 레이저(100)의 광학 통로를 따르는 몇개의 지점에 배치된다. 이 렌즈들은 거의 모든 위상 정보를 이득 소자로부터 서로 및 위상 공액 반사기(118)을 통하거나 이들로 전송함으로써 레이저(100)의 동작을 향상시킨다.

양호한 위상 공액 충실도를 달성하기 위해, 비임내의 거의 모든 위상 정보는 위상 공액기에 의해 수집되어야 한다. 비임이 긴 광학통로를 횡단할 때, 회절이 일어나고, 전체 비임보다 적은 횡단 스케일을 갖고 있는 수차에 관련된 위상 정보는 수차의 횡 크기에 반비례하여 더 커지는 발산각으로 분산된다. 이 큰 각도에서의 에너지가 위상 공액기에 도달하기 전에 광학 통로내의 어느 지점에 있는 애퍼츄어에 의해 제거되면, 포함된 위상 정보는 손실되고, 충실도는 이에 비례하여 약해진다. 고의의 애퍼츄어가 아닌 광학 소자들은 고의적이 아니더라도 이 효과를 가질 수 있다. 예를 들어, 제2도내에서, 본 발명의 특징[렌즈(128)]들 중1개의 특징이 포함되지 않으면, 증폭기 소자(114b)의 외경은 증폭기 소자(l14a)에 의해 비임내로 유도된 위상 정보를 제거하게 된다. 소자(128a)는 본 분야에 공지된 소자(1l4a)의 애퍼츄어를 소자(114b)의 애퍼츄어내로 영상화시키는 방식으로 배치된 렌즈이다. 소자(128a)의 횡크기는 충분한 발산 위상 정보가 요구된 충실도를 제공하기 위해 수집되도록 설계에 의해 선택된다.

이 영상 기술은 이전에 위상 공액으로 또는 위상 공액 없이 레이저 발진기/증폭기용으로 사용되지 않았다. 이것의 한가지 이유는 영상이 물체와 영상면으로서 본 분야에 공지된 소정의 지점에 접속되는 비임을 발생시키기 때문이다. 이것은 고전력 레이저내의 문제점인데, 그 이유는 촛점이 배기실(evacuated chamber)내에 있지 않으면 촛점 근처의 에어 브레이크다운(air breakdown) 또는 물질손상이 발생하기 때문이다. 그러나, 본 발명내에서. 이 문제점은 2가지 방식으로 제어된다. 첫째, 영상면내의 부수적인 렌즈(132)는 광학 회로로부터 떨어져 촛점을 배치시키기 위해 사용된다. 둘째, 제어 방식내의 비임의 동위상 파면을 고의적으로 왜곡시키는 수차기(136)은 영상면들중 1개의 영상면내에 또는 근처에 배치된다. 이것은 에어 또는 개스 브레이크다운을 발생시키기에 충분히 강하지 않은 촛점을 발생시킨다. 두번쌔 기술은 반사기(120)이 위상 공액되는 경우에만 작동한다. 영상기술은 모든 광학 증폭기에 응용할 수 있다.

증폭기(114a,114b)와 위상 공액 반사기(120)사이의 거리가 크기때문에, 부수적인 릴레이(relay) 영상 렌즈(128b 및 128c)가 제2도의 실시예내에 사용된다. 반사기(134)는 해당 세기, 에너지밀도, 및 파장에 적합한 프리즘 또는 종래의 반사기 소자를 포함할 수 있다. 소자(134)의 사용은 긴 광학 지연 통로(126)이 짧은 레이저 애퍼츄어내에 실정되게 한다.

위상 공액 반사기(120)은 양호하게 유도 브릴루앙 산란(SBS)형 반사기이다. 예시적인 SBS반사기는 광학적으로 투명한 입력 윈도우를 갖고 있는 압축 개스 셀(cell)내의 메탄 또는 테트라플루오로메탄으로 된다. 그러나, 본 발명은 이 매질 또는 SBS프로세스에 제한되지 않는다. 다른 비선형 광학 프로세스 및 액체, 고상 결정체, 유리 및 플라즈마와 같은 다른 형태의 매질들이 위상 공액 분야내에 숙련된 기술자들이 이해하게 되는 바와 같이 사용될 수 있다.

다른 기하학적형태의 위상 공액기가 유리하게 사용될 수 있는데, 이것의 한 실시예는 제3도내에 간단히 도시되어 있다. 여기서, 소자(222)는 수차기(122)와 동일한 방식으로 렌즈(128c)의 영상면내에 배치되는 수차기이다. 렌즈(232)는 위상 공액을 발생시키는 비선형 광학 매질을 구성하는 광선 유도부(220)의 입구면내로 면(222)의 축소 영상을 발생시키도록 배치된다. 광선 유도부는 고상 광섬유, 또는 암에서 주어진것과 유사한 기체 또는 액체 매질로 충전된 튜브로 될 수 있다. 이 기하학적형태의 장점은 거의 모든 위상 정보가 위상 공액기(220)에 의해 수집된다는 것인데, 이것은 거의 완전한 위상 공액을 유지한다는 것을 의미한다. 이것은 이득 소자내의 파두를 향상시키므로, 에너지 전송 및 레이저(100)의 효율을 향상시킨다.

예

기술한 실시예용 위상공액기 반사경은 비임이 100mm촛점 길이 렌즈를 사용하여 집속된 압축 메탄 또는 테트라플루오로메탄으로 충전된 6인치(15.24cm)길이 셀로 구성되었다. 즉 위상 공액은 후방 SBS에 의해 달성되었다. 기술한 장치에 대한 임계값은 약 100mJ에서 발생하였다.

증폭기 단 및 발진기가 12mJ출력을 갖고 있을 때 10개 펄스/초에서의 850mJ의 회절 제한 출력 에너지가 2개의 Nd : YAG로드 3인치(7.62cm) 길이「1개의 Nd :YAG 로드의 직경이 1/4인치(0.64cm이고 다른 Nd : YAG 로드의 직경이 5/16인치[0.79cm)이다]를 사용하여 증명된 장치의 광학적 구성이 제2도에 도시되어 있다.

Claims (16)

1. 마스터 발진기가 요구된 더 높은 전력 출력 레이저 방사선을 제공하기 위해 증폭되는 증폭단내로 주입되는 방사선의 소오스를 제공하는 마스터 발진기 전력 증폭기 구성을 사용하는 레이저 장치에 있어서, 저에너지, 양질의 동위상 파면, 및 고 스펙트럼 순도 레이저 발진기를 포함하는 마스터 발진기, 마스터 발진기로부터의 출력방사선이 보내지는 광학 통로를 따라 배치된 최소한 1개의 레이징 매질 이득 소자를 포함하는 증폭기단, 마스터 발진기의 출력 방사선의 선정된 퍼센테이지를 광학 통로를 따라 이득 소자내로 선택적으로 결합시키고 증폭기 단으로부터 출력되는 소정의 증폭된 방사선의 선정된 퍼센테이지가 마스터 발진기로 다시 들어가는 것을 방지하기 위한 결합장치, 입사되는 발진기 방사선의 위상 공액을 반사시키기 위해 결합 장치로서 이득 소자의 반대측상에 광학 통로를 따라 배치된 위상 공액 장치, 및 마스터 발진기로부터 광학 통로를 따라 결합된 방사선 펄스가 위상 공액 장치로부터의 소정의 반사 방사선이 이득 소자로 들어가기 전에 레이징 매질 이득 소자로부터 위상 공액 장치를 향해 횡단하고 거의 출력되도록 하기 의해서 증폭기 단 이득 소자와 위상 공액 장치사이에 배치된 지연 장치로 구성되는 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
2. 제1항에 있어서, 지연 장치가 길이가 거리 D(D=1/2(τ)cn)이상인, [여기서,(τ)는 마스터 발진기로부터 주입된 방사선의 펄스의 임시기간이고, c는 광속이며, n은 횡단되는 매질에 대한 굴절률이다]이득소자와 위상 공액 반사기사이의 광학 통로 간격 길이를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
3. 제1항에 있어서, 결합 장치가 마스터 발진기로부터 광학 통로를 따르는 방사선의 편광 의존 전송률을 갖고, 레이저가 이득 소자를 횡단하고 광학 통로를 따라 결합 장치를 향해 출력되는 방사선의 편광을 회진시키기 위한 편광 회전 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
4. 제3항에 있어서, 결합 장치가 마스터 발진기로부터의 출력의 광학 통로에 관련하여 브류스터 각으로 배치된 양질의 광학 플래트를 포함하고, 편광 회전 장치가 편광 회전기, 1/4파 플레이트, 또는 플래트에 인접한 주파수 이배기를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
5. 제l항에 있어서, 위상 정보를 이득 소자의 레이징 매질로부터 위상 공액 반사기로 최대 전송하도록 위상 공액 장치와 이득 소자사이에 광학 통로를 따라 배치된 영상 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
6. 제5항에 있어서, 브레이크다운을 방지하기 위해 촛점에서의 방사선의 세기를 상당히 감소시키도록 선정된 방식으로 방사선을 왜곡시키기 위해 영상 장치와 결합 장치사이에 광학 통로를 따라 배치된 수차 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
7. 제1항에 있어서, 선정된 에너지 밀도 이상의 레이저 방사선이 증폭기만으로부터 마스터 발진기로 다시 들어가는 것을 방지하기 위해 마스터 발진기와 결합 장치사이에 배치된 광학 분리 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
8. 제7항에 있어서, 광학 분리 장치가 플라즈마 셔터를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
9. 제1항에 있어서, 결합 장치와 위상 공액 장치사이에 광학 통로를 따라 배치된 최소한 제2레이징 매질 이득 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
10. 제9항에 있어서, 위상 정보를 1개의 이득 소자로부터 따른 이득 소자로 최대 전송하기 위해 이득 소자와 제2이득 소자사이에 광학 통로를 따라 배치된 영상 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
11. 제9항에 있어서, 이득 소자와 제2이득 소자사이에 배치된 텔레스코핑 렌즈 시스템을 포함하는 것을특징으로 하는 레이저 장치.
12. 제1항에 있어서. 이득 소자와 위상 공액 장치사이에 광학 통로를 따라 배치되어 있는 위상 공액 장치내로 레이저 방사선을 집속시키기 위한 접속 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
13. 제1항에 있어서, 위상 공액 장치가 선정된 요구 파장에서 동작하는 유도 브릴루앙 산란 매질을 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
14. 제13항에 있어서, SBS 매질이 도파관을 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
15. 제l3항에 있어서, SBS 매질이 메탄 또는 테트라플루오로메탄그룹으로부터 선택된 압축 개스 매질을함유하는 봉입물을 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
16. 제1항에 있어서, 위상 공액 장치가 선정된 요구 파장에서 동작하는 유도 라만 산란 매질을 포함하는것을 특징으로 하는 레이저 장치.

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