KR100784837B1 - 3차 분산 처핑을 이용한 스펙트럼 배증 광 매개형 처프펄스 증폭장치 - Google Patents

3차 분산 처핑을 이용한 스펙트럼 배증 광 매개형 처프펄스 증폭장치 Download PDF

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윤진우
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신재성
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Abstract

본 발명은 광 매개형 처프 펄스 증폭장치에 관한 것으로, 홀수차 분산(주로 3차 분산)을 이용하여 처핑된 레이저광을 출력하는 펄스 신장계; 펌프 레이저 광을 출력하는 펌프 레이저; 상기 펌프 레이저 광 및 처핑된 레이저광(신호광)을 입력으로 하고, 상기 펌프 레이저 광을 이용하여 신호광을 증폭시키고, 잉여광을 발생시키는 광 매개 증폭부; 상기 광 매개 증폭부의 출력광 중 신호광과 잉여광 그리고 그 이외의 광(펌프광)으로 분리시키는 광 신호 분리부; 및 상기 펄스 신장계에서 주어진 홀수차 분산에 의한 펄스 처핑을 역으로 보상하여 상기 중첩된 신호광 및 잉여광을 함께 시간적으로 압축시키는 펄스 압축계;를 포함하고,
잉여광을 활용하기 위해 공선형 위상 정합시 다음 관계식을 만족하고,
<관계식>
λs ≒ 2λp ≒ λi
여기서, λs는 신호광 파장, λp는 펌프광 파장, λi는 잉여광 파장을 나타냄을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에서는 잔여 짝수차 분산(주로 4차 분산)을 제거하기 위한 수단을 더 포함할 수도 있다.
또한, 본 발명에서는 펄스 신장계 및 펄스 압축계를 회절격자 반평행구조 및 회절격자 평행구조의 직렬로 구성시킴으로써 짝수차 분산(2차 분산)을 제거시키면 서 홀수차 분산(3차 분산)을 강조시키며, 또한 같은 크기를 가진 신호광 및 잉여광을 펄스 압축계에 함께 유입시킴으로써 에너지 증폭률뿐만 아니라 파장 대역폭도 배증할 수 있다.
이에 따라 본 발명에서는 스펙트럼 손실을 보상함은 물론 원신호광에 비해 더 짧은 레이저광을 얻을 수 있다.
펄스 처핑 광 매개 증폭, 신호광, 잉여광, 스펙트럼 배증

Description

3차 분산 처핑을 이용한 스펙트럼 배증 광 매개형 처프 펄스 증폭장치{Apparatus for Spectrum-doubled optical parametric chirped pulse amplification(OPCPA) using third order dispersion chirping}
도 1a는 종래 기술에 따른 광 매개형 처프 펄스 증폭장치(OPCPA)의 간략도이다.
도 1b는 도 1a를 보다 상세히 나타내는 광 매개형 처프 펄스 증폭장치의 구조도이다.
도 2a 내지 도 2d는 종래 기술에 따른 광 매개형 처프 펄스 증폭장치의 펄스 신장계의 구성도이다.
도 2e는 종래 기술에 따른 펄스 신장계에서 회절격자 반평행구조를 통한 신호광 처핑을 보여주는 그래프이다.
도 3a는 종래 기술에 따른 광 매개형 처프 펄스 증폭장치의 펄스 압축계의 구성도이다.
도 3b는 종래 기술에 따른 펄스 압축계에서 회절격자 평행구조를 통한 신호광 처핑을 보여주는 그래프이다.
도 4는 군속도 분산(2차 분산)을 주로 이용한 종래 기술에 따른 광 매개형 처프 펄스 증폭장치(OPCPA)의 펄스 신장계의 출력광(신호광)을 나타낸다.
도 5는 본 발명에 따른 광 매개형 처프 펄스 증폭장치의 상세 구조도이다.
도 6a는 본 발명에 따른 광 매개형 처프 펄스 증폭장치의 펄스 신장계와 펄스 압축계의 구성을 나타내는 간략 블록이다.
도 6b 및 도 6c는 본 발명의 일실시예에 따른 펄스 신장계와 펄스 압축계의 상세 구성도이다.
도 7a는 본 발명에 따른 회절격자 반평행구조와 회절격자 평행구조를 직렬로 구성시킨 U자형 처프 펄스 발생기에서 발생하는 신호광 처프구조의 전산모사결과를 나타내는 그래프이다.
도 7b는 본 발명에 따른 회절격자 반평행구조와 회절격자 평행구조를 직렬로 구성시킨 또 다른 종류의 U자형 처프 펄스 발생기에서 발생하는 신호광 처프구조의 전산모사결과를 나타내는 그래프이다.
도 7c는 도 7a의 그래프에 나타난 값을 도출시키기 위한 그래프이다.
도 8은 본 발명에서 활용될 수 있는 공선형 위상 정합구조로 설계된 광 매개 증폭 장치의 디자인의 적용례들이다.
도 9는 본 발명에 따른 광 매개형 처프 펄스 증폭장치의 펄스 신장계(3차 분산 이용)를 통해 늘어난 원신호광의 처핑 상태를 나타내는 그래프이다.
도 10a 및 도 10b는 본 발명에 따른 광 매개형 처프 펄스 증폭장치의 광 매개 증폭부의 출력광인 신호광 및 잉여광의 처핑 상태를 나타내는 그래프이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100 : 펄스 신장계 200 : 펌프 레이저
300 : 광 매개 증폭부(OPA)
400 : 광 신호 분리부(펌프광 제거용 이색성 거울)
500 : 빔 제거부 600 : 펄스 압축계
710 ~ 770 : 빔 경로 변경용 거울 800 : 펌프광 유입용 이색성 거울
본 발명은 광 매개형 처프 펄스 증폭장치(Optical Parametric Chirped Pulse Amplification; OPCPA)에 관한 것으로, 보다 상세하게는 에너지 증폭률뿐만 아니라 파장 대역폭 또한 배증하며, 이로 인해 스펙트럼 손실을 보상함은 물론 원신호광에 비해 더 짧은 레이저광을 얻을 수 있는 광 매개형 처프 펄스 증폭장치에 관한 것이다.
일반적으로 광 매개형 처프 펄스 증폭장치(OPCPA)는 수 펨토초(fs; 10-15초)에서 수백 펨토초영역의 모드잠금된 극초단레이저광(Mode-locked laser source)을 증폭하는 데 이용되고 있으며, 이는 기존의 펄스처핑 광증폭(Chirped Pulse Amplification; CPA) 기술과 광매개증폭(Optical Parametric Amplification; OPA)의 개념을 결합시킨 새로운 광증폭방식으로 최근 활발히 연구되기 시작한 레이저증 폭기술이다.
종래의 광 매개형 처프 펄스 증폭장치(OPCPA)에서는 장파장을 선행시키는(Long-wavelength preceding) 방식의 처핑을 주는 회절격자 반평행구조(Positive chirping by the antiparallellism of grating pair)가 펄스 신장계에 먼저 적용되고, 증폭된 이후 단파장을 선행시키는(Short-wavelength preceding) 처핑을 주는 회절격자 평행구조(Negative chirping by the parallellism of grating pair)가 펄스 압축계에 적용되어 펄스 신장계에서 일어난 펄스의 시간적 늘어남을 보상해 준다.
이를 도 1 내지 도 4를 참조하여 보다 상세히 설명하기로 한다.
도 1a는 종래 기술에 따른 광 매개형 처프 펄스 증폭장치(OPCPA)의 간략도이고, 도 1b는 도 1a를 보다 상세히 나타내는 광 매개형 처프 펄스 증폭장치의 구조도이다.
도 1a 및 도 1b를 참조하면, 종래의 광 매개형 처프 펄스 증폭장치(OPCPA)는 펄스 신장계(10), 펌프광 유입용 이색성 거울(80), 펌프 레이저(20), 광 매개 증폭부(30), 펌프광 제거용 이색성 거울(40), 빔 제거장치(50) 및 펄스 압축계(60)를 포함하여 이루어진다.
펄스 신장계(10)는 레이저 광을 주파수별로 광 경로를 달리하여 시간적으로 늘이는 장치이다. 즉, 펄스 신장계(10)에서는 극초단 레이저 출력광의 펄스의 길이(Pulse - duration)를 시간적으로 원래의 수 펨토초(fs; 10-15초)/수십 피코 초(ps; 10-12초) 영역에서 수백 피코초(ps; 10-12초)/수 나노초(ns; 10-9초)의 영역으로 늘인다.(이는 효율적인 광증폭과 광학부품의 손상한계를 피하기 위해 고안된 관련 CPA 기술 참고)
이때 사용하는 증폭단 전반부의 펄스신장계(Optical pulse-stretcher)는 파장에 따른 분산을 주어 그 결과 펄스의 시간적길이(Temporal pulse-duration)를 늘이게 되는데, 이를 펄스처핑(Pulse-chirping)이라 한다.
본 명세서에서는 상기 펄스 신장계(10)의 출력광을 간략히 '신호광'이라 지칭한다.
종래의 광 매개형 처프 펄스 증폭장치(OPCPA)에서는 상기와 같은 펄스 신장계를 통과함으로써 도 4와 같은 시간적으로 처핑된 신호광(장파장을 선행시킴)이 출력된다.
펌프 레이저(20)는 펌프 레이저 광(간략히, '펌프광'이라고도 함)을 출력하는 장치이다.
펌프광 유입용 이색성 거울(80)은 서로 다른 특성을 가진 펌프광과 신호광을 유입시켜 다음단(광 매개 증폭부)으로 보내는 장치이다.
광 매개 증폭부(30)에서는 상기 펌프광을 이용하여 신호광을 증폭시키고, 잉여광을 발생시킨다. 이에 따라, 펌프광 자신은 그만큼 감쇄된다.
그러면 상기 광 매개 증폭부(30)의 출력광은 펌프광, 증폭된 신호광 및 잉여광이 된다.
상기 펌프광과 신호광과의 위상정합방식(Phase-matching configuration)에 따라 광매개 증폭은 크게 공선형 위상정합(Collinear phase-matching)과 비공선형 위상정합(Noncollinear phase-matching)으로 나뉘는데, 비공선형 위상정합방식에서 설계조건을 잘 선택할 경우 공선형 위상정합에 비해 넓은 이득대역폭을 가질 수 있어, 일반적으로 광대역 광매개증폭(Broadband optical parametric amplification; Broadband OPA)시 비공선형 위상정합을 이용하게 된다. 이 경우 잉여광(Idler)은 파장에 따른 각분산(Angular dispersion)으로 인해 추후 활용이 어려우므로 빔제거기(Beam-dumper)를 이용해 없애주게 된다.
펌프광 제거용 이색성 거울(40)에서는 광 매개 증폭부(30)의 출력광 중 신호광 및 그 이외의 광(잉여광, 펌프광)으로 분류하여 경로를 각각 달리한다.
일례로, 펌프광 제거용 이색성 거울(40)에서는 신호광을 반사시키고, 잉여광 및 펌프광이 투과되도록 하여 상기 투과된 잉여광 및 펌프광을 빔 제거장치(50)를 이용하여 제거시킨다.
일반적으로 극초단레이저발진기 자체에서 나오는 출력광은 상당히 적은 펄스당 에너지를 가지고 있으므로 여러 단의 증폭 수단을 거쳐 증폭하게 된다.
여기서, 증폭 수단은 상기 펌프 레이저(21)(22), 광 매개 증폭부(31)(32), 펌프광 제거용 이색성 거울(41)(42) 및 빔 제거장치(51)(52) 등을 포함하며, 상기 증폭 수단을 여러 개 구비시킴으로써 원하는 크기의 신호를 얻을 수 있다.
상기와 같이, 원하는 크기만큼 신호의 증폭이 이루어지면 마지막으로 펄스 압축계(60)를 이용하여 다시 시간적으로 압축이 이루어진다.
도면 부호 71 내지 74는 광(빔)의 경로를 변경시키는 빔 경로 변경용 거울이다.
도 2a 내지 도 2d는 종래 기술에 따른 광 매개형 처프 펄스 증폭장치의 펄스 신장계의 구성도로, 도 2a는 회절격자 반평행구조(굴절형)이고, 도 2b는 회절격자 반평행구조(반사형)이며, 도 2c 및 도 2d는 회절격자 반평행구조(오프너-트리플릿형; Offner - triplet)의 평면도 및 측면도이다.
먼저, 도 2a를 참조하면, 굴절형 회절격자 반평행구조는 두 개의 회절격자(각각 '제 1 회절격자, 제 2 회절격자'라 함)(Grating)(111)(112), 두 개의 렌즈(Lens)(113)(114) 및 하나의 거울(Roof Mirror)(115)로 이루어진다.
상기 거울(Roof Mirror)(115)은 입사광의 높이만 변경시켜 반사시키는 역할을 수행한다.
그 광 경로를 살펴보면, 광은 제 1 회절격자(111)로 입사되어 반사된 후, 두 개의 렌즈(113)(114)를 통과한 후 제 2 회절격자(112)로 입사되어 다시 반사된다. 상기 반사된 광은 거울(115)로 입사되는데, 그 광은 상기 거울(115)에 의해 높이만 변경되어 반사된다. 상기 반사된 광은 제 2 회절격자(112), 두 개의 렌즈(114)(113) 및 제 1 회절격자(111)를 통해 빔경로 변경용 거울(71)로 입사된다.
여기서, 대응분리거리는 2f - s1 - s2로 나타내며, f는 렌즈(113)(114)의 초점거리, s1 및 s2는 각 렌즈(113)(114)와 회절격자(111)(112)간 거리를 가리킨다.
도 2a와 같은 굴절형 회절격자 반평행구조에서는 다음과 같은 문제점이 발생된다. 즉, 렌즈(113)(114)를 포함한 굴절형 회절격자 반평행구조에서는 렌즈에 의한 색수차 등의 문제가 발생된다.
상기 렌즈의 색수차 문제점을 해결하기 위해 도 2b와 같은 반사형 회절격자 반평행구조가 고안되었다.
도 2b를 참조하면, 반사형 회절격자 반평행구조는 두 개의 회절격자(각각 '제 1 회절격자, 제 2 회절격자'라 함)(Grating)(121)(122), 두 개의 실린더형 거울(Cylinder mirror)(123)(124) 및 하나의 프리즘(Roof Prism)(125)으로 이루어진다.
상기에서 프리즘(125)은 도 2a의 거울(Roof Mirror)과 같은 역할을 수행한다.
그 광 경로를 살펴보면, 광은 제 1 회절격자(121)로 입사되어 반사된 후, 두 개의 실린더형 거울(123)(124)을 거쳐 제 2 회절격자(122)로 입사, 반사된다. 상기 반사된 광은 프리즘(125)으로 입사된다. 그 광은 상기 프리즘(125)에 의해 높이만 변경되어 반사되며, 상기 반사된 광은 제 2 회절격자(122), 실린더형 거울(124)(123) 및 제 1 회절격자(121)를 통해 빔 경로 변경용 거울(71)로 입사된다.
여기서, 대응분리거리는 2f - s1 - s2로 나타내며, f는 실린더형 거울(123)(124)의 초점거리, s1 및 s2는 각 실린더형 거울(123)(124)과 회절격자(121)(122)간 거리를 가리킨다.
도 2b와 같은 반사형 회절격자 반평행구조에서는 다음과 같은 문제점이 발생된다. 즉 두 개의 실린더형 거울에서의 광축에 대한 경사로 인해 수차 등의 문제점이 발생된다.
이를 해결하기 위해 도 2c(평면도) 및 도 2d(측면도)와 같은 오프너-트리플릿(offner-triplet) 구조가 고안되었다.
도 2c 및 도 2d를 참조하면, 오프너-트리플릿(offner-triplet) 구조는 하나의 회절격자(Grating)(131), 사이즈가 다른 두 개의 구형 거울(각각 '제 1 구형거울, 제 2 구형거울'이라 함)(132)(133) 및 하나의 프리즘(Roof Prism)(134)으로 이루어진다.
상기에서 프리즘(134)은 도 2의 거울(Roof Mirror)과 같은 역할을 수행한다.
상기 제 2 구형거울(133)이 제 1 구형거울(132)보다 사이즈가 더 크다.
그 광 경로를 살펴보면, 광은 회절격자(131)로 입사되어 반사된 후, 제 2 구형거울(133)로 입사, 반사된다. 상기 반사된 광은 제 1 구형 거울(132)로 입사, 반사된 후, 다시 제 2 구형 거울(133)로 입사, 반사된다. 상기 반사된 광은 회절격자(131)로 입사되며, 다시 반사되어 프리즘(134)으로 입사된다. 그 광은 상기 프리즘(134)에 의해 높이만 변경되어 반사되는데 회절격자(131), 제 2 구형거울(133), 제 1 구형거울(132)을 거쳐 다시 제 2 구형거울(133), 회절격자(131)를 통해 나간다.
여기서, 대응분리거리는 2(R - s)로 나타내며, R은 제 2 구형거울(133)의 곡률반경, s는 제 2 구형거울(133)에서 회절격자(131)간 거리를 가리킨다.
도 2e는 종래 기술에 따른 펄스 신장계에서 회절격자 반평행구조를 통한 신호광 처핑을 보여주는 그래프이다.
도면은 통상적인 펄스신장계에서 발생하는 신호광 처프구조의 전산모사결과로서, 도 2c 및 도 2d에 도시된 오프너-트리플릿(offner-triplet) 구조에서 회절격자에 대한 파라메터를 다음과 같이 설정하였다. 즉, 1차 회절을 이용하였으며, 회절격자의 그루브 수(Groove number)는 1740line/mm, 입사각은 62.8도, 회절각은 72.8도, 대응분리거리는 530mm로 설정하였다.
그 결과, 1054nm의 파장을 중심으로 8nm(1058nm - 1050nm)의 스펙트럼을 가진 신호광이 약 800ps 정도 늘어났다. 이 값(800ps)은 광 경로 차(optical path-length difference)를 빛의 속도로 나눈 값이며, 광 경로 차는 240mm이고, 빛의 속도는 30만km/s이다.
참고로, 상기 펄스신장계를 통과한 레이저광은 파장에 따라 시간적으로 늘어난 구조의 형태를 지니는데, 이때 파장에 따라 시간적으로 광 펄스가 늘어나는 원인은 다음과 같다. 즉, 극초단레이저광은 여러 가지 파장성분의 레이저광이 포함되어 있는데, 각각의 성분에 대해 회절격자구조를 통과하면서, 그 광학적 진행거리가 달라지고 이에 따른 각 성분의 시간지연 차이로 인해 결과적으로 광펄스가 시간적으로 늘어나게 된다.
도 3a는 종래 기술에 따른 광 매개형 처프 펄스 증폭장치의 펄스 압축계의 구성도이다.
도 3a를 참조하면, 회절격자 평행구조는 평행 구도를 가진 두 개의 회절격자(141)(142)와, 입사광의 높이만 변경시켜 반사시키는 1개의 거울(143)로 구성된다.
그 광 경로를 살펴보면, 광은 제 1 회절격자(141)로 입사되어 반사된 후, 제 2 회절격자(142)로 입사되어 반사된다. 상기 반사된 광은 거울(143)로 입사되며, 상기 거울(143)에 의해 높이만 변경되어 다시 반사된다. 상기 반사된 광은 제 2 회절격자(142), 제 1 회절격자(141)를 통해 나간다.
여기서, 대응분리거리는 두 회절격자(141)(142)간 거리로 나타낼 수 있다.
도 3b는 종래 기술에 따른 펄스 압축계에서 회절격자 평행구조를 통한 신호광 처핑을 보여주는 그래프이다.
도면은 통상적인 펄스압축계에서 발생하는 신호광 처프구조의 전산모사결과로서, 도 3a에 도시된 회절격자 평행구조에서 회절격자에 대한 파라메터를 다음과 같이 설정하였다. 즉, -1차 회절을 이용하였으며, 회절격자의 그루브 수(Groove number)는 850line/mm, 입사각은 5.0도, 회절각은 79.0도, 대응분리거리는 692mm로 설정하였다.
그 결과, 1054nm의 파장을 중심으로 8nm의 스펙트럼을 가진 신호광이 약 800ps 정도 늘어났다. 여기서, 광경로차는 대략 240mm이다.
또한, 이 펄스 압축계는 통상의 펄스신장계에서 약 800ps 정도로 늘어난 1054nm의 파장을 중심으로 8nm의 스펙트럼을 가진 신호광을 다시 원상태로 압축시킬 수 있다.
다음으로 종래 기술에 따른 광 매개형 처프 펄스 증폭장치의 동작 및 작용에 대해 살펴보기로 한다.
먼저, 원신호광(Orignal signal)이 도 2a 내지 도 2d에 도시된 구조를 가진 펄스 신장계(10)를 지나가게 되는데, 이로 인해 장파장이 선행되는 시간적으로 늘어난 구조를 가진 파형(도 4 참조)이 출력된다.
상기 펄스 신장계(10)의 출력광(신호광)은 빔 경로 변경용 거울(71)(72)을 통해 제 1 펌프광 유입용 이색성 거울(81)로 유입되며, 아울러 제 1 펌프 레이저(21)에서 출력된 광(펌프광)도 제 1 펌프광 유입용 이색성 거울(Dichroic mirror)(81)로 유입된다.
상기 신호광 및 펌프광은 다시 제 1 광 매개 증폭부(31)에 유입된다. 여기서는 펌프광에 의해 신호광이 증폭되면서 잉여광이 발생되며, 펌프광 자신은 감쇄된다.
결국 상기 제 1 광 매개 증폭부(31)의 출력광은 펌프광, 증폭된 신호광 및 잉여광이 된다.
상기 출력광들은 제 1 펌프광 제거용 이색성 거울(41)로 유입되어 증폭된 신호광 및 그 이외의 광(펌프광, 잉여광)으로 분리된다. 즉, 감쇄된 펌프광 및 잉여광은 투과되어 제 1 빔 제거장치(51)에 의해 제거되며, 증폭된 신호광은 반사된다.
상기 증폭된 신호광이 소정 크기 이상으로 증폭된 신호광이면 곧바로 펄스 압축계(60)로 유입되며, 그렇지 않은 경우 상기 과정(펌프광 유입용 이색성 거울 ~ 빔 제거장치)을 다시 거친다.
즉, 제 1 펌프광 제거용 이색성 거울(41)에서 반사된 신호광(증폭된 신호광)이 소정 크기 이상으로 증폭된 신호광이 아니면 다른 펌프광 유입용 이색성 거울(제 2 펌프광 유입용 이색성 거울)(82)로 유입되며, 아울러 제 2 펌프 레이저(22)에서 발생된 펌프광도 상기 제 2 펌프광 유입용 이색성 거울(82)로 유입된다. 그런 후, 제 2 광 매개 증폭부(32), 제 2 펌프광 제거용 이색성 거울(42) 및 제 2 빔 제거장치(52)를 거친다. 상기 과정은 펌프광 제거용 이색성 거울을 통과한 신호광이 소정 크기 이상 증폭된 신호광이 될 때까지 반복된다.
상기와 같이, 증폭된 신호광은 펄스 압축계(60)로 유입되며, 펄스 압축계(60)에서는 상기 증폭된 신호광을 다시 시간적으로 압축시킨다.
그러나 상기와 같은 구조의 광 매개형 처프 펄스 증폭장치는 다음과 같은 문제점이 있다.
즉, 종래의 광 매개형 처프 펄스 증폭장치에서는 2차 분산(군속도 분산)( Group Velocity Dispersion; GVD)을 이용하여 선형적인 펄스 처핑구조를 만들었는데, 이는 광매개 증폭부의 출력광인 신호광과 잉여광에서 그 크기가 같고 반대부호를 가져 펄스 압축계에서 보상이 어렵다는 문제점이 있다. 그러므로 일반적으로 증폭된 신호광과 비슷한 크기의 에너지를 가지는 잉여광은 활용하지 못하고 버리게 된다.
상기 분산에 관한 상세한 설명은 도 7 설명부분을 참조하면 된다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 펄스 신장계 및 펄스 압축계에서 홀수차 분산인 3차 분산을 이용하고, 광 매개 증폭부의 출력광 중 신호광과 잉여광을 동시 활용하여 에너지 증폭률뿐만 아니라 파장 대역폭도 배증할 수 있으며, 이로 인해 스펙트럼 손실을 보상함은 물론 원 신호광에 비해 더 짧은 레이저광을 얻을 수 있는 광 매개형 처프 펄스 증폭장치를 제공하는 데 있다.
상기에서 홀수차 분산을 이용하는 목적은 다음과 같다.
즉, 종래의 2차 분산(군속도 분산) 및 4차 분산 등의 짝수차 분산은 광 매개형 처프 펄스 증폭 시, 신호광과 잉여광에서 크기만 같고 반대부호를 가지므로 펄스 압축계에서 동시에 보상하기 어려우나, 본 발명에 적용되는 3차 분산 등 홀수차 분산은 크기 및 부호가 동일하므로 펄스 압축계에서 보상이 용이하다는 장점이 있다.
참고로, 종래의 광 매개형 처프 펄스 증폭장치에서는 증폭된 신호광과 잉여광(idler)을 동시에 활용하기 어렵다. 그 이유는 다음과 같다.
첫째, 일반적으로 광대역 광매개 증폭 시 이용되는 비공선형 구조의 위상정합에서는 잉여광의 각분산(Angular dispersion of idler)이 발생하므로 이후 빔이 진행할 때, 파장에 따라 공간적으로 다른 방향으로 진행하게 되며 이를 마땅히 보정할 수단을 찾기 어렵다.
둘째, 만약 잉여광을 활용하기 위해 공선형 위상정합을 이용하면서 잉여광의 편광(polarization of idler)을 정상광(ordinary wave)으로 맞춤으로 해서 잉여광의 각분산문제는 해결할 수 있으나, 일반적으로는 극초단 신호광에 대응되는 넓은 신호광의 스펙트럼(broad-spectrum of signal)에 대해 고른 이득을 줄 만큼의 충분히 넓은 이득대역을 얻기 어렵다.
셋째, 특수한 경우 공선형 위상정합방식에도 불구하고 신호광의 스펙트럼을 모두 충분히 증폭할 수 있는 넓은 이득대역이 얻어지는 경우가 있으나, 증폭신호광과 잉여광은 서로 반대 방향으로 처핑된 펄스를 가지게 되어(opposite chirp-state of amplified signal and idler) 이후 통상의 펄스압축계를 통해서는 펄스폭이 원상 복구되지 않는다.
상기와 같은 목적을 이루기 위해 본 발명에 따른 광 매개형 처프 펄스 증폭장치는 홀수차 분산(3차 분산)을 이용하여 처핑된 레이저광을 출력하는 펄스 신장계; 펌프 레이저 광을 출력하는 펌프 레이저; 상기 펌프 레이저 광 및 처핑된 레이저광(신호광)을 입력으로 하고, 상기 펌프 레이저 광을 이용하여 신호광을 증폭시키고, 잉여광을 발생시키는 광 매개 증폭부; 상기 광 매개 증폭부의 출력광 중 신호광과 잉여광 그리고 그 이외의 광(펌프광)으로 분리시키는 광 신호 분리부; 및 상기 펄스 신장계에서 주어진 홀수차 분산에 의한 펄스 처핑을 역으로 보상하여 중첩된 신호광 및 잉여광을 함께 시간적으로 압축시키는 펄스 압축계;를 포함하고,
잉여광을 활용하기 위해 공선형 위상 정합시 다음 관계식을 만족하고,
<관계식>
λs ≒ 2λp ≒ λi
여기서, λs는 신호광 파장, λp는 펌프광 파장, λi는 잉여광 파장을 나타냄을 특징으로 한다.
상기 펄스 신장계 및 펄스 압축계는 3차 분산을 이용한 U자형 처프구조의 절반을 신호광으로, 나머지 절반은 잉여광으로 이용하는 것을 특징으로 한다.
상기 펄스 신장계에서는 중심파장을 늦게 진행시키고 주변파장을 선행시키는 방식의 처핑을 줄 수도 있고, 중심파장을 선행시키고 주변파장을 늦게 진행시키는 방식의 처핑을 줄 수도 있다.
또한, 본 발명은 상기 광매개증폭부 이전의 광경로상에 위치하여 잔여 짝수차 분산(즉, 4차 분산 등)을 제거하기 위한 수단을 더 포함함을 특징으로 한다.
상기 짝수차 분산을 제거하기 위한 수단에는 음향광학필터, 처프 미러 등이 있다.
상기 펄스 신장계는 입력신호(원 신호광)가 먼저 회절격자 반평행 구조(굴절형)를 거치고, 상기 회절격자 반평행 구조를 거친 신호가 다시 회절격자 평행 구조를 거치도록 한 회절격자 반평행 구조와 회절격자 평행 구조가 직렬로 이루어지고; 상기 입력신호(원 신호광)는 회절격자 반평행구조(굴절형)의 제 1 회절격자로 입사되어 반사되고, 상기 제 1 회절격자에서 반사된 광은 두 개의 렌즈를 통과하며, 상기 두 개의 렌즈를 통과된 광은 회절격자 반평행구조(굴절형)의 제 2 회절격자로 입사되어 다시 반사되고, 상기 제 2 회절격자에서 반사된 광은 거울로 입사되어 높이만 변경되어 반사되며, 상기 거울에서 반사된 광은 회절격자 반평행구조(굴절형)의 제 2 회절격자, 상기 두 개의 렌즈 및 제 1 회절격자를 통해 반사되고; 상기 제 1 회절격자를 통해 반사된 광은 회절격자 평행구조의 제 1 회절격자로 입사, 반사되고, 상기 제 1 회절격자에서 반사된 광은 회절격자 평행구조의 제 2 회절격자로 입사, 반사되며, 상기 제 2 회절격자에서 반사된 광은 거울로 입사되어 높이만 변경되어 다시 반사되며, 상기 거울에서 반사된 광은 제 2 회절격자, 제 1 회절격자를 통해 출력됨을 특징으로 한다.
상기 펄스 압축계는 입력신호가 먼저 회절격자 반평행 구조(굴절형)를 거치고, 상기 회절격자 반평행 구조를 거친 신호가 다시 회절격자 평행 구조를 거치도록 한 회절격자 반평행 구조와 회절격자 평행 구조가 직렬로 이루어지고; 상기 펄스 압축계에서의 입력신호는 증폭된 신호광 및 잉여광을 가리키며; 상기 입력신호는 회절격자 반평행구조(굴절형)의 제 1 회절격자로 입사되어 반사되고, 상기 제 1 회절격자에서 반사된 광은 두 개의 렌즈를 통과하며, 상기 두 개의 렌즈를 통과된 광은 회절격자 반평행구조(굴절형)의 제 2 회절격자로 입사되어 다시 반사되고, 상기 제 2 회절격자에서 반사된 광은 거울로 입사되어 높이만 변경되어 반사되며, 상기 거울에서 반사된 광은 회절격자 반평행구조(굴절형)의 제 2 회절격자, 상기 두 개의 렌즈 및 제 1 회절격자를 통해 반사되고; 상기 제 1 회절격자를 통해 반사된 광은 회절격자 평행구조의 제 1 회절격자로 입사, 반사되고, 상기 제 1 회절격자에서 반사된 광은 회절격자 평행구조의 제 2 회절격자로 입사, 반사되며, 상기 제 2 회절격자에서 반사된 광은 거울로 입사되어 높이만 변경되어 다시 반사되며, 상기 거울에서 반사된 광은 제 2 회절격자, 제 1 회절격자를 통해 출력됨을 특징으로 한다.
또한, 상기 펄스 신장계는 입력신호(원 신호광)가 먼저 회절격자 반평행 구조(오프너-트리플형)를 거치고, 상기 회절격자 반평행 구조를 거친 신호가 다시 회절격자 평행 구조를 거치도록 한 회절격자 반평행 구조와 회절격자 평행 구조가 직렬로 이루어지고; 상기 입력신호(원 신호광)는 회절격자 반평행구조(오프너-트리플릿형)의 회절격자로 입사되어 반사되고, 상기 회절격자에서 반사된 광은 제 2 구형거울로 입사, 반사되며, 상기 제 2 구형거울에서 반사된 광은 제 1 구형 거울로 입사, 반사된 후, 다시 제 2 구형 거울로 입사, 반사되며, 상기 제 2 구형 거울에서 반사된 광은 회절격자로 입사, 반사되어 프리즘으로 입사되어 높이만 변경되어 반사되고, 상기 프리즘에서 반사된 광은 회절격자, 제 2 구형거울, 제 1 구형거울을 거쳐 다시 제 2 구형거울, 회절격자를 통해 출력되며; 상기 제 1 회절격자를 통해 반사된 광은 회절격자 평행구조의 제 1 회절격자로 입사, 반사되고, 상기 제 1 회절격자에서 반사된 광은 회절격자 평행구조의 제 2 회절격자로 입사, 반사되며, 상기 제 2 회절격자에서 반사된 광은 거울로 입사되어 높이만 변경되어 다시 반사되며, 상기 거울에서 반사된 광은 제 2 회절격자, 제 1 회절격자를 통해 출력됨을 특징으로 한다.
또한, 상기 펄스 압축계는 입력신호가 먼저 회절격자 반평행 구조(오프너-트리플릿형)를 거치고, 상기 회절격자 반평행 구조를 거친 신호가 다시 회절격자 평행 구조를 거치도록 한 회절격자 반평행 구조와 회절격자 평행 구조가 직렬로 이루어지고; 상기 펄스 압축계에서의 입력신호는 증폭된 신호광 및 잉여광을 가리키며; 상기 입력신호는 회절격자 반평행구조(오프너-트리플릿형)의 회절격자로 입사되어 반사되고, 상기 회절격자에서 반사된 광은 제 2 구형거울로 입사, 반사되며, 상기 제 2 구형거울에서 반사된 광은 제 1 구형 거울로 입사, 반사된 후, 다시 제 2 구형 거울로 입사, 반사되며, 상기 제 2 구형 거울에서 반사된 광은 회절격자로 입사, 반사되어 프리즘으로 입사되어 높이만 변경되어 반사되고, 상기 프리즘에서 반사된 광은 회절격자, 제 2 구형거울, 제 1 구형거울을 거쳐 다시 제 2 구형거울, 제 1 회절격자를 통해 출력되며; 상기 제 1 회절격자를 통해 반사된 광은 회절격자 평행구조의 제 1 회절격자로 입사, 반사되고, 상기 제 1 회절격자에서 반사된 광은 회절격자 평행구조의 제 2 회절격자로 입사, 반사되며, 상기 제 2 회절격자에서 반사된 광은 거울로 입사되어 높이만 변경되어 다시 반사되며, 상기 거울에서 반사된 광은 제 2 회절격자, 제 1 회절격자를 통해 출력됨을 특징으로 한다.
상기 회절격자 반평행구조(오프너-트리플릿형)에 사용되는 회절격자는 1차 회절을 이용하고, 회절격자의 그루브 수가 1740line/mm이며, 입사각이 62.8도이고, 회절각이 72.8도이며, 대응분리거리가 530mm이고; 상기 회절격자 평행구조에 사용되는 회절격자는 -1차 회절을 이용하고, 회절격자의 그루브 수가 850line/mm이며, 입사각이 5.0도이고, 회절각이 79.0도이며, 대응분리거리가 692mm인 것임을 특징으로 한다.
상기 회절격자 반평행구조(오프너-트리플릿형)에 사용되는 회절격자는 -1차 회절을 이용하고, 회절격자의 그루브 수가 850line/mm이며, 입사각이 5.0도이고, 회절각이 79.0도이며, 대응분리거리가 692mm이고; 상기 회절격자 평행구조에 사용되는 회절격자는 1차 회절을 이용하고, 회절격자의 그루브 수가 1740line/mm이며, 입사각이 62.8도이고, 회절각이 72.8도이며, 대응분리거리가 530mm인 것임을 특징으로 한다.
상기 광 매개 증폭부는 비선형 광학 매질을 이용하는 것이 바람직하며, 상기 비선형 광학 매질에는 BBO, LBO, KTP, KDP 등이 있다.
상기 광 신호 분리부는 광 매개 증폭부에서 출력된 잉여광 및 증폭된 신호광은 반사시키고, 그 이외의 광(펌프광)은 투과시켜 잉여광, 증폭된 신호광 및 그 이외의 광으로 분리시키는 펌프광 제거용 이색성 거울인 것이 바람직하다.
또한, 본 발명은 상기 광 신호 분리부에서 분리된 펌프광을 제거시키는 빔 제거기를 더 포함함을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 상기 펄스 신장계 및 펌프 레이저의 출력광을 입력받아 광 매개 증폭부로 보내는 거울(펌프광 유입용 이색성 거울)을 더 포함함을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 상기 펄스 신장계의 후단에 설치되어 입사된 광의 경로를 펌프광 유입용 이색성 거울로 변경시키는 빔 경로 변경용 거울을 더 포함함을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 상기 광 신호 분리부에서 분리된 신호광과 잉여광의 경로를 펄스 압축계로 변경시키는 빔 경로 변경용 거울을 더 포함함을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명하고자 한다.
도 5는 본 발명에 따른 광 매개형 처프 펄스 증폭장치의 상세 구조도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 광 매개형 처프 펄스 증폭장치는 크게, 펄스 신장계(100), 펌프 레이저(200), 광 매개 증폭부(300), 광 신호 분리부(400), 빔 제거부(빔 제거장치)(500) 및 펄스 압축계(600)를 포함하여 이루어진다.
펄스 신장계(100)는 레이저 광을 주파수별로 광 경로를 달리하여 시간적으로 늘이되, 단파장(또는 장파장)을 선행시키는 방식의 처핑을 주는 장치이다. 즉, 펄스 신장계(100)에서는 극초단 레이저 출력광의 펄스의 길이(Pulse - duration)를 시간적으로 원래의 수 펨토초(fs; 10-15초)/수십 피코초(ps; 10-12초) 영역에서 수십 피코초(ps; 10-12초)/수 나노초(ns; 10-9초)의 영역으로 늘인다.
본 발명에 따른 펄스 신장계(100)는 광 매개형 처프 펄스 증폭장치(OPCPA)와 통상의 처프 펄스 증폭장치(CPA)가 혼합된 하이브리드 처프 펄스 증폭장치(Hybrid CPA)인 경우 중심파장에서 먼 파장이 선행되도록 하는 것이 바람직하다. 그러나 본 발명만으로 보았을 때는, 중심파장 부분이 선행하는 것과 중심파장에서 먼 주변파장이 선행하는 것이 원리적으로 차이가 나지 않는 동일한 구조로 볼 수 있다.
본 발명의 펄스 신장계(100)는 종래의 펄스 신장계와는 달리 홀수차 분산을 이용한다.
또한, 본 발명의 광 매개형 처프 펄스 증폭장치에서는 짝수차 분산을 제거시키는 구성을 더 포함시킬 수도 있다. 이에 대한 보다 상세한 설명은 도 6의 펄스 신장계 및 펄스 압축계 구조 설명과 함께 이루어지므로 여기서는 생략하기로 한다.
펌프 레이저(200)는 펌프 레이저 광(펌프광)을 출력하는 장치이다.
광 매개 증폭부(300)에서는 상기 펌프광을 이용하여 신호광을 증폭시키고, 잉여광을 발생시킨다. 이에 따라, 펌프광 자신은 그만큼 감쇄된다.
보다 상세히 설명하면, 광 매개 증폭부(300)로의 입력광은 펌프 레이저(200)에서 출력되는 광(펌프광) 및 펄스 신장계(100)에서 출력되는 광(신호광)이며, 광 매개 증폭부(300)에서 출력되는 광은 감쇄된 펌프광, 증폭된 신호광 및 잉여광이 된다.
광 매개 증폭부(300)는 비선형 광학 매질을 이용하는 것이 바람직하며, 상기 비선형 광학 매질로는 KTP(Potassium Titanyl Phosphate), KDP(Photassium Dihydrogen Phosphate), LBO(Lithium Triborate) 및 BBO(Beta-Barium Borate)등이 있으며, 상기 비선형 광학 매질에는 펌프광, 신호광 및 잉여광의 파장에 대해 무반사 코팅이 이루어진다. 여기서, 펌프광과 신호광의 파장에 따라 비선형 광학결정 제작 및 위상 정합 방식의 설계구조가 달라진다.
상기 광 매개 증폭부(300)에서 거의 중첩된 신호광-펌프광 관계가 이루어지는데, 종래에는 λs < 2λp < λi 또는 λs > 2λp > λi 관계가 일반적이나, 본 발명 에서는 λs ≒ 2λp ≒ λi을 만족하여야 한다.
여기서, λs는 신호광 파장, λp는 펌프광 파장, λi는 잉여광 파장을 나타낸다.
상기와 같은 관계식을 만족하면 대부분의 광매개 증폭이득(OPA gain)이 공선형 위상정합시에도 넓은 이득대역을 가질 수 있다.(도 8 참조)
광 신호 분리부(400)에서는 광 매개 증폭부(300)의 출력광 중 제거시키고자 하는 광신호와 다음단(예: 펄스 압축계 등)으로 보내고자 하는 광신호로 분리하며, 빔 제거장치(500)에서는 상기 광 신호 분리부(400)에서 분리된 제거시키고자 하는 광신호를 제거시킨다.
상기 광 신호 분리부(400)의 일례로는 펌프광 제거용 이색성 거울 등이 있으며, 상기 펌프광 제거용 이색성 거울은 제거시키고자 하는 광을 투과시키고, 다음단으로 보내고자 하는 광을 반사시키는 역할을 수행한다.
보다 상세히 설명하면, 펌프광 제거용 이색성 거울(400)은 잉여광 및 신호광 파장에 대해서는 광대역 고반사 코팅이, 펌프광 파장에 대해서는 무반사 코팅이 되어 있다. 이에 따라 펌프광 제거용 이색성 거울에 의해 잉여광 및 그 이외의 광(신호광, 감쇄된 펌프광)으로 분리시킬 수 있다.
상기 감쇄된 펌프광은 빔 제거장치(500)에 의해 제거된다.
물론 본 발명에서는 원리상으로 상기 펌프광 제거용 이색성 거울의 역할을 그 역으로 수행시키도록 할 수 있다. 즉, 상기 펌프광 제거용 이색성 거울은 제거 시키고자 하는 광을 반사시키고, 다음단으로 보내고자 하는 광을 투과시켜, 상기 반사된 광이 제거되도록 그 위치에 빔 제거장치를 구비시켜도 무방하다. 그러나 실제의 경우, 다음단으로 보내게 되는 출력광에 분산을 피하기 위해 이색성 거울은 보통 출력광에 대해 반사형으로 설계하는 것이 보다 바람직하다.
앞에서도 언급한 바와 같이, 본 발명에서는 광 매개 증폭부의 출력광 중 펌프광은 제거되고, 증폭된 신호광 및 잉여광은 펄스 압축계(600)로 들어간다.
상기 펄스 압축계(600)에서는 상기 펄스 신장계(100)에서 주어진 홀수차 분산에 의한 펄스 처핑을 역으로 보상하여 상기 중첩된 신호광 및 잉여광을 함께 시간적으로 압축시킨다. 그러면 본 발명에 따른 광 매개형 처프 펄스 증폭장치(OPCPA)는 종래의 광 매개형 처프 펄스 증폭장치(OPCPA)보다 에너지 증폭률을 2배 정도 증가시키고, 파장 대역폭 또한 배증시킬 수 있다.
본 발명에서는 광 매개 증폭부(300)의 앞 단에 펌프광 유입용 이색성 거울(800)을 구비시키는 것이 바람직하다.
상기 펌프광 유입용 이색성 거울(800)은 서로 다른 특성을 가진 펌프광과 신호광을 유입시켜 다음단(광 매개 증폭부)으로 보내는 역할을 수행한다.
즉, 펌프광 유입용 이색성 거울(Pump-injection dichroic mirror)(800)은 펌프광 파장에 대해서는 무반사 코팅(anti-reflection coating)이, 신호광 파장에 대해서는 광대역 고반사 코팅이 되어 있다. 이에, 펌프광 유입용 이색성 거울(800)은 빔 경로 변경용 거울을 통해 반사된 펄스 신장계의 출력광(신호광)과 펌프 레이저의 출력광(펌프광)을 동시에 받아들일 수 있다.
본 발명의 일실시예에서는 빔 경로 변경용 거울(730 ~ 750)이 다수 개 설치된다.
빔 경로 변경용 거울(730 ~ 750)은 앞단에서 출력된 광이 다음단으로의 유입이 제대로 이루어지도록 광 경로를 변경시키는 장치로, 신호광(Signal)의 전체 파장 영역에 대해 광대역 고반사코팅(Broadband high-reflectance coating)되어 있다.
일례로, 빔 경로 변경용 거울(730)(740)은 펄스 신장계(100)의 후단에 설치되어 펄스 신장계에서 출력된 신호광이 펌프광 유입용 이색성 거울(800)로 유입되도록 광 경로를 변경시킨다.
또한, 빔 경로 변경용 거울(750)은 펌프광 제거용 이색성 거울(400)의 후단에 설치되어 펌프광 제거용 이색성 거울(400)의 출력광(신호광 및 잉여광)이 펄스 압축계(600)로 유입되도록 광 경로를 변경시킨다.
상기 펄스 신장계 및 펄스 압축계는 3차 분산을 이용한 U자형 처프구조를 가지며, 본 발명에서는 U자형 처프 구조 중 절반을 신호광으로 이용하며, 나머지 절반은 잉여광에 해당한다.(도 7a 및 도 7b 참조) 또한 U자형 처프구조의 꼭지점에 해당하는 중심파장의 1/2에 해당하는 펌프광을 사용한다. 일례로, 도 7a 및 도 7b에서 1054nm의 중심파장을 U자형 처프의 꼭지점으로 이용하는 경우, 본 발명에서는 527nm의 펌프광을 이용한다.
또한, 본 발명에서는 짝수차 분산(4차 분산 등)을 제거하기 위한 수단을 더 구비하는 것이 바람직하다. 참고로, 2차 분산은 상기 펄스 신장계 및 펄스 압축계 의 구조(즉, 회절격자 반평행구조와 회절격자 평행구조의 직렬구조임)에 의해 제거된다.(도 6 참조)
상기 짝수차 분산 제거 수단은 펄스 압축계를 통한 펄스 압축시, 잔여 짝수차 분산(4차 분산, 6차 분산 등)에 의해 펄스 압축 효율이 떨어지는 것을 막기 위해 설치된다.
상기 짝수차 분산 제거 수단에는 이를 제거하기 위한 수단으로는, 음향광학필터(AOPDF; Acousto Optic Programmable Dispersive Filter, Dazzler 등이 있음) 또는 처프 미러(Chirp mirror) 등이 있다.
상기 짝수차 분산 제거 수단은 광매개증폭부(OPA)(300) 이전의 광경로상에 위치시키는 것이 바람직하다.
도 6a는 본 발명에 따른 광 매개형 처프 펄스 증폭장치의 펄스 신장계와 펄스 압축계의 구성을 나타내는 간략 블록이고, 도 6b 및 도 6c는 본 발명의 일실시예에 따른 펄스 신장계와 펄스 압축계의 상세 구성도이다.
먼저, 도 6a를 참조하면, 광 매개형 처프 펄스 증폭장치의 펄스 신장계(100) 및 펄스 압축계(600)는 각각 회절격자 반평행구조와 회절격자 평행구조의 직렬 구성으로 이루어진다.
즉, 본 발명에서는 입력신호(Signal)가 먼저 회절격자 반평행구조를 거치고, 그 이후에 회절격자 평행구조를 거친다. 여기서, 입력신호는 펄스 신장계에서는 원신호광을, 펄스 압축계에서는 증폭된 신호광 및 잉여광을 가리킨다.
상기와 같이 회절격자 반평행구조와 회절격자 평행구조를 직렬로 구성시키면 펄스 처핑시 2차 분산(군속도 분산)을 제거시킬 수 있을 뿐만 아니라 3차 분산을 극대화할 수 있다.(도 7 참조)
본 발명에서는 상기와 같이 펄스 신장계와 펄스 압축계의 구성이 회절격자 반평행구조와 회절격자 평행구조의 직렬 구조로 이루어져도 무방하고, 그 역으로 회절격자 평행구조와 회절격자 반평행구조의 직렬 구조로 이루어져도 무방하다. 그러나 본 발명에서는 펄스 신장계와 펄스 압축계의 구성이 회절격자 반평행구조와 회절격자 평행구조의 직렬 구조로 이루어지는 것이 더 바람직하다. 이는 이 둘 모두 원리적으로는 동일하나, 실제 구현 시에 그 구조가 간단한 회절격자 평행구조가 뒤에 위치하여야 2차 분산 제거 시 광학계 조정이 용이한 장점이 있기 때문이다.
상기 반평행구조는 도 2a 내지 도 2d에 도시된 반평행구조 중 하나를 사용해도 무방하나, 도 2c 및 도 2d에 도시된 회절격자 반평행구조(오프너-트리플릿형; Offner - triplet)를 사용하는 것이 가장 바람직하다.
이를, 도 6b 및 도 6c를 참조하여 보다 상세히 설명하기로 한다.
먼저, 도 6b에서는 펄스 신장계와 펄스 압축계의 구성이 회절격자 반평행구조(굴절형)와 회절격자 평행구조의 직렬 구조로 이루어진다.
그 광 경로를 살펴보면, 입력신호(광)는 회절격자 반평행구조(굴절형)의 제 1 회절격자(111)로 입사되어 반사된 후, 두 개의 렌즈(113)(114)를 통과한 후 제 2 회절격자(112)로 입사되어 다시 반사된다. 상기 반사된 광은 거울(115)로 입사되는데, 그 광은 상기 거울(115)에 의해 높이만 변경되어 반사된다. 상기 반사된 광은 제 2 회절격자(112), 두 개의 렌즈(114)(113) 및 제 1 회절격자(111)를 통해 반사된다. 상기 반사된 광은 빔경로 변경용 거울(710')(720)에 의해 빔 경로가 변경되어 회절격자 평행구조의 제 1 회절격자(141)로 입사된다. 상기 입사된 광은 반사되어 제 2 회절격자(142)로 입사, 반사된다. 상기 반사된 광은 거울(143)로 입사되며, 상기 거울(143)에 의해 높이만 변경되어 다시 반사된다. 상기 반사된 광은 제 2 회절격자(142), 제 1 회절격자(141)를 통해 나간다.
또한, 도 6c에서는 펄스 신장계와 펄스 압축계의 구성이 회절격자 반평행구조(오프너-트리플릿형)와 회절격자 평행구조의 직렬 구조로 이루어진다.
그 광 경로를 살펴보면, 입력신호(광)는 회절격자 반평행구조(오프너-트리플릿형)의 회절격자(131)로 입사되어 반사된 후, 제 2 구형거울(133)로 입사, 반사된다. 상기 반사된 광은 제 1 구형 거울(132)로 입사, 반사된 후, 다시 제 2 구형 거울(133)로 입사, 반사된다. 상기 반사된 광은 회절격자(131)로 입사되며, 다시 반사되어 프리즘(134)으로 입사된다. 그 광은 상기 프리즘(134)에 의해 높이만 변경되어 반사되는데 회절격자(131), 제 2 구형거울(133), 제 1 구형거울(132)을 거쳐 다시 제 2 구형거울(133), 회절격자(131)를 통해 나간다.
그러면 빔경로 변경용 거울(710")(720")에 의해 빔 경로가 변경되어 회절격자 평행구조의 제 1 회절격자(141)로 입사된다. 상기 입사된 광은 반사되어 제 2 회절격자(142)로 입사, 반사된다. 상기 반사된 광은 거울(143)로 입사되며, 상기 거울(143)에 의해 높이만 변경되어 다시 반사된다. 상기 반사된 광은 제 2 회절격자(142), 제 1 회절격자(141)를 통해 나간다.
도 7a는 본 발명에 따른 회절격자 반평행구조와 회절격자 평행구조를 직렬로 구성시킨 처프 펄스 발생기에서 발생하는 신호광 처프구조의 전산모사결과를 나타내는 그래프이고, 도 7b는 본 발명에 따른 회절격자 반평행구조와 회절격자 평행구조를 직렬로 구성시킨 처프 펄스 발생기에서 발생하는 신호광 처프구조의 전산모사결과를 나타내는 그래프이다. 또한, 도 7c는 도 7a의 그래프에 나타난 값을 도출시키기 위한 그래프이다.
도 7a와 도 7b는 각각 펄스 압축계와 펄스 신장계로, 또는 그 역으로 활용될 수 있다.
먼저, 도 7a에서는 처프 펄스 발생기를 회절격자 반평행구조(오프너-트리플릿형)와 회절격자 평행구조의 직렬로 구성시켰으며, 상기 회절격자에 대한 파라메터를 다음과 같이 설정하였다.
즉, 회절격자 반평행구조에서, 1차 회절을 이용하였으며, 회절격자의 그루브 수(Groove number)는 1740line/mm, 입사각은 62.8도, 회절각은 72.8도, 대응분리거리는 530mm로 설정하였다. 또한, 회절격자 평행구조에서, -1차 회절을 이용하였으며, 회절격자의 그루브 수(Groove number)는 850line/mm, 입사각은 5.0도, 회절각은 79.0도, 대응분리거리는 692mm로 설정하였다.
그 결과, 1054nm의 파장을 중심으로 2차 분산은 상쇄되면서 3차 분산은 누적/강조되는 U자 형태의 처핑 구조를 가진 처프 펄스 발생기를 설계할 수 있다.
도 7b에서는 처프 펄스 발생기를 회절격자 반평행구조(오프너-트리플릿형)와 회절격자 평행구조의 직렬로 구성시켰으며, 상기 회절격자에 대한 파라메터를 다음과 같이 설정하였다.
즉, 회절격자 반평행구조에서, -1차 회절을 이용하였으며, 회절격자의 그루브 수(Groove number)는 850line/mm, 입사각은 5.0도, 회절각은 79.0도, 대응분리거리는 692mm로 설정하였다. 또한, 회절격자 평행구조에서, 1차 회절을 이용하였으며, 회절격자의 그루브 수(Groove number)는 1740line/mm, 입사각은 62.8도, 회절각은 72.8도, 대응분리거리는 530mm로 설정하였다.
그 결과, 1054nm의 파장을 중심으로 2차 분산은 상쇄되면서 3차 분산은 누적/강조되는 ∩자 형태의 처핑 구조를 가진 처프 펄스 발생기를 설계할 수 있다.
본 발명의 일실시예에서는 파장 1054nm를 기준으로 좌측 부분을 신호광으로 사용하였으며, 우측 부분을 잉여광으로 사용하였다.
상기 두 종류의 U자형 처프 펄스 발생기를(즉, U 처핑과 ∩처핑) 펄스 신장계와 펄스 압축계 각각에 활용할 수 있으며, 둘 다 회절격자 반평행구조와 회절격자 평행구조가 직렬로 구성된다는 것은 동일하나, 각각의 구조에 적용되는 회절격자에 관한 파라메터가 서로 반대이다.
또한, 상기 펄스 신장계(또는 펄스 압축계)에서 회절격자 반평행구조와 회절격자 평행구조에 적용되는 회절격자에 대한 파라메터는 다르다.
다음으로, 도 7c를 참조하여 도 7a와 같은 U자형 처핑 구조를 도출하기 위한 알고리즘을 설명하기로 한다.
전체 광학계를 통한 위상함수(Phase Function) φ(ω)는 다음 식과 같다.
Figure 112006048346948-pat00001
상기 각주파수에 대한 변화 특성을 분산이라 한다. 상기 수식에서 첫 번째 항은 절대위상값(Absolute phase)을 나타내고, 두 번째 항의 계수는 군지연(group delay), 세 번째 항의 계수는 군속도 분산(GVD; Group-Velocity Dispersion), 네 번째 항의 계수는 삼차 분산(TOD; Third-Order Dispersion), 다섯 번째 항의 계수는 사차 분산(FOD; Fourth-Order Dispersion) 등으로 일컫는다.
상기 위상함수를 각주파수로 미분하면 다음과 같다.
Figure 112006048346948-pat00002
상기 수식은 각주파수에 대한 군지연의 변화를 나타내며, 이는 곧 광학계를 통한 그 파장의 빛이 나타내는 통과시간을 가리킨다.
상기 수식에서 첫 번째 항은 중심파장의 빛이 통과하는 시간, 두 번째 항 GVD는 시간상으로 선형처핑되는 계수, 세 번째 항 TOD는 2차 함수 형태(즉 포물선형태)로 처핑되는 계수, 네 번째 항 FOD는 3차 함수형태로 처핑되는 계수를 나타낸다.
상기 군속도 분산(GVD; group-velocity dispersion)은 위상에서의 2차로 표현되는 분산으로, 어떤 시스템에서 주파수에 대해 선형적으로 처프되는 양을 나타낸다. 종래의 펄스신장계나 펄스압축계에서는 2차 분산의 영향으로 선형적으로 처핑된 펄스구조를 얻는다. 반면에 본 발명에서는 3차 분산을 주로 이용한다.
한편, 어떤 두 광학계가 각각 다른 부호, 같은 크기의 군속도 분산을 주는 경우. 그 연속 배열을 통해 잔여 3차 분산(TOD; third-order dispersion)만이 최종적으로 펄스의 처프구조에 영향을 미치는 것처럼 나타난다. 이때 2차 분산의 영향은 서로 상쇄된다. 참고로, 4차 분산 및 5차 분산 등은 펄스의 처프 구조에 매우 미세한 영향을 미친다.
이 경우에 대한 도해와 설명은 아래와 같다.
즉, 어떤 두 광학계의 위상함수에 대한 미분 (a),(b)가 각각 다음처럼 표현되고,
(a); C1 + a1*(w-w0) + a2*(w-w0)2 + ... (도 7c의 그래프(1)에 해당함)
(b); C2 + b1*(w-w0) + b2*(w-w0)2 + ... (도 7c의 그래프(2)에 해당함)
(단, C1, C2, a1, a2, b1, b2 등은 상수)
상기에서 (a)식과 (b)식을 더하면 다음과 같다.
즉, (a) + (b) = (C1+C2) + (a2+b2)*(w-w0)2 +...가 된다.(단, a1 = -b1)
상기 수식은 근사적으로(approximately) w에 대한 2차 함수 형태가 되어, 원래의 위상함수의 3차 분산만의 영향으로 인한 U자형 처프(chirp)를 가지게 된다. 따라서 위 두 광학계에서 a1 = -b1으로 맞추어 주되, a2와 b2는 누적되어 큰 값을 가질 수 있게 설계된다면, 두 광학계의 일련의 배열은 U자형 처프 펄스 발생기로 동작할 수 있다.
도 8은 본 발명에서 활용될 수 있는 공선형 위상 정합구조로 설계된 광 매개 증폭 장치의 디자인의 적용례들이다.
도 8a 및 도 8b는 OPA 증폭부에 대한 광 매개 이득 곡선(parametric-gain curve)을 나타내는 것으로,
도 8a는 펌프광 세기가 400MW/cm2, BBO 결정의 길이를 15mm, 펌프광 파장을 532nm로 하였을 때의 그래프를 나타내며, 중심파장 1045nm~1085nm의 신호광을 증폭하는 데 활용할 수 있다. 도 8b는 펌프광 세기가 400MW/cm2, BBO 결정의 길이를 11mm, 펌프광 파장을 390nm로 하였을 때의 그래프를 나타내며, 중심파장을 770nm~790nm의 신호광을 증폭하는데 활용할 수 있다. (위 둘 모두 신호광과 잉여광 의 편광이 정상광으로 동일한 type I 방식의 위상정합을 이용하였다.)
보다 상세히 설명하면, 도 8a와 도 8b는 광 매개 증폭 이득(parametric-gain)을 나타낸 것으로, 예를 들어 도 8a 에서 실선곡선은 θ = 22.84도 α = 0도로 설계된 증폭단을 통한 증폭이득곡선으로 1030nm의 파장의 신호광에 대해서는 약 2500배의 신호증폭이득을 얻게 되며, 1050nm 파장의 신호광에 대해서는 약 1800배의 이득을 얻는 것을 나타낸다.
참고로, 도 8a에서 실선 곡선은 θ = 22.84도 α = 0도일 때, 점선 곡선은 θ = 22.85도, α = 0도일 때, 일점쇄선은 θ = 22.86도, α = 0도일 때를 나타낸다.
또한, 도 8b에서 실선 곡선은 θ = 29.98도 α = 0도일 때, 점선 곡선은 θ = 29.99도, α = 0도일 때, 일점쇄선은 θ = 23.00도, α = 0도일 때를 나타낸다.
여기서, θ는 크리스탈의 광학축과 펌프광 사이의 각, α는 펌프광과 신호광 사이의 각을 나타낸다.
본 발명에서는 잉여광을 활용하기 위해 공선형 위상정합을 이용하는 데, 이는 앞에서도 언급한 바와 같이, 다음 조건(관계식)을 만족하여야 한다.
<조건>
λs ≒ 2λp ≒ λi
여기서, λs는 신호광 파장, λp는 펌프광 파장, λi는 잉여광 파장을 나타낸다.
상기와 같은 조건을 만족하면 광매개 증폭 이득(OPA gain)이 공선형 위상정합시에도 넓은 이득대역을 가질 수 있다.
도 9는 본 발명에 따른 광 매개형 처프 펄스 증폭장치의 펄스 신장계(3차 분산 이용)를 통해 늘어난 원신호광의 처핑 상태를 나타내는 그래프이고, 도 10a 및 도 10b는 본 발명에 따른 광 매개형 처프 펄스 증폭장치의 광 매개 증폭부의 출력광인 신호광 및 잉여광의 처핑 상태를 나타내는 그래프이다.
도 9 및 도 10은 앞서 말한 바 있는 도 7b를 펄스 신장계로 이용하고, U자형 처핑의 중심파장의 좌측(즉, 단파장) 부분을 신호광으로 이용하는 경우를 예로 설명하고 있다.
도면을 참조하면, 하나의 펄스가 펄스 신장계(100)를 거치면 도 9에 도시된 바와 같은 시간적으로 늘어난 신호광이 된다.
이 신호는 종래의 펄스 신장계(10)를 거친 신호광과 다른 형태를 가진다. 즉, 종래에는 회절격자 반평행구조가 펄스 신장계에 사용되었으며, 이로 인해 도 4와 같은 형태의 장파장을 선행시키는(long-wavelength preceding) 방식의 신호광이 출력된다. 반면에 본 발명에서는 회절격자 반평행구조와 회절격자 평행구조가 직렬로 연결된 형태를 펄스 신장계에 사용하였으며, 이로 인해 도 9와 같은 형태의 단파장(또는 장파장)을 선행시키는 방식의 신호광이 출력된다. 이때 3차 분산을 이용한 특징적인 펄스의 처핑구조를 가진다.
상기와 같은 형태의 파형이 광매개 증폭부(300)를 거치면 증폭된 신호광(도 10a 참조)과 잉여광(도 10b 참조)이 발생된다.
상기 잉여광은 장파장을 선행한 구조를 가진다.
본 발명에서는 앞에서도 언급한 바와 같이, 광매개 증폭부(300)의 출력광 중 펌프광은 분리되어 제거되고, 잉여광 및 증폭된 신호광은 선택되어 다음단(펄스 압축계)으로 보내진다.
이후, 펄스 압축계를 통해 상기 신호광 및 잉여광이 함께 시간적으로 압축이 이루어진다. 그러면 에너지 증폭률 및 파장 대역폭이 배증되며, 이로 인해 스펙트럼 손실을 보상함은 물론 원신호광에 비해 더 짧은 레이저광을 얻을 수 있다.
상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 광 매개형 처프 펄스 증폭장치의 동작 및 작용에 대해 살펴보기로 한다.
도 6b 또는 도 6c에 도시된 구조를 가진 펄스 신장계(100)를 통과한 레이저광은 2차 분산(GVD)이 제거된 채 파장에 따라 시간적으로 늘어난 구조의 형태를 가진다.
상기 펄스 신장계(100)에서 U자형 처핑의 중심파장에 대해 좌측(즉, 단파장)부분을 신호광으로 이용하는 경우, 도 9에 도시된 바와 같은 파형이 출력된다.
상기 펄스 신장계(100)의 출력광(신호광)은 빔 경로 변경용 거울(720 ~ 740)을 통해 펌프광 유입용 이색성 거울(Dichroic mirror)(800)로 유입되며, 아울러 펌프 레이저(200)에서 출력된 광(펌프광)도 상기 펌프광 유입용 이색성 거울(800)로 유입된다.
상기 신호광 및 펌프광은 광 매개 증폭부(300)에 동시 유입된다. 여기서는 펌프광에 의해 신호광이 증폭되면서 잉여광이 발생되며, 펌프광 자신은 감쇄된다.
결국, 상기 광 매개 증폭부의 출력광은 감쇄된 펌프광, 증폭된 신호광 및 잉여광이 된다. 여기서, 상기 신호광 및 잉여광은 같은 크기를 가진다.
본 발명에서는 필요한 경우, 광 매개 증폭부 이전에 광경로상에 음향광학필터나 처프 미러 등을 구비시켜 짝수차 분산(특히 잔여 4차 분산)을 제거시킨다. 그러면 3차 분산(TOD)을 포함한 홀수차 분산만이 남게 된다.
상기 광 매개 증폭부의 출력광들은 펌프광 제거용 이색성 거울(400)로 유입되어 잉여광, 신호광 및 그 이외의 광(펌프광)으로 분리된다. 즉, 펌프광 제거용 이색성 거울(400)에 의해 펌프광은 투과되어 빔 제거장치(500)에 의해 제거되며, 신호광 및 잉여광은 반사된다.
상기 신호광 및 잉여광은 펄스 압축계(600)로 유입되며, 펄스 압축계(600)에서는 펄스 신장계에서 주어진 U자형 3차 분산에 의한 펄스 처핑을 역으로 보상하여 상기 신호광 및 잉여광을 다시 시간적으로 압축시킨다.
만약 상기에서 펄스 압축계를 거친 레이저광이 사용자가 원하는 크기(소정 이상의 크기)로 증폭이 이루어지지 않았다면 본 발명에서는 펄스 신장계 내지 펄스 압축계를 반복적으로 거친다. 이때, 광(신호광 및 잉여광)을 펄스 압축계를 이용하여 압축시킨 후 펄스 신장계를 이용하여 신장시키는 방식도 가능하지만, 펄스 신장계와 펄스 압축계의 구조가 동일하다는 특성을 이용, 해당 회절격자의 파라메터를 적절히 변경시켜 상기 펄스 압축계 및 펄스 신장계를 하나로 통합시켜도 무방하다.
상기와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
따라서 본 발명에 따른 광 매개형 처프 펄스 증폭장치(OPCPA)에서는 회절격자 반평행구조 및 회절격자 평행구조의 직렬 구조로 이루어진 펄스 신장계 및 펄스 압축계를 구성시켜 군속도 분산을 제거시키면서 홀수차 분산인 3차 분산을 강조시키며, 또한 같은 크기를 가진 신호광 및 잉여광을 펄스 압축계에 동시(함께) 유입시킴으로써 에너지 증폭률뿐만 아니라 파장 대역폭도 배증할 수 있다.
이에 따라 본 발명에서는 스펙트럼 손실을 보상함은 물론 원신호광에 비해 더 짧은 레이저광을 얻을 수 있다.
또한, 본 발명의 방식은 Yb(이터븀)등을 이용한 근적외선 영역의 극초단레이저(광섬유-레이저광원 등) 광원에 대해(1020~1060nm 파장을 가짐) 약 40-80nm 정도까지 이러한 방식으로 신호광의 스펙트럼배증을 가능케 할 수 있다. 특히 이는 현재 가장 많은 분야에서 활용되고 있는 Ti:sapphire 극초단레이저 광원과 비교해도 크게 차이 나지 않는 파장대역폭으로서, 532nm Nd:YAG doubled 펌프광을 활용한 광 매개형 처프 펄스 증폭장치(OPCPA)에서 1000~1100nm 파장대역의 Nd계열과 Yb계열의 극초단레이저 광원의 파장대역폭 증가에 즉시 활용될 수 있다.

Claims (24)

  1. 홀수차 분산을 이용하여 처핑된 레이저광을 출력하는 펄스 신장계;
    펌프 레이저 광을 출력하는 펌프 레이저;
    상기 펌프 레이저 광 및 처핑된 레이저광(신호광)을 입력으로 하고, 상기 펌프 레이저 광을 이용하여 신호광을 증폭시키고, 잉여광을 발생시키는 광 매개 증폭부;
    상기 광 매개 증폭부의 출력광 중 신호광과 잉여광 그리고 그 이외의 광(펌프광)으로 분리시키는 광 신호 분리부; 및
    상기 펄스 신장계에서 주어진 홀수차 분산에 의한 펄스 처핑을 역으로 보상하여 중첩된 신호광 및 잉여광을 함께 시간적으로 압축시키는 펄스 압축계;를 포함하고,
    공선형 위상 정합시 다음 관계식을 만족하고,
    <관계식>
    λs ≒ 2λp ≒ λi
    여기서, λs는 신호광 파장, λp는 펌프광 파장, λi는 잉여광 파장을 나타냄을 특징으로 하는 광 매개형 처프 펄스 증폭장치.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 펄스 신장계 및 펄스 압축계는 3차 분산을 이용한 U자형 처프구조의 절반을 신호광으로, 나머지 절반을 잉여광으로 이용하는 것을 특징으로 하는 광 매개형 처프 펄스 증폭장치.
  4. 제 1항 또는 3항에 있어서,
    상기 펄스 신장계는 중심파장을 늦게 진행시키고 주변파장을 선행시키는 방식의 처핑을 주는 것을 특징으로 하는 광 매개형 처프 펄스 증폭장치.
  5. 제 1항 또는 3항에 있어서,
    상기 펄스 신장계는 중심파장을 선행시키고 주변파장을 늦게 진행시키는 방식의 처핑을 주는 것을 특징으로 하는 광 매개형 처프 펄스 증폭장치.
  6. 제 1항 또는 3항에 있어서,
    상기 광매개증폭부 이전의 광경로상에 위치하여 잔여 짝수차 분산(4차 분산, 6차분산 등)을 제거하기 위한 수단을 더 포함함을 특징으로 하는 광 매개형 처프 펄스 증폭장치.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 짝수차 분산 제거 수단은 음향광학필터 또는 처프 미러 중 하나인 것을 특징으로 하는 광 매개형 처프 펄스 증폭장치.
  8. 삭제
  9. 제 1항 또는 3항에 있어서,
    상기 펄스 신장계는 입력신호(원 신호광)가 먼저 회절격자 반평행 구조(굴절형)를 거치고, 상기 회절격자 반평행 구조를 거친 신호가 다시 회절격자 평행 구조를 거치도록 한 회절격자 반평행 구조와 회절격자 평행 구조가 직렬로 이루어지고;
    상기 입력신호(원 신호광)는 회절격자 반평행구조(굴절형)의 제 1 회절격자로 입사되어 반사되고, 상기 제 1 회절격자에서 반사된 광은 두 개의 렌즈를 통과하며, 상기 두 개의 렌즈를 통과된 광은 회절격자 반평행구조(굴절형)의 제 2 회절격자로 입사되어 다시 반사되고, 상기 제 2 회절격자에서 반사된 광은 거울로 입사되어 높이만 변경되어 반사되며, 상기 거울에서 반사된 광은 회절격자 반평행구조(굴절형)의 제 2 회절격자, 상기 두 개의 렌즈 및 제 1 회절격자를 통해 반사되고;
    상기 제 1 회절격자를 통해 반사된 광은 회절격자 평행구조의 제 1 회절격자로 입사, 반사되고, 상기 제 1 회절격자에서 반사된 광은 회절격자 평행구조의 제 2 회절격자로 입사, 반사되며, 상기 제 2 회절격자에서 반사된 광은 거울로 입사되어 높이만 변경되어 다시 반사되며, 상기 거울에서 반사된 광은 제 2 회절격자, 제 1 회절격자를 통해 출력됨을 특징으로 하는 광 매개형 처프 펄스 증폭장치.
  10. 제 1항 또는 3항에 있어서,
    상기 펄스 압축계는 입력신호가 먼저 회절격자 반평행 구조(굴절형)를 거치고, 상기 회절격자 반평행 구조를 거친 신호가 다시 회절격자 평행 구조를 거치도록 한 회절격자 반평행 구조와 회절격자 평행 구조가 직렬로 이루어지고;
    상기 펄스 압축계에서의 입력신호는 증폭된 신호광 및 잉여광을 가리키며;
    상기 입력신호는 회절격자 반평행구조(굴절형)의 제 1 회절격자로 입사되어 반사되고, 상기 제 1 회절격자에서 반사된 광은 두 개의 렌즈를 통과하며, 상기 두 개의 렌즈를 통과된 광은 회절격자 반평행구조(굴절형)의 제 2 회절격자로 입사되어 다시 반사되고, 상기 제 2 회절격자에서 반사된 광은 거울로 입사되어 높이만 변경되어 반사되며, 상기 거울에서 반사된 광은 회절격자 반평행구조(굴절형)의 제 2 회절격자, 상기 두 개의 렌즈 및 제 1 회절격자를 통해 반사되고;
    상기 제 1 회절격자를 통해 반사된 광은 회절격자 평행구조의 제 1 회절격자로 입사, 반사되고, 상기 제 1 회절격자에서 반사된 광은 회절격자 평행구조의 제 2 회절격자로 입사, 반사되며, 상기 제 2 회절격자에서 반사된 광은 거울로 입사되어 높이만 변경되어 다시 반사되며, 상기 거울에서 반사된 광은 제 2 회절격자, 제 1 회절격자를 통해 출력됨을 특징으로 하는 광 매개형 처프 펄스 증폭장치.
  11. 제 1항 또는 3항에 있어서,
    상기 펄스 신장계는 입력신호(원 신호광)가 먼저 회절격자 반평행 구조(오프너-트리플형)를 거치고, 상기 회절격자 반평행 구조를 거친 신호가 다시 회절격자 평행 구조를 거치도록 한 회절격자 반평행 구조와 회절격자 평행 구조가 직렬로 이루어지고;
    상기 입력신호(원 신호광)는 회절격자 반평행구조(오프너-트리플릿형)의 회절격자로 입사되어 반사되고, 상기 회절격자에서 반사된 광은 제 2 구형거울로 입사, 반사되며, 상기 제 2 구형거울에서 반사된 광은 제 1 구형 거울로 입사, 반사된 후, 다시 제 2 구형 거울로 입사, 반사되며, 상기 제 2 구형 거울에서 반사된 광은 회절격자로 입사, 반사되어 프리즘으로 입사되어 높이만 변경되어 반사되고, 상기 프리즘에서 반사된 광은 회절격자, 제 2 구형거울, 제 1 구형거울을 거쳐 다시 제 2 구형거울, 회절격자를 통해 출력되며;
    상기 제 1 회절격자를 통해 반사된 광은 회절격자 평행구조의 제 1 회절격자로 입사, 반사되고, 상기 제 1 회절격자에서 반사된 광은 회절격자 평행구조의 제 2 회절격자로 입사, 반사되며, 상기 제 2 회절격자에서 반사된 광은 거울로 입사되어 높이만 변경되어 다시 반사되며, 상기 거울에서 반사된 광은 제 2 회절격자, 제 1 회절격자를 통해 출력됨을 특징으로 하는 광 매개형 처프 펄스 증폭장치.
  12. 제 1항 또는 3항에 있어서,
    상기 펄스 압축계는 입력신호가 먼저 회절격자 반평행 구조(오프너-트리플릿형)를 거치고, 상기 회절격자 반평행 구조를 거친 신호가 다시 회절격자 평행 구조를 거치도록 한 회절격자 반평행 구조와 회절격자 평행 구조가 직렬로 이루어지고;
    상기 펄스 압축계에서의 입력신호는 증폭된 신호광 및 잉여광을 가리키며;
    상기 입력신호는 회절격자 반평행구조(오프너-트리플릿형)의 회절격자로 입사되어 반사되고, 상기 회절격자에서 반사된 광은 제 2 구형거울로 입사, 반사되며, 상기 제 2 구형거울에서 반사된 광은 제 1 구형 거울로 입사, 반사된 후, 다시 제 2 구형 거울로 입사, 반사되며, 상기 제 2 구형 거울에서 반사된 광은 회절격자로 입사, 반사되어 프리즘으로 입사되어 높이만 변경되어 반사되고, 상기 프리즘에서 반사된 광은 회절격자, 제 2 구형거울, 제 1 구형거울을 거쳐 다시 제 2 구형거울, 제 1 회절격자를 통해 출력되며;
    상기 제 1 회절격자를 통해 반사된 광은 회절격자 평행구조의 제 1 회절격자로 입사, 반사되고, 상기 제 1 회절격자에서 반사된 광은 회절격자 평행구조의 제 2 회절격자로 입사, 반사되며, 상기 제 2 회절격자에서 반사된 광은 거울로 입사되어 높이만 변경되어 다시 반사되며, 상기 거울에서 반사된 광은 제 2 회절격자, 제 1 회절격자를 통해 출력됨을 특징으로 하는 광 매개형 처프 펄스 증폭장치.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 회절격자 반평행구조(오프너-트리플릿형)에 사용되는 회절격자는 1차 회절을 이용하고, 회절격자의 그루브 수가 1740line/mm이며, 입사각이 62.8도이고, 회절각이 72.8도이며, 대응분리거리가 530mm이고;
    상기 회절격자 평행구조에 사용되는 회절격자는 -1차 회절을 이용하고, 회절격자의 그루브 수가 850line/mm이며, 입사각이 5.0도이고, 회절각이 79.0도이며, 대응분리거리가 692mm인 것임을 특징으로 하는 광 매개형 처프 펄스 증폭장치.
  14. 제 12항에 있어서,
    상기 회절격자 반평행구조(오프너-트리플릿형)에 사용되는 회절격자는 -1차 회절을 이용하고, 회절격자의 그루브 수가 850line/mm이며, 입사각이 5.0도이고, 회절각이 79.0도이며, 대응분리거리가 692mm이고;
    상기 회절격자 평행구조에 사용되는 회절격자는 1차 회절을 이용하고, 회절격자의 그루브 수가 1740line/mm이며, 입사각이 62.8도이고, 회절각이 72.8도이며, 대응분리거리가 530mm인 것임을 특징으로 하는 광 매개형 처프 펄스 증폭장치.
  15. 삭제
  16. 제 1항 또는 3항에 있어서,
    상기 광 매개 증폭부는 비선형 광학 매질을 이용하는 것을 특징으로 하는 광 매개형 처프 펄스 증폭장치.
  17. 제 16항에 있어서,
    상기 비선형 광학 매질은 BBO, LBO, KTP, KDP 중 하나인 것을 특징으로 하는 광 매개형 처프 펄스 증폭장치.
  18. 제 1항 또는 3항에 있어서,
    상기 광 신호 분리부는 광 매개 증폭부에서 출력된 잉여광 및 증폭된 신호광은 반사시키고, 그 이외의 광(펌프광)은 투과시켜 잉여광, 증폭된 신호광 및 그 이외의 광으로 분리시키는 펌프광 제거용 이색성 거울인 것을 특징으로 하는 광 매개형 처프 펄스 증폭장치.
  19. 제 1항 또는 3항에 있어서,
    상기 광 신호 분리부에서 분리된 펌프광을 제거시키는 빔 제거기를 더 포함함을 특징으로 하는 광 매개형 처프 펄스 증폭장치.
  20. 제 1항 또는 3항에 있어서,
    상기 펄스 신장계 및 펌프 레이저의 출력광을 입력받아 광 매개 증폭부로 보내는 거울(펌프광 유입용 이색성 거울)을 더 포함함을 특징으로 하는 광 매개형 처프 펄스 증폭장치.
  21. 제 20항에 있어서,
    상기 펄스 신장계의 후단에 설치되어 입사된 광의 경로를 펌프광 유입용 이색성 거울로 변경시키는 빔 경로 변경용 거울을 더 포함함을 특징으로 하는 광 매개형 처프 펄스 증폭장치.
  22. 제 1항 또는 3항에 있어서,
    상기 광 신호 분리부에서 분리된 신호광과 잉여광의 경로를 펄스 압축계로 변경시키는 빔 경로 변경용 거울을 더 포함함을 특징으로 하는 광 매개형 처프 펄스 증폭장치.
  23. 홀수차 분산을 이용하여 처핑된 레이저광을 출력하는 펄스 신장계;
    펌프 레이저 광을 출력하는 펌프 레이저;
    상기 펌프 레이저 광 및 처핑된 레이저광(신호광)을 입력으로 하고, 상기 펌프 레이저 광을 이용하여 신호광을 증폭시키고, 잉여광을 발생시키는 광 매개 증폭부;
    상기 광 매개 증폭부의 출력광 중 신호광과 잉여광 그리고 그 이외의 광(펌프광)으로 분리시키는 광 신호 분리부; 및
    상기 펄스 신장계에서 주어진 홀수차 분산에 의한 펄스 처핑을 역으로 보상하여 중첩된 신호광 및 잉여광을 함께 시간적으로 압축시키는 펄스 압축계;를 포함하고,
    상기 광매개증폭부 이전의 광경로상에 위치하여 잔여 짝수차 분산(4차분산, 6차 분산 등)을 제거하기 위한 수단을 더 포함하며,
    공선형 위상 정합시 다음 관계식을 만족하고,
    <관계식>
    λs ≒ 2λp ≒ λi
    여기서, λs는 신호광 파장, λp는 펌프광 파장, λi는 잉여광 파장을 나타냄을 특징으로 하는 광 매개형 처프 펄스 증폭장치.
  24. 홀수차 분산을 이용하여 처핑된 레이저광을 출력하는 펄스 신장계;
    펌프 레이저 광을 출력하는 펌프 레이저;
    상기 펌프 레이저 광 및 처핑된 레이저광(신호광)을 입력으로 하고, 상기 펌프 레이저 광을 이용하여 신호광을 증폭시키고, 잉여광을 발생시키는 광 매개 증폭부;
    상기 광 매개 증폭부의 출력광 중 신호광과 잉여광 그리고 그 이외의 광(펌프광)으로 분리시키는 광 신호 분리부; 및
    상기 펄스 신장계에서 주어진 홀수차 분산에 의한 펄스 처핑을 역으로 보상하여 중첩된 신호광 및 잉여광을 함께 시간적으로 압축시키는 펄스 압축계;를 포함하고,
    상기 펄스 신장계 및 펄스 압축계는 3차 분산을 이용한 U자형 처프구조의 절반을 신호광으로, 나머지 절반을 잉여광으로 이용하며,
    공선형 위상 정합시 다음 관계식을 만족하고,
    <관계식>
    λs ≒ 2λp ≒ λi
    여기서, λs는 신호광 파장, λp는 펌프광 파장, λi는 잉여광 파장을 나타냄을 특징으로 하는 광 매개형 처프 펄스 증폭장치.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102009028819A1 (de) 2009-08-21 2011-02-24 Forschungsverbund Berlin E.V. Vorrichtung und Verfahren zur Verstärkung oder Frequenzwandlung von Laserstrahlung mithilfe der Quasi-Phasenanpassung bei der Vierwellenmischung
KR20190022190A (ko) * 2017-08-25 2019-03-06 광주과학기술원 레이저 분광 매칭 방법 및 분광 매칭 장치

Families Citing this family (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011145554A (ja) * 2010-01-15 2011-07-28 Fujitsu Ltd 光増幅器および光増幅装置
US20130077100A1 (en) * 2010-12-17 2013-03-28 Atsushi Fukui Surface shape measurement method and surface shape measurement apparatus
JP2014504802A (ja) * 2010-12-30 2014-02-24 ロッキード・マーチン・コーポレーション 小型高エネルギー中波ｏｐｃｐａレーザ
JP5799538B2 (ja) * 2011-03-18 2015-10-28 セイコーエプソン株式会社 テラヘルツ波発生装置、カメラ、イメージング装置、計測装置および光源装置
KR20140062346A (ko) * 2012-11-14 2014-05-23 한국전자통신연구원 양성자 빔 발생 장치 및 이를 이용한 치료 방법
RU2547342C2 (ru) * 2012-12-28 2015-04-10 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом"-Госкорпорация "Росатом" Оптическая система лазерного компрессора
CN103605249B (zh) * 2013-11-29 2016-04-20 华中科技大学 一种双泵浦啁啾补偿光参量放大方法及装置
US9335265B2 (en) * 2014-02-07 2016-05-10 Agilent Technologies, Inc. Spectrographic system utilizing a chirped, pulsed optical source
JP6501451B2 (ja) * 2014-03-31 2019-04-17 キヤノン株式会社 光源装置およびそれを用いた情報取得装置
CN104795718A (zh) * 2015-04-15 2015-07-22 中国科学院上海光学精密机械研究所 四阶色散补偿啁啾脉冲放大激光装置
CN108037597B (zh) * 2017-12-28 2020-05-12 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 一种可调谐啁啾布拉格体光栅及啁啾脉冲放大***
CN108767629B (zh) * 2018-03-26 2020-11-10 中国科学院上海光学精密机械研究所 大能量有源多程啁啾脉冲展宽器
DE102018212551B4 (de) * 2018-07-27 2020-06-18 Q.ant GmbH Laserlichtquelle und Laser-Projektor damit
CN110071411B (zh) * 2019-04-19 2020-09-15 中国科学院上海光学精密机械研究所 有源的offner展宽器
CN110190500B (zh) * 2019-04-24 2021-01-19 华中科技大学 一种用于窄带飞秒激光器的光参量放大方法及装置
CN113485034A (zh) * 2021-07-20 2021-10-08 珠海光库科技股份有限公司 一种光纤光栅的调谐装置

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6775053B2 (en) 2001-04-12 2004-08-10 The Regents Of The University Of California High gain preamplifier based on optical parametric amplification
US20050105865A1 (en) 2003-06-30 2005-05-19 Imra America, Inc. All-fiber chirped pulse amplification systems
US20060120418A1 (en) 2004-12-07 2006-06-08 Imra America, Inc. Yb: and Nd: mode-locked oscillators and fiber systems incorporated in solid-state short pulse laser systems

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6208458B1 (en) * 1997-03-21 2001-03-27 Imra America, Inc. Quasi-phase-matched parametric chirped pulse amplification systems
US6885683B1 (en) * 2000-05-23 2005-04-26 Imra America, Inc. Modular, high energy, widely-tunable ultrafast fiber source
CN1688068A (zh) * 2005-04-22 2005-10-26 中国科学院上海光学精密机械研究所 小型化光学参量啁啾脉冲放大激光***

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6775053B2 (en) 2001-04-12 2004-08-10 The Regents Of The University Of California High gain preamplifier based on optical parametric amplification
US20050105865A1 (en) 2003-06-30 2005-05-19 Imra America, Inc. All-fiber chirped pulse amplification systems
US20060120418A1 (en) 2004-12-07 2006-06-08 Imra America, Inc. Yb: and Nd: mode-locked oscillators and fiber systems incorporated in solid-state short pulse laser systems

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102009028819A1 (de) 2009-08-21 2011-02-24 Forschungsverbund Berlin E.V. Vorrichtung und Verfahren zur Verstärkung oder Frequenzwandlung von Laserstrahlung mithilfe der Quasi-Phasenanpassung bei der Vierwellenmischung
KR20190022190A (ko) * 2017-08-25 2019-03-06 광주과학기술원 레이저 분광 매칭 방법 및 분광 매칭 장치
KR101960748B1 (ko) * 2017-08-25 2019-07-17 광주과학기술원 레이저 분광 매칭 방법 및 분광 매칭 장치

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