KR101893235B1 - 디스크 레이저용 펌프 광 조립체 - Google Patents

디스크 레이저용 펌프 광 조립체 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 펌프 광 빔(8)을 레이저 활성 매체(2) 상에 포커싱하는 반사면(10)을 갖는 포커싱 장치, 특히 오목 거울(11)과, 상기 반사면(10) 상에 형성되고 반사면(10)의 중심축(12)을 중심으로 상이한 각도 구역에 배치되는 복수의 반사 구역(B1 내지 B12) 사이에서 펌프 광 빔(8)을 편향시키는 편향 조립체를 포함하는 디스크 레이저(1)용 펌프 광 조립체(6)에 관한 것이다. 편향 장치는 레이저 활성 매체(2) 상에 연속적인 포커싱들에서 포커싱 장치(11)의 수차에 의해 유발되는 펌프 광 빔(8)의 광 빔 확장을 보상하도록 각각의 경우에 반사 구역(B1 내지 B12) 중 2개의 반사 구역 사이에서 펌프 광 빔(8)을 편향시켜 텔레센트릭 이미징의 경우의 광 경로 길이(2f)보다 큰 광 경로 길이(2f+2d1; 2f+2d2)를 갖게 하도록 구성된다. 본 발명은 또한 디스크 레이저(1) 및 레이저 활성 매체(2)의 펌핑 방법에 관한 것이다.

Description

디스크 레이저용 펌프 광 조립체{PUMP LIGHT ARRANGEMENT FOR A DISC LASER}
본 발명은, 펌프 광 빔을 레이저 활성 매체 상에 포커싱하는 반사면을 갖는 포커싱 장치, 특히 오목 거울과, 상기 반사면 상에 형성되고 반사면의 중심축을 중심으로 상이한 각도 구역에 배치되는 복수의 반사 구역들 사이에서 펌프 광 빔을 편향시키는 편향 조립체를 포함하는, 디스크 레이저용 펌프 광 조립체에 관한 것이다. 본 발명은 또한 그러한 펌프 광 조립체를 갖는 디스크 레이저에 관한 것이고, 그리고 펌프 광 빔을 포커싱 장치, 특히 오목 거울에 의해 레이저 활성 매체 상에 반복적으로 포커싱하는 것을 포함하는 레이저 활성 매체의 펌핑 방법에 관한 것이며, 연속적인 포커싱 단계들 사이에서, 반사면의 중심축을 중심으로 상이한 각도로 배치되는 포커싱 장치의 반사면의 상이한 반사 구역들 간에 펌프 광 빔의 편향이 발생한다.
디스크 레이저는 만족스럽게 냉각될 수 있는 얇은 두께(레이저 디스크)의 레이저 활성 매체(증폭기 매체)를 갖는다. 따라서, 디스크 레이저의 개념은 수 킬로와트 범위의 높은 레이저 파워에 적절하다. 그러나, 증폭기 매체의 얇은 두께로 인해, 레이저 활성 매체를 통한 통과 중에 펌프 복사가 거의 흡수되지 않고, 레이저 활성 매체의 펌핑시에 적절한 조치의 제공 없이, 레이저 시스템의 낮은 효율을 초래한다. 레이저 활성 매체에서의 레이저 조건을 만족시키는 데에 필요한 최소 에너지 또는 최소 레이저 파워를 달성하기 위하여, 펌프 복사에 의한 다중 광로(multiple pass)가 일반적으로 요구된다.
상기 다중 광로는 예컨대 EP 0 632 551 B1호에 설명되는 방식으로 달성될 수 있다. 이 특허에서, 펌프 광 빔은 디스크형의 레이저 활성 매체의 상부면에 대해 소정 각도로 복사되고 레이저 활성 매체의 후방면에 마련된 반사면에서 반사된다. 이후에, 반사된 펌프 광 빔은 복수의 펌프 광 미러와 보조 미러를 통해 다시 레이저 활성 매체 상으로 반복적으로 반사된다. 편향을 위해, 구형 미러가 사용되고 펌프 스폿의 직접적인 1:1 이미지가 2개의 연속적인 포커싱 단계에서 생성된다. 그러나, 펌프 광 빔은 모든 이미징 작업에서 발산하고, 그 결과 펌프 스폿의 크기가 증가하며 이에 따라 레이저 활성 매체에 도입되는 파워가 감소하는데, 이는 다중 광로의 개수를 제한한다.
EP 1 252 687 B1호에 설명된 펌프 조립체는 그러한 문제를 해결하도록 의도된 것이며, 또한 "Pumpoptiken and resonatoren fur Scheibenlaser"(pumping optics and resonators for disc lasers)(S.Erhard, Dissertation, Universitaet Stuttgart, 2002, ISBN 3-8316-0173-9)를 참조하라. 여기서, 펌프 광 빔은 파라볼라 거울에 의해 레이저 활성 매체 상에 포커싱되고, 다중 광로는 파라볼라 거울의 하나의 그리고 동일한 링 구역의 상이한 섹터에 놓이는 상이한 편향 구역들 사이에서 편향 수단, 예컨대 프리즘에 의해 반복적으로 편향되는 펌프 광 빔에 의해 달성된다. 파라볼라 거울은 팔라볼라 거울의 초점면에 배치되는 레이저 활성 매체로부터 방출되는 발산 펌프 광 빔을 시준하고, 포커싱될 펌프 복사장(pump radiation field)의 발산은 다중 광로 중에 부분적으로 보상되고, 그 결과 레이저 활성 매체에서 더 높은 펌프 파워 밀도가 생성될 수 있다.
그러나, 파라볼라 거울의 상이한 섹터들 간의 펌프 복사의 편향은 광로들의 개수가 증가함에 따라, 팔라볼라 거울에 형성되는 반사면의 활용이 감소하고, 즉 펌프 복사의 반사를 위해 점점 더 작은 반사 구역을 갖는 점점 더 작은 각도의 구역(섹터)이 요구된다는 것을 의미한다. 그 결과, 더 높은 레이저 파워에서 필요해지는 펌프 광 조립체의 효율의 증가가 더 높은 광 빔 품질 또는 펌프 광의 더 작은 광 빔 파라미터 적(beam parameter product)에 의해서만 달성될 수 있다.
"Scheibenlaser mit Kilowatt-Dauerstrichleistung"(disc lasers with kilowatt continuous-wave power)(C. Stewen, Dissertation, Universitaet Stuttgart, 2002, ISBN 3-89675-763)에서, 복수의 편향 유닛을 이용하여, 또한 파라볼라 거울에 반사 구역을 갖는 복수의 링 구역이 이미징을 위해 이용되고, 개별적인 링이 파라볼라 거울의 세그먼트에 반경 방향으로 배치되는 것이 제안되었다. 펌프 광 스폿의 이미징은 이 경우에 통상적으로 텔레센트릭 이미징에 의해 발생한다.
펌프 광 빔의 편향 개수가 클수록, 발산 효과가 더 커지고, 이는 파라볼라 거울의 사용에 의해 보상될 수 없다. 이는 파라볼라 거울과 편향 장치 사이에서 펌프 스폿 또는 시준된 광 빔 번들의 현저한 확대를 유발하여, 그러한 펌프 광 조립체의 경우라도, 다중 광로의 개수, 및 이에 따라 레이저 활성 매체에서 펌프 파워 밀도의 레벨이 제한된다.
S.Erhard의 논문은 또한 이미징을 위해 사용되는 2개의 렌즈들 간의 거리가 그 초점 거리들의 합계에 대응하는 다중 광로의 생성을 위해 텔레센트릭 이미징을 이용하는 것을 제안하고 있다. 실제 시스템에서, 펌핑된 레이저 디스크 및/또는 열 렌즈의 (가능하게는 바람직하지 않은) 표면 곡률이 발생하는데, 이는 초점 거리의 합계(2f)의 거리에 렌즈들을 배치함에도 불구하고 결과적인 총 초점 거리(fges)가 이미징에서 빔의 확장을 초래하게 한다. 논문에서는, 초점 거리의 2배의 렌즈들 거리의 작은 편차(σ)를 도입함으로써 해당 효과가 보상된다는 것을 제안하고 있는데, 편차는 전체 시스템이 텔레센트릭 이미징을 가능하게 하는 방식(σ=f2/fges)으로 선택된다.
그러나, 레이저 시스템에서, 포커싱 장치로 인해, 매 광로에 의해 추가되는 수차(aberration)가 발생한다. 따라서, 이들 수차는 다중 광로의 개수, 이에 따라 활성 매체에서 펌프 광 밀도의 레벨을 제한한다. 이들 수차는 추가적인 렌즈에 의해 설명될 수 없고 논문에서 고려되지 않았다.
본 발명의 목적은 펌프 광 조립체, 디스크 레이저 및 레이저 활성 매체를 통해 펌프 광 광로의 개수를 증가시키는 관련 펌핑 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적은, 서두에 언급된 종류의 펌프 광 조립체에 의해 본 발명에 따라 달성되는데, 여기서 편향 장치는 레이저 활성 매체 상에 연속적인 포커싱들에서 포커싱 장치의 수차(aberration)에 의해 유발되는 펌프 광 빔의 광 빔 확장을 보상하도록 각각의 경우에 반사 구역 중 2개의 반사 구역 사이에서 펌프 광 빔을 편향시켜 텔레센트릭 이미징의 경우의 광 경로 길이보다 큰 광 경로 길이를 갖게 하도록 구성된다.
본 발명자는, 반사 구역들 중 2개의 반사 구역 사이의 편향시의 광 경로 길이가 포커싱 장치의 초점 거리의 정확하게(이상적인 이미징 시스템에서) 2배에 대응하는 텔레센트릭 이미징의 경우라도, 펌프 광 빔이 연속적인 포커싱 단계에서 확장되는 것을 실현하였다. 이를 위한 한가지 중요한 이유는 포커싱 장치(오목 또는 파라볼라 거울)의 (피할 수 없는) 수차인데, 이는 (공칭) 텔레센트릭 이미징의 경우라도, 펌프 광원으로부터 방출되는 펌프 광 빔의 직경의 한정된 확장에 의해, 먼 자기장(즉, 2개의 반사 구역들 사이의 펌프 광 빔)이 광로로부터 광로로 커지게 된다는 것을 의미한다.
펌프 광 조립체의 관습적으로 사용되는 치수의 경우, 발산 증가를 효율적으로 보상할 수 있도록 요구되는 추가의 광 경로 길이는 오목 또는 파라볼라 거울의 초점 거리의 통상적으로 약 1/6보다 크거나, 약 1/4보다 크며, 특히 바람직하게는 1/2보다 크다. 통상, 요구되는 추가의 광 경로 길이는 팔라볼라 거울의 초점 거리보다 크지 않다. 오목 거울의 초점 거리에 대한 의존에 추가하여, 추가의 광 경로 길이에 대한 수치값은 또한 반사면의 오목 거울의 직경(D)에 따라 좌우된다. 빔 확장을 위한 효율적인 보상을 위해 요구되는 추가의 광 경로 길이의 정확한 크기를 위해, 분석 공식을 제시하는 것은 가능하지 않고, 시뮬레이션 계산(예컨대, 광 빔 추적)에 의한 예정된 파라미터를 이용하여 펌프 광 조립체에 대해 정확한 크기가 결정될 수 있다.
텔레센트릭 이미징의 경우에 광 경로 길이로부터의 선택적인 편향에 의해, 펌프 광 빔의 확장이 매우 크게 방지될 수 있다. 그러한 구성에 의해, 가까운 자기장, 즉 이미징 평면에서, 펌프 스폿의 에지에서 발생하는 상 교란의 감소를 초래하는 바람직하게는 흐릿한 상이 또한 얻어지고, 이는 또한 레이저 공진기 또는 펌프 광 조립체의 효율에 긍정적인 영향을 미친다. 실제 이미징 시스템에서, 레이저 활성 매체에서 가능하게 발생할 수 있는 곡률 또는 열 렌즈로 인해, 텔레센트릭 이미징에 필요한 광 경로 길이는 포커싱 장치의 초점 거리의 정확하게 2배에 대응하지 않는다. 레이저 활성 매체에 의해 야기되는 이들 효과는 필요하다면 추가적으로 고려될 수 있고 또한 텔레센트릭 이미징의 광 경로 길이를 결정할 때에 텔레센트릭 상을 생성하는 데에 필요한 초점 거리의 2배로부터의 편차(σ=f2/fges)를 또한 고려함으로써 보상될 수 있다. 그러나, 상기 편차(σ=f2/fges)는 포커싱 장치의 수차를 보상하기 위해 요구되는 추가의 광 경로 길이보다 명백하게 작다.
전술한 조치에 의해 다중 광로의 개수를 증가시키는 것이 가능하기 때문에, 레이저 활성 매체에서 가능한 한 높은 펌프 파워 밀도에 도달하도록 펌프 광 빔의 방위각 편향 외에 펌프 광 빔의 반경 방향 편향을 수행하는 것이 유리하다.
그 목적을 위해, 편향 조립체는 편향면의 중심축으로부터 상이한 거리에 배치되는 반사 구역들 사이에서 펌프 광 빔을 편향시키도록 구성될 수 있다. 이 방식에서, 포커싱 장치의 반사면은 다수의 다중 광로의 경우라도 최적으로 이용될 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 이와 달리, 팔라볼라 미러의 예정된 표면 또는 반사면의 예정된 직경에 대해, 오직 방위각 편차 및 광로들의 개수 증가의 경우에, (시준된) 펌프 광 빔의 단면이 감소되어야 하고, 이에 따라 광 빔의 광 빔 품질이 증가되어야 한다.
반사면의 직경은 오직 방위각 편향의 경우라도 명백하게 증가될 수 있고, 이에 따라 펌프 광 빔의 단면 감소가 가능하게는 생략될 수 있다. 그러나, 오목 거울, 예컨대 파라볼라 오목 거울의 최대 직경은 그 초점 거리에 따라 좌우된다. 하지만, 파라볼라 거울의 직경이 동일한 채로 있고 초점 거리가 감소하는 경우, 거울의 코마 수차가 증가하기 때문에, 초점 거리는 수차에 의해 제한된다. 그러나, 최대한 1/2 공간, 즉 거의 2π의 입체각(solid angle)을 이용하는 것이 바람직하다. 또한, 초점 거리의 감소는, 예컨대 파라볼라 거울과 레이저 활성 매체 사이의 설치 공간이 작아져 가능하게는 편향 조립체 또는 개별적인 편향 장치들을 수용하기에 충분하지 못하게 한다.
일 실시예에서, 각각의 경우에 반사 구역들 중 2개의 반사 구역 사이에서의 편향시에 펌프 광 빔의 광 경로 길이는 레이저 활성 매체에 도입되는 펌프 광 빔의 파워가 최대화되도록 선택된다. 본 발명자는 펌프 광 조립체에 의해 레이저 활성 매체에 도입되는 파워, 즉 펌프 광 조립체의 효율이 상당한 정도까지 반사 구역들 사이의 편향시에 선택된 광 경로 길이에 따라 좌우된다는 것을 발견하였다. 도입된 파워의 두드러진 최대값은 텔레센트릭 이미징의 범위으로부터 현저하게 편향하는 광 경로 길이, 즉 2개의 반사 구역들 사이에서의 편향시에 포커싱 장치의 초점 거리의 2배에서 도달된다는 것을 알았다. 상기 최대값은 통상적으로(그러나, 무리하지 않게) 포커징 장치의 총 초점 거리와 초점 거리의 약 1/4 사이의 간격 내에 있는 추가의 광 경로 길이에서 도달된다. 특히, 추가의 광 경로 길이가 포커싱 장치의 초점 거리의 적어도 1/2이면 유리하다.
추가의 실시예에서, 편향 조립체는 각각의 경우에 반사면의 중심축으로부터 동일한 거리에 배치되는 반사 구역들 중 2개의 반사 구역 사이에서 펌프 광 빔을 동일한 광 경로 길이를 갖게 편향시키도록 구성된다. 특히, 편향을 위해 프리즘이 제공되는 경우에, 각각의 경우에 중심축으로부터 동일한 거리에 배치되는 반사 구역들 중 2개의 반사 구역에서 수행되는 동일한 광 경로 길이를 갖는 모든 편향을 수행하는 것이 유리한 것으로 판명되었는데, 그 이유는 그 경우에 프리즘들 또는 프리즘 쌍이 공통 평면에 배치될 수 있고, 이는 그 취급을 간소화시키기 때문이다. 그러나, 개별적인 프리즘들 또는 프리즘 쌍이 동일한(최적화된) 거리에 배치되도록 강요되지 않는다는 것을 알 것이다. 특히, 한쌍의 프리즘이 파라볼라 거울에 가깝게 배치되고, 다시 다른 쌍의 프리즘이 파라볼라 거울로부터 더 멀리 배치될 때에, 이는 이미징 품질의 분명한 손상을 반드시 초래하지는 않는다. 그러나, 파라볼라 거울로부터 프리즘들 또는 프리즘 쌍의 작은 거리는 가능하게는 클리핑 손실(clipping loss)을 초래할 수 있고, 이 클리핑 손실을 보상하기 위하여, 파라볼라 거울의 초점 거리가 증가되어야 하며, 이는 효과적으로 사용되는 입체각의 크기에 있어서 감소를 수반한다.
본 발명에 따른 펌프 광 조립체의 경우에, 펌프 광원으로부터 방출되는 펌프 광 빔은 중심축에 평행하게, 예컨대 포물면 형태의 반사면 상에, 통상적으로 시준된 형태로 원형 광 빔 단면을 가지면서 충돌한다. 따라서, 반사 구역은 중심축에 수직인 평면 상에 원형의 투영 형태로 형성된다. 이하에서 원형의 반사 구역 또는 원형의 반사면이 언급되는 경우는 언제나, 이는 각각의 경우에 중심축에 수직인 평면으로의 투영을 지칭한다.
일 실시예에서, 반사 구역은 반사면의 제1 내부 링 구역과 제2 외부 링 구역에, 그리고 적용 가능하다면 추가의 링 구역에 배치된다. 복수의 동심 원형 링에서 반사 구역의 배열은 필 팩터, 즉 반사 구역에 의해 덮이는 반사면의 표면적이 가능한 한 크게 되도록 선택될 수 있기 위하여 유리한 것으로 입증되었다. 반사면의 중앙에는, 이 경우에 통상적으로 반사 구역이 없고, 오히려 레이저 활성 매체의 펌핑시에 레이저 광 빔의 통과 개구가 생성된다. 개별적인 링 구역의 반사 구역의 크기는 이 경우에 반사 구역이 서로로부터 이격되도록 선택될 수 있다. 그러나, 표면적의 이용을 최적화하기 위하여, 반사 구역의 크기는 또한 인접한 반사 구역들이 서로 한 점에서 접촉하도록 선택될 수 있다. 그러나, 사실상, 개별적인 반사 구역은 오버랩하도록 의도된다.
일 실시예에서, 제1 내부 링 구역의 반사 구역들 사이에서의 편향시에 펌프 광 빔의 광 경로 길이는 제2 외부 링 구역의 반사 구역들 사이에서 펌프 광 빔의 편향시에 광 경로 길이보다 작다. 여기서 설명한 이미징(순전히 텔레센트릭이 아닌)의 경우에, 내부 링 구역의 반사 구역들 사이에서의 편향시에 광 경로 길이가 외부 링 구역의 반사 구역들 사이에서의 편향시에 광 경로 길이보다 작다면 유리하다는 것을 알았다. 펌프 광 조립체의 그러한 구성의 경우, 편향 프리즘이 편향 장치로서 사용되면, 펌프 광 빔의 편향이 방위각 방향에서만, 즉 하나의 동일한 링 구역의 반사 구역들 사이에서만 발생해야 한다는 것을 유념해야 한다. 그 이유는, 시준된 펌프 광 빔이 펌프 조립체의 중앙을 통해 전파하는 편향의 경우에, 일반적으로 클리핑 손실이 내부 프리즘 세트로 인해 일어난다는 것이다. 그러나, 예컨대 섬유 번들 형태의 편향 장치가 사용되는 경우, 일반적으로 반경 방향의 편향이 또한 어떠한 문제 없이 가능하다는 것을 알 것이다.
편향은 예컨대 거울, 편향 프리즘 또는 섬유 번들에 의해 수행될 수 있다. 편향이 종래의 거울에 의해 수행된다면, 광 경로 길이는 기하학적 경로 길이에 대응한다. 다른 한편으로, 총 반사를 이용하는 경우 또는 펌프 광 빔의 편향을 위해 섬유 배열을 이용하는 경우, 펌프 광 빔은 굴절률이 광 경로 길이를 계산할 때에 고려되어야 하는 광학 매체를 통해 전파한다.
편향 프리즘 또는 거울 형태의 편향 유닛이 사용되면, 순전히 텔레센트릭이 아닌 이미징의 경우, 그 절단 에지가 레이저 디스크 또는 레이저 활성 매체와 하나의 평면에 놓이지 않고, 포커싱 장치로부터 멀리 떨어져 있게 된다. 이 경우에, 외부 링 구역의 편향 유닛은 내부 링 구역의 편향 유닛보다 레이저 디스크를 포함하는 평면으로부터 더 이격된다. 전술한 바와 같이, 날카로운 상이 이 경우에 생성되지 않아, 펌프 광 빔의 발산을 증가시키지 않는다.
중심축으로부터 반경 방향으로 상이한 거리에 있는, (만곡된) 반사면, 예컨대 (대략) 포물선 곡률을 갖는 반사면의 링 구역의 2개의 반사 구역들 사이에서의 펌프 광 빔의 편향에서, 거울 또는 프리즘이 편향을 위해 사용되는 경우 추가 문제가 발생한다. 최대의 날카로움을 갖는 광축에 대해 소정 각도로 배치되는 물체(레이저 디스크 또는 펌프 스폿)을 이미징하기 위하여, 소위 샤임플러그 조건(Scheimpflug condition)을 만족시키는 것이 필요하고, 즉 물체가 다시 자체로 이미징될 수 있도록 상 평면이 회전되어야 한다. 반경 방향 외부 링 구역의 반사 구역으로부터 내부 링 구역의 반사 구역으로의 편향시에(또는 그 반대의 경우에), 해당 조건은 편향 프리즘 또는 거울이 편향을 위해 사용된다면 더 이상 반드시 만족될 필요는 없다. 이는 또한 펌프 광 빔의 확장을 초래한다.
추가의 실시예에서, 편향 조립체는 제1 링 구역의 반사 구역과 제2 링 구역의 반사 구역 사이에서 펌프 광 빔을 편향시키는 편향 장치를 구비하고, 상기 편향 장치는, 편향과 관련된 2개의 포커싱 작업에 의한 반사 구역에서 펌프 광 빔의 이미징시에 샤임플러그 조건을 만족시키도록 구성되는 이미징 광학 기기와 2개의 거울 표면을 갖는다. 이미징 광학 기기는 광 경로 길이를 연장시키도록 예컨대 2개의 렌즈 형태의 반사 또는 투과 이미징 광학 기기를 갖는데, 이미징 광학 기기는 서로에 대해 그리고 광 빔 경로에 대해 적절한 각도로 배향되는 적절하게 배치된 (평면) 거울 표면과 조합하여, 상 평면의 변위 및 경사를 실행하고, 이는 펌프 스폿이 대응하는 포커싱 작업에서 자체에 이미징될 때에 샤임플러그 조건이 충족될 수 있도록 선택된다.
그러한 편향 장치의 편향 거울 또는 편향 프리즘은 이 경우에 각각의 링 구역 내에 오로지 방위각 편향만을 실행하는 편향 장치와 통상적으로 상이한 레이저 활성 매체를 포함하는 평면으로부터의 거리를 갖는다. 통상적으로, 내부 및 외부 링 구역 간에 편향에서 펌프 광 빔에 의해 이동되는 광 경로 길이는 초점 거리의 4배(4f)에 의해 각각의 링 구역 내에서의 방위각 편향의 경우보다 크다. 그러나, 반경 방향 편향을 위해 편향 장치가 샤임플러그 조건을 만족시키도록 강요되지 않는다는 것을 알 것이다. 예컨대, 반경 방향 편향의 경우 거울 표면들이 서로에 대해 직각으로 배향되는 대칭형 편향 프리즘을 이용하는 것이 가능한데, 이 경우에 이미징 광학 기기가 생략된다.
유리한 개량에 있어서, 제1 링 구역은 다수의 6개의 반사 구역을 갖는다. 이는 필 팩터를 가능한 한 크게 얻는 데에 유리한 것을 입증되었다. 그러한 다수의 (원형) 반사 구역의 경우, 유효 표면적이 최적으로 이용될 수 있도록 모든 이웃한 반사 구역들이 서로에 대해 바로 인접하는 것이 가능하다.
한 개량에 있어서, 제2 링 구역은 다수의 12개의 반사 구역을 갖는다. 특히 제1 링 구역이 6개의 (원형) 반사 구역을 갖는 경우, 이 경우에 또한 (원형) 반사 표면이 최적으로 이용되는 것이 가능하고, 즉 해당 개수의 반사 구역의 경우, 필 팩터가 (국부적) 최대값을 보인다.
다른 개량에 있어서, 반사면은 바람직하게는 다수의 18개의 반사 구역을 포함하는 제3의 반경 방향 외부 링 구역을 갖는다. 이 경우에도, 필 팩터는 반사면에 그러한 다수의 반사 구역을 갖는 (국부적) 최대값을 달성한다. 적절하다면 추가의 링 구역이 제공될 수 있다는 것을 알 것이고, 그 경우에 표면적의 이용은 각각의 링 구역에서 반사 구역의 개수의 적절한 선택에 의해 최대화될 수 있다.
추가의 실시예에서, 반사면은 비구면 형상, 특히 포물선 형상을 갖고, 특히 포물선 형태로부터 약간 편향되는 비구면 형상을 갖는다. 오목 거울은 일반적으로 포커싱 장치로서의 역할을 하고, 오목 거울은 통상적으로 (회전 대칭형) 반사면에서 레이저 활성 매체에 의해 반사되는 펌프 광 빔의 시준을 달성하도록 (대략) 포물선 반사면을 갖는다. 적절하다면, 해당 기능은 또한 다른 비구면 표면에 의해 충족될 수 있거나, 적절하다면 오목 거울의 분할 또는 패시팅(faceting)이 수행될 수 있고, 각 면은 반사 구역의 각 반사 구역과 관련된다.
일 실시예에서, 편향 조립체는 특히 (링 구역 내에서) 방위각 편향을 위해, 바람직하게는 프리즘 상에 또는 복수의 프리즘 상에 형성되는 대칭면에 대해 거울 대칭으로 배향되는 2개의 편향면을 갖는 적어도 하나의 편향 장치를 갖는다. 이 경우에, 편향 장치는 편향면으로서 기능하는 카세토스(cathetus)에서 총 반사를 이용하는 180°편향 프리즘으로서 구성될 수 있다. 그러나, 예컨대 180°편향 장치로서 거울 코팅된 빗변을 갖는 2개의 프리즘(또는 겹프리즘)을 사용하는 것이 가능하다. 대안적으로, 예컨대 서로 90°의 각도로 배치되고 적절하다면 공통 에지를 따라 서로 접촉하는 2개의 평면 미러를 편향시키는 데에 사용할 수 있다.
전술한 바와 같이, 특히 서로에 대해 수직인 편향면을 갖는 편향 장치를 사용하는 대신에, 또한 다른 종류의 편향 장치, 예컨대 섬유 번들을 사용할 수 있다. 전술한 바와 같이 펌프 광 빔의 180°편향을 수행하는 것이 강요되지 않는다. 그러나, 일반적으로, 광 빔의 변위와 함께 단순히 펌프 광 빔의 방향의 편향을 생성하는 편향, 즉 펌프 광 빔의 평행 변위가 유리하다.
추가의 실시예에서, 편향 조립체는 제1 링 구역의 반사 구역 및/또는 제2 링 구역의 반사 구역 사이에서 방위각 방향으로 펌프 광 빔을 편향시키는 편향 장치를 갖는다. 그러한 편향 장치는 오로지 방위각 방향에서 펌프 광 빔을 편향시키는 역할을 하고, 또한 제1 링 구역의 반사 구역과 제2 링 구역의 반사 구역 사이에 반경 방향 편향이 적절하다면 함께 발생할 수 있도록 편향 장치가 형성되는 것이 가능하다. 또한, 추가의 편향 장치가 제공되는 것이 가능하다는 것을 알게 되는데, 추가의 편향 장치는 펌프 광 빔을 다시 자체로 편향시키고, 예컨대 중심축에 수직인 평면에 배치되는 평면 미러에 의해 형성될 수 있다.
추가의 실시예에서, 펌프 광 조립체는 펌프 광 빔을 발생시키는 펌프 광원을 포함한다. 펌프 광원은 이 경우에 직경이 펌프 광 빔의 최대 직경을 결정하는 광 빔 방출면에서 방출되는 펌프 광을 발생시킨다. 펌프 광원은 또한 펌프 광 빔의 발산(또는 조리개 각도)을 정의하고, 이에 따라 펌프 광 빔의 반경 × 0.5 ×(먼 자기장에서) 최대 조리개 각도로서 정의되는 펌프 광 빔의 광 빔 파라미터 적을 결정한다.
개량에 있어서, 펌프 광 빔을 위한 시준 광학 기기는 펌프 광원과 반사면 사이에서 광 빔 경로에 배치된다. 시준된 펌프 광 빔은 반사면 상에 충돌하고 거기에 일반적으로 원형의 반사 구역("스폿")인 것을 생성한다. 앞서 설명한 바와 같이, 반사면 상에 시준된 펌프 광 빔의 복사가 유리한데, 그 이유는 레이저 활성 매체 상의 포커싱 후에, 광 빔이 레이저 활성 매체에 의해 반사면으로 다시 반사되고 (포물선 모양의) 반사면에 의해 시준되고, 그 결과 광 빔 직경이 편향 작업에서 커지지 않기 때문이다.
추가의 실시예에서, 펌프 광원에서 방출되는 펌프 광 빔의 직경은 시준된 펌프 광 빔의 직경의 1/2이다. 그 방식에서, 반사면으로서 파라볼라 거울을 이용하는 경우에 대해 아래에서 설명되는 바와 같이, 사용된 펌프 광의 광 빔 파라미터 적을 최대화할 수 있다.
시준된 복사(DKOLL)의 직경은 펌프 소스의 직경과 발산 각도에 따라 증가한다. 그러나, 반사면(파라볼라 거울) 상의 시준된 펌프 복사에 대해 제한된 공간만이 유용하고 직경(DKOLL)이 광 빔 파라미터 적(BPP), 펌프 복사의 직경(DPUMP) 및 파라볼라 거울의 초점 거리[fpara(DKOLL = 4fpara/DPUMPBPP+DPUMP)]에 의해 제공되기 때문에, 이는 파라볼라 거울에서 시준된 복사의 최대 가능한 직경(DKOLL)을 얻기 위하여 펌프 소스가 가질 수 있는 최대 광 빔 파라미터 적(BPPmax)을 제공한다:
BPPmax = (DKOLL - DPUMP) * DPUMP /(4*fpara)
파라볼라 거울(fpara)의 초점 거리는 또한 k*DPUMP에 의해 표기될 수 있는데, 여기서 k는 실질적으로 편향 프리즘 또는 거울의 그리고 파라볼라 거울의 기하학적 치수에 따라 좌우되는 상수이다. 파라볼라 거울의 예정된 초점 거리(fpara)의 경우, 그 방식에서 최대 DKOLL = 2DPUMP를 얻도록 DPUMP에 대해 식별하고 0인 BPPMAX를 설정하는 것이 가능하다.
본 발명의 다른 양태는 레이저 활성 매체와, 전술한 펌프 광 조립체에 관한 것이다. 디스크 레이저(적용 가능하다면, 디스크 레이저 진폭기)가 또한 예컨대 레이저 활성 매체(레이저 디스크)의 미러 코팅된 후방면과 예컨대 (반투명한) 출력 미러 등의 레이저 광 빔을 출력하는 요소 사이에 형성될 수 있는 공진기를 갖는다. 펌프 광은 디스크 레이저의 레이저 활성 매체를 반복적으로 통과하고, 다중 개수의 광로의 경우라도 상당히 큰 광 빔 파라미터 적을 갖는 펌프 광을 이용할 수 있고, 그 결과 펌프 복사를 제공하는 비용이 감소된다. 다중 광로의 개수와 순전히 텔레센트릭이 아닌 이미징의 사용을 증가시킴으로써, 디스크 레이저의 효율이 동시에 증가될 수 있다.
본 발명은 또한 서두에 언급한 종류의 레이저 활성 매체의 펌핑 방법에 관한 것으로서, 각각의 경우에 반사 구역들 중 2개의 반사 구역 사이에서 펌프 광 빔의 편향은 레이저 활성 매체 상에 연속적인 포커싱에서 포커싱 장치의 수차에 의해 유발되는 펌프 광 빔의 광 빔 확장을 보상하도록 텔레센트릭 이미징(이상적인 이미징에서 포커싱 장치의 초점 거리의 2배에 대응하는)의 경우의 광 경로 길이보다 큰 광 경로 길이를 갖게 하도록 발생한다. 전술한 바와 같이, 순전히 텔레센트릭이 아닌 이미징에 의해, 연속적인 포커싱에서 레이저 활성 매체 상의 펌프 스폿의 확대를 (거의) 완전하게 보상하는 것이 가능하다. 적용 가능하다면, 레이저 활성 매체에 의해 유발되는 펌프 광 빔의 광 빔 확장은 텔레센트릭 이미징에 필요한 광 경로 길이를 적절하게 적응시킴으로써 추가적으로 보상될 수 있다.
한가지 변형예에서, 각각의 경우에 반사 구역 중 2개의 반사 구역 사이에서의 편향시에 펌프 광 빔의 광 경로 길이는 (예정된 개수의 다중 광로의 경우에) 레이저 활성 매체에 도입되는 펌프 광 빔의 파워가 최대화되도록, 즉 펌프 광 빔의 도입 효율이 최대가 되도록 선택된다.
추가의 변형예에서, 텔레센트릭 이미징의 경우의 광 경로 길이를 초과하는 추가의 광 경로 길이는 (적용 가능하다면, 초점 거리의 적어도 1/6이 이미 충분할 수 있음) 포커싱 장치의 초점 거리의 적어도 1/4, 바람직하게는 적어도 1/2이다. 앞서 설명한 바와 같이, 포커싱 장치의 수차를 효율적으로 보상하기 위해 요구되는 추가의 광 경로 길이는 상당히 크다.
텔레센트릭 이미징의 경우에 광 경로 길이를 초과하는 추가의 광 경로 길이는 특히 반사면의 직경의 함수로서 결정될 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 추가의 광 경로 길이의 크기는 특히 오목 거울 또는 반사면의 직경에 따라 좌우된다. 오목 거울의 포물선 형태로부터의 편차는 또한 가능하게는 약간의 상이한 추가의 광 경로 길이를 초래한다. 또한, 적용 가능하다면, 수차, 이에 따라 회로들의 개수를 더 증가시키기 위하여, 거울의 국부적 형성에 있어서 포물선 표면 형태로부터 계획적인 편차가 가능하다.
추가의 변형예에서, 파라볼라 거울의 표면은 특히 바람직하게는 이전의 변형예들과 조합하여 채택된다. 이 경우에, 수차를 더 최소화하기 위하여 포물선 모양 표면으로부터 편차가 이루어진다. 그 방식에서, 더 많은 광로가 가능해질 수 있다.
본 발명의 추가 이점은 설명 및 도면으로부터 명백할 것이다. 전술한 특징 및 이하에 기재되는 특징이 개별적으로 사용될 수 있거나, 그 복수가 임의의 원하는 조합으로 사용될 수 있다. 도시되고 설명된 실시예는 한정적인 열거를 형성하는 것으로 이해되지 않고, 오히려 본 발명을 예시하는 예와 비슷하다.
도 1은 종래 기술에 따른 펌프 광 조립체를 갖는 디스크 레이저의 도면이다.
도 2는 반사면의 중심축을 중심으로 상이한 각도 구역에 배치되는 반사 구역을 갖는 원형 반사면의 개략도이다.
도 3은 중앙 개구와 6개의 반사 구역이 있는 제1 링 구역을 갖는 반사면의 개략도이다.
도 4a 및 도 4b는 12개의 반사 구역이 있는 제2 링 구역과 18개의 반사 구역이 있는 제3 링 구역을 갖는 반사면의 도면이다.
도 5a 내지 도 5c는 반사 구역들 사이에서 펌프 광 빔을 편향시키는 3개의 상이하게 구성된 편향 조립체를 갖는 도 4a의 반사면의 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 펌프 광 조립체를 갖는 본 발명에 따른 디스크 레이저의 개략도이다.
도 7a는 샤임플러그 조건을 만족시키는 이미징 광학 기기의 편향 장치의 개략도이다.
도 7b는 샤임플러그 조건을 만족시키는 이미징 광학 기기를 예시하는 편향 장치의 단순화된 개략도이다.
도 8a 내지 도 8c는 레이저 활성 매체를 포함하는 초점면으로부터 편향 장치의 거리의 함수로서 도시된 레이저 활성 매체에 도입되는 펌프 파워의 다이어그램이다.
도 1은 히트 싱크(3)에 냉각 목적을 위해 배치되는 레이저 디스크 형태의 레이저 활성 매체(2)를 갖는 디스크 레이저(1)를 도시한다. 히트 싱크(3)를 향하는 레이저 디스크(2)의 면에는 반사 코팅(2a)이 도포되고, 반사 코팅은 반투명한 출력 거울(4)과 함께 레이저 복사(5)를 위한 공진기를 형성하며, 레이저 복사는 레이저 활성 매체(2)의 여기에 의해 발생되고 도 1에 화살표로 지시된 바와 같이 반투명한 출력 거울(4)을 통해 공진기를 떠난다.
레이저 활성 매체(2)의 여기를 위해, 디스크 레이저(1)는 도 1의 단일 렌즈(9)의 형태로 간소화를 위해 예시된 시준 광학 기기에서 시준된 초기에 발산하는 펌프 광 빔(8)을 생성하는 펌프 광원(7)을 갖는 펌프 광 조립체(6)를 구비한다. 시준된 펌프 광 빔(8)은 오목 거울(11)에 형성된 반사면(10) 상에 충돌한다. 반사면(10)은 오목 거울(11)의 중심축(12)에 대해 회전 대칭형으로 연장되고 포물선 모양으로 만곡되며, 즉 오목 거울(11)이 파라볼라 거울을 형성한다. 시준된 펌프 광 빔(8)은 오목 거울(11)의 중심축(12)에 평행하게 연장된다. 오목 거울(11)은 또한 레이저 활성 매체(2)에서 생성되는 레이저 복사(5)의 통과를 위한 중앙 개구(13)를 갖는다.
시준된 펌프 광 빔(8)은 팔라볼라 반사면(10)에서 반사되고 (초점 거리(f)를 갖는) 오목 거울(11)의 초점 또는 초점면에 배치되는 레이저 활성 매체(2) 상에 포커싱된다. 그 과정에서, 펌프 광원(7)의 광 빔 방출면은 파라볼라 거울(11)의 초점 거리(f) 및 시준 렌즈(9)의 초점 거리(도시 생략)에 의해 정의되는 재생성 등급으로 초점면에서 레이저 활성 매체(2) 상에 이미징된다.
이어서, 펌프 광 빔(8)은 레이저 활성 매체(2)의 후방면에 있는 반사 코팅(2a)에서 반사되고, 반사면(10)에 발산 충돌하여 다시 한번 반사된다. 반사된 펌프 광 빔(8)은 반사면(10)의 포물선 기하학적 형태로 인해 시준되고, 이어서 중심축(12)에 대해 수직인 평면에 배치되는 평면 거울 형태인 편향 장치(14)에 충돌하며, 평면 거울에서 다시 그 자체로 반사된다.
도 1과 관련하여 전술한 펌프 계획에서는, 반사면(10)에서의 제1 충돌 후에 그리고 반사면(10)에서의 마지막 충돌 전에, 펌프 광 빔(8)이 중심축(12)을 중심으로 한 상이한 각도 구역에 배치되는 반사면(10) 상에 형성된 반사 구역들 사이에서 반복적으로 편향된다는 점은 아직 설명되지 않았다. 이들 반사 구역(B1 내지 B8)은 도 2에 도시된 바와 같이 중심축(12) 둘레에서 동일한 거리에 배치될 수 있다.
렌즈(9)에 의해 시준된 펌프 광 빔(8)은 제1 반사 구역(B1)에서 반사면(10)에 충돌하고, 레이저 활성 매체(2)에서 초기에 반사된 다음, 도 2에 점선 화살표로 지시된 바와 같이 제2 반사 구역(B2)에 충돌한다. 제2 반사 구역(B2)으로부터, 펌프 광 빔(8)은 도시되지 않은 편향 조립체의 일부를 형성하는 예컨대 프리즘 형태의 또한 도시되지 않은 편향 장치에 의해 제3 반사 구역(B3) 상에서 편향된다. 제3 반사 구역으로부터, 펌프 광 빔(8)은 레이저 디스크(2)를 통해 제4 반사 구역(B4) 상으로 반사되고, 제4 반사 구역으로부터 도시되지 않은 추가의 편향 장치를 통해 제5 반사 구역(B5)으로 편향되는 등에 의해, 최종적으로 펌프 광 빔은 도 1에 도시된 평면 거울(14)에 의해 다시 자체로 반사되는 제8 반사 구역(B8)에 도달한다. 도 2에 예시된 반사 구역(B1 내지 B8)의 배열에서 편향 장치의 상세를 위해, 본 출원에 참조로 합체되는 서두에 언급된 EP 1 252 687 B1호를 참조하라.
도 2에 예시된 반사면(10)의 경우에, 반사 구역(B1 내지 B8)은 중심축(12)으로부터 동일한 거리에 배치되고, 서로 이격되어 있다. 이 타입의 배열에서, 반사면(10)의 상의 유효 공간은 반사를 위해 최적으로 사용되지 않고, 즉 반사에 사용되는 표면적 대 반사면의 총 표면[중심축(12)에 수직인 도 2에 도시된 투영에서]의 비율을 나타내는 필 팩터(fill factor)가 상당히 작다는 것이 명백하다.
반사 구역의 소정의 반경(r)과 반사면의 소정의 반경(R1)의 경우, 도 3에 도시된 반사면(10)에서 볼 수 있듯이, 이웃한 반사 구역들이 서로 바로 인접하면 필 팩터가 명백하게 증가될 수 있다. 도 3에서는, 서로 바로 인접한 6개의 반사 구역(B1 내지 B6)이 중앙 개구(13)를 중심으로 배치된다. 중앙 개구(13)는 이 경우에 반사 구역(B1 내지 B6)과 동일한 반경(r)을 가지므로, (7×π×r2/(π(3r)2) = 7/9의 필 팩터가 얻어진다(여기서, R1 = 3r). 도 3의 반사면(B1 내지 B6)은 중앙 개구(13)에 의해 내측을 향해 그리고 반사면(10)의 반경(R1)에 의해 외측을 향해 제한되는 제1 링 구역(RB1)을 형성한다.
도 4a에 도시된 반사면(10)의 경우에, 제1 내부 링 구역(RB1)은 서로 바로 인접한 12개의 반사 구역(B7 내지 B18)이 배치되는 제2 외부 링 구역(RB2)과 인접되므로, 반사 구역(B1 내지 B18)의 배열에서의 필 팩터가 최적화된다. 또한 서로 바로 인접한 추가의 18개의 반사 구역(B19 내지 B36)이 배치되는 제3 링 구역(RB3)을 갖는 도 4b에 도시된 반사면(10)에 동일한 사항이 적용된다. 도 3과 도 4a 및 도 4b에 도시된 3개의 반사면(10)은 각각 다수의 6개, 18개 및 36개(원형)의 반사 구역을 갖는다. 해당 개수의 반사 구역의 경우, 필 팩터의 (국부적인) 최대값이 매 경우에 발생한다.
광 빔 파라미터 적을 가능하게 크게 또는 펌프 광 빔(8)의 광 빔 품질을 가능한 한 낮게 관리하도록, 펌프 광원(7)으로부터 방출되는 펌프 광 빔(8)의 직경(DPUMP)은 시준된 펌프 광 빔(8)의 직경(DKOLL)의 절반 정도가 되도록 선택된다.
이하에서, 도 4a의 반사면(10)의 18개의 반사 구역(B1 내지 B18) 간의 편향이 실시될 수 있는 3개의 상이한 가능성을 도 5a 내지 도 5c와 관련하여 설명하는데, 반사 구역(B1 내지 B18)은 펌프 광 빔(8)이 통과하는 순서에 따라 도 4a와 다르게 번호가 매겨져 있고, 이에 따라 외부 링 구역(RB2)은 반사 구역(B1 내지 B12)를 갖고 내부 링 구역(RB1)은 반사 구역(B13 내지 B18)을 갖는다.
도 5a에 도시된 변형예의 경우에, (겹)프리즘 형태의 2종류의 편향 장치(16a, 16b)가 사용되는 펌프 광 조립체(6)의 편향 조립체(15)가 도시되어 있다: 외부 링 구역(RB2)에서 각각 인접한 반사 구역(B2 내지 B11) 사이의 방위각 편향을 위한 5개의 겹프리즘(16a)과, 내부 링 구역(RB1)에서 각각 인접한 반사 구역(B14 내지 B17) 사이의 방위각 편향을 위한 2개의 겹프리즘(16b). 또한, 예컨대 서로 90°의 각도로 배향되는 편향면을 갖는 2개의 편향 거울(도 5a에 도시되지 않음)에 의해 또는 겹프리즘에 의해 형성되는 펌프 광 빔(8)의 반경 방향 편향을 위한 편향 장치(17)가 제공된다.
도 5b에 도시된 변형예의 경우에, 대칭면에 대해 거울 대칭인 2개의 프리즘을 각각 갖는 2개의 편향 장치(16c, 16a)가 형성된다. 제1 편향 장치(16c)는 각각의 경우에 외부 링 구역(RB2)의 3개의 반사면들 간의 편향에 소용된다. 제2 편향 장치(16a)는 각각의 경우에 외부 링 구역(RB2)의 2개의 반사면들 간의 편향에 소용된다. 도 5a에 도시된 변형예에서 2개의 추가 편향 장치(16b)는 각각의 경우에 내부 링 구역(RB1)의 2개의 인접한 반사면(B15 내지 B17) 간의 편향에 소용된다. 도 5a에서와 같이, 서로에 대해 90°도로 배향된 2개의 편향 거울 또는 편향면 형태의 편향 장치(17)는 도 5a와 달리 반경 방향으로 서로에 대해 바로 인접하지 않는 외부 링 구역(RB2)의 반사 구역(B12)과 내부 링 구역(RB1)의 반사 구역(B13) 간의 편향에 소용된다.
도 5c에 도시된 변형예의 경우에, 도 5b에서와 같이, 대칭면에 대해 거울 대칭인 2개의 프리즘을 각각 갖는 2개의 편향 장치(16d, 16a)가 사용된다. 편향 장치(16d)는 각각의 경우에 외부 링 구역(RB1)의 2개의 반사 구역들 간에 그리고 각각의 경우에 내부 링 구역(RB2)의 2개의 인접한 반사 구역들 간에 펌프 광 빔(8)의 방위각 편향에 소용된다. 여기서, 2개의 편향 장치(16d)는 각각의 경우에 120°의 섹터를 커버한다.
120°의 나머지 섹터에서, 외부 링 구역(RB2)의 2개의 인접한 반사 구역(B6, B7) 사이에서 펌프 광 빔(8)의 편향에 소용되는 겹프리즘 형태의 추가의 편향 장치(16a)가 제공된다. 외부 링 구역(RB2)의 반사 구역(B12)과 내부 링 구역(RB1)의 반사 구역(B13) 간의 반경 방향 편향에 소용되는 추가의 편향 장치(17)는 추가의 편향 장치(16a)와 동일한 구성으로 되고 또한 겹프리즘의 형태이다.
도 5a에 예시된 편향 조립체(15)는 이 편향 조립체에 의해 클리핑 효과(클리핑 손실)로서 지칭되는 것을 피할 수 있기 때문에 특히 유리한 것으로 입증되었다. 이들 효과는 내부 링 구역(RB1)에서 편향 구역(B13 내지 B18)을 위한 편향 장치를 형성하는 프리즘이 외부 링 구역(RB2)에서 편향 구역(B1 내지 B12)을 위한 편향 장치로서 기능하는 프리즘보다 파라볼라 거울에 더 가깝게 배치되는 경우에 중앙 위에서의 펌프 복사의 편향시에 발생한다.
도 6은 도 5a에 예시된 타입의, 즉 겹프리즘 형태의 편향 장치(16a, 16b)가 마련되는 펌프 광 조립체(6)를 갖는 디스크 레이저(1)를 도시하는데, 간소화를 위해 2개의 링 구역(RB2, RB1) 각각을 위해 단하나의 편향 장치(16a, 16b)만을 예시한다. 편향 장치(16a, 16b)는 이 경우에 편향면(10)의 초점면(18)으로부터 각각 거리(d2, d1)에 배치되고, 이 거리는 각각의 경우에 (겹)프리즘 형태의 편향 장치(16a, 16b)의 공통의 베이스면으로부터 시작하도록 정의된다.
편향 장치(16a, 16b)는 각각의 경우에 반사 구역(B13 내지 B18과 B1 내지 B12; 도 5a 참조)의 2개 사이의 편향에서 펌프 광 빔(8)에 의해 이동되는 광 경로 길이가 오목 거울(11)의 초점 거리(2f)의 2배보다 크도록 배치되는데, 그 이유는 광 경로 길이는 각각 2f + 2d2와 2f + 2d1이기 때문이다.
텔레센트릭 광 빔 경로의 경우에, 광 경로 길이는 이미징 작동시에 2f이기 때문에, 도 6에 도시된 펌프 광 조립체의 경우에, 텔레센트릭 이미징으로부터 편향이 이루어지고, 즉 광 경로 길이가 텔레센트릭 이미징의 경우보다 크다. 더 큰 광 경로 길이는 레이저 활성 매체(2) 상에 연속적인 포커싱 중에 펌프 광 빔(8)의 광 빔 확장을 보상하거나 방지하는 역할을 한다.
이를 달성하기 위하여, 편향 장치(16a, 16b)는 초점면(18)으로부터 상이한 거리(d2, d1)에 배치되는데, 외부 링 구역(RB2)(도 5a 참조)에서 반사면(B1 내지 B12) 간의 펌프 광 빔(8)의 방위각 편향을 위한 모든 편향 장치(16a)는 초점면(18)으로부터 동일한 거리(d2)를 갖는다. 따라서, 내부 링 구역(RB1)의 반사면(B13 내지 B18) 사이에서 펌프 광 빔(8)의 방위각 편향을 위한 모든 편향 장치(16b)는 초점면(18)으로부터 동일한(보다 작은) 거리에 배치된다.
이는 예정된 개수의 광로의 경우에 레이저 활성 매체(2)로 도입되는 펌프 광 빔(8)의 파워를 최대화하는 데에 유리한 것으로 입증되었는데, 그 이유는 해당 파워가 초점면(18)으로부터 편향 장치(16a, 16b)의 각각의 거리(d2, d1)에 따라 좌우되기 때문이다. 이러한 관계는 도 8a 내지 도 8c에 도시된 다이아그램들을 참조하여 이하에서 더 상세하게 설명되는데, 상기 다이아드램들은 효율, 즉 각각의 거리(d1과 d2; mm 단위)의 함수로서 1 W의 펌프 광원(7)의 입력 파워에서 레이저 활성 매체(2)에 도입되는 (출력) 파워(P; 와트(Watt) 단위)를 보여주고, 거리(d1, d2)의 음의 부호는 초점면(18)이 좌표 x=0을 갖는 음의 X방향(도 6 참조)에서 초점면(11)으로부터의 거리에 대응한다.
도 8a 내지 도 8c에 도시된 다이아그램은 내부 링 구역에 8개의 반사 구역과 외부 링 구역에 14개의 반사 구역을 갖는 44 폴드 공동 형태의 펌프 광 조립체를 시뮬레이팅한 시뮬레이션 계산을 기초로 한다. 도 8a에 도시된 다이아그램에서, 파워(P)는 외부 반사 장치(16a)만이 존재할 때에, 즉 내부 반사 장치(16b)를 고려하지 않고 그리고 말단 거울(14)이 또한 고려되지 않을 때에 거리(d2)의 함수로서 도시되어 있다.
도 8b에서, 말단 거울(14)이 있는 모든 반사 장치(16a, 16b)를 갖는 전체 변향 조립체(15)가 시뮬레이팅되었는데, 도 8b는 초점면(18) 또는 레이저 활성 매체(2)를 포함하는 평면으로부터 내부 편향 장치(16b)의 거리(d1)에 대한 파워(P) 또는 효율의 의존성을 보여준다. 마지막으로, 도 8c는 3차원 도면에서 양 거리(d1, d2)에 대한 파워(P)의 의존성을 보여준다.
도 8a 내지 도 8c로부터 명백한 바와 같이, 도시된 시뮬레이션 결과에서 최대 파워(P) 또는 효율의 범위는 │d1│> 8 및 25 mm > │d2│> 15 mm의 범위이다. 그러나, 거리(d1, d2)에 대한 적절한 값은 기하학적 상황, 특히 오목 거울(11)의 초절 길이(f)(여기서: 초점 거리(f)=80 mm)와 직경(D)[또는 보다 정확하게, 반사 구역이 형성되는 반사면(10)의 직경(D)](여기서: D=150 mm)에 따라 좌우되므로, (거리의 크기에 관하여) 도 8a 내지 도 8c에 나타낸 결과는 쉽게 일반화될 수 있다. 그러나, 최대 파워가 생성되는 거리(d1, d2)는 텔레센트릭 이미징(즉, d1=0, d2=0)의 경우에 형태로부터 상당히 벗어난다는 점이 두드러진다. 텔레센트릭 이미징의 경우를 초과하는 추가의 광 경로 길이(즉, 각각 2d1 및 2d2)가 파라볼라 거울의 초점 거리(f)의 적어도 1/4, 바람직하게는 적어도 1/2이라면 유리한 것으로 판명되었다. 일반적으로, 추가의 광 경로 길이는 파라볼라 거울(11)의 초점 거리(f)보다 크지 않다.
전술한 시뮬레이션 계산에서는, 레이저 디스크의 정적 곡률(대략 2.2 m)에 의해 발휘되는 효과가 고려되었다. 작동시 열 효과에 의해 유발되는 레이저 디스크(2)의 곡률에 있어서의 변화만이 고려되지 않았다. 이들 열 효과는 텔레센트릭 이미징에 필요한 경로 길이의 변화를 유발할 수 있고, 이는 예컨대 서두에 언급한 S.Erhard의 논문에서 설명된 방식으로 추가적으로 보상될 수 있다. 그러나, 열 굴절력 변화는 매우 작다(0.04 dpt 내지 약 0.1 dpt의 범위). 다른 한편으로, 디스크의 정적 굴절력은 약 0.6 dpt 내지 0.9 dpt의 범위에 있고, 파라볼라 거울의 굴절력은 약 25 dpt이다.
일례로서 2개의 링 구역(RB1, RB2)에 대해 아래에 설명되는, 복수의 링 구역(RB1-RBn)이 사용될 때에, 포물선 모양으로 만곡된 반사면(10)이 레이저 활성 매체(2)를 이미징하지 못하거나, 또는 오히려 최대의 날카로움으로 펌프 스폿이 거기에 형성되는 문제가, 제1 링 구역(RB1)의 반사 구역(B13)과 제2 링 구역(RB2)의 반사 구역(B12) 사이에서 펌프 광 빔(8)을 편향시키는 데에 사용되는 편향 장치(17; 도 5a 참조)에서 일어나는데, 그 이유는 그렇게 하기 위하여, 소위 샤임플러그 조건이 충족되어야 하고, 즉 대상(디스크 상의 펌프 스폿)이 다시 자체로 이미징될 수 있도록 상 평면이 회전되어야 하기 때문인데, 이는 단순히 서로 90°의 각도로 있고 대칭면을 갖는 거울 표면 또는 프리즘 표면을 갖는 편향 장치(17)를 이용할 때에 가능하지 않다.
도 7a는 샤임플러그 조건을 충족시키고 파라볼라 미러(11)가 사용될 때에 상 평면이 회전되는 편향 장치(17a)의 구성을 보여주고 있다. 그 교정을 할 수 있도록, 광 경로 길이는 중간 상 평면을 생성하기 위하여 (예컨대, 4f 만큼) 연장되어야 한다. 이는 2개의 시준 렌즈(22, 23)를 광 경로에 도입함으로써 도시된 구성에서 행해진다. 도면의 명확도를 위해, 도 7a에서는 단 하나의 광 빔 번들만이 도시되어 있다. 그 이유로, 생성된 중간 상 평면은 단지 점이다. 편향 장치(17a)는 또한 2개의 거울 표면(20a, 20b)을 갖는 겹프리즘(21)을 구비한다. 겹프리즘(21)은 대칭면을 갖지 않고, 거울 표면(20a, 20b)과 광 빔 축선(X 방향) 사이에 그리고 거울 표면들 사이에 형성된 각도는 날카로운 상이 레이저 디스크 상에 생성되도록 되어 있다. 적응을 위한 각도 또는 각도들은 파라볼라 거울(11)에 의해 반사되는 펌프 복사의 레이저 디스크(2) 상의 입사 각도에 따라 좌우된다. 적절하게 선택된 각도에 의해, 편향 장치(17a)는 상 평면의 회전 및 링 구역(RB1, RB2) 사이의 편향에서 동일한 평면으로의 복귀에 영향을 미친다.
도 7a에 도시된 구성의 경우에, 링 구역(RB1, RB2) 사이의 편향은 텔레센트릭이고, 링 구역(RB1 또는 RB2) 내의 편향은 텔레센트릭이 아니다. 도면의 더 양호한 명확도를 위해, 링 구역 내의 편향을 위한 편향 유닛(16a, 16b)이 도시되어 있지 않고, 그 위치는 도 6에 도시된 것과 동일하다. 그러나, 링 구역(RB1, RB2) 상의 편향을 비(非)-텔레센트릭이 되도록 구성하는 것이 가능하다. 비-텔레센트릭 이미징의 이점은 예컨대 각각의 링 구역(RB1 또는 RB2) 내의 편향에서 일어날 때에 다수의 광로의 경우에 모든 광로에 영향을 미친다는 것이다.
도 7b는 파라볼라 거울(11)을 이용할 때에 샤임플러그 조건을 충족시키는 상 평면의 회전을 예시한다. 여기서, 오목 거울(11)이 실제에서 오목 거울(11) 상의 반사 구역에 대응하는 2개의 렌즈(B12, B13)로 교체된 간소화된 예시가 선택되었다. 이는 2개의 위치를 갖는 도 7b의 예시에서 레이저 매체(2)를 유발하지만, (오목 거울을 갖는) 실제에서, 도 7a에 도시된 바와 같이 편향 프리즘의 측면에서 하나의 위치에 배치된다. 편향 장치(17a)는 도 7a에 도시된 바와 같이 겹프리즘(21) 상에 형성되고 공통의 베이스 라인을 따라 서로 접촉하는 평면(21a)에 대해 대칭으로 배향된 2개의 편향면(20a, 20b)을 갖는다. 편향 장치(17a)는 샤임플러그 조건에 대한 보정이 이루어질 수 있도록 광 경로 길이를 연장시키는 역할을 하는 2개의 렌즈(22, 23) 형태의 이미징 광학 기기를 더 구비한다.
이미징 광학 기기(22, 23)의 광축(24)에 대해 소정 각도로 배치되는 도 7b의 바닥의 우측에 도시된 레이저 활성 매체(2)는 편향되고(여기서 투과되고), 동시에 간소성을 위해 렌즈로서 도시된 오목 거울(11)의 제1 반사 구역(B12)에서 시준된다. 시준된 펌프 광 빔(8)은 제1 렌즈(22)에 의해 제1 편향면(20a) 상으로 이미징되는데, 제1 편향면은 상 평면으로의 역할을 한다. 제1 편향면은 제2 편향면(20b)의 도움으로 경사지고 이어서 제2 렌즈(23)에 의해 상이한 각도로 이미징되어, 오목 거울(11)의 (내부) 반사면(B13)에서의 편향 후에 레이저 활성 매체(2)의 상이 상이한 지점에 생성되며, 상이한 상 위치와 샤임플러그 조건이 충족된다.
앞에서 이미 설명한 바와 같이, 링 구역(RB1, RB2) 간의 편향을 위해, 편향 장치(17a)는 도 7a 및 도 7b에 설명된 바와 같이 생성되는 텔레센트릭 상 대신에, 대안적으로 펌프 광 복사의 확장이 비-텔레센트릭 이미징을 선택함으로써 방지되도록 구성될 수 있다.
전술한 편향 조립체(15)의 경우에, 상이한 링 구역(RB1, RB2) 간의 편향이 각각의 경우에 한번씩만 수행된다. 그러나, 적용 가능하다면, 링 구역(RB1, RB2) 사이에서 펌프 광 빔(8)의 반경 방향 편향이 반복적으로 수행될 수 있고, 그 경우에 비-텔레센트릭 이미징이 펌프 광 복사의 확장을 방지하는 데에 유리하다는 것을 알 것이다. 또한, 전술한 편향 조립체(15)의 경우에, 펌프 광원(7)의 시준된 펌프 광 빔(8)의 연결이 각 경우에 외부 링 구역(RB2)에서 발생하고 연결 해제 또는 역반사가 내부 링 구역(RB1)에서 발생한다. 그러나, 반대의 경우가 동일하게 가능하고, 즉 연결이 내부 링 구역(RB1)에서 발생하고 역반사가 외부 링 구역(RB2)에서 발생할 수 있다는 것을 알 것이다. 대안적으로, 연결 및 연결 해제 모두가 하나의 동일한 링 구역(RB1 또는 RB2)에서 발생할 수 있다.
편향 조립체(15)는 순전히 간소성을 위해 2개의 링 구역(RB1, RB2)과 관련하여 설명되었고 3개(도 4b 참조) 또는 그 이상의 링 구역을 갖는 반사면(10)을 이용할 때에 동일하게 가능하다는 것을 또한 알 것이다.
1 : 디스크 레이저 2 : 레이저 활성 매체
3 : 히트 싱크 4 : 출력 거울
5 : 레이저 복사 6 : 펌프 광 조립체
7 : 펌프 광원 8 : 펌프 광 빔
9 : 시준 렌즈 10 : 반사면
11 : 오목 거울 12 : 중심축
13 : 중앙 개구 14 : 편향 장치

Claims (23)

  1. 디스크 레이저(1)용 펌프 광 조립체(6)로서,
    펌프 광 빔(8)을 레이저 활성 매체(2) 상에 포커싱하기 위한 반사면(10)을 갖는 포커싱 장치(11)와,
    상기 반사면(10) 상에 형성되고 그리고 반사면(10)의 중심축(12)을 중심으로 상이한 각도 구역에 배치되는 복수의 반사 구역(B1 내지 B12) 사이에서 펌프 광 빔(8)을 편향시키기 위한 편향 조립체(15)
    를 포함하는 펌프 광 조립체(6)에 있어서,
    상기 편향 조립체(15)는, 레이저 활성 매체(2) 상으로의 연속적인 포커싱에 있어서 포커싱 장치(11)의 수차(aberration)에 의해 유발되는 펌프 광 빔(8)의 광 빔 확장을 보상하기 위해, 각각의 경우 반사 구역(B1 내지 B12) 중 2개의 반사 구역 사이에서 펌프 광 빔(8)을 텔레센트릭 이미징(telecentric imaging)의 경우의 광 경로 길이(2f)보다 추가의 광 경로 길이(2d1; 2d2) 만큼 긴 광 경로 길이(2f+2d1; 2f+2d2)로 편향시키도록 구성되고,
    상기 텔레센트릭 이미징의 경우의 광 경로 길이(2f)를 초과하는 추가의 광 경로 길이(2d1; 2d2)는 포커싱 장치(11)의 초점 거리(f)의 적어도 1/4인 것을 특징으로 하는 펌프 광 조립체.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 편향 조립체(15)는 반사면(10)의 중심축(12)으로부터 상이한 거리에 배치된 반사 구역(B1 내지 B12; B13 내지 B18)들 사이에서 펌프 광 빔(8)을 편향시키도록 구성되는 것을 특징으로 하는 펌프 광 조립체.
  4. 제3항에 있어서, 각각의 경우 반사 구역(B1 내지B12, B13 내지 B18) 중 2개의 반사 구역 사이에서의 편향시의 펌프 광 빔(8)의 광 경로 길이(2f+2d1; 2f+2d2)는 레이저 활성 매체(2)에 도입되는 펌프 광 빔(8)의 파워가 최대화되도록 선택되는 것을 특징으로 하는 펌프 광 조립체.
  5. 제1항에 있어서, 상기 편향 조립체(15)는, 반사면(10)의 중심축(12)으로부터 동일한 거리에 배치된 반사 구역(B1 내지B12, B13 내지 B18) 중 2개의 반사 구역 사이에서 펌프 광 빔(8)을 동일한 광 경로 길이(2f+2d1; 2f+2d2)로 편향시키도록 구성되는 것을 특징으로 하는 펌프 광 조립체.
  6. 제3항에 있어서, 상기 반사 구역(B13 내지 B18; B1 내지 B12)은 반사면(10)의 제1 링 구역(RB1) 및 제2 링 구역(RB2)에 배치되는 것을 특징으로 하는 펌프 광 조립체.
  7. 제6항에 있어서, 상기 제1 링 구역(RB1)의 2개의 반사 구역(B13 내지 B18) 사이에서의 편향시의 펌프 광 빔(8)의 광 경로 길이(2f+2d1)는 제2 링 구역(RB2)의 2개의 반사 구역(B1 내지 B12) 사이에서의 펌프 광 빔(8)의 편향시의 광 경로 길이(2f+2d2)보다 작은 것을 특징으로 하는 펌프 광 조립체.
  8. 제6항에 있어서, 상기 편향 조립체(15)는 제1 링 구역(RB1)의 반사 구역(B13)과 제2 링 구역(RB2)의 반사 구역(B12) 사이에서 펌프 광 빔(8)을 편향시키기 위한 편향 장치(17a)를 가지며,
    상기 편향 장치(17a)는, 반사 구역(B13, B12)에서 편향과 관련된 2개의 포커싱 작업에 의한 펌프 광 빔(8)의 이미징시에 샤임플러그 조건(Scheimpflug condition)을 만족시키도록 구성되는 이미징 광학 기기(22, 23)와 2개의 거울 표면(20a, 20b)을 갖는 것을 특징으로 하는 펌프 광 조립체.
  9. 제6항에 있어서, 상기 제1 링 구역(RB1)은 6개의 반사 구역(B13 내지 B18)을 갖는 것을 특징으로 하는 펌프 광 조립체.
  10. 제6항에 있어서, 상기 제2 링 구역(RB2)은 12개의 반사 구역(B1 내지 B12)을 갖는 것을 특징으로 하는 펌프 광 조립체.
  11. 제6항에 있어서, 상기 반사면(10)은 제3의 반경 방향 외부 링 구역(RB3)을 갖는 것을 특징으로 하는 펌프 광 조립체.
  12. 제1항에 있어서, 상기 반사면(10)은 비구면 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 펌프 광 조립체.
  13. 제1항에 있어서, 상기 편향 조립체(15)는, 대칭면(21a)에 대하여 거울 대칭으로 배향된 2개의 편향면(20a, 20b)을 갖는 적어도 하나의 편향 장치(16a-16d, 17)를 갖는 것을 특징으로 하는 펌프 광 조립체.
  14. 제6항에 있어서, 상기 편향 조립체(15)는 제1 링 구역(RB1)의 반사 구역(B13 내지 B18), 제2 링 구역(RB2)의 반사 구역(B1 내지 B12) 또는 제1 링 구역(RB1)의 반사 구역(B13 내지 B18) 및 제2 링 구역(RB2)의 반사 구역(B1 내지 B12) 사이에서 방위각 방향으로 펌프 광 빔(8)을 편향시키기 위한 편향 장치(16a-16d)를 갖는 것을 특징으로 하는 펌프 광 조립체.
  15. 제1항에 있어서, 상기 펌프 광 빔(8)을 발생시키기 위한 펌프 광원(7)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 펌프 광 조립체.
  16. 제15항에 있어서, 상기 펌프 광 빔(8)을 시준하기 위해 펌프 광원(7)과 반사면(10) 사이에서 광 빔 경로에 배열되는 시준 광학 기기(9)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 펌프 광 조립체.
  17. 제16항에 있어서, 상기 펌프 광원(7)에서 방출되는 펌프 광 빔(8)의 직경(DPUMP)은 시준된 펌프 광 빔(8)의 직경(DKOLL)의 1/2인 것을 특징으로 하는 펌프 광 조립체.
  18. 레이저 활성 매체(2)와, 제1항에 따른 펌프 광 조립체(6)를 포함하는 디스크 레이저(1).
  19. 레이저 활성 매체(2)의 펌핑 방법으로서,
    포커싱 장치(11)를 이용하여 펌프 광 빔(8)을 레이저 활성 매체(2) 상에 반복적으로 포커싱하는 단계를 포함하며,
    연속적인 포커싱 단계들 사이에서, 반사면(10)의 중심축(12)을 중심으로 상이한 각도 구역에 배치되는 포커싱 장치(11)의 반사면(10)의 상이한 반사 구역(B1 내지 B12)들 사이에서 펌프 광 빔(8)의 편향이 유발되는, 레이저 활성 매체(2)의 펌핑 방법에 있어서,
    반사 구역(B1 내지 B12, B13 내지 B18)들 중 2개의 반사 구역 사이에서의 펌프 광 빔(8)의 편향은, 레이저 활성 매체(2) 상으로의 포커싱에서 포커싱 장치(11)의 수차에 의해 유발되는 펌프 광 빔(8)의 광 빔 확장을 보상하기 위해, 텔레센트릭 이미징(10)의 경우의 광 경로 길이(2f)보다 추가의 광 경로 길이(2d1; 2d2) 만큼 긴 광 경로 길이(2f+2d1; 2f+2d2)로 발생되는 것이고,
    상기 텔레센트릭 이미징의 경우의 광 경로 길이(2f)를 초과하는 추가의 광 경로 길이(2d1; 2d2)는 포커싱 장치(11)의 초점 거리(f)의 적어도 1/4인 것을 특징으로 하는 레이저 활성 매체의 펌핑 방법.
  20. 제19항에 있어서, 상기 펌프 광 빔(8)의 편향은 또한 반사면(10)의 중심축(12)으로부터 상이한 거리에 배치되는 반사 구역(B1 내지 B12, B13 내지 B18) 사이에서 발생되는 것을 특징으로 하는 레이저 활성 매체의 펌핑 방법.
  21. 제20항에 있어서, 반사 구역(B1 내지B12, B13 내지 B18)들 중 2개의 반사 구역 사이에서의 편향시의 펌프 광 빔(8)의 광 경로 길이(2f+2d1; 2f+2d2)는 레이저 활성 매체(2)에 도입되는 펌프 광 빔(8)의 파워가 최대화되도록 선택되는 것을 특징으로 하는 레이저 활성 매체의 펌핑 방법.
  22. 삭제
  23. 제12항에 있어서, 상기 반사면(10)은 포물선 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 펌프 광 조립체.
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