KR20220104810A - 레이저의 고조파의 속성을 최적화를 위한 주파수 변환 장치 - Google Patents

레이저의 고조파의 속성을 최적화를 위한 주파수 변환 장치 Download PDF

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KR20220104810A
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Abstract

본 발명은 레이저의 고조파의 속성, 특히 빔 프로파일 및/또는 장기 안정성을 최적화하기 위한 주파수 변환 장치(100)에 관한 것이며, 이 장치는 - 제1 파장(λ1)을 부분적으로 제2 파장(λ2)으로 변환하도록 설계된 제1 비선형 크리스털(X1); 및 - 제1 파장(λ1) 및/또는 제2 파장(λ2)의 빔 프로파일의 주축(x1, y1, x2, y2)에 상이하게 영향을 미치는 방식으로 설계된, 특히 적어도 하나의 프리즘(P)을 포함하는 광학 유닛; 및 - 제1 파장(λ1)의 미변환 부분 및/또는 제2 파장(λ2)으로부터 제3 파장(λ3)을 생성하는 방식으로 설계된 제2 비선형 크리스털(X2)을 포함하고, 제2 비선형 크리스털(X2)은 입사면(A1) 및 출사면(A2)을 가지고, 출사면(A2)은 입사면(A1)에 대해 비스듬하게 뻗어 있다.

Description

레이저의 고조파의 속성을 최적화를 위한 주파수 변환 장치
본 발명은 예를 들어 빔 프로파일 또는 장기 안정성(long-term stability)과 같은 레이저의 고조파의 속성을 최적화하기 위한 주파수 변환 장치에 관한 것이다.
레이저 시스템의 파장의 고조파를 발생시키기 위해서는, 비선형 크리스털(non-linear crystal)이 바람직하게 사용된다. 레이저 시스템의 파장에 따라, 상이한 속성을 갖거나 또는 상이한 구성으로 된 상이한 크리스털이 사용될 수 있다. 파장 범위에 따라, 다양한 속성에 대한 다양한 크리스털이 주파수 변환에 대해 다르게 상당히 적합하다. 이러한 변환 공정에 적합한 크리스털들의 대부분은 오늘날 상업적으로 이용 가능하다.
근적외선 범위(NIR), 예를 들어 각각 약 800nm 또는 1030nm 및 1064nm의 상업용 레이저 광원이 오늘날 널리 보급되어 있다. 그러나 많은 응용 분야에서는, 위에서 언급된 파장을 벗어나 있는 파장이 바람직하다. 이러한 레이저 파장의 고조파를 얻는 간단한 방법은 비선형 크리스털에서의 주파수 변환이다.
현대 기술에서, 예를 들어 제1 비선형 크리스털에서 중심 레이저 파장이 제2 고조파로 부분적으로 주파수 2배되고, 이 제2 고조파가 이후 합 주파수 혼합에서 중심 파장을 갖는 제2 비선형 크리스털에서 제3 고조파로 변환되어, 제3 고조파가 생성될 수 있는 것이 알려져 있다. 중심 레이저 파장이 1064nm인 경우, 제3 고조파는 약 355nm(3배 주파수), 즉 자외선(UV) 범위이다.
각각의 변환 공정을 가능한 한 효율적으로 설계하기 위해, 반사 손실을 최소화하기 위해 크리스털의 (광학) 입사면과 출사면을 코팅하여 사용하도록 제공하는 것이 알려져 있다. 그러나 특히 UV 범위에서는, 크리스털의 코팅이 특히 장기 안정성과 관련하여 문제를 일으킬 수 있다는 것도 알려져 있다. 광과의 상호작용에 기인한 다양한 노화 효과는, 코팅의 품질이 작동 시간 동안 저하되게 하고, 이는 크리스털 또는 레이저 시스템의 사용 기간이 증가될 때 빔 품질과 레이저 성능의 저하로 반영된다.
또한, 변환 공정의 효율성을 최적화하기 위해 높은 광 강도를 얻기 위해서 포커싱이나 또는 상대적으로 작은 빔 번들을 사용하는 것이 알려져 있다. 빔 번들이 더 작을수록 레이저 방사선의 발산각이 더 높아진다. 주파수 변환 중에 빔의 발산각이 소정값(비선형 크리스털의 수광각(acceptance angle))을 초과하면, 빔 프로파일, 특히 생성된 고조파의 타원형 빔 프로파일의 왜곡을 초래할 수 있다..
또한, 소정 비선형 크리스털이 사용될 때, 빔 프로파일의 왜곡이 소위 "워크오프(walk-off)"에 의해 생성된다는 것도 알려져 있다. 이 효과는 실질적으로 관련된 크리스털의 복굴절(double refraction)에 기초하고 있으며, 생성된 고조파의 대칭성의 저하를 초래할 수 있다.
따라서, 본 발명은 강건하고 장기간 안정적인 고조파의 생성을 달성함과 동시에 제어 가능한 특히 고조파의 회전 대칭적인 빔 프로파일을 생성하는 주파수 변환을 실현하는 과제에 기초한 것이다.
본 발명에 따르면, 이 과제는 청구항 1에 따른 주파수 변환 장치에 의해 해결된다. 더욱 유리한 실시예들은 종속항에 기인할 것이다.
이 과제는 특히 레이저의 고조파의 속성, 특히 빔 프로파일 및/또는 장기 안정성을 최적화하기 위한 주파수 변환 장치에 의해 해결되며, 이 장치는:
- 제1 파장을 부분적으로 제2 파장으로 변환하는 방식으로 설계된 제1 비선형 크리스털;
- 및 제1 파장 및/또는 제2 파장의 빔 프로파일의 주축에 상이하게 영향을 미치는 방식으로 설계된, 특히 적어도 하나의 프리즘을 포함하는 광학 유닛;
- 및 제1 파장의 미변환 부분 및/또는 제2 파장으로부터 제3 파장을 생성하는 방식으로 설계된 제2 비선형 크리스털, 이 제2 비선형 크리스털은 입사면과 출사면을 가지고, 그리고 출사면은 입사면에 대해 비스듬하게 뻗어 있다.
본 발명의 본질적인 아이디어는 주파수 변환 장치에 의해, 레이저 빔을 빔 프로파일의 원하는 대칭성을 가지는 고조파, 특히 회전 대칭형 빔 프로파일로 효율적으로 변환할 수 있다는 것이다.
대안적, 또는 추가적으로, 반사 손실은 제2 비선형 크리스털의 비스듬하게 뻗은 출사면에 의해 최소화될 수 있다. 본 발명에 따른 주파수 변환 장치가 사용될 때, 이것은 변환된 고조파에 대한 높은 장기 안정성과 사용된 크리스털의 오랜 서비스 수명뿐만 아니라 결과적인 고조파의 빔 프로파일에 대해 높은 유연성을 달성한다.
바람직한 실시예에서, 광학 유닛은 빔 프로파일의 각 주축에 상이하게 영향을 미치도록 적어도 하나의 축 둘레로 회전 가능한 적어도 하나의 프리즘을 포함한다. 이것은 제2 비선형 크리스털의 비스듬하게 뻗은 출사면과 결합하는 구조적으로 간단한 방식으로, 조정 가능한, 특히 고조파의 회전 대칭형 빔 프로파일이 생성될 수 있게 한다. 이 경우, 프리즘의 꼭지각뿐만 아니라 재료 또는 굴절각이 크리스털 속성에 대해 최적화될 수 있다. 이에 더하여, 프리즘의 회전 가능한 장착은 주파수 변환 장치를 조정하고 최적화하기 위한 하나 이상의 자유도를 제공한다.
바람직한 실시예에서, 광학 유닛의 프리즘은 제1 파장과 제2 파장 사이의 런타임차(runtime difference)를 연속적으로 조정 및/또는 보상하기 위해 가로로 이동 가능하다. 런타임차를 조정함으로써, 제2 비선형 크리스털에서 고조파를 발생시키는 위치가 조정될 수 있으므로, 변환 효율이 최적화될 수 있다.
바람직한 실시예에서, 제2 파장은 제1 파장의 제2 고조파이다. 이것은 단일 비선형 크리스털에 의해 실현될 수 있다. 파장 범위에 따라, LBO, BBO, KTP, BiBO 등과 같은 일련의 비선형 크리스털이 이 목적을 위해 가능하다.
바람직한 실시예에서, 제3 파장은 제1 파장의 제2 고조파, 또는 제2 파장의 제2 고조파, 또는 제1 파장 및/또는 제2 파장의 합 또는 차 주파수에 대응하는 파장이다. 이러한 방식으로, 제3 고조파뿐만 아니라 예를 들어 4차 고조파 또는 "n차" 고조파가 생성될 수 있다. 파장 범위에 따라, 예를 들어, LBO, BBO, KTP, BiBO 등과 같은 일련의 비선형 크리스털이 이 목적을 위해 가능하다.
바람직한 실시예에서, 제2 비선형 크리스털의 출사면은 바람직하게는 제3 파장에 대해 실질적으로 브루스터(brewster) 배열로 배치된다. 이 경우, 브루스터 배열 또는 브루스터 각은 파장 중 하나에 대해 구성될 수 있다.
잠재적인 실시예에서, 특히 유형 II의 위상 조정을 사용함으로써 반사율 손실을 방지하는 것이 가능해진다. 구체적으로, 관련된 파장의 편광 상태는 제2 비선형 크리스털의 출사면에 대한 제2 비선형 크리스털에서, 제1 파장이 p극에서 진동하고(평행 편광), 제2 파장이 s극에서 진동하고(수직 편광), 그리고 제3 파장이 p극에서 진동(평행 편광)하도록 작용한다. 따라서 이러한 배열은 제2 비선형 크리스털로부터 출사될 때 제1 파장 및 제3 파장의 반사율 손실을 감소시키는 결과를 가져온다.
따라서 브루스터 각을 사용하는 배열은 제2 비선형 크리스털의 출사면에 코팅을 하지 않고 동시에 반사 손실을 최소화할 수 있다. 한편으로 가능한 한 성능 손실을 작게 하려면, 다른 한편으로, 제2 비선형 크리스털의 출사면에서 역반사를 방지해야 하는데, 이는 이러한 것이 가능한 광범위한 방식으로 억제되어야 하기 때문이다. 특히 UV 범위에서, 이는 코팅이 지속적인 노출로 인해 소정 상황하에서 저하될 수 있기 때문에, 합리적이다. 이 경우, 장치의 브루스터 각을 정확히 따를 필요는 없다. 소정 허용 오차의 편차는 허용 가능하며, 이는 주파수 변환 장치의 조정 및 생산 허용 오차를 증가시킨다. 이것은 예를 들어 ±1° 내지 ±5°의 브루스터 각으로부터의 편차의 허용 오차 범위가 설계될 수 있으며, 일부 경우에는 확실히 동일한 것이 바람직할 수 있다는 것이 이해될 수 있다.
잠재적인 실시예에서, 제1 비선형 크리스털은 평행면(plane-parallel) 크리스털로 형성된다. 평행면은 여기서 제1 비선형 크리스털의 입사면과 출사면이 서로에 대해 실질적으로 평행하다는 것을 의미한다. 이것은 한편으로 평행면 크리스털이 제조하기에 더 간단하여 더 비용-효율적이라는 이점을 가진다. 다른 한편으로, 이것은 제1 및 제2 비선형 크리스털의 입사면에 대해 항상 실질적으로 수직인 입사각을 가능하게 한다.
크리스털의 입사면에서 소정 각―예를 들어, 브루스터 각―으로 교차 및/또는 배열되는 방식과 대조적으로, (제1) 크리스털의 평행면 대형 및/또는 제2 크리스털로의 입사각은―예를 들어 편광 유도가 없는 파이버 레이저의 경우―편광되지 않은 광도 수용 가능하다는 이점을 제공한다. 편광되지 않은 광의 경우, 이와 같이 비스듬하게 뻗은 입사면이 가능한 한 손실 없이 전송하기 위해 필요할 수 있는 어렵고 복잡한 AR 코팅이, 이렇게 생략된다. 전체적으로, 따라서 효율적인 배열이 가능하다.
바람직한 실시예에서, 광학 유닛은 특히 제1 파장 및/또는 제2 파장의 빔 프로파일의 대칭성과는 독립적으로, 제3 파장에 대한 회전 대칭형 빔 프로파일을 생성하기 위해, 특히, 프리즘의 꼭지각과 재료에 의해, 제2 비선형 크리스털의 비스듬하게 뻗은 출사면에 대해 조정될 수 있다.
따라서, 이것은 구조적으로 간단한 방식으로 가능한데, 제2 비선형 크리스털의 비스듬하게 뻗은 출사면과 결합하여, 조정 가능한 특히 고조파의 회전 대칭형 빔 프로파일이 타겟 방식으로 빔 프로파일을 압축함으로써 생성될 수 있다. 프리즘의 재료는 예를 들어 용융(fused) 실리카 또는 기타 레이저-내성(laser-resistant) 유리 및/또는 크리스털로 구성된 경우일 수 있다.
바람직한 실시예에서, 제2 비선형 크리스털의 출사면은 코팅되지 않는다. 이것은 코팅을 하지 않아도 된다는 이점을 가지는데, 이는 코팅의 품질과 속성이 파장 중 하나와 상호 작용하여 저하될 수 있기 때문이다―특히 UV 범위에서 생성되는 파장에 대해 문제가 될 수 있다―. UV 범위에서, 코팅의 열화는 장기 안정성, 빔 프로파일 및 산란된 광에 영향을 주기 때문에, 특히 고성능에서 생성된 UV 광이 광과의 상호작용에 의해 코팅의 속성을 변화시킨다는 문제가 알려져 있다. 따라서 비선형 크리스털의 코팅을 하지 않는 것이 유리하다.
본 발명에 따른 주파수 변환 장치는 특히 제2 비선형 크리스털의 출사면의 코팅을 하지 않음에도 불구하고 우수한 반사-억제 속성을 달성한다. 또한, 코팅되지 않은 크리스털 또는 부분적으로 코팅된(예를 들어, 입사면만 코팅된) 크리스털이 코팅된 크리스털보다 더 비용-효율적인데, 이는 다수의 파장의 반사를 특히 동시에 억제하기 위한 코팅에 대한 코팅 공정은, 어려워서 비싸기 때문이다.
대안적 실시예에서, 제2 비선형 크리스털의 출사면은 바람직하게는 제1 파장 및/또는 제2 파장 및/또는 제3 파장을 위한 반사방지 코팅 및/또는 p 코팅으로 코팅된다. 코팅은 예를 들어 브루스터 배열이 제1 파장에 대해 선택되도록 선택될 수 있으며, 여기서 코팅은 매우 어렵고, 비싸며, 상술된 것과 같이 배열의 성능과 관련하여 문제가 있다. 이 파장의 반사는 브루스터 배열에 의해 억제된다. 그러나 그 이상의 파장은 제2 비선형 크리스털의 비스듬하게 뻗은 출사면에서 (부분적으로 강한) 반사를 생성할 수 있으므로, 제2 비선형 크리스털의 비스듬하게 뻗은 출사면에 이러한 파장들을 위한 코팅을 적용할 수 있다.
이 경우, 주파수 변환 장치의 장기 안정성과 빔 프로파일 품질은 방해받지 않지만, 관련된 파장의 모든 반사가 동시에 억제된다. 이것은 주파수 변환의 최적 효율의 결과를 갖는다. 또한, 고비용의 장비로 역반사를 억제할 필요가 없다. p 코팅은 대기 습도, 오존 등과 같은 외부 영향으로부터 크리스털을 보호할 수 있다. 잠재적인 실시예에서, 필요한 경우, 크리스털의 외피(envelope) 표면(즉, 외부 표면)을 포함하는, 크리스털 상부 표면의 모두 또는 일부는 반사 방지 코팅 및/또는 p 코팅을 갖는다.
일 실시예에서, 제2 비선형 크리스털의 출사면은 또한 모든 관련된 파장을 위해 코팅될 수 있다. 예를 들어, 모든 파장이 하나의 범위에 있는 경우, 코팅을 저하시키는 것과 관련하여 상술된 문제들은 충분히 중요하지 않다.
바람직한 실시예에서, 제2 비선형 크리스털의 출사면은 나노 구조이다. 이것은 매우 광대역한 반사 억제가, 관련되거나 또는 선택된 모든 파장을 위해 제공될 수 있게 하며, 이는 광과의 상호 작용을 더욱 매우 안정되게 한다.
특히, 본 발명에 따른 과제는 또한 레이저의 주파수 변환을 위한 시스템에 의해 해결되며, 이 시스템은 이하를 포함하고;
- 선행된 청구항 중 어느 한 항에 따른 주파수 변환 장치;
- 제1 파장을 갖는 빔을 생성하는 레이저 시스템; 및
- 빔 프로파일의 크기를 조정하도록 설계된 빔 프로파일 크기 조정 유닛;
여기서, 빔 프로파일 크기 조정 유닛에 의한 크기 조정 이후에, 빔 프로파일이 주파수 변환 장치에 공급된다.
동일한 이점이 주파수 변환 장치와 관련하여 이미 설명된 것과 같이 그로부터 발생한다. 또한, 빔 프로파일 크기 조정 유닛은 레이저 시스템의 빔 프로파일의 크기가 조정되도록 한다. 이것은 빔 프로파일 크기에 대한 유연성을 가능하게 하고, 결과적으로 직접, 레이저 시스템의 광의 사용 강도의 유연성을 가능하게 한다. 이는 주파수 변환의 효율성의 잠재적 최적화를 가져온다. 빔 프로파일 크기 조정 유닛은, 예를 들어 망원경 및/또는 단일 렌즈 및/또는 렌즈 어레이 및/또는 반사 망원경 및/또는 하나 이상의 포물선 또는 곡면 거울일 수 있다.
일 실시예에서, 이 시스템은 제1 파장 및/또는 제2 파장 및/또는 제3 파장의 각각의 빔 프로파일의 각 주축의 치수를 측정하기 위한 빔 프로파일 분석 유닛을 포함하고, 빔 프로파일 분석 유닛은 특히 적어도 하나의 카메라 및/또는 M2 분석 유닛을 포함한다. 이러한 방식으로 하나 이상의 파장의 빔 프로파일을 각각의 지오메트리(geometry)에 최적화할 수 있다. 예를 들어, 빔 프로파일 분석 유닛은 제3 파장의 회전 대칭형 빔 프로파일을 제어된 방식으로 생성되게 한다.
또한, 예를 들어, 1:2의 주축 비율을 갖는 제3 파장의 길어진 빔 프로파일과 같은, 2개 주축의 정의된 비율을 갖는 빔 프로파일을 의도적으로 생성하기 위한 특수 애플리케이션도 가능하다.
빔 프로파일 분석 유닛에 의해, 제어된 방식으로 추가(제1 및 제2) 파장의 빔 프로파일을 측정 및 분석하는 것도 가능하다. 일 실시예에서, 자동화 요소, 예를 들어 크리스털 또는 광학 유닛을 틸팅 및/또는 회전시키기 위한 피에조 모터를 갖는, 하나 이상의 크리스털 홀더 또는 광학 홀더, 주파수 변환 장치 또는 빔 프로파일 크기 조정 유닛은 예를 들어 컴퓨터를 통해 빔 프로파일 분석 유닛와 접속되어 설정된다. 이것은, 예를 들어 제3 파장의 빔의 주축의 치수와 같이, 소정값이 미리 능동적으로 조정될 수 있다.
일 실시예에서, 주파수 변환 장치 이전의 빔의 빔 프로파일의 크기는 적어도 250㎛, 바람직하게는 적어도 500㎛, 더 바람직하게는 적어도 1,000㎛의 직경을 갖는다. 레이저 시스템의 빔의 작은 직경의 선택은 상대적으로 낮은 광 성능도 효율적으로 변환할 수 있게 한다.
대안적 실시예에서, 250㎛ 미만의 주파수 변환 장치 이전의 빔 프로파일의 크기가 사용될 수 있다. 파장 범위 및/또는 크리스털 또는 크리스털 유형에 따라, 빔 프로파일의 크기는 100μm 이하일 수 있다.
일 실시예에서, 레이저 시스템은 바람직하게는 마이크로초 범위, 더 바람직하게는 나노초 범위, 더욱 더 바람직하게는 피코초 범위의 펄스 지속시간을 갖는 펄스 레이저 시스템이다. 펄스 레이저 시스템은 높은(피크) 강도에 도달할 수 있게 하므로, 주파수 변환의 효율이 최적화된다. 대안적 실시예에서, 레이저 시스템은 또한 펨토초 범위의 펄스 지속기간을 가질 수 있다.
대안적 실시예에서, 레이저 시스템은 연속 빔 레이저 시스템이다. 이를 통해 시스템은 펄스 광원이 필요하지도 않고 존재하지도 않는 애플리케이션에 사용될 수 있게 한다.
대안적 실시예에서, 시스템은 제4 파장으로의 제3 파장의 주파수 변환을 위한 제3 비선형 크리스털을 포함한다. 이 경우, 제3 파장은 단독으로 또는 대안적으로 제1 파장 또는 제2 파장과 상호작용하여 제4 파장으로 변환될 수 있다.
다른 대안적 실시예에서, 시스템은 관련된 파장들 중 하나 이상을 제4 및 제5 파장으로 변환하기 위한 제2 주파수 변환 장치를 포함한다.
본 발명에 따른 과제는 특히 레이저의 고조파의 속성, 특히 빔 프로파일 및/또는 장기 안정성을 최적화하기 위한 주파수 변환 방법에 의해 해결되며, 여기서 이 방법은 다음 단계를 포함한다:
- 제1 비선형 크리스털(X1)에서 제1 파장(λ1)이 부분적으로 제2 파장(λ2)으로 변환되는 제1 변환 단계;
- 제1 파장(λ1) 및/또는 제2 파장(λ2)의 빔 프로파일이 각각의 주축(x1, y1, x2, y2)에서 다르게 영향받은 빔 프로파일 조정 단계;
- 제3 파장(λ3)이 제2 비선형 크리스털(X2)에서 제1 파장(λ1)의 미변환 부분 및/또는 제2 파장(λ2)으로부터 생성되는 제2 변환 단계,
여기서 제2 비선형 크리스털(X2)은 입사면(A1) 및 출사면(A2)을 가지며, 출사면(A2)은 입사면(A1)에 대해 비스듬하게 뻗어 있다.
이것으로부터, 주파수 변환 장치 및/또는 레이저의 주파수 변환을 위한 시스템과 관련하여 이미 설명된 것과 동일하거나 또는 유사한 이점이 생긴다.
일 실시예에서, 주파수 변환 방법의 빔 프로파일 조정 단계는 적어도 하나의 축 둘레로 프리즘을 회전시킴으로써 수행된다.
이것은 제2 비선형 크리스털의 비스듬하게 뻗은 출사면과 조합하여, 연속적으로 조정 가능한, 특히 제3 파장의 회전 대칭형 또는 압축된 빔 프로파일이 생성될 수 있는 구조적으로 간단한 방식으로 허용한다. 이 경우, 프리즘의 꼭지각뿐만 아니라 재료 또는 굴절률이 제2 비선형 크리스털의 크리스털 속성에 대해 최적화될 수 있다. 또한, 프리즘의 회전 가능한 장착은 주파수 변환 장치를 조정하고 최적화하기 위한 하나 이상의 자유도를 제공한다.
일 실시예에서, 제3 파장의 빔의 종횡비는 빔 프로파일 조정 단계에 의해 연속적으로 조정 가능하다. 이로써, 한편으로는 (예를 들어, 워크오프로 인한) 빔 프로파일의 왜곡을 보상할 수 있다. 다른 한편으로는, 예를 들어 1:3 또는 1:2의 주축 비율(종횡비)로 제3 파장의 빔 프로파일을 임의로(또는 실험에 맞게 조정됨) 선택할 수 있는 가능성도 제공한다.
일 실시예에서, 주파수 변환 방법은 제1 및/또는 제2 변환 단계에 관련된 제1 파장의 일부의 강도를 조정하는 단계를 포함한다.
기본적으로, 제2 비선형 크리스털에서 제3 파장을 생성할 때의 변환 효율은 관련된 제1 파장과 관련된 제2 파장의 강도 및/또는 혼합비에 의존한다. 이상적으로, (강도의) 혼합 비율은 약 1/3 : 2/3(제1 파장 대 제2 파장)이며, 이는 최대 100%의 이론적인 (변환) 효율에 해당할 수 있다.
(제1 파장과 제2 파장의) 관련된 빔은 대부분 가우시안 강도 프로파일을 가지므로, 제1 파장의 가우시안 강도 프로파일의 변형은 변환으로 인해 제1 비선형 크리스털에서 주파수가 두 배로 증가한 후에 발생했다. 이러한 변형은 제2 비선형 크리스털에서 이어지는 제2 변환 단계에서의 변환 효율에 불리한 결과를 초래한다. 또한, 이러한 변형은 제3 파장의 빔 품질에 부정적인 영향을 미칠 수 있다―예를 들어 제3 파장의 빔은 그로 인해 좋지 않은 M2 값을 얻을 수 있다.
이를 방지하기 위해, 제1 비선형 크리스털의 변환 효율은 관련된 파장의 빔 품질을 최적화하기 위해 "미최적(not optimal)"(즉, 의도적으로 최대 변환 효율이 아님)이도록 선택될 수 있다. 이것은 적어도 하나의 L/2 파장판(wave plate)에 의해 편광을 조정함으로써 잠재적인 실시예에서 수행될 수 있다.
본 발명에 따른 방법은 본 발명에 따른 주파수 변환 장치와 관련하여 및/또는 레이저의 주파수 변환을 위한 본 발명에 따른 시스템과 관련하여 이미 설명된 것과 같은 추가적인 방법 단계들을 더 포함할 수 있다.
본 발명은 예시로서 더욱 상세하게 설명될 예시적인 실시예를 기초로 하여 본 발명에 따른 다른 특징 및 이점에 대해서도 이하에서 설명될 것이다.
도 1a는 광학 유닛이 제1 비선형 크리스털과 제2 비선형 크리스털의 사이에 배치된 주파수 변환 장치의 제1 예시적인 실시예의 개략도이고;
도 1b는 광학 유닛이 수정된 방식으로 제1 비선형 크리스털과 제2 비선형 크리스털의 사이에 배치된 도 1a의 주파수 변환 장치의 제1 예시적인 실시예의 개략도이고;
도 2는 주파수 변환 장치에 의한 주파수 변환에 관련된 파장의 빔의 빔 프로파일의 개략도이고;
도 3은 광학 유닛이 제1 비선형 크리스털과 제2 비선형 크리스털의 사이에 배치된 주파수 변환 장치의 제2 예시적인 실시예의 개략도이고; 그리고
도 4는 주파수 변환을 위한 시스템의 예시적인 실시예의 개략도이다.
도 5는 주파수 변환을 위한 시스템의 다른 예시적인 실시예의 개략도이다.
도 6은 제1 파장의 최적화된 부분을 갖는 유형 II의 주파수 변환을 위한 주파수 변환 장치의 예시적인 실시예의 개략도이다.
도 7은 제1 파장의 최적화된 부분을 갖는 유형 I의 주파수 변환을 위한 주파수 변환 장치의 예시적인 실시예의 개략도이다.
도 1a에서, 본 발명에 따른 주파수 변환 장치(100)가 개략적으로 도시되어 있다. 주파수 변환을 위해 제공되는 제1 파장(λ1)의 제1 빔은 좌측에서 우측으로 수평 방향으로 전파된다. 달리 명시적으로 언급되지 않는 한, 대응하는 이후 도면들에 도시된 모든 빔이 좌측으로부터 들어와 우측으로 전파되는 것으로 항상 가정한다.
제1 파장(λ1)은 제1 비선형 크리스털(X1)에서 주파수 변환된다. 제1 예시적 실시예에서, 제1 파장(λ1)은 제1 비선형 크리스털(X1)에서 주파수 2배가 된다. 이러한 주파수 변환을 갖는 본 예시적 실시예를 위한 크리스털 유형은 예를 들어 LBO 크리스털 또는 BBO 크리스털일 수 있다. 주파수 변환을 위해 설계된 추가 크리스털들은 당업자에게 잘 알려져 있다.
제1 비선형 크리스털(X1)은 주파수 변환을 위한 임계(critical) 또는 비임계 위상 조정을 위해 설계될 수 있다. 제1 비선형 크리스털(X1)은 이 목적을 위해 설계된 홀더(미도시)에 장착되며, 이는 바람직하게 제1 비선형 크리스털(X1)이 상이한 방향으로 틸팅될 수 있게 한다. 틸팅은 예를 들어 미세한 나사산에 의해 수동으로 또는 자동으로 수행되거나, 또는 예를 들어 피에조 (스텝) 모터에 의해 제어될 수 있다.
또한 제1 비선형 크리스털(X1)의 홀더는 가열 가능하거나 또는 온도 제어 가능하게 할 수 있다.
제1 비선형 크리스털에서의 주파수 변환 후에, 제1 파장(λ1)의 빔과 주파수 변환에 의해 생성되고 제2 파장(λ2)을 갖는 제2 빔은 실질적으로 공선형(collinear) 방식으로 전파된다. 제1 비선형 크리스털(X1)에 의해 주파수 2배가 수행되는 예시적인 실시예에서, 제2 파장(λ2)은 실질적으로 제1 파장(λ1)의 파장의 절반에 해당한다.
하나의 예시적인 실시예에서, 제1 비선형 크리스털은 (입사면과 출사면에서) 제1 파장(λ1)과 (출사면에서) 제2 파장(λ2)의 반사를 억제하기 위해, 그것의 입사면과 그것의 출사면에 코팅을 갖는다.
도 1a의 주파수 변환 장치(100)의 일 예시적 실시예에서, 프리즘(P)은 본 발명에 따른 광학 유닛을 형성한다. 대안적 예시적 실시예에서, 광학 유닛은 추가 광학 시스템을 포함할 수 있다. 다른 대안적 예시적 실시예에서, 광학 유닛은 (아나모픽(anamorphic)) 프리즘 쌍에 의해 형성된다.
도 1a의 예시적인 실시예의 프리즘(P)은 프리즘(P)에 평행한 축을 따라 연속적으로 이동 가능하도록 장착된다. 또한, 프리즘(P)은 제1 파장(λ1)과 제2 파장(λ2)의 빔에 평행한 평면에서 연속적으로 회전될 수 있는 방식으로 장착된다.
프리즘 또는 광학 유닛의 이동 및/또는 회전은 예를 들어 미세한 나사산에 의해 수동으로 또는 자동으로 수행되거나, 또는 예를 들어 피에조 (스텝) 모터에 의해 제어될 수 있다.
프리즘에 의해, 제1 파장(λ1)과 제2 파장(λ2)의 빔의 빔 프로파일 직경은 각각의 빔 프로파일의 각 주축을 따른 빔의 전파 방향에 평행한 평면에서 영향받을 수 있는 반면, 빔 프로파일 직경은 전파 방향에 수직인 평면에서 실질적으로 변경되지 않은 상태를 유지한다. 프리즘을 회전하는 것은 두 개의 주축 사이의 종횡비가 조정될 수 있게 한다. 종횡비의 조정은 아래 도 2에서 설명될 것이다.
또한, 하나 이상의 회전 또는 틸팅 방향도 제공되도록 프리즘(P)이 장착되는 것도 가능하다. 따라서, 예를 들어 제1 파장(λ1) 및/또는 제2 파장(λ2)의 입력 빔의 전파 방향에 평행한 축 둘레로 프리즘(P)을 회전시킴으로써 추가적인 최적화 파라미터가 형성될 수 있다.
대안적, 또는 추가적으로, 프리즘(P)은 또한 프리즘(P)의 입사면 및/또는 프리즘(P)의 출사면에 평행한 축 둘레로 틸팅될 수 있다.
제1 파장(λ1)과 제2 파장(λ2)의 빔은 프리즘(P) 이후에 두 빔의 (원래의) 입사 방향에 대해 소정 각도로 전파된다. 이 각도는 프리즘(P)의 재료, 프리즘(P)의 꼭지각, 프리즘(P)의 트위스팅, 그리고 제1 파장(λ1) 및 제2 파장(λ2)과 무관하다.
각각의 주축을 따라 제1 파장(λ1)과 제2 파장(λ2)의 빔의 빔 프로파일의 종횡비가 조정된 후, 빔은 제2 비선형 크리스털(X2)을 통해 전파된다. 제2 비선형 크리스털(X2)에서, 제1 파장(λ1)과 제2 파장(λ2)이 함께 주파수 변환되어 제3 파장(λ3)을 생성한다.
예시적 실시예에서, 두 개의 입력 파장(λ1, λ2)의 합 주파수가 제2 비선형 크리스털에서 형성된다. 이러한 주파수 변환을 갖는 이 예시적인 실시예를 위한 크리스털 유형은 예를 들어 LBO 또는 BBO일 수 있다. 주파수 변환을 위해 설계된 추가 크리스털은 당업자에게 잘 알려져 있다. 제2 비선형 크리스털(X2)은 주파수 변환을 위한 임계 또는 비임계 위상 조정을 위해 설계될 수 있다. 제2 비선형 크리스털(X2)은 이 목적을 위해 설계된 홀더(미도시)에 장착되는데, 이는 바람직하게 제2 비선형 크리스털(X2)이 다수의 방향으로 틸팅될 수 있게 한다.
틸팅은 예를 들어 미세한 나사산에 의해 수동으로 또는 자동으로 수행되거나, 또는 예를 들어 피에조 (스텝) 모터에 의해 제어될 수 있다. 또한, 제2 비선형 크리스털(X2)의 홀더는 가열 가능하거나 온도 제어 가능할 수 있다. 대안적 예시적 실시예에서, 제1 파장(λ1)과 제2 파장(λ2)의 차 주파수도 제2 비선형 크리스털(X2)에서 형성될 수 있다. 다른 대안적 예시적 실시예에서, 제2 파장(λ2)은 제2 비선형 크리스털(X2)에서 주파수 2배가 될 수 있다.
제1 비선형 크리스털(X1)은 평행면 크리스털로 형성된다.
여기서 평행면은 제1 비선형 크리스털(X1)의 입사면과 출사면이 서로 실질적으로 평행하다는 것을 의미한다.
프리즘(P)과 제2 비선형 크리스털(X2)은 결과적으로 제2 비선형 크리스털(X2)의 입사면(A1)에 대한 입사각이 항상 실질적으로 수직이 되도록 배치 및 형성된다.
전체적으로, 실질적으로 제1 및 제2 비선형 크리스털(X1, X2)의 입사면에 대한 각각의 입사각은 이러한 배열의 결과이다. 여기서 실질적으로 수직은 약 0° 내지 10°의 범위로 이해된다.
크리스털이 소정 각도(예를 들어, 브루스터 각)로 교차되거나, 및/또는 배치되는 방식과 달리, (제1) 크리스털의 평행면 대형 및/또는 제2 크리스털에 대한 입사각은 예를 들어 편광 제어가 없는 파이버 레이저에서의 편광되지 않은 광도 사용될 수 있다는 이점을 제공한다. 편광되지 않은 광의 경우, 이와 같이 비스듬하게 뻗은 입사면이 가능한 한 손실 없이 전송하기 위해 필요할 수 있는 어렵고 복잡한 AR 코팅이, 이렇게 생략된다.
도 1a에서, 제2 비선형 크리스털(X2)의 입사면(A1)은 제1 파장(λ1)의 제1 빔 및/또는 제2 파장(λ2)의 제2 빔의 전파 방향에 실질적으로 수직이다. 제2 비선형 크리스털(X2)의 출사면(A2)은 제2 비선형 크리스털(X2)의 입사면(A1)에 대해 소정 각도를 갖고 형성된다.
예시적인 실시예에서, 제2 비선형 크리스털(X2)의 출사면(A2)은 제2 비선형 크리스털(X2)에서 생성된 제3 파장(λ3)의 빔의 전파 방향과 브루스터 배열을 형성하도록 형성된다. 여기서 브루스터 배열은, 제3 파장(λ3)의 빔이 제2 비선형 크리스털(X2)의 출사면(A2)(각각이 출사면(A2)의 대응하는 결합물)에서 브루스터 각으로 실질적으로 충돌한다는 것을 의미한다. 이 구성은 제3 파장(λ3)의 반사가 제2 비선형 크리스털(X2)의 출사면(A2)에서 억제될 수 있게 한다. 이것은 제2 비선형 크리스털(X2)의 출사면(A2) 상의 코팅을 하지 않을 가능성을 제공한다.
그럼에도 불구하고, 제2 비선형 크리스털(X2)의 입사면(A1)은 제2 비선형 크리스털(X2)의 입사면(A1)에서의 반사를 방지하기 위해, 즉 예를 들어 제1 파장(λ1)과 제2 파장(λ2)에 대한 반사 방지 코팅으로 코팅될 수 있다.
대안적 실시예에서, 제2 비선형 크리스털(X2)의 출사면(A2)이 예를 들어 코팅을 갖는 것도 가능하다. 크리스털은 출사면(A2) 상에 제1 파장(λ1)과 제2 파장(λ2)을 위한 코팅을 가질 수 있다.
제2 비선형 크리스털(X2)의 출사면(A2)의 브루스터 배열에 대한 프리즘(P)과 프리즘(P)의 꼭지각의 구조적 조정은, 간단한 방식으로 조정 가능한, 특히 제3 파장(λ3)의 회전 대칭형 빔 프로파일이 생성될 수 있게 한다. 프리즘(P)을 틸팅함으로써, 빔 프로파일의 "임의(arbitrary)" 대칭도 생성될 수 있다. 여기서 "임의 대칭(Arbitrary symmetry)"은 제3 파장(λ3)의 빔 프로파일의 수평축 및 수직축의 조정 가능한 관계로 이해되어야 한다.
도 1b에서는, 도 1a와 유사한 예시적인 실시예가 프리즘(P)의 위치를 달리하여 도시되어 있는데, 이 프리즘(P)의 위치는 이전에 설명된 것에서 수정되어 있다. 이러한 프리즘(P)의 이동에 의해, 제1 파장(λ1)과 제2 파장(λ2)의 런타임차가 조정되거나 또는 보상될 수 있다.
여기서 런타임차는 상이한 파장이 상이한 속도로 물질을 통과하여 전파되므로 프리즘(P)에 대한 제1 파장(λ1)과 제2 파장(λ2)의 입사 시간이 서로 다른 것을 의미한다. 따라서, 이 경우 상이한 속도로 제1 비선형 크리스털(X1) 및 제1 비선형 크리스털(X1)과 프리즘(P) 사이의 매체(예를 들어, 공기)를 통과한다. 프리즘(P)의 발산 속성(dispersive property)은 이러한 런타임차가 프리즘(P)을 이동시킴으로써 조정 또는 보상되거나 과보상되게 할 수 있는데, 이는 제1 파장(λ1)과 제2 파장(λ2)이 프리즘(P)을 통해 상이한 광학 경로를 통과하여 전파되기 때문이다.
따라서 프리즘(P)을 이동시키는 것은 제2 비선형 크리스털(X2) 내에서 제3 파장(λ3)의 발생 위치가 효율적으로 변경될 수 있게 한다. 따라서, 주파수 변환의 효율성은 최대 잠재적 크리스털 길이를 주파수 변환에 사용함으로써 조정될 수 있다.
도 2에서는, 빔 프로파일에 대한 광학 유닛의 영향이 도시되어 있다. 도 2의 연속적인 원형 선은 광학 유닛의 영향을 받기 전의 빔 프로파일을 나타낸다. 이 경우, 주축(x1, x2, x3)은 바람직하게는 제1 또는 제2 또는 제3 파장의 수평 주축에 대응한다.
x1, x2, x3에 수직인 주축은 y1, y2, y3으로 지정되며, 바람직하게는 제1 또는 제2 또는 제3 파장의 대응하는 빔 프로파일의 수직 주축이다. 이제 본 발명에 따른 광학 유닛은 ―광학 유닛의 방향에 따라― 빔 프로파일의 주축(x1, x2, x3)이 영향을 받는 반면, 그것에 수직으로 형성되는 주축(y1, y2, y3)은 변경없이 그대로 있는다는 점에서 빔에 영향을 미칠 수 있다. 영향받은 빔 프로파일의 경우는 도 2에 점선으로 도시되어 있다. 여기서 영향받은 축은 x1', x2', x3'으로 지정된다. 주축당 3개의 참조 번호 각각은, 제1, 제2, 제3 파장 중 하나(또는 그 이상)가 광학 유닛을 통과하여 전파되면, 광학 유닛이 제1 파장 및/또는 제2 파장 및/또는 제3 파장에 실질적으로 동일한 방식으로 영향을 미친다는 것을 보여주기 위한 것이다. 제1 파장의 방향에 평행한 축 둘레로 광학 유닛을 회전시키는 것은 관련된 파장(들)의 종횡비에 영향을 미친다.
본 발명에 따른 주파수 변환 장치(100)의 대안적 예시적 실시예가 도 3에 개략적으로 도시되어 있다. 도 3에서, 이전에 설명된 도면들에서와 동일한 빔들 또는 요소들에 대해서는 동일한 참조 번호들이 사용된다.
이 예시적 실시예에서, 광학 유닛은 제1 비선형 크리스털(X1)의 전방에 위치하는 프리즘(P)으로 구성된다. 이 예시적인 실시예는 원하는 대칭성―따라서, 주축의 원하는 종횡비―을 가지는 제3 파장의 빔을 생성할 수 있게 한다. 이 목적을 위해, 프리즘(P)은 제1 파장(λ1)의 전파 방향에 의해 특정된 축에 평행한 축 둘레로 회전된다.
프리즘(P)을 회전시키는 것은 제1 비선형 크리스털(X1) 및/또는 제2 비선형 크리스털(X2)에서 하나 이상의 효과를 갖도록 하며, 하나 이상의 효과는 또한 제3 파장의 빔 프로파일에 영향을 미쳐, 바람직하게 제3 파장(λ3)의 경우 회전 대칭형 빔 프로파일을 생성하기 위해 보상되게 한다. 이 경우, 예를 들어, 제2 파장(λ2) 및/또는 제3 파장(λ3)의 워크오프 및/또는 제1 비선형 크리스털(X1) 및/또는 제2 비선형 크리스털(X2)에서 초과하는 수광각과 같은 효과가 보상될 수 있다.
제1 비선형 크리스털(X1)은 평행면 크리스털로 형성된다.
여기서 평행면은 제1 비선형 크리스털의 입사면과 출사면이 서로에 대해 실질적으로 평행하게 뻗은 것을 의미한다.
프리즘(P)과 제2 비선형 크리스털(X2)은 항상 결과적으로 제2 비선형 크리스털(X2)의 입사면(A1)에 대해 실질적으로 수직인 입사각이 되도록 배치 및 형성된다.
전체적으로, 제1 및 제2 비선형 크리스털(X1, X2)의 입사면에 대해 각각 실질적으로 수직인 입사각은 이러한 배열의 결과이다. 여기서 실질적으로 수직은 약 0° 내지 10°의 범위로 이해된다.
입사면에서 크리스털이 소정 각도로(예를 들어, 브루스터 각으로) 교차 및/또는 배열되는 접근 방식과 대조적으로, (제1) 크리스털의 평행면 대형은―예를 들어 편광 유도가 없는 파이버 레이저의 경우―편광되지 않은 광도 적용할 수 있다는 이점을 제공한다. 편광되지 않은 광의 경우, 이와 같이 비스듬하게 뻗은 입사면이 가능한 한 손실 없이 전송하기 위해 필요할 수 있는 어렵고 복잡한 AR 코팅이, 이렇게 생략된다.
같은 이유로, 평행면 입사면은 또한 중첩된 편광 조건에 더 적합하다―참고. 도 6 및 도 7과 관련된 다음의 예시적인 실시예들.
제2 비선형 크리스털(X2)의 출사면은 도 3에서, 도 1a 및 도 1b의 예시적인 실시예와 유사하게, 제3 파장에 대한 반사 손실을 최소화하기 위해, 바람직하게 제3 파장(λ3)에 대해 실질적으로 브루스터 배열로 형성된다. 대안적 예시적 실시예에서, 제2 비선형 크리스털(X2)의 출사면(A2)의 배열은 또한 설명된 브루스터 배열로부터 벗어날 수 있다.
도 4에는, 주파수 변환을 위한 시스템(200)의 예시적인 실시예가 개략적으로 도시되어 있다. 예시적인 실시예에서, 주파수 변환을 위한 시스템(200)은 전술한 바와 같은, 본 발명에 따른 주파수 변환 장치(100)를 포함한다. 도 4에서, 전술된 도면들에서와 동일한 참조 번호들이 주파수 변환 장치(100)의 요소들에 대해 사용된다. 도 4의 예시적인 실시예의 시스템은 주파수 변환 장치(100)에 공급하기 위하여 제1 파장(λ1)에서 빔(B)을 제공하는 레이저 시스템(L)을 더 포함한다. 빔(B)이 주파수 변환 장치(100)에 공급되기 전에, 빔(B)의 빔 프로파일의 크기는 빔 프로파일 크기 조정 유닛(T)에 의해 영향받을 수 있다. 일 예시적인 실시예에서, 예를 들어, 빔 프로파일 크기 조정 유닛은 빔 프로파일의 크기를 250μm 크기로 조정하는 망원경을 포함할 수 있다. 대안적 예시적 실시예에서, 빔 프로파일 크기 조정 유닛은 예를 들어 제1 비선형 크리스털(X1)과 제2 비선형 크리스털(X2) 사이의 한 위치에서 빔(B)의 빔 프로파일의 크기를 조정하는 단일 렌즈에 의해 제공될 수 있다.
도 5에는, 주파수 변환을 위한 시스템(200)의 또 다른 예시적인 실시예가 개략적으로 도시되어 있다. 예시적인 실시예에서, 주파수 변환을 위한 시스템(200)은 도 3과 관련하여 전술된 것과 같은 주파수 변환 장치(100)를 포함한다. 따라서, 시스템(200)에서 상술된 것과 같이 제1 파장의 빔 프로파일의 종횡비를 조정할 수 있다.
도 5에서는, 전술한 도면에서와 동일한 참조 번호들이 주파수 변환 장치(100)의 요소들에 대해 사용된다.
도 5의 예시적인 실시예의 시스템은 주파수 변환 장치(100)에 공급하기 위해 제1 파장(λ1)에서 빔(B)을 제공하는 레이저 시스템(L)을 더 포함한다. 빔(B)이 주파수 변환 장치(100)에 공급되기 전에, 빔(B)의 빔 프로파일의 크기는 빔 프로파일 크기 조정 유닛(T)에 의해 영향받을 수 있다. 일 예시적인 실시예에서, 예를 들어 빔 프로파일 크기 조정 유닛은 빔 프로파일의 크기를 250μm의 크기로 조정하는 망원경을 포함할 수 있다.
또한, 대안적 예시적 실시예에서, 빔 프로파일 크기 조정 유닛이 예를 들어 제1 비선형 크리스털(X1)과 제2 비선형 크리스털(X2) 사이의 한 위치에서 빔(B)의 빔 프로파일의 크기를 조정하는 단일 렌즈에 의해 제공될 수 있다.
도 4 및 도 5의 예시적인 실시예에서 빔 프로파일 분석 유닛(K)은 제1 및/또는 제2 및/또는 제3 파장의 주축(x1, x2, x3, x1', x2', x3' 및/또는 y1, y2, y3)의 크기 및/또는 빔 프로파일의 품질을 분석하는 것을 목적으로 한다. 이것은 카메라 및/또는 M2 분석 유닛에 의해 형성된다. 싱글 파장은 예를 들어, 광학 필터를 사용함으로써 분석될 수 있다.
대안적, 또는 추가적으로, 빔 프로파일 분석 유닛이 스펙트럼 속성 및 (개별) 파장의 성능을 검출하기 위해 예를 들어 분광계 및/또는 파워 미터와 같은 추가 부분을 포함하는 것도 가능하다.
일 예시적 실시예에서, 빔 프로파일 분석 유닛에 의해 검출된 파라미터는 컴퓨터에 의해 평가되며, 이 경우 예를 들어 하나 이상의 파라미터의 장기 안정성이 검출된다. 이 경우에 검출된 파라미터는 또한 바람직하게는 제3 파장의 장기 안정성과 같은 하나 이상의 파라미터를 조절하기 위해, 크리스털 홀더 및/또는 광학 유닛 및/또는 빔 프로파일 분석 유닛과 같은 단일 부분을 제어 회로에 전자적으로 통합하는 데 사용될 수 있다.
도 4 및 도 5의 예시적인 실시예는 또한 (도 4 및 도 5에 도시되지 않은) 추가 부분을 포함할 수 있다. 긴 빔 경로를 위해, 예를 들어 레이저 시스템(L)과 빔 프로파일 크기 조정 유닛(T) 사이 및/또는 빔 프로파일 크기 조정 유닛(T)과 주파수 변환 장치(100) 사이 및/또는 제1 비선형 크리스털(X1)과 제2 비선형 크리스털(X2) 사이에는, 하나 이상의 빔을 편향시키는 다수 개의 편향 미러가 존재할 수 있다.
또한, 주파수 변환을 위한 시스템(200) 전체 또는 그 일부, 예를 들어 주파수 변환 장치(100)는, 예를 들어,―투과 가능하고 및/또는 배기(evacuate)되고 및/또는 가스로 씻기거나 가득채워지는―하우징에 수용될 수 있다.
도 6에 기초하여, 본 발명의 또 다른 예시적인 실시예가 이하에서 설명될 것이다.
도 6에 따른 주파수 변환 장치의 설명된 예시적인 실시예에서는, 제3 고조파(제3 파장, λ3)를 생성하기 위한 주파수 트리플링(제3 고조파 생성, THG)이 설명된다.
기본적으로, 제2 비선형 크리스털(THG 크리스털)에서 제3 고조파를 생성할 때의 변환 효율은 관련된 제1 파장(λ1)과 제2 파장(λ2)의 강도 및/또는 혼합비에 의존한다. 일반적으로, (강도의) 혼합 비율은 약 1/3 : 2/3(제1 파장 대 제2 파장)이며, 이는 최대 100%의 이론적인 (변환) 효율에 대응할 수 있다. 그러나 (이상적인) 혼합 비율은 각각 관련된 파장 또는 크리스털 파라미터의 성능 및/또는 강도 및 사용된 파장(범위)과 같은 많은 파라미터에 의존하므로, (이상적인) 혼합 비율을 위해 정확하지 않은 값이 지정될 수 있다.
(제1 파장과 제2 파장의) 관련된 빔이 압도적으로 가우시안 강도 프로파일을 갖기 때문에, 이 변환은 제1 비선형 크리스털에서 주파수 두 배가 된 후, 제1 파장(λ1)의 가우시안 강도 프로파일의 변형을 야기한다. 이러한 변형은 제2 비선형 크리스털에서 후속 합 주파수에서의 변환 효율에 단점을 가져온다. 또한, 이러한 변형은 ―예를 들어, 이에 따라 제3 파장의 빔이 불량한 M2 값을 얻을 수 있는― 제3 파장(λ3)의 빔 품질에 부정적인 영향을 미칠 수 있다.
이것을 방지하기 위해, 제1 비선형 크리스털에서의 제1 변환 효율은 관련된 파장의 빔 품질, 특히 제3 파장의 빔 프로파일을 최적화하고 및/또는 이에 의해 제3 파장으로의 변환 효율을 향상시키기 위해, "미최적"(즉, 의도적으로 최대 변환 효율이 아님)이도록 선택될 수 있다.
이 목적을 위해, 도 6의 주파수 변환 장치는 제1 비선형 크리스털(X1)(I)의 전방에 배치된 제1 λ/2 파장판(HWP1)을 포함한다.
제1 파장판(HWP1)은 제1 파장(λ1)에 대해 수직 및 수평 편광의 중첩 편광 조건을 생성하도록 설계된다.
예시적인 실시예에서, 제1 파장(λ1)은 처음에 수직으로 편광된다.
주파수 변환 장치를 통과하는 과정에서 상기 편광 조건뿐만 아니라 추가 편광 조건도 도 6의 아래에 대응하는 화살표로 도시되어 있다.
제1 파장(λ1) 또는 제1 파장(λ1)의 (중첩 편광 조건의) 수직 편광 부분은 제1 비선형 크리스털(X1)(I)로 입사되어 주파수 2배가 되어 제2 파장(λ2)이 된다.
여기서 제1 비선형 크리스털(X1)(I)은 유형 I의 크리스털이다. 제1 비선형 크리스털(X1)(I)은 평행면 크리스털이다. 여기서 평행면은 크리스털의 입사면과 출사면이 실질적으로 서로 평행하게 뻗어 있는 것을 의미한다.
전술한 바와 같이, 제1 파장(λ1)의 변환 부분(변환에 관련된 부분)은 대응하는 강도 프로파일에서 변형을 경험한다. 따라서, 변환 부분은 후속 혼합 공정(이 경우 제3 고조파의 생성)에 대해서만 제한적으로 적합하다. 이 예시적인 실시예에 따르면, 변환 부분은 따라서 제2 비선형 크리스털(X2)(II)에서 제3 고조파를 생성하는 데 사용되어서는 안 된다.
대신, 제1 파장(λ1)의 미변환 부분―제2 파장(λ2)으로의 변환에 관련되지 않은 제1 파장의 부분―이 제3 파장(λ3)을 생성하는 데 사용되어야 한다.
여기서 제2 비선형 크리스털(X2)(II)은 이 제2 비선형 크리스털(X2)(II)의 입사면(A1)에 대해 비스듬하게 뻗은 출사면(A2)을 갖는 유형 II의 크리스털이다. 광학 유닛 또는 프리즘(P)과 관련하여, 앞선 예시적인 실시예와 관련하여 이미 설명된 것과 동일한 이점은 비스듬하게 뻗은 출사면(A2)에 기인한다.
제1 파장(λ1)의 변환 부분 λ1*은 수직으로 편광되는 반면, 제2 파장(λ2)은 수평으로 편광된다.
주파수 변환 장치는 빔 경로로부터 제1 파장(λ1)의 (수직 편광된) 변환 부분 λ1*을 미러 아웃하도록 설계된 (편광) 빔 스플리터(S)를 포함할 수 있다.
특히 고성능에서, 이것은 제2 비선형 크리스털이 크리스털의 열화를 가속화할 수 있는 불필요한 부하에 영구적으로 노출되지 않는다는 이점이 있다.
빔 스플리터(S)는 제1 파장(λ1)의 (수평으로 편광된) 미변환 부분을 전송하도록 추가로 설계된다.
빔 스플리터(S)는 예를 들어 빔 스플리터 큐브로 형성될 수 있다.
빔 스플리터(S) 이후에, 제1 및 제2 파장은 각각 수평 편광을 갖는다.
주파수 변환 장치는 (빔 스플리터(S) 이후에) 제1 비선형 크리스털(X1)(I)과 제2 비선형 크리스털(X2)(II) 사이에 배치된 제2 λ/2 파장판(HWP2)을 더 포함한다.
제2 파장판(HWP2)은 (그것의 회전에 따라서) 제1 파장(λ1)의 편광에 영향을 미치고 제2 파장(λ2)의 편광에는 영향을 받지 않은 채로 있도록 설계된다.
제2 파장판(HWP2)에 의해, 제1 파장(λ1)(또는 빔 경로 내에 남아있는 제1 파장의 부분)의 편광은 제2 비선형 크리스털(X2)(II)에서 제3 고조파를 생성하기 위해 유형 II의 혼합 공정에 대해 조정될 수 있다.
이어서, 제1 파장(λ1)과 제2 파장(λ2)이 제3 파장(λ3)을 생성하기 위해 제2 비선형 크리스털(X2)(II)에서 중첩된다.
이 예시적인 실시예의 대안예에서, 빔 스플리터(S)의 사용은 포기될 수 있다.
이 경우, 제1 파장(λ1)의 변환(수직 편광된) 부분 λ1*은 빔 경로 내에 남지만, 그것의 편광은 이 부분이 제3 파장을 생성하는데 관련되지 않도록 제2 파장판(HWP2)에 의해 회전된다.
이 경우, 제1 파장(λ1)의 미변환 부분의 편광이 동시에 회전되어, 제1 파장(λ1)의 미변환 부분이 제3 파장(λ3)을 생성하는데 사용되어진다.
제2 비선형 크리스털이 유형 I의 크리스털로 형성되는, 주파수 변환 장치의 다른 예시적인 실시예가 도 7과 관련하여 설명될 것이다.
도 7에 도시된 주파수 변환 장치의 예시적인 실시예는 도 6과 관련하여 이전에 설명된 실시예에 실질적으로 대응한다.
그러나, 유형 I의 위상 조정으로 인해, 제2 비선형 크리스털(X2)(II)에서 제2 파장판(HWP2)이 제외된다.
도 6과 관련하여 이전에 설명된 바와 같이, 제1 파장의 변환 부분은 빔 스플리터(S)에 의해 미러 아웃될 수 있다.
빔 스플리터(S) 이후, 빔 스플리터(S) 이후의 제1 및 제2 파장은 각각 수평 편광을 갖는다.
이것은 추가적 (제2) 파장판이 사용될 필요가 없다는 이점을 갖는데, 이는 관련된 파장의 편광이 제2 비선형 크리스털(X2)(II)에서 유형 I의 위상 조정을 위해 필요한 편광에 대해 이미 조정되어 있기 때문이다.
제3 파장(λ3)(제3 고조파)을 생성하기 위해 유형 I의 크리스털을 사용하는 것은 변환 효율과 관련하여 이점을 가져오지만, 그러나 기본적으로, ―제3 파장(λ3)의 빔 프로파일의 감소된 대칭을 가져온다―이것은 그러나 프리즘(P) 및/또는 제2 비선형 크리스털(X2)(II)의 출사면(A2)의 각을 적절하게 선택함으로써 보상될 수 있다.
이 예시적인 실시예에서도, 대안으로, 도 6과 관련하여 설명된 바와 같은 빔 스플리터(S)의 사용이 포기될 수 있다.
이 지점에서 단독으로 또는 임의의 조합의 형태로 취해진 상술된 모든 부분, 특히 도면에서 예시된 모든 세부 사항들은, 본 발명의 실질적인 것으로 청구된다는 것이 주목되어야 한다.
100 주파수 변환 장치
200 주파수 변환을 위한 시스템
λ1 제1 파장(의 빔)
λ2 제2 파장(의 빔)
λ3 제3 파장(의 빔)
P 광학 유닛
X1 제1 비선형 크리스털
X2 제2 비선형 크리스털
A1 제2 비선형 크리스털의 입사면
A2 제2 비선형 크리스털의 출사면
L 레이저 시스템
B 레이저 시스템의 빔
T 빔 프로파일 크기 조정 유닛
K 빔 프로파일 분석 유닛
x1, x2, x3 빔 프로파일의 제1 주축
x1', x2', x3' 빔 프로파일의 영향받은 제1 주축
y1, y2, y3 빔 프로파일의 제2 주축
S 빔 스플리터
HWP1, HWP2 파장판(L/2 판)
X1(I) 제1 비선형 크리스털, 유형 I
X2(I) 제2 비선형 크리스털, 유형 I
X2(II) 제2 비선형 크리스털, 유형 II

Claims (19)

  1. 레이저의 고조파의 속성, 특히 빔 프로파일 및/또는 장기 안정성(long-term stability)을 최적화하기 위한 주파수 변환 장치(100)로서,
    상기 장치는
    - 제1 파장(λ1)을 부분적으로 제2 파장(λ2)으로 변환하는 방식으로 설계된 제1 비선형 크리스털(X1);
    - 특히 적어도 하나의 프리즘(P)을 포함하고, 제1 파장(λ1) 및/또는 제2 파장(λ2)의 빔 프로파일의 주축에 상이하게 영향을 미치게 하는 방식으로 설계된 광학 유닛; 및
    - 제1 파장(λ1)의 미변환 부분 및/또는 제2 파장(λ2)으로부터 제3 파장(λ3)을 생성하는 방식으로 설계된 제2 비선형 크리스털(X2)을 포함하고,
    상기 제2 비선형 크리스털(X2)은 입사면(A1)과 출사면(A2)을 가지고, 상기 출사면(A2)은 상기 입사면(A1)에 대해 비스듬하게 뻗어 있는, 주파수 변환 장치(100).
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 광학 유닛은 상기 빔 프로파일의 각 주축(x1, y1, x2, y2)에 상이하게 영향을 미치도록 적어도 하나의 축 둘레로 회전 가능한, 적어도 하나의 프리즘(P)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 주파수 변환 장치(100).
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    광학 유닛의 프리즘(P)은 제1 파장(λ1)과 제2 파장(λ2) 사이의 런타임차(Δt)를 연속적으로 조정 및/또는 보상하기 위해 가로로 이동 가능한 것을 특징으로 하는, 주파수 변환 장치(100).
  4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 파장(λ2)은 상기 제1 파장(λ1)의 제2 고조파인 것을 특징으로 하는, 주파수 변환 장치(100).
  5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제3 파장(λ3)은 상기 제1 파장(λ1)의 상기 제2 고조파 또는 상기 제2파장(λ2)의 상기 제2 고조파 또는 상기 제1 파장(λ1) 및/또는 상기 제2 파장(λ2)의 합(sum) 또는 차(diffence) 주파수에 대응하는 파장인 것을 특징으로 하는, 주파수 변환 장치(100).
  6. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 비선형 크리스털(X2)의 상기 출사면(A2)은 상기 제3 파장(λ3)에 대하여 바람직하게 브루스터(brewster) 배열로 실질적으로 배치되는 것을 특징으로 하는, 주파수 변환 장치(100).
  7. 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광학 유닛은 특히 상기 제1 파장(λ1) 및/또는 상기 제2 파장(λ2)의 프로파일의 대칭성과는 독립적으로, 상기 제3 파형(λ3)에 대해 회전 대칭적인 빔 프로파일을 생성하기 위해, 특히 프리즘(P)의 꼭지각(apex angle)과 재료에 의해, 상기 제2 비선형 크리스털(X2)의 비스듬하게 뻗은 출사면(A2)에 맞춰 조정되는 것을 특징으로 하는, 주파수 변환 장치(100).
  8. 청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 비선형 크리스털의 상기 출사면(A2)은 코팅되지 않는 것을 특징으로 하는, 주파수 변환 장치(100).
  9. 청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 비선형 크리스털의 상기 출사면(A2)은 바람직하게 상기 제1 파장(λ1) 및/또는 상기 제2 파장(λ2) 및/또는 상기 제3 파장(λ3)에 대한 반사방지 코팅 및/또는 p 코팅으로 코팅되는 것을 특징으로 하는, 주파수 변환 장치(100).
  10. 청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 비선형 크리스털의 상기 출사면(A2)은 나노 구조인 것을 특징으로 하는, 주파수 변환 장치(100).
  11. 레이저의 주파수 변환을 위한 시스템(200)으로서,
    - 청구항 1 내지 청구항 10 중 적어도 한 항에 따른 주파수 변환 장치(100);
    - 제1 파장(λ1)을 갖는 빔(B)을 생성하는 레이저 시스템(L); 및
    - 상기 빔(B)의 빔 프로파일의 크기를 조정하도록 설계된 빔 프로파일 크기 조정 유닛(T)을 포함하고;
    상기 빔 프로파일은, 상기 빔 프로파일 크기 조정 유닛(T)에 의해 상기 크기가 조정된 후, 주파수 변환 장치(100)에 공급되는, 시스템(200).
  12. 청구항 11에 있어서,
    제1 파장(λ1) 및/또는 제2 파장(λ2) 및/또는 제3 파장(λ3)의 각 빔 프로파일의 각 주축(x1, y1, x2, y2, x3, y3)의 치수를 측정하기 위한 빔 프로파일 분석 유닛(K)을 특징으로 하고, 상기 빔 프로파일 분석 유닛(K)은 특히 적어도 하나의 카메라 및/또는 M2 분석 유닛을 포함하는, 시스템 (200).
  13. 청구항 11 또는 청구항 12에 있어서,
    상기 주파수 변환 장치 전에 상기 빔(B)의 상기 빔 프로파일의 상기 크기는 직경이 적어도 250μm, 바람직하게는 적어도 500μm, 더 바람직하게는 적어도 1,000μm인 것을 특징으로 하는, 시스템(200).
  14. 청구항 11 내지 청구항 13 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 레이저 시스템(L)은 바람직하게 마이크로초 범위, 더 바람직하게는 나노초 범위, 보다 더 바람직하게 피코초 범위의 펄스 지속시간을 갖는, 펄스 레이저 시스템인 것을 특징으로 하는, 시스템(200).
  15. 청구항 11 내지 청구항 13 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 레이저 시스템(L)은 연속 빔 레이저 시스템인 것을 특징으로 하는, 시스템(200).
  16. 레이저의 고조파 속성, 특히 빔 프로파일 및/또는 장기 안정성을 최적화하기 위한 주파수 변환 방법으로서,
    - 제1 비선형 크리스털(X1)에서 제1 파장(λ1)이 부분적으로 제2 파장(λ2)으로 변환되는 제1 변환 단계;
    - 상기 제1 파장(λ1) 및/또는 상기 제2 파장(λ2)의 상기 빔 프로파일이 그것들의 각 주축(x1, y1, x2, y2)에서 상이하게 영향받는 빔 프로파일 조정 단계; 및
    - 제2 비선형 크리스털(X2)에서 상기 제1 파장(λ1)의 비변환 부분 및/또는 상기 제2 파장(λ2)으로부터 제3 파장(λ3)이 생성되는 제2 변환 단계를 포함하고,
    상기 제2 비선형 크리스털(X2)은 입사면(A1)과 출사면(A2)을 가지며, 상기 출사면(A2)은 상기 입사면(A1)에 대해 비스듬하게 뻗어 있는, 주파수 변환 방법.
  17. 청구항 16에 있어서,
    상기 빔 프로파일 조정 단계는 적어도 하나의 축 둘레로 적어도 하나의 프리즘(P)을 회전시킴으로써 수행되는, 주파수 변환 방법.
  18. 청구항 16 또는 청구항 17에 잇어서,
    상기 제3 파장(λ3)의 빔의 종횡비(aspect ratio)는 상기 빔 프로파일 조정 단계에 의해 연속적으로 조정 가능한, 주파수 변환 방법.
  19. 청구항 16 내지 청구항 18 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 및/또는 상기 제2 변환 단계에 관련된 상기 제1 파장(λ1)의 부분의 강도를 조정하는 단계를 포함하는, 주파수 변환 방법.
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