KR20230117755A - 비선형 주파수 변환을 위한 전력 확장 가능한 광학시스템 - Google Patents

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알도 안토니니
카르슈텐 슈만
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폴 슈레 앙스띠뛰
에테하 쭈리히
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Abstract

본 발명은 전력 확장성을 갖는 레이저 또는 레이저 빔의 주파수 변환(주파수 배가, 주파수 반감 및 더 일반적으로는 파라메트릭 하향 변환)을 위한 광학 요소를 포함하는 레이저 펌프 방사선의 주파수 변환을 위한 시스템을 제안한다. 이 요소는 펌프 빔이 주파수 시프트 방사선을 생성하는 박형 플레이트 형상의 비선형 복굴절 결정을 포함한다. 위상 정합 또는 준위상 정합 조건은 다양한 빔 사이의 비선형 결정에서 충족된다. 비선형 결정의 전면 및 후면 측에는 제각기 고반사(HR) 및 부분 반사(PR) 코팅이 제공되어, 펌프 및 주파수 변환된 방사선 중 하나 모두의 강도 개선을 얻고, 변환 효율을 최대화하는 다양한 빔 사이의 상대적 위상 지연을 유지한다. 비선형 결정은 바람직하게는 HR 코팅을 통해 히트 싱크에 접촉되어, 특히 횡방향으로 비선형 결정에서의 온도 비균일성을 최소화한다. 이 방식에 고유한 종방향 열 유동은 전력 확장성으로 이어진다. 공동 내에서 사용되는 경우, 이 비선형 요소는 또한 레이저를 비선형 요소 자체의 공진에서 동작하도록 강제하는 파장 선택 부품으로서 작용하여 주파수 변환을 최대화한다. 또한, 이 파장 선택성은 공동 내 주파수 변환을 통해 고전력 레이저의 단일 주파수 동작을 위한 방안을 만든다. 이 설명 전반에 걸쳐, 비선형 프로세스에서 변환되는 초기 레이저 빔은 "펌프" 및/또는 "펌프 빔" 및/또는 "펌프 방사선"으로 표시된다.

Description

비선형 주파수 변환을 위한 전력 확장 가능한 광학 시스템
본 발명은, 최신 시스템에서 공지된 전력 출력 이상의 출력 전력의 확장을 허용하는, 레이저 광의 비선형 주파수 변환을 위한 시스템에 관한 것이다.
높은 출력 전력, 우수한 빔 품질, 및 높은 벽-플러그 효율을 조합한 레이저는 1000 nm 내지 1100 nm의 스펙트럼 범위에만 존재한다. 그러나, 많은 산업 및 과학 응용에는 가시광에서 또는 적외선 스펙트럼 전반에 걸쳐 높은 빔 품질 및 높은 플러그인 효율을 갖춘 고전력 레이저 방사선이 필요하다. 구리의 용접 및 Ti:Sapphire 레이저의 펌핑이 그 예이다. 가시광 구역에서의 이러한 부족은 현재 근적외선 레이저의 주파수 배가에 의해 완화된다. 일반적으로 사용되는 기술은 도 1에 도시된 바와 같이 공동 내(intra-cavity) 2차 고조파 생성(SHG)이고, 여기에서는 1030 nm에서의 기본 모드를 위한 주파수 배가 비선형 결정이 능동 레이저 공진기 내부에 배치되어 515 nm에서 레이저 방사선을 생성한다. 공동 내 강도 개선 및 기본 (펌프) 모드에 대한 출사 커플링 거울의 부재는 작은 손실 및 결과적으로 높은 주파수 배가 효율로 이어진다.
현재, 고전력 2차 고조파 생성은 위상 정합을 최적화하기 위해 온도 제어 오븐에 배치된 몇 cm 길이의 로드(rod) 형상의 비선형 결정(공동 내 및 공동 외부 SHG 모두)에 의존한다. 로드 축을 따라 비선형 결정을 통과하는 레이저 빔은 빔 위치로부터 온도 제어 히트 싱크로 열화되는 결정 표면(도 2 참조)으로 반경방향으로(빔 전파에 직교) 전송되는 약간의 열(잔여 흡수로 인해)을 축적한다. 결정의 열 축적 및 열 접촉의 기하형상은 로드 축을 따라 최대 온도와 함께 반경방향 온도 구배를 발생시킨다(도 2 참조). 로드 축과 로드 표면 사이의 온도차 ΔT는 다음과 같이 나타낼 수 있으며,
(1)
여기서, P[W]는 결정을 통과하는 레이저 빔의 전력, μ는 단위 길이에 대한 흡수 계수, K는 결정 재료의 열 전도율, 그리고 L은 결정 길이이다. 식 1에서, 결정 구경의 균일한 조명이 가정된다. 현실적인 경우에는 더 큰 ΔT가 예상된다. 이 식으로부터 ΔT는 레이저 전력 P[W]에 선형적으로 비례하지만, 레이저 빔 크기가 결정 직경과 정합된다고 가정하면 비선형 결정의 직경과 독립적(도 2(왼쪽)에서도 볼 수 있음)이라는 것을 알 수 있다.
길이가 L인 결정의 출력 측에서 펌프 빔에 의해 생성된 주파수 배가 빔 I SHG [W/cm2]의 강도는 (포화 효과를 무시한) 다음과 같은 형태를 취하며,
, (2)
여기서, Ip [W/cm2]는 펌프 빔의 강도, Δk = 2k pump -k SHG 는 펌프의 파동 벡터와 주파수 배가 빔 사이의 차이,
, 여기서, 는 결정의 유효 비선형 계수, ω p 는 펌프 빔의 각 주파수, n p 및 n SHG 는 제각기 펌프의 굴절률 및 주파수 배가 빔이다. 따라서, 펌프 빔으로부터 주파수 배가 빔으로의 변환 효율 η SHG 는 다음과 같다.
. (3)
이들 식에서 알 수 있는 바와 같이, SHG 프로세스는 가능한 위상 불일치()에 의해 심각하게 제한된다. 위상 정합은 파동 벡터가 굴절률에 따라 크기가 조절되기 때문에 비선형 결정의 온도에 크게 의존하고, 굴절률은 온도 T: 에 의존한다. 따라서, 결정에서의 큰 온도 구배(큰 ΔT)는 비선형 결정의 매우 제한된 부분에서만 위상 정합()이 가능하여 주파수 변환된 빔의 횡방향 프로파일의 역변환 및 왜곡이 초래됨을 의미한다.
원론적으로, 결정 길이 L을 감소시킴으로써 큰 위상 불일치를 완화할 수 있지만, 이렇게 하면 전체 변환 효율이 감소된다( 식 3 참조). 이 감소를 보상하기 위해, 레이저 강도 I p 를 증가시킬 수 있다. 그러나, 이러한 강도 증가는 결국 비선형 결정의 레이저 유도 손상으로 이어진다.
따라서, 관련 열 부하 및 위상 불일치()로 인해 결정 길이의 감소 및 비선형 결정의 광학 유도 손상으로 이어지는 레이저 강도의 증가가 필요하므로 최신 SHG의 전력 확장이 불가능하다.
현재까지 이 문제의 주요 완화 전략은 다음과 같다:
· 더 낮은 흡수, 더 높은 열 전도율, 더 큰 손상 임계값 및 더 큰 비선형 계수를 가진 비선형 결정 재료 찾기. 그러나, 이러한 모든 파라미터를 동시에 최적화하는 것은 어려운 일이다.
· 흡수를 감소시키고 손상 임계값을 증가시키기 위한 기존 비선형 결정의 재료 품질의 개선.
따라서, 현재의 접근법은 전력 확장이 결국 비선형 결정의 레이저 유도 손상으로 이어지는 강도 확장을 필요로 하게 되는 근본적인 문제를 해결하지 못한다. 예를 들어, 515 nm에서 얻은 출력 전력은 현재 비선형 결정에서의 열 생성에 의해 제한되므로, 1030 nm에서의 기존 고전력 레이저의 전체 잠재력을 완전히 활용할 수 없다.
따라서, 본 발명의 목적은 비선형 주파수 변환(예를 들어, 2차 고조파 생성, 반고조파 생성, 파라메트릭 하향 변환)을 위한 전력 확장 가능한 광학 요소를 제공하는 것이다. 예를 들어, 1 ㎛의 고전력 레이저에 적용되면, 이는 (SHG를 통한) 500 nm 파장의 고전력 레이저 빔 또는 (파라메트릭 하향 변환을 통한) 전체 적외선 스펙트럼 전반에 걸쳐 1 ㎛보다 긴 파장의 고전력 레이저로 이어진다.
이 목적은 본 발명에 따라 다음을 포함하는 펌프 방사선의 주파수 변환을 위한 시스템에 의해 달성된다:
i) 펌프 방사선을 생성하는 레이저 소스,
ii) 펌프 방사선의 주파수 변환을 위한 비선형 광학 요소로서, 상기 비선형 광학 요소는 박형 플레이트 형상의 비선형 복굴절 결정을 포함하고, 박형 플레이트의 전면 및 후면의 모든 방향에서의 크기는 박형 플레이트의 두께에 비교하여 크고, 상기 광학 비선형 요소는 펌프 방사선의 주파수에 비교하여 적어도 하나의 주파수 변환된 빔을 생성하고, 관련된 모든 빔은 상기 비선형 광학 요소에서 위상 정합 또는 준위상 정합 조건을 충족하도록 전파하는, 비선형 광학 요소;
iii) 상기 비선형 광학 요소는 레이저 펌프 방사선 및 적어도 하나의 주파수 변환된 빔의 공진 강도 개선을 제공하는 결정의 전면에서의 부분 반사 코팅 및 후면에서의 고반사 코팅을 포함하고, 고반사 코팅은 관련된 모든 파장을 반사하고 내부 반사 시 주파수 변환된 빔(들)과 펌프 방사선 사이의 상대적 위상 지연을 보존하거나 또는 의도적으로 조절하여, 다양한 빔 사이의 상대적 위상 지연이 유지되어 최적의 주파수 변환을 제공하도록 설계되고, 비선형 광학 요소는 히트 싱크에 열 접촉하고, 바람직하게는 비선형 광학 요소의 고반사 코팅의 후면이 히트 싱크에 열 접촉하고;
iv) 상기 히트 싱크는 결정의 효율적인 냉각을 가능하게 하고 비선형 결정에서 기본적으로 후면에 직교하고 대략적으로 레이저 빔의 전파 방향으로 온도 구배를 생성하는 온도에서 제어 가능하며, 특히 횡방향에서 다양한 빔 사이의 위상 정합 비균일성을 감소시키는 것을 목표로, 특히 레이저 빔의 전파 방향에 대해 횡방향으로 비선형 결정에서 온도 비균일성을 최소화한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 종속항 2 내지 28에 열거한다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세히 설명한다:
도 1은 공동 내 주파수 배가에 종래 기술에 따른 로드형 SHG 결정을 사용하는 박형 디스크 레이저를 개략적으로 도시하고; 적색과 녹색은 제각기 펌프 모드와 주파수 배가 모드이다.
도 2는 (좌측) 로드형 SHG 결정의 온도 분포가 레이저 빔에 의해 축방향으로 통과되고 종래 기술에 따라 그 표면에서 냉각되는 것을 도시한다. 적색은 가장 뜨거운 온도를 나타내고 청색은 가장 차가운 온도를 나타내며; (우측) 레이저 전력이 동일한 2개의 레이저 빔 크기에 대한 로드형 결정의 온도 분포를 도시하고;
도 3은 고전력 레이저 방사선의 비선형 주파수 변환을 위한 전력 확장성을 갖춘 이중 공진 SHG 요소를 개략적으로 도시하고;
도 4는 여기에 제안된 이중 공진 SHG 요소를 포함하는 공동 내 주파수 배가가 있는 박형 디스크 레이저를 개략적으로 도시하고;
도 5는 도 3의 이중 공진 SHG 요소와 유사한 이중 공진 OPO(광학 파라메트릭 발진기) 요소를 개략적으로 도시하고;
도 6은 편광자(이 경우에는 TFP: 박막 편광자), λ/4-플레이트 및 복굴절 Gires Tournois(기레 뚜흐놔) 간섭계(BGTI)로서 작용하는 제안된 비선형 요소로 구성된 고전력 주파수 선택 시스템을 개략적으로 도시하며; 이 시스템의 투과 곡선(T = 출력/입력)은 BGTI에서 펌프 방사선의 일반 및 특별 편광 성분의 파장 의존 상대적 위상 시프트를 통해 레이저 파장에 의존하고;
도 7은 유사한 파라미터의 Fabry-Perot-etalon(패브리-페로-에탈론)의 투과 곡선(흑색)과 비교한 도 6의 편광자 + λ/4-플레이트 + BGTI 시스템의 투과 곡선 (T = 출력/입력)(적색)을 도시하고;
도 8은 2개의 서로 다른 주파수 척도(좌측 및 우측)의 펌프 모드에 대한 주파수 의존 레이저 손실을 도시한다. 편광자 + λ/4-플레이트 + BGTI 시스템에 의해 발생된 손실은 적색으로 표시되고, SHG 프로세스로 인한 손실은 녹색으로 표시된다. 흑색 점선 곡선은 두 손실의 합을 나타낸다. 주파수는 자유 스펙트럼 범위(FSR) 단위로 표시된다;
도 9는 제안된 비선형 SHG 요소를 기초로 하는 공동 내 주파수 배가가 있는 1030 nm의 박형 디스크 레이저를 개략적으로 도시하고;
도 10은 제안된 SHG 요소가 외부 개선 공동에 배치되는 후속 SHG 스테이지가 있는 1030 nm의 단일 주파수 펌프 레이저를 개략적으로 도시하고;
도 11은 2개의 연속적인 SHG 스테이지를 사용하는 4차 고조파 생성 방식을 개략적으로 도시하고: 첫 번째는 1030 nm 능동 레이저 공진기 내부(공동 내)이고, 두 번째는 515 nm 방사선을 개선하는 외부 공동임;
도 12는 특히, ㎲ 길이의 펄스에 적합한 공동 내 SHG가 있는 1030 nm의 Q 스위칭 레이저를 개략적으로 도시하고;
도 13은 1030 nm의 단일 주파수 시드 레이저에 이어 Q 스위칭 재생 증폭기 및 SHG 요소에서 단일 반사로 발생하는 공동 외부 SHG 생성을 개략적으로 도시하고;
도 14는 SHG 요소가 회전 거울로 사용되는 공동 내 주파수 배가가 있는 1030 nm의 박형 디스크 레이저를 개략적으로 도시하고;
도 15는 공동 내 OPO로 사용되는 제안된 요소 및 신호(적색) 방사선에 대한 추가 공선 공진기가 있는 1030 nm에서 동작하는 박형 디스크 레이저를 개략적으로 도시하고;
도 16은 공동 내 OPO로 사용되는 제안된 요소 및 신호(적색) 방사선에 대한 추가 V-형상 공진기가 있는 1030 nm에서 동작하는 박형 디스크 레이저를 개략적으로 도시하고;
도 17은 515 nm에서 단일 주파수 레이저에 의해 펌핑되고 제안된 이중 공진 OPO 요소를 포함하는 수동 개선 공동을 개략적으로 도시한다. 이 요소는 또한 신호 방사선을 위해 V-형상 공동에서 회전 거울로 사용됨;
도 18은 공동 내 OPO 요소 및 특히 ㎲ 길이의 펄스에 적합한 V-형상 신호 공동이 있는 1030 nm에서 동작하는 Q 스위칭 박형 디스크 레이저를 개략적으로 도시하고;
도 19는 1030nm에서 펄스 레이저로 펌핑되는 OPO 요소를 포함하는 신호 방사선에 대한 외부 수동 공동을 개략적으로 도시하고;
도 20은 2060 nm의 주파수 반감 방사선에 대한 공동 내 반고조파 생성 및 외부 공선 공동이 있는 1030 nm의 박형 디스크 레이저를 개략적으로 도시하고;
도 21은 2060 nm의 주파수 반감 방사선에 대한 공동 내 반고조파 생성 및 외부 V-형상 공동이 있는 1030 nm의 박형 디스크 레이저를 개략적으로 도시하고;
도 22는 공동 내부에서 주파수 반감 방사선을 개선하는 거울로서 작용하는 HHG 요소가 장착된 1030 nm의 단일 주파수 레이저에 의해 전달되는 펌프 방사선을 개선하는 수동 공동을 개략적으로 도시하고;
도 23은 공동 내 HHG 및 특히 ㎲ 길이의 펄스에 적합한 주파수 반감 방사선에 대한 외부 공동이 있는 1030 nm의 Q 스위칭 레이저를 개략적으로 도시하고;
도 24는 1030 nm의 펄스 레이저로 펌핑되는 HHG 요소를 포함하는 주파수 반감 방사선에 대한 수동 공동을 개략적으로 도시한다.
본 발명은 종래 기술의 앞서 설명한 전력 확장 한계를 해결하고 고전력 레이저의 주파수 변환을 위한 광학 요소를 제안하며, 전력 확장은 일정한 펌프 강도에서 펌프 빔 크기를 확장함으로써 얻어진다.
본 발명은 예를 들어 1030 nm에서 동작하는 고전력 박형 디스크 레이저로부터 시작할 때 515 nm에서 고전력 레이저 빔의 생성을 가능하게 하는 2차 고조파 생성(SHG)의 전력 확장을 허용하는 광학 요소를 예시적으로 제안한다. 본 발명의 가능한 응용 중 하나는 구리의 용접이다. 구리는 1030 nm 파장의 광에 대해 97%의 반사율을 가지며 열 전도율이 매우 높다. 따라서, 1030 nm 파장의 빔을 사용한 구리 용접은 높은 전력 밀도가 필요하기 때문에 어려운 문제이다. 그러나, 필요한 전력 밀도 및 불안정성 문제는 구리 반사율이 단지 60%에 불과한 515 nm의 파장에서 상당히 감소된다.
제안된 요소의 변형을 사용하여 펌프 방사선의 주파수를 더 긴 파장으로 변환하여, 1 ㎛로부터 전체 적외선 스펙트럼까지 연속적인 방식으로 고전력 레이저의 커버리지를 확장할 수 있다. 이 경우, 이중 공진 비선형 요소는 주파수 더블러 대신 광학 파라메트릭 발진기(OPO)로서 작용한다. 이 OPO 요소는 근적외선에서 "눈 보호(eye-save)" 레이저 가공의 한계를 완화할 수 있다. 실제로, 제안된 요소는 레이저의 노출 한계가 1.0 ㎛보다 약 세 자릿수 더 높은 2 ㎛ 파장 구역에서 높은 빔 품질 및 높은 벽-플러그 효율로 고전력 레이저 빔을 전달하는 데 사용될 수 있다. 또한, 2 ㎛ 방사선은 섬유 전송에 적합하다.
본 발명에 따른 시스템은, 2개의 맞춤 제작 코팅, 즉 소위 펌프 방사선 및 생성된 빔 중 하나에 대한 이중 공진 강도 개선을 형성하는 고반사체(HR) 및 부분 반사체(PR)가 있는, 예를 들어 직경 D = 20 mm이고 두께 L = 0.5 mm인 디스크와 같은 박형 플레이트 형상의 비선형 복굴절 결정을 포함하며, 여기서는 코팅된 비선형 결정의 후면 측이 히트 싱크에 열적으로 접촉된다. 공동 내 주파수 배가를 위한 실시예의 예가 도 4에 도시되어 있다.
도 3은 히트 싱크(5)에 접촉된 비선형 복굴절 결정(2)을 포함하는 이중 공진 SHG 요소의 방식을 묘사한다. 펌프 및 주파수 배가 파장에 대한 고반사 코팅(HR)(3)은 결정(2)의 후면 측에 적용되었고 부분 반사 코팅(PR)(4)은 펌프 및 주파수 배가 방사선 모두에 대해 그 전면 측에 적용되었다. 이 예에서 비선형 복굴절 결정(2)은 디스크 형상을 갖고; 직경은 전형적으로 5 mm 내지 30 mm 범위(전력 수요에 의존함)일 수 있는 반면, 두께는 전형적으로 0.1 mm 내지 3 mm 범위일 수 있다. 복굴절 결정(2)은 또한 직사각형 플레이트 또는 허니콤 형상 등의 형상을 가질 수 있다.
이 예에서, 비선형 광학 요소에 대해 공진되는 충돌 펌프 방사선(9)의 하나의 편광 성분(즉, 특별한 편광 성분)이 가정되고, 공지되지 않는 충돌 펌프 방사선(7)의 다른 성분(일반 편광 성분)이 가정된다. 따라서, 일반 편광(7)을 갖는 입사 펌프 방사선은 일반 편광을 갖는 반사 빔(8)을 생성하는 SHG 요소의 전면 측에 있는 부분 반사 코팅(PR)(4)에서 단순히 반사된다. 대조적으로, 특별한 편광(9)을 갖는 입사 펌프 방사선은 비선형 결정에 커플링되고 순환 방사선(10)의 공진 강도 개선을 제공하는 HR 코팅과 PR 코팅 사이에서 전후 방향 전파를 겪는다. PR 코팅을 통해 비선형 결정으로부터 투과된 특별한 편광을 가진 순환 펌프 방사선의 일부는 11로 표시된다. 비선형 결정은 특별한 편광(10)을 가진 공진 펌프 방사선이 역시 요소 내에서 강도 개선된 주파수 배가 방사선(12)과 위상 정합되도록 설계된다. 위상 정합이 있는 이러한 이중 공진 구성은 효율적인 주파수 변환으로 이어진다.
일반 및 특별 편광의 역할은 결정 특성에 따라 이 특허 전반에 걸쳐 교환될 수 있다는 점에 유의한다.
SHG 결정(2)은 실온에서 1030 nm(펌프 빔)의 주파수 배가를 위한 비임계적 위상 정합을 제공하기 때문에, 예를 들어 리튬-니오베이트(Lithium-Niobate)(LNB)로 제조될 수 있다. 따라서, 나중에 설명되는 실시예에 대해서도 매우 적합하며, 여기서, 빔은 수직 입사에서 벗어난 각도로 요소에 충돌한다. LNB는 대부분의 다른 비선형 결정보다 저렴하고 취성이 적다. LNB의 특히 유리한 특성은 그 높은 비선형 계수이다. 불리한 특성은 비선형 결정에서 열을 발생시키는 그 높은 흡수 계수이다. 그러나, 이 문제는 여기서 제안된 이중 공진 SHG 요소(2)의 효율적인 냉각으로 처리할 수 있다. 대체 재료는 베타 바륨 보레이트(Beta Barium Borate)(BBO)일 수 있으며; 높은 비선형성, 낮은 흡수, 및 높은 손상 임계값을 제공한다. 그러나, 이 재료는 비임계적 위상 정합을 제공하지 않는다. 다른 대체 재료는 리튬 보레이트(Lithium Borate)(LBO)일 수 있으며; 높은 손상 임계값과 큰 수용 각도를 제공한다.
적합하게는, 온도 안정화 히트 싱크(5)는 다이아몬드 디스크로 실현된다. 다이아몬드는 실온 주변에서 임의의 재료 중 가장 높은 열 전도율을 가지며 우수한 강성과 낮은 열 팽창을 제공한다. 이러한 다이아몬드 지지부에 비선형 결정이 접합되고 다이아몬드 지지부가 냉각되면, 레이저 빔에 의해 생성된 열 부하로 인한 위상 왜곡이 최소화된다. 대안적으로, HR 측면이 예를 들어 SiC 히트 싱크 또는 금속 히트 싱크(이상적으로는 구리)에 접촉될 수 있다. 유체 또는 가스로 HR 코팅을 직접 냉각하는 것도 또한 가능하다.
도 4는 이 특허에서 제안된 이중 공진 SHG 요소(1)를 포함하는 공동 내 주파수 배가, 이색성 거울(14), 박형 디스크(18) 형태의 능동 매질, 1/4 파장 플레이트(15), 및 주파수 및 편광 선택 요소(제각기, 16 및 17)로 작용하는 격자가 있는 박형 디스크 레이저의 개략도를 묘사한다. 이 설계는 능동 매질(18) 및 이중 공진 SHG 요소(1)가 모두 유사한 전력 확장성을 갖고 능동 매질 이득이 SHG 요소에서의 주파수 변환 효율과 유사한 특히 유리한 실시예를 나타낸다. 1/4 파장 플레이트(15)의 배치는 레이저의 트위스트 모드 동작을 제공하여 박형 디스크(18)에서 공간적 홀 버닝(spatial hole burning)을 최소화한다. 이중 공진 SHG 요소(1), 1/4 파장 플레이트(15), 및 편광 선택 요소(17)에서 일반 및 특별 편광의 상호작용은 요소가 능동 레이저 공진기에 배치될 때 단일 주파수 동작으로 이어지는 파장 선택성을 제공한다. 이중 공진 SHG 요소(1)의 냉각 원리와 박형 디스크 레이저(18)의 냉각 원리의 유사성을 강조하기 위해, 박형 디스크의 구조도 도면에 자세히 설명되어 있다.
도 5는 이중 공진 SHG 요소와 유사한 구조를 갖고 있는 이중 공진 OPO 요소의 방식을 묘사한다. 이 도면에서, 펌프 빔의 파장은 특정 편광 성분에 대해 비선형 광학 요소(1)의 공진과 정합하는 반면, 다른 편광 성분은 공진하지 않는 것으로 가정된다. 따라서, 비공진 편광(7)을 가진 입사 펌프 방사선은 비선형 광학 요소(1)의 전면 측에 있는 부분 반사 코팅(PR)(4)에서 단순히 반사되어 빔(8)을 형성한다. 대조적으로, 공진 편광 성분(9)을 가진 펌프 빔은 비선형 변환에 적합한 큰 강도의 순환 방사선(10)을 형성하도록 공진적으로 개선된다. 순환 방사선의 일부는 빔(11)을 형성하는 비선형 광학 요소(1)를 빠져나간다. 공진 펌프 방사선(10)은 위상 정합되고 신호 및 아이들러 방사선으로 주파수 변환된다. 이 특정한 경우에, PR 코팅은 아이들러 방사선을 부분적으로 반사하여 아이들러 방사선이 이중 공진 비선형 광학 요소(1)에서 공진적으로 개선(24)되도록 한다. 또한, PR 코팅은 신호 방사선을 투과하도록 설계된다. 따라서, 충돌하는 신호 빔(22)이 결정(2)으로 투과되고 HR 코팅(27)에서 반사되고 있는 동안, 요소에서 생성된 신호 방사선은 출사 커플링(23)된다. 신호와 아이들러의 역할은 이 설명 전반에 걸쳐 교환될 수 있다는 점에 유의한다.
또한, 이 경우에 OPO-요소(2)에 대한 비선형 재료는 최대 4 ㎛의 파장까지 투과성이기 때문에 리튬-니오베이트(LNB)일 수 있다. 최대 7 ㎛의 투명도를 나타내는 리튬 인듐 셀레나이드(Lithium Indium Selenide)(LISE)가 대체 재료가 될 수 있다.
본 발명과 관련하여 다섯 가지의 관련된 혁신적 고려사항이 있다:
1. 히트 싱크에, 바람직하게는 그 후면 측에 접촉되는 모든 관련 파장에 대한 고반사 코팅(HR)이 있는 박형 플레이트 형상의 비선형 복굴절 결정. 결과적인 효율적인 냉각 및 1차원 열 유동은 기본 방사선과 주파수 변환 방사선 사이의 향상된 위상 정합, 및 주파수 변환을 위한 임의적인 전력 확장성으로 이어진다.
2. 펌프의 강도 및 비선형 결정에서 생성된 주파수 시프트 방사선 중 적어도 하나를 공진적으로 개선하는 이중 공진 공동을 실현하기 위한 전면 측의 부분 반사 코팅(PR). 강도의 이러한 공진 개선은 효율적인 주파수 변환으로 이어지고 비선형 결정의 작은 두께 L을 보상한다.
3. 광학 비선형 요소의 모든 가능한 실시예(응용)에 대해, HR 코팅은 다양한 빔이 비선형 결정에서 전후 방향으로 전파되는 동안 펌프의 효율적인 주파수 변환을 위한 올바른 위상 관계가 지속적으로 유지되도록 적절한 상대적 위상 시프트로 상이한 파장의 펌프 및 모든 주파수 변환된 빔(들)을 반사할 필요가 있다. 예를 들어, 요소가 주파수 배가 또는 주파수 반감에 사용되는 경우와 같은 여러 응용에서, PR 코팅은 또한 내부 반사 시 펌프 및 주파수 시프트 방사선 사이의 상대적 위상 관계를 보존할 필요가 있다. 복굴절 결정 온도의 미세 조정을 통해 펌프 및 주파수 변환된 빔에 의해 보이는 굴절률을 약간 변경함으로써 비선형 결정을 통한 전파에 있어서 HR 또는 PR 코팅에서의 반사 시 상대적 위상 지연의 작은 불일치가 보상될 수 있다.
대안적으로, HR 및 PR 코팅은 비선형 결정에서 완벽한 위상 정합으로부터의 편차가 코팅에서 적절한(반대) 위상 지연에 의해 보상되는 준위상 정합 구성을 실현하도록 설계될 수 있다.
4. PR-HR 코팅된 비선형 결정은 펌프 및 주파수 변환된 방사선 중 하나에 대해 이중 공진 강도 개선을 가진 주파수 변환 요소로 작용할 뿐만 아니라, 복굴절 Gires Tournois 간섭계(BGTI)로도 작용한다. λ/4-플레이트 및 편광자와 조합된 BGTI는 광학 비선형 요소의 공진에서 가장 높은 (단위) 투과율을 갖는 주파수 선택 요소를 형성한다(도 6, 도 7 및 도 8 참조). 따라서, 레이저 공진기에 사용되는 편광자 + λ/4-파장 플레이트 + BGTI 시스템은 레이저가 비선형 요소의 공진 중 하나와 자동으로 정합하는 주파수(파장)에서 동작하도록 강제한다. 따라서, 레이저는 제안된 요소 자체에 의해 최대 주파수 변환을 제공하는 파장에서 동작하도록 강제된다. 제안된 요소 및 추가 파장 선택 광학 부품이 능동 레이저 공진기에 포함되면, 단일 주파수 동작도 얻을 수 있다. 따라서, 광학 비선형 요소는 전력 확장성을 갖춘 효율적인 공동 내 주파수 변환을 유도하고, 최적의 주파수 변환이 발생하는 파장에서 레이저 동작을 강제하며, 단일 주파수 동작을 얻을 수 있는 방안을 만든다.
5. 비선형 요소에서 발생하는 편광의 파장 의존 회전은 Haensch-Couillaud(핸쉬-콜리로드)와 같은 로킹 방식을 통해 오류 신호를 획득하여 능동 레이저 공진기(펌프)의 주파수를 비선형 요소의 공진과 지속적으로 정합시키는 데 사용될 수 있다. 이러한 방식으로, 모드 도약이 없는 단일 주파수 동작을 얻는다.
디스크 형상의 비선형 결정 및 전력 확장성
제시된 광학 비선형 요소는 결정의 길이(두께)에 비교하여 전면과 후면의 모든 방향에서의 크기가 큰 박형 플레이트의 형상의 비선형 결정이다. 비선형 결정의 후면 측의 반사 코팅은 레이저 방사선에 노출되지 않기 때문에 결정 뒤로의 접근을 허용한다. 이는 도 3에 도시된 바와 같이 비선형 결정과 히트 싱크의 접촉을 허용한다. 이는 열 생성 체적에 대한 냉각 표면의 비율이 크기 때문에(작은 경로 L을 통한 열 수송) 디스크 축(레이저 펌프 빔 축이기도 함)을 따르는 효율적인 냉각을 겨냥한 1차원 열 유동을 초래한다. 효율적인 냉각은 작은 위상 불일치(Δk ∼ ΔT)를 의미하는 결정 내에서의 작은 온도 비균일성을 초래한다.
디스크-히트 싱크 기하형상(1차원 열 유동)의 가장 중요한 결과는 온도가 펌프 빔 강도 I p [W/cm2]에만 의존하고 전체 펌프 전력 P[W]에는 의존하지 않는다. 이에 반해, 최신 기술의 온도차 ΔT는 도 2의 좌측에 도시된 바와 같이 전력에 의존하지만 강도에는 의존하지 않는다. 또한 변환 효율 η가 펌프 방사선의 강도(η ∼ I p )에 의존한다는 사실과 조합하여, 일정한 강도 I p 에서 레이저 전력의 증가는 온도 비균일성 ΔT, 변환 효율 η, 광학 유도 손상 임계값의 어느 것도 변경하지 않는다. 따라서, 여기에 제안된 요소의 출력 전력은 일정한 펌프 강도 I p 에서 요소에서의 펌프 빔의 횡방향 크기를 단순히 증가시킴으로써 그 성능을 감소시키지 않고 확장될 수 있다.
이는 본 발명이 제안한 요소를 통한 주파수 변환의 전력 확장성을 기반으로 하는 기본 속성이며, 일정한 강도로 레이저 모드 크기를 확장함으로써 레이저 전력이 증가되는 박형 디스크 레이저의 전력 확장성과 유사하다. 따라서, 제안된 요소는 펌프 방사선 전력에 의해서만 전력이 제한되는 비선형 광학 주파수 변환기로서 작용한다.
이중 공진 강도 개선
식 3으로부터, 비선형 결정을 최신 기술에서와 같은 몇 cm로부터 예를 들어 제안된 기하형상에서와 같은 몇 분의 1 mm로 감소시키면 변환 효율이 약 두 자릿수 만큼 감소된다. 이 문제(파라메트릭 하향 변환 및 주파수 반감과 같은 다른 비선형 주파수 변환 프로세스에 대해서도 적용됨)는 본 발명에서 박형의 비선형 결정의 두 면을 코팅하여 후면 측이 펌프 및 주파수 변환된 빔에 대하여 고반사체(HR)로서 작용을 하고 있고, 전면 측이 펌프 및 주파수 변환된 빔 중 하나에 대하여 부분 반사체(PR)로서 작용하도록 하여 해결된다(도 3 및 도 5 참조). HR 또는 PR 코팅에서 내부 반사 시 다양한 빔 사이의 적절한 상대적 위상 지연의 경우, 코팅된 비선형 결정은 펌프 및 주파수 시프트 빔 중 하나에 대해 동시에 이중 공진 공동으로서 작용한다. 이는 주파수 변환 효율의 증가로 이어지는 두 빔의 강도의 상당한 증가를 초래한다(SHG의 경우에 대한 식 3 참조). SHG의 경우에 대하여, PR 코팅이 변환 효율에 미치는 영향은 세 가지 경우, 즉, PR 코팅이 없는 경우, 펌프 파장만 반사하는 PR 코팅이 있는 경우(단일 공진), 및 펌프 및 주파수 배가 방사선을 모두 반사하는 PR 코팅이 있는 경우(이중 공진)에 대한 변환 효율을 설명하는 다음 식으로 요약될 수 있으며:
(PR 코팅 없음) (4)
(단일 공진) (5)
(이중 공진) (6)
여기서, R p 는 펌프 방사선에 대한 반사율이고, R SHG 는 PR 코팅에서 주파수 배가 빔에 대한 반사율이다. R p = R SHG = 0.9라고 가정하면, 이중 공진 요소에 대한 변환 효율은 어떠한 PR 코팅도 없는 요소의 변환 효율에 대하여 약 60'000 배로 증가한다. 다른 비선형 프로세스에 대해서도 유사한 개선이 예상되어야 한다.
HR 및 PR 코팅에서의 위상 시프트
복굴절 비선형 결정에서 주파수 변환은 관련된 모든 빔(펌프 및 주파수 변환된 빔) 사이에 위상 정합이 있는 경우에 발생한다. 또한, SHG의 경우에 대한 식 6으로부터 알 수 있는 바와 같이, 펌프 및 주파수 변환된 빔 중 하나의 강도가 개선된 경우에만 효율적인 주파수 변환이 얻어진다. 이러한 이중 공진 조건은 펌프 빔 주파수가 요소의 공진 주파수와 정합할 때 요소에서 생성된 방사선의 주파수가 또한 요소의 공진과 정합한다는 것을 의미한다. 보다 정확하게는, 이러한 이중 공진 조건은 펌프 및 주파수 변환된 빔 중 하나가 모두 왕복으로 2π의 배수에 대응하는 위상 시프트를 겪었을 때, 즉, 두 빔에 대해 다음 조건이 유지될 때 도달되고:
, (7)
여기서 및 은 제각기 HR 및 PR 코팅에서의 내부 반사 시 위상 시프트의 합이다.
이러한 이중 공진 개선은 비선형 매질에서 완벽한 위상 정합을 갖는 것이 불가능한 경우에도 얻어질 수 있다. 이를 위해, 코팅에서의 위상 시프트는 식 7을 충족하도록 상응하게 설계되어야 한다. 이러한 방식으로, 준위상 정합 구성이 얻어질 수 있다.
코팅 설계는 빔이 비선형 요소에서 전후 방향으로 전파되는 동안 다양한 관련된 빔 사이에 최적의 상대적 위상 관계를 제공해야 한다. 또한, 코팅은 펌프 및 주파수 변환된 빔 중 하나의 동시 강도 개선을 제공해야 한다. 관련된 비선형 프로세스에 따라 코팅 설계는 약간 다른 특성을 갖고 있다:
SHG
2차 고조파 생성(인 SHG)의 경우, 다음과 같은 특성이 충족되면 이중 공진 조건에 도달한다:
첫째, k SHG = 2k p 가 되도록 비선형 결정에서 두 빔의 굴절률은 동일해야 한다(n SHG = n p ). 이는 펌프 및 주파수 배가 빔이 직교 편광을 가진 복굴절 비선형 결정에서 전파되기 때문에 가능하다. 이 조건은 비선형 프로세스에 대하여 가장 먼저 필요한 비선형 결정의 Type I 위상 정합 조건에 대응한다는 점에 유의한다. 둘째, HR 및 PR 코팅에서 내부 반사 시 두 빔(펌프 및 주파수 배가)은 상대적 위상 관계를 잃지 않아야 한다. 이는 각각의 내부 반사에서의 위상이 Δφ SHG = 2Δφ p 에 따라 변경되어야 한다는 것을 의미한다. 코팅에서 이러한 상대적 위상 시프트를 통해, 펌프 및 주파수 배가 빔의 상대적 위상은 지속적으로 정합하는 반면, 빔은 비선형 결정에서 전후 방향으로 전파되어 주파수 변환에 대한 최적의 조건을 초래한다.
또한, 요소에서 왕복하는 펌프의 위상 시프트가 2π N(공진 조건)인 경우, 주파수 배가 빔은 4π N의 위상 시프트를 겪는다. 따라서, 주파수 배가 빔은 또한 필요한 이중 공진 조건이 얻어지도록 공진 조건을 충족한다. 결정 두께의 변화는 요소의 공진 주파수의 변화로 이어지고: 여전히 이중 공진 및 위상 정합에 대한 조건이 충족된다는 점에 유의한다. 이러한 특성은 SHG 요소의 생성을 크게 단순화하는 데: 한편으로는, 결정 두께의 특별한 제어가 필요하지 않기 때문이고, 다른 한편으로는, HR 및 PR 코팅이 결정 두께에 의존하지 않기 때문이다. 두께가 상이한 일련의 기판의 코팅이 가능하다.
대조적으로, Type II 위상 정합은 훨씬 더 우수한 결정 두께의 제어를 필요로 하는 데, 이 경우에는 일반 및 특별 편광 성분이 2π　M의 왕복 위상 지연을 축적해야만 하기 때문이고, 여기서, M은 정수이다.
요약하면, SHG 요소는 비선형 변환에 필요한 위상 정합 조건을 충족하고 변환을 최적화하기 위해 펌프와 생성된 빔 사이의 올바른 위상 관계를 유지하면서 펌프 및 주파수 배가 방사선에 대한 이중 공진 강도 개선 공동으로서 작용하고 있다. 유사하게, 준위상 정합 조건의 경우, HR 및 PR 코팅은 식 7이 유지되도록 코팅에서 내부 반사 시 역위상 지연을 생성함으로써 빔이 비선형 결정에서 전파하는 동안 축적된 상대적 위상 지연을 보상하도록 설계될 수 있다.
HHG
비선형 요소는 주파수 반감 요소로 동작하도록 설계될 수 있으며, 여기서, 각각의 펌프 광자는 ω p = 2ω HHG 가 되도록 동일한 주파수를 갖는 2개의 광자로 분할된다. SHG와 유사하게, 반고조파 생성(HHG)에 대한 이중 공진 강도 개선 및 연속 위상 정합을 얻으려면, 다음 조건이 유지되어야만 한다: 첫째, k p = 2k HHG 가 되도록 펌프 및 주파수 반감 방사선에 대한 굴절률이 동일해야 한다.
둘째, HR 및 PR 코팅에서의 위상 시프트는 Δφ p = 2Δφ HHG 관계를 따라야 한다. 대안적으로, HR 및 PR 코팅은 비선형 결정에서 완벽한 위상 정합으로부터의 편차가 코팅에서 역 상대적 위상 지연에 의해 보상되는 준위상 정합 구성을 실현하도록 설계될 수 있다.
SHG의 경우와 유사하게, 결정 두께의 특별한 제어가 필요하지 않으며, HR 및 PR 코팅의 설계는 결정 두께에 의존하지 않는다.
OPO
제안된 코팅된 비선형 요소는 펌프 광자를 에너지 보존을 충족하는 아이들러 및 신호 광자로 분할하는 광학 파라메트릭 발진기(OPO)로서 작용하도록 설계될 수 있다(ω p = ω idler + ω signal ). 따라서, 이 프로세스에는 3개의 상이한 파장이 관련된다(HHG는 보다 일반적인 OPO 프로세스의 특수한 경우임).
또한, 이 경우 비선형 프로세스는 파동 벡터 k p = k idler + k signal 이 있는 3개의 빔 사이에 위상 정합을 필요로 한다.
분명히, 가장 간단한 해결책은 제안된 요소가 3개의 파장 모두에 대해 공진하게 만드는 것이다. 따라서, 그것이 실현되려면, 요소의 두께에도 선형적으로 의존하는 서로 다른 왕복 위상 지연을 제공하는 비선형 결정에서 3개의 빔의 서로 다른 위상 속도가 설명되어야 한다. 따라서, 코팅 설계에는 nm 수준에 대한 비선형 결정 두께의 지식이 필요하다.
따라서, 제안된 요소를 기초로 하는 가장 유망한 OPO 설계는 펌프 및 생성된 빔 중 하나(예를 들어, 아이들러)에 대한 공진일 것이다. 이 설계에서 신호 방사선을 위한 외부 공동은 삼중 개선을 제공하고 종방향 및 횡방향 모드 안정성을 제공하는 데 사용된다. 이 외부 공동은 그 길이를 변경하여 결정 두께와 무관한 삼중 공진 조건에 도달하도록 조정될 수 있다.
이 경우 최고의 변환 효율은 HR 코팅이 3개의 파장 모두에 대해 반사적이고 HR 코팅에서 내부 반사 시 상대적 위상 시프트가 관계 Δφ p = Δφ signal + Δφ idler 를 따를 때 얻어진다.
PR 코팅은 펌프 및 아이들러에 대해 부분적으로 반사적이되 바람직하게는 신호에 대해 반사 방지 코팅으로 작용할 필요가 있다. PR 코팅에서 내부 반사 시 펌프와 아이들러 사이의 상대적 위상 지연을 반드시 보존할 필요는 없다. 실제로, 위상 정합 조건(Δφ p = Δφ signal + Δφ idler )은 신호의 위상 Δφ signal 을 조절함으로써(즉, 외부 신호 공동의 길이를 변경함으로써) 얻어질 수도 있다.
또한, 이 경우 HR 코팅은 비선형 결정에서 완벽한 위상 정합으로부터의 편차가 코팅에서의 적절한 위상 지연에 의해 요소에서의 각각의 왕복에서 보상되는 준위상 정합 구성을 실현하도록 설계될 수 있다. 이 설명 및 OPO 요소를 갖는 모든 실시예에서는 신호 및 아이들러의 역할이 교환될 수 있다는 점에 유의한다.
따라서, 2개 이상의 파장에 대해 적절한 반사율과 위상 지연을 갖춘 전용 코팅 설계가 세 가지 경우 모두에 대해 필요하다. 표준 이색성 코팅은 일반적으로 내부 반사 시 필요한 상대적 위상 변화를 제공하지 않는다. 내부 반사 시 상대적 위상 지연의 불일치는 변환 효율의 감소를 초래한다. 최악의 경우, 불일치가 180°일 때, 주파수 변환된 빔은 펌프 빔으로 다시 변환되어 프로세스의 전체 효율을 감소시킨다. 이중 공진 비선형 요소에서는 다수의 반사가 일어나고 있기 때문에, 코팅에서의 반사 시 부적절한 상대적 위상 변화에 대해 잠재적으로 큰 민감도가 있다. 원하는 상대적 위상 지연으로 코팅을 설계하는 것이 가능하다고 해도, 생산 프로세스 도중에 이를 제어하기는 어렵다. 따라서, 반사 시 이상적인 상대적 위상 지연으로 인한 다소의 불일치에 대처할 필요가 있다. 그러나, 이는 코팅에서의 반사 시 (이상적인 조건으로부터 상대적 위상 지연의) 작은 불일치가 비선형 결정의 작은 온도 조정에 의해 비선형 결정에서 역 불일치를 생성함으로써 보상될 수 있기 때문에 실제로는 문제가 되지 않는다.
파장 선택 및 단일 주파수 동작
코팅된 디스크 형상의 비선형 결정은 파장 변환기로서 작용할 뿐만 아니라 펌프 빔의 일반 및 특별 편광에 대해 서로 다른 위상 지연을 야기하는 복굴절 Gires-Tournois 간섭계(BGTI)로서도 작용한다. 편광자(Brewster(브루스터) 플레이트, 박막 편광자 또는 격자) 및 λ/4-플레이트(도 4 및 도 6)와 함께 펌프 빔의 두 편광 사이의 이러한 상이한 위상 지연은 레이저 펌프 파장이 BGTI 공진 중 하나로 공진하는 경우 최소 손실(도 8)이 있는 파장 선택성(도 7)으로 이어진다. 따라서, 이 파장 선택성은 레이저가 BGTI에 대해 공진하는 주파수에서 동작하도록 강제한다. 공진에서 제안된 비선형 요소에서 순환하는 광의 강도가 최대이기 때문에, 최적의 주파수 변환 효율이 지속적으로 보장된다. 요컨대, 공동 내 응용의 경우, 비선형 요소는 편광자 및 λ/4-플레이트와 함께 자체에 대해(비선형 요소의 공진에 대해) 공진하는 주파수에서 레이저 동작을 강제하고 있으므로, 최대 변환 효율이 보장된다.
Gires-Tournois 간섭계(GTI)는 Fabry-Perot 간섭계(FPI)와 유사하지만 부분 반사(PR) 전면 측 및 고반사(HR) 후면 측이 있는 광학 정재파 공진기이다(도 3). GTI의 후면 측은 반사율이 높기 때문에, GTI는 어떤 광도 투과하지 않는다(모든 광이 다시 반사됨). 여전히 GTI는 다음과 같이 주어진 자유 스펙트럼 범위를 가진 FPI와 유사한 공동 내 강도 개선(공진)을 가지고 있다:
. (8)
GTI의 후면 측을 통해서는 어떠한 광도 투과되지 않기 때문에, 전형적으로, GTI의 후면 측을 히트 싱크에 접촉시키는 것이 가능하다. 이러한 방식으로, 박형 디스크 레이저와 유사한 열 관리가 얻어질 수 있다. GTI의 반사율은 모든 파장에서 균일하기 때문에, GTI는 자체적으로 파장 선택 요소로서 작용하지는 않는다. 그러나, FPI와 유사하게 GTI의 반사광은 도 6에 도시된 바와 같이 편광자 및 λ/4-플레이트와 조합될 때 파장 선택성을 얻는 데 사용될 수 있는 파장 의존 및 편광 의존 위상 시프트를 도시한다. 레이저 펌프 주파수 f의 함수로서 편광자 + λ/4-플레이트 + BGTI 시스템의 투과율(T = 출력/입력)은 다음과 같이 주어지고,
(9)
여기서 R은 펌프에 대한 PR 코팅 반사율, c는 광속, 그리고 는 펌프의 일반 및 특별 편광 성분에 대한 평균 굴절률이다.
식 9는 단순화를 위해 복굴절 GTI가 펌프 빔이 통과될 때(단일 통과 구성에서) λ/4 지연을 생성한다고 가정한다. 이 단일 통과 지연이 λ/4에서 벗어날 때 약간 더 복잡한 투과 스펙트럼 T(f)가 얻어지지만, 이는 제안된 요소의 작동 원리를 변경하지는 않는다.
식 9의 투과 곡선 플롯은 도 7에서 적색으로 도시되며 유사한 파라미터의 Fabry-Perot-etalon(흑색)의 투과 곡선과 비교된다. 용융 실리카(λ = 1030 nm의 경우 n = 1.45)로 제조된 Fabry-Perot-etalon은 두께가 147 ㎛이고 두 표면 모두에 대한 반사율이 50%라고 가정한다. GTI는 결정질 석영(λ = 1030 nm의 경우 no = 1.5346 및 ne = 1.5433)으로 제조되고, 두께가 147 ㎛이고 PR 반사율이 50%라고 가정한다.
앞서 설명한 편광자 + λ/4-플레이트 + BGTI 시스템의 파장 의존 투과로 인한 파장 의존 손실 L(L = 1-T) 외에도, 주파수 변환 프로세스에 의해 야기된 펌프 방사선에 의해 발생된 손실도 고려될 필요가 있다. 이러한 손실은 변환 효율이 최대일 때, 즉, 레이저 주파수가 BGTI 공진으로 공진할 때 최대이다. 그러나, cw 동작의 경우, 편광자 + λ/4-플레이트 + BGTI 시스템에 의해 야기된 손실이 주파수 변환 프로세스로 인한 손실을 대체하므로(SHG의 경우에 대한 도 8 참조), 레이저는 비선형 요소에 의해 BGTI의 공진에서 동작하도록 강제되어 단일의 종방향 레이저 동작 및 효율적인 주파수 변환을 유발한다.
도 8(좌측)은 편광자 + λ/4-플레이트 + BGTI 시스템(적색) 및 제안된 요소의 SHG(녹색)에 의해 발생된 주파수 의존 손실을 도시한다. 흑색 점선 곡선은 두 손실의 합을 나타낸다. 우측 패널에는 여러 FSR에 걸쳐 BGTI의 여러 공진에 걸친 더 큰 주파수 범위에 대하여 주파수 의존 손실이 표시되어 있다. BGTI는 교류 편광이 있는 공진을 나타내기 때문에, 매초 공진마다 편광이 이렇게 위상 정합을 갖는다. 정상 상태 조건에서 레이저는 손실이 최소인 파장에서 동작하기 때문에, 레이저는 결국 주파수 배가를 위한 부적절한 편광이 있는 BGTI 공진에서 동작하게 된다. 이 문제는 능동 레이저 공진기에 추가 주파수 선택 요소를 도입하여 (위상 정합에 대한) 부적절한 편광이 있는 공진에서 손실을 증가시킴으로써 회피될 수 있다. 다행스럽게도, 이러한 공진은 레이저 공진기의 종방향 모드보다 훨씬 더 멀리 떨어져 있어 선택이 간단하고 신뢰할 수 있다.
이를 위해 다양한 추가 주파수 선택 요소가 사용될 수 있다. 가장 유망한 것은 도 6의 편광자 + λ/4-플레이트 + BGTI 시스템의 편광자로서도 작용하는 (도파 모드 공진) 격자이다.
고전력 레이저는 전형적으로 선형 공진기로 실현되기 때문에 일반적으로 단일 주파수 모드에서 동작될 수 없다. 실제로, 이러한 레이저의 능동 매질에서 생성된 정재파 패턴은 단일 주파수 동작을 방해하는 공간적 홀 버닝으로 이어진다. 이 문제는 전후 방향으로 전파되는 빔이 서로 직교하는 원형 편광을 갖도록 2개의 λ/4-플레이트가 능동 매질 전후에 삽입되는 트위스트 모드 구성을 사용하여 해결될 수 있다. 이는 정재파 패턴의 형성을 방지한다(간섭 효과).
편광자 + λ/4 플레이트 + BGTI 시스템의 λ/4 플레이트는 예를 들어 도 4에 도시된 바와 같이 위치되어 제안된 요소와 λ/4-플레이트 사이에 능동 매질이 위치된 트위스트 모드 구성을 얻을 수 있다.
Haensch-Couillaud 로킹
앞서 설명한 바와 같이, 편광자 + λ/4-플레이트 + BGTI 시스템과 관련된 투과 곡선 T는 레이저가 T의 최대값과 더 잘 정합하는 레이저 주파수에서 동작하도록 강제한다. 그러나, 레이저 또는 요소 공진의 주파수 드리프트는 순간적으로 T의 최대값(최소 손실)에 가장 가까운 모드가 증폭되어 지배적으로 되기 때문에 모드 도약으로 이어질 수 있다. 이는 안정적인 단일 주파수 동작을 방해한다.
이러한 모드 도약은 펌프 파장을 제안된 요소의 공진 주파수로 또는 그 반대로 능동적으로 안정화함으로써 억제될 수 있다. 제안된 비선형 요소는 이러한 능동 안정화를 얻을 가능성을 제공한다: 실제로, 요소 공진과 실행 중인 레이저의 주파수 사이의 주파수 불일치는 제어 루프에서 모니터링 및 사용될 수 있는 펌프 편광의 변화를 생성한다. 예를 들어, 도 9에 도시된 바와 같이 균형 잡힌 광다이오드 및 편광자를 사용하여 레이저 공진기에서 누설되는 펌프 광의 편광을 측정할 수 있다. 두 다이오드에서의 광전류 차이는 레이저 주파수와 요소의 공진 사이의 주파수 오프셋에 의존한다. 이 차이는 Haensch-Couillaud 로킹 방식에서 레이저 공진기(예를 들어, 공진기 길이)에 작용하여 BGTI 공진의 주파수와 정합하도록 레이저의 주파수를 조정하거나, 또는 BGTI의 온도에 작용하여 레이저 주파수와 정합하도록 그 공진 중 하나를 조정하기 위한 오류 신호로서 사용될 수 있다. Haensch-Couillaud 로킹 방식은 주파수 변환에 필요한 올바른 편광을 가진 공진만을 자동으로 선택하도록 실현될 수 있다는 점에 유의한다.
도 9의 특정 실시예는 요소와 열 접촉하는 히트 싱크의 온도에 작용하여 요소의 공진을 레이저의 동작 파장에 고정하는 Haensch-Couillaud 방식을 사용하여 제안된 요소를 기반으로 하는 공동 내 SHG가 있는 트위스트 모드 박형 디스크 레이저를 도시한다. 격자는 요소의 공진 중 하나를 대략적으로 선택한다.
섹션: 본 발명의 대안적인 응용
수동 개선 공동에서의 SHG
CW 동작에서, 제안된 비선형 SHG 요소에서의 펌프 빔을 반사하여 얻을 수 있는 변환 효율은 작다. 그러나, 비선형 SHG 요소는 효율적인 주파수 배가를 제공하는 펌프 방사선의 강도를 개선하는 수동 (레이저 공진기 외부) 공동에서 도 10에 도시된 바와 같이 이용될 수도 있다. 이 특정 설계에서, 공진 펌프 강도를 개선하기 위해 수동 공동의 길이는 Pound-Drever-Hall(파운드-드레버-홀) 로킹 방식을 사용하여 펌프 주파수에 고정되고, 요소의 공진도 Haensch-Couillaud 로킹을 사용하여 펌프 주파수와 정합된다. 이 구성은 특히 다음에 대해 유리하다:
a) 후속 SHG 스테이지가 있는 발진기-증폭기 방식(도 10 참조) 및
b) 주파수 4배가를 제공하는 방식(도 11 참조).
공동 내 펄스 SHG
비선형 SHG 요소는 도 12에 도시된 바와 같이 높은 에너지 펄스를 생성하기 위해 Q 스위칭 레이저 공진기 내의 공동 내에서 사용할 수 있다. 이는 특히 ㎲ 기간의 펄스에 적용된다. 따라서, 이 설계는 매우 콤팩트한 레이아웃으로 단일 주파수 레이저 펄스를 제공한다.
단일 반사 펄스 SHG
짧은 펄스의 경우, 피크 펌프 강도가 너무 높아 제안된 요소를 레이저 공진기 또는 수동 개선 공동에 배치할 필요가 없다. 이 경우, 펌프 빔은 이중 공진 비선형 SHG 요소에서 간단히 반사될 수 있다(도 13). Haensch-Couillaud 로킹 방식은 그 공진 주파수가 요소에 충돌하는 펌프 빔의 주파수와 정합하도록 이중 공진 SHG 요소의 온도를 조정하는 데 사용할 수 있다. 이 방식은 특히 ns 길이의 펄스에 적합한데, 이러한 펄스가 이중 공진 SHG 요소에서 완전한 강도 개선을 제공하기에 여전히 충분히 길기 때문이다.
지속적으로 조정 가능한 공동 내 SHG
앞서 설명한 SHG 방식은 복굴절 요소의 자유 스펙트럼 범위의 두 배에 대응하는 단계로만 주파수 조정될 수 있다. 제안된 SHG 요소를 공진기 종단 거울로 사용하는 대신, 도 14에 도시된 바와 같이 (몇 도의 입사각에서) 회전 거울로 사용할 수 있다. 이 레이아웃을 사용하면 능동 레이저 매질의 이득 프로파일에 의해 주어진 한계 내에서 변환된 방사선의 주파수를 지속적으로 조정할 수 있다. 이 V-형상 구성에서는 단순히 위상 정합 조건을 변경하여 2가지의 상이한 동작 모드를 선택할 수 있다:
1. 주파수 배가 빔은 상기 k SHG 　=　2k p 와 동일한 위상 정합 조건을 사용하여 기본 모드의 방향을 따라 전파된다. 이 방식은 완전히 자유로운 파장 조정 가능성을 보여주지만 (전후 방향 전파를 위해) 동일한 전력의 2개의 주파수 배가 빔을 생성한다.
2. 주파수 배가 빔은 도 14에 도시된 바와 같이 0°의 입사각에서 생성된다. 여기서, 보다 일반적인 위상 정합 조건을 고려해야 한다: . 이 구성은 어떠한 광학 요소도 통과하지 않고 바로 추출되는 단일 출력 빔만을 생성한다.
광학 파라메트릭 발진기(OPO)로서의 본 발명의 응용
광학 파라메트릭 발진기(OPO)에서는 각각의 펌프 광자가 신호 및 아이들러라고 하는 2개의 광자로 분할되고: 에너지 보존으로부터 특정 주파수 조합만 가능하며 , 위상 정합 조건에는 가 필요하다. 이 경우 관련된 세 가지 레이저 주파수의 편광은 비선형 결정의 특성에 따라 자유롭게 선택될 수 있다는 점에 유의한다.
효율적인 주파수 변환을 위해 OPO 레이저는 관련된 3개의 파장 모두에 대해 공진할 필요가 있다. 분명히, 가장 간단한 해결책은 제안된 요소가 3개의 파장 모두에 대해 공진하게 만드는 것이다. 그러나, 이를 실현하려면 비선형 결정 두께(nm 수준까지)에 대한 정확한 지식이 필요하다. 또한, 삼중 공진을 갖는 요소가 실현되었다고 해도, 요소의 길이가 짧기 때문에 매우 제한된 횡방향 및 종방향 모드 선택성이 얻어지게 된다.
따라서, 제안된 요소를 기초로 하는 가장 유망한 OPO 설계는, 예를 들어 신호 방사선을 위한 외부 공진기 및 (펌프 및 아이들러에 대한) 이중 공진 요소를 이용한다. 이 외부 신호 공진기는 횡방향 및 종방향 모드 선택성을 제공하며 변환 효율을 최대화하는 삼중 공진 조건에 도달하도록 길이가 조정될 수 있다. 이 외부 공진기 내에 주파수 선택 요소를 배치할 수 있다. 신호 파장을 조정하여 (OPO 요소에서) 아이들러의 여러 공진을 선택할 수 있다.
아이들러 및 신호의 역할은 이 특허 전반에 걸쳐 교환될 수 있다는 점에 유의한다.
공선 신호 공진기가 있는 공동 내 OPO 요소
출사 커플러 및 선택적으로 주파수 선택 요소를 또한 포함하는 신호 방사선용 공선 공진기를 사용하여 우수한 빔 품질을 가진 간단한 공동 내 OPO를 실현한다. 이 실시예 중 하나가 도 15에 도시되어 있다. 따라서, OPO 요소는 펌프와 신호 방사선 모두에 대한 공진기 종단 거울로서 작용한다.
V-형상 신호 공진기가 있는 공동 내 OPO 요소
도 16에 도시된 바와 같이 V-형상 신호 공진기를 사용하여 OPO의 연속적인 조정 가능성을 얻을 수 있다. 이 경우, 비선형 OPO 요소는 펌프에 대한 종단 거울로서 작용하고 아이들러 및 신호에 대한 회전 거울로서 작용한다. 비선형 결정에서의 위상 정합은 비-공선 전파에 대해 충족되어() 3개의 빔이 모두 다른 방향을 갖도록 한다. 이 레이아웃의 다른 이점은 이색성 거울의 부재에 의해 손실이 최소화된다는 것이다.
수동 개선 공동에서의 OPO 요소
이중 공진 OPO 요소는 바람직하게는 단일 주파수 펌프 레이저에 의해 전달되는 펌프 방사선을 개선하는 수동(능동 레이저 공진기 외부) 공동에 배치될 수 있다(도 17 참조). 변환 효율을 향상시키기 위해, OPO 요소를 신호 강도를 개선하는 제2 외부 공동에 배치할 수 있다(예를 들어, 도 17의 V-형상 공동 참조). 대안적인 실시예에서, 펌프 및 신호 방사선의 개선은 단일 외부 공동 내에서 얻어질 수 있다.
OPO 요소의 외부(레이저에 대한) 적용을 사용하는 이 방식은 특히 발진기-증폭기 구성을 갖거나 또는 공동 내 주파수 배가를 갖는 펌프 레이저에 적용된다. 특히, 중요한 것은 예를 들어 550 내지 1000 nm의 파장 구역으로, 공동 내 주파수가 배가된 박형 디스크 레이저에 의해 생성된 515 nm에서의 펌프 빔으로 시작하여 커버될 수 있다.
공동 내 펄스 OPO
이중 공진 OPO 요소는 Q-스위칭 레이저 공진기에 사용되어 펌프에 비교하여 더 긴 파장에서 높은 에너지 레이저 펄스를 생성할 수 있다. 완전한 강도 개선을 위해서는 레이저 및 신호 공진기의 왕복 시간에 비교하여 펄스가 길어야 한다. 도 18은 공동 내 OPO 요소 및 V-형상 신호 공동과 함께 1030 nm에서 동작하는 Q-스위칭 박형 디스크 레이저를 기초로 하는 이 방식의 특정 실시예를 도시한다.
외부 신호 공동이 있고 펌프 개선 공동이 없는 펄스 OPO
이중 공진(펌프 및 아이들러) OPO 요소는 도 19에 도시된 바와 같이 신호 방사선을 위해 외부 공동에 배치할 수 있다. 이 구성은 레이저 펄스의 하향 변환에 적합하다.
1.5 λp에서 셀프-시드 레이저
본 발명에 따른 OPO 요소와 SHG 요소를 모두 포함하는 레이저는 1.5λ p 의 파장에서 방사선을 생성하는 데 사용될 수 있고, 여기서, λ p 는 펌프 파장이다.
반고조파 발생(HHG)
비선형 요소는 주파수 반감 요소로 동작하도록 설계될 수 있으며, 여기서, 각각의 펌프 광자는 ω p = 2ω HHG 및 k p = 2k HHG 가 되도록 동일한 주파수를 갖는 신호 광자 및 아이들러로 분할된다. 이 축퇴된 OPO 레이아웃에는 2가지의 이점이 있다:
· 유사하게, 이중 공진 SHG 요소의 경우 제조 프로세스의 정밀도 요건을 높이지 않고도 관련된 모든 주파수에 대해 본질적으로 공진한다(펌프 빔이 요소와 공진할 때 주파수 반감 방사선도 요소의 공진과 정합함).
· 아이들러가 신호와 일치하기 때문에, 주파수 변환된 모든 광자는 레이저의 "유용한" 출력의 일부이다.
축퇴에 가까운 큰 위상 정합 수용으로 인해, 전형적으로 외부 공진기가 횡방향 및 종방향 모드 선택성을 제공하기 위해 주파수 반감 방사선에 필요하다.
공선 신호 공진기가 있는 공동 내 HHG
공동 내 반고조파 생성을 구현하는 가장 간단한 방법은 OPO 요소가 주파수 반감 방사선에 대한 외부 공선 공진기의 종단 거울로서 작용하게 하는 것이다(도 20). 제어 루프를 사용하여 신호 공동에서 순환하는 주파수 반감 방사선의 주파수를 OPO 요소의 공진에 정합시킬 수 있다.
V-형상 신호 공진기가 있는 공동 내 HHG
반고조파 출력의 연속적인 조정을 제공하기 위해(펌프 레이저의 이득 스펙트럼에 의해 부과된 한계 내에서) 외부 신호 공동은 형태를 취하는 위상 정합 조건을 사용하여 V-형상 형태(도 21 참조)로 실현될 수 있다. 이 설계는 이색성 거울의 손실을 피하면서 공선 공진기가 있는 반고조파 생성의 모든 이점을 제공한다.
펌프 및 신호 공진기를 위한 수동 개선 공동의 HHG
이중 공진 HHG 요소는 능동 레이저 공진기 외부에서도 이용할 수 있다. 펌프 주파수에 공진하도록 공동 길이가 고정될 수 있는 펌프 방사선에 대한 수동 공동 내부에 요소를 배치하여 효율적인 파장 변환을 얻을 수 있다.
변환 효율은 HHG 요소가 또한 주파수 반감 방사선의 강도를 개선하고 축퇴 모드를 선택하는 제2 공동의 일부일 때 증가될 수 있다. 도 22에서의 V-형상 공동에 대한 특정 실시예를 참조한다. 대안적인 실시예에서, 신호 및 펌프 방사선의 개선은 단일 외부 공동 내에서 얻어질 수 있다.
주파수 반감 방사선을 순환하는 공진기가 있는 Q 스위칭 레이저의 공동 내 펄스 HHG
반고조파 생성을 위한 이중 공진 OPO 요소는 Q 스위칭 레이저 공진기에 사용되어 높은 에너지의 펄스를 생성할 수 있다(도 23 참조). 펌프 펄스는 신호 강도를 구축하기 위해 신호 공진기의 왕복 시간에 비교하여 길어야 한다.
단일 반사 펄스 HHG
짧은 펄스, 특히 ns 펄스의 경우, 단순히 요소에서 펌프 빔을 반사함으로써, 펌프 방사선을 위한 어떠한 개선 공동도 없이 이중 공진 비선형 OPO 요소를 동작하는 것이 가능하다. 외부 신호 공동(도 24 참조)을 사용하여 또는 신호의 주입 시딩을 통해 주파수 반감 빔의 횡방향 및 종방향 특성의 더 양호한 제어가 얻어질 수 있다.
이중 공진 HHG 요소의 모드 로킹 동작
유형 I 파라메트릭 주파수 변환은 축퇴 구역 주변에서 특히 큰 위상 정합 수용을 갖는다. 따라서, HHG 요소를 사용하여 반복률이 높은 강력한 모드 로킹 레이저를 실현할 수 있다. 모드 로킹은 요소의 HR 및 PR 코팅의 적절한 설계에 의해 강제될 수 있다. 특히, 요소의 HR 코팅은 신호 방사선의 분산을 보상하도록 설계될 수 있다.
1. 비선형 광학 요소, 즉, 이중 공진 SHG 요소
2. 비선형 복굴절 결정
3. 내부 반사 시 Δφ p = 2Δφ SHG 조건을 충족하는 위상 시프트를 유발하는 펌프 및 주파수 배가 빔에 대한 고반사 이색성 코팅(HR).
4. 내부 반사 시 Δφ p 　=　2Δφ SHG 조건을 충족하는 위상 시프트를 유발하는 펌프 및 주파수 배가 빔에 대한 부분 반사 이색성 코팅(PR).
5. 히트 싱크
6. 펌프 방사선의 모드
7. 비선형 광학 요소(1) 내에서 공진도 위상 정합 조건도 충족하지 않는 편광이 있는 입사 펌프 방사선
8. 비선형 광학 요소(1) 내에서 공진도 위상 정합 조건도 충족하지 않는 반사된 펌프 방사선
9. 비선형 광학 요소(1) 내에서 공진 및 위상 정합 조건을 모두 충족하는 편광이 있는 입사 펌프 방사선
10. 비선형 광학 요소(1) 내에서 위상 정합 조건을 충족하는 편광과 함께 요소에서 순환하는 공진적으로 개선된 펌프 방사선
11. 비선형 광학 요소(1) 내에서 공진 및 위상 정합 조건을 모두 충족하는 편광이 있는 반사된 펌프 방사선
12. 공진 주파수 배가 방사선
13. 추출된 주파수 배가 방사선
14. 이색성 거울(펌프 방사선의 경우 HR, 주파수 배가 방사선의 경우 AR)
15. 펌프 방사선을 위한 1/4 파장 플레이트
16. 펌프 방사선을 위한 주파수 선택 요소(예를 들어, 공진 도파로 격자)
17. 펌프 방사선을 위한 편광 선택 요소(예를 들어, 공진 도파로 격자)
18. 히트 싱크에 접촉되는 박형 디스크 레이저 능동 매질
19. 능동 레이저 매질
20. 반사 방지 코팅
21. 레이저 파장을 위한 고반사 코팅(펌프)
22. 입사 신호 방사선
23. 요소의 HR 코팅에서 반사된 신호 방사선
24. 요소에서 순환하는 공진적으로 개선된 아이들러 방사선
25. 요소로부터 추출된 아이들러 방사선
26. 이색성 코팅(펌프 방사선에 대한 PR, 신호 방사선에 대한 AR, 아이들러 방사선에 대한 PR)
27. 내부 반사 시 Δφ p = Δφ signal + Δφ idler 를 충족하는 상대적 위상 시프트를 가진 관련된 모든 파장에 대한 고반사 코팅(HR).
28. HR 거울을 통해 누설되는 펌프 방사선
29. 광다이오드
30. 균형 잡힌 편광 검출기
31. 반파장 플레이트
32. 압전 스택
33. 부분 반사 거울

Claims (28)

  1. 펌프 방사선의 주파수 변환을 위한 시스템이며,
    i) 펌프 방사선(9)을 생성하는 레이저 소스,
    ii) 펌프 방사선의 주파수 변환을 위한 비선형 광학 요소(1)로서, 상기 비선형 광학 요소(1)는 박형 플레이트 형상의 비선형 복굴절 결정(2)을 포함하고, 박형 플레이트의 전면 및 후면의 모든 방향에서의 크기는 박형 플레이트의 두께에 비교하여 크고, 상기 광학 비선형 요소(1)는 펌프 방사선의 주파수에 비교하여 적어도 하나의 주파수 변환된 빔을 생성하고, 관련된 모든 빔은 상기 비선형 광학 요소(1)에서 위상 정합 또는 준위상 정합 조건을 충족하도록 전파하는, 비선형 광학 요소(1)를 포함하고;
    iii) 상기 비선형 광학 요소(1)는 레이저 펌프 방사선 및 적어도 하나의 주파수 변환된 빔의 공진 강도 개선을 제공하는 결정(2)의 전면에서의 부분 반사 코팅(PR) 및 후면에서의 고반사 코팅(HR)을 포함하고, 고반사 코팅(HR)은 관련된 모든 파장을 반사하고 내부 반사 시 주파수 변환된 빔(들)과 펌프 방사선(9) 사이의 상대적 위상 지연을 보존하거나 또는 의도적으로 조절하여, 다양한 빔 사이의 상대적 위상 지연이 유지되어 최적의 주파수 변환을 제공하도록 설계되고, 비선형 광학 요소(1)는 히트 싱크(5)에 열 접촉하고, 바람직하게는 비선형 광학 요소(1)의 고반사 코팅(HR)의 후면이 히트 싱크(5)에 열 접촉하고;
    iv) 상기 히트 싱크(5)는 결정(2)의 효율적인 냉각을 가능하게 하고 비선형 결정(2)에서 기본적으로 후면에 직교하고 대략적으로 레이저 빔의 전파 방향으로 온도 구배를 생성하는 온도에서 제어 가능하며, 특히 횡방향에서 다양한 빔 사이의 위상 정합 비균일성을 감소시키는 것을 목표로, 특히 레이저 빔의 전파 방향에 대해 횡방향으로 비선형 결정(2)에서 온도 비균일성을 최소화하는, 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 광학 비선형 요소는 레이저 펌프 방사선(9)의 주파수 배가(2차 고조파 생성(SHG))에 사용되며, 부분 반사 코팅(PR)은 펌프 방사선과 주파수 변환을 최대화하는 주파수 배가 방사선 사이의 상대적 위상 지연을 유지하면서 펌프 방사선과 주파수 배가 방사선 모두에 대해 강도 개선이 얻어지도록 요소 내의 내부 반사 시 주파수 배가 방사선과 펌프 방사선 사이의 상대적 위상 지연을 보존하거나 또는 의도적으로 조절하도록 설계되는, 시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 광학 비선형 요소는 순환 펌프 빔을 위한 능동 레이저 공진기에서 거울로 사용되는, 시스템.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서, 광학 비선형 요소는 레이저 펌프 빔을 위한 수동 개선 공동에서 거울로 사용되는, 시스템.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 광학 비선형 요소는 특히 ns 레이저 펄스에 대한 주파수 변환을 제공하는 단일 반사 구성에서 거울로 사용되는, 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 광학 비선형 요소는 펌프 방사선의 주파수 반감(반고조파 생성(HHG))에 사용되며, 부분 반사 코팅(PR)은 펌프 방사선과 주파수 변환을 최대화하는 주파수 반감 방사선 사이의 상대적 위상 지연을 유지하면서 펌프 방사선과 주파수 반감 방사선 모두에 대해 강도 개선이 얻어지도록 광학 비선형 요소 내의 내부 반사 시 주파수 반감 방사선과 레이저 펌프 방사선 사이의 상대적 위상 지연을 보존하거나 또는 의도적으로 변경하도록 설계되는, 시스템.
  7. 제6항에 있어서, 광학 비선형 요소는 레이저 펌프 방사선에 대하여 능동 레이저 공진기에서 거울로 사용되며, 이에 의해 광학 비선형 요소(1)는 생성된 반고조파 방사선을 순환시키는 공진기에서의 거울로서 작용하여 반고조파 방사선의 종방향 및 횡방향 모드 선택을 향상시키는, 시스템.
  8. 제6항에 있어서, 광학 비선형 요소는 레이저 펌프 방사선에 대하여 수동 개선 공동에서 거울로 사용되며, 이에 의해 광학 비선형 요소(1)는 반고조파 방사선을 순환시키는 공진기 내의 거울로서 작용하여 반고조파 빔의 종방향 및 횡방향 모드 선택을 향상시키는, 시스템.
  9. 제6항에 있어서, 광학 비선형 요소는 단일 반사 구성에서 레이저 펌프 방사선에 대하여, 특히 ns 레이저 펄스에 대하여 거울로서 사용되며, 이에 의해 광학 비선형 요소는 반고조파 방사선을 순환시키는 공진기 내의 거울로서 작용하여 반고조파 방사선의 종방향 및 횡방향 모드 선택을 증가시키는, 시스템.
  10. 제6항에 있어서, 광학 비선형 요소는 적절한 반사율 및 분산을 제공하는 두 코팅(PR, HR)이 있는 레이저 펌프 방사선에 대한 능동 레이저 공진기에서 거울로 사용되어 특히 100 GHz 범위의 반복률로 모드 로킹된 주파수 반감 방사선을 생성하는, 시스템.
  11. 제6항에 있어서, 광학 비선형 요소는 적절한 반사율 및 분산을 제공하는 두 코팅(PR, HR)이 있는 레이저 펌프 방사선에 대한 수동 개선 공동에서 거울로 사용되어 특히 100 GHz 범위의 반복률로 모드 로킹된 주파수 반감 방사선을 생성하는, 시스템.
  12. 제1항에 있어서, 광학 비선형 요소는 펌프 방사선 및 아이들러 빔에 대한 이중 공진 강도 개선을 제공하는 두 코팅(HR, PR)이 있는 레이저 펌프 방사선을 신호 빔 및 아이들러 빔으로 변환하는 광학 파라메트릭 발진기로서 작용하는, 시스템.
  13. 제12항에 있어서, 광학 비선형 요소는 펌프 방사선에 대하여 능동 레이저 공진기에서 거울로 사용되며, 이에 의해 광학 비선형 요소는 또한 신호 방사선을 순환시키는 공진기에서 거울로 작용하여 변환 효율을 증가시키고 신호 빔, 및 그에 따라 간접적으로 아이들러 빔의 종방향 및 횡방향 모드 선택을 향상시키는, 시스템.
  14. 제12항에 있어서, 광학 비선형 요소는 펌프 방사선에 대하여 수동 개선 공동에서 거울로 사용되며, 이에 의해 광학 비선형 요소는 또한 신호 빔을 순환시키는 공진기에서 거울로 작용하여 변환 효율을 증가시키고 신호 빔, 및 그에 따라 간접적으로 아이들러 빔의 종방향 및 횡방향 모드 선택을 향상시키는, 시스템.
  15. 제12항에 있어서, 광학 비선형 요소는 단일 반사 구성에서 레이저 펌프 빔에 대하여, 특히 ns 레이저 펄스에 대하여 거울로 사용되며, 이에 의해 광학 비선형 요소는 또한 신호 빔을 순환시키는 공진기 내의 거울로 작용하여 변환 효율을 증가시키고 신호 빔, 및 그에 따라 간접적으로 아이들러 빔의 종방향 및 횡방향 모드 선택을 향상시키는, 시스템.
  16. 제1항에 있어서, 광학 비선형 요소는 펌프 빔과 신호 빔 모두에 대하여 강도 개선을 제공하는 HR 및 PR 코팅이 있는 레이저 펌프 방사선을 신호 빔 및 아이들러 빔으로 변환하는 광학 파라메트릭 발진기로서 작용하는, 시스템.
  17. 제16항에 있어서, 광학 비선형 요소는 펌프 방사선에 대하여 능동 레이저 공진기에서 거울로 사용되며, 이에 의해 광학 비선형 요소는 또한 아이들러 방사선을 순환시키는 공진기에서 거울로서 작용하여 변환 효율을 증가시키고 아이들러 빔, 및 그에 따라 간접적으로 신호 빔의 종방향 및 횡방향 모드 선택을 향상시키는, 시스템.
  18. 제16항에 있어서, 광학 비선형 요소는 펌프 방사선에 대하여 수동 개선 공동에서 거울로 사용되며, 이에 의해 광학 비선형 요소는 또한 아이들러 방사선을 순환시키는 공진기에서 거울로서 작용하여 변환 효율을 증가시키고 아이들러 빔, 및 그에 따라 간접적으로 신호 빔의 종방향 및 횡방향 모드 선택을 향상시키는, 시스템.
  19. 제16항에 있어서, 광학 비선형 요소는 단일 반사 구성에서 레이저 펌프 방사선에 대하여, 특히 ns 레이저 펄스에 대하여 거울로 사용되며, 이에 의해 비선형 광학 요소(1)는 또한 아이들러 방사선을 순환시키는 공진기 내에서 거울로서 작용하여 변환 효율을 증가시키고 아이들러 빔, 및 그에 따라 간접적으로 신호 빔의 종방향 및 횡방향 모드 선택을 향상시키는, 시스템.
  20. 제3항, 제7항, 제13항 또는 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 능동 레이저 공진기에는, 비선형 요소와 함께 레이저 펌프 방사선을 광학 비선형 요소(1)의 공진 주파수와 정합하는 주파수에서 동작하도록 강제하는 펌프 방사선에 파장 선택성을 제공하는 편광 선택 부품 및 λ/4-플레이트가 또한 장착되는, 시스템.
  21. 제3항, 제7항, 제13항, 제17항 또는 제20항 중 어느 한 항에 있어서, 레이저 공진기는 Q 스위치 모드에서 동작되는, 시스템.
  22. 제1항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서, 펌프 편광의 측정은 Haensch-Couillaud 로킹 방식을 통해 능동 레이저의 공진기 길이, 또는 외부 펌프 방사선의 파장을 조절하기 위해 느린 드리프트에 의해, 특히 오류 신호를 사용하는 것에 의해 야기된 모드 도약을 억제하는 비선형 광학 요소(1)의 공진에 대하여 능동 레이저 공진기에서 실행되는 펌프 모드의 주파수를 안정화하는 오류 신호를 생성하는 데 사용되는, 시스템.
  23. 제1항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서, 펌프 편광의 측정은 Haensch-Couillaud 로킹 방식을 통해 비선형 복굴절 결정(2)의 온도를 조정하기 위해 느린 드리프트 및 위상 정합 최적화에 의해, 특히 오류 신호를 사용하는 것에 의해 야기된 모드 도약을 억제하는 레이저의 주파수에 대하여 비선형 요소의 공진 주파수를 안정화하는 오류 신호를 생성하는 데 사용되는, 시스템.
  24. 제6항, 제7항, 제8항, 제9항, 제20항, 제21항, 제22항, 또는 제23항 중 어느 한 항에 있어서, 주파수 반감 방사선을 순환시키는 공진기는 λ/4-플레이트 및 편광 선택 부품을 포함하고, 주파수 반감 방사선의 편광은 Haensch-Couillaud 로킹 방식을 통해 반고조파 공진기의 길이를 안정화하여 신호 파장과 동일한 아이들러 파장을 갖는 축퇴 OPO 동작을 설정하는 오류 신호를 생성하는 데 사용되는, 시스템.
  25. 제3항, 제7항, 제13항, 제17항, 제20항, 제21항, 또는 제24항 중 어느 한 항에 있어서, 추가적인 주파수 선택 요소, 특히 격자가 능동 레이저 공진기에 도입되어 레이저 동작을 단일 종방향 모드로 강제하여, 최대 공동 내 주파수 변환 효율로 단일 주파수의 주파수 변환된 빔의 생성을 초래하는, 시스템.
  26. 제13항, 제14항, 제15항, 제20항, 제21항, 제22항, 제23항, 또는 제25항 중 어느 한 항에 있어서, 추가적인 주파수 선택 요소, 특히 격자를 신호 방사선을 순환시키는 공진기에 배치하여 단일 주파수 동작을 얻는, 시스템.
  27. 제17항, 제18항, 제19항, 제20항, 제21항, 제22항, 제23항, 또는 제25항 중 어느 한 항에 있어서, 추가적인 주파수 선택 요소를 아이들러 방사선을 순환시키는 공진기에 배치하여 단일 주파수 동작을 얻는, 시스템.
  28. 제7항, 제8항, 제9항, 제20항, 제21항, 제24항, 제22항, 제23항, 제24항, 또는 제25항 중 어느 한 항에 있어서, 추가적인 주파수 선택 요소를 주파수 반감 방사선을 순환시키는 공진기에 배치하여 단일 주파수 동작을 얻는, 시스템.
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