KR20170096191A - 펨토초 자외선 레이저 - Google Patents

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클라우스 포글러
요르크 클렌케
요한네스 로에르너
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노바르티스 아게
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Abstract

펨토초(fs) 자외선(UV) 레이저 펄스를 생성하기 위한 방법 및 시스템은, 특수 위상-정합 배향 없이 그리고 역-변환 없이 긴 변환 길이를 가능하게 하는 상이한 개수의 주기적으로 분극반전된 결정 층을 갖는 주기적으로 분극반전된 준위상-정합 결정(PPQPMC)을 이용하여 제3 고조파 fs 레이저 펄스의 안정적이고 강인하며 광학적으로 효율적인 생성을 가능하게 한다. fs UV 레이저는 높은 변환 효율을 가질 수 있고, 높은 파워 작동에 적합할 수 있다.

Description

펨토초 자외선 레이저
본 개시는 레이저 빔 생성에 관한 것이고, 보다 특별하게는 펨토초(femtosecond) 자외선 레이저에 관한 것이다.
최근에, 다른 용도 중에서, 안과 수술에서의 다양한 응용을 위해 펨토초 레이저가 개발되고 있다. 펨토초 범위 내에서의 매우 짧은 펄스 지속시간 때문에, 펨토초 레이저는 눈 조직과 같은 타깃 물질에서 고에너지 강도를 발생시킬 수 있어, 비선형 광파괴(photodisruption) 프로세스를 초래하여 조직 분열(tissue cleavage)을 야기하고, 유해한 열적 영향을 회피한다.
상업용 펨토초 레이저에 대한 전형적인 파장은 1000 내지 1100 나노미터(㎚)의 파장을 갖는 스펙트럼의 근적외선 범위 내에 있다.
일 양태에 있어서, 펨토초 자외선 레이저를 생성하기 위한 개시된 방법은, 비선형 광학 결정에, 전자기 스펙트럼의 근적외선 부분의 기본 파장을 갖고 1000 펨토초 미만의 펄스 지속시간을 갖는 제1 레이저 펄스를 지향시키는 단계를 포함할 수 있다. 상기 방법은, 비선형 광학 결정의 제1 부분에서, 제1 레이저 펄스로부터의 적어도 일부의 광자를 상기 기본 파장의 제2 고조파 파장으로 변환하여 비선형 광학 결정 내에서 제2 레이저 펄스를 생성하는 단계를 포함할 수 있다. 또한, 상기 방법은, 비선형 광학 결정의 제2 부분에서, 제1 레이저 펄스 및 제2 레이저 펄스로부터의 적어도 일부의 광자를 상기 기본 파장의 제3 고조파 파장으로 변환하여 비선형 광학 결정 내에서 제3 레이저 펄스를 생성하는 단계를 포함할 수 있다. 더욱이, 상기 방법은 제3 레이저 펄스를 비선형 광학 결정으로부터 출력하는 단계를 포함할 수 있고, 제3 레이저 펄스는 상기 펄스 지속시간을 갖는다.
임의의 개시된 실시형태에 있어서, 상기 방법은 제1 레이저 펄스 및 제2 레이저 펄스를 비선형 광학 결정으로부터 출력하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 방법의 임의의 개시된 실시형태에 있어서, 비선형 광학 결정은 주기적으로 분극반전된 준위상-정합 결정을 포함할 수 있다. 상기 방법의 임의의 개시된 실시형태에 있어서, 비선형 광학 결정의 제1 부분 및 비선형 광학 결정의 제2 부분은 단일의 일체형 물질로서 형성될 수 있다. 상기 방법의 임의의 개시된 실시형태에 있어서, 비선형 광학 결정의 제1 부분은 주기적으로 분극반전된 산화마그네슘-도핑된 화학양론적 탄탈산 리튬 결정을 포함할 수 있다. 상기 방법의 임의의 개시된 실시형태에 있어서, 비선형 광학 결정의 제2 부분은 주기적으로 분극반전된 란타늄 바륨 게르마늄 산화물 결정을 포함할 수 있다.
임의의 개시된 실시형태에 있어서, 제1 레이저 펄스를 지향시키는 방법 작동은 제1 레이저 펄스를 비선형 광학 결정에 포커싱시키는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 임의의 개시된 실시형태에 있어서, 상기 방법은, 비선형 광학 결정의 출력부에서, 제1 레이저 펄스 및 제2 레이저 펄스로부터 제3 레이저 펄스를 스펙트럼적으로 필터링하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 방법의 임의의 개시된 실시형태에 있어서, 비선형 광학 결정은 상기 기본 파장에 따라 튜닝되는 주기적으로 분극반전된 층을 포함할 수 있다. 상기 방법의 임의의 개시된 실시형태에 있어서, 제1 레이저 펄스의 제1 단면 강도 패턴은 제3 레이저 펄스의 제2 단면 강도 패턴과 정합할 수 있다.
다른 양태에 있어서, 개시된 펨토초 자외선 레이저 소스는 펨토초 근적외선 펄스형 레이저를 포함하고, 1000 펨토초 미만의 펄스 지속시간을 갖고 기본 파장을 갖는 레이저 소스를 포함할 수 있다. 펨토초 자외선 레이저 소스는 레이저 소스로부터 입사하는 광자의 배향에 대하여 연속적으로 배향되는 제1 부분 및 제2 부분을 갖는 비선형 광학 결정을 포함할 수 있다. 펨토초 자외선 레이저 소스에서, 비선형 광학 결정의 제1 부분은 레이저 소스로부터 제1 광자를 수용할 수 있고, 제1 광자의 적어도 일부를 상기 기본 파장의 제2 고조파 파장을 갖는 제2 광자로 변환하여 제2 레이저 펄스를 생성할 수 있다. 펨토초 자외선 레이저 소스에서, 비선형 광학 결정의 제2 부분은 제1 광자 및 제2 광자의 적어도 일부를 수용할 수 있고, 제1 광자 및 제2 광자의 적어도 일부를 상기 기본 파장의 제3 고조파 파장을 갖는 제3 광자로 변환하여 상기 펄스 지속시간을 갖는 제3 레이저 펄스를 생성할 수 있다.
펨토초 자외선 레이저 소스의 임의의 개시된 실시형태에 있어서, 제2 부분은 제1 레이저 펄스, 제2 레이저 펄스 및 제3 레이저 펄스를 비선형 광학 결정으로부터 출력할 수 있다. 펨토초 자외선 레이저 소스에서, 비선형 광학 결정은 주기적으로 분극반전된 준위상-정합 결정을 포함할 수 있다. 펨토초 자외선 레이저 소스에서, 비선형 광학 결정의 제1 부분 및 비선형 광학 결정의 제2 부분은 단일의 일체형 물질로서 형성될 수 있다. 펨토초 자외선 레이저 소스에서, 비선형 광학 결정의 제1 부분은 주기적으로 분극반전된 산화마그네슘-도핑된 화학양론적 탄탈산 리튬 결정을 포함할 수 있다. 펨토초 자외선 레이저 소스에서, 비선형 광학 결정의 제2 부분은 주기적으로 분극반전된 란타늄 바륨 게르마늄 산화물 결정을 포함할 수 있다.
펨토초 자외선 레이저 소스의 임의의 개시된 실시형태에 있어서, 펨토초 자외선 레이저 소스는 제1 레이저 펄스를 비선형 광학 결정에 포커싱시키기 위한 포커싱 요소를 포함할 수 있다. 임의의 개시된 실시형태에 있어서, 펨토초 자외선 레이저 소스는, 비선형 광학 결정의 출력부에서, 제1 레이저 펄스 및 제2 레이저 펄스로부터 제3 레이저 펄스를 스펙트럼적으로 분리하기 위한 광학 필터를 포함할 수 있다. 펨토초 자외선 레이저 소스의 임의의 개시된 실시형태에 있어서, 비선형 광학 결정은 상기 기본 파장에 따라 튜닝되는 주기적으로 분극반전된 층을 포함할 수 있다. 펨토초 자외선 레이저 소스의 임의의 개시된 실시형태에 있어서, 제1 레이저 펄스의 제1 단면 강도 패턴은 제3 레이저 펄스의 제2 단면 강도 패턴과 정합할 수 있다.
본 발명과, 그 특징 및 이점의 보다 완전한 이해를 위해, 이제 첨부 도면과 함께 취해진 하기의 설명을 참조한다.
도 1은 펨토초 자외선 레이저의 일 실시형태의 선택된 요소의 블록도이고;
도 2는 펨토초 자외선 레이저 펄스를 생성하기 위한 방법의 선택된 요소의 흐름도이다.
하기의 설명에 있어서, 개시된 요지의 논의를 용이하게 하기 위해 상세내용이 예로서 기술된다. 그러나 당업자에게는, 개시된 실시형태는 예시적인 것이고 모든 가능한 실시형태를 총망라한 것이 아니라는 것이 이해되어야 한다.
본원에 사용된 바와 같이, 참조 부호의 하이픈으로 연결된 형태는 요소의 구체적인 예를 지칭하고, 참조 부호의 하이픈이 붙지 않은 형태는 집합적 요소를 지칭한다. 따라서, 예를 들면, 장치 '12-1'은 장치 '12'로서 집합적으로 지칭될 수 있는 장치 부류의 예를 지칭하고, 이들 중 임의의 하나가 장치 '12'로서 총칭적으로 지칭될 수 있다.
언급된 바와 같이, 펨토초 근적외선 레이저가 안과 수술과 같은 다양한 응용을 위해 상업적으로 개발되고 있다. 그러나 다른 응용에서, 보다 높은 주파수(또는 보다 짧은 파장)를 갖는 펨토초 레이저 소스가 바람직할 수 있다. 예를 들면, 펨토초 자외선 레이저는, 조직을 정밀하게 절개하고, 펄스 에너지를 감소시키고, 레이저 절개의 파괴 용적을 감소시키며, 보다 깊은 조직 내로의 바람직하지 않은 방사선 침투를 회피하기 위해 안과학적으로 바람직할 수 있다. 또한, 펨토초 자외선 레이저는 플라스틱, 세라믹 및 금속의 정밀하거나 선택적인 물질 제거가 요구되는 물질 가공 응용에 특유한 이점을 제공할 수 있다.
보다 더 상세하게 설명되는 바와 같이, 제3 고조파 fs 레이저 펄스의 안정적이고 강인하며 광학적으로 효율적인 생성은 주기적으로 분극반전된 준위상-정합 결정(periodically-poled quasi-phase-matched crystal; PPQPMC)을 이용하여 개시되어 있으며, PPQPMC는, 달성 및 유지하기 어려울 수 있는 PPQPMC의 특수 위상-정합 배향 없이 그리고 역-변환(back-conversion) 없이 긴 변환 길이를 가능하게 하는 상이한 개수의 주기적이거나 "분극반전된(poled)" 결정 층을 갖는다.
본원에 개시된 PPQPMC와는 대조적으로, 자외선 레이저 펄스의 생성은, 여기서는 기본 주파수 ω1로 지칭되는 1000 ㎚ 파장 또는 그 부근에서 작동하는 근적외선(near infrared; NIR) 입력 레이저에 의해 2-단계 광학 프로세스를 이용하여 전형적으로 수행되어 왔다. 제2 고조파 생성(second harmonic generation; SHG)으로 지칭되는 제1 단계에서, SHG를 위한 제1 위상-정합 각도에 따라 절단 및 배향되는 제1 결정을 이용하여 ω2(여기서, ω2 = 2ω2)를 생성하기 위해 NIR 소스 레이저의 주파수 배가가 성취될 수 있다. 제3 고조파 생성(third harmonic generation; THG)으로 지칭되는 제2 단계에서, NIR 소스 레이저의 나머지 부분 및 생성된 SHG를 이용하여, ω3(여기서, ω3 = 3ω1 = ω1 + ω2)을 생성하기 위해, NIR 및 SHG의 주파수 합이 획득될 수 있다. 따라서, 제2 단계는 또한 합 주파수 생성(sum frequency generation; SFG)으로 지칭될 수도 있다. 제2 단계는 제1 위상-정합 각도와 상이한 THG를 위한 제2 위상-정합 각도에 따라 절단 및 배향되는 제2 결정을 이용하는 것을 포함할 수 있다. SHG 및 THG를 위한 레이저 주파수의 생성 또는 변환은 벌크(bulk) 결정 형태로 사용되는 붕산바륨(barium borate; BBO) 및 삼붕산리튬(lithium triborate; LBO)과 같은 별개의 비선형 광학 벌크 물질을 이용하여 전형적으로 수행된다. ω1과 ω2 사이의 펄스 지연 및 자연적인 빔 워크오프(walk-off)는 별개의 이중 결정 방법을 이용하여 ω3을 생성함에 있어서 보다 높은 변환 효율을 달성하는 데 상당한 어려움을 야기할 수 있다. THG를 위한 많은 전형적인 기구는 흔히 재시준(recollimation), 재포커싱 및 지연선(delay line)과 같은 복잡성을 부가하는 광학 구성을 이용한다.
2-단계 프로세스 때문에, 2개의 상이한 벌크 결정이 전형적으로 SHG 및 THG를 위해 사용될 수 있는데, 이는 성공적인 구현을 위해 특정의 비용 및 노력을 야기할 수 있다. 예를 들면, 효율적인 THG는 위상-정합 방향으로 지칭되는 결정의 결정축의 특정 배향으로 입사 레이저 빔을 배향시키는 것을 포함할 수 있다. 위상-정합 방향에서만, 생성되는 주파수(ω1, ω2)의 군속도(group velocity)가 THG 주파수(ω3)와 동일하여, 원하는 임펄스 및 에너지 보존을 야기한다. 2개의 결정이 서로 독립적으로 절단 및 배향되기 때문에, 위상-정합 방향으로의 정렬에 대한 조정 민감도가 상당히 높을 수 있고, 이는 비교적 높은 정렬 노력 및 단기간의 작동 안정성을 야기할 수 있다. 이러한 정렬 민감도는 기본 주파수 소스의 포인팅 방향(pointing direction)에 대한 높은 민감도로 이어진다. 2-단계 프로세스가 펄스형 레이저 빔과 함께 사용되는 경우, 적어도 부분적으로 레이저 펄스의 큰 대역폭, 및 결정을 통해 전파하는 극히 짧은 펄스의 시간적 및 공간적 중첩으로 인해, 펄스 지속시간이 fs 범위까지 짧아짐에 따라 추가적인 제약조건이 적용될 수 있다. 많은 광학 배열에 있어서, THG를 위한 결정은 충분한 변환 대역폭을 갖지 않고, 추가적인 광학 경로 지연선이 상이한 주파수의 펄스에 대한 광학 경로들 사이에 사용되고, 이는 fs 펄스에 대해 수반되는 광학 경로의 매우 높은 정확도 및 정밀도로 인해, 훨씬 더 큰 조정 노력 및 감소된 안정성을 야기한다. 더욱이, 전형적인 2개의 벌크 결정 시스템에서 짧은 레이저 펄스에 의한 THG의 비용 및 노력에 부가하여, THG에 사용되는 벌크 결정은, 주파수-종속 위상 시프트를 회피하기 위해 처프 보정 미러(chirp compensated mirror)의 사용을 초래할 수도 있는 군속도 지연(group velocity delay; GVD)으로 인한 펄스 확산(pulse spreading)을 최소화하기 위해 가능한 한 얇아야 한다. 또한, 광축을 따른 매우 얇은 결정의 사용은 결정 내에서의 변환 효율을 감소시켜서, 높은 펄스 에너지가 달성되기 훨씬더 어렵게 할 수 있다.
이제, 도면을 참조하면, 도 1은 펨토초 자외선 레이저(100)의 일 실시형태의 선택된 요소를 도시하는 블록도이다. 펨토초 자외선 레이저(100)는 일정한 축척으로 도시되어 있지 않고 개략적으로 묘사되어 있다. 다양한 실시형태에 있어서, 펨토초 자외선 레이저(100)는 설명 목적을 위해 도시된 도 1의 예시적인 실시형태에 도시된 것보다 적거나 많은 구성요소로 구현될 수 있다. 펨토초 자외선 레이저(100)가 전자기 스펙트럼에서의 특정 파장에 대해 본원에 설명되어 있지만, 펨토초 자외선 레이저(100)가 상이한 실시형태에서 상이한 파장으로 작동하도록 튜닝 가능할 수 있다는 것에 주목하자. NIR 빔(130), 가시 빔(132) 및 UV 빔(134)이 설명의 명확화를 위해 도 1에서 인접한 방식으로 도시되어 있지만, 3개의 빔 모두가 중첩되고 공초점으로 이동한다는 것이 이해될 것이다.
도시된 바와 같이, 펨토초 자외선 레이저(100)는 1053 ㎚, 1064 ㎚ 등과 같은 특정 NIR 파장에서 작동하는 임의의 다양한 NIR fs 레이저 소스일 수 있는 NIR fs 레이저 소스(102)를 포함한다. 또한, NIR fs 레이저 소스(102)는, 예를 들어 안과학에서와 같은 특정 응용을 위해 소망에 따라, 상이한 파워 강도, 펄스 지속시간, 반복률(repetition rate) 등에 대해 조정 가능할 수 있다. NIR fs 레이저 소스(102)는, 이전에 설명된 바와 같이, 주파수 ω1에 대응하는 기본 주파수로 NIR 빔(130)을 출력한다. NIR 빔(130)이 대체로 펄스형 빔이기 때문에, NIR 빔(130), 또는 NIR 빔(130)을 포함하는 적어도 일부의 광자(photon)는 제1 레이저 펄스로 지칭될 수 있다. 펨토초 자외선 레이저(100)에서, NIR 빔(130)은 비선형 광학 결정(104)으로 지향된다. 도시된 바와 같이, 비선형 광학 결정(104) 상에 충돌하기 전에, 포커싱 요소(106)가 NIR 빔(130)을 포커싱시키는 데 사용되어, 비선형 결정(104)의 제2 부분(104-2)에서의 UV 빔(134)의 생성을 향상시키는 데 사용될 수 있다. 특정 실시형태에 있어서, 포커싱 요소(106)는 펨토초 자외선 레이저(100)의 특정 응용을 위해 소망에 따라 생략, 대체 또는 중복 사용될 수도 있다. 포커싱 요소(106)는 펨토초 자외선 레이저(100)의 기계적으로 조정 가능한 유일한 구성요소를 대표할 수 있고, 그에 따라 펨토초 자외선 레이저(100)의 다른 나머지 부분은 가동 부품을 갖지 않는 고체 상태 장치(solid state device)로서 구현될 수 있다는 것에 주목하자.
도 1에서, 비선형 광학 결정(104)은 NIR fs 레이저 소스(102)로부터 도달하는 NIR 빔(130)에 대하여 연속적으로 배열되는 제1 부분(104-1) 및 제2 부분(104-2)을 포함한다. 비선형 광학 결정(104)의 제1 부분(104-1)에서, NIR 빔(130)으로부터의 적어도 일부의 광자는, 이전에 설명된 바와 같이, 비선형 제2 고조파 생성(SHG) 프로세스를 통해 주파수 ω2에 대응하는 제2 고조파 파장으로 변환되어, 가시 빔(132)을 야기한다. 제1 부분(104-1)이 주기적인 분극반전 층(periodic poling layer)의 결과로 사실상 긴 상호작용 길이를 가질 수 있기 때문에, 가시 빔(132)은 제1 부분(104-1) 내의 일부 위치에서 시작할 수 있고, 변환되지 않은 NIR 빔(130)의 나머지 광자와 함께 제1 부분(104-1)에 의해 방출된다. NIR 빔(130)이 대체로 펄스형 빔이기 때문에, 가시 빔(132), 또는 가시 빔(132)을 포함하는 적어도 일부의 광자는 제2 레이저 펄스로 지칭될 수 있다.
펨토초 자외선 레이저(100)에서, 비선형 광학 결정(104)은 주기적으로 분극반전된 준위상-정합 결정(PPQPMC)을 포함할 수 있고, 이에 대한 주기적인 분극반전된 층이 설명 목적을 위해 도 1에서 단면으로 개략적으로 도시되어 있고, 일정한 축척으로 도시되어 있지 않다. 주기적인 분극반전은 특정 파장 튜닝에 대응하는 지정된 주기성을 갖는 물질 층으로 형성될 수 있다. 물질 층은 지정된 주기성에 따른 결정 c-평면의 포토리소그래픽 패터닝에 의해 형성될 수 있다. 주기성은 약 100 내지 1000 미크론의 제1 부분(104-1) 또는 제2 부분(104-1)의 전체 두께 범위에 대해 약 1 내지 10 미크론의 범위 내에 있을 수 있다. 비선형 광학 결정(104)의 전체 단면은 약 1 내지 100 제곱미터의 영역에 형성될 수 있다. 일부 실시형태에서, 제1 부분(104-1) 및 제2 부분(104-1)은 비선형 광학 결정(104)을 포함하는 단일의 일체형 물질로서 형성된다. 주어진 실시형태에 있어서, 제1 부분(104-1)은 주기적으로 분극반전된 산화마그네슘-도핑된 화학양론적 탄탈산 리튬(magnesium oxide-doped stoichiometric lithium tantalate; MgSLT) 결정으로 구성되는 한편, 제2 부분(104-2)은 주기적으로 분극반전된 란타늄 바륨 게르마늄 산화물(lanthanum barium germanium oxide; LBGO) 결정으로 구성된다.
비선형 광학 결정(104)의 광학 특성 때문에, 제1 레이저 펄스의 제1 단면 강도 패턴은 제2 레이저 펄스의 제2 단면 강도 패턴과 정합할 수 있다. 다시 말해서, 제1 부분(104-1)은, SHG에 의해 가시 빔(132)을 생성할 때, 적어도 형상에서, 그렇지 않다면, 전체 크기에서 NIR 빔(130)의 단면 강도 패턴을 유지할 수 있다. 또한, 제1 레이저 펄스의 제1 시간적 간섭성(temporal coherence)은 제2 레이저 펄스의 제2 시간적 간섭성과 실질적으로 정합할 수 있다. 다시 말해서, NIR 빔(130) 및 가시 빔(132)은 대략 동일한 펄스 지속시간을 나타낼 수 있고, 그에 따라 NIR 빔(130)이 펨토초 펄스로서 존재하는 경우, 가시 빔(132)은 펨토초 펄스로서 존재한다. 또한, 비선형 광학 결정(104)은 NIR 빔(130)의 SHG를 위한 정확한 입사각에 비교적 둔감하기 때문에, SHG를 위한 변환 효율은 NIR 빔(130)의 입사각, 및 대응적으로 NIR fs 레이저 소스(102)로부터 유래하는 입사 빔 내의 광자의 입사 방향의 작은 변경에 의해 실질적으로 영향을 받지 않을 수 있다. 이러한 이유 때문에, 펨토초 자외선 레이저(100)는 예를 들어 온도 또는 진동에 대해 비교적 강인하고 안정적일 수 있고, 초기 공장 조정이 펨토초 자외선 레이저(100)의 원하는 작동 사용 수명에 적합하도록 표준 광학 프로세스를 이용하여 제조될 수 있다. 비선형 광학 결정(104)에 사용되는 PPQPMC가 공간적 워크오프를 생성하지 않고, 사용되는 비교적 짧은 길이로 인해 비교적 작은 시간적 워크오프를 나타내기 때문에, 펨토초 자외선 레이저(100)의 다른 중요한 이점이 생길 수 있다.
비선형 광학 결정(104)의 제2 부분(104-2)에서, SHG 후에 남아 있는 NIR 빔(130)으로부터의 적어도 일부의 광자 및 가시 빔(132)으로부터의 적어도 일부의 광자는, 이전에 설명된 바와 같이, 비선형 제3 고조파 생성(THG) 프로세스를 통해 주파수 ω3에 대응하는 제3 고조파 파장으로 변환되어, UV 빔(134)을 야기한다. UV 빔(134)은 제2 부분(104-2) 내의 일부 위치에서 시작할 수 있고, SHG 또는 THG에 의해 각각 변환되지 않은 NIR 빔(130) 및 가시 빔(132)의 나머지 광자와 함께 제2 부분(104-2)에 의해 방출된다. NIR 빔(130)이 대체로 펄스형 빔이기 때문에, UV 빔(134), 또는 UV 빔(134)을 포함하는 광자는 제3 레이저 펄스로 지칭될 수 있다.
비선형 광학 결정(104)의 광학 특성 때문에, 제2 레이저 펄스의 제2 단면 강도 패턴은 제3 레이저 펄스의 제3 단면 강도 패턴과 정합할 수 있다. 다시 말해서, 제2 부분(104-2)은, THG에 의해 UV 빔(134)을 생성할 때, 적어도 형상에서, 그렇지 않다면, 전체 크기에서 NIR 빔(130)의 단면 강도 패턴을 유지할 수 있다. 또한, 제2 레이저 펄스(SHG)의 제2 시간적 간섭성은 제3 레이저 펄스(THG)의 제3 시간적 간섭성과 실질적으로 정합할 수 있다. 다양한 실시형태에서, 제1 레이저 펄스(NIR)의 제1 시간적 간섭성은 제2 레이저 펄스(SHG)의 제2 시간적 간섭성과 실질적으로 정합할 수 있다. 다시 말해서, NIR 빔(130) 및 UV 빔(134)은 동일한 펄스 지속시간을 나타낼 수 있고, 그에 따라 NIR 빔(130)이 펨토초 펄스로서 존재하는 경우, UV 빔(134)은 펨토초 펄스로서 존재한다. 제1 부분(104-1) 및 제2 부분(104-1)이 매우 근접하여 대체로 함께 고정되기 때문에, 제2 부분(104-2)은 제1 부분(104-1)과 동일한 입사각으로 NIR 빔(130) 및 가시 빔(132)을 대체로 수용한다.
또한, 펨토초 자외선 레이저(100)는 NIR 빔(130) 및 가시 빔(132)으로부터 UV 빔(134)을 분리하는 광학 빔 스플리터(108)를 갖는 것으로 도시되어 있다. 광학 빔 스플리터(108)는, NIR 빔(130) 및 가시 빔(132)이 파워 모니터링과 같은 원하는 목적을 위해 사용되는 경우, 다이크로익 미러(dichroic mirror)와 같은 고조파 분리기(harmonic separator)일 수 있다. 다른 실시형태에 있어서, 광학 빔 스플리터(108)는 UV 빔(134)을 차별적으로 통과시키도록 튜닝되는 대역통과 필터(bandpass filter)일 수 있다.
따라서, 제2 부분(104-2)으로부터, 제1 레이저 펄스, 제2 레이저 펄스 및 제3 레이저 펄스가 상당한 시간적 및 공간적 간섭성으로 방출된다. 전술한 바와 같이, 비선형 광학 결정(104) 내에서의 SHG 및 THG 프로세스 때문에, 비선형 광학 결정(104)으로부터 방출된 빔은 가변하는 파워 강도를 갖는다. 구체적으로, NIR 빔(130)은 제1 부분(104-2)에서의 NIR 빔(130)의 입사 강도에 비하여 낮은 제2 부분(104-2)으로부터 나오는 파워 강도를 갖는다. 전형적으로, UV 빔(134)은 가시 빔(132)보다 낮은 제2 부분(104-2)으로부터 나오는 파워 강도를 갖는다. 그러나 비선형 광학 결정(104)이 보다 높은 파워 강도에서 보다 높은 변환 효율을 가질 수 있기 때문에, UV 빔(134)은 펨토초 자외선 레이저(100)에 의해 비교적 높은 절대 파워 강도 레벨로 생성될 수 있는데, 이는 또한 비선형 광학 결정(104)이 NIR 빔(130)의 매우 높은 파워 강도를 수용하기에 적합하기 때문이다. 예를 들면, 일정 실시형태에 있어서, UV 빔(134)의 파워 강도는 펨토초 자외선 레이저(100)를 이용하는 NIR 빔(130)의 파워 강도의 약 10% 내지 30%(THG 변환율)일 수 있다. 특정 실시형태에 있어서, 펨토초 자외선 레이저(100)는 1 테라와트당 제곱센티미터 이상의 파워 강도에 적합할 수 있고, UV 빔(134)을 생성하기 위해 적어도 100 시간 동안 안정된 방식으로 작동할 수 있다. 따라서, 펨토초 자외선 레이저(100)는 fs UV 레이저 생성의 이전에 알려진 방법의 다양한 제한 및 제약조건을 극복할 수 있다.
펨토초 자외선 레이저(100)의 다양한 실시형태 또는 구성형태에 있어서, 빔의 상이한 실행, 레이아웃 및 전환이 사용될 수 있다는 것에 주목하자. 예를 들면, 펨토초 자외선 레이저(100)에 사용되는 광학 경로의 특정 부분은 광섬유를 포함할 수 있다. 일부 실시형태에 있어서, 펨토초 자외선 레이저(100)에 사용되는 광학 경로의 특정 부분은 광 도파로를 포함할 수 있다. 펨토초 자외선 레이저(100)에 사용되는 광학 경로의 특정 부분은 진공, 자유 공간, 가스 환경 또는 대기와 같은 매체 내의 광학 경로를 나타낼 수 있다. 주어진 실시형태에 있어서, NIR 빔(130), 가시 빔(132) 및 UV 빔(134) 중 적어도 하나와 함께 편광 요소가 사용될 수 있다. 다른 구성형태에 있어서, 포커싱 요소(106)는 생략되거나 대체될 수 있다. 특정 실시형태에 있어서, 펨토초 자외선 레이저(100)와 함께 포함되는 광학 구성요소의 적어도 일부분은 소형화되고, 비교적 작은 질량 및 외부 크기를 갖는 콤팩트 유닛 내로 결합될 수 있다.
도 1에서, 펨토초 자외선 레이저(100)는 일정한 축척으로 도시되어 있지 않고 개략적으로 묘사되어 있다. 본 개시의 범위로부터 벗어남이 없이 펨토초 자외선 레이저(100)에 대한 변형, 부가 또는 생략이 이루어질 수 있다. 펨토초 자외선 레이저(100)의 구성요소 또는 요소는, 본원에 설명된 바와 같이, 특정 응용에 따라 통합되거나 분리될 수 있다. 펨토초 자외선 레이저(100)는 일부 실시형태에서 보다 많거나, 보다 적거나, 또는 상이한 구성요소를 사용하여 구현될 수도 있다.
이제 도 2를 참조하면, 본원에 설명되는 바와 같이, fs UV 레이저 소스를 생성하기 위한 방법(200)의 일 실시형태의 선택된 요소의 블록도가 흐름도 형태로 도시되어 있다. 방법(200)은 펨토초 자외선 레이저(100)(도 1 참조)에 의해 실행될 수 있다. 방법(200)에서 설명되는 특정 작동은 상이한 실시형태에서 선택적일 수 있거나, 재배열될 수 있다는 것에 주목하자.
방법(20)은 단계(202)에서 fs NIR 레이저 펄스를 비선형 광학 결정에 지향시킴으로써 시작한다. 단계(202)는 fs NIR 레이저 펄스를 포커싱하는 것을 포함할 수 있다. fs NIR 레이저 펄스의 NIR 광자의 파장(또는 주파수)은 소망에 따라 튜닝 또는 선택될 수 있다. 단계(204)에서, NIR 광자의 적어도 일부는 비선형 광학 결정의 제1 부분에서 SHG에 의해 가시 광자로 변환된다. 상기에 지정된 바와 같이, 단계(204)에서의 가시 광자는 주파수 ω2를 가질 수 있는 반면, NIR 광자는 주파수 ω1을 갖는다. 단계(206)에서, NIR 광자 및 가시 광자의 적어도 일부는 비선형 광학 결정의 제2 부분에서 THG에 의해 UV 광자로 변환될 수 있다. 상기에 지정된 바와 같이, 단계(206)에서의 UV 광자는 주파수 ω3을 가질 수 있다. 단계(208)에서, UV 광자는 비선형 광학 결정의 출력 펄스로부터 스펙트럼적으로 분리될 수 있고, 출력 펄스는 NIR 광자의 적어도 일부, 가시 광자의 적어도 일부, 및 UV 광자를 포함한다. 단계(210)에서, fs UV 레이저 펄스가 출력될 수 있다. UV 광자는 fs NIR 레이저 펄스와 시간적 및 공간적으로 간섭하는 fs UV 레이저 펄스로 출력될 수 있다.
본원에 개시된 바와 같이, 펨토초(fs) 자외선(UV) 레이저 펄스를 생성하기 위한 방법 및 시스템은, 특수 위상-정합 배향 업이 그리고 역-변환 없이 긴 변환 길이를 가능하게 하는 상이한 개수의 주기적으로 분극반전된 결정 층을 갖는 주기적으로 분극반전된 준위상-정합 결정(PPQPMC)을 이용하여 제3 고조파 fs 레이저 펄스의 안정적이고 강인하며 광학적으로 효율적인 생성을 가능하게 한다. fs UV 레이저는 높은 변환 효율을 가질 수 있고, 높은 파워 작동에 적합할 수 있다.
상기에 개시된 요지는 예시적인 것이고 제한적이지 않은 것으로 고려되어야 하며, 첨부된 청구범위는 본 개시의 진정한 사상 및 범위 내에 속하는 모든 그러한 변형예, 개선예 및 다른 실시형태를 커버하고자 한다. 따라서, 법에 의해 허용되는 최대 한도 내에서, 본 개시의 범위는 하기의 청구범위 및 그 등가물의 가장 넓게 허용 가능한 해석에 의해 결정되어야 하고, 상기의 상세한 설명에 의해 제한되거나 한정되지 않을 것이다.

Claims (20)

  1. 펨토초 자외선 레이저를 생성하기 위한 방법에 있어서,
    비선형 광학 결정에, 전자기 스펙트럼의 근적외선 부분의 기본 파장을 갖고 1000 펨토초 미만의 펄스 지속시간을 갖는 제1 레이저 펄스를 지향시키는 단계;
    상기 비선형 광학 결정의 제1 부분에서, 상기 제1 레이저 펄스로부터의 적어도 일부의 광자를 상기 기본 파장의 제2 고조파 파장으로 변환하여 상기 비선형 광학 결정 내에서 제2 레이저 펄스를 생성하는 단계;
    상기 비선형 광학 결정의 제2 부분에서, 상기 제1 레이저 펄스 및 상기 제2 레이저 펄스로부터의 적어도 일부의 광자를 상기 기본 파장의 제3 고조파 파장으로 변환하여 상기 비선형 광학 결정 내에서 제3 레이저 펄스를 생성하는 단계; 및
    상기 펄스 지속시간을 갖는 상기 제3 레이저 펄스를 상기 비선형 광학 결정으로부터 출력하는 단계를 포함하는, 펨토초 자외선 레이저를 생성하기 위한 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 레이저 펄스 및 상기 제2 레이저 펄스를 상기 비선형 광학 결정으로부터 출력하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 비선형 광학 결정은 주기적으로 분극반전된 준위상-정합 결정을 포함하는, 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 비선형 광학 결정의 제1 부분 및 상기 비선형 광학 결정의 제2 부분은 단일의 일체형 물질로서 형성되는, 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 비선형 광학 결정의 제1 부분은 주기적으로 분극반전된 산화마그네슘-도핑된 화학양론적 탄탈산 리튬 결정을 포함하는, 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 비선형 광학 결정의 제2 부분은 주기적으로 분극반전된 란타늄 바륨 게르마늄 산화물 결정을 포함하는, 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 레이저 펄스를 지향시키는 단계는 상기 제1 레이저 펄스를 상기 비선형 광학 결정에 포커싱시키는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 비선형 광학 결정의 출력부에서, 상기 제1 레이저 펄스 및 상기 제2 레이저 펄스로부터 상기 제3 레이저 펄스를 스펙트럼적으로 필터링하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 비선형 광학 결정은 상기 기본 파장에 따라 튜닝되는 주기적으로 분극반전된 층을 포함하는, 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제1 레이저 펄스의 제1 단면 강도 패턴은 상기 제3 레이저 펄스의 제2 단면 강도 패턴과 정합하는, 방법.
  11. 펨토초 자외선 레이저 소스에 있어서,
    펨토초 근적외선 펄스형 레이저를 포함하고, 1000 펨토초 미만의 펄스 지속시간을 갖고 기본 파장을 갖는 레이저 소스; 및
    상기 레이저 소스로부터 입사하는 제1 광자의 배향에 대하여 연속적으로 배향되는 제1 부분 및 제2 부분을 갖는 비선형 광학 결정을 포함하며,
    상기 비선형 광학 결정의 제1 부분은 상기 레이저 소스로부터 상기 제1 광자를 수용하고, 상기 제1 광자의 적어도 일부를 상기 기본 파장의 제2 고조파 파장을 갖는 제2 광자로 변환하여 제2 레이저 펄스를 생성하고;
    상기 비선형 광학 결정의 제2 부분은 상기 제1 광자 및 상기 제2 광자의 적어도 일부를 수용하고, 상기 제1 광자 및 상기 제2 광자의 적어도 일부를 상기 기본 파장의 제3 고조파 파장을 갖는 제3 광자로 변환하여 상기 펄스 지속시간을 갖는 제3 레이저 펄스를 생성하는, 펨토초 자외선 레이저 소스.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제2 부분은 상기 제1 레이저 펄스, 상기 제2 레이저 펄스 및 상기 제3 레이저 펄스를 상기 비선형 광학 결정으로부터 출력하는, 펨토초 자외선 레이저 소스.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 비선형 광학 결정은 주기적으로 분극반전된 준위상-정합 결정을 포함하는, 펨토초 자외선 레이저 소스.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 비선형 광학 결정의 제1 부분 및 상기 비선형 광학 결정의 제2 부분은 단일의 일체형 물질로서 형성되는, 펨토초 자외선 레이저 소스.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 비선형 광학 결정의 제1 부분은 주기적으로 분극반전된 산화마그네슘-도핑된 화학양론적 탄탈산 리튬 결정을 포함하는, 펨토초 자외선 레이저 소스.
  16. 제11항에 있어서,
    상기 비선형 광학 결정의 제2 부분은 주기적으로 분극반전된 란타늄 바륨 게르마늄 산화물 결정을 포함하는, 펨토초 자외선 레이저 소스.
  17. 제11항에 있어서,
    상기 제1 레이저 펄스를 상기 비선형 광학 결정에 포커싱시키기 위한 포커싱 요소를 추가로 포함하는, 펨토초 자외선 레이저 소스.
  18. 제11항에 있어서,
    상기 비선형 광학 결정의 출력부에서, 상기 제1 레이저 펄스 및 상기 제2 레이저 펄스로부터 상기 제3 레이저 펄스를 스펙트럼적으로 분리하기 위한 광학 필터를 추가로 포함하는, 펨토초 자외선 레이저 소스.
  19. 제11항에 있어서,
    상기 비선형 광학 결정은 상기 기본 파장에 따라 튜닝되는 주기적으로 분극반전된 층을 포함하는, 펨토초 자외선 레이저 소스.
  20. 제11항에 있어서,
    상기 제1 레이저 펄스의 제1 단면 강도 패턴은 상기 제3 레이저 펄스의 제2 단면 강도 패턴과 정합하는, 펨토초 자외선 레이저 소스.
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