레이저 장치 document_id A220623031107

로드(rod)와 같은 펌핑(pumping)된 이득 매체를 포함하는 레이저 증폭기들의 사용은 레이저로부터 방출된 광출력(optical power)을 증가시키기 위한 것으로 공지되어 있다. 증폭기들은 레이저 발진기 공동의 출력 장치에 위치될 수 있거나 또는 발진기 공동 내부에 위치될 수 있으며 추가적인 광출력을 제공할 수 있다. 펄스파 또는 지속파 레이저에 의하면, 증폭으로부터 이용가능한 증가된 전력 출력이, 박막 절제, 표면 세척, 또는 높은 평균 전력이 필요한 임의의 응용예와 같은 많은 레이저 응용예들에 사용될 수 있다. 그러나 효과적인 증폭을 제공하기 위해 레이저로부터 증폭기로의 효과적인 광연결이 필요하다. 공지된 레이저 이득 매체 및 증폭기들에서는 다양한 문제점들이 있는데, 예를 들어 로드 배럴(rod barrel)을 따라 냉각조를 향해 방사상으로 확산하는 로드 내에 축적된 열로 인한 열 효과들이 실제적인 렌징(lensing) 요소를 일으킬 수 있다. 이것은 가변 굴절율을 제공하여 "열 렌즈"를 제공하게 된다. 열 렌즈는, 굴절율이 반지름에 따라 변화하게 하는, 로드 중심으로부터 냉각된 가장자리로의 열 변화 때문에 생긴다. 유력한 열 렌즈는 수 센티미터 내지 수십 센티미터의 초점 거리를 가진다. 로드의 열 렌즈는 주로 로드 직경, 전체 흡수 펌핑 전력 및 로드의 펌핑된 길이에 의존한다. 열 렌즈 효과들을 보상하기 위해 레이저 발진기 내의 굴곡 거울들과 같은 다양한 해결책들이 제안되지만, 이러한 해결책들은 제한된 공동 안정성, 감소된 전력과 추출 효율성, 및 증가된 전력 임계값을 포함하는 다양한 결점들을 가진다. 그러므로 이러한 해결책들은 매우 높은 출력 전력들에 대해서는 적절하지가 않다. US6193711에 기술된 하나의 해결책이, 플래시램프(flashlamp) 전류를 제어함으로써 레이저로부터의 저반복률 펄스들을 제어하는 플래시램프 펌핑 이득 스위치 Er:YAG 레이저(flashlamp pumped, gain switched, Er:YAG laser)에 관한 것이다. 오목 로드 말단들이 완전한 열 렌징 보상을 제공하기 위해 사용되고 짧은 공동이 2개의 평면 거울들에 의해 형성된다. US6193711에 따르면, 다른 폭들의 전류 펄스들이 다른 에너지들 및/또는 지속시간들의 펄스들을 출력하기 위해 사용된다. 게다가 플래시램프 제어가 열 로딩(thermal loading) 상수를 유지함으로써 일정한 열 렌징을 유지하기 위해 행해진다. 이러한 배열은 지정된 전력 준위에 대한 열 렌징만을 취소한다. 따라서 이러한 배열에서는 긴 공동들에 대해 고전력을 가진 안정된 출력을 얻는 것이 어려운 문제점이 있다. 그러나 편평한 공동 거울들과 제로(zero) 전체 로드 렌즈 강도가 안정된 가장자리에서 파비-페롯(Farby-Perot) 공동을 형성할 것이기 때문에, 완전한 열 보상은 넓은 동작 범위의 출력 전력들에 대해 부적절하다. 게다가, 플래시램프가 오래되면 출력 안정성이 감소될 수 있다. 또 다른 실시형태에서, 레이저 이득 매질 또는 레이저 발진기와 증폭기 매질 사이의 연결 조건들은 광선 오버랩(beam overlap)과 레이저 이득 매체에서의 에너지 추출을 감소시킬 수 있는 열 렌징 효과들을 고려해야 한다. 다양한 해결책들이 효율적인 광연결을 위해 제안되었다. US 2004/0028108에 기술된 일 실시예는, 릴레이-이미징(relay-imaging) 광학을 이용하여 레이저 광을 증폭기로 연결하는 방법에 관한 것이다. 도 1은 영상을 발진기 이득 매체로부터 타깃(target) 증폭기 매체로 전하는 데에 필요한 선행 기술 배열의 구성을 도시한다. 이 실시예에서 렌즈들(12, 14)을 포함하는 유닛 확대 광학 기계(10)는 발진기(16) 내의 공간의 각 점을 증폭기(18) 내의 대응하는 점으로 영사하는 데에 이용된다. 광학 기계(10)는, 레이저 발진기와 비교할 때 이득 매체의 크기들의 차이들의 원인이 되어 확대 또는 축소를 행한다. US 5237584에 기술된 또 다른 방법은 하나의 증폭기 모듈을 옆으로 영사하기 위해 굴곡 공동 거울들을 이용한다. 그러나, 몇 가지 문제점들이 현재의 중계 영사 기술들에 존재한다. 추가적인 광학 장치들을 이용하면 구성요소들의 개수가 증가하고, 광학 구성요소들을 손상시킬 수 있는 중간 초점들을 형성할 수 있다. 게다가, 추가적인 광학 장치들은 최대 연결 효율성을 달성하기 위해 정밀한 정렬을 필요로 한다. 또 다른 실시형태에서, 레이저들의 펄스 동작을 얻기 위해 Q-스위칭과 같은 기술들을 사용하는 것이 공지되어 있다. 하나의 공지된 방법이 "음향 광학 Q-스위치들, 501쪽, 고체 상태 레이저 엔지니어링, W. 코에너(Koechner), 제 5 판 스프링어-벌라그(Springer-Verlag) 1999"에 기술되어 있다. 본 명세서에 기술된 방법에 따르면, 단일 음향 광학 변조기의 사용은 이득 매체 및 2개의 공동 거울들을 포함하는 공동 내의 Q-스위치로서 제공된다. Q-스위치는, 손실이 높을 때 레이저 로드 내에 저장된 에너지가 고준위들로 되는 것을 허용하고 손실이 낮을 때 짧은 펄스의 광을 방출할 수 있는 손실 변조기로서 사용된다. 그러나, 이러한 배열에서는 높은 변조기 전력에서 Q-스위치가 편광에 의존할 수 있기 때문에 광의 모든 편광들에 대해 효과적이지 않을 수 있다. 또 다른 실시형태에서, 주파수 증폭은 기본 레이저 주파수로부터 요망된 출력 주파수들을 제공하는 레이저들에서 공지되어 있다. 예를 들어, US5943351에서 제 3, 제 4, 제 5 및 제 6 조화파들이 생성된다. 디자인은 공동 광선 축을 따라 배치된 이득 매체, Q-스위치, 공동 거울들 및 조화파 생성 결정을 가진 선형 구성을 이용한다. 특히 주 공동은 거울들에 의해 경계를 이루고 제 2 조화파 생성기는 공동 거울과 또 다른 내부 거울 사이의 공동 내에 제공된다. 공동의 출력은 기본 및 제 2 고조파 방사를 결합하는 공동의 외부의 또 다른 조화파 발생기에 의해 수신된다. 비선형 결정들은 기본 레이저 방사를 단파장들로 변환하는 데에 이용된다. 조화파 생성을 위한 특정 결정의 효율성이 비선형 계수에 의해 특정지어질 수 있고, 더 높은 계수를 가질 수록 더 좋은 효율성을 가진다. 결정이 효율적으로 변환하기 위해, 입력 레이저 광선의 전파 벡터는 결정 축을 따라 정렬된다. 최적 각도로부터 벗어나면 변환 효율성이 감소된다. 최대 조화파 변환 효율성은 낮은 M2 광선을 높은 비선형 계수를 가진 비선형 결정으로 정렬함으로써 달성된다. 낮은 M2 광선들은 잘 정의된 전파 벡터를 가지므로, 전체 광선이 결정 축을 따라 좋게 정렬된다. 높은 전력을 가진 낮은 M2 광선을 생성하는 것은 매우 어렵지만 반드시 높은 전력의 녹색 광선을 생성하는 가장 효율적인 방식이라고 볼 수는 없다.