The beam combined laser system using stimulated Brillouin scattering phase conjugate mirrors (SBS-PCMs) is a promising technique for achieving the energy scaling of solid-state lasers. For a coherent beam combined output, phase control of the SBS wave is strongly required, because the SBS wave usually has a random phase due to its generation from a thermal noise. To overcome the randomness in the SBS phase, the “self-phase-control technique” was proposed and developed by H. J. Kong et al. In addition to the self-phase-control technique, an active control system was also developed and applied to the amplitude dividing two-beam combination in order to compensate the thermally induced long-term phase fluctuations in the phase measurement, originating from the two-beam interfered energies.
In this work, for the further developments for the multi-beam combination, the four-beam combined systems with both of the amplitude dividing and the wave-front dividing schemes have been constructed and tested. Prior to the four-beam combined system, some investigations to minimize the phase fluctuations in the self-phase-controlled SBS-PCM have been performed. Also, the compensation method for the thermally induced depolarization in the laser amplifier has been developed and applied to the beam combined system. Further phase stabilization in the wave-front dividing two-beam combined laser has been achieved by using the expanded beam to reduce the beam pointing fluctuation. Finally, the four-beam combined systems with both of the two kinds of the beam dividing schemes have been achieved.
At first, the pump energy dependency of the SBS wave in the self-phase-controlled SBS-PCM has been investigated. The theoretical model of the self-phase-control predicts that the phase of the SBS wave depends on the pump energy and that the phase fluctuation is minimized when the pump energies incident on the SBS-PCMs are equal to each other. To demonstrate this theoretical model, the degrees of the phase fluctuations are obtained in the two-beam combined system by changing the energy of the one pump beam while the energy of the other pump beam is fixed. In this investigation, it has been shown that the experimental results agree well with the theoretical predictions. Thus, the pump energies incident on the SBS-PCMs in the four-beam combined system are adjusted to be equal to each other.
For the next fundamental study of the self-phase-control technique, the degree of the relative phase fluctuation in the tilt angle difference between the concave mirrors of two self-phase-controlled SBS-PCMs has been investigated. The degrees of the phase fluctuations are measured in the two-beam combined system by changing the tilt angle of one concave mirror while that of the other concave mirror is fixed. The experimental result shows that the phase fluctuation is minimized when the tile angles of the concave mirrors are equal to each other. Hence, the tilt angles of the concave mirrors used in the four-beam combined system are adjusted to be equal to each other.
In the beam combined laser system, the wave-front distortions occurred at the amplifiers can be compensated with the SBS-PCMs. Nevertheless, the depolarization loss, which occurs from the thermally induced birefringence of the active medium by a photoelastic effect, becomes another problem. Therefore, the compensation method for the thermally induced depolarization in the laser amplifier is proposed by locating the Faraday rotators after the amplifiers. The effectiveness of this method has been demonstrated both theoretically and experimentally. Then, this method is applied to the four-beam combined system with the operation of the amplifiers.
Next, the phase stabilization experiment has been performed in the wave-front dividing two-beam combining system. In the previous experiments, the phase fluctuation in the wave-front dividing scheme is much larger than that in the amplitude dividing scheme. This large phase fluctuation is due to the beam pointing fluctuation of the laser source. To reduce the beam pointing effect, the four-time expanded beam is used so that the phase stabilization has been improved in the wave-front dividing scheme. The changes in the phase differences between the SBS beams are measured from the interference pattern for every laser shot. With the self-phase-control and the active control, the stabilized phase fluctuation has been obtained by about 3.8 times improvement than the previous experimental result. The standard deviation of the phase fluctuation during 1,000 laser shots (100 s) is measured to be λ/28.8.
On the basis of these works, the four-beam combined systems have been constructed. In the amplitude dividing four-beam combination, the initial laser beam is divided into four sub-beams by using the polarizing beam splitters and recombined after reflections from the SBS phase conjugate mirrors. One of the sub-beams is used as a reference beam, and the phase relations are obtained by measuring the interfered energies. And the phase differences between the sub-beams have been stabilized by the active control. The phase fluctuation between the sub-beams are measured to be less than λ/30 during 2,000 laser shots (200 s), and the output energy fluctuation is measured to be 6.16%. Yet, this experiment has no amplifiers in operation.
For the wave-front dividing four-beam combination system, the initial laser beam is expanded by four times to reduce the beam pointing fluctuation and divided spatially by using a four-beam aperture with 2 x 2 circular holes. The divided four sub-beams are amplified by Nd:YAG rod amplifiers and recombined. To measure the changes in the phase differences between the sub-beams, one of the sub-beams is used as a reference beam. This reference beam is expanded by four times and produces the interference pattern with the recombined four beams. Then, the active control system is operated for the long-term phase stabilization. The experimental measurement shows that the phase fluctuations between the sub-beams are stabilized less than λ/30 without amplifier operation and less than λ/25 with amplifier operation with the total gain of 5.25 during 2,500 laser shots (250 s).
유도 브릴루앙 산란 위상 공액 거울을 이용한 광선 결합 레이저는 고체 레이저에서 에너지를 키울 수 있는 유용한 기술이다. 결맞은 광선 결합 출력 빔을 위해서는 초기 열적 잡음으로부터 발생하여 무작위적인 위상을 갖는 SBS 파의 위상 제어가 반드시 필요하다. SBS 파의 무작위적인 위상을 극복하기 위해 H. J. Kong et al.은 "자체 위상 제어" 방식을 고안하고 발전시켰다. 자체 위상 제어와 더불어 능동 제어 시스템 또한 개발되어 진폭분리 방식 이광선 결합에서 두 빔의 간섭 에너지로부터 위상을 측정하여 열로 인해 발생하는 장시간 위상 요동을 안정화하였다.
본 연구에서는 다수 빔 결합을 위하여 진폭분리, 파면분리 방식 모두를 이용한 4-광선 결합 시스템을 구축하고 이를 시험적으로 구동하였다. 4-광선 결합 시스템에 우선하여 자체 위상 제어에서 위상 요동을 최소화하기 위한 몇 가지 연구들이 진행되었다. 또한, 레이저 증폭기에서 열 복굴절에 의한 편광 변화를 보상하기 위한 방법이 고안되어 광선 결합 레이저에 적용되었다. 파면분리 방식 2-광선 결합에서 빔 포인팅 요동을 줄임으로써 더 효과적인 위상 제어를 달성하였고, 마지막으로 두 가지 분리 방식의 4-광선 결합 레이저를 구축하였다.
먼저 자체 위상 제어된 유도 브릴루앙 산란 위상 공액 거울(SBS-PCM)에서 위상요동과 펌프 빔 에너지와의 연관성을 조사하였다. 자체 위상 제어의 이론적 모델은 SBS 파의 위상이 펌프 에너지와 관련이 있고 SBS 위상 요동은 두 SBS-PCM에 입사하는 펌프 에너지가 서로 동일할 시에 최소가 되는 것을 예측하였다. 이 이론 모델을 증명하기 위해, 이광선 결합 시스템에서 한 쪽의 펌프 에너지를 고정하고, 다른 한 쪽의 펌프에너지를 변화시키면서 위상요동을 측정하였다. 실험 결과와 이론적 예측이 일치하는 것을 확인할 수 있었고, 4-광선 결합 시 펌프 빔 에너지를 모두 동일하게 맞추어 위상 요동을 최소화 하였다.
자체 위상 제어의 또 다른 기초실험으로, 두 SBS-PCM의 오목거울 기울기 각도에 따른 위상요동 또한 측정하였다. 이광선 결합 시스템에서 한 쪽 오목거울의 기울기 각도를 고정한 후, 다른 한 쪽 오목거울의 기울기 각도를 변화시키면서 위상요동을 측정하였다. 실험에서 위상요동은 양 쪽 오목거울의 기울기 각도가 동일할 시에 최소가 됨을 확인할 수 있었으며, 추후 4-광선 결합에서 오목거울의 기울기 각도를 모두 동일하게 맞추었다.
광선 결합 레이저에서 각각의 증폭기에서 발생하는 파면 왜곡 현상은 SBS-PCM을 통하여 보상될 수 있다. 그러나 열 복굴절로 인해 발생하는 편광 변화로 인한 손실은 다른 문제점으로 남게 된다. 이 문제를 해결하기 위해 패러데이 회전자를 증폭기 뒤에 위치시켜 열복굴절로 인한 편광 변화를 보상할 수 있는 방법이 고안되었고, 고안된 방법의 효과가 이론 및 실험적으로 증명되었다. 그러므로 4-광선 결합에서 레이저 증폭 시 이 방법을 사용하였다.
다음으로, 파면분리 방식 2-광선 결합에서 위상 안정화 실험을 수행하였다. 기존의 실험에서는 파면분리 방식에서의 위상 요동이 진폭분리 방식보다 훨씬 컸다. 그 원인은 초기 레이저의 빔 포인팅 요동에 있다. 이러한 빔 포인팅 요동을 줄이기 위해 초기 빔을 4배로 확대하여 사용하였고, 그 결과 위상 요동의 안정화에 있어 개선된 결과를 획득할 수 있었다. 위상 요동은 두 SBS 빔을 수로 간섭시켜 얻은 간섭무늬로부터 매 샷 측정되었다. 자체 위상 제어로와 능동 제어로부터, 기존의 실험 결과에 비해 3.8배 향상된 위상 요동을 획득할 수 있었으며, 1,000 샷 (100 초) 동안 측정된 위상 요동은 λ/28.8 였다.
이러한 연구들을 바탕으로, 4-광선 결합 레이저가 구축되었다. 진폭분리 방식 4-광선 결합에서는 초기 레이저 빔이 편광 빔 분할기에 의해 4개의 서브-빔으로 분리되고 SBS-PCM에서의 반사를 거쳐 재결합 된다. 서브-빔들 중 하나가 기준 빔으로 이용되었으며, 간섭 에너지로부터 서로 간의 위상 관계를 측정할 수 있었다. 위상 관계 측정 후 각 서브-빔들의 위상을 능동 제어를 통해 안정화하였다. 서브-빔들의 위상 요동은 모두 2,000 샷 (200 초) 동안 λ/30 이내로 안정화되었으며, 이 때 6.16%의 에너지 요동을 획득하였다. 그러나 이 실험은 증폭기를 포함하지 않고 수행되었다.
파면분리 방식 4-광선 결합 시스템에서는 빔 포인팅 요동을 줄이기 위해 초기 빔을 4배 확대해 2x2 원형 개구로 공간적으로 분리하여 사용하였다. 4개의 분리된 서브-빔들은 Nd:YAG 막대 증폭기에 의해 증폭된 후, 재결합 된다. 서브-빔들 간의 위상 변화를 측정하기 위해, 서브-빔들 중 하나를 기준 빔으로 사용하였다. 이 기준 빔은 4배로 확대된 후에 재결합된 4개의 빔들과 서로 간섭 무늬 패턴을 형성한다. 이 간섭무늬 패턴을 측정하여 위상 요동을 구할 수 있고, 위상 요동 측정 후 능동 제어 시스템이 동작하여 장시간 위상을 안정화시킨다. 실험을 통해 각 서브-빔들의 위상 요동을 2,500 샷 (250 초) 동안 5.25의 증폭률을 갖는 증폭기 동작 전 λ/30 이내로, 증폭기 동작 후 λ/25 이내로 안정화시킬 수 있었다.
