KR101268568B1

KR101268568B1 - Fiber based laser systems with 0.1 ~ 30 MHz repetition rate and specimen manufacturing by use of these laser sources

Info

Publication number: KR101268568B1
Application number: KR1020110012349A
Authority: KR
Inventors: 김승우; 김영진; 김윤석; 유준호; 김승만; 박상욱; 한승회
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2011-02-11
Filing date: 2011-02-11
Publication date: 2013-05-28
Also published as: KR20120092350A

Abstract

본 발명은, 두 가지 방법을 통해 0.1 ~ 30 MHz의 반복률을 가지는 레이저를 생성한다. 첫 번째 방법은 레이저 펌핑 광을 출사하는 펌핑 광원, 상기 광원에서 출사되는 펌핑 광의 파장을 공진기로 입사시키는 파장분할기, 상기 파장분할기를 통해 입사하는 광을 이용하여 공진기 내부 공진 광을 증폭시키는 이터븀 첨가 광섬유, 공진기 내부의 편광을 조절하여 NPE(nonlinear polarization evolution)을 통한 편광 기반 모드잠금을 유발하는데 필요한 제 1파장판, 광차폐기, 제 2파장판, 혹은 광량 기반 모드잠금 현상을 유발하기 위해 필요한 포화광 흡수체를 이용하여 30 ~ 200 MHz의 반복률을 갖는 레이저 공진기를 구성하고, 상기 공진기에서 출력되는 레이저를 펄스추출기를 이용하여 0.1 ~ 30 MHz의 반복률을 가지는 레이저를 생성하는 것을 특징으로 한다. 두 번째 방법은 첫 번째 방법과는 달리 공진기 외부에 펄스추출기를 사용하지 않고, 공진기 자체적으로 0.1 ~ 30 MHz에 해당하는 펄스를 생성하는 것으로, 이를 위해 단일 모드 광섬유를 추가로 공진기 내에 연결하며, 이로 인해 발생한 과도한 분산을 보상하기 위한 분산 보상부를 삽입하고, 편광 기반 모드잠금과 광량 기반 모드잠금 방법을 동시에 적용하여 안정적인 모드잠금이 유지되도록 하는 것을 특징으로 한다. 또한, 0.1 ~ 30 MHz의 반복률을 갖는 레이저를 증폭단을 통해 증폭하여 가공에 적용함으로써, 높은 수율을 보이는 가공시스템을 구성할 수 있다.The present invention generates a laser having a repetition rate of 0.1 to 30 MHz through two methods. The first method includes a pumping light source for emitting laser pumping light, a wavelength splitter for injecting the wavelength of the pumping light emitted from the light source into the resonator, and adding ytterbium for amplifying the resonance light in the resonator using the light incident through the wavelength splitter. Saturation required to control the first wave plate, light shield, second wave plate, or light-based mode lock phenomenon required to control polarization inside the optical fiber and resonator to induce polarization-based mode locking through nonlinear polarization evolution (NPE). A laser resonator having a repetition rate of 30 to 200 MHz is formed using an optical absorber, and a laser having a repetition rate of 0.1 to 30 MHz is generated using a pulse extractor for the laser output from the resonator. Unlike the first method, the second method does not use a pulse extractor outside the resonator, but generates a pulse corresponding to 0.1 to 30 MHz by the resonator itself. For this purpose, an additional single mode optical fiber is connected to the resonator. Inserting a dispersion compensation unit for compensating for the excessive dispersion caused, and by applying the polarization-based mode lock and light-based mode lock method at the same time characterized in that to maintain a stable mode lock. In addition, by amplifying the laser having a repetition rate of 0.1 ~ 30 MHz through the amplification stage and applied to the processing, it is possible to configure a processing system showing a high yield.

Description

Fiber based laser systems with 0.1 to 30 MHz repetition rate and specimen manufacturing by use of these laser sources}

본 발명은 0.1 ~ 30 MHz의 반복률을 갖는 광섬유 레이저 시스템 및 이를 이용한 시편 가공방법에 관한 것으로, 좀 더 상세히는 0.1 ~ 30 MHz 수준의 반복률을 갖는 광섬유 레이저 공진기의 구성과, 0.1 ~ 30 MHz 반복률을 갖는 상기 공진기를 이용한 시편 절단 및 가공에 관한 것이다.
The present invention relates to an optical fiber laser system having a repetition rate of 0.1 to 30 MHz and a specimen processing method using the same, and more specifically, to a configuration of an optical fiber laser resonator having a repetition rate of 0.1 to 30 MHz and a repetition rate of 0.1 to 30 MHz. It relates to specimen cutting and processing using the resonator having.

광섬유 기반 펨토초 레이저 공진기의 종류는 크게 'ring-type'과 'figure eight type' 그리고 'Fabry-Perot type'으로 나눌 수 있다. 'ring-type'에서는 NPE(nonlinear polarization evolution) 현상 및 광량에 따라 다른 투과, 흡수 특성을 보이는 포화 흡수체(saturable absorber)를 이용하여 수동 모드잠금(passive mode locking)을 실현하여 좁은 펄스를 생성한다. 'Fabry-Perot type'의 경우 'ring-type'과는 달리 공진기 내부에서의 펄스의 진행 방향이 양방향이기 때문에 주로 포화 흡수 거울(saturable absorber mirror)을 이용하여 좁은 펄스를 생성한다. 반면 'figure eight type'의 경우는 두 개의 공진 루프(loop)를 광섬유 커플러(fiber coupler)를 통해 연결한 시스템으로 시계 방향과 반시계 방향으로 공진하는 펄스간 비선형 현상의 차이를 이용하여 좁은 펄스를 생성한다.Fiber-based femtosecond laser resonators can be classified into 'ring-type', 'figure eight type' and 'Fabry-Perot type'. In the 'ring-type', a narrow pulse is generated by using passive mode locking by using a saturable absorber that exhibits transmission and absorption characteristics that are different depending on the nonlinear polarization evolution (NPE) phenomenon and the amount of light. Unlike the 'ring-type' in the 'Fabry-Perot type', since the pulse direction inside the resonator is bidirectional, a narrow pulse is generated mainly using a saturable absorber mirror. On the other hand, the 'figure eight type' is a system in which two resonance loops are connected through a fiber coupler, and a narrow pulse is generated by using a difference between nonlinear phenomena between pulses resonating clockwise and counterclockwise. Create

펨토초 레이저 공진기의 반복률은 공진기의 광경로 길이와 직접적인 관련이 있으며, 좁은 펄스 생성에 필수적인 모드잠금 현상은 반복률이 30 ~ 200 MHz에 해당하는 광경로 길이일 때 안정적으로 일어난다는 것이 널리 알려져 있다. 반복률을 200 MHz이상으로 높이거나 30 MHz이하로 낮추기 위해서는 추가적인 고려가 필수적이다.The repetition rate of the femtosecond laser resonator is It is well known that the mode lock phenomenon, which is directly related to the optical path length of the resonator, is essential when the repetition rate is 30 to 200 MHz. Additional considerations are necessary to increase the repetition rate above 200 MHz or below 30 MHz.

이러한 펨토초 레이저 증폭 시스템은 레이저를 가공에 적용하기 위해서는 수 W이상의 평균출력의 확보가 요구된다. 대부분의 레이저 공진기 의 경우 평균 출력은 수십 mW~수백 mW 수준이며 따라서 추가적인 증폭단을 통해 추가 증폭이 진행된다. 기존에 가공에 널리 응용되던 고출력 펨토초 레이저 시스템은 크리스탈 기반 증폭 시스템이며 따라서 발열 문제로 인해 수백 kHz이상의 반복률을 얻기가 어려운 단점이 있다.These femtosecond laser amplification systems In order to apply the laser to the processing, it is required to secure an average power of several W or more. For most laser resonators, the average power ranges from tens of mW to hundreds of mW, so additional amplification is done through additional amplifier stages. The high power femtosecond laser system, which has been widely used for processing, is a crystal-based amplification system, and therefore, it is difficult to obtain a repetition rate of several hundred kHz due to the heat generation problem.

극초단 펄스 레이저 절단 및 가공은 기존의 펄스 레이저는 피가공물을 열적으로 여기시킴으로써, 물질의 상을 변화시켜 가공을 수행하는 것으로, 이에 반해, 극초단 펄스 레이저(펄스 폭 10 ps 이하)는 극초단 펄스의 높은 첨두출력을 이용하여 피가공물을 플라즈마 상태로 직접 변화시며 제거하거나 물질의 상태를 변화시키는 것을 기반으로 한다. 또한 좁은 펄스 폭으로 인해, 주변 물질로 열이 전도되기 전에 모든 가공이 수행되므로, 가공 주변 부에 영향을 주지 않는 깨끗하고 정밀한 가공이 가능하다.Ultra-short pulsed laser cutting and processing are conventional pulsed lasers that thermally excite the workpiece, thereby changing the phase of the material to perform the processing, whereas ultra-short pulsed laser (pulse width of 10 ps or less) is extremely short The high peak power of the pulse is used to directly remove and remove the workpiece into the plasma state or to change the state of the material. In addition, due to the narrow pulse width, all processing is carried out before heat is conducted to the surrounding material, thus enabling clean and precise processing without affecting the processing peripheral portion.

극초단 펄스 레이저의 장점으로는 극초단 펄스 레이저 가공에서는 기존 레이저 가공에서 요구되는 피가공물의 비결정적 결함전자(Defect Electron)에 의존하지 않고, 비선형 광흡수에 의해 가공이 시작 및 진행됨. 따라서 가공물에 의존하지 않는 결정적 공정(Deterministic)으로 가공의 제어가 매우 용이하다. 극초단 펄스 앞단의 수십 펨토초에 해당하는 시간 동안 비선형 이온화를 통해 시드 전자(Seed Electron)군이 충분히 생성되며, 이를 통해 가공이 시작 및 진행된다. 따라서, 가공 부위의 선택성과 공정의 반복성을 크게 높일 수 있으므로, 실제 응용 분야에 적용에 있어서 매우 유리하다.The advantages of ultra short pulse laser In ultra-short pulse laser processing, processing is started and progressed by non-linear light absorption, without relying on the non-defective defect electrons of the workpiece required for conventional laser processing. Therefore, the control of the machining is very easy with a deterministic process that does not depend on the workpiece. Seed electron groups are sufficiently generated through nonlinear ionization for tens of femtoseconds in front of the ultra-short pulses, and processing starts and progresses. Therefore, the selectivity of the processing site and the repeatability of the process can be greatly increased, which is very advantageous in application to practical applications.

극초단 펄스 레이저가 투명재료 가공에 있어서 가지는 장점을 가진다. 비선형 광흡수 현상에 의해, 초점 부근의 부피에만 가공 및 변화를 집중시킬 수 있음 가공 정밀도를 높일 수 있으며, 주변 영역에 응력변화를 최소화한다. 또한, 비선형 광흡수 현상은 피가공 물질의 물성에 의존하지 않으므로, 다양한 피가공물의 가공이 가능하며, 특히 서로 다른 다양한 물질들의 조합 및 층으로 구성된 가공물을 단일 레이저로 용이하게 가공할 수 있다.The ultrashort pulse laser has an advantage in processing transparent materials. By non-linear light absorption phenomenon, processing and change can be concentrated only in the volume near the focal point. The processing precision can be increased and the stress change in the surrounding area is minimized. In addition, since the non-linear light absorption phenomenon does not depend on the physical properties of the workpiece, it is possible to process a variety of workpieces, in particular a workpiece consisting of a combination of different materials and layers can be easily processed with a single laser.

펨토초 레이저 마이크로 가공 원리는 극초단 레이저 기반 광학 브레이크 다운(Optical Breakdown)을 기반으로 한다. 광 에너지가 물질에 전파되고, 이는 다수의 전자를 이온화 시키게 됨, 이 결과 에너지가 물질의 래티스(Lattice)로 전달되어, 물질의 상 변화 혹은 구조적 변화를 발생시킴. 레이저 집속 구역에 집중된 굴절률의 변화 및 공동(void)을 생성하기도 한다. 10 fs 이상의 펄스폭을 가질 경우, 비선형적으로 여기된 전자는 광자를 통한 선형적 흡수 메커니즘을 통해 충분한 에너지를 얻어 다른 속박 전자를 추가 여기시키는 아발란치(Avalanche) 이온화 과정을 발생시켜 추가 가공속도의 향상을 가져온다.The femtosecond laser micromachining principle It is based on an ultra-short laser-based optical breakdown. Light energy propagates through the material, which causes many electrons to ionize, resulting in energy being transferred to the material's lattice, causing a phase change or structural change in the material. It also produces voids and changes in refractive index concentrated in the laser focusing zone. For pulse widths greater than 10 fs, nonlinearly excited electrons generate sufficient energy through a linear absorption mechanism through the photon, resulting in an Avalanche ionization process that further excites other bond electrons, resulting in additional processing speed. Brings an improvement.

펨토초 레이저의 반복률과 가공 특성간의 관계는 고출력 펨토초 레이저를 이용한 시편의 가공은 물질의 액화나 기화가 아닌 플라즈마화를 통해 일어남. 따라서 형성된 플라즈마는 시편과 레이저와의 반응에 영향을 미치게 된다. 시편 위에 형성된 플라즈마는 레이저 펄스의 산란을 유도하여 가공 효율을 감소시키는가 하면, 경우에 따라서는 시편 표면에서의 레이저 흡수율을 높여 효율을 증가시키기도 한다. 또한, 시편에 따라 생성된 플라즈마의 소멸 시간이 다르며, 따라서 플라즈마의 소멸 시간과 레이저의 반복률간의 관계는 가공 효율에 큰 영향을 미친다.Relationship between the repetition rate and the processing characteristics of the femtosecond laser machining of the specimen using the high power femtosecond laser occurs through the plasma, not the liquefaction or vaporization of the material. Therefore, the plasma formed affects the reaction between the specimen and the laser. Plasma formed on the specimen induces scattering of laser pulses to reduce processing efficiency, and in some cases, increases efficiency by increasing laser absorption at the surface of the specimen. In addition, the extinction time of the generated plasma is different according to the specimen, so the relationship between the extinction time of the plasma and the repetition rate of the laser has a great influence on the processing efficiency.

기존의 가공에 적용 가능한 크리스탈 기반 펨토초 레이저의 반복률은 수백 kHz를 상회하지 못하며, 이로 인해 수백 kHz 이상의 반복률에서 보이는 가공 특성은 연구된 바가 없다.The repetition rate of crystal-based femtosecond lasers applicable to conventional processing does not exceed hundreds of kHz, so the processing characteristics seen at repetition rates of several hundred kHz or more have not been studied.

기존의 취성 기판 절단 및 분리 방법은 글라스, 실리콘, 세라믹 등의 취성기판을 절단하여 분리시키는 데 사용되는 방법으로는, 스크라이빙(Scribing), 블레이드 다이싱(Blade Dicing), 레이저 절단, 스텔스 다이싱(Stealth Dicing) 및 TLS(Thermal Laser Seperation) 등의 절단 방법이 사용되고 있다. 이 중, 스크라이빙과 블레이드 다이싱 방법은 기계적인 절단 방법이고, 스텔스 다이싱과 TLS 방법은 레이저를 이용한 비접촉식 절단 방법이다. 기존 기계적 절단 방법은, 가공 시 다량의 칩을 형성하며 잔류응력 등을 가공물에 남기게 되므로, 100 ㅅm 이하의 박막에서는 심각한 파손과 찢어짐을 유발한다.Conventional methods for cutting and separating brittle substrates are used to cut and separate brittle substrates such as glass, silicon, and ceramics, and include scribing, blade dicing, laser cutting, and stealth dies. Cutting methods such as sealing (Dicing) and Thermal Laser Seperation (TLS) are used. Among them, the scribing and blade dicing methods are mechanical cutting methods, and the stealth dicing and TLS methods are non-contact cutting methods using lasers. Existing mechanical cutting method forms a large amount of chips during processing and leaves residual stress on the workpiece, which causes severe breakage and tearing in the thin film of 100 μm or less.

기존 레이저 기반 가공은 열전달을 기반으로 하는 가공공정으로, 이로 인한 Thermal Load가 커 열영향지대(HAZ: Heat Affected Zone)을 형성하므로, 가공물에 금이 가거나 강도를 떨어뜨리는 등의 한계점을 가진다. 또한 가공물의 흡수도에 따라 가공 정도가 달라져 다양한 재료로 이루어 진 다층구조를 절단하는데 어려움이 있다.Conventional laser-based machining is a process based on heat transfer, which results in a large thermal load resulting in the formation of a heat affected zone (HAZ), which results in cracking of the workpiece and deterioration in strength. In addition, the degree of processing varies depending on the absorbency of the workpiece, there is a difficulty in cutting a multilayer structure made of a variety of materials.

스텔스 다이싱 방법과 TLS 방법은, 기판을 표면에서 직접 제거하지 않고, 기판 내부에 변형층을 형성하거나 인장 잔류응력을 발생시켜 기판을 절단하므로 절단 과정에서 파편 혹은 입자의 발생을 줄일 수 있음. 하지만 이 역시 열적 공정을 기반으로 하여 열영향지대가 형성되며, 잔류응력 등이 그대로 남아 기판의 특성을 변화시킨다. 또한 TLS의 경우, 열을 냉각시키는 냉각제의 별도 클리닝이 요구되는 제한점이 있다.The stealth dicing method and the TLS method cut the substrate by forming a strained layer or generating tensile residual stress in the substrate without directly removing the substrate from the surface, thereby reducing the occurrence of debris or particles during the cutting process. However, this also forms a thermal zone based on the thermal process, and the residual stress is left as it is to change the characteristics of the substrate. In addition, in the case of TLS, there is a limitation in that separate cleaning of a coolant that cools heat is required.

따라서, 이러한 펨토초 레이저 증폭 시스템은 레이저를 가공에 적용하기 위해서는 수 W 이상의 평균출력의 확보가 요구된다. 대부분의 레이저 공진기의 경우 평균 출력은 수십 mW ~ 수백 mW 수준이며 따라서 추가적인 증폭단을 통해 추가 증폭이 진행된다. 기존에 가공에 널리 응용되던 고출력 펨토초 레이저 시스템은 크리스탈 기반 증폭 시스템이며 따라서 발열 문제로 인해 수백 kHz이상의 반복률을 얻기가 어려운 단점이 있다.
Therefore, such a femtosecond laser amplification system is required to secure an average power of several W or more in order to apply the laser to the processing. For most laser resonators, the average power ranges from tens of mW to hundreds of mW, so additional amplification is done through additional amplifier stages. The high power femtosecond laser system, which has been widely used for processing, is a crystal-based amplification system, and therefore, it is difficult to obtain a repetition rate of several hundred kHz due to the heat generation problem.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 0.1 ~ 30MHz의 반복률을 갖는 레이저 공진기를 제공하고자 하는데 그 목적이 있고, 상기 공진기를 이용하여 기판 가공에 적용함으로써 높은 가공 효율을 가질 수 있는 가공방법을 제공하고자 하는데 그 목적이 있다.
The present invention for solving the above problems is to provide a laser resonator having a repetition rate of 0.1 ~ 30MHz, the object is, and provides a processing method that can have a high processing efficiency by applying to the substrate processing using the resonator There is a purpose.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 레이저 펌핑 광을 출사하는 펌핑 광원, 상기 광원에서 출사되는 펌핑 광의 파장을 공진기로 입사시키는 파장분할기, 상기 파장분할기를 통해 입사하는 광을 이용하여 공진기 내부 공진 광을 증폭시키는 이터븀 첨가 광섬유, 공진기 내부의 편광을 조절하여 NPE(nonlinear polarization evolution)을 통한 편광 기반 모드잠금을 유발하는데 필요한 제 1파장판, 광차폐기, 제 2파장판, 혹은 광량 기반 모드잠금 현상을 유발하기 위해 필요한 포화광 흡수체를 이용하여 30 ~ 200 MHz의 반복률을 갖는 레이저 공진기를 구성하고, 상기 공진기에서 출력되는 레이저를 펄스추출기를 이용하여 0.1 ~ 30 MHz의 반복률을 가지는 레이저를 생성하는 것을 특징으로 한다.The present invention for achieving the above object, the pumping light source for emitting the laser pumping light, a wavelength splitter for injecting the wavelength of the pumping light emitted from the light source into the resonator, the inside of the resonator using the light incident through the wavelength splitter Ytterbium-doped fiber to amplify resonant light, first wavelength plate, light shield, second wavelength plate, or light-based mode required to control polarization inside resonator to induce polarization-based mode locking through nonlinear polarization evolution (NPE) A laser resonator having a repetition rate of 30 to 200 MHz is formed by using a saturated light absorber necessary to cause a locking phenomenon, and a laser having a repetition rate of 0.1 to 30 MHz is generated using a pulse extractor for the laser output from the resonator. Characterized in that.

또한, 본 발명은 공진기 자체적으로 0.1 ~ 30 MHz에 해당하는 펄스를 생성하는 것으로, 이를 위해 단일 모드 광섬유를 추가로 공진기 내에 연결하며, 이로 인해 발생한 과도한 분산을 보상하기 위한 분산 보상부를 삽입하고, 편광 기반 모드잠금과 광량 기반 모드잠금 방법을 동시에 적용하여 안정적인 모드잠금이 유지되도록 하는 것을 특징으로 한다.In addition, the present invention generates a pulse corresponding to 0.1 ~ 30 MHz by the resonator itself, for this purpose, the single mode optical fiber is further connected in the resonator, and the dispersion compensation unit for compensating for the excessive dispersion caused by this is inserted, and polarized light. It is characterized in that the stable mode lock is maintained by applying the base mode lock and light-based mode lock method at the same time.

이를 위해 본 발명은, 레이저 광을 출사하는 광원, 상기 광원에서 출사되는 광의 파장을 분할하는 파장분할기, 상기 파장분할기에 출사되는 광을 증폭시키는 이터븀 첨가 광섬유, 광섬유순환기, 상기 광섬유순환기에서 출력되는 광으로부터 광량 기반 모드잠금을 유도하기 위한 포화광 흡수체 및 상기 포화광 흡수체를 투과한 광에서 일부 광을 차단하는 광차폐기를 포함하여 30 ~ 200 MHz의 반복률을 갖는 레이저 공진기를 구성하고, 상기 공진기에서 출력되는 레이저를 펄스추출기를 이용하여 0.1 ~ 30Mhz의 반복률을 가지는 레이저를 생성한다.To this end, the present invention, a light source for emitting laser light, a wavelength splitter for dividing the wavelength of the light emitted from the light source, an ytterbium-doped optical fiber for amplifying the light emitted by the wavelength splitter, an optical fiber circulator, output from the optical fiber circulator A laser resonator having a repetition rate of 30 to 200 MHz including a saturated light absorber for inducing light-based mode locking from light and an optical shield for blocking some light from the light transmitted through the saturated light absorber, The output laser generates a laser having a repetition rate of 0.1 to 30 MHz using a pulse extractor.

또한, 상기 펄스추출기는, Electro-optic devices, Acousto-optic devices 중 어느 하나를 사용하는 것을 특징으로 한다.In addition, the pulse extractor, characterized in that using any one of the electro-optic devices, Acousto-optic devices.

또한, 레이저 광을 출사하는 광원, 상기 광원에서 출사되는 광의 파장을 분할하는 파장분할기, 상기 파장분할기에 출사되는 광을 증폭시키는 이터븀 첨가 광섬유, 상기 이터븀 첨가 광섬유에서 출력되는 광을 편광을 변환시키는 파장판, 상기 파장판을 통과한 편광 중에서 일부 광을 차단하는 광차폐기, 상기 광차폐기에서 출력되는 광으로부터 펄스광을 출력하는 포화광 흡수체, 낮은 반복률 유도를 위한 단일모드광섬유, 분산을 보상하기 위한 분산보상부를 포함한다.In addition, a light source for emitting laser light, a wavelength splitter for dividing the wavelength of the light emitted from the light source, an ytterbium-doped optical fiber that amplifies the light emitted by the wavelength divider, and the light output from the ytterbium-doped optical fiber converts polarization A wavelength plate, a light shield that blocks some of the polarized light passing through the wavelength plate, a saturated light absorber that outputs pulsed light from the light output from the light shield, a single mode optical fiber for low repetition rate induction, and compensation for dispersion It includes a dispersion compensator for.

또한, 상기 포화광흡수체는, 투과형 포화광흡수체(transmitted saturable absorber)인 것을 특징으로 한다.In addition, the saturated light absorber is characterized in that the transmission type saturable absorber (transmitted saturable absorber).

또한, 레이저 광을 출사하는 광원, 상기 광원에서 출사되는 광의 파장을 분할하는 파장분할기,상기 파장분할기에 출사되는 광을 증폭시키는 이 터븀 첨가 광섬유, 상기 이터븀 첨가 광섬유에서 출력되는 광을 편광을 변환시키는 파장판, 상기 파장판을 통과한 편광 중에서 일부 광을 차단하는 광차폐기, 광섬유순환기, 상기 광섬유순환기에서 출력되는 광으로부터 펄스광을 출력하는 포화광 흡수체, 낮은 반복률 유도를 위한 단일모드광섬유 및 분산을 보상하기 위한 분산보상부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.In addition, a light source for emitting laser light, a wavelength splitter for dividing the wavelength of the light emitted from the light source, a ytterbium-doped optical fiber to amplify the light emitted by the wavelength splitter, the light output from the ytterbium-doped optical fiber converts the polarization A wavelength plate, an optical shield for blocking some of the polarized light passing through the wavelength plate, an optical fiber circulator, a saturated light absorber for outputting pulsed light from the light output from the optical fiber circulator, a single mode optical fiber for inducing low repetition rate, and dispersion It characterized in that it comprises a dispersion compensation for compensating for.

또한, 상기 분산보상부는, 한쌍의 회절격자, 한쌍의 프리즘, 미세구조 광섬유 중 어느 하나 또는 둘 이상을 적용하여 구성된 것을 특징으로 한다.The dispersion compensator may be configured by applying any one or two or more of a pair of diffraction gratings, a pair of prisms, and a microstructured optical fiber.

또한, 상기 0.1 ~ 30Mhz의 반복률을 갖는 광섬유 레이저 공진기를 이용하여 시편을 가공하는 것을 특징으로 한다.
In addition, it characterized in that the specimen is processed using a fiber laser resonator having a repetition rate of 0.1 ~ 30Mhz.

이와 같이 구성되는 본 발명은 0.1 ~ 30 MHz 수준의 반복률을 갖는 광섬유 펨토초 공진기에서 NPE(Nonlinear Polarization Rotation)현상과 포화광흡수체(Saturable absorber)를 동시에 적용하여 안정적인 수동 모드잠금을 구현할 수 있는 효과가 있다.The present invention configured as described above has the effect of implementing stable passive mode locking by simultaneously applying a nonlinear polarization rotation (NPE) phenomenon and a saturable absorber in an optical fiber femtosecond resonator having a repetition rate of 0.1 to 30 MHz. .

또한, 기존의 가공 관련 레이저 시스템에 비해 높은 반복률을 갖기 때문에 시편의 가공 문턱광량(threshold intensity)을 낮추는 효과가 있고, 시편의 낮은 가공 문턱광량과 높은 반복률로 인한 높은 수율을 얻을 수 있는 효과가 있다.In addition, since it has a higher repetition rate than the conventional laser system related to processing, it has the effect of lowering the processing threshold intensity of the specimen, and has the effect of obtaining a high yield due to the low processing threshold amount of the specimen and the high repetition rate. .

결과적으로, 본 발명은 0.1 ~ 30 MHz의 반복률을 갖는 레이저를 증폭단을 통해 증폭하여 가공에 적용함으로써, 높은 수율을 보이는 가공시스템을 구성할 수 있다.
As a result, according to the present invention, a laser having a repetition rate of 0.1 to 30 MHz is amplified through an amplification stage and applied to a processing, thereby making it possible to construct a processing system showing high yield.

도 1은 본 발명에 따른 0.1 ~ 30MHz 반복률을 갖는 레이저 공진기 및 이를 이용해 시편을 가공하는 시스템의 흐름도,
도 2는 본 발명에 따른 0.1 ~ 30 MHz 반복률을 갖는 레이저 공진기와 이를 증폭 및 압축하는 파트, 그리고 이를 이용해 시편을 가공하는 시스템의 흐름도,
도 3은 반복률이 30 ~ 200 MHz인 일반적인 광섬유 레이저 공진기와 펄스 추출기(306)를 조합하여 반복률이 0.1 ~ 30 MHz에 해당하는 공진기를 구성한 예를 도시한 도면,
도 4는 반복률이 30 ~ 200 MHz인 일반적인 광섬유 레이저 공진기와 펄스 추출기(306)를 조합하여 반복률이 0.1 ~ 30 MHz에 해당하는 공진기를 구성한 다른 예를 도시한 도면,
도 5는 본 발명에 따른 반복률이 0.1 ~ 30 MHz에 해당하는 공진기의 예를 나타낸 구성도,
도 6은 본 발명에 따른 반복률이 0.1 ~ 30 MHz에 해당하는 공진기의 다른 예를 나타낸 구성도,
도 7은 본 발명에 따른 분산보상파트 구현을 위한 예로 회절격자를 이용한 구성예를 도시한 도면,
도 8은 본 발명에 따른 분산보상파트 구현을 위한 다른 예로 프리즘을 이용한 구성예를 도시한 도면,
도 9는 본 발명에 따른 분산보상파트 구현을 위한 또 다른 예로 미세구조광섬유를 이용한 구성예를 도시한 도면,
도 10은 본 발명에서 제시한 방법 중 하나인 30 ~ 200 MHz의 반복률을 갖는 공진기를 제작하고, 이를 펄스추출기를 통해 0.1 ~ 30 MHz의 반복률을 갖는 시스템으로 개선한 후 증폭단을 통해 증폭하여 실리콘 시편을 가공한 결과를 SEM으로 촬영한 이미지.1 is a flowchart of a laser resonator having a repetition rate of 0.1 to 30 MHz and a system for processing a specimen using the same according to the present invention;
2 is a flow chart of a laser resonator having a repetition rate of 0.1 to 30 MHz, a part for amplifying and compressing the same, and a system for processing a specimen using the same according to the present invention;
3 is a diagram showing an example of a resonator having a repetition rate of 0.1 to 30 MHz by combining a general fiber laser resonator having a repetition rate of 30 to 200 MHz and a pulse extractor 306;
4 is a diagram illustrating another example in which a general fiber laser resonator having a repetition rate of 30 to 200 MHz and a pulse extractor 306 are combined to configure a resonator having a repetition rate of 0.1 to 30 MHz.
5 is a configuration diagram showing an example of a resonator having a repetition rate of 0.1 to 30 MHz according to the present invention;
6 is a configuration diagram showing another example of a resonator having a repetition rate of 0.1 to 30 MHz according to the present invention;
7 is a view showing a configuration example using a diffraction grating as an example for implementing a distributed compensation part according to the present invention;
8 is a view showing a configuration example using a prism as another example for implementing a distributed compensation part according to the present invention;
9 is a view showing a configuration example using a microstructured optical fiber as another example for implementing the dispersion compensation part according to the present invention,
10 is a resonator having a repetition rate of 30 ~ 200 MHz which is one of the methods proposed in the present invention, and improved it to a system having a repetition rate of 0.1 ~ 30 MHz through a pulse extractor and then amplified through an amplification stage to a silicon specimen SEM image of the results of the processing.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 0.1 ~ 30 MHz의 반복률을 갖는 광섬유 레이저 공진기 및 이를 이용한 시편 가공방법의 바람직한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, a preferred embodiment of the optical fiber laser resonator having a repetition rate of 0.1 ~ 30 MHz and a specimen processing method using the same in detail as follows.

본 발명은, 두 가지 방법을 통해 0.1 ~ 30 MHz의 반복률을 가지는 레이저를 생성한다. 첫 번째 방법(도 3, 도 4)은 레이저 펌핑 광을 출사하는 펌핑 광원, 상기 광원에서 출사되는 펌핑 광의 파장을 공진기로 입사시키는 파장분할기, 상기 파장분할기를 통해 입사하는 광을 이용하여 공진기 내부 공진 광을 증폭시키는 이터븀 첨가 광섬유, 공진기 내부의 편광을 조절하여 NPE(nonlinear polarization evolution)을 통한 편광 기반 모드잠금을 유발하는데 필요한 제 1파장판, 광차폐기, 제 2파장판, 혹은 광량 기반 모드잠금 현상을 유발하기 위해 필요한 포화광 흡수체를 이용하여 30 ~ 200 MHz의 반복률을 갖는 레이저 공진기를 구성하고, 상기 공진기에서 출력되는 레이저를 펄스추출기를 이용하여 0.1 ~ 30 MHz의 반복률을 가지는 레이저를 생성하는 것을 특징으로 한다.The present invention generates a laser having a repetition rate of 0.1 to 30 MHz through two methods. The first method (FIGS. 3 and 4) is a pumping light source for emitting laser pumping light, a wavelength splitter for injecting a wavelength of the pumping light emitted from the light source into the resonator, and resonator internal resonance using light incident through the wavelength splitter. Ytterbium-doped fiber that amplifies the light, the first wave plate, light shield, second wave plate, or light-based mode lock required to control the polarization inside the resonator to cause polarization-based mode locking through nonlinear polarization evolution (NPE) A laser resonator having a repetition rate of 30 to 200 MHz is formed using a saturated light absorber required to cause a phenomenon, and a laser having a repetition rate of 0.1 to 30 MHz is generated using a pulse extractor. It is characterized by.

두 번째 방법(도 5, 도 6)은 첫 번째 방법과는 달리 공진기 외부에 펄스추출기를 사용하지 않고, 공진기 자체적으로 0.1 ~ 30 MHz에 해당하는 펄스를 생성하는 것으로, 이를 위해 단일 모드 광섬유를 추가로 공진기 내에 연결하며, 이로 인해 발생한 과도한 분산을 보상하기 위한 분산 보상부[도 7, 도 8, 도 9]를 삽입하고, 편광 기반 모드잠금과 광량 기반 모드잠금 방법을 동시에 적용하여 안정적인 모드잠금이 유지되도록 하는 것을 특징으로 한다.Unlike the first method (FIGS. 5 and 6), the second method does not use a pulse extractor outside the resonator, but generates a pulse corresponding to 0.1 to 30 MHz by the resonator itself. And a dispersion compensator [Fig. 7, 8, and 9] for compensating for the excessive dispersion caused by the furnace, and simultaneously applying polarization-based mode lock and light quantity-based mode lock method for stable mode lock. To be maintained.

도 1은 본 발명에 따른 0.1 ~ 30MHz 반복률을 갖는 레이저 공진기 및 이를 이용해 시편을 가공하는 시스템의 흐름도이다. 본 발명에서 시편을 가공하는 시스템은 크게 0.1 ~ 30MHz 반복률을 갖는 레이저 공진기 부분과 이를 가공 테이블까지 이송하여 가공하는 이송 및 가공 부분으로 나눌 수 있다. 시편의 종류에 보다 높은 광량이 요구되는 경우 따라 도 2와 같이 사이에 증폭단을 추가할 수 있다.1 is a flowchart of a laser resonator having a repetition rate of 0.1 to 30 MHz and a system for processing a specimen using the same according to the present invention. In the present invention, a system for processing a specimen may be divided into a laser resonator portion having a 0.1 to 30 MHz repetition rate and a transfer and processing portion for transferring and processing the same to a processing table. If a higher amount of light is required for the type of specimen, an amplification stage may be added between them as shown in FIG. 2.

도 3과 도 4는 30 ~ 200 MHz의 반복률을 갖는 공진기를 제작하고 이를 펄스 추출기(306)를 통해 0.1 ~30MHz의 반복률을 갖는 시스템으로 전환하는 예를 보여주고 있다. 도 3의 경우 NPE(nonlinear polarization evolution)을 통해 모드잠금 현상을 일으키는 공진기의 한 예로 레이저 다이오드(301)에서 발생하는 펌프 광은 파장 분할기(300)를 통해 공진기에 입사한 후 이터븀 첨가 광섬유(303)에서 흡수된다. 공진기를 공진하는 광은 파장판(304) 및 광 차폐기(305)를 통과하며 하나의 편광 성분만이 살아남아 이터븀 첨가 광섬유(303)에서 증폭된 후 광 커플러(302)를 통해 출력된다. 이렇게 출력된 광은 펄스 추출기(306)를 통해 반복률이 감소되게 된다. 여기서 각 부품들의 위치 및 방향 등은 모드잠금이 일어나는 조건 하에서 자유자재로 바뀔 수 있다. 도 4는 도 3의 편광 기반 모드잠금을 광량 기반 모드잠금으로 대체한 것으로 이를 위해 광섬유 순환기(400), 광섬유 타입 광 차폐기(401), 포화광 흡수체 거울(402)이 사용되었다. 광섬유 순환기에 의해 공진기 내부의 광이 포화광 흡수체를 맞고 반사하여 공진기로 되돌아갈 수 있게 되며 한쪽 방향으로의 공진을 유도하기 위해 광섬유 타입 광 차폐기가 사용된다. 포화광 흡수체에서는 광량이 낮은 광들은 흡수하여 광량이 큰 광만 선별적으로 공진시키는 특성이 있으며 이를 통해 모드잠금의 구현이 가능하다. 여기서 광섬유 타입 광 차폐기는 앞선 광 차폐기(305) 등으로 대체될 수 있으며 포화광 흡수체 또한 반사 형태가 아닌 투과 형태의 포화광 흡수체, 혹은 광섬유 기반의 포화광 흡수체 등으로 대체될 수 있다.3 and 4 show an example of fabricating a resonator having a repetition rate of 30 to 200 MHz and converting it to a system having a repetition rate of 0.1 to 30 MHz through the pulse extractor 306. In the case of FIG. 3, an example of a resonator causing a mode locking phenomenon through non-linear polarization evolution (NPE) is that pump light generated from the laser diode 301 is incident on the resonator through the wavelength splitter 300 and then the ytterbium-doped optical fiber 303 Is absorbed from). Light that resonates the resonator passes through the wave plate 304 and the light shield 305, and only one polarization component survives and is amplified in the ytterbium-doped optical fiber 303 and then output through the optical coupler 302. The light thus output is reduced in repetition rate through the pulse extractor 306. Here, the position and direction of each component can be changed freely under the condition that the mode lock occurs. FIG. 4 replaces the polarization-based mode lock of FIG. 3 with the light-based mode lock. For this, an optical fiber circulator 400, an optical fiber type light shield 401, and a saturated light absorber mirror 402 are used. The optical fiber circulator allows the light inside the resonator to hit and reflect the saturated light absorber and return to the resonator, and an optical fiber type optical shield is used to induce resonance in one direction. In the saturated light absorber, light having a low amount of light is absorbed to selectively resonate only light having a large amount of light, thereby enabling mode locking. In this case, the optical fiber type optical shield may be replaced with the preceding optical shield 305, and the saturated light absorber may also be replaced with a saturated light absorber in a transmissive form, or a fiber-based saturated light absorber, rather than a reflective form.

도 5, 도 6은 펄스 추출기를 이용하여 반복률을 낮추는 것이 아니라 공진기 자체적으로 0.1 ~ 30 MHz 수준의 반복률을 갖도록 하는 방법을 나타낸 것이다. 레이저 공진기의 반복률은 공진기의 길이에 의해 결정되며, 따라서 낮은 반복률의 공진기를 구성하기 위해서는 보다 긴 공진기의 길이가 요구된다. 이를 위해 보다 긴 단일 모드 광섬유(502)가 요구되는데 이로 인해 모드잠금이 불안해지고 광섬유가 가지고 있는 주파수에 따른 분산 특성이 강해져 모드잠금의 강화와 함께 분산 보상 파트(501)가 필요하게 된다. 본 특허에서는 모드잠금 기능을 향상시키기 위해 편광 기반 모드잠금 방법인 NPE방법과 동시에 광량 기반 모드잠금 방법인 포화광 흡수체를 이용하는 방법을 동시에 적용하였으며 분산을 보상하기 위해 도 7, 도 8, 도 9와 같은 회절격자쌍이나 프리즘 쌍, 분산보상 광섬유 등을 이용하였다.5 and 6 illustrate a method of reducing the repetition rate by using a pulse extractor and having a repetition rate of 0.1 to 30 MHz in the resonator itself. The repetition rate of the laser resonator is determined by the length of the resonator, and therefore, the length of the longer resonator is required to construct a low repetition rate resonator. To this end, a longer single mode optical fiber 502 is required, resulting in an unstable mode lock and a stronger dispersion characteristic according to the frequency of the optical fiber, thereby requiring a dispersion compensation part 501 with enhanced mode lock. In the present patent, a method of using a saturated light absorber, which is a light-based mode locking method, and a NPE method, which is a polarization-based mode locking method, are simultaneously applied to improve the mode locking function. The same diffraction grating pair, prism pair, and dispersion compensation optical fiber were used.

도 10은 본 발명에서 제시한 방법 중 하나인 30 ~ 200 MHz의 반복률을 갖는 공진기를 제작하고, 이를 펄스추출기를 통해 0.1 ~ 30 MHz의 반복률을 갖는 시스템으로 개선한 후 증폭단을 통해 증폭하여 실리콘 시편을 가공한 결과를 SEM으로 촬영한 사진이다. 기존의 레이저 가공 시스템보다 높은 반복률인 0.1 ~ 30 MHz 영역에서도 가공이 일어남을 확인할 수 있다.
10 is a resonator having a repetition rate of 30 ~ 200 MHz which is one of the methods proposed in the present invention, and improved it to a system having a repetition rate of 0.1 ~ 30 MHz through a pulse extractor and then amplified through an amplification stage to a silicon specimen SEM photograph of the results of the processing. Machining can also be seen in the 0.1 to 30 MHz region, which has a higher repetition rate than conventional laser processing systems.

이상, 본 발명의 원리를 예시하기 위한 바람직한 실시예와 관련하여 설명하고 도시하였지만, 본 발명은 그와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용으로 한정되는 것이 아니다. 오히려, 첨부된 청구범위의 사상 및 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대한 다수의 변경 및 수정이 가능함을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 그러한 모든 적절한 변경 및 수정과 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.
While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments. On the contrary, those skilled in the art will appreciate that many modifications and variations of the present invention are possible without departing from the spirit and scope of the appended claims. And all such modifications and changes as fall within the scope of the present invention are therefore to be regarded as being within the scope of the present invention.

100 : 저반복률 펨토초 펄스 생성 파트
101 : 펄스 전달 및 시편 가공 파트
200 : 펄스 증폭 및 압축 파트
300 : 파장 분할기(WDM)
301 : 레이저 다이오드(LD)
302 : 광 커플러(coupler)
303 : 이터븀 첨가 광섬유
304 : 파장판(wave plates)
305 : 광 차폐기(isolator)
306 : 펄스 추출기(pulse picker)
400 : 광섬유 순환기(circulator)
401 : 광섬유 타입 광 차폐기
402 : 포화광흡수체 거울(saturable absorber mirror)
500 : 투과형 포화광흡수체(transmitted saturable absorber)
501 : 분산 보상 파트(dispersion control part)
502 : 단일 모드 광섬유
700 : 회절격자
800 : 프리즘
900 : 미세 구조 광섬유100: low repetition rate femtosecond pulse generation part
101: pulse transfer and specimen machining part
200: pulse amplification and compression part
300: wavelength divider (WDM)
301: laser diode (LD)
302: optical coupler
303: ytterbium-doped optical fiber
304 wave plates
305 light isolator
306 pulse picker
400: optical fiber circulator
401: Optical Fiber Type Optical Shield
402: saturable absorber mirror
500: Transmitted Saturable Absorber
501 dispersion control part
502: single mode fiber
700: diffraction grating
800: Prism
900: Fine Structure Optical Fiber

Claims

delete

A light source for emitting laser light;
A wavelength divider dividing a wavelength of light emitted from the light source;
Ytterbium-doped optical fiber for amplifying light emitted to the wavelength splitter;
Optical fiber circulator;
A saturated light absorber for inducing a light quantity-based mode lock from the light output from the optical fiber circulator; And
And a laser shield having a repetition rate of 30 to 200 MHz, including a light shield for blocking some light from the light transmitted through the saturated light absorber.
Optical fiber laser resonator having a repetition rate of 0.1 ~ 30Mhz by generating a laser having a repetition rate of 0.1 ~ 30Mhz by selectively transmitting only a portion of the pulse by using a pulse extractor to the laser output from the resonator.

The method of claim 2, wherein the pulse extractor,
An optical fiber laser resonator having a repetition rate of 0.1 to 30 MHz using any one of electro-optic devices and acoustic-optic devices.

A light source for emitting laser light;
A wavelength divider dividing a wavelength of light emitted from the light source;
Ytterbium-doped optical fiber for amplifying light emitted to the wavelength splitter;
A wavelength plate for converting polarized light from the ytterbium-doped optical fiber;
An optical shield that blocks some light from the polarized light that has passed through the wave plate;
A saturated light absorber for outputting pulsed light from the light output from the light shield;
Single mode fiber for low repetition rate induction
And a dispersion compensator for compensating for dispersion.
The saturated light absorber is a transmission type saturable absorber (transmitted saturable absorber), characterized in that the optical fiber laser resonator having a repetition rate of 0.1 ~ 30Mhz.

delete

A light source for emitting laser light;
A wavelength divider dividing a wavelength of light emitted from the light source;
Ytterbium-doped optical fiber for amplifying light emitted to the wavelength splitter;
A wavelength plate for converting polarized light from the ytterbium-doped optical fiber;
An optical shield that blocks some light from the polarized light that has passed through the wave plate;
Optical fiber circulator;
A saturated light absorber for outputting pulsed light from the light output from the optical fiber circulator;
Monomodal fiber for low repetition rate induction; And
Dispersion compensation unit for compensating for dispersion; Fiber laser resonator having a repetition rate of 0.1 ~ 30Mhz, characterized in that it comprises a.

The method of claim 6, wherein the dispersion compensation unit,
An optical fiber laser resonator having a repetition rate of 0.1 to 30 MHz, comprising one or more of a pair of diffraction gratings, a pair of prisms, and microstructured optical fibers.

delete