KR0130191B1 - 전도성 표면-냉각 레이저 결정 - Google Patents

전도성 표면-냉각 레이저 결정

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KR0130191B1
KR0130191B1 KR1019930006846A KR930006846A KR0130191B1 KR 0130191 B1 KR0130191 B1 KR 0130191B1 KR 1019930006846 A KR1019930006846 A KR 1019930006846A KR 930006846 A KR930006846 A KR 930006846A KR 0130191 B1 KR0130191 B1 KR 0130191B1
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에스. 소스 제임스
피. 팔롬보 마리오
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완다 케이. 덴슨-로우
휴우즈 에어크라프트 캄파니
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Abstract

본 발명은 투광 면을 통하여 레이저 시스템 내의 광학 소자로부터 열을 수동적으로 제거하기 위한 기술에 관한 것이다. 열은 광학 소자의 투광 표면에 인접하게 배치된 투광 열 싱크 또는 다른 열 전도 매질에 의해 제거된다. 열은 광학소자로부터 에너지 전파방향에 평행한 방향으로 전달되어 나오므로, 열 경사와 관련된 문제를 최소화한다. 비선형 주파수 변환 결정 및 레이저 결정과 같은 광학 소자를 사용하는 장치는 본 발명에 따른 열 관리 방법을 사용하여 더 양호한 성능을 얻을 수 있다. 열은 직접적인 접촉에 의해 열 전도 매질에 전달되거나, 광학 소자와 열 전도 매질 사이에 배치된 좁은 가스 충전갭을 통해 전달된다.

Description

전도성 표면-냉각 레이저 결정
제1도는 본 발명의 원리에 따른 전도성 표면 냉각 방식을 이용하는 광 시스템의 일부를 도시한 도면.
제2도는 본 발명의 원리에 따른 전도성 표면 냉각 방식을 이용하는 레이저 시스템의 일부를 형성하는 레이저 결정 모듈의 부분 단면도.
제3도는 제2도의 레이저 결정 모듈의 제 2 부분 단면도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 : 레이저 시스템 11 : 하우징
12, 22 : 레이저 결정 12a : 광학 표면
13 : 열 전도 매질 14 : 쐐기
15 : 갭 23 : 사파이러 플레이트
41 : 저항성 가열기 42 : 열 확산기
본 발명은 레이저 시스템에 사용되는 광 소자에 대한 냉각 기술에 관한 것으로, 더 상세하게는 레이저 시스템에 사용되는 전도성 표면-냉각 광 소자에 관한 것이다.
비선형 레이저 물질 내에서의 주파수 변환 과정은 비선형 물질 매질 내에 흡수에 기인하는 열을 발생시킨다. 주파수 변환기가 상당한 전력 레벨에서 효율적으로 동작되어야 한다면 이 열은 제거되어야만 한다. 또한 고체 상태 레이저 증폭기 물질에 에너지를 저장하는 과정도 레이저 매질 내에 열을 발생시키는데 이 열은 특히 증폭기가 상당한 입력 전력에서 동작되어야 할 경우에 제거되어야만 한다.
레이저 시스템에서 사용되는 고체 상태 결정 물질 내의 열을 제거하는 종래 방법은 레이저의 에너지 전파 방향에 대해 가로(transverse) 방향으로 물질의 측면으로부터 열을 제거하는 것이다. 가로 방향으로의 열 제거에 의해 이 방향으로 열의 경사(gradient)가 발생한다. 이로 인해 2가지 문제점이 생기게 된다. 첫번째 문제점은 열-광학 스트레스 및 굴절율 변이에 의해 레이저 비임을 왜곡시키는 열수차(thermal aberration)가 발생하는 것이다. 두번째 문제점은 대부분의 주파수 변환 물질에 있어서, 예를 들면, 레이저 비임의 전파 방향에 대해 가로방향으로의 온도 변이가 매우 작은 공차 범위 내에서 유지되어야만 한다는 것이다. 이 방향으로의 열 경사의 존재에 의해 레이저 설계시, 매우 엄격하게 제한된 애퍼추어 크기 및 전력 로딩만이 허락된다. 가로 냉각 방법(transverse cooling)은, 제이. 엘 . 에미트(J. L. Emmett) 등에 의해 1984년 9월 25일자로 발표되고 국제 기술 정보 서비스(National Technical Information Service)로부터 이용가능한, 높은 평균 출력 고체 상태 레이저의 포텐셜(The Potential of High-Average-Power Solid State Lasers)이란 명칭의 논문에 기술되어 있다.
종래의 비임 성형 기술(beam shaping technique)이 결정을 냉각시키는데 이용되어 왔는데, 여기서 레이저 비임은 한 방향으로 광학적으로 편평하게(flatten)되어 있다. 이로 인해 결정은 더 긴 길이가 냉각되어 질 수 있게 되고, 비임의 중심으로부터 결정의 연부까지 냉각되는 경로가 감소된다. 그러나, 이 방법은 모든 응용에서 실용적이지는 못하며, 관련 광학 기기에 비교적 상당한 정도의 복잡함을 부여한다.
소정의 결정 물질에 있어서, 특히 β-바륨 보레이트(BBO)에 있어서, 물질내에서의 가장 큰 열 전도 방향은 광 전파 방향과 매우 밀접하게 정렬된다. 그러므로, 이 성질을 이용하여 물질로부터 열을 효과적으로 제거하기 위해서는, 열은 광학 표면으로부터 제거되어야 한다. 표면을 냉각시키는 한가지 방법은 대류 방식으로 유동 기체를 사용함으로써 달성될 수 있다. 이 방법에서, 기체는 결정의 면을 가로지르도록 고속으로 힘을 받게 된다. 이 방법의 가장 큰 결점은 복잡한, 능동 냉각 시스템이 요구되므로, 저가, 저중량, 저체적 및 높은 신뢰도를 요구하는 응용에는 적당하지 않다는 것이다. 또한 광학 표면을 횡단하는 기체 흐름은 광 왜곡을 피하기 위해 매우 균일해야 하기 때문에 공학이 매우 복잡하다.
그러므로, 비임 경로에 평행한 방향으로 레이저 결정의 광학 표면으로부터 또는 다른 광학 소자로부터 열을 제거하고, 완전하게 수동 방식으로 이를 행하는 열 제거 기술을 제공하는 것을 본 분야에 큰 이득이다.
본 발명은 레이저 증폭 결정 또는 비선형 주파수 변환 결정과 같은 광 소자의 광학 표면으로부터 비임 경로에 평행한 방향으로 열을 수동적으로 제거함으로써 상술한 어려음을 해결한다. 광학 소자는 소자의 애퍼추어를 분명하게 구성하는 광학 표면을 통해 열 전도 매질 근처로의 전도에 의해 냉각된다. 이 열은 직접적인 접촉에 의해 열 도전 매질로 전달되거나, 본 발명의 실시예로서 보여주는 바와 같이, 좁은 가스 충전 갭(gas-filled gap)을 통해 전달된다.
특히, 기술될 한 실시예에 따르면 본 발명은 열 전도 하우징 및 하우징 내에 배치되어 있는 제 1 및 제 2 표면을 갖고 있는 투광 광학 소자를 포함하는 레이저 시스템에 의해 발생되는 레이저 에너지는 제 1 및 제 2 표면에 대해 일반적으로 가로 방향으로 전파한다. 제 1 및 제 2 투광 윈도우가 투광 열 싱크를 포함도록 제공된다. 각각의 윈도우는 투광 광학 소자의 각각 제 1 및 제 2 표면에 접촉하거나 매우 근접하게 배치된 표면을 갖는다. 최종적으로 광학 소자 내에서 발생된 열이 레이저 에너지 전파방향에 평행한 방향으로 제 1 및 제 2 투광 윈도우에 전도된 다음 하우징에 전도되는 구조를 갖는다. 광학 소자 내에 형성된 열 경사는 레이저 에너지 전파 방향에 평행하게 형성되어 종래의 광학 설계에 관련된 문제와 관련하여 열 경사를 최소화시킨다.
그러므로, 본 발명은 비선형 주파수 변환 결정 또는 레이저 결정의 투광면을 통해 그들로부터 수동적으로 열을 제거하는 기술을 제공한다. 열을 결정의 광학 표면에 인접하게 배치된 투광 열 싱크에 의해 제거된다. 열은 에너지 전파방향에 평행한 방향으로 결정으로부터 전달되어 나오므로 열 경사와 관련된 문제들을 최소화시킨다.
본 발명의 다양한 특징 및 이점은 첨부된 도면을 참조하여 기술된 이하의 상세한 설명에 의해 쉽게 이해될 수 있으며, 도면에서 동일 소자에는 동일 참조 번호를 부여하였다.
제 1 도를 참조하면, 본 발명의 원리에 따른 전도성 표면 냉각 방법을 이용하는 광학 시스템(10)의 일부분이 도시되어 있다. 제 1 도는 일정한 비율로 도시되어 있지 못하다. 특히 제 1 도는 알루미늄 또는 다른 금속 하우징(11)에 고정된 레이저 결정(12)를 사용하는 레이저 시스템(10)의 일부를 도시한다. 레이저 결정(12)는 레이저 시스템(10) 내에 사용되는 임의의 광학 소자일 수 있으며, 예를 들어 레이저 결정 또는 비선형 주파수 변환 결정을 포함한다. 하우징(11)은 금속이 아닌 열 전도 물질로 만들어 질 수 있다.
본 발명은 레이저 결정(12) 또는 예를 들면 KTiOPO4(KTP) 결정과 같은 비선형 조파 발생 결정을 냉각시키기 위한 기술을 제공하는데, 여기에서 결정(12)는 분명한 애퍼추어를 구성하는 광학 표면(12a)를 통해 열 전도 매질(13) 근처에까지 열을 전도함으로써 냉각된다. 전형적인 열 전도 매질(13)은 예를 들어 사파이어 광학 윈도우를 포함한다. 열은 직접적인 접촉에 의해 열 전도 매질(13)으로 전달되는데(화살표로 도시됨), 이 때 레이저 결정(12)는 열 전도 매질(13) 각각의 인접 표면(13a)에 접촉되게 배치된다. 선택적으로, 본 발명의 실시예에서 보여주는 바와 같이, 열은 광학 표면(12a)와 각각의 근처에 있는 열 전도 매질(13) 사이에 배치된 좁은 가스 충전 갭(15)를 통해 전달된다. 가스 충전 갭은 전형적으로 0.00025인치(0.000635㎝) 두께의 크기를 갖는 다. 갭(15)는 레이저 동작 주파수에 따라 공기 또는 수소 또는 다른 적당한 가스로 채워진다. 갭(15)는 결정(12)와 열 전도 매질(13) 사이에 0-링, 유전체 스페이서 또는 쐐기(shim : 14)를 배치함으로써 형성된다. 유전체 스페이서는 열 전도 매질(13)의 표면상에 박막을 침착시킴으로써 형성된다. 결정(12)는 제 1 도에 도시된 바와 같이 결정(12)의 상부 및 하부 연부와 하우징(11)의 인접 부분 사이의 갭(17)에 의해 하우징(11)과 직접 접촉하지 않는다.
좁은 가스 충전 갭(15)를 사용하는 것의 이점은 표면(12a)와 표면(13a)가 서로 접촉하지 않아서, 조립 공정 중에 광학 표면(12a, 13a)이 손상될 위험이 없고, 광학 표면(12a, 13a) 상의 비반사 코팅이 정상적인 방식으로 가능한다는 점이다. 갭(15)는 레이저 결정(12)와 열 전도 매질(13) 사이에 얇은 쐐기(14) 또는 스페이서를 배치함으로써 형성된다. 갭(15)는 또한 열 전도 매질(13) 상의 선택된 위치에 또는 결정(12)가 열 전도 매질(13)과 접촉하는 곳의 둘레 전체에 유전체 막(0.00025인치 두께)을 침착하여 진공을 이루게 하여 형성될 수 있다. 부수적으로, 갭(15)는 열 전도 매질(13) 중의 하나에 유전체막을 침착하고 결정(12)의 두께보다 조금 더 큰(0.00025 인치 만큼) 하우징을 적절하게 만들어서 진공을 이루게 하여 형성될 수 있다. 결정(12)의 한쪽 면이 막에 대향하게 배치되면 하우징(11)이 결정(12)보다 조금 크기 때문에 제 2 열 전도 매질(13)이 하우징(11)과 접촉되게 배치될 때 제 2 갭(15)가 형성된다. 결과적으로 마지막에 기술된 이러한 배치에 의하면 제 2 쐐기(14)는 필요하지 않다.
본 발명의 열 제거 원리를 이용하는 광학 장치는 구현되었다. 완성되어 검사되었던 장치는 2개의 제 2 조파 발생(SHG) 모듈(30)을 포함하는데, 각각은 비선형 매질로서 KTiOPO4(KTP)를 사용한다. 이들 모듈(30) 중 하나에 대한 2개의 서로 다를 단면도가 제 2 도 및 제 3 도에 도시되어 있다. 제 2 도는 본 발명의 원리에 따른 냉각 기술을 사용하는 레이저 시스템 부분을 형성하는 레이저 결정 모듈(30)의 부분적인 단면도이고, 제 3 도는 제 2 도의 레이저 결정 모듈(30)의 제 2 부분 단면도이다.
KTP 결정(22)는 알루미늄 하우징(11) 내에 배치되고 2개의 작은 공기 갭(15)가 결정(22)와 결정(22)의 어느 한 측면에 배치된 사파이어 플레이트(23) 사이의 계면에 배치된다. 사파이어 플레이트(23)은 예를 들면, 나사에 의해 하우징(11)에 고정되어 있는 2개의 리테이너(38)에 의해 하우징(11)에 고정된다. 2개의 링(39)는 리테이너(38)과 사파이어 윈도우(23) 사이에 배치된다. 저향성 가열기(41) 및 열확산기(heat spreader : 42)가 스프링(43), 덮개판(44) 및 나사에 의해 예를 들면 선정된 온도까지 KTP 결정(22)을 가령하는데 사용되는 하우징에 고정된다. 온도 감지기(46)이 KTP 결정(22)의 온도를 제어하기 위해 피드백 제어 루프 내에 사용된다.
결정(22)로부터 내부적으로 발생된 열은 작은 공기 갭(15)를 통해 사파이어 플레이트(23)으로 전도된다. 그 다음 사파이어 플레이트(23)은 열을 알루미늄 하우징(11)로 전도하고, 열 파이프 또는 (도시되지 않은) 다른 수단에 의해 외부의 차거운 플레이트(도시되지 않음)로 전도한다.
이 냉각 방법의 효과는 이론적으로 미세 소자 열 분석을 사용하여 검증되었다. 종래의 가로 열 전도 방법이 사용되는 경우, 결정(22)를 가로질러 전개되는 열 경사 △T는 △T=αP/4πK=8℃로 설정되는데, 이때 α=0.06/㎝는 흡수 계수, P=50W는 인가된 레이저 비임의 전력, K=0.03W/㎝/℃는 KTP 결정(22)의 열 전도성이다. 이것은 효율적인 주파수 변환을 유지시키는데 요구되는 열 경사의 한계 값에서 약 2°정도 이탈된 값이다. 그러나, 본 발명의 원리에 따른 표면 냉각 방법을 사용하면, 미세 소자 열 모델은 이 요구 조건에 부합함을 보여준다.
2개의 SHG 모듈(30)을 포함하는 이 장치는 검사되었다. 이 장치는 20Hz 동작시에도 성능 저하를 보이지 않았는데, 이런 열 관리 방법을 사용하지 않은 종래의 검사에서는 모듈(30) 내부의 한 세트의 열 경사에 의해 10%의 성능 저하가 있었다.
이제까지, 고출력 레이저 시스템에 사용하기 위한 새로운 전도성 표면-냉각 광학 소자가 기술되었다. 그러나 상술한 실시예는 본 발명의 원리의 응용을 나타내는 다수의 특정 실시예들 중의 일부에 불과하며, 본 분야에 숙련된 기술자들은 첨부한 특허 청구 범위를 벗어나지 않고서 본 발명을 여러가지 형태로 변형시킬 수 있다.

Claims (18)

  1. 열 전도 하우징, 상기 하우징 내에 배치된 제 1 및 제 2 표면을 갖고 있고, 레이저 에너지가 상기 제 1 및 제 2 표면의 평면에 대해 가로 방향으로 전파되도록 채택된 투광 광학 소자 및 투광 광학 소자의 상기 제 1 및 제 2 표면에 각각 인접하게 배치되어 있고 제 1 및 제 2 갭만큼 상기 제 1 및 제 2 표면으로부터 이격된 표면을 갖고 있는, 투광 열 싱크를 포함하는 제 1 및 제 2 투광 윈도우를 포함하되, 상기 광학 소자에서 발생된 열이 상기 갭에 의해 레이저 에너지 전파 방향에 실질적으로 평행한 방향으로 제 1 및 제 2 투광 윈도우로 수동적으로 전도되고 그 다음 하우징으로 전도되는 것을 특징으로 하는 레이저 시스템에 사용하기 위한 광학 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 광학 소자와 상기 제 1 및 제 2 투광 윈도우 사이에 배치된 가스 충전 갭을 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 시스템에 사용하기 위한 광학 장치.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 하나의 가스 충전 갭이 상기 광학 소자의 가장자리에 인접하게 상기 투광 윈도우 중의 하나의 윈도우 상에 갭의 두께로 배치되는 유전체 막을 포함하고, 다른 상기 가스 충전 갭이 상기 광학 소자의 두께보다 조금 크게 하우징을 가공함으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 레이저 시스템에 사용하기 위한 광학 장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 각각의 상기 갭이 상기 광학 소자와 상기 제 1 및 제 2 투광 윈도우 각각의 사이에 스페이서를 배치함으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 레이저 시스템에 사용하기 위한 광학 장치.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 스페이서가 유전체 쐐기(shim)를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 시스템에 사용하기 위한 광학 장치.
  6. 제 4 항에 있어서, 상기 스페이서가 진공 침착 유전체 막을 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 시스템에 사용하기 위한 광학 장치.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 광학 소자가 레이저 결정을 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 시스템에 사용하기 위한 광학 장치.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 광학 소자가 비선형 주파수 변환 결정을 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 시스템에 사용하기 위한 광학 장치.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 비선형 주파수 변환 결정이 KTiOPO4(KTP) 결정을 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 시스템에 사용하기 위한 광학 장치.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 투광 윈도우 각각이 사파이어 윈도우를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 시스템에 사용하기 위한 광학 장치.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 광학 소자를 설정된 온도를 가열시키기 위해 상기 하우징에 결합된 저항성 가열기 및 열 확산기를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 시스템에 사용하기 위한 광학 장치.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 광학 소자의 온도를 제어하기 위해 피드백 제어 루프에 사용되는 상기 광학 소자에 인접하게 배치되는 온도 감지기를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 시스템을 사용하기 위한 광학 장치.
  13. 열 전도 하우징, 레이저 에너지가 제 1 및 제 2 표면에 대해 실질적으로 가로 방향으로 전파하도록 상기 하우징 내에 배치된 상기 제 1 및 제 2 표면을 갖고 있는 투광 광학 소자 및 각각이 상기 광학 소자의 상기 각각의 제 1 및 제 2 표면에 인접하나 제 1 및 제 2갭 만큼 이격된, 투광 열 싱크를 포함하는 제 1 및 제 2 투광 윈도우를 포함하되, 상기 광학 소자에서 발생된 열이 레이저 에너지 전파 방향에 평행한 방향으로 상기 갭에 의해 상기 제 1 및 제 2 투광 윈도우로 수동적으로 전도되는 것을 특징으로 하는 레이저 시스템.
  14. 열 전도 하우징, 레이저 에너지가 제 1 및 제 2 표면의 평면에 대해 실질적으로 가로 방향으로 전파하도록 상기 하우징 내에 배치된 상기 제 1 및 제 2 표면을 갖고 있는 투광 광학 소자 및 상기 광학 소자의 각각의 표면에 접촉되게 배치되어 있는, 투광 열 싱크를 포함하는 제 1 및 제 2 투광 윈도우를 포함하되, 상기 광학 소자에서 발생된 열이 상기 레이저 에너지 전파 방향에 평행한 방향으로 상기 제 1 및 제 2 투광 윈도우로 수동적으로 전도되는 것을 특징으로 하는 레이저 시스템에 사용하기 위한 광학 장치.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 광학 소자를 선정된 온도로 가열시키기 위해 상기 하우징에 결합된 저항성 가열기 및 열 확산기를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 시스템에 사용하기 위한 광학 장치.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 광학 소자의 온도를 제어하기 위해 피드백 제어 루프에 사용되는 상기 광학 소자에 인접하게 배치되는 온도 감지기를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 시스템에 사용하기 위한 광학 장치.
  17. 제 14 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 투광 윈도우 각각이 사파이어 윈도우를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 시스템에 사용하기 위한 광학 장치.
  18. 제 14 항에 있어서, 상기 광학 소자가 비선형 주파수 변환 결정을 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 시스템에 사용하기 위한 광학 장치.
KR1019930006846A 1992-04-24 1993-04-23 전도성 표면-냉각 레이저 결정 KR0130191B1 (ko)

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