KR0149771B1 - 고반복, 고에너지 및 고출력 레이저 빔 발생용 고체 레이저 - Google Patents

고반복, 고에너지 및 고출력 레이저 빔 발생용 고체 레이저 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고반복, 고에너지 및 고출력 레이져 빔 발생용 고체 레이저에 관한 것이다. 좀 더 구체적으로, 본 발명은 고에너지 및 고출력을 지닌 레이저 빔을 고반복율로 발생시킬 수 있으며 광학적으로 정렬을 용이하게 수행할 수 있는 고체 레이저(solid-state laser)에 관한 것이다. 본 발명의 고체 레이저는 제1 광속크기 조절수단93) ; 편광 광 분할기(4) ; 제1선편광 회전수단(5); 제1광 분할수단(7) ; 앰프(8), 렌즈(9) 및 위상 공액거울의 역할을 하는 유도 브릴루앙 산란셀(10)을 포함하는 레이저 증폭기가 병렬로 다수개 연결되어 구성된 제1레이저 증폭수단(11) ; 제2선편광 회전수단(12) ; 제2광 분할수단(13) ; 및, 앰프(14), 렌즈(15) 및 위상 공액거울의 역할을 하는 유도 브릴루앙 산란셀(16)을 포함하는 레이저 증폭기가 병렬로 다수개 연결되어 구성된 제2레이저 증폭수단(17)을 포함하는 레이저 증폭 시스템(18)이 직렬로 다수개 연결되어 구성된 것을 특징으로 한다. 본 발명의 고체 레이저는 작은 공간에서 무한히 큰 출력과 에너지를 지닌 레이저 빔을 고반복율로 발생할 수 있으며, 광학적으로 정렬을 용이하게 수행할 수 있는 등의 효과를 지니고 있다.

Description

고반복, 고에너지 및 고출력 레이저 빔 발생용 고체 레이저
제1도는 본 발명의 일 실시예에 따른 고체 레이저에 대한 개략적인 구성도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 레이저 발진기 3 : 제1광속크기 조절수단
4 : 편광 광 분할기 5, 5' : 제1선편광 회전수단
6 : 제2광속크기 조절수단 7 : 제1광 분할수단
8, 14 : 앰프 9, 15 : 렌즈
10, 16 : 유도 브릴루앙 산란셀 11 : 제1레이저 증폭수단
12, 12' : 제2선편광 회전수단 13 : 제2광 분할수단
17 : 제2레이저 증폭수단 18 : 레이저 증폭 시스템
본 발명은 고반복, 고에너지 및 고출력 레이저 빔 발생용 고체 레이저에 관한 것이다. 좀 더 구체적으로, 본 발명은 고에너지 및 고출력을 지닌 레이저 빔을 고반복율로 발생시킬 수 있으며 광학적으로 정렬을 용이하게 수행할 수 있는 고체 레이저(solid-state laser)에 관한 것이다.
레이저 중에서도 고출력(high power)을 지닌 네오디뮴 글라스(Nd+3: glass) 등의 고체 레이저는 레이저 재료가공(laser material processing)을 비롯하여 엑스선 리소그라피(X-ray lithography), 엑스선 현미경(X-ray microscope) 및 핵융합(nuclear fusion) 연구 등 그 응용분야가 매우 광범위하므로, 이에 대한 연구가 여러 나라에서 활발히 진행되고 왔다.
고출력을 지닌 대표적인 종래의 고체 레이저로는 레이저 발진기에서 발생한 레이저 빔을 레이저 증폭 매질(active medium)과 유도 브릴루앙 산란셀(stimulated Brillourin scattering cell)을 사용하여 증폭시킴으로써 고출력 및 고에너지(high energy)를 지닌 레이저 빔을 발생시키는 레이저가 개발된 바 있다[참조 : N. G. Basov et al, Sov. J. Quantum Electron, 11 : 819-823(1981) ; M. J. Damzen et al, J. Opt. Soc. Am., 152 : 120(1984)].
그러나, 전기한 종래의 고출력 레이저는 고출력 및 고에너지를 지닌 레이저 빔을 반복적으로 발생할 수 없다는 결정적인 문제점을 지녀 산업상 실제적으로 사용하는데에는 한계를 지니고 있었다.
즉, 전기한 종래의 고체 레이저에서는 레이저 증폭 매질의 열전도도(thermal conductivity)가 매우 작기 때문에, 증폭 매질의 냉각(cooling)이 어려워 고출력 및 고에너지를 지닌 레이저 빔을 고반복율(high repetition rate)로 발생시킬 수 없었다.
전기한 종래의 고체 레이저가 지닌 문제점을 해결하기 위해서는 증폭 매질의 직경을 줄여야 하나, 일반적으로 매질의 직경을 일정한 한계치보다 줄이게 되면 레이저 빔의 강도(intensity)가 매우 커져 증폭 매질이 광손상(damage)을 입게 된다는 또 다른 문제점이 유발된다.
또한, 전기한 종래의 고체 레이저는 펌핑(pumping)용 광원인 섬광등(flash lamp)이나 기타 손상을 입은 광학부품 및 광 증폭 물질을 교체할 필요가 있을 때에는 전체 시스템을 광학적으로 미세하고 복잡하게 재정렬(alignment)시키는 과정이 요구된다는 문제점을 지니고 있었다.
따라서, 레이저 재료가공 등에 효율적으로 사용될 수 있도록, 고출력 및 고에너지를 지닌 레이저 빔을 고반복율로 발생시킬 수 있으며 광학적으로 정렬을 용이하게 수행할 수 있는 고체 레이저의 개발이 끊임없이 요구되어 왔으나, 이에 대하여는 현재까지 괄목할 만한 연구결과가 없는 실정이다.
결국, 본 발명의 목적은 고출력 및 고에너지를 지닌 레이저 빔을 고반복율로 발생할 수 있으며 광학적으로 정렬을 용이하게 수행할 수 있는 고체 레이저를 제공함에 있다.
본 발명자는 고체 레이저 발진기에서 발생된 레이저 빔을 다수의 분할된 경로로 나누어 증폭(amplification)시킨 다음 재결합시키는 방법을 사용하고, 편광 광 분할기(polarization beam splitter, PBS)를 사용하여 레이저 빔의 입출력 방향을 일치시키는 동시에, 유도 브릴루앙 산란(stimulated Brillourin scattering, SBS) 현상을 이용한 위상 공액 거울(phase conjugation mirror, PCM)을 사용하여 반사된 레이저 빔이 항상 위상 공액 거울에 입사된 방향으로 되반사되게 함으로써, 고출력 및 고에너지를 지닌 레이저 빔을 고반복율로 발생할 수 있으며 광학적으로 정렬을 용이하게 수행할 수 있는 고체 레이저를 제작할 수 있다는 것을 발견하고, 예의 연구를 거듭한 결과 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
상기한 목적을 달성하는 본 발명의 고체 레이저는, 레이저 발진기에서 선편광(linearly polarizated light)되어 나온 레이저 빔의 광속을 확대시키기 위한 제1광속크기 조절수단 ;
전기한 제1광속크기 조절수단에 의해 광속이 확대된 레이저 빔을 제1레이저 증폭수단으로 반사시키기 위한 편광 광 분할기 ;
전기한 편광 광 분할기에서 반사된 레이저 빔의 편광을 왕복했을 때 90°회전된 선편광으로 만들기 위한 제1선편광 회전수단 ;
전기한 제1선편광 회전수단에 의해 원편광(circularly polarized light)된 레이저 빔을 다수개의 레이저 빔으로 분할시키기 위한 제1광 분할수단 ;
앰프(amp), 렌즈 및 위상 공액거울의 역할을 하는 유도 브릴루앙 산란셀을 포함하는 레이저 증폭기가 병렬로 다수개 연결되어 구성되며 전기한 제1광 분할수단에 의해 분할된 각각의 레이저 빔을 증폭시키기 위한 제1레이저 증폭수단 ;
전기한 레이저 제1레이저 증폭수단에 의해 증폭되고 편광 광 분할기를 통과한 레이저 빔의 편광을 왕복했을 때 90°회전된 선편광으로 만들기 위한 제2선편광 회전수단 ;
전기한 제2선편광 회전수단에 의해 원편광된 레이저 빔을 다수개의 레이저 빔으로 분할시키기 위한 제2광 분할수단 ; 및,
앰프, 렌즈 및 위상 공액거울의 역할을 하는 유도 브릴루앙 산란셀을 포함하는 레이저 증폭기가 병렬로 다수개 연결되어 구성되며 전기한 제2광 분할수단에 의해 분할된 각각의 레이저 빔을 증폭시키기 위한 제2레이저 증폭수단을 포함하는 레이저 증폭 시스템이 직렬로 다수개 연결되어 구성된 것을 특징으로 한다.
이때, 전기한 본 발명의 고체 레이저에는 전기한 편광 광 분할기에서 반사된 레이저 빔의 광속 크기를 재조절하기 위한 제2광속크기 조절 수단이 추가로 포함될 수 있다.
이때, 전기한 제1광속크기 조절수단 및 제2광속크기 조절수단은 오목렌즈 및 볼록렌즈로 구성된 광속크기 조절장치의 형태로 구성하거나, 2개의 볼록렌즈로 구성된 공간 주파수 여과(spatial frequency filtering)장치의 형태로 구성할 수 있다.
또한, 전기한 제1선편광 회전수단 및 제2선편광 회전수단으로는 λ/4 파장판(Plate), 륨 프리즘(Rhomb prism) 또는 파라데이 회전기(Faraday rotator) 등이 사용될 수 있으며, 전기한 제1선편광 회전수단 및 제2선편광 회전수단은 전기한 제1광 분할수단 및 제2광 분할수단 전에 위치하거나, 전기한 제1레이저 증폭수단 및 제2레이저 증폭수단의 앰프와 유도 브릴루앙 산란셀 사이에 위치하도록 구성할 수 있다.
아울러, 전기한 제1광 분할수단 및 제2광 분할수단으로는 쇄기형 광 분할기가 사용될 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고체 레이저의 구성 및 작용효과를 첨부도면을 참조하여 보다 상세히 설명한다.
제1도는 본 발명의 일 실시예에 따른 고체 레이저에 대한 개략적인 구성도이다.
제1도에서 보듯이, 본 발명의 고체 레이저는 레이저 발진기(1)에서 선편광된 레이저 빔의 광속을 확대시키기 위한 제1광속크기 조절수단(3) ; 전기한 제1광속크기 조절수단(3)에 의해 광속이 확대된 레이저 빔을 제1레이저 증폭수단(11)으로 반사시키기 위한 편광 광 분할기(4) ; 전기한 편광광 분할기(4)에서 반사된 레이저 빔의 편광을 왕복했을 때 90°회전된 선편광으로 만들기 위한 제1선편광 회전수단(5) ; 전기한 편광 광 분할기(4)에서 반사된 레이저 빔의 광속 크기를 조절하기 위한 제2광속크기 조절수단(6) ; 전기한 제2광속크기 조절수단(6)에서 광속의 크기가 조절된 레이저 빔을 다수개의 레이저 빔으로 분할시키기 위한 제1광 분할수단(7) ; 앰프(8), 렌즈(9) 및 위상 공액거울의 역할을 하는 유도 브릴루앙 산란셀(10)을 포함하는 레이저 증폭기가 병렬로 다수개 연결되어 구성되며 전기한 제1광 분할수단(7)에 의해 분할된 각각의 레이저 빔을 증폭시키기 위한 제1레이저 증폭수단(11) ; 전기한 레이저 제1레이저 증폭수단(11)에 의해 증폭되고 편광 광 분할기(4)를 통과한 레이저 빔의 편광을 왕복했을 때 90°회전된 선편광으로 만들기 위한 제2선편광 회전수단(12) ; 전기한 제2선평광 회전수단(12)에 의해 원편광된 레이저 빔을 다수개의 레이저 빔으로 분할시키기 위한 제2광 분할수단(13) ; 및 앰프(14), 렌즈(15) 및 위상 공액거울의 역할을 하는 유도 브릴루앙 산란셀(16)을 포함하는 레이저 증폭기가 병렬로 다수개 연결되어 구성되며 전기한 제2광 분할수단(13)에 의해 분할된 각각의 레이저 빔을 증폭시키기 위한 제2레이저 증폭수단(17)을 포함하는 레이저 증폭 시스템(18)이 직렬로 다수개 연결되어 구성된다.
이때, 전기한 제1광속크기 조절수단(3) 및 제2광속크기 조절수단(6)은 오목렌즈 및 볼록렌즈로 구성된 광속크기 조절장치의 형태로 구성하거나, 2개의 볼록렌즈로 구성된 공간 주파수 여과장치의 형태로 구성할 수 있다. 또한, 전기한 제1선편광 회전수단(5) 및 제2선편광 회전수단(12)으로는 λ/4 파장판, 롬 프리즘 또는 파라데이 회전기 등이 사용될 수 있으며, 전기한 제1선편광 회전수단(5) 및 제2선편광 회전수단(12)은 전기한 제1광 분할수단(7) 및 제2광 분할수단(13) 전에 위치하거나, 전기한 제1레이저 증폭수단(11) 및 제2레이저 증폭수단(17)의 앰프(8, 14)와 유도 브릴루앙 산란셀(10, 16) 사이에 위치하도록 구성할 수 있다. 아울러, 전기한 제1광 분할수단(7) 및 제2광 분할수단(13)으로는 쇄기형 광분할기가 사용될 수 있다.
본 발명의 고체 레이저에서는, 레이저 발진기91)에서 방출된 선편광 되고 질이 좋은 특성(good quality)를 지니며 빔의 크기가 d1인 레이저 빔은 제1광속크기 조절수단(3)에 의해 빔의 크기가 d2로 확대되며, 전기한 제1광속크기 조절수단(3)에 의해 광속이 확대되고 편광된 빔 1(편광방향 : ⊙)은 편광 광 분할기(4)에 의해 제1레이저 증폭수단(11)으로 반사된다.
전기한 편광 광 분할기(4)에 의해 반사된 레이저 빔 2(편광방향 : ⊙)은 제1선편광 회전수단(5)을 통과하도록 하여 레이저 빔이 전기한 제1선편광 회전수단(5)을 왕복했을 때 선편광이 90°회전하게 되는데, 이때 전기한 제1선편광 회전수단(5)은 앰프(8)와 유도 브릴루앙 산란셀(10) 사이에 위치하도록 구성할 수도 있다.
전기한 선편광 회전수단(5)에 의해 원편광된 레이저 빔은 제2광속 크기 조절수단(6)에 의해 레이저 빔의 크기가 d3로 적당히 조절된다. 이와같이, 전기한 제1광속크기 조절수단(3) 및 제2광속크기 조절수단(6)에 의해 제1레이저 증폭수단(11)에 들어가는 레이저 빔의 크기를 조절할 수 있으므로, 광의 강도를 용이하게 조절할 수 있게 된다.
전기한 제2광속크기 조절수단(6)에 의해 광속의 크기가 조절된 레이저 빔은 쇄기형 광 분할기(7)에 의해 하나의 레이저 빔의 크기가 d4인 다수의 레이저 빔으로 분할되고, 분할된 각각의 레이저 빔은 앰프(8), 렌즈(9) 및 위상 공액거울의 역할을 하는 유도 브릴루앙 산란셀(10)을 포함하는 레이저 증폭기가 병렬로 다수개 연결되어 구성된 제1두 경로 레이저 증폭수단(two pass laser amplifier)(11)에 의해 증폭된다. 이때, 제1레이저 증폭수단(11)의 증폭기들은 다수개가 병렬로 임의의 갯수(M1×M2)만큼 연결되어 구성될 수 있다. 또한, 전기한 유도 브릴루앙 산란셀(10)의 매질로는 액체 및 기체 등이 모두 사용될 수 있으며, 렌즈(9)로는 유도 브릴루앙 산란이 일어나기 적당한 길이의 촛점거리(focal length)를 지닌 렌즈가 사용될 수 있다.
전기한 제1레이저 증폭수단(11)에 의해 각각의 유도 브릴루앙 산란 셀(10)에서 반사되어 증폭된 레이저 빔 각각은 다시 제1광 분할수단(7)을 통과하면서 하나로 재결합되고, 다시 제1광속크기 조절수단(6)에 의해 빔의 크기가 d2로 확대된후, 제1선편광 회전수단(5)에 의해 처음과 수직이 되는 선편광된 레이저 빔 3(편광방향 : ↕)으로 된다.
전기한 레이저 빔은 다시 편광 광 분할기(4)를 통과하게 되며, 전기한 편광 광 분할기(4)를 통과한 레이저 빔 4(편광방향 : ↕)은 제2선편광 회전수단(12)을 통과하여 다시 원편광되고, 제2광 분할수단(13)에 의해 하나의 레이저 빔의 크기가 d5인 다수의 레이저 빔으로 분할되며, 분할된 각각의 레이저 빔은 앰프(14), 렌즈(15) 및 위상 공액거울의 역할을 하는 유도 브릴루앙 산란셀(16)을 포함하는 레이저 증폭기가 병렬로 다수개 연결되어 구성된 제2두 경로 레이저 증폭수단(17)에 의해 증폭된다. 이때, 제2레이저 증폭수단(17)의 증폭기들은 다수개가 병렬로 임의의 갯수(N1×N2)만큼 연결되어 구성될 수 있다. 또한, 제2선편광 회전수단(12)은 앰프(14)와 유도 브릴루앙 산란셀(16) 사이에 위치하도록 구성할 수도 있다.
전기한 제2레이저 증폭수단(17)에 의해 각각의 유도 브릴루앙 산란 셀(16)에서 반사되어 증폭된 레이저 빔 각각은 다시 제2광 분할수단(13)을 통과하면서 하나로 재결합되고, 제2선평광 회전수단(12)을 통과하면서 처음과 같은 방향의 선편광된 레이저 빔 5(편광방향 : ⊙)으로 되어, 편광 광 분할기(4)에 의해 반사된 다음, 반사된 레이저 빔 6(편광방향 : ⊙)은 외부로 출력된다.
이때, 레이저 증폭 시스템(18)에서 출력된 레이저 빔은 전술한 레이저 증폭시스템과 직렬로 연결된 다수개의 레이저 증폭 시스템에 의해 전술한 과정과 동일한 과정으로 증폭된 다음, 외부로 증폭되게 된다.
전술한 본 발명의 고체 레이저에서는, 레이저 발진기(1)에서 최초로 발생한 레이저 빔 1과 제2레이저 증폭수단(17)을 통과하고 방출된 레이저 빔 6 모두가 편광 광 분할기(4)의 각도에 무관하게 항상 동일한 방향으로 진행하게 되므로, 편광 광 분할기(4)의 정렬에 신경을 쓰지 않아도 빔 6의 진행방향은 항상 빔 1의 진행방향과 같게 된다. 또한, 각 증폭수단(11, 17)에는 위상 공액 거울의 역할을 수행하는 유도 브릴루앙 산란셀(10, 16)에 의해 레이저 빔이 전기한 셀(10, 16)에 입사하는 각도에 무관하게 입사한 방향으로 되반사되므로, 유도 브릴루앙 산란셀(10, 16)이 기계적으로 적당히 배치되어도 광 진행 경로에는 변화가 없으므로 정렬이 매우 용이하게 된다.
따라서, 본 발명의 고체 레이저에서는 각 증폭수단(11, 17)에 포함된 증폭물질(10, 16)이나 섬광등 또는 다른 광학부품들이 손상 등에 의해 교환할 필요가 있을 때에도 재정렬을 매우 용이하게 수행할 수 있게 된다.
또한, 본 발명의 고체 레이저에서는 제1광속크기 조절수단(3) 및 제2광속크기 조절수단(6)에 의해 제1광 분할수단(7)에 입사되는 빔의 크기 d3를 조절함으로써, 유도 브릴루앙 산란셀(10)의 유도 브릴루앙 산란에 의한 반사율을 극대화시키면서도 유도 브릴루앙 산란셀(10)의 광손상을 방지할 수 있다.
아울러, 본 발명의 고체 레이저에서는 레이저 빔의 증폭을 위해서 큰 구경의 증폭기가 필요하여 냉각에 어려움이 있는 종래의 고체 레이저와 달리, 레이저 빔을 여러 갈래로 나누어 각각 증폭시킨 후 재결합시킴으로써, 레이저 증폭 시스템(18)을 직렬로 계속 연결시켜 구성하더라도 한개의 증폭용 레이저 봉을 냉각하는데 요구되는 시간 동안에 냉각이 가능하므로 작은 공간에서 무한히 큰 출력과 에너지를 지닌 레이저 빔을 고반복율로 발생할 수 있게 된다.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명의 고체 레이저는 작은 공간에서 무한히 큰 출력과 에너지를 지닌 레이저 빔을 고반복율로 발생할 수 있으며, 광학적으로 정렬을 용이하게 수행할 수 있는 등의 효과를 지니고 있다.

Claims (7)

  1. 레이저 발진기(1)에서 선편광된 레이저 빔의 광속을 확대시키기 위한 제1광속크기 조절수단(3) ; 전기한 제1광속크기 조절수단(3)에 의해 광속이 확대된 레이저빔을 제1레이저 증폭수단(11)으로 반사시키기 위한 편광 광 분할기(4) ; 전기한 편광 광 분할기(4)에서 반사된 레이저 빔의 편광을 왕복했을 때 90°회전된 선편광으로 만들기 위한 제1 선편광 회전수단(5) ; 전기한 제1선편광 회전수단(5)에 의해 원편광된 레이저 빔을 다수개의 레이저 빔으로 분할시키기 위한 제1광 분할수단(7) ; 앰프(8), 렌즈(9) 및 위상 공액거울의 역할을 하는 유도 브릴루앙 산란셀(10)을 포함하는 레이저 증폭기가 병렬로 다수개 연결되어 구성되며 전기한 제1광 분할수단(7)에 의해 분할된 각각의 레이저 빔을 증폭시키기 위한 제1 레이저 증폭수단(11) ; 전기한 레이저 제1레이저 증폭수단(11)에 의해 증폭되고 편광광 분할기(4)를 통과한 레이저 빔의 편광을 왕복했을 때 90°회전된 선편광으로 만들기 위한 제2선편광 회전수단(12) ; 전기한 제2선편광 회전수단(12)에 의해 원편광된 레이저 빔을 다수개의 레이저 빔으로 분할시키기 위한 제2광 분할수단(13) ; 및, 앰프(14), 렌즈(15) 및 위상 공액거울의 역할을 하는 유도 브릴루앙 산란셀(16)을 포함하는 레이저 증폭기가 병렬로 다수개 연결되어 구성되며 전기한 제2광 분할수단(13)에 의해 분할된 각각의 레이저 빔을 증폭시키기 위한 제2레이저 증폭수단(18)을 포함하는 레이저 증폭 시스템이 직렬로 다수개 연결되어 구성된 것을 특징으로 하는 고체 레이저.
  2. 제1항에 있어서, 전기한 편광 광 분할기(4)에서 반사된 레이저 빔의 광속 크기를 재조절하기 위한 제2광속크기 조절수단(6)이 추가로 포함된 것을 특징으로 하는 고체 레이저.
  3. 제2항에 있어서, 전기한 제1 광속크기 조절수단(3) 및 제2 광속크기 조절수단(6)은 오목렌즈 및 볼록렌즈로 구성된 광속크기 조절장치의 형태로 구성되거나, 2개의 볼록렌즈로 구성된 공간 주파수 여과장치의 형태로 구성된 것을 특징으로 하는 고체 레이저.
  4. 제1항에 있어서, 전기한 제1 선편광 회전수단(5) 및 제2선편광 회전수단(12)으로는 λ/4 파장판, 롬 프리즘 또는 파라데이 회전기를 사용하는 것을 특징으로 하는 고체 레이저.
  5. 제1항에 있어서, 전기한 제1선편광 회전수단(5)은 전기한 제1광 분할수단(7) 전에 위치하거나, 전기한 제1레이저 증폭수단(1)의 앰프(8)와 유도 브릴루앙 산란셀(10) 사이에 위치하도록 구성된 것을 특징으로 하는 고체 레이저.
  6. 제1항에 있어서, 전기한 제2선편광 회전수단(12)은 전기한 제2광 분할수단(13) 전에 위치하거나, 전기한 제2레이저 증폭수단(17)의 앰프(14)와 유도 브릴루앙 산란셀(16) 사이에 위치하도록 구성된 것을 특징으로 하는 고체 레이저.
  7. 제1항에 있어서, 전기한 제1광 분할수단(7) 및 제2광 분할수단(13)으로는 쇄기형 광 분할기를 사용하는 것을 특징으로 하는 고체 레이저.
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