KR100195769B1 - 고체 레이저 장치 - Google Patents

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KR100195769B1
KR100195769B1 KR1019910007825A KR910007825A KR100195769B1 KR 100195769 B1 KR100195769 B1 KR 100195769B1 KR 1019910007825 A KR1019910007825 A KR 1019910007825A KR 910007825 A KR910007825 A KR 910007825A KR 100195769 B1 KR100195769 B1 KR 100195769B1
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미찌오 오까
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이데이 노부유끼
소니 가부시끼가이샤
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Abstract

레이저 매질안에 발생된 기본파 레이저 광이 공진기 안에 제공된 비선형 광학 결정 소자를 통과하여 제2고조파 레이저 광을 발생시키도록 공진되고, 상기 기분파 레이저 광의 두 편광 모드사이의 합 주파수 발생으로 인한 커플링을 억제하기 위한 제1광학 수단이 상기 공진기안에 제공되는 고체 레이저 장치는 상기 기본파 레이저 광의 두 편광 모드가 동일한 발진 강도를 갖도록 상기 공진기의 실제 공진기 길이를 제어하는 제어수단을 포함한다. 그러므로, 동일한 편광 모드안에서의 기본파 레이저 광의 모드 커플링으로 인한 모드 홉핑(mode-hopping) 노이즈가 방지되고 발진이 안정될 수 있다.

Description

고체 레이저 장치
제1도 및 제2도는 각기 종래 기술에 따른 고체 레이저 장치의 배열을 도시하는 개략도.
제3도는 제2도의 종래 고체 레이저 장치에 사용된 복굴절성 소자의 방위각을 설명하는데 사용되는 개략도.
제4a도 내지 제4c도, 제5a도 내지 제5c도, 제6a, 6b도 및 제7a, 7b도는 각각 종래 고체 레이저 장치의 실험적 결과를 나타내는 그래프.
제8도 및 제9도는 각각 방위각 θ이 0도와 45도로 선택될 때의 고유 편광 상태를 도시하는 개략도.
제10도는 공진기안에서 기본파 레이저 광의 편광 상태를 설명하는데 사용되는 개략도.
제11도는 본 발명에 따른 고체 레이저 장치의 제1실시예의 전체 배열을 도시하는 계통도.
제12a도 및 제12b도는 본 발명에 사용된 공진기 길이 제어장치의 배열을 도시하는 계통도.
제13a도 및 제13b도는 각각 공진기 광학 경로 길이를 설명하는데 사용된 다이어그램.
제14도는 본 발명에 따른 고체 레이저 장치의 제2실시예의 일부분을 도시하는 개략도.
제15도는 P-모드 및 S-모드 사이의 관계를 나타내는 개략도.
제16도는 홀-버닝 효과를 설명하는데 사용된 개략도.
제17도는 에탈론의 구조를 나타내는 횡단면도.
제18도 및 제19도는 각각 에탈론을 설명하는데 사용된 개략도.
제20도는 공진기 길이가 짧은 공진기를 설명하는데 사용되는 개략도.
제21도는 홀-버닝 효과를 감소시키는 방법을 설명하는데 사용된 개략도.
제22도는 싱글 모드 진동을 설명하는데 사용된 개략도.
제23도 및 제24도는 V자형의 비선형 광학 결정 소자의 도식도.
제25도는 본 발명에 따른 고체 레이저 장치의 제3실시예의 앞부분을 도시한 개략도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 레이저 다이오드 RS : 진공기
4 : 레이저 모드(레이저 매질) 6 : 비선형 광학 결정 소자
17 : 오목 거울 18 : 1/4 파장판(복굴절성 소자)
19 : 평면 거울 20 : 광 스플리터
21 : 1/2 파장판 22 : 편광 스플리터
23, 24 : 광 검출기 25 : 제어신호 발생 회로
27 : 압전소자(공진기 길이 제어장치)
본 발명은 일반적으로 고체 레이저 발진기에 관한 것으로써, 특히 공진기 안에서 비선형 광학 소자를 통과하여 타입 Ⅱ의 제2고조파 레이저 광을 발생시키도록 레이저 매질안에 제공된 기본파 레이저 광이 공진되는 고체 레이저 장치에 대한 것이다.
종래 기술에 있어서는 고체 레이저 발진기의 공진기안에 제공된 기본파 레이저 광의 주파수의 2배인 주파수를 가진 제2고조파 레이저 광을 제공하므로써 단파장의 레이저 광을 방사시키도록 고체 레이저 발진기가 제공된다. 일본 실용신안 공개 공보 제48-93784 호에는 이와 같은 재래식 고체 발진기가 기술되어 있다.
이러한 종류의 고체 레이저 발진기에 있어서는, 상기 제2고조파 레이저 광이 레이저 매질을 포함하는 공진기안에 제공된 비선형 광학 결정 소자안의 기본파 레이저 광과 위상 정합되며, 그에 따라 상기 제2고조파 레이저 광이 효과적으로 제공될 수 있다.
위상 정합을 실현하기 위해서는, 타입 Ⅰ 또는 타입 Ⅱ의 위상 정합 조건이 기본파 레이저 광과 제2고조파 레이저 광사이에서 성립되어야만 한다.
타입 Ⅰ의 위상 정합은 두배로 높은 주파수를 가진 한 광양자가 다음 공식(1)에 의해 표시된 바와 같은
기본파 레이저 광의 정상 광선 (ordinary ray) 을 사용하므로써 동일한 방향으로 편광된 두 개의 광양자로부터 제공된다는 원리에 기초를 두고 있다. 그러므로, 기본파 레이저 광이 편광되고 이 광의 편광 방향이 편광 스플리터등과 같은 편광자를 사용하여 비선형 광학 결정 소자의 방향과 정합되도록 하는 조건하에 놓이게 될 경우, 원칙적으로, 비선형 광학 결정 소자로부터 방사된 기본파 레이저 광의 편광 성분(P-파 성분 및 S파 성분으로, 이들은 고유 편광으로 지칭된다.) 의 위상이 변화되는 것으로부터 방지될 수 있다. 제2고조파 레이저 광의 발생은 공진기안에서 발진하는 기본파 레이저 광에 의해 안정된 상태로 유지될 수 있다.
반면에, 타입 Ⅱ의 위상 정합에 있어서는, 두 개의 서로 직각으로 편광된 고유 기본파 광이 비선형 광학 결정 소자에 입사되고, 그에 따라 위상 정합 조건이 두 개의 고유 편광 사이에서 성립된다. 그러므로, 기본파 레이저 광이 비선형 광학 결정 소자안에서 정상 광선과 이상 광선으로 분리되며, 그에 따라 다음 공식(2)에 의해 표시된 바와 같은 제2고조파 레이저 광의 이상 광선안에 위상 정합을 유발한다.
공식(1) 및 (2)에서, ηo(w)및 ηe(w)는 정상 광선 및 이상 광선에 관한 기본파 레이저 광(주파수 f=w) 의 굴절율을 나타내고 ηo(2w)및 ηe(2w)는 정상 광선 및 이상 광선에 관한 제2고조파 레이저 광(주파수 f=2w) 의 굴절율을 나타낸다.
타입 Ⅱ의 위상 정합을 실행하기 위한 비선형 광학 소자가 공진기 안에 제공되는 재래식 고체 레이저 발진기가 제1도를 참조로 하여 기술될 것이다 (T. Bear 에 의해 쓰여지고 미국의 옵티칼 서사이어티 저널사에 의해 발행된, 제3권, 넘버 9/1986년 9월호/J. Opt. Soc. Am. B [다이오드-펌르 인트러캐버티-더블 Nd : YAG 레이저안의 종 모드 커플링으로 인한 큰-진폭 변동]이라는 제목의 페이지 1175 내지 1176를 참조하여라).
제1도에 대해 언급하건데, 여기에는 808nm의 파장 및 200mw 의 파워를 가진 레이저 광을 방사하는 레이저 다이오드(1) 가 도시된다. 이 레이저 다이오드로부터 발산될 레이저 빔은 시준기 렌즈(볼록 렌즈)(14)에 의해 시준되고 대물렌즈(15)에 의해 집광된다.
YAG 레이저 로드(4)가 전술된 레이저 매질로써 제공되며, 증기 용착 방법에 의해 처리되는 색선별 거울(dichroic mirror) D이 대물렌즈(15)에 대향하는 레이저 로드(4)의 후미 단면에 부착된다. 상기 색선별 거울 D는 대물렌즈(15)-측면으로부터의 입사광이 그것을 통과하도록 해주며 대향 측면, 즉 레이저 로드(4)의 정면 단부측 방향으로부터 입사광을 반사시킨다. 상기 레이저 로드(4)의 한 단면은 집광 렌즈 효과를 가진 곡면으로써 형성된다.
대물렌즈(15)로부터 집속된 광선이 레이저 로드(4)(즉, 광학 펌프)에 입사되고 레이저 로드(4)가 1064nm의 파장을 가진 적외선(1064nm 의 파장을 가진 이 적외선은 이후부터는 기본파로써 지칭될 것이다)을 방사하도록 포인트 P에 초점이 맞춰진다. 비선형 광학 결정 소자(6)는 KTP(KTiOPO4), 즉 한 개의 광축과 한변이 5mm인 입방체를 가진 단축 결정으로 구성된다.
상기 광학 결정 소자(6)는 입사광의 파장이 1064nm 일 때 약 0.5% 의 입사 손실을 갖는다. 또한, 이 광학 결정 소자(6)는 532nm 및 1064nm 의 파장을 가진 레이저 광이 그것을 통과하게 해주며 기본파 광(1064nm) 및 532nm의 파장을 가진 제2고조파 레이저 광(출력 광)의 위상을 정합시킨다(타입 Ⅱ 위상 정합). 오목거울(3)은 1064nm의 파장을 가진 레이저 광에 대해서는 높은 반사율(99.9%)을 가지며 532nm의 파장을 가진 레이저 광에 대해서는 높은 투과율(98%)을 가진 색선별 오목 거울이다.
레이저 로드(4)로부터 기본파 광선이 이 로드(4)의 후미 단면에 형성된 색선별 거울 D과 오목 거울(3) 사이에서 왕복 운동을 한다(두 거울 사이의 길이는 60mm이다). 상기 기본파 광선의 왕복작용에 따라, 등기-인입(pull-in) 현상으로 인해, 왕복 운동된 광선이 위상이 배열되고, 레이저 광이 발진되도록, 즉 1064nm의 파장을 가진 발진이 발생하도록 위상이 증폭된다(즉, 유도 방출). 1064nm의 파장을 가진 SHG(제2고조파 발생 또는 1/2 다중 파장 광선)의 녹색 레이저 광(파장은 532nm 이다)의 출력 레벨은 약 5 내지 10mw의 범위로 떨어진다.
광학 펌프에 의해 상기 레이저 로드(4)로 부터 얻은 기본파 광선이 광학 결정 소자(6)의 평면으로 수직하게 비춰진다. 입사 기본파 광선은 진행 방향에 대해 수직인 평면안에서 서로 수직인 방향으로 진동하는 두 개의 스트레이트 편광 성분(정상 광선 및 이상 광선)으로 분리된다. 따라서, 레이저 로드(4)로부터 얻어진 기본파 광선이 공진기 RS 내의 공간에서 왕복 운동하고 광학 결정 소자(6)을 통과할 때마다, 직교방향으로 편광된 고유 광의 위상(이상 광선 성분으로 형성된 편광과 정상 광선으로 형성된 편광)은 두 편광 사이에서 에너지가 교환되도록 커플링을 유발하기 위해 서로로부터 제거된다. 결과적으로, 이상 광선 및 정상 광선의 출력이 시간적 관점에서 변동되며, 노이즈가 발생된다. 따라서, 532nm 파장의 레이저 광이 얻어지는 안정되고 강력한 공진 상태를 형성될 수 없으며, 공진파 광선이 532nm의 파장을 가진 레이저 광으로 변환되는 변환율은 낮아진다
위에서 기술된 바와 같이, 제1도의 종래 기술 실시예에 있어서, 제2고조파 레이저 광이 타입 Ⅱ위상 정합을 사용하므로써 발생될 때, 기본파 레이저 광의 고유 편광의 위상은 상기 기본파 레이저 광이 비선형 광학 결정 소자를 통해 반복적으로 진행될때마다 변동된다. 이때에는 제2고조파 레이저 광의 발생이 안정되게 계속될 수 없다는 위험이 있다.
특별히, 수직 편광 고유 광의 위상(즉, P-파 성분 및 S-파 성분)이 직각 레이저 매질안에 발생된 기본파 레이저 광이 공진동작에 의해 비선형 광학 결정 소자를 통해 반복해서 진행할 때마다 서로로부터 제거될 경우, 공진기의 각 부분안에서 기본파 레이저 광이 효과적으로 서로를 강력하게 해주는 정상상태가 이루어질 수 없으며, 그에 따라 강력한 공진상태(즉, 강한 정재파)가 형성될 수 없다. 결국, 상기 기본파 레이저 광이 제2고조파 레이저 광으로 변환하는 변환율이 저하되며 이때에는 제2고조파 레이저 광에 있어서 노이즈가 발생할 위험이 있다.
그러므로, 고체 레이저 발진기(레이저 광원)가 제안되며, 여기서 기본파 레이저 광이 타입 Ⅱ위상 정합 상태가 만족되는 조건하에서 공진기안에서 안정되게 공진된다. 이 고체 발진기는 일본 특허 공개 공보 제 1-220879호에 기술되어 있다.
종래의 고체 발진기가 제2도를 참조하여 기술될 것이다. 제2도에 있어서, 제1도의 것에 일치하는 비슷한 부품이 동일한 참조부호로 표시되기 때문에 상세하게 설명될 필요는 없다.
제2도에 도시된 바와 같이, 고체 레이저 발진기는 시준기 렌즈(14) 및 대물렌즈(15)를 통래 레이저 다이오드(1)로부터 그것의 입사광 표면으로 방사된 여자 레이저 광을 수신하므로써 기본파 레이저 광선 LA(w)을 발생시키는 Nd : YAG 레이저 로드(레이저 매질)(4)를 포함한다.
이 기본파 레이저 광 CA(w)은 KTP(KTiOPO4)로 구성된 비선형 광학 결정 소자 (6), 예를 들면 결정판으로 구성된 1/4 파장판 및 복굴절성 소자(16)를 통해 진행되며, 그 순서로, 오목 거울(색선별 거울)(3)의 반사 평면상에 반사된다. 그때, 반사된 기본파 레이저 광은 다시 복굴절성 소자(16), 비선형 광학 결정소자(6) 및 레이저 로드 (4)를 통해 진행되고 레이저 로드(4)의 반사 평면(색선별 거울) D상에 반사된다.
따라서, 상기 기본파 레이저 광 LA(w)은 레이저 로드 매질(4)의 반사 평면(색선별 거울) D와 오목거울(3)의 반사 평면사이에 형성된 공진 광학 경로안에서 왕복 운동하도록 공진되며, 그에 따라 반사 평면 D와 오목 거울(3) 사이에 공진기 RS를 구성한다.
상기 복굴절성 소자(16)는 제3도에 도시된 바와 같이 광선의 전파 방향에 대해 수직인 평면 안에서 이상 광선 방향 굴절을 ηe(6)의 방향에 대해 이상 광선 방향 굴절을 ηe(7)의 방향이 방위각 θ=45도 만큼 경사지도록 광축 위치에서 세트된다.
전술된 배열로, 기본파 레이저 광선 LA(w)이 상기 공진 광학 경로를 경유하여 비선형 광학 결정 소자(6)를 통해 진행할 때, 이 기본파 레이저 광선 LA(W)은 제2고조파 레이저 광 LA(w)를 발생시킨다. 이 제2고조파 레이저 광 LA(2w)은 오목 거울(3)을 통해 진행되며 출력 레이저 광 LAout으로써 투과된다.
이 조건하에서, 상기 기본 레이저 광 LA(w)을 구성하는 각각의 광선은 비선형 광학 결정 소자(6)에 대해 방위각 θ=45도 만큼 옮겨진 위치에 놓인 복굴절성 소자(16)를 통해 진행되며, 그에 따라 공진기의 각 부분안의 레이저 광의 파워가 소정의 레벨로 안정된다.
제2도에 도시된 종래 기술의 실시예에 있어서의 실험적 결과가 아래와 같이 설명될 것이다.
특별히, Nd : YAG 레이저 로드(4)가 레이저 다이오드(1)에 의해 여기되는 공진기 RS 로, KTP(KTiOPO4)로 형성된 상기 비선형 광학 결정 소자(6) 및 공진기 RS 의 기본파 레이저 광 LA(w)(파장은 1.06μm이다)의 파장에 대해 1/4파장판으로 구성된 복굴절성 소자(16)가 삽입된다.
이 배열로, 복굴절성 소자(16)가 방위각 θ=0도의 위치에 배치(즉, 복굴절성 소자(16)의 이상 광선 방향의 광축이 비선형 광학 결정 소자(6)의 이상 광선 방향의 광축과 일치함) 되고 방위각 θ이 45도(즉, θ=45도)만큼 회전하게 되는 조건하에서) 기본파 레이저 광 LA(w)및 제2고조파 레이저 광 LA(2w)의 이상 광선 성분 Ee(w)및 정상 광선 성분 Eo(w)이 각각 광 검출기에 의해 검출된다.
결과적으로, θ=0도인 제1상태에서의 기본파 레이저 광 LA(2w)의 이상 광선 성분 Ee(w)및 정상 광선 성분 Eo(w)는 제4a도 및 제4b도에 도시된 바와 같이 시간 t에 따라 불안정한 변화를 나타낸다.
모드 경험으로 인해 이상 광선 성분 Ee(w)과 정상 광선 성분 Eo(w)이 그들 사이에 상관 관계가 생길 수 있음은 말할 나위도 없다.
더욱이, 제4C도로부터 파워 레벨이 시간 t에 따라 불안정하게 변동되는 기본 레이저 광 LA(w)에 응답하여 발생된 제2고조파 레이저 광 LA(2w)의 출력 P(2w)이 고주파 성분으로부터 저주파 성분으로의 범위 내에서 상기 파워 레벨이 크게 변동 될때와 같이 불안정한 변동을 나타냄은 말할 나위도 없다.
반면에, 복굴절성 소자(16)의 방위각 θ이 θ=45도에 세트되는 제2상태하에서, 기본파 레이저 광 LA(w)의 이상 광선 성분 Ee(w)및 정상 광선 성분 Eo(w)이 제5a도 및 제5b도에 도시된 바와 같이 시간 t에 따라 거의 일정한 값을 나타내도록 안정된다는 것도 더 이상 말할 필요가 없다. 또한, 안정된 기본파 레이저 광 LA(w)에 의해 발생된 제2고조파 레이저 광 LA(2w)의 출력 P(2w)이 제5c도에 도시된 바와 같이 거의 일정한 값으로 안정된다는 것도 더 이상 말할 나위가 없다.
공진 광학 경로를 통해 공진하는 기본파 레이저 광 LA(w)이 편광 소자등에 의해 직선적으로 편광되지 않기 때문에, 상기 기본파 레이저 광 LA(w)은 기본파 모드에 있어서 직각으로 편광된 두 개의 고유 빔을 발생시키며, 이들 두 개의 고유 편광은 두 모드사이에 위상 관계를 갖지 않는 무작위 편광이다.
이러한 기본파 레이저 광 LA(w)에 의해 상기 비선형 광학 결정 소자(6)안에 제2고조파 레이저 광이 발생될 때, 상기 출력 P(2w)은 다음 공식 (3)에 의해
표현된 바와 같이, 비선형 광학 결정 소자(6)안에서 기본파 레이저 광 LA(w)의 이상 광선 성분 출력 Pe(w)과 정상 광선 성분 출력 Po(w)의 곱에 비례하게 되며, 여기서 d2는 비례 상수이다.
한편, 출력 P(2w)이 이상 광선 성분 출력 Pe(w)과 정상 광선 성분 출력 Po(w)의 곱에 의해 표현될 때, 에너지가 그 편광 상태사이에서 상호 교환될 수 있도록 커플링이 두 개의 고유 편광 상태(즉, 이상 광선 성분 및 정상 광선 성분으로 구성된 편광)사이에서 발생한다.
두 개의 편광, 즉, 비선형 광학 결정 소자(6)안에서 이상 광선 성분 및 정상 광선 성분사이에서 에너지가 교환될 경우, 이상 광선 성분 및 정상 광선 성분의 출력 Pe(w) 및 Po(w) 은 시간 t에 따라 변동되며, 따라서 비선형 광학 결정 소자(6)안에 발생된 제2고조파 출력 P(2w)을 불안정하게 만든다.
즉, 복굴절성 소자(16)의 방위각 θ이 θ=0도로 선택되는 배열에 있어서, 상기 출력 레이저 광 LAout은 제6a도에 도시된 바와 같이 실제로는 사용될 수 없는 매우 큰 에너지를 가진 노이즈 성분을 포함한다.
제6b도에서 곡선 K1으로 도시된 바와 같이 주파수 f가 약 5MHz가 될 때 출력 레이저 광 LAout의 노이즈 스팩트럼은 약 53db의 노이즈를 포함한다는 것을 주목해야 한다.
복굴절성 소자(16)의 방위각 θ이 θ=45도로 세트되는 동안, 출력 레이저 광 LAout이 제7a도에 도시된 바와 같이 충분히 억제된 노이즈 성분을 가진 안정된 신호를 제공한다는 것은 더 이상 말할 나위도 없다. 또한, 그것의 노이즈 스팩트럼이 제7b도에서 곡선 K2로 도시된 바와 같이 주파수 f가 5MHz로 될 때 S/N(신호대 노이즈) 비에 있어서 약 80dB만큼 향상된다는 것도 주목해야만 한다.
제2도의 고체 레이저 장치에 따라, 제2고조파 레이저 광 LA(2w)이 타입 Ⅱ위상 정합 조건하에서 비선형 광학 결정 소자(6)안에서 발생될 때, 복굴절성 소자(16)의 방위각이, 공진기 RS의 공진 광학 경로를 통해 전파하는 기본파 레이저 광 LA(w)의 두 전파사이에서 커플링 현상이 발생되는 것을 막을 수 있도록, 45도로 선택된다는 사실이 상기 실험적 결과로부터 분명해진다. 결과적으로, 제2고조파 레이저 광 LA(2w)으로 구성된 출력 레이저 광 LAout이 안정될 수 있다. 그러므로 공진기의 공진 광학 경로 안에서 직각으로 편광된 두 개의 고유 광이 기본파 모드로 발생되고 상기 두 모드사이의 위상 관계와 전혀 상관되지 않고 무작위로 편광된 광의 기본파 레이저 광 LA(w)이 공진될 수 있기 때문에, 여분의 편광기가 삽입될 필요가 없으며, 따라서 전체 배열을 보다 단순화시킨다.
제2고조파 레이저 광 LA(w)이 제2도에 도시된 바와 같이 타입 Ⅱ위상 정합 조건하에서 비선형 광학 결정 소자(6)안에 발생될 때, 상기 공진 동작은 복굴절성 소자(16)를 방위각 θ이 45도인 위치에 삽입시키므로써 안정된다. 그 이유는 다음과 같은 이론적 관점으로부터 이해할 수 있다.
즉, 공진기 RS 안에서, 다음의 레이트 공식이 상기 두 모드가 성립될 때 성립된다 ;
여기서 τc는 공진기의 왕복 시간이고, τf는 현광 수명이며, α1및 α2는 각각 두 모드에 있어서의 손실 계수이고, ε1은 각 모드에 있어서 제2고조파 성분의 발생에 의해 초래된 손실 계수이며, ε2는 두 모드사이에 합 주파수의 발생에 의해 초래된 손실 계수이고, β는 포화 파라미터이며, G1 0및 G2 O는 각각 두 모드에 있어서의 작은 신호 이득이고, I1및 I2는 각각 두 모드에서의 광의 세기이며, G1및 G2는 각각 도 모드에서의 이득이고, β12및 β21은 각각 두 모드에서 크로스-세츠레이션 파라미터이다.
상기 레이트 공식과 관련하여, 멀티 종 모드에서의 커플링으로 인해 공진기의 공진 동작이 불안정해짐을 지적한 논문이 공지되어 있다. 즉, 멀티 종 모드사이의 커플링에 대한 레이트 공식이 미국의 옵티칼 서사이어티 저널사에 이해 1986년 9월에 발행된 제3권, 제9번으로 T.Bear에 의해 저술된 다이오드-펌프 인트러캐버티-더블 Nd : YAG 레이저안의 종 모드 커플링으로 인한 큰-진폭 변동이라는 제목으로 1175에서 1180에 기술되어 있다.
이 논문에 근거한 레이트 공식은, 두 개의 고유 편광 모드에 대해 공식(4) 내지 (7)이 성립될 수 있도록, 두 개의 고유 편광 모드에 간단하게 적용될 수 있다.
공식(4) 내지 (7)중, 공식(4) 및 (6)은 두 고유 편광 모드의 광의 세기 I1및 I2를 가진 곱셈 항 (-2ε2I1I2)을 포함하며, 그에 따라 공진기의 내부안에서 두 고유 편광 모드의 공 세기가 서로 연결된다. 이 연결에 있어서, 공식(4) 및 (6)은 광의 세기 I1(또는 I2)가 변동될 때, 광의 세기 I2(또는 I1)또한 변동될 수 있도록 상기 관계를 표현한다. 한편, -2ε2I1I2의 곱셈항에서 계수 ε2는 방위각 θ이 θ=45도를 만족하도록 선택될 때 ε2=0를 만족한다. 반면에, 방위각 θ이 θ`45도로 선택될 때, 계수 ε2는 0과는 다른 값을 갖게 되며, 이것은 아래와 같이 증명될 수 있다. 이 조건하에서, -2ε2I1I2의 곱셈 항은 공식(4) 및 (6)에 의해 표현된 공진 공식이 안정될 수 있도록 레이트 공식(4) 및 (6)으로부터 지워질 수 있다.
먼저, 방위각이 θ≠45도로 선택되는 일반적인 조건의 한 실시예로써 θ=0도가 선택된다고 생각하자.
그때 비선형 광학 결정 소자 (6)상에 입사된 두 고유 편광의 전계 벡터 E1및 E2는 그들이 비선형 광학 결정 소자 (6)의 정상 광선 o와 이상 광선 e에 일치하도록 하는 조건하에서 비선형 광학 결정 소자 (6)에 입사된다. 따라서, 비선형 광학 결정 소자 (6)의 정상 광선 축 0이 X축이 되고 이상 광축 e가 y축이 되는 죤스 벡터에 의해 입사 전계 벡터 E1및 E2를 표현하는 것은 다음의 공식 (8) 및 (9)를 제공한다.
여기서, 죤스 벡터는 위상 항을 생략한 계수에 의해서만 표현된다.
따라서, 공진기 CAV 안의 기본파 레이저 광 LA(w)의 시간 평균치는 다음 공식(10)에 의해 전계의 크기 E1및 E2의 제공의 합으로 표현될 수 있다.
여기서 (E1+E2)*및 E1 *및 E2 *는 각각 (E1+E2), E1및 E2의 공액 벡터이다.
공식(10) 에서, 서로 곱해질 항은 큰 상관값을 갖거나 또는 E1및 E2의 경우에 있어서, 시간 평균치및는 다음 공식(11) 및 (12)에 의해 표현된다 :
반면에, E1E2 *및 E2E1 *의 경우에 있어서, 곱셈항으로 표현되는 전계 E1및 E2는 각각 두 개의 고유 직각 편광 모드의 전계 성분으로 된다. 더욱이, 두 모드사이에 어떠한 위상 관계의 상관도 갖지 않는 랜덤 편광에 의해, 그들사이에 상관이 없어지며 결과적으로, 시간 평균치는 다음 공식(13) 및 (14)에 의해 표현된 바와 같이 O가 된다.
제2고조파 레이저 광 LA(2w)의 전계 E(2w)는, 타입 Ⅱ위상 정합의 경우, 다음 공식(15)에 의해 표현될 수 있다 :
여기서 d는 비선형 광학 결정 소자 (6)의 비선형 변환 계수이다.
제2고조파 레이저 광 LA(2w)의 파워의 시간 평균치는 두 고유 편광의 파워의 곱으로 표현될 수 있다 :
또한 이 경우에 있어서, 공식(11) 내지 (14)로 표현된 관계가 성립될 수 있다.
그러므로, 방위각 θ이 0도로 선택될 때, 공진기의 파워는 공식(10)에서 표현된 기본파 레이저 광 LA(w)의 파워 P1+ P2와 공식(16)에 의해 표현된 제2고조파 레이저 광 LA(2w)의 파워 d2P1P2의 합이 된다.
이 관계를 공식(4) 및 (6)과 비교했을 때, 공식(4) 및 (6) 안의 광의 세기 I1및 I2가 공식(14) 및 (16)에서의 파워 P1및 P2의 것과 같은 의미를 갖는다는 것과 공식 (4)이 광의 세기 I1의 항[즉, (G1-α1)I1], I1 2의 항(즉, -εI1 2) 및 I1및 I2의 곱셈항(즉, -2ε2I1I2)을 포함하고 공식(6)이 I2의 항(즉, ε1I2 2) 및 I1I2의 곱셈항(즉, -2ε2I1I2)을 포함한다는 사실을 주목해야 한다.
따라서, ε1이 공식(4) 및 (6)에 있어서 제로(ε1=0) 로 선택될 때, 공식(4) 및 (6)의 합이 공식(10) 및 (16)이 합과 같은 항을 갖는다는 사실도 주목해야 한다.
따라서, 복굴절성 소자(7)의 방위각 θ이 제로(θ=0도) 로 선택될 때, 이 세팅은 공식(4) 및 (6)의 일반 공식에서 상수 ε1가 제로(ε1=0) 로 세트된다는 사실과 일치한다. 한편, 방위각 θ이 0도(θ=0) 로 선택될 때, 두 기본파 모드의 광의 세기 I1및 I2의 곱셈항 -2ε2I1I2은 ε2≠0이기 때문에 지워질 수 없다. 따라서, 방위각 θ이 제로로 선택될 때, 공식(4) 및 (6)의 레이트 공식에 의해 표현된 공진기의 공진 동작은 안정될 수 없다.
제2도에 도시된 고체 레이저 공진기에 있어서, 복굴절성 소자(16)의 방위각 θ이 45도(θ=45°)로 선택될 때, 이것은, 제9도에 도시된 바와 같이, 공진기안의 기본파 레이저 광 LA(w)의 고유 편광 E1및 E2이 비선형 광학 결정 소자(6)의 정상 광축 o및 이상 광축 e에 대해 회전되는 방위각 위치로 세트되는 것을 의미한다. 이것은 다음과 같은 이유 때문에 공식(7)으로 증명될 수 있다.
결과적으로, 고유 벡터 E1및 E2는 다음의 죤스 벡터에 의해 표현될 수 있다 :
따라서, 공진기 CAV의 기본파 레이저 광 LA(w)의 파워 P(w)의 시간 평균치는 다음과 같이 공식(10) 내지 (14)에 비슷하게 표현될 수 있다 :
반면에, 타입 Ⅱ위상 정합 조건하에서 발생된 제2고조파 레이저 광 LA(w)은 정상 광축 o 및 이상 광축 e의 성분을 기준으로 이하의 공식(20)에 의해 표현된다 :
상기 공식(20)으로부터, 제2고조파 레이저 광 LA(2w)의 파워 P(2w)의 시간 평균치는 다음과 같이 표현될 수 있다 :
이때 다음 공식이 성립된다.
이 연결에 있어서, 공식(21)의및항이 각기 큰 상관을 가진 E1, E1· 및 E2, E2·가 곱해진 공식을 갖기 때문에, 최종 시간 평균치는 제로로 되지 않지만, 파워 P1 및 P2의 제곱에 일치한다.
반면에, 전계 E1, E2· 및 E2, E1·가 각각 두 개의 직각 고유 편광 모드의 전계 성분이고 또한 두 모드사이에 위상 관계와 상관되지 않은 랜덤 편광이기 때문에, 이들 전계는 서로 상관되지 않으며, 그에 따라 E1 2E2·2및 E2 2E1·2항의 시간 평균치는 제로로 된다.
복굴절성 소자(16)의 방위각θ이 45도(θ=45°)로 선택되었을 때 발생한 기본파 레이저 광 LA(w)의 파워 P(w)의 시간평균치(공식(19)와 제2고조파 레이저 광 LA(2w)의 파워 P(2w)의 시간 평균치(공식(21))의 합을 공식(4) 및 (6)의 합과 비교했을 때, 광이 세기 (I1및 I2) 와 곱셈항의 계수 ε2가 공식(4) 및 (6)에서 제로(ε2=0)로 선택되었을 경우, 공식(19) 및 (20)의 합계의 각 항이 1대 1관계로 공식(4) 및 (6)의 합계의 각 항에 일치한다는 사실을 주목해야 한다.
이것은 제2도에 도시된 복굴절성 소자(16)의 방위각 θ이 45도(θ=45°)도 선택된다는 사실이 상기 계수 ε2가 일반 공식으로 표현된 공식(4) 및 (6)에 있어서 제로(ε2=0)로 선택된다는 사실과 일치하는 것을 의미한다. 상술된 조건이 세트될 경우, 공식(4) 및 (6)에서 두 개의 기본파 모드의 광의 세기 I1및 I2의 곱으로 표현된 항이 제거된 레이트 공식으로 표현된 공진 조건을 얻는 것이 가능해지며, 그에 따라 두 기본파 모드의 광의 세기 I1및 I2사이에 제2고조파 레이저 광의 발생을 통해 에너지가 상호 교환되는 것을 막을 수 있다. 그러므로, 제2고조파 레이저 광 LA(2w)은 기본파 레이저 광 LA(w)에 따라 안정될 수 있다.
상기 조건은 방위각 θ이 45도(θ=45°)로 선택되고 위항 항 △이 90도(△=90°)로 선택되는 복굴절성 소자가 선택될 경우 성립될 수 있다.
즉, 제10도에 도시된 바와 같이, 위상이 상기 비선형 광학 결정 소자(6)를 상기 기본파 레이저 광 LA(w)이 통과할 때의 복굴절성에 의해 위상 량 δ만큼 위상이 이동될 경우, 대응하는 편광상태는 다음 공식(26)에서와 같이 죤스 매트릭스 C(δ)에 의해 표현될 것이다 :
더욱이, 복굴절성 소자(16)가 방위각 θ만큼 회전되기 때문에, 기본파 레이저 광 LA(w)의 편광 상태는 다음 공식(27)에서와 같이 죤스 매트릭스 R(θ)에 의해 표현될 것이다 :
더욱이, 기본파 레이저 광 LA(w)이 복굴절성 소자(16)에 의해 위상 량 △만큼 광학적으로 회전하게 되는 편광 상태가 다음 공식(28)에서와 같이 죤스 매트릭스 C(△)로 표현될 수 있다 :
그러므로, 레이저 로드(4)로부터 방사된 기본파 레이저 광이 연속적으로 비선형 광학 결정 소자(6) 및 복굴절성 소자(16)를 통해 진행하고 오목 거울(3)의 입사 표면에 입사되며 복굴절성 소자(16) 및 비선형 광학 결정 소자(6)를 통해 레이저 로드(4)로 리턴하도록 입사 표면에 의해 반사되는 편광 상태의 변화는 다음 공식(28)에서와 같이 죤스 매트릭스 M로 표현될 수 있다 :
공식(26) 내지 (28)을 공식(29)에 대입하므로써 광학 시스템의 편광 상태를 표현하는 죤스 매트릭스 M를 얻을 수 있다.
공식(29)의 오른쪽에서 두 번째 항으로부터 다섯 번째의 죤스 매트릭스 M1 으로 취해지는 조건하에서의 동작을 실행하므로, 우리는 다음과 같은 결과를 얻을 수 있다 :
계산된 결과를 상기 공식(29)에 대입한 결과, 우리는 다음을 얻을 수 있다 :
그때, 편광 상태를 표현하는 매트릭스 M을 다음과 같이 놓을 경우 :
고유 벡터 X에 대한 고유치 λ가 계산된다 :
공식 (34)을 만족시키는 고유 값 λ은 다음의 행렬식 (35)을 만족시켜야만 한다 :
그때, 이 다항식(35)을 전개하면, 우리는 다음과 같은 이차방정식을 얻을 수 있다 :
따라서, λ에 대한 이차방정식이 해결될 수 있음은 말할 나위도 없다. 공식(37)의 해는 다음과 같다 :
공식(32) 및(33)으로부터, A+D는 다음과 같이 쓸 수 있다 :
더욱이, AD-BC가 다음 공식(40)에서와 같이 배열될 수 있다 :
따라서, 공식(39) 및 (40)을 공식(38)에 대입하므로써, 우리는 다음과 같이 표현되는 고유치 λ를 갖는다 :
그러므로, 고유 벡터 X의 X성분이 1(X=1)로 세트될 경우, 고유 벡터 X는 다음과 같이 표현될 수 있다 :
오히려 제2도에 도시된 고체 레이저 장치에 있어서, 복굴절성 소자(16)의 방위각 θ은 45도(θ=45°)로 선택되고 복굴절성 소자(16)의 위상각 △은 90도(△=90°)로 선택된다.
따라서,
이것을 공식(32) 및 (33)에 넣으면 다음과 같은 매트릭스 M를 얻는다 :
또한, 공식(41)은 다음과 같이 표현되는 고유치 λ를 제공한다 :
결과적으로, 고유 벡터 X는 다음과 같이 구해질 수 있다 :
상술된 결과로부터, 위에서 기술된 바와 같이 공식(43) 및 (44)에 대해 방위각 θ이 45도 (θ=45°)로 선택되고 위상각 △이 90도(△=90°)로 선택될 경우, 이것은, 공진기 CAV 안의 기본파 레이저 광 LA(w)의 고유 편광 벡터 E1 및 E2가 레이저 매질(2) 측면으로부터 비선형 광학 결정 소자(6)상으로 입사될 때, 고유 편광 벡터 E1및 E2가 비선형 광학 결정 소자(6)의 정상 광축 o 및 이상 광축 e에 대해 45도로 회전되는 방위각 위치에 세트됨을 의미한다는 사실이 분명해진다.
이론적으로 생각해본 결과, 복굴절성 소자(16)의 방위각 θ이 45도 (θ=45°)로 선택된다는 사실에 주목해야 하며, 그에 따라 제2고조파 레이저 광 LA(2w)이 공진기 CAV의 기본파 레이저 광 LA(w)에 따라 안정될 수 있다.
제2도에 도시된 종래의 고체 레이저 장치에 따라, 레이저 매질(레이저 로드)(4)안에 발생된 기본파 레이저 광이 공진기 RS 안에 제공된 비선형 광학 결정 소자(6)를 통과하도록 공진된다. 또한, 기본파 레이저 광의 두 개의 편광 모드 사이에서의 합주파수의 발생으로 인해 발생된 커플링을 억제하는 광학 수단, 즉, 복굴절성 소자(1/4 파장판)(16)가 공진기 RS 안에 제공되기 때문에, 기본파 레이저 광의 두 편광 모드사이의 합주파수의 발생으로 인해 제공된 커플링이 억제될 수 있으며, 그에 따라 발진이 안정된다.
한편, 상술된 바와 같은 종래의 고체 레이저 장치에 따라, 상기 기본파 레이저 광의 동일 편광 모드안에 종멀티 모드가 존재할 경우, 동일한 편광 모드안에 종멀티 모드가 존재할 경우, 동일한 편광 모드안에서의 모드 커플링으로 인한 모드 호핑(mode hopping) 노이즈가 발생할 위험이 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 위에서 지적된 종래의 기술로 발생할 수 있는 단점이 제지될 수 있는 개선된 고체 레이저 장치를 제공하는 것이다.
특별히, 본 발명은 모드 홈핑 노이즈가 방지될 수 있는 고체 레이저 장치를 제공하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 목적은 발진이 안정될 수 있는 고체 레이저 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 한 양상으로써, 레이저 매질안에 발생된 기본파 레이저 광이 제2고조파 레이저 광을 발생시키도록 공진기안에 제공된 비선형 광학 결정 소자를 통과하도록 공진되며 상기 기본파 레이저 광의 두 편광 모드사이에서의 합주파수 발생에 의해 초래된 커플링을 억제하기 위한 제1광학 장치가 상기 공진기안에 제공되는 고체 레이저 장치는 상기 기본파 레이저 광의 두 편광 모드를 각기 싱글 종 모드로 발진시키기 위한 제2광학 장치 및, 상기 기본파 레이저 광의 두 편광 모드가 동일한 발진 세기를 갖도록 공진기의 실제 공진기 길이를 제어하기 위한 제어 장치로 구성된다.
본 발명의 제2양상에 따라, 제2고조파 레이저 광을 발생시키기 위해 공진기안에 제공된 비선형 광학 결정 소자를 통과하도록 레이저 매질안에 발생된 기본파 레이저 광이 공진되며 상기 기본파 레이저 광의 두 편광 모드사이의 합주파수 발생으로 인한 커플링을 억제하기 위한 제1광학 장치가 상기 공진기안에 제공되는 고체 레이저 장치는 상기 기본파 레이저 광의 두 편광 모드가 동일한 발진 세기를 갖도록 공진기의 실제 공진기 길이를 제어하는 제어장치로 구성된다.
본 발명이 제3양상에 따라, 제2고조파 레이저 광을 발생시키기 위해 공진기안에 제공된 비선형 광학 결정 소자를 통과하도록 레이저 매질안에 발생된 기본파 레이저 광이 공진되고, 상기 기본파 레이저 광의 두 편광 모드사이에서의 합-주파수 발생에 의해 초래된 커플링을 억제하기 위한 복굴절성 광학 소자가 상기 공진기안에 제공되는 고체 레이저 장치는 상기 기본파 레이저 광의 두 편광 모드를 각기 싱글 종 모드로 발진시키기 위해 상기 공진기안에 제공되는 광학 수단으로 구성된다.
이하, 첨부된 도면을 참조로하여 본원 명세서를 보다 상세히 설명하겠다.
먼저 제11도에 대해 상세히 설명하건데, 본 발명에 따른 고체 레이저 장치의 제1실시예가 차후에 설명될 것이다. 상기 제1실시예의 고체 레이저 장치는 상기 기본파 레이저 광과 제2고조파 레이저 광 사이에 타입 Ⅱ위상 정합 조건을 성립시키기 위해 공진기 안에 발생된 기본파 레이저 광이 주파수의 2배인 주파수를 가진 제2고조파 레이저 광을 발생시키도록 디자인된다.
제11도가 도시하는 바와 같이, 공진기 RS 는 오목 거울(색선별 거울)(17), 수정등으로 구성된 1/4 파장판(복굴절성 소자)(18), 레이저 매질로써 제공된 레이저 로드(Nd : YAG 레이저)(4), 비선형 광학 결정 소자 [KTP(KTiOP4)(단일 광학축을 가진 일축 결정)](6) 및 평면 거울(색선별 거울)(19)로 구성된다.
808nm 의 파장 및 200mw의 출력을 가진 여기 레이저 광이 레이저 다이오드(1) 로부터 방사되어, 대물렌즈(15) 에 의해 집속된 후, 오목 거울(17) 및 1/4 파장판(18) 을 통해 레이저 로드(4) 안의 점 P에 초점을 맺도록 입사된다. 따라서, 상기 레이저 로드(4) 는 1064nm의 파장을 가진 기본파 레이저 광(적외선)을 발생시킨다.
1/4 파장판(18)은, 광의 전파 방향에 수직인 평면안에서, 그의 이상 광 방향의 굴절율의 방향이 비선형 광학 결정소자(6)의 이상 광 방향의 굴절율의 방향에 대해 45도의 방위각만큼 경사져 있는 광축 위치에 설치된다.
오목 거울(17)은 808nm의 파장을 가진 레이저 광에 대해 높은 투과율을 가지며 1064nm 및 532nm의 파장을 가진 레이저 광에 대해 높은 반사율을 갖는다.
반면에, 평면 거울 (19)은 1084nm 의 파장을 가진 레이저 광에 대해서는 높은 반사율을 가지며 532nm의 파장을 가진 레이저 광에 대해서는 높은 투과율을 갖는다.
광학 결정 소자(6)는, 1064nm 및 532nm의 파장을 가진 레이저 광을 투과시키며 1064nm의 파장을 가진 기본파 레이저 광의 위상 및 제2고조파 레이저 광, 즉 1064nm의 파장을 가진 레이저 광의 위상을 정합시킨다.
레이저 로드(4)로부터의 기본파 레이저 광 LA(w)은, 비선형 광학 결정 소자(6)를 통과하여 평면 거울(19)은 거울면(19m)에 입사되고, 그곳으로부터 반사되어, 비선형 광학 결정 소자(6), 레이저 로드(4) 및 1/4 파장판(18)을 통해 오목 거울(17)의 거울 면(17m)에 입사된다. 그때, 오목 거울(17)의 거울면(17m)에 입사된 기본파 레이저 광 LA(W)은 그에 따라 반사되어 1/4 파장판(18), 레이저 로드(4) 및 비선형 광학 결정 소자(6)를 통해 평면 거울(19)의 거울면(19m)에 입사되고, 그곳으로부터 다시 반사된다. 이러한 동작은 발진을 일으킬 때까지 계속된다. 그리하여 기본파 레이저 광 LA(w)이 비선형 광학 결정 소자(6)를 통과할대, 제2고조파 레이저 광(녹색 레이저 광)이 발생되어, 평면거울(19)을 통과하여 공진기 RS 로부터 출력된다. 오히려, 상기 기본파 레이저 광 LA(w)은 편광 방향이 90도로 다른 P-모드 성분 및 S-모드 성분으로 구성된다. 상기기본파 레이저 광의 일부가 평면거울(19)로부터 공진기 RS의 밖으로 출력된다.
평면거울(19) 로부터의 상기 기본파 레이저 광 LA(w)및 제2고조파 레이저 광 LA(w)은, 빔 스플리터(20)에 입사되며, 이때 제2고조파 레이저 광 LA(2w)은 그것을 통과하지만, 기본파 레이저 광 LA(2w)은 그것의 광학 경로가 90도로 편광되도록 빔 스플리터(20)의 반사 평면(20a) 상에 반사된다. 그런 다음, 최종 기본파 레이저 광 LA(w)은 1/2 파장판 (21)을 경유하여 편광 빔 스플리터 (22) 에 입사된다.
상기 평면 거울(19)로부터 출력된 기본파 레이저 빔 LA(w)의 P-모드 성분 및 S-모드 성분은, 지면에 대해 Q45도 만큼 회전하기 때문에, 상기 기본파 레이저 광 LA(w)의 편광 방향이 1/2 파장판(21)에 의해 45도 만큼 회전되어 편광 빔 스플리터(22)에 입사되고, 그에 따라 P-모드 및 S-모드의 편광이 광 검출기(23 및 24)에 입사된다. 그때, 광-검출기(23 및 24)로부터 검출된 출력이 제어신호 발생회로(25)에 공급되고, 그곳으로부터 검출레벨을 갖게 해주는 제어신호가 출력단자(26)에 피드된다. 이 제어신호는 출력단자(26)로부터 이하에서 기술될 공진기 길이 제어장치에 공급된다.
공진기 길이 제어장치의 한 예가 제12a도 및 제12b도를 참조로 기술될 것이다. 상기 공진기 길이 제어 장치 공진기 RS의 오목 거울(17)의 거울면(17m)과 평면거울(19)의 거울면(19m)사이의 광학 경로 길이를 제어하는 장치이다.
제12a도 및 제12b도에 도시된 바와 같이, 이 공진기 길이 제어장치는 오목 거울(17)의 거울면(17m)(평면 거울(19)도 사용될 수 있음)의 반대측에 결합된 PZT(Pb-based Zirconate Titanates)와 같은 링 구조의 압전소자(27)로 형성된다. 상기 제어신호에 근거한 DC전압이 공급될 때, 상기 공진기 길이 제어장치는 공진기 RS의 광학 경로 길이 방향으로 오목 거울(17)이 이동되도록 에너지가 제공된다. 상기 공진기 길이는 약 40nm Q 수μm 정도의 범위내에서 제어된다.
상기 공진기 길이 제어장치의 다른 실시예가 이하에서 설명될 것이다.
공진기 부품은 전체 또는 부분적으로 온도조절이 가능한 박스 안에 수납된다. 그때, 박스 안의 공기는 상기 제어신호 발생 회로(25)로부터의 제어신호에 의해 변화되고, 그에 따라 공진기(19m)사이의 광학 경로 길이가 제어된다.
공진기 길이 제어장치의 다른 실시예가 이하에서 설명될 것이다. 예컨대, 제11도에 도시된 공진기 RS 안의 레이저 로드(4)와 비선형 광학 결정 소자(6)사이에 전기 광학 효과를 갖는 전기 광학 결정이 제공된다. 상기 전기 광학 결정에는 상기 제어신호 발생회로(25)로부터의 제어 신호에 의해 DC 전압이 인가되며, 그에 따라 공진기 RS 안의 오목 거울(17)의 거울면(17m)과 평면거울(19)의 거울면(19m) 사이의 광학 경로 길이가 제어된다.
상기 공진기 길이 제어장치의 또 다른 실시예가 다음에 설명될 것이다.
상기 공진기 RS를 구성하는 1/4 파장판(18), 레이저 로드(4) 또는 비선형 광학 결정 소자(6)에 상기 제어신호 발생 회로(25)로부터 제어신호에 응답하여 압력을 가해지고, 공진기 RS 안의 오목 거울(17)은 거울면(17m)과 평면 거울(19)의 거울면(19m)사이의 광학 경로 길이를 제어한다.
상기 공진기 길이 제어장치의 다른 실시예가 이하에서 설명된다.
제11도에 도시된 진공기 RS 안에, 예를 들면, 레이저 로드(4)와 비선형 광학 결정 소자(6) 사이에 웨지를 가진 광학 소자가 제공하여 상기 제어신호 발생회로로부터의 제어신호에 응답하여 그것의 횡방향으로 상기 광학 소자를 이동시키므로써, 공진기 RS 안의 오목 거울(17)의 거울면(17m)과 평면거울(19)의 거울면(19m)사이의 광학 경로 길이가 제어된다.
요약하건데, 제13a도에 도시된 바와 같이, 이득곡선(이득의 주파수 특성 곡선) GC의 최대 이득 주파수 fm에 대해 fmy Q △f/2의 주파수 위치에 P모드 및 S모드의 주파수가 위치하게 되도록 진공기 RS안의 오목거울(17)의 거울면(17m)과 평면 거울(19)의 거울면(19m)사이의 광학 경로 길이가 제어된다.
더욱이, 제13b도에 도시된 바와 같이, 공진기 길이가 1/4 파장만큼 벗어날 경우, 이득 곡선 GD의 최대 이득 주파수 fm의 주파수 위치에 P-모드(또는 S-모드)의 주파수가 위치하게 되어, 그의 양측의 S-모드(또는 P-모드)사이에 모드 경합이 발생하게 된다. 이러한 이유 때문에, 공진기 길이의 제어범위가 양호하게도 상기 기본파 레이저 광이 1/4 파장보다 작게 선택된다.
싱글 종 모드로 공진기의 기본파 레이저 광의 두 모드의 편광을 발진시키기 위한 장치가 제14도를 참조로하여 기술될 것이다. 제14도에 있어서, 제11도의 것에 대응하는 비슷한 부품은 동일한 참조부호로 표시되었으므로 상세하게 설명할 필요가 없다.
제14도에 있어서, 공진기 RS 안에 레이저 로드(4)와 비선형 광학 결정 소자(6)사이에 파장 선택 기능능 가진 광학 소자로써 에탈론(28)이 공급된다. 상기 레이저 로드(4)가 Nd : YAG 레이저일 때, 상기 기본파 발진 레이저 광의 파장은 1064nm이고 이득 주파수 폭은 약 180(GHz)이다. 종 모드 주파수 간격 △f은 다음 공식으로 표현되며 ;
△f = C/2L
여기서, C는 광속이고, L은 공진기 길이 (실제 공진기 길이)이다. 이 경우에 있어서, L이 40nm로 선택될 경우, 종 모드 주파수 간격 △f 는 3.75(GHz)가 될 것이다.
상기 공진기 RS안에 1/4 파장판(18)이 설치되고 P-모드와 S-모드사이에 1/4 파장의 광학 경로차가 존재하기 때문에, P-모드와 S-모드사이에 △f/2의 주파수차가 발생한다.
제15도는 레이저 로드(4)가 Nd : YAG 레이저 일 때, 기본파 레이저 광 LA(w)의 이득 곡선(이득의 주파수 특성) GC와 P-모드 및 S-모드의 주파수 사이의 관계를 나타낸다.
기본파 레이저 광 LA(w)의 이득 곡선 GC 과 P-모드 및 S-모드의 주파수 사이의 관계가 제15도에 도시될 때, 상기 레이저 장치가 호모지니어스 라인 브로드닝 (Homoreneous line broadening) 레이저 장치인 경우, 이득의 픽크에 가장 가까운 편광의 발진이 발생하고 상기 이득은 포화될 것이다. 그러므로, 싱글 모드 발진이 발생할 것이 예상되지만, 실제로는 홀-버닝 효과에 의해 멀티 모드 발진이 발생한다.
홀-버닝 효과가 제16도를 참조로 하여 설명된다. 제16도에 도시된 바와 같이, 정재파 공진기의 경우, 공진기 RS 안에 정재파 2가 존재하고 이 정재파 a의 노드 부분에서 이득이 충분히 포화되지 않아 상이한 모드, 즉 멀티-모드 발진이 발생한다.
따라서, 제14도에 도시된 바와 같이 공진기 RS 안에 에탈론(28)이 삽입될 경우, 파장에 의해 초래된 손실의 차에 의해 상기 멀티-모드 발진이 억제될 수 있다. 에탈론(28)은, 글라스 또는 수정과 같은 우수한 평면도를 가진 평행 평판의 양 표면상에서 적당한 반사율을 가진 유전체 멀티-층 또는 금속층으로 구성된 반사막(28a 및 28b)을 코닝하므로써 형성된다.
R이 상기 반사막(28a 및 28b)이 반사율이고, d가 전체 두께이며, θ가 상기 광학 경로에 대한 경사각이며 N이 굴절율 이라고 가정했을 때, 에탈론(28)의 투과율은 다음 공식에 의해 표현된다 ;
여기서 δ은 다음 공식에 의해 주어진다.
은 1이 된다 (제18도를 보아라). 더욱이, 투과율 T가 1이 되는 주파수 간격 △fe은 다음 공식에 의해 표현된다.
여기서 C는 광속이다. 따라서, 주파수 간격 △fe가 제18도에 도시된 바와 같이 △fe = (n+1/2) △f로 선택될 경우, 각 P모드 및 S-모드의 싱글 모드 발진이 가능해진다.
상기 P-모드 및 S-모드의 발진이 밸런스를 이루기 위해서는, 제19도에 도시된 바와 같이, 이득 G가 최대 이득 Gmax이 되는 주파수 fm의 양측으로부터 fe/2 만큼 떨어진 주파수 위치에 투과율 T의 픽크가 놓이게 되는 것이 유리하다. 에탈론(28)의 두께가 약 1mm로 선택된 경우, 주파수 간격 △fe은 150(GHz)가 되고, 그에 따라 두 개의 발진이 가능해진다. 또한, 에탈론(28)의 각 표면상에서의 반사율 R이 약 50%로 선택될 경우, 충분히 근접 모드는 억제될 수 있다.
오히려, 공진기 RS의 공진기 길이가 감소되면 감소될수록 모드 간격 주파수 △f는 더욱 넓어진다. 실시예를 통해, 공진기 길이가 광학 경로 길이로 약 1mm 정도로 선택될 경우, 모드 간격 주파수 △f 는 150 (GHz) 가 되고 그 결과로 레이저 로드(4)가 Nd : YAG 레이저 일 때 이득폭 180 (GHz) 에 대해 단지 두 개의 모드 발진이 가능해질 것이다 (제20도를 참조). 따라서, 그러한 경우에 있어서, P-모드 발진 및 S-모드 발진은 공진기 RS 안에서 에탈론 (28) 을 사용하지 않고 밸런스를 이룰 수 있다.
제11도에 도시된 바와 같이, 공진기 RS안에서 오목 거울(17)과 레이저 로드(4) 사이에 1/4 파장판이 제공된다. 이 경우에 있어서, 비선형 광학 결정 소자(6)안에 발생된 복굴절성이 0°가 될 경우, 고유 편광은 Q45°의 방위각에 위치하게 되고 그의 위상은 1/4 파장판(18)에 의해 90°로 이동된다(제21도 참조). 이 위상 이동은, 평면거울(19) 가까이에 상기 비선형 광학 결정소자(6)가 위치하게 될 경우, 0°로 감소된다. 이 경우, 레이저 로드(4)가 1/4 파장판(18)근처에 위치하게 될 경우, P모드 발진과 S-모드 발진사이의 90°위상차는 P모드 및 S-모드를 싱글 모드로 발진시켜 공간 홀-버닝 효과를 제지할 수 있게 해준다. 따라서, 이러한 경우, 공진기 RS 안에 에탈론(28)이 제공되지 않거나 또는 공진기 RS의 모드 주파수 간격 △f이 증가되지 않을 경우, 이득 곡선 GC의 이득이 최대가 되는 주파수 근처의 2모드 발진이 가능해진다(제22도 참조).
비선형 광학 결정 소자(6)의 복굴절성을 0°으로 만들기 위해서는, 비선형 광학 결정 소자(6)에 제23도 또는 제24도에 도시된 바와 같이 웨지가 제공된다.
즉, 제23도 및 제24도에 도시된 바와 같이, 상기 비선형 광학 결정소자(6)의 레이저 로드(4)와는 반대측 단면(6A)상에 광학 경로 LPS 에 대해 소정의 경사각만큼 경사진 경사 평면이 형성된다. 반면에, 비선형 광학 결정 소자(6)의 다른 단면은 제23도에 도시된 바와 같이 광학 경로 LPS 에 대해 수직으로 형성되거나 제24도에 도시된 바와 같이 광학 경로에 LPS에 대해 소정이 각 만큼 경사지게 형성된다.
더욱이, 홀-버닝 효과를 감소시키기 위해서는, 제25도에 도시된 바와 같이, 레이저 로드(4)(레이저 매질)의 레이저 다이오드(1)측의 단면에 금속층, 유전체 멀티층등으로 코팅하므로써 형성된 거울 표면(4a)이 형성된다. 이 거울 표면(4a)이 제11도의 오목 거울(17)대신 사용되고 이 경우, 거울표면(4a)은 편평한 거울 표면이기 때문에, 평면 거울(19)이 오목 거울 대신 사용된다. 거울 표면(4a)이 오목 거울 표면일 경우, 평면거울(19)이 오목 거울로 대체될 필요는 없다. 거울표면(4a)의 레이저 매질의 한 단면상에 형성되기 때문에, 그것의 불포화 이득부분은 어떠한 모드에는 기여하지 않으며, 그에 따라 멀티-모드 발진이 억제된다.
이것에 대한 이유가 다음에 설명될 것이다. 이 경우, 제25도에 도시된 바와 같이, 레이저 로드(4)안의 파장 λ1을 가진 정재파에 대해 모드 파장 λ2를 가진 정재파를 생각해 보자. 또한, 파장 λ2을 가진 정재파의 노드가 거울 표면(4a)에서 파장 λ1을 가진 정재파의 노드와 일치한 후, 파장 λ2을 가진 정재파의 픽크가 길이 1만큼 전자의 위치로부터 떨어진 위치에서 파장 λ1을 가진 정재파의 노드와 일치하게 된다고 가정해보자. 따라서, 레이저 로드(4)의 굴절율이 7으로 취해지고 m이 1, 2, 3,... 으로 취해질 경우, 다음의 공식이 성립된다 ;
상기 두 식으로부터, △λ(=λ1-λ2)가 다음과 같이 변하게 된다.
이 식으로부터, l0가 거의 0.5mm(l0≒0.5mm)로 선택될 경우, △λ는 거의 0.3mm(△λ≒0.3nm)로 된다. 따라서, 파장이 λ1인 정재파에 대해, △λ가 0.3nm(△λ 0.3nm)보다 작은 파장 λ2을 가진 정재파의 모드에 관해 불포화 이득부분이 어떠한 기여도 하지 않아 파장 λ2을 가진 정재파가 발생하지 않으며, 따라서, 멀티 모드 발진이 억제된다.
위에서 기술된 바와 같은 본 발명의 고체 레이저 장치에 따라서, 상기 기본파 레이저 광이 두 편광 모드가 각각 종 싱글 모드로 발진되고 상기 기본파 레이저 광의 두 편광 모드의 발진 강도가 같아지기 때문에, 기본파 레이저 광의 동일한 편광 모드안의 모드 커플링에 의해 초래된 모드 호핑 노이즈의 발생이 지지될 수 있으며 발진의 안정도가 개선될 수 있다.
첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 양호한 실시예를 기술하므로써, 본 발명이 특정 실시예에만 국한되지 않고 그의 변형 및 변경이 첨부된 청구범위에서 제한된 본 발명의 정신 또는 범위를 벗어나지 않고 본 기술에 숙련된 사람에 의해 일어날 수 있다.

Claims (5)

  1. 레이저 매질 안에 발생된 기본파 레이저 광이 공진기 안에 제공된 비선형 광학 결정 소자를 통과하여 제2고조파 레이저 광을 발생시키도록 공진되고, 상기 기본파 레이저 광의 두 편광 모드사이의 합 주파수 발생으로 인한 커플링을 억제하기 위한 제1광학 수단이 공진기안에 제공되는 고체 레이저 장치에 있어서, 상기 기본파 레이저 광의 상기 두 편광 모드를 각각 싱글 종 모드로 발진시키는 제2광학 수단, 및 상기 기본파 레이저 광의 두 편광 모드가 동일한 발진 강도를 갖도록 상기 공진기의 실제 공진기 길이를 제어하는 제어수단을 포함하는 고체 레이저 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제어 수단이 상기 기본파 레이저 광의 일부를 분리시키기 위한 분리 수단, 상기 분리 수단에 의해 분리된 상기 기본파 레이저 광 부분을 검출하기 위한 검출 수단, 및 상기 검출 수단으로부터 검출된 출력에 의거하여 상기 공진기의 실제 공진기 길이를 제어하는 공진기 길이 제어 수단을 포함하는 고체 레이저 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 공진기가 상기 공진기 길이 제어 수단에 의해 제어되는 범위가 기본파의 1/4보다 작게 선택되는 고체 레이저 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제2광학 수단이 파장 선택 특성을 가진 광학 소자인 고체 레이저 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제2광학 조사가 상기 레이저 매질과 상기 비선형 광학 결정 소자사이에 제공되는 고체 레이저 장치.
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