KR100199774B1

KR100199774B1 - 레이저 다이오드용 집속 광학계

Info

Publication number: KR100199774B1
Application number: KR1019950046470A
Authority: KR
Inventors: 김진태; 이동희; 이재철
Original assignee: 김덕중; 사단법인 고등기술연구원 연구조합
Priority date: 1995-12-04
Filing date: 1995-12-04
Publication date: 1999-06-15
Also published as: KR970048680A

Abstract

본 발명은 레이저 다이오드(Laser-Diode)의 빔 발산영역의 가로축(X)과 세로축(Y)의 길이의 비가 다를 경우 집속되는 빔의 형상을 필요로 하는 원형상태로 만들어 주기 위한 레이저 다이오드용 집속 광학계에 관한 것으로, 양면이 소정 곡률을 갖는 메니스커스(Meniscus)형 제1, 제2렌즈(10)(20)와 평볼록형 제3렌즈(30)를 일직선상에 소정 간격으로 배치하여 제3렌즈(30)를 통한 빔의 방향이 평행하게 진행되도록 한 제1렌즈군(100)을 구성하고, 양면이 소정 곡률을 갖는 마니스커스(Maniscus)형 제4, 제5렌즈(40)(50)와 평볼록형 제6렌즈(60)를 일직선상에 소정간격으로 배치하여 제6렌즈(60)를 통한 빔의 방향이 집속되도록 한 제2렌즈군(200)을 구성하며, 상기 제1렌즈군(100)과 제2렌즈군(200)이 소정간격으로 일직선상에 배치되도록 구성하므로서 고가의 실린더 렌즈가 아닌 비용 저렴한 일반 구면 렌즈를 사용하여 렌즈의 곡률을 설계 및 가공하기 용이하고, 렌즈의 가공공수를 절약할 수 있으며 렌즈의 배치가 용이하도록 하는데 그 특징이 있다.

Description

레이저 다이오드용 집속 광학계

제1도는 일반적인 레이저 다이오드의 발산영역(Emitting Area)과 발산 빔(Emitting Beam)의 분포를 도시한 개략도

제2도는 제1도의 레이저 다이오드의 정면도 및 발산 빔(Emitting Beam)의 단면도.

제3도 (a),(b)는 각각 종래의 레이저 다이오드용 집속 광학계의 빔수직 집속(Vertical Focusing)의 추적도 및 수평 집속(Horizontal Focusing)의 추적도.

제4도 (a),(b)는 각각 본 발명에 의한 레이저 다이오드용 집속 광학계의 빔 수직 집속(Vertical Focusing)의 추적도 및 수평 집속(Horizontal Focusing)의 추적도.

제5도 (a),(b)는 각각 제4도(a),(b)의 수차도(Transverse Aberration).

제6도는 본 발명의 집속광학계에 선폭(Linewidth)선택장치를 개재한 예시도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

100 : 제1레즈군 200 : 제2렌즈군

300 : 선폭선택장치 1060 : 렌즈

LD : 레이저 다이오드 EA : 발산영역

LS : 라이트 스포트(Ligth Spot)

본 발명은 레이저 다이오드(Laser-Diode)를 통한 레이저 빔(Beam)을 집속하는 광학계에 관한 것으로, 보다 상세하게는 레이저 다이오드의 빔 발산영역의 가로축(X)과 세로축(Y)의 길이의 비가 다를 경우 집속되는 빔의 형상이 타원형으로 나오는 형태를 필요로 하는 원형상태로 만들어 주기 위한 레이저 다이오드용 집속 광학계에 관한 것이다.

제1도는 일반적인 레이저 다이오드의 발산영역(Emitting Area)과 발산 빔(Emitting Beam)의 분포를 도시한 개략도로서, 현재 통용되는 레이저 다이오드(LD)는 빔을 방출하는 발산영역(EA)의 가로축(X)과 세로축(Y)의 길이의 비가 현저한 차이를 갖고 있다.

따라서 발산영역(EA)의 장축인 가로축(X)에 의해 발산되는 발산 빔은 수직 발산각( )을 갖고, 발산영역(EA)의 세로축(Y)에 의해 발산되는 발산 빔은 수평 발산각( )을 갖게 된다.

제1도에서 알 수 있는 바와 같이 발산영역(EA)의 가로축(X)의 길이가 세로축(Y)의 길이보다 크면 수직발산각( )이 수평발산각( )보다 크게 되는 특성을 지니게 된다.

이와 같이 되는 이유는 빔의 회절이론과 관계되는 형상으로 레이저 다이오드의 발산 빔의 일반적인 성질을 나타낸다.

제2도는 제1도의 레이저 다이오드의 정면도 및 발산 빔(Emitting Beam)의 단면도로서, 이는 레이저 다이오드(LD)의 발산영역(EA)에서 레이저 빔이 진행하여 발산된 빔의 형태를 보여준다.

여기서 영역(A)의 부분은 주로 발산영역(EA)에서 발산되는 레이저 빔의 수평방향 성분의 분포이고, 영역(B)의 부분은 주로 발산영역(EA)에서 발산되는 레이저 빔의 수직방향 성분의 분포이다.

전술한 특성을 감안하여 발산되는 레이저 빔을 원하는 크기로 집속하기 위하여 렌즈군으로 배열된 광학계를 이용하게 되는 바, 통상 사용되는 레이저 다이오드(LD)의 발산영역(EA)이 50의 가로축(X)과 1.0의 세로축(Y)을 갖는 구성으로 이루어지고, 원하는 입사 빔의 최소 세기 분포(즉, 원하는 레이저 빔의 크기)를 갖는 라이트 스포트(LS : Light Spot)는 장축과 단축의 직경이 각각 206, 204이어야만 한다.

이와 같이 레이저 빔의 크기를 설정하는 이유는 레이저 다이오드(LD)에서 발생되는 빔의 크기를 펌핑(pumping)매질인 크리스탈(도시 생략)로 유도할 때 원하는 크리스탈의 모드(TEMOO mode)를 발생시키기 위한 최소 입사빔의 세기 분포이기 때문이다.

상기 조건을 만족하기 위하여 일반적으로 사용되는 레이저 다이오드(LD)는 수직 수평의 발산영역(EA)의 길이가 서로 다르기 때문에 집속광학계를 실린더형, 원통형 또는 토로이달(TOROIDAL)형 렌즈의 조합으로 구성하여 원하는 라이트 스포트(LS)의 장축과 단축의 직경이 각각 206, 204가 되도록 설계하게 되지만 배치되는 각 렌즈의 거리가 길어지는 단점이 발생할 뿐 아니라 필요로 하는 렌즈의 수가 많아지게되는 문제점 및 고가의 렌즈를 사용해야만 하는 문제점이 내재하게 된다.

이를 해결하기 위하여 종래에는 제3도에 도시된 바와 같이 50의 가로축(X)과 1.0의 세로축(Y)의 발산영역(EA)을 갖는 레이저 다이오드(LD)를 사용하여 원하는 입사 빔의 최소 세기 분포 즉, 레이저 빔의 장축과 단축의 직경이 각각 206, 204인 크기를 갖는 라이트 스포트(LS)를 얻기 위하여 구면 렌즈(1) 및 각 실린더형 렌즈(2,3)를 사용하여 각 렌즈(13) 가 소정 곡률(Power)을 갖도록 제작하고 소정간격으로 배치함으로써 원하는 입사빔의 직경을 얻도록 하였다.

그러나 여기서 사용되는 실린더 렌즈는 일반 렌즈에 비해 매우 고가(약 10배 이상)이며, 이 실린더 렌즈의 곡률을 설계 및 가공하기가 매우 어려울 뿐만 아니라 가공공수가 늘어나고, 원하는 라이트 스포트를 얻기 위한 각 렌즈의 배치가 용이하지 않으며 실린더 렌즈의 크기로 인해 렌즈가 차지하는 공간이 확대되는 문제점이 있다.

본 발명은 상기 제반 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 고가의 실린더 렌즈가 아닌 비용이 저렴한 일반 렌즈를 사용하여 렌즈의 곡률을 설계 및 가공하기 용이하도록 하고, 렌즈의 가공공수를 절약할 수 있으며 렌즈의 배치가 용이하도록 한 레이저 다이오드용 집속 광학계를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 수단으로, 양면이 소정 곡률을 갖는 메니스커스(Meniscus)형 제1, 제2렌즈와 평볼록형 제3렌즈를 일직선상에 소정간격으로 배치하여 제3렌즈를 통한 빔의 방향이 평행하게 진행되도록 한 제1렌즈군과; 양면이 소정 곡률을 갖는 마니스커스(Maniscus)형 제4, 제5렌즈와 평볼록형 제6렌즈를 일직선상에 소정간격으로 배치하여 제6렌즈를 통한 빔의 방향이 집속되도록 한 제2렌즈군을 구비하여, 상기 제1렌즈군과 상기 제2렌즈군이 일직선상에 소정간격 배치되도록 함으로서 달성된다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의거 상세히 설명하면 다음과 같다.

제4도 (a),(b)는 본 발명에 의한 레이저 다이오드용 집속 광학계의 빔 수직 집속(Vertical Focusing)의 추적도와 수평 집속(Horizontal Focusing)의 추적도로서, 양면이 소정 곡률을 갖는 메니스커스(Meniscus)형 제1, 제2렌즈(10)(20)와 평볼록형 제3렌즈(30)를 일직선상에 소정간격으로 배치하여 제3렌즈(30)를 통한 빔의 방향이 평행하게 진행되도록 한 제1렌즈군(100)을 구성하고, 양면이 소정 곡률을 갖는 마니스커스(Maniscus)형 제4, 제5렌즈(40)(50)와 평볼록형 제6렌즈(60)를 일직선상에 소정간격으로 배치하여 제6렌즈(60)를 통한 빔의 방향이 집속되도록 한 제2렌즈군(200)을 구성하며, 상기 제1렌즈군(100)과 제2렌즈군(200)이 소정간격으로 일직선상에 배치되도록 구성된다.

이와 같이 구성된 본 발명의 집속광학계는 제2도에 도시한 바와 같이 발산영역(EA)에서 발산되는 레이저 빔의 수평방향 성분의 분포인 영역(A)의 부분에 대해 수차(Aberration)를 거의 영(0)으로 설계하고, 발산영역(EA)에서 발산되는 레이저 빔의 수직방향 성분의 분포인 영역(B)의 부분에 대해서는 소정분포의 수차를 갖도록 하면 원하는 라이트 스포트(LS)의 단면을 필요한 크기의 형상으로 만들 수있다.

즉, 수평 발산각( )에 의한 발산폭에 대응하는 렌즈군으로 구성된 집속광학계의 수치 구경(NA : Numeral Aperture)을 NA라 하고, 수직 발산각( )에 의한 발산폭에 대응하는 렌즈군으로 구성된 집속광학계의 수치 구경을 NA라 하면, 본 발명의 집속광학계를 설계할 경우, 레이저 다이오드(LD)의 발산영역(EA)에서 NA까지는 수차를 전부 제거하고, 레이저 다이오드(LD)의 발산영역(EA)에서 NA까지는 수차를 필요로 하는 만큼 분포시켜 원하는 집속 빔의 라이트 스포트를 만들게 된다.

일례를 들어 본 발명에서 사용되는 레이저 다이오드(LD)의 한 모델인 SDL-2352-P1의 특성을 설명하면, 레이저 다이오드(LD)의 발산영역(EA)이 50의 가로축(X)과 1.0의 세로축(Y)을 갖는 구성으로 이루어지고, 수직발산각( )이 32, 수평발산각( )이 12이다.

이러한 특성의 레이저 빔을 집속하여 레이저 다이오드(LD)에서 발생되는 빔의 크기를 펌핑(pumping) 매질인 크리스탈로 유도할 때 원하는 크리스탈의 모드(TEMOO mode)를 발생시키기 위한 최소 입사빔의 세기 분포인 라이트 스포트(LS)의 장축과 단축의 직경이 각각 206, 204이 되도록 만들기 위하여 본 발명의 집속광학계의 전체 배율을 4배로 하고, 수평발산각( ) 12에 의한 수치구경(NA)은 잔류수차를3정도 발생시키고, 수직 발산각( ) 32에 의한 수치구경(NA)은 잔류수차를100정도 발생시키면 원하는 라이트 스포트의 단면크기를 만들 수 있게 된다.

여기서 고려되는 잔류수차는 코마(COMA)수차와 구면수차가 있는데 코마수차는 필요로 하는 시스템의 크기에 비해 레이저 다이오드(LD)의 발산영역(EA)의 장축인 가로축(X) 길이인 50가 원하는 라이트 스포트(LS)의 길이보다 작기 때문에 수차의 발생량이 미약하여 본 발명에서 제외되고 주로 잔류수차 중 구면수차가 고려된다.

이와 같이 원하는 라이트 스포트(LS)의 단면크기를 만들기 위한 집속광학계의 설계 데이타는 아래와 같다.

파장() 810에서, 굴절율(n) 1.71068을 갖는 각 렌즈(1060)를 사용하여, 제1렌즈(10)의 제1면(11)의 곡률(Curvature, 단위 1/)은 -0.152882이고, 제2면(12)의 곡률은 -0.175202 이며, 제2렌즈(20)의 제1면(21)의 곡률은 -0.055759 이고, 제2면(22)의 곡률은 -0.097948 이며, 제3렌즈(30)의 제1면(31)의 곡률은 0.000000 이고, 제2면(32)의 곡률은 -0.045241 이며, 제4렌즈(40)의 제1면(41)의 곡률은 0.136463 이고, 제2면(42)의 곡률은 0.154143이며, 제5렌즈(50)의 제1면(51)의 곡률은 0.152882 이고, 제2면(52)의 곡률은 0.175202 이며, 제6렌즈(60)의 제1면(61)의 곡률은 0.045241 이고, 제2면(62)의 곡률은 0.000000 이며, 각 렌즈(1060)의 제1면과 제2면의 중심거리(Distance)는 2.0이고, 레이저 다이오드(LD)의 발산영역(EA)에서 제1렌즈(10)의 제1면(11)까지의 중심거리는 6.3118이며, 제1렌즈(10)의 제2면(12)에서 제2렌즈(20)의 제1면(21)까지의 중심거리는 0.2이고, 제2렌즈(20)의 제2면(22)에서 제3렌즈(30)의 제1면(31)까지의 중심거리는 0.2이며, 제3렌즈(30)의 제2면(32)에서 제4렌즈(40)의 제1면(41)까지의 중심거리는 15.0이고, 제4렌즈(40)의 제2면(42)에서 제5렌즈(50)의 제1면(51)까지의 중심거리는 1.5이며, 제5렌즈(50)의 제2면(52)에서 제6렌즈(60)의 제1면(61)까지의 중심거리는 1.5이고, 제6렌즈(60)의 제2면(62)에서 라이트 스포트(LS)까지의 중심거리는 30.191이다.

여기서, 레이저 다이오드(LD)의 발산영역(EA)에서 제1렌즈(10)의 제1면(11)까지의 중심거리를 6이상으로 한 이유는 레이저 다이오드(LD)의 출력 빔이 고출력이므로 이를 사용함으로서 나타날 수 있는 렌즈 코팅(COATING)면의 손상을 최소화하기 위해 단위 면적당 0.1 W/이하의 입사강도를 유지할 수 있는 거리가 필요하기 때문이다.

제5도(a)는 제4도(a)의 수차도(Transverse Aberration)로서, 수평발산각( )이 12인 경우의 잔류수차량을3정도 발생시킨 것이고, 제5도(b)는 제4도(b)의 수차도로서, 수직발산각( )이 32인 경우의 잔류수차량을100정도 발생시킨 것이다.

제6도는 본 발명의 집속광학계에 선폭(Linewidth)선택장치(300)를 개재한 예시도로서, 본 발명의 실시예에서 3매의 렌즈(1030)로 구성된 제1렌즈군(100)과 3매의 렌즈(4060)로 구성된 제2렌즈군(200)사이에 빔 경로를 평행하게 유지하였는바, 이는 필요에 의해 즉, 펌핑(pumping)효율을 높이기 위해 선폭(Linewidth)선택장치(300)예를 들어 에타론(Etalon)등)를 사용하여 레이저 빔의 선폭을 선택할 수 있도록 하기 위함이다.

상술한 바와 같이 본 발명은 레이저 빔의 선폭을 선택하여 펌핑효율을 높일 수 있는 에타론을 사용할 수 있는 광학계를 구성할 수 있고, 라이트 스포트까지의 중심거리를 크게 하여 작업거리(working distance)를 확보할 수 있으며, 레이저 다이오드(LD)의 발산영역(EA)에서 제1렌즈(10)의 제1면(11)까지의 중심거리를 크게 하여 렌즈 코팅(COATING)면의 손상가능성을 줄일 수 있고, 고가의 실린더 렌즈가 아닌 비용 저렴한 일반 렌즈를 사용하여 렌즈의 곡률을 설계 및 가공하기 용이하도록 하고, 렌즈의 가공공수를 절약할 수 있으며, 렌즈의 배치를 용이하게 할 수 있는 효과가 있다.

Claims

레이저 빔을 발산하기 위한 레이저 다이오드(LD)와; 가로축(X)과 세로축(Y)의 길이의 비가 다르게 설정되어 수직발산각( )이 수평발산각( )보다 크게 형성되도록 된 발산영역(EA)과; 양면이 소정 곡률을 갖는 메니스커스(Meniscus)형 제1,제2렌즈(10)(20)와 평볼록형 제3렌즈(30)를 일직선상에 소정간격으로 배치하여 제3렌즈(30)를 통한 빔의 방향이 평행하게 진행되도록 한 제1렌즈군(100)과; 양면이 소정 곡률을 갖는 마니스커스(Maniscus)형 제4, 제5렌즈(40)(50)와 평볼록형 제6렌즈(60)를 일직선상에 소정간격으로 배치하여 제6렌즈(60)를 통한 빔의 방향이 집속되도록 한 제2렌즈군(200)을 구비하여, 상기 제1 렌즈군과 상기 제2렌즈군이 일직선상에 소정간격 배치되도록 구성됨을 특징으로 하는 레이저 다이오드용 집속 광학계.
제1항에 있어서, 상기 제1렌즈(10)는 제1면(11)의 곡률이 -0.152882이고, 제2면(12)의 곡률이 -0.175202 임을 특징으로 하는 레이저 다이오드용 집속 광학계.
제1항에 있어서, 상기 제2렌즈(20)는 제1면(21)의 곡률이 -0.055759 이고, 제2면(22)의 곡률이 -0.097948 임을 특징으로 하는 레이저 다이오드용 집속 광학계.
제1항에 있어서, 상기 제3렌즈(30)는 제1면(31)의 곡률이 0.000000 이고, 제2면(32)의 곡률이 -0.045241 임을 특징으로 하는 레이저 다이오드용 집속 광학계.
제1항에 있어서, 상기 제4렌즈(40)는 제1면(41)의 곡률이 0.136463 이고, 제2면(42)의 곡률이 0.154143 임을 특징으로 하는 레이저 다이오드용 집속 광학계.
제1항에 있어서, 상기 제5렌즈(50)는 제1면(51)의 곡률이 0.152882 이고, 제2면(52)의 곡률이 0.175202 임을 특징으로 하는 레이저 다이오드용 집속 광학계.
제1항에 있어서, 상기 제6렌즈(60)는 제1면(61)의 곡률이 0.045241 이고, 제2면(62)의 곡률은 0.000000 임을 특징으로 하는 레이저 다이오드용 집속 광학계.
제1항 내지 제7항에 있어서, 상기 각 렌즈(1060)의 제1면과 제2면의 중심거리(Distance)는 2.0임을 특징으로 하는 레이저 다이오드용 집속 광학계.
제1항에 있어서, 상기 레이저 다이오드(LD)의 발산영역(EA)에서 제1렌즈(10)의 제1면(11)까지의 중심거리는 6.3118임을 특징으로 하는 레이저 다이오드용 집속 광학계.
제1항에 있어서, 상기 제1렌즈(10)의 제2면(12)에서 상기 제2렌즈(20)의 제1면(21)까지의 중심거리는 0.2임을 특징으로 하는 레이저 다이오드용 집속 광학계.
제1항에 있어서, 상기 제2렌즈(20)의 제2면(22)에서 상기 제3렌즈(30)의 제1면(31)까지의 중심거리는 0.2임을 특징으로 하는 레이저 다이오드용 집속 광학계.
제1항에 있어서, 상기 제3렌즈(30)의 제2면(32)에서 상기 제4렌즈(40)의 제1면(41)까지의 중심거리는 15.0임을 특징으로 하는 레이저 다이오드용 집속 광학계.
제1항에 있어서, 상기 제4렌즈(40)의 제2면(42)에서 상기 제5렌즈(50)의 제1면(51)까지의 중심거리는 1.5임을 특징으로 하는 레이저 다이오드용 집속 광학계.
제1항에 있어서, 상기 제5렌즈(50)의 제2면(52)에서 상기 제6렌즈(60)의 제1면(61)까지의 중심거리는 1.5임을 특징으로 하는 레이저 다이오드용 집속 광학계.
제1항에 있어서, 상기 제6렌즈(60)의 제2면(62)에서 상기 라이트 스포트(LS)까지의 중심거리는 30.191임을 특징으로 하는 레이저 다이오드용 집속 광학계.
제1항 및 제12항에 있어서, 상기 제3렌즈(30)의 제2면(32)에서 상기 제4렌즈(40)의 제1면(41) 사이에 선폭선택장치(300)를 개재함을 특징으로 하는 레이저 다이오드용 집속 광학계.