KR100246274B1 - 레이저 공진기, 레이저 장치, 레이저 응용 장치 및 레이저 발진 방법 - Google Patents

레이저 공진기, 레이저 장치, 레이저 응용 장치 및 레이저 발진 방법 Download PDF

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다나카 히사노리
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Abstract

Cr을 함유하는 불화물로 형성되는 레이저 결정 및 최소한 1개의 광학 부품으로 형성되는 레이저 공진기에 있어서, 공진기 내부의 개구가 실질적으로 레이저 결정으로부터의 발광을 공진기 내부에서 발진해서 형성되는 제1레이저 빔 직경의 5배 이상으로 설정한다.

Description

레이저 공진기, 레이저 장치, 레이저 응용 장치 및 레이저 발진 방법
고도 정보화 시대의 진전에 따라 광디스크 장치나 레이저 프린터 장치 등의 컴퓨터 주변 레이저 응용 장치에 있어서 기록 밀도 향상이나, 고속 인쇄의 요구를 만족하기 위해 단파장화에 대한 요구가 높아지고 있다. 그러나 제품화 레벨에서 요구되는 높은 청색영역(파장 400 내지 480nm)을 만족하는 광원으로서는 He-Cd(헬륨-카드뮴) 레이저 장치나 Ar(아르곤) 레이저 장치 등의 가스 레이저 장치밖에 없고 대형으로 소비전력이 크다. 이와 같이 레이저 장치가 대형이기 때문에 레이저 장치를 광원으로 하여 내장하는 레이저 응용 장치는 최소한 레이저 장치 이상의 크기를 갖출 필요가 있고 대형으로 되어 테스크 톱 사이즈가 주류인 오피스 환경 및 주택환경에 적응되지 않는 문제가 있었다.
또한 레이저 장치의 투입 전력에서 레이저광으로의 변환 효율이 적고, 소비전력의 많은 부분이 열로 되기 때문에 냉각 수단을 필요로 하고 레이저 응용 장치의 사이즈가 커지는 문제가 있었다. 또한 이 냉각 수단의 진동에 의한 광학계의 어긋남이 레이저 응용 장치의 신뢰성을 약화시키는 등의 문제가 있었다. 또한 가스의 열화 등에 의해 레이저 장치의 수명이 짧으므로 레이저 응용 장치의 수명도 짧게 되는 문제가 있었다.
이에 대해서 고체 레이저의 공진기 내부에 비선형 광학 결정을 삽입하고 고체 레이저 발진기인 제1 레이저 빔(이하 경우에 따라서는 기본파라 칭함)의 1/2의 파장으로 변환하여 제2 레이저 빔을 발생시키는 광 제2 고주파 발생(이하, 단지 SHG로 표기; Second Harmonic Generation) 등의 파장 변환 기술을 적응하는 것으로 상술한 바와 같은 가스 레이저가 갖는 문제점을 해소하는 시도가 행해졌다. 예를들면 800 내지 900nm 대의 파장 영역에서 발진이 가능한 레이저 결정인 Ti:Al2O3(Ti-Sapphire; 이하 단지 Ti-Sap으로 칭함)이나 Cr:LiSrAlF6(크롬첨가의 불화리튬스트론튬알루미늄: 이하단지 LiSAF라 칭함)을 사용한 고체 레이저의 SHG 방식이 제안되었다. 상기한 SHG 광원에 있어서 레이저 매질 단체의 수명은 가스로부터 고체 결정으로 됨으로써 크게 개선되었다. 그러나, 후자의 LiSAF 레이저의 여기 광원은 Kr(크리프톤) 레이저 즉 가스 레이저이고, 종래의 문제점이 엄연히 남아 있었다. 또한 Ti-Sap 레이저의 여기광원으로서는 Q 스위치 Nd:YAG(네오듐 첨가의 이트륨알루미늄가넷트) 레이저를 기본파로 하는 녹색 SHG 레이저를 사용하고 있다. 따라서 레이저 광원 전체는 고체화되었기 때문에 수명은 개선되었다. 그러나 여기광원을 포함해서 SHG 레이저가 2개 사용되었기 때문에 장치가 복잡하여 사이즈 및 소비전력이 크고, 종래의 문제점을 크게 개선하는 것은 아니었다. 또한 어떤 경우에도 SHG 출력은 펄스 출력을 위한 레이저 프린터, 광조형 장치 및 광디스크 장치 등의 레이저 응용 장치에 사용하는 경우에는 예를 들면 신호의 불연속점이 생기는 등의 문제가 있었다.
상술한 LiSAF 레이저의 여기광원으로서는 파장 670nm의 적색 반도체 레이저에 의한 여기가 가능한 것이 이미 개시되어 있다(R. Scheps. J.F.Myers, H.B.Serreze, A.Rosenberg, R.C.Morris, and M.Long,“Diod-pumped Cr:LisrALF6laser”,Opt.Lett. , Vol.16. No.11. p820(1911). 따라서 상술한 LiSAF 레이저를 기본파로 하는 SHG 광원에 있어서 여기광원을 Kr 레이저로부터 반도체 레이저로 치환함으로써 종래의 가스 레이저 장치 자체의 사이즈, 소비전력 및 수명의 문제를 크게 개선할 수 있는 가능성이 있는 것이 예상된다.
그러나, LiSAF 레이저는 공진기 내부의 손실에 의한 효율 저하가 현저한 것이 개시되어 있다(Qi Zhang, G.J.Dixon, B.H.Chai and P.N.Ke an,“Electronically tuned diode-laser-pumped Cr:LiSAF6laser”Opt. Lett., Vol. 17, No.1. p43(1992). 이 때문에 이 효율 저하의 요인을 조사하고 검토하여 구체적인 해결책을 찾아냄으로써 해결하지 않는다면 실용화의 가능성은 매우 낮다.
위의 Qi Zhang 등은 LiSAF 레이저의 파장 선택을 하기 위한 파장 튜닝 소자(wavelength tuning element)인 복굴절 필터를 LiSAF 레이저의 공진기로부터 끌어냈다. 일반적으로 복굴절 필터는 LiSAF 레이저 등의 파장 튜닝이 가능한 레이저에 있어서 레이저 공진기 중에 설치되고 발진 빔 중 바람직한 파장 이외의 발진 빔에 반사 손실 등의 손실을 부여하고 희망하는 파장의 레이저 빔을 선택하는 기능을 갖는다. 거기서 Qi Zhang 등은 복굴절 필터를 포함하는 파장 튜닝전용의 공진기를 LiSAF 레이저의 공진기의 후단에 부가하였다. 즉 LiSAF 레이저의 공진기에 의한 손실을 주는 일없이 파장 튜닝을 행하는 수단을 제안하였다(미국특허 제5218610호). 여기에서 Qi Zhang 등이 주목한 손실은 주로 복굴절 필터에 의한 반사 손실이다. 이 방식은 위의 손실은 개선되나 복잡하여 커질 가능성을 갖고 있었다.
또한, 레이저 결정인 LiSAF 결정의 불균일한 에너지 흡수가 레이저 발진 효율의 저하에 영향을 미치는데 착안하여 대책을 세운 예가 있다. 즉 흡수에 관여하는 Cr을 여기방향으로 다른 농도로 분포시킴으로써 효율의 저하를 개선하려는 것이다(미국특허 제5287373호). 그러나 이 방식은 시판 레벨에서 실현되어 있지 아니하고 Qi Zhang 등이 지적한 문제에 대한 개선효과는 불분명하다.
여기에서 상술한 F.Balembis 등이 나타낸 광학계에 있어서는 여기광원을 Kr레이저로 하고 평균 3.3W의 펄스 여기를 사용해서 평균 7.4mW의 펄스 SHG 레이저 출력을 얻고 있으나 상술한 바와 같이 SHG 레이저 출력은 연속파가 아니면 안된다. 또한 필요로 하는 출력은 장치에 있어서 분산하나 10mW 정도 필요한 것으로 생각된다. 이에 대해서 현상으로 시판되고 있는 LiSAF 레이저의 여기가 가능한 반도체 레이저는 단일 스트라이프의 경우 최대 500mW 인 것이다. 여기에서 일반적으로 고체 레이저의 입출력 특성에 있어서 기본파의 출력은 여기 입력에 비례하기 때문에 여기광원을 Kr 레이저로부터 반도체 레이저로 치환함으로써 기본파 파워는 약 1/6로 된다. 또한 SHG 출력은 기본파 파워의 2승에 비례하기 위해 기대되는 SHG 출력은 약 1/36. 즉 0.2mW의 펄스 출력으로 되고 효율이 대폭적인 개선이 행해지지 않으면 실용에 견딜 수 있는 SHG 출력이 얻어지지 않는 것이 판명된다. 또, Kr 레이저에 비교해서 반도체 레이저는 출력 빔의 형상 즉 가로 모드가 현저히 편평하기 때문에 빔 정형기술을 적용해도 여기 효율의 열화가 예상되고 SHG 출력의 새로운 저하가 예상된다.
즉, 여기광원을 단지 Kr 레이저로부터 반도체 레이저로 바꾸어 놓은 것만으로는 실용상 충분한 출력을 갖는 SHG 레이저 광원은 실현되지 아니하는 것이 용이하게 예상된다. 또한 종래 반도체 레이저의 고출력화가 달성된 경우라도 반도체 레이저 자체의 발열량이 증가하기 때문에 강제 냉각 수단이 필요하고 대형으로 소비 전력의 큰 장치로 되는 것이 염려된다.
이상으로부터 종래 개시되고 있는 지식을 단지 쌓아올리는 것으로는 가스 레이저의 문제점을 일거에 해결하는 반도체 레이저로 여기한 LiSAF 레이저를 사용한 SHG 레이저를 실현하는 것은 곤란한 것으로 판명되었다. 따라서, 효율 저하의 요인을 찾아내어 구체적인 대책을 강구함으로써 소형으로 저소비 전력의 SHG 레이저 광원의 실현과 SHG 레이저 광원을 사용한 레이저 응용 장치의 실현을 달성하는 것이 요망되었다.
또한, 상기 가스 레이저와 동등한 출력 파장을 갖춘 SHG 광원으로서 제10도에서 도시하는 바와 같이 근적외선 반도체 레이저 출력을 제1발진과 즉 기본파로 하고, 외부 공진기로 공진시켜서 그 중에 비선형 광학 결정(이하에서 취급하는 파장 변환은 모두 SHG이기 때문에 단지 SHG 결정이라 칭함)인 KN(KNbO3; 니오브산 칼륨)을 설치함으로써 제2발진파 즉 SH파인 청색 레이저 광을 얻는 방법이 제안되고 있다(W.J.Kozlovsky and W.Lenth,“Generation of 4lmW of blue radiation by frequency doubling of a GaAlAs diode laser”, Appl.Phys.Lett., vol.56. no.23, p2291. 1990).
그러나, 상기 SHG 광원에 있어서 외란(disturbance)의 영향을 받기 쉬운 반도체 레이저(11)의 발진 파장을 KN 결정(104)의 변환 효율이 최대로 되는 파장에 안정하게 맞추기 위해서는 반사광으로부터 반도체 레이저(11)를 보호하기 위해서, 광아이소레이터(optical isolator)(102)를 구비하는 것이 필요하고 또 KN 결정(104)을 포함하는 외부 공진기의 공진기 길이를 기본파의 파장 오더로 제어하기 위해 공진기로부터의 반사광을 광검출기(105)에서 받아 그것의 전기적 출력을 피드백회로(feedback circuit)(106)에 의해 반도체 레이저를 안정하게 발진시키는 등의 고도의 기술과제가 있고, 제품화 레벨에서의 해결이 상당히 곤란한 것으로 예상된다. 제10도에서 101은 콜리미터 렌즈로 평행 빔에 직접 작용한다. 103은 집광 렌즈로서 렌즈광을 집광시키는 작용을 하고, 104는 KN 레이저 결정이며 860nm의 파장을 반으로 나눈 430nm의 파장으로 SHG 변환한다. 이 SHG 광원에 있어서는 외란의 영향을 받기 쉬운 반도체 레이저의 발진 파장을 KN의 변환 효율이 최대로 되는 파장에 안정하게 맞출 것과, KN을 포함하는 외부 공진기의 공진기 길이를 기본파의 파장 오더로 제어하는 2가지 기술과제에 대해서 제품화 레벨에서의 해결이 곤란한 것으로 예상된다.
또한 본 발명자들은 상술한 LiSAF 레이저는 파장 제어 소자를 사용함으로써 광대역 파장 가변 레이저로서 사용할 수 있고, 이 LiSAF 레이저를 제1 발진파(기본파)로 하고 비선형 결정에 의해 제2발진파로서 청색 영역의 SHG 광으로서 발생시키는 방법을 검토한 바, 두 가지 문제점을 발견하였다.
제1의 문제점은 파장 제어 소장의 투과 대역 이외의 파장역은 레이저 공진기 내에서는 손실로 되기 때문에 발진 역치(oscillation threshold value)가 높아져 필요로 하는 SHG 레이저 출력을 얻기에는 여기용 반도체 레이저의 출력이 높아져 버리는 것이다. 제11도는 LiSAF 결정을 사용한 반도체 레이저 여기 파장 길이 가변 고체 레이저 장치(이하, LiSAF 레이저라 칭함)의 입출력 특성이다. 실선은 파장 제어 소자가 있는 경우의 LiSAF 레이저의 입출력 특성을, 점선은 파장 제어 소자가 없는 경우의 입출력 특성을 도시한다. 이 경우의 파장 제어 소자는 색소 레이저나 Ti 사파이어 레이저로 사용되고 있는 3장의 두께가 다른 수정판(quartzplate)으로 형성되는 것으로 수정판을 투과할 수 있는 파장 대역을 3nm 이하로 좁게 할 수 있고 레이저 발진 파장 폭을 0.1nm 이하에서 파장 제어할 수 있다. 제11도로부터 알 수 있듯이, 투과 파장 대역폭의 좁은 파장 제어 소자를 삽입하는 것으로 공진기 내의 손실이 증가하고, 발진역치가 10배 이상 높아져 삽입되지 않는 경우와 같은 출력을 얻으려면 10배 이상의 여기 압력이 필요하게 되기 때문에 대형의 반도체 레이저가 필요하게 되고 반도체 레이저의 구동 및 냉각을 위한 장치가 크고, 소비전력도 증가하게 된다. 또한 파장 제어 소자를 넣지 아니하는 경우의 발진파장 폭은 약 10nm 이고, 파장 제어 소자를 넣는 경우의 100배 이상이었다.
제2의 문제점은 종래부터 사용되고 있는 청색 SHG 광을 얻을 수 있는 비선형 결정의 KN 결정은 SHG 파가 발생하는 위상 파장 폭인 위상 정합 파장 반값폭이 제12도에 도시하는 바와 같이, 0.4nm로 매우 좁고 다시 결정의 전반 손실이 0.5%/cm로 높기 때문에 공진기 내의 손실이 커져 발진 역치가 높아져 LiSAF 레이저 내에 삽입해도 충분한 SH 출력을 얻을 수 없는 것이다.
또 KN 결정은 결정의 온도 변화에 의존해서 변환 효율이 최대로 되는 파장이 0.3nm/。C 변화하기 때문에 정확한 온도 제어를 하지 아니하면 안정한 SH 출력이 얻어지지 아니하는 문제점이 있었다.
본 발명은 광일렉트로닉스 분야 특히 레이저 프린터 장치, 광조형 장치, 광디스크, DNA 시퀀서(DNA sequencer) 및 파티클 카운터(particle counter) 등에 사용되는 레이저 공진기, 레이저 장치, 레이저 응용 장치 및 레이저 발진 방법에 관한 것이다.
제1도는 본 발명의 한 실시예를 설명하기 위한 도면.
제2도는 본 발명의 다른 효율 개선의 수단인 레이저 결정의 온도 제어를 적응한 경우의 다른 실시예를 설명하기 위한 도면.
제3도는 본 발명의 다른 실시예인 SHG 레이저를 설명하기 위한 도면.
제4도는 본 발명의 한 실시에를 레이저 프린터 장치에 사용한 응용예를 설명하기 위한 도면.
제5도는 본 발명의 실시예 1을 광조형 장치에 사용한 응용예를 설명하기 위한 도면.
제6도는 본 발명의 실시예 1을 광디스크 장치에 사용한 응용예를 설명하기 위한 도면.
제7도는 본 발명의 다른 실시예를 설명하기 위한 도면.
제8도는 본 발명의 다른 실시예를 설명하기 위한 도면.
제9도는 본 발명의 다른 실시예를 설명하기 위한 도면.
제10도는 종래 기술의 실시예를 설명하기 위한 도면.
제11도는 LiSAF 결정을 사용한 반도체 레이저 여기 고체 레이저 장치에 있어서 파장 제어 소자의 유무에 의한 입출력 특성을 비교 설명하기 위한 도면.
제12도는 KN 결정의 위상 정합 파장 폭을 설명하기 위한 도면.
제13도는 대표적인 고체 레이저인 Nd:YVO4레이저와 LiSAF 레이저의 공진기중의 개구에 의한 발진 효율 저하의 현상을 설명하기 위한 도면.
제14도는 LiSAF 결정을 반도체 레이저 여기 고체 레이저 장치와 대표적인 고체 레이저인 Nd:YVO4레이저의 입출력 특성을 비교 설명하기 위한 도면.
제15도는 LiSAF 결정을 온도 제어한 경우와 하지 아니한 경우의 LiSAF 레이저의 입출력 특성을 비교 설명하기 위한 도면.
제16도는 복굴절 결정의 개수에 의한 투과 파장 폭을 비교 설명하기 위한 도면.
제17도는 복굴절 결정의 두께에 대한 발진 파장 간격을 설명하기 위한 도면.
제18도는 LBO 결정의 위상 정합 파장폭을 설명하기 위한 도면.
본 발명자들은 공진기 내부의 손실에 대해서 검토한 결과, 손실은 광학 부품의 개구의 크기와 어떠한 관계가 있다는 것을 알아내었다. 여기에서 개구라는 것은 구체적으로는 공진기 중의 광학부품의 광학면의 유효 단면적을 의미한다. 즉 통상의 레이저 장치에 있어서 광학부품의 개구는 레이저 빔 직경보다 크면 문제는 없는 것으로 되어 있었다. 그러나, 새로운 레이저인 LiSAF 레이저에 있어서는 광학부품의 개구가 종래의 상식적인 크기라도 손실이 생기는 것을 발견하여 본 발명에 이르렀다. 즉 본 발명은 Cr을 함유하는 불화물로 형성되는 레이저 결정 및 최소한 1개의 광학부품으로 형성되는 레이저 공진기에 있어서, 상기 공진기 내부의 개구가 실질적으로 레이저 결정으로부터의 발광이 발진해서 형성되는 제1 레이저 빔의 직경의 5배 이상인 것을 특징으로 하는 레이저 공진기이다.
제13도는 대표적인 고체 레이저인 Nd:YVO4(네오듐첨가의 산화 바나듐 이트륨) 레이저와 LiSAF레이저의 공진기 중의 개구에 의한 발진효율 저하의 현상을 설명하기 위한 도면이다. 제13도의 상부에 실험에 사용한 공진기의 형상을 도시한다.
공진기는 레이저 결정의 단면에 형성된 평면 미러(plane mirror)와 오목면미러로 형성되어 있다. 발진 빔 직경은 공진기를 형성하는 미러의 곡율반경과 거리를 결정하고, 제13도의 상부에 도시한 평오목식 공진기에 있어서는 평면측에서 빔직경은 최소로 되고, 오목면 미러에서 최대로 된다. 이때 오목면 미러의 곡율반경은 150nm이고 공진기 미러간의 실효광로 길이는 미러의 곡율반경 보다 약간 짧다. 제13도의 가로축은 평면 미러로부터의 거리를 우측의 세로축은 빔 직경을 도시하고 있다. 공진기 중의 빔 직경은 가로모드가 TEM∞ 모드의 진원 빔의 경우 수학식 1에 의해 구해지는 최소 빔 직경과 수학식 2에 의해 구해지는 각 위치에서의 빔 직경에 의해 계산된다.
[수학식 1]
[수학식 2]
수학식 1에 있어서 Wo는 최소 빔 직경, λ는 제1의 빔의 파장, d는 공진기 길이, R1, R2는 미러의 곡율반경을 나타낸다. 식 2에 있어서 w(z)는 최소 빔 직경을 이루는 위치에서 거리 z 떨어진 장소에서의 빔 직경을 나타낸다. 계산으로 구해지는 빔 직경은 최소로 약 0.2nm, 최대로 약 0.8mm 였다. 또한, 출력 미러 직후의 빔 직경을 실측해보면 각각의 경우에 있어서 거의 같고 계산 결과와 잘 일치하였다. 여기에서 공진기 중에 φ2.5mm의 개구를 삽입하고 발진 빔 강도가 최대로 되도록 조정하고 발진 빔 강도를 측정하였다.
좌측의 세로축은 개구를 삽입한 경우와 개구를 삽입하지 아니한 경우의 발진 빔 강도의 비를 표시하고 있다. Nd:YVO4레이저에서는 공진기 내부의 개구가 빔 직경의 3개, 즉 빔 직경이 최대의 0.8mm로 된 경우라도 90% 이상의 효율로 발전이 가능한데 대해서 LiSAF 레이저에서는 공진기 내부의 개구를 빔 직경의 5배 이하로 함으로써 효율이 80% 정도로 저하하는 것이 명백해졌다.
또한, 효율 저하의 기울기도 LiSAF 레이저는 Nd:YVO4레이저에 비교해서 큰 것을 알 수 있다. 또한 Nd:YVO4레이저와 같은 정도의 효율인 90% 이상을 확보하기 위해서는 개구가 빔 직경의 7배 이상인 것이 바람직하다. 다시 10배 이상으로 되는 영역에서는 효율 저하가 전혀 보이지 아니하기 때문에 특히 바람직한 영역으로 생각된다.
일반적으로 빔 직경은 가로 모드가 진원의 TEM∞ 모드로 광강도가 가우시안 분포(Gaussian distribution)로 되어 있는 경우 피크 강도의 1/e2이상의 범위의 직경으로 규정되어 있다. 또한 빔의 가로 모드가 TEM∞ 이외의 경우는 빔 직경을 광 강도가 피크의 1/e2이하로 되는 경계선의 가장 외주를 연결하는 최대 거리로 규정한다. 또, 이상은 개구의 하한에 관한 규정을 상술한 것이나 상한은 결정의 최대 육성 가능 크기, 안정가공이 가능한 크기 및 코팅의 품질이 확보되는 크기로 한정된다. 상식적으로 1000배 정도가 바람직하다.
다음으로 본 발명자들은 LiSAF 레이저의 입출력 특성에 포화 현상이 존재하는 것을 찾았다.
제14도는 LiSAF 레이저와 대표적인 고체 레이저인 Nd:YVO4레이저의 입출력 특성을 비교 설명하기 위한 도면이다. 실선은 LiSAF 레이저의 입출력 특성을, 점선은 일반적인 고체 레이저 장치의 입출력 특성을 도시한다. Nd:YVO4레이저에 있어서 입출력 특성은 점선으로 도시한 바와 같이 어떤 입력치에서 상승한 후 여기 입력과 고체 레이저 출력은 거의 비례 관계로 된다. 한편 LiSAF 레이저에 이어서는 실선으로 표시한 바와 같이 선형 영역을 지난 후 출력 특성이 포화하고, 여기 입력이 증가해도 최후에는 발진이 소멸하는 현상이 보이고 안정한 고체 레이저 출력을 얻을 수가 없는 문제점을 갖는 것을 알 수 있다. 본 발명자들은 예의 검토한 결과 LiSAF 레이저에 있어서, 제14도에 도시한 입출력 특성에 볼 수 있던 포화 현상 및 발진 소멸 현상은 LiSAF를 사용한 레이저 결정의 온도 제어를 행함으로써 해결되는 것을 찾아내고, 본 발명에 이르렀다.
제15도는 LiSAF 결정을 온도 제어한 경우도 하지 아니하는 경우의 LiSAF 레이저 입출력 특성을 비교 설명하기 위한 도면이다. 실선은 LiSAF 결정을 15±5℃로 온도 제어한 경우의 입출력 특성을, 점선은 온도제어하지 아니한 경우의 입출력 특성을 도시하고 있다. 제15도에 있어서 레이저 결정을 온도 제어함으로써 선형 영역을 확대하고 안정한 고체 레이저 출력을 얻을 수 있음을 알 수 있다. 제15도에 있어서 LiSAF 결정의 온도를 15℃로 한 입출력 특성을 도시하였으나, 결정 온도를 10, 20, 30, 40℃로 바꾼 경우의 입출력 특성도 측정하였으나 어느 경우도 입출력 특성에 있어서 선형 영역은 확대되고 안정한 고체 레이저 출력을 얻었다. 즉, 온도 제어 범위의 하한은 사용 조건에 있어서 레이저 결정이 결로 되지 않는 온도로 된다. 또한, 상한은 사용 조건에 있어서 상기 발진 소멸 현상이 관찰되지 아니한 온도로 된다. 레이저 결정의 온도 T가 0T50℃로 되는 범위에서 제어되어 있는 것이 바람직하다.
또한, 공진기를 구성하는 복수의 미러의 최소한 1개가 레이저 결정의 일단면에 형성되어 있는 것이 바람직하다.
또한 광학부품 중 최소한 1개의 부품이 파장 제어 소자이면 바람직하다.
또한 Cr:LiSAF6로 형성되는 레이저 결정과 레이저 결정의 일단면에 최소한 1개의 공진기 미러를 형성하며 구성되는 공진기 구조와 레이저 결정을 여기하기 위한 반도체 레이저와 레이저 결정으로부터의 발광이 레이저 공진기에 있어서 발진하여 형성되는 파장 λ1가 780λ1 1000nm의 제1의 레이저 빔과 공진기 s부에 삽입된 제1의 레이저 빔의 직경의 5배 이상의 개구를 가지면 좋다.
또한, Cr:LiSAF6로 형성되는 레이저 결정과, 상기 레이저 결정의 1단면에 최소한 1개의 공진기 미러를 형성하여 구성되는 공진기 구조와, 상기 레이저 결정을 여기하기 위한 반도체 레이저와 레이저 결정의 온도 T를 0T50℃의 범위에서 온도 제어하기 위한 수단과, 상기 레이저 결정으로부터의 발광이 레이저 공진기에 있어서 발진해서 이루어지는 파장 λ1이 780λ1 1000nm의 제1의 레이저 빔과 공진기 내부에 삽입된 제1의 레이저 빔의 직경의 5배 이상의 개구를 갖춘 파장 제어 소자로 형성되는 레이저 장치이면 좋다.
또 광학부품의 파장 제어 소자와 비선형 광학 결정을 포함하면 좋다.
또한, 고체 레이저 결정의 발진 파장을 제어하기 위한 제어 소자로서 브류스터각(Brewster angle)으로 기울인 복굴절 결정을 사용하면 좋고 복굴절 결정에 수정(SiO2), LiNbO3, LiTaO3의 어떤 것을 사용하면 좋다.
바람직하기로는 복굴절 결정으로서 두께 0.4~3nm의 1장의 수정판을 사용하면 된다. 다시 비선형 결정으로서 LBO(LiB3O5) 및/또는 BBO(β-BaB2O4)를 사용하면 좋다.
고체 레이저 결정의 발진 파장을 제어하기 위한 제어 소자가 제1의 반사파를 공진시키는 공진기 미러면 좋고 다시 공진기 미러의 반사율이 99.9% 이상의 제1의 발진파의 파장 대역폭이 중심 파장에 대해서 10nm 이하면 된다.
공진기 구조가 최소한 2장의 미러로 형성되거나 또는 공진기 구조를 형성하는 최소한 1장의 미러에 있어서 제2고조파의 투과율이 60% 이상이면 된다.
고체 레이저 결정의 발진 파장을 제어하기 위한 제어 소자로서 복굴절 결정을 사용한 경우에 대해서 본 발명자들은 발진역치를 높게 하는 원인이 되는 파장 제어 소자인 복굴절 결정의 투과 파장 폭에 대해서 검토를 하였다. 일반적으로 레이저 공진기의 발진 특성은 공진기 내의 손실에 의존하고 있고 손실이 높으면 발진에 이르기까지의 역치가 높아져 버린다. 또한 파장 제어 소자의 투과 대역 폭은 좁으면 공진기내의 손실로 되기 때문에 발진역치가 높아져 버린다. 제16도는 브류스터각으로 경사진 수정의 복굴절 결정을 조합시킨 수에 의한 투과 파장 폭을 계산한 것이다. 각 조건의 복굴절 결정 두께는 제16도에서 복굴절 결정의 장 수를 증가시키면 즉 복굴절 결정의 두께를 증가시킴으로써 투과 파장 폭이 좁아져 있음을 알 수 있다. 이에 따라 복굴절 결정의 장 수를 감소시킨다. 곧 복굴절 결정의 두께를 감소시킴으로써 투과 파장폭을 넓힐 수가 있고 발진역치를 낮출 수가 있는 효과를 가짐을 알았다.
이 복굴절 결정은 복굴절 결정인 LiNbO3, LiTaO3등도 사용할 수가 있다.
다시 제17도에 복굴절 결정을 수정판 1장으로 한 경우의 복굴절 결정의 두께에 대한 레이저 발진 파장 간격을 도시한다. 여기에서 레이저 발진 파장 간격이란 동시에 레이저 발진할 수 있는 파장의 간격이고 레이저 매질의 파장에 대한 이득 특성에 의존하고 있고 이득 특성이 넓으면 레이저 발진할 수 있는 파장 범위가 넓기 때문에 파장 제어 소자의 투과 파장 간격에 따라서는 동시에 레이저 발진하는 경우가 있다. 제17도로부터 두께가 두꺼워지면 레이저 발진하는 파장의 발진 파장 간격이 좁아지는 것이 알 수 있다. 이것은 두께가 두꺼우면 인접하는 레이저 발진이 가능한 파장 간격이 좁아지고 LiSAF 레이저와 같이 광대역에서의 발진이 가능한 레이저에서 동시에 2개 이상의 발진 파장으로 발진하는 가능성이 있다. 일반 레이저 미러의 반사 대역폭은 50nm 정도이기 때문에 2개 이상의 동시 발진을 억제하기 위해서는 위의 반사 대역폭의 반정도의 25nm 정도 이상의 발진 파장 간격이 필요하므로 복굴절 결정의 두께는 제17도로부터 3mm 이하일 필요가 있다. 또한 결정의 두께가 지나치게 엷으면 파장 제어가 곤란해지기 때문이고 LiSAF 레이저의 발진 파장 폭이 약 20nm이므로 제17도로부터 결정의 두께는 0.4nm 이상일 필요가 있다. 따라서 복굴절 결정의 두께는 0.4~3nm의 범위에서 다시 발진역치를 낮게 할 수가 있다.
상술한 바와 같이 복굴절 결정을 사용함으로써 발진역치를 낮게 할 수가 있었으나 투과 파장폭을 넓혀줌으로써 발진파장 폭이 넓어지기 때문에 SHG 결정의 위상 정합 반값 폭보다 커지고 그다지 효율적으로 SHG를 발생할 수 없다. 다시 효율을 높여가기 위해서는 본 발명자들은 위상 정합 반값폭이 비교적 넓은 LBO(LiB3O5)결정이나 BBO(β-BaB2O4) 결정 혹은 CLBO(CsLiB6O10) 결정을 사용함으로써 해결이 가능한 것을 알게 되었다. 제18도는 LBO 결정의 위상 정합 파장 반값폭이다. KN 결정에 비해서 약 20배의 폭을 갖추고 있기 때문에 파장 제어 소자인 복굴절 결정으로서 제16도보다 두께 0.5mm의 수정판을 1장으로 함으로써 투과 파장 폭을 10nm 정도로 하고 공진기 내의 손실을 없애기 위해 브류스터각으로 기울여서 삽입함으로써 LBO 결정의 위상 정합 폭을 충분히 만족한 SH 출력이 얻어진다. 또한 LBO 결정은 온도에 대해서도 위상 정합 폭의 변화가 0.1nm/℃ 이하로 적기 때문에 온도 제어할 필요가 없고 전반 손실이 0.1%/cm로 적기 때문에 공진기 내 손실로 되는 비율이 낮다. BBO 결정이나 CLBO 결정을 사용해도 LBO 결정과 같은 효과가 얻어진다. 그러나 SH 결정을 온도 제어함에 의해서도 다시 안정한 SH 출력을 실현할 수 있는 것은 명백하다.
다시 고체 레이저 결정의 발진 파장을 제어하기 위한 제어 소자로서 복굴절 결정을 사용하지 아니하고 공진기 미러의 반사율이 99.9% 이상의 파장 대역폭이 중심 파장에 대해서 10nm 이하인 것을 사용할 수도 있다. 레이저 공진기를 구성하는 공진기 구조가 최소한 2장 이상의 미러로 형성되고 이들 공진기 구조를 형성하는 최소한 1장의 미러에 있어서 제2의 발진 파장 즉 SHG의 투과율이 60% 이상으로 하므로써 SH 광을 효율적으로 공진기 밖으로 끄집어낼 수가 있다.
또한 Cr:LiSrAlF6로 형성되는 레이저 결정과 레이저 결정의 일단면에 최소한 1개의 공진기 미러를 형성하며 구성되는 공진기 구조와 레이저 결정을 여기하기 위한 반도체 레이저와 레이저 결정으로부터의 발광이 레이저 공진기에 있어서 발진하여 형성되는 파장 λ1가 780λ1 1000nm의 제1의 레이저 빔과 공진기 내부에 삽입된 제1의 레이저 빔 직경이 5배 이상의 개구를 갖춘 비선형 광학 결정과, 파장 제어 소자와, 비선형 광학 결정과, 레이저 결정과 비선형 광학 결정을 동시에 또는 각각 단독으로 온도 제어하는 수단과 제1의 레이저 빔의 일부에서 다른 파장으로 변환된 제2의 레이저 빔을 끄집어내는 수단을 갖춘 레이저 장치면 된다.
또한 비선형 광학 결정이 LiB3O5(3붕산 리튬), CsLiB6O10(세슘리튬보레이트), β-BaB2O4(붕산바륨), KNbO3(니오브산칼륨), KTaO3(탄탈산칼륨), K-Li-Nb-O(니오브산리튬-칼륨), K-Ta-Nb-O(니오브산, 탄탈산-칼륨) 또는 LiIO3(요오드산 리튬)중의 어떤 것이면 좋다.
또한 본 발명에 관한 레이저 공진기나 레이저 장치를 레이저 프린터 장치, 광조형 장치, 광디스크 장치, 파티클 카운터 및 DNA 시퀀서 등에 사용하면 소형으로 안정성이 뛰어난 장치를 제공할 수 있다.
[발명을 실시하기 위한 가장 좋은 형태]
다음에 본 발명의 실시예에 대해서 상세히 설명하나 본 발명은 이들의 실시예에 한정되는 것은 아니다.
[실시예 1]
제1도는 본 발명의 실시예 1을 설명하기 위한 도면이다. 반도체 레이저(11)에서 출사된 여기 빔(31)은 집광 광학계(12)에 의해 집광되고 레이저 결정(21)을 여기한다. 반도체 레이저(11)는 SDL(Spectra Diode Lab,)사제 AlGaInP 계 반도체 레이저를 사용하여 출력 500mW, 발진 파장 670nm이다. 또한 집광 광학계(12)는 반도체 레이저 콜리미터(초점거리 8nm)와 아나몰픽프리즘페어(anamorphic prismpair)(배율:6배) 및 단렌즈(초점 거리 30nm)를 사용했다.
여기된 레이저 결정(21)은 레이저 결정 단면에 형성된 입사측 공진기 미러(24)와 출력 미러(25)로 형성되는 고체 레이저 공진기(20)에서 제1의 레이저 빔(32)을 발진한다. 고체 레이저 공진기(20)중에는 레이저 결정(21)과 파장 제어 소자로서의 파장 튜닝 소자(23)가 설치되어 있다. 공진기 중에서 발진하는 제1의 레이저 빔(32)의 파장은 파장 튜닝 소자(23)에 의해 튜닝된다. 이때 공진기 구조(20)는 평오목식 공진기이고 출력 미러(25)의 곡율반경은 150mm, 실효광로 길이는 곡율 반경보다 약간 짧게 했다.
레이저 결정(21)에는 Cr 참가량 1.5mol%의 LiSAF 결정(ø3×5mm)을 사용했다. 결정의 전방 단면(24)에는 여기 파장에 대해서 반사율 2% 이하의 무반사(이하 단지 AR;Anti-Reflection) 코팅, 제1의 레이저 빔의 파장에 대해서 반사율 99%이상의 고반사(이하, 단지 HR;High-Reflection) 코팅을 실시하였다. 여기에서 HR 코팅의 반사율은 제1의 레이저 빔을 효율적으로 반사할 수 있으면 된다. 특히 99% 이상으로 할 필요는 없다. 후방 단면에는 제1의 레이저 빔의 파장에 대해서 반사율 2% 이하의 AR 코팅을 실시하였다. 출력 미러(25)에는 제1의 레이저 빔에 대해 99% 이상의 HR 코팅을 실시하였다. 여기에서 출력 미러(25)의 반사율은 제1의 레이저 빔을 고효율로 끄집어낼 수 있으면 되고 특히 99% 이상으로 할 필요는 없다.
또한 본 발명에 있어서 제13도에 도시한 바와 같이 LiSAF 레이저의 공진기 중의 개구를 제1의 레이저 빔 직경의 5배 이상으로 함으로써 손실을 크게 개선하는 것을 실증하였다. 이에 의거해 레이저 결정은 ø3mm, 파장 튜닝 소자(23)의 개구는 ø5mm, 출력 미러의 개구는 ø10mm로 하였다.
또한, 파장 튜닝 소자(23)에는 수정판으로 되는 복굴절 필터 1장을 사용하고 제1의 레이저 빔(32)에 대해서 가장 반사 손실이 적어지는 브류스터각으로 되도록 설치했다. 제1의 레이저 빔(32)은 복굴절 필터를 광축의 주위에 회전함으로써 파장 튜닝할 수 있다. 파장 튜닝 범위는 약 860±50nm, 파장 선택폭은 약 0.5nm으로 하였다. 여기에서 파장 선택폭은 제1의 레이저 빔의 출력이 현저하게 저하하지 아니하는 범위에서 임의이다. 다시 파장 튜닝 소자는 복굴절 필터 외에 프리즘, 에타론(etalon)또는 외부로부터의 주립동기(external injection synchronism)혹은 그것의 조합을 사용해도 좋다.
또한, LiSAF 결정(21)의 흡수의 파장 허용폭은 약 10nm로 넓고 여기용 반도체 레이저를 온도 제어 소자 등을 사용해서 파장 튜닝하지 아니하였으나 최대 흡수 파장에 일치시키기 위해 파장 튜닝해도 좋다.
또한 반도체 레이저의 집광 광학계는 실린드리컬 렌즈(cylindrical lens)또는 광파이버 등의 빔 정형기능을 갖춘 광학부품을 사용함으로써 대용할 수 있다.
[실시예 2]
제2도는 본 발명의 다른 효율 개선의 수단인 레이저 결정의 온도제어를 적응한 경우의 다른 실시예를 설명하기 위한 도면이다. 여기광원(11), 집광광학계(12), 레이저 결정(21), 파장 튜닝 소자(23) 및 공진기 구성(20)은 실시예 1과 같다. 또 공진기 중의 개구 및 파장 튜닝범위등은 실시예 1과 같다.
제15도에서 도시한 바와 같이 LiSAF 결정을 온도 제어함으로써 안정된 레이저 출력이 얻어지는 것이 알려져 있고 제2도에 있어서 LiSAF 결정은 전자 냉각 소자와 써미스타를 사용해서 15℃로 온도 제어하였다. 제어 온도는 레이저 결정이 결로 하기 시작하면 온도를 하한으로 하고 사용조건에서 레이저 출력에 포화가 보이지 아니하는 범위에서 임의로 설정가능하다.
[실시예 3]
제3도는 본 발명의 다른 실시예인 SHG 레이저를 설명하기 위한 도면이다. 반도체 레이저(11)를 포함하는 여기광학계는 실시예 1과 같은 것을 사용하였다.
여기된 레이저 결정(21)은 레이저 결정 단면에 형성된 입사측 공진기 미러(24)와 출력 미러(25)로 형성되는 고체 레이저 공진기(20)로 고체 레이저 발진 파인 기본파(32)를 발생한다. 고체 레이저 공진기(20)중에는 레이저 결정(21)과 기본파의 일부를 SHG 파로 변환하기 위한 비선형 광학결정(32)과 파장 튜닝 소자(23)가 설치되어 있다. 비선형 광학 결정(22)에는 LiB3O5(붕산리튬; 이하, 단지 LBO라 칭함)을 사용 크기는 3×3×5nm로 기본파 및 SHG 파장에 대해 2% 이하의 AR 코팅을 실시하였다.
또한 LiSAF 결정(21)과 LBO 결정(22)은 동시에 25±0.1℃로 온도 제어 소자를 사용해서 온도 제어를 하였다. 출력 미러(25)에는 기본파에 대해 99% 이상의 HR 코팅을 SHG 파에 대해서는 AR 코팅을 실시하여 실시예 1과 같은 개구를 ø10nm로 하였다. 그밖의 광학 부품은 실시예 1과 같은 것을 사용하였다. 공진기 중에서 발진하는 기본파(32)의 파장은 파장 튜닝 소자(23)에 의해 비선형 광학 결정(22)의 파장 변환 효율이 최대로 되는 파장에 튜닝되고 기본파(32)의 일부는 비선형 광학결정(22)에 의해 SHG 파(33)로 파장 변환되고 출력 미러(25)로부터 출사된다. 본 발명에 의해 반도체 레이저 입력 455mW 인 때 SHG 출력 10mW을 얻었다.
파장 튜닝 범위는 약 860±70nm, 파장 선택 폭은 0.5nm로 하였다. 여기에서 파장 튜닝 범위는 LBO 결정의 변환 효율이 최대로 되는 파장 근처에서 파장 선택폭은 SHG 레이저 출력이 현저히 저하하지 아니하는 범위에서 임의이다.
또한 LBO 결정(22) 대신에 β-LiB2O4(붕산 발륨), CsLiB6O10(세슘리튬보레이트), KNbO3(니오브산칼륨), K-Li-Nb-O(니오브산리튬칼륨), 또는 LiIO3(요오드산 리튬)등 기본파의 파장 튜닝 영역의 어떤 것으로 파장 변환 소자로서 위상 정합이 가능한 비선형 광학 결정의 어떤 것을 사용해도 좋다.
이상의 실시예와 동등한 출력이 얻어진 종래의 가스 레이저를 사용 특성 비교를 하였다. 수명에서는 가스 레이저가 2000~5000 시간에서 출력이 50%를 저하한데 대해 SHG 레이저의 경우 10000 시간 이상의 동작이라도 출력의 저하는 볼 수 없었다. 따라서 본 실시예에 의해 수명은 2~5배로 연장되었다. 또한 크기에서는 가스 레이저가 10~15 리터였던데 대해서 SHG 레이저는 0.3 리터였다. 따라서 본 실시예에 의해 크기는 1/50~1/30로 소형화되었다. 또한 소비전력에서는 가스 레이저가 1000~2000W 였던 데 대해 SHG 레이저는 5W였다. 따라서 본 실시예에 의해 소비전력을 1/400~1/200으로 저감할 수 있었다. 이상의 가스 레이저와 본 실시예인 SHG 레이저와의 특성 비교표를 표 1에 표시한다.
[실시예 4]
제4도는 본 발명의 한 실시예를 레이저 프린터 장치에 사용한 응용예를 설명하기 위한 도면이다. 제3도에서 설명한 SHG 레이저 광원 100에서 출사된 SHG 레이저 출력(33)은 음향 광학(이하, 단지 AO; Acousto-Optical) 변조기(51), 빔 엑스펜더(beam expander)(52), 회전다면경(53), f1 렌즈(54)를 통과하여 감광드럼(55)에 집광된다. AO 변조기(51)는 화상 정보에 의해 SHG 출력(43)의 변조를 행하고, 회전다면경(53)은 수평(지면내) 방향으로 주사한다. 이 조합으로 2차원 정보는 감광드럼(55)에 부부분적인 전위차로서 기록된다. 감광 드럼(55)은 전위차에 의해 토너를 부착해서 회전하고 기록용지에 정보를 재생한다.
이때 감광드럼(55)에 도포된 감광체는 세렌(Se)이고 SHG 레이저 광원(100)의 출력 파장은 감광체의 감도의 비교적 높은 420nm로 하고 출력 10mW로 하였다. 여기에서 감광체는 Se 이외의 것을 사용해도 좋다.
[실시예 5]
제5도는 본 발명의 한 실시예를 광조형 장치에 사용한 응용예를 설명하기 위한 도면이다. 광원에는 제3도에서 설명한 SHG 레이저 광원(100)을 사용하였다.
청색 경화수지(61)를 용기에 가득 채우고 레이저광을 액면위에 2차원 주사한다. 이때 청색경화수지(61)는 광이 흡수된 액면부(61-a)만이 경화한다. 한 단층의 형성이 종료하면 엘리베이터(62)는 강하하고 다음 식 단층의 조형을 연속적으로 행한다. 이 작업에 의해 소망하는 형상의 입체 모델(63)이 작성되었다. 이때 SHG 레이저 광원은 파장 430nm, 출력 10mW로 하였다.
[실시예 6]
제6도는 본 발명의 한 실시예를 광디스크 장치에 사용한 응용예를 설명하기 위한 도면이다. 광원에는 제3도에서 설명한 SHG 레이저 광원(100)을 사용했다. 광디스크 장치는 광자기 기록 방식을 채용하였다. SHG 레이저 광원(100)으로부터 출사된 SHG 레이저 출력(33)은 빔 엑스팬더(52)로 확대된 후 평행광으로 된다. 빔스프릿터(72)에서 일부 반사된 광은 전방 모니터(73)에 내장된다. 빔 스플릿터(72)를 통과한 빔은 집광광학계(74)에서 매체(75)에 집광되고 반사된 광은 빔 스플릿터(72)에서 일부 반사된 후 2개의 빔에 분리되고 2개의 디덱터(76)에 각각 내장된다. 전방 모니터(73)에서는 SHG 레이저(3)를 모니터해서 SHG 레이저 출력(33)의 제어를 한다. 또한 빔 스플릿터(72)후의 2개의 디덱터(76)는 각각 자동 포커스와 신호 검출을 한다. 매체(75)에는 일정한 자계가 부가되어 있고, SHG 레이저 출력(33)을 변조시켜서 매체(75)의 큐리 온도까지 초점의 온도를 높여서 자화를 반전함으로써 기록하였다. 출력 ON시에는 매체의 자계가 반전하고 출력 OFF 시에는 자계 반전이 행해지지 아니하고 신호 기록이 가능해진다. 또한 기록 주파수는 10MHz로 하였다. 또한 신호 재생시에는 기록시와 같은 SHG 레이저 광원(100)을 사용 양호한 재생 신호를 얻었다.
[실시예 7]
제7도는 본 발명의 한 실시예를 설명하기 위한 도면이다. 반도체 레이저(111)에서 출사된 여기 빔(141)은 집광광학계(112)에 의해 집광되고 레이저 결정(121)을 여기한다. 반도체 레이저(111)는 SDL(Spectra Diode Lab.)사제 AlGaInP계 반도체 레이저를 사용하고 출력 500mW, 발진 파장 670nm이다. 또한 집광광학계(112)는 반도체 레이저 콜리미터(f=8mm)와 아나몰픽프리즘페어(배율:6배) 및 단렌즈(f=30mm)를 사용하였다.
여기되는 레이저 결정(121)은 레이저 결정 단면에 형성된 입사측 공진기 미러(122)와 출력 미러(124)로 형성되는 고체 레이저 공진기(120)에서 기본파(142)를 발생한다. 고체 레이저 공진기(120)중에는 레이저 결정(121)과 SHG 결정(131)과 파장 제어 소자(125)가 설치되어 있다. 이때 고체 레이저 공진기(120)는 평식 공진기에고 출력 미러(124)의 곡율 반경은 150mm, 공진기 길이는 145mm로 하였다. 레이저 결정(121)에는 Cr 첨가량 1.5mol%의 LiSAF 결정(ø3×5mm)을 사용하였다. 결정의 전방 단면에는 여기 파장에 대해서 반사율 2% 이하의 무반사(이하 단지 AR; Anti-Reflection) 코팅, 기본파 파장에 대해서 반사율 99% 이상의 전반사(이하 단지 HR; High-Reflection) 코팅을 실시하였다. 후방 단면에는 기본파 파장에 대해서 반사율 0.2% 이하의 AR 코팅을 실시하고 입사측 공진기 미러(122)로 하였다.
SHG 결정(31)은 3×3×5mm의 LBO 결정을 LiSAF 결정(121)의 직후에 설치하였다. LBO 결정의 양단면에는 기본파 파장에 대해서 반사율 0.2% 이하 SH 파장에 대해서 반사율 1% 이하의 AR 코팅을 실시하였다. 파장 제어 소자(125)에는 두께 0.5mm의 1장의 수정판으로 형성되는 복굴절 결정을 사용하고 광축에 대해서 브류스터각에 설치해서 광축의 주위를 회전시킴으로써 파장 제어하고 SHG 결정(131)인 LBO 결정의 변동 효율이 최대로 되는 파장으로 조정하였다. 공진기 내부에 있어서 SHG 결정(131)에 의해 일부 SH파(143)로 변환되어서 출력 미러(124)에서 공진기 외부에 SH 출력으로서 끌어내어지는 구조로 된다. 이 구조에 있어서 발진 역치는 제12도의 파장 제어 소자가 없는 경우의 2배 정도이고 SH 출력 10mW이 얻어졌다.
또한 본 발명에 있어서 제7도중의 공진기 내부에 삽입된 SHG 결정(131)과 파장 제어 소자(125)의 위치는 전후의 교대가 가능하다. LiSAF 결정(121)의 흡수의 파장 허용폭은 약 100nm로 넓게 여기용 반도체 레이저를 온도 제어 소자 등을 사용해서 파장 제어하지 아니하였으나 최대 흡수 파장체 일치시키기 위해 제어해도 좋다.
[비교예 1]
제7도와 같은 레이저 공진기에 있어서 파장 제어 소자(125)를 두께 5mm의 1장의 수정판, SHG 결정(131)으로서 KN 결정을 사용하였다. 이 두께 5mm의 수정판의 파장 제어 소장에 의한 레이저 발진 파장 간격은 12nm로 좁기 때문에 레이저 결정(121)인 LiSAF 결정에 있어서 발진하는 기본파는 파장이 12nm 간격으로 4~5개 동시에 발진해 버렸다. 다시 SHG 결정인 KN인 위상 정합 파장 반값치폭이 0.4nm로 좁고 기본파의 파장의 1개만을 KN 결정에 맞추게된 다른 파장에서도 레이저가 발진하고 있기 때문에 기본파 파워가 분산되기 때문에 SH 출력은 수 nW 정도밖에 얻어지지 못했다.
[실시예 8]
제8도는 본 발명 외의 실시예를 설명하기 위한 도면이다. 반도체 레이저(111) 및 집광광학계(112)로 형성되는 여기광학계는 실시예 7과 같다. 여기된 레이저 결정(121)은 레이저 결정 단면에 형성된 입사측 공진기 미러(122)와 오목면 미러(126) 및 평면 출력 미러(123)의 3장의 공진 미러로 형성되는 고체 레이저 공지기(120)에서 기본파(142)를 발생한다. 고체 레이저 공진기(120) 중에는 입사측 공진기 미러(122)와 평면출력 미러(123) 사이에 레이저 결정(121)과 SHG 결정(131)이 평면 출력 미러(123)와 오목면 미러(126) 사이에 파장 제어 소자(125)가 설치되어 있다. 이때 사용한 레이저 결정(121)과 SHG 결정(131)의 재질, 형상 및 코팅은 실시예 7과 같다. 또한 파장 제어 소자(125)는 실시예 7과 같은 것을 사용했다.
평면 미러(126)는 기본파 파장에 대해서 반사율 99% 이상의 HR 코팅을 실시하였다. 또한 평면 출력 미러(123)에는 기본파 파장에 대해서는 반사율 99% 이상의 HR 코팅, SH 파장에 대해서는 투과율 85% 이상의 AR 코팅을 실시하였다. 파장제어 소자(125)를 광축의 주위를 회전시킴으로써 파장 제어하고 SHG 결정(131)인 LBO 결정의 변환 효율이 최대로 되는 파장으로 조정하였다. 공진기 내부에 있어서 SHG 결정(131)에 의해 일부 SH파(143)로 변환되어서 평면 출력 미러(123)에서 공진기 외부에 SH 출력(143)으로서 끌어내어지는 구조로 된다. 이 구조에 있어서는 제7도에 있어서 파장 제어 소자(125)에서의 SH 광의 손실이 없기 때문에 SH 출력 15mW가 얻어졌다.
[실시예 9]
제9도는 본 발명의 다른 실시예를 설명하기 위한 도면이다. 반도체 레이저 (111) 및 집광광학계(112)로 형성되는 여기광학계는 실시예 7과 같다. 여기된 레이저 결정(121)은 레이저 결정 단면에 형성된 입사측 공진기 미러(122)와 출력 미러(124)로 형성되는 고체 레이저 공진기(120)에서 기본파(142)를 발생한다. 이때 사용한 레이저 결정(121)과 SHG 결정(131)의 재질, 형상 및 코팅은 실시예 7과 같다. 출력 미러(124)는 기본파 파장에 대해서 반사율 99.9% 이상의 HR 코팅을 중심 파장 860nm±nm으로 실시하고 있기 때문에 파장 제어 소자를 사용하지 아니하여도 발진 파장의 제어가 행해진다. SH 파장에 대해서는 투과율 85% 이상의 AR 코팅을 실시하고 있다. 제18도에서 도시한 바와 같이 SHG 결정(131)인 LBO 결정의 위상 정합 파장의 반값폭이 8nm로 넓기 때문에 특히 파장 제어하지 아니하여도 효율적으로 SH 광이 얻어진다.
본 발명에 있어서 공진기 내부의 개구를 고려한 LiSAF 레이저의 공진기 설계를 행하여지므로써 반도체 레이저 여기 LiSAF 레이저의 효율을 크게 개선하였다. 또한 LiSAF 결정의 온도 제어를 행함으로써 같은 레이저의 발진소면 현상을 회피하고 안정한 레이저 출력을 얻는 수단을 제안하였다. 이 LiSAF 레이저를 사용함으로써 출력 10mW 등급의 SHG 레이저를 실현하였다. 본 발명에 의해 수명은 2~5배로 크기를 1/50~1/30로, 소비 전력을 1/400~1/200로 크게 개선할 수 있었다. 다시 레이저 응용 장치의 소형, 저소비 전력화 및 장수명화와 신뢰성 향상을 달성하였다.
본 발명에서는 다시 파장 가변 레이저, 특히 LiSAF 레이저를 사용한 내부 공진기 SHG 방식에 있어서 파장 제어 소자의 투과 파장 폭을 넓혀줌으로써 발진역치를 저감시키고 위상 정합폭의 넓은 SHG 결정인 LBO 결정을 사용함으로써 레이저 장치로서의 제2고조파 발생 장치의 효율 및 신뢰성 향상을 실현하였다. 다시, 이 제2고조파 발생 장치를 광원으로 함으로써 응용 제품으로 레이저 프린터 등의 신뢰성이 향상되었다.
이상으로 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면 소형으로 안정성이 뛰어난 레이저 공진기, 레이저 장치, 레이저 프린터 장치 등의 레이저 응용 장치를 제공하는 것이다.

Claims (26)

  1. Cr을 함유하는 불화물로 형성되는 레이저 결정 및 1개 이상의 광학 부품으로 형성되는 레이저 공진기에 있어서, 상기 공진기 내부의 개구가 실질적으로 상기 레이저 결정으로부터의 발광을 공진기 내부에서 발진하여 형성되는 제1레이저 빔의 직경의 5배 이상인 것을 특징으로 하는 레이저 공진기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 레이저 결정이 Cr:LiSrAlF6(크롬 첨가물 불화리튬스트론튬 알루미늄)인 것을 특징으로 하는 레이저 공진기.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 레이저 결정을 온도 제어하는 수치를 갖는 것을 특징으로 하는 레이저 공진기.
  4. 제3항에 있어서, 상기 레이저 결정을 입출력 특성이 포화하지 않는 범위에서 온도 제어하기 위한 수단을 갖춘 것을 특징으로 하는 레이저 공진기.
  5. 제3항에 있어서, 상기 레이저 결정의 온도 T를 0T50℃의 범위에서 온도 제어하기 위한 수단을 갖춘 것을 특징으로 하는 레이저 공진기.
  6. 제1항에 있어서, 상기 공진기를 구성하는 복수의 미러의 1개 이상이 상기 레이저 결정의 일단면에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 레이저 공진기.
  7. 제1항에 있어서, 상기 광학부품 중 1개 이상의 부품이 파장 제어 소자인 것을 특징으로 하는 레이저 공진기.
  8. 제7항에 있어서, 상기 고체 레이저 결정의 발진 파장을 제어하기 위한 상기 제어 소자로서 브류스터각으로 경사진 복굴절 결정을 사용하는 것을 특징으로 하는 레이저 공진기.
  9. 제8항에 있어서, 상기 복굴절 결정에 수정(SiO2), LiNbO3, LiTaO3, 액정판의 어느 1종 이상을 사용하는 것을 특징으로 하는 레이저 공진기.
  10. 제9항에 있어서, 상기 복굴절 결정이 두께 0.5mm 이하의 1장의 수정판을 사용한 것을 특징으로 하는 레이저 공진기.
  11. 제1항에 있어서, 상기 광학부품이 파장 제어 소자와 비선형 광학결정을 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 공진기.
  12. 제11항에 있어서, 상기 제1레이저 빔의 적어도 일부가 상기 비선형 광학 결정을 통과하는 것으로 제1레이저 빔과는 파장이 다른 제2레이저 빔으로 변환되는 것을 특징으로 하는 레이저 공진기.
  13. 제11항 또는 제12항에 있어서, 상기 비선형 광학결정이 LiB3O5(3붕산 리튬), CsLiB3O5(3붕산세슘리튬), β-BaB2O4(붕산발륨), KNbO3(니오브산칼륨), KTaO3(탄탈산칼륨), K-Li-Nb-O(니오브산리튬-칼륨), K-Ta-Nb-O(니오브산, 탄탈산-칼륨) 또는 LiIO3(요오드산 리튬)중 1개 이상인 것을 특징으로 하는 레이저 공진기.
  14. 제11항에 있어서, 상기 레이저 결정과 비선형 광학 결정을 동시에 또는 단독으로 온도 제어하는 수단을 갖춘 것을 특징으로 하는 레이저 공진기.
  15. 제1항에 기재된 레이저 공진기와, 상기 레이저 결정을 여기하기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
  16. 제15항에 있어서, 상기 레이저 결정을 여기하기 위한 수단이 반도체 레이저인 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
  17. 제15항 또는 제16항에 있어서, Cr:LiSrAlF6로 형성되는 레이저 결정과, 상기 레이저 결정의 일단면에 1개 이상의 공진기 미러를 형성하여 구성되는 공진기 구조와, 상기 레이저 결정을 여기하기 위한 반도체 레이저와, 상기 레이저 결정으로부터의 발광이 상기 레이저 공진기에 있어서 발진하는 것으로부터 형성되는 파장 λ1이 780λ1 1000nm의 제1 레이저 빔과 공진기 내부에 삽입된 제1레이저 빔의 직경의 5배 이상의 개구를 갖춘 파장 제어 소자로 형성되는 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
  18. 제15항 또는 제16항에 있어서, Cr:LiSrAlF6로 형성되는 레이저 결정과, 상기 레이저 결정의 일단면에 1개 이상의 공진기 미러를 형성하여 구성되는 공진기 구조와, 상기 레이저 결정을 여기하기 위한 반도체 레이저와, 상기 레이저 결정의 온도 T를 0T50℃의 범위에서 온도 제어하기 위한 수단과, 상기 레이저 결정으로부터의 발광이 상기 레이저 공진기에 있어서 발진하여 형성되는 파장 λ1이 780λ1 1000nm의 제1레이저 빔과, 상기 공진기 내부에 삽입된 상기 제1레이저 빔의 직경의 5배 이상의 개구를 갖춘 파장 제어 소자로 형성되는 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
  19. 제15항 또는 제16항에 있어서, Cr:LiSrAlF6로 형성되는 레이저 결정과, 상기 레이저 결정의 일단면에 1개 이상의 공진기 미러를 형성하여 구성되는 공진기 구조와, 상기 레이저 결정을 여기하기 위한 반도체 레이저와, 상기 레이저 결정으로부터의 발광이 레이저 공진기에 있어서 발진하여 형성되는 파장 λ1이 780λ1 1000nm의 제1레이저 빔과, 상기 공진기 내부에 삽입된 상기 제1레이저 빔의 직경의 5배 이상의 개구를 갖춘 비선형 광학 결정과, 파장 제어 소자와, 상기 비선형 광학 결정과, 상기 레이저 결정과 비선형 광학 결정을 동시에 또는 각각 단독으로 온도 제어하는 수단과, 제1레이저 빔의 일부에서 다른 파장으로 변환된 제2레이저 빔을 끌어내는 수단을 갖추는 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
  20. 제15항에 기재된 레이저 장치를 사용한 것을 특징으로 하는 레이저 응용 장치.
  21. 제20항에 있어서, 상기 레이저 응용 장치가 레이저 프린터 장치인 것을 특징으로 하는 레이저 응용 장치.
  22. 제20항에 있어서, 상기 레이저 응용 장치가 광조형 장치인 것을 특징으로 하는 레이저 응용 장치.
  23. 제20항에 있어서, 상기 레이저 응용 장치가 광디스크 장치인 것을 특징으로 하는 레이저 응용 장치.
  24. 제20항에 있어서, 상기 레이저 응용 장치가 파티클 카운터인 것을 특징으로 하는 레이저 응용 장치.
  25. 제20항에 있어서, 상기 레이저 응용 장치가 DNA 시퀀서 장치인 것을 특징으로 하는 레이저 응용 장치.
  26. Cr을 함유하는 불화물로 형성되는 레이저 결정으로부터의 발광을 레이저 공진기에서 발진시켜서 제1레이저 빔을 얻는 레이저 발진 방법에 있어서, 상기 제1레이저 빔의 직경의 실질적으로 5배 이상의 직경의 개구부를 갖춘 공진기 중에서 공진시키는 것을 특징으로 하는 레이저 발진 방법.
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