KR100252008B1 - 제2고조파 발생방법 및 장치 - Google Patents

제2고조파 발생방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명인 제2고조파발생방법 및 장치는 온도센서를 이용하여 비선형광학소자의 온도를 검출하고 온도설정치와의 비교를 통하여 비선형광학소자의 온도가 소정의 온도범위내에 들어가는 경우에만 종래의 광출력량에 의한 제어를 수행할 수 있도록 하기 때문에 비선형광학소자 특성에서 제일 상태가 좋은 첨두치를 선택할 수 있어서 비선형광학소자 특성이나 동작조건이 어느 정도 바뀔 경우에라도 다른 첨두치를 선택하는 일이 없다.
또한, 광출력 면에서는 첨두치로 나타나나 노이즈가 있는 첨두치 경우는 광원으로써 의미없는 경우가 있으므로 노이즈가 없는 첨두치를 의도적으로 선택할 수 있다

Description

제2고조파발생방법 및 장치
제1도는 종래 기술의 장치 구성도이다.
제2도는 종래 기술에 따른 광출력제어부의 구성 블럭도이다.
제3도는 종래 기술에 따른 광출력제어부의 일 실시예의 회로도이다.
제4도는 온도에 따른 광출력의 그래프이다.
제5a도는 종래 기술의 시간에 따른 광출력 그래프이다.
제5b도는 종래 기술의 시간에 따른 비선형광학소자의 온도변화 그래프이다.
제6도는 본 발명중 광출력제어부의 개략적인 구성 블럭도이다.
제7도는 본 발명에 따른 온도센서가 부착된 비선형광학소자를 도시한 사시도이다.
제8도는 본 발명중 광출력제어부에 따른 일 실시예의 회로도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
606 : 온도비교수단 608 : 광출력비교수단
610 : 스위치제어부 612 : 스위칭수단
614 : 온도센서
본 발명은 비선형광학소자를 사용함으로써 나타나는 광출력의 불안정현상을 개선하기 위한 제2고조파발생방법 및 장치에 관한 것이다.
레이저광을 이용하여 데이타를 기록재생하는 광자기 기록방식의 경우, 830nm 적외선 반도체 레이저를 이용하고 있지만 이보다 더 높은 기록밀도를 추구하고 있다. 그러나, 830nm 반도체 레이저는 초점이 모아졌을 때 초점지름은 830nm 이상이 된다. 만일, 830nm보다 더 짧은 레이저 광원이 있으면 초점지름을 줄일 수 있다.
이와같이 단파장 레이저 광원은 헤륨-네온 레이저나 아르곤 레이저가 있지만, 민수용 데이타 기록재생하기에는 크기가 너무 크고 소모전력이 많아 취급하기가 어렵다.
제2고조파발생장치(Second Harmonic Generation; 이하 SHG라고도 함)는 부피와 취급이 용이한 809nm 반도체 레이저로 Nd:YAG를 펌핑하여 1064nm 레이저 광원으로 만들고 KTP(KTiOP04; Potassium Titanyl Phosphate), KNbO3같은 비선형소자를 이용하여 기본파에 대한 제2고조파(1064nm 레이저광의 파장의 반인 532nm의 레이저광)를 얻어낸다.
제2고조파발생장치의 출력광은 온도에 대단히 민감한 비선형광학소자를 이용하기 때문에 광출력이 불안정하다. 오도를 조건에 따라 정확히 제어하여야만 일정한 레이저 출력을 얻을 수 있다.
종래 기술의 장치 구성도를 보인 제1도를 참조하면, 레이저다이오드(100)로부터 나오는 809nm 레이저광은 제1미러(102)를 통과한후 두개의 미러(102, 116) 사이의 공진기 내부에 위치한 Nd:YAG(104)를 통과함으로써 1064nm 기본파의 레이저 공진이 일어난다. 이때 Nd:YAG(104)와 제2미러(116) 사이에는 브루스터플레이트(106)와 비선형광학소자(110)가 있으며, 이 비선형광학소자(110)에서 기본파 파장의 절반인 532nm의 제2고조파가 발생한다.
제2미러(116)로 진행하는 광에는 1064nm와 532nm의 광이 섞여있는데, 제2미러(116)는 기본파에 대해 고반사율을 가지기 때문에 1064nm광은 차단시키고 532nm광만 출력되게 한다. 이때에 532nm의 광을 안정하게 조절발생하기 위하여 투과율:반사율이 97:3이 되는 차단판(118)을 사용하여 출력되는 고조파광의 일부를 빔스프리터(120)를 통하여 포토디텍터(122)에 입력되게 한다.
532nm의 레이저광(제2고조파)은 포토디텍터(122)에 닿으면 광전변환이 일어나 입력된 광량에 비례하여 전류로 변환된다. 이 전류는 제2고조파 광출력제어부(124)로 입력된다.
제2고조파 광출력제어부(124)로부터 출력되는 제어신호는 전자냉각기(112; Thermo Electric Cooler)로 입력되어 비선형광학소자(110)의 온도를 조절하게 된다.
제2도에 도시되어 있는 광출력제어부의 구성 블럭도를 참조로 하여 제2고조파 광출력제어부(124)의 구성 및 동작을 설명하면 다음과 같다.
제2고조파 광출력제어부(124)는 증폭기(200), 제2고조파 광출력 설정부(202), 비교기(204), 적분기(206), 및 전자냉각기 구동부(208)로 구성되어 있다.
이때 비선형광학소자(110)의 반대면은 고온이 되므로 방열판(114)을 설치하고 고온부의 온도를 자연발열시킴으로써 전자냉각기의 효율을 높여 저온부의 온도를 효과적으로 제어한다.
비선형광학소자(110)로부터 출력되는 광출력에 해당하는 전류를 발생시켜주는 포토디텍터(122)로부터의 전류는 광출력 안정화를 목적으로 증폭기(200)로 입력되어 전압으로 증폭변환시켜서 제2고조파 광출력 설정부(202)로부터의 설정전압과 비교하기 위하여 비교기(204)로 입력된다.
비교기(204)에서의 비교치는 광출력 오차신호가 되는데, 이 값을 적분기(206)를 통해 적분시켜서 전자냉각기 구동부(208)로 하여금 전자냉각기(112)를 구동시키게 하여 비선형광학소자(110)의 온도를 제어한다.
결국, 종래의 제2고조파발생장치의 제어메카니즘은 비선형광학소자(110)로부터 출력되는 고조파광출력으로부터 비선형광학소자(110)의 온도를 제어하도록 되어 있는 것이다.
제3도는 종래 기술에 따른 광출력제어부의 실시예의 회로도이다.
제4도는 비선형광학소자의 온도와 광출력과의 관계를 도시한 그래프인데, 여러개의 광출력 점두치를 나타내고 있다. 제2고조파 광출력설정부(202)에 의해서 설정된 광출력 설정치와 실제 얻어지는 광출력이 같아질 때까지 광출력오차가 부극성 되먹임이 되어 안정된 출력이 얻어지게 된다.
광출력오차는 비선형광학소자(110)의 온도를 낮추기 위해 전자냉각기(112)가 사용된다. 제4도의 초기 비선형광학소자의 온도 T1에서 부극성 되먹임이 진행되어 제2고조파광출력이 광출력 설정치에 도달하는 온도 T2에 이를때까지 비선형광학소자(110)의 온도를 냉각시킨다. T2까지 냉각시킨후 제1피크를 만나면 광출력은 증가하다가 광출력 설정치에서 온도가 정지된다.
그러나, 제1피크는 제2피크에 비하여 최대 광출력 여유가 작다. 즉, 비선형광학소자와 제2고조파발생장치의 상태에 따라 일정한 특성을 유지하기가 어려우므로 제1피크보다 제2피크에서 광출력의 안정도가 높다.
그러나, 종래의 제2고조파발생장치의 시간에 따른 광출력이 도시되어 있는 제5a도에서 알 수 있듯이 비선형광학소자의 온도는 T2쪽에서 점점 T3쪽으로이동한다. 이때 광출력은 설정된 광출력보다 작은 광출력불안정(B) 구간이 생기게 된다. 광출력불안정 구간을 지나서 T3쪽으로 계속 이동하다가 광출력이 설정된 광출력 설정치와 같아지면 비선형광학소자의 온도가 정지한다.
그런데, 제5b도에 도시되어 있는 것처럼, 광출력불안정 구간에서의 시간에 대한 비선형광학소자의 온도의 변화량이 가장 크다. 즉, 종래의 기술에 있어서는 A구간을 거쳐 불안정한 B구간을 거쳐서 안정한 C구간으로 온도제어가 진행되기 때문에 광출력속에 불안정한 광출력을 포함하게 된다.
따라서, 본 발명의 목적은 안정한 광출력을 제공하는 제2고조파발생방법 및 장치를 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명인 제2고조파발생방법은 고조파광출력량을 검출하여 광출력설정치와의 비교를 통하여 비선형광학소자의 온도를 제어함으로써 일정한 광출력을 얻어내는 제2고조파발생방법에 있어서, 상기 비선형광학소자의 온도를 검출하여 온도설정치와의 비교를 통하여 소정의 온도범위에 있는 경우에만 상기 광출력량에 의한 광출력제어를 수행함으로써 안정한 제2고조파에 의한 광출력만을 출력시키는 것을 특징으로 한다.
상기 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명인 제2고조파발생장치는 광출력을 발생시키는 비선형광학소자; 상기 비선형광학소자에 부착되어 있어서 상기 비선형광학소자의 온도를 조절할수 있도록 하는 전자냉각기; 상기 비선형광학소자로부터의 광출력을 전류신호로 변환시켜주는 광변환소자; 상기 비선형광학소자에 부착되어 온도에 따라 전기저항이 변하여 온도를 감지할 수 있는 온도센서; 상기 광변환소자로부터의 전류신호를 입력으로 하여 광출력량을 검출하고 검출된 광출력량과 소정의 광출력설정치와의 제1비교신호를 출력하는 광출력비교수단; 상기 온도센서로부터의 전기저항의 변화를 이용하여 온도를 검출하고 검출된 온도와 소정의 온도설정치와의 제2비교신호를 출력하는 온도비교수단; 상기 제2비교신호를 입력으로 하여 상기 제2비교신호가 일정범위내에 있는 경우 제1제어신호를 출력하고, 일정범위밖에 있는 경우에는 제2제어신호를 출력하는 온도범위판단수단; 상기 제1제어신호에 응답하여 상기 제1비교신호를 선택하고, 상기 제2제어신호에 응답하여 상기 제2비교신호를 선택한후 선택된 신호에 비례하는 양의 전압을 출력하는 선택출력수단; 및 상기 선택출력수단을 통하여 입력되는 출력전압에 따라 선형적으로 구동전압을 상기 전자냉각기로 제공하여 줌으로써 전자냉각기를 구동시키는 전자냉각기 구동수단을 구비하여 광출력을 제어하는 것을 특징으로 한다.
이하 도면을 참조로 하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.
제6도는 본 발명에 의한 제2고조파발생장치의 광출력제어장치의 구성 블럭도이다.
본 발명에 다른 광출력제어장치에는 종래 기술에 의한 구성요소인 광출력비교부, 적분기, 전자냉각기 구동부, 및 포토디텍터 이외에도 온도비교부, 스위치제어부, 스위칭수단, 및 온도센서를 더 구비하여 구성되어 있다.
본 발명의 구성에 의하면 초기에 스위치제어부(610)는 온도센서(614)로부터의 측정값에 의한 온도비교신호를 선택하도록 되어 있다. Nd:YAG 결정(104)으로부터 1064 nm 레이저광이 비선형광학소자(110)를 통과하면서 532nm의 제2고조파가 발생된다.
이때 온도센서(614)는 주로 써미스터가 사용되는데 온도에 따라 전기저항이 변한다. 이 전기저항 변화를 증폭기(600)에서 전압으로 바꾸고 증폭한다. 다시 이 전압은 설정온도값과 함께 비교기(604)에서 비교하게 된다.
즉, 증폭된 온도측정값과 온도설정치의 차이가 온도오차가 된다. 이것은 적분기(206)에 의해 적분되어 전자냉각기 구동부(208)에 가해지고 전자냉각기(112)가 구동되어 비선형광학소자(110)가 냉각된다.
온도센서(614)는 제7도에서처럼 비선형광학소자에 부착되어 있으므로 온도센서로부터 전자냉각기(112)까지 피드백되어 온도측정값과 온도설정치의 차이인 온도비교신호가 '0'이 될 때까지 반복한다. 결국 온도비교신호의 절대치가 '0'을 유지하게 된다.
이때 1064nm의 입력광이 일정할때 제2고조파 출력특성은 제4도와 같이 온도에 따라 여러개의 첨두치를 가지게 된다. 출력특성이 가장 우수한 제2고조파를 선택하기 위하여 비선형광학소자(110)의 온도설정치는 제1피크와 제2피크 사이의 온도 Ts가 되어야 한다.
비교기(604)의 온도비교신호의 절대치가 거의 '0'이 될 경우에 스위치제어부(610)는 스위치(612)로 제어신호를 보내어 포토디텍터(122)로부터으 신호를 받아 제2고조파광출력이 제2고조파광출력설정부(202)에 의해서 설정된 소정의 광출력 설정치가 되도록 제어한다. 이것은 종래 기술과 같은 부분으로 종래 기술에서는 광출력에 의한 제어만이 있었다.
따라서, 본 발명에 의한 광출력 제어방법 및 장치에는 온도설정에 의한 제어과정 및 비선형광학소자의 온도가 제어된 경우에 종래의 광출력에 의한 제어를 수행할 수 있도록 스위칭해주는 스위칭과정을 더 포함하고 있다.
결국, 제5a도의 시간에 따른 광출력의 변화 그래프에서 종래에는 A구간을 거치고 불안정한 B구간을 거쳐서 C구간을 진행시킴으로써 광출력을 제어하였지만, 본 발명에 따르면 비선형광학소자의 온도를 Ts로 맞춘후 제1피크온도(T4)와 제2피크온도(T5) 사이인 경우에는 포토디텍터로부터 나오는 광출력을 이용하여 제어를 수행함으로써 제어의 흐름은 불안정한 B구간을 거치고나서 바로 C구간으로 넘어가게 된다.
제8도는 본 발명인 제2고조파발생장치의 광출력 제어부에 따른 일실시예의 회로도이다.
광출력비교부(608)는 포토다이오드(PD1), 저항들(R1 내지 R5, R7, R8), 가변저항(VR1), 그리고 연산증폭기들(OP1, OP2)로 이루어져 있다.
여기서, 포토다이오드(PD1)는 비선형광학소자(110)로부터의 광출력량에 비례하는 전압을 연산증폭기(OP1)의 네가티브단자로 입력시켜 준다. 연산증폭기(OP1)는 입력되는 신호를 증폭시켜서 연산증폭기(OP2)의 네가티브단자로 증폭된 전압을 출력한다. 연산증폭기(OP2)는 연산증폭기(OP1)로부터 입력되는 전압신호와 저항(R7, R8) 및 가변저항(VR1)에 의해서 형성되는 전압을 비교하여 두 신호의 차이에 해당되는 전압을 출력한다. 출력되는 전압은 스위치(SW2)의 일측단자에 연결되어 있다.
온도비교부(606)는 온도센서(614), 저항들(R12 내지 R17), 가변저항(VR3), 그리고 연산증폭기들(OP4, OP5)로 이루어져 있다.
여기서, 온도센서(614)는 비선형광학소자에 부착되어 있는 소자로서 온도에 따라 저항이 가변됨으로써 온도검출을 가능하게 한다. 이러한 온도센서(614)의 가변성 저항값을 연산증폭기(OP4)의 출력임피던스로 사용함으로써 저항값에 따라 증폭된 전압을 출력한다. 이 출력된 전압은 연산증폭기(OP5)의 네가티브단자로 입력되어 저항들(R16, R17) 및 가변저항(VR3)에 의해서 형성되는 전압을 포지티브단자의 입력으로 받는 연산증폭기(OP5)에서 비교되어 두 신호의 차이가 출력된다.
스위치제어부(610)는 저항들(R18 내지 R24), 다이오드들(D1 내지 D3), 그리고 연산증폭기들(OP6, OP7)로 이루어져 있다.
연산증폭기(OP5)의 출력신호는 연산증폭기(OP6)의 네가티브단자와 연산증폭기(OP7)의 포지티브단자로 각각 입력된다. 연산증폭기(OP6)에서는 저항(R19)과 저항(R20)의 직렬연결에 의해 형성되는 전압을 포지티브단자의 입력으로 하여 연산증폭기(OP5)의 출력신호와 비교하여 비교결과를 출력한다. 이때 포지티브단자에 입력되는 기준전압보다 네가티브단자에 입력되는 연산증폭기(OP5)의 출력전압이 높으면 마이너스 포화전압이 출력되고, 포지티브단자에 입력되는 기준전압보다 네가티브단자에 입력되는 연산증폭기(OP5)의 출력전압이 낮으면 플러스 포화전압이 출력된다.
마찬가지로 연산증폭기(OP7)에서는 저항(R20)에 의해 형성되는 전압을 네가티브단자의 입력으로 하여 연산증폭기(OP5)의 출력신호와 비교하여 비교결과를 출력한다. 이때 네가티브단자에 입력되는 기준전압보다 포지티브단자에 입력되는 연산증폭기(OP5)의 출력전압이 높으면 플러스 포화전압이 출력되고, 네가티브단자에 입력되는 기준전압보다 포지티브단자에 입력되는 연산증폭기(OP5)의 출력전압이 낮으면 마이너스 포화전압이 출력된다.
스위치제어부(610)는 연산증폭기(OP5)의 출력값에 따라 스위칭수단(612) 을제어하기 위한 제어신호를 출력시키는데, 스위치제어부(610)가 연산증폭기(OP5)의 출력값에 따른 스위칭수단(612)의 온/오프 관계를 나타낸 표는 다음과 같다.
여기서, Va 및 Vb는 본 실시예에 따른 회로적인 해석으로는 다음과 같이 정의될 수 있다.
여기서, 시간에 따른 온도특성을 나타내고 있는 제5a도에서의 B구간을 Va와 Vb를 이용하여 설정을 하게 되는데, 이렇게 함으로써 A구간에서부터 광출력설정치에 맞게 광출력제어를 시작하는 것이 아니라, 안정성이 높은 제2피크에 해당하는 C구간에서의 광출력을 제어출력시킬 수 있게되어 보다 안정된 광출력을 얻을 수 있게 된다.
즉, 결과적으로 비선형광학소자의 온도의 관점에서 본다면, 비선형광학소자의 온도가 T5와 T4사이에 놓인 경우에 한해서 광출력설정치에 의한 광출력제어를 수행할 수 있도록 스위치제어부(610)는 스위치(SW2)를 온시키기 위한 제어신호를 출력시키게 된다. 이것은 연산증폭기(OP2)의 출력신호가 적분기(206)로 입력되어 전자냉각기(112)를 구동시키기 위한 전압을 제공하게 되므로, 비선형광학소자의 오도는 제2고조파광출력설정점이 되도록 온도제어가 수행됨을 의미한다.
스위칭수단(612)은 스위치제어부(610)로부터의 제어신호에 응답하여 연산증폭기(OP2)의 출력신호 및 연산증폭기(OP5)의 출력신호 중에서 어느 하나를 출력시켜준다.
적분기(206)는 스위칭수단(612)으로부터의 출력신호를 시간에 따라 적분하여 출력시켜준다.
전자냉각기 구동부(208)는 적분기(206)로부터의 적분신호를 트랜지스터(TR1)의 베이스로 입력받아 적분신호에 비례하여 구동전류를 전자냉각기(112)로 제공하여 줌으로써 비선형광학소자(110)의 온도제어를 수행한다.
따라서, 본 발명은 온도센서를 이용하여 비선형광학소자의 온도를 검출하고 온도설정치와의 비교를 통하여 비선형광학소자의 온도가 소정의 온도범위내에 들어가는 경우에만 종래의 광출력량에 의한 제어를 수행할 수 있도록 하기 때문에 비선형광학소자 특성에서 제일 상태가 좋은 점두치를 선택할 수 있어서 비선형광학소자 특성이나 동작조건이 어느 정도 바뀔 경우에라도 다른 점두치를 선택하는 일이 없다.
또한, 광출력 면에서는 첨두치로 나타나나 노이즈가 있는 첨두치 경우는 광원으로써 의미없는 경우가 있으므로 노이즈가 없는 첨두치를 의도적으로 선택할 수 있다.

Claims (5)

  1. 고조파광출력량을 검출하여 광출력설정치와의 비교를 통하여 비선형광학소자의 온도를 제어함으로써 일정한 광출력을 얻어내는 제2고조파발생방법에 있어서, 상기 비선형광학소자의 온도를 검출하여 온도설정치와의 비교를 통하여 소정의 온도범위에 있는 경우에만 상기 광출력량에 의한 광출력제어를 수행함으로써 안정한 제2고조파에 의한 광출력만을 출력시키는 것을 특징으로 하는 제2고조파발생방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 온도범위는 비선형광학소자에서 출력되는 제2고조파의 광출력피크가 최대치인 제2피크온도에서부터 제2고조파 광출력피크가 다음으로 높은 제1피크온도까지임을 특징으로 하는 게2고조파발생방법.
  3. 광출력을 발생시키는 비선형광학소자; 상기 비선형광학소자에 부착되어 있어서 상기 비선형광학소자의 온도를 조절할 수 있도록 하는 전자냉각기; 상기 비선형광학소자로부터의 광출력을 전류신호로 변환시켜주는 광변환소자; 상기 비선형광학소자에 부착되어 온도에 따라 전기저항이 변하여 온도를 감지할 수 있는 온도센서; 상기 광변환소자로부터의 전류신호를 입력으로 하여 광출력량을 검출하고 검출된 광출력량과 소정의 광출력설정치와의 제1비교신호를 출력하는 광출력비교수단; 상기 온도센서로부터의 전기저항의 변화를 이용하여 온도를 검출하고 검출된 온도와 소정의 온도설정치와의 제2비교신호를 출력하는 온도비교수단; 상기 제2비교신호를 입력으로 하여 상기 제2비교신호가 일정범위내에 있는 경우 제1제어신호를 출력하고, 일정범위밖에 있는 경우에는 제2제어신호를 출력하는 온도범위판단수단; 상기 제1제어신호에 응답하여 상기 제1비교신호를 선택하고, 상기 제2제어신호에 응답하여 상기 제2비교신호를 선택한후 선태된 신호에 비례하는 양의 전압을 출력하는 선택출력수단; 및 상기 선택출력수단을 통하여 입력되는 출력전압에 따라 선형적으로 구동전압을 상기 전자냉각기로 제공하여 줌으로써 전자냉각기를 구동시키는 전자냉각기 구동수단을 구비하여 광출력을 제어하는 것을 특징으로 하는 제2고조파출력장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 온도비교수단은 상기 온도센서의 온도에 따른 저항값을 출력임피던스로 사용함으로써 온도값에 따른 전압신호를 증폭하기 위한 증폭수단; 상기 전압신호를 소정의 전압과 비교하여 그 비교값을 출력하기 위한 비교수단을 구비한 것을 특징으로 하는 제2고조파발생장치.
  5. 제3항에 있어서, 상기 선택출력수단은 상기 제1제어신호에 응답하여 상기 제1비교신호를 출력시키고, 상기 제2제어신호에 응답하여 상기 제2비교신호를 출력시키기 위한 스위칭수단; 및 상기 스위칭수단을 통하여 전달되는 신호를 입력으로 하여 상기 신호에 대한 적분량을 출력시키는 비례적분기를 구비한 것을 특징으로 하는 제2고조파발생장치.
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