KR100266539B1 - 제2고조파발생용케이티피반사방지막 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 KTP결정을 공진기형 제2고조파 발생소자에 사용할때 제2고조파 발생 효율을 높이기 위해 KTP소자의 레이저 입출사면에 기본광(1064nm)과 SH광 (532nm)의 두 파장에 대한 반사방지막을 적층시킨 것으로, 좀 더 구체적으로는 상기 KTP결정의 입사면과 출사면에 고굴절율의 ZrO2와 저굴절율의 SiO2를 7층으로 교대로 적층시켜 두파장에 대한 반사율을 0.1% 이하로 개선시킨 KTP 반사방지막에 관한 것이다.

Description

제2고조파 발생(SHG)용 케이티피(KTP)반사방지막
제1도는 일반적인 공진기형 SHG의 개략적인 구조도이고,
제2도는 설계중심파장 1064nm을 갖는 본 발명의 반사방지막의 설계 결과를 도시한 그래프이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
11 : 레이저 다이오드 12 : 렌즈
13, 13' : 미러(merror) 14 : Nd:YACT 결정
15 : 브루스터(brewster) 16 : KTP
17 : 빔 스플리터(beam splitter) 18 : 색필터
19 : 포토 다이오드 20 : 입사면
21 : 출사면
본 발명은 공진기형 제2고조파 발생(Second Harmonic Generation, 이하 SHG라 함)용 KTP(KTiOPO4) 반사방지막에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 KTP결정을 공진기형 SHG소자에 사용할때 SHG효율을 높이기 위해 KTP소자의 레이저 입출사면에 기본광(1064nm) 및 제2고조파장(532nm, SH)의 두 파장에 대한 반사를 감소시키기 위한 반사방지막에 관한 것이다.
최근, 선명한 영상과 깨끗한 음질을 얻기위해 레이저를 이용하여 광디스크에 영상과 음성신호를 동시에 기록하는 연구가 진행중인데, 그중에서도 레이저의 파장을 단파장화하여 기록밀도를 높이고자 하는 연구가 활발하다. 특히, 비선형 단결정의 SHG특성을 이용한 공진기형의 녹색 레이저 발생장치에 대한 연구가 관심의 촛점이 되고 있다. 이러한 장치에 사용될 수 있는 비선형 단결정중의 하나인 KTP결정은 SHG소자, 주파수 믹싱(frequency mixing) 또는 OPO(Optical Parametric Oscillator)응용 등에 널리 사용되는 광학재료로서 Nd : YAG레이저의 1064nm 및 1325nm 파장에 주로 사용된다. KTP 결정은 사방격자(orthorhombic lattice) 구조를 가지며, 포인트 그룹(Point group)은 ㎟에 속하고 높은 SHG변환 효율을 갖는다. 또한, KTP결정은 위상정합 온도가 25℃/㎝이고, 워크-오프각(walk-off angle)이 1mrad 정도로 작으며, 위상정합 각도(angular bandwidth)는 15∼68mrad/㎝이고, 투과영역 범위가 0.35∼4.5㎛이며, 레이저 손상에 대한 저항성이 클 뿐만 아니라 가공이 용이하고 화학적으로 안정하기 때문에 이상적인 결정으로 각광을 받고 있다.
이러한 KTP는 수열합성법과 플럭스(flux)법에 의해 성장되나 전자는 결정의 대형화가 곤란한 단점을 가지고 있지만, 후자는 대기압하에서 결정이 성장되기 때문에 대형 결정 성장이 가능하다. 따라서, 현재에는 주로 플럭스법에 의해 KTP단결정을 성장시킨다.
KTP소자를 레이저 공진기 내부에 이용하는 일반적인 공진기형 SHG의 구조는 제1도에 도시된 바와 같다. 이때 KTP소자의 레이저 입사면(20)과 출사면(21)에게 대해 기본광과 제2고조파광의 반사를 감소시키기 위해서는 기본광과 SH광의 두 파장에 대한 반사방지막을 입혀야 한다. 상기 KTP소장에 반사방지막이 적층되지 않은 경우, 공기중에서 계면의 반사율은 약 7.9%이다. 이러한 반사에 의한 손실을 SHG변환효율을 저하시키는 원인으로 작용한다. 한편 현재까지 KTP소자의 반사방지막은 명확히 소명되지는 않았지만, 일본 특개평 제2-247601호에 굴절율이 서로 다른 3층의 유전체 박막(TiO2, ZrO2, SiO2또는 TiO2, ZrO2, MgF2)을 적층시켜 이루어진 반사방지막이 기술되어 있다. 그러나, 상기 특허에 기재된 각 층의 굴절율 값이 실제 각 유전체 재료의 굴절율 값과 큰 차이를 갖는바, 예를들어, 550nm정도의 가시영역에서 TiO2, ZrO2, SiO2및 MgF2의 굴절율 값은 각각 2.4, 2.1, 1.46 및 1.38정도로 보고되어 있으나, 상기 특허의 경우에는 TiO2, ZrO2, SiO2및 MgF2의 굴절율 값이 각각 2.08 또는 2.14, 1.65 또는 1.76, 1.45 및 1.37로 기재되어 있어 상기 굴절율을 갖는 박막의 제조가 어려운 실정이다.
따라서, 본 발명의 목적은 반사에 의한 손실을 최소로 감소시켜 SHG변환효율을 놓일 수 있는 공진기형 SHG용 KTP 반사방지막을 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발영의 반사방지막은 SHG 소자용 KTP 단결정의 반사방지막에 있어서, 굴절율이 다른 두가지 유전체 재료를 7층으로 적층시켜 제조되는 것으로 구성된다.
이하 본 발명의 구성을 첨부된 도면을 참조하여 좀 더 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.
본 발명은 KTP소자를 레이저 공진기 내부에 이용할 때 SHG효율을 높이기 위해 상기 KTP소자의 레이저 입출사면에 적층되어 기본광(1064nm)과 SH광(532nm)의 두 파장에 대한 반사를 감소시킬 수 있는 막에 관한 것이다. 일반적으로 SHG변환 효율을 높이려면 입사 레이저 광의 강도를 크게 하고 기본광과 SH광의 파장에 대해 굴절율을 일치시키는 위상정합조건을 만족시킬 필요가 있다. KTP결정은 기본당(λW= 1064nm)에 있어 x축 방향 굴절율을 nxw, y축 방향 굴절율을 nyw, z축 방향 굴절율을 nzw라 하면 x-y면 상에서 굴절율은 하기 식으로 표현된다.
여기서 nxw= 1.738, nyw= 1.745, nzw= 1.830, Φ는 x축에서 y축으로 회전한 각도를 나타내며 타입Ⅱ KTP에 있어 위상정합각은 23.5°이다. 또한 편광 방향이 A방향인 경우 다음식을 만족한다.
상기 식(1) 및 (2)와 편광 방향 θ=45°, θ=23.5°의 경우 nA w= 1.785, nA 2W= 1.836, nW(23.5°) = 1.744, n2W(23.5°)=1.787을 얻는다.
제1도는 일반적인 공진기형 SHG구조를 개략적으로 도시한 것으로서, KTP(16)의 입출사면(20, 21)에는 기본광에 대한 반사방지막과 SH광에 대한 반사방지막이 적층되어 있는데, 이때 부호 11은 레이저 다이오드이고, 12는 렌즈, 13과 13'는 미러인데, 미러(13)은 기본광을 반사하며, 미러(13')은 기본광을 반사히고 SH광을 투과시킨다. 또한 부호 14는 Nd:YACT 결정을 나타내며, 15는 브루스터판, 17은 빔 스플리터이고, 18은 색필터, 19는 포토 다이오드이다. 본 발명에서는 KTP단결정의 양면에 SHG효율을 높이기 위해 파장 1064nm를 갖는 기본광과 532nm의 SH광이 각각 0.1% 이하의 반사율을 갖도록 반사방지막을 제조하는데, 이때 반사방지막은 고굴절율의 유전체 재료와 저굴절율의 유전체 재료를 교대로 반복 적층시킨다. 본 발명에서는 저굴절율의 유전체 재료로는 굴절율이 약 1.46인 SiO2를 고굴절율의 유전체 재료로는 굴절율이 약 2.1인 ZrO2을 사용하였으며, 이를 교대로 적층시켜 적층체를 구성하는데, 7층의 적층체가 바람직하다. 각 층의 구성은 설계중심파장 1064nm에서 다음과 같은 광학 두께를 갖도록 하였다. 즉, KTP/0.063∼0.077L, 0.055∼0.068H, 0.049∼0.060L, 0.128∼0.156H, 0.071∼0.088L, 0.046∼0.054H, 0.180∼0.220L/AIR이며, 여기서 L은 SiO2층, H는 ZrO2층을 의미한다.
일반적으로 원하는 두 파장에서 반사율을 최소로 하는 W코팅(또는 dual wavelength antirefletion coating)의 광학박막의 설계는 λ/4(λ는 설계중심파장)의 정수배 두께로 박막의 적층으로 이루어진다. 그러나, 본 발명에서와 같이 높은 굴절율을 갖는 기판에 대해 0%에 가까운 반사율을 같도록한 W코팅의 경우는 각 박막의 두께 및 막수의 조절이 필요하다. 이것은 KTP굴절율에 맞는 적절한 굴절율을 갖는 코팅물질이 이상적으로 존재하지 않기 때문이다. 그러므로 본 발명에서는 코팅 박막의 두께 및 수를 컴퓨터를 이용하여 최적화시켜 1064nm 및 532nm의 두 파장에 대해 반사율이 0.1%이하가 되도록 하였다. 한편, 제2도는 이러한 컴퓨터 최적화 결과를 도시한 그래프로써, 400에서 1200nm파장 범위에서 반사율값을 나타내고 있다.
이하 실시예를 통하여 본 발명의 구성 및 효과를 좀 더 구체적으로 살펴보지만, 하기 예에 본 발명의 범주가 제한받는 것은 아니다.
[실시예 1]
본 실시예에서 반사방지막의 제조방법으로 스퍼터링법을 사용하였다. KTP결정의 양면을 광학 연마후 유기용제(111-TCE, acetone, IPA)로 세척한후 스퍼터(sputter)에 장입한다. 이때의 스퍼터링은 RF 마그네트론(magnetron) 스퍼터방식을 이용하였고, Zr 및 SiO2타겟을 사용하여 산소를 4∼8 sccm으로 흘리며 리액티브 스퍼터링(reactive sputtering)시켰다. 박막의 광학적 두께는 광학 간섭식 막두께 측정방법으로 인-사이튜 모니터링(in-situ monitoring)하여 KTP/0.070L, 0.061H, 0.056L, 0.042H, 0.080L, 0.051H, 0.201L/AIR(여기서, L은 SiO2층이고, H는 ZrO2층을 의마한다)의 두께로 제조하였고, 반사방지막의 반사층 측정은 Nd:YAG 레이저의 SHG소자를 사용하여 기본광 파장인 1064nm와 SH광인 532nm에서 각각 실시하였다. 그결과 기본광 및 SH광 두 파장에 대해 각각 반사율이 0.1% 반사방지막 제조후, 1064nm 및 5325nm파장에 대한 반사율 측정 결과를 하기 표1에 기재하였다.
[표 1]
전술한 바와 같이, 본 발명의 반사방지막은 KTP단결정을 사용한 공진기형 SHG에 있어 KTP소자의 레이저 입사면과 출사면에 적층되어 기본광(1064nm)과 SH광(532nm)에 대해 반사율이 0.1%이하가 되도록 하므로써, 반사에 의한 손실을 줄여 SHG변환효율 저하를 감소시킬 수 있는 것이다.

Claims (4)

  1. 제2고조파 발생용 KTP 단결정의 반사방지막에 있어서, 상기 반사방지막이 상기 KTP 단결정이 입사면과 출사면에 고굴절율의 유전체 재료와 저굴절율의 유전체 재료로써 교대로 반복 적층되어 구성됨을 특징으로 하는 제2고조파 발생용 KTP반사방지막.
  2. 제1항에 있어서, 상기 고굴절율 유전체 재료가 약 2.1의 굴절율을 갖는 ZrO2이고, 저굴절율 유전체 재료가 약 1.4의 굴절율을 갖는 SiO2임을 특징으로 하는 제2고조파 발생용 KTP 반사방지막.
  3. 제1항에 있어서, 상기 반사방지막이 레이저광의 기본광과 제2고조파 파장에 대해 반사율이 0.1% 이하임을 특징으로 하는 제2고조파 발생용 KTP 반사방지막.
  4. 제1항에 있어서, 상기 반사방지막의 각층의 광학적 두께가 설계중심파장 1064nm에서 KTP/0.063∼0.077L, 0.055∼0.068H, 0.049∼0.060L, 0.128∼0.156H, 0.071∼0.088L, 0.046∼0.054H, 0.180∼0.220L/AIR구성되며, 여기서 L은 SiO2층이고, H는 ZrO2층임을 특징으로 하는 공진기형 SHG용 KTP 반사방지막.
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