KR100272196B1

KR100272196B1 - 레이저 광 발생장치

Info

Publication number: KR100272196B1
Application number: KR1019970023203A
Authority: KR
Inventors: 시로 시찌죠
Original assignee: 나까니시 히로유끼; 미쓰이 가가쿠 가부시키가이샤
Priority date: 1996-06-05
Filing date: 1997-06-05
Publication date: 2000-12-01
Also published as: US5943350A; KR980006669A; CA2207091A1; EP0811873A2; CN1176508A; EP0811873A3; TW343397B

Abstract

본 발명의 목적은 고효율로 파장 변조를 수행하기 위해 공진기에서의 손실을 최소화할 수 있는 레이저 광 발생 장치를 제공하는 것이다. 공진기는 선형 관계로 배열된 2개의 반사경(1,2)과 공진기에 배치된 비선형 광학 크리스탈(3)을 구비한다. 비선형 광학 크리스탈(3)은 서로 반대되는 한쌍의 입력 및 출력측들이 광 전파축에 대해 틸트되도록 사다리형으로 형성된다. 기본 레이저 광은 광 전파축을 따라 광 공진기속으로 입사되어 비선형 크리스탈(3)에 의해 제2 하모닉으로 변환되고, 반사경(2)에서 외부로 방출된다. 레이저 광이 비선형 광학 크리스탈(3)의 입력 및 출력측들을 통과할 때 광 입사면(Y-Z 평면)상에 레이저 광의 빔 직경 및 수렴각을 조정할 수 있게 된다. 예를 들면, 입사면이, 비선형 광학 크리스탈(3)의 억셉턴스 각이 작게 제한되는 평면과 일치되도록 함으로써, 파장 변조의 효율을 증가시킨다.

Description

레이저 광 발생 장치

본 발명은 외부에서 광 공진기로 기본 레이저 광을 도입하거나 또는 광 공진기내에서 기본 레이저 광을 발생시킴으로써 비-선형 광학 크리스탈로 변조된 파장을 갖는 레이저 광을 발생하는 레이저 광 발생 장치에 관한 것이다.

광 공진기내에서는 레이저 광의 파워 밀도가 높기 때문에, 파장의 효율적인 변조가 기대된다. 이와 같은 레이저 광 발생 장치용 광 공진기로서 알려진 것들에는 외부 공진형 제2 하모닉 발생기(SHG) 및 내부 공진형 SHG가 있다.

내부 공진형 SHG는 레이저 매체 및 비선형 광학 크리스탈이 하나의 광 공진기에 배열되는 구조를 가지며, 레이저 매체에 의해 발생된 기본 레이저 광과 비선형 광학 크리스탈에 의해 변조된 제2 하모닉 레이저 광사이의 위상 매칭 조건을 만족시킴으로써 파장의 효율적인 변조가 실현될 수 있다.

외부 공진형 SHG는 기본 레이저 광을 발생하기 위한 레이저 공진기로부터 분리된 제2 광 공진기내에 비선형 광학 크리스탈이 배열되어 있는 구조를 갖고, 제2 하모닉으로 파장 변조가 상기 제2 광 공진기내에서 기본 레이저 광의 공진에 의해 실행된다.

이와 같은 외부 공진형 SHG에서, 광 공진기에서의 파워 밀도는 광 공진기의 공진의 선명도를 나타내는 피네스 값(finnes value: Q값)을 10∼1000과 같이 큰값으로 설정함으로써 입사광의 파워 밀도의 수백배로 증가시킬 수 있고, 그에 따라 광 공진기에서 비선형 광학 크리스탈로 파장에서의 변조 효율을 증가시킬 수 있다.

도 8a 및 도 8b는 외부 공진형 SHG들의 구성도들이다. 보다 구체적으로, 도 8a는 Z-링 광 공진기를 사용하는 예를 도시한 것이고, 도 8b는 삼각링 광 공진기를 사용하는 예를 도시한 것이다. 도 8a를 참조하면, 광 공진기는 공진기의 광축들이 서로 교차되는 소위 나비넥타이 패턴으로 배열된 4개의 반사경(M1∼M4)을 갖고, 비선형 광학 크리스탈(50)이 2개의 반사경(M1, M2)사이에 설치되어 있다. 외부 레이저 장치로부터 방출된 기본 레이저 광(F)이 반사경(M4)을 통해 광 공진기의 내부로 도입되어 공진된다. 비선형 광학 크리스탈(50)을 통과한 후, 기본 레이저 광은 제2 하모닉으로 변조되고, 2개의 반사경(M2, M3)에 의해 반사되어, 제2 하모닉 레이저 광(S)으로서 반사경(M3)으로부터 외부로 방출된다.

도 8b를 참조하면, 광 공진기는 광 공진기의 광축들이 삼각형을 형성하도록 3개의 반사경(M1∼M3)이 배열되는 구조를 가지며, 비선형 광학 크리스탈(50)은 2개의 반사경들(M1, M2) 사이에 설치되어 있다. 외부 레이저 장치에서 방출된 기본 레이저 광(F)은 반사경(M1)을 통하여 광 공진기의 내부로 도입되어 공진된다. 비선형 광학 크리스탈(50)을 통과한 후, 기본 레이저 광(F)은 제2 하모닉으로 변조되고, 제2 하모닉 레이저 광(S)으로서 반사경(M2)으로부터 외부로 방출된다.

광 공진기의 피네스 값을 증가시키는 이 방법에서는, 반사경들에서의 레이저 광의 손실을 가능한 한 작게 제한하기 위해 반사경의 수를 최소화하는 것이 바람직하다. 도 8b에 도시된 반사경(M3)은 입사파의 입사각이 크기 때문에 입사광의 반사율이 감소되는 경향이 있어, 그 결과 광 공진기의 피네스 값이 감소된다. 특히, 자외선 스펙트럼의 하모닉을 발생하는 경우에, 비선형 광학 크리스탈(50)의 비선형 계수가 감소하므로, 파장 변조의 효율이 감소된다. 그리하여, 도 8a에 도시된 바와 같이 4개의 반사경들로 구성되며 높은 피네스 값을 갖는 링-형 공진기가 자외선을 발생하는 광 공진기로서 종종 사용된다.

한편, 비선형 광학 크리스탈에서 파장 변조의 효율은 기본 레이저 광(F)의 파워 밀도에 비례하여 증가한다. 따라서 비선형 광학 크리스탈(50)은 파워 밀도가 최대인 빔 웨이스트에 설치된다.

또한 위상 매칭(phase matching) 조건에 따라 억셉턴스 각(acceptance angel)이 클뿐만 아니라 비선형 광학 크리스탈에서 위상 매칭 조건도 중요하다. 입사각은 비-임계 위상 매칭이 설정될 때, 즉 비선형 광 공진기의 크리스탈축이 레이저 광의 광학 경로와 일치할 때, 최대가 된다. 부속 소자들을 고도로 정확하게 조립 및 조정하여 그와 같은 비-임계 위상 매칭이 달성되도록 비선형 광학 크리스탈을 위치시키는 것은 이상적이나 거의 실현불가능하다. 일반적으로, 크리스탈 축으로부터 주어진 각도내에서 위상 매칭이 달성되도록 임계 위상 매칭을 절충한다. 그러나, 이와 같은 임계 위상 매칭은 얼라우언스(allowance)의 관점에서는 바람직하지 않다. 또한, 위상 매칭의 얼라우언스는 2개의 직교 방향들의 광학 경로 사이에서 변화한다.

예를 들면, 파장 변조에 의해 실질적으로 500㎚ 파장의 기본 파로부터 자외선 스펙트럼의 제2 하모닉을 산출하는 데 비-임계 위상 매칭을 달성할 수 있는 비선형 광학 크리스탈은 알려져 있지 않다. 일반적으로, 베타-바륨 보레이트(BBO) 크리스탈이 임계 위상 매칭 모드의 하나인 각도 위상 매칭용 비선형 광학 크리스탈로서 사용된다.

각도 위상 매칭을 좀 더 상세히 설명하기로 한다.

기본파가 수평방향을 따라 BBO 크리스탈상으로 입사할 때, 수평면상으로 연장된 BBO 크리스탈의 c-축으로 위상 매칭이 이루어진다. 2개의 억셉턴스 각이 기본파의 광학 경로가 존재하는 수직면 및 수평면상에 제공된다. 제2 하모닉이 I형 위상 매칭에서 532㎚ 파장의 기본파로부터 발생된다고 가정하면, BBO 크리스탈의 c-축으로부터 φ 방향에서의 얼라우언스(억셉턴스 각과 크리스탈 길이의 곱)는 φ 방향에 수직인 θ 방향에서의 얼라우언스 0.016(deg.cm)보다 매우 큰 0.6(deg.cm)이다. 이에 의해 θ방향에서 억셉턴스 각보다 큰 각을 통하여 레이저 광이 변조되더라도 거의 파장 변조 효율이 증가되지 않는다. 그리하여, 레이저 광은 변조 각도를 억셉턴스 각보다 작게 하기 위하여 θ방향에서 적절히 수렴된다.

도 9a 내지 도 9d는 레이저 광의 수렴 패턴을 나타내는 도면들이다. 보다 구체적으로, 도 9a 및 도 9b는 하나의 수렴 패턴에서 각각 θ면 및 φ면의 단면도들이고, 도 9c 및 도 9d는 또 다른 수렴 패턴에서 각각 θ면 및 φ면의 단면도들이다. 도 9에 도시된 바와 같이, 실선(P)은 레이저 광빔의 밀도가 그의 최대치로부터 e^-2(e는 자연 대수임)로 감소하는 위치의 프로파일을 나타낸다. 또한, 실선(Q)은 빔 프로파일의 무징후 라인이고 실선(R)은 억셉턴스 각의 범위를 나타낸다.

표준 분포를 나타내는 광밀도의 분포를 갖는 가우시안 빔(Gaussian beam)의 경우, 수렴 각도와 빔 웨이스트(beam waist)의 직경사이에는 어떤 관계가 있다. 수렴 각도 또는 중앙선과 비징후 라인사이의 열린 반각이 α이고, 빔 웨이스트의 직경은 ω이고, 레이저 광의 파장이 λ이고, 굴절률이 n이면, 다음 수학식 1이 성립한다.

[수학식 1]

θ방향에서의 억셉턴스 각(δθ)과 φ방향에서의 억셉턴스 각(δφ)이 비선형 광학 크리스탈의 c-축 상에서 서로 다른 것은 일반적이다. 예를 들어, 축 대칭 레이저 광이 사용될 때, 도 9a 및 도 9b에 도시된 바와 같이 억셉턴스 각(δφ)이 억셉턴스 각(δθ)보다 큰 경우에는(δφ≫δθ), 수렴각(α2)은 도 9b의 φ평면상에 억셉턴스 각(δφ)과 실질적으로 일치하여 효율적인 변조가 이루어진다. 그러나, 수렴각(α1)이 도 9a의 θ평면상의 억셉턴스 각(δθ)보다 매우 크기 때문에, 억셉턴스 각(δθ)내에 레이저 광의 일부만이 파장 변조에 기여하게 된다. 따라서, 비선형 광학 크리스탈로부터 방출되는 합성 제2 하모닉의 파-필드 패턴(far-field pattern)은 파장 변조의 저효율로 인하여 θ방향을 따라 뻗은 좁은 타원형이다.

한편, 도 9c 및 도 9d에 도시된 바와 같이, θ방향에서의 수렴각(α3)이 작도록 레이저 광을 적절히 수렴함으로써 빔 웨이스트 직경(ω3)을 크게 설정하면, 수렴각(α3)은 억셉턴스 각(δθ)과 실질적으로 동일하다. 결과적으로, 파장 변조의 효율은 양 평면상에서 높게 유지될 것이다.

도 9c 및 도 9d에 도시된 바와 같은 프로파일을 갖는 레이저 광은 한 방향으로 집중적으로 수렴하고, 그 방향에 수직인 다른 방향에서 온화하게 수렴함으로써 쉽게 실현된다. 이에 의해 구면 오목 렌즈(spherical concave lens) 및 실린더 렌즈(cylindrical lens)의 조합을 포함하는 광학 수렴 시스템을 사용할 수 있다.("Applied Physics", vol. 61, No.9, p.931, 1992)

도 10은 종래의 레이저 광 발생 장치의 일 예의 구성도이다. 이는 상기-언급된 문헌에 개시되어 있는 것으로, 그 문헌에는 아르곤 이온 레이저(argon ion laser)의 광 공진기가 아르곤 이온들로 채워진 플라즈마 튜브(plasma tube)(51)와 2개의 반사경들(52, 53)로 구성되어 있다. 광 공진기는 그 안에 파장 변조를 위한 비선형 광학 크리스탈 또는 BBO 크리스탈(54)을 포함하여, 제2 하모닉 레이저 광(S)을 발생하고 이를 반사경(53)에서 외부로 방출한다.

또한, BBO 크리스탈(54)에서 레이저 광의 수렴 상태를 제어하기 위해 구면 렌즈(57)와 2개의 실린더 렌즈들(55, 56)이 설치되어 있다.

구면 렌즈(57)는 도 10의 쉬트(sheet)의 평면에 수직인 평면과 평행한 평면 2개상에서 수렴 파워를 갖고, 실린더 렌즈들(55, 56)은 쉬트에 평행한 평면에서만 수렴 파워를 갖는다. 따라서, 레이저 광의 빔 웨이스트 직경과 수렴각이 서로 직교하는 2개의 평면사이에서 다른 수렴 상태가 BBO 크리스탈(54)에서 실현된다.

그러나, 도 10에 도시된 바와 같이, 광 공진기에서 수렴 렌즈와 같은 광학 부품들의 배열은 레이저 광의 손실을 증가시키어, 그 결과 공진기의 피네스 값이 현저히 감소되어, 파장 변조 효율을 감소시키게 된다. 한편, 비선형 광학 크리스탈의 억셉턴스 각이 서로 직교하는 2개의 평면 사이에서 다르면, 추가적인 광학 장치를 사용하지 않고 레이저 광의 수렴 상태를 적절히 유지하는 것이 어렵다.

따라서, 본 발명의 목적은 파장 변조의 고효율을 달성하기 위해 공진기에서의 손실을 최소화할 수 있는 레이저 광 발생 장치를 제공하는 것이다.

도 1은 폴디드 공진기(folded resonator)의 구성도.

도 2는 링 공진기의 구성도.

도 3은 크리스탈 표면에서 레이저 광의 굴절을 나타내는 설명도.

도 4는 도 2에 도시된 링 공진기에서 비선형 광학 크리스탈상에 빔 직경의 계산 결과를 나타내는 도면.

도 5는 본 발명의 제1 실시예의 구성도.

도 6은 본 발명의 제2 실시예의 구성도.

도 7은 본 발명의 제3 실시예의 구성도.

도 8a 및 도 8b는 외부 공진형 SHG에서 종래의 레이저 광 발생 장치의 구성을 나타낸 도면으로, 도 8a는 Z-링 공진기에 관한 도면이고, 도 8b는 삼각-링 공진기에 관한 도면이다.

도 9a 내지 도 9d는 레이저 광의 수렴 상태를 나타내는 설명도들로, 도 9a 및 도 9b는 어떤 수렴 상태에서의 각각 θ평면 및 φ평면의 단면도들이고, 도 9c 및 도 9d는 다른 수렴 상태에서의 각각 θ평면 및 φ평면의 단면도들이다.

도 10은 종래의 레이저 광 발생 장치의 일 예의 구성도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1,2...반사경 3...비선형 광학 크리스탈

4...레이저 매체

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 적어도 한쌍의 반사 수단을 갖는 광 공진기; 및 상기 광 공진기내에 배치된 비선형 광학 크리스탈을 구비하고, 기본 레이저 광을 상기 광 공진기로 도입하여 기본 레이저 광의 공진 동작을 일으켜 상기 비선형 광학 크리스탈에 의해 변조되는 파장을 갖는 레이저 광을 출력하되, 상기 비선형 광학 크리스탈이 서로 반대되고 평행하지 않게 배열되어 있으며 광학 전파축상으로 분리되어 있는 한쌍의 입력 및 출력측을 갖게 되는 레이저 광 발생 장치를 제공한다.

본 발명에 따르면, 상기 비선형 광학 크리스탈의 상기 입력 및 출력측들은 광 전파축에 대하여 틸트(tilt)되어, 비선형 광학 크리스탈에서 서로 직교하는 2 방향에서의 기본 레이저 광의 수렴 조건을 달리할 수 있다. 이는 광 공진기에서 추가적인 광학 장치를 사용하지 않고 비선형 광학 크리스탈에서 레이저 광의 최적 수렴을 보장하여 광 공진기에서 손실을 억제하게 된다. 비선형 광학 크리스탈의 입력 및 출력측들이 서로 평행하지 않게 배열되어 있는 동안, 광 전파축을 포함하는 평면을 따라 각각 취해진 입력 및 출력측의 2 교차 라인들 사이의 각은 10∼160°인 것이 바람직하다.

본 발명은 적어도 한쌍의 반사 수단과 비선형 크리스탈의 조합을 갖는 광 공진기; 및 상기 광 공진기내에 배치된 레이저 매체를 구비하고, 상기 레이저 매체에 의해 상기 광 공진기에서 기본 레이저 광을 발생시키기 위해 상기 레이저 매체를 여기시키기 위한 여기광을 외부에서 상기 광 공진기로 도입하고, 또한 상기 비선형 광학 크리스탈에 의해 변조되는 파장을 갖는 레이저 광을 발생하되, 상기 비선형 광학 크리스탈은 서로 반대되고 평행하지 않게 배열되어 있으며 광 전파축상으로 분리되어 있는 한쌍의 입력 및 출력측을 갖는 레이저 광 발생 장치를 제공한다.

본 발명에 따르면, 내부 공진형 구성은 외부 반도체 레이저로부터의 여기광에 의해 광 공진기에서 기본 레이저 광을 발생하기 위하여 광 공진기에 레이저 매체가 배치되어, 기본 레이저 광이 차례로 파장 변조된다. 따라서, 고 변조 효율이 달성될 수 있다. 반도체 레이저로부터 출력되는 광은 레이저 매체를 여기하기 위한 여기광의 일예이다.

또한, 비선형 광학 크리스탈의 입력 및 출력측들의 각각은 광 전파축에 대하여 틸트되어, 비선형 광학 크리스탈상에 서로 직교하는 2 방향에서 기본 레이저 광의 수렴 조건을 서로 다르게 할 수 있다. 이는 광 공진기에서 추가적인 광학 장치를 사용하지 않고 비선형 광학 크리스탈상에서 레이저 광의 최적 수렴을 보장하여 광 공진기에서 손실을 억제하게 된다. 비선형 광학 크리스탈의 입력 및 출력측들이 서로 평행하지 않게 배열되어 있는 동안, 광 전파축을 포함하는 평면을 따라 각각 취해진 입력 및 출력측의 2 교차 라인들 사이의 각이 10∼160°인 것이 바람직하다.

본 발명에서, 비선형 광학 크리스탈로 입사하는 기본 레이저 광은, 빔 웨이스트가 타원형 단면을 가지도록, 그리고 기본 레이저 광의 입사 방향과 비선형 광학 크리스탈의 입력 및 출력측들의 수직인 방향을 포함하는 평면과 비선형 광학 크리스탈에서 위상 매칭을 위한 억셉턴스 각이 작은 방향이 실질적으로 평행하도록 설정되는 것이 바람직하다.

이에 의해 기본 레이저 광의 수렴각이 비선형 광학 크리스탈의 억셉턴스 각과 같거나 또는 보다 작을 수 있고, 그에 따라 기본 레이저 광의 많은 부분이 파장 변조에 기여하게 되어 그 결과 파장 변조의 고효율을 달성할 수 있다.

본 발명에서, 비선형 광학 크리스탈의 입력 및 출력측들은 광 전파축에 대하여 브루스터각(Brewster angle)으로 틸트되는 것이 바람직하다.

이에 의해 기본 레이저 광의 극성 성분들중 하나가 손실 없이 비선형 광학 크리스탈의 입력 및 출력측들을 통하여 전달될 수 있고, 그에 따라 공진기에서의 피네스 값을 증가시키게 된다. 또한, 입력 및 출력측들이 내반사성 코팅될 필요가 없으므로, 제조의 전체 비용을 감소시키게 된다.

본 발명에서, 광 공진기는 입사 방향이 반사 수단상에 반사 방향에 일치하는 폴디드 공진기(folded resonator)인 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면, 광 공진기는 최소의 반사 수단을 포함하므로, 피네스 값이 증가하고 변조 효율을 높이게 된다.

본 발명에서 광 공진기는 입사 방향이 반사 수단상에 반사 방향에 일치하지 않는 링 공진기인 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면, 광 공진기는 최소의 반사 수단을 포함하고, 그에 따라 피네스 값이 증가하고 변조 효율을 높이게 된다.

본 발명에서, 광 공진기는 제1 및 제2 반사 수단 사이에 제공되는 것으로서, 비선형 광학 크리스탈과 교차하면서 뻗은 제1 광 전파축과 비선형 광학 크리스탈과 교차하지 않으면서 뻗은 제2 광 전파축을 갖는 링 공진기인 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면, 링 공진기는 단지 2개의 반사 수단을 포함하기 때문에, 피네스 값을 증가시키고 변조 효율을 높이게 된다.

본 발명에서, 광 공진기는 기본 레이저 광이 비선형 광학 크리스탈의 입력 및 출력측들에 경사각으로 입사되어 그의 비점수차를 정정하도록 하는 링 공진기인 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면, 기본 레이저 광이 비선형 광학 크리스탈의 입력 및 출력측들에 경사지게 입사되므로, 레이저 광의 비점수차를 최소화하며, 비선형 광학 크리스탈에서 레이저 광의 최적 수렴 조건을 얻는다.

본 발명에서, 비선형 광학 크리스탈은 CsLiB₆O₁₀(세슘 리튬 보레이트)인 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면, 파장 변조를 고효율로 수행하게 된다.

본 발명에서, 비선형 광학 크리스탈는 BBO(베타-바륨 보레이트)인 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면, 파장 변조를 고효율로 수행하게 된다.

이하 본 발명의 원리를 좀 더 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 폴디드 공진기의 일 예의 구성도이다. 폴디드 공진기는 선형으로 배열된 2개의 반사경(1,2)과 공진기에 배치된 비선형 광학 크리스탈(3)을 구비한다. 비선형 광학 크리스탈(3)은 서로 반대되는 한쌍의 입력 및 출력측들이 광 전파축에 대하여 틸트되도록 사다리꼴로 형성된다. 그리하여, 광 전파축은 각 측들에서 굴절된다. 또한, 입사 방향은 폴디드 공진기를 구성하는 양 반사경들(1,2)상에 반사 방향과 일치한다. 기본 레이저 광은 외부 레이저원으로부터 광 전파축을 따라 광 공진기내로 도입된다.

이와 같은 구성은, 레이저 광이 비선형 광학 크리스탈(3)의 입력 및 출력측들을 통과할 때, 광 전파축을 따라 움직이는 레이저 광의 광 입사 평면(도 1의 쉬트의 평면에 평행한 Y-Z 평면)상에 빔 직경 및 수렴각의 제어를 가능케 한다. 예를 들면, 입사 평면은, 비선형 광학 크리스탈(3)의 억셉턴스 각이 작게 제한되는 평면과 일치하도록 만들어지므로, 파장 변조의 효율이 증가된다.

또한, 비선형 광학 크리스탈의 입력 및 출력측들이 광 전파축에 대하여 경사각으로 틸트되어, 입력 및 출력측들에서의 굴절이 광 전파축으로부터 벗어나도록 하고 회귀광으로 외부 레이저원으로 되돌아가는 것을 방지하여, 외부 레이저원의 기능을 안정하게 유지한다.

도 2는 링 공진기의 일 예의 구성도이다. 링 공진기는 2개의 반사경들(1,2) 및 공진기내에 배치된 비선형 광학 크리스탈(3)을 구비한다. 비선형 광학 크리스탈(3)과 교차되면서 뻗어 있는 제1 광 전파축과 비선형 광학 크리스탈(3)과 교차되지 않으면서 뻗어 있는 제2 광 전파축이 2개의 반사경들(1,2) 사이에 제공된다.

비선형 광학 크리스탈(3)은, 서로 반대되는 입력 및 출력측들의 쌍이 광 전파축에 대하여 틸트되도록 사다리꼴로 형성된다. 그리하여, 공진기의 제1 광 전파축은 각 측들에서 굴절된다. 기본 레이저 광은, 외부 레이저원으로부터 제1 또는 제2 광 전파축을 따라 광 공진기속으로 도입된다.

이와 같은 구성에 의해 레이저 광이 비선형 광학 크리스탈(3)의 입력 및 출력측들을 통과할 때, 제1 및 제2 광 전파축을 따라 움직이는 레이저 광의 광 입사 평면(도 2의 쉬트의 평면에 평행한 Y-Z 평면)상에 빔 직경 및 수렴각의 제어가 가능해진다. 예를 들면, 입사 평면은, 비선형 광학 크리스탈(3)의 억셉턴스 각이 작게 제한되는 평면과 일치하도록 만들어져, 파장 변조의 효율이 증가된다.

또한, 비선형 광학 크리스탈의 입력 및 출력측들이 제1 광 전파축에 대하여 경사각으로 틸트되어 입력 및 출력측들에서의 어떤 굴절도 제1 광 전파축을 빗나가고, 회귀광으로 외부 레이저원으로 되돌아가는 것을 방지하게 되어, 외부 레이저원의 기능이 안정하게 유지된다.

언급한 바와 같이, 광 공진기는 높은 피네스 값을 갖는 최소의 부품들로 형성된 것으로 적어도 2개의 반사경들(1,2)과 비선형 광학 크리스탈(3)로 구성되므로, 장치의 크기가 작아지고 고효율로 파장 변조하게 된다.

도 3은 크리스탈 표면에서 레이저 광의 굴절을 나타내는 설명도이다. 기본 레이저 광(F)은 법선(N)에 대하여 입사각(θ1)으로 비선형 광학 크리스탈(3)의 표면(3a)으로 입사하므로, 스넬의 법칙(Snell' law)에 따라 법선(N)에 대하여 굴절각(θ2)으로 굴절된다.

입사 평면은 기본 레이저 광(F)의 입사 방향과 비선형 광학 크리스탈(3)의 표면(3a)의 법선(N)을 포함하는 Y-Z 평면으로 정의되고, 입사측에서 반대편 매체의 굴절율이 n1이고, 비선형 광학 크리스탈(3)의 굴절율이 n2이고, 입사전에 기본 레이저 광(F)의 빔 반경이 W1이고, 입사후의 기본 레이저 광(F)의 빔 반경이 W2라고 가정하면, 다음 수학식 2 및 수학식 3에 의해 입사 평면과 일치하는 표면(3a)을 교차하는 레이저 광(F)의 빔 프로파일이 설정된다.

[수학식 2]

[수학식 3]

그러나, 입사 평면에 수직인 평면상에서 빔 반경은 굴절 전후에 변화되지 않는다. 그리하여 입사 평면상에 빔 반경은 입사 레이저 광을 틸트시킴으로서 변화시킬 수 있다.

상술한 사항은, 레이저 광이 완전히 콜리메이트된 광일 때 달성될 수 있다. 실제의 레이저 광은 빔 웨이스트를 갖는 가우시안 빔으로서 회절 효과에 영향을 받으며 그의 프로파일은 레이 매트릭스(ray matrix)에 의해 정확하게 표현될 수 있다.

도 4는 도 2에 도시된 링 공진기에서 비선형 광학 크리스탈의 빔 반경의 계산 결과를 나타내는 도면이다. 횡축은 2개의 반사경들(1,2) 사이에 거리를 나타내고, 종축은 크리스탈의 중심에서 빔 반경을 나타내는데, 비선형 광학 크리스탈(3)은 5㎜의 결정 길이를 갖는 BBO 크리스탈이고, 비선형 광학 크리스탈(3)의 입사각(θ1)은 70°이고, 반사경들(1,2)의 곡률 반경은 10㎜이고, 반사경들(1,2)의 틸트각은 10°이다.

입사 평면(Y-Z 평면)상에서 빔 반경은 실선으로 표시되어 있고, 입사 평면과 직교하는 수직 평면(Z-X 평면)상에서 빔 반경은 점선으로 표시되어 있다.

또한 반경은, 반사경들(1,2)의 틸트에 의해 유효 곡률 반경이 Y-Z 평면과 Z-X 평면 사이에서 달라지고 그에 의해 Y-Z 평면과 Z-X 평면 사이에 공진 조건과 빔 반경을 다르게 하는 비점수차를 일으킨다는 것을 고려하여 계산되었다.

도 4로부터 알 수 있는 바와 같이, Y-Z 평면상에서 빔 반경은 약 60㎛이고, Z-X 평면상에서는 약 30㎛가 되어, 전자가 후자에 비하여 약 2배정도 크다. 따라서, Y-Z 평면상에서의 수렴각이 Z-X 평면상에서의 수렴각과 비하여 수학식(1)에 따라 거의 반으로 감소될 수 있다.

입사 평면이, 비선형 광학 크리스탈(3)의 위상 매칭을 위한 억셉턴스 각이 최소화되는 방향과 실질적으로 평행하게 배열되어 있으므로, 기본 레이저 광(F)의 대부분이 파장 변조에 기여할 수 있고, 그에 따라 변조의 효율이 높아진다.

또한, 비선형 광학 크리스탈의 입력 및 출력측들을 내-반사성 코팅하면, 광손실이 최소화된다. 입력 및 출력측들은 광 전파축에 대하여 브루스터 각으로 틸트되므로, 코팅하지 않아도 광손실이 억제된다. 특히, 서로 직교하는 2 방향에서 비선형 광학 크리스탈(3)의 억셉턴스 각이 다른 경우에, 브루스터 각에서 비-반사 굴절을 제공하는 극성 방향이 억셉턴스 각을 최소화하는 방향과 일치하도록 하는 것이 바람직하다. 또한, 기본 레이저 광의 BBO 크리스탈의 극성 방향이 억셉턴스 각이 최소화되는 방향과 일치하지 않으므로 BBO 크리스탈을 내-반사 코팅하는 것이 바람직하다.

이어서, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.

제1 실시예

도 5는 본 발명의 제1 실시예를 나타내는 구성도이다. 이 실시예에서는, 파장이 532㎚인 초록 레이저 광이 링 외부 공진형 SHG로 도입되어 자외선 스펙트럼에서 파장이 266㎚인 레이저 광으로 변환되는 것을 예로서 설명하기로 한다.

이 실시예의 레이저 광 발생 장치는 2개의 반사경들(1,2)과 광 공진기내에 배치된 비선형 광학 크리스탈(3)로 구성된 광 공진기를 구비한다. 비선형 광학 크리스탈(3)을 통해서 뻗은 제1 광 전파축과 비선형 광학 크리스탈(3)을 빗겨서 통과하는 제2 광학 전파축이 2개의 반사경들(1,2) 사이에 제공된다.

비선형 광학 크리스탈(3)은 제1 광 전파축에 대하여 틸트된 한쌍의 광 입력 및 출력측들(3a, 3b)을 갖는 사다리꼴 형으로 형성된다. 비선형 광학 크리스탈(3)이 BBO 크리스탈일 때, 크리스탈의 c-축에 대하여 극좌표 형태로 θ=47.43° φ=90°인 방향이 광 전파축(제1 광 전파축)과 일치되도록 커트되어 있는 크리스탈이, θ방향이 도 5의 쉬트의 평면(Y-Z 평면)내에 존재하도록 배열되어 있다.

비선형 광학 크리스탈(3)은, 크리스탈(3)의 상측 및 바닥측이 제1 광 전파축에 평행하고 바닥측과 입력 및 출력측들 사이의 바닥 각(β)이 β=58°가 되도록, 커트되고 광학적으로 광택처리된다. 크리스탈(3)은, 입력 및 출력측들상에서의 입사각(γ)이 γ=70°가 되도록 방향 설정된다. 입력 및 출력측들은 입사각 γ=70에서 파장이 532㎚인 모든 성분들을 통과시키기 위해 내-반사성재로 코팅된다. 또한, 비선형 광학 크리스탈(3)은 공진기내에서 광 경로 길이를 임의로 변경시키기 위해 (Z축 방향을 따라) 윗쪽 및 아랫쪽으로 움직일 수 있도록 배열된다.

비선형 광학 크리스탈(3)은 열 제어에 의해 위상 매칭을 하기 위해 펠티어 장치(Peltier device)와 같은 온도 제어 장치(도시 안됨)상에 설치되어 있다.

반사경들(1,2)은 곡률 반경이 10㎜인 오목 거울이다. 반사경(1)은 기본 레이저 광(F)의 파장이 532㎚에서 99%의 반사성을 갖는 코팅재로 양측이 덮혀있다. 마찬가지로, 반사경(2)은 파장이 532㎜에서 99.99%의 반사성을 갖고 266㎜에서 85%의 투과성을 갖는 코팅재로 양측이 덮혀 있다. 기본 레이저 광(F)을 도입하는 반사경(1)은, 최적 파장 변조용 공진기에서 광학 임피던스 매칭을 제공하기 위하여 반사경(2)보다 반사성이 낮게 배열된다.

외부 레이저(20)는, 비선형 광학 장치로서 쓰이는 Nd:YVO₄및 칼륨 티나닐 인산(KTP, KTiOPO₄)의 레이저 매체를 포함하는 내부 공진형 SHG로 구성된다. 외부 레이저(20)는 파장이 532㎚이고 파워가 100㎽인 기본 레이저 광(F)을 방출한다.

기본 레이저 광(F)은 반파 플레이트(10)를 통과하며, 그의 극성 방향은 쉬트 평면(X-축 방향)에 대해 수직이다. 그런 다음, 기본 레이저 광(F)은 커버링 렌즈(covering lens)(11)에 의해 도 2에 도시된 바와 같이 원하는 패턴으로 수렴되고, 반사경(1)을 통해 제1 광 전파축을 따라 광 공진기속으로 도입된다.

광 공진기속으로 도입된 기본 레이저 광(F)은 2개의 반사경들(1,2) 사이에서 반복적으로 반사되어, 비선형 광학 크리스탈(3)에 의해 파장이 266㎚인 제2 하모닉으로 변환된다. 광 공진기의 공진 주파수가 기본 레이저 광(F)의 장축 모드 주파수와 일치되도록 반사경(2)의 위치를 정확히 제어하기 위하여, 예를 들어 압전 장치와 같은 액추에이터(actuator)(30)가 반사경(2)의 뒤에 배치되고, 그에 의해 광 공진의 레벨을 높이게 된다.

기본 레이저 광(F)이 비선형 광학 크리스탈(3)의 입력 및 출력측들상에 경사지게 될 때, 비선형 광학 크리스탈(3)의 입사 평면상에서 그의 수렴각은 작다. 또한, 입사 평면이, 억셉턴스의 각이 작게 되는 방향과 일치하고, 그에 의해 기본 레이저 광(F)의 대부분의 성분들은 파장 변조될 수 있다.

비선형 광학 크리스탈(3)의 제2 하모닉 레이저 광(S)은 반사경(2)을 통과하고 또한 외부로 공급된다.

제1 실시예에서는, 제2 하모닉 레이저 광(S)의 파-필드 패턴이 거의 원형이고 그의 출력 강도가 종래 장치와 비교할 때 실질적으로 2배라는 것이 증명된다.

제2 실시예

도 6은 본 발명의 제2 실시예의 구성도이다. 이 실시예에서는, 파장이 532㎚인 녹색 레이저 광이, 자외선 스펙트럼에서 266㎚의 파장을 갖는 레이저 광을 발생하기 위해 선형 외부 공진형 SHG속으로 도입된다.

제2 실시예의 레이저 광 발생 장치는 한쌍의 반사경들(1,2) 및 광 공진기내에 배치된 비선형 광학 크리스탈(3)을 구비하는 폴디드형 공진기를 포함한다. 단일 광 전파축이 2개의 반사경들(1,2) 사이에 제공된다. 비선형 광학 크리스탈(3)에서 기본 레이저 광(F)의 수렴은 도 1에서 설명한 바와 같이 조정된다. 폴디드 공진기는 회귀광을 발생하여 동축으로 외부 레이저(20)로 보낸다. 보상에 있어서, 회귀광을 끊고 외부 레이저(20)가 모드 점핑하는 것을 방지하기 위해 광 절연체(12)가 제공된다. 다른 요소 및 설비들은 도 5에 도시된 것들과 마찬가지이므로 더 이상 상세히 설명하지 않기로 한다.

제2 실시예에서도 또한, 비선형 광학 크리스탈(3)에 의해 기본 레이저 광(F)으로부터 변조된 제2 하모닉 레이저 광(S)은 종래의 것보다 더 원형인 파-필드 패턴을 가지며 그의 출력 강도가 실질적으로 2배가 된다는 것이 증명된다.

제3 실시예

도 7은 본 발명의 제3 실시예를 나타내는 구성도이다. 이 실시예에서는, 파장이 809㎚인 여기광이, 파장이 1064㎚인 기본 레이저 광(F)의 발생을 위하여 링 내부 공진형 SHG로 도입되고, 파장이 532㎚인 녹색 레이저 광이 기본 레이저 광(F)으로부터 변조된다. 특히, 녹색 레이저 광을 발생하는 광학 크리스탈의 하나는 KTP 크리스탈이며, 이는 그 출력이 증가함에 따라 그레이 트래킹(gray tracking)과 같은 손상을 불러일으킬 수 있다. 반대로, BBO 크리스탈은 그레이 트래킹을 거의 발생시키지 않으며, 손상에 대한 내성이 높다. 그러나, BBO 크리스탈은, 빔 워크-오프각(beam walk-off angle)이 매우 크고, 그의 입력 및 출력측들이 종래 배열에서와 같이 광 전파축에 대해 수직일 때, 출력의 프로파일이 바람직하지 않은 타원형이 되므로, 실용적이지 않다. 이 실시예에서는 손상에 대해 높은 내성을 가지는 BBO 크리스탈과 같은 크리스탈을 사용하고 각 위상 매칭의 동작되는 각도를 제공하려 한다.

도 7을 참조하면, 제3 실시예의 레이저 광 발생 장치는 한쌍의 반사경들(1,2) 및 비선형 광학 크리스탈(3)과 공진기내에 배치된 레이저 매체의 조합을 구비하는 링형 광 공진기를 포함한다. 2개의 반사경들(1,2) 사이에, 비선형 광학 크리스탈(3)과 레이저 매체(4)를 각각 통과하는 한쌍의 제1 및 제2 광축이 제공된다.

비선형 광학 크리스탈(3)은 제1 광 전파축에 대하여 틸트된 한쌍의 광 입력 및 출력측들을 갖는 사다리꼴로 형성된다. 비선형 광학 크리스탈(3)이 BBO 크리스탈일 때, 크리스탈의 c-축에 대하여 극좌표 형태로 θ=28.8° φ=90°인 방향이 광 전파축(제1 광 전파축)과 일치되도록 커트되어 있는 크리스탈이, θ방향이 도 7의 쉬트의 평면(Y-Z 평면)내에 존재하도록 배열되어 있다.

비선형 광학 크리스탈(3)은, 크리스탈(3)의 상측 및 바닥측이 제1 광 전파축에 평행하고, 바닥측과 입력 및 출력측들 사이의 바닥 각(β)이 β=58°가 되도록, 커트되고 광학적으로 광택처리된다. 크리스탈(3)은, 입력 및 출력측들상에서의 입사각(γ)이 γ=70°가 되도록 방향이 설정된다. 입력 및 출력측들은 입사각 γ=70에서 파장이 1064㎚인 모든 성분들을 통과시키기 위해 내-반사성재로 코팅된다. 또한, 비선형 광학 크리스탈(3)은 공진기내에서 광 경로 길이를 임의로 변경시키기 위해 (Z축 방향을 따라) 윗쪽 및 아랫쪽으로 움직일 수 있도록 배열된다.

비선형 광학 크리스탈(3)은 열 제어로 위상 매칭을 하기 위해 펠티어 장치(Peltier device)와 같은 온도 제어 장치(도시 안됨)상에 설치되어 있다.

레이저 매체(4)는 1%의 Nd를 도핑한 Nd:YAG 크리스탈로 형성되고 그의 광 입력 및 출력측들은 광축에 대해 수직이다. 더욱이, 자계 발생기(도시 안됨), 예를 들면 영구 자석이, 제2 광 전파축에 평행한 자계(H)를 레이저 매체(4)에 적용하기 위해 제공된다. 자계(H)는 링 공진기에서 한방향 공진을 일으킨다.

반사경들(1,2)은 곡률 반경이 20㎜인 오목 거울들이다. 반사경들(1,2)은 각각, 여기광의 파장이 810㎚에서 95.0%의 투과율과, 기본 레이저 광(F)의 파장이 1064㎚에서 99.9%의 반사성 및, 제2 하모닉 레이저 광(S)의 파장이 532㎚에서 95%의 투과율을 갖는 코팅재로 양측이 덮혀 있다.

레이저 매체(4)를 여기하기 위해 파장이 810㎚인 여기광(E)을 발생하는 반도체 레이저(40)가 광 공진기 외부에 설치된다. 여기광(E)은 제2 광 전파축과 일치하는 그의 광 전파축을 따라 광 공진기속으로 도입된다. 반도체 레이저(40)는 제2 광 전파축의 연장의 어느 한쪽에 설치되거나, 또는 레이저 매체(4)로 공급되는 여기광(E)의 강도를 증가시키기 위해서 제2 광 전파축의 양쪽에 설치될 수 있다. 레이저 매체(4)에서 여기광(E)의 수렴도를 높이는 수렴 렌즈(11)가 반도체 레이저(40)의 아랫부분에 또한 설치된다.

이하 동작을 설명하기로 한다. 반도체 레이저(40)로부터 방출된 여기광(E)은 반사경(1)을 통과하고 레이저 매체(4)로 들어가기 위해 광 공진기속으로 도입된다. 레이저 매체(4)는 이득을 산출하기 위해 여기광(E)에 의해 여기된다. 그 결과, 기본 레이저 광(F)이 링 공진기의 2개의 반사경들(1,2) 사이에서 발생된다. 이 때, 단지 한방향 공진(도 7에서 시계 방향)이 레이저 매체(4) 상부의 자계에 의해 허용된다.

기본 레이저 광(F)이 광 공진기에서 강해졌을 때, 비선형 광학 크리스탈(3)에 의해 제2 하모닉 레이저 광(S)으로 변조된 후 반사경(2)으로부터 밖으로 방출된다.

따라서, 제3 실시예에서는, 입력 및 출력측들이 광 전파축에 대해 수직인 종래의 장치에서 보다도 녹색 레이저 광의 파-필드 패턴이 더욱 원형이 되며, 그에 의해 출력 강도가 증가된다는 것이 증명된다. 더욱이, 손상에 대해 강한 내성을 갖고 그에 따라 내구력과 신뢰도가 개선되고, 보다 수명이 긴 단파장 레이저 원으로 사용되는 BBO 크리스탈 등을 장치에 채용하였다.

비스듬히 경사진 2개의 상반된 측들을 갖는 BBO 크리스탈이 상술한 실시예들을 통해서 비선형 광학 크리스탈(3)로서 사용되었지만, CsLiB₆O₁₀(세슘 리튬 보레이트, CLBO)와 같은 다른 비선형 크리스탈이 동일 결과를 얻으며 사용될 수 있다.

본 발명은 본 발명의 사상 또는 요지로부터 벗어나지 않는 범위내에서 다른 특정 형태로 구체화될 수 있다. 따라서, 본 실시예들에서 모든 점들은 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것으로 간주되어야 하며, 발명의 범위는 전술한 설명에 의해 정해지는 것이 아니라 첨부된 청구범위에 의해 정해지므로 청구범위의 의미 및 균등 범주내에 속하는 모든 변형들은 청구범위에 포함되도록 의도된 것이다.

제1 실시예에서는, 제2 하모닉 레이저 광(S)의 파-필드 패턴이 거의 원형이고 그의 출력 강도가 종래 장치와 비교할 때 실질적으로 2배가 된다. 제2 실시예에서도 또한, 비선형 광학 크리스탈(3)에 의해 기본 레이저 광(F)로부터 변조된 제2 하모닉 레이저 광(S)은 종래의 것보다 더 원형인 파-필드 패턴을 가지며 그의 출력 강도가 실질적으로 2배가 된다. 제3 실시예에서는, 입력 및 출력측들이 광 전파축에 대해 수직인 종래의 장치에서 보다도 녹색 레이저 광의 파-필드 패턴이 더욱 원형이 되며, 그에 의해 출력 강도가 증가된다. 또한, 손상에 대해 강한 내성을 갖고 그에 따라 내구력과 신뢰도가 개선되고, 보다 수명이 긴 단파장 레이저 원으로 사용되는 BBO 크리스탈 등을 장치에 채용하였다.

Claims

적어도 한쌍의 반사 수단을 갖는 광 공진기; 및

상기 광 공진기내에 배치된 비선형 광학 크리스탈을 구비하고,

기본 레이저 광을 상기 광 공진기로 도입하여 기본 레이저 광의 공진 동작을 일으켜 상기 비선형 광학 크리스탈에 의해 변조되는 파장을 갖는 레이저 광을 출력하되,

상기 비선형 광학 크리스탈이 서로 반대되고 평행하지 않게 배열되어 있으며 광학 전파축상으로 분리되어 있는 한쌍의 입력 및 출력측을 갖는 것을 특징으로 하는 레이저 광 발생 장치.
적어도 한쌍의 반사 수단과 비선형 크리스탈의 조합을 갖는 광 공진기; 및

상기 광 공진기내에 배치된 레이저 매체를 구비하고,

상기 레이저 매체에 의해 상기 광 공진기에서 기본 레이저 광을 발생시키기 위해 상기 레이저 매체를 여기시키기 위한 여기용 광을 외부에서 상기 광 공진기로 도입하고, 또한 상기 비선형 광학 크리스탈에 의해 변조되는 파장을 갖는 레이저 광을 발생하되,

상기 비선형 광학 크리스탈은 서로 반대되고 평행하지 않게 배열되어 있으며 광학 전파축상으로 분리되어 있는 한쌍의 입력 및 출력측을 갖는 것을 특징으로 하는 레이저 광 발생 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 비선형 광학 크리스탈내로 입사되는 상기 기본 레이저 광은, 빔 웨이스트가 타원 단면을 갖고 상기 기본 레이저 광의 입사 방향과 상기 비선형 광학 크리스탈의 입력과 출력측들에 수직인 방향을 포함하는 평면과 상기 비선형 광학 크리스탈에서 위상 매칭을 위한 억셉턴스 각이 작게 되는 방향이 실질적으로 평행하도록 설정되는 것을 특징으로 하는 레이저 광 발생 장치.
제1항 내지 제3항중 어느 한 항에 있어서, 상기 비선형 광학 크리스탈의 상기 입력 및 출력측들은 상기 광학 전파축에 대하여 브루스터각(Brewster angle)으로 틸트된 것을 특징으로 하는 레이저 광 발생 장치.
제1항 내지 제3항중 어느 한 항에 있어서, 상기 광 공진기는 입사 방향이 상기 반사 수단상에 상기 반사 방향과 일치하는 폴디드 공진기인 것을 특징으로 하는 레이저 광 발생 장치.
제1항 내지 제3항중 어느 한 항에 있어서, 상기 광 공진기는 입사 방향이 상기 반사 수단상에 상기 반사 방향과 일치하지 않는 링 공진기인 것을 특징으로 하는 레이저 광 발생 장치.
제1항 내지 제4항에 있어서, 상기 광 공진기는, 상기 비선형 광학 크리스탈에 교차되어 뻗은 제1 광 전파축과 상기 비선형 광학 크리스탈에 교차되지 않게 뻗은 제2 광 전파축을 갖되, 양 축이 상기 제1 및 제2 반사 수단 사이에 제공되는 링 공진기인 것을 특징으로 하는 레이저 광 발생 장치.
제4항, 제6항, 제7항중 어느 한 항에 있어서, 상기 광 공진기는, 비점수차를 정정하기 위해 기본 레이저 광이 상기 비선형 광학 크리스탈의 입력 및 출력측들에 경사각으로 입사되는 링 공진기인 것을 특징으로 하는 레이저 광 발생 장치.
제1항 내지 제8항에 있어서, 상기 비선형 광학 크리스탈은 CsLiB₆O₁₀(세슘 리튬 보레이트)인 것을 특징으로 하는 레이저 광 발생 장치.
제1항 내지 제8항중 어느 한 항에 있어서, 상기 비선형 광학 크리스탈은 BBO(베타-바륨 보레이트)인 것을 특징으로 하는 레이저 광 발생 장치.