KR100287113B1 - 제2고조파발진기용니오듐;이트륨바나데이트결정의반사방지막 - Google Patents

제2고조파발진기용니오듐;이트륨바나데이트결정의반사방지막 Download PDF

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Abstract

본 발명은 제2고조파 발진기용 Nd:YVO4결정의 반사방지막에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 제2고조파 발진기의 이득매질용 Nd:YVO4결정의 a축으로 편광된 기본파와 반도체 레이저 파장 및 제2고조파에 대해 반사를 방지할 수 있도록 Nd:YVO4결정의 양면에 고굴절율의 유전체층과 저굴절율의 유전체층을 교대로 형성시키므로써 반사에 의한 손실을 줄여 제2고조파의 출력을 증가시킬 수 있는 제2고조파 발진기용 Nd:YVO4결정의 반사방지막에 관한 것이다.

Description

제2고조파 발진기용 니오듐;이트륨 바나데이트(Nd:YVO4) 결정의 반사방지막
제1도는 내부 공진기형 제2고조파 발생장치의 개략도이고,
제2도는 Nd:YVO4결정의 편광방향에 따른 출력특성을 나타낸 그래프이며,
제3도는 본 발명의 광학코팅 디자인이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
1 : 반도체 레이저 2 : 렌즈
4,8 : 미러 5 : Nd:YVO4결정
6 : 브루스터 판 7 : KTP 결정
9 : 필터
본 발명은 제2고조파 발진기용 Nd:YVO4결정의 반사 방지막에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 제2고조파 발진기에서 사용되는 Nd:YVO4결정의 양면에 이 결정의 a축으로 편광된 기본파에 대해 무반사 특성을 갖고 반도체 다이오드 파장과 제2고조파에 대해 고투과 특성을 갖도록 반사방지막을 형성시키므로써 반사에 의한 손실을 줄여 제2고조파의 출력을 증가시킬 수 있는 제2고조파 발진기용 Nd:YVO4결정의 반사방지막에 관한 것이다.
제2고조파 발진기(second harmonic generation)는 A/V 기록/재생 시스템에 사용되는 고밀도 광자기 기록용 광원의 제작에 매우 유용하다.
일반적으로 제2고조파 발진기는 공진기 형태로 많이 사용되고 있으며, 이는 반도체 레이저 빔을 Nd:YAG 등의 이득매질에 입사하여 여기시킨 후 비선형 단결정에 입사시켜, 청록색 광을 얻는데 고효율, 고출력의 제2고조파를 얻기 위해서는 각각의 결정, 미러 등에 적절한 반사방지막이나 고반사막의 코팅이 필요하다.
한편, 이득매질로는 Nd:YAG 결정이 가장 많이 사용되고 있는 물질이다. 특히 Nd:YAG 결정은 다른 재료에 비해 형광특성이 우수하고 열전도도도가 커서 안정한 레이저 특성을 나타내기 때문에 상업적으로 널리 사용되고 있다. 그러나, Nd:YAG 결정은 흡수대폭(adsorption band width)이 좁고, 경사효율(slope efficiency)이 낮은 등의 단점을 가지고 있어 소형의 제2고조파 발진소자를 제작하는데에는 어려움이 따른다는 문제점이 있었다.
현재, Nd:YAG 결정의 단점을 보안할 수 있는 물질로는 Nd:YVO4가 있다. Nd:YVO4는 레이저 단면적이 Nd;YAG보다 5.6배, 흡수대폭이 2.6배, 경사효율이 2배정도 커서 넓은 온도에서 효율적으로 동작가능하고, 소자의 크기를 소형화시킬 수 있는 장점이 있어 현재 각광받고 있는 물질이다.
제2고조파 발진기에서 최대효율을 얻기 위해서는 공진기 내부에 한쌍의 미러를 설치하고 레이저 빔을 공진시켜야 한다. 이러한 공진기형 제2고조파 발진기의 효율은 공진기 내부의 손실을 최소화하므로써 증가시킬 수 있다. 즉, 공진기형 제2고조파 발진기를 제조하는데 필요한 각 광학부품들의 광학코팅 정도가 효율 및 출력에 큰 변수로 작용한다.
한편, 공진기형의 제2고조파 발진기는 반도체 레이저에서 나온 빔이 Nd:YVO4결정으로 입사하고 이빔은 공진기 내부의 두개의 미러 사이에서 공진한다. 그러므로 제2고조파 발진기의 효율을 증가시키기 위하여 Nd:YVO4결정의 양면에 기본파에 대해 무반사막이 필요할 뿐만 아니라 제2고조파 및 반도체 레이저 파장에 대해서도 고투과 특성을 가져야 한다.
종래의 경우, 공진기형 제2고조파 발진기에 사용되는 Nd:YVO4결정의 광학적 무반사막은 일반적으로 MgF2만을 사용하여 제조하였다.
그러나 이러한 물질만을 사용한 반사방지막은 공진기형 제2고조파 발진기에서 중요한 532nm, 809nm, 1064nm의 파장에서 우수한 특성을 얻지 못하는 문제점이 있었다.
따라서 본 발명의 목적은 상기 문제점을 해결할 뿐만 아니라 제2고조파의 출력을 증가시킬 수 있는 제2고조파 발진기용 Nd:YVO4결정의 반사방지막을 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제2고조파 발진기용 Nd:YVO4결정의 반사방지막은, 제2고조파 발진기의 이득매질용 Nd:YVO4결정의 a축으로 편광된 기본파의 반도체 레이저 파장 및 제2고조파에 대해 반사를 방지할 수 있도록 Nd:YVO4결정의 양면에 고굴절율의 유전체층과 저굴절율의 유전체층을 교대로 형성시켜서 된 것으로 이루어진다.
이하 본 발명의 구성을 첨부된 도면을 참조하여 좀 더 상세히 설명하면 다음과 같다.
제2고조파 발진기의 최대효율을 얻기 위해서는 공진기 내부에 한쌍의 미러를 설치하고 레이저 빔을 공진시켜 공진기 내부의 손실을 최소화하므로써 효율을 증가시킬 수 있지만, 공진기형 제2고조파 발진기를 제조하는데 필요한 각 광학부품들의 광학코팅 정도가 효율 및 출력에 큰 변수로 작용한다. 또한, 제2고조파 발진기의 효율을 증가시키기 위하여 Nd:YVO4결정의 양면에 기본파에 대한 무반사막이 필요할 뿐만 아니라 제2고조파 및 반도체 레이저 파장에 대해서도 고투과 특성을 가져야 한다.
이를 위해 종래의 경우에는 공진기형 제2고조파 발진기에 사용되는 Nd:YVO4결정의 광학적 무반사막으로 일반적으로 MgF2만을 사용하여 제조하였지만, 공진기형 제2고조파 발진기에서 중요한 32nm, 809nm, 1064nm의 파장에서 우수한 특성을 얻지 못하는 문제점이 있었다.
본 발명자들은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 연구를 거듭한 결과, 제2고조파 발진기에서 사용되는 Nd:YVO4결정의 양면에 이 결정의 a축으로 편광된 기본파에 대해 무반사 특성을 갖고 반도체 다이오드 파장과 제2고조파에 대해 고투과 특성을 가지는 본 발명의 제2고조파 발진기용 Nd:YVO4결정의 반사방지막을 개발한 것이다.
간략히 말해서, 본 발명의 제2고조파 발진기용 Nd:YVO4결정의 반사방지막은 제2고조파 발진기의 이득매질용 Nd:YVO4결정의 a축으로 편광된 기본파와 반도체 레이저 파장 및 제2고조파에 대해 반사를 방지할 수 있도록 Nd:YVO4결정의 양면에 고굴절율의 유전체층과 저굴절율의 유전체층을 교대로 형성시켜서 된 것을 특징으로 한다.
본 발명은 내부 공진기형 제2고조파 발진기에 Nd:YVO4결정을 사용시 반도체 레이저의 광축과 Nd:YVO4결정을 수직으로 정렬하고 입사 및 출사면에 대해 반사방지막 및 고투과막을 제작하는데 적용된다. 이때 사용되는 Nd:YVO4결정은 테트라고날(tetragonal) 구조를 갖는 레이저 결정으로서 레이징 파장이 1.064㎛를 갖고 상온에서 측정시 1.05㎛에서의 굴절율 n0와 ne가 각각 1.9577, 2.1657이다.
한편, 레이저 결정에 반사방지막을 코팅하기 위해서는 적절한 코팅 재료와 코팅두께의 선택이 요구된다. 또한, 공진기형 제2고조파 발진기에서 중요한 32nm, 809nm, 1064nm의 파장에서 코팅막의 광손상 입계값(optical damage threshold)도 적정값을 가져야만 한다.
제2도는 Nd:YVO4결정의 편광 방향에 따른 출력특성을 나타낸 그래프이다. 제2도에 의하면 Nd:YVO4결정은 테트라고날 구조로 굴절을 no와 ne가 서로 달라 반도체 레이저의 편광방향에 따라 그 효율이 달라진다. 따라서, Nd:YVO4결정에 입사하는 광의 편광방향이 a축일 때 32nm, 809nm, 1064nm의 파장에서 반사율이 낮게 되는 코팅막을 제조하기 위해서 본 발명에서는 고굴절율의 유전체 재료와 저굴절율의 유전체 재료, 예를들면 SiO2와 ZrO2를 사용하는 것이 바람직하며, 코팅두께 디자인은 컴퓨터를 사용하여 반복(iteration)의 방법으로 최적화시킨다.
제3도는 본 발명의 광학코팅 디자인으로서, 이는 컴퓨터 최적화 결과를 나타내며 400nm에서 1200nm 파장범위에서의 반사율 결과이다.
첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 동작원리를 설명하면 다음과 같다.
제1도는 본 발명에서 사용된 비선형 단결정을 사용하는 내부 공진기형 제2고조파 발생장치의 개략도로서, 도면중 부호 1은 반도체 레이저, 2는 렌즈, 4 및 8은 미러, 5는 Nd:YVO4결정, 6은 브루스터 판, 7은 KTP 결정, 9는 필터이다.
제1도에 도시된 바와 같이, 미러(4, 8)에는 기본판에 대해 고반사도를 갖는 코팅이 형성되어 있으며 5는 Nd:YVO4결정인 이득매질로 미러(4)에서 들어오는 반도체 레이저에 의해 여기되며, 공진기를 구성하는 미러(4, 8)가 적절히 배열되었을때 기본판에 대한 공진이 최대가 된다. 이 레이저 빔은 이득매질인 Nd:YVO4결정(5)을 여기하여 기본파를 발생시키며 Nd:YVO4결정의 이방특성에 의해 편광된 빔이 된다. 또한, 이 빔은 KTP 단결정(7)을 지나면서 제2고조파를 발생시키고 이 제2고조파는 미러(8)를 통해 나오게 된다. 이때 약간의 기본파가 미러(8)를 통해 나오게 되는데, 대부분의 기본파는 공진기 내부로 귀속되게 된다. 그리고 약간의 기본파가 포함되어 있는 빔은 필터(9)를 통과하여 기본파가 제거되고 순수한 제2고조파만 통과하게 되는 것이다.
한편, 본 발명에서는 a축으로 편광된 광이 Nd:YVO4결정에 입사할 때 결정의 양면에 기본파 및 제2고조파와 반도체 레이저 파장에 대해 특정 광학코팅을 실시하여 주므로써 반도체 레이저에서 조사하는 빔과 기본파 및 제2고조파의 손실을 최소화시켜 최대출력의 제2고조파를 얻도록 하고 있다. 이때 반사방지막은 바람직하기로는 532nm에서 굴절율 1.48인 SiO2층과 굴절율 2.2인 ZrO2층을 교대로 반복적층시켜 7층 적층체로 구성되어 있다.
한편, 각 층의 구성은 설계중심파장 550nm에서 다음과 같은 광학 두께를 갖도록 하고 있다. 즉, KTP/ 0.10206HL 0.15813H 0.0908L 0.29427H 0.16082L 0.09419H 0.39174L/Air, 여기서 L은 SiO2층, H는 ZrO2층이다. 즉, 컴퓨터 계산시 박막의 두께설정의 기준이 되는 파장인 예를들면, 설계중심파장(λ) 550nm에서 굴절율 n = 1.48인 SiO2의 광학적 두께 0.25λ는 다음과 같이 기하학적 두께로 계산가능한 것이다.
d = λ/(n ×4) = 550/(1.48 ×4) = 92.9nm
이하 실시예를 통하여 본 발명을 좀 더 상세히 설명하지만, 이것이 본 발명의 범주를 한정하는 것은 아니다.
실시예 1
Nd:YVO4결정을 X선 각도계와 슬라이싱 머신(slicing machine)을 사용하여 θ-90°, φ=0°로 a축 두께 1mm, c축 길이가 3mm, a축 길이가 3mm되게 절단하였다.
그후 광의 입출사면(a면)을 평균 거칠기가 10nm이하, 평면도 λ/10이상, 평행도 10초이하로 정밀가공하였다.
유기용제를 사용하여 Nd:YVO4결정을 세척한 다음 스퍼터장비에 장입하였다. 이때 스퍼터링은 RF 마그네트론 스퍼터링방식을 사용하였고 Zr 및, SiO2타켓을 사용하여 산소를 4cc/min., 아르곤을 20cc/min.으로 흘리며 반응성 스퍼터링시켰다.
박막의 광학적 두께는 광학 간섭식 막두께 측정방식으로 인시투 모니터링(in-situ monitoring)하였고, 제작한 반사방지막의 반사율 측정은 Nd:YAG 레이저(Nd:YVO4의 a축으로 편광)와 제2고조파 발진용 레이저를 사용하여 기본파 파장인 1064nm와 제2고조파인 532nm에서 각각 실시하였다. 그 결과, 기본파와 제2고조파의 두파장에 대해 각각 반사율이 0.1%이하였다.
하기 표 1은 KTP/ 0.10206HL 0.15813H 0.0908L 0.29427H 0.16082L 0.09419H 0.39174L/Air층 구조를 갖는 반사방지막의 이론적 반사율과 반사방지막 제작후 1064nm와 532nm 파장에 대한 반사율 측정결과이다.
그러므로, 본 발명에 의하면, 반사방지막이 없는 경우 Nd:YVO4결정의 계면에서는 약 8%의 빔을 반사하기 때문에 공진기형 제2고조파 발진기에 있어 Nd:YVO4결정의 양면에 a축으로 편광된 기본파(1064nm), 제2고조파(532nm) 및 반도체 레이저 파장(809nm)에 대해 반사율이 낮게 되도록 반사방지막을 제작하여 반사에 의한 손실을 줄여 제2고조파의 출력을 증가시킬 수 있는 잇점이 있다.

Claims (4)

  1. 제2고조파 발진기의 이득매질용 Nd:YVO4결정의 a축으로 편광된 기본파와 반도체 레이저 파장 및 제2고조파에 대해 반사를 방지할 수 있도록 Nd:YVO4결정의 양면에 고굴절율의 유전체층과 저굴절율의 유전체층을 교대로 형성시켜서 된 것을 특징으로 하는 제2고조파 발진기용 Nd:YVO4결정의 반사방지막.
  2. 제1항에 있어서, 상기 고굴절율의 유전체층이 532nm에서 약 2.2의 굴절율을 갖는 ZrO2이고, 저굴절율의 유전체층이 약 1.48의 굴절율을 갖는 SiO2인 것을 특징으로 하는 제2고조파 발진기용 Nd:YVO4결정의 반사방지막.
  3. 제1항에 있어서, 상기 반사방지막이 기본파에 대한 반사율이 0.1%이하, 제2고조파 및 반도체 다이오드 파장에 대한 투과율이 90%이상인 것을 특징으로 하는 제2고조파 발진기용 Nd:YVO4결정의 반사방지막.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 반사방지막의 설계중심파장인 550nm에서 각층의 광학적 두께가 하기와 같은 것을 특징으로 하는 제2고조파 발진기용 Nd:YVO4결정의 반사방지막.
    KTP/ 0.10206HL 0.15813H 0.0908L 0.29427H 0.16082L 0.09419H 0.39174L/Air, 여기서 L은 SiO2층, H는 ZrO2층.
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