KR100287114B1 - 제2고조파발진기용니오듐:이트륨바나데이트결정의반사방지막제조방법 - Google Patents

제2고조파발진기용니오듐:이트륨바나데이트결정의반사방지막제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 제2고조파 발진기용 니오듐:이트륨바나데이트( Nd : YV04) 결정의 반사방지막 제조방법에 관한 것이며, 더욱 상세히는 제2고조파 발진기에서 이득매질로 사용되는 Nd : YV04결정의 양면에 다수의 고굴절율을 가진 ZrO2와 저굴절율을 가진 SiO2를 교대로 반복적층시켜 c측으로 편광된 광이 입사할 때 기본파. 제2고조파 및 반도체 다이오드 파장에 대한 반사방지막을 이루도록 한 것이며, Nd : YV04결정의 양면에 c측으로 편광된 기본파(1064nm), 제2고조파(532nm) 및 반도체 레이저의 파장(809nm)에 대하여 반사율이 낮은 7층의 적층 반사방지막을 통고하도록 하므로서 반사에 의한 손실이 줄어 제2고조파의 출력을 증가시킬 수 있는 것이다.

Description

제2고조파 발진기용 니오듐:이트륨바나데이트(Nd : YV04) 결정의 반사 방지막 제조방법
제1도는 본 발명의 광학코팅 디자인을 나타내는 도표이다.
본 발명은 제2고조파 발진기용 니오듐:이트륨바나데이트( Nd : YV04) 결정의 반사방지막 제조방법에 관한 것이며, 더욱 상세히는 제2고조파 발진기의 효율을 증가시키도록 Nd : YV04결정의 양면에 c측으로 편광된 광이 입사할 때 기본파와 제2고조파 및 반도체 레이저 빔에서 고투과 특성을 갖는 광학박막을 제조하는 것에 관한 것이다.
제2고조파 발진기는 A/V 기록 재생 시스템에 사용되는 고밀도 광지기 기록용 광원으로 매우 유용하다. 일반적으로 제2고조파 발진기는 공진기 형태가 많이 사용되고 있으며, 이는 반도체 다이오드로 빔을 이득매질에 입사하여 여가시킨 후 이를 다시 비선형 단결정에 입사시켜 청록색 광을 얻는데, 이때 고효율 및 고출력의 제2고조파를 얻기 위해서는 각각의 결정이나 미러(mirror)등을 적절한 반사방지막이나 고반사막의 코팅이 필요하며 이득매질은 형광특성이 다른 재료에 비하여 우수하고 열전도도가 커서 안정한 레이저특성을 나타내는 Nd : YAG 결정이 상업적으로 널리 사용된다.
그러나 Nd : YAG 단결정은 흡수띠(absorption band)의 폭이 좁고, 슬롭(slop) 효율이 적은 단점을 가지고 있어서 소형의 제2고조파 발진소자를 제작하는데 어려움이 따른다.
따라서 현재 이득매질 Nd : YAG 의 단점을 보완할 수 있도록 흡수띠의 폭이 Nd : YAG 보다 2.6배 높고, 슬롭효율은 2배, 레이저 단면적은 5.6배커서 폭넓은 온도범위에서 효율적으로 동작가능하고 소자의 크리를 소형화시킬 수 있는 Nd : YVO4가 공진기형 제2고조파 발진기에 많이 사용되고 있다.
제2고조파 발진기의 최대 효율을 얻으려 할 때는 공진기 내부의 손실을 최소화하여야 한다. 즉, 공진기형 제2고조파 발진기를 제조하는데 필요한 각 광학 부품들의 광학코팅 정도가 효율 및 출력에 큰 변수로 작용한다. Nd : YVO4결정을 사용한 공진기형 제2고조파 발진기는 반도체 레이저에서 나온 빔이 Nd : YVO4결정에 입사되고, 이 빔은 공진기 내부의 두개의 미러사이에서 공진한다. 그러므로 제2고조파 발진기의 효율을 증가시키기 위해 다른 광학 부품뿐만 아니라 Nd : YVO4결정의 양면에 광 손실을 최소화시킬 수 있는 광학박막을 제조하여야 하며, 이 광학박막은 기본파(1064nm)와 제2고조파(532nm) 및 반도체 레이저빔(809nm)에서 고투과 특성을 가져야 한다.
그런데, Nd : YVO4결정은 a축과 c축에 평행한 편광방향에 따라 레이저 특성이 달라 용도에 따라 편광방향을 다르게 하도록 사용되며 정방정계(tetragonal)의 구조를 갖고 1.05㎛에서의 굴절율 no와 ne가 각각 1.9577, 2.1657으로 두 축에서 굴절율차가 큰 물질이다.
따라서 Nd : YVO4결정은 편광된 광을 입사시켜야 하고, 반사방지막 제조시에도 no와 ne의 굴절율을 동시에 만족시키기 어렵기 때문에 각각의 굴절율에 맞는 반사방지막 제조가 이루어져야 한다.
그러나 종래 Nd : YVO4결정에 대한 광학박막은 Nd : YVO4결정의 평균 굴절율을 사용하였고 편광된 광을 입사시켰기 때문에 우수한 특성을 얻지 못했다.
따라서 본 발명은 Nd : YVO4결정에 반사방지막 제조시에 no와 ne 의 굴절율을 동시에 만족시키기 어렵기 때문에 ne의 굴절율을 만족하도록 c축으로 편광된 기본파에 대해 무반사 특성을 갖고 반도체 레이저 파장과 제2고조파에 대해 고투과 특성을 갖는 광학박막의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 고안의 특징은 제2고조파 발진기에서 이득매질로 사용되는 Nd : YVO4결정의 양면에 다수의 고굴절율을 가진 ZrO2와 저굴절율을 가진 SiO2를 교대로 반복적층시쳐 c축으로 편광된 광이 입사할 때 기본파, 제2고조파 및 반도체 다이오드 파장에 대한 반사방지막을 이루도록 한 제2고조파 발진기용 Nd : YVO4결정의 반사방지막 제조방법에 있으며, 이하 본 발명을 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 내부 공진기형 제2고조파 발진기에 Nd : YVO4결정을 사용시 반도체 레이저의 공축과 Nd : YVO4결정을 수직으로 정렬하고 입사 및 출사면에 대해 반사방지막 및 고투과막을 제작하는데 적용된다.
본 발명은 Nd : YVO4결정이 결정학적 축에 따라 레이저 효율이 다르다는 것에 착안하여 Nd : YVO4결정에 입사하는 광의 편광방향이 c축일때 결정의 양면에 532nm, 809nm, 1064nm 파장에서 반사율이 낮게 되도록 코팅을 실시하므로서 반도체 레이저에서 조사되는 빔과 기본파 및 제2고조파의 손실을 최소화시켜 최대출력의 제2고조파를 얻도록 하였다.
즉, 본 발명에 따르면 코팅된 반사방지막은 532nm에서 굴절율 1.48인 SiO2층과 굴절율 2.2인 ZrO2층을 교대로 적층시켜 7층 적층제로 구성하였고, 각 층의 구성은 설계중심파장 550nm에서 KTP/0.06597L, 0.2024H, 0.05783L, 0.34901h, 0.155941L, 0.09075h, 0.38643L/Air의 광학두께를 갖도록 하였다. 여기서 L은 SiO2층, H는 ZrO2층을 의미한다.
이때 사용되는 Nd : YVO4결정은 정방정계구조를 갖는 레이저 결정으로써 레이징 파장이 1.064㎛를 갖고 상온에서 측정시 1.05㎛에서의 굴절율 no와 ne가 각각 1.9577, 2.1657이다.
한편 레이저 결정에 반사방지막을 코팅하기 위해서는 적절한 코팅 재료와 코팅두께의 선택이 요구되며, 공진기형 제2고조파 발진기에서 중요한 532nm, 809nm, 1064nm의 파장에서 코팅막의 광손상 임계값(optical damage threshold)도 적정값을 가져야만 한다.
Nd : YVO4결정은 정방정계구조로 굴절율 no와 ne가 서로 달라 반도체 레이저의 편광방향에 따라 레이저 효율이 다르므로 본 발명에서는 Nd : YVO4결정에 입사하는 광의 편광방향이 c축일때 532nm, 809nm, 1064nm 파장에서 반사율이 낮게 되는 코팅막을 형성하도록 코팅재료로써 SiO2와 ZrO2을 사용하여 두 재료를 반복적으로 적층하였으며 코팅두께 디자인은 컴퓨터를 사용하여 이터레이션(interation)방법으로 최적화시킨다. 이와 같이 본 발명에 따라 최적화 적층된 Nd : YVO4결정의 반사방지 코팅막은 400nm와 1200nm 파장범위에서 제1도에 도시한 바와 같이 제2고조파 발진기에서 중요한 532nm, 809nm, 1064nm의 파장에서 반사도가 각각 0.1%, 9%, 0.051%를 갖는 우수한 특성을 광학막을 제조하는 것을 알 수 있다.
공진기형 제2고조파 발진기에서 이득물질의 양쪽에 위치해 있는 두 미러는 기본파에 대해 고반사도를 갖는 코팅이 되어 있으며, 이득물질인 Nd : YVO4결정은 입사 미러를 통한 반도체 레이저에 의해 여기되며 공진기를 구성하는 두 미러가 적절히 배열되었을 때 기본파에 대한 공진이 최대가 된다.
반도체 레이저 빔은 이득매질인 Nd : YVO4결정를 여기하여 기본파를 발생시키며 Nd : YVO4결정의 이방특성에 의해 선형 편광된 빔이 기본파에 대한 공진이 최대가 된다. 또한 이 빔은 비선형 단결정(일반적으로 KTP)을 지나면서 제2고조파를 발생시키고 이 제2고조파는 출력 미러를 통해 나오게 된다. 이때 약간의 기본파가 출력 미러를 통해 나오고 대부분의 기본파는 공진기 내부로 귀속된다. 그리고 약간의 기본파가 포함되어 있는 빔은 필터를 통고하여 기본파가 제거되어 순수히 제2고조파로서 지나게 된다.
따라서 Nd : YVO4결정에 반사방지막이 없는 경우 약 8%의 빔이 계면에서 반사하지만, 본 발명을 적용한 공진기형 제2고조파 발진기에는 Nd : YVO4결정의 양면에 c축으로 편광된 기본파(1064nm), 제2고조파(532nm) 및 반도체 레이저의 파장(809nm)에 대하여 반사율이 낮은 7층의 적층 반사방지막을 통과하도록 하므로서 반사에 의한 소실이 줄어 제2고조파의 출력을 증가시킬 수 있는 것이다
상기와 같은 본 발명에 있어서 RF 스퍼터링 방법을 이용한 일실시예와 더불어 설명하면 다음과 같다.
Nd : YVO4결정을 X-선 각도측정기와 슬라이싱 머신(siicing M/C)을 사용하여 θ=90°,=0°로 a축 두께 1mm, c축 길이가 3mm, a축 길이가 3mm되게 절단하엿다. 이후 광의 입출사면(a면)을 평균 거칠기가 10nm이하, 평면도/10이상, 평행도 10초이하로 정밀가공하였다. Nd : YVO4를 유기용제를 사용하여 세척 후 스퍼터장비에 장입한다.
이때, 스퍼터링은 RF 마그네트론 스퍼터방식을 사용하였과 Zr 및 SiO2타켓을 사용하여 산소를 4cc/min, 아르곤을 20cc/min으로 흘리며 재반응 스퍼터링(reactive sputtering)시켯으며, 또한 그 상태에서 박막의 광학적 두께를 광학 간섭식 막두께 측정방븝으로 모니터링하였다.
제작한 반사방지막의 반사율 측정은 Nd : YAG 레이저(Nd : YVO4의 c축으로 편광)와 SHG 레이저(Nd : YVO4의 c축으로 편광)를 사용하여 기본파 파장인 1064nm와 SH파 532nm에서 각각 실시하였으며, 그 결과는 다음 표와 같다.
[표 1] 반사방지막의 이론적 반사율 및 측정 반사율
상기 표1은 KTP/0.06597L, 0.2024H, 0.57831L, 0.34901H, 0.15594L, 0.0975H, 0.38643L/Air의 적층구조를 갖는 반사방지막의 이론적 반사율과 반사방지막 제작 후 기본파 파장인 1064nm와 SH파인 532nm파장에 대한 반사율 측정결과이다. 여기서 L은 SiO2층, H는 ZrO2층을 의미한다.
본 발명에 의하여 얻어진 반사방지막은 비록 박막제조 공정시 필름굴절율, 흡수계수 및 필름두께등의 각 요소별 측정오차에 기인하여 차이가 발생할 수 있으나, 본 발명에 의한 반사방지막 제조의 실제적 이론 반사율은 상기 표1에서 나타나 바와 같이 기본파 및 SH파 두 파장에 대해 각각 0.1% 이하로 나타났다.

Claims (4)

  1. 제2고조파 발진기에서 이득매질로 사용되는 Nd : YVO4결정의 양면에 다수의 고굴절율을 가진 ZrO2와 저굴절율을 가진 SiO2를 교대로 반복적층시켜 c축으로 편광괸 광이 입사할 때 기본파, 제2고조파 및 반도체 다이오드 파장에 대한 반사방지막을 이루도록 한 것을 특징으로 하는 제2고조파 발진기용 니오듐:이트륨바나데이트(Nd : YVO4) 결정의 반사방지막 제조방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 반사방지막의 고굴절율층은 532nm에서 약 2.2의 굴절율을 갖는 ZrO2를 적층하고 저굴절율층은 약 1.48의 굴절율을 갖는 SiO2를 적층시킨 것을 특징으로 하는 제2고조파 발진기용 니오듐:이트륨바나데이트(Nd : YVO4) 결정의 반사방지막 제조방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 반사방지막이 기폰파에 대해서는 반사율이 0.1% 이하가 되고 제2고조파 및 반도체 다이오드 파장에 대해서는 90%이상이 투과되도록 형성된 것을 특징으로 하는 제2고조파 발진기용 니오듐:이트륨바나데이트(Nd : YVO4) 결정의 반사방지막 제조방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 방사방지막이 SiO2와 ZrO2를 7층으로 적층시키고, 각층의 광학적 두께가 설계중심파장이 550nm에서 KTP/0.06597SiO2, 0.2024ZrO2, 0.05783SiO2, 0.34901ZrO2, 0.15594SiO2, 0.0975ZrO2, 0.38643SiO2/Air로 제조시키는 것을 특징으로 하는 제2고조파 발진기용 니오듐:이트륨바나데이트(Nd : YVO4) 결정의 반사방지막 제조방법.
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