KR100295265B1 - 고안정성고체레이저공진기 - Google Patents

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KR100295265B1 KR1019970025164A KR19970025164A KR100295265B1 KR 100295265 B1 KR100295265 B1 KR 100295265B1 KR 1019970025164 A KR1019970025164 A KR 1019970025164A KR 19970025164 A KR19970025164 A KR 19970025164A KR 100295265 B1 KR100295265 B1 KR 100295265B1
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Abstract

공진기 거울의 비정렬도(misalignment)와 레이저 활성 매체에서 나타나는 열렌즈(thermal lens)의 변동에 의한 레이저 출력의 변화를 최소화시켜 펄스형 고체 레이저 공진기에서도 사용할 수 있는 고체 레이저 공진기가 개시되어 있다.
본 발명의 한 특징에 따르면, 레이저 발진 파장에 대하여 적어도 부분적으로 투과성인 전방 반사 수단(M1), 봉 형상의 레이저 활성 매체(RO) 및 후방 반사 수단(RM)이 차례로 정렬(alignment)되어 있으며, 상기 레이저 활성 매체(RO)의 상기 후방 반사 수단(RM)과 마주하고 있는 단부가 곡률 반경(r)을 갖는 곡면으로 형성되어 있는 고 안정성 고체 레이저 공진기가 제공된다.
본 발명에 따르면, 공진기 거울의 비정렬 감도를 향상시킬 수 있고 안정된 출력을 얻을 수 있으며, 펄스형 고체 레이저공진기에도 적용할 수 있는 고 안정성 고체 레이저 공진기를 얻을 수 있게 된다.

Description

고 안정성 고체 레이저 공진기
본 발명은 고체 레이저 공진기에 관한 것으로서, 특히 공진기 거울의 비정렬도(misalignment)와 레이저 활성 매체에서 나타나는 열렌즈(thermal lens)의 변동에 의한 레이저 출력의 변화를 최소화시켜 펄스형 고체 레이저 공진기용으로 사용할수 있는 고체 레이저 공진기에 관한 것이다.
종래로부터, 고체 레이저 공진기로서 연속 발진용 고체 레이저 공진기와 펄스형 고체 레이저 공진기가 공지되어 있다. 이제까지, 연속 발진용에 관해서는 많은 연구가 이루어졌는데, 이러한 연속 발진용 고체 레이저 공진기는 대체로, 광원, 이광원에 의하여 여기되는 봉 형상(rod-shape)의 레이저 활성 매체, 이 레이저 활성 매체를 개재하여 서로 정렬(alignment)되어 있는 전방의 부분적으로 투명한 평면거울과 후방의 평면 거울로 구성되어 있다. 그러나, 이러한 연속 발진용 공진기를 펄스형 공진기에 사용할 경우에는 공진기 거울의 비정렬 감도가 비교적 크게 되며, 또한 비정렬 감도를 작게 한 연속발진용 공진기를 사용할 경우에는 후방 거울면 근처에서 초점이 맺히기 때문에 파워 밀도(power density)가 높아져 후방거울이 손상된다는 문제점이 있었다.
한편, 연속 발진용 공진기의 문제점을 해결할 수 있는 펄스형 공진기에 관해서는 발표된 바가 없으며, 따라서 여러 형태의 고 안정성 연속 발진용 공진기가 펄스형 공진기로 사용되고 있는 실정이다.
따라서, 본 발명의 목적은, 공진기 거울의 비정렬 감도를 향상시킬 수 있고 열 렌즈의 변동에 무관하게 안정된 출력을 얻을 수 있으며 펄스형 고체 레이저 공진기용으로도 적용할 수 있는 고 안정성 고체 레이저 공진기를 제공하는 것이다.
본 발명은, Silichev[O. O. Silichev, Sov. J. Quantum Electron, 13,172 (1983)]의 고 안정성 레이저 공진기 이론을 이용하여 V. G. Dmitriev [V. G. Dmitriev, P. G. Kenvisar, I. B. Lyushnya, V. Yu. Mikhailov, 및 M. F. Stelmakh, Sov.J. Quantum Electron. 11,545 (1981)]에 의하여 제안된 연속 발진용 고 안정성 레이저 공진기를 펄스형 레이저에 적합하도록 개선한 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 특징에 따르면, 레이저 발진 파장에 대하여 적어도 부분적으로 투과성인 전방 반사 수단(M1), 봉 형상의 레이저 활성 매체(RO), 및 후방 반사 수단(RM)이 차례로 정렬되어 있으며, 상기 레이저 활성 매체(RO)의 상기 후방 반사수단(RM)과 마주하고 있는 단부가 곡률 반경(r)을 갖는 곡면으로 형성되어 있는, 고 안정성 고체 레이저 공진기가 제공된다.
이때, 상기 후방 반사 수단(RM)은 상기 레이저 활성 매체(RO)와 마주 보도록 정렬되어 있는 렌즈(LN) 및 코너 큐브 프리즘(CP)을 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 레이저 활성 매체(RO)의 곡면부로부터 상기 렌즈(LN)의 초점 거리(F)까지의 거리(a)는,
Figure kpo00001
(여기서, n0과 d는 상기 레이저 활성 매체(RO)의 굴절율과 길이를 각각 나타내며, f는 열 렌즈의 초점거리, ℓ은 전방 반사 수단(M1)에서 열 렌즈의 주요면(PP)까지의 거리임)이고, 상기 렌즈(LN)와 상기 코너 큐브 프리즘(CP)간의 거리는 상기 렌즈(LN)의 초점 거리(F)와 같은 것이 바람직하다.
제1도는 본 발명의 제1 실시예에 따른 고체 레이저 공진기의 개략적인 구성도.
제2도는 제1도의 레이저 활성 매체를 확대하여 도시한 도면.
제3도는 본 발명의 제2 실시예에 따른 고체 레이저 공진기의 개략적인 구성도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
FL : 광원 LN : 렌즈
M1 : 전방 반사 수단 M2 : 평면 거울
PC : 펌핑 체임버 RM : 후방 반사 수단
RO : 레이저 활성 매체 CP : 코너 큐브 프리즘(corner cube prism)
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.
제1도는 본 발명의 제1 실시예에 따른 고체 레이저 공진기의 개략적인 구성도이다. 이 도면에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 공진기는, 곡률 반경이 무한대이고 레이저 발진 파장에 대하여 반투명인 평면 거울로 형성되는 전방 반사 수단(M1), 펌핑 체임버(pumping chamber)(PC), 및 평면 거울(M2)이 차례로 정렬된 구성으로 되어 있다. 펌핑 체임버(PC)내에는 상기 전방 반사 수단(M1)의 반대쪽에 있는 단부가 곡률 반경(r)을 갖도록 곡면으로 가공된 레이저 활성 매체(RO)와광원(FL)이 수용되어 있다. 이러한 모든 광학 부품들에는 레이저 발진 파장에 대해 반사를 일으키지 않는 무반사 증착이 되어 있다. 전방 반사 수단(M1)과 레이저 활성 매체(RO)의 주요면(PP)간의 거리(ℓ)는 가변시킬 수 있다. 이때, 레이저활성 매체(RO)의 곡면으로 가공된 면에서 평면 거울(M2)까지의 거리(a)는 다음과 같다.
[수학식 1]
Figure kpo00002
여기서, n0와 d는 레이저 활성 매체(RO)의 굴절율과 길이를 각각 나타내며, f는 열 렌즈의 초점 거리이다.
제2도는 제1도의 레이저 활성 매체를 확대하여 도시한 도면이다. 도시한 바와 같이, 레이저 활성 매체(RO)의 일 단부는 렌즈의 역할을 하도록 곡률 반경(r)을 갖는 곡면으로 형성되어 있으며, 이로써 초첨 거리가 F1인 렌즈를 레이저 활성 매체(RO) 자체에 만들 수 있다. 곡률 반경(r)과 초점 거리(F1)는 다음과 같다.
[수학식 2]
Figure kpo00003
이상과 같이, 본 발명의 제1 실시예에서는 레이저 활성 매체(RO)의 일 단부를 곡면으로 가공하고, 이 곡면의 선단부에서 거리 a 인 위치에 곡률 반경이 무한대인 평면 거울(M2)을 레이저 공진기의 후방 반사 수단(RM)으로서 설치하고 있다. 이경우, 다음과 같은 Silichev의 고안정성 공진기 조건을 만족하게 되어, 비정렬 감도를 향상시킬 수 있다.
[수학식 3]
Figure kpo00004
여기서, Ai, Bi, Ci(i = 1, 2)는 열 렌즈를 중심으로 오른쪽과 왼쪽의 광선 행렬 소자를 나타내며, p는 열 렌즈 초점 거리의 역수를 나타내는 열 렌즈 굴절능(thermal lens power)이다.
그러나, 이렇게 후방 반사 수단으로서 평면 거울(M2)을 사용한 경우에는 평면 거울(M2)와 레이저 활성 매체(RO)의 단부에 형성된 렌즈간의 거리가 렌즈의 초점 거리(F1)와 거의 일치하기 때문에, 연속 발진용 레이저의 경우에는 문제가 없으나, 펄스형 레이저에 사용할 경우에는 첨두 출력이 크므로 평면 거울(M2)이 손상될 우려가 있다.
따라서, 제3도에 도시된 본 발명의 제2 실시예와 같이, 후방 반사 수단(RM)으로서 평면 거울(M2)을 대신하여 렌즈(LN)(또는 초점 거리가 같은 오목 거울)와 코너 큐브 프리즘(CP)을 차례로 정렬하여 공기 중에서 초점이 맺히게 함으로써, 공진기의 안정 조건을 만족시키면서도 후방 반사 수단(RM)이 손상되지 않도록 구성할 수 있다.
이때, 레이저 활성 매체(RO)의 곡면으로 가공된 면에서 렌즈(LN)까지의 거리(L1)는 다음과 같다.
[수학식 4]
Figure kpo00005
여기서, F는 렌즈(LN)의 초점 거리이고, a는 곡면으로 가공된 면에서 렌즈(LN)의 초점 거리까지의 거리로서 앞의 수학식 1에 나타낸 바와 같으며, L2는 볼록렌즈(LN)에서 코너 큐브 프리즘(CP)까지의 거리이다.
이 경우, 렌즈(LN)와 코너 큐브 프리즘(CP)간의 거리(L2)를 렌즈(LN)의 초점 거리(F)와 같게 구성하여, 후방 평면 거울(M2)이 있던 위치에서 출발한 광선이 렌즈(LN)을 거쳐 코너 큐브 프리즘(CP)에서 반사되어 다시 그 위치에 도달했을 때 광선 행렬(ray matrix)의 각 소자값이 변하지 않게 한다. 수학식 5를 참조하여, 이러한 원리를 보다 구체적으로 설명한다.
[수학식 5]
Figure kpo00006
여기서, L2는 렌즈(LN)와 코너 큐브 프리즘(CP)간의 거리이며, F는 렌즈(LN)의 초점 거리이다. 코너 큐브 프리즘(CP)에서의 광선 행렬(Mcp) 및 렌즈(LN)에서의 광선 행렬(M1)은 다음과 같다.
[수학식 6]
Figure kpo00007
따라서, 수학식 5의 행렬 요소가
Figure kpo00008
이 되기 위해서는 L2= F가 되어야 함을 알 수 있다.
이제까지 본 명세서에서 설명한 실시예에 있어서는, 후방 반사 수단(RM)으로서 평면 거울(M2) 또는 렌즈(LN)와 코너 큐브프리즘(CP)을 사용하였으나, 소정의 위치에서 출발한 광선이 반사되어 다시 그 위치에 도달했을 때 광선 행렬(raymatrix)을 변화시키지 않는 다른 종류의 광학계를 사용하여도 좋다.
이상과 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 고체 레이저 공진기는,
1. 레이저 공진기를 정렬할 때 정확하게 정렬이 안되어도 비정렬 감도가 작기 때문에 레이저 발진이 잘 일어나며, 레이저공진기의 정렬을 쉽게 할 수 있고,
2. 기존의 레이저 공진기 구조에서 출력 에너지가 최대에서 최소로 변하는 거울의 기울임 각도 범위내에서는 출력 에너지의 변화가 없기 때문에 진동이나 다른 외부 요인에 의해 거울이 틀어져도 안정된 출력을 얻을 수 있으며,
3. 열 렌즈의 초점 거리의 변화 또는 위치의 이동으로 인한 출력 변화의 폭을 최소화할 수 있기 때문에 이를 펄스형 고출력 고체 레이저에 적용할 경우에도 안정된 출력을 얻을 수 있는 효과가 있다.

Claims (6)

  1. 고 안정성 고체 레이저 공진기에 있어서, 광원(FL), 상기 광원에 의해 여기되어, 일 단부에서 레이저 발진을 일으키는 봉 형상의 레이저 활성 매체(RO), 상기 레이저 활성 매체(RO)의 상기 레이저 발진이 일어나는 일 단부로부터 이격되어 형성되며, 상기 일 단부에서의 레이저 발진 파장에 대하여 적어도 부분적으로 투과성인 전방 반사 수단(M1), 및 상기 레이저 활성 매체(RO)의 다른 단부로부터 이격되어 형성되며, 상기 다른 단부에서 출발하는 광선을 반사시키되, 상기 반사된 광선의 소정 위치에서의 광선 행렬과 상기 소정 위치에서의 반사되기 이전의 광선 행렬을 동일하게 해주는 광학계를 포함하는 후방 반사 수단(RM)을 포함하고, 상기 레이저 활성 매체(RO)의 상기 다른 단부는, 곡률 반경이 r이고 초점 거리가 F1인 렌즈 형상의 곡면부로 형성되며, 상기 레이저 활성 매체(RO)의 굴절율을 n0라고 하고, 상기 레이저 활성 매체(RO)의 길이를 d라고 할 때, 상기 곡률 반경 r과 초점 거리 F1은
    Figure kpo00009
    로 표현되는 고 안전성 고체 레이저 공진기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 후방 반사 수단(RM)은, 상기 레이저 활성 매체(RO)의 상기 곡면부로부터 이격되어 형성되는 렌즈(LN) 및 코너 큐브 프리즘(CP)을 포함하는 고 안전성 고체 레이저 공진기.
  3. 제2항에 있어서, 상기 전방 반사 수단(M1)과 상기 레이저 활성 매체(RO)의 주요면(PP)간의 거리를 ℓ이라고 하고, 열 렌즈의 초점 거리를 f라고 하며, 상기 렌즈(LN)의 초점 거리를 F라고 할 때, 상기 곡면부로부터 상기 렌즈(LN)까지의 거리 L1는
    Figure kpo00011
    로 표현되는 고 안정성 고체 레이저 공진기.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 렌즈(LN)와 상기 코너 큐브 프리즘(CP)간의 거리는 상기 렌즈(LN)의 초점 거리(F)와 같은 것을 특징으로 하는 고 안정성 고체 레이저 공진기.
  5. 제1항에 있어서, 상기 후방 반사 수단(RM)은 상기 레이저 활성 매체(RO)의 상기 곡면부를 향하여 반사면이 형성되어 있는 평면 거울(M2)을 포함하는 고 안정성 고체 레이저 공진기.
  6. 제5항에 있어서, 상기 전방 반사 수단(M1)과 상기 레이저 활성 매체(RO)의 주요면(PP)간의 거리를 ℓ이라고 하고 열 렌즈의 초점 거리를 f라고 할 때, 상기 곡면부로부터 상기 평면 거울(M2)까지의 거리 a는
    Figure kpo00012
    로 표현되는 고 안전성 고체 레이저 공진기.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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