KR100363237B1 - 제2고조파 발생 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 제2고조파 발생 장치에 관한 것이다.

본 발명 제2고조파 발생 장치는 공진기로 부터 출사되는 제2고조파 진행 경로 상에 익스트라 오디너리 축 방향의 편광 만을 통과시키는 편광 소자를 마련하여, 익스트라 오디너리 축의 편광이 빔스프리터에 입사되도록 함으로써 피이드 백 회로로 귀환되는 광으로서 익스트라 오디너리 축 방향의 광을 사용하도록 되어 있다. 이와 같이 됨으로서 안정된 공진기 내의 비선형 단결정 소자의 온도제어가 가능하고 이로써 안정된 제2고조파 출력을 얻을 수 있게 된다.

Description

제2고조파 발생 방법 및 장치

본 발명은 제2고조파 발진방법 및 장치에 관한 것으로, 상세하게는 출력을안정화할 수 있는 제2고조파 발진방법 및 장치에 관한 것이다.

광자기 드라이브와 같은 정보 기록 장치, 레이저 디스크 플레이어 등의 오디오/비디오(A/V) 시스템에 사용되는 기록/재생 시스템에서는 선형적으로 편광화된 안정된 출력의 레이저가 요구된다. 일반적으로 레이저 장치의 출력 레이저의 진폭은 광원인 레이저 다이오드의 입력전류를 레이저 출력의 귀환 제어 구조에 의해 조절함으로써 쉽게 안정화할 수 있다. 그리고, 광증폭 고체 레이저 시스템에서의 출력은 레이저 출력과 증폭비를 제어하고 감지함으로써 안정화시킬 수 있다. 특히 비선형 단결정에 의한 고조파 발진 과정이 포함되어 있는 레이저 장치에 있어서는 정교한 출력의 귀환 제어 구조가 요구된다.

청록색 영역의 빛을 발하는 레이저 다이오드 펌핑 제2고조파 발진기는 고밀도 광자기 기록용으로서의 매우 유용한 광원이다. 특히 내부 공진기 안에 주파수 배가용 비선형 단결정이 마련되어 있는 제2고조파 발생 장치는 출력 레이저의 진폭이 불안정하다는 고유 특성을 갖는 레이저 장치 중에 하나이다. 이러한 이유에서 제2고조파 발진의 방법 및 안정화에 대한 많은 연구가 진행되고 있고, 그 결과가 다수 제안되었다.

미국 특허 No, 4,413,342와 No, 5,093,832는 상대적으로 낮은 출력에서 효과적인 제2고조파 발진을 이를 수 있는 기술을 제안하였다. 미국 특허 No, 4,413,342는 내부 공진기 형태의 주파수 배가 방식을 선보였다. 이 레이저 공진기는 기본파에 대해 고반사율의 코팅이 된 한쌍의 거울을 적용하고 있다. 이 방식에서는 높은 강도의 기본파가 순환되고 있는 공진기 내부에 주파수 배가를 위한 비선형 단결정물질이 놓여졌을때 효과적인 제2고조파 발진을 최소한의 손실로 얻을 수 있다.

미국 특허 No. 5,093,832에 의하면, 외부 주파수 배가 단결정 물질내에 공진이 일어나도록 되어 있어서, 결과적으로 효율적인 제2고조파 발진은 기본파의 보강에 의해 얻을 수 있다.

어떤 다른 방식에 있어서도, 위상정합 방식은 효율적이고 안정된 제2고조파 발진을 위한 필요 조건이다. 미국 특허 No. 5,093,832에서는 안정된 제2고조파 발진을 얻기 위해 피이드백 제어 루프를 통해 주파수 배가 비선형 단결정 물질의 온도를 제어해 줌으로써 안정된 위상 정합 방식의 제2고조파가 발진되도록 하고 있다.

미국 특허 No. 3,858,056은 또 다른 온도 제어 방식을 보여준다. 이 방식에서도 빔스프리터에 의해 분리된 출력 레이저의 일부분이 검출기에 의해 측정되도록 되어 있다. 이러한 구조에서는 레이저 출력이 적정한 온도에서 최대치를 나타냈을 지라도 에러 신호는 발생되고, 이때 이 신호는 비선형 단결정 물질의 온도를 어떤 쪽으로 조정해야 하는지를 전혀 알수 없다. 이러한 출력 안정화를 위한 온도 제어 방식은 정확하게 최적화된 온도를 다루는데 있어서 에러 신호의 그것의 불명확성에 의해 매우 어려운 제어 방식이 된다.

미국 특허 No. 3,858,056에 제시된 온도 제어 방식의 또 다른 문제점은 빔스프리터에서 나뉘어진 출력 레이저에서 발생되는 에러 신호가 출력 빔의 편광의 변화에 그다지 민감하지 않다는 점이다. 빔스프리터는 s-편광과 p-편광에 대해 다른 반사도를 나타내기 때문에 피이드백 회로가 올바르게 자동된다 해도 출력광의 편광이 선형 편광에서 많이 벗어났을 때 출력의 안정화가 어렵다는 문제가 발생된다.

편광 상태가 하나의 변수로 작용하는 레이저 시스템에 대해서는 출력의 인하를 위한 온도 제어가 출력광의 편광 상태와는 무관하게 이루어짐이 요구되어진다.

본 발명은 출력을 효율적으로 안정화할 수 있는 제2고조파 발진방법 및 장치를 제공함에 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 제2고조파 발진 방법은,

펌핑 레이저에 의해 기본파를 발생시키는 이득 매체와, 기본파로부터 제2고조파를 발생하는 비선형 단결정 소자와, 비선형 단결정 소자의 온도를 제어하는 온도 제어 장치를 갖는 제2고조파 발생 장치에 의해 제2고조파를 발생하고, 출력된 제2고조파의 일부를 개활시켜 상기 온도 제어장치를 제어하도록 하는 제어 회로를 갖춘 장치에 의해 제2고조파를 발생하는 방법에 있어서,

상기 공진기로 부터 출사되는 제2고조파의 특정 편과 만을 통과시키는 단계;

특정 편광의 제2고조파의 일부를 분리하여 일부 궤환시켜 광검출기에 의해 전기적 신호를 얻는 단계;

상기 광검출기로부터의 전기적 신호를 상기 온도 제어 회로에 전달하는 단계;

상기 온도 제어 회로에 의해 비선형 단결정의 온도를 제어하는 단계;을 포함하는 점에 그 특징이 있다.

또한 상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 제2고조파 발진장치는,

입력 미러와 출력 미러;

상기 입력미러와 출력미러 사이 내의 광축 상에 마련되는 이득 매체와 비선형 단결정 소자;

상기 비선형 단결정 소자의 온도를 제어하는 온도 제어장치;

상기 출력 미러를 통과한 제2고조파의 진행 경로 상에 마련되어 제2고조파의 일부를 다른 경로로 반사하는 빔스프리터;

상기 출력 미러와 상기 빔스프리터의 사이에 마련되어 특정 방향의 편광을 통과시키는 편광소자;

상기 빔스프리터로 부터의 제2고조파의 반사 빔 진행 경로 상에 마련되는 광 검출기;

상기 광검출기로 부터의 신호에 의해 상기 온도 제어장치를 제어하는 제어 회로;를 갖추는 점에 특징이 있다.

이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명 방법과 장치의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

본 발명 제2고조파 발진 방법에서는 레이저 다이오우드로 펌핑되는 고체 레이저의 일종으로 기본파에 대해 고반사률을 가지는 두개의 미러로 이루어 지는 공진기 내의 레이저 공진 광축 상에 Nd:YAG 등의 단결정 이득 매체를 마련하여 공진기 내부로 주입된 펌핑 레이저로 부터 기본파를 얻고, 그리고 동 광축 상에 비선형 단결정 물질을 위치시켜 기본파로 부터 제2고조파을 얻는다. 그리고 이득 매체와 비선형 단결정 물질의 사이에는 기본파는 선형 편광으로 만들어주는 블루스터 플레이트 등의 편광 소자를 위치시킨다. 주파수 배가를 위한 비선형 단결정은 타입 Ⅱ방향으로 위상 정합되게 하며, 이 비선형 단결정 소자는 펠티어 효과에 의한 열전 냉각 소자에 의해 온도가 제어되도록 한다. 제2고조파 출력은 주파수 배가 비선형 단결정 소자의 엑스트라 오디너리(extra-ordinary) 축에 가깝게 편광 성분을 갖는데, 편광 소자와 비선형 단결정 소자는 제2고조파 출력의 편광 방향이 지면과 평행하도록 위치시킨다. 그러나 실제로 실험을 통해 알아 본 결과 제2고조파의 편광은 정확히 선형 편광화되어 있지 않았으며, 이것은 주파수 배가 비선형 단결정을 통과할 때 편광의 성질이 소멸된 것이며, 이러한 편광 소멸의 정도는 단결정의 온도에 따라 달라졌다.

공진기의 출력 미러 앞에 공진기를 통과하여 나온 기본파를 제거하고, 제2고조파는 그대로 통과시키는 필터를 마련하고, 이에 이어 빔스프리터를 마련하여 필터를 통과한 제2고조파가 두개의 경로로 나누어 지게 한다.

빔스프리터로부터 분기된 광축 상에는 광검출기를 마련하여 빔스프리터에 의해 분리된 제2고조파가 검출되게 하고, 상기 검출기는 상기 열전 냉각 소자를 제어하는 피이드 백 회로에 연결하여 검출된 신호를 전송할 수 있게 한다.

위에서 언급된 부품들의 제2고조파가 완벽하게 선형 편광으로 되었을 경우에 주파수 배가 비선형 단결정의 온도제어에 있어서 아무런 문제가 없을 것이나, 실제적으로 편광 소멸 정도에 따라 피이드백 회로로 보내지는 신호의 에러량이 10%이상이 될 수도 있다. 따라서 본 발명에서는 이러한 문제점을 해소하기 위하여 광검출기의 전방에 또 다른 빔스프리터를 마련하였다.

제1도는 본 발명의 방법이 실시되는 본 발명 제2고조파 발생 장치의 개략적구성도이다.

제1도에서 부호 10 은 공진기이며, 31 은 광원 예를 들어 레이저 다이오드, 32를 광원으로 부터의 광을 공진기 내로 집속하는 집속렌즈이다. 상기 공진기(10)는 기본파에 대해 고반사도를 갖는 코팅이 되어있는 입력 미러(11)과 출력 미러(12)로 이루어져 있다. 이 공진기(10)내의 광축상에는 Nd:YAG 등의 이득매체 (13)와, 편광 소자인 블루스터 플레이트(14), 여기서는 KTiOPO₄등의 비선형 단결정 물질(15)이 그 순서대로 위치하여 있다. 상기 비선형 단결정 소자(15)는 온도 제어를 위한 열전 냉각소자인 펠티어 소자(16) 위에 놓여 있다. 그리고 출력미러(12)의 후방으로는 기본파를 걸러내는 제1필터(21)와 출력 고조파의 특정 편광 성분을 통과시키는 편광소자(22), 그리고 입사된 제2고조파 출력의 일부를 후술하는 광 검출기(25)를 향하여 반사하는 빔스프리터(23)가 동 광축 상에 마련된다. 상기 빔스프리터(23)로 부터의 반사광의 진행 경로 상에는 전술한 바와 같이 광검출기(25)가 마련되고 빔스프리터(23)와 광검출기(25)의 사이에는 제2필터(24)가 마련되어 있다.

상기 광원(31)으로부터 방사된 펌핑 레이저(33)가 공진기(10)내로 주입되어 이득매체(13)로 흡수되면 이득 매체로 부터 기본파가 발생된다. 상기 공진기(10)를 구성하는 입력 미러(11)와 출력 미러(12)가 적절히 배열되었을 때, 기본파에 대한 최대의 공진이 가능하게 된다. 기본파는 블루스터 플레이트(14)를 통과하여 평광화된 빔(331)이 된다. 편광 빔(331)은 주파수 배가 비선형 단결정 소자(15)를 지나면서 제2고조파(332)를 발생시키고, 이 제2고조파(332)는 출력 미러(12)를 통해 출사 된다. 이때에 약간의 기본파가 출력 미러(12)를 통해 나오게 되는데, 대부분의 기본파는 공진기(10) 내부에 갇혀 있어 공진된다. 그리고 제2고조파 출력(332)에 포함된 약간의 기본파는 제1필터(21)에서 걸러지게 됨으로서 필터(21)를 통과한 빔은 순수 제2고조파(332)이다.

본 발명 제2고조파 발생 장치에서, 제2고조파를 발생시키기 위해 주파수 배가 비선형 단결정 소자(15)에 타입Ⅱ의 위상정합 방식을 적용시켰다. 이 위상정합을 시키기 위해서는 블루스터 플레이트(14)의 입사면과 주파수 배가 비선형 단결정 소자(15)의 익스트라 오디너리(extra-ordianary) 축이 45°의 경사를 이루도록 하였다.

제2고조파(332)은 주파수 배가 단결정의 익스트라 오디너리축을 따라 발생된다. 상기 제1필터(32)를 통과한 제2고조파 출력(332)은 편광소자(22)를 통과하면서 익스트라 오디너리 축이외의 다른 방향의 편광이 제거되어 순수 익스트라 오디너리 축 방향의 성분(334)가 통과하게 된다. 이러한 성분, 즉 제2고조파 출력(334)은 빔 스프리터(23)에 45°로 입사하여 두개의 경로로 나누어 진다.

빔스프리터(23)를 통과한 제2고조파 출력은 실제로 사용된 출력 레이저이며, 반사된 제2고조파 출력은 냉각 소자의 피이드 백 제어회로의 소오스가 된다. 즉, 반사된 제2고조파 출력은 제2필터(24)를 통과하면서 특정 파장만이 통과하게 되고 이것이 광 검출기(25)에 입사함으로써 전류신호를 발생시킨다. 광 검출기(25)에서 발생된 전류는 냉각 장치 제어 회로(26)에 전달되어 그 양에 따라 냉각 장치가 제어될 수 있게 한다.

이상과 같은 구조에 의하면 제2고조파 출력의 안정된 제어가 가능한데 이것은 제1필터(21)와 빔 스프리터(23) 사이의 편광 소자에 의해 익스트라 오디너리 축 방향의 이외의 편광 성분이 제거되어 있기 때문인 것이다. 이에 의하면 온도오차 신호에 의해 피이드 백 회로가 적절히 작동하여 최적화되고, 이로써 온도오차 신호가 ' 0 '에 가깝게 됨으로써 최종 제2고조파 출력이 안정화된다.

이러한 안정된 제2고조파 출력의 제어는 실제적일 뿐 아니라 이하와 같은 이론에 근거한다.

주목해야할 문제는 편광소멸의 정도가 온도에 따라 달라진다는 사실인데, 이것은 아래와 같은 간단한 이론적 고찰에 의해 명확히 증명된다.이론적으로 본 발명 제2고조파 발생 방법과 비교하기 위하여 제2도에 종래 제2고조파 발생 방법에서의 제2고조파 출력과 피이드 백 구조를 발췌하여 도시하였는데, 각 도면 부호는 편의상 본 발명의 대응요소와 같이 사용하였다.

제2도의 피이드 백 구조에서 제2고조파(332)는 편광이 소멸된 빔이란 사실이 다른 점이다. 즉, 제1필터의 후방에 편광 필터가 없는 종래 구조의 경우 제1필터를 통과한 출력이 편광이 소멸된, 즉 익스트라 오디너리 축 방향 뿐 아니라 다른 방향의 성분이 혼재되어 있는 상태이며, 이것이 빔스프리터를 통하여 일부 반사되어 피이드 백되고 나머지는 실제 사용출력광으로서 출력되게 된다는 것이다.

이론적인 설명을 위하여 필터를 통과한 제2고조파 출력 중 익스트라 오디너리 축 방향 성분의 출력을P ^e, 그리고 다른 방향의 출력을P ^o이라 한다. 그러면, 빔스프리터를 통과한 빔과 반사한 빔의 각 성분의 출력은 다음과 같다.

위의 식에서P 는 반사된 빔 중의 익스트라 오디너리 축 방향의 성분의 출력이며,P 는 반사된 빔 중 다른 다른 방향의 성분의 출력이며,P 는 투과한 빔 중 익스트라 오디너리 축 방향의 성분의 출력이며,P 는 투광한 빔 중 다른 방향의 성분의 출력인데, 반사빔의 전체 출력P _fb 와 투과빔의 전체 출력P _us 는 식 (1)과 (2), (3)과 (4)의 각각의 합으로 나타낼 수 있다.

여기서 중요한 페라미터인 K를P _fb 와P _us 의 비로 다음과 같이 정의할 수 있다.

P _fb 는 온도오차 신호를 발생시키기 위하여 광검출기(25)에서 측정되는 출력이기 때문에 상수가 되어야 한다. 만약 K가 상수라면, 피이드백 회로가 작동되는 한P _us 는 상수가 되어야 한다. 그러나 실제적으로 편광소멸에 의해 생긴 파우어P ^o 의 변화에 의해 K는 상수가 아닐 수 있으므로P _us 또한 상수가 될 수 없다. 즉, 이것은 출력이 안정화될 수 없다는 것을 의미한다.

그러나 본 발명에서는, 전술한 바와 같이, 제1필터(21)와 빔스프리터(23)의 사이에 편광소자(22)가 마련되어 출력 빔(332)이 빔스프리터(23)를 통과하기 전에 편광판(22)에 의해 익스트라 오디너리 축과 다른 방향의 편광 성분을 제거한다.

제3도에는 제1도에 도시된 본 발명 장치에서 제2고조파 출력의 피이드 백 구조를 제2도의 종래 구조에 대비하기 쉽도록 발췌 도시되어 있다.

제3도에서 335 와 336 은 익스트라 오디너리 축 방향의 편광 성분만을 갖는 실제 사용출력 및 피이드 백 출력이다. 여기에서 반사빔(336)과 투과빔(335)는 각각 피이드백 회로에 보내어지는 파우어와 실제 사용 파우어이며, 이를P 과P 으로 표시하면 다음과 같은 식이 성립된다.

(11)과 (12)식에서P ^e ,P 과P 는 상호 같은 방향의 편광 성분을 갖게 된다.

여기서 우리는 상수 K'를P 와P 의 비로 정의할 수 있다.

위 식(8-3)을 보면,K'은 평광소멸과 무관한 즉 빔스프리터의 반사률의 함수인 상수값을 갖는다. 이와 같이K'이 상수이므로 피이드백 회로에서P 를 일정하게 유지시켜 주는 한P 는 상수가 된다. 결과적으로 실제 출력인P 는 안정하게 된다.

여기에서, 상기 (5-3)와 (8-3)식을 비교하여 보면, (5-3)식에서의K는P ^e 와P ^o 의 함수로서 상수가 아니다. 그러므로P _fb 가 피이드백 회로에서 일정하게 유지된다 하더라도 출력 파우어P _us 는 일정치 않게 된다. 반면 전술한 바와 같이 (8-3)식은 편광판(22)을 첨가했을 때의 결과식으로서P ^e 와P ^o 에 대해 독립된 식으로 상수가 된다. 그러므로P _fb 가 피이드백 회로에서 일정하게 유지되므로 출력 파우어P _us 는 일정하게 유지된다. 이러한 본 발명 장치에서의 작용은 제1필터를 통과하여 피이드백 회로로 보내어 지는 출력 빔이 빔스프리터를 통과하기 전에 편광판을 통과하게 됨으로서 피이드백 회로 내에서 에러로 작용하는 익스트라 오디너리 축과는 다른 방향의 편광 성분이 제거되었기 때문이다.

이상과 같은 본 발명은 기존의 제2고조파 발생 방법에서 가장 큰 문제로 대두되었던 출력의 안정화의 문제를 크게 개선하는 것으로 그 활용면 등에 있어서의 기대 큰 획기적인 발명이다.

제1도는 본 발명에 따른 제2고조파 발생 장치의 개략적 구성도,

제2도는 본 발명을 설명하기 위하여 발췌 도시한 종래 피이드 백 제어 구조의 개략적 구성도,

제3도는 본 발명에 따른 제2고조파 발생 장치의 피이드 백 제어구조의 발췌 구성도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

10: 공진기 11: 입력 미러

12: 출력 미러 13: 이득 매체

14: 블루스터 플레이트 15: 비선형 단결정 소자

21: 제1필터 22: 편광소자

23: 빔스프리터 24: 제2필터

25: 광검출기 33: 펌핑 레이저

Claims (3)

1. 펌핑 레이저에 의해 기본파를 발생시키는 이득 매체와, 기본파로 부터 제2고조파를 발생하는 비선형 단결정 소자와, 비선형 단결정 소자의 온도를 제어하는 온도 제어 장치를 갖는 제2고조파 발생 장치에서 출력된 제2고조파의 일부를 궤환시켜 온도 제어 회로에 의해 상기 온도 제어장치를 제어하는 제2고조파 발진 방법에 있어서,

   상기 제2고조파 중 특정 편광 만을 통과시키는 단계;

   상기 특정 편광의 일부를 분리하여 일부 궤환시켜 광검출기에 의해 전기적 신호를 얻는 단계;

   상기 광검출기로부터의 전기적 신호를 상기 온도 제어 회로에 전달하는 단계;

   상기 온도 제어 회로에 의해 비선형 단결정의 온도를 제어하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 제2고조파 발진 방법.
2. 입력 미러와 출력 미러;

   상기 입력 미러와 출력 미러들의 사이의 광축상에 마련되는 이득 매체와 비선형 단결정 소자;

   상기 비선형 단결정 소자의 온도를 제어하는 온도 제어장치;

   상기 출력 미러를 통과한 제2고조파의 진행 경로 상에 마련되어 제2고조파의일부를 다른 경로로 반사하는 빔스프리터;

   상기 출력 미러와 상기 빔스프리터의 사이에 마련되어 특정 방향의 편광을 통과시키는 편광소자;

   상기 빔스프리터로 부터의 제2고조파의 반사 빔 진행 경로 상에 마련되는 광 검출기;

   상기 광검출기로 부터의 신호에 의해 상기 온도 제어장치를 제어하는 제어 회로;를 구비하는 것을 특징으로 하는 제2고조파 발생장치.
3. 제2항에 있어서, 상기 편광 소자는 익스트라 오디너리 축 방향의 편광만을 통과시키는 편광 축을 가지는 것을 특징으로 하는 제2고조파 발생 장치.