KR100385094B1 - 복합포물집속체를 이용한 다이오드 여기 이터븀 야그디스크 레이저 장치 - Google Patents

복합포물집속체를 이용한 다이오드 여기 이터븀 야그디스크 레이저 장치 Download PDF

Info

Publication number
KR100385094B1
KR100385094B1 KR10-2001-0024870A KR20010024870A KR100385094B1 KR 100385094 B1 KR100385094 B1 KR 100385094B1 KR 20010024870 A KR20010024870 A KR 20010024870A KR 100385094 B1 KR100385094 B1 KR 100385094B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
laser
excitation
diode
excitation beam
parabolic
Prior art date
Application number
KR10-2001-0024870A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20020085381A (ko
Inventor
이성만
문희종
김현수
김선국
차병헌
이종민
Original Assignee
한국수력원자력 주식회사
한국원자력연구소
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국수력원자력 주식회사, 한국원자력연구소 filed Critical 한국수력원자력 주식회사
Priority to KR10-2001-0024870A priority Critical patent/KR100385094B1/ko
Publication of KR20020085381A publication Critical patent/KR20020085381A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR100385094B1 publication Critical patent/KR100385094B1/ko

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/09—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping
    • H01S3/091—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping
    • H01S3/0915—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping by incoherent light
    • H01S3/092—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping by incoherent light of flash lamp
    • H01S3/093—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping by incoherent light of flash lamp focusing or directing the excitation energy into the active medium
    • H01S3/0931—Imaging pump cavity, e.g. elliptical
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/10—Beam splitting or combining systems
    • G02B27/14—Beam splitting or combining systems operating by reflection only
    • G02B27/141—Beam splitting or combining systems operating by reflection only using dichroic mirrors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/09—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping
    • H01S3/091—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping
    • H01S3/094—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping by coherent light
    • H01S3/0941—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping by coherent light of a laser diode
    • H01S3/09415—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping by coherent light of a laser diode the pumping beam being parallel to the lasing mode of the pumped medium, e.g. end-pumping

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Lasers (AREA)

Abstract

수백 W급 이상의 고출력 적층다이오드 어레이의 여기빔을 복합포물집속체에 입사시켜 레이저 매질인 디스크 형태의 레이저결정(Yb:YAG)에 효과적으로 결합하는 종 여기 고출력 고체 레이저 발진기를 구현하기 위하여;
수백 혹은 수천 와트(W)급의 여기빔이 방출되는 적층 다이오드 어레이와,
상기 적층 다이오드 어레이로부터 일정 간격을 두고 수직 선상에 평형화된 여기빔이 여기빔 파장에서 집속되게 무반사코팅(AR)으로 형성 설치된 여기빔 집속렌즈와,
상기 여기빔 집속렌즈로부터 일정 간격을 두고 수직선상에 설치되는 레이저 공진기 거울과,
상기 레이저 공진기 거울을 통과한 여기빔을 일측으로 굴절시키게 형성 설치되는 이색반사경과,
상기 이색반사경에 의해 굴절된 여기빔의 흡수와 반사를 반복하게 복합포물집속체부와,
상기 복합포물집속체부를 고정 설치하면서 레이저 결정의 냉각을 도모하게 형성한 냉각부와,
상기 복합포물집속체부의 레이저 결정에서 종축방향으로 방출된 형광이 이색반사경을 투과한 후 일정 비율 이상 반사되어 레이저 결정으로 재입사하게 되어 레이저의 발진이 가능하도록 설치한 레이저 출력경을 포함한 구성으로 이루어지는복합포물집속체를 이용한 다이오드 여기 빔 디스크 레이저를 제공하는데 있다.

Description

복합포물집속체를 이용한 다이오드 여기 이터븀 야그 디스크 레이저 장치{A DIODE-PUMPED Yb:YAG DISK LASER UTILIZING A COMPOUND PARABOLIC CONCENTRATOR}
본 발명은 복합포물집속체를 이용한 다이오드 여기 빔 디스크 레이저장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 수백 W급 이상의 고출력 다이오드 어레이의 여기빔을 복합포물집속체에 입사시켜 레이저 매질인 디스크 형태의 Yb:YAG 레이저 결정부에 효과적으로 결합하는 종 여기 고출력 고체 레이저 발진기를 구현하기 위한 복합포물집속체를 이용한 다이오드 여기 빔 디스크 레이저장치에 관한 것이다.
일반적으로 지금까지 사용된 고출력 Yb:YAG(이터븀 야그) 레이저 헤드의 제작기술은 레이저 활성매질인 결정의 형태, 여기원인 다이오드 어레이의 형태, 그리고 다이오드 어레이에서 방출되는 여기빔을 레이저 결정에 효과적으로 결합시키기 위한 수송 광학계의 형태에 따라 구분해 볼 수 있다.
지금까지 사용된 고출력 Yb:YAG 레이저의 레이저 결정의 형태는 디스크, 봉, 그리고 슬랩 형태들이 있다.
이러한 형태의 레이저 결정들은 선형 다이오드 어레이(Linear Diode Array), 적층 다이오드 어레이(Stacked Diode Array), 그리고 광섬유 결합 다이오드 어레이(Fiber-Coupled Diode Array) 등으로 여기 시키게 된다.
수송 광학계의 형태는 상대적으로 저출력인 경우 렌즈를 이용한 결합방법이 사용되고, 상대적으로 고출력인 경우 복합포물집속체, 포물반사체(Parabolic Reflector), 원통형의 광케비티(Cylindrical Optical Cavity) 등이 사용되고 있다.
이러한 다양한 레이저 결정, 다이오드 어레이, 그리고 수송광학계 형태들은 종여기와 횡여기 방법으로 크게 구분되는 여기구조에 의해 결합된다.
일반적으로, 봉 형태의 레이저 결정은 적층 다이오드 어레이와 광섬유 결합 다이오드 어레이에서 방출되는 여기 빔을 렌즈 혹은 복합포물집속체를 이용하여 레이저 결정의 종축 방향으로 여기하는 종여기 방식과 선형 다이오드 어레이와 렌즈, 원통형의 광케비티를 이용한 횡여기 방식이 이용되고 있다.
슬랩형태의 레이저 결정은 주로 적층 다이오드 어레이를 근접결합 시키는 횡여기 방식이 이용되고 있다.
디스크형의 레이저 결정은 적층 다이오드 어레이 빔을 원통 형태의 관에 주입하여 빔 공간분포를 균일화하거나 광섬유 결합된 다이오드 어레이 빔을 포물반사체와 궤환용 광학계를 사용하여 결합 시키는 종여기 방식이 이용되고 있다.
지금까지 제작되어 사용된 대표적인 고출력 Yb:YAG 레이저 발진기들의 구조와 레이저 특성을 요약해 보면 다음과 같다.
봉 형태 결정의 횡여기 방식은 2-3 mm 직경의 봉 형태 레이저 결정의 둘레에 3조 혹은 5조의 선형 다이오드 어레이를 배치하여 레이저 매질을 렌즈를 이용하여 직접 여기 하거나, 봉 형태 레이저 결정의 둘레에 3-5개의 선형의 슬릿을 갖는 원통형의 광공동을 두고, 그 슬릿을 통하여 선형의 다이오드 어레이 여기빔을 입사시켜 레이저 매질을 여기 시키는 형태이다.
이러한 방식들은 다단의 레이저 증폭계를 구성하여 고출력을 얻을 수 있는 장점이 있으나, 레이저의 여기효율이 낮고 단일 헤드로 사용 시 레이저빔의 M2값이 큰 단점이 있다.
봉 형태의 종여기 방식은 적층 다이오드 어레이 빔을 복합포물집속체를 이용하여 직경 2 mm, 길이가 20 mm 정도인 레이저 결정을 종축 방향으로 여기시키는 형태로서, 레이저 결정의 길이가 길어 열효과에 의해 디스크 레이저에 비해서 상대적으로 레이저빔의 질이 왜곡되고, 결합효율을 증가시키기 위해서는 봉형태 레이저 결정의 양면을 쐐기모양으로 가공하여 여기면의 단면적을 키워야 하는 단점이 있다.
슬랩 형태는 여기빔의 레이저 결정내 흡수효율이 낮아 고효율의 고출력 레이저를 얻는 방식으로는 부적당하며, 흡수효율을 증가시키기 위해서 레이저 결정의 도핑계수를 증가시킬 경우 여기빔의 레이저 결정내 균일 분포에 문제가 있다.
디스크 형태의 레이저 결정(Yb:YAG)을 포물 반사체와 외부 궤환용 광학계를사용하여 종여기하는 방식은 레이저 결정의 두께가 수백 마이크로미터 정도이기 때문에 발생된 레이저 빔의 M2값이 작고, 여기빔을 레이저 결정에 반복적으로 진행시켜 흡수효율을 증가시킴으로서 고효율과 고출력이 가능한 장점을 갖는 레이저 구조이다.
다이오드 어레이 빔을 사용하여 Yb:YAG 디스크 결정을 종여기하는 레이저 구조에서 고효율을 갖는 레이저의 제작을 위해서는 고출력 다이오드 어레이의 여기빔을 고체레이저 결정에 효과적으로 결합하여 다이오드 어레이 여기빔이 레이저 결정에 흡수되는 흡수효율을 증가시켜야 하고, Yb:YAG 디스크 레이저 파장이 레이저 결정에 흡수되는 것을 최소화 시켜야 한다.
또한, Yb:YAG 레이저와 같은 3준위 레이저 에너지 준위를 갖는 레이저 발진구조에서 고출력 여기빔으로 레이저 결정을 여기 시 레이저 매질의 온도상승에 의한 기저 레이저 준위의 전자밀도증가에 의한 밀도반전의 감소를 레이저 결정의 냉각을 통해서 최소화 시켜야 한다.
그러나 지금까지 사용된 Yb:YAG 디스크 레이저의 여기구조에서는 수십 개의 광섬유가 결합된 다이오드 어레이를 사용하거나 적층의 다이오드 어레이 빔을 가늘고 길이 긴 원통형의 레이저 빔 균질화용 관을 사용함으로서 레이저 여기빔이 레이저 결정에 결합되는 결합효율이 저하되고, 광섬유 결합된 다이오드 어레이를 사용할 시 가격이 상승되는 단점이 있었다.
또한 Yb:YAG 레이저빔이 공진기내에서 레이저 결정에 흡수되는 것을 방지하기 위해 수백 μm의 두께를 갖는 얇은 디스크 형태의 레이저 결정을 사용함으로서, 여기 빔이 레이저 결정에 충분히 흡수되도록 하기 위해서는 여기빔이 레이저 결정에 수십 번 궤환되도록 하기 위한 복잡한 외부 광학계와 포물반사체가 필요하고, 이 경우 여기빔의 진행거리가 증가하여 레이저 결정에 집속되는 여기빔의 크기가 증가되는 단점이 있었다.
부가해서, 디스크 레이저 결정의 한 면만을 냉각하는 구조를 갖고 있어 고출력 여기빔이 흡수될 시 디스크 양면에 온도의 차이가 큰 문제점이 있었다.
본 발명은 이러한 기존 Yb:YAG 디스크 레이저의 단점을 보완하기 위해서 고안되었다.
따라서 본 발명은 앞에서 언급한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명된 것으로서, 본 발명의 목적은 다이오드 어레이 빔을 사용하여 Yb:YAG 디스크 결정을 종여기하는 레이저 구조에서 고출력 다이오드 어레이의 여기빔을 고체레이저 결정에 효과적으로 결합하여 다이오드 어레이 여기빔이 레이저 결정에 흡수되는 흡수효율을 증가시키고, Yb:YAG 디스크 레이저가 공진기 내에서 레이저 결정에 흡수되는 것을 최소화하는 복합포물집속체를 이용한 다이오드 여기 Yb:YAG 디스크 레이저를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 Yb:YAG 레이저와 같은 3준위 레이저 에너지 준위를 갖는 레이저 발진구조에서 고출력 여기빔으로 레이저 결정을 여기 시 레이저 매질의 온도상승에 의한 기저 레이저 준위의 전자밀도증가에 의한 밀도반전의 감소를 레이저 결정의 냉각을 통해서 최소화시키기 위한 복합포물집속체를 이용한 다이오드 여기 디스크 레이저를 제공하는데 있다.
본 또 다른 목적은 지금까지 사용된 Yb:YAG 디스크 레이저의 여기구조에서 수십 개의 광섬유 결합된 다이오드 어레이를 사용하거나 적층의 다이오드 어레이 빔을 가늘고 길이 긴 원통형의 레이저 빔 균질화용 관을 사용함으로서 레이저 여기빔이 레이저 결정에 결합되는 결합효율의 저하 해소와, 광섬유가 결합된 다이오드 어레이를 사용할 시 가격이 상승함을 극복하기 위한 복합포물집속체를 이용한 다이오드 여기 디스크 레이저를 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 Yb:YAG 레이저빔이 레이저 결정에 흡수되는 것을 방지하기 위해 수백 μm의 두께를 갖는 얇은 디스크 형태의 레이저 결정을 사용함으로서, 여기 빔이 레이저 결정에 충분히 흡수되도록 하기 위해서는 여기빔이 레이저 결정에 수십 번 궤환되도록 하기 위한 복잡한 외부 광학계와 포물반사체가 필요하고, 이 경우 여기빔의 진행거리가 증가하여 레이저 결정에 집속되는 여기빔의 크기가 증가되는 것을 해소하기 위한 복합포물집속체를 이용한 다이오드 여기 디스크 레이저를 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 기존의 디스크레이저에서는 디스크 레이저 결정의 한 면만을 냉각하는 구조를 갖고 있어 고출력 여기빔이 흡수될 시 디스크 양면에 온도의 차이가 크게 발생함을 해소하기 위한 복합포물집속체를 이용한 다이오드 여기 디스크 레이저를 제공하는데 있다.
도1은 본 발명에 따른 복합포물집속체를 이용한 다이오드 여기 빔 디스크 레이저 장치의 구성도.
도2는 본 발명에 따른 복합포물집속체부를 도시한 도면.
도3은 본 발명에 따른 복합포물집속체의 레이저 결정을 위한 냉각하기 위한 냉각부를 도시한 도면.
*도면의 주요부분에 대한 부호 설명*
4:적층 다이오드 어레이 6:여기빔 집속렌즈
8:공진기 거울 10:이색반사경
12:복합포물집속체부 14:냉각부
16:레이저 출력경 18:여기빔
20:하부인듐박판 22:레이저 결정부
24:하부구리박판 26:하부금코팅면
28:입사면 30:상부금코팅면
32:상부구리박판 34:상부인듐박판
40:복합포물집속체 42:입사공
44:석영반사거울 46:결합플렌지
48:냉각수쳄버 50:상부 냉각판
52:냉각수관로 54:배출관로
56:배출포트 58:링형 다공판
60:하부냉각판
이를 실현하기 위한 본 발명은
수백 혹은 수천 와트(W)급의 여기빔이 방출되는 적층 다이오드 어레이와,
상기 적층 다이오드 어레이로부터 일정 간격을 두고 수직 선상에 평형화된 여기빔이 여기레이저 파장에서 집속되게 무반사코팅(AR)으로 형성 설치된 여기빔 집속렌즈와,
상기 여기빔 집속렌즈로부터 일정 간격을 두고 수직선상에 설치되는 레이저 공진기 거울과,
상기 레이저 공진기 거울을 통과한 여기빔을 일측으로 굴절시키게 형성 설치되는 이색반사경과,
상기 이색반사경에 의해 굴절된 여기빔의 흡수와 반사를 반복하게 복합포물집속체부와,
상기 복합포물집속체부를 고정 설치하면서 냉각을 도모하게 형성한 냉각부와,
상기 복합포물집속체부의 여기빔 결정에서 종축방향으로 방출된 형광은 이색반사경을 투과한 후 레이저를 일정 비율 이상 반사하여 레이저 결정으로 재입사하게 하면서 레이저의 발진을 도모하게 설치한 레이저 출력경을 포함한 구성으로 이루어지는 복합포물집속체를 이용한 다이오드 여기 디스크 레이저를 제공하는데 있다.
복합포물집속체부는 냉각부 일측면에 열적 접촉이 용이하게 밀착 배치된 하부인듐박판과, 이 하부인듐박판상에 레이저 결정에서 생성된 열이 쉽게 확산 및 전달되어 냉각이 용이하게 배치된 하부구리박판과, 이 하부구리박판상으로 열전도도가 향상되게 하부금코팅된 디스크레이저 결정과, 이 디스크 레이저 결정의 중앙상부 입사면상에는 여기와 발진레이저 파장에서 반사를 줄이기 위해 입사면이 무반사 코팅되어 배치된 레이저 결정부와, 이 레이저 결정부의 중심인 입사면 주변에 열전도를 좋게 금으로 코팅된 상부금코팅면과, 이 상부금코팅면의 가장자리에 적층된 상부구리박판과, 이 상부구리박판에 적층된 상부인듐박판과, 상기 상부구리박판과 상부인듐박판 중심에 형성된 입사공으로부터 일정한 곡률로 금반사 코팅된 면을 형성한 복합포물집속체와, 이 복합포물집속체의 반사공간부 상부에 여기빔의 통과와 반사가 이루어지게 중심에 구멍을 형성하여 설치된 석영반사거울과, 이 석영반사거울과 복합포물집속체 및 상,하부구리박판, 상,하부인듐박판, 상,하부금코팅된 레이저 결정을 고정하게 냉각부에 체결되는 결합플렌지를 포함한 구성으로 이루어지는 복합포물집속체를 이용한 다이오드 여기 디스크 레이저를 제공하는데 있다.
냉각부는 복합포물집속체를 고정하는 결합플렌지로 체결되면서 냉각수가 충진되어 복합포물집속체측의 레이저결정부로부터 전달된 열을 빼앗아 냉각하게 냉각수쳄버를 형성한 상부 냉각판과, 이 상부 냉각판에 체결되면서 중심에 냉각수 쳄버와 관통되게 형성한 냉각수관로와, 이 냉각수관로를 통해 공급된 냉각수가 냉각수쳄버로부터 완만하면서 균일한 배출 흐름이 이루어지게 배출관로의 배출포트에 링형 다공판을 설치한 하부냉각판을 포함하여 이루어지는 복합포물집속체를 이용한다이오드 여기 디스크 레이저를 제공하는데 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 구성 및 작용을 첨부한 도면에 의거하여 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도1은 본 발명에 따른 복합포물집속체를 이용한 다이오드 여기 디스크 레이저 장치의 구성도이고, 도2는 본 발명에 따른 복합포물집속체부를 도시한 도면이다.
그리고 도3은 본 발명에 따른 복합포물집속체부의 냉각을 위한 냉각부를 도시한 도면이다.
다이오드 여기 디스크 레이저장치(2)는 크게 적층 다이오드 어레이(4), 여기빔 집속렌즈(6), 공진기 거울(8), 이색반사경(10), 복합포물집속체부(12), 냉각부(14), 레이저 출력경(16)으로 구성되어 이루어지고 있다.
적층 다이오드 어레이(4)는 수백 혹은 수천 와트(W)급의 여기빔(18)을 내장된 마이크로 렌즈(도시생략한)에 의해 평형화되어 방출되며, 적층다이오드 어레이(4)와 여기빔 집속렌즈(6) 사이를 진행하게 되어 있다.
여기빔 집속렌즈(6)는 적층 다이오드 어레이(4)로부터 일정 간격을 두고 수직 선상에 평형화된 여기빔(18)을 집속하며, 여기레이저 파장에서 무반사코팅(AR)되어 있다.
레이저 공진기 거울(8)은 여기빔 집속렌즈(6)로부터 일정 간격을 두고 수직선상에 설치되고 있다.
이색반사경(10)은 레이저 공진기 거울(8)을 통과한 여기빔(18)을 일측으로 굴절시키게 형성 설치되고 있다.
또, 이색반사경(10)과 레이저 출력경(16) 사이에 EO(Electro Optic) 혹은 AO(Acousto Optic) Q-스위치(19)를 위치시켜 고반복율을 갖는 펄스 레이저의 발생을 가능하게 하고 있다.
복합포물집속체부(12)는 이색반사경(10)에 의해 굴절된 여기빔(18)의 흡수와 반사를 반복하도록 형성되어 있다.
이러한 복합포물집속체부(12)는 냉각부(14) 일측면에 열적 접촉이 용이하게 하부인듐박판(20)이 밀착 접촉되고 있으며, 이 하부인듐박판(20)상에 레이저 결정부(22)에서 생성된 열이 쉽게 확산 및 전달되어 냉각이 용이하게 하부구리박판(24)이 배치되고 있다.
상기 하부구리박판(24)상에 열전도의 향상과 여기빔(18)과 레이저 빔(62)의 반사를 위한 하부금코팅면(26)을 갖는 레이저 결정부(22)를 배치하고 있으며, 이 레이저 결정부(22)상에는 여기와 레이저 발진 파장에서 반사를 줄이기 위해 입사면(28)이 무반사 코팅되어 있다.
그리고 상기 레이저 결정부(22)의 중심인 입사면(28) 주변에 열전도를 좋게 금으로 코팅한 상부금코팅면(30)을 두고 있다.
또, 상부금코팅면(30)의 가장자리에는 상부구리박판(32)과, 상부인듐박판(34)이 효과적인 레이저 결정(22)의 냉각을 위해 적층되어 있다.
상기 상부구리박판(32)과 상부인듐박판(34)이 상부금코팅면(30)상에 적층되면서 중심에 형성한 입사공(36)으로부터 일정한 곡률로 반사공간부(38)를 복합포물집속체(40)에 형성하고 있다.
아울러 복합포물집속체(40)의 반사공간부(38) 상부에 여기빔(18)의 통과와 반사가 이루어지게 중심에 구멍(42)을 형성한 석영반사거울(44)을 설치하고 있다.
한편 상기 석영반사거울(44)과 복합포물집속체(40) 및 상,하부구리박판(32)(24), 상,하부인듐박판(34)(20), 상,하부금코팅된 레이저 결정(22)을 고정하게 냉각부(14)에 결합플렌지(46)를 이용 체결되게 구성되어 있다.
냉각부(14)는 복합포물집속체부(12)를 고정 설치하면서 냉각을 도모하게 형성되고 있다.
냉각부(14)는 복합포물집속체(40)를 밀착 고정하는 결합플렌지(46)가 체결되면서 냉각수가 충진되어 복합포물집속체(40)측의 레이저결정부(22)로부터 전달된 열을 빼앗아 냉각하게 냉각수쳄버(48)를 상부 냉각판(50)에 형성하고 있다.
이러한 상부 냉각판(50)에 체결되면서 중심에 냉각수 쳄버(48)와 관통되게 냉각수관로(52)를 형성하고 있으며, 이 냉각수관로(52)를 통해 공급된 냉각수가 냉각수쳄버(48)로부터 완만하면서 균일한 배출 흐름이 이루어지게 배출관로(54)의 배출포트(56)에 링형 다공판(58)을 설치한 하부냉각판(60)으로 이루어지고 있다.
링형 다공판(58)은 배출관로(54)측 즉, 좌측에는 직경이 작은 구멍(59)이 위치할 수 있게 하고 그 반대측은 직경이 큰 구멍(61)이 위치하게 조립하여 냉각수의 균일한 배출을 도모하게 형성하고 있다.
그리고 레이저 출력경(16)은 복합포물집속체부(12)의 레이저결정부(22)에서 종축방향으로 방출된 형광은 이색반사경(10)을 투과한 후 레이저(62)를 80% 이상 반사하여 레이저 결정부(22)로 재입사하도록 하여 레이저(62)의 발진을 도모하고 있다.
상기 레이저 출력경(16)은 레이저(62)의 80%이상을 반사하지만 20%는 방출한다.
이에 다시 한번 각 구성의 특징으로 살펴보면, 디스크형의 레이저 결정부(22)는 복합포물집속체(40)의 중앙에 원형으로 뚫려 마련된 입사면(28)은 여기빔(18)과 레이저(62) 발진 파장에서 반사를 줄이기 위해 무반사 코팅되고 있다.
상기한 입사면(28)을 제외한 윗면의 바깥부분에는 열전도가 큰 금으로 코팅된 상부금코팅면(30)을 형성하고 있다.
레이저 결정부(22)의 아래 면에도 열전도가 좋은 금으로 코팅된 하부금코팅면(26)을 형성하여 레이저 결정의 효율적인 냉각이 가능하도록 하였고, 출력경(16)과 결합되어 레이저 공진기(64)를 형성하는데 사용되고 있다.
또한, 하부금코팅면(26)은 공진기 거울(8)과 출력경(16)과 함께 결합되어 또 다른 레이저 공진기(66)를 형성하는데 사용될 수 도 있다.
레이저 결정부(22)의 상,하부금코팅면(30)(26) 바깥부분은 열전도가 큰 상,하부구리박판(32)(24)이 설치되어 레이저 결정부(22)에서 생성된 열이 쉽게 확산 및 전달되어 냉각이 용이하도록 하고 있다.
상기한 상,하부구리박판(32)(24)과 구리로 만들어진 결합플렌지(46)와 상,하부냉각판(50)(60)사이에 상,하부인듐 박판(34)(20)이 설치되어 열적 접촉이 용이하도록 하고 있다.
기존의 디스크 레이저는 레이저 결정부(22)의 한쪽 면에서 냉각이 가능하였으나, 본 발명은 양면에서 동시에 냉각이 가능하여 레이저 열효과를 줄임으로서 임계 여기출력의 감소에 의한 레이저 효율의 증가와 레이저 빔의 질 개선이 가능하게 이루어지고 있다.
상기한 바와 같이 이루어지는 본 발명은 크게 여기와 발진 2가지로 작용하는데, 먼저 여기작용을 설명하면,
적층 다이오드 어레이(4)에서 방출되는 수백 혹은 수천 W급의 여기빔은 마이크로 렌즈에 의해서 평형화된다.
이렇게 평형화된 여기빔(18)은 무반사코팅(AR)된 여기빔 집속렌즈(6)에 의해 집속된 후 레이저 공진기 거울(8)을 거쳐 이색반사경(10)에 도달하여 굴절된다.
상기 이색반사경(10)에 의해 굴절된 여기빔(18)은 석영반사거울(44)의 중앙 구멍(42)을 통과하여 레이저 결정부(22)에 입사하게 된다.
참고로 상기한 이색반사경(10)은 여기빔(18)의 반사를 위해서 여기빔(18) 파장에서 반사되고 레이저(62) 발진파장에서 투과가 이루어지게 코팅된다.
이에 따라 석영반사거울(44)의 중앙 구멍(42)을 통과하여 입사된 여기빔(18)은 1차로 레이저 결정부(22)에 입사되어 흡수된 후 레이저 결정부(22)의 금코팅된 입사 반대면인 하부금코팅면(26)에서 반사되어 재흡수가 일어난다.
레이저 결정부(22)에 1차적으로 흡수된 후 여분의 여기빔(18)은 2차로 석영반사거울(44)에 의해서 반사된 후 복합포물집속체(40)의 내주면에 부딪쳐 유도되고 집속되어 레이저 결정부(22)에 흡수되게 된다.
레이저 결정부(22)에 의한 1차와 석영 반사거울(44)에 의한 2차 흡수과정에서 남은 여기빔(18)은 2차와 동일한 과정을 계속 반복하여 레이저 결정부(22)에 흡수되게 된다.
상기한 여기작용에 이어 이루어지는 Yb:YAG 디스크 레이저의 발진작용은;
여기빔(18)에 의해서 여기된 레이저 결정부(22)는 형광을 방출하게 되며, 디스크 결정부(22)의 종축 방향으로 방출된 형광은 레이저 결정부(22)에 형성한 하부금코팅면(26)에 의해 반사되어 대부분 종축의 우측으로 진행하게 된다.
종축의 우측으로 진행하는 형광은 석영반사거울(44)의 중앙 구멍을 통과하게되고 이색반사경(10)을 투과한 후 레이저 출력경(16)에 의해서 80% 이상이 반사되어 레이저 결정부(22)로 재입사하게 된다.
따라서 레이저 결정부(22)의 하부금코팅면(26)과 레이저출력경(16) 사이에서 레이저 공진기(64)를 형성하게 되어 레이저(62)가 발진하게 되고, 발진된 레이저빔은 이색반사경(10)을 투과하면서 평면에 평행한 선형 편광된 상태가 된다.
또한, 하부 금코팅면(26)은 공진기 거울(8)과 출력경(16)과 함께 결합하여 또 다른 레이저 공진기(66)를 형성하게 된다.
그리고, 레이저 결정부(22)에 흡수되는 여기빔(18)의 크기를 여기빔(18)의 출력에 따라 레이저 결정부(22)의 윗면에 코팅되는 상부금코팅면(30)의 크기와 복합포물집속체(CPC: Compound Parabolic Concentrator)(40)의 구조를 달리하여 쉽게설계할 수 있어 흡수되는 여기빔의 집속도를 높임으로서 레이저의 효율을 높일 수 있게 된다.
레이저 결정부(22)의 냉각을 위한 냉각부(14)는 냉각수관로(52)를 통하여 공급된 냉각수는 구리로 만들어진 냉각수쳄버(48)에 유입되어 상부냉각판(50)과 접촉하여 레이저 결정부(22)로부터 전달된 열을 빼앗아 냉각하게 된다.
또, 냉각수의 균일한 흐름을 조절하기 위해서 하부냉각판(60)의 냉각수 배출관로(54)의 배출포트(56)에 링형의 미세한 다공판(58)을 설치하여 냉각수의 흐름을 완만하게 조절하면서 배출되게 한다.
이때 냉각수 배출관로(54) 쪽의 다공판(58)의 구멍(59) 직경은 작고 반대쪽 구멍(61)의 직경은 커서 공급된 냉각수가 각 방향으로 균일하게 배출되도록 하는 역할을 한다.
본 발명은 광섬유나 여기빔 균질화용 관을 사용치 않고 복합포물집속체를 광공동으로 사용하여 적층 다이오드 어레이에서 방출되는 여기빔을 직접 디스크 형태의 레이저 결정에 결합함으로서 여기빔의 결합효율을 증가시킬 수 있다.
고품질, 고효율, 그리고 고출력의 디스크 레이저 장점을 유지하면서 여기빔의 궤환을 위한 광학계를 제거할수 있어 구조와 제작이 간단한 장점을 갖는다.
기존의 디스크 레이저는 결정의 한면에서 냉각이 가능하였으나, 고안된 구조는 양면에서 동시에 냉각이 가능하여 레이저 열효과를 줄임으로서 임계 여기출력의 감소에 의한 레이저 효율의 증가와 레이저 빔의 질의 개선이 가능하다.
레이저 결정에 흡수되는 여기빔의 크기를 여기빔의 출력에 따라 결정면에 코팅되는 금 반사면의 크기와 복합포물집속체(CPC)의 구조를 달리하여 쉽게 설계할 수 있어 흡수되는 여기빔의 집속도를 높임으로서 레이저의 효율을 높일 수 있는 장점이 있다.
레이저 출력경과 레이저 결정부의 하부금코팅면이 레이저 공진기를 형성하도록 되어 있으나 이색 반사경을 사용하여 그림에 수직한 방향으로 선편광되어 이색 반사경 쪽으로 진행하는 빔을 레이저 결정부에 재입사시켜 레이저 결정부의 복굴절 현상을 보상하여 레이저 빔의 질 개선과 효율의 증대를 꾀하게 한다.
이색반사경과 레이저 출력경 사이에 EO(Electro Optic) 혹은 AO(Acousto Optic) Q-스위치를 위치시켜 고반복율을 갖는 펄스 레이저의 발생을 가능하게 한다.
또, Yb:YAG 결정뿐만 아니라 Nd:YVO4와 같이 레이저 활성매질의 농도를 수 % 이상으로 증가시킬 수 있는 물질을 사용하여 다양한 매질의 고체레이저 제작에 적용되는 효과가 있다.
여기 레이저로 평행화된 적층 다이오드 어레이 빔을 사용하였으나, 광섬유로 결합된 레이저 다이오드 다발(bundle)에서 방출되는 빔을 이용할 수 있게 되는 효과도 있다.
본 발명은 구체적인 실시예에 대해서만 상세히 설명하였지만 본 발명의 기술적 사상의 범위내에서 변형이나 변경할 수 있음은 본 발명이 속하는 분야의 당업자에게는 명백한 것이며, 그러한 변형이나 변경은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 할 것이다.

Claims (12)

  1. 수백 혹은 수천 와트(W)급의 여기빔이 방출되는 적층 다이오드 어레이와,
    상기 적층 다이오드 어레이로부터 일정 간격을 두고 수직 선상에 평형화된 여기빔이 여기레이저 파장에서 집속되게 무반사코팅(AR)으로 형성 설치된 여기빔 집속렌즈와,
    상기 여기빔 집속렌즈로부터 일정 간격을 두고 수직선상에 설치되는 레이저 공진기 거울과,
    상기 레이저 공진기 거울을 통과한 여기빔을 일측으로 굴절시키게 형성 설치되는 이색반사경과,
    상기 이색반사경에 의해 굴절된 여기빔의 흡수와 반사를 반복하게 형성된 복합포물집속체부와,
    상기 복합포물집속체부를 고정 설치하면서 냉각을 도모하게 형성한 냉각부와,
    상기 복합포물집속체부의 여기빔 결정에서 종축방향으로 방출된 형광은 이색반사경을 투과한 후 레이저를 일정 비율 이상 반사하여 레이저 결정으로 재입사하게 하면서 레이저의 발진을 도모하게 설치한 레이저 출력경을 포함한 구성으로 이루어짐을 특징으로 하는 복합포물집속체를 이용한 다이오드 여기 디스크 레이저장치.
  2. 제1항에 있어서, 복합포물집속체부는 냉각부 일측면에 열적 접촉이 용이하게 밀착 배치된 하부인듐박판과, 이 하부인듐박판상에 레이저 결정에서 생성된 열이 쉽게 확산 및 전달되어 냉각이 용이하게 배치된 하부구리박판과, 이 하부구리박판과 레이저 결정사이에 열전도도가 향상되게 형성된 레이저 결정의 하부금코팅면과, 이 레이저 결정의 중앙 상부면상에 여기와 발진레이저 파장에서 반사를 줄이기 위해 입사면을 무반사 코팅되어 배치된 레이저 결정부와, 이 레이저 결정부의 중심인 입사면 주변에 열전도를 좋게 금으로 코팅된 상부금코팅면과, 이 상부금코팅면의 가장자리에 적층된 상부구리박판과, 이 상부구리박판에 적층된 상부인듐박판과, 상기 상부구리박판과 상부인듐박판을 적층한 상부금코팅면상에 적층되면서 중심에 형성한 입사공으로부터 일정한 곡률로 반사공간부를 형성한 복합포물집속체와, 이 복합포물집속체의 반사공간부 상부에 여기빔의 통과와 반사가 이루어지게 중심에 구멍을 형성하여 설치된 석영반사거울과, 이 석영반사거울과 복합포물집속체 및 상,하부구리박판, 상,하부인듐박판, 레이저 결정을 고정하게 냉각부에 체결되는 결합플렌지를 포함한 구성으로 이루어짐을 특징으로 하는 복합포물집속체를 이용한 다이오드 여기 디스크 레이저장치.
  3. 제1항에 있어서, 냉각부는 복합포물집속체를 고정하는 결합플렌지로 체결되면서 냉각수가 충진되어 복합포물집속체측의 레이저결정부로부터 전달된 열을 빼앗아 냉각하게 냉각수쳄버를 형성한 상부 냉각판과, 이 상부 냉각판에 체결되면서 중심에 냉각수 쳄버와 관통되게 형성한 냉각수관로와, 이 냉각수관로를 통해 공급된냉각수가 냉각수쳄버로부터 완만하면서 균일한 배출 흐름이 이루어지게 배출관로의 배출포트에 링형 다공판을 설치한 하부냉각판을 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 복합포물집속체를 이용한 다이오드 여기 디스크 레이저장치.
  4. 제1항에 있어서, 여기빔 집속렌즈의 초점거리를 달리하여 복합포물집속체에 입사하는 여기빔의 퍼짐각을 조절하고, 복합포물집속체의 길이, 입구와 출구의 크기를 변화시켜 수용각을 달리함으로써 디스크 형태 레이저 결정에 입사하는 여기빔의 크기와 강도를 변화시켜 요구되는 고체레이저의 출력과 빔특성에 따른 설계변경이 용이한 복합포물집속체를 이용한 다이오드 여기 디스크 레이저장치.
  5. 제1항에 있어서, 이색 반사경을 사용하여 수직한 방향으로 선편광되게 하므로서 반사경 쪽으로 진행하는 빔을 레이저 결정부에 재입사시켜 복굴절의 보상에 의해 레이저 효율을 증대시키는 Yb:YAG 레이저 공진기를 구성하여 이루어짐을 특징으로 하는 복합포물집속체를 이용한 다이오드 여기 디스크 레이저장치.
  6. 제1항에 있어서, 이색반사경과 레이저 출력경 사이에 EO 혹은 AO Q-스위치를 위치하여 고반복율을 갖는 Yb:YAG 펄스 레이저의 발생하게 함을 특징으로 하는 복합포물집속체를 이용한 다이오드 여기 디스크 레이저장치.
  7. 제1항에 있어서, Yb:YAG 결정뿐만 아니라 Nd:YVO4와 같이 레이저 활성매질의 농도를 수 % 이상으로 증가시킬 수 있는 레이저 결정과 각 레이저 결정의 흡수파장에 맞는 다이오드 어레이를 사용하여 다양한 다이오드 여기 고체레이저 제작에 적용시킴을 특징으로 하는 복합포물집속체를 이용한 다이오드 여기 디스크 레이저장치.
  8. 제1항에 있어서, 다수의 레이저 다이오드가 결합된 광섬유 다발(bundle)에서 방출되는 빔을 이용할 수 있게 됨을 특징으로 하는 복합포물집속체를 이용한 다이오드 여기 디스크 레이저장치.
  9. 제1항에 있어서, 복합포물집속체는 고반사율을 갖는 금반사체를 사용하여 제작하였으나, 고반사율을 갖는 다양한 반사체 재질을 사용하여 광공동을 형성하여 이루어짐을 특징으로 하는 복합포물집속체를 이용한 다이오드 여기 디스크 레이저장치.
  10. 제2항에 있어서, 디스크 레이저 결정부의 여기빔 입사면은 여기와 발진 레이저 파장에서 반사를 줄이기 위해 무반사 코팅되어 있으며, 여기빔의 입사면을 제외한 상부면의 바깥부분과 하부면은 열전도가 큰 금으로 상부금코팅면을 형성하여 레이저 결정의 냉각이 상하부에서 동시에 일어나 레이저 열효과를 줄임으로서 임계여기출력의 감소에 의한 레이저 효율의 증가와 레이저 빔의 질이 개선됨을 특징으로 하는 복합포물집속체를 이용한 다이오드 여기 디스크 레이저장치.
  11. 제2항에 있어서, 복합포물집속체부는 레이저 결정부에 흡수되는 여기빔의 크기를 여기빔 출력에 따라 레이저 결정의 윗면에 코팅되는 금도금 면의 크기와 복합포물집속체의 구조를 달리하여 흡수되는 여기빔의 집속도를 높임으로서 레이저의 효율을 높이게 됨을 특징으로 하는 복합포물집속체를 이용한 다이오드 여기 디스크 레이저장치.
  12. 제3항에 있어서, 냉각부는 레이저 결정의 균일한 냉각을 위해 사용되는 냉각수를 각방향으로 등방성을 가지고 흐르도록 각각 직경이 다른 구멍을 원형으로 배열하여 냉각수의 흐름을 조절할 수 있게 링형에 미세한 다공판을 갖는 것을 특징으로 하는 복합포물집속체를 이용한 다이오드 여기 디스크 레이저장치.
KR10-2001-0024870A 2001-05-08 2001-05-08 복합포물집속체를 이용한 다이오드 여기 이터븀 야그디스크 레이저 장치 KR100385094B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR10-2001-0024870A KR100385094B1 (ko) 2001-05-08 2001-05-08 복합포물집속체를 이용한 다이오드 여기 이터븀 야그디스크 레이저 장치

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR10-2001-0024870A KR100385094B1 (ko) 2001-05-08 2001-05-08 복합포물집속체를 이용한 다이오드 여기 이터븀 야그디스크 레이저 장치

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20020085381A KR20020085381A (ko) 2002-11-16
KR100385094B1 true KR100385094B1 (ko) 2003-05-23

Family

ID=27704037

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR10-2001-0024870A KR100385094B1 (ko) 2001-05-08 2001-05-08 복합포물집속체를 이용한 다이오드 여기 이터븀 야그디스크 레이저 장치

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR100385094B1 (ko)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100437800B1 (ko) * 2002-04-08 2004-06-30 엘지전자 주식회사 고체 레이저 냉각 장치
KR102303039B1 (ko) * 2017-11-08 2021-09-17 한국전기연구원 펄스 레이저 장치

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH04302186A (ja) * 1991-03-29 1992-10-26 Hitachi Ltd 固体レーザ発振器とレーザ露光装置
US5978407A (en) * 1997-03-31 1999-11-02 United States Enrichment Corporation Compact and highly efficient laser pump cavity
JP2000164958A (ja) * 1998-11-26 2000-06-16 Matsushita Electric Ind Co Ltd Ｌｄ励起レーザ発振方法とレーザ発振器、これによるレーザ加工装置
US6347109B1 (en) * 1999-01-25 2002-02-12 The Regents Of The University Of California High average power scaleable thin-disk laser

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH04302186A (ja) * 1991-03-29 1992-10-26 Hitachi Ltd 固体レーザ発振器とレーザ露光装置
US5978407A (en) * 1997-03-31 1999-11-02 United States Enrichment Corporation Compact and highly efficient laser pump cavity
JP2000164958A (ja) * 1998-11-26 2000-06-16 Matsushita Electric Ind Co Ltd Ｌｄ励起レーザ発振方法とレーザ発振器、これによるレーザ加工装置
US6347109B1 (en) * 1999-01-25 2002-02-12 The Regents Of The University Of California High average power scaleable thin-disk laser

Also Published As

Publication number Publication date
KR20020085381A (ko) 2002-11-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5135207B2 (ja) チューブ固体レーザ
JP4332350B2 (ja) 高出力用側面励起アクティブミラー固体レーザ
US7085304B2 (en) Diode-pumped solid state disk laser and method for producing uniform laser gain
US6999491B2 (en) High intensity and high power solid state laser amplifying system and method
EP1646117B1 (en) Optical amplifier comprising an end pumped zig-zag slab gain medium
EP2182598B1 (en) Laser gain medium and laser oscillator using the same
JPH08181368A (ja) 固体レーザ増幅装置及び固体レーザ装置
CN100364188C (zh) 侧面泵浦薄片激光器及其制备方法
JP2001244526A (ja) 半導体レーザ励起固体レーザ装置
KR100385094B1 (ko) 복합포물집속체를 이용한 다이오드 여기 이터븀 야그디스크 레이저 장치
JPH10275952A (ja) 半導体レーザ励起固体レーザ増幅装置及び半導体レーザ励起固体レーザ装置
JPWO2004114476A1 (ja) 固体レーザ励起モジュール
JP2725648B2 (ja) 固体レーザ励起方法及び固体レーザ装置
CN102185237B (zh) 单波长高功率1319nm连续激光器
JPH07131092A (ja) 固体レーザ装置
JPH09312430A (ja) ジグザグスラブ固体レーザ及び増幅器
JPH06120586A (ja) 固体レーザ装置
KR100348998B1 (ko) 방사형으로 배치된 여러 개의 직선형 다이오드 레이저를이용한 고체레이저 발생장치.
US6188713B1 (en) Solid-state laser apparatus
JPH05335663A (ja) レーザダイオード励起固体レーザ装置
JP2004273649A (ja) 端面励起微細ロッド型レーザー利得モジュール
JP2007059591A (ja) 光励起ディスク型固体レーザ共振器、光励起ディスク型固体レーザシステム
JP4001077B2 (ja) 固体レーザ増幅装置及び固体レーザ装置
JPH11121843A (ja) 半導体レーザ励起固体レーザ増幅装置及び固体レーザ発振装置
RU2239920C1 (ru) Способ формирования распределения инверсии в активном элементе лазера

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20120330

Year of fee payment: 10

LAPS Lapse due to unpaid annual fee