KR100397599B1 - 비선형단결정레이저소자 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 그 양면에 반사 방지막이 코팅된 비선형 단결정 레이저 소자에 관한 것이다.
본 발명 비선형 단결정 레이저 소자는 그 몸체 양면에 a축으로 편광된 기본파와 반도체 레이저 파장 및 제2 고조파에 대해 반사가 방지되도록 그들의 상들이 비정질이고 굴절률이 서로 다른 적어도 두 재료가 교대로 적층된 반사 방지막이 형성되어 SHG 레이저의 출력 안정화를 이룰 수 있다.

Description

비선형 단결정 레이저 소자
본 발명은 비선형 단결정 레이저 소자에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 비정질의 반사 방지막이 코팅된 비선형 단결정 레이저 소자에 관한 것이다.
SHG(Second Harmonic Generation, 제2고조파 발생)에 의한 녹색 레이저는 광학적 기록 및 재생 기술 분야에서 기존의 반도체 다이오드에 의한 809nm 파장의 레이저 보다 짧은 파장의 광이 필요하게 되면서 오디오 및 비디오 디스크 장치 등의 관련 분야에서 연구가 활발히 진행되고 있다.
녹색 레이저 장치의 주요 방식은 내부 공진형으로 두개의 미러에 의해 광학적으로 갇힌 공진기 내에 Nd:YAG 또는 Nd:YVO4등의 이득매체 즉, 단결정 레이저 소자와, KTP(KTiOPO4) 등의 비선형 단결정 소자가 마련된다. 그러나, 이러한 방식은 단결정 레이저 소자와 비선형 단결정 소자가 온도 변화에 따라 공진기 내에서 발진하는 기본파(fundamental wave)의 위상 상태가 변화되어 제2 고조파 출력이 불안정해지는 단점이 있다. 그리고 상기한 바와 같은 소재의 이득 매체는 고 흡수대의 809nm의 펌핑 레이저가 이용되는데 고체 레이저의 흡수대가 수 nm 정도로 작아서 여기 광원인 반도체 다이오드의 동작 온도를 엄격히 제어해야 하는 어려움이 있다.
제 1도는 일반적인 SHG 장치를 개략적으로 보인다.
내부에 공동부를 가지는 금속성 하우징(9)의 양측 개구부에 입력 미러(3)와 출력 미러(7)가 고정되어 광학적으로 갇힌 공진 공간이 마련되어 있다. 상기 공진 공간 내에는 Nd:YAG 등의 단결정 레이저 소자(4), 블루스터 플레이트 등의 편광소자(5), KTP 등의 비선형 단결정 소자(6)가 동일 광축상에 마련되어 있다. 그리고 상기 입력 미러(3)의 전방에는 반도체 레이저 다이오드(1)가 설치되어 있고, 반도체 레이저 다이오드(1)와 입력 미러(3)의 사이에는 포커싱 렌즈(2)가 마련되어 있다.
위의 구조에서 상기 반도체 레이저 다이오드(1)는 809nm 부근의 펌핑 레이저(Pumping Laser)를 발진하여 상기 포커싱 렌즈(2)를 통해 상기 단결정 레이저 소자(4)로 입사시킨다. 단결정 레이저 소자(4)는 핌핑 레이저에 의해 여기되어 1064nm 파장의 기본파(Fundamental Wave)를 발생시킨다. 이 기본파는 입력 미러(3)와 출력 미러(7)의 사이에서 공진하면서 증폭되게 되는데, 이 기본파는 상기 편광 소자(5)를 통과하면서 상기 비선형 단결정 소자의 위상 정합되는 방향으로 특성 선편광화된다. 이와 같이 선편광화된 기본파는 그 일부가 상기 비선형 단결정 소자(6)에 흡수되면서 비선형 단결정 소자(6)의 주파수 배가 작용에 의해 532nm파장의 제 2고조파(Second Harmonic)가 발생되고, 이 제2 고조파는 상기 출력미러(7)를 통해 외부로 방출되게 된다.
이러한 공진기형 제2 고조파 발진기의 효율은 공진기 내부의 손실을 최소화함으로써 증가시킬 수 있다. 즉, 공진기형 제2 고조파 발진기를 제조하는데 필요한 각각의 광학 부품들의 광학 코팅 정도가 효율 및 출력에 큰 변수로 작용한다. 이 때, 고효율, 고출력의 제2 고조파를 얻기 위해서는 각각의 결정 및 미러 등에 적절한 반사 방지막이나 고반사막의 코팅이 필요하다.
한편, 이득 매체로서의 Nd:YAG 단결정 레이저 소자는 형광 특성이 다른 재료에 비해 우수하고, 열전도도가 커서 안정된 레이저 발진 특성을 나타내기 때문에 상업적으로 널리 사용되고 있다. 그러나 Nd:YAG 단결정 레이저 소자는 흡수 밴드 폭이 좁고, 경사 효율(slope efficiency)이 낮다는 등의 단점을 가지고 있어 소형의 제2 고조파 발진 소자를 제작하는데 어려움이 있다. 현재 Nd:YAG의 단점을 보완 할 수 있는 물질로는 Nd:YVO4가 있다. Nd:YVO4는 자극 방출 단면적(stimulated emission cross section)이 Nd:YAG 보다 5.6배, 흡수 밴드 폭이 2.6배, 경사 효율이 2배 정도 커서 넓은 온도에서 효율적으로 동작 가능하고, 소자의 크기를 소형화 시킬 수 있는 장점이 있어 현재 각광받고 있는 물질이다.
공진기형 제2 고조파 발진기에 사용되는 Nd:YVO4단결정 레이저 소자의 반사 방지막은 일반적으로 MgF2만은 사용하여 제조하였다. 그러나, 이 물질만을 사용한 반사 방지막은 공진기형 제2 고조파 발진기에서 중요한 532nm, 809nm, 1064nm의 파장에서 우수한 반사 방지 특성을 얻지 못하였다. 이를 개선하기 위해 Nd:YVO4결정의 a축으로 편광된 광파에 대해 SiO2와 ZrO2막을 반복적으로 적층함으로써 상기 파장들에서의 반사율이 각각 0.1%, 8.3%, 0.02%를 갖는 우수한 특성의 광학막을 제조하였다.
그러나, 이와 같이 SiO2와 ZrO2막이 반복적으로 적층된 Nd:YVO4결정을 사용한 공진기형 제2 고조파 발진기에서 비선형 광학 소자인 KTP 단결정의 온도 변화에 따른 SHG 출력은 제2도에 도시된 것처럼 모양이 불규칙적이고 비대칭적이어서출력 안정화를 이루기 어려운 문제가 있다.
본 발명은 상기 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로서, SHG 모드 선택과 출력의 안정화를 이룰 수 있는 비선형 단결정 레이저 소자를 제공함을 그 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 비선형 단결정 레이저 소자는 광이 입사하는 입사면, 출사하는 출사면이 그 몸체 양측에 마련된 비선형 단결정 소자에 있어서, 상기 입사면과 출사면에, a축으로 편광된 기본파와 반도체 레이저 파장 및 제2 고조파에 대해 반사가 방지되도록 굴절률이 서로 다는 비정질의 재료가 교대로 적층된 반사 방지막이 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
상기 본 발명에 있어서, 상기 반사 방지막의 재료가 SiO2와 ZrO2인 것이 바람직하고,
상기 비선형 단결정 레이저 소자가 Nd:YVO4인 것이 바람직하고,
상기 교대로 적층된 코팅층이 기본파에 대해 반사율이 0.1%이하이고 제2 고조파 및 반도체 레이저 파장에 대해 90% 이상의 투과율을 갖는 것이 바람직하다.
상기 반사 방지막의 증착 수단으로 전자 빔 코팅기 또는 고주파 마그테트론 스퍼터를 사용하는 것이 바람직하다. 이 때에 적층되는 반사방지막의 층수를 7로 하는 것이 바람직하고, 상기 SiO2의 굴절률이 설계 중심 파장 532nm에서 1.48인 것이 바람직하고, 그리고 상기 ZrO2의 굴절률이 설계 파장 532nm에서 2.2인 것이 바람직하다.
상기 반사 방지막을 증착함에 있어서, 전자 빔 코팅기를 사용할 때는 SiO2가 대기 분위기에서 코팅되는 것이 바람직하고, 상기 전자 빔 코팅기를 사용할 때는 ZrO2가 산소 분위에서 코팅되는 것이 바람직하다.
상기 반사 방지막의 적충 구조가 Nd:YVO4/0.07325L 0.16809H 0.06717L 0.43993H 0.1415L 0.10925H 0.37586L/공기인 것이 바람직한데 L은 SiO2층을 H는 ZrO2층을 의미한다.
본 발명에 따른 한 바람직한 실시 예가 이하에 설명된다.
본 발명에 따라 내부 공진기형 제 2 고조파 발진기에 Nd:YVO4결정을 사용할 때 반도체 레이저의 광축과 Nd:YVO4결정을 수직으로 정렬하고 입사 및 출사면에 대해 반사 방지막을 제작할 수 있다. 이 때 사용되는 Nd:YVO4결정은 사각형 구조를 갖는 레이저 결정으로써 레이징 파장이 1.064㎛이고 상온에서 측정 시 1.05㎛에서의 굴절률 no와 ne가 각각 1.9577, 2.1657이다.
한편, 레이저 결정에 반사 방지막을 코팅하기 위해서는 적절한 코팅 재료와 코팅 두께의 선택이 요구된다. 또한, 공진기형 제2 고조파 발진기에서 중요한 532nm, 809nm, 1064nm의 파장에서 코팅막의 광손상 임계값( optical damage threshold)도 적정값을 가져야만 한다.
Nd:YVO4결정은 굴절률 no와 ne가 서로 달라 반도체 레이저의 편광 방향에 따라 효율이 다르므로 본 발명에서는 Nd:YVO4결정에 입사하는 광의 편광 방향이 a축일 때 532nm, 809nm, 1064nm의 파장에서 반사율이 낮게 되는 코팅막을 SiO2와 ZrO2를 사용하여 제조하였다.
본 발명에서는 a축으로 편광된 광이 Nd:YVO4결정에 입사할 때 결정의 양면에 기본파와 제2 고조파 및 반도체 레이저 파장에 대해 특정 광학 코팅을 실시하여 줌으로써 반도체 레이저에서 조사하는 빔과 기본파 및 제2 고조파의 손실을 최소화시켜 최대 출력의 제2 고조파를 얻는다. 이 때, 반사 방지막은 532nm에서 굴절률 1.48인 SiO2층과 굴절률 2.2인 ZrO2층을 교대로 적층시켜 7층 적층체로 구성하고 각 층의 구성은 설계 중심 파장 532nm에서 다음과 같은 광학 두께를 갖는다. 즉, Nd:YVO4/0.07325L 0.16809H 0.06717L 0.43993H 0.1415L 0.10925H 0.37586L/ 공기이며 여기서 L은 SiO2층을 H는 ZrO2층을 의미한다. 이렇게 형성된 반사 방지막은 기본파에 대해 반사율이 0.1% 이하가 되도록 하고 제2 고조파 및 반도체 레이저 파장에 대해서는 90% 이상의 투과율을 갖는다.
SiO2와 ZrO2으로 코팅된 Nd:YVO4결정을 사용한 제2 고조파 발진기의 KTP 온도에 따른 SHG 출력 피크 모양은 제2도에 도시된 것 처럼 인접한 피크들의 분리가 일어나지 않아 레이저 출력을 특정한 값으로 설정하는데 많은 어려움이 존재하였다. 제3도에 도시된 것처럼 제4도에서 SiO2가 피크를 갖는 것과 달리 제4도에 도시된 것처럼 Nd:YVO4결정의 무반사 박막 제조용 재료로 사용된 ZrO2의 피크가 비규칙적인데 이것은 ZrO2의 결정화에 기인한 광학적 비등방 특성 때문이다.
따라서, Nd:YVO4결정의 반사 방지막을 이루는 SiO2와 ZrO2의 상을 비정질로 함으로써 제6도 및 제7도에 도시된 것 처럼 반사 방지막의 광학적 특성이 등방적 성질을 나타내게 된다.
본 발명에 따른 한 예가 이하에 설명된다.
본 발명에서는 무반사막 제작을 위해 전자 빔 코팅 및 고주파 스퍼터링 방법을 사용하였다. 각각의 코팅 구조는 Nd:YVO4/0.07325L 0.16809H 0.06717L 0.43993H 0.1415L 0.10925H 0.37586L/ 공기이며 여기서 L은 SiO2층을 H는 ZrO2층을 의미한다. 이 때, 스퍼터링은 고주파 마그테트론 스퍼터링 방식을 사용하였고 SiO2및 ZrO2타겟을 사용하여 산소를 4cc/min, 아르곤을 20cc/min 으로 흘리며 반응성 스퍼터링 하였다. 특히 스퍼터링 방식에 의한 ZrO2박막 제조시 ZrO2박막의 상이 비정질이 되도록 증착 속도를 매우 빠르게 하였다. 박막의 상은 X-레이 회절 방법으로 측정하였으며 제6도 및 제7도에 도시된 것처럼 SiO2와 ZrO2모두 비정질 상을 나타내었다.
이와 같이 제조된 반사 방지막을 갖는 Nd:YVO4결정을 제2 고조파 녹색 레이저에 사용할 때 KTP 온도 변화에 따른 SHG 출력 피크는 제5도에 도시된 것처럼 정상적인 모양을 나타내어 SHG 레이저의 출력을 안정화시킬 수 있어 레이저의 신뢰성을 확보할 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허 청구 범위의 기술적 사상에 의해 정해져야만 할 것이다.
제1도는 일반적인 SHG의 개략도이고,
제2도는 종래 기술에 따른 비선형 단결정소자(KTP)온도 SHG 출력의 변화선도.
제3도는 종래 기술에서 SiO2의 상이 비결정임을 나타내는 그래프이고,
제4도는 종래 기술에서 ZrO2의 상이 결정성임을 나타내는 그래프이고,
제5도는 본 발명에 따른 KTP 온도에 대한 SHG 출력의 그래프이고,
제6도는 본 발명에 따라 SiO2의 상이 비정질임을 나타내는 그래프이고,
제7도는 본 발명에 따라 ZrO2의 상이 결정성임을 나타내는 그래프이다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
1; 반도체 레이저 다이오드 2; 포커싱 렌즈
3; 입력 미러 4; 이득 매체
5; 편광 소자 6; 비선형 단결정 소자
7; 출력 미러 9; 하우징

Claims (8)

  1. 그 몸체 양측에 광 입사면과 출사면이 마련된 몸체를 구비한 비선형 단결정 레이저 소자에 있어서,
    상기 입사면과 출사면에 a축으로 편광된 기본파와 반도체 레이저 파장 및 제2 고조파에 대해 반사가 방지되도록 굴절률이 서로 다른 적어도 두 비정질의 재료가 교대로 적층된 반사 방지막이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 비선형 단결정 레이저 소자.
  2. 제1항에 있어서, 상기 비정질의 재료가 SiO2와 ZrO2인 것을 특징으로 하는 비선형 단결정 레이저 소자.
  3. 제1항에 있어서, 상기 몸체 Nd:YVO4인 것을 특징으로 하는 비선형 단결정 레이저 소자.
  4. 제1항에 있어서, 상기 교대로 적층된 반사 방지막이 기본파에 대해 반사율이 0.1% 이하이고 제2 고조파 및 반도체 레이저 파장에 대해 90%이상의 투과율을 갖는 것을 특징으로 하는 비선형 단결정 레이저 소자.
  5. 제1항에 있어서, 상기 교대로 적층된 층수가 7인 것을 특징으로 하는 비선형 단결정 레이저 소자.
  6. 제1항에 있어서, 상기 SiO2의 굴절률이 설계 중심 파장 532nm에서 1.48인 것을 특징으로 하는 비선형 단결정 레이저 소자.
  7. 제1항에 있어서, 상기 ZrO2의 굴절률이 설계 중심 파장 532nm에서 2.2인 것을 특징으로 하는 비선형 단결정 레이저 소자.
  8. 제1항에 있어서, 상기 반사 방지막의 구조는 Nd:YVO4/0.07325L 0.16809H 0.06717L 0.43993H 0.1415L 0.10925H 0.37586L/ 공기의 광학적 조건 (L은 SiO2층을 H는 ZrO2층)을 만족하는 것을 특징으로 하는 비선형 단결정 레이저 소자.
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