KR100415751B1 - 반도체레이저 여기고체레이저 - Google Patents

Abstract

본 발명에 의한 반도체레이저 여기고체레이저와 고체레이저매질과, 이 고체레이저매질을 여기하는 반도체레이저와, 이 반도체레이저의 발진스펙트럼의 상기 고체레이저매질을 여기하는 파장영역을 검출하는 분광기와, 이 분광기에 의해 검출된 검출스펙트럼의 면적을 규격화하는 동시에 이 규격화된 검출스펙트럼과 상기 고체레이저매질의 레이저 여기에 관한 규격화된 흡수스펙트럼과의 중첩 면적을 연산하는 비교기등의 연산수단과 이 연산수단으로부터의 출력에 따라, 상기 반도체레이저의 온도제어를 하는 온도 제어 수단을 설치한 것이다.

Description

반도체레이저 여기고체레이저{SEMICONDUCTOR LASER-EXCITED SOLID LASER}

종래의 반도체레이저 여기고체레이저로서는, 예컨대 일본국 특개평 5-90672호에 표시된 것이 있다. 도 5 및 도 6은, 상기 공보에 표시된 반도체레이저 여기고체레이저의 구성을 표시한 것이다.

61은 반도체레이저, 62는 콜리메이터렌즈, 63은 포커싱렌즈, 64는 고체레이저매질, 65는 미러, 66은 콜리메이터렌즈(62)와 포커싱렌즈(63)와의 사이에 설치된 빔스플리터(beam splitter), 67은 반사형 그레이팅(reflection-type grating}, 68은 2채널 포토다이오드이다.

71,72는 2채널 포토다이오드의 출력을 증폭하는 증폭기, 73은 각각의 출력의 크기를 비교하는 콤퍼레이터, 75는 온도조정회로이며, 76은 반도체레이저(61)의 온도를 제어하는 펠티어(Peltier)소자이다.

다음에 동작에 대하여 설명한다.

고체레이저매질(64)을 여기하기 위한 반도체레이저(61)로부터 발광된 광의일부는 빔스플리터(66)에 의해 반사형 그레이팅(67)으로 인도된다.

반사형 그레이팅(67)에 의해 분광된 반도체레이저광은, 2채널 포토다이오드 (68)에 의해 검출된다. 2채널 포토다이오드(68)는 인접하여 2개의 다이오드가 설치되어있고 경계면이 고체레이저매질(64)의 흡수 스펙트럼의 중심파장이 되도록 설치되어 있다.

반도체웨이퍼(61)의 발진스펙트럼의 중심(重心)인 흡수스펙트럼의 중심(中心)으로부터 시프트되어 있으면 2채널 포토다이오드의 어느 한쪽의 포토다이오드출력이 다른쪽을 상회하게 된다. 이 출력차는 콤퍼레이터(73)에 의해 비교되고, 온도 조정회로(75)를 통하여 반도체레이저(61)에 설치된 펠티어소자(76)에 공급하는 전류를 제어한다.

그런데 고체레이저매질(64)의 여기파장에는, 상한과 하한이 존재한다.

예컨대, Nd:YAG의 여기에 대응하는 흡수스펙트럼은 도 7에 표시하는 바와 같이 790nm에서 820nm 근방에 한정되어 있고, 특히 808nm에서 날카로운 흡수를 나타내고, 805nm 근방에 비교적 낮은 피크를 갖는 복잡한 구조를 표시한다.

한편, 반도체레이저(61)는 그 활성층의 온도에 의해, 그 발진파장이 시프트한다는 특징을 가진다. 808nm근방의 발진파장을 갖는 AlGaAs/GaAs계의 반도체레이저에서는, 약 0.2~0.3nm/℃의 온도의존성이 있고, 고온으로 될수록 발진파장은 장파장 측으로 시프트한다. 또, 발진파장 폭은 2~3nm이다.

따라서 상술한 바와 같은 구성을 조립함으로써, 반도체레이저(61)의 발진파장은 목표파장을 중심으로 한 피드백제어를 할 수 있다.

그러나 고체레이저매질의 흡수스펙트럼은 복잡하고 특정의 반도체레이저의 발진스펙트럼이 고체레이저매질의 흡수스펙트럼 전역을 커버하는데는 너무 좁기 때문에, 흡수스펙트럼의 중심파장 또는 피크파장만을 기준으로 하여 반도체레이저의 발진파장을 제어하는 것만으로는 충분한 여기효율은 얻어지지 않는다는 문제가 있었다.

또 고출력을 발생하는 레이저 또는 고품질의 출력을 요구하는 레이저에서는 복수의 반도체레이저에 의해 여기를 하는 일이 있다.

이는 반도체레이저 1개로서는 충분한 여기파워가 얼어지지 않는 것이나, 1개의 고체레이저 매질을 여러 방향으로부터 균일하게 여기하기 위한 것이다.

복수의 반도체레이저를 사용하는 경우에는, 반도체레이저마다의 특성의 흐트러짐이 문제로 된다. 각각의 반도체레이저마다에 발진파장 스펙트럼 및 파장의 온도의존도의 특성은 다르다. 또, 경시적으로 이들의 특성은 변화된다. 따라서 개개의 반도체레이저마다에 파장의 온도제어를 하기 위하여는, 반도체레이저마다에 분광기와 온도 제어기기가 필요하게되고, 필연적으로 구성이 복잡하게 된 다는 문제가 있었다.

본 발명은 상술의 과제를 해결하고, 간소한 구성에 의해 반도체레이저 여기고체레이저의 여기효율을 향상시키는 반도체레이저 여기고체레이저를 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.

본 발명은 반도체레이저 여기고체레이저, 특히 그 고효율화에 관한 것이다.

도 1은, 본 발명의 한 실시의 형태를 표시하는 반도체레이저 여기고체레이저의 측면 여기의 경우의 구성도,

도 2는, 본 발명의 한 실시의 형태를 표시하는 반도체레이저 여기고체레이저의 단면 여기의 경우의 구성도,

도 3은, 온도제어방법의 1예를 표시하는 플로차트,

도 4는, 복수의 반도체레이저의 발진스펙트럼의 1예를 표시하는 도면,

도 5는, 종래의 반도체레이저 여기고체레이저의 구성도,

도 6은, 종래의 반도체레이저 여기고체레이저의 파장온도 제어회로도,

도 7은, 고체레이저매질 Nd:YAG의 흡수스펙트럼을 표시하는 도면이다.

(발명을 실시하기 위한 최량의 형태)

본 발명에 관한 적합한 실시의 형태를 첨부도면을 참조하여 설명한다.

도 1과 도 2는 본 발명의 반도체레이저 여기고체레이저의 구성을 표시한다.

도 1은 측면 여기의 경우의 구성도의 예, 도 2는 단면여기의 경우의 예이다.

1은 고체레이저매질, 2는 고체레이저매질(1)을 여기하는 반도체레이저이고,이 실시의 형태에서는 2개의 반도체레이저를 사용하는 경우를 표시한다. 3은 고체레이저매질(1)의 여기에 관여하는 파장영역의 스펙트럼을 검출하는 분광기, 4는 반도체레이저(2)의 광의 일부를 분광기(3)에 꺼내기위한 빔스플리터, 5는 분광기(3)에 의해 검출된 스펙트럼과 고체레이저매질(1)의 흡수 스페트럼의 중첩도를 비교하는 연산수단으로서의 비교기, 6은 반도체레이저(2)를 냉각하기 위한 냉매의 온도제어기능을 가진 온도제어수단으로서의 냉매순환기, 7은 내각매질을 반도체레이저(2)에 공급하기 위한 냉매공급로, 8은 반도체레이저(2)로부터의 광을 고체레이저매질 (1)에 집광하기 위한 집광기, 9는 렌즈이다.

도 1에 표시한 장치의 경우는, 고체레이저매질(1)을 여기하는 반도체레이저 (2)의 광의 일부를 빔스플리터(4)에 의해 분광기(3)로 인도한다.

도 2에 표시한 장치의 경우는, 반도체레이저(2)의 광의 일부를 집광기(8)의 창으로부터 꺼내고, 분광기(3)로 인도한다.

분광기(3)에서는 복수의 반도체레이저(2)로부터 발광되는 광 전체의 스펙트럼을 검출한다.

비교기(5)에는 고체레이저매질(1)의 여기에 관여하는 영역의 흡수스펙트럼(Sa)이 기억되어 있고, 분광기(3)에서 검출된 스펙트럼(Sd)과 비교하며, 냉매순환기(6)의 냉매온도를 제어한다.

흡수스펙트럼(Sa)과 검출스펙트럼(Sd)의 비교의 처리와 반도체레이저의 온도제어의 1예에 대하여는 후술한다.

냉매순환기(6)로부터 공급된 냉매는 반도체레이저(2)를 비교기(5)에서 지정된 온도로 냉각을 한다. 반도체레이저(2)는 그 발진스펙트럼에 온도의 존성을 가지므로 비교기(5)에서 지정된 온도에서의 스펙트럼으로 발진을 하고, 고체레이저매질(1)을 여기한다.

고체레이저매질(1)의 여기에 관한 흡수스펙트럼(Sa)과 분광기(3)로 검출된 반도체레이저(2)로부터의 광의 스펙트럼(Sd)과의 비교기(5)에서의 비교처리와 반도체레이저(2)의 온도제어의 1예에 대하여 도 3을 사용하여 설명한다.

복수의 반도체레이저(2)의 전체 스펙트럼의 예를 도 4에 표시한다.

도 4는 4개의 반도체레이저의 경우의 1예이나, 반도체레이저 마다에 파장 의존성이 다르기 때문에 온도에 의해 스펙트럼 형상이 변화한다.

이 스펙트럼 형상이 도 7에 표시하는 고체레이저매질의 흡수스펙트럼 (Sa),(도 7은 YAG에서의 흡수스펙트럼을 표시한 것)과 일치하면 최대 여기 효율을 얻을 수 있으나, 실제로는 스펙트럼형상은 완전히 일치하는 일은 없다.

따라서 양자의 스펙트럼의 중첩되는 부분이 최대로 되도록 제어하는 것이 실질적으로 최대의 여기효율을 얻는 것으로 된다.

반도체레이저(2)는 냉매순환기(6)로부터 공급되는 냉매의 온도에 의해 제어되고 있다. 당초 설정되는 냉매순환기(6)에서의 냉매온도는, 반도체레이저 (2)의 발진스펙트럼의 피크파장 또는 중심파장이 고체레이저매질(1)의 흡수스펙트럼(Sa)의 피크파장 또는 중심파장과 일치한다고 예상되는 온도로 한다.

복수의 반도체레이저(2)로부터 발광되는 광을 합친 전체로서의 스펙트럼 (Sa)을 분광기(3)로 검출한다. 복수의 반도체레이저(2)로부터 발광되는 광의 스펙트럼은 반도체레이저마다의 특성의 흐트러짐이 있기 때문에, 분광기(3)로 검출되는 스펙트럼(Sa)은 예컨대 도 4에 표시하는 바와 같은 형상을 나타낸다.

검출된 스펙트럼(Sa)은 비교기(5)에서 고체레이저매질(1)의 여기에 관여하는 파장영역, 예컨대 YAG에서는 790nm로부터 820nm의 파장영역에서 면적이 1로 되도록 규격화 스펙트럼(Sn)으로 변환된다.

비교기(5)에는 고체레이저매질(1)의 흡수스펙트럼(Sa)이 기억되어있고, 여기에 관한 파장영역에서의 면적이 1로 되도록 규격화되어 있다. 비교기(5)에서 규격화 스펙트럼(Sa)과 흡수스펙트럼(Sa)의 중첩면적(M)을 계산한다.

고체레이저매질의 여기에 관여하는 파장영역에서 규격화된 흡수스펙트럼을(Sa) 같은 파장영역에서 규격화된 반도체레이저의 발진스펙트럼을(Sn)라고 하면, 양자의 중첩면적(M)은, 아래의식으로부터 구할 수 있다.

여기서, 함수 min(x,y)는 x와 y의 작은 쪽의 값을 준다.

다음에 냉매순환기(6)에서의 냉매제어온도를 어느 일정치 예컨대 1℃ 상승시키는 등의 변화를 시킨다. 온도변화 후의 반도체레이저(2)로부터의 광의 스펙트럼을 재차 측정, 규격화하고 다시 흡수스펙트럼(Sa)과의 중첩면적(M)을 구한다. 이 면적(M)이 전회(前回) 구한 값보다 큰 경우에는 냉매의 온도를 마찬가지로 일정치 예컨대 1℃ 상승시킨다. 역으로 면적(M)이 감소한 경우에는 온도변화량을 역으로 하고, 예컨대 1℃ 하강시킨다. 면적(M)이 불변의 경우에는 온도변화는 하지 않는다.

이와 같이 하여 반도체레이저(2)의 온도를 제어함으로써 전체에서의 반도체레이저의 발진스펙트럼을 고체레이저매질(1)의 흡수스펙트럼(Sa)에 가깝게하고, 여기효율을 향상시킨다.

이 실시의 형태에서는 온도 제어의 변화의 변화폭을 1℃로 하였으나 어떤 값을 취하여도 좋다. 단 YAG나 YLF라는 고체레이저매질의 여기에 사용되는 AlGaAs계의 반도체레이저의 파장온도의존성은 일반적으로 0.2~0.3nm/℃ 정도이고, 흡수스펙트럼 폭이 수 nm정도인 것으로부터 온도 제어변화의 변화폭으로서 1℃는 적당한 값이다.

또 스펙트럼의 중첩 면적(M)의 변화량으로부터 온도제어의 변화폭을 통계적으로 구하는 방법도 여러가지 생각되나, 반도체레이저마다에 스펙트럼이나 온도의존성에는 흐트러짐이 존재한다.

또, 이들의 특성은 경시적으로 변화된다. 이를 위한 계산은 복잡한 것으로 되고, 처리시간이 길어진다.

따라서 온도 변화폭은 일정하게 하는 것이 현실적이다.

이 실시의 형태에서는 냉매순환기에 의한 반도체레이저의 온도제어에 대하여 기술하였으나, 펠티어 소자의 동작전류제어나 반도체레이저의 분위기 온도를 제어함으로써도, 고체레이저매질의 여기효율을 향상시킬 수 있다.

반도체레이저에는 1칩으로 구성되어 있는 것만이 아니고, 출력을 증대시키기 위해여 어레이상으로 한 것이나, 스택(stack)상으로 구성되어 있는 것이 있다.

이들의 반도체레이저는 칩마다에 그 특성에 흐트러짐을 갖고, 온도변화에 의한 스펙트럼 형상의 변화가 생긴다.

따라서 본 발명에서의 복수의 반도체레이저로서 취급할 수 있고, 같은 제어에 의해 고체레이저의 여기효율을 향상시킬 수 있다.

고체레이저매질과, 이 고체레이저매질을 여기하는 반도체레이저와, 이 반도체레이저의 발진스펙트럼의 상기 고체레이저매질을 여기하는 파장영역을 검출하는 분광기와, 이 분광기에 의해 검출된 검출스펙트럼의 면적을 규격화하는 동시에 이 규격화된 검출스펙트럼과, 상기 고체레이저매질의 레이저여기에 관한 규격화된 흡수스펙트럼과의 중첩면적을 비교 연산하는 비교기인 연산수단과 이 연산수단으로부터의 출력에 따라 상기 반도체레이저의 온도제어를 하는 냉매순환기인 온도제어수단과, 냉각매질을 반도체레이저에 공급하기 위한 냉매공급로를 설치한 반도체레이저 여기 고체레이저를 제공하는 것이다.

따라서, 스펙트럼의 중심파장 또는 피크파장만에 따른 제어가 아니고, 고체레이저매질의 흡수스펙트럼 및 반도체레이저로부터의 검출스펙트럼 각각의 파장 영역의 면적에 따른 제어를 함으로써, 스펙트럼의 중심파장 또는 피크파장이외의 흡수스펙트럼 영역도 유효하게 활용한 높은 여기효율의 반도체레이저 여기고체레이저를 얻을 수 있다.

또, 본 발명은 검출스펙트럼과 흡수스펙트럼과의 중첩 면적이 최대가 되도록 반도체레이저의 온도제어를 하는 반도체레이저 여기고체레이저를 제공하는 것이다.

따라서, 고체레이저매질 및 반도체레이저 쌍방의 특성에 최적한 제어를 할 수 있고, 반도체레이저 여기고체레이저의 여기 효율을 더욱 높일 수 있다.

또 본 발명은 반도체레이저를 복수개 갖는 동시에 검출하는 발진스펙트럼으로서, 각각의 반도체레이저가 나타내는 스펙트럼을 합친 전체의 스펙트럼을 검출하는 반도체레이저 여기고체레이저를 제공하는 것이다.

따라서 반도체레이저를 복수개 설치한 반도체레이저 여기고체레이저의 경우에도, 복수개의 반도체레이저가 나타내는 스펙트럼을 합친 전체의 스펙트럼을 규격화하고 연산하므로, 간소한 구성에 의해 정밀도가 좋은 제어가 시행되며, 반도체레이저 여기고체레이저의 여기효율을 높일 수 있다.

이상과 같이 본 발명에 관한 반도체레이저 여기고체레이저는 예컨대 높은 가공정밀도가 요구되는 공업용 레이저 가공기등에서 사용되는데 적합하다.

Claims (3)

1. 고체레이저매질(1)과, 이 고체레이저매질(1)을 여기하는 반도체레이저(2)와, 이 반도체레이저(2)의 발진스펙트럼의 상기 고체레이저매질(1)을 여기하는 파장영역을 검출하는 분광기(3)와, 이 분광기(3)에 의해 검출된 검출스펙트럼의 면적을 규격화하는 동시에 이 규격화된 검출스펙트럼과 상기 고체레이저매질(1)의 레이저 여기에 관한 규격화된 흡수스펙트럼과의 중첩면적을 비교연산하는 비교기인 연산수단(5)과, 이 연산수단(5)으로부터의 출력에 따라 상기 반도체레이저(2)의 온도제어를 하는 냉매순환기인 온도제어수단(6)과, 냉각매질을 반도체레이저(2)에 공급하기 위한 냉매공급로(7)를 설치한 것을 특징으로 하는 반도체레이저 여기고체레이저.
2. 제 1 항에 있어서, 검출스펙트럼과 흡수스펙트럼과의 중첩면적이 최대가 되도록 반도체레이저의 온도제어를 하는 것을 특징으로 하는 반도체레이저 여기고체레이저.
3. 제 1 항에 있어서, 반도체레이저를 복수개 갖는 동시에 검출하는 발진스펙트럼으로서, 각각의 반도체레이저가 나타내는 스펙트럼을 합친 전체의 스펙트럼을 검출하는 것을 특징으로 하는 반도체레이저 여기고체레이저.