KR100418885B1 - 마이크로 칩 레이저 - Google Patents

Abstract

본 발명은 DPSS(Diode Pumped Solid State) 레이저에 관한 것으로, 특히 고출력의 레이저 발진을 위한 마이크로 칩 레이저에 관한 것이다. 이와 같은 본 발명에 따른 마이크로 칩 레이저는 광을 발생하는 하나 이상의 펌핑 레이저 다이오드와, 상기 펌핑 레이저 다이오드에서 방출되는 광을 집속시키는 집속 광학계와, 상기 집속 광학계를 통해 집속된 광을 빛이 굴절되는 곡률 각도의 구면으로 설계하여 발진을 일으키는 레이저 매질과, 상기 발진된 광을 통과시키는 구면의 비선형 물질을 포함하여 구성된다.

Description

마이크로 칩 레이저{Micro chip Laser}

본 발명은 DPSS(Diode Pumped Solid State) 레이저에 관한 것으로, 특히 고출력의 레이저 발진을 위한 마이크로 칩 레이저에 관한 것이다.

알려진 바와 같이 레이저는 복사선의 유도방출에 의한 빛의 증폭(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation : LASER)으로 광학적 및 전자적 소자의 동작을 합친 것이다.

상기 레이저는 강한 방향성의 단색적 가간섭성의 원천이며, 이것은 일부 장기간 계속된 광학적 문제에 대변혁을 일으키고 기초 및 응용광학의 새로운 영역을 개척하였다.

도 1은 통상적인 DPSS 레이저 구성 개략도이다.

도 1을 참조하면 통상적인 DPSS(Diode Pumped Solid State) 레이저는 펌핑 레이저 다이오드(100), 집속광학계(200), 제1 반사경(300), 레이저 매질(400), 제2 반사경(500), 비선형 물질(600)(Nonlinear Optical Material)로 구성된다.

상기와 같이 구성된 DPSS 레이저는 상기 펌핑 레이저 다이오드(100)의 광을 상기 레이저 매질(400)에 조사하여 펌핑시킨 후, 이 펌핑된 방출광을 증폭시켜 레이저를 발진시키는 것으로 기존의 고체 및 액체 레이저에 비하여 비교적 작은 크기에서 큰 파워(Power)을 얻을 수 있는 것으로 최근에 용도가 크게 증가하고 있다.

도 2는 도 1에 따른 DPSS 레이저 중 일반적인 마이크로 칩 레이저의 구성 개략도이다.

도 2의 마이크로 칩 레이저의 구성은 상기 도 1에 도시된 DPSS 레이저의 구성 중 상기 레이저 매질(400)과 비선형 물질(500)를 접합하여 구성되며, 이 레이저 매질(400)과 비선형 물질(500)을 접합하기 때문에 공간의 길이가 줄어들고, 부품의 표면에 코팅을 하여 공진기를 구성하기 때문에 사이즈를 작게 할 수 있다.

그리고, 상기 레이저 매질(400)은 상기 펌핑 레이저 다이오드(100)에서 광이 입사되어, 이 펌핑광의 작용에 의하여 특정 파장의 광을 방출하며, 상기 비선형 물질(500)은 상기 방출된 광을 통과시켜 세컨드 하모닉 제너레이션(Second Harmonic Generation)작용을 일으킨다.

도 3a 내지 도 3b는 도 2에 따른 마이크로 칩 레이저 공진기 구성을 나타낸 도면이다.

도 3a 내지 도 3b를 참조하면, 레이저 매질(400)에 펌핑 레이저 다이오드로부터 펌핑광(λ0)이 입사되어, 이 입사된 펌핌광의 작용에 의하여 상기 레이저 매질(400)에서 특정 파장(λ1)의 광을 방출하며 비선형 물질(500)을 통하여 광이 통과되는 공진기로, 상기 도 3a는 제 1, 2 반사경을 매질의 양끝표면에 코팅하여 공진기를 구성했으며, 도 3b는 제 1, 2 반사경을 접합된 레이저 매질과 비선형 물질의 양 끝 표면에 코팅하였다.

도 4a 내지 도 4d는 도 3에 따른 마이크로 칩 레이저 공진기에서의 열 렌즈(Lens) 효과를 나타낸 도면이다.

도 4a 내지 도 4d를 참조하면 도 4a는 마이크로 칩 레이저 공진기의 안정된 공진기 조건으로,

g1= 1-L/R2

g2 = 1-L/R2 로 놓으면,

안정된 공진기 조건은,

0 < g1 g2 ≤1 가 된다.

그리고, 도 4b는, 일반적으로 마이크로 칩 레이저의 레이저 매질과 비선형 물질이 평면으로 구성된 공진기로,

g1 g2 = 1 이 된다.

또한 도 4c는 열 렌즈 효과를 나타낸 도면으로 매질에 입사된 펌핑 레이저 다이오드의 파워가 높아지면 상기 매질에 의하여 빛을 굴절시킨다.

그리고 4d는 일반적인 마이크로 칩 레이저 공진기에서의 열 렌즈에 관한 도면으로, 펌핑 레이저 다이오드의 파워가 높아지면 레이저 매질 또는 비선형 물질이 열에 의하여 빛을 굴절시키는 렌즈 효과를 일으키게 되어 공진기 구성이 되지 않아 레이저 발진을 일으키지 못한다.

이와 같이 통상적인 마이크로 칩 레이저로 고출력을 얻으려면 펌핑 레이저 다이오드의 파워를 높여야 하는데, 파워를 높이면 열 렌즈 효과가 나타나며, 이 열 렌즈로 인하여 어느 한도 이상의 고출력을 얻기 어려운 단점이 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 이상에서 언급한 종래 기술의 문제점을 감안하여 안출한 것으로서, 열 렌즈 효과를 보정하여 고출력 마이크로 칩 레이저를 제공하기위한 것이다.

도 1은 통상적인 DPSS 레이저 구성 개략도

도 2는 도 1에 따른 DPSS 레이저 중 일반적인 마이크로 칩 레이저의 구성 개략도

도 3a 내지 도 3b는 도 2에 따른 마이크로 칩 레이저 공진기 구성을 나타낸 도면

도 4a 내지 도 4d는 도 3에 따른 마이크로 칩 레이저 공진기에서의 열 렌즈(Lens) 효과를 나타낸 도면

도 5는 본 발명에 따른 마이크로 칩 레이저 구성 개략도

도 6은 본 발명 제 1 실시예에 따른 공진기 구성을 나타낸 도면

도 7은 본 발명 제 2 실시예에 따른 공진기 구성을 나타낸 도면

도 8은 본 발명 제 3 실시예에 따른 공진기 구성을 나타낸 도면

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

1000 : 펌핑 레이저 다이오드 2000 : 집속 광학계

3000 : 제 1 반사경 4000 : 레이저 매질

5000 : 비선형 물질 6000 : 제 2 반사경

이상과 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구조 특징에 따르면, 광을 발생하는 하나 이상의 펌핑 레이저 다이오드와, 상기 펌핑 레이저 다이오드에서 방출되는 광을 집속시키는 집속 광학계와, 상기 집속 광학계를 통해 집속된 광을 빛이 굴절되는 곡률 각도의 구면으로 설계하여 발진을 일으키는 레이저 매질과, 상기 발진된 광을 통과시키는 구면의 비선형 물질을 포함하여 구성된다.

바람직하게, 상기 레이저 매질은 Nd:YAG나 Nd:YVO4물질로 구성되고, 비선형 물질은 LBO, BBO, KTP 물질로 구성된다.

이하 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 구성 및 작용을 첨부된 도면을 참조하여 설명한다.

도 5는 본 발명에 따른 마이크로 칩 레이저 구성 개략도이다.

도 5를 참조하면, 마이크로 칩 레이저는 광을 발생하는 하나 이상으로 정렬된 펌핑 레이저 다이오드(1000)와, 상기 하나 이상으로 정렬된 펌핑 레이저 다이오드(1000)의 광을 집속시키는 집속 광학계(2000)와, 상기 집속된 광을 구면으로 형성되어 발진을 일으키는 레이저 매질(4000)과, 상기 발진된 광을 통과시키는 구면의 비선형 물질(5000)과 상기 레이저 매질(4000)과 비선형 물질(5000)을 코팅하는 제 1, 2 반사경(3000, 6000)으로 구성된다.

상기와 같이 구성된 마이크로 칩 레이저의 동작을 설명하면 다음과 같다.

상기 하나 이상으로 정렬된 펌핑 레이저 다이오드(1000)에서 발생하는 광(λ0, 예 : 808nm)을 상기 집속 광학계(2000)가 집속한다.

여기서, 상기 집속 광학계(2000)는 파이버 커플러(Fiber Coupler)나 집속 렌즈 등으로 구성된다.

그리고 상기 집속 광학계(2000)에 의해 상기 펌핑 레이저 다이오드(1000)에서 방출되는 광이 상기 레이저 매질(4000)에 입사되고, 이 입사된 펌핑 광의 작용에 의하여 레이저 매질(4000)에서 λ1 파장의 광을 방출한다.

여기서 상기 레이저 매질(4000)의 물질은 Nd:YAG 나 Nd:YVO4이며, λ1파장의 광을 방출하는 레이저 매질의 물질이 Nd:YAG일 경우 1064nm의 광을 방출하며, Nd:YVO4일 경우 914nm의 광을 방출한다.

그리고 상기 방출된 광은 상기 비선형 물질(5000)을 통하여 통과된다.

여기서 상기 비선형 물질은 LBO, BBO, KTP 등의 물질이다.

상기 방출광은 레이저 매질(4000), 비선형 물질(5000) 표면의 반사경(3000, 6000)의 코팅으로 공진기가 이루어지는데 상기 방출광은 이 공진기에서 계속적인 왕복진행을 하면서 광을 증폭시키고 레이저 발진을 일으킨다.

또한, 상기 구면의 레이저 매질(4000)과 비선형 물질(5000)은 상기 펌핑 레이저 다이오드(1000)의 파워가 높아지면 상기 레이저 매질(4000) 또는 비선형 물질(5000)이 열에 의하여 빛을 굴절시키는 열 렌즈 효과를 보완한다.

상기 구면은 상기 펌핑 레이저 다이오드(1000)의 파워가 높아져 상기 레이저매질(4000), 비선형 물질(5000)이 열에 의하여 빛을 굴절시키는 정도를 계산 및 측정을 통하여 산출하여 이를 보완할 수 있는 값으로 구면의 곡률을 설계한다.

도 6은 본 발명 제 1 실시예에 따른 공진기 구성을 나타낸 도면이다.

도 6을 참조하면 레이저 매질과 비선형 물질을 접합한 마이크로 칩 레이저의 비선형 물질을 구면으로 설계한 공진기를 나타낸 도면으로, 곡선으로 이루어진 양방향성의 화살표는 상기 구면으로 설계된 비선형 물질 곡률만큼 곡선이 이루어진다.

상기와 같은 공진기의 화살표 방향으로 방출광이 공진기내에서 계속적으로 왕복진행을 하면서 광을 증폭시켜 레이저 발진을 시키게 된다.

그리고, 상기 구면으로 설계된 비선형 물질을 공액 광학계로 표현하면 평면의 비선형 물질에 오목 렌즈가 하나 더 있는 효과로 표현한다.

도 7은 본 발명 제 2 실시예에 따른 공진기 구성을 나타낸 도면이다.

도 7을 참조하면 상기 도 5에 따른 구성을 통하여 레이저 매질을 구면으로 설계했으며 이 구면으로 설계된 곡률 만큼의 곡선으로 방출광이 공진기내에서 왕복진행을 하면서 광을 증폭시켜 레이저 발진을 시키게 된다.

도 8은 본 발명에 제 3 실시예에 따른 공진기 구성을 나타낸 도면이다.

도 8을 참조하면 도 7과 마찬가지로 상기 도 5에 따른 구성을 통하여 레이저 매질을 구면으로 설계했으며 제 1반사경을 레이저 매질 앞쪽에 제 2 반사경을 상기 레이저 매질 뒤쪽에 두어 레이저 매질을 코팅하므로 방출광이 이 코팅된 공진기내에서 왕복진행을 하여 광을 증폭시켜 레이저 발진을 시키게 설계한다.

이상의 설명에서와 같이 본 발명은 사이즈를 작게 하고, 공진기 정렬이 쉬운 마이크로 칩 레이저를 통하여 열 렌즈 효과를 보정할 수 있다.

또한 전문적, 특수 용도로 적용되던 대형 대용량의 레이저를 일상의 가전용품이나 사무용품에 적용하여 수익을 창출할 수 있는 효과가 있다.

이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술 사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다.

따라서, 본 발명의 기술적 범위는 실시예에 기재된 내용으로 한정하는 것이 아니라 특허 청구 범위에 의해서 정해져야 한다.

Claims (3)

1. 광을 발생하는 하나 이상의 펌핑 레이저 다이오드와;

   상기 펌핑 레이저 다이오드에서 방출되는 광을 집속시키는 집속 광학계와;

   상기 집속 광학계를 통해 집속된 광을 빛이 굴절되는 곡률 각도의 구면으로 설계하여 발진을 일으키는 레이저 매질과;

   상기 발진된 광을 통과시키는 구면의 비선형 물질을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 마이크로 칩 레이저.
2. 삭제
3. 제 1항에 있어서,

   상기 레이저 매질은 Nd:YAG나 Nd:YVO4물질로 구성되고, 비선형 물질은 LBO, BBO, KTP 물질로 구성되는 것을 특징으로 하는 마이크로 칩 레이저.