KR100437800B1 - 고체 레이저 냉각 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 DPSS(Diode Pumped Solid State) 레이저에서 빠른 국소 냉각에 의해 열 렌즈 현상을 효율적으로 억제할 수 있도록한 고체 레이저 냉각 장치에 관한 것으로, 집속된 광의 광로를 변경시키는 반사경과;상기 광로가 변경된 광의 공진 파장을 발생시키는 레이저 매질과;상기 레이저 매질을 냉각시키는 냉각창과;상기 레이저 매질과 냉각창을 고정시키고 열전달율이 다른 복수개의 물질들로 구성되어 상기 레이저 매질에서 발생되는 열을 전달하는 금속 마운트와;상기 레이저 매질과 공진 구조를 형성하는 출력 커플러를 포함하여 구성된다.

Description

고체 레이저 냉각 장치{Apparatus for cooling of solid state laser}

본 발명은 DPSS(Diode Pumped Solid State) 레이저에 관한 것으로, 특히 빠른 국소 냉각에 의해 열 렌즈 현상을 효율적으로 억제할 수 있도록한 고체 레이저 냉각 장치에 관한 것이다.

레이저는 복사선의 유도 방출에 의한 빛의 증폭(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation : LASER)으로 광학적 및 전자적 소자의 동작을 합친 것으로, 그 용도로 산업용, 의료용, 연구용 등 다양하게 발전되고 있다.

특히, 요즘에는 가정용 디스플레이 매체에 적용할 수 있는 방안에 대하여 연구가 진행되고 있는데, 가정용이 갖추어야 할 소형, 고효율, 고출력 가시광선 레이저로는 DPSS(Diode Pumped Solid State) 레이저가 가장 가능성이 크다.

이하, 첨부된 도면을 참고하여 종래 기술의 DPSS 레이저에 관하여 설명하면 다음과 같다.

도 1은 일반적인 DPSS 레이저의 구성도이고, 도 2a와 도 2b는 열에 의한 물질의 굴절율 변화를 나타낸 구성도이다.

그리고 도 3a와 도 3b는 열에 의한 렌즈 효과를 설명하기 위한 구성도이다.

DPSS 레이저의 구성은 도 1에서와 같이, 펌핑 레이저 다이오드(1), 집속 광학계(2), 제 1 반사경(3), 레이저 매질(4), 제 2 반사경(5), 비선형 물질(6)(Nonlinear Optical Material), 출력 커플러(7)로 구성된다.

상기와 같이 구성된 DPSS 레이저는 상기 펌핑 레이저 다이오드(1)의 광(예, 808nm)을 상기 집속 광학계(2)로 상기 레이저 매질(4)에 집속 시키면, 상기 레이저 매질(4)에서 적외선 파장의 빛(예, 1064nm/914nm)이 발생되고, 이 빛은 상기 출력 커플러(7)에 의하여 공진을 일으킨다.

상기 공진되는 적외선 파장의 빛은 비선형 물질을 통과하면서 그 물질의 SHG(Second Harmonic Generation) 작용에 의하여 공진 파장의 절반(λ/2)의 파장으로 변화(예, 532nm/457nm)되어 출력된다.

도 2a는 보통 상태의 굴절율을 나타낸 것이고, 도 2b는 펌핑에 의한 에너지 인가 상태에서의 굴절율 변화를 나타낸 것이다.

상기 레이저 매질(4)과 비선형 물질(6)의 경우 펌핑광이나 공진광의 에너지에 의하여 열이 발생되는데 이 열은 도 2b에서와 같이, 물질의 굴절률 변화를 야기 시킨다.

이 에너지량은 물질의 중심과 주변에서 차이가 나기 때문에 중심과 주변의 굴절률 차이가 발생된다.

광학 물질에 굴절률 차이가 발생되면 그 정도에 따라 광로(光路)가 변경되어 마치 렌즈와 같은 작용을 하게 되는데 이 현상을 열 렌즈 효과라고 한다.

도 3a는 보통의 상태 즉, 열렌즈 효과가 없는 경우를 나타낸 것이고, 도 3b는 중심에 펌핑광이 입사하여 열렌즈 효과가 일어났을 때 광로가 변경되는 것을 나타낸 것이다.

도면의 아래쪽은 열에 의하여 발생되는 현상과 동일한 작용을 하는 공액 광학계를 그린 것이다.

열 렌즈 효과를 받을 경우에는 블록(block) 형태의 물질이 물질에 따라 볼록렌즈 또는 오목 렌즈의 역할을 하는 것을 보여준다.

도 4는 레이저가 안정적으로 공진 할 수 있는 조건을 보여주는 것으로,

G1=1-L/R1

G2=1-L/R2로 놓으면,

안정된 공진기 조건은,

0 < G1 G2 < 1 가 된다.

상기와 같은 공진기 조건을 만족하지 않으면, 공진을 하지 않기 때문에 레이저가 발진할 수 없다.

그런데 도 5a의 안정(stable) 상태와는 달리 DPSS 레이저에서 고출력을 얻기 위하여 펌핑광을 고출력으로 집속시키면 열 렌즈 효과가 심하게 발생되어 결국 레이저 공진 조건이 깨어짐으로서 도 5b에서와 같은 비안정(unstable) 상태가 된다.

이와 같은 문제를 해결하기 위한 종래 기술의 고체 레이저를 설명하면 다음과 같다.

도 6은 종래 기술의 열 렌즈 효과를 저감하는 고체 레이저 구성도이다.

도 6은 종래 기술의 열 렌즈 효과 저감 방법을 나타낸 것으로 Melles Griot 특허이다.(USP5796766)

상기 열 렌즈 효과를 저감하는 고체 레이저의 냉각 구조는 열 렌즈 효과를 일으키는 레이저 매질의 양면에 열 전달률이 뛰어난 광학 물질(예, 사파이어/YAG 등)을 접합하여 중심의 열을 빠른 시간 내에 분산 시켜주어 열 렌즈 효과를 완화 시켰다.

도 6에서 YAG는 이트륨 석류석으로, 이트륨 석류석은 이트륨과 산화 알루미늄의 인조 결정이다.

그러나 이와 같은 종래 기술의 고체 레이저의 냉각 구조는 다음과 같은 문제점이 있다.

종래 기술의 열 렌즈 효과를 저감시키는 고체 레이저 냉각 구조를 사용하여도 현재의 블루 레이저 발진과 같이 광 변환 효율이 낮은 경우 열 렌즈 효과를 완화시키는데 한계가 있는 단점이 있다.

즉, 광 변환 효율이 낮은 경우 펌핑광의 포커싱 사이즈(Focusing Size)를 작게 하여 에너지의 집속도를 높여 주어야만 하기 때문에 열렌즈 효과가 그만큼 커지게 된다.

따라서 종래 기술의 냉각 구조로는 고체 레이저의 효과적인 냉각이 어렵다.

본 발명은 이와 같은 종래 기술의 고체 레이저의 문제를 해결하기 위한 것으로, 빠른 국소 냉각에 의해 열 렌즈 현상을 효율적으로 억제할 수 있도록한 고체 레이저 냉각 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 일반적인 DPSS 레이저의 구성도

도 2a와 도 2b는 열에 의한 물질의 굴절율 변화를 나타낸 구성도

도 3a와 도 3b는 열에 의한 렌즈 효과를 설명하기 위한 구성도

도 4는 일반적인 안정 공진 조건을 나타낸 구성도

도 5a와 도 5b는 열렌즈 효과에 의한 공진 조건 변화를 나타낸 구성도

도 6은 종래 기술의 열 렌즈 효과를 저감하는 고체 레이저 구성도

도 7은 본 발명에 따른 열 렌즈 효과를 저감하는 고체 레이저 냉각 장치의 구성도

도 8a내지 도 8d는 본 발명에 따른 고체 레이저 냉각 장치의 금속 마운트의 상세 구성도

도 9는 본 발명에 따른 펌핑 소오스의 입사 부분을 나타낸 구성도

도 10은 본 발명에 따른 열 렌즈 효과를 저감하는 고체 레이저 냉각구조의 출사부 위치 변경 구성도

도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

71. 펌핑 레이저 다이오드 72. 집속 광학계

73. 반사경 74. 레이저 매질

75. 냉각창 76. 금속 마운트

77. 비선형 물질 78. 출력 커플러

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 고체 레이저 냉각 장치는 집속된 펌핑광의 광로를 변경시키는 반사경과;상기 광로가 변경된 광의 공진 파장을 발생시키는 레이저 매질과;상기 레이저 매질을 냉각시키는 냉각창과;상기 레이저 매질과 냉각창을 고정시키고 열전달율이 다른 복수개의 물질들로 구성되어 상기 레이저 매질에서 발생되는 열을 전달하는 금속 마운트와;상기 레이저 매질과 공진 구조를 형성하는 출력 커플러를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

여기서, 금속 마운트는 제 1 열전도율을 갖는 물질로 이루어진 열 집속부와, 제 1 열전도율보다 작은 제 2 열전도율을 갖는 물질로 이루어져 상기 열 집속부를 감싸는 외곽 부분으로 구성되고 열 집속부의 형성 크기는 펌핑광의 포커싱 크기와 동일하게 구성되는 것이 바람직하다.

이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 따른 고체 레이저 냉각 장치에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 7은 본 발명에 따른 열 렌즈 효과를 저감하는 고체 레이저 냉각 장치의 구성도이다.

먼저, 하나 이상으로 정렬된 펌핑 소스인 펌핑 레이저 다이오드(71)와, 상기 하나 이상으로 정렬된 펌핑 레이저 다이오드의 광을 집속시키는 집속 광학계(72)와, 상기 집속된 광의 광로를 변경하는 반사경(73)과, 상기 펌핑광을 받아서 공진 파장을 발생시키는 레이저 매질(74)과, 상기 레이저 매질(74) 앞에 구성되어 레이저 매질(74)을 냉각시켜주는 냉각창(75)과, 상기 냉각창(75)과 레이저 매질(74)을 고정시켜 주면서, 이 냉각창(75)과 레이저 매질(74)의 열을 흡수하는 금속마운트(76)와, 레이저 매질(74)에서 발생되는 공진 파장을 물질의 SHG(Second Harmonic Generation) 작용에 의하여 공진 파장의 절반(λ/2)의 파장으로 변화시키는 비선형 물질(77)과, 공진을 일으키는 출력 커플러(78)로 구성된다.

여기서, 금속 마운트의 상세 구성은 다음과 같다.

도 8a내지 도 8d는 본 발명에 따른 고체 레이저 냉각 장치의 금속 마운트의 상세 구성도이다.

금속 마운트(76)는 열이 집속되는 부분ⓐ과 열이 집속되는 부분ⓐ을 중앙에 두고 그에 접하여 외측에 구성되는 외곽 부분ⓑ으로 구성된다.

열이 집속되는 부분ⓐ과 외곽 부분ⓑ은 서로 다른 재질로 구성되고, 열이 집속되는 부분ⓐ은 펌핑(Pumping)광이 집속되는 부분에 위치된다.

그리고 열이 집속되는 부분ⓐ은 외곽 부분ⓑ에 비하여 열전도가 빠른 물질을 사용하여 구성하고 외곽 부분ⓑ은 그 보다 열전도율이 낮은 물질을 사용하여 구성한다.

그리고 레이저 매질(74)은 앞면은 상기 냉각창(75)과 접합되고, 앞면을 제외한 부분은 상기 금속 마운트(76)에 접합되는데, 열 집속부ⓐ는 레이저 매질(74)에 접하는 부분에서 가장 크기가 작고 외측으로 갈수록 크기가 커지는 대칭 형태이다.

상기한 본 발명에 따른 고체 레이저 및 그의 냉각 장치의 각 구성 블록들은 다음과 같은 특징을 갖는다.

상기 반사경(73)은 펌핑광(예, 808nm)에 대하여 하이 리플렉션 코팅(High-Reflection Coating)이고, 공진광(예, 1064nm / 914nm)에 대하여 안티 리플렉션 코팅(Anti-Reflection Coating)이며, 재질은 열 전달률이 큰 광학 물질인 사파이어 등을 사용할 수 있다.

그리고, 상기 냉각창(75)은 펌핑광(예, 808nm)에 대하여 안티 리플렉션 코팅(Anti-Reflection Coating)이며, 공진광(예, 1064nm / 914nm) 또한 안티 리플렉션 코팅(Anti-Reflection Coating)이다.

또한, 상기 냉각창(75)의 재질은 열 전달률이 큰 광학 물질인 사파이어 등을 사용하며, 주변부는 상기 금속 마운트(76)와 연결되어 열을 전달한다.

그리고 상기 레이저 매질(74)의 앞면은 상기 냉각창(75)과 접합되어 있고 뒷면 또는 주변을 둘러싸고 있는 상기 금속 마운트(76)와의 사이는 열전달이 우수한 열 접착(Thermal Adhesive)을 사용하여 접합한다.

또한, 레이저 매질(74)의 앞면은 공진광에 대하여 안티 리플렉션 코팅(Anti-Reflection Coating)이고, 뒷면은 공진광에 대하여 하이 리플렉션 코팅(High-Reflecting Coating)이다.

그리고 금속 마운트(76)는 열 집속부와 열 집속부를 감싸는 외곽 부분으로 크게 구성되고 열 집속부의 형성 크기는 펌핑광의 포커싱 크기(~100㎛)와 동일하다.

열 집속부는 은(Ag)과 같은 열전도율이 큰 금속을 사용하여 구성하고 냉각 소자(TEC)와 접합되어 펌핑광에 의해 레이저 매질(74)에서 발생된 열을 신속하게 전도하는 역할을 한다.

그리고 외곽 부분은 열 집속부를 제외한 금속 마운트 부분으로 열전도율이열 집속부보다는 작은 구리(Cu)와 같은 금속을 사용하여 구성되고, 펌핑광에 의해 발생되어 레이저 매질(74)로 전도되는 열을 빠르게 전달하는 역할을 한다.

이때 외곽 부분은 열이 전달되는 속도가 열 집속부에 비하여 느리기 때문에 레이저 매질(74)에서 볼 때, 열렌즈 효과의 원인이 되는 포커싱 부분과 주변부와의 온도차가 동일한 금속을 사용하였을 때에 비하여 줄어들게 된다.

상기와 같은 구조의 고체 레이저 냉각 장치의 동작을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 펌핑 소스인 펌핑 레이저 다이오드(71)에서 펌핑광을 방출하면, 상기 집속 광학계(72)에서 상기 방출된 펌핑광을 집속한다.

이때, 상기 집속된 펌핑광을 상기 레이저 매질(74)에 집속 되도록 하기 위하여 상기 반사경(73)에서 상기 펌핑광을 상기 레이저 매질(74) 쪽으로 방향을 전환시킨다.

따라서, 상기 집속된 펌핑광이 상기 반사경(73)에 의해 방향이 전환되어 상기 레이저 매질(74)로 전달되며, 이 레이저 매질(74)을 냉각시키는 상기 냉각창(75)에서 상기 펌핑광이 통과되면서, 이 펌핑 광의 열을 주변부에 연결되어 있는 금속 마운트(76)로 전달된다.

이때, 상기 레이저 매질(74)에서 공진광이 발생되며, 상기 레이저 매질(74)에서 펌핑광에 의하여 발생되는 열들은 신속하게 금속 마운트(76)로 전달된다.

상기 금속 마운트(76)에는 냉각 팬(FAN)또는 냉각 소자가 부착되어 계속적으로 발생된 열을 냉각한다.

여기서, 금속 마운트(76)가 열전도율이 큰 금속으로 형성된 열 집속부와 열전도율이 열 집속부보다 작은 외곽 부분으로 이루어져 열렌즈 효과의 원인이 되는 포커싱 부분과 주변부와의 온도차가 동일한 금속을 사용하였을 때에 비하여 줄어들게 된다.

상기 레이저 매질(74)에서 발생된 공진광은 상기 레이저 매질(74)의 뒷면에서 반사되어 출력 커플러(78) 쪽으로 진행된다.

따라서, 상기 레이저 매질(74)의 뒷면과 출력 커플러(78)가 공진 구조를 형성하고, 비선형 물질(77)이 SHG(Second Harmonic Generation)를 일으킴으로써 가시광선으로 발진된다.

이와 같은 본 발명의 고체 레이저 냉각 장치에서 펌핑광이 임의의 각도로 입사되도록 변화시킬 수 있고, 출력 위치를 변화시킬 수도 있다.

도 9는 본 발명에 따른 펌핑 소오스의 입사 부분을 나타낸 구성도이고, 도 10은 본 발명에 따른 열 렌즈 효과를 저감하는 고체 레이저 냉각구조의 출사부 위치 변경 구성도이다.

도 9에서와 같이, 펌핑광을 90deg가 아닌 임의의 각도로 입사되도록 하여 상기 반사경(73)의 유무, 위치 및 각도를 바꿀 수 있다.

그리고 도 10에서와 같이, 출력광(예;532nm/457nm)에 대한 상기 반사경(73), 냉각창(75), 레이저 매질(74)에서의 코팅(Coating) 변경에 의하여 출력 위치를 변경할 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명에 따른 고체 레이저 냉각 장치는 본 발명의 기술 사상을 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당연하다.

이와 같은 본 발명에 따른 고체 레이저 냉각 장치는 다음과 같은 효과가 있다.

본 발명은 열렌즈 문제로 인하여 구현할 수 없었던 소형 고출력의 레이저를 구현할 수 있는 효과가 있다.

또한, 냉각 기능을 수행하는 금속 마운트가 열전도율이 큰 금속으로 형성된 열 집속부와 열전도율이 열 집속부보다 작은 외곽 부분으로 이루어져 열렌즈 효과의 원인이 되는 포커싱 부분과 주변부와의 온도차가 동일한 금속을 사용하였을 때에 비하여 줄어들게 된다.

이는 에너지의 집속도를 높여야하는 블루 레이저 발진과 같이 광 변환 효율이 낮은 경우에서 열 렌즈 효과를 완화시키는 효과를 갖는다.

Claims (4)

1. 집속된 펌핑광의 광로를 변경시키는 반사경과;

   상기 광로가 변경된 광의 공진 파장을 발생시키는 레이저 매질과;

   상기 레이저 매질을 냉각시키는 냉각창과;

   상기 레이저 매질과 냉각창을 고정시키고 열전달율이 다른 복수개의 물질들로 구성되어 상기 레이저 매질에서 발생되는 열을 전달하는 금속 마운트와;

   상기 레이저 매질과 공진 구조를 형성하는 출력 커플러를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 고체 레이저 냉각 장치.
2. 제 1 항에 있어서, 금속 마운트는 제 1 열전도율을 갖는 물질로 이루어진 열 집속부와, 제 1 열전도율보다 작은 제 2 열전도율을 갖는 물질로 이루어져 상기 열 집속부를 감싸는 외곽 부분으로 구성되는 것을 특징으로 하는 고체 레이저 냉각 장치.
3. 제 2 항에 있어서, 열 집속부의 형성 크기는 펌핑광의 포커싱 크기와 동일한 것을 특징으로 하는 고체 레이저 냉각 장치.
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 레이저 매질은 앞면은 상기 냉각창과 접합되고, 앞면을 제외한 부분은 상기 금속 마운트에 접합되고, 열 집속부는 레이저 매질에 접하는 부분에서 가장 크기가 작고 외측으로 갈수록 크기가 커지는 대칭 형태인 것을 특징으로 하는 고체 레이저 냉각 장치.