KR100458523B1 - 좁은 선 폭과 높은 출력광선을 가지는 파장가변형 오피오레이저 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 파장가변형 오피오 레이저 장치에 관한 것으로서, 본 발명의 장치(200)는, Nd:YAG 레이저(201)와, 레이저 광선 중 오피오 레이저 광선을 출력하는데 사용되는 펌핑광을 선별하는 역할을 하는 부분반사경(202), 빔 덤프(203) 및 빔 리듀서(204)와, 펌핑광을 이용하여 오피오 레이저 광선을 발생시키는 이득 매질과, 발생된 오피오 레이저 광선을 증폭시키는 공진기 및, 증폭된 오피오 레이저 광선을 아이들러 광선(215)과 시그널 광선(214)으로 분리하는 프리즘(213)을 포함하며, 이득 매질은 광 축이 서로 어긋나도록 배치된 2개의 비선형 매질(208, 209)로 구성되고, 공진기는 오피오 레이저 광선의 선 폭을 좁게 하는 그레이팅(207)과 거울(210)로 구성되는 것을 특징으로 한다. 본 발명의 장치는 그레이팅 및 광 축이 서로 어긋나도록 배치된 2개의 비선형 매질을 통해 좁은 선 폭과 높은 출력광선을 동시에 만족시키는 효과가 있다.

Description

좁은 선 폭과 높은 출력광선을 가지는 파장가변형 오피오 레이저 장치{OPO laser for narrow linewidth and high power}

본 발명은 파장가변형 오피오 레이저 장치에 관한 것이며, 특히, 좁은 선 폭과 높은 출력광선을 동시에 가지는 파장가변형 오피오 레이저 장치에 관한 것이다.

오피오(OPO ; Optical Parametric Oscillator) 레이저는 파장 가변영역이 가시광선에서 적외선 영역까지로서, 대단히 넓고 강한 세기의 빛을 얻을 수 있으며, 수명이 길기 때문에 레이저 분광학 분야에 널리 사용되고 있다.

도 1은 종래기술에 따른 파장가변형 오피오 레이저 장치의 구성요소들을 도시한 개략도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 레이저 장치(100)는 Nd:YAG 레이저(101)로부터 발생된 레이저 광선 중 파장이 355nm인 3차 조화파가 제1 부분반사경(102)에서 반사한 후, 빔 리듀서(104)에 입사하여 적당한 직경을 갖는 빔 크기로 조정되어 에너지를 공급하는 펌핑광으로 사용된다.

상기 Nd:YAG 레이저(101) 광선 중 펌핑광으로 사용되지 않는 파장 1064nm인 기본파와 파장 532nm인 2차 조화파는 제1 빔 덤프(103)에 입사되어 소멸된다. 그리고, 빔 리듀서(104)를 통과한 Nd:YAG 레이저(101) 광선은 제1 거울(105)을 거쳐 비선형 매질(106)에 입사된다. 이렇게 비선형 매질(106)을 통과한 펌핑광은 제1 거울(105)과 제2 거울(107)로 구성된 레이저 공진기 내에서 왕복운동을 하며 증폭된 후, 증폭된 레이저 광선 중 일부는 제2 거울(107)을 통과하여 오피오 레이저 광선으로 출력된다.

이 과정에서 펌핑에 사용되지 않은 3차 조화파는 제2 부분반사경(108)에서 반사한 후 제2 빔 덤프(109)에 입사하여 소멸되고, 오피오 레이저 광선은 제2 부분반사경(108)을 투과한 후 프리즘(110)에 입사된다. 그러면, 프리즘(110)을 통해 시그널 광선(111)과 아이들러 광선(112)으로 분리되어 출력된다.

상기와 같이 구성된 오피오 레이저 장치의 성능은 출력광선(output power)의 세기와 선 폭(linewidth)으로 평가되는데, 특히, 레이저 분광학에서는 좁은 선 폭과 강한 출력을 가진 레이저가 요구된다. 그리고, 오피오 레이저는 출력광선과 선 폭이 서로 밀접하게 연관되어 있는데, 오피오 레이저 광선의 출력을 강하게 하려면 선 폭을 크게 만들어야 하고, 선 폭을 작게 만들려면 광선의 출력이 작아져야 한다. 이와 같이 오피오 레이저에서는 출력광선의 세기나 선 폭 중 한 가지 특성만을 향상시키기는 용이하나, 출력광선과 선 폭 두 가지 특성을 동시에 향상시키기는 어려운 문제점이 있다.

따라서, 본 발명은 앞서 설명한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 좁은 선 폭과 높은 출력광선을 동시에 가지는 파장가변형 오피오 레이저 장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.

도 1은 종래기술에 따른 파장가변형 오피오 레이저 장치의 구성요소들을 도시한 개략도이고,

도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 파장가변형 오피오 레이저 장치의 구성요소들을 도시한 개략도이고,

도 3a는 본 발명의 레이저 장치와 종래기술의 레이저 장치에서 각각 구한 출력의 세기를 비교 도시한 그래프이며,

도 3b는 본 발명의 레이저 장치와 종래기술의 레이저 장치에서 각각 구한 선 폭을 비교 도시한 그래프이다.

♠ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ♠

200 : 레이저 장치 201 : Nd:YAG 레이저

202, 205, 211 : 부분반사경 203, 206, 212 : 빔 덤프

204 : 빔 리듀서 207 : 그레이팅

208, 209 : 비선형 매질 210 : 거울

213 : 프리즘 214 : 시그널 광선

215 : 아이들러 광선

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 파장가변형 오피오 레이저 장치는, 펌핑 레이저와, 상기 레이저 광선 중 오피오 레이저 광선을 출력하는데 사용되는 펌핑광을 선별하는 선별수단과, 상기 펌핑광을 이용하여 상기 오피오 레이저 광선을발생시키는 이득 매질과, 발생된 상기 오피오 레이저 광선을 증폭시키는 공진기 및, 증폭된 상기 오피오 레이저 광선을 아이들러 광선과 시그널 광선으로 분리하는 프리즘을 포함하며, 상기 이득 매질은 광 축이 서로 어긋나도록 배치된 2개의 비선형 매질로 구성되고, 상기 공진기는 상기 오피오 레이저 광선의 선 폭을 좁게 하는 그레이팅과 거울로 구성되는 것을 특징으로 한다.

아래에서, 본 발명에 따른 파장가변형 오피오 레이저 장치의 양호한 실시예를 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명하겠다.

도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 파장가변형 오피오 레이저 장치의 구성요소들을 도시한 개략도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 레이저 장치(200)는 펌핑 레이저의 일종인 Nd:YAG 레이저(201)로부터 발생된 레이저 광선 중 파장이 355nm인 3차 조화파가 제1 부분반사경(202)에서 반사한 후, 빔 리듀서(204)에 입사하여 적당한 직경을 갖는 빔 크기로 조정되어 에너지를 공급하는 펌핑광으로 사용된다. 상기 Nd:YAG 레이저(201)는 활성 매질인 Yttrium- Aluminum-Garnet 결정체에 Neodynium 원소를 도금한 것으로, 파장은 1064nm로 근적외선에 속하며, 광전달계로는 대개 지름 200∼320㎛의 작은 광섬유를 이용한다.

상기 Nd:YAG 레이저(201) 광선 중 펌핑광으로 사용되지 않는 파장 1064nm인 기본파와 파장 532nm인 2차 조화파는 제1 빔 덤프(203)에 입사되어 소멸된다. 즉, 기본파와 2차 조화파는 투과시키고 3차 조화파는 반사시키는 제1 부분반사경(202)에 의해, 기본파와 2파 조화파는 제1 빔 덤프(203)에 입사되어 소멸되고, 3차 조화파는 빔 리듀서(204)에 입사되어 오피오 레이저 광선을 출력하는 펌핑광으로 사용된다. 즉, 상기 제1 부분반사경(202), 제1 빔 덤프(203) 및 빔 리듀서(204)는 오피오 레이저 광선을 발생시키는 펌핑광을 선별하는 선별수단의 역할을 한다.

그리고, 빔 리듀서(204)를 통과한 Nd:YAG 레이저(201) 광선 중 제1 부분반사경(202)에서 완전 제거되지 않은 기본파와 2차 조화파는 제2 부분반사경(205)을 투과하여 제2 빔 덤프(206)에 입사되어 소멸되고, 3차 조화파는 제2 부분반사경(205)에서 반사되어 오피오 레이저의 이득 매질인 제1 비선형 매질(208)에 입사된다.

이렇게 제1 비선형 매질(208)에 입사된 3차 조화파 중 일부는 제1 비선형 매질(208)과 상호작용을 일으켜 오피오 레이저 광선을 발생시키는 펌핑광으로 사용되고, 그 나머지 펌핑광은 제1 비선형 매질(208)을 통과한 후 제2 비선형 매질(209)에 입사되어 제2 비선형 매질(209)과 상호작용을 일으켜 오피오 레이저 광선을 발생시킨다.

상기 제1, 제2 비선형 매질(208, 209)의 입사면에는 400 ∼ 700nm 범위의 파장은 반사되지 않도록 하는 반사 방지막(도시 안됨)이 형성되어 있다. 이러한 반사 방지막을 형성하는 것은, 355nm인 3차 조화파가 비선형 매질(208, 209)에 입사되면, 파장이 길어져 400 ∼ 700nm 범위를 갖게 된다. 그래서, 본 발명에서는 이 범위의 펌핑광이 반사되어 손실되는 것을 방지하기 위하여 제1, 제2 비선형 매질(208, 209)의 입사면에 반사 방지막을 형성함으로써, 오피오 레이저 광선의 발생 효율을 향상시킨 것이다.

그리고, 상기 제1, 제2 비선형 매질(208, 209)을 통과한 펌핑광은 거울(210)과 그레이팅(207)으로 구성된 레이저 공진기 내에서 왕복운동을 하며 증폭된다.상기 그레이팅(207)은 빛을 파장에 따라 공간에 분산시키는 기능을 갖는 것으로서, 출력되는 출력광선의 선 폭을 좁게 하는 특징이 있다. 그래서, 본 발명에서 그레이팅(207)을 사용하는 것이다.

그리고, 본 발명에서는 2개의 비선형 매질(208, 209)을 사용하는데, 이 때, 제1, 제2 비선형 매질(208, 209)은 그 각각의 광 축이 서로 어긋나도록 공진기 내에 설치된다. 이렇게 광 축이 서로 어긋나도록 제1, 제2 비선형 매질(208, 209)을 배치하는 것은 펌핑광이 복굴절 현상에 의해 서로 어긋남에 따른 에너지 손실을 보상함으로써, 단순 배열된 2개의 비선형 매질을 이용할 경우보다 출력광선의 세기를 2배 이상 강하게 하기 위함이다. 즉, 광 축이 서로 어긋나도록 제1, 제2 비선형 매질(208, 209)을 공진기 내에 설치함으로써, 펌핑광을 통한 펌핑에너지를 많이 받아들이게 된다.

상기 거울(210)과 그레이팅(207)으로 구성된 공진기 내에서 증폭된 레이저 광선 중 일부는 거울(210)을 통과하여 오피오 레이저 광선으로 출력된다. 이 과정에서 펌핑에 사용되지 않은 3차 조화파는 제3 부분반사경(211)에서 반사한 후 제3 빔 덤프(212)에 입사하여 소멸되고, 오피오 레이저 광선은 제3 부분반사경(211)을 투과한 후 프리즘(213)에 입사한다.

오피오 레이저 광선에는 파장이 짧은 시그널 광선(가시광선 영역)과 파장이 긴 아이들러 광선(적외선 영역)이 섞여 있으며, 프리즘(213)을 통과하면서 이들 두 개의 광선은 굴절률의 차이에 의해 분산되어 시그널 광선(214)과 아이들러 광선(215)으로 분리된다.

이러한 시그널 광선(214)과 아이들러 광선(215)의 파장은 제1, 제2 비선형 매질(208, 209)의 회전각도에 따라 결정되며, 이 회전각도를 변화시킴으로써 원하는 파장(가시광선 영역 또는 적외선 영역)을 임의로 정할 수 있다.

도 3a는 본 발명의 레이저 장치와 종래기술의 레이저 장치에서 각각 구한 출력의 세기를 비교 도시한 그래프이고, 도 3b는 본 발명의 레이저 장치와 종래기술의 레이저 장치에서 각각 구한 선 폭을 비교 도시한 그래프이다.

도 3a 및 도 3b에서, 펌핑광은 Nd:YAG 레이저의 3차 조화파로서, 파장 355nm, 빔의 직경 2 mm, 듀레이션 타임 5 ns 이다. 도 3a에 도시된 바와 같이, 본 발명의 레이저 장치를 통해 출력된 오피오 레이저 광선의 출력의 세기가 모든 파장에 걸쳐 종래의 레이저 장치를 통해 출력된 오피오 레이저 광선의 출력의 세기보다 2배 이상 강하게 나타남을 알 수 있다. 또한, 도 3b에 도시된 바와 같이, 종래의 레이저 장치를 통해 출력된 오피오 레이저 광선의 선 폭이 파장 700nm 부근에서 10nm 정도였으나, 본 발명의 레이저 장치를 통해 출력된 오피오 레이저 광선의 선 폭이 0.5nm로서, 선 폭이 크게 좁아짐을 알 수 있다.

결론적으로, 본 발명의 레이저 장치를 이용할 경우 좁은 선 폭과 높은 출력광선을 갖게 된다.

앞서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명의 파장가변형 오피오 레이저 장치는 그레이팅 및 광 축이 서로 어긋나도록 배치된 2개의 비선형 매질을 통해 좁은 선 폭과 높은 출력광선을 동시에 만족시키는 효과가 있다.

이상에서 본 발명의 파장가변형 오피오 레이저 장치에 대한 기술사항을 첨부도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 가장 양호한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다.

또한, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자이면 누구나 본 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않는 범위내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.

Claims (3)

1. 펌핑 레이저와, 상기 레이저 광선 중 오피오(OPO ; Optical Parametric Oscillator) 레이저 광선을 출력하는데 사용되는 펌핑광을 선별하는 선별수단과, 상기 펌핑광을 이용하여 상기 오피오 레이저 광선을 발생시키는 이득 매질과, 발생된 상기 오피오 레이저 광선을 증폭시키는 공진기 및, 증폭된 상기 오피오 레이저 광선을 아이들러 광선과 시그널 광선으로 분리하는 프리즘을 포함하는 파장가변형 오피오 레이저 장치로서,

   상기 이득 매질은 광 축이 서로 어긋나도록 배치된 2개의 비선형 매질로 구성되고, 상기 공진기는 상기 오피오 레이저 광선의 선 폭을 좁게 하도록 회절과 간섭을 이용하는 격자인 그레이팅과 거울로 구성되는 것을 특징으로 하는 파장가변형 오피오 레이저 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 비선형 매질의 입사면에는 400 ∼ 700nm 범위의 파장은 반사되지 않도록 하는 반사 방지막이 형성되는 것을 특징으로 하는 파장가변형 오피오 레이저 장치.
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