KR100514665B1 - 유도 브릴루앙 산란을 이용한 빔 클리닝 레이저 발진 장치및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 본 발명은 빔 클리닝 레이저 발진장치에 대한 것으로, 특히 유도 브릴루앙 산란 (Stimulated Brillouin Scattering; SBS)의 빔 클리닝효과 (beam cleaning effect, or beam smoothing)를 이용한 레이저 발진 방법 및 장치를 개시한다.

본 발명은 고출력의 레이저 빔을 발진할 때 필연적으로 희생되는 출력빔의 품질을 보정할 수 있도록 함으로써 통상의 레이저 발진기에서 레이저빔이 출력될 때에 출력의 세기를 감소시키지 않고도 고품질의 출력을 얻도록 하기 위함을 목적으로하는 것이다. 이를 위하여 본 발명은 전체 공진기 내부에 유도 브릴루앙 산란을 발생하는, 유도 브릴루앙 산란 셀(SBS-cell)과 그 양쪽에 집속렌즈 두 개를 적용하여 최종적인 레이저 출력빔의 에너지 및 출력빔의 품질을 높이도록 한 것이다. 이에 따라 본 발명은 고출력이면서도 고품질이어서 의료용이나 정밀 공작용의 부가 가치가 높은 레이저 출력을 얻을 수 있게 되는 유용한 효과가 있다.

Description

유도 브릴루앙 산란을 이용한 빔 클리닝 레이저 발진 장치 및 방법{Apparatus and method for beam cleaning laser oscillator using stimulated Brillouin scattering}

본 발명은 빔 클리닝 레이저 발진장치에 대한 것으로, 특히 유도 브릴루앙 산란(Stimulated Brillouin Scattering; SBS)의 빔 클리닝효과 (beam cleaning effect, or beam smoothing)를 이용한 레이저 발진 방법 및 장치에 관한 것이다.

일반적으로 레이저 발진기는 펌프광 공진기에서 발생된 레이저 광을 여러 가지 광학부품을 통해 특성을 조절한 후 레이저광을 출력시키는 것으로, 수많은 산업 여러 분야에 널리 응용되고 있다.

도1에 종래의 일반 레이저 발진장치를 보였다. 이에서 볼 수 있는 바와 같이 일반적인 레이저의 경우, 레이저 이득매질 양쪽에 레이저광을 반사시키는 거울인 후면경(100) 및 출력경(101)을 배치하여 레이저 공진기를 구성하고, 공진기 내부에서 여러 차례 반사를 거쳐 증폭된 레이저 광이 출력경(101) 쪽으로 출력되는 것이 일반적인 구조 이며, 이 때 후면경은 일반적으로 레이저 광에 대해 높은 반사율을 가지며, 출력경은 그에 비해 낮은 반사율로 되어있다.

이 때, 공진기 후면반사경(100)은 펌프광을 반사시키는 역할을 하고, 레이저 출력경(101)은 공진기 반사경과 함께 기본 공진기(A)를 구성하여, 공진기(A)내에서 레이저 광을 반사시켜 광을 증폭한다. 큐-스위처(102)는 레이저의 펄스폭을 짧게 하고, 세기를 증가시키는 역할을 하는 광학장치로서 통상적으로 포화 흡수체(Saturable Absorber)를 이용하며, 적용 방법이 간단하고, 이 경우 수십 ns 정도의 펄스폭을 얻을 수 있다. 레이저 봉(103)는 두 개의 반사경 사이를 왕복하는 레이저를 증폭하는 역할을 하며, 그 내부 구조물로 레이저 이득매질인 결정(통상의 상용 고체레이저는 Nd:YAG 결정을 사용) 및 냉각시스템(cooling system), 섬광등(flashlamp), 반사구조체(flashlamp-light-reflector) 등을 포함하고 있다. 이때 발생하는 레이저광의 파장은 사용하는 레이저 이득매질에 따라 다르며 Nd:YAG의 경우 1064nm 파장의 레이저 광이 발진된다.

그러나 이러한 종래의 레이저 발진장치에는 다음과 같은 문제점이 있다.

즉, 출력빔 모드를 정해주기 위해 공진기 내부에 핀홀 같은 특별한 광학부품을 적용하지 않는 한, 출력되는 레이저광은 깨끗하지 않은 공간모드를 가진 상태로 출력되며, 실제의 응용에서 깨끗한 공간모드를 요구하는 경우에는 핀홀을 사용하게 됨에 따라 그 출력의 세기가 크게 감소하게 되는 것이다. 그러므로, 그 출력의 감소를 감수하면서 고품질의 레이저 광을 발진시켜야 하는 문제점이 있는 것이다.

본 발명의 목적은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 고출력의 레이저 빔을 발진할 때 필연적으로 희생되는 출력빔의 품질을 보정할 수 있도록 함으로써 통상의 레이저 발진기에서 레이저빔이 출력될 때에 출력의 세기를 감소시키지 않고도 고품질의 출력을 얻도록 한 유도 브릴루앙 산란을 이용한 빔 클리닝 레이저 발진방법 및 그 장치를 제공함에 있다.

이러한 본 발명의 목적은 전체 공진기 내부에 유도 브릴루앙 산란을 발생하는, 유도 브릴루앙 산란 셀(SBS-cell)과 그 양쪽에 집속렌즈 두 개를 적용하여 최종적인 레이저 출력빔의 에너지 및 출력빔의 품질을 높이도록 한 유도 브릴루앙 산란을 이용한 빔 클리닝 레이저 발진방법 및 그 장치를 제안한다.

이에 따라 본 발명은 고출력이면서도 고품질의 레이저 출력을 얻을 수 있게 되는 유용한 효과가 있다.

이러한 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 통상의 레이저 구조 내부에 집속렌즈 두 개를 적용한 후 그 사이에 유도 브릴루앙 산란을 위한 SBS셀이 적용된 특수한 구조의 발진기 구조를 채택한다. 이 경우 두 집속렌즈의 초점은 일치시키며, 그 위치는 유도 브릴루앙 산란셀의 가운데 부분으로 정해준다. 그리고 유도 브릴루앙 산란은 통상의 레이저 광보다 더욱 강한 세기에서 발생하기 시작하므로, 유도 브릴루앙 산란 셀의 양쪽에서 집속렌즈를 이용하여 셀 내부에 레이저 광을 강하게 집속해주며, 이 때 셀 내부에 집속렌즈에 의해 형성된 초점위치에서 유도 브릴루앙 산란이 발생한다. 또 하나의 요소로 큐-스위처(Q-switcher)가 필요하며, 이는 짧은 펄스의 강한 레이저를 발생시키기 위해 일반적으로 적용되는 광학부품으로 본 발명의 구조에서도 필수적인 요소이다.

본 발명에 적용되는 유도 브릴루앙 산란은 레이저빔이 매질속에서 발생되는 음파(Acoustic Wave)에 의해 산란되는 현상으로서, 유도 브릴루앙 산란된 광은 파장의 변화가 거의 없으며, 레이저광이 입사된 방향(즉, 후방)으로 되돌아 진행한다. 이는 유도 브릴루앙 산란된 레이저광이 위상공액(Phase Conjugate) 특성을 갖기 때문이다. 위상공액 특성은 B. Ya. Zel'dovich, N. F. Pillpsky, V. V. Shkunov, Principles of Phase Conjugation, Spring-Verage(1985)에 의하여 알려져 있다. 이 외에도 유도 브릴루앙 산란은 여러 가지 특성을 나타내고 있으며, 그 특성들은 펄스압축 효과, 빔 클리닝 효과 등이다. 본 발명에 앞서 여러 종류의 응용 실험 및 연구발표, 특허들이 다양하게 알려진 바 있으며, 본 발명에서 이용하는 특성들은 유도 브릴루앙 산란의 위상공액효과 및 빔 클리닝 효과이며, 이 효과를 이용한 다른 구조의 경우에 대해서는 다음의 논문과 톡허들, ("유도 브릴루앙 산란 위상공액 거울을 이용한 광 차단기 및 이를 적용한 광 증폭계", 대한민국 특허, 특허번호 : 318520, 출원일자 : 1999/01/16, 공개일자 : 2000/08/05 ) 및, ("Beam Smoothing in a Passive Q-switched Laser with an Additional Stimulated Brillouin Scattering Output Coupler", Jpn. J. Appl. Phys, vol.35, pp.L1324-L1326 )에 그 동작과 유도 브릴루앙 산란에 의한 효과들이 설명되어있다.

그러나 본 발명은 위 "유도 브릴루앙 산란 위상공액 거울을 이용한 광 차단기 및 이를 적용한 광 증폭계"와 같이, 레이저 증폭기에 적용되거나, "Beam Smoothing in a Passive Q-switched Laser with an Additional Stimulated Brillouin Scattering Output Coupler"와 같이 레이저 발진기에 적용되었으되 출력경 쪽에 적용된 경우의 연구와는 달리 유도 브릴루앙 산란 셀이 집속 렌즈와 같이 기본 공진기 내부의 후면경 쪽에 적용되어 일정 출력이상의 레이저 광에 대해 후면 반사경의 역할을 하여, 출력의 안정적인 발진과 빔 클리닝 효과를 동시에 나타내도록 고안되었다.

본 발명에 따른 실시예는 도2에 도시하였다. 덧붙여 도3은 본 발명에 앞서 연구된 유도 브릴루앙 산란을 이용한 레이저의 빔 클리닝효과에 대한 실험 구조도이다. ("Beam Smoothing in a Passive Q-switched Laser with an Additional Stimulated Brillouin Scattering Output Coupler", Jpn. J. Appl. Phys, vol.35, pp.L1324-L1326,(1996) 의 제 1도 참조 )

이하, 본 발명에 의한 유도 브릴루앙 산란을 이용한 빔 클리닝 레이저 발진방법 및 그 장치를 첨부도면에 도시한 실시예에 따라 상세히 설명한다.

도2에 도시한 바와 같이, 본 발명에 의한 유도 브릴루앙 산란을 이용한 빔 클리닝 레이저 발진장치는, 공진기-후면반사경(1), 큐-스위처(2), 집속렌즈 (5), 유도 브릴루앙 산란 셀(이하 "SBS셀"이라 함)(6), 제2집속렌즈(7), 레이저 봉(3) 및 전체 공진기 출력경(4)의 순서로 배치된다.

본 발명에 의하여 후면경(1)과 레이저 봉(3)사이에는 집속 렌즈(5,7)가 쌍으로 배치되고, 그 초점위치(F)를 포함하게 SBS 셀(6)을 배치한다. 이 제1,2집속렌즈(5,7)는 기존의 공진기 구조와 조화를 이루어 공진기 내의 빔모드를 유지하는 역할을 하며, 동시에 SBS 셀(6) 내부에 강하게 빔을 집속하는 역할을 겸한다. 이 때 빔을 집속하는 이유는 유도 브릴루앙 산란이 통상의 레이저 광보다 더욱 강한 세기에서 발생하기 시작하므로, SBS 셀(6)의 양쪽에서 제1,2집속렌즈(5,7)를 이용하여 그 내부에 레이저 광을 강하게 집속해주어 단위 면적당 세기를 증가시키기 위함이다. 이 때 그 내부에 제1,2집속렌즈(5,7)에 의해 형성된 초점위치에서 유도 브릴루앙 산란이 발생한다. 본 발명에 앞선 여러 연구 들에서도 SBS 셀(6) 내부에 집속하는 구조를 볼 수 있다. ("Beam Smoothing in a Passive Q-switched Laser with an Additional Stimulated Brillouin Scattering Output Coupler", Jpn. J. Appl. Phys, vol.35, pp.L1324-L1326, (1996) 의 제 1도 참조 ), ( "유도 브릴루앙 산란 위상공액거울을 이용한 Nd:YAG 레이저 발진기의 출력특성", 한국광학회지, 13권 6호, pp.548-553, (2002) 의 제 1도 참조)

상기 제1,2집속렌즈(5,7)는 도2에 도시한 바와 같이 SBS 셀(6)에 위치하는 초점을 가지도록 배치됨과 아울러 렌즈의 표면에는 유전체 층(dielectric coating)이 코팅되어야 한다. 이 유전체 층은 레이저 결정이 발진하는 레이저광의 파장에 맞추어 무반사 코팅이 되어있어, 공진기 내부에서의 손실을 줄이게 되어있다.

본 발명에 따른 실시예의 동작을 설명하면 다음과 같다.

처음 초기광(Seed Beam)이 형성되는 과정은 다음과 같다.

초기 레이저는 기본 공진기(A)를 한정하는 공진기 후면반사경(1)과 출력경(4) 사이에서 왕복하면서 증폭되어, 유도 브릴루앙 산란을 유발하는 초기 레이저광을 발생한다. 이 때 기본 공진기의 파장은 레이저 이득매질로 Nd:YAG를 사용할 경우 1064nm가 발진되며, Q-스위처(2)의 동작에 의해 펄스출력의 형태로 제2집속렌즈(7)를 통해 SBS 셀(6)로 집속된다.

SBS 셀(6)로 집속된 레이저광은 셀(2)내의 분자와 상호 작용하여 유도 브릴루앙 산란을 발생시켜 후방산란을 경험한다.

유도 브릴루앙 산란은 비선형 광학현상이며, 매질 속에서 발생하는 음파에 의해 산란되는 현상이다. 유도 브릴루앙 산란된 레이저 광은 파장의 변화가 거의 없으며, 반드시 입사된 방향으로 되반사되어 진행한다. 즉 공진기 출력경(4) 방향으로 진행한다.

유도 브릴루앙 산란된 레이저광은 위상공액 특성을 가지므로 처음 SBS 셀(6)로 집속되던 방향을 따라 그대로 되돌아가게 되는데, 제1집속렌즈(5)와 제2집속렌즈(7)는 면에 무반사 유전체박막층이 코팅되어 있어 거의 대부분(99% 이상)이 투과된다.

이와 같이 집속 렌즈(7)를 투과한 레이저광은 다시 셀 내부의 초점위치(F)에 생기는 유도 브릴루앙 산란 위상공액 거울과 공진기 출력경(4)에서 왕복하면서 증폭되며, 최종적으로 출력경을 통하여 출력된다.

참고로 유도 브릴루앙 산란된 광은 위상 공액 특성을 가지므로 집속 렌즈(5,7)의 초점(F)에서 정확히 공진기 출력경(4)으로 되돌아가게 되는데, 이때 집속 렌즈(13)의 초점(F)의 위치가 위상공액 반사경(Phase Conjugate Mirror)을 이루게 되는 것이다.

여기서 위상공액 반사경이란 일반적으로는 광학 반사경과는 달리 반사된 광이 입사된 방향으로 정확히 되돌아가게 하는 특성을 가진 반사경을 말하는 것이다. 상기 SBS 셀(6)속에서 발생하는 유도 브릴루앙 산란은 레이저광을 되반사 시키는 역할을 하게 되는 것으로, 본 발명에서의 위상공액 반사경이라 함은 SBS 셀(6)속에서 발생하는 유도 브릴루앙 산란 현상에 의하여 만들어지는 것이다. 즉, 상기 위상공액 반사경은 특정한 구성요소를 지칭하는 것은 아니며, SBS 셀(6)내에서의 집속 렌즈에 의해 수렴된 펌프광의 초점위치가 위상공액 반사경을 이루게 되는 것이다.

즉, SBS 셀(6) 속에서의 유도 브릴루앙 산란에 의하여 집속 렌즈(5,7)의 초점에 형성되는 위상공액 반사경과 공진기 출력경(4) 사이에 브릴루앙 공진기가 형성되어 강한 레이저빔이 발진되는 것이다.

본 발명에 따른 실시예에서는 광펌핑이 중단되어, 발진을 멈출 때까지 위의 과정을 되풀이하며, 유도 브릴루앙 산란된 레이저광은 위상공액 특성을 가지므로 유도 브릴루앙 산란된 후 증폭된 광은 빔 클리닝 효과에 의해 공간 빔모드가 깨끗하고 레이저의 전체출력에너지 또한 그 수준을 감소시키지 않는다.

SBS 셀(6) 내에 위상공액거울을 만들어 공진기를 안정화 시키고, 빔 클리닝효과를 자체적으로 가지는 발진기 구조를 제안하는 것이 본 발명의 주된 개념이며, 본 발명에서 사용되는 유도 브릴루앙 산란과 이를 응용하기 위해 무반사 코팅을 사용한 렌즈를 적용한 빔 클리닝 레이저 발진방법과 그 장치는 본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 사상 및 범위 내에서 다양한 변형이 가능할 것이다.

이와 같이 하여 본 발명에 의한 유도 브릴루앙 산란을 이용한 빔 클리닝 레이저 발진장치는 종래의 레이저 발진기에 비해 같은 출력에너지 수준에서 비교할 때, 빔 프로파일 내에 리플이 없이 중앙에 대부분의 출력에너지가 집중된 바람직한 형태의 공간 빔모드를 얻을 수 있게 된다.

이에 따라 본 발명은 기존의 발진기를 활용하여 그 내부에 렌즈 쌍과 용도에 따라 여러 가지 매질로 된 SBS 셀을 추가함으로써 기존 레이저 발진기의 성능을 개선하고 용도를 확장하여 적용 범위를 넓힐 수 있다.

특히 이러한 본 발명은 고출력이면서도 고품질의 레이저 출력이 요구되는 외과, 치과, 안과 수술이나 정밀 산업 용접 분야등의 다양한 분야에서 효과적으로 사용될 수 있다.

도1은 종래 일반 레이저 발진기의 구성을 보인 설명도

도2는 본 발명에 따른 유도 브릴루앙 산란을 이용한 빔 클리닝 레이저 발진기의 설명도

도3은 본 발명과는 유사한 구조를 가진 유도 브릴루앙 산란을 이용한 빔 클리닝 레이저의 설명도

* 도면의 주요부분에 대한 기호 설명

A : 기본 공진기 (Start cavity)

B : 브릴루앙 공진기 (Brillouin cavity)

1 : 공진기 후면경 (Rear mirror)

2 : 큐-스위처 (Q-switcher)

3 : 레이저 봉 (Laser-head or Laser-rod)

4 : 공진기 출력경 (Output coupler)

5 : 집속렌즈 #1 (focusing lens #1)

6 : 유도 브릴루앙 산란 셀 (SBS-cell)

7 : 집속렌즈 #2 (focusing lens #2)

F : 집속렌즈의 초점

Claims (5)

1. 레이저빔의 출력 방향으로부터 공진기 출력경(4), 레이저 봉(3), 큐-스위처(2) 및 공진기 후면반사경(1)이 순차적으로 배치되어 이루어지는 기본 공진기(A)를 갖는 공지의 레이저 발진 장치에 있어서,

   공진기 출력경(4)과 큐-스위처(2)사이에 유도 브릴루앙 산란에 의한 위상공액 특성을 가지도록 상기 SBS 셀(6)과 그내부에 집속 초점을 갖는 무반사 유전체 박막층이 코팅된 제1,2집속렌즈(5,7)로 구성된 브릴루앙 공진기(B)를 구비함을 특징으로 하는 유도 브릴루앙 산란을 이용한 빔 클리닝 레이저 발진 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 큐-스위처(2)는 Cr:YAG, 색소(Dye)등의 고상(固狀)또는 액상(液狀)의 수동형 포화흡수체(saturable absorber)인 것을 특징으로 하는 유도 브릴루앙 산란을 이용한 빔 클리닝 레이저 발진 장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 SBS 셀(6)은 FC-75 또는 FC-72등의 액체(液體)이거나 메탄등의 기체(氣體) 매질인 것을 특징으로 하는 유도 브릴루앙 산란을 이용한 빔클리닝 레이저 발진장치.
4. 제1항에 있어서, 상기 레이저 봉(3)은 이득매질 봉으로서 Nd:YAG 또는 Nd:Glass, Nd:YLF 등의 고체(固體)매질 이거나, CO2 또는 Iodine 등의 기체(氣體)매질임을 특징으로 하는 유도 브릴루앙 산란을 이용한 빔클리닝 레이저 발진장치.
5. 공진기 출력경(4)과 공진기 후면경(1)으로 구성된 기본 공진기를 이용하여 초기 레이저광을 발생시키는 단계와;

   상기 초기 레이저광을 제1,2집속렌즈(5,7)를 통하여 SBS 셀(6) 내부로 집속함으로써 집속된 레이저빔에 의해 유도 브릴루앙 산란되게 하는 산란 단계와;

   상기 산란 단계에서 발생한 유도 브릴루앙 산란된 레이저빔이 위상공액 특성에 의해 상기 제1,2집속렌즈(5,7)의 전면으로 되돌아가는 재공진 단계와;

   상기 위상 공액 반사경과 공진기 출력경(4) 사이에서 계속 왕복하는 레이저광이 레이저 봉(3)을 지날때마다 그 내부에서 증폭되는 증폭단계와;

   상기 SBS 셀(6) 내에서 유도 브릴루앙 산란된 레이저광이 점차적으로 빔 클리닝효과를 겪으면서 깨끗한 출력으로 변화되어, 공진기 출력경(4)을 통한 최종레이저 출력으로 구성되는 출력단계;

   를 구비하는 것을 특징으로 하는 유도 브릴루앙 산란을 이용한 빔 클리닝 레이저를 발진시키는 방법.