KR100525566B1 - 유도 브릴루앙 산란과 2차 라만-스토크스파 발생을 이용한라만 레이저 발진 장치 및 방법 - Google Patents

유도 브릴루앙 산란과 2차 라만-스토크스파 발생을 이용한라만 레이저 발진 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 유도 브릴루앙 산란(Stimulated Brillouin Scattering; SRS)과 2차 라만-스토크스파 발생을 이용한 라만 레이저의 발진 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 라만 셀에 발생된 유도 브릴루앙 산란광을 다시 공진기 후면 반사경으로 보내는 것과 더불어 전체 공진기 내부에 펌프광과 1차 라만-스토크스파를 가두어 놓고, 2차 라만-스토크스파에 대해서만 투과시키는 기술에 관한 것이다. 본 발명의 장치 및 방법은 2.8㎛의 치과용 고출력 펄스 레이저의 개발 등에 응용될 수 있다.

Description

유도 브릴루앙 산란과 2차 라만-스토크스파 발생을 이용한 라만 레이저 발진 장치 및 방법 {Apparatus and method for Raman laser using stimulated Brillouin scattering and second order Raman-Stokes wave generation}
본 발명은 라만 레이저 발진 기술분야에 관한 것으로, 특히 유도 브릴루앙 산란(Simulated Brillouin Scattering; SBS)과 2차 라만-스토크스파(2nd order Raman-Stokes wave generation)를 이용한 라만 레이저 발진 방법 및 장치에 관한 것이다.
빛의 라만 산란은 1928년 인도의 C. V. Raman과 K. S. Krishnan에 의하여 처음 관찰되었으며, 현재의 라만 분광학의 기초가 되는 현상이다. 유도 라만 산란(Stimulated Raman scattering; SRS)은 1960년 T. H. Maiman에 의하여 레이저가 발명된 이후 발견된 여러 가지 비선형 광학적 현상들 중의 하나로서, 1962년 휴즈항공사의 E. J. Woodbury와 W. K. Ng에 의하여 니트로벤젠(nitrobenzene) 용액에서 처음 관찰되었다. 빛의 유도 산란은 1916년 A. Einstein에 의하여 제안된 빛의 유도 방출 현상이 광산란에 적용된 예로서 산란된 광이 레이저와 같은 간섭성(coherence)을 가진다. 특히 유도 라만 산란은 파장의 전이(shift)가 크고, 변환 효율이 높으므로 새로운 파장의 레이저 광을 발생시키기 위한 방법으로 이용되고 있다. 라만 산란 과정에서 산란광의 주파수가 입사광의 주파수보다 작으면 스토크스(Stokes)과정, 반대로 증가할 경우는 안티스토크스(Anti-Stokes)과정이라 한다.
일반적으로 유도 라만 산란을 이용한 레이저 발진기는 펌프광 공진기에서 발생된 펌프광을 개스나 액체 등이 들어있는 라만 셀에서 산란시킴으로써 레이저광의 파장을 변화시켜 원하는 파장의 레이저광을 출력시키는 것으로서, 이는 산업에 응용되는 각종 측정기 및 파장변환 레이저 등에 이용되고 있다.
도 1은 종래의 라만 레이저 발진장치의 개략적 구성도로서, 그 구조는 미국특허 제 4,821,272호에 기재된 것과 거의 동일하다. 이를 참조하여 종래의 라만 레이저 발진 장치 및 그 동작을 설명하면 다음과 같다.
일반적인 라만 레이저의 경우, 도 1에 도시한 바와 같이 별도의 라만 셀(2)을 레이저 공진기의 출력경(7) 앞에 부착하여 라만 셀(2) 속에서 발생하는 유도 라만 산란에 의한 레이저의 파장변환 효과를 이용하고 있다. 이러한 라만 셀(2)로는 통상적으로 메탄 개스 셀이 많이 이용되고 있다.
공진기 후면 반사경(6)은 펌프광을 반사시키는 역할을 하고, 레이저 출력경(7)은 공진기 후면 반사경과 함께 펌프광 공진기(A)를 구성하여 그 펌프광 공진기(A) 내에서 펌프광을 반사하여 펌프광을 증폭한다. 레이저봉(4)의 전면(4A)에는, 펌프광에 대한 높은 반사율을 갖도록 유전체 코팅이 되어 있어서, 라만 셀(2)에서 반사되는 레이저광을 다시 라만 셀(2)로 반사시키는 역할을 한다. 큐-스위처(5)는 레이저의 펄스폭을 짧게 하고, 세기를 증가시키는 역할을 하는 광학장치로서 통상 포화 흡수체(Saturable Absorber)를 이용한다. 이와 같은 큐-스위처(5)는 간단하게 적용할 수 있는데, 이 경우 10 내지 20㎱의 펄스폭을 얻을 수 있다. 레이저봉(4)은 공진기 후면 반사경(6)과 레이저 출력경(7)의 사이를 왕복하는 레이저를 증폭하는 역할을 하는데, 레이저봉(4)으로서 Nd:YAG 결정을 사용할 경우에 발생하는 레이저광의 파장은 1.06㎛가 된다. 집속 렌즈(3)는 레이저 공진기에서 출력되는 레이저를 라만 셀(2)로 집속시킨다. 라만 셀(2)로서 개스 셀을 사용할 경우, 개스 분자의 분자 진동 사이의 상호작용에 의해 유도 라만 산란이 발생하여 펌프광 파장이 변한다.
이렇게 유도 라만 산란된 레이저광은 파장이 길어지게 되어 라만 셀(2) 속의 개스가 메탄(CH4)일 경우, 1.06㎛의 파장이 1.54㎛로 변한다. 라만 셀(2) 속의 내용물인 메탄과 같은 기체(또는 액체)는 통상 라만 이득 매질(Raman Gain Medium)이라고 불리는데, 메탄, 중수소(D2), 수소(H2)등이 주로 사용된다. 최종적으로 라만 변환된 레이저빔은 시준렌즈(1)를 통하여 평행광이 되어 출력된다. 도면 전체에서 점선은 광경로를 나타낸다.
그러나 이러한 종래의 라만 레이저 발진장치에는 다음과 같은 문제점들이 있다.
첫째, 라만 셀(2) 속에서는 유도 라만 산란과 함께 유도 브릴루앙 산란이 발생하게 되는데, 이 유도 브릴루앙 산란으로 인한 손실이 크다. 유도 브릴루앙 산란은 레이저빔이 매질속에서 발생되는 음파(Acoustic Wave)에 의해 산란되는 현상으로서, 유도 브릴루앙 산란된 광은 파장의 변화가 거의 없으며, 반드시 레이저광이 라만 셀(2)로 입사된 방향(즉, 후방)으로 진행한다. 이는 유도 브릴루앙 산란된 레이저광이 위상공액(Phase Conjugate) 특성을 갖기 때문이다. 유도 브릴루앙 산란광의 위상공액 특성은 1972년도에 Zel'dovich 등에 의하여 처음으로 발표된 사실로서 광학계에서 이미 널리 알려진 사실이므로 이에 대한 별도의 설명은 생략한다. 이렇게 유도 브릴루앙 산란된 레이저광은 처음 라만 셀(2)로 집속되었던 방향으로 다시 되돌아가게 된다. 그러나 유도 브릴루앙 산란된 레이저광은 펌프광이 파장과 거의 같아서 레이저 출력경(7)에 의하여 상당량이 반사되어 다시 펌프광 공진기(A) 내로 유입되지 못한다. 따라서 종래의 레이저 발진기에서의 유도 브릴루앙 산란은 출력의 저하 또는 손실을 가져온다. 즉, 종래의 유도 라만 산란을 이용한 라만 레이저 발진기의 경우에는 출력경(7)과 유도 브릴루앙 산란이 라만 레이저광의 출력을 방해하는 요소로 작용하여 효율 및 세기가 저하된다. 이전의 라만 변환장치들은 유도 브릴루앙 산란되는 레이저광을 효율적으로 제거하는 구조에 대해 제시하고 있다. 그러나 라만 셀 내부에 레이저빔을 집속함으로써 파장을 변화시키는 라만 레이저 변환 방법에서 유도 라만 산란과 함께 발생하는 유도 브릴루앙 산란의 발생을 근본적으로 배제할 수는 없다.
둘째, 광학적 정렬이 잘 되어 있는 구조에서도 라만 변환효율은 한계가 있으며, 이는 집속렌즈(3)에 의해 라만 셀 내부에 집속된 후, 라만 변환을 일으키지 않은 채, 시준렌즈(1)쪽으로 진행을 계속하는 펌프광이 출력광에 포함되어 나가기 때문이다. 즉 기본적인 구조상 라만 변환시 원재료가 되는 기본파장에 대한 레이저광이 한번 셀을 지나치고 외부로 유출되는 것이다.
마지막으로, 발진기의 구성품 사이의 광학적 정렬(반사면 간의 평행도 등)이 용이하지 않다. 왜냐하면, 종래의 라만 발진기에서는 레이저 출력경(7)이 필수적인 요소인데, 발진기를 구성하는 부품의 수가 늘어날수록 부품들 사이의 광학적 정렬이 더욱 어려워지며, 만일 광학적 정렬이 제대로 이루어지지 않으면, 필연적으로 출력이 저하되는 결과를 가져온다. 또한 처음에 부품들 사이의 광학적 정렬이 정확히 되었다 하더라도 시간이 경과함에 따라 주위환경(기계적 진동 또는 충격)에 의해 영향을 받아서 정렬상태가 흐트러지며, 사용된 부품의 수가 많을수록 정렬상태가 흐트러지기 쉽다. 즉 사용된 광학적 부품의 수가 적을수록 정렬의 안정성이 높아지는 것이다.
한편, 본 발명자들 중의 일부는, 상기한 첫째 문제점을 해결하기 위해, 라만 셀에서 유도 라만 산란과 함께 발생된 위상공액특성을 갖는 유도 브릴루앙 산란된 레이저광을 다시 레이저 공진기로 되돌아 갈 수 있도록 설계된 특수 집속렌즈를 이용한 라만 레이저 발진장치를 개발하였으며, 이에 대해 한국특허 등록 제119180호를 부여받았다. 도 2에 이러한 유도 브릴루앙 산란을 이용한 종래의 라만 레이저 발진기의 구성을 개략적으로 나타내었다. 도 2를 참조하면, 도 2에 도시된 라만 레이저 발진기는 도 1의 종래의 라만 레이저 발진장치에서 레이저 공진기의 출력경(7)과 집속 렌즈(3)를 통합하여 하나의 새로운 집속 렌즈(13)에 의해 그 기능을 수행하도록 하고 있음을 알 수 있다. 이러한 집속 렌즈(13)는 라만 셀(2)에 위치하는 초점을 가짐과 아울러 그 전면(13A)에 코팅된 유전체층을 가진다. 이 유전체층은 이색성 반사경의 역할을 행한다. 따라서, 공진기 후면 반사경(6)과 집속 렌즈(13)의 전면(13B)과의 사이에서 종래 유도 라만 산란을 이용한 레이저 발진기에서와 같은 펌프광 공진기(A)가 형성된다. 한편, 펌프광 공진기 방향으로 진행하는 브릴루앙 산란광은 집속 렌즈(13)의 전면(13A)에 브릴루앙 산란광을 투과시키기 위한 유전체 코팅층이 있기 때문에 거의 대부분 집속 렌즈(13)를 투과하며, 이는 다시 공진기 후면 반사경(6)에서 반사되어 다시 집속 렌즈(13)를 거쳐 라만 셀(2)로 재 집속된다. 유도 브릴루앙 산란된 광은 위상 공액 특성을 가지므로 집속 렌즈(13)의 초점에서 정확히 공진기 후면 반사경(6)으로 되돌아가게 되는데, 이 때 집속 렌즈(13)의 초점 위치가 위상 공액 반사경을 이루게 된다. 여기서, 위상 공액 반사경이란 반사된 광이 입사된 방향으로 정확히 되돌아가게 하는 특성을 가진 반사경을 말하는 것으로서, 일반적인 광학 반사경과는 달리 특정한 유형의 구성요소를 지칭하는 것은 아니고 라만 셀(2) 내에서 집속 렌즈(13)의 초점 위치가 위상 공액 반사경을 이루게 되는 것이다.
따라서, 라만 셀(2) 내에 있는 집속 렌즈(13)의 초점 위치와 공진기 후면 반사경(6) 사이에서 브릴루앙 공진기(B)를 이루게 된다. 결론적으로, 유도 브릴루앙 산란은 종래의 유도 라만 산란을 이용한 레이저 발진기에서는 손실의 요인으로 작용하였으나, 도 2에 도시된 레이저 발진기에서는 유도 브릴루앙 산란이 오히려 펌프광의 세기를 크게 유지시키는 원인으로 작용하여 레이저 출력을 증대시킬 수 있다.
그러나 이상에서 살펴본 상기의 라만 레이저 발진장치들은 모두 1차 라만-스토크스파를 출력광으로 이용하는 경우에만 한정되어 있으며, 2차 라만-스토크스파를 이용할 수 있는 구조에 대해서는 언급되어 있지 아니하다. 라만 이득 매질로서 메탄을 사용할 경우 2차 라만-스토크스파의 파장은 2.8㎛가 된다. 현재 2.8㎛ ~ 3.0㎛ 파장의 레이저는 Er 레이저(어븀 레이저)가 주류를 이루고 있는데, Er은 여러 가지 레이저 특성들(효율, 발진 문턱 에너지, 열 효과에 의한 출력빔의 질저하)이 좋지 못함에도 불구하고 여타 발진 이득매질이 전무한 관계로 사용되고 있는 형편으로서, 대체 레이저 개발이 요구되고 있는 상황이다.
따라서, 본 발명의 기술적 과제는, 전체 공진기 내부에 라만 변환의 원천이 되는 펌프광 및 1차 라만-스토크스파를 가두어 놓고, 2차 라만-스토크스파를 발생시켜, 이에 대해서만 전체 공진기 출력경을 통해 투과시킴으로써 최종적인 변환 효율을 높이는 구조를 갖는, 유도 브릴루앙 산란과 2차 라만-스토크스파 발생을 이용한 라만 레이저 발진 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
즉, 본 발명에서는 2차 라만-스토크스파의 발생을 위하여 라만 변환에 사용되는 집속 렌즈와 전체 공진기 출력경 및 공진기 후면 반사경에 각기 코팅을 달리함으로써, 종래 라만 레이저 발진기들과는 상이한 구조를 가지게 되고, 최종적인 출력에서도 기존의 라만 변화 장치 이상의 효과 또는 출력을 갖는 라만 레이저 변환 장치 및 방법을 제공하려는 것이다.
상기의 기술적 과제들을 해결하기 위한 본 발명의 장치는, 레이저빔의 출력 방향으로부터 전체 공진기 출력경, 라만 셀, 집속 렌즈, 레이저봉, 큐-스위처 및 공진기 후면 반사경이 순차적으로 배치되어 이루어지는 유도 브릴루앙 산란과 2차 라만-스토크스파 발생을 이용한 라만 레이저 발진 장치로서,
상기 전체 공진기 출력경이 기본 파장과 1차 라만-스토크스파에 대해 모두 고반사이고 2차 라만-스토크스파에 대해서만 투과하는 성질을 가지며;
상기 집속 렌즈가 상기 라만 셀 내에 집속 초점을 갖도록 위치하며, 상기 라만 셀과 대향하는 상기 집속 렌즈의 전면에는, 기본 파장에 대해서는 부분반사인 동시에 1차 라만-스토크스파와 2차 라만-스토크스파에 대해서는 고반사인 코팅층이 형성되어 있어서;
상기 공진기 후면 반사경과 집속렌즈 사이에 펌프광 공진기가 형성되고, 상기 집속 렌즈 전면과 전체 공진기 출력경 사이에는 2차 라만-스토크스파 공진기가 형성되며, 상기 공진기 후면 반사경과 상기 라만 셀 내에서의 유도 브릴루앙 산란에 의한 위상공액 특성에 의해 형성되는 위상공액 반사경과의 사이에서 브릴루앙 공진기가 형성되는, 유도 브릴루앙 산란과 2차 라만-스토크스파 발생을 이용한 라만 레이저 발진 장치인 것을 특징으로 한다.
또한 상기 라만 셀로서 개스 셀을 사용할 수 있으며, 이 경우 메탄, 중수소 및 수소로 구성된 군으로부터 선택된 어느 하나를 사용할 수 있다.
만약, 상기 라만 셀로서 액체 셀을 사용할 경우, 아세톤, 사염화탄소 및 물로 구성된 군으로부터 선택된 어느 하나를 사용할 수 있다.
상기한 기술적 과제들을 해결하기 위한 본 발명의 방법은, 상기한 본 발명의 라만 레이저 발진 장치에 적용되는 라만 레이저 발진 방법으로서,
상기 집속 렌즈의 한 면(13A)과 공진기 후면 반사경을 이용하여 초기 펌프광을 발생시키는 단계와;
상기 펌프광을 집속 렌즈를 통하여 라만 셀 내부로 집속함으로써 집속된 레이저빔의 일부는 유도 라만 산란되게 하고, 일부는 유도 브릴루앙 산란되게 하는 산란 단계와;
상기 산란 단계에서 발생한 유도 라만 산란된 2차 라만-스토크스파는 전체 공진기 출력경을 통하여 출력되게 하고, 전체 공진기 출력경 방향으로 진행하는 라만 변환되지 아니한 펌프광과 1차 라만-스토크스파는 되반사되어, 위상공액 특성을 가지고 유도 브릴루앙 산란된 펌프광과 함께 상기 집속 렌즈의 전면으로 되돌아가는 재공진 단계와;
상기 전체 공진기 출력경에 의해 반사된 펌프광과 1차 라만-스토크스파 및 유도 브릴루앙 산란된 후 상기 집속 렌즈의 이색성 코팅에 의해 다시 상기 라만 셀로 집속된 펌프광과 1차 라만-스토크스파가 라만 셀 내부에서 산란되는 재산란 단계와;
상기 라만 셀 내에서 2차 유도 라만 산란된 레이저광을 출력시키며, 반복적인 2차 라만-스토크스파의 생성과 그 출력으로 구성되는 출력단계;
를 구비하는 것을 특징으로 한다.
이하에서, 본 발명에 의한 유도 브릴루앙 산란과 2차 라만-스토크스파 발생을 이용한 라만 레이저 발진 장치 및 방법을 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 유도 브릴루앙 산란과 2차 라만-스토크스파 발생을 이용한 라만 레이저 발진 장치의 개략적 구성도이다. 도 3을 참조하면, 상기 레이저 발진 장치는, 전체 공진기 출력경(21), 라만 셀(2), 집속 렌즈(13), 레이저 봉(4), 큐-스위처(5) 및 공진기 후면 반사경(6)의 순서로 배치된다.
여기서 라만 셀(2)과 레이저 봉(4) 사이에는 특수하게 고안된 집속 렌즈(13)가 배치되고, 종래 집속렌즈의 후방에 배치되었던 출력경은 재배치되었다. 집속렌즈(13)는 도 3에 도시한 바와 같이, 라만 셀(2)에 위치하는 초점을 가짐과 아울러 라만 셀(2)과 대향하는 집속 렌즈의 전면(13A)에 유전체층이 코팅된다. 이 유전체층은 이색성(Dichroic) 반사경의 역할을 하도록 구성되는 것이다. 이는 전체 공진기 출력경에 의해 반사된 1차 라만-스토크스파 및 유도 브릴루앙 산란된 2차 라만-스토크스파와 1차 라만-스토크스파가 다시 반사되도록 하는 역할을 수행하는데, 이를 위해서 상기 이색성 코팅 구조는 기본 파장에 대해서는 부분반사 코팅이 되어 있으며, 2차 라만-스토크스파와 1차 라만-스토크스파에 대해서는 고반사율 코팅을 가지고 있다.
그리고 기존의 시준렌즈(1)는 펌프광과 1차 라만-스토크스파를 2차 라만-스토크스파 공진기 내부에 한정시켜주는 전체 공진기 출력경(21)이 대신하게 된다. 전체 공진기 출력경(21)은 펌프광의 기본파장과 1차 라만-스토크스파에 대해 모두 고반사율(99%이상)을 가지고 있으며, 2차 라만-스토크스파에 대해서만 투과시킨다. 그러므로 펌프광과 1차 라만-스토크스파를 전체 공진기 출력경(21)과 집속 렌즈(13) 사이에 가두는 효과를 가진다.
이색성 코팅된 집속 렌즈(13)와 전체 공진기 출력경(21)은 기본파장의 펌프광을 효율적으로 2차 라만-스토크스파로 변환하고, 그 후에 레이저 출력으로 이끌어내는 목적을 위해 세가지 파장에 대해 특수하게 설계된 구조이며, 유도 브릴루앙 산란거울과 더불어 전체 발진기 및 변환 장치의 구조에 있어서 중요한 요소로서 본 발명만의 핵심적인 것이다.
상기한 구조로부터, 도 3에 도시한 바와 같이, 공진기 후면 반사경(6)과 집속렌즈(13) 사이에서 펌프광 공진기(A)가 형성되며, 집속 렌즈 전면(13A)과 전체 공진기 출력경(21)의 후면과의 사이에서 2차 라만-스토크스파 공진기가 형성된다. 또한 공진기 후면 반사경(6)과 라만 셀(2) 내에서 유도 브릴루앙 산란에 의한 위상공액 특성에 의하여 형성되는 위상공액 반사경과의 사이에서 브릴루앙 공진기가 형성된다. 한편, 위상공액 반사경의 위치는, 도 4에 도시한 바와 같이, 집속 렌즈(13)의 초점(F) 위치에 결정된다.
본 발명의 실시예에 따른 유도 브릴루앙 산란과 2차 라만-스토크스파 발생을 이용한 라만 레이저 발진 방법을 설명하면 다음과 같다.
처음 초기광(Seed Beam)이 형성되는 과정은 다음과 같다.초기 레이저는 펌프광 공진기(A)를 한정하는 공진기 후면 반사경(6)과 집속렌즈의 면(13A) 사이에서 왕복하면서 증폭되어 라만 셀(2) 내에서 발생하는 유도 브릴루앙 산란을 유발하는 초기 펌프광을 형성한다. 이때 펌프광 공진기(A)의 기본 발진 파장은 레이저 이득 매질로 Nd:YAG를 사용할 경우, 1.06㎛가 발진된다. 기본 발진 파장은 고반사율 코팅(99%)된 공진기 후면 반사경(6)에 의해 펄스 출력의 형태로 집속 렌즈(13)를 통과해 라만셀(2)로 집속된다. 라만 셀(2)로 집속된 펌프광은 라만 셀(2) 내의 분자와 상호 작용하여 유도 라만 산란과 함께 유도 브릴루앙 산란을 경험한다. 유도 브릴루앙 산란은 유도 라만 산란과 마찬가지로 비선형 광학현상이며, 매질 속에서 발생하는 음파에 의해 산란되는 현상이다. 유도 브릴루앙 산란된 레이저 광은 파장의 변화가 거의 없으며, 반드시 입사된 방향으로 진행한다. 즉 공진기 후면 반사경(6) 방향인 후방으로 진행한다. 유도 라만 산란된 광은 후방(공진기 후면 반사경(6) 방향)과 전방(전체 공진기 출력경(21) 방향)으로 진행한다.
전체 공진기 출력경(21)을 향해 진행하는 2차 라만-스토크스파는 평행광이 되어 전체 공진기 출력경(21)을 통과하지만, 변환되지 않은 펌프광과 1차 라만-스토크스파는 전체 공진기 출력경(21)에 의해 대부분 반사되어, 후방 즉 레이저봉(4) 방향으로 진행하게 된다. 펌프광은 펌프광 공진기(A)로 대부분 다시 유입되며, 1차 라만-스토크스파는 집속렌즈(13) 전면(13A)에 코팅된 유전체층에서 대부분(약 99%)이 반사되어 다시 집속렌즈의 초점을 향하게 된다. 여기서 라만 출력 에너지가 최대가 되기 위해서는 개스 셀의 경우 개스의 압력이 적절히 조절되어야 하며, 액체 라만 셀을 사용하는 경우 그러한 최적화 조건은 고려하지 않는다.
반면, 라만 변환되지 않고 유도 브릴루앙 산란된 펌프광은 위상공액 특성을 가지므로 처음 라만 셀(13)로 집속되던 방향을 따라 그대로 되돌아가게 되는데, 본 발명에서는 집속 렌즈(13)의 전면(13A)에 유전체층이 코팅이 되어 있어 거의 대부분(95%)이 투과된다. 이렇게 집속 렌즈(13)를 투과한 펌프광은 다시 공진기 후면 반사경(6)에서 반사되어 다시 집속 렌즈(13)에 의해 라만 셀(2)로 재집속된다. 그런데 실제로는 유도 브릴루앙 산란된 광은 위상공액 특성을 가지므로 집속 렌즈(13)의 초점(F)에서 정확히 공진기 후면 반사경(6)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 라만 셀(2) 속에서는 유도 라만 산란이 함께 일어나게 되며, 여기서 유도 라만 산란은 레이저광의 파장을 변화시키는 역할을 하고, 유도 브릴루앙 산란은 레이저광을 되반사시키는 역할을 하게 되는 것으로, 본 발명에서의 위상공액 반사경이라 함은 라만 셀(2) 속에서 발생하는 유도 브릴루앙 산란 현상에 의하여 만들어지는 것이다. 즉, 상기 위상공액 반사경은 특정한 구성요소를 지칭하는 것이 아니고 라만 셀(2) 내에서의 집속 렌즈(13)의 초점의 조정위치가 위상공액 반사경을 이루게 되는 것이다. 즉, 라만 셀(2) 속에서의 유도 브릴루앙 산란에 의하여 집속 렌즈(13)의 초점(F)에 형성되는 위상공액 반사경과 공진기 후면 반사경(6) 사이에 브릴루앙 공진기가 형성되어 강한 레이저빔이 발진되는 것이다.
이 때, 상기 유도 브릴루앙 산란은 종래의 유도 라만 산란을 이용한 레이저 발진기에서는 손실의 요인이 되었으나, 본 발명에서는 이를 이용하여 출력을 증대시킬 수 있는 것이다. 다시 말해 종래의 유도 라만 산란을 이용한 레이저 발진기에서 손실효과를 가져오던 유도 브릴루앙 산란이 본 발명에서는 오히려 펌프광의 세기를 크게 유지시키는 과정이 되고, 결과적으로 레이저 발진기의 최종출력을 증대시키게 된다. 본 발명에 따르는 실시예에서는 광펌핑이 중단되어 발진을 멈출 때까지 위의 과정을 되풀이하는데, 유도 브릴루앙 산란된 레이저광은 위상공액 특성을 가지므로 유도 브릴루앙 산란된 후 증폭된 광은 집속성이 우수하여 라만 레이저의 출력을 증대시킨다.
라만 셀에 발생된 유도 브릴루앙 산란광을 다시 공진기 후면 반사경으로 보내는 것과 더불어 전체 공진기 내부에 펌프광과 1차 라만-스토크스파를 가두어 놓고, 2차 라만-스토크스파에 대해서만 투과시키는 구조가 본 발명의 주된 개념이며, 본 발명에서 사용되는 유도 브릴루앙 산란과 이를 이용하기 위해 이색성 코팅된 특수렌즈를 적용한 라만 레이저 발진방법과 그 장치는 본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 사상 및 범위 내에서 다양한 변형이 가능할 것이다.
본 발명에 따른 유도 브릴루앙 산란을 이용한 라만 레이저 발진 장치는 종래의 라만 레이저 발진 장치에 비해 우수한 효율을 갖는다. 여러 가지 라만 셀을 사용할 경우 근적외선 영역에서 넓은 범위의 파장가변성과 고출력을 얻을 수 있으므로, 여러 분야, 특히 근래 널리 사용되는 치과 의학용 레이저에 이용될 수 있다. 예컨대 도 3에 제시한 구조가 1.06㎛의 기본파장을 갖는 YAG 레이저의 2차 라만-스토크스파의 발진에 적용될 경우, 라만 변환시 2.8㎛의 치과용 고출력 펄스 레이저의 개발에 응용될 수 있다.
도 1은 종래의 라만 레이저 발진 장치의 구성도;
도 2는 유도 브릴루앙 산란을 이용한 종래의 라만 레이저 발진 장치의 구성도;
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 유도 브릴루앙 산란과 2차 라만-스토크스파 발생을 이용한 라만 레이저 발진 장치의 구성도;
도 4는 본 발명의 라만 레이저 발진 장치의 내부 집속 렌즈의 상세도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
1 : 시준렌즈 2 : 라만 셀
3 : 집속렌즈 4 : 레이저봉
5 : 큐-스위처 6 : 공진기 후면 반사경
7 : 공진기 출력경 13 : 유전체층이 코팅된 집속렌즈
13A : 집속 렌즈(13)의 전면 13B : 집속렌즈(13)의 후면
21 : 전체 공진기 출력경 F : 집속렌즈의 초점

Claims (6)

  1. 레이저빔의 출력방향으로부터 전체 공진기 출력경, 라만 셀, 집속 렌즈, 레이저봉, 큐-스위처 및 공진기 후면 반사경이 순차적으로 배치되어 구성되고,
    상기 전체 공진기 출력경이 기본 파장과 1차 라만-스토크스파에 대해 모두 고반사이고, 2차 라만-스토크스파에 대해서만 투과하는 성질을 가지며;
    상기 집속 렌즈가 상기 라만 셀 내에 집속 초점을 갖도록 위치하며, 상기 라만 셀과 대향하는 상기 집속 렌즈의 전면에는, 기본 파장에 대해서는 부분반사인 동시에 1차 라만-스토크스파와 2차 라만-스토크스파에 대해서는 고반사인 코팅층이 형성되어 있어서;
    상기 공진기 후면 반사경과 집속 렌즈 사이에는 펌프광 공진기가 형성되고, 상기 집속 렌즈 전면과 전체 공진기 출력경 사이에는 2차 라만-스토크스파 공진기가 형성되며, 상기 공진기 후면 반사경과 라만 셀 내에서의 유도 브릴루앙 산란에 의한 위상공액 특성에 의해 형성되는 위상공액 반사경과의 사이에는 브릴루앙 공진기가 형성되는 것을 특징으로 하는, 유도 브릴루앙 산란과 2차 라만-스토크스파 발생을 이용한 라만 레이저 발진 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 라만 셀이 개스 셀인 것을 특징으로 하는, 유도 브릴루앙 산란과 2차 라만-스토크스파 발생을 이용한 라만 레이저 발진 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 개스 셀이 메탄, 중수소 및 수소로 구성된 군으로부터 선택된 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는, 유도 브릴루앙 산란과 2차 라만-스토크스파 발생을 이용한 라만 레이저 발진 장치.
  4. 제1항에 있어서, 라만 셀이 액체 셀이 것을 특징으로 하는, 유도 브릴루앙 산란과 2차 라만-스토크스파 발생을 이용한 라만 레이저 발진 장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 액체 셀이 아세톤, 사염화탄소 및 물로 구성된 군으로부터 선택된 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는, 유도 브릴루앙 산란과 2차 라만-스토크스파 발생을 이용한 라만 레이저 발진 장치.
  6. 유도 브릴루앙 산란과 2차 라만-스토크스파 발생을 이용한 제 1항에 기재된 라만 레이저 발진 장치에 적용되는 라만 레이저 발진 방법으로서,
    상기 집속 렌즈의 전면(13A)과 공진기 후면 반사경을 이용하여 초기 펌프광을 발생시키는 단계와;
    상기 펌프광을 집속 렌즈를 통하여 라만 셀 내부로 집속함으로써 집속된 레이저빔의 일부는 유도 라만 산란되게 하고, 일부는 유도 브릴루앙 산란되게 하는 산란 단계와;
    상기 산란 단계에서 발생한 유도 라만 산란된 2차 라만-스토크스파는 전체 공진기 출력경을 통하여 출력되게 하고, 전체 공진기 출력경 방향으로 진행하는 라만 변환되지 아니한 펌프광과 1차 라만-스토크스파는 되반사되어, 위상공액 특성을 가지고 유도 브릴루앙 산란된 펌프광과 함께 상기 집속 렌즈의 전면으로 되돌아가는 재공진 단계와;
    상기 위상공액 반사경과 집속 렌즈 사이에서 반사된 펌프광과 1차 라만-스토크스파가 집속 렌즈가 가진 이색성 코팅에 의해 다시 상기 라만 셀로 집속되어 그 내부에서 산란되는 재산란 단계와;
    상기 라만 셀 내에서 유도 라만 산란된 2차 라만-스토크스파를 출력시키며, 반복적으로 2차 라만-스토크스파를 생성하고 출력하는 출력단계;
    를 구비하는 것을 특징으로 하는, 유도 브릴루앙 산란과 2차 라만-스토크스파 발생을 이용한 라만 레이저 발진 방법.
KR10-2003-0026760A 2003-04-28 2003-04-28 유도 브릴루앙 산란과 2차 라만-스토크스파 발생을 이용한라만 레이저 발진 장치 및 방법 KR100525566B1 (ko)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN107121871A (zh) * 2017-06-02 2017-09-01 中国科学院光电研究院 一种受激布里渊散射相位共轭镜单池装置
CN114026750A (zh) * 2019-06-05 2022-02-08 恩耐公司 光纤激光不敏感的瞄准激光器

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20200251874A1 (en) * 2019-01-31 2020-08-06 L3Harris Technologies, Inc. Continuous wave end-pumped laser
US11881676B2 (en) * 2019-01-31 2024-01-23 L3Harris Technologies, Inc. End-pumped Q-switched laser

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