KR100532888B1 - 구리증기레이저의 퍼짐각 제어장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 레이저 출력빔의 퍼짐각을 제어하고 원거리강도분포를 개선하기 위한 구리증기레이저의 퍼짐각 제어장치에 관한 것으로, 반공초점 공진기 내에 선속분할기와 조리개를 구비시켜 조리개의 구경을 조절함으로서 레이저빔의 퍼짐각과 원거리출력밀도를 제어할 수 있다.

따라서, 본 발명에 의하면 구리증기레이저와 같은 펄스형 고출력레이저를 활용한 레이저가공 및 레이저 펌핑 등에 유효하게 활용할 수 있을 뿐만 아니라 보다 우수한 집속성을 갖는 발진장치를 제공할 수 있게된다.

Description

구리증기레이저의 퍼짐각 제어장치{controlled beam divergence in copper vapor laser}

본 발명은 구리증기레이저의 퍼짐각 제어장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 출력빔의 퍼짐각을 제어하고 원거리강도분포를 개선하기 위한 구리증기레이저의 퍼짐각 제어장치에 관한 것이다.

일반적으로 구리증기레이저는 가시광선 영역에서 수 백 와트(W)의 고출력과 수 백 ㎑의 높은 펄스반복율, 3% 정도의 고효율로 동작이 가능한 펄스형 기체레이저이다.

구리증기레이저는 증기상태인 중성구리원자의 ²P_3/2, ²P_1/2 준위를 높은 레이저준위로 하고 ²D_3/2, ²D_5/2준위를 낮은 에너지준위로 하여 510.6㎚(초록)와 578.2㎚(노랑)의 두 파장에서 발진된다. 높은 레이저준위들은 기저상태 ²S_1/2에서 가장 가까운 공명준위이므로 빠른 펄스방전에 의하여 높은 효율로 여기가 가능하고, 낮은 레이저준위에서 기저상태로는 금지된 전이이므로, 펄스형태로만 동작이 가능하다.

이와 같은 구리증기레이저는 색소레이저의 펌핑광원으로 활용가능하고, 반도체 및 광집적회로, 그리고 레이저 가공분야에 활용가능하다. 이에 따라, 반도체 및 광집적회로분야에서는 집속성이 우수하고 보다 짧은 파장의 광식각용 광원에 대한 개발이 요구되어지고, 레이저 가공분야에서는 보다 다양한 파장, 작은 퍼짐각(beam divergence), 우수한 강도분포(field-pattern)를 갖는 고출력 레이저가 요구되어지고 있다.

그러나 일반적으로 사용되어지고 있는 구리증기레이저의 공진기 형태는 흔히 반사율 99% 이상의 평면경과 4% 또는 8% 반사율을 갖는 평행평판(plane-parallel) 공진기이다. 이 경우 레이저의 출력은 여러 횡모드(transverse mode)를 포함하게 되고 초점에 집속된 광속의 단면적이 커서 집속된 출력밀도는 상대적으로 작은 값을 갖게 되어, 퍼짐각은 회절한계각의 수십배의 크기를 갖는다는 문제점이 있었다.

또한, 불안정공진기 구리증기레이저장치는 펄스형태의 높은 이득과 관련하여 기하학적 배율이 수 백 정도의 반사경계를 사용함으로서 출력의 현저한 저하없이 회절한계값에 가까운 퍼짐각을 얻을 수 있지만, 근거리강도분포(near-field pattern)가 원형고리 형태로서 그 출력이 공진기 섭동에 민감하다는 문제점이 있었다.

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 그 목적은 구리증기레이저 출력빔의 퍼짐각을 제어하고 원거리강도분포를 개선하기 위한 구리증기레이저의 퍼짐각 제어장치를 제공하는데 있다.

본 발명은 전술한 기술적 과제를 달성하기 위하여, Ne을 포함하는 레이저가스가 봉입되고 그 양단에 각각 제 1, 제 2윈도우가 설치된 방전관과, 방전관 제 2윈도우의 후방에 설치되고 발진된 레이저빔을 평행 빔으로 출사하기 위한 오목거울과, 오목거울로부터 출사된 레이저빔을 분할하기 위한 선속분할기와, 선속분할기를 통하여 분할된 레이저빔을 오목거울측으로 피드백시키기 위한 평면거울과, 평면거울을 통하여 피드백되는 레이저빔의 퍼짐각을 제어할 수 있도록 평면거울 전방에 마련된 조리개를 포함한다. 또한, 오목거울 및 선속분할기, 평면거울에 의해 반공초점공진기를 구성하고, 조리개와 선속분할기는 반공초점 공진기내에 구비됨을 특징으로 한다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명에 따른 구리증기레이저의 퍼짐각 제어장치의 바람직한 실시 예를 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 구리증기레이저의 퍼짐각 제어장치의 구성도이다.

도 1에 도시한 바와 같이, 레이저장치는 그 내부에 소정량의 구리를 수용하고 레이저가스(일례로 네온가스)가 봉입되며 그 양단에 제 1, 제 2윈도우(11,12)가 설치된 방전관(10)과, 제 2윈도우(이하, 후방 윈도우라 한다;12)의 후방 외측에 설치된 오목면 거울(이하, 오목거울이라 한다;13)과 제 1윈도우(이하, 전방 윈도우라 한다;11)의 전방 외측에 설치된 선속분할기(14)와 분할된 레이저빔을 피드백시키기 위한 평면거울(15)이 설치되고, 오목거울(13) 및 선속분할기(14), 평면거울(15)에 의해 반공초점(hemiconfocal;20) 공진기(이하, 공진기라 한다)를 구성한다.

또한, 평면거울(15)에 의해 공진기(20) 내로 피드백되는 레이저빔의 퍼짐각을 제어할 수 있도록 평면거울의 전방에 조리개(16)가 설치된다. 그리고 레이저장치의 방전관에 방전전압을 인가할 수 있도록 고전압 전원장치(미도시)가 구비된다.

전술한 구성에 의하면, 조리개(16) 구경의 변화에 따라 출력빔의 퍼짐각과 원거리출력밀도를 제어할 수 있는 바, 이는 조리개(16)의 구경을 감소시키면 기본적으로 공진기의 프레넬 수가 작아지고, 상대적으로 큰 퍼짐각을 갖는 높은 차수의 횡모드의 발진이 억제되는 효과 때문이다.

이하에는 전술한 구성요소를 적용한 레이저장치의 구체적인 예에 대하여 상세히 설명한다.

먼저, 후술하는 설명에서는 본 발명의 적용에 따라 구체적인 기술적 구성 및 특정 수치가 제시되는데, 이는 본 발명에 따른 기술적 사상의 이해를 돕기 위한 것일 뿐 본 발명을 한정하는 것은 아니며, 반공초점 공진기 내에 선속분할기와 조리개가 구비되어 퍼짐각과 원거리출력밀도를 제어하기 위한 각종 레이저장치에 본 발명이 적용 가능함을 밝혀둔다.

방전관(10)은 alumina ceramic으로 내경은 1.2cm, 방전전극 사이의 길이는 50cm로서, 그 내부에 순도 99.99%인 구리 3.3g을 30등분하여 6개씩 5cm간격으로 중앙에 오도록 배치하고, 수십mbar정도의 네온기체로 채워진다. 그리고 방전관(10)의 운용은 충전전압 10㎸, 주파수 4㎑, 네온기체 압력 70mbar인 조건하에서 수행된다.

오목거울(13)은 방전관 후방으로부터 10cm 이격되어 설치되고, 반사율이 99.5%, 곡률 반경이 3m이다.

선속분할기(14)는 방전관 전방으로부터 25cm 이격되어 설치되고, 편평도 2λ, 두께 2mm, 평행도 3arc min이며, 코팅되지 않은 용융석영판이다.

그리고 평면거울(15)은 반사율 99.5%이며, 이 평면거울(15) 전방 가까이에 조리개가 설치된다.

상기의 구성에 있어서, 최초 방전관(10)에 방전전압과 펄스반복률을 증가시키며 방전가열을 시작하면 방전관(10)내에 밀도반전이 이루어져 레이저 발진이 이루어진다.

즉, 광자가 공진기(20)내를 왕복하는 과정에서 손실과 증폭의 여러 과정을 거치면서, 발진조건이 충족되었을 때 레이저빔의 발진이 이루어진다.

여기서, 평면거울(15) 전방 가까이에 있는 조리개(16)의 구경을 조절할 경우 공진기(20) 내로 되먹임되는 레이저빔의 퍼짐각이 제어된다. 그 결과, 낮은 퍼짐각의 레이저빔을 얻을 수 있고 원거리출력밀도를 증가시킬 수 있게된다.

다음은 상기의 결과를 뒷받침하는 것으로, 조리개(16)의 구경을 조절함에 따라 레이저빔의 퍼짐각과 원거리밀도의 상관관계를 보인 데이터 및 그 측정장치에 대하여 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 레이저장치의 측정장치이다.

도 2에 도시한 바와 같이, 초점거리가 20cm인 집광렌즈(31)와, 집광렌즈(31)의 초점 근처에서 레이저의 출력을 측정하기 위한 레이저출력계(Spectra-Physics, model 404;32)가 구비된다. 이 레이저출력계(32)는 검출부의 수광각(acceptance angel)은 ±5°이며, 두 발진파장 510.6nm와 578.2nm에서 실리콘 검출소자의 분광감도 보정계수는 각각 1.02와 0.97이다.

또한, 계기 내부의 증폭회로로 인하여 평균출력 측정값은 측정범위에 따라 다른 값을 나타내기 때문에 열전기더미(thermopile)형의 광측정기(Molectron, PM5200/PM30)를 활용하여 레이저출력계의 측정값을 보정하였다. 이 보정은 집광렌즈(31) 및 퍼짐각 측정을 위한 공진기(20) 외부에 별도로 설치된 선속분할기(14)에 의한 손실 값이다.

그리고 레이저 출력빔의 퍼짐각 측정을 위하여, 반사율 10%를 갖는 공진기(10) 외부의 광분할기(41)와, 초점거리가 1m인 수렴렌즈(42)와, 이 수렴렌즈(42)를 통과하여 원거리선속이 맺히도록 한 0.1mm간격의 눈금이 새겨진 십자선(reticle;43)과, 십자선(43)에 맺혀진 원거리강도분포(far-field pattern)을 눈금과 함께 스크린(45) 위에 확대된 상으로 맺히도록 결상렌즈(44)가 마련된다.

또한, 십자선(43)에 집속된 레이저빔으로부터 십자선(43)의 눈금을 보호하기 위하여 수렴렌즈(42) 전방에 ND필터(46)가 마련되고, 퍼짐각 측정결과의 신뢰성을 확인하기 위하여 768×494개의 실리콘 검출소자로 구성된 CCD측정장치(Spiricon Model LBA-100i / Pulnix-TM-7CN, 8.4×9.8 ㎛, 6.5×4.8mm;47)가 마련된다. 그리고 미설명부호 47과 48은 방전전류펄스를 측정하기 위한 것으로 회절격자와 광계측관(phototube)이다.

다음은 상기의 측정장치를 통하여 측정된 결과이다.

먼저, 도 3은 공진기(20)에서 90cm 떨어진 곳에 위치한 집광렌즈(31)의 초점에서 측정한 510.6nm 레이저 출력의 원거리강도분포도이고, 도 4는 공진기(20)에서 90cm 떨어진 곳에 위치한 집광렌즈(31)의 초점에서 측정한 578.2nm 레이저 출력의 원거리강도분포도이다.

도 3과 도 4에 개시된 바와 같이, 강도분포는 약간 타원형을 띠고 있는데 이는 공진기(20) 내의 선속분할기(14)와 두 발진파장을 분해하는 데 사용된 회절격자(Grating) 등이 갖는 비점수차와, 공진기(20) 및 측정광학계(31,32)의 정렬에 있어서 미세한 차이에 의한 것으로, 광학정렬을 조정함으로서 강도분포를 보다 원형에 가깝게 만들 수 있다.

도 5는 조리개의 구경 변화에 따른 레이저 출력의 퍼짐각의 변화를 보인 그래프이고, 도 6은 조리개의 구경 변화에 따른 단위공간각당 레이저 출력을 보인 그래프이다.

도 5와 도 6에 개시된 바와 같이, 조리개(16)의 구경을 작게 함에 따라 퍼짐각은 감소한 반면 단위입체각당 레이저 출력의 세기는 증가하고 있음을 알 수 있다. 이는 전술한 바와 같이 조리개의 구경을 감소시키면 기본적으로 공진기의 프레넬 수가 작아지고, 상대적으로 큰 퍼짐각을 갖는 높은 차수의 횡모드의 발진이 억제되는 효과가 있다. 즉, Lagueree-Gaussian 횡모드를 갖는 반공초점 공진기에서 발진을 예상할 수 있는 최고자 모드의 차수는

N_max (a/w)² ----------- (1)

로 표현할 수 있다. 식 (1)에서 a는 공진기의 유효반경이며, w는 공진기의 구경을 제한하는 조리개에서 가우시안 모드의 spot size로서 의 값을 갖는다. 상기 장치의 최대 유효구경이 14mm, 공진기의 길이 150cm에 해당하는 차수는 N_max 400의 값을 가지며, 유효구경 2mm에서도 8정도의 값을 갖는다.

TEM_l,m 가우시안 모드의 퍼짐각은 대략적으로

θ_lm = C_lm θ₀₀ ----------- (2)

와 같은 표현을 가지며, 여기서 C_lm은 기본모드의 빔허리(beam waist)에 대한 비, 즉 C_lm = w_lm / w₀₀ 와 같이 정의되며, 모드 차수의 증가에 따라 완만하게 증가하는 함수이다. (참고자료 : O.Svelto, Principles of Lasers, Plenum Press, pp. 396~397(1977)). 또한, n-차 Hermite-Gaussian 모드의 크기는 대략 n^1/2와 같이 표현 할 수 있다. (참고자료 : A.E.Siegman Lasers, Oxford University Press, pp. 690~691(1986)). 따라서, 조리개 구경의 감소에 따라, 보다 큰 퍼짐각과 큰 빔허리를 갖는 고차 모드의 발진이 억제되어 레이저의 퍼짐각이 감소하게 된다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면 반공초점 공진기 내에 선속분할기와 조리개가 구비시켜, 조리개의 구경을 제어함으로서 레이저빔의 퍼짐각과 원거리출력밀도를 제어할 수 있는 바, 구리증기레이저와 같은 펄스형 고출력레이저를 활용한 레이저가공 및 레이저 펌핑 등에 유용하게 활용된다.

도 1은 본 발명에 따른 레이저의 퍼짐각 제어장치의 구성을 보인 도,

도 2는 본 발명에 따른 레이저의 퍼짐각 제어장치의 측정장비를 보인 도,

도 3 내지 도 6은 측정 데이터를 개시한 도이다.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

10 : 발진기 11 : 전방윈도우

12 : 후방윈도우 13 : 오목거울

14 : 선속분할기 15 : 평면거울

16 : 조리개 20 : 공진기

Claims (3)

1. Ne을 포함하는 레이저가스가 봉입되고 그 양단에 각각 제 1, 제 2윈도우가 설치된 방전관과,

   상기 방전관 제 2미러의 후방에 설치되고 발진된 레이저빔을 평행빔으로 출사하기 위한 오목거울과,

   상기 오목거울로부터 출사된 레이저빔을 분할하기 위한 선속분할기와,

   상기 선속분할기를 통하여 분할된 레이저빔을 상기 오목거울측으로 피드백시키기 위한 평면거울과,

   상기 평면거울을 통하여 피드백되는 레이저빔 퍼짐각을 제어할 수 있도록 상기 평면거울 전방에 마련된 조리개를 포함하는 것을 특징으로 하는 구리증기레이저의 퍼짐각제어장치.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 오목거울 및 상기 선속분할기, 상기 평면거울에 의해 반공초점공진기를 구성하는 것을 특징으로 하는 구리증기레이저의 퍼짐각 제어장치.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 조리개와 상기 선속분할기는 공진기내에 마련된 것을 특징으로 하는 구리증기레이저의 퍼짐각 제어장치.