KR100617181B1 - 반사형 레이저 공진기 - Google Patents

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    • H01S3/00Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/05Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium

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Abstract

본 발명은 효율 향상 및 공진 거리의 한계를 극복하면서도 매질에서 펌핑되는 영역과 발진영역을 일치시켜 발진 효율을 향상시킬 수 있는 반사형 레이저 공진기를 제공하기 위한 것으로서, 펌핑광을 방출하는 펌핑 LD(Laser Diode)와, 상기 펌핑 LD에서 방출된 펌핑광을 레이저 매질에 집속시켜주는 포커싱 렌즈(focusing lens)와, 상기 포커싱 렌즈를 통해 집속된 펌핑광에 의해서 공진광을 생성하는 레이저 매질과, 상기 레이저 매질에서 생성된 공진광을 상기 펌핑광의 입사각에 대응되는 반사각으로 반사시켜 공진기를 형성하여 레이저를 방사하는 출력 커플러(output coupler)를 포함하고, 상기 포커싱 렌즈는 상기 펌핑 LD에서 방출되는 펌핑광을 집속하는 제 1 렌즈와, 상기 제 1 렌즈에서 집속된 펌핑광을 모두 투과하면서 공진광은 모두 반사시켜 공진기를 형성하도록 고 반사(high reflection) 코팅되고 상기 출력 커플러와 동일한 구조를 갖는 제 2 렌즈를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
포커싱 렌즈, 레이저 공진기, 펌핑 LD, SHG

Description

반사형 레이저 공진기{reflex laser resonator}
도 1 은 종래 기술에 따른 반사형 레이저 공진기를 나타낸 구성도
도 2 는 종래 기술에 따른 반사형 레이저 공진기에서 레이저 발진 방식의 펌핑 및 공진광 영역을 나타낸 도면
도 3 은 종래 기술에 따른 반사형 레이저 공진기의 다른 예를 나타낸 구성도
도 4 는 본 발명에 따른 반사형 레이저 공진기를 나타낸 구성도
도 5, 6 은 본 발명에 따른 반사형 레이저 공진기의 다른 실시예를 나타낸 구성도
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 : 펌핑 LD 20 : 포커싱 렌즈
30 : 레이저 매질 40 : 출력 커플러
50 : 냉각부 60, 80 : 반사경
70 : SHG부
본 발명은 LD(Laser Diode)로 광 펌핑(optical pumping)을 하여 발진시키는 레이저 구조에 관한 것으로, 특히 매질에서 펌핑되는 영역과 발진영역을 일치시켜 발진 효율을 향상시키는 반사형 레이저 공진기에 관한 것이다.
최근 고출력 반도체 레이저는 고출력 레이저 광에 대한 수요가 증가되고, 새로운 응용 분야가 확대되면서 많은 연구가 활발히 진행되고 있다. 그 응용 분야로는 광 기록 매체인 CD-RW와 DVD-RAM, 대화면용 프로젝터(projector) 등과 같은 레이저를 이용한 디스플레이, 레이저 무선 통신, 레이저를 이용한 물질 가공(용접, 절단, 반도체 관련 미세 가공 등), 의료용, 군사용 및 광 증폭기(amplifier), 펌핑(pumping) 광원 등으로 응용성이 확대되고 있다.
그리고 디스플레이나 의료용, 가공용 등을 위하여 소형 고출력 레이저의 용도가 점차 증대되면서 소형이면서 고출력을 얻을 수 있는 레이저 구조에 관한 많은 연구가 진행되고 있다.
소형이면서 고출력을 얻는데 가장 유리한 구성은 LD(Laser Diode)를 펌핑 소스로 이용하는 광 펌핑 방식을 채용하고, 레이저 매질로는 가스(Ar, CO2 등)가 아닌 고체(solidstate)나 VECSEL 칩(반도체)등을 이용하는 방식을 들 수 있다.
이와 같이 소형, 고출력일 때 가장 큰 해결 과제는 열렌즈 및 냉각문제인데, 이 문제를 용이하게 해결하는 방안으로서 열원이 되는 레이저 매질의 뒷면에 냉각구조를 직접 부착하는 반사형 방식이 현재 많이 채택되고 있다.
도 1 은 종래 기술에 따른 반사형 레이저 공진기를 나타낸 구성도이다.
도 1과 같이, 펌핑광을 방출하는 펌핑 LD(Laser Diode)(10)와, 상기 펌핑 LD(10)에서 방출된 펌핑광을 집속시켜주는 포커싱 렌즈(focusing lens)(20)와, 상기 포커싱 렌즈(20)를 통해 집속된 펌핑광에 의해서 공진광을 생성하는 레이저 매질과(30), 상기 레이저 매질(30)에서 생성된 공진광을 반사시켜서 공진기를 형성하며, 레이저를 방사하는 출력 커플러(output coupler)(40)로 구성된다. 그리고 상기 레이저 매질(30) 하부에 냉각부(50)를 형성하여 열렌즈 및 냉각문제를 해결하고 있다.
이와 같이 구성되는 반사형 레이저 공진기에 의한 레이저 발진 동작은 다음과 같다.
먼저, 펌핑 LD(Laser Diode)(10)에서 808nm광의 펌핑광을 방출한다.
그리고 상기 방출되는 펌핑광은 포커싱 렌즈(focusing lens)(20)에 의하여 레이저 매질(30)에 집속된다.
이렇게 집속된 펌핑광에 의하여 상기 레이저 매질(30)이 여기되고, 이 여기된 광의 방사(emission)에 의하여 광의 공진이 일어난다.
이때, 상기 공진은 레이저 매질(30) 후면에 위치하는 출력 커플러(output coupler)(40) 쪽으로 공진되어, 결론적으로 공진광은 상기 출력 커플러(40)에서 레이저로 출력된다.
이 구성을 사용할 경우, 펌핑되는 광의 방향과 공진되는 광의 방향이 서로 각도차이가 있기 때문에 그 영역이 서로 다르게 된다.
즉, 도 2에서 보이는 것처럼 매질에 펌핑되는 영역(D)과 공진되는 영역(C)이 서로 다르면, 펌핑광이 불필요하게 소모되는 부분(A)이 존재하여 발진 효율이 저하되고, 또한 공진영역에 펌핑광량이 부족한 영역(B 및 E)이 발생되어 만들어진 공진광을 재흡수하는 흡수(reabsorption) 현상이 발생하게 된다.
이런 문제점을 해결하기 위해 여러 가지 구조를 갖는 반사형 레이저 공진기가 개발되고 있다.
도 3 은 종래 기술에 따른 반사형 레이저 공진기의 다른 예를 나타낸 구성도이다.
도 3과 같은 구조에 의한 레이저 발진 동작은 상기 도 1에서의 방식과 같은 펌핑영역과 공진영역이 서로 달라서 발생되는 문제점은 해결할 수 있지만, 별도의 광학부품이 포함되어 그 부품의 코팅 특성에 의한 효율 저하가 발생하는 또 다른 문제가 있고, 별도로 포함된 광학부품으로 인하여 공진 거리를 줄이는데 한계가 발생된다.
따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 냉각이 용이하면서도 효율 향상을 꾀할 수 있는 새로운 반사형 레이저 공진기를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 반사형 레이저 공진기의 열렌즈 및 냉각 특성을 개선하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 효율 향상 및 공진 거리의 한계를 극복하면서도 매질에서 펌핑되는 영역과 발진영역을 일치시켜 발진 효율을 향상시킬 수 있는 반사형 레이저 공진기를 제공하는데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 반사형 레이저 공진기의 특징은 펌핑광을 방출하는 펌핑 LD(Laser Diode)와, 상기 펌핑 LD에서 방출된 펌핑광을 레이저 매질에 집속시켜주는 포커싱 렌즈(focusing lens)와, 상기 포커싱 렌즈를 통해 집속된 펌핑광에 의해서 공진광을 생성하는 레이저 매질과, 상기 레이저 매질에서 생성된 공진광을 상기 펌핑광의 입사각에 대응되는 반사각으로 반사시켜 공진기를 형성하여 레이저를 방사하는 출력 커플러(output coupler)를 포함하여 구성되는데 있다.
이때, 상기 포커싱 렌즈는 상기 펌핑 LD에서 방출되는 펌핑광을 집속하는 제 1 렌즈와, 상기 제 1 렌즈에서 집속된 펌핑광을 모두 투과하면서 공진광은 모두 반사시켜 공진기를 형성하도록 고 반사(high reflection) 코팅된 제 2 렌즈를 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.
그리고 상기 제 2 렌즈는 상기 출력 커플러와 동일한 구조를 갖는 것이 바람직하다.
또한, 상기 레이저 매질과 상기 출력 커플러 사이에 광의 파장을 고조파 성분으로 변환시키는 SHG(Second Harmonic Generation)부를 더 포함하여 구성되는데 다른 특징이 있다.
아울러, 상기 출력 커플러에 입사되는 공진광을 반사시키고, 이 반사된 공진광을 상기 출력 커플러에 재 입사되도록 반사시켜 출력되는 레이저의 방향을 변경하는 반사경을 더 포함하여 구성되는데 또 다른 특징이 있다.
이때, 상기 반사경은 상기 출력 커플러와 동일한 구조를 갖는 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 목적, 특성 및 잇점들은 첨부한 도면을 참조한 실시예들의 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.
본 발명에 따른 반사형 레이저 공진기의 바람직한 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 4 는 본 발명에 따른 반사형 레이저 공진기를 나타낸 구성도이다.
도 4와 같이, 펌핑광을 방출하는 펌핑 LD(Laser Diode)(10)와, 상기 펌핑 LD(10)에서 방출된 펌핑광을 집속시켜주는 포커싱 렌즈(focusing lens)(20)와, 상기 포커싱 렌즈(20)를 통해 집속된 펌핑광에 의해서 공진광을 생성하는 레이저 매질(30)과, 상기 레이저 매질(30)에서 생성된 공진광을 상기 펌핑광의 입사각에 대응되는 반사각으로 반사시켜 공진기를 형성하여 레이저를 방사하는 출력 커플러(output coupler)(40)로 구성된다.
이때, 상기 포커싱 렌즈(20)는 상기 펌핑 LD(10)에서 방출되는 펌핑광을 집속하는 제 1 렌즈(21)와, 상기 제 1 렌즈(21)에서 집속된 펌핑광을 모두 투과하면서 공진광은 모두 반사되도록 고 반사(high reflection) 코팅된 제 2 렌즈(22)로 구성된다.
여기서 상기 제 1 렌즈(21)는 볼록 렌즈를 사용하고, 상기 제 2 렌즈(22)는 상기 출력 커플러(40)와 동일한 구조를 갖는 것이 바람직하다.
또한, 상기 레이저 매질(30)은 Nd:YAG, Nd:YVO4, Nd:GdVO4 등과 같은 고체 또는 VECEL 칩 등과 같은 반도체 등으로 구성된 물질은 사용한다.
이와 같이 구성된 본 발명에 따른 반사형 레이저 공진기의 동작을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
먼저, 펌핑 LD(Laser Diode)(10)에서 808nm 광인 펌핑광을 방출한다.
그러면, 상기 펌핑 LD(10)에서 방출되는 펌핑광은 포커싱 렌즈(focusing lens)(20)에 의하여 레이저 매질(30)에 집속되게 된다.
이때, 상기 포커싱 렌즈(focusing lens)(20)는 상기 펌핑 LD(10)에서 방출되는 펌핑광을 볼록 렌즈로 구성된 제 1 렌즈(21)를 통해 집속되고, 이어 고 반사(high reflection) 코팅된 제 2 렌즈(22)를 통해 상기 제 1 렌즈(22)에서 집속된 펌핑광을 모두 투과하면서 모든 공진광을 반사시켜 공진기를 형성한다.
이에 따라, 상기 포커싱 렌즈(20)의 매질쪽 단면의 곡률을 공진기로 이용함으로써, 상기 레이저 매질(30)에 상기 포커싱 렌즈(20)를 통해 집속되는 펌핑광의 곡률이 짧은 공진을 발생하게 되어 열렌즈 현상을 완화시킬 수 있게 된다.
이렇게 곡률이 짧은 공진을 갖고 집속된 펌핑광에 의하여 상기 레이저 매질(30)이 여기되고, 이 여기된 광의 방사(emission)에 의하여 광의 공진이 일어난다.
이때, 상기 광의 공진은 상기 포커싱 렌즈(20)를 통해 입사되는 펌핑광의 입사각에 대응되는 반사각으로 반사시켜 공진기를 형성한다. 이에 따라, 상기 레이저 매질(30)로 집속되는 펌핑광의 펌핑영역과 상기 레이저 매질(30)에서 상기 출력 커플러(40)로 출사되는 발진영역은 동일한 영역에 형성된다.
이렇게 상기 레이저 매질(30)에서 여기된 공진광은 방사(emission)에 의하여 레이저 매질 후면에 위치하는 출력 커플러(output coupler)(40) 쪽으로 광 공진이 일어나게 되어, 결론적으로 상기 출력 커플러(40)에서 레이저로 출력된다.
여기서 상기 포커싱 렌즈(focusing lens)(20)내의 제 2 렌즈(22)는 상기 출력 커플러(40)와 동일한 구조로 형성된다.
이와 같이, 상기 레이저 매질(30)로 집속되는 펌핑광의 펌핑영역과 상기 레이저 매질에서 상기 출력 커플러(40)로 출사되는 발진영역이 동일한 영역에 형성되기 때문에 펌핑광이 불필요하게 소모되는 부분을 제거하여 발진 효과를 증대시킬 수 있으며, 또한 공진광을 재흡수하는 흡수 현상의 발생도 억제할 수 있게 된다.
도 5, 6 은 본 발명에 따른 반사형 레이저 공진기의 다른 실시예를 나타낸 구성도이다.
도 5 는 레이저 매질(30)에서 여기된 공진광을 출력 커플러(40) 쪽으로 방사되기 앞전에 SHG(Second Harmonic Generation)부(70)에 통과시켜 상기 출력 커플러(40)에서 출력되는 레이저의 파장을 고조파 성분으로 변환하여 출력시키게 된다.
이에 따라, 상기 레이저 매질(30)에서 1014nm의 파장을 갖는 공진광이 여기된다고 가정할 때, 상기 SHG부(70)에 통과하게 되면 530nm의 파장으로 변환되게 된다.
이때, 상기 SHG부(70)는 LBO, BBO, KN 등으로 이루어진 비선형 물질인 것이 바람직하다.
도 6 은 상기 출력 커플러 하부에 추가로 반사경(reflector)(80)을 더 구성하고 있는 구조로서, 상기 출력 커플러(40)는 입사되는 공진광을 상기 반사경(80)으로 반사시키고, 또 상기 반사경(80)은 이 입사된 공진광을 다시 상기 출력 커플러(40)에 재 반사시킴으로서, 상기 출력 커플러(40)에서 출력되는 레이저의 방향을 변경시킬 수 있도록 하고 있다.
이때, 상기 반사경(80)은 상기 출력 커플러(40)와 동일한 구조를 갖도록 형성하는 것이 바람직하다.
이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술 사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다.
따라서, 본 발명의 기술적 범위는 실시예에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의하여 정해져야 한다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 반사형 레이저 공진기는 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 효율 향상 및 공진 거리의 한계를 극복하면서도 매질에서 펌핑되는 영역과 발진영역을 일치시켜 펌핑광이 불필요하게 소모되는 부분을 제거하여 발진 효과를 증대시킬 수 있으며, 또한 공진광을 재흡수하는 흡수 현상의 발생도 억제할 수 있게 된다.
둘째, 포커싱 렌즈의 매질쪽 단면의 곡률을 공진기로 이용함으로써, 열렌즈 현상을 완화시킬 수 있게 된다.
셋째, 공진기 사이에 비선형 물질을 넣어서 상기 출력 커플러에서 출력되는 레이저의 파장을 고조파 성분으로 출력시킬 수 있게 된다.

Claims (8)

  1. 펌핑광을 방출하는 펌핑 LD(Laser Diode)와,
    상기 펌핑 LD에서 방출된 펌핑광을 레이저 매질에 집속시켜주는 포커싱 렌즈(focusing lens)와,
    상기 포커싱 렌즈를 통해 집속된 펌핑광에 의해서 공진광을 생성하는 레이저 매질과,
    상기 레이저 매질에서 생성된 공진광을 상기 펌핑광의 입사각에 대응되는 반사각으로 반사시켜 공진기를 형성하여 레이저를 방사하는 출력 커플러(output coupler)를 포함하여 구성되고,
    상기 포커싱 렌즈는
    상기 펌핑 LD에서 방출되는 펌핑광을 집속하는 제 1 렌즈와,
    상기 제 1 렌즈에서 집속된 펌핑광을 모두 투과하면서 공진광은 모두 반사시켜 공진기를 형성하도록 고 반사(high reflection) 코팅되고, 상기 출력 커플러와 동일한 구조를 갖는 제 2 렌즈를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 반사형 레이저 공진기.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 레이저 매질은 Nd:YAG, Nd:YVO4, Nd:GdVO4 중 어느 하나인 고체 또는 VECEL 칩인 반도체로 구성된 물질인 것을 특징으로 하는 반사형 레이저 공진기.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 레이저 매질과 상기 출력 커플러 사이에 광의 파장을 고조파 성분으로 변환시키는 SHG(Second Harmonic Generation)부를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 반사형 레이저 공진기.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 SHG부는 LBO, BBO, KN 중 어느 하나로 이루어진 비선형 물질인 것을 특징으로 하는 반사형 레이저 공진기.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 출력 커플러에 입사되는 공진광을 반사시키고, 이 반사된 공진광을 상기 출력 커플러에 재 입사되도록 반사시켜 출력되는 레이저의 방향을 변경하는 반사경을 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 반사형 레이저 공진기.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 반사경은 상기 출력 커플러와 동일한 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 반사형 레이저 공진기.
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