KR100685868B1

KR100685868B1 - 레이저 장치

Info

Publication number: KR100685868B1
Application number: KR1020000039576A
Authority: KR
Inventors: 김병철
Original assignee: 앰코 테크놀로지 코리아 주식회사
Priority date: 2000-07-11
Filing date: 2000-07-11
Publication date: 2007-02-23
Also published as: KR20020006104A

Abstract

본 발명은 레이저 장치에 관한 것으로서, 레이저매질이 빛을 방출할 수 있도록 에너지를 공급하는 여기용 광원의 형상을 변경하여, 상기 레이저매질을 펌핑하는 광자의 집속효율을 증가시키기 위한 것이다.

이를 위해 본 발명은 외부로부터 에너지를 흡수하여 빛을 증폭 방출하는 레이저매질(20)과; 상기 레이저매질(20)의 외주면를 둘러싸는 형태로 구비되어, 상기 레이저매질(20)이 빛을 방출할 수 있도록 에너지를 공급하는 여기용(勵起用) 광원(30)과; 상기 레이저매질(20)과 상기 여기용 광원(30)을 수용하는 하우징(10)과; 상기 레이저매질(20) 일측에 구비되어 입사하는 빛의 일부는 통과시키고 나머지는 반사하는 부분반사경(41) 및 상기 레이저매질(20) 타측에 구비되어 입사하는 빛을 전부 반사하는 전(全)반사경(42)으로 이루어지는 공진기(40)와; 상기 여기용 광원(30)에 전원을 공급하는 전원공급부(50)를 포함하여 구성되는 레이저 장치가 제공된다.

레이저, 여기용 광원, 레이저매질

Description

레이저 장치{laser device}

도 1 은 램프를 사용한 일반적인 고체레이저 장치의 분해사시도

도 2 는 본 발명의 일 실시예에 따른 고체레이저 장치의 분해사시도

도 3 은 본 발명의 일 실시예에 따른 고체레이저 장치의 종단면도

도면의 주요부분에 대한 부호설명

10. 하우징. 20. 레이저매질

21. 야그레이저 30. 여기용 광원

31. 크립톤 아크 램프 40. 공진기

41. 부분반사경 42. 전(全)반사경

50. 전원공급부

본 발명은 레이저 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 여기용(勵起用) 광원을 사용하여 레이저매질의 높은 에너지 준위에 있는 전자를 낮은 에너지 준위로 떨어뜨리는 유도방출 과정을 통해 빛을 발생시키는 레이저 장치에 관한 것이다.

일반적으로 레이저는 레이저를 발생시키는 매질의 성질에 따라 고체레이저, 액체레이저, 기체레이저, 반도체레이저 등으로 크게 구별할 수 있으며, 이 중 고체레이저에는 루비(ruby)레이저, 네오디뮴-도프 이트륨 알루미늄 석류석(neodiymium-doped yttrium aluminum garnet; Nd:YAG)레이저(이하, 유리레이저라 약칭함), 네오디뮴-도프 가돌리늄 스칸듐 갈륨 석류석(neodiymium-doped gadolinium scandium gallium garnet; Nd:GSGG)레이저(이하, 유리레이저라 약칭함)등이 있다.

또한, 레이저매질이 빛을 방출할 수 있도록 에너지를 공급하는 방법에는 방전, 전류, 플래쉬 램프, 레이저, 화학반응등이 있다.

한편, 도 1 은 램프를 사용한 일반적인 고체레이저 장치의 분해사시도이다.

도시한 바와 같이 램프를 사용한 일반적인 고체레이저 장치는 외부로부터 에너지를 흡수해 빛을 방출하는 레이저매질(2)과, 상기 레이저매질(2)이 빛을 방출할 수 있도록 에너지를 공급하는 여기용 광원(3)이 평행하게 구비되고, 상기 레이저매질(2)로부터 반사된 에너지를 상기 레이저매질(2)로 반사하는 캐비티(cavity)(1)가 상기 레이저매질(2) 및 상기 여기용 광원(3)을 수용하도록 상기 레이저매질(2) 및 상기 여기용 광원(3)의 외측에 구비된다.

또한, 상기 레이저매질(2)의 일측단에 입사하는 빛의 일부를 통과시키는 부분반사경(4a)이 구비되고, 상기 레이저매질(2)의 타측단에 입사하는 빛을 전부반사시키는 전반사경(4b)이 구비되어 공진기(4)를 구성하며, 상기 여기용 광원(3)에는 전원공급부(5)가 연결된다.

그리고, 상기 캐비티(1) 내부는 냉각수가 유동할 수 있도록 구성되어 상기 여기용 광원(3)을 냉각하게 된다.

상기와 같이 구성된 고체레이저 장치는 여기용 광원(3)에 전원이 인가되면, 상기 여기용 광원(3)이 레이저매질(2)의 높은 에너지 준위에 있는 전자가 낮은 에너지 준위에 있는 전자보다 많도록 광펌핑하여 밀도반전을 시킨다.

또한, 상기 여기용 광원(3)에 의해 상기 레이저매질(2)에 광펌핑된 빛 중에 상기 레이저매질(2)에서 외측으로 누출된 빛은 상기 레이저매질(2) 외측에 구비된 캐비티(1)에 의해 반사되어 다시 상기 레이저매질(2)로 집속된다.

상기와 같이 광펌핑에 의해 상기 레이저매질(2)의 전자가 밀도반전된 상태에서 유도방출이 일어남에 따라, 입사하는 빛과 동일 방향 및 동일 위상을 갖는 빛이 발생되어 증폭되는 것이다.

즉, 유도방출에 의해 빛이 2배로 증가하고, 이와 같이 증가한 빛이 부분반사경(4a)과 전반사경(4b)에서 반사되면서 상기 레이저매질(2)을 통과하게 되어, 또 다른 유도방출을 일으켜 방출되는 빛이 기하급수적으로 불어나게 된다.

그리고, 상기 부분반사경(4a)이 빛의 일부를 통과시킴에 따라 레이저가 발진되는 것이다.

한편, 상기 캐비티(1) 내부에는 냉각장치(미도시)가 연결되어, 냉각수가 상기 캐비티(1) 내부를 유동하여 상기 여기용 광원(3)을 냉각하게 된다.

하지만, 전술한 바와 같은 종래 고체레이저 장치는 도시한 바와 같이 여기용 광원(3)과 레이저매질(2)이 평행하게 구비됨에 따라, 상기 여기용 광원(3)의 빛이 효과적으로 상기 레이저매질(2)에 집속되지 않으며, 또한 상기 레이저매질(2)로 광펌핑된 빛 중에 일부가 누출됨에 따라 이러한 빛을 다시 상기 레이저매질(2)로 반 사하기 위한 캐비티(1)가 필요하였다.

따라서, 상기 여기용 광원(3)의 출력에 비해 상기 레이저매질(2)를 펌핑하는 효율이 상대적으로 낮아지는 문제점이 있었다.

또한, 종래 고체레이저 장치에서는 상기 여기용 광원(3)을 냉각하기 위해 물을 사용함에 따라, 급수를 위한 복잡한 냉각장치가 필요한 문제점이 있었다.

본 발명은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 레이저매질이 빛을 방출할 수 있도록 에너지를 공급하는 여기용 광원의 형상을 변경하여, 상기 레이저매질을 펌핑하는 광자의 집속효율을 증가시키기 위한 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 형태에 따르면, 외부로부터 에너지를 흡수하여 빛을 증폭 방출하는 레이저매질과; 상기 레이저매질의 외주면를 둘러싸는 형태로 구비되어, 상기 레이저매질이 빛을 방출할 수 있도록 에너지를 공급하는 여기용 광원과; 상기 레이저매질과 상기 여기용 광원을 수용하는 하우징과; 상기 레이저매질 일측에 구비되어 입사하는 빛의 일부는 통과시키고 나머지는 반사하는 부분반사경 및 상기 레이저매질 타측에 구비되어 입사하는 빛을 전부 반사하는 전반사경으로 이루어지는 공진기와; 상기 여기용 광원에 전원을 공급하는 전원공급부를 포함하여 구성되는 레이저 장치가 제공된다.

특히, 상기 여기용(勵起用) 광원은 상기 레이저매질의 외주면으로부터 일정거리 이격되어 구비된다.

또한, 본 발명은 레이저매질로 고체상인 것을 사용하고, 상기 레이저매질을 여기시키기 위한 여기용 광원으로 램프를 사용하며, 상기 여기용 광원을 외부공기로 냉각한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 2 는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 장치의 분해사시도이고, 도 3 은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 장치의 종단면도이다.

도시한 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 장치는 외부로부터 에너지를 흡수하여 빛을 증폭 방출하는 레이저매질(20)의 외측에, 상기 레이저매질(20)의 외주면을 감싸는 형태로 상기 레이저매질(20)이 빛을 방출할 수 있도록 에너지를 공급하는 여기용(勵起用) 광원(30)이 구비된다.

또한, 상기 여기용 광원(30)은 상기 레이저매질(20)의 외주면에서 일정거리 이격됨으로써, 상기 여기용 광원(30)으로부터 방출되는 광자가 상기 레이저매질(20)의 외주면 전체에 골고루 집속되도록 한다.

그리고, 상기 여기용 광원(30)의 외측에는 상기 레이저매질(20) 및 상기 여기용 광원(30)을 수용하는 하우징(10)이 구비되고, 상기 하우징(10)의 소정 위치에 공기유동관(60)이 결합되어 냉각장치(미도시)에 연결되며, 상기 여기용 광원(30)의 양단에는 전원공급부(50)가 연결된다.

이 때, 상기 하우징(10)은 상기 여기용 광원(30)과 일정 거리 이격되어 내부공간을 형성하고, 상기 내부공간으로 상기 냉각장치로부터 공급된 외부공기가 상기 여기용 광원(30)을 냉각하도록 한다.

한편, 상기 레이저매질(20)의 일측단에는 입사하는 빛의 일부는 반사시키고 나머지는 통과시키는 부분반사경(41)이 구비되고, 타측단에는 입사하는 빛을 전부 반사시키는 전(全)반사경(42)이 구비되어, 상기 부분반사경(41)과 상기 전반사경(42)이 공진기(40)를 형성한다.

상기한 본 발명의 일 실시예에서는 레이저매질(20)로서 야그레이저를 사용하고, 여기용 광원(30)으로는 크립톤 아크 램프(kr Arc lamp)를 사용한 것이다.

이와 같이 구성된 본 발명의 작용을 야그레이저(21)와 크립톤 아크 램프(31)를 사용한 것을 일 예로 상세하게 설명하면 다음과 같다.

전원공급부(50)에 의해 크립톤 아크 램프(31)에 전원이 공급되면, 상기 크립톤 아크 램프(31)로부터 방출된 광자가 야그레이저(21)를 광펌핑하게 되고, 이러한 광펌핑에 의해 상기 야그레이저(21)에 포함된 네오디뮴의 높은 에너지 준위에 있는 전자가 낮은 에너지 준위에 있는 전자보다 많게 밀도반전된다.

한편, 본 발명은 크립톤 아크 램프(31)가 야그레이저(21)의 외주면을 감싸고 있는 형태이기 때문에, 상기 크립톤 아크 램프(31)로부터 방사되어 야그레이저(21)에 도달하는 광자의 집속효율을 최대화하는 것이 가능하다.

따라서, 상기와 같이 네오디뮴의 전자가 밀도반전된 상태에서 유도방출이 일어나게 되어, 상기 크립톤 아크 램프(31)로부터 입사된 빛과 동일 방향 및 동일 위상이 빛이 발생되어 증폭된다.

그리고, 이와 같이 증폭된 빛은 상기 야그레이저(21)의 일측단과 타측단에 구비된 공진기(40) 즉, 부분반사경(41)과 전반사경(42)에 의해 반사되면서, 상기 야그레이저(21)를 통과하여 급격하게 증폭되는 것이다.

결국, 상기와 같이 증폭된 빛은 상기 공진기(40)의 부분반사경(41)이 빛의 일부를 통과시키도록 형성됨에 따라 레이저를 발진시키게 된다.

한편, 하우징(10)에 연결된 냉각장치를 통해 외부공기가 공급되어, 가열된 상기 크립톤 아크 램프(31)를 냉각하게 된다.

이상에서 설명한 본 발명의 실시예에서는 레이저매질(20)과 여기용 광원(30)으로서 각각 야그레이저(21)와 크립톤 아크 램프(31)를 사용하였으나, 이에 한정하는 것은 아니며 레이저매질(20)을 펌핑하는 여기용 광원(30)으로서 램프를 사용하는 것이면, 루비레이저 또는 유리레이저등에도 적용할 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 다음과 같은 효과이 있다.

첫째, 본 발명은 여기용 광원이 레이저매질의 외주면을 둘러싸도록 형성하였기 때문에, 상기 여기용 광원으로부터 방사되어 상기 레이저매질에 도달하는 광자의 효율을 최대화하는 것이 가능하다.

또한, 종래 레이저 장치와 같이 여기용 광원을 레이저매질로 반사하기 위한 펌프 캐비티를 사용하지 않아도 되기 때문에 레이저 장치의 구성을 최소화하는 것이 가능하다.

둘째, 본 발명은 여기용 광원을 외부로 부터 공급되는 공기로 냉각하기 때문에, 냉각장치의 구성이 간단하고 크기를 소형화하는 것이 가능하다.

Claims

외부로부터 에너지를 흡수하여 빛을 증폭 방출하는 레이저매질과;

상기 레이저매질의 외주면과 접촉하지 않고 상기 레이저매질을 둘러싸는 형태로 구비되어, 상기 레이저매질이 빛을 방출할 수 있도록 에너지를 공급하는 여기용(勵起用) 광원과;

상기 레이저매질과 상기 여기용 광원을 수용하고, 상기 여기용 광원 사이에 내부 공간을 형성하는 하우징과;

상기 레이저매질 일측에 구비되어 입사하는 빛의 일부는 통과시키고 나머지는 반사하는 부분반사경 및 상기 레이저매질 타측에 구비되어 입사하는 빛을 전부 반사하는 전(全)반사경으로 이루어지는 공진기와;

상기 여기용 광원에 전원을 공급하는 전원공급부를 포함하여 구성되는 레이저 장치.
제1항에 있어서,

상기 여기용 광원은 상기 레이저매질의 외주면으로부터 일정거리 떨어져 구비되는 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
제1항에 있어서,

상기 여기용 광원은 외부로부터 상기 여기용 광원과 상기 하우징 사이에 형성된 내부 공간에 공급되는 공기에 의해 냉각되는 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 레이저매질은 고체상이고, 상기 여기용 광원은 램프를 사용한 것을 특징으로 하는 레이저 장치.