KR100934430B1 - 레이저 파장 가변 장치 및 그 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 단일 조작을 통해서 자동적으로 최상 효율을 가지도록 레이저 파장 가변이 가능하도록 함과 아울러 레이저 출력 왜곡을 위한 보상이 독립적으로 이루어지도록 한 레이저 파장 가변 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 이를 위하여 단일 구동부 조작만으로 파장 선택에 따른 최적의 회절 및 연속적인 공진을 유지하여 레이저 다이오드가 제공하는 대부분의 파장 대역에 대한 유효 출력이 가능하도록 하고, 레이저 광원의 온도 및 기계적 조건에 따른 광출력 왜곡을 자동적으로 보상할 수 있도록 함으로써, 넓은 대역에 대한 정밀한 파장 선택이 가능하고 그에 따라 최적 상태의 출력이 항상 제공되는 뛰어난 성능의 레이저 파장 가변 장치를 제공하는 효과가 있다.
Figure R1020090022344
투과형 회절판, 격자 배치 각도, 파장 가변, 레이저, 회절각, 공진, 왜곡, 보상

Description

레이저 파장 가변 장치 및 그 방법{LASER WAVELENGTH TUNING APPARATUS AND METHOD THEROF}
본 발명은 레이저 파장 가변 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 특히 단일 조작을 통해서 자동적으로 최상 효율을 가지도록 레이저 파장 가변이 가능하도록 함과 아울러 레이저 출력 왜곡을 위한 보상이 독립적으로 이루어지도록 한 레이저 파장 가변 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
광학 기술의 발전은 다양한 산업 전반에 영향을 주어 미세 가공에서부터 초고속 통신에 이르는 광범위한 차세대 기술의 기반이 되고 있다. 특히, 직진성이 강한 레이저를 이용하여 미세 가공이나 표면을 개질하는 기술, 의학용 메스나 특정 세포를 선별 제거하는 기술, 광학 매체를 이용하여 데이터를 재생하는 기술, 광섬유의 전반사를 활용한 초고속 통신 기술 및 나노 크기의 입체적 시료에 대한 구성을 파악하는 현미경 기술 등 산업 및 의료 기술에 접목된 광학 기술은 점차 그 중요성이 높아지고 있다.
일반적인 레이저 광학 기술은 주로 단일 파장을 이용하고 있으나, 점차 다양한 파장을 활용하고자 하는 요구가 증가함에 따라 파장을 가변할 수 있는 파장 가변 레이저 광학 수단이 등장하여 통신의 대역을 획기적으로 증가시키거나, 다양한 시료를 분석하거나, 넓은 범위의 파장을 대상으로 최적 특성을 제공하는 파장을 선택하는 등의 활용이 가능해졌다.
이러한 레이저의 파장을 가변하는 기술을 적용한 파장 가변 레이저는 그 용도에 따라 상이한 구성을 가지게 되지만, 각종 광학 어플리케이션에 범용적으로 적용되는 가변 파장 레이저의 경우 일정한 파장 대역을 가지는 레이저 광원의 회절 각도를 조절하는 것으로 원하는 파장을 선택하여 출력하는 방식으로 구성된다. 일반적으로 복수의 광학적 구성이 조작되는 리트로우 캐비티(Littrow cavity)가 알려져 있으나, 이는 입력되는 광의 회절 각도에 따른 회절 효율 프로파일이 파장에 따라 상이하므로 모든 파장에 대해 최상의 효율을 유지하기 어렵고, 복수의 광학적 구성을 조작하기 위한 제어가 복잡해지며 그에 따른 광로 설계가 제한된다. 그 외에, 단일 반사경을 조작하여 격자에 의해 회절된 광을 반사시켜 다시 격자에 의해 회절된 광을 출력하는 리트만 캐비티(Littman cavity)도 사용되고 있으나, 이는 단일 격자를 이용하여 광을 복수로 반사시키기 때문에 효율이 크게 낮고, 선택 가능한 파장의 폭이 좁은 단점이 있다.
그에 따라 좀더 높은 효율의 정밀 파장 가변 장치에 대한 요구가 높아져왔다. 그에 따라, 파장 선택에 따른 광 경로 변화가 없고, 출력 효율이 높으면서도 선택 파장의 폭이 넓고 선택 파장의 정밀도가 높으며, 파장 선택에 필요한 제어도 간단하고 구성 부피도 작은 파장 가변 장치 및 그 방법에 대한 시장의 요구에 대응하기 위하여, 동 출원인에 의해 2008년 1월 18일 출원된 등록 특허 제 10-0817726호, "파장가변 장치 및 그 방법"은 투과형 회절판과 거울을 일체형으로 구성하고 이를 회전시켜 원하는 파장을 선택하도록 하여 선택된 파장의 공진이 발생할 수 있는 새로운 형태의 캐비티 구조를 제공함으로써, 항상 동일한 광 경로를 유지하면서 최적의 회절 효율로 파장 선택이 가능하도록 한 기술을 제시한 바 있다.
하지만 이러한 최적 회절 효율을 얻는다 하더라도 레이저의 특성에 맞추어 그 출력광의 효율을 극대화 하기위해서는 레이저 공진 특성을 최적화 하는 과정이 더 요구된다. 더불어 구동시나 레이저 광원 선택시 부터 최적의 출력광 특성을 제공하기 위해서는 레이저 광원의 온도에 따른 비정상적 왜곡을 감안한 광 출력 특성 보상 또한 무시되기 어렵다. 예를 들어, 초기 기동시 레이저 광원이 최적 온도 상황에 도달할 때까지 레이저 광원을 구성하는 기계적 상태에 의해서 왜곡이 발생하게 되며 현재까지 이를 해결할 마땅한 방안이 없어 적절한 온도가 될때까지 출력 품질이 균일하지 못한 상황이 발생한다.
특히, 복수의 파장 대역 별 레이저들을 구비하여 이들 중 원하는 파장 대역의 레이저를 선택한 후 해당 파장 대역에서 원하는 파장을 정밀하게 선별하여 출력하도록 하는 광대역 레이저 파장 가변 장치의 경우, 넓은 파장 대역 중에서 선택되는 파장에 따른 공진 특성 보상과 레이저 광원 교체 시 온도나 기계적 편차에 따른 출력광 왜곡에 대한 보상이 필수적이지만, 아직 넓은 파장 대역을 지원하는 파장 선택 장치에서 발생하게 되는 정밀한 공진 문제나 레이저 광원의 온도 및 기계적 선택 구조에 따른 왜곡까지 보상하고자 하는 기술은 찾아보기 어렵다.
상기와 같은 파장 가변 장치의 문제점을 해결하기 위해 새롭게 제안하는 본 발명 실시예들의 목적은 투과형 회절판의 최적 효율 회절각을 항상 유지하는 광경로가 구성되도록 회절판과 거울을 동시에 회전 가능하도록 일체형으로 구성하고, 상기 일체형 회절부의 구동에 연동하여 출력커플러의 위치가 가변되도록 함으로써, 파장을 선택하기 위한 단일 구동부 조작을 통해서 최적 효율의 회절과 연속적인 레이저 공진이 광경로 변화 없이 가능하도록 한 레이저 파장 가변 장치 및 그 방법을 제공하는 것이다.
본 발명 실시예들의 다른 목적은 레이저 광원의 정밀 온도 제어 상황을 벗어난 레이저 광원의 왜곡된 광 특성을 광출력 경로 상의 광손실 없이 측정하여 이를 자동 보상하도록 함으로써 온도를 비롯한 다양한 원인에 의한 레이저 광특성 변화를 능동적으로 보상할 수 있도록 한 레이저 파장 가변 장치 및 그 방법을 제공하는 것이다.
본 발명 실시예들의 또 다른 목적은 투과형 회절판을 그대로 투과하는 일부 광선을 활용하여 위치와 초점 상태를 확인하면서 그 상태에 따라 레이저 광원이 입사되는 시준렌즈의 위치를 3차원적으로 가변하도록 함으로써 출력광의 손실 없이 자동적으로 레이저 광의 위치와 초점을 최적화하도록 한 레이저 파장 가변 장치 및 그 방법을 제공하는 것이다.
본 발명 실시예들의 또 다른 목적은 투과형 회절판의 회절 격자 배치 각도를 선택하는 것으로 광경로를 자유롭게 설계하며 그에 따라 출력커플러 연동 위치도 설정하도록 함으로써, 부피를 줄일 수 있도록 한 레이저 파장 가변 장치 및 그 방법을 제공하는 것이다.
본 발명 실시예들의 또 다른 목적은 파장에 따른 단일 각도 조정만으로 넓은 파장 대역에서 선택한 파장에 대한 최고 회절 효율과 유효한 레이저 공진이 동시에 달성 되도록 자동 설정되는 레이저 파장 가변 장치 및 그 방법을 제공하는 것이다.
본 발명 실시예들의 또 다른 목적은 단일 구동부 조작만으로 파장 선택에 따른 최적의 회절 효율 및 유효한 공진을 유지하여 레이저 다이오드가 제공하는 대부분의 파장 대역에 대한 유효 출력이 가능하도록 하고, 상이한 파장 대역을 가지는 복수의 레이저 다이오드를 기계적 혹은 전기적으로 선택하면서 온도 및 기계적 조건에 따른 광출력 왜곡을 자동적으로 보상할 수 있도록 함으로써, 작은 수의 레이저 다이오드 구성으로 넓은 대역에 대한 정밀한 파장 선택이 가능하도록 한 레이저 파장 가변 장치 및 그 방법을 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 파장 가변 장치는 일정한 파장 대역을 가지는 레이저 광원과; 상기 레이저 광원이 제공하는 광선을 투과 회절시키고 회절된 광을 기 설정된 각도로 반사시키도록 투과형 회절부와 거울이 고정 배치되어 전체적으로 회전하는 일체형 회절부와; 상기 일체형 회절부의 회전에 따라 기 설정된 광경로상 거리가 조절되면서 상기 레이저 광원과 의 공진 거리를 설정하는 출력커플러와; 상기 일체형 회절부를 선택 파장에 대응시켜 회전시키는 구동부를 포함하여 이루어진다.
상기 출력커플러는 상기 출력커플러와 상기 레이저 광원 사이의 광경로 상 거리가 상기 일체형 회절부의 회전에 따라 선택되는 파장에 대응하도록 이동한다. 상기 출력커플러와 상기 레이저 광원 사이의 광경로 상 거리는 기 설정된 수의 1/2파장을 유지한다.
상기 일제형 회절부의 투과형 회절부는 홀로그래픽 회절판(Volume Phase Holographic Grating)으로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 레이저 광원과 상기 일체형 회절부 사이에 배치되어 상기 레이저 광원의 광선 형상을 성형(shaping)하는 시준 렌즈부와; 상기 시준 렌즈부 중 하나 이상의 렌즈 위치를 가변하는 렌즈 위치 조절부와; 상기 일체형 회절부의 투과형 회절부를 회절 없이 통과하는 광선을 수집하여 그 위치와 초점 상태 정보를 수집하는 하나 이상의 검출부와; 상기 검출부의 검출 결과에 따라 상기 렌즈 위치 조절부를 조절하는 제어부를 더 포함하여 왜곡에 대한 보상이 가능하도록 한다.
상기 시준 렌즈부는 상기 레이저 광원을 평행광이 되도록 하는 시준 렌즈를 포함하며, 상기 레이저 광원에서 제공되는 광선을 원형으로 보정하는 형태 보정 렌즈와 상기 레이저 광원에서 제공되는 광선의 초점을 보정하기 위한 초점 보정 렌즈 중 적어도 하나를 구비할 수 있는데, 상기 렌즈 위치 조절부는 상기 시준 렌즈의 위치를 3차원적으로 가변하는 3축 구동부를 포함하도록 구성할 수 있다.
상기 검출부는 상기 회절부를 회절 없이 통과하는 광선의 경로를 분리하는 빔 스플리터와 상기 분리된 각 광선의 위치와 초점을 각각 검출하는 위치 검출부와 초점 검출부를 포함하여 구성되고, 상기 빔 스플리터와 상기 위치 검출부 사이에 빔의 스팟을 축소하는 더블렛 렌즈를 더 배치하고, 상기 빔 스플리터와 상기 초점 검출부 사이에 기준 포커스 설정을 위한 실린더 렌즈를 더 배치하는 것이 바람직하다.
상기 레이저 광원은 파장 대역이 상이한 복수의 레이저 광원과; 파장 선택에 따라 대응 파장 영역을 포함하는 복수의 레이저 광원 중 하나를 선택하여 광경로 상에 위치시키는 광원 선택 구동부를 포함할 수 있다.
상기 광원 선택 구동부는 복수의 레이저 광원이 원형으로 배치되며 회전 운동에 따라 원하는 레이저 광원을 선택하는 회전식 터렛(turret) 구조일 수 있다. 한편, 상기 광원 선택 구동부에 의해 선택된 레이저 광원과 접촉하여 온도를 낮추기 위한 온도조절부를 더 포함할 수 있는데, 상기 온도조절부는 서모일렉트릭 쿨러(Thermo electric cooler) 소자와, 상기 서모일렉트릭 쿨러 소자의 차가운면에 배치되며 상기 레이저 광원과 접촉하는 면이 인입면취된 접촉부를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 레이저 파장 가변 장치는 일정한 파장 대역을 가지는 레이저 광원과; 상기 레이저 광원의 출력광을 성형하는 렌즈부와; 상기 렌즈부를 통한 광원의 광선에서 회전에 따라 선택된 파장을 기 설정된 고정 광경로로 회절 및 반사시키도록 투과형 회절부와 거울이 고정 각도로 일체화된 일체형 회절부와; 상기 고정 광경로에 배치되고, 상기 일체형 회절부의 회전에 따라 광원과의 광경로 상 길이가 기 설정된 수의 선택 파장이 유지 되도록 조절되는 출력커플러 와; 상기 일체형 회절부의 투과형 회절부를 회절 없이 투과한 광을 통해 출력광의 위치와 초점 중 적어도 하나에 대한 측정값을 제공하는 검출부와; 상기 검출부의 측정값이 기 설정된 목표값이 되도록 상기 렌즈부의 위치를 가변하는 렌즈위치 조절부를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 레이저 파장 가변 장치는 입사되는 레이저 광선을 평행광으로 성형하는 시준 렌즈와; 기 설정된 출력 광경로로 상기 시준 렌즈를 통한 레이저 광선을 회절시키는 투과형 회절부와; 상기 투과형 회절부를 통해 회절된 광을 일부 반사시켜 상기 레이저 광원부를 공진시키는 출력커플러와; 상기 투과형 회절부를 회절 없이 투과한 광의 위치와 초점 중 적어도 하나에 대한 측정값을 제공하는 검출부와; 상기 검출부의 측정값이 기 설정된 목표값이 되도록 상기 시준 렌즈의 위치를 가변하는 렌즈위치 조절부를 포함하여 이루어진다.
상기 투과형 회절부에 의해 회절된 광선을 기 설정된 출력 광경로로 반사하기 위해 상기 투과형 회절부와 고정 각도로 일체화된 거울을 더 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 파장 가변 방법은 결정된 광 경로에 따라 일정한 파장대역의 레이저광을 출력하는 레이저 광원부를 배치하는 단계와; 상기 레이저 광원부가 제공하는 광선을 투과형 회절부와 거울이 일체화된 일체형 회절부에 제공하고, 상기 일체형 회절부를 회전시켜 기 설정된 광경로를 유지하면서 원하는 파장을 선택하는 단계와; 상기 일체형 회절부의 회전에 따라 상기 일체형 회절부에 후속배치된 출력커플러의 위치를 가변하는 단계와; 상기 출력커플러와 기 설정된 광경로 출력 지점에 배치된 핀홀을 통해 상기 레이저 광원에서 출력된 파장 중 선택된 파장만 공진되면서 상기 핀홀을 통해 출력되는 단계를 포함하여 이루어진다.
상기 출력커플러의 위치를 가변하는 단계는 상기 일체형 회절부의 회절에 연동하여 상기 레이저 광원과 상기 출력커플러 사이의 광경로상 거리가 기 설정된 수의 선택 파장으로 유지 되도록 상기 출력커플러의 위치를 광경로에 따라 조절하는 단계를 포함한다.
상기 파장을 선택하는 단계에서, 상기 일체형 회절부의 투과형 회절부를 회절 없이 투과하는 광의 위치와 초점을 검출하여 목표 상태가 되도록 상기 레이저 광원부와 상기 일체형 회절부 사이에 배치된 시준 렌즈의 위치를 조절하는 자동 보상 단계를 더 포함한다.
상기 자동 보상 단계는 상기 투과형 회절부를 회절 없이 투과하는 광을 분할하여 일측광을 기준 초점 상태로 구성한 실린더 렌즈를 통과한 광의 초점을 복수 검출 소자로 이루어진 초점 검출 센서를 통해 측정하고, 상기 분할된 타측광을 복수의 검출 소자에 맞추어 스팟 크기를 줄이도록 구성한 더블렛 렌즈를 통과한 광의 위치를 복수의 검출 소자로 이루어진 위치 검출 센서를 통해 측정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 레이저 파장 가변 장치 및 그 방법은 투과형 회절 판의 최적 효율 회절각을 항상 유지하는 광경로가 구성되도록 회절판과 거울을 동시에 회전 가능하도록 일체형으로 구성하고, 상기 일체형 회절부의 구동에 연동하여 출력커플러의 위치가 가변되도록 함으로써, 파장을 선택하기 위한 단일 구동부 조작을 통해서 최적 효율의 회절과 선택 파장에 대해 유효한 레이저 공진이 광경로 변화 없이 가능한 효과가 있다.
본 발명의 실시예에 따른 레이저 파장 가변 장치 및 그 방법은 레이저 광원의 정밀 온도 제어 상황을 벗어난 레이저 광원의 왜곡된 광 특성을 광출력 경로 상의 광손실 없이 측정하여 이를 자동 보상하도록 함으로써 온도를 비롯한 다양한 원인에 의한 레이저 광특성 변화를 능동적으로 보상할 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 실시예에 따른 레이저 파장 가변 장치 및 그 방법은 투과형 회절판을 그대로 투과하는 일부 광선을 활용하여 위치와 초점 상태를 확인하면서 그 상태에 따라 레이저 광원이 입사되는 시준렌즈의 위치를 3차원적으로 가변하도록 함으로써 출력광의 손실 없이 자동적으로 레이저 광의 위치와 초점을 최적화하여 출력품질이 항상 최상의 상태가 되도록 하는 효과가 있다.
본 발명의 실시예에 따른 레이저 파장 가변 장치 및 그 방법은 투과형 회절판의 회절 격자 배치 각도를 선택하는 것으로 광경로를 자유롭게 설계하며 그에 따라 출력커플러 연동 위치도 설정하도록 함으로써, 부피를 줄일 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 실시예에 따른 레이저 파장 가변 장치 및 그 방법은 파장에 따른 단일 각도 조정만으로 선택한 파장에 대한 최고 회절 효율과 유효한 레이저 공진이 동시에 달성됨으로써 제어 부담과 제어에 대한 반응 시간을 줄일 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 실시예에 따른 레이저 파장 가변 장치 및 그 방법은 단일 구동부 조작만으로 파장 선택에 따른 최적의 회절 효율 및 유효한 공진을 유지하여 레이저 다이오드가 제공하는 대부분의 파장 대역에 대한 유효 출력이 가능하도록 하고, 상이한 파장 대역을 가지는 복수의 레이저 다이오드를 기계적 혹은 전기적으로 선택하면서 온도 및 기계적 조건에 따른 광출력 왜곡을 자동적으로 보상할 수 있도록 함으로써, 작은 수의 레이저 다이오드 구성으로 넓은 대역에 대한 정밀한 파장 선택이 항상 가능하도록 하여 고품질을 달성할 수 있는 효과가 있다.
상기한 바와 같은 본 발명을 첨부된 도면들과 실시예들을 통해 상세히 설명하도록 한다.
도 1은 광경로를 유지하면서 원하는 파장을 단일 구동부를 통해 최적 회절 효율로 선택하는 광학 캐비티의 구성을 포함하는 파장 가변 장치의 구성 예를 보인 것으로, 일정한 파장 대역을 출력하는 레이저 다이오드(11), 상기 레이저 다이오드(11)의 출력 광을 평행하게 하는 시준 렌즈(12), 해당 시준 렌즈(12)를 통해 평행해진 광선이 회절되면서 투과되는 투과형 회절판(20), 해당 회절된 광을 광 경로 설정을 위해 반사시키는 거울(30), 상기 거울(30)이 반사시킨 광선에서 선택된 파장을 공진시키기 위해 입사광의 일부를 반사시키는 출력커플러(14), 상기 출력커플 러(14)를 통해 제공되는 광을 집광하여 핀홀 렌즈(16)의 핀홀에 제공하는 집광 렌즈(15)로 이루어진다. 여기서, 상기 투과형 회절판(20)과 상기 거울(30)은 광경로 설정을 위한 고정각도로 배치되어 일체화된 일체형 회절부(13)를 구성하며, 이는 단일 축을 기준으로 회전하면서 원하는 파장을 선택하게 된다.
도시된 레이저 다이오드(11)는 좌측에 전반사 거울이 존재하고 우측에는 무반사 코팅된 부분 반사 거울이 존재(미도시)하여 내부적인 공진 잡음이 없도록 한 것으로, 해당 레이저 다이오드(11)에서 출력되는 복수 파장의 광선들은 시준 렌즈(12)를 통해 평행광이 되어 일체형 회절부(13)에 입사되며, 해당 광은 투과에 따른 회절 및 반사에 의해 기 설정된 광 경로로 진행하다가 집광 렌즈(15)를 통해 집중되어 핀홀 렌즈(16)의 핀홀에 수렴하게 되는데, 이러한 광 경로 상에 입사광의 일부를 반사시키는 출력커플러(14)를 배치하여 광의 일부를 다시 레이저 다이오드(11)로 피드백시켜 공진을 유도하며, 이러한 공진에 의해 원하는 파장의 이득이 점차 증가하여 해당 파장에서 빛이 발생하게 된다. 이때 입사각과 같은 회절 각도를 가지는 선택된 파장(λ)의 광만 핀홀을 통해 출력되며, 그 외의 다른 파장을 가지는 광은 핀홀을 통과하지 못하여 소실된다.
상기 투과형 회절판(20)은 도 2의 구성과 같은 볼륨 위상 홀로그래픽 회절판(Volume Phase Holographic Grating, 이하 VPHG)을 적용할 수 있는데, 광학적으로 의미가 있는 대부분의 파장 대역에 대해 높은 투과성을 보이는 회절판이다.
도 2에 도시된 회절판은 투명한 전후면 투과판(21) 사이에 특정 파장의 진행 방향을 회절시키는 격자(22)가 배치된 구성으로 이루어져 있다.
상기 회절판은 입사되는 광을 회절시켜 소정의 범위로 왜곡 투과시키는 특징이 있으나, 이러한 왜곡 투과되는 광 중에서 입사각과 동일한 반사각으로 출력되는 광의 효율이 가장 높다. 즉, 회절판의 입사 위치에 수직한 가상의 수직선(점선)(즉, 회절축에 수직한 수직선)에 대한 입사광의 입사 각도(θi)와 대칭되는 투과광의 회절 각도(θd)로 출력되는 광의 효율이 투과되는 광들 중 가장 높은데, 이러한 최적 효율의 입사 각도와 그에 대칭되는 투과광 각도는 원하는 파장과 격자의 간격(d)에 따라 상이하므로 최적의 효율로 투과되어 회절되는 광을 얻기 위해서는 파장(λ)에 따른 최적 입사각과 그에 따른 투과광의 각도를 얻을 필요가 있다. 이는 다음의 수학식 1을 통해 얻어질 수 있다.
λ=d(sinθi + sinθd )
즉, 원하는 파장에 대한 최적의 입사 각도(θi)와 투과광의 회절 각도(θd)는 sin-1(λ/2d)의 식을 이용하여 구할 수 있다. 여기서, 입사 각도와 투과광의 회절 각도는 동일하다. 한편, 상기 입사각과 회절 각도를 구하는 기준선은 격자(22)의 배치 각도를 기준으로 하며, 도시된 상태는 격자 배치 각도가 회절판에 수직한 상태이므로 수직선을 기준으로 하는 것임에 주의한다. 격자 배치 각도가 변하는 경우는 도 5에서 다시 살펴볼 것이다.
도 3및 도 4는 일체형 회절판의 회전에 따라 일정 대역의 파장을 제공하는 레이저 광원에서 원하는 파장을 선택하는 방식을 설명하기 위한 것으로, 레이저 광원의 파장 스팩트럼 프로파일 중에서 개의 파장(λ1, λ2, λ3)에 대해서만 살펴본 것이다. 예를 들어, λ1은 635nm, λ2는 636nm, λ3는 634nm로 가정하며, 투과형 회절판은 VPHG로서 그 격자의 배열은 1200lpmm(line per milimeter)(1mm 당 1200개)로 가정한다. 한편, 설명을 위해 도면의 일부를 과장하여 도시하였음에 주의한다.
도 3은 상기 3개의 파장 중에서 λ1을 선택하는 경우를 보인 것으로, 도시한 바와 같이 일체형 회절부의 투과형 회절부(20)를 통해 최적의 입사 각도(θi)로 입사되어 최적의 회절 각도(θd)로 회절된광은 거울(30)을 통해 고정된 경로, 즉 출력광이 핀홀 렌즈(16)에 수렴하는 경로로 제공된다. 이때, 상기 일체형 회절부를 통해 제공되는 광의 일부를 반사시키는 출력커플러(14)의 피드백에 의해 공진이 일어나며 이러한 공진에 의해 파장 이득이 증가되어 레이저 광선이 제공되게 된다. 이렇게 제공되는 레이저 광 중에서 상기 선택된 파장(λ1)만 핀홀렌즈(16)를 통해 출력되고 그 외의 다른 파장(λ2, λ3)을 가지는 광은 핀홀렌즈(16)를 통과하지 못하여 소실된다. 즉, 원하는 파장을 선택하기 위해서는 최적 입사각을 구하여 해당 입사각이 되도록 일체형 회절부를 회전시키면되는 것이다.
예를 들어, 수학식1을 통해서 λ1(635nm) 파장을 위한 입사각(θi)을 구해보면 635nm = (1mm/1200)×2×sinθ의 식을 통해 약 22.396°가 됨을 알 수 있고, 이를 기준으로 상기 일체형 회절부를 구동시키면 파장 선택 제어가 가능하게 된다.
도 4는 도 3의 구성에서 다른 파장(λ2)을 선택하는 경우를 보인 것이다.
상기 수학식 1을 통해서 λ2(636nm) 파장을 위한 입사각(θi)을 구해보면 636nm = (1mm/1200)×2×sinθ의 식을 통해 약 22.433°가 됨을 알 수 있고 이를 위해서 일체형 회절부를 제어 각도(θa)에 해당하는 약 0.037°만큼 회전축(P)을 기준으로 회전시키면 입사각이 22.433°이고 회절각이 22.433°일 때 최고 효율로 회절되는 636nm 파장이 핀홀로 출력된다. 상기 회전축은 회절판의 회절축과 거울면의 반사면의 연장선이 만나는 지점이며, 도시된 접촉 구성에서는 회전축(P)의 지점이 된다.
이러한 구성과 동작 방식을 통해서 최적의 회절 효율을 가지도록 입사각을 설정할 수 있으며, 그에 따라 최적 효율로 회절된 광(입사각과 동일한 각도로 회절된 광)을 선택적으로 출력할 수 있다.
한편, 설계 자유도를 위해서 투과형 회절판의 격자 구조를 변경할 수 있으며 그로 인해서 입사각과 광경로를 변경할 수 있다.
도 5는 광 경로를 변화시킬 수 있는 투과형 회절판의 다른 구성을 보인 것으로, 도시한 바와 같이 회절판의 격자 배치 각도가 기울어져 구성된 경우의 회절 상태를 보인 것이다. 도시된 바와 같이 격자를 회절판의 길이 방향 중심선(점선)을 기준으로 β만큼 기울여 배치할 경우 입사 각도(θi)와 회절 각도(θd)는 상기 격자의 배치 각도를 기준(기울어진 점선)으로 산출된다. 이러한 경우에도 앞서 설명한 수학식 1의 관계는 동일하게 유지되므로 격자의 기울어진 각도를 기준으로 고려해 주기만 하면 된다.
도 6 및 도 7은 기울어진 격자를 가지는 투과형 회절판을 일체형 회절부에 적용할 경우 광경로를 자유롭게 설정할 수 있음을 보이기 위한 것으로, 도 6에 도시한 바와 같이 투과형 회절판(25)과 거울(30) 사이의 각도(θf)를 둔각으로 설정할 수 있고 , 도 7에 도시한 바와 같이 투과형 회절판(26)과 거울(30) 사이의 각도(θf)를 예각으로 설정할 수 있으며 이러한 각 경우에도 입사광과 출력광의 방향을 일치시킬 수 있다.
상기 언급한 일체형 회절판을 이용하여 단일 각도 조절만으로 최적 회절 효율을 자동적으로 얻으면서 정밀한 파장 선택이 가능한 구조를 살펴보았다. 하지만, 이러한 구성은 레이저 광원에서 선택 가능한 파장의 범위가 좁을 경우에는 큰 문제가 없지만 실질적으로 출력 품질은 기준 파장을 벗어날수록 낮아질 수 밖에 없는 한계가 발생하게 된다. 이는 현재까지 제공되는 캐비티 구조가 특정 파장에 대한 공진 구조로 고정되어 있기 때문이며 이를 해소하기 위해서는 파장 선택 시 마다 캐비티의 공진 구조를 매번 조절해 줄 수 밖에 없다.
즉, 넓은 파장 대역을 포괄하는 레이저 광원에서 원하는 파장을 선택하도록하거나 넓은 파장 대역을 포괄하기 위해서 복수의 상이한 파장 대역을 가지는 레이저 광원들을 이용하면서 고정된 공진 거리가 적용 될 경우 그 출력 품질이 낮아질 수 밖에 없다. 이를 해결하기 위해서는 파장에 따라 정밀하게(수백 nm 단위) 레이저 광원의 공진 구조를 조절할 수 밖에 없어 공진구조 변경을 위한 제어 부담이 증 가하게 된다.
도 8은 본 발명 일 실시예의 동작 방식을 보인 것으로 도시한 방식을 통해서 최적 회절 효율과 동시에 최적 공진 효율을 단일 조작을 통해서 자동적으로 달성할 수 있게 된다. 즉, 최상의 출력 품질이 모든 선택 파장에 대해 유지되게 된다.
도시된 바와 같이 레이저 다이오드(110)와, 상기 레이저 다이오드(110)의 출력광을 평행광으로 성형(shaping)하는 시준 렌즈(120)와, 상기 시준 렌즈(120)를 통과한 광 중 선택된 파장의 광을 최적 회절 효율로 회절시키면서 기 설정된 고정 경로로 제공하는 일체형 회절부(130)와, 상기 일체형 회절부(130)가 파장을 선택하기 위해 회전함에 따라 상기 회전에 연동하여 광경로상에서 거리가 가변됨으로써 선택 파장에서 최적의 공진 환경을 제공하는 출력커플러(140)와, 상기 출력커플러(140)를 통해 제공되는 출력광을 핀홀 렌즈(160)의 핀홀로 집광하는 렌즈(150)로 이루어진다.
임의의 원하는 파장을 선택하기 위해서는 선택되는 파장이 공진 가능한 파장이 되어야 하므로, 선택 파장이 공진 가능하도록 캐비티의 거리가 선택 파장에 따라 가변되도록 함으로써 공진 가능한 파장을 연속적으로 변화시킬 수 있게 된다. 공진 가능한 레이저의 공진 거리는 선택 파장의 절반에 비례하는 길이일 경우 얻어지며, 이러한 선택 파장에 대한 공진 주기는 기 설정된 수의 파장으로 얻어질 수 있다. 즉, 레이저 다이오드(110)와 상기 출력커플러(140) 사이의 거리(S)가 n개의 1/2파장일 때 공진이 가능하다. 여기서 n은 모드 수(mode number)가 된다. 한편, 본 실시예의 경우 일체형 회절부(130)가 구성되어 있기 때문에 상기 거리(S)는 단 순한 직선 거리가 아닌 굴절율이 고려된 광경로의 길이를 의미한다는 것에 주의한다. 이렇게 n이 결정된 이후에는 파장 선택에 의해 파장이 변화되더라도 항상 동일한 값이 유지되어야 한다. 예를 들어, 기준 파장에서 공진 거리를 측정한 결과 모드 수 n이 10000일 때 최적의 공진 효율이 얻어지는 경우, n을 10000으로 설정하면 이후 선택되는 임의의 파장에서도 n의 값을 10000으로 유지할 경우 공진 가능한 파장을 연속적으로 변화시킴으로써 해당 파장에서도 공진을 유지할 수 있게 된다. 즉, 레이저 다이오드의 고유 모드와 공진에 의한 모드가 비례적으로 대응되도록 함으로써 파장 선택 해상도를 높일 수 있고, 최적의 출력 품질을 유지할 수 있게 된다.
이를 간단한 수식으로 나타내면 수학식 2와 같다.
S = n(λ/2)
이러한 파장의 선택은 상기 일체형 회절부(130)의 파장별 최적 입사각 연산을 통해 얻어지는 규칙적인 각도의 회전으로 가능하게 되는데, 상기 연속적 공진을 위한 출력커플러의 위치 역시 1/2파장의 길이에 비례하여 순차적으로 이동하면 되기 때문에 이러한 규칙적인 관계를 기구적 링크 구성(기어, 벨트 등)을 이용하여 연동시킬 수 있다. 상기 모드 수 n은 수학적 연산이나 실제 측정을 통해서 얻어질 수 있으며, 얻어진 길이(S)는 파장 변화에 따라 비례적으로 가변되는데, 바람직하게는 일체형 회절부(130)의 동작 거리와 출력커플러(140) 사이의 이동 거리를 대응시키는 방식을 적용할 수 있다.
한편, 상기 레이저 다이오드(110)와 상기 출력커플러(140) 사이의 거리(S)는 도시한 바와 같이 레이저 다이오드(110)와 일체형 회절부(130) 사이의 거리(S1)와 상기 일체형 회절부(130)와 출력커플러(140) 사이의 거리(S2)를 단순 결합한 거리(R1)가 아니라 광경로 상의 거리를 의미하며, 이러한 거리는 상기 일체형 회절부(130)의 굴절율과 회전에 따라 규칙적으로 가변되기 때문에 이를 고려하여 상기 출력커플러(140)의 위치를 결정해야 한다.
상기 구성에 따라서 상기 일체형 회절부를 선택 파장에 따라 회전시키거나 혹은 반대로 선택 파장에 따라 출력커플러의 위치를 조절하면 나머지 구동 부분은 자동적으로 최적 상태가 설정되게 된다. 물론, 기구적 구성에 의해서 상호 연동되므로 어떠한 부분을 구동시키더라도 동일한 의미가 될 수 있다.
도 9는 상기 일체형 회절부(230)와 상기 출력커플러(140)의 구성예로서, 도시한 바와 같이 일체로 구성된 일체형 회절부(230)의 투과형 회절부(231)와 거울(232)을 통과한 레이저광이 제공되는 출력커플러(240)가 광경로를 따라서 기계적으로 움직일 수 있도록 구성하고, 상기 일체형 회절부(230)의 회전에 따라 상기 출력커플러(240)가 직선으로 움직이도록하는 기구적 링크부를 부가하는 것으로 실질적으로 파장 선택을 위해 상기 일체형 회절부(230)를 최적 입사각이 되도록 조절하는 것 만으로 출력커플러(240)가 최적 공진 거리에 위치되게 되어 최적의 출력 품질이 얻어지게 된다.
상기 구성을 통해서 넓은 대역의 레이저 광원에서 원하는 파장을 선택할 경우나 복수의 상이한 대역별 레이저 광원에서 원하는 파장을 선택하고자 할 경우 공 진의 불연속에 따른 출력 품질 저감을 방지할 수 있게 되며 이를 위해 별도의 제어가 필요한 구동부를 추가할 필요가 없어 제어 부담이 증가하지 않게 된다.
한편, 이렇게 선택 파장에 대해서 최적의 회절 효율과 연속적 공진에 따른 최상의 출력 품질을 제공하는 캐비티 구조를 이용하는 경우라 할지라도 레이저 광원의 특성에 따른 왜곡이 발생할 수 있다.
기본적으로 레이저 다이오드를 포함하는 레이저 광원은 동작 온도범위를 유지하기 위한 온도제어 구성과 온도 측정 구성등이 추가되어야 레이저 광원으로 사용할 수 있게 되는데, 이러한 레이저 광원의 경우 기 설정된 동작 온도범위에서만 최적의 출력을 제공할 수 있다. 예를 들어, 레이저 광원이 초기 구동되는 경우나 파장 선택에 의해서 복수의 레이저 광원 중 하나가 선택되어 구동되는 경우와 같이 동작 온도 범위를 벗어날 경우 레이저 광원을 구성하는 소재들의 미세한 변화로 인한 왜곡(위치와 초점의 변화)이 발생하게 되며, 이는 상기 레이저 광원이 안정 상태가 될때까지 제어할 수 없는 상황이 벌어지게 된다.
특히, 복수의 레이저 광원에서 파장을 선택함에 따라 사용 중 레이저 광원 교체가 발생하는 경우, 출력의 왜곡은 심각한 품질 저하를 유발하게 된다. 더불어, 레이저 광원의 교체를 위한 기계적 구성이 있을 경우 기계적 구성 및 동작에 따른 공차에 의한 출력 왜곡이 발생할 수 있어 정밀한 구동부 설계가 요구되어 수율이 낮아지고 비용이 높아지는 문제가 있으며, 이렇게 정밀한 구성을 적용하더라도 레이저 광원부 마다 왜곡 편차가 상이하게 발생할 수 있다.
따라서, 온도를 비롯한 다양한 환경적 요인이나 기계적 공차 등에 의한 왜곡 을 방지할 수 있어야 앞서 최적 효율의 회절과 최적 효율의 공진을 통해 높인 품질을 유지할 수 있게 된다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따라 상기 왜곡을 자동으로 보상하는 구성을 포함하는 레이저 파장 선택 장치의 구성을 보인 것으로, 레이저 다이오드(110)에서 제공되는 광을 성형하는 렌즈부(121, 122, 123)와, 상기 렌즈부에 의해 성형된 광을 선택 파장에 대해 최적 효율로 회절시켜 기 설정된 광경로로 제공하는 일체형 회절부(130)와, 상기 회절되어 제공되는 광을 위치 이동에 따라 최적 공진 거리에서 공진시키는 출력커플러(140)와, 출력커플러(140)를 통해 제공되는 광을 집중하여 핀홀 렌즈(160)에 제공하는 렌즈(150)로 이루어진 전술한 구성에 부가적으로 자동 왜곡 보상이 가능하도록 구성된 구성부들을 더 포함한다. 앞서 다른 구성을 설명하면서 상기 렌즈부(121, 122, 123)는 이들 중 기본 렌즈인 시준 렌즈(121)만을 예로 들어 설명하였으나, 일반적인 레이저 캐비티 구조에 적용되는 렌즈부에는 광선을 원형으로 보정하는 형태 보정 렌즈(122)와 상기 레이저 광원에서 제공되는 광선의 초점을 보정하기 위한 초점 보정 렌즈(123)가 적용되며 필요한 경우 이들 중 일부는 생략될 수 있다.
도시된 바와 같이 일체형 회절부(130)의 투과형 회절부를 회절하지 않고 투과하는 일부 광을 분리하는 빔 스플리터(180)와, 상기 분리된 각 광선의 위치와 초점을 각각 검출하는 위치 검출부(192)와 초점 검출부(191)와, 상기 렌즈부(121, 122, 123)에 포함된 시준 렌즈(121)를 3차원 방향으로 조절하는 3차원 구동부(196) 및 상기 위치 검출부(192)와 초점 검출부(191)의 검출값에 따라서 목표 검출값이 측정되도록 상기 3차원 구동부(196)를 조절하는 자동 보상 제어부(195)를 포함한다.
한편, 보다 정확한 검출을 위해서, 상기 빔 스플리터(180)와 상기 위치 검출부(192) 사이에는 빔의 스팟을 축소하는 더블렛 렌즈(182)를 더 배치하고, 상기 빔 스플리터(180)와 상기 초점 검출부(191) 사이에 는 기준 초점 설정을 위한 실린더 렌즈(181)를 더 배치할 수 있고, 경우에 따라서는 빔 스플리터(180) 앞 부분에 성형 렌즈를 더 구성할 수 있다. 한편, 상기 빔 스플리터(180)와 상기 실린더 렌즈(181) 사이에는 효율적 초점 검출을 위해 빔 스팟을 축소하는 더블렛 렌즈(미도시)를 추가할 수도 있다. 또한, 도시된 바와 같이 검출부들(191, 192)의 광학적 구성을 적절한 위치에 배치하기 위하여 광 경로를 전환하는 거울(170)을 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 위치 검출부(192)와 초점 검출부(191) 및 그에 따른 광학 구성과 3차원 구동부(196)의 구동 축은 모두 적용되는 것이 바람직하지만 경우에 따라서는 이들 중 일부만 적용될 수도 있다. 또한, 왜곡 보상을 위한 위치 및 초점 조절을 위해서 시준 렌즈(121)를 3차원으로 조절할 수 있으나, 초첨 보정용 렌즈(123)를 1차원적으로 조절하여 초점을 보정하고 시준 렌즈(121)를 2차원적으로 조절하여 위치를 보정하는 구조 등으로 변형이 가능하며 이러한 구성 외에도 다양한 차원의 위치 조절 구조로 변형이 가능하다.
상기 왜곡 보상을 위한 기준 광은 투과형 회절부를 회절하지 않고 투과한 광을 이용하게 되는데, 현재 대부분의 투과형 회절부는 격자 구조의 특성 상 모든 입 사광을 회절시키지 못하고 일부광은 투과시키게 되며, 일반적으로 이러한 회절 없이 투과되는 부수적인 광은 무시되지만 본 실시예에서는 이렇게 무시되는 회절 없는 투과광을 이용하여 출력광의 상태를 모니터링하도록 하는 것으로 주된 광경로의 광손실 없는 모니터링이 가능하도록 한다.
상기 3차원 구동부(196)는 상기 위치 검출부(192)의 검출값에 따라 상하좌우의 2차원 위치 보정을 위한 2개 구동축과, 상기 초점 검출부(191)의 검출값에 따라 전후의 1차원 위치 보정을 위한 1개의 구동축, 즉 총 3개의 구동축으로 이루어지며, 정밀한 조정을 위하여 보이스 코일 모터(Voice Coil Motor)를 이용하는 것이 바람직하다. 한편 이러한 구동축의 수는 다양한 실시예에 따라 달라질 수 있다.
도 11은 위치 검출부(192)를 이용하여 위치 왜곡을 보상하는 상황을 보인 것으로, 수신 광에 따라 전기적 특성이 변화되는 복수의 소자(주로 포토 다이오드 4개)를 통해서 측정된 값의 소자간 측정 편차가 없도록 좌측과 같이 왜곡된 상태를 우측과 같이 보상하는 방향으로 상기 자동 보상 제어부(195)가 상기 3차원 구동부(196)를 제어한다.
도 12는 초점 검출부(191)를 이용하여 초점 왜곡을 보상하는 상황을 보인 것으로, 정확한 초점에서는 원형을 유지하지만 초점이 맞지 않는 경우 좌우나 상하가 긴 타원 형태의 광이 검출되며, 이러한 타원형 광의 형태를 효과적으로 파악하기 위해서 수신 광에 따라 전기적 특성이 변화되는 복수의 소자(주로 포토 다이오드 4개)를 광 변형 위치에 배치한 후 측정된 값의 편차가 없도록 좌측과 같이 왜곡된 상태를 우측과 같이 보상하는 방향으로 상기 자동 보상 제어부(195)가 상기 3차원 구동부(196)를 제어한다.
도 13은 앞서 설명한 자동 보상 부분(250)의 구성과 이러한 구성이 적용되는 것이 바람직한 기계적 레이저 광원 선택 구동부(210)를 보인 것이다.
상기 자동 보상 부분(250)은 시준 렌즈(121)를 3차원 방향으로 조절할 수 있는 3차원 구동부(196)의 실제 적용 부분을 제외하면 그 외의 부분은 기존의 레이저 파장 선택 캐비티 구조에 마치 모듈 형태로 쉽게 적용될 수 있으며, 실질적으로 3차원 구동부(196)를 제외한 구성은 모듈 형태로 구현될 수도 있어 적용성이 높으며, 도시된 레이저 파장 선택 장치 외에 다양한 광학 장비에 적용될 수 있다.
이러한 자동 보상 부분(250)은 앞서 살펴본 레이저 파장 가변 장치의 레이저 광원 제공부분이 도시된 바와 같은 기계적으로 레이저 광원을 선별 제공하는 광원 선택 구동부(210) 형태로 구현될 경우 더욱 적합한데, 도시된 광원 선택 구동부(210)는 원형의 플레이트 위에 복수의 레이저 모듈(211)이 배치되어 해당 원형 플레이트가 구동부(215)에 의해 회전함에 따라 목표 파장을 제공하는 레이저 모듈(211)이 선택되도록 구성된다. 물론, 이러한 원반 혹은 터렛(turret) 형태의 구성이 아니라 레이저 모듈을 일렬로 배치한 후 이를 슬라이딩 시키는 방식 등도 적용 될 수 있다.
이렇게 복수의 레이저 모듈(211)이 이용될 경우 상기 레이저 모듈(211) 각각에 온도 제어부를 구성하는 것은 비효율적이기 때문에 온도 제어를 위한 구성은 실제 선택된 레이저 모듈(211)이 광학 캐비티의 광원 위치로 이동할 경우 접촉되도록 한 곳에만 설치되는 것이 효과적이다.
도 14는 레이저 모듈(211)에 적용되는 온도 제어부 구조를 보인 것으로 도시한 바와 같이 전기적 에너지에 의해서 일측면이 차가워지고 그 반대면은 뜨거워지는 서모일렉트릭 쿨러(Thermo Electric Cooler) 소자(216)와, 상기 서모일렉트릭 쿨러 소자(216)의 차가운면에 배치되어 그 상부에 접촉되는 레이저 모듈(211)의 온도를 낮추는 접촉부(218)와, 상기 서모일렉트릭 쿨러 소자(216)의 뜨거운면에 배치되어 뜨거운 열을 방열시키는 방열부(217) 및 상기 레이저 모듈(211)에 구성된 온도 센서의 센싱값에 따라 상기 서모일렉트릭 쿨러 소자(216)의 온도를 조절하는 온도 제어부(301)로 구성된다. 여기서, 기본적으로 서모일렉트릭 쿨러 소자(216)와 접촉부(218) 및 방열부(217)는 물리적으로 단일 위치에 구성되며, 상기 레이저 모듈(211)이 기계적 움직임에 의해 상기 접촉부(218)에 접촉된다.
이렇게 접촉부(218)에 의해 접촉되는 레이저 모듈(211)이 동작하게 되면 일정 시간동안 그 온도가 구동 범위를 벗어나기 때문에 출력이 왜곡되며, 이를 상기 자동 보상 부분(250)이 보상하게 됨으로써, 이상적인 품질을 제공하는 광대역 파장 선택 장치를 구현할 수 있게 된다. 한편, 상기 접촉부(218)는 기계적으로 움직이는 레이저 모듈(211)과의 접촉 저항을 줄이고 효율적인 온도 제어를 위해 상기 레이저 모듈(211)과 접촉하는 면을 인입면취(즉, 요철 구조로 구성)하는 것이 바람직하다. 이를 통해서 기계적 편차를 줄이고 온도 조절 효율을 높여 왜곡이 유지되는 시간을 최소화 할 수 있다.
한편, 상기 레이저 모듈(211)이 파장 선택에 따라 움직이게 되고, 상기 레이저 모듈(211)이 접촉부(218)에 접촉하게 되며, 레이저 모듈(211)을 회전 구조물에 고정하는 등 각종 편차들이 발생할 수 있는 수 많은 기계적 요인들이 있으며, 이러한 기계적 요인들에 대한 공차에 의해 선택 레이저 모듈(211)마다 상이한 특성 편차들이 발생할 수 있다. 비록 레이저 모듈(211)들을 선택하기 위한 광원 선택 구동부(210)의 구동부(215)로 보이스 코일 모터를 사용하는 등 정밀 제어를 위한 구조를 적용할 수 있으나, 모든 기구적, 기계적 편차 요소들을 정밀하게 균일화하기는 어렵다. 이러한 각종 편차들 역시 상기 자동 보상 부분(250)에 의해 보상될 수 있어 최적의 회절 효율과 최적의 공진 효율에 의한 최상의 품질을 왜곡 없이 균일하게 제공할 수 있게 된다.
도 15는 앞서 설명한 구성을 이용하여 넓은 범위에서 항상 최상의 출력 품질을 제공하는 파장 선택이 가능하도록 한 레이저 파장 선택 장치의 구성예로서, 도시한 바와 같이 상이한 대역을 가지는 복수의 레이저 모듈을 선택 파장에 따라 선별 제공하는 광원 선택 구동부(210)로부터 선별 제공되는 광을 3차원적으로 조절되는 시준 렌즈(121)와 부가 성형 렌즈들(122, 123)를 통해 일체형 회절부(130)에 선택 파장에 대해 최적 효율을 제공하는 입사각으로 제공하고, 상기 일체형 회절부(130)의 파장 선택을 위한 회전에 연동되어 최적 공진 위치로 조절되는 출력커플러(140)에 의해 공진된 레이저 광이 집광 렌즈(150)를 통해 핀홀 렌즈(160)로 출력되도록 구성된다. 그리고, 상기 일체형 회절부(130)의 투과형 회절판을 회절없이 투과한 광의 위치와 초점 상태를 검출부(191, 192)를 통해 검출하여 상기 시준 렌즈(121)의 위치를 3차원으로 조절하는 3차원 구동부(196)를 통해 보상하는 자동보상 제어부(195)가 구성된다.
여기서, 상기 집광 렌즈(150)를 통과한 광선의 일부를 상기 광 경로 외부로 반사키는 부분 반사 거울(155)과 상기 부분 반사된 광선의 출력을 전기 신호로 변환하는 모니터부(156)가 더 구성될 수 있다. 더불어, 상기 출력커플러(140)와 연동되는 일체형 회절부(130)를 선택 파장에 따라 회전 시키는 파장 선택 구동부(320)와, 선택 파장을 제공하는 레이저 모듈(211)을 선택하도록 광원 선택 구동부(210)의 구동부(215)를 동작시키고 선택된 레이저 모듈(211)을 구동시키는 레이저 구동부(330)와, 외부 제어 신호에 따른 각도로 상기 파장 선택 구동부(320)를 제어하고 상기 모니터부(156)의 출력과 상기 외부 제어 신호에 따른 출력 세기를 비교하여 레이저 구동부(330)가 레이저 모듈(211)에 제공하는 전류의 크기를 제어하는 제어부(310)가 더 구성될 수 있다.
상기 구성을 통해 외부 제어 신호에 따라 원하는 파장을 원하는 출력 세기로 선택하여 출력할 수 있으며 그 품질도 항상 균일하게 최상으로 유지할 수 있다.
도 16은 본 발명의 실시예에 적용한 위치가변 출력커플러의 파장별 효율을 나타낸 것이다. 좌측은 출력커플러를 고정시킨 경우의 효율을 나타낸 것으로 공진을 위한 캐비티 구조가 고정된 경우에는 공진 가능한 파장이 분산되어 나타남을 보인 것이다. 도시한 바와 같이, 레이저 다이오드의 모드와 공진 모드에 의해 파장에 따라서 효율이 극히 낮아지는 부분(즉, 원하는 파장에서는 공진이 안되는 부분, 해당 파장이 선택될 경우 공진이 안되거나 그 근처 파장에서 공진이 발생)들이 존재하고 있음을 알 수 있다.
하지만, 우측에 도시한 그래프와 같이 출력커플러를 선택 파장에 따라 이동 시켜 공진을 위한 모드가 가변될 수 있도록 할 경우 공진 가능한 파장을 연속적으로 변화시킬 수 있어 공진이 발생하지 않는 파장 없이 모든 파장에서 공진이 발생할 수 있게 되므로 출력 품질 저하(공진이 안되거나 근처 파장에서 공진이 발생하여 출력이 불안정한 출력)를 근본적으로 방지할 수 있게 된다. 따라서, 정밀한 파장 선택이 가능해지며, 어떠한 파장을 선택하더라도 최적 효율의 출력을 제공할 수 있게 된다.
이상에서는 본 발명에서 특정의 바람직한 실시예들에 대하여 도시하고 또한 설명하였다. 그러나 본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 아니하며, 특허 청구의 범위에서 첨부하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능할 것이다.
도 1은 효과적 파장 선택이 가능한 캐비티 구성을 보인 개념도.
도 2는 투과형 회절판의 특성을 설명하기 위한 회절판 구성도
도 3 및 도 4는 일체형 회절판을 적용한 캐비티에서 파장을 선택하는 방식을 설명하는 동작 개념도.
도 5는 투과형 회절판의 회절 특성을 설명하기 위한 구성도.
도 6 및 도 7은 광 경로 설정 방식의 예를 보인 구성도.
도 8은 본 발명 실시예에 따른 레이저 파장 선택 캐비티의 구성을 보인 개념도.
도 9는 일체형 회절부와 위치 가변 출력커플러의 연동 방식의 예를 보인 개념도.
도 10은 본 발명 실시예에 따른 최적 공진 및 왜곡 보상 구성이 적용된 캐비티의 구성 개념도.
도 11은 위치 왜곡 보상 방식을 설명하는 위치 검출부의 측정 예.
도 12는 초점 왜곡 보상 방식을 설명하는 초점 검출부의 측정 예.
도 13은 광원 선택 구동부와 자동 보상 부분의 적용 상관성을 설명하는 개념도.
도 14는 레이저 광원 온도 제어부의 구성을 보인 개념도.
도 15는 본 발명 실시예에 따른 구성도.
도 16은 파장별 공진 효율을 보인 그래프도.
** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **
110: 레이저 다이오드 121: 시준렌즈
130: 일체형 회절부 140: 출력커플러
160: 핀홀렌즈 180: 빔 스플리터
181: 실린더렌즈 182: 더블렛렌즈
191: 초점 검출부 192: 위치 검출부
195: 자동 보상 제어부 196: 3차원 구동부
210: 광원 선택 구동부 310: 제어부
320: 파장선택 구동부 330: 레이저 구동부

Claims (22)

  1. 일정한 파장 대역을 가지는 레이저 광원과;
    상기 레이저 광원이 제공하는 광선을 투과 회절시키고 회절된 광을 기 설정된 각도로 반사시키도록 투과형 회절부와 거울이 고정 배치되어 전체적으로 회전하는 일체형 회절부와;
    상기 일체형 회절부의 회전에 따라 기 설정된 광경로상 거리가 조절되면서 상기 레이저 광원과의 공진 거리를 설정하는 출력커플러와;
    상기 일체형 회절부를 선택 파장에 대응시켜 회전시키는 구동부를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 파장 가변 장치.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 출력커플러는 상기 출력커플러와 상기 레이저 광원 사이의 광경로 상 거리가 상기 일체형 회절부의 회전에 따라 선택되는 파장에 대응하도록 이동하는 것을 특징으로 하는 레이저 파장 가변 장치.
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 출력커플러와 상기 레이저 광원 사이의 광경로 상 거리는 기 설정된 수의 1/2파장을 유지하는 것을 특징으로 하는 레이저 파장 가변 장치.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 일제형 회절부의 투과형 회절부는 홀로그래픽 회절판(Volume Phase Holographic Grating)으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 레이저 파장 가변 장치.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 레이저 광원과 상기 일체형 회절부 사이에 배치되어 상기 레이저 광원의 광선 형상을 성형(shaping)하는 시준 렌즈부와;
    상기 시준 렌즈부 중 하나 이상의 렌즈 위치를 가변하는 렌즈 위치 조절부와;
    상기 일체형 회절부의 투과형 회절부를 회절 없이 통과하는 광선을 수집하여 그 위치와 초점 상태 정보를 수집하는 하나 이상의 검출부와;
    상기 검출부의 검출 결과에 따라 상기 렌즈 위치 조절부를 조절하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 파장 가변 장치.
  6. 청구항 5에 있어서, 상기 시준 렌즈부는 상기 레이저 광원을 평행광이 되도록 하는 시준 렌즈를 포함하며, 상기 렌즈 위치 조절부는 상기 시준 렌즈의 위치를 다차원적으로 가변하는 보이스 코일 모터(voice coil motor) 다축 구동부를 포함하 는 것을 특징으로 하는 레이저 파장 가변 장치.
  7. 청구항 5에 있어서, 상기 검출부는 상기 회절부를 회절 없이 통과하는 광선의 경로를 분리하는 빔 스플리터와 상기 분리된 각 광선의 위치와 초점을 각각 검출하는 위치 검출부와 초점 검출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 파장 가변 장치.
  8. 청구항 7에 있어서, 상기 빔 스플리터와 상기 위치 검출부 사이에 빔의 스팟을 축소하는 더블렛 렌즈를 더 포함하고, 상기 빔 스플리터와 상기 초점 검출부 사이에 기준 포커스 설정을 위한 실린더 렌즈를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 파장 가변 장치.
  9. 청구항 1에 있어서, 상기 레이저 광원은
    파장 대역이 상이한 복수의 레이저 광원과;
    파장 선택에 따라 대응 파장 영역을 포함하는 복수의 레이저 광원 중 하나를 선택하여 광경로 상에 위치시키는 광원 선택 구동부를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 파장 가변 장치.
  10. 청구항 9에 있어서, 상기 광원 선택 구동부는 복수의 레이저 광원이 원형으로 배치되며 회전 운동에 따라 원하는 레이저 광원을 선택하는 회전식 터렛(turret) 구조인 것을 특징으로 하는 레이저 파장 가변 장치.
  11. 청구항 9에 있어서, 상기 광원 선택 구동부에 의해 선택된 레이저 광원과 접촉하여 온도를 낮추기 위한 온도조절부를 더 포함하고, 상기 온도조절부는 서모일렉트릭 쿨러(Thermo electric cooler) 소자와, 상기 서모일렉트릭 쿨러 소자의 차가운면에 배치되며 상기 레이저 광원과 접촉하는 면이 인입면취된 접촉부를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 파장 가변 장치.
  12. 일정한 파장 대역을 가지는 레이저 광원과;
    상기 레이저 광원의 출력광을 성형(shaping)하는 렌즈부와;
    상기 렌즈부를 통한 광원의 광선에서 회전에 따라 선택된 파장을 기 설정된 고정 광경로로 회절 및 반사시키도록 투과형 회절부와 거울이 고정 각도로 일체화된 일체형 회절부와;
    상기 고정 광경로에 배치되고, 상기 일체형 회절부의 회전에 따라 광원과의 광경로 상 길이가 기 설정된 수의 선택 파장이 유지 되도록 조절되는 출력커플러와;
    상기 일체형 회절부의 투과형 회절부를 회절 없이 투과한 광을 통해 출력광의 위치와 초점 중 적어도 하나에 대한 측정값을 제공하는 검출부와;
    상기 검출부의 측정값이 기 설정된 목표값이 되도록 상기 렌즈부의 위치를 가변하는 렌즈위치 조절부를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 파장 가변 장치.
  13. 청구항 12에 있어서, 상기 렌즈부는
    상기 레이저 광원을 평행광이 되도록 하는 시준 렌즈를 포함하고,
    상기 렌즈 위치 조절부에 의해 상기 시준 렌즈의 위치가 다축 방향으로 조절되는 것을 특징으로 하는 레이저 파장 가변 장치.
  14. 청구항 12에 있어서, 상기 검출부는 상기 회절부를 회절 없이 통과하는 광선의 경로를 분리하는 빔 스플리터와 상기 분리된 각 광선의 위치와 초점을 각각 검출하는 위치 검출부와 초점 검출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 파장 가변 장치.
  15. 삭제
  16. 삭제
  17. 삭제
  18. 결정된 광 경로에 따라 일정한 파장대역의 레이저광을 출력하는 레이저 광원부를 배치하는 단계와;
    상기 레이저 광원부가 제공하는 광선을 투과형 회절부와 거울이 일체화된 일체형 회절부에 제공하고, 상기 일체형 회절부를 회전시켜 기 설정된 광경로를 유지하면서 원하는 파장을 선택하는 단계와;
    상기 일체형 회절부의 회전에 따라 상기 일체형 회절부에 후속배치된 출력커플러의 위치를 가변하는 단계와;
    상기 출력커플러와 기 설정된 광경로 출력 지점에 배치된 핀홀을 통해 상기 레이저 광원에서 출력된 파장 중 선택된 파장만 공진되면서 상기 핀홀을 통해 출력되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 파장 가변 방법.
  19. 청구항 18에 있어서, 상기 출력커플러의 위치를 가변하는 단계는 상기 일체형 회절부의 회절에 연동하여 상기 레이저 광원과 상기 출력커플러 사이의 광경로상 거리가 기 설정된 수의 선택 파장으로 유지 되도록 상기 출력커플러의 위치를 광경로에 따라 조절하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 파장 가변 방 법.
  20. 청구항 18에 있어서, 상기 파장을 선택하는 단계는
    상기 투과형 회절부의 격자 배치 각도를 기준으로 상기 투과형 회절부의 입사광 입사각도에 대칭되는 회절 각도로 출력되는 광선이 상기 핀홀에 수렴하도록 광 경로를 결정하는 거울을 고정 각도로 배치하는 단계와;
    원하는 파장을 선택하여 상기 격자의 간격을 고려한 광선의 상기 투과형 회절부 입사각을 구하는 단계와;
    상기 입사각이 되도록 상기 투과형 회절부와 거울을 일체로 회전시키는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 레이저 파장 가변 방법.
  21. 청구항 18에 있어서, 상기 파장을 선택하는 단계에서, 상기 일체형 회절부의 투과형 회절부를 회절 없이 투과하는 광의 위치와 초점을 검출하여 목표 상태가 되도록 상기 레이저 광원부와 상기 일체형 회절부 사이에 배치된 시준 렌즈의 위치를 조절하는 자동 보상 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 파장 가변 방법.
  22. 청구항 21에 있어서, 상기 자동 보상 단계는 상기 투과형 회절부를 회절 없이 투과하는 광을 분할하여 일측광을 기준 초점 상태로 구성한 실린더 렌즈를 통과한 광의 초점을 복수 검출 소자로 이루어진 초점 검출 센서를 통해 측정하고, 상기 분할된 타측광을 복수의 검출 소자에 맞추어 스팟 크기를 줄이도록 구성한 더블렛 렌즈를 통과한 광의 위치를 복수의 검출 소자로 이루어진 위치 검출 센서를 통해 측정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 파장 가변 방법.
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