KR100945422B1 - 파장가변 외부공진 레이저 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 반도체증폭매체를 포함하는 파장가변 외부공진 레이저에 관한 것으로, 본 발명에 따른 외부공진레이저는, 상기 반도체증폭매체로부터 입사된 빛을 반사하는 광주사기; 상기 광주사기에 의해 반사된 빛이 입사된 경우, 상기 입사된 빛에 대한 1차 회절광을 일정 각도로 회절시키며, 상기 입사된 빛 중 수직으로 입사된 빛에 대한 0차 회절광이 상기 광주사기로 되반사되지 않도록 배치되는 회절격자; 및 상기 회절격자에 의해 회절된 1차 회절광이 입사된 경우, 상기 입사된 1차 회절광 중 수직으로 입사된 발진광의 일부를 상기 회절격자로 되반사시키고, 상기 수직으로 입사된 발진광의 나머지 일부를 투과시키는 부분반사경을 구비하고, 상기 회절격자는 상기 부분반사경에 의해 일부 되반사된 상기 발진광을 상기 광주사기로 회절시키고, 상기 광주사기는 상기 회절격자에 의해 회절된 상기 발진광을 상기 반도체증폭매체로 반사시키며, 상기 반도체증폭매체는 상기 광주사기에 의해 반사된 상기 발진광에 의하여 공진되는 것을 특징으로 한다. 이에 의하여, 본 발명은 종래의 방식과는 달리 회절격자로부터의 1차 회절광이 직접 레이저 빔으로 출사됨으로써 발진 효율을 높일 수 있다.

외부공진, 증폭매질, 회절격자, 광주사기

Description

파장가변 외부공진 레이저{Tunable external cavity laser}

본 발명은 외부공진 레이저에 관한 것으로, 더 구체적으로는, 출사되는 레이저 빔의 파장이 가변될 수 있는 외부공진 레이저에 관한 것이다.

현재, 레이저를 활용한 많은 기술이 산업 여러분야에서 개발되고 있다. 반도체증폭매체와 외부 광학요소를 이용하여 공진되는 외부공진 레이저는 발진 선폭이 내부공진을 이용한 레이저보다 작은 특징을 가지고 있다.

이러한 반도체증폭매체와 외부 광학요소를 이용한 레이저 발진기로서,도 1의 (a) 및 (b)에 각각 도시된 바와 같은 리트로우와 리트만-메카프 방식의 레이저가 시판되고 있다.

여기서, 리트로우 방식의 외부공진 레이저(10)는, 도 1의 (a)에 도시된 바와 같이, 반도체증폭매체(11)로부터 출사되는 빛이 회절격자(12)에 입사되며, 회절격자(12)의 기울기의 변화에 따라 레이저 빔의 파장이 변화하게 된다.

그런데, 리트로우 방식은, 회절격자(12)로부터의 반사각 방향으로 즉, 0차 회절각도로 레이저가 출사되기 때문에 발진에 기여하는 효율이 적고, 출사되는 레이저 빔의 진행방향이 회절격자(12)의 기울기에 따라 변화하게 되는 단점이 있다.

리트만-메카프 방식의 외부공진 레이저(20)는, 도 1의 (b)에 도시된 바와 같이, 회절격자로(23)부터의 1차 회절광을 반사경(22)으로 다시 되돌아 가게 하여 레이저 발진이 이루어지며 반사경(22)의 기울기를 변화시켜줌에 따라서 발진 파장이 변화하게 된다.

그런데, 리트만-메카프 방식은, 전술한 리트로우 방식과 같이, 회절격자의 0차 회절광이 외부로 출사되므로 발진에 기여하는 효율이 적은 단점이 있다.

또한, 이 두 가지 방식 모두 외부 충격에 의해 회절격자 (12, 23)의 기울기가 변화되는 경우, 레이저 빔의 출사 방향이 변경되기 쉬운 단점을 가지고 있다.

특히 리트로우 방식은 회절격자 자체가 회전되기 때문에 고속의 파장 가변이 불가능하다.

전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 종래의 외부공진 레이저의 발진 효율을 높이고, 외부의 충격에 의해서도 레이저의 출사 방향을 일정하게 유지할 수 있는 외부공진 레이저를 제공하는 것이다.

전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 제1 특징은, 반도체증폭매체를 포함하는 외부공진 레이저에 관한 것으로, 상기 외부공진 레이저는 상기 반도체증폭매체로부터 입사된 빛을 반사하는 광주사기; 상기 광주사기에 의해 반사된 빛이 입사된 경우, 상기 입사된 빛에 대한 1차 회절광을 일정 각도로 회절시키며, 상기 입사된 빛 중 수직으로 입사된 빛에 대한 0차 회절광이 상기 광주사기로 되반사되지 않도록 배치되는 회절격자; 및 상기 회절격자에 의해 회절된 1차 회절광이 입사된 경우, 상기 입사된 1차 회절광 중 수직으로 입사된 발진광의 일부를 상기 회절격자로 되반사시키고, 상기 수직으로 입사된 발진광의 나머지 일부를 투과시키는 부분반사경을 구비하고, 상기 회절격자는 상기 부분반사경에 의해 일부 되반사된 상기 발진광을 상기 광주사기로 회절시키고, 상기 광주사기는 상기 회절격자에 의해 회절된 상기 발진광을 상기 반도체증폭매체로 반사시키며, 상기 반도체증폭매체는 상기 광주사기에 의해 반사된 상기 발진광에 의하여 공진되는 것을 특징으로 한다.

상기 반도체증폭매체는 빛을 방출하는 레이저다이오드와 상기 레이저다이오 드로부터 방출된 빛이 평행광이 되도록 굴절시키는 평행렌즈를 포함한다.

상기 광주사기는, 상기 반도체증폭매체로부터 입사된 빛을 미리 정해진 변환 주기 및 변환 변위에 대응하여 반사한다. 여기서, 상기 광주사기는, 상기 반도체증폭매체로부터 입사된 빛을 반사하는 반사경과, 상기 반도체증폭매체로부터 입사된 빛을 상기 미리 정해진 변환 주기 및 변환 변위에 대응하여 반사하도록 상기 반사경을 구동시키는 반사경구동부를 포함하는 것이 보통이다. 상기 반사경구동부는 갈바노미터 스캐너로 마련될 수 있다.

상기 외부공진 레이저는, 상기 부분반사경으로 입사된 1차 회절광 중 수직으로 입사된 발진광의 파장을 변경하도록 상기 광주사기를 조정하는 조정부를 더 포함할 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 외부공진 레이저는, 종래의 방식과는 달리 회절격자로부터의 1차 회절광이 직접 레이저 빔으로 출사됨으로써 발진 효율을 높일 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 외부공진 레이저는, 부분반사경이 수직으로 입사된 1차 회절광만을 외부로 출사하기 때문에, 회절격자가 외부충격에 의해 약간 변화하더라도, 출사되는 레이저 빔의 출사 방향은 일정하게 유지할 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 외부공진 레이저(100)의 구성 및 동작을 설명한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 외부공진 레이저(100)의 개략적인 블록도이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 외부공진 레이저(100)는, 반도체증폭매체(110), 광주사기(120), 회절격자(130), 부분반사경(140)을 구비하고 있다.

개략적인 동작을 설명하면, 본 실시예에 따른 외부공진 레이저(100)는 광주사기(120), 회절격자(130) 및 부분반사경(140)의 광학요소를 이용하여 반도체증폭매체(110)로부터 특정 파장의 레이저 빔을 발진시킨다. 여기서, 발진되는 레이저 빔은 부분반사경(140)에 수직으로 입사되는 빛 중 회절격자(130)로 되반사되어 광주사기(120)를 거쳐 반도체증폭매체(110)에 입사되는 빛에 의해 발생된다.

이하, 도 2를 참조하여 본 실시예에 따른 외부공진 레이저(100)의 각 구성에 대해 설명한다.

먼저, 반도체증폭매체(110)는 빛을 방출하는 레이저다이오드(111)와 레이저다이오드(111)에서 방출된 빛이 평행광이 되도록 굴절시켜 광주사기(120)로 출사하는 평행렌즈(112)를 포함하고 있다.

평행렌즈(112)는 레이저다이오드(111)로부터 방출되는 빛을 굴절시켜 평행광으로 만든 후 광주사기(120)로 입사시킨다. 또한, 평행렌즈(112)는 광주사기(120)로부터 반사되어 입사되는 특정파장의 빛을 집광시켜 레이저다이오드(111)를 여기시키는 역할도 수행한다.

광주사기(120)는, 도 2와 같이, 반도체증폭매체(110)로부터 입사된 빛을 반사시키는 곡률이 무한대인 반사경(121)을 포함한다. 여기서, 반사경(121)은 반사율 이 대략 90 %이상이 되어야 하며, 알루미늄 재질을 사용하는 것이 바람직하다.

도 3은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 외부공진 레이저의 개략적인 블록도이다.

광주사기(120)는, 도 2와 달리, 반사경(121)을 회전축(122)을 중심으로 시계 방향 또는 반시계 방향으로 일정 주기 및 일정 각 변위를 가지고 주기운동을 시키는 반사경구동부(도시되지 않음)를 포함한다. 여기서, 반사경구동부는 설정된 주기 및 각 변위를 가지고 주기 운동하는 갈바노미터 스캐너로 마련되는 것이 바람직하다.

이러한 반사경구동부의 주기운동에 대응하여 반사경(121)으로부터 반사되어 회절격자(130)로 입사되는 빛의 입사각이 주기적으로 변하게 된다. 이렇게 주기적으로 변하는 입사각을 수식으로 표현하면, 다음 수학식 1과 같다.

(여기서, i는 반사경(121)으로부터 반사되어 회절격자(130)로 입사되는 입사각, A는 입사각의 최대 각 변위 값, f는 반사경구동부의 주기운동에 대응하는 입사각의 변환주파수, Φ는 입사각의 초기 위상을 나타낸다.)

물론, 도 2 및 도 4와 같이, 반사경(121)을 일정 기울기로 고정하여 사용하는 경우는, 갈바노미터 스캐너와 같은 반사경구동부(도시되지 않음)는 필요하지 않다.

회절격자(130)는, 입사면(131)에 일정 간격으로 다수의 홈이 형성되어 있다. 회절격자(130)는, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 고정되어 있으며, 전술한 광주사기(120)로부터 반사된 빛이 입사된 경우, 입사된 빛에 대한 1차 회절광을 일정 각도로 회절시키며, 입사된 빛 중 회절격자(130)의 입사면(131)에 수직으로 입사된 빛에 대한 0차 회절광이 광주사기(120)로 반사되지 않도록 배치한다.

이것은 0차 회절광이, 광주사기(120)로 반사된 경우, 광주사기(120)를 통해 반도체증폭매체(110)로 입사되는 것을 방지하기 위함이다.

여기서, 회절격자(130)의 입사면에 입사된 빛에 대한 1차 회절광의 회절 각도는 일정 각도로 고정되어 있으며, 이렇게 일정 각도로 회절하는 1차 회절광 중 부분반사경(140)에 수직으로 입사되는 특정 파장만이 회절격자(130)로 반사되어 반도체증폭매체(110)로 재 입사됨으로써, 이 특정 파장만이 발진되며, 레이저 빔으로 출사된다.

전술한 회절격자(130)의 입사면(131)에 입사된 빛에 대한 1차 회절광의 파장을 나타내는 일반적인 수식은 수학식 2와 같다.

여기서, λ는 1차 회절광의 파장, d는 회절격자(130)의 홈 간격, i는 회절격자(130)의 입사면(131)에 입사된 빛의 입사각, j는 1차 회절광의 회절각을 의미한다. 여기서, 도 2 및 도 3의 경우는 j의 값이 고정된다.

도 3과 같이, 전술한 반사경구동부가 일정 주기운동을 하는 경우, 입사각 i는 전술한 수학식 1과 같이 표현될 수 있으며, 수학식 1을 수학식 2에 대입함으로써 1차 회절광의 파장과 반사경구동부의 주기운동과의 관계를 수식을 통해 표현할 수 있다.

이 수학식 3은 수학식 2에 대입한 것으로, A는 1, Φ는 0°이고, 입사각(i=Asin(2πft + Φ))이 10°이하라고 가정하면, 전술한 수학식 3은 다음 수학식 4와 같이 간략화될 수 있다.

여기서, 다시 수학식 4를 시간 t에 따라 미분하여 간략화하면, 다음 수학식 5와 같은 1차 회절광의 파장과 반사경구동부의 주기운동과의 관계식을 얻을 수 있다.

즉, 1차 회절광의 파장은 반사경구동부의 주기운동에 대응하는 입사각의 변환주파수(f)에 비례하여 시간에 따라 고속으로 변화됨을 알 수 있다.

도 4는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 외부공진 레이저(100)의 개략적인 블록도이다.

도 4에 도시된 외부공진 레이저(100)는, 전술한 도 2와 달리, 광주사기(120)의 기울기를 조정할 수 있는 조정부(도시되지 않음)를 추가적으로 구비하고 있다. 광주사기(120)의 기울기에 따라 부분반사경(140)으로 수직하게 입사되는 발진광의 파장을 조정할 수 있다. 여기서, 도 4에 도시된 외부공진 레이저(100)는 광주사기(120)의 기울기를 조정하기 위해, 광주사기(120)를 고정하는 회전대(도시되지 않음)와 회전대(도시되지 않음)를 회전시키기 위한 회전축(122)과 모터와 같은 구동부(도시되지 않음)를 추가적으로 포함한다.

여기서, 회전축(122)과 모터와 같은 구동부(도시되지 않음)는, 도 3에 도시된 회전축(122)과 반사경구동부(도시되지 않음)와 같이 주기운동을 하기 위해 마련된 것이 아니고, 원하는 발진광의 파장으로 광주사기(120)의 기울기가 조정된 경우, 회전대(도시되지 않음)를 고정시켜 광주사기(120)의 기울기를 고정시킨다.

부분반사경(140)은 전술한 회절격자(130)에 의해 회절된 1차 회절광이 입사된 경우, 입사된 1차 회절광 중 수직으로 입사된 발진광의 일부를 회절격자(130)로 되반사시키고, 수직으로 입사된 발진광의 나머지 일부를 투과시킨다. 여기서, 부분반사경(140)은, 수직으로 입사된 발진광에 대해 반사율이 30%이고 투과율이 70%가 되도록 마련된다. 결국, 부분반사경(140)을 투과한 발진광이 본 실시예에 따른 외부공진 레이저(100)에 의해 출사되는 레이저 빔이다.

여기서, 부분반사경(140)에 의해 일부 되반사된 발진광은 회절격자(130)에 의해 회절되어 광주사기(120)로 입사된다. 그리고, 광주사기(120)로 입사된 발진광은 광주사기(120)에 의해 반사되어 반도체증폭매체(110)로 재 입사되어 그 내부에서 증폭된다.

여기서, 반도체증폭매체(110)에서 증폭되는 발진광은, 회절격자(130)에 의해 회절된 1차 회절광 중 특정 파장의 빛에 해당되며, 부분 반사경을 통해 외부로 출사되는 레이저 빔도 1차 회절광 중 특정 파장의 빛에 해당된다.

이와 같이, 본 실시예에 따른 외부공진 레이저(100)는, 종래의 방식과는 달리 회절격자(130)로부터의 1차 회절광이 외부로 출사되는 레이저 빔으로 사용되기 때문에 발진 효율이 향상될 수 있다.

또한, 본 실시예에 따른 외부공진 레이저(100)는, 부분반사경(140)이 1차 회절광 중 수직으로 입사된 발진광만을 외부로 출사하기 때문에, 회절격자(130)가 외부충격에 의해 약간 변화하더라도, 부분반사경(140)에 의해 외부로 출사되는 레이저 빔의 출사 방향에는 영향이 없다.

본 발명에 따른 외부공진 레이저는, 선폭이 좁고, 파장 가변이 가능한 레이저 빔을 이용하는 계측 및 광통신 분야에 이용될 수 있다.

도 1은 종래의 외부공진 레이저에 대한 개략적인 블록도들이다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 외부공진 레이저의 개략적인 블록도이다.

도 3는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 외부공진 레이저의 개략적인 블록도이다.

도 4는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 외부공진 레이저의 개략적인 블록도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100 : 외부공진 레이저 110 : 반도체증폭매체

111 : 레이저다이오드 112 : 평행렌즈

120 : 광주사기 130 : 회절격자

140 : 부분반사경

Claims (6)

1. 반도체증폭매체를 포함하는 외부공진 레이저에 있어서,

   상기 반도체증폭매체로부터 입사된 빛을 반사하는 광주사기;

   상기 광주사기에 의해 반사된 빛이 입사된 경우, 상기 입사된 빛에 대한 1차 회절광을 일정 각도로 회절시키며, 상기 입사된 빛 중 수직으로 입사된 빛에 대한 0차 회절광이 상기 광주사기로 되반사되지 않도록 배치되는 회절격자; 및

   상기 회절격자에 의해 회절된 1차 회절광이 입사된 경우, 상기 입사된 1차 회절광 중 수직으로 입사된 발진광의 일부를 상기 회절격자로 되반사시키고, 상기 수직으로 입사된 발진광의 나머지 일부를 투과시키는 부분반사경을 구비하고,

   상기 회절격자는 상기 부분반사경에 의해 일부 되반사된 상기 발진광을 상기 광주사기로 회절시키고, 상기 광주사기는 상기 회절격자에 의해 회절된 상기 발진광을 상기 반도체증폭매체로 반사시키며, 상기 반도체증폭매체는 상기 광주사기에 의해 반사된 상기 발진광에 의하여 공진되는 것을 특징으로 하는 외부공진 레이저.
2. 제1항에 있어서,

   상기 반도체증폭매체는 빛을 방출하는 레이저다이오드와 상기 레이저다이오드로부터 방출된 빛이 평행광이 되도록 굴절시키는 평행렌즈를 포함하는 것을 특징으로 하는 외부공진 레이저.
3. 제1항에 있어서,

   상기 광주사기는, 상기 반도체증폭매체로부터 입사된 빛을 미리 정해진 변환 주기 및 변환 변위에 따라 반사하는 것을 특징으로 하는 외부공진 레이저.
4. 제3항에 있어서,

   상기 광주사기는, 상기 반도체증폭매체로부터 입사된 빛을 반사하는 반사경과, 상기 반도체증폭매체로부터 입사된 빛을 상기 미리 정해진 변환 주기 및 변환 변위에 대응하여 반사하도록 상기 반사경을 구동시키는 반사경구동부를 포함하는 것을 특징으로 하는 외부공진 레이저.
5. 제4항에 있어서,

   상기 반사경구동부는 갈바노미터 스캐너로 마련된 것을 특징으로 하는 외부공진 레이저.
6. 제1항에 있어서,

   상기 외부공진 레이저는,

   상기 부분반사경으로 입사된 1차 회절광 중 수직으로 입사된 발진광의 파장을 변경하도록 상기 광주사기를 조정하는 조정부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 외부공진 레이저.

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