KR100980318B1 - 반복률의 조정이 가능한 대칭적 구조를 갖는 템포럴 멀티플렉싱 레이저 시스템 및 그 구동 방법 - Google Patents

반복률의 조정이 가능한 대칭적 구조를 갖는 템포럴 멀티플렉싱 레이저 시스템 및 그 구동 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 2개 이상의 레이저들을 대칭적 구조로 구성함으로써 출력광 펄스의 반복률을 자유롭게 조정 가능한 대칭적 구조를 갖는 템포럴 멀티플렉싱 레이저장치, 템포럴 멀티플렉싱 레이저 시스템 및 그 구동 방법에 관한 것으로,
본 발명에 따른 템포럴 멀티플렉싱 레이저 장치는, 진동수 발진기; 상기 진동수 발진기와 동기화하며 레이저 빔을 발진시키는 제1 내지 제4 레이저 발진부; 상기 진동수 발진기와 상기 제1 내지 제4 레이저 발진부 사이에 위치하여 상기 레이저 발진부에서 등시간 간격으로 레이저 빔이 발진되도록 시간을 지연시키는 제1 내지 제4 지연 발생기; 상기 제1, 제4 레이저 발진부의 후단에 설치되어 입사되는 S 편광을 P 편광으로 변환시키는 제1, 제2 반파장판; 상기 제2, 제3 레이저 발진부 및 상기 제1, 제2 반파장판의 후단에 설치되며 P 편광은 투과시키고 S 편광은 반사시키는 제1, 제2 편광빔 가르개; 상기 제1, 제2 편광빔 가르개의 후단에 설치되며 S 편광을 P 편광으로(또는 P 편광을 S 편광으로) 변환시키는 제1, 제2 포켈스 셀; 및, 상기 제1, 제2 포켈스 셀의 후단에 설치되며 상기 제1 포켈스 셀을 투과한 레이저 빔은 투과시키며, 상기 제2 포켈스 셀을 투과한 레이저 빔은 반사시키는 제3 편광빔 가르개를 포함한다.
또한, 본 발명에 따른 템포럴 멀티플렉싱 레이저 시스템은, 전술한 템포럴 멀티플렉싱 레이저 장치가 다수로 구비되며, 상기 다수의 템포럴 멀티플렉싱 레이저 장치들 중 2개의 템포럴 멀티플렉싱 레이저 장치가 편광빔 가르개를 기준으로 하여 대칭 구조로 연결되어 하나의 템포럴 멀티플렉싱 레이저 군(이하, 제1 레이저 군)을 이루어 반복률을 증대시킨 것을 특징으로 한다. 이때, 상기 제1 레이저 군은 편광빔 가르개를 기준으로 같은 구조를 가진 또 다른 제1 레이저 군과 대칭적으로 연결되어 제2 레이저 군을 이루고, 상기와 같은 편광빔 가르개를 기준으로 한 레이저 군의 대칭 연결을 n회(n은 자연수)반복하여 출력 레이저 빔의 반복률을 2n배로 증대시킬 수 있다.
고반복 레이저, 고출력 레이저, 반복률 조정, 템포럴 멀티플렉싱 레이저

Description

반복률의 조정이 가능한 대칭적 구조를 갖는 템포럴 멀티플렉싱 레이저 시스템 및 그 구동 방법{The symmetrically constructed temporal multiplexing laser system adjustable repetition rate of output light and the method of using it}
본 발명은 2개 이상의 레이저들을 대칭적 구조로 구성함으로써 출력광 펄스의 반복률을 자유롭게 조정 가능한 대칭적 구조를 갖는 템포럴 멀티플렉싱 레이저장치, 템포럴 멀티플렉싱 레이저 시스템 및 그 구동 방법에 관한 것이다.
현재 다양한 분야에서 고출력 고반복 레이저 기술이 요구되고 있다. 기술이 요구되고 있는 분야는 레이저를 이용한 가공 분야, 엑스선 리소그래피 분야, 핵융합 연구 분야 등 그 응용분야가 매우 광범위하다. 학문적인 연구 및 산업 분야 등에서 레이저는 연구의 기반을 이루는 핵심적인 역할을 해 왔다. 고출력 고반복 레이저의 개발은 현재 세계 각국에서 치열하게 연구 개발하고 있으나 현재까지 괄목할 만한 연구 결과는 없는 실정이다.
플래쉬 펌핑 방식의 레이저의 경우 램프의 한계로 인해 동작 반복률이 매우 제한적이며, 반도체 레이저 펌핑 방식은 플래쉬 램프 펌핑 방식보다 높은 반복률을 낼 수 있다는 장점은 있으나, 반복률이 높아질수록 이끌어 낼 수 있는 에너지에 제한이 가해진다. 만약, 이러한 출력 에너지의 제한에 자유로우면서도 높은 반복률을 낼 수 있는 레이저가 개발될 경우 그 파급 효과는 상당할 것으로 예상된다.
고출력에서 동작되는 고출력 레이저를 구현하기 힘든 핵심적인 이유는 레이저의 펌핑에 의한 열문제이다. 따라서, 그동안 이러한 열문제를 해결하기 위해서 플래쉬 램프 펌핑 방식에서 반도체 레이저 펌핑 방식으로 개선되어 왔다. 하지만, 반도체 레이저 펌핑에 의한 방식은 시스템 구성에 필요한 비용이 매우 많이 드는 상황이다. 물론, 고반복 고출력 레이저 시스템이 가져다줄 수 있는 파급 효과를 보았을 때 비용 문제는 차치하고서라도 산업이 발전 됨에 따라 반도체 레이저 펌핑 방식에 의해 이끌어 낼 수 있는 출력에 한계가 있으므로, 그 이상의 고출력을 요구하는 시대가 되었다.
이와 같이 기존의 레이저 시스템은 레이저 출력 및 반복률에 한계를 갖고 있고 수많은 연구자들이 이러한 문제점을 해결하기 위해 노력하고 있으나 아직 특이할만한 성과는 없음을 이미 언급하였다. 천문학적인 비용이 투자되고 세계적인 전문가들에 의해 구성된 미국의 National Ignition Facility와 같은 시스템도 매우 큰 에너지의 출력은 가능하나 그 동작 반복률은 지극히 낮다. 고반복률에서 동작하는 고출력 시스템을 구현하는 것이 얼마나 힘든지를 보여주는 한 예라고 할 수 있 다.
이러한 문제점들을 해결하기 위해 현재 상용화된 레이저들을 결합하는 장치(한국등록특허 제 10-0749341호; 출력광 펄스의 에너지 및 반복률의 조정이 가능한 템포럴 멀티플렉싱 레이저 장치)가 발명되었으나, 종래의 특허는 각각의 레이저빔을 결합하기 위하여서는 포켈스 셀이 직렬로 있도록 구성되어 있어, 모든 레이저 빔이 진행할수록 편광빔 가르개, 포켈스 셀 등에 부하가 많이 걸린다는 문제점이 있다. 따라서, 편광빔 가르개, 포켈스 셀등에 광학적 손상이 우려된다.
또한, 첫번째의 레이저는 모든 편광빔 가르개, 포켈스 셀 등을 통과해야 하기 때문에 빔이 진행할수록 레이저 빔의 질이 나빠진다. 진행 경로가 다르기 때문에 두 번째의 레이저는 첫 번째의 레이저에 비해 빔의 질이 조금 더 좋아지며, 세 번째의 레이저는 두 번째의 레이저에 비해 빔의 질이 조금 더 좋아지게 된다. 결국 마지막의 레이저는 한 개의 편광빔 가르개, 포켈스 셀를 통과하기 때문에 빔의 질이 제일 좋다. 따라서, 상기의 이유로 인해 각 레이저에서 발진한 빔의 질이 모두 다르게 출력된다는 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로,
편광빔 가르개, 포켈스 셀 등 부하의 손상을 최소화할 수 있으며, 발진된 빔의 질을 고르게 유지함과 동시에 반복률을 쉽게 높일 수 있는 템포럴 멀티플렉싱 레이저 시스템 및 그 구동 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 템포럴 멀티플렉싱 레이저 장치는,
진동수 발진기; 상기 진동수 발진기와 동기화하며 레이저 빔을 발진시키는 제1 내지 제4 레이저 발진부; 상기 진동수 발진기와 상기 제1 내지 제4 레이저 발진부 사이에 위치하여 상기 레이저 발진부에서 등시간 간격으로 레이저 빔이 발진되도록 시간을 지연시키는 제1 내지 제4 지연 발생기; 상기 제1, 제4 레이저 발진부의 후단에 설치되어 입사되는 S 편광을 P 편광으로 변환시키는 제1, 제2 반파장판; 상기 제2, 제3 레이저 발진부 및 상기 제1, 제2 반파장판의 후단에 설치되며 P 편광은 투과시키고 S 편광은 반사시키는 제1, 제2 편광빔 가르개; 상기 제1, 제2 편광빔 가르개의 후단에 설치되며 S 편광을 P 편광으로 또는 P 편광을 S 편광으로 변환시키는 제1, 제2 포켈스 셀; 및, 상기 제1, 제2 포켈스 셀의 후단에 설치되며 상기 제1 포켈스 셀을 투과한 레이저 빔은 투과시키며, 상기 제2 포켈스 셀을 투과 한 레이저 빔은 반사시키는 제3 편광빔 가르개를 포함한다.
여기서, 상기 제1 내지 제4 지연 발생기의 지연시간 D는 D = 1/N kHz(N은 지연 발생기의 개수)에 의해 결정된다.
또한, 상기 제2 레이저 발진부는 상기 제1 포켈스 셀과 동기화하며, 상기 제4 레이저 발진부는 상기 제2 포켈스 셀과 동기화한다.
또한, 상기 제3 편광빔 가르개의 후단에 설치되는 제3 포켈스 셀을 더 포함할 수 있다. 이때, 상기 제3 포켈스 셀은 상기 제3, 제4 레이저 발진부와 동기화한다.
또한, 본 발명에 따른 템포럴 멀티플렉싱 레이저 시스템은,
전술한 템포럴 멀티플렉싱 레이저 장치가 다수로 구비되며, 상기 다수의 템포럴 멀티플렉싱 레이저 장치들 중 2개의 템포럴 멀티플렉싱 레이저 장치가 편광빔 가르개를 기준으로 하여 대칭 구조로 연결되어 하나의 템포럴 멀티플렉싱 레이저 군(이하, 제1 레이저 군)을 이루어 반복률을 증대시킨 것을 특징으로 한다. 이때, 상기 제1 레이저 군은 편광빔 가르개를 기준으로 같은 구조를 가진 또 다른 제1 레이저 군과 대칭적으로 연결되어 제2 레이저 군을 이루고, 상기와 같은 편광빔 가르개를 기준으로 한 레이저 군의 대칭 연결을 n회(n은 자연수)반복하여 출력 레이저 빔의 반복률을 2n배로 증대시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 멀티플렉싱 레이저 구동 방법은,
제1 내지 제4 레이저 발진부에서 진동수 발진기와 동기화하며 레이저 빔을 발진시키는 단계; 등시간 간격으로 레이저 빔이 발진되도록 제1 내지 제4 지연 발생기에서 시간을 지연시키는 단계; 입사되는 레이저 빔이 S 편광인 경우, 제1, 제2 반파장판에서 이를 P 편광으로 변환시키는 단계; 제1, 제2 편광빔 가르개에서, 입사되는 레이저 빔의 P 편광은 투과시키고 S 편광은 반사시키는 단계; 제1, 제2 포켈스 셀에서 S편광을 P편광으로 또는 P 편광을 S 편광으로 변환시키는 단계; 및, 제3 편광빔 가르개에서, 상기 제1 포켈스 셀을 투과한 레이저 빔은 투과시키며, 상기 제2 포켈스 셀을 투과한 레이저 빔은 반사시키는 단계를 포함한다.
여기서, 상기 제1 내지 제4 지연 발생기의 지연시간 D는 D = 1/N kHz(N은 지연 발생기의 개수)에 의해 결정된다.
또한, 상기 제2 레이저 발진부는 상기 제1 포켈스 셀과 동기화하며, 상기 제4 레이저 발진부는 상기 제2 포켈스 셀과 동기화한다.
또한, 제3 편광빔 가르개에서, 상기 제1 포켈스 셀을 투과한 레이저 빔은 투과시키며, 상기 제2 포켈스 셀을 투과한 레이저 빔은 반사시키는 단계 이후에, 반사된 S 편광을 제3 포켈스 셀에서 P 편광으로 변환시키는 단계를 더 포함할 수 있다. 이때, 상기 제3 포켈스 셀은 상기 제3, 제4 레이저 발진부와 동기화한다.
또한, 전술한 레이저 장치를 다수로 구비하며, 상기 다수의 템포럴 멀티플렉싱 레이저 장치들 중 2개의 템포럴 멀티플렉싱 레이저 장치를 편광빔 가르개를 기 준으로 하여 대칭 구조로 연결하여 하나의 템포럴 멀티플렉싱 레이저 군(이하, 제1 레이저 군)을 이루고, 상기 제1 레이저 군은 또 다른 편광빔 가르개를 기준으로 같은 구조를 가진 또 다른 제1 레이저 군과 대칭적으로 연결되어 제2 레이저 군을 이루고, 상기와 같은 편광빔 가르개를 기준으로 한 레이저 군의 대칭 연결을 n회(n은 자연수)반복하여 n개의 레이저 군을 구성한 후, 이를 구동하여 출력 레이저 빔의 반복률을 2n배로 증대시킨 것을 특징으로 한다.
상기한 바와 같은 본 발명에 따른 템포럴 멀티플렉싱 레이저 장치, 반복률의 조정이 가능한 대칭적 구조를 갖는 템포럴 멀티플렉싱 레이저 시스템 및 그 구동 방법에 의하면,
출력 에너지에 저하를 주지 않고서도 반복률을 높일 수 있는 효과를 제공하며 대칭적 구조 및 직렬과 병렬을 동시에 사용하기 때문에 각각의 레이저에 발진한 빔의 출력빔이 고르며 또한 각 편광빔 가르개, 포켈스 셀이 고른 부하를 겪기 때문에 광학적 손상이 최저가 될 수 있다. 또한, 확장성이 매우 용이하며 같은 구조의 반복적 구성만으로 초기 레이저에 비해 그 반복률이 2n(n은 자연수)배로 증가되는 효과를 제공한다. 또한, 다양한 응용 분야 및 산업 및 연구 분야에 큰 파급 효과를 가져다줄 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 우선, 도면들 중 동일한 구성요소 또는 부품들은 가능한 한 동일한 참조부호를 나타내고 있음에 유의해야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하게 하지 않기 위해 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 정해진 반복률을 가진 4개의 레이저를 이용한 템포럴 멀티플렉싱 레이저 장치를 개념적으로 도시한 블록도, 도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 정해진 반복률을 가진 8개의 레이저를 이용한 템포럴 멀티플렉싱 레이저 시스템을 개념적으로 도시한 블록도, 도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 대칭적 구조에 의한 임의의 반복률을 구현할 수 있는 템포럴 멀티플렉싱 레이저 시스템을 개념적으로 도시한 블록도이다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세히 기술하기로 한다. 여기서, 템포럴 멀티플렉싱 레이저 장치와 그 구동 방법을 함께 설명한다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 구동 방법에 대한 도면이 없어도 템포럴 멀티플렉싱 레이저 장치를 도시한 블록도로부터 용이하게 그 구동 방법을 알 수 있을 것이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 템포럴 멀티플렉싱 레이저 장치 는, 진동수 발진기(10), 상기 진동수 발진기와 동기화하며 레이저 빔을 발진시키는 제1 내지 제4 레이저 발진부(21, 22, 23, 24), 상기 진동수 발진기와 상기 제1 내지 제4 레이저 발진부 사이에 위치하여 상기 레이저 발진부에서 등시간 간격으로 레이저 빔이 발진되도록 시간을 지연시키는 제1 내지 제4 지연 발생기(11, 12, 13, 14), 상기 제1, 제4 레이저 발진부의 후단에 설치되어 입사되는 S 편광을 P 편광으로 변환시키는 제1, 제2 반파장판(51, 52), 상기 제2, 제3 레이저 발진부 및 상기 제1, 제2 반파장판의 후단에 설치되며 P 편광은 투과시키고 S 편광은 반사시키는 제1, 제2 편광빔 가르개(31, 32), 상기 제1, 제2 편광빔 가르개의 후단에 설치되며 전압이 인가되었을 때만 S 편광을 P 편광으로 또는 P 편광을 S 편광으로 변환시키는 제1, 제2 포켈스 셀(41, 42)및, 상기 제1, 제2 포켈스 셀의 후단에 설치되며 상기 제1 포켈스 셀을 투과한 레이저 빔은 투과시키며, 상기 제2 포켈스 셀을 투과한 레이저 빔은 반사시키는 제3 편광빔 가르개(33)를 포함한다. 또한, 상기 제3 편광빔 가르개의 후단에 설치되는 제3 포켈스 셀(43)을 더 포함할 수 있다.
또한, 도 1에 도시된 템포럴 멀티플렉싱 장치는 펄스당 Y(mJ)의 에너지를 출력하며 N(kHz)로 동작하는 4개의 레이저 L(1), L(2), L(3), L(4)(21, 22, 23, 24)를 시간차를 두고 결합하여 펄스당 Y(mJ)의 에너지는 그대로 유지하면서도 반복률은 기존의 N(kHz)의 4배에서 작동하는 템포럴 멀티플렉싱 레이저의 일 실시 예이다.
진동수 발생기(10)는 지연 발생기(11, 12, 13, 14)에 연결되어 있으며, 지연 발생기 D(1), D(2), D(3), D(4)(11, 12, 13, 14)는 레이저 L(1), L(2), L(3), L(4)(21, 22, 23, 24)에 연결되어 있다. 도 1에서 점선은 연결된 구성이 서로 동기화되어 있음을 의미하며 실선은 실질적인 레이저 빔의 진행을 나타낸다.
여기서 레이저 L(1), L(2), L(3), L(4)(21, 22, 23, 24)는 초기 S편광된 상태로 발진한다고 가정한다. 초기 발진된 레이저 L(1)(21)는 반파장판(51)을 통과해 S편광에서 P편광으로 바뀌어 진 후, 편광빔 가르개(31)를 지나 투과하게 된다. 이는 사용된 편광빔 가르개(31, 32, 33)가 P편광은 투과시키고 S편광은 반사시키는 특성을 지니고 있기 때문이다.
그 후, 포켈스 셀(41), 편광빔 가르개(33), 포켈스 셀(43)을 차례로 투과하게 된다. 이때, 포켈스 셀(41, 43)에는 전압이 인가되어 있지 않은 상태이므로 지나가는 빔의 편광에 아무런 영향을 주지 않으며 출력된 레이저 빔은 초기 레이저 발진 상태와 같은 펄스당 Y(mJ), N(kHz)이다. D = 1/N kHz (N은 지연 발생기의 개수)에 의해 결정된 D초 후 레이저 L(2)(22)가 발진되게 되는데, 레이저에서 발진된 빔은 초기 S편광이라 가정했으므로 편광빔 가르개(31)에서 반사하게 된다.
그 후, 레이저 L(2)(22)와 동기화되어 있는 포켈스 셀(41)을 지나게 되는데 이때, 포켈스 셀(41)에 고전압이 가해져 S편광을 P편광으로 변환시킨다. 그 다음, 편광빔 가르개(33), 포켈스 셀(43)을 차례로 투과하게 된다. 이때, 포켈스 셀(43)에는 전압이 인가되어 있지 않은 상태이므로 지나가는 빔의 편광에 아무런 영향을 주지 않으며 출력된 레이저 빔은 초기 레이저 발진 상태와 같은 펄스당 Y(mJ)의 에너지를 가지며 직전의 레이저 L(1)에서 발진된 빔과 결합하여 2N(kHz)의 반복률을 가진다.
다시 D초 후 레이저 L(3)(23)이 발진되게 되는데 레이저에서 발진된 빔은 초기 S편광이므로 편광빔 가르개(32)에서 반사한 후, 포켈스 셀(42)를 지나 편광빔 가르개(33)에서 반사하게 되며 포켈스 셀(43)을 지나게 된다. 이때, 포켈스 셀(42)에는 전압이 인가 되어 있지 않은 상태이며 이전의 빔과 템포럴 믹싱하여 출력된 레이저 빔은 초기 레이저 발진 상태와 같은 초기 레이저 발진 상태와 같은 펄스당 Y(mJ)의 에너지를 가지며 3N(kHz)의 반복률을 가진다.
여기서 레이저 L(3)(23)과 포켈스 셀(43)을 동기화하여 전압을 인가시키면 S편광의 빔을 P편광의 빔으로 변환된다. 다시 D초 후 레이저 L(4)(24)가 발진되게 되는데 레이저에서 발진된 빔은 반파장판(52)을 통과해 S편광에서 P편광으로 바뀌어 진 후 편광빔 가르개(32)를 지나 투과하게 된다. 그 후 레이저 L(4)(42)와 동기화되어 있는 포켈스 셀(42)을 지나게 되는데, 이때 포켈스 셀(42)에 고전압이 가해져 P편광을 S편광으로 변환 시킨다.
그 후, 편광빔 가르개(33)에서 반사된 후, 포켈스 셀(43)을 차례로 지나게 된다. 이때 출력된 레이저 빔은 초기 레이저 발진 상태와 같은 펄스당 Y(mJ)의 에너지를 가지며 4N(kHz)의 반복률을 가진다. 여기서, 마찬가지로 레이저 L(4)(24)와 포켈스 셀(43)을 동기화하여 전압을 인가시키면 S편광의 빔을 P편광의 빔으로 변환 시킬 수 있다. 따라서, 최종적으로 출력된 빔은 P편광의 4N(kHz)의 반복률에서 동작하며 펄스당 Y(mJ)의 에너지를 가지게 된다.
도 1에서 포켈스 셀(43)은 레이저 L(3), L(4)(23, 24)에서 출력되는 빔이 편광빔 가르개(33)에서 반사된 후 P편광으로 변환시키기 위해 사용되었다. P편광으로 변환시킨 이유는 레이저 L(1), L(2)(21, 22)에서 출력되는 빔의 편광빔 가르개(33)이후 편광과 동일하게 맞추기 위해서인데, 만약 실제 사용에 있어서 편광 빔 가르개(33)이후 L(1), L(2)(21, 22)에서 출력되는 빔의 편광과 L(3), L(4)(23, 24)에서 출력되는 빔의 편광이 수직해도 상관이 없다면 포켈스 셀(43)은 구성하지 않아도 무방하다.
도 2는 본 발명에서 제안한 템포럴 멀티플렉싱 레이저 시스템의 일 실시 예이다. 도 2의 템포럴 멀티플렉싱 레이저 시스템은, 도 1에서 설명된 템포럴 멀티플렉싱 레이저 장치 2개가 구비되며, 상기 2개의 템포럴 멀티플렉싱 레이저 장치가 편광빔 가르개(37)를 기준으로 하여 대칭 구조로 연결되어 하나의 템포럴 멀티플렉싱 레이저 군을 이루어 반복률을 증대시킨 것이다.
즉, 도 2는 펄스당 Y(mJ)의 에너지를 출력하며 N(kHz)로 동작하는 8개의 레이저 L(1)~ L(8)(21 ~ 28)를 시간차를 두고 결합하여 펄스당 Y(mJ)의 에너지는 그대로 유지하면서도 반복률은 기존의 N(kHz)의 8배에서 작동하는 템포럴 멀티플렉싱 레이저 시스템의 일 실시 예이다.
도 1에서 설명한 과정에 의해 P편광, 4N(kHz)의 반복률, 펄스당 Y(mJ)의 에너지의 빔이 포켈스 셀(43)을 지나 출력된다. 레이저 L(5), L(6), L(7), L(8)(25, 26, 27, 28)은 템포럴 멀티플렉싱에 의한 동일한 과정에 의해 S편광, 4N(kHz)의 반복률, 펄스당 Y(mJ)의 에너지의 빔이 포켈스 셀(46)을 지나 출력된다. 레이저 L(5)(25)에서 발진된 빔은 편광빔 가르개(34)에서 반사하여 포켈스 셀(44)를 지나 편광빔 가르개(36)에서 반사하여 포켈스 셀(46)를 지나 편광빔 가르개(37)에서 반사하여 포켈스 셀(47)를 지나게 되는데, 이때 포켈스 셀(47)에 전압을 인가하여 S편광의 빔을 P편광으로 변환시킨다. 그러면 레이저 L(1), L(2), L(3), L(4)(21, 22, 23, 24)에서 출력된 빔과 템포럴 믹싱하여 반복률 5N(kHz)의 펄스당 Y(mJ)의 빔이 출력된다.
다시, 시간차 D초 후에 레이저 L(6)(26)이 발진을 한 후, 반파장판(53)을 통과해 P편광으로 바뀐 후, 편광빔 가르개(34)를 지나 포켈스 셀(44)를 투과시키는데, 이때 포켈스셀(44)에 전압을 인가하여 S편광으로 바꾸어주면 편광빔 가르개(36)에서 반사하여 포켈스 셀(46), 편광빔 가르개(37), 전압이 인가된 포켈스셀(47)을 지나게 된 후, 최종적으로 직전의 빔과 템포럴 믹싱 하여 6N(kHz)의 펄스당 Y(mJ)의 빔이 출력된다.
그 후, 다시 시간차 D초 후 레이저 L(7)(27)이 발진을 한 후, 반파장판(54)을 통과해 P편광으로 바뀐 후, 편광빔 가르개(35), 포켈스 셀(45)를 투과하고 편광 빔 가르개(36), 포켈스셀(46)을 지난다. 이때, 포켈스셀(46)에 전압을 인가하여 S편광으로 변화시키면 편광빔 가르개(37)에서 반사된 후, 전압이 인가된 포켈스 셀(47)을 지나게 된 후 최종적으로 직전의 빔과 템포럴 믹싱하여 7N(kHz)의 펄스당 Y(mJ)의 빔이 출력된다.
다시, 시간차 D초 후에 레이저 L(8)(28)이 발진을 한 후, 편광 빔 가르개(35)에서 반사하여 포켈스 셀(45)를 지나게 되는데, 이때 포켈스 셀(45)에 전압을 인가하여 S편광의 빔을 P편광으로 바꾸어주면 편광빔 가르개(36)를 지나 포켈스 셀(46)을 지나게 된다. 이때에도 포켈스 셀(46)에 전압을 인가하여 P편광의 빔을 S편광으로 바뀌게 해주면 편광빔 가르개(37)에서 반사하여, 전압이 인가된 포켈스 셀(47)을 지나게 된다.
최종적으로 직전의 빔과 템포럴 믹싱하여 P편광의 8N(kHz)의 반복률을 가진 펄스당 Y(mJ)의 빔이 출력된다. 도 2에서 포켈스 셀(47)은 레이저 L(5), L(6), L(7), L(8)(25, 26, 27, 28)에서 출력되는 빔이 편광빔 가르개(37)에서 반사된 후 S편광을 P편광으로 변환시키기 위해 도입되었다. P편광으로 변환시킨 이유는 레이저 L(1), L(2), L(3), L(4)(21, 22, 23, 24)에서 출력되는 빔의 편광 빔 가르개(37) 이후의 편광과 동일하게 맞추기 위해서이다.
따라서, 만약 실제 사용에 있어서 편광 빔 가르개(37) 이후의 L(1), L(2), L(3), L(4)(21, 22, 23, 24)에서 출력되는 빔의 편광과 L(5), L(6), L(7), L(8)(25, 26, 27, 28)에서 출력되는 빔의 편광이 수직해도 상관이 없다면 포켈스 셀(47)은 구성하지 않아도 무방하다.
상기에 기술한 도 1 및 도 2를 살펴보면 그 구조가 매우 대칭적으로 구성되어 있음을 쉽게 알 수 있다. 도 1을 살펴보면 편광빔 가르개(31)을 기준으로 레이저 L(1)(21)과 L(2)(22)가 대칭적으로 배치되어 있으며, 또한 편광빔 가르개(33)을 기준으로 레이저 L(1), L(2)(21, 22)가 속한 부분과 L(3), L(4)(23, 24)가 속한 부분이 대칭적으로 배치되어 있다.
다시 도 2를 살펴보면 편광빔 가르개(37)을 기준으로 레이저 L(1), L(2), L(3), L(4)(21, 22, 23, 24)가 속한 부분과 L(5), L(6), L(7), L(8)(25, 26, 27, 28)이 속한 부분이 대칭적으로 배치되어 있다.
즉, 본 발명에서 제안한 템포럴 멀티플렉싱 레이저 시스템은 구성이 매우 대칭적인 구조를 가지고 있으므로 상기 실제 예시로 제안한 시스템을 확장하기 매우 용이하며 원하는 반복률로의 조정이 즉각적으로 가능하다.
또한, 이러한 구조적인 장점으로 인해 각 광학 구성품들이 겪는 부하가 매우 고르게 분배되며 각각의 레이저들에서 나와 최종적으로 출력되는 빔의 질이 동일하다.
도 3은 본 발명에서 제안한 템포럴 멀티플렉싱 레이저 시스템의 대칭성과 무한적인 확장성을 그린 도면이다. 즉, 전술한 도 1의 템포럴 멀티플렉싱 레이저 장치를 다수로 구비하며, 상기 다수의 템포럴 멀티플렉싱 레이저 장치들 중 2개의 템포럴 멀티플렉싱 레이저 장치를 편광빔 가르개(37)를 기준으로 하여 대칭 구조로 연결하여 하나의 템포럴 멀티플렉싱 레이저 군(이하, 제1 레이저 군)을 이루고, 상기 제1 레이저 군은 또 다른 편광빔 가르개(38)를 기준으로 같은 구조를 가진 또 다른 제1 레이저 군과 대칭적으로 연결되어 제2 레이저 군을 이루고, 상기와 같은 편광빔 가르개를 기준으로 한 레이저 군의 대칭 연결을 n회(n은 자연수) 반복하여 n개의 레이저 군을 구성하여 출력 레이저 빔의 반복률을 2n배로 증대시킬 수 있도록 한 것이다.
도 3을 참조하면, 편광빔 가르개(31)를 기준으로 'Part 1'이 대칭적으로 구성되어 있으며, 이때 반복률은 레이저 반복률 N(kHz)의 2배가 되며 편광빔 가르개(33)를 기준으로 'Part 2'가 대칭적으로 구성되어 있으며 이 때 반복률은 4(=22)배가 된다. 이러한 'Part 2'까지 구성되어 있는 구성이 도 1에 해당된다.
다시 확장하여 편광빔 가르개(37)를 기준으로 'Part 3'를 대칭적으로 구성하면 반복률은 8(=23)배가 되며 도 2에 해당하는 구성이 성립된다. 다시 편광빔 가르개(38)를 기준으로 'Part 4'를 대칭적으로 구성하면 반복률은 레이저 반복률 N(kHz)의 16(=24)배가 된다.
이러한 구성으로 인해 Part 1으로부터 시작해 원하는 구성까지 임의적으로 증가시킬 수 있다. 이렇게 대칭 구조가 확장됨에 따라 반복률은 2배, 22배, 23배, 24배, ... 로 증가 된다. 예를 들어 N=10kHz 라고 가정하면, 반복률은 20kHz, 40kHz, 80kHz, 160kHz, 320kHz로 증가된다.
실질적으로 펄스 에너지를 줄이지 않고도 반복률을 올리기 위해 많은 연구가 진행되고 있지만, 엄청난 연구비가 투자되고 있으며, 성공의 가능성도 확신할 수 없는 실정이다. 하지만 본 특허에서 제안한 템포럴 멀티플렉싱 레이저 시스템은 현재 존재하는 펄스 발진 형태의 어떠한 상용 레이저도 사용 가능하며 구성이 매우 용이하고 명확하다.
전술한 바와 같은 구성의 본 발명에 따른 템포럴 멀티플렉싱 레이저 시스템은 매우 다양한 응용 분야 및 산업 및 연구 분야에 그 파급효과가 대단히 크다.
특히, 레이저 가공분야는 고반복, 고출력의 레이저 개발이 절실히 요구되는 분야이다. 예를 들어 고출력 레이저를 이용하면 스캔과정 없이 한 번에 절단이 가능하다. 지금까지는 레이저의 출력이 낮아서 물체를 절단하기 위해서는 레이저를 작은 초점으로 집속시킨 다음 이것을 절단선을 따라 스캔해주어야 했다. 그러나, 고출력 레이저를 이용하여 높은 단위면적당 출력을 갖는 라인빔(line beam)을 만들면 스캔할 필요 없이 한 번에 물체를 절단할 수 있다.
더불어 고출력 레이저를 이용하면 절단과 마찬가지로 스캔없이 레이저 패터닝을 할 수 있다. 이때는 라인빔을 만드는 대신 홀로그램을 이용하여 만들어진 형상대로 고출력의 레이저를 쏘여주면 한 번에 레이저 패터닝이 가능하게 되고 기존의 기술에 비해 월등한 작업속도를 가질 수 있게 된다.
또한, 고출력 레이저를 이용하면 대면적의 어닐링(annealing)이 가능하다. 예를 들어 고출력 레이저를 이용한 대면적 어닐링은 디스플레이용 TFT(Thin film transistor)제작을 위한 실리콘 결정화에 유용하게 사용될 수 있다. 뿐만 아니라, 현재의 반도체 공정에 사용하는 광원인 엑시머 계열의 레이저가 한계에 접어듦에 따라, 보다 짧은 파장을 갖는 EUV(Extreme Ultraviolet)을 이용한 리소그래피 연구가 진행 중이고, 이 EUV 발생은 개발된 레이저을 통해서 가능하다.
고출력, 고반복률 레이저 기술은 의학 분야에서는 치료용 고출력 레이저 개발에 응용될 수 있으며, 정보 통신 분야에서는 광통신용 광원개발에 응용될 수 있다. 또한, 연구 분야에서는 x-선 발생장치에 활용될 수 있고, 궁극적으로는 레이저 핵융합 장치에 활용이 가능하다. 그리고, 학술적으로는 고에너지 레이저 기술을 확보함으로써 국내 레이저 기술 전반을 한 단계 더 발전시킬 수 있으며, 연구 수행 과정을 통해 고에너지 레이저 분야의 많은 우수 전문 인력을 양성할 수 있을 것이다.
이와 같이 고출력, 고반복률 레이저 기술은 기계, 전자, 바이오, 정보 통신 기술 등의 경쟁력 강화를 통한 고부가가치 창출을 이끌어 산업적 파급효과가 대단히 크며, 연구 분야에 다양하게 활용됨으로써 학술적으로도 큰 파급효과를 기대할 수 있다.
이상과 같이 본 발명에 따른 반복률의 조정이 가능한 대칭적 구조를 갖는 템포럴 멀티플렉싱 레이저 시스템 및 그 구동 방법을 예시한 도면을 참조로 하여 설 명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상 범위내에서 당업자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 물론이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 정해진 반복률을 가진 4개의 레이저를 이용한 템포럴 멀티플렉싱 레이저 장치를 개념적으로 도시한 블록도,
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 정해진 반복률을 가진 8개의 레이저를 이용한 템포럴 멀티플렉싱 레이저 시스템을 개념적으로 도시한 블록도,
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 대칭적 구조에 의한 임의의 반복률을 구현할 수 있는 템포럴 멀티플렉싱 레이저 시스템을 개념적으로 도시한 블록도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10: 진동수 발생기
11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18: 지연 발생기
21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28: 레이저
31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38: 편광빔 가르개
41, 42, 43, 44, 45, 46, 47: 포켈스셀
51, 52, 53, 54: 반파장판

Claims (13)

  1. 진동수 발진기;
    상기 진동수 발진기와 동기화하며 레이저 빔을 발진시키는 제1 내지 제4 레이저 발진부;
    상기 진동수 발진기와 상기 제1 내지 제4 레이저 발진부 사이에 위치하여 상기 레이저 발진부에서 등시간 간격으로 레이저 빔이 발진되도록 시간을 지연시키는 제1 내지 제4 지연 발생기;
    상기 제1, 제4 레이저 발진부의 후단에 설치되어 입사되는 S 편광을 P 편광으로 변환시키는 제1, 제2 반파장판;
    상기 제2, 제3 레이저 발진부 및 상기 제1, 제2 반파장판의 후단에 설치되며 P 편광은 투과시키고 S 편광은 반사시키는 제1, 제2 편광빔 가르개;
    상기 제1, 제2 편광빔 가르개의 후단에 설치되며 S 편광을 P 편광으로 또는 P 편광을 S 편광으로변환시키는 제1, 제2 포켈스 셀;
    상기 제1, 제2 포켈스 셀의 후단에 설치되며 상기 제1 포켈스 셀을 투과한 레이저 빔은 투과시키며, 상기 제2 포켈스 셀을 투과한 레이저 빔은 반사시키는 제3 편광빔 가르개
    를 포함하는 템포럴 멀티플렉싱 레이저 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 내지 제4 지연 발생기의 지연시간은 D이며, 상기 D는 하기의 식(1)에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 멀티플렉싱 레이저 장치
    식(1): D = 1/N kHz
    (여기서, N은 지연 발생기의 개수).
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 레이저 발진부는 상기 제1 포켈스 셀과 동기화하며, 상기 제4 레이저 발진부는 상기 제2 포켈스 셀과 동기화하는 것을 특징으로 하는 템포럴 멀티플렉싱 레이저 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 제3 편광빔 가르개의 후단에 설치되는 제3 포켈스 셀을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 템포럴 멀티플렉싱 레이저 장치.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 제3 포켈스 셀은 상기 제3, 제4 레이저 발진부와 동기화하는 것을 특징 으로 하는 템포럴 멀티플렉싱 레이저 장치.
  6. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항의 템포럴 멀티플렉싱 레이저 장치가 다수로 구비되며, 상기 다수의 템포럴 멀티플렉싱 레이저 장치들 중 2개의 템포럴 멀티플렉싱 레이저 장치가 편광빔 가르개를 기준으로 하여 대칭 구조로 연결되어 하나의 템포럴 멀티플렉싱 레이저 군(이하, 제1 레이저 군)을 이루어 반복률을 증대시킨 것을 특징으로 하는 템포럴 멀티플렉싱 레이저 시스템.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 제1 레이저 군은 편광빔 가르개를 기준으로 같은 구조를 가진 또 다른 제1 레이저 군과 대칭적으로 연결되어 제2 레이저 군을 이루고, 상기와 같은 편광빔 가르개를 기준으로 한 레이저 군의 대칭 연결을 n회(n은 자연수)반복하여 출력 레이저 빔의 반복률을 2n배로 증대시킨 것을 특징으로 하는 템포럴 멀티플렉싱 레이저 시스템.
  8. 제1 내지 제4 레이저 발진부에서 진동수 발진기와 동기화하며 레이저 빔을 발진시키는 단계;
    등시간 간격으로 레이저 빔이 발진되도록 제1 내지 제4 지연 발생기에서 시간을 지연시키는 단계;
    입사되는 레이저 빔이 S 편광인 경우, 제1, 제2 반파장판에서 이를 P 편광으로 변환시키는 단계;
    제1, 제2 편광빔 가르개에서, 입사되는 레이저 빔의 P 편광은 투과시키고 S 편광은 반사시키는 단계;
    제1, 제2 포켈스 셀에서 S편광을 P편광으로 또는 P 편광을 S 편광으로 변환시키는 단계; 및,
    제3 편광빔 가르개에서, 상기 제1 포켈스 셀을 투과한 레이저 빔은 투과시키며, 상기 제2 포켈스 셀을 투과한 레이저 빔은 반사시키는 단계
    를 포함하는 템포럴 멀티플렉싱 레이저 구동 방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 제1 내지 제4 지연 발생기의 지연시간은 D이며, 상기 D는 하기의 식(1)에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 멀티플렉싱 레이저 구동 방법
    식(1): D = 1/N kHz
    (여기서, N은 지연 발생기의 개수).
  10. 청구항 8에 있어서,
    상기 제2 레이저 발진부는 상기 제1 포켈스 셀과 동기화하며, 상기 제4 레이저 발진부는 상기 제2 포켈스 셀과 동기화하는 것을 특징으로 하는 템포럴 멀티플렉싱 레이저 구동 방법.
  11. 청구항 8에 있어서,
    제3 편광빔 가르개에서, 상기 제1 포켈스 셀을 투과한 레이저 빔은 투과시키며, 상기 제2 포켈스 셀을 투과한 레이저 빔은 반사시키는 단계 이후에,
    반사된 S 편광을 제3 포켈스 셀에서 P 편광으로 변환시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 템포럴 멀티플렉싱 레이저 구동 방법.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 제3 포켈스 셀은 상기 제3, 제4 레이저 발진부와 동기화하는 것을 특징으로 하는 템포럴 멀티플렉싱 레이저 구동 방법.
  13. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항의 템포럴 멀티플렉싱 레이저 장치를 다수로 구비하며, 상기 다수의 템포럴 멀티플렉싱 레이저 장치들 중 2개의 템포럴 멀티플렉싱 레이저 장치를 편광빔 가르개를 기준으로 하여 대칭 구조로 연결하여 하나의 템포럴 멀티플렉싱 레이저 군(이하, 제1 레이저 군)을 이루고, 상기 제1 레이저 군은 또 다른 편광빔 가르개를 기준으로 같은 구조를 가진 또 다른 제1 레이저 군과 대칭적으로 연결되어 제2 레이저 군을 이루고, 상기와 같은 편광빔 가르개를 기준으로 한 레이저 군의 대칭 연결을 n회(n은 자연수)반복하여 n개의 레이저 군을 구성한 후, 이를 구동하여 출력 레이저 빔의 반복률을 2n배로 증대시킨 것을 특징으로 하는 템포럴 멀티플렉싱 레이저 구동 방법.
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