KR101034241B1 - 비등방성 레이저 결정을 펌핑하기 위한 레이저 장치 - Google Patents

비등방성 레이저 결정을 펌핑하기 위한 레이저 장치 Download PDF

Info

Publication number
KR101034241B1
KR101034241B1 KR1020090028518A KR20090028518A KR101034241B1 KR 101034241 B1 KR101034241 B1 KR 101034241B1 KR 1020090028518 A KR1020090028518 A KR 1020090028518A KR 20090028518 A KR20090028518 A KR 20090028518A KR 101034241 B1 KR101034241 B1 KR 101034241B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
pumping
laser
optical fiber
anisotropic
pumping beam
Prior art date
Application number
KR1020090028518A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20100110109A (ko
Inventor
김광훈
강욱
블라디미르 야쉰
세르게이 치초프
엘레나 살
Original Assignee
한국전기연구원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국전기연구원 filed Critical 한국전기연구원
Priority to KR1020090028518A priority Critical patent/KR101034241B1/ko
Publication of KR20100110109A publication Critical patent/KR20100110109A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101034241B1 publication Critical patent/KR101034241B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/20—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers
    • H01S5/2004—Confining in the direction perpendicular to the layer structure
    • H01S5/2018—Optical confinement, e.g. absorbing-, reflecting- or waveguide-layers
    • H01S5/2031—Optical confinement, e.g. absorbing-, reflecting- or waveguide-layers characterized by special waveguide layers, e.g. asymmetric waveguide layers or defined bandgap discontinuities
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/04—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping, e.g. by electron beams
    • H01S5/041—Optical pumping
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S2303/00—Pumping wavelength

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Geometry (AREA)
  • Lasers (AREA)

Abstract

본 발명은 레이저 장치에 관한 것으로서, 레이저 다이오드, 레이저 다이오드 바, 레이저 다이오드 어레이 등과 같이 비대칭적인 발산 특성을 갖는 펌핑 광원을 이용하여 비등방성 레이저 결정에 광 펌핑하도록 구성된 레이저 장치에 관한 것이다. 특히, 본 발명은, 다이오드를 이용하여 편광되고 비대칭적인 단면 모양과 휘도를 갖는 펌핑 빔을 발생시키는 펌핑 광원과, 상기 펌핑 광원에서 나오는 펌핑 빔을 전달하는 연결 시스템과, 상기 연결 시스템을 통해 전달된 펌핑 빔이 집속되는 비등방성 레이저 결정을 포함하는 다이오드 펌프된 레이저 장치에 있어서, 상기 연결 시스템에서 펌핑 빔의 편광된 빛을 전달하도록 배치된 광섬유가 탈편광을 방지하면서 비대칭형의 펌핑 빔을 대칭형으로 변환시킬 수 있는 길이를 가지는 것을 특징으로 한다. 상기한 본 발명에서는 편광된 펌핑 빔이 전달되는 동안 편광 상태의 변화를 최소한으로 하면서 비대칭형 펌핑 빔을 대칭형 펌핑 빔으로 변환시킬 수 있도록 빔 전달 매체인 광섬유를 개선함으로써, 펌핑 광원에서 비등방성 레이저 결정에 인가된 펌핑 스팟의 대칭성이 향상될 수 있고, 이를 통해 성능 및 효율이 향상되는 효과가 있다.
다이오드, 고체 레이저, 광 펌핑, 비등방성 레이저 결정, 편광, 광섬유

Description

비등방성 레이저 결정을 펌핑하기 위한 레이저 장치{Laser arrangement for pumping an anisotropic laser crystal}
본 발명은 레이저 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 레이저 다이오드, 레이저 다이오드 바, 레이저 다이오드 어레이 등과 같이 매우 비대칭적인 발산 특성을 갖는 펌핑 광원을 이용하여 비등방성 레이저 결정에 광 펌핑하도록 구성된 레이저 장치에 관한 것이다.
최근 레이저 다이오드, 레이저 다이오드 바, 레이저 다이오드 어레이 등에 의해 광학적으로 펌핑되는 고체 레이저 시스템 분야의 중대한 발전이 이루어져 왔다.
이 중에서 레이저 다이오드는 그 크기가 작기 때문에 실제 응용에 있어 매우 유용하며, 플래시 램프 등의 광원과 같은 가열 문제가 발생하지 않기 때문에 펌핑 광원으로 적합하다.
또한 레이저 다이오드는 방출되는 레이저 빔을 렌즈 등의 광학 요소를 이용 하여 작은 크기로 접속이 가능하기 때문에 종방향 펌핑 구조에서 효율적으로 이용될 수 있다.
레이저 다이오드로 펌핑되는 기존의 고체 레이저 장치와 같이 높은 효율을 갖는 TEM00 레이저 방사 모드를 발생시키기 위해 만약 레이저 다이오드에서 나오는 레이저 빔과 공진기에서 발진하는 레이저 빔이 서로 잘 겹친다면 종방향 펌핑 시스템은 횡방향 펌핑 시스템보다 더 효과적이다.
달리 말하면, 레이저 결정 내에서 레이저 다이오드의 모드 부피가 레이저 공진기의 TEM00 모드와 잘 일치할 때 다이오드 펌핑 레이저 시스템에서 최대의 효율을 얻을 수 있다.
한편, 광섬유 커플링 이미징을 이용하는 레이저 시스템은 잘 알려져 있으며, 그러한 레이저 시스템의 예로서, 고체 레이저 매질에 펌핑하기에 적합한 레이저 펌핑 광원에서 광섬유 또는 광섬유 묶음을 이용하여 레이저 결정으로 펌핑된 빔을 인가하는 레이저 헤드를 갖는 레이저 시스템이 있다.
여기서, 펌핑 빔은 다이오드 펌핑 광원으로부터 레이저 결정에 광섬유로 전송되며, 많은 경우에 광섬유로부터의 이미지 크기는 레이저 매질에서 모드 크기와 일치한다. 또한 광섬유로부터의 이미지 크기는 광섬유 직경과 광섬유에서 나오는 빛의 퍼짐에 의해 결정된다.
광섬유를 이용하여 광학적으로 연결하면 레이저 헤드가 간결해지고 단지 광학적인 요소들만 포함하게 된다. 다른 장점은 펌핑 빔의 품질이 광섬유를 통과한 후에 본질적으로 향상된다는 것이다.
그리고, 다이오드 펌핑 광원의 광 출력은 전형적으로 선형 편광되어 있다. 선형 편광은 빛과 관계된 전기장 벡터가 빛의 진동수로 진폭이 변하지만 빛의 진행 방향에 수직한 평면에서 공간적으로 항상 한 방향으로 향해 있는 상태이다.
광섬유를 통해 빛이 통과하거나 다른 광학 요소들을 통과하면 이 편광의 변화가 발생할 수 있다. 선형 편광으로 남아 있을 수 있지만 수직한 평면에서 편광의 방향이 변하여 처음과 다른 방향을 가질 수 있다. 편광은 또한 벡터 진폭은 일정하게 유지하지만 수직한 평면 내에서 편광 방향이 회전하는 원형 편광이 될 수 있다. 보다 일반적으로 편광은 전기장 벡터의 진폭과 방향 양쪽 모두 변하는 타원 편광이 될 수 있다.
다이오드 펌핑에서 일반적으로 이용되는 다중 모드 광섬유 또는 광섬유 묶음은 전송되는 동안에 진동수와 세기는 유지시키지만 공간적 결맞음, 위상 결맞음 그리고 편광 상태는 변화시켜서 가끔 "광 파이프"라 불리기도 한다.
특히, 입력 빔의 편광은 출력단에서 보존되지 않는다. 그러나, 본 발명자는 광섬유로 연결된 레이저 시스템에서 전형적으로 이용되는 짧은 광섬유 또는 광섬유 묶음에서는 상당한 양의 입력 편광 특성이 보존됨을 확인하였다.
예를 들어, 1000:1의 멸실비(extinction ratio)로 선형 편광된 다이오드 레이저 펌핑 빔이 짧은 길이(11cm)의 다중 모드 광섬유를 통과한 후에 20:1의 멸실비를 갖는 것을 실험적으로 관찰하였다.
고체 레이저의 이득 매질에서 펌핑 빔의 흡수 특성이 가끔 비등방성이기 때문에 이러한 편광 보전 가능성은 중요하다. 달리 말하면, 비등방성 레이저 매질 에서 펌핑 빔의 흡수 특성은 펌핑 빔의 편광 특성에 의존하기 때문에 펌핑 빔의 편광 상태가 변한다는 것은 레이저의 출력 특성이 변한다는 것이 된다.
예를 들어, Yb:KGW, Yb:KYW 결정 등과 같은 유사-3-레벨(quasi-three-level) 레이저 시스템에서 동작하는 몇몇의 비등방성 레이저 결정들은 다양한 흡수 파장에서 편광에 따라 서로 다른 흡수도를 나타낸다.
여기서, 최대 흡수는 전기장 벡터의 방향이 레이저 결정의 a-축과 평행할 때 얻어진다. 따라서, 편광의 변화는 고체 레이저의 성능에 영향을 미칠 수 있다. 최대의 레이저 성능이 일정하게 요구될 때 이러한 편광의 변화는 레이저 성능의 변화를 의미하므로 단점이 된다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 발명한 것으로서, 비대칭적인 패턴의 출력 빔(펌핑 빔)을 주사하는 레이저 다이오드 또는 레이저 다이오드 바, 레이저 다이오드 어레이 등에서 비등방성 레이저 결정에 인가되는 펌핑 스팟의 대칭성을 향상시키고, 이를 통해 성능 및 효율을 향상시킨 레이저 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 다이오드를 이용하여 편광되고 비대칭적인 단면 모양과 휘도를 갖는 펌핑 빔을 발생시키는 펌핑 광원과, 상기 펌핑 광원에서 나오는 펌핑 빔을 전달하는 연결 시스템과, 상기 연결 시스템을 통해 전달된 펌핑 빔이 집속되는 비등방성 레이저 결정을 포함하는 다이오드 펌프된 레이저 장치에 있어서, 상기 연결 시스템에서, 펌핑 빔의 편광된 빛을 전달하는 광 전달 매체로서, 펌핑 빔의 편광 상태를 보존하면서 입력된 단면상의 비대칭형 빔을 대칭형의 빔으로 변환하여 출력하는 광섬유가 사용된 것을 특징으로 하는 비등방성 레이저 결정을 펌핑하기 위한 레이저 장치를 제공한다.
바람직한 실시예에서, 상기 연결 시스템은, 상기 펌핑 광원에서 나오는 펌핑 빔을 광섬유에 집속시키는 입력 렌즈와; 상기 입력 렌즈에 의해 집속된 펌핑 빔의 편광된 빛을 전달하는 광섬유와; 상기 광섬유를 통과한 펌핑 빔을 조준하는 조준 렌즈와; 상기 조준 렌즈를 통과한 펌핑 빔을 수렴시켜 상기 비등방성 레이저 결정에 집속되도록 하는 집속 렌즈;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 광섬유의 길이는 펌핑 빔의 디폴라리제이션율(Depolarization ratio) 10% 이하를 유지하는 길이인 것을 특징으로 한다.
또한 상기 광섬유의 길이가 5 ~ 40 cm인 것을 특징으로 한다.
또한 상기 광섬유가 짧은 길이의 다중 모드 광섬유이거나 편광 보존형 광섬유인 것을 특징으로 한다.
또한 상기 연결 시스템을 통해 전달된 펌핑 빔이 인가되는 레이저 이득 매질로서 상기 비등방성 레이저 결정은 Yb:KGW, Yb:KYW, Yb:S-FAP, Nd:KGW, Nd:KYW, or Nd:YV04 , Cr:LiSAF, Cr:Forsterite, 그리고 반도체 이득 매질 중에서 선택된 물질로 만들어진 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 본 발명에 따른 다이오드 펌프된 레이저 장치에 의하면, 편광된 펌핑 빔이 전달되는 동안 편광 상태의 변화를 최소한으로 하면서 비대칭형 펌핑 빔을 대칭형 펌핑 빔으로 변환시킬 수 있도록 빔 전달 매체인 광섬유를 개선함으로써, 펌핑 광원에서 비등방성 레이저 결정에 인가된 펌핑 스팟의 대칭성이 향상될 수 있고, 이를 통해 성능 및 효율이 향상되는 효과가 있다.
이하, 본 발명의 특징 및 이점들은 첨부 도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어나 단어는 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
첨부한 도 1은 레이저 다이오드를 이용하여 비등방성 레이저 결정에 빔을 펌핑하는 시스템의 배열을 보여주는 개념도이고, 도 2는 레이저 결정에서 축 방향과 펌핑 빔의 편광 방향을 보여주는 도면이다.
또한 첨부한 도 3은 5%의 Yb 도핑 농도를 갖는 KGW 결정에서 축 방향별로 펌프 빛의 파장에 따른 흡수 계수 분포를 나타낸 도면이고, 도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 펌핑 빔의 대칭성을 향상시키기 위한 배열과 레이저 결정으로의 연결을 나타내는 레이저 장치의 구성도이다.
본 발명은 다이오드로 펌핑하는 레이저 장치, 즉 다이오드 펌프된(diode pumped) 레이저 장치에 관한 것으로서, 레이저 다이오드, 레이저 다이오드 바, 레이저 다이오드 어레이 등과 같이 매우 비대칭적인 발산 특성을 갖는 펌핑 광원을 이용하여 비등방성 레이저 매질(비등방성 레이저 결정)에 광 펌핑하는 레이저 장치에 관한 것이다.
비등방성 레이저 결정의 내부에 인가되는 펌핑 빔의 횡방향 세기 분포의 형태를 재설정하여 집속되는 빔이 흡수 길이 방향으로 충분히 원형의 스팟을 갖게 하면 레이저 다이오드에서 방출되는 펌핑 빔은 높은 세기 밀도로 레이저 매질 내부에 집속될 수 있다. 다이오드를 펌프된 레이저 장치가 TEM00 모드에서 높은 효율로 편광된 출력을 발생시키거나 증폭시키도록 작동하게 하는 것이다.
특히, 종래의 문제점을 극복하기 위해서는 펌핑 빔이 레이저 이득 매질에 인가될 때 최대 흡수 편광 조건과 일치하는 편광 상태를 갖는 펌핑 빔이 레이저 이득 매질에 인가되어야만 한다. 이는 펌핑 빔이 선형 편광되어 있으면서 이 편광이 잘 정의된 결정학적 축과 평행하면 이뤄질 수 있다. 또한 짧은 길이의 다중 모드 광섬유를 이용하거나 레이저 방사의 편광 보존형 광섬유를 이용하면 펌핑 빔의 편광을 보존할 수 있다. 하지만, 편광 보존형 광섬유는 빛을 전송하는 모드 필드 직경(mode field diameter)이 10 ㎛ 내외로 매우 작아서 모드 크기가 이보다 커거나 출력이 높은 펌핑 광원의 빛을 효과적으로 전달시킬 수 없다는 단점이 있다.
이를 위해, 본 발명의 바람직한 실시예는, 비등방성 레이저 결정을 이용한 다이오드 펌프된 레이저 장치에 있어서, 각각 비대칭적인 단면 모양과 휘도를 갖는 펌핑 빔을 발생시키는 펌핑 광원; 펌핑 광원에서 나오는 출력 빔을 광섬유에 집속시키는 입력 렌즈; 펌핑 빔의 선형 편광된 빛을 전달하고 빔의 대칭성을 향상시킬 수 있는 광섬유; 펌핑 빔을 조준하는(collimating, 평행 광으로 만드는) 조준 렌즈; 조준 렌즈를 통과한 펌핑 빔을 수렴시키기 위한 집속 렌즈; 집속 렌즈로 수렴된 펌핑 빔이 집속되는 비등방성 레이저 결정을 포함하여 구성된다.
여기서, 비등방성 레이저 결정은 결정학적으로 서로 수직인 첫 번째 축과 두 번째 축을 가지는 것으로, 펌핑 빔의 편광에 따라 서로 다른 흡수도를 갖는 레이저 결정이며, 펌핑 광원에서 나오는 펌핑 빔에 의해 펌핑된다.
바람직한 실시예에서, 비등방성 레이저 결정이 펌핑 빔을 최대한 흡수하게 하기 위해 펌핑 광원에서 나오는 펌핑 빔 출력의 선형적으로 편광된 빛의 편광 방향은 비등방성 레이저 결정의 a-축과 같은 방향으로 놓는다.
또한 비등방성 레이저 결정은 이트비움 이온 Yb3+가 도핑된 텅스텐 산화물질인 Yb:KYW 또는 Yb:KGW가 사용될 수 있다. 추가로, 펌핑 광원은 빔을 방출하기 위해 선형적으로 배열된 에미터들을 갖는 레이저 다이오드, 레이저 다이오드 바 또는 레이저 다이오드 어레이 등에서 선택된 것이다.
특히, 본 발명에서는 편광된 펌핑 빔의 펌핑 스팟의 대칭성을 향상시킬 수 있도록 짧은 광섬유를 사용한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 대해 첨부한 도면을 참조로 좀더 상세히 설명하면 다음과 같다.
우선, 도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예는, 광학 시스템으로서 레이저 다이오드, 레이저 다이오드 바, 레이저 다이오드 어레이 등을 사용하는 펌핑 광원(10)과, 상기 펌핑 광원(10)에서 나오는 펌핑 빔을 전달하는 연결 시스템(20)과, 상기 연결 시스템(20)을 통해 전달된 펌핑 빔이 인가되는 레이저 이득 매질(30)을 포함한다.
여기서, 펌핑 광원(10)은 매우 비대칭적인 발산 특성을 갖는 펌핑 광원, 즉 출력 빔으로서 편광되고 회절의 니어 필드(near field, 근접장)와 파 필드(far field, 원격장)에서 줄무늬 형태의 비대칭적인 빔 단면 분포를 갖는 펌핑 빔을 발 생시키는 펌핑 광원이다.
또한 상기 레이저 이득 매질(30)은 비등방성의 흡수를 갖는 물질로 만들어지며, 이러한 레이저 이득 매질(비등방성 레이저 결정)은 연결 시스템(20)에 의해 이득 매질로 향하는 펌핑 빔이 기본적으로 편광에 의존하는 흡수를 갖도록 적당한 각도로 절단된다.
이를 위해, 레이저 이득 매질(30)은 도 2의 펌핑 빔(1)에 의해 관통되는 결정 단면을 가지며, 레이저 이득 매질은 서로 마주보고 평행하게 위치하는 결정의 가장자리 쌍(30a,30b)을 갖는다. 펌핑 빔의 편광은 도 3에 표시된 것처럼 더 큰 흡수를 제공하기 위하여 결정의 a-축에 평행하게 놓인다.
다시 말하면, 레이저 이득 매질(비등방성 레이저 결정)(30)은 결정학적으로 서로 수직한 첫 번째 축과 두 번째 축을 가지면서 각각의 축은 펌핑 빔의 편광에 대해 다른 흡수도를 가진다. 즉, 레이저 이득 매질에서 큰 흡수도를 갖는 첫 번째 결정학적 축 방향과 작은 흡수도를 갖는 두 번째 결정학적 축 방향이 존재하며, 레이저 이득 매질의 첫 번째 결정학적 축은 상대적으로 높은 흡수도를 갖는 첫 번째 방향에 놓인다.
상기 레이저 이득 매질은 미국특허 제5,553,088호에 개시된 것과 같은 얇은 디스크가 될 수 있으며, 얇은 디스크에 국한되지 않고 납작한 슬랩(slab), 로드(rod), 폴리곤(polygon) 등과 같은 다른 기하학적 형태를 가질 수 있다.
또한 레이저 이득 매질은 비등방성 레이저 결정들 중에 선택된 물질로 만들어지는데, 이트비움 이온이 도핑된 이중 턴스텐산염 결정, 예를 들면 Yb:KGW, Yb:KYW, Yb:S-FAP이나 Nd:KGW, Nd:KYW, Nd:YV04, Cr:LiSAF, Cr:Forsterite, 그리고 반도체 이득 매질 등 기타 다양한 종류의 물질로 만들어질 수 있다.
한편, 펌핑 빔은 대체적으로 편광된 빛일 수 있다. 대부분의 다이오드 펌핑 광원들은 선형적으로 편광되어 있지만 펌핑 빔을 연결하는 광섬유 또는 서로 다른 편광들 등을 결합하는 펌핑 광원에서는 편광되지 않은 펌핑 광원이 나올 수 있다.
본 발명에서 펌핑 광원(10)은 광섬유(또는 광섬유 다발)(22)와 연결된 다이오드, 다이오드 바 하나 또는 하나 이상의 다이오드 더미(stack) 등 일 수 있으며, 바람직한 실시예에서 펌핑 광원은 920 nm에서 1030 nm 범위의 파장을 가지는 것이 사용될 수 있다.
그리고, 도 1의 구성에서 연결 시스템(20)은 기하학적인 빔 결합기를 포함할 수 있는데, 기하학적 빔 결합기는 프리즘, 플레이트 또는 그 유사한 것들이 될 수 있으며, 두 개 또는 그 이상의 편광된 레이저 다이오드들이나 레이저 다이오드 더미들에서 나오는 빛을 결합한다.
다양한 실시예에서 연결 시스템은 이미지 결합기이거나, 이미지 결합기가 아니거나, 깔때기 모양(funnel) 등이 있다. 적당한 깔대기 모양의 예로서 미국특허 제5,999,554호에 개시된 것들이 있다.
또한 연결 시스템(20)에는 펌핑 빔의 품질을 향상시키기 위해서 균형을 잡기 위한 광학 요소들이 포함될 수 있다. 일 예의 배열로서, 도 4에 나타낸 것과 같이, 펌핑 광원(10)에서 나오는 출력 빔을 광섬유에 집속시키는 입력 렌즈(21)와; 펌핑 빔의 선형 편광된 빛을 전달하고 빔의 대칭성을 향상시키는 광섬유(22)와; 펌핑 빔을 조준하는(collimating, 평행 광으로 만드는) 조준 렌즈(23)와; 조준 렌즈(23)를 통과한 펌핑 빔을 수렴시키기 위한 집속 렌즈(24) 등으로 구성될 수 있다.
이러한 본 발명의 연결 시스템에서 편광된 빛을 전달하는 광섬유(22)는 펌핑 빔의 탈편광(depolarization)을 방지하기 위해 짧은 길이를, 바람직하게는 5 ~ 40 cm의 길이를 가지도록 구성한다.
본 발명에서는 다이오드 펌핑 광원에서 나오는 빔을 전달하는 광 전달 매체로서 광섬유(22)를 사용하되, 입력된 빔에 대해서 편광 상태의 변화를 최소한으로 하면서 비대칭형을 대칭형으로 변환시키는 광섬유의 사용에 주된 특징이 있다. 이를 위해, 편광을 보존하는 편광 보존형 광섬유가 사용되는 것이 바람직하나, 일반 광섬유의 경우라면 그 길이를 탈편광을 방지할 수 있을 정도의 짧은 길이, 즉 5 ~ 40 cm로 하는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 광섬유(22)의 길이를 5 cm 미만으로 하는 경우에는 조립된 하나의 장치 구성을 위해 광섬유를 주변 요소(부품)에 기구적으로 결합하는데 어려움(제작상의 어려움)이 있게 된다. 즉, 연결 시스템의 구성을 위해 도 4에 나타낸 바와 같이 광 전달이 가능하도록 렌즈(21,23)와 광섬유를 순차적으로 배열하고 이들을 기구적으로 결합 및 조립하여 하나의 장치로 만들기 위해서는(특히, 주변 요소와 연결되도록 광섬유 양단을 클램핑하기 위해서는), 상기 광섬유가 최소 길이 5 cm를 가져야 하는 것이다. 만약, 광섬유의 길이가 5 cm보다 짧다면 연결 시스 템을 구성하는 주변 요소에 광섬유를 기능 수행이 가능하도록 연결하는 것이 불가능해진다.
반면, 광섬유의 길이가 40 cm를 초과하는 경우에는 편광 상태의 변화가 발생하는 문제가 있으므로 바람직하지 않다. 다이오드로 펌핑하는 레이저 장치에서 다이오드 펌핑 광원으로부터는 빔 단면이 서로 다른 방향에 대하여 비대칭적인 펌핑 빔이 나오며, 본 발명에서는 광 전달 매체로서 펌핑 광원으로부터 나오는 빔의 편광 상태를 보존하면서 단면상의 비대칭형인 빔을 대칭형 빔으로 변환하여 출력할 수 있는 광섬유를 사용한다.
이때, 광 전달 매체로 사용되는 상기 광섬유는 다이오드 펌핑 광원에서 나오는 편광된 펌핑 빔을 입력받아 빔의 편광을 보존(빔의 탈편광을 방지)하면서 펌핑 스팟의 대칭성을 향상시켜 출력되는 빔이 대칭성을 갖는 원형의 스팟을 갖도록 길이가 짧아야 하며, 이를 위해 본 발명에서는 광섬유의 길이를 40 cm 이하로 한정한다.
본 발명의 레이저 장치에서 광섬유의 길이가 40 cm를 초과하게 되면 허용 공차를 초과하는 탈편광이 발생하며, 탈편광 수준을 허용 공차 이하의 수준으로 유지하기 위해서 40 cm 이하의 광섬유 길이가 필요하다.
첨부한 도 5는 본 발명에서 광 전달 매체로 사용되는 광섬유의 길이에 대한 디폴라리제이션율(Depolarization ratio)을 나타낸 그래프로서, 실험 결과를 살펴보면 광섬유의 길이가 짧을수록 디폴라리제이션율이 작음을 알 수 있다. 본 발명에서는 디폴라리제이션율 10% 이하(즉, Depolarized power/Total power = 0.1)를 유지할 수 있는 광섬유의 길이가 필요하며, 이러한 광섬유의 최대 길이는 도 5에 나타낸 바와 같이 40 cm가 된다. 이와 같이 본 발명의 목적 달성을 위한 광 전달 매체로서 상기 광섬유의 길이는 40 cm 이하로 한정하는 것이 타당하다.
그리고, 본 발명의 레이저 장치에서는 펌핑 빔이 레이저 이득 매질을 여러 번 통과하도록 할 수 있는데, 이를 위해 미국특허 제5,553,088호와 그 참고문헌에 개시되어 있는 바와 같이 펌핑 빔을 여러 번 이득 매질에 다시 이미지화하기 위한 릴레이 광학 요소가 포함될 수 있다.
또한 레이저 이득 매질은 레이저 공진기 안에 배치된 레이저 이득 매질일 수 있고, 공진기의 모드는 이득 매질에서 펌핑 부피의 크기에 모드 일치하는 것이어야 한다.
그리고, 본 발명의 레이저 장치에서 레이저 공진기(31)는 일반적인 레이저 공진기 또는 레이저 빔의 출력을 증폭시키기 위한 재생증폭기(regenerative amplifier), 단일 통과 증폭기(single-pass amplifier), 다중 통과 증폭기(multi-pass amplifier) 등의 증폭기 등으로 구성될 수 있다.
또한 레이저 공진기에 펌핑 빔을 인가하기 위해서 반사경 등의 광학 요소를 레이지 이득 매질 이전 또는 이후에 적절히 배치할 수 있다.
이상으로 본 발명에 따른 특정의 바람직한 실시예에 대해 설명하였다. 그러나, 본 발명이 상술한 실시예로 한정되는 것은 아니며, 상술한 실시예가 본 발명의 원리를 응용한 다양한 실시예의 일부를 나타낸 것에 지나지 않음을 이해하여야 한다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 특허청 구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상의 요지를 벗어남이 없이 얼마든지 다양하게 변경 실시할 수 있을 것이다.
도 1은 레이저 다이오드를 이용하여 비등방성 레이저 결정에 빔을 펌핑하는 시스템의 배열을 보여주는 개념도,
도 2는 레이저 결정에서 축 방향과 펌핑 빔의 편광 방향을 보여주는 도면,
도 3은 5%의 Yb 도핑 농도를 갖는 KGW 결정에서 축 방향별로 펌프 빛의 파장에 따른 흡수 계수 분포를 나타낸 도면,
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 펌핑 빔의 대칭성을 향상시키기 위한 배열과 레이저 결정으로의 연결을 나타내는 고체 레이저 장치의 구성도,
도 5는 본 발명에서 광 전달 매체로 사용되는 광섬유의 길이에 대한 탈편광률을 나타낸 그래프.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 레이저 다이오드 20 : 연결 시스템
30 : 레이저 이득 매질

Claims (6)

  1. 다이오드를 이용하여 편광되고 비대칭적인 단면 모양과 휘도를 갖는 펌핑 빔을 발생시키는 펌핑 광원과, 상기 펌핑 광원에서 나오는 펌핑 빔을 전달하는 연결 시스템과, 상기 연결 시스템을 통해 전달된 펌핑 빔이 집속되는 비등방성 레이저 결정을 포함하는 다이오드 펌프된 레이저 장치에 있어서,
    상기 연결 시스템에서, 펌핑 빔의 편광된 빛을 전달하는 광 전달 매체로서, 펌핑 빔의 편광 상태를 보존하면서 입력된 단면상의 비대칭형 빔을 대칭형의 빔으로 변환하여 출력하는 광섬유가 사용되고,
    상기 연결 시스템은,
    상기 펌핑 광원에서 나오는 펌핑 빔을 광섬유에 집속시키는 입력 렌즈와;
    상기 입력 렌즈에 의해 집속된 펌핑 빔의 편광된 빛을 전달하는 광섬유와;
    상기 광섬유를 통과한 펌핑 빔을 조준하는 조준 렌즈와;
    상기 조준 렌즈를 통과한 펌핑 빔을 수렴시켜 상기 비등방성 레이저 결정에 집속되도록 하는 집속 렌즈;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 비등방성 레이저 결정을 펌핑하기 위한 레이저 장치.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 광섬유의 길이는 펌핑 빔의 디폴라리제이션율 10% 이하를 유지하는 길이인 것을 특징으로 하는 비등방성 레이저 결정을 이용한 비등방성 레이저 결정을 펌핑하기 위한 레이저 장치.
  4. 청구항 3에 있어서, 상기 광섬유의 길이가 5 ~ 40 cm인 것을 특징으로 하는 비등방성 비등방성 레이저 결정을 펌핑하기 위한 레이저 장치.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 광섬유가 편광 보존형 광섬유인 것을 특징으로 하는 비등방성 레이저 결정을 펌핑하기 위한 레이저 장치.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 연결 시스템을 통해 전달된 펌핑 빔이 인가되는 레이저 이득 매질로서 상기 비등방성 레이저 결정은 Yb:KGW, Yb:KYW, Yb:S-FAP, Nd:KGW, Nd:KYW, or Nd:YV04 , Cr:LiSAF, Cr:Forsterite, 그리고 반도체 이득 매질 중에서 선택된 물질로 만들어진 것을 특징으로 하는 비등방성 레이저 결정을 펌핑하기 위한 레이저 장치.
KR1020090028518A 2009-04-02 2009-04-02 비등방성 레이저 결정을 펌핑하기 위한 레이저 장치 KR101034241B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020090028518A KR101034241B1 (ko) 2009-04-02 2009-04-02 비등방성 레이저 결정을 펌핑하기 위한 레이저 장치

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020090028518A KR101034241B1 (ko) 2009-04-02 2009-04-02 비등방성 레이저 결정을 펌핑하기 위한 레이저 장치

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20100110109A KR20100110109A (ko) 2010-10-12
KR101034241B1 true KR101034241B1 (ko) 2011-05-12

Family

ID=43130858

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020090028518A KR101034241B1 (ko) 2009-04-02 2009-04-02 비등방성 레이저 결정을 펌핑하기 위한 레이저 장치

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101034241B1 (ko)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8989224B2 (en) 2011-08-22 2015-03-24 Korea Electrotechnology Research Institute Apparatus for femtosecond laser optically pumped by laser diode pumping module
KR101264225B1 (ko) 2011-08-22 2013-05-14 한국전기연구원 레이저 다이오드 광펌핑 모듈을 이용한 펨토초 레이저 장치
US8891564B2 (en) 2012-06-18 2014-11-18 Korea Electrotechnology Research Institute Femtosecond laser apparatus and femtosecond laser system including the same
JP5658207B2 (ja) 2012-06-18 2015-01-21 韓国電気研究院 異方性レーザー結晶を用いたレーザー装置

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH05167159A (ja) * 1991-12-12 1993-07-02 Mitsubishi Electric Corp レーザパワー減衰装置
JPH09211239A (ja) * 1996-02-07 1997-08-15 Matsushita Electric Ind Co Ltd 偏波保存ファイバおよび偏波保存ファイバ半導体レーザモジュール
US6324319B1 (en) 1998-12-09 2001-11-27 Seagate Technology Llc Spliced optical fiber coupler
US20080013586A1 (en) 2005-09-06 2008-01-17 Spence David E Narrow band diode pumping of laser gain materials

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH05167159A (ja) * 1991-12-12 1993-07-02 Mitsubishi Electric Corp レーザパワー減衰装置
JPH09211239A (ja) * 1996-02-07 1997-08-15 Matsushita Electric Ind Co Ltd 偏波保存ファイバおよび偏波保存ファイバ半導体レーザモジュール
US6324319B1 (en) 1998-12-09 2001-11-27 Seagate Technology Llc Spliced optical fiber coupler
US20080013586A1 (en) 2005-09-06 2008-01-17 Spence David E Narrow band diode pumping of laser gain materials

Also Published As

Publication number Publication date
KR20100110109A (ko) 2010-10-12

Similar Documents

Publication Publication Date Title
ES2546109T3 (es) Láser de bombeo de extremo, de alta potencia, con bombeo fuera de pico
US7961771B2 (en) High-gain diode-pumped laser amplifier
US8913644B2 (en) Enhanced optical pumping of materials exhibiting polarization-dependent absorption
US20090296199A1 (en) Laser amplifiers with high gain and small thermal aberrations
JP2003198017A (ja) 固体レーザ媒体ポンピング用レーザ装置
KR101034241B1 (ko) 비등방성 레이저 결정을 펌핑하기 위한 레이저 장치
US6891876B2 (en) Method and apparatus for polarization and wavelength insensitive pumping of solid state lasers
US20080013586A1 (en) Narrow band diode pumping of laser gain materials
KR101857751B1 (ko) 슬랩 고체 레이저 증폭장치
KR102520071B1 (ko) 편광이 분리된 광펌핑 및 이를 포함하는 레이저 장치
US7003011B2 (en) Thin disk laser with large numerical aperture pumping
KR102520072B1 (ko) 선택적 도핑농도를 가지는 이득매질 및 이를 포함하는 광 증폭 장치
KR100815483B1 (ko) 비등방성 레이저 결정을 이용한 다이오드 펌핑된 레이저장치
JP2005158886A (ja) 光増幅器、レーザ発振器およびｍｏｐａレーザ装置
US8315289B2 (en) Optical apparatus and method
Scheps et al. Internally folded Nd: YAG and Nd: YVO/sub 4/lasers pumped by laser diodes
EP1482608A1 (en) Enhanced optical pumping of materials exhibiting polarization-dependent absorption
WO2004021526A2 (en) Method and apparatus for polarization and wavelength insensitive pumping of solid state lasers
Camargo et al. Compact, diode side-pumped Nd: YVO4 cw laser with 74% slope efficiency and 22 W output power
Fu et al. Optimal Design of Lens Duct for End-Pumped Solid-State lasers

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20140430

Year of fee payment: 4

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20150504

Year of fee payment: 5

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20160503

Year of fee payment: 6

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20170502

Year of fee payment: 7

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20180503

Year of fee payment: 8

LAPS Lapse due to unpaid annual fee