KR101125195B1 - 레이저 발진소자 - Google Patents

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Abstract

레이저 발진소자가 개시된다. 제2기판은 제1기판의 상부에 구비되어 제1기판과의 사이에 쐐기형 셀(wedge cell)을 형성하며, 액정층은 쐐기형 셀에 주입되는 피치가 서로 다른 두 개 이상의 액정에 의해 형성된다. 본 발명에 따르면 일정 파장영역에서 연속적 파장 가변 레이징이 가능하다.
레이저 발진소자, 쐐기형 셀, wedge cell, 콜레스테릭, 피치 그래디언트

Description

레이저 발진소자{Laser oscillation device}
본 발명은 레이저 발진소자에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 일정 파장영역에서 연속적 파장 가변 레이징이 가능한 쐐기형 셀을 이용하는 레이저 발진소자에 관한 것이다.
일반적으로, 레이저 발진소자로는 주로 두께가 균일한 셀이 이용되고 있다. 종래의 레이저 발진소자는 파장 가변을 구현하기 위해 두께가 균일한 셀에 콜레스테릭 액정을 주입한 후 액정의 온도에 따라 변하는 피치 또는 UV광을 이용하여 만들어진다.
그러나, 종래의 레이저 발진소자에서 사용되는 콜레스테릭 액정구조는 레이저 공진기와 같은 역할을 하며, 균일한 두께 간격의 셀은 레이저 공진기 길이가 일정하게 고정된 Fabry-Perot Laser Cavity에 해당한다. 이로써, 종래의 레이저 발진소자를 이용하여 레이징하는 경우, 레이저는 넓은 파장 영역에서 레이저 라인의 발진을 보여주나, 불연속적인 파장 가변, 즉, 불연속적인 레이저 파장 발진이라는 결과에 봉착한다. 또한, 종래의 연속적인 파장 가변 레이저 시스템인 Optical Parametric Oscillator(OPO)는 고가의 광학소자를 사용하므로 비용이 상승하며 소 형의 소자를 제공하지 못한다.
따라서, 본 발명의 목적은 수십 nm 또는 수백 nm의 파장영역에서 연속적인 파장 가변 레이징이 가능한 레이저 발진소자를 제공하고자 하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 레이저 발진소자는, 제1기판; 상기 제1기판의 상부에 구비되어 상기 제1기판과의 사이에 쐐기형 셀(wedge cell)을 형성하는 제2기판; 및 상기 쐐기형 셀에 주입되는 피치가 서로 다른 두 개 이상의 액정에 의해 형성되는 액정층;을 포함한다.
상기 주입된 두 개 이상의 액정은 상기 쐐기형 셀에서 확산되어 연속적인 피치 그래디언트(pitch gradient)를 형성할 수 있다.
상기 피치 그래디언트가 형성된 후 UV를 조사하거나 또는 열을 가하여 상기 두 개 이상의 액정을 폴리머(polymer)화할 수 있다.
상기 쐐기형 셀을 형성하기 위하여 상기 제1기판과 상기 제2기판 사이 양측에 구비되는 적어도 두 개의 스페이서;를 더 포함할 수 있다.
상기 제1기판과 상기 제2기판 사이의 거리에 해당하는 상기 적어도 두 개의 스페이서의 두께는 서로 다를 수 있다.
상기 두 개 이상의 액정은 각각 상기 쐐기형 셀의 두께가 큰 일측과 작은 타측에서 서로 마주보는 방향으로 주입될 수 있다.
상기 두 개 이상의 액정은 네마틱 액정과 카이랄 도픈트로 이루어지는 콜레스테릭 액정이며, 상기 피치는 상기 네마틱 액정과 상기 카이랄 도픈트의 상대적 농도 비율에 따라 결정될 수 있다.
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 일 실시예를 보다 상세하게 설명한다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 콜레스테릭 액정이 주입되기 이전의 레이저발진소자의 단면도이다.
도 1을 참조하면, 레이저 발진소자(100)는 제1기판(110), 제2기판(120), 제1스페이서(130), 제2스페이서(140) 및 액정층(150)을 포함한다. 제1기판(110)과 제2기판(120)은 슬라이드 글라스 또는 ITO(Indium Tin Oxide) 투명전극 등의 유리기판이 사용될 수 있다. 제1기판(110)이 하부기판인 경우, 제2기판(120)은 제1기판(110)을 기준으로 소정 각도 기울어지도록 구비된다. 제2기판(120)의 기울기는 후술할 제1 및 제2스페이서(130, 140)에 의해 결정될 수 있다.
레이저 발진소자(100)를 제작하기 위하여 먼저 셀을 제작하여야 한다. 이를 위하여, 제1기판(110)의 상면과 제2기판(120)의 하면에 폴리이미드(Polyimide)를 코팅하고, 코팅된 폴리이미드막을 러빙처리(Rubbed-Polyimide)하여 액정 배향막(115, 125)을 형성한다. 액정 배향막(115, 125)으로는, 폴리이미드뿐만 아니라 폴리아미드, 폴리아미드이미드, 폴리페닐렌 옥사이드 등 다양한 소재가 사용될 수 있다.
러빙처리 후, 도 2에 도시된 바와 같이, 크기가 다른, 예를 들어, 높이(h1, h2)가 다른 제1스페이서(130)와 제2스페이서(140)를 제1기판(110)과 제2기판(120) 사이에 배치하여, 속이 비어 있는 상태의 쐐기형 셀(wedge cell)을 제1기판(110)과 제2기판(120) 사이에 형성한다. 즉, 본원은 제1기판(110)과 제2기판(120) 사이에 쐐기형 셀을 형성하기 위하여 제1기판(110)과 제2기판(120) 양측에 제1스페이서(130)와 제2스페이서(140)를 각각 배치한다.
도 2는 도 1의 쐐기형 셀에 콜레스테릭 액정이 주입되어 액정층이 형성된 레이저 발진소자의 단면도이다.
도 1에 도시된 바와 같이 쐐기형 셀이 형성되면, 피치(Pitch)가 서로 다른, 또는, 광밴드 갭의 위치가 서로 다른 두 종류 이상의 시료를 쐐기형 셀에 주입하여 액정층(150)을 형성한다. 본 발명의 실시예에서는 두 종류의 시료(A, B)를 쐐기형 셀에 주입하나, 시료의 개수는 두 개로 한정되지 않는다.
두 종류의 시료(A, B)는 액정층(150)을 형성하기 위한 액정으로, 일 예로, 콜레스테릭 액정이 사용될 수 있다. 콜레스테릭 액정은 네마틱 액정에 카이랄 도판트를 혼합하여 생성된다. 따라서, 각 시료(A, B)는 콜레스테릭 액정에 혼합되는 네마틱 액정에 카이랄 도판트의 비율에 따라 결정된다.
이 때, 필요에 따라 다양한 레이저 색소(laser dye)를 콜레스테릭 액정에 추가하여 레이징 파장 대역을 넓히거나 좁힐 수 있다. 레이저 색소는 레이저 발진을 연속적으로 하고자 하는 영역에서 형광 스펙트럼 영역을 가지는 색소를 사용하는 것이 바람직하다. 즉, 각 콜레스테릭 액정에는, 레이저 튜닝을 하고자 하는 영역에서 형광스펙트럼 영역을 가지는 레이저 색소를 추가하는 것이 적합하다.
또한, 두 시료(A, B)를 제작할 때, 두 시료(A, B)의 1피치(pitch), 즉, 두 시료(A, B)의 광자결정 밴드갭의 위치는 네마틱 액정과 카이랄 도판트의 상대적 농도 비율을 조정하여 결정할 수 있다. 예를 들어, 본 발명에서 사용되는 두 시료(A, B)의 각 밴드폭(Bandwidth)은 약 50nm이고, 두 시료(A, B)의 광학적 피치는 약 100nm 차이난다.
도 3은 도 1에 도시된 레이저 발진소자의 평면도이며, 도 4는 쐐기형 셀에 주입된 시료에 의해 형성되는 피치 그래디언트를 설명하기 위한 도면이다. 도 3 및 도 4는 흑백 컬러로 도시되었으나, 첨가된 색소에 따라 그 색상은 변경가능하다.
도 1 및 도 3을 참조하면, 제작된 두 콜레스테릭 액정, 즉, 두 시료(A, B)는 각각 쐐기형 셀의 양측에서 주입되어 액정층(150)을 형성한다. 예를 들어, 시료(A)는 쐐기형 셀의 높이(dcell)가 큰 쪽에서 주입되며, 시료(B)는 쐐기형 셀의 높이(dcell)가 작은 쪽에서 주입된다. 주입된 두 시료(A, B)는 확산에 의해 쐐기형 셀 내(예를 들어, 가운데)에서 만나게 된다. 이로써 투명한 제2기판(120) 아래의 액정층(150)은 도 3에 도시된 바와 같이 형성된다. 즉, 도 3은 투명한 제2기판(120) 아래의 액정층을 보여준다.
그 후, 시간이 경과하면, 두 시료(A, B)는 지속적으로 확산되며, 액정층(150)에는 도 2 또는 도 4에 도시된 바와 같이 연속적인 피치 그래디언트(Pitch Gradient)가 형성된다. 즉, 두 시료(A, B)의 확산에 의해, 광자결정 밴드 갭이 소 정 영역에 결쳐서 연속적으로 변하는 레이저 공진기가 만들어진다. 도 2를 참조하면, 1피치의 길이는 쐐기형 셀의 두께(dcell)에 비례한다. 즉, 쐐기형 셀의 두께(dcell)가 커질 수록 1피치의 길이가 증가한다.
예를 들어, 두 시료(A, B)의 광자결정 밴드갭의 위치가 100nm 이상 다른 경우, 광자결정 밴드 갭이 100nm에 걸쳐서 연속적으로 변하는 레이저 공진기가 만들어진다.
이에 따라, 쐐기형 셀의 두께(dcell)가 큰 쪽에서 작은 쪽으로 쪼여주는 레이저 범퍼빔의 조사 위치를 이동함에 따라 밴드폭은 거의 변하지 않고(즉, 거의 일정하게 유지되면서) 광밴드의 위치가 연속적으로 이동하게 된다. 특히, 레이저는 광밴드 갭의 에지(edge)에서 발생되므로, 광밴드의 위치가 이동함에 따라 광밴드 갭의 에지도 변하며, 이에 의해 레이저 라인이 연속적으로 파장 가변되며 발진할 수 있다.
상술한 바와 같이 밴드갭의 위치는 네마틱 액정과 카이랄 도픈트의 상대적 농도 비율을 조정하여 결정할 수 있다. 레이저로서 펌퍼 빔을 사용하는 경우, 펌퍼 빔의 위치를 쐐기형 셀의 두께(dcell)가 큰 쪽에서부터 작은 쪽으로 이동함으로써, 도 6 또는 도 7에 도시된 바와 같이 연속적으로 파장이 튜닝이 되는 레이저를 발진할 수 있다.
한편, 본원의 제2실시예에 따른 레이저 발진 소자에 의하면, 상술한 바와 같이 피치가 서로 다른 콜레스테릭 액정(A, B)을 쐐기형 셀에 주입한 후, 쐐기형 셀 의 전체에 걸쳐 연속적 파장 가변 공진기가 형성이 되는 시점에 UV를 조사하거나 열을 가하여 고분자 PCLC(Polymer Cholesteric Liquid Crystal)를 제작하여 사용할 수 있다. 연속적 파장 가변 공진기가 형성이 되는 시점, 즉, UV나 열을 가하는 시점은 설계자 선택에 의해 결정될 수 있으며, 설계자는 원하는 파장 가변 영역마다 다른 시점을 선택할 수 있다.
UV curable PCLC는 콜레스테릭 액정(A, B)의 확산에 의해 쐐기형 셀에 피치 그래디언트가 형성되면, 연속적 파장 가변 공진기가 형성이 되는 시점에, 콜레스테릭 액정 또는 쐐기형 셀에 UV를 일정세기로 일정 시간 조사하여, 액체 형태의 콜레스테릭 액정을 고분자화, 즉, 고체화한 것이다. 이로 인해, 셀 내의 액정들 사이에 확산이 더 이상 발생하지 않으며, 이에 의해 오랜 시간이 경과하여도 피치 그래디언트(예를 들어, 100nm)의 구조를 유지할 수 있다.
이는, 시간이 경과하여도 연속적으로 파장가변 광 공진기 구조를 반영구적으로 보존할 수 있음을 의미한다. 이에 의해 형성된 폴리머화된 쐐기형 셀 소자에서 100nm보다 크거나 작은 크기의 연속적인 파장 영역에서 연속적인 파장 가변 레이징을 구현할 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 다수의 다른 밴드갭의 위치에서의 밴드폭(bandwidth)과 레이저 라인의 일부를 자세히 도시한 도면이다. 도 5를 참조하면, 쐐기형 액정 셀의 위치를 변경하며 펌퍼 빔을 조사함에 따라, 연속적으로 파장이 변화하는 레이저 모드 스펙트럼들이 출력된다. 각 레이저 라인에는 그에 해당하는 광자결정 밴드갭, 즉, 밴드폭이 동시에 표현된다.
도 6 및 도 7은 각각 본 발명의 제1 및 제2실시예에 따른 레이저 발진 소자를 이용한 연속 파장 가변 레이징을 보여주는 도면이다.
도 6에 도시된 레이징은, 제1실시예에서 설명한 바와 같이, 두 콜레스테릭 액정에 두 개 이상의 레이저 색소를 추가하여 제작한 레이저 발진 소자에서의 연속 파장 가변 레이징을 보여준다. 도 6을 참조하면, 두 콜레스테릭 액정을 이용하여 연속적인 피치 그레디언트를 액정층(150)에 형성하고, 쐐기형 소자의 위치를 바꾸어 가며 펌퍼 빔을 조사함에 따라, 레이저 라인이 약 577nm~677nm 범위(△λ<1nm)에서 연속적으로 파장 가변 레이징, 즉, 연속적으로 레이저 튜닝된다.
도 7에 도시된 레이징은, 제2실시예에서 설명한 바와 같이, UV curable PCLC와 두 개 이상의 레이저 색소를 이용하여 제작한 레이저 발진 소자에서의 연속 파장 가변 레이징을 보여준이다. 도 7을 참조하면, 레이저 라인이 약 610nm~640nm 범위의 연속적인 파장 영역에서 연속적으로 파장 가변 레이징된다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 쐐기형 셀 형태로 공진기를 제작하는 경우 연속적으로 공진기 길이를 가변시킬 수 있으며, 연속적으로 공진기 길이를 가변시키는 모드에 부합되는 피치를 가진 콜레스테릭 액정이 공진기에서 피치 그래디언트를 형성함으로써 연속적으로 레이징을 발진할 수 있다.
또한, 도 6 및 도 7에 도시된 연속적으로 파장 가변 레이징되는 구간은 네마틱 액정과 카이랄 도픈트의 상대적 농도 비율을 조정하거나, UV를 조사하여 고체화하는 시점을 변경함에 따라 조정할 수 있다. 따라서, UV curable PCLC를 이용하여 레이저 발진 소자를 제작하는 경우에도 수 백 나노미터 이상, 즉, 100nm 이상의 구 간에서 연속적인 파장가변이 가능함은 물론이다.
상술한 본 발명에 따르면, 고분자가 아닌 형태의 콜레스테릭 또는 고분자 형태의 콜레스테릭을 이용하여 가시영역(VIS 영역)에서 연속적인 광범위 파장 가변 레이징을 구현할 수 있으며, 이 원리는 UV(Ultraviolet rays) 영역, VIS(Visible rays) 영역 또는 IR(Infrared rays) 영역 모두에 적용될 수 있으므로, 수십 나노미터 또는 수 백 나노미터 영역에서 연속적인 파장 변조를 구현할 수 있다.
즉, 본 발명에 따르면, 콜레스테릭 액정과 레이저 색소로 제작된 쐐기형 광소자에서 수백 nm 이상의 범위에서 연속적인 파장 가변 레이징이 가능한 레이저를 제작할 수 있다. 특히, 본 발명은 단색 파장(monochromatic)의 레이저 라인을 약 100 nm 이상의 범위에서 다른 부가적인 광학소자 없이 연속적으로 발생시킬 수 있으므로, 적은 비용의 초소형, 고효율의 광대역 파장 가변 레이저를 제작할 수 있으며, 독립적으로 레이저 소스로 이용가능하다.
또한, 본 발명은, 기존의 연속적인 파장 가변 레이저 시스템인 Optical Parametric Oscillator(OPO)에 비해 매우 효율적이며, 일반적인 콜레스테릭 액정 레이저가 제공하는 특장점들을 모두 제공한다. 따라서, 본 발명은 레이저 뿐만 아니라 광과학, 분광기의 광소자, 광산업 등에서 응용가능하며, 특히, 광통신에서 응용시, 광통신의 신호전달효율을 증가시킬 수 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형 실시예들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 콜레스테릭 액정이 주입되기 이전의 레이저발진소자의 단면도,
도 2는 도 1의 쐐기형 셀에 콜레스테릭 액정이 주입되어 액정층이 형성된 레이저 발진소자의 단면도,
도 3은 도 1에 도시된 레이저 발진소자의 평면도,
도 4는 쐐기형 셀에 주입된 시료에 의해 형성되는 피치 그래디언트를 설명하기 위한 도면,
도 5는 다수의 다른 밴드갭의 위치에서의 밴드폭(bandwidth)과 레이저 라인을 도시한 도면, 그리고,
도 6 및 도 7은 각각 본 발명의 제1 및 제2실시예에 따른 레이저 발진 소자를 이용한 연속 파장 가변 레이징을 보여주는 도면이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
100 : 레이저 발진소자 110 : 제1기판
115, 125 : 액정 배향막 120 : 제2기판
130 : 제1스페이서 140 : 제2스페이서
150 : 액정층

Claims (7)

  1. 제1기판;
    상기 제1기판의 상부에 구비되어 상기 제1기판과의 사이에 쐐기형 셀(wedge cell)을 형성하는 제2기판; 및
    상기 쐐기형 셀에 주입되는 피치가 서로 다른 두 개 이상의 액정에 의해 형성되는 액정층;을 포함하고,
    상기 주입된 두 개 이상의 액정은 상기 쐐기형 셀에서 확산되어 연속적인 피치 그래디언트(pitch gradient)를 형성하며,
    상기 연속적인 피치 그래디언트가 형성된 후 UV를 조사하거나 또는 열을 가하여 상기 두 개 이상의 액정을 폴리머(polymer)화하는 것을 특징으로 하는 레이저 발진소자.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 쐐기형 셀을 형성하기 위하여 상기 제1기판과 상기 제2기판 사이 양측에 구비되는 적어도 두 개의 스페이서;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 발진소자.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 제1기판과 상기 제2기판 사이의 거리에 해당하는 상기 적어도 두 개의 스페이서의 높이는 서로 다른 것을 특징으로 하는 레이저 발진소자.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 두 개 이상의 액정은 각각 상기 쐐기형 셀의 두께가 큰 일측과 작은 타측에서 서로 마주보는 방향으로 주입되는 것을 특징으로 하는 레이저 발진소자.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 두 개 이상의 액정은 네마틱 액정과 카이랄 도픈트로 이루어지는 콜레스테릭 액정이며, 상기 피치는 상기 네마틱 액정과 상기 카이랄 도픈트의 상대적 농도 비율에 따라 결정되는 것을 특징으로 하는 레이저 발진소자.
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