KR101156637B1 - 주기적 분극 재료를 이용하여 비선형 주파수 변환을 하는소형 고체상태 레이저 - Google Patents

주기적 분극 재료를 이용하여 비선형 주파수 변환을 하는소형 고체상태 레이저 Download PDF

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Abstract

주기적 분극 비선형 결정을 이용하여 원하는 파장으로 효율적인 비선형 내부 공동 주파수 변환을 위해 설계된 소형의 광학적 펌핑된 고체-상태 레이저가 제공된다. 상기 결정은 MgO 또는 ZnO와 같은 도펀트를 함유하고, 및/또는 고 신뢰성을 담보하는 특정한 정도의 화학량을 가진다. 상기 레이저는 레이저의 편광제어를 제공하는 Nd:YVO4와 같은 고체-상태 이득 매체 칩; 및 가시광 파장 영역으로 1차 적외선 레이저 빔의 효율적인 주파수 더블링을 하기 위한 PPMgOLN 또는 PPZnOLT와 같은 주기적 분극 비선형 결정 칩을 포함한다. 상기 기술된 설계는 저비용 녹색 및 청색 레이저 소스를 얻는데에 특히 이점이 있다.
펌프빔, 레이저 캐비티, 레이저 마이크로칩, 펌프 레이저, 주파수 더블링, 가시광선, 근자외선, 마이크로칩 레이저, 거울, 반도체 다이오드 레이저, 이득 엘리먼트, 결정

Description

주기적 분극 재료를 이용하여 비선형 주파수 변환을 하는 소형 고체상태 레이저{COMPACT SOLID?STATE LASER WITH NONLINEAR FREQUENCY CONVERSION USING PERIODICALLY POLED MATERIALS}
본 발명은 레이저 소스의 제조 시스템 및 그 방법에 관한 것으로, 특히 기존의 기술로 달성할 수 없는 레벨인, 적어도 수백 밀리와트, 및 그 이상의 출력 파워 레벨을 가진 소형의 효율적인 가시광선 또는 근자외선 레이저 소스의 제조 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.
오랫동안 다양한 애플리케이션에 대하여 가시광선, 및 자외선 스펙트럼 영역의 소형이고, 효율적인 저비용 레이저 소스가 요구되어 왔다. 이러한 애플리케이션은 레이저 기반 프로젝션 디스플레이, 광 저장기기, 생체-분석 기기, 반도체 검사 및 분광기를 포함한다. 저비용의, 소형이고, 효율적인 플랫폼을 제공하는 반도체 레이저는 근적외선 스펙트럼 영역에서 가장 효율적으로 레이징하는 InGa(Al)P와 같은 재료 시스템에 의존한다. ~650nm(적색) 아래에서 효율적인 동작은 중대한 기술적 문제없이 달성될 수 있고, 몇몇 반도체 레이저 설계는 효율 및 신뢰도는 감소하지만 ~635nm 아래로 확장될 수 있다. 가시 영역의 더 짧은 파장측에서, GaN 시스템이 최근에 개발되었고, 자외선 스펙트럼 영역(~400nm 내지~445nm)의 레이저가 상용화되었다. 그러나, 효율적이고 신뢰성있게 >470nm 파장을 달성하는 것은 매우 어려운 도전으로 남아 있다. 그러므로, 대부분의 가시 스펙트럼(즉, ~470nm 청색에서 ~635nm 적색까지)은 현재 효율적인 반도체 레이저 솔루션을 가지지 못한다.
이러한 색상(파장) 중, 녹색의 부재는 이 색상이 사람 눈에 가장 민감하기 때문에 아마도 가장 중요하다. 실제로, 녹색 반도체 레이저에 대하여 현재 사용가능한 직접적인 솔루션은 존재하지 않는다. 1990년 이후 상용화된, 간접적인 솔루션은 Nd:YAG, 또는 Nd:YVO4와 같은, 네오디움(Nd) 기반의 고체 상태 레이저의 (2차-하모닉 생성, 또는 SHG로 알려진) 비선형 주파수 더블링을 기초로 하였다. 이러한 고체 상태 이득 재료는 적외선 반도체 레이저(예컨대, ~808nm)에 의해 펌핑되고, ~1064nm 파장의 레이저 방사선을 산출한다. 그 다음, 이 1064nm 방사선은 KTP(Potassium Titanyl Phosophate), 또는 LBO(Lithium Borate)와 같은 비선형 결정을 사용하여 녹색 532nm 파장으로 주파수 더블링될 수 있다. 유사한 기술이 946nm 고체-상태 레이저를 주파수 더블링함으로써 예를 들면 473nm의 청색을 얻는데에 사용될 수 있다. 이러한 접근법의 리뷰는 W. P. Risk, T. R. Gosnell, 및 A. V. Nurmikko의 책, "Compact Blue-Green Lasers", Cambridge University Press(2003)에서 찾을 수 있다. 또한, 저비용 플랫폼은 이득 칩과 비선형 결정이 모놀리식 레이저 캐비티를 형성하기 위해 결합된, 소위 마이크로칩 기술을 사용하여 달성될 수 있다. 마이크로 칩 개념은 Mooradian(미국특허 제5,365,539호)에 의 해 처음 제안되었다.
그러나, 현재 사용가능한 마이크로칩 레이저는, 특히 예컨대, 수백 밀리와트에서 수 와트까지의 높은 파워 레벨에서, 많은 애플리케이션에서 요구되는 효율 및 유연성이 부족하다. 이것은 주로 KTP와 같은 종래의 비선형 재료의 주파수 변환의 비효율성으로 인한 것이다. KTP 기반의 마이크로 칩 레이저로부터 수백 밀리와트의 녹색광을 얻기 위해, 기본적인 적외선 레이저에 대하여 상당한 파워 마진을 제공해야 하고, 이는 전체 레이저 시스템 설계상에 온도, 크기, 및 비용 제한을 부과한다. 또한, KTP와 같은 전통적인 벌크 비선형 재료는 주파수 변환의 그들의 범위로 제한된다. 예를 들어, KTP는 녹색으로의 주파수 더블링을 위해 사용되지만, 실제로 청색광으로의 주파수 더블링을 위해 사용될 수 없고, 그러므로 효율성, 신뢰성, 및 비용적으로 그들 자신의 제한을 가진 다른 비선형 재료를 찾아야 한다.
Laurell(미국특허 제6,259,711호)은 이러한 제한의 대부분이 주기적 분극된 비선형 결정의 사용에 의해 극복될 수 있다고 제안하였다. 이러한 결정은 원하는 변환 파장에 대하여 높은 비선형성을 제공하도록 엔지니어링될 수 있다. 그러므로, 마이크로칩 아키텍처로 구현된 이러한 레이저 설계는 종래의 벌크 비선형 재료와 연관된 수많은 제한을 처리할 수 있다.
그러나, 이 발명의 실시예는, 알다시피, 이러한 플랫폼의 상용화를 막아왔던, 중대한 제한을 겪고 있고, 오늘날까지, 가시 파장 마이크로칩 레이저가 KTP, 및 KNbO3와 같은 벌크 비선형 재료에 계속 의존하고, 후자의 재료는 청색 광을 산출 하기 위해 사용된다(예컨대, 국제특허출원 WO2005/036,703 참조). 이러한 제한의 원인은 Laurell의 발명에서 제안했던 주기적 분극된 비선형 결정, 즉 KTiOPO4(KTP), LiNbO3(LN), 및 LiTaO3(LT)의 선택으로 인한 것이다. 이러한 재료는 높은 비선형성을 가지고, 주파수 더블링을 위해 주기적 구조로 쉽게 분극될 수 있다. 그러나, 이러한 재료의 실제 사용은 매우 제한적이다. 벌크 KTP와 유사하게, 주기적 분극된 KTP는 낮은 파워 레벨(가시 영역의 수 밀리와트, 또는 가능하다면 수십 밀리와트)에서 잘 실행할 수 있으나, 높은 파워 레벨에서 패시브 및 유도 흡수("그레이 트래킹")를 겪게 된다. 또한, KTP 결정 생산은 소비자 전자 디스플레이와 같은 몇몇 애플리케이션에 의해 요구되는 바와 같은 저비용으로 대량생산하도록 쉽게 확장되지 않는다. LiNbO3, 및 LiTaO3는 대량생산하도록 확장가능하고, 주기적 분극이 용이할 수 있지만, 심한 열화 없이 수 밀리 와트의 가시 광을 산출하기 위해 이러한 결정을 사용하는 것을 불가능하게 만드는, 가시광 유도 열화("광 굴절 손상")을 겪는다. 광 굴절 손상은 가열된 온도(>150℃)에서 감소될 수 있다. 그러나, 이것은 비선형 결정을 높은 온도로 유지하기 위해 오븐의 사용을 요구한다. 이러한 오븐은 저비용, 효율적인 레이저 제조, 특히 마이크로칩 지오메트리와 모순된다. 그러므로, Laurell에 의해 설명된 레이저 설계는 고출력, 저비용, 소형이고, 및 효율적인 아키텍처로 구현될 수 없다. 이와 유사하게, Brown(미국 공개 특허출원 제2005/0,063,441)은 저비용 애플리케이션에 적합한 것으로 나타난 소형 레이저 패키지를 위한 설계를 제안하였다. 그러나, Brown의 교시는 여전히 KTP, 및 LBO와 같 은 종래의 비선형 재료를 중심으로 한다. PPLN 및 PPKTP의 사용이 가능한 것으로 언급되어 있으나, 이러한 결정의 제한, 특히 상술된 신뢰성 제한을 극복하는 방법을 교시하지 않았다.
합동의 LiNbO3, 및 LiTaO3는 가시 광으로 인한 광 굴절 손상을 겪고, 이러한 문제를 극복하기 위한 몇 가지 방법이 제안되었음이 알려져 있다. 상술된, 고온의 동작은 이 문제를 부분적으로 해결하지만, 대부분의 애플리케이션에 적합하지 않다. 제안된 다른 솔루션은 광 굴절 손상 메커니즘을 억제하기 위해 결정 성장 동안 합동 재료를 도핑하는 것이다(T. Volk, N. Rubinina, M. Wohlecke, "Optical-damage-resistant impurities in lithium niobate", Journal of the Optical Society of America B, vol. 11, p.1681(1994)). 높은 정도의 화학량으로 벌크 결정을 성장시키는 것은 광 굴절 손상을 억제하기 위한 또다른 방법으로서 제안되었다(Y. Furukawa, K. Kitamura, S. Takekawa, K.Niwa, H. Hatano, "Stoichiometric Mg:LiNbO3 as an effective material for nonlinear optics", Optics Letters, vol. 23, p. 1892(1998)).
그러나, 종래의 기술자들은 저비용, 대량생산 설계로, 녹색 및 청색 광을 산출하기 적합한 고출력, 안정한 상온 동작가능한 주파수 더블드 레이저를 달성하는 수단을 교시하지 못했다. 주기적 분극된 LiNbO3 또는 LiTaO3 결정이 화학량적으로 0.05% 이내이면, 그들은 500mW까지의 높은 출력 파워에서 안정하기 위해 임의의 도펀트가 필요하지 않음을 알게 되었다. 화학량적으로 0.6% 이내의 결정에 대하여, 대략 0.1 내지 0.6 몰%의 ZnO 또는 MgO의 도핑은 주기적 분극된 LiNbO3 또는 LiTaO3 결정으로 얻은 것과 실질적으로 동일한 유익한 결과를 달성한다. 본 발명은 도펀트 MgO 또는 ZnO를 포함하고, 및/또는 이러한 재료에 대하여 높은 신뢰성을 보장하는 특정 정도의 화학량을 가진, 주기적 분극된 재료를 기초로 하는 소형, 효율적인, 저비용 주파수 변환 레이저를 교시한다. ZnO 또는 MgO 도핑된 화학량적인 LiNbO3 및 LiTaO3는 그들의 합동 대응부와 매우 상이한 재료이고, 그들의 변경된 강유전체 특성은 이들 재료를 짧은 기간, 가시 스펙트럼 범위로의 주파수 변환을 위해 필요한 수 마이크로미터 길이의 도메인으로 분극시키기 매우 어렵게 한다. 주기적 분극된 ZnO 또는 MgO 도핑된 화학량적인 LiNbO3 및 LiTaO3를 생산하는 기술적 문제점은 최근에 극복되었고, 이러한 새로운 재료는 제조가능할 것으로 보여진다. 청색, 녹색, 및 더 긴 파장으로의 레이저 변환에 적합한 주기를 위솔링하는 결정은 생산되어 왔고, 이러한 생산 프로세스를 위한 기술은 동시 계류중인, 공동 할당된 공개된 미국특허출원 제2005/0,133,477호에 서술되어 있다.
간단히 말하자면, 주지된 기술적 접근법은 신뢰성 있고, 비용 효율적이고, 소형 주파수 변환된 레이저를 제공하지 못한다.
본 발명은 이러한 문제점을 해결하고, MgO 또는 ZnO와 같은 도펀트를 포함하고, 및/또는 이러한 재료에 대하여 높은 신뢰성을 보장하는 특정된 정도의 화학량을 가진 주기적으로 분극된 LiNbO3 또는 LiTaO3를 기초로 하는 저비용의, 효율적이고 신뢰성 있는 고체 상태 레이저 아키텍처를 개시한다. 본 발명은 또한 직접적인 반도체 레이저를 통해 사용 불가능한 파장 영역으로, 즉, 청색, 녹색, 노란색, 오렌지 색, 및 근자외선 파장 영역으로, 즉, 대략 275nm 내지 635nm의 파장으로, 주파수 변환되는 소형이고, 효율적이고, 신뢰성 있는 저비용 고체 상태 레이저를 서술한다. 본 발명은 기존의 기술로 달성할 수 없는 레벨인, 적어도 수백 밀리와트, 및 그 이상의 출력 파워 레벨을 가진 소형이고 효율적인 가시광선 또는 근자외선 레이저 소스의 제조 방법을 교시한다.
본 발명에 의하면, 공지된 기술적 접근방법의 신뢰성 있고, 비용 효율적이고, 소형인 주파수 변환된 레이저를 제공하지 못하는 문제점을 해결하고, MgO 또는 ZnO와 같은 도펀트를 포함하고, 및/또는 이러한 재료에 대하여 높은 신뢰성을 보장 하는 특정된 정도의 화학량을 가진 주기적으로 분극된 LiNbO3 또는 LiTaO3를 기초로 하는 저비용의, 효율적이고 신뢰성 있는 고체 상태 레이저 아키텍처를 제공한다. 또한 본 발명에 따르면, 직접적인 반도체 레이저를 통해 사용 불가능한 파장 영역으로, 즉, 청색, 녹색, 노란색, 오렌지 색, 및 근자외선 파장 영역으로, 즉, 대략 275nm 내지 635nm의 파장으로, 주파수 변환되는 소형의, 효율적이고, 신뢰성 있는 저비용 고체 상태 레이저를 제공할 수 있다. 또한 본 발명에 따르면, 기존의 기술로 달성할 수 없는 레벨인, 적어도 수백 밀리와트, 및 그 이상의 출력 파워 레벨을 가진 소형이고 효율적인 가시광선 또는 근자외선 레이저 소스의 제조 방법을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하고 있다. 펌프 다이오드 레이저(1)는 이득 재료(엘리먼트)(8)에 의해 효율적 흡수를 위해 예를 들어, ~808nm 또는 885nm와 같은 800과 900nm 사이 파장에서 빔(2)을 방출한다. 빔(2)은 자주 비점수차이고 빔 형성 광학기기(3)는 빔(4)이 이득 매체(8)의 표면(7)상에 바람직한 직경의 원형 단면을 형성하도록 펌프 빔(2)을 빔(4)로 변환하도록 사용되는 것이 유리하다. 이러한 타입의 펌핑 배치는 당업계에 공지되어 있고 효율적인 비선형 주파수 더블링에 대한 단일 공간 모드(또는 TEM00)이어야 하는, 내부 공동 서클레이팅 빔과 함께 이득 엘리먼트내의 펌프 영역을 효율적으로 오버랩할 수 있다. 이득 엘리먼트(8)상의 펌프 스폿에 대한 적합한 직경은 100 내지 300 미크론의 범위내에 있다. 빔 형성 광학기기는 마이크로렌즈, 굴절률 분포형 렌즈(gradient index lens), 또는 그러한 광학 엘리먼트의 조합일 수 있다. 효율이 단순성 및 소형화를 위해 희생될 수 있을 때 빔 형성 광학기기(3)는 제거될 수 있다. 어셈블리(3)의 다른 파트는 다이오드 레이저(1)의 스펙트럼 방출을 협대화하는데에 사용된 볼륨 브래그 격자일 수 있다. 펌프 레이저의 스펙트럼 출력의 협대화는 레이저 시스템의 효율을 위해 유익할 있다. 이러한 스펙트럼 협대화를 달성하는 방법은 예를 들어, L. Glebov.의 페이퍼, "Optimizing and Stabilizing Diode Laser Spectral Parameters." Photonics Spectra, 2005년 1월에 기술되어 있다.
그러나, 높은 레이저 소스 효율을 생성하는 것은 본 발명의 핵심 장점이다. 효율을 최대화하기 위해, 사파이어, 언도핑된 YVO4 또는 언도핑된 YAG와 같은 높은 열전도성을 갖는 투명한 광재료(6)가 사용된다. 따라서, 엘리먼트(6)는 이득 엘리먼트(8)에 결합되고 히트 싱크로서 동작한다. 표면(5, 7)은 펌프 레이저 파장, 예를 들어, 808nm에서 높은 전도성을 위해 코팅된다. 표면(7)의 코팅은 또한 1064nm와 같은 기본적인 레이저 파장에서 높은 반사도를 제공하고, 고체 상태 레이저 캐비티의 제1 거울로서 동작한다. 이러한 코팅은 고체 상태 재료(8)에 의해 지지된 바람직한 파장, 예를 들어, 1342nm에서 레이징을 위해 선택될 수 있다. 이러한 예에서, 주요한 레이저 트랜지션 파장(Nd:YVO4 펌프 레이저의 경우에는 1064nm)에서 상기 거울(7) 또는 제2 캐비티 거울(12)의 반사도를 감소시키도록 주의해야 한다. 엘리먼트(6)로서 사용되기에 적합한 광투과 히트 싱크 재료의 일부 예는 사파이어, 언도핑된 YVO4 또는 언도핑된 YAG를 포함한다. 이러한 엘리먼트중에서, 사파이어는 그 높은 열전도성 및 Nd:YVO4 에 대한 양호한 열 팽창 매치로 인해 히트 싱킹에 가장 효율적이다. 이러한 레이저 설계의 저전력 버전 (1W의 흡수된 펌프 전력 보다 적음)에서, 구리 또는 다른 높은 열전도성 금속 마운트상에 이득 엘리먼트를 장착하는 것과 같은 전통적인 히트 싱킹 방법이 수용가능하고 또한 본 발명의 범위내에 포함되어 있다.
이득 매체(8)는 엘리먼트(8)가 레이저 캐비티에 대한 이득 및 편광 제어 모두를 제공하도록 NdYVO4 또는 NdGdVO4와 같이 일축에서 보다 높은 이득을 갖는 Nd 도핑된 엘리먼트인 것이 바람직하다. 본 발명에서 레이저 효율을 최대화하기 위한 Nd 도핑의 레벨은 보통 0.5% 내지 3% atm(원자퍼센트)의 범위에 있을 것이다. 엘리먼트(8)는 또한 열 렌징 효과 및 이득 가이딩을 통한 플랫-플랫 레이저 캐비티내의 트랜스버스 모드 제어를 제공한다.
비선형 결정(10)은 2차 하모닉 파장(보통, 가시적이다)에서 그리고 1차 파장(즉, 근적외선) 모두에서 신뢰할만한 결정 동작을 보장하는 도핑되거나 화학량적인 비선형 재료의 패밀리에 속하는 주기적 분극 비선형 결정이다. 구체적으로, 이러한 재료는 PPMgOLN(주기적 분극 MgO 도핑된 LiNbO3), PPMgOLT(주기적 분극 MgO 도핑된 LiTaO3), PPZnOLN(주기적 분극 ZnO 도핑된 LiNbO3), PPZnOLT(주기적 분극 ZnO 도핑된 LiTaO3), PPSLN(주기적 분극 화학량적인 리튬 니오베이트) 또는 PPSLT(주기적 분극 화학량적인 리튬 탄탈레이트)를 포함한다. 도핑 및 화학량의 레벨은 광굴절 손상 및 가시광선 유도 적외선 흡수(또한 각각 녹색광 및 청색광에 대한 GRIIRA 및 BLIIRA로서 알려져 있다)와 같은 광 열화효과를 억제하도록 선택된다. 이러한 주제에 대한 최근 논의는 Y. Furukawa, K. Kitamura, A. Alexandrovski, R.K. Route, M.M. Fejer, G. Foulon의 "Green-induced infrared absorption in MgO doped LiNbO3" Applied Physics Letters, vol. 78, p. 1970 (2001) 페이퍼에서 볼 수 있다. 이러한 주기적 분극 결정을 대량 생산하기 위한 방법은 본 출원과 동일한 양수인에 양도된 공개된 미국 특허 출원 2005/0,133,477호에 본 발명의 공동 발명자중 하나인 S. Essaian에 의해 기술되어 있다.
비선형 결정(10)의 폴링 주기는 기본 빔의 2차 하모닉 생성의 효율을 최대화하기 위해 선택된다. 예를 들어, 532nm로의 1064nm의 주파수 더블링에 대한 PPMgOLN의 폴링 주기는 대략 7 미크론이다. 이러한 재료에 대한 효과적인 비선형 계수는 대략 16pm/V이고 완벽한 격자 구조 및 재료 화학량적인 균일성이 달성될 때 20pm/V로 높을 수 있다. 비선형 결정의 높은 비선형성 및 높은 신뢰도는 본 발명의 레이저 시스템의 핵심 장점이다. 비선형 변환의 효율이 비선형 계수의 제곱과 비례하기 때문에 KTP(녹색 파장으로의 변환에 대해 ~3.5pm/V) 또는 LBO(~1pm/V)와 같은 전통적인 재료 대신에 PPMgOLN과 같은 재료를 사용하면 전통적인 벌크 재료보다도 소형화하고, 보다 저전력이고 보다 높은 파워 출력 시스템을 구성하는 것이 가능하다. 예를 들어, KTP에 비해 주기적 분극 재료를 사용하는 추가적인 이점은 오직 기본 빔의 단일 편광만이 2차 하모닉 생성 프로세스를 위해 필요하다는 것이다. KTP(녹색 파장 범위로의 SHG에 대해 가장 널리 사용되는 결정)에서, 기본파장에서의 2개의 직교 편광은 결정에서 여기되어야 하고(이것은 소위 타입-II 위상 매칭된 SHG를 구성한다), 이것은 내부 공동 레이저 빔의 편광소멸에 대한 가능성을 생성하고, 따라서, 파워 및 효율 모두의 손실에 대한 가능성을 생성한다.
높은 신뢰도를 위해 최적의 도핑 및 화학량을 사용하면 비선형 결정의 열화를 억제하도록 비선형 결정을 가열하기 위한 고비용이고 공간 소비적인 오븐을 사용할 필요없이 신뢰할만한 레이저 제품을 제조하는 것이 가능하다. 결국, 본 발명의 실시예에서 사용되는 PPMgOLN 및 다른 결정의 대량 제조에 의해 대량 가전 시장에 대한 소형의 가시 레이저의 대량 생산이 가능하다. 직접 반도체 다이오드 레이저로부터 가용하지 않은 색상이 달성될 수 있다는 것을 지적하는 것은 중요하다.
논-주기(처핑됨) 또는 논-패럴렐 (팬아웃) 폴링 패턴을 가진 비선형 결정을 사용하는 것은 본 발명의 범위내에 있다. PPMgOLN과 같은 본 발명의 고효율의 재료에 의해 제공된 또 다른 장점은 이들이 설계 헤드룸을 제공한다는 것이다. 이것은 효과적인 비선형성이, 생성된 2차 하모닉 파워내의 상당한 패널티 없이 2차 하모닉 생성에 대한 각도 수용 대역폭 또는 온도와 같은 다른 파라미터에 대해 상충될 수 있다는 것을 의미한다. 그 이유는 상기 레이저가 1차 파장에서 방출할 수 있는 최대량의 파워에 의해 내부 공동 2차 하모닉 생성이 제한될 수 있기 때문이다. 이것은 Smith에 의해, (R. Smith, "Theory of intracavity optical second-harmonic generation", IEEE Journal of Quantum Electronics, vol. 6, p. 215, (1970))에 기술되어 있다. 레이저 한계에 도달된 후에, 결정 비선형, 길이, 또는 빔 포커싱을 증가시키는 것에 의해서는 2차 하모닉 파워에서의 아무런 추가 증가도 달성할 수 없다. 종래의 벌크 비선형 결정이 보통 지속파 레이저 동작에서 이러한 상황에 결코 도달하지 않지만, 본 발명의 높은 비선형성 주기적 분극 결정은 그것에 도달한다. 결과적으로, 이로 인해 비선형 결정 길이를 감소시키고, 폴링 패턴을 수정함으로써, 그리고 특히 전체 어셈블리가 전체적으로 제어될 때에도 그 고유의 열 경화로 인해 일부 효율 한계를 제공하는 저비용의, 모놀리식 마이크로칩 레이저 캐비티 어셈블리를 사용함으로써 레이저 비용 및 성능을 향상시킬 수 있다. 따라서, 바람직한 실시예에서, 비선형 결정(10)은 예를 들어, 화학적으로 활성화된 직접 결합(direct bonding)에 의해 레이저 이득 엘리먼트(8)에 결합된다. 비선형 결정의 입력 표면(9)은 1차 파장에서 높은 전도성 및 2차 하모닉 파장에서 높은 반사율을 보장하기 위한 코팅을 가진다. 이러한 배열은 또한 생성된 가시광선이 이득 엘리먼트에 입사되는 것을 방지하고, 이러한 입사는 레이저 동작에 해로울 수 있다. 본 발명에 바람직한, 에폭시가 없는 결합은 최근에 상당한 진보를 보이고 있고 따라서 여기에 개시된 모놀리식 어셈블리가 용이하게 제조가능하다는 것에 주목해야 한다. 직접 결합 기술의 리뷰는 여기에 통합되어 개시된 C. Myatt, N. Traggis 및 K. Dessau 페이퍼인 "Optical contacting grows more robust", Laser Focus World, January 2005, p. 95에서 발견될 수 있다.
비선형 결정의 출력 표면(12)은 상기 캐비티의 제2 거울로서 기능한다. 따라서, 1차 레이저 파장에서 높은 반사도를 위해 그리고 2차 하모닉 파장에서의 높은 전도성을 위해 코팅되는 것이 바람직하다. 설명된 배열의 길이방향이고 측방향인 치수는 레이저 설계의 분야에서 알려진 바와 같이 고효율을 위해 최적화된다. 비선형 결정 길이는 532nm (녹색) 파장에서 수백 밀리와트의 전력을 얻기 위해 5mm를 초과할 필요가 없다는 것이 발견되었다. 광선(11)은 1차 파장에서 내부 공동 레이저 빔을 나타낸다. 이러한 광선은 이득 엘리먼트(8)로부터 멀어지는 방향으로 전파되는 캐비티 모드를 설명한다. 후방 전파 캐비티 모드는 이러한 전방 전파 빔을 오버랩하고 따라서 도시되지 않았다. 유사하게, 2차하모닉 빔은 전방 및 후방 모두에서 생성된다. 후방 생성된 2차 하모닉 빔은 광표면(9)에 의해 반사되고 전방 생성된 2차 하모닉 빔과 재조합되어 단일 빔(13)이 레이저 캐비티를 나온다.
전방 및 후방 생성 2차 하모닉 빔이 모두 서로 코히어런트하기 때문에 (즉, 한정된 위상 관계를 갖고 있기 때문에), 이들은 서로 광학적으로 간섭할 수도 있어, 다소 비선형 변환의 효율을 감소시킨다. 이러한 문제를 극복하는 몇가지 방법은 본 발명에서 사용될 수 있다. 한 방법은 결정 온도(가능한 한 보강 간섭에 가깝게 하도록 간섭을 최대화하는 것과 비선형 변환 효율을 최대화하는 것 사이의 최적포인트)를 제어하는 것이다. 적합한 온도는 약 20℃로부터 약 80℃의 범위에 있고 비선형 결정 아래에 위치된 저비용 저항성 히터 엘리먼트의 도움으로 용이하게 달성될 수 있다. 레이저 캐비티가 복수의 길이방향 모드에서 동작할 정도로 충분히 길 때, 또 다른 방법은 (부분적으로) 상쇄 간섭에서 자체를 구별하는 일부 길이방향의 모드에 의존하는 것이며, 반면, 다른 모드는 보강 간섭을 통해 전체 2차 하모닉 출력을 강화한다. 다수의 길이방향의 모드 레이저에서, 이것은 보강 간섭에서 유리한 모드가 가장 효율적으로 아웃커플링될 것이므로 자동적으로 달성된다.
그러나, 본 발명의 마이크로칩 어셈블리에 대한 또다른 이점은 쉽게 핸들링되고 다른 결정에 결합되기에 충분히 두꺼운 주기적 분극 결정을 이용할 수 있다는 것이다. 최근까지, 공통적으로 수용된 의견은 이 PPMgOLN과 같은 재료는 기껏해야 청-녹색으로 변환을 위해 박막 웨이퍼(0.5mm 이하의 두께)에서만 분극될 수 있고, 실제로 연구실환경이 아닌, 생산시에는 전혀 분극될 수 없다는 것이었다. 지금, 공개 미국특허출원 2005/0,133,477에서 S. Essaian에 의해 기술된 방법을 사용하여, 고수율로 1mm의 두께로 결정을 제조하는 것이 가능하다. 이것은 마이크로칩 레이저를 구축하는 데에 현저한 이점이다. 따라서, 결정 기술에서의 이러한 최근의 성취를 이용하여, 그의 성능: 즉, 파워, 효율, 신뢰성, 및 비용에서의 기존의 플랫폼을 능가하는 새로운 레이저 플랫폼을 얻을 수 있다.
도 2 및 후속하는 도면에 예시된 본 발명의 실시예에 관해, 다수의 엘리먼트와 그의 기능들은 도 1에 예시된 실시예에서의 것과 기본적으로 유사하다. 따라서, 유사점이 도 1의 설명으로부터 이해될 수 있지만, 상기의 차이점은 상기 실시예들의 후속하는 기술에서 강조될 것이다.
도 2의 실시예는 이득 매체(도 2의 엘리먼트 15)가 더 높은 이득을 가능하게 하기 위해 편광을 위한 바람직한 방향을 가지지 못할 때 특히 유용하다. 이러한 이득 매체의 공지된 예로는 Nd:YAG가 있다. Nd:YAG를 이용하는 하나의 이점은 Nd:YVO4 또는 Nd:GdVO4로는 가용하지 않은 946nm와 같은, 레이저 파장을 제공할 수 있다는 것이다. 이것은 예를 들면 473nm 파장에서 청색과 같은 비선형 주파수 변환에 의해 다른 색상을 얻는 데에 바람직하다. 이득 재료는 또한 Yb:유리 또는 Nd:유리, Yb:YAG 유리와 같은 유리기반 재료, 결정 및 유리 기반의 기타 재료가 될 수 있다.
도 1의 실시예에서 기술된 다수의 엘리먼트와 기술방법이 도 2에 적용할 수 있지만, 도 2의 설계는 이득 매체와는 상이한 수단을 통해 편광 제어를 제공한다. 편광 제어는 2차-하모닉 생성 프로세스가 편광에 민감하기 때문에 레이저 설계의 필수적인 부분이다. 본 발명의 저비용, 소형 설계 개념을 유지하기 위해, 본 발명의 바람직한 일 실시예는 추가적인 복굴절 엘리먼트(16)를 활용한다. 엘리먼트(16)는 내부 공동 레이저 설계에 적합한 복굴절 결정이고, 상기 결정에 의해 지지되는 2 개의 편광 사이의 커다란 워크오프를 제공하기위한 각도에서 커팅된다. 엘리먼트(16)에 사용하기에 적절한 재료의 예로는 도핑되지 않은 이트륨 바나듐산염(YV04)이 있다. 결정(16)에서의 워크오프는 예를 들면 애퍼처(18)를 이용함으로써 2개의 편광 사이를 구별하는 데에 사용될 수 있으며, 이는 원하지 않는 편광에 대해 더 높은 손실을 가져온다. 도 2에서의 예시가 개별 엘리먼트(15: 이득 결정), (16: 워크오프 생성을 위한 편광 제어 결정), (18: 애퍼처), 및 (19: 비선형 결정)를 도시하였지만, 그것들은 또한 모놀리식 어셈블리로 결합될 수 있다. 이 경우, 현저한 워크오프가 상기 애퍼쳐가 수동으로, 즉 레이저가 켜지기 전에 정렬될 수 있도록 설계될 수 있다.
2개의 편광 사이를 구별하기 위한 또다른 방식은 비선형 결정(도면에 도시되지 않음)의 우측상에 곡면 거울 또는 렌즈를 사용하여, 상기 편광 중 하나가 한 면 상의 렌즈 또는 거울에 의해 정의되고, 다른 면 상에서는 이득 애퍼처에 의해 정의된 광학축에 대해 정렬로부터 벗어나도록 한다. 상기 개념은 기본적으로 원하지 않는 편광에 대해 더 높은 손실을 제공하는 면에서 애퍼처를 가진 실시예와 유사하다. 도 2에 도시된 다른 엘리먼트 및 코팅은 도 1의 것들과 유사하다.
도 3의 설계는 특히 상기 이득 매체(도 2의 엘리먼트(15))가 더 높은 이득으로 편광을 위한 바람직한 방향을 가지지 못할 때 특히 유용하다는 면에서 도 2의 설계와 유사하다. 효율적인 비선형 주파수 더블링을 위한 레이저 편광을 제어하기 위해, 상기 설계는 내부공동 브루스터 표면(52)에 기초하며, 이는 코팅되지 않은 상태로 남겨질 수 있다. 추가적인 엘리먼트를 부가하지 않고서 캐비티에 브루스터 표면을 얻기위한 한가지 방법은 브루스터 각도에서 이득 결정(51)을 커팅하는 것이다. 브루스터 표면은 p-편광 광에 대해서는 고 전도성을 s-편광 광에 대해서는 저 전도성을 가진다. 이러한 사실은 레이저 캐비티를 형성하기 위해 적절한 각도로 상기 이득 결정을 틸팅하는 데에 사용될 수 있다. 도 3에 도시된 결정은 다른 도면보다 더 얇아 보인다. 이것은, 브루스터 표면이 나타날때, 주기적 분극 결정의 더 얇은 단면(웨이퍼)이 일반적으로 도면의 수평면에 있다는 사실을 나타내기 위한 것이다. 도 3에 예시된 것과 유사한 설계가 과거에 사용되었지만(예를 들면 국제특허출원 WO2005/036,703)을 참조), 본 발명에서 교시된 고신뢰성, 주기적 분극 결정의 이점을 가지지 못한다.
도 3은 내부 공동 브루스터 표면을 가진 컴포넌트 배치의 하나의 가능성 있는 시나리오를 도시할 뿐임을 이해해야 한다. 도 1에서와 같이, 상기 설계는 예를 들면, 일정한 각도에서 비선형 결정(10)의 표면(54)을 커팅하고, 상기 이득 엘리먼트와 비선형 결정을 결합함으로써 모놀리식으로 구축될 수 있다. 이 경우, 상기 브루스터 각 커팅이 광학소자(51, 10) 사이에서의 인터페이스를 위해 설계될 수 있고, 이는 상기 소자들 중 어느 하나와 공기 사이의 인터페이스를 위한 것은 아니다.
도 4에 도시된 실시예는 2차 하모닉 파워 추출의 최적화를 도시하고 다루기 위한 것이다. 도 1에 대한 기술에서 논의된 것과 같이, 2차 하모닉 광은 2 개의 대향하는 전파 방향에서 생성된다. 다수의 경우에, 후방 생성 빔은 상기 후방 생성 빔에 대해 고반사 거울 코팅을 통해 전방 생성 빔과 재결합될 수 있고, 상기 2 개의 빔 사이의 가능한 상쇄간섭이 다중-길이 방향 모드의 동작을 이용함으로써 열조정에 의해 방지될 수 있다. 그러나, 일부 경우에, 도 4에 도시된 설계를 사용하는 것이 보다 효율적이다.
엘리먼트(23)는 1차 및 2차 하모닉 빔 모두의 편광을 회전시키는 파장판(예를 들면 석영으로 만들어진)이다. 상기 설계에서, 상기 파장판은 상기 1차 빔의 편광이 단일 통과후에 90도까지 회전되고, 단일 통과후에 2차 하모닉 빔의 편광이 45도까지 회전되도록 선택된다. 이러한 유형의 파장판을 듀얼 파장판이라고 하며, 상업적으로 가용하다. 표면(23)은 1차 및 2차 하모닉 빔 모두에 대해 무반사 코팅된다. 표면(22)은 1차 빔에 대해 무반사 코팅되고, 2차 하모닉 빔에 대해 고반사 코팅된다. 상기 1차 광이 하나의 캐비티 라운드 트립시 파장판을 2번 횡단하기 때문에, 자신의 편광은 변하지 않고, 따라서 파장판은 1차 레이저의 동작을 교란하지 못한다. 그러나, 또한 파장판을 2번 횡단하는 2차 하모닉 광은 전방 생성 2차 하모닉 빔과 간섭하지 않고 자신의 편광을 직교하는 비선형 결정에 대해 변화시키고, 상기 비선형 결정(10)을 통해 다시 리턴한다(표면(24)은 현재 1차 및 2차 하모닉 빔 모두에 대해 무반사 코팅된다). 상기 설계는 특히 출력 2차 하모닉 빔의 편광이 중요하지 않은 애플리케이션에 유용하다. 이러한 애플리케이션으로는 프로젝션 디스플레이에 본 발명의 레이저를 이용하는 것이 있고, 이는 디지털 광처리 기술에 기반을 둔 것이다.
도 5의 실시예는 바람직하지 않은 파장판의 사용시 후방 생성 2차 하모닉 빔을 추출하기 위한 또다른 방법을 도시한다. 상기 추출은 지금 코팅된 튜닝 거울(28)을 통해 수행되며, 이것은 2차 하모닉 광에 대해 고반사성과 1차 광에 대한 고 전도성을 가진다. 도 5의 터닝 거울 설계가 도 4의 파장판 설계에 비해 바람직한 경우의 한가지 예로는 상기 레이저 편광이 상기 이득 엘리먼트(6)에 의해 고정되지 않을때, 예를 들면 Nd:YAG가 사용될 때이다. 이 경우, 효율적인 2차 하모닉 변환을 제공한다면, 또한 레이저가 원하는 편광에서만 동작하도록 엘리먼트(28)의 코팅시 편광 구별을 설계할 수 있다. 방향 재설정, 후방생성 2차 하모닉 빔(30)은 또다른 거울에 의해 다시 방향이 재설정되어, 그것은 전방 생성 2차 하모닉 빔과 동일한 방향으로 진행한다. 도 4의 설계와는 달리, 상기 설계는 선형적으로 편광된 2차 하모닉 빔을 산출한다. 이것은 LCD 또는 LCOS와 같은 액정 공간 광 변조기 에 기초한, 프로젝션 디스플레이에 대해 레이저를 사용하는 것과 같은 애플리케이션에 바람직하다.
도 6의 실시예는 비선형 결정(36)의 표면(37)으로부터 전방 생성 빔을 반사함으로써 전방 및 후방 생성 2차 하모닉 빔을 조합한다. 상기 코팅된 유리 플레이트(35)는 바람직하게는 상기 이득 결정 표면에 대해 45도의 각도로 지향되고, 1차 레이저 파장에서의 고 반사성과 2차 하모닉 파장에서의 고전도성을 위해 코팅된다. 단일, 선형 편광된 2차 하모닉 빔(39)은 표면(35)으로부터 아웃커플링된다. 상술한 바와 같이, 캐비티에서 기울어진 표면을 가지는 것은 편광 선택 코팅을 설계함으로써 편광을 구별하는 것을 보다 용이하게 한다. 이것은 Nd:YAG 이득 결정과 같은, 레이저 편광 방향을 정의하지 못하는 이득 결정에 이점이 있다. 본 발명의 다른 실시예와 유사하게, 본 설계는 모듈러이고, 예를 들면 2차 하모닉 빔의 편광을 회전시키도록 설정된 도 4의 "파장판 설계"와 같은, 다른 실시예에서 예시된 개념과 조합될 수 있다. 일 실시예는 표면(36) 아래 캐비티를 채우기 위해 파장판을 사용하고, 이것은 본 경우에 적절하게 듀얼 밴드로 무반사 코팅된다.
도 7에 도시된 구성은 도 1의 설계와 유사하고, 도 2-6의 설계와 조합될 수 있다. 본 실시예에서의 상이한 엘리먼트는 곡면 거울(13)이고, 이는 1차 레이저 파장에서는 고 반사성을, 2차 하모닉 파장에서는 고 전도성을 가진다. 상기 설계는 예시된 다른 설계보다 다소 고비용이지만, 상기 캐비티 횡단 모드의 열적 렌즈의 안정성이 그것이 더 낮은 파워 레벨이 되는 것보다 덜 효율적일 때 고 파워 애플리케이션에 사용될 수 있다. 상기 곡면 거울은 모놀리식이 아닌 배치 뿐만 아니 라 캐비티의 또다른 면에서 사용될 수 있음을 유의하라.
도 1-7에서의 본 발명의 실시예는 지속파(cw) 동작을 위한 저비용 및 소형 레이저 설계를 도시한다. 도 8로부터 명확하게 되는 것과 같이, 펄싱된(수동적으로 Q-스위칭된 또는 수동적으로 락이 걸린 모드) 동작에 대한 소형 및 저비용 설계는 본 발명에 기술된 비선형 결정의 모든 이점을 향유하면서 얻어질 수 있다. 도 8은 포화성 흡수체(71)로의 동작에 대해 변조된 도 5의 설계를 예시한다. 엘리먼트(71)는 적절한 고체-상태 또는 반도체 포화성 흡수체이다. 고체-상태 포화성 흡수체의 예로는 Cr4+:YAG(크롬 도핑된 이트륨 알루미늄 가닛), 및 이것과 기타 포화성 흡수체 결정(V3+:YAG, Co2+:MgAl2O4)가 있다. 반도체 기반 포화성 흡수체의 예로는 에피택셜 성장 단일 양자 우물 또는 복수의 양자 우물(예를 들면 InGaAs 재료 구조에 기반한)이 있다. 양자 우물 흡수체는 또한 분산 브래그 반사소자 또는 DBR로 알려진 에픽택셜 거울 스택과 함께 성장된다. 유사하게, 상기 고체-상태 포화성 흡수체 결정은 2차 캐비티 거울을 정의하기 위해 거울 코팅으로 코팅될 수 있다. 수동 Q-스위칭 및 락이 걸린 모드의 방법은 레이저 설계 기술에서 공지된 것이고, 예를 들면 하기의 참고문헌, R. Paschotta 및 U. Keller, "Ever higher power from mode-locked lasers." Optics and Photonics News, p. 50, 2003년 5월; D-H Lee 외, "Intracavity-doubled self-Q-switched Nd,Cr:YAG 946/473 nm microchip laser,", Chinese Physics Letters, vol. 19, p.504(2002); J. J. Zayhowski, "Passively Q-switched microchip lasers and applications," Rev. Laser Eng., vol 26, p.841(1998)에 기술되어 있다. 또한, 포화성 흡수체 및 이득 엘리먼트는 예를 들면, YAG 결정과 Nd 및 Cr을 함께 도핑함으로써 단일 엘리먼트(26)로 조합될 수 있다. 상기 펄싱된 실시예는 cw 동작이 필요하지 않은 애플리케이션에 이점을 가진다. 상기 펄싱된 레이저 구성의 추가적인 이점은 1차 파장에서의 평균 파워에 비해 펄스에서 훨씬 더 높은 피크 파워가 있다는 것이다. 이것은 2차 하모닉 생성의 효율을 더 증가시키도록 하고, 주기적 분극 비선형 결정에 대한 온도 내구성을 완화시킨다.
또한, 액티브 Q-스위칭을 가진 설계는 캐비티 비용과 복잡도에서의 현저한 증가를 야기하지 않으면서 실현될 수 있다. 주기적 분극 리튬나이오베이트(PPLN)과 리튬 탄탈륨산(PPLT) 모두는 전기-광 Q-스위칭 엘리먼트로서 사용될 수 있다는 것이 공지되어 있다. 상기 문제에 대한 최근의 논의는 Y. H. Chen, Y. C. Huang, Y. Y. Ling, 및 Y. F. Chen에 의한 논문, "Intracavity PPLN crystals for ultra-low-voltage laser Q-switching and high-efficiency wavelength conversion," Applied Physics B: Lasers and Optics, vol. 80, p. 889(2005)에서 발견할 수 있다. 다시, 본 발명의 바람직하고 이점이 있는 실시예는 신뢰성있고 효율적인 상업용 레이저 제품이 의존할 수 있는 최적화된 도핑 또는 화학량으로 주기적 분극 비선형 재료를 이용하는 것이다. 도 8에 제공된 예시는 소형이고, 효율적이며, 신뢰할 수 있는 능동적 Q-스위칭 레이저를 제공하고, 여기서 상기 엘리먼트(71)는 현재 전기-광학 포켈스 셀 엘리먼트, 즉, 전기-광학 Q-스위치로서 이용된 또다른 주기적 분극 비선형 결정이다. 하기의 참고문헌의 교시는 참조에 의해 본문에 통합된다.
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본 발명에 의하면, MgO 또는 ZnO와 같은 도펀트를 포함하고, 및/또는 이러한 재료에 대하여 높은 신뢰성을 보장하는 특정된 정도의 화학량을 가진 주기적으로 분극된 LiNbO3 또는 LiTaO3를 기초로 하는 저비용의, 효율적이고 신뢰성 있는 고체 상태 레이저 아키텍처를 제공할 수 있다. 또한 본 발명에 따르면, 직접적인 반도체 레이저를 통해 사용 불가능한 파장 영역으로, 즉, 청색, 녹색, 노란색, 오렌지 색, 및 근자외선 파장 영역으로, 즉, 대략 275nm 내지 635nm의 파장으로, 주파수 변환되는 소형이고, 효율적이고, 신뢰성 있는 저비용 고체 상태 레이저를 제공할 수 있다. 또한 본 발명에 따르면, 기존의 기술로 달성할 수 없는 레벨인, 적어도 수백 밀리와트, 및 그 이상의 출력 파워 레벨을 가진 소형의 효율적인 가시광선 또는 근자외선 레이저 소스의 제조 방법을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 한 마이크로칩 실시예를 도시한다.
도 2는 바람직하지 않은 편광을 가진 이득 매체, 및 복굴절 워크-오프를 가진 결정을 갖춘 본 발명의 한 실시예를 도시한다.
도 3은 바람직하지 않은 편광을 가진 이득 매체, 및 내부 공동 브루스터 면을 갖춘 본 발명의 한 실시예를 도시한다.
도 4는 바람직한 편광을 가진 이득 매체, 및 후방 진행 2차 하모닉 빔의 편광 회전을 위한 편광판를 갖춘 본 발명의 한 실시예를 도시한다.
도 5는 터닝 거울을 통해 후방 진행하는 2차 하모닉 빔의 복구를 하는 본 발명의 한 실시예를 도시한다.
도 6은 접혀진 캐비티를 갖춘 본 발명의 한 실시예를 도시한다.
도 7은 캐비티의 어느 한 측에 곡면 거울을 갖춘 본 발명의 한 실시예를 도시한다.
도 8은 포화성 흡수체를 갖춘 본 발명의 한 실시예를 도시한다.

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  30. 주파수 배가된 가시광선 또는 근자외선 출력을 제공하는 마이크로칩 레이저로서,
    선택 파장에서 펌프빔을 제공하는 반도체 다이오드 펌프 레이저, 및
    상기 펌프빔을 수용하도록 배치된 마이크로칩 레이저 캐비티를 포함하고,
    상기 마이크로칩 레이저 캐비티는,
    각각 코팅된 표면에 의해 형성되는 2개의 거울;
    반도체 다이오드 펌프 레이저에 의해 펌핑되고, 상기 2개의 거울 사이에 배치되는 고체-상태 이득 엘리먼트; 및
    상기 2개의 거울 사이에 배치된 주기적 분극된 벌크 비선형 주파수 더블링 결정;을 포함하고,
    상기 주파수 더블링 결정은 0.5mm 내지 1mm의 범위의 두께를 갖고 있고, 주기적 분극 MgO 도핑된 LiNbO3, 주기적 분극 MgO 도핑된 LiTaO3, 주기적 분극 ZnO 도핑된 LiNbO3, 주기적 분극 ZnO 도핑된 LiTaO3, 주기적 분극 화학량적인 LiNbO3, 주기적 분극 화학량적인 LiTaO3로 구성된 그룹으로부터 선택된 재료를 포함하고 있고,
    상기 이득 엘리먼트 및 주파수 더블링 결정은 모노리식 어셈블리로서 함께 형성되고,
    상기 마이크로칩 레이저는 온도 제어를 제공하는 저항성 히터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로칩 레이저.
  31. 주파수 배가된 가시광선 또는 근자외선 출력을 제공하는 마이크로칩 레이저로서,
    선택 파장에서 펌프빔을 제공하는 반도체 다이오드 펌프 레이저, 및
    상기 펌프빔을 수용하도록 배치된 마이크로칩 레이저 캐비티를 포함하고,
    상기 마이크로칩 레이저 캐비티는,
    각각 코팅된 표면에 의해 형성되는 2개의 거울;
    반도체 다이오드 펌프 레이저에 의해 펌핑되고, 상기 2개의 거울 사이에 배치되는 고체-상태 이득 엘리먼트; 및
    상기 2개의 거울 사이에 배치된 주기적 분극된 벌크 비선형 주파수 더블링 결정;을 포함하고,
    상기 주파수 더블링 결정은 0.5mm 내지 1mm의 범위의 두께를 갖고 있고, 주기적 분극 MgO 도핑된 LiNbO3, 주기적 분극 MgO 도핑된 LiTaO3, 주기적 분극 ZnO 도핑된 LiNbO3, 주기적 분극 ZnO 도핑된 LiTaO3, 주기적 분극 화학량적인 LiNbO3, 주기적 분극 화학량적인 LiTaO3로 구성된 그룹으로부터 선택된 재료를 포함하고 있고,
    상기 이득 엘리먼트 및 주파수 더블링 결정은 모노리식 어셈블리로서 함께 형성되고,
    상기 마이크로칩 레이저는 상기 펌프빔을 조정하도록 배치된 광학 엘리먼트를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로칩 레이저.
  32. 제 31 항에 있어서,
    상기 광학 엘리먼트는 마이크로렌즈 또는 굴절률 분포형 렌즈를 포함하고, 상기 펌프 빔을 상기 이득 엘리먼트로 전달하는 것을 특징으로 하는 마이크로칩 레이저.
  33. 주파수 더블링된 출력을 제공하는 마이크로칩 레이저로서,
    선택 파장에서 펌프빔을 제공하는 다이오드 펌프 레이저, 및
    상기 펌프빔을 수용하도록 배치된 마이크로칩 레이저 캐비티를 포함하고,
    상기 마이크로칩 레이저 캐비티는,
    2개의 거울;
    다이오드 펌프 레이저에 의해 펌핑되고, 상기 2개의 거울 사이에 배치되는 고체-상태 이득 엘리먼트; 및
    상기 2개의 거울 사이에 배치된 주기적 분극된 벌크 비선형 주파수 더블링 결정;을 포함하고, 상기 주파수 더블링 결정은 0.5mm 내지 1mm의 범위의 두께를 갖고 있고, 주기적 분극 MgO 도핑된 LiNbO3, 주기적 분극 MgO 도핑된 LiTaO3, 주기적 분극 ZnO 도핑된 LiNbO3, 주기적 분극 ZnO 도핑된 LiTaO3, 주기적 분극 화학량적인 LiNbO3, 주기적 분극 화학량적인 LiTaO3로 구성된 그룹으로부터 선택된 재료를 포함하고 있고,
    상기 이득 엘리먼트 및 비선형 주파수 더블링 결정은 직접 결합에 의해 달성된 모노리식 어셈블리를 함께 형성하는 것을 특징으로 하는 마이크로칩 레이저.
  34. 제 33 항에 있어서,
    상기 이득 엘리먼트는 다른 결정축 보다는 자신의 결정축 중 하나를 따라 더 큰 이득을 가지는 결정을 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로칩 레이저.
  35. 제 33 항에 있어서,
    상기 이득 엘리먼트는 Nd:YVO4, Nd:GdVO4, Nd:YGdVO4, Nd:YAG, Nd:YLF, Yb:유리, Yb:YAG 및 Nd:유리로 구성되는 그룹으로부터 선택된 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로칩 레이저.
  36. 제 33 항에 있어서,
    상기 펌프 레이저는 볼륨 브래그 격자를 사용하여 스펙트럼이 협대화되는 것을 특징으로 하는 마이크로칩 레이저.
  37. 제 33 항에 있어서,
    상기 주파수 더블링 결정은 주기적 분극 MgO 도핑된 LiNbO3, 주기적 분극 MgO 도핑된 니어 화학량적인 LiNbO3, 주기적 분극 MgO 도핑된 LiTaO3, 주기적 분극 MgO 도핑된 니어 화학량적인 LiTaO3, 주기적 분극 ZnO 도핑된 LiNbO3, 주기적 분극 ZnO 도핑된 니어 화학량적인 LiNbO3, 주기적 분극 ZnO 도핑된 LiTaO3, 및 주기적 분극 ZnO 도핑된 니어 화학량적인 LiTaO3으로 구성된 그룹으로부터 선택되고,
    여기서 상기 MgO 또는 ZnO 도펀트는 0.1 내지 7 몰%의 양으로 나타나고, 상기 LiNbO3과 LiTaO3는 합동이거나 또는 0.6% 이내의 화학량인 것을 특징으로 하는 마이크로칩 레이저.
  38. 제 33 항에 있어서,
    상기 2개 미러중 하나는 상기 레이저 캐비티의 끝단의 미러를 포함하고 상기 주파수 더블링 결정의 출력면에 형성되고, 상기 레이저 캐비티의 끝단의 미러는 상기 레이저 캐비티의 1차 파장에서는 반사를 제공하고 2차 하모닉 파장에서는 투과를 제공하도록 코팅에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 마이크로칩 레이저.
  39. 제 33 항에 있어서,
    상기 2개 미러중 하나는 상기 레이저 캐비티의 끝단의 미러를 포함하고 상기 주파수 더블링 결정의 입력면 또는 상기 이득 엘리먼트의 입력면에 형성되고, 상기 레이저 캐비티의 끝단의 미러는 상기 레이저 캐비티의 2차 하모닉 파장에서 반사를 위해 코팅에 의해 형성되어 임의의 후방 생성 2차 하모닉 빔을 수집하는 것을 특징으로 하는 마이크로칩 레이저.
  40. 제 33 항에 있어서,
    상기 이득 엘리먼트는 열전도성을 가지는 광학적으로 투명한 재료 상에 장착되는 것을 특징으로 하는 마이크로칩 레이저.
  41. 제 40 항에 있어서,
    상기 광학적으로 투명한 재료는 사파이어, 언도핑된 YV04, 또는 언도핑된 YAG으로 구성된 그룹으로부터 선택된 것을 특징으로 하는 마이크로칩 레이저.
  42. 제 33 항에 있어서,
    상기 이득 엘리먼트는 원하는 편광축에서의 편광 제어를 얻기 위해 Nd:YVO4, Nd:GdVO4, 또는 Nd:YGdVO4로 구성된 그룹으로부터 선택된 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로칩 레이저.
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