KR101176447B1 - 펄스 레이저 장치 및 이를 이용한 버스트 모드, 가변 버스트 모드 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

펄스 레이저 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 저출력의 레이저 발생기의 출력을 조절하여 최종 출력 광펄스열의 첨두출력의 프로파일을 일정하게 제어할 수 있는 버스트 모드와, 최종 출력 광펄스열의 프로파일을 임의파형으로 제어할 수 있는 가변 버스트 모드로 작동할 수 있는 펄스 레이저 장치 및 그 제어 방법에 관하여 개시한다.
본 발명은 펄스신호와, 상기 펄스신호의 사이 휴지 구간에서 가변적으로 출력되는 대기신호를 포함하는 씨드 레이저 신호를 생성하는 레이저 발생기; 상기 씨드 레이저 신호를 증폭하여 증폭신호를 생성하는 광증폭기; 상기 증폭신호의 강도에 따라 비선형적으로 파장변환신호를 출력하는 비선형 파장변환기; 및 상기 파장변환신호에서 출력펄스를 분리하는 광분리기;를 포함하는 펄스 레이저 장치를 제공한다.

Description

펄스 레이저 장치 및 이를 이용한 버스트 모드, 가변 버스트 모드 제어 방법{PULSE　LASER SYSTEM WITH FLEXIBLE BURST MODE OPERATION AND METHOD OF FLEXIBLE BURST MODE OPERATION}
본 발명은 펄스 레이저 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 저출력의 레이저 발생기의 출력을 조절하여 최종 출력 광펄스열의 프로파일을 일정하게 제어할 수 있는 버스트 모드와, 최종 출력 광펄스열의 프로파일을 임의의 형태로 제어할 수 있는 가변 버스트 모드로 작동할 수 있는 펄스 레이저 장치 및 그 제어 방법에 관한 것이다.
전자산업 등의 정밀 부품 가공을 위해 레이저 가공 기술은 점점 더 초정밀화, 초고속화, 대면적화 가공으로 기술 발전이 이루어지고 있다. 특히, 반도체, 디스플레이, 태양전지, 차세대 고부가/고기능 PCB, 차세대 패키징 산업 등을 포함하는 마이크로 전자산업 분야의 부품을 가공하기 위해서는 초정밀 가공이 필수적이다.
이러한 마이크로 크기의 초정밀 가공을 위해서 레이저 사양도 고성능이 요구된다. 가공의 미세화를 위해 자외선 영역의 레이저를 이용하거나, 펄스폭이 매우 짧은 펨토초 및 피코초 펄스 레이저가 이용된다. 이와 동시에 레이저 빔의 공간 분포가 단일 모드인 고품위 레이저가 요구된다. 또한 고속화 및 대면적화를 위해서는 고반복률, 고출력의 펄스 레이저가 요구된다.
레이저를 펄스로 작동시키는 방법으로 큐(Q) 스위칭, 모드잠금(mode locking) 방법이 이용되고 있다. 레이저 다이오드에서는 인가해주는 전류를 직접 변조하여 펄스로 작동하는 방법이 이용된다.
Q 스위칭 방법을 이용하여 수 나노초에서 수 마이크로초, 모드잠급 방법은 수 펨토초에서 수백 피코초 영역의 펄스폭을 갖는 펄스를 발생시킬 수 있다. 레이저 다이오드의 경우에는 전류 변조에 따라 수백 피코초의 펄스폭을 갖는 펄스에서 연속출력으로까지 작동할 수 있다. 고품질 레이저 빔을 갖는 고출력의 펄스 레이저 시스템은 저출력, 고품질의 펄스 레이저 공진기와 공진기의 출력을 고출력으로 증폭하는 증폭기로 구성되는 MOPA(Master Oscillator Power Amplifier) 방식이 이용된다.
이때, 증폭기는 최종 출력의 크기에 따라 1단 또는 다단으로 구성된다. 최근에는 펄스 발생기로 저출력의 레이저 다이오드(LD)를 이용하고, 이의 출력을 다단계의 광섬유 증폭기 또는 레이저 크리스탈 증폭기로 증폭하여 고출력으로 증폭하는 구조가 사용된다. 일반적으로 이와 같은 고출력 고품질의 레이저는 희토류 이온(대표적으로 Nd, Yb, Er, Tm 이온 등)이 함유된 레이저 이득 매질을 이용하여 근적외선(NIR) 영역에서 작동한다. 가시광선 또는 자외선(UV) 영역의 고출력, 고품질 펄스 레이저는 이와 같은 근적외선 레이저 출력을 비선형 광결정으로 파장변환하여 출력을 내는 방법을 주로 이용하고 있다.
도 1은 종래기술에 따른 레이저의 버스트 모드 작동방식을 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 비선형 광결정을 이용한 파장 변환 레이저 즉 펄스로 작동하는 레이저 발생기(2)에서 복수개의 증폭기(3-1,..,3-N)을 포함하는 다중증폭기를 거쳐 비선형 파장변환 및 광분리기(4)에 의해 파장변환된 출력광의 변조는 최종 출력단 또는 비선형 파장변환기 전에서 광변조기(6)를 사용하여 출력 펄스의 세기를 조절하여 다양한 형태의 버스트 모드로 작동할 수 있다.
그러나 이와 같은 방식은 최종 출력단의 광세기를 조절하기 위해서 고출력용 광변조기를 사용하여야 한다. 이러한 고출력용 광변조기는 가격이 고가이고, 고속 동작이 어렵다는 단점이 있다.
이와 같은 단점을 해결하기 위하여 도 2에 도시한 바와 같은 저출력의 입력 펄스를 단순 변조하는 방법이 개시되었다. 도 2를 참조하면, 펄스 발생기(12)로 사용되는 레이저 다이오드 또는 펄스 공진기의 광펄스를 광변조기(14)를 통해 단순 on-off 변조하여 최종 출력광인 가시광 및 자외선 파장의 펄스를 버스트 모드로 변조하는 방법을 시도할 수 있다.
그러나, 도 2에서와 같이 펄스 발생기(12)로부터 복수개의 증폭기(13-1,...,13-N)를 포함하는 다중증폭기로 펄스가 일정시간 입사하지 않으면, 증폭매질에 계속적으로 에너지가 축적된다. 따라서, 다음 펄스가 입사할 경우 레이저 펄스가 매우 강하게 증폭되어 이러한 증폭된 펄스(P1,P2)로 인해 증폭매질이 손상된다. 비선형 파장변환기를 통과한 펄스도 증폭된 상태의 펄스(P11,P12)로 출력된다.
도 3은 증폭기에서 여기에너지를 연속적으로 가할때 증폭매질에 축적되는 에너지와 포화시간과의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 3을 참조하면 일정시간 동안 즉 포화시간(ts)에 이르기까지는 축적되는 에너지가 계속적으로 증가하게 된다. 포화시간은 증폭매질에 따라 다르지만, 희토류 이온의 경우에 수 마이크로초에서 수십 마이크로초 영역이 일반적이다.
도 4는 증폭기에서 여기에너지를 연속적으로 가하면서, 주기적으로 입력광 펄스가 입사하고 증폭되어 출력될 때, 증폭기 매질에 축적되는 에너지와 입력 광펄스 및 출력 광펄스의 특성을 나타낸 그래프이다.
도 4를 참조하면, 증폭기의 입력펄스와 증폭기의 출력펄스가 일정하게 입력되면 시간 대 에너지 분포 그래프도 일정한 프로파일을 형성하게 된다.
이하, 펄스발생기로부터 출력되는 증폭기의 입력펄스와 출력펄스의 관계를 좀더 자세히 살펴보기로 한다.
도 5를 참조하면, MOPA 구조의 펄스 레이저 시스템에서 저출력의 펄스 발생기는 일정 영역의 반복률을 갖고 주기적으로 광펄스를 생성한다. 그리고 고반복률 레이저 시스템의 증폭기에는 일반적으로 여기에너지를 연속적으로 일정하게 가하게 된다.
최근에는 일반적으로 연속출력의 고출력 레이저 다이오드가 사용된다. 시간적으로 일정하게 가해지는 에너지는 증폭기 매질에 시간적으로 증가하며 축적되게 된다.
이와 같이 축적된 에너지는 입사한 광펄스를 증폭하는데 대부분 소모된다. 광펄스 증폭후에는 다음 광펄스가 입사할 때까지 에너지가 다시 축적되고, 다음 광펄스가 입사하면 다시 광펄스의 증폭에 에너지가 소모된다.
주기적인 광펄스가 입사하지 않고, 입사하는 광펄스가 일정 시간 동안 입사하지 않을 경우(도 5의 t1, t2) 증폭매질에 축적되는 에너지가 매우 크게 되고(도 5의 E1,E2), 이 상태의 증폭기에 광펄스가 입사하게 되면 광펄스는 매우 크게 증폭된다(도 5의 P1, P2). 매우 크게 증폭된 광펄스는 레이저 시스템 출력의 불안정성과 증폭 매질의 손상 및 광학계의 손상을 일으킨다.
따라서, 단순히 펄스 발생기의 광펄스를 on-off 변조하여 증폭하는 것은 레이저 시스템의 출력 불안정성을 일으키고, 증폭매질의 손상 및 증폭단 이후의 광학계 손상을 가져오는 문제점이 있다.
본 발명의 목적은 MOPA 구조의 레이저 시스템에서, 레이저 발생기에서 생성되는 씨드 레이저 신호에 대기신호를 포함시킴으로써, 후속되는 증폭기에 에너지가 축적되지 않도록 함으로써, 레이저 시스템 출력의 불안정성과 증폭 매질 및 광학계의 손상을 방지할 수 있는 펄스 레이저 장치를 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 상기 레이저 장치에서 펄스신호가 발생되는 않는 휴지 구간에서 증폭기에 축적되는 에너지를 실시간으로 소모시킬 수 있도록 함으로써, 안정적인 버스트 모드 작동이 가능한 제어 방법을 제공함에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 대기신호의 발생시간을 제어하여 후속하는 펄스신호의 첨두출력을 조절할 수 있도록 함으로써, 최종 출력 펄스열의 프로파일을 제어할 수 있는 가변 버스트 모드 제어 방법을 제공함에 있다.
본 발명은 씨드 레이저 신호를 생성하는 레이저 발생기;와 상기 씨드 레이저 신호를 증폭하는 광증폭기;를 포함하며, 상기 레이저 발생기는 펄스신호와 대기신호를 포함하는 씨드 레이저 신호를 발생하며, 상기 펄스신호의 사이 휴지 구간에서, 상기 광증폭기의 에너지를 소모시키기 위한 대기신호를 발생시키는 것을 특징으로 하는 펄스 레이저 장치를 제공한다.
상기 대기신호의 출력은 연속출력(continuous wave ;CW)인 것이 바람직하며, 출력의 크기는 펄스신호의 첨두출력에 작동비(duty ratio)를 곱한 크기 정도가 바람직하다. 즉 대기 신호의 출력 크기는 펄스신호의 평균출력과 유사(±50% 이내)한 것이 바람직하다.
상기 레이저 발생기는 레이저 다이오드와, 상기 레이저 다이오드에 가해지는 전류를 제어하는 레이저 다이오드 드라이버로 구성되거나,
연속출력으로 작동하는 레이저 공진기와, 상기 레이저 공진기에서 발생된 연속출력을 펄스신호 또는 대기신호으로 변조하는 광변조기를 포함하여 구성될 수 있다.
그리고, 상기 광증폭기는 단일 증폭기 또는 다단증폭기로 구성되며, 광섬유 증폭기 또는 레이저 크리스탈 증폭기를 포함할 수 있다.
그리고 본 발명은 펄스신호와, 상기 펄스신호의 사이 휴지 구간에서 출력 세기가 상기 펄스신호의 평균 출력, 즉 펄스 신호의 첨두 출력 과 작동비의 곱 정도인 대기신호를 포함하는 씨드 레이저 신호를 생성하는 레이저 발생기; 상기 씨드 레이저 신호를 증폭하여 증폭신호를 생성하는 광증폭기; 상기 증폭신호의 세기에 따라 비선형적으로 파장변환신호를 출력하는 비선형 파장변환기; 및 상기 파장변환기의 신호에서 파장변환신호만 출력으로 분리하는 광분리기;를 포함하는 펄스 레이저 장치를 제공한다.
이 때, 상기 레이저 발생기는 대기신호로 연속출력을 출력하되, 상기 연속출력의 유지시간을 제어하여 후속 펄스신호의 첨두출력의 세기를 조절할 수 있다.
여기서, 상기 광분리기는 상기 파장변환신호의 파장에 따라 광을 분리하는 것으로, 이색성 거울, 프리즘 또는 회절격자(grating) 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명은 펄스신호와 대기신호를 포함하는 씨드 레이저 신호를 생성하는 레이저 발생기와, 상기 씨드 레이저 신호를 증폭하여 증폭신호를 생성하는 광증폭기를 포함하는 펄스 레이저 장치의 버스트 모드 작동을 위한 제어방법에 있어서, 상기 레이저 발생기는, 상기 펄스신호가 발생되지 않는 휴지 구간의 시간이, 기준 휴지 구간의 시간을 초과하는 경우, 휴지 구간의 앞부분에 기준 휴지 구간을 초과하는 시간 만큼 대기신호를 발생하는 것을 특징으로 하는 펄스 레이저 장치의 버스트 모드 제어방법을 제공한다. 여기서 기준 휴지 구간은 대략 펄스신호의 주기이고, 보다 정확하게는 펄스신호의 주기에서 펄스폭을 뺀값을 말한다.
그리고, 본 발명은 펄스신호와 대기신호를 포함하는 씨드 레이저 신호를 생성하는 레이저 발생기와, 상기 씨드 레이저 신호를 증폭하여 증폭신호를 생성하는 광증폭기를 포함하는 펄스 레이저 장치의 가변 버스트 모드 동작을 위한 제어방법에 있어서,
상기 레이저 발생기는, 상기 펄스신호가 발생 되지 않는 휴지 구간에서, 대기신호의 발생시간을 가변하여, 후속하는 각각의 펄스신호의 증폭 세기를 조절하여, 펄스열의 프로파일을 조절하는 것을 특징으로 하는 펄스 레이저 장치의 가변 버스트 모드 제어방법을 제공한다.
본 발명에 따른 펄스 레이저 장치는 레이저 발생기의 출력을 제어하여 출력 펄스 형성뿐만 아니라 반복률과 펄스폭을 변화시킬 수 있고, 펄스열의 시간적 형상을 제어하는 가변 버스트 모드가 가능하며, 추가적인 고가의 고출력 광변조기를 사용하지 않기 때문에 소형 경량화된 레이저 제작이 가능하며 경제성이 우수한 효과가 있다.
또한, 본 발명은 레이저에서 가변 버스트 모드 구현을 위해 시간에 따라 펄스열의 모양을 변조시에 일정한 시간 동안 레이저 발생기의 펄스가 증폭기로 입사되지 않을 경우에는 연속출력광으로 증폭기에 입사하기 때문에 증폭단의 손상을 방지하고, 레이저 출력의 불안정성을 방지할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 레이저 시스템에서 버스트 모드 발진 장치의 내부 구조를 도시한 블럭도,
도 2는 종래 기술에 따른 펄스 발생기의 광펄스를 단순 변조할 경우 증폭기 및 비선형 파장변환기의 최종출력의 변화를 설명하기 위한 블럭도,
도 3은 증폭기에서 여기에너지를 연속적으로 가할때 증폭매질에 축적되는 에너지와 포화시간과의 관계를 나타낸 그래프,
도 4는 증폭기에서 여기에너지를 연속적으로 가하면서, 주기적으로 입력광 펄스가 입사하고 증폭되어 출력될 때, 증폭기 매질에 축적되는 에너지와 입력 광펄스 및 출력 광펄스의 특성을 나타낸 그래프,
도 5는 증폭기에 입력하는 입력펄스의 단순 on-off 변조시에 증폭기 매질에 축적되는 에너지와 입력 광펄스 및 출력 광펄스의 특성을 나타낸 그래프,
도 6은 본 발명에 따른 펄스 레이저 장치의 구성을 나타낸 블럭도,
도 7은 레이저 다이오드를 이용한 레이저 발생기의 구조를 나타낸 블럭도,
도 8은 레이저 공진기를 이용한 레이저 발생기의 구조를 나타낸 블럭도,
도 9는 비선형 파장변환기에서 증폭신호(입력광)의 세기와 파장변환신호(출력광)의 세기와의 관계를 나타낸 그래프,
도 10은 광분리기로 이색성 거울을 사용하는 경우를 나타낸 개념도,
도 11은 본 발명에 따른 레이저 장치가 버스트 모드로 작동하는 경우의 씨드 레이저 신호와, 증폭신호, 그리고 증폭기의 증폭매질에 축적되는 에너지 분포를 시간대에 따라 나타낸 그래프,
도 12는 본 발명에 따른 레이저 장치가 가변 버스트 모드로 작동하는 경우의 씨드 레이저 신호와, 증폭신호, 그리고 증폭기의 증폭매질에 축적되는 에너지 분포를 시간대에 따라 나타낸 그래프임.
이하 본 발명에 따른 펄스 레이저 장치 및 이를 이용한 버스트 모드, 가변 버스트 모드 제어 방법에 관하여 상세하게 설명한다.
도 6은 본 발명에 따른 펄스 레이저 장치의 구성을 나타낸 블럭도이다.
도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 펄스 레이저 장치(100)는 펄스신호와 대기신호를 포함하는 씨드 레이저 신호를 생성하는 레이저 발생기(110)와, 상기 씨드 레이저 신호를 증폭하여 증폭신호를 출력하는 광증폭기(120)와, 상기 증폭신호의 강도에 따라 비선형적으로 파장변환신호를 출력하는 비선형 파장변환기(130)와, 상기 파장변환기의 출력에서 파장변환 출력펄스를 분리하는 광분리기(140)를 포함한다.
레이저 발생기(110)는 펄스신호와 대기신호를 모두 출력할 수 있는 것으로, 대기신호는 펄스신호 사이의 휴지구간에서 발생된다.
레이저 발생기(110)는 레이저 다이오드 또는 레이저 공진기를 포함하여 구성될 수 있다. 레이저 발생기(110)에서 발생되는 대기신호는 후속하는 광증폭기(120)에 축적되는 에너지를 소모하기 위한 것이다. 일정한 시간 동안 펄스신호가 입사되지 않으면 광증폭기(120)의 증폭매질에 에너지가 계속 축적되어, 추후 입력되는 펄스신호가 다른 펄스신호에 비하여 매우 강하게 증폭되는데, 본 발명의 경우 대기신호가 실시간으로 광증폭기(120)에 축적되는 에너지를 소모시킴으로써 이러한 과다증폭을 방지할 수 있다.
이 때, 대기신호의 출력은 연속출력(CW)인 것이 바람직하며, 출력의 크기는 펄스신호의 첨두출력에 작동비(duty ratio)를 곱한 크기 정도가 바람직하다. 즉 대기 신호의 출력 크기는 펄스신호의 평균출력과 유사한 것이 바람직하다. 대기 신호의 출력 크기가 펄스신호의 평균출력보다 너무 작으면, 증폭기에서 대기 신호에 의한 증폭이 충분히 일어나지 않게 되어, 대기 신호에 의한 증폭기의 에너지 소모가 불충분하여 뒤따르는 펄스신호의 과다 증폭이 일어날 수 있다.
증폭기의 특성에 따라 다르지만, 대기신호의 출력크기는 펄스신호의 평균출력의 최소 10% 이상, 바람직하게는 50 % 이상 정도의 크기로 작동하여야 한다. 증폭기에서 증폭되는 증폭신호는 증폭율이 큰 경우 증폭된 출력광의 세기는 입사광의 세기보다는 여기광의 세기에 주로 좌우된다. 따라서, 증폭기에 입사하는 대기신호의 출력 세기가 펄스신호의 평균출력의 세기보다 큰 경우에는 증폭기의 평균 출력의 소폭 변동은 있지만, 증폭기 입사부의 광학계 손상이 발생할 정도로 대기 신호가 크지 않으면, 본 발명의 실시에는 문제가 없다.
광증폭기(120)는 복수개의 증폭기를 다단으로 연결하여 형성될 수 있다. 광증폭기(120)는 광섬유 증폭기 또는 레이저 크리스탈 증폭기를 포함할 수 있다. 보다 구체적으로는 복수개의 광섬유 증폭기와 크리스탈 증폭기를 연결하여 사용할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
비선형 파장변환기(130)는 광증폭기(120)에서 출력되는 증폭신호를 비선형적으로 파장변환하여 파장변환신호를 출력한다.
광증폭기(120)의 증폭신호가 비선형 파장변환기(130)에 입사하면, 첨두출력이 강한 펄스신호는 파장변환이 효율적으로 이루어지지만, 첨두출력이 약한 대기신호는 파장변환이 거의 이루어지지 않는다. 일반적으로 펄스 신호에 최적화된 파장변환기에서, 펄스 신호는 수~수십 % 정도의 파장변환이 일어나고, 같은 평균 출력을 갖는 연속출력(CW) 신호는 파장변환이 거의 일어나지 않는다. 따라서, 펄스신호가 파장변환기에 입사하면, 수~수십 %의 파장변환신호와 파장변환되지 않은 나머지 입사파장신호가 출력되고, 연속출력 신호가 입사하면 파장변환이 거의 일어나지 않고 입파파장신호가 그대로 출력하게 된다.
광분리기(140)는 비선형 파장변환기의 출력에서 파장변환된 신호와 파장변환되지 않은 입사파장신호와 분리하는 역할을 수행한다. 이로 인해 최종출력 신호는 파장변환된 펄스출력이 된다.
도 7은 본 발명에 따른 레이저 다이오드를 이용한 레이저 발생기의 구조를 나타낸 블럭도이다. 도 7을 참조하면, 도시한 레이저 발생기(110a)는 레이저 다이오드(112a)와 상기 레이저 다이오드에 공급되는 전류를 제어하는 레이저 다이오드 드라이버(112b)를 포함한다. 레이저 다이오드(112a)는 인가되는 전류에 따라 펄스신호 또는 연속출력인 대기신호를 출력할 수 있다.
도 8은 본 발명에 따른 레이저 공진기를 이용한 레이저 발생기의 구조를 나타낸 블럭도이다.
도 8을 참조하면, 도시한 레이저 발생기(110b)는 레이저 공진기(112b)와, 광변조기(114b)와, 이들을 제어하기 위한 펄스출력제어부(116b)를 포함한다. 이 때, 레이저 공진기(112b)는 연속출력을 생성하도록 작동하고, 광변조기(114b)는 상기 레이저 공진기(112b)에서 발생된 출력을 변조하여 펄스신호 또는 대기신호가 출력되도록 하며, 이들은 펄스출력제어부(116b)에 의하여 동작이 제어된다.
이러한 구성의 레이저 발생기는 하나의 레이저소스를 사용하여 펄스신호와 연속출력인 대기신호를 선택적으로 생성할 수 있다.
도 9는 비선형 파장변환기에서 증폭신호(입력광)의 세기와 파장변환신호(출력광)의 세기와의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 9를 참조하면 비선형 파장변환기에서 출력되는 파장변환신호는 입력되는 증폭신호의 세기에 대하여 비선형적(2차 이상의 고차)으로 변환된다.
광증폭기에서 출력되는 증폭신호가 비선형 파장변환기에 입사하면, 첨두출력이 강한 펄스신호는 파장변환이 효율적으로 이루어 지지만, 첨두출력이 약한 대기신호는 파장변환이 거의 이루어지지 않는다.
광증폭기는 일정하게 에너지를 여기하기 때문에, 펄스신호에 해당하는 증폭신호와 대기신호에 해당하는 증폭신호의 평균출력은 크게 차이가 나지 않는다.
일반적으로 증폭기 매질의 포화시간(ts)보다 펄스의 주기가 1/10 이하로 짧은 영역에서는 연속출력광의 평균출력이 수 내지 수십 퍼센트 정도 큰 편이다.
반면에 첨두 출력은 펄스의 작동비(duty ratio)에 역비례하여 펄스 출력의 첨두 출력이 높다. 일례로 펄스폭이 10 나노초(ns)이고, 펄스 반복률이 100 kHz(주기 10 마이크로초(us))의 펄스 출력과 연속출력의 평균출력이 같더라도 첨두출력은 1000배가 차이가 난다.
이러한 출력이 비선형 파장변환기에 입력되면 파장변환신호는 2차 비선형 변환에서는 1,000,000배, 3차 비선형 변환에서는 1,000,000,000배의 첨두 출력이 차이가 나게 된다. 따라서 증폭기의 펄스출력신호의 파장변환에 최적화된 비선형 파장변환기로 입사하는 대기신호가 증폭된 연속출력신호는 파장변환이 거의 이루어지지 않은 상태가 된다. 따라서, 후속되는 광분리기를 통해 파장변환되지 않은 펄스 신호 및 대기신호에 해당하는 입사파장신호를 용이하게 제거할 수 있다.
도 10은 광분리기로 이색성 거울을 사용하는 경우를 나타낸 개념도이다.
상술한 바와 같이, 비선형 파장변환기에 의하면 첨두출력이 높은 펄스신호는 파장이 효율적으로 변환되지만, 첨두출력이 낮은 대기신호의 파장은 거의 변화하지 않는다. 따라서 광분리기에서 파장이 변환된 펄스신호만 추출하여 출력펄스만을 내보내게 된다.
광분리기로는 이색성 거울, 프리즘, 또는 회절격자(grating) 등이 사용될 수 있다. 도시한 바와 같이 이색성 거울을 사용하는 경우 펄스신호에 해당되는 파장변환신호는 반사시키고, 파장변환되지 않은 펄스신호와 연속출력신호는 투과되어 두 신호를 분리할 수 있다.
도 11은 본 발명에 따른 레이저 장치가 버스트 모드로 작동하는 경우의 씨드 레이저 신호와, 증폭신호, 그리고 증폭기의 증폭매질에 축적되는 에너지 분포를 시간대에 따라 나타낸 그래프이다.
본 발명은 펄스신호와 대기신호를 포함하는 씨드 레이저 신호를 생성하는 레이저 발생기와, 상기 씨드 레이저 신호를 증폭하여 증폭신호를 생성하는 광증폭기를 포함하는 펄스 레이저 장치의 버스트 모드 작동을 위한 제어방법에 있어서,
상기 펄스신호가 발생되지 않는 휴지 구간의 시간(s2 또는 s3)이, 기준 휴지 구간의 시간(s1)을 초과하는 경우, 기준 휴지 구간을 초과하는 시간(t1 또는 t2, 여기서 t1=s2-s1, t2=s3-s1) 만큼 대기신호를 발생하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 펄스 레이저 장치의 버스트 모드 작동을 위해서 일정한 시간 동안 펄스신호가 광증폭기로 입사되지 않을 경우에는(도 11의 t1, t2), 대기신호인 연속출력(CW)이 광증폭기에 입사되기 때문에 광증폭기의 출력신호도 첨두출력이 낮은 연속출력(CW)이된다.
이러한, 연속출력의 증폭에 의해 증폭기의 에너지가 소모되기 때문에 증폭매질에 에너지가 계속적으로 축적되는 것을 방지하여, 재차 펄스 신호가 광증폭기에 입사할 때 펄스가 매우 강하게 증폭되는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 증폭단 및 광학계의 손상을 방지하고, 레이저 출력의 불안정성을 방지할 수 있다.
도 12는 본 발명에 따른 레이저 장치가 가변 버스트 모드로 작동하는 경우의 씨드 레이저 신호와, 증폭신호, 그리고 증폭기의 증폭매질에 축적되는 에너지 분포를 시간대에 따라 나타낸 그래프이다.
본 발명은 펄스신호와 대기신호를 포함하는 씨드 레이저 신호를 생성하는 레이저 발생기와, 상기 씨드 레이저 신호를 증폭하여 증폭신호를 생성하는 광증폭기를 포함하는 펄스 레이저 장치의 가변 버스트 모드 동작을 위한 제어방법에 있어서,
상기 레이저 발생기를 제어하되, 상기 펄스신호가 발생 되지않는 휴지 구간에서, 대기신호의 발생시간을 가변하여 후속하는 각각의 펄스신호의 첨두출력을 조절하여, 펄스열의 프로파일을 조절하는 것을 특징으로 한다.
도 12를 참조하면, 광증폭기로 입력되는 씨드 레이저 신호의 대기신호 발생시간을 tc1, tc2, tc3와 같이 가변하면, 광증폭기에 축적되는 에너지도 변하게 되고, 따라서 대기신호 발생후 뒤따르는 펄스신호는 광증폭기에 축적된 에너지양에 따라 증폭되는 크기가 달라지게 된다.
따라서, 각각의 펄스신호 사이에 대기신호 발생시간을 서로 다르게 하여 증폭되는 출력펄스의 세기를 각각 조절할 수 있게 된다. 광증폭기의 출력인 증폭신호는 상술한 바와 같이, 비선형 파장변환기에서 파장변환을 거쳐서, 파장변환신호를 출력하게 되는데, 파장변환기에서는 각각의 입력되는 증폭신호의 세기에 따라 파장변환이 이루어지게 된다. 이러한 방법으로 최종출력되는 출력펄스를 단순히 on-off만 하는 것이 아니라, 펄스 각각의 세기를 조절하여 펄스열의 프로파일을 임의의 형태로 조절하는 가변 버스트 모드를 구현할 수 있다.
본 발명에 따르면, 주기적인 광펄스가 입사하지 않고, 입사하는 광펄스가 일정 시간 동안 입사하지 않을 경우 증폭매질에 축적되는 에너지가 매우 크게 되는 문제점이 개선되며, 따라서 입사된 광펄스가 매우 크게 증폭되어 증폭 매질의 손상을 일으키는 문제점이 해소된다.
본 발명은 펄스발생기에서 출력을 조절하는 방식을 이용하여 펄스를 발생하여 비선형 파장변환기와 상호작용으로 가변 버스트 모드로 작동하는 방법을 제안하였다.
본 발명에 따르면, 신호 펄스의 출력을 원하지 않는 시간 영역에서는 광증폭기의 에너지가 누적되는 것을 방지하기 위하여, 저출력의 연속출력광을 발생하여 증폭기에 입사함으로써 증폭기의 스파이크 출력을 방지하게 되고 결과적으로 증폭기의 손상을 방지할 수 있게 된다. 또한, 대기신호인 연속출력광의 발생시간을 조절함으로써 각 펄스의 크기를 조절하여 가변 버스트 모드를 구현할 수 있다.
110 : 레이저 발생기
120 : 광증폭기
130 : 비선형 파장변환기
140 : 광분리기

Claims (15)

  1. 씨드 레이저 신호를 생성하는 레이저 발생기;와
    상기 씨드 레이저 신호를 증폭하는 광증폭기;를 포함하며,
    상기 레이저 발생기는 펄스신호와 대기신호를 포함하는 씨드 레이저 신호를 발생하며,
    상기 펄스신호의 사이 휴지 구간이 기준 휴지 구간을 초과하는 영역에서, 상기 광증폭기의 에너지를 소모시키기 위한 대기신호를 발생시키는 것을 특징으로 하는 펄스 레이저 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 대기신호는 연속출력인 것을 특징으로 하는 펄스 레이저 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 레이저 발생기는
    레이저 다이오드와, 상기 레이저 다이오드에 가해지는 전류를 제어하는 레이저 다이오드 드라이버를 포함하는 것을 특징으로 하는 펄스 레이저 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 레이저 발생기는
    연속출력으로 작동하는 레이저 공진기와,
    상기 레이저 공진기에서 발생된 연속출력을 펄스신호 또는 대기신호으로 변조하는 광변조기를 포함하는 것을 특징으로 하는 펄스 레이저 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 광증폭기는 다단증폭기인 것을 특징으로 하는 펄스 레이저 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 광증폭기는
    광섬유 증폭기 또는 레이저 크리스탈 증폭기를 포함하는 것을 특징으로 하는 펄스 레이저 장치.
  7. 펄스신호와 대기신호를 포함하는 씨드 레이저 신호를 생성하는 레이저 발생기;
    상기 씨드 레이저 신호를 증폭하여 증폭신호를 생성하는 광증폭기;
    상기 증폭신호의 강도에 따라 비선형적으로 파장변환신호를 출력하는 비선형 파장변환기; 및
    상기 파장변환신호에서 출력펄스를 분리하는 광분리기;를 포함하며,
    상기 레이저 발생기는
    상기 펄스신호의 사이 휴지 구간이 기준 휴지 구간을 초과하는 영역에서, 상기 광증폭기의 에너지를 소모시키기 위한 대기신호를 발생시키는 것을 특징으로 하는 펄스 레이저 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 레이저 발생기는
    대기신호로 연속출력을 출력하되,
    상기 연속출력의 유지시간을 가변하여 후속 펄스신호의 첨두출력의 크기를 제어하는 것을 특징으로 하는 펄스 레이저 장치.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 광증폭기는
    광섬유 증폭기 또는 레이저 크리스탈 증폭기를 포함하는 것을 특징으로 하는 펄스 레이저 장치.
  10. 펄스신호와 대기신호를 포함하는 씨드 레이저 신호를 생성하는 레이저 발생기와, 상기 씨드 레이저 신호를 증폭하여 증폭신호를 생성하는 광증폭기를 포함하는 펄스 레이저 장치의 버스트 모드 작동을 위한 제어방법에 있어서,
    상기 레이저 발생기는,
    상기 펄스신호가 발생 되지않는 휴지 구간의 시간이, 기준 휴지 구간의 시간을 초과하는 경우, 기준 휴지 구간을 초과하는 시간만큼 대기신호를 발생하는 것을 특징으로 하는 펄스 레이저 장치의 버스트 모드 제어방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 대기신호는 상기 광증폭기에 축적되는 에너지를 실시간으로 소모시키는 것을 특징으로 하는 펄스 레이저 장치의 버스트 모드 제어방법.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 대기신호는 연속출력인 것을 특징으로 하는 펄스 레이저 장치의 버스트 모드 제어방법.
  13. 펄스신호와 대기신호를 포함하는 씨드 레이저 신호를 생성하는 레이저 발생기와, 상기 씨드 레이저 신호를 증폭하여 증폭신호를 생성하는 광증폭기를 포함하는 펄스 레이저 장치의 가변 버스트 모드 동작을 위한 제어방법에 있어서,
    상기 레이저 발생기는,
    상기 펄스신호가 발생 되지 않는 휴지 구간에서, 대기신호의 발생시간을 가변하여 후속하는 각각의 펄스신호의 첨두출력을 조절하여, 펄스열의 프로파일을 임의 파형으로 조절하는 것을 특징으로 하는 펄스 레이저 장치의 가변 버스트 모드 제어방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 대기신호는 상기 광증폭기에 에너지가 축적되는 에너지를 실시간으로 소모시키는 것을 특징으로 하는 펄스 레이저 장치의 가변 버스트 모드 제어방법.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 대기신호는 연속출력인 것을 특징으로 하는 펄스 레이저 장치의 가변 버스트 모드 제어방법.
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