KR101179202B1 - 펄스로 구동하는 파장 변환형 반도체 레이저 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 펄스로 구동하는 파장 변환형 반도체 레이저에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 펌프용의 반도체 레이저 다이오드 칩 외부에서 레이저 다이오드 칩을 포함하여 확장된 형태의 공진기를 형성하고, 상기 확장된 공진기 내부에 파장을 선택할 수 있는 필터를 삽입하여 펌프 레이저의 발진 파장을 반도체 레이저 다이오드 칩 외부에서 결정하는 펄스로 구동하는 파장 변환형 반도체 레이저에 관한 것이다.

Description

펄스로 구동하는 파장 변환형 반도체 레이저{SEMICONDUCTOR LASER OF THE WAVELENGTH CONVERTIBLE TYPE OPERATED BY PULSE}
본 발명은 반도체 레이저를 펌핑 광원으로 하는 제2 고조파 방식에 의한 펄스로 구동하는 파장 변환형 반도체 레이저에 관한 것이다.
일반적으로 적색(Red), 녹색(Green), 청색(Blue)에 따른 빛의 삼원색에 해당하는 레이저 빛을 이용하여 투사형으로 표시소자를 제작하는 투사형 레이저 표시소자(Laser Projection Display;LPD)에 대한 개발이 활발히 진행되고 있다.
상기 LPD의 경우 색 재현성이 현존하는 모든 종류의 표시 소자 중에서 가장 우수한 특성을 가지고 있으며, 소형의 표시장치로 대화면을 만들 수 있는 장점이 있다.
특히, 스크린과의 거리에 따른 초점 조절이 필요 없다는 장점이 있다.
LPD를 제작하기 위해서는 빛의 삼원색인 적색, 녹색, 청색에 해당하는 레이저가 필요하며, 이중 적색 및 청색은 단일의 반도체 칩으로 구현이 되고 있으나, 빛의 3원색에 해당하는 532nm파장의 녹색은 현재까지 단일의 반도체 칩으로 구현이 되고 있지 않는다.
532nm v파장의 녹색 레이저는 파장 변화의 방법으로 구현하고 있으며, 파장 변환의 방법은 비선형 광학 특징을 가지는 결정질을 빛이 통과할 때 원래 빛의 주파수에 대해 주파수가 2배인 빛이 형성되는 원리를 사용하는 것이다.
이러한 방법을 주파수 배증(Frequency doubling)방법이라 한다. 주파수가 2배로 된다는 것은 파장이 절반으로 줄어든다는 것을 의미한다. 그러므로 주파수 배증 방법으로 532nm의 녹색 광원을 만들기 위해서는 먼저 파장이 1064nm인 레이저 다이오드가 필요하며 이를 주파수 배증시킬 수 있는 비선형 광학 매질이 필요하다.
이러한 비선형 광학 매질로 KTP(Kotassium Titanyl Phosphate) 또는 LN(Lithium Niobate)등을 예로 들 수 있으며, 비선형 광학 특성을 가지는 어떠한 결정도 파장 변환용 결정으로 사용될 수 있다.
도 1은 일반적인 반도체 레이저 다이오드로의 주입 전류와 광 출력의 관계를 나타내는 도면이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 반도체 레이저 다이오드의 경우 약 100mA의 주입 전류까지는 거의 광 출력이 발생하지 않다가 100mA 이후에서부터 주입 전류에 따라 광 출력이 증가함을 보이고 있다.
도 1에서 점선은 광 출력이 전류에 비례하지 않음을 설명하기 위한 가상선이다.
본 예시된 반도체 레이저 다이오드의 경우 약 100mA~400mA의 구동 전류 구간에서는 전류에 따라 선형적으로 광 출력이 증가하다가 400mA 이후의 구동 전류 구간에서는 전류 증가량에 따른 광 출력 증가량의 비율인 기울기 효율 (slope efficiency)가 줄어들고 있음을 보이고 있다.
이러한 특성은 레이저 다이오드 전류 주입량의 증가에 따라 레이저 다이오드 칩의 레이저 발진 활성 영역의 온도가 상승하며, 이에 따라 레이저 발진 활성 영역에서의 이득이 감소하기 때문이다. 이러한 현상을 Thermal -rollover라 부른다.
이러한 레이저 다이오드 칩의 활성 영역의 온도 상승을 막기 위해서는 매우 짧은 pulse 형태의 전류 주입 방식이 유용하며, 특히 1microsec 이하의 짧은 펄스 구동이 효과적임이 알려져 있다.
도 1에서 도시된 레이저 다이오드 칩의 경우 약 100mA의 발진 문턱 전류를 가지고 있으므로, 광 출력의 입장에서는 레이저 다이오드 칩으로 주입하는 전력에 있어서 발진 문턱 전류에 해당하는 전력은 단순히 손실로 작용하게 된다.
이러한 발진 문턱 전류를 낮추기 위해서는 레이저 다이오드 칩의 활성층 부피를 줄이는 방법이 있으나 이 경우 주입된 전류가 좁은 활성영역으로 몰리면서 도 1의 thermal-rollover현상이 좀 더 낮은 전류 영역에서 일어나게 되어 고출력의 레이저 다이오드 칩을 제작하기에는 어려움이 있다.
그러므로, 높은 출력의 녹색 레이저를 제작하기 위해서는 높은 출력의 pump 반도체 레이저가 필요하며, 높은 출력을 얻기 위해 반도체 레이저 다이오드 칩의 활성 영역의 부피를 늘려주면 문턱 발진 전류가 증가하여 녹색 광에 기여하지 않는 전기적 소모 전력이 증가하는 문제가 있다.
또한, 일반적인 Fabry-Perot형의 레이저의 경우 반도체 레이저로 주입되는 전류의 양에 따라 레이저 발진 활성 영역의 온도 상에 의한 발진 레이저 파장의 변화가 발생할 뿐만 아니라 주입되는 전류 농도에 따른 반도체 레이저의 굴절률 변화에 의한 파장 변화가 동시에 발생하게 된다.
그러므로 통상적인 Fabry-Perot형 반도체 레이저를 펌핑 레이저로 사용하는 주파수 배증 형의 녹색 레이저에서 Fabry-Perot 레이저로 주입되는 전류의 큰 변화는 활성층 영역의 온도 변화 및 굴절률 변화에 의한 펌프 레이저 파장 변화가 발생하게 되고 이에 따라 매질에서 펌프 레이저의 흡수율이 변화하는 문제가 발생하게 된다.
또한, 통상적인 Fabry-Perot형의 펌프 레이저를 사용 할 경우 발진 문턱 전류에 해당하는 소모 전력은 녹색 레이저 생성에 기여하지 못하므로 녹색 레이저 생성을 위한 소모 전력을 높이는 효과를 가져온다.
이러한 반도체 펌프 레이저의 문턱 전류를 줄여주기 위해서는 반도체 레이저의 활성 영역의 부피를 줄이면 되나 이 경우에는 thermal-rollover 현상이 심해져서 고출력의 펌프 레이저를 제작할 수가 없는 문제가 있다.
따라서 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 펄스를 이용하여 구동하는 파장 변환형 레이저를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 펄스 주기가 5Microsec이하인 파장 변환형 레이저를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 펌프 레이저의 발진 문턱 전류에 의한 소모 전력을 최소화하며, 동시에 넓은 구동 온도 조건에서 높은 녹색 레이저 발진형의 효율을 가지는 파장 변환형 레이저를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 수 mW 급에서 수 백 mW의 넓은 녹색 레이저 출력조건에 대하여 높은 전광 변화 효율을 가지는 녹색 레이저를 제작하는 파장 변환형 레이저를 제공하는 것이다.
본 발명의 한 특징에 따른 펄스로 구동하는 파장 변환형 반도체 레이저는 펌프용의 반도체 레이저 다이오드 칩 외부에서 반도체 레이저 다이오드 칩을 포함하여 확장된 형태의 공진기를 형성하고,
상기 확장된 공진기 내부에 파장을 선택할 수 있는 필터를 삽입하여 펌프 레이저의 발진 파장을 반도체 레이저 다이오드 칩 외부에서 결정하며,
상기 펌프 레이저의 주입 전류를 펄스 주기가 최대 5microsec인 펄스 형태로 전류를 주입하는 것을 특징으로 하는 펄스로 구동하는 파장 변환형 반도체 레이저는 것을 특징으로 한다.
삭제
상기 특징에 따른 펄스로 구동하는 파장 변환형 반도체 레이저에서, 상기 필터를 투과한 일부 빛 중 808nm의 파장을 갖는 레이저 빛을 흡수하여 1064nm 파장의 레이저 빛으로 변환시키는 제1 매질, 및 상기 1064nm 파장의 레이저 빛의 주파수를 배증하여 532nm의 레이저 빛으로 변환하는 제2 매질로 구성하는 것을 특징으로 한다.
삭제
상기 특징에 따른 펄스로 구동하는 파장 변환형 반도체 레이저에서, 상기 제1 매질은 Nd:YVO4을 포함하고, 상기 제2 매질은 KTP를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 특징에 따른 펄스로 구동하는 파장 변환형 반도체 레이저에서, 상기 반도체 레이저 다이오드 칩에서 발생하는 빛을 시준화하여 필터로 전달하는 제1 렌즈부, 및 상기 필터를 투과하여 Nd:YVO4로 빛을 집속하는 제2 렌즈부를 더 포함하여 구성하는 것을 특징으로 한다.
상기 특징에 따른 펄스로 구동하는 파장 변환형 반도체 레이저에서, 상기 반도체 레이저 다이오드 칩의 필터로 향한 벽개면은 무 반사 코팅하여 코팅면을 형성하는 것을 특징으로 한다.
상기 특징에 따른 펄스로 구동하는 파장 변환형 반도체 레이저에서, 상기 필터는 볼륨 브래그 격자(Volume Bragg Grating) 또는 에탈론 필터로 구성하는 것을 특징으로 한다.
이러한 본 발명의 특징에 따르면,
본 발명은 반도체 레이저를 펌핑 광원으로 한 파장 변환형 레이저가 반도체 레이저의 운용 온도변화에 따른 파장 변화가 없으며, 반도체 레이저를 구동하는 전류의 크기에 다른 광 출력 효율 저하 및 파장 변화가 없어, 제2 고조파 방식에 의한 파장 변환형 레이저의 광 효율을 증대시키는 효과가 있다.
도 1은 일반적인 반도체 레이저 다이오드로의 주입 전류와 광 출력의 관계를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 펄스로 구동하는 파장 변환형 반도체 레이저를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 반도체 레이저 다이오드 칩에서 레이저의 출력이 일어나는 벽개면이 무 반사 코팅이 되어 있을 때 레이저 다이오드 칩이 가지는 이득 스펙트럼을 주입 전류에 대해 도시한 도면이다.
도 4는 808nm의 반도체 레이저를 펌핑광원으로 사용하고 Nd:YVO4 및 KTP의 주파수 배증 방법으로 구현되는 532nm녹색 레이저의 출력을 시간대별로 기록한 도면이다.
도 5 내지 도 8은 808nm의 반도체 레이저를 구동하는 전류의 주기를 5microsec이내의 짧은 주기를 갖도록하여 반도체 레이저를 구동하는 경우 녹색 레이저의 출력 패턴을 시간 축으로 나타낸 도면이다.
도 9는 반도체 레이저의 펄스 구동 시에 펄스 폭에 따른 출력 레이저 세기와의 관계를 나타낸 그래프이다.
본 발명의 구성은 두 부분으로 나뉘는데 첫번째 부분은 하드웨어적인 부분으로 펌프용의 반도체 레이저 다이오드 칩 외부에서 레이저 다이오드 칩을 포함하여 확장된 형태의 공진기를 형성하고 이러한 확장된 공진기 내부에 파장을 선택할 수 있는 필터를 삽입하여 펌프 레이저의 발진 파장을 반도체 레이저 다이오드 칩 외부에서 결정하는 구조와 이러한 형태로 구성된 펌프 레이저의 주입 전류를 펄스 주기가 5microsec 이하인 매우 짧은 펄스 형태로 전류를 주입하는 방법을 사용한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참고로 하여 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 펄스로 구동하는 파장 변환형 반도체 레이저를 나타낸 도면이다.
도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예는 반도체 레이저 다이오드 칩(210), 제1 렌즈부(221), 필터(230), 제2 렌즈부(222), 제1 매질(240), 및 제2 매질(250)로 구성한다.
펌핑용의 상기 반도체 레이저 다이오드 칩(210)은 레이저 빛을 방출한다. 이때, 상기 반도체 레이저 다이오드 칩(210)의 필터(230)로 향한 벽개면은 무 반사 코팅되어 있어 반도체 레이저 다이오드 칩(210)의 벽개면에 의한 Fabry-Perot 모드 발진이 억제 된 상태이므로, 반도체 레이저 다이오드 칩(210)의 자체 공진기에 의한 Fabry-Perot 모드 발진이 억제된 상태에서 반도체 레이저 다이오드 칩(210)으로 전류를 흘려주게 되면 자발 방출 빛이 벽개면을 통하여 방출되기 시작한다.
상기 제1 렌즈부(221)는 상기 반도체 레이저 다이오드 칩(210)의 벽개면을 통하여 발생하는 빛을 시준화하여 필터(230)로 전달한다.
상기 필터(230)는 상기 반도체 레이저 다이오드 칩(210)에서 방출한 레이저 빛을 선택적으로 일부는 반사시키고 일부는 투과시킨다.
이때, 상기 필터(230)에 의해 반사된 특정한 파장의 빛은 진행 경로를 되돌아가게 된다.
상기 제2 렌즈부(222)는 상기 필터(230)에 도달하여 필터(230)를 투과한 한 나머지 일부의 빛을 Nd:YVO4(240)로 빛을 집속한다.
이때, 상기 제1 렌즈부(221) 및 제2 렌즈부(222)는 구면렌즈, 비구면렌즈, 및 실린더형의 렌즈 중 어느 하나를 사용할 수 있다.
상기 제1 매질(240)은 상기 필터(230)를 투과한 일부 빛 중 808nm근처의 파장을 갖는 레이저 빛을 흡수하여 1064nm 파장의 레이저 빛으로 변환시킨다.
이때, 상기 제1 매질은 Nd:YVO4를 포함하는 것을 특징으로 하되, Nd:YVO4와 비슷한 특성을 갖는 매질을 사용할 수 있다.
상기 제2 매질(250)은 상기 1064nm 파장의 레이저 빛의 주파수를 배증하여 532nm의 레이저 빛으로 변환한다.
이때, 상기 제2 매질()250은 KTP를 포함하는 것을 특징으로 하되, KTP와 비슷한 특성을 갖는 매질을 사용할 수 있다.
여기서, 상기 필터(230)은 파장 선택성 필터로써, Volume bragg grating 형의 파장 선택성 필터로 사용하는 것이 바람직하며, 파장 선택성 필터를 에탈론 필터의 파장 선택성 필터로 적용할 수 있다.
상기 Volume bragg grating 또는 에탈론 필터형의 필터(230)는 유리와 같은 기판으로 사용할 수 있으며, 이러한 필터는 온도에 의한 선택 파장의 변화가 매우 작은 것이 특징이다.
즉, 본 발명의 실시 예와 같이 확장 공진기형의 레이저에서 사용되는 필터는 0.01nm/℃정도의 파장 변화를 보이며, 확장 공진기형의 반도체 레이저에서는 300℃의 온도 구간에 대해 펌프 레이저가 808nm+/-1.5nm의 파장을 가지도록 만들 수 있어 실질적으로 모든 사용 온도에 대해 효과적으로 제1 매질(240)을 펌핑 할 수 있다.
상기 확장 공진기에서 300℃의 사용 온도 구간을 가진다는 것은 단지 필터에 의해 선택되어 질 수 있는 파장만을 고려한 것이며, 반도체 레이저 다이오드 칩이 발진하기 위해서는 레이저 빛의 되먹임뿐만 아니라 되먹임 뙤는 파장에서 되먹임을 고려한 이득과 레이저 다이오드 자체의 이득 Peak 과의 경합에 의해 발진 파장이 결정된다.
도 3은 본 발명에 따른 반도체 레이저 다이오드 칩에서 레이저의 출력이 일어나는 벽개면이 무 반사 코팅이 되어 있을 때 레이저 다이오드 칩이 가지는 이득 스펙트럼을 주입 전류에 대해 도시한 도면이다.
도 3에 도시한 바와 같이, 반도체 레이저 다이오드의 이득 스펙트럼은 높은 주입 전류 조건에서 더 완만해지고 있는 것을 볼 수 있다.
따라서, 넓은 온도범위에서 반도체 레이저의 발진 파장을 레이저 다이오드 칩 외부에서 되먹임 되는 파장으로 파장 잠금을 하기 위하여서는 가능하면 높은 주입 전류 조건에서 반도체 레이저를 구동하는 것이 좋다.
그러나, 단순히 반도체 레이저 다이오드로의 주입 전류를 크게 하면, 넓은 온도범위에서 반도체 레이저 다이오드 칩의 파장을 파장 잠금 시 킬 수 있는 반면에, 반도체 레이저 다이오드 칩의 출력 또한 커지는 문제가 발생한다.
이러한 문제점은 펌프 레이저를 펄스로 구동하고 펄스 폭을 조절하는 방법을 사용함으로써 펌프 레이저의 구동 전류 Peak 치는 바꾸지 않으면서도 평균 광 출력을 조절 할 수 있다.
808nm 대역의 반도체 레이저를 펌프 광원으로 사용하고 Nd:YVO4 및 KTP의 구성으로 된 주파수 배증 방법으로 532nm 파장의 녹색 레이저를 구현하는 방법에 있어서 808nm의 레이저를 펄스로 구동할 경우에는 통상적으로 1millisec 이상의 펄스 폭을 가지는 펄스 패턴을 이용하여 녹색 레이저를 구동한다.
이러한 이유는 제1 매질이 808nm의 레이저를 흡수하여 1064nm 레이저 빛을 형성하는데 제1 매질의 808nm 흡수 state에서 1064nm state로 전자들의 천이가 일어나야 하는데 808nm state에서 1064nm state로의 천이 lifetime 이 대략 50microsec 정도가 걸리기 때문이다.
도 4는 808nm의 반도체 레이저를 펌핑 광원으로 사용하고 제1 매질 및 제2 매질의 주파수 배증 방법으로 구현되는 532nm녹색 레이저의 출력을 시간대별로 기록한 도면이다.
도 4에 도시한 바와 같이, 도 4(a) 및 도 4(b)는 동일한 파형의 입력 전류 펄스가 가해질 경우의 녹색 광 출력 파형을 보여주며, 도 4(c)는 도 4(a) 및 도 4(b)에 비해 808nm 펌프 레이저 다이오드의 입력 전력의 Peak 전력치는 동일하나 펄스 주기가 더 긴 경우이며, 도 4(d)는 도 4(a)의 경우와 같이 808nm 펌프 레이저의 입력 전력의 펄스 주기는 동일하나 입력전력의 Peak 전력이 더 큰 경우이다.
도 4(a) 및 도 4(b)에서 808nm의 반동체 레이저 다이오드 칩을 구동하기 위한 전류를 흘릴 경우 약 50microsec의 지연 시간 후에 532nm의 녹색 파장이 출력되기 시작하여 약 100microsec에 걸쳐 녹색 레이저의 출력이 증가한다.
따라서, 도 4(a) 및 도 4(b)의 경우 808nm의 펌프 레이저에 가하는 전류가 입력 되기 시작 한 후 약 150microsec이 후에는 안정적인 녹색 레이저 출력이 발현하게 된다.
도 4(c)에서는 입력 전력의 펄스 주기가 도 4(a) 및 도 4(b)보다 긴 경우에 해당하며 이때, 532nm의 출력 전력의 Peak 치는 도 4(a) 및 도 4(b)와 동일하나 도 4(a) 및 도 4(b)에 비해 더 긴 시간 동안 출력이 지속된다.
도 4(d)에서는 532nm의 출력 전력의 지속 시간은 도 4(a) 및 도 4(b)와 동일하나 532nm의 출력의 Peak 전력은 입력 전력의 증가에 따라 증가하는 특성을 나타냄을 보이고 있다.
이와 같이 기존의 808nm 파장의 펌프 레이저와 제1 매질 및 제2 매질의 구성으로 제작되는 532nm 파장의 녹색 레이저에서 808nm의 펌프 레이저를 구동하는 구동 펄스가 150microsec 이상의 장시간 일 경우에 532nm의 출력 전력의 Peak 치는 입력 전력의 Peak치에 의존하여 변화하게 됨, 입력 전력의 펄스 폭에 따라 출력의 펄스 폭이 결정된다.
따라서, 도 2의 구성과 같은 녹색 레이저에서 펌프 레이저로 사용되는 반도체 레이저를 입력 전기 펄스 폭을 100microsec 이하로 구동할 경우 녹색 레이저가 충분히 출력이 상승하기 전에 808nm 펌프 레이저의 출력이 끝나기 때문에 녹색 레이저 출력은 입력 전기 전력에 비해 매우 미약한 특성을 보이며, 도 4의 경우에 808nm용의 펌프 레이저를 구동하는 전기 입력 후 150microsec 정도 이후의 시간대에서는 녹색 레이저의 출력이 펄스의 폭과는 관계 없으며 녹색 레이저의 Peak 출력이 단지 808nm 구동용의 전기적 입력에만 의존하는 특성을 보이고 있다.
도 5 내지 도 8은 808nm의 반도체 레이저를 구동하는 전류의 주기를 5microsec이내의 짧은 주기를 갖도록하여 반도체 레이저를 구동하는 경우 녹색 레이저의 출력 패턴을 시간 축으로 나타낸 도면이다.
도 5 내지 8에 도시한 바와 같이, 808nm의 반도체 레이저로의 평균 입력 전력은 펄스의 On/Off 비율(duty ratio)과 pulse의 전력으로 나타난다. 도 5의 경우에 녹색 레이저의 출력은 거의 CW의 특성을 가지며 출력되며, 녹색 레이저의 Peak 출력은 808nm 구동용 입력 전력의 Peak 입력 및 duty ratio의 함수로 주어진다.
도 4의 경우는 808nm 파장의 반도체 레이저를 구동하는 펄스 폭이 150microsec 이상인 경우에는 녹색 광 출력이 안정화 된 이후의 녹색 레이저의 Peak 출력은 808nm 반도체를 구동하기 위한 입력 전기 신호의 펄스 주기 등에는 무관하며 단지 입력 전기 신호의 펄스의 Peak 입력 전력에만 영향을 받으나, 이와 달리 도 5과 같이 매우 짧은 펄스 주기를 가지도록 반도체 레이저를 구동 할 경우 녹색 레이저의 Peak 출력은 808nm의 반도체 레이저를 구동하기 위한 Peak 입력 전력 및 펄스의 duty ratio에도 영향을 받는다.
도 6에서 보이는 바와 같이 전기 입력 Peak 전력치는 고정 시킨 상태에서 전기 입력 신호 펄스 폭만을 바꿔 줄 경우에 출력 녹색 광의 Peak 출력 세기는 펄스 폭에 비례하여 줄어들거나 늘어나게 된다.
도 7의 경우에서는 입력 전기의 펄스 폭은 고정 시킨 경우에 입력 전기의 Peak 전력을 변화시켰을 때 녹색 레이저의 출력 Peak 세기가 바뀌고 있음을 보여준다.
도 8의 경우에는 입력 전기 전력의 펄스 폭과 입력 전기 전력의 Peak 전력 값을 적절히 조절하면, 펄스 폭과 입력 전기의 Peak 전력 값에 무관하게 일정한 녹색 광 Peak 출력을 얻을 수 있음을 보여준다.
도 9은 반도체 레이저의 펄스 구동 시에 펄스 폭에 따른 출력 레이저 세기와의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 9에 도시한 바와 같이, 0.3microsec(㎲)의 펄스폭과 10%의 duty 비율을 가지는 형태의 전기 전력 펄스를 이용하여 808nm의 펌프 레이저를 구동 할 경우와 1010microsec(㎲)의 펄스 폭과 10%의 duty 비율을 가지는 형태의 전기 전력 펄스를 이용하여 808nm의 펌프 레이저를 구동할 경우의 두 경우에 대해서 808nm 광 출력을 보여준다.
1010microsec(㎲)의 펄스 폭일 경우에는 150mA의 구동 전류를 넘어 설 경우 광 출력의 증가가 포화되고 있음을 보여준다.
이에 비해 0.3microsec(㎲)의 펄스 폭을 가지는 경우에는 입력 전류에 증가에 따른 광 출력 감소가 보이지 않는다.
그러나 이러한 광 출력 증가는 단순히 광 출력의 세기의 증가일 뿐이며, 이러한 808nm 광 출력의 증가가 녹색 광 출력의 증가로 이어지지 않을 수 있다.
이는 808nm 광 출력의 증가를 위하여 전류를 증가시키면 반도체 레이저의 파장이 이동하기 때문이다.
그러므로 단순한 808nm Fabry-Perot형의 펌프 레이저를 0.3microsec 정도의 짧은 펄스로 구동하여도 808nm 대역 파장의 다른 파장으로의 이동에 의하여 오히려 녹색 광 출력은 줄어드는 현상이 발생한다.
또한, 808nm 발진 파장을 가지는 펌프 레이저를 외부공진기형으로 제작하여 발진 파장을 반도체 레이저에 주입하는 전류에 무관하게 고정시키는 형태의 펌프 레이저를 사용할 경우에는 808nm 펌프 레이저의 구동 전류의 크기와 관계 없이 발진 파장이 고정되므로 펄스로 반도체 레이저를 구동하여도 펄스 폭 또는 펄스 주기에 관계없이 발진 파장이 고정되므로 녹색 광원에 적절한 펌프 레이저로 동작한다.
그러나, 제1 매질의 808nm 흡수 state와 1064nm 방출 state 사이의 천이 수명 시간 (life time)이 수십 microsec 정도이므로, 외부 공진기를 이용하여 808nm의 펌프 레이저의 파장을 고정시킨 상태에서 전기 입력 펄스 폭이 1000microsec 이내로 줄어들게 되면 제1 매질이 808nm 펌프 레이저의 점멸을 충분히 따라가지 못하여 1064nm 출력이 줄어들게 되고 이에 따라 532nm 녹색 레이저 출력이 줄어드는 효과가 있다.
제1 매질은 펄스 주기 5microsec 이내의 808nm 광 입력에 대해서는 CW의 808nm 광 입력과 동등하게 반응하므로, 펄스 주기 5microsec 이내의 주기를 가지는 808nm 광입력에 대해서는 녹색 광 출력의 감소가 억제된다.
이와 같이, Fabry-Perot형의 반도체 레이저는 그 발진 파장 특성이 반도체 레이저의 운용 온도에 따라 달라지며, 또한 반도체 레이저에 주입되는 전류에 의해 파장이 변화한다. 또한 반도체 레이저는 전류 주입 시에 활성층 영역의 온도 상승으로 인해 발광 효과가 줄어드는 특성이 있다.
그러므로, 이러한 펌프 레이저를 외부 공진기를 이용하여 외부 공진기에 배치된 파장 선택 기구를 이용하여 808nm 펌프 레이저의 발진 파장을 고정시켜, 808nm의 펌프 레이저에 의해 가해지는 주입 전류에 의한 발진 파장 변화가 일어나지 않도록 한 후 808nm 펌프 레이저를 주기 5microsec이하의 짧은 펄스 주기를 가지는 펄스로 구동 할 경우, 이러한 808nm 펌프 레이저는 808nm 펌프 레이저에 가해지는 전기 전력의 크기에 의한 파장 변화도 없으며, 808nm 펌프 레이저가 운용되는 온도에 의한 파장 변화도 없으며, 808nm 펌프 레이저에 주입되는 전류에 의한 808nm 발광 효율 저하도 없는 펌프 광원이 되며, 또한 제1 매질의 천이 수명 시간에 의한 1064nm 발진 성능 저하도 없도록 하여 매우 효율적인 녹색 레이저를 만들 수 있다.
상기한 외부 공진기형의 808nm 반도체 레이저와 이러한 반도체 레이저를 펄스 주기 5microsec 이내의 주기로 구동하는 방법의 펌프 광원은 제 2 고조파 방식에 의한 녹색 레이저에 가장 적절한 구조의 펌프 레이저가 된다.
상기에서 설명한 본 발명의 실시 예는 808nm 파장 대역의 반도체 레이저와 제1 매질 및 제2 매질에 의해 형성되는 532nm의 녹색 레이저를 예로 들었으나, 상기한 본 발명의 실시 예는 반도체 펌핑 레이저와 이를 이용한 제2 고조파 방식에 의한 파장 변환형 레이저에 적용이 가능하다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 관하여 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 따라서 본 발명의 권리 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안되며, 후술하는 청구범위뿐만 아니라, 이와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
210 : 레이저 다이오드 칩 221 : 제1 렌즈부
222 : 제2 렌즈부 230 : 필터
240 : 제1 매질 250 : 제2 매질

Claims (7)

  1. 펌프용의 반도체 레이저 다이오드 칩 외부에서 반도체 레이저 다이오드 칩을 포함하여 확장된 형태의 공진기를 형성하고,
    상기 확장된 공진기 내부에 파장을 선택할 수 있는 필터를 삽입하여 펌프 레이저의 발진 파장을 반도체 레이저 다이오드 칩 외부에서 결정하며,
    상기 펌프 레이저의 주입 전류를 펄스 주기가 최대 5microsec인 펄스 형태로 전류를 주입하는 것을 특징으로 하는 펄스로 구동하는 파장 변환형 반도체 레이저.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 필터를 투과한 일부 빛 중 808nm의 파장을 갖는 레이저 빛을 흡수하여 1064nm 파장의 레이저 빛으로 변환시키는 제1 매질, 및
    상기 1064nm 파장의 레이저 빛의 주파수를 배증하여 532nm의 레이저 빛으로 변환하는 제2 매질로 구성하는 것을 특징으로 하는 펄스로 구동하는 파장 변환형 반도체 레이저.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 매질은 Nd:YVO4를 포함하고, 상기 제2 매질은 KTP를 포함하는 것을 특징으로 하는 펄스로 구동하는 파장 변환형 반도체 레이저.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 반도체 레이저 다이오드 칩에서 발생하는 빛을 시준화하여 필터로 전달하는 제1 렌즈부, 및 상기 필터를 투과하여 Nd:YVO4로 빛을 집속하는 제2 렌즈부를 더 포함하여 구성하는 것을 특징으로 하는 펄스로 구동하는 파장 변환형 반도체 레이저.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 반도체 레이저 다이오드 칩의 필터로 향한 벽개면은 무반사 코팅하여 코팅면을 형성하는 것을 특징으로 하는 펄스로 구동하는 파장 변환형 반도체 레이저.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 필터는 볼륨 브래그 격자(Volume Bragg Grating) 또는 에탈론 필터로 구성하는 것을 특징으로 하는 펄스로 구동하는 파장 변환형 반도체 레이저.
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