KR101219444B1 - High Power Laser Device - Google Patents
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Abstract
본 발명은 통상의 공진기와 다중반사 거울의 조합으로 이루어진 공진기를 사용하여 펄스 에너지를 증가시킨 고출력 레이저 장치에 대한 것이다.
본 발명은, 펌프 빔을 1차적으로 공진시키는 제 1 공진기; 및 제 1 통공이 형성된 제 1 다중반사 거울과 제 2 통공이 형성된 제 2 다중반사 거울을 구비하여 상기 제 1 공진기에서 출력된 레이저 빔을 공진시키는 제 2 공진기를 포함하는 레이저 장치를 제공한다. The present invention relates to a high power laser device in which pulse energy is increased by using a resonator made of a combination of a conventional resonator and a multi-reflective mirror.
The present invention includes a first resonator for primarily resonating a pump beam; And a second resonator configured to resonate a laser beam output from the first resonator, the first multi-reflective mirror having a first aperture formed thereon and a second multi-reflective mirror having a second aperture formed thereon.
Description
본 발명은 고출력 레이저 장치 및 그 방법에 대한 것이다. 더욱 상세하게는, 본 발명은 통상의 공진기와 다중반사 거울의 조합으로 이루어진 공진기를 사용하여 펄스 에너지를 증가시킨 고출력 레이저 장치에 대한 것이다. The present invention relates to a high power laser device and a method thereof. More specifically, the present invention relates to a high power laser device in which pulse energy is increased by using a resonator composed of a combination of a conventional resonator and a multi-reflective mirror.
레이저가 등장한 후에 최근에는 레이저 가공, 절단, 용접, 천공, 트리밍, 식각 등의 산업 분야, 치과 치료, 반점, 문신 제거, 제모, 라식 수술 등의 의료 분야, 레이저와 물질의 상호작용을 연구하는 학술 분야, 그리고 국방 및 문화 분야 등 그 응용분야가 매우 광범위해지고 있다. 산업 및 의료용 레이저의 경우를 살펴보더라도 최근에는 기존의 기계적, 화학적 가공 및 치료 방법이 불가능한 부분에 점점 더 레이저를 이용하고자 하는 시도가 늘어나고 있으면 그 수용 또한 증가하고 있다.After the advent of lasers, recent studies in the areas of laser processing, cutting, welding, drilling, trimming, etching, medical treatments such as dental care, spots, tattoo removal, hair removal, LASIK surgery, and research on the interaction of lasers and materials Fields and their applications, such as defense and culture, are becoming very widespread. In the case of industrial and medical lasers, the acceptance of lasers is increasing as more and more attempts are made to use lasers in areas where conventional mechanical and chemical processing and treatment methods are impossible.
최근에는 펨토초 레이저(femtosecond laser)가 다양한 분야에서 활용되고 있다. 펨토초 레이저는 아주 짧은 시간(10-15 s) 동안에 광 에너지가 응집되어 빛을 발하게 되는 특성을 갖는다. 이에 따라 펨토초 레이저는 기존의 레이저와는 다른 특성을 보여준다. 펨토초 레이저를 활용하는 예들 들면, 펨토초 레이저는 레이저 광이 매질에 조사될 때 열이 매질에 전달될 시간보다 짧은 시간 동안만 조사되므로 기존의 레이저 가공 등에서 발생되는 열영향 또는 열변형을 피할 수 있다. 또한, 펨토초 레이저는 매질의 표면 손상없이 그 내부를 가공하는 것이 가능함으로써 정밀하고 미세한 처리를 요구하는 분야(반도체, 전자칩, 의료등)에 사용되고 있다.Recently, femtosecond lasers have been used in various fields. Femtosecond lasers have the property that light energy is aggregated and emitted for a very short time (10 -15 s). As a result, femtosecond lasers exhibit different characteristics from conventional lasers. For example, using femtosecond lasers, the femtosecond laser is irradiated only for a time shorter than the time when heat is transferred to the medium when the laser light is irradiated to the medium, thereby avoiding the heat effect or heat deformation generated in conventional laser processing. In addition, femtosecond lasers can be processed inside without damaging the surface of the medium, and thus are used in fields requiring semiconductor processing (semiconductor, electronic chip, medical, etc.).
그러나 수율의 증대, 가공면적의 확대 등을 위해 산업적으로 사용되기 위해서는 펨토초 레이저 단독으로는 출력의 한계가 있으며, 따라서 응용분야의 확대에 있어서도 제약요건이 된다. However, femtosecond laser alone has a limitation in output in order to be used industrially for increasing yield and processing area. Therefore, it is a limitation in expanding application fields.
이 한계를 해결하기 위한 일반적인 방법이 다중 증폭단을 연결하여 출력을 높이는 것이다. 그러나 증폭단을 설치할 경우, 비용 증가를 부담해야하는 단점을 지니고 있으며, 유지 관리 및 보수를 위한 레이저 전문인이 필요하여 산업계의 응용확대에 제약이 되고 있다. A common way to solve this limitation is to increase the output by connecting multiple amplifier stages. However, when the amplification stage is installed, it has the disadvantage of having to bear the cost, and it is a limitation in expanding the application of the industry because a laser specialist for maintenance and repair is required.
D. Herriott 등은 두 개의 거울을 사용한 간섭계를 제안하였고("Off-Axis Paths in Spherical Mirror Interferometers", Applied Optics, Vol. 3, Issue 4, pp. 523-526, 1964), S. H. Cho 등은 D. Herriott 등이 제안한 간섭계를 펨토초 펄스 왕복으로 인한 공진기 길이 연장에 적용하였다("Low-repetition-rate high-peak-power Kerr-lens mode-locked TiAl2O3 laser with a multiple-pass cavity", Optics Letters, Vol. 24, Issue 6, pp. 417-419). 레이저 펄스 에너지를 증가시키기 위해서는 공진기의 길이를 증가시키는 것이 요구된다. 이를 위해 S. H. Cho 등은 두 개의 거울을 사용하여 복소수 q-파라미터(레이저 빔의 상태정보를 내포)를 보존하면서 멀티패스하는 방식을 사용하였다. 복소수 q-파라미터를 보존하면 일반형 공진기의 모드잠김 조건이 그대로 유지되며, 또한 공진기의 길이를 증가시킴으로써 레이저의 펄스 에너지는 증가될 수 있다. D. Herriott et al. Proposed an interferometer using two mirrors (“Off-Axis Paths in Spherical Mirror Interferometers”, Applied Optics, Vol. 3, Issue 4, pp. 523-526, 1964), and SH Cho et al. The interferometer proposed by Herriott et al. Was applied to extend the resonator length due to femtosecond pulse round trip ("Low-repetition-rate high-peak-power Kerr-lens mode-locked TiAl2O3 laser with a multiple-pass cavity", Optics Letters, Vol. 24, Issue 6, pp. 417-419). In order to increase the laser pulse energy, it is required to increase the length of the resonator. For this purpose, S. H. Cho et al. Used a multipass method that preserves complex q-parameters (including state information of the laser beam) using two mirrors. Preserving the complex q-parameters maintains the mode lock condition of the general resonator and also increases the pulse energy of the laser by increasing the length of the resonator.
유사한 예로서 대한민국 특허공개공보 제10-2006-0123311호(2006. 12. 1. 공개)에서는 복소수 q-파라미터를 보존하면서 두 거울간에 레이저 빔이 멀티패스하는 방식을 채택하고 레이저 공진기내 고차 분산값을 양의 분산값으로 확장한 후 단펄스를 만든 다음 외부에서 압축기를 통해 압축하여 펨토초 레이저를 생성하는 단펄스 레이저 장치를 제시하였다. As a similar example, Korean Patent Publication No. 10-2006-0123311 (published Dec. 1, 2006) adopts a method in which a laser beam is multipathed between two mirrors while preserving complex q-parameters, and a high-order dispersion value in a laser resonator. After shortening to a positive dispersion value to make a short pulse and then compressed by a compressor from the outside to provide a short pulse laser device to generate a femtosecond laser.
그러나, Herriott 등이 제안한 두 개의 거울 구조를 사용한 레이저 장치의 경우 레이저 빔의 경로가 복잡하고 광정렬이 용이하지 않다는 문제점이 존재한다. However, the laser device using the two mirror structures proposed by Herriott et al. Has a problem that the path of the laser beam is complicated and light alignment is not easy.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 다중 증폭단을 사용하지 않고 펄스 에너지를 증가시키는 레이저 장치를 제공함을 목적으로 한다. In order to solve the above problems, an object of the present invention is to provide a laser device that increases pulse energy without using multiple amplifier stages.
또한, 본 발명은 레이저 빔의 경로를 단순화하고 광정렬을 용이하게 하는 레이저 장치를 제공함을 목적으로 한다. It is also an object of the present invention to provide a laser device that simplifies the path of the laser beam and facilitates light alignment.
본 발명은, 펌프 빔을 1차적으로 공진시키는 제 1 공진기; 및 제 1 통공이 형성된 제 1 다중반사 거울과 제 2 통공이 형성된 제 2 다중반사 거울을 구비하여 상기 제 1 공진기에서 출력된 레이저 빔을 공진시키는 제 2 공진기를 포함하는 레이저 장치를 제공한다. The present invention includes a first resonator for primarily resonating a pump beam; And a second resonator configured to resonate a laser beam output from the first resonator, the first multi-reflective mirror having a first aperture formed thereon and a second multi-reflective mirror having a second aperture formed thereon.
일 실시예에 있어서, 상기 레이저 장치는 상기 펌프 빔을 생성하는 펌프 레이저를 추가로 포함한다. In one embodiment, the laser device further comprises a pump laser to generate the pump beam.
한편, 상기 제 1 공진기는, 상기 펌프 빔을 집속시키는 집속 렌즈, 상기 집속 렌즈에 의해 집속된 펌프 빔이 통과하는 이득 매질, 상기 이득 매질을 통과한 레이저 빔을 순차적으로 반사 또는 역반사시키는 제 1 곡면거울, 제 1 반사거울, 제 2 반사거울, 제 2 곡면거울, 및 제 3 반사거울을 포함하도록 구성될 수 있다. The first resonator may include a focusing lens for focusing the pump beam, a gain medium through which the pump beam focused by the focusing lens passes, and a first reflection or retroreflection of the laser beam passing through the gain medium in sequence. It may be configured to include a curved mirror, a first reflective mirror, a second reflective mirror, a second curved mirror, and a third reflective mirror.
또한, 상기 제 2 공진기는, 상기 제 1 다중반사 거울과 상기 제 2 다중반사 거울 및 상기 제 1 공진기를 통과한 레이저 빔을 상기 제 2 통공을 통해 상기 제 1 다중반사 거울로 반사하는 제 5 반사거울을 포함하도록 구성될 수 있다. The second resonator may further include: a fifth reflection configured to reflect the laser beam passing through the first multi-reflection mirror, the second multi-reflection mirror, and the first resonator to the first multi-reflection mirror through the second aperture; It can be configured to include a mirror.
바람직하게는, 상기 제 2 다중반사 거울에서 최종 반사된 레이저 빔은 상기 제 1 통공을 통과하며 상기 제 1 통공을 통과한 레이저 빔은 출력경으로 전달된다. Preferably, the laser beam finally reflected by the second multi-reflective mirror passes through the first aperture and the laser beam passed through the first aperture is transmitted to the output mirror.
또한, 바람직하게는, 상기 출력경과 상기 제 1 통공 간의 거리가 조절됨으로써 레이저 특성이 변화된다. Further, preferably, the laser characteristic is changed by adjusting the distance between the output diameter and the first through hole.
본 발명은 다중 증폭단을 사용하지 않고서도 펄스 에너지를 증가시켜 고출력 레이저 빔, 특히 펨토초 레이저 빔을 발생시킬 수 있다. 또한, 본 발명은 공진기 내의 레이저 빔의 경로를 단순하게 유지하면서 광정렬을 용이하게 하는 효과가 있다. The present invention can generate a high power laser beam, in particular a femtosecond laser beam by increasing the pulse energy without using multiple amplification stages. In addition, the present invention has the effect of facilitating light alignment while keeping the path of the laser beam in the resonator simple.
또한, 본 발명에 따르면, 작은 공간을 차지하면서도 반복적인 레이저 빔의 반사로 인해 공진기의 전체 길이를 확장할 수 있다. In addition, according to the present invention, the entire length of the resonator can be extended due to repetitive reflection of the laser beam while occupying a small space.
또한, 본 발명에 따르면, 기존의 복소수 q-파라미터가 보존되지 않는 상황에서도 모드잠김을 유지할 수 있는 효과가 있다. In addition, according to the present invention, there is an effect that can maintain the mode lock even in a situation where the existing complex q-parameters are not preserved.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 레이저 장치의 구조를 도시한 도면,
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 레이저 장치에 있어서 다중 반사 거울을 도시한 도면,
도 3은 도 1에 따른 레이저 장치를 해석하기 위한 동등한 개념의 웨이브 가이드 시스템을 도시한 도면,
도 4는 본 발명에 따른 장주기 고출력 펨토초 레이저 장치로부터 얻어진 펄스열을 나타내는 도면,
도 5는 본 발명에 따른 장주기 고출력 펨토초 레이저 장치로부터 얻어진 펄스의 모양을 도시한 도면,
도 6은 본 발명에 따른 장주기 고출력 펨토초 레이저 장치로부터 얻어진 스펙트럼을 도시한 도면이다.1 is a view showing the structure of a laser device according to a preferred embodiment of the present invention;
2 is a view showing a multiple reflection mirror in a laser device according to a preferred embodiment of the present invention;
3 shows an equivalent concept wave guide system for analyzing a laser device according to FIG. 1, FIG.
4 is a view showing a pulse train obtained from a long period high power femtosecond laser device according to the present invention,
5 is a view showing the shape of the pulse obtained from the long-period high power femtosecond laser device according to the present invention,
6 is a diagram showing a spectrum obtained from a long period high power femtosecond laser device according to the present invention.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다. 또한, 이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명할 것이나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있음은 물론이다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the drawings, the same reference numerals are used to designate the same or similar components throughout the drawings. In the following description of the present invention, a detailed description of known functions and configurations incorporated herein will be omitted when it may make the subject matter of the present invention rather unclear. In addition, the preferred embodiments of the present invention will be described below, but it is needless to say that the technical idea of the present invention is not limited thereto and can be variously modified by those skilled in the art.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 레이저 장치의 구조를 도시한 도면이고, 도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 레이저 장치에 있어서 다중 반사 거울을 도시한 도면이다. 1 is a view showing the structure of a laser device according to a preferred embodiment of the present invention, Figure 2 is a view showing a multiple reflection mirror in the laser device according to a preferred embodiment of the present invention.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 레이저 장치(10)는, 펌프 빔(13)을 생성하는 펌프 레이저(12), 제 1 공진기, 및 제 2 공진기를 포함한다. The
일 실시예에 있어서, 펌프 레이저(12)는 주파수 배가된 Nd:YAG 레이저 또는 Nd:YVO4 레이저로 구성될 수 있다. 펌프 레이저(12)에서 생성된 펌프 빔(13)은 집속 렌즈(14)에 의해 집속되고 이득 매질(16)로 전달된다.In one embodiment, the
본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 제 1 공진기는 레이저 발생을 위한 일반적인 공진기로서, 이득 매질(16), 제 1, 2 곡면거울(CM1, CM2), 제 1, 2, 3 반사거울(M1, M2, M3) 및 제 1, 2 프리즘(18, 20)을 포함한다. In a preferred embodiment of the present invention, the first resonator is a general resonator for laser generation, and includes a
이득 매질(16)은 티타늄:사파이어(Ti:Saphire)로 구성될 수 있으며, 펌프 빔(13)은 이득 매질(16)을 여기시킨다. 이득 매질(16)을 통과한 레이저 빔은 제 1 곡면거울(CM1)에서 반사되어 제 1 반사거울(M1)을 거쳐 제 2 반사거울(M2)로 전달된다. 제 2 반사거울(M2)에서 역으로 반사된 레이저 빔은 제 1 반사거울(M1)을 거쳐 제 1 곡면거울(CM1)으로 전달되고 이득 매질(16)을 통과한 후 제 2 곡면거울(CM2)로 전달된다. 레이저 빔은 제 2 곡면거울(CM2)에서 다시 반사된 후 제 3 반사거울(M3)로 전달된다. 가장 일반적인 형태에 있어서는 제 2 곡면거울(CM2)로부터 반사된 레이저 빔이 제 3 반사거울(M3)에서 다시 반사되는 경로에 출력경(output coupler)를 구비한다. 그러나, 도 1에서는 제 3 반사거울(M3)에서 반사되는 경로에 출력경을 구비하지 않는다. 이는 이후에서 설명될 제 2 공진기로 레이저 빔을 전달하기 위함이다. The
제 1, 2 프리즘(18, 20)은 이득 매질(16)과 공기에 의한 양의 분산을 보상하기 위한 것이다. 이러한 보상 조건이 만족되면 3차 비선형 광학적 커(Kerr) 효과에 의한 모드 잠김에 의해 레이저 펄스가 발생된다. 한편, 상기 제 1, 2 프리즘(18, 20)은 처프 거울로 대체되는 것도 가능하다. The first and
상기 레이저 펄스는 바람직하게는 펨토초 레이저 펄스일 수 있다. 구체적으로, 레이저 빔은 가운데 부분이 가장자리에 비해 강하므로 레이저 빔이 이득 매질(16)을 투과할 때 레이저 빔의 중앙의 통과 시간이 더 오래 걸려서 이득 매질(16)은 마치 볼록 렌즈와 같은 역할을 한다. 이 경우, 레이저 빔의 강한 부분은 약한 부분보다 강하게 집속된다. 조리개를 구비하여 레이저 빔의 약한 가장자리 부분을 가려주면 세기가 센 레이저 빔의 중앙 부분만 공진기를 돌면서 이득을 얻게 됨으로써 펨토초 펄스가 생성된다. 이러한 방식을 하드 어퍼쳐(hard aperture) 모드 잠김이라 한다. 한편, 조리개의 역할을 펌프 레이저(12)의 레이저 빔으로 대신하는 경우 이를 소프트 어퍼쳐(soft aperture) 모드 잠김이라 한다. The laser pulse may preferably be a femtosecond laser pulse. Specifically, since the laser beam has a strong center portion compared to the edge, when the laser beam penetrates the
본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 제 2 공진기는 제 4, 5 반사거울(M4, M5), 제 1 다중반사 거울(30), 제 2 다중반사 거울(40)을 포함한다. 한편, 제 1 다중반사 거울(30)에는 제 1 통공(32)이 형성되고 제 2 다중반사 거울(40)에는 제 2 통공(42)이 형성된다. 상기 제 1 통공(32)과 제 2 통공(42)은 제 1, 2 다중반사 거울(40)에 구멍을 뚫어 형성하거나 도 2에서와 같이 노치(notch)를 형성함으로써 구비될 수 있다. In a preferred embodiment of the present invention, the second resonator comprises fourth and fifth reflecting mirrors M4 and M5, a first
제 2 곡면거울(CM2)를 거쳐 제 3 반사거울(M3)에서 반사된 레이저 빔은 제 4 반사거울(M4)에서 반사된 후 제 5 반사거울(M5)로 전달된다. 바람직한 실시예에 있어서, 제 5 반사거울(M5)에서 다시 반사된 레이저 빔은 제 2 다중반사 거울(40)에 형성된 제 2 통공(42)을 통과하여 제 1 다중반사 거울(30)로 전달된다. 레이저 빔은 제 1 다중반사 거울(30)과 제 2 다중반사 거울(40) 사이에서 반복적인 반사가 이루어진다. 일 실시예에 있어서, 제 1 다중반사 거울(30)은 반사거울이고, 제 2 다중반사 거울(40)은 오목한 거울일 수 있다. 최종적으로, 제 2 다중반사 거울(40)에서 반사된 레이저 빔은 제 1 다중반사 거울(30)의 제 1 통공(32)을 통과한 후 출력경(50)으로 전달된다. The laser beam reflected from the third reflection mirror M3 via the second curved mirror CM2 is reflected by the fourth reflection mirror M4 and then transferred to the fifth reflection mirror M5. In a preferred embodiment, the laser beam reflected back from the fifth reflection mirror M5 is transmitted to the first
도 2를 참조하여, 제 1, 2 다중반사 거울(30, 40)에서의 레이저 빔이 중복하여 반사되는 구성을 보다 상세히 설명하면 다음과 같다. Referring to FIG. 2, the configuration in which the laser beams in the first and second multi-reflective mirrors 30 and 40 are overlapped and reflected in detail will be described below.
제 5 반사거울(M5)에서 반사된 레이저 빔은 제 2 다중반사 거울(40)의 제 2 통공(42)을 통해 제 1 다중반사 거울(30)로 전달되고, 이후 레이저 빔은 제 1 다중반사 거울(30)과 제 2 다중반사 거울(40) 사이에서 반복적으로 반사된다. 도 2에서는, 제 5 반사거울(M5)에서 반사된 레이저 빔이 제 1 다중반사 거울(30)의 a 지점에서 반사된 후 제 2 다중반사 거울(40)의 a'로 전달되고, 계속해서 b, b', c, c',…, g, g' 지점을 거쳐 출력경(50)으로 전달되는 예를 도시하였다. The laser beam reflected by the fifth reflection mirror M5 is transmitted to the first
종래의 Herriott 등이 제안한 간섭계를 공진기로 활용한 경우('Herriott 공진기'로 약칭함)와 비교하면, 본 발명에 있어서는 제 1 다중반사 거울(30)과 제 2 다중반사 거울(40)에 각각 형성된 제 1 통공(32)과 제 2 통공(42)으로 인해 레이저 빔의 왕복 반사 횟수가 1회 부족하다. 예를 들어, 제 1 다중반사 거울(30)은 평면 거울이고, 제 2 다중반사 거울(40)은 곡률 반경이 4 미터인 오목 거울이며, 제 1 다중반사 거울(30)과 제 2 다중반사 거울(40)에는 제 1 통공(32)과 제 2 통공(42)이 구비되지 않은 상태에서, 레이저 빔이 제 1 다중반사 거울(30)과 제 2 다중반사 거울(40)간 왕복하며 그 왕복 횟수(n)가 8번 이루어진 이후 출력경(50)으로 전달되는 것으로 상정한다. 이 경우 제 1 다중반사 거울(30)과 제 2 다중반사 거울(40)간의 거리(L0)는 58.6 cm이고, 제 1 다중반사 거울(30)과 제 2 다중반사 거울(40) 사이에서 레이저 빔의 패턴 각도는 45 도가 된다. Compared to the case where the conventional interferometer proposed by Herriott et al. Is used as a resonator (abbreviated as 'Herriott resonator'), in the present invention, the first
그런데, 제 1 다중반사 거울(30)과 제 2 다중반사 거울(40)에 제 1 통공(32)과 제 2 통공(42)을 구비하고, 제 5 반사거울(M5)에서 반사된 레이저 빔이 제 2 통공(42)을 거쳐 제 1 다중반사 거울(30)로 전달되고, 최종적으로 제 2 다중반사 거울(40)에서 반사된 레이저 빔이 제 1 통공(32)을 거쳐 출력경(50)으로 전달되는 구성에서는, 상기 왕복 횟수(n)는 7이 된다. 이에 따라 복소수 q-파라미터가 보존되지 않는다. 복소수 q-파라미터가 보존되는 경우 Herriott 공진기는 가상의 평면 거울 역할을 한다. 그러나, 복소수 q-파라미터가 보존되지 않는다면, Herriott 공진기는 곡률 반경이 큰 가상의 거울 (또는 렌즈) 역할을 하게 된다. 그럼에도 불구하고, 제 2 다중반사 거울(40)의 곡률 반경이 큰 상태이므로 평면 거울에 가깝게 되어 일반형 모드 잠김 조건 변화는 펄스 모드 잠김 조건(특히, 펨토초 펄스 모드 잠김 조건)이 이루어지는 범위 내에서 미미하다. 따라서, 실질적으로는 본 발명에 있어서 복소수 q-파라미터가 완벽히 보존되지 않음에도 불구하고 모드 잠김 조건에는 영향이 없다고 할 수 있다. However, the first
본 발명에 따른 제 2 공진기에서 실질적인 모드 잠김 조건을 만족하는 것을 설명하면 다음과 같다. In the second resonator according to the present invention will be described to satisfy the substantial mode locking condition as follows.
도 3은 도 1에 따른 레이저 장치를 해석하기 위한 동등한 개념의 웨이브 가이드 시스템을 도시한 도면이다. 3 is a view illustrating a wave guide system of an equivalent concept for analyzing the laser device according to FIG. 1.
먼저, 거리 L0 이격된 평면 거울과 오목 거울로 이루어진 일반적인 Herriott 공진기에서, 평면 거울과 오목 거울 간의 레이저 빔의 1회 왕복(즉, Herriott 공진기의 단위 셀)은 수학식 1과 같은 Ray 전달행렬 (ray transfer matrix) MT로 나타낼 수 있다. (수학식 1에서 R2는 오목 거울의 곡률 반경이고, f는 초점 거리이다.)First, in a typical Herriott resonator consisting of planar mirrors and concave mirrors spaced at distance L 0 , a single round trip of the laser beam between the planar mirrors and the concave mirrors (ie, the unit cell of the Herriott resonator) is a Ray transfer matrix (1). ray transfer matrix) M T. (In
위 전달행렬 MT에 있어서, 안정 조건을 만족시키기 위해서는 다음의 수학식 2가 만족되어야 한다. In the above transfer matrix M T , the following
일반적인 Herriott 공진기에서 평면 거울과 오목 거울 간에 레이저 빔이 n회 왕복하는 경우의 전달 행렬(MT n)은 수학식 3과 같이 나타낼 수 있으며, 수학식 3에서 n=1로 하고 그 결과를 수학식 1과 대비하면, 수학식 4의 결과가 도출된다. In a typical Herriott resonator, the transfer matrix (M T n ) when the laser beam reciprocates n times between the plane mirror and the concave mirror can be expressed as
수학식 3과 4에서, θ는 매 회 레이저 빔이 반사되는 각도를 의미한다. 한편, 복소수 q-파라미터가 보존되기 위한 조건으로서, 전달 행렬(MT n)는 ±I이어야 한다(I는 단위 행렬임). 따라서, 수학식 5가 도출된다. In
수학식 5에서 n은 왕복 횟수이고, m은 반사되는 레이저 빔이 완성하는 반원호의 갯수이다. In Equation 5, n is the number of round trips, and m is the number of semicircular arcs completed by the reflected laser beam.
이상의 결과를 이용하면, 예를 들어, R2 = 4m이고, n = 8, m = 2인 경우에, θ = 45°가 되고, L0 = 58.6 cm가 된다.
With the above results, for example, and R2 = 4m, n = 8, and that in the case of m = 2, θ = 45 ° , that is L 0 = 58.6 cm.
이상은 일반적인 Herriott 공진기에 대한 해석으로서, 본 발명에 따른 레이저 장치의 제 2 공진기의 경우에는 제 1, 2 다중반사 거울(30, 40) 각각에 구비된 제 1, 2 통공(32, 42)의 영향으로 복소수 q-파라미터가 완벽하게 보존되지는 않는다. 이러한 단점은 출력경(50)의 위치를 조절함으로써 극복될 수 있다. The above is an analysis of a general Herriott resonator. In the case of the second resonator of the laser device according to the present invention, the first and
도 1과 도 3에서, z2는 제 2 통공(42)의 존재에 따른 가상 렌즈를 나타내고, Lδ는 제 1 다중반사 거울(30)과 출력경(50)까지의 거리이며, Le는 가상 렌즈의 위치를 나타낸다. 한편 z1은 본 발명에 따른 제 1 공진기만을 사용한다고 전제할 때, 출력경의 위치를 나타낸다. 다만, 실제적으로는 제 2 공진기가 추가적으로 구비됨에 따라 z1에 출력경이 구비되는 것은 아니다. 1 and 3, z 2 represents a virtual lens according to the presence of the second through
그러면, 이들 간의 관계는 수학식 6과 같이 나타낼 수 있다. (수학식 6에서 f2는 제 2 다중반사 거울(40)의 초점 거리임)Then, the relationship between them can be expressed as in Equation 6. (In Equation 6, f 2 is the focal length of the second multi-reflective mirror 40)
수학식 6을 적용하면, R2 = 400 cm, L0 = Le = 58.6 cm라고 할 때, Lδ는 = 13.3 cm로 결정된다. Applying equation (6), L 2 = 400 cm, L 0 = L e = 58.6 cm, L δ is determined to be 13.3 cm.
표 1은 Lδ와 Le 그리고 fe(가상 렌즈의 초점 거리)의 관계를 나타낸다.Table 1 shows L δ and L e And f e (focal length of the virtual lens).
도 4는 본 발명에 따른 장주기 고출력 펨토초 레이저 장치로부터 얻어진 펄스열을 나타낸다. 반복률 13.15 메가헤르츠(MHz)로 펄스간 시간 간격은 76 ns이다. 소프트 어퍼쳐 모드잠김으로 연속파를 펄스로 변환하였으며, 9.5W 펌핑에서 약 172 nJ의 펄스에너지를 얻었고, 그 때의 고차 분산값은 약 -600 fs2이다. 4 shows a pulse train obtained from a long period high power femtosecond laser device according to the present invention. With a repetition rate of 13.15 MHz (MHz), the time interval between pulses is 76 ns. Continuous aperture was converted into pulses by soft aperture mode locking, and pulse energy of about 172 nJ was obtained at 9.5W pumping, and the higher order dispersion value was about -600 fs2.
도 5는 본 발명에 따른 장주기 고출력 펨토초 레이저 장치로부터 얻어진 펄스의 모양이다. 간섭형 오토코릴레이터(Autoccorelator)라는 방법으로 측정하였을 때, 반치폭 40 펨토초로, 레이저에서 나오는 펄스의 모양을 sech 함수로 가정하였을 경우, 최종적으로 26 펨토초로 펄스가 발생됨을 보여준다.5 is a shape of a pulse obtained from a long period high power femtosecond laser device according to the present invention. When measured by an interference autocorrelator method, it is shown that the pulse is generated at 26 femtoseconds when the half-width width is 40 femtoseconds and the shape of the pulse emitted from the laser is assumed as the sech function.
도 6은 본 발명에 따른 장주기 고출력 펨토초 레이저 장치로부터 얻어진 스펙트럼이다. 반치폭은 39 nm를 나타낸다.
6 is a spectrum obtained from a long period high power femtosecond laser device according to the present invention. The full width at half maximum is 39 nm.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.It will be apparent to those skilled in the art that various modifications, substitutions and substitutions are possible, without departing from the scope and spirit of the invention as disclosed in the accompanying claims. will be. Accordingly, the embodiments disclosed in the present invention and the accompanying drawings are not intended to limit the technical spirit of the present invention but to describe the present invention, and the scope of the technical idea of the present invention is not limited by the embodiments and the accompanying drawings. . The protection scope of the present invention should be interpreted by the following claims, and all technical ideas within the equivalent scope should be interpreted as being included in the scope of the present invention.
10 : 레이저 장치 12 : 펌프 레이저
14 : 집속 렌즈 16 : 이득 매질
18, 20 : 제 1, 2 프리즘 CM1, CM2 : 제 1, 2 곡면거울
M1, M2, M3, M4, M5 : 제 1, 2, 3, 4, 5 반사거울
30 : 제 1 다중반사 거울 32 : 제 1 통공
40 : 제 2 다중반사 거울 42 : 제 2 통공
50 : 출력경10
14: focusing lens 16: gain medium
18, 20: 1st, 2nd prism CM1, CM2: 1st, 2nd curved mirror
M1, M2, M3, M4, M5: 1st, 2nd, 3rd, 4th, 5th reflective mirror
30: first multi-reflective mirror 32: first through-hole
40: second multiple reflection mirror 42: second aperture
50: output diameter
Claims (6)
제 1 통공이 형성된 제 1 다중반사 거울, 제 2 통공이 형성된 제 2 다중반사 거울 및 상기 제 1 공진기에서 전달된 레이저 빔을 상기 제 2 통공을 통해 상기 제 1 다중반사 거울로 반사하는 제 5 반사거울을 포함하여, 상기 제 1 공진기에서 출력된 상기 레이저 빔을 공진시키는 제 2 공진기;
를 포함하는 레이저 장치. A first resonator that primarily resonates the pump beam; And
A fifth reflection reflecting a first multi-reflection mirror having a first aperture, a second multi-reflection mirror having a second aperture, and a laser beam transmitted from the first resonator to the first multi-reflection mirror through the second aperture A second resonator including a mirror to resonate the laser beam output from the first resonator;
Laser device comprising a.
상기 펌프 빔을 생성하는 펌프 레이저를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 장치.The method of claim 1,
And a pump laser to generate the pump beam.
상기 제 1 공진기는,
상기 펌프 빔을 집속시키는 집속 렌즈, 상기 집속 렌즈에 의해 집속된 펌프 빔이 통과하는 이득 매질, 상기 이득 매질을 통과한 레이저 빔을 순차적으로 반사 또는 역반사시키는 제 1 곡면거울, 제 1 반사거울, 제 2 반사거울, 제 2 곡면거울, 및 제 3 반사거울을 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 장치.The method of claim 1,
The first resonator,
A focusing lens for focusing the pump beam, a gain medium through which the pump beam focused by the focusing lens passes, a first curved mirror reflecting or retroreflecting a laser beam passing through the gain medium, a first reflecting mirror, And a second reflective mirror, a second curved mirror, and a third reflective mirror.
상기 제 2 다중반사 거울에서 최종 반사된 레이저 빔은 상기 제 1 통공을 통과하며 상기 제 1 통공을 통과한 레이저 빔은 출력경으로 전달되는 것을 특징으로 하는 레이저 장치.The method according to any one of claims 1 to 3,
And the laser beam finally reflected from the second multi-reflective mirror passes through the first aperture and the laser beam passed through the first aperture is transmitted to the output mirror.
상기 출력경과 상기 제 1 통공 간의 거리가 조절됨으로써 레이저 특성을 변화시키는 것을 특징으로 하는 레이저 장치.The method of claim 5, wherein
The laser device, characterized in that for changing the laser characteristics by adjusting the distance between the output diameter and the first aperture.
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