KR101327521B1 - 단면 여기 레이저 다이오드용 고체 레이저의 펌핑 장치 - Google Patents

단면 여기 레이저 다이오드용 고체 레이저의 펌핑 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 단면 여기 레이저 다이오드용 고체 레이저의 펌핑 장치에 관한 것으로, 고가의 광학 부품을 사용하지 않고 레이저 다이오드의 배치와 빔의 진행 방향을 조절하여 경량화와 기계적인 안정도를 확보함으로써, 이득 매질에서의 열 렌즈 효과를 최소화하며 레이저 에너지의 집중에 의한 광학 부품의 손상을 최소화하고, 단일 방향에서 여기하는 방식을 유지하면서도 여러 방향에서 여기하는 것과 유사한 효과를 발휘하여 이득 매질의 흡수 균일도를 향상시킬 수 있다.

Description

단면 여기 레이저 다이오드용 고체 레이저의 펌핑 장치{PUMPING APPARATUS FOR A ONE SIDE EXCITATION LASER DIODE PUMPED SOLID-STATE LASER}
본 발명은 단면 여기 레이저 다이오드용 고체 레이저의 펌핑 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고가의 광학 부품을 사용하지 않고 레이저 다이오드의 배치와 빔의 진행 방향을 조절한 단면 여기 레이저 다이오드용 고체 레이저의 펌핑 장치에 관한 것이다.
고체 레이저(solid laser)는 결정 또는 유리 물질 중에 희토류나 천이 금속 이온을 도포한 것을 활성 매질로서 사용하는 광 여기형 레이저로서, 보통 펄스 레이저로서 사용되며, 광증폭기와 조합시켜서 대출력 레이저로서 이용되고 있다.
이러한 고체 레이저는 각종 산업, 군용, 연구용으로 많이 사용되고 있으며, 종래에는 섬광등(flash lamp)으로 고체 레이저 이득 매질을 여기하여 사용되었으나, 분광 스펙트럼 폭이 넓어서 이득 매질에 흡수되는 효율이 아주 낮았다. 따라서, 섬광등에서 나온 빛에너지의 상당 부분이 열로 변하여 이득 매질에서의 열렌즈 효과를 증가시키고 에너지 전환효율이 매우 낮으며, 대형 냉각장치를 필요로 하였다. 또한 섬광등의 수명이 연속발진의 경우, 수백 시간이고 펄스인 경우 수백만 펄스 정도로 짧아서 출력이 불안정한 단점이 있다. 이러한 결점을 극복하여 급속하게 다이오드 여기 고체레이저가 섬광등 여기 레이저를 대체해가고 있다.
레이저 다이오드(laser diode)로 여기하는 고체 레이저는 레이저 다이오드의 방출 스펙트럼과 레이저 이득 매질의 흡수 스펙트럼이 일치하여 높은 전기 광학 변환 효율을 가진다. 또한 다이오드의 수명이 펄스의 수천만 펄스, 연속 발진의 경우 10,000시간 정도로 길어서 출력이 안정된 장점이 있다. 또한, 기존의 섬광등 여기 레이저와 비교하여 레이저 다이오드의 부피가 상당히 작기 때문에 소형화와 경량화가 가능하다. 이러한 장점으로 인하여 레이저 다이오드 여기 고체 레이저는 반도체 디스플레이 등에서의 레이저 마킹 절단 등의 가공, 레이저 거리 측정, LIDAR(Light Detection and Ranging)를 이용한 환경 오염 물질 검출, 광 음향을 이용한 비파괴 검사 등의 다양한 산업 및 군용 목적으로 꾸준히 개발되고 있다.
레이저 다이오드를 이용하여 고체 레이저를 여기하는 방법은 레이저의 사용 목적에 맞게 개발하기 위하여 적절한 여기 구조와 레이저 다이오드의 종류를 선택해야한다. 높은 평균 출력을 원할 경우 연속 발진 다이오드를, 높은 펄스 에너지를 원할 경우 펄스 발진 다이오드를 선택한다. 다이오드 여기 고체 레이저는 다이오드 여기 방법에 따라 다이오드가 레이저 매질의 한쪽 끝 면에 위치한 단면 여기(end pumping)와 레이저 다이오드가 매질 옆면에 위치한 측면 여기(side pumping)로 나뉜다. 두 여기 방법은 고체 레이저의 개발 목적에 따라 각기 다른 장단점을 가지므로 적절한 선택이 필요하다. 단면 여기 방법은 여기광과 레이저 광의 공간적 모드를 잘 일치시킬 수 있어 여기광 에너지에서 발진 레이저 에너지로 변환하는 효율이 30~50%에 달하며, 작은 면적에 여기 광을 집속시킬 수 있으므로 발산각이 작고, 가우시안 공간 분포를 가지는 TEM00 모드의 레이저 빔을 쉽게 얻을 수 있다. 하지만, 높은 출력의 다이오드 레이저 빔이 한곳에 집중되므로 열 렌즈 효과(thermal lens effect)가 크며, 레이저 이득 매질에 손상이 쉽게 발생한다. 따라서 단면 여기 방식은 수십 와트 미만의 저출력 레이저에 주로 사용되고 있다. 반면에 측면 여기 방법은 광학 변환 효율이 단면 여기 방식에 비하여 낮으나, 레이저 다이오드의 출력을 이득 매질에 전달하는 광학계의 구조가 간단하다. 또한 넓은 면적의 레이저 매질에 여기 광을 고르게 흡수시킬 수 있어, 여기빔의 흡수 균일도가 높으며, 열 렌즈 효과도 감소하므로 고출력 레이저 구현에 적합하다.
레이저 봉의 측면에서 레이저 다이오드로 여기한 고체 레이저는 다이오드 출력 빔을 레이저 이득 매질에 직접 전달하므로, 전달 광학계가 간단하거나 필요 없어 구조가 단순하다. 또한 큰 부피의 레이저 이득 매질에 다이오드 빔이 고르게 흡수되어 고출력 레이저 제작에 용이하다. 측면 여기 방법은 이득 매질 양 방향에 다이오드가 위치한 2면 여기, 다이오드를 120도 간격으로 세 방향에서 여기한 3면 여기, 90도 간격으로 네 방향에서 여기하는 4면 여기, 72도 간격으로 5곳에서 여기하는 5면 여기, 60도 간격으로 6곳에서 여기하는 6면 여기, 또는 10면 이상의 방향에서 여기하는 10면 여기 등으로 레이저 다이오드의 위치가 서로 대칭 구조를 가지면서 여러 측면에서 여기하는 방법이 개발되었다.
측면 여기 고체 레이저 시스템에서는 측면 여기 방향이 늘어날수록, 여러 방향에 걸쳐 다이오드 빔이 입사하므로 이득 매질 내의 여기 빔이 흡수된 분포의 균일도가 증가하고 또한 감소된 열렌즈 현상으로 인해 공진기 내의 모드 체적의 변화와 열적 변형으로 인한 복굴절 현상이 감소하는 효과가 있다. 또한 이 경우 발진하는 레이저빔의 공간적 분포가 균일하기 때문에 매질의 표면 손상을 줄일 수 있다. 하지만, 여기 면의 수가 증가할수록 구조가 복잡해지고 여기 용기의 전체 부피가 증가하며, 이에 따라 부품의 수도 증가한다. 그리고 늘어난 부품의 상대적 배치의 변동으로 인한 출력 안정성이 감소한다. 레이저 빔이 고르게 이득 매질에 흡수되게 하기 위하여 돌기 형의 반사체를 이용한 단면 여기 구조의 폄핑 용기가 개발되었다.
그러나 이와 같은 구조를 사용하여도 레이저 이득 매질 내부에서의 흡수 균일도가 다면 여기 방식에 비해 상당히 저하되는 단점이 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 다이오드 레이저 앞에 평면-오목볼록 렌즈를 두어서 다이오드 레이저의 발산각을 증가시키는 방법이 개발되었다.
일예로, 대한민국 공개특허공보 제10-2011-0125804호(2011.11.22)에는 오목렌즈 창을 이용하여 레이저 이득 매질을 균일하게 여기시키는 단면 여기 다이오드 레이저 펌핑 고체레이저용 펌핑 장치가 개시되어 있다.
도 1은 종래기술에 따른 오목렌즈 창을 이용한 단면 여기 다이오드 레이저 펌핑 고체레이저용 펌핑 장치의 단면도이다.
도시된 바와 같이, 종래기술에 따른 펌핑 장치는, 레이저 빔을 주사하는 하나의 고체 레이저 다이오드(101)와, 상기 고체 레이저 다이오드(101)로부터 주사되는 레이저 빔의 방출각을 확장시켜 레이저 이득 매질(103)과 반사체(107)로 여기빔을 효율적으로 전달해주는 오목렌즈 창(102)과, 상기 고체 레이저 다이오드(101)로부터 주사되어 상기 오목렌즈 창(102)을 투과한 레이저 빔을 재반사하는 반사체(107)와, 상기 반사체(107)의 내부에 위치하여 레이저 빔을 흡수하는 이득 매질(103)을 포함한다.
그러나, 이와 같은 종래기술에 따른 펌핑 장치는, 레이저 이득 매질의 한 면에만 레이저 다이오드 모듈을 배치하고도 오목렌즈 창을 이용하여 다면 여기 레이저 다이오드의 수준까지 레이저 빔의 균일도를 향상시켰으나, 다이오드 레이저 앞에 평면-오목볼록 렌즈 등의 고가의 광학부품이 사용되기 때문에, 제품의 경량화가 곤란하고, 기계적인 안정도를 확보하기 어려우며, 이득 매질의 흡수 균일도를 향상시키기 어려운 문제점도 있었다.
또한, 장치의 구조가 복잡해지고, 작업 및 생산성이 떨어지며, 제조 단가가 상승되는 문제점이 있다.
대한민국 공개특허공보 제10-2011-0125804호(2011.11.22)
본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 극복하기 위한 것으로서, 고가의 광학 부품을 사용하지 않고 레이저 다이오드의 배치와 빔의 진행 방향을 조절하여 경량화와 기계적인 안정도를 확보하는 단면 여기 레이저 다이오드용 고체 레이저의 펌핑 장치를 제공하는 데에 그 목적이 있다.
또한, 단일 방향에서 여기하는 방식을 유지하면서도 여러 방향에서 여기하는 것과 유사한 효과를 발휘하여 이득 매질의 흡수 균일도를 향상시키는 단면 여기 레이저 다이오드용 고체 레이저의 펌핑 장치를 제공하는 데에 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 다수의 레이저 다이오드, 상기 다수의 레이저 다이오드가 부착되는 다수의 평면 및 다수의 경사면이 형성되어 있는 마운트, 상기 레이저 다이오드로부터 출력된 레이저 빔을 반사시키는 반사체 및 상기 반사체의 내부에 위치하여 반사된 레이저 빔을 흡수하는 이득 매질을 포함하는 단면 여기 레이저 다이오드용 고체 레이저의 펌핑 장치를 제공한다.
상기 마운트는 상기 평면과 상기 경사면이 길이방향으로 형성될 수 있다.
상기 마운트의 경사면은 부착되는 상기 레이저 다이오드가 상기 반사체 방향을 향하여 레이저 빔을 출력하도록 경사각을 가질 수 있다.
상기 마운트의 경사면은 부착되는 상기 레이저 다이오드가 상기 이득 매질 방향을 향하여 레이저 빔을 출력하도록 경사각을 가질 수 있다.
상기 반사체는 돌기형의 난반사체인 것이 바람직하다.
상기 마운트의 상부에 열전냉각기가 형성될 수 있다.
상기 열전냉각기의 상부에 튜브가 연결되어 냉각수를 순환시키는 냉각 탱크가 형성될 수 있다.
상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 단면 여기 레이저 다이오드용 고체 레이저의 펌핑 장치에 의하면, 고가의 광학 부품을 사용하지 않고 레이저 다이오드의 배치와 빔의 진행 방향을 조절하여 경량화와 기계적인 안정도를 확보함으로써, 이득 매질에서의 열 렌즈 효과를 최소화하며 레이저 에너지의 집중에 의한 광학 부품의 손상을 최소화하는 효과가 있다.
또한, 단일 방향에서 여기하는 방식을 유지하면서도 여러 방향에서 여기하는 것과 유사한 효과를 발휘하여 이득 매질의 흡수 균일도를 향상시키는 효과가 있다.
또한, 고가의 광학부품이 사용되지 않기 때문에 장치의 구조가 단순해지고, 작업 및 생산성이 향상되며, 제조 단가가 절감되는 효과도 있다.
도 1은 종래기술에 따른 오목렌즈 창을 이용한 단면 여기 다이오드 레이저 펌핑 고체레이저용 펌핑 장치의 단면도.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 단면 여기 레이저 다이오드용 고체 레이저의 펌핑 장치를 나타낸 단면도.
도 3은 도 2의 본 발명의 제1 실시예에 따른 다이오드 마운트를 나타낸 사시도.
도 4는 도 2의 본 발명의 제1 실시예에 따른 전산모사 결과를 나타낸 도면.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 단면 여기 레이저 다이오드용 고체 레이저의 펌핑 장치를 나타낸 단면도.
도 6은 도 4의 본 발명의 제2 실시예에 따른다이오드 마운트를 나타낸 사시도.
도 7은 도 4의 본 발명의 제2 실시예에 따른 전산모사 결과를 나타낸 도면.
도 8은 수평면으로 배열된 다이오드의 발산과 내부 흡수 균일도를 나타낸 도면.
도 9는 반사체 방향으로 기울어져 배열된 다이오드의 발산과 내부 흡수 균일도를 나타낸 도면.
도 10은 이득 매질 방향으로 기울어져 배열된 다이오드의 발산과 내부 흡수 균일도를 나타낸 도면.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 단면 여기 레이저 다이오드용 고체 레이저의 펌핑 장치를 나타낸 단면도이고, 도 3은 도 2의 제1실시예에 따른 다이오드 마운트를 나타낸 사시도이고, 도 4는 도 2의 제1실시예에 따른 전산모사 결과를 나타낸 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바림직한 제1실시예에 따른 단면 여기 레이저 다이오드용 고체 레이저의 펌핑 장치는, 레이저 빔을 출력하는 다수의 레이저 다이오드(40)와, 상기 다수의 레이저 다이오드(40)가 부착되는 다수의 평면(22) 및 다수의 경사면(21)이 형성되어 있는 마운트(20)와, 상기 레이저 다이오드(40)로부터 출력된 레이저 빔을 반사시키는 반사체(60) 및 상기 반사체(60)의 내부에 위치하여 레이저 빔을 흡수하는 이득 매질(50)을 포함한다.
이때, 상기 마운트(20)는 상기 평면(22)과 상기 경사면(21)이 길이방향으로 형성된다. 본 발명의 제1실시예에서 상기 경사면(21)은 부착되는 상기 레이저 다이오드(40)가 반사체(60) 방향을 향하여 레이저 빔을 출력하도록 일정한 경사각을 갖는다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1실시예에 따른 레이저 다이오드의 마운트(20)는, 그 하부에 레이저 다이오드(40)를 부착하여 평면(22) 또는 경사면(21)을 통하여 레이저 다이오드(40)로부터 출력되는 레이저 빔의 출력 방향을 결정한다. 상기 마운트(20)는 상기 평면(22)과 상기 경사면(21)이 길이방향으로 형성되는데, 상기 평면(22)과 상기 경사면(21)이 서로 교대로 형성될 수 있다. 레이저 다이오드 마운트(20)의 평면(22) 및 경사면(21)은 다이오드 설치를 용이하게 하기 위해 레이저 다이오드(40)와 같은 길이와 폭으로 제작되며, 경사면(21)은 레이저 빔이 반사체(60) 방향(바깥쪽)을 향하여 출력되도록 일정한 경사각(23)을 가지고 있다.
상기 경사각(23)은 레이저 이득 매질(50)의 크기 및 직경, 반사체(60)의 내부 조건과 형상에 따라 적절한 값을 가지는 것이 바람직하다. 또한, 상기 마운트(20)는 반사되어 되돌아오는 빛을 산란시키기 위해 반사율이 높은 물질인 알루미늄 혹은 금 코팅이 된 금속으로 이루어질 수 있다. 또한 외부 충격이나 진동으로부터 레이저 다이오드(40)를 보호하기 위해 마운트의 두께(24)를 5mm 이상 10mm 이하로 구성하였다.
따라서, 본 발명의 제1실시예에 따른 마운트(20)는 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 다수의 경사면(21) 및 평면(22)에 부착된 상기 레이저 다이오드(40)에 의하여 레이저 빔을 반사체(60)로 입사시켜 산란 정도를 증가시키거나, 레이저 빔의 입사 범위를 증가시켜 레이저 이득 매질(50)에서 흡수되는 균일도를 증가시킬 수 있다.
이때, 상기 레이저 다이오드(40)는 출력되는 레이저 빔이 단축 방향으로 약 6~10도, 장축 방향으로 약 30~40도의 발산각(divergence angle)을 가지는 고출력 레이저 다이오드를 사용하는 것이 바람직하다.
도 3에 도시된 바와 같이, 레이저 다이오드(40)는 1개 이상의 레이저 다이오드(40)가 각각의 평면(22) 및 경사면(21)을 따라 길이방향으로 일렬로 배치된 구조를 가진다. 이때 레이저 다이오드(40)의 길이 방향은 레이저 이득 매질의 길이 방향과 일치시킨다. 또한, 이득 매질(50)과 다이오드(40) 사이의 거리가 멀어지면, 레이저 다이오드(40)의 발산각이 커지게 되므로 레이저 빔이 반사체(60) 내부로 모두 전달되지 못하게 되어, 이득 매질(50) 내부의 균일도는 증가하지만, 에너지가 효율적으로 흡수되지 못하는 단점이 있다. 따라서 레이저 다이오드(40)와 레이저 이득 매질(50) 사이의 거리는 적절하게 조절되어야 한다. 레이저 다이오드(40)는 외부의 먼지나 습기로부터 보호하기 위해 밀폐되어 조립되었다.
또한 열전냉각기(90)를 다이오드 마운트(20) 상면에 부착하여 레이저 다이오드(40)의 온도 상승을 방지하였다. 따라서, 열전냉각기(90)를 통해 온도가 안정화된 레이저 다이오드(40)는 레이저 이득 매질(50)의 흡수 선폭과 거의 일치하는 파장의 빛을 방출할 수 있다. 이때, 열전냉각기(90)에서 발생하는 열은 냉각 탱크(80)와 튜브(70)를 이용하여 그 내부로 순환하는 냉각수에 의하여 방출된다.
한편, 반사체(60)의 구조와 기계적 형상은 구조 설계 프로그램과 전산모사 프로그램 등을 통해 균일도와 흡수도가 우수하게 최적화하였으며, 도 2에 도시된 바와 같이 제1실시예에서는 이득 매질(50)의 하방이 상부로 돌출된 돌기형(cusp) 형상을 가진 난반사체를 사용하였다.
그러나, 본 발명의 반사체(60)는 상기한 돌기형 난반사체 구조에 한정되는 것은 아니며, 여기 효율과 레이저 이득 매질(50)에서의 흡수 균일도를 향상시키기 위해 다양한 위치가 돌출된 형상의 반사체(60)가 적용될 수 있다.
레이저 다이오드(40)에서 방출되는 빔은 반사체(60)와 레이저 이득 매질(50)에 효율적으로 전달되도록 전사 모사 프로그램으로 최적화되었으며, 반사체는 표면에서 반사되는 레이저 빔의 반사 손실을 줄이기 위해 레이저 다이오드(40)의 방출 파장에 대해 100% 람베르트(Lambert) 산란이 되는 물질로 구성되어 있다. 또한 레이저 다이오드(40)에서 방출되는 빔을 레이저 이득 매질(50)에 효율적으로 전달해주는 반사체(60)는 기계적, 열적, 물리적 특성이 우수한 스펙트랄론(spectralon) 또는 세라믹 재질로 제작되었다.
한편, 레이저 다이오드(40)를 일정 각도로 기울이지 않으면, 즉, 마운트(20)의 평면(22)에 설치된 레이저 다이오드(40)에서 방출되는 레이저 빔은 대부분 수직 하방의 레이저 이득 매질(50)에 직접 흡수되고, 일부분만 반사체(60)에서 산란된 후 이득 매질(50)로 향하게 된다. 이 경우 레이저 이득 매질(50)의 상부에 직접 흡수된 레이저 빔의 비율이 현저히 높아 반사체(60)에 의한 균일도 상승의 효과를 거의 볼 수 없다. 따라서, 도 3에 도시된 본 발명의 제1실시예에서와 같이 레이저 다이오드(40)를 반사체(바깥쪽)(60) 방향을 향하도록 θ각도(23)만큼 기울여 설치할 경우에, 레이저 다이오드(40)에서 방출되는 레이저 빔이 이득 매질(50)에 직접 흡수되지 않고, 반사체(60)를 거쳐서 다양한 각도로 이득 매질(50)의 전체면에서 최대한 고르게 흡수시킬 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 제1실시예의 전산모사 결과를 나타낸 도면으로서, 도시된 바와 같이 레이저 봉(이득 매질) 내부에서 고르게 다이오드 레이저가 흡수되었음을 보여준다.
도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 단면 여기 레이저 다이오드용 고체 레이저의 펌핑 장치를 나타낸 단면도이고, 도 6은 도 4의 본 발명의 제2실시예에 따른다이오드 마운트를 나타낸 사시도이며, 도 7은 도 4의 본 발명의 제2실시예에 따른 전산모사 결과를 나타낸 도면이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2실시예에 따른 단면 여기 레이저 다이오드용 고체 레이저의 펌핑 장치는, 도 2 내지 도 4를 통하여 전술한 본 발명의 제1실시예의 레이저 다이오드(40), 마운트(30), 반사체(60) 및 이득 매질(50)의 구조와 대동소이하며 다만, 레이저 다이오드(40)를 이득 매질(50)을 향한 방향(안쪽)으로 기울여 구성하는 특징을 갖는다.
이를 위하여 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2실시예에 따른 레이저 다이오드의 마운트(30)는, 그 하부에 레이저 다이오드(40)를 부착하여 평면(32) 또는 경사면(31)을 통하여 레이저 다이오드(40)로부터 출력되는 레이저 빔의 출력 방향을 결정한다. 레이저 다이오드 마운트(30)의 평면(32) 및 경사면(31)은 다이오드 설치를 용이하게 하기 위해 레이저 다이오드(40)와 같은 길이와 폭으로 제작되며, 경사면(21)은 이득 매질(50)을 방향(안쪽)을 향하여 레이저 빔을 출력하도록 일정한 경사각(33)을 가지고 있다.
상기 경사각(33)은 레이저 이득 매질(50)의 크기 및 직경, 반사체(60)의 내부 조건과 형상에 따라 적절한 값을 가지는 것이 바람직하다. 또한, 상기 마운트(30)는 반사되어 되돌아오는 빛을 산란시키기 위해 반사율이 높은 물질인 알루미늄 혹은 금 코팅이 된 금속으로 이루어질 수 있다. 또한 외부 충격이나 진동으로부터 레이저 다이오드(40)를 보호하기 위해 마운트의 두께(34)를 5mm 이상 10mm 이하로 구성하였다.
반사체(60)의 구조와 기계적 형상은 구조 설계 프로그램과 전산모사 프로그램 등을 통해 균일도와 흡수도가 우수하게 최적화하였으며, 제2실시예에서도 돌기형(cusp) 모양의 구조를 가진 난반사체를 사용하였다. 그러나, 본 발명의 반사체(60)는 상기한 돌기형 구조에 한정되는 것은 아니며, 여기 효율과 레이저 이득 매질(50)에서의 흡수 균일도를 향상시키기 위해 다양한 형상의 반사체(60)가 적용될 수 있다.
제2실시예는 상기 제1실시예에 비교하여 레이저 다이오드(40)가 이득 매질(50) 방향(안쪽)으로 θ각도(33)만큼 기울어진 마운트(30)의 경사면(31)에 부착하였다. 이 경우 발산되는 레이저 다이오드(40) 레이저 빔이 이득 매질(50)에 직접 입사되는 부분의 영역이 넓어져, 초기 입사되는 빔은 이득 매질(50) 내부에 고르게 흡수되며, 투과한 레이저 빔이나, 반사체(60) 방향으로 향한 일부 빔은 반사, 산란 그리고 재반사의 과정을 거쳐 이득 매질(50)의 내부에 흡수되어 전체적으로 고른 흡수가 발생하게 된다.
이 과정에서 반사체(60)의 돌기형 모양과 반사체(60)의 폭과 깊이는 전산 모사를 통해 최적화하였다. 도 7은 제2실시예의 전산 모사 결과를 나타낸 도면으로서, 레이저 봉(이득 매질) 내부에서 고르게 다이오드 레이저가 흡수되었음을 보여준다.
도 8은 수평면으로 배열된 다이오드의 발산과 내부 흡수 균일도를 나타낸 도면이고, 도 9는 반사체 방향으로 기울어져 배열된 다이오드의 발산과 내부 흡수 균일도를 나타낸 도면이며, 도 10은 이득 매질 방향으로 기울어져 배열된 다이오드의 발산과 내부 흡수 균일도를 나타낸 도면이다.
도 8 내지 도 10에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 단면 여기 레이저 다이오드용 고체 레이저의 펌핑 장치는, 출력되는 레이저 빔이 단축 방향으로는 10도, 장축 방향으로 40도의 발산각을 가지는 레이저 다이오드(40)가 각각의 마운트(10,20,30)에 길이 방향으로 일렬로 배열되어 레이저 빔을 방출할 때, 4mm 직경의 레이저봉(이득 매질)(50) 단면에서의 흡수된 레이저 에너지 분포를 전사 모사한 결과를 보여준다.
도시된 바와 같이 레이저 다이오드(40)는 봉 형태의 레이저 이득 매질(50)의 상부에 위치한다. 각 레이저 다이오드(40)에서 방출되는 빔을 봉형태의 레이저 이득 매질(50)에 각각 다른 방향으로 전달하기 위하여 레이저 다이오드(40)가 장착되는 마운트(10,20,30)의 위치와 각도를 수평면(도 8참조), 반사체(60) 방향(바깥쪽)(도 9참조) 또는 이득 매질(50) 방향(안쪽)(도 10 참조)으로 설치함으로써, 다이오드(40)의 레이저 빔의 일부는 레이저 봉(이득 매질)(50)에 직접 전달되고, 일부는 직접 전달되지 않고 반사를 통하여 여러 방향으로 전달되게 하기 위해 레이저 이득 매질(50)의 주위를 감싸도록 반사체(60)를 설치하였다.
따라서, 종래에는 대부분의 다이오드 빔은 이득 매질(50) 방향으로 바로 입사하여 직접 이득 매질(50)에 흡수되어 일부 통과한 다이오드 빔만이 반사체(60)에서 산란되어 산란효과를 극대화 할 수 없으나(도 8참조), 본 발명에서는 레이저 다이오드(40)를 반사체(60) 방향 또는 이득 매질(50) 방향으로 기울여, 방출되는 다이오드의 빔의 일부만 이득 매질(50)에 직접 흡수되고 나머지는 반사체(60)를 거쳐 간접 흡수되도록 구성하여, 이로 인하여 다이오드 빔이 이득 매질(50)의 넓은 영역에 고르게 흡수되어 이득 매질(50) 내부에서의 흡수 균일도를 증가시킬 수 있다(도 9 및 도 10 참조).
본 명세서에 기재된 본 발명의 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 실시예에 관한 것이고, 발명의 기술적 사상을 모두 포괄하는 것은 아니므로, 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다. 따라서 본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 권리범위 내에 있게 된다.
10, 20, 30 : 마운트
21, 31 : 경사면
22, 32 : 수평면
23, 33 : 마운트 경사각
24, 34 : 마운트 높이
40 : 레이저 다이오드
50 : 이득 매질
60 : 반사체
70 : 냉각수 순환 튜브
80 : 냉각 탱크
90 : 열전냉각기
100 : 반사체 방향으로 입사한 레이저 빔 흡수 단면
110 : 이득 매질 방향으로 입사한 레이저 빔 흡수 단면

Claims (7)

  1. 다수의 레이저 다이오드;
    상기 다수의 레이저 다이오드가 부착되는 다수의 평면 및 다수의 경사면이 형성되어 있는 마운트;
    상기 레이저 다이오드로부터 출력된 레이저 빔을 반사시키는 반사체; 및
    상기 반사체의 내부에 위치하여 반사된 레이저 빔을 흡수하는 이득 매질;을 포함하되,
    상기 반사체는;
    돌기형의 난반사체인 것을 특징으로 하는 단면 여기 레이저 다이오드용 고체 레이저의 펌핑 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 마운트는;
    상기 평면과 상기 경사면이 길이방향으로 형성된 것을 특징으로 하는 단면 여기 레이저 다이오드용 고체 레이저의 펌핑 장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 마운트의 경사면은;
    부착되는 상기 레이저 다이오드가 상기 반사체 방향을 향하여 레이저 빔을 출력하도록 경사각을 갖는 것을 특징으로 하는 단면 여기 레이저 다이오드용 고체 레이저의 펌핑 장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 마운트의 경사면은;
    부착되는 상기 레이저 다이오드가 상기 이득 매질 방향을 향하여 레이저 빔을 출력하도록 경사각을 갖는 것을 특징으로 하는 단면 여기 레이저 다이오드용 고체 레이저의 펌핑 장치.
  5. 삭제
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 마운트의 상부에 열전냉각기가 형성된 것을 특징으로 하는 단면 여기 레이저 다이오드용 고체 레이저의 펌핑 장치.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 열전냉각기의 상부에 튜브가 연결되어 냉각수를 순환시키는 냉각 탱크가 형성된 것을 특징으로 하는 단면 여기 레이저 다이오드용 고체 레이저의 펌핑 장치.
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RU2729064C1 (ru) * 2019-11-14 2020-08-04 Валерий Владимирович Крюков Способ преобразования ядерной энергии (энергии радиоактивного распада и/или деления) в оптическую энергию и устройство для его осуществления

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