KR101327523B1

KR101327523B1 - 레이저 다이오드용 고체 레이저 장치

Info

Publication number: KR101327523B1
Application number: KR1020120015553A
Authority: KR
Inventors: 이종훈; 이강인
Original assignee: 영남대학교 산학협력단
Priority date: 2012-02-15
Filing date: 2012-02-15
Publication date: 2013-11-08
Also published as: KR20130094135A

Abstract

본 발명은 레이저 다이오드용 고체 레이저 장치에 관한 것으로, 복수의 레이저 다이오드의 파장을 일정 차이값 간격을 갖도록 하거나 출력 세기를 일정 비율로 설정하여 온도 안정화 장치가 없어도 레이저의 출력 변동성을 안정시킬 수 있고 또한, 출력 변동성이 안정되어 저온에서도 정상동작이 가능함으로써 레이저가 발진하는데 걸리는 예열시간이 필요 없고, 온도 안정화 장치가 제거되어 중량과 부피를 감소시키는 레이저 다이오드용 고체 레이저 장치를 제공한다.

Description

레이저 다이오드용 고체 레이저 장치{SOLID-STATE LASER APPARATUS FOR LASER DIODE}

본 발명은 레이저 다이오드용 고체 레이저 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고체 레이저의 출력 변동성을 안정시키는 레이저 다이오드용 고체 레이저 장치에 관한 것이다.

일반적으로 군용이나 민용 비행기에 탑재하는 레이저 거리 측정기나 지향성 적외선 유도 미사일 교란 장치(DIRCM:Directional Infra-red Counter Measure) 등에는 레이저 다이오드용 고체 레이저 장치가 사용된다. 고체 레이저(solid laser)는 결정 또는 유리 물질 중에 희토류나 천이 금속 이온을 도포한 것을 활성 매질로서 사용하는 광여기형 레이저로서, 보통 펄스 레이저로서 사용되며, 광증폭기와 조합시켜서 고출력 레이저로서 이용되고 있다.

레이저를 이용하여 거리를 측정하는 기술은 레이저 펄스를 발사하여 멀리 떨어진 물체에서 반사된 레이저 펄스를 검출하여 거리를 측정하는 것이다. 일반적으로 빛의 속도는 초당 3*10⁸m 로 일정하므로, 레이저를 발사한 시간에서 되돌아오는 시간까지의 간격을 측정하면 물체까지의 거리를 측정할 수 있다. 거리가 멀수록 반사되어 돌아오는 레이저의 에너지가 줄어들어 신호 검출이 어렵다. 따라서, 레이저 펄스 에너지가 클수록 먼 거리에 있는 물체까지의 거리를 측정할 수 있으므로 큰 에너지가 필요하다.

다이오드 여기 고체 레이저는 Nd:YAG, Nd:YVO₄ 등의 고체 이득 매질에 흡수가 잘되는 파장을 가진 다이오드를 이득 매질에 입사하여 흡수시킨다. 한편 다이오드는 외부의 온도 1℃ 변화에 0.2~0.3nm의 파장이 변하게 되는데, 이득 매질의 흡수 스펙트럼의 폭은 3nm 이하이므로 다이오드의 파장이 변하면 이득 매질에 흡수되는 다이오드 빛의 양이 달라져 출력이 크게 변동하게 된다. 특히, 군용 거리 측정기나 DIRCM에 사용하는 레이저는 기체의 이륙 즉시 동작 되어야 하며, 비행체를 공격하는 미사일의 경우 발사한 순간부터 목표에 도달하는데 걸리는 시간이 수 분에 불과한데 반하여, 다이오드 여기 레이저가 발진하는데 걸리는 예열시간(warming-up time)과, 온도 변화에 안정된 출력을 얻기 위하여 수 분 이상의 시간이 소요된다.

더욱이, 대기의 온도는 -30~60℃까지 계절과 고도에 따라 변화가 심하므로 급변하는 온도의 변화에 신속하게 대응하여 레이저가 최대의 출력을 내는 온도에 도달하기 위해서는 냉각 혹은 가열 용량이 큰 온도제어장치가 필요하게 된다. 이러한 냉각 장치는 전체 레이저 시스템의 무게와 부피를 증가시켜 항공기 탑재에 부담을 주거나 어렵게 만든다. 따라서, 이러한 냉각 장치가 필요없는 다이오드 여기 레이저의 개발이 시급한 실정이다.

대한민국 공개특허공보 제10-2009-0038223호(2009.04.20)에는 냉각수의 사용을 회피하면서도 냉각 효율이 뛰어날 뿐만 아니라 고출력 레이저빔의 발생을 가능하도록 하기 위한 레이저 발생 장치 및 이의 제조 방법이 개시되어 있다.

도 1은 개시된 종래기술에 따른 레이저 발생장치에서의 냉각 구조를 도시하고 있다.

도시된 바와 같이, 광원(110)과, 일부영역(121)에 Nd와 같은 희토류 원소가 도핑되는 레이저매체(120)와, 레이저 매체의 외측면에 접하도록 방열부(130)가 포함되어 있다. 광원(110)은 하나 또는 둘 이상으로 이루어져 방사되는 광을 레이저매체(120)에 대해 다수의 방향으로 펌핑하며, 레이저매체(120)를 중심으로 120도 각도를 이루도록 설치되며 레이저매체(120)의 길이방향 축에 직교하는 방향으로 광을 펌핑하는 구조이다.

그러나 상기 종래기술에 따른 레이저 발생장치는, 방열블록(131)과 광원(110)이 중간 부분의 코어(121)를 중심으로, 주방향을 따라 일정각도를 두고 교대로 이격되어 설치되므로, 방열블록(131) 위치에는 광원을 설치하지 못하여 광원 설치 개수에 제한을 받아서, 고출력 레이저 발생 자체가 어렵게 되고, 광원 주변의 열을 효과적으로 방출하지 못하며 또한, 열이 효과적으로 방출되지 못하여 출력이 불안정한 문제가 있었다.

대한민국 공개특허공보 제10-2009-0038223호(2009.04.20)

본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 극복하기 위한 것으로서, 복수의 레이저 다이오드의 파장을 일정 차이값 간격을 갖도록 하고 출력 세기를 일정 비율로 설정하여 레이저의 출력 변동성을 안정시킬 수 있는 레이저 다이오드용 고체 레이저 장치를 제공하는 데에 그 목적이 있다.

또한, 출력 변동성이 안정되어 저온에서도 정상동작이 가능하고, 중량과 부피를 감소시킬 수 있는 레이저 다이오드용 고체 레이저 장치를 제공하는 데에 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 3면 이상의 측면을 갖으며 내부에 공간이 형성된 몸체, 상기 몸체의 각 측면에 부착되는 지지판, 상기 지지판에 각각 부착되는 3개 이상의 레이저 다이오드, 상기 몸체의 정면에 부착되는 마운트, 상기 마운트에 의하여 상기 몸체 내부 공간에 고정되며, 상기 레이저 다이오드로부터 출력된 레이저 빔을 흡수하는 이득 매질 및 상기 이득 매질을 감싸며 레이저 빔을 반사시키는 반사체를 포함하는 레이저 다이오드용 고체 레이저 장치를 제공한다.

상기 이득 매질은 원형봉 형태로 이루어지고, 상기 반사체는 상기 이득 매질을 중앙에 관통시키는 원통 형상으로 형성될 수 있다.

상기 반사체는 원주면에 하나 이상의 슬릿이 형성된 것이 바람직하다.

상기 지지판에 형성되고 상기 레이저 다이오드와 전기적으로 연결되는 전극을 더 포함할 수 있다.

상기 이득 매질은 Nd:YAG 또는 Nd:YVO4 의 물질을 포함할 수 있다.

상기 3개 이상의 각각의 레이저 다이오드의 파장은 4nm 이상 10nm 이하의 차이값 간격을 갖는다.

상기 3개 이상의 각각의 레이저 다이오드의 출력 세기의 비는 1:2 또는 2:1의 비율이 교대로 설정된다.

상기 몸체는 열전도도가 높은 인듐, 구리 또는 황동중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.

상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 레이저 다이오드용 고체 레이저 장치에 의하면, 복수의 레이저 다이오드의 파장을 일정 차이값 간격을 갖도록 하거나 출력 세기를 일정 비율로 설정하여 온도 안정화 장치가 없어도 레이저의 출력 변동성을 안정시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 출력 변동성이 안정되어 저온에서도 정상동작이 가능함으로써 레이저가 발진하는데 걸리는 예열시간이 필요 없고, 온도 안정화 장치가 제거되어 중량과 부피를 감소시킬 수 있는 효과도 있다.

도 1은 종래기술에 따른 레이저 발생장치에서의 냉각 구조를 나타낸 평면도.
도 2는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 레이저 다이오드용 고체 레이저 장치를 나타낸 사시도.
도 3은 도 2의 본 발명의 일실시예에 따른 반사체 및 이득 매질의 구조를 상세히 나타낸 사시도.
도 4는 종래 온도 변화에 따른 다이오드 레이저의 출력 변화를 나타낸 그래프.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 온도 변화에 따른 다이오드 레이저의 파장 변화를 나타낸 그래프.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 온도 변화에 따른 다이오드 레이저의 출력 변화를 나타낸 그래프.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 레이저 다이오드용 고체 레이저 장치를 나타낸 사시도이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 레이저 다이오드용 고체 레이저 장치는, 3면에서 고체 레이저의 이득 매질을 여기하는 레이저 장치를 나타낸다. 본 실시예에서는 3면을 구성한 형상을 도시하였으나, 이에 한정되지 않으며 3면 이상의 다각형 또는 원통형으로 구성될 수 있다.

몸체(3)는 3면 이상의 측면을 갖으며 내부에는 공간이 형성되고, 각각의 측면에는 레이저 다이오드(4)가 부착된 지지판(8)이 부착된다. 상기 몸체(3)는 레이저 다이오드(4)에서 방출되는 열을 잘 전도시킬 수 있도록 열전도도가 우수한 재질로 이루어진다. 상기 몸체(3)는 열전도도가 높은 인듐, 구리 또는 황동중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.

레이저 다이오드(4)는 상기 지지판(8)에 부착된다. 지지판(8)은 구리 등의 열전도도가 우수한 재질로 이루어지고, 인듐 등의 열전도도가 우수한 접착 물을 이용하여 레이저 다이오드(4)를 부착시킨다.

또한, 상기 지지판(8)에는 상기 레이저 다이오드(4)와 연결되는 전극(5)이 형성된다. 상기 전극(5)은 절연체로 감싸여 형성되고, 전극(5)과 지지판(8)의 틈새로 먼지나 이물질이 통과하지 못하도록 차폐되어 있다.

이득 매질(1)은 길이를 갖는 원형봉 형태로 이루어진다. 상기 이득 매질(1)은 마운트(2)에 의하여 상기 몸체(3)의 정면에 고정된다. 마운트(2)는 전기 전도도가 우수한 구리, 황동 등의 재질로 이루어진다.

도 3은 도 2의 본 발명의 일실시예에 따른 반사체 및 이득 매질의 구조를 상세히 나타낸 사시도이다.

도시된 바와 같이, 반사체(6)는 레이저 몸체(3)의 내부에 설치된다. 반사체(6)는 원통 형상으로 형성되어 중앙에 상기 이득 매질(1)이 관통되어 배치고, 원주면에 하나 이상의 슬릿(9)이 형성된다.

반사체(6)는 상기 레이저 다이오드(4)로부터 출력된 레이저 빔을 반사 또는 재반사하고, 이득 매질(1)은 상기 반사체(6)의 내부에 위치하여 레이저 빔을 직접 또는 간접 흡수한다.

이때, 슬릿(9)을 통하여 입사된 레이저 다이오드(4)의 레이저 빔은 일부는 이득 매질(1)에 직접 흡수되고, 다른 일부는 반사체(6) 내측면의 반사를 거쳐 이득 매질(1)에 간접 흡수된다.

반사체(6)는 다이오드 파장에 대하여 95% 이상의 고반사율을 가진 스펙트랄론(spectralon), 금코팅 금속 반사체 등의 재질로 이루어진다. 이와 같은 본 발명의 반사체(6)의 구조는 슬릿(9)을 통하여 입사한 레이저 빔이 최소 2회의 재반사를 통하여 90% 이상이 이득 매질(레이저 봉)(1)에 흡수될 수 있다.

도 4는 종래 온도 변화에 따른 다이오드 레이저의 출력 변화를 나타낸 그래프이다.

도시된 바와 같이, 레이저 다이오드(4)의 파장이 일정할 때, 레이저 전체의 온도가 -30℃에서 +60℃ 사이에서 변화함에 따라서 다이오드(4)의 파장이 변하고, 이에 따라 레이저 다이오드(4)의 파장이 이득 매질(1)의 흡수 계수가 매우 낮아서 반사체(6)에 의하여 재반사가 이루어지더라도 흡수율이 낮아 레이저 출력이 10℃이하에서 급격히 감소함을 나타낸다. 따라서 -30℃에서는 레이저출력이 20mJ로 감소하게 되므로, 레이저 거리측정기를 비롯한 장치의 성능을 안정되게 구현하지 못함을 나타낸다.

도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 온도 변화에 따른 다이오드 레이저의 파장 변화를 나타낸 그래프이고, 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 온도 변화에 따른 다이오드 레이저의 출력 변화를 나타낸 그래프이다.

본 실시예에서는 3면의 지지판(8)에 각각 1개씩 3개의 레이저 다이오드(4)를 배치하여 실험한 결과를 나타내었다.

도시된 바와 같이, 온도가 -30℃에서 Nd:YAG 이득 매질(1)의 흡수계수의 피크값에서 떨어진 780nm, 790nm, 800nm의 10nm 차이값 간격으로 떨어진 3가지 파장을 갖고, 출력은 서로 같은 레이저 다이오드(4)를 사용하였을 때, 레이저 전체의 온도가 -30℃에서 +60℃ 사이에서 변화함에 따라서 다이오드(4)의 파장이 화살표(10)로 표시한 것과 같이 30nm 정도 변하여도 레이저의 평균 펄스당 출력이 127mJ이고, 표준편차가 12mJ로 평균의 10% 이내로 출력 변동이 감소함을 나타낸다.

따라서, -30℃에서 +60℃ 사이의 온도에서 10% 미만의 출력 변동을 보여줌으로, 이 정도의 출력 변동은 레이저 거리측정기를 비롯한 장치의 성능을 안정되게 구현할 수 있음을 나타낸다.

특히, 본 발명의 바람직한 일실시예에서, 3개의 레이저 다이오드(4)의 출력이 같고, 각 레이저 다이오드(4)의 파장(스펙트럼)이 4nm 이상 10nm 이하의 차이값 간격으로 설정될 때, 최적의 결과를 얻을 수 있었다.

또한, 파장이 다른 3개의 각 레이저 다이오드(4)의 출력 세기의 비를 1:2:1 또는 2:1:2로 배치할 때, 예로서, 5w:10w:5w 또는 10w:5w:10w의 비율로 배치할 때, 최적의 결과를 얻을 수 있었다.

본 실시예에서의 출력 세기의 비율은 3면의 지지판(8)에 각각 1개씩 3개의 레이저 다이오드(4)를 배치하여 실험한 결과를 나타내었으나, 이에 한정되지 않으며 3면 이상의 다각형 또는 원통형으로 구성될 경우, 상기 3개 이상의 각 레이저 다이오드(4)의 출력 세기의 비를 1:2 또는 2:1의 비율로 교대로 배치되도록 할 수도 있다. 예로서, 4개의 다이오드가 배치될 경우, 출력 세기의 비는 1:2:1:2 또는 2:1:2:1이 될 수 있고, 5개의 다이오드가 배치될 경우, 츨력 세기의 비는 1:2:1:2:1 또는 2:1:2:1:2가 될 수 있다.

상기 3개 이상의 각각의 레이저 다이오드는 각각의 파장이 다르고, 출력 세기의 비는 1:1, 1:2 또는 2:1 그리고 상황에 따라서는 비대칭적인 비율이 교대로 설정될 수도 있다.

따라서, 본 발명의 바람직한 일실시예에 의하면, 복수의 레이저 다이오드의 파장을 일정 차이값 간격을 갖도록 하거나 출력 세기를 일정 비율로 설정하여 온도 안정화 장치가 없어도 레이저의 출력 변동성을 안정시킬 수 있고 또한, 출력 변동성이 안정되어 저온에서도 정상동작이 가능함으로써 레이저가 발진하는데 걸리는 예열시간이 필요 없고, 온도 안정화 장치가 제거되어 중량과 부피를 감소시킬 수 있다.

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.

1 : 이득 매질
2 : 마운트
3 : 몸체
4 : 레이저 다이오드
5 : 전극
6 : 반사체
7 : 레이저 빔의 궤적
8 : 지지판
9 : 슬릿

Claims

3면 이상의 측면을 갖으며 내부에 공간이 형성된 몸체;
상기 몸체의 각 측면에 부착되는 지지판;
상기 지지판에 각각 부착되는 3개 이상의 레이저 다이오드;
상기 몸체의 정면에 부착되는 마운트;
상기 마운트에 의하여 상기 몸체 내부 공간에 고정되며, 상기 레이저 다이오드로부터 출력된 레이저 빔을 흡수하는 이득 매질; 및
상기 이득 매질을 감싸며 레이저 빔을 반사시키는 반사체;를 포함하되,
상기 레이저 다이오드의 파장은 4nm 이상 10nm 이하의 차이값 간격을 갖는 것을 특징으로 하는 레이저 다이오드용 고체 레이저 장치.
제 1항에 있어서,
상기 이득 매질은 원형봉 형태로 이루어지고,
상기 반사체는 상기 이득 매질을 중앙에 관통시키는 원통 형상으로 형성된 것을 특징으로 하는 레이저 다이오드용 고체 레이저 장치.
제 2항에 있어서,
상기 반사체는 원주면에 하나 이상의 슬릿이 형성된 것을 특징으로 하는 레이저 다이오드용 고체 레이저 장치.
제 1항에 있어서,
상기 지지판에 형성되고 상기 레이저 다이오드와 전기적으로 연결되는 전극을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 다이오드용 고체 레이저 장치.
제 1항에 있어서,
상기 이득 매질은 Nd:YAG 또는 Nd:YVO₄ 의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 다이오드용 고체 레이저 장치.
삭제
제 1항에 있어서,
상기 3개 이상의 각각의 레이저 다이오드의 출력 세기의 비는 1:2 또는 2:1의 비율로 교대로 설정된 것을 특징으로 하는 레이저 다이오드용 고체 레이저 장치.
제 1항에 있어서,
상기 몸체는;
열전도도가 높은 인듐, 구리 또는 황동중 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 다이오드용 고체 레이저 장치.