KR101338309B1 - 외부 공진기 레이저 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 외부 공진기를 이용한 레이저 시스템에 관한 것으로서, 반사거울과 글래스 플레이트(glass plate)의 회전 구동을 통해 빔이 원래의 경로로 유지될 수 있도록 하여 파장 변조시 유발되는 빔의 스티어링(Steering) 및 시프트(Shift) 현상을 방지할 수 있고, 다수의 지점에서 통과된 빔을 검출하여 피드백을 통한 정확한 제어가 가능한 외부 공진기 레이저 시스템을 개시한다.

Description

외부 공진기 레이저 시스템{External Cavity Laser System}
본 발명은 외부 공진기를 이용한 레이저 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 레이저 빔의 파장 변조시 일어나는 빔의 스티어링(Steering) 및 시프트(shift) 현상을 방지할 수 있는 외부 공진기 레이저 시스템에 관한 것이다.
주지된 바와 같이, 홀로그래픽 광 메모리 시스템(Holographic data storage system)에 사용되는 레이저는 높은 가간섭성(Coherence)이 요구된다. 이러한 홀로그래픽 광 메모리 시스템과 같은 높은 가간섭성 특성이 요구되는 기존의 시스템에서는 원하는 특성을 얻기 위하여 높은 단가를 갖는 레이저 광원을 사용할 수밖에 없었다.
최근에는 이러한 레이저 광원을 이용하는 장치의 비용적 문제를 해결하기 위하여 비용적 측면에서 상대적으로 저렴한 레이저 다이오드(Laser Diode; LD)를 광원으로 사용하는 시스템이 개발되고 있다. 그러나 레이저 다이오드(LD)는 기존 광원에 비해 광원의 소스(source)가 불안정하고 상대적으로 낮은 가간섭성을 갖기 때문에 홀로그래픽 광 메모리 시스템의 광원으로는 적합하지 않은 단점이 있다.
이러한 단점을 보완하기 위하여, 종래에는 레이저 다이오드에 외부 공진기(External Cavity)를 부착하여 가간섭성을 높인 레이저 시스템이 개발되었다. 이와 같은 외부 공진기를 사용한 레이저 시스템은 시스템의 온도에 대한 보상까지 가능하다는 장점 때문에 현재의 레이저 시스템에 널리 적용되어 사용되고 있다.
한편, 종래의 레이저 시스템에 적용되고 있는 외부 공진기 방식은 Littman-Metcalf 외부 공진기와 Littrow 외부 공진기가 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 Littman-Metcalf 방식의 외부 공진기를 설명하기 위한 구조도이다.
도 1을 참조하면, Littman-Metcalf 방식의 외부 공진기는 넓은 파장 대역을 갖는 레이저 다이오드(101)와, 레이저 다이오드(101)로부터 발생된 빔을 평행하게 만드는 제1렌즈(102a)와, 평행 빔을 회절시키기 위한 회절격자(104)와, 회절된 빔을 반사시키기 위한 반사 거울(105)을 포함하여 구성된다.
이와 같은 구성을 갖는 외부 공진기 레이저 시스템은 레이저 다이오드(101)에서 발생된 빔 중에서 일부는 회절격자(104)에서 반사되어 렌즈(102b)를 통하여 광섬유(103)에 집속되고, 동시에 레이저 다이오드(101)로부터 발생된 빔 중에서 특정 파장을 갖는 빔은 제1렌즈(102a)에 의해 빔이 평행하게 모아지며, 이 평행 상태의 빔은 회절격자(104)에 의해 반사거울(105) 쪽으로 회절된다. 반사거울(105)은 기계장치에 의해 회절격자(104)로 향하는 각도가 조절되며, 이로써, 반사거울(105)은 반사거울(105)로 입사되는 파장 중 수직으로 입사되는 특정 파장만을 회절격자(104)로 반사시킨다. 그리고 회절격자(104)로 반사되어 돌아온 빔은 회절격자(104)에 의해 회절되어 제1렌즈(102a)를 통해 레이저 다이오드(101)로 다시 돌아간다. 이때, 반사거울(105)이 제1각도(109)로 배치되면, 일정 파장을 갖는 제1빔(107)이 반사거울(105)에 수직으로 입사되어 회절격자(104)로 다시 반사된다. 또한, 반사거울(105)이 제2각도(110)로 배치되면, 파장이 다른 제2빔(108)이 반사거울(105)에 수직으로 입사되어 회절격자(104)로 다시 반사된다. 결국, 반사거울(105)이 배치되는 각도에 따라서, 레이저 다이오드(101)로 되돌아가는 빔의 파장이 달라지며, 반사 거울의 각도에 따라 파장 가변이 이루어지게 된다.
이와 같이 반사거울의 각도를 조절하여 파장을 가변시키는 Littman-Metcalf 방식의 외부 공진기는 비교적 작은 사이즈의 회절격자로 구현이 가능하고 파장의 튜닝시 빔의 스티어링(steering) 현상이 발생하지 않는 장점이 있는 반면, 시스템이 Littrow 방식의 외부 공진기에 비하여 복잡하고, 빔이 회절격자를 2번 통과하기 때문에 파워(power)의 손실(loss)가 크다는 단점이 있다.
한편, 도 2는 종래 기술에 따른 Littrow 방식의 외부 공진기를 설명하기 위한 구조도이다.
도 2를 참조하면, Littrow 방식의 외부 공진기는 Littman-Metcalf 외부 공진 기의 구성과 유사하지만, 단지, Littrow방식의 외부 공진기는 반사거울의 각도를 조절하는 것이 아니라, 회절격자(104)의 각도를 조절하여 파장을 가변시키는 구조이다. 레이저 다이오드(101)로부터 빔이 발생되면, 렌즈(102)에 의해 빔이 평행하게 모아지고, 평행하게 모아진 빔 중에서 특정 파장을 갖는 빔은 회절격자(104)의 각도에 따라 회절되어 렌즈(102)로 다시 반사된다. 회절격자(104)에 의해 반사된 빔은 렌즈(102)를 통해 레이저 다이오드(101)로 돌아간다. 결국, 회절격자(104)가 배치되는 각도에 따라서, 레이저 다이오드(101)로 되돌아가는 빔이 달라지며, 빔의 파장에 따라 파장 가변이 이루어지게 된다.
이와 같이 회절격자의 각도를 조절하여 파장을 가변시키는 Littrow 방식의 외부 공진기는 앞서 언급된 Littman-Metcalf 방식에 비해 시스템이 간결하게 구성된다는 장점과 함께, 보다 높은 파워를 갖는 시스템 구현이 가능하다는 장점을 갖는 반면, 시스템을 구성하기 위해 비교적 큰 사이즈의 회절격자가 요구되고 파장 튜닝시 빔의 스티어링(steering) 현상이 발생하게 되는 단점이 있다.
상술한 바와 같은 Littman-Metcalf 방식과 Littrow 방식이 지니고 있는 각각의 장단점에도 불구하고, 최근에 개발되고 있는 레이저 시스템에서는 대부분 Littrow 방식을 기반으로 시스템이 많이 구현되고 있다. 이는 통상의 레이저 다이오드(LD)가 기존의 광원(Solid State Laser 등)에 비해 상대적으로 저렴하지만 낮은 광 파워를 갖게 된다는 단점을 보완해 주어 보다 높은 파워를 갖도록 시스템을 구성할 수 있기 때문이다.
그러나, 이와 같은 Littrow 방식의 외부 공진기를 사용한 레이저 시스템은 레이저 빔의 파장 변조를 위하여 회절격자(diffraction grating)를 직접 조정해야되기 때문에 레이저 빔의 경로가 변하게 되는 스티어링(Steering) 현상이 발생된다는 단점이 있다. 이러한 레이저 빔의 스티어링 현상은 회절격자 뒷부분에 거울(Mirror)을 두어 이를 통해 조절하는 등의 방법을 통해서 어느 정도 수준까지는 보상이 가능하지만, 이러한 방식의 경우에도 레이저 빔의 각도 부분은 대부분 보상이 가능하나 빔의 시프트(Shift) 현상까지 보상하는 완벽한 보상은 힘들다는 단점이 있었다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 반사거울과 글래스 플레이트(glass plate)의 회전 구동을 통해 빔이 원래의 경로로 유지될 수 있도록 함으로써 파장 변조시 유발되는 빔의 스티어링 및 시프트 현상을 방지할 수 있고, 동시에, 다수의 지점에서 통과된 빔을 검출하여 제어가 정확하게 이루어졌는지 확인하여 피드백을 통해 정확한 제어가 가능하도록 한 외부 공진기 레이저 시스템을 제공하는 데에 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 외부 공진기 레이저 시스템은 빔을 방출하는 레이저 다이오드; 상기 레이저 다이오드를 통해 방출된 빔을 회절시키는 회절격자; 상기 회절격자에서 회절된 빔을 반사하는 반사거울; 상기 반사거울을 통하여 반사된 빔이 통과하는 글래스 플레이트(glass plate)를 포함하여 구성되어, 상기 반사거울의 회전을 통해 빔의 스티어링(steering) 현상을 조정하고 상기 글래스 플레이트에 의해 빔의 경로변경이 유발되어 빔의 시프트(shift) 현상을 조정할 수 있도록 형성한 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 레이저 다이오드는 적어도 2개 이상 설치되고, 상기 레이저 다이오드에서 상기 회절격자로 향하는 레이저 빔의 진행경로 상에는 특정 파장의 빔을 통과시키거나 반사시킬 수 있는 색선별 거울이 설치될 수 있다.
그리고, 상기 회절격자와 반사거울 및 글래스 플레이트는 각각 엑츄에이터(actuator)에 의해 회전 구동될 수 있다.
이와 달리, 상기 회절격자와 반사거울 및 글래스 플레이트는 각각 갈바노 미러(Galvano Mirror)에 의해 회전 구동되도록 구성될 수 있다.
또는, 상기 회절격자와 반사거울 및 글래스 플레이트는 각각 전동 스테이지 의해 회전 구동되도록 구성될 수 있다.
한편, 본 발명에는 상기 글래스 플레이트를 통해 입사되는 빔 중 일부를 투과하거나 반사시키는 빔 스플리터(beam spliter)가 더 설치될 수 있다.
그리고, 본 발명에는 상기 빔 스플리터를 통해 입사되는 빔을 검출하는 광 검출기가 더 설치될 수 있다.
아울러, 본 발명은 상기 레이저 다이오드에서 방출되는 빔의 온도를 검출하는 온도센서와; 상기 온도센서를 통해 검출된 빔의 온도와 상기 광 검출기를 통해 검출된 빔의 광량을 기반으로 상기 회절격자와 반사거울 및 글래스 플레이트의 회전구동을 각각 제어하는 제어부를 더 포함하여 구성될 수 있다.
이때, 상기 빔 스플리터와 광 검출기는 각각 적어도 2개 이상이 설치될 수 있다.
또한, 상기 글래스 플레이트와 빔 스플리터 사이에는 상기 글래스 플레이트를 통과한 빔의 광량을 조절해주는 어퍼처(aperture)가 더 설치될 수 있다.
이때, 상기 어퍼처는 적어도 2개 이상 설치될 수 있다.
또한, 상기 어퍼처와 상기 광 검출기는 일체로 형성될 수 있다.
아울러, 상기 광 검출기는 복수 개로 분할된 광 검출소자를 통해 광의 입사되는 위치를 검출하는 분할형 광 검출기로 채택하여 구성할 수 있다.
본 발명에 의하면, 외부 공진기를 사용한 기존 레이저 시스템(특히, Littrow 방식의 시스템)의 가장 큰 단점으로 작용하던 레이저 빔의 스티어링(Steering) 현상 및 시프트(Shift) 현상을 방지하고, 빔이 원래의 진행 경로를 따라 정밀하게 유도될 수 있도록 함으로써 시스템의 안정성을 향상시키고 효율적인 시스템을 구현할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명은 시스템에 다양한 파장대를 갖는 2개 이상의 레이저 다이오드를 적용하여 시스템을 구성함으로써 멀티 파장 및 높은 가간섭성을 갖는 외부 공진기 레이저 시스템을 구현할 수 있고, 특히, 이러한 멀티 파장과 높은 가간섭성이 요구되는 CD(Compact Disc), DVD(Digital Video Disc), BD(Blu-ray Disc)와, 홀로그래픽 광 메모리 시스템(Holographic Data Storage System)과 같은 장치 등에 효과적으로 적용하여 사용할 수 있다.
또한, 본 발명은 레이저 시스템의 광원 수단으로서 기존의 일반적인 광원보다 비교적 가격이 저렴한 레이저 다이오드(laser diode)를 사용하기 때문에, 보다 저렴한 비용으로 장치를 구현할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명은 레이저 빔을 회절시키는 회절격자를 엑츄에이터를 통해 회전 구동되도록 구성함으로써, 엑츄에이터의 구동에 따른 회절격자의 정밀한 회전동작이 가능하고 레이저 빔의 파장을 선별적으로 걸러내어 효과적으로 튜닝할 수 있는 장점이 있다.
마찬가지로, 반사거울 및 글래스 플레이트를 엑츄에이터를 통해 회전 구동되도록 구성하였기 때문에, 엑츄에이터 작동에 따른 반사거울 및 글래스 플레이트의 정밀한 각도 제어가 가능하여 레이저 빔의 경로를 정밀하게 제어할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명은 글래스 플레이트를 통과하여 진행하는 빔의 진행경로 상에 2개 이상의 어퍼처(aperture)를 설치하여 구성함으로써, 레이저 빔의 경로를 더욱 정확하고 정밀하게 가이드 할 수 있는 장점이 있다. 특히, 각각의 어퍼처 후방 측에 빔 스플리터(Beam spliter)를 설치함으로써 외부로 조사되는 레이저 빔의 파워를 효과적으로 측정할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명은 각각의 빔 스플리터 후방 측에 광을 검출할 수 있는 광 검출기(Photo detector)를 설치함으로써, 다수의 광 검출기에서 측정된 레이저 빔의 파워를 기반으로 하여 빔의 정확한 경로를 제어할 수 있고 파장 변조시 레이저 빔의 스티어링(Steering) 현상을 방지할 수 있다. 이때, 광 검출기의 일부를 레이저 빔의 안정성(Stability)을 모니터링할 수 있는 용도로도 사용하여 시스템의 안정성을 확보할 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 Littman-Metcalf 방식의 외부 공진기를 설명하기 위한 구조도.
도 2는 종래 기술에 따른 Littrow 방식의 외부 공진기를 설명하기 위한 구조도.
도 3은 본 발명의 일실시 예에 따른 외부 공진기 레이저 시스템의 구성을 도시한 구성도.
도 4는 본 발명의 제어부에 의한 반사거울 및 글래스 플레이트의 제어 과정을 설명하는 개념도.
도 5는 본 발명의 반사거울 및 글래스 플레이트에 의한 스티어링 및 시프트 조정 과정을 설명하는 개념도.
도 6은 본 발명의 글래스 플레이트에 의한 시프트 조정 과정을 설명하는 개념도.
도 7은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 광 검출기가 어퍼처에 부착되어 일체화된 형태를 보여주는 예시도.
도 8은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 분할형 광 검출기를 보여주는 예시도.
이하, 본 발명의 일실시 예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 일실시 예에 따른 외부 공진기 레이저 시스템의 구성을 보여주는 구성도이다. 도 3에 도시한 바와 같이, 본 발명의 외부 공진기 레이저 시스템은 레이저 빔을 방출하는 2개의 레이저 다이오드(laser diode)(101a)(101b)와, 상기 레이저 다이오드(101a)(101b)를 통해 방출된 빔을 회절시키는 회절격자(104)와, 상기 회절격자(104)에서 회절된 빔을 반사하는 반사거울(105)과, 상기 반사거울(105)을 통하여 반사된 빔이 통과하는 글래스 플레이트(glass plate)(106)와, 상기 글래스 플레이트(106)를 통해 입사되는 빔 중 일부를 투과하거나 반사시키는 빔 스플리터(beam spliter)(107)와, 상기 빔 스플리터(107)를 통해 입사되는 빔을 검출하는 광 검출기(108)와, 상기 광 검출기(108)로부터 검출된 전기 신호가 전송되는 제어부(110)를 포함하여 구성된다.
상기 2개의 레이저 다이오드(101a)(101b)는 레이저 빔을 방출할 수 있는 광원들로서 각기 서로 다른 파장대를 갖도록 구성된다. 이러한 레이저 다이오드(101a)(101b)는 설치 개수를 2개 이상으로 늘려 구성하는 것도 가능한데, 이렇게 다양한 파장대를 갖는 2개 이상의 레이저 다이오드를 두어 구성하게 되면, 각기 다른 여러 파장을 선별적으로 사용하여 가간섭성(coherence)을 높일 수 있고, 레이저 시스템에 다양한 파장의 소스(source)를 제공할 수 있다.
그리고, 상기 레이저 다이오드(101a)(101b)로부터 방출되는 빔의 진행경로 상에는 레이저 다이오드(101a)(101b)로부터 발생된 빔을 평행하도록 만들어주는 콜리메이션 렌즈(collimation lens)(102a)(102b)가 설치되고, 이 콜리메이션 렌즈(102a)(102b)에서 회절격자(104)로 향하는 빔의 진행경로 상에는 상기 콜리메이션 렌즈(102a)(102b)를 통해 입사되는 레이저 빔 중에서 특정 파장의 빔을 통과시키거나 반사시켜 색을 선별할 수 있는 색선별 거울(103)이 설치된다.
한편, 상기 색선별 거울(103)을 통과한 평행 빔은 회절격자(104)를 통해 회절되어 특정 파장만 걸러진 상태로 반사거울(105)로 입사되고, 이렇게 걸러진 특정 파장의 빔은 다시 반사거울(105)을 통해 반사되어 그 후방 측에 위치한 글래스 플레이트(glass plate)(106)로 입사된다.
이때, 상기 회절격자(104), 반사거울(105) 및 글래스 플레이트(106)는 일정한 기계장치를 통해 회전 구동되어 미세 각도조절이 가능하도록 구성될 수 있다.
본 실시 예에서는 회절격자(104), 반사거울(105) 및 글래스 플레이트(106)를 각각 엑츄에이터(actuator)(미도시)에 부착하여 구성하였는바, 상기 각각의 엑츄에이터들은 후술되는 제어부(110)와 전기적으로 서로 연결되도록 구성되어, 상기 제어부(110)로부터 전송되는 전기신호에 따라 각 엑츄에이터의 구동이 이루어져 회절격자(104), 반사거울(105) 및 글래스 플레이트(106)를 독립적으로 제어하며 미세 회전시킬 수 있도록 되어 있다.
이때, 본 실시 예에서는 상기 회절격자(104), 반사거울(105) 및 글래스 플레이트(106)를 회전 구동시키는 기계장치로서 엑츄에이터를 채용하고 있지만, 이 밖에 갈바노 미러(Galvano Mirror)나 전동 스테이지(stage) 등 기타 여러 기계장치들을 사용하여 회전 구동이 이루어지도록 구성할 수도 있다.
한편, 레이저 빔의 출구 부분에는 빔 스플리터(beam spliter)(107)가 설치되는데, 이러한 빔 스플리터(107)는 글래스 플레이트(106)를 통해 입사되는 빔 중 일부를 투과하거나 반사시키게 되면, 상기 빔 스플리터(107)를 통해 반사된 빔은 광 검출기(108)로 입사된다. 그리고, 상기 광 검출기(108)에서는 빔 스플리터(107)를 통해 입사되는 빔을 검출하고 전기신호로 변환하여 제어부(110)로 전송하게 된다.
이와 같이, 레이저 빔의 출구 부분에 빔 스플리터(107)를 배치함으로써 광 검출기(108)를 통해 검출된 전기신호를 기반으로 레이저 빔의 안정성(Stability) 측정이 가능하고, 이렇게 측정된 값을 제어부(110)에서 피드백(Feedback) 받아 다시 적절한 전류 값으로 조정하여 송출함으로써 레이저 다이오드(101a)(101b)가 항상 일정한 파워(power)를 유지할 수 있도록 한다.
아울러, 레이저 다이오드(101a)(101b)에서 방출되는 빔의 온도를 검출할 수 있는 온도센서(120)를 설치하고, 이 온도센서(120)를 통해 검출된 온도 값을 제어부(110)로 전송하도록 함으로써, 제어부(110)를 통해 레이저 시스템의 적절한 온도보상이 가능하도록 구성되어 있다.
이와 함께, 상기 온도센서(120)를 통해 검출된 빔의 온도와 광 검출기(108)를 통해 검출된 빔의 광량을 기반으로 제어부(110)에서는 회절격자(104)와 반사거울(105) 및 글래스 플레이트(106)의 각 엑츄에이터에 적절한 전기신호를 보내어 이들의 회전구동을 각각 제어하게 된다.
도 4는 제어부(110)에 의한 반사거울(105) 및 글래스 플레이트(106)의 제어 과정을 설명하는 것으로서, 전술된 빔 스플리터(107)와 광 검출기(108)가 각기 2개씩 설치된 실시 예의 구성을 보여주고 있다.
도 4에 도시한 바와 같이, 본 발명의 외부 공진기 레이저 시스템은 2개의 빔 스플리터(107a)(107b)와 2개의 광 검출기(108a)(108b)를 설치하여 구성할 수도 있는데, 상기 각 빔 스플리터(107a)(107b)의 전방 측에는 글래스 플레이트(106)를 통과한 빔의 광량을 조절해주기 위한 2개의 어퍼처(aperture)(122)(124)가 설치된다.
이때, 상기 어퍼처(122)(124)는 글래스 플레이트(106)를 통과한 빔을 필터링(filtering) 하여 빔의 정확한 경로(Path)를 정해주는 필터 기능을 수행하게 되는데, 이러한 어퍼처(122)(124)를 두 지점(글래스 플레이트와 첫 번째 빔 스플리터 사이, 첫 번째 빔 스플리터와 두 번째 빔 스플리터 사이)에 지정 설치함으로써 빔의 완벽한 광 경로(Path)를 얻을 수 있다.
이렇게 구성됨에 따라 글래스 플레이트(106)를 통과한 빔은 각각의 어퍼처(122)(124)를 거쳐 광량이 조절된 상태에서 빔 스플리터(107a)(107b)를 통해 반사되어 광 검출기(101a)(101b)로 입사됨으로써 광 검출기(101a)(101b)에서 광 검출 작용이 이루어진다.
그리고 상기 광 검출기(101a)(101b)는 어퍼처(122)(124)를 통과한 광량을 측정하여, 반사거울(105) 및 글래스 플레이트(106)의 현재 정렬상태를 모니터링(monitoring)하고 이를 다시 제어부(110)에 피드백(feedback)한다. 그리고, 제어부(110)는 상기 피드백 받은 정보로부터 반사거울(105)과 글래스 플레이트(106)를 컨트롤하여 레이저 빔의 올바른 광 경로를 조정하게 되고 이를 통해 파장 변조시 발생하는 빔의 스티어링(Steering) 및 시프트(Shift)를 조정해 주는 것이다.
이때, 본 발명의 레이저 시스템에 적용되는 빔 스플리터(107a)(107b), 광 검출기(108a)(108b) 및 어퍼처(122)(124)의 설치 개수를 필요에 따라 각기 2개 이상으로 구비하여 설치할 수도 있다.
또한, 상기 어퍼처(122)(124)와 광 검출기(108a)(108b)가 독립적인 구조물로 존재하는 본 실시 예와 달리, 상기 어퍼처(122)(124)를 광 검출기(108a)(108b) 상에 형성하여 하나의 구조체를 이루도록 일체로 형성함으로써, 빔 스플리터(107a)(107b)를 별도로 사용하지 않고서도 효율적인 레이저 시스템 구성이 가능하다.
한편, 도 5는 본 발명에 따른 외부 공진기 레이저 시스템에 있어서, 레이저 빔의 파장 변조시 반사거울(105) 및 글래스 플레이트(106)에 의해 스티어링(steering) 현상이 조정되는 과정을 설명하는 것이고, 도 6은 레이저 빔의 파장 변조시 글래스 플레이트(106)에 의해 시프트(shift) 현상이 조정되는 과정을 설명한 것이다.
먼저, 도 5를 참조하면, 회절격자(104)를 통해 회절된 빔은 반사거울(105)에서 반사되어 글래스 플레이트(106)로 입사되는데, 상기 반사거울(105)을 통해 반사되는 Beam 1이 Beam 2로 변조되기 위해서는 회절격자(104)를 회전(Rotation)시켜야 된다. 이때, 반사거울(105)이 회전되지 않고 멈추어 있을 경우에는 빔의 반사과정에서 정상적인 경로를 왜곡시키는 빔의 스티어링(Steering) 현상이 일어나게 되는데, 이러한 빔의 스티어링 현상은 반사거울(105)의 회전을 통해 해결이 가능하다. 즉, 제어부(110)에서 전송된 전기신호를 받아 반사거울(105)이 부착된 엑츄에이터(미도시)가 구동됨에 따라 반사거울(105)이 소정 각도로 회전되면서 반사 빔이 Beam 1에서 Beam 2로 변조가 가능해지기 때문에 빔의 스티어링 현상이 억제된다.
한편, 상기와 같이 반사거울(105)이 일정 각도로 회전될 경우, 반사 빔은 Beam 2와 같이 Beam 1과 각도는 동일하지만 빔의 위치 편차가 발생되는 시프트(Shift) 현상이 일어나게 된다. 이러한 빔의 시프트 현상은 매질에 대한 굴절률 차이를 제공하는 글래스 플레이트(Glass plate)(106)를 통해 극복 가능하다. 즉, 도 6에서 보는 것과 같이, 굴절의 법칙인 스넬의 법칙(Snell's law)을 따르면, 특정 매질(글래스 플레이트)로 들어간 빛의 광 경로는 다음의 식을 따르게 된다.
Figure 112012022539053-pat00001
Figure 112012022539053-pat00002
(θ1 는 매질 1에서의 입사각, θ2 는 매질 2에서의 입사각, θ3 는 매질 2에서의 굴절각, θ4 는 매질 1에서의 굴절각, ｎ1 는 매질 1에서의 굴절률, ｎ2 는 매질 2에서의 굴절률)
여기서, θ2와 θ3는 수학적으로 같은 값을 가지게 되고, 마찬가지로 θ1와 θ4 또한 같은 값을 가지게 된다. 따라서, 글래스 플레이트(106)를 통과한 빔은 글래스 플레이트(106)를 통과하기 전의 빔과 진행방향은 동일하지만 위치편차가 있는 빔의 형태가 되고, 이는 빔이 마치 시프트(Shift)된 것과 같은 효과를 나타낸다. 이에 따라 빔(Beam)의 광 경로를 맞추는 것이 가능한 것이다.
이와 같이, 본 발명은 회절격자(104)에 의한 빔의 파장 변조시 반사거울(105)의 회전을 통해 레이저 빔의 스티어링(steering) 현상을 방지할 수 있고, 빔이 글래스 플레이트(106)를 통과하면서 매질 간의 굴절률 차이에 의해 빔의 경로변경을 유발시켜 빔의 시프트(shift) 현상을 억제할 수 있게 된다.
한편, 전술된 본 발명의 실시 예에서는 빔의 파장 변조시 유발되는 스티어링 및 시프트 현상을 반사거울(105)과 글래스 플레이트(106)를 통해 해결하였으나, 이러한 반사거울과 글래스 플레이트 대신에 다축 자유도를 갖는 별도의 스테이지(stage)를 구성하여 글래스 플레이트 없이 반사거울만으로도 광 경로를 제어할 수 있도록 구성하는 것도 가능하다.
아울러, 전술된 실시 예에서는 어퍼처(122)(124)와 광 검출기(108a)(108b)를 각각 2개씩 설치하여 광 경로 제어시스템을 구성하였지만, 이와 같은 어퍼처 및 광 검출기의 설치 개수를 늘여서, 보다 많은 어퍼처 및 광 검출기를 사용하게 될 경우에는 한층 더 정밀한 제어도 가능하게 된다.
한편, 상술한 본 발명의 실시 예에서는 어퍼처(122)(124)와 광 검출기(108a)(108b)가 독립적인 구조물로 설치된 구성을 일 예로 들어 설명하였으나, 이 밖에 가능한 또 다른 형태로서, 상기 광 검출기(108a)(108b)를 어퍼처(122)(124)와 일체화된 형태로 설치하여 구성할 수도 있다.
도 7은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 광 검출기가 어퍼처에 부착되어 일체화된 형태를 보여주는 예시도로서, 도 7에 도시한 바와 같이, 상기 어퍼처(122)(124)의 중심부 홀(121) 주변에 상하좌우 방향으로 4개의 광 검출기(108)가 부착된 형태의 하나의 어퍼처 구조체를 사용하여 구성함으로써, 빔 스플리터(107a)(107b)를 별도로 사용하지 않고서도 효율적인 레이저 시스템 구성이 가능하다.
또한, 본 발명은 레이저 시스템에 채용되는 광 검출기(108)를 일반적인 광 검출기가 아닌 분할형 광 검출기로 채택하여 구성할 수도 있다.
도 8은 이와 같은 분할형 광 검출기의 일 예를 예시한 것으로서, 도 8에 도시한 바와 같이, 빔 스플리터(107)를 거쳐 입사되는 광을 검출하는 광 검출기(108)를 오른쪽에 나타낸 형태와 같이 3개로 분할된 광 검출소자(108c)(108d)(108e)를 통해 광의 입사되는 위치를 검출할 수 있도록 구성할 수 있다. 이와 같이, 광 검출기(108)를 일반적인 광 검출기가 아닌 분할형 광 검출기를 채택하여 구성하게 된다면, 위치검출(Position detection) 방식의 제어 시스템에도 응용이 가능하다.
101a,101b : 레이저 다이오드 102a,102b : 콜리메이션 렌즈
103 : 색선별 렌즈 104 : 회절격자
105 : 반사거울 106 : 글래스 플레이트
107 : 빔 스플리터 108 : 광 검출기
110 : 제어부 120 : 온도센서

Claims (13)

  1. 빔을 방출하는 레이저 다이오드;
    상기 레이저 다이오드를 통해 방출된 빔을 회절시키는 회절격자;
    상기 회절격자에서 회절된 빔을 반사하는 반사거울;
    상기 반사거울을 통하여 반사된 빔이 통과하는 글래스 플레이트(glass plate)를 포함하여 구성되어,
    상기 반사거울의 회전을 통해 빔의 스티어링(steering) 현상을 조정하고 상기 글래스 플레이트에 의해 빔의 경로변경이 유발되어 빔의 시프트(shift) 현상을 조정할 수 있도록 형성하되,
    상기 레이저 다이오드는 적어도 2개 이상 설치되고,
    상기 레이저 다이오드에서 상기 회절격자로 향하는 레이저 빔의 진행경로 상에는 특정 파장의 빔을 통과시키거나 반사시킬 수 있는 색선별 거울이 설치된 것을 특징으로 하는 외부 공진기 레이저 시스템.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 회절격자와 반사거울 및 글래스 플레이트는 각각 엑츄에이터(actuator)에 의해 회전 구동되는 것을 특징으로 하는 외부 공진기 레이저 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 회절격자와 반사거울 및 글래스 플레이트는 각각 갈바노 미러(Galvano Mirror)에 의해 회전 구동되는 것을 특징으로 하는 외부 공진기 레이저 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 상기 회절격자와 반사거울 및 글래스 플레이트는 각각 전동 스테이지 의해 회전 구동되는 것을 특징으로 하는 외부 공진기 레이저 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 상기 글래스 플레이트를 통해 입사되는 빔 중 일부를 투과하거나 반사시키는 빔 스플리터(beam spliter)가 더 설치된 것을 특징으로 하는 외부 공진기 레이저 시스템.
  7. 제6항에 있어서, 상기 빔 스플리터를 통해 입사되는 빔을 검출하는 광 검출기가 더 설치된 것을 특징으로 하는 외부 공진기 레이저 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 레이저 다이오드에서 방출되는 빔의 온도를 검출하는 온도센서와;
    상기 온도센서를 통해 검출된 빔의 온도와 상기 광 검출기를 통해 검출된 빔의 광량을 기반으로 상기 회절격자와 반사거울 및 글래스 플레이트의 회전구동을 각각 제어하는 제어부를 더 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 외부 공진기 레이저 시스템.
  9. 제7항에 있어서, 상기 빔 스플리터와 광 검출기는 각각 적어도 2개 이상이 설치되는 것을 특징으로 하는 외부 공진기 레이저 시스템.
  10. 제7항에 있어서, 상기 글래스 플레이트와 빔 스플리터 사이에는 상기 글래스 플레이트를 통과한 빔의 광량을 조절해주는 어퍼처(aperture)가 더 설치된 것을 특징으로 하는 외부 공진기 레이저 시스템.
  11. 제10항에 있어서, 상기 어퍼처는 적어도 2개 이상 설치되는 것을 특징으로 하는 외부 공진기 레이저 시스템.
  12. 제10항에 있어서, 상기 어퍼처와 상기 광 검출기는 일체로 형성된 것을 특징으로 하는 외부 공진기 레이저 시스템.
  13. 제7항에 있어서, 상기 광 검출기는 복수 개로 분할된 광 검출소자를 통해 광의 입사되는 위치를 검출하는 분할형 광 검출기인 것을 특징으로 하는 외부 공진기 레이저 시스템.

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