KR101582614B1 - 레이저 모듈 제작방법 및 레이저 모듈 패키지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 레이저 모듈 제작방법 및 레이저 모듈 패키지에 관한 것으로서, 레이저 모듈 제작방법은, 광학소자를 마운트 지그에 부착하는 (a)단계; 상기 마운트 지그를 광학 정렬 시스템에 고정하는 (b)단계; 상기 광학 정렬 시스템이 고정된 마운트 지그를 베이스 부재의 상측에 배치하는 (c)단계; 상기 광학소자를 상기 광학 정렬 시스템으로 정렬하는 (d)단계; 상기 마운트 지그와 상기 베이스 부재가 밀착되도록 하는 (e)단계; 상기 마운트 지그와 상기 베이스 부재가 고정되도록 레이저 웰딩을 수행하는 (f)단계; 및 상기 광학 정렬 시스템을 제거하는 (f)단계;를 포함하며, 다축 미세 정렬을 필요로 하는 광학소자를 일일이 수작업으로 정렬하여 나사와 같은 고정수단으로 고정하는 종래의 방식과 달리 자동화 장치로 정밀하게 정렬하고, 부품 고정을 위해 레이저 웰딩을 수행함으로써, 신속성과 정밀성 및 제작된 모듈의 고신뢰성을 가질 수 있는 효과가 있다.

Description

레이저 모듈 제작방법 및 레이저 모듈 패키지{Manufacturing method for laser module and laser module package}
본 발명은 효율과 안정도 향상 및 소형화를 위하여 모듈 구성요소를 정렬하고 고정하기 위한 레이저 모듈 제작방법 및 레이저 모듈 패키지에 관한 것이다.
레이저 모듈은 반도체, 디스플레이, 자동차, 국방, 의료기기 등 다양한 산업 분야에 적용되고 있는 중요한 제품이다. 레이저 모듈은 사용되는 물질에 따라 달리 불리어지며, 가장 많은 적용이 되고 있는 재료는 고체 크리스털 기반의 반도체 다이오드 펌핑 레이저 모듈이다. 고출력 반도체 펌핑 다이오드 또는 플래시 램프를 여기원으로 사용하여 Nd:YAG 와 같은 결정에 조사함으로써, 흡수 및 에너지 천이에 따른 특정 파장의 발진이 가능하다. 이와 같이 펌핑 광원을 여기원으로 사용하는 고체 결정을 갖는 공진기를 구성함으로써 필요로 하는 파장을 갖는 레이저를 발진시킬 수 있으며, 원하는 에너지를 갖는 레이저 모듈을 제작할 수 있다. 또한, 공진기 내부에 Q-스위칭(Q-switching) 모듈을 같이 구성함으로써 펄스 레이저를 제작할 수 있다. 비선형 광학 결정을 이용하여 파장 변환 기술을 적용하면 적외선 영역에서 자외선 영역에 이르는 다양한 파장을 갖는 레이저 모듈을 제작할 수 있다. 이러한 다양한 파장, 에너지, 펄스를 갖는 레이저 모듈을 제작함으로써 여러 응용 분야에 적용할 수 있다.
한편, 고체 레이저 모듈은 단색성을 갖고 있으며 흔히 이차조화파와 삼차조화파 생성기와 조합되어 특수 파장을 생성하는 모듈로 제작된다. (미국특허 6,115,402, 5,835,513, 5,742,626, 5,144,630 참고)
고체 레이저 모듈은 펌핑 광원 입력에 의해 Fundamental 레이저 광원을 생성하게 된다. 일반적으로 808nm 다이오드 펌핑에 의해 Nd 1.0% 도핑된 YAG 결정을 사용하여 Fundamental 레이저 1064nm 광원을 생성하며, 이때 효율은 20-30% 이상을 갖는다. LBO와 같은 파장 가변 결정에 Fundamental 레이저 광원을 입력하여 이차조화파와 삼차조화파 파장 광원을 생성할 수 있다. 예를 들어, 1064nm에서 532nm를 생성시 결정의 커팅 각도가 phi=0, theta=90 도인 LBO 결정을 사용할 수 있다. 이 경우 150도 근방의 온도 세팅을 필요로 하며, 이러한 경우를 Non critical phase matching이라 한다. 1064nm와 532nm 광원을 LBO와 같은 파장 가변 결정에 입력하여 UV 파장을 갖는 삼차조화파를 생성할 수 있다. 예를 들어, 결정 컷팅 각도가 theta=42, phi=90도인 LBO 결정을 사용 할 수 있다. 이 경우 40-50도 근방의 온도 세팅을 필요로 한다.
상기의 특징을 갖는 광학 소자를 인트라캐비티(Intracavity) 또는 엑스트라캐비티(Extracavity) 구조로 배치하고 정렬 고정하여 원하는 파장을 생성하는 기술이 고체 레이저 모듈 제작 기술이라 할 수 있다.
Q-스위칭(Q-switching)은 고체 레이저 모듈 제작 기술에서 좁은 폭을 갖는 펄스 광원을 제작하기 위해 사용되는 기술이다. 일반적으로 A-O Q-switching과 E-O Q-switching 또는 기계적인 방식의 Q-switching 등을 사용한 Activie Q-switching과 Cr:YAG 와 같은 결정을 사용한 saturable absorbption 방식의 Passive Q-switching으로 구분이 된다. Q-switching 소자는 나노초 이하의 펄스폭을 갖는 Fundamental 레이저 광원을 생성하기 위해 공진기 내부에 구성된다.
종래의 레이저 모듈의 제작 방식은 설계된 광학 경로상에 부품을 배치하고, 수작업으로 일일이 정렬한 후 광학부품을 나사와 같은 체결 수단으로 고정하는 방식을 적용하여, 레이저 모듈의 효율성과 안정도가 떨어진다는 단점이 있다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 정밀한 정렬을 필요로 하는 광학소자의 최적화가 가능하고, 효율 향상을 기대할 수 있는 레이저 모듈 제작방법 및 레이저 모듈 패키지를 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 발명에 의한 레이저 모듈 제작방법은, 광학소자를 마운트 지그에 부착하는 (a)단계; 상기 마운트 지그를 광학 정렬 시스템에 고정하는 (b)단계; 상기 광학 정렬 시스템이 고정된 마운트 지그를 베이스 부재의 상측에 배치하는 (c)단계; 상기 광학소자를 상기 광학 정렬 시스템으로 정렬하는 (d)단계; 상기 마운트 지그와 상기 베이스 부재가 밀착되도록 하는 (e)단계; 상기 마운트 지그와 상기 베이스 부재가 고정되도록 레이저 웰딩을 수행하는 (f)단계; 및 상기 광학 정렬 시스템을 제거하는 (g)단계;를 포함한다.
본 발명에 있어서, 광 진행방향을 1축이라고 할 때, 서로 수직인 선형축을 1축, 2축, 3축이라 하고, 각 선형축의 회전축을 1R축, 2R축, 3R축이라고 하면, 1R축의 정렬은 상기 (a)단계에서 상기 광학소자가 상기 마운트 지그에 부착될 때 이미 완료됨으로써, 상기 광학 정렬 시스템은, 1축, 2축, 3R축의 3축을 정렬하는 3축 정렬 시스템인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 광 진행방향을 1축이라고 할 때, 서로 수직인 선형축을 1축, 2축, 3축이라 하고, 각 선형축의 회전축을 1R축, 2R축, 3R축이라고 하면, 1R축의 정렬은 상기 (a)단계에서 상기 광학소자가 상기 마운트 지그에 부착될 때 이미 완료됨으로써, 상기 광학 정렬 시스템은, 1축, 2축, 3축, 2R축, 3R축의 5축을 정렬하는 5축 정렬 시스템인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 (e)단계에서, 상기 마운트 지그와 상기 베이스 부재 사이에 웰딩 지그를 배치하고, 상기 마운트 지그와 상기 웰딩 지그와 상기 베이스 부재가 서로 밀착되도록 하며, 상기 (f)단계에서, 상기 웰딩 지그가 상기 마운트 지그와 상기 베이스 부재와 고정되도록 레이저 웰딩을 수행하는 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명에 의한 레이저 모듈 패키지는, 펌프광을 생성하여 출력하는 펌핑소스; 및 입력반사부, 광학결정, Q-스위칭 소자, 조리개, 출력반사부를 포함하여, 상기 펌핑소스로부터 광을 입력받아 출력 파워가 최대가 되도록 출력하는 공진기;를 포함하되, 상기 펌핑소스와 상기 광학결정과 상기 조리개는, 베이스 부재에 고정되며, 상기 입력반사부와 상기 Q-스위칭 소자와 상기 출력반사부는, 마운트 지그에 부착한 후, 상기 마운트 지그를 광학 정렬 시스템에 고정하여 베이스 부재의 상측에 배치한 다음, 상기 광학 정렬 시스템으로 정렬하고, 상기 마운트 지그와 상기 베이스 부재 사이에 웰딩 지그를 배치하여 서로 밀착되도록 한 다음, 레이저 웰딩에 의해 상기 마운트 지그와 상기 웰딩 지그, 상기 웰딩 지그와 상기 베이스 부재가 서로 고정되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 공진기에서 출력된 광을 입력받아 굴절시키는 광학 부품; 및 상기 광학 부품으로부터 출력된 광의 파장을 변환하는 파장변환결정부품;을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 파장변환결정부품은, 파장변환결정과, 상기 파장변환결정을 고정하는 파장변환결정 지그와, 상기 파장변환결정 지그의 일측에 배치되는 온도조절수단과, 상기 파장변환결정 지그와 상기 온도조절수단을 감싸며 마련되되, 상기 파장변환결정 지그와 열적으로 차단되도록 마련되는 파장변환 마운트 지그를 포함하여, 상기 파장변환결정부품을 광학 정렬 시스템에 고정하여 파장변환 베이스 부재의 상측에 배치한 다음, 상기 파장변환결정부품을 상기 광학 정렬 시스템으로 정렬하고, 상기 파장변환결정부품과 상기 파장변환 베이스 부재 사이에 파장변환 웰딩 지그를 배치하여 서로 밀착되도록 한 다음, 레이저 웰딩에 의해 상기 파장변환 마운트 지그와 상기 파장변환 웰딩 지그와, 상기 파장변환 웰딩 지그와 상기 파장변환 베이스 부재가 서로 고정되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 레이저 모듈 제작방법 및 레이저 모듈 패키지에 따르면, 다음과 같은 효과가 있다.
정밀한 정렬을 필요로 하는 광학소자의 최적화가 가능하고, 효율 향상을 기대할 수 있다.
또한, 레이저 웰딩에 의한 고정 방법은 수작업에 의한 체결방법 보다 신속하게 정밀하며, 고신뢰성을 가질 수 있다.
따라서, 다축 미세 정렬을 필요로 하는 광학소자를 일일이 수작업으로 정렬하여 나사와 같은 고정수단으로 고정하는 종래의 방식과 달리 자동화 장치로 정밀하게 정렬하고, 부품 고정을 위해 레이저 웰딩을 수행함으로써, 신속성과 정밀성 및 제작된 모듈의 고신뢰성을 가질 수 있다.
도 1은 레이저 모듈의 정렬 및 고정 시 6축 방향을 나타낸 도면.
도 2 내지 도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 3축 이하 정렬형의 레이저 모듈 제작방법을 도시한 도면.
도 9 내지 도 17은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 5축 이하 정렬형의 레이저 모듈 제작방법을 도시한 도면.
도 18은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 엔드 펌핑(end pumping)에 의한 레이저 모듈 패키지를 도시한 도면.
도 19는 공진기의 안정화를 위한 필수 조건을 설명하기 위하여 도시한 도면.
도 20은 3-미러 공진기 구성을 나타낸 도면이고, 도 21은 4-미러 공진기 구성을 나타낸 도면.
도 22는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 엑스트라캐비티(Extracavity) 구조가 적용된 레이저 모듈 패키지를 도시한 도면.
도 23은 도 22의 파장변환결정부품의 구조를 도시한 도면.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
레이저 모듈을 제작함에 있어서 다양한 광학소자들의 정렬과 고정이 필요하다. 광 정렬 방식 중 가장 정밀하게는 6축을 움직여서 임의의 공간상 위치에 광학소자(10)를 고정하는 것인데, 6축 방향은 도 1과 같이 정의할 수 있다.
즉, 도 1과 같이 광 진행방향을 1축이라고 할 때, 서로 수직인 선형축을 1축, 2축, 3축이라 하면, 각 선형축의 회전축을 1R축, 2R축, 3R축이라고 한다.
본 발명에서 레이저 모듈을 제작함에 있어 광학소자(10)의 정렬은 크게 세 가지로 구분할 수 있는데, 고정형, 3축 이하 정렬형, 5축 이하 정렬형으로 구분할 수 있다.
먼저, 고정형의 경우 레이저 모듈의 베이스 부재의 어느 지정된 위치에 나사와 같은 고정수단으로 고정하거나 레이저 웰딩으로 고정하여 완료한다.
다음으로, 3축 이하 정렬형의 제작방법은 다음과 같다.
3축 이하 정렬형을 적용하는 경우 예를 들면, 반사 미러와 같이 3축과 2R의 정렬을 필요로 하지 않는 광학소자(10)를 정렬하고 고정할 경우 적용할 수 있다.
먼저, 도 2와 같이 광학소자(10)를 마운트 지그(20)에 부착한다. (a단계)
본 실시예에서 마운트 지그(20)는 광학소자(10)를 감싸면서 베이스 부재(40)에 직접 고정되므로 마운트 지그(20)의 하단부는 베이스 부재(40)에 고정되기 쉽도록 돌출편(21)이 형성되는 것이 바람직하다.
광학소자(10)가 반사 미러인 경우 일반적으로 유리 재료를 사용하여 제작되며, 광학소자(10)의 단면 중 일면은 특정 파장에 대하여 고반사 특성을 갖도록 제작된다.
광학소자(10)와 마운트 지그(20)는 열경화 또는 UV 경화성 에폭시를 이용하여 고정할 수 있다.
마운트 지그(20)는 레이저 웰딩으로 베이스 부재(40)에 접합될 재료이므로 열팽창 계수가 작은 재질을 사용하는 것이 바람직하며, 레이저 웰딩이 수행될 수 있는 재질이면 된다. 예를 들면, 코발(kovar), 인바(invar), 스테인리스 스틸(stainless steel), 알루미늄(Al) 또는 마그네슘(Mg) 합금 등 다양한 재질이 적용될 수 있다.
다음으로, 도 3과 같이 마운트 지그(20)를 광학 정렬 시스템(30)에 고정한다. (b단계) 즉, 마운트 지그(20)의 상부에 진공 흡착, 공압 지그, 나사 체결과 같은 다양한 방법으로 광학 정렬 시스템(30)을 고정시킨다.
1R축의 정렬은 (a)단계에서 광학소자(10)가 마운트 지그(20)에 부착될 때 이미 완료됨으로써, (b)단계의 광학 정렬 시스템(30)은 1축, 2축, 3R축의 3축을 정렬하는 3축 정렬 시스템인 것이 바람직하다. 본 실시예의 3축 정렬 시스템은 하기에서 설명할 5축 정렬 시스템에서 정렬을 위해 구동할 축만 사용하고 나머지 축은 고정함으로써, 5축 정렬 시스템에서 3축 정렬 시스템을 수행할 수 있음은 물론이다.
마운트 지그(20)는 반사 미러와 같은 광학소자(10)를 적용하기 위하여 정밀한 3축 광학 정렬을 필요로 한다. 이를 위해 자동화 장비를 적용할 경우 모터 스테이지로 구성된 3축 정렬 시스템을 적용할 수 있다.
다음으로, 도 4와 같이 광학 정렬 시스템(30)이 고정된 마운트 지그(20)를 베이스 부재(40)의 상측에 배치한다. (c단계) 즉, 3축 정렬 시스템(30)과 고정되어 있는 마운트 지그(20)를 레이저 모듈의 베이스 부재(40)의 특정 위치로 이동한다. 본 실시예에서는 베이스 부재(40)의 상면과 마운트 지그(20)의 하면이 맞닿도록 마운트 지그(20)를 위치시킨다.
다음으로, 도 5와 같이 광학소자(10)를 광학 정렬 시스템(30)으로 정렬한다. (d단계) 즉, 마운트 지그(20)에 부착되어 있는 광학소자(10)를 3축 정렬 시스템(30)으로 정렬한다.
이러한 정렬 공정과 동시에 출력되는 광파워를 계측기로 지속적으로 확인한다. 광파워가 최대가 되는 위치를 찾기 위해 3축 정렬 공정을 수행하게 되는 것이다.
이 단계에서, 1R의 정렬은 (a)단계에서 광학소자(10)가 마운트 지그(20)에 부착될 때 정렬을 완료함으로써, 1R 정렬 공정을 광학 정렬 시스템(30)에서 제거할 수 있는 효과가 있다.
다음으로, 도 6과 같이 마운트 지그(20)와 베이스 부재(40)가 밀착되도록 한다. (e단계)
즉, 광학 정렬이 완료된 마운트 지그(20)를 베이스 부재(40)에 고정하기 위해 압착 지그(50)로 마운트 지그(20)의 양측을 눌러줌으로써, 마운트 지그(20)가 베이스 부재(40)에 밀착이 되도록 한다. 이로써, 다음 단계인 레이저 웰딩을 수행할 수 있는 준비 단계가 완료되는 것이다. 압착 지그(50)는 공압 지그를 사용하여 압착 인가 또는 압착 해제가 가능하도록 구성할 수 있다.
다음으로, 도 7과 같이 마운트 지그(20)와 베이스 부재(40)가 고정되도록 레이저 웰딩을 수행한다. (f단계)
즉, 압착 지그(50)로 베이스 부재(40)와 밀착이 완료된 마운트 지그(20)를 레이저 웰딩용 레이저 헤드 모듈(60)을 사용하여 레이저 웰딩을 수행한다.
이때, 마운트 지그(20)의 하단부에는 돌출편(21)이 형성되어 있어, 레이저 웰딩을 수행하기 용이하다.
이와 같이, 레이저 웰딩을 수행함으로써, 마운트 지그(20)는 베이스 부재(40)와 스팟 웰딩에 의해 상호 결합되며, 레이저 웰딩 수행의 작업 순서는 광학 정렬된 파워가 최소로 변화되도록 최적화되는 것이 바람직하다.
마지막으로, 도 8과 같이 광학 정렬 시스템(30)을 제거한다. (g단계)
즉, (e)단계에서 마운트 지그(20)를 베이스 부재(40)에 밀착시키기 위하여 압착 지그(50)로 공압 지그를 사용한 경우 공압을 인가하여 마운트 지그(20)로부터 압착 지그(50)를 압착 해제한다. 또한, 마운트 지그(20)에 고정된 3축 정렬 시스템(30)의 경우도 공압 지그를 사용한 경우 공압을 인가하여 3축 정렬 시스템(30)의 고정부를 해제함으로써, 3축 정렬 시스템(30)을 제거한다.
한편, 5축 이하 정렬형의 제작방법은 다음과 같다.
5축 이하 정렬형은 공진기 미러와 같은 광학소자(15)에 적용할 수 있다.
먼저, 도 9와 같이 광학소자(15)를 마운트 지그(25)에 부착한다. (a단계)
본 실시예에서 마운트 지그(25)는 베이스 부재(40)에 직접 고정되지 않고, 하기에서 설명할 웰딩 지그(70)에 의해 베이스 부재(40)에 고정되므로 마운트 지그(25)는 광학소자(15)를 감쌀 수 있는 형상이면 충분하다.
광학소자(15)가 1064nm 제작용 공진기 미러인 경우 일반적으로 유리 재료를 사용하여 제작되며, 광학소자(15)의 단면 중 일면은 1064nm 파장에 대하여 반사 특성을 갖도록 제작되고, 다른 한면은 1064nm 파장에 대하여 무반사 특성을 갖도록 제작된다. 이는 일실시예이며, 공진기에 적용되는 기준과 파장의 변화에 따라 코팅 특성 또한 다르게 적용될 수 있다.
광학소자(15)와 마운트 지그(25)는 열경화 또는 UV 경화성 에폭시를 이용하여 고정할 수 있다.
마운트 지그(25)는 레이저 웰딩으로 베이스 부재(40)에 접합될 재료이므로 열팽창 계수가 작은 재질을 사용하는 것이 바람직하며, 레이저 웰딩이 수행될 수 있는 재질이면 된다. 예를 들면, 코발(kovar), 인바(invar), 스테인리스 스틸(stainless steel), 알루미늄(Al) 또는 마그네슘(Mg) 합금 등 다양한 재질이 적용될 수 있다.
다음으로, 도 10과 같이 마운트 지그(25)를 광학 정렬 시스템(30)에 고정한다. (b단계) 즉, 마운트 지그(25)의 상부에 진공 흡착, 공압 지그, 나사 체결과 같은 다양한 방법으로 광학 정렬 시스템(30)을 고정시킨다.
1R축의 정렬은 (a)단계에서 광학소자(15)가 마운트 지그(25)에 부착될 때 이미 완료됨으로써, (b)단계의 광학 정렬 시스템(30)은 1축, 2축, 3축, 2R축, 3R축의 5축을 정렬하는 5축 정렬 시스템인 것이 바람직하다. 상기에서 설명하였듯이 본 실시예에 의한 5축 정렬 시스템을 정렬을 위해 구동할 축만 사용하고 나머지 축은 고정하여 3축 정렬 시스템으로 사용할 수도 있음은 물론이다.
다음으로, 도 11과 같이 광학 정렬 시스템(30)이 고정된 마운트 지그(25)를 베이스 부재(40)의 상측에 배치한다. (c단계) 즉, 5축 정렬 시스템(30)과 고정되어 있는 마운트 지그(25)를 레이저 모듈의 베이스 부재(40)의 특정 위치로 이동한다. 본 실시예에서는 베이스 부재(40)의 상면과 이격하도록 마운트 지그(25)를 위치시킨다.
다음으로, 도 12와 같이 광학소자(15)를 광학 정렬 시스템(30)으로 정렬한다. (d단계) 즉, 마운트 지그(25)에 부착되어 있는 광학소자(15)를 5축 정렬 시스템(30)으로 정렬한다.
이러한 정렬 공정과 동시에 출력되는 광파워를 계측기로 지속적으로 확인한다. 광파워가 최대가 되는 위치를 찾기 위해 5축 정렬 공정을 수행하게 되는 것이다.
이 단계에서, 1R의 정렬은 (a)단계에서 광학소자(15)가 마운트 지그(25)에 부착될 때 정렬을 완료함으로써, 1R 정렬 공정을 광학 정렬 시스템(30)에서 제거할 수 있는 효과가 있다.
다음으로, 도 13과 같이 마운트 지그(25)와 베이스 부재(40)가 밀착되도록 한다. (e단계)
이 단계에서, 5축 정렬형에서는 마운트 지그(25)와 베이스 부재(40) 사이에 웰딩 지그(70)를 배치하는 것이 바람직하다.
웰딩 지그(70)는 동일한 형상인 지그 파트(70a,70b)가 서로 마주보도록 한 쌍을 이루며 구성되는 것이 바람직하며, 웰딩 지그(70)의 일례를 도 14에 도시하였다.
도 14와 같이, 웰딩 지그(70)는 서로 마주보도록 배치된 두 개의 지그 파트(70a,70b)로 구성되어 서로 결합하며, 각 지그 파트(70a,70b)는 측벽부(71)와 하측부(73)와 돌출편(75)과 요철부(77)를 포함한다.
측벽부(71)는 마운트 지그(25)의 측면을 감싸도록 마련되어 있고, 하측부(73)는 마운트 지그(25)의 하측을 감싸도록 마련되어 있다.
돌출편(75)은 하측부(73)의 하단에 외측으로 돌출 형성되어 있어, 돌출편(75)에 의해 베이스 부재(40)에 웰딩을 수행하기 용이하다.
요철부(77)는 하측부(73)에 형성되어 있고, 마주보도록 배치된 다른 지그 파트와 결합되는 부분이다.
이와 같이 구성된 두 개의 지그 파트(70a,70b)가 요철부(77)에 의해 결합되며, 측벽부(71)와 하측부(73)에 의해 마운트 지그(25)의 측면과 하측이 지지된다.
이렇게, 마운트 지그(25)와 베이스 부재(40) 사이에 웰딩 지그(70)가 배치된 다음, 마운트 지그(25)와 웰딩 지그(70)와 베이스 부재(40)가 서로 밀착되도록 한다.
즉, 압착 지그(50)를 사용하여 마운트 지그(25)와 웰딩 지그(70)의 양측을 눌러줌으로써, 마운트 지그(25)와 웰딩 지그(70)가 밀착되도록 하고, 웰딩 지그(70)와 베이스 부재(40)가 밀착되도록 한다. 이로써, 다음 단계인 레이저 웰딩을 수행할 수 있는 준비 단계가 완료되는 것이다. 압착 지그(50)는 공압 지그를 사용하여 압착 인가 또는 압착 해제가 가능하도록 구성할 수 있다.
상기와 같이 웰딩 지그(70)가 두 개의 지그 파트(70a,70b)로 구성되는 것은 일례이며, 100um 이하의 공차가 조절된 하나의 지그 파트로 구성할 수도 있음은 물론이다. 이 경우 마운트 지그(25)의 광학 정렬위치가 틀어지지 않도록 하나의 지그 파트로 구성된 웰딩 지그(70)를 삽입하여 압착 지그(50)를 사용하여 밀착하면, 레이저 웰딩 공정을 수행할 수 있는 준비 단계가 완료된다.
다음으로, 도 15와 같이 마운트 지그(25)와 베이스 부재(40)가 고정되도록 레이저 웰딩을 수행한다. (f단계)
본 실시예에서 상기 (e)단계에서 마운트 지그(25)와 베이스 부재(40) 사이에 웰딩 지그(70)를 배치하였으므로 웰딩 지그(70)가 마운트 지그(25)와 베이스 부재(40)와 고정되도록 레이저 웰딩을 수행하는 것이 바람직하다.
즉, 압착 지그(50)로 밀착이 완료된 웰딩 지그(70)를, 레이저 웰딩용 레이저 헤드 모듈(60)을 사용하여 레이저 웰딩을 수행함으로써, 웰딩 지그(70)가 마운트 지그(25) 및 베이스 부재(40)와 스팟 웰딩에 의해 상호 결합되도록 한다. 레이저 웰딩 수행의 작업 순서는 광학 정렬된 파워가 최소로 변화되도록 최적화되는 것이 바람직하다.
레이저 웰딩 공정에 사용되는 레이저는 YAG 고출력 펄스 레이저를 사용할 수 있다.
도 16의 (a)는 스테인리스 스틸 기판 상에 레이저 에너지를 달리하여 레이저 웰딩을 수행하고, 이에 따른 침투깊이 변화를 단면으로 분석한 결과이다. 레이저 웰딩에 의해 접합될 부품 간의 두께 조절을 적절히 하고 레이저 웰딩 파워 최적화 공정 수행이 필요함을 알 수 있다.
또한, 도 16의 (b)는 레이저 웰딩에 의해 수행될 수 있는 다양한 접합 구조의 예시를 도시한 그림이다. 이외에도 레이저 웰딩에 의해 수행되는 접합 구조는 다양하다.
이와 같이, 웰딩 지그(70)와 마운트 지그(25), 웰딩 지그(70)와 베이스 부재(40)의 접합 구조는 실시예에 따라 다양하게 적용할 수 있을 것이다.
마지막으로, 도 17과 같이 광학 정렬 시스템(30)을 제거한다. (g단계)
즉, (e)단계에서 마운트 지그(25)를 베이스 부재(40)에 밀착시키기 위하여 압착 지그(50)로 공압 지그를 사용한 경우 공압을 인가하여 마운트 지그(25)로부터 압착 지그(50)를 압착 해제한다. 또한, 마운트 지그(25)에 고정된 5축 정렬 시스템(30)의 경우도 공압 지그를 사용한 경우 공압을 인가하여 5축 정렬 시스템(30)의 고정부를 해제함으로써, 5축 정렬 시스템(30)을 제거한다.
이하, 상기와 같은 레이저 모듈 제작방법을 적용하여 제적되는 레이저 모듈 패키지를 설명하기로 한다.
도 18은 기본 모듈(fundamental module) 중에서도 엔드 펌핑(end pumping)에 의한 레이저 모듈 패키지를 도시한 도면이다.
펌핑소스(100)는 펌프광을 생성하여 출력하며, 펌핑 다이오드와 광섬유 및 공진기 광원 입력용 렌즈 모듈 등을 포함하여 구성될 수 있다. 즉, 공진기(200) 내부의 광학결정(230)에 적절한 빔 사이즈를 가지고 입사되도록 초첨을 맺는 렌즈 모듈을 포함한다.
공진기(200)는 입력반사부(220)와 출력반사부(260) 사이에, 광학결정(230), Q-스위칭 소자(240), 조리개(250)를 포함하도록 구성되며, 펌핑소스(100)로부터 광을 입력받아 출력 파워가 최대가 되도록 출력한다. 즉, 공진기(200) 부품들을 광학 정렬을 수행함으로써 출력되는 1064nm 광원(280)의 출력 파워가 최대가 되도록 할 수 있으며, 이를 위하여 다음과 같은 방법으로 제작하는 것이 바람직하다.
펌핑소스(100)와 광학결정(230)과 조리개(250)는 베이스 부재(40)에 고정된다.
또한, 입력반사부(220)와 Q-스위칭 소자(240)와 출력반사부(260)는 5축 이하 정렬형으로 제조할 수 있다.
즉, 마운트 지그(25)에 광학소자(15)를 부착한 후, 마운트 지그(25)를 광학 정렬 시스템(30)에 고정하여 베이스 부재(40)의 상측에 배치한 다음, 광학 정렬 시스템(30)으로 정렬하고, 마운트 지그(25)와 베이스 부재(40) 사이에 웰딩 지그(70)를 배치하여 서로 밀착되도록 한 다음, 레이저 웰딩에 의해 마운트 지그(25)와 웰딩 지그(70), 웰딩 지그(70)와 베이스 부재(40)가 서로 고정된다.
특히, 펌핑소스(100)와 광학결정(230)과 조리개(250)를 고정한 다음, 입력반사부(220)를 정렬하여 위치 고정하고, 출력반사부(260)를 정렬하여 위치 고정하고, Q-스위칭 소자(240)를 정렬하여 위치 고정함으로써, 레이저 모듈 패키지의 제작 공정을 완료한다.
도 18에서는 엔드 펌핑(end pumping)에 의한 레이저 모듈 패키지를 도시하였지만, 광학결정(230)을 펌핑하는 펌핑소스(100)의 배치만 달리하면, 사이드 펌핑(side pumping)에 의한 레이저 모듈 패키지를 제작할 수 있음은 물론이다.
또한, 실시예에 따라 공진기(200)의 구성은 입력반사부(220)와 출력반사부(260)를 다양하게 달리 적용할 수 있다. 이때 공진기(200)는 안정화가 필요하며, 일반적으로 도 19와 같이 설명할 수 있다.
도 19에 도시한 바와 같이, 입력반사부(220)와 출력반사부(260)의 곡률 반경 R1, R2와, 공진기(200) 거리 L을 달리 적용하여 목적에 맞는 다양한 공진기를 구성할 수 있다. 이때, g1=1-(L/R1) 과 g2=1-(L/R2)를 정의할 수 있고, g1과 g2의 곱의 절대값이 1이하가 되도록 공진기를 구성하는 것이 안정화 필수 조건이다. 공진기(200)의 입력반사부(220)와 출력반사부(260)의 광학 사양만 변경되며, 본 발명에서 제시한 레이저 모듈 제작방법은 동일하게 적용된다.
나아가, 공진기 미러의 구성은 사용되는 미러의 개수에 따라 달리 적용할 수 있다. 도 20은 3-미러 공진기 구성을 나타낸 도면이고, 도 21은 4-미러 공진기 구성을 나타낸 도면이다. 이처럼, 공진기 미러의 개수가 달리 적용될 경우 입력반사부(220)와 출력반사부(260) 외에 추가의 고 반사 미러 광학부품만 달라지며, 본 발명에서 제시한 레이저 모듈 제작방법은 동일하게 적용된다.
한편, 레이저 모듈은 다양한 파장을 갖는 레이저를 제작하기 위해 파장변환결정(324)을 포함하도록 구성할 수 있는데, 파장변환결정(324)은 인산모노포타슘(KH2PO4, KDP), 삼붕산리튬(LiB3O5, LBO), β-붕산바륨(BaB2O4, BBO) 등을 적용할 수 있다.
이러한 파장변환결정(324)이 공진기(200) 입,출력 반사부(220,260) 내부에 있을 경우 인트라캐비티(Intracavity)라 하고, 입,출력 반사부(220,260)의 외부에 있을 경우 엑스트라캐비티(Extracavity)라 한다. 파장변환결정(324)은 온도 조절과 5축 광학 정렬을 필요로 한다.
도 22는 파장변환결정(324)이 공진기(200)의 입,출력 반사부(220,260)의 외부에 있는 경우인 엑스트라캐비티(Extracavity) 구조가 적용된 레이저 모듈 패키지를 도시한 도면이다.
엑스트라캐비티(Extracavity) 구조가 적용된 레이저 모듈 패키지에서는, 상기에서 설명한 기본 모듈(fundamental module)의 레이저 모듈 패키지와 구조 및 제작방법이 동일한 부분에 대해서는 동일한 도면부호를 부여하였으므로 상세한 설명을 생략하기로 하며, 차이점이 있는 부분에 대해서만 설명하기로 한다.
도 22에 도시한 바와 같이, 기본 모듈의 레이저 모듈 패키지 뒷단에 렌즈로 구성된 광학 부품(310)과 파장변환결정부품(320)을 더 포함한다.
광학 부품(310)은 공진기(200)에서 출력된 광을 입력받아 굴절시킨다.
파장변환결정부품(320)은 광학 부품(310)으로부터 출력된 광의 파장을 변환한다.
파장변환결정부품(320)의 구조를 도 23에 도시하였다.
도 23에 도시한 바와 같이, 파장변환결정(324)과 파장변환결정 지그(323)와 온도조절수단(322)과 파장변환 마운트 지그(321)를 포함한다.
파장변환결정 지그(323)는 파장변환결정(324)을 감싸며 마련되어, 파장변환결정(324)을 고정한다. 온도제어를 위하여 파장변환결정 지그(323)에는 온도 센서가 부착된다.
이렇게, 파장변환결정(324)이 고정된 파장변환결정 지그(323)는 베이스(325)에 고정된다.
파장변환결정 지그(323)의 일측은 온도 조절을 위한 온도조절수단(322)이 배치된다. 온도조절수단(322)은 TEC(Thermal Electric Cooler) 모듈 또는 히터(Heater) 모듈을 적용할 수 있는데, 본 실시예에서는 온도조절수단(322)으로 TEC 모듈이 적용되었다.
상기와 같이 구성된 파장변환결정 지그(323)와 온도조절수단(322)을 감싸며 파장변환 마운트 지그(321)가 마련되고, 파장변환 마운트 지그(321)는 파장변환결정 지그(323)와 열적으로 차단되도록 마련된다.
상기와 같이 구성된 파장변환결정부품(320)을 상기에서 설명한 5축 이하 정렬형의 레이저 모듈 제작방법과 동일한 방법으로 제작할 수 있다.
즉, 파장변환결정부품(320)을 광학 정렬 시스템(30)에 고정하여 파장변환 베이스 부재의 상측에 배치한 다음, 파장변환결정부품(320)을 광학 정렬 시스템(30)으로 정렬하고, 파장변환결정부품(320)과 파장변환 베이스 부재 사이에 파장변환 웰딩 지그를 배치하여 서로 밀착되도록 한 다음, 레이저 웰딩에 의해 파장변환 마운트 지그(321)와 파장변환 웰딩 지그, 파장변환 웰딩 지그와 파장변환 베이스 부재가 서로 고정되도록 한다.
본 명세서의 도 23에서는 온도조절수단(322)으로 TEC 모듈이 적용되는 경우 마운트 지그의 형상을 도시하였으며, 온도조절수단으로 히터 모듈이 적용될 경우 마운트 지그(321)와 파장변환결정 지그(323)가 열적으로 차단되도록 구성되며, 일반적인 히터 지그 형상을 적용할 수 있다.
도 22에서 도시한 엑스트라캐비티(Extracavity) 구조가 적용된 레이저 모듈 패키지는 Extracavity SHG(Second Harmonic Generation)을 도시하였으며, Extracavity THG(Third Harmonic Generation)인 경우에는 도 22의 파장변환결정부품(320) 뒷단에 렌즈로 구성된 광학 부품(310)과 파장변환결정부품(320)을 반복 적용하여 구성할 수 있다.
상기와 같은, 본 발명의 레이저 모듈 제작방법 및 레이저 모듈 패키지에 따르면, 정밀한 정렬을 필요로 하는 광학소자의 최적화가 가능하고, 효율 향상을 기대할 수 있다.
또한, 레이저 웰딩에 의한 고정 방법은 수작업에 의한 체결방법 보다 신속하게 정밀하며, 고신뢰성을 가질 수 있다.
따라서, 다축 미세 정렬을 필요로 하는 광학소자를 일일이 수작업으로 정렬하여 나사와 같은 고정수단으로 고정하는 종래의 방식과 달리 자동화 장치로 정밀하게 정렬하고, 부품 고정을 위해 레이저 웰딩을 수행함으로써, 신속성과 정밀성 및 제작된 모듈의 고신뢰성을 가질 수 있다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형 가능함은 물론이다.
10, 15 : 광학소자 20, 25 : 마운트 지그
30 : 광학 정렬 시스템 40 : 베이스 부재
50 : 압착 지그 70 : 웰딩 지그
100 : 펌핑소스 200 : 공진기
220 : 입력반사부 230 : 광학결정
240 : Q-스위칭 소자 250 : 조리개
260 : 출력반사부 310 : 광학 부품
320 : 파장변환결정부품 321 : 파장변환 마운트 지그
322 : 온도조절수단 323 : 파장변환결정 지그
324 : 파장변환결정

Claims (7)

  1. 펌핑소스와, 상기 펌핑소스에 의해 여기되는 광학결정과, 레이저 공진기를 구성하는 하나 이상의 반사부를 포함하는 레이저 모듈을 제작하는 방법에 있어서,
    광학소자를 마운트 지그에 부착하는 (a)단계;
    상기 마운트 지그를 광학 정렬 시스템에 고정하는 (b)단계;
    상기 광학 정렬 시스템이 고정된 마운트 지그를 베이스 부재의 상측에 배치하는 (c)단계;
    상기 광학소자를 상기 광학 정렬 시스템으로 정렬하는 (d)단계;
    상기 마운트 지그와 상기 베이스 부재가 밀착되도록 하는 (e)단계;
    상기 마운트 지그와 상기 베이스 부재가 고정되도록 레이저 웰딩을 수행하는 (f)단계; 및
    상기 광학 정렬 시스템을 제거하는 (g)단계;를 포함하되,
    광 진행방향을 1축이라고 할 때, 서로 수직인 선형축을 1축, 2축, 3축이라 하고, 각 선형축의 회전축을 1R축, 2R축, 3R축이라고 하면,
    1R축의 정렬은 상기 (a)단계에서 상기 광학소자가 상기 마운트 지그에 부착될 때 이미 완료됨으로써,
    상기 광학 정렬 시스템은, 1축, 2축, 3축, 2R축, 3R축의 5축을 정렬하는 5축 정렬 시스템인 것을 특징으로 하는 레이저 모듈 제작방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 펌프광을 생성하여 출력하는 펌핑소스;
    상기 펌핑소스에 의해 여기되는 광학결정; 및
    레이저 공진기를 구성하는 하나 이상의 반사부;를 포함하되,
    상기 펌핑소스와 상기 광학결정은, 베이스 부재에 고정되며,
    상기 반사부는,
    마운트 지그에 부착한 후, 상기 마운트 지그를 광학 정렬 시스템에 고정하여 베이스 부재의 상측에 배치한 다음, 상기 광학 정렬 시스템으로 정렬하고, 상기 마운트 지그와 상기 베이스 부재 사이에 웰딩 지그를 배치하여 서로 밀착되도록 한 다음, 레이저 웰딩에 의해 상기 마운트 지그와 상기 웰딩 지그, 상기 웰딩 지그와 상기 베이스 부재가 서로 고정되고,
    상기 웰딩 지그는 서로 마주보도록 배치된 두 개의 지그 파트로 구성되되,
    상기 각 지그 파트는,
    상기 마운트 지그의 측면을 감싸도록 마련되는 측벽부와,
    상기 마운트 지그의 하측을 감싸도록 마련되는 하측부와,
    상기 하측부에 형성되고, 다른 지그 파트와 결합되는 요철부를 포함하여,
    상기 두 개의 지그 파트가 상기 요철부에 의해 결합되며, 상기 측벽부와 상기 하측부에 의해 상기 마운트 지그가 지지되는 것을 특징으로 하는 레이저 모듈 패키지.
  6. 삭제
  7. 삭제
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