KR101610689B1 - 레이저 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 레이저 장치는 광이 유도방출에 의해 증폭되도록 공진 경로를 형성하는 복수개의 반사거울, 상기 공진 경로에 대해 수직면을 형성하는 제 1면 및 상기 공진경로에 대해 수직면을 형성하지 않는 제 1경계면을 가지며, 광원으로부터 에너지를 흡수하여 상기 광을 증폭 방출하는 매질, 상기 공진 경로에 대해 수직면을 형성하는 제 2면 및 상기 공진경로에 대해 수직면을 형성하지 않는 제 2경계면을 가지며, 초단 펄스를 발생시키는 포화흡수체를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 레이저 장치는 특정한 결정축을 가지는 포화흡수체를 커팅하여 한 방향의 편광능력을 유리하게하고 전파 손실을 최소화하는 효과가 있다. 또한, 본 발명에 따른 레이저 장치는 매질과 포화흡수체를 특정 경사면을 가지도록 배치하여 한 방향에 따른 편광방향의 투과 유지 능력을 극대화하는 효과가 있다.

Description

레이저 장치{LASER APPARATUS}
본 발명은 레이저 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 레이저를 발생시키는 매질과 포화흡수체의 특정 결정구조 및 경사면을 통해, 편광 분리 및 분리된 편광의 유지 능력을 향상시키는 레이저 장치에 관한 것이다.
레이저 장치는 일반 자연광이나 램프로부터 방사되는 빛과 달리 단색성(monochromatic), 간섭성(coherence) 및 직진성(collimation)의 3가지 특성을 갖는 레이저 빔을 출력하는 장치이다. 레이저 장치로부터 출력되는 레이저 빔은 레이저 빔의 발진 조건 등 변경에 따라 상이한 파장 또는 상이한 펄스폭을 갖는 에너지로 출력된다.
최근 들어, 광을 이용하여 인체 조직의 상태를 변형시키거나, 특정 조직을 제거하는 방식으로 인체를 치료하는 기술이 널리 적용되고 있다. 따라서 레이저 빔, 플래시 램프, LED 등의 다양한 광원을 이용하여, 피부를 비롯한 각종 인체 조직을 치료하기 위한 레이저 치료장치가 활발하게 개발되고 있다.
이러한 레이저 치료장치는 조사되는 광의 파장에 따라 서로 다른 흡수 특성을 갖으며, 조사되는 편광 투과력 및 편광 유지 정도에 따라 성능 차이가 날 수 있다. 따라서 원하는 편광을 선택하고 유지하기 위해 편광조절기, 편광광분할기 등이 설치된 장치를 개발하여 각종 치료를 진행하도록 한 발명들이 개시되어 있다.
일반적으로 레이저 장치의 응용에 있어, p-편광 혹은 s-편광 같은 선형 편광된 빔 중 우세한 편광을 선택하고 유지해서 발진시키는 것이 바람직 할 때가 많다. 하지만 편광을 선택해서 발진시키는 과정에서, laser alignment의 변화 및 결정내부의 온도 변화나 레이저 빔의 강도 변화 등으로 인한 굴절율의 변화가 나타나며, 이로 인해 p-편광 혹은 s-편광이 스위칭 되는 경우가 빈번하게 발생하는 문제점이 나타나고 있다.
대한민국공개특허공보 제2012-0116127호
본 발명은 레이저 장치 내부에 특정한 결정 방향으로 커팅된 결정축을 가지는 포화흡수체를 사용하여 한 방향의 편광 투과 능력이 우세한 장치를 얻기 위함이다.
또한, 본 발명은 레이저 장치를 구성하는 매질과 포화흡수체에 특정 경사면을 가지도록 배치하여, 한 방향의 편광 투과 유지 능력을 극대화하기 위함이다.
본 발명에 따른 레이저 장치는 광이 유도방출에 의해 증폭되도록 공진 경로를 형성하는 복수개의 반사거울; 상기 공진 경로에 대해 수직면을 형성하는 제 1면 및 상기 공진경로에 대해 수직면을 형성하지 않는 제 1경계면을 가지며, 광원으로부터 에너지를 흡수하여 상기 광을 증폭 방출하는 매질; 상기 공진 경로에 대해 수직면을 형성하는 제 2면 및 상기 공진경로에 대해 수직면을 형성하지 않는 제 2경계면을 가지며, 초단 펄스를 발생시키는 포화흡수체를 포함을 포함한다.
또한, 상기 매질의 일단면을 형성하는 제 1면 및 상기 포화흡수체의 일단면을 형성하는 제 2면은 상기 반사거울의 일면에 배치되며, 상기 매질의 타단면을 형성하는 제 1경계면 및 상기 포화흡수체의 타단면을 형성하는 제 2경계면은 서로 대향하여 배치될 수 있다.
그리고 상기 공진 경로를 이동하는 광이 상기 제 1경계면 또는 상기 제 2경계면에 입사되면 서로 수직인 방향으로 반사와 굴절이 발생하여 진행할 수 있다.
또한, 상기 매질의 제 1경계면과 상기 포화흡수체의 제 2경계면이 형성하는 경사각의 차이는 0°~ 10°범위일 수 있다.
또한, 상기 매질의 제 1경계면과 상기 포화흡수체의 제 2경계면 사이에는 소정의 간격이 형성되며, 상기 간격은 굴절률 n=1~1.5인 물질층으로 구성될 수 있다.
그리고 상기 공진 경로를 이동하는 광이 상기 제 1경계면 또는 제 2경계면을 통과하면 상기 광의 상호 직교하는 두 방향의 편광 중 한 방향의 편광 손실이 감소될 수 있다.
또한, 상기 공진 경로 상에서 이동하는 광은 굴절률의 비가 n1 : n2인 상기 물질층과 포화흡수체에 대하여 tanα=n1/n2인 입사각 α로 조사되어 레이저를 방출할 수 있다.
또한, 상기 공진 경로를 이동하는 광이 상기 제 1경계면 또는 제 2경계면에 대하여 브루스터 각을 가지면서 입사하면 광의 두 방향의 편광 중 한 방향의 편광 반사가 일어나지 않을 수 있다.
더욱이, 상기 포화흡수체는 상호 직교하는 제 1 내지 3의 결정학적 축을 갖는 결정형 구조를 가지며, 상기 포화흡수체를 통과한 광은 상호 직교하는 두 방향의 편광 중 한 방향의 편광 투과도가 우세할 수 있다.
또한, 상기 포화흡수체는 상기 공진 경로를 이동하는 광이 <110> 방향의 결정축 방향으로 전파되도록 커팅할 수 있다.
본 발명에 따른 레이저 장치에서 상기 매질은 Nd:YAG로 구비되고, 상기 포화 흡수체는 Cr4+:YAG로 구비될 수 있다.
또한, 상기 반사거울은 상기 매질의 일측에 배치되어 상기 매질로부터 출력되는 광을 반사하는 전반사거울 및 상기 포화흡수체 일측에 배치되어 상기 포화흡수체로부터 출력되는 광을 출력하는 출력거울을 포함할 수 있다.
그리고 본 발명에 따른 레이저 장치는 본체; 상기 본체 내부에 배치되고, 유도방출을 일으키는 광이 소정의 경사면을 포함하는 매질 및 포화흡수체 상에서 공진하여 레이저를 발진시키는 광소스부; 상기 본체와 연결되며, 상기 광소스부로부터 발진된 레이저의 경로를 형성하는 광전달부; 상기 광전달부로부터 상기 레이저를 전달받아 외부로 조사하는 광조사부를 포함한다.
기타 실시 예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명에 따른 레이저 장치는 매질 또는 포화흡수체를 특정 결정축 방향으로 커팅하여 한 방향의 편광능력을 유리하게하고 전파 손실을 최소화하는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 레이저 장치 내부에 특정 경사면을 가진 매질 또는 포화흡수체를 배치하여 한 방향에 따른 편광방향의 투과 유지 능력을 극대화하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 레이저 장치를 간략히 나타낸 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 도 1의 광소스부를 나타낸 간략도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 매질과 포화흡수체를 나타낸 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 Cr4+:YAG 결정에 광의 입사방향과 결정축의 배치 관계를 나타낸 개략도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 결정축 <110> 방향에 따라 광이 진행하는 경우에 편광 방향에 따른 투과율을 나타낸 도면이다.
도 6은 매질 및 포화흡수체에 입사되는 광의 진행방향을 설명하기 위한 도면으로, 도 6a는 두 방향의 편광 성분을 갖는 광이 특정 입사각으로 입사되는 모습을 나타낸 도면이고, 도 6b는 한 방향의 편광 성분을 갖는 광이 특정 입사각으로 입사되는 모습을 나타낸 도면이다.
이하, 본 발명의 실시 예에 따른 레이저 장치에 대해 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 그러나 본 실시예의 이하에서 개시되는 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정되어서는 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 해석되어야 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 출원 시점에 있어서 이를 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
본 실시예에서는 인체의 피부 표면으로 광을 조사하여 인체조직을 치료하는 레이저 장치를 일 예로서 설명하나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 이 이외에도 광을 이용하여 피부 이외의 부위를 치료하는 각종 다양한 치료장치에 적용될 수 있음을 앞서 밝혀둔다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 레이저 장치를 간략히 나타낸 블록도이다.
도 1을 참조하면 본 실시예에 따른 레이저 장치(1)는 본체(10), 본체(10) 내부에 배치된 광소스부(20), 본체(10)와 연결되어 설치된 광전달부(30) 및 광전달부(30)와 연결되어 외부에 레이저를 조사하는 광조사부(40)를 포함하여 구성된다.
본체(10)는 레이저 장치(1)의 외관을 형성하며, 본체(10)는 외부로부터 전원을 공급받아서 광을 발생시키는 각종 구성요소들이 내부에 설치될 수 있다. 즉, 본체(10)의 내부에는 레이저를 발진하는 광소스부(20) 이외에도 본 발명에서는 도시되지 않은 방열부 및 다양한 전자부품들이 수용될 수 있다. 또한, 본체(10)의 외면에는 레이저 장치(1)의 구동 내용을 조작하기 위한 컨트롤 패널(control panel)(11) 및 조작 메뉴 또는 동작중인 내용을 사용자에게 표시하는 디스플레이가(display)(12)가 설치될 수 있다. 본체(10)에 설치된 광소스부(20), 컨트롤 패널(11), 디스플레이(12) 및 각 전자부품은 제어부(13)에 의하여 제어될 수 있다.
한편, 본체의 외면 일측에는 광전달부(30)의 일 예로 케이블이 연장 설치되며, 상기 케이블 단부의 체결부(41)로 광조사부(40)가 연결될 수 있다. 이러한 케이블의 체결부(41)는 나사 결합에 의해 광조사부(40) 단부와 각각 연결되도록 설치되는 것도 가능하고, 이 이외에도 다양한 결합 방식으로 구성될 수 있다.
본체(10)와 광조사부(40) 사이에 설치된 광전달부(30)는 내부에 발진된 레이저가 진행하는 레이저 경로를 형성할 수 있다. 예를 들면, 광전달부(30)는 내부에 광 파이버 및 신호선 등이 구비될 수 있다. 따라서 본체(10)에서 발생된 레이저는 각각의 광전달부(30)의 광 파이버를 따라 광전달부(30)에 체결된 광조사부(40)로 전달될 수 있다. 그리고 본체(10)의 컨트롤 패널(11)을 통해 제어되는 내용 또는 케이블에 체결된 광조사부(40)의 조작부(42)를 통해 제어되는 신호도 케이블의 신호선을 따라 전달될 수 있다.
본 발명에서는 광전달부(30)를 케이블로 한정하여 설명하고 있으나 회전 또는 굴절이 가능한 암 등 다양한 형태로 변경될 수 있다. 구체적으로 본체(10)의 외부에는 X, Y 및 Z축 방향의 운동성을 갖는 굴절암(미도시)이 연결될 수 있다. 굴절암은 본체(10)의 외부로부터 연장되어, X, Y 및 축 방향의 운동성을 갖는다. 예를 들어, 굴절암은 본체(10)에 대해 회전운동 및 왕복 이동과 같은 다양한 운동성을 갖는다. 굴절암은 복수의 링크 형상으로 마련될 수 있고, 굴절암의 내부에는 광소스부(20)로부터 출력된 레이저를 전달할 수 있는 광섬유와 같은 전달부재(미도시)가 수용될 수 있다.
한편, 광조사부(40)는 본체(10)의 광전달부(30)에 연결되어, 본체(10) 내부의 광소스부(20)로부터 발생된 광을 전달받을 수 있는 구성이다. 광조사부(40)는 케이블에 체결된 상태에서 외부로 광을 조사하여 치료를 진행할 수 있다.
광조사부(40)는 사용자가 손으로 잡은 상태로 위치를 변경하면서 시술을 진행할 수 있는 핸드피스(hand piece) 형태로 구성될 수 있다. 광조사부(40) 내부에는 치료 부위의 표면을 냉각시키기 위한 냉각 가스 분사부(미도시)를 더 포함하는 것도 가능하다. 그리고, 광조사부(40)의 외면에는 광 조사 및 냉각 가스 분사 등의 동작을 간편하게 조작할 수 있는 별도의 조작부(41)가 각각 구비되는 것도 가능하다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 도 1의 광소스부를 나타낸 간략도이고, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 매질과 포화흡수체를 나타낸 사시도이다.
도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본체(10)의 내측에는 레이저를 발생시키는 광소스부(20)가 구비된다. 도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 광소스부(20)는 광원(100), 매질(200), 포화흡수체(300), 반사거울(400)을 포함하여 구성될 수 있다. 또한, 광소스부(20)는 반사거울(400) 일측 및 레이저광의 경로 상에 배치된 셔터(500), 필터(600), 렌즈(700) 등의 광학부재를 더 포함하여 구성될 수 있다.
여기서 광원(100)은 플래시램프 등으로 구성될 수 있으며, 매질(200)의 측면이나 후면에 배치되어 레이저 발생에 필요한 여기광을 발생시킨다.
매질(200)은 상기 광원(100)으로부터 발생한 여기광의 에너지를 흡수하여 광(B)을 증폭 방출시킬 수 있다. 본 실시예에 따른 매질(200)은 Nd:Yag(neodymium-doped yttrium aluminium garnet)를 이용할 수 있다. 따라서 광소스부(20)는 Nd:Yag에서 발진하는 1064nm 파장의 광을 발생시킬 수 있다. 다만, 전술한 매질(200)의 종류는 일예에 불과하며, 이 이외에도 다양한 레이저 매질을 이용하여 다양한 파장의 광을 발생시키는 것이 가능하다.
상기 매질(200)에서 발생되는 광은 광 소스부(20)의 광 진행 경로를 따라 포화흡수체(300)로 진행할 수 있다.
포화흡수체(300)는 매질(200)의 일측에 배치되며, Cr4+:YAG(four-valence Chromium Doped Yttrium Aluminum Garnet)로 구비될 수 있다. 이 Cr4+:YAG는 피코초 또는 나노초 초단 펄스를 생성시키기 위한 수동형 Q-스위치(passive Q-switcher)이다.
일반적으로 포화흡수체(300)는 일정 이하의 세기를 갖는 빛은 흡수하고 일정 이상의 세기를 갖는 빛은 통과시키는 역할을 할 수 있다. 광소스부(20) 내에서는 무수히 많은 펄스들의 요동이 있는데, 이중 일정 이상의 세기를 가지는 펄스들은 여러 개의 모드들이 짝을 지어 큰 힘을 발휘하여 포화흡수체(300)에 의해 큰 영향을 받지 않고 광소스부(20) 내를 자유로이 왕복하면서 레이저 펄스로 성장한다. 하지만, 일정 기준 이하의 세기를 갖는 펄스는 이내 흡수되어 사라져 버린다. 따라서 포화 흡수체의 영향을 받지 않은 일정 이상의 세기를 가진 펄스가 레이저 발진을 일으켜서 광소스부의 한쪽 반사거울을 통해 일정한 시간 간격으로 나온다. 즉, 포화 흡수체를 넣어준 상황에 적응하여 살아남는 펄스만이 레이저광으로 출력될 수 있다.
본 발명에서는 일정 기준 이하의 세기를 갖는 펄스가 일정 기준 이상의 세기를 가지도록 성장될 때까지 반사거울(400)에 반사되어 왕복 운동할 수 있다.
반사거울(400)은 매질(200)의 일측 및 포화흡수체(300)의 일측에 배치되며, 반사거울(400)의 배치에 따라 매질(200)또는 포화흡수체(300)로부터 야기된 광(B)의 증폭을 위한 공진 경로(250)가 형성될 수 있다.
구체적으로 광소스부(20) 내에 왼쪽으로부터 매질(200), 포화흡수체(300) 순으로 배치될 때, 반사거울(400)은 매질(200)과 포화흡수체(300) 바깥 양측면에 배치될 수 있다.
반사거울(400)은 전반사거울(410)과 출력거울(420)로 구성될 수 있다. 즉, 반사거울(400)은 매질(200)의 한 측면으로는 매질(200)로부터 출력되는 광(B)을 반사하는 전반사거울(410) 및 포화흡수체(300)의 한 측면에는 포화흡수체(300)를 통과한 광이 출력되는 출력거울(420)을 포함할 수 있다.
그리고 셔터(500), 필터(600) 및 렌즈(700)는 출력거울(400)의 측면으로 레이저광의 경로 상에 배치되고, 상기 출력거울(420)을 통해 출력된 레이저광은 셔터(500) 및 필터(600) 및 렌즈(700)를 거쳐 진행할 수 있다. 렌즈(700)는 레이저광을 집광하기 위한 볼록렌즈(convex lens)로 구비된다.
이후, 볼록렌즈를 통해 집광된 광(B)은 광전달부(30)를 거쳐 광조사부(40)로 진행한다.
일반적으로 레이저 장치의 응용에 있어, p-편광 혹은 s-편광 같은 선형 편광된 빔 중 어느 하나의 편광 특성이 우세한 광을 발진시키는 경우가 필요할 수 있고, 나아가 우세한 편광이 지속적으로 유지될 수 있는 광 경로를 구성할 필요가 있다.
따라서 본 발명에 따른 광 소스부(20)는 어느 한 방향의 편광 특성이 우세한 광을 발생시킬 수 있도록, 특정한 결정학적 방향으로 커팅된 포화흡수체를 배치할 수 있다. 나아가, 상기 선택된 하나의 우세한 방향의 편광을 유지할 수 있도록, 광이 이동하는 경로에 특정 경사면을 가진 포화흡수체를 배치할 수 있다.
우선 도 4 및 도 5를 참조하여, 본 실시예의 포화흡수체의 결정 방향과 광의 진행 방향에 따른 편광 투과 특성에 대해서 구체적으로 설명한다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 Cr4+:YAG 결정에서 광의 입사방향과 결정축의 배치 관계를 나타낸 개략도이다. 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 결정축 <110> 방향에 따라 광이 진행하는 경우에 편광 방향에 따른 투과율을 나타낸 도면이다.
도 4에 도시된 것과 같이 본 실시예에 따른 포화흡수체(300)은 상호 직교하는 제 1 내지 3의 결정학적 축을 갖는 결정형 구조로 형성하며, 구체적으로 제 1결정축은 <001>이고 제2의 결정축은 <100>이며, 제3의 결정축은 <010>일 수 있다.
이 때, 포화흡수체(300)는 이러한 결정축과 광의 진행 방향에 따라 각 편광의 투과 특성이 상이하다. 따라서, 서로 직교하는 두 방향의 편광에 대한 투과율의 편차가 크도록 포화 흡수체를 구성함으로서, 어느 한 방향의 편광이 우세한 광을 발진시킬 수 있다.
도 4에 도시된 것과 같이, 광의 진행 방향을 B 방향으로 설정할 때, 포화흡수체(300)의 제1의 결정축과 광소스부(20)의 공진 경로에 해당하는 광(B)축이 이루어지는 제1의 각도를 θ이라고 하고, 제2의 결정축, 제3의 결정축을 포함하는 평면의 광(B)축의 그림자와 제2의 결정축이 이루어지는 제2의 각도를 φ라고 할 수 있다.
그리고, 본 실시예에서는 일 예로, 광의 진행방향이 φ이 π/4 및 θ이 π/2 일 때 어느 한 방향의 편광 투과 특성이 우세함을 확인할 수 있었다. 즉, 광의 진행 방향이 결정축 <110> 방향을 가지도록 커팅된 포화흡수체(300)의 경우에 상기 제시된 제 1의 각도 및 제 2각도를 가지며, 상기 포화흡수체(300)를 지나가는 광(B)은 한 방향의 편광이 유리하게 나타날 수 있었다.
도 5는 도 4의 방향으로 광이 진행하는 경우, 광의 편광 특성에 따른 투과율을 도시한 그래프이다. 도 4와 같이, 포화 흡수체의 <110> 결정 방향으로 광이 통과할 경우, 광의 편광 방향(β)에 따른 광의 투과 특성은 편광 방향(β)이 0, π일 때 최대값을 갖고, 최대값을 갖는 지점과 π/2 만큼 상이한 편광 방향(β)에서는 △T 만큼의 투과율 차이가 발생하는 것을 확인할 수 있었다.
따라서, 본 실시예에서는 이러한 포화흡수체의 결정 방향에 따른 투과 특성을 이용하여 p-편광과 s-편광이 △T만큼의 투과율 차이를 갖도록 광 경로를 구성하는 것이 가능하며, 이에 의할 경우 광 소스부(20)에서 발생되는 광은 포화 흡수체를 통과하하면서 p-편광이 s-편광 대비 우세한 특성을 갖도록 가공될 수 있다.
그러나 전술한 바와 같이 광(B)이 <110> 방향의 결정의 축 방향으로 진행하도록 포화흡수체(300)를 배치하여도, 복굴절의 크기가 매우 작아 p-편광과 s-편광이 스위칭 되는 경우가 발생할 수가 있다. 구체적으로 복굴절의 크기가 매우 작으면 laser alignment의 변화, 결정 내부의 온도 변화나 레이저 광의 강도 변화 등으로 인한 굴절율의 변화로 인해 편광이 스위칭 되는 경우가 발생할 수가 있다.
따라서 본 실시예에서는 매질(200) 또는 포화흡수체(300)의 경계면의 경사 특성을 이용하여, 매질(200) 및 포화흡수체(300)를 통과하는 광이 갖는 편광 특성을 유지하도록 구성할 수 있다. 이하에서는, 이러한 매질 및 포화흡수체의 구조에 대해 보다 구체적으로 설명한다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 매질(200)과 포화흡수체(300)는 광소스부(20) 내에서 나란히 배치되며, 좌측에서부터 매질(200)의 제 1면(210), 매질의 제 1경계면(220), 포화흡수체(300)의 제 2경계면(320), 포화흡수체(300)의 제 2면(310)순으로 설치될 수 있다. 따라서 전술한 대로, 광(B)은 양측의 반사 거울의 사이에서 매질(200)과 포화흡수체(300)를 통과하며 공진하면서 증폭되도록 왕복 운동을 하고, 일정 에너지 이상에 도달한 레이저광은 반사거울(400)을 통해 광소스부(20) 외부로 방출될 수 있다. 매질(200) 및 포화흡수체(300)를 벗어난 레이저광은 상기 설명한대로 광전달부(30) 및 광조사부(40)로 진행한다.
또한, 매질(200)의 제 1경계면(220), 포화흡수체(300)의 제 2경계면(320)은 소정의 간격을 제공하면서 배치될 수 있다. 소정의 간격에는 물질층(201)이 배치되어 전체적으로 매질(200), 물질층(201), 포화흡수체(300) 순으로 배치될 수 있다. 물질층(201)은 굴절률 n=1~1.5인 물질로 구성될 수 있으며, 예를 들어, n=1인 경우 공기층으로 구성될 수 있다.
구체적으로, 매질(200)은 반사거울(410) 방향 일단면을 형성하는 제 1면(210)이 공진경로(250)에 대해 수직으로 배치되고, 매질(200)의 타단면을 형성하는 제 1경계면(220)은 공진경로(250)에 대해 수직이 아닌 소정의 경사를 가지도록 배치될 수 있다.
포화흡수체(300)는 매질(200) 방향 일단면을 형성하는 제 2경계면(320)이 매질(200)의 제 1경계면(220)의 측면에 소정의 경사를 가지도록 배치되고, 포화흡수체(300)의 반사거울(420) 방향 타단면을 형성하는 제 2면(310)은 공진경로(250)에 대하여 수직으로 배치될 수 있다.
또한, 상기 광소스부(20)의 매질(200)의 제 1경계면(220)이 형성하는 경사각과 포화흡수체(300)의 제 2경계면(320)이 형성하는 경사각의 차이는 0°~ 10°범위일 수 있다. 또한, 제 1경계면(220) 및 제 2경계면(320)은 서로 상기 경사각의 범위 내에서 대향하도록 배치될 수 있다.
상기 구조에 따라, 공진 경로(250)를 진행하는 광(B)은 매질(200)의 제 1경계면(220) 및 포화흡수체(300)의 제 2경계면(320)을 통과할 수 있다.
여기서, 매질(200) 또는 포화흡수체(300)는 제 1경계면(220) 또는 제 2경계면(320)이 형성하는 경사각에 따라 제 1경계면(220) 또는 제 2경계면(320)을 통과하는 광(B)의 두 방향의 편광 중 한 방향의 편광에 대한 손실을 감소시킬 수 있다. 일 예로, 본 본 실시예에서는 제 1경계면(220) 또는 제 2경계면(320)에 특정한 경사각을 설정하여 상기 우세하게 선택된 p-편광의 발진이 유지될 수 있도록 한다.
구체적으로, 본실시예에서는 매질(200)이 Nd:YAG이고 포화흡수체(300)가 Cr4+:YAG이며, 제 1경계면(220) 또는 제 2경계면(320)에 설정되는 경사각은 60~65도의 범위를 가질 수 있다. 상기 특정 경사각으로 경계면이 배치되는 경우, 앞서 설명한 우세하게 선택된 p-편광의 발진이 유지될 수 있다.
이하에서는 도 6을 참조하여, 매질 또는 포화흡수체의 경계면의 경사각과 이를 통과하는 광의 편광 특성에 대해 보다 상세하게 설명한다. 도 6은 매질 및 포화흡수체에 입사되는 광의 진행방향을 설명하기 위한 도면으로, 이하에서는 설명의 편의상 포화흡수체(300)의 제 2경계면(320)의 경사각을 중심으로 설명한다.
구체적으로, 도 6a는 두 방향의 편광 성분을 갖는 광이 특정 입사각으로 입사되는 모습을 나타낸 도면이고, 도 6b는 한 방향의 편광 성분을 갖는 광이 특정 입사각으로 입사되는 모습을 나타낸 도면이다.
일반적으로 굴절률이 다른 두 매질 사이에 입사되는 광은 두 매질의 경계면에서 일부는 굴절되고 일부는 반사된다. 이때, 두 매질의 경계면에 대해 특정 입사각을 갖는 광이 입사되면 서로 수직인 방향으로 반사와 굴절이 발생하게 된다. 이러한 특정 입사각을 브루스터 각(brewster angle) 또는 편광각이라 한다.
도 6a를 참조하여 설명하면, 굴절률의 비가 n1 : n2인 두 매질(본 발명에선 물질층(201)과 포화흡수체(300))의 제 2경계면(320)에 대해 tanα = n1/n2인 입사각 α로 입사하는 입사광(203)의 경우, 상기 제 2경계면(320)에서 굴절되는 광(204)과 반사되는 광(205)은 서로 수직인 방향으로 진행하고, 이때 반사되는 광(205)은 특정한 어느 한 방향으로만 진동하는 편광된 상태로 반사된다.
일반적으로 두 매질(본 발명에선 물질층(201)과 포화흡수체(300)) 사이에 광이 입사되어 반사와 굴절이 발생할 때, 대부분의 입사각에 대해서 입사면에 수직한 방향으로 진동하는 s-편광이 입사면에 평행한 방향으로 진동하는 p-편광보다 강하게 반사된다.
특히, 본 발명에서처럼, 특정 입사각(예컨대, 브루스터 각)을 갖는 광(203)이 입사되면 입사면에 평행한 방향으로 진동하는 p-편광은 대부분이 반사되지 않고 굴절되는 현상이 발생한다.
따라서 제 2경계면(320)에서 반사되는 광(205)은 p-편광이 거의 존재하지 않고, 입사면에 수직한 방향으로 진동하는 s-편광만 존재하게 된다( 여기서, 입사면은 입사광(203), 반사광(205), 법선(202)을 포함하는 평면을 말한다). 그리고, 제2 경계면(320)에서 굴절되어 통과하는 광(204)는 입사광(203)에 비해 p-편광 특성이 보다 우세하게 된다.
도 6b를 참조하여 설명하면, 굴절률의 비가 n1 : n2인 두 매질(본 발명에선 물질층(201)과 포화흡수체(300))의 제 2경계면(320)에 대해 tanα= n1/n2인 입사각 α로 입사하는 입사광(203)이 편광된 경우, 그 제 2경계면(320)에서 굴절되는 광(204)의 진행 경로와 반사되는 광(205)의 진행 경로는 서로 수직이고, 이때 반사는 일어나지 않는다. 이는 입사면에 평행한 방향으로 진동하는 전기장인 p-편광 상태로 제 2경계면(320)에 입사되기 때문에, p-편광 상태인 입사광(203)은 모두 굴절되고 반사는 일어나지 않게 된다.
따라서 본 발명에 따른 일실시예에 따르면, 매질(200)의 제 1경계면(220)을 통과하여 포화흡수체(300)의 제 2경계면(320)에 입사되는 광은 브루스터 각을 형성하면서 입사될 수 있다. 브루스터 각을 갖는 입사된 광(203)은 서로 수직인 방향으로 반사와 굴절이 발생하도록 형성되며, 입사면에 평행한 방향으로 진동하는 p-편광은 반사되지 않고 굴절되는 현상이 발생한다.
따라서 제 2경계면(320)에서 반사되는 광은 p-편광은 존재하지 않고, 입사면에 수직한 방향으로 진동하는 s-편광만 존재하게 된다. 즉, 제 2경계면(320)을 통과한 광은 s-편광의 손실을 높일 수 있다.
따라서 광소스부(20)의 공진 경로 상에서 이동하는 광(B)은 굴절률의 비가 n1 : n2인 물질층(201)과 상기 포화흡수체(300)에 대하여 tanα=n1/n2인 입사각 α로 조사되어 레이저를 방출할 수 있다. 상기 입사각에 따른 광으로 물질층(201)과 포화흡수체(300) 사이 제 2경계면(320)에 대하여 브루스터 각이 형성되고, 제 2경계면(320)에서 하나의 편광 반사가 일어나지 않는다. 상기 편광 반사가 일어나지 않는 편광은 p-편광일 수 있다.
이와 같이, 본 실시예에 따른 레이저 장치는 포화 흡수체의 결정축 방향과 광의 입사 방향을 이용하여 포화 흡수체를 통과하는 광이 p-편광 특성이 우세하도록 구성할 수 있다. 나아가, 이러한 광이 통과하는 매질 및/또는 포화 흡수체의 경계면의 경사각을 이용하여, p-편광 특성이 우세한 광을 지속적으로 유지할 뿐 아니라, p-편광 특성이 보다 우세하게 할 수 있는 효과가 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적인 특징들이 변경되지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것으로 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
레이저 장치 : 1
본체 : 10 광소스부 : 20
광전달부 : 30 광조사부 : 40
컨트롤 패널 : 11 디스플레이 : 12
제어부: 13 체결부 : 41
광원 : 100 매질 : 200
포화흡수체 : 300 제 1면 : 210
제 2면 : 310 제 1경계면 : 220
제 2경계면 : 320 물질층 : 201
반사거울 : 400 셔터 : 500
필터 : 600 렌즈 : 700
공진 경로 : 250 광 : B

Claims (13)

  1. 광이 유도방출에 의해 증폭되도록 공진 경로를 형성하는 제1 반사거울 및 제2 반사거울을 포함하는 복수개의 반사거울;
    상기 공진 경로에 대해 수직면을 형성하는 제 1면 및 상기 공진경로에 대해 수직면을 형성하지 않는 제 1경계면을 가지며, 광원으로부터 에너지를 흡수하여 상기 광을 증폭 방출하는 매질;
    상기 공진 경로에 대해 수직면을 형성하는 제 2면 및 상기 공진경로에 대해 수직면을 형성하지 않는 제 2경계면을 가지며, 초단 펄스를 발생시키는 포화흡수체를 포함하고,
    상기 포화흡수체는 상호 직교하는 제1 내지 3의 결정학적 축을 갖는 결정형 구조로 이루어져, 상기 공진 경로를 이동하는 광의 p편광 투과도가 s편광 투과도보다 우세하도록 상기 공진 경로를 이동하는 광이 <110> 방향의 결정축 방향으로 진행하도록 구성되며,
    상기 제1 경계면 또는 상기 제2 경계면은 s편광의 반사도가 p편광의 반사도보다 우세하도록 구성되어, 상기 포화 흡수체에서 편광 스위칭이 발생하더라도 상기 공진 경로를 이동하는 광의 편광 특성을 유지하는 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 매질의 일단면을 형성하는 제 1면은 상기 제1 반사거울과 인접하여 배치되고, 상기 포화흡수체의 일단면을 형성하는 제 2면은 상기 제2 반사거울과 인접하여 배치되며,
    상기 매질의 타단면을 형성하는 제 1경계면 및 상기 포화흡수체의 타단면을 형성하는 제 2경계면은 서로 대향하여 배치되는 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 매질의 제 1경계면과 상기 포화흡수체의 제 2경계면이 형성하는 경사각의 차이는 0°~ 10°범위인 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 매질의 제 1경계면과 상기 포화흡수체의 제 2경계면 사이에는 소정의 간격이 형성되며, 상기 간격은 굴절률 n=1~1.5인 물질층으로 구성되는 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 공진 경로를 이동하는 광이 상기 제 1경계면 또는 제 2경계면에 대하여 브루스터 각을 가지면서 입사하면 상기 광의 두 방향의 편광 중 한 방향의 편광 반사가 일어나지 않는 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 매질은 Nd:YAG로 구비되고, 상기 포화 흡수체는 Cr4+:YAG로 구비되는 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
  12. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 반사거울은 상기 매질의 일측에 배치되어 상기 매질로부터 출력되는 광을 반사하는 전반사거울이고, 상기 제2 반사거울은 상기 포화흡수체 일측에 배치되어 상기 포화흡수체로부터 출력되는 광을 출력하는 출력거울인 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
  13. 본체;
    상기 본체 내부에 배치되고, 유도방출을 일으키는 광이 소정의 경사면을 포함하는 매질 및 포화흡수체 상에서 공진하여 레이저를 발진시키는 광소스부;
    상기 본체와 연결되며, 상기 광소스부로부터 발진된 레이저의 경로를 형성하는 광전달부; 및
    상기 광전달부로부터 상기 레이저를 전달받아 외부로 조사하는 광조사부를 포함하고,
    상기 매질은 공진 경로에 대해 수직면을 형성하는 제 1면 및 상기 공진경로에 대해 수직면을 형성하지 않는 제 1경계면을 가지며, 광원으로부터 에너지를 흡수하여 상기 광을 증폭 방출하고,
    상기 포화 흡수체는 상기 공진 경로에 대해 수직면을 형성하는 제 2면 및 상기 공진경로에 대해 수직면을 형성하지 않는 제 2경계면을 가지며, 초단 펄스를 발생시키고,
    상기 포화흡수체는 상호 직교하는 제1 내지 3의 결정학적 축을 갖는 결정형 구조로 이루어져, 상기 공진 경로를 이동하는 광의 p편광 투과도가 s편광 투과도보다 우세하도록 상기 공진 경로를 이동하는 광이 <110> 방향의 결정축 방향으로 진행하도록 구성되며,
    상기 제1 경계면 또는 상기 제2 경계면은 s편광의 반사도가 p편광의 반사도보다 우세하도록 구성되어, 상기 포화 흡수체에서 편광 스위칭이 발생하더라도 상기 공진 경로를 이동하는 광의 편광 특성을 유지하는 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
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