KR101735213B1 - 레이저 빔 결합 장치 - Google Patents

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KR101735213B1
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Abstract

일 실시예에 따른 레이저 빔 결합 장치는, 제1 레이저 빔을 방출하는 제1 광원, 제1 레이저 빔과 편광 방향이 다른 제2 레이저 빔을 방출하는 제2 광원, 제1 레이저 빔 및 제2 레이저 빔을 하나의 레이저 빔으로 결합하는 빔 스플리터 및 결합된 레이저 빔의 편광 방향을 조정하는 반 파장판이 결합된 홀 모터를 포함할 수 있다.

Description

레이저 빔 결합 장치{APPARATUS FOR LASER BEAM COMBINING}
아래의 설명은 레이저 빔을 결합하여 고주파 레이저 빔을 생성하는 장치에 관한 것이다.
고주파의 레이저 빔은 여러 분야에서 사용된다. 고주파의 레이저 빔은 가격이 비쌀 뿐 아니라 주파수를 일정 주파수 이상 올리기는 매우 어렵다. 이를 위해서 낮은 주파수의 레이저 빔을 결합하여 고주파의 레이저 빔을 생성하는 방법이 있다. 종래에는 거울에 구멍을 뚫고, 하나의 레이저 빔은 구멍으로 통과 시키고, 다른 하나의 레이저 빔은 수직으로 반사를 시켜 합치는 방법을 사용하였다. 하지만, 이러한 방법은 동일 선상으로 진행하는 레이저 빔을 생성하는 것은 아니다.
두 개의 레이저 빔을 동일 선상으로 진행시키기 위해서는 광학적으로 두 레이저 빔의 편광 방향이 90도 차이가 있어야 한다. 즉, 하나는 편광이 0도, 다른 하나는 90도인 관계가 성립해야 빔 스플리터(splitter) 등의 광학소자를 이용하여 같은 경로로 레이저 광선을 진행시킬 수 있다. 따라서, 동일선상을 진행하는 두 개의 펄스 레이저 광선은 항상 편광방향이 90도 차이가 있다. 하지만 많은 실험이나 활용에 있어서 동일선상을 진행하는 레이저 빔의 편광이 같아야 할 경우가 발생하며 이러한 경우 위의 빔 스플리터(splitter) 만을 통해서는 구현할 수 없는 문제점이 있다.
레이저 빔 결합 장치를 통해 두 개의 레이저 빔을 결합하여 선형 편광의 고주파 레이저 빔을 생성할 수 있다.
또, 편광 방향 조절 장치를 통해 직교하는 편광 방향을 갖는 레이저 빔을 홀 모터를 이용해서 하나의 편광을 갖는 고주파 레이저 빔을 생성할 수 있다.
일 실시예에 따른 레이저 빔 결합 장치는 제1 레이저 빔을 방출하는 제1 광원, 제1 레이저 빔과 편광 방향이 다른 제2 레이저 빔을 방출하는 제2 광원, 제1 레이저 빔 및 제2 레이저 빔을 하나의 레이저 빔으로 결합하는 빔 스플리터 및 결합된 레이저 빔의 편광 방향을 조정하는 반 파장판이 결합된 홀 모터를 포함할 수 있다.
이때, 제1 레이저 빔 및 제2 레이저 빔의 편광 방향은 서로 직교할 수 있다.
제1 광원 및 제2 광원은, 제1 레이저 빔과 제2 레이저 빔의 펄스가 교차하도록 제어하는 트리거를 포함할 수 있다.
빔 스플리터는, 제1 레이저 빔은 통과시키고, 제2 레이저 빔은 반사시킴으로써 제1 레이저 빔 및 제2 레이저 빔을 하나의 레이저 빔으로 결합할 수 있다.
홀 모터는, 제1 레이저 빔의 편광 방향은 유지하고, 제2 레이저 빔의 편광 방향은 90도 변환시키도록 홀 모터의 속도를 제어할 수 있다.
레이저 빔 결합 장치는, 빔 스플리터로부터 통과 또는 반사되는 잔여 레이저를 처리하는 빔덤프를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 편광 방향 조절 장치는 회전 중심에 홀이 존재하는 홀 모터, 홀 모터의 홀에 결합된 반 파장판 및 반 파장판이 결합된 홀 모터의 회전 속도를 제어하는 프로세서를 포함할 수 있다.
편광 방향 조절 장치는 홀에 편광 방향이 직교하는 레이저 빔을 입사시키는 광원을 더 포함할 수 있다.
프로세서는, 홀 모터의 반 파장판을 통과한 레이저의 편광 방향이 동일하도록 회전 속도를 제어할 수 있다.
일 실시예에 따른 레이저 빔 결합 장치를 통해 편광 방향이 90도 다른 두 레이저 빔을 하나의 편광 방향으로 동일 선상으로 진행 가능하게 할 수 있다. 이를 통해서, 쉽게 펄스 레이저의 반복율을 증대시킬 수 있다.
일 실시예에 따른 레이저 빔 결합 장치를 통해, 펄스 반복율이 높은 펄스레이저를 고비용으로 구매 할 필요 없이, 저비용으로 손쉽게 펄스 반복율이 높은 펄스 레이저를 구현할 수 있는 이점이 있다.
도 1은 빔 스플리터를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 반 파장판(half wave plate)의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 홀 모터의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 일실시예에 따른 레이저 빔 결합 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 일실시예에 따른 반 파장판이 결합된 홀 모터의 0 시간에서의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 일실시예에 따른 반 파장판이 결합된 홀 모터의 π/4 시간에서의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 일실시예에 따른 반 파장판이 결합된 홀 모터의 π/2 시간에서의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 일실시예에 따른 반 파장판이 결합된 홀 모터의 π3/4 시간에서의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 일실시예에 따른 반 파장판이 결합된 홀 모터의 π 시간에서의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
아래의 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 실시예들을 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 특허출원의 범위가 본 명세서에 설명된 내용에 한정되는 것으로 해석되어서는 안된다. 설명한 분야에 속하는 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 본 명세서에서 "일 실시예" 또는 "실시예"에 대한 언급은 그 실시예와 관련하여 설명되는 특정한 특징, 구조 또는 특성이 적어도 하나의 실시예에 포함된다는 것을 의미하며, "일 실시예" 또는 "실시예"에 대한 언급이 모두 동일한 실시예를 지칭하는 것이라고 이해되어서는 안된다.
제1 또는 제2 등의 용어가 다양한 구성요소들을 구분하기 위해 사용될 수 있지만, 구성요소들이 제1 또는 제2의 용어에 의해 한정되는 것으로 해석되어서는 안된다. 또한, 실시예에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 실시예를 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 빔 스플리터를 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 빔 스플리터(100)는 입사 광선(120)의 일부(130)는 반사하고, 다른 일부(140)는 투과하는 광학 장치를 말한다.
특히, 편광 빔 스플리터는 입사하는 비편광된 광(120)을 편광 방향이 서로 다른 두 편광으로 분리할 수 있다. 구체적으로, 어느 하나의 편광(140)은 빔 스플리터(100)를 투과하게 하고, 다른 하나의 편광(130)은 빔 스플리터(100)를 투과하지 못하고 반사된다. 이러한 빔 스플리터(100)에서 분리되는 2종의 서로 다른 두 편광은 일반적으로 그 편광방향이 서로 수직을 이루게 된다. 이러한 편광으로서 가장 대표적인 것이 p 편광과 s 편광이다. 예를 들면, 빔 스플리터(100)는 p 편광을 투과시키고 s 편광을 반사시킬 수 있으며, 그 반대의 경우도 가능하다.
도 2는 반 파장판(half wave plate)을 설명하기 위한 도면이다.
도 2를 참조하면, 도 2(a)는 반 파장판을 통과하기 전의 편광 방향(211)을 나타내고, 도 2(b)는 반 파장판을 통과한 이후의 편광 방향(212)을 나타낸다. 이때, 반 파장판은 서로 수직인 방향으로 진동하는 직선 편광의 사이에 1/2파장의 광로차를 낳도록 두께가 정해진 복굴절판을 말한다. 예를 들면, 흰운모를 적당한 두께로 벽개한 박판, 한 방향으로 분자 배향시킨 합성 수지판 등이 쓰인다.
일 실시예에 따른 반 파장판은 광축에 45도로 선편광된 빛이 들어오면 광축에 -45도 선편광 된 빛을 나가게 하는 역할을 한다.
도 3은 홀 모터(hole motor 혹은 hollow motor)를 설명하기 위한 도면이다.
도 3을 참조하면, 홀 모터(300)는 회전축 중앙에 홀(310)이 모터를 말한다. 홀 모터(300)는 회전축 중심의 홀(300)이 일정 방향으로 회전하도록 할 수 있다.
일 실시예에 따른 홀 모터는 엔코더 기능을 가질 수 있다. 이때 엔코더는 기준점 0도를 기준으로 한 회전에 수백에서 수천 개의 펄스를 출력하여 출력되는 펄스를 통하여 회전각을 알 수 있다.
도 4는 일실시예에 따른 레이저 빔 결합 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 4를 참조하면, 일 실시예에 따른 레이저 빔 결합 장치(400)는 홀 모터(440), 홀 모터의 홀에 결합된 반 파장판(450) 및 빔 스플리터(430)를 포함할 수 있다.
홀 모터(440)는, 회전 중심에 홀을 포함하고 홀을 일정 방향으로 회전하도록 할 수 있다.
반 파장판(450)은, 광 축에 45도로 입사된 빛을 90도 변환하고, 광 축에 평행 또는 수직으로 입사된 빛은 그대로 통과시킬 수 있다.
빔 스플리터(430)는, 두 개의 레이저 빔을 하나의 레이저 빔으로 결합할 수 있다.
레이저 빔 결합 장치(400)는 제1 광원(410) 및 제2 광원(420)을 더 포함할 수 있다.
제1 광원(410)은, 제1 레이저 빔(460)을 빔 스플리터에 입사하도록 할 수 있다. 제2 광원(420)은, 상기 제1 레이저 빔과 편광 방향이 다른 제2 레이저 빔(470)을 빔 스플리터에 입사하도록 할 수 있다. 이때, 제1 레이저 빔 및 제2 레이저 빔의 편광 방향은 서로 직교하도록 할 수 있다.
이하, 레이저 빔 결합 장치(400) 동작의 일례를 설명하도록 한다.
제1 광원으로부터의 제1 레이저 빔은 수직 편광을 갖고, 제2 광원으로부터의 제2 레이저 빔은 수평 편광을 갖는 것으로 가정할 수 있다.
빔 스플리터(430)는 제1 레이저 빔은 통과시키고, 제2 레이저 빔은 반사시켜 두 개의 레이저 빔을 결합할 수 있다.
이때, 제1 광원 및 제2 광원은, 제1 레이저 빔과 제2 레이저 빔의 펄스가 서로 교차하도록 제어하는 트리거를 포함할 수 있다.
따라서, 빔 스플리터를 통과한 결합된 레이저 빔은 수직 편광과 수평 편광이 서로 교차하는 레이저 빔이 될 수 있다.
이때, 홀 모터의 홀에 결합된 반 파장판이 회전을 하고, 홀 모터의 회전 속도를 제어하여, 수직 편광이 통과할 때 광 축을 편광에 수직 또는 수평이 되도록 맞추고 수평 편광이 통과할 때 광 축이 45도가 되도록 맞추면 모든 파형이 수직 편광으로 출력될 수 있다. 이에 대한 구체적인 설명은 도 5 내지 도 9를 통해서 설명하도록 한다.
일 실시예에 따른 홀 모터는, 제1 레이저 빔의 편광 방향은 유지하고, 제2 레이저 빔의 편광 방향은 90도 변환시키도록 홀 모터의 속도를 제어할 수 있다.
따라서, 반 파장판이 결합된 홀 모터를 통과한 결합된 레이저 빔(490)은 동일 편광, 동일 경로의 레이저 빔이 될 수 있다. 레이저 빔 결합 장치(400)를 통해서 생성된 레이저 빔(490)은 제1 레이저 빔(460) 및 제2 레이저 빔(470)에 비해 2배의 주파수를 가질 수 있다.
다른 일 실시예에 따르면, 편광 방향 조절 장치를 구현할 수 있다. 편광 방향 조절 장치는 홀 모터, 홀 모터의 홀에 결합된 반 파장판 및 홀 모터의 회전 속도를 제어하는 프로세서를 포함할 수 있다.
홀 모터의 회전 중심에는 빛이 통과할 수 있도록 홀이 존재할 수 있다. 이때, 홀 모터는 홀을 일정 방향으로, 일정 속도로 회전시킬 수 있다.
홀 모터의 홀에는 반 파장판을 결합할 수 있다.
프로세서는 홀 모터의 회전 속도를 제어할 수 있다. 즉, 프로세서는 홀 모터의 반 파장판을 통과한 레이저의 편광 방향이 동일하도록 상기 회전 속도를 제어할 수 있다.
편광 방향 조절 장치는 홀에 편광 방향이 직교하는 레이저 빔을 입사시키는 광원을 더 포함할 수 있다.
도 5 내지 도 9는 편광 방향이 직교하는 레이저 빔이, 회전하는 반 파장판을 통과할 때, 수평 편광으로 맞추는 동작을 설명하기 위한 도면이다. 실시예에서는 수평 편광으로 맞추는 동작을 설명하지만, 수직 편광으로 맞추는 것도 가능하다.
본 실시예에서는 제2 레이저 빔이 수직 편광을 갖고, 제1 레이저 빔이 수평 편광을 갖는 것으로 가정한다.
도 5는 일실시예에 따른 반 파장판이 결합된 홀 모터의 0 시간에서의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
먼저, 시간이 0일 때, 홀 모터의 속도를 제어하여, 제2 레이저 빔으로부터의 수직 편광(511)이 광축(510)에 45도가 되도록 맞출 수 있다. 즉, 반 파장판이 45도 기울어진 상태에 있을 때, 제2 레이저 빔으로부터의 수직 편광을 통과시킬 수 있다. 이때, 출력되는 편광은 수평 편광(512)이 된다.
도 6은 일실시예에 따른 반 파장판이 결합된 홀 모터의 π/4 시간에서의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
시간이 π/4일 때, 홀 모터의 속도를 제어하여, 제1 레이저 빔으로부터의 수평 편광(611)이 광축(610)에 수직이 되도록 맞출 수 있다. 즉, 반 파장판이 90도인 상태에 있을 때, 제1 레이저 빔으로부터의 수평 편광을 통과시킬 수 있다. 이때, 편광은 변하지 않고 수평편광이 그대로 출력된다.
도 7은 일실시예에 따른 반 파장판이 결합된 홀 모터의 π/2 시간에서의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
시간이 π/2일 때, 홀 모터의 속도를 제어하여, 제2 레이저 빔으로부터의 수직 편광(711)이 광축(710)에 -45도가 되도록 맞출 수 있다. 즉, 반 파장판이 -45도 기울어진 상태에 있을 때, 제2 레이저 빔으로부터의 수직 편광을 통과시킬 수 있다. 이때, 출력되는 편광은 90도 회전하여 수평 편광(712)이 된다.
도 8은 일실시예에 따른 반 파장판이 결합된 홀 모터의 π3/4 시간에서의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
시간이 π3/4일 때, 홀 모터의 속도를 제어하여, 제1 레이저 빔으로부터의 수평 편광(811)이 광축(810)에 수평이 되도록 맞출 수 있다. 즉, 반 파장판이 0도인 상태에 있을 때, 제1 레이저 빔으로부터의 수평 편광을 통과시킬 수 있다. 이때, 편광은 변하지 않고 수평편광이 그대로 출력된다.
도 9는 일실시예에 따른 반 파장판이 결합된 홀 모터의 π 시간에서의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
시간이 π일 때, 홀 모터의 속도를 제어하여, 제2 레이저 빔으로부터의 수직 편광(911)이 광축(910)에 45도가 되도록 맞출 수 있다. 즉, 반 파장판이 45도 기울어진 상태에 있을 때, 제2 레이저 빔으로부터의 수직 편광을 통과시킬 수 있다. 이때, 출력되는 편광은 90도 회전하여 수평 편광(912)이 된다.
이와 같은 방식으로 두 개의 다른 편광을 가지고 있는 레이저 빔을 레이저 빔 결합 장치를 통하여 같은 편광, 동일 경로의 레이저 빔으로 결합할 수 있다.
이때, 반 파장판이 결합된 홀 모터의 동작을 정리하면 표 1과 같다.
Figure 112015126410554-pat00001
일 실시예에 따르면, 제1 광원 및 제2 광원은 트리거(trigger)를 포함할 수 있다. 트리거는 홀 모터의 엔코더를 통하여 광 축이 0도, 45도, 90도, 135도, 180도, 225도, 270도, 315도에 펄스를 맞추도록 할 수 있다. 이때, 0도, 90도, 180도, 270도에는 제1 레이저 빔이, 그리고 45도, 135도, 225도, 315도에는 제2 레이저 빔이 들어갈 수 있도록 조정할 수 있다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다. 그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.
400: 레이저 빔 결합 장치
410: 제1 광원
420: 제2 광원
430: 빔 스플리터
440: 홀 모터
450: 반 파장판

Claims (9)

  1. 레이저 빔 결합 장치에 있어서,
    수평 편광을 갖는 제1 레이저 빔을 방출하는 제1 광원;
    상기 제1 레이저 빔의 편광 방향과 직교하는 수직 편광을 갖는 제2 레이저 빔을 방출하는 제2 광원;
    상기 제1 레이저 빔 및 상기 제2 레이저 빔을 하나의 레이저 빔으로 결합하는 빔 스플리터; 및
    상기 결합된 레이저 빔의 편광 방향을 조정하는 반 파장판 및 엔코더(Encoder)가 결합된 홀 모터
    를 포함하고,
    상기 제1 광원은,
    상기 엔코더를 통해 측정된 광 축의 각도가 45도를 기준으로 90도 회전할 때마다 제1 레이저 빔을 방출하도록 하는 제1 트리거(Trigger)를 포함하고,
    상기 홀 모터는,
    회전 속도를 제어하여 상기 제1 광원을 통해 입사된 제1 레이저 빔의 수평 편광이 광축에 수직이 되도록 함으로써 상기 제1 레이저 빔의 수평 편광을 변형 없이 출력하며,
    상기 제2 광원은,
    상기 엔코더를 통해 측정된 광 축의 각도가 0도를 기준으로 90도 회전할 때마다 제2 레이저 빔을 방출하도록 하는 제2 트리거를 포함하고,
    상기 홀 모터는,
    상기 회전 속도를 제어하여 상기 제2 광원을 통해 입사된 제2 레이저 빔의 수직 편광이 광축에 45도가 되도록 함으로써 상기 제2 레이저 빔의 수직 편광을 90도 변환시켜 출력하는 레이저 빔 결합 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 빔 스플리터는,
    상기 제1 레이저 빔은 통과시키고, 상기 제2 레이저 빔은 반사시킴으로써 상기 제1 레이저 빔 및 상기 제2 레이저 빔을 하나의 레이저 빔으로 결합하는
    레이저 빔 결합 장치.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 레이저 빔 결합 장치는,
    상기 빔 스플리터로부터 통과 또는 반사되는 잔여 레이저를 처리하는 빔덤프를 더 포함하는
    레이저 빔 결합 장치.
  7. 편광 방향 조절 장치에 있어서,
    회전 중심에 홀이 존재하고, 엔코더를 포함하는 홀 모터;
    상기 홀 모터의 상기 홀에 결합된 반 파장판;
    상기 반 파장판이 결합된 홀 모터의 회전 속도를 제어하는 프로세서; 및
    상기 홀에 편광 방향이 직교하는 제1 레이저 빔 및 제2 레이저 빔을 각각 입사시키는 제1 광원 및 제2 광원
    을 포함하고,
    상기 제1 광원은,
    상기 엔코더를 통해 측정된 광 축의 각도가 45도를 기준으로 90도 회전할 때마다 제1 레이저 빔을 방출하도록 하는 제1 트리거(Trigger)를 포함하고,
    상기 프로세서는,
    회전 속도를 제어하여 상기 제1 광원을 통해 입사된 제1 레이저 빔의 수평 편광이 광축에 수직이 되도록 함으로써 상기 제1 레이저 빔의 수평 편광을 변형 없이 출력하며,
    상기 제2 광원은,
    상기 엔코더를 통해 측정된 광 축의 각도가 0도를 기준으로 90도 회전할 때마다 제2 레이저 빔을 방출하도록 하는 제2 트리거를 포함하고,
    상기 프로세서는,
    상기 회전 속도를 제어하여 상기 제2 광원을 통해 입사된 제2 레이저 빔의 수직 편광이 광축에 45도가 되도록 함으로써 상기 제2 레이저 빔의 수직 편광을 90도 변환시켜 출력하는 편광 방향 조절 장치.
  8. 삭제
  9. 제7항에 있어서,
    상기 프로세서는,
    상기 홀 모터의 반 파장판을 통과한 레이저의 편광 방향이 동일하도록 상기 회전 속도를 제어하는
    편광 방향 조절 장치.
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