KR101880440B1 - 레이저 주파수 안정화 방법 및 장치 - Google Patents

레이저 주파수 안정화 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명의 실시예는, 조사 레이저가 방출한 조사 레이저빔을 제1 광 및 제2 광으로 분할하여 출력하는 과정; 상기 제1 광이 상기 광공진기에 입사되어 반사되는 반사광의 위상변화에 따라 조사레이저를 제어하기 위한 제1광신호를 발생하는 과정; 상기 조사 레이저가 상기 제1광신호를 수신하여 상기 제1광신호에 따라 상기 조사 레이저빔의 주파수를 제어하는 과정; 상기 출력된 제2 광을 제2신호원으로부터 수신된 제2신호를 이용하여 광변조하여 제2광변조신호를 생성하는 과정; 상기 제2광변조신호가 광공진기에 입력된 후 상기 광공진기로부터 반사되는 광인 제2반사광을 제2광신호로 변환하는 과정; 상기 제2광신호와 상기 제2신호를 이용하여 상기 제2광신호의 위상출력에 따라 결정되는 제2위상신호를 생성하는 과정; 및 상기 광공진기가 상기 제2위상신호를 수신하여 상기 제2위상신호에 따라 상기 광공진기 내의 광경로의 길이를 제어하여 상기 제1광신호 및 상기 제2광신호의 주파수를 제어하는 과정을 포함하는 두 개의 신호원을 이용한 레이저 주파수 안정화 방법 및 장치를 제공한다.

Description

레이저 주파수 안정화 방법 및 장치{Method and Apparatus for Stabilzation of Laser Frequency}
본 발명의 실시예는 레이저 주파수 안정화 방법 및 장치에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 주파수 안정화된 광공진기를 이용하여 레이저 주파수를 안정화함으로써 레이저의 동작주파수를 안정화하고자 하는 레이저 주파수 안정화 방법 및 장치에 관한 것이다.
이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 발명의 실시예에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 반드시 종래기술을 구성하는 것은 아니다.
레이저는 온도 변화, 역학적 진동, 전기적 잡음 등으로 인해 출력 선폭이 확대되고, 발진되는 중심 주파수도 천천히 표류하게 된다. 레이저의 주파수 안정화란 이러한 요인들을 제거 또는 보상하여 결과적으로 발진 주파수의 표류를 막고 발진 선폭도 축소시키는 것을 말한다.
레이저의 주파수 안정화에는 레이저 주파수 변별기로 분류하면 원자의 전이선을 이용한 방법, 광검류 효과를 이용한 방법, 안정한 기준공진기를 이용한 방법, 회절격자 등을 이용한 방법이 있고 피드백의 종류로는 광학적 피드백, 전기적 피드백 방법 등이 있다.
이와 같은 방법으로 산업 및 과학분야에서 레이저를 사용하는데 있어서 주파수의 변이폭이 작도록 정밀하게 주파수를 안정화할 필요가 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 본 발명의 실시예는, 광공진기를 이용하여 레이저 주파수를 안정화하고, 레이저 주파수를 안정화하는데 사용되는 광공진기도 동시에 안정화함으로써 레이저의 동작주파수를 더욱 안정화하고자 하는 데에 주된 목적이 있다.
전술한 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 실시예는, 조사 레이저빔을 제1 광 및 제2 광으로 분할하여 출력하는 제1빔분리기; 빔을 수신하여 광공진이 일어나지 않는 주파수의 빔을 반사하는 광공진기; 상기 제1 광이 상기 광공진기에 입사되어 반사되는 반사광의 위상변화에 따라 조사레이저를 제어하기 위한 제1광신호를 발생하는 제1제어부; 상기 조사 레이저빔을 방출하되 상기 제1광신호에 따라 상기 조사 레이저빔의 주파수를 제어하는 조사 레이저; 상기 제1빔분리기로부터 출력된 제2 광을 제2신호원으로부터 수신된 제2신호를 이용하여 광변조하여 제2광변조신호를 생성하는 제2 전자광 변조부; 상기 제2광변조신호가 상기 광공진기로 입사된 후 상기 광공진기로부터 반사되는 제2반사광을 제2광신호로 변환하는 제2광검출부; 및 상기 제2광신호와 상기 제2신호신호를 이용하여 상기 제2광신호의 위상출력에 따라 결정되는 제2위상신호를 생성하는 제2위상감지기를 포함하되, 상기 광공진기는 상기 제2위상신호를 수신하여 상기 제2위상신호에 따라 상기 광공진기의 광경로의 길이를 제어하는 것을 특징으로 하는 레이저 주파수 안정화 장치를 제공한다.
상기 제1제어부는, 상기 제1빔분리기로부터 출력된 제1 광을 제1신호원으로부터 수신된 제1신호를 이용하여 광변조하여 제1광변조신호를 생성하는 제1 전자광 변조부; 및 상기 제1광변조신호가 상기 광공진기로 입사된 후 상기 광공진기로부터 반사되는 제1반사광을 제1광신호로 변환하는 제1광검출부를 포함할 수 있다.
상기 제1신호의 주파수는 상기 광공진기의 선폭보다 큰 주파수를 사용할 수 있다.
상기 레이저 주파수 안정화 장치는, 상기 제1광신호와 상기 제1신호를 이용하여 상기 제1광신호의 위상출력에 따라 결정되는 제1위상신호를 생성하는 제1위상감지기를 더 포함하고, 상기 조사 레이저는 상기 제1위상신호에 따라 상기 조사 레이저빔의 주파수를 제어할 수 있다.
상기 레이저 주파수 안정화 장치는, 상기 제1신호의 위상을 제어한 후 상기 제1믹서로 전송하는 제1위상제어기와, 상기 제2신호의 위상을 제어한 후 상기 제2믹서로 전송하는 제2위상제어기를 더 포함할 수 있다.
상기 제1빔분리기는 상기 조사 레이저빔을 편광 방향에 따라 반사 또는 투과하여 각각 일정 편광 성분을 갖는 상기 제1광 및 상기 제2광으로 분리하도록 할 수 있다.
상기 레이저 주파수 안정화 장치는, 상기 제2광변조신호를 받아들여 출력시키는 제2출력포트 및 상기 제2출력포트에서 출력된 광이 상기 광공진로 입사된 후 반사되어 상기 제2출력포트로 재입력받고 재입력받은 광을 다시 반사시킨 반사광인 제2반사광을 출력하는 제2서큘레이터를 더 포함할 수 있다.
상기 레이저 주파수 안정화 장치는, 상기 제2광변조신호를 편광 방향에 따라 투과 또는 반사시켜 상기 광공진기로 입사시키고, 상기 광공진기로부터 반사되는 반사광을 편광 방향에 따라 투과 또는 반사시키는 제2빔분리기를 더 포함할 수 있다.
상기 레이저 주파수 안정화 장치는, 상기 제1위상신호를 증폭하여 상기 조사레이저로 출력하는 제1증폭부와, 상기 제2위상신호를 증폭하여 상기 광공진기로 출력하는 제2증폭부를 더 포함할 수 있다.
상기 제2신호는 소정의 주파수에서 동작하는 원자시계로부터 발생된 것일 수 있으며, 상기 제2신호는 상기 광공진기의 모드 간격과 동일한 주파수를 갖도록 설정할 수 있다.
전술한 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 실시예는, 레이저 주파수 안정화 장치에 의한 레이저 주파수 안정화 방법에 있어서, 조사 레이저가 방출한 조사 레이저빔을 제1 광 및 제2 광으로 분할하여 출력하는 과정; 상기 제1 광이 상기 광공진기에 입사되어 반사되는 반사광의 위상변화에 따라 조사레이저를 제어하기 위한 제1광신호를 발생하는 과정; 상기 조사 레이저가 상기 제1광신호를 수신하여 상기 제1광신호에 따라 상기 조사 레이저빔의 주파수를 제어하는 과정; 상기 출력된 제2 광을 제2신호원으로부터 수신된 제2신호를 이용하여 광변조하여 제2광변조신호를 생성하는 과정; 상기 제2광변조신호가 광공진기에 입력된 후 상기 광공진기로부터 반사되는 광인 제2반사광을 제2광신호로 변환하는 과정; 상기 제2광신호와 상기 제2신호를 이용하여 상기 제2광신호의 위상출력에 따라 결정되는 제2위상신호를 생성하는 과정; 및 상기 광공진기가 상기 제2위상신호를 수신하여 상기 제2위상신호에 따라 상기 광공진기 내의 광경로의 길이를 제어하여 상기 제1광신호 및 상기 제2광신호의 주파수를 제어하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 주파수 안정화 방법을 제공한다.
여기서, 상기 레이저 주파수 안정화 방법은, 상기 제2신호의 위상을 제어하는 과정을 수행한 후 상기 제2신호와 상기 제2광신호를 이용하여 상기 제2위상신호를 생성할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 실시예에 의하면, 주파수 안정화된 광공진기를 이용하여 레이저 동작주파수를 안정화하여 레이저의 단기안정도를 안정화시키고 온도나 압력 등의 환경변화에 따른 광공진기의 동작주파수 변화는 안정도가 높은 발진기를 사용하여 광공진기의 모드 간격(Free Spectral Range)을 안정화하여 레이저의 장기 안정도를 높이는 효과가 있다.
광공진기를 이용하여 레이저 주파수를 안정화하고, 레이저 주파수를 안정화하는데 사용되는 광공진기도 동시에 안정화함으로써 레이저의 동작주파수를 더욱 높이는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 주파수 안정화 장치(100)를 예시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 주파수 안정화 방법을 예시한 흐름도이다.
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 주파수 안정화 장치(100)를 예시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 주파수 안정화 장치(100)는 조사 레이저(110), 제1빔분리기(120), 제1 전자광 변조부(130), 제1서큘레이터(140), 제2빔분리기(150), 광공진기(160), 제1광검출부(170), 제1신호원(180), 제1위상제어기(190). 제1믹서(200), 제1증폭부(210), 제2 전자광 변조부(220), 제2서큘레이터(230), 제2광검출부(240), 제2신호원(250), 제2위상제어기(260), 제2믹서(270) 및 제2증폭부(280)를 포함한다.
본 실시예에서 주파수 안정화 장치(100)가 조사 레이저(110), 제1빔분리기(120), 제1 전자광 변조부(130), 제1서큘레이터(140), 제2빔분리기(150), 광공진기(160), 제1광검출부(170), 제1신호원(180), 제1위상제어기(190). 제1믹서(200), 제1증폭부(210), 제2 전자광 변조부(220), 제2서큘레이터(230), 제2광검출부(240), 제2신호원(250), 제2위상제어기(260), 제2믹서(270) 및 제2증폭부(280)를 포함하여 구성하는 것으로 기재하고 있으나, 이는 본 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 주파수 안정화 장치(100)에 포함되는 구성 요소에 대하여 다양하게 수정 및 변형하여 적용 가능할 것이다.
한편, 제1 전자광 변조부(130), 제1서큘레이터(140), 제1광검출부(170), 제1신호원(180), 제1위상제어기(190). 제1믹서(200) 및 제1증폭부(210) 본 발명의 제1제어부(300)를 구현한 실시예이다.
조사 레이저(110)는 조사 레이저빔을 방출한다. 예컨대 조사 레이저 빔은 지면에 대하여 45°로 편광되도록 하면 수직 및 수평 두 성분을 갖는다.
제1빔분리기(120)는 조사 레이저빔을 두 개의 광(제1 광 및 제2 광)으로 분할하여 각기 하나씩 출력한다. 즉, 제1빔분리기(120)는 편광빔 분리기로서 수직 편광 및 수평 편광의 두 편광성분의 광선을 하나는 투과하고 다른 하나는 반사하여 두개의 편광성분의 광으로 분리하여 출력할 수 있다. 이하의 설명에서는 제1광은 수평편광 빔, 제2광은 수직편광 빔으로 가정하여 설명하나, 실시예에 따라서는 제1광은 수직편광 빔이고 제2광은 수편편광 빔일 수도 있다.
본 실시예에서 제1빔분리기(120)가 편광빔 분리기인 것으로 설명하였으나, 실시예에 따라서는 제1빔분리기(120)는 반투명 거울을 사용함으로써 조사 레이저 빔의 편광 방향에 관계없이 일부의 조사 레이저 빔은 투과하고 일부의 조사 레이저 빔은 반사되도록 할 수도 있다.
광공진기(160)는 빔을 수신하여 광공진시키되 광공진기(160) 내에서 광공진이 일어나지 않는 주파수의 빔을 반사한다. 여기서 광공진기(160)로는 파브리-페로(Fabry-Ferot) 공진기 등 다양한 광공진기를 사용할 수 있다.
제1제어부(300)는 제1 광이 광공진기(160)에 입사되어 반사되는 반사광의 위상변화에 따라 조사 레이저(110)를 제어하기 위한 제1광신호를 발생하며, 조사 레이저(110)는 제1광신호에 따라 조사 레이저빔(110)의 주파수를 제어한다. 여기서, 제1제어부(300)의 구성요소로 포함될 수 있는 제1 전자광 변조부(130), 제1서큘레이터(140), 제1광검출부(170), 제1신호원(180), 제1위상제어기(190). 제1믹서(200) 및 제1증폭부(210)의 동작은 이하에서 상세히 설명한다.
제1 전자광 변조부(130)는 제1빔분리기(120)를 지나온 수평편광 빔을 제1신호원(180)으로부터 수신된 제1신호를 이용하여 광변조하여 제1광변조신호를 생성한다. 예컨대 후술하는 광공진기(160)의 선폭(예컨대, 1 MHz)보다 큰 주파수(예컨대 20 MHz)의 주파수를 갖도록 설정한다.
제1서큘레이터(140)는 제1광변조신호를 받아들여 출력시키는 제1출력포트(141) 및 제11출력포트(141)에서 출력된 광이 광공진기(160)에 입사된 후 광공진이 일어나지 않는 주파수의 광이 광공진기(160)로부터 반사되어 재입력되는 광을 수신하고 이 재입력되는 광에 대한 반사광인 제1반사광을 제12출력포트(142)에서 출력한다. 즉, 제1서큘레이터(140)의 제11출력포트(141)에서 출력된 광은 광공진기(160)로 입사된 후 광공진기(160)로부터 반사되어 제11출력포트(141)로 돌아온다.
제1서큘레이터(230)와 광공진기(160) 사이에는 제2빔분리기(150)가 위치할 수 있다.
제2빔분리기(150)는 제1광변조신호 및 제2광변조신호를 편광 방향에 따라 투과 또는 반사시켜 광공진기(160)로 입사시키고, 광공진기(160)로부터 반사되는 반사광을 편광 방향에 따라 투과 또는 반사시킨다. 즉, 제2빔분리기(150)는 제1광변조신호를 제1서큘레이터(140)로부터 수신하여 투과시켜 광공진기(160)로 입사시키고 광공진기(160)로 입사된 후 다시 광공진기(160)로부터 반사되어 돌아오는 반사광을 투과시켜 제11출력포트(141)로 입사시킨다. 제1서큘레이터(140)는 입사된 반사광을 제12출력포트(142)에서 반사하여 출력한다. 여기서 본 발명의 제1출력포트는 제11출력포트(141)로 구현된다.
제1광검출부(170)는 제1광변조신호가 광공진기(160)로 입사된 후 반사되는 제1반사광을 제1광신호로 변환한다.
제1믹서(200)는 본 발명의 주파수 안정화 장치의 구성요소인 제1위상감지기를 구현한 하나의 실시예로서, 제1광신호와 제1신호를 곱하여 제1위상신호를 생성한다. 여기서 생성되는 제1위상신호는 광공진기(160)에서 반사된 제1광신호의 위상변화에 따라서 달라진다. 따라서 조사 레이저 빔의 동작 주파수에서 주파수 편이가 발생하거나 광공진기(160)의 광경로가 변화되는 등의 원인으로 광공진기(160)에서 반사된 제1광신호의 위상변화가 발생한 경우 제1광신호와 제1신호를 곱하여 제1광신호의 위상출력의 변화에 따라 변하는 제1위상신호를 출력한다.
여기서, 제1위상제어기(190)는 제1광신호의 위상출력의 변화에 따라 변하는 제1위상신호 출력의 생성을 용이하게 하기 위하여 제1신호에 대하여 소정의 크기의 위상을 지연하거나 위상이 빨라지도록 제어한다. 즉, 제1신호를 위상 제어함으로써 제1믹서(200)는 위상제어된 제1신호와 제1광신호의 위상출력에 따라 제1위상신호를 생성할 수 있다. 여기서 제1신호를 위상 제어하는 양은, 제1광신호의 위상출력이 달라지는 경우(예컨대 제1반사광의 주파수가 조사 레이저 빔의 목표 동작주파수를 중심으로 커지거나 제1광신호의 주파수가 조사 레이저 빔의 목표 동작주파수를 중심으로 작아지는 경우) 제1위상신호의 값이 달라지도록 설정된다.
제1증폭부(210)는 제1위상신호를 증폭하여 조사 레이저(110)로 출력한다. 즉, 제1위상신호를 증폭함으로써 조사 레이저(110)의 조사 레이저 빔의 주파수를 제어하는 신호로 사용할 수 있다. 예컨대, 조사 레이저(110) 내부의 레이저 발생회로(미도시)의 전류를 제어하거나 조사 레이저(110) 내의 광경로 길이를 조절하는 방법 등으로 조사 레이저(110)의 동작 주파수를 제어한다. 예컨대, 제1위상신호의 값이 작아지는 경우에는 조사 레이저(110)의 동작 주파수가 작아지도록 하고 제1위상신호의 값이 커지는 경우에는 조사 레이저(110)의 동작 주파수가 커지도록 제어한다. 여기서 제어 방법에 따라 제1위상신호의 값이 작아지는 경우에 조사 레이저(110)의 동작 주파수가 커지도록 하고 제2위상신호의 값이 커지는 경우에는 조사 레이저(110)의 동작 주파수가 작아지도록 제어할 수도 있다.
제2 전자광 변조부(220)는 제1빔분리기(120)로부터 출력된 수직편광 빔을 제2신호원(250)으로부터 수신된 제2신호로 광변조하여 제2광변조신호를 생성한다. 여기서는 광공진기(160)의 선폭(예컨대, 1 MHz)보다 매우 큰 주파수(예컨대 3.0 GHz)의 주파수를 갖도록 제2신호원(250)(예컨대 원자시계)로부터 제2신호를 수신한다. 또한, 제2신호는 광공진기(160)의 모드 간격과 동일한 주파수를 갖도록 설정함으로써 광공진기(160)의 모드 간격(Free Spectral Range)을 안정화하여 온도 등의 환경 변화에 따른 장기적인 안정도를 높일 수 있다.
제2서큘레이터(230)는 제2광변조신호를 받아들여 출력시키는 제21출력포트(231) 및 제21출력포트(231)에서 출력된 광이 광공진기(160)로 입사된 후 광공진기(160)에서 광공진이 일어나지 않는 주파수의 광이 다시 반사되어 재입력되는 광을 수신하고, 이 재입력되는 광에 대한 반사광인 제2반사광을 제22출력포트(232)에서 출력한다. 즉, 제2서큘레이터(230)의 제21출력포트(231)에서 출력된 광은 광공진기(160)로 입사된 후 광공진기(160)로부터 다시 반사되어 제21출력포트(231)로 돌아온다.
제2서큘레이터(230)와 광공진기(160) 사이에는 제2빔분리기(150)가 위치할 수 있다. 제2빔분리기(150)는 제2광변조신호를 제2서큘레이터(230)로부터 수신하여 반사시켜 광공진기(160)로 입사시키고 광공진기(160)로부터 돌아오는 반사광을 다시 반사시켜 제21출력포트(231)로 입사시킨다. 제2서큘레이터(230)는 입사된 반사광을 제22출력포트(232)에서 반사하여 제2반사광을 출력한다.
즉, 광공진기(160)는 제11 출력포트(141)에서 출력된 광 및 제21 출력포트(231)에서 출력된 광을 입력받아 각각에 대하여 광공진이 일어나지 않는 주파수의 빔을 반사하는 기능을 한다.
여기서 본 발명의 제2출력포트는 제21출력포트(231)로 구현된다.
제2광검출부(240)는 제2반사광을 제2광신호로 변환하여 제2믹서(270)로 전송한다.
제2믹서(270)는 본 발명의 주파수 안정화 장치의 구성요소인 제2위상감지기를 구현한 하나의 실시예로서, 제2광신호와 제2신호를 곱하여 제2위상신호를 생성한다. 여기서 생성되는 제2위상신호는 광공진기(160)에서 반사된 제2광신호의 위상변화에 따라서 달라진다. 따라서 조사 레이저 빔의 동작 주파수에서 주파수 편이가 발생하거나 광공진기(160)의 광경로가 변화되는 등의 원인으로 광공진기(160)에서 반사된 제2광신호의 주파수에 변화가 발생하며 제2광신호와 제2신호를 곱하여 제2광신호의 위상출력에 변화에 따라 변하는 제2위상신호 출력을 발생한다.
여기서 제2위상제어기(260)는 제2광신호의 위상출력의 변화에 따라 변하는 제2위상신호 출력의 발생을 용이하게 하기 위하여 제2신호에 대하여 소정의 크기의 위상을 지연하거나 위상이 빨라지도록 제어한다. 즉, 제2신호를 위상제어를 함으로써 제2믹서(270)는 위상제어된 제2신호와 제2광신호의 위상출력에 따라 제2위상신호를 생성할 수 있다. 여기서 제2신호를 위상 제어하는 양은, 제2광신호의 위상출력이 달라지는 경우(예컨대 제2반사광의 주파수가 조사 레이저 빔의 목표 동작주파수를 중심으로 커지거나 제2반사광의 주파수가 조사 레이저 빔의 목표 동작주파수를 중심으로 작아지는 경우) 제2위상신호의 값이 달라지도록 설정된다.
제2증폭부(280)는 제2위상신호를 증폭하여 광공진기(160)로 출력한다. 즉, 제2위상신호를 증폭함으로써 광공진기(160)에서 발생하는 반사광의 주파수를 제어하는 신호로 사용할 수 있다. 예컨대, 광공진기(160) 내부의 광경로의 길이를 제어하는 피에조(Piezo) 소자로 증폭된 제2위상신호를 출력함으로써, 제2위상신호의 크기에 따라 피에조(Piezo) 소자의 길이를 변화시키게 되고 피에조(Piezo) 소자의 길이 변화로 인하여 광공진기(160) 내부의 광경로의 길이가 변하도록 할 수 있다. 예컨대, 제2위상신호의 값이 작아지는 경우에는 광공진기(160) 반사광의 주파수가 작아지도록 광경로의 길이를 크게 하고 제2위상신호의 값이 커지는 경우에는 광공진기(160) 반사광의 주파수가 커지도록 광경로의 길이를 작아지게 제어한다. 여기서 제어 방법에 따라 제2위상신호의 값이 작아지는 경우에 광공진기(160) 반사광의 주파수가 커지도록 광경로의 길이를 작게 하고 제2위상신호의 값이 커지는 경우에는 광공진기(160) 반사광의 주파수가 작아지도록 광경로의 길이를 크게 제어할 수도 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 주파수 안정화 방법을 예시한 흐름도이다.
레이저 주파수 안정화 장치에 의한 레이저 주파수 안정화 방법은, 조사 레이저(110)가 조사 레이저빔을 방출하고, 조사 레이저빔을 두 개의 광(제1 광 및 제2 광)으로 분할하여 각기 하나씩 출력하는 과정(S210), 출력된 제1 광을 제1신호원(180)으로부터 수신된 제1신호를 이용하여 광변조하여 제1광변조신호를 생성하고 출력된 제2 광을 제2신호원(250)으로부터 수신된 제2신호를 이용하여 광변조하여 제2광변조신호를 생성하는 과정(S220), 제1광변조신호가 광공진기(160)에 입사된 후 다시 광공진기(160)로부터 반사되어 재입력되는 반사광인 제1반사광을 출력하고 제2광변조신호가 광공진기(160)에 입사된 후 다시 광공진기(160)로부터 반사되어 재입력되는 반사광인 제2반사광을 출력하는 과정(S230), 제1반사광을 검출하여 전기신호인 제1광신호로 변환하고 제2반사광을 검출하여 전기신호인 제2광신호로 변환하는 과정(S240), 제1광신호와 제1신호를 수신하여 제1광신호와 제1신호를 곱한 후 제1위상신호를 생성하고, 제2광신호와 제2신호를 수신하여 제2광신호와 제2신호를 곱한 후 제2위상신호를 생성하는 과정(S250), 조사 레이저(110)가 제1위상신호를 수신하여 제1위상신호에 따라 조사 레이저 빔의 주파수를 제어하는 과정(S260) 및 광공진기(160)가 제2위상신호를 수신하여 제2위상신호에 따라 광공진기(160) 내의 광경로의 길이를 제어하여 제1반사광 및 제2반사광의 주파수를 제어하는 과정(S270)을 포함하여 구성될 수 있다.
전술하였듯이, 제1신호의 위상을 제어한 후(예컨대 지연한 후) 제1믹서(200)에서 지연된 제1신호와 제1광신호를 이용하여 제1위상신호를 생성할 수 있으며, 제2신호의 위상을 제어한 후(예컨대 지연한 후) 제2믹서(270)에서 지연된 제2신호와 제2광신호를 이용하여 제2위상신호를 생성할 수 있다.
또한, 제1위상신호를 증폭하여 조사 레이저(110)로 출력하는 과정을 더 포함할 수 있으며, 제2위상신호를 증폭하여 광공진기(160)로 출력하는 과정을 더 포함할 수 있다.
그리고, 제2신호는 광공진기(160)의 모드 간격(Free Spectral Range)과 동일한 주파수를 갖도록 설정하며, 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 주파수 안정화 방법에서 제2신호의 위상을 제어하는 과정을 수행한 후 제2신호와 제2광신호를 이용하여 제2위상신호를 생성하도록 할 수도 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예는 주파수 안정화된 광공진기를 이용하여 레이저의 동작주파수를 더욱 정밀하게 안정화할 수 있어 매우 유용한 발명이다.

Claims (12)

  1. 조사 레이저빔을 제1 광 및 제2 광으로 분할하여 출력하는 제1빔분리기;
    빔을 수신하여 광공진이 일어나지 않는 주파수의 빔을 반사하는 광공진기;
    상기 제1 광이 상기 광공진기에 입사되어 반사되는 반사광의 위상변화에 따라 조사레이저를 제어하기 위한 제1광신호를 발생하는 제1제어부;
    상기 조사 레이저빔을 방출하되 상기 제1광신호에 따라 상기 조사 레이저빔의 주파수를 제어하는 조사 레이저;
    상기 제2 광을 제2신호원으로부터 수신된 제2신호를 이용하여 광변조하여 제2광변조신호를 생성하는 제2 전자광 변조부;
    상기 제2광변조신호가 상기 광공진기로 입사된 후 상기 광공진기로부터 반사되는 제2반사광을 제2광신호로 변환하는 제2광검출부; 및
    상기 제2광신호와 상기 제2신호를 이용하여 상기 제2광신호의 위상출력에 따라 결정되는 제2위상신호를 생성하는 제2위상감지기
    를 포함하되, 상기 광공진기는 상기 제2위상신호를 수신하여 상기 제2위상신호에 따라 상기 광공진기의 광경로의 길이를 제어하는 것을 특징으로 하는 레이저 주파수 안정화 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제1제어부는,
    상기 제1빔분리기로부터 출력된 제1 광을 제1신호원으로부터 수신된 제1신호를 이용하여 광변조하여 제1광변조신호를 생성하는 제1 전자광 변조부; 및
    상기 제1광변조신호가 상기 광공진기로 입사된 후 상기 광공진기로부터 반사되는 제1반사광을 제1광신호로 변환하는 제1광검출부
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 주파수 안정화 장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 제1신호의 주파수는 상기 광공진기의 선폭보다 큰 주파수인 것을 특징으로 하는 레이저 주파수 안정화 장치.
  4. 제 2항에 있어서, 상기 레이저 주파수 안정화 장치는,
    상기 제1광신호와 상기 제1신호를 이용하여 상기 제1광신호의 위상출력에 따라 결정되는 제1위상신호를 생성하는 제1위상감지기를 더 포함하고,
    상기 조사 레이저는 상기 제1위상신호에 따라 상기 조사 레이저빔의 주파수를 제어하는 것을 특징으로 하는 레이저 주파수 안정화 장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 레이저 주파수 안정화 장치는,
    상기 제2신호의 위상을 변화시킨 후 제2믹서로 전송하는 제2위상제어기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 주파수 안정화 장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 제1빔분리기는 상기 조사 레이저빔을 편광 방향에 따라 반사 또는 투과하여 각각 일정 편광 성분을 갖는 상기 제1광 및 상기 제2광으로 분리하는 것을 특징으로 하는 레이저 주파수 안정화 장치.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 레이저 주파수 안정화 장치는,
    상기 제2광변조신호를 받아들여 출력시키는 제2출력포트 및 상기 제2출력포트에서 출력된 광이 상기 광공진로 입사된 후 반사되어 상기 제2출력포트로 재입력받고 재입력받은 광을 다시 반사시킨 반사광인 제2반사광을 출력하는 제2서큘레이터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 주파수 안정화 장치.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 레이저 주파수 안정화 장치는,
    상기 제2광변조신호를 편광 방향에 따라 투과 또는 반사시켜 상기 광공진기로 입사시키고, 상기 광공진기로부터 반사되는 반사광을 편광 방향에 따라 투과 또는 반사시키는 제2빔분리기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 주파수 안정화 장치.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 제2신호는 상기 광공진기의 모드 간격과 동일한 주파수를 갖는 것을 특징으로 하는 레이저 주파수 안정화 장치.
  10. 레이저 주파수 안정화 장치에 의한 레이저 주파수 안정화 방법에 있어서,
    조사 레이저가 방출한 조사 레이저빔을 제1 광 및 제2 광으로 분할하여 출력하는 과정;
    상기 제1 광이 광공진기에 입사되어 반사되는 반사광의 위상변화에 따라 조사레이저를 제어하기 위한 제1광신호를 발생하는 과정;
    상기 조사 레이저가 상기 제1광신호를 수신하여 상기 제1광신호에 따라 상기 조사 레이저빔의 주파수를 제어하는 과정;
    상기 출력된 제2 광을 제2신호원으로부터 수신된 제2신호를 이용하여 광변조하여 제2광변조신호를 생성하는 과정;
    상기 제2광변조신호가 광공진기에 입사된 후 상기 광공진기로부터 반사되는 광인 제2반사광을 제2광신호로 변환하는 과정;
    상기 제2광신호와 상기 제2신호를 이용하여 상기 제2광신호의 위상출력에 따라 결정되는 제2위상신호를 생성하는 과정; 및
    상기 광공진기가 상기 제2위상신호를 수신하여 상기 제2위상신호에 따라 상기 광공진기 내의 광경로의 길이를 제어하여 상기 제1광신호 및 상기 제2광신호의 주파수를 제어하는 과정
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 주파수 안정화 방법.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 제2신호는 상기 광공진기의 모드 간격과 동일한 주파수를 갖는 것을 특징으로 하는 레이저 주파수 안정화 방법.
  12. 제 10항에 있어서,
    상기 레이저 주파수 안정화 방법은,
    상기 제2신호의 위상을 제어하는 과정을 수행한 후 상기 제2신호와 상기 제2광신호를 이용하여 상기 제2위상신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 레이저 주파수 안정화 방법.
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