KR101900413B1 - 단일 펄스 레이저 장치 - Google Patents

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문병혁
전영인
서민아
김재헌
유용상
이택진
이석
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Abstract

본 발명은 단일 펄스 레이저 장치로서, 양쪽 끝에 배치되고 일정 수준 이상의 반사율을 가지는 제1 미러 및 제2 미러; 일정 각도로 회전되어 수동 모드록킹 상태로 레이저 광을 발진시키는 이득매질; 상기 발진된 레이저 광 중 특정 편광을 가지는 광이 출력되도록 하는 선형 편광기; 상기 발진된 레이저 광의 펄스폭을 조정하는 에탈론; 및 Q-스위칭 및 단일펄스 스위칭을 수행하는 전기광학변조기를 포함한다.

Description

단일 펄스 레이저 장치{SINGLE PULSE LASER APPARATUS}
본 발명은 레이저 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 이득물질의 비선형 편광 회전을 이용한 단일 펄스 레이저 장치에 관한 것이다.
최근 레이저를 이용한 치료 기술이 널리 사용되고 있는데, 이러한 레이저를 이용한 치료장치는 피부과, 안과, 치과, 외과 수술 등에 사용되고 있다. 이 중, 피부과에서 사용되는 레이저 치료장치는 일반적으로 피부에 발생되는 피부 질환 또는 혈관 질환 같은 병변의 치료에 사용되며, 일정한 파장 및 세기를 갖는 레이저를 피부에 조사하여 치료 목적을 달성한다. 여러 가지 종류의 레이저가 피부과에서 치료를 위해 사용된다. 알렉산드라이트 레이저(Alexanderite laser, 755nm에서 동작, 2012년 개발)는 자연적으로 발생한 피부병리학적인 색소침착 및 문신을 처리하기 위하여 주로 이용되고, 후유증을 최소로 하면서 치료효과를 극대화 하기 위한 피코초(picosecond) 펄스를 이용한다. 또한, 장펄스 루비 레이저는 머리털 제거를 위해 사용되고, Nd:YAG 레이저(1060nm에서 동작), 이산화탄소 레이저(CO2 laser, 10.6마이크로미터에서 동작) 및 아르곤 레이저(488-514nm범위에서 동작)는 확장성 혈관의 치료를 위해 사용된다.
구체적으로 피부과에서는 얼룩 반점, 기타 확장성 혈관 장애 및 문신을 포함한 색소 장애와 같은 다양한 피부병리학적 문제를 처리하기 위하여 레이저 치료장치가 이용된다. 이는 구성 단백질이 변성되거나 색소 입자가 분산되는 정도로 온도를 상승시키도록 국부적인 가열이 가능하도록 한다. 이때, 의료용 레이저는 다른 연구용 및 산업용 레이저와 달리 피부의 상처 치료에 적합한 레이저 조사광의 펄스폭과 에너지가 중요하다. 특히, 치료 효과를 극대화하기 위해 출력 펄스에 에너지가 최대한 집중 되어야 하는데, 이를 위하여 단일 펄스 출력이 가능한 레이저가 필요하다.
종래의 기술에서는 단일 피코초 펄스 출력과 높은 에너지를 출력하기 위한 목적으로 펄스 피커(pulse picker) 방식 및 공진기 덤핑(cavity dumping) 방법을 사용한다. 그러나, 이러한 방법을 사용할 경우, 고속의 고전압 회로가 필요하기 때문에 회로 설계제작 가격과 소비전력 부담이 발생하고, 출력 에너지가 작기 때문에 증폭기를 사용해야 하는 문제가 있고, 증폭기의 사용에 따른 시스템 부피 증가와 증폭기에 공급되는 고전압에 의한 소모 전력 및 가격 부담이 발생한다.
미국등록특허 US 7,929,579는 전기광학변조기(EOM, Electro-Optic Modulator)를 1개만 사용하고 공진기 덤핑 방법을 사용하여 고 에너지 단일 펄스를 출력하는 방법을 개시하고 있다. 그러나, 이 경우에는 고전압 전기광학변조기를 사용하여야 하고, 고속의 고전압 구동 회로가 필요하기 때문에 이에 따른 가격과 소비전력의 부담이 발생하고, 전기광학변조기를 1개만 사용하여 모드록킹(mode-locking)과 Q-스위칭(Q-switching), 그리고 단일펄스 출력까지 모두 해야 하기 때문에, 고전압에 의한 소비 전력의 부담이 발생하는 문제가 있다. 또한, 고전압 전기광학변조기를 사용하여 모드록킹과 Q-스위칭, 단일펄스 출력을 모두 하기 위하여 고속 고전압 스위칭 회로가 제작되어야 한다. 이에 더하여, 고 에너지 피코초 단일 펄스 출력이 가능하여 증폭기의 사용이 필요 없지만, 완전한 모드록킹을 구현하지 않기 때문에 짧은 펄스폭을 만드는데 한계가 있다.
미국등록특허 US 7,929,579
본 발명의 목적은 이득매질의 편광 축에 따른 이득 차이를 이용하여 모드록킹을 수행하는 단일 펄스 레이저 장치를 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제1 측면은, 단일 펄스 레이저 장치로서, 양쪽 끝에 배치되고 일정 수준 이상의 반사율을 가지는 제1 미러 및 제2 미러; 일정 각도로 회전되어 수동 모드록킹 상태로 레이저 광을 발진시키는 이득매질; 상기 발진된 레이저 광 중 특정 편광을 가지는 광이 출력되도록 하는 선형 편광기; 상기 발진된 레이저 광의 펄스폭을 조정하는 에탈론; 및 Q-스위칭 및 단일펄스 스위칭을 수행하는 전기광학변조기를 포함한다.
바람직하게, 상기 이득매질은 상기 일정 각도로 회전됨에 따라 사선 편광된 광을 발진시킬 수 있다.
바람직하게, 상기 선형 편광기는 상기 사선 편광된 광 중 수직 편광 성분의 광은 출력하고, 수평 편광 성분의 광은 통과시킬 수 있다.
바람직하게, 상기 수직 편광 성분의 광 및 수평 편광 성분의 광의 굴절률은 빛의 세기에 따라 달라지고, 굴절률의 차이에 따른 위상 차이로 인하여, 상기 사선 편광된 광의 사선 편광 성분은 수평 편광으로 돌아가게 될 수 있다.
바람직하게, 상기 이득매질은 고이득축이 지면으로부터 30°회전될 수 있다.
바람직하게, 상기 에탈론은 일정한 반사율을 갖는 평행 평면판으로서, 유리 또는 수정의 평행 평면판 한면 또는 양면에 유전체 다층박막을 증착시켜 반사율을 높인 광학소자이고, 레이저 광이 상기 에탈론을 투과할 때 투과 파장대역을 제한함으로써, 상기 에탈론의 반사율, 두께 및 굴절률에 의해 레이저 광의 펄스폭이 조정될 수 있다.
바람직하게, 상기 에탈론은 적어도 하나 이상이며, 특성이 다른 에탈론을 공진기의 내부 또는 외부에 선택적으로 사용하여, 레이저 광의 펄스폭이 조정될 수 있다.
바람직하게, 상기 레이저 광의 펄스폭은 100 ps ~ 1 ns의 구간에서 조정될 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명의 단일 펄스 레이저 장치에 따르면, 단일 펄스 출력 및 모드록킹을 위해 고속 고전압의 특별한 회로설계 제작이 필요 없기 때문에 단일 펄스 레이저 장치를 제작하는 비용을 줄일 수 있고 소비전력도 줄일 수 있는 효과가 있으며, 알렉산드라이트 레이저뿐만 아니라, 큰 비선형 계수를 가지고 편광 축에 따른 이득이 다른 고체 레이저에도 확장이 가능하다.
또한, 본 발명에 따르면 피코초 펄스폭의 단일 펄스 출력이 가능하므로 높은 피크 파워(peak power)가 필요한 산업용에 응용 가능성이 있고, 의료용 레이저로 활용되어 치료 목적에 따른 에탈론을 사용하여 출력 빔의 적절한 펄스폭을 설정할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 단일 펄스 레이저 장치의 공진기에 대한 블록도이다.
도 2는 이득매질의 단면을 나타내는 도면이다.
도 3은 이득매질의 흡수율을 나타내는 그래프이다.
도 4는 NPR 현상을 설명하는 도면이다.
도 5 내지 7은 본 발명의 실시예에 따른 공진기를 이용하여 실험한 결과를 나타내는 도면이다.
도 8은 에탈론의 두께에 따라 변화되는 펄스폭을 나타내는 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 이하의 실시예는 이 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 본 발명이 충분히 이해되도록 제공되는 것으로서 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 기술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다.
그리고, 피부치료용 레이저의 주요 인자에는 펄스 에너지(pulse energy), 펄스폭(pulse width), 피코초(picosecond), 레이저 파장(laser wavelength), Q-스위칭(Q-switching), 모드록킹(mode-locking), 단일 펄스(single pulse), 공진기 덤핑(cavity dumping) 등이 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 단일 펄스 레이저 장치에 대한 블록도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 단일 펄스 레이저 장치는 공진기(100)를 포함하고, 공진기(100)는 제1 미러(110), Q-스위칭(Q-switching) 및 단일펄스 스위칭(single pulse switching)을 수행하는 전기광학변조기(120), 선형 편광기(130), 아이리스(iris)(140), 모드록킹(mode-locking)이 수행되도록 하는 이득매질(150), 에탈론(160), 및 제2 미러(170)를 포함한다.
공진기(100)의 양쪽 끝에는 제1 미러(110)와 제2 미러(170)가 배치된다. 제1 미러(110)와 제2 미러(170)는 공진기 덤핑(cavity dumping) 방식을 구현하기 위하여 모두 99.9% 이상의 반사도를 가지는 전반사경이다.
선형 편광기(130)는 공진기(100)에서 발진된 레이저 광이 출력되어 나가게 한다.
이득매질(150)은 펌핑을 통해 밀도반전이 이루어질 수 있는 물질로서, 외부에서 이 물질로 입사해온 광은 증폭 작용을 하여 높은 세기의 광으로 출력된다. 외부에서 펌핑 디바이스로 사용될 수 있는 것은 플래쉬 램프, 아크 램프, 또는 다른 레이저 등이 있다. 이득매질(150)로는 알렉산드라이트(alexandrite) 또는 티타늄(titanium) 도핑된 사파이어 크리스탈(sapphire crystal) 봉(rod), 네오디뮴(neodymium)으로 도핑된 이트륨-알루미늄(yttrium aluminum) 가넷 크리스탈(Nd:YAG crystal) 봉 등이 사용될 수 있다.
예를 들어, 펌프 램프를 사용하여 광을 이득매질(150)에 입사시키면, 이득매질(150)에서 여기된 빛은 광축을 따라 에탈론(160)을 지나 제2 미러(170)에서 반사된다. 다시, 광축을 따라 에탈론(160), 이득매질(150), 전기광학변조기(120)를 차례로 지난 광은 제1 미러(110)에서 반사된다.
바람직하게, 이득매질(150)은 회전을 통하여 모드록킹 상태를 만들고 발진을 막아 공진기 손실(cavity loss)이 최대가 되게 한 다음, 전기광학변조기(120)를 통하여 충분히 저장된 에너지가 순간적으로 출력되게 하여 Q-스위칭 및 단일펄스 스위칭이 수행되도록 할 수 있다. 이득매질(150)의 회전을 이용하여 모드록킹이 수행되도록 하는 구성은 이하에서 보다 상세하게 설명한다.
에탈론(160)은 레이저 광의 펄스폭을 조정하는 역할을 하는데, 일정한 반사율을 갖는 평행 평면판으로서, 통상 유리 또는 수정의 평행 평면판 또는 그 양면에 유전체 다층박막을 증착시켜 반사율을 높인 광학소자이다.
Q-스위칭 및 단일펄스 스위칭을 수행하는 전기광학변조기(120)는 펄스를Q-스위칭하고, Q-스위칭된 펄스를 스위칭하여 편광을 수직으로 돌려주고, 선형 편광기(130)에서 반사시켜 단일펄스가 출력되도록 한다.
이하에서는, 도 2 내지 4를 참조하여, 공진기(100)에서 모드록킹과 Q-스위칭이 수행되어 단일 펄스가 출력되는 과정을 살펴본다.
먼저, 본 발명에 따른 공진기(100)에 포함된 이득매질(150)은 일정한 각도(예를 들어, 30°)로 회전되어 있고, 일정한 각도로 회전된 이득매질(150)을 통하여 모드록킹은 계속 수행된다. 이는, 사선 편광 상태로 이득매질의 편광 축에 따른 이득 차이를 이용하여 모드록킹이 수행되도록 하는 것으로서, 종래에는 이득매질을 수평 또는 수직방향으로 사용하여 단일 편광 상태로 발진 시켰으나, 본 발명에서는 이득매질을 일정 각도로 회전시켜 수동 모드록킹 상태로 발진시키는 것이다.
여기에서, 수동 모드록킹 상태로 발진시킨다는 것은 외부 에너지에 의해 모드록킹이 되는 것이 아니라 자체적으로 모드록킹 상태를 만든다는 것이고, 예를 들어, 포화흡수체를 이용하거나, Kerl Lens, 또는 NPR를 이용하여 자체적으로 모드록킹이 이루어지도록 하는 것이다.
또한, 일정 각도로 회전된 이득매질(150)에 따라 사선 편광 상태로 초기 발진된 광이 광의 세기에 따라 이득이 달라진다는 것은, 도 2를 참조하면, 이득매질(150)의 단면을 나타낸 것으로서, a-axis는 고이득축(High Gain Axis)이고, b-axis는 저이득축(Low Gain Axis)으로서 서로 수직하고, 이득매질(150)의 a-axis를 지면으로부터 30°회전시키면, 흡수율을 나타내는 도 3의 그래프에 나타난 바와 같이 420nm에서 흡수율의 차이가 2배 이상 나기 때문에 이득의 차이가 2배 이상 발생할 수 있다는 것을 의미한다. 즉, 420nm 광자를 흡수해서 750nm 광자를 방출하기 때문에 흡수율이 클수록 이득도 커진다.
다음으로, 이득매질(150)의 a-axis와 b-axis의 이득이 달라 상대적으로 b-axis 보다 a-axis에서 생성되는 광자가 더 많게 되어 사선 편광된(약 30°) 광이 발진되면, 사선 편광 상태로 발진된 광의 수직 편광 성분의 광은 선형 편광기(130)에 의하여 밖으로 출력되고, 수평 편광 성분의 광은 선형 편광기(130)를 통과하게 된다. 이에 따라, 공진기 (100) 내부에서 광이 왕복하다보면 광의 세기에 의하여 사선 편광 성분이 수평 편광으로 돌아가고 돌아간 성분은 계속 성장하고, 돌아가지 못한 성분은 감쇠에 의하여 사라지게 된다. 즉, 본 발명에 의하면 NPR(Nonlinear Polarization Rotation) 방식을 구현할 수 있다.
여기에서, NPR은, 도 4를 참조하면, 수직 또는 수평 편광의 빛이 비선형계수가 큰 물질을 도파할 때 스스로 편광이 돌아가는 현상을 의미하고, 비선형 현상이라고도 한다. 보다 구체적으로, NPR 방식은 아래의 [수식]을 만족하고, 아래의 [수식]을 참조하면, 전기장(E)의 세기가 커지면, 굴절률 n의 2차 성분인 n2 가 굴절률에 영향을 준다는 것을 알 수 있다.
[수식]
Figure 112017039946733-pat00001
즉, 본 발명에서 이득매질(150)을 통하여 약 30°로 사선 편광된 광이 n2 값이 큰 물질을 통과하게 되면, 해당 광의 수직 성분과 수평 성분의 굴절률이 빛의 세기에 따라 달라지기 때문에, 서로 다른 위상 차이로 인해 편광이 돌아가는 것이다. 여기에서, 빛의 세기가 큰 축이 더 큰 굴절률을 갖기 때문에 서로 다른 위상 차이를 가지게 되고, 편광은 30°에서 0°로 굴절률이 큰쪽으로 돌아간다.
다음으로, 일정 각도로 회전된 이득매질(150)을 통하여 모드록킹된 펄스는 에탈론(160)에 의하여 펄스폭이 100ps - 1ns 범위 내의 값으로 조정되고, 제1 및 제2 미러(110 및 170)는 모두 99.9% 이상의 반사도를 가지는 전반사경이므로 공진기(100) 외부로 빔이 빠져나가지 못하여 펌핑 에너지는 모두 공진기(100) 내부에 저장된다.
선형 편광기(130)를 통하여 공진기 손실이 발생되게 하고, 전기광학변조기(120)의 전압을 0으로 하여 공진기 손실을 최대로 한다. 공진기 손실이 최대인 상태에서 에너지가 충분히 저장되게 하고, 전기광학변조기(120)의 전압을 1/4 파장 전압(quarter wave voltage)으로 순간적으로 올려 충분히 저장된 에너지가 출력되게 하여 모드록킹 Q-스위칭 된 단일 펄스를 출력한다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 공진기를 이용하여 실험한 결과를 나타내는 도면이다.
도 5의 (a) 및 (b)를 참조하면, 파란색으로 표시된 그래프는 검출기의 대역폭이 10GHz에 해당하는 경우이고, 노란색으로 표시된 그래프는 검출기의 대역폭(bandwidth)이 2GHz에 해당하는 경우를 나타내는 것으로서, 검출기의 대역폭의 차이에 따른 그래프의 차이는 있으나, (a) 및 (b)의 경우에서 모두 본 발명의 공진기를 통하여 모드록킹 상태가 가능한 것을 나타내고 있다.
도 6 및 7은 본 발명의 실시예에 따른 공진기를 이용하여 실험한 결과를 나타내는 도면이다.
도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 이득매질(150)의 회전을 이용하여 모드록킹을 수행하는 공진기(100)를 이용하여 93ps의 펄스폭이 검출된 것을 나타낸다. 다만, 93ps의 펄스폭은 검출기 및 오실로스코프의 한계로 인하여 검출된 값이고 실제로는 더 짧은 펄스폭이 검출될 수도 있다.
또한, 도 7을 참조하면, 80ps 펄스폭, 80MHz 반복률을 갖는 Q-스위칭 모드록킹 상태를 확인할 수 있다.
도 8은 에탈론의 두께에 따라 변화되는 펄스폭을 나타내는 그래프이다.
도8을 참조하면, 모드록킹된 다음에 출력된 Q-스위칭 및 모드록킹된 펄스의 펄스폭은 에탈론(160)을 사용하여 1ns 이상의 펄스폭까지 조정이 가능하고, 펄스폭 조정을 위하여 여러 가지 두께의 에탈론(160)을 사용할 수 있다.
보다 구체적으로, 레이저 광이 에탈론(160)을 투과할 때, 에탈론(160)의 반사율, 두께 및 굴절률에 따라서 레이저 광의 투과 파장대역이 제한 받게 되고, 이에 따라 펄스폭이 조정된다.
여기서 에탈론(160)의 개수를 조절하여 레이저 광의 펄스폭 조정에서 자유도를 높일 수 있다. 예를 들어, 의료용 레이저를 위하여 레이저 펄스폭을 100 ps ~ 1 ns 의 구간에서 자유롭게 조정할 수 있는 것이 바람직하다.
에탈론(160)이 공진기(100) 바깥(extra-cavity)에 배치된 경우에는, 레이저가 출력되면서 한번만 지나가므로 반사율이 매우 높아야 원하는 펄스폭 형성의 효과를 낼 수 있다. 반면에 에탈론(160)이 공진기(100) 내부(intra-cavity)에 설치된 경우에는, 양면에 유전체 박막이 없는 4% 정도의 작은 반사율을 갖는 단순한 평행판 타입의 에탈론(160)을 사용하여도 레이저가 공진기(100) 내부에서 충분히 왕복하므로 공진기(100) 외부에 설치한 고반사율의 에탈론과 같은 효과를 낼 수 있다.
이를 통하여 치료를 위해 적절한 펄스폭을 선택할 수 있는 이점이 있다.
전술한 본 발명에 따른 단일 펄스 레이저 장치에 대한 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명에 속한다.
100: 공진기
110: 제1 미러
120: 전기광학변조기
130: 선형 편광기
140: 아이리스
150: 이득매질
160: 에탈론
170: 제2 미러

Claims (8)

  1. 양쪽 끝에 배치되고 일정 수준 이상의 반사율을 가지는 제1 미러 및 제2 미러;
    일정 각도로 회전되고, 상기 일정 각도로 회전됨에 따라 사선 편광된 광을 발진시켜 수동 모드록킹을 수행하는 이득매질;
    상기 발진된 레이저 광 중 특정 편광을 가지는 광이 출력되도록 하는 선형 편광기;
    상기 발진된 레이저 광의 펄스폭을 조정하는 에탈론; 및
    Q-스위칭 및 단일펄스 스위칭을 수행하는 전기광학변조기를 포함하는 단일 펄스 레이저 장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 선형 편광기는
    상기 사선 편광된 광 중 수직 편광 성분의 광은 출력하고, 수평 편광 성분의 광은 통과시키되,
    상기 발진된 레이저 광 중 광의 세기에 따라 사선 편광 성분은 수평 편광으로 돌아가고, 상기 수평 편광으로 돌아간 성분은 성장하고 상기 수평 편광으로 돌아가지 못한 성분은 감쇠하는 것을 특징으로 하는 단일 펄스 레이저 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 수직 편광 성분의 광 및 수평 편광 성분의 광의 굴절률은 빛의 세기에 따라 달라지고, 굴절률의 차이에 따른 위상 차이로 인하여, 상기 사선 편광된 광의 사선 편광 성분은 수평 편광으로 돌아가게 되는 것을 특징으로 하는 단일 펄스 레이저 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 이득매질은
    고이득축이 지면으로부터 30°회전되는 것을 특징으로 하는 단일 펄스 레이저 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 에탈론은
    일정한 반사율을 갖는 평행 평면판으로서, 유리 또는 수정의 평행 평면판 한면 또는 양면에 유전체 다층박막을 증착시켜 반사율을 높인 광학소자이고,
    레이저 광이 상기 에탈론을 투과할 때 투과 파장대역을 제한함으로써, 상기 에탈론의 반사율, 두께 및 굴절률에 의해 레이저 광의 펄스폭이 조정되는 것을 특징으로 하는 단일 펄스 레이저 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 에탈론은
    적어도 하나 이상이며, 특성이 다른 에탈론을 공진기의 내부 또는 외부에 선택적으로 사용하여, 레이저 광의 펄스폭이 조정되는 것을 특징으로 하는 단일 펄스 레이저 장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 레이저 광의 펄스폭은
    100 ps ~ 1 ns의 구간에서 조정되는 것을 특징으로 하는 단일 펄스 레이저 장치.
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