KR101915628B1

KR101915628B1 - 펄스 레이저 발진기 및 펄스 레이저 발진 제어 방법

Info

Publication number: KR101915628B1
Application number: KR1020137032394A
Authority: KR
Inventors: 고이치 가지야마; 미치노부 미즈무라; 데츠야 기구치; 다이스케 이시; 요시카츠 야나가와; 마사미 다키모토
Original assignee: 브이 테크놀로지 씨오. 엘티디
Priority date: 2011-07-11
Filing date: 2012-07-09
Publication date: 2018-11-06
Also published as: CN103636083B; US20140126591A1; WO2013008772A1; CN103636083A; US9054494B2; KR20140033089A; TW201320513A; TWI555291B

Abstract

본 발명은 인가된 전압에 따라 광을 편광하는 제1의 전기 광학 소자와, 상기 제1의 전기 광학 소자에 전압을 인가하는 동시에 전압을 제어하는 전압 제어 장치를 구비한 펄스 레이저 발진기로서, 상기 전압 제어 장치에 의하여 상기 제1의 전기 광학 소자에 인가하는 전압 값을 경시적으로 변화시켜, 레이저 광의 펄스 폭을 제어하는 것이다.

Description

펄스 레이저 발진기 및 펄스 레이저 발진 제어 방법{PULSE LASER OSCILLATOR AND METHOD FOR CONTROLLING PULSE LASER OSCILLATION}

본 발명은 인가된 전압에 따라 광을 편광하는 전기 광학 소자를 구비한 펄스 레이저 발진기 및 펄스 레이저 발진 제어 방법에 관한 것으로, 상세하게는 전기 광학 소자에 인가하는 전압을 경시적(經時的)으로 변화시켜, 레이저 광의 펄스 폭을 신장시키고, 출력되는 펄스 레이저 광의 피크 에너지를 저하시킬 수 있는 펄스 레이저 발진기 및 펄스 레이저 발진 제어 방법에 관한 것이다.

종래의 펄스 레이저 발진기로서, 레이저 매질, 이것을 여기하는 여기용 광원, 및 레이저 매질이 방사한 광을 왕복 증폭하는 공진기를 구비하고 펄스 레이저 광을 얻는 구성으로서, 레이저 매질의 한쪽에 고반사율 미러를, 다른 한쪽에 저반사율 미러를 설치하여 이루어지는 공진기 사이에 Q 스위치 소자 및 캐비티 덤프 소자를 설치하고, 레이저 광을 공진기 내에 완전히 가둔 상태에서 Q 스위치 발진을 하여, 공진기 내에 축적된 펄스 레이저 광의 피크 레벨 근방에서 계속해서 캐비티 덤프 소자를 동작시켜 캐비티 덤프를 행하게 함으로써, 공진기 내부에 축적된 에너지를 순간적으로 외부로 취출하도록 구성된 것이 있었다 (예를 들면 특허 문헌 1 참조).

특허 문헌 1: 일본공개특허공보 특개 2003－69118호

그러나, 종래의 펄스 레이저 발진기에 있어서는, 공진기 내부에 축적된 에너지가 순간적으로 외부로 취출되기 때문에, 출력되는 펄스 레이저 광의 피크 에너지가 너무 커져서, 레이저가 조사되는 대상물을 손상시킬 우려가 있었다.

이에, 이와 같은 문제점에 대처하고, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 펄스 폭을 신장함으로써, 출력되는 펄스 레이저 광의 피크 에너지를 저하시킬 수 있는 펄스 레이저 발진기 및 펄스 레이저 발진 제어 방법을 제공하는 데 있다.

상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명에 의한 펄스 레이저 발진기는 인가된 전압에 따라 광을 편광하는 제1의 전기 광학 소자와, 상기 제1의 전기 광학 소자에 전압을 인가하는 동시에, 전압을 제어하는 전압 제어 장치를 구비한 펄스 레이저 발진기로서, 상기 전압 제어 장치에 의하여 상기 제1의 전기 광학 소자에 인가하는 전압 값을 경시적으로 변화시켜, 레이저 광의 펄스 폭을 제어하는 것이다.

이 경우, 상기 제1의 전기 광학 소자는 복수 개 구비할 수 있고, 상기 복수의 제1의 전기 광학 소자의 각각에 인가하는 전압 값을 각각 경시적으로 변화시켜도 좋다.

바람직하게는, 상기 전압 제어 장치는 상기 제1의 전기 광학 소자에 인가하는 전압 값의 변화율을 단계적으로 변화시키는 것이 좋다.

또한, 상기 제1의 전기 광학 소자를 2개 구비하고, 상기 전압 제어 장치에 의하여, 상기 2개의 제1의 전기 광학 소자에 각각 서로 반대 방향의 전압을 인가하여도 좋다.

또한, 상기 전기 광학 소자는 포켈스 셀이며, 또한 λ/4 파장판을 구비하면 좋다.

또한, 상기 레이저 광의 광로 상에는, 크로스 니콜에게 배치된 두 개의 편광 소자와, 상기 두 개의 편광 소자의 사이에 배치되고, 전압의 인가에 의하여 내부를 통과하는 레이저 광의 편광면을 회전시키는 제2의 전기 광학 소자와, 상기 제2의 전기 광학 소자에 대한 인가 전압 값 및 인가 타이밍을 제어하는 제어부를 포함하는 레이저용 아테네이터를 추가로 구비하여도 좋다.

이 경우, 상기 제2의 전기 광학 소자는 포켈스 셀이어도 좋다.

또한, 상기 포켈스 셀은 복수 개가 직렬로 나란히 배치되어 있어도 좋다.

바람직하게는, 상기 레이저용 아테네이터는 상기 레이저 광의 광로 상에 설치된 광 증폭기의 하류측에 구비되는 것이 좋다.

또한, 본 발명에 의한 펄스 레이저 발진 제어 방법은 인가된 전압에 따라 광을 편광하는 제1의 전기 광학 소자에 인가하는 전압을 변화시킴으로써, 레이저 광의 발진을 제어하는 레이저 발진 제어 방법에 있어서, 상기 제1의 전기 광학 소자에 인가하는 전압 값을 경시적으로 변화시켜, 레이저 광의 펄스 폭을 제어하는 것이다.

바람직하게는, 상기 제1의 전기 광학 소자에 인가하는 전압 값의 변화율을 단계적으로 변화시키는 것이 좋다.

본 발명에 의하면, 전압 제어 장치에 의하여 제1의 전기 광학 소자에 인가하는 전압 값을 경시적으로 변화시켜, 레이저 광의 펄스 폭을 제어할 수 있다. 따라서, 출력되는 펄스 레이저 광의 펄스 폭을 신장시키는 동시에, 펄스 레이저 광의 피크 에너지를 저하시킬 수 있다.

또한, 레이저 광을 분광하는 빔 스프리터나, 지연 광학계를 위한 미러를 사용하지 않고 펄스 폭을 신장시킬 수 있기 때문에, 펄스 레이저 발진기를 컴팩트하게 형성할 수 있다.

또한, 펄스 레이저 발진기를 사용할 때에, 상기 빔 스프리터나, 지연 광학계를 위한 미러를 조정할 필요가 없기 때문에, 펄스 레이저 발진기를 사용하기 위한 작업이 용이하게 된다.

[도 1] 본 발명에 의한 펄스 레이저 발진기의 제1의 실시 형태에 있어서의 전압 비인가 상태를 나타내는 개략도이다.
[도 2] 상기 제1의 실시 형태에 있어서의 전압 인가 상태를 나타내는 개략도이다.
[도 3] 상기 제1의 실시 형태의 포켈스 셀에 인가하는 전압의 변화와 출력되는 펄스 레이저 광의 출력 에너지의 관계의 일례를 나타내는 그래프이다.
[도 4] 도 3에 기재된 관계의 다른 예를 나타내는 그래프이다.
[도 5] 도 3 및 도 4에 기재된 관계의 또 다른 예를 나타내는 그래프이다.
[도 6] 본 발명에 의한 펄스 레이저 발진기의 제2의 실시 형태에 있어서의 전압 비인가 상태를 나타내는 개략도이다.
[도 7] 상기 제2의 실시 형태에 있어서의 전압 인가 상태를 나타내는 개략도이다.
[도 8] 상기 제2의 실시 형태의 2개의 포켈스 셀에의 전압의 제어를 모식적으로 나타내는 그래프이며, (a)는 2개의 포켈스 셀에 각각 전압을 인가하는 제어, (b)는 (a)의 경우에 있어서의 2개의 포켈스 셀의 합계 인가 전압을 나타내는 그래프이다.
[도 9] 도 8에 기재된 전압의 제어의 다른 예를 나타내는 그래프이다.
[도 10] 상기 제2의 실시 형태의 포켈스 셀에 인가하는 전압과, 펄스 레이저 광의 출력 에너지의 관계의 일례를 나타내는 그래프이며, (a)는 1개의 포켈스 셀에만 전압을 인가하는 경우, (b)는 2개의 포켈스 셀에 동일 방향으로 전압을 인가하는 경우를 나타내는 그래프이다.
[도 11] 상기 제2의 실시 형태의 2개의 포켈스 셀에 동일 방향으로 전압을 인가한 경우와 반대 방향으로 전압을 인가한 경우에 출력되는 펄스 레이저 광의 출력 에너지를 비교하는 그래프이다.
[도 12] 본 발명에 의한 펄스 레이저 발진기의 제3의 실시 형태를 나타내는 평면도이다.
[도 13] 상기 제3의 실시 형태의 레이저용 아테네이터의 하나의 구성예를 나타내는 평면도이다.
[도 14] 상기 레이저용 아테네이터에 의한 1 펄스의 레이저 광에 있어서의 특정 시간의 에너지가 선택적으로 저감되는 모습을 나타내는 설명도이며, (a)는 저감 전 상태를 나타내고, (b)는 저감 후의 상태를 나타낸다.
[도 15] 상기 레이저용 아테네이터에 의한 1 펄스의 레이저 광에 있어서의 특정 시간의 에너지를 선택적으로 저감하기 위한 전압 제어에 대하여 나타내는 설명도이며, (a)는, 인가 전압의 시간 변화를 나타내고, (b)는 그 때의 투과율의 시간 변화를 나타낸다.

이하, 본 발명의 실시 형태를 첨부 도면에 기초하여 상세하게 설명한다. 도 1은 본 발명에 의한 펄스 레이저 발진기의 제1의 실시 형태를 나타내는 도면이다. 이 펄스 레이저 발진기는, Q값 (후술하는 광 공진기(3) 내에 축적된 에너지/광 공진기(3) 의 외부로 유실되는 에너지)을 변경함으로써 자이언트 펄스를 발생시키는 Q 스위치법에 의하여 자이언트 펄스를 발생시키는 YAG 레이저로서, YAG 로드(1)와, 플래시 램프(2)와, 광 공진기(3)와, 폴라라이저(4)와, λ/4 파장판(5)과, 포켈스 셀(6)과, 전압 제어 장치(7)를 구비한다.

상기 YAG 로드(1)는 후술하는 플래시 램프(2)로부터 광에 조사됨으로써 광을 방출하고, 방출한 광을 유도 방출에 의하여 증폭시키는 것으로, 도 1에 도시하는 바와 같이, 광축(L)을 따라서 광을 방출하는 고체의 레이저 매질이다. 이 YAG 로드(1) 대신에, Nd：YAG 로드나 Er：YAG 로드 등의 다른 레이저 매질을 사용하여도 좋다.

YAG 로드(1)의 측면 (도 1에 있어서의 YAG 로드(1)의 위쪽)에는 플래시 램프(2)가 설치되어 있다. 이 플래시 램프(2)는 YAG 로드(1)에 광을 조사하여, YAG 로드(1)로부터의 광의 방출을 개시하게 함으로써, 예를 들면 크세논 플래시 램프나 레이저 다이오드가 사용된다.

도 1에 있어서의 YAG 로드(1)의 좌우의 양측에는, 프론트 미러 (3a) 및 리어 미러(3b)가 설치되어 있다. 이 프론트 미러 (3a) 및 리어 미러(3b)는 YAG 로드(1)로부터 방출된 광을 2장의 미러 사이에서 왕복시킴으로써, 프론트 미러 (3a)와 리어 미러(3b)에 의하여, YAG 로드(1) 내에서 유도 방출을 일으키게 하여 코히런트 광을 증폭시키는 광 공진기(3)를 구성하고 있다.

상기 프론트 미러(3a)는, 입사 광의 일부를 투과시키는 부분 투과 미러로서, YAG 로드(1)로부터 방출되는 광의 광축(L) 상의 레이저 광이 방출되는 측에 설치된다. Q 스위치법에 의하여 순간적으로 증폭된 레이저 광의 일부가 이 프론트 미러 (3a)를 통하여 광 공진기(3) 내로부터 취출된다.

또한, 상기 리어 미러(3b)는 YAG 로드(1)를 사이로 두고 프론트 미러 (3a)와 반대측의 광축(L) 상에 설치된 전반사 미러로서, 프론트 미러 (3a)와의 사이에 광축(L) 상의 광을 왕복시킨다.

상기 리어 미러(3b)와 YAG 로드(1)와의 사이의 광축(L) 상에는, 폴라라이저(4)가 설치되어 있다. 이 폴라라이저(4)는 입사광 중에서 입사면에 대하여 수직인 편광 성분인 s 편광을 반사시킴으로써, 입사면에 대하여 평행한 편광 성분인 p 편광만을 투과시키는 것으로, Q 스위치법에 있어서의 셔터의 역할을 하는 편광자이다. 폴라라이저(4)의 재질은 유리나 플라스틱이고, 입사광의 입사각(θ)이 p 편광의 반사율이 0이 되는 블루스터각이 되도록 광축(L) 에 대하여 기울여서 설치되어 있다. 이 폴라라이저(4)는 복수 개 설치되어 있어도 좋다. 또한, 폴라라이저(4)는 s 편광 또는 p 편광의 어느 하나만 투과시키는 것이면 좋고, 상기한 것 이외에도, 예를 들면 편광 프리즘이나 편광 필터 등의 편광자를 사용하여도 좋다.

또한, 이하의 설명에서 사용하는 s 편광 및 p 편광이라고 하는 용어는 이 폴라라이저(4)에 대한 s 편광 및 p 편광을 가리키는 것으로 한다.

상기 폴라라이저(4)와 리어 미러(3b)의 사이에는, λ/4 파장판(5)이 설치되어 있다. 이λ/4 파장판(5)은 입사광의 편광 성분에 90°(π/2)의 위상차를 일으키게 하는 것으로, 직선 편광 (상기 s 편광 또는 p 편광)을 원 편광으로, 원 편광을 직선 편광으로 변환하는 것이며, 도 1에 도시하는 바와 같이, 폴라라이저(4)의 좌측의 광축(L) 상에 설치되어 있다. YAG 로드(1)로부터 방출되어 폴라라이저(4)를 투과한 p 편광은, 이 λ/4 파장판(5)에 의하여 원 편광으로 변환된다.

상기 λ/4 파장판(5)과 리어 미러(3b)와의 사이에는 포켈스 셀(6)이 설치되어 있다. 이 포켈스 셀(6)은 인가된 전압에 따라 광을 편광하는 제1의 전기 광학 소자로서, 도 1에 도시하는 바와 같이, λ/4 파장판(5)의 좌측의 광축(L) 상에 설치되어 있다. 포켈스 셀(6)은 전압이 인가되어 있지 않은 상태에서는 광을 편광하지 않지만, 전압이 인가되면 광을 편광하며, 그 편광의 정도는 인가 전압에 의존한다.

상기 포켈스 셀(6)에는, 전압 제어 장치(7)가 전기적으로 접속되어 있다. 전압 제어 장치(7)는 포켈스 셀(6)에 전압을 인가하는 동시에 인가하는 전압을 제어하는 것으로, 전압 인가 회로(7a)와 제어 회로(7b)로 이루어져 있다.

전압 인가 회로(7a)는, 포켈스 셀(6)에 전압을 인가하는 것이며, 포켈스 셀(6)에 전기적으로 접속되어 있다. 이 전압 인가 회로(7a)에는, 전압 인가 회로(7a)에 의한 포켈스 셀(6)에의 전압의 인가를 제어하는 것으로, 포켈스 셀(6)에 입사한 광의 편광의 정도를 변화시켜, 레이저 광의 발진을 제어하는 제어 회로(7b)가 접속되어 있다.

다음으로, 이와 같이 구성된 펄스 레이저 발진기의 동작 및 펄스 레이저 발진 제어 방법으로 대하여, 도 1 내지 도 5를 참조하여 설명한다.

이 펄스 레이저 발진기에 의하여 펄스 레이저를 발진할 때, 먼저 제어 회로(7b)는 전압 인가 회로(7a)에 신호를 보내어, 포켈스 셀(6)에의 인가 전압이 0V가 되도록 전압 인가 회로(7a)를 제어한다. 이 상태에서, 플래시 램프(2)가 발광하여 YAG 로드(1)에 광을 조사하면, YAG 로드(1) 내의 일부의 원자가 여기 상태가 되어, YAG 로드(1)로부터 광축(L)을 따라서 광이 방출된다. YAG 로드(1)로부터 폴라라이저(4)의 방향(화살표 A의 방향)으로 방출된 광은, 도 1에 도시하는 바와 같이, 블루스터각이 되는 입사각(θ)으로 폴라라이저(4)에 입사한다. 입사한 광 중에서, p 편광은 폴라라이저(4)를 투과하고, s 편광 및 원(또는 타원) 편광은 폴라라이저(4)에 의하여 반사되어 광축(L) 의 바깥쪽으로 나아간다.

폴라라이저(4)를 투과한 p 편광은, λ/4 파장판(5)에 입사하여 90°(π/2)의 위상차를 일으키고 원 편광으로 변환되어 포켈스 셀(6)에 입사한다. 여기서, 포켈스 셀(6)에는 전압이 인가되어 있지 않기 때문에, 입사광을 편광하지 않고 투과시킨다. 따라서, 포켈스 셀(6)에 입사한 상기 원 편광은, 도 1에 도시하는 바와 같이, 원 편광인 채로 포켈스 셀(6)을 투과하여 리어 미러(3b)에 반사되어, 재차 포켈스 셀(6)을 투과하여, λ/4 파장판(5)에 입사한다.

원 편광이 λ/4 파장판(5)에 입사하면, 다시 90°(π/2)의 위상차를 일으켜 s 편광(즉, YAG 로드(1)으로부터 방출되고, 폴라라이저(4)를 투과한 p 편광과는 위상이 180°(π) 어긋난 상태)으로 변환되어, 폴라라이저(4)에 블루스터각이 되는 입사각(θ)으로 입사한다. 폴라라이저(4)는 전술한 바와 같이, s 편광을 반사하는 기능이 있기 때문에, 입사한 s 편광은 폴라라이저(4)에 반사되어 광축(L) 의 바깥쪽으로 진행된다.

이와 같이, 포켈스 셀(6)에 전압을 인가하지 않는 상태에서는, YAG 로드(1)로부터 방출된 광은 폴라라이저(4)에 의하여 반사되어 버리고, 다시 YAG 로드(1)에 입사하지 않기 때문에, 광 공진기(3) 내에서의 공진이 발생하지 않고, 펄스 레이저의 발진이 억제된다.

다음으로, YAG 로드(1) 내의 여기된 원자의 수가 펄스 레이저 광으로서 출력하고자 하는 에너지에 필요한 양이 되기(반전 분포가 충분히 커지기)까지 상기한 전압 비인가 상태를 유지한 후, 제어 회로(7b)에 의하여 전압 인가 회로(7a)가 포켈스 셀(6)에 인가하는 전압을 변화시킨다. 전압 인가 회로(7a)에 의하여 포켈스 셀(6)에 소정의 전압이 인가되면, 포켈스 셀(6)은 λ/4 파장판(5)으로서 기능한다.

포켈스 셀(6)에 전압이 인가된 상태에 있어서, YAG 로드(1)로부터 화살표 A의 방향으로 방출된 광은, 도 2에 도시하는 바와 같이, 상기 전압 비인가 상태와 마찬가지로, 폴라라이저(4)에 의하여 p 편광으로 변환되고, λ/4 파장판(5)에 의하여 원 편광으로 변환되어 포켈스 셀(6)에 입사한다. 포켈스 셀(6)에 입사한 광은, 상기한 바와 같이 포켈스 셀(6)이 λ/4 파장판(5)로서 기능하고 있기 때문에, 90°(π/2)의 위상차를 일으키고 s 편광(즉, YAG 로드(1)으로부터 방출되어 폴라라이저(4)를 투과한 p 편광과는 위상이 180°(π) 어긋난 상태)으로 변환된다.

이 s 편광은 리어 미러(3b) 에 의하여 반사되어, 재차 포켈스 셀(6)에 입사하고, 다시 90°의 위상차를 일으켜, 원 편광(즉, YAG 로드(1)로부터 방출되어 폴라라이저(4)를 투과한 p 편광과는 위상이 270°(3π/2) 어긋난 상태)으로 변환된다. 이 원 편광은, λ/4 파장판(5)에 입사하고, 또한 90°의 위상차를 일으켜 p 편광(즉, YAG 로드(1)으로부터 방출되어 폴라라이저(4)를 투과한 p 편광과는 위상이 360°(2π) 어긋난 상태)으로 변환된다.

이 p 편광은, 폴라라이저(4)에 블루스터각이 되는 입사각(θ)으로 입사하여, 폴라라이저(4)를 투과한다. 폴라라이저(4)를 투과한 광은, 도 2에 있어서의 YAG 로드(1)의 좌측으로부터 입사하여, YAG 로드(1) 내에서 유도 방출을 일으키고, 도 2에 있어서의 YAG 로드(1)의 오른쪽으로부터 방출되어, 프론트 미러 (3a)에 반사되어 YAG 로드(1)를 도 2에 있어서의 오른쪽으로부터 왼쪽으로 통과한다. 이하, 동일한 순서로 광 공진기(3) 내를 광이 왕복하여, 유도 방출에 의하여 증폭된 코히런트 광의 일부가 프론트 미러 (3a)로부터 화살표 B의 방향으로 레이저로서 출력된다.

도 3은, 포켈스 셀(6)에 인가하는 전압의 변화와, 출력되는 펄스 레이저 광의 출력 에너지의 관계의 일례를 나타내는 그래프이다. 본 발명에 의한 펄스 레이저 발진기의 실시 형태에 있어서, 제어 회로(7b)에 의하여, 전압 인가 회로(7a)가 포켈스 셀(6)에 인가하는 전압을, 약 0V로부터 약 -4000V까지 약 100 ns로 변화시키면, 펄스 레이저 광의 피크 에너지가 약 13.0 mJ, 펄스 폭이 약 10 ns가 되었다.

또한, 도 4는, 포켈스 셀(6)에 인가하는 전압의 변화와 출력되는 펄스 레이저 광의 출력 에너지의 관계의 다른 예를 나타내는 그래프이다. 본 실시예에 있어서는, 제어 회로(7b)에 의하여 전압 인가 회로(7a)가 포켈스 셀(6)에 인가하는 전압을, 약 0V로부터 약 -3000V까지 약 800 ns로 상기 도 3에 도시하는 실시예보다 완만하게 변화시키고 있어, 펄스 레이저 광의 피크 에너지가 약 0.6 mJ, 펄스 폭이 약 70 ns가 되었다. 이와 같이, 전압 인가 회로(7a)에 의하여 인가되는 전압의 변화율을 제어 회로(7b)에 의하여 작게 함으로써, 펄스 레이저 광의 펄스 폭을 신장시켜 피크 에너지를 저하시킬 수 있다.

또한, 도 5는 포켈스 셀(6)에 인가하는 전압의 변화와, 출력되는 펄스 레이저 광의 출력 에너지의 관계의 또 다른 예를 나타내는 그래프이다. 본 실시예에 있어서는, 제어 회로(7b)에 의하여 전압 인가 회로(7a)가 포켈스 셀(6)에 인가하는 전압을 약 0V로부터 약 -1500V까지 약 300 ns로 변화시킨 후, 약 -1500V로부터 약 -4500V까지 600 ns로 변화시키고 있다.

도 5에 도시하는 바와 같이, 약 0V로부터 약 -1500V까지의 전압의 변화와 약 -1500V로부터 약 -4500V까지의 전압의 변화와의 사이에는, 전압의 변화율이 1회 변화하고 있다. 즉, 도 5에 있어서의 약 -1500V 전후에서의 전압의 그래프의 구배가 변화하고 있다. 이와 같이, 전압의 변화율을 단계적으로 변화시키면, 제어 회로(7b)에 의하여 전압의 변화율을 변화시키는 점(이하 「제어점」이라고 한다.) C의 후에도 피크를 발생시킬 수 있다. 본 실시예에 있어서는, 펄스 레이저 광의 제1의 피크 에너지가 약 0.5 내지 0.6 mJ, 제2의 피크 에너지도 마찬가지로 약 0.5 내지 0.6 mJ, 펄스 폭이 약 150 ns가 되었다. 이와 같이, 제어 회로(7b)에 의하여 전압 인가 회로(7a)가 포켈스 셀(6)에 인가하는 전압의 변화율을 단계적으로 변화시킴으로써, 출력되는 펄스 레이저 광의 펄스 폭을 신장시켜, 펄스 레이저 광의 피크 에너지를 저하시킬 수 있다.

또한, 전압 인가 회로(7a)에 의하여 인가하는 전압의 변화율 및 제어점 C의 수는, 필요한 펄스 폭 및 출력 에너지에 따라 정하면 좋다. 또한, λ/4 파장판(5)을 사용하지 않고, 포켈스 셀(6)로 바꾸고, 전압의 인가에 따라 λ/2 파장판으로서 기능하는 제1의 전기 광학 소자를 사용하는 것으로 하여도 좋다.

도 6은 본 발명에 의한 펄스 레이저 발진기의 제2의 실시 형태를 나타내는 도면이다. 여기에서는, 제1의 실시 형태와 동일한 구성 요소에는 동일한 부호를 붙이고, 제1의 실시 형태와 다른 부분에 대하여 설명한다.

이 제2의 실시 형태에 있어서, λ/4 파장판(5)과 리어 미러(3b)의 사이에는, 제1 포켈스 셀(6a)과 제2 포켈스 셀(6b)이 설치되어 있다. 이 2개의 포켈스 셀(6a, 6b)은 인가된 전압에 따라서 광을 편광하는 제1의 전기 광학 소자로서, 도 6에 도시하는 바와 같이, λ/4 파장판(5)의 좌측의 광축(L) 상에, λ/4 파장판(5)측으로부터 제1 포켈스 셀(6a), 제2 포켈스 셀(6b)의 순서로 설치되어 있다. 이 2개의 포켈스 셀(6a, 6b)은 전압이 인가되어 있지 않은 상태에서는 광을 편광하지 않지만, 전압이 인가되면 광을 편광하며, 그 편광의 정도는 인가 전압에 의존한다.

상기 제 1 포켈스 셀(6a) 및 제2 포켈스 셀(6b)에는, 전압 제어 장치(7)가 전기적으로 접속되어 있다. 전압 제어 장치(7)는 제1 포켈스 셀(6a) 및 제2 포켈스 셀(6b)의 각각에 전압을 인가하는 동시에, 인가하는 전압을 제어하는 것으로, 제1 전압 인가 회로(8a)와, 제2 전압 인가 회로(8b)와, 제1 제어 회로(9a)와, 제2 제어 회로(9b)로 이루어진다.

제1 전압 인가 회로(8a)는 제1 포켈스 셀(6a)에 전압을 인가하는 것으로, 제1 포켈스 셀(6a)에 전기적으로 접속되어 있다. 이 제1 전압 인가 회로(8a)에는, 제1 전압 인가 회로(8a)에 의한 제1 포켈스 셀(6a)에의 전압의 인가를 제어함으로써, 제1 포켈스 셀(6a)에 입사한 광의 편광의 정도를 변화시켜, 레이저 광의 발진을 제어하는 제1 제어 회로(9a)가 접속되어 있다.

제2 전압 인가 회로(8b)는 제2 포켈스 셀(6b)에 전압을 인가하는 것으로, 제2 포켈스 셀(6b)에 전기적으로 접속되어 있다. 이 제2 전압 인가 회로(8b)에는, 제2 전압 인가 회로(8b)에 의한 제2 포켈스 셀(6b)에의 전압의 인가를 제어함으로써, 제2 포켈스 셀(6b)에 입사한 광의 편광의 정도를 변화시키고, 레이저 광의 발진을 제어하는 제2 제어 회로(9b)가 접속되어 있다.

다음으로, 이와 같이 구성된 펄스 레이저 발진기의 제2의 실시 형태의 동작 및 펄스 레이저 발진 제어 방법에 대하여 설명한다.

이 펄스 레이저 발진기에 의하여 펄스 레이저를 발진할 때, 먼저 제1 제어 회로(9a) 및 제2 제어 회로(9b)는 제1 전압 인가 회로(8a) 및 제2 전압 인가 회로(8b)에 각각 신호를 보내어, 제1 포켈스 셀(6a) 및 제2 포켈스 셀(6b)에의 인가 전압이 0V가 되도록 제어한다. 이 상태에서, 플래시 램프(2)가 발광하여, YAG 로드(1)에 광을 조사하면, YAG 로드(1) 내의 일부의 원자가 여기 상태가 되어, YAG 로드(1)로부터 광축(L)을 따라서 광이 방출된다. YAG 로드(1)로부터 폴라라이저(4)의 방향(화살표 A의 방향)으로 방출된 광은, 도 6에 도시하는 바와 같이, 블루스터각이 되는 입사각(θ)으로 폴라라이저(4)에 입사한다. 입사한 광 중에서, p 편광은 폴라라이저(4)를 투과하여, s 편광 및 원(또는 타원) 편광은 폴라라이저(4)에 의하여 반사되어 광축(L) 의 바깥쪽으로 나아간다.

폴라라이저(4)를 투과한 p 편광은, λ/4 파장판(5)에 입사하여 90°(π/2)의 위상차를 일으키고, 원 편광으로 변환되어 제1 포켈스 셀(6a)에 입사한다. 여기서, 제1 포켈스 셀(6a)에는 전압이 인가되어 있지 않기 때문에, 입사광을 편광하지 않고 투과시킨다. 따라서, 제1 포켈스 셀(6a)에 입사한 상기 원 편광은, 도 1에 도시하는 바와 같이, 원 편광인 채로 제1 포켈스 셀(6a)을 투과한다. 투과한 원 편광은 제2 포켈스 셀(6b)에 대하여도, 상기와 같이 원 편광인 채로 투과하여, 리어 미러(3b)에서 반사되고, 재차 제 2 포켈스 셀(6b) 및 제1 포켈스 셀(6a)를 투과하여, λ/4 파장판(5)에 입사한다.

원 편광이 λ/4 파장판(5)에 입사하면, 다시 90°(π/2)의 위상차를 일으켜 s 편광(즉, YAG 로드(1)으로부터 방출되어 폴라라이저(4)를 투과한 p 편광과는, 위상이 180°(π 어긋난 상태)으로 변환되어, 폴라라이저(4)에 블루스터각이 되는 입사각(θ)으로 입사한다. 폴라라이저(4)는 전술한 바와 같이, s 편광을 반사하는 기능을 가지고 있기 때문에, 입사한 s 편광은 폴라라이저(4)에 반사되어 광축(L)의 바깥쪽으로 나아간다.

이와 같이, 제1 포켈스 셀(6a) 및 제2 포켈스 셀(6b)에 전압을 인가하지 않은 상태에 있어서는, YAG 로드(1)로부터 방출된 광은 폴라라이저(4)에 의하여 반사되어 버리고, 다시 YAG 로드(1)에 입사하지 않기 때문에, 광 공진기(3) 내에서의 공진이 발생하지 않고, 펄스 레이저의 발진이 억제된다.

다음으로, YAG 로드(1) 내의 여기된 원자의 수가 펄스 레이저 광으로서 출력하고 싶은 에너지에 필요한 양이 되기(반전 분포가 충분히 커지기)까지 상기 전압 비인가 상태를 유지한 후, 제1 제어 회로(9a) 및 제2 제어 회로(9b)에 의하여 제1 전압 인가 회로(8a) 및 제2 전압 인가 회로(8b)가 제1 포켈스 셀(6a) 및 제2 포켈스 셀(6b)에 인가하는 전압을 변화시킨다. 제1 전압 인가 회로(8a) 및 제2 전압 인가 회로(8b)에 의하여, 제1 포켈스 셀(6a) 및 제2 포켈스 셀(6b)에 전압이 인가되면, 제1 포켈스 셀(6a) 및 제2 포켈스 셀(6b)은 인가된 전압에 따라 광을 편광한다. 이 2개의 포켈스 셀(6a, 6b)에 각각 소정의 전압을 인가하면, 2개의 포켈스 셀(6a, 6b)은 전체적으로 λ/4 파장판으로서 기능한다. 이 때, 상기 2개의 포켈스 셀(6a, 6b)에 인가하는 전압의 크기, 방향 및 변화시키는 타이밍은, 제1 제어 회로(9a) 및 제2 제어 회로(9b)에 의하여, 동일하게 되도록 제어되어도 좋고, 또 다르게 제어되어도 좋다.

제1 포켈스 셀(6a) 및 제2 포켈스 셀(6b)에 전압이 인가된 상태에 있어서, YAG 로드(1)로부터 폴라라이저(4)의 방향(화살표 A의 방향)으로 방출된 광은, 도 7에 도시하는 바와 같이, 상기 전압 비인가 상태와 마찬가지로, p 편광만 폴라라이저(4)를 투과하고, s 편광 및 원(타원) 편광은 폴라라이저(4)에 반사된다. 폴라라이저(4)를 투과한 p 편광은, λ/4 파장판(5)에 의하여 원 편광으로 변환되고, 제1 포켈스 셀(6a) 및 제2 포켈스 셀(6b)에 입사한다. 제1 포켈스 셀(6a) 및 제2 포켈스 셀(6b)에 입사한 원 편광은, 전압의 인가에 의하여 제1 포켈스 셀(6a) 및 제2 포켈스 셀(6b)이 전체적으로 λ/4 파장판으로서 기능하고 있기 때문에, 이 2개의 포켈스 셀(6a, 6b)을 투과함으로써 90°(π/2)의 위상차를 일으켜 s 편광(즉, YAG 로드(1)으로부터 방출되어, 폴라라이저(4)를 투과한 p 편광과는 위상이 180°(π) 어긋난 상태)으로 변환된다.

이 s 편광은 리어 미러(3b) 에 의하여 반사되고, 재차 제 2 포켈스 셀(6b) 및 제1 포켈스 셀(6a)에 입사하고, 또한 90°의 위상차를 일으켜, 원 편광(즉, YAG 로드(1)로부터 방출되어, 폴라라이저(4)를 투과한 p 편광과는, 위상이 270°(3π/2) 어긋난 상태)으로 변환된다. 이 원 편광은, λ/4 파장판(5)에 입사하고, 또한 90°의 위상차를 일으켜 p 편광(즉, YAG 로드(1)으로부터 방출되어 폴라라이저(4)를 투과한 p 편광과는, 위상이 360°(2π) 어긋난 상태)으로 변환된다.

이 p 편광은, 폴라라이저(4)에 블루스터각이 되는 입사각(θ)으로 입사하여, 폴라라이저(4)를 투과한다. 폴라라이저(4)를 투과한 광은, 도 2에 있어서의 YAG 로드(1)의 왼쪽으로부터 입사하여, YAG 로드(1) 내에서 유도 방출을 일으키고, 도 2에 있어서의 YAG 로드(1)의 오른쪽으로부터 방출되고, 프론트 미러 (3a)에 반사되어, YAG 로드(1)를 도 2에 있어서의 오른쪽에서 왼쪽으로 통과한다. 이하, 동일한 순서로 광 공진기(3) 내를 광이 왕복하고, 유도 방출에 의하여 증폭된 코히런트 광의 일부가 프론트 미러 (3a)로부터 화살표 B의 방향으로 레이저로서 출력된다.

이 때, 제1 제어 회로(9a)에 의하여, 제1 전압 인가 회로(8a)가 제1 포켈스 셀(6a)에 인가하는 전압만(제2 포켈스 셀(6b)에는 전압을 인가하지 않음)을, 도 3에 도시하는 바와 같이 약 0V로부터 약 -4000V까지 약 100 ns로 변화시키면, 펄스 레이저 광의 피크 에너지가 약 13.0 mJ, 펄스 폭이 약 10 ns가 된다.

또한, 제1 제어 회로(9a)에 의하여, 제1 전압 인가 회로(8a)가 제1 포켈스 셀(6a)에 인가하는 전압의 합계를, 도 4에 도시하는 바와 같이, 약 0V로부터 약 -3000V까지 약 800 ns로 도 3에 나타내는 실시예보다 완만하게 변화시키면, 펄스 레이저 광의 피크 에너지가 약 0.6 mJ, 펄스 폭이 약 70 ns가 된다. 이와 같이, 제1 전압 인가 회로(8a)에 의하여 인가하는 전압의 변화율을 제1 제어 회로(9a)에 의하여 작게 함으로써, 펄스 레이저 광의 펄스 폭을 신장시켜, 피크 에너지를 저하시킬 수 있다. 이는 제2 포켈스 셀(6b)에만 전압을 인가하는(제1 포켈스 셀(6a)에는 전압을 인가하지 않음) 경우에도 마찬가지이다. 또한, 제1 포켈스 셀(6a) 및 제2 포켈스 셀(6b)의 양쪽 모두에 전압을 인가하는 경우에도 같다. 즉, 제1 제어 회로(9a) 및 제2 제어 회로(9b)에 의하여, 제1 포켈스 셀(6a) 및 제2 포켈스 셀(6b)에 인가하는 전압을 변화시킴으로써, 출력되는 펄스 레이저 광의 펄스 폭을 신장시켜, 펄스 레이저 광의 피크 에너지를 저하시킬 수 있다.

또한, 도 5에 도시하는 바와 같이, 제1 제어 회로(9a)에 의하여, 제1 전압 인가 회로(8a)가 제1 포켈스 셀(6a)에 인가하는 전압을, 약 0V로부터 약 -1500V까지 약 300 ns로 변화시킨 후, 약 -1500V로부터 약 -4500V까지 추가로 600 ns로 변화시켜도 좋다.

도 5에 있어서는, 약 0V로부터 약 -1500V까지의 전압의 변화와 약 -1500V로부터 약 -4500V까지의 전압의 변화의 사이에 전압의 변화율이 1회 변화하였다. 즉, 도 5에 있어서의 약 -1500V 전후에서의 전압의 그래프의 구배가 변화하였다. 이와 같이, 전압의 변화율을 단계적으로 변화시키면, 제1 제어 회로(9a)에 의하여 전압의 변화율을 변화시키는 제어점 C의 후에도 피크를 발생시킬 수 있다. 본 실시예에 있어서는, 펄스 레이저 광의 제1의 피크 에너지가 약 0.5 내지 0.6 mJ, 제2의 피크 에너지도 이와 같이 약 0.5 내지 0.6 mJ, 펄스 폭이 약 150 ns가 되었다.

이와 같이, 제1 제어 회로(9a)에 의하여 제1 전압 인가 회로(8a)가 제1 포켈스 셀(6a)에 인가하는 전압의 변화율을 단계적으로 변화시킴으로써, 출력되는 펄스 레이저 광의 펄스 폭을 신장시켜, 펄스 레이저 광의 피크 에너지를 저하시킬 수 있다. 이는 제2 포켈스 셀(6b)에만 전압을 인가하는(제1 포켈스 셀(6a)에는 전압을 인가하지 않음) 경우에 있어서도 마찬가지이다. 또한, 제1 포켈스 셀(6a) 및 제2 포켈스 셀(6b)의 양쪽 모두에 전압을 인가하는 경우에도 같다. 즉, 제1 제어 회로(9a) 및 제2 제어 회로(9b)에 의하여, 제1 전압 인가 회로(8a) 및 제2 전압 인가 회로(8b)가 제1 포켈스 셀(6a) 및 제2 포켈스 셀(6b)에 인가하는 전압의 변화율을 단계적으로 변화시킴으로써, 출력되는 펄스 레이저 광의 펄스 폭을 신장시켜, 펄스 레이저 광의 피크 에너지를 저하시킬 수 있다.

또한, 상기 제어점 C의 수는, 소망하는 펄스 폭 및 피크 에너지에 따라 임의로 결정하면 좋다.

도 8은, 2개의 포켈스 셀(6a, 6b)에의 전압의 제어를 모식적으로 나타내는 그래프이다. 도 8(a)에 도시하는 바와 같이, 제1 제어 회로(9a)에 의하여 제1 포켈스 셀(6a)에 인가하는 전압을 제어하고, 제2 제어 회로(9b)에 의하여 제2 포켈스 셀(6b)에 인가하는 전압을 제어함으로써, 이 2개의 포켈스 셀(6a, 6b)에 전압을 인가하는 타이밍을 어긋나게 할 수 있다. 이와 같이, 2개의 포켈스 셀(6a, 6b)에 전압을 인가하는 타이밍을 어긋나게 하는 전압의 제어는, 2개의 포켈스 셀(6a, 6b) 전체로서, 도 8(b)에 도시하는 바와 같은 2개의 포켈스 셀(6a, 6b)에의 합계 인가 전압의 변화율을 단계적으로 1회 변화시키는(제어점 C가 1개인) 전압의 제어와 등가이다. 즉, 2개의 포켈스 셀(6a, 6b)에 전압을 인가하는 타이밍을 어긋나게 함으로써, 한쪽의 포켈스 셀에 인가하는 전압의 변화율을 단계적으로 변화시킨 경우와 마찬가지로, 출력되는 펄스 레이저 광의 펄스 폭을 신장시키고, 펄스 레이저 광의 피크 에너지를 저하시킬 수 있다. 이 때, 제1 제어 회로(9a) 및 제2 제어 회로(9b)는, 제1 포켈스 셀(6a) 및 제2 포켈스 셀(6b)에 인가하는 전압의 변화율을 각각 단계적으로 변화시킬 필요가 없기 때문에 제어가 용이하다. 따라서, 간단한 구조의 제어 회로를 사용할 수 있다.

또한, 도 9(a)에 도시하는 바와 같이, 제1 포켈스 셀(6a) 및 제2 포켈스 셀(6b)에 전압을 인가하는 타이밍을 어긋나게 하면서, 인가하는 전압의 변화율을 각각 단계적으로 변화시켜도 좋다. 이와 같이, 2개의 포켈스 셀(6a, 6b)에 전압을 인가하는 타이밍을 어긋나게 하면서, 인가하는 전압의 변화율을 각각 단계적으로 변화시키는 전압의 제어는, 2개의 포켈스 셀(6a, 6b) 전체로서 제1 포켈스 셀(6a) 또는 제2 포켈스 셀(6b)의 어느 한쪽에 대한, 도 9(b)와 같은 전압의 변화율을 단계적으로 3회 변화시키는(제어점 C가 3개) 전압의 제어와 등가이다.

도 10 및 도 11에 도시하는 바와 같이, 2개의 포켈스 셀(6a, 6b)에 서로 동일한 방향의 전압을 인가하는 경우에는, 한쪽의 포켈스 셀에만 전압을 인가하여, λ/4 파장판으로서 기능시키기 위해서 필요한 전압보다 낮은 전압을 2개의 포켈스 셀(6a, 6b)에 각각 인가함으로써, 2개의 포켈스 셀(6a, 6b) 전체로서 λ/4 파장판으로서 기능시킬 수 있다.

예를 들면, 제1 포켈스 셀(6a) 및 제2 포켈스 셀(6b)이 모두 3.6 kV의 전압을 인가함으로써 λ/4 파장판으로서 기능하는 포켈스 셀이었을 경우에, 어느 한쪽의 포켈스 셀에만 전압을 인가하고(다른 한쪽에는 전압을 인가하지 않고), 펄스 레이저 광의 출력 에너지를 100% 얻으려면, 전압을 인가하는 한쪽의 포켈스 셀을 λ/4 파장판으로서 기능시킬 필요가 있기 때문에, 도 10(a)에 도시하는 바와 같이, 3.6 kV의 전압을 인가할 필요가 있다. 이에 대하여, 2개의 포켈스 셀(6a, 6b)에 서로 같은 방향의, 그리고 같은 크기의 전압을 인가하여, 펄스 레이저 광의 출력 에너지를 100% 얻으려면, 2개의 포켈스 셀(6a, 6b) 전체로서 λ/4 파장판으로서 기능시키면 좋기 때문에, 도 10(b)에 도시하는 바와 같이, 1.8 kV의 전압을 인가하는 것만으로도 좋다. 즉, 2개의 포켈스 셀(6a, 6b)에 서로 동일한 방향의 전압을 인가하는 경우에는, 펄스 레이저 광의 출력 에너지를 100% 얻는데 필요한 전압을 저하시킬 수 있다.

또한, 제1 포켈스 셀(6a) 및 제2 포켈스 셀(6b)에 서로 반대 방향의 전압을 인가하여도 좋다. 도 11에 도시하는 바와 같이, 2개의 포켈스 셀(6a, 6b)에 동일 방향으로 전압을 인가하였을 경우의 제1회째의 피크 P₁의 피크 에너지는 약 0.6 mJ인데 대하여, 2개의 포켈스 셀(6a, 6b)에 전압을 변화시키는 타이밍을 어긋나게 하여 서로 반대 방향의 전압을 인가하였을 경우의 제1회째의 피크 P2의 피크 에너지는 약 0.2 mJ이다. 즉, 전압을 변화시키는 타이밍을 어긋나게 하여, 서로 반대 방향의 전압을 인가하면, 제1회째의 피크 에너지를 저하시킬 수 있다.

또한, 상기 실시 형태에 있어서, 제1 포켈스 셀(6a) 및 제2 포켈스 셀(6b)은, 전압의 인가에 의해 λ/4 파장판으로서 기능하는 포켈스 셀을 사용하였지만, 이 2개의 포켈스 셀(6a, 6b)은 전압의 인가에 의하여 전체적으로 λ/4 파장판으로서 기능하는 것이면 좋고, 예를 들면 전압의 인가에 의해 λ/2 파장판으로서 기능하는 포켈스 셀이나, 포켈스 셀 이외의 전기 광학 소자를 사용하여도 좋다.

또한, 한쪽의 포켈스 셀에 소정의 전압을 인가하여 λ/4 파장판으로서 기능시킨 상태에서, 다른 한쪽의 포켈스 셀에 인가하는 전압을 변화시키거나, 2개의 포켈스 셀(6a, 6b) 전체로서 소정의 전압을 인가함으로써 λ/2 파장판으로서 기능시킴으로써, 펄스 레이저의 발진을 제어하는 것으로 하여도 좋다. 이 경우, λ/4 파장판(5)이 불필요하게 되어, 펄스 레이저의 부품 점수를 감소시킬 수 있다.

이와 같이, 상기 제1 및 제2의 실시 형태에 의하면, 전압 제어 장치에 의하여 제1의 전기 광학 소자에 인가하는 전압 값을 경시적으로 변화시켜, 레이저 광의 펄스 폭을 제어할 수 있다. 따라서, 출력되는 펄스 레이저 광의 펄스 폭을 신장 시키는 동시에, 펄스 레이저 광의 피크 에너지를 저하시킬 수 있다.

또한, 전기 광학 소자에 인가하는 전압의 변화율을 단계적으로 변화시킴으로써, 펄스 폭의 것보다 긴 롱 펄스의 레이저 광을 발생시킬 수 있는 동시에, 펄스 레이저 광의 피크 에너지를 더 저하시킬 수 있다.

도 12는 본 발명에 의한 펄스 레이저 발진기의 제3의 실시 형태를 나타내는 평면도이다. 여기에서는, 제1의 실시 형태와 같은 구성 요소에는 동일한 부호를 붙이고, 제1의 실시 형태와 다른 부분에 대하여 설명한다.

이 제3의 실시 형태는, 공진기(3)와, 광 증폭기(11)와, 레이저용 아테네이터(12)를 레이저 광의 진행 방향 상류로부터 하류를 향하여 이 순서로 배치하여 구비하고 있다.

상기 공진기(3)는 상기 제1의 실시 형태에 있어서의 공진기와 동일한 기능을 가지는 것으로, 프론트 미러(3a) 및 리어 미러(3b) 의 사이에, 도시를 생략한 플래시 램프에 의하여 여기되어 레이저 광을 발생하는 레이저 매질로서의, 예를 들면 ND：YAG 로드(1)와 이 ND：YAG 로드(1)의 후방에 배치되어 편광 소자로서의 폴라라이저(4), λ/4 파장판(5) 및 포켈스 셀(6)로 이루어지는 Q 스위치(10)를 구비하여 구성되어 있다.

이 경우, 상기 포켈스 셀(6)에 대한 인가 전압을, 도시를 생략한 제어 수단에 의하여 상기 제1의 실시 형태와 같이 제어하고, 펄스 레이저 광의 펄스 폭을 확대할 수 있다.

상기 광증폭기(11)는, 레이저 광의 펄스 에너지를 증폭하여 출력하는 것으로, 예를 들면 ND：YAG 로드가 사용된다.

또한, 상기 레이저용 아테네이터(12)는 1 펄스의 레이저 광에 있어서의 특정 시간의 에너지를 선택적으로 저감하는 것이다.

상기 레이저용 아테네이터(12)의 구체적인 구성예는, 도 13에 도시하는 바와 같이, 레이저 광의 광로 상에 크로스 니콜에 배치된 편광 소자로서의 제1 및 제2의 편광 빔 스프리터(13a, 13b)로 하고, 제1 및 제2의 편광 빔 스프리터(13a, 13b)의 사이에, 입사하는 직선 편광(예를 들면 P 편광)에 대하여 광학축이 45°를 이루도록 배치되며, 전압의 인가에 의하여 내부를 통과하는 레이저 광의 편광 면을 회전시키는 제2의 전기 광학 소자로서의 포켈스 셀(14)과, 이 포켈스 셀(14)에 대한 인가 전압 값 및 인가 타이밍을 제어하는 제어부(15)를 구비한 것이다.

본 제3의 실시 형태에서 사용하는 포켈스 셀(14)은, 일례로서 최대 -3.6 kV의 전압 인가에 의하여 λ/4 파장판의 효과를 얻을 수 있는 것이고, 제3 및 제4 포켈스 셀(14a, 14b)를 직렬로 배열하여 배치하는 동시에 인가 전압을 최대 -3.6 kV로 병렬 제어함으로써, 제3 및 제4 포켈스 셀(14a, 14b)의 조합으로 λ/2 파장판의 효과를 얻을 수 있게 되어 있다. 이 경우, 제3 및 제4 포켈스 셀(14a, 14b)의 인가 전압을, 예를 들면 0 kV 내지 -3.6 kV까지 변화시켰을 때, 레이저용 아테네이터(12)의 광 투과율은 0% 내지 100%까지 변화하게 된다.

또한, 도 12에 있어서, 부호 16은 제2의 폴라라이저이고, 부호 17은 레이저 빔의 지름을 확장하는 빔 익스펜더이며, 부호 18은 반사 미러이다.

다음으로, 이와 같이 구성된 제3의 실시 형태의 동작에서, 특히 레이저용 아테네이터(12)의 동작에 대하여 설명한다.

먼저, 레이저용 아테네이터(12)가 레이저 광의 100%를 투과시키는 경우에 대하여 설명한다. 이 경우, 레이저용 아테네이터(12)의 제3 및 제4 포켈스 셀(14a, 14b)에는, 각각 -3.6 kV의 전압이 인가된다.

이 때, 레이저용 아테네이터(12)에 입사한 레이저 광은, 먼저, 제1의 편광 빔 스프리터(13a)의 반사면(19a)에 있어서, 이 반사면(19a)에 대한 입사면에 평행한 편광 면을 가지고, 반사면(19a)을 투과하는 직선 편광(p 편광)과, 상기 입사면에 수직인 편광 면을 가지고 상기 반사면(19a)에서 반사되는 직선 편광(s 편광)으로 분리된다.

제1의 편광 빔 스프리터(13a)를 투과한 p 편광은, 제3 포켈스 셀(14a)에 입사한다. 이 경우, 제3 포켈스 셀(14a)은 -3.6 kV의 전압이 인가되어 λ/4 파장판의 효과를 발휘하고 있다. 따라서, 제3 포켈스 셀(14a)에 입사한 p 편광의 레이저 광은, 제3 포켈스 셀(14a)를 통과 중에 90°의 위상차가 생겨 원 편광되어 제3 포켈스 셀(14a)을 사출한다.

이어서, 상기 원 편광은 제4 포켈스 셀(14b)에 입사한다. 이 때 제 4 포켈스 셀(14b)에도 -3.6 kV의 전압이 인가되고 있으므로, 제4 포켈스 셀(14b)은 λ/4 파장판의 효과를 발휘한다. 따라서, 이 제 4 포켈스 셀(14b)에 입사한 원 편광의 레이저 광은, 제4 포켈스 셀(14b)의 내부를 통과 중에, 다시 90°의 위상차가 생기게 된다. 이것에 의하여, 제1의 편광 빔 스프리터(13a)를 투과한 p 편광은, 제3 및 제4 포켈스 셀(14a, 14b)에 의하여 편광 면이 90°회전되어, 제2의 편광 빔 스프리터(13b)에 입사하게 된다.

여기서, 제1의 편광 빔 스프리터(13a)와 제2의 편광 빔 스프리터(13b)는, 크로스 니콜의 관계에 배치되어 있으므로, 각 편광 빔 스프리터(13a, 13b)의 반사면 (19a, 19b)은 광축을 중심으로 서로 90°회전한 관계에 있다. 따라서, 제2의 편광 빔 스프리터(13b)에 입사하는 직선 편광은 제2의 편광 빔 스프리터(13b)의 반사면(19b)에 대하여는 p 편광의 관계가 되고, 이 반사면(19b)을 투과해 나간다.

한편, 제3 및 제4 포켈스 셀(14a, 14b)에 전압을 인가하지 않을 때에는, 이 포켈스 셀(14)을 통과하는 직선 편광의 편광 면은 회전되지 않기 때문에, 제1의 편광 빔 스프리터(13a)를 투과한 p 편광은, 그대로 제2의 편광 빔 스프리터(13b)에 입사한다. 이 경우, 상기 p 편광은, 제2의 편광 빔 스프리터(13b)의 반사면(19b)에 대하여는, s 편광의 관계가 되므로, 이 반사면(19b)에서, 도 13의 예를 들면 앞쪽(또는 안쪽)에 반사되고, 도시를 생략한 광흡수재에 흡수되어 레이저용 아테네이터(12)를 사출하지 않는다.

이와 같이, 제3 및 제4 포켈스 셀(14a, 14b)의 인가 전압을 0 kV 내지 -3.6 kV의 사이에서 적절하게 변화시키고, 포켈스 셀(14)을 통과하는 직선 편광의 편광 면을 회전시켜, 제2의 편광 빔 스프리터(13b)의 반사면(19b)에 대하여 p 편광의 관계를 이루는 편광 성분을 취출함으로써, 레이저용 아테네이터(12)를 출력하는 레이저 광의 에너지 강도를 0% 내지 100%의 사이에서 조정하는 것이 가능해진다.

그런데, 본 발명의 펄스 레이저 발진기는, Q 스위치(10)의 포켈스 셀(6)에 대한 인가 전압을 점감 제어하면, 예를 들면 도 4 또는 도 5에 도시하는 바와 같이 발생하는 레이저 광의 펄스 폭을 신장할 수 있는 것이다. 그러나, 이와 같이 하여 생성된 롱 펄스의 레이저 광은, 특정 시간에 과대한 펄스 에너지를 방출하는 것이기 때문에, 예를 들면 반도체 기판의 아몰퍼스(amorphous) 실리콘을 어닐 처리하여 폴리실리콘화하고자 하는 경우에, 균일한 어닐 처리를 할 수 없을 우려가 있었다.

이에, 본 발명의 펄스 레이저 발진기에 있어서는, 레이저용 아테네이터(12)의 포켈스 셀(14)에 대한 인가 전압 값 및 인가 타이밍을 제어함으로써, 1 펄스의 레이저 광에 있어서의 특정 시간의 펄스 에너지를 선택적으로 저감하여, 1 펄스 내의 레이저 에너지를 대략 일정하게 하려고 하는 것이다. 이하, 레이저용 아테네이터(12)의 상기 동작을 설명한다.

레이저용 아테네이터(12)에, 예를 들면 도 14(a)에 나타내는 시간 tn 내에 과대한 펄스 에너지를 방출하는 롱 펄스의 레이저 광이 입력되는 경우, 예를 들면 이 펄스 에너지를 50% 저감하고자 하는 경우에는, 도 15(a)에 도시하는 바와 같이, 시간 tn 내의 제3 및 제4 포켈스 셀(14a, 14b)에의 인가 전압을 -1.8 kV로 하고, 시간 tn 경과 후에는, -3.6 kV로 제어한다.

이에 의하여, 도 15(b)에 도시하는 바와 같이, 최초의 시간 tn 내에 레이저용 아테네이터(3)를 투과하는 레이저 광의 투과율이 50%로 저감되고, 시간 tn 경과 후에는 투과율이 100%가 된다. 따라서, 도 14(a)에 나타내는 롱 펄스의 레이저 광은 최초의 시간 tn 내의 레이저 강도가 50% 저감되어 시간 tn 경과 후의 레이저 강도는 원래의 강도가 그대로 유지되게 된다. 그 결과, 도 14(b)에 도시하는 바와 같이 1 펄스 내의 레이저 강도가 대략 일정하게 된다.

이와 같이, 제3의 실시 형태에 의하면, 롱 펄스의 레이저 광에 있어서의 특정 시간의 과대한 에너지를 선택적으로 저감할 수 있다. 따라서, 펄스 폭 전체에 걸쳐서 대략 일정한 에너지를 얻을 수 있도록 할 수 있다. 이에 의하여, 이 레이저 광을 가공에 사용하였을 때, 국소적으로 과대한 에너지가 집중되어, 가공물에 소손(燒損) 등의 손상을 가하는 것을 방지할 수 있다.

아울러, 상기 제3의 실시 형태에 있어서는, 레이저용 아테네이터(12)가 제3 및 제4 포켈스 셀(14a, 14b)을 구비하였을 경우에 대하여 설명하였지만, 전압의 인가에 의해 λ/2 파장판의 효과를 발휘하는 전기 광학 소자이면 하나이어도 좋다.

또한, 상기 제3의 실시 형태에 있어서는, 레이저용 아테네이터(12)를 광 증폭기 (11)의 하류측에 구비하였을 경우에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 광 증폭기(11)의 상류측에 설치하여도 좋다. 다만, 광 증폭기(11)의 상류측에 설치하였을 경우에는, 선택된 특정 시간 내의 저감된 레이저 에너지와 함께 노이즈도 후단의 광 증폭기(11)에 의하여 증폭되기 때문에, S/N이 나빠질 가능성이 있다. 따라서, 상기 제3의 실시 형태와 같이 레이저용 아테네이터(12)는 광 증폭기(11)의 하류측에 설치하는 것이 좋다. 또는, 펄스 레이저 발진기를 사출한 레이저 광의 에너지를 저감할 수 있도록, 레이저용 아테네이터(12)를 설치하여도 좋다.

또한, 본 발명의 펄스 레이저 발진기는 어닐 처리뿐만 아니라, 구멍 뚫기 가공 등, 어떠한 레이저 가공에 사용하여도 좋다.

5 λ/4 파장판
6 포켈스 셀 (제1의 전기 광학 소자)
6a 제1 포켈스 셀
6b 제2 포켈스 셀
7 전압 제어 장치
11 광 증폭기
12 레이저용 아테네이터
13a 제1의 편광 빔 스프리터 (편광 소자)
13b 제2의 편광 빔 스프리터 (편광 소자)
14 포켈스 셀 (제2의 전기 광학 소자)
14a 제3 포켈스 셀
14b 제4 포켈스 셀

Claims

인가된 전압에 따라 광을 편광하는 제1의 전기 광학 소자와, 상기 제1의 전기 광학 소자에 전압을 인가하는 동시에 상기 전압을 제어하는 전압 제어 장치를 구비한 펄스 레이저 발진기로서,
상기 전압 제어 장치가 상기 제1의 전기 광학 소자에 인가하는 전압은 전압 값의 변화율을 단계적으로 변화시키는 적어도 하나의 제어점을 가진 것이고,
상기 전압 제어 장치에 의하여 상기 제1의 전기 광학 소자에 인가하는 전압 값을 경시적(經時的)으로 변화시켜, 레이저 광의 펄스 폭을 제어하는 것을 특징으로 하는 펄스 레이저 발진기.
제1항에 있어서, 상기 제1의 전기 광학 소자는 복수 개 구비되어 있고, 상기 복수의 제1의 전기 광학 소자의 각각에 인가하는 전압 값을 각각 경시적으로 변화시키는 것을 특징으로 하는 펄스 레이저 발진기.
제2항에 있어서, 상기 제1의 전기 광학 소자를 2개 구비하고, 상기 전압 제어 장치에 의하여, 상기 2개의 제1의 전기 광학 소자에 각각 서로 반대 방향의 전압을 인가하는 것을 특징으로 하는 펄스 레이저 발진기.
제1항에 있어서, 상기 제1의 전기 광학 소자는 포켈스 셀이며, 또한 λ/4 파장판을 구비한 것을 특징으로 하는 펄스 레이저 발진기.
제1항에 있어서, 상기 레이저 광의 광로 상에는, 크로스 니콜에 배치된 두 개의 편광 소자와, 상기 두 개의 편광 소자의 사이에 배치되어 전압의 인가에 의하여 내부를 통과하는 레이저 광의 편광 면을 회전시키는 제2의 전기 광학 소자와, 상기 제2의 전기 광학 소자에 대한 인가 전압 값 및 인가 타이밍을 제어하는 제어부를 포함한 레이저용 아테네이터가 추가로 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 펄스 레이저 발진기.
제5항에 있어서, 상기 제2의 전기 광학 소자는 포켈스 셀인 것을 특징으로 하는 펄스 레이저 발진기.
제6항에 있어서, 상기 포켈스 셀은 복수 개가 직렬로 나란히 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 펄스 레이저 발진기.
제5항에 있어서, 상기 레이저용 아테네이터는 상기 레이저 광의 광로 상에 설치된 광 증폭기의 하류측에 구비된 것을 특징으로 하는 펄스 레이저 발진기.
인가된 전압에 따라 광을 편광하는 제1의 전기 광학 소자에 인가하는 전압을 변화시킴으로써, 레이저 광의 발진을 제어하는 레이저 발진 제어 방법에 있어서,
전압 값의 변화율을 단계적으로 변화시키는 적어도 하나의 제어점을 가지는 전압을 상기 제1의 전기 광학 소자에 인가하는 전압 제어 장치에 의하여, 상기 제1의 전기 광학 소자에 인가하는 전압 값을 경시적으로 변화시켜, 레이저 광의 펄스 폭을 제어하는 것을 특징으로 하는 펄스 레이저 발진 제어 방법.
제9항에 있어서, 상기 제1의 전기 광학 소자는 복수 개 구비되어 있고, 상기 복수의 제1의 전기 광학 소자의 각각에 인가하는 전압 값을 각각 경시적으로 변화시키는 것을 특징으로 하는 펄스 레이저 발진 제어 방법.
제10항에 있어서, 상기 제1의 전기 광학 소자를 2개 구비하고, 전압 제어 장치에 의하여, 상기 2개의 제1의 전기 광학 소자에 각각 서로 반대 방향의 전압을 인가하는 것을 특징으로 하는 펄스 레이저 발진 제어 방법.
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