KR101983071B1 - 씬디스크 레이저 장치 - Google Patents

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Abstract

씬디스크 레이저 장치가 개시된다. 개시된 씬디스크 레이저 장치는 서로 마주보며 동축으로 배치되는 제1 포물면 반사경 및 제2 포물면 반사경과, 각기 레이저 매질과 반사면을 구비하며, 제1 포물면 반사경 및 제2 포물면 반사경의 정점에 각각 배치되어 제1 포물면 반사경 및 제2 포물면 반사경과 함께 펌핑광의 멀티패스를 형성하는 제1 씬디스크 및 제2 씬디스크와, 제1 포물면 반사경과 제2 포물면 반사경 사이의 공간에 배치되어 신호광을 반사시키는 제1 내부 미러 및 제2 내부 미러와, 제1 내부 미러와 제2 내부 미러 사이의 신호광의 광경로상에 배치되는 복수의 미러를 포함하며, 제1 내부 미러, 제2 내부 미러, 및 복수의 미러는 신호광을 제1 씬디스크과 제2 씬디스크 사이에서 반사를 반복시킴으로서 증폭시킨다.

Description

씬디스크 레이저 장치{Thin-disk laser device}
본 개시는 레이저 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 씬디스크 형상의 레이저 매질을 이용한 씬디스크 레이저 장치에 관한 것이다.
본 발명은 반도체, 디스플레이, PCB, 스마트폰 등과 같은 마이크로전자산업 제품과 부품들을 위한 초미세/비열가공을 위한 고출력 피코초 또는 펨토초 레이저/장치를 효율적으로 구성할 수 있는 고효율 레이저장치에 대한 것이다.
씬디스크 레이저는 만족스럽게 냉각될 수 있는 얇은 두께(씬디스크)의 레이저 활성 매질(증폭기 매질)을 갖는다. 따라서, 냉각효율이 매우 높은 씬디스크 레이저의 개념은 수 킬로와트 범위의 높은 레이저 파워까지 적용되기에 적절하다. 그러나, 증폭기 매질의 얇은 두께로 인해, 레이저 활성 매질을 통한 통과 중에 1회나 낮은 횟수의 통과만으로는 펌프 복사가 거의 흡수되지 않으므로 레이저 활성 매질의 펌핑시에 적절한 조치의 제공 없이는 레이저 시스템의 낮은 효율을 초래한다. 레이저 활성 매질에서의 레이저 발진 또는 증폭조건을 만족시키는 데에 필요한 최소 에너지 또는 최소 레이저 파워를 달성하기 위하여, 펌프 복사에 대한 다중 경로(multiple pass) 흡수구조를 가진 멀티 패스 펌핑 구조가 일반적으로 요구된다.
종래기술1(EP1252687)은 통상의 씬디스크 레이저 기술로서 V자형 프리즘 반사경 2쌍, 포물면 반사경 1개, 씬디스크 레이저 매질 1개를 사용하면서 레이저광 펌핑을 위하여 수십 회 이상의 멀티 패스 펌핑을 달성하고 있는데, 프리즘 반사경 2쌍을 초정밀로 광축 정렬하지 못하면 펌핑광 중첩에 오차가 발생하여 펌핑 효율이 저하되고 증폭율이 나빠질 수 있게 된다. 또한 씬디스크 레이저 매질 1개를 사용하다 보니 씬디스크 레이저 매질 1회 왕복시 흡수율이 매우 낮으므로 수십 회의 왕복 흡수 과정이 필요하게 된다. 왕복 횟수가 많아질수록 정밀 중첩을 해야만 하는 펌핑광의 개수가 증가하여 광축 정렬에 대한 정밀도가 더욱 높아져서 광축 정렬 오차, 기계 가공 오차, 장기 신뢰성 관련 기구 광학적 안정성 오차 등에 대한 부담이 크게 높아지게 된다.
또한 종래기술2(US2013-0039378)는 종래기술1의 문제점을 극복하기 위하여 제시되었다. 종래기술2는 종래기술1의 초정밀 광축 정렬이 필요하다는 단점을 극복하기 위하여 포물면 반사경 2개, 씬디스크 레이저 매질 1개, 조정 미러 1개를 사용함으로써 포물면 반사경에 입사하는 평행광이 포물면 반사경의 초점으로 입사한다는 장점을 극대화시킴으로써 초정밀 광축 정렬에 대한 부담은 경감시킬 수 있는 구조이나, 씬디스크 레이저 매질을 1개 사용하다 보니 씬디스크 모듈 1개에서는 필요한 통상 24회 또는 48회 이상인 수십 회 이상의 왕복 흡수 과정이 동일하므로 단일 증폭기에서 증폭효율 증대에 다소 비효율적이라는 문제점이 있었다.
또한 종래기술3(CN102684051A)은 종래기술1의 문제점을 극복하기 위하여 제시되었다. 종래기술3은 포물면 반사경 2개, 씬디스크 레이저 매질 2개를 사용함으로써 포물면 반사경에 입사하는 평행광이 포물면 반사경의 초점으로 입사한다는 장점을 극대화시킬 수 있는 구조이나, 2개의 포물면 반사경을 펌핑광용 멀티패스 미러와 신호광용 공진기로 동시에 사용하기에 초정밀 광축 정렬에 대한 부담은 가중되는 문제점이 있었다.
본 발명은 전술한 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 레이저 공진기 또는 레이저 증폭기 출력을 얻으면서 광학소자들의 정렬을 좀 더 용이하게 하고자 하는 것이다.
본 발명의 한 측면에 따르는 씬디스크 레이저 장치는, 서로 마주보며 동축으로 배치되는 제1 포물면 반사경 및 제2 포물면 반사경; 각기 레이저 매질과 상기 레이저 매질의 배면에 위치하는 반사면을 포함하며, 상기 제1 포물면 반사경 및 상기 제2 포물면 반사경의 정점에 각각 배치되어 상기 제1 포물면 반사경 및 상기 제2 포물면 반사경과 함께 펌핑광의 멀티패스를 형성하는 제1 씬디스크 및 제2 씬디스크; 상기 제1 포물면 반사경과 상기 제2 포물면 반사경 사이의 공간에 배치되어 신호광을 반사시키는 제1 내부 미러 및 제2 내부 미러; 및 상기 제1 내부 미러와 상기 제2 내부 미러 사이를 연결해 주기 위하여 신호광의 광경로상에 배치되는 복수의 미러;를 포함하며, 상기 제1 내부 미러, 상기 제2 내부 미러, 및 상기 복수의 미러는 신호광을 상기 제1 씬디스크와 상기 제2 씬디스크 사이에서 반사를 반복시킴으로서 증폭시킨다.
상기 제1 내부 미러는 상기 제1 내부 미러에서 상기 제1 씬디스크로 입사된 신호광이 상기 제1 내부 미러 쪽으로 반사되도록 배치되며, 상기 제2 내부 미러는 상기 제2 내부 미러에서 상기 제2 씬디스크로 입사된 신호광이 상기 제2 내부 미러 쪽으로 반사되도록 배치될 수 있다.
상기 제1 내부 미러는 상기 제1 씬디스크의 전면의 법선상에 위치하거나 상기 법선의 근방에 위치하며, 상기 제2 내부 미러는 상기 제2 씬디스크의 전면의 법선상에 위치하거나 상기 법선의 근방에 위치할 수 있다.
신호광은 상기 제1 포물면 반사경 및 상기 제2 포물면 반사경에서 반사되지 않는다.
시드광을 공급하는 시드광 소스를 더 포함하며, 상기 제1 씬디스크 및 상기 제2 씬디스크는 시드광을 신호광으로 증폭할 수 있다.
상기 시드광 소스에서 방출되는 시드광은 편광된 레이저광일 수 있다.
일 실시예의 씬디스크 레이저 장치는 상기 제1 씬디스크와 상기 제2 씬디스크 사이의 신호광의 광경로상에 배치되어 제어 신호에 따라 신호광의 경로를 변경하여 외부로 출력시키는 광경로 변환기를 더 포함할 수 있다.
상기 광경로 변환기는 제어 신호에 따라 신호광의 편광을 변경시키는 전기광학소자와, 편광 방향에 따라 신호광을 분리해 주는 편광빔스플리터를 포함할 수 있다.
상기 제1 내부 미러 및 상기 제2 내부 미러를 통해 정렬용 빔을 상기 제1 씬디스크 및 상기 제2 씬디스크에 각기 조사할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르는 씬디스크 레이저 장치는, 서로 마주보며 동축으로 배치되는 제1 포물면 반사경 및 제2 포물면 반사경; 각기 레이저 매질과 상기 레이저 매질의 배면에 위치하는 반사면을 포함하며, 상기 제1 포물면 반사경 및 상기 제2 포물면 반사경의 정점에 각각 배치되어 상기 제1 포물면 반사경 및 상기 제2 포물면 반사경과 함께 펌핑광의 멀티패스를 형성하는 제1 씬디스크 및 제2 씬디스크; 상기 제1 포물면 반사경과 상기 제2 포물면 반사경 사이의 공간에 배치되어 상기 제1 씬디스크 및 상기 제2 씬디스크로부터 발진되는 제1 및 제2 신호광을 반사시키는 제1 내부 미러 및 제2 내부 미러; 및 상기 제1 내부 미러 및 상기 제2 내부 미러로부터 반사되는 제1 신호광 및 제2 신호광의 일부를 각각 상기 제1 내부 미러 및 상기 제2 내부 미러로 재반사시키고 다른 일부는 출력시키는 제1 신호광 출력 커플러 및 제2 신호광 출력 커플러;를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르는 씬디스크 레이저 장치는, 서로 마주보며 동축으로 배치되는 제1 포물면 반사경 및 제2 포물면 반사경; 각기 레이저 매질과 상기 레이저 매질의 배면에 위치하는 반사면을 포함하며, 상기 제1 포물면 반사경 및 상기 제2 포물면 반사경의 정점에 각각 배치되어 상기 제1 포물면 반사경 및 상기 제2 포물면 반사경과 함께 펌핑광의 멀티패스를 형성하는 제1 씬디스크 및 제2 씬디스크; 상기 제1 포물면 반사경과 상기 제2 포물면 반사경 사이의 공간에 배치되는 제1 내부 미러;를 포함하며, 상기 제1 내부 미러는 상기 제1 내부 미러에서 상기 제1 씬디스크로 입사된 제1 신호광이 상기 제1 내부 미러 쪽으로 반사되도록 상기 제1 씬디스크의 전면에 배치될 수 있다.
일 실시예의 씬디스크 레이저 장치는 상기 제1 포물면 반사경과 상기 제2 포물면 반사경 사이의 공간에 배치되는 제2 내부 미러를 더 포함하며, 상기 제2 내부 미러는 상기 제2 내부 미러에서 상기 제2 씬디스크로 입사된 제2 신호광이 상기 제2 내부 미러 쪽으로 반사되도록 상기 제2 씬디스크의 전면에 배치될 수 있다.
일 실시예의 씬디스크 레이저 장치는 상기 제1 내부 미러에서 전달되는 제1 신호광을 상기 제2 내부 미러로 보내고 상기 제2 내부 미러에서 전달되는 제2 신호광을 상기 제1 내부 미러로 보내는 복수의 미러를 더 포함할 수 있다.
제1 신호광과 제2 신호광은 광학적으로 분리되어 상기 제1 씬디스크와 상기 제2 씬디스크에서 각기 개별적으로 증폭될 수 있다.
제1 신호광 및 제2 신호광은 상기 제1 포물면 반사경 및 상기 제2 포물면 반사경에서 반사되지 않는다.
일 실시예의 씬디스크 레이저 장치는 상기 제1 포물면 반사경의 외측에 마련되는 제2 신호광 전반사 미러와 제2 신호광 출력 커플러를 더 포함하며, 상기 제1 포물면 반사경은 제2 신호광에 대한 출력 커플러측 통로와 전반사 미러측 통로를 포함하며, 상기 제2 신호광 전반사 미러에서 반사된 제2 신호광이 상기 전반사 미러측 통로를 통해 상기 제2 씬디스크로 향하며, 상기 제2 씬디스크에서 반사된 제2 신호광이 상기 출력 커플러측 통로를 통해 상기 제2 신호광 출력 커플러로 향하며, 제2 신호광의 일부는 상기 제2 신호광 출력 커플러에서 상기 제2 씬디스크로 일부가 재반사될 수 있으며 제2 신호광의 다른 일부는 제2 신호광 출력 커플러를 통과하여 진행하던 방향으로 출력광이 되어 출력됨으로써 제2 신호광에 대한 공진기를 구성할 수 있으며, 제 2 신호광 전반사 미러와 제2 신호광 출력 커플러는 서로 교환하여 배치될 수 있다.
일 실시예의 씬디스크 레이저 장치는 상기 제1 씬디스크로부터 상기 제1 내부 미러를 통해 전달된 제1 신호광을 상기 출력 커플러측 통로를 통해 제2 씬디스크로 보내고 상기 제2 씬디스크로부터 재반사되어 상기 출력 커플러측 통로를 통과하는 제2 신호광을 다시 상기 제1 내부 미러로 보낼 수 있는 복수의 미러를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르는 씬디스크 레이저 장치는, 제1 포물면 반사경; 상기 제1 포물면 반사경과 서로 마주보며 동축으로 배치되며, 제1 신호광에 대한 제1 출력 커플러측 통로와 제1 전반사 미러측 통로를 포함하는 제2 포물면 반사경; 각기 레이저 매질과 상기 레이저 매질의 배면에 위치하는 반사면을 포함하며, 상기 제1 포물면 반사경 및 상기 제2 포물면 반사경의 정점에 각각 배치되어 상기 제1 포물면 반사경 및 상기 제2 포물면 반사경과 함께 펌핑광의 멀티패스를 형성하는 제1 씬디스크 및 제2 씬디스크; 상기 제2 포물면 반사경의 외곽에 배치되어 신호광의 일부는 반사시켜 상기 제1 출력 커플러측 통로를 통해 상기 제1 씬디스크로 직접 향하게 하며, 제1 신호광의 일부를 출력시키는 제1 신호광 출력 커플러; 및 상기 제2 포물면 반사경의 외곽에 배치되어 상기 제1 씬디스크에서 오는 신호광을 상기 제1 씬디스크로 재반사시키는 제1 신호광 전반사 미러;를 포함할 수 있다.
일 실시예의 씬디스크 레이저 장치는 상기 제1 포물면 반사경의 외곽에 배치되는 제2 신호광 출력 커플러 및 제2 신호광 전반사 미러를 더 포함하며, 상기 제1 포물면 반사경에는 제2 신호광에 대한 제2 출력 커플러측 통로와 제2 전반사 미러측 통로가 마련되며, 상기 제1 신호광 출력 커플러는 제2 신호광의 일부를 반사시켜 상기 제2 출력 커플러측 신호광 통로를 통해 상기 제1 씬디스크에서 직접 향하게 하며, 제2 신호광의 일부는 출력시키며, 상기 신호광 전반사 미러는 상기 제2 전반사 미러측 통로를 통해 상기 제1 씬디스크에서 오는 제2 신호광을 상기 제1 씬디스크로 재반사시킬 수 있다.
제1 신호광 및 제2 신호광은 상기 제1 포물면 반사경 및 상기 제2 포물면 반사경에서 반사되지 않는다.
상기 제1 씬디스크 및 상기 제2 씬디스크는 상기 제1 포물면 반사경 및 상기 제2 포물면 반사경의 광축에 대해 경사질 수 있다.
일 실시예의 씬디스크 레이저 장치는 상기 제1 씬디스크 및 상기 제2 씬디스크 각각에 배면에 배치되는 제1 히트싱크 및 제2 히트싱크를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 포물면 반사경 및 상기 제2 포물면 반사경 각각의 정점에는 상기 제1 씬디스크 및 상기 제2 씬디스크가 장착되는 제1 장착 구멍 및 제2 장착 구멍이 마련될 수 있다.
일 실시예의 씬디스크 레이저 장치는 상기 레이저 매질을 여기시키는 제1 펌핑광을 출사하는 제1 펌핑광 소스를 더 포함하며, 상기 제1 펌핑광이 상기 제1 포물면 반사경과 제2 포물면 반사경 사이의 공간으로 입사되도록 하는 제1 펌핑광 입사구가 상기 제1 포물면 반사경에 형성될 수 있다.
일 실시예의 씬디스크 레이저 장치는 상기 레이저 매질을 여기시키는 제2 펌핑광을 출사하는 제2 펌핑광 소스를 더 포함할 수 있다.
상기 제2 펌핑광이 상기 제1 포물면 반사경과 제2 포물면 반사경 사이의 공간으로 입사되도록 하는 제2 펌핑광 입사구가 상기 제1 포물면 반사경에 형성될 수 있다.
상기 제1 펌핑광 입사구와 상기 제2 펌핑광 입사구는 상기 제1 포물면 반사경의 정점을 기준으로 좌우 대칭적으로 형성될 수 있다.
상기 제2 펌핑광이 상기 제1 포물면 반사경과 제2 포물면 반사경 사이의 공간으로 입사되도록 하는 제2 펌핑광 입사구가 상기 제2 포물면 반사경에 형성될 수 있다.
상기 제2 펌핑광은 상기 제2 펌핑광 입사구를 통해 상기 제1 포물면 반사경과 제2 포물면 반사경 사이의 공간으로 입사될 수 있다.
일 실시예의 씬디스크 레이저 장치는 상기 레이저 매질을 여기시키는 제3 펌핑광 및 제4 펌핑광을 출사하는 제3 펌핑광 소스 및 제4 펌핑광 소스를 더 포함할 수 있다.
일 실시예의 씬디스크 레이저 장치는 상기 제1 씬디스크 및 상기 제2 씬디스크의 전면에 형성되는 제1 펌핑광 스폿 및 제2 펌핑광 스폿을 촬상하는 펌핑빔모드관찰장치를 더 포함할 수 있다.
개시된 실시예들에 의한 씬디스크 레이저 장치는 씬디스크 모듈 1개에 2개의 씬디스크를 설치하고 2개의 포물면 반사경과 함께 사용함으로써 1개의 씬디스크 모듈만으로도 기존의 펌핑파워의 2배인 총펌핑파워를 입력시킬 수 있으므로 동일한 최대 온도 동작 조건에서도 2배의 씬디스크 레이저 출력 또는 2배의 씬디스크 증폭기 출력을 얻을 수 있다.
개시된 실시예들에 의한 씬디스크 레이저 장치는 씬디스크 모듈 1개에 2개의 씬디스크를 설치하고 2개의 포물면 반사경과 함께 사용함으로써 1개의 씬디스크 모듈에 기존과 동일한 총펌핑파워를 입력하더라도 씬디스크당 입력되는 펌핑파워를 기존의 절반으로 감소시킬 수 있으므로 온도 동작조건이 절반으로 감소하여 훨씬 안정적인 씬디스크 레이저 또는 씬디스크 증폭기 동작을 얻을 수 있다.
개시된 실시예들에 의한 씬디스크 레이저 장치는 씬디스크 모듈 1개에 2개의 씬디스크와 2개의 포물면 반사경을 설치하고, 2개의 포물면 반사경 사이의 중간쯤에 레이저 신호광의 진행방향을 변경하는 2개의 반사경을 설치함으로써, 씬디스크 모듈을 레이저로 조립시 자체 발진(Self-Lasing)을 원활하게 할 수 있다.
개시된 실시예들에 의한 씬디스크 레이저 장치는 씬디스크 모듈 1개에 2개의 씬디스크와 2개의 포물면 반사경을 설치하고, 2개의 포물면 반사경 사이의 중간쯤에 레이저 신호광의 진행방향을 변경하는 2개의 반사경을 설치함으로써, 씬디스크 모듈의 조립시 광학소자들의 정렬을 좀 더 용이하게 할 수 있다.
개시된 실시예들에 의한 씬디스크 레이저 장치는 펌핑광 스폿을 실시간으로 관찰할 수 있는 펌핑광 모드 관찰 장치를 씬디스크 모듈에 마련함으로써, 씬디스크마다 관찰가능하고 기구적 간섭이 없는 위치에 설치하여 수십 회 이상의 펌핑광 스폿들이 실질적으로 완벽하게 중첩되는 것을 관찰하고 실질적으로 중첩을 가능하게 조절할 수 있게 할 수 있으므로 원활하고 효과적인 왕복 펌핑 흡수가 가능해진다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 씬디스크 레이저 장치의 개략적인 구성도이다.
도 2는 도 1의 씬디스크 레이저 장치에서 펌핑광의 광선 경로를 도시한다.
도 3a 및 도 3b는 도 1의 씬디스크 레이저 장치에서 제1 포물면 반사경 및 제2 포물면 반사경에 형성되는 펌핑광 스폿 및 펌핑광의 경로를 도시한다.
도 4a 내지 도 4c는 각각 도 1의 씬디스크 레이저 장치에서 시드광 소스의 입사, 증폭 및 출력을 설명한다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 씬디스크 레이저 장치의 개략적인 구성도이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 씬디스크 레이저 장치의 개략적인 구성도이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 씬디스크 레이저 장치의 개략적인 구성도이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 씬디스크 레이저 장치의 개략적인 구성도이다.
도 9a 및 도 9b는 도 8의 씬디스크 레이저 장치에서 제1 포물면 반사경 및 제2 포물면 반사경에 형성되는 펌핑광 스폿 및 펌핑광의 경로를 도시한다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 씬디스크 레이저 장치의 개략적인 구성도이다.
도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 씬디스크 레이저 장치의 개략적인 구성도이다.
도 12는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 씬디스크 레이저 장치의 개략적인 구성도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭하며, 도면에서 각 구성요소의 크기나 두께는 설명의 명료성을 위하여 과장되어 있을 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 용어에 대해 간략히 설명하고, 본 발명에 대해 구체적으로 설명하기로 한다.
본 발명에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.
명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 씬디스크 레이저 장치(100)의 개략적인 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예의 씬디스크 레이저 장치(100)는 제1 씬디스크(111), 제2 씬디스크(112), 제1 포물면 반사경(121), 제2 포물면 반사경(122), 시드광 소스(130), 신호광 광학계(140), 및 펌핑광 소스(150)를 포함한다.
제1 포물면 반사경(121) 및 제2 포물면 반사경(122)은 포물면 형상의 반사면이 서로 마주보면서 동축으로 배치된다. 제1 포물면 반사경(121) 및 제2 포물면 반사경(122)은 동일한 곡률의 포물면 형상을 가질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 제1 포물면 반사경(121) 및 제2 포물면 반사경(122)에서, 제1 포물면 반사경(121)의 정점(vertex)은 제2 포물면 반사경(122)의 초점이 되고, 제2 포물면 반사경(122)의 정점은 제1 포물면 반사경(121)의 초점이 되도록 배치된다. 제1 포물면 반사경(121) 및 제2 포물면 반사경(122)에는 미세한 광축 정렬 등을 할 수 있도록 각각 포물면 반사경 조정 장치(미도시)가 마련될 수 있다. 예를 들어, 포물면 반사경 조정 장치는 제1 포물면 반사경(121) 및 제2 포물면 반사경(122)를 각각 독립적으로 수평축, 수직축 방향의 기울기를 조절할 수 있게 해 준다.
제1 포물면 반사경(121) 및 제2 포물면 반사경(122)의 반사면은 단면외곽 형상이 원형일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 제1 포물면 반사경(121) 및 제2 포물면 반사경(122) 각각의 정점에는 제1 장착 구멍(123) 및 제2 장착 구멍(124)이 관통되어 있다. 또한, 제1 포물면 반사경(121)의 일측에는 펌핑광 입사구(125)가 형성되어, 제1 포물면 반사경(121)의 바깥에서 펌핑광(P)이 입사될 수 있도록 한다. 펌핑광 입사구(125)의 형상은 도 2에 도시된 것처럼 직사각형의 개구 형상을 가질 수 있으나, 이에 의해 제한되지 않는다. 예를 들어, 펌핑광 입사구(125)의 형상은 원형, 다각형 등의 다양한 개구 형상을 가질 수 있다.
제1 씬디스크(111) 및 제2 씬디스크(112)는 레이저 매질을 포함한다. 레이저 매질은 예를 들어 서브mm의 두께로 매우 얇고 수 mm 내지 수십 mm의 직경을 가지는 디스크 형상을 가질 수 있다. 디스크는 원형, 사각형, 다각형 등의 형상을 지닐 수 있다. 제1 씬디스크(111) 및 제2 씬디스크(112)은 상대적으로 넓은 면적의 전면 및 배면, 상대적으로 작은 면적의 측면을 포함한다. 후술하는 바와 같이 레이저 매질의 전면에서 펌핑광과 신호광이 입사된다. 레이저 매질의 전면에는 펌핑광과 신호광 모두에 대한 반사방지층이 마련되어 있을 수 있다. 레이저 매질은 펌핑광에 의해 매질 내의 이온들을 여기시켜서 신호광을 증폭시키는 역할을 수행한다. 레이저 매질의 전면은, 증폭자발방출 (ASE: Amplified Spontaneous Emission)을 억제하기 위하여, 배면에 대해 약간 경사지게 형성되어 있을 수도 있다. 레이저 매질의 배면에는 신호광과 펌핑광 모두에 대한 전반사층이 형성되어 있다. 제1 씬디스크(111) 및 제2 씬디스크(112)의 배면에는 제1 히트 싱크(115) 및 제2 히트 싱크(116)가 각각 배치된다. 제1 씬디스크(111) 및 제2 씬디스크(112)의 배면과 제1 히트 싱크(115) 및 제2 히트 싱크(116)의 냉각면 사이에는 열전도성 접착층 (Thermally-Conductive Adhesive)이 마련되어, 열전도율과 접착력을 향상시킬 수 있다. 다른 예로, 접착층 없이 제1 씬디스크(111) 및 제2 씬디스크(112)와 제1 히트 싱크(115) 및 제2 히트 싱크(116)는 압력차나, 기계적인 수단 등을 이용하여 결합될 수도 있다. 제1 히트 싱크(115) 및 제2 히트 싱크(116)는 예를 들어 냉매를 이용한 유체 냉각 방식으로 제1 씬디스크(111) 및 제2 씬디스크(112)에서 발생된 열을 제거할 수 있다. 냉매는 예를 들어 물일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
제1 씬디스크(111) 및 제2 씬디스크(112)는 제1 포물면 반사경(121) 및 제2 포물면 반사경(122)에 마련된 제1 장착 구멍(123) 및 제2 장착 구멍(124)에 각각 설치된다. 제1 씬디스크(111) 및 제2 씬디스크(112)는 전면 중심이 제1 포물면 반사경(121) 및 제2 포물면 반사경(122)의 정점에 각각 위치하도록 배치될 수 있다. 제1 씬디스크(111) 및 제2 씬디스크(112)의 전면은 광평면(Optical Plane)을 기준으로 경사져 있다. 여기서, 광편면은 제1 포물면 반사경(121) 및 제2 포물면 반사경(122)의 광축(OA)과 펌핑광(P) 입사 광선으로 놓이는 평면을 의미한다. 달리 말하면, 제1 씬디스크(111) 및 제2 씬디스크(112)의 전면의 법선(111a, 112a)과 제1포물면 반사경(121) 및 제2 포물면 반사경(122)의 광축(OA)은 영(zero)보다 큰 소정의 각도(θ1, θ2)로 벌어져 있다. 제1 씬디스크(111) 및 제2 씬디스크(112)의 경사진 각도(θ1, θ2)는 서로 같을 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 제1 씬디스크(111) 및 제2 씬디스크(112)은 서로 같은 방향으로 경사지거나 혹은 서로 반대 방향으로 경사질 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 이와 같은 제1 씬디스크(111) 및 제2 씬디스크(112)의 경사 각도(θ1, θ2) 및 경사 방향은 후술하는 바와 같이 펌핑광의 멀티 패스를 구현하도록 설계된다. 제1 씬디스크(111) 및 제2 씬디스크(112)에는 미세한 광축 정렬 등을 할 수 있도록 각각 씬디스크 조정 장치(미도시)가 마련될 수 있다. 예를 들어, 씬디스크 조정 장치는 제1 씬디스크(111) 및 제2 씬디스크(112)를 각각 독립적으로 수평축, 수직축 방향의 기울기를 조절할 수 있다.
시드광 소스(130)는 예를 들어 반도체 레이저 다이오드 또는 피코초나 펨토초 모드잠금 광섬유 시드레이저 또는 나노초급의 큐스위치(Q-Switched) 고체레이저를 포함하는 레이저 소스일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 시드광 소스(130)는 일 예로 수평 편광의 시드광(L)을 방출할 수 있다.
신호광 광학계(140)는 제1 편광빔스플리터(polarized beam splitter)(141), 패러데이 회전자(Faraday rotator)(142), 반파장판(half-wavelength plate)(143), 제2 편광빔스플리터(polarized beam splitter)(144), 1/4파장판(quarter-wavelength plate)(145), 포켈셀(Pockels cell)(146), 및 제1 미러 내지 제8 미러(M1, M2, M3, M4, M5, M6, M7, M8)를 포함할 수 있다.
제1 편광빔스플리터(141)는 수평 편광(horizontal polarization)의 광을 통과시키고, 수직 편광(vertical polarization)의 광은 반사한다.
패러데이 회전자(142)는 입사되는 수평 편광의 광의 편광을 패러데이 효과를 이용하여 45도 위상변화를 일으켜 45도 선편광의 광으로 변환시키며, 패러데이 회전자(142)를 출사후 되돌아 오는 재입사하는 45도 선편광의 광에 추가적인 45도 위상변화를 일으켜 수직 편광의 광으로 변환시킨다.
반파장판(143)은 빠른축(fast axis)에 대해 느린축으로 가는 편광 방향의 빛을 반파장만큼 차이가 나도록 만드는 파장판으로, 45도 선편광의 광을 수평 편광의 광으로 변환시키며, 수평 편광의 광을 45도 선편광의 광으로 변환시킨다.
제2 편광빔스플리터(144)는 수평 편광과 수직 편광을 각각 투과 또는 반사하는 방향으로 2개의 서로 수직인 선편광성분을 분리시킬 수 있는데, 수평 편광의 광을 통과시키고 수직 편광의 광은 반사시키는 방향으로 적용시킬 수 있다.
1/4파장판(145)은 빠른축에 대해 느린축으로 가는 편광을 4분의 1파장만큼 차이가 나도록 하는 편광판으로, 수평 편광의 광을 우원편광으로 변환시키고, 좌원편광의 광을 수직 편광의 광으로 변환시킬 수 있다.
포켈셀(146)은 포켈효과(Pockels effect)를 가지는 결정에 전압을 인가하여 편광 변환을 능동적으로 수행하는 소자이다. 예를 들어, 포켈셀(146)은 전압이 인가되지 않았을 때는 편광변환없이 광을 통과시키고, 전압이 인가된 상태에서는 1/4파장판처럼 동작하여 좌원편광의 광을 수평 편광의 광으로 변환시키고 수평 편광의 광을 좌원편광으로 변환시킬 수 있다.
제1 편광빔스플리터(141), 패러데이 회전자(142), 반파장판(143), 제2 편광빔스플리터(144), 1/4파장판(145), 및 포켈셀(146)은, 후술하는 바와 같이 포켈셀(146)에 인가되는 전압(즉, 제어신호)에 따라, 입사되는 편광의 수평편광성분과 수직편광성분의 위상차를 발생시켜 편광을 변화시킴으로써 제1 편광빔스플리터(141) 및 제2 편광빔스플리터(144)에서 반사되거나 투과시키도록 해 줌으로써 신호광을 공진되는 경로에서 벗어나 출력하도록 하는 광경로 변환기의 일 예이며, 공지된 다른 광학 배치가 채용될 수도 있음은 물론이다.
제1 미러 내지 제8 미러(M1, M2, M3, M4, M5, M6, M7, M8)를 시드빔이 제1 씬디스크(111) 및 제2 씬디스크(112)에 입사되도록 배치하고, 또한 시드빔이 증폭된 후에 신호광으로 공진되고 출력되는 광경로를 형성하도록 배치한다. 제1 미러 내지 제8 미러(M1, M2, M3, M4, M5, M6, M7, M8) 중 적어도 2개 미러, 즉 제4 미러(제1 내부 미러)(M4)와 제8 미러(제2 내부 미러)(M8)는 제1 포물면 반사경(121) 및 제2 포물면 반사경(122) 사이의 공간, 예를 들어 중간 부근, 에 배치된다. 제4 미러(제1 내부 미러)(M4)는 제4 미러(제1 내부 미러)(M4)에서 제1 씬디스크(111)로 입사된 신호광이 제4 미러(제1 내부 미러)(M4) 쪽으로 반사되도록 배치된다. 또한, 제8 미러(제2 내부 미러)(M8)는 제8 미러(제2 내부 미러)(M8)에서 제2 씬디스크(112)로 입사된 신호광이 제8 미러(제2 내부 미러)(M8) 쪽으로 반사되도록 배치된다. 좀 더 구체적으로, 제4 미러(제1 내부 미러)(M4)는 제1 씬디스크(111)의 전면의 법선(111a)상에 또는 상기 법선(111a)의 근방에 45도로 경사지게 배치되고, 제8 미러(제2 내부 미러)(M8)는 제2 씬디스크(112)의 전면의 법선(112a)상에 또는 상기 법선(112a)의 근방에 45도로 경사지게 배치될 수 있다. 본 실시예는 제4 미러(제1 내부 미러)(M4) 및 제8 미러(제2 내부 미러)(M8)의 경사각도가 45도인 경우를 예로 들어 설명하고 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 제1 미러 내지 제8 미러(M1, M2, M3, M4, M5, M6, M7, M8)는 평면 미러일 수 있다. 경우에 따라서는 제1 미러 내지 제8 미러(M1, M2, M3, M4, M5, M6, M7, M8) 중 일부가 집속미러(focusing mirror)일 수도 있다.
펌핑광 소스(150)는 제1 씬디스크(111) 및 제2 씬디스크(112)를 여기시키는 펌핑광(P)을 출사한다. 펌핑광 소스(150)는, 펌핑광(P)이 제1 포물면 반사경(121)의 펌핑광 입사구(125)를 통해 제1 포물면 반사경(121) 및 제2 포물면 반사경(122) 사이의 공간으로 입사되도록 배치된다. 나아가, 펌핑광 소스(150)는, 펌핑광(P)이 펌핑광 입사구(125)를 통해 광축(OA)에 평행하게 입사되도록 배치될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 펌핑광 소스(150)에는 미세한 광축 정렬 등을 할 수 있도록 펌핑광 조정 장치(미도시)가 마련될 수 있다.
본 실시예의 씬디스크 레이저 장치(100)는 제1 펌핑빔모드관찰장치(161) 및 제2 펌핑빔모드관찰장치(162)를 더 포함할 수 있다. 제1 펌핑빔모드관찰장치(161) 및 제2 펌핑빔모드관찰장치(162)는 예를 들어 실시간으로 이미지를 획득할 수 있는 촬영장치(즉, 카메라)일 수 있으며, 각각 기구적 및 광학적 간섭이 없는 위치에 설치하여 제1 씬디스크(111) 및 제2 씬디스크(112)의 전면을 촬영한다. 펌핑광 소스(150)에서 출사된 펌핑광(P)은 제1 씬디스크(111) 및 제2 씬디스크(112)에서 수십차례 반복하면서 입사 및 반사되면서, 제1 씬디스크(111) 및 제2 씬디스크(112)의 전면에 펌핑광 스폿을 형성하는데, 제1 펌핑빔모드관찰장치(161) 및 제2 펌핑빔모드관찰장치(162)는 펌핑광 스폿을 포함한 제1 씬디스크(111) 및 제2 씬디스크(112)의 표면을 디스플레이를 통해 실시간으로 관찰할 수 있다. 이와 같이 제1 펌핑빔모드관찰장치(161) 및 제2 펌핑빔모드관찰장치(162)를 통해 펌핑광 스폿을 실시간으로 관찰함으로써, 펌핑광 스폿이 실질적으로 완벽하게 중첩을 가능하게 조절할 수 있게 할 수 있으므로, 원활하고 효과적인 멀티패스의 왕복펌핑흡수가 가능하다.
본 실시예의 씬디스크 레이저 장치(100)는 출력되는 신호광의 세기를 측정하는 레이저출력 모니터링 장치를 더 포함할 수 있다. 이러한 레이저출력 모니터링 장치는 제1 편광빔스플리터(141)의 출력단 쪽에 배치되는 광파워 미터(optical power meter) 또는 펄스레이저인 경우에 광검출기(photodiode)일 수 있다.
본 실시예의 씬디스크 레이저 장치(100)에서 제1 씬디스크(111), 제2 씬디스크(111, 112), 제1 포물면 반사경(121), 제2 포물면 반사경(122) 및 신호광 광학계(140)의 일부 광학부품(예를 들어, 제4 미러(제1 내부 미러)(M4) 및 제8 미러(제2 내부 미러)(M8)는 레이저 가공 장치에 독립적으로 설치될 수 있는 하나의 씬디스크 모듈로 구성할 수 있다. 나아가, 시드광 소스(130), 신호광 광학계(140)의 나머지 광학부품들, 및 펌핑광 소스(150)는 일종의 플러그인 모듈처럼 씬디스크 모듈에 장착하여 함께 사용할 수 있다.
다음으로, 도 2, 도 3a 및 도 3b를 참조하여, 본 실시예의 씬디스크 레이저 장치(100)에서 멀티패스 펌핑 동작을 설명한다.
도 2는 본 실시예의 씬디스크 레이저 장치(100)에서 펌핑광의 광선 경로를 도시하며, 도 3a 및 도 3b는 본 실시예의 씬디스크 레이저 장치(100)에서 제1 포물면 반사경(121) 및 제2 포물면 반사경(122)에 형성되는 펌핑광 스폿 및 펌핑광의 광경로를 각각 도시한다.
펌핑광 소스(150)에서 출사된 펌핑광(P)은 제1 포물면 반사경(121)의 펌핑광 입사구(125)를 통해 제1 포물면 반사경(121) 및 제2 포물면 반사경(122) 사이의 공간으로 입사된다. 펌핑광 입사구(125)를 통해 입사된 펌핑광(P)은 도 3a 및 도 3b에 도시되듯이, 제2 포물면 반사경(122)의 제4 사분면(제2 포물면 반사경(122)의 반사면을 바라볼 때 기준)의 최상단에 위치한 제1 위치(S1)에 펌핑광 스폿을 형성한다. 펌핑광(P)은 광축(OA)에 평행하도록 입사되므로, 제2 포물면 반사경(122)의 제1 위치(S1)에서 반사된 펌핑광(P)은 제1 포물면 반사경(121)의 정점에 위치한 제1 씬디스크(111)에 입사된다. 제1 씬디스크(111)에 입사된 후, 펌핑광(P)은 반사되어 제2 포물면 반사경(122)의 제2 사분면의 최하단보다 약간 위쪽에 위치한 제2 위치(S2)에 펌핑광 스폿을 형성한다. 제1 씬디스크(111)는 약간 경사지어 있으므로, 제2 위치(S2)는 제2 포물면 반사경(122)의 정점을 기준으로 제1 위치(S1)와 대칭되지 않고 수직방향으로 약간 편차를 가지고 있어서 좌우는 대칭이 되지만 상하방향으로는 약간 올라가며 올라가는 거리는 제1 씬디스크(111)의 경사각에 비례한다. 제2 포물면 반사경(122)의 정점은 제1 포물면 반사경(121)의 초점이므로, 제2 포물면 반사경(122)의 제2 위치(S2)에 입사된 후, 펌핑광(P)은 제2 위치(S2)에서 광축(OA)에 평행하게 반사된다. 제2 포물면 반사경(122)의 제2 위치(S2)에서 광축에 평행하게 반사된 펌핑광(P)은 제1 포물면 반사경(121)의 제1 사분면(제2 포물면 반사경(122)의 반사면을 바라볼 때 기준)의 최하단에서 약간 위에 위치한 제3 위치(S3)에 광축(OA)에 평행하게 입사되고, 제2 포물면 반사경(122) 정점의 제2 씬디스크(112)로 반사된다. 이때 제2 포물면 반사경(122)의 제2 사분면은 제1 포물면 반사경(121)의 제1 사분면과 마주 보고 있다. 제2 씬디스크(112)에서 반사되므로 제1 씬디스크(111)의 초점에서 나오게 되는 펌핑광(P)은 제1 포물면 반사경(121)의 제3 사분면의 최상단에서 약간 아래에 위치한 제4 위치(S4)에 펌핑광 스폿을 형성한다. 제2 씬디스크(112)는 약간 경사지어 있으므로, 제4 위치(S4)는 제1 포물면 반사경(121)의 정점을 기준으로 제3 위치(S3)와 대칭되지 않고 수직방향으로 약간 편차를 가지고 있다. 제2 포물면 반사경(122)의 정점은 제1 포물면 반사경(121)의 초점이므로, 제1 포물면 반사경(121)의 제4 위치(S4)에 입사된 펌핑광(P)은 초점에서 나오는 광이므로 광축(OA)에 평행하게 반사된다. 상기와 같은 펌핑광(P)의 진행은 반복적으로 이루어져, 제1 위치(S1), 제2 위치(S2), …, 제13 위치(S13)와 같이 다중 경로를 형성하며, 펌핑광(P)은 제1 씬디스크(111), 제2 씬디스크(112)내의 레이저매질이온들을 반복적으로 여기시킨다. 도 3a 및 도 3b에서의 펌핑광(P)의 반복 횟수는 예시적인 것이며, 예를 들어 24회, 48회 등과 같이 반복 반사되면서 멀티패스 펌핑을 구현할 수 있다.
다음으로, 도 4a 내지 도 4c를 참조하여, 본 실시예의 씬디스크 레이저 장치(100)에서 시드 광(신호광)의 입사, 증폭 및 출력을 설명한다.
도 4a는 시드 광(L)이 신호광 광학계(140)에 입사되는 과정을 설명하며, 이때 포켈셀(146)은 전압이 인가되지 않은 상태에 있다.
도 4a를 참조하면, 시드광 소스(130)에서 출사된 수평 편광의 시드 광(L)은 제1 미러(M1)에서 반사되어 신호광 광학계(140)에 입사된다. 수평 편광의 시드 광(L)은 제1 편광빔스플리터(141)에서 그대로 통과한다. 제1 편광빔스플리터(141)를 통과한 수평 선편광의 광(L)의 편광은 패러데이 회전자(142)에서 45도 회전된 선편광의 광이 되며, 반파장판(143)을 경유하여 다시 수평 편광의 광(L)으로 변환된다. 이때 패러데이 회전자(142)는 자기광학효과(magneto-optic effect)에 기반한 선편광을 또 다른 선편광으로 회전시켜 주는 장치이며, 회전크기는 빔진행방향의 패러데이 매질길이(d)와 자기장의 세기(B; magnetic flux density)와 매질고유특성인 베르데상수(Verdet constant)에 비례한다. (이때 패러데이 회전자(142)가 영구자석을 사용하는 경우, 영구자석을 사용하여 확보하는 자기장은 절대좌표계에서 방향성을 가지므로 선편광 회전시 절대적인 방향성을 가지게 된다. 패러데이 회전자(142)에선 입사지점에서 입사한 빔의 편광방향을 시계방향으로 45도 회전시킨다면, 출사지점으로 재입사하는 빔의 편광방향은 비대칭적인 반시계방향으로 45도 회전시킨다.) 반파장판(143)을 경유한 수평 편광의 광(L)은 제2 편광빔스플리터(144)을 수평편광 상태 그대로 통과하며, 1/4파장판(145)에 입사된다. 수평 편광의 광(L)은 1/4파장판(145)에서 우원편광의 광(L)으로 변환된 후, 포켈셀(146)에 입사된다. (1/4파장판(145)은 패러데이 회전자(142)와 달리 절대적인 방향성을 잡아 주는 장치가 없으므로 절대좌표계에서 대칭성을 가지게 되므로 입사지점으로 입사한 빔의 편광방향을 시계방향으로 45도 회전시킨다면, 출사지점으로 재입사하는 빔의 편광방향도 대칭적인 시계방향으로 45도 회전시킨다.) 포켈셀(146)은 전압이 인가되지 않은 상태에 있으며, 따라서 우원편광의 광(L)은 포켈셀(146)에서 편광변환없이 그대로 통과된다. 포켈셀(146)을 통과한 광(L)은 제2 미러(M2), 제3 미러(M3) 및 제4 미러(M4)를 거쳐 제1 씬디스크(111)에 수직으로 입사된다. 제1 씬디스크(111)에 입사된 광(L)은 펌핑광(P)에 의해 여기된 제1 씬디스크(111)에서 증폭된 상태로 반사된다. 우원편광의 광(L)은 제1 씬디스크(111)에서 반사되면서 2개의 수직편광성분 사이에 180도의 위상차가 발생하므로 좌원편광의 광(L1)으로 변환된다. 참조번호 L1은, 편의상 제1 씬디스크(111)에서 반사되어 시계 반향으로 루프를 진행하는 광을 나타낸다. 좌원편광의 광(L1)은 다시 제4 미러(M4), 제3 미러(M3) 및 제2 미러(M2)의 순서대로 되돌아가며 포켈셀(146)을 편광변환없이 경유하고 1/4파장판(145)에서 수직편광으로 변환된다. 수직편광의 광(L1)은 제2 편광빔스플리터(144)에서 반사되고, 제5 미러(M5), 제6 미러(M6), 제7 미러(M7_, 및 제8 미러(M8)를 거쳐 제2 씬디스크(112)에 수직으로 입사된다. 제2 씬디스크(112)에 입사된 광(L1)은 펌핑광(P)에 의해 여기된 제2 씬디스크(112)에서 증폭된 상태로 반사된다. 수직편광의 광(L2)은 제2 씬디스크(112)에서 반사되면서 편광상태를 유지한다. 참조번호 L2은, 편의상 제2 씬디스크(112)에서 반사되어 반시계 반향으로 루프를 진행하는 광을 나타낸다. 수직편광의 광(L2)은 다시 제8 미러(M8), 제7 미러(M7), 제6 미러(M6) 및 제5 미러(M5)의 순서대로 되돌아가며, 제2 편광빔스플리터(144)에서 반사되어 제1 씬디스크(111) 쪽으로 향하게 된다.
도 4b는 시드 광(L)이 제1 씬디스크(111) 및 제2 씬디스크(112)에서 재생증폭기(Regenerative Amplifier)를 구성하면서 증폭되는 과정을 설명하며, 이때 포켈셀(146)은 전압이 인가된 상태에 있다. 재생증폭기는 최초의 공진기에서 발진되어 출력되는 편광된 펄스빔을 펄스빔진행에 있어서 닫힌 구조의 별도공진기를 구성함으로써 원하는 횟수의 공진증폭을 얻고 원하는 펄스에너지까지 증폭시킬 수 있는 장치이다. 최초의 레이저에서 발생된 레이저펄스를 별도의 공진기로 증폭한다는 점에서 레이저펄스를 재생증폭한다는 의미에서 재생증폭기라고 부른다. 포켈셀에 인가되는 전압은 2개의 편광성분의 위상변화가 1/4파장만큼 발생할 정도의 크기를 사용하며, 포켈셀에 사용하는 결정에 인가되는 전압의 크기에 따라서 위상변화의 크기가 변화되는 선형 전기광학 효과(linear electro-optic effect)인 포켈효과를 사용하는데 위상변화의 크기는 빔의 진행방향으로 인가되는 전기장의 진폭(electric field amplitufe)과 정상광선 굴절율(refractive index of ordinary beam)의 3제곱과 포켈셀에 사용되는 비선형결정의 고유특성인 전기광학상수(electro-optic constant)의 곱에 비례한다. 이때 인가되는 전기장이 절대좌표계에서 방향성을 가지므로 패러데이 회전자와 유사한 편광회전 특성을 가지지만, 차이점은 1/4파장 회전전압을 인가하면 선편광을 원편광으로 변화시킨다는 점이다.
도 4b를 사용하여 먼저 펄스빔 1개를 재생증폭기 내부에 가두는 과정을 설명한다. 도 4b를 참조하면, 전술한 바와 같이 제2 씬디스크(112)에선 반사된 수직편광의 광(L2)은 제8 미러(M8), 제7 미러(M7), 제6 미러(M6) 및 제5 미러(M5)를 거쳐 제2 편광빔스플리터(144)에서 반사되며, 1/4파장판(145)을 경유하면서 좌원편광의 광(L2)으로 변환된다. (1/4파장판에 수평편광이 입사하면 우원편광으로, 수직편광이 입사하면 좌원편광으로 변환된다.) 1/4파장판(145)을 경유한 좌원편광의 광(L2)은 포켈셀(146)에 입사된다. 포켈셀(146)은 전압이 인가된 상태에 있으며, 따라서 좌원편광의 광(L2)은 포켈셀(146)에서 1/4파장만큼 추가로 회전되어 수평편광으로 편광변환되면서 통과된다. 포켈셀(146)을 통과한 수평편광의 광(L2)은 제2 미러(M2), 제3 미러(M3) 및 제4 미러(M4)를 거쳐 제1 씬디스크(111)에 수직으로 입사되고 증폭된 상태로 반사된다. 수평편광의 광(L1)은 제1 씬디스크(111)에서 반사되면서 편광방향을 유지하며, 다시 제4 미러(M4), 제3 미러(M3) 및 제2 미러(M2)의 순서대로 되돌아가며 포켈셀(146)에 다시 입사된다. 수평편광의 광(L1)은 전압이 인가된 포켈셀(146)에서 좌원편광의 광(L1)으로 편광변환되고, 1/4파장판(145)에서 수직편광으로 변환된다. 수직편광의 광(L1)은 제2 편광빔스플리터(144)에서 반사되고, 제5 미러(M5), 제6 미러(M6), 제7 미러(M7), 및 제8 미러(M8)를 거쳐 제2 씬디스크(112)에 수직으로 입사되고 증폭된 상태로 반사된다. 수직편광의 광(L2)은 제2 씬디스크(112)에서 반사되면서 편광상태를 유지한다. 수직편광의 광(L2)은 다시 제8 미러(M8), 제7 미러(M7), 제6 미러(M6) 및 제5 미러(M5)의 순서대로 되돌아가며 제2 편광빔스플리터(144)에서 반사되어 제1 씬디스크(111) 쪽으로 향하게 된다. 상기와 같이 포켈셀(146)은 전압이 인가된 경우, 신호광 광학계(140)에 입사된 광(L)은 폐루프(closed loop)로 광경로가 닫히게 되어 공진하며 발진하게 된다. (이제까지의 편광변화들을 요약하면 다음과 같다. (a) 수평편광 -> 1/4파장판(145) -> 우원편광. (b) 우원편광 -> 거울반사(제1 씬디스크(111) 반사) -> 좌원편광. (c) 좌원편광 -> 1/4파장판(145) -> 수직편광. (d) 수직편광 -> 1/4파장판(145) -> 좌원편광. (e) 좌원편광 -> 포켈셀(146) -> 수평편광. (f) 수평편광 -> 거울반사(제2 씬디스크(112) 반사) -> 수평편광. (g) 수평편광 -> 포켈셀(146) -> 좌원편광. (h) 좌원편광 -> 1/4파장판(145) -> 수직편광. )
도 4c는 제1 씬디스크(111) 및 제2 씬디스크(112)에서 증폭된 광, 즉 신호광이 출력되는 과정을 설명한다. 도 4b를 참조한 신호광의 증폭단계에서 신호광의 세기가 소정 크기를 만족하거나 혹은 소정의 시간이 경과되면, 제2 씬디스크(112)에서 증폭되어 반사후 돌아오는 신호광이 포켈셀에 입사하기 직전의 시점에서 포켈셀(146)에 대한 전압 인가를 차단한다.
도 4c를 참조하면, 전술한 바와 같이 제2 씬디스크(112)에 반사된 수직편광의 광(L2)은 제8 미러(M8), 제7 미러(M7), 제6 미러(M6) 및 제5 미러(M5)를 거쳐 제2 편광빔스플리터(144)에서 반사되며, 1/4파장판(145)을 경유하면서 좌원편광의 광(L2)으로 변환된다. 1/4파장판(145)을 경유한 좌원편광의 광(L2)은 포켈셀(146)에 입사된다. 포켈셀(146)은 전압이 인가되지 않은 상태에 있으며, 따라서 좌원편광의 광(L2)은 포켈셀(146)에서 편광변환없이 그대로 통과된다. 포켈셀(146)을 통과한 좌원편광의 광(L2)은 제2 미러(M2), 제3 미러(M3) 및 제4 미러(M4)를 거쳐 제1 씬디스크(111)에 수직으로 입사되고 증폭된 상태로 반사된다. 좌원편광의 광(L2)은 제1 씬디스크(111)에서 반사되면서 우원편광의 광(L1)으로 변환되며, 다시 제4 미러(M4), 제3 미러(M3) 및 제2 미러(M2)의 순서대로 되돌아가며 포켈셀(146)를 거쳐, 1/4파장판(145)에 입사된다. 우원편광의 광(L1)은 1/4파장판(145)에서 수평편광으로 변환된다. 수평편광의 광(L1)은 제2 편광빔스플리터(144)에서 그대로 통과되어, 반파장판(143)으로 향하게 된다. 수평편광의 광(L1)은 반파장판(143) 및 패러데이 회전자(142)를 거쳐 수직편광의 광(L1)으로 변환되고, 제1 편광빔스플리터(141)에서 반사되어 출력된다.
상기와 같이 동작하는 본 실시예의 씬디스크 레이저 장치(100)는 상기 재생증폭기(Regenerative Amplifiers)의 일예로 이해될 수 있을 것이다.
본 실시예와 같이 2개의 포물면 반사경(즉, 제1 포물면 반사경(121) 및 제2 포물면 반사경(122))을 사용하는 경우, 제1 포물면 반사경(121) 및 제2 포물면 반사경(122)의 광축 정렬이나, 제1 씬디스크(111) 및 제2 씬디스크(112)의 광축 정렬은, 펌핑광(P)이 수십번 반복하여 반사하더라도 제1 씬디스크(111) 및 제2 씬디스크(112)에 맺히는 펌핑광 스폿이 정확하게 일치할 필요가 있다. 반복적으로 맺히는 상키 펌핑광 스폿들이 정확하게 일치해야만 파워증폭이 효율적으로 이루어질 수 있으며 빔모드가 나빠지지 않고 원하는 싱글모드나 멀티모드의 가우시안빔을 명확하게 구성할 수 있으며 씬디스크 레이저매질의 열분포가 균일해져서 손상 등을 방지할 수 있다. 이에 본 실시예의 씬디스크 레이저 장치(100)는, 제4 미러(M4) 및 제8 미러(M8)를 통해 정렬용 빔을 입사시켜, 제1 씬디스크(111) 및 제2 씬디스크(112)의 광축 정렬용으로 사용할 수 있다.
본 실시예의 씬디스크 레이저 장치(100)는 펌핑광에 대한 멀티 패스 광학계(제1 씬디스크(111) 및 제2 씬디스크(112)와 제1 포물면 반사경 및 제2 포물면 반사경(121, 122))과 신호광에 대한 증폭 광학계(제1 씬디스크(111) 및 제2 씬디스크(112)와, 제1 미러 내지 제8 미러(M1, M2, M3, M4, M5, M6, M7, M8))가 광학적으로 분리되어 독립적으로 조정될 수 있으므로, 광학부품들의 정렬에 좀 더 자유도를 확보할 수 있다.
본 실시예는 제1 씬디스크(111) 및 제2 씬디스크(112)가 공통의 신호광을 증폭시키는 경우를 예로 들어 설명하고 있으나, 제1 씬디스크(111)를 이용하여 증폭시키는 제1 신호광 단독에 대한 증폭 광학계와, 제2 씬디스크(112)를 이용하여 증폭시키는 제2 신호광 단독에 대한 증폭 광학계가 광학적으로 분리되어 마련될 수 있음은 물론이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 씬디스크 레이저 장치(200)의 개략적인 구성도이다. 본 실시예의 씬디스크 레이저 장치(200)에서 펌핑광과 관련된 구성요소들은 도 1을 참조하여 설명한 실시예와 실질적으로 동일하므로, 차이점을 중심으로 설명한다.
도 5를 참조하면, 본 실시예의 씬디스크 레이저 장치(200)는 제1 씬디스크(111) 및 제2 씬디스크(112), 제1 포물면 반사경(121) 및 제2 포물면 반사경(122), 제1 신호광 출력 커플러(241) 및 제2 신호광 출력 커플러(242)를 포함한다. 제1 신호광 출력 커플러(241) 및 제2 신호광 출력 커플러(242)는 제1 포물면 반사경(121) 및 제2 포물면 반사경(122) 사이에 형성되는 공간의 외곽에 위치한다.
제1 신호광 출력 커플러(241)는 제1 씬디스크(111), 제1 내부 미러(243)와 함께 제1 신호광(246)에 대한 제1 신호광 공진기를 형성한다. 제1 내부 미러(243)는 제1 씬디스크(111)의 전면에 법선 내지 그 근방에 위치하며 45도 경사지게 배치된다. 전술한 실시예에서와 같이 제1 씬디스크(111)가 여기되면, 자체 발진되어 제1 신호광(246)이 제1 내부 미러(243)를 사이에 두고 제1 씬디스크(111)와 제1 신호광 출력 커플러(241) 사이에서 공진될 수 있다. 제1 신호광 출력 커플러(241)는 예를 들어 95% 반사율을 가질 수 있다. 제1 신호광(246)은 제1 신호광 출력 커플러(241)와 제1 씬디스크(111)에서 공진하면서 증폭되며, 제1 신호광(246)의 일부는 제1신호광 출력 커플러(241)를 통해 출력된다.
제2 신호광 출력 커플러(242)는 제2 씬디스크(112), 제2 내부 미러(245)와 함께 제2 신호광(247)에 대한 공진기 구조를 지닌다. 제2 내부 미러(245)는 제2 씬디스크(112)의 전면에 법선 내지 그 근방에 위치하며 45도 경사지게 배치된다. 제2 씬디스크(112)가 여기되면, 자체 발진되어 제2 신호광(247)이 제2 내부 미러(245)를 사이에 두고 제2 씬디스크(111)와 제2 신호광 출력 커플러(241) 사이에서 공진될 수 있다. 제2 신호광 출력 커플러(242)는 예를 들어 95% 반사율을 가질 수있다. 제2 신호광(247)은 제2 신호광 출력 커플러(242)과 제2 씬디스크(112)에서 공진하면서 증폭되며, 제2 신호광(247)의 일부는 제2 신호광 출력 커플러(242)를 통해 출력된다.
본 실시예의 씬디스크 레이저 장치(200)는 제1 신호광 공진구조 및 제2 신호광 공진 구조가 독립적으로 마련되므로, 제1 신호광(246) 및 제2 신호광(247)은 독립적으로 출력 제어될 수 있다.
본 실시예의 씬디스크 레이저 장치(200)는 제1 신호광(246)과 제2 신호광(247) 각각에 대해 개별적인 공진기 구조를 가지고 있으나, 이에 제한되지 않는다. 다른 예로서, 제1 신호광(246)과 제2 신호광(247)이 광학적으로 연결되어, 하나의 신호광에 대한 공진기 광학계로 구성될 수 있음은 당업자에게 자명하게 이해될 수 있을 것이다. 가령, 복수의 미러가 마련되어, 제1 씬디스크(111)에서 제1 내부 미러(243)를 거쳐 전달된 제1 신호광(346)은 제2 내부 미러(245)를 거쳐 제2 씬디스크(112)로 보내고 제2 씬디스크(112)에서 제2 내부 미러(245)를 거쳐 전달될 제2 신호광(244)를 제1 내부 미러(243)를 거쳐 제1 씬디스크(111)로 보내도록 할 수 있을 것이다.
본 실시예의 씬디스크 레이저 장치(200)는 공진기 구조를 가지고 있으나, 이에 제한되지 않는다. 다른 예로서, 제1 신호광 출력 커플러(241) 및 제2 신호광 출력 커플러(242)를 대신하여, 제1 신호광(246)과 제2 신호광(247) 각각에 대해 개별적인 증폭기 광학계가 배치될 수도 있다. 또 다른 예로, 제1 신호광(246)과 제2 신호광(244)이 광학적으로 연결되어 하나의 신호광에 대한 증폭기 광학계가 배치될 수도 있다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 씬디스크 레이저 장치의 개략적인 구성도이다. 본 실시예의 씬디스크 레이저 장치(300)에서 펌핑광과 관련된 구성요소들은 도 1 내지 도 5를 참조하여 설명한 실시예들와 실질적으로 동일하므로, 차이점을 중심으로 설명한다.
도 6을 참조하면, 본 실시예의 씬디스크 레이저 장치(300)는 제1 씬디스크(111) 및 제2 씬디스크(112)와, 제1 포물면 반사경(321) 및 제2 포물면 반사경(322)와, 제1 신호광 출력 커플러(341) 및 제2 신호광 출력 커플러(345)와, 제1 신호광 전반사 미러(342) 및 제2 신호광 전반사 미러(344)를 포함한다.
제2 포물면 반사경(322)에는 제1 신호광(343)이 지나갈 수 있는 제1 출력 커플러측 통로(323) 및 제1 전반사 미러측 통로(324)가 마련된다. 제1 신호광 출력 커플러(341)는 제2 포물면 반사경(322)의 외측에 마련되며, 제1 출력 커플러측 통로(323)를 경유한 제1 신호광(343)을 반사하거나 투과시킨다. 이 구조는 대칭이므로 제1 신호광 출력 커플러(341), 제1 출력 커플러측 통로(323), 제1 신호광 출력 커플러(341)는 서로 각각 대칭으로 바꾸어서 제1 신호광 출력 커플러(341), 제1 전반사 미러측 통로(324), 제1 신호광 출력 커플러(341)의 순서로 사용될 수도 있다. 제1 신호광 전반사 미러(342)는 제2 포물면 반사경(322)의 외측에 마련되며, 제1 전반사 미러측 통로(324)를 경유한 제1 신호광(343)을 반사시킨다. 제1 신호광 출력 커플러(341), 제1 씬디스크(111), 및 제1 신호광 전반사 미러(342)는 제1 신호광(343)에 대한 제1 신호광 공진기를 형성한다. 제1 신호광 출력 커플러(341)를 통해 입사된 제1 신호광(343)은 제2 포물면 반사경(322)의 제1 출력 커플러측 통로(323)를 거쳐 제1 씬디스크(111)에 입사된다. 제1 신호광(343)은 제1 씬디스크(111)에서 증폭 반사되어 제2 포물면 반사경(322)의 제1 전반사 미러측 통로(324)를 거쳐 제1 신호광 전반사 미러(342)로 향하며, 다시 재반사되어 동일 경로를 되돌아가 공진한다. 제1 신호광 출력 커플러(341)는 예를 들어 95% 반사율을 가질 수있다. 제1 신호광(343)은 제1 신호광 공진기에서 공진하면서 증폭되며, 제1 신호광 출력 커플러(341)를 통해 출력된다.
제1 포물면 반사경(321)에는 제2 신호광(346)이 지나갈 수 있는 제2 출력 커플러측 통로(327) 및 제2 전반사 미러측 통로(326)가 마련된다. 제2 신호광 출력 커플러(345)는 제1 포물면 반사경(321)의 외측에 마련되며, 제2 출력 커플러측 통로(327)를 경유한 제2 신호광(346)을 반사하거나 투과시킨다. 제2 신호광 전반사 미러(344)는 제1 포물면 반사경(321)의 외측에 마련되며, 제2 전반사 미러측 통로(326)를 경유한 제2 신호광(346)을 반사시킨다. 제2 신호광 출력 커플러(345), 제2 씬디스크(112), 및 제2 신호광 전반사 미러(344)는 제2 신호광(346)에 대한 제2 신호광 공진기를 구성한다. 제2 신호광 출력 커플러(345)를 통해 입사된 제2 신호광(346)은 제1 포물면 반사경(321)의 제2 출력 커플러측 통로(327)를 거쳐 제2 씬디스크(112)에 입사된다. 제2 신호광(346)은 제2 씬디스크(112)에서 증폭 반사되어 제1 포물면 반사경(321)의 제2 전반사 미러측 통로(326)를 거쳐 제2 신호광 전반사 미러(344)로 향하며, 다시 재반사되어 동일 경로를 되돌아가 공진한다. 제2 신호광 출력 커플러(345)는 예를 들어 95% 반사율을 가질 수 있다. 제2 신호광(346)은 제2 신호광 공진기에서 공진하면서 증폭되며, 제2 신호광 출력 커플러(345)를 통해 출력된다.
본 실시예의 씬디스크 레이저 장치(300)는 제1 신호광 공진 구조 및 제2 신호광 공진 구조가 독립적으로 마련되므로, 제1 신호광(343) 및 제2 신호광(346)은 독립적으로 출력 제어될 수 있다.
제1 신호광 공진 구조 및 제2 신호광 공진 구조가 멀티패스 펌핑 구조와 독립적으로 마련되므로, 제1 포물면 반사경(321)에 마련되는 제2 출력 커플러측 통로(327) 및 제2 전반사 미러측 통로(326)과 제2 포물면 반사경(122)에 마련되는 제1 출력 커플러측 통로(323) 및 제1 전반사 미러측 통로(324)의 위치는 제1 포물면 반사경(321)의 일측에 마련되는 펌핑광 입사구(125)와 기구적으로 간섭되지 않는 범위내에서 자유롭게 설계될 수 있다. 가령, 제1 포물면 반사경(321)에서 펌핑빔 입사구(125)는, 제2 출력 커플러측 통로(327) 및 제2 전반사 미러측 통로(326와 동일 선상에 마련되거나, 혹은 동일 선상에서 벗어난 위치에 마련될 수 있다.
본 실시예의 씬디스크 레이저 장치(300)는 제1 신호광(343) 및 제2 신호광(346) 각각의 공진기 구조를 가지고 있으나, 이에 제한되지 않는다. 다른 예로서, 제1 신호광(343)과 제2 신호광(346)이 광학적으로 연결되어, 하나의 신호광에 대한 공진기 광학계로 구성될 수 있음은 당업자에게 자명하게 이해될 수 있을 것이다. 가령, 복수의 미러가 마련되어, 제1 씬디스크(111)에서 제1 출력 커플러측 통로(323)를 통해 전달되는 제1 신호광(343)은 제2 출력 커플러측 통로(327)를 거쳐 제2 씬디스크(112)로 보내지고 제2 씬디스크(112)에서 제2 출력 커플러측 통로(327)를 통해 전달된 제2 신호광(346)은 제1 출력 커플러측 통로(323)를 거쳐 제1 씬디스크(111)로 보내도록 할 수 있을 것이다.
본 실시예의 씬디스크 레이저 장치(300)는 공진기 구조를 가지고 있으나, 이에 제한되지 않는다. 다른 예로서, 제1 신호광 출력 커플러(341) 및 제2 신호광 출력 커플러(345)를 대신하여, 제1 신호광(443)과 제2 신호광(446) 각각에 대해 개별적인 증폭기 광학계가 배치될 수도 있다. 또 다른 예로, 제1 신호광(343)과 제2 신호광(346)이 광학적으로 연결되어 하나의 신호광에 대한 증폭기 광학계가 배치될 수도 있다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 씬디스크 레이저 장치(400)의 개략적인 구성도이다. 본 실시예의 씬디스크 레이저 장치(400)에서 신호광의 공진 구조를 제외한 나머지 구성요소들은 도 1 내지 도 6을 참조하여 설명한 실시예들와 실질적으로 동일하므로, 차이점을 중심으로 설명한다.
도 7을 참조하면, 본 실시예의 씬디스크 레이저 장치(400)는 제1 씬디스크(111) 및 제2 씬디스크(112), 제1 포물면 반사경(421) 및 제2 포물면 반사경(422), 제1 신호광 출력 커플러(441), 제1 신호광 전반사 미러(442), 제2 신호광 내부 미러(444) 및 제2 신호광 출력 커플러(445)를 포함한다.
제2 포물면 반사경(422)에는 제1 신호광(443)이 지나갈 수 있는 출력 커플러측 통로(423) 및 전반사 미러측 통로(424)가 마련된다. 제1 신호광 출력 커플러(441), 제1 씬디스크(111), 및 제1 신호광 전반사 미러(442)는 제1 신호광(443)에 대한 공진기 구조를 갖는다. 이러한 제1 신호광(443)에 대한 공진기 구조는 도 6을 참조하여 설명한 제1 신호광에 대한 공진기 구조와 실질적으로 동일하다.
제2 신호광 내부 미러(444)는 제2 씬디스크(112)의 전면에 법선 내지 그 근방에 위치하며 45도 경사지게 배치된다. 제2 신호광 출력 커플러(445), 제2 씬디스크(112), 제2 신호광 내부 미러(444)는 제2 신호광(446)에 대한 공진기 구조를 지닌다. 이러한 제2 신호광(446)에 대한 공진기 구조는 도 5를 참조하여 설명한 제2 신호광에 대한 공진기 구조와 실질적으로 동일하다.
본 실시예의 씬디스크 레이저 장치(400)는 제1 신호광 공진 구조 및 제2 신호광 공진 구조가 독립적으로 마련될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 다른 예로서, 제1 신호광(443)과 제2 신호광(446)이 광학적으로 연결되어 하나의 신호광에 대한 공진기 광학계로 구성될 수 있음은 당업자에게 자명하게 이해될 수 있을 것이다. 가령, 복수의 미러가 마련되어, 제1 씬디스크(111)에서 출력 커플러측 통로(423)를 통해 전달되는 제1 신호광(443)을 제2 신호광 내부 미러(444)를 거쳐 제2 씬디스크(112)로 보내고 제2 씬디스크(112)에서 제2 신호광 내부 미러(444)로 재반사된 제2 신호광(446)을 출력 커플러측 통로(423)를 거쳐 제1 씬디스크(111)로 보내도록 할 수 있을 것이다.
본 실시예의 씬디스크 레이저 장치(400)는 공진기 구조를 가지고 있으나, 이에 제한되지 않는다. 다른 예로서, 제1 신호광 출력 커플러(441) 및 제2 신호광 출력 커플러(445)를 대신하여, 제1 신호광(443)과 제2 신호광(446) 각각에 대해 개별적인 증폭기 광학계가 배치될 수도 있다. 또 다른 예로, 제1 신호광(443)과 제2 신호광(446)이 광학적으로 연결되어 하나의 신호광에 대한 증폭기 광학계가 배치될 수도 있다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 씬디스크 레이저 장치(500)의 개략적인 구성도이다. 본 실시예의 씬디스크 레이저 장치(500)에서 펑핌광의 멀티패스 펌핑 구조를 제외한 나머지 구성요소들은 도 1 내지 도 7을 참조하여 설명한 실시예들와 실질적으로 동일할 수 있으므로, 차이점을 중심으로 설명한다.
도 8을 참조하면, 본 실시예의 씬디스크 레이저 장치(500)는 제1 씬디스크(111) 및 제2 씬디스크(112), 제1 포물면 반사경(521) 및 제2 포물면 반사경(522), 제1 펌핑광 소스(551) 및 제2 펌핑광 소스(552)를 포함한다.
제1 포물면 반사경(521) 및 제2 포물면 반사경(522)은 포물면 형상의 반사면이 서로 마주보면서 동축으로 배치된다. 제1 포물면 반사경(521)에는, 정점을 기준으로 좌우 대칭되게 제1 펌핑광 입사구(525) 및 제2 펌핑광 입사구(526)가 마련된다. 제1 펌핑광 소스(551) 및 제2 펌핑광 소스(552)는, 출사된 제1 펌핑광(P1) 및 제2 펌핑광(P2)이 각각 제1 펌핑광 입사구(525) 및 제2 펌핑광 입사구(526)를 통해 제1 포물면 반사경(521) 및 제2 포물면 반사경(522) 사이의 공간으로 입사되도록, 배치된다.
도 9a 및 도 9b는 본 실시예의 씬디스크 레이저 장치(500)에서 제1 포물면 반사경(521) 및 제2 포물면 반사경(522)에 형성되는 제1 펌핑광 스폿 및 제2 펌핑광 스폿(S1_1, S1_2, …, S1_S13; S2_1, S2_2, …, S2_13) 및 제1 펌핑광(P1) 및 제2 펌핑광(P2)의 광경로를 각각 도시한다.
제1 펌핑광 소스(551)에서 출사된 제1 펌핑광(P1)은 제1 포물면 반사경(521)의 제1 펌핑광 입사구(525)을 통해 제1 포물면 반사경(521) 및 제2 포물면 반사경(522) 사이의 공간으로 광축(OA)에 평행하도록 입사된다. 제1 펌핑광(P1)의 멀티패스 펌핑 광경로는 도 2, 도 3a 및 도3b를 참조하여 설명한 실시예의 펌핑광의 것과 실질적으로 동일하다. 마찬가지로 제2 펌핑광 소스(552)에서 출사된 제2 펌핑광(P2)은 제1 포물면 반사경(521)의 제2 펌핑광 입사구(526)을 통해 제1 포물면 반사경(521) 및 제2 포물면 반사경(522) 사이의 공간으로 광축(OA)에 평행하도록 입사된다. 제2 펌핑광 입사구(526)는 제1 포물면 반사경(521)의 정점을 기준으로 좌우 대칭되게 마련되므로, 제2 펌핑광(P2)의 멀티패스 펌핑 광경로는 제1 펌핑광(P1)의 멀티패스 펌핑 광경로와 광축(OA)을 기준으로 좌우 대칭되게 형성된다. 따라서, 제1 포물면 반사셩(521) 및 제2 포물면 반사경(522)에 형성되는 제1 펌핑광 스폿 및 제2 펌핑광 스폿(S1_1, S1_2, …, S1_S13; S2_1, S2_2, …, S2_13)은 제1 포물면 반사경(521) 및 제2 포물면 반사경(522)의 전역에 걸쳐 형성되므로, 제1 포물면 반사경(521) 및 제2 포물면 반사경(522)을 효율적으로 활용할 수 있다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 씬디스크 레이저 장치(600)의 개략적인 구성도이다. 본 실시예의 씬디스크 레이저 장치(600)에서 펑핌광의 멀티패스 펌핑 구조를 제외한 나머지 구성요소들은 도 1 내지 도 8을 참조하여 설명한 실시예들와 실질적으로 동일할 수 있으므로, 차이점을 중심으로 설명한다.
도 10을 참조하면, 본 실시예의 씬디스크 레이저 장치(600)는 제1 씬디스크(111) 및 제2 씬디스크(112), 제1 포물면 반사경(621) 및 제2 포물면 반사경(622), 제1 펌핑광 소스(651) 및 제2 펌핑광 소스(652)를 포함한다.
제1 포물면 반사경(621) 및 제2 포물면 반사경(622)은 포물면 형상의 반사면이 서로 마주보면서 동축으로 배치된다. 제1 포물면 반사경(621)에는 제1 펌핑광 입사구(625)가 마련되며, 제2 포물면 반사경(622)에는 제2 펌핑광 입사구(626)가 마련된다. 제2 펌핑광 입사구(626)는 광축(OA)의 제1 포물면 반사경(621) 및 제2 포물면 반사경(622) 사이의 중심점을 기준으로 대칭되면서 제1 펌핑광 입사구(625)와 2개 포물면 반사경의 중심점을 기준으로 대칭되도록 마련된다. 제1 펌핑광 소스(651) 및 제2 펌핑광 소스(652)는 출사된 제1 펌핑광(P1) 및 제2 펌핑광(P2)이 각각 제1 펌핑광 입사구(625) 및 제2 펌핑광 입사구(626)를 통해 1 포물면 반사경(521) 및 제2 포물면 반사경(522) 사이의 공간으로 입사되도록 배치된다. 제1 펌핑광(P1)의 멀티패스 펌핑 광경로는 도 2, 도 3a 및 도 3b를 참조하여 설명한 실시예의 펌핑광의 것과 실질적으로 동일하다. 마찬가지로 제2 펌핑광(P2)의 멀티패스 펌핑 광경로 역시 도 2, 도 3a 및 도 3b를 참조하여 설명한 실시예의 펌핑광의 것과 실질적으로 동일하다. 제1 펌핑광 입사구(625) 및 제2 펌핑광 입사구(626)는 2개 포물면 반사경의 중심점을 기준으로 대칭되게 마련되므로, 제1 포물면 반사경(621) 및 제2 포물면 반사경(622)에 형성되는 제1 펌핑광 스폿 및 제2 펌핑광 스폿들은 제1 포물면 반사경(621) 및 제2 포물면 반사경(622)의 전역에 걸쳐 형성되므로, 제1 포물면 반사경(621) 및 제2 포물면 반사경(622)을 효율적으로 활용할 수 있다.
도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 씬디스크 레이저 장치(700)의 개략적인 구성도이다. 본 실시예의 씬디스크 레이저 장치(700)에서 펌핑광의 멀티패스 펌핑 구조를 제외한 나머지 구성요소들은 도 1 내지 도 10을 참조하여 설명한 실시예들와 실질적으로 동일할 수 있으므로, 차이점을 중심으로 설명한다.
도 11을 참조하면, 본 실시예의 씬디스크 레이저 장치(700)는 제1 씬디스크(111) 및 제2 씬디스크(112), 제1 포물면 반사경(721) 및 제2 포물면 반사경(722), 제1 펌핑광 소스 내지 제4 펌핑광 소스(751, 752, 753, 754)를 포함한다.
제1 포물면 반사경(721) 및 제2 포물면 반사경(722)은 포물면 형상의 반사면이 서로 마주보면서 동축으로 배치된다. 제1 포물면 반사경(721)에는 제1 펌핑광 입사구(725) 및 제2 펌핑광 입사구(726)가 제1 포물면 반사경(721)의 정점을 기준으로 대칭되게 마련되며, 제2 포물면 반사경(722)에는 제3 펌핑광 입사구(727) 및 제4 펌핑광 입사구(728)가 제2 포물면 반사경(721)의 정점을 기준으로 대칭되게 마련된다.
제1 펌핑광 소스 내지 제4 펌핑광 소스(751, 752, 753, 754)는, 출사된 제1 펌핑광 내지 제4 펌핑광(P1, P2, P3, P4)이 각각 제1 펌핑광 입사구 내지 제4 펌핑광 입사구(725, 726, 727, 728)를 통해 1 포물면 반사경(721) 및 제2 포물면 반사경(722) 사이의 공간으로 입사되도록 배치된다. 제1 펌핑광 내지 제4 펌핑광(P1, P2, P3, P4) 각각의 멀티패스 펌핑 광경로는 도 2, 도 3a 및 도3b를 참조하여 설명한 실시예의 펌핑광의 것과 실질적으로 동일하다. 제1 펌핑광 입사구 내지 제4 펌핑광 입사구(725, 726, 727, 728)의 형성 위치나 제1 씬디스크(111) 및 제2 씬디스크(112)의 경사 각도 및 경사 방향은 제1 포물면 반사경(721) 및 제2 포물면 반사경(722)에 형성되는 제1 펌핑광 스폿 내지 제4 펌핑광 스폿들이 서로 겹치지 않도록 설정될 수 있다. 본 실시예의 씬디스크 레이저 장치(700)는 제1 펌핑광 스폿 내지 제4 펌핑광 스폿들은 제1 포물면 반사경(721) 및 제2 포물면 반사경(722)의 전역에 걸쳐 형성되므로, 제1 포물면 반사경(721) 및 제2 포물면 반사경(722)을 효율적으로 활용할 수 있다.
도 12는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 씬디스크 레이저 장치(800)의 개략적인 구성도이다. 본 실시예의 씬디스크 레이저 장치(800)에서 펑핌광의 멀티패스 펌핑 구조를 제외한 나머지 구성요소들은 도 1 내지 도 11을 참조하여 설명한 실시예들와 실질적으로 동일할 수 있으므로, 차이점을 중심으로 설명한다.
도 12를 참조하면, 본 실시예의 씬디스크 레이저 장치(800)는 제1 씬디스크(111) 및 제2 씬디스크(112), 제1 포물면 반사경(821) 및 제2 포물면 반사경(822), 제1 펌핑광 소스(851) 및 제2 펌핑광 소스(852)를 포함한다.
제1 포물면 반사경(821) 및 제2 포물면 반사경(822)은 포물면 형상의 반사면이 서로 마주보면서 동축으로 배치된다. 제1 포물면 반사경(821)에는 하나의 펌핑광 입사구(825)가 마련된다. 제1 펌핑광 소스(851) 및 제2 펌핑광 소스(852)는, 출사된 제1 펌핑광(P1) 및 제2 펌핑광(P2)이 동일한 펌핑광 입사구(825)를 통해 1 포물면 반사경 및 제2 포물면 반사경(821, 822) 사이의 공간으로 입사되도록, 나란히 배치된다. 제1 펌핑광(P1) 및 제2 펌핑광(P2) 각각의 멀티패스 펌핑 광경로는 도 2, 도 3a 및 도3b를 참조하여 설명한 실시예의 펌핑광의 것과 실질적으로 동일하다. 본 실시예의 씬디스크 레이저 장치(800)는 하나의 펌핑광 입사구(825)에 2개의 펌핑광이 입사되는 경우를 예로 들어 설명하고 있으나, 3개 이상의 펌핑광이 나란히 입사되도록 할 수도 있다. 또한, 도 8 내지 도 11을 참조하여 설명한 실시예들처럼 펌핑광 입사구가 복수개 있는 경우, 각각의 펌핑광 입사구에 복수의 펌핑빔이 입사되도록 할 수도 있을 것이다.
전술한 본 발명인 씬디스크 레이저 장치는 이해를 돕기 위하여 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.
100, 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800: 씬디스크 레이저 장치
111, 112: 씬디스크
115, 116: 히트싱크
121, 122, 321, 322, 421, 422, 521, 522, 621, 622, 721, 722, 821, 822: 포물면 반사경
123, 124: 장착 구멍
125, 525, 526, 625, 626, 725, 726, 727, 728, 825: 펌핑광 입사구
130: 시드광 소스
140: 신호광 광학계
141, 144: 편광빔스플리터
142: 패러데이 회전자
143: 반파장판
145: 1/4파장판
146: 포켈셀
M1, M2, M3, M4, M5, M6, M7, M8, 243, 245, 342, 344: 전반사 미러
150, 551, 552, 651, 652, 751, 752, 753, 754, 851, 852: 펌핑광 소스
161, 162: 펌핑빔모드관찰장치
241, 242, 341, 345: 출력 커플러
323, 324, 326, 327, 423, 424: 신호광 통로
L: 시드광
L1, L2, 244, 246, 343, 346: 신호광
P, P1, P2, P3, P4: 펌핑광
OA: 광축

Claims (11)

  1. 서로 마주보며 동축으로 배치되는 제1 포물면 반사경 및 제2 포물면 반사경;
    각기 레이저 매질과 상기 레이저 매질의 배면에 위치하는 반사면을 포함하며, 상기 제1 포물면 반사경의 정점 및 상기 제2 포물면 반사경의 정점에 각각 배치되어 신호광을 발진 또는 증폭시키는 제1 씬디스크 및 제2 씬디스크;
    상기 제1 씬디스크의 레이저 매질과, 상기 및 제2 씬디스크의 레이저 매질을 여기시키는 펌핑광을 출사하는 펌핑광 소스; 및
    상기 제1 포물면 반사경과 상기 제2 포물면 반사경 사이의 공간에 배치되어 신호광을 반사시키는 적어도 하나의 내부 미러;를 포함하며,
    상기 제1 씬디스크, 상기 제2 씬디스크, 상기 제1 포물면 반사경 및 상기 제2 포물면 반사경은 펌핑광의 멀티패스를 형성하고,
    상기 적어도 하나의 내부 미러를 통해 상기 제1 씬디스크 및 상기 제2 씬디스크 중 적어도 하나에 정렬용 빔을 조사하는 씬디스크 레이저 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    신호광은 상기 제1 포물면 반사경 및 상기 제2 포물면 반사경에서 반사되지 않는 씬디스크 레이저 장치.
  3. 제1 항에 있어서,
    시드광을 공급하는 시드광 소스를 더 포함하며, 상기 제1 씬디스크 및 상기 제2 씬디스크는 시드광을 신호광으로 증폭하는 씬디스크 레이저 장치.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 씬디스크와 상기 제2 씬디스크 사이의 신호광의 광경로상에 배치되어 제어 신호에 따라 신호광의 경로를 변경하여 외부로 출력시키는 광경로 변환기를 더 포함하는 씬디스크 레이저 장치.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 광경로 변환기는 제어 신호에 따라 신호광의 편광을 변경시키는 전기광학소자와, 편광 방향에 따라 신호광을 분리하는 편광빔스플리터를 포함하는 씬디스크 레이저 장치.
  6. 삭제
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 씬디스크 및 상기 제2 씬디스크의 전면에 형성되는 펌핑광 스폿을 촬상하는 펌핑빔모드관찰장치를 더 포함하는 씬디스크 레이저 장치.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 내부 미러는 상기 제1 씬디스크와 상기 제2 씬디스크 사이에서 신호광의 반사를 반복시킴으로서 신호광을 증폭시키는 씬디스크 레이저 장치.
  9. 제1 항에 있어서,
    신호광은 상기 제1 씬디스크와 상기 제2 씬디스크에서 각기 개별적으로 증폭되는 제1 신호광과 제2 신호광을 포함하는 씬디스크 레이저 장치.
  10. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 씬디스크 및 상기 제2 씬디스크는 상기 제1 포물면 반사경 및 상기 제2 포물면 반사경의 광축에 대해 경사진 씬디스크 레이저 장치.
  11. 제1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 내부 미러는 상기 제1 씬디스크 및 상기 제2 씬디스크 중 적어도 어느 하나의 전면의 법선상에 위치하거나 상기 법선의 근방에 위치하는 씬디스크 레이저 장치.
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