KR102025759B1 - 씬디스크 레이저 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 펌핑광의 직경을 조정할 수 있는 펌핑광 성형장치를 포함하는 씬디스크 레이저 장치에 관한 것으로서, 일 실시예에 따른 씬디스크 레이저 장치는 펌핑광을 출사하는 펌핑광 소스, 상기 펌핑광의 직경을 조정하는 펌핑광 성형장치, 직경이 조정된 상기 펌핑광이 입사되는 제1 포물면 반사경, 상기 제1 포물면 반사경과 서로 마주보며 동축으로 배치되는 제2 포물면 반사경 및, 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 상기 펌핑광의 멀티패스를 형성하는 제1 씬디스크 및 제2 씬디스크를 포함할 수 있다.

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.
멀티 패스 펌핑 구조에서는 펌핑광의 이동 경로가 일반적으로 사용되는 다른 고체 레이저와 비교하였을 때, 상대적으로 길게 형성될 수 있으며, 상술한 바와 같은 멀티 패스 펌핑 구조가 적용된 씬디스크 레이저 매질을 효율적으로 여기 시키기 위해, 씬디스크 레이저 매질이 손상되지 않는 범위 내에서 펌핑 소스로부터 출사된 펌핑광의 직경(Pump spot diameter)을 최적화하여야 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 멀티 패스 펌핑 구조가 적용된 씬디스크 레이저 장치에서, 다양한 공진 조건 및 펌핑 조건에 적용될 수 있도록 펌핑광의 직경이 조정되어 씬디스크로 입사될 수 있는 씬디스크 레이저 장치를 제공할 수 있다.
일 실시예에 따른 씬디스크 레이저 장치는, 펌핑광을 출사하는 펌핑광 소스; 상기 펌핑광의 직경을 조정하는 펌핑광 성형장치;직경이 조정된 상기 펌핑광이 입사되는 제1 포물면 반사경;상기 제1 포물면 반사경과 서로 마주보며 동축으로 배치되는 제2 포물면 반사경; 및 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 상기 펌핑광의 멀티패스를 형성하는 제1 씬디스크 및 제2 씬디스크;를 포함할 수 있다.
상기 펌핑광 성형장치는, 상기 펌핑광의 직경을 변형시키는 복수의 제1 렌즈를 구비하는 직경 조정 렌즈군; 및 상기 펌핑광을 평행광으로 변형시키는 하나 이상의 제2 렌즈를 구비하는 콜리메이팅 렌즈군;을 포함할 수 있다.
상기 성형 렌즈군은 상기 펌핑광의 진행 방향을 따라 배치된 제1-1렌즈 및 제1-2 렌즈 및, 상기 제1-1 렌즈 및 상기 제1-2 렌즈 사이의 간격을 변화시킬 수 있는 이동부를 포함할 수 있다.
상기 콜리메이팅 렌즈군은 상기 펌핑광의 진행 방향을 따라 배치된 제2-1렌즈 및 제2-2 렌즈를 포함할 수 있다.
상기 제2-1렌즈 및 상기 제2-2 렌즈는 비구면 렌즈이며, 상기 제2-2 렌즈의 곡률 반경이 상기 제2-1 렌즈의 곡률 반경보다 크게 형성될 수 있다.
상기 펌핑광 소스와 상기 펌핑광 성형장치 사이에 배치되어 상기 펌핑광을 전달하는 펌핑광 전달부;를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 포물면 반사경에 마련되어 상기 펌핑광이 통과하는 펌핑광 입사부;를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 씬디스크의 배면에 배치된 제1 히트 싱크 및 상기 제2 씬디스크의 배면에 배치된 제2 히트 싱크;를 더 포함할 수 있다.
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 사이의 신호광의 광경로상에 배치되는 복수의 미러;를 더 포함하며,상기 제1 내부 미러, 상기 제2 내부 미러, 및 상기 복수의 미러는 신호광을 상기 제1 씬디스크와 상기 제2 씬디스크 사이에서 반사를 반복시킴으로서 증폭시킬 수 있다.
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 않을 수 있다.
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.
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 분리하는 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 일 실시예에 의하면, 멀티 패스 펌핑 구조가 적용된 씬디스크 레이저 장치에서, 다양한 공진 조건 및 펌핑 조건에 부합하도록 펌핑광의 직경이 조정될 수 있는 씬디스크 레이저 장치를 제공할 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 다양한 공진 조건에 부합하도록 펌핑광의 직경이 조정됨으로써 레이저 출력 특성의 최적화를 통한 신뢰성 및 생산성이 향상될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 씬디스크 레이저 장치에 구비된 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. 또한, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 씬디스크 레이저 장치에 구비된 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.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 씬디스크 레이저 장치의 개략적인 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 펌핑광 성형 장치의 개략적인 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 펌핑광 성형 장치의 개략적인 구성도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 펌핑광의 광선 경로를 도시한다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 씬디스크 레이저 장치에서 제1 포물면 반사경 및 제2 포물면 반사경에 형성되는 펌핑광 스폿 및 펌핑광의 경로를 도시한다.
도 6는 본 발명의 일 실시예에 따른 씬디스크 레이저 장치의 개략적인 구성도이다.
도 7a 내지 도 7c는 각각 도 7의 씬디스크 레이저 장치에서 시드광 소스의 입사, 증폭 및 출력을 설명한다.
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 장치의 개략적인 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예의 씬디스크 레이저 장치(1)는 펌핑광 소스(10), 펌핑광 전달부(20), 핌핑광 성형장치(30), 하나 이상의 씬 디스크를 포함하는 씬 디스크 모듈(40) 및 시드광 소스(50)를 포함할 수 있다.
펌핑광 소스(10)는 씬 디스크 모듈(40)에 구비된 하나 이상의 씬디스크를 여기시킬 수 있는 펌핑광(P)을 출사한다. 펌핑광 소스(10)는, 펌핑광(P)이 후술하게 될 씬디스크 모듈(40)에 구비된 제1 포물면 반사경(420)의 펌핑광 입사구(440)를 통해 제1 포물면 반사경(420) 및 제2 포물면 반사경(430) 사이의 공간으로 입사되도록 배치된다. 나아가, 펌핑광 소스(10)는, 펌핑광(P)이 펌핑광 입사구(440)를 통해 광축(OA)에 평행하게 입사되도록 배치될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
펌핑광 전달부(20)는 양 단부에 배치된 광학 부재, 예를 들어 펌핑광 소스 (10)와 펌핑광 성형 장치(30) 사이에서 핌핑광(P)을 전달할 수 있는 광학 부재이다. 일 예로서, 펌핑광 전달부(20)는 코어부와 클래딩부를 구비하는 광섬유로 구현될 수 있으며, 코어부를 통과하는 펌핑광(P)의 직경은 코어부의 개구수(Numerical Aperture)에 따라 결정될 수 있다.
펌핑광 성형장치(30)는 펌핑광 전달부(20)로부터 전달받은 펌핑광(P)의 직경을 조정하고, 펌핑광 입사구(440)를 통해 광축(OA)에 평행하게 입사될 수 있도록 펌핑광(P)을 평행광으로 변형시킬 수 있는 조정 부재이다. 일 실시예에 따르면, 펌핑광 성형장치(30)는 펌핑광(P)의 직경을 변형시킬 수 있는 직경 조정 렌즈군(31) 및 펌핑광(P)을 평행광으로 변형시킬 수 있는 콜리메이팅 렌즈군(32)을 포함할 수 있다. 일 예로서, 직경 조정 렌즈군(31)은 복수의 제1 렌즈(310)를 구비할 수 있으며, 상기 복수의 제1 렌즈(310)를 이용하여 펌핑광(P)의 직경을 조정할 수 있다. 콜리메이팅 렌즈군(32) 또한 하나 이상의 제2 렌즈(320)를 구비할 수 있으며, 상기 하나 이상의 제2 렌즈(320)를 이용하여 펌핑광(P)을 광축(OA)에 평행한 평행광으로 변형시킬 수 있다. 펌핑광 성형장치(30)를 이용하여 펌핑광(P)의 직경을 조정하고 펌핑광(P)을 평행광으로 변형시키는 과정은 도 2 및 도 3을 참조하여 보다 구체적으로 서술한다.
씬 디스크 모듈(40)은 하나 이상의 씬 디스크를 이용하여 시드광을 증폭시킬 수 있는 증폭 장치이다. 일 실시예에 따른 씬 디스크 모듈(40)은 제1 씬디스크(400), 제2 씬디스크(410), 제1 포물면 반사경(420) 및 제2 포물면 반사경(430)을 포함할 수 있다.
제1 씬디스크(400) 및 제2 씬디스크(410)는 레이저 매질을 포함할 수 있다. 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(400) 및 제2 씬디스크(410)은 상대적으로 넓은 면적의 전면 및 배면, 상대적으로 작은 면적의 측면을 포함할 수 있으며, 레이저 매질의 전면에서 펌핑광과 신호광이 입사될 수 있다. 일 실시예에 따른 레이저 매질은 펌핑광에 의해 매질 내의 이온들을 여기시켜서 신호광을 증폭시키는 역할을 수행한다. 레이저 매질의 전면에는 펌핑광과 신호광 모두에 대한 반사방지층이 배치될 수 있다. 레이저 매질의 배면에는 신호광과 펌핑광 모두에 대한 전반사층이 배치될 수 있다.
일 실시예에 따른 제1 씬디스크(400) 및 제2 씬디스크(410)의 배면에는 제1 히트 싱크(401; 도 4 참조) 및 제2 히트 싱크(411; 도 4 참조)가 각각 배치될 수 있다. 제1 씬디스크(400) 및 제2 씬디스크(410)의 배면과 제1 히트 싱크(401) 및 제2 히트 싱크(411)의 냉각면 사이에는 열전도성 접착층 (Thermally-Conductive Adhesive)이 마련되어, 열전도율과 접착력을 향상시킬 수 있다. 일 예시에 따른 제1 히트 싱크(401) 및 제2 히트 싱크(411)는 예를 들어 냉매를 이용한 유체 냉각 방식으로 제1 씬디스크(400) 및 제2 씬디스크(410)에서 발생된 열을 제거할 수 있다. 냉매는 예를 들어 물일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
제1 포물면 반사경(420) 및 제2 포물면 반사경(430)은 포물면 형상의 반사면이 서로 마주보면서 동축으로 배치된다. 제1 포물면 반사경(420) 및 제2 포물면 반사경(430)은 동일한 곡률의 포물면 형상을 가질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 제1 포물면 반사경(420) 및 제2 포물면 반사경(430)에서, 제1 포물면 반사경(420)의 정점(vertex)은 제2 포물면 반사경(430)의 초점이 되고, 제2 포물면 반사경(430)의 정점은 제1 포물면 반사경(420)의 초점이 되도록 배치된다. 일 실시예에 따른 제1 씬디스크(400) 및 제2 씬디스크(410)는 전면 중심이 제1 포물면 반사경(420) 및 제2 포물면 반사경(430)의 정점에 각각 위치하도록 배치될 수 있다. 또한, 제1 포물면 반사경(420)의 일측에는 펌핑광 입사구(440)가 형성되어, 제1 포물면 반사경(420)의 바깥에서 펌핑광(P)이 입사될 수 있도록 한다. 펌핑광 입사구(440)의 형상은 도 4에 도시된 것처럼 직사각형의 개구 형상을 가질 수 있으나, 이에 의해 제한되지 않는다. 예를 들어, 펌핑광 입사구(440)의 형상은 원형, 다각형 등의 다양한 개구 형상을 가질 수 있다.
시드광 소스(50)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(50)는 일 예로 수평 편광의 시드광(L)을 방출할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 펌핑광 성형 장치의 개략적인 구성도이다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 펌핑광 성형 장치의 개략적인 구성도이다.
상술한 바와 같이 펌핑광 소스(10)로부터 출사된 펌핑광(P)은 제1 포물경 반사경(420)에 마련된 펌핑광 입사구(440)를 통해 입사될 수 있다. 펌핑광 입사구(440)를 통해 입사된 펌핑광(P)은 제1 포물경 반사경(420)과 제2 포물경 반사경(430) 사이에서 수 회 내지 수십 회에 걸쳐 왕복 이동함으로써 멀티 패스 펌핑을 수행할 수 있다. 따라서, 펌핑광 입사구(440)를 통해 입사되는 펌핑광(P)의 직경이 정밀하게 조정되지 않는 경우, 제1 포물경 반사경(420)과 제2 포물경 반사경(430)에 형성될 수 있는 펌핑광 스폿의 위치가 변화될 수 있으며, 이에 따라 제1 포물경 반사경(420)과 제2 포물경 반사경(430)에 마련된 제1 씬디스크(400) 및 제2 씬디스크(410)에 대한 펌핑위치 또한 변화될 수 있다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 일 실시예에 따르는 펌핑광 성형장치(30)는, 펌핑광 소스(10)로부터 출사된 펌핑광(P)의 직경을 변형시킬 수 있는 직경 조정 렌즈군(31) 및 펌핑광(P)을 평행광으로 변형시킬 수 있는 콜리메이팅 렌즈군(32)을 포함할 수 있다. 일 예로서, 직경 조정 렌즈군(31)은 펌핑광(P)의 직경을 조정할 수 있는 복수의 제1 렌즈(310)를 구비할 수 있다. 예를 들어, 복수의 제1 렌즈(310)는 펌핑광 소스(10)로부터 출사된 펌핑광(P)의 진행 방향을 따라 제 1-1 렌즈(311) 및 제 1-2 렌즈(312)가 순차적으로 배치될 수 있다.
일 예로서, 도 2에 도시된 바와 같이 제1-1 렌즈(311)에는 양 오목 렌즈, 제 1-2 렌즈(312)에는 평볼록 렌즈가 사용될 수 있으나, 사용되는 렌즈가 이것으로 한정되는 것은 아니다. 제 1-1 렌즈(311)는 오목 렌즈이면 어느 종류이어도 사용할 수 있다. 예를 들면, 제 1-1 렌즈(311)로서 평오목 렌즈나 오목 메니스커스 렌즈 등의 오목 렌즈, 또는 오목 렌즈와 동등한 기능을 가지는 광학 소자가 사용될 수도 있다. 또한, 제 1-2 렌즈(312)는 볼록 렌즈이면, 어느 종류이어도 사용할 수 있다. 예를들면, 제 1-2 렌즈(312)로서 양 볼록 렌즈나 볼록 메니스커스 렌즈 등의 볼록 렌즈, 또는 볼록 렌즈와 동등한 기능을 가지는 광학 소자가 사용될 수도 있다. 또한, 제1-1 렌즈(311) 및 제1-2 렌즈(312)즈는 2매 이상의 조합 렌즈를 사용하여 구현될 수도 있다. 다만, 제1-1 렌즈(311) 및 제1-2 렌즈(312)가 오목 렌즈 및 볼록 렌즈에 제한되는 것은 아니며, 제1-1 렌즈(311) 및 제1-2 렌즈(312)의 조합에 의해 펌핑광(P)의 직경을 조정할 수 있는 임의의 광학 소자가 사용될 수도 있다.
또한, 일 실시예에 따른 직경 조정 렌즈군(31)에는 펌핑광(P)의 광축 방향을 따라 제1-1 렌즈(311) 및 제1-2 렌즈(312)를 이동시킬 수 있는 이동부(313)를 포함할 수 있다. 일 예로서, 도 3에 도시된 바와 같이 이동부(313)는 제 1-1 렌즈(311)와 제 1-2 렌즈(312)를 이동시켜 제1-1 렌즈(311) 및 제1-2 렌즈(312) 사이의 간격을 변화시킬 수 있다. 이동부(313)의 의해 제1-1 렌즈(311) 및 제1-2 렌즈(312) 사이의 간격이 제1 간격(t1)에서 제2 간격(t2)으로 변화하는 경우, 상기 제1-1 렌즈(311) 및 제1-2 렌즈(312)에 의한 렌즈계의 초점거리가 변화하고, 펌핑광(P)의 빔 직경 또한 제1 직경(D1)에서 제2 직경(D2)로 확대 또는 축소될 수 있다. 상술한 바와 같은 줌 기능을 가지는 직경 조정 렌즈군(31)를 통하여 펌핑광(P)을 조사함으로써, 펌핑광(P)의 직경 배율을 용이하게 변화시킬 수 있다.
일 예로서, 콜리메이팅 렌즈군(32)은 직경 조정 렌즈군(31)을 통과한 펌핑광(P)을 평행광으로 변형시킬 수 있는 하나 이상의 제2 렌즈(320)를 구비할 수 있다. 예를 들어, 제2 렌즈(320)는 펌핑광 소스(10)로부터 출사된 펌핑광(P)의 진행 방향을 따라 배치되는 제 2-1 렌즈(321) 및 제 2-2 렌즈(322)를 포함할 수 있다. 일 예로서, 도 2에 도시된 바와 같이 제2-1 렌즈(321)는 비구면 렌즈로 마련될 수 있으며, 제2-1 렌즈(321)를 통과하여 입사된 펌핑광(P)을 평행광으로 변형시킬 수 있다. 제2-2 렌즈(322)는 제2-1 렌즈(321)와 소정의 간격을 사이에 두고 펌핑광(P)의 진행방향을 따라 이격되도록 배치될 수 있다. 일 예시에 따른 제2-2 렌즈(322)는 펌핑광(P)의 직전성을 향상시킬 수 있다. 일 예로서, 제2-2 렌즈(322) 또한 비구면 렌즈로 마련될 수 있으며, 제2-1 렌즈(321)가 비구면 렌즈로 마련된 경우, 제2-2 렌즈(322)의 곡률 반경은 제2-1 렌즈(321)의 곡률 반경보다 크게 형성될 수 있다.
상술한 실시예에서는 콜리메이팅 렌즈군(32)에 두 개의 비구면 렌즈가 포함될 수 있음을 개시하고 있으나, 사용되는 렌즈가 이것으로 한정되는 것은 아니며, 직경 조정 렌즈군(31)을 통과한 펌핑광(P)을 평행광으로 변형시킬 수 있는 임의의 광학소자가 마련될 수도 있다. 또한 콜리메이팅 렌즈군(32)에는 한 개의 제2 렌즈(320)가 포함될 수도 있으며, 이 경우, 콜리메이팅 렌즈군(32)에 포함된 제2 렌즈(320)는 직경 조정 렌즈군(31)에 포함된 복수의 제1 렌즈(310)와 상호작용하여 펌핑광(P)을 평행광으로 변형시킬 수도 있다.
상술한 바와 같이, 펌핑광 성형 장치(30)를 이용하여 다양한 공진 조건에 부합하도록 펌핑광(P)의 직경이 조정될 수 있는 씬디스크 레이저 장치(1)를 제공할 수 있다. 따라서, 작업자는 광학 소자의 교체 없이도, 다양한 공진 조건에 부합하도록 펌핑광(P)의 직경을 보다 용이하게 조정할 수 있으며, 이에 따라 펌핑광(P) 특성의 최적화를 통한 신뢰성 및 생산성이 향상될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 펌핑광의 광선 경로를 도시한다. 도 5a 및 도 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 씬디스크 레이저 장치에서 제1 포물면 반사경 및 제2 포물면 반사경에 형성되는 펌핑광 스폿 및 펌핑광의 경로를 도시한다.
도 4 를 참조하면, 펌핑광 성형장치(30)를 통해 빔 직경이 조정되고, 평행광으로 조정된 펌핑광(P)은 제1 포물면 반사경(420)의 펌핑광 입사구(440)를 통해 제1 포물면 반사경(420) 및 제2 포물면 반사경(430) 사이의 공간으로 입사된다. 펌핑광 입사구(125)를 통해 입사된 펌핑광(P)은 도 5a 및 도 5b에 도시되듯이, 제2 포물면 반사경(430)의 제4 사분면(제2 포물면 반사경(430)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(430)의 제1 위치(S1)에서 반사된 펌핑광(P)은 제1 포물면 반사경(420)의 정점에 위치한 제1 씬디스크(400)에 입사된다. 제1 씬디스크(400)에 입사된 후, 펌핑광(P)은 반사되어 제2 포물면 반사경(430)의 제2 사분면의 최하단보다 약간 위쪽에 위치한 제2 위치(S2)에 펌핑광 스폿을 형성한다. 제1 씬디스크(400)는 약간 경사지어 있으므로, 제2 위치(S2)는 제2 포물면 반사경(430)의 정점을 기준으로 제1 위치(S1)와 대칭되지 않고 수직방향으로 약간 편차를 가지고 있어서 좌우는 대칭이 되지만 상하방향으로는 약간 올라가며 올라가는 거리는 제1 씬디스크(400)의 경사각에 비례한다. 제2 포물면 반사경(430)의 정점은 제1 포물면 반사경(420)의 초점이므로, 제2 포물면 반사경(430)의 제2 위치(S2)에 입사된 후, 펌핑광(P)은 제2 위치(S2)에서 광축(OA)에 평행하게 반사된다. 제2 포물면 반사경(430)의 제2 위치(S2)에서 광축에 평행하게 반사된 펌핑광(P)은 제1 포물면 반사경(420)의 제1 사분면(제2 포물면 반사경(430)의 반사면을 바라볼 때 기준)의 최하단에서 약간 위에 위치한 제3 위치(S3)에 광축(OA)에 평행하게 입사되고, 제2 포물면 반사경(430) 정점의 제2 씬디스크(410)로 반사된다. 이때 제2 포물면 반사경(430)의 제2 사분면은 제1 포물면 반사경(420)의 제1 사분면과 마주 보고 있다. 제2 씬디스크(410)에서 반사되므로 제1 씬디스크(400)의 초점에서 나오게 되는 펌핑광(P)은 제1 포물면 반사경(420)의 제3 사분면의 최상단에서 약간 아래에 위치한 제4 위치(S4)에 펌핑광 스폿을 형성한다. 제2 씬디스크(410)는 약간 경사지어 있으므로, 제4 위치(S4)는 제1 포물면 반사경(420)의 정점을 기준으로 제3 위치(S3)와 대칭되지 않고 수직방향으로 약간 편차를 가지고 있다. 제2 포물면 반사경(430)의 정점은 제1 포물면 반사경(420)의 초점이므로, 제1 포물면 반사경(420)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(400), 제2 씬디스크(410)내의 레이저 매질이온들을 반복적으로 여기 시킨다. 도 5a 및 도 5b에서의 펌핑광(P)의 반복 횟수는 예시적인 것이며, 예를 들어 24회, 48회 등과 같이 반복 반사되면서 멀티패스 펌핑을 구현할 수 있다.
도 6는 본 발명의 일 실시예에 따른 씬디스크 레이저 장치의 개략적인 구성도이다. 도 7a 내지 도 7c는 각각 도 7의 씬디스크 레이저 장치에서 시드광 소스의 입사, 증폭 및 출력을 설명한다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 씬디스크 레이저 장치(1)는 펌핑광 소스(10), 펌핑광 성형장치(30), 하나 이상의 씬 디스크를 포함하는 씬 디스크 모듈(40), 시드광 소스(50) 및 신호광 광학계(60)를 포함할 수 있다. 펌핑광 소스(10), 펌핑광 성형장치(30), 씬 디스크 모듈(40)에 포함된 제1 씬디스크(400), 제2 씬디스크(410), 제1 포물면 반사경(420) 및 제2 포물면 반사경(430) 및 시드광 소스(50)와 관련된 일반적인 사항은 도 1 및 도 4에 개시된 사항과 실질적으로 동일하므로 설명의 편의상 여기서는 서술을 생략한다.
일 실시예에 따른 제1 씬디스크(400) 및 제2 씬디스크(410)는 전면 중심이 제1 포물면 반사경(420) 및 제2 포물면 반사경(430)의 정점에 각각 위치하도록 배치될 수 있다. 이때, 제1 씬디스크(400) 및 제2 씬디스크(410)의 전면은 광평면(Optical Plane)을 기준으로 경사지도록 배치될 수 있다. 여기서, 광편면은 제1 포물면 반사경(420) 및 제2 포물면 반사경(430)의 광축(OA)과 펌핑광(P) 입사 광선으로 놓이는 평면을 의미한다. 달리 말하면, 제1 씬디스크(400) 및 제2 씬디스크(410)의 전면의 법선(400a, 410a)과 제1포물면 반사경(420) 및 제2 포물면 반사경(430)의 광축(OA)은 영(zero)보다 큰 소정의 각도(θ1, θ2)로 벌어져 있다. 제1 씬디스크(400) 및 제2 씬디스크(410)의 경사진 각도(θ1, θ2)는 서로 같을 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 제1 씬디스크(400) 및 제2 씬디스크(410)은 서로 같은 방향으로 경사지거나 혹은 서로 반대 방향으로 경사질 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 이와 같은 제1 씬디스크(400) 및 제2 씬디스크(410)의 경사 각도(θ1, θ2) 및 경사 방향은 후술하는 바와 같이 펌핑광의 멀티 패스를 구현하도록 설계된다. 제1 씬디스크(400) 및 제2 씬디스크(410)에는 미세한 광축 정렬 등을 할 수 있도록 각각 씬디스크 조정 장치(미도시)가 마련될 수 있다. 예를 들어, 씬디스크 조정 장치는 제1 씬디스크(400) 및 제2 씬디스크(410)를 각각 독립적으로 수평축, 수직축 방향의 기울기를 조절할 수 있다.
신호광 광학계(60)는 제1 편광빔스플리터(polarized beam splitter)(61), 패러데이 회전자(Faraday rotator)(62), 반파장판(half-wavelength plate)(63), 제2 편광빔스플리터(polarized beam splitter)(64), 1/4파장판(quarter-wavelength plate)(65), 포켈스셀(Pockels cell)(66), 및 제1 미러 내지 제8 미러(M1, M2, M3, M4, M5, M6, M7, M8)를 포함할 수 있다.
제1 편광빔스플리터(61)는 수평 편광(horizontal polarization)의 광을 통과시키고, 수직 편광(vertical polarization)의 광은 반사한다.
패러데이 회전자(62)는 입사되는 수평 편광의 광의 편광을 패러데이 효과를 이용하여 45도 위상변화를 일으켜 45도 선편광의 광으로 변환시키며, 패러데이 회전자(62)를 출사후 되돌아 오는 재입사하는 45도 선편광의 광에 추가적인 45도 위상변화를 일으켜 수직 편광의 광으로 변환시킨다.
반파장판(63)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(64)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(65)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.
포켈스셀(66)은 포켈스효과(Pockels effect)를 가지는 결정에 전압을 인가하여 편광 변환을 능동적으로 수행하는 소자이다. 예를 들어, 포켈스셀(66)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(61), 패러데이 회전자(62), 반파장판(63), 제2 편광빔스플리터(64), 1/4파장판(65), 및 포켈스셀(66)은, 후술하는 바와 같이 포켈스셀(66)에 인가되는 전압(즉, 제어신호)에 따라, 입사되는 편광의 수평편광성분과 수직편광성분의 위상차를 발생시켜 편광을 변화시킴으로써 제1 편광빔스플리터(61) 및 제2 편광빔스플리터(64)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(400) 및 제2 씬디스크(410)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(420) 및 제2 포물면 반사경(430) 사이의 공간, 예를 들어 중간 부근, 에 배치된다. 제4 미러(제1 내부 미러)(M4)는 제4 미러(제1 내부 미러)(M4)에서 제1 씬디스크(400)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(410)로 입사된 신호광이 제8 미러(제2 내부 미러)(M8) 쪽으로 반사되도록 배치된다. 좀 더 구체적으로, 제4 미러(제1 내부 미러)(M4)는 제1 씬디스크(400)의 전면의 법선(400a)상에 또는 상기 법선(400a)의 근방에 45도로 경사지게 배치되고, 제8 미러(제2 내부 미러)(M8)는 제2 씬디스크(410)의 전면의 법선(410a)상에 또는 상기 법선(410a)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(10)는 제1 씬디스크(400) 및 제2 씬디스크(410)를 여기시키는 펌핑광(P)을 출사한다. 펌핑광 소스(10)는, 펌핑광(P)이 제1 포물면 반사경(420)의 펌핑광 입사구(440)를 통해 제1 포물면 반사경(420) 및 제2 포물면 반사경(430) 사이의 공간으로 입사되도록 배치된다. 나아가, 펌핑광 소스(10)는, 펌핑광(P)이 펌핑광 입사구(440)를 통해 광축(OA)에 평행하게 입사되도록 배치될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 펌핑광 소스(10)에는 미세한 광축 정렬 등을 할 수 있도록 펌핑광 조정 장치(미도시)가 마련될 수 있다.
본 실시예의 씬디스크 레이저 장치(1)는 제1 펌핑빔모드관찰장치(71) 및 제2 펌핑빔모드관찰장치(72)를 더 포함할 수 있다. 제1 펌핑빔모드관찰장치(71) 및 제2 펌핑빔모드관찰장치(72)는 예를 들어 실시간으로 이미지를 획득할 수 있는 촬영장치(즉, 카메라)일 수 있으며, 각각 기구적 및 광학적 간섭이 없는 위치에 설치하여 제1 씬디스크(400) 및 제2 씬디스크(410)의 전면을 촬영한다. 펌핑광 소스(10)에서 출사된 펌핑광(P)은 제1 씬디스크(400) 및 제2 씬디스크(410)에서 수십차례 반복하면서 입사 및 반사되면서, 제1 씬디스크(400) 및 제2 씬디스크(410)의 전면에 펌핑광 스폿을 형성하는데, 제1 펌핑빔모드관찰장치(71) 및 제2 펌핑빔모드관찰장치(72)는 펌핑광 스폿을 포함한 제1 씬디스크(400) 및 제2 씬디스크(410)의 표면을 디스플레이를 통해 실시간으로 관찰할 수 있다. 이와 같이 제1 펌핑빔모드관찰장치(71) 및 제2 펌핑빔모드관찰장치(72)를 통해 펌핑광 스폿을 실시간으로 관찰함으로써, 펌핑광 스폿이 실질적으로 완벽하게 중첩을 가능하게 조절할 수 있게 할 수 있으므로, 원활하고 효과적인 멀티패스 펌핑이 가능하다.
본 실시예의 씬디스크 레이저 장치(1)는 출력되는 신호광의 세기를 측정하는 레이저출력 모니터링 장치를 더 포함할 수 있다. 이러한 레이저출력 모니터링 장치는 제1 편광빔스플리터(61)의 출력단 쪽에 배치되는 광파워 미터(optical power meter) 또는 펄스레이저인 경우에 광검출기(photodiode)일 수 있다.
본 실시예의 씬디스크 레이저 장치(1)에서 제1 씬디스크(400), 제2 씬디스크(410), 제1 포물면 반사경(420), 제2 포물면 반사경(430) 및 신호광 광학계(60)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(50), 신호광 광학계(60)의 나머지 광학부품들, 및 펌핑광 소스(10)는 일종의 플러그인 모듈처럼 씬디스크 모듈에 장착하여 함께 사용할 수 있다.
다음으로, 상술한 바와 같은 펌핑광 소스(10)를 이용하여 본 실시예의 씬디스크 레이저 장치(100)에서는 멀티패스 펌핑이 수행될 수 있다. 이와 관련된 사항은 도 4 내지 도 5b에 개시된 사항과 실질적으로 동일하므로 여기서는 서술을 생략한다.
다음으로, 도 7a 내지 도 7c를 참조하여, 본 실시예의 씬디스크 레이저 장치(1)에서 시드 광(신호광)의 입사, 증폭 및 출력을 설명한다.
도 7a는 시드 광(L)이 신호광 광학계(60)에 입사되는 과정을 설명하며, 이때 포켈스셀(66)은 전압이 인가되지 않은 상태에 있다.
도 7a를 참조하면, 시드광 소스(50)에서 출사된 수평 편광의 시드 광(L)은 제1 미러(M1)에서 반사되어 신호광 광학계(60)에 입사된다. 수평 편광의 시드 광(L)은 제1 편광빔스플리터(61)에서 그대로 통과한다. 제1 편광빔스플리터(61)를 통과한 수평 선편광의 광(L)의 편광은 패러데이 회전자(62)에서 45도 회전된 선편광의 광이 되며, 반파장판(63)을 경유하여 다시 수평 편광의 광(L)으로 변환된다. 이때 패러데이 회전자(62)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(62)가 영구자석을 사용하는 경우, 영구자석을 사용하여 확보하는 자기장은 절대좌표계에서 방향성을 가지므로 선편광 회전시 절대적인 방향성을 가지게 된다. 패러데이 회전자(62)에선 입사지점에서 입사한 빔의 편광방향을 시계방향으로 45도 회전시킨다면, 출사지점으로 재입사하는 빔의 편광방향은 비대칭적인 반시계방향으로 45도 회전시킨다.) 반파장판(63)을 경유한 수평 편광의 광(L)은 제2 편광빔스플리터(64)을 수평편광 상태 그대로 통과하며, 1/4파장판(65)에 입사된다. 수평 편광의 광(L)은 1/4파장판(65)에서 우원편광의 광(L)으로 변환된 후, 포켈스셀(66)에 입사된다. (1/4파장판(65)은 패러데이 회전자(62)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.) 포켈스셀(66)은 전압이 인가되지 않은 상태에 있으며, 따라서 우원편광의 광(L)은 포켈스셀(66)에서 편광변환없이 그대로 통과된다. 포켈스셀(66)을 통과한 광(L)은 제2 미러(M2), 제3 미러(M3) 및 제4 미러(M4)를 거쳐 제1 씬디스크(400)에 수직으로 입사된다. 제1 씬디스크(400)에 입사된 광(L)은 펌핑광(P)에 의해 여기된 제1 씬디스크(400)에서 증폭된 상태로 반사된다. 우원편광의 광(L)은 제1 씬디스크(400)에서 반사되면서 2개의 수직편광성분 사이에 180도의 위상차가 발생하므로 좌원편광의 광(L1)으로 변환된다. 참조번호 L1은, 편의상 제1 씬디스크(400)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 포켈스셀(66)을 편광변환없이 경유하고 1/4파장판(65)에서 수직편광으로 변환된다. 수직편광의 광(L1)은 제2 편광빔스플리터(64)에서 반사되고, 제5 미러(M5), 제6 미러(M6), 제7 미러(M7), 및 제8 미러(M8)를 거쳐 제2 씬디스크(410)에 수직으로 입사된다. 제2 씬디스크(410)에 입사된 광(L1)은 펌핑광(P)에 의해 여기된 제2 씬디스크(410)에서 증폭된 상태로 반사된다. 수직편광의 광(L2)은 제2 씬디스크(410)에서 반사되면서 편광상태를 유지한다. 참조번호 L2은, 편의상 제2 씬디스크(410)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(64)에서 반사되어 제1 씬디스크(400) 쪽으로 향하게 된다.
도 7b는 시드 광(L)이 제1 씬디스크(400) 및 제2 씬디스크(410)에서 재생증폭기(Regenerative Amplifier)를 구성하면서 증폭되는 과정을 설명하며, 이때 포켈스셀(66)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. 포켈스셀에 인가되는 전압은 2개의 편광성분의 위상변화가 1/4파장만큼 발생할 정도의 크기를 사용하며, 포켈스셀에 사용하는 결정에 인가되는 전압의 크기에 따라서 위상변화의 크기가 변화되는 선형 전기광학 효과(linear electro-optic effect)인 포켈스효과를 사용하는데 위상변화의 크기는 빔의 진행방향으로 인가되는 전기장의 진폭(electric field amplitufe)과 정상광선 굴절율(refractive index of ordinary beam)의 3제곱과 포켈스셀에 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 7b를 사용하여 먼저 펄스빔 1개를 재생증폭기 내부에 가두는 과정을 설명한다. 도 7b를 참조하면, 전술한 바와 같이 제2 씬디스크(410)에선 반사된 수직편광의 광(L2)은 제8 미러(M8), 제7 미러(M7), 제6 미러(M6) 및 제5 미러(M5)를 거쳐 제2 편광빔스플리터(64)에서 반사되며, 1/4파장판(65)을 경유하면서 좌원편광의 광(L2)으로 변환된다. (1/4파장판에 수평편광이 입사하면 우원편광으로, 수직편광이 입사하면 좌원편광으로 변환된다.) 1/4파장판(65)을 경유한 좌원편광의 광(L2)은 포켈스셀(66)에 입사된다. 포켈스셀(66)은 전압이 인가된 상태에 있으며, 따라서 좌원편광의 광(L2)은 포켈스셀(66)에서 1/4파장만큼 추가로 회전되어 수평편광으로 편광변환되면서 통과된다. 포켈스셀(66)을 통과한 수평편광의 광(L2)은 제2 미러(M2), 제3 미러(M3) 및 제4 미러(M4)를 거쳐 제1 씬디스크(400)에 수직으로 입사되고 증폭된 상태로 반사된다. 수평편광의 광(L1)은 제1 씬디스크(400)에서 반사되면서 편광방향을 유지하며, 다시 제4 미러(M4), 제3 미러(M3) 및 제2 미러(M2)의 순서대로 되돌아가며 포켈스셀(66)에 다시 입사된다. 수평편광의 광(L1)은 전압이 인가된 포켈스셀(66)에서 좌원편광의 광(L1)으로 편광변환되고, 1/4파장판(65)에서 수직편광으로 변환된다. 수직편광의 광(L1)은 제2 편광빔스플리터(64)에서 반사되고, 제5 미러(M5), 제6 미러(M6), 제7 미러(M7), 및 제8 미러(M8)를 거쳐 제2 씬디스크(410)에 수직으로 입사되고 증폭된 상태로 반사된다. 수직편광의 광(L2)은 제2 씬디스크(410)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(64)에서 반사되어 제1 씬디스크(400) 쪽으로 향하게 된다. 상기와 같이 포켈스셀(66)은 전압이 인가된 경우, 신호광 광학계(60)에 입사된 광(L)은 폐루프(closed loop)로 광경로가 닫히게 되어 공진하며 발진하게 된다. (이제까지의 편광변화들을 요약하면 다음과 같다. (a) 수평편광 -> 1/4파장판(65) -> 우원편광. (b) 우원편광 -> 거울반사(제1 씬디스크(400) 반사) -> 좌원편광. (c) 좌원편광 -> 1/4파장판(65) -> 수직편광. (d) 수직편광 -> 1/4파장판(65) -> 좌원편광. (e) 좌원편광 -> 포켈스셀(66) -> 수평편광. (f) 수평편광 -> 거울반사(제2 씬디스크(410) 반사) -> 수평편광. (g) 수평편광 -> 포켈스셀(66) -> 좌원편광. (h) 좌원편광 -> 1/4파장판(65) -> 수직편광. )
도 7c는 제1 씬디스크(400) 및 제2 씬디스크(410)에서 증폭된 광, 즉 신호광이 출력되는 과정을 설명한다. 도 7b를 참조한 신호광의 증폭단계에서 신호광의 세기가 소정 크기를 만족하거나 혹은 소정의 시간이 경과되면, 제2 씬디스크(410)에서 증폭되어 반사후 돌아오는 신호광이 포켈스셀에 입사하기 직전의 시점에서 포켈스셀(66)에 대한 전압 인가를 차단한다.
도 7c를 참조하면, 전술한 바와 같이 제2 씬디스크(410)에 반사된 수직편광의 광(L2)은 제8 미러(M8), 제7 미러(M7), 제6 미러(M6) 및 제5 미러(M5)를 거쳐 제2 편광빔스플리터(64)에서 반사되며, 1/4파장판(65)을 경유하면서 좌원편광의 광(L2)으로 변환된다. 1/4파장판(65)을 경유한 좌원편광의 광(L2)은 포켈스셀(66)에 입사된다. 포켈스셀(66)은 전압이 인가되지 않은 상태에 있으며, 따라서 좌원편광의 광(L2)은 포켈스셀(66)에서 편광변환없이 그대로 통과된다. 포켈스셀(66)을 통과한 좌원편광의 광(L2)은 제2 미러(M2), 제3 미러(M3) 및 제4 미러(M4)를 거쳐 제1 씬디스크(400)에 수직으로 입사되고 증폭된 상태로 반사된다. 좌원편광의 광(L2)은 제1 씬디스크(400)에서 반사되면서 우원편광의 광(L1)으로 변환되며, 다시 제4 미러(M4), 제3 미러(M3) 및 제2 미러(M2)의 순서대로 되돌아가며 포켈스셀(66)를 거쳐, 1/4파장판(65)에 입사된다. 우원편광의 광(L1)은 1/4파장판(65)에서 수평편광으로 변환된다. 수평편광의 광(L1)은 제2 편광빔스플리터(64)에서 그대로 통과되어, 반파장판(63)으로 향하게 된다. 수평편광의 광(L1)은 반파장판(63) 및 패러데이 회전자(62)를 거쳐 수직편광의 광(L1)으로 변환되고, 제1 편광빔스플리터(61)에서 반사되어 출력된다.
상기와 같이 동작하는 본 실시예의 씬디스크 레이저 장치(1)는 상기 재생증폭기(Regenerative Amplifiers)의 일 예로 이해될 수 있을 것이다.
본 실시예와 같이 2개의 포물면 반사경(즉, 제1 포물면 반사경(420) 및 제2 포물면 반사경(430))을 사용하는 경우, 제1 포물면 반사경(420) 및 제2 포물면 반사경(430)의 광축 정렬이나, 제1 씬디스크(400) 및 제2 씬디스크(410)의 광축 정렬은, 펌핑광(P)이 수십번 반복하여 반사하더라도 제1 씬디스크(400) 및 제2 씬디스크(410)에 맺히는 펌핑광 스폿이 정확하게 일치할 필요가 있다. 반복적으로 맺히는 상기 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(400) 및 제2 씬디스크(410)의 광축 정렬용으로 사용할 수 있다.
본 실시예의 씬디스크 레이저 장치(1)는 펌핑광에 대한 멀티 패스 광학계(제1 씬디스크(400) 및 제2 씬디스크(410)와 제1 포물면 반사경 및 제2 포물면 반사경(420, 430))과 신호광에 대한 증폭 광학계(제1 씬디스크(400) 및 제2 씬디스크(410)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(400) 및 제2 씬디스크(410)가 공통의 신호광을 증폭시키는 경우를 예로 들어 설명하고 있으나, 제1 씬디스크(400)를 이용하여 증폭시키는 제1 신호광 단독에 대한 증폭 광학계와, 제2 씬디스크(410)를 이용하여 증폭시키는 제2 신호광 단독에 대한 증폭 광학계가 광학적으로 분리되어 마련될 수 있음은 물론이다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
1: 씬디스크 레이저 장치
10: 펌핑광 소스
20: 펌핑광 전달부
30: 성형장치
31: 직경 조정 렌즈군
32: 콜리메이팅 렌즈군
40: 씬디스크 모듈
50: 시드광 소스
60: 신호광 광학계

Claims (17)

  1. 펌핑광을 출사하는 펌핑광 소스;
    상기 펌핑광의 직경을 조정하는 펌핑광 성형장치;
    직경이 조정된 상기 펌핑광이 입사되는 제1 포물면 반사경;
    상기 제1 포물면 반사경과 서로 마주보며 동축으로 배치되는 제2 포물면 반사경;
    상기 펌핑광 성형장치를 통해 직경이 조정된 상기 펌핑광이 상기 제1 포물면 반사경과 상기 제2 포물면 반사경 사이로 입사되도록 상기 제1 포물면 반사경에 배치되는 펌핑광 입사구;
    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 상기 펌핑광의 멀티패스를 형성하는 제1 씬디스크 및 제2 씬디스크; 및
    시드광을 공급하는 시드광 소스; 를 포함하며,
    상기 제1 씬디스크 및 상기 제2 씬디스크는 상기 시드광을 신호광으로 증폭하는,
    씬디스크 레이저 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 펌핑광 성형장치는,
    상기 펌핑광의 직경을 변형시키는 복수의 제1 렌즈를 구비하는 직경 조정 렌즈군; 및
    상기 펌핑광을 평행광으로 변형시키는 하나 이상의 제2 렌즈를 구비하는 콜리메이팅 렌즈군;을 포함하는,
    씬디스크 레이저 장치.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 직경 조정 렌즈군은
    상기 펌핑광의 진행 방향을 따라 배치된 제1-1렌즈 및 제1-2 렌즈 및,
    상기 제1-1 렌즈 및 상기 제1-2 렌즈 사이의 간격을 변화시킬 수 있는 이동부를 포함하는,
    씬디스크 레이저 장치.
  4. 제2 항에 있어서,
    상기 콜리메이팅 렌즈군은 상기 펌핑광의 진행 방향을 따라 배치된 제2-1렌즈 및 제2-2 렌즈를 포함하는,
    씬디스크 레이저 장치.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 제2-1렌즈 및 상기 제2-2 렌즈는 비구면 렌즈이며, 상기 제2-2 렌즈의 곡률 반경이 상기 제2-1 렌즈의 곡률 반경보다 크게 형성되는,
    씬디스크 레이저 장치.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 펌핑광 소스와 상기 펌핑광 성형장치 사이에 배치되어 상기 펌핑광을 전달하는 펌핑광 전달부;를 더 포함하는
    씬디스크 레이저 장치.
  7. 삭제
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 씬디스크의 배면에 배치된 제1 히트 싱크 및 상기 제2 씬디스크의 배면에 배치된 제2 히트 싱크;를 더 포함하는
    씬디스크 레이저 장치.
  9. 제1 항에 있어서,
    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 사이의 신호광의 광경로상에 배치되는 복수의 미러;를 더 포함하며,
    상기 제1 내부 미러, 상기 제2 내부 미러, 및 상기 복수의 미러는 신호광을 상기 제1 씬디스크와 상기 제2 씬디스크 사이에서 반사를 반복시킴으로서 증폭시키는
    씬디스크 레이저 장치.
  10. 제9 항에 있어서,
    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 배치되는
    씬디스크 레이저 장치.
  11. 제9 항에 있어서,
    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 위치하는
    씬디스크 레이저 장치.
  12. 제1 항에 있어서,
    신호광은 상기 제1 포물면 반사경 및 상기 제2 포물면 반사경에서 반사되지 않는
    씬디스크 레이저 장치.
  13. 삭제
  14. 제1 항에 있어서,
    상기 시드광 소스에서 방출되는 시드광은 편광된 레이저광인
    씬디스크 레이저 장치.
  15. 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.
  16. 제15 항에 있어서,
    상기 광경로 변환기는 제어 신호에 따라 신호광의 편광을 변경시키는 전기광학소자와, 편광 방향에 따라 신호광을 분리하는 편광빔스플리터를 포함하는
    씬디스크 레이저 장치.
  17. 제9 항에 있어서,
    상기 제1 내부 미러 및 상기 제2 내부 미러를 통해 정렬용 빔을 상기 제1 씬디스크 및 상기 제2 씬디스크에 각기 조사하는,
    씬디스크 레이저 장치.
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