KR102358148B1 - 파장 구별 ｓｌａｂ 레이저 - Google Patents

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로핀-시나 레이저 게엠베하
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Abstract

CO2 가스 혼합물의 단지 하나의 방출 대역에서 레이저 방사선을 생성하는 CO2 레이저(10)는 불안정한 공진기를 형성하는 공진기 미러(12, 14)와 공진기의 광학 축(18) 상에 위치된 적어도 하나의 스펙트럼 선택적 엘리먼트를 구비한다. 적어도 하나의 스펙트럼 선택적 엘리먼트(24, 26)는 하나 이상의 돌출 또는 오목한 표면의 형태일 수 있다. 스펙트럼 선택성은 적어도 하나의 스펙트럼 선택적 엘리먼트(24, 26)를 포함하는 광학 축(18)을 따라 안정한 공진기를 형성함으로써 향상된다. CO2 레이저(10)는 광학 축(18)을 따라 적어도 하나의 스펙트럼 선택적 엘리먼트(24, 26)를 병진 이동시킴으로써 방출 대역 사이에서 조정 가능하다.

Description

파장 구별 ＳＬＡＢ 레이저
(우선권)
본 출원은 2016년 9월 7일자로 출원된 독일 특허 출원 제10 2016 116 779.7호에 대한 우선권을 주장하고, 그 전체 내용은 본원에 참고로 인용된다.
(발명의 기술 분야)
본 발명은 일반적으로 레이저의 스펙트럼 출력을 제어하는 것에 관한 것이다. 이것은 특히, 불안정한 공진기를 갖는 레이저에서 이득 매체의 방출 대역을 선택하는 것에 관한 것이다
이산화탄소(CO2) 및 일산화탄소(CO) 레이저는 적외선 레이저 방사선을 생성하기 위해 여기된 가스 혼합물에서 분자 진동 및 회전 상태 사이의 트랜지션을 사용한다. CO2 레이저에서, 가스 혼합물은 CO2, 헬륨(He), 질소(N2) 및 보통보다 작은 농도의 수소(H2)를 포함한다. 가스 혼합물은 두 전극 사이에 전류 또는 RF(Radio Frequency) 필드를 인가하여 에너지가 공급(펌핑)된다. RF 펌핑은 전극 수명이 더 길다는 이점이 있다. 여기된 CO2 가스 혼합물은 약 9.3 마이크로미터(㎛), 9.6㎛, 10.2㎛ 및 10.6㎛을 중심으로 하는 복수의 파장 범위(대역)에서 레이저 방사선을 방출할 수 있다.
슬래브(slab) 구성에서, 가스 혼합물은 2개의 밀접하게 이격된 전극의 평평한 도파관 표면 사이의 체적에서 에너지가 공급된다. 레이저 공진기는 "출력 커플러" 또는 "전방 미러" 및 "고 반사기" 또는 "후방 미러"로서 당해 기술 분야의 당업자에게 공지된 2개의 공진기 미러에 의해 에너지 공급된 가스 혼합물 주위에 형성된다. 가스 혼합물은 전극 사이의 작은 갭 만큼의 높이, 공진기 머리 사이의 거리 만큼의 길이, 공진기 미러의 범위(breadth) 만큼의 폭으로 규정된 체적을 점유한다. 확산 냉각 구성에서, 가스 혼합물은 전형적으로 흐르는 액체 냉각제를 함유하는 채널을 포함하는 전극으로의 열 확산에 의해 냉각된다. 빠른 흐름 구성에서, 가스 저장소, 레이저 공진기 및 열교환기를 포함하는 회로에서 가스 혼합물을 신속하게 순환시켜 냉각이 달성된다.
슬래브 구성에서, 공진기 미러는 일반적으로 불안정한 레이저 공진기를 형성한다. 공진기 미러에 의해 지향되는 자발적으로 방출된 방사선은 에너지 공급된 가스 혼합물을 통한 다수의 통과 동안 유도 방출에 의해 증폭된다. 출력 레이저 방사선은 고 반사기로부터의 최종 반사가 대략 시준된 빔으로서 출력 커플러에서의 구멍을 통과하거나 또는 출력 커플러의 외부 에지에 의해 통과한 후에 레이저 공진기를 빠져 나온다. 빔이 통과하는 구멍 또는 에지 영역은 투명한 창에 의해 기밀로 밀봉된다.
CO2 레이저는 주로 산업 재료 가공, 특히 절단, 스크라이빙, 마킹 및 용접에 사용된다. 플라스틱 및 목재와 같은 절삭 재료는 일반적으로 수십에서 수백 와트의 파워가 필요하지만, 금속 및 금속 합금을 절단 및 용접하는 데는 일반적으로 워크피스의 두께에 따라 킬로와트의 파워가 필요하다. 특정 애플리케이션에서 선호되는 방출 대역은 처리되는 재료의 흡수 스펙트럼에 따른다. 예를 들어, 10.2㎛ 대역은 일부 유형의 플라스틱을 절단하는 데 선호되는 반면, 9.3㎛ 대역은 치과 처치(procedure)에서 경조직의 절제를 위해 선호되는 것으로 나타났다.
일반적으로, CO2 레이저의 공진기 미러는 가장 일반적으로 구리인 금속 표면, 또는 9㎛ ~ 11㎛의 모든 방출 대역에서 반사적인 광대역 코팅을 가진다. CO2 레이저는 지배적인 10.6㎛ 대역에서 작동하는 경향이 있다. 다른 방출 대역 중 하나에서의 스퓨리어스 방출없이 순수하게 하나의 방출 대역에서 레이저 방사선을 생성하는 것은 어렵다. 특히, 더 작은 방출 단면을 가진 9.3㎛ 대역 또는 9.6㎛ 대역에서 레이저 방사선을 생성하는 것은 어려운 일이다.
단지 하나의 방출 대역에서 레이저 방사선을 생성하기 위해, 적어도 하나의 공진기 미러는 선택된 방출 대역에 대해 매우 반사적이고 다른 방출 대역에 대해서는 약하게 반사하는 대역 선택 코팅으로 코팅될 수 있다. 이에 의해 다른 방출 대역의 레이징이 억제된다. 이러한 대역 선택 코팅은 광대역 코팅보다 두껍고, 유전체 재료로 만들어진 다수의 1/4 파장 두께의 층을 가지고 있다. 미러 설계는 필요한 스펙트럼 선택성에 대해 최적화되지만 이러한 두꺼운 코팅은 유전체 재료의 열전도율이 비교적 낮기 때문에 입자에 의한 광학 손상이 발생하기 쉽다. 코팅 표면의 입자에 의한 레이저 방사선의 흡수로 인한 국부화된 가열은 치명적인 손상을 유발할 수 있다. 하부 기판 재료와 상이한 열팽창 특성을 갖는 이러한 두꺼운 코팅은, 또한 박리되기 쉽다. 대역 선택 코팅의 또 다른 단점은 보다 간단한 광대역 코팅에 비해 비용이 많이 든다는 것이다.
적어도 하나의 전극의 평평한 도파관 표면에 SiO2의 패시베이션 층을 적용하고 전극들 사이의 거리를 정확하게 설정함으로써, 보다 긴 파장 10.2㎛ 및 10.6㎛ 대역이 억제될 수 있다는 것이 알려져있다. 이러한 배열은 미국 특허 제8,331,416호에 기술되어 있고, 9.3㎛ 대역에서 레이저 방사선을 발생시키도록 제조될 수 있지만, 단지 9.6㎛ 대역 또는 10.2㎛ 대역에서 안정한 동작을 제공하지 않는다.
제조 비용이 저렴하고 광학 손상을 일으키지 않는 선택된 단지 하나의 방출 대역에서 레이저 방사선을 안정적으로 생산하는 고 파워 CO2 레이저가 필요하다. 바람직하게는, 그러한 CO2 레이저는 9㎛과 11㎛ 사이의 방출 대역 중 어느 하나에서 순수하게 레이저 방사선을 생성할 수 있으며, 출력 방출 대역은 제조 또는 작동 중에 선택 가능하다.
일 양태에서, 본 발명에 따른 레이저 장치는 복수의 방출 대역을 갖는 이득 매체를 포함한다. 제1 및 제2 공진기 미러가 제공된다. 각각의 공진기 미러는 반사 표면을 갖는다. 상기 공진기 미러는 광학 축을 갖는 불안정한 레이저 공진기를 형성하기 위해 상기 이득 매체 주위에 배열된다. 공진기 미러들 중 적어도 하나는 상기 적어도 하나의 공진기 미러의 반사 표면의 30% 미만 부분을 점유하는 스펙트럼 선택적 엘리먼트를 포함한다. 상기 스펙트럼 선택적 엘리먼트는 상기 광학 축 위에 배치된다. 상기 스펙트럼 선택적 엘리먼트는 원하는 바람직한 방출 대역에 대해서는 약 4% 미만의 반사 손실 및 다른 방출 대역에 대해는 10% 초과의 반사 손실을 가진다. 상기 이득 매체에 에너지를 공급하면 다른 방출 대역에서보다 원하는 방출 대역에서 더 높은 파워를 갖는 상기 불안정한 레이저 공진기로부터의 레이저 방사선이 생성된다.
본 명세서에 통합되어 명세서의 일부를 구성하는 첨부 도면은 본 발명의 바람직한 실시 예를 개략적으로 도시하고, 상기한 전체적인 설명 및 하기에 주어진 바람직한 실시 예의 상세한 설명과 함께, 본 발명의 원리를 설명하는 기능을 한다.
도 1a는 광학 축을 가진 불안정한 레이저 공진기를 형성하는 2개의 공진기 미러, 및 상기 공진기 미러들로 삽입되고 상기 광학 축에 위치된 2개의 스펙트럼 선택적 엘리먼트를 구비하는, 이득 매체의 원하는 방출 대역에서 레이저 방사선을 생성하기 위한, 본 발명에 따른 레이저 장치의 바람직한 실시 예를 개략적으로 도시한 단면으로 된 평면도이다.
도 1b는 도 1a의 레이저 장치를 개략적으로 도시하는 단면으로 된 측면도이다.
도 1c는 도 1a의 레이저 장치의 부가적인 세부 사항을 개략적으로 도시하는 단면으로 된 평면도이다.
도 2는 도 1c의 실시 예와 유사하게, 그러나, 광학 축을 따라 병진이동 가능한 단지 하나의 스펙트럼 선택적 엘리먼트를 구비하는 본 발명에 따른 레이저 장치의 다른 실시 예의 상세를 개략적으로 도시하는 단면으로 된 평면도이다.
도 3은, 가스 혼합물이고 CO2를 포함하는 이득 매체를 갖는 도 2의 레이저 장치의 광학 축을 따른 병진 이동의 함수로서 4개의 방출 대역에서 분율(fractional) 파워를 개략적으로 도시하는 그래프이다.
도 4는 도 1c의 실시 예와 유사한, 그러나, 광학 축 상에 위치된 2개의 스펙트럼 선택적 미러를 구비하는 본 발명에 따른 레이저 장치의 또 다른 실시 예의 상세를 개략적으로 도시한 단면으로 된 평면도이다.
도 5a는 도 1c의 실시 예와 유사한, 그러나, 광학 축과 동심인 복수의 계단식 표면의 형태로 된 단지 하나의 스펙트럼 선택적 엘리먼트를 구비한 본 발명에 따른 레이저 장치의 또 다른 실시 예의 상세를 개략적으로 도시한 단면으로 된 평면도이다.
도 5b는 단부도이고, 도 5c는 도 5a의 레이저 장치의 추가적인 세부 사항을 개략적으로 예시하는 단면으로 된 측면도이다.
도 6a는 단부도이고, 도 6b는 도 5a 내지 도 5c의 실시 예와 유사하지만 돌출한 장방형 표면의 형태로 된 스펙트럼 선택적 엘리먼트를 가진 본 발명에 따른 레이저 장치의 또 다른 실시 예의 상세를 개략적으로 도시하는 단면으로 된 측면도이다.
도 7a는 단부도이고, 도 7b는 도 6a 및 도 6b의 실시 예와 유사하지만 복수의 평행한 돌출한 장방형 표면을 갖는, 본 발명에 따른 레이저 장치의 또 다른 실시 예의 상세를 개략적으로 도시하는 단면으로 된 측면도이다.
도 8a, 도 8b 및 도 8c는 종래 기술의 레이저 및 본 발명에 따른 2개의 레이저에 대한 스펙트럼 선택성을 비교하여, 시간의 함수로서 4개의 방출 대역에서 모델링된 분율 파워의 그래프이다.
도 9는 도 1a의 불안정한 레이저 공진기에서 증폭되는 광선의 전파를 개략적으로 도시하는 단면으로 된 평면도이다.
도면을 참조하면, 유사한 피처들은 유사한 도면 부호로 표시되어있고, 도 1a는 본 발명에 따른 레이저 장치의 하나의 바람직한 실시 예(10)를 개략적으로 도시하는 단면으로 된 평면도이다. 레이저(10)는 좌측 공진기 미러(12) 및 우측 공진기 미러(14)를 포함하며, 이들은 협력하여 광학 축(18)을 갖는 레이저 공진기(16)를 형성한다. 해칭은 여기된 가스 이득 매체에서 유도 방출에 의해 증폭되고 출력 빔 경로(22)를 따라 레이저 공진기를 빠져나가는 레이저 방사선(20)을 도시한다. 평면 XZ에서, 레이저 공진기는 불안정하며, 증폭되는 임의의 빔은 사행 경로를 따르고 레이저 방사선의 시준된 빔으로서 거기에서 누설될 때까지 크기가 증가한다. 이득 매체는 유도 방출에 의해 증폭될 수 있는 복수의 방출 대역을 갖는다.
좌측 공진기 미러(12)(출력 커플러 미러)는 좌측 스펙트럼 선택적 엘리먼트(24)를 포함한다. 우측 공진기 미러(14)(고 반사기 거울)는 우측 스펙트럼 선택적 엘리먼트(26)를 포함한다. 스펙트럼 선택적 엘리먼트(24 및 26)는 광학 축(18) 상에 위치된다. 스펙트럼 선택적 엘리먼트들 각각은 이득 매체의 원하는 방출 대역에 대한 낮은 반사 손실 및 다른 방출 대역들에 대한 높은 반사 손실을 생성한다. 여기서, "낮은 반사 손실"은 약 4% 미만의 손실 또는 등가적으로 약 96% 이상의 반사율을 의미한다. "고 반사 손실"은 약 10% 이상의 손실 또는 등가적으로 약 90% 미만의 반사율을 의미한다.
도 1b는 광학 축(18)을 포함하는 다른 평면에서의 레이저(10)의 단면으로 된 측면도이다. 전극(28) 및 전극(30)은 함께 평면(YZ) 내의 레이저 방사선(16)을 위한 도파관을 형성한다. 공진기 미러(12 및 14)는 평면(YZ)에서 평평한 것으로 도시되어 있지만, 대신에 반사된 레이저 방사선을 최소의 회절 손실로 도파관으로 되돌아가도록 지향시키기 위해 약간의 오목한 형태를 가질 수도 있다. 평면(YZ)에서, 레이저 공진기는 실질적으로 안정하며, 증폭되는 모든 빔은 도파관에 의해 한정된 빔 경로를 따라 복수의 왕복 패스를 만든다.
이득 매체는 2개의 공진기 미러들과 전극들(28 및 30) 사이의 전체 체적을 채운다. RF 주파수들에서의 전력은 그 소스에 의해 생성되고 전극들을 가로질러 인가되어 이득 매체에 에너지를 공급하는 전극들 사이에 RF 장을 생성한다. RF 전력의 소스, 이득 매체, 이득 매체의 강제 순환을 위한 엘리먼트 및 이득 매체를 냉각하기 위한 엘리먼트는 설명의 편의를 위해 도 1a 및 도 1b에 도시되지 않았다. RF 전력 소스, 강제 순환 수단 및 이득 매체 냉각 수단은 모두 당업계에 공지된 것이다. 그 설명은 본 발명의 원리를 이해하는데 필수적인 것은 아니다.
스펙트럼 선택적 엘리먼트들(24 및 26)은 각각 레이저 방사선(20)에 의해 조명된 공진기 미러들(12 및 14)의 표면 영역의 상대적으로 작은 부분을 점유한다. 작은 부분은 30% 미만, 바람직하게는 15% 미만, 가장 바람직하게는 5%이다. 평면 YZ에서, 공진기 미러의 조명은 실질적으로 스펙트럼 선택적 엘리먼트와 겹치지만, 평면 XZ에서는 조명의 일부만이 스펙트럼 선택적 엘리먼트에 입사한다.
도 1c는 레이저 공진기(16)의 부가적인 상세를 도시하는 단면으로 된 평면도이다. 설명의 편의를 위해 광학 축(18)은 도면에서 단축된다. 공진기 미러(12 및 14)의 표면(32 및 34) 각각은 원하는 방출 대역에 대해 높은 반사율을 가지며 또한 이득 매체의 다른 방출 대역들에 대해 반사적일 수 있다. 스펙트럼 선택적 엘리먼트(24 및 26)은 공진기 미러(12 및 14)에 각각 삽입되고, 거리(d1 및 d2)만큼 표면(32 및 34)로부터 돌출한다. 스펙트럼 선택적 엘리먼트(24 및 26)는 각각 표면(36, 38)을 가진다. 제조상의 편의를 위해, 표면(36 및 38)은 표면(32 및 34)과 동일한 재료로 제조될 수 있지만, 선택된 어떤 재료 또는 코팅도 원하는 방출 대역에 대해 반사적이어야 한다.
거리(d1 및 d2)는 각각 표면(32 및 36) 및 표면(34 및 38)으로부터 반사된 레이저 방사선 사이의 보강 간섭이 있도록 원하는 방출 대역의 중심 파장의 반정수와 거의 같다. 다른 방출 대역에서의 방사선에 대해, 표면(32 및 36) 및 표면(34 및 38)으로부터의 정반사는 위상이 맞지 않을 것이고, 이에 의해 코히런트 레이저 방사선으로의 증폭을 방지한다. 사실상, 다른 방출 대역들에 대해, 표면(36 및 38)은 공진기 미러들(12 및 14)에서 손실이 큰 구멍으로 나타난다. 반대로, 원하는 방출 대역에 대해, 공진기 미러들은 연속적으로 낮은 반사 손실을 갖는다. 스펙트럼 선택성은 또한 본 발명의 취지 및 범위를 벗어나지 않고 표면(32 및 34)으로부터 표면(36 및 38)을 오목하게 함으로써 달성될 수 있다. 여기서, 이러한 오목한 스펙트럼 선택적 엘리먼트는 음의 거리(d1 및 d2)를 갖는다.
예로서, 레이저(10)는 약 9.3㎛, 9.6㎛, 10.2㎛ 및 10.6㎛의 중심 파장에서 방출 대역을 갖는 CO2 가스를 포함하는 이득 매체를 갖는다. 전극(28 및 30)은 약 2 밀리미터(mm)만큼 떨어져 있다. 좌측 공진기 미러(12)는 약 170mm의 폭을 갖고 우측 공진기 미러(14)는 약 190mm의 폭을 갖는다. 좌측 공진기 미러(12)는 약 470mm의 초점 길이를 가지며 우측 공진기 미러(14)는 약 530mm의 초점 길이를 갖는다. 공진기 미러는 약 1000mm만큼 떨어져 있다.
예시적인 스펙트럼 선택적 엘리먼트(24 및 26)는 원통형이며 약 4mm의 직경을 갖는다. 표면(32, 34, 36 및 38)은 4개의 모든 방출 대역에 대해 높은 반사율을 갖는다. 표면은 금, 은, 구리, 크롬 또는 니켈과 같은 금속으로 만들 수 있다. 대안으로, 표면은 유전체 재료의 4분의 1 파장의 층으로 만들어진 광 대역폭 코팅으로 덮여질 수 있다. 출력 레이저 방사선에 대한 원하는 방출 대역은 예시적인 CO2 레이저의 제조 중에 거리(d1 및 d2)를 설정함으로써 선택된다. 본 발명의 레이저는 원하는 방출 대역에 관계없이 모든 구성 부품이 공통적이라는 이점을 갖는다.
레이저(10)가 두 공진기 미러들에 포함된 스펙트럼 선택적 엘리먼트를 갖는 것으로 도시되어 있지만, 다수의 경우에 공진기 미러들(12 및 14) 중 오직 하나에 포함된 스펙트럼 선택적 엘리먼트를 가짐으로써 충분한 스펙트럼 선택성이 달성된다. 발명자들은 공진기 미러들은 다른 방출 대역을 억제하는 것과 다르게 동작한다고 판정하였다. 그것들은 또한 좌측 공진기 미러(12) 상의 돌출 표면(36)이 우측 공진기 미러(14) 상의 오목 표면(38)과 유사하게 동작한다고 판정하였다.
도 2는 본 발명에 따른 레이저 장치(40)의 다른 실시 예의 상세를 개략적으로 도시하는 단면으로 된 평면도이다. 레이저(40)는 좌측 공진기 미러(12)가 벡터 T로 나타낸 바와 같이 광학 축(18)을 따라 병진이동 가능한 스펙트럼 선택적 엘리먼트(42)를 포함하는 것을 제외하고는 도 1c의 레이저(10)와 유사하다. 스펙트럼 선택적 엘리먼트(42)는 복수의 이득 매체의 방출 대역에 대해 반사적인 표면(44)을 가진다.
스펙트럼 선택적 엘리먼트(42)를 병진이동 시키는 것은 거리 표면(44)이 표면(32)으로부터 돌출하거나 또는 표면(32)으로부터 오목하게 되는 거리(d3)를 변화시킨다. 스펙트럼 선택적 엘리먼트(42)는 상용 마이크로미터에 의해 병진이동 될 수 있으며, 이는 수동으로 작동되거나 또는 모터로 작동될 수 있다. 대안적으로, 스펙트럼 선택적 엘리먼트(42)는 압전(PZT) 소자에 부착될 수 있으며, 전위를 인가함으로써 병진이동이 제어된다. 광학 엘리먼트의 정밀 선형 병진이동 수단은 당 업계에 공지되어 있고, 그 추가 설명은 본 발명의 원리를 이해하는 데 반드시 필요한 것은 아니다. 거리(d3)은 레이저의 제조 중에 설정되거나 레이저의 작동 중에 설정될 수 있다.
도 3은 광학 축(18)을 따른 병진 운동의 함수로서 상술한 예시적인 CO2 레이저의 4개의 방출 대역에서의 모델링된 분율 파워를 도시하는 그래프이다. 예시적인 스펙트럼 선택적 엘리먼트(42)는 원통형이며 평평한 표면(44)을 갖고, 직경 약 4mm를 가진다. 표면(32, 34, 및 44)은 모두 4개의 방출 대역에 대해 고 반사이다. 모델은 9.3㎛에서 630x10-12㎡, 9.6㎛에서 650x10-12㎡, 10.2㎛에서 670x10-12㎡, 10.6㎛에서 750x10-12㎡의 방출 단면을 가진다. 100%를 초과하는 것으로 나타난 분율 파워는 그래프를 생성하는 아티팩트이며 실질적으로 모델에서 약 100%의 분율 파워를 나타낸다는 것에 유의해야 한다. 그래프에서 병진이동을 위한 수치는 광학 축(18) 상의 임의의 위치로부터의 변위이지만, 이들 값은 상대적으로 작은 거리(d3)에 대응한다는 것을 유의해야 한다.
거리(d3)가 4개의 방출 대역 중 하나의 중심 파장의 반정수와 대략 동일할 때마다 표면(32 및 44)에서 반사된 레이저 방사선 간에 보강 간섭이 발생한다. 이 조건에서, 레이저 공진기(16)로부터의 출력 레이저 방사선은 그 방출 대역에서 우세하지만, 다른 방출 대역은 억제된다. 예를 들어, 출력 파워의 대부분은 약 -4.5㎛와 0.3㎛의 병진이동에서 9.6㎛ 방출 대역에 있다. 유사하게, 출력 파워의 대부분은 약 -3.5㎛ 및 1.6㎛의 병진 이동에서 10.2㎛ 방출이다. 9.3㎛ 방출 대역은 가장 낮은 방출 단면을 가지며 이 예에서는 분율 파워의 80%를 넘지 않는다. 도 3은 레이저(40)가 애플리케이션에서 요구될 때 방출 대역들 사이에서 효과적으로 튜닝될 수 있음을 나타낸다.
도 4는 본 발명에 따른 레이저 장치(50)의 또 다른 실시 예의 상세를 개략적으로 도시하는 단면으로 된 평면도이다. 레이저(50)는 좌측 공진기 미러(12)가 스펙트럼 선택적 코팅(54)을 갖는 스펙트럼 선택적 미러(52)를 포함하고, 우측 공진기 미러(14)는 스펙트럼 선택적 코팅(58)을 갖는 스펙트럼 선택적 미러(56)를 포함한다는 점을 제외하고는 도 1c의 레이저(10)와 유사하다. 스펙트럼 선택적 코팅(54 및 58)은 원하는 방출 대역에 대해 낮은 반사 손실을 갖는다. 다른 방출 대역 각각에 대해, 스펙트럼 선택적 코팅 중 적어도 하나는 높은 반사 손실을 갖는다.
스펙트럼 선택적 미러(52, 56)는 공진기 미러의 표면(32, 34)으로부터 돌출하거나 오목하지 않은 다른 방출 대역을 억제한다. 그러나, 이들은 다른 실시 예와 같이, 스펙트럼 선택성을 향상시키기 위해 돌출되거나 오목하게 되도록 배열될 수도 있다. 스펙트럼 선택적 미러의 코팅 표면과 공진기 미러의 표면 사이의 거리는 원하는 방출 대역에 대한 손실을 최소화하고 다른 방출 대역을 추가로 억제하도록 선택된다.
스펙트럼 선택적 미러(52 및 56)는 도시된 바와 같이 평평한 표면들을 가질 수 있고, 공진기 미러들과 동일한 곡률을 갖는 표면들을 가질 수 있거나, 상이한 표면 곡률을 가질 수 있다. 표면 곡률은 스펙트럼 선택적 미러들 사이에서 안정한 레이저 공진기를 형성하도록 선택될 수 있다. 안정한 레이저 공진기는 원하는 방출 대역에서 주로 레이저 방사선을 발생시킬 수 있고, 이는 공진기 미러(12, 14)에 의해 형성된 불안정한 레이저 공진기로의 회절에 의해 누설될 것이다. 그에 의해 안정한 레이저 공진기는 원하는 방출 대역에서의 레이저 방사선으로 불안정한 레이저 공진기를 효과적으로 씨딩한다.
레이저(50)는 각각의 공진기 미러의 전체 표면을 커버하는 스펙트럼 선택적 코팅을 갖는 종래 기술의 설계보다 더 신뢰성이 있다. 레이저(50)에서, 스펙트럼 선택적 미러(52 및 56)는 레이저 방사선에 의해 조명된 공진기 미러(12 및 14)의 표면 영역의 상대적으로 작은 부분을 점유한다. 바람직하게는, 조명된 표면 영역의 작은 부분은 15% 미만, 가장 바람직하게는 5%이어야 한다. 상술한 예시적인 CO2 레이저에 대해, 예시적인 스펙트럼 선택적 미러들(52, 56)은 약 4mm의 직경을 갖는 원형으로 형성된다. 스펙트럼 선택적 표면은 공진기 미러의 조명된 총 표면 영역의 약 2%를 점유하고, 이에 따라 종래 기술의 설계에 비교여 적절하게 입자 유발 광학 손상에 대한 위험을 감소시킨다. 공진기 미러 표면의 단지 작은 부분에만 스펙트럼 선택적 코팅을 가지는 추가적인 이점은 전체적으로 가열이 적다는 것이다. 스펙트럼 선택적 코팅은 보다 얇은 광 대역폭의 코팅보다 더 흡수된다. 레이저(50)가 두 공진기 미러들에 포함된 스펙트럼 선택적 엘리먼트를 갖는 것으로 도시되어 있지만, 많은 경우에 공진기 미러들 중 단지 하나에 포함된 스펙트럼 선택적 엘리먼트를 가짐으로써 충분한 스펙트럼 선택성이 달성되어, 광학 손상에 대한 비용 및 위험을 추가로 감소시킨다.
도 5a는 본 발명에 따른 레이저 장치(60)의 또 다른 실시 예의 상세를 개략적으로 도시하는 단면으로 된 평면도이다. 레이저(60)는 우측 공진기 미러(14)가 광학 축(18)과 동심인 표면(34)으로부터 돌출하는 복수의 계단식 표면(여기서는 3개)을 갖는 스펙트럼 선택적 구조(62)를 포함한다는 것을 제외하고는 도 1c의 레이저(10)와 유사하다. 표면(64a)은 거리(d4)만큼 돌출하고, 표면(64b)은 거리(d5)만큼 돌출하고, 표면(64c)은 거리(d6)만큼 돌출한다. 거리(d4, d5 및 d6)은 원하는 방출 대역의 중심 파장의 상이한 반정수와 대략 동일하다. 도 5b는 단부도(표면(34)에 면하는)이고, 도 5c는 레이저(60)의 추가 세부 사항을 개략적으로 도시한 측면도(단면도)이다.
스펙트럼 선택적 구조(62)의 동작 원리는 도 1c의 스펙트럼 선택적 엘리먼트(24 및 26)와 동일하여, 그에 의해, 원하는 방출 대역에 대해, 표면(34, 64a, 64b 및 64c)으로부터 반사된 레이저 방사선 사이에 보강 간섭이 있게 된다. 다른 방출 대역의 방사선의 경우, 이러한 표면으로부터의 정반사는 위상이 다를 것이다. 그 대신에, 반사된 방사선은 광학 축(18)으로부터 멀리 회절되어 상당한 증폭없이 레이저 공진기(16)로부터 손실된다. 스펙트럼 선택적 구조(62)는 도 1c의 스펙트럼 선택적 엘리먼트(24, 26)보다 다른 방출 대역을 억제하는데 더 효과적이다.
스펙트럼 선택성은 표면(36 및 38) 또는 계단식 표면(64a, 64b 및 64c) 상에 스펙트럼 선택적 코팅을 포함시킴으로써 추가로 개선될 수 있다. 거리(d1, d2, d4, d5 및 d6)은 다소 작아서, (예를 들어, 1㎛ ~ 10㎛ 범위에서) 다층 유전체 코팅을 사용하는 설계는 코팅 그 자체에 레이저 방사선이 침투하는 깊이를 고려해야 한다.
도 5a 내지 도 5c에 도시된 바와 같이 우측 공진기 미러(14)에 또는 좌측 공진기(12)에 스펙트럼 선택적 구조가 포함될 수 있다. 스펙트럼 선택적 구조의 계단식 표면은 각각의 공진기 미로들의 표면으로부터 돌출되거나 오목하게 될 수 있다. 본 발명자는 좌측 공진기 미러 상에 돌출 구조를 갖는 구성이 원하는 방출 대역보다 긴 파장의 방출 대역을 억제하는데 바람직하다고 판정하였다. 대조적으로, 좌측 공진기 미러 상에 오목 구조를 갖는 구성 또는 우측 공진기 미러 상에 돌출 구조를 갖는 구성은 더 짧은 파장의 방출 대역의 억제에 바람직하다.
도 6a는 단부도(표면(34)에 면하는)이고, 도 6b는 본 발명에 따른 레이저 장치(70)의 또 다른 실시 예의 상세를 개략적으로 도시한 측면도(단면도로 된)이다. 레이저(70)는 도 5a 내지 도 5c의 레이저(60)와 유사하지만, 표면(34)으로부터 거리(d7)만큼 돌출된 장방형 표면(74)의 형태로 스펙트럼 선택적 구조(72)를 갖는다. 스펙트럼 선택적 구조(72)는 그것의 YZ 평면에서 높이보다 불안정한 레이저 공진기의 XZ 평면에서 훨씬 더 폭이 넓다. 상술한 예시적인 CO2 레이저에 대해, 예시적인 스펙트럼 선택적 구조(72)는 폭이 약 4mm이고 높이가 약 0.2mm이다. 레이저(70)는 레이저(60)에 비하여 불안정한 레이저 공진기, 즉 Y 방향으로의 축을 중심으로 한 회전에 대한 정렬 감도가 적다는 이점을 갖는다. 레이저(70)는 벡터 T로 표시한 것과 같이 광학 축(18)을 따라 스펙트럼 선택적 구조(72)를 병진 이동함으로써 방출 대역 사이에서 튜닝될 수 있다.
도 7a는 단부도(표면(34)에 면하는)이고, 도 7b는 본 발명에 따른 레이저 장치(80)의 또 다른 실시 예의 상세를 개략적으로 도시한 측면도(단면도로 된)이다. 레이저(80)는 도 6a 및 도 6b의 레이저(70)와 유사하지만, 표면(34)으로부터 돌출하는 복수의 평행한 장방형 표면(여기서는 3개)의 형태로 된 스펙트럼 선택적 구조(82)를 갖는다. 표면(84a, 84b 및 84c)은 모두 표면(34)으로부터 거리(d8)만큼 돌출한다. 스펙트럼 선택적 구조(82)는 도 6a 및 도 6b의 스펙트럼 선택적 구조(72)보다 다른 방출 대역을 억제하는데 더 효과적이다. 레이저들(70 및 80)은 장방형 돌출 표면들을 가지지만, 불안정한 레이저 공진기의 정렬 감도는 불안정한 레이저 공진기의 평면 내에 배향된 다른 가늘고 긴 형상들을 가진 돌출 표면들을 사용하여 감소될 수 있다.
본 명세서에서 교시된 원리들로부터, 당업자는 본 발명의 취지 및 범위를 벗어나지 않고 제시된 실시 예들을 다른 형태의 스펙트럼 선택적 구조로 대체할 수 있음을 인지할 것이다. 예를 들어, 다른 형태는 각각의 장방형 표면으로부터 반사된 원하는 방출 대역에서의 방사선의 보강 간섭을 위해 배열된 계단식 장방형 표면의 배열이다.
도 8a 내지 도 8c는 CO2 가스 혼합물의 방출 대역에서 모델링된 분율 파워를 시간의 함수로 나타낸 그래프이다. 도 8a 내지 도 8c는 모두 동일한 시간 규모로 도시되며, 이것은 레이저 공진기에서 방사선의 수백 회 왕복 운동에 대응한다. 도 8a는 원하는 방출 대역(여기서는 9.3㎛ 방출 대역)에 대해 스펙트럼 선택적 코팅으로 전체적으로 코팅된 공진기 미러를 갖는 종래 기술의 설계를 위한 것이다. 두 미러는 모두 9.3㎛에서 100% 반사율을 가진다. 하나의 공진기 미러 코팅은 9.6㎛에서 75%의 반사율을 갖는다. 다른 공진기 미러 코팅은 10.2㎛에서 60%의 반사율을, 10.6㎛에서 40%의 반사율을 가진다. 레이저 공진기에서의 적은 횟수의 왕복 후에 원하는 9.3㎛ 방출 대역에서 안정적인 작동이 이루어진다.
도 8b는 도 5a 내지 도 5c의 레이저(60)에 대한 것이며, 여기서 스펙트럼 선택적 구조(62)는 표면(34)으로부터 돌출하는 4개의 계단식 표면을 가지고, 계단식 표면은 원하는 9.3㎛ 방출 대역을 선택적으로 반사하도록 배열된다. 스펙트럼 선택적 구조의 전체 직경은 약 0.87 mm이다. 이들 모든 표면은 모든 방출 대역에 대해 높은 반사율을 갖는다. 도 8b는 레이저(60)가 비싸고 손상되기 쉬운 스펙트럼 선택적 코팅을 갖지 않으면서 원하는 방출 대역에서 실질적으로 독점적이고 안정한 작동이 가능하다는 것을 예시한다.
도 8c는 고 반사 표면(32 및 34)을 가지는 도 4의 레이저(50)에 대한 것이다. 스펙트럼 선택적 미러(52, 56)는 광학 축(18) 상에 각각 중심이 맞춰지고 공진기 미러의 조사 영역의 약 2%에 해당하는 4mm의 직경을 갖는다. 스펙트럼 선택적 코팅(54 및 58)은 원하는 9.3㎛ 방출 대역에 대해 100%의 반사율을 갖는다. 코팅(54)은 9.6㎛에서 75%의 반사율, 10.2㎛에서 100%의 반사율 및 10.6㎛에서 100%의 반사율을 갖는다. 코팅(58)은 9.6㎛에서 100%의 반사율, 10.2㎛에서 60%의 반사율 및 10.6㎛에서 40%의 반사율을 갖는다. 이러한 코팅 속성은 도 8c의 레이저(50)와 도 8a의 종래 기술의 레이저를 직접 비교할 수 있게 한다. 도 8c는 레이저(50)가 원하는 방출 대역에서 배타적이고 안정한 작동이 가능하지만, 스펙트럼 선택적 코팅은 레이저 방사선에 의해 조명된 공진기 미러의 표면 영역의 단지 작은 부분만을 덮는 것을 도시한다.
도 9는 도 1a의 레이저(10)의 불안정한 레이저 공진기에서 광선(90)의 전파를 개략적으로 도시한 단면으로 된 평면도이다. 레이저(10)는 당 업계의 당업자에 의해 "네거티브 브랜치(negative-branch) 불안정 공진기"로 알려진 구성을 갖는다. 광선(90)은 광학 축(18)에 인접한 위치에서 에너지가 공급된 이득 매체에서의 자발적 방출에 의해 생성되며, 이는 설명의 명료성을 위해 백색 점선으로 도시된다. 광선(90)은 처음에 광학 축에 거의 평행하게 전파한 후, 한 위치로부터 우측 공진기 미러(14)의 외측 에지를 향한 최종 반사 후에 최종적으로 레이저 공진기에서 출사하는 공진기 미러(12 및 14) 사이의 사행 경로를 따른다. 광선(90)은 에너지가 공급된 이득 매체를 통과할 때마다 유도 방출에 의해 증폭된다. 화살표는 지난 몇 번의 통과 동안 광선(90)의 전파 방향을 나타낸다.
도 9는 본 발명에서 이용되는 이러한 불안정 공진기의 특성을 도시하며, 광축 근방에서 기원하는 광선은 광학 축에 근접한 고밀도의 반사에 의해 각각의 공진기 미러에서 다수 회 반사된다. 이 광선들은 고도로 증폭된다. 대조적으로, 광학 축으로부터 멀리 떨어져 기원하는 광선은 레이저 공진기를 다수 통과하지 못하게 되어 약하게 증폭된다. 따라서, 광학 축에 근접한 각각의 공진기 미러 상의 작은 영역은 레이저 공진기의 동작에 큰 영향을 미치며, 스펙트럼 선택적 엘리먼트, 스펙트럼 선택적 코팅 또는 스펙트럼 선택적 구조에 유리한 위치이다.
도 3을 참조하면, 스펙트럼 선택적 엘리먼트(42)의 예시적인 평평한 표면(44) 및 공진기 미러(14)의 표면(34)은 협력하여 상술한 방식으로 불안정한 레이저 공진기를 시딩하는 안정한 레이저 공진기를 형성한다. 도시된 방출 대역 사이의 튜닝은 스펙트럼 선택적 엘리먼트의 병진 이동 및 안정한 레이저 공진기에 의해 제공되는 시딩 모두의 함수이다. 일반적으로, 불안정한 레이저 공진기의 광학 축 상에 안정한 레이저 공진기를 형성하는 것은 제시된 임의의 스펙트럼 선택적 엘리먼트를 사용하여 얻어진 원하는 방출 대역에서의 스펙트럼 순도를 향상시킨다. 이러한 안정한 공진기의 동작은 각각의 스펙트럼 선택적 엘리먼트의 정확한 표면 형상에 민감하다. 실제로, 스펙트럼 선택성은 불안정한 레이저 공진기의 광학 축에 근접한 임의의 반사면의 정확한 형상에 민감하다.
10% 이상의 큰 반사 손실을 야기하는 스펙트럼 선택적 엘리먼트는 많은 경우에 이득 매체의 다른 방출 대역에서 레이저를 억제하기에 충분하다. 20% 이상의 반사 손실은 원하는 방출 대역에서 가장 신뢰할 수 있는 연속 동작에 바람직하다.
본 발명은 하나의 넓은 방출 대역을 갖는 캐스케이드 공정을 통해 CO 레이저 방출이 발생하더라도 4.5㎛ 내지 6.0㎛ 사이에서 작동하는 CO 레이저에 적용될 수 있다. CO 레이저에 대한 문제는 명목상 CO 가스 혼합물에서의 CO2 분자에 의한 스퓨리어스 방출이고, 이는 9㎛와 11㎛ 사이의 CO2 방출 대역에서 발생한다. 대역 선택적 엘리먼트는 CO 레이저에서 CO2 방출 대역을 억제하는 데 사용할 수 있다.
제시된 실시 예가 공진기 미러에 삽입되는 형태로 스펙트럼 선택적 엘리먼트 및 구조를 가지지만, 이러한 구조는 본 발명의 취지 및 범위를 벗어나지 않고 공진기 미러 자체에 형성될 수 있다. 예를 들어, 구조는 그의 제조 중에 공진기 미러에 직접 기계 가공될 수 있다. 유사하게, 스펙트럼 선택적 코팅은 공진기 미러 표면의 일부분상에서 직접 성장될 수 있다.
본 발명은 바람직한 실시 예 및 다른 실시 예와 관련하여 위에서 설명되었다. 그러나, 본 발명은 여기에 기술되고 묘사된 실시 예들에 한정되지 않는다. 오히려, 본 발명은 여기에 첨부된 청구 범위에 의해서만 제한된다.

Claims (39)

  1. 복수의 방출 대역을 갖는 이득 매체;
    각각 반사 표면을 갖는 제1 및 제2 공진기 미러로서, 광학 축을 갖는 불안정한 레이저 공진기를 형성하기 위해 상기 이득 매체 주위에 배열되는 상기 제1 및 제2 공진기 미러;
    를 포함하고,
    상기 제2 공진기 미러는 스펙트럼 선택적 엘리먼트를 포함하고, 상기 스펙트럼 선택적 엘리먼트는 상기 제2 공진기 미러의 반사 표면의 30% 미만의 부분을 점유하고, 상기 스펙트럼 선택적 엘리먼트는 상기 광학 축 상에 위치하고, 상기 스펙트럼 선택적 엘리먼트는 원하는 방출 대역에 대해서는 4% 미만의 반사 손실을 가지고 다른 방출 대역에 대해서는 10% 초과의 반사 손실을 갖고,
    상기 제1 공진기 미러 및 상기 제2 공진기 미러의 상기 스펙트럼 선택적 엘리먼트는 상기 불안정한 레이저 공진기의 상기 광학 축 상에 안정한 레이저 공진기를 형성하고, 상기 안정한 레이저 공진기는 상기 불안정한 레이저 공진기 내에 있고, 원하는 방출 대역에서 레이저 방사선을 생성하고, 상기 안정한 공진기에 의해 생성된 레이저 방사선이 상기 불안정한 레이저 공진기로 누설되어, 상기 불안정한 레이저 공진기에 시딩하고,
    상기 이득 매체에 에너지를 공급하면 상기 다른 방출 대역보다 상기 원하는 방출 대역에서 더 높은 파워를 갖는 상기 불안정한 레이저 공진기로부터의 레이저 방사선을 생성하는 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
  2. 제1 항에 있어서, 상기 이득 매체는 이산화탄소를 포함하는 가스 혼합물인 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
  3. 제1 항에 있어서, 상기 이득 매체는 일산화탄소를 포함하는 가스 혼합물인 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
  4. 제1 항에 있어서, 상기 다른 방출 대역에 대한 상기 반사 손실은 20% 이상인 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
  5. 제1 항에 있어서, 상기 스펙트럼 선택적 엘리먼트는 상기 제2 공진기 미러의 상기 반사 표면의 15% 미만의 부분을 점유하는 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
  6. 제5 항에 있어서, 상기 스펙트럼 선택적 엘리먼트는 상기 제2 공진기 미러의 상기 반사 표면의 5% 미만의 부분을 점유하는 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
  7. 제1 항에 있어서, 상기 스펙트럼 선택적 엘리먼트는 상기 제2 공진기 미러의 상기 반사 표면의 다른 부분들로부터 돌출되거나 오목하게 되는 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
  8. 제7 항에 있어서, 상기 원하는 방출 대역은 스펙트럼 선택적 엘리먼트가 돌출되거나 오목하게 되는 거리를 설정함으로써 선택되는 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
  9. 제8 항에 있어서, 상기 원하는 방출 대역은 중심 파장을 가지고, 상기 스펙트럼 선택적 엘리먼트가 돌출하거나 오목하게 되는 거리는 상기 중심 파장의 반정수(half-integer)와 동일한 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
  10. 제8 항에 있어서, 상기 스펙트럼 선택적 엘리먼트는 상기 광학 축을 따라 병진 이동되고, 상기 스펙트럼 선택적 엘리먼트가 돌출하거나 오목하게 되는 거리를 변경시킴으로써 상기 방출 대역들 사이에서 상기 레이저 방사선을 튜닝하는 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
  11. 제7 항에 있어서, 상기 스펙트럼 선택적 엘리먼트는 상기 제2 공진기 미러에 삽입되는 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
  12. 제7 항에 있어서, 상기 스펙트럼 선택적 엘리먼트는 그 제조 중에 상기 제2 공진기 미러로 기계 가공되는 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
  13. 제1 항에 있어서, 또 다른 스펙트럼 선택적 엘리먼트가 상기 제1 공진기 미러 내에 있는 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
  14. 제1 항에 있어서, 상기 스펙트럼 선택적 엘리먼트는 평평한 반사 표면을 가지는 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
  15. 제1 항에 있어서, 상기 스펙트럼 선택적 엘리먼트는 곡면 반사 표면을 가지는 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
  16. 제1 항에 있어서, 상기 스펙트럼 선택적 엘리먼트는 스펙트럼 선택적 코팅을 갖는 스펙트럼 선택적 미러인 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
  17. 제1 항에 있어서, 상기 스펙트럼 선택적 코팅은 상기 제2 공진기 미러의 30% 미만 부분에서 성장된 스펙트럼 선택적 코팅인 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
  18. 제1 항에 있어서, 상기 스펙트럼 선택적 엘리먼트는 복수의 계단식 표면을 갖는 구조인 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
  19. 제18 항에 있어서, 상기 계단식 표면은 상기 광학 축과 동심인 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
  20. 제18 항에 있어서, 상기 계단식 표면은 장방형 형상인 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
  21. 제18 항에 있어서, 상기 원하는 방출 대역은 중심 파장을 가지고, 상기 계단식 표면의 각각은 상기 반사 표면의 다른 부분으로부터 일정한 거리만큼 돌출되거나 오목하게 되고, 상기 거리는 중심 파장의 반정수와 같은 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
  22. 제1 항에 있어서, 상기 스펙트럼 선택적 엘리먼트는 상기 반사 표면의 다른 부분으로부터 돌출되거나 오목하게 되는 가늘고 긴 표면의 형태인 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
  23. 제22 항에 있어서, 상기 가늘고 긴 표면은 상기 불안정한 레이저 공진기의 평면 내에 배향되는 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
  24. 제22 항에 있어서, 상기 가늘고 긴 표면은 장방형 형상인 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
  25. 제1 항에 있어서, 상기 불안정한 레이저 공진기는 네거티브 브랜치의 불안정한 공진기인 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
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