KR102388949B1 - 산란 공동을 이용한 고효율 직진성 비공진 레이저 및 그의 제조 방법 - Google Patents

산란 공동을 이용한 고효율 직진성 비공진 레이저 및 그의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

다양한 실시예들은 산란 공동을 이용한 고효율 직진성 비공진 레이저 및 그의 제조 방법을 제공한다. 다양한 실시예들에 따르면, 비공진 레이저는 산란 공동 및 산란 공동과 연통되는 출입구가 마련되어 있는 이득 매질부, 및 산란 공동의 내측에 펌핑 빛을 공급하는 펌핑 빛 공급부를 포함하고, 이득 매질부는, 산란 공동의 내측에서, 펌핑 빛에 의해 여기되어, 출입구를 통해 방출 빛을 출력하도록 구현될 수 있다. 다양한 실시예들에 따르면, 이득 매질부는, 산란 공동의 내측에서, 펌핑 빛을 반사시키면서, 펌핑 빛을 약화시키고, 산란 공동의 내측에서 방출 빛을 반사시키면서, 방출 빛을 증폭시킬 수 있다.

Description

산란 공동을 이용한 고효율 직진성 비공진 레이저 및 그의 제조 방법{EFFICIENT AND DIRECTIONAL NON-RESONANCE LASER USING SCATTERING CAVITY AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
다양한 실시예들은 산란 공동을 이용한 고효율 직진성 비공진 레이저 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.
일반적인 레이저는 거울 등을 이용하여 공진기(resonator)를 구성하여 빛을 크게 증폭하는 구조를 가진다. 하지만, 공진기를 바탕으로 한 일반적인 레이저의 이득 매질(gain medium)은 투명한 물질에서만 작동을 하기 때문에 사용할 수 있는 이득 매질의 종류가 제한되어왔고, 이로 인해 가용한 레이저 파장과 특성의 한계가 있었다.
비공진 레이저(non-resonant laser)는 공진기를 사용하는 레이저와는 다르게 비공진 피드백을 이용한 레이저이다. 일반적으로 비공진 피드백은 레이저 공진기 내부에 산란체를 추가하여 얻게 되는데, 공동 내부에 무수히 많은 광경로를 제공하여 빛이 공동 외부로 나가기까지 닫힌 경로를 구축하지 못하게 한다. 비공진 레이저의 가장 큰 장점은 불투명한 증폭 매질을 활용할 수 있다는 점이다. 따라서, 기존 레이저에는 활용할 수 없었던 파우더, 필름, 세라믹 형태의 이득 물질을 활용할 수 있고, 이는 자외선 (UV)이나 테라헤르츠(THz) 영역 등 새로운 파장에서의 레이저 개발에 큰 도움을 줄 수 있다. 뿐만 아니라, 기존 활용되던 이득 매질의 경우에도 결정화(crystallization) 과정을 거치지 않고 레이저를 구성할 수 있다면 경제적인 측면에서도 많은 효과를 기대할 수 있다.
그럼에도 불구하고, 비공진 레이저가 활용되지 못하는 이유는 역시 비공진 피드백을 구성하기 위해 추가된 산란체 때문이다. 많은 경우, 공동 내부의 산란체는 공동 외부로도 직접적으로 빛을 전달하므로 매우 큰 빛 손실이 일어나게 된다. 그렇기에, 많은 비공진 레이저는 매우 낮은 에너지 효율을 가지고 있다. 또한 대분의 산란체는 빛의 진행방향을 모든 방향으로 확산시키는데 그로 인하여 많은 경우 발진되는 빛은 매우 낮은 공간적 코히어런스(spatial coherence)을 가진다. 높은 공간적 코히어런스로 인한 높은 직진성 (directionality)은 레이저가 여타 광원으로 대체될 수 없는 가장 큰 이유 중 하나이므로, 비공진 레이저는 매우 특수한 상황을 제외하면 LED나 램프 등 기존 인코히어런트(incoherent) 광원으로 대체될 수 있었다. 이로 인해, 비공진 레이저의 응용은 극히 제한되어 왔다.
상술된 바와 같이, 비공진 레이저는 다양한 아키텍처 및 이득 매체를 허용하므로 많은 장점이 있지만, 방향성과 효율성이 낮기 때문에 적용이 제한된다. 다양한 실시예들에서는, 빛을 효과적으로 가둘 수 있는 공동 (cavity)를 구성하고 이 공동에 이득 매질을 추가하는 구성으로, 효율적인 방향성 방출을 달성할 수 있는 비공진 레이저 및 그의 제조 방법을 제안한다.
다양한 실시예들은 산란 공동을 이용한 고효율 직진성 비공진 레이저 및 그의 제조 방법을 제공한다.
다양한 실시예들에 따르면, 비공진 레이저는, 산란 공동 및 상기 산란 공동과 연통되는 출입구가 마련되어 있는 이득 매질부, 및 상기 산란 공동의 내측에 펌핑 빛을 공급하는 펌핑 빛 공급부를 포함하고, 상기 이득 매질부는, 상기 산란 공동의 내측에서, 상기 펌핑 빛에 의해 여기되어, 상기 출입구를 통해 방출 빛을 출력할 수 있다.
다양한 실시예들에 따르면, 비공진 레이저의 제조 방법은, 상기 산란 공동 및 상기 출입구가 마련되어 있는 상기 이득 매질부를 준비하는 단계, 및 상기 이득 매질부와 상기 펌핑 빛 공급부를 결합하는 단계를 포함할 수 있다.
다양한 실시예들에 따르면, 비공진 레이저는 산란 공동을 이용하여, 고효율 및 직진성을 갖도록 구현될 수 있다. 이로 인해, 비공진 레이저는 기존 비공진 레이저의 치명적인 단점, 즉 낮은 에너지 효율 및 낮은 빛의 방향성을 해결할 수 있다. 다양한 실시예들에 따르면, 투명한 형태로의 제작이 어려워 레이저로서 활용될 수 없었던 산란 이득 매질들을 활용하여 새로운 대역에서의 레이저를 제작할 수 있을 것으로 기대된다. 또한, 기존에 활용되던 산란 이득 매질들이라 하더라도, 어려운 결정화(Crystallization) 과정을 거치치 않고도 쉽게 레이저 제작이 가능하다는 측면에서, 기존 레이저의 성능을 향상시킬 수 있는 기술로서도 활용될 수 있을 것이다.
도 1은 다양한 실시예들에 따른 고효율 직진성 비공진 레이저를 도시하는 블록도이다.
도 2 및 도 3은 도 1의 이득 매질부를 도시하는 개략도들이다.
도 4는 도 1의 이득 매질부의 에너지 효율에 따른 산란 공동 구현을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 다양한 실시예들에 따른 고효율 직진성 비공진 레이저의 제조 방법을 도시하는 순서도이다.
이하, 본 문서의 다양한 실시예들이 첨부된 도면을 참조하여 설명된다.
도 1은 다양한 실시예들에 따른 고효율 직진성 비공진 레이저(100)를 도시하는 블록도이다. 도 2 및 도 3은 도 1의 이득 매질부(120)를 도시하는 개략도들이다. 도 4는 도 1의 이득 매질부(120)의 에너지 효율에 따른 산란 공동(121) 구현을 설명하기 위한 도면이다.
도 1, 도 2 및 도 3을 참조하면, 다양한 실시예들에 따른 비공진 레이저(100)는 펌핑 빛 공급부(110) 및 이득 매질부(120)를 포함할 수 있다. 어떤 실시예들에서, 비공진 레이저(100)에, 적어도 하나의 다른 구성 요소가 추가될 수 있다.
펌핑 빛 공급부(110)는 펌핑 빛(pumping light)을 공급할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 펌핑 빛 공급부(110)는 이득 매질부(120)의 외측에서 펌핑 빛을 공급할 수 있다. 이 때, 펌핑 빛 공급부(110)는 출입구(123)를 통해, 산란 공동(121)의 내측으로 펌핑 빛을 공급할 수 있다. 다른 실시예에 따르면, 펌핑 빛 공급부(110)는 이득 매질부(120)의 내측에서 펌핑 빛을 공급할 수 있다. 예를 들면, 펌핑 빛 공급부(110)는 전기 에너지(electrical energy) 또는 화학 에너지(chemical energy) 중 적어도 하나를 이용하여, 펌핑 빛을 발생시킬 수 있다.
이득 매질부(120)에는, 산란 공동(121) 및 산란 공동(121)과 연통되는 출입구(123)가 마련되어 있을 수 있다. 산란 공동(121)은 기존 물고기용 통발에서 착안한 것으로, 비교적 좁은 출입구(123)를 통과하면 넓은 공간이 나오는 형태일 수 있다. 이 때, 산란 공동(121)은 구형, 타원체, 찌그러진 구형, 찌그러진 타원체, 원통형, 또는 기울어진 꼴의 원통형 중 하나일 수 있다. 여기서, 산란 공동(121) 및 출입구(123) 중 적어도 하나의 단면은, 원형, 타원형, 찌그러진 원형, 찌그러진 타원형, 또는 다각형일 수 있다. 일 실시예에 따르면, 출입구(123)의 직경 및 산란 공동(121)의 직경이 출입구(123)의 중심과 산란 공동(121)의 중심을 통과하는 축에 수직한 평면들 상에서 정의될 수 있다. 예를 들면, 산란 공동(121)의 직경은, 출입구(123)의 중심과 산란 공동(121)의 중심을 통과하는 축을 따라, 출입구로부터 멀수록 클 수 있다. 일 예로, 산란 공동(121)이 구형인 경우, 산란 공동(121)의 직경은, 산란 공동(121)의 중심에서 상기 축에 수직한 중심 평면 상에서 최대이고, 상기 축을 따라 출입구(123)로부터 멀어지는 방향으로, 중심 평면으로부터 멀수록, 작을 수 있다. 다른 실시예에 따르면, 산란 공동(121)이 원통형인 경우, 산란 공동(121)의 직경에 수직한 축을 따라 산란 공동(121)의 깊이가 정의될 수 있다. 일 예로, 산란 공동(121)의 깊이는 산란 공동(121)의 직경 보다 두 배 이상 크고, 열 배 이하일 수 있다. 또 다른 실시예에 따르면, 산란 공동(121)이 기울어진 꼴의 원통형인 경우, 이득 매질부(120)에서 산란 공동(121)의 내부 표면이 산란 공동(121)의 직경에 수직한 축으로부터 기울어져 있을 수 있다.
이러한 이득 매질부(120)는 산란 공동(121)의 내측에서, 펌핑 빛에 의해 여기되어, 출입구(123)를 통해 방출 빛(emission light)을 출력하도록 구현될 수 있다. 이 때, 이득 매질부(120)는, 산란 공동(121)의 내부 벽면이 산란 이득 매질(scattering gain medium)(125)로 이루어지도록 구현되어, 높은 반사율을 통한 펌핑 빛의 집속과 방출 빛의 증폭을 동시에 달성할 수 있다. 산란 공동(121)의 형태는 펌핑 빛과 방출 빛에 대해 서로 다르게 작동할 수 있다.
펌핑 빛의 경우, 산란 공동(121)은 물고기 통발과 매우 유사하게 작동할 수 있다. 이러한 경우, 이득 매질부(120)는 산란 공동(121)의 내측에서, 펌핑 빛을 반사시키면서, 펌핑 빛을 약화시킬 수 있다. 산란 공동(121)의 형태에 의해, 펌핑 빛은 좁은 출입구(123)를 통해 빠져나올 확률이 매우 낮을 수 있다. 어떤 실시예들에서, 펌핑 빛 공급부(110)는 이득 매질부(120)의 외측에서 산란 공동(121)의 내측으로 펌핑 빛을 공급할 수 있으며, 출입구(123)에 집속되어 산란 공동(121)의 내측으로 진입한 펌핑 빛은, 내부 공간이 넓어짐에 따라 좁은 출입구(123)를 통해 되돌아 빠져나올 확률이 매우 낮을 수 있다. 산란 공동(121)의 내부 벽면을 이루고 있는 산란 이득 매질(125)은 펌핑 빛을 흡수하므로, 펌핑 빛은 산란 공동(121)의 벽면에서 반사가 진행될 때마다 에너지를 잃게 되어, 결국 대부분의 에너지가 산란 이득 매질(125)로 온전하게 전달될 수 있다.
방출 빛의 경우, 이득 매질부(120)는 산란 공동(121)의 내측에서, 방출 빛을 반사시키면서, 방출 빛을 증폭시킬 수 있다. 산란 공동(121)의 형태에 의해, 방출광이 좁은 출입구(123)를 통해 빠져나올 확률이 낮은 것은 동일하지만, 펌핑 빛과는 반대로, 방출 빛은 산란 공동(121)의 내부 벽면에서 반사가 진행될 때마다 산란 이득 매질(125)에 의해 증폭되어 계속 그 세기가 강해지게 된다. 결국, 방출 빛은, 생성되는 빛의 양이 좁은 출입구(123)를 통해 빠져나가는 빛의 양과 동일해지는 순간까지, 산란 공동(121)의 내측에서 증폭되며, 이는 결과적으로 생성되는 빛 에너지가 모두 좁은 출입구(123)를 통해 배출된다는 것을 의미할 수 있다.
상술된 바와 같이, 이득 매질부(120)에서의 산란 공동(121)의 형태는 높은 펌핑 효율과 낮은 공동 손실을 동시에 달성할 수 있다. 이에 따라, 다양한 실시예들에 따른 비공진 레이저(100)는, 기존의 비공진 레이저는 물론 일반적인 레이저에 비해서도, 높은 수준의 에너지 효율을 달성할 수 있다. 이를 통해, 이득 매질부(120)에서 외부로 레이저 빛이 발진될 수 있다. 이 때, 펌핑 빛과 이득 매질부(120)의 산란 이득 매질(125)의 조합에 따라, 다양한 파장의 레이저 빛이 발진될 수 있다. 예를 들면, 가시광선 영역, 자외선 영역, 적외선 영역, 테라헤르츠(terahertz) 영역, 또는 마이크로웨이브(microwave) 영역의 레이저 빛이 발진될 수 있다.
다양한 실시예들에 따르면, 이득 매질부(120)에서 외부로 발진되는 레이저 빛의 방향과 공간적 코히어런스 정도가 출입구(123)의 방향과 크기를 통해 각각 조절될 수 있다. 이득 매질부(120)는 산란 공동(121)의 내측에 산란체의 역할을 하는 산란 이득 매질(125)을 포함하고 있으므로, 기존 비공진 레이저와 같이 모든 방향으로 빛이 진행하게 된다. 그러나, 산란 공동(121)의 형태는 출입구(123)를 제외한 모든 3차원 상의 방향이 모두 산란 이득 매질(125)로 인해 막혀 있기 때문에, 이득 매질부(120)에서 외부로 발진되는 레이저 빛에 매우 특정한 방향성을 부여할 수 있다. 따라서, 이득 매질부(120)에서 출입구(123)의 방향에 따라, 이득 매질부(120)에서 외부로 발진되는 레이저 빛의 방향이 결정될 수 있다. 아울러, 출입구(123)의 크기가 작을수록 출입구(123)에 할당할 수 있는 공간상의 모드(spatial mode)들의 개수가 줄어 들어, 더욱 높은 공간적 코히어런스를 구현할 수 있게 된다. 즉, 이득 매질부(120)에서 출입구(123)의 크기에 따라, 이득 매질부(120)에서의 공간적 코히어런스 정도가 결정될 수 있다.
다양한 실시예들에 따르면, 산란 공동(121)을 갖는 비공진 레이저(100)는 기존 비공진 레이저의 단점을 보완하면서도 동시에 장점을 잃지 않을 수 있다. 이를 위해, 산란 이득 매질(125)은 불투명하거나 투명한 매질로서, 예컨대 파우더, 필름, 세라믹 형태로 구현될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 이득 매질부(120)는, 산란 공동(121) 및 출입구(123)가 마련되어 있는 구조체(예컨대, 도 3의 124)를 더 포함할 수 있다. 이러한 경우, 이득 매질부(120)는, 산란 이득 매질(125)이 구조체에서의 산란 공동(121)의 내부 표면에 도포됨에 따라, 구현될 수 있다. 이 때, 산란 이득 매질(125)이 구조체의 3차원 표면에 도포되기 위해서, 추가적인 구조물이나 도포기술이 필요할 수 있다. 일 예로, 산란 이득 매질(125)이 파우더 형태로 구현되는 경우, 산란 이득 매질(125)은 적절한 바인더(binder) 또는 용제 중 적어도 하나와 혼합되어, 예컨대 페인트와 같이 구현되고, 이를 통해 구조체에서의 산란 공동(121)의 내부 표면에 도포될 수 있다. 다른 예로, 산란 이득 매질(125)이 필름 형태로 구현되는 경우, 산란 이득 매질(125)은 구조체에서의 산란 공동(121)의 내부 표면에 부착될 수 있다. 다른 실시예에 따르면, 이득 매질부(120)는 세라믹 형태, 즉 부피를 갖는 세라믹 재질의 고체 산란 이득 매질(125)에 산란 공동(121) 및 출입구(123)를 식각하여, 제조될 수 있다.
위에서 산란 공동(121)을 갖는 이득 매질부(120)의 기작을 개략적으로 기술하였으나, 실재하는 산란 이득 물질(125)은 방출 빛에 대해서도 0을 초과하고 1보다 미만인 반사율을 갖는다. 따라서, 이득 매질부(120)의 산란 공동(121)의 내측에서, 대부분의 방출 빛에 대해서도 (미약하나마) 내부 벽면에서 에너지의 손실이 일어날 수 있다. 해당 손실은 출입구(123)의 크기 대비 산란 공동(121)의 크기가 클수록, 비약적으로 증가되며(방출 빛이 산란 공동(121)을 탈출할 확률은 감소되고, 방출 빛이 산란 공동(121)의 내부 벽면에 흡수될 확률은 증가됨), 결과적으로 에너지 효율을 저하시킬 수 있다. 반대로, 출입구(123)의 크기 대비 산란 공동(121)의 크기가 작으면, 출입구(123)를 통해 산란 공동(121)을 탈출하는 펌핑 빛의 확률이 증가되며, 역시 에너지 효율을 저하시킬 수 있다.
에너지 효율(total efficiency)은 흡수 효율(pumping efficiency)과 방출 효율(outcoupling efficiency)의 곱으로 표현할 수 있으므로, 도 4에 도시된 바와 같이, 출입구(123)의 크기 대비 산란 공동(121)의 크기가 클수록, 에너지 효율은 점점 증가했다가 정점을 찍고 감소하는 형태를 보일 수 있다. 산란 이득 매질(125)의 펌핑 빛과 방출 빛에서의 반사율들(Rp과 Rem로 각각 지칭됨)이 주어지면, 이론적으로 가장 효율적인 출입구(123)의 크기 대비 산란 공동(121)의 크기를 추정할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 이득 매질부(120)에 구형의 산란 공동(121)과 원형의 단면을 갖는 출입구(123)가 마련되는 경우, 가장 효율적인 출입구(123)의 직경(aperture diameter) 대비 산란 공동(121)의 직경(cavity diameter)은
Figure 112021030279963-pat00001
으로 결정되며(cavity diameter/aperture diameter), 이러한 경우 이론적인 에너지 효율은
Figure 112021030279963-pat00002
일 수 있다. 여기서, 출입구(123)의 직경 및 산란 공동(121)의 직경은 출입구(123)의 중심과 산란 공동(121)의 중심을 통과하는 축에 수직한 평면들 상에서 정의되고, 특히 산란 공동(121)의 직경은 산란 공동(121)의 중심을 포함하면서 상기 축에 수직한 중심 평면 상에서 정의되며,
Figure 112021030279963-pat00003
및
Figure 112021030279963-pat00004
일 수 있다. 위 이론 값에 실험 상의 펌핑 조건에 따른 펌핑 빛 손실, 산란 이득 매질(125)의 내부에서의 산란, 산란 공동(121)의 불완전성 등은 고려되지 않았다. 다른 실시예에 따르면, 산란 공동(121)의 3차원 형태는 단순 구형으로 제한되지 않고 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 형태에 따라 상이한 결과를 얻을 수 있다. 예를 들면, 산란 공동(121)은 구형, 타원체, 찌그러진 구형, 찌그러진 타원체, 원통형, 또는 기울어진 꼴의 원통형일 수 있다. 또 다른 실시예에 따르면, 출입구(121)의 단면 형태는 단순 원형으로 제한되지 않고 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 형태에 따라 상이한 결과를 얻을 수 있다. 바꿔 말하면, 산란 공동(121) 또는 출입구(123) 중 적어도 하나의 단면은 원형, 타원형, 찌그러진 원형, 찌그러진 타원형, 또는 다각형일 수 있다.
도 5는 다양한 실시예들에 따른 고효율 직진성 비공진 레이저(100)의 제조 방법을 도시하는 순서도이다.
도 5를 참조하면, 510 단계에서, 이득 매질부(120)가 준비될 수 있다. 이득 매질부(120)에는, 산란 공동(121) 및 산란 공동(121)과 연통되는 출입구(123)가 마련되어 있을 수 있다. 이 때, 산란 공동(121)은 구형, 타원체, 찌그러진 구형, 찌그러진 타원체, 원통형, 또는 기울어진 꼴의 원통형일 수 있다. 여기서, 산란 공동(121) 및 출입구(123) 중 적어도 하나의 단면은, 원형, 타원형, 찌그러진 원형, 찌그러진 타원형, 또는 다각형일 수 있다. 일 실시예에 따르면, 출입구(123)의 직경 및 산란 공동(121)의 직경이 출입구(123)의 중심과 산란 공동(121)의 중심을 통과하는 축에 수직한 평면들 상에서 정의될 수 있다. 예를 들면, 산란 공동(121)의 직경은, 출입구(123)의 중심과 산란 공동(121)의 중심을 통과하는 축을 따라, 출입구로부터 멀수록 클 수 있다. 일 예로, 산란 공동(121)이 구형인 경우, 산란 공동(121)의 직경은, 산란 공동(121)의 중심에서 상기 축에 수직한 중심 평면 상에서 최대이고, 상기 축을 따라 출입구(123)로부터 멀어지는 방향으로, 중심 평면으로부터 멀수록, 작을 수 있다. 다른 실시예에 따르면, 산란 공동(121)이 원통형인 경우, 산란 공동(121)의 직경에 수직한 축을 따라 산란 공동(121)의 깊이가 정의될 수 있다. 일 예로, 산란 공동(121)의 깊이는 산란 공동(121)의 직경 보다 두 배 이상 크고, 열 배 이하일 수 있다. 또 다른 실시예에 따르면, 산란 공동(121)이 기울어진 꼴의 원통형인 경우, 이득 매질부(120)에서 산란 공동(121)의 내부 표면이 산란 공동(121)의 직경에 수직한 축으로부터 기울어져 있을 수 있다.
이러한 이득 매질부(120)는 산란 공동(121)의 내측에서, 펌핑 빛에 의해 여기되어, 출입구(123)를 통해 방출 빛(emission light)을 출력하도록 구현될 수 있다. 이 때, 이득 매질부(120)는, 산란 공동(121)의 내부 벽면이 산란 이득 매질(scattering gain medium)(125)로 이루어지도록 구현되어, 높은 반사율을 통한 펌핑 빛의 집속과 방출 빛의 증폭을 동시에 달성할 수 있다.
다양한 실시예들에 따르면, 원하는 에너지 효율을 달성하도록, 산란 공동(121)와 출입구(123)의 형태 및 크기가 각각 결정될 수 있다. 일 예로, 이득 매질부(120)에 구형의 산란 공동(121)과 원형의 단면을 갖는 출입구(123)가 마련되는 경우, 가장 효율적인 출입구(123)의 직경 대비 산란 공동(121)의 직경은
Figure 112021030279963-pat00005
으로 결정되며(cavity diameter/aperture diameter), 이러한 경우 이론적인 에너지 효율은
Figure 112021030279963-pat00006
일 수 있다. 여기서, 출입구(123)의 직경 및 산란 공동(121)의 직경은 출입구(123)의 중심과 산란 공동(121)의 중심을 통과하는 축에 수직한 평면들 상에서 정의되고, 특히 산란 공동(121)의 직경은 산란 공동(121)의 중심을 포함하면서 상기 축에 수직한 중심 평면 상에서 정의되며,
Figure 112021030279963-pat00007
및
Figure 112021030279963-pat00008
일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 산란 공동(121) 및 출입구(123)가 마련되어 있는 구조체가 준비된 다음, 구조체에서의 산란 공동(121)의 내부 표면에 산란 이득 매질(125)이 도포됨에 따라, 이득 매질부(120)가 준비될 수 있다. 일 예로, 산란 이득 매질(125)이 파우더 형태로 구현되는 경우, 산란 이득 매질(125)은 적절한 바인더 또는 용제 중 적어도 하나와 혼합되어, 예컨대 페인트와 같이 구현되고, 이를 통해 구조체에서의 산란 공동(121)의 내부 표면에 도포될 수 있다. 다른 예로, 산란 이득 매질(125)이 필름 형태로 구현되는 경우, 산란 이득 매질(125)은 구조체에서의 산란 공동(121)의 내부 표면에 부착될 수 있다. 다른 실시예에 따르면, 세라믹 형태, 즉 부피를 갖는 세라믹 재질의 고체 산란 이득 매질(125)에 산란 공동(121) 및 출입구(123)를 식각함에 따라, 이득 매질부(120)가 준비될 수 있다.
다음으로, 520 단계에서, 펌핑 빛 공급부(110)가 이득 매질부(120)에 결합될 수 있다. 이를 통해, 펌핑 빛 공급부(110)는 펌핑 빛을 공급할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 펌핑 빛 공급부(110)는 이득 매질부(120)의 외측에서 펌핑 빛을 공급할 수 있다. 이 때, 펌핑 빛 공급부(110)는 출입구(123)를 통해, 산란 공동(121)의 내측으로 펌핑 빛을 공급할 수 있다. 다른 실시예에 따르면, 펌핑 빛 공급부(110)는 이득 매질부(120)의 내측에서 펌핑 빛을 공급할 수 있다. 예를 들면, 펌핑 빛 공급부(110)는 전기 에너지 또는 화학 에너지 중 적어도 하나를 이용하여, 펌핑 빛을 발생시킬 수 있다.
다양한 실시예들에 따른 "함정형 산란 공동(121)을 이용한 비공진 레이저(100)"는 산란 공동을 이용하여, 고효율 및 직진성을 갖도록 구현될 수 있다. 이로 인해, 비공진 레이저(100)는 기존 비공진 레이저의 치명적인 단점, 즉 낮은 에너지 효율과 낮은 빛의 방향성을 해결할 수 있다. 다양한 실시예들에 따르면, 투명한 형태로의 제작이 어려워 레이저로서 활용될 수 없었던 산란 이득 매질(125)들을 활용하여 새로운 대역에서의 레이저를 제작할 수 있을 것으로 기대된다. 또한, 기존에 활용되던 산란 이득 매질(125)들이라 하더라도, 어려운 결정화(Crystallization) 과정을 거치치 않고도 쉽게 레이저 제작이 가능하다는 측면에서, 기존 레이저의 성능을 향상시킬 수 있는 기술로서도 활용될 수 있을 것이다.
다양한 실시예들에 따른 고효율 직진성 비공진 레이저(100)는, 산란 공동(121) 및 산란 공동(121)과 연통되는 출입구(123)가 마련되어 있는 이득 매질부(120), 및 산란 공동(121)의 내측에 펌핑 빛을 공급하는 펌핑 빛 공급부(110)를 포함할 수 있다.
다양한 실시예들에 따르면, 이득 매질부(120)는, 산란 공동(121)의 내측에서, 펌핑 빛에 의해 여기되어, 출입구(123)를 통해 방출 빛을 출력할 수 있다.
다양한 실시예들에 따르면, 이득 매질부(120)는, 산란 공동(121)의 내측에서, 펌핑 빛을 반사시키면서, 펌핑 빛을 약화시키고, 산란 공동(121)의 내측에서 방출 빛을 반사시키면서, 방출 빛을 증폭시킬 수 있다.
일 실시예에 따르면, 이득 매질부(120)는, 산란 공동(121) 및 출입구(123)가 마련되어 있는 구조체, 및 구조체에서의 산란 공동(121)의 내부 표면에 도포되는 산란 이득 매질(125)을 포함할 수 있다. 일 예로, 산란 이득 매질(125)은, 파우더 형태로 구현되며, 바인더 또는 용제 중 적어도 하나와 혼합되어, 구조체에서의 산란 공동(121)의 내부 표면에 도포될 수 있다. 다른 예로, 산란 이득 매질(125)은, 필름 형태로 구현되어, 구조체에서의 산란 공동(121)의 내부 표면에 부착될 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 이득 매질부(120)는, 부피를 갖는 고체의 산란 이득 매질(125)에 산란 공동(121) 및 출입구(123)를 식각하여, 제조될 수 있다.
다양한 실시예들에 따르면, 출입구(123)의 직경 및 산란 공동(121)의 직경은, 출입구(123)의 중심과 산란 공동(121)의 중심을 통과하는 축에 수직한 평면들 상에서 정의될 수 있다.
다양한 실시예들에 따르면, 출입구(123)의 직경 대비 산란 공동(121)의 직경은,
Figure 112021030279963-pat00009
으로 결정되고, 여기서,
Figure 112021030279963-pat00010
및
Figure 112021030279963-pat00011
이고, Rp는 이득 매질부(120)의 펌핑 빛에 대한 반사율을 나타내고, Rem은 이득 매질부(120)의 방출 빛에 대한 반사율을 나타낼 수 있다.
다양한 실시예들에 따르면, 출입구(123)의 직경 대비 산란 공동(121)의 직경에 따른 이득 매질부(120)에서의 에너지 효율은,
Figure 112021030279963-pat00012
일 수 있다.
다양한 실시예들에 따르면, 산란 공동(121)의 직경은, 축을 따라, 출입구(123)로부터 멀수록, 클 수 있다.
다양한 실시예들에 따르면, 산란 공동(121)의 직경은, 산란 공동(121)의 중심에서 축에 수직한 중심 평면 상에서 최대이고, 출입구(123)로부터 멀어지는 방향으로 축을 따라, 중심 평면으로부터 멀수록, 작을 수 있다.
다양한 실시예들에 따르면, 산란 공동(121) 또는 출입구(123) 중 적어도 하나의 단면은, 원형, 타원형, 찌그러진 원형, 찌그러진 타원형, 또는 다각형일 수 있다.
다양한 실시예들에 따르면, 산란 공동(121)은, 구형, 타원체, 찌그러진 구형, 찌그러진 타원체, 원통형, 또는 기울어진 꼴의 원통형일 수 있다.
다양한 실시예들에 따르면, 펌핑 빛 공급부(110)는, 이득 매질부(120)의 외측에서, 출입구(123)를 통해, 산란 공동(121)의 내측으로 펌핑 빛을 공급할 수 있다.
다양한 실시예들에 따르면, 이득 매질부(120)의 방출 빛에 대한 반사율은, 0을 초과하고 1 미만일 수 있다.
다양한 실시예들에 따른 고효율 직진성 비공진 레이저(100)의 제조 방법은, 산란 공동(121) 및 출입구(123)가 마련되어 있는 이득 매질부(120)를 준비하는 단계(510 단계), 및 이득 매질부(120)와 펌핑 빛 공급부(110)를 결합하는 단계(520 단계)를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 이득 매질부(120)를 준비하는 단계(510 단계)는, 산란 공동(121) 및 출입구(123)가 마련되어 있는 구조체를 준비하는 단계, 및 구조체에서의 산란 공동(121)의 내부 표면에 산란 이득 매질(125)을 도포하는 단계를 포함할 수 있다. 일 예로, 산란 이득 매질(125)은, 파우더 형태로 구현되고, 바인더 또는 용제 중 적어도 하나와 혼합되어, 구조체에서의 산란 공동(121)의 내부 표면에 도포될 수 있다. 다른 예로, 산란 이득 매질(125)은, 필름 형태로 구현되어, 구조체에서의 산란 공동(121)의 내부 표면에 부착될 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 이득 매질부(120)를 준비하는 단계(510 단계)는, 부피를 갖는 고체의 산란 이득 매질(125)에 산란 공동(121) 및 출입구(123)를 식각하는 단계를 포함할 수 있다.
다양한 실시예들에 따르면, 출입구(123)의 직경 및 산란 공동(121)의 직경은, 출입구(123)의 중심과 산란 공동(121)의 중심을 통과하는 축에 수직한 평면들 상에서 정의될 수 있다.
다양한 실시예들에 따르면, 출입구(123)의 직경 대비 산란 공동(121)의 직경은,
Figure 112021030279963-pat00013
으로 결정되고, 여기서,
Figure 112021030279963-pat00014
및
Figure 112021030279963-pat00015
이고, Rp는 이득 매질부(120)의 펌핑 빛에 대한 반사율을 나타내고, Rem은 이득 매질부(120)의 방출 빛에 대한 반사율을 나타낼 수 있다.
본 문서의 다양한 실시예들 및 이에 사용된 용어들은 본 문서에 기재된 기술을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 해당 실시 예의 다양한 변경, 균등물, 및/또는 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 도면의 설명과 관련하여, 유사한 구성 요소에 대해서는 유사한 참조 부호가 사용될 수 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다. 본 문서에서, "A 또는 B", "A 및/또는 B 중 적어도 하나", "A, B 또는 C" 또는 "A, B 및/또는 C 중 적어도 하나" 등의 표현은 함께 나열된 항목들의 모든 가능한 조합을 포함할 수 있다. "제 1", "제 2", "첫째" 또는 "둘째" 등의 표현들은 해당 구성 요소들을, 순서 또는 중요도에 상관없이 수식할 수 있고, 한 구성 요소를 다른 구성 요소와 구분하기 위해 사용될 뿐 해당 구성 요소들을 한정하지 않는다. 어떤(예: 제 1) 구성 요소가 다른(예: 제 2) 구성 요소에 "(기능적으로 또는 통신적으로) 연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 상기 어떤 구성 요소가 상기 다른 구성 요소에 직접적으로 연결되거나, 다른 구성 요소(예: 제 3 구성 요소)를 통하여 연결될 수 있다.
다양한 실시예들에 따르면, 기술한 구성 요소들의 각각의 구성 요소는 단수 또는 복수의 개체를 포함할 수 있다. 다양한 실시예들에 따르면, 전술한 해당 구성 요소들 중 하나 이상의 구성 요소들 또는 단계들이 생략되거나, 또는 하나 이상의 다른 구성 요소들 또는 단계들이 추가될 수 있다. 대체적으로 또는 추가적으로, 복수의 구성 요소들은 하나의 구성 요소로 통합될 수 있다. 이런 경우, 통합된 구성 요소는 복수의 구성 요소들 각각의 구성 요소의 하나 이상의 기능들을 통합 이전에 복수의 구성 요소들 중 해당 구성 요소에 의해 수행되는 것과 동일 또는 유사하게 수행할 수 있다.

Claims (20)

  1. 고효율 직진성 비공진 레이저에 있어서,
    산란 공동(cavity), 및 상기 산란 공동과 연통되는 출입구가 마련되어 있는 이득 매질부; 및
    상기 산란 공동의 내측에 펌핑 빛을 공급하는 펌핑 빛 공급부
    를 포함하고,
    상기 이득 매질부는,
    상기 산란 공동의 내측에서, 상기 펌핑 빛에 의해 여기되어, 상기 출입구를 통해 방출 빛을 출력하고,
    상기 이득 매질부는,
    상기 산란 공동의 내측에서, 상기 펌핑 빛을 반사시키면서, 상기 펌핑 빛을 약화시키고,
    상기 산란 공동의 내측에서 상기 방출 빛을 반사시키면서, 상기 방출 빛을 증폭시키는,
    비공진 레이저.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 이득 매질부는,
    상기 산란 공동 및 상기 출입구가 마련되어 있는 구조체; 및
    상기 구조체에서의 상기 산란 공동의 내부 표면에 도포되는 산란 이득 매질
    을 포함하는,
    비공진 레이저.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 이득 매질부는,
    부피를 갖는 고체의 산란 이득 매질에 상기 산란 공동 및 상기 출입구를 식각하여, 제조되는,
    비공진 레이저.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 산란 이득 매질은,
    파우더 형태로 구현되며, 바인더 또는 용제 중 적어도 하나와 혼합되어, 상기 구조체에서의 상기 산란 공동의 내부 표면에 도포되는,
    비공진 레이저.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 산란 이득 매질은,
    필름 형태로 구현되어, 상기 구조체에서의 상기 산란 공동의 내부 표면에 부착되는,
    비공진 레이저.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 출입구의 직경 및 상기 산란 공동의 직경은,
    상기 출입구의 중심과 상기 산란 공동의 중심을 통과하는 축에 수직한 평면들 상에서 정의되고,
    상기 출입구의 직경 대비 상기 산란 공동의 직경은,
    Figure 112021030279963-pat00016
    으로 결정되고,
    여기서,
    Figure 112021030279963-pat00017
    및
    Figure 112021030279963-pat00018
    이고, Rp는 상기 이득 매질부의 상기 펌핑 빛에 대한 반사율을 나타내고, Rem은 상기 이득 매질부의 상기 방출 빛에 대한 반사율을 나타내는,
    비공진 레이저.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 출입구의 직경 대비 상기 산란 공동의 직경에 따른 상기 이득 매질부에서의 에너지 효율은,
    Figure 112021030279963-pat00019
    인,
    비공진 레이저.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 출입구의 직경 및 상기 산란 공동의 직경은,
    상기 출입구의 중심과 상기 산란 공동의 중심을 통과하는 축에 수직한 평면들 상에서 정의되고,
    상기 산란 공동의 직경은,
    상기 축을 따라, 상기 출입구로부터 멀수록, 큰,
    비공진 레이저.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 산란 공동의 직경은,
    상기 산란 공동의 중심에서 상기 축에 수직한 중심 평면 상에서 최대이고, 상기 축을 따라 상기 출입구로부터 멀어지는 방향으로, 상기 중심 평면으로부터 멀수록, 작은,
    비공진 레이저.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 산란 공동 또는 상기 출입구 중 적어도 하나의 단면은,
    원형, 타원형, 찌그러진 원형, 찌그러진 타원형, 또는 다각형인,
    비공진 레이저.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 산란 공동은,
    구형, 타원체, 찌그러진 구형, 찌그러진 타원체, 원통형, 또는 기울어진 꼴의 원통형인,
    비공진 레이저.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 펌핑 빛 공급부는,
    상기 이득 매질부의 외측에서, 상기 출입구를 통해, 상기 산란 공동의 내측으로 상기 펌핑 빛을 공급하는,
    비공진 레이저.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 이득 매질부의 상기 방출 빛에 대한 반사율은,
    0을 초과하고 1 미만인,
    비공진 레이저.
  15. 제 1 항에 기재된 비공진 레이저의 제조 방법에 있어서,
    상기 산란 공동 및 상기 출입구가 마련되어 있는 상기 이득 매질부를 준비하는 단계; 및
    상기 이득 매질부와 상기 펌핑 빛 공급부를 결합하는 단계
    를 포함하는,
    비공진 레이저의 제조 방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 이득 매질부를 준비하는 단계는,
    상기 산란 공동 및 출입구가 마련되어 있는 구조체를 준비하는 단계; 및
    상기 구조체에서의 상기 산란 공동의 내부 표면에 산란 이득 매질을 도포하는 단계
    를 포함하는,
    비공진 레이저의 제조 방법.
  17. 제 15 항에 있어서,
    상기 이득 매질부를 준비하는 단계는,
    부피를 갖는 고체의 산란 이득 매질에 상기 산란 공동 및 상기 출입구를 식각하는 단계
    를 포함하는,
    비공진 레이저의 제조 방법.
  18. 제 16 항에 있어서,
    상기 산란 이득 매질은,
    파우더 형태로 구현되고, 바인더 또는 용제 중 적어도 하나와 혼합되어, 상기 구조체에서의 상기 산란 공동의 내부 표면에 도포되는,
    비공진 레이저의 제조 방법.
  19. 제 16 항에 있어서,
    상기 산란 이득 매질은,
    필름 형태로 구현되어, 상기 구조체에서의 상기 산란 공동의 내부 표면에 부착되는,
    비공진 레이저의 제조 방법.
  20. 제 15 항에 있어서,
    상기 출입구의 직경 및 상기 산란 공동의 직경은,
    상기 출입구의 중심과 상기 산란 공동의 중심을 통과하는 축에 수직한 평면들 상에서 정의되고,
    상기 출입구의 직경 대비 상기 산란 공동의 직경은,
    Figure 112021030279963-pat00020
    으로 결정되고,
    여기서,
    Figure 112021030279963-pat00021
    및
    Figure 112021030279963-pat00022
    이고, Rp는 상기 이득 매질부의 상기 펌핑 빛에 대한 반사율을 나타내고, Rem은 상기 이득 매질부의 상기 방출 빛에 대한 반사율을 나타내는,
    비공진 레이저의 제조 방법.

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