KR19990048056A - 음향 광학 변조기를 이용한 큐 스위치된 펄스형 고체 레이저에 있어서의 레이저 출력 펄스 에너지 안정화 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 큐 스위치된 펄스의 에너지를 펌핑 에너지의 시간적 변화에 관계 없이 균일하게 안정화시키기 위해서 큐 스위치된 펄스의 반복율이 펌핑 에너지의 세기 변화에 따라 자동으로 조절되는 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다. 본 발명의 장치는 고체 레이저에서 레이저 펌핑원으로 사용되는 플래쉬 램프에서 방출되는 빛의 세기가 펌핑 에너지의 세기에 비례하는 특성을 이용하여 큐 스위치된 펄스의 반복율을 자동으로 조절하는 것으로서, 레이저 활성 매질(active medium)이 플래쉬 램프에 의해 여기되는 동안 플래쉬 램프에서 방출되는 빛의 세기에 따라 큐 스위치된 펄스의 반복율을 변하게 하여 펌핑 에너지를 일정하게 하는 것을 특징으로 한다.

Description

음향 광학 변조기를 이용한 큐 스위치된 펄스형 고체 레이저에 있어서의 레이저 출력 펄스 에너지 안정화 장치

본 발명은 펄스형 고체 레이저에 관한 것으로, 특히 큐 스위치(Q-switch)가 동작되는 시간 간격을 펌핑 에너지의 세기에 따라 조절하여 펄스열 내의 각각의 펄스 에너지를 균일하게 안정화시킬 수 있게 한 것이다.

일반적으로, 레이저 큐 스위칭 방법은 레이저의 첨두 출력(peak power)을 높이는데 사용된다. 큐 스위칭 방법을 고체 레이저에 사용할 경우에는 레이저의 첨두 출력을 약 수백배 정도 증가시킬 수 있다. 따라서, 이를 의료용 레이저에 사용할 경우 인체 조직에 대한 레이저 빔의 영향은 레이저 빔의 첨두 출력에 크게 의존하게 된다. 일반적으로 외과 수술용이나 치과용 레이저로 사용되고 있는 펄스폭이 긴 니오디미움 야그(Nd:YAG) 레이저의 경우에는, 레이저 빔이 환부 조직과 그 주위의 정상 조직을 동시에 탄화 또는 열적으로 파괴시켜 버리지만, 큐 스위칭 방법을 이용하여 첨두 출력을 높이는 경우에는 환부 조직에만 영향을 미치게 되어 마치 수술용 칼과 같이 인체 조직을 자를 수 있게 된다.

또한, 레이저 빔을 광섬유를 통하여 전달시킬 경우에는, 광섬유의 재질에 따라 허용되는 출력 밀도의 상한선이 있다. 예를 들면, 레이저 빔의 전달 매체로 석영 광섬유를 사용할 경우에는 첨두 출력 밀도가 통상적으로 약 100 MW/cm²이기 때문에, 직경이 0.6 ㎜인 레이저빔을 광섬유에 입사시킬 때 광섬유 단면적의 80 %를 사용한다면 이 광섬유를 통하여 전달할 수 있는 최대 출력은 펄스당 0.23 ㎿이다. 만일, 큐 스위치된 레이저의 펄스폭이 50-100 ㎱인 경우 펄스당 에너지는 10-20 mJ을 넘지 못하게 된다. 따라서, 출력 에너지가 0.5 J이고 펄스폭이 150 us인 레이저빔을 음향 광학 변조기를 이용하여 큐 스위칭 한 경우 큐 스위치된 펄스 각각의 에너지가 일정하다는 가정하에서의 펄스의 갯수는 반복율이 150-300 kHz인 경우 25-50개가 되어야만 광섬유에 손상을 입히지 않고 레이저 빔을 전달시킬 수 있게 된다.

하지만, 기존의 방식으로 큐 스위치된 레이저 펄스 각각의 에너지는 펌핑 에너지와 일정 반복 주파수에 의존하기 때문에 펌핑 에너지가 최대가 되는 시점에서 발진된 펄스의 첨두 출력은 펌핑이 끝난 시점에서 발진된 펄스의 첨두 출력보다 훨씬 크게 되어, 광섬유를 통해 레이저빔을 전달시킬 경우에는 큐 스위치 구동기의 주파수를 크게 하여 발진된 펄스의 첨두 출력을 감소시켜야만 광섬유에 손상을 입히지 않게 된다.

이와 같이, 종래의 펄스형 고체 레이저에서는, 펄스 반복율이 일정한 음향 광학 변조기(Acousto-Optic Modulator)를 이용하여 큐 스위칭(Q-Switching)을 할 경우 플래쉬 램프에서 나오는 펌핑 펄스의 전압 파형이 종모양(bell shaped)을 하고 있기 때문에, 음향 광학 변조기의 펄스 반복율(Pulse Repetition rate)이 일정한 경우 각 펄스에 해당된 펌핑 에너지가 다르게 되고, 이로 인해 큐 스위치된 펄스열 내의 각각의 펄스 에너지가 서로 달라지게 된다. 또한, 펌핑 에너지의 세기가 변할 때에도 같은 효과를 가져오게 되어, 펌핑 에너지의 세기에 따라 펄스 반복율을 변화시켜야 하는 단점을 갖게 되며, 이 경우에도 큐 스위치된 펄스열 내의 각각의 펄스 에너지는 서로 다르게 된다. 이와 같이, 정상 발진된 레이저 출력 펄스의 완화 (발진) 시간이 펌핑 에너지의 세기에 의존하기 때문에 기존의 음향 광학 변조기를 이용한 큐 스위치 방식으로는 큐 스위치된 펄스 에너지를 같게 만드는 것은 불가능하였다.

이러한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해서는 큐 스위치가 동작되는 시간 간격을 펌핑 에너지의 세기에 따라 조절하여 펌핑 에너지의 세기가 큰 영역에서는 펄스 반복율을 크게 하고 (즉, 펄스 간격을 좁게 하고), 펌핑 파워가 작은 영역에서는 펄스 반복율을 작게 하여 (즉, 펄스 간격을 크게 하여) 큐 스위치된 펄스 각각의 에너지가 펌핑 에너지의 변화에 관계없이 균일하게 안정화되는 조절 장치가 필요하게 된다.

따라서, 본 발명은, 큐 스위치된 펄스의 에너지를 펌핑에너지의 시간적 변화에 관계없이 균일하게 안정화시키기 위해 큐 스위치된 펄스의 반복율이 펌핑 에너지의 세기 변화에 따라 자동으로 조절되는 펄스형 고체 레이저의 출력 펄스 안정화 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 출력 펄스 에너지 안정화 장치는 플래쉬 램프에서 나오는 빛의 세기가 펌핑 에너지의 세기에 비례하는 특성을 이용하여 큐 스위치된 펄스의 반복율을 자동으로 조절하는 것으로서, 레이저 활성 매질(active medium)이 플래쉬 램프에 의해 여기되는 동안 플래쉬 램프에서 나오는 빛의 세기에 따라 큐 스위치된 펄스의 반복율을 변하게 한 것이다.

본 발명에 따른, 음향 광학 변조기를 이용하며, 큐 스위치(Q-switch) 및 상기 큐 스위치를 구동시키기 위한 큐 스위치 구동기를 포함하는 상기 큐 스위치에 의해 큐 스위치된 펄스형 고체 레이저 발진기에서, 출력 펄스의 에너지를 안정화시키기 위한 장치는 고체 레이저의 레이저 펌핑원으로 사용되는 플래쉬 램프와, 플래쉬 램프로부터 방출되는 광량을 검지하여 검지된 광량에 대응하는 전압을 발생시키기 위한 광 검지부와, 이 광 검지부로부터의 전압에 따라 결정되는 주파수를 갖는 펄스를 출력하는 전압 제어 발진부와, 이 전압 제어 발진부로부터 출력되는 펄스의 폭을 상기 큐 스위치 구동기의 입력 신호 요구 조건에 맞도록 조절하는 펄스폭 조절부로 이루어지며, 상기 조절된 출력 펄스를 상기 큐 스위치 구동기로 공급하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 펄스폭 조절부는 상기 출력 펄스의 반복율을 조절하여 큐 스위치된 레이저 펄스열 각각의 에너지를 균일하게 하기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 레이저 출력 안정화 장치의 개략 구성을 도시한 블럭도.

도 2는 본 발명에 따른 레이저 출력 안정화 장치의 상세 회로도.

〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉

PD : 포토 다이오드

FL : 플래쉬 램프

1 : 전압 제어 발진부(전압 제어 발진기 : VCO)

2 : 펄스폭 조절부(PWC)

3 : 큐 스위치 구동기(Q-switch driver)

4 : 큐 스위치(Q-switch)

이하, 본 발명의 실시 형태에 대하여 도면을 참조하여 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 레이저 출력 안정화 장치의 개략 구성을 도시한 블럭도이다.

도 1에서, 본 발명의 장치는, 레이저 펌핑 챔버 내에 위치하며 레이저 펌핑 에너지의 세기에 따라 빛을 출력하는 플래쉬 램프(FL)와, 이 플래쉬 램프로부터 방출된 빛의 광량을 검지하는 광 검지부(photo detector : PD)와, 상기 플래쉬 램프의 빛의 세기에 따라 광 검지부에서 생성된 전압에 비례하는 주파수를 가진, 예를 들어 구형파와 같은 펄스를 출력하는 전압 제어 발진부(1)와, 이 전압 제어 발진부(1)의 출력단으로부터의 출력되는 펄스의 펄스폭을 조절하는 펄스폭 조절부(2)와, 이 펄스폭 조절부의 출력을 받아 큐 스위치(Q-switch : 4)를 적합하게 구동시키기 위한 큐 스위치 구동기(Q-switch driver : 3)로 구성되어 있다.

여기에서, 전압 제어 발진부는(1)는 일반적으로 전압 제어 발진기(VCO)를 이용하며, 이 전압 제어 발진기(VCO)는 주파수 범위를 조절하는 기능과 그 주파수 범위내에서 입력 전압에 따라 주파수를 변화시키는 기능이 있기 때문에, 이 두가지 기능을 이용하면 플래쉬 램프에서 방출되는 빛의 세기에 따라 큐 스위치 구동기의 출력 주파수를 자동으로 변화시킬 수 있게 되어 펌핑 에너지를 일정하게 유지시킬 수 있게 된다.

도 2는 도 1에 있어서의 레이저 출력 안정화 장치의 구체적인 회로 구성을 나타내는 회로도이다.

도 2를 참조하여 본 발명 구성의 작동 원리를 설명하면 다음과 같다. PW 단자와 전원 공급기 사이에 트리머 포텐셔 미터(TP : Trimmer Potentiometer)를 연결하여, 원하는 주파수 범위와 일치하는 전압을 PW 단자에 걸어주어 주파수 범위를 결정한 후, 레이저 펌핑 챔버내에 있는 플래쉬 램프(FL)에서 방출되는 빛이 광 검지기(PD)에서 검지되면, 이 검지된 전압은 전압 제어 발진기(VCO)의 PR 단자(주파수 조절 단자 : Pulse Regulation)에 입력되어, 원하는 주파수를 f_out단자에서 얻을 수 있다.

이와 같은 본 발명의 회로 구성 특성은, 설정된 주파수 범위내에서 반복 주파수를 플래쉬 램프의 광량에 따라 자동적으로 가변시켜서, 큐 스위치된 각각의 펄스에 해당하는 펌핑 에너지를 일정하게 유지시키는 것이다.

전압 제어 발진부(1)의 출력 단자(f_out)에서 출력된 구형파 신호는 미분 회로와 함께 구성된 NAND 게이트(U1) 소자로 입력되어, 이에 연결된 NAND 게이트(U2)를 통과하여 출력된 파형은 큐 스위치 구동기의 주파수 외부 조절 입력 단자로 전달된다. 이에 따라, 음향 광학 변조기의 펄스 반복율이 플래쉬 램프의 광량에 따라 자동적으로 조절되게 된다.

본 발명의 한 실시예에 따르면, 도 2에 도시된 바와 같이 콘덴서(C3)와 저항(R3)으로 구성된 미분 회로를 사용하여 전압 제어 발진부(1)의 출력 단자(f_out)에서 출력된 구형파 신호의 펄스폭을 큐 스위치 구동기의 입력 신호 요구 조건에 맞도록 조절하기 위함이나, 본 발명은 이러한 구성에 의해 제한되는 것은 아니며 필요에 따라 상기 본 발명의 실시예를 다양한 방법으로 변형하는 것이 가능하다.

본 발명은 펄스형 고체 레이저를 큐 스위칭한 경우 펌핑 에너지에 따라 주파수 범위를 다양하게 선택 사용할 수 있으며, 선택된 주파수 범위 내에서 펌핑 에너지의 시간적 크기 변화에 따라 자동적으로 펄스 반복율을 조절할 수 있기 때문에, 펄스열 내의 각각의 펄스에 해당하는 펌핑 에너지를 일정하게 조절할 수 있으며 이로 인해 큐 스위치된 펄스 각각의 첨두 출력 (또는 에너지)을 일정한 값으로 유지시킬 수 있게 된다.

또한, 펄스형 레이저를 큐 스위칭하여 광섬유에 입사시킬 경우, 기존 방식의 음향 광학 변조기에 본원 발명을 조합하여 사용하면 첨두 출력이 일정한 펄스열을 얻을 수 있으며, 특히 레이저의 출력 에너지가 큰 경우에는 이 장치가 필수적이라 할 수 있다.

Claims (2)

1. 음향 광학 변조기를 이용하며, 큐 스위치(Q-switch) 및 상기 큐 스위치를 구동시키기 위한 큐 스위치 구동기를 포함하는 상기 큐 스위치에 의해 큐 스위치된 펄스형 고체 레이저 발진기에서, 출력 펄스의 에너지를 안정화시키기 위한 장치에 있어서,

   상기 고체 레이저의 레이저 펌핑원으로 사용되는 플래쉬 램프와,

   상기 플래쉬 램프로부터 방출되는 광량을 검지하여 검지된 광량에 대응하는 전압을 발생시키기 위한 광 검지부와,

   상기 광 검지부로부터의 전압에 따라 결정되는 주파수를 갖는 펄스를 출력하는 전압 제어 발진부와,

   상기 전압 제어 발진부로부터 출력되는 펄스의 폭을 상기 큐 스위치 구동기의 입력 신호 요구 조건에 맞도록 조절하는 펄스폭 조절부

   로 이루어지며,

   상기 조절된 출력 펄스를 상기 큐 스위치 구동기로 공급하는 것을 특징으로 하는 레이저 출력 펄스 에너지 안정화 장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 펄스폭 조절부는 상기 출력 펄스의 반복율을 조절하여 큐 스위치된 레이저 펄스열 각각의 에너지를 균일하게 하기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 출력 펄스 에너지 안정화 장치.