KR19990075092A - 고체 레이저장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고체 레이저장치에 관한 것으로, 종래 고체 레이저장치의 끝면 펌핑방식은 고체 레이저 매질 전체를 균일하게 펌핑할 수 없으며, 반도체 레이저 광을 광학계를 사용하여 광섬유에 집속할 경우는 상당량의 결합손실이 발생하고, 가격이 상승하는 문제점이 있었고, 옆면 펌핑방식은 고출력을 얻기 위해서는 많은 반도체 레이저를 집적해야하는 문제점과; 고체 레이저 매질의 중앙에 최대값을 갖도록 하는 정렬이 어려운 문제점과; 비 구면렌즈를 사용해야 하므로 비용이 상승하는 문제점과; 광섬유의 사용으로 인한 상당량의 결합손실이 발생하는 문제점과; 많은 공간을 차지하는 문제점이 있었다. 이와같은 문제점을 감안한 본 발명은 반도체 레이저의 광을 받는 입력면과; 상기 광을 고체 레이저 매질에 펌핑하는 출력면과; 입력면으로부터 출력면으로 갈수록 협소해지며, 내부가 전반사거울로 만들어진 측면으로 구성된 전반사 빔 가이드를 이용하여 반도체 레이저의 광을 고체 레이저 매질에 끝면 또는 옆면 펌핑하는 고체 레이저장치를 제공하여 고체 레이저 매질에 근접시켜 펌핑이 가능하며, 고체 레이저 매질내 펌핑 광의 분포를 제어할 수 있고, 다수개의 반도체 레이저를 좁은 공간에 배열하여 높은 평균 출력으로 고체 레이저 매질을 펌핑할 수 있어 고출력 고체 레이저를 소형으로 간단하게 제작할 수 있는 효과와; 출력되는 레이저 광의 공간분포를 균일하게 할 수 있는 효과가 있다.

Description

고체 레이저장치

본 발명은 고체 레이저장치에 관한 것으로, 특히 전반사 가이드를 통해 좁은 공간에 많은 반도체 레이저를 배열하여 높은 평균출력으로 펌핑함과 아울러 펌핑 광의 분포 또한 균일하게 제어하기에 적당하도록 한 고체 레이저장치에 관한 것이다.

일반적으로, 레이저 공진기로부터 레이저 광을 얻기 위해서는 레이저 매질을 기저상태에서 여기상태로 펌핑해야 하는데, 고체 레이저의 경우는 대개 방전관과 반도체 레이저를 펌핑 광원으로 사용한다.

이때, 방전관의 경우는 방출되는 펌핑 광이 넓은 파장영역에서 방출되고, 공간적으로 사방으로 퍼지는데 반하여 반도체 레이저의 경우는 특정 파장의 빛이 지향성을 갖고 출력되므로 반도체 레이저를 펌핑 광원으로 사용하면 방전관보다 펌핑 효율 및 동작시간이 우수하고, 레이저 매질의 열 효과가 적게 나타나며, 전체 레이저의 크기를 소형화할 수 있다. 따라서, 최근에 사용하는 범위가 확대되고 있으며, 반도체 레이저의 가격 또한 급격하게 낮아지고 있는 추세이다. 이러한 반도체 레이저는 광의 방출구조에 따라 도1 내지 도3에 도시한 바와같이 단일 도파로 반도체 레이저, 단층 반도체 레이저 및 적층 반도체 레이저로 분류되는데 단층이나 적층 반도체 레이저는 방출면적이 넓어 높은 평균출력을 얻을 수 있는 특징이 있다.

한편, 반도체 레이저에서 방출되는 레이저 광의 공간분포는 도1에 도시한 바와같이 횡으로는 15°이상, 종으로는 40°이상 퍼지는 비대칭적이므로, 고체 레이저 매질을 효율적으로 균일하게 펌핑하여 질 좋은 레이저 광을 얻기 위해서 광학계나 광섬유 등을 사용하여 고체 레이저 매질내에서 반도체 레이저 광의 분포를 대칭적이고, 균일하게 하여야 한다.

이때, 반도체 레이저로부터 고체 레이저를 펌핑하는 방식은 끝면 펌핑과 옆면 펌핑으로 나눌 수 있는데, 끝면 펌핑은 광학계나 광섬유를 이용하여 레이저 매질의 중심축을 따라 펌핑하는 방식으로 저출력 고체 레이저에 적합하며, 옆면 펌핑은 광학계나 광섬유를 이용하여 레이저 매질의 옆면에서 펌핑하는 방식으로 고출력 고체 레이저에 적합하다.

이와같은 끝면 펌핑의 방식은 도4에 도시한 바와같이 광학계(2)를 이용하여 반도체 레이저(1)의 광을 고체 레이저 매질(3)에 펌핑하는 방식과 도5에 도시한 바와같이 반도체 레이저(1)의 광을 광학계를 사용하여 광섬유(4)에 집속한 후, 고체 레이저 매질(3)까지 전송한 다음 다시 광학계(2)를 이용하여 고체 레이저 매질(3)에 집속하는 방식이 있다.

이때, 도4의 끝면 펌핑의 방식은 광학계(2)를 이용하여 고체 레이저 매질(3)내 펌핑 빛의 분포를 공진기의 단일모드와 모드 매칭시켜 효율적으로 펌핑하는 방식으로 펌핑효율이 가장 좋으며, 도5의 끝면 펌핑의 방식은 광학계(2)만을 사용할 때보다 모드매칭이 잘 이루어진다.

한편, 광학계(2)를 구성할 때는 렌즈 이외에도 반도체 레이저(1)에서 방출되는 레이저 빛을 대칭적인 분포로 만들기 위하여 프리즘 쌍을 사용하여 횡방향으로 확대하고, 렌즈를 사용하여 집속하기도 한다.

그리고, 옆면 펌핑의 방식은 도6에 도시한 바와같이 반도체 레이저(1)의 광을 직접 고체 레이저 매질(3)에 펌핑하는 방식과; 도7에 도시한 바와같이 반도체 레이저(1)의 광을 광학계(2)를 이용하여 고체 레이저 매질(3)에 펌핑하는 방식과; 도8에 도시한 바와같이 반도체 레이저(1)의 광을 광섬유(4)에 결합시켜 고체 레이저 매질(3)에 펌핑하는 방식이 있다.

이때, 도6의 옆면 펌핑의 방식은 반도체 레이저(1)로 직접 펌핑하는 것으로 반도체 레이저(1) 광의 분포가 도1에서처럼 넓게 퍼져나가는 것을 이용하여 비교적 균일하게 펌핑할 수 있어 대개 직경이 큰 고체 레이저 매질(3)을 증폭기로 사용할 때 바람직하며, 도7의 옆면 펌핑의 방식은 반도체 레이저(1)의 광과 고체 레이저 매질(3)의 사이에 다수개의 구면 원통형 광학계(2)를 사용하여 펌핑하는 것으로 펌핑 광의 분포가 고체 레이저 매질(3)의 중심에서 최대값을 갖게 되어 공진기에 사용하였을 때 효율적인 매칭을 할 수 있고, 도8의 옆면 펌핑의 방식은 각 반도체 레이저(1)를 미세 렌즈나 광학계를 사용하여 광섬유(4)와 결합한 다음 펌핑한다.

그러나, 상기한 바와같은 종래 고체 레이저장치의 끝면 펌핑방식은 광학계를 사용하여 고체 레이저 매질의 좁은 영역에만 펌핑을 할 수 있어 고체 레이저 매질 전체를 균일하게 펌핑할 수 없으며, 반도체 레이저 광을 광학계를 사용하여 광섬유에 집속할 경우는 상당량의 결합손실이 발생하고, 가격이 상승하는 문제점이 있었다.

그리고, 옆면 펌핑방식은 도6의 경우에 고출력을 얻기 위해서는 많은 반도체 레이저를 집적해야하는 문제점이 있었다.

그리고, 도7의 경우에 고체 레이저 매질의 중앙에 최대값을 갖도록 하는 정렬이 어려운 문제점과; 비 구면렌즈를 사용해야 하므로 비용이 상승하는 문제점이 있었다.

그리고, 도8의 경우에 광섬유의 사용으로 인한 상당량의 결합손실이 발생하는 문제점과; 많은 공간을 차지하는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기한 바와같은 문제점을 해결하기 위하여 창안한 것으로, 본 발명의 목적은 전반사를 이용하는 빔 도파로를 형성하여 간단하고 효율적으로 많은 반도체 레이저를 좁은 공간에 균일하게 배열하여 높은 평균 출력으로 고체 레이저 매질을 펌핑할 수 있는 고체 레이저장치를 제공하는데 있다.

도1은 단일 도파로 반도체 레이저 광의 공간적인 분포를 보인 예시도.

도2는 단층 반도체 레이저를 보인 예시도.

도3은 적층 반도체 레이저를 보인 예시도.

도4는 종래의 광학계를 사용한 끝면 펌핑을 보인 예시도.

도5는 종래의 광섬유를 사용한 끝면 펌핑을 보인 예시도.

도6은 종래의 반도체 레이저로 직접 수행하는 옆면 펌핑을 보인 예시도.

도7은 종래의 광학계를 사용한 옆면 펌핑을 보인 예시도.

도8은 종래의 광섬유를 사용한 옆면 펌핑을 보인 예시도.

도9는 본 발명에 의한 전반사 빔 가이드를 사용한 끝면 펌핑을 보인 예시도.

도10은 본 발명에 의한 전반사 빔 가이드르 사용한 옆면 펌핑을 보인 예시도.

도11은 본 발명에 따라 반도체 레이저광이 전반사되는 것을 보인 예시도.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

11:반도체 레이저 12:입력면

13:출력면 14:측면

15:전반사 비 가이드 16:고체 레이저 매질

상기한 바와같은 본 발명의 목적은 반도체 레이저의 광을 받는 입력면과; 상기 광을 고체 레이저 매질에 펌핑하는 출력면과; 입력면으로부터 출력면으로 갈수록 협소해지며, 내부가 전반사거울로 만들어진 측면으로 구성된 전반사 빔 가이드를 이용하여 반도체 레이저의 광을 고체 레이저 매질에 끝면 또는 옆면 펌핑함으로써 달성된다.

본 발명에 의한 고체 레이저장치는 도9에 도시한 바와같이 반도체 레이저(11)의 광을 받는 입력면(12)과, 그 광을 고체 레이저 매질(16)에 펌핑하는 출력면(13)과, 입력면(12)으로부터 출력면(13)으로 갈수록 협소해지며, 내부가 전반사거울로 만들어진 측면(14)으로 구성된 전반사 빔 가이드(15)를 이용하여 반도체 레이저(11)의 광을 고체 레이저 매질(16)에 끝면펌핑하는 방식과; 도10에 도시한 바와같이 반도체 레이저(11)의 광과 고체 레이저 매질(16)의 사이에 다수개의 상기 전반사 빔 가이드(15)를 사용하여 옆면 펌핑하는 방식이 있다.

이때, 상기 전반사 빔 가이드(15)의 측면(14)은 고 굴절률 매질에서 저 굴절률 매질로 진행할 때 내부 전반사, 금속코팅 및 유전체코팅에 의해 전반사 거울로 구성되며, 특히 금속코팅 및 유전체코팅에 의해 전반사거울을 만들기 위해서는 그 측면(14)을 매끄럽게 연마하는 것이 요구되는데, 내부 전반사를 이용할 경우는 측면(14)을 매끄럽게 연마하는 것만으로 전반사거울을 만들 수 있다. 그리고, 입력면(12)과 출력면(13)을 오목 또는 볼록면으로 가공하여 고체 레이저 매질(16)내 펌핑 광의 분포를 효율적으로 제어할 수 있다.

한편, 도11은 본 발명에 따라 반도체 레이저광이 전반사되는 것을 보인 예시도로서, 도9 내지 도11에 도시한 바와같이 측면(14)이 전반사거울로 형성된 전반사 빔 가이드(15)는 반도체 레이저(11)의 광을 반사시키면서 전송하여 고체 레이저 매질(16)에 직접 펌핑하는 것으로, 종래의 끝면 펌핑과 옆면 펌핑이 가능하다. 또한, 전반사 빔 가이드(15)의 출력면(13)에서 레이저 광이 퍼져나가는 각이 전반사 빔 가이드(15)의 여러 반사과정을 통해 초기 반도체 레이저(11) 광보다 크므로, 직경이 큰 고체 레이저 매질(16)을 균일하게 펌핑할 수 있다.

한편, 고 굴절률(η₂) 매질에서 저 굴절률(η₁) 매질로 진행시에 발생하는 내부 전반사의 경우에 임계각(θ₁)은 아래의 식과 같다.

따라서, 상기 임계각(θ₁) 이상의 입사각을 갖는 반도체 레이저(11)의 광이 입사되면 전반사된다. 이때, 내부 전반사 조건을 넘어가는 경우에는 전반사 빔 가이드(15)의 측면(14)을 금속코팅으로 만들 경우에 입사각에 관계없이 전반사거울을 만들 수 있으며, 전반사 빔 가이드(15)의 측면(14)을 유전체코팅으로 만들 경우에는 입사각에 따라 반사율이 변화하므로 전반사 빔 가이드(15) 측면(14)의 경사각에 따라 코팅조건을 정해야 한다.

상기한 바와같은 본 발명에 의한 고체 레이저장치는 고체 레이저 매질에 근접시켜 펌핑이 가능하며, 고체 레이저 매질내 펌핑 광의 분포를 제어할 수 있고, 다수개의 반도체 레이저를 좁은 공간에 배열하여 높은 평균 출력으로 고체 레이저 매질을 펌핑할 수 있어 고출력 고체 레이저를 소형으로 간단하게 제작할 수 있는 효과와; 출력되는 레이저 광의 공간분포를 균일하게 할 수 있는 효과가 있다.

Claims (3)

1. 반도체 레이저의 광을 받는 입력면과; 상기 광을 고체 레이저 매질에 펌핑하는 출력면과; 입력면으로부터 출력면으로 갈수록 협소해지며, 내부가 전반사거울로 만들어진 측면으로 구성된 전반사 빔 가이드를 이용하여 반도체 레이저의 광을 고체 레이저 매질에 끝면 또는 옆면 펌핑하는 것을 특징으로 하는 고체 레이저장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 입력면과 출력면은 오목 또는 볼록면으로 가공된 것을 특징으로 하는 고체 레이저장치.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 측면은 매끄럽게 가공되어 내부전반사를 이용하거나 금속코팅 또는 유전체코팅되어 입력면을 통해 입력된 반도체 레이저의 광을 전반사하는 것을 특징으로 하는 고체 레이저장치.