KR19990080729A - 반일체 고리형 공진기를 이용한 단방향 발진 레이저 장치 - Google Patents

반일체 고리형 공진기를 이용한 단방향 발진 레이저 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연속출력 파장가변 레이저 발생을 위한 일반거울과 레이저 활성 매질(Laser active medium) 및 광활성 편광 회전기나 반파장판으로 구성되어, 단일 주파수로 작동되고 고속 주파수 주사 및 변조, 높은 주파수 및 출력 안정도를 갖는 반일체 고리형 공진기를 이용한 단방향 발진 레이저 장치에 관한 것으로서, 펌프 레이저(Pump laser)(1)가 입사되는 펌프 레이저빔에 대해서는 무반사 코팅, 발진 레이저에 대해서는 고반사 코팅된 곡면(S1)과, 발진 레이저에 대해 무반사 코팅된 평면(S2)과, 이 평면(S2)의 한쪽에 부착된 광활성 편광 회전기(Optically active polarization rotator) 또는 반파장판(Half-wave plate)(21)으로 구성되며, 내부에는 자기장(Magnetic field)(22)을 가한 레이저 활성 매질(2)과, S-편광에 대해 P-편광보다 높은 반사율을 갖도록 코팅된 곡면(S3)과, 압전구동소자(31)로 구성되는 출력경(Laser output mirror)(3)이 분리되어 구성되는 것을 특징으로 하는 것이다.
상술한 바와 같이 본 발명의 단방향 발진 반일체 고리형 레이저 공진기는 그 크기가 소형이며, 높은 주파수 안정도를 갖고 있고, 고속의 레이저 주파수 주사 및 변조가 가능하기 때문에, 연속출력 파장 가변형 레이저를 사용하는 많은 분야에서 응용될 수 있는 효과가 클 것으로 기대되는 것이다.

Description

반일체 고리형 공진기를 이용한 단방향 발진 레이저 장치(An apparatus of unidirectionally operating laser by using semi-monolithic ring cavity)
본 발명은 연속출력 파장가변 레이저 발생을 위한 일반거울과 레이저 활성 매질 및 광활성 편광 회전기나 반파장판으로 구성되어, 단일 주파수로 작동되고 고속 주파수 주사 및 변조, 높은 주파수 및 출력 안정도를 갖는 반일체 고리형 공진기를 이용한 단방향 발진 레이저 장치에 관한 것이다.
일반적인 레이저는 2개의 거울을 사용하여 레이저 공진기를 구성한다. 이때에는 레이저 매질 안에 양방향으로 진행하는 레이저 파동이 동시에 존재하여 정상파(Standing wave)를 형성하게 되고, 이 정상파에 의해 공간적인 홀 버닝(Spatial hole burning)현상이 일어나게 된다. 공간적인 홀 버닝은 균일 선폭확대(Homogeneous line broadening)된 레이저 매질에서 레이저가 단일 주파수로 동작하는 것을 방해하여 일반적으로는 여러개의 레이저 공진기 종모드(Longitudinal mode)가 동시에 발진된다. 레이저 매질 안의 정상파를 제거하려면 레이저를 공진기의 한방향으로만 발진되도록 하면 되는데, 이를 위해 일반적으로 사용되는 방법이 4 또는 3 반사경을 이용한 링 공진기를 구성하고 그 안에 광다이오드(Optical diode)를 삽입하는 것이다.
광다이오드는 링 공진기 안에 양방향으로 진행하는 레이저 파동중에서 한쪽의 파동에 큰 손실(loss)을 주는 역할을 한다. 큰 손실을 갖고 있는 파동은 레이저 발진이 억제되고, 다른 한 방향으로만 레이저 발진이 일어나는 것이다. 광다이오드는 가역적 편광 회전기(Reciprocal polarization rotator)와 비가역적 편광 회전기(Nonreciprocal polarization rotator) 그리고 편광자(Polarizer)로 구성된다. 가역적 편광 회전기로는 광활성 편광 회전기(Optically active polarization rotator)나 반파장판(Half-wave plate)이 사용될 수 있으며, 비가역적 편광 회전기로는 패러데이 회전자(Faraday rotator)가 사용된다. 편광자로는 두 개의 서로 직교하는(Orthogonal) 편광 중 한 쪽의 손실을 더 크게 만들 수 있는 광학 부품을 사용하면 된다. 일반적인 편광자를 사용할 수도 있고, 브루스터 각(Brewster angle)으로 제작된 레이저 봉(Laser rod)을 사용 할 수도 있다.
어떤 편광 상태가 편광 회전기를 통과하면 다른 편광 상태로 변환이 일어난다. 이 변환된 편광을 반대 방향으로 편광 회전기를 통과하도록 해 주면 본래의 편광 상태가 회복되는 편광 회전기가 있는데 이것을 가역적 편광 회전기라 한다.
도 4에 반파장판(21)을 예로 들어 가역적 편광 회전기의 동작 특성을 도시하였다. 왼쪽에서 오른쪽으로 진행할 때 선편광 상태 P1이 각도 γ만큼 회전하여 선편광 상태 P2로 변환 되었다면, 오른쪽에서 왼쪽으로 진행할 때에는 선편광 상태 P2가 반대방향으로 각도 γ만큼 회전하여 선편광 상태 P1으로 그 상태가 회복된다.
비가역적 편광 회전기는 상기의 가역적 편광 회전기와 다르게 반대 방향으로 편광 회전기를 통과하도록 해주어도 본래의 편광 상태가 회복되지 않고 처음과 같은 편광 변환이 한번 더 일어나도록 동작한다.
도 5에 패러데이 회전기(23)의 동작 특성을 도시하였다. 왼쪽에서 오른쪽으로 진행할 때 선편광 상태 P1이 각도 γ만큼 회전하여 선편광 상태 P2로 변환 되었다면, 오른쪽에서 왼쪽으로 진행할 때는 선편광 상태 P2가 또 다시 각도 γ만큼 회전하여 선편광 상태 P3로 그 상태가 변환된다.
공지의 단방향 발진 레이저 공진기를 도 6에 도시하였다.[참고문헌 : Walter Koechner, Solid-State Laser Engineering (Springer, New York, 1996) Chap. 3, p.140 and the reference there in.] 도 6에서 도시한 바와 같이 반파장판(21)과 패러데이 회전기(23) 그리고 브루스터 각(24)으로 제작된 레이저 매질로 광다이오드를 구성하고 있다. 반파장판(21)과 패러데이 회전기(23)가 시계 방향으로 진행하는 파동에 대해 각각 β와 θ만큼 편광 평면(Plane of polarization)을 회전시키도록 구성되어 있다면, 반시계 방향으로 진행하는 파동에 대해서는 각각 β와 -θ만큼 편광 평면을 회전시킨다. 따라서 두 방향으로 진행하는 파동 간의 편광자에서의 파워 손실 차이 Δα는 Δα = sin2(β+θ) - sin2(β-θ)가 되고, 상대적으로 파워 손실이 적은 반시계 방향으로 레이저가 발진된다. 미설명 부호 (25)는 레이저 봉이다.
일반적으로 사용되고 있는 연속발진 파장가변 레이저는 4 또는 3반사경 공진기와 일체형 공진기 두가지로 분류되어 진다.
상기 4 또는 3반사경 공진기(Four or three mirror cavity)는 4 또는 3개의 반사경을 이용하여 평면의 링 공진기를 구성하고 그 내부에 레이저 활성 매질(Laser active medium), 패러데이 회전자, 반파장판, 편광자 등을 삽입한다. 편광자를 삽입하는 대신 레이저 매질의 양 끝을 브루스터 각으로 제작하여 편광자 역할을 하게 하기도 한다.
이와 같은 4 또는 3반사경 공진기는 링 공진기를 구성하는 4 또는 3개의 반사경이 레이저 매질과 분리되어 있고 광다이오드 역할을 하는 패러데이 회전자, 반파장판 등이 공진기 내부 광 경로에 삽입되어 있다. 여러개의 광학 부품들(Optical components)로 구성되어 있어 그 부피가 일체형 공진기에 비해 매우 크다. 또한 이 광학 부품들은 각각 다른 광학 마운트(Optical Mount)에 장착되어 있어 역학적으로 안정하지 않아 레이저 출력 및 주파수 안정도가 현저히 낮은 문제점이 있다.
상기 일체형 공진기(Monolithic cavity)는 패러데이 회전자, 반파장판, 편광자 등의 역할을 자기장을 가한 하나의 레이저 활성 매질이 모두 갖도록 만든 공진기로서, 비평면 고리형 공진기(Non-planar ring cavity) 구조를 가지고 있다.
이와 같은 일체형 공진기는 4 또는 3 반사경 공진기의 단점을 보완하는 구조를 갖고 있다. 링 공진기를 구성하고 단방향 발진에 필요한 모든 광학 부품들이 하나의 레이저 활성 매질 몸체에 의해 구성되어 그 부피가 매우 작을 뿐만 아니라 역학적으로 안정되어 매우 높은 출력 및 주파수 안정도를 갖는다. 그러나 주파수를 주사할 수 있는 광학 부품이 레이저 활성 매질 이외에는 없기 때문에 주로 레이저 활성 매질의 온도를 조절하여 주파수 주사를 실현한다. 온도를 조절한 주파수 주사 및 변조 방법은 레이저 활성 매질의 온도 시상수(Time constant)에 의존하므로 그 속도가 매우 느리다. 또한 단방향 발진을 위해 비평면 고리형 공진기를 구성하도록 레이저 활성 매질을 가공해야 하므로 설계 및 제작이 평면 고리형 공진기 보다 어려운 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 4 또는 3 반사경 공진기의 단점인 큰 부피 및 낮은 주파수 안정도와 일체형 공진기의 단점인 느린 주파수 주사 및 변조의 문제를 동시에 해결하여 단일 주파수로 작동되고 고속 주파수 주사 및 변조 높은 주파수 및 출력 안정도를 갖는 새로운 형태의 단방향 발진 반일체 고리형 레이저 공진기를 제공하는 것에 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 펌프 레이저(Pump laser)가 입사되는 펌프 레이저빔에 대해서는 무반사 코팅, 발진 레이저에 대해서는 고반사 코팅된 곡면과, 발진 레이저에 대해 무반사 코팅된 평면과, 이 평면의 한쪽에 부착된 광활성 편광 회전기(Optically active polarization rotator) 또는 반파장판(Half-wave plate)으로 구성되며, 내부에는 자기장(Magnetic field)을 가한 레이저 활성 매질과, S-편광에 대해 P-편광보다 높은 반사율을 갖도록 코팅된 곡면과, 압전구동소자로 구성되는 출력경(Laser output mirror)이 분리되어 구성되는 것을 특징으로 하는 것이다.
도 1은 본 발명의 반일체 고리형 공진기를 이용한 단방향 발진 레이저의 구조도
도 2는 단방향 발진에 대한 실험장치
도 3은 도 2에서와 같은 영구자석을 이용하여 Nd:YAG 결정에 자기장을 가했을 때의 실험 결과치
도 4에 반파장판을 예로 들어 가역적 편광 회전기의 동작 특성
도 5에 패러데이 회전기의 동작 특성
도 6은 공지의 단방향 발진 레이저 공진기
<도면의 주요부분에 대한 부호 설명>
1 : 펌프 레이저
2 : 레이저 활성 매질
21 : 무반사 코팅된 광활성 편광 회전기 또는 반파장판
22 : 자기장
3 : 출력경
31 : 압전구동소자(PZT)
4 : 레이저 출력
P1 : 펌프 레이저빔이 레이저 활성 매질에 입사되는 점
P2, P4 : 발진 레이저가 활성 매질 내부에서 전반사하는 점
P3 : 발진 레이저가 출력경에 입사하는 점
S1 : 펌프 레이저빔에 대해서는 무반사 코팅, 발진 레이저에 대해서는 고반사 코팅된 면
S2 : 발진 레이저에 대해 무반사 코팅된 면
S3 : S-편광에 대해 P-편광보다 높은 반사율을 갖도록 코팅된 면
이하 본 발명 반일체 고리형 공진기를 이용한 단방향 발진 레이저 장치를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 반일체 고리형 공진기를 이용한 단방향 발진 레이저의 구조도로서, 펌프 레이저(1) 빔은 곡면(S1)을 통해 입사하여 레이저 활성 매질(2) 내부에서 흡수된다. 레이저는 펌프 레이저 빔이 레이저 활성 매질에 입사되는 점(P1) - 발진 레이저가 활성 매질 내부에서 전반사하는 점(P2) - 발진 레이저가 출력경에 입사하는 점(P3) - 발진 레이저가 활성 매질 내부에서 전반사하는 점(P4)의 경로를 따라 한 평면상에서 발진이 일어나고 출력경(5)의 곡면(S3)을 통과해 단방향으로 레이저의 출력(7)을 내게 된다.
본 발명에서의 광다이오드는 평면(S2)의 한쪽에 부착된 광활성 편광 회전기(21) 또는 반파장판은 가역적인 편광 회전기 역할을 한다. Nd:YAG 등과 같은 레이저 활성 매질(2)은 영구자석 등을 이용하여 자기장(22)을 가하면 패러데이 효과가 유도되고 그 자체가 패러데이 회전기가 되어 비가역적인 편광 회전기 역할을 한다. 출력경(3)의 곡면(S3)은 S-편광에 대해 P-편광보다 높은 반사율을 갖도록 유전체 코팅을 하여 부분 편광자(Partial polarizer)의 역할을 한다.
상기 세 요소(광활성 편광 회전기 또는 반파장판, 패러데이 효과가 유도된 레이저 활성 매질, 부분 편광자 역할을 하는 출력경)가 광다이오드의 역할을 하여 단방향 발진이 실현된다.
이와 같이 구성되는 본 발명 반일체 고리형 공진기를 이용한 단방향 발진 레이저 장치는, 레이저 활성 매질(2)에 부착된 광활성 편광 회전기(21) 또는 반파장파, 자기장(22)을 가한 레이저 활성 매질(2) 그리고 출력경(3)만을 사용하여 단방향 발진 레이저를 구성하고 있으므로, 기존의 4 또는 3 반사경 공진기 보다 매우 작은 부피를 갖는 소형의 레이저 제작이 가능하며, 역학적으로 안정하여 뛰어난 주파수 안정도를 얻을 수 있다.
공진기를 구성하고 있는 레이저 활성 매질(2)과 레이저 출력경(3)이 분리되어 있고, 레이저 출력경(3)을 압전구동소자(31)로 구동할 수 있게 함으로서 고속의 주파수 주사와 변조가 가능하다. 따라서 기존의 일체형 공진기가 갖고 있는 단점인 느린 주파수 주사 및 변조의 문제점을 해결할 수 있는 것이다.
평면 고리형 구조를 갖고 있으므로 일체형 공진기가 채용하고 있는 비평면 고리형 구조 보다 설계 및 제작이 용이한 것이다.
<실시예>
도 2는 단방향 발진에 대한 실험장치를 도시한 것이다. 펌핑용 다이오드 레이저(L)로는 SDL 2362P1이 사용되었다. SDL 2362P1은 드라이브 전류값이 1.6A 일 때, 약 809nm의 파장에서 1.2W의 광 출력을 낸다. 다이오드 레이저(L) 출력을 도면에서와 같은 8mm 및 25mm 렌즈를 가진 광학계(O)를 사용하여 Nd:YAG 결정(2)에 접속시켰다. 출력경(3)은 S-편광에 대해 91%, P-편광에 대해 50%의 반사율을 갖도록 유전체 코팅되어 있다. Nd:YAG 결정(2)의 한 쪽면에는 두께 0.5mm의 수정 결정을 이용한 편광 회전기(Quartz rotator)가 부착되어 있다. 수정 결정은 대표적인 광활성 편광 회전기(21)이다. 영구자석(M)을 사용하여 Nd:YAG 결정(2)에 패러데이 효과를 유도시켰는데, 영구자석(M) 표면에서의 자기장(22) 세기는 약 0.35T이었다. 영구자석(M)을 이용하여 Nd:YAG 결정(2)에 자기장(22)을 가하지 않았을 때는 양방향으로 레이저 발진이 일어나 광 검출기 A,B 모두에 같은 세기의 레이저 출력(4)이 검출되었다.
도 2에서와 같은 영구자석을 이용하여 Nd:YAG 결정에 자기장을 가했을 때, 도 3과 같은 실험 결과를 얻었다. 즉, 반시계 방향으로는 레이저 발진이 일어났지만, 시계 방향으로의 레이저 발진을 관찰할 수 없었다. 영구자석의 극성을 바꾸어 Nd:YAG 결정에 자기장을 가했을 때는 반대로 시계 방향으로의 레이저 발진이 일어나고, 반시계 방향으로는 레이저 발진이 억제되었다.
상술한 바와 같이 본 발명의 단방향 발진 반일체 고리형 레이저 공진기는 그 크기가 소형이며, 높은 주파수 안정도를 갖고 있고, 고속의 레이저 주파수 주사 및 변조가 가능하기 때문에, 연속출력 파장 가변형 레이저를 사용하는 많은 분야에서 응용될 수 있는 효과가 클 것으로 기대되는 것이다.
즉, 본 발명의 단방향 발진 반일체 고리형 레이저 공진기를 이용하여 소형의 다이오드 레이저 펌핑 고안정화 고출력 연속발진 레이저 개발이 가능하며, 본 발명 공진기의 높은 주파수 주사특성을 이용하여 기존의 광주파수 표준기 보다 주파수 안정성이 뛰어난 광주파수 표준기 개발이 가능한 것이다.

Claims (5)

  1. 펌프 레이저(1)가 입사되는 펌프 레이저빔에 대해서는 무반사 코팅, 발진 레이저에 대해서는 고반사 코팅된 곡면(S1)과, 발진 레이저에 대해 무반사 코팅된 평면(S2)과, 이 평면(S2)의 한쪽에 부착된 광활성 편광 회전기(21)로 구성되며, 내부에는 자기장(22)을 가한 레이저 활성 매질(2)과, S-편광에 대해 P-편광보다 높은 반사율을 갖도록 코팅된 곡면(S3)과, 압전구동소자(31)로 구성되는 출력경(3)이 분리되어 구성되는 것을 특징으로 하는 반일체 고리형 공진기를 이용한 단방향 발진 레이저 장치.
  2. 제 1항에 있어서, 가역적인 편광 회전기 역할을 하는 광활성 편광 회전기(21), 영구자석 등을 이용해 가해진 자기장(22)에 의해 유도된 패러데이 효과로 비가역적인 편광 회전기 역할을 하는 레이저 활성 매질(2), S-편광에 대해 P-편광보다 높은 반사율을 갖도록 유전체 코팅을 하여 부분 편광자의 역할을 하는 출력경(3)의 곡면(S3), 상기 세 요소(광활성 편광 회전기 또는 반파장판, 패러데이 효과가 유도된 레이저 활성 매질, 부분 편광자 역할을 하는 출력경)가 광 다이오드의 역할을 하여 단방향 발진이 실현되도록 하는 것을 특징으로 하는 반일체 고리형 공진기를 이용한 단방향 발진 레이저 장치.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 광활성 편광 회전기(21)를 반파장판으로 사용하는 것을 특징으로 하는 반일체 고리형 공진기를 이용한 단방향 발진 레이저 장치.
  4. 제 1항에 있어서, 펌프 레이저(1) 빔은 곡면(S1) 펌프 레이저 빔이 레이저 활성 매질에 입사되는 점(P1)을 통해 레이저 활성 매질(2)에 입사하여 발진 레이저가 활성 매질 내부에서 전반사하는 점(P2), 발진 레이저가 출력경에 입사하는 점(P3), 발진 레이저가 활성 매질 내부에서 전반사하는 점(P4)의 경로를 따라 한 평면상에서 발진이 일어나고 출력경(3)의 곡면(S3)을 통과해 단방향으로 레이저의 출력(4)을 내게 되는 것을 특징으로 하는 반일체 고리형 공진기를 이용한 단방향 발진 레이저 장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 출력경(3)은 압전구동소자(31)로 구동되는 것을 특징으로 하는 반일체 고리형 공진기를 이용한 단방향 발진 레이저 장치.
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