KR20000048927A - 단펄스 레이저 시스템 - Google Patents

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근회절 제한 빔특성을 가지는 펄스당 수 밀리-줄(mJ/p)까지의 에너지 레벨로 약 60 내지 300 ps의 지속시간을 가지는 펄스를 생성하는 레이저 시스템. 레이저 크리스탈은 다이오드 레이저에 의해서 여기되며, 적어도 두 개의 거울면을 가지는 공진기가 레이저 크리스탈을 통과하는 빔경로를 정의한다. 공진기내의 빔경로는 각 여기 주기의 말기 부근의 짧은 주기 동안만을 제외하고, 레이저 크리스탈 내에여기 에너지가 발생하게 하는 제1 광학셔터에 의해서 주기적으로 차단된다. 제1 광학셔터가 개방되어 있는 동안에, 제2 광학셔터가 주기적인 서브 나노초의 간격 동안만을 제외하고 공진기내의 빛을 차단한다. 상기 간격은 상기 공진기 내에서 빛의 속도로 이동하는 적어도 하나의 광펄스가 상기 공진기를 통하여 여러번 통과하고, 매회 통과시마다 여기된 레이저 크리스탈로부터 에너지를 추출함으로써 강도를 증가시키는 간격으로 이루어져 있다. 광펄스가 강하게 형성된후, 광학 릴리스 메커니즘은 공진기로부터 펄스를 릴리스한다.

Description

피코초 레이저{PICOSECOND LASER}
하이빔(high beam)급의 단펄스 지속시간(short pulse duration)을 가지는 레이저는 (예를 들면, 미세가공을 위한 소재의 제거, x-레이의 생성, 비선형 공정 등) 고휘도를 필요로 하는 많은 분야에서 매우 유용하다. 고체 레이저에서 단펄스를 생성하는 가장 일반적인 방법은 큐-스위칭(Q-switching)으로 알려진 방법이다. 통상의 큐-스위칭 레이저의 펄스 지속시간은 약 5 내지 200 ns 이다. 이 펄스는 고이득, 초단파 공진기를 이용하여 더욱 짧아질 수 있다. 이러한 방법을 이용하여 마이크로-줄(micro-joule) 레벨의 서브 나노초 펄스(sub nanosecond pulse)를 생성할 수 있다. 단펄스 지속시간을 생성하는 또 다른 잘 알려진 방법으로서 모드동기 방법이 있다. 모드동기 레이저에서, 펄스 지속시간은 약 100 fs 내지 300 ps까지 줄어들 수 있다. 모드동기 레이저는 연속 또는 준연속 펄스 트레인을 생성하고, 피코초 펄스당 에너지는 나노-줄(joule)과 거의 비슷하다. 많은 분야에서 약 1 내지 300 mJ 범위의 펄스(펄스 트레인이 아님)당 에너지가 요구되며, 따라서 위에서 설명한 방법은 약 103내지 108범위의 빔 증폭이 필요하다. 재(再)생성 또는 다중 증폭이 고이득을 제공할 수 있으나, 이러한 증폭기는 매우 비싸며 그리고/또는 실질적으로 상업적 시스템으로는 복잡하다.
따라서, 매우 짧은 mJ의 펄스를 가지는 펄스 레이저빔을 생성하기 위한 보다 진보된 레이저 시스템을 필요로 한다.
발명의 간단한 설명
본 발명은 근회절 제한 빔특성(near diffraction limited beam quality)을 가지는 펄스당 수 밀리-줄(mJ/p) 에너지 레벨의, 약 60 내지 300 ps 범위의 지속시간을 가지는 펄스를 생성할 수 있는 레이저 시스템을 제공한다. 레이저 크리스탈은 다이오드 레이저에 의하여 작동(여기)된다. 적어도 두 개의 거울면을 가지는 공진기는 레이저 크리스탈을 지나는 빔경로를 형성한다. 공진기의 빔경로는 여기에너지가 레이저 크리스탈내에 생성될 수 있도록 하는 제1 광학셔터에 의해서 각 여기 주기의 말기 부근의 짧은 주기 동안만을 제외하고는 주기적으로 차단된다. 제1 광학셔터가 개방되어 있는 동안에, 제2 광학셔터는 주기적인 서브 나노초 간격 동안만을 제외하고 공진기내의 빛을 차단한다. 상기 간격은 상기 공진기내에서 빛의 속도로 이동하는 적어도 하나의 광펄스가 공진기를 통하여 다수 회 통과할 수 있도록 하여 각 통과시마다 여기된 레이저 크리스탈로부터 에너지를 추출함으로써서 강도를 증가시킬 수 있도록 떨어져 있다. 광펄스가 강하게 형성된 후, 광학 릴리스 메커니즘이 상기 공진기로부터 이 펄스를 릴리스한다.
바람직한 실시예로서, 크리스탈은 레이저 다이오드 어레이에 의해서 여기되는 Nd:YAG 로드이다. 상기 공진기는 두 개의 반사경과 편광빔 분할기로 이루어진다. 상기 제1 광학 셔터는 음향-광학 큐-스위치(acousto-optic Q-switch)로 이루어진다. 상기 제2 광학 셔터는 음향-광학 모드 동기장치로 이루어진다. 상기 광학 릴리스 메커니즘은 펄스의 편광을 S 에서 P 로 회전시켜 상기 편광빔 분할기를 통하여 펄스를 상기 공진기로부터 릴리스 시키는 포켈스 셀(Pockels cell)을 포함하다.
또 다른 바람직한 실시예로서, 레이저 증폭기들은 상기 레이저 시스템에 의하여 생성되는 펄스 레이저빔을 증폭하기 위한 것으로, 펄스당 250 mJ 이상의 에너지 레벨을 가지는 펄스 레이저빔이 얻어진다. 증폭기는 1000 Hz의 50 및 250 mJ/p 증폭기로 이루어진다. 상기 레이저 시스템은 자기집속(self focusing)한계 (B-integral) 이하에서, 그리고 레이저 매체로부터 에너지를 효율적으로 추출하기 위한 포화 플루언스(fluence)에서 작동하도록 되어 있다. 비선형 광학 처리 및 미세가공 등을 위해 높은 휘도의 레이저를 이용하는 것은 매우 효율적이고 바람직한 기술이다.
본 발명은 레이저 시스템에 관한 것으로, 특히 고출력, 고휘도의 고체 레이저 시스템에 관한 것이다.
도 1은 주발진기의 주요 부품을 보여주고 있는 도면이며,
도 2는 50 mJ/p 증폭기를 보여주는 개략도이며,
도 3은 4개의 통로를 가지는 250 mJ/p 파워 증폭기의 구성을 보여주는 도면이며,
도 4는 250mJ/p 파워 증폭기 여기 구성을 보여주는 도면이며,
도 5A, 5B, 5C는 본 발명의 바람직한 실시예에서 생성된 광펄스를 보여주는 도면이며,
도 6은 제4 조화파를 생성하기 위한 구성을 보여주는 도면이며, 그리고
도 7은 광학 파라메터 진동기를 여기하는 피코초 펄스 트레인을 보여주는 도면이다.
피코초 레이저 시스템
도 1은 바람직한 시드(seed) 레이저 시스템의 개략도이다. 필요 구성요소는 다이오드 여기 Nd:YAG 로드와, 큐-스위치 제어 공진기와, 매우 짧은 펄스를 생성하기 위한 음향-광학 모드 동기장치와, 그리고 포켈스 셀 제어 릴리스 메커니즘이다.
다이오드 여기 Nd:YAG 로드
Nd:YAG 광택 로드 8 (3 mm의 직경 그리고 2.5 cm의 길이) 이 5개의 바로 이루어지는 레이저 다이오드 어레이(SDL 부품번호 SDL3245-J5) 2에 의해서 길이 방향으로 여기된다. 다이오드 여기 어레이 2는 준 CW(quasy-CW)이고, 바람직하게 20 % 듀티 팩터(200 ㎲ ON 그리고 800 ㎲ OFF) 및 50 W의 평균전력(1 kHz)에서 작동한다. 다이오드 어레이의 파장은 Nd:YAG의 강한 흡수에 대응하는 약 808 nm이다. 여기 다이오드의 출력은 마이크로 렌즈 4의 배열에 의해서 평행하게 된다. 대구경 집속렌즈 6은 Nd:YAG 로드 8의 후단에 여기광을 집중시킨다. Nd:YAG 로드 8의 배면은 1064 nm(Nd:YAG 레이저의 레이저 파장)에서 최대의 반사(약 99.8 %)가 이루어지도록, 그리고 808 nm(여기 파장)에서 높은 투과가 이루어지도록 광택 및 코팅되어 있다. 상기 여기된 광은 높은 여기 효율을 위하여 광택된 배럴(파이버광학과 유사한)로 부터 전체 내부 반사를 통하여 레이저 로드내에 걸린다. Nd:YAG의 전면은 와류진동을 방지하기 위하여 약 2도의 각으로 잘려져 있으며, 1064 nm 에서 삽입손실을 최소화 하기 위해 반사 방지막(AR)이 코팅되어 있다.
큐-스위치 제어 공진기
편광빔 분할기 12는 S 편광은 반사시키고 P 편광은 통과시킨다. 음향-광학 큐-스위치 14(Brimrose Model FQQ-27-2-1064)는 광학 셔터 역할을 하며, 이는 Nd:YAG 로드 8의 배면 9A와, 편광빔 분할기 12와, 고반사 5 m 오목거울 18의 거울 표면 9B 사이에 형성되는 폴드 공진기(folded resonator)를 만들기 위하여, 200 ㎲의 여기 지속시간의 말기에만 약 100 ns 동안 개방된다. 큐-스위치가 100 ns 동안 여기 펄스의 말기에만 개방되기 때문에, 각 200 ㎲ 여기 주기의 말기의 약 100 ns의 주기만을 제외하고 공진기 캐비티(cavity) 9에서 레이저 증폭이 자극되는 것을 방지한다. 도 5A는 여기 다이오드로 부터 입력되는 주기적 에너지로 부터 Nd:YAG 로드에 형성되는 주기 에너지를 보여주는 도면이며, 도 5B는 로드로 부터 여기 에너지의 추출이 일어나도록 200 ㎲의 여기 주기의 말기에 큐-스위치가 어떻게 작동하는지를 보여주는 도면이다.
음향-광학 모드 동기장치를 이용한 150ps 펄스의 형성
음향-광학 모드 동기장치(Brimrose Model FSML-70-20-BR-1064) 16이 거울 18에 매우 근접하여 배치된다. 모드 동기장치의 RF 캐리어 주파수 f와 레이저 공진기 L의 광학길이는 다음과 같이 관계한다:
f=c/4L
여기서, c는 빛의 속도이다.
이 바람직한 실시예에서, 모드 동기장치 16은 70 MHz RF 드라이버로 구동된다. 이는 모드 동기장치 16 내에 정재파를 생성한다. 정재파가 0 이 되면, 모드 동기장치는 구동 주파수의 2배가 되는 140 MHz의 주파수에서 약 150 ps 동안 투명해진다. 캐비티의 길이는 약 3.5 feet 로 하였다. 따라서, 모드 동기장치 16은 약 매 7 ns 마다 150 ps (멀티-모드) 펄스의 통과를 허용하는 제2 광학셔터 역할을 한다. 이 7 ns는 150-ps (약 2-inch 길이)의 광펄스가 모드 동기장치로 부터 Nd:YAG 로드를 거쳐서 돌아오는 왕복시간이다. 따라서, 큐-스위치 14가 각각의 200 ㎲의 여기 주기의 말기에 약 100 ns 동안 개방되면, 단일 2-inch 길이의 광펄스가 3 1/2 foot 길이의 공진 캐비티 9를 통하여 거울면 9A와 9B 사이에서 전후로 진행하며, 이것이 Nd:YAG 로드 8을 지날때 마다 매번 에너지를 증가시킨다. 펄스는 포켈스 셀 10(Fast Pulse Technology 모델 1041FV-106)을 통하여 지나갈 때, 이것이 OFF 되어 있을 경우에는 영향을 받지 않는다. 포켈스 셀 10은 통상 OFF 상태로 있으며, 3 ns 이하의 경우 ON 상태로 되어, 공진 캐비티를 통하는 펄스의 이중 통과시 레이저 펼스가 90도 회전하도록 한다. 도 5C는 큐-스위치가 ON 되는 100 ns 간격 동안의 150 ps 펄스의 생성을 보여주는 도면이다.
포켈스 셀을 이용한 펄스의 릴리스
거울 18은 펄스내의 광 누출을 최소화하여 준다. 광의 누출은 포토 디텍터 20에 의해서 감지된다. 포토 디텍터 20의 출력이 딜레이 발생기 (delay generator) (도시생략)의 트리거 임계치를 초과하는 경우에는, 딜레이 발생기는 λ/4 포켈스 셀 10을 자극하여, 인트라 캐비티빔(intra-cavity beam)을 90도 만큼 회전시킨다. (2개의 통로). 바람직한 실시예로, 포토 디텍터 20으로 부터의 트리거 신호가 포켈스 셀 10을 ON 시킬 수 있는 충분한 시간이 되도록 70 ns의 지연시간을 제공하였다. 따라서, 포토 디텍터 20으로 부터의 신호는 펄스가 그 최대 강도에 도달하기전에 약 70 ns(10회 왕복)로 포켈스 셀 10에 제공된다. 포켈스 셀 10이 ON 되면, 펄스가 2개의 λ/4 지연을 받아 2개의 통과를 이루므로, 포켈스 셀은 펄스의 편광을 S 편광에서 P 편광으로 변환시킨다. 이는 도 1A에 도시한 바와 같이, 크게 증폭된 펄스가 단일 단펄스빔 22으로서 편광빔 분할기 12를 통하여 공진기로 부터 빠져나가게 한다. 프로토 타입을 이용하여 실제로 나타난 이 바람직한 레이저 시스템으로 부터의 측정 출력은 최고 3 mJ/P 까지이다.
파워 증폭기
많은 분야에서 보다 높은 펄스당 에너지를 필요로 하고 있다. 이하 설명되는 레이저 증폭기는 위에서 설명된 레이저빔(약 150ps 펄스, 그리고 근회절 제한빔)의 특성을 유지하면서도 펄스당 에너지를 증가시킬 수 있는 것이다. 파워 증폭기의 큰 구멍에 일치하는 레이저빔의 횡단면을 증가시키기 위하여 바람직하게 빔 신장기(beam expander)가 이용된다. 파워 증폭기의 다양한 구성이 사용될 수 있다. 본 발명은 이하에서 설명되는 바와 같은 두 가지 타입의 증폭기 모듈을 설계 제작하였다. 약 50 mJ/p 까지의 펄스 에너지를 생성하기 위하여는 도 2에 나타난 바와 같은 구성이 이용되며, 약 250 mJ/p 까지의 펄스 에너지를 생성하기 위해서는 도 3에 보여지는 바와 같은 구성이 이용된다.
50 mJ/p 레이저 시스템의 증폭
도 2의 증폭기 배열은 위의 시드 레이저 시스템에서 설명된 것과 동일한 다이오드 여기 Nd:YAG 모듈을 이용한다. 상기 시드 시스템으로 부터의 P 편광빔의 빔 직경은 1mm 이하이다. 효율적인 작동을 위하여, 빔신장기 60은 증폭기의 구멍에 맞도록 빔의 직경을 증가시키기 위하여 이용된다. 박막 편광자 62는 P 편광빔을 통과시킨다. 패러데이 회전자 64가 빔을 45도 회전시키며, λ/2 웨이브 플레이트 66은 빔을 반대 방향으로 45도 회전시킨다. P 편광빔은 박막 편광자 68과 λ/4 웨이브 플레이트 70을 통하여 증폭 모듈 72로 전달된다. 증폭 모듈은 대구경축의 마이크로 렌즈들을 가지고 있는 2D 다이오드 어레이 및 1064 nm 에서 높은 반사율을 가지고, 또한 810 nm 에서 높은 투과율을 가지도록 그 배면이 코팅되어 있는 Nd:YAG 로드를 길이방향으로 여기하기 위한 집속 렌즈로 이루어진다. 따라서, 빔은 상기 증폭 모듈 72를 통과하는, 반사빔의 전체 회전이 90도가 되도록 λ/4 웨이브 플레이트 70로 반대로 통과하는, 두 개의 통로를 이룬다 (2개의 통로). 되돌아온 빔(S 편광)은 모듈 72와 동일한 증폭 모듈 76을 통하여 이번에는 제2 이중 통과를 위해 박막 편광자 68 에서 반사된다. 증폭의 순서는, 증폭 모듈 72, 76, 82 및 86을 이중 통과하고, 증폭기 86, 82, 76 및 72를 통하는 제2 이중통과를 위하여 높은 반사율을 가지는 거울 88에 의해 되반사되는 것으로 이루어진다. 각 모듈에서의 빔의 90도 회전은 λ/4 웨이브 플레이트 70, 74, 80 및 84에 의해서 이루어진다. 박막 편광자 62, 68 및 78은 편광에 따라서 빔을 반사시키거나 통과시킨다. 빔이 모든 모듈에서 4번의 통과를 통하여 증폭을 완료하면, (좌측으로 향하는) P 편광빔은 λ/2 웨이브 플레이트 66에 의해서 45도 회전하고, 패러데이 회전자 64에 의해서 45도 더 회전하여, 총 90도를 회전하게 된다. 빔 90은 박막 편광자 62로 부터 반사되어 증폭기 시스템을 빠져나가게 된다. 특별 설계에 따라서, 각각의 증폭 모듈은 약 총 50 mJ/P 가 되도록 10 내지 15 mJ/p를 더 추가시킬 수 있다. 길이방향 여기 말기에 도핑되지 않은(약 5mm의 길이의) YAG를 가지는 Nd:YAG 로드를 이용한 열분석은 본 발명의 증폭기가 열의 복굴절로 인한 4 % 이하의 손실을 가지고 약 1000 Hz에서 작동함을 보여준다.
250 mJ/p 레이저 시스템의 증폭
몇몇 적용 분야에서는 보다 높은 파워 증폭기를 필요로 한다. 250 mJ/P 시스템을 위한 본 발명의 바람직한 구성은 도 3에 도시하는 바와 같은 높은 추출 효율을 얻을 수 있는 4-통과식 증폭이다. 이 구성은 약 1000 Hz에서 약 250 mJ/p를 제공한다. 도 3은 증폭 여기장치가 아닌 증폭기의 필수 요소를 보여주고 있다. 도 3에 도시하는 바와같이, 도 1에 도시되고 있는 시드 레이저 시스템으로 부터의 P 편광 입력빔은 편광빔 분할기 30을 통과하고, 패러데이 회전자 32에서 45도 회전하고, 그리고 λ/2 웨이브 플레이트 34에서 마이너스 45도 회전한다. P 편광빔은 Nd:YAG 로드 38과 42를 지나는 제1 통과를 위하여 편광빔 분할기 36을 통과한다. 90도 회전자 40은 열로 발생하는 복굴절을 상쇄하며, 포집 렌즈 46은 Nd:YAG 로드의 열 렌싱(thremal lensing)을 보상한다. 거울 48은 제2 통과를 위해 빔을 꺽으며, λ/4 웨이브 플레이트 44는 편광을 S로 회전시킨다. S 편광빔은 편광빔 분할기 36에서 반사되고 Nd:YAG 로드를 통한 제3 통과를 위하여 거울 50에 의하여 다시 꺽여진다. 거울 48은 마지막 제4 통과를 위하여 빔을 다시 꺽고, λ/4 웨이브 플레이트 44는 편광을 P로 회전시킨다. P 편광빔은 편광빔 분할기 36를 통하여 지나가며, λ/2 웨이브 플레이트 34와 패러데이 회전자 32는 이를 90도 회전시킨다. 따라서, S 편광빔이 편광빔 분할기 30으로 부터 반사되어 증폭기의 출력을 제공한다.
이상에서 설명된 증폭기의 구성은 약 7의 단일 통과 불포화 이득(작은 신호이득)을 가진다. 그러나, 포화 상태로 접근함에 따라, 그 이득은 줄어든다. 본 발명에 따른 플로토 타입 증폭기는 단지 수 mJ/p의 입력으로서 약 250 mJ/p를 얻을 수 있다.
도 3의 증폭기 모듈 38 및 42에 대한 증폭기 여기 구조가 도 4에 도시되어 있다. (도 4는 3개의 다이오드 어레이 54를 보여주고 있지만, 실질적으로는 Nd:YAG로드 38 및 42를 모두 여기하기 위한 모두 6개의 다이오드 어레이 54를 형성하는 두 세트의 3개 다이오드 어레이가 있다.)
본 발명은 (120도 떨어진) 가로(transverse)여기 유니트를 제공한다. 2D 레이저 다이오드 어레이 54의 둔축선(slow axis)은 원통형 렌즈 56에 의해서 Nd:YAG 로드 38 및 42상에 포커스된다. 물자켓 58은 로드의 열을 제거하기 위하여 제공된다. 도 3의 증폭기의 출력은 약 250 Watts(평균파워)이다. 이 파워는 약 250 mJ/p에서 초당 1000 펄스(약 250 mJ/p @ 1 kHz)로 형성된다. 각각의 Nd-YAG 로드는 20 %의 듀티사이클(200 ㎲ ON, 800 ㎲ OFF)로 작동하는 60(50 Wpeak/bar)개의 다이오드 바로 여기된다. 상기 다이오드 어레이 54는 어레이당 20개의 바로 배열된다. 이 실시예에서, 3개의 어레이가 각각의 Nd:YAG 로드를 위하여 제공된다. Nd:YAG 로드는 직경이 1/4 inch 이며 길이는 8 cm 이다. 로드는 와류증폭을 방지하기 위하여 조금 경사지게 잘려진다. 증폭기로부터 나오는 피크 파워는 250 mj/150 ps로, 이는 1.7 X 109watt 펄스를 생성한다. 단순한 포커스 구조로 1015watt/cm2를 얻을 수 있다.
효율적인 비선형 광학 전환
이상에서 설명한 레이저 시스템의 출력은 적외선 범위의 1064 nm 파장을 가진다. 본 발명은 비선형 크리스탈에서의 효율적인 조화파와 합주파의 생성에 따라, 다이오드 여기 고체 레이저의 레이저 파장을 가시광선 및 자외선으로 확장할 수 있게 되었다. 그 전환 효율은 레이저와 비선형 크리스탈 매개변수에 의존한다. 높은 피크 파워와 양호한 빔특성의 레이저는 조화파 생성과 합주파 생성을 효율적으로 이루기 위한 선택 조건이다. 본 발명의 피코초 기술을 적용함으로써, 펄스당 상대적으로 낮은 에너지에서 매우 높은 피크 강도의 레이저를 생성할 수 있다. 전환 효율은 피크 파워 E/t (E는 펄스 에너지이고, t는 펄스 지속시간)에 비례하고, 임계 손상값은 t1/2에 비례하므로, 본 발명은 강도의 손상 없는 효율적인 변환을 위하여 비선형 크리스탈에 높은 강도를 적용할 수 있다.
예를들면: 전형적인 큐-스위치 레이저는 약 10 ns의 펄스 지속시간을 가진다. 10 ns에서 약 1 GW/cm2를 견딜 수 있는 비선형 크리스탈은 약 100 ps [(10 ns/100 ps)1/2=10]에서 약 10 GW/cm2에도 견딜 수 있을 것이다.
매우 높은 피크 강도를 위해서는 조화파 생성과 합주파 생성에 효과적인 짧은 비선형 크리스탈이 바람직하다(HG & SFG). 다음과 같은 이유로 짧은 크리스탈이 많은 장점을 가진다.
-크리스탈의 효과적인 냉각
-보다 작은 워크 오프(walk off)
-보다 큰 수용각(acceptance angle)
-보다 나은 결맞는 길이(coherent length)의 정합
-보다 큰 스펙트럼 대역의 수용
-보다 높은 광학 동질성
-보다 낮은 흡수력
-보다 작은 렌싱
-보다 작은 복굴절
본 발명에 따른 피코초 레이저 시스템을 이용하여, 별도의 캐비티 단일 통과 작동으로 높은 전환 효율을 실현하였다. 즉 1064 nm(Nd:YAG)에서 532 nm 으로 60 % , 1064 nm 에서 355 nm 으로 45 %, 그리고 1064 nm 에서 266 nm 으로 25 % 전환하였다. 266 nm의 생성은 355 nm 및 1064 nm의 SFG에 의해서 이루어졌다(도 5 참조). LBO 크리스탈들 만이 이용되었다. LBO 크리스탈은 상업 및 군사적으로 이용될 수 있을 만큼 그 내구성이 뛰어나다. 1064 nm 빔을 짧은 파장으로 변환하는 기술은 레이저 분야에서 잘 알려져 있다. 예를 들면, 독일의 " 발터 퀘흐너의 고체 레이저 엔지니어링 스프링거 시리즈 10장 (Walter Koechner, Solid-Stae Laser Engineering, Springer Series, Chapter 10, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, Germany) " 에는 이러한 기술에 대한 좋은 검토가 개시되어 있다.
조화파 생성 및 합주파 생성(HG & SFG)에 관한 것과 함께 이 명세서에 설명된 레이저 시스템은 많은 분야에서 매우 유용한 수단이다. 즉, UV 및 x-레이 (레이저 플라즈마 생성) 인쇄, UV 단거리 통신, 치과술 및 미세가공 등에 유용하게 이용될 수 있다.
미세가공
전자기기, 마이크로 광학기기, 마이크로 전자기계 시스템 등에서 소형화가 계속됨에 따라, 보다 효과적이고, 정밀하고 그리고 다루기 쉬운 미세가공 기구의 필요성이 증가되고 있다. 이러한 기구들은 절삭, 천공, 에칭 그리고 스트라이핑과같은 소재의 제거에 필요하다. 종래의 기구들(드릴, 톱 등)로는 미세가공을 할 수 없다. 매우 작은 점(마이크로미터의 크기)에 레이저빔을 포커스할 수 있는, 위에서 설명한 본 발명의 레이저 시스템을 이용하면 미세가공을 할 수 있다. 펄스 지속시간, 파장, 그리고 빔특성은 레이저 매개변수의 주요 요소이다. 본 발명의 피코초 레이저 시스템의 이용은, 짧은 펄스 지속시간, 짧은 파장으로의 효과적인 변환, 그리고 근회절 제한빔 등으로 인하여 다른 레이저 시스템을 이용하는 것보다 소재의 제거에 매우 우수하다.
짧은 펄스 지속시간
충분한 광학 에너지가 어떤 소재에 흡수되어 온도가 애블레이션 임계값 (ablation threshold)에 이르면, 레이저 애블레이션이 일어난다. (목적 소재에 따라) 수십 피코초보다 긴 펄스의 경우, 애블레이션 임계값은 τ1/2(τ는 펄스 지속시간)에 비례한다. 매우 짧은 펄스의 경우, 애블레이션 임계값의 τ1/2스케일링은 펄스 지속시간에 영향을 받지 않는 양상으로 변한다. 펄스 지속시간을 10 ns (종래의 큐-스위치 레이저)에서 100 ps로 짧게 함으로써, 애블레이션 임계값(단위면적당 에너지)은 10의 계수(1001/2=10) 만큼 내려간다. 이러한 짧은 펄스 지속시간은, 소재 내에서, 조사되는 소재에 에너지가 열로 전도되어 버리는 시간보다 빠르게 소재를 제거하는 것을 가능하게 한다. 실질적으로 많이 가열된 소재 모두가 제거되므로 이러한 펄스폭 시간 영역 내에서의 소재 제거는 본래부터 "냉각커팅"이 된다. 동(copper)이나 금과 같은 많은 소재의 경우, 펄스를 약 100-200 ps로 줄여도 애블레이션에 요구되는 펄스 에너지는 줄어들지 않는다. 용융 실리카와 같은 다른 소재의 경우에, τ1/2의 관계가 적용되어 펄스 지속시간을 약 10 ps 까지 낮춘다. 절삭중에, 인접하는 소재의 온도 상승을 무시해도 좋은 이러한 특징은 마이크로 전자회로에 이용되는 저항기, 응축기, 유도기 등과 같은 매우 민감한 부품을 다듬질할 경우, 그리고 세라믹을 절삭할 경우 등에 매우 중요하다.
파장
일반적으로, 짧은 흡수길이는 보다 효과적인 소재 제거를 가능하게 한다. 대부분의 경우에, 짧은 흡수길이는 보다 짧은 파장에서 발생한다. 상기 기술한 피코초 레이저 시스템으로 짧은 파장을 효과적으로 생성하여 미세가공 분야에서 소재를 제거하는 것이 이상적이다.
위에서 설명한 레이저 시스템을 이용하여 세라믹(예를 들면, Al2O3, AlN, 금속 등)을 미세가공하였다. 적절한 파장, 펄스당 에너지, 포커싱 위치, 대기가스를 선택하여, 슬래그 없이 깨끗하게 절삭, 표시내기, 천공 등을 이룰 수 있었다.
정밀하고 안전한 타겟 범위의 결정
100 ps의 광펄스는 그 길이가 공기중에서 단지 1.2 inch 이다. 펄스의 상승시간은 펄스 지속시간의 일부이기 때문에, 그러한 펄스는 서브인치로 타겟 범위를 결정하게 하여 준다.
눈의 안전을 위하여, 1.5 ㎛ 이상의 파장이 요구된다. 레이저의 출력을 광학 파라메터 진동기(OPO)를 통하여 긴 파장으로 바꾸는 방안이 있다. 이를 위해 본 발명은 두가지 방법에서 접근하였다.
1) 신호와 아이들러(idler)를 얻기 위하여 OPO 크리스탈(예를 들면, KTP, KTA 등)을 지나는 단일 통로로서 위에 설명한 레이저를 이용하고, 여기 및 아이들러 파장을 버리고, 1.5 ㎛ 보다 큰 파장의 신호 출력을 이용하는 방법.
2) OPO 크리스탈에 동기 여기를 제공하기 위하여, 큐 스위치 모드 동기모드에서 상기에서 설명한 레이저를 작동시키고, 신호가 피크점에 도달하면 캐비티를 비우는 방법.
도 7은 상기 두 번째 방법을 설명하는 개략도이다. 예를 들면, 모드동기 큐-스위치 Nd:YAG 레이저 시스템 60이 OPO 70을 여기하기 위하여 이용된다. 여기 레이저 60의 출력은 큐 스위치 엔벨로브 하에서 ps 펄스 62의 트레인이 된다. ps 펄스들 사이의 간격은 공진기의 왕복 시간에 해당한다 (본 발명에서는 약 7 ns). 여기빔은 긴 초점길이 렌즈(약 1 m)에 의해서 비선형 OPO 크리스탈 70(본 발명의 경우 15 mm 길이의 KTP) 상에 초점이 맞추어진다. OPO 공진기는 여기 레이저 공진기(동기 여기)와 동일한 광학경로 길이를 주도록 떨어져 있는 거울 66 및 74를 포함한다. 거울 66은 1.5 mm에 대해서는 반사율이 높으며, 1064 nm에 대해서는 투과율이 높다 (Nd:YAG 여기), 그리고 거울 74는 1.5 ㎛ 까지 반사율이 높다. 편광자 72는 공진기내에 폴드를 형성한다. 이는 종이면상의 편광(P 편광)에 대해서는 투과율이 높으며, 종이면에 수직한 면상의 편광(S 편광)에 대해서는 반사율이 높다. 포켈스 셀 68은 λ/4 지연이 이루어질 수 있을 정도로 매우 빠르게(약 3 ns) 턴온(turned on)될 수 있다. 포토 디텍터 76 (약 1 ns의 응답시간을 가지는)은 거울 74을 통해 누출되는 작은 빛을 감지하도록 되어 있다. KTP 크리스탈은 1064 nm로 부터 1.5 및 3.6 ㎛의 위상 일치를 이루도록 절개되어 있으며, 1.5 ㎛의 펄스가 S 편광이 되도록 배향되어 있다. 공진기 내측의 피코초 OPO 펄스는 여기빔의 매 왕복과 동시에 형성된다. 포토 디텍터는 펄스 트레인을 감지하고, 포켈스 셀이 ON되도록 작동시키는 딜레이 발생기를 작동시킨다. 딜레이를 적절히 조절하면, ps OPO 펄스가 최대가 될때, 포켈스 셀이 ON 된다. 포켈스 셀을 지나는 두 통로는 편광을 90도 회전시켜(P 편광으로) 전체 펄스가 1.5 ㎛의 단일 ps 펄스로서 공진기를 빠져나가게 한다 (캐비티 덤핑).
이상의 설명은 많은 한정을 담고 있지만, 이는 단순히 본 발명의 바람직한 실시예의 일예인 것으로, 이것이 본 발명을 한정하는 것으로 이해되서는 않된다. 예를 들면, 당업자라면 매우 다양한 파장의 ps 펄스가 HG, SFG 및 OPO 광학 요소들을 다양하게 조합하여 생성될 수 있음을 알 것이다. ps 펄스는 대기가스들 및 다른 요소들의 원거리 감지를 위해서 이용될 수 있다. 빔은 매우 정확한 측정이 요구되는 3-D 타겟 범위를 결정하는데에도 이용될 수 있다. 또한, 당업자라면 다이오드 여기 레이저가 적절한 아크 램프 및 플레시 램프로 대체될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 여기 장치는 위에서 설명한 것과 같이 주기적으로 작동하지 않고 연속적으로 작동할 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다. 연속적일 경우에 도 5A에서 보여지는 펄스는 상당한 끊어지는 시간없이 나란히 있을 것이다. 도 1을 참조하여 설명된 바람직한 실시예는 초당 1000 펄스를 제공하여, 각 펄스는 1/1000초의 거리를 두고 있다. 캐비티의 길이를 3.5 feet가 아닌 7 feet로 만듬으로써, 약 7 ns의 거리를 두고 두 개의 펄스가 동시에 캐비티에 형성되도록 할 수 있다. 이 펄스들은 함께 릴리스될 수 있고, 그 결과 레이저 시스템의 출력이 약 7 ns의 간격의 두 개의 펄스가 1 KHz의 비로 릴리스되는 일련의 펄스가 될 수 있다.
당업자는 본 발명의 범위내에서 많은 변형이 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 범위는 위에서 설명된 예가 아니라 첨부된 청구범위에 의해서 결정됨은 주지의 사실이다.

Claims (30)

  1. A) 레이저 크리스탈과;
    B) 상기 레이저 크리스탈을 여기하도록 배열된 광학 여기장치와;
    C) 상기 레이저 크리스탈을 지나는 빔경로를 정의하는 공진기를 형성하는 적어도 두 개의 거울면과;
    D) 짧은 주기의 시간만을 제외하고 상기 빔경로 내에서 빛의 통과를 차단하기 위하여 상기 빔경로 내에 설치되어, ON 주기와 OFF 주기를 정의하는 제1 광학셔터와;
    E) 상기 매 ON 주기 동안에 상기 공진기 내에서 빛의 속도로 이동하는 광펄스가 상기 공진기를 통하여 여러번 통과함으로써 매회 통과시마다 강도를 증가시켜 강화된 펄스를 생성할 수 있는 간격으로 이루어진 주기적인 서브 나노초 간격 동안만을 제외하고 상기 공진기 내에서 빛의 통과를 차단하기 위하여 상기 공진기 내에 배치되는 제2 광학셔터와; 및
    F) 상기 공진기로부터 강화된 펄스를 강화된 펄스 레이저빔으로서 주기적으로 릴리스하기 위한 광학 릴리스 메커니즘을 포함하는, 고체 단펄스 레이저 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 광학 여기장치는 적어도 하나의 레이저 다이오드 어레이를 포함하는, 단펄스 레이저 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 레이저 다이오드 어레이는 주기적인 여기 주기를 형성하기 위하여 상기 레이저 크리스탈을 주기적으로 여기하도록 제어되는, 단펄스 레이저 시스템.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 레이저 다이오드 어레이는 상기 레이저 크리스탈을 연속적으로 여기하도록 제어되는, 단펄스 레이저 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 레이저 크리스탈은 Nd:YAG 크리스탈인, 단펄스 레이저 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 제1 광학셔터는 음향-광학 큐-스위치인, 단펄스 레이저 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 제2 광학셔터는 음향-광학 모드동기인, 단펄스 레이저 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 광학 릴리스 메커니즘은 포켈스 셀을 포함하는, 단펄스 레이저 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 클리스탈은 Nd:YAG 크리스탈이며, 상기 제1 광학셔터는 음향-광학 큐-스위치이며, 상기 제2 광학셔터는 음향-광학 모드동기이며, 그리고 상기 광학 릴리스 메커니즘은 포켈스 셀을 포함하는, 단펄스 레이저 시스템.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 강화된 펄스 레이저빔을 증폭하기 위한 레이저 증폭기를 더욱 포함하는, 단펄스 레이저 시스템.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 레이저 증폭기는 다수의 다이오드 여기 Nd:YAG 로드를 포함하는, 단펄스 레이저 시스템.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 다수의 다이오드 여기 Nd:YAG 로드는 그 Nd:YAG 로드를 통하여 펄스 레이저빔의 다중 이중 통로를 제공하도록 구성되는, 단펄스 레이저 시스템.
  13. 제 10 항에 있어서, 상기 레이저 증폭기는 상기 Nd:YAG 로드를 통하여 펄스 레이저빔의 적어도 4개의 통로를 제공하도록 구성되는 다수의 다이오드 여기 Nd:YAG 로드를 포함하는, 다이오드 여기 고체 단펄스 레이저 시스템.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 각각의 Nd:YAG 로드는 다수의 레이저 다이오드 어레이에 의해서 여기되는, 다이오드 여기 고체 단펄스 레이저 시스템.
  15. A) 레이저 크리스탈과;
    B) 여기 시간 동안 상기 레이저 크리스탈을 여기하기 위한 여기 수단과;
    C) 상기 레이저 크리스탈을 지나는 빔경로를 정의하는 레이저 공진기를 형성하기 위한 적어도 두 개의 거울면을 포함하는 공진기 수단과;
    D) 주기적으로 간격을 두고 떨어진 짧은 시간 주기 만을 제외하고 상기 공진기내의 빛을 차단하기 위한 제1 셔터 수단과;
    E) 상기 공진기 내에서 빛의 속도로 이동하는 적어도 하나의 광펄스가 상기 공진기를 통하여 여러번 통과함으로써 매회 통과시마다 강도가 증가되는 간격으로 이루어진 주기적인 서브 나노초 간격 동안만을 제외하고 상기 공진기내의 빛을 차단하기 위한 제2 셔터 수단과; 및
    F) 상기 공진기로 부터 상기 적어도 하나의 펄스를 릴리스하기 위한 광학 릴리스 수단을 포함하는, 고체 단펄스 레이저 시스템.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 여기 수단은 적어도 하나의 레이저 다이오드 어레이를 포함하는, 단펄스 레이저 시스템.
  17. 제 16 항에 있어서, 상기 레이저 다이오드 어레이는 주기적인 여기 주기를 형성하기 위하여 상기 레이저 크리스탈를 주기적으로 여기하도록 제어되는, 단펄스 레이저 시스템.
  18. 제 16 항에 있어서, 상기 레이저 다이오드 어레이는 상기 레이저 크리스탈을 연속적으로 여기하도록 제어되는, 단펄스 레이저 시스템.
  19. 제 16 항에 있어서, 상기 레이저 크리스탈은 Nd:YAG 크리스탈인, 단펄스 레이저 시스템.
  20. 제 16 항에 있어서, 상기 제1 셔터 수단은 음향-광학 큐-스위치를 포함하는, 단펄스 레이저 시스템.
  21. 제 15 항에 있어서, 상기 제2 셔터 수단은 음향-광학 모드동기를 포함하는, 단펄스 레이저 시스템.
  22. 제 15 항에 있어서, 상기 공진기 수단은 편광빔 분할기를 포함하며, 상기 릴리스 수단은 상기 공진기 내에서 펄스의 편광을 회전시키는 포켈스 셀을 포함하는, 단펄스 레이저 시스템.
  23. 제 15 항에 있어서, 상기 레이저 크리스탈은 Nd:YAG 크리스탈이며, 상기 여기 수단은 적어도 하나의 다이오드 레이저를 포함하며, 상기 제1 셔터 수단은 음향-광학 큐-스위치를 포함하며, 상기 제2 셔터수단은 음향-광학 모드동기를 포함하며, 상기 공진기 수단은 편광빔 분할기를 포함하며, 그리고 상기 광학 릴리스 수단은 상기 공진기내에서 펄스의 편광을 회전시키기 위한 포켈스 셀을 포함하는, 단펄스 레이저 시스템.
  24. 제 15 항에 있어서, 상기 강화된 펄스 레이저빔을 증폭하기 위한 레이저 증폭기 수단을 더욱 포함하는, 단펄스 레이저 시스템.
  25. 제 24 항에 있어서, 상기 레이저 증폭기는 다수의 다이오드 여기 Nd:YAG 로드를 포함하는, 단펄스 레이저 시스템.
  26. 제 25 항에 있어서, 상기 다수의 다이오드 여기 Nd:YAG 로드는 그 Nd:YAG 로드를 통하여 펄스 레이저빔의 다중 이중통로를 제공하도록 구성되는, 단펄스 레이저 시스템.
  27. 제 26 항에 있어서, 상기 레이저 증폭기는 상기 Nd:YAG 로드를 통하여 펄스 레이저빔의 적어도 4개의 통로를 제공하도록 되어 있는 다수의 다이오드 여기 Nd:YAG 로드를 포함하는, 단펄스 레이저 시스템.
  28. 제 27 항에 있어서, 상기 각각의 Nd:YAG 로드는 다수의 레이저 다이오드 어레이에 의해서 여기되는, 다이오드 여기 고체 단펄스 레이저 시스템.
  29. A) Nd:YAG 로드와;
    B) 상기 Nd:YAG 로드를 여기하도록 배열된 다이오드 어레이와;
    C) 다음을 포함하는 큐-스위치 제어 공진기와;
    1) ON 주기와 OFF 주기를 정의하는 큐-스위치와;
    2) 공진기를 형성하는 적어도 두 개의 반사면과; 및
    3) 편광빔 분할기
    D) 편광을 형성하며, 상기 공진기 내에서 빛의 속도로 이동하는 적어도 하나의 광펄스가 상기 공진기를 통하여 여러번 통과함으로써 매회 통과시마다 강도가 증가되는 간격으로 이루어진 주기적인 서브 나노초 간격 동안만을 제외하고 상기 공진기 내에서 빛의 통과를 차단하기 위하여 상기 공진기내에 배치되는 음향-광학 윈도우와; 및
    E) 상기 적어도 하나의 펄스의 편광을 주기적으로 회전시켜 펄스가, 강화된 펄스 레이저빔을 형성하는 펄스 빔 상태로 상기 공진기로부터 릴리스되게 하는 편광 회전자를 포함하는, 다이오드 여기 고체 단펄스 레이저 시스템.
  30. 제 30 항에 있어서, 상기 강화된 펄스 레이저빔을 증폭하기 위한 레이저 증폭기를 더욱 포함하는, 다이오드 여기 고체 단펄스 레이저 시스템.
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