KR20010005608A - 고전력 레이저 장치 - Google Patents

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Abstract

고전력 레이저 복사선을 생성하기 위한 장치 및 방법에서 공명 레이저 공동(resonant laser cavity)의 기하학적 구조가 기본 공간(fundamental spatial) 또는 횡단 공동 모드(transverse cavity mode)를 정한다. 이득 매체(gain medium)가 공명 공동 내에 위치하게 되고, 에너지 소스가 제1 볼륨 내의 이득 매체를 활성화시킨다. 상기 에너지 소스로부터 자연 방출 및 유도 방출(spontaneous and stimulated) 에너지 방출이 상기 기본 공동 모드에 대해 대체로 횡단 방향으로 상기 이득 매체 내에서 전파된다. 상기 횡단 에너지 방출은 상기 제1 볼륨 둘레의 상기 이득 매체의 제2 볼륨을 광학적으로 펌핑한다. 상기 방출의 강도가 충분히 높을 때, 반전(inversion) 및 이득이 제2 볼륨에서 생성된다. 기본 공동 모드가 제1 볼륨 및 제1 펌핑된 볼륨을 둘러싼 제2 볼륨에 모두 결합되도록 공동의 기하학적 구조를 최적화하고, 낭비될 제1 볼륨의 횡단 방향 에너지를 기본빔에 포획함으로써 레이저의 전반적인 전력을 효율적으로 개선한다. 본 발명에 의한 레이저는 외부 공동 내에서 구성될 때, 효율적인 비선형 주파수 변환을 위해 적절한 전체 경로 길이에 걸쳐 빔 전력 밀도가 제공되기 때문에, 출력 빔의 주파수 변환에 적응적이다.

Description

고전력 레이저 장치 {HIGH POWER LASER DEVICES}
일반적으로 사용되고 있는 반도체 레이저로는 에지 발광 다이오드 레이저(edge-emitting diode laser) 및 수직 공동 표면 발광 다이오드 레이저(vertical cavity surface emitting laser: VCSELs)등이 있다. 에지 발광 레이저에서는, 반도체 이득 매체 예를 들면, 양자 우물(quantum-well) 반도체 구조가 반도체 기판의 표면에 형성되어 있다. 상기 기판의 양 반대쪽에 공동 거울들(cavity mirrors)을 형성하거나 또는 배치시켜 기판 표면에 수직하도록 상기 이득 매체를 포함하는 공명 공동(resonant cavity)을 형성한다. 상기 이득 매체의 전기적 또는 광학적 펌핑(pumping)이 기판의 표면 방향을 따라 진행하는 레이저 빔을 생성하게 한다.
에지 발광 레이저는 가장 일반적으로 사용되는 반도체 레이저 장치이다. 개별적인 단위 또는 선형적인 일련의 막대형으로 상업적으로 구입 가능하며 예를 들면, 고체 상태의 레이저를 펌핑하기 위한 광학적 펌프 소스로 사용된다. 일반적으로 에지 발광 레이저에서 수백 밀리와트(milliwatts) 보다 큰 고전력의 적용은 복수개의 진동수 및 고차 공간 모드(high order spatial modes)와 함께 가능하다. 이로 인해, 단일 공간 모드 및/또는 단일 진동수에서는 고전력 레이저 출력이 어려웠다. 에지 발광 레이저는 또한 상당한 정도의 난시 현상 문제 및 일반적으로 큰 빔 종횡비 문제를 가지고 있어서, 작은 사이즈의 부위에 초점을 맞추기가 어려우며, 집속 출력 빔(focused output beam)을 요구하는 경우에서는 사용하기가 불가능하였다. 또한, 에지 발광 레이저 빔의 낮은 성능으로 인하여, 비선형 광물질(nonlinear optical materials)을 사용할 때, 레이저 출력의 주파수 2배하기(frequency doubling)가 어렵고 비효율적이었다.
일반적인 VCSEL 레이저에서는, 공동 거울들(cavity mirrors)이 반도체 기판에서 성장한 반도체 이득 매체의 대향면에 형성되거나 또는 위치된다. 전기적 또는 광학적 펌핑은 상기 기판의 표면에 직교하는 방향으로 발광되는 레이저 빔을 생성한다.
통상적인 VCSELs는 광통신(optical communication) 및 광 상호접속 시스템(optical interconnect systems)에 사용되고 있다. VCSEL 레이저는 대략 8 밀리와트(mW) 연속파(cw)로 제한된 기본 공간 모드(fundamental spatial mode) TEM0저전력 출력으로 특징지어지며, 또한 기본 공간 모드의 수 마이크로미터(μm) 단위의 작은 빔 직경으로 특징지어진다. 100μm 단위의 빔 직경을 갖는 더 넓은 면적의 VCSEL 레이저는 수백 밀리와트(mW) 연속파(cw) 출력을 갖는 빔을 생성한다. 그러나, 종래의 VCSEL에서 고전력 및 큰 직경의 출력 빔을 얻기 위해서는 일반적으로, 고차 공간 모드(high order spatial modes) 및 복수개 주파수를 필요로 하였다. 당업계에서 수직 외부 공동 표면 발광 레이저(vertical external cavity surface emitting laser: VECSEL)로 불리어지는 외부공동 VCSEL 구조에서는, 외부 반사체가 출력 커플러(output coupler)로서 역할을 한다. 상기 VECSEL 장치는 VCSEL 장치보다 더 높은 기본 공간 모드 출력 전력을 제공한다.
그러나, 종래의 VECSEL을 사용한 동작은 통상적으로 저출력 전력을 제공한다. 예를 들면, Sandusky 및 Brueck에서의 작동도 저출력 전력을 생성하였고 반도체를 여기시키기 위하여 광학적인 펌핑을 사용하였다. J.V. Sandusky 및 S.R.J. Brueck 저작의 「연속파 외부 공동 표면 발광 레이저(A cw external cavity surface-emitting laser)」(Photonics Technology Letters, vol.8 pp.313-315, 1996)를 참고할 수 있다. Hadley등의 연구에 의하면, 외부 공동에서 전기적으로 여기된 VCSEL은 기본 공간 모드에서 2.4 mW의 연속파(cw) 및 100 mW의 펄스파를 생성했다. 이 경우에, 최고 120μm에 달하는 발광 면적이 사용되었다. M.A. Hadley, G.C. Wilson, K.Y. Lau 및 J.S. Smith 저작의「외부 공동 표면 발광 레이저 다이오드로부터 단일 횡단 모드 고출력(High single-traverse mode output from external cavity surface emitting laser diodes)」(Applied Phys. Letters, vol.63, pp.1607-1609,1993)를 참고로 할 수 있다.
다양한 레이저 응용에서, 레이저 빔은 주파수 변환 또는 주파수 2배하기에 따라 영향을 받는다. 예를 들면, KTP, KTN, KNbO3및 LiNbO3와 같은 비선형 물질을 레이저 빔의 경로에 제공함으로써, 달성된다.
비선형 물질에 입사하는 빔의 주파수는 제2의 주파수로 변환될 수 있다. 상기 비선형 물질들은 결정을 통과하는 빔의 주파수를 2배하도록 물질의 성질이 작용하므로 "2배하기 결정"이라고도 불리어진다. 상기 물질에 의한 효율적인 주파수 변환은 일반적으로 고강도 및 단일 모드의 입사빔을 요한다.
에지 발광 다이오드 레이저 공동의 외부에 제공된 상기 2배하기 결정을 사용함으로써, 반도체 레이저의 주파수 2배하기는 다양하고 많은 효과를 보여왔다. 에지 발광 다이오드 레이저로부터의 출력 빔은 일반적으로 효율적인 주파수 2배하기를 위해 이상적으로 요구되는 것으로부터 광학 필드 강도 및 위상면을 격하시킬 수 있는 난시 현상과 함께 높은 분산성과 횡단비(aspect ratios)를 보여왔다. 광학 필드 강도를 상대적으로 긴 경로길이들 전 범위에 걸쳐서 유지하기 위하여 비선형 물질에서 제조된 광학 파동가이드(waveguide)로 다이오드 레이저로부터 광을 보내는 실험들을 실시해 왔다. 이러한 기술들은 일반적으로 복잡하고, 레이저광을 외부의 파동가이드에 보낼 수 있을 정도의 충분한 빔의 성질을 갖고 있는 상대적으로 저전력 다이오드 레이저를 사용했다.
과거로부터 다양한 기술들이 시도되어 왔지만, 빔전력이 효율적인 변환을 어렵게 해왔다. Gunter 등에 의한 저작 「레이저 다이오드에서 광학 주파수 2배하기를 위한 비선형 광학 결정들(Nonlinear optical crystals for optical frequency doubling with laser diodes)」(Proc. of SPIE, vol.236, pages 8-18, 1980)는 단일 패스 2배하기 구조에서 포타시움 니오베이트(potassium niobate) KNbO3를 사용한 다이오드 레이저 복사선의 주파수 2배하기를 소개했지만, 효율성이 낮았다. 또다른 기술로, Koslovsky 등이 (Optics Letters 12, 1014, 1987) 주파수 변환을 얻기 위한 순환 전력을 증가시키기 위해서 외부 링 공명기에서 단일 공동 모드, 에지 발광 다이오드 레이저 및 KNbO3등을 도입했다. Koslovsky 구조는 비선형 결정의 온도를 주파수와 조화시켜야 함은 물론 단일 주파수 레이저의 주파수를 링공동(ring cavity)의 Fabry-Perot 공명과 동기화시킴을 필요로 하였다. 그러나, 이것은 주파수 동기화를 유지하기 위해 복잡한 결정 배열 및 파장조정 회로를 요구하였다.
본 발명은 고전력 레이저 장치에 관한 것이다.
도1은 본 발명에 의한 VECSEL(vertical external cavity surface emitting laser)의 구조를 도시한 사시도.
도2는 제1 펌핑된 볼륨(volume)으로부터 제 2 환형의 볼륨으로 유도 자연 방출된 횡단 전파를 도시하기 위해 본 발명에 의한 도1의 구조를 도시한 단면도.
도3은 본 발명에 의한 제1 펌핑된 볼륨 및 제2 환형 볼륨의 관계를 도시하기 위하여 VCSEL(vertical cavity surface emitting laser)의 구조를 도시한 사시도.
도4는 본 발명에 의한 광학 증폭기의 구조를 도시한 사시도.
도5는 출력 에너지가 광섬유(fiber-optic)로 공급되는 결합 구성을 도시한 측면도.
본 발명은 단일 공동 모드에서 고전력 레이저 빔을 생성시키기 위한 장치 및 방법을 제공한다. 외부 공동에서 구성될 때, 본 발명에 의한 레이저는 효율적인 주파수 변환을 위해 적절한 경로 길이들 전 범위에 걸쳐서 빔 전력 밀도가 제공되기 때문에 출력 빔의 주파수 변환에 적응적이다.
본 발명의 일 실시예에 의한 장치는 제1 및 제2 반사체 사이에 정해지는 공명 공동(resonant cavity)을 포함한다. 상기 공명 공동의 기하학적 구조에 의해, 기본 공간(fundamental spatial) 또는 횡단 공동 모드(transverse cavity mode)가 정해진다. 이득 매체는 상기 공명 공동 내에 위치되고, 에너지 소스는 제1 볼륨 내의 이득 매체를 활성화시킨다. 이것은 자연 유도 에너지 방출(spontaneous and stimulated energy emission)이 상기 기본 공동모드에 대해 횡단방향으로 상기 이득 매체로 전파하게 한다. 다음으로, 이 횡단 방출이 상기 제1 볼륨 둘레의 이득 매체의 제2 볼륨을 광학적으로 펌핑한다. 자연 방출의 강도가 충분히 높을 때, 반전 및 이득(inversion and gain)이 제2 볼륨에서 생성된다. 제1 및 제2 볼륨 내의 에너지는 기본 공동 모드 레이저빔에 결합된다.
상기 기본 공동 모드가 제1 및 제2 볼륨에 결합되는 방식으로 공동의 기하학적 구조를 최적화함으로써, 낭비될 상기 제1 볼륨으로부터의 제2 볼륨으로의 횡단 에너지를 기본빔으로 포획하여 레이저의 전 전력 효율을 증가시킨다. 이것을 실현화시키기 위한 본 발명의 또 다른 일 실시예에서, 기본 공동 모드를 제2 볼륨의 단면 직경과 조화시키기 위해, 공동 거울들이 선택된다. 이 방식으로, 기본 공동 모드에서의 레이저 에너지를 상기 이득 매체의 제1 및 제2 볼륨으로부터 효율적으로 뽑아낼 수 있다. 출력 에너지가 더 높은 차원(higher order) 공간 모드에서도 유사한 결과가 적용된다.
또 하나의 일 실시예에서, 제1 볼륨은 단면 직경 D1을 가지는 대체로 원통형이고, 상기 제2 볼륨은 외부 단면 직경 D2및 내부 단면 직경 D1을 가지는 환형이며, 상기 제1 볼륨 및 제2 볼륨은 단면적이 대체로 동심원을 이룬다.
바람직하게는, 수직 공동 구조에서 이득 매체는 반도체 물질로 형성된다. 대안적으로, 이득 변환의 스펙트럼 영역에서 흡수성을 갖는 활성화 이온을 갖는 고체 상태 물질로 형성될 수도 있다. 그러한 고체 상태 물질의 보기로는 Er:glass, Yb:glass 및 Yb:YAG가 있다. 바람직하게는, 고체 상태 물질의 경우에 펌핑 에너지가, 예를 들면 다이오드 레이저인 광학 수단에 의해 생성된다.
레이저 출력 주파수를 변환시키기 위해, 비선형 물질을 광학 공동 내에 또는 레이저 외부에 위치시킬수 도 있다. 비선형 전환을 위해 적절한 물질로는 KTP, KTN, KNbO3및 주기적으로 극성을 가지는 LiNbO3와 같은 물질등이 있다.
이하 더 상세히 설명될 본 발명의 바람직한 일 실시예에 의하면, 1mm 직경 빔을 위한 기본 공동 공간 모드에서 100kW 이상의 내부작용 순환 전력 레벨을 생성시킬수 있다. 이 레벨은 비선형 물질에서 기본 복사선의 고조파(高調波)(harmonic) 변환을 획득하기에 충분하다. 일 예로, GaInAs 이득 매체를 사용한 반도체 구조에서 주파수 2배하기는 900nm 내지 1100nm 의 기본 파장 및 청색 내지 녹색 파장에서 2배 주파수 출력을 제공한다.
본 발명의 다른 특징 및 이점은 발명의 상세한 설명 및 청구항에서 명백해질 것이다.
도1은 본 발명의 한 실시예에 의한 VECSEL(vertical external cavity surface emitting laser)의 구조를 도시하고 있다. 도1의 레이저는 반도체 기판(20)을 포함하고 있으며, 반도체 양자 이득 영역(22)이 상기 반도체 기판(20)에 첫 번째로 접해있다. 또한 제1 반사체(first reflector)(26), 예를 들면, p-Bragg 반사체가 상기 양자 우물 영역(quantum-well gain region)(22)에 접해서 형성된다. 제2 외부 반사체(30)가 상기 제 1 반사체(26)의 반대편에 위치한다. 상기 제1 및 제2 반사체(26)(30)사이의 간격 및 그들 각각의 곡률에 의해, 기본 공동 모드(fundamental cavity mode)(60)가 정해진다. 상기 제2 반사체(30)는 도1의 VECSEL 구조에서와 같이 외부 공동 거울(external cavity mirror)로 도시된다. 그러나, 제2 반사체(30)가 기판의 이면 가까이에 직접 적층되어 VCSEL(vertical cavity surface emitting laser) 구조를 제공할 수도 있다. 본 발명의 목적을 위하여 본 명세서에서 사용된 용어 "반사체"는 부분적으로 및/또는 전체적으로 물질 및/또는 기판을 포함할 수 있다. 종래 기술에서도 잘 알려진 바와 같이, 제2 반사체(30)에 접하는 기판(20)의 표면(42)은 반-반사 코팅(anti-reflection coating)(42)으로 처리하여 경계면을 횡단하는 임의의 빔 에너지(60)가 최소한의 반사율로 통과하게 하는 것이 바람직하다.
도2의 단면도에 도시된 바와 같이, 전류(38)가 기판(20)의 양면에 위치한 환형 접면(28) 및 원형 접면(40) 사이를 통과하도록 공명공동이 전기적 환형 접면(28)을 통해 전기적으로 펌핑된다. 전류(38)는 결과적으로 원뿔형의 모양을 보이게 되고, 원뿔형의 베이스(39A)는 환형 접면(28)에 접하게 되고 원뿔의 정점(39B)은 원형 접면(40)에 가까이 위치하게 된다. 정점(39B)에서 전류는 일반적으로 단면에서 원형을 이루게 되고, 이득 영역(22)에서 대체로 원통형인 제1 볼륨(44)에 에너지를 공급한다. 제1 볼륨(44)의 직경은 D1이며 바람직하게는 이득 영역(22)의 두께보다 대체로 크다.
이득 영역(22)에서 직경이 D1인 부분은 도2의 화살표(48)로 보인 바와 같이 공동 레이저 빔(cavity laser beam)의 전파에 수직인 방향으로 전파되도록 유도 자연 발광(stimulated and spontaneous emission)을 생성한다. 종래의 표준 VCSEL 또는 VECSEL 에서는 상기와 같은 에너지가 장치의 옆면을 통해 방출되어 버리거나, 출력 빔(32)에 기여하지 못하는 에너지로 낭비되어 버리기도 했다. 본 발명의 구성에서는, 이러한 횡단 에너지(48)가 제1 펌핑 볼륨을 둘러싸는 환형의 제2 볼륨(46)에 흡수된다. 이 흡수된 에너지는 제2 볼륨(46)을 펌핑하는데 사용되며, 기본 레이저 모드(60)에 이득 및 전력을 공급하게 된다.
D1인 제1영역으로부터의 전기적인 또는 광학적인 펌핑이 이득을 생성할 때, 이 이득은 횡단 및 수직 양 방향으로 일어난다. 횡단 방향 이득 길이는 수직 방향 이득 길이보다 크기 때문에 더 많은 유도방출이 횡단 방향 이득 길이에서 일어난다. D1이 더 클수록 횡단 방향에서 유도방출에 대한 순 이득은 더 크진다. 반도체 표면에서 수직 방향으로의 열 분산 및 광학적 전력 밀도의 갑작스러운 감소에 의한 한계로 인해 출력 전력이 클수록 더 넓은 면적의 장치를 요구한다. 그러한 큰 면적의 장치에서는 횡단 방향의 유도방출의 발생으로 인해 상당한 양의 전력이 낭비되고 결국 전반적인 전력 변환 효율이 감소된다.
자연방출도 또한 일어나지만, 더 큰 면적의 장치에서는 덜 중요하다. 주변영역이 유도방출을 흡수하도록 제작된다면(소정의 정도까지는, 자연방출도 또한 흡수하도록), 낭비되어 버릴 수 있는 에너지가 이득을 생성할 수 있을 정도로까지 제2 영역 D2를 광학적으로 펌핑하는데 사용될 수 있다. 이득 매체에서 D2와 동일한 모드 웨이스트를 생성하도록 외부 거울(30)을 조정함으로써 제2 영역 D2로 펌핑된 에너지를 직교하는 방향으로 끌어낼 수 있다. 외부 공동 거울(30)은 D1및 D2에 의해 정해진 총 면적에서 이득을 고정 즉 ‘클램프(clamp)' 할 것이다. 펌핑된 영역의 중심으로부터 멀어질수록 그 강도가 감소됨과 함께 횡단 펌핑의 정도도 감소하기 때문에 제2 영역 D2의 정도에도 한계가 있다. 이 한계는 D1의 크기 및 D1이 정하는 영역에서 펌핑의 강도(전기적 또는 광학적)와 관련되어 있다.
모드 웨이스트 직경 D2가 주어질 때, 제2 반사체(30)에 대한 적절한 곡률반경 R 및 적절한 광학적 공동길이 L을 갖는 공동(cavity)을 제작하는 기술은 당업계에서도 잘 알려져 있다. 예를 들면, 「빔, 모드 및 공명기(Beams, Modes and Resonators)」(Herwig Kogelnik 및 Tingye Lee 저: CRC handbood of Lasers. CRC Press, 1971, pg. 421-441)을 참고할 수 있다. 제2 직경 D2는 여기 준위(excitation level) 및 직경 D1의 함수로 나타난다. 상기 제작은 순환 전력 밀도(circulating power density)에 의해 제한되기는 하나 최고출력전력을 얻기 위해 최적화될 수 있으며, 이는 또한 반도체의 급격한 감손(catastrophic degradation) 및 제2 직경 D2로부터 열전력 분산에 의해서도 제한된다. 공동을 위한 모드 웨이스트 직경은 예를 들면, 공동 길이 L을 제2 반사체(30)의 곡률 R에 대한 고정 반경을 조정함으로써 구해질 수 있다.
도3은 본 발명에 의해 펌핑된 제1 볼륨(44) 및 제2 볼륨(46)의 출력과의 관계를 도시하기 위해 VSCEL 구조를 갖는 레이저를 도시한 사시도이다. 펌핑된 제1 볼륨(44)은 이득 매체(22)의 영역에서 직경 D1을 갖는다. 화살표(48)로 나타내는 바와 같이 유도 자연 방출의 횡단 전파는 제1 볼륨(44)을 둘러싸는 제2 볼륨(46)으로 특징지어지는 환형 볼륨(46)을 광학적으로 펌핑하거나 또는 활성화시킨다. 환형 볼륨(46)은 내부 직경 D1및 외부 직경 D2를 지니고, Gaussian 빔 분포와 같이 그 단면에서 제1 볼륨 (44)과 대체로 동심원을 이룬다. 기본 공동 모드는 제1 및 제2 볼륨 모두에서 에너지가 포획되어 출력 빔(32)에 기여할 수 있도록 제2 볼륨(46)의 외부 직경 D2와 대체로 같은 직경을 가지도록 최적화 될 수 있다. 제1 볼륨(44)의 여기(excitation)는 전기적 또는 광학적 수단에 의해서도 일어날 수 있다.
바람직하게는, 최고 동작 전력수준에서 상기 모드 웨이스트가 상기 직경 D2와 대체로 같아지도록 레이저 공동 파라미터들을 조정할 수 있다. 도2에 도시된 바와 같이, 하나의 평면 거울(26) 및 곡률 반경 R을 가지는 하나의 볼록 구면 거울(30)로 구성된 레이저 공동에서, 레이저 칩 w1및 출력 거울 w2에서 모드 빔의 직경은 다음과 같이 정해질 수 있다.
w1 2= 4λL/π[(R-L)/L]1/2(1)
w1 2= 4λL/π[L/(R-L)]1/2(2)
여기서 L은 공동 길이이고, λ는 전술한 Kogelnik 등에서 묘사된 출력 레이저 빔(32)의 파장이다. 기본 레이저 모드의 직경은 예를 들면, 곡률반경 R의 특정 반경에 대한 공동 길이 L을 조정함으로써, 제2 볼륨(46)의 외부 직경 D2와 같아지도록 조정 가능함은 상기 식으로부터 분명하다. 대안적으로, 곡률 반경 R의 반경은 공동 길이 L의 특정 범위로부터 선택되어질 수 있다. 곡선 거울 대신에, 동일한 결과를 얻기 위하여 적절한 기하학적 모양을 가진 평면 출력 커플러(flat output coupler)(30)가 공동에 배치되는 렌즈와 함께 사용될 수도 있다. 물리적인 렌즈 또는 열 렌즈가 이 목적을 위해 사용될 수도 있다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 의한 반도체 레이저 장치는 다중 양자 우물 구조(multiple-quantum well-structure)의 이득 두께(gain thickness)와 동일한 총 이득 두께를 갖는 다중요소 양자우물 구조(multiple-quantum quantum-well structure) 또는 하나의 이득 영역(gain region)으로 구성된다. 충분한 단일 패스 이득을 획득하기 위해, GaInAs와 같은 반도체 물질에 형성된 900nm (nanometer) 내지 1100nm 파장의 레이저 구조는 적어도 5개의 양자우물을 갖거나 또는 상응하는 두께의 양자우물을 가진다. 더 효율적인 동작을 위하여, 상기 레이저 파장에서 도전성 기판층(20)에서의 자유캐리어의 흡수로 인한 광학적인 손실을 효율적으로 극복하기 위해 적어도 10개의 양자우물이 사용되기도 한다. 전형적인 하나의 양자우물의 두께는 약 8nm이다. 광학적 대역간격(bandgap)은 양자우물의 두께에 달려있고, 상기와 같은 두께를 갖는 단일 이득 물질층은 같은 복합 구조를 갖는 좁은 양자우물 물질과는 다소 변이된 파장을 보인다. 모든 내부공동 손실을 극복하면서 효율적인 동작을 위한 이득을 증가시키기 위해, 양자우물들의 갯수 및 총 두께를 증가시킬 수 있다. 이것은 상기 구조를 균일하게 성장시키는 능력 및 그 구조에 대한 문턱전류밀도(threshold current density)에 의해서만 제한될 수 있다. 종래의 VCSEL은 일반적으로 매우 높은 반사율을 갖는 거울 사이에서 단지 하나의 또는 몇 개의 양자우물로 작동될 수 있다. 그러한 장치는 낮은 광학적 이득(optical gain)을 보이므로 본 발명의 장치만큼 효율적으로 작동할 수가 없다.
레이저 장치로 입사되는 전기 전류 또는 광학적 펌핑 에너지는, 예를 들면 「반도체 레이저(Semiconductor Lasers)」(G. P. Agarwal 저: The Americal Institute of Physics Press, pages 146-157)에 기술된 것과 같이 널리 알려진 방법들을 사용하여 제공될 수 있다. 본원의 바람직한 일 실시예에서, 대부분의 주입 전류(38)는 상기 공식 (1) 및 (2)에서 정해진 기본 공간 모드의 직경 D1와 동일한 또는 작은 직경을 갖는 원형 영역으로 향한다.
전술한 바와 같이, 에지 방출 다이오드 레이저를 사용한 저효율 2배수 파장 다이오드 레이저 복사는 종래에도 Gunter 및 Koslovsky등에 의해 소개되어왔다. 반대로, 본원의 바람직한 실시에서는 총 단일 패스 이득(single pass gain)이 에지 방출 레이저보다 상당히 낮은 VCSEL 또는 VECSEL 구조의 수직 공동 레이저를 도입하고 있다. 또한, 본 발명의 수직 공동 장치는 에지 발광 장치보다 훨씬 더 큰 원형 면적의 빔을, 예를 들면, 수백 배 더 넓은 면적에 걸쳐 분포한다. 기본 원형 공간 모드에서 획득 가능한 내부공동 순환 전력밀도는 반도체 표면에서 급격한 감손에 의해서만 단지 제한되므로 수 MW/cm2를 초과할 수 있다. 에지 발광 레이저에서도 유사한 전력 밀도들이 제공될 수 있지만, 그러한 빔은 다이오드 공동의 파동가이드(waveguide)에 의해 제한을 받게 되고 이것이 주파수 2배하기를 어렵게 한다. 주파수 변환의 효율은 광학적 강도 및 내부작용 영역의 길이에 모두 의존하기 때문에, 다이오드 레이저의 주파수 2배하기는 복잡하며, 충분한 내부작용 거리에서 필드 강도를 유지할 수 있는 파장가이드 구조에서 수행되어져 왔다. 본 발명에 의하면, 빔은 광 레이저 공동 내에서 실질적으로 비발산적이기 때문에 고 광학적 필드 강도들이 충분히 긴 내부작용 길이에서는 유지될 수 있으므로 높은 변환 효율을 획득할 수 있다. 최근에 연구된 주기적 극성 비선형 물질(periodically-poled nonlinear materials)에서와 같은 고품질의 빔이 공동외부에서 어떤 변환 구조에 대해서도 더 나은 주파수 변환의 환경을 제공한다. 더구나, 본 발명은 광학적 전력 및 비선형 변환 효율을 증가시키기 위해 펄스 및 이득-스위칭된(gain-switched) 즉 모드 동기형(mode-locked) 구조에서도 동작될 수 있다. 본 발명은 고조파 주파수 변환뿐만 아니라 합 또는 차 주파수 생성에서도 적용될 수 있다. 본 발명의 바람직한 실시에 의하면, 레이저가 단일 주파수에서도 동작되도록 비선형 물질이 Fabry-Perot 공명을 포함한다. 일예에 의한 구조가 도 2에 도시되어 있으며, 기판(20) 및 외부 거울(30) 사이에 내부작용 비선형 결정(58)이 포함되어 있다.
전술한 종래 기술 각각에서의, 예를 들면 Sandusky 등 및 Hadley 등, 구조는 제1 볼륨에서 생성된 횡단 에너지 방출에 의해 활성화되는 제2 볼륨과 함께 펌핑된 제1 볼륨으로부터 에너지를 끌어낼 수 있는 본 발명과는 달리, 펌핑된 볼륨에만 공동의 기하학적 모양을 적용시키는 것으로 제한되어 있었다.
전술된 바와 같이, 본 발명에 의하면 출력 전력은 모드 볼륨의 직경을 증가시킴으로써 최대화 될 수 있다. 예를 들면 10kW의 레벨의 최고 출력 전력은 직경이 1mm(millimeter)인 이득 영역으로부터 생성되어질 수 있다. 또한, 열적 요건들에 의해서만 제한을 받으며 단일 장치(single element device)로부터는 연속파 출력 전력이 10W(watts)를 넘기도 한다.
후진 방향으로 전파되는 제2 고조파 복사선은 활성화된 이득 영역으로 이동되는 전자 및 정공을 생성하는 방법으로 반도체 레이저 구조에서 추가적으로 흡수될 수 있어서 기본 레이저 방출의 전력을 증가시킨다. 이것은 또한 고조파 복사선의 일단 출력(single-ended output)을 생성할 분만 아니라 제2 고조파 출력의 효율을 증가시키는 효과를 가진다. 또 하나의 실시예에서, 고조파 복사선이 이득 매체로 재반사되지 않고 중간 거울을 통해 방출되도록 비선형 물질이 배치되는 삼거울 공동(three-mirror cavity)이 사용될 수 있다. 또한, 링 공명기 구조(ring resonator configuration)가 사용될 수도 있다.
적외선 파장에서 가시광선의 파장으로 변환을 위해 적절한 통상적인 주파수 2배하기 물질로는, 주기적으로 극성화되는 LiNbO3, KTP 및 KNbO3가 있다. 예를 들면, KTP는 1μm 복사선을 녹색광 파장으로 변환하기 위하여 위상정합(位相整合)(phase-matching)할 수 있고, KNbO3는 900nm 파장 영역에서 동작될 수 있는 GaInAs 다이오드 레이저를 사용하여 적외선 복사선을 청색광 파장의 복사선으로 변환할 수 있다.
본 발명에 의하면, 당업계에서 잘 알려진 내부작용 주파수 2배하기를 위한 많은 구조들이 사용되어 질 수 있다. 예를 들면, 전력 강도를 증가시키기 위해 거울(24, 30)에 의해 정해지는 레이저 공명기 내에 집속 렌즈를 장착할 수 있다. 그 기술은 매우 짧은 길이를 갖는 비선형 물질 또는 더 낮은 비선형 양도지수(良度指數)(figures of merit)를 갖는 비선형 물질의 사용을 가능하게 한다.
KTP 및 KNbO3와 같은 주파수 2배하기 물질에 대해, 본 발명의 구조에서 가능한 순환 전력 레벨에 대해 활성화된 결정 길이들은 1cm 보다 상당히 작을 수 있다. 더 짧은 비선형 물질 길이들은 더 넓은 온도 및 파장 위상정합 조건들을 제공한다. 예를 들면, KNbO3와 같이 1mm 또는 그 이하의 결정 길이는 섭씨 수도 이상의 온도 위상정합 대역폭 및 수 nm의 파장 대역폭을 제공한다. 그러한 넓은 수용가능 범위는 그러한 장치의 제조 및 작동을 더 실제적으로 가능하게 한다. 정밀한 파장 조정이 내부공동 이태론(intracavity etalons)으로 또는 당업계에서 잘 알려진 파장 조정 기술로 가능함에 비하여, 파장은 이득 매체 물질의 합금 혼합물의 선택에 의해 조정될 수 있다. 유사한 결과는 KTP를 포함하는 다른 비선형 물질에도 적용된다.
바람직하게는, 반도체 이득 영역(22)이 다중 요소 양자 우물 구조(multiple-element quantum well structure)를 포함한다. 대안적으로, 총 이득 두께가 다중 양자 우물 구조의 두께와 동일한 하나의 이득 영역이 사용될 수 있다. 충분한 단일 패스 이득을 획득하기 위하여, GaInAs로부터 만들어진 900nm 내지 1100nm 파장의 레이저 구조에서 전형적인 양자 우물의 수는 5개 이상이며, 통상적인 범위는 10 내지 25개 사이이다. 전기적 또는 광학적 여기를 사용하며 펄스파 조건아래에서 동작되는 고피크 전력 장치(high-peak-power device)에 대해서는 우물의 수가 50개 이상이 될 수 있다. 그 한계는 많은 수의 스테인(stain) 없는 양자 우물 층들을 성장시키는 실질적인 능력에 의해 좌우된다. 이 경우에, 헤테로 구조는 더 효과적인 선택이 될 수 있다. 고피크 전력 장치는 예를 들면, 고전력 Q-스위치 고체 상태 레이저를 펌핑 소스로 사용함으로써 제작될 수 있다.
종래의 수직 공동 반도체 레이저는 통상적으로 단지 하나의 또는 수개의 양자 우물 및 매우 높은 반사율을 갖는 공동 거울(cavity mirror)에 의해 동작된다. 그러나, 상기 장치는 고유의 낮은 광학적 이득 때문에 본 발명에서만큼 효율적으로 동작되지 않을 수 있다.
순 이득은 기판 물질(22)에서 자유 캐리어의 손실 및 내부작용 광학소자(光學素子)(optical elements)에서 반-반사 코팅막과 관련하여 비선형 물질에서 광학적 손실을 포함한 외부 공동에서의 손실을 보상하는데 충분하다.
도2는 반도체 기판(20)에 형성된 통상적인 양자 우물 소자(22)를 도시한다. 고반사율을 갖는 거울(26)이 소자의 후면 표면에서 성장하여 레이저 공명기의 거울들중의 하나로 제공된다. 최상층에 위치한 층은 반-반사 코팅(42)으로 레이저 파장에서 광학적 저흡수율을 보이는 도전성 접면으로서의 역할을 하게 된다. 또 하나의 실시예에서, 제2 고조파 복사선보다 더 큰 광학적 대역폭을 가진 전기적 도전성 물질층은 캐리어의 확산 길이보다 더 작은 두께를 가지며, 기본 레이저 복사선에 투명하고, 활성 물질 및 넓은 대역간격(bandgap) 물질 사이에서 성장한 제 2 고조파 복사선을 흡수하는 제2 도전성 층으로 형성된다. 상기 두꺼운 도전성 물질은 예를 들면, 적층된 주석 산화물(tin oxide)을 포함할 수 있다. 단일 주파수 동작은 예를 들면, 공동에서 이태론(etalon)을 제공함으로써 획득되어 질 수 있다. 대안적으로, 비선형 결정(58)이 주파수 선택 소자로서의 역할을 할 수도 있다.
본 발명에 의하면, 고전력 출력에서 가시광선 파장을 생성할수 있기 때문에 투사 디스플레이(projection display), 광학 디스크 판독 및 기록, 광학 홀로그래피의 메모리 저장 및 바이오-형광 센서를 포함한 다양한 범위의 제품들에 유용할 수 있다. 투사 디스플레이의 경우에는, 삼원색이 생성되어 질 수 있다. 예를 들면, 청색 파장 및 녹색 파장은 출력을 900nm 내지 1100nm 이상의 파장 범위에서 선택할 수 있는 GaInAs 반도체 레이저의 출력을 주파수 2배하기에 의해 생성될 수 있다. 적절한 주파수 2배하기 물질로는 녹색 파장을 위한 KTP 및 청색 파장을 위한 KNbO3등이 있다. 전력은 상기 소자들의 배열에 의해 증감될 수 있으며, 수 십 와트 수준의 전력이 출력될 수 있다. 그러한 배열에서의 출력은 배열된 소자들 사이에 간섭이 적기 때문에 스펙클(speckle) 효과가 상당히 감소하게 되고 디스플레이 스크린에서 투사된 이미지의 질에 영향을 주지 않는다. 소자들의 배열에 의한 경우에, 출력 커플러(output couplers)는 일련의 리소그래픽하게 생성된 이진 광학 거울들(binary optical mirrors)이나 또는 위치가 다이오드 레이저 발광 영역의 중심에 대해 정밀하게 배열된 마이크로 거울들(micromirrors)로 구성된다.
본 발명을 도입한 투사 디스플레이 시스템은 액정 결정 공간적 광변조기(liquid crystal spatial light modulator)와 같은 다양한 광 밸브 장치, Texas Instruments 사가 판매한 마이크로거울들 및 캘리포니아주 Sunnyvale의 Silicon Light Machines가 개발한 격자 편향기 광 밸브(grating deflector light valves)를 사용하여 작동될 수 있다. 일련의 레이저 소스에 대해, 개별적인 레이저 빔들이 넓은 영역에서 중첩될 수 있게 함으로써 레이저 소스 각각이 광 밸브의 모든 요소들을 조명할 수 있다. 이러한 방식 덕택에, 한 요소에 문제가 발생하더라도, 시스템의 작동에 심각하게 영향을 미치지 않는다. 이진 광학 렌즈(binary optical lenses)는 정점 분포에서 광 밸브의 각 화소(??素)(pixel)에 레이저 광을 집속시킴으로써 유용한 모든 레이저 복사선을 효율적으로 사용한다.
이상 본 발명이 구체적인 실시예들에 대해 기술되었지만, 본 발명이 여기에만 국한되는 것은 아니며, 첨부된 특허 청구의 범위에 정의되고 보호되는 본 발명의 사상 및 범주에 이탈됨 없이 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 분명하다.
또 하나의 실시예로, 도4는 본 발명에 의한 광학 증폭기(70)를 도시한 사시도이다. 레이저 구조에서와 같이, 광학 증폭기(70)는 반도체 기판(20), 반도체 이득 매체(22) 및 제1 반사체(26)로 구성된다. 광학 증폭기(70)는 공명 공동을 포함하지 않기 때문에 제2 반사체를 필요로 하지 않는다. 이득 매체(22)의 제1 볼륨(44)은 전기적 또는 광학적 에너지(56)로 펌핑된다. 제1 볼륨(44)은 일반적으로 단면이 직경 D1을 갖는 원형이다. 전술한 바와 같이, 제1 볼륨(44) 주위의 제2 볼륨(46)을 향해 횡단방향으로 에너지(48)는 유도 자연 전파를 한다. 바람직한 일 실시예에 의하면, 제2 볼륨(46)은 그 단면이 대체로 원형이고 직경은 D2이다. 제1 진폭 및 직경 D2를 갖는 입사빔(50)은 상기 펌핑된 영역(46)으로 향하고 제1 볼륨(44) 및 제2 볼륨(46) 모두와 중첩되며, 그들에 의해 활성화된다. 상기 입사빔(50)은 거울(26)에서 반사되고 직경 D2와 유사한 출력빔(52)으로 나타난다. 출력빔(52)은 상기 활성화된 이득 영역(46)에 의해 증폭되고 상기 입사빔(50)보다 더 큰 강도를 보이게 된다. 복수개의 그러한 이득 소자들은 시스템의 총 이득을 증가시키는데 사용될 수 있다.
도5는 또 다른 실시예로서 광학 커플링(optical coupling)의 구조를 도시한 측면도이다. 단일 거울/렌즈 소자(70)는 VECSEL 레이저(78)에 대해 공명 거울로 작동되는 제1 오목면(72) 및 레이저 복사선(32)을 광섬유(76)로 향하게 하기 위한 집속 소자로서 제2 볼록면(74)을 포함한다. 상기 광섬유(76)는 단일모드 또는 복수모드로 구성되고, 레이저 에너지가 대체로 섬유의 개구수(開口數)(numerical aperture) 내로 향하도록 레이저 복사선(32)의 초점에 위치하게 된다. 제2 볼록면(74) 및 광섬유(76)의 입력 표면(75)이 반사를 최소화하기 위하여 레이저 파장에서 반-반사 코팅처리됨에 비하여 제1 오목면(72)의 반사율은 레이저 소자(78)로부터 출력 전력을 최대화하기 위하여 극대화된다.
조립시, 거울/렌즈(70)는 나란히 배열되며 레이저 출력 전력 커플링을 최대화하도록 배치된다. 또한, 솔더링(soldering), 에폭시(epoxying) 및/또는 레이저 웰딩(laser welding)등을 포함하는 널리 공지된 기술들을 사용하여 고정될 수 있다. 상기 섬유는 집속된 복사선(32)을 흡수하도록 정열되고, 상기 기술들을 사용하여 고정된다. 본 실시예는 공동 거울 및 출력 렌즈를 단일 소자와 결합시킴으로써, 에너지를 섬유에 집속시키기 위해 요구되는 광학 요소들의 수를 감소시키는 효과를 가져다준다.
고전력 출력에서 가시광선 파장을 생성할수 있기 때문에 투사 디스플레이(projection display), 광학 디스크 판독 및 기록, 광학 홀로그래피의 메모리 저장 및 바이오-형광 센서를 포함한 다양한 범위의 제품들에 유용할 수 있다.

Claims (23)

  1. 제1 및 제2 반사체(reflector) 사이에 위치하며 기본 공동 모드(fundamental cavity mode)를 정하는 공명 공동(resonant cavity);
    상기 공명 공동 내에 배치되는 이득 매체(gain medium); 및
    제1 볼륨(volume) 내의 상기 이득 매체를 활성화시키기 위한 에너지 소스(energy source)
    를 포함하고,
    상기 에너지 소스는 상기 기본 공동 모드에 대해 대체로 횡단 방향으로 상기 이득 매체 내에서 전파되도록 광학적 에너지를 방출하고, 상기 횡단 에너지 방출은 상기 제1 볼륨 둘레의 상기 이득 매체의 제2 볼륨을 광학적으로 펌핑하며, 상기 제1 및 제2 볼륨 내의 상기 에너지는 상기 기본 공동 모드에 커플링(coupling)되는
    레이저.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 볼륨은 단면 직경 D1을 가지는 대체로 원통형(cylinder)이고, 상기 제2 볼륨은 외부 단면 직경 D2및 내부 단면 직경 D1을 가지는 환형(annulus)이며, 상기 제1 볼륨 및 제2 볼륨은 단면적이 대체로 동심원을 이루는 레이저.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 이득 매체가 반도체, 다중 양자 우물(multiple-quantum-well) 반도체 및 고체 상태를 포함하는 군에서 선택된 물질을 포함하는 레이저.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 에너지 소스가 전기적으로 펌핑된 전류로 상기 이득 매체를 활성화시키는 레이저.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 에너지 소스가 광학적 여기(optical excitation)에 의해 상기 이득 매체를 활성화시키는 레이저.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 이득 매체의 대향 측면 상에 환형 전극(annular electrode) 및 원형 전극(circular electrode)을 추가로 포함하여, 상기 환형 전극 및 원형 전극이 에너지를 공급받을 때, 레이저의 원통형 제1 볼륨을 펌핑하는 레이저.
  7. 제1항에 있어서,
    빔의 주파수를 조정하기 위해 레이저 빔의 경로에 배치되는 비선형 물질(non-linear material)을 추가로 포함하는 레이저.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 비선형 물질이 레이저 공동 내부에 배치되는 레이저.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 비선형 물질이 레이저 공동 외부에 배치되는 레이저.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 비선형 물질이 KTP, LiNbO3, 주기적으로 극성을 띠는 LiNbO3, KTN 및 KNbO3를 포함하는 군으로부터 선택되는 레이저.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 레이저가 단일 주파수에서 동작되도록 상기 비선형 물질이 Fabry-Perot 공명을 포함하는 레이저.
  12. 제1항에 있어서,
    이태론(etalon), 복굴절 소자, 프리즘 및 격자를 포함하는 군으로부터 선택되는 내부공동 동조소자(內部空洞 同調素子)(intracavity tuning element)를 추가로 포함하는 레이저.
  13. 제1항에 있어서,
    기본 파장을 통과시키며, 상기 이득 매체의 근처에서 발생되는 제2 고조파(高調波) 복사선(harmonic radiation)을 흡수하는 도전성 물질을 추가로 포함하며, 상기 제2 고조파 복사선은 상기 도전성 물질에 흡수되고 전자 및 정공은 상기 이득 영역에 확산되어 전진 방향으로 방사되는 제2 고조파 복사선의 효율을 증가시키는 레이저.
  14. 제1항에 있어서,
    펄스 동기형 또는 모드 동기형 구조(pulsed or mode-locked configuration)로 동작되는 레이저.
  15. 제1항의 레이저가 어드레스 가능 소자들(addressable elements)의 어레이로 구성되는 다중 레이저.
  16. 제1항에 있어서,
    제1 반사 표면 및 제2 투과 표면을 갖는 광학 소자를 추가로 포함하며, 상기 제1 반사 표면은 상기 제1 공동 반사체로 동작되고, 상기 제2 투과 표면은 상기 광학 소자로부터의 에너지 출력을 집속하기 위하여 사용되는 레이저.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 제1 반사 표면은 오목면이고 상기 제2 투과 표면은 볼록면인 레이저.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 집속된 에너지 출력을 수신하도록 정렬되는 입력 표면을 가지는 광섬유를 추가로 포함하는 레이저.
  19. 반도체 기판;
    상기 반도체 기판의 제1 표면 상의 반도체 이득 매체; 및
    제1 볼륨(volume) 내의 상기 이득 매체를 활성화시키기 위한 에너지 소스(energy source)
    를 포함하고,
    상기 에너지 소스는 상기 제1 볼륨에 대해 대체로 횡단 방향으로 상기 이득 매체 내에서 전파되도록 광학적 에너지를 방출하고, 상기 횡단 에너지 방출은 상기 제1 볼륨 둘레의 상기 이득 매체의 제2 볼륨을 광학적으로 펌핑하여, 상기 제2 볼륨의 단면폭과 대체로 동일한 폭을 가지며 상기 제2 볼륨으로 지향하는 입력빔이 상기 제1 및 제2 볼륨 내의 에너지에 의해 증폭되는
    광학 장치.
  20. 반도체 기판;
    상기 반도체 기판상의 반도체 이득 매체;
    상기 반도체 기판 및 상기 이득 매체를 포함하는 공명 공동(resonant cavity)―여기서, 공명 공동은 기본 공동 모드(fundamental cavity mode)를 정함―을 정하는 제1 및 제2 반사체; 및
    제1 볼륨(volume) 내의 상기 이득 매체를 활성화시키기 위한 에너지 소스(energy source)
    를 포함하고,
    상기 에너지 소스는 상기 기본 공동 모드에 대해 대체로 횡단 방향으로 상기 이득 매체 내에서 전파되도록 광학적 에너지를 방출하고, 상기 횡단 에너지 방출은 상기 제1 볼륨 둘레의 상기 이득 매체의 제2 볼륨을 광학적으로 펌핑하며, 상기 제1 및 제2 볼륨 내의 상기 에너지는 상기 기본 공동 모드에 커플링되는
    레이저.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 제1 볼륨은 단면 직경 D1을 가지는 대체로 원통형이고, 상기 제2 볼륨은 외부 단면 직경 D2및 내부 단면 직경 D1을 가지는 환형이며, 상기 제1 볼륨 및 제2 볼륨은 단면적이 대체로 동심원을 이루는 레이저.
  22. 제20항에 있어서,
    상기 이득 매체의 대향 측면 상에 환형 전극(annular electrode) 및 원형 전극(circular electrode)을 추가로 포함하여, 상기 환형 전극 및 원형 전극이 에너지를 공급받을 때, 레이저의 원통형 제1 볼륨을 펌핑하는 레이저.
  23. 제20항에 있어서,
    빔의 주파수를 조정하기 위해 레이저 빔의 경로에 배치되는 비선형 물질(non-linear material)을 추가로 포함하는 레이저.
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