KR20010081666A - Solid state laser system - Google Patents

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이성만
김선국
차병헌
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장인순
한국원자력연구소
이종훈
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Abstract

PURPOSE: A solid laser system is provided to emit uniformly an excited beam on a surface of a solid crystal by using a compound parabolic concentrator. CONSTITUTION: A stacked diode array has a multitude of diode for emitting an excited laser beam. The diodes are arranged as a wide plane shape. A compound parabolic concentrator concentrates the excited laser beam emitted from the stacked diode array. A laser crystal bar generates the laser beam excited by the concentrated laser beam emitted from the compound parabolic concentrator. The laser crystal bar is located at a predetermined distance from the compound parabolic concentrator. A fused quartz tube for cooling is installed around the laser crystal bar.

Description

고체 레이저 시스템 { Solid state laser system }Solid state laser system

본 발명은 고체 레이저 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 반사형 변형 집속장치(compound parabolic concentrator : CPC)를 이용하여 적층다이오드 어레이의 여기빔을 횡여기시키는 고체 레이저 시스템에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a solid state laser system, and more particularly, to a solid state laser system that uses a reflective parabolic concentrator (CPC) to excite the excitation beam of a stacked diode array.

일반적으로, 다이오드 어레이 빔을 사용하여 여기하는 고체 레이저의 개발에 있어서, 고출력 다이오드 어레이의 여기빔을 고체 레이저 결정에 얼마나 효과적으로 결합하느냐 하는 점이 매우 중요하다. 이때, 레이저 결정을 여기하는 방법에는 종여기와 횡여기의 두 가지 방법으로 구분되는데, 고 평균출력의 고체 레이저를 개발하기 위해서는 횡여기 방법이 이용된다. 상기 횡여기 방법에는 원형대칭의 근접결합(circularly symmetric close coupling) 방식과, 광섬유나 비결상 광학계를 이용한 결합방식이 있다.In general, in the development of solid state lasers that excite using diode array beams, it is very important to effectively couple the excitation beams of high power diode arrays to solid state laser crystals. At this time, the method of exciting the laser crystal is divided into two methods, a seed excitation and a side excitation, in order to develop a solid laser of a high average power, a lateral excitation method is used. The lateral excitation method includes a circularly symmetric close coupling method and a coupling method using an optical fiber or an imaging system.

한편, 다이오드 어레이 여기원을 레이저 결정에 근접시켜 결합하는 근접결합 방식으로 고출력의 고체 레이저를 개발할 경우, 많은 수의 저출력 선형 다이오드 어레이를 필요로 하지만 선형 다이오드 어레이 자체의 부피 때문에 5㎜ 내외의 직경을 갖는 레이저 결정봉에 근접시킬 수 있는 다이오드 어레이의 수에 제한을 받게 된다.On the other hand, when a high power solid state laser is developed in a close coupling method in which a diode array excitation source is coupled to a laser crystal, a large number of low power linear diode arrays are required, but a diameter of about 5 mm is required due to the volume of the linear diode array itself. There is a limit to the number of diode arrays that can be approached with the laser deciding rod.

또한, 광섬유를 이용한 결합방식의 경우 레이저 결정내 단위체적당 여기 레이저 출력을 높일 수 있는 장점이 있으나, 다이오드 어레이빔을 광섬유에 결합시키는 광학계가 복잡해 가격이 비싸며 다이오드 어레이 빔의 광섬유 결합시 결합효율이 낮아 여기빔의 손실이 큰 단점이 있다.In addition, the coupling method using the optical fiber has the advantage of increasing the excitation laser power per unit volume in the laser crystal. However, the optical system for coupling the diode array beam to the optical fiber is complicated and the price is high. The loss of the excitation beam has a big disadvantage.

또한, 비결상 광학계를 이용한 결합방식은 고출력의 적층 다이오드 어레이를 여기원으로 사용할 수 있어 최근 개발이 활발한 분야이며, 근접결합방식과 광섬유를 이용한 결합방식에 비해 광학계가 간단하고, 다이오드 어레이 여기파장을 레이저 결정 흡수 스펙트럼의 피이크를 벗어난 완만한 영역에서 사용할 수 있어, 안정된 고출력의 레이저 빔을 얻을 수 있다. 비결상 광학계로는 cusp형의 반사체와 기본반사형 CPC를 이용한 방식들이 사용되고 있으나, CUSP형 반사체의 경우 여기 레이저 빔의 레이저 결정내 비균질 분포가 문제가 되며, 기본 CPC의 경우는 레이저 결정이 CPC의 표면에 직접 접촉하기 때문에 레이저 결정의 균일한 냉각이 어려운 문제점이 있다.In addition, the coupling method using the non-imaging optical system has been actively developed since a high power multilayer diode array can be used as the excitation source, and the optical system is simpler than the coupling method using the close coupling method and the optical fiber. It can be used in a gentle region beyond the peak of the laser crystal absorption spectrum, and a stable high power laser beam can be obtained. The cusp-type reflector and the basic reflection type CPC are used as the non-imaging optical system.However, in the case of the CUSP type reflector, the heterogeneous distribution in the laser crystal of the excitation laser beam is a problem. There is a problem that it is difficult to uniformly cool the laser crystal because it is in direct contact with.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 그 목적은 수백 와트(W)급 이상의 고출력 적층 다이오드 어레이의 여기빔을 간극을 갖는 반사형 변형 집속장치(CPC)를 사용하여 봉형태의 고체 레이저 결정을 횡여기함으로써 여기빔을 고체 결정의 표면에 균일하게 입사시킬 수 있도록 하는 고체 레이저 시스템을 제공하는데 있다.The present invention has been made to solve the above problems of the prior art, the object of the invention is to use a reflective strain focusing device (CPC) having a gap between the excitation beam of a high-power stacked diode array of several hundred watts (W) class or more The present invention provides a solid-state laser system capable of uniformly injecting an excitation beam to the surface of a solid crystal by transversing a rod-shaped solid laser crystal.

또한, 본 발명의 다른 목적은 집속장치(CPC)가 레이저 결정과 접촉하지 않고결합된 포물면의 구조를 갖도록 함으로써 레이저 결정의 각 방향의 균일한 냉각이 용이하도록 하는 동시에, 발진된 고체 레이저 빔의 등방성을 향상시킬 수 있는 고체 레이저 시스템을 제공하는데 있다.In addition, another object of the present invention is to ensure that the focusing device (CPC) has a structure of combined parabolic surfaces without contacting the laser crystal to facilitate uniform cooling in each direction of the laser crystal, and at the same time the isotropy of the oscillated solid laser beam. To provide a solid state laser system that can improve the.

도 1은 반사형 변형 집속장치(CPC)를 이용한 다이오드 여기 고체 레이저 장치의 개념을 나타내는 도면1 is a view showing the concept of a diode-excited solid-state laser device using a reflective strain focusing device (CPC).

도 2는 본 발명에 의한 레이저 헤드의 몸체를 나타내는 도면2 is a view showing the body of the laser head according to the present invention;

도 3은 본 발명에서 레이저 결정과 집속장치(CPC) 사이에 간격이 있는 반사형 변형 집속장치(CPC)의 설계변수를 나타내는 도면3 is a view showing design parameters of a reflective strain focusing device (CPC) with a gap between the laser crystal and the focusing device (CPC) in the present invention

도 4는 본 발명에서 집속장치(CPC) 단면의 수용각과 간극의 크기에 따른 변화를 나타내는 도면4 is a view showing a change according to the receiving angle and the size of the gap of the cross section of the focusing apparatus (CPC) in the present invention;

도 5a 및 도 5b는 본 발명에서 집속장치(CPC)의 수용각의 변화에 따른 레이저 결정내 흡수된 여기빔의 분포를 나타내는 도면5a and 5b are views showing the distribution of the excitation beam absorbed in the laser crystal according to the change in the receiving angle of the focusing device (CPC) in the present invention

도 6a 및 도 6b는 본 발명에서 집속장치(CPC)의 수용각의 변화에 따른 레이저 결정내 흡수된 여기빔의 분포를 나타내는 도면6a and 6b are views showing the distribution of the excitation beam absorbed in the laser crystal according to the change in the receiving angle of the focusing device (CPC) in the present invention

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ><Description of Symbols for Main Parts of Drawings>

1 : 적층 다이오드 어레이 2 : 반사형 변형 집속장치(CPC)1: stacked diode array 2: reflective strain focusing device (CPC)

3 : 레이저 결정봉 4 : 냉각용 용융석영관3: laser crystal rod 4: molten quartz tube for cooling

5 : 집속장치 입사면 6 : 다이오드 방출면5: incident surface of focusing device 6: diode emitting surface

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제1 특징에 따르면, 레이저 여기빔을 방출하는 다수의 레이저 다이오드가 넓은 평면형태로 배치되어 이루어지는 적층 다이오드 어레이와, 상기 적층 다이오드 어레이에서 방출된 레이저 빔을 한곳으로 모으는 반사형 집속장치(compound parabolic concentrator : CPC)와, 상기 반사형 집속장치에 의해 모아진 레이저빔에 의해 횡여기되어 레이저빔을 방출하는 레이저 결정봉을 포함하는 고체 레이저 시스템에 있어서,According to a first aspect of the present invention for achieving the above object, a multi-layer diode array in which a plurality of laser diodes for emitting a laser excitation beam is arranged in a wide planar form, and a laser beam emitted from the stacked diode array In a solid-state laser system comprising a compound parabolic concentrator (CPC) and a laser deciding rod that is laterally excited by a laser beam collected by the reflective focusing apparatus to emit a laser beam,

상기 레이저 결정봉은 반사형 집속장치(CPC)의 반사면으로 부터 소정간격 이격되어 있으며, 레이저 결정봉의 둘레에는 냉각용 용융석영관이 설치되어 구성된 고체 레이저 시스템을 제공한다.The laser crystal rods are spaced apart from the reflective surface of the reflective focusing apparatus (CPC) by a predetermined interval, and the molten quartz tube for cooling is provided around the laser crystal rods.

이때, 본 발명의 부가적인 특징에 따르면, 상기 반사형 집속장치(CPC)는 그 입사면이 적층 다이오드 어레이의 방출면과 접해 있으며, 적층 다이오드 어레이의 여기빔의 발산각이 큰 급축(fast-axis) 방향을 레이저 결정봉의 종축 방향과 수직하게 두어, 상기 적층 다이오드 어레이의 여기빔이 상기 반사형 집속장치(CPC)의 반사면에 1회 반사한 후 레이저 결정봉에 입사하도록 구성되는 것이 바람직하다.In this case, according to an additional feature of the present invention, the reflective focusing device (CPC) has an incidence surface thereof in contact with the emission surface of the stacked diode array, and a fast-axis divergence angle of the excitation beam of the stacked diode array is large. Direction is perpendicular to the longitudinal direction of the laser crystal rod, and the excitation beam of the multilayer diode array is configured to reflect the reflective surface of the reflective focusing apparatus (CPC) once and then enter the laser crystal rod.

또한, 상기 레이저 결정봉의 둘레에 배치된 냉각용 용융 석영관에는, 상기반사형 집속장치(CPC)로 흐르는 냉각수의 일부를 레이저 결정봉으로 흐르도록 하여 상기 레이저 결정봉을 각방향으로 균일하게 냉각하기 위하여 각방향으로 균일한 간격의 홀을 갖는 냉각수 분배기가 설치되어 구성되는 것이 바람직하다.In addition, in the molten quartz tube for cooling arranged around the laser crystal rod, a part of the cooling water flowing through the reflective focusing device (CPC) flows through the laser crystal rod to uniformly cool the laser crystal rod in each direction. For this purpose, it is preferable that a cooling water distributor having holes at uniform intervals in each direction is installed.

또한, 상기 반사형 집속장치(CPC)는 반사율을 높이기 위하여 반사면에 금도금막 또는 금도금 및 코팅막이 형성되는 것이 바람직하다.In addition, the reflective focusing apparatus (CPC) is preferably formed with a gold plating film or a gold plating and a coating film on the reflective surface in order to increase the reflectance.

또한, 상기 반사형 집속장치(CPC)는 그 단면이 포물선의 형태를 갖는 상부와, 상기 레이저 결정봉 표면의 신개선(involute)의 형태를 갖는 하부로 이루어지고, 임의로 주어지는 하부의 꼭지점은 상기 레이저 결정봉과 소정간격 만큼 이격되는 것이 바람직하다.In addition, the reflective focusing apparatus (CPC) has a cross section whose upper portion has a parabolic shape, and a lower portion having an involute shape on the surface of the laser crystal rod, and an arbitrarily given lower vertex is the laser. It is preferable to be spaced apart from the crystal rod by a predetermined interval.

이때, 상기 반사형 집속장치(CPC)는 상부와 하부는 " θ=θi+π/2 "에서 일치해야 하는 경계조건에 의해서, 레이저 결정봉 표면의 접선과 반사형 집속장치(CPC) 표면이 만나는 사이의 거리 ρ(θ)는 하기의 식에 의해 주어진다.In this case, the reflective focusing device (CPC) has a tangent on the surface of the laser crystal rod and the reflective focusing device (CPC) surface due to the boundary condition that the upper and lower portions must match at "θ = θ i + π / 2". The distance ρ (θ) between the meetings is given by the following equation.

먼저, θ 가일 때,First, θ when,

, ,

한편, θ 가일 때,On the other hand, θ when,

여기서, θi로 주어지는 여기빔의 주변광선의 입사각, g는 레이저 결정봉의 표면과 CPC의 꼭지점 C 사이의 직선거리.Where θ i is The angle of incidence of the ambient light of the excitation beam, given by, is the linear distance between the surface of the laser crystal rod and the vertex C of the CPC.

또한, 상기 반사형 집속장치(CPC)는 그 수용각 θa를 여기빔의 주변광선의입사각과 일치시켜 설계될 수 있다.In addition, the reflective focusing apparatus CPC may be designed by matching the reception angle θa with the incident angle of the ambient light of the excitation beam.

한편, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제2 특징에 따르면, 레이저 여기빔을 방출하는 다수의 레이저 다이오드가 넓은 평면형태로 배치되어 이루어지는 적층 다이오드 어레이와, 상기 적층 다이오드 어레이에서 방출된 레이저 빔을 한곳으로 모으는 반사형 집속장치(compound parabolic concentrator : CPC)와, 상기 반사형 집속장치에 의해 모아진 레이저빔에 의해 횡여기되어 레이저빔을 방출하는 레이저 결정봉과, 상기 레이저 결정봉의 둘레에 설치되어 레이저 결정봉을 냉각하는 냉각용 용융석영관을 포함하는 고체 레이저 시스템에 있어서,On the other hand, according to the second aspect of the present invention for achieving the above object, a multi-layer diode array in which a plurality of laser diodes for emitting a laser excitation beam is arranged in a wide planar shape, and the laser emitted from the stacked diode array A reflective parabolic concentrator (CPC) that collects the beams in one place, a laser deciding rod that is laterally excited by a laser beam collected by the reflective focusing apparatus, and emits a laser beam, and is provided around the laser deciding rod In the solid-state laser system comprising a cooling molten quartz tube for cooling the laser crystal rod,

상기 적층 다이오드 어레이의 방출면에 배치되어 작은 발산각을 갖는 적층 다이오드 어레이의 여기빔의 발산각을 증가시킨 후에 반사형 집속장치에서 반사되도록 하는 렌즈를 포함하여 구성된 고체 레이저 시스템을 제공한다.The present invention provides a solid-state laser system including a lens disposed on an emission surface of the multilayer diode array and configured to be reflected by a reflective focusing apparatus after increasing the divergence angle of an excitation beam of a multilayer diode array having a small divergence angle.

본 발명의 상술한 목적과 여러 가지 장점은 이 기술분야에 숙련된 사람들에 의해, 첨부된 도면을 참조하여 후술되는 본 발명의 바람직한 실시예로부터 더욱 명확하게 될 것이다.The above objects and various advantages of the present invention will become more apparent from the preferred embodiments of the present invention described below with reference to the accompanying drawings by those skilled in the art.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 일 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, a preferred embodiment according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

먼저, 본 발명에는 반사형 변형 집속장치(CPC)와 고체 레이저의 설계 및 제작기술이 포함되어 있는데, 본 발명에 의하여 설계된 반사형 변형 집속장치(CPC)는 넓은 평면형태의 다이오드 어레이 방출면에서 큰 발산각을 갖고 방사하는 여기광을고체 레이저 결정에 등방성을 갖고 전달하기 위한 비결상 광학 여기빔 집속장치이다.First, the present invention includes the design and fabrication technology of a reflective strain focusing device (CPC) and a solid state laser. The reflective strain focusing device (CPC) designed according to the present invention is large in terms of emitting a large planar diode array. A non-imaging optical excitation beam focusing device for transmitting isotropically radiated excitation light with a divergence angle to a solid laser crystal.

본 발명에서 상기 반사형 변형 집속장치(CPC)는 기존의 경우와 달리 레이저 결정과 집속장치(CPC)가 접촉하지 않고 결합된 포물면의 구조를 갖고 있다.Unlike the conventional case, the reflective deformation focusing apparatus (CPC) has a parabolic structure in which the laser crystal and the focusing apparatus (CPC) are combined without contact.

또한, 본 발명에서는 광선추적코드(ray tracing code)를 사용하여 반사형 변형 집속장치(CPC)의 최적 형태가 설계 및 제작되었으며, 반사형 변형 집속장치(CPC)를 이용한 고체 레이저 시스템이 제시되었고, 제시된 고체 레이저 시스템에 대한 여기광 흡수분포를 분석하여 고체 레이저 시스템의 최적 설계방법을 제시하였다.In addition, in the present invention, the optimum shape of the reflective deformation focusing device (CPC) was designed and manufactured using a ray tracing code, and a solid state laser system using the reflective deformation focusing device (CPC) was proposed. By analyzing the excitation light absorption distribution of the proposed solid state laser system, the optimal design method of the solid state laser system was proposed.

또한, 본 발명에서는 반사형 변형 집속장치(CPC)의 최적형태를 결정하기 위해서 집속장치(CPC)의 수용각과 레이저 결정과 집속장치(CPC)의 꼭지점 사이의 거리를 달리하여 결정되었으며, 변형된 각각의 집속장치(CPC)에 대한 레이저 결정내 여기광 흡수분포와 흡수출력을 분석하여, 요구되는 레이저 빔특성에 따른 집속장치(CPC)를 이용한 고체 레이저 시스템의 최적 설계방법이 제시하였다.In addition, in the present invention, in order to determine the optimal shape of the reflective deformation focusing device (CPC), it was determined by varying the distance between the accommodating angle of the focusing device (CPC) and the vertex of the laser crystal and the focusing device (CPC) By analyzing the excitation light absorption distribution and the absorption power in the laser crystal of the focusing device (CPC), the optimal design method of the solid state laser system using the focusing device (CPC) according to the required laser beam characteristics is presented.

한편, 도 1은 반사형 변형 집속장치(CPC)를 이용한 다이오드 여기 고체 레이저 장치의 개념을 나타내는 도면이고, 도 2는 본 발명에 의한 레이저 헤드의 몸체를 나타내는 도면이다.On the other hand, Figure 1 is a view showing the concept of a diode-excited solid-state laser device using a reflective strain focusing device (CPC), Figure 2 is a view showing the body of the laser head according to the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명에 의한 반사형 변형 집속장치(CPC)를 이용한 고체 레이저 시스템은 적층 다이오드 어레이(1), 반사형 변형 집속장치(CPC)(2), 레이저 결정봉(3), 냉각용 용융석영관(4) 등을 포함하여 구성되어 있다.Referring to FIG. 1, the solid state laser system using the reflective strain focusing apparatus (CPC) according to the present invention includes a multilayer diode array 1, a reflective strain focusing apparatus (CPC) 2, a laser deciding rod 3, The molten quartz tube 4 for cooling etc. is comprised.

이때, 반사형 변형 집속장치(CPC)(2)의 입사면(5)은 레이저 다이오드의 방출면(6)과 접해 있으며, 적층 다이오드 어레이 빔의 발산각이 큰 급축(fast-axis)의 방향을 레이저 결정봉(3)의 종축 방향과 수직하게 두어, 적층 다이오드 어레이(1)의 빔이 변형 집속장치(CPC)(2)의 반사면에 1회 반사한 후 레이저 결정봉(3)에 입사하도록 되어 있다. 상기 레이저 결정봉(3)은 반사형 변형 집속장치(CPC)(2)의 반사면으로 부터 떨어져 있으며, 레이저 결정봉(3)의 둘레에는 냉각용 용융석영관(4)이 설치되어 있다.At this time, the incident surface 5 of the reflective deformation focusing apparatus (CPC) 2 is in contact with the emitting surface 6 of the laser diode, and the direction of the fast-axis of the divergent diode array beam has a large divergence angle. Set perpendicular to the longitudinal direction of the laser deciding rod 3 so that the beam of the stacked diode array 1 reflects once on the reflecting surface of the strain focusing device (CPC) 2 and then enters the laser deciding rod 3. It is. The laser crystal rod 3 is separated from the reflective surface of the reflective deformation focusing apparatus (CPC) 2, and a cooling molten quartz tube 4 is provided around the laser crystal rod 3.

상기에서 적층 다이오드 어레이(1), 반사형 변형 집속장치(CPC)(2), 레이저 결정봉(3), 냉각용 용융석영관(4) 등 레이저 헤드의 주요 부품은 도 2에 나타낸 헤드 프레임에 의해서 지지된다. 이때, 여기용 다이오드 어레이는 프레임의 앞면(7)에 부착되고, 레이저 헤드의 뒷면(8)에서 냉각수가 공급 및 배수되며, 좌우측에 설치된 냉각수 분기계통(9)을 통하여 분기된다. 상기 분기된 냉각수의 일부는 용융 석영관(4)을 통하여 흐르며, 레이저 결정봉(3)의 각방향의 균일한 냉각이 가능하게 된다. 또한, 나머지 냉각수는 반사체인 집속장치(CPC)(2)를 냉각하게 된다.The main components of the laser head, such as the multilayer diode array 1, the reflective strain focusing device (CPC) 2, the laser crystal rod 3, the cooling molten quartz tube 4, and the like, are provided in the head frame shown in FIG. Supported by. At this time, the excitation diode array is attached to the front surface (7) of the frame, the cooling water is supplied and drained from the rear surface (8) of the laser head, and branched through the cooling water branch system (9) installed on the left and right sides. A part of the branched cooling water flows through the molten quartz tube 4, and uniform cooling of each direction of the laser crystal rod 3 is possible. In addition, the remaining cooling water cools the focusing apparatus (CPC) 2 which is a reflector.

한편, 도 3은 본 발명에서 레이저 결정과 집속장치(CPC) 사이에 간격이 있는 반사형 변형 집속장치(CPC)의 설계변수를 나타내는 도면이다.3 is a view showing a design variable of the reflective strain focusing device (CPC) with a gap between the laser crystal and the focusing device (CPC) in the present invention.

도 3을 참조하면, 레이저 결정봉(도 1의 3)을 효과적으로 여기하기 위한 반사형 변형 집속장치(CPC)의 단면은 두 개의 부분으로 이루어지며, 점 A와 B를 잇는 윗부분(10)은 포물선의 형태이며, 점 B와 C를 잇는 아랫부분(11)은 빛을 흡수하는 레이저 결정 표면의 신개선(involute)으로, 임의로 주어지는 집속장치(CPC)의 꼭지점과 레이저 결정사이의 간격(g)을 고려하여 윗부분과 아랫부분이 자연스럽게 일치하도록 설계된다.Referring to FIG. 3, the cross-section of the reflective strain focusing apparatus (CPC) for effectively exciting the laser deciding rod (3 in FIG. 1) consists of two parts, and the upper part 10 connecting the points A and B is a parabola. The lower part 11 connecting points B and C is an involute of the surface of the laser crystal which absorbs light, and the distance (g) between the vertex of the arbitrarily given focusing device (CPC) and the laser crystal is given. It is designed so that the upper part and the lower part coincide naturally.

상기와 같이 설계된 변형 집속장치(CPC)에 의해 집속되는 여기광선은 에지레이(edge-ray)의 원리를 만족한다. 즉, 다이오드 어레이에서 발생된 주변광선(12)은 집속장치(CPC)의 표면에서 1회 반사된 후 레이저 결정 표면의 접선방향으로 반드시 입사하게 되고 나머지 광선들은 레이저 결정을 통과하게 된다. 이때, 레이저 결정의 표면에 입사하는 적층 다이오드 어레이 빔은 레이저 결정봉 표면에 균일하게 입사하며, 많은 부분의 광선들이 레이저 결정봉 표면의 접선방향과 근사한 방향으로 입사되어 레이저 결정봉에 흡수된 여기 빔의 분포가 결정의 중앙에 집속되지 않고 비교적 균일한 분포를 가짐으로서 고출력의 레이저 제작에 유리한 분포를 갖는다.The excitation light focused by the strain focusing device (CPC) designed as described above satisfies the principle of edge-rays. That is, the ambient light 12 generated in the diode array is reflected once on the surface of the focusing device CPC and then incident to the tangential direction of the laser crystal surface, and the remaining light rays pass through the laser crystal. In this case, the stacked diode array beam incident on the surface of the laser crystal is uniformly incident on the surface of the laser crystal rod, and the excitation beam absorbed by the laser crystal rod is absorbed by the laser crystal rod by injecting a large part of the rays in a direction tangential to the surface of the laser crystal rod. Has a distribution that is not focused at the center of the crystal and has a relatively uniform distribution, which is advantageous for high-power laser fabrication.

상기에서 집속장치(CPC)의 형태를 나타내는 수식은 도 3에 보여진 바와 같이, 레이저 결정봉의 중앙에 원점을 둔 좌표계에 의해서 기술될 수 있으며, 포물선과 신개선 부분이 " θ=θi+π/2 "에서 일치해야 하는 경계조건에 의해서, 레이저 결정봉 표면의 접선과 집속장치(CPC) 표면이 만나는 사이의 거리 ρ(θ)는 다음과 같이 주어진다.As shown in FIG. 3, the equation representing the shape of the focusing apparatus CPC may be described by a coordinate system having an origin at the center of the laser deciding rod, and the parabola and the new improved portion are “θ = θ i + π / Given the boundary conditions that must coincide at 2 ", the distance ρ (θ) between the tangent of the laser crystal rod surface and the converging device (CPC) surface is given by

먼저, θ 가로 주어질 때에는,First, θ When given by

, ,

또한, θ 가의 값을 가질 때에는Θ also When you have a value of

여기서, θi로 주어지는 여기빔의 주변광선의 입사각이고, g는 레이저 결정봉의 표면과 CPC의 꼭지점 C 사이의 직선거리이다.Where θ i is Is the angle of incidence of the ambient light of the excitation beam, where g is the linear distance between the surface of the laser crystal rod and the vertex C of the CPC.

상기에서 반사형 변형 집속장치(CPC)의 형태는 도 3에 나타낸 CPC의 수용각(θa)을 다양한 형태의 여기빔의 주변광선의 입사각과 일치시켜 설계하거나, 수용각을 주변광선의 입사각과 불일치시켜서 설계할 수 있다.The shape of the reflective deformation focusing apparatus CPC is designed by matching the reception angle θa of the CPC shown in FIG. 3 with the incident angle of the ambient light of the various types of excitation beams, or mismatching the reception angle with the incident angle of the ambient light. Can be designed.

한편, 도 4는 본 발명에서 집속장치(CPC) 단면의 수용각과 간극의 크기에 따른 변화를 나타내는 도면이다.On the other hand, Figure 4 is a view showing a change in accordance with the receiving angle and the size of the gap of the cross section of the focusing device (CPC) in the present invention.

도 4를 참조하면, (A)는 CPC의 수용각을 달리했을 때 나타나는 변형 CPC의 형태를 보여준다. 이때, 변형 CPC를 반사체로 사용할 경우 주변광선의 입사각이 클수록 반사체의 최적이 줄어들며, 따라서 효율적인 여기빔의 레이저 결정봉 내 결합이 가능하게 된다.Referring to Figure 4, (A) shows the shape of the modified CPC appearing when the acceptance angle of the CPC is different. In this case, when the modified CPC is used as the reflector, the optimal angle of the reflector decreases as the incident angle of the ambient light increases, thus enabling efficient coupling of the excitation beam into the laser crystal rod.

한편, 레이저 결정봉의 효율적인 냉각을 위하여 CPC 반사체의 입사면의 폭은 고정시키고 간극(g)을 증가시킬 수 있으며, CPC의 형태 변화는 도 4의 (B)와 같다. 이때, 간극의 증가에 따라 변형 CPC의 체적은 감소한다.Meanwhile, in order to efficiently cool the laser crystal rod, the width of the incident surface of the CPC reflector can be fixed and the gap g can be increased, and the shape change of the CPC is as shown in FIG. 4B. At this time, the volume of the modified CPC decreases as the gap increases.

상기에서, CPC의 표면에서 광선들은 반사의 법칙에 의해서 반사되어야 하며, 표면의 반사율은 빔전송 효율을 결정하는 중요한 요인이 된다. 사용된 CPC의 표면은 광학적 수준의 표면가공 후 금도금으로 충분할 수 있으나, 반사율의 증가를 통한 레이저 효율을 증가시키기 위해서는 부차적으로 금코팅을 하여 여기 레이저 파장에서 93% 이상의 반사율을 갖도록 제작할 수 있다.In the above, the light rays at the surface of the CPC should be reflected by the law of reflection, and the reflectance of the surface is an important factor in determining the beam transmission efficiency. The surface of the CPC used may be sufficient as gold plating after the surface processing of the optical level, but in order to increase the laser efficiency through the increase of the reflectance, it can be manufactured to have a reflectance of 93% or more at the excitation laser wavelength by secondary gold coating.

한편, 도 4에 나타낸 반사형 변형 CPC에 대해서 광선추적코드를 사용하여 레이저 결정봉 내 여기빔의 분포도를 분석함으로써, 요구되는 고체레이저의 출력과 빔특성에 따라 수용각과 간극(g)을 달리하여 CPC의 최적 설계가 가능하다.On the other hand, by analyzing the distribution of the excitation beam in the laser crystal rod using the ray tracing code for the reflective strain CPC shown in Figure 4, by varying the receiving angle and the gap (g) according to the output and beam characteristics of the desired solid laser Optimal design of the CPC is possible.

한편, 도 5a 및 도 5b는 본 발명에서 집속장치(CPC)의 수용각의 변화에 따른 레이저 결정내 흡수된 여기빔의 분포를 나타내는 도면이다.5A and 5B are diagrams illustrating a distribution of an excitation beam absorbed in a laser crystal according to a change in a receiving angle of a focusing device (CPC) in the present invention.

도 5a 및 도 5b를 참조하면, 반사형 변형 CPC의 수용각의 변화에 따른 레이저 결정내 흡수 여기출력의 변화를 알아보기 위해서, 극좌표계를 사용하여 레이저 결정을 분할한 격자점에 대해 흡수분포를 계산하였다. 도 5a에서 실선으로 나타낸 것처럼 25°의 작은 CPC의 수용각에 대해서 흡수분포는 CPC의 큰 체적과 상대적으로 레이저 결정을 비켜 지나가는 많은 광선들로 인하여 낮은 분포를 보이지만, 레이저 결정의 중앙과 가장자리의 분포의 비가 적어 열유도 렌즈의 효과가 작은 잇점이 있다. 또한, 55°의 큰 수용각에 대한 흡수분포는 도 5b의 (d)에 나타난 것과 같이 레이저 결정봉의 중앙에 좀더 집속되고 있어 저출력의 높은 레이저 여기효율을 갖는 레이저 제작에 유리하다.5A and 5B, in order to determine the change in absorption excitation output in the laser crystal according to the change in the receiving angle of the reflective strain CPC, the absorption distribution is calculated for the lattice points obtained by dividing the laser crystal using the polar coordinate system. Calculated. As shown by the solid line in FIG. 5A, the absorption distribution of the 25 ° CPC has a low distribution due to the large volume of the CPC and many rays passing through the laser crystal relatively, but the distribution of the center and the edge of the laser crystal is relatively low. Due to the low ratio, the effect of the heat-induced lens is small. In addition, the absorption distribution for a large acceptance angle of 55 ° is more concentrated in the center of the laser crystal rod as shown in (d) of FIG. 5b, which is advantageous for fabricating a laser having high laser excitation efficiency of low power.

한편, 도 6a 및 도 6b는 본 발명에서 집속장치(CPC)의 수용각의 변화에 따른 레이저 결정내 흡수된 여기빔의 분포를 나타내는 도면이다.6A and 6B are diagrams illustrating a distribution of an excitation beam absorbed in a laser crystal according to a change in a receiving angle of a focusing device (CPC) in the present invention.

도 6a 및 도 6b를 참조하면, 반사형 변형 CPC의 간극(g)의 변화에 따른 레이저 결정내 흡수여기출력의 변화를 고정된 입사면의 크기에 대해서 계산하였다. 도 6b의 (a)에 나타낸 것처럼 작은 간극에 대해서 흡수분포가 좀더 균일한 분포를 갖는다. 따라서, 고출력의 레이저 개발시 간극을 최대한 줄일 필요가 있다. 그러나, 레이저 결정의 효과적인 냉각을 위하여 냉각용 용융 석영관(도 1의 4)을 레이저 결정봉의 둘레에 설치하기 위해서 간극을 크게 둘 경우에도 간극의 증가에 의한 손실이 CPC의 체적의 감소에 의한 효율 증가로 인해서 도 6a에 나타낸 것처럼 흡수된 여기출력에는 큰 손실이 없다.6A and 6B, the change in absorption excitation output in the laser crystal according to the change in the gap g of the reflective strain CPC was calculated with respect to the fixed incident surface size. As shown in (a) of FIG. 6B, the absorption distribution has a more uniform distribution for a small gap. Therefore, it is necessary to minimize the gap when developing a high power laser. However, even if the gap is large to install a cooling molten quartz tube (4 in FIG. 1) around the laser crystal rod for effective cooling of the laser crystal, the loss due to the increase in the efficiency of the loss due to the volume of the CPC is reduced. Due to the increase, there is no significant loss in the absorbed excitation output as shown in FIG. 6A.

본 발명은 특정의 실시예와 관련하여 도시 및 설명하였지만, 첨부된 특허청구범위에 의해 나타난 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 한도내에서 다양한 개조 및 변화가 가능하다는 것을 당업계에서 통상의 지식을 가진자라면 누구나 쉽게 알 수 있을 것이다.While the invention has been shown and described with respect to particular embodiments, it will be apparent to those skilled in the art that various modifications and changes can be made without departing from the spirit and scope of the invention as indicated by the appended claims. Anyone can grow up easily.

예를 들어, 본 발명은 발산각이 큰 적층된 다이오드 어레이의 급축 방향을 레이저 결정의 종축 방향으로 두어 다이오드 어레이의 출력을 레이저 결정에 결합한 형태를 갖고 있으나, 적층된 다이오드 레이저의 수가 증가하여 발산각이 작은 완축(slow-axis)을 레이저 결정의 종축 방향으로 결합할 경우는 다이오드 어레이와 반사형 집속장치(CPC)의 입구 사이에 렌즈를 두어 다이오드 여기빔의 발산각을 증가시킨 후에 집속장치(CPC)를 사용하여 레이저 결정에 결합하는 형태를 사용할 수 있다.For example, the present invention has a form in which a rapid divergence direction of a stacked diode array having a large divergence angle is placed in the longitudinal axis direction of a laser crystal, and the output of the diode array is coupled to the laser crystal. When combining this small slow-axis in the longitudinal direction of the laser crystal, a lens is placed between the diode array and the entrance of the reflective focusing device (CPC) to increase the divergence angle of the diode excitation beam and then to the focusing device (CPC). ) May be used to bind to the laser crystals.

이상에서 설명한 바와 같은 본 발명의 고체 레이저 시스템은 다이오드 어레이의 여기광을 고체 결정의 표면에 균일하게 입사시킬 수 있는 장점이 있고, 비접촉식이기 때문에 고체 레이저 결정의 둘레에 냉각용 용융 석영관을 설치할 수 있어 레이저 결정의 각 방향의 균일한 냉각이 용이하며, 집속장치(CPC)와 레이저 결정의 분리 냉각이 가능하여 발진된 고체 레이저 빔의 등방성이 향상되는 효과가 있다.As described above, the solid-state laser system of the present invention has the advantage of uniformly inciting the excitation light of the diode array to the surface of the solid crystal, and because it is non-contact, it is possible to install a molten quartz tube for cooling around the solid laser crystal. Therefore, uniform cooling in each direction of the laser crystal is easy, and the cooling of the focusing device (CPC) and the laser crystal can be performed, thereby improving the isotropy of the oscillated solid laser beam.

또한, 레이저 결정의 직경을 크게 가정하여 집속장치(CPC)를 설계한 후 작은 직경의 레이저 결정을 사용하여 집속장치(CPC)와 레이저 결정 사이에 간격을 주는 설계방법에 비해서 레이저 결정에 입사하는 여기빔의 손실을 줄일 수 있으며, cusp 형태의 집속체에 비해서 레이저 결정에 분포되는 여기빔의 균일성이 개선되는 효과가 있다.In addition, the excitation incident on the laser crystal is compared to the design method in which the focusing device (CPC) is designed assuming a large diameter of the laser crystal, and then a space is separated between the focusing device (CPC) and the laser crystal using a small diameter laser crystal. The beam loss can be reduced, and the uniformity of the excitation beam distributed in the laser crystal can be improved compared to the cusp-shaped focusing body.

또한, 변형 반사형 집속장치(CPC)의 수용각과 간극을 달리하여 주어진 다이오드 어레이의 여기빔의 방출면과 발산각에 대해서 집속장치(CPC)의 형태를 변화시켜 레이저 시스템의 광학적 기계적 설계가 용이해지며, 구조가 간단한 고체레이저 시스템의 설계 및 제작이 가능하게 되는 효과가 있다.In addition, the optical mechanical design of the laser system is facilitated by changing the shape of the focusing device (CPC) for the emission surface and divergence angle of the excitation beam of a given diode array by varying the receiving angle and clearance of the modified reflective focusing device (CPC). It is possible to design and manufacture a solid laser system having a simple structure.

또한, 20 W급 다이오드 어레이를 적층시킨 뒤 다시 선형 결합시킨 형태의 적층 다이오드 어레이를 레이저 결정에 효과적으로 결합할 수 있어서 고체레이저의 출력 증강을 도모할 수 있는 효과가 있다.In addition, the stacked diode array having a 20W class diode array laminated and then linearly coupled again can be effectively coupled to the laser crystal, thereby increasing the output of the solid state laser.

Claims (9)

레이저 여기빔을 방출하는 다수의 레이저 다이오드가 넓은 평면형태로 배치되어 이루어지는 적층 다이오드 어레이와, 상기 적층 다이오드 어레이에서 방출된 레이저 빔을 한곳으로 모으는 반사형 변형 집속장치(compound parabolic concentrator : CPC)와, 상기 반사형 집속장치에 의해 모아진 레이저빔에 의해 횡여기되어 레이저빔을 방출하는 레이저 결정봉을 포함하는 고체 레이저 시스템에 있어서,A multilayer diode array in which a plurality of laser diodes emitting laser excitation beams are arranged in a wide planar shape, a reflective parabolic concentrator (CPC) for collecting the laser beams emitted from the multilayer diode array into one place; In the solid-state laser system comprising a laser deciding rod which is transversely excited by the laser beam collected by the reflective focusing device to emit a laser beam, 상기 레이저 결정봉은 반사형 집속장치(CPC)의 반사면으로 부터 소정간격 이격되어 있으며, 레이저 결정봉의 둘레에는 냉각용 용융석영관이 설치되어 구성된 것을 특징으로 하는 고체 레이저 시스템.The laser crystal rod is a solid laser system, characterized in that spaced apart from the reflective surface of the reflective focusing device (CPC), a cooling molten quartz tube is installed around the laser crystal rod. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 반사형 변형 집속장치(CPC)는 그 입사면이 적층 다이오드 어레이의 방출면과 접해 있으며, 적층 다이오드 어레이의 여기빔의 발산각이 큰 급축(fast-axis) 방향을 레이저 결정봉의 종축 방향과 수직하게 두어, 상기 적층 다이오드 어레이의 여기빔이 상기 반사형 집속장치(CPC)의 반사면에 1회 반사한 후 레이저 결정봉에 입사하도록 구성된 것을 특징으로 하는 고체 레이저 시스템.The reflective deformable focusing apparatus (CPC) has an incident surface in contact with the emission surface of the multilayer diode array, and a fast-axis direction with a large divergence angle of the excitation beam of the multilayer diode array is perpendicular to the longitudinal axis direction of the laser crystal rod. In other words, the solid-state laser system of claim 1, wherein the excitation beam of the multilayer diode array is configured to reflect a reflection surface of the reflective focusing apparatus (CPC) once and then enter the laser crystal rod. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 레이저 결정봉의 둘레에 배치된 냉각용 용융 석영관에는, 상기 반사형 변형 집속장치(CPC)로 흐르는 냉각수의 일부를 레이저 결정봉으로 흐르도록 하여 상기 레이저 결정봉을 각방향으로 균일하게 냉각하기 위하여 각방향으로 균일한 간격의 홀을 갖는 냉각수 분배기가 설치되어 구성된 것을 특징으로 하는 고체 레이저 시스템.In the cooling molten quartz tube arranged around the laser crystal rod, a part of the cooling water flowing through the reflective deformation focusing apparatus (CPC) flows through the laser crystal rod to uniformly cool the laser crystal rod in each direction. And a coolant distributor having holes spaced evenly in each direction. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 반사형 변형 집속장치(CPC)는 반사율을 높이기 위하여 반사면에 금도금막 또는 금도금 및 코팅막이 형성된 것을 특징으로 하는 고체 레이저 시스템.The reflective deformation focusing apparatus (CPC) is a solid-state laser system, characterized in that the gold plating film or gold plating and coating film formed on the reflective surface to increase the reflectance. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 반사형 변형 집속장치(CPC)는 그 단면이 포물선의 형태를 갖는 상부와, 상기 레이저 결정봉 표면의 신개선(involute)의 형태를 갖는 하부로 이루어지고, 임의로 주어지는 하부의 꼭지점은 상기 레이저 결정봉과 소정간격 만큼 이격된 것을 특징으로 하는 고체 레이저 시스템.The reflective deformation focusing apparatus (CPC) has a cross section whose upper portion has a parabolic shape, and a lower portion having an involute shape on the surface of the laser crystal rod. Solid-state laser system, characterized in that spaced apart from the rod by a predetermined interval. 제 5 항에 있어서,The method of claim 5, 상기 반사형 변형 집속장치(CPC)는 상부와 하부는 θ=θi+π/2 에서 일치해야 하는 경계조건에 의해서, 레이저 결정봉 표면의 접선과 반사형 집속장치(CPC) 표면이 만나는 사이의 거리 ρ(θ)는 하기의 식에 의해 주어지는 것을 특징으로 하는 고체 레이저 시스템.The reflective deformable focusing device (CPC) is formed between the tangent of the surface of the laser crystal rod and the surface of the reflective focusing device (CPC) by the boundary condition that the upper part and the lower part must coincide at θ = θ i + π / 2. The distance ρ (θ) is given by the following equation. θ 가일 때,θ is when, , , θ 가일 때,θ is when, 여기서, θi로 주어지는 여기빔의 주변광선의 입사각, g는 레이저 결정봉의 표면과 CPC의 꼭지점 C 사이의 직선거리.Where θ i is The angle of incidence of the ambient light of the excitation beam, given by, is the linear distance between the surface of the laser crystal rod and the vertex C of the CPC. 제 5 항에 있어서,The method of claim 5, 상기 반사형 변형 집속장치(CPC)는 그 수용각 θa를 여기빔의 주변광선의 입사각과 일치시키거나 증감시켜 레이저 결정내의 흡수분포가 최적설계된 것을 특징으로 하는 고체 레이저 시스템.The reflection type deformable focusing apparatus (CPC) has an optimal absorption design in the laser crystal by matching or increasing or decreasing its reception angle θa with the incident angle of the ambient light of the excitation beam. 제 5 항에 있어서,The method of claim 5, 상기 반사형 변형 집속장치(CPC)는 하부의 꼭지점과 레이저 결정봉 사이의 간격 g를 증감시켜 레이저 결정내의 여기빔 흡수분포가 최적설계된 것을 특징으로 하는 고체 레이저 시스템.The reflective deformation focusing apparatus (CPC) is a solid-state laser system characterized in that the excitation beam absorption distribution in the laser crystal is optimally designed by increasing or decreasing the distance g between the lower vertex and the laser crystal rod. 레이저 여기빔을 방출하는 다수의 레이저 다이오드가 넓은 평면형태로 배치되어 이루어지는 적층 다이오드 어레이와, 상기 적층 다이오드 어레이에서 방출된 레이저 빔을 한곳으로 모으는 반사형 변형 집속장치(compound parabolic concentrator : CPC)와, 상기 반사형 집속장치에 의해 모아진 레이저빔에 의해 횡여기되어 레이저빔을 방출하는 레이저 결정봉과, 상기 레이저 결정봉의 둘레에 설치되어 레이저 결정봉을 냉각하는 냉각용 용융석영관을 포함하는 고체 레이저 시스템에 있어서,A multilayer diode array in which a plurality of laser diodes emitting laser excitation beams are arranged in a wide planar shape, a reflective parabolic concentrator (CPC) for collecting the laser beams emitted from the multilayer diode array into one place; And a laser crystal rod that is horizontally excited by a laser beam collected by the reflective focusing device to emit a laser beam, and a molten quartz tube for cooling that is installed around the laser crystal rod to cool the laser crystal rod. In 상기 적층 다이오드 어레이의 방출면에 배치되어 작은 발산각을 갖는 적층 다이오드 어레이의 여기빔의 발산각을 증가시킨 후에 반사형 집속장치에서 반사되도록 하는 렌즈를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 고체 레이저 시스템.And a lens disposed on an emission surface of the stacked diode array, the lens configured to be reflected by the reflective focusing apparatus after increasing the divergence angle of the excitation beam of the stacked diode array having a small divergence angle.
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