KR20020096376A - 2차 고조파 발생을 위한 고체 레이저 - Google Patents

Abstract

본 발명은 레이저에 관한 것으로, 특히 2 차 고조파 발생을 위한 고체 레이저에 관한 것이다. 이와 같은 본 발명에 따른 고체 레이저는 레이저 빔을 출력하는 제1, 제2 화이버 레이저 다이오드와, 상기 제1, 제2 화이버 레이저 다이오드로부터 출력된 레이저 빔을 펌핑하여 각각 발진시키는 레이저 매질부와, 상기 발진된 레이저 빔들로부터 2차 고조파들을 각각 발생시키고, 비선형 물질로 이루어진 고조파 발생부와, 상기 2차 고조파들을 소정 방향으로 각각 반사시키는 거울과, 상기 반사된 고조파들을 각각 출력하는 출력부를 포함하여 구성된다. 따라서, 본 발명은 향상된 각각의 2차 고조파 레이저 빔을 얻을 수 있는 효과가 있다.

Description

2차 고조파 발생을 위한 고체 레이저{Solid Laser for generating the second harmonics}

본 발명은 레이저에 관한 것으로, 특히 2 차 고조파 발생을 위한 고체 레이저에 관한 것이다.

알려진 바와 같이 1960년대 루비 레이저가 발진된 이래로, 연구 개발을 통하여 많은 형태의 레이저가 개발되었다.

대표적인 레이저의 종류로는 Nd 계열의 고체 레이저, He-Ne, 엑시머(Excimer) 등의 기체 레이저, 다이(Dye) 레이저와 같은 액체 레이저가 있다.

종래 사용되는 고체 레이저는 방전관(Flash lamp)으로 고체 레이저 매질을 여기시켜 발진시키는 형태로 방전관의 수명이 500시간 이하로 짧고, 효율이 낮아 전력 소모가 많이 들고, 시스템이 큰 단점이 있었다.

따라서, 이러한 단점을 극복하기 위해 고출력 반도체 레이저가 개발되었으며, 이후에 이 고출력 반도체 레이저로 고체 레이저 매질을 여기시켜 레이저를 발진시키는 다이오드 펌핑 고체 레이저가 개발되었다.

상기 다이오드 펌핑 고체 레이저는 레이저 다이오드의 수명이 10000시간 이상으로 길어 유지 관리가 쉽고, 에너지 효율이 방전관에 비해 커서 전력소모가 적게 들고, 시스템을 작게 만들 수 있는 장점이 있다.

다이오드 펌핑 고체 레이저는 크게 사이드 펌핑(Side pumping) 방식과, 엔드펌핑(End pumping) 방식으로 분류할 수 있다.

사이드 펌핑 방식은 고출력 레이저 다이오드를 레이저 다이오드 옆면에 위치시켜, 고체 레이저 매질을 여기시키는 방식으로 수십~수백 W급의 고출력을 얻고자 할 때 이용된다.

엔드 펌핑 방식은 화이버 레이저 다이오드로 결합된 고출력 레이저 다이오드를 사용하여, 이 화이버 레이저 다이오드로부터 출력되는 레이저 빔을 레이저가 발진되는 방향으로 직접 펌핑하거나, 렌즈계를 사용하여 펌핑하는 방식으로 10W급 이하의 광출력을 얻을 때 주로 이용된다.

예로써, 엔드 펌핑 방식의 2차 고조파를 생성하는 고체 레이저를 도 1을 참고로 하여 자세히 설명하기로 한다.

도 1을 참조하면, 종래 기술에 따라 반도체 레이저 다이오드로 펌핑된 고체 레이저는 화이버 레이저 다이오드(1)와, 레이저 매질부(2)와, 고조파 발생부(3)와, 출력부(4)로 구성된다.

이와 같은 구성에 의하여 화이버 레이저 다이오드(1)에서 나오는 레이저 빔은 레이저 매질부(2)에 의해 펌핑되고, 이 레이저 매질부(2)에 의해 펌핑되어 발진되는 레이저 빔은 고조파 발생부(3)에 의해 2차 고조파로 발생된 뒤, 출력부(4)에 의해 출력된다.

이때, 레이저 매질부(2)는 발진되는 레이저 파장에 대하여 HR 코팅을 한다. 즉, 레이저 빔이 펌핑된 면으로부터 발진되는 레이저 파장에 대하여 HR 코팅을 하고, 펌핑되는 레이저 빔의 파장에 대하여서는 AR 코팅을 한다.

고조파 생성부(3)는 KTP, LBO, BBO, KNO3, KDP등의 비선형 물질로 이루어져, 상기 레이저 매질부(2)로부터 발진되는 레이저 파장에 대하여 1/2에 해당하는 파장을 발생한다. 즉, 상기 레이저 매질부(2)로부터 발진되는 빔의 2차 고조파를 발생시킨다.

상기 출력부(4)는 상기 레이저 매질부(2)로부터 발진되는 레이저 파장에 대하여 HR 코팅을 하고, 상기 생성된 2차 고조파 레이저 파장에 대하여서는 AR 코팅을 한다.

이와 같은 엔드 펌핑 방식의 경우, 레이저 매질부(2)에서 발생하는 열에 의하여, 레이저 매질부에서 열 렌즈, 열 복굴절과 같은 열 왜곡 현상이 심하게 일어난다.

이러한 열 왜곡 현상은 고체 레이저 공진기를 유지할 수 없게 만들어, 고체 레이저에서 발생되는 10W급 이상의 광 출력을 얻기가 어렵게 된다.

따라서, 본 발명의 목적은 이상에서 언급한 종래 기술의 문제점을 감안하여 안출한 것으로서, 엔드 펌핑 방식에서 광출력을 향상시키도록 하는 2차 고조파 발생을 위한 고체 레이저를 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 다른 목적은 엔드 펌핑 방식에서 독립적인 복수의 고체 레이저 광출력을 출력하도록 하는 2차 고조파 발생을 위한 고체 레이저를 제공하기 위한 것이다.

이상과 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 장치상 특징에 따르면, 레이저 빔을 출력하는 제1, 제2 화이버 레이저 다이오드와, 상기 제1, 제2 화이버 레이저 다이오드로부터 출력된 레이저 빔을 펌핑하여 각각 발진시키는 레이저 매질부와, 상기 발진된 레이저 빔들로부터 2차 고조파들을 각각 발생시키고, 비선형 물질로 이루어진 고조파 발생부와, 상기 2차 고조파들을 소정 방향으로 각각 반사시키는거울과, 상기 반사된 고조파들을 각각 출력하는 출력부를 포함하여 구성된다.

이때, 상기 제1 화이버 레이저 다이오드와, 상기 제2 화이버 레이저 다이오드 사이의 거리는 0.1mm ~ 1mm이다.

또한, 상기 거울은 상기 입사되는 레이저 빔을 입사 방향에 대해 수직으로 반사되도록 정육면체로 이루어진 전반사 거울이다.

또한, 상기 레이저 매질부는 YAG와 Nd:YV04이 합체된 물질로 이루어진다.

추가적으로, 상기 제1, 제2 화이버 레이저 다이오드와, 레이저 매질부 사이에는 상기 레이저 빔을 상기 레이저 매질부로 집속시키는 다수 개의 렌즈들이 배열된다.

도 1은 종래 기술에 따른 2차 고조파 발생을 위한 고체 레이저를 나타낸 도면

도 2는 본 발명에 따른 이중 펌핑 방식에 따라 2차 고조파 발생을 위한 고체 레이저의 일 예를 나타낸 도면

도 3은 본 발명에 따른 이중 펌핑 방식에 따라 2차 고조파 발생을 위한 고체 레이저의 다른 예를 나타낸 도면

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

11 : 화이버 레이저 다이오드

12. : 레이저 매질부

13 : 고조파 발생부

14a, 14b : 출력부

15 : 거울

이하 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 구성 및 작용을 첨부된 도면을 참조하여 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 이중 펌핑 방식에 따라 2차 고조파 발생을 위한 고체 레이저의 일 예를 나타낸 도면이다.

도 3은 본 발명에 따른 이중 펌핑 방식에 따라 2차 고조파 발생을 위한 고체 레이저의 다른 예를 나타낸 도면이다.

도 2 내지 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 고체 레이저는 한 쌍의 화이버 레이저 다이오드(11a,11b)와, 레이저 매질부(12)와, 고조파 발생부(13)와, 출력부(14a, 14b)와, 거울(15)로 구성된다.

도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 0.1mm ~ 1mm의 거리에 위치하는 각 화이버 레이저 다이오드(11a,11b)로부터 출력되는 레이저 빔은 레이저 매질부(12)에 의해 각각 펌핑되고, 상기 레이저 빔이 펌핑된 레이저 매질부(12)로부터 발진되는 빔은 고조파 발생부(13)에 의해 각각의 2차 고조파로 발생되고, 정육면체 모양의 전반사 거울(15)에 반사된 뒤 출력부(14a,14b)를 통하여 출력된다.

상기 레이저 매질부(12)는 발진되는 레이저 파장에 대하여 HR 코팅을 한다. 즉, 상기 레이저 빔이 펌핑된 면으로부터 발진되는 레이저 파장에 대하여 HR 코팅을 하고, 펌핑되는 레이저 빔의 파장에 대하여서는 AR 코팅을 한다.

예를 들어, 상기 레이저 물질(12)이 열전도가 좋은 불순물이 섞이지 않은 YAG와 같은 투명한 물질과, 열 전도가 나쁜 레이저 매질인 Nd:YV04의 물질과 합체된 경우, 이 레이저 매질부(12)에 의해 펌핑되는 레이저 파장은 808nm이고, 이 레이저 매질부(12)로부터 발진되는 레이저 파장은 1064nm이므로, Nd: YV04의 펌핑되는 면을 1064nm에 대하여 HR 코팅을 하고, 808nm에 대하여는 AR 코팅을 한다.

상기 고조파 생성부(13)는 KTP, LBO, BBO, KNO3, KDP등의 비선형 물질로 이루어져 2차 고조파를 발생시킨다. 즉, 상기 레이저 매질부(12)로부터 발진되는 레이저 파장으로부터 1/2에 해당하는 파장을 발생시킨다.

이 때, 상기 고조파 생성부(13)로부터 2차 고조파 레이저 빔이 발생되기 위해서는 레이저 물질(12)로부터 발진되는 두 개의 레이저 빔의 광축이 평행해야 한다.

따라서, 이 두 개의 레이저 빔이 고조파 생성부(13)에 입사되는 입사각이 같아 위상 정합 조건을 만족하게 되므로, 2차 고조파 레이저 빔의 발생을 독립적으로발생시킬 수 있다.

상기 출력부(14)는 상기 레이저 매질부(12)로부터 발진되는 레이저 파장에 대하여 HR 코팅을 하고, 2차 고조파 레이저 파장에 대하여서는 AR 코팅을 한다.

즉, 상기 레이저 매질부(12)가 1064nm 레이저 파장을 발진시킬 경우, 출력부(14)는 1064nm 레이저 파장에 대하여 HR 코팅을 하고, 532nm 파장에 대하여 AR 코팅을 하게 된다.

상기 두 개의 화이버 레이저 다이오드(11a,11b)의 거리가 0.1mm~1mm으로 되고, 이중으로 펌핑되는 레이저 빔이 레이저 매질 부분을 레이저 광축으로 하여 독립적으로 발진되도록 함으로써, 독립적인 레이저 공진기를 형성하도록 한다.

이때, 상기 두 개의 화이버 레이저 다이오드(11a,11b)의 거리 조정에 의해 레이저 매질부(12)에 의해 펌핑되는 레이저 빔의 거리를 조정할 수 있으며, 이러한 조정에 의해 레이저 매질부(12)에서 발생하는 열 효과를 줄일 수 있어 레이저 빔 발진 효율을 증가시킬 수 있다.

또한, 상기 고조파 생성부(12)에서 의해 생성된 2차 고조파가 입사 방향에 대해 수직으로 반사되도록 정육면체 모양의 전반사 거울(15)을 사용한다.

따라서, 두 개의 2차 고조파 레이저 빔을 출력부(14a,14b)로 각각 보내어 독립적으로 두 개의 레이저 빔을 형성하도록 한다.

이때, 정육면체 모양의 거울(15)은 두 개의 독립적인 레이저 빔을 평면 또는 오목 또는 볼록한 출력부(14a,14b)의 중심에 위치시킬 수 있어, 독립적이고 최적화된 두 개의 레이저 빔을 생성하는 고체 레이저를 설계할 수 있게 된다.

한편, 도 3에 도시된 바와 같이, 한 쌍의 화이버 레이저 다이오드(11a,11b)로부터 출력되는 각각의 레이저 빔은 제1 렌즈(16a)에 의해 1차 집속된 이후에 제2 렌즈(16b)에 재집속된다. 이 두 번의 집속 동작에 의해 상기 레이저 빔은 레이저 매질부(12)에 의해 보다 작고 효율적으로 펌핑된다.

또한, 상기 화이버 레이저 다이오드(11a,11b)와, 레이저 매질부(12) 사이의 거리를 두 개의 렌즈(16a,16b)를 이용하여 조정할 수 있다.

이 거리 조정에 의하여 레이저 매질부(12)에 의해 펌핑되는 빔의 크기를 조절할 수 있으며, 이는 고체 레이저 설계시 레이저 매질부(12)에서 발진되는 레이저 광의 발진 효율을 증가시킬 수 있다.

이상의 설명에서와 같이 본 발명은 엔드 펌핑 방식에서 광출력을 향상시키는 효과가 있다.

또한, 각각 독립적인 고출력의 2차 고조파 레이저 빔을 얻을 수 있어, Nd:YV04 레이저 매질을 사용할 경우 고출력의 녹색, 청색 레이저를 얻을 수 있는 효과가 있다.

이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술 사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다.

따라서, 본 발명의 기술적 범위는 실시예에 기재된 내용으로 한정하는 것이 아니라 특허 청구 범위에 의해서 정해져야 한다.

Claims (5)

1. 레이저 빔을 출력하는 제1, 제2 화이버 레이저 다이오드;

   상기 제1, 제2 화이버 레이저 다이오드로부터 출력된 레이저 빔을 펌핑하여 각각 발진시키는 레이저 매질부;

   상기 발진된 레이저 빔들로부터 2차 고조파들을 각각 발생시키고, 비선형 물질로 이루어진 고조파 발생부;

   상기 2차 고조파들을 소정 방향으로 각각 반사시키는 거울;

   상기 반사된 고조파들을 각각 출력하는 출력부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 2차 고조파 발생을 위한 고체 레이저.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 제1, 제2 화이버 레이저 다이오드와, 레이저 매질부 사이에는 상기 레이저 빔을 상기 레이저 매질부로 집속시키는 다수 개의 렌즈들이 배열되는 것을 특징으로 하는 2차 고조파 발생을 위한 고체 레이저.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 제1 화이버 레이저 다이오드와, 상기 제2 화이버 레이저 다이오드 사이의 거리는 0.1mm ~ 1mm인 것을 특징으로 하는 2차 고조파 발생을 위한 고체 레이저.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 거울은 상기 입사되는 레이저 빔을 입사 방향에 대해 수직으로 반사되도록 정육면체로 이루어진 전반사 거울인 것을 특징으로 하는 2차 고조파 발생을 위한 고체 레이저.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 레이저 매질부는 YAG와 Nd:YV04이 합체된 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 2차 고조파 발생을 위한 고체 레이저.