KR20030024464A - 이광자 펌핑을 이용한 콜레스테릭 액정 레이저 발진 장치 - Google Patents

이광자 펌핑을 이용한 콜레스테릭 액정 레이저 발진 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 색소가 도핑된 콜레스테릭 액정 매질에 펌프 레이저를 조사하여 이광자 흡수를 유도하고 색소의 방출 스펙트럼 내에 콜레스테릭 액정 반사 밴드의 가장자리를 위치시킴으로서 레이저 작용을 일으키도록 하는 이광자 펌핑을 이용한 콜레스테릭 액정 레이저 발진장치에 관한 것으로,
이광자 흡수용 색소가 도핑된 콜레스테릭 액정 매질과;
펌프 레이저의 주파수 상향 변환 소자로서 동작하도록, 색소의 방출 스펙트럼 영역보다 긴 파장을 지닌 액정매질 조사용 펌프 레이저를 포함하여 구성함이 특징이다.

Description

이광자 펌핑을 이용한 콜레스테릭 액정 레이저 발진 장치{Two-Photon Pumped Cholesteric Liquid Cryatal Laser Apparatus}
본 발명은 색소가 도핑된 콜레스테릭 액정 매질에 펌프 레이저를 조사하여 이광자 흡수를 유도하고 색소의 방출 스펙트럼 내에 콜레스테릭 액정 반사 밴드의 가장자리를 위치시킴으로서 레이저 작용을 일으키도록 하는 이광자 펌핑을 이용한 콜레스테릭 액정 레이저 발진장치에 관한 것이다.
종래의 주파수 상향 전환은 비선형 광학 현상을 이용하여 비선형 결정 내에서의 주파수 합성을 유도하는 방법이나, 이광자 흡수가 일어나는 색소를 고분자, 반도체 혹은 액체 매질내에 도핑하여 그 방출광을 이용하는 방법을 사용하여 왔다.
비선형 결정을 이용한 주파수 상향 전환 방법은 위상 정합(Phase Matching)과 같은 기술을 사용하여 매우 높은 변환 효율을 달성할 수 있지만, 2차 및 고차 조화파 발생(Second & Higher Harmonic Generation), 합 주파수 발생(Sum Frequ ency Generation) 등의 비선형 광학 현상을 사용하기 때문에 펌핑용 레이저 파장과 일정한 관계에 있는 파장만으로 그 변환이 가능하다.
예를 들면, 2차 조화파 발생의 경우 펌핑용 레이저 파장의 1/2(주파수는 2배)에 해당하는 출력만을 얻을 수 있는 것이다.
한편, 고분자, 반도체 혹은 액체 매질에서의 이광자 펌핑을 이용한 주파수 상향 전환 방법은 도핑된 색소의 방출 스팩트럼 내에서 자유롭게 출력 레이저의 파장을 선택할 수 있으나, 파장 선택과 고효율의 동작을 위해서는 이들 매질이 레이저 발진 파장에 대해 공진기를 형성할 수 있도록 해 주어야 한다.
이를 위해 흔히 사용하는 방법으로는 매질 외부에 부가적인 거울 2개를 장착 시키는 방법, 매질 내에 펌프 레이저를 사용하여 정상파(Standing Wave)를 형성해 분포 궤한(Distributed Feedback)에 의해 공진기가 형성되도록 하는 방법, 매질의 양단면에 거울 코팅을 해 주어 공진이 형성되도록 하는 방법 등이 있다.
도 1에 공지의 색소가 도핑된 고분자 도파로를 사용한 이광자 펌핑 주파수 상향 변환 장치의 구조도를 도시하였다.
즉, 실리콘 기판(51) 상부에 산화실리콘(5, SiO2)이 도포되고, 그 상부에 색소가 도포된 PMMA(Polymethylemethacrylate, 4)가 위치한다.
이 장치에서는 흡수나 산란과 같은 선형 광학 손실이 적으면서도 높은 비선형 광학 흡수가 가능한 매질을 사용하여 도파로를 형성해서 이광자 흡수를 비롯한 다광자 흡수를 효율적으로 유도하여 펌프 레이저의 파장보다 짧은 파장을 갖는, 다시 말해서 펌프 레이저의 주파수 보다 높은 주파수를 갖는 레이저 출력을 얻고자 시도하였다.
도파로 양단면에 특별한 코팅을 해 주지 않은 경우 공진기는 단순히 양단면에서의 프레넬 반사(Fresnel Feflection, ∼4%)면에 의해 형성되므로 그 작용이 매우 미약하여 주로 자발 증폭 복사(Amplified Spontaneous Emission)에 의해 레이저 작용이 일어나므로, 주파수 상향 변환 효율이 현저히 떨어진다.
따라서, 고효율의 변환 효율을 달성하기 위해서는 도파로 양단면에 레이저 발진을 원하는 파장에 대해 고반사 코팅을 수행해 주어야만 하는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결코자 하는 것으로,
장파장의 레이저를 펌핑원으로 사용하여 높은 효율로 단파장의 레이저를 발생시킬 수 있는 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 수단으로,
본 발명은, 이광자 흡수용 색소가 도핑된 콜레스테릭 액정 매질과; 펌프 레이저의 주파수 상향 변환 소자로서 동작하도록, 색소의 방출 스펙트럼 영역보다 긴 파장을 지닌 액정매질 조사용 펌프 레이저를 포함하는 것이 특징이다.
또한, 이광자 흡수를 위한 색소는, DCM(4-dicyanomethylene-2-methyl-6-p-dimethylaminostyryl-4H-pyran), 또는 Rhodamine 6G, 또는 Rhodamine B, 또는 PYC (1,3,1',3'-tetramethyl-2,2'-dioxopyrimido-6,6'-carbocyanine hydrogen sulfate) 중 선택된 어느 하나를 사용하는 것이 특징이다.
또한, 하나의 파장영역(noP 또는 neP)에서 레이저 발진이 일어나도록, 상기 콜레스테릭 액정의 반사 밴드 가장자리 중 한쪽만이 색소의 방출 스펙트럼 영역내에 존재하는 것이 특징이다.
또한, 두 파장 영역(noP와 neP)에서 레이저 발진이 동시에 일어나도록, 상기 콜레스테릭 액정의 반사 밴드 가장자리 둘 모두가 색소의 방출 스펙트럼 영역 내에 존재하는 것이 특징이다.
또한, 상기 펌프 레이저는 다이오드 레이저인 것이 특징이다.
도 1은 일반적인 공지의 색소가 도핑된 고분자 도파로를 사용한 이광자 펌핑 주파수 상향 변환장치의 구조도.
도 2는 본 발명의 이광자 펌핑을 이용한 콜레스테릭 액정 레이저 발진 장치의 구조도.
도 3은 일반적인 색소의 흡수 및 방출 스펙트럼과 본 발명의 콜레스테릭 액정의 반사 스펙트럼 구성도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
1: 색소가 도핑된 콜레스테릭 액정 매질
2: 펌핑용 레이저 시스템
3: 레이저 출력
4: 색소가 도핑된 PMMA(Polymethylmethacrylate)
5: SiO2
6: 색소의 흡수 스펙트럼
7: 콜레스테릭 액정의 반사 스팩트럼
21: 펌프 레이저
22: 집속 광학계
51: 실리콘 기판
61: 색소의 방출 스펙트럼
71: 레이저 작용이 일어날 수 있는 위치(콜레스테릭 액정 반사 밴드의 가장자리)
λp: 펌프 레이저의 파장
λp/2: 색소의 흡수 스펙트럼 내에 이광자 흡수가 일어나는 파장 위치
λL: 레이저 출력이 발생하는 파장
이하에서 도면을 참조로 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 구성도로써,
이광자 흡수용 색소가 도핑된 콜레스테릭 액정 매질(1)과; 펌프 레이저의 주파수 상향 변환 소자로서 동작하도록, 색소의 방출 스펙트럼 영역보다 긴 파장을 지닌 액정매질 조사용 펌프 레이저 시스템(2)을 포함하여 구성한다.
그리고, 이광자 흡수를 위한 색소는, DCM(4-dicyanomethylene-2-methyl-6-p-dimethylaminostyryl-4H-pyran), 또는 Rhodamine 6G, 또는 Rhodamine B, 또는 PYC (1,3,1',3'-tetramethyl-2,2'-dioxopyrimido-6,6'-carbocyanine hydrogen sulfate) 중 선택된 어느 하나를 사용한다.
상기 액정매질 조사용 펌프 레이저(21)는 집속 광학계(22)와 더불어 펌핑용 레이저 시스템(2)을 구성하고 있다. 도면에서 3은 레이저 출력을 나타낸다.
상기, 콜레스테릭 액정 매질(1)은 일종의 1차원 광자 밴드 갭(Photonic Band Gap)을 형성하며, 1차원 광자 밴드 갭의 고유한 특성에 의해 매질 두께 방향으로 무거울 레이저 작용(Mirror less Lasing)이 매우 효율적으로 일어나는바, 본 발명은 이러한 무거울 레이저 작용현상과 이광자 흡수를 이용하여 펌프 레이저의 주파수 상향 변환 소자를 구현하고자 하는 것이다.
상기에서 콜레스테릭 액정은 액정상의 하나로서 네마틱 액정(Nematic Liquid Crystal) 분자가 두께 방향을 따라 나선형으로 꼬여 있는 구조를 갖고 있으며, 아울러 일정한 길이 간격으로 꼬임이 반복되고 있는데, 반복되는 길이를 피치(Pitch)라고 부르고, 꼬여 있는 방향성에 따라 우선형 콜레스테릭 액정과 좌선형 콜레스테릭 액정으로 구분된다.
우선형 콜레스테릭 액정은 특정 파장 밴드내에서 우원편광을 다시 우원편광으로 반사시키고, 좌원편광은 그대로 투과시키는 특성을 갖고 있으며, 반대로 좌선형 콜레스테릭 액정은 동일한 파장 밴드 내에서 좌원편광을 다시 좌원편광으로 반사시키고 우원편광을 투과시키는 특성을 갖고 있다.
반사의 중심파장 λ0는 λ0= navP로 주어진다.
평균굴절률 nav는 네마틱 액정의 이상굴절률과 정상굴절률을 각각 ne와 no라 할때 nav= [(ne 2+no 2)/2]1/2 (ne+no)/2이고, P는 콜레스테릭 액정의 피치를 뜻한다.
그리고, 반사 밴드의 두 가장자리에 해당하는 파장은 각각 noP와 neP로 주어진다.
콜레스테릭 액정 매질(1)은 두께 방향으로 반복되는 구조를 갖고 있기 때문에 일종의 1차원 광자 갭(Photonic Band Gap)을 형성하는바, 우선형(또는 좌선형) 콜레스테릭 액정의 경우 반사 밴드 내에서는 우원편광(또는 좌원편광)을 지닌 광이 존재할 수 없기 때문에 우원편광(또는 좌원편광)을 지닌 광의 형광 스펙트럼은 반사 밴드의 가장자리에 집중된 형태를 띠게 된다.
또한 반사 밴드 가장자리에서는 광파의 군속도(Group Velocity)가 0으로 수렴하기 때문에 레이저 작용에 있어서 매우 큰 이득을 경험 할 수 있게 된다.
이 두 현상이 결합하여 콜레스테릭 액정에서는 공진기를 형성해 주는 거울 없이도 반사 밴드의 가장자리에 해당하는 파장에서 고효율의 레이저 작용이 일어나는 것이다.
그리고, 우선형 콜레스테릭 액정의 경우 레이저 출력은 우원편광을, 좌선형의 경우 좌원편광을 띄게 된다.
도 3에 일반적인 색소의 흡수 및 방출 스펙트럼과 본 발명을 통한 콜레스테릭 액정의 반사 스펙트럼을 도시하였다.
도시한 바와 같이, 일광자 흡수(One-Photon Absorption)를 이용한 일반적인 색소 레이저에서는 펌프 레이저의 파장이 색소의 흡수 스펙트럼 내에 존재해야 하므로 방출 스펙트럼 영역에서 발생하는 레이저 출력의 파장은 항상 펌프 레이저의 파장 보다도 길어지게 된다.
다시 말해 주파수 상향 변환이 불가능한 것이다.
반면에 본 발명에서와 같이 색소의 방출 스펙트럼 영역보다 긴 파장을 지닌 펌프 레이저를 사용하여 이광자 흡수에 의해 펌프 레이저가 흡수되도록 만들어 주면, 레이저 출력의 파장이 항상 펌프 레이저의 파장 보다 짧아지게 되어 주파수 상향 변환이 가능한 것이다.
이광자 흡수 현상이 알려져 있는 공지의 색소들이 다수 존재한다.
상술한 바와 같이 레이저 활성 매질로 사용되는 콜레스테릭 액정에서의 무거울 레이저 작용 현상과 이광자 흡수 현상을 결합하면 펌프 레이저의 주파수보다 더 큰 주파수를 지닌 레이저 출력을 얻을 수 있는 주파수 상향 변환 소자의 구현이 가능한 것이다.
결국, noP와 neP에 해당하는 파장에서 레이저 작용이 일어나므로 네마틱 액정의 이상 굴절율과 정상 굴절률 그리고 콜레스테릭 층의 피치를 조절함으로서 발진 레이저 파장을 색소의 방출 스펙트럼 내에서 조절할 수가 있다.
도 3에서는 아울러 특별히 noP의 파장에서만 레이저 작용이 일어나는 경우를도시하였는바, 반사 밴드의 두 가장자리가 모두 색소의 방출 스펙트럼 내에서 존재하게 되면 두 파장 모두에서 레이저 작용이 일어나며, neP에 해당하는 반사 밴드 가장자리만이 색소의 방출 스펙트럼 내에 존재하면 neP의 파장에서만 레이저 작용이 일어남을 알 수 있다.
여기서, 6은 색소의 흡수 스펙트럼이고, 7은 콜레스테릭 액정의 반사 스팩트럼이며, 61은 색소의 방출 스펙트럼이고, 71은 레이저 작용이 일어날 수 있는 위치를 나타낸다.
상술한 바와 같이 구성되는 본 발명의 이광자 펌핑을 이용한 콜레스테릭 액정 레이저 발진 장치는 그 구조가 매우 단순하므로 콤팩트한 레이저 시스템 제작이 가능하여 단파장의 콤팩트한 레이저 시스템을 필요로 하는 여러 분야에 응용될 수 있을 것으로 기대된다.
상술한 바와 같이 본 발명의 이광자 펌핑을 이용한 콜레스테릭 액정 레이저 발진 장치는 장파장의 레이저를 펌핑원으로 사용하여 높은 효율로 단파장의 레이저를 발생시킬 수 있는 장치이며, 그 구조가 매우 단순하여 콤팩트한 레이저 시스템 제작이 가능한 장점이 있다.
따라서 단파장의 콤팩트한 레이저 시스템을 필요로 하는 여러 분야에 응용될 수 있다.
즉, 본 발명의 이광자 펌핑을 이용한 콜레스테릭 액정 레이저 발진 장치를 사용하여 소형이며 가볍고 저렴한 정보 저장용, 인쇄용, 디스플레이용, 정보 통신용 레이저 광원제작이 가능한 것이다.
특히 고효율 다이오드 레이저의 주파수 상향 전환 소자로서 유용하게 사용될 수 있다.

Claims (5)

  1. 이광자 흡수용 색소가 도핑된 콜레스테릭 액정 매질과;
    상기 액정매질을 조사하는 펌프 레이저 및 이를 집속하는 집속 광학계를 포함하여 이루어지며, 펌프 레이저의 주파수 상향 변환 소자로서 동작하도록, 색소의 방출 스펙트럼 영역보다 긴 파장을 지닌 액정매질 조사용 펌프 레이저 시스템을 포함하여 구성하는 것을 특징으로 하는 이광자 펌핑을 이용한 콜레스테릭 액정 레이저 발진장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    이광자 흡수를 위한 색소는, DCM(4-dicyanomethylene-2-methyl-6-p-dimethy laminostyryl-4H-pyran), 또는 Rhodamine 6G, 또는 Rhodamine B, 또는 PYC(1,3,1', 3'-tetramethyl-2,2'-dioxopyrimido-6,6'-carbocyanine hydrogen sulfate)중 선택된 어느 하나를 사용하는 것을 특징으로 하는 이광자 펌핑을 이용한 콜레스테릭 액정 레이저 발진장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    하나의 파장영역(noP 또는 neP)에서 레이저 발진이 일어나도록, 상기 콜레스테릭 액정의 반사 밴드 가장자리 중 한쪽만이 색소의 방출 스펙트럼 영역내에 존재하는 것을 특징으로 하는 이광자 펌핑을 이용한 콜레스테릭 액정 레이저 발진장치.
    상기에서 ne는 이상굴절률, no는 정상굴절률, P는 콜레스테릭 액정의 피치, noP 또는 neP는 반사 밴드의 두 가장자리에 해당하는 파장이다.
  4. 제 1 항에 있어서,
    두 파장 영역(noP와 neP)에서 레이저 발진이 동시에 일어나도록, 상기 콜레스테릭 액정의 반사 밴드 가장자리 둘 모두가 색소의 방출 스펙트럼 영역 내에 존재하는 것을 특징으로 하는 이광자 펌핑을 이용한 콜레스테릭 액정 레이저 발진 장치.
    상기에서 ne는 이상굴절률, no는 정상굴절률, P는 콜레스테릭 액정의 피치, noP와 neP는 반사 밴드의 두 가장자리에 해당하는 파장이다.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 펌프 레이저는 다이오드 레이저인 것을 특징으로 하는 이광자 펌핑을이용한 콜레스테릭 액정 레이저 발진장치.
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