KR20060131818A - 레이저광 입사 광학장치 - Google Patents

레이저광 입사 광학장치 Download PDF

Info

Publication number
KR20060131818A
KR20060131818A KR1020067015094A KR20067015094A KR20060131818A KR 20060131818 A KR20060131818 A KR 20060131818A KR 1020067015094 A KR1020067015094 A KR 1020067015094A KR 20067015094 A KR20067015094 A KR 20067015094A KR 20060131818 A KR20060131818 A KR 20060131818A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
optical fiber
incident
laser
laser beam
laser light
Prior art date
Application number
KR1020067015094A
Other languages
English (en)
Other versions
KR100804357B1 (ko
Inventor
마코토 이시바시
Original Assignee
가부시끼가이샤 도시바
도시바 덴시칸 디바이스 가부시키가이샤
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Family has litigation
First worldwide family litigation filed litigation Critical https://patents.darts-ip.com/?family=34829407&utm_source=google_patent&utm_medium=platform_link&utm_campaign=public_patent_search&patent=KR20060131818(A) "Global patent litigation dataset” by Darts-ip is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.
Application filed by 가부시끼가이샤 도시바, 도시바 덴시칸 디바이스 가부시키가이샤 filed Critical 가부시끼가이샤 도시바
Publication of KR20060131818A publication Critical patent/KR20060131818A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR100804357B1 publication Critical patent/KR100804357B1/ko

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/28—Investigating the spectrum
    • G01J3/44—Raman spectrometry; Scattering spectrometry ; Fluorescence spectrometry
    • G01J3/4406—Fluorescence spectrometry
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/42—Coupling light guides with opto-electronic elements
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/02—Details
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/02—Details
    • G01J3/0205—Optical elements not provided otherwise, e.g. optical manifolds, diffusers, windows
    • G01J3/0218—Optical elements not provided otherwise, e.g. optical manifolds, diffusers, windows using optical fibers
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/42—Coupling light guides with opto-electronic elements
    • G02B6/4201—Packages, e.g. shape, construction, internal or external details
    • G02B6/4204—Packages, e.g. shape, construction, internal or external details the coupling comprising intermediate optical elements, e.g. lenses, holograms
    • G02B6/4206—Optical features
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/42—Coupling light guides with opto-electronic elements
    • G02B6/4296—Coupling light guides with opto-electronic elements coupling with sources of high radiant energy, e.g. high power lasers, high temperature light sources

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Optical Couplings Of Light Guides (AREA)
  • Laser Beam Processing (AREA)

Abstract

본 발명은 레이저광 입사 광학장치에 관한 것으로서, 석영을 포함하는 재질로 코어 직경에 대한 클래드의 두께를 0.035∼0.1배, 개구수(NA)를 0.06∼0.22로 한 스텝 인덱스형인 광파이버(101)를 이용하고, 광파이버의 입사 단면(102)에 피크 파워가 10MW를 초과하는 자이언트 펄스 발진 방식의 고체 레이저 발진기(111)로부터의 레이저광(L)을 발산성으로서 입사시켜 광파이버를 손상시키지 않고 레이저광을 전송할 수 있는 것을 특징으로 한다.

Description

레이저광 입사 광학장치{LASER BEAM INCIDENT OPTICAL DEVICE}
본 발명은 피크 파워가 10MW 이상이 되는 자이언트 펄스 발진 방식의 레이저광을 광파이버에 안정적으로 입사시키는 레이저광 입사 광학장치에 관한 것이다.
종래, 레이저 어블레이션이나 레이저 유기 형광 분석 또는 레이저 피닝 등에 서는 피크 파워가 수MW 이상이 되는 자이언트 펄스(GP) 발진 방식의 고체 레이저 발진기로부터 얻어지는 레이저광이 사용된다.
이와 같은 파워가 큰 레이저광의 전송에는 예를 들면 석영을 재질로 한 스텝 인덱스형 광파이버가 이용된다.
그리고, 석영을 재질로 한 광파이버는 연속 발진(CW) 레이저광의 경우, 수 kW까지 전송이 가능하다. 그러나, 펄스폭이 수nsec 정도인 단(短) 펄스 레이저광으로 펄스 에너지가 수십 mJ를 초과하는 레이저광은 피크 파워가 수MW 이상이 된다.
단 펄스 레이저광의 펄스 에너지는 연속 발진광의 펄스 에너지에 비교하여 3자리 이상 크고, 피크 파워 밀도도 10-1 내지 1.0GW/㎠ 오더로 매우 높아진다. 이 때문에 전자 애벌란시 현상이나 다광자 흡수에 의한 손상이 발생하고, 광파이버가 파괴되어 레이저광을 전송할 수 없어지는 것이 알려져 있다. 또한, 석영(석영 유리)재의 펄스 레이저광에 의해 손상되는 임계값은 펄스폭 약 5nsec에서, 약 100GW/㎠ 정도라는 보고가 있다(「레이저 핸드북」, 레이저 학회저, 오므사, pp.463, 473).
이 때문에 공간적, 시간적으로 분포를 갖는 레이저광, 즉 단 펄스 레이저광을 광파이버에 의해 전송하는 경우의 실용적인 한계는, 예를 들면 펄스폭 5nsec, 발진 반복 10Hz의 Nd:YAG 레이저광을 코어 직경이 1mm인 광파이버에 입사하는 경우를 예로 들어 설명하면, 펄스 에너지로 30∼40mJ 정도, 즉 피크 파워로 6∼8MW(코어 직경에 대한 피크 파워 밀도는 0.76∼1.0GW/㎠)가 된다.
이 때문에 현재로서는 10MW 이상의 단 펄스 레이저광을 전송하려고 하는 경우, 광파이버의 내부가 손상되어, 실질적으로 레이저광을 전송할 수 없다. 즉, 광파이버를 이용하는 전송을 전제로 한 고체 레이저 발진기에 의한 레이저광은 주로 연속 발진(CW) 레이저광이고, 피크 파워가 수MW를 초과하는 단 펄스 레이저광은 광파이버에 의해 전송하는 것이 곤란해지고 있다.
또한, 레이저광을 광파이버에 의해 전송하기 위해 레이저광을 광파이버에 입사시키는 예로서 레이저광과 광파이버의 공간적 매칭을 취하는 것이 보고되어 있다. 이 경우, 레이저광의 광파이버로의 입사 구경을 광파이버의 코어 직경 이내, 또 광파이버의 개구수(NA) 이내로 제한하여 광파이버의 입사 단면에 레이저광을 집광하여 입사시키는 보고가 있다(「레이저 가공 기술」, 가와스미 히로미치, 닛칸고교 신문사, pp.34-37).
그러나, 피크 파워가 높은 레이저광을 집광하여 광파이버에 입사시키면 광파이버의 내부에서 레이저광의 부분적인 수속이 발생하고, 광파이버의 특정 부분에서 파워 밀도가 높아져, 광파이버의 내부가 손상되는 것이 알려져 있다. 또한, 광파이버의 내부에서의 레이저광의 수속을 방지할 목적으로 레이저광의 집광의 정도를 얕게 하는 방법도 알려져 있지만, 피크 파워가 수 MW를 초과할 경우에는 광파이버의 내부에서의 레이저광의 수속을 완전히 방지하는 것은 곤란하다.
또한, 비특허문헌 2의 보고에서 광파이버의 내부에서 레이저광이 수속되어, 광파이버가 손상되는 요인은 피크 파워가 높은 레이저광으로는 그 전계 강도도 높아지므로 광파이버의 석영재의 굴절률이 강한 전계에 의해 부분적으로 변화하고, 1 종류의 렌즈 효과에 의한 자기 수속이 생기는 것에 의한 것이라고 생각하는 것이 타당하다.
또한, 피크 파워 10MW를 초과하는 레이저광 전송을 가능하게 하는데에는 확대한 레이저광을 어레이상의 분할 렌즈에 입사하여 공간적으로 수십 분할한 후, 전체 분할수를 어레이의 후방에 설치한 집광 렌즈로 광파이버에 입사시키는 방법이 있다.
피크 파워 10MW를 초과하는 레이저광 전송을 가능하게 하는 데에는 확대한 레이저광을 어레이상의 분할 렌즈에 입사하여 공간적으로 수십 분할한 후, 전체 분할수를 어레이의 후방에 설치한 집광 렌즈로 광파이버에 입사하는 방법이 있지만, 어레이상에 배열된 분할 렌즈의 제조 가능한 크기가 2mm 정도이므로, 예를 들면 분할수를 81 분할(=9×9)로 하기 위해서는 2mm 각의 볼록 렌즈를 종횡 9개 나열하여 18mm×18mm로 한 분할 렌즈군(복안 렌즈)이 필요해진다. 그러나, 분할 렌즈군, 즉 복안 렌즈는 매우 고가가 되는 문제가 있다.
또한, 분할수 81(=9×9)를, 예를 들면 폭 2mm×길이 18mm로 폭 2mm의 방향으로 곡률을 갖게 한 실린드리컬 렌즈를 9개 세로로 나열하여 횡방향의 분할 렌즈군으로 하고, 동일한 렌즈를 9 개 가로로 나열하여 종 방향의 분할 렌즈군으로 하고, 이들 2 개의 렌즈군을 조합함으로써 상기 복안 렌즈와 동일한 효과를 얻는 것도 가능하다. 그러나, 렌즈의 비용은 약간 저감되지만, 부품 점수의 증가 및 그 유지를 위한 구조 부재 등에 의해 토탈 비용이 증대하는 문제가 있다.
또한, 복안 렌즈를 이용하는 경우, 렌즈의 크기를 분할수 81=9×9에서, 18mm각으로 한 경우에도 레이저광의 단면 사이즈(빔 직경)는 한변이 18mm인 정방형의 대각선인 약 26mm로 확대하는 것이 요구된다.
또한, 복안 렌즈를 이용하는 경우, 상기 비용 증대뿐만 아니라 각각의 렌즈의 경계부분에서 생기는 반사 손실의 영향에의해 전송 효율이 10 내지 20% 정도 저하하는 문제, 복안 렌즈의 위치를 조정하지 않으면 안되는 문제가 있다.
본 발명의 목적은 피크 파워가 10MW 보다도 큰 자이언트 펄스 발진 방식의 고체 레이저 발진기로부터의 레이저광을 광파이버의 입사 단면에 입사시키는 레이저광의 입사 광학장치에서, 광파이버를 손상시키지 않고 레이저광을 전송할 수 있고, 전송 효율의 저하나 복잡한 조정을 불필요하게 하여 저렴한 가격으로 제공하는 것이다.
본 발명은 피크 파워가 10MW 보다도 큰 자이언트 펄스 발진 방식의 고체 레이저 발진기로부터의 레이저광을 광파이버의 입사 단면에 입사시키는 레이저광 입사 광학장치로서, 상기 고체 레이저 발진기로부터의 레이저광을 집광하는 집광 렌즈와, 상기 집광 렌즈에 의한 레이저광의 집광점보다 후방의 소정 위치에 광파이버의 입사 단면을 설치하고, 상기 레이저광을 발산성으로 하여 광파이버의 입사 단면에 입사시키는 광파이버 위치 조정 기구를 구비하고, 상기 광파이버는 석영을 포함하는 재질로 코어 직경에 대한 클래드의 두께가 0.035 내지 0.1배, 개구수(NA)가 0.06 내지 0.22의 스텝 인덱스형이다.
그리고, 석영을 포함하는 재질로, 코어 직경에 대한 클래드의 두께가 0.035 내지 0.1배, 개구수(NA)가 0.06 내지 0.22의 스텝 인덱스형인 광파이버를 이용하고, 상기 광파이버의 입사 단면에 피크 파워 10MW를 초과하는 자이언트 펄스 발진 방식의 고체 레이저 발진기로부터의 레이저광을 발산성으로 하여 입사시킴으로써 광파이버를 손상시키지 않고 레이저광이 전송된다.
도 1은 본 발명의 레이저광 입사 광학장치의 실시형태의 일례를 도시한 개략도,
도 2는 발산 입사 방식을 적용한 집광 광학계의 전송 모델을 설명하는 개략도,
도 3은 광파이버로의 입사각과 집광 렌즈의 초점 거리와의 관계를 나타낸 그래프,
도 4는 광파이버로의 입사각과 집광 렌즈의 입사 발산각과의 관계를 나타낸 그래프,
도 5는 광파이버로의 입사 방식과 전송 에너지와의 관계를 나타낸 그래프,
도 6A는 광파이버의 축선 방향의 단면도,
도 6B는 도 6A에 도시한 광파이버의 축선 방향과 직교하는 방향의 단면도,
도 7은 클래드 두께와 전송 에너지와의 관계를 나타내는 그래프,
도 8은 코어 직경과 전송 에너지와의 관계를 나타내는 그래프,
도 9는 광파이버로의 입사각과 전송 에너지와의 관계를 나타내는 그래프,
도 10은 본 발명의 레이저광 입사 광학장치의 다른 실시 형태를 나타내는 개략도, 및
도 11은 본 발명의 레이저광 입사 광학장치를 조립한 레이저 유기 형광 분석장치의 일례를 나타내는 개략도이다.
이하, 본 발명의 실시형태를 도면을 참조하여 설명한다.
도 1 내지 도 9에서, 레이저광 입사 광학장치의 실시형태를 설명한다.
도 1에 도시한 바와 같이, 레이저광 입사 광학장치(11)는 피크 파워가 10MW 보다도 큰 자이언트 펄스 발진 방식의 고체 레이저 발진기(레이저 장치)(111)에 의해 발생된 펄스 레이저광을 소정의 코어 직경 및 클래드 두께의 광파이버(101)의 입사 단면(102)에 광파이버(101)를 손상시키지 않고, 또 약간의 손실로 입사 가능하게 한다.
레이저광 입사 광학장치(11)는 고체 레이저 발진기(111)에 의해 공급되는 단면 빔 직경이 소정의 크기의 레이저광(L)을 집광하는 집광 렌즈(13)와, 집광 렌즈(13)와 광파이버(101)의 입사 단면(102)과의 사이의 거리를 일정한 거리로 유지하는 광파이버 위치 조정 기구(15)를 갖는다.
집광 렌즈(13)는 저렴한 가격으로 용이하게 입수 가능한 볼록 렌즈이고, 고체 레이저 발진기(111)로부터 출사된 레이저광(L)이 입사되는 것에 의해 발생하는 열에 견디는 재질 및 형상이면 특별한 제한을 받지 않는다. 또한, 집광 렌즈(13)는 필요에 따라서 2 장의 얇은 두께 렌즈가 조합된 합성 렌즈라도 좋다.
광파이버 위치 조정 기구(15)는 집광 렌즈(13)를 유지하는 집광 렌즈 유지부(16), 광파이버(101)를 유지하는 광파이버 유지부(17), 및 집광 렌즈 유지부(16)에 유지되어 있는 집광 렌즈(13)에 대해 광파이버(101)의 입사 단면(102)이 대향하는 간격을 조정하는 조정부(18)를 갖는다. 이 조정부(18)에 의해 광파이버(101)는 광파이버(101)의 입사 단면(102)이 집광 렌즈(13)의 초점 위치, 즉 집광점(A) 보다도 후방에 소정 거리만큼 떨어진 위치에 위치되도록 조정되어 있다. 또한, 조정부(18)는 수동이나 모터 및 기어 기구 등에 의한 이동 기구 등에 의해 광파이버 유지부(17)의 집광 렌즈 유지부(16)와의 사이의 거리를 임의의 위치로 설정 가능하게 하고 있다.
또한, 광파이버(101)의 입사 단면(102)을 집광 렌즈(13)의 초점 위치, 즉 집광점(A) 보다 후방에 소정 거리만큼 떨어진 소정 위치에 배치하는 것은 광파이버(101)의 입사 단면(102)에 입사되는 레이저광(L)을 발산성으로 하는 것이다. 즉, 광파이버(101)의 입사 단면(102)과 집광 렌즈(13)와의 사이의 거리를 최적화하여 광파이버(101)의 입사 단면(102)에 입사되는 레이저광(L)을 발산성으로 함으로써 광파이버(101) 내에 입사된 레이저광(L)이 광파이버(101) 내의 특정 위치에서 수속되고, 그 결과 광파이버(101)의 특정 위치의 피크 파워의 밀도가 높아져, 광파이버(101)가 손상하는 것이 억지된다.
또한, 집광 렌즈(13)와 광파이버(101)의 입사 단면(102)과의 사이의 위치 관계를 최적화함으로써 레이저광(L)의 피크 파워 밀도가 소정의 크기, 예를 들면 100GW/㎠를 초과했을 때, 집광 렌즈(13)의 집광점(A)에서 발생하는 에어 브레이크 다운의 영향으로 레이저광(L)을 안정적으로 전송할 수 없어지고, 에어브레이크 다운이 발생하는 것으로 생긴 플라즈마가 광파이버(101)의 입사 단면(102)에 도달하여 광파이버(101)의 입사 단면(102)이 손상되는 것을 방지할 수 있다.
구체적으로는 도 2 내지 도 4에 의해 설명하지만, 집광 렌즈(13)로 레이저광(L)이 집광되는 집광점(A)과 광파이버(101)의 입사 단면(102)과의 거리는 예를 들면 1∼10수mm이다.
즉, 레이저광(L)의 펄스 에너지를 'E[Wt]', 레이저광(L)의 펄스폭을 't[sec]', 에어 브레이크다운이 발생하는 임계값의 피크 파워 밀도를 'Pth[Wt/㎠]', 집광 렌즈(13)에 의해 집광된 레이저광(L)의 집광 직경(반경))을 'ω[mm]'로 하면 집광 직경'ω'은,
Figure 112006053733012-PCT00001
로 표시된다.
또한, 전송되는 레이저광(L)의 피크 파워를 'P[Wt]'로 하면, 상기 수학식 1은,
Figure 112006053733012-PCT00002
가 된다.
한편, 집광 렌즈(13)에 입사되는 레이저광(L)의 발산각을 'θ1(반각)[rad], 집광 렌즈(13)의 초점 거리를 'f[mm]'로 하면, 집광 직경(반경)(ω)은,
Figure 112006053733012-PCT00003
으로 표시된다.
또한, 레이저광(L)의 단면 빔 직경(구경)을 'r(반경)[mm]', 고체 레이저 발진기(111)로부터 집광 렌즈(13)까지의 거리를 'D1[mm]'로 하면, 집광 렌즈(13)의 초점 거리f[mm]와 집광 렌즈(13)에 입사되는 레이저광(L)의 발산각(θ1(반각))에 의해 집광 렌즈(13)에 의해 집광된 레이저광(L)의 집광각(즉, 집광 렌즈(13)에 의해 집광된 레이저광(L)이 광파이버(101)에 입사될 때의 입사각)(θ1(반각)[rad])는,
Figure 112006053733012-PCT00004
로 구해진다.
따라서, 상기 수학식 2 내지 수학식 4는 렌즈 초점 거리(f), 레이저 구경(단면 빔 직경)(r), 광파이버(101)에 입사되는 레이저광(L)의 입사각(θ1), 고체 레이저 발진기(111)로부터 집광 렌즈(13)까지의 거리(D1), 레이저광(L)의 피크 파워(P), 및 에어 브레이크다운의 발생 임계값의 피크 파워 밀도(Pth)는,
Figure 112006053733012-PCT00005
에 의해 규정되는 관계를 갖는다.
상기 수학식 5에 의해 집광 렌즈(13)의 집광점(A)에서 에어 브레이크다운이 발생하지 않는 집광 렌즈(13)의 초점 거리(f)를 구할 수 있다. 즉, 상기 수학식 5에 의해 구해지는 집광 렌즈(13)의 초점 거리(f) 및 상기 수학식 3과 수학식 1 또는 수학식 2로부터 집광 렌즈(13)에 입사되는 레이저광(L)의 입사각(즉, 발산각)(θ1)을 구할 수 있으므로 집광 렌즈(13)에 입사되는 레이저광(L)의 입사각을 θ1이 되도록 설정하면 에어 브레이크다운을 발생시키지 않고, 효율적으로 광파이버(101)에 레이저광(L)을 입사하는 것이 가능해진다.
일례로서 레이저광(L)의 구경(직경)을 2∼13mm의 범위로 하고, 집광 렌즈(13)와 고체 레이저 발진기(111)와의 거리를 10∼500mm의 범위로 변화시킨 경우에 이용 가능한 집광 렌즈(13)의 초점 거리(f)를 계산한 결과를 도 3에, 집광 렌즈 (13)에 입사되는 레이저광(L)의 입사각(발산각)θ1을 계산한 결과를 도 4에 각각 나타낸다.
예를 들면, 레이저광(L)의 구경을 'r=3mm(직경 6mm)', 고체 레이저 발진기(111)로부터 집광 렌즈(13)까지의 거리(D1)를 'D1=100mm', 집광렌즈(13)로부터 광파이버(101)로 입사되는 레이저광(L)의 입사각(집광각)을 'θ2=0.15rad', 피크 파워를 'P=20MW', 에어 브레이크 다운의 발생 임계값의 피크 파워 밀도를 'Pth=100GW/㎠'로 하고, 집광 렌즈(13)의 초점 거리(f)와 집광 렌즈(13)에 입사되는 레이저광의 입사각(θ1)을 구하면, f=24.9mm, θ1=3.2mrad(전각 6.4mrad)가 된다.
예를 들면, 실측으로 설정한 집광 렌즈(13)의 초점 거리(f)을 수학식 4에 대입하고, 광파이버(101)의 입사각(θ2)의 크기를 레이저광(L)이 입사되는 광파이버(101)의 NA를 초과하지 않는 범위로 집광 렌즈(13)의 초점 거리(f)를 설정할 필요가 있다(도 3 참조).
즉, 도 3은 광파이버(101)에 레이저광(L)을 입사할 때의 집광각(광파이버(101)로의 입사각)(θ1)을 변화시켰을 때 에어 브레이크다운이 발생하는 집광 렌즈(13)의 초점 위치를 도시하고 있지만, 레이저광(L)의 구경(단면 빔 직경)과 집광 렌즈(13)의 설치 위치를 변화시킨 결과, 하한값은 0.06rad 정도가 된다.
그러나, 레이저광(L)의 질(공간 모드나 파면 등)이나 집광 렌즈(13)의 수차(收差)의 영향 등에 의해 이상적인 집광 직경 보다도 실제 집광 직경이 커지는 경우 가 있다.
이와 같은 경우에는 수학식 2로 구한 에어 브레이크다운을 일으키지 않는 집광 직경과 실제의 집광 직경이 동등해지까지 집광 렌즈(13)의 초점 거리(f)를 짧게 하고, 레이저광(L)이 광파이버(101)로 입사될 때의 개구수(NA)를 크게 하는 것이 바람직하다(도 4 참조). 또한, 레이저광(L)이 광파이버(101)로 입사될 때의 개구수(NA)와 발산 입사 방식에 적합한 집광 렌즈(13)로의 입사각(θ1)과의 관계 때문에 광파이버(101)로 입사되는 레이저광(L)의 입사각(θ2)의 하한값은 0.06rad 정도 보다 큰 것이 바람직하다.
또한, 집광 렌즈(13)의 집광점(A)과 광파이버(101)의 설치 위치(입사 단면(102)의 위치)는 집광점(A)에서의 집광 직경(반경)을 'ω[mm]', 집광점(A)과 광파이버(101)의 입사 단면(102)과의 사이의 거리를 'Lf[mm]', 레이저광(L)이 광파이버(101)의 코어로 입사될 때의 단면 빔 직경, 즉 입사 직경을 'Wi(직경)[mm]', 레이저광(L)이 광파이버(101)로 입사될 때의 입사각을 'θ2(반각)[rad]'로 하면,
Figure 112006053733012-PCT00006
로 표시된다.
상기 수학식 6을 이용하여 집광 렌즈(13)의 초점 위치(집광점(A))와 광파이버(101)의 입사 단면(102)과의 사이의 거리(Lf)는, 예를 들면 0.25∼16mm로 설정된다. 상세하게는 광파이버(101)의 코어로 입사되는 레이저광(L)의 입사 직경의 최 소값을, 예를 들면, 420㎛(광파이버(101)에 의해 전송해야 하는 레이저광(L)의 파워, 즉 에너지 또는 피크 파워에 의해 정해지는 코어 직경의 최소값), 또한 최대값을 예를 들면 용이하게 입수 가능한 광파이버(101)의 최대 코어 직경 1500㎛의 90%인 1350㎛로 하고, Wi=420∼1350㎛, ω=100㎛(피크 파워 30MW, 에어 브레이크다운 발생 임계값 100GW/㎠의 최저 집광 직경), θ2=0.06∼0.22rad(후술)로 하고, 바람직한 Lf의 범위를 계산하면 Lf의 범위는 상기한 바와 같이 0.25∼16mm의 범위가 된다.
실용상, 광파이버(101)의 입사 단면(102)을 설정 가능한 최소 거리를 1mm로하고, 집광점(A)에서 광파이버(101)의 입사 단면(102)까지의 거리는 1∼16mm의 범위로 정한다. 그러나, 거리(Lf)가 필요 이상으로 커지면 광파이버(101)에 입사되지 않는 레이저광(L)도 증대되므로, 예를 들면 상한값은 10mm 정도로 좋다.
더 바람직하게는 집광 렌즈(13)와 광파이버(101)의 입사 단면(102)과의 사이의 거리(lf)는 실제 조립 조정의 결과에 기초하면 대부분의 경우, 1.5∼5mm의 범위이다.
계속해서, 광파이버(101)의 코어 직경 및 클래드층의 두께로부터 광파이버(101)에 입사 가능한 레이저광(L)의 강도에 대해 설명한다.
상기에서 설명한 바와 같이, 자이언트 펄스 발진 방식에 의해 얻어지는 피크 파워가 수MW(피크 파워 밀도로 10-1∼1.0GW/㎠)를 초과하는 레이저광(L)을 광파이버(101)에 입사하려고 한 경우, 광파이버(101)가 손상되어 레이저광(L)을 전송할 수 없는 것이 알려져 있다.
이 때문에, 도 1, 도 2 내지 도 4에 의해 설명한 집광 렌즈(13)와 광파이버(101)의 입사 단면(102)과의 사이의 거리(Lf) 및 집광 렌즈(13)에 레이저광(L)이 입사될 때의 입사각(θ1) 및 집광 렌즈(13)에 의해 집광된 레이저광(L)을 광파이버(101)의 입사 단면(102)에 입사시킬 때의 집광각(θ2)을 규정하는 것만으로는 광파이버(101)가 손상되는 경우가 있다.
이하, 바람직한 광파이버(101)의 구조상의 특징 및 레이저광(L)의 전송 특성에 대해 설명한다.
도 5에 코어의 직경이 1000㎛, 클래드층의 두께가 50㎛, 개구수(NA)가 0.2인 광파이버(101)에 펄스폭이 5nsec이고 레이저광(L)의 구경(단면 빔 직경)이 700㎛의 레이저광(L)을, 입사각을 0.02rad로 하여 도 2에 의해 설명한 발산 입사 방식과 일반적인 수속 입사 방식에 의해 입사한 실험 결과를 나타낸다.
도 5에서 수속 입사 방식에서는 전송 에너지 30mJ(피크 파워 6MW)에서, 광파이버(101)가 손상되는 것이 인정된다. 이에 대해, 발산 입사 방식을 적용하는 것에 의해 전송 에너지 70mJ(피크 파워 14MW)에서도 광파이버(101)가 손상되지 않는 것이 확인되고 있다.
또한, 광파이버(101)의 구조 상의 특징으로서는 코어 재질의 순도가 높으므로 레이저광(L)의 에너지에 의한 손상에 강하다고 알려져 있는 도 6에 도시한 구조의 스텝 인덱스형 석영 재질로 한다. 광파이버(101)는 코어(103), 상기 코어(103) 의 주위에 형성된 클래드(104), 클래드(104)의 주위에 형성된 피복층(105)으로 구성되어 있다.
또한, 클래드(104)의 두께에 대해서는 소정의 두께 보다도 두꺼워질수록 광파이버(101)를 구부렸을 때 기계적 응력에 의한 파손이 생기기 쉬운 것이 알려져 있고, 그 반면, 클래드(104)의 층의 두께가 얇으면 수MW 레벨의 피크 파워의 레이저광(L)을 입사했을 때, 코어(103)로부터 클래드(104)로 새는 레이저광(L)에 의해 광파이버(101)가 파손되는 것이 알려져 있다.
또한, 클래드(104)의 두께는 코어(103)의 직경에 비해 얇고, 예를 들면 코어(103)의 직경의 0.05∼0.1배 정도이다. 이 때문에, 클래드(104)로 샌 약간의 레이저광(L)이라도 피크 파워 밀도가 코어(103) 부분 보다도 1 자리 정도 높아진다. 또한, 클래드(104)와 코어(103)와의 경계부에서의 통상의 레이저광(L)의 전송에 있어서도 발생하는 회절의 영향에 의해 마치 정재파가 존재하는 것처럼 부분적으로 피크 파워가 높아지므로 클래드(104)의 두께를 얇게 하는 것에도 하한값이 존재한다.
도 7에 코어 직경이 1000㎛, 개구수(NA)가 0.2인 광파이버(10)에 펄스폭이 5nsec이고 구경(단면 빔 직경)이 700㎛의 레이저광(L)을, 입사각을 0.02 rad로 하여 도 2에 의해 설명한 발산 입사 방식에 의해 입사하고, 클래드(104)의 두께를 변화시킨 실험 결과를 나타낸다.
도 7에서 명확해진 바와 같이, 클래드(104)의 두께가 증가할수록 큰 에너지가 전송 가능해지는 것이 인정된다. 즉, 도 7에서 클래드(104)의 두께가 20㎛인 경우에는 40mJ(피크 파워 8MW)이 한계였지만, 클래드(104)의 두께를 50㎛로 하여 70mJ(피크 파워 14MW)에서도 광파이버(101)가 손상되지 않는 것이 인정된다.
따라서, 도 7에서 피크 파워 10MW 이상의 레이저광(L)을 전송 가능하게 하기 위해서는 클래드(104)의 두께는 35㎛ 이상 필요한 것이 인정된다. 또한, 클래드(104)가 100㎛ 보다 두꺼워지면 단단해 약해지고, 광파이버(101)가 구부려지기 어렵고, 굴곡 반경이 커지므로 100㎛ 이하로 한다.
한편, 코어 직경에 대해서는 광파이버(101)에 의해 전송해야 하는 레이저 파워 밀도와의 관계로 하한값이 설정되었지만 코어 직경의 상한값은 도 8에 의해 이하에 설명하는 바와 같이, 예를 들면 입사하는 레이저광(L)의 구경(단면 빔 직경)에 대한 비율로서 판단할 수 있다.
도 8에 클래드(104)의 두께를 일정하게 하고, 코어 직경을 변화시킨 광파이버(101)에, 광파이버(101)에 입사될 때의 레이저광(L)의 구경(단면 빔 직경)을 변하게 하여 레이저광(L)을 입사한 실험 결과를 나타낸다.
도 8에서 코어 직경과 입사하는 레이저광(L)의 단면 빔 직경(구경)과의 사이에 차가 있다고 해도 클래드(104)의 두께가 동일하면 그 범위의 입사 구경이면 동일한 10MW의 피크 파워의 레이저광(L)을 전송할 수 있는 결과를 얻었다.
즉, 도 8에 도시된 바와 같이, 피크 파워 10MW 이상을 전송 가능하게 하기 위해서는 집광 직경은 420㎛ 이상이 필요하다는 결과를 얻었다. 이 때문에 집광 직경에 대해 80% 정도의 여유를 갖게 하는 것을 고려하여 코어 직경은 500㎛ 이상이 바람직하다.
또한, 도 9에 도시한 바와 같이, 코어 직경이 100㎛, 클래드(104)의 두께가 50㎛, 개구수(NA)가 0.2인 광파이버(101)에 발산 입사 방식에 의해 구경(단면 빔 직경)이 700㎛이고 펄스폭이 5nsec인 레이저광(L)을 입사시킬 때, 광파이버(101)로 입사하는 레이저광(L)의 입사각(θ2)을 변화시켜 실험한 결과로부터 피크 파워가 15MW(에너지 환산으로 80mJ) 전후의 레이저광(L)을 저손실로 입사시키기 위해서는 0.06rad 정도의 입사각(θ2)이 필요해진다. 또한, 입사각(θ2)이 커질수록 큰 에너지가 전송 가능해지고, 입사각(θ2)을 0.12rad 정도로 하는 것에 의해 피크 파워가 20MW인 레이저광(W)을 전송할 수 있는 결과를 얻었다.
한편, 광파이버(101)에는 코어(103)와 클래드(104)와의 경계부에서의 회절에 의해 광파이버(101)에 입사된 레이저광(L)이 광파이버(101) 내로 전송되는 것에 의존하여 레이저광(L)이 입사될 때의 개구수(NA)의 상한이 존재한다. 즉, 광파이버(101)의 개구수(NA)는 너무 작으면 발산 입사 방식에서 광파이버(101)로의 입사각(θ2)이 작아져 충분한 효과가 얻어지지 않는다. 이는 상기에서 설명한 바와 같이 광파이버(101)에 입사된 레이저광(L)이 광파이버(101)의 내부의 특정 위치에서 수속하고, 광파이버(101)의 손상을 일으킨다.
또한, 광파이버(101)의 개구수(NA)가 커지면 광파이버(101)로부터 출사되는 레이저광(L)의 각도를 증대시킴으로 레이저광(L)을 소정의 단면 빔 직경으로 대상물에 조사하기 위해 이용되는 조사 광학계의 크기도 증대한다. 예를 들면, 굴절률(n)이 n=1.5 정도의 유리재에 의한 1 장의 평(平) 볼록 렌즈를 이용하여 1 이하의 결상 배율로 광파이버(101)로부터 출사된 레이저광(L)을 대상물에 집광하기 위해서는 렌즈 곡률에 대한 렌즈 구경의 제작 한계의 관점에서 광파이버(101)의 개구수(NA)는 NA≒0.25rad 이하가 된다.
또한, 상기 광파이버(101)는 클래드(104)의 두께가 일반적인 광파이버의 클래드 두께 보다도 두꺼우므로 기계적 강도(항굴곡성)의 저하를 고려하면 코어(103)의 굴절률을 'n1', 클래드(104)의 굴절률을 'n2'로 하면, 개구수(NA)는,
Figure 112006053733012-PCT00007
로 규정된다.
또한, 광파이버(101)는 개구수(NA)를 크게 하기 위해 클래드(104)층의 굴절률을 낮추는 방법으로 널리 이용되고, 클래드(104)층에 도핑되는 불소나 붕소의 양이 증대됨으로써 약하고, 굴절되기 쉬워진다. 또한, 도 7에 의해 구해진 클래드(104)의 두께를 고려하면 상기 조사 광학계에 의존하여 규정되는 개구수(NA)의 상한은 더 저하되어 대략 0.22 rad가 된다.
따라서, 광파이버(101)의 개구수(NA)의 상한은 0.22가 된다. 또한, 상한값은 실제로 이용되는 광파이버(101)의 구조상의 특징 및 물성에 따라서 변화하므로 발산 입사 방식에서 광파이버(101)에 설정 가능한 개구수(NA)의 상한은 반드시 0.22에 제한되지 않고, 광파이버(101)의 구조상의 특징 및 물성에 의해 규정되는 수치로 한다.
또한, 하한값은 도 3 및 도 4에 의해 집광렌즈(13)의 초점 위치와 광파이버 (101)로 입사되는 레이저광(L)의 입사각(θ2)과, 도 8에 의해 설명한 광파이버(101)의 코어 직경과 광파이버(101)로 입사되는 레이저광(L)의 구경(단면 빔 직경)에 의해 코어 직경이 제약을 받지 않는다는 실험 결과, 및 도 9에 의해 설명한 에너지 전송 능력의 확인 결과로부터 레이저광(L)의 입사각(θ2)과 동등하면 좋다고 인정되므로 개구수(NA)=0.06∼0.22rad가 된다.
상기와 같기 때문에 발산 입사 방식에 의해 20MW(피크 파워 밀도로 100GW/㎠) 정도의 자이언트 펄스 발진 방식의 레이저광(L)을 전송할 수 있는 광파이버(101)는,
코어(103) 직경이 500∼1500 ㎛
클래드(104)의 두께가 35∼100 ㎛
광파이버(101)의 개구수(NA)는 0.06∼0.22
의 범위인 것이 바람직하다.
또한, 광파이버(101)에 레이저광(L)을 입사할 때의 레이저광(L)의 입사각(θ2)은 레이저광 입사 광학장치(11)의 구성에 허용되는 범위 내에서 가능한한 큰 각도인 것이 바람직하다.
상기와 같기 때문에 피크 파워가 10MW 이상의 펄스 레이저광(L) 또는 피크 파워가 10MW 이하라도 단(短) 펄스 레이저광(L)을 안정적으로 전송 가능하게 하기 위해서는, 예를 들면 광파이버(101)의 개구수(NA)=0.2로 한 경우, 광파이버(101)에 입사되는 레이저광(L)의 입사각(θ2)은 0.2rad(광파이버(101)의 개구수(NA)의 상한 값)까지로 하는 것이 바람직하다.
계속해서, 레이저광 입사 광학장치(11)의 구체적인 일례를 설명한다.
또한, 이하에 나타내는 수치는 도 9에 의해 상기에서 설명한 피크 파워가 22MW의 레이저광(L)의 데이터이고, 예를 들면 자이언트 펄스 발진 방식의 Nd:YAG 레이저 발진기인 고체 레이저 발진기(111)를 이용하여 펄스폭이 5nsec, 펄스 에너지가 110mJ(피크 파워 22MW=110mJ/5nsec), 직경 6mm의 레이저광(L)을 스텝 인덱스형 석영 재질의 광파이버(101)에 이하의 조건으로 전송시킨 결과이다.
집광 렌즈(13)로의 입사각(입사 발산각)θ1=1.8mrad(반각),
레이저 구경(단면 빔 직경)r(반경)=3mm(직경 6mm),
집광 렌즈(13)와 고체 레이저 발진기(111)와의 간격(D1)=600mm,
집광 렌즈(13)의 초점 거리(f)=31mm,
광파이버(101)의 코어 직경 1000㎛,
클래드(104)의 두께 50㎛,
개구수(NA)=0.2rad,
광파이버(101)로의 레이저광(L)의 입사각(θ2)=0.13rad(반각),
집광 렌즈(13)의 집광점(A)에서 광파이버(101)의 입사 단면(102)까지의 거리(Lf)=2mm,
광파이버(101)로의 레이저광(L)의 입사 구경(단면 빔 직경):700㎛(직경).
또한, 상기 각각의 수치, 즉 집광 렌즈(13)로의 입사각(입사 발산각)θ 1=1.8mrad, 집광 렌즈(13)와 고체 레이저 발진기(111)와의 간격(D1)=600mm, 레이저 입사 구경(단면 빔 직경)r(반경)=3mm, 집광 렌즈(13)의 초점 거리(f)=31mm로 수학식 4를 이용하여 상기에서 설명한 광파이버(101)로의 입사각(θ2)을 구한 바, 입사각(θ2)=0.13rad가 되고, 본 발명에서 이용 가능하게 한 광파이버(101)의 개구수의 범위인 NA=0.06∼0.22rad의 범위인 것이 확인되고 있다.
또한, 발산 입사 방식에 의하면 m×n으로 분할된 복합 렌즈를 이용하는 주지의 예와 비교하여 각각의 렌즈의 경계 부분에서 생기는 반사 손실의 영향이 제거되므로 집광 렌즈(13)의 입사측에서 광파이버(101)의 출사측으로의 전송 효율이 약 10% 향상할 수 있다.
또한, 발산 입사 방식에서는 광학 요소의 개수가 저감되므로 레이저광 입사 광학장치(11) 전체의 비용이 저감된다.
따라서, 석영을 포함하는 재질로 코어 직경에 대한 클래드의 두께가 0.035∼0.1배, 개구수(NA)가 0.06∼0.22의 스텝 인덱스형인 광파이버(101)를 이용하고, 상기 광파이버(101)의 입사 단면(102)에 피크 파워 10MW를 초과하는 자이언트 펄스 발진 방식의 고체 레이저 발진기(111)로부터의 레이저광(L)을 발산성으로서 입사시킴으로써 광파이버(101)를 손상시키지 않고 레이저광(L)을 전송할 수 있고, 전송 효율의 저하나 복잡한 조정을 불필요하게 하여 저렴한 가격으로 제공할 수 있다.
계속해서, 도 10에 의해 레이저광 입사 광학장치(11)의 다른 실시형태를 설명한다.
또한, 도 1 내지 도 9에 도시한 실시 형태에 의해 이미 설명한 구성과 동일하거나, 또는 유사한 구성에는 동일한 부호를 붙이고 상세한 설명을 생략한다.
레이저광 입사 광학장치(11)는 고체 레이저 발진기(111)로부터의 레이저광(L)에 소정의 집광성을 부여하는 집광 렌즈(13), 집광 렌즈(13)와 광파이버(101)의 입사 단면(102)과의 사이의 거리를 일정한 거리로 유지하는 광파이버 위치 조정 기구(15), 고체 레이저 발진기(111)와 집광 렌즈(13)와의 사이에 설치되고, 광파이버(101)의 입사 단면(102)에서 반사된 반사 레이저광(복귀 레이저광)(R)을 고체 레이저 발진기(111)로부터 집광 렌즈(13)를 향해 레이저광(L)으로부터 분리하는 반투명경으로서의 빔 스플리터(샘플링 미러)(31), 상기 빔 스플리터(31)에 의해 분리된 반사 레이저광(R)을 수광하여 그 강도에 대응하는 전기 신호를 출력하고, 예를 들면 광전 변환 소자를 갖는 관측 수단으로서의 CCD 카메라(32)를 구비한다. 또한, CCD 카메라(32)와 빔스플리터(31)와의 사이에는 빔스플리터(31)에 의해 분리된 반사 레이저광(R)을 CCD 카메라(32)의 도시하지 않은 수광면에 결상하는 결상 렌즈(33)가 설치되고, 또한 결상 렌즈(33)와 CCD 카메라(32)와의 사이에는 필요에 따라서 CCD 카메라(32)에 입사되는 반사 레이저광(R)의 강도를 조정하는 감쇠 필터 등인 광량 조정 장치(34)가 설치되어 있다.
CCD 카메라(32)에는 광파이버(101)의 입사 단면(102)에 입사되는 레이저광(L)의 입사 위치에 기인하는 정보가 결상된다. 따라서, CCD 카메라(32)에 의해 얻어진 입사 단면(102)의 화상에 기초하여, 예를 들면 광파이버 위치 조정 기구(15)의 광파이버 유지부(17)의 위치를, 예를 들면 상술하지 않은 이동 기구에 의해 변 위시켜 광파이버(101)의 입사 단면(102)의 위치와 결상 렌즈(103)와의 사이의 거리를 도 2 내지 도 4에 의해 설명한 원하는 위치로 설정할 수 있다.
또한, 집광 렌즈(13)의 초점 거리를 'f1', 결상 렌즈(33)의 초점 거리를 'f2', 광파이버(101)의 입사 단면(102)으로부터 결상 렌즈(13)까지의 거리를 'a'로 하면, CCD 카메라(32)를 설치해야 하는 위치(광파이버(101)의 입사 단면(102)으로부터의 거리)를 'b', 집광 렌즈(13)와 결상 렌즈(33)와의 사이의 거리(d)는 배율을 'm'으로 할 때,
Figure 112006053733012-PCT00008
Figure 112006053733012-PCT00009
Figure 112006053733012-PCT00010
으로 표시된다.
따라서, 상기 수학식 12를 이용하여 집광 렌즈(13)의 초점 거리(f1) 및 관측하고 싶은 상 배율(m)로 결상 렌즈(33)의 초점 거리(f2)를 정하고, 계속해서 수학식 13 및 수학식 14에 의해 2 개의 렌즈 상호간의 간격(거리(d)) 및 CCD 카메라(32)의 위치 등을 정하여 광파이버(101)의 입사 단면(102)의 관측이 가능해진다.
일례를 나타내면, 집광 렌즈(13)의 초점 거리를 'f1=31mm'로 하고, 빔 스플리터(샘플링 미러)(31)를 고정 레이저 발진기(111)로부터 집광 렌즈(13)를 향하는 레이저광(L)의 주 광선에 대해 45도의 각도로 배치하고, 결상 렌즈(33)의 후방의 소정 위치에 CCD 카메라(32)를 위치시키고, 광파이버(101)의 입사 단면(102)으로부터의 반사 레이저광(R)을 CCD 카메라(32)에 결상하고, 도시하지 않은 TV 모니터로 관측하면서 입사 조정을 실시했다.
또한, 상배율(m)을 대략 3 배로 할 경우, 수학식 12에 의해 결상 렌즈(33)의 초점 거리를 예로 들면 f2=100mm로 하면, 수학식 13에 의해 집광 렌즈(13)와 결상 렌즈(33)와의 사이의 거리(d)는 대략 131mm이다. 또한, 집광 렌즈(13)와 광파이버(101)의 입사 단면(102)과의 사이의 거리(a)가 약 33mm이므로 결상 렌즈(33)와 CCD 카메라(32)와의 사이의 거리는 약 79mm가 된다. 이 때, 상배율(m)은 수학식 11에 의해 약 3.2배가 된다.
광파이버 위치 조정 기구(15)에 의한 광파이버(101)의 입사 단면(102)과 집광 렌즈(13)와의 사이의 거리(a)의 조정은 레이저광 입사 광학장치(11)의 조립 조정시를 제외하고 반드시 필요하지 않으므로 빔스플리터(31)의 CCD 카메라(32) 및 결상 렌즈(33) 등의 입사 상태의 모니터에 이용되는 구성은 고체 레이저 발진기(111)와 집광 렌즈(13)와의 사이의 광로에서 벗어날 수 있도록 구성되어도 좋다.
계속해서, 도 11에 의해 레이저광 입사 광학장치(11)의 또 다른 실시 형태를 설명한다.
도 11은 레이저광 입사 광학장치(11)를 레이저 유기 형광 분석 장치(Laser Induced Breakdown Spectroscopy를 이용한 고속 분석 장치)에 이용한 예를 나타낸다. 레이저 유기 형광 분석 장치는 분석 가능한 시료(분석 대상물)의 종류에 약간 제한을 갖고 있지만, 시료를 준비하는 전처리 단계를 간소화할 수 있고, 고속이고, 분석 대상물이 고체인 경우에 그대로 적용 가능하다는 등의 이점을 갖고 있어, 광범위한 이용이 기대되고 있다.
도 11에 도시된 바와 같이, 레이저 유기 형광 분석 장치(301)는 자이언트 펄스(GP) 발진 방식의 고체 레이저 발진기(111), 레이저광 입사 광학장치(레이저광 전송 시스템:도광 광학계)(11), 조사 광학계(331), 형광 검출 광학계(341), 모노크로메타(광검출기 또는 분광기)(351), 촬상 기구(361), 타이밍 조정 기구(371) 및 데이터 처리 장치(381) 등을 구비한다.
고체 레이저 발진기(111)로서는, 예를 들면 Nd:YAG 레이저 등이다. 또한, 고체 레이저 발진기(111)로부터 출력되는 레이저광(L)의 크기는, 예를 들면 펄스폭이 5nsec 전후, 피크 파워가 14∼20MW, 전송 에너지가 70∼100mJ(피크 파워 밀도로 80GW/㎠)정도이다. 또한, 고체 레이저 발진기(111)는 대부분의 경우, 발진 제어장치, 전원 장치, 냉각 장치 등을 포함하지만, 상세한 설명은 생략한다.
레이저광 입사 광학장치(11)는 도 1 또는 도 10에 의해 설명한 바와 같이, 고체 레이저 발진기(111)로부터의 레이저광(L)을, 광파이버(101)의 입사 단면(102)에 발산성 광으로서 입사시키는 집광 렌즈(13) 등을 포함한다. 또한, 집광 렌즈(13)와 광파이버(101)의 입사 단면(102)과의 사이의 거리는 상기 실시형태에 의해 설정되어 있다.
광파이버(101)는 예를 들면, 코어 직경이 1000㎛이고, 클래드층의 두께가 50㎛이며, 집광 렌즈(13)에 의해 집광되고, 집광점을 통과함으로써 발산성을 나타내고, 퍼짐각이 0.06∼0.22rad로 단면 빔 직경이 변화된 레이저광(L)이 효율적으로 입사 가능하게 0.06∼0.22의 개구수(NA)를 갖는다.
조사 광학계(331)는 레이저광 입사 광학장치(11)의 광파이버(101)의 출사 단면(106)에서 출사되어 일단 발산성을 나타내는 펄스 레이저광(L)을, 시료(S) 또는 시료(S)를 유지한 시료 유지부(399)의 소정 범위로 집광하는 집광 렌즈(333)를 갖는다. 또한, 집광 렌즈(333)의 특성은 시료(S)의 크기나 형상에 맞춰 임의로 설정된다.
형광 검출 광학계(검출광 도광 광학계)(341)는 시료 유지부(399)상에 위치된 시료(S)로부터의 형광을 포획하는 집광 렌즈(343)와, 집광 렌즈(343)에 의해 포획된 형광을 후단의 분광기(모노크로메타)로 입사하기 위한 광파이버(345)를 갖는다.
모노크로메타(351)는 예를 들면 그레이팅(회절격자)이나 파장 필터 등을 포함하는 주지의 분광계 또는 시료(S)의 특성에 맞춘 검출 기구가 임의로 조합되어 있다.
촬상 기구(361)는 모노크로메타(351)에 의해 추출되는 특정 파장의 광(형광)을 수광하여 그 광 강도에 대응하는 전기 신호를 출력하는 것으로, 예를 들면 주지의 CCD 카메라나 포토 멀티 플레이어 또는 FFT 분석기 등을 시료(S)의 특성에 맞춰 임의로 선택된다.
타이밍 조정 기구(371)는 예를 들면 펄스 발생기 또는 레이저 유기 형광 분석장치(301)의 주 제어 장치이고, 고체 레이저 발진기(111)의 도시하지 않은 전원 장치에 공급되는 구동 펄스의 출력 타이밍과 CCD 카메라, 예를 들면 게이트 제어형 I-CCD의 동작 타이밍 등을 제어하여 시료(S)로부터 발생되는 형광을 소정의 타이밍으로 촬상시킨다.
데이터 처리 장치(381)는 촬상 기구(361)로부터 출력되는 화상 또는 분광 스펙트럼 등을 일시적으로 기억하고, 미리 기억되어 있는 「원소 동정(同定) 프로그램」이나 「원소 정량 프로그램」또는 촬상 기구(361)로부터 공급되는 화상 데이터 등에 소정 처리를 더하는 알고리즘 등에 따라서 시료(S)의 특성을 해석 또는 그 전단계로서 데이터를 처리한다.
도 11에 도시한 레이저 유기 형광 분석 장치(301)에서는 주 제어장치(391)(도 11에 도시한 예에서는 타이밍 조정 장치(371)와 일체화되어 있음)에 의해 소정 타이밍으로 구동 펄스가 생성되고, 이 구동 펄스에 기초하여 고체 레이저 발진기(111)로부터 소정 펄스폭으로 피크 파워가 14∼20MW의 GP 방식의 펄스 레이저광(L)이 출력된다.
고체 레이저 발진기(111)로부터 출력된 펄스 레이저광(L)은 집광 렌즈(13)에 의해 발산성으로 변환되고, 광파이버(101)에 효율적으로 입사되어, 광파이버(101)의 출사 단면(106)으로 전송된다.
광파이버(101)로부터 출사된 레이저광(L)은 조사 광학계(331)의 집광 렌즈(333)에 의해 시료(S)로 조사된다. 또한, 레이저광(L)은 이미 설명한 바와 같이, 피크 파워가 14∼20MW이고, 집광 렌즈(333)에 의해, 예를 들면 수백㎛의 직경으로 집광되어 시료(S)에 조사되는 시점에서 피크 파워 밀도가 80GW/㎠이다. 이에 의해 시료(S)가 플라즈마화되고, 이 플라즈마 에너지에 의해 시료 중에 존재하는 각 원소에서 각각 고유의 형광(형광을 포함하는 스펙트럼)이 방사된다.
이 발광(형광을 포함하는 스펙트럼)은 형광 검출 광학계(341)의 집광 렌즈(343)에서 포획되고, 광파이버(345)를 통해 모노크로메타(351)로 입사된다.
이하, 모노크로메타(351)에서 시료(S) 본체로부터의 스펙트럼 성분 등이 제거되고, 시료(S)에 포함되는 원소에 고유의 스펙트럼이 추출된다.
모노크로메타(351)에 의해 추출된 스펙트럼은 촬상 기구(361)에 의해 광전 변환되고, 데이터 처리부(381)에 공급되어, 데이터 처리부(381)에서 시료(S)에 포함되는 원소가 특정된다. 예를 들면, 촬상 기구(361)가 예를 들면 FFT 분석기인 경우에는 작업자의 눈에 의해 시료(S)에 포함되는 원소가 특정 가능하다.
또한, 시료(S)에 포함되는 원소에 고유의 형광 스펙트럼이 얻어지기까지 플라즈마 발광(즉, 레이저광(L)의 조사)에서 수μsec∼수백μsec 지연되는 것이 알려져 있으므로 타이밍 조정 기구(371)(주 제어장치(391))에 의해 촬상 기구(361)의 동작이 제어된다. 예를 들면, 촬상 기구(361)가 게이트 부착 CCD 카메라인 경우에는 계측 시간에 소정의 딜레이(지연)이 부가되고, 또한 소정의 타이밍으로 게이트가 온되어 필요한 형광 스펙트럼만이 계측 가능해진다.
또한, 상기 레이저 유기 형광 분석 장치(301)에서는 ICP 발광 분석과 같은 시료의 전처리가 거의 불필요하고, 신속한 측정이 가능하다. 또한, 레이저 유기 형광 분석 장치(11)에서는 시료에 레이저광(L)을 조사할 때의 공간적인(장소나 크기의) 제약이 적으므로 유닛화함으로써 측정 대상물이 있는 임의의 장소에서 측정 대상물의 분석이 가능해진다.
이상과 같이, 레이저 유기 형광 분석장치(11)에 의하면 광학 부품의 수가 적고, 저렴한 가격으로 고배율로 빔 확대용 코리메터와 빔 분할용 어레이렌즈를 사용하지 않고 집광 렌즈(볼록 렌즈) 1 장 또는 2 장으로 광파이버로 입사시킬 수 있다.
또한, 피크 파워 10 MW를 초과하는 자이언트 펄스 발진 방식의 레이저광(L)을 이용하는 예를 들면 레이저 유기 형광 분석, 레이저 어블레이션, 레이저 피닝 등의 프로세스에 이용되는 레이저광 입사 광학장치(11)를 소형으로 저렴한 가격으로 제공할 수 있다.
또한, 상기 각 실시형태에 한정되지 않고, 상기 실시 단계에서 그 요지를 이탈하지 않는 범위로 여러 가지 변형 또는 변경이 가능하다. 또한, 각 실시 형태는 가능한한 적절히 조합하여 실시되어도 좋고, 그 경우 조합에 의한 효과가 얻어진다.
본 발명에 의하면 석영을 포함하는 재질로 코어 직경에 대한 클래드의 두께가 0.035∼0.1배, 개구수(NA)가 0.06∼0.22의 스텝 인덱스형인 광파이버를 이용하고, 상기 광파이버의 입사 단면에 피크 파워 10MW를 초과하는 자이언트 펄스 발진 방식의 고체 레이저 발진기로부터의 레이저광을 발산성으로서 입사시킴으로써 광파 이버를 손상시키지 않고 레이저광을 전송할 수 있고, 전송 효율의 저하나 복잡한 조정을 불필요하게 하여 저렴한 가격으로 제공할 수 있다.

Claims (6)

  1. 피크 파워가 10MW보다도 큰 자이언트 펄스 발진 방식의 고체 레이저 발진기로부터의 레이저광을 광파이버의 입사 단면에 입사시키는 레이저광 입사 광학장치에 있어서,
    상기 고체 레이저 발진기로부터의 레이저광을 집광하는 집광 렌즈, 및
    상기 집광 렌즈에 의한 레이저광의 집광점 보다 후방의 소정 위치에 광파이버의 입사 단면을 설치하고, 상기 레이저광을 발산성으로서 광파이버의 입사 단면에 입사시키는 광파이버 위치 조정 기구를 구비하고,
    상기 광파이버는 석영을 포함하는 재질로 코어 직경에 대한 클래드의 두께가 0.035∼0.1배, 개구수(NA)가 0.06∼0.22의 스텝 인덱스형인 것을 특징으로 하는 레이저광 입사 광학장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 광파이버는 코어 직경이 500∼1500㎛, 클래드의 두께가 35∼100㎛인 것을 특징으로 하는 레이저광 입사 광학장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 광파이버의 입사 단면에 반각으로 0.06∼0.22rad 및 광파이버에 고유의 입사 한계의 각도 중 어느 한쪽에서 레이저광이 입사되는 것을 특징으로하는 레이 저광 입사 광학장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광파이버 위치 조정 기구는 광파이버의 입사 단면을 집광 렌즈에 의한 레이저광의 집광점의 후방 1∼16mm로 위치시키는 것을 특징으로 하는 레이저광 입사 광학장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 광파이버 위치 조정 기구는 광파이버의 입사 단면을 집광 렌즈에 의한 레이저광의 집광점의 후방 1.5∼5mm에 설치하는 것을 특징으로 하는 레이저광 입사 광학장치.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    고체 레이저 발진기와 집광 렌즈와의 사이에 설치된 반투명경과, 상기 반투명경을 통해 광파이버의 입사 단면의 광상(光像)을 관측하는 관측 수단을 추가로 구비한 것을 특징으로 하는 레이저광 입사 광학장치.
KR1020067015094A 2004-01-28 2005-01-27 레이저광 입사 광학장치 KR100804357B1 (ko)

Applications Claiming Priority (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JPJP-P-2004-00020183 2004-01-28
JP2004020183 2004-01-28
JPJP-P-2004-00280297 2004-09-27
JP2004280297A JP2005242292A (ja) 2004-01-28 2004-09-27 レーザ光入射光学装置

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20060131818A true KR20060131818A (ko) 2006-12-20
KR100804357B1 KR100804357B1 (ko) 2008-02-15

Family

ID=34829407

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020067015094A KR100804357B1 (ko) 2004-01-28 2005-01-27 레이저광 입사 광학장치

Country Status (4)

Country Link
JP (1) JP2005242292A (ko)
KR (1) KR100804357B1 (ko)
TW (1) TWI277730B (ko)
WO (1) WO2005073771A1 (ko)

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008250184A (ja) * 2007-03-30 2008-10-16 Fujifilm Corp ファイバ光源装置
FR2919720B1 (fr) * 2007-08-01 2010-06-11 Commissariat Energie Atomique Dispositif de spectroscopie laser
JP2009178720A (ja) * 2008-01-29 2009-08-13 Mitsubishi Electric Corp レーザ加工装置
NL2004483A (nl) 2009-05-26 2010-11-30 Asml Holding Nv Pulse stretcher with reduced energy density on optical components.
JP2019203946A (ja) * 2018-05-22 2019-11-28 三菱重工業株式会社 ファイバ結合装置及びレーザ加工装置
DE102019123448B4 (de) * 2019-09-02 2024-01-25 Schott Ag Beleuchtungssystem mit einem Lichtleiter und einem Abstrahlelement
CN111504465A (zh) * 2020-04-22 2020-08-07 上海精测半导体技术有限公司 色度计匹配方法、色度计、色度计校正方法及系统

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH01153503U (ko) * 1988-04-15 1989-10-23
JP3940504B2 (ja) * 1998-10-30 2007-07-04 株式会社東芝 光ファイバ伝送式レーザ装置、パルスレーザ発振器および光ファイバ導光装置
JP2000286488A (ja) * 1999-03-30 2000-10-13 Mitsubishi Electric Corp レーザシステム
JP2003344802A (ja) * 2002-05-23 2003-12-03 Toshiba Corp レーザ照射装置

Also Published As

Publication number Publication date
WO2005073771A1 (ja) 2005-08-11
JP2005242292A (ja) 2005-09-08
KR100804357B1 (ko) 2008-02-15
TWI277730B (en) 2007-04-01
TW200535409A (en) 2005-11-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR100804357B1 (ko) 레이저광 입사 광학장치
CN100432727C (zh) 激光入射光学装置
CN101346207B (zh) 激光加工装置
US20080019412A1 (en) Laser beam injecting optical device for optical fiber
EP1789828B1 (en) Microscope system and method
EP2605882B1 (en) Method of and fibre laser for optimising the focus of the fibre laser
Chambonneau et al. Competing nonlinear delocalization of light for laser inscription inside silicon with a 2-µ m picosecond laser
JP2008518273A (ja) 光ファイバにおいて回折構造を形成するための超高速レーザ加工システムおよび方法
US20230093899A1 (en) Multipulse-induced spectroscopy method and device based on femtosecond plasma grating
JP5309867B2 (ja) 非線形光学顕微鏡及びその調整方法
CN103278309B (zh) 光学元件体内激光损伤自动快速探测装置
CN116183496A (zh) 基于面阵cmos相机的超快泵浦探测瞬态吸收成像系统
CN117451661A (zh) 太赫兹成像系统及方法
CN112309808B (zh) 光学聚焦和焦斑连续扫描的透射电子显微镜样品杆系统
CN114924406A (zh) 微型反射镜阵列加工方法及系统
JP2002236223A (ja) ファイバープローブ光検出器
CN109065209B (zh) 一种基于空心光束的双模输出光镊
KR100843468B1 (ko) 다광자 공초점 레이저 주사현미경
JP2011102778A (ja) レーザを用いた元素分析方法及び元素分析装置
CN111837297A (zh) 激光振荡器、激光加工装置、光纤、光纤制造方法及光纤制造装置
JP2005221373A (ja) 元素分析装置
CN221261339U (zh) 光学成像器件
KR100660199B1 (ko) 고출력 레이저 펄스 빔의 광섬유 전송장치 및 방법
JP2010071815A (ja) 空間電界計測方法及び空間電界計測装置
CN114323588A (zh) 一种测量ld侧泵模块激光晶体内部荧光分布的装置及方法

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
J202 Request for trial for correction [limitation]
J301 Trial decision

Free format text: TRIAL DECISION FOR CORRECTION REQUESTED 20080416

Effective date: 20090217

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20120119

Year of fee payment: 5

LAPS Lapse due to unpaid annual fee