KR20070076536A - 고-전력 Ｅｒ：ＹＡＧ 레이저 - Google Patents

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도에이 고교 가부시키가이샤
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Abstract

Er:YAG 레이저 (100) 는 Er:YAG 결정 매질 (112, 122) 및 광학 펌핑 수단 (114, 124) 을 포함하고, 2.94 ㎛의 파장에서 진동하는데 적당하다. 광학 펌핑 수단은 서로 오프셋되는 타이밍에서 그 측면으로부터 Er:YAG 결정 매질의 길이 방향을 따르는 복수의 영역 (112, 122) 상으로 펌핑 광 펄스를 조사 (irradiate) 하고, 그럼으로써 각각의 영역을 여기시킨다. 시분할 방식에서 레이저 매질의 공간적 영역을 여기 시킴으로써, 2.94 ㎛-파장 레이저에서 하위 레벨로 다루어지는 4I13/2 레벨의 비여기된 영역 내의 Er 이온은 비방사 과정에 의해 감소되고, 따라서, Er:YAG 레이저의 2.94 ㎛-파장 레이저 출력의 전력 증가가 달성되는 것이 가능하다.
고-전력, Ｅｒ：ＹＡＧ 레이저, 타이밍 오프셋

Description

고-전력 Ｅｒ：ＹＡＧ 레이저 {HIGH-POWER Er:YAG LASER}
도 1 은 본 발명의 제 1 실시 형태에 따른 Er:YAG 레이저 장비의 개략도.
도 2 는 도 1 에 도시된 Er:YAG 레이저 장비의 출력을 나타내는 타이밍 차트.
도 3 은 본 발명의 제 2 실시 형태에 따른 Er:YAG 레이저 장비의 개략도.
도 4 는 본 발명의 제 2 실시 형태에서 사용된 여기된 LD 레이저 하우징의 횡단면도.
도 5 는 본 발명의 제 3 실시 형태에 따른 Er:YAG 레이저의 개략도.
도 6 은 본 발명의 제 3 실시 형태에서 사용된 LD 어레이 어셈블리의 투시도.
도 7 은 본 발명의 제 4 실시 형태에 따른 Er:YAG 레이저의 개략도.
도 8 은 본 발명의 제 5 실시 형태에 따른 Er:YAG 레이저의 개략도.
도 9a 및 9b 는, 공명기를 형성하고 본 발명의 제 5 실시 형태에서 사용되는 반사 거울에 있어서, 반사 거울의 반사율과 파장 사이의 관계를 각각 나타내는 다이어그램.
도 10 은 Er:YAG 결정에 있는 Er 이온의 에너지 다이어그램.
본 발명은 Er:YAG 레이저에 관한 것으로, 특히, 2.94 ㎛의 진동 파장을 갖는 레이저 광의 전력을 증가시키는 것에 관한 것이다.
Er:YAG 레이저의 진동 파장으로, 1.55 ㎛ 및 2.94 ㎛가 잘 알려져 있다. 1.55 ㎛-파장 레이저 광은 주로 광통신 분야에서 사용되고, 2.94 ㎛-파장 레이저 광은 치과 치료 분야에서 사용된다.
2.94 ㎛-파장 레이저 장비는 섬광등을 여기 소스로 사용하고 약 10 Hz의 최대 반복률에서 약 250 ㎲의 레이저 진동주기를 갖는 숏타임 (short-time) 펄스를 발생시키며, 평균 전력은 약 4 W로 산정된다.
고-반복 펄스 진동 (high-repetition pulse oscillation) 또는 고-전력 유사 연속 진동 (high-power quasicontinuous oscillation) 에 의해 2.94 ㎛-파장 레이저의 전력 증가를 달성하는 것이 가능하게 되는 경우, 이 파장이 물 흡수 스펙트럼의 피크에 대응하기 때문에, 치과 치료와 같은 의료 치료 분야뿐만 아니라, 산업상의 기계가공 및 공정 분야에서도 응용이 기대된다.
Er:YAG 에너지 레벨 다이어그램은 대표적인 3-레벨 레이저인 루비 레이저와 대표적인 4-레벨 레이저인 Nd:YAG 레이저의 특징을 모두 갖는다. 이득이 매우 작기 때문에, Er:YAG 레이저는 Er 이온의 함유량을 약 50 % 까지 증가시켜 사용된다.
1.55 ㎛-파장 레이저 진동은 4I13 /2 레벨에서 4I15 /2 바닥 레벨로의 천이에 의한 3-레벨 레이저의 진동인데, 2.94 ㎛-파장 레이저 진동은 4I11 /2 레벨에서 4I13 /2 레벨로의 천이에 의한 4-레벨 레이저의 진동이다. 2.94 ㎛-파장 레이저 진동에서 하위 레벨 (4I13 /2) 의 형광 수명은 4 ㎳이고, 따라서 상위 레벨 (4I11 /2)의 형광 수명 200 ㎲ 보다 훨씬 더 길다. 수명에 대한 이러한 차이는 2.94 ㎛-파장 레이저 진동을 위한 필수 조건인, 두 레벨 사이의 모집단 수의 전도 (음의 온도 분포) 를 유지시키는 것을 어렵게 만든다. 그러나, 하나의 YAG 봉 내의 Er 이온의 함유량이 매우 크기 때문에, 에너지가 Er 이온들 사이의 상호작용에 기인한 여기 레벨을 포함하는 에너지 레벨 사이에서 주고 받아지고, 따라서 하위 레벨의 실제 형광 수명이 상당히 짧아지게 된다고 알려져 있다. 위에서 설명한 것처럼, 치과 치료용 펄스 레이저는 실제로 이용할 수 있고, 레이저 다이오드 여기에 의한 약 1 W의 출력 전력을 갖는 연속적인 진동이 관찰된다.
그러나, 고-전력 고-반복 펄스 진동 또는 고-전력 유사연속 진동은 지금까지 성취되지 않았다. 이는 2.94 ㎛ 레이저 천이에서 하위 레벨 (4I13 /2) 의 형광 수명이 상위 레벨 (4I11 /2) 의 형광 수명보다 더 길고, 따라서 모집단 수의 역 분포가 레이저 진동 레벨 사이에서 유지될 수 없다고 여겨졌기 때문이다.
그 이상의 정보를 위해서, Walter Koechner 의 "Solid-State Laser Engineering, Fifth Revise and Updated Edition", Springer-Verlag, 374 페이지 (비 특허 문서 1), 및 A. Charlton, M.R.Dickinson 및 T.A.King 의 "High repetition rate, high average power Er:YAG laser at 2.94 ㎛", Journal of Modern Optics, 1989, 제 36 권, 10 호, 1393 페이지부터 1400 페이지 (비 특허 문서 2) 참조한다.
본 발명의 목적은 Er:YAG 레이저에 있어서 2.94 ㎛-파장 레이저 광의 전력을 증가시키고, 고-전력 고-반복 펄스 진동 또는 고-전력 유사연속 진동을 가능하게 하는 Er:YAG 레이저 장비를 제공하는 것이다.
본 발명에 의하면, 2.94 ㎛의 파장에서 진동하는데 적당한, Er:YAG 결정 매질과 광학 펌핑 수단을 구비하는 Er:YAG 레이저 장비에 있어서, 광학 펌핑 수단은 서로 오프셋되는 타이밍에서 그 측면으로부터 Er:YAG 결정 매질의 복수의 영역으로 펌핑 광 펄스를 조사하고, 복수의 영역은 Er:YAG 결정 매질의 길이 방향을 따라 위치하는, Er:YAG 레이저 장비가 얻어진다.
바람직하게는, 펌핑 광 펄스의 타이밍은 펌핑 광 펄스가 서로 겹쳐지지 않도록 서로 오프셋된다.
또한, 소정의 주기를 갖는 펌핑 광 펄스는 Er:YAG 결정 매질의 복수의 영역에 각각 조사된다.
바람직하게는, 펌핑 광 펄스는 시분할 방식으로 Er:YAG 결정 매질의 복수의 영역에 각각 조사된다.
본 발명의 일 양태에 의하면, Er:YAG 결정 매질의 복수의 영역은 Er:YAG 봉을 각각 포함하고, 광학 펌핑 수단은 Er:YAG 봉에 대응하는 광학 펌핑 소스를 각각 포함한다.
광학 펌핑 수단으로, 펄스 방전 동작을 수행하는데 적합한 Xe 섬광등이 사용될 수 있다. 또한, 광학 펌핑 수단으로, 펄스 구동형의 반도체 레이저 어레이가 사용될 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 2.94 ㎛의 파장에서 진동하는데 적당한, Er:YAG 결정 매질 및 광학 펌핑 수단을 포함하는 Er:YAG 레이저 장비에 있어서, 1.55 ㎛의 파장을 갖는 Er:YAG 레이저 광이 레이저 진동 축 방향으로부터 Er:YAG 결정 매질에 주입되는, Er:YAG 레이저 장비가 얻어진다.
또한, 본 발명에 따르면, Er:YAG 레이저가 2.94 ㎛의 파장에서 진동하는데 적당하고, Er:YAG 결정 매질, 광학 펌핑 수단, 및 Er:YAG 결정 매질의 대향하는 종단에 배치된 제 1 반사 거울과 제 2 반사 거울을 포함하는 Er:YAG 레이저 장비에 있어서, 제 1 반사 거울과 제 2 반사 거울은 2.94 ㎛의 파장과 1.55 ㎛의 파장에 관하여 공명기를 형성하고, 2.94 ㎛의 파장을 갖는 레이저 광은 제 2 반사 거울로부터 출력되는, Er:YAG 레이저 장비가 얻어진다.
본 발명에서, 2.94 ㎛-파장 레이저의 하위 레벨로 다루어지는 레벨 1 에 있는 Er 이온이 자발적인 광 방출 과정과 다른 완화 (relaxation) 과정을 통해서 또는 유도 광 방출 과정을 통해서 감소되기 때문에, Er:YAG 레이저의 2.94 ㎛-파장 레이저 출력의 전력 증가를 달성시키는 것이 가능하다.
본 발명의 일 모드에 의하면, 시분할 방식에서 레이저 매질의 여기된 공간상 영역에 의해서, 2.94 ㎛-파장 레이저의 하위 레벨로 다루어지는 4I13 /2 레벨의 비여기된 영역에 있는 Er 이온은 자발적인 광 방출 과정과 다른 완화 과정을 통해서 감소될 수 있는데 그것에 의하여 다음 진동을 위한 회복과 준비를 할 수 있게 되고, 그 결과, Er:YAG 레이저의 2.94 ㎛-파장 레이저 출력의 평균 전력은 증가될 수 있다.
본 발명의 다른 모드에 의하면, 2.94 ㎛-파장 레이저의 하위 레벨로 다루어지는 4I13 /2 레벨에 있는 Er 이온이 4I13 /2 레벨을 상위 레벨로 다루는 1.55 ㎛-파장 광을 사용하는 유도 광 방출을 통해서 감소되기 때문에, Er:YAG 레이저의 2.94 ㎛-파장 레이저 출력의 전력 증가를 달성시키는 것이 가능하다.
이제, 본 발명의 실시 형태는 도면과 관련하여 설명될 것이다.
본 발명의 이해를 용이하게 하기 위해서, Er:YAG 에너지 레벨은 도 10 과 관련하여 설명될 것이다.
도 10 은 메인 펌핑 밴드를 따르는 Er:YAG 에너지 레벨을 나타낸다. 2.94 ㎛ 레이저 진동은 상위 레벨로 다루어지는 레벨 2 로부터 하위 레벨로 다루어지는 레벨 1 로의 천이에 의해 기인한다. 또한, 레벨 1 은 레벨 1 에서 레벨 4 로의 1.55 ㎛ 천이에 있어서 상위 레벨로 다루어진다. 넓은 스펙트럼을 갖는 Xe 섬광등과 같은 여기 소스에 의한 펌핑에서, Er 이온은 4S3 /2, 4F9/2, 및 4I9 /2 에너지 레벨로 여기되도록 540 ㎚, 650 ㎚, 및 800 ㎚ 밴드의 스펙트럼에 의해서 바닥 레벨 4I15 / 2 로부터 각각 펌핑된다. 도 10 에서 이러한 에너지 레벨들은 집합적으로 레벨 3 으로 표시된다. 레벨 3 은 4 개의 레벨을 갖는 레이저에서 최상의 레벨이다. Er 이온은 비방사 과정에 의해서 레벨 3 에서 레벨 2 로 분포하게 되고, 그 때문에 상위 레벨로 다루어지는 레벨 2 및 하위 레벨로 다루어지는 레벨 1 사이에서 역 분포가 발생하게 된다.
3 개의 레벨을 갖는 레이저로서 1.55 ㎛ 진동에서, 상위 레벨로 다루어지는 레벨 1 은 레벨 3 으로부터의 비방사 과정에 의해 야기되고 또한 레벨 2 로부터의 2.94 ㎛ 광 방출에 의해 야기되는 분포가 차지된다.
한편으로, 2.94 ㎛ 진동에서 하위 레벨 (레벨 1) 내의 분포는 레벨 3 에 있는 4I9 /2 레벨 및 레벨 4 로의 동시 광 방출 과정에 의한 천이에 기인하여 감소되고, 이는 레벨 1 에서 Er 이온의 상호 완화에 의해 야기된다. 또한, 레벨 1 에서의 분포는 1.55 ㎛ 광의 자발 방출에 의해서도 감소된다.
위에서 설명한 것처럼, 레벨 2 와 레벨 1 사이의 역 분포, 특히, 하위 레벨로 다루어지는 레벨 1에서의 모집단 수가 레벨 1 의 Er 이온의 상호 완화에 의한 감소와 광의 자발 방출에 의한 감소에 의존하기 때문에, 2.944 ㎛-파장 레이저 전력은 하위 레벨로 다루어지는 레벨 1 에서 모집단 수에 의존한다.
본 발명에서, 레이저 전력은 자발 광 방출 과정과 다른 완화 과
정을 통하여, 또는 유도 광 방출 과정을 통하여 하위 레벨로 다루어지는 레벨 1 내의 Er 이온을 감소시키기 위한 수단을 제공함으로써 증가된다.
도 1 은 본 발명의 제 1 실시 형태를 예시적으로 나타내는 개략도이다.
도 1 에서, 레이저 오실레이터, 또는 레이저 장비 (100) 는 레이저 헤드 (130), 전반사 거울 (10), 및 출력 거울 (20) 을 포함한다. 거울 (10, 20) 은 각각 레이저 헤드 (130) 의 대향하는 종단에 배치된다. 레이저 헤드 (130) 는 두 개의 레이저 하우징 (116, 126) 을 포함한다. Er:YAG 봉 (112) 및 Xe 섬광등 (114) 은 하우징 (116) 내에 배치된다. Er:YAG 봉 (112) 은 그 측면 상에 Xe 섬광등 (114) 의 방전으로 인해 방출된 스펙트럼을 받고 또한 섬광등으로부터의 수취 광에 응답하여 하우징 내의 공동 (cavity) 에 의해 반사된 광을 받는데, 이로 인해 바닥 레벨로부터 Er 이온이 펌핑된다. 한편, Er:YAG 봉 (122) 및 Xe 섬광등 (124) 은 하우징 (126) 에 배치된다. Er:YAG 봉 (122) 은 그 측면 상에 Xe 섬광등 (124) 의 방전으로 인해 방출된 스펙트럼을 받고 또한 섬광등으로부터의 수취 광에 응답하여 하우징에 있는 공동에 의해 반사된 광을 받는데, 이로 인해 바닥 레벨로부터 Er 이온이 펌핑된다. 하우징 (116, 126) 은 Er:YAG 봉 (112, 122) 이 같은 축 상에 위치하도록 배치된다. 전반사 거울 (10) 및 출력 거울 (20) 은 공명기를 형성하도록 Er:YAG 봉 (112, 122) 의 축에 수직으로 배치된다. 출력 거울 (20) 은 2.94 ㎛의 파장에 대하여 수 % 의 투과율을 갖는 반사 거울인 반면, 전반사 거울 (10) 은 2.94 ㎛의 파장에 대하여 100 % 의 반사율을 갖는 반사 거울이며 출력 거울 (20) 보다는 반사하는데 적합하다.
Xe 섬광등 (114) 은 소정의 반복률로 방전하도록 펄스 전력 공급원 (110) 에 의하여 구동되어 여기 광을 방출한다. 다른 한편, Xe 섬광등 (124) 은 소정의 반복률로 방전되도록 펄스 전력 공급원 (120) 에 의하여 구동되어 여기 광을 방출한다. 타이밍 펄스 회로 (131) 는 펄스 전력 공급원 (110) 의 방전 전류 펄스의 타이밍 신호를 받고, 그것의 타이밍을 조절하고, 펄스 전력 공급원 (120) 에 조절된 타이밍 신호를 공급하여, 펄스 전력 공급원 (120) 의 방전 전류 펄스가 펄스 전력 공급원 (110) 의 방전 전류 펄스에 대해 소정의 시간까지 지연되도록 한다.
Xe 섬광등 (114) 의 방전 전류 타이밍과 Xe 섬광등 (124) 의 방전 전류 타이밍 사이의 오프셋은 섬광등 (124) 의 광 방출에 의한 Er:YAG 봉 (122) 내의 Er 이온의 펌핑에 기인한 레이저 진동에 의해서 발생된 레이저 펄스가, 섬광등 (114) 의 광 방출에 의한 Er:YAG 봉 (112) 내의 Er 이온의 펌핑에 기인한 레이저 진동에 의해서 발생된 레이저 펄스에 겹쳐지지 않도록 한다. 예를 들면, 이런 구성에서, 레이저 하우징 (126) 으로부터의 펄스 진동이 레이저 하우징 (116) 으로부터의 펄스 진동 사이에 적당히 위치하도록, 100 pps 또는 그 이상의 반복 펄스 진동이 레이저 하우징 (116) 으로부터 먼저 수행되고, 마찬가지로, 100 pps 또는 그 이상의 반복 펄스 진동이 레이저 하우징 (126) 으로부터 각각 수행된다. 결과적으로, 원래보다 두 배인, 200 pps 또는 그 이상의 반복 펄스 진동이 레이저 헤드 (130) 로부터 관찰된다. 본 실시 형태에서, Er:YAG 봉은 시분할 방식으로 각각 여기되고, 따라서 시분할 여기 시스템으로 칭해진다. 즉, 이것은 각각, 시분할 방식으로 소정의 레이저 매질의 복수의 공간이 여기되는데 적당한 시스템이다.
도 2 는 레이저 장비 (100) 로부터 출력된 2.94 ㎛-파장 레이저 펄스를 예시적으로 보여주고, 출력이 레이저 하우징 (116) 으로부터의 레이저 펄스 진동 (A) 과 레이저 하우징 (126) 으로부터의 레이저 펄스 진동 (B) 으로 구성되는 것을 예시적으로 보여준다.
복수의 레이저 하우징을 이용하면, 각 레이저 하우징의 동작을 일시적으로 정지하는 것이 가능하고, 따라서 Er:YAG 봉이 하우징 내에서 휴지 (休止) 하는 것을 허용한다. 이러한 휴지 시간에 의해, 바닥 레벨로의 레이저 천이에서, 하위 레벨 (4I13 /2 ) 에 존재하는 Er 이온의 천이가 용이하게 되고, 즉, 하위 레벨 (4I13 /2 ) 에 있는 Er 이온의 모집단 수는 감소하게 되고, 따라서 레이저 진동의 고 전력 공급이 가능하게 된다.
이와 같이, 200 W 또는 그 이상의 유사연속 진동은 반복 펄스 진동수와 펄스 진동 주기의 조합에 의해서 가능하게 된다.
앞서의 실시 형태에서는, 두 개의 레이저 하우징이 사용된다. 그러나, 레이저 하우징의 수는 그것에 제한되지 않는다. 레이저 하우징 수의 증가에 의해서, 전체적으로 각 Er:YAG 봉의 레이저 동작 시간 감소 및 레이저 장비의 펄스 반복 수의 증가가 가능하게 되고, 따라서 레이저 전력이 한층 더 증가하게 된다.
도 3 은 본 발명의 제 2 실시 형태를 나타내는 개략도이다.
도 3 에서, Er:YAG 레이저 장비 (200) 는 같은 축 상에 배치된 레이저 하우징 (146, 156), 및 대향하는 종단에 배치된 전반사 거울 (10) 과 출력 거울 (20) 을 각각 포함한다. 레이저 하우징은 각각 반도체 레이저 (LD) 에 의해서 여기되는 Er:YAG 봉 구조를 가진다. 그러한 하우징이, 비특허 문서 2 의 도 6.67 에서 설명된 구조로 사용될 수 있다. Nd:YAG 봉이 비특허 문서 2 의 구조에서 사용되지만, 본 발명의 실시 형태에서는 그것 대신 Er:YAG 봉이 사용될 것이다.
도 4 는 반도에 레이저에 의해 여기된 Er:YAG 레이저 하우징 (146, 156) 의 상세한 설명을 나타낸다. 하우징 (156) 이 하우징 (146) 의 구조와 같은 구조를 가지기 때문에, 하우징 (156) 의 동일한 구성 요소를 괄호내에 넣어서 하우징 (146) 이 설명될 것이고, 그럼으로써 설명이 간단하게 될 것이다. 도 4 는 도 3 에 있는 레이저의 축에 수직한 선을 따른 레이저 하우징 (146 (156)) 의 횡단면도이다. 도 4 에서, Er:YAG 봉 (142 (152)) 은 사파이어 슬리브 (143 (153)) 내에 배치되고, 냉각제 (148 (158)) 는 사파이어 슬리브의 내부 주위와 레이저 봉의 외부 주위 사이로 규정된 공간을 흐른다. 금속 부재 (147 (157)) 는 세 방향으로부터 사파이어 슬리브를 홀딩한다. 반도체 레이저 어레이 (144 (154)) 는, 각 어레이 (144 (154)) 에서, 다수의 반도체 레이저가 지면에 대해 수직인 방향인 레이저 봉의 축을 따라 어레이되도록 배치된다. 원통형의 렌즈 (145 (155)) 는 금속 부재 사이에 규정된 슬롯 (slot) 에 각각 배치되고, 각각의 렌즈 (145 (155)) 는 레이저 봉에 대해 평행하게 연장된다. 원통형의 렌즈는 반도체 레이저 어레이 (144 (154)) 로부터 나온 레이저 광의 초점을 맞추고, 그것을 세 방향으로부터 그것의 측면 상의 레이저 봉으로 조사한다. 각 반도체 레이저의 파장으로, 4I9 /2 레벨 또는 4I11 /2 레벨로의 여기를 달성할 수 있는 파장을 선택할 수 있다. 세 방향에 배치된 반도체 레이저 어레이 (144) 는 서로 동시에 펄스 진 동을 수행하도록 제어된다. 또한, 레이저 하우징 (156) 내의 세 개의 반도체 레이저 어레이 (154) 도 서로 동시에 펄스 진동을 수행하도록 제어된다. 그러나, 반도체 레이저 어레이 (154) 의 경우에, 광 방출이 반도체 레이저 어레이 (144) 의 광 방출이 완료된 후에 수행되도록, 광 방출 시간은 오프셋된다. 이러한 방식에서, 반도체 레이저 어레이의 진동 타이밍을 오프셋시킴으로써, Er:YAG 레이저 장비로부터 출력된 2.94 ㎛ 레이저가 도 3 에 도시된 바와 같이 각각의 레이저 봉으로부터 진동 펄스 (A) 및 진동 펄스 (B) 로 구성되도록, 반도체 레이저 광에 의해 펌핑되는 Er:YAG 봉을 스위칭한다.
또한 이러한 실시 형태에서, 각 하우징의 Er:YAG 봉이 진동에 기여하는 시간을 줄이기 위해 레이저 하우징의 수를 증가함으로써, 레이저 하위 레벨에서의 분포가 감소하고, 그럼으로써 다음 레이저 진동에 대한 기여가 증가하는 것이 가능하다.
이제 본 발명의 제 3 실시 형태가 설명될 것이다. 비록, 제 1 및 제 2 실시 형태에서, 복수의 레이저 하우징이 사용되는 경우에 대해 설명하였지만, 본 발명의 원리는 단 하나의 레이저 하우징의 경우에서도 이용될 수 있다. 본 발명이 Er:YAG 레이저 매질 공간을 복수의 영역으로 분할하고, 여기 시분할 방식으로 각 영역을 펌핑하기 때문에, 즉, 각 영역을 지속적으로 펌핑하지 않기 때문에, 시분할 방식으로 그것의 공명기 축 방향을 따라 단일 레이저 봉의 소정의 부분 각각을 펌핑하는것으로 충분하다.
도 5 는 제 3 실시 형태의 개략도이다. 도 5 에서, 레이저 하우징 (246) 은 반도체 레이저에 의해 여기된 레이저 하우징이다. 이 하우징의 구조는 도 4 에 도시된 제 2 실시 형태의 LD에 의해 여기된 레이저 하우징 (146) 의 구조와 유사하다. 도 4 와의 차이점은 반도체 레이저 어레이 어셈블리 (244) 가 반도체 레이저 어레이 (144) 대신에 사용되었다는데 있다. 이후, 이러한 차이점이 설명될 것이다.
도 6 은 반도체 레이저 어레이 어셈블리 (244) 를 나타내는 투시도이다. 어셈블리 (244) 는 그 길이 방향으로 배열된 반도체 레이저 어레이 (2441 내지 2447) 로 구성된다. 각 반도체 레이저 어레이는 그것의 개개의 광-방출면이 같은 방향으로 방향 지어지도록 어레이되는 복수의 반도체 레이저 (LD) 를 갖는다. 각 반도체 레이저 어레이의 반도체 레이저 (LD) 는 동시에 전류를 공급받고 동시에 진동한다. 그러나, 각각의 반도체 레이저 어레이는 서로 다른 시간에 진동하도록 전류를 공급받는다. 즉, 전류는 위상을 오프셋하여 반도체 레이저 어레이 (2441 내지 2447) 에 공급된다. 예를 들면, 소정의 시간 동안 반도체 레이저 어레이 (2441) 에 전류 펄스를 공급하고, 그 후 반도체 레이저 어레이 (2441) 에 최종 전류 펄스가 하강하는 타이밍에서 반도체 레이저 어레이 (2442) 에 전류 펄스를 공급하고, 그리고 나서 차례로 다음의 반도체 레이저 어레이에 전류 펄스 공급을 스위칭하여, 반도체 레이저 어레이 어셈블리 (244) 로부터의 진동 광은 어레이마다 차례로 적절하게 스위칭된다. 그러므로 반도체 레이저 어레이 어셈블리 (244) 의 반도체 레이저 (LD) 에 의해 그 측면으로부터의 광 펌핑되는 Er:YAG 봉의 길이 방향에서의 위치는, 차례로 Er:YAG 봉의 한 종단면 근처의 위치에서 Er:YAG 봉의 반대 종단면을 향해 이동한다.
따라서, 레이저 진동에 기여하는데 적합한 Er:YAG 봉의 위치가 봉의 축 방향에서 공간적으로 스위칭되기 때문에, 하위 레벨의 Er 이온 분포는 다음 레이저 동작에 기여할 때까지 각 공간에서 감소가 계속된다. 이 실시 형태에서는, LD 어레이의 수가 축 방향에서 7 개인 경우에 대해 설명이 이루어진다. 그러나, LD 어레이의 수는 그것에 제한되지 않고 둘 또는 그 이상일 수 있다. LD 어레이 수의 증가에 의해, 단위 시간당, 진동에 직접적으로 기여하는데 적당한 레이저 봉의 영역은 감소하고 따라서 2.94 ㎛ 진동 펄스의 피크는 낮아지게 된다. 그러나, 이러한 점은 개개의 LD 로부터 각각 작은 펄스 폭과 큰 피크 값을 갖는 펌핑 펄스를 조사함으로써 해결된다고 간주된다.
앞서의 실시 형태에서, 레이저 매질의 각각의 영역에 조사되도록 펌핑 펄스의 펄스 폭, 펄스 간격, 및 펄스 진폭을 적절하게 조절하고, 또한 각각의 영역 사이의 이러한 펄스의 위상을 추가적으로 조절함으로써, Er:YAG 레이저로부터 단위 시간당 2.94 ㎛-파장 에너지가 증가하는 것이 가능하게 된다. 이러한 조절에 의해서, 유사연속 레이저 출력이 얻어지는 것도 기대될 수 있다.
도 7 은 본 발명의 제 4 실시 형태의 개략도이다. 앞서의 실시 형태에서, 2.94 ㎛ 천이에서 하위 레벨 내의 분포의 감소는 주로 그 레벨로부터 자발적인 자연붕괴 (decay) 에 의존한다. 한편, 이러한 실시 형태는 하위 레벨에서 분포를 실제적으로 감소시키려는 의도이다. 도 7 에서 2.94 ㎛-파장 Er:YAG 레이저 장비 (400) 는 Kr 아크 램프 (115) 에 연속적인 방전 전류를 공급하기 위한 CW 전 력 공급원 (90), 하우징 (116) 내에 배치된 Er:YAG 봉 (112) 및 Kr 아크 램프 (115), 및 레이저 봉의 대향하는 종단에 배치되고 공명기를 형성하는 반사 거울 (30) 과 출력 거울 (40) 을 포함한다. 또한, 1.55 ㎛-파장 레이저 광을 진동시키는데 적당한 Er:YAG 레이저 장비 (80) 는 반사 거울 (30) 뒤에 배치된다. 1.55 ㎛ 레이저 광은 콜리메이팅 (collimating) 광학 시스템 (70) 을 통해 레이저 (80) 로부터 Er:YAG 봉 (112) 의 종단면 상으로 조사된다. 반사 거울 (30) 은 2.94 ㎛의 파장에 대해서 거의 100 % 의 반사율 및 1.55 ㎛의 파장에 대하여 100 % 에 가까운 투과율을 갖도록 코팅된다. 이러한 실시 형태에서, 레이저 장비의 레이저 진동은 펄스 진동 또는 연속 진동 중 하나일 수도 있다. 2.94 ㎛-파장 레이저 진동에서 하위 레벨이 1.55 ㎛ 천이에서 상위 레벨이기 때문에, 이러한 실시 형태는 유도 방출에 의해 이 레벨에서의 분포를 감소하기 위해 외부로부터 1.55 ㎛ 레이저 광을 도입하고, 그럼으로써 2.94 ㎛ 레이저 진동 출력의 전력을 증가시키는 것이 달성된다.
이제, 본 발명의 제 5 실시 형태가 설명될 것이다. 위에서 설명된 바와 같이, Er:YAG 레이저의 진동 파장은 1.55 ㎛ 및 2.94 ㎛이고, 2.94 ㎛ 레이저 천이에서의 하위 레벨 (4I13 /2) 은 1.55 ㎛ 레이저 천이에서 상위 레벨 (4I13 /2) 이다. 따라서, 1.55 ㎛ 레이저 진동이 2.94 ㎛ 레이저 진동과 동시에 행해지는 경우, 2.94 ㎛ 레이저 천이 때문에 하위 레벨로 축적된 Er 이온의 모집단 수의 증가량은, 1.55 ㎛ 의 적당한 레이저 진동을 통해, 2.94 ㎛ 천이에서는 보통 하위 레벨인 1.55 ㎛ 천이에서의 상위 레벨 (4I13 /2) 부터 바닥 레벨 (4I15 /2) 까지 Er 이온의 천이에 의해 감소될 수 있다.
도 8 은 본 발명의 제 5 실시 형태를 나타내는 개략도이다.
도 8 에서, Er:YAG 레이저 장비 (500) 는 하우징 (116) 내에 배치된 Er:YAG 봉 (112) 및 Kr 아크 램프 (115), 반사 거울 (50), 및 출력 거울 (60) 을 포함한다. Kr 아크 램프 (115) 는 아크 방전을 수행하기 위해서 CW 전력 공급원 (90) 으로부터 연속적으로 전력을 공급받는다. 반사 거울 (50) 은 도 9a 에 나타낸 것처럼 1.55 ㎛ 및 2.94 ㎛의 파장에 대해서 거의 100 % 의 반사율을 나타내는데 적당한 전반사 거울이다. 한편, 출력 거울 (60) 은 2.94 ㎛의 파장에 대해서 약 95 % 의 반사율을 나타내데, 그것은 2.94 ㎛ 레이저 진동을 방해하지 않는 1.55 ㎛의 파장에 관한 반사율을 나타낸다. 예를 들면, 도 9b 에 도시된 것처럼, 반사율은 2.94 ㎛의 파장에 대해 95 % 로 설정하고 1.55 ㎛의 파장에 대해 약 90 % 로 설정된다. 이러한 방식으로, 두 파장에서 진동이 허용되기 때문에, 전력 증가 및 연속적인 2.94 ㎛ 레이저 진동을 보다 용이하게 달성하는 것이 가능하다.
2.94 ㎛-파장 천이에서 하위 레벨이 동시에 1.55 ㎛-파장 천이에서 상위 레벨이므로, 1.55 ㎛ 및 2.94 ㎛ 파장에서 진동이 동시에 허용됨에 따라, 2.94 ㎛-파장 천이에서 하위 레벨 내의 분포가 감소하고, 그럼으로써 2.94 ㎛ 진동에서 상위 레벨과 하위 레벨 사이의 역 분포가 증가하는 것이 가능하고, 따라서 2.94 ㎛ 레이저 전력의 증가가 가능하다.
앞서의 실시 형태에서, Kr 아크 램프의 사용에 의한 연속적인 펌핑의 사례가 설명되었다. 그러나, 반도체 레이저 어레이의 사용에 의한 펌핑 사례 역시 효과적이다. 특히, 반도체 레이저의 진동 파장으로서, Er 이온을 바닥 레벨 (4I15/2) 로부터 4I11 /2 레벨까지 직접적으로 펌핑하는 파장이 선택되는 경우, 펌핑이 4I11/2 레벨에 집중되기 때문에, 4I13 /2 레벨에서의 분포는, 레이저 공명기에서 1.55 ㎛ 레이저 광 강도를 증가시키기 위해서 1.55 ㎛의 파장에 대해 출력 거울의 반사율이 100 % 로 설정됨에 따른 유도 방출에 의해 추가적으로 감소될 수 있다.
본 발명에서, 2.94 ㎛-파장 레이저의 하위 레벨로 다루어지는 레벨 1 에 있는 Er 이온이 자발적인 광 방출 과정과 다른 완화 과정을 통해서 또는 유도 광 방출 과정을 통해서 감소되기 때문에, Er:YAG 레이저의 2.94 ㎛-파장 레이저 출력의 전력 증가를 달성시키는 것이 가능하다.
본 발명의 일 모드에 의하면, 시분할 방식에서 레이저 매질의 여기된 공간상 영역에 의해서, 2.94 ㎛-파장 레이저의 하위 레벨로 다루어지는 4I13 /2 레벨의 비여기된 영역에 있는 Er 이온은 자발적인 광 방출 과정과 다른 완화 과정을 통해서 감소될 수 있는데 그것에 의하여 다음 진동을 위한 회복과 준비를 할 수 있게 되고, 그 결과, Er:YAG 레이저의 2.94 ㎛-파장 레이저 출력의 평균 전력은 증가될 수 있다.
본 발명의 다른 모드에 의하면, 2.94 ㎛-파장 레이저의 하위 레벨로 다루어 지는 4I13 /2 레벨에 있는 Er 이온이 4I13 /2 레벨을 상위 레벨로 다루는 1.55 ㎛-파장 광을 사용하는 유도 광 방출을 통해서 감소되기 때문에, Er:YAG 레이저의 2.94 ㎛-파장 레이저 출력의 전력 증가를 달성시키는 것이 가능하다.

Claims (9)

  1. 2.94 ㎛의 파장에서 진동하는데 적당한, Er:YAG 결정 매질과 광학 펌핑 수단을 구비하는 Er:YAG 레이저 장비로서,
    상기 광학 펌핑 수단은 서로 오프셋되는 타이밍에서 그 측면으로부터 상기 Er:YAG 결정 매질의 복수의 영역상으로 펌핑 광 펄스를 조사하고, 상기 복수의 영역은 상기 Er:YAG 결정 매질의 길이 방향을 따라 위치하는, Er:YAG 레이저 장비.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 펌핑 광 펄스가 서로 겹치지 않도록 상기 펌핑 광 펄스의 타이밍은 서로 오프셋되는, Er:YAG 레이저 장비.
  3. 제 2 항에 있어서,
    소정의 주기를 갖는 상기 펌핑 광 펄스는 상기 Er:YAG 결정 매질의 상기 복수의 영역 상으로 각각 조사되는, Er:YAG 레이저 장비.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 펌핑 광 펄스는 시분할 방식으로 상기 Er:YAG 결정 매질의 상기 복수의 영역상으로 각각 조사되는, Er:YAG 레이저 장비.
  5. 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서,
    상기 Er:YAG 결정 매질의 상기 복수의 영역은 Er:YAG 봉을 각각 포함하고, 상기 광학 펌핑 수단은 상기 Er:YAG 봉에 대응하는 광학 펌핑 소스를 각각 구비하는, Er:YAG 레이저 장비.
  6. 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서,
    상기 광학 펌핑 수단은 펄스 방전 동작을 수행하는데 적당한 Xe 섬광등인, Er:YAG 레이저 장비.
  7. 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서,
    상기 광학 펌핑 수단은 펄스 구동형의 반도체 레이저 어레이인, Er:YAG 레이저 장비.
  8. 2.94 ㎛의 파장에서 진동하는데 적당한, Er:YAG 결정 매질과 광학 펌핑 수단을 구비하는 Er:YAG 레이저 장비로서,
    1.55 ㎛의 파장을 갖는 Er:YAG 레이저 광은 레이저 진동 축 방향으로부터 상기 Er:YAG 결정 매질에 주입되는, Er:YAG 레이저 장비.
  9. 2.94 ㎛의 파장에서 진동하는데 적당한, Er:YAG 결정 매질, 광학 펌핑 수단, 및 상기 Er:YAG 결정 매질의 대향하는 종단에 배치된 제 1 반사 거울과 제 2 반사 거울을 구비하는 Er:YAG 레이저 장비로서,
    상기 제 1 반사 거울과 상기 제 2 반사 거울은 2.94 ㎛의 파장과 1.55 ㎛의 파장에 대하여 공명기를 형성하고, 2.94 ㎛의 파장을 갖는 레이저 광은 상기 제 2 반사 거울로부터 출력되는, Er:YAG 레이저 장비.
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