KR20070094702A

KR20070094702A - 엔디 야그 레이저 발진 매질에서 다중 파장 레이저발진공진기

Info

Publication number: KR20070094702A
Application number: KR1020070074332A
Authority: KR
Inventors: 조창호
Original assignee: 원테크놀로지 주식회사
Priority date: 2007-07-25
Filing date: 2007-07-25
Publication date: 2007-09-21

Abstract

본 발명은 하나의 엔디 야그(Nd:YAG) 레이저 매질에서 다양한 레이저 파장을 구할 수 있는 레이저 공진기 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 레이저 장치 중 전반사경과 부분반사경의 투과율을 선택적으로 사용하여 전, 부분반사경의 투과율에 따라 원하는 레이저 파장을 하나의 장치에서 구할 수 있어, 종래의 레이저파장이 다른 레이저장치를 복수로 구입하여야 하는 경제적인 부담과, 유지보수 및, 장치의 부피에 따른 공간활용 등을 효율적으로 개선한 레이저장치에 관한 것이다.

이를 위한 본 발명은 상기 엔디 야그 레이저 발진 매질(10)의 양단으로 형성되는 전반사경(20)과 부분반사경(30)이 구비된 공진기(1)와, 엔디 야그 레이저 발진 매질(10)의 양단으로 형성되는 전반사경(44)과 부분반사경(30)에 있어서, 공진기(1)에는 상기 복수 개의 전반사경 즉, 전반사경(20, 44) 중 원하는 레이저 파장이 반사되도록 하나를 선택하는 보조반사경(42)과 차단장치(50)에 의해 선택된 전반사경(20, 44) 중 하나와 반사경로를 통해 레이저 파장을 외부로 방출하는 부분반사경(30)으로 형성됨을 특징으로 한다.

엔디 야그 레이저 매질, 공진기, 다중 파장

Description

엔디 야그 레이저 발진 매질에서 다중 파장 레이저발진 공진기{ The resonator which the laser of multi-wavelength is emitting from Nd:YAG laser rod}

레이저의 발생원리를 보면, 원자가 에너지를 받아 여기되어 상위 준위로 들떠서 반전분포 상태로 되고, 상위의 들뜬 준위로부터 하위 들뜬 준위로 전이가 일어난다. 이 들뜬 물질의 양쪽에 거울 2개를 평행하게 놓으면 빛은 2개의 거울 사이를 반사하면서 왕복하고, 이렇게 왕복하는 사이에 빛은 증폭된다.

한편, 2 개의 평행한 거울은 유도방출을 일으킬 뿐만 아니라 거울 사이에 빛의 정상파를 만들고, 이 조건에 맞는 빛만이 증폭되며, 이 증폭된 빛의 파장은 선택되어 하나로 되고, 이때 2개의 거울 중 1개의 거울을 대부분의 빛은 반사하지만 다른 하 나의 거울은 일부 몇%만 투과하도록 만들어 두면 거울 사이에서 증폭된 빛의 일부만 외부로 방출되는 데 이것이 레이저 광선이다.

이와 같은 레이저 발생의 장치를 개략적으로 구성해 보면, 반사율 100%인 전반사경과, 투과율과 반사율을 가진 부분반사경이 한 쌍으로 이룬 공진기와 상기 공진기 사이에 레이저를 발생하는 매질로 채워진 물체가 구비되어, 상기의 레이저 발생 매질에 에너지를 주어 기저 상태 원자를 여기 상태 원자로 만들어서 반전밀도를 유도하기 위하여 광원 에너지를 가하는 광 펌프 장치로 구성된다.

레이저 발생 매질을 엔디 야그(ND:YAG)로 사용하는 고체레이저에서 발진되는 레이저는 파장이 1064nm의 가진 기본 레이저이며, 이 1064nm 레이저는 용접 및 절단 또는 육체의 체모, 모근을 제거하는 등의 다양 분야에 사용되는 것도 있고 이 기본 레이저의 파장뿐만 아니라 아직 규명되진 않았지만, 다양한 파장을 하나의 매질에서 다양하게 얻을 수 있다. 도 3은 상위 원자 에너지 준위에서 하위 원자 에너지 준위로 전이할 때 얻을 수 있는 여러 가지 레이저 파장을 보여주고 있다.

또한, 많은 연구가 이루어져 응용되는 상기 엔디 야그에서 발진되는 레이저는 파장이 1320nm 레이저와 파장이 946nm의 레이저가 있으며, 1320nm레이저는 주름제거와 같은 미용과 성형 등에 사용되고 있고, 946nm는 반도체 레이저 펌프용도로 사용한다.

도 1을 참조하여, 매질(10)과 상기 매질(10)의 양단으로 형성되는 전반사경(20)과 부분반사경(30)이 구비된 공진기(1)에 있어서, 상기 공진기(1)에서 발진되는 기본 레이저 외에 또 다른 파장의 레이저를 구할 수 있도록 보조장치부(40)가 구성된다.

상기 보조장치부(40)는 기본 파장의 레이저와는 별도로 다른 파장의 레이저를 구하고자 할 경우 반사경로를 변환할 수 있도록 투과와 반사를 가지도록 코팅 처리된 보조반사경(42)과 기본 파장 레이저와 별도로 구하고자 하는 파장을 반사시키는 반사율 100%인 전반사경(44) 및 매질(10)에서 유도 방출된 빛이 상기 보조반사경(42)을 통해 증폭될 수 있도록 기본 레이저 파장을 차단할 수 있도록 하는 차단장치(50)로 구성된다.

상기 보조장치부(40)에 구비된 차단장치(50)는 투과율을 자진 보조반사경(42)의 한 축에 구비되어 필요에 의해 레이저 발진을 막아 공진이 일어나지 않도록 차단한다.

상기와 같이 구성된 레이저 장치의 작동상태를 보면, 먼저 엔디 야그 레이저 매질 (10)이 기본 레이저 파장인 1064nm을 구하고자 할 경우, 펌프(60)에 의해 엔디 야그 레이저 매질(10)에서 빛이 유도 방출되어, 전, 부분반사경(20)(30)에 의해 공진기(1)내에서 빛이 증폭된다.

이때, 공진기(1)내에 구비된 보조장치부(40)는 투과율을 가진 보조반사경(42)과 차단장치(50)에 차단되지 않고 개방되어 있으므로, 빛의 증폭이 전반사경(20)과, 부분반사경(30) 사이에서 이루어지는 것으로 엔디 야그 레이저 매질(10)->레이저 보조반사경(42)->전반사경(20)->보조반사경(42)->부분반사경(30)등으로 반사되면서 빛은 증폭되고, 1064nm파장인 기본 레이저가 방출된다.

도 2는 종래의 공진기에서 차단장치(5)로 전반사경(20)을 차단했을 때의 레이저 경로를 도시한 개략도로서, 1064nm 기본 레이저 외에 다른 파장의 레이저를 구하고자 할 경우 보조장치부(40)의 셔터(50)가 전반사경(20)의 일단을 차단하면, 엔디 야그 레이저 매질(10)을 통해 유도 방출된 빛은 차단장치(50)의 차단에 의해 반사경 기능을 보조반사경(42)에 반사되어 일단에 구비된 반사율 100% 가진 전반사경(44)으로 빛이 전달되는 것으로 엔디 야그 레이저 매질(10)에서 나온 빛은 보조반사경(42)-> 전반사경(44)-> 보조반사경(42) ->엔디 야그 레이저 매질(10) ->부분반사경(30)을 반사되면서 빛은 증폭되고 부분반사경(30)을 통하여 레이저가 방출되는 것이다.

상기의 보조반사경(42)에 있어서, 기본 레이저 파장이 1064nm인 경우 1064nm 파장은 투과율이 98% 이상 되어야 하고 기본 레이저 외의 구하고자 하는 다른 파장의 레이저 파장에 대한 반사율이 98% 이상 되도록 코팅을 한다.

상기의 전반사경(20)은 기본 레이저 파장에 대하여 100% 반사 코팅처리하고, 상기의 전반사경(44)는 기본 레이저 외에 다른 구하고자 한 레이저 파장에 대하여 100% 코팅을 해야한다. 하나의 매질에서 두 가지의 레이저 파장을 구할 수 있어, 첫째 개별적으로 장비를 구비해야되는 경제적인 부담감을 해소했으며, 둘째 장비의 유지보수에 대한 부담감을 감소시켰고, 셋째 장비를 개별적으로 구비했을 경우 사용되는 공간 활용의 제한을 효율적으로 사용할 수 있다는 장점이 있다

기본 레이저 파장과 기본 레이저 파장 외에 구하고자 하는 다른 파장, 각각의 파장에 따라서 다른 레이저를 구하고자 할 경우, 상기의 레이저 장치구조 중 보조장치부(40)없이 전반사경(20)을 코팅이 다른 전반사경(44)으로 교체해야 하는 번잡 한 문제점이 있었다.

아울러, 레이저는 먼지 등에 치명적인 약점을 가지는 것으로, 상기와 같이 다른 레이저를 얻기 위해 장치를 분리할 때, 작업자의 실수 등에 의해 먼지가 침투했을 경우 고가의 레이저 장비가 고장 나는 등의 문제점이 있다. 그리고 공진기 내의 광학 부품을 일직선으로 축을 조정하는 광축 조정을 다시 시행해야하는 어려움이 있다. 장비 사용하여 외과적인 수술에 동시에 두 파장을 사용하고자 할 경우에는 두 대의 레이저가 필요하다. 본 발명으로 레이저 한 대로 두 대의 기능을 수행할 수 있는 장점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위한 것으로, 공진기에 코팅처리가 다른 복수 개의 전반사경을 구비하여, 고가의 매질에서 다양한 레이저를 얻을 수 있어 하나의 장치에서 다양한 작업이 수행될 수 있을 뿐만 아니라 장치의 유지보수 및 효율적인 공간 활용이 가능한 하나의 매질에서 다양한 레이저 파장을 방출하는 장치를 제공함에 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 매질과 상기 매질의 양단으로 형성되는 전반사경과 부분반사경이 구비된 공진기에 있어서, 공진기에는 일단으로 형성된 복수 개의 전반사경과, 이 복수 개의 전반사경 중 원하는 레이저 파장이 반사되도록 하나의 전반사경을 선택하는 선택부와, 타단에 형성되며, 상기 선택부에 의해 선택된 하나의 전반사경과 반사경로를 통해 레이저 파장을 외부로 방출하는 부분반사경으로 형성한다.

도 3은 실온에서 엔디 야그의 분광학적인 천이를 보인 결과이다( W. Koechner, "Solid State Laser Engineering" pp.60, 1976, Springer-Verlag New York Heidelberg Berlin).

도 3에서 ⁴F_{3/2 ,} ⁴I₁₁ _{/2 ,} ⁴I₁₃ _/2는 분광학적인 기호로서 엔디 야그가 에너지를 dj얻어 여기된 상태의 에너지 준위를 나타낸다. 전자 천이경로 ⁴F_3/2--⁴I₁₁ _/2는 1064.1nm 파장의 레이저를, 전자 천이경로 ⁴F_3/2-⁴I₁₃ _/2는 1319nm 파장의 레이저를 각각 발생시킨다.

외부 영향력이 작용하지 않는 기본적인 물리현상에서는 엔디 야그 레이저 매질의 전자 천이경로⁴F_3/2-⁴I₁₁ _/2를 이용한 1064.1nm 기본 파장의 레이저가 발생되므로 1319nm 파장의 레이저를 발생시키기 위한 필수적인 조치는 보다 우세하고 강한 성질의 기본 파장 1064.1nm 천이경로를 차단하는 것이다.

1064.1nm 파장의 억압 즉 차단을 위해 반드시 이 기본파장 공진기의 반사경로를 셔터를 통해 차단해야 하고, 1319nm파장을 위한 또 다른 공진기 반사경로를 만들어야 한다.

또한 946nm, 1052nm, 1338nm 등등 레이저를 만들 수 있는 여러 가지 파장의 전자 천이경로를 도 3으로부터 알 수 있다.

본 발명에 따르면, 보조반사경(42)과 전반사경(44)이 있다. 보조반사경(42)는 선택적으로 코팅을 한다. 기본 레이저를 파장 1064.1nm를 하고, 1319nm를 보조적으로 구하고자 하려면, 보조반사경(42)은 1064.1nm 파장에 대하여 투과도 98%이상, 1319nm 파장에 대하여 반사도 98% 이상으로 코팅을 이중으로 수행한다. 또한 전반사경(20)은 1064.1nm 파장에 대하여 100% 반사 코팅을 하고, 전반사경(44)은 1319nm 파장에 대하여 100% 코팅을 한다.

상기 매질(10)의 양단으로 형성되는 전반사경(20)과 부분반사경(30)이 구비된 공 진기(1)에 있어서, 부분반사경(30)의 코팅조건은 도 3의 첨두 효과 실온 단면적 (peak effective room temperature cross section)의 비율에 따라 반사율 코팅을 한다. 예로써, 1064.1nm 파장 반사율 60%와 1319nm 파장 반사율 40% 등으로 다르게 코팅을 한다.

이와 같이 구성된 본 발명의 작동상태를 설명하기로 한다.

먼저, 콘트롤박스(미도시)에서 원하는 레이저 파장 선택 스위치(미도시)를 동작시키면, 기본 레이저 발진인 경우는 엔디 야그 레이저 발진 매질(10) -> 보조반사경(42) -> 전반사경(30) -> 부분반사경(42) -> 엔디 야그 레이저 발진 매질(10) ->부분반사경(30)으로 공진기를 형성하고, 레이저가 생성되어 부분반사경(30)을 통하여 레이저가 나온다. 그러나 기본 레이저가 아닌 경우는 파장 선택 스위치(미도시)에 의하여 차단장치(50)를 작동시켜서 기본 레이저의 발진을 방해하여 막아서 원하는 파장 레이저를 구할 수 있는데 엔디 야그 레이저 발진 매질(10) -> 보조반사경(42) -> 전반사경(30) -> 보조반사경(42) -> 엔디 야그 레이저 발진 매질(10) ->부분반사경(30)으로 공진기를 형성하고, 레이저가 생성되어 부분반사경(30)을 통하여 레이저가 나온다.

이상에서와 같이 본 발명은 공진기에 코팅처리가 다른 복수 개의 전반사경을 구비하여, 고가인 하나의 엔디 야그 레이저 매질에서 방출될 수 있는 다양한 레이저를 얻을 수 있어, 다양하게 방출되는 레이저에 의해 다양한 작업이 수행될 수 있을 뿐만 아니라, 하나의 장치로 형성됨에 따른 유지보수 및 효율적인 공간 활용이 가능한 효과가 있다.

본 발명은 전술한 실시예들에 의해 한정되지 않고, 하기의 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양하게 변경 실시함을 이해할 수 있을 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 엔디 야그 레이저 발진 매질(10)과 상기 매질의 양단으로 형성되는 전반사경(20, 44)과 부분반사경(30)이 구비된 공진기에 있어서, 이 복수 개의 전반사경(20, 44) 중 기본 레이저 파장은 투과되고, 원하는 레이저 파장이 반사되도록 코팅된 보조반사경(42)과 원하는 파장을 공진시키기 위하여 기본 레이저 파장 공진을 막는 차단장치(50)로 이루어진 엔디 야그 레이저 다중 파장 레이저 공진기를 구성한다.

도 1은 종래의 공진기 개략적으로 도시한 구성도;

도 2는 종래의 공진기에서 차단장치 동작된 후 레이저 경로를 도시한 개략도;

도 3은 엔디 야그 레이저 발진 매질의 분광학적인 레이저 천이와 첨두 유효 실온 단면적

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

1;공진기

10;엔디 야그 레이저 발진 매질

20;전반사경

30; 부분반사경

40; 보조장치부

50; 차단장치

60; 광 펌프

42;보조반사경

44;전반사경

Claims

엔디 야그 레이저 발진 매질(10)과 상기 엔디 야그 레이저 발진 매질(10)의 양단으로 형성되는 전반사경(20, 44)과 부분반사경(30)이 구비된 공진기(1)에 있어서,

상기 공진기(1)에는 상기 복수 개의 전반사경(20, 44)과 기본 레이저 파장은 투과되고, 원하는 레이저 파장이 반사되도록 코팅한 보조반사경(42)과 기본 레이저가 발진되지 않도록 방해하는 차단장치(50)로 형성되며 두 가지 파장 레이저가 나오는 부분반사경(30)으로 형성됨을 특징으로 하는 엔디 야그 레이저 발진 매질에서 다양한 레이저 파장을 방출하는 레이저 공진기.
제 1항에 있어서,

상기 공진기 구성에서 엔디 야그 레이저 발진 매질에서 다양한 레이저 파장을 방출하기 위하여 첨두 효과 실온 단면적 (peak effective room temperature cross section)의 비율에 따라 반사율 코팅한 부분반사경(30)으로 형성됨을 특징으로 하는 엔디 야그 레이저 발진 매질에서 다양한 레이저 파장을 방출하는 레이저 공진기.