KR20100039842A - 직교된 두 편광 펌프광원을 이용한 오피오 레이저 장치 - Google Patents

직교된 두 편광 펌프광원을 이용한 오피오 레이저 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 직교된 두 편광 펌프광원을 이용한 OPO(Optical Parametric Oscillator) 레이저 장치에 관한 것으로 특히 DPSS(Diode Pumped Solid State) 레이저 등의 직교된 두 방향으로 진동하는 편광이 섞여 있는 펌프광을 단일 방향으로 진동하는 두 편광의 펌프광으로 분리하여 분리된 두 펌프광을 모두 활용하는 OPO 레이저 장치를 개시한다.
본 발명은 DPSS 레이저의 펌프광을 편광 스프리터(Splitter)에 의하여 서로 수직한 투과 편광된 펌프광과 반사 편광된 펌프광으로 분리하며, 분리된 각 펌프광을 소스로 사용하여 서로 다른 비선형 광학적 위상정합조건을 만족시키는 OPO를 작동시켜 다른 파장을 갖는 두개의 OPO 레이저를 동시에 출력하거나, 투과 편광된 펌프광은 OPO를 작동시켜 하나의 선택된 파장을 갖는 출력광을 발생시키고, 반사 편광된 펌프광은 두개의 반사거울과 광 스프리터(Splitter)를 이용하여 OPO에서 발생한 출력광에 더해져 OPO 레이저의 출력을 증폭시키는 직교된 두 편광 펌프광원을 이용한 오피오 레이저 장치를 제공하며, 이에 따라 본 발명은 직교된 두 방향으로 진동하는 편광이 섞여 있는 펌핑광을 모두 이용하므로 에너지 손실을 최소화 하면서 이종의 파장을 갖는 레이저를 출력하거나 레이저의 출력을 증폭시킬 수 있어서 활용성을 높일 수 있는 유용한 효과를 얻을 수 있다.

Description

직교된 두 편광 펌프광원을 이용한 오피오 레이저 장치{Optical Parametric Oscillator Laser System Pumped by Another Laser with Two Mutually Orthogonal Polarizations}
본 발명은 직교된 두 편광 펌프광원을 이용한 OPO(Optical Parametric Oscillator) 레이저 장치에 관한 것으로 특히 DPSS(Diode Pumped Solid State) 레이저 등의 직교된 두 방향으로 진동하는 광이 섞여 있는 펌프광을 단일 방향으로 진동하는 두 편광의 펌프광으로 분리하여 분리된 두 펌프광을 모두 활용하는 OPO 레이저 장치에 관한 것이다.
주지하는 바와 같이, 펌프광원을 OPO에 입사시켜 자외선 영역에서 적외선 영역까지의 원하는 파장의 레이저를 출력하는 OPO 레이저 장치는 종래에도 공지된바 있으며 대표적인 예로 대한민국 등록특허 제425593호(발명의 명칭 : 고출력 오피오 레이저 장치 ; 이하 '인용발명' 이라 함)에 의하여 살펴볼 수 있다. 이는 도 1로 도시한 바와 같이 인용발명은 펌핑 레이저(201)와, 상기 펌핑 레이저(201)의 광선을 펌핑광으로 사용 가능한 빔 크기로 조정하는 빔 리듀서(203)와, 상기 빔 리듀서(203)에서 출력되어 입사되는 상기 펌핑광 중 오피오 레이저 광선을 출력하는데 사용되는 펌핑광은 반사하고 그 이외의 펌핑광은 빔 덤프(205, 211)로 투과시키는 제1 부분반사경(204)과, 반사된 상기 펌핑광과 상호작용을 통해 오피오 레이저 광선을 발생시키는 이득 매질(207)과, 상기 이득 매질(207)로부터 출력되는 펌핑광 중 오피오 레이저 광선은 투과시키고 그 이외의 펌핑광은 빔 덤프(205, 211)로 반사하는 제2 부분반사경(209)과, 투과된 상기 오피오 레이저 광선을 왕복 운동시켜 증폭시키는 공진기 및, 증폭된 상기 오피오 레이저 광선을 아이들러 광선(214)과 시그널 광선(213)으로 분리하는 프리즘(212)을 포함하는 것이다.
이러한 인용발명은 빔 리듀서(203)를 통과한 펌핑광이 제1, 제2 부분반사경(204, 209)을 통해 반사되고 투과되는 과정을 거쳐 오피오 레이저 광선을 출력하고, 이렇게 출력된 오피오 레이저 광선은 2개의 거울(206, 210)로 구성된 공진기를 통해 증폭되므로 이렇듯, 펌핑광이 공진기를 구성하는 제1, 제2 거울(206, 210)에 직접 입사되지 않아, 제1, 제2 거울(206, 210)에 손상을 입히지 않으므로 펌핑을 강하게 하더라도 공진기가 손상되지 않으면서 고출력 오피오 레이저 광선을 출력하는 효과가 있다.
그러나 인용발명은 상기 빔 리듀서(203)에서 출력되어 입사되는 펌핑광 중 일부만을 오피오 레이저로 사용하고 나머지 펌핑광은 투과시켜 덤프하므로 손실되는 에너지가 많고 한 종류의 레이저만을 출력하게 되는 문제점이 있다.
본 발명의 목적은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 직교된 두 방향으로 진동하는 편광이 섞여 있는 펌프광을 단일 방향으로 편광된 두 펌프광으로 분리하여 분리된 두 펌프광을 모두 이용하므로 동시에 두 종류의 파장을 출력하거나 출력을 증폭시키는 오피오 레이저를 제공함에 있다.
본 발명은 이러한 목적을 달성하기 위하여 DPSS 레이저의 펌프광을 소스로 하여 OPO를 통해 고효율의 안정된 출력을 갖는 OPO 레이저 장치에 있어서, 전술한 펌프광을 편광스프리터에 의하여 투과 편광된 펌프광과 반사 편광된 펌프광으로 분리하며, 투과 편광된 펌프광은 OPO를 작동시키고, 반사 편광된 펌프광은 두개의 반사거울과 광 스프리터(Splitter)를 이용하여 OPO에서 발생된 출력광에 더해져 OPO 레이저의 출력을 증폭시킴을 특징으로 하는 직교된 두 편광 펌프광원을 이용한 오피오 레이저 장치를 제공한다.
여기에서 전술한 편광스프리터와 OPO 사이에 설치되어 반사된 펌프광으로부터 DPSS 레이저를 보호하는 옵티컬 아이솔레이터(Optical Isolator)가 추가 구성될 수 있고, 전술한 반사거울과 반사거울 사이에 설치되어 반사 편광된 펌프광의 편광방향을 투과 편광된 펌프광의 편광방향과 일치시키는 하프 웨이브 플레이트(Half-Wave Plate)와, 전술한 광 스프리터 다음에 OPO에서 발생된 출력광을 반사 편광된 펌프광으로 증폭시키는 OPA(Optical Parametric Amplifier)를 구성할 수 있다.
이와 같이 하여 본 발명은 직교된 두 방향으로 진동하는 편광이 섞여 있는 펌프광을 모두 이용하므로 에너지 손실을 최소화하면서 이종의 파장을 갖는 레이저를 출력하거나 레이저의 출력을 증폭시킬 수 있어서 활용성을 높일 수 있는 유용한 효과가 있다.
도1은 종래의 고출력 오피오 레이저 장치의 전체적인 구성도
도2는 본 발명에 의한 직교된 두 편광 펌프광원을 이용한 오피오 레이저의 구체적인 실시예를 나타내는 구성도.
도3은 본 발명에 의한 직교된 두 편광 펌프광원을 이용한 오피오 레이저의 실시예에 옵티컬 아이솔레이터가 추가 구성됨을 나타내는 구성도.
도4는 DPSS 레이저의 내부에 OPO를 구성한 본 발명에 의한 직교된 두 편광 펌프광원을 이용한 오피오 레이저의 구성을 나타내는 구성도.
이러한 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 의한 직교된 두 편광 펌프광원을 이용한 오피오 레이저 장치의 구체적인 실시예를 도 2로 도시하였다.
이에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명은 직교된 두 방향으로 진동하는 편광이 섞여 있는 DPSS 레이저(1)와 같은 펌프광(10)을 소스로 하여 OPO(2)를 통해 고효율의 안정된 출력을 갖는 OPO(2) 레이저 장치에 있어서, 전술한 펌프광(10)을 투과 편광된 펌프광(11)과 반사 편광된 펌프광(12)으로 분리하는 편광스프리터(20)와, 반사 편광된 펌프광(12)을 이용하여 OPO(2)로부터 출력되는 출력광을 더 큰 세기로 증폭하기 위한 두개의 반사거울(30)과 광 스프리터(50)와, 반사거울(30)과 반사거울(30) 사이에 반사 편광된 펌프광(12)의 편광방향을 90o 회전시켜 투과 편광된 펌프광(11)의 편광방향과 일치시키는 하프 웨이브 플레이트(Half-Wave Plate)(40)와, 반사 편광된 펌프광(12)과 OPO(2)로부터 발생되는 출력광이 더해져 더 큰 세기의 레이저가 되도록 증폭시키는 OPA(60)로 구성될 수 있다.
이를 각 구성요소별로 더욱 상세하게 설명하면, 전술한 편광스프리터(20)는 펌프광(10)과 OPO(2) 사이에 설치되며, 펌프광(10)의 진행 방향과 편광스프리터면의 법선이 만드는 평면(도면에서 지면)에 나란한 방향으로 진동하는 편광된 펌프광(11)은 투과시키고, 펌프광(10)의 진행 방향과 편광스프리터면의 법선이 만드는 평면에 수직한 방향으로 진동하는 편광된 펌프광(12)은 반사시키는 기능을 하여 펌프광(10)을 투과 편광된 펌프광(11)과 반사 편광된 펌프광(12)으로 분리시킨다.
이와 같이 분리된 두 펌프광(11,12) 중 투과 편광된 펌프광(11)은 OPO(2)에 입사시키고, 편광스프리터(20)에서 반사된 반사 편광된 펌프광(12)은 반사거울(30)로 다시 반사시켜 투과 편광된 펌프광(11)의 펌프광과 진행방향과 같은 방향으로 진행시킨 후 OPO(2)로부터 출력되는 광과 더해지도록 하는 반사거울(30)을 이용하여 반사시키며, OPO(2)로부터 출력되는 출력광은 투과시키고 반사 편광된 펌프광(12)은 반사시키는 광 스프리터(50)를 사용하여 반사된 반사 편광된 펌프광(12)과 OPO(2)로부터 출력되는 출력광이 동일한 직선상으로 진행하게 하여 두 번째 비선형광학 이득매질에서 더하게 되도록 한다.
이때 반사 편광된 펌프광(12)의 편광방향과 OPO(2)를 작동시켜 시그널 광 또는 아이들러 광을 출력하도록 하는 투과 펌프광의 편광방향이 일치하여야 동일한 비선형광학적 위상정합조건을 만족시켜 OPO(2)로부터 출력되는 출력광을 증폭시킬 수 있기 때문에 반사 편광된 펌프광(12)이 OPO(2)로부터 출력되는 광과 더해지기 전에 즉, 반사거울(30)과 반사거울(30) 사이에 반사 편광된 펌프광(12)의 진동 방향을 투과 편광된 펌프광(11)과 같은 방향이 되도록 90o 회전시켜주는 하프 웨이브 플레이트(40)를 추가할 수 있다.
이와 같이 동일한 비선형광학적 위상정합을 만족시키는 조건하에서 반사 편광된 펌프광(12)을 90o 회전시킨 펌프광(12)과 OPO(2)로부터 출력되는 출력광이 OPA(60; 두 번째 비선형광학적 이득매질)를 동시에 진행하게 되면 매질내에 유도되는 비선형분극을 통하여 펌프광(12), 시그널 광(80) 및 아이들러 광(70)사이에 상호결합작용이 일어나며, 궁극적으로 펌프광(12)의 에너지가 시그널 광(80) 및 아이들러 광(70)으로 변환되어, 펌프광(12)의 세기는 작아지는 반면에 시그널 광(80) 및 아이들러 광(70)의 세기는 증폭되게 된다. 그리고 이렇게 OPO(2)로부터 출력되는 출력광을 증폭시킨 후 남은 반사 편광된 펌프광(12)은 OPA(60)의 앞에 있는 광 스프리터(50)에 의해 반사되어 덤프하므로 고출력인 양질의 OPO(2) 레이저를 출력시킬 수 있는 것이다.
여기에서 도 3으로 도시한 바와 같이, 펌프광(10)의 일부가 OPO(2)에서 반사될 수 있기 때문에 반사되는 펌프광(10)에 의해 DPSS 레이저(1) 같은 펌프광(10)을 발생시키는 장치의 파손을 방지하기 위하여 펌프광(10)을 발생시키는 장치 앞에 OPO(2)로부터 반사되어 재입사되는 펌프광(10)을 차단하는 옵티컬 아이솔레이터(3)를 추가로 구성할 수 있다.
아울러 도 4에서 보는 바와 같이 DPSS 레이저(1)의 내부에 OPO(2)를 포함하고 있는 공지의 인트라 케비티(Intra-Cavity) OPO(2) 레이저 장치에 반사되어 진동하는 내부의 펌프광(12)을 이용하도록 본 발명을 구성할 수 있다.
이러한 본 발명은 전술한 DPSS 레이저(1) 내부에 펌프광(10)을 투과 편광된 펌프광(11)과 반사 편광된 펌프광(12)으로 분리하는 편광스프리터(20)와 반사 편광된 펌프광(12)을 OPO(2)로부터 출력되는 출력광에 더하기 위한 두개의 반사거울(30)과 광 스프리터(50)와, 반사거울(30)과 반사거울(30) 사이에 반사 편광된 펌프광(12)의 편광방향을 투과 편광된 펌프광(11)과 일치시키는 하프 웨이브 플레이트(40)와, 반사 편광된 펌프광(12)과 OPO(2)로부터 출력되는 출력광이 더해진 레이저를 증폭시키는 OPA(60)로 구성할 수 있어서, 전술한 DPSS 레이저(1) 내부에서 분리된 반사 편광된 펌프광(12)을 하프 웨이브 플레이트(40)를 통과시켜서 투과 편광된 펌프광(11)과 진동 방향을 일치시키고 두 반사거울(30)과 광 스프리터(50)를 이용하여 OPO(2)로부터 출력되는 광에 더하여 OPA(60)를 통과시킴으로서 OPO(2)로부터 출력되는 출력광을 증폭시킬 수 있으며, 펌프광(10)이 OPO(2)에 입사되기까지 거리가 짧기 때문에 광을 모아주는 렌즈(L)가 필요 없어지고, 소형화가 가능하게 되며, 전술한 투과 편광된 펌프광(11)을 OPO(2)에 입사시키고, 반사 편광된 펌프광(12)의 편광방향을 투과 편광된 펌프광(11)의 편광방향과 동일한 방향으로 진동하도록 한 뒤 OPO(2)로부터 출력되는 광에 더하여 증폭시키는 직교된 두 편광 펌프광원을 이용한 오피오 레이저 장치 역시 본 발명에 포함된다.
이상과 같이, 본 발명은 전술한 실시예에 한정되지 않고, 본 발명이 의도하는 요지 및 개념 내에서 다양하게 변화시켜 실시하는 것이 가능하다.
1: DPSS 레이저 2: OPO 3: 옵티컬 아이솔레이터
10: 펌프광(
Figure pat00001
) 11: 투과 편광된 펌프광 12: 반사 편광된 펌프광
20: 편광스프리터(P) 30: 반사거울 40: 하프 웨이브 플레이트
50: 광 스프리터 60: OPA 70: 아이들러 광(
Figure pat00002
)
80: 시그널 광(
Figure pat00003
) L: lens A: aperture
A.O.: acousto-optic modulator R: Rod & Diode pumping module

Claims (6)

  1. DPSS 레이저의 펌프광을 소스로 하여 OPO를 통해 고효율의 안정된 출력을 갖는 OPO 레이저 장치에 있어서,
    전술한 펌프광을 편광스프리터에 의하여 투과 편광된 펌프광과 반사 편광된 펌프광으로 분리하며, 투과 편광된 펌프광은 OPO에 입사시키고, 반사 편광된 펌프광은 두개의 반사거울과 광 스프리터(Splitter)를 이용하여 OPO로부터 출력되는 광에 더해져 OPO 레이저의 출력을 증폭시킴을 특징으로 하는 직교된 두 편광 펌프광원을 이용한 오피오 레이저 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    전술한 편광스프리터와 OPO의 사이에 설치되어 반사된 펌프광으로부터 DPSS 레이저를 보호하는 옵티컬 아이솔레이터(Optical Isolator)가 구성됨을 특징으로 하는 직교된 두 편광 펌프광원을 이용한 오피오 레이저 장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    전술한 반사거울과 반사거울 사이에 반사 편광된 펌프광의 편광방향을 투과 편광된 펌프광의 편광방향과 일치시키는 하프 웨이브 플레이트(Half-Wave Plate)를 설치함을 특징으로 하는 직교된 두 편광 펌프광원을 이용한 오피오 레이저 장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    전술한 편광스프리터 다음에 위치한 OPO로부터 발생된 출력광을 반사 편광된 펌프광으로 증폭시키는 OPA를 구성함을 특징으로 하는 직교된 두 편광 펌프광원을 이용한 오피오 레이저 장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    전술한 OPO로부터 발생된 출력광은 아이들러(Idler) 광임을 특징으로 하는 직교된 두 편광 펌프광원을 이용한 오피오 레이저 장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    전술한 OPO로부터 발생된 출력광은 시그널(Signal) 광임을 특징으로 하는 직교된 두 편광 펌프광원을 이용한 오피오 레이저 장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN102244346A (zh) * 2011-06-14 2011-11-16 华北电力大学（保定） 利用半波片的端面泵浦激光器

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