KR20100043709A - 고출력 레이저 다이오드로 여기된 소형 고체 레이저 - Google Patents

Abstract

본 발명은 열 전도율이 좋은 재질을 사용하여 광 벤치를 만들고, 광 벤치 위에 레이저 다이오드 칩 및 고체 레이저의 광 부품을 집적시켜 소형 고체 레이저를 만드는데 있다. 본 발명의 또 다른 목적은 광 벤치의 정밀도는 충분히 높여서 레이저 다이오드 칩 및 고체 레이저의 광 부품을 광 벤치 위에 위치시키는 것으로도 고체 레이저에서 레이저가 발진되도록 하는데 있다.

본 발명의 특징은 종래에 광 부품을 고정하고 열을 제거하기 위하여 사용되는

금속 재질의 마운트을 사용하지 않고, 레이저 다이오드 및 고체 레이저의 광 부품을 광 벤치 위에 접착시키므로서, 고체 레이저의 크기를 획기적으로 줄일 수 있는 수단을 갖는 것이다.

레이저 다이오드, 고체 레이저

Description

고출력 레이저 다이오드로 여기된 소형 고체 레이저{ Small size solide state laser pumped by high power laser diode }

본 발명은 레이저 다이오드의 펌핑광으로 여기되는 소형 고체 레이저를 제작하기 위한 것이다. 특히 광 벤치를 이용하여 고집적되는 소형 고체 레이저에 관한 것이다.

최근 레이저 다이오드의 광 출력이 고출력화 되면서 새로운 응용분야가 생기면서 많은 연구가 활발히 진행되고 있다. 고출력 레이저 다이오드를 응용하는 분야로는 광 기록 매체인 CD-RW와DVD-RAM, 레이저에 의한 무선 통신, 레이저에 의한 물질 가공, 의료용 레이저, 군사용, 고체 레이저 및 광 증폭기 펌핑 광원 등으로 응용성이 확대되고 있는 추세이다.

본 발명은 레이저 다이오드로 펌핑되는 고 집적된 소형 고체 레이저를 만드는 것에 관한 것이다. 레이저 다이오드로 펌핑되는 고체 레이저는 전기-광 변환 효율 이 높고, 레이저 다이오드 광원의 크기가 작아서 소형으로 만드는데 유리하다. 레이저 다이오드로 펌핑된 소형 고체 레이저는 녹색 레이저 포인터, 소형 레이저 거리 측정기, 의료용 레이저용, 각종 측정용 레이저 등으로 여러 분야에서 응용되어 사용되고 있다.

일반적으로 레이저 다이오드에서 나오는 펌핑광으로 여기되는 고체 레이저는 레이저 다이오드, 광학계, 레이저 매질, 공진기 거울 등으로 구성된다. 레이저 다이오드는 일반적으로 TO-can, C-mount 등으로 불리우는 히트싱크에 조립되어 사용되며. 광학계, 레이저 매질, 공진기 거울 등의 광 부품들은 구리, 알루미늄 등의 금속 재질로 각 부품들을 고정할 수 있는 마운트를 만들어 사용한다.

도1은 종래의 레이저 다이오드에서 나오는 펌핑광으로 여기되는 소형 고체 레이저의 개념도로서, TO-can에 조립된 레이저 다이오드(11)에서 방출되는 펌핑광은 광학계(12)를 사용하여, 열전도율이 좋은 금속 재질의 마운트(13)에 접착된 레이저 매질(15)에 집속한다. 레이저 매질(15)에 펌핑광을 집속시킨 상태에서 외부의 공진기 거울(16)을 조정하면 레이저 매질(15)과 외부의 공진기 거울(16)에 의하여 공진기가 형성되면서 고체 레이저에서 레이저가 발진하게 된다. 레이저 매질(15)은 고정마운트(14)에 의하여 금속 재질의 마운트(16)에 접착되어 레이저 매질에서 발생하는 열이 제거된다. 또한 레이저 매질(15)은 레이저 다이오드에서 방출되는 펌핑광이 집속되는 면은 레이저 다이오드의 펌핑광 파장에 대하여 무반사 코팅을하고 발진되는 고체 레이저 파장에 대하여서는 전 반사 코팅을 한다. 예를 들어

Nd:YAG 고체 레이저 매질의 경우는 808nm 영역의 파장을 갖는 레이저 다이오드의 펌핑광으로 여기되고, 발진되는 레이저 파장은 1064nm이다. 이 경우 Nd:YAG 고체 레이저 매질은 펌핑 광이 집속되는 고체 레이저 매질면은 808nm 영역에서 무반사 코팅하고, 1064nm영역에서 고반사 코팅을하고, 레이저 매질의 다른 면은 808nm 영역과 1064nm 영역 두 군데 모두 무반사 코팅을한다.

종래의 레이저 다이오드로 펌핑된 소형 고체 레이저의 단점은 다음과 같다. 첫 번째는 레이저 다이오드가 TO-can, C-mount라 불리우는 히트싱크에 조립되고, 레이저 매질, 광학계, 공진기 거울 등의 광 부품이 광 부품에서 발생하는 열을 제거하기 위하여 금속 재질의 마운트에 조립되는 것이다. 이와 같은 방식으로는 크기를 줄여 소형화하는데 한계가 있게 된다. 두 번째는 레이저 다이오드의 펌핑광을 레이저 매질에 집속시키면서 공진기 거울 등을 조정하면서 정렬해야 하는 문제점이 있다.

본 발명은 열 전도율이 좋은 실리콘 재질을 사용하여 광 벤치를 만들고, 실리콘 광 벤 치위에 레이저 다이오드 및 각종 광 부품을 집적시켜 소형 고체 레이저 를 만드는데 있다. 본 발명의 또 다른 목적은 실리콘 광 벤치의 정밀도가 충분히 높으므로 레이저 다이오드 및 각 종 광 부품을 실리콘 광 벤치 위에 위치시키는 것으로도 고체 레이저에서 레이저가 발진되도록 하는데 있다.

본 발명의 제 1 특징에 따르면, 종래에 광 부품을 고정하고 열을 제거하기 위하여 사용되는 금속 재질의 마운트을 사용하지 않고, 레이저 다이오드 및 각 종 광 부품을 실리콘 광 벤치위에 집적 시키므로서, 고체 레이저의 크기를 획기적으로 줄일 수 있는 수단을 갖는 것이다.

본 발명의 제 2 특징에 따르면, 정밀도가 충분한 실리콘 광 벤치를 사용하므로서 레이저 다이오드 및 각 종 광 부품을 광 벤치 위에 집적하는 것으로도, 고체 레이저에서 레이저가 발진되는 수단을 갖는 것이다.

실리콘 광 벤치(Silicon optical bench)은 열전도율이 147 W/mK로 구리의 열 전도율 394 W/mK보다는 작으나 본 발명에서 구현하고자 하는 소형 고체 레이저서에서 사용이 가능하다. 실리콘 광 벤치는 에칭에 의하여 만들어지며 정밀도는 1 um 이하의 정밀도를 가질 수 있어 여러 분야에서 사용되고 있다. 실리콘 광 벤치의 제작은 실리콘 결정면 위에 패턴을 디자인하고 식각하는 것으로 제작이 가능하다. 식각하는 방법에 따라 실리콘 면위에 사각형 모양이나 V자형 모양으로 식각이 가능하다. 도면2은 (100) 실리콘 결정면에 대하여 습식 식각한 결과로서 사각형 모양으 로 식각된 것으로 (21)은 (100) 실리콘 결정면이고, (22), (23)은 (111) 실리콘 결정면이다. 도면3은 (110) 실리콘 결정면에 대하여 습식 식각한 결과로서 V 자형 모양으로 식각된 것으로, (31)은 (111) 실리콘 결정면이고, (32)은 (110) 실리콘 결정면이다.

사각형 모양이나 V 자형 모양을 광 벤치 위에 만들고 이를 이용하여 광 부품을 광 벤치위에 위치 시킬 수 있다. 광 벤치위에 위치 시킨 광 부품은 epoxy나 솔더를 이용하여 고정시킨다. Expoxy는 UV expoxy나 일정시간이 지나면 굳어지는 expoxy를 사용할 수 있으며, 솔더는 열적충격을 최소화하기 위하여 280도 이하에서 녹는 Indium, Indium tin, lead tin, Gold tin 등의 소프트 솔더를 사용한다.

이상에서와 같이 본 발명은 레이저 다이오드 및 광학계,레이저 매질, 공진기 거울 등 각 종 광 부품을 열 전도율이 좋은 실리콘 광 벤치위에 고집적시켜 고체 레이저를 구성하므로 전체 고체 레이저의 크기를 극히 소형화시킬 수 있는 효과가 있다. 또한 각 종 광 부품을 고체 레이저가 발진되도록 정렬시킬 필요가 없으므로 비교적 간단하게 소형 고체 레이저를 제작할 수 있다.

도면4는 발명 실시을 구한 구체적인 예이이다. 실리콘 광 벤치(40) 위에 전 류가 통하도록 메탈이 증착된 부분에 레이저 다이오드 칩(41)을 본딩하고, microlens 광학계나 gradient index 광학계(42)을 사용하여 소형의 고체 레이저 매질(43)에 집속시키고 공진기 거울(44)에 의하여 고체 레이저 공진기가 만들어진다. 정밀한 광 벤치위에 레이저 다이오드 및 각 종 광 부품이 정렬되므로 고체 레이저 공진기가 특별한 조정없이 만들어지게 된다.

도면 4의 레이저 매질(43)은 광학계에 의하여 펌핑되는 고체 레이저 매질 면이 레이저 다이오드의 펌핑광 파장에 대하여 무반사 코팅을 고체 레이저 매질의 파장에 대하여 전반사 코팅을 한 것이고, 다른 면은 두 파장 모두에 대하여 무반사 코팅을 한 것이다. 도면 5의 레이저 매질(44)은 광학계에 의하여 펌핑되는 고체 레이저 매질 면에 레이저 매질(43)과 같은 코팅을 하고, 다른 면에 대하여서는 고체 레이저 공진기를 구성하기 위하여 공진기 거울에 코팅되는 반사율로 다른 면을 코팅하여 고체 레이저의 다른 면이 고체 레이저 공진기의 거울면의 역할을 하도록 한 것이다.

본 발명에서 사용될 수 있는 고체 레이저 매질은 다음과 같은 것을 의미한다. Nd:YAG, Nd:YVO4, Nd:GdVO4, Nd:Glass, Nd:YLF, Er:YAG 등 일반적으로 많이 사용되는 레이저 매질, Cr 이온이 도핌되어 셀프 큐스위칭(Self Q-switching)되는 레이저 매질, Cr:YAG 등의 수동형 큐스위칭 소자와 접합된 레이저 매질, 제 2차 고조파와 접합된 레이저 매질등을 의미한다.

도면 5은 고출력 레이저 다이오드에서 평균 광출력이 커서 레이저 다이오드와 각종 광 부품에서 열이 많이 발생될 경우 열을 제거하기 위한 것이다. 광 벤치 밑에 열전도율이 좋은 재질(50)을 위치시키고 방열판(52)을 써서 냉각시키거나, 이것으로 충분하지 않을 경우나 일정한 온도로 광벤치를 유지하기위해서 TE cooler와 같은

열전소자(51)을 삽입한 것이다.

도면1은 종래 기술로 구성된 일반적인 소형 고체 레이저를 나타낸 도면.

도면2은 (100) 실리콘 결정면을 식각한 것을 나타낸 도면.

도면3은 (110) 실리콘 결정면을 식각한 것을 나타낸 도면.

도면4은 실리콘 광 벤치 위에 집적된 소형 고체 레이저를 나타낸 도면.

도면5은 실리콘 광 벤치 위에 집적된 공진기 거울이 없는 소형 고체 레이저를 나타낸 도면.

도면6은 실리콘 광 벤치위에 집적된 소형 고체 레이저를 냉각하기 위한 것을 나타낸 도면

Claims (3)

1. 레이저 다이오드 칩과 고체 레이저 광 부품이 광 벤치에 접합된 고체 레이저와;

   상기 고체 레이저의 광 부품에 의해 고체 레이저가 발진되도록 5um 이하의 정밀도를 가지도록 가공된 실리콘 광 벤치;

   상기 고체 레이저을 구성하는 광 부품은 레이저 매질, 펌핑 광학계, 공진기 거울로 전부로 구성되거나 그 중 일부만으로 구성된 것.
2. 청구항 1의 고체 레이저를 냉각하기 위하여 실리콘 광 벤치 밑에 구리 방열판을 접착시킨 고체 레이저 시스템.
3. 청구항 1의 고체 레이저를 일정한 온도로 유지하기 위하여 실리콘 광 벤치 밑에 열전 소자를 접착시킨 고체 레이저 시스템

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