KR20100100534A - 외부 공진기를 이용한 레이저 장치 - Google Patents

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KR20100100534A
KR20100100534A KR1020090019494A KR20090019494A KR20100100534A KR 20100100534 A KR20100100534 A KR 20100100534A KR 1020090019494 A KR1020090019494 A KR 1020090019494A KR 20090019494 A KR20090019494 A KR 20090019494A KR 20100100534 A KR20100100534 A KR 20100100534A
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Abstract

본 발명은 외부 공진기형 반도체 레이저 장치를 제작함에 있어서 공진기내에서 진행하는 빛의 광축이 적어도 두 번 이상 꺾이는 구조를 갖는 외부 공진기를 이용한 레이저 장치에 관한 것이다.
본 발명에 따른 외부 공진기를 이용한 레이저 장치는 상기 반도체 레이저 다이오드 칩에서 발산되는 레이저 빛의 광축이 적어도 2번 이상 꺾여져 비선형 광학 물질을 통하여 외부로 방출되도록 함으로서, 레이저 다이오드 칩과 렌즈 및 반사 거울의 광 정렬이 용이하고, 파장 선택 필터 또는 파장 가변 필터의 삽입이 용이해 파장 변환 레이저 및 파장 가변 레이저 또는 파장 선택 필터에 의해 선택된 파장으로 발진하는 레이저 장치를 용이하게 제작할 수 있게 된다.
레이저 다이오드, 반사 거울, 렌즈, 파장 선택성 필터, 폴더형, 비선형 광학 물질

Description

외부 공진기를 이용한 레이저 장치 {Semiconductor Laser Device with External Cavity}
본 발명은 외부 공진기(external cavity)를 이용한 레이저 장치에 관한 것으로, 특히 외부 공진기형 반도체 레이저 장치를 제작함에 있어서 공진기내에서 진행하는 빛의 광축이 적어도 두 번 이상 꺾이는 구조를 갖는 외부 공진기를 이용한 레이저 장치에 관한 것이다.
표시소자 제작 방법에 있어 CRT(Cathode Ray Tube), LCD(Liquid Crystal Display) 등 여러 가지 표시소자들이 널리 활용되고 있다. 현재 개발중인 표시소자의 하나로 적색, 청색, 녹색의 빛의 삼원색에 해당되는 레이저 빛을 이용하여 투사형으로 표시소자를 제작하는 투사형 레이저 표시소자(Laser Projection Display ; LPD)에 대한 개발이 활발히 진행되고 있다. 이는 LPD의 경우 화면의 크기에 제약이 없으므로 소형의 표시장치로 대화면을 만들 수 있다는 장점이 있기 때문이다.
LPD를 제작하기 위해서는 빛의 삼원색인 적색, 청색, 녹색에 해당하는 레이 저가 필요하다. 이중 적색 및 청색은 단일의 반도체 칩으로 구현이 되고 있는데, 녹색은 아직까지 단일의 반도체 칩으로 구현되지 못하고 있다. 현재 녹색 레이저는 파장 변환의 방법으로 녹색 레이저 빛을 얻는 방법을 채택하고 있다. 파장 변환의 방법은 비선형 광학 특징을 가지는 결정질을 빛이 통과할 때 원래 빛의 주파수에 대해 주파수가 2배인 빛이 형성되는 원리를 사용하는 것이다. 이러한 방법을 주파수 배가(frequency doubling) 방법이라 한다. 주파수가 2배로 된다는 것은 파장이 절반으로 줄어든다는 것을 의미한다. 녹색의 레이저의 파장은 주로 532nm 또는 근처 영역의 파장을 말한다. 사람의 눈은 파장을 1nm 단위로 정확히 구별하지 못하므로 LPD에 사용되는 녹색 레이저는 500nm~560nm 정도의 파장을 가지면 된다. 그러므로 주파수 배가 방법으로 녹색 광원을 만들기 위해서는 먼저 파장이 1000nm~1120nm인 레이저 다이오드가 필요하며 이를 주파수 배증시킬 수 있는 비선형 광학 매질이 필요하다. 이러한 비선형 광학 매질로는 KTP(Potassium Titanyl Phosphate), 또는 LN(Lithium Niobate) 등을 예로 들 수 있는데, 비선형 광학 특성을 가지는 어떠한 결정도 파장 변환용 결정으로 사용될 수 있다. 전기적으로 생성이 가능한 파장 변환 전의 파장 레이저를 pump 레이저라 한다. pump 레이저로는 기체 레이저, 고체 레이저, 반도체 레이저 등 어떠한 종류의 레이저도 사용될 수 있으나, LPD용으로는 통상 부피가 작은 반도체 레이저가 주로 사용된다. 반도체 pump 레이저 다이오드는 발진하는 레이저 빛의 파장 특성에 따라 여러 가지 파장이 존재하는 Fabry-Perot(FP)형의 레이저 다이오드 칩과 단색의 파장의 빛을 방출하는 Distributed Feedback Laser Diode(DFB-LD) 또는 Distributed Bragg Reflector Laser Diode(DBR-LD) 등이 사용된다.
도 1a와 도 1b는 종래 파장 변환 레이저의 파장 변환 일례를 나타낸 개념도이다.
도 1a에서는 통상의 1064nm 파장 DFB-LD 또는 DBR-LD를 펌프 광원으로 사용하고 KTP 또는 LN 결정을 이용하여 파장을 변환하는 방법을 나타낸다. 이러한 방법에서는 레이저 다이오드 칩(10)에서 발산되는 1064nm의 레이저 빛이 직접 비선형 광학 물질(20)을 통과하며 532nm의 파장의 빛으로 변환되는데, 이때 레이저 다이오드 칩(10)에서 발산되는 레이저 빛을 모아 도파관형의 비선형 광학 물질(20)에 전달하기 위한 렌즈(15)가 추가될 수 있다. 도 1b는 808nm 파장의 레이저 다이오드 칩에서 발산되는 레이저 빛을 532nm 파장의 레이저 빛으로 변환하는 방법을 나타낸다. 808nm 또는 808nm 근처의 파장을 갖는 반도체 레이저 다이오드 칩(10)에서 방출되는 빛이 Nd:YVO4(25)에 입사되고, 808nm 파장의 빛을 흡수한 Nd:YVO4(25)는 808nm의 빛을 1064nm 파장에 해당하는 빛으로 변환시키고, 이 1064nm의 파장의 빛이 비선형 광학 물질(20)을 통과하며 532nm의 빛으로 변환되게 된다.
상기 비선형 광학 물질(20)에 적용된 PPLN은 Periodic Polding Lithium Niobate의 약자로 LN의 파장 변환효율을 증가시킨 구조이다. 파장 변환에 사용되는 비선형 광학 매질은 비선형 광학 매질로 진입하는 모든 파장의 빛을 동시에 효과적으로 파장 배증시키는 것이 아니라, 결정 자신의 파장 변환 위상과 일치하는 파장의 빛을 효과적으로 파장 변환시킨다. 그러므로 파장 변환용의 pump 레이저 다이오드로는 단일 파장의 특성을 가지는 DFB-LD 또는 DBR-LD가 적절하다. 그러나 고출력 의 DFB-LD 또는 DBR-LD는 제작이 매우 어려워 pump 레이저 다이오드 칩의 가격이 매우 높다는 문제가 있다.
한편, 반도체 레이저 다이오드 칩은 전기를 빛으로 만들어주는 이득 매질에 빛의 방향성을 결정하여 주는 광도파로가 설정되고, 빛을 피드백(feedback) 시킬 수 있는 반사거울의 조합으로 이루어진다. 가장 간단한 반도체 레이저 다이오드 칩은 Fabry-Perot 형의 레이저 다이오드로써 이득 매질의 양 끝단이 반사 거울로 작용하는 구조가 된다. 빛이 반사하여 공진되는 부분을 공진기라 하는데, 통상의 반도체 레이저 다이오드 칩은 반도체 레이저 다이오드 칩의 양 단면 사이에서 빛이 공진하므로 이 양단면이 공진기를 형성하게 된다. 이러한 Fabry-Perot 형 레이저 다이오드에서 레이저 발진하는 빛의 파장은 레이저 다이오드 칩의 양 끝단을 빛이 왕복할 때 빛의 위상이 2π(360°) 바뀌는 조건인 Bragg law를 만족하는 빛 중에서 레이저 다이오드의 이득 분포 내에 있는 파장들로 구성된다. 통상적으로 반도체 레이저 다이오드 칩의 길이가 300um 정도일 때, Bragg law에 의한 허용 파장들의 간격은 대략 0.8nm에 해당한다. 그러므로 1064nm 대역의 펌프용 레이저 다이오드 칩을 기준으로 할 때 Fabry-Perot 발진 모드는 파장 간격이 0.8nm인 수많은 모드들이 허용된다. 이러한 허용모드 중에서 반도체 이득 매질의 이득 특성과 일치하는 파장의 빛들이 실질적으로 Fabry-Perot 형의 발진 모드로 발진하게 된다. 통상적으로 Fabry-Perot 형 레이저 다이오드 칩에서는 파장 간격이 0.8nm 정도인 10~20개 정도의 각기 다른 파장 모드가 발진한다.
단일파장의 펌프용 레이저 다이오드 칩을 만드는 여러 가지 방법 중의 하나로 반도체 레이저 다이오드의 이득 매질 안에 굴절률이 매우 짧은 거리(예를 들어 대략 200nm 주기)에서 변화하는 격자를 삽입하는 방법이 사용된다. 이러한 반도체 레이저 다이오드 중 한 예를 분포 궤환형 레이저 다이오드(distributed feedback laser diode:DFB-LD)라고 부른다. DFB-LD에서 허용되는 파장 모드는 격자 주기에 해당하는 Bragg law를 만족하여야 하는데 격자 주기가 매우 짧으므로 격자 주기에 대한 Bragg law를 만족하는 파장의 간격은 1000nm로 매우 커져 실질적으로 하나의 모드만이 허용되게 된다. DBR-LD는 DFB-LD와 같은 원리를 사용하나 레이저 다이오드 칩 내에서 이득이 없는 지점에 격자를 형성하는 방법을 채택한다. DFB-LD 또는 DBR-LD는 모두 펌프용 반도체 레이저 다이오드 칩 내부에서 단일 파장의 빛을 형성하는 것을 특징으로 한다. 그러나 DFB-LD 또는 DBR-LD는 제작이 매우 어렵고 수율이 낮아 FP-LD에 비해 가격이 수십 배에 이르는 고가의 제품이다. 통상적으로 통신용에 사용되는 저출력 레이저 다이오드의 경우 칩 길이가 300um 정도인 반면 LPD 등에 사용되는 DFB 또는 DBR-LD는 수백 mW 이상의 고출력을 요구하고 있고 이에 따라 레이저 다이오드 칩의 길이가 수 mm이상으로 길어지게 된다.
레이저 다이오드 칩의 생산 수율 등의 문제로 인해 DFB-LD 또는 DBR-LD 등의 레이저 다이오드 칩은 칩의 길이에 따라 가격이 기하급수적으로 증가하는 문제가 발생한다. 그러므로 저가의 FP-LD를 이용하여 단일 모드 발진이 일어나게 하는 특별한 방법이 필요하다. 저가의 FP-LD의 최소한 한 단면의 반사율을 10-3 이하로 낮 추게 되면 칩 양단면에서의 반사에 의한 FP 모드의 발진이 억제된다. 이러한 상황에서 반도체 레이저 다이오드 칩의 외부에서 반도체 레이저에서 넓은 파장 대역으로 방출되는 빛의 특정 파장을 선택하여 반도체 레이저 다이오드로 궤환시키면 반도체 레이저는 이 특정 파장에 파장 잠금된 빛을 유도 방출하게 된다. 이러한 기능을 가진 레이저를 외부 공진기형 레이저라 한다.
레이저 다이오드 칩의 양단면에서의 FP 모드 발진을 억제한 레이저 다이오드 칩을 이용하고, 레이저 다이오드 칩의 외부에서 특정 파장을 선택하여 레이저 다이오드 칩으로 피드백시켜 특정 파장의 레이저 빛만 발진시키도록 하는 외부 공진기형 레이저는 레이저 다이오드 칩의 외부에서 특정 파장을 선택한 후 선택된 파장의 빛을 레이저 다이오드 칩으로 피드백시킬 수 있는 필터가 필요하다. 이러한 특성을 가지는 파장 선택성 필터는 반사형과 투과형으로 제작될 수 있다.
파장 변환 레이저에 사용될 수 있는 외부 공진기 배치 구조는 기존의 통상적인 외부 공진기 배치구조를 채택할 수 있는데, 도 2는 종래 외부 공진기형 레이저를 일례를 나타낸 것이다.
외부 공진기가 잘 형성되기 위해서는 레이저 다이오드 칩의 광축과 렌즈의 광축, 그리고 반사거울의 광축이 모두 일치하는 것이 매우 중요한데, 도 2의 (a)는 레이저 다이오드 칩(10)의 광축과 렌즈(30)의 광축 및 반사 거울(40)의 광축이 잘 일치할 경우로서, 이 경우 외부 공진기가 잘 형성된다.
도 2의 (b)는 반사 거울(40)의 광축이 레이저 다이오드 칩(10) 및 렌즈(30)의 광축과 일치하지 않는 경우로서, 이때 반사 거울(40)에 도달한 빛은 다른 각도 로 반사되어 레이저 다이오드 칩(10)으로 돌아가지 못하므로 외부 공진기가 형성되지 못한다.
도 2의 (c)는 반사 거울(40)의 광축이 레이저 다이오드 칩(10)의 광축과 일치하나 렌즈(30)의 광축이 일치하지 않는 경우로서, 렌즈(30)에 도달한 빛이 원래의 광축과 상이한 진행 방향을 가지므로 반사 거울(40)에 도착한 빛은 레이저 다이오드 칩(10)으로 돌아가지 못한다.
도 2의 (d)는 레이저 다이오드 칩(10)의 광축과 렌즈(30)의 광축 그리고 반사 거울(40)의 광축이 모두 일치하지 않지만 렌즈(30)의 광축 틀림에 의해 발생하는 빛의 각도가 반사 거울(40)의 광축과 일치한 경우로서, 이런 경우에는 레이저 다이오드 칩(10)과 렌즈(30), 그리고 반사 거울(40)의 광축이 모두 일치하지 않아도 외부 공진기가 잘 형성된다. 이렇게 하기 위해서는 먼저 반사 거울(40)이 고정되어 있을 때 렌즈(30)의 수직면상에서의 정렬이 필요하나 이러한 정렬은 렌즈(30)를 공중에 띄울 수 있는 수단이 필요하므로 조립이 복잡해지는 문제점이 발생하게 된다.
본 발명은 이러한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 본 발명의 목적은 제작이 어렵고 가격이 높은 DFB-LD 또는 DBR-LD를 대신하여 저가형의 Fabry-Perot형 레이저 다이오드로 펌프용 레이저 다이오드를 구성하여 저가의 녹색 광원을 제작할 수 있도록 하는 레이저 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 레이저 장치의 외부 공진기를 구성함에 있어 레이저 다이오드 칩과 렌즈 및 반사 거울의 정렬이 신속하고 용이하게 이루어질 수 있도록 하는 외부 공진기를 이용한 레이저 장치를 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 외부 공진기를 이용한 레이저 장치는 저가형의 Fabry-Perot형 pump 레이저 다이오드에 외부 공진기를 형성하여 단일 파장의 pump 레이저 빛을 발생시키고 이를 파장 변환용 결정에 입사시켜 주파수 배증을 일으키게 하여 녹색 레이저 빛을 얻는 방법을 제시하되, 이중 폴더형의 구조를 가지는 확장 공진기형의 펌프 레이저를 사용하는 방법을 제시한다. 이러한 방법은 고가의 DFB-LD 또는 DBR-LD를 사용하지 않고 저가의 Fabry-Perot형 pump 레이저 다이오드 칩을 사용함으로써 저가의 녹색 광원을 제작할 수 있게 해준다.
또한, 본 발명에서는 파장 변환 레이저에 채택될 수 있는 종래의 외부 공진기 배치 구조에 덧붙여서 종래의 외부 공진기 배치 구조의 문제점을 해결하기 위해 시준화 렌즈를 y축 방향의 광축을 가지는 레이저 다이오드 칩에 대해 x-y 평면상에서 렌즈를 바닥에 접촉시킨 상태로 정렬한 후 고정시킬 수 있는 방법을 제안함으로써, 렌즈의 정렬 및 고정의 전과정 동안 렌즈를 계속적으로 붙잡고 있어야하는 종래의 렌즈 정렬/고정 방법을 개선하고, 또한 레이저 용접이 아닌 에폭시 등의 접착제를 이용하여 렌즈를 고정시킬 수 있도록 하여 렌즈를 금속 틀에 부착하지 않아도 렌즈를 정렬/고정시킬 수 있도록 하며, 렌즈의 정렬이 끝난 후 렌즈의 고정까지 렌즈를 계속적으로 붙잡고 있지 않아도 렌즈의 정렬 상태가 흐트러지지 않음으로써 렌즈의 정렬과 고정을 별도로 진행할 수 있도록 하여 일괄적으로 렌즈를 고정시킬 수 있어 생산성을 높일 수 있는 방법을 제시한다.
본 발명에 따른 외부 공진기를 이용한 레이저 장치는 저가형의 Fabry-Perot형 레이저 다이오드를 통하여 펌프용 레이저 다이오드를 구성함으로써 제작 비용이 저렴한 효과가 있으며, 외부 공지기를 이중 폴더형으로 제작하여 레이저 다이오드 칩과 렌즈 및 반사 거울의 광 정렬이 용이하고, 파장 선택 필터 또는 파장 가변 필터의 삽입이 용이해 파장 변환 레이저 및 파장 가변 레이저 또는 파장 선택 필터에 의해 선택된 파장으로 발진하는 레이저 장치를 용이하게 제작할 수 있는 효과가 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명에 따른 폴더형 외부 공진기의 구조에서 광정렬의 과정을 나타낸 개념도이다.
도 3의 (a)에서 레이저 다이오드 칩(100)에서 발산된 레이저 빛의 광축을 반사 거울(210)에서 일차 꺾어 레이저 다이오드 칩(100)이 놓여있는 수평방향에 대해 상방 수직 방향으로 방향을 전환한 후 렌즈(300)를 통과시킨다. 렌즈(300)의 광축과 레이저 빛의 광축이 일치하지 않은 경우에는 렌즈(300)를 통과한 광축이 수직에 대해 특정한 각도를 가질 수 있는데, 이 렌즈(300)를 통과한 광축의 방향과 수직으로부터의 각도는 렌즈(300)의 광축과 렌즈(300)에 입사하기 전의 레이저 빛의 광축의 상대 위치 및 각도에 의존한다. 그러므로 렌즈(300)를 수평면상에서 위치를 이동시키면 렌즈(300)를 통과한 광축은 각도를 가지는 임의의 방향으로 설정될 수 있다. 도 3의 (b)는 렌즈(300)를 통과한 광축의 각도가 임의로 회전할 수 있음을 나타내는 개념도이다.
도 4는 상기도 3에서 임의의 각도를 가지는 광축을 다시 한번 꺾어 주었을 때의 광정렬 과정을 나타낸 개념도로서, 도 4에서 두 번째 반사 거울(220)을 통과한 빛의 광축이 렌즈(300)의 광축 위치 조절에 따라 임의의 각도를 가질 수 있음을 나타낸다. 그러므로 반사 거울(220)의 광축이 레이저의 광축과 일치하지 않을 때 렌즈(300)를 수평면상에서 움직여 렌즈(300)를 투과한 광축이 반사 거울(220)의 광축과 일치시킬 수 있으며, 이 경우 외부 공진기가 잘 형성된다. 그러므로 폴더형이든 이중 폴더형이든 렌즈(300)를 수평면 상에서 움직여 레이저의 광축이 반사 거울(220)의 광축과 일치시키는 것이 가능하다. 이 경우 렌즈(300)는 고정된 높이의 수평면 상에서 움직일 수 있으므로 외부 공진기 형성시 렌즈(300)의 위치를 조절하여 쉽게 외부 공진기를 형성할 수 있게 된다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따라 투과성 파장 선택 필터를 이용하여 이중 폴더형의 외부 공진기형 파장 변환 레이저 장치를 제작하는 일례를 나타내는 개념도이다.
도 5에서 파장 선택 필터(500)는 에탈론 필터에 의해 이루어지는데, 에탈론 필터는 에탈론 필터 자체의 공진기에 부합하는 특정한 파장만 필터를 투과시키고 나머지 파장의 빛은 반사시키는 특성을 가지게 된다. 레이저 다이오드 칩(100)에서 넓은 각도로 방사되는 레이저 빛은 시준화 렌즈(300)에 의해 평행광으로 시준화 된다. 시준화된 빛은 파장 선택 필터(500)인 에탈론 필터의 선택 파장인 λ0의 빛만 에탈론 필터를 투과하며, λ0를 제외한 나머지 빛(λ-λ0)은 광축에 대해 일정한 각도로 경사지게 배치된 에탈론 필터에서 반사되어 다른 곳으로 보내지게 되어 레이저 다이오드 칩(100)으로 되먹임되지 못한다. 에탈론 필터를 통과한 특정 파장은 일부 반사/일부 투과의 특성을 가지는 비선형 광학 물질(400)인 부분 반사거울에서 일부분이 반사되고 이 반사된 빛은 λ0의 파장을 가지는 빛이므로 에탈론 필터를 역방향으로 투과하여 렌즈(300)에 도달한 후 렌즈(300)에서 집속되어 레이저 다이오드 칩(100)으로 되먹임된다. 이러한 과정에서 렌즈(300)는 레이저 다이오드 칩(100)에서 발산된 빛이 비선형 광학 물질(400)인 부분 반사거울에서 반사하여 다시 레이저 다이오드 칩(100)으로 되먹임될 수 있도록 x-z 평면에서 정밀하게 정렬된 후 고정되어야 한다.
도 5의 경우, 먼저 레이저 다이오드 칩(100)과 제 1의 반사 거울(210)과 비선형 광학 물질(400)을 임의로 배치한다. 이때 레이저 다이오드 칩(100)과 반대쪽면인 비선형 광학 물질(400) 출사면은 레이저 다이오드 칩(100)에서 발산되는 파장에 대해 고반사 코팅 처리를 하게 되는데, 이 고반사 코팅 처리면이 공진기의 최종 반사 거울이 된다. 빈선형 광학 물질(400)의 레이저 다이오드 칩(100)을 향한 면(입사면)은 레이저 다이오드 칩(100)에서 발산되는 파장의 빛에 대해 무반사 또는 저반사 코팅 처리된다. 이후 렌즈(300)와 제2의 45도 반사 거울(220)이 일체로 제작되어 있는 스탠드 블록(20)을 제 1 반사 거울(210) 위에 배치 한 후 렌즈(300)의 위치를 조절하여 제 2 반사 거울(220)을 통과한 빛이 비선형 광학 물질(400) 출사면인 반사면의 광축과 일치하게 정렬하면 외부 공진기가 형성된다. 이때 제 2 반사 거울(220)과 렌즈(300)는 반드시 일체로 제작될 필요가 없으며, 먼저 제 2 반사 거울(220)을 고정시킨 후 렌즈(300)를 움직여도 동일한 효과를 얻을 수 있다. 이 후 도 5의 파장 선택 필터(500)를 삽입하는데, 파장 선택 필터(500)가 평판형인 경 우에는 파장 선택 필터(500)를 투과한 광축이 변화하지 않으므로 파장 선택 필터(500)를 임의의 각도로 배치하여도 공진기 형성에 영향을 미치지 않게 된다. 그러므로 파장 선택 필터(500)를 배치 한 후 파장 선택 필터(500)의 각도를 조정하여 필터에서 선택되는 파장을 비선형 광학 물질(400)에서 파장 변환하고자 하는 원파장으로 조절하면 레이저 다이오드 칩(100)은 파장 선택 필터(500)에 의해 선택된 파장으로 발진하게 되고 이 빛은 렌즈(300)를 거쳐 파장 선택 필터(500)를 거쳐 비선형 광학 물질(400)로 진입한다. 비선형 광학 물질(400)의 입사면은 주파수 변환된 빛에 대해 고반사 처리되어 있고 출사면은 파장 변환된 빛에 대해 무반사 처리되도록 하여, 파장 변환된 빛은 비선형 광학 물질(400)의 출사면을 거쳐 공진기 외부로 탈출하며, 비선형 광학 물질(400)에 의해 파장 변환되지 않은 원래 레이저 다이오드 칩(100)의 파장에 해당하는 빛은 공진기를 되돌아가 레이저 다이오드 칩(100)으로 돌아가게 되어 파장 변환이 가능한 외부 공진기가 제작된다.
도 5에서 활용이 가능한 비선형 광학 물질(400)로는 여러 가지가 있는데, 대표적인 비선형 광학 물질(400)은 Lithium Niobate 및 KTP 등을 포함하는 물질이며, 이외에도 여러 가지 비선형 광학 물질이 사용될 수 있다. 도 5에서 사용될 수 있는 파장 선택 필터(500) 또한 여러 가지가 있을 수 있으며, 대표적인 예는 에탈론 필터, Volume Bragg grating, fiber grating, 액정을 포함하는 grating 등이 있다. 상기 도 5에서 1064nm, 532nm의 파장에 대해 비선형 광학 물질(400)의 코팅에 대해 설명한 것은 본 발명을 특정하기 위한 것이 아니며 레이저 다이오드 칩(100)과 파장 선택 필터(500)에 의해 레이저 다이오드 칩(100)에서 발진하는 펌프 레이저 빛 이 1064nm일 경우를 설명하기 위한 것이며, 레이저 다이오드 칩(100)과 파장 선택 필터(500)에 의해 레이저 다이오드 칩(100)에서 발진하는 레이저 빛이 어떠한 파장의 빛이라도 무관하다.
한편, 도 5에서 비선형 광학 물질(400)과 파장 선택 필터(500)는 열전소자(30) 위에 배치가 되어 열전소자(30)에 의해 온도가 조절되는데, 이는 파장 선택 필터(500)의 선택 파장 및 비선형 광학 물질(400)의 온도 의존성을 보상하기 위한 것이며, 특정 온도에서 사용한다든지 또는 온도에 무관한 파장 변환을 할 경우에는 열전소자(30) 대신 다른 종류의 서브마운트도 사용이 가능하다. 상기 열전소자(30)와 레이저 다이오드 칩(100) 및 제 1 반사 거울(210)은 평판형의 베이스 플레이트(10) 상부에 설치된다.
또한, 상기 도 5에서 제 1 반사 거울(210)과 제 2 반사 거울(220)은 45도의 각도를 가지게 형성되어 빛을 90도 방향 전환하는 것처럼 표현되어 있으나, 이는 필수적인 부분이 아니며, 임의의 각도로 광축을 꺾어주어도 무방하다. 상기 도 5의 개념을 사용할 경우 공간 활용 측면에서 렌즈(300)와 제 2 반사거울(220)이 일체로 제작됨이 더 바람직하나 이는 필수적인 것이 아니며 제 2 반사 거울(220)이 렌즈(300)와 별도로 배치되어도 무방한데, 예를 들어 열전소자(30) 위에 제 2 반사 거울(220)을 배치하는 것도 가능하다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이중 폴더형의 외부 공진기를 이용하여 파장 변환형 레이저를 제작하는 방법을 나타낸 개념도이다.
도 6에서 레이저 다이오드 칩(100)은 808nm 대역의 파장을 가지는 레이저 다이오드 칩으로써, 이중 폴더형의 외부 공진기를 향하는 면은 무반사 코팅되어 있다. 이중 폴더형의 외부 공진기에서 비선형 광학 물질(400)의 출사면이 도 5에서 레이저 빛에 대해 반사 거울로 작용하였던 기능을, 도 6의 실시예에서는 단순한 반사 거울로 대치한 것 외에 외부 공진기의 동작 원리는 도 5의 경우와 동일하다. 이경우 레이저 다이오드 칩(100)에서 발진하는 파장은 파장 선택 필터(500)에 의해 선택된 파장이 발진하게 되고 레이저 다이오드 칩(100)의 비선형 광학 물질(400) 쪽으로 일부의 빛이 출력되게 된다. 레이저 다이오드 칩(100)에서 808nm 근처의 특정 파장으로 선택되어 발진하는 레이저 빛은 Nd:YVO4(600)에서 1064nm로 전환되게 되며 이 1064nm 파장이 비선형 광학 물질(400)을 거치면서 532nm의 파장이 된다. 본 설명에서 특정 파장을 인용하였지만 이는 필수적인 것이 아니며, 다른 어떠한 파장의 빛에도 적용될 수 있으며, Nd:YVO4(600) 대신 Nd:YAG를 사용한다든지, 비선형 광학 물질(400)로 KTP, LN 등 여러 가지 재료들이 사용될 수 있음은 당연하다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이중 폴더형의 외부 공진기를 이용하여 파장 변환형 레이저를 제작하는 방법을 나타낸 개념도이다.
도 7에서 레이저의 발진 파장은 이중 폴더형의 외부 공진기로 선택되고, 레이저의 전면에 또 다른 반사 거울(250)을 배치하여 광축을 상향으로 절환한 후 Nd:YVO4(600)와 비선형 광학 물질(400)인 KTP를 배치 한 경우이다. 이런 배치에서는 패키지가 가장 조밀하게 배치되므로 전체 레이저의 부피를 최소화할 수 있는 장 점이 있다. 이러한 배치 예의 한 경우인 Nd:YVO4(600)와 KTP(400)의 결정과 레이저 다이오드 칩(100) 사이에 렌즈가 사용되지 않을 경우 레이저 다이오드 칩(100)과 NdYVO4(600) 사이의 거리가 100um 이내로 접근하는 것이 레이저 빛의 확산을 막아 효율적인 파장 변환 효율을 얻을 수 있으므로, 레이저 다이오드 칩(100)과 Nd:YVO4(600) 사이의 45도 반사 거울(250) 크기를 줄이는 것이 필요하다.
상기 45도 반사 거울(250)의 반사면 길이가 짧아야 하므로 반사 거울(250)의 크기는 작으면 좋으나 반사 거울(250)의 크기가 작으면 조작하기가 어려우므로 요철형의 반사 거울로 제작되는 것이 바람직한데, 도 8은 이러한 45도 반사 거울의 일례를 나타낸 것이다.
도 9에 도시된 바와 같이, 요철형의 상부 튀어나온 부분을 반사 거울로 사용하며, 조작은 요철의 하부인 넓은 부위를 잡으며 이러한 요철형 반사 거울(250)을 45도 또는 미리 정해진 각도로 제작된 기판(40) 위에 부착함으로써, 초소형의 반사 거울면을 가지며 크기는 조작이 용이한 크기이며 경사진 반사 거울을 제작할 수 있게 된다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 이중 폴더형 외부 공진기 형태를 가지는 파장 가변 레이저 장치의 일례이다.
상기 본 발명의 실시예에서 주로 이중 폴더형 외부 공진기형 레이저를 파장 변환형 레이저에 적용하는 것을 예로 들었으나 이는 필수적인 것이 아니며, 도 9에서와 같이 공진기 내의 파장 선택 필터를 파장 가변 필터(550)를 채택함으로써 이 중 폴더형 외부 공진기 형태를 가지는 파장 가변 레이저 장치도 제작할 수 있으며, 단순히 파장 선택 필터에 의해 선택된 파장으로 발진하는 레이저 모듈 제작에도 적용될 수 있게 된다.
도 1a와 도 1b는 종래 파장 변환 레이저 장치의 설치 개념도,
도 2는 종래 외부 공진기형 레이저 장치에서의 공진기 구성 방법 일례,
도 3은 본 발명에 따른 폴더형 외부 공진기의 구조에서 광정렬의 과정을 나타낸 개념도,
도 4는 상기 도 3에서 임의의 각도를 가지는 광축을 다시 한번 꺾어 주었을 때의 광정렬 과정을 나타낸 개념도로서,
도 5는 본 발명에 따른 투과성 파장 선택 필터를 이용하여 이중 폴더형의 외부 공진기형 파장 변환 레이저 장치를 제작하는 일례를 나타내는 개념도,
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이중 폴더형의 외부 공진기를 이용하여 파장 변환형 레이저를 제작하는 방법을 나타낸 개념도,
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이중 폴더형의 외부 공진기를 이용하여 파장 변환형 레이저를 제작하는 방법을 나타낸 개념도,
도 8은 본 발명에 따른 요철형 45도 반사 거울의 설치 일례를 나타낸 개념도,
도 9는 본 발명에 따른 이중 폴더형 외부 공진기 형태를 가지는 파장 가변 레이저 장치의 일례이다.
※ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
10 : 베이스 플레이트 20 : 스탠드 모듈
30 : 열전소자 40 : 기판
100 : 반도체 레이저 다이오드 칩 210, 220, 230, 250 : 반사 거울
300 : 렌즈 400 : 비선형 광학 물질
500 : 파장 선택 필터 600 : Nd:YVO4

Claims (23)

  1. 반도체 레이저 다이오드를 포함하는 외부 공진기형 레이저 장치에 있어서,
    상기 반도체 레이저 다이오드 칩(100)에서 발산되는 레이저 빛의 광축이 적어도 2번 이상 꺾여져 외부로 방출되는 것을 특징으로 하는 외부 공진기를 이용한 레이저 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 레이저 빛의 광축이 꺾이기 전의 광축으로 구성된 제 1의 광축 절환 평면과, 광축이 꺾여진 된 이후의 광축으로 구성되는 제 2의 광축 절환 평면이 서로 평행하지 않도록 레이저 빛의 광축이 꺾여지는 것을 특징으로 하는 외부 공진기를 이용한 레이저 장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 레이저 빛의 광축이 꺾여지는 광경로가 구성하는 평면들은 서로 직교하거나 사이각이 80도~100도 사이인 것을 특징으로 하는 외부 공진기를 이용한 레이저 장치.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 레이저 빛의 광축이 꺾여지는 광경로가 구성하는 평면 중 제 1 광축 절 환 평면은 레이저 다이오드 칩(100)이 놓여져 있는 바닥면에 수직한 평면이고, 제 2 광축 절환 평면은 레이저 다이오드 칩(100)이 놓여져 있는 바닥면과 수평한 평면인 것을 특징으로 하는 외부 공진기를 이용한 레이저 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 외부 공진기는 레이저 다이오드 칩(100)에서 발산된 레이저 빛의 파장을 변환하는 비선형 광학 물질(400)을 포함하여 이루어지는 특징으로 하는 외부 공진기를 이용한 레이저 장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 비선형 광학 물질(400)은 KTP(Potassium titanyl phosphate) 또는 LN(Lithium Niobate) 중 어느 하나를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 외부 공진기를 이용한 레이저 장치.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 외부 공진기에는 레이저 다이오드 칩(100)에서 발산된 레이저 빛의 파장을 선택하는 파장 선택 필터(500)가 구비되는 것을 특징으로 하는 외부 공진기를 이용한 레이저 장치.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 외부 공진기에는 레이저 빛의 광축을 꺾어주는 적어도 2개 이상의 반사 거울(210)(220)과, 빛이 들어온 방향으로 다시 되돌려주는 반사 거울(230)이 구비된 것을 특징으로 하는 외부 공진기를 이용한 레이저 장치.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 외부 공진기는 반도체 레이저 다이오드 칩(100), 제 1 반사 거울(210), 렌즈(300), 제 2 반사 거울(220), 파장 선택 필터(500), 반사 거울(230)의 순서로 배치되는 것을 특징으로 하는 외부 공진기를 이용한 레이저 장치.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 외부 공진기는 반도체 레이저 다이오드 칩(100), 제 1 반사 거울(210), 렌즈(300), 제 2 반사 거울(220), 비선형 광학 물질(400)의 순서로 배치되는 것을 특징으로 하는 외부 공진기를 이용한 레이저 장치.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 외부 공진기는 반도체 레이저 다이오드 칩(100), 제 1 반사 거울(210), 렌즈(300), 제 2 반사 거울(220), 파장 선택 필터(500), 비선형 광학 물질(400)의 순서로 배치되는 것을 특징으로 하는 외부 공진기를 이용한 레이저 장치.
  12. 청구항 6, 10, 11 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 비선형 광학 물질(400)의 반도체 레이저 다이오드 칩(100)을 향한 입사면은 레이저 다이오드 칩(100)에서 발산된 파장의 빛에 대해 무반사 또는 저반사 코팅 처리되며, 비선형 광학 물질(400)의 반도체 레이저 다이오드 칩(100)의 반대 방향 출사면은 레이저 다이오드 칩(100)에서 발산된 파장의 빛에 대해서 고반사 코팅 처리되는 것을 특징으로 하는 외부 공진기를 이용한 레이저 장치.
  13. 청구항 6, 10, 11 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 비선형 광학 물질(400)의 반도체 레이저 다이오드 칩(100)을 향한 입사면은 레이저 다이오드 칩(100)에서 발산된 파장의 빛이 변환된 빛에 대해 고반사 코팅 처리되며, 비선형 광학 물질(400)의 반도체 레이저 다이오드 칩(100)의 반대 방향 출사면은 레이저 다이오드 칩(100)에서 발산된 파장의 빛이 변환된 빛에 대해 무반사 또는 저반사 코팅 처리되는 것을 특징으로 하는 외부 공진기를 이용한 레이저 장치.
  14. 청구항 1에 있어서,
    상기 외부 공진기의 일측에 열전소자(30)를 구비하는 것을 특징으로 하는 외부 공진기를 이용한 레이저 장치.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 열전소자(30) 위에 비선형 광학 물질(400) 또는 파장 선택 필터(500)가 배치되는 것을 특징으로 하는 외부 공진기를 이용한 레이저 장치.
  16. 청구항 1에 있어서,
    상기 반도체 레이저 다이오드 칩(100)의 일측면은 반사율 1% 이하의 저반사 코팅 처리되고, 다른 일측면은 반사율 10% 이상의 고반사 코팅 처리되는 것을 특징으로 하는 외부 공진기를 이용한 레이저 장치.
  17. 청구항 7, 9, 11, 15 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 파장 선택 필터(500)는 에탈론 필터, volume Bragg gratin, 회절격자, 액정이 밀봉된 회절 격자 중 어느 하나를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 외부 공진기를 이용한 레이저 장치.
  18. 청구항 7, 9, 11, 15 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 파장 선택 필터(500)는 선택되는 파장이 가변되는 파장 가변 필터인 것을 특징으로 하는 외부 공진기를 이용한 레이저 장치.
  19. 청구항 9에 있어서,
    상기 반도체 레이저 다이오드 칩(100)의 일측면에 비선형 광학 매질(400)이 배치되는 것을 특징으로 하는 외부 공진기를 이용한 레이저 장치.
  20. 청구항 19에 있어서,
    상기 비선형 광학 매질(400)의 일측에는 레이저 다이오드 칩(100)에서 발산되는 파장의 빛을 흡수하여 비선형 광학 물질(400)에서 사용하는 파장의 빛으로 변환하는 파장 변환 매질이 설치되는 것을 특징으로 하는 외부 공진기를 이용한 레이저 장치.
  21. 청구항 9 내지 11 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 렌즈(300)와 제 2 반사 거울(220)은 일체형으로 제작되는 것을 특징으로 하는 외부 공진기를 이용한 레이저 장치.
  22. 청구항 1에 있어서,
    상기 외부 공진기의 일측에 편광을 조절하는 편광자(polarizer)가 더 설치되는 것을 특징으로 하는 외부 공진기를 이용한 레이저 장치.
  23. 청구항 9 내지 11 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 반사 거울(210)은 요철 형태로 제작된 반사 거울(250)이 미리 정해진 경사면을 가지는 기판(40) 위에 부착되는 형태로 제작되어 반사 거울의 경사면 각도가 정해지는 것을 특징으로 하는 외부 공진기를 이용한 레이저 장치.
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