KR20110125412A - 고출력 레이저 다이오드 어셈블리 - Google Patents

Abstract

본 발명은 오목한 구조의 라운드면을 구비한 지지 프레임; 및 상기 라운드면 상에 집합되고, 광출사부가 상기 라운드면의 안쪽 방향을 향하도록 배열된 복수개의 레이저 다이오드;를 포함하는 고출력 레이저 다이오드 어셈블리를 개시한다.

Description

고출력 레이저 다이오드 어셈블리{High power laser diode assembly}

본 발명은 고출력 레이저 다이오드 어셈블리에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 다수의 레이저 다이오드가 배열된 구조를 가진 고출력 레이저 다이오드 어셈블리에 관한 것이다.

통상적으로 수백 밀리와트(㎽) 내지 수 와트(W)급의 발진특성을 갖는 고출력 레이저는 레이저 용접, 표면가공, 마킹 등의 공업 분야를 비롯하여 의료, 계측, 정보통신 분야 등에 폭넓게 응용되고 있다.

종래에는 주로 고체 레이저나 가스 레이저에 기반하여 고출력 레이저를 개발하였으나, 이러한 레이저들은 시스템 가격이 고가일 뿐만 아니라 별도의 여기 시스템이 필요한 단점이 있어서 최근에는 반도체 레이저 다이오드로부터 고출력 특성을 얻는 방안에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.

레이저 다이오드로부터 고출력 특성을 얻기 위한 기술로는 활성층을 이루는 양자우물의 수, 두께 등을 제어하는 방안, 광가이드층의 두께 및 도핑농도를 제어하는 방안, 고반사 및 저반사 코팅박막의 형성조건을 최적화하거나 광출사단면의 광학손상(Catastrophic Optical Damage: COD)을 개선하는 방안 등이 제안되었다.

하지만, 상기와 같이 레이저 다이오드 칩의 내부 구조를 개선하여 광출력을 크게 향상시키는 데는 한계가 있고, 오히려 어레이(Array)나 스택(Stack) 등의 방법으로 레이저 다이오드 칩의 개수를 늘려서 광출력을 향상시키는 방안이 보다 효과적이다.

복수개의 레이저 다이오드 칩을 어레이 형태로 구성하는 기술은 예컨대, 대한민국 공개특허 제2006-0014200호, 제2008-0037056호에 게재되어 있다.

대한민국 공개특허 제2006-0014200호는, 도 1에 도시된 바와 같이 복수개의 레이저 다이오드(10)들을 복수개의 광섬유(11)들에 일대일 대응되게 정렬하여 광을 모으는 구성을 개시하고 있다.

대한민국 공개특허 제2008-0037056호는, 도 2에 도시된 바와 같이 복수개의 레이저 광원(20)에서 방출된 레이저 광을 반사수단(21)을 이용해 편광결합장치(22)로 전달하고, 편광결합장치(22)에 의해 결합된 후 다이어프램(23)에 의해 퍼진 레이저 광을 구면렌즈수단(24)을 이용해 광섬유의 광입사면에 입사시키는 구성을 개시하고 있다.

그러나, 레이저 다이오드(10)와 광섬유(11)를 일대일로 정렬하는 기술은 광섬유(11)가 레이저 다이오드(10)의 수만큼 필요하므로 제조비용이 비쌀 뿐만 아니라 광섬유(11)들 간에 커플링이 필요한 단점이 있다.

또한, 복수개의 레이저 광원(20)에서 방출된 레이저 광들의 경로를 변경시킨 후 결합하여 광섬유에 입사시키는 기술은 레이저 광을 반사 및 편향시키기 위해 많은 공간을 필요로 하므로 장치를 소형화할 수 없는 취약점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 고려하여 창안된 것으로서, 복수개의 레이저 다이오드에서 발생하는 레이저 광을 한 지점으로 모을 수 있도록 레이저 다이오드들의 배열 구조가 개선된 고출력 레이저 다이오드 어셈블리를 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 복수개의 레이저 다이오드에서 발생하는 레이저 광을 모아서 하나의 광섬유에 입사시킬 수 있는 구조를 가진 고출력 레이저 다이오드 어셈블리를 제공하는 데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 고출력 레이저 다이오드 어셈블리는 오목한 구조의 라운드면을 구비한 지지 프레임; 및 상기 라운드면 상에 집합되고, 광출사부가 상기 라운드면의 안쪽 방향을 향하도록 배열된 복수개의 레이저 다이오드;를 포함한다.

상기 레이저 다이오드는, 스템 및 상기 스템 위에 실장된 레이저 다이오드 칩을 포함할 수 있다.

상기 레이저 다이오드는, 상기 레이저 다이오드 칩에서 발생하는 광을 집속하는 비구면 렌즈를 더 포함할 수 있다.

고출력 레이저 다이오드 어셈블리는 상기 집속렌즈의 초점에 광입사면이 위치하도록 정렬된 광섬유;를 더 포함할 수 있다.

상기 복수개의 레이저 다이오드는 전체적으로 벌집 구조를 이루도록 배열되는 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면 레이저 다이오드들의 기하학적인 배열 구조를 통해 레이저 광을 한 지점으로 집속하는 것이 가능하며, 이를 다시 단일 가닥의 광섬유에 집속시킴으로써 수 내지 수십 W급의 고출력 레이저를 구현할 수 있다.

따라서, 레이저 광을 반사, 편향시키기 위한 광부품이 요구되지 않으므로 제조비용을 절감할 수 있으며 장치의 소형화가 가능한 장점이 있다.

또한, 레이저 다이오드에 구비된 비구면 렌즈와 집속렌즈로 이루어진 이중의 렌즈에 의해 레이저 광의 방사각을 효과적으로 줄임으로써 콜리메이션(Collimation)을 쉽게 할 수 있으므로 레이저 빔의 지향성을 향상시킬 수 있다.

상기와 같은 본 발명은 레이저 가공, 차량용 거리 측정기, 로봇용 거리 감지센서의 레이저 광원으로 유용하게 적용될 수 있다.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1 및 도 2는 종래기술에 따른 레이저 광원 어레이의 구성도,
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고출력 레이저 다이오드 어셈블리의 구성도,
도 4 및 도 5는 본 발명에 구비되는 레이저 다이오드의 구성예를 보여주는 실제 사진,
도 6은 본 발명에 구비되는 레이저 다이오드의 배열 구조를 도시한 평면도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고출력 레이저 다이오드 어셈블리의 구성도이다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고출력 레이저 다이오드 어셈블리는 오목한 형상을 갖는 지지 프레임(100)과, 지지 프레임(100)에 집합된 복수개의 레이저 다이오드(102)와, 복수개의 레이저 다이오드(102)로부터 방출되는 레이저 광을 집속하는 집속렌즈(103)와, 집속렌즈(103)에 대하여 광축이 정렬된 광섬유(104)를 포함한다.

지지 프레임(100)은 레이저 다이오드(102)를 지지하는 부재로서, 오목한 형상의 라운드면(Round surface)(100a)이 일면에 형성된 구조를 갖는다. 레이저 광의 효과적인 집속을 위하여 라운드면(100a)의 형상은 구면체의 일부분에 대응하도록 오목한 형상을 갖는 것이 바람직하다.

지지 프레임(100)의 오목한 라운드면(100a)은 복수개의 레이저 다이오드(102)가 실장되었을 때 오목한 형상에 대응하는 라운드형 광출사부(101)를 제공한다.

각각의 레이저 다이오드(102)는 그 광출사부가 라운드면(100a)의 안쪽 방향을 향하도록 배치된다. 여기서, 각 레이저 다이오드(102)의 광축은 해당 레이저 다이오드(102)를 지지하도록 라운드면(100a) 내에 할당된 면에 대하여 법선 방향을 향하는 것이 바람직하다.

지지 프레임(100)의 오목한 라운드면(100a)에 실장되는 레이저 다이오드(102)의 개수는 구현하고자 하는 레이저 출력값에 따라 다양하게 변형 가능하다.

도 4에 도시된 바와 같이 레이저 다이오드(102)로는 스템(102a)과, 스템(102a) 위에 실장된 레이저 다이오드 칩(102b)을 포함하는 TO CAN 타입의 레이저 다이오드(102)가 채용된다. 레이저 다이오드(102)의 스템(102a)은 고출력 구동시 고전압에 따른 열의 발생을 최소화하기 위해 열전도율이 우수한 재료에 의해 형성되는 것이 바람직하다. 바람직하게, 스템(102a)의 재료로는 코바(KOVAR) 합금이 채용될 수 있다.

아울러, 지지 프레임(100)은 열방출 성능이 우수한 재료에 의해 형성되는 것이 바람직하다. 지지 프레임(100)의 재료로는 알루미늄 합금이 채용되는 것이 바람직하다.

비록 도면에는 미도시되었으나, 레이저 다이오드(102)의 스템(102a) 위에는 레이저 다이오드 칩(102b)의 동작상태를 모니터링 하기 위한 모니터링 포토 다이오드가 부가적으로 설치될 수 있다.

도 5에 도시된 바와 같이 레이저 다이오드(102)의 광출사부에는 레이저 다이오드 칩(102b)에서 발생하는 광을 구면수차 없이 집속하기 위한 비구면 렌즈(102c)가 구비된다.

집속렌즈(103)는 지지 프레임(100)의 라운드면(100a)을 기준으로 안쪽 영역에 위치하여 복수개의 레이저 다이오드(102)로부터 모아진 고출력의 레이저 광을 한 지점, 즉 초점으로 집속한다. 구면수차를 방지하기 위하여 집속렌즈(103)로는 비구면 렌즈가 채용되는 것이 바람직하다.

광섬유(104)는 집속렌즈(103)의 초점에 그 광입사면(104a)이 위치하도록 정렬된다. 집속렌즈(103)에 의해 광섬유(104)로 입사된 고출력의 레이저 광은 광섬유(104)의 광출사면(미도시)을 통해 출력된다.

도 6에는 본 발명에 구비되는 레이저 다이오드(102)의 배열 구조가 도시되어 있다. 도면에 나타난 바와 같이 복수개 레이저 다이오드(102)는 집적도를 극대화하기 위하여 전체적으로 실질적인 벌집(Honeycomb) 구조를 이루도록 배열되는 것이 바람직하다. 이를 위해, 레이저 다이오드(102)의 스템(102a)은 인접한 스템(102a)들 사이의 간극을 최소화하도록 육각형 둘레를 갖도록 구성될 수 있으나, 본 발명이 이러한 예에 한정되지 않고 스템(102a)의 형상에 다양한 변형예가 있을 수 있음은 물론이다.

도 6에 나타난 바와 같이 벌집 구조를 이루는 레이저 다이오드 배열 구조의 중심에는 전술한 집속렌즈(103)가 위치하게 된다.

상기와 같은 구성을 갖는 고출력 레이저 다이오드 어셈블리는 각 레이저 다이오드(102)에 동일한 펄스 전류가 공급됨에 따라 복수개의 레이저 다이오드(102)에서 방출되는 레이저 광이 지지 프레임(100)에 구비된 오목한 라운드면(100a)의 기하학적 구조에 의해 집속렌즈(103) 쪽으로 모아지고, 집속렌즈(103)에 의해 광섬유(104)의 광입사면(104a)에 집속됨으로써 고출력의 레이저 광을 출력한다.

이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

100: 지지 프레임 100a: 라운드면
101: 라운드형 광출사부 102: 레이저 다이오드
102a: 스템 102b: 레이저 다이오드 칩
102c: 비구면 렌즈 103: 집속렌즈
104: 광섬유

Claims (7)

1. 오목한 구조의 라운드면을 구비한 지지 프레임; 및
   상기 라운드면 상에 집합되고, 광출사부가 상기 라운드면의 안쪽 방향을 향하도록 배열된 복수개의 레이저 다이오드;를 포함하는 고출력 레이저 다이오드 어셈블리.
2. 제1항에 있어서,
   상기 레이저 다이오드는, 스템 및 상기 스템 위에 실장된 레이저 다이오드 칩을 구비한 것을 특징으로 하는 고출력 레이저 다이오드 어셈블리.
3. 제2항에 있어서,
   상기 레이저 다이오드는, 상기 레이저 다이오드 칩에서 발생하는 광을 집속하는 비구면 렌즈를 구비한 것을 특징으로 하는 고출력 레이저 다이오드 어셈블리.
4. 제2항에 있어서,
   상기 라운드면의 안쪽 영역에 위치하여 상기 복수개의 레이저 다이오드에서 발생하는 광을 집속하는 집속렌즈;를 포함하는 고출력 레이저 다이오드 어셈블리.
5. 제4항에 있어서,
   상기 집속렌즈의 초점에 광입사면이 위치하도록 정렬된 광섬유;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고출력 레이저 다이오드 어셈블리.
6. 제4항에 있어서,
   상기 집속렌즈는 비구면 렌즈인 것을 특징으로 하는 고출력 레이저 다이오드 어셈블리.
7. 제1항에 있어서,
   상기 복수개의 레이저 다이오드는 전체적으로 벌집 구조를 이루도록 배열된 것을 특징으로 하는 고출력 레이저 다이오드 어셈블리.

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