KR20110125804A - 오목렌즈 창을 이용한 단면 여기 다이오드 레이저 펌핑 고체레이저용 펌핑 장치 - Google Patents

오목렌즈 창을 이용한 단면 여기 다이오드 레이저 펌핑 고체레이저용 펌핑 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 단면 여기 다이오드 레이저 펌핑 고체레이저용 펌핑 장치에 관한 것으로서, 특히 오목렌즈 창을 이용하여 레이저 이득 매질을 균일하게 여기시키는 단면 여기 다이오드 레이저 펌핑 고체레이저용 펌핑 장치에 관한 것이다. 본 발명인 오목렌즈 창을 이용한 단면 여기 다이오드 레이저 펌핑 고체레이저용 펌핑 장치는 여기 빔을 주사하는 하나의 고체 레이저 다이오드와, 상기 고체 레이저 다이오드로부터 주사되는 여기 빔의 방출각을 확장시켜 레이저 이득매질과 난반사체로 여기 빔을 효율적으로 전달해주는 오목렌즈 창과, 상기 고체 레이저 다이오드로부터 주사되어 상기 오목렌즈 창을 투과한 여기 빔을 재반사하는 난반사체와, 상기 난반사체의 내부에 위치하여 여기 빔을 흡수하는 이득매질을 포함하는 것을 특징으로 한다. 이와 같은 본 발명에 의하면, 레이저 이득 매질의 한 면에만 레이저 다이오드 모듈을 배치하고도 오목렌즈 창을 이용하여 다면 여기 레이저 다이오드의 수준까지 여기 빔의 균일도를 향상시킬 수 있고, 이에 따라 열렌즈 효과를 최소화 할 수 있고, 나아가 부피와 무게의 경량화, 기구적 안정성 향상 등의 장점이 있다.

Description

오목렌즈 창을 이용한 단면 여기 다이오드 레이저 펌핑 고체레이저용 펌핑 장치{ONE SIDE EXCITATION PUMPING APPARATUS FOR A LASER DIODE PUMPED SOLID-STATE LASER USING PLANO-CONCAVE WINDOW}
본 발명은 단면 여기 다이오드 레이저 펌핑 고체레이저용 펌핑 장치에 관한 것으로서, 특히 오목렌즈 창을 이용하여 레이저 이득 매질을 균일하게 여기시키는 단면 여기 다이오드 레이저 펌핑 고체레이저용 펌핑 장치에 관한 것이다.
일반적으로 고체 레이저에서의 광 여기는 섬광등(Flash Lamp) 또는 반도체 레이저 다이오드에 의해 이루어진다. 일반적으로 사용되는 고체레이저의 여기 광원인 섬광등은 전기광학 변환효율이 낮으므로 큰 열적 부하를 막기 위하여 부피가 큰 냉각장치를 필요로 하며, 수명이 짧은 단점이 있다.
반면에 레이저 다이오드(Laser Diode)로 여기 하는 고체 레이저는 섬광등 여기 고체 레이저에 비하여 많은 장점을 가진다. 레이저 다이오드의 방출 스펙트럼과 레이저 이득 매질의 흡수 스펙트럼을 거의 일치시킬 수 있기 때문에 다이오드 여기 고체 레이저는 높은 전기광학 변환효율을 가지며, 다이오드의 수명이 매우 길기 때문에 다이오드로 여기 된 레이저 또한 수명이 길다는 장점을 가진다. 또한 기존의 레이저와 비교하여 냉각 시스템의 부피가 상당히 작기 때문에 소형화와 경량화가 가능하다는 장점도 가진다. 이러한 장점으로 인하여 레이저 다이오드 여기 고체레이저는 레이저 가공, 레이저 거리 측정기, LIDAR(Light Detection and Ranging) 등의 다양한 산업 및 군용 목적을 위하여 꾸준히 개발되어 왔다.
레이저 다이오드에 의한 여기 방식 중 측면 여기(Side Pumping)방식은 다면 여기와 단면 여기 방식으로 나뉘어진다. 다면 여기는 레이저 봉을 중심으로 다면(3면, 5면 등)에서 대칭적으로 여기시키므로 균일한 여기를 얻을 수 있는 장점이 있으나 구조상 부피가 증가하게 된다. 반면에 단면(1면) 여기를 사용하면 봉의 한쪽 측면을 따라서만 여기용 다이오드가 사용되므로 구조가 단순하고 크기를 줄일 수 있는 장점이 있으나 여기 균일도가 떨어지게 된다.
본 발명은 이상과 같은 사항을 감안하여 창출된 것으로서, 레이저 다이오드의 여기 방향을 단면으로 하더라도 여러 방향에서 여기 하는 경우와 비슷한 정도로 이득 매질에서의 흡수 균일도를 향상시키고 전체적인 장치의 부피와 무게를 감소시키며 기구적인 안정성을 증가시킬 수 있도록, 오목렌즈 창을 이용한 단면 여기 다이오드 레이저 펌핑 고체레이저용 펌핑 장치를 제공함에 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 오목렌즈 창을 이용한 단면 여기 다이오드 레이저 펌핑 고체레이저용 펌핑 장치는, 한쪽 측면에만 설치된 고출력 레이저 다이오드와, 상기 고출력 레이저 다이오드로부터 방출된 빔의 발산각을 60도까지 확장시키는 오목렌즈 창과, 상기 고출력 레이저 다이오드로부터 방출된 빔을 흡수하는 레이저 이득 매질과, 직접 레이저 이득 매질에 흡수되지 않은 빔을 재반사하는 난반사체를 포함한다.
여기서, 상기 고출력 레이저 다이오드를 외부의 먼지나 수분으로부터 보호하기 위하여 질소로 충진하여 내부에 상기 고출력 레이저 다이오드를 위치시키는 하우징과, 상기 고출력 레이저 다이오드의 온도를 안정화시키기 위한 열전소자와, 상기 열전소자의 과열 방지를 위해 냉각수가 흐르는 냉각 탱크와, 상기 레이저 이득 매질의 온도를 일정하게 유지하기 위하여 사용되는 냉각수를 유입하는 냉각관을 더 포함하도록 구성할 수 있다.
이때, 상기 고출력 레이저 다이오드에서 방출되는 빔을 레이저 이득 매질에 효율적으로 전달하기 위하여 상기 난반사체의 형상을 반원 또는 첨단모양(Cusp)으로 구성할 수 있다.
본 발명에 따르면 단면 여기 다이오드 고체레이저용 펌핑 장치로도 다면 여기 고체 레이저 펌핑 장치와 유사한 여기 균일도를 가질 수 있다.
이와 같은 본 발명에 의하면, 레이저 이득 매질의 한 면에만 레이저 다이오드 모듈을 배치하고도 오목렌즈 창을 이용하여 다면 여기 레이저 다이오드의 수준까지 여기 빔의 균일도를 향상시킬 수 있고, 이에 따라 열렌즈 효과를 최소화 할 수 있고, 나아가 부피와 무게의 경량화, 기구적 안정성 향상 등의 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 실시예1에 따른 오목렌즈 창을 이용한 단면 여기 다이오드 레이저 펌핑 고체레이저용 펌핑 장치의 단면도를 개략적으로 보여주는 도면.
도 2는 본 발명의 실시예2에 따른 오목렌즈 창을 이용한 단면 여기 다이오드 레이저 펌핑 고체레이저용 펌핑 장치의 단면도를 개략적으로 보여주는 도면.
도 3은 본 발명의 실시예1의 레이저 이득 매질에서의 흡수 분포 시뮬레이션 계산 결과.
도 4는 본 발명의 실시예2의 레이저 이득 매질에서의 흡수 분포 시뮬레이션 계산 결과.
도 5는 본 발명의 실시예1의 레이저 이득 매질에서의 흡수 분포 결과.
도 6은 본 발명의 실시예2의 레이저 이득 매질에서의 흡수 분포 결과.
도 7a, 도 7b는 평면 창을 적용한 경우의 레이저 다이오드로부터 방출되는 여기 빔의 방사각을 나타내는 도면.
도 7c는 평면 창을 적용한 경우에 ROD 중심에서 X-Y 평면의 레이저 다이오드 에너지 밀도를 나타내는 도면.
도 7d는 평면 창을 적용한 경우에 X축의 레이저 다이오드 에너지 밀도를 나타내는 도면.
도 8a, 도 8b는 오목렌즈 창을 적용한 경우의 레이저 다이오드로부터 방출되는 여기 빔의 방사각을 나타내는 도면.
도 8c는 오목렌즈 창을 적용한 경우에 ROD 중심에서 X-Y 평면의 레이저 다이오드 에너지 밀도를 나타내는 도면.
도 8d는 오목렌즈 창을 적용한 경우에 X축의 레이저 다이오드 에너지 밀도를 나타내는 도면.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1구성요소는 제2구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2구성요소도 제1구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다"등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 오목렌즈 창을 이용한 단면 여기 다이오드 레이저 펌핑 고체레이저용 펌핑 장치의 단면도를 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 오목렌즈 창을 이용한 단면 여기 다이오드 레이저 펌핑 고체레이저용 펌핑 장치는, 고출력 레이저 다이오드(101), 오목렌즈 창(102), 레이저 이득매질(103), 하우징(104), 열전소자(105), 냉각탱크(106), 난반사체(107), 냉각수(108) 및 냉각관(109)을 포함하도록 구성될 수 있다. 이하, 세부적인 구성에 대하여 설명한다.
여기 빔을 주사하는 하나의 고체 레이저 다이오드(101)가 상기 레이더 이득 매질(103)의 어느 한 면에만 배치되도록 구성된다. 고체 레이저 다이오드(101)는 완축 방향으로의 발산각을 10도로 하고 급축 방향으로의 발산각을 40도로 하여 오목렌즈 창(102)으로 빔을 방출하며, 이때 완축 방향은 상기 레이저 이득 매질(103)의 길이 방향과 일치시켜 상기 레이더 이득 매질(103)에 빔이 균일하게 흡수되도록 하는 기능을 수행한다. 여기서, 상기 고체 레이저 다이오드(101)는 질소로 충진된 하우징(104) 내부에 조립되어지도록 구성할 수 있으며, 이때 상기 하우징(104)은 외부의 먼지나 수분 그리고 전기적인 충격으로부터 고체 레이저 다이오드(101)를 보호하는 기능을 수행한다. 또한, 상기 하우징(104)의 어느 일면에는 고체 레이저 다이오드(101)의 온도 안정화를 위한 열전소자(105)가 장착되어 있으며, 상기 열전소자(105)의 어느 일면에는 열전소자(105)의 온도안정화를 위한 냉각탱크(106)가 장착되도록 구성할 수 있다.
다음으로 오목렌즈 창(102)은 상기 고체 레이저 다이오드(101)로부터 주사되는 여기 빔의 방출각을 확장시켜 레이저 이득매질과 난반사체로 여기 빔을 효율적으로 전달하도록 구성된다. 이때 오목렌즈 창(102)은 고체 레이저 다이오드(101)로부터 주사되는 여기 빔의 방출각을 60도까지 확장시켜 직접적으로 이득 매질(103)로 입사하는 빔을 줄이는 대신 더 많은 빔이 높은 반사율을 가진 난반사체(107)에 반사된 후 이득 매질(103)을 여기하도록 함으로써 이득 매질(103)의 전체에 걸쳐서 균일한 흡수 분포가 나타나게 한다. 여기서, 상기 오목렌즈 창(102)은 레이저 다이오드에서 방출되는 빔을 효율적으로 레이저 이득매질과 난반사체로 전달해주기 위하여 오목-평면 형태, 평면-오목 형태로 구성될 수 있다. 오목-평면 형태란 한 면이 오목하고 반대쪽 면이 평면인 경우를 말하며, 평면-오목 형태란 상기 오목-평면 형태에서의 오목한 면이 평면이고 평면이 오목한 면인 경우를 말한다. 이때 오목렌즈 창(102)은 시뮬레이션 프로그램을 통하여 기타 다양한 형태로 최적화될 수 있으며, 상기 고출력 레이저 다이오드(101)에서 방출되는 빔이 입사되는 면은 반사 손실을 줄이기 위해 레이저 다이오드의 방출 파장에 대해 무반사 코팅이 되어 있다.
다음으로, 상기 난반사체(107)는 상기 고체 레이저 다이오드(101)로부터 주사되어 상기 오목렌즈 창을 투과한 여기 빔을 재반사하는 기능을 수행하며, 이로 인하여 난반사체(107)에 의해 재반사된 빔은 상기 레이저 이득 매질(103)에 재흡수된다. 여기서, 상기 난반사체(107)는 상기 고체 레이저 다이오드(101)에서 방출된 빔을 상기 레이저 이득 매질(103)로 효율적으로 전달시켜 주기 위하여 스펙트랄론 또는 세라믹 재질로 제작될 수 있으며, 스펙트랄론 재질 및 세라믹 재질은 기계적, 열적, 물리적 특성이 우수한 특징이 있다.
다음으로, 상기 레이저 이득 매질(103)은 난반사체(107) 내부에 위치하여 여기 빔을 흡수하는 기능을 수행하며, 구체적으로 레이저 이득 매질(103)은 상기 고출력 레이저 다이오드(101)로부터 방출된 빔과 상기 난반사체(107)로부터 재반사된 빔을 흡수하는 기능을 수행한다. 여기서, 상기 레이저 이득 매질(103)의 온도를 일정하게 유지하기 위하여 레이저 이득 매질(103)이 냉각관(109) 내부에 위치하도록 구성할 수 있다. 이때, 상기 레이저 이득 매질(103)의 온도를 일정하게 유지하기 위하여 냉각수(108)가 사용되며 상기 냉각수(108)은 저온 환경에서도 냉각수의 역할을 하도록 증류수와 에틸렉 글리콜이 혼합되어 있다. 그리고, 상기 냉각수(108)는 펌핑 장치의 한쪽 측면에서 유입되어 상기 냉각관(109)을 거쳐 열전소자(105)의 온도안정화를 위한 냉각탱크(106)를 경유하여 유출된다. 또한, 상기 냉각관(109)은 냉각관 표면에서 상기 고출력 레이저 다이오드(101)에서 방출되는 빔의 반사 손실을 최소화하기 위하여 레이저 다이오드(101)의 파장에 대해 무반사 코팅이 되어 있으며, 상기 냉각수(108)의 누수를 방지하기 위하여 0-링으로 밀봉 고정되어 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 오목렌즈 창을 이용한 단면 여기 다이오드 레이저 펌핑 고체레이저용 펌핑 장치의 단면도를 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 2를 참조하여 세부 구성을 살펴보면, 상기 고체 레이저 다이오드(201)로부터 주사되어 상기 오목렌즈 창을 투과한 여기 빔을 재반사하는 기능을 수행하는 난반사체(207)의 내부 형상은 상기 고출력 레이저 다이오드(201)에서 방출되는 빔을 상기 레이저 이득 매질(203)에 효율적으로 전달하기 위하여 광학 시뮬레이션 프로그램 등의 계산으로 최적화된 모양을 고려하여 제작될 수 있으며, 이에 따라 상기 난반사체(207)의 내부 형상은 반원 또는 첨단(Cusp)모양(209)일 수 있다. 이때, 냉각관이 존재하지 않는 대신 레이저 이득 매질(203)의 온도를 일정하게 유지하기 위하여 사용되는 냉각수(208)가 상기 난반사체(207) 내부로 직접 유입되는 구조로 되어있다.
한편, 도 3 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명에 의하면 레이저 이득 매질에서의 여기 균일도가 매우 우수함을 알 수 있고, 또한, 도 7A 내지 도 7D와 도 8A 내지 도 8D를 비교하여 볼 때 평판 창을 사용할 때에 비하여 오목렌즈 창을 사용할 때의 에너지 밀도분포가 더욱 균일한 것을 알 수 있다.
이상의 설명에서와 같이 본 발명에 따른 오목렌즈 창을 이용한 단면 여기 고체레이저 펌핑 장치는 레이저 이득 매질의 한쪽 면에서만 레이저 다이오드의 출력이 입사되어 기구적인 안정성을 증가시키고 부피와 무게를 경량화시키는 장점이 있다. 또한, 레이저 봉의 중심부 뿐 아니라 외부에도 레이저 다이오드빔이 고르게 흡수되어 열렌즈 효과를 최소화 할 수 있는 장점이 있다.
이상, 바람직한 실시예를 통하여 본 발명에 관하여 상세히 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변경, 응용될 수 있음은 당업자에게 자명하다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호 범위는 다음의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상은 본 발명의 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
101: 고체 레이저 다이오드 102: 오목렌즈 창
103: 레이저 이득 매질 104: 하우징
105: 열전소자 106: 냉각탱크
107: 난반사체 108: 냉각수
109: 냉각관 201: 고체 레이저 다이오드
202: 오목렌즈 창 203: 레이저 이득 매질
204: 하우징 205: 열전소자
206: 냉각탱크 207: 난반사체
208: 냉각수 209: 첨단모양
701: 고체 레이저 다이오드 702: 수신면
703: 레이저 이득 매질 801: 고체 레이저 다이오드
802: 수신면 803: 레이저 이득 매질
804: 오목렌즈 창

Claims (7)

  1. 여기 빔을 주사하는 하나의 고체 레이저 다이오드와;
    상기 고체 레이저 다이오드로부터 주사되는 여기 빔의 방출각을 확장시켜 레이저 이득매질과 난반사체로 여기 빔을 효율적으로 전달해주는 오목렌즈 창과;
    상기 고체 레이저 다이오드로부터 주사되어 상기 오목렌즈 창을 투과한 여기 빔을 재반사하는 난반사체와;
    상기 난반사체의 내부에 위치하여 여기 빔을 흡수하는 이득매질을 포함하는 것을 특징으로 하는 오목렌즈 창을 이용한 단면 여기 다이오드 레이저 펌핑 고체레이저용 펌핑 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 난반사체의 내부 형상이 반원 또는 첨단(Cusp)모양인 것을 특징으로 하는 오목렌즈 창을 이용한 단면 여기 다이오드 레이저 펌핑 고체레이저용 펌핑 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 레이저 이득 매질의 온도를 일정하게 유지하기 위하여 레이저 이득 매질이 냉각관 내부에 위치하는 것을 특징으로 하는 오목렌즈 창을 이용한 단면 여기 다이오드 레이저 펌핑 고체레이저용 펌핑 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 냉각관은 냉각관 표면에서 상기 고출력 레이저 다이오드에서 방출되는 빔의 반사 손실을 최소화하기 위하여 레이저 다이오드의 파장에 대해 무반사 코팅이 되어 있으며, 상기 냉각수의 누수를 방지하기 위하여 0-링으로 밀봉 고정되어 있는 것을 특징으로 하는 오목렌즈 창을 이용한 단면 여기 다이오드 레이저 펌핑 고체레이저용 펌핑 장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 오목렌즈 창은 레이저 다이오드에서 방출되는 빔을 효율적으로 레이저 이득매질과 난반사체로 전달해주기 위하여 오목-평면 형태 또는 평면-오목 형태로 구성되는 것을 특징으로 하는 오목렌즈 창을 이용한 단면 여기 다이오드 레이저 펌핑 고체레이저용 펌핑 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 난반사체는 상기 고체 레이저 다이오드에서 방출된 여기 빔을 상기 레이저 이득 매질로 효율적으로 전달시켜 주기 위하여 스펙트랄론 또는 세라믹 재질로 제작된 것을 특징으로 하는 오목렌즈 창을 이용한 단면 여기 다이오드 레이저 펌핑 고체레이저용 펌핑 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 고체 레이저 다이오드는 질소로 충진된 하우징 내부에 조립되어 있고, 상기 하우징의 어느 일면에는 고체 레이저 다이오드의 온도안정화를 위한 열전소자가 장착되어 있으며, 상기 열전소자의 어느 일면에는 열전소자의 온도안정화를 위한 냉각탱크가 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 오목렌즈 창을 이용한 단면 여기 다이오드 레이저 펌핑 고체레이저용 펌핑 장치.
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