KR20120024682A

KR20120024682A - 접힘 레이저 시스템

Info

Publication number: KR20120024682A
Application number: KR1020117028578A
Authority: KR
Inventors: 에티엔느 알모릭; 자크 골리어; 로렌스 씨. 주니어. 휴즈; 가렛 에이 피치
Original assignee: 코닝 인코포레이티드
Priority date: 2009-04-30
Filing date: 2010-04-29
Publication date: 2012-03-14
Also published as: CN102422494A; TW201110489A; JP2012525610A; WO2010127060A1; CN102422494B

Abstract

광축을 갖는 접힘 레이저 시스템으로서, (I) 간섭성 광원; (Ⅱ) 반사기; (Ⅲ) 광원과 반사기 사이에 위치하는 렌즈 컴포넌트; (Ⅳ) 비-선형 광학 결정을 포함하며, 광원과 비-선형 광학 결정은 50μm 이상의 거리 d만큼 이격되어 있다. 렌즈 컴포넌트는 광원으로부터 광을 인터셉트할 때 시준된 빔이 광축에 대해 각 Θ로 기울어지도록 상기 시준된 빔을 제공하기 위해 위치하고, 반사기는 시준된 빔을 인터셉트하고, 시준된 빔을 렌즈를 통해 비-선형 광학 결정으로 반사하기 위해 위치하고, 렌즈 컴포넌트는 비-선형 광학 결정에 이미지를 제공하기 위한 구조를 갖는다.

Description

접힘 레이저 시스템{FOLDED LASERS SYSTEM}

본 발명은 일반적으로 접힘 레이저 시스템에 관한 것으로서, 더 상세하게는 주파수 2배화된 녹색 레이저(frequency doubled green laser)와 같이 비선형 광파장 변환이 있는 접힘 레이저 시스템에 관한 것이다.

녹색 레이저 광은 적외선 광의 비선형 주파수 2배화에 의해 생성될 수 있다. 통상적으로, 도 1a에 도시된 바와 같이, 적외선 다이오드 레이저(3)로부터의 광빔(light beam; 2)은 주기적-분극반전 리튬니오베이트(periodically-poled lithium niobate (PPLN))와 같은 비-선형 광학 결정(non-linear optical crystal; 4)으로 향하며, 여기서 녹색 광(5)으로 변환된다.

이러한 타입의 레이저의 제조시의 실질적인 도전과제는 여러 문제점로부터 발생된다. 첫째, 다이오드 레이저 및 비선형 광학 결정 모두에서 광을 한정하는데 이용되는 작은 광 도파로들로 인해, 컴포넌트들(렌즈, 비선형 결정, 및 다이오드 레이저)을 위한 배열 오차 허용범위는 대략 수십 마이크론에 불과하다. 이는 배열을 레이저의 수명 넘어 유지시키고, 레이저의 초기 조립 모두를 위한 도전과제를 제시한다. 둘째, 비선형 광학 결정으로부터의 출력 전력은 레이저에 의해 제공되는 적외선 광 파장에서의 변이(shift) 및 온도 변동(fluctuations of temperature)에 민감하다. 비선형 광학 결정에 걸친 온도 구배(temperature gradients)는 녹색 레이저의 출력 전력(즉, 기존의 비선형 광학 결정의 출력 전력)의 감소를 초래할 수도 있다.

본 발명은 주파수 2배화된 녹색 레이저와 같이 비선형 광파장 변환이 있는 접힘 레이저 시스템을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 일 양태는 광축을 갖는 접힘 레이저 시스템으로서, (I) 간섭성 광원; (ⅱ) 반사기; (Ⅲ) 상기 광원과 반사기 사이에 위치하는 렌즈 컴포넌트; (Ⅳ) 비-선형 광학 결정을 포함하며, 상기 광원과 상기 비-선형 광학 결정은 거리 d(> 50μm)만큼 이격되어 있다. 상기 렌즈 컴포넌트는 상기 광원으로부터 광을 인터셉트할 때 시준된 빔(collimated beam)이 상기 광축에 대해 각 Θ'로 기울어지도록 상기 시준된 빔을 제공하기 위해 위치하고, 상기 비-선형 광학 결정 상에 상기 간섭성 광원의 이미지를 제공하기 위한 구조를 갖는다. 상기 반사기는 상기 시준된 빔을 인터셉트하고, 상기 시준된 빔을 상기 렌즈를 통해 상기 비선형 광학 결정으로 반사하기 위해 위치한다.

바람직하게, 상기 간섭성 광원 및 상기 비-선형 광학 결정은 공극만큼 이격되어 있다.

일부 실시형태에 따라, 상기 레이저 시스템은 녹색 레이저이며, 상기 광원은 적외선(IR) 다이오드 레이저이며, 상기 수신부는 비선형 광학 결정인데, 예를 들어, 상기 IR을 상기 녹색 광으로 변환시키기 위한 2차 고조파 생성기(second harmonic generator (SHG))이다.

본 발명의 레이저 시스템의 예시적인 녹색 레이저 실시형태에 의해 제공되는 여러 이점에는 광학 컴포넌트에 관해 상대적으로 느슨한 정렬 오차 허용범위; 다이오드 레이저에 의해 생성되는 열에 대한 낮은 민감도; 및 다이오드 레이저와 비선형 광학 결정 사이의 개선된 결합으로 인한 최대화된 녹색 변환 효율 등이 있다. 본 발명의 예시적인 실시형태에 의해 제공되는 다른 이점들에는 비선형 광학 결정에 대한 최소화된 온도 구배, 및 다이오드 레이저에 도달하는 비선형 광학 결정에서 떨어져서 원하지 않는 반사 및/또는 후방 산란으로부터 광 피드백의 최소화된 영향이 있다.

본 발명의 추가적인 특징들 및 이점들은 다음의 상세한 설명에서 개시될 것이며, 여기에 설명된 바와 같이 발명을 실시함으로써, 부분적으로, 그 설명으로부터 당업자에게 용이하게 명백하거나 인식될 것인데, 이는 다음의 설명, 즉, 첨부 도면들뿐 아니라 청구항들도 포함한다.

이전의 일반적인 설명 및 다음의 상세한 설명 모두는 단순히 발명의 예시적인 것으로서, 청구된 바와 같은 본 발명의 본질과 특성을 이해하기 위한 개요 또는 구조를 제공하려는 것이다. 첨부 도면들은 본 발명의 더 나은 이해를 제공하기 위해 포함되어 있으며, 본 명세서의 일부에 통합되거나 이를 구성한다. 도면들은 본 발명의 다양한 실시형태들을 도시하고 있으며, 설명과 함께 본 발명의 원리 및 동작을 설명하기 위해 제공된다.

도 1a는 종래의 레이저 시스템을 도시한 것이다.
도 1b는 본 발명의 일 실시형태에 따른 접힘 레이저 시스템을 개략적으로 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 접힘 캐비티 녹색 레이저 시스템(folded cavity green laser system)을 개략적으로 도시한 것이다.
도 3은 도 2의 비선형 결정과 다이오드 레이저 사이의 열전도를 나타내는 열 모델(thermal model)이다.
도 4는 다이오드 도파로(diode waveguide) 및 결정 도파로(crystal waveguide) 사이의 광 결합 효율의 변화를 도파로 공간 d에 대한 도파로의 함수로서 도시하고 있다.
도 5a는 예시적인 비-선형 결정의 횡단면도를 도시한 것이다.
도 5b는 도 5a의 예시적인 비-선형 결정의 예시적인 비-선형 결정의 종단면도를 도시한 것이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시형태에 따른 접힘 캐비티 녹색 레이저 시스템의 단면도이다.
도 7은 2개의 상이한 레이저 시스템 구성의 결합 효율 대 도파로 공간 d를 도시한 것이다.
도 8a 및 도 8b는 본 발명의 다른 실시형태에서 다이오드 레이저 위에 실장된 비선형 광학 결정을 도시한 것이다.
도 9는 본 발명의 몇몇 실시형태들에서 활용될 수 있는 상업적으로 이용가능한 렌즈 컴포넌트들에 의해 획득할 수 있는 결합 효율(coupling efficient (CE))의 도표이다.
도 10A 및 도 10B는 접힘 캐비티 녹색 레이저 시스템의 2가지 예시적인 실시형태를 개략적으로 도시한 것이다.
도 11은 본 발명의 일 실시형태에 따른 틸트된 다이오드 레이저 도파로, 결정 도파로, 및 렌즈 컴포넌트들의 단면도이다.
도 12는 2개의 예시적인 렌즈 컴포넌트들에 관한 광경로 길이 대 후방 작동 거리(back working distance (BWD))의 도표이다.
도 13은 결합 효율 대 BWD의 도표이다.
도 14는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 렌즈 컴포넌트의 단면도이다.
도 15는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 렌즈 컴포넌트 및 2개의 상업적으로 이용가능한 렌즈 컴포넌트들의 결합 성능 대 도파로 공간 d를 도시한 것이다.
도 16은 본 발명의 다른 실시형태에 따른 렌즈 컴포넌트의 단면도이다.
도 17은 본 발명의 또 다른 실시형태에 따른 렌즈 컴포넌트의 단면도이다.
도 18은 예시적인 렌즈 컴포넌트의 틸트의 함수로서 수차 (파면 오차)의 진전을 도시한 것이다.
도 19는 예시적인 렌즈 컴포넌트의 틸트의 함수로서 수차 (파면 오차)의 진전을 도시한 것이다.
도 20은 2개의 예시적인 렌즈 컴포넌트들의 틸트의 함수로서 결합 효율의 도표이다.

지금부터 본 발명의 예시적인 실시형태들에서 상세히 설명할 것이며, 이들의 예시들이 첨부 도면들에 도시되어 있다. 가능한 한, 동일한 참조부호는 도면 전체에 걸쳐 동일하거나 유사한 부분을 지칭하는데 사용될 것이다. 본 발명의 레이저 시스템의 예시적인 일 실시형태는 도 1b 및 도 2에 도시되어 있으며, 전체적으로 도면 부호 10으로 표시되어 있다.

본 예시적인 실시형태에서 접힘 레이저 시스템(10)은 접힘 캐비티 구성(folded cavity configuration)을 갖는 주파수 2배화된 녹색 레이저이다. 본 레이저 시스템(100)에서 광은 간섭성 광원(coherent light source; 20)으로부터 발산 광빔(divergent light beam; 22) 형태로 방출되며, 단일 렌즈 컴포넌트(30)에 의해 포착되고 시준된다. 렌즈 컴포넌트(30)는 바람직하게 텔레센트릭(telecentric) 조건에서 동작한다. 즉, 렌즈(30)는 광학 시스템의 출사동이 무한대에 위치하도록 구성되고 위치한다. 바람직하게, 간섭성 광원(20)은 작으며(< 1 cm³), 상대적으로 높은 고출력을 갖고(> 10 mW), 고속(약 10 MHz 이상)으로 변조된다. 본 실시형태에서, 간섭성 광원(20)은 적외선(IR) 반도체 레이저(IR 다이오드 레이저(20'))이다. 다이오드 레이저(20')는 다이오드 도파로(20'A)를 포함한다. IR 광은 다이오드 도파로(20'A)의 출력 패시트(facet)로부터 발산 광빔(22)으로서 방출된다. 다이오드 도파로의 출력 패시트는 도파로의 축에 수직하게 형성될 수도 있으며, 또한 도파로의 축에 대해 일정한 각도로 클리브(cleave)될 수도 있다(미도시). 발산 광빔(22)은 1/e²에서 방출 반각(emission half angle) Θ, 예를 들어, 일 방향으로 20° 및 다른 (수직) 방향으로 7°인 것을 특징으로 한다. 방출 반각 Θ는 간섭성 광원에 의해 제공되는 평균 방출 각(빔 중심(beam centroid))에 상대적으로 측정된다. 시준된 (IR) 빔(40)은 각 Θ로 반사기(50)를 향해 진행한 다음, 반사기(50)로부터 렌즈 컴포넌트(30)를 향해 반사된다. 바람직하게, 일부 실시형태에 따르면, 0.05 Rad ≤ Θ' ≤ 0.2 Rad이고, 더 바람직하게 0.09 Rad≤ Θ' ≤ 0.17 Rad이다. 반사기(50)는, 예를 들어, 평면 거울일 수도 있다. 반사 빔은 렌즈 컴포넌트(30)를 통해 이미지 평면(60)을 향해 전파되며, 여기서 비-선형 광학 결정(70')의 결정 도파로(70'A)(도파로 부위)의 입력 패시트 상에 초점이 맞춰진다. 즉, 렌즈 컴포넌트(30)는 비-선형 광학 결정(70')의 결정 도파로(70'A)의 입력 패시트 상에 다이오드 도파로(20'A)의 출력 패시트의 이미지를 제공한다.

비-선형 광학 결정(70')은, 예를 들어, 주기적-분극반전 리튬니오베이트(PPLN) 결정과 같은 2차 고조파 생성기(SHG)일 수도 있다. 다른 비-선형 광학 결정들 또한 활용될 수도 있다. 본 실시형태에서, 비-선형 광학 결정(70')은 렌즈 컴포넌트(30)에 의해 제공되는 IR 광을 수신하여, 이를 녹색 광(5)으로 변환시킨다.

바람직하게, 렌즈 컴포넌트(30)는, (i) 온도 변화에 의해 초점이 흐려지는 것을 최소화하고, (ⅱ) 레이저 시스템(10)의 전체 사이즈를 최소화하면서, 비-선형 광학 결정(70')의 결정 도파로(70'A)와 간섭성 광원(20) 사이의 매우 우수한 광 결합(optical coupling)을 얻기 위해 짧은 초점 거리(바람직하게는 5mm 미만, 더 바람직하게는 3mm 미만, 가장 바람직하게는 2mm 미만) 및 낮은 비점 수차(astigmatism)를 갖는다.

반사기(50)는 종래의 (고정식) 평면 거울일 수도 있거나, 마이크로-전기기계 시스템(MEMS) 거울과 같은 팁/틸트(tip/tilt) 각으로 작동되는 거울일 수도 있다. 다이오드 도파로(20'A)와 결정 도파로(70'A) 사이의 광 결합은 2개의 주요한 방법으로 조정될 수도 있다. 첫째, 렌즈 컴포넌트(30)의 위치가 x, y, 또는 z (초점) 축으로 이동될 수도 있다. 둘째, 거울(50)은 틸트될 수도 있다. 거울이 적외선 빔을 위해 시준된 공간에 위치하기 때문에, 각도 조정은 결정의 입력 패시트에서 반사되고 초점이 맞춰진 빔의 위치(x, y) 이동을 유발시킬 것이다. 비선형 광학 결정(예를 들어, PPLN 결정)은 적외선 광의 상당 부분을 녹색 광으로 변환시키며, 이는 결정 도파로(70'A)(도 IB)의 출력 패시트로부터 방출된다. 따라서, 렌즈 컴포넌트(30)의 위치 또는 반사기(50)의 각도 조정은 비-선형 광학 결정(70')의 결정 도파로(70'A)의 입력 패시트에서 초점을 이동시키는데 활용될 수 있다.

본 실시예에서, 광원(20) 및 수신부(비-선형 광학 결정(70'))는 광축(optical axis (OA))(렌즈 컴포넌트의 광축)에 대해 디센터되어 있으며, 광축에 대해 대칭적으로 또는 거의 대칭적으로(대칭성에 관한 오차는 ±100μm이고, 바람직하게는 ±50μm임) 위치한다. 더 구체적으로, 비선형 광학 결정(70')의 결정 도파로(70'A)의 입력 패시트에서 광빔의 수차들을 최소화하기 위해, 비선형 광학 결정(70')의 결정 도파로(70'A)의 입력 패시트 및 적외선 다이오드(20')의 다이오드 도파로(20'A)의 출력 패시트는 렌즈(30)의 초점 거리 f에 비해 작은 거리 d및 작은 공극(air gap)만큼 이격된다 (즉, d << f). 바람직하게, 렌즈(30)의 초점 거리는 1 내지 5mm(1mm ≤ f ≤5mm)이며, 예를 들어, 1mm, 1.3mm, 1.5mm, 1.7mm, 2mm, 또는 2.5mm이다. 바람직하게, 렌즈(30)의 초점 거리는 1 내지 5mm(1mm ≤ f ≤ 5mm)이다. 바람직하게, 광원(20)과 비-선형 광학 결정(70') 사이의 이격 거리 d는 30μm ≤ d ≤1500μm이고, 바람직하게 50μm ≤ d ≤ 750μm, 더 바람직하게 100μm ≤ d ≤ 600μm, 더 바람직하게 150μm ≤ d ≤ 500μm, 및 가장 바람직하게 300μm ≤ d ≤ 500μm이다. 예를 들어, 이격 거리 d는 75μm, 100μm, 125μm, 150μm, 200μm, 250μm, 300μm, 400μm, 또는 450μm일 수도 있다. 이에 따라, 본 실시형태에서, 광원(20)(다이오드 레이저(20')) 및 수신부(70)(비-선형 광학 결정(70'))는 광축에 대해 Y축을 따라 거리 d'

d/2만큼, 예를 들어, 거리 d' = d/2 ± 100μm만큼 디센터되어 있다. 바람직하게, 디센터 거리 d'는 d/2이거나 d/2의 50μm 이내(즉, d' = d/2 ± 50μm)일 수 있다.

여기에서 설명한 접힘 레이저 시스템 구성(예를 들어, 도 1b, 도 2, 도 6, 도 8a, 및 도 8b 참조)은 광경로가 그 위로 접혀 있기 때문에 레이저 캐비티의 전체 길이를 감소시키는 이점을 갖는다(이로 인해, 레이저의 패키지 사이즈를 감소시킴). 접힘 레이저 구성은 또한 렌즈 컴포넌트(30)에 의해 발생하는 비-대칭적 광학 수차들의 효과를 최소화시키는 이점을 갖는데, 그 이유는 동일한 렌즈 컴포넌트(30)가 2번 이용되는데, 1번은 빔을 시준시키고, 또 1번은 비선형 광학 결정(70')의 결정 도파로(70'A)의 입력 패시트 상에 광의 초점을 다시 맞추는데 이용되기 때문이다. 안전하고 정확한 상기 기술들을 고려할 때, 레이저 시스템(10)은 완전히 수동적일 수 있다(즉, 이동 컴포넌트를 포함하지 않을 수도 있음). (이러한 설계는 도 1b에 계략적으로 도시되어 있음). 또한, 전술한 바와 같이, 레이저 시스템(10)은 MEMS 거울과 같은 조정 가능한 반사기를 용이하게 활용하여 2개의 측면 방향으로 PPLN 입력 패시트 상에 초점이 맞춰진 빔들을 능동적으로 정렬시킬 수도 있다.

접힌 구성의 실질적인 실현형태는 많은 도전 과제를 만들어 낸다. 첫째, 접힌 레이저 시스템 구성은 렌즈 컴포넌트(30)의 광축에 대해 디센터된 수신부(비선형 결정(70)) 및 광원(다이오드 레이저(20))을 활용하기 때문에, 축외 광학 수차(off axis optical aberrations)들이 존재하여, 제어하기 곤란할 수 있다. 다이오드 레이저(20')로부터 비-선형 광학 결정(70')으로의 높은 결합을 획득하기 위해 광학 수차들은 작게 유지되어야 한다. 본 발명의 녹색 레이저 실시형태(10)의 하나의 이점은 렌즈 컴포넌트(30)가 잘못 정렬된 경우에도 축외 수차들이 작게 유지된다는 것이다. 둘째, 비-선형 광학 결정(70')에 대한 다이오드 레이저(20')의 가까운 근접성은 다이오드 레이저(20')로부터 비-선형 광학 결정(70')으로 열이 전달되게 할 수도 있다. 비-선형 광학 결정에서의 온도 구배는 적외선 광으로부터 녹색 광으로의 변환 효율을 디그레이드시킨다. 본 발명의 녹색 광 실시형태의 하나의 이점은 다이오드 레이저로부터 결정으로의 열 전달이 최소화된다는 것인데, 그 이유는 비-선형 광학 결정(70')의 결정 도파로(70'A) 및 다이오드 레이저(20')의 다이오드 도파로(20'A)가 공극(air gap (AG))만큼 이격되어 있기 때문이다. 셋째, 레이저 시스템(10)의 적어도 일부의 예시적인 실시형태들은 반사기(50) 또는 렌즈 컴포넌트(30)를 이동시킴으로써 광빔의 초점을 조절하기 위한 액추에이터를 필요로 하지 않는다. 이들 실시예에서, 레이저 시스템들(10)은 온도의 함수로서 초점이 흐려지지 않고(또는, 초점 흐림을 최소로 하고), 광학 컴포넌트들의 측면 위치를 상당히 변경시키지 하지 않는다(그렇지 않으면, 다이오드 도파로(20'A)와 결정 도파로(70'A)의 입력 패시트 간의 광 결합이 양보될 것이고, 광 출력 전력이 손실될 수도 있음). 마지막으로, 레이저 시스템(10)은 광학 피드백의 영향을 제어하거나 최소화할 수 있는 이점이 있다. 예를 들어, 여기에 설명된 녹색 레이저 실시형태들에서, 비-선형 광학 결정(70')의 결정 도파로(70'A)의 전방 패시트로부터의 반사는 적외선의 레이저 다이오드(20')로부터 원하지 않는 모드 호핑(hopping) 거동을 유도하지 않는다.

도 2는 녹색 레이저 시스템(10)에 조립되는 실장된 광학 컴포넌트들을 계략적으로 도시한 것이다. 비선형 광학 결정(70'; PPLN 결정)은 다이오드 레이저(20') 위에 위치하며, 여기서 작은 공극(AG)은 2개의 도파로(70'A 및 20'A)의 끝단을 이격시킨다. 이러한 공극(AG)의 존재 및 사이즈는 다음과 같은 여러 이유로 인해 중요하다.

첫째, 하나 이상의 와이어 본드(23)들이 다이오드 레이저(20')의 다양한 부위에 부착되어 있는데, 그 목적은 전류 및 전압 제어 신호를 다이오드 레이저에 제공하기 위한 것이다. 이들 와이어 본드들은 일정한 최소 굽힘 반지름을 가지며, 다이오드 레이저(20') 위에 한정된 높이만큼 연장된 루프(23')를 형성한다. 최소 와이어 본딩 루프 높이는, 예를 들어, 100μm 내지 150μm일 수 있으며, 이는 비선형 광학 결정(70')의 결정 도파로(70'A)의 입력 패시트와 적외선 다이오드 레이저(20')의 다이오드 도파로(20'A) 사이의 가능한 최소의 수직 이격거리를 정의한다.

둘째, 공극(AG)은 다이오드 레이저(20')로부터 비-선형 광학 결정(70')을 단열시키며, 이는 동작시 열원으로 작용한다. 공기는 특히 금속 또는 여러 다른 고체 소재에 비해 좋은 단열재로서 작용하며, 이는 다이오드 레이저(20')로부터의 열이 비-선형 광학 결정(70')에 도달하는 것을 방지한다. 바람직하게는, 열이 비-선형 광학 결정(70')에 도달하는 것을 막는데, 그 이유는 열이 비-선형 광학 결정(70')에서 온도 구배를 생성하며, 이로 인해, 결정 도파로(70'A)의 비선형 변환 효율에 부정적인 영향을 미칠 수 있다. 더 구체적으로 말하면, 비-선형 광학 결정(70')에서의 온도 구배는 해로울 수 있는데, 그 이유는 온도가 비-선형 광학 결정(70') 내의 결정 도파로(70'A)의 반사율에 영향을 미치기 때문이다. 일반적으로, 녹색 출력의 파장 의존성(wavelength dependence)은 (결정 도파로(70'A)의 균일성(uniformity)에 따라 정확한 형상을 갖는) sin(x)/x 함수인데, 온도 구배는 이 함수를 왜곡시킨다. (심볼 x는 최적 파장으로부터의 IR 파장 λ에서의 편차를 나타낸다는 것에 주의한다.)

도 3은 도 2에 도시된 것과 유사한 레이저 시스템 구성에서 다이오드 레이저로부터의 열이 어떻게 전도되는지를 나타낸 열 모델이다. 더 구체적으로 말하면, 도 3은 공극(AG)만큼 이격된 캔틸레버식(cantilevered) 비-선형 광학 결정(70')과 다이오드 레이저(20')의 미세 구성요소의 열 모델을 도시한 것이다. 다이오드 레이저(20')가 열원으로 작용함에도 불구하고, 공극은 도 3에 도시된 것으로부터 이를 단열시킨다. 다이오드 레이저는 금속 패키지 베이스에 의해 지지된다. 이 도면에 도시된 바와 같이, 다이오드에 의해 생성된 열의 거의 모두가 금속 패키지 베이스로 전도된다. 즉, 정확한 열 조건들은 소재 및 특정 설계에 따라 다르지만, 이 모델은 공극의 상대적으로 높은 열 임피던스(thermal impedance) 때문에 열이 임의의 금속 컨택(contact)에 의해 효율적으로 외부로 전도되어, 다이오드 레이저(20')로부터 비-선형 광학 결정(70')으로 통과되지 않는다는 것을 보여준다. 실험 데이터는 또한 공극(AG)의 존재로 인해 비-선형 광학 결정(70')의 변환 효율이 열 효과에 의해 디그레이드되지 않는다는 것을 증명했다.

셋째, 2개의 도파로(70'A 및 20'A) 사이의 거리는 실질적으로 가능한 작게 유지되어야 하는데, 그 이유는 긴 거리는 비-선형 광학 결정(70')의 결정 도파로(70'A)의 입력 패시트 또는 다이오드 도파로(20'A)의 출력 패시트, 또는 둘 모두가 광축(Z 축)에 대해 상당히 (Y 축) 디센터되어 있어야 한다는 것을 요구하기 때문이다. 일반적으로, 렌즈 컴포넌트(30)의 광축은 2개의 도파로(70'A 및 20'A) 사이의 중간에 위치한다. 이는 2개의 도파로(70'A 및 20'A) 사이의 광의 광 결합을 제공하고, 또한 능동형 거울(50)(능동형 거울이 활용되는 경우)이 작동 범위의 중심에 있게 하는데, 그 목적은 거울 틸트가 도파로의 작은 모션들을 보상하는데 이용될 수 있도록 하기 위한 것이다. (예를 들어, 이들 모션들은 온도 및 습도 변호에 의해 생성될 수도 있다.) 2개의 도파로 중 어느 하나가 렌즈의 광축에서 멀리 떨어져서 위치할수록, 더 많은 광학 수차들은 비-선형 광학 결정(70')의 결정 도파로(70'A)의 입력 패시트에 있는 초점으로 도입될 것이다. 이들 수차들은 비점 수차, 코마 수차, 및 구면 수차를 포함한다. 도 4는 2개의 도파로(20'A 및 70'A) 사이의 결합 효율이 이들 간의 거리 d(Y 축에 따른 수직 거리)가 증가함에 따라 어떻게 감소되는지를 나타내는 예시이다. 거리 d가 증가함에 따라, 광학 수차들은 빔을 왜곡하며, 도파로들(20'A 및 70'A) 사이의 결합력이 더 작아진다. 더 긴 초점 거리를 갖는 렌즈 컴포넌트들이 더 적은 광학 수차를 갖는 이미지를 생성할 것이기 때문에, 이미지와 피사체가 동일한 거리 d'만큼 이동된 경우, 이들 수차를 최소화시키는 하나의 방법은 긴 초점 거리를 갖는 렌즈 컴포넌트를 사용하는 것이다. 그러나, 레이저 패키지 사이즈를 최소로 유지하는 것이 요구된다면, 이는 가능한 가장 짧은 초점 거리를 갖는 렌즈 컴포넌트를 이용해야 한다는 것을 의미한다. 예를 들어, 렌즈 컴포넌트(30)는 약 1.3 내지 1.7mm (예를 들어, f = 1.5mm)의 초점 거리 f를 가질 수도 있다. 즉, 바람직하게, 렌즈 컴포넌트(30)는 짧은 초점거리를 갖고 결정 도파로(70'A)의 입력 패시트에서 최소 양의 수차들을 제공하며, 레이저 시스템(10)은 높은 결합 효율을 가지며, 2개의 도파로(20'A 및 70'A) 사이의 중심에서 중심까지의 최적의 이격거리 d를 판단한다. (도 4에서 d = 0(이격되지 않음)보다는 오히려 d = 110μm에서의 최대 결합은 다이오드 레이저(20)의 경사진 방출로 인한 것이라는 것에 주의한다.)

바람직하게, 도파로의 이격 거리 d는 50μm보다 크고, 1500μm보다 작으며, 더 바람직하게는 700μm보다 작다. 예를 들어, 150μm 내지 450μm의 거리 d는 렌즈 컴포넌트(30)의 초점 거리가 약 1.5mm인 경우에 잘 작동한다(조금 더 크거나 작은 초점 거리 f를 갖는 렌즈 컴포넌트(30)는 거리 d가 450μm보다 다소 크고, 150μm보다 다소 작은 경우에 잘 작동함). 최소 거리 d는 비-선형 광학 결정(70')과 다이오드 레이저(20') 사이의 와이어 본드 루프(23')를 맞추는 능력에 의해 우선 결정된다. 또한, 결정 도파로(70'A)는 비-선형 광학 결정(70')의 최외각 모서리에 위치하지 않을 수도 있는데, 그 이유는 통상적으로 비-선형 광학 결정(70')은 수십에서 수백 마이크론의 두께일 수 있는 “캡” 레이어("cap” layer; 70'B)를 갖기 때문이다. 이들 사이에 결정 도파로(70'A)가 있는 예시적인 캡 레이어(70'B) 및 탑 레이어(top layer; 70'C)가 도 5a 및 도 5b에 개략적으로 도시되어 있다. 따라서, 2개의 도파로 사이의 가능한 최소 이격 거리는 와이어 본드(23)들을 수용하는데 필요한 최소 거리에 (존재한다면) 캡 레이어(70'B)의 두께를 더함으로써 설정된다. 예를 들어, 150μm 높이가 와이어 본드 루프들(23')에 필요하다면, 그리고 비-선형 광학 결정(70')이 200μm 두께의 캡 레이어(70'B)를 갖는다면, 최소 가능 도파로 이격 거리 d(중심에서 중심까지)는 350μm (200μm + 150μm = 350μm)이다. 최대 도파로 거리 d는 렌즈 컴포넌트(30)의 광학 수차에 의해 우선 결정되는데, 그 이유는 2개의 도파로(20'A 및 70'A) 사이의 광 결합이 거리 d가 증가함에 따라 감소할 것이기 때문이다.

또한, 비-선형 광학 결정(70')은 다이오드 레이저(20') 위에 위치할 필요가 없다. 대신에, 비-선형 광학 결정(70')은 다이오드 레이저(20') 옆에 위치할 수 있다. 이러한 “사이드-바이-사이드”식 구성은 도 6에 개략적으로 도시되어 있다. 이러한 구성은 레이저 와이어 본드들(23)을 위한 대량의 수직 공간을 허용하는 이점을 갖는다. 그러나, 이는 일반적으로 2개의 도파로들 사이에 더 넓은 이격 거리를 요구하는데, 그 이유는 다이오드 레이저의 구조는 일부 고유 폭(약 300μm)을 가지며, 또한, 결정 도파로(70'A)는 비-선형 광학 결정(70')의 모서리에 위치하지 않을 수도 있기 때문이다. 도 6의 구성을 활용하는 경우, 열적 누화(thermal crosstalk)를 방지하기 위해, 다이오드 레이저와 비-선형 결정 사이를 이격시켜서 이들 간에 공극을 허용해야 한다. 이러한 “사이드-바이-사이드”식 구성은 도 2에 도시된 것과 매우 유사하지만, 본 실시형태에서 다이오드 레이저(20') 및 비-선형 광학 결정(70')의 위치가 90도만큼 회전되어서 이격이 수직적이지 않고 수평적이라는 점에서 차이가 있다. 작은 공극(AG)은 다이오드 레이저(20')와 비-선형 광학 결정(70') 사이의 단열을 보장하는데 이용된다. 도 6에 도시된 예시적인 녹색 레이저 시스템(10)은 다이오드 레이저의 수평 방향 또는 낮은 개구수(numerical aperture)를 따라 시스템이 동작하게 한다는 이점을 갖는데(즉, 빔(22)은 y-축보다 x-축을 따라 덜 발산함), 그 목적은 코마 수차가 수직 축을 따라 더 느리게 광 결합을 디그레이드시키기 위한 것이다. 이는 도 7에 도시되어 있다. 더 구체적으로 말하면, 도 7은 2개의 상이한 레이저 시스템 구성의 결합 효율 대 도파로 공간 d를 도시한 것이다. 일 실시형태에서, 비-선형 광학 결정(70')은 도 2(곡선 CC 참조)에 도시된 바와 같이 (Y-축을 따라) 레이저(20') 위에 위치하며, 다른 구성(S-S)에서, 비-선형 광학 결정(70')은 도 6의 “사이드-바이-사이드”식 구성에 도시된 바와 같이 (X축을 따라) 레이저(20)에 인접하게 위치한다. 원이 있는 선은 “사이드-바이-사이드”식 구성에 대응하며, 직사각형이 있는 선은 캔틸레버식 구성에 대응한다. 다이오드 레이저 빔(22)의 개구수가 수평 방향에서 더 작기(덜 발산되기) 때문에, 도 6의 사이드-바이-사이드식 구성은 도 2의 캔틸레버식 구성보다 큰 이격 거리 d에서 더 높은 광 결합을 초래한다. 따라서, 사이드-바이-사이드식 실장은 동일한 결합 효율을 달성하면서 2개의 도파로 사이에 더 큰 공간 d를 허용할 것이다. 바람직하게, “사이드-바이-사이드”식 구성에서 광원(20)과 비-선형 광학 결정(70') 사이의 이격 거리 d는 30μm ≤ d ≤ 1500μm이고, 바람직하게 50μm ≤ d ≤ 750μm, 더 바람직하게 50μm ≤ d ≤ 500μm, 및 가장 바람직하게 350μm ≤ d ≤ 500μm이다. 예를 들어, 공극은 50μm, 75μm, 100μm, 125μm, 150μm, 200μm, 250μm, 300μm, 400μm, 또는 450μm의 거리 d인 것을 특징으로 할 수도 있다. 이들 2개의 도파로의 결합 효율 차이 D는 350μm에서 0.8% 및 450μm에서 2.4%이다.

또한, 상면, 즉, 도파로로부터 가장 멀리 떨어지고, 비-선형 광학 결정(70')의 탑 레이어(70'C)에 대응하는 표면으로부터 비선형 결정(70')을 실장하는 것이 유리할 수도 있다. 이는 도 8a(측면도) 및 도 8b(입력단 도면)에 도시되어 있다. 탑 실장 기술의 이점은 다양한 캡 두께(비-선형 결정의 하면과 결정 도파로 사이의 거리)의 비선형 광학 결정(70')이 동일한 레이저 시스템에서 상호교환적으로 이용될 수도 있다는 것이다. 이러한 상호교환성은 상이한 광원들(판매사들)로부터의 비-선형 광학 결정(70')의 사용을 허용한다는 장점이 있으며, 상이한 광원들은 상이한 제조 기술을 사용하여 상이한 캡 두께를 가질 수도 있다. 다이오드 레이저(20')와 비-선형 광학 결정(70')의 상단 사이의 거리 d가 변하지 않는 한, 비-선형 광학 결정(70')의 광학 도파로(70'A)와 다이오드 레이저(20')의 다이오드 도파로(20'A) 사이의 이격 거리는 계속 고정될 것이다. 이러한 유형의 상단 실장 기법은 도 6에 도시된 사이드-바이-사이드식 실장 구성에 적용될 수도 있으며, 여기서 결정 실장 표면은 다이오드 레이저로부터 가장 멀리 떨어진 표면이다.

도 1b, 도 2, 도 6, 도 8a, 및 도 8b에 도시된 레이저 시스템(10)은 광원(20)(다이오드 도파로(20'A)의 출력 패시트)과 수신부(70)(SHG 결정의 결정 도파로(70'A)의 입력 패시트)사이의 광경로 길이(optical path length; OPL)가 다이오드 레이저의 캐비티와 동일한 광경로 길이를 갖도록 설계되어 있다. (OPL = D_i × N_i, 여기서 D_i는 상이한 컴포넌트들의 표면 사이의 거리이고, N_i는 이들 표면 사이의 반사율이다.) 즉, 도 1b, 도 2, 도 6, 도 8a, 및 도 8b의 레이저 시스템(10)은 결합 캐비티 조건으로 작동하도록 설계되었는데, 그 목적은 다이오드 레이저(20')의 다이오드 도파로(20'A)의 출력 패시트와 비-선형 광학 결정(70')의 결정 도파로(70'A)의 입력 패시트 사이에 형성된 캐비티가 다이오드 레이저의 내부 캐비티와 동일한 광경로 길이를 갖기 위한 것이다. 이에 따라, 예를 들어, 다이오드 레이저(20')의 다이오드 도파로(20'A)를 통하는 광경로 길이가 9.5mm라면, (광원으로부터 수신부까지의) 레이저 시스템(10)을 통하는 광경로 길이는 9.5mm이어야 한다. 이에 따라, 바람직하게, 광원(20)이 다이오드 레이저라면, 광원(20)으로부터 렌즈 컴포넌트(30)까지, 즉 렌즈 컴포넌트(30)를 통한 반사기(50)까지의 광경로 길이(OPL)는 다이오드 도파로(20'A)를 통한 OPL의 1/2이다. 이러한 구성은 비선형 결정(70')의 결정 도파로(70'A)의 입력 패시트로부터의 기생 반사(parasitic reflection)들에 의해 생성되는 레이저 파장 불안정성을 최소화할 수 있다는 이점이 있다.

렌즈 컴포넌트(30)는 다이오드 레이저(20')에 의해 제공되는 IR 광을 시준하고, 비-선형 광학 결정(70')의 결정 도파로로 광의 초점으로 다시 맞추는데 이용된다. 렌즈 컴포넌트(30)는 약 1:1의 배율 M을 제공하도록 위치한다. 바람직하게, 렌즈 컴포넌트는 배율 M에서의 결정 도파로(70'A)의 입력 패시트 상에 다이오드 도파로(20'A)의 출력 패시트의 이미지가 생기도록 위치하며, 0.9 ≤ | M | ≤ 1.1이다. 더 바람직하게, 0.95 ≤| M | ≤ 1.05이다. 바람직하게, 렌즈 컴포넌트(30)는 약 0.35와 약 0.6 사이의 개구수(NA), 1mm 내지 3mm의 초점 거리 f, 0.3mm 내지 3mm의 전방 작동 거리(front working distance (FWD)), 및 0.5mm 내지 3mm의 후방 작동 거리(back working distance (BWD))를 갖는다. FWD는 광축을 따라 광원(20)으로부터 렌즈 컴포넌트(30)(즉, 렌즈 표면이 광원을 마주함)의 전면(S1)까지의 거리이다. BWD는 렌즈 컴포넌트(30)의 후면(S2)으로부터 반사기(50)까지의 거리이다. 바람직하게, 반사기(50)는 광원(20)의 평균 방출 각(빔 중심)이 수신부(70) 상의 평균 빔 각에 평행한 경우(즉, 비-선형 광학 결정(70')의 입력 패시트에 의해 인터셉트되는 광 수렴 콘의 중심에 평행한 경우), 최적의 광 결합이 획득되게 하는 렌즈 컴포넌트(30)의 후방 초점면에 위치한다.

바람직하게, 광원(20)이 최대 반각 Θ을 갖는 발산 빔을 제공한다면, 광원의 평균 방출 각이 수신부 상의 평균 빔 각에 평행하도록 반사기(50)는 렌즈 컴포넌트(50)의 후방 초점면에 위치한다. 바람직하게, 디센터된 광원이 렌즈 컴포넌트의 초점면에 위치하는 경우, 축으로부터 750μm 떨어질 때까지, 렌즈 컴포넌트(30)는 (반사기 표면의 법선에 대해) 각 Θ'에 있도록 즉, 0.05 RAD < Θ' < 0.2 RAD가 되도록 시준된 빔을 제공하는 구조를 갖는다.

예시적인 렌즈 컴포넌트(30)는 광원의 이미지를 수신부에 제공하는 구조를 갖는데, 이 이미지는 (i) 렌즈 컴포넌트의 광축이 레이저 시스템 축(2개의 도파로들의 패시트 사이의 중심선)에 대해 또는 광원의 평균 방출 각(빔 중심)에 대해 잘못 정렬되지 않은 경우 0.05 이상의 파동 RMS 및 0.1 미만 파동 RMS의 비점 수차, 및 (ⅱ) 렌즈 컴포넌트가 광원의 평균 방출 각에 관해 2 내지 6도 정도 틸트된 경우, 2 내지 6도의 틸트 각에 대해 약 0.05 미만의 비점 수차를 특징으로 한다. 이에 따라, 렌즈 컴포넌트(30)가 레이저 시스템(10)을 조립하는 동안 잘못 정렬된 경우(예를 들어, 살짝 틸트되거나 디센터된 경우)에도, 수신부(70) 상의 RMS 파면 오차는 ≤0.1λ이며, 여기서 λ는 광원(20)에 의해 제공되는 중심 파장이다.

비점 수차는 (i) 렌즈 컴포넌트에서의 웨지(wedge), (ⅱ) 다른 표면들에 비해 디센터된 하나의 표면, (ⅲ) 다른 표면들에 비해 틸트된 하나의 표면에 의해 생성될 수도 있다.

바람직하게, 여기에서 설명한 실시형태들의 렌즈 컴포넌트(30)는 최소 결합 페널티를 갖는 결정 도파로(70'A)와 다이오드 도파로(20'A) 사이의 상대적으로 넓은 공극(AG)을 허용하도록 최적화되어 있다. 즉, 렌즈 컴포넌트(30)는 결정 도파로(70'A)의 입력 패시트와 다이오드 도파로(20'A)의 출력 패시트가 상대적으로 긴 길이 d만큼 이격되는 경우에도 높은 결합 효율을 유지한다. 광경로가 접히고, 단 하나의 렌즈 컴포넌트(30)가 활용되기 때문에, (다이오드 도파로(20'A)의 출력 패시트의) 피사체와 (결정 도파로(70'A)의 입력 패시트에 위치하는) 이미지가 렌즈 컴포넌트의 광축에 떨어져서 위치한다. 전술한 바와 같이, 바람직하게, 렌즈 컴포넌트(30)는 (예를 들어, 0.01λ와 0.1λ 사이이며, λ는 다이오드 레이저(20')에 의해 제공되는 파장인) 작은 비점 수차를 갖도록 설계되며, 그 목적은 축에서 떨어져서 위치하는 도파로들(20'A 및 70'A)에 관한 이미지면(image plane)에 있는 빔 지점(beam spot)의 최소 왜곡을 제공하기 위한 것이다. 상업적으로 이용가능한 다양한 렌즈 컴포넌트를 이용하여 획득 가능한 결합 효율(CE) 대 LD-SHE 수직 거리의 비교가 도 9에 도시되어 있다. 제1 예시적인 렌즈 컴포넌트(렌즈 #1)는 제2 예시적인 렌즈 컴포넌트(렌즈 #2)보다 더 낮은 비점 수차를 가지며, 그 결과, 도파로 이격에 대한 더 큰 오차 허용범위를 초래한다. 제1 렌즈 컴포넌트에 관한 결합 곡선은 또한 2개의 상이한 렌즈부터 거울까지의 거리(BWD)인 2mm와 2.3mm에 관해 계산되었다.

또한, 짧은 초점 거리 렌즈 컴포넌트(30)는 레이저 시스템의 길이를 최소화하는데 바람직하다. (거울(50)과 2개의 도파로들(70'A 및 20'A) 사이의 거리는 대략 초점 거리의 2배이다.) 더구나, 짧은 초점 거리 렌즈 컴포넌트(30)는 긴 초점 거리 컴포넌트보다 온도의 함수로서 초점이 덜 흐려질 것이다. 제1 근사화를 위해, 렌즈 컴포넌트(30)의 굴절률의 온도 유발 변화에 의해 발생하는 렌즈 초점 거리 f의 변화는,

에 의해 근사화되며, 여기서 f는 초점 거리, n은 렌즈 소재의 명목 굴절률, dn/dT는 온도에 따른 굴절률의 변화이다. 이에 따라, 더 짧은 초점 거리의 렌즈 컴포넌트는 (더 작은 df/dT) 초점 위치에서 더 적은 이동을 제공할 것이다. 따라서, 바람직하게, 초점 거리 f는 5mm 미만, 더 바람직하게, 1mm ≤ f ≤ 3mm이고, 가장 바람직하게, 1mm ≤ f ≤ 2mm이다. 마지막으로, 낮은 dn/dT 값을 갖는 렌즈 소재를 선택하는 것이 바람직하다.

렌즈 컴포넌트(30)와 거울(50) 사이의 대략적인 공간(즉, 후방 작동 거리(BWD))이 초점 거리와 거의 같다면, BWD의 정확한 선택은 여러 다른 고려사항에 의해 영향을 받는다. 제1 고려사항은 다이오드 레이저(20')로부터의 레이저 빔의 발사 각(빔(22)의 평균 방출 각 또는 빔 중심의 각)이다. 다이오드 도파로(20'A)가 비-평탄 클리브(non-flat cleave)를 갖는다면, 방출 광은 z-축으로부터 위 또는 아래로 몇 도 정도 떨어져서 용이하게 발사될 수 있다. 이는 최적의 BWD가 초점 거리와 상당히 상이할 것이라는 것을 의미하며, 이는 반사된 빔이 최적의 각으로 (예를 들어, 결정 도파로(70'A)의 입력 패시트에 수직하게) 다이오드 도파로(20'A)의 입력 패시트로 들어갈 수 있게 한다. 이는 도 10A에 예로서 도시되어 있다. 그러나, 광학 시스템에서의 대칭성으로부터의 이러한 출발은 2개의 도파로(70'A 및 20'A)의 배치에 관한 정렬 오차 허용범위를 더 엄격하게 하고, 렌즈 컴포넌트(30)의 위치 오차 허용범위를 더 엄격하게 한다. 레이저 빔(22)의 발사 각이 광축에 평행하다면, 레이저 시스템은 대칭성을 유지할 것이고, 텔레센트릭할 것이며(도 10), 이는 2개의 도파로(70'A 및 20'A)의 위치에 관한 오차 허용범위를 더 느슨하게 한다. 그러므로, 방출 IR 빔(22)이 렌즈 컴포넌트(30)의 렌즈 광축에 평행하도록 다이오드 레이저(20')를 물리적으로 실장하는 것이 바람직하다. 이는 도 11에 도시된 바와 같이, 각 Θ로 다이오드 레이저(20')를 실장함으로써 행해질 수 있다. 본 실시형태에서, 실장 각 Θ = 3.3° 이고, 캡 레이어는 두께가 200μm이다. 이러한 설계는 결정 도파로(70'A)의 입력 패시트로의 적절한 입사각을 보장함으로써 결합 광의 양을 증가시키며, 텔레센트릭하게 만들어서 광학 시스템의 정렬 오차 허용범위를 넓힌다.

BWD 선택시 제2 고려사항은 다이오드 도파로와 동일한 결정 도파로 (70'A)의 입력 패시트와 다이오드 레이저의 출력 패시트 사이에 형성되는 캐비티의 광경로 길이를 설정하는 것이다. 캐비티의 모드 공간(mode spacing)은 결정으로부터의 후방 반사에 의해 형성된다. 비선형 변환 프로세스의 효율은 (대역폭 Δλ은 대략 0.2nm인) IR 레이저 파장의 민감한 함수이다. 이는 레이저 시스템의 녹색 출력 전력이 다이오드 레이저(20')에 의해 제공되는 IR 광의 작은 파장 변화에 민감하게 만든다. 다이오드 레이저는 매우 미세한 양의 피드백에도 지극히 민감하기 때문에, 결정 파장(70'A)의 입력 패시트는 반사-방지 코팅되고, 각이 클리브되어, 반사 및 이로 인한 다이오드 레이저(20')로의 피드백을 최소화한다. 이러한 경우에도, 다이오드 레이저(20')의 모드 선택에 영향을 미치기에 충분한 반사 및 후방 산란(back scatter)이 여전히 존재할 수 있다. 이러한 피드백이 시간에 따라 변한다면, 레이저 시스템(10)의 광학 컴포넌트들 중 어느 하나에 의해 형성되는 캐비티의 열적 변화 또는 다른 환경적인 변화를 통해, 다이오드 레이저(20')는 모드 호핑을 경험할 수 있고, 레이저 시스템의 출력 전력(녹색 광 출력 전력)은 변동될 것이다. 이들 변화의 영향을 최소화하는 하나의 방법은 (다이오드 도파로(20'A)의 출력 패시트와 결정 도파로(70'A)의 입력 패시트에 의해 형성되는) 외부 캐비티가 다이오드 레이저와 거의 동일한 자유 스펙트럼 범위라는 것을 보장하는 것이다. 모드 공간 또는 광학 캐비티의 스펙트럼 범위는 다음의 수식에 의해 결정된다.

여기서, λ는 레이저 파장(예를 들어, 다이오드 레이저의 IR 파장)이고, L은 (예를 들어, 다이오드 도파로의) 광학 캐비티 길이이며, n은 캐비티 내의 (예를 들어, 다이오드 레이저(20')에 의해 형성되는 다이오드 레이저 캐비티 내의) 굴절률이다. 예를 들어, 3mm의 길이의 InGaAs 적외선 다이오드 레이저(20')의 모드 공간은 대략 0.06nm이다. 이는 본 실시예에서 다이오드 도파로(20')의 출력 패시트와 결정 도파로(70'A)의 입력 패시트 사이의 요구되는 OPL은 초점 거리가 약 1.5mm인 렌즈 컴포넌트(30)를 이용함으로써 획득될 수 있다.

도 12는 2개의 상이한 예시적인 렌즈 컴포넌트들의 경우에 BWD(렌즈에서 거울까지의 공간 또는 거리)의 함수로서 다이오드 도파로(20'A)와 결정 도파로(70'A) 사이의 광경로 길이를 도시한 것이다. 원하는 광경로 길이는 9.36mm이며, 이는 다이오드 레이저(20')의 캐비티 모드 공간과 일치한다. 도 13은 동일한 2개의 예시적인 렌즈 컴포넌트들에 관한 BWD의 함수로서 결합 효율을 도시한 것이다. 도 13에 도시한 바와 같이, 최적의 결합 거리로부터 떨어진 BWD의 (수백 마이크론 이하의) 작은 조정만이 최적의 광경로 길이를 생성하는데 필요하다. 예를 들어, 도 13은 OPL = 9.36mm를 제공하는 공간들을 도시한 것이다.

실시예들

본 발명은 다음의 실시예들로 더 분류될 것이다.

실시예 1

도 14는 도 11에 도시된 렌즈 컴포넌트(30)를 도시한 것이다. 예시적인 본 실시형태에서, 도 2 및 도 3의 렌즈 컴포넌트(30)는 0.4의 개구수(NA)에 비해 1060nm의 파장에서 ±200μm 필드에 관한 0.1λ 미만의 RMS(제곱 평균의 제곱근) 파면 오차(WFE)를 제공하고, 광원 및 수신부 사이의 광경로 길이가 9.36mm가 되도록 초점 거리 및 두께의 조합을 갖는데 최적화되어 있다.

렌즈 컴포넌트(30)의 곡률 반경 (r₁, r₂), 두께 Th(꼭지점에서 꼭지점), 및 비구면 계수는:

1. 코마 수차 및 비점 수차를 최소화하고(시스템 성능에 최악인 2개의 수차);

2. 레이저 시스템이 비-선형 광학 결정(70')과 다이오드 레이저(20')의 도파로 부위 사이의 400μm의 이격을 위한 우수한 결합 효율을 갖도록 큰 관측 필드, 즉 큰 개구에 결합된 낮은 필드 수차(예를 들어, NA = 0.4)를 획득하며;

3. 비-선형 광학 결정(70')(예를 들어, 2차 고조파 생성 (SHG) 결정)과 다이오드 레이저(20')의 출력 패시트 사이에 형성된 캐비티가 다이오드 레이저 캐비티와 동일한 광경로 길이를 갖도록, 결합 캐비티 조건에서 레이저 시스템(10)이 작동하게 하는 초점 거리 및 두께의 적절한 조합으로 제공하기 위해 선택하는 것이 유리하다.

전술한 바와 같이, 렌즈 컴포넌트(30)는 전면(S1) 및 후면(S2)을 갖는다. 바람직하게, 전면(S1)은 곡률 r₁을 갖는 볼록한 비구면이다. 바람직하게, 후면(S2)은 곡률 r₂를 갖는 볼록한 비구면이며, |r₁| > |r₂|이다.

도 14의 렌즈 컴포넌트(30)는 다음의 특징들을 가지며, (Ⅰ) 레이저 시스템이 결합 캐비티 조건에 있게 한다는 것이고(비선형 광학 결정과 다이오드 레이저 사이의 OPL은 다이오드 레이저와 ±0.05mm 내에서 동일함), 즉, OPL = (0.9mm + 1.744mm × 1.5 + 1.18mm) × 2 = 9.39mm이며; 그리고, (Ⅱ) 다음의 파라미터를 갖는다는 것인데, (ⅰ) FWD = 0.90mm이고; (ⅱ) 두께 T(꼭지점에서 꼭지점)가 1.74mm이고; (ⅲ) 초점 거리 f = 1.76mm이고; (ⅳ) 1060nm에서 유리 굴절률 N이 1.5이고; (ⅴ) 전면(S1)의 유효 지름이 1.4mm이고; (ⅴ) 후면(S2)의 유효 지름이 2mm이고; (ⅵ) NA = 0.61이고; (ⅶ) 렌즈 컴포넌트 외부 지름이 2.5mm 내지 3mm이다. 표면들(S1 및 S2)의 표면 처짐(surface sag)은 다음의 수식으로 주어지는데:

여기서, c는 곡률이며, r은 렌즈 컴포넌트의 중심으로부터의 방사 거리(radial distance), 및 k = 원추 계수(conic coefficient)이다.

도 14의 렌즈 컴포넌트(30)의 표면 파라미터들은 표 1에 주어져 있다.

도 15는 레이저 시스템(10)에서 사용하는데 적합한 렌즈 컴포넌트(30)의 성능 및 결합 애플리케이션에 통상적으로 이용되는 2개의 예시적인 상업적 비구면 렌즈들(1 및 2)의 성능을 도시한 것이다. 전술한 바와 같이, 비선형 광학 결정(70')의 도파로의 전방 패시트 및 적외선 다이오드(20')의 도파로의 출력 패시트는 작은 거리 d만큼 이격되어 있다. 도 15는 렌즈 컴포넌트(30)가 유사한 초점 거리를 갖는 2개의 상업적으로 이용가능한 비구면 결합 렌즈들보다 더 높은 결합 효율을 갖는다. 예를 들어, 렌즈 컴포넌트(30)는 최대 결합 효율의 약 90% 이상으로 유지되며, 이 경우, 비선형 광학 결정(70')의 도파로의 전방 패시트와 적외선 다이오드(20')의 도파로의 출력 패시트는 450μm(0.45mm)까지의 거리 d만큼 이격되어 있고, 다른 2개의 렌즈들은 각각 350μm 및 215μm의 d 값을 위해 최대 결합 효율의 90%로 유지되었다. 유사하게, 렌즈 컴포넌트(30)는 최대 결합 효율의 약 80% 이상으로 유지되며, 이 경우, 비선형 광학 결정(70')의 도파로의 전방 패시트와 적외선 다이오드(20')의 도파로의 출력 패시트는 약 560μm의 거리 d만큼 이격되어 있고, 다른 2개의 렌즈들은 각각 360μm 및 270μm의 d 값을 위해 최대 결합 효율의 80%로 유지되었다.

실시예 2

도 16은 레이저 시스템(10)에서 사용되는데 적합한 예시적인 다른 렌즈 컴포넌트(30)를 도시한 것이다. 도 16의 렌즈 컴포넌트(30)는 다음의 특징들을 가지며,

(Ⅰ) 레이저 시스템이 결합 캐비티 조건에 있게 한다는 것이며(비선형 레이저 시스템과 다이오드 레이저 사이의 OPL은 다이오드 레이저와 ±0.05mm 내에서 동일함); 그리고

(Ⅱ) 다음의 파라미터를 갖는다는 것인데, (ⅰ) FWD = 0.568mm이고; (ⅱ) 두께 Th(꼭지점에서 꼭지점)가 1.82mm이고; (ⅲ) 초점 거리 f = 1.4mm이고; (ⅳ) 1060nm에서 유리 굴절률 N이 1.784이고; (ⅴ) NA = 0.4이다.

도 16의 렌즈 컴포넌트(30)의 표면 파라미터들은 표 2에 주어져 있다.

실시예 3

도 17은 레이저 시스템(10)에서 사용되는데 적합한 예시적인 다른 렌즈 컴포넌트(30)를 도시한 것이다. 도 2 및 도 3의 렌즈 컴포넌트(30)는 다음의 특징들을 가지며,

(Ⅱ) 다음의 파라미터를 갖는다는 것인데, (ⅰ) FWD = 1.01mm이고; (ⅱ) 두께 Th(꼭지점에서 꼭지점)가 1.578mm이고; (ⅲ) 초점 거리 f = 1.789mm이고; (ⅳ) 1060nm에서 유리 굴절률 N이 1.5이고; (ⅴ) NA = 0.4이다.

도 17의 렌즈 컴포넌트(30)의 표면 파라미터들은 표 3에 주어져 있다.

렌즈 구성요소 최적화

렌즈 시스템을 최적화하는 종래의 방법은 이들의 명목 위치에 모든 광학 구성요소들을 놓는 것에 있으며, 광학 설계 소프트웨어가 소정의 최적화 기능을 위한 로컬 최소값을 찾게 하는 것에 있다. 또한, 가능한 큰 광학 컴포넌트의 위치 허용 오차범위를 만들기 위해, 일반적인 최적화 방법은 중간 공간(즉, 광학 컴포넌트들 사이)에서의 수차들을 최소화하는 단계로 구성된다. 즉, 통상적인 최적화 동안, 렌즈 설계자는 광 전력을 제공하는 각각의 광 표면 후에 파면이 완전한 (구형 또는 평면) 파면에 가능한 가깝다는 것을 검증하려고 노력한다. 이는 최적화 기능으로 중간 공간(즉, 광학 구성요소 및 상이한 표면들 사이의 공간)에서 자이델 계수(Seidel coefficient)(수차)들에 대한 일부 제한사항들을 포함함으로써 일반적으로 행해진다.

접힘 구성에 이 방법을 적용함으로써, 다이오드 레이저를 가지고 0.5mm까지의 PPLN 결정 거리 d에 대한 우수한 결과를 얻었다. 공교롭게도, 이러한 타입의 최적화를 이용하는 모든 설계들은 매우 엄격한 제조 및 조립 위치 오차 허용범위를 가졌으며, 가장 중요한 것은 렌즈 컴포넌트의 틸트였으며, 약 1도 이하로 제한되었다.

렌즈 컴포넌트(30) 또는 거울(50)의 약간의 틸트의 영향은 대부분 코마 수차 및 비점 수차를 도입한다는 것이고, 이들 모두는 결함 저하(비선형 광학 결정과 다이오드 레이저 사이의 더 적은 효율의 결합)에 기여한다.

도 18은 렌즈 수차 대 렌즈 틸트를 도시한 것으로서, 더 상세하게는, 하나의 예시적인 렌즈(30)의 틸트의 함수로서 전체 파면 오차(WFE)의 진전을 도시한 것이다. 이러한 계산은 다이오드 레이저와 PPLN 결정 상이의 거리 d는 고정적으로 유지되며(0.35mm), 초점은 렌즈 틸트의 값마다 조정된다. 틸트가 증가함에 따라, (지배적인 수차들인) 코마 수차(C)와 비점 수차(A) 모두가 증가한다. 결과적으로 파면 오차는 렌즈가 틸트되지 않으면 매우 작지만, 틸트가 증가함에 따라 급속하게 디그레이드된다.

허용 오차범위를 느슨하게 하기 위해, 다른 최적화 방법을 시도하였다. 최적화로부터 발생한 렌즈 컴포넌트는 형상 및 비구면화 측면에서 이전 컴포넌트와 매우 유사하다. 그러나, 오차 허용범위 분석은 렌즈 틸트 및 거울 각에서의 오차 허용범위가 5의 배수만큼 느슨해진다는 것을 보여준다. 이러한 완화가 어디에서부터 오는지를 이해하기 위해, 렌즈의 틸트의 함수로서 수차들의 변화들을 다시 계산하였다. 도 19 또한 렌즈 수차 대 렌즈 틸트를 도시한 것이다. 도 19에서 알 수 있는 것처럼, 비점 수차 곡선(A)은 틸트가 0에 있을 때 최소값에 있지 않으며, 렌즈의 틸트가 증가함에 따라 실질적으로 감소한다. 이는 모든 컴포넌트들이 틸트 없이 명목 위치에 있는 경우, 렌즈의 틸트가 증가할 때 나타나는 것을 보상하는 일부 잔류하는 비점 수차를 설계가 제시한다는 것을 기본적으로 의미하다.

결과적으로 전체 수차들은 렌즈들의 각진 틸트의 넓은 범위에 걸쳐 상대적으로 평탄하게 유지된다. 즉, 명목 설계는 훨씬 더 넓은 범위의 위치 오차 허용범위를 수용할 수 있다.

도 20은 설계들(렌즈 설계 #1 및 #2) 대 렌즈의 틸트 및 거울의 틸트 각각에 관해 계산된 결합 효율을 도시한 것이다. 알 수 있는 바와 같이, 오차 허용범위는 컴포넌트들이 명목 위치에 있을 때 결합에 상당한 영향을 미치지 않고 극적으로 개선된다.

이러한 분석은 일부 잔류 비점 수차를 설계에 도입함으로써 위치 오차 허용범위가 극적으로 개선될 수 있다는 것을 보여준다. 비점 수차는 시스템이 위치 오차 허용범위에 대해 훨씬 많은 것을 포기하게 하는 컴포넌트의 잘못된 정렬에 의해 생성되는 것을 보상한다.

당업자에게는 본 발명의 사상 및 범위에서 벗어나지 않고, 다양한 변형 및 변화가 본 발명에 가능하다는 것이 명백할 것이다. 이에 따라, 본 발명은 첨부된 청구항 및 그 균등물의 범위 내에 있는 본 발명의 변형 및 변화를 포함하는 것을 의도한다.

Claims

광축을 갖는 접힘 레이저 시스템으로서,
(I) 간섭성 광원;
(Ⅱ) 반사기;
(Ⅲ) 상기 광원과 반사기 사이에 위치하는 렌즈 컴포넌트; 및
(Ⅳ) 비-선형 광학 결정을 포함하며,
상기 광원과 상기 비-선형 광학 결정은 50μm 이상의 거리 d 및 공극만큼 이격되어 있으며,
(a) 상기 렌즈 컴포넌트는 상기 광원으로부터 광을 인터셉트할 때 시준된 빔이 상기 광축에 대해 각 Θ로 기울어지도록 상기 시준된 빔을 제공하기 위해 위치하고, (b) 상기 반사기는 상기 시준된 빔을 인터셉트하고, 상기 시준된 빔을 상기 렌즈를 통해 상기 비-선형 광학 결정으로 반사하기 위해 위치하고, (c) 상기 렌즈 컴포넌트는 상기 비-선형 광학 결정 상에 상기 간섭성 광원의 이미지를 제공하기 위한 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 접힘 레이저 시스템.
광축을 갖는 접힘 레이저 시스템으로서,
(I) 간섭성 광원;
(Ⅱ) 반사기;
(Ⅲ) 상기 광원과 반사기 사이에 위치하는 렌즈 컴포넌트; 및
(Ⅳ) 비-선형 광학 결정을 포함하며,
상기 광원과 상기 비-선형 광학 결정은 상기 광축에 대해 상당히 대칭적으로 위치하며, 50μm 이상의 거리 d 및 공극만큼 이격되어 있으며,
(a) 상기 렌즈 컴포넌트는 상기 광원으로부터 광을 인터셉트할 때 시준된 빔이 상기 광축에 대해 각 Θ로 기울어지도록 상기 시준된 빔을 제공하기 위해 위치하고, (b) 상기 반사기는 상기 시준된 빔을 인터셉트하고, 상기 시준된 빔을 상기 렌즈를 통해 상기 비-선형 광학 결정으로 반사하기 위해 위치하고, (c) 상기 렌즈 컴포넌트는 상기 비-선형 광학 결정 상에 상기 간섭성 광원의 이미지를 제공하기 위한 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 접힘 레이저 시스템.
제 2 항에 있어서,
상기 간섭성 광원은 다이오드 레이저이고, 상기 비-선형 광학 결정 및 상기 다이오드 레이저는 서로에 관해 틸트(tilt)되는 것을 특징으로 하는 접힘 레이저 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 비-선형 결정은 상기 다이오드 위에 캔틸레버(cantilever)되어 있는 것을 특징으로 하는 접힘 레이저 시스템.
제 2 항에 있어서,
상기 간섭성 광원은 다이오드 레이저이고, 상기 비-선형 광학 결정은 상기 다이오드 레이저로부터 멀리 떨어진 상기 결정의 전면을 이용하여 유지되는 것을 특징으로 하는 접힘 레이저 시스템.
제 2 항에 있어서,
상기 d는 1500μm 이하인 것을 특징으로 하는 접힘 레이저 시스템.
제 6 항에 있어서,
상기 d는 500μm 이하인 것을 특징으로 하는 접힘 레이저 시스템.
제 7 항에 있어서,
상기 d는 150μm 이상이고 500μm 이하인 것을 특징으로 하는 접힘 레이저 시스템.
제 2 항에 있어서,
상기 레이저 시스템은 0.05 초과의 파동 RMS와 0.1 미만의 파동 RMS의 비점 수차를 특징으로 하는 접힘 레이저 시스템.
제 2 항에 있어서,
상기 반사기는 상기 광원의 평균 방출 각의 방향이 상기 수신부 상의 평균 빔 각에 평행하도록 상기 렌즈 컴포넌트의 초점면에 위치하는 것을 특징으로 하는 접힘 레이저 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 렌즈 컴포넌트는 배율 M으로 이미지화하기 위해 위치하며, 상기 배율 M의 절대값(| M |)은 0.9 이상이고 1.1 이하인 것을 특징으로 하는 접힘 레이저 시스템.
제 2 항에 있어서,
상기 광원은 다이오드 레이저이고, 상기 수신부로부터 상기 다이오드 레이저까지의 광경로 거리(optical path distance (OPD))는 상기 다이오드 레이저 내부의 OPD와 동일한 것을 특징으로 하는 접힘 레이저 시스템.
제 12 항에 있어서,
상기 광경로 거리(OPD)는 10mm 미만인 것을 특징으로 하는 접힘 레이저 시스템.
제 2 항에 있어서,
상기 렌즈 컴포넌트는 개구수(NA)가 0.35 내지 0.6이고, 초점거리 f가 1mm 내지 3mm인 양면 비구면 단렌즈(singlet)인 것을 특징으로 하는 접힘 레이저 시스템.
제 1 항에 있어서,
전방 작동 거리(FWD)가 0.3mm 내지 3mm인 것을 특징으로 하는 접힘 레이저 시스템.
제 2 항에 있어서,
후방 작동 거리(BWD)가 1.5mm 내지 3mm인 것을 특징으로 하는 접힘 레이저 시스템.
제 2 항에 있어서,
상기 광원으로부터의 광은 상기 수신부에 도달하기 전에 상기 렌즈 컴포넌트를 2회 통과하는 것을 특징으로 하는 접힘 레이저 시스템.
제 2 항에 있어서,
(a) 상기 레이저 컴포넌트는 상기 광원으로부터의 광을 인터셉트할 때 시준된 빔을 제공하기 위해 위치하며; 그리고
(b) 상기 반사기는 상기 시준된 빔을 인터셉트하고, 상기 렌즈를 통해 상기 비-선형 광학 결정으로 상기 시준된 빔을 반사하기 위해 위치하며, 상기 시준된 빔은 상기 광축에 대해 각 Θ'로 기울어져 있으며, 상기 각 Θ'는 0.05 RAD 이상이고 0.2 RAD 이하이며, 상기 광원은 상기 렌즈의 초점면에 위치하며, 상기 렌즈 컴포넌트의 상기 광축으로부터 740μm 미만의 거리 d'만큼 디센터되어 있는 것을 특징으로 하는 접힘 레이저 시스템.
제 18 항에 있어서,
상기 각 Θ'는 0.09 RAD 이상이고 0.17 RAD 이하인 것을 특징으로 하는 접힘 레이저 시스템.
제 2 항에 있어서,
상기 렌즈 컴포넌트는:
(a) 전면 및 후면;
(b) 0.35 내지 0.5의 NA; 및
(c) 1mm 내지 3mm의 초점 길이를 가지며,
상기 전면은 곡률 r₁을 갖는 볼록한 비구면이며, 상기 후면은 곡률 r₂을 갖는 볼록한 비구면이며, |r₁|>|r₂|인 것을 특징으로 하는 접힘 레이저 시스템.
제 2 항에 있어서,
상기 반사기는 상기 광원의 평균 방출 각의 방향이 상기 수신부 상의 평균 빔 각에 평행하도록 상기 렌즈 컴포넌트의 이미지 초점면에 위치하는 것을 특징으로 하는 접힘 레이저 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 다이오드 레이저는 상기 레이저 다이오드로부터 방출된 빔의 중심이 상기 렌즈 컴포넌트의 광축의 중심과 평행하도록 상기 다이오드의 클리브 각을 보상하는 각으로 실장되는 것을 특징으로 하는 접힘 레이저 시스템.