KR20130020529A - 고체 레이저 장치 및 그의 구동방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 구동시의 열 발생량을 감소시킨 고체 레이저 장치 및, 그의 구동방법에 관한 것이다. 고체 레이저 장치는 여기 에너지를 입력 받아 레이저 광을 생성하고 레이저 광이 응축된 단속적인 펄스 형태의 레이저 펄스 광을 출력하는 이득 매질과, 이득 매질에 인접하여 배치되며, 레이저 펄스 광의 주기에 동기화된 펄스 신호인 펌핑제어신호에 따라 이득 매질에 여기광을 방사하여 여기 에너지를 주입하는 광펌핑부를 포함하되, 광펌핑부는 레이저 펄스 광의 출력이 상승하기 이전에 턴 온(turn on)된다.

Description

고체 레이저 장치 및 그의 구동방법 {Solid state laser device and driving method of the same}

본 발명은 고체 레이저 장치 및 그의 구동방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 구동시의 열 발생량을 감소시킨 고체 레이저 장치 및 그의 구동 방법에 관한 것이다.

레이저(LASER) 장치는 광펌핑 작용에 의한 빛의 유도 방출(Stimulated emission)현상을 이용하여 레이저 광을 생성하도록 만들어진 기계 장치이다. 광 펌핑 작용은 레이저의 주요 구성부인 이득 매질(gain medium)로 여기 에너지를 주입하는 작용을 말하며, 이득 매질 내부의 전자들은 광펌핑 작용에 의해 여기되어 레이저 광을 생성한다. 레이저 장치 중 고체 상태의 결정질의 물질을 이득 매질로 사용하는 레이저 장치를 특히 고체 레이저 장치(Solid state laser device)라 하며, 고체 레이저 장치는 상대적으로 컴팩트한 구성이 가능하다.

이와 같은 고체 레이저 장치에 의해 생성된 레이저 광은 고도로 증폭된 빛살들의 집합으로, 일직선상으로 직진하는 빔의 형태이며 결맞음성(coherence: 가간섭성), 단색성 등의 독특한 특징을 갖는다. 이러한 특징들로 인해, 고체 레이저 장치는 제조 공정을 포함한 산업 전반에 걸쳐 효과적으로 이용되고 있으며, 이 밖에도 외과 수술시에 피부를 정밀하게 절개하거나, 신체 조직의 일부를 선택적으로 절제하는 역할을 하는 의료용 기기로도 많이 사용되고 있다.

하지만, 광펌핑시 고체 레이저 장치에는 많은 양의 발열이 일어나게 된다. 발열 현상은 광펌핑 작용이 진행되는 동안 지속적으로 발생하며, 레이저 장치의 온도를 불필요하게 상승시키게 된다. 장치가 컴팩트하게 구성되는 경우 이러한 불필요한 온도 상승은 더욱 문제가 될 수 있다. 따라서, 불필요한 온도 상승에 의한 레이저 장치의 성능 저하 및 수명 단축을 방지하기 위해서 고체 레이저 장치에는 냉각부가 필수적으로 설치된다.

종래 고체 레이저 장치는 발열지점의 주위로 냉각수가 공급되도록 하는 수랭식(水冷式) 냉각 방식이 적용된 냉각부가 주로 사용되었는데, 수랭식 냉각부가 구성되는 경우, 레이저 광의 광로가 방해 받지 않도록 하기 위하여 냉각부의 구성이 필요이상으로 복잡하게 되거나 고체 레이저 장치의 크기가 증가되는 문제점이 있었다. 반면에 공랭식(空冷式) 냉각 방식은 냉각 효율이 떨어져 고출력의 레이저 장치에는 적용이 어렵다는 단점이 있었다.

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 발열량을 감소시킨 고체 레이저 장치 및 그의 구동방법을 제공하려는 것이다.

본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 일 실시예에 의한 고체 레이저 장치는, 여기 에너지를 입력 받아 레이저 광을 생성하고 레이저 광이 응축된 펄스 형태의 레이저 펄스 광을 출력하는 이득 매질과, 이득 매질에 인접하여 배치되며, 레이저 펄스 광의 주기에 동기화된 펄스 신호인 펌핑제어신호에 따라 이득 매질에 여기광을 방사하여 여기 에너지를 주입하는 광펌핑부를 포함하되, 광펌핑부는 레이저 펄스 광의 출력이 상승하기 이전에 턴 온(turn on)된다.

이득 매질의 일단부에 위치하여 이득 매질로부터 방출되는 레이저 광을 반사시켜 이득 매질로 재입사시키는 리플렉터 미러와, 이득 매질의 타단부에 위치하여 이득 매질로부터 방출되는 레이저 광 중 일부는 반사시키고 일부는 투과시키는 출력 커플링 미러 및, 리플렉터 미러와 출력 커플링 미러 사이의 레이저 광의 경로상에 위치하여, 스위칭 제어 신호에 따라 레이저 광을 스위칭하는 큐(Q)스위치를 더 포함하되, 광펌핑부는 큐스위치가 턴 오프(turn off)되기 전에 턴 온 된다.

본 발명의 다른 실시예에 의한 고체 레이저 장치는, 여기 에너지를 입력 받아 레이저 광을 생성하고 레이저 광이 응축된 단속적인 펄스 형태의 제1 레이저 펄스 광을 출력하는 제1 이득 매질과, 이득 매질에 인접하여 배치되며, 제1 레이저 펄스 광의 주기에 동기화된 펄스 신호인 제1 펌핑제어 신호에 따라 제1 이득 매질에 여기광을 방사하여 여기 에너지를 주입하는 제1 광펌핑부와, 제1 이득 매질의 일단부에 위치하여 제1 이득 매질로부터 방출되는 레이저 광을 반사시켜 제1 이득 매질로 재입사시키는 리플렉터 미러와, 제1 이득 매질의 타단부에 위치하여 제1 이득 매질로부터 방출되는 레이저 광 중 일부는 반사시키고 일부는 투과시키는 출력 커플링 미러와, 리플렉터 미러와 출력 커플링 미러 사이에 레이저 광의 경로상에 위치하여, 스위칭 제어 신호에 따라 레이저 광을 스위칭하는 큐(Q)스위치를 포함하되, 제1 광펌핑부는 큐스위치가 턴 오프(turn off)되기 전에 턴 온(turn on)되는 레이저 발생 모듈 및, 레이저 발생 모듈과 직렬로 배치되어 출력 커플링 미러를 통과한 제1 레이저 펄스 광이 입사하면 제1 레이저 펄스 광보다 출력이 높은 제2 레이저 펄스 광을 출력하는 제2 이득 매질과, 제2 이득 매질에 인접하여 배치되어 제2 이득 매질에 여기광을 방사하는 제2 광펌핑부를 포함하되, 제2 광펌핑부는 제1 레이저 펄스 광의 출력이 상승하기 이전에 턴 온(turn on) 되는 레이저 증폭 모듈을 포함한다.

본 발명에 의한 고체 레이저 장치는, 광펌핑 작용이 레이저 펄스 광의 발생 주기와 동기화되어 광펌핑시 발생하는 발열 현상이 줄어들게 되며, 이와 함께 열전 소자를 이용한 공랭식 냉각부를 이용하여 고체 레이저 장치의 불필요한 온도 상승이 효과적으로 방지될 수 있다.

또한, 광펌핑 작용이 가능한 증폭 모듈을 이용하여 방출된 레이저 펄스 광의 출력을 손쉽게 증폭시킬 수 있으며, 증폭 모듈의 광펌핑 작용 역시 레이저 펄스 광의 발생 주기와 동기화되어, 증폭 모듈과 이를 포함한 고체 레이저 장치 전체의 불필요한 온도 상승이 효과적으로 방지될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 고체 레이저 장치의 각 구성부간의 관계를 도시한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 고체 레이저 장치의 종단면도이다.
도 3a는 기존의 고체 레이저 장치의 광 펌핑 제어 패턴과 그에 따른 발열량의 추이를 개념적으로 도시한 그래프이다.
도 3b는 본 발명의 일 실시예에 의한 고체 레이저 장치의 펌핑제어신호와 그에 따른 발열량의 추이를 개념적으로 도시한 그래프이다.
도 4a는 도 1의 큐스위치에 인가되는 스위칭제어신호의 인가 패턴을 도시한 그래프이다.
도 4b는 도 1의 광펌핑부에 인가되는 펌핑제어신호의 인가 패턴을 도시한 그래프이다.
도 5a 및 도 5b는 도 3a의 스위칭제어신호, 도 3b의 펌핑제어신호 및, 그에 의해 생성된 레이저 펄스 광의 패턴을 비교하여 도시한 그래프들이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 의한 고체 레이저 장치의 각 구성부간의 관계를 도시한 블록도이다.
도 7a 및 도 7b는 도 6의 고체 레이저 장치의 동작 상태를 도시한 도면 및 그래프들이다.
도 8은 도 6의 고체 레이저 장치에 인가되는 스위칭제어신호, 제1 펌핑제어신호, 제2 펌핑제어신호 및, 그에 의해 생성된 레이저 펄스 광의 패턴을 비교하여 도시한 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 의한 고체 레이저 장치의 구동방법을 도시한 순서도이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 의한 고체 레이저 장치의 구동방법을 도시한 순서도이다.

본 발명의 이점과 특징 그리고 그것들을 달성하는 방법들은 첨부되는 도면들과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 단지 청구항에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조부호는 동일 구성요소를 지칭한다.

이하, 도 1 내지 도 5b를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 의한 고체 레이저 장치에 대해 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 고체 레이저 장치의 각 구성부간의 관계를 도시한 블록도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 고체 레이저 장치의 종단면도이고, 도 3a는 기존의 고체 레이저 장치의 광 펌핑 제어 패턴과 그에 따른 발열량의 추이를 개념적으로 도시한 그래프이며, 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 의한 고체 레이저 장치의 펌핑제어신호와 그에 따른 발열량의 추이를 개념적으로 도시한 그래프이다.

도 1을 참조하면, 고체 레이저 장치(1)는 레이저 펄스 광(L)을 출력하는 광학 기기의 일종으로서, 이득 매질(100)과, 이득 매질(100)과 인접하여 이득 매질(100)로 여기 에너지를 주입하는 광펌핑부(200)와, 이득 매질(100)에서 일차적으로 생성된 레이저 광을 공진시키는 리플렉터 미러(400) 및 출력 커플링 미러(500)와, 레이저 광의 공진을 지연시킨 후 거대 펄스 형태의 레이저 펄스 광(L)으로 출력되도록 스위칭 작용을 하는 큐스위치(300)를 포함한다.

고체 레이저 장치(1)는 복사광(radiation)에 의한 빛의 유도 방출(Stimulated emission)현상에 의해 작동된다. 빛의 유도 방출(Stimulated emission) 현상이란, 어떤 물질 내부의 전자가 여기 에너지를 얻은 상태에서, 물질의 외부로부터 입사된 빛에 의해 자극되어 저 에너지 상태로 천이되면서 입사광과 광학적 특성이 동일한 빛을 방출하는 현상을 말한다. 레이저 장치가 작동하기 위해서는, 이러한 유도 방출 현상이 일어날 수 있도록 물질 내부로 여기 에너지를 주입하는 광펌핑(light pumping) 작용이 이루어져야 하며, 이 때, 광펌핑 대상이 되는 이러한 물질은 유도 방출 현상이 일어날 수 있는 특별한 에너지 준위를 가진 물질로서 레이저 광을 생성하는 이득 매질(gain medium) 또는 활성 매질(active medium)이 된다.

광펌핑부(200)는 이득 매질(100)로 여기광(ℓ)을 방사하여 광펌핑 작업을 수행하게 된다. 이 때, 광펌핑부(200)로부터 발열이 일어나게 되며, 발열에 의해 고체 레이저 장치(1) 전체의 온도가 필요 이상으로 상승될 수 있다. 따라서, 레이저 펄스 광(L)의 발생 주기와 동기화 되도록 광펌핑부(200)의 광펌핑 작용을 제어하여 발열량을 감소시키고, 광펌핑부(200)와 열적 접촉을 유지하는 냉각부(600)를 이용해 냉각 작용을 수행함으로써, 고체 레이저 장치(1)의 동작 특성이 지속적으로 유지되도록 하고, 광펌핑부(200)의 수명이 연장되도록 할 수 있다.

이하, 고체 레이저 장치(1)의 구조에 대해 좀 더 상세히 설명한다.

도 1과 함께 도 2를 참조하면, 고체 레이저 장치(1)는 하우징(700)과, 하우징(700)의 내부에 배치되는 이득 매질(100), 광펌핑부(200), 리플렉터 미러(400), 출력 커플링 미러(500) 및, 큐스위치(300)를 포함하여 형성될 수 있다. 이 때, 리플렉터 미러(400), 이득 매질(100) 및, 출력 커플링 미러(500)는 서로 연속적으로 배열되어 직선상의 광로(光路)를 형성하며, 광펌핑부(200)는 이득 매질(100)의 상하로 광로와 수직하게 배치된다. 하우징(700)의 일측 단부에는 광로를 최종적으로 개폐하는 셔터(800)가 형성될 수 있다. 큐스위치(300)는 리플렉터 미러(400)와 출력 커플링 미러(500) 사이에 형성된 광로상의 일 지점에 위치한다. 이득 매질(100), 광펌핑부(200), 리플렉터 미러(400), 출력 커플링 미러(500) 및, 큐스위치(300)는 하우징(700)의 내부에 형성된 지지구조들에 의해 각각의 위치에 지지 고정될 수 있다.

이득 매질(100)은 일단부로부터 타단부로 직선상으로 연장된 막대 형상이며, 외부에서 주입되는 여기 에너지에 의해 일차적으로 레이저 광을 생성한다. 이 때, 레이저 광이란, 전술한 유도 방출 현상에 의해 이득 매질(100)에서 생성된 광속들의 집합을 말한다. 레이저 광은 결맞음성(coherence: 가간섭성)의 성질을 지녀 쉽게 증폭되며, 리플렉터 미러(400) 및, 출력 커플링 미러(500)의 사이에서 공진되어 특정 파장을 갖는 단색광(monochromatic light)이 된다. 일반적으로, 레이저 광은 연속광의 형태를 가지지만, 큐스위치(300)의 스위칭 작용에 의해 한꺼번에 응축된 상태가 되면, 거대 펄스 형태의 레이저 펄스 광(L)으로 변환되어 출력될 수 있다.

또한, 이득 매질(100)은 펄스 형태의 입력 레이저 광이 입사되는 경우, 이를 증폭시켜 레이저 펄스 광(L)을 생성할 수 있다. 이러한 경우, 레이저 펄스 광(L)은 입력 레이저 광의 세기를 단순히 증폭시킨 것으로 주파수는 입력 레이저 광과 동일하게 유지된다.

레이저 펄스 광(L)은 나도 초(nano second) 단위의 짧은 시간 동안 단속적으로 지속되며, 킬로 와트(kW)단위의 큰 피크 에너지를 갖는다. 본 발명에 따라 이득 매질(100)은 네오디움(Nd)이 도핑된 결정질의 합성물질인 야그(YAG:Yttrium Aluminium Garnet)로 이루어질 수 있으며, 이로부터 출력된 레이저 펄스 광(L)은 1064nm(나노 미터)의 파장을 갖는 적색광일 수 있다.

광펌핑부(200)는 여기광(ℓ)을 방사하여 이득 매질(100)로 여기 에너지를 주입한다. 광펌핑부(200)는 p형 및 n형 반도체를 접합시켜 만든 광 에너지 소자인 반도체 레이저 다이오드로 형성될 수 있으며, 여기광(ℓ)은 반도체 레이저 다이오드의 접합면(junction)으로부터 방출된 반도체 레이저 광일 수 있다. 광펌핑부(200)는 펌핑제어신호에 의해 턴 온(turn on)되거나, 또는 턴 오프(turn off)된다. 광펌핑부(200)의 동작을 제어하는 펌핑제어신호는 광펌핑부(200)와 전기적으로 연결된 제어부(210)로부터 인가된다.

광펌핑부(200)는 서로 동시에 작동되는 하나 이상의 반도체 레이저 다이오드로 이루어질 수 있으며, 이를 통해 여기광(ℓ)의 방사율을 증가시킬 수 있다. 하지만, 여기광(ℓ)의 방사율이 증가하거나, 여기광(ℓ)의 방사시간이 증가되면, 광펌핑부(200)의 발열량 역시 함께 증가한다. 반도체 기기의 특성상, 발열에 의한 광펌핑부(200)의 온도상승은 광펌핑부(200)의 동작 특성을 저하시키며, 수명을 급격히 단축시킬 수 있다. 또한, 광펌핑부(200)의 광펌핑 작용에 의해 이득 매질(100) 역시 발열되어, 광펌핑부(200)의 온도 상승을 가중시킬 수 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해, 광펌핑부(200)는 온 또는 오프 상태가 반복되도록 단속적으로 동작할 수 있으며, 이에 따라, 광펌핑부(200)를 포함한 고체 레이저 장치(1) 전체의 발열량이 효과적으로 감소될 수 있다.

도 3a를 참조하면, 기존의 레이저 장치에서 광펌핑 작용은 도시된 바와 같은 제어 패턴으로 제어된다. 이에 따라 광펌핑 작용은 레이저 장치의 작동이 시작되는 시점에서 턴 온(turn on)되어 중단되는 부분 없이 계속되며, 레이저 장치 전체의 발열량(Q)은 지속적으로 증가한다. 레이저 장치가 이와 같은 발열 패턴을 갖는 경우 반도체 레이저 다이오드와 같은 광 에너지 소자가 정상적으로 동작 가능한 임계온도를 쉽게 넘어설 수 있다.

도 3b를 참조하면, 광펌핑부(도 2의 200 참조)가 광펌핑 작용이 이루어지는 사이사이에 휴지기를 갖도록 제어되면, 광펌핑부(200)를 포함한 고체 레이저 장치(1) 전체의 발열량(Q)은 광펌핑 작용이 멈추는 휴지기 동안 오히려 감소될 수 있다. 이는 광펌핑부(200)에 접촉되어 냉각작용을 하는 냉각부(도 2의 600 참조)에 의한 것이며, 냉각부(600)의 냉각 효율에 따라, 고체 레이저 장치(1)의 발열량은 더욱 큰 폭으로 감소할 수 있다. 따라서, 도시된 바와 같이 광펌핑 작용과 휴지기가 반복되도록 제어되는 고체 레이저 장치(1)는 발열량의 최대값이 완만한 곡선을 그리며 증가하는 발열 패턴을 갖게 되며, 동작시간 동안의 총 발열량이 기존의 레이저 장치에 비해 큰 폭으로 감소된다. 이 때, 광펌핑 작용이 중단되는 휴지기는 레이저 펄스 광이 출력되는 출력 주기의 사이에 위치하며, 광펌핑 작용은 레이저 펄스 광의 출력 주기에 맞추어 반복적으로 이루어지게 된다.

다시 도 1 및 도 2를 참조하면, 냉각부(600)는 광펌핑부(200)와 직접 또는 간접적으로 접촉되어 냉각 작용을 하며, 냉각부(600)는 광펌핑부(200)와 직접 접촉되는 열전소자(610)와, 열전소자(610)의 일측과 다시 접촉되는 방열 패널(620)로 이루어질 수 있다.

열전소자(610)는 광펌핑부(200) 및 이득 매질(100)로부터 발생된 열을 흡열하여 방열 패널(620)로 이동시킨다. 열전소자(610)는 전류가 흐르면 흡열 및 발열 현상이 동시에 나타나는 펠티에 소자(Peltier effect element)로 이루어질 수 있으며, 흡열이 이루어지는 흡열면과 발열이 이루어지는 발열면이 나란히 형성된 장방형의 패널 형상으로 형성될 수 있다. 이 때 흡열면은 광펌핑부(200)와 접하고, 반대편의 발열면은 방열 패널(620)과 접하도록 배치된다.

방열 패널(620)은 하우징(700)의 외부로 돌출된 다수의 방열 핀(fin)을 포함하는 일종의 히트 싱크(heat sink)이며, 하우징(700)과 독립적으로 형성되어 하우징(700)의 일 측에 부착되거나, 하우징(700)과 일체로 형성될 수 있다. 방열 패널(620)은 열전소자(610)의 발열면으로부터 전달된 열을 방열 핀을 이용해 외부로 방출한다. 방열 핀의 개수 및 방열 핀 사이의 간격은 열방출 효과를 높이기 위해 적절하게 조절될 수 있다.

즉, 냉각부(600)는 열전소자(610) 및 방열 패널(620)을 포함하는 공랭식(空冷式)의 냉각구조를 이루게 되며, 이로 인해 고체 레이저 장치(1)가 기존의 수랭식(水冷式)의 냉각구조를 채용한 레이저 장치와 달리 컴팩트한 구성을 이룰 수 있다.

한편, 리플렉터 미러(400) 및 출력 커플링 미러(500)는 레이저 광을 이득 매질(100)로 입사 또는 재입사시켜 증폭시키는 역할을 한다. 리플렉터 미러(400) 및 출력 커플링 미러(500)는 각각 이득 매질(100)의 일단부 및 타단부에 위치하여 이득 매질(100)을 사이에 두고 레이저 광을 공진시키는 일종의 광학적 공진기를 구성한다.

리플렉터 미러(400)는 표면에 실버 코팅된 반사율이 높은 평면 거울일 수 있으며, 출력 커플링 미러(500)는 반사율을 적절한 수준으로 낮춘 반투과성 거울(half- silvered mirror)일 수 있다. 따라서, 리플렉터 미러(400) 및 출력 커플링 미러(500) 사이에서 공진된 레이저 광은, 일정한 세기 이상이 되면 출력 커플링 미러(500)를 투과하여 외부로 방출될 수 있다.

큐스위치(Q-switch)(300)는 레이저 광의 공진 및 증폭작용을 지연시키며, 큐스위치 드라이브(310)에서 인가되는 스위칭제어신호에 의해 턴 온(turn on) 또는 턴 오프(turn off)되어 레이저 광을 스위칭한다. 큐스위치(300)는 리플렉터 미러(400)와 이득 매질(100)의 사이 또는, 출력 커플링 미러(500)와 이득 매질(100)의 사이에 위치한다.

큐스위치는 굴절률을 변화시켜 광로를 차단하거나 유지시키는 일종의 광학 지연기(optical attenuator)로서 온(on) 상태에서는 레이저 광이 투과되지 못하도록 지연작용을 하며, 오프(off) 상태에서는 레이저 광을 투과시킨다. 큐스위치(300)가 오프 상태가 되면, 레이저 광은 지연작용이 이루어지는 동안 축적된 여기 에너지에 의해 이득 매질(100)로부터 한꺼번에 생성되며, 거대 펄스 형태의 레이저 펄스 광(L)으로 변환된다. 따라서, 레이저 펄스 광(L)은 큐스위치(300)에 인가되는 스위칭제어신호에 따라 출력시점이 변화될 수 있으며, 스위칭제어신호가 일정한 주기성을 가지는 경우, 스위칭제어신호에 맞추어 주기적으로 출력될 수 있다. 큐스위치(300)는 외부 스트레스(stress)에 의해 물질의 굴절률이 변화하는 광학 효과인 광탄성 효과를 이용하여 형성될 수 있으며, 예를 들면, 석영유리와, 전류신호를 음파로 변환하여 석영유리의 내부로 전파시키는 트랜스 듀서(transducer)를 포함할 수 있다.

이하, 도 4a 내지 도 5b를 참조하여, 레이저 펄스 광의 출력과정 및 광펌핑부의 광펌핑 과정에 대해 좀 더 상세히 설명한다.

도 4a는 도 1의 큐스위치에 인가되는 스위칭제어신호의 인가 패턴을 도시한 그래프이고, 도 4b는 도 1의 광펌핑부에 인가되는 펌핑제어신호의 인가 패턴을 도시한 그래프이고, 도 5a 및 도 5b는 도 3a의 스위칭제어신호, 도 3b의 펌핑제어신호 및, 그에 의해 생성된 레이저 펄스 광의 패턴을 비교하여 도시한 그래프들이다.

우선, 도 4a를 참조하면, 스위칭제어신호는 일정한 주기성을 갖는 역 펄스 형태가 될 수 있다. 즉, 오프 상태가 되는 동안 레이저 펄스 광(도 2 의 L 참조)이 형성되는 큐스위치(도 2의 300 참조)의 특성에 따라, 스위칭제어신호는 일정하게 지속되는 턴 온 구간의 사이에서 턴 오프 구간이 짧은 시간 동안 주기적으로 반복되도록 형성될 수 있다. 이 때, 스위칭제어신호의 턴 오프 구간(a)은 30㎱ 내지 150㎱ 시간 간격을 가질 수 있다.

한편, 도 4b를 참조하면, 펌핑제어신호는 턴 온 구간이 주기적으로 반복되는 펄스 형태가 된다. 펌핑제어신호의 턴 온 구간(b)은 6㎲ 내지 10㎲ 사이의 시간 간격을 가져, 스위칭제어신호의 턴 오프 구간(a)보다 상대적으로 오랫동안 지속될 수 있다.

도 5a 및 도 5b를 참조하면, 이와 같이 주기성을 갖는 펌핑제어신호(A)와 스위칭제어신호(B)는, 매 주기마다 펌핑제어신호(A)의 턴 온 구간(b)이 스위칭제어신호의 턴 오프 구간(a)을 포함하도록 서로 동기화 될 수 있다. 즉, 광펌핑부(200)의 광펌핑 작용과 큐스위치(300)의 스위칭 작용은 주기적으로 서로 동기화되어 진행되며, 이에 따라, 레이저 펄스 광의 출력 시점 전후로만 광펌핑 작용이 이루어지게 된다. 레이저 펄스 광의 출력 주기(C)는 스위칭제어신호(B)의 턴 오프 구간(a)의 주기와 일치하며, 레이저 펄스 광은 스위칭제어신호(B)의 턴 오프 구간(a)과 일치하는 시간간격인 한 주기당 30㎱ 내지 150㎱ 사이의 시간 간격 동안 출력될 수 있다.

이 때, 광펌핑부(200)의 턴 온 시점은 큐스위치(300)의 턴 오프 시점에 앞선다. 이는 거대 펄스 형태의 레이저 펄스 광이 출력될 수 있도록 이득 매질에 충분한 여기 에너지를 공급하기 위한 것으로, 광펌핑부(200)의 턴 온 시점은 적어도 큐스위치(300)가 턴 오프되어 레이저 펄스 광의 출력이 상승하기 이전 0.01㎲ 내지 1㎲ 전 사이에서 결정될 수 있다. 즉, 광펌핑부(200)의 턴 온 시점은 이득 매질에 여기 에너지가 충분히 축적될 수 있는 시간 간격만큼 큐스위치(300)의 턴 오프 시점에 앞서게 되며, 이득 매질의 종류에 따라 여기 에너지가 축적되는 시간 간격은 달라질 수 있으므로, 서로 다른 종류의 이득 매질을 사용하는 고체 레이저 장치의 경우 광펌핑부(200)의 턴 온 시점도 상대적으로 변화할 수 있다.

따라서, 광펌핑부(200)는 레이저 펄스 광(L)을 출력할 수 있는 적절한 시간동안 동작하고, 레이저 펄스 광(L)이 출력되는 출력 주기 사이에서 휴지기를 가짐으로써 과열되지 않고 적절히 작동될 수 있다.

한편, 큐스위치(300)의 턴 온 시점은 도 5b와 같이 광펌핑부(200)의 턴 오프 시점에 일치될 수 있다. 이와 같이 제어되는 경우 광펌핑부(200)의 휴지기가 상대적으로 연장되어 발열량의 감소 효과가 상대적으로 증가될 수 있다.

이하, 도 6 내지 도 8을 참조하여, 본 발명의 다른 실시예에 의한 고체 레이저 장치(1-1)에 대해 상세히 설명한다.

도 6은 본 발명의 다른 실시예에 의한 고체 레이저 장치의 각 구성부간의 관계를 도시한 블록도이고, 도 7a 및 도 7b는 도 6의 고체 레이저 장치의 동작 상태를 도시한 도면 및 그래프들이다.

도 6을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 의한 고체 레이저 장치(1-1)는 크게 레이저 발생 모듈(M0)과 레이저 증폭 모듈(M1)의 서로 다른 두 부분을 포함한다. 레이저 증폭 모듈(M1)은 레이저 발생 모듈(M0)에서 출력된 제1 레이저 펄스 광(L0)을 증폭시켜 제2 레이저 펄스 광(L1)의 형태로 출력할 수 있다. 레이저 증폭 모듈(M1)은 레이저 발생 모듈(M0)과 독립적으로 형성되어, 레이저 발생 모듈(M0)과 서로 연속적으로 배치될 수 있다.

레이저 발생 모듈(M0)과 레이저 증폭 모듈(M1)의 각 구성부를 좀 더 자세히 살펴보면, 레이저 발생 모듈(M0)은 제1 이득 매질(100-1), 제1 광펌핑부(200-1), 리플렉터 미러(400) 및 출력 커플링 미러(500), 큐스위치(300) 및 제1 냉각부(600-1)를 포함하고, 레이저 증폭 모듈(M1)은 제2 이득 매질(110), 제2 광펌핑부(220) 및 제2 냉각부(630)를 포함한다. 이 때, 제1 광펌핑부(200-1) 및 제2 광펌핑부(220)와, 제1 냉각부(600-1) 및 제2 냉각부(630) 각각은 서로 형태 및 기능이 동일하게 형성될 수 있다. 즉, 제1 광펌핑부(200-1) 및 제2 광펌핑부(220)는 각각 제1 이득 매질(100-1) 및 제2 이득 매질(110)에 인접하며, 여기광(ℓ)을 방사하여 제1 이득 매질(100-1) 및 제2 이득 매질(110)로 여기 에너지를 주입하는 역할을 한다. 제1 광펌핑부(200-1) 및 제2 광펌핑부(220)는 예를 들면, 복수의 반도체 레이저 다이오드들로 형성될 수 있다.

제1 냉각부(600-1) 및 제2 냉각부(630)는 열전소자 및 방열 패널이 서로 적층된 형태로 형성되어 제1 광펌핑부(200-1) 및 제2 광펌핑부(220)로부터 생성된 열을 외부로 방출시키는 역할을 한다. 이 때, 제1 광펌핑부(200-1) 및 제2 광펌핑부(220)는 각각 제어부(210)로부터 인가되는 제1 펌핑제어신호 및 제2 펌핑제어신호에 따라 작동하게 되며, 제1 펌핑제어신호 및 제2 펌핑제어신호는 제1 레이저 펄스 광(L0)의 출력 주기에 동기화된 펄스 신호일 수 있다. 제1 펌핑제어신호 및 제2 펌핑제어신호와 레이저 펄스 광의 출력과정에 대해서는 후술하여 좀 더 상세히 설명한다.

반면, 제1 이득 매질(100-1)과 제2 이득 매질(110)은 서로 동일한 재질로 형성되나 각각 서로 다른 기능을 갖는다. 즉, 제1 이득 매질(100-1)은 여기 에너지를 입력받아 레이저 광을 생성하고, 레이저 광이 응축된 거대 펄스 형태의 제1 레이저 펄스 광(L0)을 출력하는 역할을 하며, 제2 이득 매질(110)은 여기 에너지를 축적하되, 제1 레이저 펄스 광(L0)을 증폭시켜 이보다 출력이 높은 제2 레이저 펄스 광(L1)으로 출력하는 역할을 한다. 제1 이득 매질(100-1) 및 제2 이득 매질(110)은 모두 네오디움(Nd)이 도핑된 결정질의 야그(YAG:Yttrium Aluminium Garnet)로 이루어질 수 있다.

한편, 리플렉터 미러(400)와 출력 커플링 미러(500)는 각각 제1 이득 매질(100-1)의 일단부 및 타단부에 위치하며 제1 이득 매질(100-1)로부터 방출된 레이저 광을 다시 제1 이득 매질(100-1)로 입사 또는 재입사되도록 반사시키는 역할을 한다. 이 때, 리플렉터 미러(400)는 실버 코팅된 반사율이 높은 평면 거울로 형성되며, 출력 커플링 미러(500)는 반투과성 거울(half silvered mirror)로 형성되어 상기 레이저 광의 일부는 반사시키고 일부는 투과시킬 수 있다.

큐스위치(Q switch)(300)는 리플렉터 미러(400)와 출력 커플링 미러(500)의 사이에 위치하며, 큐스위치 드라이브(310)로부터 인가되는 스위칭제어신호에 따라 레이저 광을 스위칭하여, 거대 펄스 형태의 제1 레이저 펄스 광(L0)으로 변환 시킨다. 이에 따라, 제1 레이저 펄스 광(L0)은 출력 커플링 미러(500)를 통과하여 방출된 후 제2 이득 매질(110)로 입사될 수 있다. 이 때, 제2 이득 매질(110)은 제1 레이저 펄스 광(L0)의 광로상에 레이저 발생 모듈(M0)과 서로 직렬로 놓이도록 배치된다.

따라서, 레이저 발생 모듈(M0)로부터 발생된 제1 레이저 펄스 광(L0)은 레이저 증폭 모듈(M1)을 통과하면서 제2 레이저 펄스 광(L1)으로 증폭된다. 레이저 증폭 모듈(M1)은 하나 이상이 형성되어, 최초로 출력된 제1 레이저 펄스 광(L0)을 수차례 증폭시키는 다단 증폭 모듈의 형태로 구성될 수 있다. 이러한 경우 각각의 레이저 증폭 모듈들은 레이저 발생 모듈과 모두 순차적으로 연속하여 배치될 수 있다.

도 7a 및 도 7b를 참조하면, 레이저 발생 모듈(M0)과 레이저 증폭 모듈(M1)의 동작 상태에 대해 알 수 있다. 우선, 레이저 발생 모듈(M0)은 도 7a에 도시된 바와 같이 빔 형태의 제1 레이저 펄스 광(L0)을 출력한다. 이때 출력되는 제1 레이저 펄스 광(L0)은 축적된 여기 에너지의 크기에 따라 특정한 세기값을 갖는다.

출력된 제1 레이저 펄스 광(L0)은 도 7b에 도시된 바와 같이 직선상의 광로를 따라 레이저 증폭 모듈(M1)의 내부로 진입된 후, 증폭된다. 증폭된 제1 레이저 펄스 광(L0)은 고출력의 제2 레이저 펄스 광(L1)이 된다. 제2 레이저 펄스 광(L1)은 제1 레이저 펄스 광(L0)보다 높은 피크 에너지를 갖는 펄스 형태가 되며, 이 때, 제2 레이저 펄스 광(L1)은 세기만이 증가할 뿐 진동수와 같은 다른 광학적 특성들은 변화되지 않는다.

제1 레이저 펄스 광(L0)이 레이저 증폭 모듈(M1)의 내부에 위치한 제2 이득 매질로 정확히 입사되도록, 레이저 발생 모듈(M0)과 레이저 증폭 모듈(M1)은 제1 레이저 펄스 광(L0)의 광로를 따라 서로 직렬로 배치되어야 한다. 도면에 도시되지는 않았지만, 이를 위해서 레이저 발생 모듈(M0) 및 레이저 증폭 모듈(M1)에는 마주보는 각각의 단부에 서로 끼움 결합이 가능한 결합부가 형성될 수 있으며, 이와 같은 결합부를 이용하여 직렬로 결합된 채 고정되도록 형성될 수 있다.

도 8은 도 6의 고체 레이저 장치에 인가되는 스위칭제어신호, 제1 펌핑제어신호, 제2 펌핑제어신호 및, 그에 의해 생성된 레이저 펄스 광의 패턴을 비교하여 도시한 그래프이다.

도 8을 참조하면, 제1 펌핑제어신호(A1) 및 제2 펌핑제어신호(A2)는 제1 레이저 펄스 광(도 6의 L0 참조)의 출력 주기와 동기화 된다. 제1 펌핑제어신호(A1) 및 제2 펌핑제어신호(A2)는 각각 제1 광펌핑부(도 6의 200-1 참조) 및 제2 광펌핑부(도 6의 220 참조)를 턴 온 또는 턴 오프시켜 광펌핑 작용을 제어할 수 있다. 제1 펌핑제어신호(A1) 및 제2 펌핑제어신호(A2)는 하나의 제어부(210)로부터 인가된 서로 동일한 펄스 신호일 수 있다.

제어부(210)는 일정한 산식을 내장한 마이크로 컨트롤러일 수 있으며, 레이저 발생 모듈(M0)에 설치되되, 레이저 증폭 모듈(M1)과 전기적으로 접속되어 제1 펌핑제어신호와 제2 펌핑제어신호를 동시에 인가할 수 있다. 제어부(210)는 이를 테면, 레이저 증폭 모듈(M1) 및 레이저 발생 모듈(M0)의 외측에 형성된 접속단자를 통해 손쉽게 레이저 증폭 모듈(M1)과 연결될 수 있다.

한편, 스위칭제어신호(B)는 펌핑제어신호들과는 달리 턴 온 구간의 사이에 짧게 반복되는 턴 오프 구간을 갖는 역펄스의 형태를 갖는다. 큐스위치(도 6의 300 참조)는 스위칭제어신호(B)에 의해 지속적으로 턴 온 상태를 유지하다가 짧은 시간동안 턴 오프되어 제1 레이저 펄스 광(L0)을 생성한다. 따라서, 제1 레이저 펄스 광의 발생 패턴(C)은 스위칭제어신호(B)의 턴 오프구간에 따라 주기적으로 반복되는 펄스 형태가 된다.

도면에 도시된 바와 같이, 제1 펌핑제어신호(A1) 및 제2 펌핑제어신호(A2)는 각각의 턴 온 구간(b1, b2)사이에 스위칭제어신호(B)의 턴 오프 구간(a)이 포함되도록 서로 동기화될 수 있다. 따라서, 제1 광펌핑부(200-1) 및 제2 광펌핑부(220)는 제1 레이저 펄스 광(L0)이 출력되는 출력 주기에 맞추어 단속적으로 작동하게 되며, 제1 레이저 펄스 광(L0)의 출력 주기 사이에 휴지기를 갖게 된다. 이로 인해 고체 레이저 장치(1-1) 전체의 발열량이 현저히 감소할 수 있다. 레이저 증폭 모듈이 복수로 형성되는 다단 증폭 모듈의 형태가 되는 경우, 이와 같은 발열 감소 효과는 더욱 커질 수 있다.

이 때, 제1 광펌핑부(200-1) 및 제2 광펌핑부(220)의 턴 온 시점은 큐스위치(300)의 턴 오프 시점에 앞선다. 이는 전술한 바와 같이 여기 에너지가 충분히 축적되기 위한 시간을 확보하기 위한 것이며, 이에 따라 축적된 여기 에너지는 제1 레이저 펄스 광(L0)에 포함되어 출력된다. 제1 레이저 펄스 광(L0)은 출력과 동시에 레이저 증폭 모듈(M1)을 통과하면서 증폭되므로, 레이저 증폭 모듈을 통과하여 출력된 제2 레이저 펄스 광(L1)은 제1 레이저 펄스 광(L0)의 출력 주기와 실질적으로 동일한 출력 주기를 갖게 된다.

따라서, 제2 펌핑제어신호 역시 제1 레이저 펄스 광(L0)의 출력 주기에 맞추어 동기화되며, 이에 따라, 제2 광펌핑부(220)는 제1 레이저 펄스 광(L0)의 출력이 상승하기 이전 시점에 턴 온 되어 광펌핑 작용을 수행하게 된다.

이와 같이, 레이저 증폭 모듈을 포함하고 있는 고체 레이저 장치(1-1)의 경우에도, 각각의 모듈에 포함되는 광펌핑부들의 광펌핑 작용이 레이저 펄스 광의 출력 주기와 동기화되어 단속적으로 이루어지게 할 수 있으며, 이에 따라, 고체 레이저 장치(1-1)의 발열량을 효과적으로 감소시킬 수 있다.

이하, 도 2 및 도 9를 함께 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 의한 고체 레이저 장치의 구동방법에 대해 상세히 설명한다.

도 9는 본 발명의 일 실시예에 의한 고체 레이저 장치의 구동방법을 도시한 순서도이다.

도 2 및 도 9를 참조하면, 우선, 고체 레이저 장치(1)를 구동하기 위한 준비단계로서 고체 레이저 장치(1)를 준비한다(S100). 고체 레이저 장치(1)는 레이저 펄스 광(L)이 출력되는 출력단이 레이저 펄스 광(L)이 조사되는 조사지점을 향하도록 위치시켜 준비한다. 이 때, 셔터(800)는 열린 상태가 된다.

이후, 광펌핑부(200)에 펌핑제어신호가 인가되어 광펌핑부(200)가 턴 온 상태가 되게 한다(S110) 광펌핑부(200)는 턴 온상태가 되면 여기광(ℓ)을 방출하여 이득 매질(100)에 여기 에너지를 주입하게 된다(S120). 광펌핑부(200)의 턴 온 시점은 레이저 펄스 광(L)의 출력이 상승하는 시점 즉, 큐스위치(300)가 턴 오프되는 시점보다 앞서게 되며, 큐스위치(300)가 턴 오프되기 직전까지 지속적으로 여기 에너지를 주입하여 이득 매질(100)에 여기 에너지를 축적시킨다.

이후, 스위칭제어신호가 인가되어 큐스위치(300)가 턴 오프상태가 된다(S130). 스위칭제어신호 및 펌핑제어신호는 각각 큐스위치 드라이브와 제어부로부터 인가되며, 스위칭제어신호 및 펌핑제어신호는 각각 턴 온 상태와 턴 오프 상태가 서로 시간차를 두고 정교하게 맞물리도록 서로 동기화되어 큐스위치(300)및 광펌핑부(200)를 제어하게 된다.

큐스위치(300)가 턴 오프 상태가 되면, 레이저 펄스 광(L)이 출력된다(S140). 출력된 레이저 펄스 광(L)은 열린 상태의 셔터(800)를 통과하여 조사지점으로 조사된다.

큐스위치(300)는 짧은 시간동안 턴 오프 상태를 유지하고, 다시 턴 온 상태가 되며(S150), 큐스위치(300)가 턴 온상태가 된 직후 또는 거의 동시에 광펌핑부(200)는 턴 오프 상태가 된다(S160). 따라서, 이득 매질(100)로 여기 에너지가 주입되는 광펌핑 작용이 중지되며, 광펌핑부(200)는 휴지기에 있게 된다.

광펌핑부(200)가 휴지기에 있는 동안, 냉각부(600)의 냉각작용에 의해 고체 레이저 장치(1)의 발열량이 감소하게 된다. 이와 같은 발열량의 감소는 레이저 펄스 광(L)을 재출력 하기 위해 광펌핑부(200)가 다시 턴 온 상태가 되는(S170) 시점까지 계속된다. 이와 같은 레이저 펄스 광(L)의 출력 과정은 빠른 속도로 반복하여 이루어지며, 조사지점에 충분한 양의 레이저 펄스 광(L)이 조사된 후 종료된다(S180).

이하, 도 6 및 도 10을 함께 참조하여, 본 발명의 다른 실시예에 의한 고체 레이저 장치의 구동방법에 대해 상세히 설명한다.

도 10은 본 발명의 다른 실시예에 의한 고체 레이저 장치의 구동방법을 도시한 순서도이다.

도 6 및 도 10을 함께 참조하면, 우선, 레이저 발생 모듈(M0)과 레이저 증폭 모듈을 서로 직렬로 배치하여 고체 레이저 장치(1-1)를 준비한다(S200). 증폭 모듈이 하나 이상인 다단 증폭 모듈의 형태인 경우에도 레이저 발생 모듈(M0)과 각각의 레이저 증폭 모듈들은 모두 서로 직렬로 배치된다.

이후, 제1 광펌핑부(200-1) 및 제2 광펌핑부(220)에 각각 제1 펌핑제어신호 및 제2 펌핑제어신호를 인가하여 제1 광펌핑부(200-1) 및 제2 광펌핑부(220)가 각각 턴 온 상태가 되게 한다(S210). 이 때, 제1 펌핑제어신호 및 제2 펌핑제어신호는 하나의 제어부(210)로부터 동시에 인가된 것일 수 있다.

제1 광펌핑부(200-1) 및 제2 광펌핑부(220)는 모두 턴 온 상태가 되어 여기광(ℓ)을 방사하며, 제1 이득 매질(100-1)과 제2 이득 매질(110)에 여기 에너지를 주입한다(S220). 이에 따라, 제1 이득 매질(100-1)과 제2 이득 매질(110)에는 여기 에너지가 축적된다.

제1 이득 매질(100-1)과 제2 이득 매질(110)에 여기 에너지가 축적되는 시점에 스위칭제어신호가 인가되어 큐스위치(300)가 턴 오프 상태가 된다(S230).

큐스위치(300)가 턴 오프 상태가 되면, 레이저 발생 모듈(M0)에서 제1 레이저 펄스 광(L0)이 출력된다. 출력된 제1 레이저 펄스 광(L0)은 직진하여 다시 레이저 증폭 모듈(M1)의 내부로 진입하며, 여기 에너지가 축적된 상태의 제2 이득 매질(110)로 입사되어 증폭된 후(S240), 피크 에너지 값이 상승된 제2 레이저 펄스 광(L1)으로 변환되어 출력된다(S250).

제2 레이저 펄스 광(L1)은 제1 레이저 펄스 광(L0)의 출력시점과 실질적으로 동일한 시점에 출력되므로, 큐스위치(300)가 다시 턴 온 상태로 변화된 직후(S260) 또는 이와 동시에 제1 광펌핑부(200-1) 및 제2 광펌핑부(220)는 모두 턴 오프 상태가 된다(S270). 제1 광펌핑부(200-1) 및 제2 광펌핑부(220)가 턴 오프 상태로 되면, 레이저 발생 모듈(M0) 및 레이저 증폭 모듈(M1) 각각은 휴지 상태에 있게 되며, 제1 냉각부(600-1) 및 제2 냉각부(630)의 냉각 작용에 의해 발열량이 감소하게 된다.

이와 같은 발열량의 감소는 제1 레이저 펄스 광(L0) 및 제2 레이저 펄스 광(L1)을 재출력 하기 위해 제1 광펌핑부(200-1) 및 제2 광펌핑부(220)가 다시 턴 온 상태가 되는(S280) 시점까지 계속된다. 이와 같은 제1 레이저 펄스 광(L0)의 출력 및 증폭 과정은 빠른 속도로 반복하여 이루어지며, 최후에 출력되는 제2 레이저 펄스 광(L1)이 조사지점에 충분히 조사된 후 종료된다(S290).

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

1, 1-1: 고체 레이저 장치 100: 이득 매질
100-1: 제1 이득 매질 110: 제2 이득매질
200: 광펌핑부 200-1: 제1 광펌핑부
210: 제어부 220: 제2 광 펌핑부
300: 큐스위치 310: 큐스위치 드라이브
400: 리플렉터 미러 500: 출력 커플링 미러
600: 냉각부 600-1: 제1 냉각부
610: 열전소자 620: 방열 패널
630: 제2 냉각부 700: 하우징
800: 셔터
L: 레이저 펄스 광 L0: 제1 레이저 펄스 광
L1: 제2 레이저 펄스 광 ℓ: 여기광
M0: 레이저 발생 모듈 M1: 레이저 증폭 모듈

Claims (10)

1. 여기 에너지를 입력 받아 레이저 광을 생성하고 상기 레이저 광이 응축된 단속적인 펄스 형태의 레이저 펄스 광을 출력하는 이득 매질;
   상기 이득 매질에 인접하여 배치되며, 상기 레이저 펄스 광의 주기에 동기화된 펄스 신호인 펌핑제어신호에 따라 상기 이득 매질에 여기광을 방사하여 상기 여기 에너지를 주입하는 광펌핑부를 포함하되,
   상기 광펌핑부는 상기 레이저 펄스 광의 출력이 상승하기 이전에 턴 온(turn on)되는 고체 레이저 장치.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 이득 매질의 일단부에 위치하여 상기 이득 매질로부터 방출되는 상기 레이저 광을 반사시켜 상기 이득 매질로 재입사시키는 리플렉터 미러;
   상기 이득 매질의 타단부에 위치하여 상기 이득 매질로부터 방출되는 상기 레이저 광 중 일부는 반사시키고 일부는 투과시키는 출력 커플링 미러; 및,
   상기 리플렉터 미러와 상기 출력 커플링 미러 사이의 상기 레이저 광의 경로상에 위치하여, 스위칭제어신호에 따라 상기 레이저 광을 스위칭하는 큐(Q)스위치를 더 포함하되,
   상기 광펌핑부는 상기 큐스위치가 턴 오프(turn off)되기 전에 턴 온되는 고체 레이저 장치.
3. 제 1항에 있어서,
   상기 이득 매질의 입력단에 펄스 형태의 입력 레이저 광이 입사되고, 상기 입력 레이저 광은 상기 이득 매질을 통과하여 상기 레이저 펄스 광이 되되,
   상기 입력 레이저 광과 상기 레이저 펄스 광은 서로 주파수가 동일한 고체 레이저 장치.
4. 제 1항에 있어서,
   상기 광펌핑부의 턴 온 시간은 한 주기 당 6㎲ 내지 10㎲ 이고, 상기 광펌핑부는 상기 레이저 펄스 광의 출력이 상승하기 0.01㎲ 내지 1㎲ 이전에 턴 온 되는 고체 레이저 장치.
5. 제 1항에 있어서,
   상기 레이저 펄스 광의 출력 시간은 한 주기 당 30㎱ 내지 150㎱인 고체 레이저 장치.
6. 제 1항에 있어서,
   상기 이득 매질은 네오디움(Nd)이 도핑된 결정질의 야그(YAG:Yttrium Aluminium Garnet)로 이루어진 것인 고체 레이저 장치.
7. 제 1항에 있어서,
   상기 광펌핑부는 반도체 레이저 다이오드로 형성된 고체 레이저 장치.
8. 제 1항에 있어서,
   상기 광펌핑부와 접하여 상기 광펌핑부 및 상기 이득 매질로부터 발생되는 열을 방출하는 열전소자를 더 포함하는 고체 레이저 장치.
9. 여기 에너지를 입력 받아 레이저 광을 생성하고 상기 레이저 광이 응축된 단속적인 펄스 형태의 제1 레이저 펄스 광을 출력하는 제1 이득 매질과,
   상기 이득 매질에 인접하여 배치되며, 상기 제1 레이저 펄스 광의 주기에 동기화된 펄스 신호인 제1 펌핑제어신호에 따라 상기 제1 이득 매질에 여기광을 방사하여 상기 여기 에너지를 주입하는 제1 광펌핑부와,
   상기 제1 이득 매질의 일단부에 위치하여 상기 제1 이득 매질로부터 방출되는 상기 레이저 광을 반사시켜 상기 제1 이득 매질로 재입사시키는 리플렉터 미러와,
   상기 제1 이득 매질의 타단부에 위치하여 상기 제1 이득 매질로부터 방출되는 상기 레이저 광 중 일부는 반사시키고 일부는 투과시키는 출력 커플링 미러 및,
   상기 리플렉터 미러와 상기 출력 커플링 미러 사이에 상기 레이저 광의 경로상에 위치하여, 스위칭제어신호에 따라 상기 레이저 광을 스위칭하는 큐(Q)스위치를 포함하되,
   상기 제1 광펌핑부는 상기 큐스위치가 턴 오프(turn off)되기 전에 턴 온(turn on)되는 레이저 발생 모듈; 및,
   상기 레이저 발생 모듈과 직렬로 배치되어 상기 출력 커플링 미러를 통과한 상기 제1 레이저 펄스 광이 입사하면 상기 제1 레이저 펄스 광보다 출력이 높은 제2 레이저 펄스 광을 출력하는 제2 이득 매질, 및,
   상기 제2 이득 매질에 인접하여 배치되어 상기 제2 이득 매질에 여기광을 방사하는 제2 광펌핑부를 포함하되,
   상기 제2 광펌핑부는 상기 제1 레이저 펄스 광의 출력이 상승하기 이전에 턴 온(turn on) 되는 레이저 증폭 모듈을 포함하는 고체 레이저 장치.
10. 제1 광펌핑부에 제1 펌핑제어신호를 인가하여 상기 제1 이득 매질에 여기 에너지를 주입하는 단계;
    상기 제2 광펌핑부에 제2 펌핑제어신호를 인가하여 상기 제2 이득 매질에 여기 에너지를 주입하는 단계;
    큐스위치에 스위칭제어신호를 인가하여 제1 이득 매질로부터 제1 레이저 펄스 광을 출력시키고, 상기 제1 레이저 펄스 광이 상기 제2 이득 매질을 통과하여 상기 제1 레이저 펄스 광보다 출력이 높은 제2 레이저 펄스 광을 출력하는 단계를 포함하되,
    상기 제1 광펌핑부는 상기 큐스위치가 턴 오프 되기 전에 턴 온 되고,
    상기 제2 광펌핑부는 상기 제1 레이저 펄스 광의 출력이 상승하기 전에 턴 온 되는 고체 레이저 장치의 구동방법.
    

Images