KR20130142886A - 빔의 정렬특성 향상을 위한 펨토초 레이저 장치 및 이를 포함한 펨토초 레이저 시스템 - Google Patents

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Abstract

빔의 정렬특성 향상을 위한 펨토초 레이저 장치 및 이를 포함한 펨토초 레이저 시스템을 제공한다. 펨토초 레이저 장치는 서로 마주하여 배치된 제 1 레이저 매질과 제 2 레이저 매질; 상기 제 1 레이저 매질 및 제 2 레이저 매질에 각각 펌핑 광을 입사시키기 위하여 배치된 제 1 레이저 다이오드와 제 2 레이저 다이오드; 및 상기 제 1 레이저 매질과 상기 제 2 레이저 매질 사이에 배치되고, 제 1 및 제 2 레이저 매질로부터 발생된 레이저 빔이 통과하기 위한 홀과 상기 제 1 및 제 2 레이저 매질에 흡수되지 못한 상기 펌핑 광을 차단 또는 흡수하기 위해 상기 홀 주변부에 형성된 빔 흡수부를 갖는 빔덤퍼를 포함한다.

Description

빔의 정렬특성 향상을 위한 펨토초 레이저 장치 및 이를 포함한 펨토초 레이저 시스템{Femtosecond Laser Apparatus and Femtosecond Laser System including the same to improve the beam alignment}
본 출원은 레이저 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 레이저 빔의 정렬특성을 향상시킬 수 있는 펨토초 레이저 장치 및 이를 포함한 펨토초 레이저 시스템에 관한 것이다.
펨토초 레이저 펄스(femtosecond(fs) laser pulse)와 같은 극초단 레이저 광원은 높은 첨두 출력의 극초단 펄스(ultrashort pulse)를 발생시키며 펄스의 평균 출력 또한 높아서, 초고속 분광 화학, 고에너지 물리, XUV-파 발생 등 기초 과학 분야에서 폭넓게 활용되고 있을 뿐만 아니라 초미세 레이저 가공, 마이크로 수술 등 다양한 분야에서 그 응용성을 확인할 수 있다.
일반적으로, 극초단 레이저 펄스는 짧은 펄스 시간 폭뿐만 아니라 높은 첨두 출력, 넓은 스펙트럼 밴드폭 등의 우수한 특성을 갖고 있다.
이러한 극초단 레이저 펄스를 태양전지, 광메모리, 반도체, 평판 디스플레이 등과 같이 고도의 정밀성을 요구하는 전자부품 및 광 부품의 마이크로 또는 나노 가공 등에 응용할 수 있기 때문에 산업용 극초단 펄스 레이저 시스템의 요구가 증가하고 있다.
상기한 요구를 충족시키기 위해 먼저 극초단 레이저 펄스를 초미세 레이저 가공에 응용하기 위한 조건을 살펴보기로 한다.
첫째로, 레이저 펄스 시간 폭이 대상 물질의 전자-포논 이완시간(electron-phonon relaxation time)보다 많이 짧아서 가공 시 열에너지가 가공하고자 하는 부위 주변으로 전달되지 않아야 한다(비열가공; non-thermal processing).
이를 냉각 애블레이션(cold ablation)이라고 한다.
예를 들어 알루미늄의 전자-포논 이완시간은 4.27 피코초(picosecond: ps), 철은 3.5 ps, 구리는 57.5 ps 이다.
즉, 알루미늄을 초미세 레이저 가공하는 경우에 냉각 애블레이션을 위해서는 피코초 이하의 펄스 시간 폭으로 레이저 펄스를 가하는 것이 바람직하다.
따라서, 펨토초 레이저가 냉각 애블레이션의 초미세 레이저 가공에 가장 적합한 레이저이다.
펨토초 영역의 극초단 레이저 펄스는 가공 영역에서 열확산을 최소화하고 주위에 잔류 열에 의한 손상을 주지 않기 때문에 기계적 가공이 어려운 매우 단단한 물질도 가공이 가능하고, 또한 펄스 시간 폭이 짧고 펄스 에너지가 높으며 첨두 출력(peak power)이 높아서 다광자 흡수(multi-photon absorption)라는 비선형 광학 효과(nonlinear optical effect)에 의하여 유리, 폴리머 등의 투명한 재질까지도 다양한 나노미터 스케일의 초정밀 구조물 가공이 가능해진다.
둘째로, 가공하고자 하는 대상 물질들은 대략 수 J/㎠ 이상의 애블레이션 문턱값을 갖는데, 애블레이션 가공을 위해서 가공 부위에 집속되는 레이저 빔의 크기를 고려하면 대략 10 μJ 정도 이상인 펄스 에너지가 요구된다.
물질 가공 응용의 몇몇 경우들은 수백 μJ의 펄스 에너지가 요구되기도 한다.
이러한 우수한 특성을 갖는 대표적인 레이저로 티타늄사파이어 레이저(Ti:sapphire laser)가 있다.
현재까지 상업적으로 활용가능한 티타늄사파이어 레이저는 대략 수 ~ 수백 펨토초의 펄스 시간 폭, 수 mJ 또는 수 J까지의 펄스 에너지를 제공한다.
하지만 기존에는 Nd:YVO4 레이저와 같은 고가의 고출력 펄스 녹색 레이저를 펌핑 광원으로 사용해야 한다는 것 때문에 펄스 반복률을 수십 kHz 이상 얻기가 어렵다.
또한 티타늄사파이어 레이저는 시스템 규모가 크고, 가격이 비싸며, 펄스 출력을 안정적으로 유지하기가 어려워 생산현장에서 활용하기가 쉽지 않다는 문제점이 있다.
한편, 다이오드 펌핑된 고체 레이저(diode-pumped solid-state(DPSS) laser) 는 레이저 다이오드와 같이 크기가 작은 광원을 펌핑 광원으로 하고, 고체 레이저 매질을 사용하여 펨토초 레이저를 구성함에 따라 광 펌핑 구조가 간단해져서 레이저 헤드의 크기가 작아지고, 상업적으로 다양한 분야에서 많이 활용되는 파장의 레이저 다이오드는 그 출력 대비 저가이며 펨토초 레이저의 가격을 낮출 수 있어서 비용 절감의 효과가 있다.
또한, 상기 고체 레이저는 광 펌핑 거리가 짧아서 안정적인 레이저 동작이 가능하여 산업용 레이저에 적용하기에 매우 좋은 장점이 있다.
최근에는 반도체 및 전자공학 기술의 향상으로 크기가 매우 작고 효율이 높으면서도 안정적인 고출력이 가능한 레이저 다이오드 어레이, 레이저 다이오드 바 등이 개발되면서 다이오드 펌핑을 이용한 고체 레이저 시스템의 발전이 급성장하고 있다.
이와 같은 레이저 다이오드로 광 펌핑하는 펨토초 레이저 시스템을 구현하기 위해서는 조건에 맞는 레이저 매질(laser material)을 선택하고, 이를 효율적으로 광 펌핑하기 위한 광 펌핑 모듈을 설계 및 제작하는 것이 필수적이다.
주로 다이오드 펌핑을 위한 레이저 매질로는 각각 808 ㎚와 980 ㎚ 영역의 레이저 다이오드로 펌핑이 가능한 네오디뮴(neodymium: Nd)과 이테르븀(ytterbium: Yb)과 같은 희토류 이온들이 도핑된 결정들을 많이 사용하고 있다.
고출력 레이저의 발전단계에서 초창기에는 네오디뮴을 도핑한 레이저 결정이 4 레벨 구조 및 다양한 흡수선을 갖고 있어서 선호되어 왔지만, 최근에는 더 간단한 에너지 레벨을 갖는 이테르븀을 도핑한 결정이 열적 및 광학적으로 더 우수한 특성을 보이면서 많이 사용되고 있다.
펨토초 레이저 광원을 초미세 레이저 가공 등의 산업 현장에 적용하기 위해서 추가적으로 필요한 조건들이 있다.
예를 들어, 레이저의 펄스 반복률이 낮으면 레이저 가공에 시간이 많이 소요되므로 생산 현장에서의 생산성이 떨어진다.
그러나, 레이저의 펄스 반복률이 높은 것이 좋겠지만 펄스 반복률을 높이는 데에도 제약이 따른다.
만약 펄스 반복률이 너무 높아서 펨토초 레이저 펄스에 의하여 생성된 플라즈마가 소멸되기 전에 다음 레이저 펄스가 온다면, 다음 레이저 펄스는 타겟 부위에 존재하는 플라즈마에 의하여 빔의 진행 방향이 변하거나 펄스 시간 폭이 변하게 되는 등의 나쁜 영향을 받게 된다.
이를 플라즈마 쉴딩(plasma shielding) 이라고 한다.
플라즈마 쉴딩 효과를 억제하기 위해서는 그 플라즈마 이완시간이 지난 후에 다음 레이저 펄스가 인가되어야 한다.
즉, 레이저 펄스와 다음 레이저 펄스의 시간 간격이 플라즈마 이완시간보다 길어야 한다. 플라즈마 이완시간은 가공하고자 하는 매질에 따라 다르지만 레이저 펄스 반복률로 보면 그 반복률이 대략 1 MHz 정도에 해당된다.
따라서 생산 현장에서 높은 생산성을 유지하기 위해서는 수백 ㎑ 영역의 펄스 반복률을 갖는 펨토초 레이저가 요구된다.
그리고, 레이저 가공 시스템에 레이저 광원을 장착하고 운용하기 위하여 컴팩트한 크기, 낮은 가격뿐만 아니라 장시간에 걸쳐서 레이저 동작 상태가 변하지 않는 높은 동작 안정성이 요구된다.
펨토초 오실레이터에서 모드록킹(mode locking)으로 펨토초 펄스가 처음 발생할 때는 그 펄스 에너지가 나노 주울(nJ) 정도로 매우 낮아서 레이저 가공 등의 응용에는 적합하지 않다.
펨토초 펄스 에너지를 높이기 위하여 처프 펄스 증폭 (chirped pulse amplification: CPA)기술을 이용한다.
예를 들면, 펄스 확장기(pulse stretcher)를 사용하여 펨토초 오실레이터에서 나오는 펄스를 시간적으로 길게 확장한 후에 증폭기(amplifier)에 인가하여 펄스 에너지를 증폭시킨다.
그런 다음, 증폭된 펄스를 펄스 압축기(pulse compressor)를 통과시켜 그 펄스의 시간 폭을 원래의 펨토초 영역으로 복귀시키는 것이다.
이때 펨토초 오실레이터에서 나오는 펄스들은 증폭기에 인가되는 종자 펄스(seeding pulses) 역할을 하게 된다.
펄스 확장기에서 파장에 따른 경로 차이에 의하여 펄스가 시간적으로 길게 늘어나는 것을 처핑(chirping)이라고 하고, 이러한 과정을 통하여 펄스 에너지를 증폭시키는 기술을 처프 펄스 증폭 기술이라고 한다.
이 기술을 사용하면, 펄스 증폭기의 공진기 안에서 증폭되는 펄스의 첨두 출력을 낮게 유지하여 자체 집속 효과(self-focusing effect)에 의하여 레이저 펄스의 시간적 또는 공간적 분포에 발생하는 비선형 변형을 억제할 수 있고, 또한 시스템을 구성하는 광학 부품에 가해질 수 있는 물리적 손상을 방지한다.
즉, 높은 에너지의 레이저 펄스에 의한 시스템의 손상을 방지할 수 있을 뿐 만 아니라 펄스 에너지를 높이기 위하여 펄스 증폭기를 효율적으로 운영할 수 있게 된다.
최근 들어 처프 펄스 증폭 기술에 기반을 두고 다이오드 광원을 직접 펌핑하는 펨토초 마스터 오실레이터(master oscillator: MO)와 다이오드 광원을 직접 펌핑하는 파워 증폭기(power amplifier: PA)를 결합한 모파(MOPA) 시스템에서 높은 펄스 에너지를 얻을 수 있게 되면서 높은 첨두 출력과 높은 평균출력을 갖는 펨토초 레이저 시스템의 개발에 있어서 큰 진전이 이루어지고 있다.
하지만, 이테르븀이 도핑된 레이저 매질은 2 준위 에너지 구조 또는 준 3 준위 에너지 구조를 가지기 때문에 광 펌핑 파장 981 ㎚에서 방사되는 빛이 다시 레이저 매질에서 흡수되는 단점이 있다.
이를 극복하기 위하여 높은 출력의 고휘도 레이저 다이오드에 발생된 광을 레이저 결정에 아주 작은 스폿 사이즈로 집속한다.
이 과정에서 레이저 빔으로 변형되지 못한 펌핑 광은 열에너지의 형태로 레이저 결정의 스폿 주위로 전달되고 또한 레이저 결정을 체결한 마운트에도 전달 된다.
이러한 과정에서 열에너지가 많이 축적되면 증폭되는 레이저 빔이 찌그러짐으로 인해 빔 품질이 나빠지게 되고 레이저 평균 출력 및 펄스 에너지 또한 제한된다.
그리고, 상기 레이저 결정에 축적된 열에너지가 손상 임계값(damage threshold) 보다 높아지면 레이저 결정에 금이 가거나 레이저 결정이 깨어지는 등 의 물리적인 손상이 발생하여 레이저 발진이 중지되는 문제가 발생한다.
한편, 복수의 Yb: KYW 또는 Yb:KGW 레이저 결정을 이용하여 펨토초 펄스를 생성시키거나 증폭시키는 선행 연구들에 대하여 살펴보면 다음과 같다.
예를 들어, 미국 특허 US 7,508,847 B2 에서는 Yb:KGW 와 같은 비등방성 매질 두 개를 광 펌핑하여 공진기 내에서 레이저 빔이 이득 매질을 통과하는 횟수를 늘리는 개념을 제안하고 있다.
하지만 이 특허의 경우 "Triggered mode" 라고 불리는 펄스 파워의 불안정한 현상을 줄이기 위해 레이저 공진기의 길이를 늘이는 것에 집중하고 있으며, 이렇게 길이가 긴 공진기의 다양한 형태 중 하나로 두 개의 이득 매질 펌핑 구성도를 제안하고 있을 뿐 실험적 구현이나 결과들을 제시하지 않고 있다.
또한 미국 특허 US 6,760,356 B2 에서 등방성 레이저 결정인 Yb:YAG 두 개를 이용하여 펨토초 펄스를 증폭시키는 개념을 제안하고 있다.
하지만, 상기 두 선행특허는 단지 두개의 레이저 매질을 이용하여 출력을 증폭시키는 것에만 기재되어 있고, 기타 펨토초 레이저 시스템에서 레이저 매질의 광학적 축에 따라 고려되어야 할 열적, 광학적, 기타 여러 가지 특성에 대해선 기재되어 있지 않다. 즉, 상기 두 특허의 경우 레이저 매질의 축에 대한 언급은 전혀 없이 단지 레이저 매질 개수를 증가시킴에 따라 출력 파워가 향상되는 효과만이 기재되어 있다.
한편, Yb:KYW 레이저 매질의 축을 선택하여 탈편광된(depolarized) 펌핑 광을 효율적으로 흡수하고 레이저 매질을 펌핑하는 펌핑 광의 편광 비율을 조절하는 연구가 미국 특허 US 6,891,876 B2에 제안되어 있다.
이 특허에서는 주로 비등방성 매질의 광 펌핑에 집중하고 있는데, 첫 번째로 탈편광된 펌핑 광을 이용하였을 경우에도 비등방성 이득매질의 축과 펌핑 레이저의 파장을 선택하여 효율적으로 레이저 매질을 광 펌핑할 수 있도록 하는 방법을 제안하고 있다.
두 번째로 펌핑 광의 파장이 불안정할 경우에도 레이저 매질의 축을 적절하게 선택하고 이에 입사되는 펌핑 레이저의 편광 비율을 조절하여 레이저 출력에 큰 변화가 없도록 하는 방법을 제시하고 있다.
제시된 방법은 레이저 매질의 축 방향에 따른 흡수 스펙트럼이 상이하다는 점을 이용하여 하나의 레이저 매질에서 두 개의 축이 적절히 혼합되도록 레이저 매질의 방향을 결정하여 절단하고 펌핑 광의 세기를 편광방향에 따라 조절하였을 경우에 넓은 파장 영역에서 비슷한 흡수 단면적을 가질 수 있음을 보여 주었다.
그러나, 이러한 경우 펌핑 광의 편광이나 파장의 불안정도에는 덜 민감한 광 펌핑부를 제작할 수 있다는 장점이 있지만, 넓은 파장 영역에서 비슷한 흡수 단면적을 갖기 위하여 레이저 매질의 흡수 단면적이 작은 파장 영역에서 광 펌핑을 해야 한다.
그리고 하나의 레이저 광원으로 두 개의 편광에 출력을 분산시켜야 하기 때문에, 펌핑 효율이 크게 떨어질 뿐만 아니라 레이저 파장으로 전환되지 못하고 흡수된 펌핑 광은 열에너지로 레이저 매질에 축적되어 레이저 빔의 품질이 떨어지고 그 출력 또한 제한된다는 단점이 있다.
또한, 상기 Yb:KYW 또는 Yb:KGW 레이저 결정은 우수한 열전도성을 갖고 있기 때문에 높은 평균 출력의 펨토초 레이저를 만드는데 장점을 가지고 있지만, Yb:KYW 또는 Yb:KGW 의 비등방성 레이저 매질은 축 방향에 따라서 열전도도가 달라서 레이저의 평균 출력이 높아지면 열적 효과에 의한 열적 렌즈의 비점수차(astigmatism)가 발생하기 때문에 레이저 빔 모양이 일그러지면서 빔 품질이 떨어지는 문제가 발생한다.
또한, 상기 복수의 레이저 결정을 이용하여 펨토초 펄스를 생성시키거나 증폭시키는 과정 중에, 레이저 다이오드로부터 발생한 펌핑 광이 하나의 레이저 결정에 입사되어 흡수되고, 흡수되지 못한 나머지 펌핑 광이 광학 부품들 및 광학 마운트들에 조사되어, 펌핑 광 및 레이저 빔의 정렬 특성을 떨어뜨리게 된다.
본 출원은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 복수의 레이저 매질을 이용한 펨토초 펄스 생성 과정에서 상기 복수의 레이저 매질을 이용하여 펨토초 펄스를 생성시키거나 증폭시키는 과정 중에 발생되는 펌핑 광 및 레이저 빔의 정렬 특성 저하를 방지할 수 있는 레이저 장치 및 이를 포함하는 펨토초 레이저 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 복수의 레이저 매질을 이용하고, 상기 레이저 매질로부터 발생된 레이저 빔이 레이저 매질의 특정 축에 실질적으로 평행하도록 하여 빔의 일그러짐없이 빔의 품질뿐만 아니라 레이저의 출력세기를 향상 시킬 수 있는 레이저 장치 및 이를 포함한 펨토초 레이저 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한 공진기 외부에서 스펙트럼 성형된 펄스를 종자 펄스로 인가하여 증폭 과정에서 발생되는 이득 좁아짐을 억제함으로써 최종적으로 레이저 시스템에서 나오는 펄스의 시간 폭을 짧게 할 수 있는 레이저 장치 및 이를 포함한 펨토초 레이저 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 레이저 매질로부터 발생된 레이저 빔의 편광방향을 복수의 레이저 매질 각각의 특정 축에 대해 실질적으로 평행하도록 하여 이득 스펙트럼 밴드 폭을 넓게 할 수 있는 레이저 장치 및 이를 포함한 펨토초 레이저 시스템을 제공하는 데 그 목적이 있다.
또한, 방사 단면적의 최대값에 해당하는 파장이 서로 다른 복수의 레이저 매질의 이득 스펙트럼을 중첩시켜 펄스의 스펙트럼 폭을 넓힐 수 있는 레이저 장치 및 이를 포함한 펨토초 레이저 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 실시예에 따른 펨토초 레이저 장치는 서로 마주하여 배치된 제 1 레이저 매질과 제 2 레이저 매질, 상기 제 1 레이저 매질 및 제 2 레이저 매질에 각각 펌핑 광을 입사시키기 위하여 배치된 제 1 레이저 다이오드와 제 2 레이저 다이오드, 및 상기 제 1 레이저 매질과 상기 제 2 레이저 매질 사이에 배치되고, 상기 제 1 및 제 2 레이저 매질로부터 발생된 레이저 빔이 통과하기 위한 홀과 상기 제 1 및 제 2 레이저 매질에 흡수되지 못한 상기 펌핑 광을 차단 또는 흡수 하기 위해 상기 홀 주변부에 형성된 빔 흡수부를 갖는 빔덤퍼를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 펨토초 레이저 장치는 펌핑 광 및 레이저 빔의 정렬특성을 향상 시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 펨토초 레이저 장치는 레이저 매질에서 발생된 레이저 빔의 품질뿐만 아니라 레이저 출력세기를 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 펨토초 레이저 장치는 펄스 스펙트럼을 원하는 형태로 변형시켜 펄스의 시간 폭을 줄일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 펨토초 레이저 장치는 방사 단면적의 최대값에 해당하는 파장이 서로 다른 복수의 레이저 매질의 이득 스펙트럼을 중첩시켜 스펙트럼 폭을 변형할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 펨토초 레이저 시스템을 나타낸 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예로, 증폭되어 출력된 펄스의 이득 좁아짐에 따른 스펙트럼 특성을 설명하기 위한 그래프이다.
도 3은 본 발명에 따른 일 실시예로, 스펙트럼 성형기를 이용하여 스펙트럼 성형에 따른 출력펄스의 스펙트럼 변화를 설명하기 위한 그래프이다.
도 4는 본 발명에 따른 일 실시예로, 레이저 결정(Yb:KYW)으로부터 발생된 레이저 빔의 편광 방향이 레이저 결정(Yb:KYW)의 Nm-축 또는 Np-축 방향과 평행할 때, 레이저 결정의 방사 단면적의 스펙트럼 특성을 나타낸 도이다.
도 5는 본 발명에 따른 일 실시예로, 도 4의 방사 단면적의 스펙트럼을 결합하여 나타난 스펙트럼 특성을 나타낸 도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 빔 발생장치의 개략도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 다른 레이저 빔 발생장치의 개략도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예로, 마스터 오실레이터 혹은 증폭기의 레이저 빔 발생장치에 포함된 레이저 매질의 배치구조를 설명하기 위한 펨토초 레이저 장치의 광학 개념도이다.
도 9는 본 발명에 따른 일 실시예로, 레이저 매질의 배치 구조에 따라 실험적으로 나타난 레이저 빔 특성을 나타낸 도이다.
도 10은 본 발명에 따른 다른 실시예로, 레이저 빔의 평균 출력을 향상시키기 위한 레이저 매질의 배치 구조를 설명하기 위한 펨토초 레이저 장치의 광학 개념도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예로, 마스터 오실레이터 혹은 증폭기의 레이저 빔 발생장치에 포함된 레이저 매질의 배치구조를 설명하기 위한 또 다른 펨토초 레이저 장치의 광학 개념도이다.
도 12는 본 발명의 다른 일실시예로, 마스터 오실레이터 혹은 증폭기의 레이저 빔 발생장치에 포함된 레이저 매질의 배치구조를 설명하기 위한 또 다른 펨토초 레이저 장치의 광학 개념도이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예로, 마스터 오실레이터 혹은 증폭기에 포함된 레이저 빔 발생장치를 설명하기 위한 도이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 빔 덤퍼 구조를 설명하기 위한 도이다.
도 15는 본 발명의 실시 예로, 레이저 매질에 인가되는 펌핑 광의 세기에 따른 연속파 출력의 기울기 효율을 나타낸 그래프이다.
도 16은 본 발명의 실시 예에 따른 스펙트럼 성형기를 나타낸 광학 개념도이다.
도 17는 본 발명의 실시 예로, 종자 펄스를 스펙트럼 성형하기 전과 후의 스펙트럼을 나타낸 그래프이다.
도 18은 본 발명의 실시 예로, 스펙트럼 성형하지 않고 증폭된 펄스와 스펙트럼 성형하고 증폭된 펄스의 스펙트럼을 나타낸 그래프이다.
도 19는 본 발명의 실시 예로, 스펙트럼 성형하지 않고 증폭된 펄스와 스펙트럼 성형하고 증폭된 펄스의 펄스 시간 폭을 나타낸 그래프이다.
도 20은 본 발명의 실시 예로, 펄스 반복률에 따른 펄스 에너지의 변화를 나타낸 그래프이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 대해 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 펨토초 레이저 시스템에 관한 것이다.
도 1을 참조하면, 펨토초 레이저 시스템(100)은 마스터 오실레이터(110), 파라데이 아이솔레이터(120), 펄스 확장/압축기(130), 스펙트럼 성형기(140), 박막 편광기(TFP), 파라데이 회전기(150). 증폭기(170), 펄스 피커(160)를 포함할 수 있다.
마스터 오실레이터(110)는 도면에 도시되어 있지 않지만, 증폭기(170)와 같이 내부에 레이저 빔을 발생시킬 수 있는 레이저 장치를 포함하여, 펨토초 영역의 극초단 펄스를 발생시킨다.
마스터 오실레이터(110)는 레이저 빔 발생을 위한 광섬유 레이저 또는 고체 레이저를 사용할 수 있다. 고체 레이저에서 사용하는 레이저 매질은 열적, 광학적, 기계적 특성에 따라 다양한 레이저 매질을 선택하여 사용할 수 있다.
예를 들어, 레이저 매질은 비결정 매질 혹은 결정 매질을 사용할 수 있고, 결정 매질을 사용할 경우엔, 등방성 결정(isotropic crystal), 단축 결정(uniaxial crystal)과 이축 결정(biaxial crystal)의 비등방성 결정 중 적어도 하나를 사용할 수 있다.
비결정 매질은 Yb:Glass 을 사용할 수 있고, 결정 매질 중 등방성 결정은 Yb:YAG, Yb:ScO, Yb:YO, Yb:LuO, Yb:LuScO, Yb:CaF 중 적어도 어느 하나를 사용할 수 있고, 단축 결정은 Yb:CALGO, Yb:YVO4, Yb:NGW, Yb:NYW, Yb:LuVO, Yb:LSB, Yb:S-FAP, Yb:C-FAP 중 적어도 어느 하나를 사용할 수 있고, 이축 결정은 Yb:KYW, Yb:KGW, Yb:KLuW, Yb:YCOB, Yb:YAP 중 적어도 어느 하나를 사용할 수 있다
펄스 확장/압축기(130)는 내부에 확장기(131) 및 압축기(132)를 포함하여, 마스터 오실레이터(110)에서 발생한 펨토초 펄스 폭을 확장하거나 증폭기에서 증폭된 펄스를 다시 펨토초 영역의 펄스로 압축시킨다.
확장기(131)와 압축기(132)는 각각 그래이팅(grating)과 같은 별도의 분광소자를 이용하여 펄스를 확장하거나 압축할 수 있다.
또한, 확장기(131)와 압축기(132)는 하나의 분광소자를 공통으로 사용하여 펄스를 확장 및 압축할 수 있는 일체형으로 이루어질 수 있다. 이에 따라 펨토초 레이저 시스템(100)의 크기를 컴팩트하게 할 수 있고, 제조 비용을 줄일 수 있다.
확장기(131)는 마스터 오실레이터(110)에서 발생된 펨토초 펄스의 폭을 시간적으로 길게 확장하여, 상기 펨토초 펄스가 증폭기(170)에서 증폭하는 과정 중 레이저 매질 등과 같은 광학 부품의 물리적인 손상을 방지한다.
예를들어, 확장기(131)는 마스터 오실레이터(110)에서 발생된 100 펨토초(fs) 정도의 펄스를 수십 피코초(ps) 펄스로 확장한다.
압축기(132)는 증폭기(170)에서 증폭된 펄스를 펨토초 영역의 펄스로 압축시켜 외부로 전달한다.
파라데이 아이솔레이터(Faraday isolator, 120)는 마스터 오실레이터(110)와 펄스 확장/압축기(130) 사이에 배치되어 증폭기(170)에서 발생된 높은 에너지의 펄스가 마스터 오실레이터(110)로 입사되는 것을 방지한다.
스펙트럼 성형기(spectral shaper, 140)는 펄스 확장기(131)에서 확장된 펄스에 대해 상기 펄스의 스펙트럼을 원하는 형태로 변형한다. 즉, 스펙트럼 성형기(140)는 증폭기(170)에 입력하는 종자펄스(seeding pulses)의 스펙트럼을 성형하여, 증폭기에서 증폭되는 과정에서 스펙트럼 밴드 폭이 좁아지는 것을 보상할 수 있다. 여기서, 종자펄스는 펄스 증폭을 위하여 증폭기(170)에 인가되는 펄스를 의미한다.
이러한 스펙트럼 성형기(140)는 마스터 오실레이터(110)나 증폭기(170)내에서 펄스의 스펙트럼을 원하는 형태로 변형할 경우, 상기 마스터 오실레이터(110)나 증폭기(170) 내에 포함시키거나 또는 상기 펨토초 레이저 시스템(100)에서 생략할 수 있다.
펄스의 스펙트럼 성형에 대해선 후술하기로 한다.
스펙트럼 성형된 펄스는 전반사 거울(FM), 박막 편광기(TFP) 및 파라데이 회전기(Faraday rotator, 150)를 거쳐 증폭기(170)에 인가된다. 이때, 전반사 거울(FM)은 빔의 경로를 바꿔주기 위한 것으로, 펨토초 레이저 시스템의 크기 및 설계 조건에 따라 삽입 혹은 삭제 가능하다. 다만, 본 발명의 일 실시예와 같이, 전반사 거울(FM)을 이용할 경우, 빔의 경로를 제한된 공간에서도 바꿀 수 있으므로, 이에 따라 펨토초 레이저 시스템을 컴팩트하게 할 수 있다.
증폭기(170)는 상기 마스터 오실레이터(110)와 마찬가지로, 광섬유 레이저 또는 고체 레이저를 이용한 레이저 빔 발생장치를 포함하고, 상기 레이저 빔 발생장치를 이용하여 상기 입력된 종자펄스의 에너지를 증폭시킨다.
증폭기(170)에서 사용되는 레이저 매질은 마스터 오실레이터(110)에서 사용하는 동일한 레이저 매질을 사용하거나 이와 다른 레이저 매질을 사용할 수 있다.
즉, 마스터 오실레이터(110)와 증폭기(170)에서 사용되는 레이저 매질은 결정 매질과 비결정 매질간의 다양한 조합으로 이루어질 수 있고, 마스터 오실레이터(110)와 증폭기(170)에서 사용되는 레이저 매질 모두가 결정 매질일 경우, 등방성 결정과 비등방성 결정간의 다양한 조합으로 이루어질 수 있다.
증폭기(170)에서 사용될 수 있는 구체적인 레이저 매질은 이미 마스터 오실레이터(110)에서 사용할 수 있는 레이저 매질과 실질적으로 동일함으로 이에 대한 설명은 생략하기로 한다.
파라데이 회전기(150)는 증폭기(170)에서 증폭된 레이저 펄스의 진행 경로를 박막 편광기(TFP)에 의해 펄스 피커( pulse picker, 160) 방향으로 변경되도록 상기 레이저 펄스의 편광 방향을 90도 회전시킨다.
펄스 피커(160)는 전기-광학적 스위치(elelctro-optic switch)를 포함하고, 상기 스위치를 스위칭하여 증폭된 레이저 펄스에 대해 필요한 펄스와 필요치 않은 펄스를 구분하여 선택적으로 통과시킨다. 이후, 선택된 레이저 펄스는 압축기(132)에서 펨토초 영역의 극초단 레이저 펄스로 압축하여 펨토초 레이저 시스템 외부로 방출된다.
이처럼, 본 발명에 따른 펨토초 레이저 시스템(100)은 마스터 오실레이터(110)에서 발생하는 수 nJ 영역의 레이저 펄스를 펨토초 레이저 가공에 응용하기 용이하도록 상기 레이저 펄스의 에너지를 증폭시켜 높인다.
한편, 레이저 매질은 근본적으로 제한된 폭을 갖는 이득 프로파일(gain profile)을 가지기 때문에, 입사되는 펄스의 파장(wavelength)에 따라 증폭되는 배율이 달라지면서 증폭된 펄스의 스펙트럼 밴드 폭이 좁아지는 이득 좁아짐(gain narrowing)이 발생한다. 이에 따라 펄스의 시간 폭이 넓어지는 문제가 발생한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예로, 증폭되어 출력된 펄스의 이득 좁아짐에 따른 스펙트럼 특성을 설명하기 위한 그래프이다.
도 2를 참조하면, 먼저, (a)와 같은 스펙트럼을 갖는 입력 펄스(input pulse)를 (b)와 같이 제한된 폭의 이득 프로파일을 갖는 레이저 매질에 인가하면, 입력펄스가 증폭되는 과정에서 입력펄스의 중심 파장(central wavelength: λc)에서는 증폭이 계속 이루어지지만 중심에서 벗어난 가장자리 파장에서는 이득이 낮아서, 증폭되는 비가 중심 파장보단, 가장자리 파장에서 작아진다.
즉, 입력펄스가 증폭기의 공진기 내에서 왕복으로 왔다 갔다 하면 레이저 이득 매질을 지나가는 횟수가 증가하면서 증폭되는 비의 차이가 누적되면서 중심 파장에 비해 가장자리 파장에서 그 세기가 상대적으로 더 낮아진다.
도 2의 그래프에서 보면, (c)의 출력 펄스 스펙트럼의 폭이 (a)의 입력 펄스 스펙트럼의 폭에 비하여 좁아짐을 알 수 있다.
이처럼, 레이저 펄스의 스펙트럼 밴드 폭이 좁아지면, 레이저 펄스의 시간 폭이 넓어져서, 펨토초 레이저 시스템에서 출력된 레이저빔과 가공물 사이의 상호작용에서 열이 확산되어, 실질적으로 가공물의 가공 결과가 나빠지게 된다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에서는 레이저 펄스의 시간 폭을 줄이도록 증폭기(170)내에 종자 펄스를 인가하기 전에, 스펙트럼 성형기(140)를 이용하여 원하는 형태의 스펙트럼을 갖도록 성형하거나, 마스터 오실레이터(110) 또는 증폭기(170) 내에서 복수의 레이저 매질의 광학적 축에 대해 변화를 주어 스펙트럼 밴드 폭이 좁아짐을 방지할 수 있다.
또한, 펄스의 스펙트럼 밴드 폭을 넓히는 방법은 공간적 분산 증폭(spatial dispersive amplification), 공진기 내부에 광학 소자를 삽입하여 스펙트럼을 변형시키는 방법, 비선형 펄스 압축 등을 사용할 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 일 실시예로, 스펙트럼 성형기를 이용하여 스펙트럼 성형에 따른 출력펄스의 스펙트럼 변화를 설명하기 위한 그래프이다.
도 3을 참조하면, (a)와 같은 스펙트럼을 갖는 입력 펄스를 (b)와 같이 제한된 폭의 이득 프로파일(gain profile)을 갖는 레이저 매질에 인가하기에 앞서서 (c)와 같이 중심파장에서는 세기를 낮게 하고 중심에서 조금 벗어난 파장에서는 세기가 높은 M-모양으로 스펙트럼 성형(spectrum shaping:SS)을 한다.
이렇게 변형된 스펙트럼을 갖는 펄스가 (b)와 같은 이득 프로파일을 갖는 레이저 매질에 인가되면 중심 파장에서는 이득이 낮고 중심에서 조금 벗어난 파장에서 이득이 높다.
레이저 펄스가 증폭기(170)의 공진기 내에서 왕복으로 왔다 갔다 하면 레이저 이득 매질을 지나가는 횟수가 증가함으로써 파장에 따라서 증폭되는 비의 차이가 누적되면서 (d)와 같은 출력 펄스 스펙트럼을 갖는 출력 펄스가 된다.
출력 펄스 스펙트럼(d)를 규격화(normalization) 시키면, (e)와 같이, 그의 밴드 폭은 (a)의 입력 펄스 스펙트럼의 밴드 폭에 비하여 넓어졌음을 알 수 있다.
한편, 스펙트럼 밴드 폭이 줄어드는 것을 방지하기 위하여, 위와 같이, 스펙트럼 성형기를 이용한 펄스의 스펙트럼 변형뿐만 아니라 마스터 오실레이터(110)나 증폭기(170)에 포함된 레이저 발생장치에 복수의 레이저 매질을 사용하고, 상기 복수의 레이저 매질 각각이 가지고 있는 고유의 이득 스펙트럼을 결합(spectral combining)시킬 수 있다.
즉, 방사 단면적의 최대값에 해당하는 파장이 서로 다른 복수의 레이저 매질의 이득 스펙트럼을 중첩시켜 펄스의 스펙트럼 밴드 폭을 넓힐 수 있다.
이때, 사용되는 레이저 매질은 비결정 매질과 결정매질, 비결정 매질과 비결정 매질, 결정매질과 결정매질 어느 것이든 사용 가능하고, 레이저 매질의 수는 제한 없이 사용 가능하다. 또한, 결정 매질은 등방성 매질 및 비등방성 매질 모두를 포함할 수 있다. 또한, 펄스의 스펙트럼 밴드 폭을 넓히기 위해, 다음 도 4 및 도 5와 같이, 레이저 발생장치는 동일 종류의 복수의 레이저 매질을 사용하고, 광학적 축에 따라 방사 단면적의 스펙트럼이 다른 특성을 이용하여, 상기 광학적 축에 따른 레이저 매질의 스펙트럼을 중첩시켜 펄스의 스펙트럼 밴드 폭을 넓힐 수 있다.
예를 들어, 레이저 매질이 Yb:KYW 또는 Yb:KGW와 같은 비등방성 레이저 결정일 경우, 상기 비등방성 레이저 결정으로부터 발생된 레이저 빔의 편광 방향이 결정의 어떤 축 방향과 평행하느냐에 따라 방사 단면적(emission cross-section)의 스펙트럼이 다르다.
실험적으로, Yb:KYW 레이저 결정의 Nm, Np, Ng 와 같은 광학적 축 (optical axes)을 기준으로, 파장 1015 ~ 1050 nm 영역에서 레이저 빔의 편광 방향이 레이저 결정의 Nm축과 실질적으로 평행할 때 방사 단면적이 가장 크고, 다음으로 Np-축과 실질적으로 평행할 때 크고, 마지막으로 Ng-축과 실질적으로 평행할 때는 Nm-축과 실질적으로 평행할 때보다 거의 10배 정도 작다.
이러한 실험은 광학적 축이 아니라 a-축, b-축, c-축과 같은 결정학적 축(crystallographic axes)을 사용하여 펄스의 스펙트럼 밴드 폭을 넓힐 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 일 실시예로, 레이저 결정(Yb:KYW)으로부터 발생된 레이저 빔의 편광 방향이 레이저 결정(Yb:KYW)의 Nm-축 또는 Np-축 방향과 실질적으로 평행할 때, 레이저 결정의 방사 단면적의 스펙트럼 특성을 나타낸 것이고, 도 5는 도 4의 방사 단면적의 스펙트럼을 결합하여 나타난 스펙트럼 특성을 나타낸 도이다.
도 4 를 참조하면, 레이저 결정(Yb:KYW)으로부터 발생된 레이저 빔의 편광 방향이 레이저 결정(Yb:KYW)의 Nm-축과 실질적으로 평행할 때, 파장이 1025 nm 부근에서 방사 단면적이 최대값을 갖고, 이에 따라 (a)와 같은 스펙트럼 분포를 나타내고, 레이저 결정(Yb:KYW)으로부터 발생된 레이저 빔의 편광 방향이 레이저 결정(Yb:KYW)의 Np-축과 실질적으로 평행할 때, 1040 nm 부근에서 방사 단면적이 최대값을 갖고, (b)와 같은 스펙트럼 분포를 나타낸다.
도 5를 참조하면, (a)는 도 4의 (a)와 (b)의 방사 단면적의 스펙트럼을 1:1로 결합하여, 스펙트럼의 밴드 폭을 넓힌 것이고, (b)는 방사 단면적의 스펙트럼 밴드 폭을 더 넓히기 위해, 도 4의 (a)와 (b)의 방사 단면적의 스펙트럼을 1:3으로 결합한 것이다.
도 5에서는 방사 단면적의 스펙트럼 밴드 폭을 넓힐 수 있는 한 예를 설명하였지만, 서로 다른 방사 단면적의 스펙트럼 특성을 다양하게 결합하여 스펙트럼 밴드 폭을 넓힐 수 있다. 이때, 스펙트럼 결합은 레이저 결정으로부터 발생되는 레이저 빔의 출력을 높이기 위해 방사 단면적이 가능한 큰 값을 갖는 광학적 축을 이용함이 바람직하다.
한편, Yb:KYW 또는 Yb:KGW 레이저 결정은 방사 단면적 뿐만 아니라 흡수 단면적이 특정 축 방향에 따라 다르기 때문에, 광 펌핑 효율을 높이기 위해 펌핑 광의 편광 방향도 다양한 형태로 조합 할 수 있다.
바람직하기론, Ng-축 방향의 흡수 단면적은 Nm-축 방향의 흡수 단면적보다 10배 정도 작고, Nm-축 방향의 흡수 단면적이 Np-축 방향의 흡수 단면적보다 약 5배 정도 크기 때문에, 펌핑 광의 편광 방향이 상기 레이저 결정의 Nm-축 에 실질적으로 평행하도록 한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 빔 발생장치의 개략도이다.
도시된 바와 같이, 레이저 빔 발생장치(200)는 마스터 오실레이터(미도시)에 포함될 수 있고, 레이저 매질(C1, C2), 이색성 미러(DM), 포커싱 렌즈(FL), 콜리메이팅 렌즈(CL), 제 1파장판(24), 레이저 다이오드(21), 광섬유(22), 및 빔 덤퍼(30)을 포함한다.
레이저 매질(C1, C2)를 중심으로 양측에 각각 레이저 다이오드(21)가 배치되고, 각각의 레이저 다이오드(21)는 각각 광섬유(22)와 광학적으로 연결된다. 이러한 레이저 다이오드(21)는 펌핑 광을 발생시키기 위한 광원으로, 각 광섬유(22)를 통하여 레이저 매질(C1, C2)에 핌핑 광을 인가시킨다.
레이저 매질(C1, C2)의 종류나 레이저 매질(C1, C2)의 배치구조에 대해선, 펄스의 스펙트럼 특성, 열적 특성, 효율, 출력 등을 고려하여 다양하게 조합할 수 있다.
제 1파장판(24)은 반파장판(l/2)이며 상기 펌핑 광의 경로를 따라 각각의 광섬유(22) 다음에 배치되어, 레이저 다이오드(21)에서 발생된 광의 편광방향을 조정한다.
콜리메이팅렌즈(CL) 및 포커싱렌즈(FL)는 펌핑 광의 경로를 따라 제 1 파장판(24) 다음에 각각 순차적으로 배치되어, 상기 제 1 반파장판(24)에서 편광된 상기 핌핑 광을 레이저 매질(C1, C2)에 집속시킨다.
이색성 미러(DM)는 레이저 매질(C1, C2)을 통하여 발생된 레이저 빔을 반사하고, 상기 레이저 다이오드(21)로부터 발생된 펌핑 광을 투과하기 위하여 상기 레이저 매질(C1, C2)을 사이에 두고 전, 후측으로 배치된다.
한편, 제 1 파장판(24), 콜리메이팅렌즈(CL), 포커싱 렌즈(FL), 이색성 미러(DM), 레이저 매질(C1, C2)는 도면에 도시되어 있지 않지만, 주변 환경, 예를 들어, 온도 혹은 습도의 변화가 있을 때에도 레이저 다이오드로부터 발생된 펌핑 광이 레이저 매질에 입사되는 빔 정렬 특성을 유지할 수 있도록 기구적인 부품 체결을 통해 일체형을 이루는 광펌핑 모듈의 형태로 제작될 수 있다
빔 덤퍼(30)는 레이저 매질(C1, C2) 사이에 배치되어, 레이저 펄스를 증폭시키는 과정에서 발생되는 펌핑 광 및 레이저 빔의 정렬 특성이 저하되는 것을 방지한다. 빔 덤퍼에 대한 구체적인 설명은 후술하기로 한다.
추가로, 빔 경로를 조절할 수 있는 광학부품, 예를 들어, 오목 거울, 볼록 거울, 전반사 거울 등이 레이저 발생장치에 추가되어 레이저 빔의 경로를 조절할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 다른 레이저 빔 발생장치의 개략도이다.
도시된 바와 같이, 레이저 빔 발생장치(300)는 증폭기(미도시)에 포함될수 있고, 레이저 매질(C1, C2), 이색성 미러(DM), 포커싱 렌즈(FL), 콜리메이팅 렌즈(CL), 제 1파장판(24), 제 2파장판(25), 박막 편광기(TFP), 오목 거울(CM1, CM2), 전반사 거울(FM), 레이저 다이오드(21), 광섬유(22), 포켈 셀(23) 및 빔 덤퍼(30)을 포함한다.
레이저 빔 발생장치는 도 6의 레이저 빔 발생장치의 구조와 거의 유사하다. 따라서, 유사한 광학부품에 대한 설명은 생략하기로 한다.
다만, 오목 거울(CM1, CM2) 및 전반사 거울(FM)은 레이저 빔의 경로를 바꿔주는 역할을 한다. 오목 거울(CM1, CM2) 및 전반사 거울(FM)의 수와 위치는 레이저 빔 발생장치의 규모 혹은 빔 경로의 이동거리에 따라 달라질 수 있다. 본 발명의 실시예에서는 빔 경로 변환 수단으로 오목거울 및 전반사 거울에 대해서만 설명하였지만, 볼록 거울, 평판 거울 등과 같은 그 외의 빔 경로 변환 수단을 모두 이용할 수 있다
포켈 셀(23), 제 2 파장판(25) 및 박막 편광기(TFP)는 광 경로 방향에 배치되어, 레이저 매질에서 발생된 레이저 빔을 외부로 인출시키기 위한 스위치 역할을 한다. 여기서 제 2 파장판(25)은 l/4 파장판이다. 예를 들어, 상기 광학부품들을 통하여 증폭된 레이저 빔의 편광방향을 변화시키기 위하여 포켈 셀(23)에 수 kV전압을 인가한다.
도 8은 본 발명의 일 실시예로, 마스터 오실레이터 혹은 증폭기의 레이저 빔 발생장치에 포함된 레이저 매질의 배치구조를 설명하기 위한 펨토초 레이저 장치의 광학 개념도이다.
도시된 바와 같이, 제 1 및 제 2 레이저 매질(C1, C2)은 각각 광학적 축에 기초하여 결정면을 갖고, 각 결정면은 광학적 축에 수직방향으로 형성된다. 즉, 제 1 및 제 2 레이저 매질(C1, C2)은 각각 공간적으로 서로 수직방향의 Ng, Np, Nm축을 갖는 결정면을 갖고, 제 1 레이저 매질(C1)과 제 2 레이저 매질(C2)은 서로 다르게 정렬된다.
또한, 제 2 레이저 매질(C2)은 제 1 레이저 매질(C1)의 Ng축에 실질적으로 평행한 Np축, 제 1 레이저 매질(C1)의 Np 축에 실질적으로 평행한 Nm축, 제 1 레이저 매질(C1)의 Nm축에 실질적으로 평행한 Ng축을 갖도록 레이저 빔 발생 장치 내에 배치된다.
도면에는 도시되어 있지 않지만, 상기 제 1 레이저 매질(C1) 및 제 2 레이저 매질(C2)에 각각 인접하여 상기 제 1 및 제 2 레이저 매질(C1, C2)에 펌핑 광이 입사되도록 제 1 및 제 2 레이저 다이오드가 배치된다.
제 1 레이저 매질(C1) 및 제 2 레이저 매질(C2)은, 제 1 및 제 2 레이저 매질(C1, C2)에서 발생한 레이저 빔의 진행 방향이 제 1 레이저 매질의 Ng축에 실질적으로 평행하도록 배치하고, 상기 제 2 레이저 매질(C2)의 Np축에 실질적으로 평행하도록 배치한다.
이때, 이미 앞서도 서술하였지만, 스펙트럼 밴드 폭을 넓힐 수 있도록 제 1 레이저 매질(C1) 및 제 2 레이저 매질(C2)은, 레이저 빔 발생장치 내에서 공진하는 동안, 제 1 및 제 2 레이저 매질(C1, C2)로부터 발생된 레이저 빔의 편광방향(Elaser)이 제1 레이저 매질(C1)의 Np축에 대해 실질적으로 평행하게 하고, 제 2 레이저 매질(C2)의 Nm축에 대해 실질적으로 평행하도록 배치될 수 있다. 이에 따라, 열적 특성이 서로 다른 레이저 매질의 축 방향으로 레이저 빔이 진행되어 열적 효과에 따른 빔의 일그러짐 없이 빔의 품질을 향상시킬 수 있다.
또한, 효율을 높일 수 있도록 제 1 레이저 매질(C1) 및 제 2 레이저 매질(C2)은, 제 1 레이저 다이오드로부터 발생된 제 1 펌핑 광의 편광방향(Epump)이 제 1 레이저 매질(C1)의 Nm 축에 대해 실질적으로 평행하도록 하고, 제 2 레이저 다이오드로부터 발생된 제 2 펌핑 광의 편광방향(Epump)이 상기 제 2 레이저 매질(C2)의 Nm축에 대해 실질적으로 평행하도록 배치될 수 있다.
즉, 제 1 레이저 매질(C1) 및 제 2 레이저 매질(C2)로부터 발생된 레이저 빔의 편광방향은 방사 단면적을 고려하여 제 1 및 제 2 레이저 매질(C1, C2) 중 어느 하나의 Nm-축과 실질적으로 평행하게 하고, 나머지 하나의 Np-축과 실질적으로 평행하도록 하여, 스펙트럼 밴드 폭을 넓히고, 동시에 열적 효과에 따른 빔 일그러짐을 방지한다. 또한, 제 1 및 제 2 레이저 다이오드로부터 발생된 펌핑 광의 편광 방향(Epump)은 모두 흡수 단면적이 가장 큰 제 1 레이저 매질(C1) 및 제 2 레이저 매질(C2)의 Nm-축과 실질적으로 평행하게 하도록 하여 효율을 향상시킨다.
본 발명에 따른 일 실시예에서, 두 개의 레이저 매질을 이용하여 레이저 매질의 열적 특성을 일차적으로 보완하여 빔 품질을 향상시키고, 서로 다른 이득 스펙트럼 분포를 결합하여 밴드 폭을 넓혔지만, 밴드 폭을 더욱 넓혀 펄스의 시간 폭을 줄일 수 있도록 3개 이상의 레이저 매질을 이용할 수 있다. 이에 대한 레이저 매질들의 배열 및 이를 포함한 레이저 시스템은 어떤 형태로든 자유롭게 구체화 할 수 있다.
도 9는 본 발명에 따른 일 실시예로, 레이저 매질의 배치 구조에 따라 실험적으로 나타난 레이저 빔 특성을 나타낸 도이다.
도 9의 (a), (b), (c)의 공통 실험 조건은, 레이저 매질의 크기가 2× 2×5mm3로 동일하고, Yb의 도핑 비율은 3%, 출력 펄스의 파워는 13~15W와, 펌핑광의 편광방향(Epump)은 각각 제 1 레이저 매질 및 제 2 레이저 매질의 Nm축에 실질적으로 평행하도록 한다.
위와 같은 공통실험 조건을 기초로, 도 9의 (a)는, 제 1 레이저 매질의 경우, 레이저 빔의 진행방향이 제 1 레이저 매질의 Ng 축에 실질적으로 평행하도록 하고, 레이저 빔의 편광방향(Elaser)이 제 1 레이저 매질의 Np축에 실질적으로 평행하도록 하고, 제 2 레이저 매질의 경우, 상기 제 1 레이저 매질과 동일하게 레이저 빔의 진행방향이 제 2 레이저 매질의 Ng축에 실질적으로 평행하도록 하고, 레이저 빔의 편광방향(Elaser)이 제 2 레이저 매질의 Nm축에 실질적으로 평행하게 배치될 때 나타난 빔 특성이다. 도면에서 보는 바와 같이, 레이저 빔의 형상은 타원형을 띄면서 빔이 일그러지고, 이에 따라 빔 품질이 떨어짐을 알 수 있다.
도 9의 (b)는, 제 1 레이저 매질의 경우, 레이저 빔의 진행방향이 제 1 레이저 매질의 Ng 축에 실질적으로 평행하도록 하고, 레이저 빔의 편광방향(Elaser)이 제 1 레이저 매질의 Nm축에 실질적으로 평행하도록 하고, 제 2 레이저 매질의 경우, 레이저 빔의 진행방향이 제 2 레이저 매질의 Np축에 실질적으로 평행하도록 하고, 레이저 빔의 편광방향(Elaser)이 제 2 레이저 매질의 Nm축에 실질적으로 평행하게 배치될 때 나타난 빔 특성이다. 도면에서 보는 바와 같이, 레이저 빔의 형상은 타원형을 띄면서 빔이 일그러지고, 이에 따라 빔 품질이 떨어짐을 알 수 있다.
반면, 도 9의 (c)와 같이, 제 1 레이저 매질의 경우, 레이저 빔의 진행방향이 제 1 레이저 매질의 Ng 축에 실질적으로 평행하도록 하고, 레이저 빔의 편광방향(Elaser)이 제 1 레이저 매질의 Np축에 실질적으로 평행하도록 하고, 제 2 레이저 매질의 경우, 레이저 빔의 진행방향이 제 2 레이저 매질의 Np축에 실질적으로 평행하도록 하고, 레이저 빔의 편광방향(Elaser)이 제 2 레이저 매질의 Nm축에 실질적으로 평행하게 배치될 때 나타난 빔 특성이다. 도면에서 보는 바와 같이, 빔의 형상이 일그러짐없이 원형에 가까워, 빔 품질이 향상됨을 알 수 있다.
한편, 가공하고자 하는 물질 또는 생산 현장의 환경, 레이저 시스템의 안정성 등을 고려하여 높은 평균 출력의 펨토초 레이저를 이용함이 바람직하다. 따라서 본 발명의 일 실시예에서, 다음 도 10과 같이 빔의 평균 출력 향상을 위하여 레이저 매질의 배치구조를 달리할 수 있다.
도 10은 본 발명에 따른 다른 실시예로, 레이저 빔의 평균 출력을 향상시키기 위한 레이저 매질의 배치 구조를 설명하기 위한 펨토초 레이저 장치의 광학 개념도이다.
도 10은 도 8의 펨토초 레이저 장치의 광학 개념도와 유사하다. 즉, 제 2 레이저 매질(C2)은 제 1 레이저 매질(C1)의 Ng축에 실질적으로 평행한 Np축, 제 1 레이저 매질(C1)의 Np 축에 실질적으로 평행한 Ng축, 제 1 레이저 매질(C1)의 Nm축에 실질적으로 평행한 Nm축을 갖도록 레이저 빔 발생 장치 내에 배치된다.
제 1 레이저 매질(C1) 및 제 2 레이저 매질(C2)은, 제 1 및 제 2 레이저 매질(C1, C2)에서 발생한 레이저 빔의 진행 방향이 제 1 레이저 매질(C1)의 Ng축에 실질적으로 평행하도록 배치하고, 상기 제 2 레이저 매질(C2)의 Np축에 실질적으로 평행하도록 배치한다. 또한, 제 1 레이저 매질(C1) 및 제 2 레이저 매질(C2)은 레이저 빔의 편광방향(Elaser)이 각각 제 1 레이저 매질(C1) 및 제 2 레이저 매질(C2)의 Nm축에 실질적으로 평행하도록 배치될 수 있다.
즉, 제 1 레이저 매질(C1) 및 제 2 레이저 매질(C2)의 방사 단면적을 높여 빔의 평균 출력을 향상시킬 수 있도록 제 1 레이저 매질(C1) 및 제 2 레이저 매질(C2)을 배치시키도록 한다.
이때, 제 1 레이저 매질(C1) 및 제 2 레이저 매질(C2)은 펌핑 광의 편광방향(Epump)이 각각 제 1 레이저 매질(C1) 및 제 2 레이저 매질(C2)의 Nm축에 실질적으로 평행하도록 배치될 수 있다. 이에 따라, 레이저 다이오드로부터 발생된 펌핑 광이 제 1 레이저 매질(C1) 및 제 2 레이저 매질(C2)에 흡수되기 위한 흡수 단면적이 커지게 되어 레이저 빔 발생 효율이 향상된다.
도 10에 기초한 본 발명의 실시예에 따른 펨토초 레이저 장치는 도 8의 실시예에 마찬가지로, 3개 이상의 레이저 매질을 이용할 수 있다.
도 11은 본 발명의 일 실시예로, 마스터 오실레이터 혹은 증폭기의 레이저 빔 발생장치에 포함된 레이저 매질의 배치구조를 설명하기 위한 또 다른 펨토초 레이저 장치의 광학 개념도이다.
도 11의 펨토초 레이저 장치에 따른 광한 개념도는 도 8의 광학 개념도와 유사하다. 따라서, 동일한 특징들에 대한 설명은 생략하기로 한다.
도시된 바와 같이, 광학부품(10)은 제 1 레이저 매질(C1)과 제 2 레이저 매질(C2) 사이에 배치된다. 광학부품(10)은 제 1 및 제 2 레이저 매질(C1, C2)로부터 발생된 레이저 빔의 편광방향(Elaser)이 제 1 레이저 매질(C1)의 Np축과 제 2 레이저 매질(C2)의 Nm축에 실질적으로 평행하도록 배치된다.
즉, 광학부품(10)은 레이저 빔 펄스의 스펙트럼 밴드 폭 변경뿐만 아니라 레이저 매질에서 나타나는 열적 효과에 따른 빔의 일그러짐이 나타나지 않도록, 레이저 빔의 편광 방향을 레이저 매질의 특정 광학적 축에 실질적으로 평행하게 한다. 따라서 레이저 매질에서 발생된 레이저 빔이 도 9의 (c)와 같이 원형에 가까워져 빔의 품질을 향상 시킬 수 있다.
이때, 광학 부품(10)은 편광 변환기와 같이 빔의 편광 방향을 변경시킬 수 있는 부품이면 어느 것이든 가능하다. 편광 변환기는 반파장판(Half-wave plates), 복수의 프레넬의 사방체(Double Fresnel rhomb), 광대역 프리즘 회전자(Broadband prismatic rotator), 파라데이 회전기(Faraday rotator), 복수의 미러 조합 등이 있다.
한편, 레이저 빔 발생 효율, 출력보상, 레이저 매질의 수 등에 관한 설명은 도 8의 광학 개념도에서 설명한 내용과 동일함으로 이에 대한 설명은 생략하기로 한다.
한편, 도 10의 실시예에서와 마찬가지로, 광학부품을 이용하여 레이저 빔의 편광방향을 조절함으로써, 빔의 평균출력을 향상시킬 수 있다.
도 12는 본 발명의 일 실시예로, 마스터 오실레이터 혹은 증폭기의 레이저 빔 발생장치에 포함된 레이저 매질의 배치구조를 설명하기 위한 또 다른 펨토초 레이저 장치의 광학 개념도이다.
도 12의 펨토초 레이저 장치에 따른 광학 개념도는 도 10의 광학 개념도와 유사하다. 따라서, 동일한 특징들에 대한 설명은 생략하기로 한다.
도시된 바와 같이, 광학부품(10)은 제 1 레이저 매질(C1)과 제 2 레이저 매질(C2) 사이에 배치된다. 광학부품(10)은 제 1 및 제 2 레이저 매질(C1, C2)로부터 발생된 레이저 빔의 편광방향(Elaser)이 제 1 레이저 매질(C1)의 Nm축과 제 2 레이저 매질(C2)의 Nm축에 실질적으로 평행하도록 배치된다.
즉, 광학부품(10)은 레이저 매질의 방사 단면적을 높여 빔의 평균 출력을 향상시킬 수 있도록, 레이저 빔의 편광 방향을 레이저 매질의 특정 광학적 축에 실질적으로 평행하게 한다.
이때, 광학 부품(10)의 종류 및 기타 특징은 상기 도 11의 실시예와 동일함으로 이에 대한 설명은 생략하기로 한다.
도 13은 본 발명의 일 실시예로, 마스터 오실레이터 혹은 증폭기에 포함된 레이저 빔 발생장치를 설명하기 위한 도이고, 도 14은 본 발명의 일 실시예에 따른 빔 덤퍼 구조를 설명하기 위한 도이다. 도 14의 (a)는 빔 덤퍼의 평면도와 이에 따른 부분 단면도이고, 도 14의 (b)는 빔 덤퍼의 정면도와 이에 따른 부분 단면도이다.
도 13 및 도 14를 참조하면, 레이저 빔 발생장치(200)는 서로 마주하여 배치된 제 1 레이저 매질(C1)과 제 2 레이저 매질(C2), 제 1 레이저 매질과 제 2 레이저 매질 사이에 배치된 빔 덤퍼(30)를 포함한다.
빔 덤퍼(30)는 상기 빔 덤퍼(30)의 중앙부에 형성된 홀(33)과 상기 홀(33) 주변에 빔 흡수부(32)를 포함한다.
빔 덤퍼의 홀(33)은 제 1 및 제 2 레이저 매질(C1)로부터 발생된 레이저 빔이 통과하도록 하고, 빔 덤퍼의 빔 흡수부(32)는 상기 제 1 및 제 2 레이저 매질(C2)에 흡수되지 못한 펌핑 광(pump beam)을 차단 또는 흡수할 수 있다.
레이저 다이오드(미도시)에서 발생된 펌핑 광(pump beam)은 제 1 및 제 2 레이저 매질(C1, C2)에 흡수되지만, 일부 흡수되지 못한 펌핑 광은 레이저 장치를 구성하는 광학부품(미도시), 광학 부품을 지지하는 마운트(미도시) 등에 입사된다. 따라서, 레이저 장치는 전체적으로 열 변형이 일어나 빔의 정렬특성을 떨어뜨리게 된다.
본 발명의 실시예에 따른 빔 덤퍼(30)는 제 1 레이저 매질(C1) 또는 제 2 레이저 매질(C2)에서 흡수되지 못한 펌핑 광이 레이저 장치를 구성하는 부품들을 가열시키지 못하도록 제 1 레이저 매질(C1) 또는 제 2 레이저 매질(C2)에서 흡수되지 못한 펌핑 광을 흡수한다. 이에 따라 레이저 빔의 정렬특성이 저하되는 것을 방지한다.
또한, 빔 덤퍼(30)는 흡수한 펌핑 광에 의해 가열되면서 주변으로 열을 전달시키는 것을 방지하기 위하여 빔 덤퍼(30) 내부에 냉각수로(31)가 형성될 수 있다. 냉각수로(31)에는 빔 덤퍼(30)가 충분히 냉각될 수 있도록 냉각수가 공급된다. 또한, 냉각수로(31)는 냉각 효율을 높일 수 있도록 냉각수의 경로를 빔 흡수부(32)에 최대한 가까우면서 길게 형성 할 수 있다.
또한, 빔 덤퍼(30)의 상측부는 연결수단이 삽입되어 레이저 발생장치를 구성하는 광학부품 혹은 광 마운트와 일체형으로 체결될 수 있는 삽입 홀(35)이 형성될 수 있다.
이러한 빔 덤퍼(30)는 다른 광학부품들과 기구적으로 연결될 경우, 펨토초 펄스의 생성 또는 증폭시키는 과정에서 발생된 광학 부품들의 열적 변형을 방지할 수 있다. 즉, 펌핑 광에 의한 광학부품들의 열은 연결수단을 통하여 빔 덤퍼에 전달되고 흡수되어 광학부품들의 열적 변형을 방지할 수 있다.
또한, 빔 덤퍼(30)는 광 마운트(미도시)와 연동하여 상기 연결수단에 고정될 수 있도록 상측단에서 스크류 체결 홀(36)을 갖을 수 있다.
냉각수로(31)는 냉각효율을 높이도록 홀(33) 주변 혹은 빔 흡수부(32) 주변을 따라 형성될 수 있다.
빔 흡수부(32)는 빔 덤퍼(30)의 양측단에서 중심부로 갈수록 직경이 감소하는 형상을 갖는다. 즉, 빔 흡수부(32)는 레이저 다이오드에서 발생된 펌핑 광이 상기 빔 덤퍼(30)에 입사되어 반사되지 않도록 단면이 콘 형상을 갖을 수 있다. 물론, 빔 흡수부(32)는 빔 덤퍼(30)에서 펌핑 광의 반사율을 줄일 수 있는 구조이면 어느 것이든 가능하다.
또한, 빔 흡수부(32)는 펌핑 광의 흡수율을 높이기 위해 표면이 애노다이징 처리되거나 광 흡수율이 큰 물질로 코팅될 수 있다.
다음은 상술한 본 발명에 따른 펨토초 레이저 장치 및 이를 포함한 펨토초 레이저 시스템을 이용한 실험 실시예이다.
실험 실시예
증폭기(170)에 인가할 종자 펄스를 발생시키기 위하여 펨토초 마스터 오실레이터(110)를 제작하였다.
이때, 마스터 오실레이터(110)는 크기 3×3×2mm3, Yb의 도핑 비율 5at. %의 Yb:KYW 레이저 매질을 사용하여 제작되었다.
펌핑 광의 편광 방향은 레이저 매질의 Nm축과 실질적으로 평행하게 하고, 레이저의 발진 편광 방향도 Nm축과 실질적으로 평행되게 하였다.
발진되는 펨토초 마스터 오실레이터(110)의 중심 파장을 증폭기(170) 공진기의 중심 파장과 맞추기 위하여 레이저 매질을 Np-축 방향으로 절단한 Np-컷을 사용하였다.
마스터 오실레이터(110)에서 출력되는 레이저 빔의 중심 파장은 1035nm, 스펙트럼 밴드폭은 9.0nm, 펄스 시간 폭은 110fs, 평균 출력은 1.2W 이었다.
펄스 확장기(131)는 증폭기(170) 이전에 펄스의 길이를 시간적으로 길게 만드는 장치이며, 펄스 압축기(132)는 길게 늘어진 펄스의 시간 폭을 펨토초 영역으로 다시 짧게 되돌려 놓는 장치이다.
이러한 처프 펄스 증폭 과정에서 수백 또는 수천 배 이상 길게 늘어진 시간폭의 펄스를 증폭기(170)에서 증폭하게 되면, 증폭된 펄스의 첨두 출력(peak power)이 낮아져서 증폭기(170) 공진기를 구성하는 광학 부품들의 물리적 손상을 방지할 수 있다.
또한, 높은 첨두 출력에서 발생하는 자체 집속 효과(self-focusing effect)와 같은 비선형 현상에 의하여 펄스의 시간적 형태와 빔의 공간적 분포가 일그러지는 것을 방지할 수 있다.
본 실험에서는 그루브 밀도(groove density)가 1500lines/mm인 투과형 회절 그레이팅(transmission diffraction grating)을 한 개 사용하여 펄스 확장기(131)와 펄스 압축기(132) 역할을 동시에 할 수 있게 설계하고 제작하였다.
마스터 오실레이터(110)의 펨토초 펄스를 이용하여 펄스 확장기(131) 및 압축기(132)를 테스트한 결과는 다음과 같다.
시간 폭 110fs인 펨토초 펄스는 펄스 확장기(131)에 의하여 약 50ps의 펄스로 확장되었고, 이를 다시 펄스 압축기(132)에 통과시키면 160fs로 압축되었다.
즉, 확장되기 전의 펄스 시간 폭과 압축된 후의 펄스 시간 폭의 비를 나타내는 압축비율은 1.45였다. 또한 펄스 확장기(131) 전후의 출력 변환효율은 74% 그리고 펄스 압축기(132) 전후의 출력 변환효율은 78% 이었다.
증폭기에서 외부로 인출된 펄스들은 펄스 피커(160)(pulse picker)를 거치면서 원하는 펄스들만 통과시킨다.
이때, 펄스 피커(160)는 주 펄스(main pulse)를 이전 펄스들(pre-pulses) 및 이후 펄스들(post-pulses)과 분리시킨다.
한편, 포켈 셀(23)을 이용하여 공진기 외부로 인출하고자 하는 레이저 펄스와 그냥 공진기 외부로 새어 나오는 약한 레이저 펄스 간에 상대적인 대조비(contrast ratio)를 높이기 위하여 증폭기(170)에서는 2개의 박막 편광기를 사용하였다.
그리고, 전체 시스템에서는 박막 편광기를 추가로 배치하여 최종적인 대조비를 높였다.
증폭기(170)에서는 크기가 2×2×5mm3, Yb3+ 이온의 도핑 농도가 3at. %인 Yb:KYW 레이저 매질을 사용하였고, 레이저 매질 양 끝단에는 펌핑 광원과 레이저 발진 파장에 대하여 무반사 코팅을 하였다.
이색성 평면거울 DM은 981nm 파장 영역의 펌핑 광은 높은 투과도로 통과시키고, 1 마이크로미터 파장 영역의 레이저에 대해서는 높은 반사율로 반사되게 코팅하였다.
펌핑 광원으로는 파장 981nm, 최대 출력 70W의 고휘도 레이저 다이오드(21)를 각 C1, C2 레이저 매질에 한 개씩, 즉 두 개를 사용하였다.
본 실험에서 사용하는 Yb:KYW는 비등방성 레이저 결정으로서 광학적 축 방향에 따라서 서로 다른 특성을 나타낸다.
그래서, 레이저 다이오드(21)에 체결된 광섬유(22)(fiber)의 길이를 최대한 짧게 하여 펌핑 광의 편광 방향이 최대한 유지되게 하였다.
본 실험에서는 길이 30cm이고 코아 직경 200μm, 개구 수치(numerial aperture: NA)는 0.22인 고휘도 레이저 다이오드(21)(high-brightness laser diode)를 사용하였다.
펌핑 광이 레이저 결정에 최대로 흡수되게 하기 위하여 광섬유(22) 다음에 반파장판 λ/2를 배치하여 편광방향을 미세하게 조절하여 펌핑 광의 편광을 Yb:KYW 결정의 Nm축과 실질적으로 평행이 되게 하였다.
레이저 매질 C1은 Ng-축 방향으로 컷팅 된 Ng-컷으로서 펌핑 광의 편광 방향은 Nm-축과 실질적으로 수평 방향이지만, 레이저 빔의 편광 방향은 Np-축과 실질적으로 평행하도록 배치하였다.
레이저 매질 C2는 Np-축 방향으로 컷팅된 Np-컷으로 펌핑 광의 편광 방향은 Nm-축과 실질적으로 평행하고, 레이저 빔의 편광 방향도 Nm-축과 실질적으로 평행하게 배치하였다.
다시 말해서, 펌핑 광의 편광 방향은 모두 흡수 단면적이 가장 큰 Nm-축과 실질적으로 평행하게 하고 레이저 빔의 편광은 하나는 방사 단면적이 가장 큰 Nm-축과 실질적으로 평행하게 하고, 다른 하나는 다음으로 큰 Np-축과 실질적으로 평행하게 하여서 서로 다른 이득 스펙트럼을 결합시키고자 하는 것이다.
하나는 Ng-컷이고 다른 하나는 Np-컷인 레이저 매질들의 조합으로서 레이저 발진이 서로 다른 이득 스펙트럼 분포를 결합하여 그 밴드 폭을 넓혀서 더 짧은 펨토초 펄스를 발생시키고, 열적 특성이 서로 다른 축 방향으로 레이저 빔의 편광방향이 진행하게 함으로써 열적 효과를 분산시키려고 하는 것이다.
그리고 레이저 매질의 길이를 비교적 긴 5mm로 하고 도핑 비율을 3at. %로 낮게 한 것은 열적 렌즈 효과를 줄이고 높은 출력에서 출력 빔의 공간적 품질을 향상시키기 위한 것이다.
이를 뒷받침해주는 실험 결과를 살펴보면, 가상적으로 공진기를 구성하여 출력 특성을 전산시늉(numerical simulation)할 수 있는 LASCAD 소프트웨어 (Las-CAD GmbH)를 활용해 보면, 예를 들어, 길이 5mm, 도핑 비율 3at. % 의 Yb:KYW 레이저 결정이 받는 열적 렌즈와 열적-기계적 스트레스의 광학적 강도가 길이 3mm, 도핑 비율 5at. % 의 레이저 결정이 받는 것과 비교하여 1.5배 더 약한 것으로 나타났다.
또한 컴퓨터 계산은 Ng-컷 결정과 Np-컷 결정에서 열적 렌즈의 비점수차(astigmatism) 세기는 비슷하지만 축 방향이 서로 다르다는 것을 보여주었다.
레이저 매질에 인가되는 펌핑 광의 출력이 36W일 때 x-축 방향과 y-축 방향의 열적 초점거리의 비(fx/fy)가 Ng-컷일 때는 1.15이고 Np-컷일 때는 0.88 이었다.
이것은 레이저 빔이 Ng-컷 결정을 통과한 후에 연속적으로 Np-컷 결정을 통과하거나, 또는 레이저 빔이 Np-컷 결정을 통과한 후에 연속적으로 Ng-컷 결정을 통과하는 경우에 증폭되는 빔의 비점수차가 부분적으로 서로 상쇄될 수 있음을 의미한다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 실험예에서 Yb의 도핑농도를 특정 값으로 적용하였지만, Yb의 도핑농도는 레이저 빔의 출력 세기 및 빔의 품질이 향상될 수 있는 1 ~ 10 at. %범위로 적용할 수 있다.
다음은 본 발명의 일 실시예에 따른 펨토초 레이저 장치 및 이를 포함한 펨토초 레이저 시스템의 실험 결과들에 관한 것이다.
실험 결과
도 15는 도 7에 따라 구성한 증폭기(170)에서 펄스가 아닌 연속 발진 모드에서 레이저 결정에 인가되는 펌핑 파워(incident pump power on crystals[W])에 따른 연속파 출력 파워(continuous wave(CW) output power)의 동작 특성을 보여준다.
먼저, Ng-컷과 Np-컷을 갖는 레이저 매질들 각각 1개씩에만 펌핑 광을 인가하면 기울기 효율(slope efficiency)이 각각 47%, 37% 였다.
이때, 인가되는 펌핑 광이 36W 일 때 최대 출력이 각각 12W, 9W였다.
그리고 Ng-컷과 Np-컷을 갖는 레이저 매질들에 동시에 펌핑 광을 인가하면 기울기 효율이 약 35%였고, 인가되는 펌핑 광이 72W일 때, 증폭기(170)의 연속파 출력이 18W였다.
Q-스위치 모드에서는 게이트 타임 800 ns, 펄스 반복률(repetition rate) 200kHz 일 때, 평균 출력 16W를 얻었다.
연속파 모드에 비하여 출력이 조금 떨어진 것은 공진기 내부에 배치한 광학 스위치에 의한 손실 때문이다.
펄스 시간 폭은 약 20ns 였고 펄스의 스펙트럼 밴드 폭은 약 16nm 였다.
펄스 스펙트럼은 두 개의 레이저 매질이 갖는 서로 다른 이득 피크에 따라 1035nm와 1043nm에 두 개의 피크를 갖는 M-모양을 보여 주었다.
증폭기(170)에서 펄스 에너지가 증폭되는 과정에서 스펙트럼 좁아짐이 발생된다. 이를 억제하고 스펙트럼 밴드 폭을 넓히기 위하여 리옷 필터(Lyot filter)라고 불리는 편광-간섭 필터(polarization-interference filter)를 사용하여 스펙트럼 성형(spectral shaping)을 공진기 외부(extra-cavity)에서 또는 내부(intra--cavity)에서 시도하였다.
한편, 스펙트럼 성형기(140)(spectral shaper)는 도 16과 같이 두 개의 편광판(122)과, 이들 사이에 배치된 복굴절 석영판(birefringent quartz plate, 121)으로 구성된다.
최적의 스펙트럼 성형을 위하여 복굴절 필터에 의한 투과도 최소점이 이득 스펙트럼의 최대점과 일치되어야 하고, 그 폭들이 서로 비슷하여야 한다.
이를 실현하기 위하여 두께 8mm의 석영판을 광축을 따라서 절단하고 회전 방향 φ, ψ 방향으로 정밀하게 회전할 수 있도록 하기 위하여, 회전 마운트(123)에 장착하여 투과도 최소점의 위치와 그 변조 깊이를 미세하게 조정하였다.
마지막 단계로 펄스 확장 및 스펙트럼 성형된 종자 펄스를 증폭기(170)에 인가하여 도 1과 같은 전체 시스템을 구성하고 그 동작 특성을 측정하였다.
도 17은 펄스 확장기(131)에 의해 처핑된 펄스를 스펙트럼 성형하기 (a)전과 (b)후의 각각의 스펙트럼을 보여준다.
도 1의 마스터 오실레이터(110)에서 나오는 펄스는 중심 파장 1035nm, 밴드폭 9nm의 대칭적인 스펙트럼을 보여준다.
스펙트럼 성형된 후에는 1030nm와 1040nm 부근에서 국소적인 최대값을 갖는다는 것을 알 수 있다.
물론, 스펙트럼 성형기(140)를 구성하는 석영판의 두께, 회전 방향 φ, ψ를 조정하여 다양한 형태로 스펙트럼 성형이 가능하다.
도 18에서 (a)는 스펙트럼 성형(spectral shaping: SS)하지 않는 종자 펄스를 증폭기(170)에 인가하고 펄스 반복률 200kHz에서 C1, C2 레이저 결정에 같은 세기의 펌핑 광을 인가하였을 때 증폭된 레이저 펄스의 스펙트럼을 측정한 것으로서 중심파장 1036nm, 밴드폭 6nm의 비대칭적인 스펙트럼을 보여준다.
증폭되기 전의 펄스 스펙트럼인 도 17의 (a)와 비교하여 보면, 이득 좁아짐으로 스펙트럼 밴드폭이 9nm 에서 6nm 로 좁아졌음을 확연히 알 수 있다.
이렇게 좁아진 스펙트럼의 펄스를 펄스 압축기(132)로 압축하였을 경우 도 19의 (a)와 같이 펄스 시간 폭이 265fs 로 측정되었다.
이러한 스펙트럼 좁아짐은 다양한 방법으로 억제시킬 수 있다.
예를 들어, 레이저 매질로써, 비등방성 레이저 결정 Yb:KYW의 C1 과 C2 에 서로 다른 세기의 펌핑 광을 인가하면 서로 다른 중심 파장에서 이득 최대값을 갖기 때문에 서로 다른 세기의 이득 스펙트럼이 결합되는 효과를 얻을 수 있다.
실제 실험에서 Np-컷 결정과 Ng-컷 레이저 매질에 인가되는 펌핑 파워의 비를 3:2로 변화시키면 스펙트럼이 더 넓어지고 그 모양이 상당히 변형됨을 확인하였다.
이 경우에 스펙트럼 밴드폭은 9nm, 펄스 시간 폭은 210fs로 측정되었다. 하지만, 이렇게 할 경우에 좁아진 펄스 시간 폭을 얻을 수는 있지만 펌핑 파워의 세기를 제한함으로써 펨토초 레이저 시스템의 전체 출력이 제한된다는 단점이 있다.
본 실험에서는 위와 같은 조건에서 출력이 37%나 줄어드는 것으로 측정되었다.
스펙트럼 좁아짐을 억제하는 다른 방법은 스펙트럼 성형을 이용하는 것이다. 도 1과 같이 펄스 확장기(131)와 증폭기(170) 사이에 도 16과 같은 스펙트럼 성형기(140)를 배치하여 종자 펄스를 공진기 외부에서 스펙트럼 성형을 실시하는 것이다.
회전 마운트(123)의 각도, φ, ψ를 미세하게 조정하면서 증폭되는 펄스의 스펙트럼 및 펄스의 시간 폭을 관측 하면서 최적의 각도를 결정한다.
도 18의 (b)는 종자 펄스를 스펙트럼 성형하였을 때 증폭된 레이저 펄스의 스펙트럼을 보여준다.
측정된 스펙트럼은 중심파장 1034nm이고, 스펙트럼 밴드 폭 11nm인 종-모양(bell-shape)이었다.
스펙트럼 성형하기 전에는 증폭된 펄스의 밴드 폭이 6nm이었던 것이 스펙트럼 성형한 후에는 그 밴드 폭이 11nm로 거의 2배 증가한 것이다. 이렇게 넓혀진 스펙트럼의 펄스를 펄스 압축기(132)로 압축하면 도 19의 (b)와 같이 펄스 시간 폭 이 182fs로 측정되었다.
스펙트럼 성형기(140)를 증폭기(170)의 공진기 내부에 배치하여 실험을 수행하였다.
거의 같은 넓이의 스펙트럼을 얻을 수 있었지만 레이저 출력은 약 20% 감소하였다.
이는 레이저 펄스가 공진기 내부에서 여러 번 왕복하면서 리옷 필터를 포함한 스펙트럼 성형기(140)에 의한 작은 손실이 축적되기 때문이다.
도 20은 펄스 반복률에 따른 펄스 에너지의 변화를 나타낸 것이다.
펄스 반복률이 낮을수록 펄스 에너지가 더 높다. 최대 펄스 에너지는 레이저 결정에 인가되는 펌핑 파워가 73.2W, 펄스 반복률이 50kHz일 때, 164μJ로 측정되었다.
낮은 펄스 반복률에서 라만 산란(Raman scattering)이 발생되는 것을 실험적으로 관측하였는데, 이는 펄스 에너지를 더 높이는 것을 방해하는 요소로 작용한다.
펄스 반복률 200 kHz에서는 10 ~ 50μJ의 펄스 에너지를, 500kHz에서는 4 ~ 20μJ의 펄스 에너지를 얻었다.
이 정도의 펄스 에너지는 높은 펄스 반복률에서 다양한 시료들을 가공하기에 충분하다.
본 발명의 일 실시예에 따른 펨토초 레이저 장치 및 이를 포함하는 펨토초 레이저 시스템은 위에서 설명된 실시예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.
110: 마스터 오실레이터 131: 펄스 확장기
140: 스펙트럼 성형기 170: 증폭기
150: 파라데이 회전기 160: 펄스 피커
120: 파라데이 아이솔레이터 132: 펄스 압축기
21: 레이저 다이오드 22: 광섬유(fiber)
23: 포켈 셀(Pockels cell) 30: 빔 덤퍼(beam dumper)
31: 냉각수 통로 32: 빔 흡수부

Claims (9)

  1. 서로 마주하여 배치된 제 1 레이저 매질과 제 2 레이저 매질;
    상기 제 1 레이저 매질 및 제 2 레이저 매질에 각각 펌핑 광을 입사시키기 위하여 배치된 제 1 레이저 다이오드와 제 2 레이저 다이오드; 및
    상기 제 1 레이저 매질과 상기 제 2 레이저 매질 사이에 배치되고, 제 1 및 제 2 레이저 매질로부터 발생된 레이저 빔이 통과하기 위한 홀과 상기 제 1 및 제 2 레이저 매질에 흡수되지 못한 상기 펌핑 광을 차단 또는 흡수하기 위해 상기 홀 주변부에 형성된 빔 흡수부를 갖는 빔덤퍼
    를 포함하는 펨토초 레이저 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 빔 흡수부는 상기 빔 덤퍼의 양측단에서 중심부로 갈수록 직경이 감소하는 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 펨토초 레이저 장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 빔 흡수부는 애노다이징 처리 된 것을 특징으로 하는 펨토초 레이저 장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 빔 덤퍼는 내부에 냉각수로를 포함하는 것을 특징으로 하는 펨토초 레이저 장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 빔 덤퍼는 일측에 삽입홀을 갖고, 상기 삽입홀에 연결수단이 삽입되어 광학부품들과 일체형을 이루는 것을 특징으로 하는 펨토초 레이저 장치.
  6. 제 4항에 있어서,
    상기 냉각수로는 상기 빔 흡수부 주변에 배치되는 것을 특징으로 하는 펨토초 레이저 장치.
  7. 펨토초 영역의 펄스를 발생시키기 위한 마스터 오실레이터;
    상기 발생된 펨토초 영역의 펄스의 폭을 확장하기 위한 펄스 확장기;
    상기 성형된 펄스의 에너지를 증폭시키기 위한 증폭기; 및
    상기 증폭된 펄스를 펨토초 영역의 펄스로 압축시키기 위한 펄스 압축기를 포함하고,
    상기 마스터 오실레이터 및 상기 증폭기 중 적어도 어느 하나는 청구항 1의 레이저 장치를 포함하는 펨토초 레이저 시스템.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 펄스 확장기와 상기 펄스 압축기는 하나의 분광소자를 공통으로 사용하여 일체형을 이루는 것을 특징으로 하는 펨토초 레이저 시스템.
  9. 제 7항에 있어서,
    상기 확장된 펄스의 스펙트럼을 성형하기 위한 스펙트럼 성형기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 펨토초 레이저 시스템.


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