KR20150029079A - 레이저 파장변환 장치 - Google Patents

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Abstract

적외선 레이저 빔과 녹색 레이저 빔이 통과하며 집광되도록 마련되는 복굴절 물질로 제공되는 집광렌즈; 및 상기 집광렌즈를 통하여 집광된 상기 적외선 레이저 빔과 상기 녹색 레이저 빔을 결합하여 자외선 레이저 빔을 제공하는 합 주파수 발생장치가 포함되는 레이저 파장변환 장치가 제시된다. 본 발명에 따르면 집광렌즈의 색수차로 말미암은 문제점을 개선하여, 자외선 레이저 빔의 출력과 빔 품질을 향상시킬 수 있는 장점을 얻을 수 있다.

Description

레이저 파장변환 장치{LASER WAVELENGTH CONVERSION APPARATUS}
본 발명은 레이저 파장변환 장치에 관한 것이다. 더 상세하게는, 레이저를 파장변환하여 정밀가공에 사용할 수 있도록 하는 레이저 파장변환 장치에 관한 것이다.
정밀 고속가공을 수행하는 방법으로서 자외선 레이저 가공방법이 알려져 있다. 상기 자외선 레이저 광원을 얻는 방법으로서, 적외선 레이저 빔을 변환하는 방법이 사용될 수 있다.
적외선 레이저 광원을 자외선 레이저 광원으로 변환하는 방법은 이하와 같다. 먼저, 적외선 레이저 빔을 2차 조화파 발생장치(Second Harmonic Generator : SHG)를 통하여 적외선 레이저 빔의 일부를 녹색 레이저 빔으로 파장변환시킨다. 이후에 집광시켜서 녹색 레이저 빔과 적외선 레이저 빔을 합 주파수 발생장치(Sum Frequency Generator : SFG)를 통하여 결합시켜서 자외선 레이저 빔을 만들어 낸다. 상기 합 주파수 발생장치로는 비선형 광학물질이 사용될 수 있다. 예를 들어, 리튬 트리보레이트(lithium triborate : LBO)가 사용될 수 있다.
한편, 정밀 고속가공을 수행하기 위해서는 고반복률/고출력/고품질의 자외선 레이저 광원이 요구된다. 그런데, 적외선 레이저 빔을 파장변환하여 자외선 레이저 빔을 만들어 낼 때에는, 적외선 레이저 빔의 고반복율 특성 때문에 펄스 에너지와 첨두출력(peak power)이 낮기 때문에, 파장변환효율을 높이기 위하여 레이저 빔을 최대한 작게 집광하여 빔의 크기를 축소시키는 것이 바람직하다.
그러나, 레이저 빔의 크기가 축소되면, 집광렌즈의 색수차 문제가 심각해진다. 적외선 빔과 녹색 빔, 두 빔을 자외선 발생 물질로 집광할 때, 집광 렌즈의 색 수차로 말미암아 보통은 두 빔의 초점이 일치하지 않게 된다. 이렇게 되면 빔들의 상호작용이 약해져서 자외선으로의 변환 효율이 낮아질 수 있고, 이러한 현상은 집광 빔이 작을수록 더 심해진다.
이러한 문제를 개선하는 종래 방법으로서, 렌즈를 사용하지 않고 오목거울을 사용하는 방법이 개시되어 있다(비특허문헌참조). 그러나, 구면거울인 경우에는 비점수차(astigmatism)가 문제가 되어 초점이 일치하지 않는 문제가 발생하고, 광 정렬이 복잡해지는 문제점이 있다.
High efficiency generation of 355nm radiation by extra-cavity frequency conversion: Optics Communications 283 (2010) 3497-3499
본 발명은 상기한 배경에서 제안되는 것으로서, 색수차로 말미암아 자외선 레이저 빔의 변환효율과 빔 품질이 저하되는 문제를 개선할 수 있는 레이저 파장변환 장치를 제안한다. 이로써, 자외선 레이저 빔으로의 파장변환효율을 향상시킬 수 있고, 고 품질의 자외선 레이저 빔을 얻을 수 있다.
본 발명에 따른 레이저 파장변환 장치에는, 적외선 레이저 빔과 녹색 레이저 빔을 집광시키는 복굴절 물질로 제작되는 집광렌즈; 및 상기 집광렌즈를 통하여 집광된 상기 적외선 레이저 빔과 상기 녹색 레이저 빔을 결합하여 자외선 레이저 빔을 제공하는 합 주파수 발생 장치가 포함된다.
다른 측면에 따른 레이저 파장변환 장치에는, 적외선 레이저 빔과 녹색 레이저 빔을 집광시키는 복굴절 물질로 제작되는 집광렌즈; 복굴절 집광렌즈에서 발생하는 워크오프를 보상하는 소자; 및 상기 집광렌즈를 통하여 집광된 상기 적외선 레이저 빔과 상기 녹색 레이저 빔을 결합하여 자외선 레이저 빔을 제공하는 합 주파수 발생 장치가 포함된다.
더 다른 측면에 따른 레이저 파장변환 장치에는, 적외선 레이저 빔과 녹색 레이저 빔을 집광시키는 복굴절 물질로 제작되는 집광렌즈; 상기 적외선 레이저 빔과 상기 녹색 레이저 빔의 편광 방향을 모두 90O 회전시키는 반파장판; 및 상기 집광렌즈를 통하여 집광된 상기 적외선 레이저 빔과 상기 녹색 레이저 빔을 결합하여 자외선 레이저 빔을 제공하는 합 주파수 발생 장치가 포함된다.
본 발명에 따르면 색수차로 말미암아 자외선 레이저 빔의 변환효율과 빔 품질이 저하되는 문제를 개선할 수 있다. 이로써, 정밀 고속가공을 위해서 요구되는 고출력 고품질 자외선 레이저 빔을 제공할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 복굴절 렌즈를 이용한 적외선 및 녹색 빔 집광을 나타내는 도면.
도 2는 복굴절 렌즈와 렌즈 워크오프 보상 소자를 이용한 적외선 및 녹색 빔 집광을 나타내는 도면.
도 3은 복굴절 렌즈를 이용하여 자외선 발생 물질의 워크오프를 보상하는 집광 중에서 렌즈와 자외선 발생 물질의 이상파 빔이 같은 경우를 나타내는 도면.
도 4는 복굴절 렌즈를 이용하여 자외선 발생 물질의 워크오프를 보상하는 집광 중에서 렌즈와 자외선 발생 물질의 이상파 빔이 다른 경우를 나타내는 도면.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예를 상세하게 설명한다. 다만, 본 발명의 사상은 이하에 제시되는 실시예에 제한되지 아니하며, 본 발명을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에 포함되는 다른 실시예를 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 및 추가 등에 의해서 용이하게 제안할 수 있을 것이다. 그러나 그 또한 본 발명의 사상에 포함된다고 할 것이다. 도면은 과장적이고, 간단하게 표시되어 있을 수 있고, 설명에 직접 필요 없는 부품은 삭제되어 표시될 수 있다.
도 1은 복굴절 렌즈를 이용한 적외선 및 녹색 빔 집광을 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 적외선 레이저 빔과 녹색 레이저 빔을 집광시키는 집광렌즈(1)와, 적외선 레이저 빔과 녹색 레이저 빔을 결합시켜서 자외선 레이저 빔을 제공하는 합 주파수 발생장치(Sum Frequency Generator : SFG)(2)가 제공된다. 상기 합 주파수 발생장치(2)로는 비선형 광학물질이 사용될 수 있다. 예를 들어, 리튬 트리볼레이트(lithium triborate : LBO)가 사용될 수 있다.
실시예에서는 적외선 레이저 빔과 녹색 레이저 빔을 집광시키는 상기 집광렌즈(1)에 일 특징이 있다. 상세하게는, 작은 크기로 집광된 상태의 적외선 레이저 빔과 녹색 레이저 빔을 사용하여 상기 합 주파수 발생장치(2)에서 자외선 변환효율을 극대화시킬 수 있도록 하기 위하여, 적외선 레이저 빔과 녹색 레이저 빔이 색수차 없이 상기 합 주파수 발생장치(2) 내부에서 초점일치 상태로 집광되도록 하는 것이 바람직하다. 이를 달성할 수 있는 집광렌즈를 이하와 같이 제안하는 것이 실시예의 일 특징이 있는 것이다.
상기 집광렌즈의 구성 및 작용에 대하여 더 상세하게 설명한다.
색수차는, 파장이 다른 적외선 레이저 빔과 녹색 레이저 빔에 대하여 집광렌즈의 굴절률이 다르기 때문에 생긴다. 그러나, 두 빔의 편광 방향이 서로 수직하다면, 적당한 복굴절 물질을 선택하여 색수차 없는 렌즈를 만들 수 있고, 이 렌즈를 이용하여 집광하면 두 빔의 초점을 일치시킬 수 있다. 이를 위하여 실시예에서는 집광렌즈(1)로 복굴절 물질을 사용할 수 있다. 복굴절 물질 중에서 이상 굴절률(extraordinary refractive index, ne)이 정상 굴절률(ordinary refractive index, no)보다 큰 양성 복굴절 물질로 집광렌즈를 제작하는 경우에는, 단파장인 녹색 레이저 빔이 정상파가 되고 장파장인 적외선 레이저 빔이 이상파가 되도록 해야, 두 빔의 굴절률을 같게 할 수 있다. 거꾸로, 이상 굴절률이 정상 굴절률보다 작은 음성 복굴절 물질로 집광렌즈를 제작하는 경우에는, 단파장인 녹색 레이저 빔이 이상파가 되고 장파장인 적외선 레이저 빔이 정상파가 되도록 해야, 두 빔의 굴절률을 같게 할 수 있다. 상기 집광렌즈(1)의 복굴절 물질로는 불화 마그네슘(Magnesium fluoride : MgF2)을 사용할 수 있다. 실시예에서 사용하는 불화 마그네슘(Magnesium fluoride : MgF2) 결정은 양성 복굴절 물질로서 1064nm 및 532nm의 파장에 대한 굴절률이 표 1과 같다.
파장 no ne
1064nm 1.373193 1.384779
532nm 1.378925 1.390790
우선, 상기 불화 마그네슘은 양성 복굴절 물질이므로, 정상파인 하는 녹색 빔의 굴절률은 정상 굴절률 값인 1.378925임을 알 수 있다. 이상파인 적외선 빔의 굴절률은 물질 내 빔의 파수벡터 방향에 따라 달라지는데, 녹색 빔과 굴절률이 같기에 필요한 파수 벡터의 방향은 수학식 1로부터 구할 수 있다.
Figure pat00001
여기서, θ는 결정 광축을 기준으로 한 적외선 빔 파수 벡터의 각도고, no와 ne는 정상 굴절률과 이상 굴절률이고, ne(θ) 는 적외선 빔이 겪는 실제 굴절률이다.
적외선 빔의 정상 및 이상 굴절률은 표 1과 같으므로, 적외선 빔의 실제 굴절률은 녹색 빔의 굴절률과 같기 위해서는 적외선 빔의 파수 벡터 방향, θ가 44.9˚이어야 함을 알 수 있다. 이로부터, 불화 마그네슘(MgF2) 결정으로 상기 집광렌즈(1)를 가공하는 경우에는 두께 방향이 결정 광축으로부터 44.9˚인 방향이 되도록 가공해야 함을 알 수 있다.
정상파와 달리 이상파는 복굴절 물질 내부에서 워크오프 현상을 겪기 때문에, 도 1와 같이 상기 집광렌즈(1)를 통과한 뒤에 두 빔은 진행 방향에 수직한 방향으로 서로 분리되어 결국 두 빔의 초점이 일치하지 않게 된다. 이 문제를 막는 방법으로는 우선, 상기 집광렌즈(1)의 두께를 짧게 해서 두 빔의 분리 간격을 빔 지름보다 충분히 작게 하는 방법을 생각할 수 있다.
또 다른 방법은 도 2와 같이 상기 집광렌즈(1)에서 발생한 워크오프를 보상하는 소자(3)를 상기 집광렌즈(1) 뒤에 두는 방법이다. 상기 집광렌즈(1)에서 발생한 워크오프가 보상되기 위해서는 상기 워크오프 보상 소자(3)의 결정축을 렌즈의 결정축과 마주 보게 해서 상기 워크오프 보상 소자(3)에서의 워크오프가 상기 집광렌즈(1)에서의 워크오프와 반대 방향으로 일어나게 해야 한다. 상기 워크오프 보상 소자(3)는 상기 집광렌즈(1)와 같은 물질로 가공될 수도 있고, 다른 물질로 가공될 수도 있다.
상기 집광렌즈(1)의 구조에서 주목할 점은 상기 집광렌즈(1)의 출력면이 곡면이 아니고 평면이어야 한다는 점이다. 이상파는 상기 집광렌즈(1)를 통과하는 동안 워크오프를 겪으면서 빔 중심이 상기 집광렌즈(1)의 중심선을 벗어나기 때문에, 상기 집광렌즈(1)의 출력면이 평면이 아니고 곡면이면 빔 중심이 굴절되어서 상기 집광렌즈(1) 통과 후에는 이상파의 진행 방향 자체가 달라지게 되기 때문이다.
상기 워크오프 보상 소자(3)의 구조에서 주목할 점은 입력면은 평면이어야 하지만, 출력면은 곡면이어도 괜찮다는 점이다. 상기 워크오프 보상 소자(3)의 출력면에서는 상기 집광렌즈(1)에서 발생했던 워크오프가 다 보상되어 이상파의 빔 중심이 상기 워크오프 보상 소자(3)의 중심선에 있기 때문에, 출력면이 곡면이어도 빔 중심이 굴절되지 않고 렌즈 통과 후에도 이상파의 진행 방향이 유지되기 때문이다. 안정성과 편리성을 위해 상기 집광렌즈(1)와 상기 워크오프 보상 소자(3)를 한 덩이로 결합할 수도 있다. 두 소자가 같은 물질이라면 확산 결합(Diffusion bonding)같은 방법으로 결합할 수 있다.
이제까지는 상기 집광렌즈(1)에서 발생하는 워크오프를 보상하기 위해 별도의 보상 소자(3)를 사용하는 방법에 대해 기술하였다. 그러나 경우에 따라서는 상기 집광렌즈(1)에서 발생하는 워크오프를 오히려 활용할 수도 있다. P. Heist, "Device for the frequency conversion of a fundamental laser frequency to other frequencies"(6 March 2003). 및 C. Jung, W. Shin, B.-A. Yu, Y. L. Lee, and Y.-C. Noh, "Enhanced 355-nm generation using a simple method to compensate for walk-off loss" Opt. Express 20, 941 (2012) 의 문헌에서 자세히 기술되어 있는데, 상기 자외선 발생 물질(2) 내부에서 적외선 빔과 녹색 빔, 두 빔 중에 한 개의 빔이 워크오프를 겪어 빔 분리가 크게 발생하는 경우에, 보상 소자를 상기 자외선 발생 물질(2) 앞에 두어 워크오프를 미리 보상하는 방법이 있다. 상기되는 문헌의 기재내용은 필요한 범위 내에서 본 발명에 포함되는 것으로 한다.
이 경우에 상기 집광 렌즈(1), 자외선 발생 물질의 워크오프를 보상하는 소자, 상기 자외선 발생 물질(2), 그래서 3개의 소자가 필요하다. 그러나 복굴절 렌즈는 집광 기능뿐만 아니라 워크오프 발생 기능도 함께 지니기 때문에, 상기 집광렌즈(1)의 내부의 워크오프를 적당한 크기로 맞추면 상기 자외선 발생 물질(2)의 워크오프를 미리 보상하는 기능까지 갖게 할 수 있다. 그래서 상기 집광렌즈(1)로 복굴절 렌즈를 사용하면, 상기 집광 렌즈(1)와 상기 자외선 발생 물질(2), 2개의 소자만 필요하게 된다. 도 3에서처럼 상기 집광렌즈(1)와 상기 자외선 발생 물질(2)에서의 이상파 빔이 같은 경우에는, 상기 집광 렌즈(1)와 상기 자외선 발생 물질(2), 2개의 소자만으로 충분하고 그 밖의 아무 소자도 필요하지 않다.
그러나 도 4에서처럼 두 물질에서의 이상파 빔이 다른 경우에는, 두 빔의 편광 방향을 모두 변화시킬 반파장 판(4)이 추가로 필요하다. 그리고 워크오프 보상을 극대화하기 위해서는 두 물질 사이에 ‘γlensllens = γSFG(lSFG/2)’ 의 수식이 성립하여야 한다. 여기서 γlens, llens는 상기 집광렌즈(1)에서의 워크오프 각도와 렌즈 길이고, γSFG, llSFG는 상기 자외선 발생 물질(2)의 워크오프 각도와 물질 길이다. 상기 집광렌즈(1)로 MgF2 렌즈를, 상기 자외선 발생 물질(2)로 type II 방식의 LBO 결정을 사용하는 경우, 상기 집광렌즈(1)에서는 적외선 빔이, 상기 자외선 발생 물질(2)에서는 녹색 빔이 워크오프를 겪는 이상파가 되어야 하기 때문에 적외선 빔과 녹색 빔의 편광을 모두 90˚ 회전시키는 두 파장 반파장 판을 사용해야 한다. 44.9˚ 로 절단된 MgF2 결정의 1064nm에 대한 워크오프 각도는 8.4mrad이고, type II 방식의 355nm 발생용 LBO 결정의 532nm에 대한 워크오프 각도는 9.3mrad이기 때문에, 20mm 길이의 LBO결정이 상기 자외선 발생 물질(2)로 사용되었다면 워크오프 보상을 극대화하는 데 필요한 MgF2 재질의 상기 집광렌즈(1)의 길이는 11mm가 된다.
실시예에 따른 레이저 파장변환 장치에 따르면, 색수차에 의한 초점불일치의 문제를 해결하거나, 경우에 따라서는 자외선 발생 물질의 워크오프를 미리 보상하는 보상 소자가 별도로 필요치 않는 효과를 기대할 수 있다. 결국, 자외선으로의 파장변환효율과 자외선 빔 품질을 향상시킬 수 있다.
본 발명에 따르면 렌즈의 색수차 문제를 개선하여 빔의 지름이 작은 경우에도 높은 파장변환효율과 우수한 빔 품질을 얻을 수 있어서, 정밀 고속 레이저 가공에 이용 가능한 고출력 고품질 자외선 레이저 빔을 얻을 수 있다.
3: 워크오프 보상 소자

Claims (17)

  1. 적외선 레이저 빔과 녹색 레이저 빔을 집광시키는 복굴절 물질로 제작되는 집광렌즈; 및
    상기 집광렌즈를 통하여 집광된 상기 적외선 레이저 빔과 상기 녹색 레이저 빔을 결합하여 자외선 레이저 빔을 제공하는 합 주파수 발생 장치가 포함되는 레이저 파장변환 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 집광렌즈는, 입력면은 볼록하고, 출력면은 평면인 레이저 파장변환 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 집광렌즈의 두께가 매우 짧아서 렌즈 통과 후의 적외선 레이저 빔과 녹색 레이저 빔의 분리 간격이 빔 지름보다 충분히 작은 레이저 파장변환 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 집광렌즈 내부의 워크오프가 상기 합주파수 발생 소자 내부의 워크오프를 보상하는 레이저 파장변환 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 복굴절 물질은 불화 마그네슘인 레이저 파장변환 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    파장 1064nm의 적외선 레이저 빔과 파장 532nm의 녹색 레이저 빔을 결합하여 파장 355nm의 자외선 레이저 빔을 발생시키기 위해, 상기 집광렌즈의 두께 방향이 결정 광축으로부터 44.9˚인 방향이 되는 레이저 파장변환 장치.
  7. 적외선 레이저 빔과 녹색 레이저 빔을 집광시키는 복굴절 물질로 제작되는 집광렌즈;
    복굴절 집광렌즈에서 발생하는 워크오프를 보상하는 소자; 및
    상기 집광렌즈를 통하여 집광된 상기 적외선 레이저 빔과 상기 녹색 레이저 빔을 결합하여 자외선 레이저 빔을 제공하는 합 주파수 발생 장치가 포함되는 레이저 파장변환 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 집광렌즈는, 입력면은 볼록하고, 출력면은 평면인 레이저 파장변환 장치.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 워크오프 보상 소자는, 입력면이 평면인 레이저 파장변환 장치.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 집광렌즈와 상기 워크오프 보상 소자가 결합된 레이저 파장변환 장치.
  11. 제 7 항에 있어서,
    상기 복굴절 물질은 불화 마그네슘인 레이저 파장변환 장치.
  12. 제 11 항에 있어서,
    파장 1064nm의 적외선 레이저 빔과 파장 532nm의 녹색 레이저 빔을 결합하여 파장 355nm의 자외선 레이저 빔을 발생시키기 위해, 상기 제 2 집광렌즈의 두께 방향이 결정 광축에 44.9˚인 방향이 되는 레이저 파장변환 장치.
  13. 적외선 레이저 빔과 녹색 레이저 빔을 집광시키는 복굴절 물질로 제작되는 집광렌즈;
    상기 적외선 레이저 빔과 상기 녹색 레이저 빔의 편광 방향을 모두 90˚ 회전시키는 반파장판; 및
    상기 집광렌즈를 통하여 집광된 상기 적외선 레이저 빔과 상기 녹색 레이저 빔을 결합하여 자외선 레이저 빔을 제공하는 합 주파수 발생 장치가 포함되는 레이저 파장변환 장치.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 집광렌즈는, 입력면은 볼록하고, 출력면은 평면인 레이저 파장변환 장치.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 집광렌즈 내부의 워크오프가 상기 합주파수 발생 소자 내부의 워크오프를 보상하는 레이저 파장변환 장치.
  16. 제 13 항에 있어서,
    상기 복굴절 물질은 불화 마그네슘인 레이저 파장변환 장치.
  17. 제 16 항에 있어서,
    파장 1064nm의 적외선 레이저 빔과 파장 532nm의 녹색 레이저 빔을 결합하여 파장 355nm의 자외선 레이저 빔을 발생시키기 위해, 상기 집광렌즈의 두께 방향이 결정 광축으로부터 44.9˚인 방향이 되는 레이저 파장변환 장치.
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