KR20160066682A - 고휘도 극초단 빔 발생 펨토초 레이저 장치 - Google Patents

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Abstract

공간적으로 서로 수직방향의 Ng, Np, Nm축을 갖는 제 1 레이저 매질; 상기 제 1 레이저 매질의 Ng축에 실질적으로 평행한 Np축, 상기 제 1 레이저 매질의 Np 축에 실질적으로 평행한 Nm축, 상기 제 1 레이저 매질의 Nm축에 실질적으로 평행한 Ng축을 갖도록 배치된 제 2 레이저 매질; 및 상기 제 1 레이저 매질 및 상기 제 2 레이저 매질에 각각 인접하여 배치된 제 1 레이저 다이오드 및 제 2 레이저 다이오드를 포함하고, 상기 제 1 레이저 매질은, Np축에 평행한 높이(H)가 Nm축에 평행한 폭(W)보다 크거나 작고, 상기 제 2 레이저 매질은, Nm축에 평행한 높이(H)가 Ng축에 평행한 폭(W)보다 작거나 큰 형상을 갖도록 상기 제 1 및 제 2 레이저 매질로부터 발생된 레이저 빔의 진행방향에 대해 서로 나란히 배치되는 펨토초 레이저 장치를 제공한다.

Description

고휘도 극초단 빔 발생 펨토초 레이저 장치{Ultrashort Femtosecond Laser Apparatus For High-Brightness beam}
본 출원은 레이저 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 레이저 빔 발생시 레이저 빔 출력 및 빔 품질을 향상 시킬 수 있는 고휘도 극초단 펄스를 위한 레이저 장치에 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 초 미세 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 초 미세 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 비선형 광학 현상을 이용하여 가공 영역에서 열확산을 최소화하고 주위에 잔류 열에 의한 손상을 주지 않기 때문에 기계적 가공이 어려운 매우 단단한 물질의 초미세 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 μJ 이상의 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 연구들도 있어왔다. 그런데, 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 결정은 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.
이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본 출원인은 레이저 결정 축에 따라 열적효과를 보상할 수 있도록 결정축 배열을 달리하는 기술에 대하여 이미 특허 출원 (특허출원번호 10-2013-0010368호)한 바 있다.
다만, 추가적으로 레이저 평균 출력이 높아지면 열적 효과에 의한 열적 렌즈의 비점수차가 더 커지기 때문에, 레이저 결정의 축 방향뿐만 아니라 레이저 결정의 형상에 따라 레이저 빔의 품질이 다르게 나타난다. 따라서, 고출력에서도 좋은 빔 품질을 유지하기 위하여 레이저 결정 형상 변화가 필요하다.
본 출원은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 두께가 얇으면서 열 방출 면적이 넓은 레이저 매질을 이용하여 레이저 매질에서 발생하는 열을 효율적으로 제거함으로써 출력이 높으면서 빔 품질이 좋은 고휘도 펨토초 레이저 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 복수의 두께가 얇으면서 열 방출 면적이 넓은 레이저 매질을 이용하고, 상기 레이저 매질로부터 발생된 레이저 빔의 진행방향이 레이저 매질의 특정 축에 실질적으로 평행하도록 하여 빔의 일그러짐 없이 빔의 품질뿐만 아니라 레이저의 출력세기를 향상시킬 수 있는 레이저 장치 및 이를 포함한 고휘도 펨토초 레이저 장치를 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 고휘도 펨토초 레이저 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 복수의 레이저 매질의 표면적을 넓히거나 열 전도성이 높은 물질을 레이저 매질에 부착하거나 공냉 또는 수냉이 이루어지도록 하는 등 열이 효율적으로 레이저 매질을 빠져나가게 함으로써 고휘도 펨토초 레이저 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 펨토초 레이저 장치는 공간적으로 서로 수직방향의 Ng, Np, Nm축을 갖는 제 1 레이저 매질; 상기 제 1 레이저 매질의 Ng축에 실질적으로 평행한 Np축, 상기 제 1 레이저 매질의 Np 축에 실질적으로 평행한 Nm축, 상기 제 1 레이저 매질의 Nm축에 실질적으로 평행한 Ng축을 갖도록 배치된 제 2 레이저 매질; 및 상기 제 1 레이저 매질 및 상기 제 2 레이저 매질에 각각 인접하여 배치된 제 1 레이저 다이오드 및 제 2 레이저 다이오드를 포함하는 펨토초 레이저 장치에 있어서, 상기 제 1 레이저 매질은, Np축에 평행한 높이(H)가 Nm축에 평행한 폭(W)보다 크거나 작고, 상기 제 2 레이저 매질은, Nm축에 평행한 높이(H)가 Ng축에 평행한 폭(W)보다 작거나 큰 형상을 갖도록 상기 제 1 및 제 2 레이저 매질로부터 발생된 레이저 빔의 진행방향에 대해 서로 나란히 배치된다.
상기 제 1 레이저 매질은, 상기 제 1 및 제 2 레이저 매질로부터 발생된 레이저 빔의 진행방향이 상기 제 1 레이저 매질의 Ng축에 실질적으로 평행하도록 배치되고, 상기 제 2 레이저 매질은, 상기 제 1 및 제 2 레이저 매질로부터 발생된 레이저 빔의 진행방향이 상기 제 2 레이저 매질의 Np축에 실질적으로 평행하도록 배치될 수 있다.
상기 제 1 레이저 매질은, 상기 제 1 및 제 2 레이저 매질로부터 발생된 레이저 빔의 편광방향(Elaser)이 상기 제 1 레이저 매질의 Np축에 실질적으로 평행하도록 배치되고, 상기 제 1 및 제 2 레이저 매질로부터 발생된 레이저 빔의 편광방향(Elaser)이 상기 제 2 레이저 매질의 Nm축에 실질적으로 평행하도록 배치될 수 있다.
상기 제 1 레이저 매질은, 상기 제 1 레이저 다이오드로부터 발생된 제 1 펌핑 광의 편광방향이 상기 제 1 레이저 결정의 Nm 축에 대해 실질적으로 평행하도록 하고, 상기 제 2 레이저 매질은, 상기 제 2 레이저 다이오드로부터 발생된 제 2 펌핑 광의 편광방향이 상기 제 2 레이저 매질의 Nm축에 대해 실질적으로 평행하도록 배치될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 다른 펨토초 레이저 장치는 공간적으로 서로 수직방향의 Ng, Np, Nm축을 갖는 제 1 레이저 매질; 상기 제 1 레이저 매질의 Ng축에 실질적으로 평행한 Ng축, 상기 제 1 레이저 매질의 Np 축에 실질적으로 평행한 Nm축, 상기 제 1 레이저 매질의 Nm축에 실질적으로 평행한 Np축을 갖도록 배치된 제 2 레이저 매질; 및 상기 제 1 레이저 매질 및 상기 제 2 레이저 매질에 각각 인접하여 배치된 제 1 레이저 다이오드 및 제 2 레이저 다이오드를 포함하는 펨토초 레이저 장치에 있어서, 상기 제 1 레이저 매질은, Np축에 평행한 높이(H)가 Nm축에 평행한 폭(W)보다 작거나 크고, 상기 제 2 레이저 매질은, Nm축에 평행한 높이(H)가 Np축에 평행한 폭(W)보다 크거나 작은 형상을 갖도록 상기 제 1 및 제 2 레이저 매질로부터 발생된 레이저 빔의 진행방향에 대해 서로 나란히 배치된다.
상기 제 1 레이저 매질은, 상기 제 1 및 제 2 레이저 매질로부터 발생된 레이저 빔의 진행방향이 상기 제 1 레이저 매질의 Ng축에 실질적으로 평행하도록 배치되고, 상기 제 2 레이저 매질은, 상기 제 1 및 제 2 레이저 매질로부터 발생된 레이저 빔의 진행방향이 상기 제 2 레이저 매질의 Ng축에 실질적으로 평행하도록 배치될 수 있다.
상기 제 1 레이저 매질은, 상기 제 1 및 제 2 레이저 매질로부터 발생된 레이저 빔의 편광방향(Elaser)이 상기 제 1 레이저 매질의 Np축에 실질적으로 평행하도록 배치되고, 상기 제 2 레이저 매질은, 상기 제 1 및 제 2 레이저 매질로부터 발생된 레이저 빔의 편광방향(Elaser)이 상기 제 2 레이저 매질의 Nm축에 실질적으로 평행하도록 배치될 수 있다.
상기 제 1 레이저 매질은, 상기 제 1 레이저 다이오드로부터 발생된 제 1 펌핑 광의 편광방향이 상기 제 1 레이저 결정의 Nm 축에 대해 실질적으로 평행하도록 하고, 상기 제 2 레이저 매질은, 상기 제 2 레이저 다이오드로부터 발생된 제 2 펌핑 광의 편광방향이 상기 제 2 레이저 매질의 Nm축에 대해 실질적으로 평행하도록 배치될 수 있다.
상기 제 1 레이저 매질 및 제 2 레이저 매질은 소정의 표면 조도값을 갖을 수 있다.
상기 제 1 레이저 매질 및 제 2 레이저 매질은 표면이 열전도성 물질로 둘러싸일 수 있다.
상기 제 1 레이저 매질 및 제 2 레이저 매질은 냉각유로, 방열판, 공냉을 위한 수단 중 적어도 어느 하나가 형성된 하우징에 의해 둘러싸일 수 있다.
상기 제 1 및 제 2 레이저 매질은 각각 Yb:KYW, Yb:KGW, Yb:KLuW, Yb:YCOB, Yb:YAP 중 적어도 어느 하나일 수 있다.
상기 Yb:KYW, Yb:KGW, Yb:KLuW, Yb:YCOB, Yb:YAP 중 Yb의 도핑 농도는 1 ~ 10 at. %이다.
상기 제 1 레이저 매질 및 제 2 레이저 매질은 각각 상기 레이저 빔의 진행방향에 대하여 직사각형 단면을 갖는 직사각면체 형상을 갖을 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 펨토초 레이저 장치는 레이저 매질에서 발생된 열을 효율적으로 제거하여 레이저 빔의 품질뿐만 아니라 레이저 출력세기를 향상시킬 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 실시 예에 따른 레이저 빔 발생장치의 개략도이다.
도 2는 본 발명에 따른 일 실시예로, 열광 렌즈 효과에 대해 나타낸 그래프이다.
도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 일 실시예로, 마스터 오실레이터 혹은 증폭기의 레이저 빔 발생장치에 포함된 레이저 매질의 광학 혹은 결정학적 축에 따른 배치구조 및 레이저 매질의 결정 형상에 따른 배치구조를 설명하기 위한 도이다.
도 4a 내지 도 4d는 본 발명에 따른 일 실시예로, 레이저 매질의 다양한 구조를 나타낸 도이다.
도 5는 도 3a 내지 도 3d의 레이저 매질 결정 구조 및 배치구조에 따른 평균출력과 정사각면체의 결정구조를 갖는 레이저 매질에 따른 평균 출력 값을 비교한 그래프이다.
도 6은 도 3a 내지 도 3d의 레이저 매질 결정 구조 및 배치구조에 따라 레이저 매질에서 발생된 레이저 빔의 품질 특성을 정사각면체의 결정구조를 갖는 레이저 매질에서 발생된 레이저 빔의 품질 특성과 비교한 도이다.
도 7a 내지 도 7d는 본 발명의 다른 실시예로, 마스터 오실레이터 혹은 증폭기의 레이저 빔 발생장치에 포함된 레이저 매질의 광학 혹은 결정학적 축에 따른 배치구조 및 레이저 매질의 결정 형상에 따른 배치구조를 설명하기 위한 도이다.
도 8은 도 3a 내지 도 3d의 레이저 매질 결정 구조 및 배치구조에 따라 레이저 매질에서 발생된 레이저 빔의 품질 특성과 도 7a 내지 도 7d의 레이저 매질 결정구조 및 배치구조에 따라 레이저 매질에서 발생된 레이저 빔의 품질 특성과 비교한 도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 다른 레이저 빔 발생장치의 개략도이다.
도 10은 레이저 매질의 결정구조와 편광변환기 간의 배치구조를 설명하기 위한 도이다.
도 11a 내지 도 11d는 본 발명의 일 실시예로, 편광 변환기의 작동에 따라 레이저 매질 마운트의 변화 없이 레이저 매질의 결정 축 배치 효과를 가져올 수 있는 방법을 설명하기 위한 도이다.
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 실시 예에 따른 레이저 빔 발생장치의 개략도이다.
도시된 바와 같이, 레이저 빔 발생장치(100)는 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) 및 포켈 셀(Pockels cell, 23)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.
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
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.
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 발진된 레이저 빔의 편광방향을 변화시키기 위하여 포켈 셀(23)에 수 kV전압을 인가한다.
레이저 빔 발생장치(100)에서 사용하는 레이저 매질(C1, C2)은 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
도1과 같은 레이저 빔 발생장치를 통해 연속 레이저(CW) 또는 Q-switched 된 펄스 레이저를 만들 수도 있지만, 마스터 오실레이터에서 나오는 펄스를 종자 펄스로 사용하여 레이저 펄스를 증폭시키는 증폭기로 사용하거나 또는 Kerr Lens 및 SESAM과 같은 비선형 광학 부품을 사용하여 모드잠금된 펨토초 펄스를 생성시킬 수도 있다.
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.
이처럼, 레이저 펄스의 스펙트럼 밴드 폭이 좁아지면, 레이저 펄스의 시간 폭이 넓어져서, 펨토초 레이저 시스템에서 출력된 레이저 빔과 가공물 사이의 상호작용에서 열이 확산되어, 실질적으로 가공물의 가공 결과가 나빠지게 된다.
따라서, 레이저 펄스의 시간 폭을 줄이도록 펨토초 펄스 증폭기내에 종자 펄스를 인가하기 전에, 스펙트럼 성형기를 이용하여 원하는 형태의 스펙트럼을 갖도록 성형하거나, 마스터 오실레이터 또는 증폭기 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.
한편, 스펙트럼 밴드 폭이 줄어드는 것을 방지하기 위하여, 위와 같이, 스펙트럼 성형기를 이용한 펄스의 스펙트럼 변형뿐만 아니라 마스터 오실레이터나 증폭기에 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, 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.
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.
한편, 높은 출력의 고휘도 레이저 다이오드에서 발생된 광은 레이저 매질에 아주 작은 스폿 사이즈로 집속된다.
이 과정에서 레이저 빔으로 변형되지 못한 펌핑 광은 레이저 매질에 집속된 부위에서 주변부로 열에너지 형태로 전달되고 또한 레이저 매질을 체결한 마운트에도 전달 된다.
이러한 과정에서 열에너지가 레이저 매질에 많이 축적되면 증폭되는 레이저 빔이 찌그러짐으로 인해 빔 품질이 나빠지게 되고 레이저 평균 출력 및 펄스 에너지 또한 제한된다.
그리고, 상기 레이저 매질에 축적된 열에너지가 레이저 매질의 손상 임계값(damage threshold) 보다 높아지면 레이저 매질에 금이 가거나 레이저 매질이 깨어지는 등 의 물리적인 손상이 발생하여 레이저 발진이 중지되는 문제가 발생한다.
또한, 상기에서 언급한 레이저 매질의 한 종류인 Yb:KYW 또는 Yb:KGW 레이저 결정은 우수한 열전도성을 갖고 있기 때문에 높은 평균 출력의 펨토초 레이저를 만드는데 장점을 가지고 있지만, 상기 Yb:KYW 또는 Yb:KGW의 비등방성 레이저 결정은 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.
한편, 레이저 매질 내의 열이 균일하지 않게 발생되면 레이저 매질 내의 온도 분포에 변화도가 생긴다.
이러한 온도 분포 변화도에 따라 레이저 매질에 응력(stress)와 장력(tension)이 가해지면 레이저 매질은 깨어질 수 있는데, 이렇게 열적 충격에 대해 레이저 매질이 얼마나 버틸 수 있는지를 나타내는 상수는 아래 식과 같이 표현된다.
Figure pat00001

여기서,
Figure pat00002
는 푸아송 비율, k는 열 전도율,
Figure pat00003
는 물질이 견딜 수 있는 최대한의 장력,
Figure pat00004
는 열팽창 계수, E는 영률이다.
예를 들어, 1mm의 두께를 갖는 Yb:KGW 레이저 결정의 경우 열적 스트레스에 의한 손상 없이 100 W의 광펌핑 파워를 견딜 수 있다.
레이저 매질에 존재하는 온도 분포 변화도와 스트레스는 레이저 매질에 금이 가거나 깨어지는 등의 물리적 손상을 발생시키기 이전에 열광 렌즈 효과(thermo-optical lens effect)라고 불리는 광학적 변화를 발생시킬 수 있다.
이러한 열광 렌즈 효과는 빔 품질을 떨어뜨릴 뿐만 아니라 펌핑 에너지가 증가함에 따라 빔의 발산 각을 변화시키기 때문에 결국 레이저가 안정적인 동작을 보이는 영역을 벗어나 레이저 발진을 멈추게 하는 원인이 될 수 있다.
특히, 비등방성 레이저 결정의 경우, 레이저 축에 따라 열적 특성이나 광학적 특성이 매우 상이하기 때문에, 이러한 열광 렌즈 효과는 더욱 복잡한 양상을 띠게 된다.
즉, 레이저의 출력 세기나 빔 품질, 열광 렌즈의 초점 부호 등은 레이저의 편광 방향이나 진행방향이 레이저 매질의 어느 축과 평행한지에 따라 매우 달라질 수 있다.
따라서, 두 개 이상의 비등방성 매질을 이용하여 공진기를 구성할 경우, 이러한 열광 렌즈 효과는 더욱 복잡해 질 수도 있지만, 반대로 이러한 레이저 매질의 축을 잘 이용하여 공진기를 구성할 경우 열광 렌즈 효과를 오히려 상쇄시킬 수도 있다.
종적 다이오드 펌핑된 레이저 매질의 열광 렌즈 효과는 아래 식과 같이 렌즈 굴절력 (Dioptric power, D th)으로 표현되며, 이 때 렌즈 굴절력은 열광 렌즈의 초점 거리(focal length, f th)의 역수에 해당된다.
Figure pat00005

여기서,
Figure pat00006
는 레이저 매질에 흡수되는 펌핑 파워,
Figure pat00007
는 열적 로드 (fractional thermal load), 즉 레이저 매질에 흡수된 펌핑 파워 중 열로 소멸된 파워의 비를 나타낸다.
Figure pat00008
는 레이저 매질에 입사된 펌핑 빔의 반지름,
Figure pat00009
는 빛의 편광에 해당하는 굴절율의 온도 상수,
Figure pat00010
은 굴절율,
Figure pat00011
는 온도,
Figure pat00012
는 명목 굴절률,
Figure pat00013
는 광탄성 상수(photoelastic constant)이다.
상기 식에서 표현된 바와 같이, 열적 렌즈 효과는 아래의 세가지 요소에 의해 발생된다. 즉, 온도에 따른 굴절율의 변화, 레이저 매질의 양쪽 면의 불록해짐(bulge), 열에 의해 발생된 기계적인 스트레스의 의한 굴절율의 변화이다.
KGW나 KYW와 같은 비등방성 레이저 결정에서 이러한 세가지 요소들은 실험조건에 따라 서로 다른 값을 보여 왔다. 이를 고려하면, 열광 효과에 따른 빔의 찌그러짐이 적고, 빔 모양이 대칭성을 보이기 위해서는 레이저 빔이 레이저 매질의 Ng 축과 평행하게 진행하는 Ng-cut 레이저 매질이 적합하다.
다만, 이러한 경우에도 열에 의해 형성되는 레이저 매질의 열적 렌즈의 초점 거리 및 부호는 Nm 축과 Np 축에 따라 달라질 수 있으며 이러한 초점 거리의 차이에 따라 비점수차가 발생할 수 있다. Ng-cut 레이저 결정의 비점수차의 크기는 Np-cut 레이저 결정의 비점수차의 크기보다 작다.
상기 렌즈 굴절력 식과 열전도성, 열탄성력 값을 이용하여 전산시늉을 하면, 레이저 매질에서 발생하는 열광 렌즈 효과에 대해 예측할 수 있다.
도 2는 열광 렌즈 효과에 대해 나타낸 그래프의 한 예로, 레이저 매질 C1과 C2에서 레이저 모드 크기가 열광 렌즈 굴절력에 따라 어떻게 변해가는지를 계산한 결과를 보여준다.
도시된 바와 같이, 레이저 모드의 크기는 렌즈 굴절력(Dioptric power)이 17보다 커질 때, 급격하게 증가함을 알 수 있는데, 따라서 펌핑 광원의 크기를 고려하면, 레이저 공진기는 열광 렌즈의 렌즈 굴절력이 17까지는 좋은 동적 안정성을 유지함을 알 수 있다.
하지만 열광 렌즈의 렌즈 굴절력이 더 커지면, 레이저 매질에서의 모드 크기는 점점 더 커져 레이저 출력이 저하될 뿐만 아니라, 심각할 경우 레이저 발진이 종료될 수 있다.
따라서 위와 같이, 레이저 빔 발생시, 레이저 매질의 열적 효과를 줄이기 위하여 다음과 같이 본 발명의 일 실시예에서 레이저 매질의 배치구조 및 레이저 매질의 결정 형상을 제시하도록 한다.
도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 일 실시예로, 마스터 오실레이터 혹은 증폭기의 레이저 빔 발생장치에 포함된 레이저 매질의 광학 혹은 결정학적 축에 따른 배치구조 및 레이저 매질의 결정 형상에 따른 배치구조를 설명하기 위한 도이다.
도 3a 내지 도 3d에 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. 이에 따라, 열적 특성이 서로 다른 레이저 매질의 축 방향으로 레이저 빔이 진행되어 열적 효과에 따른 빔의 일그러짐 없이 빔의 품질을 향상시킬 수 있다.
이때, 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.
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.
한편, 도 3a 내지 도 3d에 나타낸 레이저 매질의 형상은 이후 설명할 도 4a 내지 도 4d의 레이저 매질 중 어느 하나를 이용할 수 있다. 이 중 설명의 편의를 위해, 단면이 직사각형을 이루는 직사각면체 형상을 갖는 레이저 매질을 예로 들어 레이저 매질의 결정 형상에 따른 배치구조를 설명하기로 한다.
먼저, 도 3a에 도시된 바와 같이, 제 1레이저 매질(C1)과 제 2 레이저 매질(C2)은 직사각면체 결정구조로, 제 1레이저 매질(C1)과 제 2 레이저 매질(C2) 모두 레이저 빔의 입사 방향에 대해 레이저 매질의 높이(H)가 레이저 매질의 폭(W)보다 작도록 형성된 결정 구조를 갖고, 서로 나란히 배치된다. 여기서, 레이저 매질의 폭(W)은 레이저 시스템의 바닥면에 대해 평행한 직사각 형 면에서의 변을 의미하고, 레이저 매질의 높이(H)는 레이저 시스템의 바닥면에 대해 수직한 직사각 형 면에서의 변을 의미한다. 더욱 자세하게는, 제 1 레이저 매질(C1)은 Np축에 평행한 매질의 높이(H)는 Nm축에 평행한 매질의 폭(W)보다 작고, 제 2 레이저 매질(C2)은 Nm축에 평행한 매질의 높이(H)는 Ng축에 평행한 매질의 폭(W)보다 작은 형상을 갖도록 서로 나란히 배치된다.
도 3b를 살펴보면, 제 1 레이저 매질(C1)과 제 2 레이저 매질(C2) 역시 직사각면체의 결정구조로, 자세하게는 제 1레이저 매질(C1)과 제 2 레이저 매질(C2) 모두 레이저 빔의 입사 방향에 대해 레이저 매질의 높이(H)가 레이저 매질의 폭(W)보다 크도록 형성된 결정 구조를 갖고, 서로 나란히 배치된다. 즉, 제 1 레이저 매질(C1)은 Np축에 평행한 매질의 높이(H)는 Nm축에 평행한 매질의 폭(W)보다 크고, 제 2 레이저 매질(C2)은 Nm축에 평행한 매질의 높이(H)는 Ng축에 평행한 매질의 폭(W)보다 큰 형상을 갖도록 서로 나란히 배치된다.
도 3c를 살펴보면, 제 1 레이저 매질(C1)은 도 3a와 같은 결정구조를 갖는 형상을 갖고, 제 2 레이저 매질(C2)는 도 3b와 같은 결정구조를 갖는 형상을 갖는다. 이러한 제 1 레이저 매질(C1)과 제 2 레이저 매질(C2)는 레이저 빔의 경로 상에 배치된다.
도 3d를 살펴보면, 제 1 레이저 매질(C1) 및 제 2 레이저 매질(C2)은 도 3c의 레이저 매질의 결정구조와 반대되는 배치구조로 갖는다. 즉, 제 1 레이저 매질(C1)은 도 3b와 같은 결정구조를 갖는 형상을 갖고, 제 2 레이저 매질(C2)는 도 3a와 같은 결정구조를 갖는 형상을 갖는다. 이러한 제 1 레이저 매질(C1)과 제 2 레이저 매질(C2)는 레이저 빔의 경로 상에 배치된다.
도 4a 내지 4d는 본 발명에 따른 일 실시예로, 레이저 매질의 다양한 구조를 나타낸 도이다.
먼저, 도 4a를 살펴보면, 레이저 매질은 단면이 직사각형을 이루는 직사각면체 형상을 갖는다. 즉, 레이저 매질(LC)은 레이저 매질의 높이(H) 값보다 폭(W)의 값이 더 크거나 작게 형성되는 구조를 갖는다. 이때, 레이저 매질(LC)의 길이(L)는 도시된 바와 같이 폭(W)보다 더 큰 값을 갖도록 형성될 수 있지만, 폭(W)보다 작은 값을 갖을 수도 있다.
이러한 구조는 레이저 매질에서 발생되는 열에너지가 정육각면체나 단면이 정사각면체 형상을 갖는 레이저 매질에 비해 열 방출 면적이 넓어 외부로 효율적인 열 방출이 가능해진다. 따라서 레이저 매질에서 발생된 열 에너지로 인한 레이저 빔의 품질이 저하되는 것을 방지할 수 있다.
도 4b는 도 4a와 같은 형상을 갖고, 열 방출면적을 넓히기 위해 레이저 매질(LC) 표면의 조도 값이 일정범위 이하를 갖도록 형성될 수 있다. 레이저 매질(LC) 표면의 조도를 일정범위 이하로 만드는 방법은 예를 들어, 매질 표면의 폴리싱 정도를 줄여 표면 조도값을 조절할 수 있다.
도 4c는 도 4a와 같은 형상을 갖고, 외부로 열 방출이 잘 이루어질 수 있도록 적어도 레이저 매질(LC)보다 열 전도성이 높은 물질(10)이 레이저 매질 표면에 밀착 형성될 수 있다. 이때, 레이저 매질(LC)의 형상은 도 4b의 설명에서와 같이 직사각면체에 한정되지 않고, 다양한 형상을 가질 수 있다.
도 4d는 도 4c와 같은 표면에 열 전도성이 높은 물질(10)을 갖는 레이저 매질(LC)과 상기 열 전도성 물질을 덮는 하우징(13)을 갖는다. 하우징(13)은 공기나 물과 같은 유체가 흘러 레이저 매질에서 발생된 열을 제거할 수 있도록 측면부에 주입구(13a)와 배출구(13b)를 갖는다. 또한, 미도시 되었지만, 하우징(13)은 표면에 방열판 혹은 공냉을 위한 수단을 포함할 수 있다. 또한, 하우징(13)은 실시 예처럼, 표면이 열 전도성이 높은 물질(10)로 둘러싸인 레이저 매질을 패킹할 수 있고, 열 전도성이 높은 물질 없이 직접 노출된 레이저 매질을 패킹하여 레이저 매질로부터 발생되는 열을 제거할 수 있다.
도 5는 도 3a 내지 도 3d의 레이저 매질 결정 구조 및 배치구조에 따른 평균출력과 정사각면체의 결정구조를 갖는 레이저 매질에 따른 평균 출력 값을 비교한 그래프이다.
도시된 바와 같이, 레이저 매질의 단면이 정사각형(Square crystal)인 것보다 직사각형(Rectangular crystal)을 갖는 경우, 열 방출면적이 넓어져 레이저 평균출력의 세기가 단면이 정사각형인 레이저 매질보다 높아짐을 알 수 있다.
도 6은 도 3a 내지 도 3d의 레이저 매질 결정 구조 및 배치구조에 따라 레이저 매질에서 발생된 레이저 빔의 품질 특성을 정사각면체의 결정구조를 갖는 레이저 매질에서 발생된 레이저 빔의 품질 특성과 비교한 도이다.
먼저, 도 6의 (a)는 레이저 매질의 단면이 직사각형(Rectangular crystal)을 갖는 결정구조에서 레이저 빔의 품질을 나타낸 것으로, 도시된 바와 같이, 레이저 빔 출력을 5W에서 20W까지 높여도 빔 품질이 나빠지지 않음을 알 수 있다. 이에 반해, 도 6의 (b)는 레이저 매질의 단면이 정사각형(Square crystal)을 갖는 결정구조에서 레이저 빔 출력을 5W에서 17W까지 올리면 레이저 빔 모양이 찌그러지면서 빔 품질이 떨어짐을 알 수 있다.
여기서, Mx, My은 빔 품질을 나타내는 척도로, 값이 1인 경우 이상적인 가우시안 빔을 갖으며, 1보다 큰 값을 갖을수록 빔 품질이 떨어짐을 의미한다.
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 7a 내지 도 7d와 같이 빔의 평균 출력 향상을 위하여 레이저 매질의 배치구조를 달리할 수 있다.
도 7a 내지 도 7d는 본 발명의 다른 실시예로, 레이저 빔의 평균 출력을 향상시키기 위하여 마스터 오실레이터 혹은 증폭기의 레이저 빔 발생장치에 포함된 레이저 매질의 광학 혹은 결정학적 축에 따른 배치구조 및 레이저 매질의 결정 형상에 따른 배치구조를 설명하기 위한 도이다.
도시된 바와 같이, 도 7a 내지 도 7d의 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 Ng축, 제 1 레이저 매질(C1)의 Np 축에 실질적으로 평행한 Nm축, 제 1 레이저 매질(C1)의 Nm축에 실질적으로 평행한 Np축을 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) 역시 Ng축에 실질적으로 평행하도록 배치한다.
이때, 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.
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 넓혀 펄스폭을 좁힌다. 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.
한편, 도 7a 내지 도 7d에 나타낸 레이저 매질의 형상은 이미 설명한 도 4a 내지 도 4d의 레이저 매질 중 어느 하나를 이용할 수 있고, 도 7a 내지 도 7d의 레이저 매질의 배치구조는 도 3a 내지 도 3d의 레이저 매질의 배치구조와 동일하다. 따라서, 이에 대한 설명은 생략하기로 한다.
도 8은 도 3a 내지 도 3d의 레이저 매질 결정 구조 및 배치구조에 따라 레이저 매질에서 발생된 레이저 빔의 품질 특성과 도 7a 내지 도 7d의 레이저 매질 결정구조 및 배치구조에 따라 레이저 매질에서 발생된 레이저 빔의 품질 특성과 비교한 도이다.
도 8을 살펴보면, 단면이 모두 직사각형의 구조를 갖는 레이저 매질로써, 레이저 빔의 출력이 15W와 22W에서 각각 나타난 빔 품질 특성이다. 이를 구체적으로 살펴보면, 도 8의 (a)와 같이, 도 3a 내지 도 3d의 레이저 매질 결정 구조 및 배치구조 (Ng-cut + Np-cut)를 갖을 경우와 도 8의 (b)와 같이, 도 7a 내지 도 7d의 레이저 매질 결정 구조 및 배치구조(Ng-cut + Ng-cut)를 갖을 경우, 모두 레이저 빔의 출력이 15W에서 빔 모양이 원형을 유지해 빔 품질이 양호함을 알 수 있다. 그러나, 레이저 빔의 출력이 22W로 올라갈 때, 도 8의 (c)와 같이, 도 3a 내지 도 3d의 레이저 매질 결정 구조 및 배치구조에서의 빔 형상이 일그러지는데 반해, 도 8의 (d)와 같이, 도 7a 내지 도 7d의 레이저 매질 결정 구조 및 배치구조에서의 빔 형상은 원형을 갖어 빔 품질 양호를 그대로 유지함을 알 수 있다. 즉, 도 7a 내지 도 7d와 같은 레이저 매질 결정구조 및 배치구조를 갖었을 때, 빔 품질을 유지하면서 레이저의 평균 출력을 향상시킬 수 있다.
한편, 앞서 살펴본 바와 같이, 레이저 매질의 결정 축 배치 및 레이저 결정 형상을 달리하여 펨토초 레이저 장치에서 출력 특성 및 빔 품질 특성을 향상시킬 수 있지만, 다음과 같이, 펨토초 레이저 장치에 광학 부품을 추가로 배치하여 동일한 효과를 가져올 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 다른 레이저 빔 발생장치의 개략도이고, 도 10은 레이저 매질의 결정구조와 편광변환기 간의 배치구조를 설명하기 위한 도이다.
도 9 및 도 10을 참조하면, 레이저 빔 발생장치(200)는 도 1과 같이, 제 1 및 제 2 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) 및 포켈 셀(Pockels cell, 23)을 포함한다. 또한, 추가로, 제 1 레이저 매질(C1)과 박막 편광기(TFP) 사이에 배치된 제 1 편광 변환기(30a)와 제 1 레이저 매질(C1)과 2 레이저 매질(C2) 사이에 배치된 제 2 편광 변환기(30b)를 더 포함한다. 또한, 제 1 레이저 매질(C1)과 박막 편광기(TFP) 사이엔 도시된 바와 같이 오목거울(CM1), 전반사 거울(FM)과 같은 광학부품에 추가로 배치될 수 있다. 본 발명의 일 실시예로서, 도 9 및 도 10에서는 제 1 편광 변환기(30a) 및 제 2 편광 변환기(30b)를 모두 포함하도록 하고 있지만, 선택적 사용이 가능하다. 예를 들어, 제 1 편광 변환기(30a)만 사용하거나 제 2 편광 변환기(30b)만 사용할 수 있다.
이때, 제 1 레이저 매질 및 제 2 레이저 매질(C1, C2)의 결정 및 배치구조는 도 10에서 보는 바와 같이, 앞서 설명한 도 3이나 도 7a의 레이저 매질 결정 및 배치구조와 동일하다.
위와 같은 레이저 빔 발생장치(200)는 제 1 및 제 2 편광 변환기(30a, 30b)의 동작에 따라 앞서 설명한 도 3a 내지 도 3d의 레이저 매질 결정 및 배치구조나 도 7a 내지 도 7d의 레이저 매질 결정 및 배치구조에 따른 출력 및 빔 품질 특성을 갖을 수 있다.
도 11a 내지 도 11d는 본 발명의 일 실시예로, 편광 변환기의 작동에 따라 레이저 매질의 결정 형상의 변화 없이 레이저 매질의 결정 축 배치 효과를 가져올 수 있는 방법을 설명하기 위한 도이다.
도 11a를 참조하면, 레이저 빔 발생장치에 편광 변환기가 설치되지 않은 조건을 갖음으로, 앞서 설명한 도 3a의 조건과 같이 동일한 효과를 가져온다. 즉, 도 3a의 레이저 매질 형상을 갖고, 편광 변환기 배치 없이, 제 1 레이저 매질(C1) 및 제 2 레이저 매질(C2)는 레이저 빔의 편광방향(Elaser)이 제 1레이저 매질(C1)의 Np축과 제 2 레이저 매질(C2)의 Nm축에 평행하도록 배치된다.
도 11b를 참조하면, 제 1 레이저 매질(C1) 및 제 2 레이저 매질(C2)은 도 3a와 같은 동일한 형상을 갖고, 편광변환기(30a)는 제 1 레이저 매질(C1)과 박막 편광기(TFP) 사이에 배치된다. 이때, 레이저 빔의 편광방향(Elaser1)은 도시된 바와 같이 편광변환기(30a)에 의해 방향이 변경되고, 제 1 레이저 매질(C1)의 Np축은 변경된 레이저 빔의 편광방향(Elaser2)에 평행하도록 결정축 배치구조를 갖는다. 또한, 제 2 레이저 매질(C2)은 변경된 레이저 빔의 편광방향(Elaser2)이 상기 제 2 레이저 매질(C2)의 Nm축에 평행하도록 하는 결정축 배치구조를 갖는다.
결국, 도 11b와 같은 제 1 레이저 매질(C1) 및 제 2 레이저 매질(C2)의 형상으로 배치되고, 제 1 레이저 매질(C1)의 Np축과 제 2 레이저 매질(C2)의 Nm축이 편광 변환기(30a)에 의해 변경된 레이저 빔의 편광방향(Elaser2)에 평행하도록 정렬이 되면, 앞서 설명한 도 3b의 구조 및 배치에 따른 출력특성 및 빔 품질 특성을 모두 변화시킬 수 있는 결과를 가져올 수 있다.
도 11c를 참조하면, 도 11a와 마찬가지로 제 1 레이저 매질(C1) 및 제 2 레이저 매질(C2)은 도 3a와 같은 동일한 형상을 갖고, 편광변환기(30b)는 제 1 레이저 매질(C1)과 제 2 레이저 매질(C2) 사이에 배치된다. 이때, 레이저 빔의 편광방향(Elaser1)은 도시된 바와 같이 편광변환기(30b)에 의해 방향이 변경되고, 제 1 레이저 매질(C1)의 Np축은 변경 전의 레이저 빔의 편광방향(Elaser1)에 평행하도록 결정축 배치구조를 갖는다. 또한, 제 2 레이저 매질(C2)은 변경된 레이저 빔의 편광방향(Elaser2)이 상기 제 2 레이저 매질(C2)의 Nm축에 평행하도록 하는 결정축 배치구조를 갖는다.
결국, 도 11c와 같은 제 1 레이저 매질(C1) 및 제 2 레이저 매질(C2)의 형상으로 배치되고, 제 1 레이저 매질(C1)의 Np축이 변경전의 레이저 빔의 편광방향(Elaser1)에 평행하고, 제 2 레이저 매질(C2)의 Nm축이 편광 변환기(30b)에 의해 변경된 레이저 빔의 편광방향(Elaser2)에 평행하도록 정렬이 되면, 앞서 설명한 도 3c의 구조 및 배치에 따른 출력특성 및 빔 품질 특성을 모두 변화시킬 수 있는 결과를 가져올 수 있다.
마지막으로 도 11d를 참조하면, 도 11a와 마찬가지로 제 1 레이저 매질(C1) 및 제 2 레이저 매질(C2)은 도 3a와 같은 동일한 형상을 갖고, 제 1편광변환기(30a)는 제 1 레이저 매질(C1)과 박막 편광기(TFP) 사이에 배치되고, 제 2 편광변환기(30b)는 제 1 레이저 매질(C1)과 제 2 레이저 매질(C2) 사이에 배치된다. 이때, 레이저 빔의 편광방향(Elaser1)은 도시된 바와 같이 편광변환기(30a)에 의해 방향이 변경되고, 제 1 레이저 매질(C1)의 Np축은 변경된 레이저 빔의 편광방향(Elaser2)에 평행하도록 결정축 배치구조를 갖는다. 또한, 제 2 레이저 매질(C2)의 Nm축은 제 2 편광변환기(30b)에 의해 변경된 레이저 빔의 편광방향(Elaser1)에 평행하도록 결정 축 배치구조를 갖는다.
따라서, 도 11d와 같은 제 1 레이저 매질(C1) 및 제 2 레이저 매질(C2)의 형상으로 배치되고, 제 1 레이저 매질(C1)의 Np축이 제 1 편광변환기(30a)에 의해 변경된 레이저 빔의 편광방향(Elaser2)에 평행하고, 제 2 레이저 매질(C2)의 Nm축이 제 2편광 변환기(30b)에 의해 변경된 레이저 빔의 편광방향(Elaser1)에 평행하도록 정렬이되면, 앞서 설명한 도 3d의 구조 및 배치에 따른 출력특성 및 빔 품질 특성을 모두 변화시킬 수 있는 결과를 가져올 수 있다.
위와 같은 도 11a 내지 도 11d에 따른 펨토초 레이저 장치는 앞서 도 3a 내지 도 3d와 도 7a 내지 도 7d에 적용된 모든 특징에 대해서 역시 적용될 수 있다.
이상으로 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명하였는바, 본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.
21: 레이저 다이오드
22: 광섬유
23: 포켈 셀(Pockels cell)
24: 제 1파장판
25: 제 2파장판
30a: 제 1 편광 변환기
30b: 제 2 편광 변환기
100: 레이저 빔 발생장치
200: 레이저 빔 발생장치
C1, C2: 레이저 매질
DM: 이색성 미러
FL: 포커싱 렌즈
CL: 콜리메이팅 렌즈
TFP: 박막 편광기
CM1, CM2: 오목 거울
FM: 전반사 거울

Claims (20)

  1. 공간적으로 서로 수직방향의 Ng, Np, Nm축을 갖는 제 1 레이저 매질; 상기 제 1 레이저 매질의 Ng축에 실질적으로 평행한 Np축, 상기 제 1 레이저 매질의 Np 축에 실질적으로 평행한 Nm축, 상기 제 1 레이저 매질의 Nm축에 실질적으로 평행한 Ng축을 갖도록 배치된 제 2 레이저 매질; 및 상기 제 1 레이저 매질 및 상기 제 2 레이저 매질에 각각 인접하여 배치된 제 1 레이저 다이오드 및 제 2 레이저 다이오드를 포함하는 펨토초 레이저 장치에 있어서,
    상기 제 1 레이저 매질은, Np축에 평행한 높이(H)가 Nm축에 평행한 폭(W)보다 크거나 작고, 상기 제 2 레이저 매질은, Nm축에 평행한 높이(H)가 Ng축에 평행한 폭(W)보다 작거나 큰 형상을 갖도록 상기 제 1 및 제 2 레이저 매질로부터 발생된 레이저 빔의 진행방향에 대해 서로 나란히 배치되는 펨토초 레이저 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 레이저 매질은, 상기 제 1 및 제 2 레이저 매질로부터 발생된 레이저 빔의 진행방향이 상기 제 1 레이저 매질의 Ng축에 실질적으로 평행하도록 배치되고,
    상기 제 2 레이저 매질은, 상기 제 1 및 제 2 레이저 매질로부터 발생된 레이저 빔의 진행방향이 상기 제 2 레이저 매질의 Np축에 실질적으로 평행하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 펨토초 레이저 장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 레이저 매질은, 상기 제 1 및 제 2 레이저 매질로부터 발생된 레이저 빔의 편광방향(Elaser)이 상기 제 1 레이저 매질의 Np축에 실질적으로 평행하도록 배치되고,
    상기 제 2 레이저 매질은, 상기 제 1 및 제 2 레이저 매질로부터 발생된 레이저 빔의 편광방향(Elaser)이 상기 제 2 레이저 매질의 Nm축에 실질적으로 평행하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 펨토초 레이저 장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 레이저 매질은, 상기 제 1 레이저 다이오드로부터 발생된 제 1 펌핑 광의 편광방향이 상기 제 1 레이저 결정의 Nm 축에 대해 실질적으로 평행하도록 하고,
    상기 제 2 레이저 매질은, 상기 제 2 레이저 다이오드로부터 발생된 제 2 펌핑 광의 편광방향이 상기 제 2 레이저 매질의 Nm축에 대해 실질적으로 평행하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 펨토초 레이저 장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 레이저 매질 및 제 2 레이저 매질은 소정의 표면 조도값을 갖는 것을 특징으로 하는 펨토초 레이저 장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 레이저 매질 및 제 2 레이저 매질은 표면이 열전도성 물질로 둘러싸인 것을 특징으로 하는 펨토초 레이저 장치.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 레이저 매질 및 제 2 레이저 매질은 냉각유로, 방열판, 공냉을 위한 수단 중 적어도 어느 하나가 형성된 하우징에 의해 둘러싸인 것을 특징으로 하는 펨토초 레이저 장치.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 레이저 매질은 각각 Yb:KYW, Yb:KGW, Yb:KLuW, Yb:YCOB, Yb:YAP 중 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 펨토초 레이저 장치.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 Yb:KYW, Yb:KGW, Yb:KLuW, Yb:YCOB, Yb:YAP 중 Yb의 도핑 농도는 1 ~ 10 at. %인 것을 특징으로 하는 펨토초 레이저 장치.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 레이저 매질 및 제 2 레이저 매질은 각각 상기 레이저 빔의 진행방향에 대하여 직사각형 단면을 갖는 직사각면체 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 펨토초 레이저 장치.
  11. 공간적으로 서로 수직방향의 Ng, Np, Nm축을 갖는 제 1 레이저 매질; 상기 제 1 레이저 매질의 Ng축에 실질적으로 평행한 Ng축, 상기 제 1 레이저 매질의 Np 축에 실질적으로 평행한 Nm축, 상기 제 1 레이저 매질의 Nm축에 실질적으로 평행한 Np축을 갖도록 배치된 제 2 레이저 매질; 및 상기 제 1 레이저 매질 및 상기 제 2 레이저 매질에 각각 인접하여 배치된 제 1레이저 다이오드 및 제 2 레이저 다이오드를 포함하는 펨토초 레이저 장치에 있어서,
    상기 제 1 레이저 매질은, Np축에 평행한 높이(H)가 Nm축에 평행한 폭(W)보다 작거나 크고, 상기 제 2 레이저 매질은, Nm축에 평행한 높이(H)가 Np축에 평행한 폭(W)보다 크거나 작은 형상을 갖도록 상기 제 1 및 제 2 레이저 매질로부터 발생된 레이저 빔의 진행방향에 대해 서로 나란히 배치되는 펨토초 레이저 장치.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 제 1 레이저 매질은, 상기 제 1 및 제 2 레이저 매질로부터 발생된 레이저 빔의 진행방향이 상기 제 1 레이저 매질의 Ng축에 실질적으로 평행하도록 배치되고,
    상기 제 2 레이저 매질은, 상기 제 1 및 제 2 레이저 매질로부터 발생된 레이저 빔의 진행방향이 상기 제 2 레이저 매질의 Ng축에 실질적으로 평행하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 펨토초 레이저 장치.
  13. 제 11항에 있어서,
    상기 제 1 레이저 매질은, 상기 제 1 및 제 2 레이저 매질로부터 발생된 레이저 빔의 편광방향(Elaser)이 상기 제 1 레이저 매질의 Np축에 실질적으로 평행하도록 배치되고,
    상기 제 2 레이저 매질은, 상기 제 1 및 제 2 레이저 매질로부터 발생된 레이저 빔의 편광방향(Elaser)이 상기 제 2 레이저 매질의 Nm축에 실질적으로 평행하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 펨토초 레이저 장치.
  14. 제 11항에 있어서,
    상기 제 1 레이저 매질은, 상기 제 1 레이저 다이오드로부터 발생된 제 1 펌핑 광의 편광방향이 상기 제 1 레이저 결정의 Nm 축에 대해 실질적으로 평행하도록 하고,
    상기 제 2 레이저 매질은, 상기 제 2 레이저 다이오드로부터 발생된 제 2 펌핑 광의 편광방향이 상기 제 2 레이저 매질의 Nm축에 대해 실질적으로 평행하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 펨토초 레이저 장치.
  15. 제 11항에 있어서,
    상기 제 1 레이저 매질 및 제 2 레이저 매질은 소정의 표면 조도값을 갖는 것을 특징으로 하는 펨토초 레이저 장치.
  16. 제 11항에 있어서,
    상기 제 1 레이저 매질 및 제 2 레이저 매질은 표면이 열전도성 물질로 둘러싸인 것을 특징으로 하는 펨토초 레이저 장치.
  17. 제 11항에 있어서,
    상기 제 1 레이저 매질 및 제 2 레이저 매질은 냉각유로, 방열판, 공냉을 위한 수단 중 적어도 어느 하나가 형성된 하우징에 의해 둘러싸인 것을 특징으로 하는 펨토초 레이저 장치.
  18. 제 11항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 레이저 매질은 각각 Yb:KYW, Yb:KGW, Yb:KLuW, Yb:YCOB, Yb:YAP 중 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 펨토초 레이저 장치.
  19. 제 18항에 있어서,
    상기 Yb:KYW, Yb:KGW, Yb:KLuW, Yb:YCOB, Yb:YAP 중 Yb의 도핑 농도는 1 ~ 10 at. %인 것을 특징으로 하는 펨토초 레이저 장치.
  20. 제 11항에 있어서,
    상기 제 1 레이저 매질 및 제 2 레이저 매질은 각각 상기 레이저 빔의 진행방향에 대하여 직사각형 단면을 갖는 직사각면체 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 펨토초 레이저 장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JPH07297467A (ja) * 1992-08-17 1995-11-10 Hughes Aircraft Co レーザ装置
KR20130142056A (ko) * 2012-06-18 2013-12-27 한국전기연구원 펨토초 레이저 장치 및 이를 포함한 펨토초 레이저 시스템
KR20140025290A (ko) * 2012-08-22 2014-03-04 리 레이저 인코포레이티드 광학 증폭기 및 그 프로세스

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