KR20170065918A - 펨토초 레이저 장치 - Google Patents

Abstract

레이저 다이오드 광펌핑을 이용한 펨토초 레이저 장치에 있어서, 광 펌핑을 위한 레이저 다이오드; 상기 레이저 다이오드의 광에 대해 모드 결합을 높이고, 상기 광을 레이저 매질에 집속시키기 위한 광학계; 상기 레이저 매질을 고정 및 지지하는 레이저 매질 조립체; 상기 레이저 매질을 통하여 발생된 레이저 빔을 반사하고, 상기 레이저 다이오드로부터 발생된 펌핑광을 투과하기 위하여 상기 레이저 매질을 사이에 두고 전,후측으로 배치되는 이색성 미러를 포함하며, 상기 레이저 매질 조립체는, 지지블록과, 상기 지지블록 상측에 배치되는 제1냉각블록과, 상기 제1냉각블록 상측에 적층되어 배치되고 상기 제1냉각블록 사이에 상기 레이저매질이 끼워지는 제2냉각블록을 포함하는 펨토초 레이저 장치를 제공한다.

Description

펨토초 레이저 장치{Femtosecond laser Apparatus}

본 출원은 레이저 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 레이저 빔 발생시 레이저 빔 정렬 특성을 향상시킬 수 있는 레이저 매질 조립체를 포함한 펨토초 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 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 J 정도 이상인 펄스 에너지가 요구된다.

물질 가공 응용의 몇몇 경우들은 수백 J의 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 근처에서 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.

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.

한편, 펨토초 레이저 장치는 도 1과 같이, 레이저 매질(LC), 반사경(M1M6), 포화흡수경(SAM), 이색성 반사경(DM), 출력 결합경(OC), 레이저 다이오드(LD), 반파장판(WP), 콜리메이팅 렌즈(CL), 포커싱 렌즈(FL)를 포함하고, 도 1에서 점선 블록은 레이저 다이오드 광펌핑부(Light Pumping Unit, LPU)의 광학적 개념도를 나타낸다.

이러한 형태의 광학적 개념도를 실현하기 위하여 통상적으로 각각의 반사경 등의 광학 부품을 독립적으로 광학 마운트류에 마운팅하여 이들 각각을 레이저 플랫폼에 고정한다.

좀더 자세하게 설명하면 도 2는 도 1에서 점선 블록으로 표시된 부분을 구현한 장치로서, 레이저 공진기 외부에서 고출력 레이저 다이오드를 이용하여 공진기 내에 위치한 레이저 매질에 광학적으로 에너지를 공급한다.

도 2의 (a)는 종래 광마운트들이 각각 독립적으로 장착된 광펌핑부를 나타내는 정면도이고, 도 2의 (b)는 종래 광마운트들이 각각 독립적으로 장착된 광펌핑부를 나타내는 평면도이다.

레이저 다이오드 광펌핑부는 광섬유(110), 광섬유 마운트(110a), 반파장판 마운트(110b), 콜리메이팅렌즈 마운트(110c), 포커싱렌즈 마운트(110d), 이색성 미러 마운트(110e, 110f), 레이저 플랫폼(150)에 설치되어 각 마운트를 지지하는 마운트 블록(120a120g) 및 각각에 해당하는 광학부품들을 포함한다.

이러한 종래 레이저 다이오드 광펌핑부 중 레이저 매질을 고정하고 지지하는 레이저 매질 조립체의 구조적인 안정성은 무엇보다 중요하다. 이는 레이저 매질 조립체에 의해 고정된 레이저 매질이 외부의 충격 혹은 조립 시 안정적으로 고정되지 않거나 기구적인 결합의 미흡으로 레이저 매질이 안정적으로 고정되지 않을 때, 레이저 매질에 입사되는 펌핌광의 포커싱에 어려움이 발생한다.

이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 이미 본 출원인은 특허출원번호 10-2012-0038224호에 레이저 매질 조립체의 구조에 대해서 출원한 바 있다.

그러나 기 출원한 레이저 매질 조립체의 구조는 레이저 매질의 단면이 정사각형이고 레이저 매질을 둘러싸 고정 지지할 수 있는 냉각블록 혹은 바디부가 지지부에 대하여 세로방향으로 배치되어 있다. 즉, 레이저 매질을 상, 하 양측이 아닌 좌, 우 양측에서 고정 및 지지하는 형태로 냉각블록이 배치되어 있다. 이와 같은 경우, 일정정도 냉각블록의 기구적인 결합에 의해 레이저 매질을 고정 및 지지할 수 있지만, 추가적으로 레이저 매질 조립체의 조립성이 더 우수해질 필요성이 있고, 특히 레이저 매질의 단면이 직사각형일 경우, 외부의 충격 또는 열광렌즈 효과에 따른 레이저 매질의 깨어짐을 방지하기 위한 레이저 매질의 안정적 고정이 더 필요하다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 레이저 매질 조립체의 조립성을 높여 레이저 매질을 안정적으로 고정 및 지지하여 빔 포커싱을 향상시킬 수 있는 펨토초 레이저 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 복수의 레이저 매질의 표면적을 넓히거나 전도성이 높은 물질을 레이저 매질에 부착하거나 공냉 또는 수냉이 이루어지도록 하는 등 열이 효율적으로 레이저 매질을 빠져나가게 함으로써 고휘도의 펨토초 레이저 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 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 빔이 레이저 매질의 특정 축에 실질적으로 평행하도록 하여 빔의 일그러짐없 이 빔의 품질뿐만 아니라 레이저의 출력세기를 향상 시킬 수 있는 레이저 장치 및 이를 포함한 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 펨토초 레이저 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 방사 단면적의 최대값에 해당하는 파장이 서로 다른 복수의 레이저 매질의 이득 스펙트럼을 중첩시켜 펄스의 스펙트럼 폭을 넓힐 수 있는 펨토초 레이저 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 펨토초 레이저 장치는 레이저 다이오드 광펌핑을 이용한 펨토초 레이저 장치에 있어서, 광 펌핑을 위한 레이저 다이오드; 상기 레이저 다이오드의 광에 대해 모드 결합을 높이고, 상기 광을 레이저 매질에 집속시키기 위한 광학계; 상기 레이저 매질을 고정 및 지지하는 레이저 매질 조립체; 상기 레이저 매질을 통하여 발생된 레이저 빔을 반사하고, 상기 레이저 다이오드로부터 발생된 펌핑광을 투과하기 위하여 상기 레이저 매질을 사이에 두고 전,후측으로 배치되는 이색성 미러를 포함하며, 상기 레이저 매질 조립체는, 지지블록과, 상기 지지블록 상측에 배치되는 제1냉각블록과, 상기 제1냉각블록 상측에 적층되어 배치되고 상기 제1냉각블록 사이에 상기 레이저매질이 끼워지는 제2냉각블록을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 제1냉각블록 및 제2냉각블록 중 적어도 어느 하나는, 광의 집속방향으로 노출되면서 상기 레이저 매질이 끼워지는 수용 홈이 형성될 수 있다.

상기 수용 홈 표면에는 상기 레이저 매질에서 발생된 열이 방출될 수 있도록 열전도성 물질이 코팅될 수 있다.

상기 수용 홈은 상기 레이저 매질과 면접촉이 이루어지도록 상기 레이저 매질의 형상에 대응된 형상을 가질 수 있다.

상기 제1냉각블록은, 냉각수 유로를 갖고 일면이 상기 지지블록의 상측면과 접촉하여 배치되는 제1바디부와 상기 제1바디부의 일단에서 직각방향으로 상기 지지블록의 상측면을 따라 연장된 제1연장부를 포함하며, 상기 제2냉각블록은, 냉각수 유로를 갖고 일면이 상기 제1냉각블록의 상측면과 접촉하여 배치되는 제2바디부와 상기 제2바디부의 일단에서 직각방향으로 상기 지지블록의 측면을 따라 연장된 제2연장부를 포함할 수 있다.

상기 제1바디부는, 냉각수가 유입되고 배출되는 제1유입포트와 제1배출포트가 구비되고, 각 포트에는 상기 제1냉각블록에 냉각수를 공급하기 위한 냉각수공급호수 및 냉각수 배출을 위한 냉각 배출호수가 각각 연결되며, 상기 제2바디부는 냉각수가 유입되고 배출되는 제2유입포트와 제2배출포트가 구비되고, 각 포트에는 상기 제2냉각블록에 냉각수를 공급하기 위한 냉각수 공급호수 및 냉각수 배출을 위한 냉각 배출호수가 각각 연결될 수 있다.

상기 제1연장부는 상기 제1바디부와 일체형을 이루고, 상기 지지블록과 스크류 체결되어 고정되도록 체결 홀을 가지며, 상기 제2연장부는 상기 제2바디부와 일체형을 이루고, 스크류 체결되어 연결블록을 통하여 상기 지지블록과 고정될 수 있도록 체결 홀을 가질 수 있다.

상기 연결블록은 상기 제2냉각블록의 상기 제2연장부 배면과 상기 지지블록의 측면에 부착되어 상기 제2냉각블록이 상기 지지블록에 고정될 수 있도록, 일단부는 상기 지지블록과 결합되고, 타단부는 상기 제2냉각블록의 상기 제2연장부와 결합될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 펨토초 레이저 장치는 레이저 매질의 안정적인 고정 및 지지를 통하여 레이저 빔의 정렬 특성을 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.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 펨토초 레이저 장치는 레이저 매질에서 발생된 열을 효율적을 제거하여 레이저 빔의 품질뿐만 아니라 레이저 출력세기를 향상시킬 수 있다.

도 1은 종래 펨토초 레이저의 광학 개념도를 나타낸 개략도이다.
도 2는 종래 광마운트들이 각각 독립적으로 장착된 광펌핑부를 나타내는 정면도 및 평면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 레이저 빔 발생장치의 개략도이다.
도 4a 내지 4d는 본 발명에 따른 일 실시예로, 레이저 매질의 구조를 나타낸 도이다.
도 5는 본 발명에 따른 일 실시예로, 열광 렌즈 효과에 대해 나타낸 그래프이다.
도 6a 내지 도 6d는 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 7은 도 6a 내지 도 6d의 레이저 매질 결정 구조 및 배치구조에 따른 평균출력과 정사각면체의 결정구조를 갖는 레이저 매질에 따른 평균 출력 값을 비교한 그래프이다.
도 8은 도 6a 내지 도 6d의 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 9a 내지 도 9d는 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 10은 도 6a 내지 도 6d의 레이저 매질 결정 구조 및 배치구조에 따라 레이저 매질에서 발생된 레이저 빔의 품질 특성과 도 9a 내지 도 9d의 레어지 매질 결정구조 및 배치구조에 따라 레이저 매질에서 발생된 레이저 빔의 품질 특성과 비교한 도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시 예에 따른 다른 레이저 빔 발생장치의 개략도이다.
도 12는 레이저 매질의 결정구조와 편광변환기 간의 배치구조를 설명하기 위한 도이다.
도 13a 내지 도 13d는 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.
도 14는 본 발명의 일 실시예로, 레이저 빔 발생장치에서 레이저 매질을 지지하기 레이저 매질 조립체를 도시한 사시도이다.
도 15는 본 발명의 일 실시예로, 도 14에 도시된 레이저 매질 조립체의 정면도이다.
도 16은 본 발명의 일 실시예로, 도 14에 도시된 레이저 매질 조립체의 평면도이다.
도 17은 본 발명의 일 실시예로, 도 14에 도시된 레이저 매질 조립체의 측면도이다.

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 3은 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), 제1파장판(24), 제2파장판(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.

제1파장판(24)은 반파장판(/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 제1파장판(24) 다음에 각각 순차적으로 배치되어, 상기 제1반파장판(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, 제1파장판(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), 제2파장판(25) 및 박막 편광기(TFP)는 광 경로 방향에 배치되어, 레이저 매질에서 발생된 레이저 빔을 외부로 인출시키기 위한 스위치 역할을 한다. 여기서 제2파장판(25)은 1/4 파장판이다. 예를 들어, 상기 광학부품들을 통하여 증폭된 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

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 레이저빔과 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.

도 4A 내지 4D는 본 발명에 따른 일 실시예로, 레이저 매질의 구조를 나타낸 도이다.

먼저, 도 4A를 살펴보면, 레이저 매질은 단면이 직사각형을 이루는 직사각면체 형상을 갖는다. 즉, 레이저 매질(LC)은 레이저 매질의 높이(h)보다 가로(d1) 및 세로(d2)의 길이가 더 길게 형성되는 구조를 갖을 수 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 열화되는 것을 방지할 수 있다.

도 4B는 도 4A와 같은 형상을 갖고, 열 방출면적을 넓히기 위해 레이저 매질(LC) 표면에 다수의 채널(11)이 형성될 수 있다. 채널(11)은 레이저 매질 표면 전체가 되거나 일부에만 형성될 수 있다. 또한, 채널(11)은 일정한 간격을 가지고 레이저 매질 표면에 형성될 수 있지만 메쉬타입으로 형성될 수 있다. 도 4B에서는 표면적을 넓히기 위해 일예로, 레이저 매질(LC)의 표면에 채널을 형성하였지만, 열 방출면적을 넓히기 위해 표면적을 높일 수 있는 형상이면 어느 것이든 가능하다. 또한, 레이저 매질의 형상이 직사각면체를 이루지만 이에 한정되지 않는다.

도 4C는 도 4A와 같은 형상을 갖고, 외부로 열 방출이 잘 이루어질 수 있도록 적어도 레이저 매질(LC)의 열전도율보다 높은 전도성 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 전도성 물질(10)을 갖는 레이저 매질(LC)과 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. 이 때, 레이저 매질의 형상은 도 4B의 설명에서와 마찬가지로 직사면체에 한정되지 않는다. 또한, 하우징(13)은 실시예처럼, 표면이 전도성 물질(10)로 둘러싸인 레이저 매질을 패킹할 수 있고, 전도성 물질 없이 노출된 레이저 매질을 패킹하여 레이저 매질로부터 발생되는 열을 제거할 수 있다.

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.

여기서,

는 푸아송 비율, k는 열 전도율,

는 물질이 견딜 수 있는 최대한의 장력,

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 증가시키기 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.

여기서,

는 레이저 매질에 흡수되는 펌핑 파워,

는 열적 로드 (fractional thermal load), 즉 레이저 매질에 흡수된 펌핑 파워 중 열로 소멸된 파워의 비를 나타낸다.

는 레이저 매질에 입사된 펌핑 빔의 반지름,

는 빛의 편광에 해당하는 굴절율의 온도 상수,

은 굴절율,

는 온도,

는 명목 굴절률,

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 거리는 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 5는 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.

도 6A 내지 도 6D는 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 6A 내지 도 6D에 도시된 바와 같이, 제1및 제2레이저 매질(C1, C2)은 각각 광학적 축에 기초하여 결정면을 갖고, 각 결정면은 광학적 축에 수직방향으로 형성된다. 즉, 제1및 제2레이저 매질(C1, C2)은 각각 공간적으로 서로 수직방향의 Ng, Np, Nm축을 갖는 결정면을 갖고, 제1레이저 매질(C1)과 제2레이저 매질(C2)은 서로 다르게 정렬된다.

또한, 제2레이저 매질(C2)은 제1레이저 매질(C1)의 Ng축에 실질적으로 평행한 Np축, 제1레이저 매질(C1)의 Np 축에 실질적으로 평행한 Nm축, 제1레이저 매질(C1)의 Nm축에 실질적으로 평행한 Ng축을 갖도록 레이저 빔 발생 장치 내에 배치된다.

도면에는 도시되어 있지 않지만, 상기 제1레이저 매질(C1) 및 제2레이저 매질(C2)에 각각 인접하여 상기 제1및 제2레이저 매질(C1, C2)에 펌핑 광이 입사되도록 제1및 제2레이저 다이오드가 배치된다.

제1레이저 매질(C1) 및 제2레이저 매질(C2)은, 제1및 제2레이저 매질(C1, C2)에서 발생한 레이저 빔의 진행 방향이 제1레이저 매질의 Ng축에 실질적으로 평행하도록 배치하고, 상기 제2레이저 매질(C2)의 Np축에 실질적으로 평행하도록 배치한다.

이때, 스펙트럼 밴드 폭을 넓힐 수 있도록 제1레이저 매질(C1) 및 제2레이저 매질(C2)은, 레이저 빔 발생장치 내에서 공진하는 동안, 제1및 제2레이저 매질(C1, C2)로부터 발생된 레이저 빔의 편광방향(Elaser)이 제1레이저 매질(C1)의 Np축에 대해 실질적으로 평행하게 하고, 제2레이저 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 제1레이저 매질(C1) 및 제2레이저 매질(C2)은, 제1레이저 다이오드로부터 발생된 제1펌핑 광의 편광방향(Epump)이 제1레이저 매질(C1)의 Nm 축에 대해 실질적으로 평행하도록 하고, 제2레이저 다이오드로부터 발생된 제2펌핑 광의 편광방향(Epump)이 상기 제2레이저 매질(C2)의 Nm축에 대해 실질적으로 평행하도록 배치될 수 있다.

즉, 제1레이저 매질(C1) 및 제2레이저 매질(C2)로부터 발생된 레이저 빔의 편광방향은 방사 단면적을 고려하여 제1및 제2레이저 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, 제1및 제2레이저 다이오드로부터 발생된 펌핑 광의 편광 방향(Epump)은 모두 흡수 단면적이 가장 큰 제1레이저 매질(C1) 및 제2레이저 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 6A 내지 도 6D에 나타낸 레이저 매질의 형상은 이미 설명한 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 6A에 도시된 바와 같이, 제1레이저 매질(C1)과 제2레이저 매질(C2)은 직사각면체 결정구조로, 더욱 자세하게는 제1레이저 매질(C1)과 제2레이저 매질(C2) 모두 레이저 빔의 입사 방향에 대해 레이저 매질의 높이(h)가 레이저 매질의 가로 길이(d1) 및 세로 길이(d2)보다 작도록 형성된 결정 구조를 갖고, 서로 나란히 배치된다. 여기서, 레이저 매질의 세로 길이(d2)는 레이저 빔의 입사 방향에 대해 수직한 면에서의 장 거리를 의미하고, 레이저 매질의 가로 길이(d1)는 레이저 빔의 입사 방향에 대해 평행한 면에서의 장 거리를 의미한다. 이에 대한 레이저 매질의 가로 길이(d1) 및 세로 길이(d2)의 정의는 다음 도 6B 내지 도 6D에 모두 적용된다.

도 6B를 살펴보면, 제1레이저 매질(C1)과 제2레이저 매질(C2) 역시 직사각면체의 결정구조로, 자세하게는 제1레이저 매질(C1)과 제2레이저 매질(C2) 모두 레이저 빔의 입사 방향에 대해 레이저 매질의 높이(H)가 레이저 매질의 세로 길이(D2)보다 크고, 가로 길이(D1)보다 작도록 형성된 결정 구조를 갖고, 서로 나란히 배치된다.

도 6C를 살펴보면, 제1레이저 매질(C1)은 도 6A와 같은 결정구조를 갖는 형상을 갖고, 제2레이저 매질(C2)는 도 6B와 같은 결정구조를 갖는 형상을 갖는다. 이러한 제1레이저 매질(C1)과 제2레이저 매질(C2)는 레이저 빔의 경로 상에 배치된다.

도 6D를 살펴보면, 제1레이저 매질(C1) 및 제2레이저 매질(C2)은 도 6C의 레이저 매질의 결정구조와 반대되는 배치구조로 갖는다. 즉, 제1레이저 매질(C1)은 도 6B와 같은 결정구조를 갖는 형상을 갖고, 제2레이저 매질(C2)는 도 6A와 같은 결정구조를 갖는 형상을 갖는다. 이러한 제1레이저 매질(C1)과 제2레이저 매질(C2)는 레이저 빔의 경로 상에 배치된다.

위와 같은 도 6A 내지 도 6D의 레이저 매질 결정 구조 및 배치구조는 펌핑빔이 입사되어 레이저 매질에서 발생된 레이저 빔이 레이저 매질을 따라 지나가는 경로의 길이가 최대가 될 수 있도록 형성될 수 있는 결정 및 배치 구조를 갖는 일예이다. 이에 따라 상기와 같은 레이저 매질 결정 구조 및 배치구조를 갖는 본 발명의 레이저 장치는 레이저 빔에 따른 열에너지를 효율적으로 방출시킬 수 있고, 또한 높은 출력의 고휘도 레이저 다이오드에서 발생된 펌핑광에 따라 레이저 매질에서 발생된 레이저 빔의 품질을 높일 수 있다.

도 7은 도 6A 내지 도 6D의 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 갖을 경우, 열 방출면적이 넓어져 레이저 평균출력의 세기가 단면이 정사각형인 레이저 매질보다 높아짐을 알 수 있다.

도 8은 도 6A 내지 도 6D의 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 8의 (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 8의 (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.

도 9A 내지 도 9D는 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.

도시된 바와 같이, 도 9A 내지 도 9D의 제1및 제2레이저 매질(C1, C2)은 각각 광학적 축에 기초하여 결정면을 갖고, 각 결정면은 광학적 축에 수직방향으로 형성된다. 즉, 제1및 제2레이저 매질(C1, C2)은 각각 공간적으로 서로 수직방향의 Ng, Np, Nm축을 갖는 결정면을 갖고, 제1레이저 매질(C1)과 제2레이저 매질(C2)은 서로 다르게 정렬된다.

또한, 제2레이저 매질(C2)은 제1레이저 매질(C1)의 Ng축에 실질적으로 평행한 Ng축, 제1레이저 매질(C1)의 Np 축에 실질적으로 평행한 Nm축, 제1레이저 매질(C1)의 Nm축에 실질적으로 평행한 Np축을 갖도록 레이저 빔 발생 장치 내에 배치된다.

도면에는 도시되어 있지 않지만, 상기 제1레이저 매질(C1) 및 제2레이저 매질(C2)에 각각 인접하여 상기 제1및 제2레이저 매질(C1, C2)에 펌핑 광이 입사되도록 제1및 제2레이저 다이오드가 배치된다.

제1레이저 매질(C1) 및 제2레이저 매질(C2)은, 제1및 제2레이저 매질(C1, C2)에서 발생한 레이저 빔의 진행 방향이 제1레이저 매질의 Ng축에 실질적으로 평행하도록 배치하고, 상기 제2레이저 매질(C2) 역시 Ng축에 실질적으로 평행하도록 배치한다.

이때, 스펙트럼 밴드 폭을 넓힐 수 있도록 제1레이저 매질(C1) 및 제2레이저 매질(C2)은, 레이저 빔 발생장치 내에서 공진하는 동안, 제1및 제2레이저 매질(C1, C2)로부터 발생된 레이저 빔의 편광방향(Elaser)이 제1레이저 매질(C1)의 Np축에 대해 실질적으로 평행하게 하고, 제2레이저 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 제1레이저 매질(C1) 및 제2레이저 매질(C2)은, 제1레이저 다이오드로부터 발생된 제1펌핑 광의 편광방향(Epump)이 제1레이저 매질(C1)의 Nm 축에 대해 실질적으로 평행하도록 하고, 제2레이저 다이오드로부터 발생된 제2펌핑 광의 편광방향(Epump)이 상기 제2레이저 매질(C2)의 Nm축에 대해 실질적으로 평행하도록 배치될 수 있다.

즉, 제1레이저 매질(C1) 및 제2레이저 매질(C2)로부터 발생된 레이저 빔의 편광방향은 방사 단면적을 고려하여 제1및 제2레이저 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, 제1및 제2레이저 다이오드로부터 발생된 펌핑 광의 편광 방향(Epump)은 모두 흡수 단면적이 가장 큰 제1레이저 매질(C1) 및 제2레이저 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 9A 내지 도 9D에 나타낸 레이저 매질의 형상은 이미 설명한 도 4A 내지 도 4D의 레이저 매질 중 어느 하나를 이용할 수 있고, 도 9A 내지 도 9D의 레이저 매질의 배치구조는 도 6A 내지 도 6D의 레이저 매질의 배치구조와 동일하다. 따라서, 이에 대한 설명은 생략하기로 한다.

위와 같은 도 9A 내지 도 9D의 레이저 매질 결정구조 및 배치구조는 레이저 매질에서 발생되는 열 에너지를 효율적으로 방출시킬 수 있을 뿐 만 아니라, 고출력의 레이저 다이오드에서 발생된 펌핑광에 따라 발생된 레이저 빔의 품질을 도 6A 내지 도 6D의 결정구조 및 배치구조를 갖는 레이저 매질보다 더욱더 높일 수 있다.

도 10은 도 6A 내지 도 6D의 레이저 매질 결정 구조 및 배치구조에 따라 레이저 매질에서 발생된 레이저 빔의 품질 특성과 도 9A 내지 도 9D의 레어지 매질 결정구조 및 배치구조에 따라 레이저 매질에서 발생된 레이저 빔의 품질 특성과 비교한 도이다.

도 10을 살펴보면, 단면이 모두 직사각형의 구조를 갖는 레이저 매질로써, 레이저 빔의 출력이 15W와 22W에서 각각 나타난 빔 품질 특성이다. 이를 구체적으로 살펴보면, 도 10의 (a)와 같이, 도 6A 내지 도 6D의 레이저 매질 결정 구조 및 배치구조 (Ng-cut + Np-cut)를 갖을 경우와 도 10의 (b)와 같이, 도 9A 내지 도 9D의 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 10의 (c)와 같이, 도 6A 내지 도 6D의 레이저 매질 결정 구조 및 배치구조에서의 빔 형상이 일그러지는데 반해, 도 10의 (d)와 같이, 도 9A 내지 도 9D의 레이저 매질 결정 구조 및 배치구조에서의 빔 형상은 원형을 갖어 빔 품질 양호를 그대로 유지함을 알 수 있다. 즉, 도 9A 내지 도 9D와 같은 레이저 매질 결정구조 및 배치구조를 갖었을 때, 출력 특성뿐만 아니라 빔 품질이 더욱 향상될 수 있음을 알 수 있다.

도 11은 본 발명의 일 실시 예에 따른 다른 레이저 빔 발생장치의 개략도이고, 도 12는 레이저 매질의 결정구조와 편광변환기 간의 배치구조를 설명하기 위한 도이다.

도시된 바와 같이, 레이저 빔 발생장치(200)는 도 3과 같이, 제1및 제2레이저 매질(C1, C2), 이색성 미러(DM), 포커싱 렌즈(FL), 콜리메이팅 렌즈(CL), 제1파장판(24), 제2파장판(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, 제1레이저 매질(C1)과 제2레이저 매질(C2) 사이에 배치된 제1편광 변환기(30a)와 제2레이저 매질(C2)과 박막 편광기(TFP) 사이에 배치된 제2편광 변환기(30b)를 더 포함한다.

이때, 제1레이저 매질 및 제2레이저 매질(C1, C2)의 결정 및 배치구조는 도 6A의 레이저 매질 결정 및 배치구조와 동일하다.

위와 같은 레이저 빔 발생장치(200)는 제1및 제2편광 변환기(30a, 30b)의 동작에 따라 앞서 설명한 도 6A 내지 도 6D의 레이저 매질 결정 및 배치구조에 따른 출력 및 빔 품질 특성을 갖을 수 있다.

도 13A 내지 도 13D는 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 13A를 참조하면, 레이저 빔 발생장치에 편광 변환기가 설치되지 않은 조건을 갖음으로, 앞서 설명한 도 6A의 조건과 같이 동일한 효과를 가져온다. 즉, 도 6A의 레이저 매질 형상을 갖고, 편광 변환기 배치 없이, 제1레이저 매질(C1) 및 제2레이저 매질(C2)는 레이저 빔의 편광방향(Elaser)이 제1레이저 매질(C1)의 Np축과 제2레이저 매질(C2)의 Nm축에 평행하도록 배치된다.

도 13B를 참조하면, 제1레이저 매질(C1) 및 제2레이저 매질(C2)은 도 6A와 같은 동일한 형상을 갖고, 편광변환기(30a)는 제1레이저 매질(C1)과 박막 편광기(TFP) 사이에 배치된다. 이때, 레이저 빔의 편광방향(Elaser1)은 도시된 바와 같이 편광변환기(30a)에 의해 방향이 변경되고, 제1레이저 매질(C1)의 Np축은 변경된 레이저 빔의 편광방향(Elaser2)에 평행하도록 결정축 배치구조를 갖는다. 또한, 제2레이저 매질(C2)은 변경된 레이저 빔의 편광방향(Elaser2)이 상기 제2레이저 매질(C2)의 Nm축에 평행하도록 하는 결정축 배치구조를 갖는다.

결국, 도 13B와 같은 제1레이저 매질(C1) 및 제2레이저 매질(C2)의 형상으로 배치되고, 제1레이저 매질(C1)의 Np축과 제2레이저 매질(C2)의 Nm축이 편광 변환기(30a)에 의해 변경된 레이저 빔의 편광방향(Elaser2)에 평행하도록 정렬이 되면, 앞서 설명한 도 6B의 구조 및 배치에 따른 출력특성 및 빔 품질 특성을 모두 변화시킬 수 있는 결과를 가져올 수 있다.

도 13C를 참조하면, 도 13A와 마찬가지로 제1레이저 매질(C1) 및 제2레이저 매질(C2)은 도 6A와 같은 동일한 형상을 갖고, 편광변환기(30b)는 제1레이저 매질(C1)과 제2레이저 매질(C2) 사이에 배치된다. 이때, 레이저 빔의 편광방향(Elaser1)은 도시된 바와 같이 편광변환기(30b)에 의해 방향이 변경되고, 제1레이저 매질(C1)의 Np축은 변경 전의 레이저 빔의 편광방향(Elaser1)에 평행하도록 결정축 배치구조를 갖는다. 또한, 제2레이저 매질(C2)은 변경된 레이저 빔의 편광방향(Elaser2)이 상기 제2레이저 매질(C2)의 Nm축에 평행하도록 하는 결정축 배치구조를 갖는다.

결국, 도 13C와 같은 제1레이저 매질(C1) 및 제2레이저 매질(C2)의 형상으로 배치되고, 제1레이저 매질(C1)의 Np축이 변경전의 레이저 빔의 편광방향(Elaser1)에 평행하고, 제2레이저 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 13D를 참조하면, 도 13A와 마찬가지로 제1레이저 매질(C1) 및 제2레이저 매질(C2)은 도 6A와 같은 동일한 형상을 갖고, 제1편광변환기(30a)는 제1레이저 매질(C1)과 박막 편광기(TFP) 사이에 배치되고, 제2편광변환기(30b)는 제1레이저 매질(C1)과 제2레이저 매질(C2) 사이에 배치된다. 이때, 레이저 빔의 편광방향(Elaser1)은 도시된 바와 같이 편광변환기(30a)에 의해 방향이 변경되고, 제1레이저 매질(C1)의 Np축은 변경된 레이저 빔의 편광방향(Elaser2)에 평행하도록 결정축 배치구조를 갖는다. 또한, 제2레이저 매질(C2)의 Nm축은 제2편광변환기(30b)에 의해 변경된 레이저 빔의 편광방향(Elaser1)에 평행하도록 결정 축 배치구조를 갖는다.

따라서, 도 13D와 같은 제1레이저 매질(C1) 및 제2레이저 매질(C2)의 형상으로 배치되고, 제1레이저 매질(C1)의 Np축이 제1편광변환기(30a)에 의해 변경된 레이저 빔의 편광방향(Elaser2)에 평행하고, 제2레이저 매질(C2)의 Nm축이 제2편광 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 13A 내지 도 13D에 따른 펨토초 레이저 장치는 앞서 도 6A 내지 도 6D와 도 9A 내지 도 9D에 적용된 모든 특징에 대해서 역시 적용될 수 있다.

한편, 본 발명의 실시예와 같은 레이저 장치는 레이저 매질의 안정적 고정 및 지지특성이 중요하다. 이를 위해 본 발명의 일 실시예로, 레이저 매질을 위한 레이저 매질 조립체은 다음과 같다.

도 14는 본 발명의 일 실시예로, 레이저 빔 발생장치에서 레이저 매질을 지지하기 레이저 매질 조립체를 도시한 사시도이고, 도 15는 도 14에 도시된 레이저 매질 조립체의 정면도이고, 도 16은 도 14에 도시된 레이저 매질 조립체의 평면도이고, 도 17은 도 14에 도시된 레이저 매질 조립체의 측면도이다.

도 14 내지 도 17을 참조하면, 레이저 매질 조립체(300)는 지지블록(310), 제1냉각블록(330), 제2냉각블록(350), 연결블록(370) 및 고정블록(390)을 포함한다.

지지블록(310)은 다른 부품과 기구적 결합이 용이하도록 다각형상을 갖고, 열 전도성이 높은 재질로 이루어질 수 있다. 또한, 지지블록(310)은 미도시된 보조 연결블록이 스크류 체결되어 레이저 매질 조립체로부터 발생된 열이 외부로 용이하게 방출될 수 있도록 좌, 우 엣지부에 홈(310a)이 형성될 수 있다.

제1냉각블록(330)은 지지블록(310)의 상측에 배치되며, 냉각수 유로(미도시)를 갖고 일면이 지지블록(310)의 상측면과 접촉하여 배치되는 제1바디부(331)와 제1바디부(331)의 일단에서 직각방향으로 지지블록(310)의 상측면을 따라 연장된 제1연장부(333)를 포함한다.

제1바디부(331)는 냉각수가 유입되고 배출되는 제1유입포트(331a)와 제1배출포트(331b)가 구비되고, 각 포트에는 제1냉각블록에 냉각수를 공급하기 위한 냉각수 공급호수(미도시) 및 냉각수 배출을 위한 냉각 배출호수(미도시)가 각각 연결된다. 제1연장부(333)는 제1바디부(331)와 일체형을 이루고, 지지블록(310)과 스크류 체결되어 고정되도록 체결 홀(333a)을 갖는다.

제2냉각블록(350)은 제1냉각블록(330) 상측에 적층되어 배치되고 제1냉각블록(330) 사이에 레이저매질이 끼워지는 구성으로, 냉각수 유로(미도시)를 갖고 일면이 제1냉각블록(330)의 상측면과 접촉하여 배치되는 제2바디부(351)와 제2바디부(351)의 일단에서 직각방향으로 지지블록의 측면을 따라 연장된 제2연장부(353)를 포함한다.

제2바디부(351)는 제1바디부(331)와 마찬가지로, 냉각수가 유입되고 배출되는 제2유입포트(351a)와 제2배출포트(351b)가 구비되고, 각 포트에는 제2냉각블록(350)에 냉각수를 공급하기 위한 냉각수 공급호수(미도시) 및 냉각수 배출을 위한 냉각 배출호수(미도시)가 각각 연결된다. 제2연장부(353)는 제2바디부(351)와 일체형을 이루고, 스크류 체결되어 연결블록(370)을 통하여 지지블록(310)과 고정될 수 있도록 체결 홀(353a)을 갖는다.

한편, 본 발명의 실시예에서, 각 냉각블록의 구성부품으로 연장부를 설명하였지만, 냉각블록의 바디부 자체가 고정수단을 갖을 수 있고, 이에 따라 연장부없이 지지블록과 직접 체결될 수 있다.

또한, 제1냉각블록(330)과 제2냉각블록(350) 중 적어도 하나는 광의 집속방향으로 노출되면서 레이저 매질이 끼워지는 수용 홈(R)이 형성된다.

즉, 제1냉각블록(330)과 제2냉각블록(350)은 각각 레이저 매질을 수용할 수 있는 수용 홈(R)이 각 바디부에 형성될 수 있거나, 제1냉각블록(330)의 제1바디부 또는 제2냉각블록(350)의 제2바디부 중 어느 한 냉각블록에 수용 홈(R)이 형성될 수 있다. 이 때 수용 홈(R)은 레이저 매질과 면접촉이 이루어질 수 있도록 레이저 매질의 형상에 대응된 형상을 갖음이 바람직하다.

또한, 제1냉각블록 또는 제2냉각블록의 수용 홈 표면에는 레이저 매질에서 발생된 열이 효율적으로 방출될 수 있도록 열전도성 물질이 코팅될 수 있다.

이와 같은 구조에 따라, 제1냉각블록(330)과 제2냉각블록(350)은 서로 조합된 상태로 레이저 매질을 내부 수용 홈(R)에 안전하게 안착시키고, 제2냉각블록(350)의 하중에 의해 레이저 매질을 보다 안정되게 고정 및 지지시킬 수 있다.

즉, 본 발명의 실시예와 같이, 지지블록(310)의 상측에 제1냉각블록(330)이 배치되고, 제1냉각블록(330)의 상측에 제2냉각블록(350) 배치, 즉 즉 상하로 순차적으로 적층되어 내부에 수용된 레이저 매질을 지지 및 고정시키는 레이저 매질 조립체는 종래 지지블록에 대하여 세로방향으로 접하여 배치된 냉각블록들을 포함한 레이저 매질 조립체에 비하여 더욱 안정적으로 레이저 매질을 고정 및 지지시킬 수 있다.

연결블록(370)은 제2냉각블록(350)의 제2연장부(351) 배면과 지지블록(310) 측면에 부착되어 제2냉각블록(350)이 지지블록(310)에 고정될 수 있도록, 일단부는 지지블록(310)과 스크류 체결되고, 타단부는 제2냉각블록(350)의 제2연장부(353)와 스크류 체결된다.

본 발명의 실시예에서, 지지블록(310)과 제2냉각블록(350)을 연결하는 연결블록(370)에 대하여 설명하였지만, 제2냉각블록(350)이 지지블록(310)에 직접 체결되어 하나의 조립체를 이룰 수 있다. 다만, 연결블록(370)을 이용하여 제2냉각블록(350)과 지지블록(310)을 연결하여 고정시키는 이유는 기구적인 안정성 및 조립성을 높이기 위함이다.

고정블록(390)은 미도시된 레이저 플랫폼이나 혹은 레이저 매질 조립체와 연결되는 구성부품에 연결 및 고정될 수 있도록 지지블록(310) 상단 일부에 배치되고, 레이저 플랫폼이나 다른 구성부품과 스크류 체결을 위한 체결홀(390a)을 포함한다.

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: 제1파장판
25: 제2파장판 30a, 30b: 제1및 제2편광 변환기
100: 레이저 빔 발생장치 300: 레이저 매질 조립체
310: 지지블록 330: 제1냉각블록
350: 제2냉각블록 370: 연결블록
390: 고정블록 C1, C2: 레이저 매질
DM: 이색성 미러 FL: 포커싱 렌즈
CL: 콜리메이팅 렌즈 TFP: 박막 편광기
CM1, CM2: 오목 거울 FM: 전반사 거울

Claims (8)

1. 레이저 다이오드 광펌핑을 이용한 펨토초 레이저 장치에 있어서,
   광 펌핑을 위한 레이저 다이오드;
   상기 레이저 다이오드의 광에 대해 모드 결합을 높이고, 상기 광을 레이저 매질에 집속시키기 위한 광학계;
   상기 레이저 매질을 고정 및 지지하는 레이저 매질 조립체;
   상기 레이저 매질을 통하여 발생된 레이저 빔을 반사하고, 상기 레이저 다이오드로부터 발생된 펌핑광을 투과하기 위하여 상기 레이저 매질을 사이에 두고 전,후측으로 배치되는 이색성 미러를 포함하며,
   상기 레이저 매질 조립체는,
   지지블록과,
   상기 지지블록 상측에 배치되는 제1냉각블록과, 상기 제1냉각블록 상측에 적층되어 배치되는 제 2 냉각블록을 포함하고,
   상기 제1냉각블록과 상기 제2냉각블록사이에는 상기 레이저 매질이 끼워져 배치되는 펨토초 레이저 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 제1냉각블록 및 제2냉각블록 중 적어도 어느 하나는,
   광의 집속방향으로 노출되면서 상기 레이저 매질이 끼워지는 수용 홈이 형성된 것을 특징으로 하는 펨토초 레이저 장치.
3. 제2항에 있어서,
   상기 수용 홈 표면에는 상기 레이저 매질에서 발생된 열이 방출될 수 있도록 열전도성 물질이 코팅된 것을 특징으로 하는 펨토초 레이저 장치.
4. 제2항에 있어서,
   상기 수용 홈은 상기 레이저 매질과 면접촉이 이루어지도록 상기 레이저 매질의 형상에 대응된 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 펨토초 레이저 장치.
5. 제1항에 있어서,
   상기 제1냉각블록은,
   냉각수 유로를 갖고 일면이 상기 지지블록의 상측면과 접촉하여 배치되는 제1바디부와 상기 제1바디부의 일단에서 직각방향으로 상기 지지블록의 상측면을 따라 연장된 제1연장부를 포함하며,
   상기 제2냉각블록은,
   냉각수 유로를 갖고 일면이 상기 제1냉각블록의 상측면과 접촉하여 배치되는 제2바디부와 상기 제2바디부의 일단에서 직각방향으로 상기 지지블록의 측면을 따라 연장된 제2연장부를 포함하는 것을 특징으로 하는 펨토초 레이저 장치.
6. 제5항에 있어서,
   상기 제1바디부는, 냉각수가 유입되고 배출되는 제1유입포트와 제1배출포트가 구비되고, 각 포트에는 상기 제1냉각블록에 냉각수를 공급하기 위한 냉각수공급호수 및 냉각수 배출을 위한 냉각 배출호수가 각각 연결되며,
   상기 제2바디부는 냉각수가 유입되고 배출되는 제2유입포트와 제2배출포트가 구비되고, 각 포트에는 상기 제2냉각블록에 냉각수를 공급하기 위한 냉각수 공급호수 및 냉각수 배출을 위한 냉각 배출호수가 각각 연결되는 것을 특징으로 하는 펨토초 레이저 장치.
7. 제5항에 있어서,
   상기 제1연장부는 상기 제1바디부와 일체형을 이루고, 상기 지지블록과 스크류 체결되어 고정되도록 체결 홀을 가지며,
   상기 제2연장부는 상기 제2바디부와 일체형을 이루고, 스크류 체결되어 연결블록을 통하여 상기 지지블록과 고정될 수 있도록 체결 홀을 가지는 것을 특징으로 하는 펨토초 레이저 장치.
8. 제7항에 있어서,
   상기 연결블록은 상기 제2냉각블록의 상기 제2연장부 배면과 상기 지지블록의 측면에 부착되어 상기 제2냉각블록이 상기 지지블록에 고정될 수 있도록, 일단부는 상기 지지블록과 결합되고, 타단부는 상기 제2냉각블록의 상기 제2연장부와 결합되는 것을 특징으로 하는 펨토초 레이저 장치.

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