KR20180023132A - 슬랩 고체 레이저 증폭장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 지그재그 슬랩(slab) 타입의 이득매질을 이용하여 광증폭이 이루어지는 레이저 증폭장치에 관한 것으로, 펌프광을 발생시키는 펌프광 광원부(110)와; 양단에서 중앙부로 도핑율이 계단식으로 증가하게 되는 복수의 세그먼트(121)(122)(123)를 포함하여 상기 펌프광 광원부(110)의 펌프광이 양단으로 입사되어 시드빔의 광증폭이 이루어지는 슬랩(slab)형의 이득매질부(120)와; 상기 펌프광 광원부(110)에서 발생된 펌프광을 집속하여 상기 이득매질부(120)로 전달하는 광학기구(130);를 포함한다.

Description

슬랩 고체 레이저 증폭장치{Slab solid laser amplifier}
본 발명은 슬랩 고체 레이저 증폭장치에 관한 것으로, 지그재그 슬랩(slab) 타입의 이득매질을 이용하여 광증폭이 이루어지는 레이저 증폭장치에 관한 것이다.
일반적으로 레이저는 유도방출 복사에 의한 빛의 증폭을 말하며, 레이저는 기본적으로 빛을 증폭할 수 있는 이득 매질과, 빛을 가둘 수 있는 거울을 필수 구성으로 하며, 거울의 예로는 이득 매질의 양측에 각각 배치되는 반사경과 출력경으로 구성될 수 있다.
한편 이득매질에서의 밀도 반전(population inversion)을 위하여 펌핑이 필요하며, 이러한 과정을 통하여 빛의 증폭이 이루어지고 증폭된 빛은 출력경을 통하여 레이저로 출력이 이루어진다.
레이저는 이득매질의 종류에 따라서 기체 레이저, 화학 레이저, 고체 레이저, 광섬유 레이저, 반도체 레이저, 색소 레이저 등과 같이 다양한 형태의 레이저가 존재한다.
또한 레이저는 펌핑의 종류에 따라서 다양한 분류가 가능하며, 일례로서 광 펌핑을 하고 냉각블록으로 냉각이 이루어지는 고체 레이저 공진기(증폭기)가 있을 수 있다.
일반적으로 고체 레이저 펌핑에 사용되는 광원으로는 플래시 램프 또는 아크 램프와 같은 램프가 사용되었으며, 근래에 들어서는 레이저 다이오드(LD)를 주로 사용하고 있다.
특히 레이저 다이오드를 이용한 광 펌핑은 펌핑광의 에너지를 휠씬 높은 효율을 갖고 레이저로 변환이 가능하며, 레이저 다이오드의 기술이 발전됨에 따라서 고출력 레이저 다이오드의 제작이 가능하여 고출력 레이저를 발생시키기 위한 펌핑 광원으로 많이 이용되는 추세이다.
한편, 고출력의 고체 레이저를 제작하기 위한 가장 큰 문제점으로는 열 문제가 있을 수 있으며, 펌핑 광의 일부만이 레이저 발진 또는 증폭에 기여하고 나머지는 열로서 이득매질에 존재하게 되며, 이러한 이득매질 내의 불균일한 열 분포는 레이저 빔 품질을 저하시키게 된다.
따라서 이득매질에서 발생되는 열을 효과적으로 제거하기 위하여 근래의 고체 레이저에서 이득매질은 부피대 면적비가 큰 얇은 판상의 슬랩(slab) 형태가 주종을 이루고 있다.
이득매질을 위한 슬랩은 굴절율이 큰 소재가 사용되며, 일반적으로 일측 방향으로 길이가 긴 육면체 구조로서 장축 방향으로 양단에 2 개의 면과 단축 방향으로 4개의 측면을 갖는다. 4개의 측면에는 상대적으로 굴절율이 작은 소재의 냉각블록(cooling medium)이 부착되어 냉각이 이루어질 수 있으며, 양단에서 입사된 광은 슬랩과 냉각블록의 접합면 사이에서의 굴절율 차이에 의해 그 경계면에서 지그재그(zig-zag) 형태의 내부 전반사가 이루어지며, 이러한 구조를 갖는 광증폭기를 "지그재그 증폭기"로도 지칭한다. 이러한 지그재그 증폭기를 이용한 고체 레이저의 일례로서 미국 특허번호 제6,268,956호가 있다.
한편, 종래의 지그재그 슬랩 고체 레이저는 이득매질 구조에서 도핑 호스트(doped host)가 한 가지 도핑율을 가지며, 도핑율이 높은 경우에는 비도핑 호스트(undoped host)와 도핑 호스트(doped host) 경계 안쪽부근에서 펌프광이 강하게 흡수가 이루어져 길이 방향으로 과한 온도 구배(thermal gradient)가 발생하게 되며, 이는 이득매질에 열적 스트레스로 작용하여 이득매질이 파손될 수 있다.
반면, 도핑율이 낮을 경우에는 펌프광(pump beam)이 슬랩에 모두 흡수되지 못하는 문제점이 발생하고 슬랩 바깥으로 빠져나온 잔여 펌프광은 다른 광학기기 등에 흡수되어 열손상 또는 기구부의 열부하를 발생시켜 레이저 증폭기를 장시간 고출력으로 구동하는데 문제가 된다. 따라서, 도핑율이 낮은 이득매질에서는 매질의 길이를 길게 구성하여야 하나 매질의 길이가 길어지면 증폭기를 구성하는 이득매질의 제작이 어려워지고 가격이 상승하게 되며, 이득매질 전체를 냉각하기 위한 냉각체의 크기도 증가하고 균일한 냉각에도 어려움이 발생한다.
미국 특허번호 제6,268,956호(특허일자: 2001.07.31)
공개특허공보 제10-2010-0067145호(공개일자: 2010.06.21)
본 발명은 이러한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 지그재그 슬랩 고체 레이저 증폭장치에 있어서 열부하를 최소화하여 이득매질의 손상이 발생되는 것을 방지하고 이득매질에서 빠져나온 잔여 펌프광에 의해 기구부에 발생될 수 있는 열부하를 방지할 수 있는 슬랩 고체 레이저 증폭장치를 제공하고자 하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 슬랩 고체 레이저 증폭장치는, 펌프광을 발생시키는 펌프광 광원부와; 양단에서 중앙부로 도핑율이 계단식으로 증가하게 되는 복수의 세그먼트를 포함하여 상기 펌프광 광원부의 펌프광이 양단으로 입사되어 시드빔의 광증폭이 이루어지는 슬랩(slab)형의 이득매질부와; 상기 펌프광 광원부에서 발생된 펌프광을 집속하여 상기 이득매질부로 전달하는 광학기구;를 포함한다.
바람직하게는, 상기 이득매질부는, 중앙에 배치되는 세그먼트가 가장 도핑율이 큰 도핑 호스트인 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 광학기구는, 상기 이득매질부에서 빠져나온 잔여 펌프광을 차단하기 위한 잔여 펌프광 차단부재를 포함한다.
보다 바람직하게는, 상기 잔여 펌프광 차단부재는, 개구부가 형성된 플레이트인 것을 특징으로 하며, 더욱 바람직하게는, 구리 또는 알루미늄인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 슬랩 고체 레이저 증폭장치는, 양단에서 중앙부로 도핑율이 계단식으로 증가하게 되는 복수의 세그먼트를 포함하여 상기 펌프광 광원부의 펌프광이 양단으로 입사되어 시드빔의 광증폭이 이루어지는 슬랩(slab)형의 이득매질부를 포함하여 이득매질 내에서 발생하는 열부하에 의한 이득매질 손상을 방지할 수 있는 효과가 있다.
또한 본 발명은 펌프광 광원부에서 발생된 펌프광을 집속하여 이득매질부로 전달하는 광학기구로서 잔여 펌프광 차단부재가 마련되어 이득매질을 빠져나온 일부 잔여 펌프광을 차단하여 기구부에 열부하가 발생하는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 슬랩 고체 레이저 증폭장치의 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 슬랩 고체 레이저 증폭장치에 있어서 이득매질을 보여주는 단면 구성도,
도 3은 본 발명과 종래기술의 이득매질에 대한 펌프광 흡수 특성을 보여주는 그래프,
도 4는 본 발명에 따른 슬랩 고체 레이저 증폭장치에 있어서 잔여 펌프광 차단부재를 보여주는 도면,
도 5 및 도 6은 본 발명에 따른 슬랩 고체 레이저 증폭장치를 이용한 공진기를 보여주는 도면.
본 발명의 실시예에서 제시되는 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있다. 또한 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
한편, 본 발명에서 제1 및/또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소들과 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 제1구성요소는 제2구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2구성요소는 제1구성요소로도 명명될 수 있다.
어떠한 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어"있다거나 "접속되어"있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떠한 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어"있다거나 또는 "직접 접촉되어"있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하기 위한 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 인접하는"과 "~에 직접 인접하는"등의 표현도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 명세서에서 사용하는 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로서, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서 "포함한다" 또는 "가지다"등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명하며, 복수의 동일 구성에 대해서는 하나의 도면부호를 기재하여 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 슬랩 고체 레이저 증폭장치의 구성도이다.
도 1을 참고하면, 고체 레이저 증폭장치(이하, "증폭장치"로도 약칭함)는, 펌프광을 발생시키는 펌프광 광원부(110)와, 양단으로 펌프광이 입사되어 시드빔의 광증폭이 이루어지는 이득매질부(120)와, 펌프광 광원부(110)와 이득매질부(120) 사이에 광로 상에 배치되는 광학기구(130)를 포함한다.
바람직하게는, 펌프광 광원부(110)는 복수의 레이저 다이오드(111)가 실장된 바(bar) 형태의 레이저 다이오드 어레이에 의해 제공되며, 마이크로렌즈(112)에 의해 시준(collimation)이 이루어진다. 레이저 다이오드(111) 후단으로 냉각을 위한 발열블록(113)이 마련될 수 있다.
본 실시예에서 펌프광 광원부(110)는 두 개로 구성되어 각각 이득매질부(120)의 양 단부에서 펌프광의 조사가 이루어지는 것으로 예시하였으나, 다른 실시예로서는 하나의 펌프광 광원부에서 발생된 펌프광을 분배하여 이득매질부(120)의 양 단부에 펌프광의 조사가 이루어질 수 있을 것이다.
이득매질부(120)는 일측 방향으로 길이가 긴 육면체 구조를 가지며, 장축 방향으로 양단에 2 개의 단부면(end face)과, 단축 방향으로 4개의 측면(lateral face)을 가지며, 바람직하게는, 양단에서 중앙으로 도핑율이 계단식으로 증가하게 되는 복수의 세그먼트(121)(122)(123)로 구성된다.
이득매질부(120)는 측면에 냉각체(124)가 마련되어 냉각이 이루어지며, 이때 냉각체(124)는 표면에 마이크로 유로가 형성되어 냉각효율을 높일 수 있다.
광학기구(130)는 펌프광 광원부(110)에서 발생된 광을 집속하여 이득매질부(120)에 조사하기 위한 급축렌즈(fast-axis lens)(131)와, 완축렌즈(slow-axis lens)(132)로 구성될 수 있으며, 바람직하게는, 이득매질부(120)에서 빠져나온 잔여 펌프광을 차단하기 위한 잔여 펌프광 차단부재(133)를 더 포함한다.
도면부호 10은 초기 저출력 레이저 빔을 발생시키는 시드빔 발생기이다.
시드빔 발생기(10)에서 발생된 시드빔은 이득매질부(120)로 입사되어 이득매질부(120)를 따라서 지그재그 형태로 전반사가 이루어지며, 이때 펌프광 광원부(110)에서 발생된 펌프광은 이득매질부(120)에 입사되어 시드빔의 광증폭이 이루어져 출력된다.
도 2는 본 발명에 따른 슬랩 고체 레이저 증폭장치에 있어서 이득매질을 보여주는 단면 구성도이다.
도 2를 참고하면, 이득매질부(120)는 장축 방향으로 양단에 2개의 단부면과, 단축 방향으로 4개의 측면으로 구성되어 수평 방향으로 길이가 긴 육면체 구조를 가지며, 양단에서 중앙으로 도핑율이 계단식으로 증가하는 복수의 세그먼트(121)(122)(123)를 포함한다.
본 실시예에서 이득매질부(120)는 비도핑된 제1세그먼트(121)와, 제1세그먼트(121)와 인접하여 일정 농도로 도핑된 제2세그먼트(122)와, 제2세그먼트(122)와 인접하여 제2세그먼트(122) 보다 높은 농도로 도핑되어 중앙에 배치되는 제3세그먼트(123)를 포함한다.
바람직하게는, 제2세그먼트(122)의 도핑율은 0.15% 이하이며, 제3세그먼트(123)는 0.3% 이상이다.
제1세그먼트(121)는 이득매질부(120)의 양단에 배치되고 비도핑 호스트(undoped host) 소재가 사용되며, 예를 들어, YAG(yttrium-aluminum-garnet)일 수 있다.
제2세그먼트(122)는 제1세그먼트(121) 보다 안쪽에 배치되어 일정 농도로 도핑된 호스트(doped host) 소재가 사용되며, 예를 들어, 톨륨(Tm) 또는 이터븀(Yb)과 같은 희토류가 도핑된 YAG일 수 있다.
제3세그먼트(133)는 중앙에 위치하여 양측으로 제2세그먼트(122)와 접하여 배치되며, 이때 제3세그먼트(123)는 제2세그먼트(122) 보다는 더 큰 농도로 도핑된 호스트 소재가 사용된다.
이러한 이득매질부(120)는 각 세그먼트를 구성하는 매질을 확산접합(diffusion bonding)하여 제작될 수 있다.
이득매질부(120)의 양단의 측면에는 펌프광이 입사될 수 있는 윈도우(120a)가 마련되며, 이러한 윈도우(120a)는 펌프광의 파장에 의해 선택된 반사방지 코팅에 의해 제공될 수 있다.
또한 이득매질부(120)의 양측 단부면은 소정의 경사를 갖고 반사방지 코팅면(120b)이 형성되어 윈도우(120a)를 통해 입사된 펌프광은 반사방지 코팅면(120 b)에서 전반사가 이루어져 장축 방향과 나란하게 입사된다.
특히, 본 발명에서 이득매질부(120)는 양측 단부에서 중앙으로 갈수록 도핑율이 계단식으로 증가하며, 따라서 제2세그먼트(122)에서 펌프광은 대부분 흡수가 이루어지고 제3세그먼트(123)에서 잔여 펌프광의 흡수가 이루어진다.
본 실시예에서 이득매질부는 비도핑된 제1세그먼트와, 서로 다른 도핑율을 갖는 제2세그먼트와 제3세그먼트로 구성되는 것으로 예시하였으나, 계단식으로 증가하는 세그먼트의 숫자는 이득매질의 길이, 펌프광의 출력 등을 고려하여 그 숫자는 증가될 수 있음을 이해하여야 할 것이다.
도 3은 본 발명과 종래기술의 이득매질에 대한 펌프광 흡수 특성을 보여주는 그래프로서, 지그재그 슬랩 레이저에서 한쪽으로 펌프광을 입사하였을 때 본 발명과 종래기술(싱글 도핑)에서의 이득매질에서의 길이 방향의 펌프광 흡수를 보여준다.
도 3을 참고하면, 본 발명은 제2세그먼트(122)에서 흡수가 이루어진 잔여 펌프광은 제3세그먼트(123)에서 흡수가 이루어져 최종적으로 이득매질에서 빠져나가는 잔여 펌프광이 크게 감소하게 된다.
구체적으로, 전체 길이가 120mm인 이득매질을 가정하였을 때, 0.1% 도핑율로 길이 100mm 도핑 호스트로 구성하였을 경우(종래기술)에는 반대쪽으로 빠져나가는 잔여 펌프광은 5.0%인 반면에, 중앙에 0.3%의 도핑율로 30mm의 도핑 호스트가 추가된 경우(본 발명)에 잔여 펌프광은 1.1%로 계산된다. 이는 한쪽에서 5kW 펌핑이 이루어질 때 종래기술에서의 잔여 펌프광은 250W인 반면에, 본 발명은 55W로서, 본 발명은 종래기술과 대비하여 잔여 펌프광을 1/4.55로 줄일 수 있다.
다시 도 1을 참고하면, 앞서 설명한 것과 같이, 계단식으로 도핑된 복수의 세그먼트로 구성된 이득매질부(120)에서 빠져나오는 잔여 펌프광은 현저히 감소하게 되며, 또한 이득매질부(120)에서 빠져나온 일부 잔여 펌프광은 잔여 펌프광 차단부재(133)에 의해 차단이 이루어질 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 슬랩 고체 레이저 증폭장치에 있어서 잔여 펌프광 차단부재를 보여주는 도면이다.
도 4를 참고하면, 이득매질부(120)의 윈도우와 인접하여 개구부(133a)가 형성된 잔여 펌프광 차단부재(133)가 마련될 수 있으며, 잔여 펌프광 차단부재(133)는 구리 또는 알루미늄과 같은 열전도율이 높은 재질이 사용될 수 있다.
개구부(133a)의 사이즈는 펌프광 광원부(110)(도 1 참고)에서 발생된 펌프광이 통과 가능한 정도의 사이즈를 가지며, 그 사이즈는 초기 펌프광의 크기, 발산각, 펌프광 전송광학계를 고려하여 적절한 범위 내에서 결정된다.
펌프광 광원부에서 발생된 펌프광은 광학기구(130)에 의해 집광되어 이득매질부(120)로 조사되는 반면에, 이득매질부(120)에서 빠져나온 잔여 펌프광은 발산되므로 대부분의 잔여 펌프광은 잔여 펌프광 차단부재(133)에 의해 차단이 이루어진다.
바람직하게는, 펌프광 차단부재(133)는 이득매질(120)과 바로 인접하여 배치되며, 이때 개구부(133a)의 사이즈는 펌프광 차단부재(133)와 이득매질(120) 사이의 거리가 가까울수록 작은 사이즈를 갖고 펌프광의 투과와 함께 잔여 펌프광의 차단이 이루어질 수 있다.
이러한 펌프광 차단부재(133)는 이득매질부(120)에서 빠져나온 잔여 펌프광에 의해 광학기기 등에 흡수되어 열손상이나 기구부의 열부하를 발생시키는 것을 방지한다.
도 5 및 도 6은 본 발명에 따른 슬랩 고체 레이저 증폭장치를 이용한 공진기를 보여주는 도면으로서, 앞서 실시예와 동일 구성에 대해서는 동일 도면부호를 사용하고 중복되는 설명은 생략한다.
도 5를 참고하면, 증폭장치(100)는 고반사 코팅?? 후방 거울(20)과, 부분 반사 코팅된 출력 거울(30)을 포함하여 연속 발진형 레이저 공진기로 사용될 수 있으며, 레이저가 증폭장치(100) 내부를 왕복하여 증폭이 이루어져 출력미러(30)를 통해 출력이 이루어진다.
후방 거울(20)과 출력 거울(30)은 오목 거울, 볼록 거울, 평면 거울 또는 그 조합에 의해 제공될 수 있다.
다음으로 도 6을 참고하면, 증폭장치(100)는 고반사 코팅된 후방 거울(20) 및 부분 반사 코팅된 출력 거울(30)과 함께 Q-스위치(40)와 편광기(50)를 더 포함하게 되며, Q-스위칭 방식을 통하여 펄스 발진형 레이저 공진기로 사용될 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.
110 : 펌프광 광원부 111 : 레이저 다이오드
112 : 마이크로렌즈 113 : 발열블록
120 : 이득매질부 121 : 제1세그먼트
122 : 제2세그먼트 123 : 제3세그먼트
130 : 광학기구 131 : 급축렌즈
132 : 완축렌즈 133 : 잔여 펌프광 차단부재
133a : 개구부

Claims (5)

  1. 펌프광을 발생시키는 펌프광 광원부와;
    양단에서 중앙부로 도핑율이 계단식으로 증가하게 되는 복수의 세그먼트를 포함하여 상기 펌프광 광원부의 펌프광이 양단으로 입사되어 시드빔의 광증폭이 이루어지는 슬랩(slab)형의 이득매질부와;
    상기 펌프광 광원부에서 발생된 펌프광을 집속하여 상기 이득매질부로 전달하는 광학기구;를 포함하는 슬랩 고체 레이저 증폭장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 이득매질부는, 중앙에 배치되는 세그먼트가 가장 도핑율이 큰 도핑 호스트인 것을 특징으로 하는 슬랩 고체 레이저 증폭장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 광학기구는, 상기 이득매질부에서 빠져나온 잔여 펌프광을 차단하기 위한 잔여 펌프광 차단부재를 포함하는 슬랩 고체 레이저 증폭장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 잔여 펌프광 차단부재는, 개구부가 형성된 플레이트인 것을 특징으로 하는 슬랩 고체 레이저 증폭장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 잔여 펌프광 차단부재는, 구리 또는 알루미늄인 것을 특징으로 하는 슬랩 고체 레이저 증폭장치.
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