KR20190039881A - 레이저 펌프 챔버 장치 - Google Patents

레이저 펌프 챔버 장치 Download PDF

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Abstract

고출력이며 또한 고품질의 레이저 광을 추출할 수 있는 레이저 펌프 챔버를 제공한다. 레이저 펌프 챔버 장치(1)은, 레이저 매체(10)과, 레이저 매체(10)의 중심축(10P) 둘레에 등간격으로 배치되며, 중심축(10P)에 교차하는 광축을 갖는 여기 광원 소자(2)와, 광축 상에 배치되며 여기 광원 소자(2)로부터 출사되는 여기광을 집광하여 레이저 매체에 조사하는 조사 광학계(3)과, 레이저 매체(10)의 단부를 지지함과 함께, 조사 광학계(3)과 여기 광원 소자(2)를 지지하는 프레임체(4)를 구비하고, 프레임체(4)는, 열전도성 부재로 구성되며, 프레임체(4)의 외면에 온도 조정 부재(5)를 배치하고 있다.

Description

레이저 펌프 챔버 장치
본 발명은, 레이저 펌프 챔버 장치에 관한 것이다.
고출력의 고체 레이저 발진 장치(예를 들면, YAG 레이저 발진 장치)는, 발진 안정성을 확보하기 위하여, 레이저 매체의 냉각이 불가결하다. 종래, 고출력의 고체 레이저 발진 장치는, 레이저 매체로서의 YAG 로드와 여기 광원으로서의 플래시 램프를 밀폐한 수랭 재킷식 레이저 펌프 챔버가 이용되고 있으며, 냉각수를 순환시켜 냉각을 행함으로써, 레이저 펌프 챔버의 열적 안정성을 유지하고 있다.
이에 대하여, 물의 사용이나 물의 발생이 엄격히 금지되는(금수) 장소에서 고출력의 고체 레이저 발진 장치를 사용하는 요구가 있어, 상술한 수랭식 대신에 공랭식이며 고출력 대응의 레이저 펌프 챔버가 개발되어 있다. 이와 같은 레이저 펌프 챔버의 종래예는, YAG 로드와, 플래시 램프와, 플래시 램프로부터 출사되는 광을 YAG 로드에 집광하여 조사하기 위한 타원형 반사 광학계와, 이들을 둘러싸는 재킷을 구비하고, 레이저 펌프 챔버가 배치되는 레이저 발진 장치의 케이스 내의 공기를 일정하게 온도 조정하는 온도 조정 기구와, 이 케이스 내의 공기를 레이저 펌프 챔버 내에 보내는 송풍 기구를 구비한 것 등이 알려져 있다(하기 특허문헌 1 참조).
특허문헌 1: 일본 공개특허공보 2012-156435호
상술한 종래예는, 금수 장소에서 사용 가능한 공랭식 레이저 펌프 챔버를 얻을 수 있지만, 수랭식과 동등 레벨의 냉각은 곤란하며, 수랭식 정도의 고출력을 얻을 수 없다. 또 한편으로, 고출력에 더하여, 축대칭의 출력 분포를 나타내는 고품질인 레이저 광을 추출할 수 있는 레이저 펌프 챔버가 요구되고 있지만, 상술한 종래 기술에서는, 이와 같은 요구에 대응할 수 없는 문제가 있다.
본 발명은, 이와 같은 문제에 대처하기 위하여 제안된 것이다. 즉, 본 발명은, 고출력이며 또한 고품질의 레이저 광을 추출할 수 있는 레이저 펌프 챔버를 제공하는 것 등을 과제로 하고 있다.
이와 같은 과제를 해결하기 위하여, 본 발명에 의한 레이저 펌프 챔버는, 이하의 구성을 구비하는 것이다.
레이저 매체와, 상기 레이저 매체의 중심축 둘레에 등간격으로 배치되며, 상기 중심축에 교차하는 광축을 갖는 여기 광원 소자와, 상기 광축 상에 배치되며 상기 여기 광원 소자로부터 출사되는 여기광을 집광하여 레이저 매체에 조사하는 조사 광학계와, 상기 레이저 매체의 단부를 지지함과 함께, 상기 조사 광학계와 상기 여기 광원 소자를 지지하는 프레임체를 구비하고, 상기 프레임체는, 열전도성 부재로 구성되며, 당해 프레임체의 외면에 온도 조정 부재를 배치하고 있는 것을 특징으로 하는 레이저 펌프 챔버 장치.
도 1은 본 발명의 실시형태에 관한 레이저 펌프 챔버 장치를 나타낸 단면도(도 2에 있어서의 B-B 단면도)이다.
도 2는 본 발명의 실시형태에 관한 레이저 펌프 챔버 장치를 나타낸 단면도(도 1에 있어서의 A-A 단면도)이다.
도 3은 레이저 펌프 챔버 장치를 구비한 레이저 발진 장치를 나타낸 설명도이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 설명한다. 이하의 설명에서 다른 도면에 있어서의 동일 부호는 동일 기능의 부위를 나타내고 있으며, 각 도면에 있어서의 중복 설명은 적절히 생략한다.
도 1 및 도 2에 나타내는 바와 같이, 레이저 펌프 챔버 장치(1)은, 레이저 매체(10)과, 여기 광원 소자(2)와, 조사 광학계(3)과, 프레임체(4)를 구비하고 있다. 레이저 매체(10)은, 예를 들면 YAG 로드이며, 중심축(10P)를 갖는 원주 형상의 레이저 로드이고, 중심축(10P)에 직교하는 단면(10A, 10B)가 개방된 상태로 프레임체(4)에 지지되어 있다.
여기 광원 소자(2)는, 예를 들면 레이저 다이오드이며, 레이저 매체(10)의 중심축(10P)에 교차하는 광축을 갖고 있다. 여기 광원 소자(2)는, 중심축(10P)의 둘레에 등간격으로 복수 개 배치되어 있다. 도시의 예에서는, 120° 간격으로 3개의 여기 광원 소자(2)가 중심축(10P)의 둘레에 배치되며, 각 여기 광원 소자(2)의 광축이 중심축(10P)와 직교하도록 배치되어 있다.
조사 광학계(3)은, 여기 광원 소자(2)의 광축 상에 배치되며, 여기 광원 소자(2)로부터 출사되는 광을 집광하여 레이저 매체(10)에 조사한다. 조사 광학계(3)은, 도시의 예에서는, 실린드리컬 렌즈가 이용되고 있으며, 여기 광원 소자(2)로부터 출사되는 확산각을 갖는 광(레이저 광)을 평행광으로서, 레이저 매체(10)에 조사하고 있다. 고효율로 여기광을 레이저 매체(10)에 조사하기 위해서는, 실린드리컬 렌즈로 이루어지는 조사 광학계(3)을 이용하여, 여기 광원 소자(2)로부터 출사되는 광을 레이저 매체(10)의 로드 직경과 동일 직경의 평행광에 집광하여, 레이저 매체(10)에 조사한다.
프레임체(4)는, 레이저 매체(10)의 단부를 지지함과 함께, 조사 광학계(3)과 여기 광원 소자(2)를 지지하는 것이며, 도시의 예에서는, 복수의 블록에 의하여 구성되어 있다. 구체적으로는, 프레임체(4)는, 단부 지지 블록(40, 41)과, 내부 블록(42, 43, 44)와, 외주 블록(45)를 구비하고, 또 단부 블록(51, 52)를 구비하고 있다.
단부 지지 블록(40, 41)은, 레이저 매체(10)의 길이 방향 단부를 각각 지지하는 것이며, 레이저 매체(10)의 단부를 삽입 가능한 개구(40A, 41A)를 갖고 있다. 도시의 예에서는, 개구(40A, 41A) 내에는 O링(53)이 배치되며, 개구(40A, 41A) 내에 삽입된 레이저 매체(10)의 단부가, O링(53)을 통하여 단부 지지 블록(40, 41)에 지지되어 있다.
도시의 예에서는, 단부 지지 블록(40, 41)에는, 단부 블록(51, 52)가 연결되어 있으며, 단부 블록(51, 52)의 개구(51A, 52A)가 단부 지지 블록(40, 41)의 개구(40A, 41A)와 동축 상에 배치되어 있다. 이로써, 레이저 매체(10)의 단면(10A)는 개구(51A)를 통하여 개방되어 있으며, 단면(10B)는 개구(52A)를 통하여 개방되어 있다. 도시의 예에서는, 단부 지지 블록(40, 41)과 단부 블록(51, 52)를 별도의 블록으로 하고 있지만, 이들은 일체의 블록으로 해도 된다.
내부 블록(42, 43, 44)는, 이들에 의하여, 레이저 매체(10)의 주위 공간(4A)와 조사 광학계(3) 및 여기 광원 소자(2)의 지지 공간(4B)를 형성하고 있다. 주위 공간(4A)는, 레이저 매체(10)의 중심축(10P)와 동축의 원통형이며, 그 내면은, 중심축(10P)와 동축상의 원통 반사면(4C)로 되어 있다. 구체적으로는, 내부 블록(42, 43, 44)의 내면에 금도금 등의 반사 코팅을 실시함으로써, 원통 반사면(4C)를 형성하고 있다.
외주 블록(45)는, 내부 블록(42, 43, 44)의 주위를 둘러싸도록 배치되어 있고, 그 중 일부가 여기 광원 소자(2)를 지지하고 있다. 외주 블록(45)는, 복수로 분할된 블록이어도 되고, 일체의 블록이어도 된다.
프레임체(4)를 구성하고 있는 블록(단부 지지 블록(40, 41), 내부 블록(42, 43, 44), 외주 블록(45))은, 모두 열전도성 부재(구리 등의 열전도성이 높은 부재)로 구성되어 있으며, 서로 밀착하여 연결되어 있다. 각 블록의 밀착면 간의 접합에는, 열전도성이 높은 접착재(금속 페이스트)를 이용하는 것이 바람직하다. 그리고, 프레임체(4)의 외면, 구체적으로는, 외주 블록(45)의 일부의 외면에, 펠티에 소자 등의 온도 조정 부재(5)를 배치하고 있다.
이와 같은 레이저 펌프 챔버 장치(1)은, 온도 조정 부재(5)에 의한 온도 조정에 의하여, 여기 광원 소자(2)를 지지하고 있는 프레임체(4)를 균일 온도로 하여, 모든 여기 광원 소자(2)의 발광 파장을 일정하게 유지할 수 있다. 프레임체(4)를 구성하고 있는 블록(단부 지지 블록(40, 41), 내부 블록(42, 43, 44), 외주 블록(45))은, 모두 열전도성 부재로 구성되어 있으므로, 프레임체(4)의 외면의 일부에 온도 조정 부재(5)를 배치함으로써, 프레임체(4)의 전체를 균일 온도로 할 수 있다.
여기 광원 소자(2)로서 레이저 다이오드를 이용하는 경우에는, 레이저 다이오드의 온도에 따라 발광 파장이 변화하지만, 효율적인 여기를 행하기 위해서는, 레이저 매체(10)에 조사되는 여기광의 파장은, 레이저 매체(10)이 흡수하기 쉬운 일정한 파장으로 유지할 것이 요구된다. 예를 들면, 레이저 매체(10)으로서 네오디뮴 YAG 로드를 채용하는 경우에는, 여기광의 파장을 798nm 내지 808nm로 유지함으로써 효율적인 여기가 가능해진다. 레이저 펌프 챔버 장치(1)은, 온도 조정 부재(5)에 의하여, 여기 광원 소자(2)인 레이저 다이오드의 온도를 798nm 내지 808nm에서 발광하는 온도(예를 들면, 25℃)로 유지할 수 있으므로, 레이저 매체(10)으로서 네오디뮴 YAG 로드를 채용하는 경우에, 효율적인 여기가 가능해진다.
프레임체(4)의 블록에 의하여 구성되는 조사 광학계(3) 및 여기 광원 소자(2)의 지지 공간(4B)는, 레이저 매체(10)의 중심축(10P) 둘레에 등간격으로 배치되어 있다. 도시의 예에서는, 중심축(10P) 둘레에 120° 간격으로 3개소에 지지 공간(4B)가 배치되어 있다. 지지 공간(4B)의 일부에서는, 외주 블록(45) 상에 여기 광원 소자(2)의 기판(2A)가 고정되며, 여기 광원 소자(2)는, 그 광축이 레이저 매체(10)의 중심축(10P)에 직교하도록 지지되어 있다. 또, 지지 공간(4B)의 일부에는, 조사 광학계(3)인 실린드리컬 렌즈와 렌즈 지지 부재(3A)가 배치되어 있으며, 조사 광학계(3)은, 여기 광원 소자(2)의 광축 상에 배치되어 있다. 프레임체(4)의 블록에 의하여 구성되는 레이저 매체(10)의 주위 공간(4A)는, 지지 공간(4B)와 연통하여, 그 중심이 중심축(10P)와 동축상으로 되어 있다.
지지 공간(4B)에 지지되는 복수의 여기 광원 소자(2)는, 레이저 매체(YAG 로드)(10)의 측방에, 축대칭의 3방향(타방향)으로부터 여기광을 조사한다. 또, 조사 광학계(3)에서 레이저 매체(10)의 로드 직경과 대략 동일 직경에 집광되는 여기광은, 효율적으로 레이저 매체(10)에 조사되며, 레이저 매체(10)의 표면에서 반사된 광이 주위 공간(4A)의 내면에 형성된 원통 반사면(4C)에 반사되어, 다시 레이저 매체(10)의 측면에 조사되므로, 더 효율적으로 여기광이 레이저 매체(10)에 조사된다. 이로써 레이저 매체(10)으로부터는 축대칭의 출력 분포를 갖는 고품질의 발광이 얻어짐과 함께, 효율적인 여기광의 조사로 고출력의 발광을 얻을 수 있다.
프레임체(4)에는, 냉매 유입로(4D)와 냉매 유출로(4F)가 마련되어, 이로써, 레이저 펌프 챔버 장치(1)은, 효과적으로 레이저 매체(10)을 냉각할 수 있다. 도시의 예에서는, 냉매 유입로(4D)는, 레이저 매체(10)의 중심축(10P)와 교차하는 방향으로 뻗은 직선적인 유로이며, 중심축(10P)의 둘레에 균등하게 3개(다수 개) 배치되고, 단부 지지 블록(40)에 형성되어 있다. 또, 냉매 유출로(4F)는, 중심축(10P)를 따른 직선적인 유로이며, 단부 지지 블록(41)과 단부 블록(52)에 형성되어 있다.
공랭식 레이저 펌프 챔버 장치(1)에서는, 프레임체(4)에 있어서의 한쪽의 단부 블록(51)에, 냉매 유입로(4D)에 연통하는 접속부(4E)가 마련되며, 접속부(4E)에 압축 공기를 보내는 송기관(50)이 접속된다. 그리고, 단부 블록(52)와 단부 지지 블록(41)에 형성된 냉매 유출로(4F)를 통하여, 레이저 매체(10)에 공급된 압축 공기가 배기된다.
이와 같이, 레이저 펌프 챔버 장치(1)은, 레이저 매체(10)의 측면에 다방향으로부터 압축 공기를 공급하는 냉매 유입로(4D)를 구비하며, 레이저 매체(10)에 공급된 압축 공기를 배기하는 냉매 유출로(4F)를 중심축(10P)를 따라 구비하므로, 레이저 매체(10)을 효과적으로 냉각할 수 있다. 이로써, 공랭식이어도 고출력의 발광을 얻을 수 있다. 또, 이와 같은 구조의 레이저 펌프 챔버 장치(1)은, 상술한 냉매 유입로(4D)와 냉매 유출로(4F)를 연결하는 순환수 유로를 형성하며, 주위 공간(4A) 내의 밀봉성을 확보함으로써, 수랭식으로 전용하는 것이 가능해진다.
도 3은, 레이저 펌프 챔버 장치(1)을 구비하는 레이저 발진 장치(20)을 나타내고 있다. 레이저 발진 장치(20)은, 케이스(20A) 내에, 레이저 펌프 챔버 장치(1)의 중심축(10P)에 대면하여 출력 미러(21)과 반사 미러(22)로 이루어지는 공진 미러를 배치하며, 필요에 따라, 1/4·파장판(23A), 포켈스 셀(23B), 폴라라이저(23C) 등으로 이루어지는 Q 스위치(23)을 공진 미러 내에 배치함으로써 얻을 수 있다.
이와 같은 레이저 발진 장치(20)은, 공랭식 레이저 펌프 챔버 장치(1)에 의하여, 축대칭의 출력 분포의 광을 레이저 매체(10)으로부터 출사시킬 수 있으며, 효과적으로 레이저 매체(10)을 냉각할 수 있으므로, 공랭식이면서 고출력이고 또한 고품질의 레이저 광을 추출할 수 있다. 또, 레이저 펌프 챔버 장치(1)의 프레임체(4)에 있어서의 주위 공간(4A)의 밀봉성을 확보함으로써, 수랭식 레이저 펌프 챔버 장치(1)로도 전용할 수 있으므로, 금수 이외의 사용 조건에서는, 수랭식으로 함으로써 추가로 고출력을 얻을 수 있다.
이상, 본 발명의 실시형태에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명했지만, 구체적인 구성은 이들 실시형태에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위의 설계의 변경 등이 있어도 본 발명에 포함된다. 또, 상술한 각 실시형태는, 그 목적 및 구성 등에 특별히 모순이나 문제가 없는 한, 서로의 기술을 유용하여 조합하는 것이 가능하다.
1: 레이저 펌프 챔버 장치
2: 여기 광원 소자(레이저 다이오드)
2A: 기판
3: 조사 광학계(실린드리컬 렌즈)
3A: 렌즈 지지 부재
4: 프레임체
4A: 주위 공간
4B: 지지 공간
4C: 원통 반사면
4D: 냉매 유입로
4E: 접속부
4F: 배기 유출로
40, 41: 단부 지지 블록
40A, 41A: 개구
42, 43, 44: 내부 블록
45: 외주 블록
50: 송기관
51, 52: 단부 블록
51A, 52A: 개구
53: O링
5: 온도 조정 부재(펠티에 소자)
10: 레이저 매체(YAG 로드)
10P: 중심축
10A, 10B: 단면
20: 레이저 발진 장치
20A: 케이스
21: 출력 미러
22: 반사 미러
23: Q 스위치
23A: 1/4·파장판
23B: 포켈스 셀
23C: 폴라라이저

Claims (9)

  1. 레이저 매체와,
    상기 레이저 매체의 중심축 둘레에 등간격으로 배치되며, 상기 중심축에 교차하는 광축을 갖는 여기 광원 소자와,
    상기 광축 상에 배치되며 상기 여기 광원 소자로부터 출사되는 여기광을 집광하여 레이저 매체에 조사하는 조사 광학계와,
    상기 레이저 매체의 단부를 지지함과 함께, 상기 조사 광학계와 상기 여기 광원 소자를 지지하는 프레임체를 구비하고,
    상기 프레임체는, 열전도성 부재로 구성되며, 당해 프레임체의 외면에 온도 조정 부재를 배치하고 있는 것을 특징으로 하는 레이저 펌프 챔버 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 프레임체는, 상기 레이저 매체의 상기 중심축과 교차하는 방향으로 뻗은 냉매 유입로와 상기 중심축을 따른 냉매 유출로를 구비하는 것을 특징으로 하는 레이저 펌프 챔버 장치.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 프레임체는,
    상기 레이저 매체의 단부를 지지하는 단부 지지 블록과,
    상기 레이저 매체의 주위 공간과 상기 조사 광학계 및 상기 여기 광원 소자의 지지 공간을 형성하는 내부 블록과,
    상기 여기 광원 소자를 지지하여 상기 내부 블록의 외주를 둘러싸는 외주 블록이 밀착되어 있는 것을 특징으로 레이저 펌프 챔버 장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 주위 공간의 내면은, 상기 중심축과 동축상의 원통 반사면인 것을 특징으로 하는 레이저 펌프 챔버 장치.
  5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 조사 광학계는, 상기 여기 광원 소자로부터 출사된 광을 상기 레이저 매체의 로드 직경과 동일 직경의 평행광으로 하는 실린드리컬 렌즈인 것을 특징으로 하는 레이저 펌프 챔버 장치.
  6. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 온도 조정 부재가 펠티에 소자인 것을 특징으로 하는 레이저 펌프 챔버 장치.
  7. 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 여기 광원 소자가 레이저 다이오드인 것을 특징으로 하는 레이저 펌프 챔버 장치.
  8. 청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 레이저 매체는, YAG 로드인 것을 특징으로 하는 레이저 펌프 챔버 장치.
  9. 청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 기재된 레이저 펌프 챔버 장치를 구비하며,
    상기 중심축에 대면하여 공진 미러를 배치하고 있는 레이저 발진 장치.
KR1020187034314A 2016-08-23 2017-08-10 레이저 펌프 챔버 장치 KR102332955B1 (ko)

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