KR20190071662A - 마이크로 칩 타입 레이저 장치 및 이를 구동하는 방법 - Google Patents

Abstract

본 출원은 이득 매질이 포화흡수체 미러 상에 집적화되어 형성된 마이크로 칩, 상기 마이크로 칩 방향으로 펌핑 광을 조사하는 레이저 다이오드, 상기 펌핑 광에 의해 상기 마이크로 칩으로부터 발생된 열을 방출하기 위하여 상기 마이크로 칩이 마운팅 된 히트 싱크 블럭, 상기 펌핑 광의 공진에 따라 발생된 펄스 레이저를 외부로 방출하기 위한 이색성 미러 및 펄스형 전류를 공급하여 상기 레이저 다이오드를 구동시키는 레이저 다이오드 구동부를 포함하는 마이크로 칩 타입 레이저 장치를 제공한다.

Description

마이크로 칩 타입 레이저 장치 및 이를 구동하는 방법{MICROCHIP TYPE LASER APPARATUS AND DRIVING METHOD THEREOF}

본 발명은 마이크로 칩 타입 레이저 장치 및 이를 구동하는 방법에 관한 것이다.

일반적으로 수 나노(ns)의 펄스 폭을 가지는 펄스 레이저를 만들기 위해서는 비교적 긴 펄스 폭을 가지는 고출력의 광 소스를 SBS(Stimulated Brillouin Scattering) 셀에 주입하여 SBS에 의해 발생한 Stokes 광 펄스의 압축을 유도하는 방법을 사용하여 왔다.

이러한 SBS 셀을 이용하는 방법은 고출력의 긴 펄스 폭의 광원이 필요하기 때문에 광학계 구성이 복잡하고 크기 때문에 그에 따른 안정성에 대한 신뢰와 가격이 비싸다는 문제점이 있다.

이에 대해 광학계 구성이 간단하고 높은 광 세기 입력에 대한 광 흡수 포화 현상을 이용하는 레이저 장치에 대해 연구되어 왔다.

그러나 대부분의 이러한 레이저 장치가 연속적으로 펌프 레이저 다이오드를 펌핑하고, 펌핑 레이저 다이오드의 광 세기에 따라 반복율이 증가하는 특징을 가지고 있다. 이러한 연속형 펌프 레이저는 광 세기가 작아지면 반복율이 감소하는 대신 공진기 내에 충분한 에너지가 축적되지 않아 광 출력이 불안정하고 반복율 또한 일정하지 않은 문제점이 있다.

따라서 원하는 응용분야에 따라 반복율을 변화시키려면 외부에 AOM(Acoustic Optical Modulator)과 같은 외부 모듈레이터를 추가하여 반복율을 제어해야 하고, 이에 따라 광학계 구성이 추가되기 때문에 안정성이 떨어지고 AOM과 AOM 드라이브 등 구성 품이 증가하여 생산비용도 상승하는 문제점이 있다.

공개특허 10-2005-0061006 (공개일 : 2005년 06월 22일)

본 발명의 실시예에 따른 마이크로 칩 타입 레이저 장치 및 이에 대한 구동 방법은 펄스 레이저의 안정성을 확보하면서 펄스의 반복율을 제어할 수 있도록 하기 위한 것이다.

본 출원의 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않는 또 다른 과제는 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 일측면에 따른 마이크로 칩 타입 레이저 장치는 이득 매질이 포화 흡수체 미러 상에 집적화되어 형성된 마이크로 칩; 상기 마이크로 칩 방향으로 펌핑 광을 조사하는 레이저 다이오드; 상기 펌핑 광에 의해 상기 마이크로 칩으로부터 발생된 열을 방출하기 위하여 상기 마이크로 칩이 마운팅 된 히트 싱크; 상기 펌핑 광의 공진에 따라 발생된 펄스 레이저를 외부로 방출하기 위한 이색성 미러; 및 펄스형 전류를 공급하여 상기 레이저 다이오드를 구동시키는 레이저 다이오드 구동부를 포함한다.

레이저 다이오드 구동부는 상기 레이저 다이오드의 전류 구동을 위한 전류 구동기와 동기 신호를 입력하여 상기 전류 구동기에서 펄스형 전류를 만들기 위한 파형 발생기를 포함할 수 있다.

레이저 다이오드 구동부는 시간에 따라 일정 주기를 갖는 상기 펄스형 전류를 상기 레이저 다이오드에 공급할 수 있다.

레이저 다이오드 구동부는 시간에 따라 랜덤 주기를 갖는 상기 펄스형 전류를 상기 레이저 다이오드에 공급할 수 있다.

레이저 다이오드 구동부는 0보다 큰 임계값 이상에서부터 시작된 상기 펄스형 전류를 상기 레이저 다이오드에 공급할 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따른 마이크로 칩 타입 레이저 장치의 구동방법은 이득 매질이 포화흡수체 미러 상에 집적화되어 형성된 마이크로 칩, 상기 마이크로 칩 방향으로 펌핑 광을 조사하는 레이저 다이오드를 포함하고, 상기 레이저 다이오드에 펄스형 전류를 공급하여 상기 레이저 다이오드로부터 펌핑 광을 생성한다.

본 발명의 실시예에 따른 마이크로 칩 타입 레이저 장치 및 이에 대한 구동 방법은 종래 연속형 펌프 레이저 다이오드의 펌핑 방법과 달리 펄스 레이저의 반복률을 안정적으로 제어할 수 있다.

또한, 레이저 장치의 이득매질 내부의 열적 에너지를 제어함으로써 열에 따른 굴절율 변화를 제어하고 이에 따라 이득 매질을 지나는 펄스 레이저의 공간적 모드의 안정성을 확보할 수 있다.

또한, 펄스 레이저의 공간적 모드 안정성에 따라 공진기 내의 에너지 분포가 안정적으로 유지되기 때문에 전체 펄스 레이저의 안정성을 확보할 수 있다.

본 출원의 효과는 이상에서 언급한 효과로 제한되지 않으며, 언급되지 않는 또 다른 효과는 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로칩 타입 레이저 장치를 개략적으로 나타낸 도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 다이오드의 펌핑을 위한 블록 다이어그램을 나타낸 도이다.
도 3은 본 명의 일 실시예에 따른 레이저 다이오드 구동 회로를 나타낸 도이다.
도 4는 종래 및 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 다이오드의 펌핑방법을 나타낸 도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 다이오드 구동과 출력 펄스의 관계를 설명하기 위한 도이다.
도 6a 본 발명의 일 실시예에 따른 복합형 펌프 레이저 다이오드 펌핑에 따른 포화흡수체 및 이득매질을 포함한 마이크로 칩의 열분포도를 나타낸 도이다.
도 6b은 도 6a의 복합형 펌프 레이저 다이오드 펌핑에 따른 마이크로칩의 시간에 따른 온도변화를 나타낸 도이다.

이하 본 발명의 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다. 다만, 첨부된 도면은 본 발명의 내용을 보다 쉽게 개시하기 위하여 설명되는 것일 뿐, 본 발명의 범위가 첨부된 도면의 범위로 한정되는 것이 아님은 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 용이하게 알 수 있을 것이다.

또한, 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 칩 타입 레이저 장치를 개략적으로 나타낸 도이다.

도 1을 참조하면, 마이크로 칩 타입 레이저 장치는 포화흡수체 미러(SESAM: Semiconductor Saturable Absorber Mirror)(100)와 이득 매질이 직접화된 마이크로 칩(Microchip)(200), 펌핑 광에 의해 마이크로 칩(200)으로부터 발생하는 열을 효과적으로 방출하기 위해서 마이크로 칩(200)에 마운팅 된 히트 싱크 블록(예를 들어, Cu Block)(300), 마이크로 칩(200) 방향으로 펌핑 광을 조사하는 레이저 다이오드(Pump LD)(400), 펌핑 광 경로에 배치되어 레이저 다이오드(400)로부터 발생한 펌핑 광을 집광하기 위한 렌즈(500), 펌핑 광의 공진에 따라 발생된 펄스 레이저를 외부로 방출하기 위한 이색성 미러(Dichroic mirror)(600)를 포함한다.

이득 매질은 Nd:YVO4 레이저 이득 매질일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 또한 포화흡수체 미러(100)는 1064nm 펄스 레이저를 발생하기 위한 것일 수 있다. 레이저 다이오드(400)는 808 nm 펌핑 광을 출력하나 이와 같은 파장에 한정되는 것은 아니다. 이색성 미러(600)는 1064nm 펄스 레이저를 외부로 방출할 수 있으나 이와 같은 파장에 한정되는 것은 아니다.

이러한 마이크로 칩 타입의 레이저 장치는 펌핑 광을 소스인 레이저 다이오드(400)를 구동하기 위하여 도 2와 같은 레이저 다이오드 구동부(700)를 포함한다. 레이저 다이오드 구동부(700)는 펄스형 전류를 공급하여 레이저 다이오드(400)를 구동시킨다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 다이오드(400)의 펌핑을 위한 블록 다이어그램을 나타낸 도이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 레이저 다이오드 구동부(700)는 파형 발생기(710)와 레이저 다이오드 전류 구동기(730)를 포함한다.

파형 발생기(710)는 레이저 다이오드 전류 구동기(730)에서 레이저 다이오드 펄스형 전류를 생성하도록 외부 전압 동기 신호를 레이저 다이오드 전류 구동기(730)에 공급한다.

레이저 다이오드 전류 구동기(730)는 레이저 다이오드(400)가 전류 광구동소자이기 때문에 전류를 제어하여 레이저 다이오드(400)로부터 펌핑 광이 발생할 수 있도록 펄스 형태의 구동전류를 생성한다. 이때, 전류는 DC 전류 구동형태를 띠고 있고, 이를 펄스형으로 구동하기 위해 외부 동기신호와 싱크된다.

도 3은 본 명의 일 실시예에 따른 레이저 다이오드 구동부(700)의 구동 회로를 나타낸 도이다.

도시된 바와 같이, 레이저 다이오드 구동부(700)의 구동회로는 pump LD에 흐르는 전류, 즉, IpumpLD는 I1과 I2의 합으로 나타난다. 기본적으로 복합형 펌프 레이저 다이오드 펌핑 방법의 경우 DC 전류는 R1과 R2에 의해서 정의되는 Voltage Divider값에 의한 M2의 게이트 전압 값에 의해 I2로 흐르고 펄스 전류는 M1 게이트에 인가되는 펄스 전압값에 의해서 I1의 값이 결정된다.

따라서 DC 전류 I2와 펄스 전류 I1에 의해서 원하는 펄스 전류값이 가능하다. 그리고 R1과 R2는 가변저항을 적용가능하기 때문에 I2의 값을 임의로 조정도 가능하다.

도 4는 종래 및 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 다이오드(400)의 펌핑방법을 나타낸 도이다. 도 4에서 가로축은 시간을 나타내고, 세로축은 광출력을 나타낸다.

도 4의 (a)는 종래 레이저 다이오드 펌핑방법에 관한 것으로, (a)와 같이 연속적으로 펌프 레이저 다이오드(400)를 펌핑하여 사용하면 펌핑 레이저 다이오드(400)의 광세기에 따라서 반복율이 증가하는 특징을 가지고 있다. 그러나 광세기를 작게 하면 반복율이 감소하고, 공진기 내에 충분한 에너지가 축적되지 않아 광 출력이 불안정하며 반복율 또한 일정하지 않게된다. 따라서 원하는 응용분야에 따라서 반복율을 변화시키려면 외부에 AOM(Acoustic Optical Modulator)과 같은 external modulator를 추가적으로 적용하여 반복율을 제어해야 한다. 이에 따라 광학계 구성이 추가되기 때문에 안정성이 떨어지고 AOM과 AOM 드라이브 등 구성품이 증가하여 생산비가 상승하게 되는 문제점이 있다.

반면, 도 4의 (b) 및 (c)는 본 발명에 따른 레이저 다이오드 펌핑방법에 관한 것으로, (b)와 같이, 펄스형 펌핑 레이저 다이오드 펌핑 방법으로 일정 시간 간격으로 펌핑을 하면, 광 에너지가 주입되는 동안 1064 nm의 펄스 레이저를 발생 시킬 수 있다.

또한 (c) 방법과 같이 연속형과 펄스형을 합쳐놓은 복합형 펌프 레이저 다이오드 펌핑 방법으로도 임의의 반복율을 구현하는 펌핑하는 방법을 제안할 수 있다. 이 때 레이저 다이오드(400)에 0보다 큰 임계값 이상에서부터 시작된 펄스형 전류가 공급되므로 연속형 광의 세기는 0보다 클 수 있으며, 펌프 광의 펄스 역시 0보다 큰 광세기에서 상승을 시작할 수 있다.

이러한 펌핑 방법은 도 3에서와 같이, 레이저 다이오드 드라이브의 간단한 회로를 구성하여 구현 가능하며 외부 신호를 받아 External trigger를 통해서 구현가능하다.

특히 (c) 방법의 경우 일정한 수준으로 계속해서 Nd:YVO4 이득 매질에 펌프 광원이 주입되고 있기 때문에 (b)방법과 비교해서 Nd;YVO4 이득매질의 온도의 변화가 상대적으로 크지 않기 때문에 안정적인 공간 모드를 가지게 된다. 다시 말해 펌핑 광원의 세기 변화에 따른 Nd:YVO4 이득매질의 온도 변화는 펌핑광원의 세기 변화보다 느리기 때문에 온도 변화에 따른 내부 굴절율 변화가 상대적으로 느리기 때문에 (b)방법과 같이 펌핑을 하게 되면 공간적으로 굴절율 느린 변화를 가져오게 되에 안정적인 공간 모드 형성을 어렵게 한다.

또한 (b)방법의 경우 이득-손실의 균형에 의해서 발생하는 레이저의 특성상 발진을 위한 문턱 광세기 수준(Pth)을 최소 펌핑 광원 수준으로 하면 실제 출력광이 없으므로 공간적으로 안정한 그리고 출력광에는 영향이 전형 없는 복합형 펌프 레이저 다이오드 펌핑 방법이 될 수 있다.

즉, 본 발명에 따른 레이저 다이오드(400)의 펌핑 방법은 레이저 다이오드 구동부(700)에서 (b)와 같이 시간에 따라 일정 주기를 갖는 상기 펄스형 전류를 상기 레이저 다이오드(400)에 공급거나 도면에 도시되어 있지 않지만, 레이저 다이오드 구동부(700)는 시간에 따라 랜덤 주기를 갖는 상기 펄스형 전류를 상기 레이저 다이오드(400)에 공급할 수 있다.

또한, (c) 와 같이, 레이저 다이오드 구동부(700)는 0보다 큰 임계값 이상에서부터 시작된 상기 펄스형 전류를 상기 레이저 다이오드(400)에 공급하고, 이때, 펄스형 전류는 시간에 따라 일정 주기를 갖거나 시간에 따라 랜덤 주기를 갖을 수 있다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 다이오드(400)의 구동과 출력 펄스의 관계를 설명하기 위한 도이다.

본 발명에 따른 레이저 다이오드(400)의 구동은 도 5의 레이저 다이오드(400)의 구동과 출력 펄스와의 관계와 같이 레이저 다이오드(400)의 출력을 Pth에와 Ppeak 사이에서 구동을 하게 되지만 출력 펄스 트레인은 최소값이 0인 출력 값을 갖게 됨을 알 수 있다.

도 6a는 본 발명의 일 실시예에 따른 복합형 펌프 레이저 다이오드(400)의 펌핑에 따른 포화흡수체 미러(100) 및 이득매질을 포함한 마이크로 칩(200)의 열분포도를 나타낸 도이고, 도 6b는 도 6a의 복합형 펌프 레이저 다이오드(400)의 펌핑에 따른 마이크로칩의 시간에 따른 온도변화를 나타낸 도이다.

도 6a의 Cu-Block은 히트 싱크 블록(300)에 해당되는 것으로 본 발명의 실시예에서 히트 싱크 블록(300)의 재질은 구리이나 이에 한정되는 것은 아니며 무산소동, 황동, 니켈, 실리콘, SiN과 같이 열전도도가 높은 물질로 이루어질 수 있다.

도 6a에서 보는 바와 같이, 포화흡수체 미러(100)와 이득매질을 포함하는microchip에 열적분포가 스프레드 되어 있지 않다. 또한, 도 6b은 복합형 펌핑 방법에 따른 실제 Nd:YVO4 이득 매질의 펌핑 중심의 온도변화를 시간에 따라 나타낸 것인데, 레이저 다이오드(400)의 펌프 세기의 변화는 ~ ns로 구동이 가능한 것에 비해 Nd:YVO4 이득 매질의 온도변화는 수십 ms 빠르기로 변화하는 것을 알 수 있다.

따라서 이러한 온도 변화는 실제로 Nd:YVO4 내부의 굴절율 변화가 레이저 다이오드(400)의 광원 세기의 변화를 따라 오지 못하게 된다. 따라서 이를 극복하기 위해서 본 발명은 일정 수준 이상의 펌프 광세기가 유지되는 레이저 다이오드(400)의 펌핑 방법을 제공한다.

Thermal lens 효과가 있어야 레이저 모드 형성이 가능한데, 평평한 거울을 가지는 있는 본 발명의 구조의 경우, thermal lens가 형성되기 어려워 레이저 모드 형성에 따른 동작의 안정성을 가져가기 힘들게 된다.

즉, Thermal lens형성은 ms 시간대여서 펌핑 속도 보다 느리기 때문에 안정적인 레이저 모드 형성이 어렵게 된다. Thermal lens 형성을 안정적으로 가져가기 위해서는 기본적으로 thermal lens를 형성하기 위한 일정수준의 펌핑 광원이 필요하게 된다.

본 발명에 따른 레이저 다이오드(400)의 펌핑 방법은 앞서 설명된 바와 같이 레이저 다이오드 구동부(700)는 0보다 큰 임계값 이상에서부터 시작된 상기 펄스형 전류를 상기 레이저 다이오드(400)에 공급하고, 이때, 펄스형 전류는 시간에 따라 일정 주기를 갖거나 시간에 따라 랜덤 주기를 가짐으로써 thermal lens를 형성할 수 있다.

이상과 같이 본 발명에 따른 실시예를 살펴보았으며, 앞서 설명된 실시예 이외에도 본 발명이 그 취지나 범주에서 벗어남이 없이 다른 특정 형태로 구체화 될 수 있다는 사실은 해당 기술에 통상의 지식을 가진 이들에게는 자명한 것이다. 그러므로, 상술된 실시예는 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 여겨져야 하고, 이에 따라 본 발명은 상술한 설명에 한정되지 않고 첨부된 청구항의 범주 및 그 동등 범위 내에서 변경될 수도 있다.

포화흡수체 미러(100)
마이크로 칩(200)
히트 싱크 블록(300)
레이저 다이오드(400)
렌즈(500)
이색성 미리(600)
레이저 다이오드 구동부(700)
파형 발생기(710)
레이저 다이오드 전류 구동기(730)

Claims (5)

1. 이득 매질이 포화흡수체 미러 상에 집적화되어 형성된 마이크로 칩과;
   상기 마이크로 칩 방향으로 펌핑 광을 조사하는 레이저 다이오드와;
   상기 펌핑 광에 의해 상기 마이크로 칩으로부터 발생된 열을 방출하기 위하여 상기 마이크로 칩이 마운팅된 히트 싱크 블럭과;
   상기 펌핑 광의 공진에 따라 발생된 펄스 레이저를 외부로 방출하기 위한 이색성 미러; 및
   0 보다 큰 임계값 이상에서부터 시작된 펄스형 전류를 상기 레이저 다이오드에 공급하여, 상기 레이저 다이오드를 구동시키는 레이저 다이오드 구동부를 포함하는 마이크로 칩 타입 레이저 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 레이저 다이오드 구동부는,
   상기 레이저 다이오드의 전류 구동을 위한 전류 구동기와;
   동기 신호를 입력하여 상기 전류 구동기에서 펄스형 전류를 만들기 위한 파형 발생기를 포함하는 마이크로 칩 타입 레이저 장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 레이저 다이오드 구동부는,
   시간에 따라 일정 주기 또는 랜덤 주기를 갖는 상기 펄스형 전류를 상기 레이저 다이오드에 공급하는 것을 특징으로 하는 마이크로 칩 타입 레이저 장치.
4. 제1항 또는 제2항의 마이크로 칩 타입 레이저 장치를 구동하는 방법에 있어서,
   상기 레이저 다이오드 구동부가 0 보다 큰 임계값 이상에서부터 시작된 펄스형 전류를 상기 레이저 다이오드에 공급하여, 상기 레이저 다이오드로부터 펌핑 광을 생성하는 단계를 포함하는 마이크로 칩 타입 레이저 장치의 구동방법.
5. 제4항에 있어서,
   상기 펄스형 전류는 시간에 따라 일정 주기 또는 랜덤 주기로 공급되는 것을 특징으로 하는 마이크로 칩 타입 레이저 장치의 구동방법.

Images