KR20200131666A - 레이저 펄스 발생 장치 및 방법 - Google Patents

레이저 펄스 발생 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따르면, 레이저 매질과, 상기 레이저 매질에 여기광을 공급하는 여기 광원과, 상기 레이저 매질에서 여기된 광이 증폭되는 공진 경로를 형성하는 제1미러 및 제2미러와, 상기 공진 경로상에 배치된 포화 흡수체, 편광자 및 포켈스 셀을 포함하는 레이저 발생부; 및 상기 레이저 발생부가 단일 펄스 모드 또는 다중 펄스 모드로 동작하도록 상기 포화흡수체 또는 상기 포켈스 셀을 제어하는 제어부;를 포함하는, 레이저 펄스 발생 장치가 제공된다.

Description

레이저 펄스 발생 장치 및 방법 {Device and method of generating laser pulse}
본 발명의 실시예들은 레이저 펄스 발생 장치 및 방법에 관한 것이다.
레이저 빔은 산업용, 의료용 및 군사용 등에 이르기까지 다양한 분야에서 사용되고 있다. 특히, 의료용 레이저는 국부적으로 소정의 에너지를 집중시킬 수 있고 비침습적 치료가 가능하므로, 외과, 내과, 안과, 피부과, 치과 등에서 광범위하게 사용되고 있다.
레이저 빔은 단일 펄스 또는 다중 펄스의 형태로 레이저 장치를 통해 제공될 수 있으며, 한편, 다중 펄스를 생성하는 동작 시 단일 펄스에 비해 출력 안정도가 낮아지는 경향이 있어 이를 개선하는 것이 필요하다.
출력 안정도가 형상된 다중 펄스 레이저를 발생시킬 수 있는 레이저 펄스 발생 장치 및 방법을 제공한다.
일 유형에 따르면, 레이저 매질과, 상기 레이저 매질에 광을 공급하는 여기 광원과, 상기 레이저 매질에서 여기된 광이 증폭되는 공진 경로를 형성하는 제1미러 및 제2미러와, 상기 공진 경로상에 배치된 포화 흡수체, 편광자 및 포켈스 셀을 포함하는 레이저 발생부; 및 상기 레이저 발생부가 단일 펄스 모드 또는 다중 펄스 모드로 동작하도록 상기 포화흡수체 또는 상기 포켈스 셀을 제어하는 제어부;를 포함하는, 레이저 펄스 발생 장치가 제공된다.
상기 제어부는 상기 다중 펄스 모드에서, 상기 여기 광원의 전류 방전이 시작된 초기 시점(t1)부터 소정의 임계 시간(Δtc)이 경과한 임계 시점(t1+Δtc)까지는 상기 포켈스 셀이 입사광의 위상을 유지시키는 모드로 동작하고 상기 임계 시점(t1+Δtc) 이후에는 상기 포켈스 셀이 입사광의 위상을 지연시키는 모드로 동작하도록 상기 포켈스 셀을 제어할 수 있다.
상기 편광자는 입사광 중 소정의 선편광 성분만을 투과시키는 선편광자이고, 상기 포켈스 셀은 제어 신호에 따라 1/4 파장판으로 동작할 수 있다.
상기 임계 시간(Δtc)은 상기 포켈스 셀이 입사광의 위상을 유지시키는 모드로 동작하는 상태에서 레이저 발생부에서 발생되는 다중 펄스의 타이밍 지터를 측정하고, 측정된 타이밍 지터를 상기 여기 광원의 전류 방전 커브와 매칭하여, 소정 값 이하의 타이밍 지터를 나타내는 시점의 전류 방전 시점으로부터의 경과 시간으로 미리 설정된 값일 수 있다.
상기 임계 시간(Δtc)은 원하는 펄스의 개수(k)(k는 1이상의 자연수)에 따라 정해지는 임계 시간(Δtc_k)을 포함할 수 있다.
상기 레이저 펄스 발생 장치는 레이저 발생부에서 발생할 펄스의 개수를 입력하는 입력부; 및 상기 펄스의 개수(k)에 따라 정해지는 상기 임계 시간(Δtc_k)의 정보가 저장되는 메모리;를 더 포함할 수 있다.
상기 레이저 발생부는 상기 포화 흡수체가 상기 공진 경로에서 벗어나도록 상기 포화 흡수체의 위치를 구동하는 제1 위치구동부를 더 포함할 수 있다.
상기 레이저 발생부는 상기 공진 경로 상에 배치된 위상 지연자; 및 상기 위상 지연자가 상기 공진 경로에서 벗어나도록 상기 위상 지연자의 위치를 구동하는 제2 위치구동부;를 더 포함할 수 있다.
상기 편광자는 입사광 중 소정의 선편광 성분만을 투과시키는 선편광자이고, 상기 위상 지연자는 1/4 파장판일 수 있다.
상기 제어부는 상기 단일 펄스 모드에서는 상기 포화 흡수체가 상기 공진 경로에서 벗어나고 상기 위상 지연자가 상기 공진 경로 상에 위치하도록 상기 제1 위치구동부 및 상기 제2 위치구동부를 제어하며, 상기 다중 펄스 모드에서는 상기 포화 흡수체가 상기 공진 경로 상에 위치하고 상기 위상 지연자가 상기 공진 경로에서 벗어나도록 제1 위치구동부 및 상기 제2 위치구동부를 제어할 수 있다.
또한, 일 유형에 따르면, 레이저 매질과, 상기 레이저 매질에 여기광을 공급하는 여기 광원과, 상기 레이저 매질에서 여기된 광이 증폭되는 공진 경로를 형성하는 제1미러 및 제2미러와, 상기 공진 경로상에 배치된 포화 흡수체, 편광자 및 포켈스 셀을 포함하는 레이저 발생부를 이용하여 레이저 펄스를 발생시키는 방법에 있어서, 상기 레이저 발생부의 단일 펄스 모드 또는 다중 펄스 모드로의 동작 여하가 선택되는 단계; 및 상기 선택에 따라 상기 포화 흡수체 또는 상기 포켈스 셀을 제어하는 단계;를 포함하는, 방법이 제공된다.
상기 방법은 상기 다중 펄스 모드 동작을 위해, 상기 포켈스 셀이 입사광의 위상을 유지시키는 모드로 동작하다가 입사광의 위상을 지연시키는 모드로 전환되는 타이밍을 설정하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
상기 방법은 상기 다중 펄스 모드가 선택된 경우, 상기 여기 광원의 전류 방전이 시작된 초기 시점(t1)부터 상기 타이밍에 의해 정해진 소정의 임계 시점(t1+Δtc)까지는 포켈스 셀이 입사광의 위상을 유지시키는 모드로 동작하고, 상기 임계 시점(t1+Δtc) 이후에는 상기 포켈스 셀이 입사광의 위상을 지연시키는 모드로 동작하도록 상기 포켈스 셀을 제어하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 설정하는 단계는 상기 포켈스 셀을 입사광의 위상을 유지시키는 모드로 동작시키며 상기 레이저 발생부에서 발생되는 다중 펄스의 타이밍 지터를 측정하는 단계; 상기 여기 광원의 전류 방전 커브를 측정하는 단계; 측정된 타이밍 지터를 상기 전류 방전 커브와 매칭하여, 소정 값 이하의 타이밍 지터를 나타내는 시점의 전류 방전 시점으로부터의 경과 시간을 임계 시간 (Δtc)으로 설정하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 설정하는 단계는 원하는 펄스의 개수(k)(k는 1이상의 자연수)에 따라 각각 정해지는 타이밍 지터 기준값을 설정하는 단계; 상기 타이밍 지터 기준값을 참고하여, 펄스 개수(k)에 대응하는 임계 시간(Δtc_k)을 설정하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
상기 방법은 상기 다중 펄스 모드가 선택된 경우, 상기 레이저 발생부에서 발생할 펄스의 개수(k)를 입력받는 단계;를 더 포함할 수 있고, 상기 펄스의 개수(k)에 대응하는 임계 시간(Δtc_k)을 상기 임계 시점에 반영하여 상기 포켈스 셀을 제어할 수 있다.
상술한 레이저 펄스 발생 장치는 안정된 출력 성능을 가지는 다중 펄스 레이저를 생성, 출력할 수 있다.
상술한 레이저 펄스 발생 장치는 포화 흡수체 및 위상 지연자를 공진 경로 내/외로 선택적으로 위치 구동하여, 단일 펄스 모드 및 안정된 출력의 다중 펄스 모드를 선택적으로 구현할 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 레이저 펄스 발생 장치의 개략적인 구성을 보이는 블록도이다.
도 2는 도 1의 레이저 펄스 발생 장치에 채용되는 레이저 발생부의 개략적인 구조와 광학적 배치를 보인다.
도 3은 도 1의 레이저 발생 장치가 여기 광원 및 포켈스 셀을 타이밍 제어하는 것을 개략적으로 설명하는 개념도이다.
도 4는 레이저 발생부 구동시 생성되는 펄스의 타이밍 지터 및 전류 방전 커브를 예시적으로 보인 그래프이다.
도 5는 실시예에 따른 레이저 펄스 발생 방법을 개략적으로 설명하는 흐름도이다.
도 6은 도 5의 세부 단계를 예시적으로 보인 흐름도이다.
도 7a 및 도 7b는 도 2의 레이저 발생부의 구동을 보이는 것으로 각각 포켈스 셀이 오프, 온 된 상태의 광경로를 보인다.
도 8은 다른 실시예에 따른 레이저 펄스 발생 장치의 개략적인 구성을 보이는 블록도이다.
도 9는 도 8의 레이저 펄스 발생 장치에 채용되는 레이저 발생부의 개략적인 구조와 광학적 배치를 보인다.
도 10은 도 8의 레이저 펄스 발생 장치가 수행하는 레이저 펄스 발생 방법을 개략적으로 설명하는 흐름도이다.
도 11a 및 도 11b는 도 9의 레이저 발생부의 단일 펄스 모드 동작을 보이는 것으로 포켈스 셀이 각각 온, 오프된 상태의 광경로를 보인다.
도 12a 및 도 12b는 도 9의 레이저 발생부의 다중 펄스 모드 동작을 보이는 것으로 각각 포켈스 셀이 오프, 온 된 상태의 광경로를 보인다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명의 효과 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 다양한 형태로 구현될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 하며, 도면을 참조하여 설명할 때 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
이하의 실시예에서, 제1, 제2 등의 용어는 한정적인 의미가 아니라 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하는 목적으로 사용되었다.
이하의 실시예에서, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
이하의 실시예에서, 포함하다 또는 가지다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 또는 구성요소가 존재함을 의미하는 것이고, 하나 이상의 다른 특징들 또는 구성요소가 부가될 가능성을 미리 배제하는 것은 아니다.
이하의 실시예에서, 영역, 구성 요소 등의 부분이 다른 부분 위에 또는 상에 있다고 할 때, 다른 부분의 바로 위에 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 영역, 구성 요소 등이 개재되어 있는 경우도 포함한다.
도면에서는 설명의 편의를 위하여 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다. 예컨대, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다.
어떤 실시예가 달리 구현 가능한 경우에 특정한 공정 순서는 설명되는 순서와 다르게 수행될 수도 있다. 예를 들어, 연속하여 설명되는 두 공정이 실질적으로 동시에 수행될 수도 있고, 설명되는 순서와 반대의 순서로 진행될 수 있다.
이하의 실시예에서, 영역, 구성 요소 등이 연결되었다고 할 때, 영역, 구성 요소들이 직접적으로 연결된 경우뿐만 아니라 영역, 구성요소들 중간에 다른 영역, 구성 요소들이 개재되어 간접적으로 연결된 경우도 포함한다.
도 1은 실시예에 따른 레이저 펄스 발생 장치의 개략적인 구성을 보이는 블록도이고, 도 2는 도 1의 레이저 펄스 발생 장치에 채용되는 레이저 발생부의 개략적인 구조와 광학적 배치를 보인다. 도 3은 도 1의 레이저 발생 장치가 여기 광원 및 포켈스 셀을 타이밍 제어하는 것을 개략적으로 설명하는 개념도이다.
레이저 펄스 발생 장치(1001)는 레이저 발생부(100) 및 레이저 발생부(100)를 제어하는 제어부(300)를 포함한다. 레이저 펄스 발생 장치(1000)는 또한, 레이저 발생부(100)의 제어에 사용되는 정보가 저장되는 메모리(500)를 더 포함할 수 있고, 또한, 레이저 발생부(100)의 제어에 사용되는 정보가 입력되는 입력부(400)를 더 포함할 수 있다.
레이저 발생부(100)는 도 2에 예시한 바와 같이, 레이저 매질(135)과, 레이저 매질에 여기광을 공급하는 여기 광원(132)과, 레이저 매질(135)에서 증폭된 광의 공진 경로를 형성하는 제1미러(110) 및 제2미러(180)와, 상기 공진 경로상에 배치된 포화 흡수체(120), 편광자(150) 및 포켈스 셀(170)을 포함한다.
레이저 발생부(100)를 구성하는 각 요소들을 상세히 살펴보면 다음과 같다.
여기 광원(132)과 레이저 매질(135)은 펌프 챔버(130)를 구성할 수 있다. 여기 광원(132)은 플래시 램프일 수 있고, 미도시된 전원 공급부로부터 전원을 공급받아 발광하며 광을 레이저 매질(135)에 제공한다. 여기 광원(132)은 플래시 램프에 한정되지 않으며 레이저 다이오드를 포함할 수도 있다. 레이저 매질(135)은 여기 광원(132)에서 공급된 광의 에너지를 흡수하여 증폭된 광을 방출한다. 레이저 매질(135)은 Nd:Yag(neodymium-doped yttrium aluminium garnet)일 수 있으며, 다만 이에 한정되지 않으며, Er:Yag가 레이저 매질(135)로 사용될 수도 있다.
제1미러(110) 및 제2미러(180)는 레이저 매질(135)을 사이에 두고 서로 마주하게 배치되어 레이저 매질(135)에서 증폭된 광의 공진 경로를 형성할 수 있다. 제1미러(110)와 제2미러(180) 중 어느 하나는 반사 미러, 다른 하나는 출력 미러일 수 있다. 도면에서는 제1미러(110)가 출력 미러, 제2미러(180)가 반사 미러로 예시되었으나 이에 한정되지 않는다. 출력 미러인 제1미러(110)는 광의 일부는 반사시키고 일부는 투과시키도록 구성되며, 반사 미러인 제2미러(180)는 광의 대부분을 반사하도록 구성될 수 있다. 제1미러(110)와 제2미러(180)의 반사율은 특별히 한정되지 않으며, 출력 미러의 반사율이 반사 미러의 반사율보다 높은 범위에서 반사율이 적절히 설정될 수 있다.
포켈스 셀(Pockels Cell)(170)은 인가된 전기 신호에 따라 광학적 성질이 변하는 현상을 나타내는 전기광학물질을 사용하여, 입사광의 위상을 제어할 수 있다. 포켈스 셀(170)은 전기적으로 제어되며 입사광의 위상을 유지시키는 모드로 동작하거나 또는 입사광의 위상을 지연시키는 모드로 동작할 수 있다. 포켈스 셀(170)은 예를 들어, 전기 신호가 인가되지 않을 때는 입사광의 위상에 영향을 주지 않고 광을 통과시키고, 소정의 전기 신호가 인가되면 입사광의 위상을 지연시키며 광을 통과시킬 수 있다. 다만, 이에 한정되지 않으며, 포켈스 셀(170)은 소정의 전기 신호에 따라 입사광의 위상을 유지시키는 모드로 동작할 수 있고 또 다른 소정의 전기 신호에 따라 입사광의 위상을 지연시키는 모드로 동작할 수 있다. 입사광의 위상을 지연시키는 모드에서 포켈스 셀(170)은 1/4파장판(quarter wave plate)으로 동작할 수 있다. 다만, 이에 한정되지 않으며, 포켈스 셀(170)은 전기 신호 인가에 따라 반파장판(half wave plate)으로 동작할 수도 있다. 포켈스 셀(170)은 레이저 장치에 채용되어 능동적으로 Q값을 제어할 수 있는 점에서, 능동형 Q-스위치(active Q-switch)로도 불린다.
편광자(150)는 레이저 매질(135)에서 나오는 무편광의 광을 소정 편광의 광으로 변환시킨다. 편광자(150)는 입사광 중 소정 선편광 성분을 투과시키고 이와 다른 방향의 선편광 성분은 흡수하는 선형 편광자(linear polarizer)일 수 있다.
포화 흡수체(120)는 일정 이하의 세기를 갖는 빛은 흡수하고 일정 이상의 세기를 갖는 빛은 통과시키는 역할을 할 수 있다. 포화 흡수체(120)는 수동형 Q-스위치 (passive Q-switcher)로도 불린다. 포화 흡수체(120)는 Cr4+:YAG(four-valence Chromium Doped Yttrium Aluminum Garnet)를 포함할 수 있다. 여기 광원(132)에서 공급된 광에 의해 레이저 매질(135)에서 여기된 광 중 일정 기준 이하의 세기를 갖는 광은 포화 흡수체(120)에 흡수되고, 일정 이상의 세기를 가지는 광은 포화 흡수체(120)를 통과하며 제1미러(110)와 제2미러(180) 사이의 공진 경로를 왕복하며 증폭된다. 이와 같이, 일정 이상의 세기를 가진 광이 레이저 발진을 일으켜서 출력 미러인 제1미러(110)를 통해 일정한 시간 간격으로 출력되며, 다중 펄스가 생성될 수 있다.
레이저 펄스 발생 장치(1000)는 이와 같이 다중 펄스 레이저를 생성, 출력하며 이 때, 안정된 출력을 위해 제어부(300)가 포켈스 셀(170)의 온/오프를 타이밍 제어한다. 제어부(300)는 레이저 발생부(100)에서 생성되는 펄스의 타이밍 지터를 고려하여, 적정값 이하의 타이밍 지터를 나타내는 소정 시간까지는 포켈스 셀(170)을 오프, 즉, 입사광의 위상을 유지시키는 모드로 동작시켜 펄스가 출력되도록 하고, 이후에는 포켈스 셀(170)을 온, 즉, 입사광의 위상을 지연시키는 모드로 동작하도록 하여 펄스가 출력되지 않도록 레이저 발생부(100)를 제어한다. 상기 소정 시간은 여기 광원(132)의 전류 방전 커브를 고려하여 정할 수 있다. 예를 들어, 여기 광원(132)의 전류 방전이 시작된 시점(t1)부터 소정의 임계 시간(Δtc)이 경과한 임계 시점(t1+Δtc)까지는 포켈스 셀(170)을 오프, 즉, 입사광의 위상을 유지시키는 모드로 동작시키고, 임계 시점(t1+Δtc) 이후에는 포켈스 셀(170)을 온, 즉, 입사광의 위상을 지연시키는 모드로 동작하도록 여기 광원(132)과 포켈스 셀(170)을 제어한다.
이러한 제어를 위해, 도 3에 예시한 바와 같이, 타이밍 제어부(310)가 여기 광원(132)과 포켈스 셀(170)에 타이밍 신호를 보낼 수 있다. 타이밍 제어부(310)는 도 1에 도시한 제어부(300)에 포함될 수 있다. 타이밍 제어부(310)는 적절한 타이밍 신호를 생성할 수 있도록 기가 헤르쯔(GHZ) 대역 또는 그 이상의 주파수를 생성하는 국부 발진기(local oscillator)를 구비할 수 있다. 타이밍 제어부(310)는 여기 광원(132)의 전류 방전이 시작된 후 소정 시간 후에 포켈스 셀(170)을 동작시키기 위해, 여기 광원(132)과 포켈스 셀(170)이 락인(lock-in) 되도록 제어한다. 타이밍 제어부(310)는 여기 광원(132)이 전류 방전이 시작되는 제1 타이밍 신호(TS1)를 생성할 수 있고, 또한, 상기 시점에 포켈스 셀(170)이 오프 상태에 있도록 제1 타이밍 신호(TS1)가 포켈스 셀(170)에 전송될 수 있다. 타이밍 제어부(310)는 상기 임계 시간(Δtc)이 경과한 시점에 포켈스 셀(170)이 온 되도록 제2 타이밍 신호(TS2)를 생성하여 포켈스 셀(170)에 보낼 수 있다. 즉, 제1 타이밍 신호(TS1)와 제2 타이밍 신호(TS2)의 시간차는 미리 설정된 임계 시간(Δtc)이다.
이러한 임계 시간(Δtc)은 포켈스 셀(170)이 입사광의 위상을 유지시키는 모드로 동작하는 상태에서 레이저 발생부(100)에서 발생되는 다중 펄스 각각의 타이밍 지터를 측정하고, 타이밍 지터가 소정 값 이하가 되는 펄스만이 생성되도록 미리 설정할 수 있다. 예를 들어, 측정된 타이밍 지터를 여기 광원(132)의 전류 방전 커브와 매칭하여 소정 값 이하의 타이밍 지터를 나타내는 시점의 전류 방전 시점으로부터의 경과 시간을 상기 임계 시간(Δtc)으로 설정할 수 있다. 또한, 이러한 임계 시간(Δtc)은 레이저 발생부(100)에서 생성하고자 하는 펄스의 개수에 따라 복수개로 정할 수 있다. 예를 들어, 레이저 발생부(100)에서 생성할 수 있는 펄스의 개수(N)를 설정하고 N 이하의 임의의 개수의 펄스에 상응하는 복수의 임계 시간(Δtc_k)(1≤k≤N)이 미리 설정될 수 있다.
이와 같이 미리 설정된 복수의 임계 시간의 정보는 메모리(500)에 미리 저장될 수 있고, 레이저 발생부(100)에서 생성할 펄스의 개수가 입력부(400)를 통해 입력될 수 있다. 제어부(300)는 입력된 펄스 개수에 상응하는 임계 시간(Δtc_k)(1≤k≤N)에 대한 정보를 활용하여 레이저 발생부(100)를 구동한다.
도 4는 레이저 발생부 구동시 생성되는 펄스의 타이밍 지터 및 전류 방전 커브를 예시적으로 보인 그래프이다.
전류 방전 커브에 출력되는 펄스 개수 및 각 펄스의 타이밍 지터가 표시되어 있다. 도면에는 네 개의 펄스가 출력되는 것으로 예시되고 있으며 펄스의 숫자가 커짐에 따라 점점 타이밍 지터도 커짐을 알 수 있다. 이는 레이저 펄스가 생성됨에 따라 레이저 매질(135)에 저장된 에너지가 고갈 되고 다시 저장되는 과정에서 펌프 에너지의 양이 점점 줄어들어 발생되는 현상으로, 펌프 에너지를 공급하는 여기 광원(132)으로 사용된 플래시 램프의 전류량의 변화 및 포화 흡수체(120)의 흡수 방출 특성의 비선형성 등에 원인이 있다. 이와 같이 증가된 타이밍 지터는 결국 출력 에너지의 안정도를 저하시키는 원인이 된다. 따라서 타이밍 지터가 큰 펄스가 생성되지 않게 하는 경우 다중 펄스를 구현하면서 동시에 높은 출력 에너지 안정도를 확보할 수 있다.
예를 들어, 네 번째 펄스가 생성되지 않도록, 플래시 램프의 방전 시작 시점에서 세 번째 펄스의 생성 완료 시간까지를 임계 시간(Δtc)으로 설정하고, 임계 시간(Δtc) 경과 후에는 펄스가 생성되지 않도록 포켈스 셀(170)을 제어한다.
도면에서는 세 번째 펄스 생성의 완료를 기준으로 임계 시간(Δtc)을 정한 것을 예시하였으나, 임계 시간(Δtc)의 설정 방법은 이에 한정되지 않는다. 레이저 발생부(100)의 세부 구성 및 구동 요건에 따라 전류 방전 커브 형태는 달라질 수 있고, 각 상황에서 타이밍 지터 기준값과 원하는 펄스 개수를 고려하여 임계 시간을 적절히 설정할 수 있다.
도 5는 실시예에 따른 레이저 펄스 발생 방법을 개략적으로 설명하는 흐름도이고, 도 6은 도 5의 세부 단계를 예시적으로 보인 흐름도이다. 도 7a 및 도 7b는 도 2의 레이저 발생부의 구동을 보이는 것으로 각각 포켈스 셀이 오프, 온 된 상태의 광경로를 보인다.
도 5 및 도 6을 참조하여 레이저 펄스 발생 방법을 살펴보면, 먼저, 포켈스 셀의 모드 전환 타이밍을 설정한다(S10). 이 단계는 도 4를 예시하여 설명한 바와 같이, 포켈스 셀이 입사광의 위상을 유지시키는 모드로 동작하다가 입사광의 위상을 지연시키는 모드로 전환되는 타이밍을 설정하는 단계이다.
이를 위해, 포켈스 셀을 오프 상태로 하여 레이저 발생부를 구동시키며(S11), 여기 광원의 전류 방전 커브 및 타이밍 지터를 측정하고(S13), 다음, 측정된 결과로부터 임계 시간을 설정한다(S15). 예를 들어, 측정된 타이밍 지터를 전류 방전 커브와 매칭하여, 소정 값 이하의 타이밍 지터를 나타내는 시점의 전류 방전 시점으로부터의 경과 시간을 임계 시간 (Δtc)으로 설정할 수 있다. 또한, 이 때, 생성하고자 하는 펄스 개수에 따라 정해지는 복수의 임계 시간을 설정할 수 있다. 예를 들어, 전류 방전 커브의 한 주기(tp) 동안에 생성할 수 있는 펄스의 개수(N) 내에서, 원하는 펄스의 개수(k)에 따라 정해지는 하나 이상의 타이밍 지터 기준값을 설정하고, 설정된 타이밍 지터 기준값을 참고하여, 펄스 개수(k)에 대응하는 N개의 임계 시간(Δtc_k)(1≤k≤N)을 설정할 수 있다. 이와 같이 설정된 정보는 레이저 펄스 발생 장치의 메모리에 저장된다.
다음, 레이저 발생부에서 생성할 펄스의 개수(k)(1≤k≤N)가 선택된다(S20). 펄스 개수(k)의 선택은 예를 들어, 사용자의 입력 또는 다른 장치나 프로그램의 실행에 의한 입력일 수 있다.
선택된 펄스의 개수(k)에 대응하는 임계 시간(Δtc_k)을 포켈스 셀 제어의 임계 시점으로 반영하여 레이저 발생부를 구동한다(S30).
이 때, 여기 광원(132)의 전류 방전이 시작된 초기 시점(t1)부터 임계 시점(t1+Δtc_k)까지는 포켈스 셀(170)이 입사광의 위상을 유지시키는 모드로 동작하도록 포켈스 셀(170)을 제어한다(S32).
도 7a에 도시된 광경로를 살펴보면, 펌프 챔버(130)에서 나오는 여기광(LE)은 무편광의 광이며 편광자(150)를 지나며 S 편광으로 선형 편광된다. 여기서 S 편광은 예시적인 것이며, 이와 수직인 P 편광으로 선형 편광될 수도 있다. 포켈스 셀(170)은 오프 상태로서, 입사광의 편광에 영향을 주지 않고 입사광을 투과시킨다. 여기서, 오프 상태는 입사광의 편광에 영향을 주지 않는 상태임을 표현하고 있으며, 전기 신호가 인가되지 않는다는 의미로 한정되지는 않는다. 예를 들어, 포켈스 셀(170)이 입사광의 편광에 영향을 주지 않고 입사광을 투과시키게 하는 소정의 전기 신호가 포켈스 셀(170)에 인가될 수도 있다. S 편광의 광이 오프 상태의 포켈스 셀(170)을 지난 후에도 S 편광은 그대로 유지되며, 또한, 제2미러(180)에 의해 반사되며 선편광인 S 편광은 그대로 유지된다. S 편광의 광은 편광자(150)을 투과할 수 있으며 따라서, 펌프 챔버(130)에서 나온 여기광(LE)은 제1미러(110)와 제2미러(180) 사이의 공진 경로를 왕복할 수 있다. 이와 같이, 포켈스 셀(170)이 오프 상태인 동안, 즉, t1 ~ t1+Δtc_k 의 시간 동안 제1미러(110)와 제2미러(180) 사이를 광이 왕복할 수 있는 공진 경로가 형성되며, 포화 흡수체(120)의 작용에 의해 복수개의 펄스가 소정의 시간 간격을 두고 제1미러(110)를 통해 출력될 수 있다.
다음, 임계 시점(t1+Δtc_k) 이후에는 포켈스 셀(170)을 온(ON) 상태로 구동하여 입사광의 위상을 지연시키는 모드로 동작하게 한다. 포켈스 셀(170)이 1/4파장판으로 동작하게 하는 전기 신호가 포켈스 셀(170)에 인가될 수 있다. 예를 들어, t1+Δtc_k 에서 t1+tp 까지는 포켈스 셀(170)이 온(ON) 되도록 제어한다.
도 7b에 도시된 광경로를 살펴보면, 펌프 챔버(130)에서 나오는 여기광(LE)은 무편광의 광이며 편광자(150)를 지나며 S 편광으로 선형 편광된다. 포켈스 셀(170)은 온(ON) 상태로서, 입사광의 편광을 지연시키는 모드로 동작한다. 포켈스 셀(170)은 1/4파장판으로 동작할 수 있다. S 편광의 광이 1/4파장판으로 동작하는 상태의 포켈스 셀(170)을 지난 후에 우원 편광(right-handed circular polarization)(RC) 상태로 바뀐다. 우원 편광(RC)의 광은 제2미러(180)에 의해 반사되며 좌원 편광(left-handed circular polarization)(LC) 상태로 바뀐다. 다음, 좌원 편광(LC)의 광은 1/4파장판으로 동작하는 포켈스 셀(170)을 지나며 S 편광과 수직 방향의 선편광인 P 편광으로 바뀐다. 편광자(150)는 S 편광만을 투과시키는 편광자이므로, P 편광의 광은 편광자(150)를 투과하지 못한다. 이와 같이, 포켈스 셀(170)의 작용에 의해 제1미러(110)와 제2미러(180) 사이를 왕복할 수 있는 공진 경로가 형성되지 않으며, 펄스가 출력되지 않는다. 이러한 상태로 포켈스 셀(170)이 제어되는 타이밍은 불안정한 펄스가 생성되지 않도록 미리 설정한 임계 시간에 기초하고 있으므로, 레이저 펄스 발생 장치(1000)는 멀티 펄스를 구현하면서도 안정된 출력을 유지할 수 있다.
도 8은 다른 실시예에 따른 레이저 펄스 발생 장치의 개략적인 구성을 보이는 블록도이고, 도 9는 도 8의 레이저 펄스 발생 장치에 채용되는 레이저 발생부의 개략적인 구조를 보이는 단면도이다.
레이저 펄스 발생 장치(1001)는 레이저 발생부(101) 및 레이저 발생부(101)를 제어하는 제어부(301)를 포함한다. 레이저 펄스 발생장치(1001)는 또한, 레이저 발생부(101)의 제어에 사용되는 정보가 저장되는 메모리(501)를 더 포함할 수 있고, 또한, 레이저 발생부(101)의 제어에 사용되는 정보가 입력되는 입력부(401)를 더 포함할 수 있다.
도 9에 도시된 레이저 발생부(101)는 도 2에 도시한 레이저 발생부(100)와 달리, 포화 흡수체(121)가 공진 경로 내, 외로 위치 구동될 수 있고, 또한, 공진 경로 상에 공진 경로 내, 외로 위치 구동될 수 있는 위상 지연자(161)를 더 포함한다. 위상 지연자(161)는 1/4파장판일 수 있다. 또한, 레이저 발생부(101)는 포화 흡수체(121)가 공진 경로 내, 외로 움직일 수 있도록 포화 흡수체(121)의 위치를 구동하는 제1 위치구동부(125) 및 위상 지연자(161)가 공진 경로 내, 외로 움직일 수 있도록 위상 지연자(161)의 위치를 구동하는 제2 위치구동부(165)를 더 포함할 수 있다.
레이저 발생부(100)는 단일 펄스 모드 또는 다중 펄스 모드로 선택적으로 동작될 수 있다. 예를 들어, 입력부(401)를 통해 레이저 발생부(101)가 단일 펄스 모드 또는 다중 펄스 모드로의 동작 여하가 입력될 수 있고, 제어부(301)는 레이저 발생부(101)가 단일 펄스 모드 또는 다중 펄스 모드로 동작하도록 제1 위치구동부(125), 제2 위치구동부(165) 및 포켈스 셀(170)을 제어할 수 있다.
먼저, 단일 펄스 모드 동작을 도 10, 도 11a 및 도 11b와 함께 살펴보면 다음과 같다.
모드 선택 단계(S20)에서 단일 펄스 모드가 선택되면, 포화 흡수체(121)가 공진 경로에서 벗어나고 위상 지연자(161)가 공진 경로 상내에 위치하도록 제1 위치구동부(125) 및 제2 위치구동부(165)가 제어된다.
도 11a는 포켈스 셀(170)이 온(ON) 상태로 제어된 광경로를 보인다.
펌프 챔버(130)에서 나온 무편광의 여기광(LE)은 편광자(150)에 의해 S 편광으로 선형 편광된다. 다음, 1/4파장판인 위상 지연자(161)를 지나며 우원 편광(RC)으로 편광 변환되고, 온(ON) 상태로 제어되어 1/4파장판으로 동작하는 포켈스 셀(170)을 지나며 다시 S 편광으로 편광 변환된다. 선편광인 S 편광은 제2미러(180)에서 반사될 때 S 편광이 유지되고 다음 1/4파장판으로 동작하는 포켈스 셀(170)을 지나며 우원 편광(RC) 상태가 된다. 우원 편광(RC)의 광은 1/4파장판인 위상 지연자(161)를 지나며 다시 S 편광 상태로 변하고, S 편광의 광은 S 편광 성분을 투과시키는 편광자(150)를 통과할 수 있다. 이러한 경로에 따라 제1미러(110), 제2미러(180) 사이를 광이 왕복할 수 있는 공진 경로가 형성되고 증폭된 레이저 광이 제1미러(110)를 통해 출력된다.
도 11b는 포켈스 셀(170)이 온(OFF) 상태로 제어된 광경로를 보인다.
펌프 챔버(130)에서 나온 무편광의 여기광(LE)은 편광자(150)에 의해 S 편광으로 선형 편광된다. 다음, 1/4파장판인 위상 지연자(161)를 지나며 우원 편광(RC)으로 편광 변환되고, 오프(OFF) 상태로 제어되는 포켈스 셀(170)을 지나며 우원 편광(RC)이 유지된다. 우원 편광(RC)은 제2미러(180)에서 반사되며 좌원 편광(LC)으로 바뀌고 오프(OFF) 상태로 제어되는 포켈스 셀(170)을 지나며 좌원 편광(LC) 상태가 유지된다. 다음, 1/4파장판인 위상 지연자(161)를 지나며 P 편광으로 편광 변환된다. P 편광 상태의 광은 S 편광 성분만을 투과시키는 편광자(150)를 투과하지 못한다. 이와 같이, 포켈스 셀(170)의 작용에 의해 제1미러(110)와 제2미러(180) 사이를 왕복할 수 있는 공진 경로가 형성되지 않으며, 펄스가 출력되지 않는다.
따라서, 단일 펄스 모드 선택에 따라, 포화 흡수체가 공진 경로 밖으로, 위상 지연자가 공진 경로 내로 위치 제어된 후(S21), 오프 상태의 포켈스 셀(170)이 순간적으로 온-오프 되도록 레이저 발생부(100)를 구동(S23)하는 경우, 도 11a의 출력 경로가 일시적으로 형성되며 단일 펄스가 출력될 수 있다.
다음, 다중 펄스 모드 동작을 도 10, 도 12a 및 도 12b와 함께 살펴보면 다음과 같다.
모드 선택 단계(S20)에서 다중 펄스 모드가 선택되면, 포화 흡수체(121)가 공진 경로 상에 배치되고 위상 지연자(161)가 공진 경로 밖에 위치하도록 제1 위치구동부(125) 및 제2 위치구동부(165)가 제어된다(S31). 또한, 다중 펄스 모드에서 생성할 펄스 개수(k)가 선택된다(S33). 단계 S31과 단계 S33의 순서는 예시적이며, 동시에 수행되거나 순서가 뒤바뀌어도 무방하다.
도 12a는 포켈스 셀(170)이 오프(OFF) 상태로 제어된 광경로, 도 12b는 포켈스 셀(170)이 온(ON) 상태로 제어된 광경로를 보이며, 도 7a 및 도 7b에서 각각 설명한 광경로와 실질적으로 동일하다.
즉 선택된 펄스 개수(k)에 따라 임계 시점(Δtc_k)이 설정되며, 여기 광원(132)의 전류 방전 시작 시점(t1)을 기준으로 t1~t1+Δtc_k 동안은 포켈스 셀(170)을 도 12a와 같이 오프(OFF) 상태로 하여 왕복 공진 경로를 형성하여 다중 펄스가 출력되게 한다(S32). 다음, t1+Δtc_k ~ t1+tp 동안은 포켈스 셀(170)을 온(Oㅜ) 상태로 하여 도 12b와 같은 광경로를 형성하여, 불안정한 출력의 원인이 되는 펄스는 생성되지 않도록 한다.
이와 같이 본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 하여 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 실시예의 변형이 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
1000, 1001: 레이저 펄스 발생 장치
100, 101: 레이저 발생부
110: 제1미러
120, 121: 포화 흡수체
125: 제1위치구동부
130: 펌프 챔버
132: 여기 광원
135: 레이저 매질
150: 편광자
161: 위상지연자
165: 제2위치구동부
170: 포켈스 셀
180: 제2미러

Claims (18)

  1. 레이저 매질과, 상기 레이저 매질에 광을 공급하는 여기 광원과, 상기 레이저 매질에서 여기된 광이 증폭되는 공진 경로를 형성하는 제1미러 및 제2미러와, 상기 공진 경로상에 배치된 포화 흡수체, 편광자 및 포켈스 셀을 포함하는 레이저 발생부; 및
    상기 레이저 발생부가 단일 펄스 모드 또는 다중 펄스 모드로 동작하도록 상기 포화흡수체 또는 상기 포켈스 셀을 제어하는 제어부;를 포함하는, 레이저 펄스 발생 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 다중 펄스 모드에서,
    상기 여기 광원의 전류 방전이 시작된 초기 시점(t1)부터 소정의 임계 시간(Δtc)이 경과한 임계 시점(t1+Δtc)까지는 상기 포켈스 셀이 입사광의 위상을 유지시키는 모드로 동작하고 상기 임계 시점(t1+Δtc) 이후에는 상기 포켈스 셀이 입사광의 위상을 지연시키는 모드로 동작하도록 상기 포켈스 셀을 제어하는, 레이저 펄스 발생 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 편광자는 입사광 중 소정의 선편광 성분만을 투과시키는 선편광자이고,
    상기 포켈스 셀은 제어 신호에 따라 1/4 파장판으로 동작하는, 레이저 펄스 발생 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 임계 시간(Δtc)은
    상기 포켈스 셀이 입사광의 위상을 유지시키는 모드로 동작하는 상태에서 레이저 발생부에서 발생되는 다중 펄스의 타이밍 지터를 측정하고,
    측정된 타이밍 지터를 상기 여기 광원의 전류 방전 커브와 매칭하여, 소정 값 이하의 타이밍 지터를 나타내는 시점의 전류 방전 시점으로부터의 경과 시간으로 미리 설정된 값인, 레이저 펄스 발생 장치.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 임계 시간(Δtc)은
    생성할 펄스의 개수(k)에 따라 정해지는 복수의 임계 시간(Δtc_k)을 포함하는, 레이저 펄스 발생 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    레이저 발생부에서 발생할 펄스의 개수를 입력하는 입력부; 및
    상기 펄스의 개수(k)에 따라 정해지는 상기 복수의 임계 시간(Δtc_k)의 정보가 저장되는 메모리;를 더 포함하는, 레이저 펄스 발생 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 포화 흡수체는 상기 공진 경로 내, 외의 위치로 움직일 수 있도록 구성되는, 레이저 펄스 발생 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 포화 흡수체의 위치를 구동하는 제1 위치구동부;를 더 포함하는, 레이저 펄스 발생 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 공진 경로 상에 배치되고, 상기 공진 경로 내, 외의 위치로 움직일 수 있도록 구성된 위상 지연자;를 더 포함하는, 레이저 펄스 발생 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 편광자는 입사광 중 소정의 선편광 성분만을 투과시키는 선편광자이고,
    상기 위상 지연자는 1/4 파장판인, 레이저 펄스 발생 장치.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 위상 지연자가 상기 공진 경로에서 벗어나도록 상기 위상 지연자의 위치를 구동하는 제2 위치구동부;를 더 포함하는, 레이저 펄스 발생 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 단일 펄스 모드에서는 상기 포화 흡수체가 상기 공진 경로에서 벗어나고 상기 위상 지연자가 상기 공진 경로 상에 위치하도록 상기 제1 위치구동부 및 상기 제2 위치구동부를 제어하며,
    상기 다중 펄스 모드에서는 상기 포화 흡수체가 상기 공진 경로 상에 위치하고 상기 위상 지연자가 상기 공진 경로에서 벗어나도록 제1 위치구동부 및 상기 제2 위치구동부를 제어하는, 레이저 펄스 발생 장치.
  13. 레이저 매질과, 상기 레이저 매질에 여기광을 공급하는 여기 광원과, 상기 레이저 매질에서 여기된 광이 증폭되는 공진 경로를 형성하는 제1미러 및 제2미러와, 상기 공진 경로상에 배치된 포화 흡수체, 편광자 및 포켈스 셀을 포함하는 레이저 발생부를 이용하여 레이저 펄스를 발생시키는 방법에 있어서,
    상기 레이저 발생부의 단일 펄스 모드 또는 다중 펄스 모드로의 동작 여하가 선택되는 단계;
    상기 선택에 따라 상기 포화 흡수체 또는 상기 포켈스 셀을 제어하는 단계;를 포함하는, 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 다중 펄스 모드 동작을 위해, 상기 포켈스 셀이 입사광의 위상을 유지시키는 모드로 동작하다가 입사광의 위상을 지연시키는 모드로 전환되는 타이밍을 설정하는 단계;를 더 포함하는, 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 다중 펄스 모드가 선택된 경우, 상기 여기 광원의 전류 방전이 시작된 초기 시점(t1)부터 상기 타이밍에 의해 정해진 소정의 임계 시점(t1+Δtc)까지는 포켈스 셀이 입사광의 위상을 유지시키는 모드로 동작하고, 상기 임계 시점(t1+Δtc) 이후에는 상기 포켈스 셀이 입사광의 위상을 지연시키는 모드로 동작하도록 상기 포켈스 셀을 제어하는 단계;를 포함하는, 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 설정하는 단계는
    상기 포켈스 셀을 입사광의 위상을 유지시키는 모드로 동작시키며 상기 레이저 발생부에서 발생되는 다중 펄스의 타이밍 지터를 측정하는 단계;
    상기 여기 광원의 전류 방전 커브를 측정하는 단계;
    측정된 타이밍 지터를 상기 전류 방전 커브와 매칭하여, 소정 값 이하의 타이밍 지터를 나타내는 시점의 전류 방전 시점으로부터의 경과 시간을 임계 시간 (Δtc)으로 설정하는 단계;를 포함하는, 방법.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 설정하는 단계는
    원하는 펄스의 개수(k)(k는 1이상의 자연수)에 따라 각각 정해지는 타이밍 지터 기준값을 설정하는 단계;
    상기 타이밍 지터 기준값을 참고하여, 펄스 개수(k)에 대응하는 임계 시간(Δtc_k)을 설정하는 단계;를 더 포함하는, 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 다중 펄스 모드가 선택된 경우, 상기 레이저 발생부에서 발생할 펄스의 개수(k)를 입력받는 단계;를 더 포함하며,
    상기 펄스의 개수(k)에 대응하는 임계 시간(Δtc_k)을 상기 임계 시점에 반영하여 상기 포켈스 셀을 제어하는, 방법.
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