KR20220069692A

KR20220069692A - 반도체 이광자 흡수 현상을 이용한 레이저 펄스폭 측정 장치

Info

Publication number: KR20220069692A
Application number: KR1020200157083A
Authority: KR
Inventors: 임용식; 이대봉
Original assignee: 건국대학교 글로컬산학협력단; 이대봉
Priority date: 2020-11-20
Filing date: 2020-11-20
Publication date: 2022-05-27
Also published as: KR102540273B1

Abstract

본 발명은 반도체 디텍터로 이광자 흡수를 측정하고 간섭 패턴을 출력하여 펨토초 또는 피코초 대의 펄스폭을 가지는 초단펄스 레이저의 펄스폭을 측정하는 장치에 관한 것으로, 본 발명에 따른 반도체 이광자 흡수 현상을 이용한 레이저 펄스폭 측정 장치는 입사되는 레이저 광의 일부는 반사하고 일부는 투과시켜 레이저 광을 분리하는 빔스플리터(10); 상기 빔스플리터(10)에서 분리된 반사광을 반사하여 다시 상기 빔스플리터(10)에 입사시키는 제1 미러(20); 상기 빔스플리터(10)에서 분리된 투과광을 반사하여 다시 상기 빔스플리터(10)에 입사시키는 제2 미러(30); 상기 제1 미러(20) 또는 제2 미러(30) 중 어느 하나에 연결되어 상기 제1 미러(20) 또는 제2 미러(30)를 입사되는 광과 평행하게 이동시키는 액추에이터(40); 상기 직선으로 이동되는 액추에이터(40)의 변위를 측정하는 리니어 엔코더(50) 및 상기 반사광과 투과광이 상기 빔스플리터(10)를 거쳐 이광자 흡수되는 광 에너지를 측정하는 광 디텍터(60)로 구성되는 것을 기술적 특징으로 한다.

Description

반도체 이광자 흡수 현상을 이용한 레이저 펄스폭 측정 장치 {LASER PULSE WIDTH MEASUREMENT DEVICE USING SEMICONDUCTOR TWO-PHOTON ABSORPTION PHENOMENON}

본 발명은 레이저의 펄스폭을 측정하는 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 입사되는 레이저 광펄스를 마이켈슨 간섭계로 두 개의 빔으로 분리하고, 이들을 반도체 광검출기 표면에 집속시켜, 반도체 광검출기 표면에서 발생하는 이광자 흡수 현상으로 검출되는 (레이저 광펄스 모양대로 검출되는) 전류/전압 모양을 바탕으로 펨토초 또는 피코초 대의 펄스폭을 가지는 초단펄스 레이저의 펄스폭을 측정하는 장치에 관한 것이다.

레이저는 여기된 원자에 빛이 충돌해서 발생되는 유도방출을 이용한 장치로서 철판의 가공이나 절단, 각막이나 피부의 제거, 홀로그램 등 다양한 산업 분야에 활용되고 있다. 또 레이저 광이 물체에 닿았을 때 반사되는 정도를 측정하여 물체의 내부를 관찰하거나 거리를 측정하는 등 정밀 측정 장치로 활용되는 경우도 많다. 이중에서 거리나 깊이의 측정에 레이저를 이용하는 경우 그 해상도가 레이저의 펄스폭이 작을수록 높아지므로 펄스폭이 작은 레이저, 즉 초단펄스 레이저와 관련된 연구, 개발이 활발하게 진행되어 왔다.

그런데 초단펄스 레이저를 개발한다 하더라도 그 펄스폭을 정확히 알 수 없다면 개발된 초단펄스 레이저를 이용한 거리 등 측정의 정확도가 낮아질 수밖에 없고, 따라서 레이저의 펄스폭을 특히 피코초나 펨토초 대의 펄스폭을 가지는 초단펄스 레이저의 펄스폭을 정확하게 측정하는 장치의 개발도 계속되어 왔다. 레이저 광의 세기는 파워 미터나 에너지 미터로 특정할 수 있고 광의 주파수 특성은 분광기(spectrometer)를 사용하여 중심 파장이나 중심 주파수를 쉽게 검출할 수 있다. 그러나 광펄스의 펄스폭은 수십 피코초 이하일 때는 속도가 빠른 전자장치를 이용하더라도 쉽게 측정할 수 없다.

이에 따라 짧은 펄스폭을 측정하기 위해서는 이러한 광펄스가 갖고 있는 짧은 펄스폭 자체 특성을 이용해서 간접적으로 측정해야 하는데, 짧은 펄스폭일수록 첨두출력(peak power)이 높아진다. 레이저 광펄스의 높은 첨두출력을 바탕으로 비선형결정을 이용한 파장 변조나 비선형물질을 이용한 형광, 또는 업컨버젼(up-conversion)으로 유도되는 광여기자(전자, 홀)를 생성할 수 있다. 대부분은 레이저 광의 제2고조파 발생이나 이광자 흡수와 같은 비교적 간편한 비선형 효과를 이용하여 초단펄스 레이저의 펄스폭을 측정하고 있다. 이중 제2고조파 발생을 이용하는 방법은 광학적으로 비선형성을 가지는 결정을 이용해야 하고 펄스의 중심 파장이 달라지는 경우 비선형 결정의 방향을 변경하거나 다른 종류의 비선형 결정으로 대체해야 하는 불편함이 있어 최근에는 이광자 흡수 효과를 이용하는 방법의 연구가 활발한 편이다.

이광자 흡수란 레이저 광을 비선형 물질(반도체가 가장 효율적이다)에 조사했을 때 물질의 밴드갭(band-gap)이 레이저의 광자 에너지보다 높아서 흡수 현상이 발생하지 않지만, 두 개의 광자가 동시에 존재할 때 비로소 흡수 현상이 발생되어 높은 에너지의 전자나 홀이 형성되어 미세 전류가 흐르거나, 전자나 홀이 결합하면서 높은 에너지에 해당하는 형광을 방출하며 바닥상태로 떨어지는 현상을 의미한다. 논문 ‘E. Z. Chong, T. F. Watson, and F. Festy. Autocorrelation measurement of femtosecond laser pulses based on two-photon absorption in GaP photodiode. APPLIED PHYSICS LETTERS. AIP Publishing. 2014. 8. 105, PP.062111 - 062111-4’는 반도체 검출기에 광펄스를 집속하여 이러한 이광자 흡수로 유도된 미세한 광전류를 측정함으로써 초단펄스 레이저 펄스폭 측정 장치(이하 ‘종래 장치’라 함)를 구현한 일례로서, 도 1은 위 논문에 개시된 이광자 흡수를 이용한 초단펄스 레이저 펄스폭 측정 장치의 구성도이다.

그런데 종래 장치는 레이저(1), 레이저(1)에서 나오는 광을 반사광과 투과광으로 분리하는 빔스플리터(3), 반사광을 반사시키는 미러(5)를 구비하고, 빔스플리터(3)에서 2개로 분리된 레이저 광 사이에 경로차를 부여하기 위하여 미러(5)에 스텝 모터를 연결하여 구동하며, 반사광과 투과광이 겹치도록 하여 광 디텍터(7)에서 이광자 흡수로 유도되는 미세전류를 오실로스코프로 측정한다. 그러나 모터의 스텝 분해능이 충분히 높지 않아서, 모터의 스텝별로 고정된 광 경로차에 대한 간섭(간섭형 자기상관함수) 데이터만 획득할 수 있어, 즉 각 스텝별로 산발적이며 불균일한 간섭 무늬데이터만 얻을 수 있어 펄스폭을 정확히 분석할 수 없는 문제점이 있다. 또 모터의 스텝 간격이 충분히 정밀하지 못하여, 측정하고자 하는 레이저 광의 펄스폭이 작아질수록 측정 검출되는 데이터 개수가 적어져서 펄스폭의 정확도가 낮아지고 특정 펄스폭 이하에서는 펄스폭을 측정할 수 없는 문제점이 있다. 또한 검출기에 집속하는 광부품으로 현미경 렌즈세트를 사용하여, 현미경 렌즈세트 내에 들어 있는 렌즈류가 많아서(적어도 3개 이상의 볼록 및 오목렌즈 조합) 짧은 펄스폭이 급격이 확대되는 펄스 확대 현상이 발생되어 수십 펨토초 미만의 펄스폭을 정확하게 측정할 수 없는 문제점을 내재하고 있다.

E. Z. Chong, T. F. Watson, and F. Festy. Autocorrelation measurement of femtosecond laser pulses based on two-photon absorption in GaP photodiode. APPLIED PHYSICS LETTERS. AIP Publishing. 2014. 8. 105, PP.062111 - 062111-4

본 발명은 위와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 측정하고자 하는 광펄스의 왜곡없이 반도체 광검출기 자체가 가지고 있는 비선형성인 반도체 이광자 흡수현상을 이용하여, 레이저 광의 포락선(envelopment) 및 간섭 무늬(펄스 진폭 및 위상정보)의 관찰이 가능하고, 종래 장치에 비해 높은 정확도(1펨토초 미만)로 레이저 광의 펄스폭을 실시간으로 측정할 수 있는 레이저 펄스폭 측정 장치를 제공하는 것이다.

본 발명에 따른 반도체 이광자 흡수 현상을 이용한 레이저 펄스폭 측정 장치는 입사되는 레이저 광의 일부는 반사하고 일부는 투과시켜 레이저 광을 분리하는 빔스플리터; 상기 빔스플리터에서 분리된 반사광을 반사하여 다시 상기 빔스플리터에 입사시키는 제1 미러; 상기 빔스플리터에서 분리된 투과광을 반사하여 다시 상기 빔스플리터에 입사시키는 제2 미러; 상기 제1 미러 또는 제2 미러 중 어느 하나에 연결되어 상기 제1 미러 또는 제2 미러를 입사되는 광과 평행하게 이동시키는 액추에이터; 상기 직선으로 이동되는 액추에이터의 변위를 측정하는 리니어 엔코더 및 상기 반사광과 투과광이 상기 빔스플리터를 거쳐 이광자 흡수되는 광 에너지를 측정하는 광 디텍터로 구성되는 것을 기술적 특징으로 한다.

본 발명에 따른 반도체 이광자 흡수 현상을 이용한 레이저 펄스폭 측정 장치는 광검출기 내에서 이광자 흡수되어 여기되는 미세 광전류를 전압으로 자체 증폭함으로써 크게 증폭된 펄스의 포락선 및 펄스의 간섭 패턴을 관찰할 수 있다.

또 1 펨토초 이하의 높은 분해능으로 레이저 광의 펄스폭을 측정할 수 있다.

또 종래 장치에 비해 펄스 자체 왜곡 없이 10펨토초 이하의 더 좁은 펄스폭을 측정할 수 있다.

또 100 피코초 이상으로 종래 장치에 비해 넓은 스캔 범위에 걸쳐 펄스들을 관측 및 측정할 수 있다.

도 1은 종래의 이광자 흡수를 이용한 초단펄스 레이저 펄스폭 측정 장치의 구성도
도 2는 본 발명에 따른 반도체 이광자 흡수 현상을 이용한 레이저 펄스폭 측정 장치의 구성도
도 3은 이광자 흡수에 의해 간섭형 자기상관함수 패턴이 발생되는 원리
도 4는 본 발명에 따른 레이저 펄스폭 측정 장치에서 얻을 수 있는 이광자 흡수현상에 의해 측정된 광펄스 간섭형 자기상관함수 패턴
도 5는 본 발명에 따른 레이저 펄스폭 측정 장치에서 얻을 수 있는 이광자 흡수현상에 의해 측정된 광펄스 세기형 자기상관함수의 포락선
도 6은 본 발명에서 빔스플리터의 다른 실시형태
도 7은 빔스플리터의 확대도
도 8은 도 6의 빔스플리터를 구비한 본 발명에 따른 반도체 이광자 흡수 현상을 이용한 레이저 펄스폭 측정 장치에서 레이저 빔의 진행도

이하에서는 본 발명에 따른 반도체 이광자 흡수 현상을 레이저 펄스폭 측정 장치를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 반도체 이광자 흡수 현상을 이용한 레이저 펄스폭 측정 장치의 구성도로서, 본 발명에 따른 반도체 이광자 흡수 현상을 이용한 레이저 펄스폭 측정 장치는 빔스플리터(10), 제1 미러(20), 제2 미러(30), 액추에이터(40), 리니어 엔코더(50) 및 광 디텍터(60)를 포함하여 구성되고, 집광 렌즈 또는 파라볼릭 미러(70)를 더 포함하여 구성될 수 있다.

빔스플리터(10)는 입사되는 레이저 광의 일부는 반사하고 일부는 투과시켜 레이저 광을 분리하는 구성요소이다. 이하 반사된 레이저 광을 반사광이라 하고, 투과된 레이저 광을 투과광이라 한다.

제1 미러(20)는 빔스플리터(10)에서 분리된 반사광(또는 투과광)을 반사하여 다시 빔스플리터(10)에 입사시키는 구성요소로서, 전반사를 이용한 프리즘일 수 있다.

제2 미러(30)는 빔스플리터(10)에서 분리된 투과광(또는 반사광)을 반사하여 다시 빔스플리터(10)에 입사시키는 구성요소이다. 즉, 빔스플리터(10), 제1 미러(20), 제2 미러(30)는 마이켈슨 간섭계의 구성과 동일한 것을 알 수 있다. 본 발명이 종래와 다른 점은 이하의 액추에이터(40)와 리니어 엔코더(50)를 구비하는 점이다.

액추에이터(40)는 제1 미러(20) 또는 제2 미러(30) 중 어느 하나에 연결되어 제1 미러(20) 또는 제2 미러(30)를 입사되는 광과 평행하게 이동시키는 구성요소로서, 보이스 코일이나 리니어 모터가 될 수 있다. 액추에이터(40)가 제1 미러(20) 또는 제2 미러(30)를 반사광 또는 투과광과 평행하게 이동시키기 때문에 반사광과 투과광 간 광 경로차를 발생시킬 수 있다. 액추에이터(40)의 변위는 sin 파형 등 주기 함수의 형태를 띠게 된다.

리니어 엔코더(50)는 직선으로 이동되는 액추에이터(40)의 변위를 측정하는 구성요소이다. 따라서 리니어 엔코더(50)로부터 제1 미러(20) 또는 제2 미러의 위치나 이들 간의 상대적인 거리차를 측정할 수 있다.

따라서 액추에이터(40)가 연속적으로 제1 미러(20) 또는 제2 미러(30)를 직선운동 시키면서 리니어 엔코더(50)가 실시간으로 제1 미러(20) 또는 제2 미러(30)의 위치를 측정할 수 있고, 이에 따라 리니어 엔코더(50)에서 측정한 변위차의 2배(반사광 또는 투과광이 왕복해야 하므로 2배이다)만큼 반사광과 투과광 간 광 경로차가 발생된다.

이해를 돕기 위하여, 본 발명에 따른 레이저 펄스폭 측정 장치에서 얻을 수 있는 데이터와 종래 장치에서 얻을 수 있는 데이터를 비교해 본다.

도 3은 이광자 흡수에 의해 간섭형 자기상관함수 패턴이 발생되는 원리를 설명하기 위한 도면이고, 도 4는 본 발명에 따른 레이저 펄스폭 측정 장치에서 얻을 수 있는 이광자 흡수현상에 의해 측정된 광펄스 간섭형 자기상관함수 패턴 패턴이며, 레이저 펄스의 모양(shape)은 가우시안을 가정한다.

도 3(a)는 반사광과 투과광 사이에 광 경로차가 없어 간섭 에너지가 최대로 측정되는 것을 도시한 것이고, 도 3(b), 도 3(c)로 갈수록 반사광과 투과광의 광 경로차가 증가하는 경우를 도시한 것이며, 광 경로차가 커질수록 반사광과 투과광의 겹침이 없어져 이광자 흡수가 일어나지 않는 지점에 이르게 되어 도 3(d)에 이르게 된다.

도 3의 이해를 기반으로 레이저 펄스폭 측정을 위하여 본 발명에 따른 이광자 흡수 현상으로 측정된 전압신호 패턴을 생각해보면 도 4와 같이 간섭 패턴(여기서 패턴은 시간축을 따라 자체 중첩 및 간섭된 광펄스의 진폭과 위상변동을 의미하는 것이고, 일반적인 광학실험에서 볼 수 있는 공간상의 패턴이 아니다)을 얻을 수 있음을 알 수 있다. 왜냐하면, 본 발명에서는 액추에이터(40)가 연속적으로 움직이고 있기 때문에 도 3(a)에서 도 3(d)에 이르기까지 간섭되는 간섭 신호의 모든 패턴(전압)이 관찰 가능하기 때문이다. 참고로, 도 4(a)는 이광자 흡수현상을 이용하여 측정된 간섭형 자기함수이며, 이 측정된 간섭형 자기함수를 sech 함수로 가정하여 피팅하면, 포락선의 최대 전압이 약 0.44V이므로 0.22V에서 약 19.7fs의 레이저 광 펄스폭을 얻을 수 있고, 도 4(b)는 같은 방법으로 검출되는 레이저 광의 펄스폭이 약 17.2fs인 경우를 나타낸 것이다.

도 5는 본 발명에 따른 레이저 펄스폭 측정 장치에서 얻을 수 있는 이광자 흡수현상에 의해 측정된 광펄스 세기형 자기상관함수의 포락선을 추출한 것으로서, 도 5(a)는 전체 스캔 영역의 포락선이 도시된 것이고, 도 5(b)는 도 5(a)를 시간축을 따라 확대한 것, 즉 좁은 시간대에서 광펄스 세기형{위상이 제거된 광 에너지만으로 도시한 것, 즉 광펄스의 세기(intensity)를 도시한 형태} 포락선을 본 것이다. 본 발명에서 레이저 광 펄스폭은 간섭형 또는 세기형 신호 패턴 포락선의 최대 크기(peak)의 절반{1/2, 도 5(b)의 화살표가 가리키는 시간폭}에서 측정할 수 있다. 도 5(a)는 본 발명에 따른 레이저 펄스폭 측정 장치의 스캔 영역을 보여주는데, 액추에이터(40)가 소정 구동 주파수, 소정 진폭으로 구동되었을 때 약 5000fs의 스캔 영역{±2500fs, 도 5(a)에서 적색선으로 표시된 시간 영역}의 펄스를 측정할 수 있다는 것을 나타내고 있다. 본 발명자의 실험에 따르면 본 발명에 따른 레이저 펄스폭 측정 장치의 경우 전체 스캔 영역이 최소 10ps에서 최대 110ps에 달하고, 상용화되어 있는 제품의 제한된 스캔 영역보다 선택의 폭이 현저히 커 원하는 스캔 영역을 임의로 취사 선택하여 조절할 수 있다

본 발명에 따른 레이저 펄스폭 측정 장치도 측정 한계가 없는 것은 아닌데 이는 리니어 엔코더(50)의 분해능이 기인하는 것이다. 가령, 리니어 엔코더(50)의 분해능이 0.1㎛라면 광 경로차는 0.2㎛까지 측정할 수 있고, 이를 시간으로 환산하면 약 0.67fs(= 0.2㎛ / 광속 3×10⁸m/s)이므로 이 이하로는 펄스폭을 측정할 수 없다. 그러나 이는 리니어 엔코더(50)의 성능 향상으로 해결할 수 있는 문제이고, 기술 사상에 있어서는 문제가 없는 것이다.

한편, 본 발명에 따른 반도체 이광자 흡수 현상을 이용한 레이저 펄스폭 측정 장치는 기계적 특성 때문에 액추에이터(40)의 고유진동수(본 발명자가 구현한 실험장치에서는 약 5Hz였고, 이는 시스템에 따라 달라질 수 있다)가 아닌 주파수를 인가했을 때에는 액추에이터의 변위가 구동 전압인 sin 파형대로 온전하게 움직이지 못하고, 왜곡된 사인파형으로 나타나서 변위의 스캔범위가 고유진동수일 때보다 더 적게 제약된다. 예를 들면, 액추에이터(40)의 고유진동수보다 낮은 주파수로 구동할 경우 액추에이터(40) 변위의 sin 파형이 포화(saturation)되어 리니어 엔코더(50)가 클램핑된 변위값을 출력하게 된다. 이때 클램핑된 구간에서 간섭 패턴은 의미가 없으므로 레이저 펄스폭을 산출할 때에는 리니어 엔코더(50)가 클램핑 되지 않은 부분의 데이터만 이용해야 한다. 고유진동수보다 높은 주파수인 사인 함수의 경우에도 같은 이유로 스캔범위가 제약되는데, 액추에이터의 스캔 모양은 온전한 구동 사인파에 약간 더 높은 주파수 성분들이 섞여서 약간 왜곡된 사인파 형태로 빠르게 주사하게 된다. 고유진동수보다도 더 높은 주파수로 주사하게 되면, 스캔범위는 더 작아지지만 데이터 수집 속도가 빨라져서 실시간 디스플레이 뿐만 아니라 짧은 시간에 많은 데이터를 확보할 수 있는 장점을 얻게 된다. 이산적인 종래 장치에서는 이러한 액추에이터의 비선형특성을 파악하기 어려우며, 스텝 펄스의 개수로 이동 변위를 계산해야 하기 때문에 액추에이터 선형 구간만을 잘라서 사용해야 하고 이에 따라 스캔 범위나 구동 주파수에 제약이 따르는 단점이 파생된다. 아울러 스텝모터 특성상 움직임이 펄스형태로 구동되기 때문에 펄스가 가해짐에 따라 변위가 연속적이지 못하고 매번 갑작스런 흔들림이 수반하는 단점이 내재되어 있다.

광 디텍터(60)는 반사광과 투과광이 다시 빔스플리터(10)를 거쳐 이들 두 개의 광이 광검출기에 집속되어, 중첩되었을 때만 발생하는 이광자 흡수에 의해 유도되는 미세한 광전류를 전압으로 크게 증폭하여 광펄스 모양을 측정하는 구성요소이다. 높은 효용성을 위해 본 발명에 따른 레이저 펄스폭 측정 장치는 노이즈가 적고 교란이 적은 광 검출기 신호를 구현해야 한다. 일반적으로 이광자 흡수로 검출되는 미세 전류는 그 크기가 작아 별도의 장치로서 전류 증폭기를 사용해야 하는 경우가 많은데, 별도의 전류 증폭기를 사용하게 되면 원치 않는 노이즈를 발생시킬 뿐만 아니라 광 디텍터의 대역폭이 증폭률에 반비례하여 좁아지게 된다. 따라서 본 발명의 광 디텍터(60)는 트랜스임피던스 증폭기를 내장하였고, 이에 따라 별도의 전류 증폭기를 사용하지 않고도 대역폭을 고려하여 증폭률을 능동적으로 조정할 수 있어, 측정하고자 하는 펄스폭의 왜곡 없이 증폭된 신호전압으로 얻을 수 있는 장점이 있다.

도 6은 본 발명에서 빔스플리터의 다른 실시형태를 도시한 것이다. 본 발명에서 반사광과 투과광의 광 경로차를 더욱 일정하게 유지할 수 있도록 빔스플리터(10)를 제1, 제2 빔스플리터(11, 13)로 분할하고 제1 빔스플리터(11)의 반사면과 제2 빔스플리터(13)의 반사면이 반대로 향하도록 할 수 있다. 일반적으로 마이켈슨 간섭계를 도시할 때 도 1과 같이 빔스플리터를 직선으로 간략히 표시하는 경우가 많은데, 실제 빔스플리터는 도 7에 도시된 것과 같이 유리판(15)의 양면에 광학 코팅면을 갖는데, 한 면에는 원하는 반사율(대개 R=50%)을 갖는 광학 코팅면(17, 이하 ‘반사코팅면’이라 한다)이 형성되고 다른 한 면에는 입사광이 모두 투과되도록 매우 얇은 반투과 코팅면(19, Anti-Reflection coating)이 형성된다. 따라서 도 2에서 반사광의 경우 반사코팅면(17)에서 반사된 후 제1 미러(20)에서 되반사되어 반사코팅면(17)을 투과(투과율은 50%)하여 광 디텍터(60)로 입사되고, 투과광의 경우 반사코팅면(17)을 투과하여 유리판(15)을 거쳐 제2 미러(30)에서 되반사된 후 다시 유리판(15)을 거쳐 반사코팅면(17)에서 반사되어 광 디텍터(60)에 입사된다. 즉, 투과광의 경우 유리판(15)을 반사광에 비해 2번 더 지나가게 되고, 이에 따른 펄스폭 확대, 유리 내부 산란에 의한 감쇄 및 광 경로차가 발생되는 것이다. 광 경로차의 경우 고정된 광 시스템이라면 오프셋 개념으로 더하거나 빼서 보상할 수도 있지만 분산에 의한 펄스폭 확대, 감쇄 등의 광학적 효과는 상쇄하거나 보상하기 어렵다. 그런데 도 6과 같이 제1, 제2 빔스플리터(13)를 구성하는 경우 도 8과 같이 반사광과 투과광이 모두 유리판(15)을 1회씩 거치기 때문에 동일한 효과를 받게 되고, 빔스플리터를 통과함에 따른 광 경로차가 없어져 이를 보상할 필요도 없게 되는 것이다.

본 발명에서 광 디텍터(60)와 빔스플리터(10) 사이에, 보다 정확하게는 광 디텍터(60)의 직전에 집광 렌즈나 파라볼릭 미러(70)를 더 구비할 수 있다. 본 발명은 이광자 흡수현상을 이용하기 때문에 반사광과 투과광이 광 디텍터(60)의 한 점에 집중되어야 하는데, 빔스플리터(10)나 제1, 제2 미러(30)를 거치면서 한 점에 집중되기 어렵고 오히려 전파함에 따라 빔의 크기가 보다 확대된다. 집광 렌즈는 이러한 문제를 해결하기 위한 구성요소로 서로 이격 또는 중첩되어 평행하게 광 디텍터(60)에 입사되는 반사광과 투과광을 모아주는 역할을 한다. 참고로 집광 렌즈의 초점거리는 보통 수 ㎝이며, 초점거리가 보다 짧아질수록 보다 중앙부위가 두툼해진다.

집광 렌즈 대신 파라볼릭 미러(70)를 사용하는 것이 더 바람직하다. 왜냐하면, 집광 렌즈나 파라볼릭 미러(70)나 모두 광을 모아주는 것은 동일하지만 렌즈의 경우 초점거리가 짧을수록(이광자 흡수현상을 유도하기 위해 강한 집속이 요구됨)렌즈는 보다 두툼해지고, 수차 문제가 발생되어 레이저 광을 효과적으로 초점에 집중시키지 못하게 된다. 특히 집광렌즈를 사용하게 되면 렌즈의 굴절률이 갖는 정상분산 때문에 입사된 펄스폭이 급격하게 확대되는 펄스 확대(pulse-broadening) 현상에 의해 펄스폭이 왜곡되는 문제가 발생된다. 파라볼릭 미러(70)의 경우 앞서 기술한 바와 같이 펄스 확대에 따른 펄스 왜곡이나 렌즈 수차를 피할 수 있어서, 이광자 흡수현상을 이용하는 본 발명에 따른 레이저 펄스폭 측정 장치에 보다 적합하다 할 수 있다. 이때 초점거리는 가능한 짧을수록 좋은데, 그 이유는 강한 집속에 의해 집속된 빔의 크기가 작아져, 첨두 광세기가 높아지고 이광자흡수로 유도되는 전류세기는 비례적으로 증대되기 때문이다.

10 빔스플리터 11 제1 빔스플리터
13 제2 빔스플리터 15 유리판
17 반투과거울 19 반투과 코팅면
20 제1 미러 30 제2 미러
40 액추에이터 50 리니어 엔코더
60 광 디텍터 70 파라볼릭 미러

Claims

입사되는 레이저 광의 일부는 반사하고 일부는 투과시켜 레이저 광을 분리하는 빔스플리터(10);
상기 빔스플리터(10)에서 분리된 반사광을 반사하여 다시 상기 빔스플리터(10)에 입사시키는 제1 미러(20);
상기 빔스플리터(10)에서 분리된 투과광을 반사하여 다시 상기 빔스플리터(10)에 입사시키는 제2 미러(30);
상기 제1 미러(20) 또는 제2 미러(30) 중 어느 하나에 연결되어 상기 제1 미러(20) 또는 제2 미러(30)를 입사되는 광과 평행하게 이동시키는 액추에이터(40);
상기 직선으로 이동되는 액추에이터(40)의 변위를 측정하는 리니어 엔코더(50) 및
상기 반사광과 투과광이 상기 빔스플리터(10)를 거쳐 이광자 흡수되는 광 에너지를 측정하는 광 디텍터(60)로 구성되는 반도체 이광자 흡수 현상을 이용한 레이저 펄스폭 측정 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 액추에이터(40)의 변위가 연속적으로 변화하는 것을 특징으로 하는 반도체 이광자 흡수 현상을 이용한 레이저 펄스폭 측정 장치.
청구항 2에 있어서,
상기 광 디텍터(60)가 이광자 흡수로 여기되는 미세전류를 간섭 신호 패턴으로 변환하고, 상기 간섭 신호 패턴의 증폭률 조절이 가능한 것을 특징으로 하는 반도체 이광자 흡수 현상을 이용한 레이저 펄스폭 측정 장치.
청구항 3에 있어서,
상기 레이저 펄스폭의 측정은 상기 광 디텍터(60)에서 출력되는 상기 간섭 신호 패턴 포락선의 최대 크기의 절반(1/2)에서 추출한 것임을 특징으로 하는 반도체 이광자 흡수 현상을 이용한 레이저 펄스폭 측정 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 광 디텍터(60)가 트랜스임피던스 증폭기를 내장하는 것을 특징으로 하는 반도체 이광자 흡수 현상을 이용한 레이저 펄스폭 측정 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 광 디텍터(60)와 빔스플리터(10) 사이에 파라볼릭 미러(70)가 구비되는 것을 특징으로 하는 반도체 이광자 흡수 현상을 이용한 레이저 펄스폭 측정 장치.