KR20220170549A - 공초점 반사 기기 및 이의 설계 방법 - Google Patents

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Abstract

반사체 구조물들이 공초점을 공유하는 공초점 반사 기기의 설계 방법과 관련된 기술에 관한 것이다. 공초점(confocal) 반사 기기의 설계 방법은, 기 설정된 광분포 듀티비를 고려하여 반사체 구조물의 개수를 결정하는 단계; 상기 반사체 구조물의 개수에 기초하여 상기 반사체 구조물의 크기를 결정하는 단계; 및 상기 반사체 구조물의 개수 및 상기 반사체 구조물의 크기를 고려하여 상기 반사체 구조물 각각의 배열 각도를 결정하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

공초점 반사 기기 및 이의 설계 방법{CONFOCAL REFLECTIVE DEVICE AND DESIGN METHOD THEREOF}
본 명세서의 실시 예는 횡량식 주입 방식을 통한 광펌핑에 있어서, 공초점을 공유하는 반사체 구조물을 이용하여 입사광을 재주입하여 효율 및 안정도를 향상시킬 수 있는 공초점 반사 기기와 관련된 기술에 관한 것이다.
고출력 레이저를 위한 횡량식 주입 방식을 통한 광펌핑에 있어서, 입사광이 단순히 출력광과 1회 수직 교차할 경우, 수직 교차한 입사광은 재사용되지 않아 펌핑 효율을 높이기 어려우며, 출력광의 공진모드는 TEM00 기본 모드가 발생되는 효율이 높지 않은 어려움이 있었다. 따라서, 출력광에 수직 교차하는 입사광을 재사용할 경우 횡량식 주입 방식을 통한 광펌핑의 효율성이 향상될 수 있으므로, 입사광 전체가 효율적으로 반복 주입될 수 있는 기술이 필요하다.
본 명세서의 실시 예는 상술한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로 횡량식 주입 방식을 통한 광펌핑에 있어서, 공초점을 공유하는 반사체 구조물을 이용하여 입사광을 재주입하여 효율 및 안정도를 향상시킬 수 있는 공초점 반사 기기와 관련된 기술에 관한 것이다. 본 실시 예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제들로 한정되지 않으며, 이하의 실시 예 들로부터 또 다른 기술적 과제들이 유추될 수 있다.
상술한 과제를 달성하기 위하여, 본 명세서의 일 실시 예에 따르는 공초점(confocal) 반사 기기의 설계 방법은, 기 설정된 광분포 듀티비를 고려하여 반사체 구조물의 개수를 결정하는 단계; 상기 반사체 구조물의 개수에 기초하여 상기 반사체 구조물의 크기를 결정하는 단계; 및 상기 반사체 구조물의 개수 및 상기 반사체 구조물의 크기를 고려하여 상기 반사체 구조물 각각의 배열 각도를 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
실시 예에 따르면, 상기 배열 각도를 결정하는 단계는, 상기 반사체 구조물 각각의 배열 순서에 따른 상기 배열 각도를 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
실시 예에 따르면, 상기 배열 순서는, 상기 반사체 구조물이 복수인 경우, X축을 기준으로 상부와 하부 간의 교차하며 상기 반사체 구조물이 배열되는 순서에 대응하는 것을 특징으로 할 수 있다.
실시 예에 따르면, 상기 반사체 구조물의 크기를 결정하는 단계는, 상기 반사체 구조물의 개수가 증가할수록 상기 반사체 구조물 각각의 크기가 감소하거나, 상기 반사체 구조물의 개수가 감소할수록 상기 반사체 구조물 각각의 크기가 증가하도록 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
실시 예에 따르면, 상기 배열 각도는, 상기 반사체 구조물 각각이 공초점을 공유하도록 결정되는 것을 특징으로 할 수 있다.
실시 예에 따르면, 상기 반사체 구조물 각각은, 임의의 한점으로부터 일 방향으로 연장된 제1 포물면과, 상기 임의의 한점으로부터 타 방향으로 연장된 제2 포물면을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
실시 예에 따르면, 상기 반사체 구조물 각각은, 상기 공초점을 투과하여 상기 제1 포물면에 입사된 광은 반사되어 상기 제2 포물면에 입사되고, 상기 제2 포물면에서 반사된 광은 상기 공초점을 투과하여 재주입 되는 것을 특징으로 할 수 있다.
실시 예에 따르면, 상기 반사체 구조물 각각은, 상기 반사체 구조물의 개수가 짝수인 경우 상기 배열 각도에 기초하여 연속적으로 배치되고, 상기 반사체 구조물의 개수가 홀수인 경우 상기 배열 각도에 기초하여 불연속적으로 배치되는 것을 특징으로 할 수 있다.
상술한 과제를 달성하기 위하여, 본 명세서의 일 실시 예에 따르는 공초점 반사 기기는, 적어도 하나의 반사체 구조물을 포함하며, 상기 반사체 구조물은 임의의 한점으로부터 일 방향으로 연장된 제1 포물면과, 상기 임의의 한점으로부터 타 방향으로 연장된 제2 포물면을 포함하고, 상기 반사체 구조물의 크기는 반사체 구조물의 개수에 기초하여 결정되며, 상기 반사체 구조물의 크기와 개수를 고려한 배열 각도에 따라 상기 반사체 구조물 각각이 배열되고, 상기 반사체 구조물 각각의 제1 포물면 및 제2 포물면은 공초점을 공유하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상술한 과제를 달성하기 위하여, 본 명세서의 일 실시 예에 따르는 비일시적 컴퓨터 판독 가능 저장 매체는, 컴퓨터 판독 가능 명령어들을 저장하도록 구성되는 매체를 포함하고, 상기 컴퓨터 판독 가능 명령어들은 프로세서에 의해 실행되는 경우 상기 프로세서가: 기 설정된 광분포 듀티비를 고려하여 반사체 구조물의 개수를 결정하는 단계; 상기 반사체 구조물의 개수에 기초하여 상기 반사체 구조물의 크기를 결정하는 단계; 및 상기 반사체 구조물의 개수 및 상기 반사체 구조물의 크기를 고려하여 상기 반사체 구조물 각각의 배열 각도를 결정하는 단계를 포함하는 공초점 반사 기기의 설계 방법을 수행하도록 하는, 비일시적 컴퓨터 판독 가능 저장 매체일 수 있다.
기타 실시 예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 개시에 따르면, 입사광의 반복주입을 통한 광펌핑 효율을 개선함으로써 고출력 레이저를 출력할 수 있고 출력광의 TEM00 기본 모드의 발진 효율도 개선될 수 있다. 이와 같은 고출력 레이저는 예컨대 반도체, 미사일 격추와 같은 군사 분야 등의 다양한 산업 전반에서 사용될 수 있다. 또한, 원하는 2(N+1) fold 대칭성과 광분포 듀티비를 고려하여 반사체 구조물의 개수를 결정함으로써, 비용 및 크기를 고려하여 필요한 기술 분야에 적합한 공초점 반사 기기를 적용할 수 있다. 또한, 반사체 구조물의 크기를 개수에 따라 조절함으로써 반사체 구조물이 중첩되지 않는 구조를 가질 수 있다. 또한, 반사체 구조물이 공초점을 공유함으로써, 입사광이 낭비되지 않고 반복 주입되어 효율이 향상될 수 있다.
실시 예의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당해 기술 분야의 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 N=0인 경우 횡량식 광펌핑을 설명하기 위한 일 실시 예에 따른 도면을 나타낸다.
도 2는 N=1인 경우 횡량식 광펌핑을 설명하기 위한 일 실시 예에 따른 도면을 나타낸다.
도 3은 N=2인 경우 횡량식 광펌핑을 설명하기 위한 일 실시 예에 따른 도면을 나타낸다.
도 4는 N=3인 경우 횡량식 광펌핑을 설명하기 위한 일 실시 예에 따른 도면을 나타낸다.
도 5는 N에 따른 반사체 구조물의 크기를 설명하기 위한 일 실시 예에 따른 도면을 나타낸다.
도 6은 N=4인 경우 횡량식 광펌핑을 설명하기 위한 일 실시 예에 따른 도면을 나타낸다.
도 7은 일 실시 예에 따른 공초점(confocal) 반사 기기의 설계 방법을 설명하기 위한 도면이다.
실시 예들에서 사용되는 용어는 본 개시에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 개시에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 개시의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.
명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 “포함”한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 “~부”, “~모듈” 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
명세서 전체에서 기재된 “a, b, 및 c 중 적어도 하나”의 표현은, ‘a 단독’, ‘b 단독’, ‘c 단독’, ‘a 및 b’, ‘a 및 c’, ‘b 및 c’, 또는 ‘a,b,c 모두’를 포괄할 수 있다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고하여 본 개시의 실시 예에 대하여 본 개시가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 개시는 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 개시의 실시 예들을 상세히 설명한다.
도 1은 N=0인 경우 횡량식 광펌핑을 설명하기 위한 일 실시 예에 따른 도면을 나타낸다.
도 1을 참조하면, 펌핑주입광(123, 133, 143)은 입사광(110)의 광펌핑을 위하여 측면에서 수직 방향으로 주입될 수 있다. 이때, 펌핑주입광(123, 133, 143)은 Laser Diode Bar가 적층된 구조로 주입되는 광원일 수 있다. 입사광(110)은 펌핑주입광(123, 133, 143)과 위치(121, 131, 141)에서 1회 교차하여 상호작용(광펌핑)될 수 있고, 상호작용된 출력광(111)은 주입 후 투괴된 광(125, 135, 145)과 더 이상의 추가 상호작용없이 낭비될 수 있다.
이와 같이, 입사광(110)과 공진기 펌핑주입광(123, 133, 143)이 1회 교차할 경우 출력광(111)은 1회 펌핑되고, 입사광(110)과 1회 상호작용한 주입 후 투과된 광(125, 135, 145)은 재사용없이 낭비되어 효율이 상대적으로 낮을 수 있다. 또한, 공진기 구조상 출력광(111)의 공진모드는 TEM01 이상의 고차 모드가 발생되는 비율이 상대적으로 높으며, 이로 인해 TEM00 기본 모드가 발생되는 효율이 상대적으로 낮을 수 있다. 따라서, 낭비될 수 있는 주입 후 투과된 광(125, 135, 145)을 재주입하여 활용할 경우 효율이 개선될 수 있으므로, 이하, 효율을 개선시킬 수 있는 기술에 대해 자세히 기재한다.
도 2는 N=1인 경우 횡량식 광펌핑을 설명하기 위한 일 실시 예에 따른 도면을 나타낸다. 도 2는 반사체 구조물에 의한 광의 진행 방향을 광선 추적 방식으로 나타낸다.
도 2를 참조하면, 입사광을 효율적이면서, 2(N+1)-fold 대칭적으로 재주입하는 반사체 구조물을 배치함으로써, 출력광의 펌핑 효율과 TEM00 기본 모드의 발생 효율이 N=0인 경우와 비교하여 향상될 수 있다.
여기서, N=1인 경우, 반사체 구조물의 개수에 기초하여 반사체 구조물의 크기는 결정될 수 있다. 또한, 반사체 구조물의 개수 및 반사체 구조물의 크기를 고려하여 반사체 구조물의 배열 각도가 결정될 수 있다. 반사체 구조물의 크기 및 배열 각도에 대한 자세한 내용은 이하 도 5 및 도 6에서 자세히 기재한다. 반사체 구조물은 X축을 기준으로 상부와 하부 간의 교차하며 배열될 수 있으며, N=1인 경우 반사체 구조물은 X축을 기준으로 상부에만 배열될 수 있다.
이때, 반사체 구조물은 제1 포물면(221)과 제2 포물면(223)을 포함할 수 있다. 제1 포물면(221)은 임의의 한점 V1으로부터 일 방향으로 연장되어 형성되며, 제2 포물면(223)은 임의의 한점 V1으로부터 타 방향으로 연장되어 형성될 수 있다. 도 2에서 축(225)은 초점(230)과 임의의 한점 V1을 연결한 선에 대응할 수 있다.
중심광인 입사광(211)이 초점(230)을 투과하여 제1 포물면(221)에 입사되면 반사되어 제2 포물면(223)에 입사될 수 있다. 이때, 제1 포물면(221)에서 반사된 광은 축(225)에 수직일 수 있다. 또한, 제2 포물면(223)에 입사된 광은 반사되어 초점(230)을 투과하도록 재주입 될 수 있다. 주변광인 입사광(213)이 초점(230)을 투과하여 제1 포물면(221)에 입사되면 반사되어 제2 포물면(223)에 입사될 수 있다. 이때, 제1 포물면(221)에서 반사된 광은 축(225)에 수직일 수 있다. 또한, 제2 포물면(223)에 입사된 광은 반사되어 초점(230)을 투과하도록 재주입 될 수 있다. 주변광인 입사광(215)이 초점(230)을 투과하여 제1 포물면(221)에 입사되면 반사되어 제2 포물면(223)에 입사될 수 있다. 이때, 제1 포물면(221)에서 반사된 광은 축(225)에 수직일 수 있다. 또한, 제2 포물면(223)에 입사된 광은 반사되어 초점(230)을 투과하도록 재주입 될 수 있다. 여기서, 입사광(211)은 중심광에 대응하고, 입사광(213) 및 입사광(215)는 주변광에 대응하는 것으로서, 이는 laser diode bar가 적층된 구조이기 때문이다. 이하 중심광의 입사와 반사 및 재입사를 기준으로 설명한다.
도 3은 N=2인 경우 횡량식 광펌핑을 설명하기 위한 일 실시 예에 따른 도면을 나타낸다. 도 3은 반사체 구조물에 의한 광의 진행 방향을 광선 추적 방식으로 나타낸다.
도 3을 참조하면, 입사광을 효율적이면서, 2(N+1)-fold 대칭적으로 재주입하는 반사체 구조물을 배치함으로써, 출력광의 펌핑 효율과 TEM00 기본 모드의 발생 효율이 N=0인 경우와 비교하여 향상될 수 있다.
여기서, N=2인 경우, 반사체 구조물의 개수에 기초하여 반사체 구조물의 크기는 결정될 수 있다. 또한, 반사체 구조물의 개수 및 반사체 구조물의 크기를 고려하여 반사체 구조물의 배열 각도가 결정될 수 있다. 반사체 구조물의 크기 및 배열 각도에 대한 자세한 내용은 이하 도 5 및 도 6에서 자세히 기재한다. 반사체 구조물은 X축을 기준으로 상부와 하부 간의 교차하며 배열될 수 있으며, N=2인 경우 반사체 구조물은 X축을 기준으로 상부에 제1 반사체 구조물이 먼저 배열된 후, 하부에 제2 반사체 구조물이 배열될 수 있다.
이때, 제1 반사체 구조물은 제1 포물면(321) 및 제2 포물면(323)을 포함할 수 있다. 제1 포물면(321)은 임의의 한점 V1으로부터 일 방향으로 연장되어 형성되며, 제2 포물면(323)은 임의의 한점 V1으로부터 타 방향으로 연장되어 형성되며, 축(325)은 초점(340)과 임의의 한점 V1을 연결한 선에 대응할 수 있다. 또한, 제2 반사체 구조물은 제1 포물면(331) 및 제2 포물면(333)을 포함할 수 있다. 제1 포물면(331)은 임의의 한점 V2으로부터 일 방향으로 연장되어 형성되며, 제2 포물면(333)은 임의의 한점 V2으로부터 타 방향으로 연장되어 형성되며, 축(335)은 초점(340)과 임의의 한점 V2를 연결한 선에 대응할 수 있다.
입사광(310)이 초점(340)을 투과하여 제1 반사체 구조물의 제1 포물면(321)에 입사되면 반사되어 제1 반사체 구조물의 제2 포물면(323)에 입사될 수 있다. 이때, 제1 포물면(321)에서 반사된 광은 축(325)에 수직일 수 있다. 또한, 제2 포물면(323)에 입사된 광은 반사되어 초점(340)을 투과하도록 재주입 될 수 있다. 이때, 제2 포물면(323)에서 반사되어 초점(340)을 투과하도록 재주입 된 광은 제2 반사체 구조물의 제1 포물면(331)에 재입사되면 반사되어 제2 반사체 구조물의 제2 포물면(333)에 입사될 수 있다. 이때, 제1 포물면(331)에서 반사된 광은 축(335)에 수직일 수 있다. 또한, 제2 포물면(333)에 입사된 광은 반사되어 초점(340)을 투과하도록 재주입 될 수 있다. 이로 인해 도 1과 같이 낭비되는 입사광을 효율적으로 재사용하여 입사 펌핑광이 2(N+1)-fold의 대칭 분포 특성을 갖도록 조절함으로써, 효율이 개선될 수 있다.
이와 같이, 제1 포물면(321) 및 제2 포물면(323)을 포함하는 제1 반사체 구조물의 초점(340)과 제1 포물면(331) 및 제2 포물면(333)을 포함하는 제2 반사체 구조물의 초점(340)은 동일할 수 있으며, 이로 인해 출력광의 펌핑 효율과 TEM00 기본 모드의 발생 효율이 N=0인 경우와 비교하여 향상될 수 있다. 또한, 반사체 구조물을 2개를 이용할 경우, 도 2와 비교하여 반사체 구조물의 크기는 감소하며, 배열 각도 또한 상이할 수 있다.
도 4는 N=3인 경우 횡량식 광펌핑을 설명하기 위한 일 실시 예에 따른 도면을 나타낸다. 도 4는 반사체 구조물에 의한 광의 진행 방향을 광선 추적 방식으로 나타낸다.
도 4를 참조하면, 입사광을 효율적이면서, 2(N+1)-fold 대칭적으로 재주입하는 반사체 구조물을 배치함으로써, 출력광의 펌핑 효율과 TEM00 기본 모드의 발생 효율이 N=0인 경우와 비교하여 향상될 수 있다.
여기서, N=3인 경우, 반사체 구조물의 개수에 기초하여 반사체 구조물의 크기는 결정될 수 있다. 또한, 반사체 구조물의 개수 및 반사체 구조물의 크기를 고려하여 반사체 구조물의 배열 각도가 결정될 수 있다. 반사체 구조물의 크기 및 배열 각도에 대한 자세한 내용은 이하 도 5 및 도 6에서 자세히 기재한다. 반사체 구조물은 X축을 기준으로 상부와 하부 간의 교차하며 배열될 수 있으며, N=3인 경우 반사체 구조물은 X축을 기준으로 상부에 제1 반사체 구조물이 먼저 배열된 후, 하부에 제2 반사체 구조물이 배열되고, 마지막으로 상부에 다시 제3 반사체 구조물이 배열될 수 있다.
이때, 제1 반사체 구조물은 제1 포물면(421) 및 제2 포물면(423)을 포함할 수 있다. 제1 포물면(421)은 임의의 한점 V1으로부터 일 방향으로 연장되어 형성되며, 제2 포물면(423)은 임의의 한점 V1으로부터 타 방향으로 연장되어 형성되며, 축(425)은 초점(450)과 임의의 한점 V1을 연결한 선에 대응할 수 있다. 또한, 제2 반사체 구조물은 제1 포물면(431) 및 제2 포물면(433)을 포함할 수 있다. 제1 포물면(431)은 임의의 한점 V2으로부터 일 방향으로 연장되어 형성되며, 제2 포물면(433)은 임의의 한점 V2으로부터 타 방향으로 연장되어 형성되며, 축(435)은 초점(450)과 임의의 한점 V2를 연결한 선에 대응할 수 있다. 또한, 제3 반사체 구조물은 제1 포물면(441) 및 제2 포물면(443)을 포함할 수 있다. 제1 포물면(441)은 임의의 한점 V3으로부터 일 방향으로 연장되어 형성되며, 제2 포물면(443)은 임의의 한점 V3으로부터 타 방향으로 연장되어 형성되며, 축(445)은 초점(450)과 임의의 한점 V3을 연결한 선에 대응할 수 있다.
입사광(410)이 초점(450)을 투과하여 제1 반사체 구조물의 제1 포물면(421)에 입사되면 반사되어 제1 반사체 구조물의 제2 포물면(423)에 입사될 수 있다. 이때, 제1 포물면(421)에서 반사된 광은 축(425)에 수직일 수 있다. 또한, 제2 포물면(423)에 입사된 광은 반사되어 초점(450)을 투과하도록 재주입 될 수 있다. 이때, 제2 포물면(423)에서 반사되어 초점(450)을 투과하여 출력된 광은 제2 반사체 구조물의 제1 포물면(431)에 재입사되면 반사되어 제2 반사체 구조물의 제2 포물면(433)에 입사될 수 있다. 이때, 제1 포물면(431)에서 반사된 광은 축(435)에 수직일 수 있다. 또한, 제2 포물면(433)에 입사된 광은 반사되어 초점(450)을 투과하도록 재주입 될 수 있다. 이때, 제2 포물면(433)에서 반사되어 초점(450)을 투과하도록 재주입 된 광은 제3 반사체 구조물의 제1 포물면(441)에 재입사되면 반사되어 제3 반사체 구조물의 제2 포물면(443)에 입사될 수 있다. 이때, 제1 포물면(441)에서 반사된 광은 축(445)에 수직일 수 있다. 또한, 제2 포물면(443)에 입사된 광은 반사되어 초점(450)을 투과하도록 재주입 될 수 있다.
이로 인해 도 1과 같이 낭비되는 입사광을 효율적으로 재사용하여 입사 펌핑광이 2(N+1)-fold의 대칭 분포 특성을 갖도록 조절함으로써, 효율이 개선될 수 있다. 예를 들면, 입사광의 초점 입사 모임각 또는 퍼짐각이 10도인 경우, 도 1에 의한 횡량식 광펌핑을 사용할 경우 coverage duty ratio는 2*10/360*100으로서 대략 5.6%이지만, 도 4와 같이 N=3개인 경우 coverage duty ratio는 2*10*(3+1)/360*100으로서 대략 22.2%로서, 효율이 약 4배 개선된 것을 확인할 수 있다. 또한, 대칭성이 2*(3+1)-fold 이므로 중첩 적분 방식으로 상호작용을 계산하면 TEM00 기본모드의 발진 효율 또한 4배 이상으로 향상됨을 확인할 수 있다.
이와 같이, 제1 포물면(421) 및 제2 포물면(423)을 포함하는 제1 반사체 구조물의 초점(450), 제1 포물면(431) 및 제2 포물면(433)을 포함하는 제2 반사체 구조물의 초점(450) 및 제1 포물면(441) 및 제2 포물면(443)을 포함하는 제3 반사체 구조물의 초점(450)은 동일할 수 있으며, 이로 인해 출력광의 펌핑 효율과 TEM00 기본 모드의 발생 효율이 N=0인 경우와 비교하여 향상될 수 있다.
또한, 반사체 구조물을 3개를 이용할 경우, 도 2 및 도 3과 비교하여 반사체 구조물의 크기는 감소하며, 배열 각도 또한 상이할 수 있다. 반사체 구조물의 개수가 짝수(N은 2 이상)인 경우 도 3과 같이 반사체 구조물들은 연속적으로 배열되고, 반사체 구조물의 개수가 홀수(N은 3 이상)인 경우 도 4와 같이 반사체 구조물들은 연속적이지 않고 분리되어 배열될 수 있다.
도 5는 N에 따른 반사체 구조물의 크기를 설명하기 위한 일 실시 예에 따른 도면을 나타낸다.
도 5를 참조하면, 반도체 구조물의 개수 N에 따른 반도체 구조물의 크기가 상이할 수 있다. 반도체 구조물의 개수 N이 결정된 경우, 반사체 구조물이 입사된 광을 반사하여 재주입할 수 있는 최대 관할각도는 qN = 180/(N+1)에 따라 결정될 수 있다. 예를 들면, N=1인 경우 반사체 구조물의 최대 관할각도는 ±90도로서, 꼭지점 V와 초점 F 및 G1간의 각도는 90도일 수 있다. 또한, N=2인 경우 반사체 구조물의 최대 관할각도는 ±60도로서, 꼭지점 V와 초점 F 및 G2간의 각도는 60도일 수 있다. 또한, N=3인 경우 반사체 구조물의 최대 관할 각도는 ±45도로서, 꼭지점 V와 초점 F 및 G3간의 각도는 45도일 수 있다.
이때, 각 반사체 구조물에서 특정 위치(GN)의 좌표와 관련하여, xN = 2p(1-sinqN)/cosqN이고, yN = xN tanqN = p - xN 2/4p 일 수 있다. 이로부터, GN (xN, yN) = (2p(1-sinqN)/cosqN , p - xN 2/4p)이 결정될 수 있다. 여기서, p는 포물선의 초점을 나타내는 것으로서, 축척을 조절할 수 있는 변수에 대응할 수 있다.
반사체 구조물에서 축(530)은 꼭지점 V(520)과 초점 F(510)을 연결한 중심선에 대응할 수 있다. 각 반사체 구조물에서 축(530)으로부터 특정 위치(GN)까지의 각도 GqN는 qN 보다 작을 수 있다. 즉, GqN < qN 관계로부터 각 반사체 구조물의 높이 H를 제한할 수 있다. 구체적으로, H= 2yN = 2 xN tanqN 보다 같거나 작은 관계일 수 있다. 또한, N개 반사체 구조물을 사용 설계시, 길이 LN= (2+d)p-xN 보다 작을 수 있으며, 이때 dp는 전체 시스템 구성상 여분의 길이로 임의적으로 추가될 수 있는 길이이다. 각 반사체 구조물의 실제 관할각도(qN,real)은 최대 관할각도 qN = 180/(N+1) 보다 작지만, 광펌핑용 시스템에 적용되는 초점 입사 모임각 또는 초점 입사 퍼짐각 qInc 보다는 클 수 있다.
따라서, 반사체 구조물의 개수에 기초하여 반사체 구조물의 크기가 결정될 수 있으며, N의 개수가 증가할수록 반사체 구조물 각각의 크기가 감소하거나 또는 N의 개수가 감소할수록 반사체 구조물 각각의 크기가 증가할 수 있다.
도 6은 N=4인 경우 횡량식 광펌핑을 설명하기 위한 일 실시 예에 따른 도면을 나타낸다. 도 6는 반사체 구조물에 의한 광의 진행 방향을 광선 추적 방식으로 나타낸다.
도 6을 참조하면, 입사광을 효율적이면서, 2(N+1)-fold 대칭적으로 재주입하는 반사체 구조물을 배치함으로써, 출력광의 펌핑 효율과 TEM00 기본 모드의 발생 효율이 N=0인 경우와 비교하여 향상될 수 있다.
여기서, N=4인 경우, 반사체 구조물의 개수에 기초하여 반사체 구조물의 크기는 결정될 수 있다. 도 5에서 기재한 바와 같이, N에 따라 최대 관할각도 및 꼭지점의 좌표가 결정되며, 이에 따른 반사체 구조물의 크기가 결정될 수 있다.
또한, 반사체 구조물의 개수 및 반사체 구조물의 크기를 고려하여 반사체 구조물의 배열 각도가 결정될 수 있다. 이때, 반사체 구조물 각각의 배열 순서에 따른 배열 각도가 결정될 수 있다. 반사체 구조물은 X축을 기준으로 상부와 하부 간의 교차 순서로 배열될 수 있으며, N=4인 경우 반사체 구조물은 X축을 기준으로 상부에 제1 반사체 구조물이 먼저 배열된 후, 하부에 제2 반사체 구조물이 배열되고, 상부에 다시 제3 반사체 구조물이 배열된 후, 마지막으로 하부에 제4 반사체 구조물이 배열되는 순서일 수 있다.
구체적으로, 반사체 구조물의 배열 각도는 다음의 수학식 1에 따라 결정될 수 있다.
[수학식 1]
Figure pat00001
이때, 제1 반사체 구조물은 1사분면에 배치될 수 있으며, 제1 반사체 구조물의 축을 qN md,up odd k= (qN/2)(예컨대, 18도) 기울여 배치할 수 있으며, 제2 반사체 구조물의 축을 qN md,dw even k= 3(qN/2)+180(예컨대, 234도) 기울여 배치할 수 있으며, 제3 반사체 구조물의 축을 qN md,up odd k= 5(qN/2)(예컨대, 90도) 기울여 배치할 수 있으며, 제4 반사체 구조물의 축을 qN md,dw even k= 7(qN/2)+180(예컨대, 306도) 기울여 배치할 수 있다. 이와 같은 규칙에 따른 배열 각도를 고려하여 반사체 구조물을 배치할 경우, 입사광의 재주입된 각도분포는 2(N+1)-fold의 대칭적인 각도분포로서, 입사광과 최종 재주입된광은 이웃하는 관계일 수 있다. 다만, N이 홀수인 경우에는 도 2 및 도 4와 같이 준-나란한 방향일 수 있으며, N이 짝수인 경우에는 도 3 및 도 6과 같이 준-엇갈린 방향일 수 있다.
이때, 제1 반사체 구조물은 제1 포물면(621) 및 제2 포물면(623)을 포함할 수 있다. 제1 포물면(621)은 임의의 한점 V1으로부터 일 방향으로 연장되어 형성되며, 제2 포물면(623)은 임의의 한점 V1으로부터 타 방향으로 연장되어 형성되며, 축(625)은 초점(660)과 임의의 한점 V1을 연결한 선에 대응할 수 있다. 또한, 제2 반사체 구조물은 제1 포물면(631) 및 제2 포물면(633)을 포함할 수 있다. 제1 포물면(631)은 임의의 한점 V2으로부터 일 방향으로 연장되어 형성되며, 제2 포물면(633)은 임의의 한점 V2으로부터 타 방향으로 연장되어 형성되며, 축(635)은 초점(660)과 임의의 한점 V2를 연결한 선에 대응할 수 있다. 또한, 제3 반사체 구조물은 제1 포물면(641) 및 제2 포물면(643)을 포함할 수 있다. 제1 포물면(641)은 임의의 한점 V3으로부터 일 방향으로 연장되어 형성되며, 제2 포물면(643)은 임의의 한점 V3으로부터 타 방향으로 연장되어 형성되며, 축(645)은 초점(660)과 임의의 한점 V3을 연결한 선에 대응할 수 있다. 또한, 제4 반사체 구조물은 제1 포물면(651) 및 제2 포물면(653)을 포함할 수 있다. 제1 포물면(651)은 임의의 한점 V4로부터 일 방향으로 연장되어 형성되며, 제2 포물면(653)은 임의의 한점 V4로부터 타 방향으로 연장되어 형성되며, 축(655)은 초점(660)과 임의의 한점 V3을 연결한 선에 대응할 수 있다.
입사광(610)이 초점(660)을 투과하여 제1 반사체 구조물의 제1 포물면(621)에 입사되면 반사되어 제1 반사체 구조물의 제2 포물면(623)에 입사될 수 있다. 이때, 제1 포물면(621)에서 반사된 광은 축(625)에 수직일 수 있다. 또한, 제2 포물면(623)에 입사된 광은 반사되어 초점(660)을 투과하도록 재주입 될 수 있다. 이때, 제2 포물면(623)에서 반사되어 초점(660)을 투과하여 출력된 광은 제2 반사체 구조물의 제1 포물면(631)에 재입사되면 반사되어 제2 반사체 구조물의 제2 포물면(633)에 입사될 수 있다. 이때, 제1 포물면(631)에서 반사된 광은 축(635)에 수직일 수 있다. 또한, 제2 포물면(633)에 입사된 광은 반사되어 초점(660)을 투과하도록 재주입 될 수 있다. 이때, 제2 포물면(633)에서 반사되어 초점(660)을 투과하여 출력된 광은 제3 반사체 구조물의 제1 포물면(641)에 재입사되면 반사되어 제3 반사체 구조물의 제2 포물면(643)에 입사될 수 있다. 이때, 제1 포물면(641)에서 반사된 광은 축(645)에 수직일 수 있다. 또한, 제2 포물면(643)에 입사된 광은 반사되어 초점(660)을 투과하도록 재주입 될 수 있다. 이때, 제2 포물면(643)에서 반사되어 초점(660)을 투과하여 출력된 광은 제4 반사체 구조물의 제1 포물면(651)에 재입사되면 반사되어 제4 반사체 구조물의 제2 포물면(653)에 입사될 수 있다. 이때, 제1 포물면(651)에서 반사된 광은 축(655)에 수직일 수 있다. 또한, 제2 포물면(653)에 입사된 광은 반사되어 초점(660)을 투과하도록 재주입 될 수 있다.
이와 같이, 제1 포물면(621) 및 제2 포물면(623)을 포함하는 제1 반사체 구조물의 초점(660), 제1 포물면(631) 및 제2 포물면(633)을 포함하는 제2 반사체 구조물의 초점(660), 제1 포물면(641) 및 제2 포물면(643)을 포함하는 제3 반사체 구조물의 초점(660) 및 제1 포물면(651) 및 제2 포물면(653)을 포함하는 제4 반사체 구조물의 초점(660)은 동일할 수 있으며, 이로 인해 출력광의 펌핑 효율과 TEM00 기본 모드의 발생 효율이 N=0인 경우와 비교하여 향상될 수 있다. 또한, 반사체 구조물을 4개를 이용할 경우, 도 2 내지 도 4과 비교하여 반사체 구조물의 크기는 감소하며, 배열 각도 또한 상이할 수 있다.
이때, 반사체 구조물의 개수에 따라 결정된 반사체 구조물 각각의 배열 각도에 따른 반사체 구조물의 배치를 가이드하기 위한 받침대와 가이드 홈을 이용할 수 있다.
도 7은 일 실시 예에 따른 공초점(confocal) 반사 기기의 설계 방법을 설명하기 위한 도면이다. 여기서, 이와 같은 설계 방법을 통해 제조된 공초점 반사 기기는 반사체 구조물 간의 초점을 공유하는 기기로서, 이를 이용하여 횡량식 광펌핑의 효율이 개선될 수 있다.
도 7을 참조하면, 단계 S710에서 기 설정된 광분포 듀티비를 고려하여 반사체 구조물의 개수를 결정할 수 있다. 사용 목적을 고려한 2(N+1)-fold 대칭성과 광분포 듀티비(duty ratio)를 고려하여 반사체 구조물의 개수가 결정될 수 있다.
단계 S720에서, 반사체 구조물의 개수에 기초하여 반사체 구조물의 크기가 결정될 수 있다. 반사체 구조물의 개수가 증가할수록 반사체 구조물 각각의 크기가 감소하거나, 반사체 구조물의 개수가 감소할수록 반사체 구조물 각각의 크기가 증가할 수 있다. 반사체 구조물의 크기와 관련하여 자세한 내용은 도 5와 관련된 설명을 참조한다.
단계 S730에서, 반사체 구조물이 개수 및 반사체 구조물의 크기를 고려하여 반사체 구조물 각각의 배열 각도가 결정될 수 있다. 이때, 반사체 구조물 각각의 배열 순서에 따라 배열 각도가 결정될 수 있다. 예컨대, X축을 기준으로 상부와 하부가 교차하는 순서로 전술한 수학식 1에 따른 배열 각도에 따라 반사체 구조물이 배열될 수 있다.
반사체 구조물이 복수인 경우, 배열 각도는 반사체 구조물 각각이 공초점을 공유하도록 결정될 수 있다. 즉, 수학식 1에 따른 배열 각도에 따라 반사체 구조물이 배열될 때, 반사체 구조물들은 공초점을 공유하는 구조로 배열될 수 있다. 예컨대, 제1 반사체 구조물에 입사된 광이 반사되어 재주입 되면서 공초점을 투과하여 제2 반사체 구조물에 입사될 수 있고, 제2 반사체 구조물에 입사된 광이 반사되어 재주입 되면서 공초점을 투과하여 제3 반사체 구조물에 입사될 수 있다. 이와 같이 낭비되는 입사광을 재주입하는 과정을 반복하면서 TEM00 기본모드 발생비율이 개선되어 효율이 향상될 수 있다.
전술한 공초점 반사 기기의 설계 방법과 관련된 실시예들을 수행하는 전자 장치 또는 단말은, 프로세서, 프로그램 데이터를 저장하고 실행하는 메모리, 디스크 드라이브와 같은 영구 저장부(permanent storage), 외부 장치와 통신하는 통신 포트, 사용자 인터페이스 장치 등을 포함할 수 있다. 이 외에도 다른 범용적인 구성요소들이 더 포함될 수 있음을 본 실시 예와 관련된 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 수 있다. 프로세서는 공초점 반사 기기의 설계 방법의 전반의 동작을 제어하고 데이터 및 신호를 처리할 수 있다. 프로세서는 적어도 하나의 하드웨어 유닛으로 구성될 수 있다. 또한, 프로세서는 메모리에 저장된 프로그램 코드를 실행하여 생성되는 하나 이상의 소프트웨어 모듈에 의해 동작할 수 있다.
본 실시 예는 기능적인 블록 구성들 및 다양한 처리 단계들로 나타내어질 수 있다. 이러한 기능 블록들은 특정 기능들을 실행하는 다양한 개수의 하드웨어 또는/및 소프트웨어 구성들로 구현될 수 있다. 또한, 본 실시 예는 전자적인 환경 설정, 신호 처리, 및/또는 데이터 처리 등을 위하여 종래 기술을 채용할 수 있다. “매커니즘”, “요소”, “수단”, “구성”과 같은 용어는 넓게 사용될 수 있으며, 기계적이고 물리적인 구성들로서 한정되는 것은 아니다. 상기 용어는 프로세서 등과 연계하여 소프트웨어의 일련의 처리들(routines)의 의미를 포함할 수 있다.
전술한 실시예들은 일 예시일 뿐 후술하는 청구항들의 범위 내에서 다른 실시예들이 구현될 수 있다.

Claims (10)

  1. 기 설정된 광분포 듀티비를 고려하여 반사체 구조물의 개수를 결정하는 단계;
    상기 반사체 구조물의 개수에 기초하여 상기 반사체 구조물의 크기를 결정하는 단계; 및
    상기 반사체 구조물의 개수 및 상기 반사체 구조물의 크기를 고려하여 상기 반사체 구조물 각각의 배열 각도를 결정하는 단계를 포함하는,
    공초점(confocal) 반사 기기의 설계 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 배열 각도를 결정하는 단계는,
    상기 반사체 구조물 각각의 배열 순서에 따른 상기 배열 각도를 결정하는 단계를 포함하는,
    공초점 반사 기기의 설계 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 배열 순서는,
    상기 반사체 구조물이 복수인 경우, X축을 기준으로 상부와 하부 간의 교차하며 상기 반사체 구조물이 배열되는 순서에 대응하는 것을 특징으로 하는,
    공초점 반사 기기의 설계 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 반사체 구조물의 크기를 결정하는 단계는,
    상기 반사체 구조물의 개수가 증가할수록 상기 반사체 구조물 각각의 크기가 감소하거나, 상기 반사체 구조물의 개수가 감소할수록 상기 반사체 구조물 각각의 크기가 증가하도록 결정하는 단계를 포함하는,
    공초점 반사 기기의 설계 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 배열 각도는, 상기 반사체 구조물 각각이 공초점을 공유하도록 결정되는 것을 특징으로 하는,
    공초점 반사 기기의 설계 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 반사체 구조물 각각은,
    임의의 한점으로부터 일 방향으로 연장된 제1 포물면과, 상기 임의의 한점으로부터 타 방향으로 연장된 제2 포물면을 포함하는 것을 특징으로 하는,
    공초점 반사 기기의 설계 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 반사체 구조물 각각은,
    상기 공초점을 투과하여 상기 제1 포물면에 입사된 광은 반사되어 상기 제2 포물면에 입사되고, 상기 제2 포물면에서 반사된 광은 상기 공초점을 투과하도록 재주입 되는 것을 특징으로 하는,
    공초점 반사 기기의 설계 방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 반사체 구조물 각각은,
    상기 반사체 구조물의 개수가 짝수인 경우 상기 배열 각도에 기초하여 연속적으로 배치되고, 상기 반사체 구조물의 개수가 홀수인 경우 상기 배열 각도에 기초하여 불연속적으로 배치되는 것을 특징으로 하는,
    공초점 반사 기기의 설계 방법.
  9. 비일시적 컴퓨터 판독 가능 저장 매체로서,
    컴퓨터 판독 가능 명령어들을 저장하도록 구성되는 매체를 포함하고,
    상기 컴퓨터 판독 가능 명령어들은 프로세서에 의해 실행되는 경우 상기 프로세서가:
    기 설정된 광분포 듀티비를 고려하여 반사체 구조물의 개수를 결정하는 단계;
    상기 반사체 구조물의 개수에 기초하여 상기 반사체 구조물의 크기를 결정하는 단계; 및
    상기 반사체 구조물의 개수 및 상기 반사체 구조물의 크기를 고려하여 상기 반사체 구조물 각각의 배열 각도를 결정하는 단계,
    를 포함하는 공초점 반사 기기의 설계 방법을 수행하도록 하는, 비일시적 컴퓨터 판독 가능 저장 매체.
  10. 적어도 하나의 반사체 구조물을 포함하며,
    상기 반사체 구조물은 임의의 한점으로부터 일 방향으로 연장된 제1 포물면과, 상기 임의의 한점으로부터 타 방향으로 연장된 제2 포물면을 포함하고,
    상기 반사체 구조물의 크기는 반사체 구조물의 개수에 기초하여 결정되며, 상기 반사체 구조물의 크기와 개수를 고려한 배열 각도에 따라 상기 반사체 구조물 각각이 배열되고,
    상기 반사체 구조물 각각의 제1 포물면 및 제2 포물면은 공초점을 공유하는 것을 특징으로 하는,
    공초점 반사 기기.
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