KR930006854B1 - 레이저 시스템 - Google Patents

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Abstract

내용 없음.

Description

레이저 시스템
제1도는 본 발명의 일실시예에 따른 청-녹 색광을 발생하는 개선된 공진기 장치의 개략선도.
제2도는 본 발명의 다른 실시예에 따른 상기 장치의 개략선도.
제3도는 변형된 실시예에 따른 청-녹 색광을 발생하는 개선된 공진기 장치의 개략선도.
제4도는 본 발명의 변형에 따른 광 도파관을 이용하여 청-녹 색광을 발생하는 장치의 개략전도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10,11 : 다이오드 레이저 18 : 공진기
69 : 위상판
발명의 분야
본 발명은 코히어런트(coherent) 청-녹색광 방사선을 발생시키는 레이저 광원(laser source) 및 방법에 관한 것으로, 특히, 광범위에 걸친 온도, 각도 및 입력 파장에서 비임계 위상 정합(noncritical phase matching)이 가능한 비임계 결정(crystal)에서의 반도체 다이오드 레이저의 출력의 제2고조파 발생(second-harmonic generation, SHG)에 의해 상기 방사선을 발생하여 광학식 기억(optical storage)의 응용분야에 특히 적합하도록 한 소형고체(miniature solid-state) 레이저 광원 및 방법에 관한 것이다.
위상 정합의 필요조건은, 효율적인 제2고조파 방사선 발생(SHG)에 대하여, 기본 방사선에 의해 물질내에서 확립된 편광파가 제2고조파와 동일한 속도로 상기 물질을 통해 전파(propagate)해야하는 것이다. 통상적으로, 이러한 조건은 특정 파장에 대해 비선형 결정(nonlinear crystal)을 통하는 전파 방향을 선택함으로써 실현된다. 전파 방향이 결정과 대칭방향이 아니면 위상 정합은 통상 결정의 온도, 입력 파장 및 입사 광선각의 함수에 감응하며, 전파 방향이 결정의 대칭축상에 있으면 통상적으로 온도, 파장 및 각도에 대한 허용차가 상당히 개선된다. 이것을 "비임계 위상 정합"이라 한다.
청-녹색 광 레이저는 광학식 기록 시스템의 기억 밀도를 상당히 향상시키기 때문에 바람직한 것이다. 그러나 600nm 이하(즉 청-녹색 범위)의 파장에서 동작하는 다이오드 레이저를 개발할때는 기본적인 물질 제조상의 문제점이 나타나게 된다.
우리가 알고 있기로는, 제2고조파 발생(SHG)에 의한 다이오드 레이저 방사선의 직접 주파수 배가(doubling)에 대해서는 단지 두개의 실시예 밖에 보고되어 있지 않다. LiNbO3도파관을 이용한 GaAlAs 다이오드 레이저의 SHG에 의해 약 420nm 방사선이 발생하는 것에 대해서는 T. Taniuchi 등에 의해 CLEO 87, 논문 wp6에 기술되어 있다. 그러나, 이러한 물질은 420nm에서 위상-정합된 SHG가 불가능하며, 청-녹색광은 회절에 의해 제한된 스포트(spot)에 접속(focus)될 수 없는 곡면의 파면(curved wavefront)를 갖고 있으므로 광학식 기억 및 많은 다른 용도에 부적합하다. 또한, LiNbO3는 광굴절 과정(process)때문에 비교적 낮은 광학 손실 임계치(threshold)를 갖고 있다.
APPLIED OPTICS, 볼륨 24, 페이지 1299(1985)에서, J. C. Baumert 등은, 860nm GaAlAs의 주파수 배가를 실온에서 KNbO3에 의해서 달성할 수 있으나, 이러한 물질은 실제 장치에 대한 적합성을 상당히 제한하는 많은 단점을 가지고 있다고 보고했다. 예를들어 KNbO3는 성장(grow)시키기 곤란하며, 실온과 성장온도 사이에서 2회의 위상 천이(transitions)를 받는다. 또한 위상 정합을 위한 온도 및 파장의 허용차가 거의 없으므로, 매우 한정된 파장의 레이저와 또한 SHG 결정의 정밀한 온도 안정화를 필요로 한다.
다른 관련된 방법에 있어서는 다이오드-레이저 펌프된(pumped) Nd : YAG 레이저를 사용하여 위상 정합된 SHG에 의해 530nm 방사선을 발생시키는데, 이것은 이 과정에 적합한 비선형 물질을 이용할 수 있기 때문이다. 동일하게, 808nm 다이오드 레이저와, 1.06μm Nd : YAG 레이저의 주파수 혼합(mixing)은 본 발명의 출원인에게 양도된 1988년 12월 13일자로 허여된 미국 특허 제4,791,631호(Docket SA9 87 012)에 기술되어 있는 바와 같이, 시판되고 있는 비선형 물질 KTiOPO4(KTP)에서 808nm 다이오드 레이저와 1.06nm Nd : YAG 레이저의 주파수 혼합이 가능하다.
실제의 비선형 물질은 가능한 가장 짧은 파장의 비임계 위상 정합된 SHG를 위해 절단될 수 있어야 하고 위상-정합 파장에서 동작하는 반도체 다이오드 레이저와 결합될 수 있어야 한다. 출원인들이 알고 있는 한, 지금까지 코히어런트 방사선이 기본적으로 KTP로 구성된 비선형 결정에서의 다이오드 레이저 SHG에 의해 제공된 것은 없었다.
발명의 요약
이러한 목적을 위하여 본 발명에 의하면 다음 두개의 주요 구성요소(key components)를 갖는 소형 청-녹색광 레이저 광원이 개발되었다. 즉 (a) 다른 사람들에 의해 최근에 개발된 기본적으로 980 내지 1000nm의 파장을 갖고 있는 반도체 다이오드 레이저와 (b) 광범위에 걸친 온도, 입력 파장 및 결정으로의 입사빔의 각도에서 기본적으로 980 내지 1.000nm 방사선의 비임계 타입 II 위상 정합된 SHG가 가능하다는 것을 본 출원인등이 우연히 발견한 KTP의 결정이다.
본 발명을 실시하는 장치에서는 기본적으로 490 내지 500nm의 파장을 갖고 있는 코히어런트 청-녹색광 방사선을 발생시킨다. 변형(strained)-층 InGaAs/GaAs, 반도체 레이저와 같은 다이오드 레이저는 기본적으로 980 내지 1000nm 빔을 제공하며, KTP로 구성되는 비선형 결정은, 상기 빔의 비임계 위상 정합된 SHG에 의해 청-녹색광 방사선을 발생시킨다. 상기 빔은 497nm 방사선을 발생시키기 위한 994nm의 파장을 갖는 것이 적합하다. 또한, 레이저의 주파수는 결정이 그 내부에 배치되어 있는 광 공진기의 주파수와 일치하여, 고정되는 것이 적합하다.
[적합한 실시예]
제1도에 도시되어 있는 바와 같이, 본 발명을 실시하는 장치는 시준 광학계(collimation optics) 및 각각이 기본적으로 994nm 기본 방사선을 제공하는 변조 출력빔(12, 13)을 갖는 2개의 변형층 InGaAs/GaAs 다이오드 레이저(10, 11)를 포함한다. 상기 빔(12, 13)은 직교 방향으로 편광되어 통상적으로 코팅되어 있는 편광 빔스프리터(beamsplitter, 14)로 향한다. 빔스프리터(14)는 994nm 빔(12) 및 (13)을 합성하여 빔(15)을 생성하고, 이 빔(15)은 표준 빔스프리터(16)로 향한다. 빔스프리터(16)는 994nm 기본 방사선을 집속 렌즈(17)를 통하여 수동 패브리-페롯(passive Fabry-Perot) 공진기(18)로 전달한다. 공진기(18)는 994nm의 파장에서 공진한다. 이 공진기는 994nm에서 높은 반사율(refective)을 갖는 두 미러(20, 21)간에서 기본적으로 KTP로 구성되는 결정(19)을 위치시킴으로써 형성되거나, 바람직한 경우에는 공진기(18)는 결정의 양단의 구면이나 평면 또는 양쪽면 모두를 연마(polish)하여 그 위에 높은 반사율을 갖는 코팅재를 부착시킴으로써 형성될 수 있다. 미러(20, 21)는 994nm의 방사선을 반시시키는 대향면을 갖고 있고, 미러(21)는 497nm의 방사선을 투과시킨다.
KTP 결정(19)의 복굴절에 의해 공진기(18)는 두 셋트의 공진 모드를 갖는다. 레이저 다이오드(10)는 KTP 결정의 a축을 따라 선형으로 편광되어 후술될 방법으로 공진된 a축 편광된 공진으로 주파수가 고정된다. 레이저 다이오드(11)는 결정의 c축을 따라 편광되어 동일하게 c축 편광된 공진기의 공진으로 주파수가 고정된다. 기본적으로 994nm 방사선의 빔(15)은 렌즈(17)에 의해 결정(19)에 집속되어 KTP 결정(19)의 b축을 따라 전파됨으로써 빔(15)의 비임계 위상 정합된 SHG에 의해 기본적으로 497nm에서 코히어런트 청-녹색광 방사선의 빔(22)이 생성된다. 이들 두 공진 주파수는 동일하지 않지만, 이들이 SHG에 대하여 1.4m의 넓은 위상-정합 대역내에 있는 한 빔(22)은 효율적으로 발생될 수 있다.
다이오드 레이저(10, 11)는 편광 빔스프리터(25)와 두개의 검출 및 궤환(feedback) 회로(26, 27)를 구비하는 각각의 궤환 루프에 의해 공진기(18)의 공진으로 주파수가 고정된다. 빔스프리터(16)는 994nm 방사선의 빔(28)을 빔스프리터(25)로 전달하고, 이 빔스프리터(25)는 상기 빔(28)을 a축 편광빔(29)과 c축 편광빔(30)으로 분할한다. 빔(29)은 검출/궤환 회로(26)로 전달된다. 이 회로(26)는 예를들어 1987년 4월호인 ""IEEE 광파 기술 잡지"의 485페이지 이하에 설명되어 있는 형일 수 있다. 이 회로(26)는 빔(12)의 주파수와 공진기(18)의 주파수의 차를 나타내는 신호를 발생시키고 다이오드 레이저(10)로의 주입 전류나 그 온도, 또는 그 양쪽 모두를 조정하는 수단(도시되어 있지 않음)을 포함하여 레이저 주파수를 공진기 주파수로 유지시킨다. 빔(30)은 검출 및 궤환 회로(7)로 전달되며, 이 회로(27)는 다이오드 레이저(11)로의 주입 전류나 그 온도, 또는 양쪽 모두를 조정하는 동일한 수단(도시되지 않음)을 구비하고 있다.
제2도에 도시되어 있는 바와 같이, 본 발명을 실시하는 장치는, 시준 광학계와, 994nm의 직선 편광의 기본 방사선을 제공하는 출력 빔(61)을 갖는 단일의 변형층 InGaAs/GaAs 다이오드 레이저(60)를 포함하고 있다. 기본적으로 KIP로 구성된 결정(64)은 수동 공진기(65)의 일부이다. 결정(64)의 양단에서의 미러(66, 67)는 994nm에서 높은 반사율을 갖는다. 미러(67)는 497nm 높은 투과율을 갖는다. 비선형 결정(64)은 그 a축 및 c축이 타입 II 비임계 위상 정합된 제2고조파 발생을 위해 기본적으로 994nm 빔(61)의 편광방향과 45도의 각도로 배향(orient)되어 있다. 위상판(69)은 결정(64)으로부터 나오는 994nm 방사선의 편광을, 994nm 방사선이 공진기를 왕복 통과를 한 후 결정으로 다시들어갈때 KIP 결정(64)의 a축 및 c축에 대해 45도의 편광 방향을 갖도록, 보정하는 방향으로 되어있다. 다이오드 레이저(60)는 빔스프리터(62)와 검출 및 궤환 회로(71)를 포함하는 궤환 루프에 의해 공진기(65)의 공진으로 주파수가 고정된다. 궤환회로(71)는 제1도의 실시예와 관련하여 설명한 바와 같이 다이오드 레이저(60)로의 주입 전류나 그 레이저의 온도 또는 양쪽 모두를 조정한다.
제3도에 도시되어 있는 바와 같이, 본 발명을 실시하는 장치는 시준 광학계 및 994nm 기본 방사선을 제공하는 변조 출력빔(41)을 갖는 단일의 변형층 InGaAs/GaAs 다이오드 레이저(40)를 포함하고 있다. 빔(41)은 2색(dichroic) 빔스프리터(42)와 집속 렌즈(43)를 통하여 수동 공진기(45)의 일부를 형성하는 기본적으로 KTP로 구성된 결정(44)내로 전달된다. 결정(44)의 양단에 있는 미러(46, 47)(또는 고반사율의 코팅재)는 497nm에서 높은 반사율을 갖지만, 그러나 미러(47)는 사용된 특정 KTP 결정의 특성에 대해 청-녹색 출력 전력이 최대가 되도록 조정된 497nm에서는 잔류 투과율이 낮다.
빔(41)은 결정(44)의 a축 및 c축에 대해서 45°로 편광되어 있다. 공진기(45)는 기본적으로 497nm의 제2고조파 파장에서 공진되게 설계되어 있다. 제2고조파 방사선은 결정(44)의 a축을 따라서 선형으로 편광되기 때문에, 결정내에서 발생된 제2고조파 방사선은 공진기(45)의 동일한 a축 편광된 공진 모드를 여기(excite)시킬 수 있다. 따라서, 기본적으로 497nm에서 코히어런트 청-녹색광 방사선의 빔(48)은 렌즈(43)에 의해 집속된 빔(41)의 비임계 위상-정합된 SHG에 의해 발생된다.
발생된 제2고조파 방사선의 파장은, 기본 다이오드 레이저 파장을 조정함으로써 제어될 수 있으므로, 발생된 497nm 방사선은, 빔(49)을 검출 및 궤환 회로(50)에 전달시킴으로써 공진기(45)의 공진 파장과 일치하도록 주파수가 고정된다. 이 회로(50)는 이전의 실시예에서 설명한 바와 같이, 다이오드 레이저(40)로의 주입 전류나 그 온도, 또는 양쪽 모두를 조정하기 위한 것이다.
제1 및 제2도의 구성으로 얻을 수 있는 효율은, 그들 각각의 수동 공진기(18,65)의 피네스(finesse)의 자승과 기본적으로 동일하다는 것에 주목된다. 제3도의 구성에서의 효율 증가도는 기본적으로 공진(45)의 피네스와 동일하다. 이와 같이 효율 증가도는 제3도의 구성이 작지만, 그 구성에 있어서는 공진기의 공진 모드로 주파수를 고정시키는데 필요한 다이오드 레이저를 하나밖에 사용하지 않았으므로 제1도의 구성보다도 간단하다. 필요에 따라서는, 공진기(18 또는 45) 대신에 3개 또는 그 이상의 반사 표면을 갖고 있는 링(ring) 공진기를 사용할 수 있다. 이들 표면은 1988년 6월호의 "양자 전자공학에 관한 IEEE 잡지"의 913페이지 이하에 기술되어 있는 바와 같이 외부 미러 또는 연마된 결정 표면으로 설치할 수 있다.
필요에 따라서는 , 제4도에서 도시되어 있는 바와 같이, 광도파관(50)을 KTP 결정(51)의 엣지에 설치할 수 있다. 시준 광학계 및 변조된 출력 빔(53)을 갖는 다이오드 레이저(52)는 기본적으로 994nm 기본 방사선을 공급한다. 빔(53)은 집속 렌즈(54)를 통해 도파관내로 전달되어 기본적으로 497nm 코히어런트 청-녹색광 방사선의 빔(55)을 발생시킬때의 SHG 효율을 향상시킨다. 이 실시예에서는 레이저 주파수를 공진기 주파수로 고정시킬 필요가 없다는 것에 주목한다.
본 발명의 특징에 따르면, 본원에서 기술된 타입 II 레이저의 위상 정합은, 레이저 주입 전류의 미세(fine) 조정에 의해, 다이오드 레이저 광원의 주파수를 수동 공진기의 주파수로 동조시키므로써 달성될 수 있다는 것에 주목한다. 이것은 공진기에 전계를 인가시킴에 의해 공진기 주파수를 레이저 광원의 주파수에 동조시키는 종래의 방법과는 대조적이다.
비록 본 발명이 광 기억 응용분야에 이용하기에 특히 적합한 실시예에 대해서만 기술되어졌더라도, 본 발명은 프린터 및 칼라 디스플레이에 이용하는 것도 매우 바람직하다. 또한 본 발명의 기술분야에서 숙련된 사람은 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명을 수정 및 변형할 수 있다. 따라서, 본원에서 기술된 실시예는 단지 일례에 지나지 않은 것이므로 본 발명은 청구범위에 기술되어 있는 것으로 권리범위 한계가 정해진다.

Claims (14)

  1. 레이저 시스템에 있어서, 제1 및 제2직교 편광 성분을 갖고 있는 기본적으로 980 내지 1,000nm 파장의 기본 방사선을 발생시키는 수단(light generation means)과, 상기 기본 방사선을 수신하여 제2고조파 방사선(second harmonic radiation)을 발생하며, b축이 상기 기본 방사선의 전파 방향과 거의 평행이며 a 축 및 c 축이 상기 제1 및 제2편광성분과 거의 평행하도록 배향되어, 상기 시스템이 기본 방사선파장, 결정 배향 및 동작 온도의 변화를 허용하도록 하는 기본적으로 KTP(KTiOPO4)로 구성되어 있는 비선형 결정(nonlinear crystal)을 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 결정을 설치하여 상기 제2고조파 방사선의 전력(power)을 증가시키며, 상기 기본 방사선의 주파수에서 공진하는 공진기(resonator)를 또한 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 결정을 설치하여 상기 제2고조파 방사선의 전력을 증가시키는 공진기와, 상기 레이저에 접속되어, 상기 기본 방사선의 주파수를 상기 공진기의 공진 주파수로 조정하는 레이저 제어수단(laser confro means)을 또한 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 결정을 설치하여 상기 제2고조파 방사선의 전력을 증가시키며, 상기 제2고조파 방사선의 주파수에서 공진하는 공진기를 또한 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 상기 결정을 설치하여 상기 제2고조파 방사선의 전력을 증가시키는 공진기와, 상기 레이저에 접속하여 상기 제2고조파 방사선의 주파수를 상기 공진기의 공진 주파수로 조정하는 레이저 제어수단을 또한 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 시스템.
  6. 레이저 시스템에 있어서, 제1방향으로 편광되어 있으며, 기본적으로 980 내지 1,000nm파장의 기본 방사선의 제1빔을 발생하는 제1다이오드 레이저(a first diode laser)와, 상기 제1방향과 거의 직교하는 제2방향으로 편광되어 있으며, 기본적으로 980 내지 1,0000nm 파장의 기본 방사선의 제2빔을 발생하는 제2다이오드 레이저와, 상기 제1빔 및 제2빔을 수신하여 제2고조파 방사선을 발생하며, b축이 상기 기본 방사선의 전파 방향과 거의 평행이며 a 축 및 c 축이 상기 제1 및 제2편광 방향과 거의 평행하도록 배향되어, 상기 시스템이 기본 방사선 파장, 결정 배향 및 동작 온도의 변화를 허용하도록 하는 기본적으로 KTP로 구성된 비선형 결정과, 상기 결정을 설치하여 상기 제2고조파 방사선의 전력을 증가시키는 공진기를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 시스템.
  7. 제6항에 있어서, 상기 제1 및 제2다이오드 레이저는 변형된 층(strained-layer)의 InGaAs/GaAs 다이오드 레이저인 것을 특징으로 하는 레이저 시스템.
  8. 제6항에 있어서, 상기 제1레이저 다이오드에 접속하여 상기 제1빔의 주파수를 제어하는 제1레이저 제어 수단과, 상기 제2레이저 다이오드에 접속하여 상기 제2빔의 주파수를 제어하는 제2레이저 제어수단을 또한 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 시스템.
  9. 레이저 시스템에 있어서, 제1방향으로 편광되어 있으며, 기본적으로 980 내지 1,000nm 파장의 기본 방사선의 빔을 발생하는 다이오드 레이저와, 상기 기본 방사선을 수신하여 제2고조파 방사선을 발생하며, b축이 상기 기본 방사선의 전파 방향과 거의 평행하며 a축 및 c축이 상기 제1 편광 방향과 거의 약 45도의 각도로 배향되어, 상기 시스템이 기본 방사선 파장, 결정 배향 및 동작 온도의 변화를 허용하도록 하는 기본적으로 KTP로 구성된 비선형 결정과, 상기 결정을 설치하여 상기 제2고조파 방사선의 전력을 증가시키며, 상기 제2고조파 방사선의 주파수에서 공진하는 공진기를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 시스템.
  10. 레이저 시스템에 있어서, 제1방향으로 편광되어 있으며, 기본적으로 980 내지 1,000nm 파장의 기본 방사선의 빔을 발생하는 다이오드 레이저와, 상기 기본 방사선을 수신하여 제2고조파 방사선을 발생하며, b축이 상기 기본 방사선의 전파 방향과 거의 평행하며 a축 및 c축이 상기 제1편광 방향과 약 45도의 각도로 배향되어, 상기 시스템이 기본 방사선 파장, 결정 배향 및 동작 온도의 변화를 허용하도록 하는 기본적으로 KTP로 구성된 비선형 결정과, 상기 결정을 설치하여 상기 제2고조파 방사선의 전력을 증가시키는 공진기와, 상기 공진기내에 설치되어 있는 위상판을 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 시스템.
  11. 제9항에 있어서, 상기 다이오드 레이저는 변형된 층의 InGaAs/GaAs 다이오드 레이저인 것을 특징으로 하는 레이저 시스템.
  12. 제9항에 있어서, 상기 다이오드 레이저에 접속되어 상기 기본 방사선의 주파수를 제어하는 레이저 제어 수단을 또한 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 시스템.
  13. 레이저 시스템에 있어서, 제1방향으로 편향되어 있으며, 기본적으로 980 내지 1,000nm의 파장 기본 방사선을 발생하는 다이오드 레이저와, 기본적으로 KTP로 구성된 비선형 결정상에 형성되어 상기 기본 방사선을 수신하여 제2고조파 방사선을 발생하는 광 도파관(optical waveguide)으로서, 상기 비선형 결정의 b축이 상기 광 도파관에서 상기 기본 방사선의 전파 방향과 거의 평행하게 되며, a축 및 c축이 상기 제1편광 방향과 약 45도의 각도로 배향되어, 상기 시스템이 기본 방사선 파장, 결정 배향 및 온도의 변화를 허용하도록 구성된 광도파관을 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 시스템.
  14. 제1항에 있어서, 상기 기본 방사선은 약 994nm의 파장을 가지며, 상기 제2고조파 방사선은 약 497nm의 파장을 갖는 것을 특징으로 하는 레이저 시스템.
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