KR950002068B1

KR950002068B1 - 제2고조파 발생방법 및 그 장치

Info

Publication number: KR950002068B1
Application number: KR1019920022329A
Authority: KR
Inventors: 지성길
Original assignee: 삼성전자주식회사; 김광호
Priority date: 1992-11-25
Filing date: 1992-11-25
Publication date: 1995-03-10
Also published as: US5384796A; JPH06216454A; KR940012809A

Abstract

내용없음.

Description

제2고조파 발생방법 및 그 장치

제1도는 종래 제2고조파 발생장치의 도시적 구조도.

제2도는 종래 다른 제2고조파 발생장치의 도식적 구조도.

제3도는 본 발명에 따른 제2고조파 발생장치의 실시예의 도식적 구성도.

본 발명은 공진기(Resonator)의 비선형 단결정 물질(non-linear bifrigent crystalline material)로부터 제2고조파(second harmonics)를 발생하는 방법 및 그 장치에 관한 것으로서, 소형화가 가능하고, 그 효율을 증진할 수 있는 제2고조파 발생방법 및 그 장치에 관한다.

일반적으로 제2고조파 발생장치의 최대효율을 얻기 위해서는 레이저 캐비티에 한쌍의 밀러를 설치하여 공진비임(Resonating Beam)을 이용한다. 제2고조파 발생은 고체 레이저를 사용하여 가시광방사를 유발하는 중요한 기술로 발전되어 왔다. SHG (Second Harmonic Generation)은 세컨드-오더 넌-리니어 옵티컬 테크니크(2nd-order Optical Technique)로서 효율성이 레이저 출력의 제곱에 비례한다. Nd : YAG 레이저(보통 그 물질을 YAG 그리고 이로부터 얻은 레이저를 YAG 레이저라 한다)와 같은 고체 레이저 물질의 흡수 밴드(Absorption band)에 정합(Matching)하는 레이저 다이오드의 개발은 고체 레이저의 소형화를 가능하게 하였다. 그러나, 아직도 다이오드-펌프 고체 레이저는 효율적인 SHG를 얻을 수 있는 만큼의 충분한 정도가 출력을 가지고 있지 못하다. 비교적 낮은 출력에서 효율적인 SHG를 얻을 수 있는 방법이 제안되었는데, 이는 미국특허 3,858,056와 5,093,832호에 개시된 바와 같은 내부 레이저 공진기를 갖는 인트라캐비티방식이다.

이들 양 특허상에 나타난 기술들은 레이저 공진기의 Q값, 즉 확산광 농도(Dd)에 대한 평행광 농도(Dp)의 비(Q : Q=Dp/Dd)를 극대화함으로써 공진기 내부의 축적된 고출력으로 SHG의 출력을 증대시키도록 하고 있다. 그러므로 이러한 인트라 캐비티 SHG의 효율성은 공진 내부의 손실을 얼마나 최소화할 수 있느냐에 따라 좌우된다. 상기 두개의 특허를 포함한 지금까지 제안된 소형 인트라 캐비티 SHG 레이저의 기본 요소들은 높은 Q 캐비티를 이루는 두개의 고반사 밀러와, 이들사이의 YAG와 같은 이득매체(Gain Medium), KTP((ithium methaniobate potassium dihydrogen phospharte ; 와 같은 비선형 단결정 소자, 그리고 브루스터 플레이트(Brewster plater)가 마련되는 구조를 가진다.

미국특허 3,858,056에서는 제2도에 도시된 바와 같이, 밀러(12)(13), 동적 레이저 로드, 예를 들어 YAG(18), 그리고 비선형 단결정소자, 예를 들어 KTP(18)가 마련된 레이저 캐비티(10)로부터의 고조파(22)를 비임 스프리터(Splitter ; 21)로 일부의 고조파를 분리하여 필터(24)를 거쳐 포토디텍터(Photodetector ; 23)에 의해 빔강도를 측정하되, 측정시간을 연속된 2분할 방식으로 하여 멀티바이브레디터(MULTIVIBRATOR ; 27)와 양방성카운터(BIDIRECTIONAL COUNTER ; 28)를 통해 2분할된 각 시간영역에서의 강도차로 비선형 단결정소자의 온도제어가 이루어지도록 되어 있다. 그러나, 이러한 방식의 SHG에서는 전체 시스템의 구성이 복잡하고, 비임 강도 오류 신호 자체로는 비선형 단결정소자의 온도제어가 어려워 실용화에 문제가 있다.

그리고, 미국특허 5,093,832는 공진비임에 관해 기술하며, 특히 비임 앵글 측정에 의한 피이드 백 방식의 SHG를 개시한다. 여기에서는 제1도에 도시된 바와 같이 그 양단부에 밀러(12)(13)가 마련된 광학적 공진기(Optical Resonator ; 10)내에서 밀러(13)에서 반사된 반사 비임의 광경로를 레이저 다이오드(9)로부터의 입사 비임의 진행경로와 달리하였고, 출력비임(Output Beam)의 일부를 비임 스프리터(Beam Splitter ; 54)를 통해 분히하여 광검출기(33)로 광검출(Photo-detecting)하여 온도콘트롤러(Temp. Controller ; 33)로 펠티어 소자(Peltier element ; 80)에 귀환(Feed-back)시키는 구조에 관해 기술된다. 그러나 이러한 기술에서는 광검지기(64), 차동증폭기(66), 온도콘트롤부(70), 서어미스터(86) 등을 포함하는 귀환회로가 광학적 공진기(20)의 외부에 별도로 설치되고, 특히 광학적 공진기 내부에도 다수의 독립된 요소들이 마련되어 있는 관계로 SHG모듈의 소형화가 어렵다.

본 발명은 보다 소형화가 가능하고, 그 효율을 증진할 수 있는 제2고조파 발생방법 및 그 장치를 제공함에 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하는 본 발명의 제2고조파 발생방법은 비선형 단결정 소자에 대면하는 동적 레이저로드의 일면이 그 광축에 대해 아래 식을 만족하는 각도 θ_P를 가지도록 위치시키고,

상기 비선형 다결정소자의 광축은 상기 동적 레이저 로드의 경사진 면의 법선에 대해 브루스터 각도를 이루도록 위치시키며, 상기 비선형 단결정소자의 양면은 그 광축에 수직이 되도록 정렬시키고, 상기 동적 레이저 로드에 대면하는 상기 비선형 단결정소자의 일측면에 상기 기본주파수의 레이저파에 대해 저반사(AR) 코팅층이 형성시키고, 그 반대편 측면에는 기본주파수 레이저에 대해 고반사율을 갖는 고반사(HR) 코팅층 및 제2고조파에 대해 고투과성을 갖는 고투가(HT) 코팅층이 형성도록 하는 점에 그 특징이 있다.

또한 상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 제2고조파 발생장치는 광축에 대해 각기 두개의 투과면을 갖는 동적 레이저 로드와 비선형 단결정소자를 구비한 제2고조파 발생장치에 있어서, 상기 비선형 단결정 소자에 대면하는 상기 동적 레이저 로드의 일측면이 동적 레이저 로드의 광축에 대해 소정 각도 경사지게 형성되고, 상기 동적 레이저 로드의 경사진 면의 법선에 대해 비선형 단결정소자의 광축이 브루스터 앵글을 이루도록 상기 단결정소자가 위치되는 점에 그 특징이 있다.

이러한 본 발명에서 동적 레이저 로드의 광축에 대한 상기 경사진 면의 각도는(θ_P) 아래의 식을 만족함이 바람직하다.

이러한 구조에 더하여 상기 비선형 단결정소자의 양면은 단결정소자의 광축에 대해 서로 직교하도록 한다.

그리고, 펌핑 레이저가 입력되는 동적 레이저 로드의 일측면에 동적 레이저 로드내에서 발생되는 기본주파수의 레이저파에 대해 고반사율을 갖는 고반사(HR) 코팅층과, 비선형 단결정소자에서 발생되는 제2고주파에 대해 고투과성을 갖는 고투과(HT) 코팅층이 형성되게 한다.

또한 상기 동적 레이저 로드에 대면하는 상기 비선형 단결정소자의 일측면에 상기 기본주파수의 레이저파에 대해 저반사(AR) 코팅층이 형성되고, 그 반대편 측면에는 기본주파수 레이저파에 대해 고반사율을 갖는 고반사(HR) 코팅층 및 제2고조파에 대해 고투과성을 갖는 고투과(HT) 코팅층이 형성되게 함이 바람직하다.

이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다.

먼저 그 방법을 설명하면, 다음과 같다. 기본적으로 본 발명의 제2고조파 발생방법에서는 레이저 다이오드와 같은 여기 광원, 그리고 여기광원으로부터 기본주파수의 레이저를 발생하는 동적 레이저 로드, 그리고 기본주파수의 레이저로부터 고조파를 발생하는 비선형 단결정소자가 요구된다. 이에 더하여, 레이저 공진 영역을 마련하기 위하여 상기 요소들의 양측에 위치되는 밀러가 요구된다.

이러한 기본요소를 갖춘 상태에서, 먼저 비선형 단결정소자에 대면하는 동적 레이저 로드의 일면이 그 광축에 대해 아래 식을 만족하는 각도 θ_P를 가지도록 위치시켜야 한다.

여기에서 θ_P는 브루스터 각도이며, η_laser: 동적 레이저 로드의 굴절률그리고, 상기 비선형 다결정소자의 광축은 상기 동적 레이저 로드의 경사진 면의 법선에 대해 브루스터 각도를 이루도록 위치시키며, 이와 아울러 상기 비선형 단결정소자의 양면은 그 광축에 수직이 되도록 정렬시킨다.

또한 상기 동적 레이저 로드에 대면하는 상기 비선형 단결정소자의 일측면에 상기 기본주파수의 레이저파에 대해 저반사(AR) 코팅층이 형성시키고, 그 반대편 측면에는 기본주파수 레이저파에 대해 고반사율을 갖는 고반사(HR) 코팅층 및 제2고조파에 대해 고투과성을 갖는 고투과(HT) 코팅층이 형성도록 한다.

이와 같은 선행조건하에서 상기 동적 레이저 로드에 여기광을 주입하면 목적하는 고조파를 얻을 수 있는데, 이하 이러한 방법이 수행되는 본 발명 장치의 일실시예를 설명한다.

제3도는 본 발명에 따른 SHG의 개략적 구성도이다. 이를 참조하면, 펌핑 레이저 소오스를 제공하는 레이저 소오스와, 레이저 기본파를 발생하는 것으로 그 양측에 입력밀러(100)와 브루스터면(300)이 마련된 YAG 등의 동적 레이저 로드(200), 상기 동적 레이저 로드(200)의 기본파(ω)로부터 제2고조파를 발생하는 것으로 출력밀러(600)가 그 측면에 마련되는 KTP 등의 비선형 단결정소자(500)가 그 순서대로 마련된다.

상기 동적 레이저 로드(200)는 펌핑 레이저 소오스로부터의 펌핑 레이저 진행 축상에 위치되고, KTP(500)는 상기 펌핑 레이저 진행축에 대한 소정각도 경사지게 교차되는 광축상에 위치된다.

그리고 상기 입력밀러(100)와 출력밀러(600)는 반사물질의 코팅에 의해서 얻어지는 것으로 기본파(ω)에 대해 고반사율(High Reflection)을 가져야 한다. 입력밀러(100)는 소정 파장의 레이저 소오스를 통과시켜야 하므로 소정 파장의 광에 대해 광학적 고투과성(HT : High Transmitance)을 가져야 한다. 따라서, 입력밀러(100)는 특정 파장에 대한 고투과성 및 반사성을 겸비할 수 있도록 제조되어야 한다.

한편, 상기 브르스터면(300)을 향하는 KTP(500)의 일면에는 기본파(ω)에서의 손실을 줄이기 위하여 저반사 코팅, 즉 AR(Anti-reflection)층(400)이 마련되어야 한다.

또한, 상기 KTP(500)의 출력밀러(600)는 기본파에 대한 고반사율을 가져야 하며, 고조파에 대해서는 고투과성을 가져야 한다.

이상과 같은 본 발명 SHG는 종래 SHG와는 달리 별도의 밀러와 브루스터 플레이트를 갖지 않고 있다는 점에서 그 특징을 찾아 볼 수 있는데, 종래 별도의 브루스터 플레이트의 기능이 YAG의 브루스터면에 부여되기 있기 때문이다. 즉, YAG(200)와 KTP(500)가 적절히 정렬(Align)되었을 때, 광축 110과 브루스터면(300)의 노멀 디렉션(Normal Direction)(101)과의 사이각(θb)이 브루스터 앵글로 결정되었을때, ＂700＂으로 지시되고 있는 분극현상 즉, 폴라라이제이션이 어떠한 손실로 없이 이루어진 상태에서 대부분의 광이 브루스터면을 통과하게 된다. 이를 위한 조건은 브루스터면의 경사각(θ_P)이 아래의 식을 만족할 때이다.

수학식1에서 η_laser는 레이저 소자(Material), 즉 동적 레이저 로드(200)의 반사율(Index refraction)이고 θ_B는 η_laser가 주어졌을 때의 브루스터 앵글이다.

제3도에 나타낸 본 발명의 구조에서 광축(optical axis ; 800)은 밀러(100)의 광축과 일치된다. 그러므로, 동적 레이저 로드(200)를 제작하는 과정에서 브루스터면(300)의 각도(θ_P)가 밀러(100)의 수직으로부터의 각도가 되도록 정밀한 가공이 이루어져야 한다. 그리고 비선형 단결정소자(500)의 가공 또한 매우 중요하다. 출력밀러(600)의 공진기의 한면으로 사용되기 때문에 비선형 단결정소자(500)의 조정으로 레이저 공진 공간의 정렬(laser cavity alignment)와 상정합 각도 튜닝(phase matching angle tunning)이 동시에 만족되어야 한다. 그러므로 비선형 단결정소자(500)의 전후의 반사면(400)과 출력밀러(600)는 평행하여야 하며, 광축(110)에 대해 수직이여야 하며, 비선형 단결정소자(500)와 이를 통과하는 레이저의 광축(110)도 최대한으로 상일치가 되도록 이룰 수 있게 가공되어야 한다.

이상의 구조에서 실험에 의하면, 5mm의 동적 레이저 로드와 5mm의 비선형 단결정소자를 사용할 경우 10mm보다 작은 SHG를 실현시킬 수 있었다.

이상에서 설명된 본 발명 SHG는 근본적으로 그 구성 부품이 대폭감소된 점에 그 특징이 있는데, 외형적으로 2개의 소자, 즉 동적 레이저 로드와 비선형 단결정소자만이 구조으로 나타나고, 이에 필요한 두개의 입출력 밀러는 동적 레이저 로드와 비선형 단결정소자의 광투광면에 마련된 일체화된 구조를 가진다. 이러한 구조는 전체 시스템의 구조를 단순화하고 소형화할 수 있게 하는 것으로서 이를 수용하는 장치의 내부공간의 축소는 물론이고, 이를 지지하는 지지 구조의 소형화가 가능하게 한다.

Claims

광축상에 위치되는 두개의 면을 갖는 동적 레이저 로드와, 비선형 단결정소자를 이용한 제2고조파를 발생하는 방법에 있어서, 상기 비선형 단결정소자에 대면하는 동적 레이저 로드의 일면이 그 광축에 대해 아래 식을 만족하는 각도 θ_P를 가지도록 위치시키고,

상기 비선형 단결정소자의 광축은 상기 동적 레이저 로드의 경사진 면의 법선에 대해 브루스터 각도를 이루도록 위치시키며, 상기 비선형 단결정소자의 양면은 그 광축에 수직이 되도록 정렬시키고, 상기 동적 레이저 로드에 대면하는 상기 비선형 단결정소자의 일측면에 상기 기본주파수의 레이저파에 대해 저반사(AR)코팅층이 형성시키고, 그 반대편 측면에는 기본주파수 레이저파에 대해 고반사율을 갖는 고반사(HR) 코팅 층 및 제2고조파에 대해 고투과성을 갖는 고투과(HT) 코팅층이 형성도록 하는 것을 특징으로 하는 제2고조파 발생방법.
광축에 대해 각기 두개의 투과면을 갖는 동적 레이저 로드와 비선형 단결정소자를 구비한 제2고조파 발생장치에 있어서, 상기 비선형 단결정소자에 대면하는 상기 동적 레이저 로드의 일측면이 동적 레이저 로드의 광축에 대해 소정 각도 경사지게 형성되고, 상기 동적 레이저 로드의 경사진 면의 법선에 대해 비선형 단결정소자의 광축이 브루스터 앵글을 이루도록 상기 단결정소자가 위치되는 것을 특징으로 하는 제2고조파 발생장치.
제2항에 있어서, 동적 레이저 로드의 광축에 대한 상기 경사진 면의 각도는(θ_P) 아래의 식을 만족하는 것을 특징으로 하는 제2고조파 발생장치.
제2항에 있어서, 상기 비선형 단결정소자의 양면은 단결정소자의 광축에 대해 서로 직교하도록 된 것을 특징으로 하는 제2고조파 발생장치.
제2항에 있어서, 펌핑 레이저가 입력되는 동적 레이저 로드의 일측면에 동적 레이저 로드내에서 발생되는 기본주파수의 레이저파에 대해 고반사율을 갖는 고반사(HR) 코팅층과, 비선형 단결정소자에서 발생되는 제2고조파에 대해 고투과성을 갖는 과투과(HT) 코팅층이 형성된 것을 특징으로 하는 제2고조파 발생장치.
제2항에 있어서, 상기 동적 레이저 로드에 대면하는 상기 비선형 단결정소자의 일측면에 상기 기본주파수의 레이저파에 대해 저반사(AR) 코팅층이 형성되고, 그 반대편 측면에는 기본주파수 레이저파에 대해 고반사율을 갖는 고반사(HR) 코팅층 및 제2고조파에 대해 고투과성을 갖는 고투과(HT) 코팅층이 형성된 것을 특징으로 하는 제2고조파 발생장치.