WO2010107141A1 - 레이저 파장 가변 장치 및 그 방법 - Google Patents

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WO2010107141A1
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diffraction
wavelength
laser
light source
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PCT/KR2009/001284
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신동수
홍진광
한유미
최용해
이욱재
정진섭
손영수
김병민
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주식회사 나노베이스
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    • H01S5/0683—Stabilisation of laser output parameters by monitoring the optical output parameters
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    • H01S5/4087—Array arrangements, e.g. constituted by discrete laser diodes or laser bar emitting more than one wavelength

Definitions

  • the present invention relates to a laser wavelength tunable device and a method thereof, and in particular, laser wavelength tunable to enable the laser wavelength tunable to automatically have the best efficiency through a single operation, and to independently compensate for laser output distortion.
  • An apparatus and a method thereof are provided.
  • the wavelength tunable laser using the technique of varying the wavelength of the laser has a different configuration according to its use, but in the case of a variable wavelength laser widely applied to various optical applications, it adjusts the diffraction angle of the laser light source having a constant wavelength band. It is configured by selecting and outputting a desired wavelength.
  • a Littrow cavity in which a plurality of optical configurations are manipulated is known, but it is difficult to maintain the best efficiency for all wavelengths because the diffraction efficiency profile according to the diffraction angle of the input light is different depending on the wavelength. Control for manipulating the optical configuration is complicated and consequently the optical path design is limited.
  • a Littman cavity which operates a single reflector to reflect light diffracted by the grating and outputs light diffracted by the grating, is also used.
  • the disadvantage is that the efficiency is significantly low and the width of the selectable wavelength is narrow.
  • the demand for higher efficiency precision tunable devices has thus increased. Therefore, there is no optical path change according to the wavelength selection, the output efficiency is high, the width of the selection wavelength is wide, the accuracy of the selection wavelength is high, and the control required for wavelength selection is simple and the composition volume is small.
  • the transmission diffraction plate and the mirror are integrally formed and rotated.
  • a technique for enabling wavelength selection with an optimal diffraction efficiency while maintaining the same optical path has always been presented.
  • the process of optimizing the laser resonance characteristics is further required.
  • the wavelength wavelength selected from the wide wavelength band is selected.
  • Compensation for resonance characteristics and compensation for output light distortion due to temperature or mechanical variation when replacing laser light source is necessary, but precise resonance problem or wavelength and temperature It is difficult to find a technique for compensating distortion by the selection structure.
  • An object of the present invention which is newly proposed to solve the problems of the tunable device as described above, is to integrally rotate the diffraction plate and the mirror so that the optical path is always configured to maintain the optimum efficiency of the diffraction angle of the transmission diffraction plate.
  • the laser wavelength is varied to enable optimal efficiency of diffraction and continuous laser resonance without changing the optical path through a single drive section operation for selecting a wavelength.
  • Another object of the embodiments of the present invention is to measure the distorted optical characteristics of the laser light source beyond the precise temperature control of the laser light source without light loss on the optical output path and automatically compensate for this, thereby changing the laser optical characteristics due to various causes including temperature.
  • the present invention provides a laser wavelength tunable device and a method for actively compensating for this.
  • Still another object of the embodiments of the present invention is to check the position and focus state by using some light rays that pass through the transmissive diffraction plate while outputting three-dimensionally varying the position of the collimating lens into which the laser light source is incident according to the state.
  • the present invention provides a laser wavelength tunable device and method for automatically optimizing the position and focus of laser light without loss of light.
  • Still another object of the embodiments of the present invention is to select a diffraction grating arrangement angle of a transmission diffraction plate to freely design an optical path and to set an output coupler interlocking position, thereby reducing the volume of the laser wavelength variable device and its To provide a way.
  • Another object of the embodiments of the present invention is to maintain the optimum diffraction efficiency and effective resonance according to the wavelength selection with only a single driver operation, thereby enabling effective output for most wavelength bands provided by the laser diode, and having different wavelength bands.
  • Variable laser wavelengths allow precise wavelength selection over a wide range with a small number of laser diode configurations, by automatically compensating for optical power distortion according to temperature and mechanical conditions while mechanically or electrically selecting multiple laser diodes.
  • a wavelength tunable device comprises a laser light source having a predetermined wavelength band; An integral diffraction unit in which a transmission diffraction unit and a mirror are fixedly disposed and rotated as a whole so as to transmit diffraction light rays provided by the laser light source and reflect diffracted light at a predetermined angle; An output coupler configured to set a resonance distance with the laser light source while adjusting a predetermined distance on the optical path according to the rotation of the integrated diffraction unit; And a driving unit for rotating the integrated diffraction unit corresponding to the selected wavelength.
  • the output coupler moves so that the distance on the optical path between the output coupler and the laser light source corresponds to a wavelength selected according to the rotation of the integrated diffractive portion.
  • the distance on the optical path between the output coupler and the laser light source maintains a predetermined number of 1/2 wavelengths.
  • the transmission diffraction portion of the Japanese-type diffraction portion is made of a holographic diffraction plate (Volume Phase Holographic Grating).
  • a collimating lens unit disposed between the laser light source and the integrated diffraction unit to shape a beam shape of the laser light source;
  • a lens position adjusting unit configured to vary one or more lens positions of the collimating lens unit;
  • At least one detection unit collecting light rays passing through the transmission diffraction unit without diffraction to collect position and focus state information;
  • the controller may further include a controller configured to adjust the lens position controller according to the detection result of the detector, to compensate for the distortion.
  • the collimating lens unit includes a collimating lens for causing the laser light source to be parallel light, a shape correcting lens for circularly correcting the light beam provided by the laser light source, and a focus correction for correcting the focus of the light beam provided by the laser light source. At least one of the lenses may be provided, and the lens position adjusting unit may be configured to include a three-axis driving unit for three-dimensionally changing the position of the collimating lens.
  • the detector includes a beam splitter for separating a path of a light beam passing through the diffraction unit, a position detector for detecting a position and a focus of the separated light beams, and a focus detector, respectively, wherein the beam splitter and the position detector It is preferable to further arrange a doublet lens for reducing the spot of the beam therebetween, and to further arrange a cylinder lens for setting the reference focus between the beam splitter and the focus detector.
  • the laser light source may include a plurality of laser light sources having different wavelength bands;
  • the light source selection driving unit may select one of a plurality of laser light sources including a corresponding wavelength region according to the wavelength selection and position the light source selection driver on the optical path.
  • the light source selection driver may have a rotary turret structure in which a plurality of laser light sources are arranged in a circle and select a desired laser light source according to a rotational motion.
  • the temperature controller may further include a temperature controller for lowering a temperature by contacting the laser light source selected by the light source selection driver, wherein the temperature controller includes a thermo electric cooler element and a cold surface of the thermo electric cooler element.
  • the surface disposed in contact with the laser light source may include an indented contact portion.
  • Laser wavelength variable device and a laser light source having a predetermined wavelength band;
  • a lens unit for molding the output light of the laser light source;
  • An integrated diffraction unit in which the transmission diffraction unit and the mirror are integrated at a fixed angle so as to diffract and reflect the wavelength selected according to rotation in the light beam of the light source through the lens unit at a predetermined fixed light path;
  • An output coupler disposed on the fixed light path, the output coupler being adjusted to maintain a predetermined number of selected wavelengths with a light source according to rotation of the integrated diffraction unit;
  • a detector for providing a measured value for at least one of a position and a focus of the output light through the light transmitted through the transmissive diffraction portion of the integrated diffraction portion without diffraction;
  • the apparatus may include a lens position controller configured to vary the position of the lens unit such that the measurement value of the detector is a preset target value.
  • Laser wavelength variable device comprises a collimating lens for shaping the incident laser beam into parallel light; A transmission diffraction unit diffracting a laser beam through the collimating lens with a preset output light path; An output coupler configured to partially reflect light diffracted through the transmission diffraction unit to resonate the laser light source unit; A detector providing a measurement value for at least one of a position and a focus of the light transmitted through the diffractive diffraction without diffraction; And a lens position adjusting unit configured to vary the position of the collimating lens so that the measured value of the detecting unit becomes a preset target value.
  • the wavelength variable method comprises the steps of arranging a laser light source for outputting a laser light of a predetermined wavelength band according to the determined optical path; Providing a light beam provided by the laser light source unit to an integrated diffraction unit in which a transmission diffraction unit and a mirror are integrated, and selecting a desired wavelength while maintaining the predetermined optical path by rotating the integrated diffraction unit; Varying the position of the output coupler subsequently disposed on the integrated diffraction unit according to the rotation of the integrated diffraction unit; And outputting through the pinhole while resonating only a selected wavelength among the wavelengths output from the laser light source through the pinhole disposed at the output coupler and the predetermined optical path output point.
  • the step of varying the position of the output coupler may be performed by shifting the position of the output coupler to the optical path such that the distance on the optical path between the laser light source and the output coupler is maintained at a predetermined number of selected wavelengths in conjunction with the diffraction of the integrated diffraction unit. And adjusting accordingly.
  • the automatic compensation step measures the focus of the light passing through the cylindrical lens having one side light as the reference focus state by dividing the light transmitted through the diffractive diffraction without diffraction through a focus detection sensor composed of a plurality of detection elements.
  • the method may further include measuring the position of the light passing through the doublet lens configured to reduce the spot size by adjusting the photometry to the plurality of detection elements through a position detection sensor including a plurality of detection elements.
  • Laser wavelength variable device and method is configured integrally so that the diffraction plate and the mirror can be rotated at the same time so that the optical path is always configured to maintain the optimum efficiency diffraction angle of the transmission diffraction plate, the integrated diffraction portion
  • the position of the output coupler in conjunction with driving there is an effect of diffraction of optimum efficiency and effective laser resonance for the selected wavelength without changing the optical path through a single drive operation for selecting the wavelength.
  • Laser wavelength tunable device and method by measuring the distorted optical characteristics of the laser light source out of the precise temperature control situation of the laser light source without optical loss on the light output path to automatically compensate for this, such as various There is an effect that can actively compensate for the change in the laser light characteristics due to the cause.
  • Laser wavelength tunable apparatus and method by using a part of the light beam that passes through the transmission diffraction plate to check the position and focus state while the three-dimensional position of the collimating lens in which the laser light source is incident according to the state
  • By varying the efficiency there is an effect of automatically optimizing the position and focus of the laser light without losing the output light so that the output quality is always the best state.
  • Laser wavelength variable device and method by selecting the diffraction grating arrangement angle of the transmission diffraction plate freely design the optical path and accordingly to set the output coupler linkage position, the effect of reducing the volume There is.
  • the laser wavelength tunable device and the method according to an embodiment of the present invention have the effect of reducing the control burden and the response time for the control by achieving the highest diffraction efficiency and the effective laser resonance for the selected wavelength with only a single angle adjustment according to the wavelength. There is.
  • the laser wavelength tunable device and the method according to the embodiment of the present invention maintains the optimal diffraction efficiency and effective resonance according to the wavelength selection with only a single driving unit operation to enable effective output for most wavelength bands provided by the laser diode.
  • 1 is a conceptual diagram showing a cavity configuration capable of effective wavelength selection.
  • FIG. 2 is a configuration diagram of a diffraction plate for explaining the characteristics of the transmission diffraction plate
  • 3 and 4 are operation conceptual diagrams illustrating a method of selecting a wavelength in a cavity to which an integrated diffraction plate is applied.
  • FIG. 5 is a configuration diagram for explaining diffraction characteristics of a transmission diffraction plate.
  • 6 and 7 are configuration diagrams showing an example of the optical path setting method.
  • FIG. 8 is a conceptual diagram showing the configuration of a laser wavelength selection cavity according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a conceptual diagram illustrating an example of an interlocking method of an integrated diffraction unit and a variable position output coupler.
  • FIG. 10 is a conceptual view illustrating a cavity to which an optimum resonance and distortion compensation configuration according to an exemplary embodiment of the present invention is applied.
  • 11 is a measurement example of a position detection unit for explaining a position distortion compensation scheme.
  • Fig. 13 is a conceptual diagram illustrating the application correlation between the light source selection driver and the automatic compensation portion.
  • FIG. 14 is a conceptual diagram showing the configuration of a laser light source temperature controller.
  • 15 is a block diagram according to an embodiment of the present invention.
  • 16 is a graph showing resonance efficiency for each wavelength.
  • a condensing lens 15 provided in the pinhole of the pinhole lens 16.
  • the transmission diffraction plate 20 and the mirror 30 are arranged at a fixed angle for setting the optical path to form an integrated unitary diffraction unit 13, which rotates about a single axis to select a desired wavelength. do.
  • the illustrated laser diode 11 has a total reflection mirror on the left side and an anti-reflective coated partial reflection mirror on the right side (not shown) so that there is no internal resonance noise, and the plurality of wavelengths output from the laser diode 11 are shown.
  • Rays of light become parallel light through the collimating lens 12 and are incident on the integrated diffraction unit 13, and the light travels through a predetermined light path by diffraction and reflection according to transmission, and then concentrates through the condensing lens 15. It is converged to the pinhole of the pinhole lens 16, the output coupler 14 for reflecting a part of the incident light on the optical path is arranged to feed back part of the light back to the laser diode 11 to induce resonance.
  • the resonance gradually increases the gain of a desired wavelength, and light is generated at that wavelength. At this time, only light of the selected wavelength ⁇ having the same diffraction angle as the incident angle is output through the pinhole, and light having other wavelengths does not pass through the pinhole and is lost.
  • the transmission diffraction plate 20 may apply a volume phase holographic diffraction plate (VPHG) as shown in FIG. 2, and exhibits high transmittance for most optically significant wavelength bands. It is a diffraction plate.
  • VPHG volume phase holographic diffraction plate
  • the diffraction plate shown in FIG. 2 has a structure in which the grating 22 which diffracts the advancing direction of a specific wavelength is disposed between the transparent front and back transmission plates 21.
  • the diffraction plate has a characteristic of diffracting incident light and distortion-transmitting the light in a predetermined range, but the efficiency of light output at the same reflection angle as the incident angle is highest among the distortion-transmitted light. That is, it is output as a diffraction angle ⁇ d of transmitted light symmetrical with the incident angle ⁇ i of incident light with respect to an imaginary vertical line (dotted line) perpendicular to the incident position of the diffraction plate (ie, a vertical line perpendicular to the diffraction axis).
  • the efficiency of light is the highest among the transmitted light, and the angle of incidence of this optimum efficiency and the angle of transmitted light that is symmetrical to it are different depending on the desired wavelength and the distance d between the gratings. It is necessary to obtain the optimum angle of incidence according to ⁇ ) and the angle of transmitted light accordingly. This can be obtained through Equation 1 below.
  • the optimal incidence angle ⁇ i and the diffraction angle ⁇ d of the transmitted light with respect to the desired wavelength can be obtained using the formula of sin ⁇ 1 ( ⁇ / 2d).
  • the incident angle and the diffraction angle of the transmitted light are the same.
  • the reference line for obtaining the incident angle and the diffraction angle is based on the placement angle of the grating 22, it is noted that the state shown is based on the vertical line because the grating placement angle is perpendicular to the diffraction plate. The case where the lattice placement angle is changed will be described again in FIG. 5.
  • 3 and 4 illustrate a method of selecting a desired wavelength from a laser light source that provides a predetermined wavelength according to the rotation of the integrated diffraction plate.
  • the wavelengths ⁇ 1 and ⁇ 2 of the wavelength spectrum profile of the laser light source are illustrated. , ⁇ 3 ).
  • ⁇ 1 is 635 nm
  • ⁇ 2 is 636 nm
  • ⁇ 3 is 634 nm
  • the transmission diffraction plate is VPHG
  • the arrangement of the gratings is 1200lpmm (line per milimeter) (1200 pieces per mm).
  • some of the drawings may be exaggerated for clarity.
  • FIG. 3 illustrates a case where ⁇ 1 is selected from the three wavelengths.
  • an optimal incidence angle ⁇ i is incident through the transmission diffraction unit 20 of the integrated diffraction unit and thus an optimal diffraction angle ⁇
  • the light diffracted by d is provided through a fixed path through the mirror 30, that is, a path through which the output light converges to the pinhole lens 16.
  • resonance occurs by the feedback of the output coupler 14 reflecting a part of the light provided through the integrated diffraction unit, and the wavelength gain is increased by the resonance to provide the laser beam.
  • the selected wavelength ⁇ 1 is output through the pinhole lens 16, and light having other wavelengths ⁇ 2 and ⁇ 3 does not pass through the pinhole lens 16 and is lost.
  • a 636 nm wavelength diffracted at the highest efficiency is outputted to the pinhole when the incident angle is 22.433 ° and the diffraction angle is 22.433 °.
  • the rotation axis is a point where the diffraction axis of the diffraction plate and the extension line of the reflecting surface of the mirror surface meet, and the point of rotation axis P is shown in the illustrated contact configuration.
  • the incident angle may be set to have an optimal diffraction efficiency, and thus the light diffracted at the optimum efficiency (light diffracted at the same angle as the incident angle) may be selectively output.
  • the lattice structure of the transmission diffraction plate can be changed for design freedom, thereby changing the angle of incidence and light path.
  • FIG. 5 shows another configuration of a transmissive diffraction plate capable of changing the optical path, and shows a diffraction state when the grating arrangement angle of the diffraction plate is inclined as shown.
  • the incident angle ⁇ i and the diffraction angle ⁇ d are based on the placement angle of the grating (tilted dotted line). Is calculated. Even in this case, since the relationship of Equation 1 described above remains the same, it is only necessary to consider the angle of inclination of the grid.
  • the transmissive diffraction plate 25 and the mirror ( 30) set at an acute angle with an angle ( ⁇ f) the angle ( ⁇ f) between a transmission time out of print 26 and the mirror 30. as can be set at an obtuse angle, illustrated in Figure 7 between, and if each of these
  • the directions of the incident light and the output light can be matched.
  • the output quality may be lowered.
  • the resonant structure of the laser light source cannot be adjusted precisely according to the wavelength (hundreds of nm unit), which increases the control burden for changing the resonant structure.
  • FIG. 8 is a view illustrating an operation method of an embodiment of the present invention, and thus, an optimal diffraction efficiency and an optimum resonance efficiency can be automatically achieved through a single operation through the method shown in FIG. In other words, the best output quality is maintained for all selected wavelengths.
  • the integrated diffraction section 130 which diffracts light at an optimal diffraction efficiency and provides a predetermined fixed path, and the integrated diffraction section 130 rotates to select a wavelength, and the distance is varied on the optical path in association with the rotation.
  • an output coupler 140 providing an optimal resonance environment at a selected wavelength and a lens 150 condensing the output light provided through the output coupler 140 into the pinholes of the pinhole lens 160.
  • the selected wavelength In order to select any desired wavelength, the selected wavelength must be a resonable wavelength, and thus the resonable wavelength can be continuously changed by allowing the distance of the cavity to vary according to the selected wavelength so that the selected wavelength can be resonated.
  • the resonance distance of the resonable laser is obtained when the length is proportional to half of the selected wavelength, and the resonant period for the selected wavelength may be obtained with a predetermined number of wavelengths. That is, resonance is possible when the distance S between the laser diode 110 and the output coupler 140 is n 1/2 wavelengths. Where n is the mode number.
  • the distance S is not merely a straight line distance, but refers to a length of an optical path considering refractive index.
  • the same value should always be maintained even if the wavelength is changed by wavelength selection. For example, when the resonance distance is measured at the reference wavelength and the optimum resonance efficiency is obtained when the number of modes n is 10000, when n is set to 10000, the resonance is maintained when the value of n is maintained at 10000 at any wavelength selected thereafter. By continuously changing the possible wavelengths, it is possible to maintain resonance even at that wavelength. That is, the wavelength selection resolution can be increased and the optimum output quality can be maintained by matching the intrinsic mode of the laser diode with the resonance mode proportionally.
  • This selection of the wavelength is possible by the rotation of the regular angle obtained through the calculation of the optimum incident angle for each wavelength of the integrated diffraction unit 130, the position of the output coupler for the continuous resonance is also proportional to the length of 1/2 wavelength Since it is necessary to move sequentially, such a regular relationship can be interlocked by using a mechanical link configuration (gear, belt, etc.).
  • the mode number n may be obtained through mathematical calculations or actual measurements, and the obtained length S may be proportionally changed according to the wavelength change.
  • the operating distance and the output coupler 140 of the integrated diffraction unit 130 are obtained. It is possible to apply a method of matching the moving distance between the two.
  • the distance (S) between the laser diode 110 and the output coupler 140 is the distance (S1) between the laser diode 110 and the integrated diffraction unit 130 and the integrated diffraction unit (S1) between the laser diode 110 and the integrated diffraction unit 130 and the integrated diffraction unit (S1) between the laser diode 110 and the integrated diffraction unit 130 and the integrated diffraction unit (S1) between the laser diode 110 and the integrated diffraction unit 130 and the integrated diffraction unit (S1) between the laser diode 110 and the integrated diffraction unit 130 and the integrated diffraction unit (S1) between the laser diode 110 and the integrated diffraction unit 130 and the integrated diffraction unit (S1) between the laser diode 110 and the integrated diffraction unit 130 and the integrated diffraction unit (S1) between the laser diode 110 and the integrated diffraction unit 130 and the integrated diffraction unit (S1) between the laser diode 110 and the integrated diffraction
  • the output coupler is automatically adjusted according to the selected wavelength so that the remaining driving portion is automatically set to an optimum state.
  • the output coupler since it is interlocked by a mechanical configuration, it can be the same meaning no matter what part is driven.
  • FIG. 9 is a configuration example of the integrated diffraction unit 230 and the output coupler 140, and passes through the transmission diffraction unit 231 and the mirror 232 of the integrated diffraction unit 230 integrally configured as shown in FIG.
  • the mechanical coupler is configured so that the output coupler 240 provided with the laser light can move mechanically along the optical path, and the output coupler 240 moves in a straight line according to the rotation of the integrated diffraction unit 230.
  • the output coupler 240 is positioned at the optimum resonance distance only by adjusting the integrated diffraction unit 230 to have an optimum angle of incidence for substantially wavelength selection, thereby obtaining an optimum output quality.
  • a laser light source including a laser diode can be used as a laser light source only when a temperature control configuration and a temperature measurement configuration are added to maintain an operating temperature range. Can be provided. For example, when the laser light source is initially driven or when one of the plurality of laser light sources is selected and driven by the wavelength selection, when the laser light source is out of the operating temperature range, distortion due to a minute change of the materials constituting the laser light source (position And a change in focus), which results in an uncontrollable situation until the laser light source becomes stable.
  • FIG. 10 illustrates a configuration of a laser wavelength selection device including a configuration for automatically compensating for the distortion in accordance with an embodiment of the present invention.
  • the lens units 121 and 122 for shaping the light provided from the laser diode 110 are shown in FIG. 123, an integrated diffraction unit 130 which diffracts the light formed by the lens unit at an optimal efficiency with respect to a selected wavelength and provides a predetermined optical path, and an optimal resonance of the diffracted light provided as the position moves.
  • the output coupler 140 which resonates at a distance and the lens 150 which concentrates the light provided through the output coupler 140 and provides the pinhole lens 160 can be automatically compensated for. It further comprises components configured to be.
  • the lens part applied to the general laser cavity structure has a form of correcting a light beam in a circular shape.
  • the correction lens 122 and the focus correction lens 123 for correcting the focus of the light beam provided from the laser light source are applied, and some of them may be omitted if necessary.
  • a beam splitter 180 for separating some of the light transmitted without diffraction without diffraction of the integrated diffraction unit 130, a position detector 192 for detecting the position and focus of each of the separated light beams;
  • a three-dimensional driving unit 196 and a position detecting unit 192 and a focus detecting unit 191 which adjust a focus detector 191 and the collimating lens 121 included in the lens units 121, 122, and 123 in a three-dimensional direction.
  • the automatic compensation control unit 195 adjusts the three-dimensional driving unit 196 so that the target detection value is measured according to the detected value.
  • a doublet lens 182 is further disposed between the beam splitter 180 and the position detector 192 to reduce the spot of the beam, and the beam splitter 180 and the focus detector are further disposed.
  • the cylinder lens 181 for setting the reference focus may be further disposed between the first and second surfaces 191, and in some cases, the shaping lens may be further configured in front of the beam splitter 180.
  • a doublet lens (not shown) may be added between the beam splitter 180 and the cylinder lens 181 to reduce the beam spot for efficient focus detection.
  • the mirror 170 may be further configured to switch the optical path to arrange the optical configuration of the detectors 191 and 192 at an appropriate position.
  • the position detecting unit 192 and the focus detecting unit 191 and the optical configuration and the driving axis of the three-dimensional driving unit 196 are preferably applied, but only some of them may be applied in some cases.
  • the collimation lens 121 may be adjusted in three dimensions to adjust the position and the focus for distortion compensation, the focus correction may be performed by adjusting the focus correction lens 123 in one dimension, and the collimation lens 121 may be adjusted in two dimensions. It can be transformed into a structure that adjusts the position by adjusting the position and can be transformed into a position adjusting structure of various dimensions.
  • the reference light for the distortion compensation is to use the light transmitted without diffraction of the transmission diffraction, most of the transmission diffraction does not diffract all incident light due to the characteristics of the grating structure, and some light is transmitted. Incidental light transmitted without is ignored, but in the present embodiment, the transmitted light without diffraction is used to monitor the state of the output light so as to enable the lossless monitoring of the main optical path.
  • the three-dimensional driving unit 196 includes two driving shafts for correcting two-dimensional positions of the top, bottom, left, and right sides according to the detection value of the position detection unit 192, and the front and rear one-dimensional position correction according to the detection value of the focus detection unit 191. It consists of one drive shaft, that is, a total of three drive shafts, it is preferable to use a voice coil motor (Voice Coil Motor) for precise adjustment. The number of such drive shafts may vary according to various embodiments.
  • FIG. 11 illustrates a situation of compensating for position distortion using the position detector 192.
  • the automatic compensation control unit 195 controls the 3D driving unit 196 in a direction to compensate the distorted state as shown on the left side such that there is no side.
  • the 12 illustrates a situation of compensating for focus distortion by using the focus detector 191.
  • an ellipse-shaped light having long left and right or up and down is detected when the focus is maintained but is not in focus.
  • the plurality of devices mainly four photodiodes
  • the automatic compensation control unit 195 controls the 3D driving unit 196 in the direction.
  • FIG. 13 shows the configuration of the automatic compensation portion 250 described above and the mechanical laser light source selection driver 210 to which such a configuration is applied.
  • the automatic compensation part 250 is more suitable when the laser light source providing part of the laser wavelength tunable device as described above is implemented in the form of a light source selection driver 210 that selectively provides a laser light source as shown.
  • the selection driver 210 is configured such that a plurality of laser modules 211 are disposed on the circular plate so that the laser module 211 providing the target wavelength is selected as the circular plate rotates by the driver 215.
  • a disk or turret-shaped configuration but also a method of sliding the laser modules after arranging them in a row may be applied.
  • a configuration for controlling temperature may cause the actually selected laser module 211 to move to the light source position of the optical cavity. In this case, it is effective to be installed in only one place to be in contact.
  • thermo controller 14 shows a thermo controller structure applied to the laser module 211 and a thermo electric cooler element 216 on which one side is cooled by electrical energy and the other is heated, and A contact portion 218 disposed on a cold surface of the thermoelectric cooler element 216 and lowering a temperature of the laser module 211 in contact with an upper portion thereof, and a hot heat disposed on a hot surface of the thermoelectric cooler element 216.
  • the temperature controller 301 adjusts the temperature of the thermoelectric cooler element 216 according to the sensing value of the temperature sensor configured in the heat dissipation unit 217 and the laser module 211.
  • the thermoelectric cooler element 216, the contact portion 218, and the heat dissipation portion 217 are physically configured in a single position, and the laser module 211 contacts the contact portion 218 by mechanical movement. .
  • the contact portion 218 is to reduce the contact resistance with the mechanically moving laser module 211 and to chamfer (ie, consisting of a concave-convex structure) in contact with the laser module 211 for efficient temperature control desirable. This minimizes the time for which distortion is maintained by reducing mechanical variation and increasing temperature control efficiency.
  • the laser module 211 is moved according to the wavelength selection, the laser module 211 is in contact with the contact portion 218, various deviations may occur such as fixing the laser module 211 to the rotating structure
  • various deviations may occur such as fixing the laser module 211 to the rotating structure
  • a structure for precision control may be applied, such as using a voice coil motor as the driving unit 215 of the light source selection driving unit 210 for selecting the laser modules 211
  • all mechanical and mechanical deviation factors are precisely applied. It is difficult to homogenize.
  • These various deviations may also be compensated by the automatic compensation part 250, so that the best quality due to the optimal diffraction efficiency and the optimal resonance efficiency may be uniformly provided without distortion.
  • FIG. 15 is a configuration example of a laser wavelength selection device that enables wavelength selection that always provides the best output quality in a wide range using the above-described configuration. As shown in FIG. 15, a plurality of laser modules having different bands are selected as the selected wavelength. According to the selective diffraction section 130, the integrated diffraction section 130 is provided to the integrated diffraction section 130 through the collimating lens 121 and the additional shaping lenses 122 and 123 which three-dimensionally adjust the light provided by the light source selection driving unit 210 to selectively provide.
  • the laser light resonated by the output coupler 140 which is provided at an incidence angle that provides an optimum efficiency and is adjusted to an optimal resonance position in conjunction with a rotation for selecting a wavelength of the integrated diffraction unit 130 may provide the condensing lens 150. It is configured to be output to the pinhole lens 160 through.
  • An automatic compensation controller 195 configured to compensate through the driver 196 is configured.
  • the partial reflection mirror 155 for reflecting a part of the light beam passing through the condenser lens 150 to the outside of the light path and the monitor unit 156 for converting the output of the partially reflected light beam into an electrical signal are further included.
  • the controller 310 may further be configured to control the magnitude of the current provided by the laser driver 330 to the laser module 211 by comparing the output intensity according to the external control signal.
  • the desired wavelength can be selected and outputted according to the external control signal, and the quality can be maintained uniformly at the same time.
  • FIG. 16 shows efficiency of each wavelength of a variable position output coupler applied to an embodiment of the present invention.
  • FIG. The left side shows the efficiency when the output coupler is fixed.
  • the resonable wavelength is dispersed.
  • the portion where the efficiency is extremely low depending on the wavelength of the laser diode and the resonance mode that is, the portion where resonance does not occur at a desired wavelength, or when the wavelength is selected, resonance does not occur at or near the wavelength. Occurrences).
  • the output coupler when the output coupler is moved according to the selected wavelength so that the mode for resonance can be changed, the resonable wavelength can be continuously changed, so resonance is performed at all wavelengths without the wavelength where resonance does not occur.
  • This can fundamentally prevent output quality degradation (output that is unresonant or unstable due to resonance at nearby wavelengths). Therefore, precise wavelength selection is possible, and it is possible to provide an output of optimum efficiency at any wavelength selection.

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Abstract

본 발명은 단일 조작을 통해서 자동적으로 최상 효율을 가지도록 레이저 파장 가변이 가능하도록 함과 아울러 레이저 출력 왜곡을 위한 보상이 독립적으로 이루어지도록 한 레이저 파장 가변 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 이를 위하여 단일 구동부 조작만으로 파장 선택에 따른 최적의 회절 및 연속적인 공진을 유지하여 레이저 다이오드가 제공하는 대부분의 파장 대역에 대한 유효 출력이 가능하도록 하고, 레이저 광원의 온도 및 기계적 조건에 따른 광출력 왜곡을 자동적으로 보상할 수 있도록 함으로써, 넓은 대역에 대한 정밀한 파장 선택이 가능하고 그에 따라 최적 상태의 출력이 항상 제공되는 뛰어난 성능의 레이저 파장 가변 장치를 제공하는 효과가 있다.

Description

레이저 파장 가변 장치 및 그 방법
본 발명은 레이저 파장 가변 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 특히 단일 조작을 통해서 자동적으로 최상 효율을 가지도록 레이저 파장 가변이 가능하도록 함과 아울러 레이저 출력 왜곡을 위한 보상이 독립적으로 이루어지도록 한 레이저 파장 가변 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
광학 기술의 발전은 다양한 산업 전반에 영향을 주어 미세 가공에서부터 초고속 통신에 이르는 광범위한 차세대 기술의 기반이 되고 있다. 특히, 직진성이 강한 레이저를 이용하여 미세 가공이나 표면을 개질하는 기술, 의학용 메스나 특정 세포를 선별 제거하는 기술, 광학 매체를 이용하여 데이터를 재생하는 기술, 광섬유의 전반사를 활용한 초고속 통신 기술 및 나노 크기의 입체적 시료에 대한 구성을 파악하는 현미경 기술 등 산업 및 의료 기술에 접목된 광학 기술은 점차 그 중요성이 높아지고 있다.
일반적인 레이저 광학 기술은 주로 단일 파장을 이용하고 있으나, 점차 다양한 파장을 활용하고자 하는 요구가 증가함에 따라 파장을 가변할 수 있는 파장 가변 레이저 광학 수단이 등장하여 통신의 대역을 획기적으로 증가시키거나, 다양한 시료를 분석하거나, 넓은 범위의 파장을 대상으로 최적 특성을 제공하는 파장을 선택하는 등의 활용이 가능해졌다.
이러한 레이저의 파장을 가변하는 기술을 적용한 파장 가변 레이저는 그 용도에 따라 상이한 구성을 가지게 되지만, 각종 광학 어플리케이션에 범용적으로 적용되는 가변 파장 레이저의 경우 일정한 파장 대역을 가지는 레이저 광원의 회절 각도를 조절하는 것으로 원하는 파장을 선택하여 출력하는 방식으로 구성된다. 일반적으로 복수의 광학적 구성이 조작되는 리트로우 캐비티(Littrow cavity)가 알려져 있으나, 이는 입력되는 광의 회절 각도에 따른 회절 효율 프로파일이 파장에 따라 상이하므로 모든 파장에 대해 최상의 효율을 유지하기 어렵고, 복수의 광학적 구성을 조작하기 위한 제어가 복잡해지며 그에 따른 광로 설계가 제한된다. 그 외에, 단일 반사경을 조작하여 격자에 의해 회절된 광을 반사시켜 다시 격자에 의해 회절된 광을 출력하는 리트만 캐비티(Littman cavity)도 사용되고 있으나, 이는 단일 격자를 이용하여 광을 복수로 반사시키기 때문에 효율이 크게 낮고, 선택 가능한 파장의 폭이 좁은 단점이 있다.
그에 따라 좀더 높은 효율의 정밀 파장 가변 장치에 대한 요구가 높아져왔다. 그에 따라, 파장 선택에 따른 광 경로 변화가 없고, 출력 효율이 높으면서도 선택 파장의 폭이 넓고 선택 파장의 정밀도가 높으며, 파장 선택에 필요한 제어도 간단하고 구성 부피도 작은 파장 가변 장치 및 그 방법에 대한 시장의 요구에 대응하기 위하여, 동 출원인에 의해 2008년 1월 18일 출원된 등록 특허 제 10-0817726호, "파장가변 장치 및 그 방법"은 투과형 회절판과 거울을 일체형으로 구성하고 이를 회전시켜 원하는 파장을 선택하도록 하여 선택된 파장의 공진이 발생할 수 있는 새로운 형태의 캐비티 구조를 제공함으로써, 항상 동일한 광 경로를 유지하면서 최적의 회절 효율로 파장 선택이 가능하도록 한 기술을 제시한 바 있다.
하지만 이러한 최적 회절 효율을 얻는다 하더라도 레이저의 특성에 맞추어 그 출력광의 효율을 극대화 하기위해서는 레이저 공진 특성을 최적화 하는 과정이 더 요구된다. 더불어 구동시나 레이저 광원 선택시 부터 최적의 출력광 특성을 제공하기 위해서는 레이저 광원의 온도에 따른 비정상적 왜곡을 감안한 광 출력 특성 보상 또한 무시되기 어렵다. 예를 들어, 초기 기동시 레이저 광원이 최적 온도 상황에 도달할 때까지 레이저 광원을 구성하는 기계적 상태에 의해서 왜곡이 발생하게 되며 현재까지 이를 해결할 마땅한 방안이 없어 적절한 온도가 될때까지 출력 품질이 균일하지 못한 상황이 발생한다.
특히, 복수의 파장 대역 별 레이저들을 구비하여 이들 중 원하는 파장 대역의 레이저를 선택한 후 해당 파장 대역에서 원하는 파장을 정밀하게 선별하여 출력하도록 하는 광대역 레이저 파장 가변 장치의 경우, 넓은 파장 대역 중에서 선택되는 파장에 따른 공진 특성 보상과 레이저 광원 교체 시 온도나 기계적 편차에 따른 출력광 왜곡에 대한 보상이 필수적이지만, 아직 넓은 파장 대역을 지원하는 파장 선택 장치에서 발생하게 되는 정밀한 공진 문제나 레이저 광원의 온도 및 기계적 선택 구조에 따른 왜곡까지 보상하고자 하는 기술은 찾아보기 어렵다.
상기와 같은 파장 가변 장치의 문제점을 해결하기 위해 새롭게 제안하는 본 발명 실시예들의 목적은 투과형 회절판의 최적 효율 회절각을 항상 유지하는 광경로가 구성되도록 회절판과 거울을 동시에 회전 가능하도록 일체형으로 구성하고, 상기 일체형 회절부의 구동에 연동하여 출력커플러의 위치가 가변되도록 함으로써, 파장을 선택하기 위한 단일 구동부 조작을 통해서 최적 효율의 회절과 연속적인 레이저 공진이 광경로 변화 없이 가능하도록 한 레이저 파장 가변 장치 및 그 방법을 제공하는 것이다.
본 발명 실시예들의 다른 목적은 레이저 광원의 정밀 온도 제어 상황을 벗어난 레이저 광원의 왜곡된 광 특성을 광출력 경로 상의 광손실 없이 측정하여 이를 자동 보상하도록 함으로써 온도를 비롯한 다양한 원인에 의한 레이저 광특성 변화를 능동적으로 보상할 수 있도록 한 레이저 파장 가변 장치 및 그 방법을 제공하는 것이다.
본 발명 실시예들의 또 다른 목적은 투과형 회절판을 그대로 투과하는 일부 광선을 활용하여 위치와 초점 상태를 확인하면서 그 상태에 따라 레이저 광원이 입사되는 시준렌즈의 위치를 3차원적으로 가변하도록 함으로써 출력광의 손실 없이 자동적으로 레이저 광의 위치와 초점을 최적화하도록 한 레이저 파장 가변 장치 및 그 방법을 제공하는 것이다.
본 발명 실시예들의 또 다른 목적은 투과형 회절판의 회절 격자 배치 각도를 선택하는 것으로 광경로를 자유롭게 설계하며 그에 따라 출력커플러 연동 위치도 설정하도록 함으로써, 부피를 줄일 수 있도록 한 레이저 파장 가변 장치 및 그 방법을 제공하는 것이다.
본 발명 실시예들의 또 다른 목적은 파장에 따른 단일 각도 조정만으로 넓은 파장 대역에서 선택한 파장에 대한 최고 회절 효율과 유효한 레이저 공진이 동시에 달성 되도록 자동 설정되는 레이저 파장 가변 장치 및 그 방법을 제공하는 것이다.
본 발명 실시예들의 또 다른 목적은 단일 구동부 조작만으로 파장 선택에 따른 최적의 회절 효율 및 유효한 공진을 유지하여 레이저 다이오드가 제공하는 대부분의 파장 대역에 대한 유효 출력이 가능하도록 하고, 상이한 파장 대역을 가지는 복수의 레이저 다이오드를 기계적 혹은 전기적으로 선택하면서 온도 및 기계적 조건에 따른 광출력 왜곡을 자동적으로 보상할 수 있도록 함으로써, 작은 수의 레이저 다이오드 구성으로 넓은 대역에 대한 정밀한 파장 선택이 가능하도록 한 레이저 파장 가변 장치 및 그 방법을 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 파장 가변 장치는 일정한 파장 대역을 가지는 레이저 광원과; 상기 레이저 광원이 제공하는 광선을 투과 회절시키고 회절된 광을 기 설정된 각도로 반사시키도록 투과형 회절부와 거울이 고정 배치되어 전체적으로 회전하는 일체형 회절부와; 상기 일체형 회절부의 회전에 따라 기 설정된 광경로상 거리가 조절되면서 상기 레이저 광원과의 공진 거리를 설정하는 출력커플러와; 상기 일체형 회절부를 선택 파장에 대응시켜 회전시키는 구동부를 포함하여 이루어진다.
상기 출력커플러는 상기 출력커플러와 상기 레이저 광원 사이의 광경로 상 거리가 상기 일체형 회절부의 회전에 따라 선택되는 파장에 대응하도록 이동한다. 상기 출력커플러와 상기 레이저 광원 사이의 광경로 상 거리는 기 설정된 수의 1/2파장을 유지한다.
상기 일제형 회절부의 투과형 회절부는 홀로그래픽 회절판(Volume Phase Holographic Grating)으로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 레이저 광원과 상기 일체형 회절부 사이에 배치되어 상기 레이저 광원의 광선 형상을 성형(shaping)하는 시준 렌즈부와; 상기 시준 렌즈부 중 하나 이상의 렌즈 위치를 가변하는 렌즈 위치 조절부와; 상기 일체형 회절부의 투과형 회절부를 회절 없이 통과하는 광선을 수집하여 그 위치와 초점 상태 정보를 수집하는 하나 이상의 검출부와; 상기 검출부의 검출 결과에 따라 상기 렌즈 위치 조절부를 조절하는 제어부를 더 포함하여 왜곡에 대한 보상이 가능하도록 한다.
상기 시준 렌즈부는 상기 레이저 광원을 평행광이 되도록 하는 시준 렌즈를 포함하며, 상기 레이저 광원에서 제공되는 광선을 원형으로 보정하는 형태 보정 렌즈와 상기 레이저 광원에서 제공되는 광선의 초점을 보정하기 위한 초점 보정 렌즈 중 적어도 하나를 구비할 수 있는데, 상기 렌즈 위치 조절부는 상기 시준 렌즈의 위치를 3차원적으로 가변하는 3축 구동부를 포함하도록 구성할 수 있다.
상기 검출부는 상기 회절부를 회절 없이 통과하는 광선의 경로를 분리하는 빔 스플리터와 상기 분리된 각 광선의 위치와 초점을 각각 검출하는 위치 검출부와 초점 검출부를 포함하여 구성되고, 상기 빔 스플리터와 상기 위치 검출부 사이에 빔의 스팟을 축소하는 더블렛 렌즈를 더 배치하고, 상기 빔 스플리터와 상기 초점 검출부 사이에 기준 포커스 설정을 위한 실린더 렌즈를 더 배치하는 것이 바람직하다.
상기 레이저 광원은 파장 대역이 상이한 복수의 레이저 광원과; 파장 선택에 따라 대응 파장 영역을 포함하는 복수의 레이저 광원 중 하나를 선택하여 광경로 상에 위치시키는 광원 선택 구동부를 포함할 수 있다.
상기 광원 선택 구동부는 복수의 레이저 광원이 원형으로 배치되며 회전 운동에 따라 원하는 레이저 광원을 선택하는 회전식 터렛(turret) 구조일 수 있다. 한편, 상기 광원 선택 구동부에 의해 선택된 레이저 광원과 접촉하여 온도를 낮추기 위한 온도조절부를 더 포함할 수 있는데, 상기 온도조절부는 서모일렉트릭 쿨러(Thermo electric cooler) 소자와, 상기 서모일렉트릭 쿨러 소자의 차가운면에 배치되며 상기 레이저 광원과 접촉하는 면이 인입면취된 접촉부를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 레이저 파장 가변 장치는 일정한 파장 대역을 가지는 레이저 광원과; 상기 레이저 광원의 출력광을 성형하는 렌즈부와; 상기 렌즈부를 통한 광원의 광선에서 회전에 따라 선택된 파장을 기 설정된 고정 광경로로 회절 및 반사시키도록 투과형 회절부와 거울이 고정 각도로 일체화된 일체형 회절부와; 상기 고정 광경로에 배치되고, 상기 일체형 회절부의 회전에 따라 광원과의 광경로 상 길이가 기 설정된 수의 선택 파장이 유지 되도록 조절되는 출력커플러와; 상기 일체형 회절부의 투과형 회절부를 회절 없이 투과한 광을 통해 출력광의 위치와 초점 중 적어도 하나에 대한 측정값을 제공하는 검출부와; 상기 검출부의 측정값이 기 설정된 목표값이 되도록 상기 렌즈부의 위치를 가변하는 렌즈위치 조절부를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 레이저 파장 가변 장치는 입사되는 레이저 광선을 평행광으로 성형하는 시준 렌즈와; 기 설정된 출력 광경로로 상기 시준 렌즈를 통한 레이저 광선을 회절시키는 투과형 회절부와; 상기 투과형 회절부를 통해 회절된 광을 일부 반사시켜 상기 레이저 광원부를 공진시키는 출력커플러와; 상기 투과형 회절부를 회절 없이 투과한 광의 위치와 초점 중 적어도 하나에 대한 측정값을 제공하는 검출부와; 상기 검출부의 측정값이 기 설정된 목표값이 되도록 상기 시준 렌즈의 위치를 가변하는 렌즈위치 조절부를 포함하여 이루어진다.
상기 투과형 회절부에 의해 회절된 광선을 기 설정된 출력 광경로로 반사하기 위해 상기 투과형 회절부와 고정 각도로 일체화된 거울을 더 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 파장 가변 방법은 결정된 광 경로에 따라 일정한 파장대역의 레이저광을 출력하는 레이저 광원부를 배치하는 단계와; 상기 레이저 광원부가 제공하는 광선을 투과형 회절부와 거울이 일체화된 일체형 회절부에 제공하고, 상기 일체형 회절부를 회전시켜 기 설정된 광경로를 유지하면서 원하는 파장을 선택하는 단계와; 상기 일체형 회절부의 회전에 따라 상기 일체형 회절부에 후속배치된 출력커플러의 위치를 가변하는 단계와; 상기 출력커플러와 기 설정된 광경로 출력 지점에 배치된 핀홀을 통해 상기 레이저 광원에서 출력된 파장 중 선택된 파장만 공진되면서 상기 핀홀을 통해 출력되는 단계를 포함하여 이루어진다.
상기 출력커플러의 위치를 가변하는 단계는 상기 일체형 회절부의 회절에 연동하여 상기 레이저 광원과 상기 출력커플러 사이의 광경로상 거리가 기 설정된 수의 선택 파장으로 유지 되도록 상기 출력커플러의 위치를 광경로에 따라 조절하는 단계를 포함한다.
상기 파장을 선택하는 단계에서, 상기 일체형 회절부의 투과형 회절부를 회절 없이 투과하는 광의 위치와 초점을 검출하여 목표 상태가 되도록 상기 레이저 광원부와 상기 일체형 회절부 사이에 배치된 시준 렌즈의 위치를 조절하는 자동 보상 단계를 더 포함한다.
상기 자동 보상 단계는 상기 투과형 회절부를 회절 없이 투과하는 광을 분할하여 일측광을 기준 초점 상태로 구성한 실린더 렌즈를 통과한 광의 초점을 복수 검출 소자로 이루어진 초점 검출 센서를 통해 측정하고, 상기 분할된 타측광을 복수의 검출 소자에 맞추어 스팟 크기를 줄이도록 구성한 더블렛 렌즈를 통과한 광의 위치를 복수의 검출 소자로 이루어진 위치 검출 센서를 통해 측정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 레이저 파장 가변 장치 및 그 방법은 투과형 회절판의 최적 효율 회절각을 항상 유지하는 광경로가 구성되도록 회절판과 거울을 동시에 회전 가능하도록 일체형으로 구성하고, 상기 일체형 회절부의 구동에 연동하여 출력커플러의 위치가 가변되도록 함으로써, 파장을 선택하기 위한 단일 구동부 조작을 통해서 최적 효율의 회절과 선택 파장에 대해 유효한 레이저 공진이 광경로 변화 없이 가능한 효과가 있다.
본 발명의 실시예에 따른 레이저 파장 가변 장치 및 그 방법은 레이저 광원의 정밀 온도 제어 상황을 벗어난 레이저 광원의 왜곡된 광 특성을 광출력 경로 상의 광손실 없이 측정하여 이를 자동 보상하도록 함으로써 온도를 비롯한 다양한 원인에 의한 레이저 광특성 변화를 능동적으로 보상할 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 실시예에 따른 레이저 파장 가변 장치 및 그 방법은 투과형 회절판을 그대로 투과하는 일부 광선을 활용하여 위치와 초점 상태를 확인하면서 그 상태에 따라 레이저 광원이 입사되는 시준렌즈의 위치를 3차원적으로 가변하도록 함으로써 출력광의 손실 없이 자동적으로 레이저 광의 위치와 초점을 최적화하여 출력품질이 항상 최상의 상태가 되도록 하는 효과가 있다.
본 발명의 실시예에 따른 레이저 파장 가변 장치 및 그 방법은 투과형 회절판의 회절 격자 배치 각도를 선택하는 것으로 광경로를 자유롭게 설계하며 그에 따라 출력커플러 연동 위치도 설정하도록 함으로써, 부피를 줄일 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 실시예에 따른 레이저 파장 가변 장치 및 그 방법은 파장에 따른 단일 각도 조정만으로 선택한 파장에 대한 최고 회절 효율과 유효한 레이저 공진이 동시에 달성됨으로써 제어 부담과 제어에 대한 반응 시간을 줄일 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 실시예에 따른 레이저 파장 가변 장치 및 그 방법은 단일 구동부 조작만으로 파장 선택에 따른 최적의 회절 효율 및 유효한 공진을 유지하여 레이저 다이오드가 제공하는 대부분의 파장 대역에 대한 유효 출력이 가능하도록 하고, 상이한 파장 대역을 가지는 복수의 레이저 다이오드를 기계적 혹은 전기적으로 선택하면서 온도 및 기계적 조건에 따른 광출력 왜곡을 자동적으로 보상할 수 있도록 함으로써, 작은 수의 레이저 다이오드 구성으로 넓은 대역에 대한 정밀한 파장 선택이 항상 가능하도록 하여 고품질을 달성할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 효과적 파장 선택이 가능한 캐비티 구성을 보인 개념도.
도 2는 투과형 회절판의 특성을 설명하기 위한 회절판 구성도
도 3 및 도 4는 일체형 회절판을 적용한 캐비티에서 파장을 선택하는 방식을 설명하는 동작 개념도.
도 5는 투과형 회절판의 회절 특성을 설명하기 위한 구성도.
도 6 및 도 7은 광 경로 설정 방식의 예를 보인 구성도.
도 8은 본 발명 실시예에 따른 레이저 파장 선택 캐비티의 구성을 보인 개념도.
도 9는 일체형 회절부와 위치 가변 출력커플러의 연동 방식의 예를 보인 개념도.
도 10은 본 발명 실시예에 따른 최적 공진 및 왜곡 보상 구성이 적용된 캐비티의 구성 개념도.
도 11은 위치 왜곡 보상 방식을 설명하는 위치 검출부의 측정 예.
도 12는 초점 왜곡 보상 방식을 설명하는 초점 검출부의 측정 예.
도 13은 광원 선택 구동부와 자동 보상 부분의 적용 상관성을 설명하는 개념도.
도 14는 레이저 광원 온도 제어부의 구성을 보인 개념도.
도 15는 본 발명 실시예에 따른 구성도.
도 16은 파장별 공진 효율을 보인 그래프도.
상기한 바와 같은 본 발명을 첨부된 도면들과 실시예들을 통해 상세히 설명하도록 한다.
도 1은 광경로를 유지하면서 원하는 파장을 단일 구동부를 통해 최적 회절 효율로 선택하는 광학 캐비티의 구성을 포함하는 파장 가변 장치의 구성 예를 보인 것으로, 일정한 파장 대역을 출력하는 레이저 다이오드(11), 상기 레이저 다이오드(11)의 출력 광을 평행하게 하는 시준 렌즈(12), 해당 시준 렌즈(12)를 통해 평행해진 광선이 회절되면서 투과되는 투과형 회절판(20), 해당 회절된 광을 광 경로 설정을 위해 반사시키는 거울(30), 상기 거울(30)이 반사시킨 광선에서 선택된 파장을 공진시키기 위해 입사광의 일부를 반사시키는 출력커플러(14), 상기 출력커플러(14)를 통해 제공되는 광을 집광하여 핀홀 렌즈(16)의 핀홀에 제공하는 집광 렌즈(15)로 이루어진다. 여기서, 상기 투과형 회절판(20)과 상기 거울(30)은 광경로 설정을 위한 고정각도로 배치되어 일체화된 일체형 회절부(13)를 구성하며, 이는 단일 축을 기준으로 회전하면서 원하는 파장을 선택하게 된다.
도시된 레이저 다이오드(11)는 좌측에 전반사 거울이 존재하고 우측에는 무반사 코팅된 부분 반사 거울이 존재(미도시)하여 내부적인 공진 잡음이 없도록 한 것으로, 해당 레이저 다이오드(11)에서 출력되는 복수 파장의 광선들은 시준 렌즈(12)를 통해 평행광이 되어 일체형 회절부(13)에 입사되며, 해당 광은 투과에 따른 회절 및 반사에 의해 기 설정된 광 경로로 진행하다가 집광 렌즈(15)를 통해 집중되어 핀홀 렌즈(16)의 핀홀에 수렴하게 되는데, 이러한 광 경로 상에 입사광의 일부를 반사시키는 출력커플러(14)를 배치하여 광의 일부를 다시 레이저 다이오드(11)로 피드백시켜 공진을 유도하며, 이러한 공진에 의해 원하는 파장의 이득이 점차 증가하여 해당 파장에서 빛이 발생하게 된다. 이때 입사각과 같은 회절 각도를 가지는 선택된 파장(λ)의 광만 핀홀을 통해 출력되며, 그 외의 다른 파장을 가지는 광은 핀홀을 통과하지 못하여 소실된다.
상기 투과형 회절판(20)은 도 2의 구성과 같은 볼륨 위상 홀로그래픽 회절판(Volume Phase Holographic Grating, 이하 VPHG)을 적용할 수 있는데, 광학적으로 의미가 있는 대부분의 파장 대역에 대해 높은 투과성을 보이는 회절판이다.
도 2에 도시된 회절판은 투명한 전후면 투과판(21) 사이에 특정 파장의 진행 방향을 회절시키는 격자(22)가 배치된 구성으로 이루어져 있다.
상기 회절판은 입사되는 광을 회절시켜 소정의 범위로 왜곡 투과시키는 특징이 있으나, 이러한 왜곡 투과되는 광 중에서 입사각과 동일한 반사각으로 출력되는 광의 효율이 가장 높다. 즉, 회절판의 입사 위치에 수직한 가상의 수직선(점선)(즉, 회절축에 수직한 수직선)에 대한 입사광의 입사 각도(θi)와 대칭되는 투과광의 회절 각도(θd)로 출력되는 광의 효율이 투과되는 광들 중 가장 높은데, 이러한 최적 효율의 입사 각도와 그에 대칭되는 투과광 각도는 원하는 파장과 격자의 간격(d)에 따라 상이하므로 최적의 효율로 투과되어 회절되는 광을 얻기 위해서는 파장(λ)에 따른 최적 입사각과 그에 따른 투과광의 각도를 얻을 필요가 있다. 이는 다음의 수학식 1을 통해 얻어질 수 있다.
수학식 1
Figure PCTKR2009001284-appb-M000001
즉, 원하는 파장에 대한 최적의 입사 각도(θi)와 투과광의 회절 각도(θd)는 sin-1(λ/2d)의 식을 이용하여 구할 수 있다. 여기서, 입사 각도와 투과광의 회절 각도는 동일하다. 한편, 상기 입사각과 회절 각도를 구하는 기준선은 격자(22)의 배치 각도를 기준으로 하며, 도시된 상태는 격자 배치 각도가 회절판에 수직한 상태이므로 수직선을 기준으로 하는 것임에 주의한다. 격자 배치 각도가 변하는 경우는 도 5에서 다시 살펴볼 것이다.
도 3및 도 4는 일체형 회절판의 회전에 따라 일정 대역의 파장을 제공하는 레이저 광원에서 원하는 파장을 선택하는 방식을 설명하기 위한 것으로, 레이저 광원의 파장 스팩트럼 프로파일 중에서 개의 파장(λ1, λ2, λ3)에 대해서만 살펴본 것이다. 예를 들어, λ1은 635nm, λ2는 636nm, λ3는 634nm로 가정하며, 투과형 회절판은 VPHG로서 그 격자의 배열은 1200lpmm(line per milimeter)(1mm 당 1200개)로 가정한다. 한편, 설명을 위해 도면의 일부를 과장하여 도시하였음에 주의한다.
도 3은 상기 3개의 파장 중에서 λ1을 선택하는 경우를 보인 것으로, 도시한 바와 같이 일체형 회절부의 투과형 회절부(20)를 통해 최적의 입사 각도(θi)로 입사되어 최적의 회절 각도(θd)로 회절된광은 거울(30)을 통해 고정된 경로, 즉 출력광이 핀홀 렌즈(16)에 수렴하는 경로로 제공된다. 이때, 상기 일체형 회절부를 통해 제공되는 광의 일부를 반사시키는 출력커플러(14)의 피드백에 의해 공진이 일어나며 이러한 공진에 의해 파장 이득이 증가되어 레이저 광선이 제공되게 된다. 이렇게 제공되는 레이저 광 중에서 상기 선택된 파장(λ1)만 핀홀렌즈(16)를 통해 출력되고 그 외의 다른 파장(λ2, λ3)을 가지는 광은 핀홀렌즈(16)를 통과하지 못하여 소실된다. 즉, 원하는 파장을 선택하기 위해서는 최적 입사각을 구하여 해당 입사각이 되도록 일체형 회절부를 회전시키면되는 것이다.
예를 들어, 수학식1을 통해서 λ1(635nm) 파장을 위한 입사각(θi)을 구해보면 635nm = (1mm/1200)×2×sinθ의 식을 통해 약 22.396°가 됨을 알 수 있고, 이를 기준으로 상기 일체형 회절부를 구동시키면 파장 선택 제어가 가능하게 된다.
도 4는 도 3의 구성에서 다른 파장(λ2)을 선택하는 경우를 보인 것이다.
상기 수학식 1을 통해서 λ2(636nm) 파장을 위한 입사각(θi)을 구해보면 636nm = (1mm/1200)×2×sinθ의 식을 통해 약 22.433°가 됨을 알 수 있고 이를 위해서 일체형 회절부를 제어 각도(θa)에 해당하는 약 0.037°만큼 회전축(P)을 기준으로 회전시키면 입사각이 22.433°이고 회절각이 22.433°일 때 최고 효율로 회절되는 636nm 파장이 핀홀로 출력된다. 상기 회전축은 회절판의 회절축과 거울면의 반사면의 연장선이 만나는 지점이며, 도시된 접촉 구성에서는 회전축(P)의 지점이 된다.
이러한 구성과 동작 방식을 통해서 최적의 회절 효율을 가지도록 입사각을 설정할 수 있으며, 그에 따라 최적 효율로 회절된 광(입사각과 동일한 각도로 회절된 광)을 선택적으로 출력할 수 있다.
한편, 설계 자유도를 위해서 투과형 회절판의 격자 구조를 변경할 수 있으며 그로 인해서 입사각과 광경로를 변경할 수 있다.
도 5는 광 경로를 변화시킬 수 있는 투과형 회절판의 다른 구성을 보인 것으로, 도시한 바와 같이 회절판의 격자 배치 각도가 기울어져 구성된 경우의 회절 상태를 보인 것이다. 도시된 바와 같이 격자를 회절판의 길이 방향 중심선(점선)을 기준으로 β만큼 기울여 배치할 경우 입사 각도(θi)와 회절 각도(θd)는 상기 격자의 배치 각도를 기준(기울어진 점선)으로 산출된다. 이러한 경우에도 앞서 설명한 수학식 1의 관계는 동일하게 유지되므로 격자의 기울어진 각도를 기준으로 고려해 주기만 하면 된다.
도 6 및 도 7은 기울어진 격자를 가지는 투과형 회절판을 일체형 회절부에 적용할 경우 광경로를 자유롭게 설정할 수 있음을 보이기 위한 것으로, 도 6에 도시한 바와 같이 투과형 회절판(25)과 거울(30) 사이의 각도(θf)를 둔각으로 설정할 수 있고 , 도 7에 도시한 바와 같이 투과형 회절판(26)과 거울(30) 사이의 각도(θf)를 예각으로 설정할 수 있으며 이러한 각 경우에도 입사광과 출력광의 방향을 일치시킬 수 있다.
상기 언급한 일체형 회절판을 이용하여 단일 각도 조절만으로 최적 회절 효율을 자동적으로 얻으면서 정밀한 파장 선택이 가능한 구조를 살펴보았다. 하지만, 이러한 구성은 레이저 광원에서 선택 가능한 파장의 범위가 좁을 경우에는 큰 문제가 없지만 실질적으로 출력 품질은 기준 파장을 벗어날수록 낮아질 수 밖에 없는 한계가 발생하게 된다. 이는 현재까지 제공되는 캐비티 구조가 특정 파장에 대한 공진 구조로 고정되어 있기 때문이며 이를 해소하기 위해서는 파장 선택 시 마다 캐비티의 공진 구조를 매번 조절해 줄 수 밖에 없다.
즉, 넓은 파장 대역을 포괄하는 레이저 광원에서 원하는 파장을 선택하도록하거나 넓은 파장 대역을 포괄하기 위해서 복수의 상이한 파장 대역을 가지는 레이저 광원들을 이용하면서 고정된 공진 거리가 적용 될 경우 그 출력 품질이 낮아질 수 밖에 없다. 이를 해결하기 위해서는 파장에 따라 정밀하게(수백 nm 단위) 레이저 광원의 공진 구조를 조절할 수 밖에 없어 공진구조 변경을 위한 제어 부담이 증가하게 된다.
도 8은 본 발명 일 실시예의 동작 방식을 보인 것으로 도시한 방식을 통해서 최적 회절 효율과 동시에 최적 공진 효율을 단일 조작을 통해서 자동적으로 달성할 수 있게 된다. 즉, 최상의 출력 품질이 모든 선택 파장에 대해 유지되게 된다.
도시된 바와 같이 레이저 다이오드(110)와, 상기 레이저 다이오드(110)의 출력광을 평행광으로 성형(shaping)하는 시준 렌즈(120)와, 상기 시준 렌즈(120)를 통과한 광 중 선택된 파장의 광을 최적 회절 효율로 회절시키면서 기 설정된 고정 경로로 제공하는 일체형 회절부(130)와, 상기 일체형 회절부(130)가 파장을 선택하기 위해 회전함에 따라 상기 회전에 연동하여 광경로상에서 거리가 가변됨으로써 선택 파장에서 최적의 공진 환경을 제공하는 출력커플러(140)와, 상기 출력커플러(140)를 통해 제공되는 출력광을 핀홀 렌즈(160)의 핀홀로 집광하는 렌즈(150)로 이루어진다.
임의의 원하는 파장을 선택하기 위해서는 선택되는 파장이 공진 가능한 파장이 되어야 하므로, 선택 파장이 공진 가능하도록 캐비티의 거리가 선택 파장에 따라 가변되도록 함으로써 공진 가능한 파장을 연속적으로 변화시킬 수 있게 된다. 공진 가능한 레이저의 공진 거리는 선택 파장의 절반에 비례하는 길이일 경우 얻어지며, 이러한 선택 파장에 대한 공진 주기는 기 설정된 수의 파장으로 얻어질 수 있다. 즉, 레이저 다이오드(110)와 상기 출력커플러(140) 사이의 거리(S)가 n개의 1/2파장일 때 공진이 가능하다. 여기서 n은 모드 수(mode number)가 된다. 한편, 본 실시예의 경우 일체형 회절부(130)가 구성되어 있기 때문에 상기 거리(S)는 단순한 직선 거리가 아닌 굴절율이 고려된 광경로의 길이를 의미한다는 것에 주의한다. 이렇게 n이 결정된 이후에는 파장 선택에 의해 파장이 변화되더라도 항상 동일한 값이 유지되어야 한다. 예를 들어, 기준 파장에서 공진 거리를 측정한 결과 모드 수 n이 10000일 때 최적의 공진 효율이 얻어지는 경우, n을 10000으로 설정하면 이후 선택되는 임의의 파장에서도 n의 값을 10000으로 유지할 경우 공진 가능한 파장을 연속적으로 변화시킴으로써 해당 파장에서도 공진을 유지할 수 있게 된다. 즉, 레이저 다이오드의 고유 모드와 공진에 의한 모드가 비례적으로 대응되도록 함으로써 파장 선택 해상도를 높일 수 있고, 최적의 출력 품질을 유지할 수 있게 된다.
이를 간단한 수식으로 나타내면 수학식 2와 같다.
수학식 2
Figure PCTKR2009001284-appb-M000002
이러한 파장의 선택은 상기 일체형 회절부(130)의 파장별 최적 입사각 연산을 통해 얻어지는 규칙적인 각도의 회전으로 가능하게 되는데, 상기 연속적 공진을 위한 출력커플러의 위치 역시 1/2파장의 길이에 비례하여 순차적으로 이동하면 되기 때문에 이러한 규칙적인 관계를 기구적 링크 구성(기어, 벨트 등)을 이용하여 연동시킬 수 있다. 상기 모드 수 n은 수학적 연산이나 실제 측정을 통해서 얻어질 수 있으며, 얻어진 길이(S)는 파장 변화에 따라 비례적으로 가변되는데, 바람직하게는 일체형 회절부(130)의 동작 거리와 출력커플러(140) 사이의 이동 거리를 대응시키는 방식을 적용할 수 있다.
한편, 상기 레이저 다이오드(110)와 상기 출력커플러(140) 사이의 거리(S)는 도시한 바와 같이 레이저 다이오드(110)와 일체형 회절부(130) 사이의 거리(S1)와 상기 일체형 회절부(130)와 출력커플러(140) 사이의 거리(S2)를 단순 결합한 거리(R1)가 아니라 광경로 상의 거리를 의미하며, 이러한 거리는 상기 일체형 회절부(130)의 굴절율과 회전에 따라 규칙적으로 가변되기 때문에 이를 고려하여 상기 출력커플러(140)의 위치를 결정해야 한다.
상기 구성에 따라서 상기 일체형 회절부를 선택 파장에 따라 회전시키거나 혹은 반대로 선택 파장에 따라 출력커플러의 위치를 조절하면 나머지 구동 부분은 자동적으로 최적 상태가 설정되게 된다. 물론, 기구적 구성에 의해서 상호 연동되므로 어떠한 부분을 구동시키더라도 동일한 의미가 될 수 있다.
도 9는 상기 일체형 회절부(230)와 상기 출력커플러(140)의 구성예로서, 도시한 바와 같이 일체로 구성된 일체형 회절부(230)의 투과형 회절부(231)와 거울(232)을 통과한 레이저광이 제공되는 출력커플러(240)가 광경로를 따라서 기계적으로 움직일 수 있도록 구성하고, 상기 일체형 회절부(230)의 회전에 따라 상기 출력커플러(240)가 직선으로 움직이도록하는 기구적 링크부를 부가하는 것으로 실질적으로 파장 선택을 위해 상기 일체형 회절부(230)를 최적 입사각이 되도록 조절하는 것 만으로 출력커플러(240)가 최적 공진 거리에 위치되게 되어 최적의 출력 품질이 얻어지게 된다.
상기 구성을 통해서 넓은 대역의 레이저 광원에서 원하는 파장을 선택할 경우나 복수의 상이한 대역별 레이저 광원에서 원하는 파장을 선택하고자 할 경우 공진의 불연속에 따른 출력 품질 저감을 방지할 수 있게 되며 이를 위해 별도의 제어가 필요한 구동부를 추가할 필요가 없어 제어 부담이 증가하지 않게 된다.
한편, 이렇게 선택 파장에 대해서 최적의 회절 효율과 연속적 공진에 따른 최상의 출력 품질을 제공하는 캐비티 구조를 이용하는 경우라 할지라도 레이저 광원의 특성에 따른 왜곡이 발생할 수 있다.
기본적으로 레이저 다이오드를 포함하는 레이저 광원은 동작 온도범위를 유지하기 위한 온도제어 구성과 온도 측정 구성등이 추가되어야 레이저 광원으로 사용할 수 있게 되는데, 이러한 레이저 광원의 경우 기 설정된 동작 온도범위에서만 최적의 출력을 제공할 수 있다. 예를 들어, 레이저 광원이 초기 구동되는 경우나 파장 선택에 의해서 복수의 레이저 광원 중 하나가 선택되어 구동되는 경우와 같이 동작 온도 범위를 벗어날 경우 레이저 광원을 구성하는 소재들의 미세한 변화로 인한 왜곡(위치와 초점의 변화)이 발생하게 되며, 이는 상기 레이저 광원이 안정 상태가 될때까지 제어할 수 없는 상황이 벌어지게 된다.
특히, 복수의 레이저 광원에서 파장을 선택함에 따라 사용 중 레이저 광원 교체가 발생하는 경우, 출력의 왜곡은 심각한 품질 저하를 유발하게 된다. 더불어, 레이저 광원의 교체를 위한 기계적 구성이 있을 경우 기계적 구성 및 동작에 따른 공차에 의한 출력 왜곡이 발생할 수 있어 정밀한 구동부 설계가 요구되어 수율이 낮아지고 비용이 높아지는 문제가 있으며, 이렇게 정밀한 구성을 적용하더라도 레이저 광원부 마다 왜곡 편차가 상이하게 발생할 수 있다.
따라서, 온도를 비롯한 다양한 환경적 요인이나 기계적 공차 등에 의한 왜곡을 방지할 수 있어야 앞서 최적 효율의 회절과 최적 효율의 공진을 통해 높인 품질을 유지할 수 있게 된다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따라 상기 왜곡을 자동으로 보상하는 구성을 포함하는 레이저 파장 선택 장치의 구성을 보인 것으로, 레이저 다이오드(110)에서 제공되는 광을 성형하는 렌즈부(121, 122, 123)와, 상기 렌즈부에 의해 성형된 광을 선택 파장에 대해 최적 효율로 회절시켜 기 설정된 광경로로 제공하는 일체형 회절부(130)와, 상기 회절되어 제공되는 광을 위치 이동에 따라 최적 공진 거리에서 공진시키는 출력커플러(140)와, 출력커플러(140)를 통해 제공되는 광을 집중하여 핀홀 렌즈(160)에 제공하는 렌즈(150)로 이루어진 전술한 구성에 부가적으로 자동 왜곡 보상이 가능하도록 구성된 구성부들을 더 포함한다. 앞서 다른 구성을 설명하면서 상기 렌즈부(121, 122, 123)는 이들 중 기본 렌즈인 시준 렌즈(121)만을 예로 들어 설명하였으나, 일반적인 레이저 캐비티 구조에 적용되는 렌즈부에는 광선을 원형으로 보정하는 형태 보정 렌즈(122)와 상기 레이저 광원에서 제공되는 광선의 초점을 보정하기 위한 초점 보정 렌즈(123)가 적용되며 필요한 경우 이들 중 일부는 생략될 수 있다.
도시된 바와 같이 일체형 회절부(130)의 투과형 회절부를 회절하지 않고 투과하는 일부 광을 분리하는 빔 스플리터(180)와, 상기 분리된 각 광선의 위치와 초점을 각각 검출하는 위치 검출부(192)와 초점 검출부(191)와, 상기 렌즈부(121, 122, 123)에 포함된 시준 렌즈(121)를 3차원 방향으로 조절하는 3차원 구동부(196) 및 상기 위치 검출부(192)와 초점 검출부(191)의 검출값에 따라서 목표 검출값이 측정되도록 상기 3차원 구동부(196)를 조절하는 자동 보상 제어부(195)를 포함한다.
한편, 보다 정확한 검출을 위해서, 상기 빔 스플리터(180)와 상기 위치 검출부(192) 사이에는 빔의 스팟을 축소하는 더블렛 렌즈(182)를 더 배치하고, 상기 빔 스플리터(180)와 상기 초점 검출부(191) 사이에 는 기준 초점 설정을 위한 실린더 렌즈(181)를 더 배치할 수 있고, 경우에 따라서는 빔 스플리터(180) 앞 부분에 성형 렌즈를 더 구성할 수 있다. 한편, 상기 빔 스플리터(180)와 상기 실린더 렌즈(181) 사이에는 효율적 초점 검출을 위해 빔 스팟을 축소하는 더블렛 렌즈(미도시)를 추가할 수도 있다. 또한, 도시된 바와 같이 검출부들(191, 192)의 광학적 구성을 적절한 위치에 배치하기 위하여 광 경로를 전환하는 거울(170)을 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 위치 검출부(192)와 초점 검출부(191) 및 그에 따른 광학 구성과 3차원 구동부(196)의 구동 축은 모두 적용되는 것이 바람직하지만 경우에 따라서는 이들 중 일부만 적용될 수도 있다. 또한, 왜곡 보상을 위한 위치 및 초점 조절을 위해서 시준 렌즈(121)를 3차원으로 조절할 수 있으나, 초첨 보정용 렌즈(123)를 1차원적으로 조절하여 초점을 보정하고 시준 렌즈(121)를 2차원적으로 조절하여 위치를 보정하는 구조 등으로 변형이 가능하며 이러한 구성 외에도 다양한 차원의 위치 조절 구조로 변형이 가능하다.
상기 왜곡 보상을 위한 기준 광은 투과형 회절부를 회절하지 않고 투과한 광을 이용하게 되는데, 현재 대부분의 투과형 회절부는 격자 구조의 특성 상 모든 입사광을 회절시키지 못하고 일부광은 투과시키게 되며, 일반적으로 이러한 회절 없이 투과되는 부수적인 광은 무시되지만 본 실시예에서는 이렇게 무시되는 회절 없는 투과광을 이용하여 출력광의 상태를 모니터링하도록 하는 것으로 주된 광경로의 광손실 없는 모니터링이 가능하도록 한다.
상기 3차원 구동부(196)는 상기 위치 검출부(192)의 검출값에 따라 상하좌우의 2차원 위치 보정을 위한 2개 구동축과, 상기 초점 검출부(191)의 검출값에 따라 전후의 1차원 위치 보정을 위한 1개의 구동축, 즉 총 3개의 구동축으로 이루어지며, 정밀한 조정을 위하여 보이스 코일 모터(Voice Coil Motor)를 이용하는 것이 바람직하다. 한편 이러한 구동축의 수는 다양한 실시예에 따라 달라질 수 있다.
도 11은 위치 검출부(192)를 이용하여 위치 왜곡을 보상하는 상황을 보인 것으로, 수신 광에 따라 전기적 특성이 변화되는 복수의 소자(주로 포토 다이오드 4개)를 통해서 측정된 값의 소자간 측정 편차가 없도록 좌측과 같이 왜곡된 상태를 우측과 같이 보상하는 방향으로 상기 자동 보상 제어부(195)가 상기 3차원 구동부(196)를 제어한다.
도 12는 초점 검출부(191)를 이용하여 초점 왜곡을 보상하는 상황을 보인 것으로, 정확한 초점에서는 원형을 유지하지만 초점이 맞지 않는 경우 좌우나 상하가 긴 타원 형태의 광이 검출되며, 이러한 타원형 광의 형태를 효과적으로 파악하기 위해서 수신 광에 따라 전기적 특성이 변화되는 복수의 소자(주로 포토 다이오드 4개)를 광 변형 위치에 배치한 후 측정된 값의 편차가 없도록 좌측과 같이 왜곡된 상태를 우측과 같이 보상하는 방향으로 상기 자동 보상 제어부(195)가 상기 3차원 구동부(196)를 제어한다.
도 13은 앞서 설명한 자동 보상 부분(250)의 구성과 이러한 구성이 적용되는 것이 바람직한 기계적 레이저 광원 선택 구동부(210)를 보인 것이다.
상기 자동 보상 부분(250)은 시준 렌즈(121)를 3차원 방향으로 조절할 수 있는 3차원 구동부(196)의 실제 적용 부분을 제외하면 그 외의 부분은 기존의 레이저 파장 선택 캐비티 구조에 마치 모듈 형태로 쉽게 적용될 수 있으며, 실질적으로 3차원 구동부(196)를 제외한 구성은 모듈 형태로 구현될 수도 있어 적용성이 높으며, 도시된 레이저 파장 선택 장치 외에 다양한 광학 장비에 적용될 수 있다.
이러한 자동 보상 부분(250)은 앞서 살펴본 레이저 파장 가변 장치의 레이저 광원 제공부분이 도시된 바와 같은 기계적으로 레이저 광원을 선별 제공하는 광원 선택 구동부(210) 형태로 구현될 경우 더욱 적합한데, 도시된 광원 선택 구동부(210)는 원형의 플레이트 위에 복수의 레이저 모듈(211)이 배치되어 해당 원형 플레이트가 구동부(215)에 의해 회전함에 따라 목표 파장을 제공하는 레이저 모듈(211)이 선택되도록 구성된다. 물론, 이러한 원반 혹은 터렛(turret) 형태의 구성이 아니라 레이저 모듈을 일렬로 배치한 후 이를 슬라이딩 시키는 방식 등도 적용 될 수 있다.
이렇게 복수의 레이저 모듈(211)이 이용될 경우 상기 레이저 모듈(211) 각각에 온도 제어부를 구성하는 것은 비효율적이기 때문에 온도 제어를 위한 구성은 실제 선택된 레이저 모듈(211)이 광학 캐비티의 광원 위치로 이동할 경우 접촉되도록 한 곳에만 설치되는 것이 효과적이다.
도 14는 레이저 모듈(211)에 적용되는 온도 제어부 구조를 보인 것으로 도시한 바와 같이 전기적 에너지에 의해서 일측면이 차가워지고 그 반대면은 뜨거워지는 서모일렉트릭 쿨러(Thermo Electric Cooler) 소자(216)와, 상기 서모일렉트릭 쿨러 소자(216)의 차가운면에 배치되어 그 상부에 접촉되는 레이저 모듈(211)의 온도를 낮추는 접촉부(218)와, 상기 서모일렉트릭 쿨러 소자(216)의 뜨거운면에 배치되어 뜨거운 열을 방열시키는 방열부(217) 및 상기 레이저 모듈(211)에 구성된 온도 센서의 센싱값에 따라 상기 서모일렉트릭 쿨러 소자(216)의 온도를 조절하는 온도 제어부(301)로 구성된다. 여기서, 기본적으로 서모일렉트릭 쿨러 소자(216)와 접촉부(218) 및 방열부(217)는 물리적으로 단일 위치에 구성되며, 상기 레이저 모듈(211)이 기계적 움직임에 의해 상기 접촉부(218)에 접촉된다.
이렇게 접촉부(218)에 의해 접촉되는 레이저 모듈(211)이 동작하게 되면 일정 시간동안 그 온도가 구동 범위를 벗어나기 때문에 출력이 왜곡되며, 이를 상기 자동 보상 부분(250)이 보상하게 됨으로써, 이상적인 품질을 제공하는 광대역 파장 선택 장치를 구현할 수 있게 된다. 한편, 상기 접촉부(218)는 기계적으로 움직이는 레이저 모듈(211)과의 접촉 저항을 줄이고 효율적인 온도 제어를 위해 상기 레이저 모듈(211)과 접촉하는 면을 인입면취(즉, 요철 구조로 구성)하는 것이 바람직하다. 이를 통해서 기계적 편차를 줄이고 온도 조절 효율을 높여 왜곡이 유지되는 시간을 최소화 할 수 있다.
한편, 상기 레이저 모듈(211)이 파장 선택에 따라 움직이게 되고, 상기 레이저 모듈(211)이 접촉부(218)에 접촉하게 되며, 레이저 모듈(211)을 회전 구조물에 고정하는 등 각종 편차들이 발생할 수 있는 수 많은 기계적 요인들이 있으며, 이러한 기계적 요인들에 대한 공차에 의해 선택 레이저 모듈(211)마다 상이한 특성 편차들이 발생할 수 있다. 비록 레이저 모듈(211)들을 선택하기 위한 광원 선택 구동부(210)의 구동부(215)로 보이스 코일 모터를 사용하는 등 정밀 제어를 위한 구조를 적용할 수 있으나, 모든 기구적, 기계적 편차 요소들을 정밀하게 균일화하기는 어렵다. 이러한 각종 편차들 역시 상기 자동 보상 부분(250)에 의해 보상될 수 있어 최적의 회절 효율과 최적의 공진 효율에 의한 최상의 품질을 왜곡 없이 균일하게 제공할 수 있게 된다.
도 15는 앞서 설명한 구성을 이용하여 넓은 범위에서 항상 최상의 출력 품질을 제공하는 파장 선택이 가능하도록 한 레이저 파장 선택 장치의 구성예로서, 도시한 바와 같이 상이한 대역을 가지는 복수의 레이저 모듈을 선택 파장에 따라 선별 제공하는 광원 선택 구동부(210)로부터 선별 제공되는 광을 3차원적으로 조절되는 시준 렌즈(121)와 부가 성형 렌즈들(122, 123)를 통해 일체형 회절부(130)에 선택 파장에 대해 최적 효율을 제공하는 입사각으로 제공하고, 상기 일체형 회절부(130)의 파장 선택을 위한 회전에 연동되어 최적 공진 위치로 조절되는 출력커플러(140)에 의해 공진된 레이저 광이 집광 렌즈(150)를 통해 핀홀 렌즈(160)로 출력되도록 구성된다. 그리고, 상기 일체형 회절부(130)의 투과형 회절판을 회절없이 투과한 광의 위치와 초점 상태를 검출부(191, 192)를 통해 검출하여 상기 시준 렌즈(121)의 위치를 3차원으로 조절하는 3차원 구동부(196)를 통해 보상하는 자동보상 제어부(195)가 구성된다.
여기서, 상기 집광 렌즈(150)를 통과한 광선의 일부를 상기 광 경로 외부로 반사키는 부분 반사 거울(155)과 상기 부분 반사된 광선의 출력을 전기 신호로 변환하는 모니터부(156)가 더 구성될 수 있다. 더불어, 상기 출력커플러(140)와 연동되는 일체형 회절부(130)를 선택 파장에 따라 회전 시키는 파장 선택 구동부(320)와, 선택 파장을 제공하는 레이저 모듈(211)을 선택하도록 광원 선택 구동부(210)의 구동부(215)를 동작시키고 선택된 레이저 모듈(211)을 구동시키는 레이저 구동부(330)와, 외부 제어 신호에 따른 각도로 상기 파장 선택 구동부(320)를 제어하고 상기 모니터부(156)의 출력과 상기 외부 제어 신호에 따른 출력 세기를 비교하여 레이저 구동부(330)가 레이저 모듈(211)에 제공하는 전류의 크기를 제어하는 제어부(310)가 더 구성될 수 있다.
상기 구성을 통해 외부 제어 신호에 따라 원하는 파장을 원하는 출력 세기로 선택하여 출력할 수 있으며 그 품질도 항상 균일하게 최상으로 유지할 수 있다.
도 16은 본 발명의 실시예에 적용한 위치가변 출력커플러의 파장별 효율을 나타낸 것이다. 좌측은 출력커플러를 고정시킨 경우의 효율을 나타낸 것으로 공진을 위한 캐비티 구조가 고정된 경우에는 공진 가능한 파장이 분산되어 나타남을 보인 것이다. 도시한 바와 같이, 레이저 다이오드의 모드와 공진 모드에 의해 파장에 따라서 효율이 극히 낮아지는 부분(즉, 원하는 파장에서는 공진이 안되는 부분, 해당 파장이 선택될 경우 공진이 안되거나 그 근처 파장에서 공진이 발생)들이 존재하고 있음을 알 수 있다.
하지만, 우측에 도시한 그래프와 같이 출력커플러를 선택 파장에 따라 이동시켜 공진을 위한 모드가 가변될 수 있도록 할 경우 공진 가능한 파장을 연속적으로 변화시킬 수 있어 공진이 발생하지 않는 파장 없이 모든 파장에서 공진이 발생할 수 있게 되므로 출력 품질 저하(공진이 안되거나 근처 파장에서 공진이 발생하여 출력이 불안정한 출력)를 근본적으로 방지할 수 있게 된다. 따라서, 정밀한 파장 선택이 가능해지며, 어떠한 파장을 선택하더라도 최적 효율의 출력을 제공할 수 있게 된다.
이상에서는 본 발명에서 특정의 바람직한 실시예들에 대하여 도시하고 또한 설명하였다. 그러나 본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 아니하며, 특허 청구의 범위에서 첨부하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능할 것이다.

Claims (22)

  1. 일정한 파장 대역을 가지는 레이저 광원과;
    상기 레이저 광원이 제공하는 광선을 투과 회절시키고 회절된 광을 기 설정된 각도로 반사시키도록 투과형 회절부와 거울이 고정 배치되어 전체적으로 회전하는 일체형 회절부와;
    상기 일체형 회절부의 회전에 따라 기 설정된 광경로상 거리가 조절되면서 상기 레이저 광원과의 공진 거리를 설정하는 출력커플러와;
    상기 일체형 회절부를 선택 파장에 대응시켜 회전시키는 구동부를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 파장 가변 장치.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 출력커플러는 상기 출력커플러와 상기 레이저 광원 사이의 광경로 상 거리가 상기 일체형 회절부의 회전에 따라 선택되는 파장에 대응하도록 이동하는 것을 특징으로 하는 레이저 파장 가변 장치.
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 출력커플러와 상기 레이저 광원 사이의 광경로 상 거리는 기 설정된 수의 1/2파장을 유지하는 것을 특징으로 하는 레이저 파장 가변 장치.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 일제형 회절부의 투과형 회절부는 홀로그래픽 회절판(Volume Phase Holographic Grating)으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 레이저 파장 가변 장치.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 레이저 광원과 상기 일체형 회절부 사이에 배치되어 상기 레이저 광원의 광선 형상을 성형(shaping)하는 시준 렌즈부와;
    상기 시준 렌즈부 중 하나 이상의 렌즈 위치를 가변하는 렌즈 위치 조절부와;
    상기 일체형 회절부의 투과형 회절부를 회절 없이 통과하는 광선을 수집하여 그 위치와 초점 상태 정보를 수집하는 하나 이상의 검출부와;
    상기 검출부의 검출 결과에 따라 상기 렌즈 위치 조절부를 조절하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 파장 가변 장치.
  6. 청구항 5에 있어서, 상기 시준 렌즈부는 상기 레이저 광원을 평행광이 되도록 하는 시준 렌즈를 포함하며, 상기 렌즈 위치 조절부는 상기 시준 렌즈의 위치를 다차원적으로 가변하는 보이스 코일 모터(voice coil motor) 다축 구동부를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 파장 가변 장치.
  7. 청구항 5에 있어서, 상기 검출부는 상기 회절부를 회절 없이 통과하는 광선의 경로를 분리하는 빔 스플리터와 상기 분리된 각 광선의 위치와 초점을 각각 검출하는 위치 검출부와 초점 검출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 파장 가변 장치.
  8. 청구항 7에 있어서, 상기 빔 스플리터와 상기 위치 검출부 사이에 빔의 스팟을 축소하는 더블렛 렌즈를 더 포함하고, 상기 빔 스플리터와 상기 초점 검출부 사이에 기준 포커스 설정을 위한 실린더 렌즈를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 파장 가변 장치.
  9. 청구항 1에 있어서, 상기 레이저 광원은
    파장 대역이 상이한 복수의 레이저 광원과;
    파장 선택에 따라 대응 파장 영역을 포함하는 복수의 레이저 광원 중 하나를 선택하여 광경로 상에 위치시키는 광원 선택 구동부를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 파장 가변 장치.
  10. 청구항 9에 있어서, 상기 광원 선택 구동부는 복수의 레이저 광원이 원형으로 배치되며 회전 운동에 따라 원하는 레이저 광원을 선택하는 회전식 터렛(turret) 구조인 것을 특징으로 하는 레이저 파장 가변 장치.
  11. 청구항 9에 있어서, 상기 광원 선택 구동부에 의해 선택된 레이저 광원과 접촉하여 온도를 낮추기 위한 온도조절부를 더 포함하고, 상기 온도조절부는 서모일렉트릭 쿨러(Thermo electric cooler) 소자와, 상기 서모일렉트릭 쿨러 소자의 차가운면에 배치되며 상기 레이저 광원과 접촉하는 면이 인입면취된 접촉부를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 파장 가변 장치.
  12. 일정한 파장 대역을 가지는 레이저 광원과;
    상기 레이저 광원의 출력광을 성형(shaping)하는 렌즈부와;
    상기 렌즈부를 통한 광원의 광선에서 회전에 따라 선택된 파장을 기 설정된 고정 광경로로 회절 및 반사시키도록 투과형 회절부와 거울이 고정 각도로 일체화된 일체형 회절부와;
    상기 고정 광경로에 배치되고, 상기 일체형 회절부의 회전에 따라 광원과의 광경로 상 길이가 기 설정된 수의 선택 파장이 유지 되도록 조절되는 출력커플러와;
    상기 일체형 회절부의 투과형 회절부를 회절 없이 투과한 광을 통해 출력광의 위치와 초점 중 적어도 하나에 대한 측정값을 제공하는 검출부와;
    상기 검출부의 측정값이 기 설정된 목표값이 되도록 상기 렌즈부의 위치를 가변하는 렌즈위치 조절부를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 파장 가변 장치.
  13. 청구항 12에 있어서, 상기 렌즈부는
    상기 레이저 광원을 평행광이 되도록 하는 시준 렌즈를 포함하고,
    상기 렌즈 위치 조절부에 의해 상기 시준 렌즈의 위치가 다축 방향으로 조절되는 것을 특징으로 하는 레이저 파장 가변 장치.
  14. 청구항 12에 있어서, 상기 검출부는 상기 회절부를 회절 없이 통과하는 광선의 경로를 분리하는 빔 스플리터와 상기 분리된 각 광선의 위치와 초점을 각각 검출하는 위치 검출부와 초점 검출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 파장 가변 장치.
  15. 입사되는 레이저 광선을 평행광으로 성형하는 시준 렌즈와;
    기 설정된 출력 광경로로 상기 시준 렌즈를 통한 레이저 광선을 회절시키는 투과형 회절부와;
    상기 투과형 회절부를 통해 회절된 광을 일부 반사시켜 상기 레이저 광원부를 공진시키는 출력커플러와;
    상기 투과형 회절부를 회절 없이 투과한 광의 위치와 초점 중 적어도 하나에 대한 측정값을 제공하는 검출부와;
    상기 검출부의 측정값이 기 설정된 목표값이 되도록 상기 시준 렌즈의 위치를 가변하는 렌즈위치 조절부를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 파장 가변 장치.
  16. 청구항 15에 있어서, 상기 투과형 회절부에 의해 회절된 광선을 기 설정된 출력 광경로로 반사하기 위해 상기 투과형 회절부와 고정 각도로 일체화된 거울을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 파장 가변 장치.
  17. 청구항 16에 있어서, 상기 투과형 회절부와 상기 거울을 파장 선택을 위해 회전시키는 구동부를 더 포함하며, 상기 구동부는 상기 레이저 광원과 상기 출력커플러의 광경로상 거리가 기 설정된 수의 선택 파장으로 유지 되도록 상기 출력커플러를 상기 회전에 연동시켜 이동시키는 것을 특징으로 하는 레이저 파장 가변 장치.
  18. 결정된 광 경로에 따라 일정한 파장대역의 레이저광을 출력하는 레이저 광원부를 배치하는 단계와;
    상기 레이저 광원부가 제공하는 광선을 투과형 회절부와 거울이 일체화된 일체형 회절부에 제공하고, 상기 일체형 회절부를 회전시켜 기 설정된 광경로를 유지하면서 원하는 파장을 선택하는 단계와;
    상기 일체형 회절부의 회전에 따라 상기 일체형 회절부에 후속배치된 출력커플러의 위치를 가변하는 단계와;
    상기 출력커플러와 기 설정된 광경로 출력 지점에 배치된 핀홀을 통해 상기 레이저 광원에서 출력된 파장 중 선택된 파장만 공진되면서 상기 핀홀을 통해 출력되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 파장 가변 방법.
  19. 청구항 18에 있어서, 상기 출력커플러의 위치를 가변하는 단계는 상기 일체형 회절부의 회절에 연동하여 상기 레이저 광원과 상기 출력커플러 사이의 광경로상 거리가 기 설정된 수의 선택 파장으로 유지 되도록 상기 출력커플러의 위치를 광경로에 따라 조절하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 파장 가변 방법.
  20. 청구항 18에 있어서, 상기 파장을 선택하는 단계는
    상기 투과형 회절부의 격자 배치 각도를 기준으로 상기 투과형 회절부의 입사광 입사각도에 대칭되는 회절 각도로 출력되는 광선이 상기 핀홀에 수렴하도록 광 경로를 결정하는 거울을 고정 각도로 배치하는 단계와;
    원하는 파장을 선택하여 상기 격자의 간격을 고려한 광선의 상기 투과형 회절부 입사각을 구하는 단계와;
    상기 입사각이 되도록 상기 투과형 회절부와 거울을 일체로 회전시키는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 레이저 파장 가변 방법.
  21. 청구항 18에 있어서, 상기 파장을 선택하는 단계에서, 상기 일체형 회절부의 투과형 회절부를 회절 없이 투과하는 광의 위치와 초점을 검출하여 목표 상태가 되도록 상기 레이저 광원부와 상기 일체형 회절부 사이에 배치된 시준 렌즈의 위치를 조절하는 자동 보상 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 파장 가변 방법.
  22. 청구항 21에 있어서, 상기 자동 보상 단계는 상기 투과형 회절부를 회절 없이 투과하는 광을 분할하여 일측광을 기준 초점 상태로 구성한 실린더 렌즈를 통과한 광의 초점을 복수 검출 소자로 이루어진 초점 검출 센서를 통해 측정하고, 상기 분할된 타측광을 복수의 검출 소자에 맞추어 스팟 크기를 줄이도록 구성한 더블렛 렌즈를 통과한 광의 위치를 복수의 검출 소자로 이루어진 위치 검출 센서를 통해 측정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 파장 가변 방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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