WO2016195203A1 - 레이저 발진 소자 - Google Patents

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WO2016195203A1
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정미윤
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경상대학교 산학협력단
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Definitions

  • the present invention relates to a laser oscillation element, and more particularly, to a laser oscillation element using a wedge cell capable of continuously varying wavelength in a predetermined wavelength region.
  • a cell having a uniform thickness is mainly used as a laser oscillation element.
  • Conventional laser oscillation device is made by using a pitch or UV light that varies depending on the temperature of the liquid crystal after injecting the cholesteric liquid crystal into a cell of uniform thickness to implement a variable wavelength.
  • the cholesteric liquid crystal structure used in the conventional laser oscillation element serves as a laser resonator, and cells of uniform thickness correspond to a Fabry-Perot Laser Cavity having a fixed length of the laser resonator.
  • the laser shows oscillation of the laser line in a wide wavelength range, but encounters a result of discontinuous wavelength variation, that is, discontinuous laser wavelength oscillation.
  • a cholesteric liquid crystal having two different pitches is injected into a wedge cell from both sides of the cell, and then continuous diffusion is formed in a wide wavelength region by forming a continuous pitch gradient using diffusion. Laser wavelength could be generated.
  • an object of the present invention is to provide a laser oscillation element for generating a continuous laser wavelength by forming a pitch gradient of the liquid crystal due to the temperature difference in the wedge-shaped cell.
  • Laser oscillation element for achieving the above object is provided on the first substrate, the upper portion of the first substrate to form a wedge cell (wedge cell) between the first substrate and It is connected to both of the second substrate to be formed, the liquid crystal layer formed by the liquid crystal added with the same pigment is injected into the wedge-shaped cell and the wedge-shaped cell, it is possible to adjust the temperature of both sides of the wedge-shaped cell differently Which includes a temperature controller.
  • the injected liquid crystal may form a continuous pitch gradient by the temperature difference of the wedge-shaped cells.
  • the laser oscillation element may polymerize the liquid crystal by irradiating UV or applying heat after the pitch gradient is formed.
  • the laser oscillation element may further include at least two spacers provided at both sides between the first substrate and the second substrate to form the wedge cell.
  • the laser oscillation element, the height of the at least two spacers corresponding to the distance between the first substrate and the second substrate may be different.
  • the liquid crystal is a cholesteric liquid crystal consisting of a nematic liquid crystal and a chiral dopant
  • the pitch may be determined according to a relative concentration ratio of the nematic liquid crystal and the chiral dopant.
  • a laser oscillation element for generating a semi-permanently usable continuous laser wavelength may be provided, and manufacturing time of the laser oscillation element may be reduced.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a laser oscillation element before the cholesteric liquid crystal is injected according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating a pitch change that a liquid crystal may have when the liquid crystal is injected into the wedge-shaped cell of FIG. 1 but the temperature controllers attached to both sides are at room temperature.
  • 3 and 4 illustrate the pitch gradient of a liquid crystal in a wide region by forming a temperature gradient of the cell by varying the temperature of the temperature controller attached to both ends of the wedge-shaped cell into which the liquid crystal is injected according to an embodiment of the present invention. It is a figure for following.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating a laser wavelength generated according to an x-position change of a pumped laser beam of a wedge-shaped cell at room temperature of FIG. 2 according to an embodiment of the present invention.
  • FIGS. 3 and 4 are views showing the laser wavelength generated according to the change in the x-position of the pumped laser beam of the wedge-shaped cell when the temperature gradient is formed in FIGS. 3 and 4 according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a view showing the intensity of the laser according to the laser wavelength according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a laser oscillation element before the cholesteric liquid crystal is injected according to an embodiment of the present invention.
  • the laser oscillation device 100 may include a first substrate 110, a second substrate 120, a first spacer 130, a second spacer 140, and a liquid crystal layer 150.
  • a glass substrate such as a slide glass or an indium tin oxide (ITO) transparent electrode may be used.
  • ITO indium tin oxide
  • the second substrate 120 may be provided to be inclined by a predetermined angle with respect to the first substrate 110. The inclination of the second substrate 120 may be determined by the first spacer 130 and the second spacer 140.
  • a cell In order to manufacture the laser oscillation element 100, first, a cell must be manufactured. To this end, a polyimide is coated on the upper surface of the first substrate 110 and the lower surface of the second substrate 120, and the coated polyimide film is rubbed-rubbed (Rubbed-Polyimide) to form the liquid crystal alignment layers 115 and 125. Can be formed.
  • the liquid crystal alignment layers 115 and 125 may be formed of various materials such as polyamide, polyamide-imide, polyphenylene oxide, and the like.
  • the first spacer 130 and the second spacer 140 having different sizes are disposed between the first substrate 110 and the second substrate 120.
  • a wedge cell having an empty state may be formed between the first substrate 110 and the second substrate 120. That is, according to the present invention, in order to form a wedge cell between the first substrate 110 and the second substrate 120, the first spacer 130 may be disposed on both sides between the first substrate 110 and the second substrate 120. ) And the second spacer 140 may be disposed respectively.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating a pitch change that a liquid crystal may have when the liquid crystal is injected into the wedge-shaped cell of FIG. 1 but the temperature controllers attached to both sides are at room temperature.
  • the liquid crystal layer 150 may be formed by injecting a liquid crystal having the same pitch into the wedge cell.
  • the liquid crystal may be not only a cholesteric liquid crystal but also another liquid crystal which can be changed into a polymer cholesteric by UV or heat.
  • the cholesteric liquid crystal is produced by mixing a chiral dopant with a nematic liquid crystal.
  • the pitch of the liquid crystal may be determined according to a ratio of the nematic liquid crystal and the chiral dopant mixed with the cholesteric liquid crystal.
  • various laser dyes may be added to the cholesteric liquid crystal as needed to broaden or narrow the lasing wavelength band.
  • the laser dye a dye having a fluorescence spectral region may be used in a region where laser oscillation is to be performed continuously. That is, a laser dye having a fluorescence spectrum region in the region to be laser tuned can be added to each cholesteric liquid crystal.
  • a cholesteric liquid crystal having the same pitch is injected into a wedge-shaped cell between the first substrate 110 and the second substrate 120, and after a predetermined time, approximately 5 to 8 mm continuous due to the boundary condition of the cell.
  • a laser resonator may be formed.
  • a laser resonator array may be formed in which the cholesteric liquid crystal is injected at room temperature, and the pitch length is continuously increased and decreased in the X-axis direction after a predetermined time.
  • one or more pigments may be added to the cholesteric liquid crystal.
  • the pitch can also be proportional to the thickness d of the wedge-shaped cell. That is, as the thickness d of the wedge cell increases, the length of one pitch may increase.
  • 3 and 4 are views for explaining a case where the temperature at both ends of the cell is different according to an embodiment of the present invention.
  • the temperature controller 160 that can adjust the temperature of the cell on both sides of the wedge-shaped cell, it is possible to vary the temperature on both sides of the wedge-shaped cell.
  • the temperature of the temperature controller 161 having the thicker thickness d of the wedge-shaped cell can be lower than the temperature of the temperature controller 162 having the thickness d thinner. That is, the temperature of the thicker temperature controller 161 can be low temperature, and the temperature of the thinner temperature controller 162 can be high temperature.
  • the temperature of the temperature controller 161 of the thicker wedge cell is thicker than the temperature of the temperature controller 162 of thinner d).
  • a continuous temperature gradient may be formed in the x-axis direction of the wedge-shaped cell to form a continuous laser resonator array, and may generate laser wavelengths continuously in a wide wavelength region.
  • adjusting the temperature gradient by adjusting the temperature of the temperature controller 160, it is possible to actively adjust the wavelength variable region.
  • the position of the band gap can be determined by adjusting the relative concentration ratio of the nematic liquid crystal and the chiral dopant in the case of the cholesteric liquid crystal.
  • the position of a pump beam can be moved from the one where the thickness d of a wedge-shaped cell is large, and small, and a laser which can continuously tune a wavelength can be started.
  • the present laser oscillation element can actively change the laser wavelength generated using the cholesteric liquid crystal wedge-shaped cell to which the dye is added.
  • one cholesteric liquid crystal wedge cell has one end at a high temperature, the other end has a low temperature, and then by forming a temperature gradient in the cell to form a pitch gradient of the liquid crystal by temperature It is possible to generate continuous laser wavelengths.
  • the laser oscillation element after injecting the cholesteric liquid crystal into the wedge cell, the temperature of both sides of the wedge cell is adjusted differently, and the continuous wavelength variable over the entire wedge cell
  • the resonator is formed can be used to produce a polymer PCLC (Polymer Cholesteric Liquid Crystal) by irradiating UV or applying heat.
  • the time point at which the continuous variable wavelength resonator is formed that is, the time when UV irradiation or heat is applied may be determined by the designer, and the designer may select a different time point for each desired variable wavelength region.
  • FIG. 4 is a view showing a pitch gradient when the temperature of both sides of the wedge-shaped cell according to an embodiment of the present invention is different. As shown in FIG. 4, after the cholesteric liquid crystal having the same pitch is injected into the wedge-shaped cell, continuous pitch gradients may appear when the temperature of both sides of the wedge-type cell is changed.
  • FIG 5 is a view showing the laser wavelength according to the position at room temperature of the wedge-shaped cell according to an embodiment of the present invention after injecting the cholesteric liquid crystal having the same pitch into the wedge-shaped cell.
  • the laser line is periodically tunable in a range of 5 nm to 7 nm according to the position of the wedge-shaped cell into which the cholesteric liquid crystal is injected.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating a laser wavelength according to a position of a wedge-shaped cell in which a temperature gradient is formed according to an embodiment of the present invention.
  • a temperature controller is connected to both sides of the wedge-shaped cell into which the cholesteric liquid crystal is injected, so that the thicker side of the wedge-shaped cell can be adjusted to a lower temperature and the thinner side of the wedge-shaped cell to a higher temperature.
  • the peak wavelength of the laser can be continuously decelerated as it moves from the thicker side (low temperature) of the wedge-shaped cell to the thinner side (higher temperature) in the x-axis direction.
  • the cholesteric liquid crystal forms a continuous pitch gradient by combining a wedge-shaped cell structure and a temperature gradient, thereby forming a continuous laser resonator array to continuously generate a laser wavelength in a wide wavelength range.
  • FIG. 7 is a view showing the intensity of the laser according to the laser wavelength according to an embodiment of the present invention.
  • the laser tuning region was 5 nm to 7 nm at room temperature, when the temperature gradient was formed on both sides of the wedge-shaped cell into which the cholesteric liquid crystal was injected, the laser tuning region was extended by 10 times or more, It can be seen that the line is continuously tunable in the range of 590 nm to 670 nm.
  • the resonator length can be continuously changed, and the cholesteric liquid crystal having a pitch corresponding to the mode of continuously changing the resonator length has a pitch gradient in the resonator. It is possible to oscillate continuously by forming a.
  • the section of continuously variable wavelength can be adjusted by adjusting the relative concentration ratio of the nematic liquid crystal and the chiral dopant, or by changing the time of solidification by irradiation with UV. Therefore, even in the case of fabricating a laser oscillation device using UV curable PCLC, it is a matter of course that the wavelength can be continuously changed in a range of several hundred nanometers or more, that is, 100nm or more.
  • a continuous wide-wavelength variable laser in the visible region (VIS region)
  • this principle is UV (Ultraviolet) Since it can be applied to both a rays region, a visible rays region, or an infrared rays region, continuous wavelength modulation can be realized in tens of nanometers or hundreds of nanometers.
  • a wedge-shaped optical device made of cholesteric liquid crystal and a laser dye can produce a laser capable of continuously varying wavelength in the range of several hundred nm or more.
  • the present invention can continuously generate a monochromatic laser line (monochromatic) in the range of about 100 nm or more without other additional optical elements, thereby making it possible to manufacture a small-cost, highly efficient broadband tunable laser, Available as a laser source.
  • the present invention is very efficient compared to the optical parametric oscillator (OPO), which is a conventional continuous wavelength tunable laser system, and provides all of the features provided by a general cholesteric liquid crystal laser. Therefore, the present invention can be applied not only to laser but also to optical science, optical device of spectroscope, optical industry, and the like, and particularly, when applied in optical communication, it is possible to increase the signal transmission efficiency of optical communication.
  • OPO optical parametric oscillator

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Abstract

레이저 발진 소자가 개시된다. 본 레이저 발진 소자는 제1 기판, 상기 제1 기판의 상부에 구비되어 상기 제1 기판과의 사이에 쐐기형 셀(wedge cell)을 형성하는 제2 기판, 상기 쐐기형 셀에 주입되는 피치가 동일한 액정에 의해 형성되는 액정층 및 쐐기형 셀의 양쪽에 연결되어, 상기 쐐기형 셀의 양쪽의 온도를 다르게 조절하는 온도 컨트롤러를 포함한다.

Description

레이저 발진 소자
본 발명은 레이저 발진소자에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 일정 파장영역에서 연속적 파장 가변 레이징이 가능한 쐐기형 셀(wedge cell)을 이용하는 레이저 발진소자에 관한 것이다.
일반적으로, 레이저 발진소자로는 주로 두께가 균일한 셀이 이용되고 있다. 종래의 레이저 발진소자는 파장 가변을 구현하기 위해 두께가 균일한 셀에 콜레스테릭 액정을 주입한 후 액정의 온도에 따라 변하는 피치 또는 UV광을 이용하여 만들어진다.
그러나 종래의 레이저 발진소자에서 사용되는 콜레스테릭 액정구조는 레이저 공진기와 같은 역할을 하며, 균일한 두께 간격의 셀은 레이저 공진기 길이가 일정하게 고정된 Fabry-Perot Laser Cavity에 해당한다. 이로써, 종래의 레이저 발진소자를 이용하여 레이징하는 경우, 레이저는 넓은 파장 영역에서 레이저 라인의 발진을 보여주나, 불연속적인 파장 가변, 즉, 불연속적인 레이저 파장 발진이라는 결과에 봉착한다.
또한, 이러한 문제점을 해결하기 위하여, 종래에는 쐐기형 셀에 두 개의 다른 피치를 가지는 콜레스테릭 액정을 셀 양쪽에서 주입한 후 확산을 이용하여 연속적인 피치 그래디언트를 형성함으로써, 넓은 파장 영역에서 연속적으로 레이저파장을 발생시킬 수 있었다.
다만, 일반 액정의 경우, 수 개월이 지나면 형성된 분자 농도에 따른 그래디언트가 분자 확산에 의해 사라져 버려서, 레이저 파장의 변화가 사라지는 문제점이 있었다. 또한, 고분자화 시킨 액정의 경우, 분자 농도를 연속적으로 변화시키는 제작과정이 어렵고 많은 제작시간이 요구되는 문제가 있었다.
본 발명은 상술한 필요성에 따른 것으로, 본 발명의 목적은, 쐐기형 셀에서 온도 차이에 의한 액정의 피치 그래디언트를 형성하여 연속적인 레이저 파장을 발생시키는 레이저 발진소자를 제공함에 있다.
이상과 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시 예에 따른 레이저 발진소자는, 제1 기판, 상기 제1 기판의 상부에 구비되어 상기 제1 기판과의 사이에 쐐기형 셀(wedge cell)을 형성하는 제2 기판, 상기 쐐기형 셀에 주입되는 피치가 동일한 색소가 첨가된 액정에 의해 형성되는 액정층 및 상기 쐐기형 셀의 양쪽에 연결되어, 상기 쐐기형 셀의 양쪽의 온도를 다르게 조절할 수 있는 온도 컨트롤러를 포함한다.
이 경우, 상기 주입된 액정은, 상기 쐐기형 셀의 온도 차이에 의해 연속적인 피치 그래디언트(pitch gradient)를 형성할 수 있다.
이 경우, 본 레이저 발진소자는, 상기 피치 그래디언트가 형성된 후 UV를 조사하거나 또는 열을 가하여 상기 액정을 폴리머(polymer)화할 수 있다.
또한, 본 레이저 발진소자는, 상기 쐐기형 셀을 형성하기 위하여 상기 제1기판과 상기 제2기판 사이 양측에 구비되는 적어도 두 개의 스페이서를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 레이저 발진소자는, 상기 제1기판과 상기 제2기판 사이의 거리에 해당하는 상기 적어도 두 개의 스페이서의 높이는 서로 다를 수 있다.
또한, 상기 액정은 네마틱 액정과 카이랄 도픈트로 이루어지는 콜레스테릭 액정이며, 상기 피치는 상기 네마틱 액정과 상기 카이랄 도픈트의 상대적 농도 비율에 따라 결정될 수 있다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명의 다양한 실시 예에 따르면 반 영구적으로 활용가능한 연속적인 레이저 파장을 발생시키는 레이저 발진소자를 제공할 수 있고, 레이저 발진소자의 제작시간을 줄일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 콜레스테릭 액정이 주입되기 이전의 레이저 발진소자의 단면도이다.
도 2는 도 1의 쐐기형 셀에 액정이 주입되었으나 양쪽에 부착된 온도 컨트롤러가 상온일 때 액정이 가질 수 있는 피치 변화를 설명하는 단면도이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 액정이 주입된 쐐기형 셀의 양쪽 끝에 부착된 온도 컨트롤러의 온도를 다르게 함으로써 셀의 온도 그래디언트 형성에 의해 넓은 영역에서의 액정의 피치 그래디언트를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 도 2의 상온에서의 쐐기형 셀의 펌퍼 레이저 빔의 x-위치 변화에 따라 발생한 레이저 파장을 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 도 3과 도 4에서의 온도 기울기가 형성 되었을 때 쐐기형 셀의 펌퍼 레이저 빔의 x-위치 변화에 따라 발생한 레이저 파장을 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 레이저 파장에 따른 레이저의 강도를 나타내는 도면이다.
이하 본 발명의 다양한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 콜레스테릭 액정이 주입되기 이전의 레이저 발진소자의 단면도이다.
도 1을 참조하면, 레이저 발진소자(100)는 제1 기판(110), 제2 기판(120), 제1 스페이서(130), 제2 스페이서(140) 및 액정층(150)을 포함한다. 제1 기판(110)과 제2 기판(120)은 슬라이드 글라스 또는 ITO(Indium Tin Oxide) 투명전극 등의 유리기판이 사용될 수 있다. 제1 기판(110)이 하부기판인 경우, 제2 기판(120)은 제1 기판(110)을 기준으로 소정 각도만큼 기울어지도록 구비될 수 있다. 제2 기판(120)의 기울기는 제1 스페이서(130) 및 제2 스페이서(140)에 의하여 결정될 수 있다.
레이저 발진소자(100)를 제작하기 위해, 먼저 셀을 제작하여야 한다. 이를 위하여, 제1 기판(110)의 상면과 제2 기판(120)의 하면에 폴리이미드(Polyimide)를 코팅하고, 코팅된 폴리이미드막을 러빙 처리(Rubbed-Polyimide)하여 액정 배향막(115, 125)을 형성할 수 있다. 여기서, 액정 배향막(115, 125)은 폴리이미드뿐만 아니라, 폴리아미드(Polyamide), 폴리아미드이미드(Polyamide-imide), 폴리페닐렌 옥사이드(Polyphenylene Oxide) 등의 다양한 소재가 사용될 수 있다.
러빙 처리 후, 크기가 다른(예를 들어, 높이(h1, h2)가 다른) 제1 스페이서(130)와 제2 스페이서(140)를 제1 기판(110)과 제2 기판(120) 사이에 배치하여, 속이 비어 있는 상태의 쐐기형 셀(wedge cell)을 제1 기판(110)과 제2 기판(120) 사이에 형성할 수 있다. 즉, 본원 발명은 제1 기판(110)과 제2 기판(120) 사이에 쐐기형 셀을 형성하기 위하여 제1 기판(110)과 제2 기판(120) 사이의 양 측에 제1 스페이서(130)와 제2 스페이서(140)를 각각 배치할 수 있다.
도 2는 도 1의 쐐기형 셀에 액정이 주입되었으나 양쪽에 부착된 온도 컨트롤러가 상온일 때 액정이 가질 수 있는 피치 변화를 설명하는 단면도이다.
도 2에 도시된 바와 같이 쐐기형 셀이 형성되면, 피치가 동일한 액정을 쐐기형 셀에 주입하여 액정층(150)을 형성할 수 있다. 이 경우, 액정은 콜레스테릭 액정뿐만 아니라, UV나 열에 의해 폴리머 콜레스테릭으로 변화될 수 있는 다른 액정이 될 수도 있다.
콜레스테릭 액정은 네마틱 액정에 카이랄 도판트를 혼합하여 생성되는데, 콜레스테릭 액정에 혼합되는 네마틱 액정과 카이랄 도판트의 비율에 따라 액정의 피치가 결정될 수 있다. 이때, 필요에 따라 다양한 레이저 색소(laser dye)를 콜레스테릭 액정에 추가하여 레이징 파장 대역을 넓히거나 좁힐 수 있다. 레이저 색소는 레이저 발진을 연속적으로 하고자 하는 영역에서 형광 스펙트럼 영역을 가지는 색소를 사용할 수 있다. 즉, 각 콜레스테릭 액정에는 레이저 튜닝을 하고자 하는 영역에서 형광스펙트럼 영역을 가지는 레이저 색소를 추가할 수 있다.
또한, 제1 기판(110) 및 제2 기판(120) 사이의 쐐기형 셀에 피치가 동일한 콜레스테릭 액정을 주입하고, 일정 시간이 지나면 셀의 경계조건에 의해 대략 5~8 mm의 연속적인 레이저 공진기가 형성될 수 있다. 구체적으로, 상온에서 콜레스테릭 액정을 주입하고 일정시간이 지나면 X축 방향으로 피치의 길이가 연속적으로 늘어나고 줄어드는 것을 반복하는 레이저 공진기 어레이가 형성될 수 있다. 이 경우, 콜레스테릭 액정은 한 가지 이상의 색소가 첨가될 수 있다. 또한, 피치는 쐐기형 셀의 두께(d)에 비례할 수 있다. 즉, 쐐기형 셀의 두께(d)가 커질수록 1 피치의 길이가 증가할 수 있다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 셀의 양쪽 끝의 온도를 다르게 하는 경우를 설명하기 위한 도면이다.
도 3을 참조하면, 쐐기형 셀의 양측에 셀의 온도를 조절할 수 있는 온도 컨트롤러(160)를 연결하여, 쐐기형 셀의 양측의 온도를 다르게 할 수 있다. 예를 들어, 쐐기형 셀의 두께(d)가 두꺼운 쪽의 온도 컨트롤러(161)의 온도를 두께(d)가 얇은 쪽의 온도 컨트롤러(162)의 온도보다 저온으로 할 수 있다. 즉, 두꺼운 쪽의 온도 컨트롤러(161)의 온도는 저온으로, 얇은 쪽의 온도 컨트롤러(162)의 온도는 고온으로 할 수 있다. 또는, 액정의 온도 특성에 따라 앞의 경우와 반대로 쐐기형 셀의 두께(d)가 두꺼운 쪽의 온도 컨트롤러(161)의 온도를 두께(d)가 얇은 쪽의 온도 컨트롤러(162)의 온도보다 고온으로 할 수 있다. 이 경우, 쐐기형 셀의 x축 방향으로 연속적인 온도 그래디언트가 형성되어 연속적인 레이저 공진기 어레이를 형성할 수 있고, 넓은 파장 영역에서 연속적으로 레이저 파장을 발생시킬 수 있다. 이 경우, 온도 컨트롤러(160)의 온도를 조절하여 온도 기울기를 조절함으로써, 파장 가변 영역을 능동적으로 조절할 수 있게 된다.
또한, 밴드갭의 위치는 콜레스테릭 액정의 경우, 네마틱 액정과 카이랄 도픈트의 상대적인 농도 비율을 조정하여 결정할 수 있다. 레이저로서 펌퍼 빔을 사용하는 경우, 펌퍼 빔의 위치를 쐐기형 셀의 두께(d)가 큰 쪽에서 작은쪽으로 이동함으로써, 연속적으로 파장이 튜닝되는 레이저를 발진할 수 있다.
또한, 본 레이저 발진 소자는, 색소가 첨가된 콜레스테릭 액정 쐐기형 셀을 이용하여 발생하는 레이저 파장을 능동적으로 변화시킬 수 있다. 구체적으로, 한 개의 콜레스테릭 액정 쐐기형 셀에 한쪽 끝은 높은 온도를 갖게 하고, 다른 한쪽 끝은 낮은 온도를 갖게 한 후, 셀에 온도 그래디언트를 형성하여 온도에 의한 액정의 피치 그래디언트를 형성시킴으로써 연속적인 레이저 파장을 발생시킬 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시 예에 따른 레이저 발진 소자에 의하면, 콜레스테릭 액정을 쐐기형 셀에 주입한 후 쐐기형 셀의 양측의 온도를 다르게 조절하고, 쐐기형 셀의 전체에 걸쳐 연속적 파장 가변 공진기가 형성되는 시점에 UV를 조사하거나 열을 가하여 고분자 PCLC(Polymer Cholesteric Liquid Crystal)를 제작하여 사용할 수 있다. 연속적 파장 가변 공진기가 형성되는 시점, 즉, UV를 조사하거나 열을 가하는 시점은 설계자의 선택에 의해 결정될 수 있으며, 설계자는 원하는 파장 가변 영역마다 다른 시점을 선택할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 쐐기형 셀의 양측의 온도를 다르게 한 경우의 피치 그래디언트를 나타낸 도면이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 쐐기형 셀에 동일한 피치를 갖는 콜레스테릭 액정을 주입한 후, 쐐기형 셀의 양측의 온도를 다르게 하면 연속적인 피치 그래디언트가 나타날 수 있다.
도 5는 쐐기형 셀에 동일한 피치를 갖는 콜레스테릭 액정을 주입한 후, 본 발명의 일 실시 예에 따른 쐐기형 셀의 상온에서의 위치에 따른 레이저 파장을 나타내는 도면이다.
도 5를 참조하면, 상온에서는 콜레스테릭 액정이 주입된 쐐기형 셀의 위치에 따라, 레이저 라인이 5nm ~ 7nm 범위에서 주기적으로 파장 가변 레이징되는 것을 확인할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 온도 그래디언트가 형성된 쐐기형 셀의 위치에 따른 레이저 파장을 나타내는 도면이다.
도 6을 참조하면, 콜레스테릭 액정이 주입된 쐐기형 셀의 양측에는 온도 조절기가 연결되어, 쐐기형 셀의 두꺼운 쪽은 저온으로, 쐐기형 셀의 얇은 쪽은 고온으로 조절할 수 있다. 이 경우, 쐐기형 셀의 두꺼운 쪽(저온)에서 얇은 쪽(고온)으로 x축 방향으로 이동할수록 레이저의 피크 파장이 연속적으로 감속할 수 있다.
또한, 콜레스테릭 액정은 쐐기형 셀 구조와 온도 기울기의 조화에 의하여 연속적인 피치 그래디언트를 형성함으로써, 연속적인 레이저 공진기 어레이를 형성하여 넓은 파장 영역에서 연속적으로 레이저 파장을 발생시킬 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 레이저 파장에 따른 레이저의 강도를 나타내는 도면이다.
도 5 및 도 7을 참조하면, 레이저 튜닝 영역이 상온에서 5nm ~ 7nm 이었으나, 콜레스테릭 액정이 주입된 쐐기형 셀의 양측에 온도 그래디언트를 형성한 경우 레이저 튜닝 영역이 10배 이상 확장되어, 레이저 라인이 590 nm ~ 670 nm 범위에서 연속적으로 파장 가변 레이징되는 것을 확인할 수 있다.
또한, 쐐기형 셀 형태에 온도 그래디언트를 형성하여 공진기를 제작하는 경우 연속적으로 공진기 길이를 가변시킬 수 있으며, 연속적으로 공진기 길이를 가변시키는 모드에 부합되는 피치를 가진 콜레스테릭 액정이 공진기에서 피치 그래디언트를 형성함으로써 연속적으로 레이징을 발진할 수 있다.
또한, 연속적으로 파장 가변 레이징되는 구간은 네마틱 액정과 카이랄 도픈트의 상대적 농도 비율을 조정하거나, UV를 조사하여 고체화하는 시점을 변경함에 따라 조정할 수 있다. 따라서, UV curable PCLC를 이용하여 레이저 발진 소자를 제작하는 경우에도 수 백 나노미터 이상, 즉, 100nm 이상의 구간에서 연속적인 파장가변이 가능함은 물론이다.
상술한 본 발명에 따르면, 고분자가 아닌 형태의 콜레스테릭 또는 고분자 형태의 콜레스테릭을 이용하여 가시영역(VIS 영역)에서 연속적인 광범위 파장 가변 레이징을 구현할 수 있으며, 이 원리는 UV(Ultraviolet rays) 영역, VIS(Visible rays) 영역 또는 IR(Infrared rays) 영역 모두에 적용될 수 있으므로, 수십 나노미터 또는 수 백 나노미터 영역에서 연속적인 파장 변조를 구현할 수 있다.
즉, 본 발명에 따르면, 콜레스테릭 액정과 레이저 색소로 제작된 쐐기형 광소자에서 수백 nm 이상의 범위에서 연속적인 파장 가변 레이징이 가능한 레이저를 제작할 수 있다. 특히, 본 발명은 단색 파장(monochromatic)의 레이저 라인을 약 100 nm 이상의 범위에서 다른 부가적인 광학소자 없이 연속적으로 발생시킬 수 있으므로, 적은 비용의 초소형, 고효율의 광대역 파장 가변 레이저를 제작할 수 있으며, 독립적으로 레이저 소스로 이용가능하다.
또한, 본 발명은, 기존의 연속적인 파장 가변 레이저 시스템인 Optical Parametric Oscillator(OPO)에 비해 매우 효율적이며, 일반적인 콜레스테릭 액정 레이저가 제공하는 특장점들을 모두 제공한다. 따라서, 본 발명은 레이저뿐만 아니라 광과학, 분광기의 광소자, 광산업 등에서 응용가능하며, 특히, 광통신에서 응용시, 광통신의 신호전달효율을 증가시킬 수 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형 실시 예들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.

Claims (6)

  1. 제1 기판;
    상기 제1 기판의 상부에 구비되어 상기 제1 기판과의 사이에 쐐기형 셀(wedge cell)을 형성하는 제2 기판;
    상기 쐐기형 셀에 주입되는 피치가 동일한 색소가 첨가된 액정에 의해 형성되는 액정층; 및
    상기 쐐기형 셀의 양쪽에 연결되어, 상기 쐐기형 셀의 양쪽의 온도를 다르게 조절할 수 있는 온도 컨트롤러;를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 발진소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 주입된 액정은, 상기 쐐기형 셀의 온도 차이에 의해 연속적인 피치 그래디언트(pitch gradient)를 형성하는 것을 특징으로 하는 레이저 발진소자.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 피치 그래디언트가 형성된 후 UV를 조사하거나 또는 열을 가하여 상기 액정을 폴리머(polymer)화하는 것을 특징으로 하는 레이저 발진소자.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 쐐기형 셀을 형성하기 위하여 상기 제1기판과 상기 제2기판 사이 양측에 구비되는 적어도 두 개의 스페이서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 발진소자.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1기판과 상기 제2기판 사이의 거리에 해당하는 상기 적어도 두 개의 스페이서의 높이는 서로 다른 것을 특징으로 하는 레이저 발진소자.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 액정은 네마틱 액정과 카이랄 도픈트로 이루어지는 콜레스테릭 액정이며, 상기 피치는 상기 네마틱 액정과 상기 카이랄 도픈트의 상대적 농도 비율에 따라 결정되는 것을 특징으로 하는 레이저 발진소자.
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