KR100314088B1 - 제2고조파발생방법및장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 안정된 고조파의 출력이 가능한 제2고조파 발생 장치에 관한 것이다.

본 발명 제2고조파 발생 장치는, 펌핑 광을 발생하는 광원과, 광학적으로 가두어진 소정거리의 공진 구간을 마련하는 입력 미러와 출력 미러, 상기 공진 구간 내에 마련되며, 상기 펌핑 광에 의해 기본파를 발생하는 이득 매체와, 상기 공진 구간 내에 마련되며, 상기 기본파로 부터 제2고조파를 발생하는 비선형 단결정 소자와, 상기 비선형 단결정 소자의 온도를 제어하기 위한 냉각 소자와, 상기 공진 구간으로 부터 출사되는 제2고조파의 일부를 일방으로 반사하는 빔 스프리터, 상기 빔스프티터에 의해 반사된 빛을 수광하여 광량에 상응하는 전기적 신호를 발생하는 포토 디텍터와, 상기 빔스프리터와 포토 디텍터의 사이에 마련되어 포토 디텍터로 진행하는 빛을 산광시켜 상기 포토 디텍터에 입사광을 분산 조사시키는 광 디퓨져와, 상기 포토 디텍터로 부터의 전기적 신호에 의해 상기 냉각 소자를 제어하는 제어부를 갖추며, 이로써 비선형 단결정 소자의 안정되고 정밀한 온도 제어가 가능하고, 결과적으로 안정된 제2고조파 출력을 얻을 수 있다.

Description

제2고조파 발생 방법 및 장치

제1도는 종래 제2고조파 발생 장치의 개략적 구조도.

제2도는 종래 제2고조파 발생 장치에 의한 제2고조파 출력과 포토 다이오드의 광 검출량의 불일치를 나타내 보인 시간-출력 선도.

제3도는 본 발명에 따른 제2고조파 발생 장치의 개략적인 구조도.

제4도는 본 발명에 따른 제2고조파 발생 장치에 의한 제2고조파 출력과 포토 다이오드의 광 검출량의 불일치를 나타내 보인 시간-출력선도.

본 발명은 제2고조파 발생 장치(Second Harmonic Generator)에 관한 것으로서 출력의 안정화를 위하여 광 출력 피이드 백의 구조를 개선한 제2고조파 발생 장치에 관한 것이다.

공진기 내에서의 주파수 배가 작용 원리를 적용한 제2고조파 발생 장치는 소형화가 가능하고 단파장의 가시광선을 발생하기 때문에 디지탈 비디오 녹화/재생 장치용 광원, 고해상 화상 처리기, 고속 정보 처리기에 폭넓게 사용되고 있다.

제2고조파 발생 장치는 일반적으로 청녹색의 레이저를 발진하는 것으로 대향된 두개의 미러에 의해 장학적으로 가두어진 공진 구간(Intracavity)내에 Nd:YAG 등과 같은 이득 매체(Gain Medium)와, 블루스터 플레이트 등과 같은 편광 소자, KTP(KTiOP0₄) 등과 같은 비선형 단결정 소자가 한 광축 상에 마련되어 있는 구조를 가진다.

상기 이득 매체는 외부로 부터 가해진 펌핑 레이저로 부터 기본파(Fundamental Wave)를 발생하고 비선형 단결정 소자는 기본파로부터 제2고조파를 발생한다. 그리고 상기 편광 소자는 기본파 중 특정 편광만을 통과시켜 비선형 단결정 소자에 입사되게 하는 것이다.

이상과 같은 레이저 다이오드에 의해 펌핑되는 제2고조파 발생장치(Diode Laser Pumped Intracavity Second Harmonic Generator)는 동작 중 상당한 열을 발생하고, 특히 비선형 단결정 소자는 열 변화에 따라 그 특성이 민감하게 변화되어 출력의 진폭이 불안정한 특성을 가진다.

일반적으로 제2고조파 발생 장치를 열적으로 안정화시키는 방법에는 두 가지 방안이 있다. 하나는 제2고조파 출력을 추적(모니터링 )하면서 그 출력의 변동이 나타날 때에 레이저 다이오드의 출력을 조절하여 제2고조파 출력을 규정치로 보상시키는 것이다.

다른 한 방법은 모드 선택(Mode Selection) 방식이다. 이 방식은 레이저 다이오드의 출력은 일정하게 하고, 공진구간 내에 위치한 비선형 단결정 소자의 온도를 정밀하게 조절하여 제2고조파 출력을 일정하게 유지하는 것이다. 이러한 모드 선택법에 있어서 일반적으로 제2고조파 출력을 규정 값에 대해 ±3퍼센트 범위 이내로 안정화시키기 위해서는 단결정 소자의 온도 편차를 약 ±0.01℃ 이내로 제한하는 것이 필요하다.

이러한 모드 선택법에 있어서 실제적 사용 가능한 구조에 관해서는 미국 특허 3,858,056호에 구체적으로 개시되고 있다. 제1도는 일반적인 모드 선택법이 적용된 종래 제2고조파 발생 장치의 개략적 구조도이다. 공진기(10)의 전방의 광원(20)을 구성하는 레이저 다이오드(21)와 공진기(10)에 레이저 광을 집속시키는 포커스 렌즈(22)가 마련되어 있다. 공진기(10)에는 기본파에 대해 고반사률을 가지는 입력 미러(11)와 제2고조파에 대해서 높은 투과율을 가지는 출렬 미러(16)가 마련되고, 이들 사이의 공진 구간에는 Nd:YAG 등 동적 레이저 소자로서의 이득 매체(12), 블루스터 플레이트 등의 편광 소자(13) 그리고 KTP 등과 같은 비선형 단결정 소자(14)가 마련되어 있다. 그리고 비선형 단결정 소자(14a)의 하부에는 후술되는 온도 제어 장치(30)에 의해 제어되는 열전 냉각 소자(Thermoelectric Cooler; 15)가 마련되어 있다. 온도 제어 장치(30)는 상기 출력 미러(16)의 출력 광의 진행 경로 상에 마련되는 빔스프리터(31)와 빔 스프리터(31)에 의해 일부 반사된 광의 특정 파장만을 통과시키는 필터(32), 필터(32)를 통과한 빛에 감응되어 입사된 빛의 강도에 상웅하는 전기 신호를 발생하는 포토 다이오드등의 포토 디텍터(33), 포토 디텍터(33)로 부터의 전기적 신호에 의해 상기 열전 냉각 소자(15)에 적정 전류를 흘리는 열전소자 제어부(34)를 갖춘다.

이러한 구조는 전술한 바와 같이 제2고조파 출력의 강도를 전기적으로 제어회로로 귀환(피이드백)시켜 비선형 단결정 소자(14)의 온도가 제어되도록 하고 있는데, 전술한 미국 특허 3,856,058호에서는 상기 제어회로에 포토 디텍터로 부터 얻은 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 컨버어터와, 멀티 바이브레이터, 카운터, 스텝핑 모터와 이에 의해 동작되는 포텐셔메터를 마련하고 있다.

이상과 같은 구조에서 상기 필터(32)는 원하는 파장의 빛 만을 통과시키도록 하는 것인데 이때에 통과된 빛의 직경은 200㎛ 정도이기 때문에 포토 다이오드에 입사되는 빛은 포토 다이오드의 특정부위에 집중되게 된다. 이로 인해 포토 디텍터는 과도한 광 집중 등에 의해 피로도가 증가되어 높은 광 검출 감도를 기대할 수 없다. 즉, 제2도에 도시된 바와 같이 제2고조파 출력과 이 출력을 일부 반사하여 포토 디텍터로 부터 얻은 출력 량이 상호 불일치하게 되어 열 전 냉각 장치의 정상적인 제어가 어려워지고, 이로 인해 안정된 제2고조파 출력을 얻을 수 없다.

본 발명은 광출력과 포토 디텍터의 출력량 불일치를 감소시켜 보다 안정하게 제2고조파 출력이 가능하도록 구조 개선된 제2고조파 발생 장치를 제공함에 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 제2고조파 발생 장치는 펌핑 광을 발생하는 광원과, 광학적으로 가두어진 소정 거리의 공진 구간을 마련하는 입력 미러와 출력 미러, 상기 공진 구간 내에 마련되며, 상기 펌핑 광에 의해 기본파를 발생하는 이득 매체와, 상기 공진 구간 내에 마련되며, 상기 기본파로 부터 제2고조파를 발생하는 비선형 단결정 소자와, 상기 비선형 단결정 소자의 온도를 제어하기 위한 냉각 소자와, 상기 공진 구간으로 부터 출사되는 제2고조파의 일부를 일방향으로 반사하는 빔스프리터, 상기 빔스프티터에 의해 반사된 빛을 수광하여 수광된 광량에 상응하는 전기적 신호를 발생하는 포토 디텍터와, 상기 빔스프리터와 포토 디텍터의 사이에 마련되는 필터와, 상기 빔스프리터와 포토 디텍터의 사이에 마련되어 포토 디텍터로 진행하는 빛을 산광(散光)시켜 상기 포토 디텍터에 입사광을 분산 조사시키는 광 분산 수단과, 상기 포토 디텍터로 부터의 전기적 신호에 의해 상기 냉각 소자를 제어하는 제어부를 갖춘 점에 그 특징이 있다.

상기 본 발명에 있어서, 상기 광 분산 수단은 상기 필터와 일체로 형성될 수 있으나, 필요에 따라 독립된 부재로 마련될 수 있다.

이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 제3도는 본 발명에 따른 제2고조파 발생 장치의 개략적 단면도이다. 본 발명에 따른 제2고조파 발생 장치는 크게 공진기 (100)와 광원(200)과 귀환 제어부(300)를 갖춘다.

상기 광원(200)은 공진기 (100)의 앞에 마련되는 것으로 펌핑 광을 발생하는 레이저 다이오드(210)와 펌핑 광을 공진기(100)로 집속하는 포커스 렌즈(220)를 가진다. 그리고, 공진기(100)에는 레이저 빔이 공진하는 광학적 공간을 마련하는 입력미러(110)와 출력미러(160)가 마련된다. 상기 입력미러(110)는 기본파에 대해 고반사률을 가지며, 출력미러(160)는 제2고조파에 대해서만 높은 투과율을 가진다. 상기 양 입력 미러(110)와 출력 미러(160)의 사이에는 펌핑 광으로 부터 기본파를 발생하는 이득 매체(120), 기본파의 특정 편광을 통과시키는 편광 소자(130) 그리고 입사된 기본파로 부터 제2고조파를 발생하는 비선형 단결정 소자(140)가 마련되어 있다. 상기 단결정 소자(140)의 밑에는 펠티어 소자등의 열전 소자에 의한 냉각 장치(150)가 위치하여 있다. 이 냉각 장치(150)는 다른 출력 값을 가지는 여러 모드(mode) 중에 원하는 하나를 선택하여 원하는 출력을 얻기 위한 것으로서 후술하는 귀환 제어부(300)에 의해 조절된다.

상기 귀환 제어부(300)는 상기 출력 미러(160)의 광출력 방향에 마련되어 출력광의 일부를 반사하는 빔 스프리터(310)와 빔스프리터(317)를 통과한 빛을 수광하는 포토 디텍터(330), 포토 디텍터(330)로 부터의 광 강도 신호에 의해 상기 냉각 장치(150)에 적정한 전류를 흘리는 제어부(340)가 마련된다. 이러한 구조에 더하여 상기 비선형 단결정 소자(140)에 마련되는 감열 센서로서의 서어미스터(미도시)가 마련되는데 이 서어미스터는 비선형 단결정 소자(140)의 온도를 감지하여 제어부(340)에 전달함으로써 비선형 단결정 소자(140)가 적절히 조절될 수 있게 한다.

이러한 귀환 제어부(300)는 본 발명을 특징지우는 광 디퓨져(확산기, 320)를 갖추는데, 특정 파장의 광을 통과시키는 필터에 광 분산수단이 마련된 구조를 가진다. 이것은 빔 스프리터(310)와 포토 디텍터(330)의 사이에 마련되는 것으로 기존의 필터와 구분된다. 이것은 특정 파장의 광만을 통과시키던 기존의 필터와는 달리 빔스프리터(310)에 의해 반사된 광을 확산시켜 포토 디텍터의 수광면 전체에 조사되도록 하는 것이다. 그러므로 광 디퓨우저(330)는 본 실시예에서와 같이 필터와 일체로 즉 필터의 표면을 처리함으로써 표면에 광 확산 기능(수단)을 부여할 수 있다. 그러나 경우에 따라 필터와 별도로 광을 산란시킬 수 있는 부재를 마련함으로 본 발명의 목적을 달성할 수 있다.

이상과 같은 구조를 가지는 본 발명 제2고조파 발생 장치는 상기한 바와 같은 광 디퓨져를 가짐으로써 정밀하고 신뢰성이 있는 냉각 장치의 제어가 가능하게 된다 이를 살펴 보면, 상기 광원(200)에서는 펌핑 광 예를 들어 적색 계열의 레이저 광이 발생되고 이 펌핑 레이저 광은 포커스 렌즈(220)를 거쳐 입력 미러(110)를 통과하여 공진기(200)로 입사한다. 공진기(200) 내로 입사한 펌핑 레이저는 이득 매체(120)에서 기본파로 변환된다. 여기에서 발생된 기본파는 편광 소자(130)를 통과하게 되고 여기에서 특정 편광 만이 통과하여 비선형 단결정 소자(140)로 입사한다 이에 의해 비선형 단결정 소자(140)에서는 제2고조파가 발생하게 되고, 제2고조파는 출력 미러를 통과하여 출사하게 된다. 출사된 제2고조파는 빔스프리터(310)를 거치면서 그 일부가 포토 디텍터(330)로 진행하게 된다. 이때에 포토 디텍터(330)의 전방에 광 디퓨져(320)가 마련되어 있어서 이리로 진행하던 제2고조파는 광 디퓨져(320)를 통과하면서 산란되게 되어 포토 디텍터(330)에 산란광의 형태로 입사하게 된다. 이와 같이 산란광은 그 강도에 있어서 디퓨져를 통과하기 전에 비해 떨어진 상태이나 포토 디텍터에 대해서는 고른 강도로 입사하게 된다 이와 같이 고른 강도로 입사하게 되면, 포토 디텍터에서의 광 집중에 의한 부분적 피로도의 누증이 감소되어서 감도저하가 완화된다. 따라서 포토 디텍터는 입사된 광 감도에 상응하는 정상적인 신호(광 강도에 대응하는 크기의 전류)를 발생하므로 자연 냉각 소자의 안정된 제어가 가능하게 된다. 제4도는 본 발명에 의한 광출력과 포토 디텍터의 출력의 불일치 상태를 보인다. 이에서 볼 수 있듯이 광출력이 선형적 일때 역시 포토 디텍터의 출력이 비교적 선형적으로 나타난다. 종래 제2고조파 발생 장치와 본 발명에 따른 제2고조파 발생 장치의 특성을 검토한 바에 의하면, 본 발명의 제2고조파 발생 장치의 경우 포토 디텍터의 출력이 8시간 동안 ±0.5% 내에서 변화되는 안정도를 보였는데 반해 종래 제2고조파 발생 장치는 제2도에 도시된 바와 같이 ±1.8% 내의 큰 변화폭을 보였다. 이러한 양자의 출력 안정도를 비교하면, 본 발명에 따른 제2고조파 발생 장치는 종래에 비해 약 3.6배의 안정도 향상이 이루어졌다.

Claims (3)

1. 펌핑 광을 발생하는 광원과, 광학적으로 가두어진 소정 거리의 공진 구간을 마련하는 입력 미러와 출력 미러, 상기 공진 구간 내에 마련되며, 상기 펌핑 광에 의해 기본파를 발생하는 이득 매체와, 상기 공진 구간 내에 마련되며, 상기 기본파로 부터 제2고조파를 발생하는 비선형 단결정 소자와, 상기 비선형 단결정 소자의 온도를 제어하기 위한 냉각 소자와, 상기 공진 구간으로 부터 출사되는 제2고조파의 일부를 일방향으로 반사하는 빔스프리터, 상기 빔스프티터에 의해 반사된 빛을 수광하여 수장된 광량에 상응하는 전기적 신호를 발생하는 포토 디텍터와, 상기 빔스프리터와 포토 디텍터의 사이에 마련되는 필터와, 상기 빔스프리터와 포토 디텍터의 사이에 마련되어 포토 디텍터로 진행하는 빛을 산광시켜 상기 포토 디텍터에 입사광을 분산 조사시키는 광 분산 수단과, 상기 포토 디텍터로 부터의 전기적 신호에 의해 상기 냉각 소자를 제어하는 제어부를 갖춘 것을 특징으로 하는 제2고조파 발생 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 필터에 상기 광분산 수단이 마련되어 있는 것을 특징으로 하는 제2고조파 발생 장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 광분산 수단은 상기 필터에 인접하여 마련되는 광 디퓨져인 것을 특징으로 하는 제2고조파 발생 장치.