KR100366699B1

KR100366699B1 - 내부 공진형 제2 고조파 발생 장치

Info

Publication number: KR100366699B1
Application number: KR1019960020606A
Authority: KR
Inventors: 황영모
Original assignee: 삼성전자 주식회사
Priority date: 1996-06-10
Filing date: 1996-06-10
Publication date: 2003-03-06
Also published as: KR980006651A

Abstract

내부 공진형 제2 고조파 발생 장치는 광 펌핑용 반도체 레이저 다이오드와, 상기 반도체 레이저 다이오드에서 발진한 레이저를 집속시키는 포커싱 렌즈와, 상기 반도체 레이저 다이오드의 광 펌핑에 의해 기본파 레이저를 발생하는 이득 매체 및 상기 이득 매체에서 발진하여 공진하는 기본파 중 일부를 제2 고조파로 변환시켜 주는 비선형 단결정 소자를 포함하여 간단한 제작 공정, 부품 절감 및 성능 향상 효과를 얻을 수 있어 저가 대량 생산 및 산업 기기에의 응용을 가능케 한다.

Description

내부 공진형 제2 고조파 발생 장치

본 발명은 내부 공진형 제2 고조파 발생 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 간소하고 안정된 구조로서 광학 부품이 줄어든 내부 공진형 제2 고조파 발생 장치에 관한 것이다.

SHG(Second Harmonic Generation; 제2고조파 발생)에 의한 녹색 레이저 광은 광학적 기록 및 재생 기술 분야에서 기존의 반도체 다이오드에 의한 800nm 파장의 레이저 광보다 짧은 파장의 광이 필요하게 되면서 오디오 및 비디오 디스크 장치 등의 관련 분야에서 연구가 활발히 진행되고 있다.

내부 공진형 제2 고조파 발생 장치는 레이저 장치의 소형화 및 단파장화에 매우 유용한 수단으로 널리 연구되고 사용되어 왔다. 레이저 장치의 소형화는 그구성에 사용되는 광부품을 소형화하여야 하는데 이러한 소형화된 광부품은 일반 산업 응용에 필요한 수준의 성능을 내기 위해서는 고효율의 광특성을 가지도록 제작되어야 한다.

녹색 레이저 장치의 주요 방식은 내부 공진형으로 두개의 미러에 의해 광학적으로 갇힌 공진기 내에 Nd: YAG 또는 Nd:유리 등의 이득매체와, KTP(KTiOPO₄) 등의 비선형 단결정소자가 마련된다. 그러나 이러한 방식은 이득매체와 비선형 단결정 소자가 온도 변화에 따라 공진기내에서 발진하는 기본파(Fundamental Wave)의 위상 상태가 변화되어 제2고조파 출력이 불안정해지는 단점이 있다. 그리고 상기한 바와 같은 소재의 이득매체는 고흡수대의 800nm의 펌핑 레이저가 이용되는데, 고체 레이저의 흡수대가 수 nm 정도로 작아서 여기광원인 반도체 다이오드의 동작온도를 엄격히 제어해야 하는 어려움이 있다.

제1도는 일반적인 SHG장치를 개략적으로 도시한다.

내부에 공동부를 가지는 금속성 하우징(미도시)의 양측 개구부에 고반사막이 코팅된 입력미러(3)와 출력미러(7)가 고정되어 광학적으로 갇힌 공진공간이 마련되어 있다. 상기 공진공간 내에는 Nd:YAG 등의 이득매체(4), 브루스터 플레이트 등의 편광소자(5), KTP 등의 비선형 단결정 소자(6)가 동일 광축상에 마련되어 있다. 그리고 상기 입력 미러(3)의 전방에는 반도체 레이저 다이오드(1)가 설치되어 있고, 반도체 레이저 다이오드(1)와 입력미러(3)의 사이에는 포커싱 렌즈(2)가 마련되어 있다.

위의 구조에서 상기 반도체 레이저 다이오드(1)는 809nm 부근의 펌핑 레이저(Pumping Laser)를 발진하여 상기 포커싱 렌즈(2)를 통해 상기 이득매체(4)로 입사시킨다. 이득매체(4)는 펌핑 레이저에 의해 여기되어 1064nm 파장의 기본파(Fundamental Wave)를 발생한다. 이 기본파는 입력 미러(3)와 출력미러(7)의 사이에서, 즉 제1도에 도시된 사선 친 면(면 S2 와 면 S7) 사이에서 공진하면서 증폭되게 되는데, 이 기본파는 상기 편광소자(5)를 통과하면서 상기 비선형 단결정소자의 위상정합조건에 부합되는 특정 방향으로 선편광화된다. 이와 같이 선편광화된 기본파는 그 일부가 상기 비선형 단결정 소자(6)에 흡수되면서 비선형 단결정 소자(6)의 주파수 배가 작용에 의해 532 nm 파장의 제2고조파(Second Harmonic)가 발생되고, 이 제2고조파는 상기 출력미러(7)를 통해 외부로 방출되게 된다.

이와 같은 주파수 배가 작용에 의한 청록색 레이저 즉, 제2고조파의 출력은 상기 미러의 반사율과 그리고 이득매체 및 비선형 단결정소자의 광이용 효율에 영향을 받게 되는데, 한편으로는 상기 양 미러의 반사면과 이득매체, 편광 소자 그리고 비선형 단결정 소자의 레이저 입출사면의 상태에 의해서도 영향을 받는다.

이러한 광학 부품으로 내부 공진형 제2 고조파 발생 장치를 제작하기 위해서는 매우 까다롭고 엄격한 광학적 정렬을 하여야만 한다. 이러한 엄격한 정렬을 하기 위해서는 입력 미러와 이득 매체의 광학적 정렬과, 조립된 입력 미러와 이득 매체와 출력 미러의 광학적 정렬과, 편광 소자 삽입 후의 정렬 및 비선형 단결정 소자 삽입 후의 광학적 정렬을 시행하여야 한다. 일반적으로 광학적 정렬을 매우 정교하게 시행하지 않으면 목표로 하는 출력 특성을 내기 어렵다. 하지만 다루기 힘들 정도로 소형화된 부품을 여러번에 걸쳐 매우 까다로운 광학적 정렬을 해야함으로 제작 시간이 매우 길어져 대량 생산에 결정적 장애가 되고 있고, 제작된 제2 고조파 발생 장치의 수율이 크게 떨어지게 된다.

더 나아가 제작 기간의 장기화, 낮은 수율, 고가의 소형화된 광학 부품 사용은 제2 고조파 발생 장치의 가격을 고가로 만들어 제2 고조파 발생 장치의 주응용 분야인 정보 기록 기기등 민수용 산업 장치에 적용하지 못하게 하는 문제가 있다.

본 발명은 상기 문제를 해결하도록 안출된 것으로서, 한 번의 정렬만 필요하고 광학 부품 수를 줄인 간단한 내부 공진형 제2 고조파 발생 장치를 제공함을 그 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 내부 공진형 제2 고조파 발생 장치는,

펌핑 레이저 광을 발생하는 반도체 레이저 다이오드와,

상기 반도체 레이저 다이오드로 부터의 펌핑 레이저 광에 의해 기본파를 발생하는 것으로 반도체 레이저 다이오드를 향하는 측면이 구면형으로 가공되어 입사된 광이 그 내부로 집중될 수 있도록 구성된 이득 매체와,

상기 반도체 레이저 다이오드에서 발진한 레이저를 상기 이득매체로 집속시키는 포커싱 렌즈와,

상기 이득매체의 광 입사측면에 형성되는 것으로 상기 펌핑레이저광에 대해서는 저반사, 상기 기본파에 대해서는 고반사율을 가지는 입력미러와,

상기 이득 매체에서 발진하여 공진하는 기본파 중 일부를 제2 고조파로 변환시켜 주는 것으로, 상기 기본파가 입사되는 측면이 상기 기본파의 임의로 편광된 레이저(randomly polarized laser) 중 횡 모드(transverse mode)만 무반사 통과될 수 있도록 입사 기본파에 대해 소정의 부루스터각도를 가지도록 경사져있는 비선형 단결정 소자와,

상기 비선형 단결정 소자의 제2고조파 출력측에 마련되는 것으로 기본파에 대해서는 고반사율, 제2고조파에 대해서는 저반사율을 가지는 출려 미러를; 구비하는 점에 그 특징이 있다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 한 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

제2도는 본 발명에 따른 내부 공진형 제2 고조파 발생 장치의 개략도이다.

반도체 레이저 다이오드(11)는 이득매체를 여기시키기 위한 펌핑 레이저 광원이다. 반도체 레이저 다이오드(11)에 인접해 있는 포커싱 렌즈(12)는 상기 반도체 레이저 다이오드(11)에서 발진한 레이저 광을 이득 매체(13)에 집속시키는 것이다. 이득 매체(13)는 상기 반도체 레이저 다이오드(11)로 부터의 펌핑 레이저 광에 의해 여기되어 기본파 레이저를 발생한다. 그리고 비선형 단결정 소자(14)는 상기 이득 매체(13)에서 발진하여 공진하는 기본파 중 일부를 제2고조파로 변환시켜 준다.

상기와 같은 본 발명에 따른 내부 공진형 제2 고조파 발생 장치의 구성 요소에는 본 발명의 특징에 따라 종래의 내부 공진형 제2 고조파 발생 장치의 구성 요소 중 입출력 미러와 편광 소자가 포함되지 않는다.

입력 미러 대신 반도체 레이저 다이오드(1)를 향하고 있는 이득 매체(13)의 일단이 구면을 갖도록 가공되어 있고, 구면에 기본파인 파장λ₁에 대해 이득 매체(13)의 입력미러(S11)가 코팅층으로서 형성되어 있다.

또한 비선형 단결정 소자의 제2고조파 출력면에는 출력미러(S14)가 코팅층으로서 형성되어 있다.

일반적으로 편광 소자 설치 목적은 이득 매체(13)에서 발진한 임의로 편광된 레이저 중 횡 모드만 선택적으로 통과시켜 공진하게 하는 것이다. 그 방법은 다음과 같이 이루어진다. 기본파 λ₁광의 광경로 상에 편광 소자를 각도 θ= tan^-1n (n은 편광 소자 물질의 기본파 λ₁에서의 굴절율)로 설치하면 반도체 레이저 다이오드(11)의 광펌핑에 의해 이득 매체(13)에서 발진한 임의로 편광된 레이저의 기본파 λ₁광 중 횡모드는 100% 투과시키고 그외에는 일부 반사시킨 나머지가 통과하게 된다. 따라서, 횡모드 광은 무손실 공진이 되고, 그 이외의 모드에 대해서는 손실 공진이 되게 됨으로 종국적으로는 횡모드만 공진하게된다.

편광 소자를 제거하기 위해서는 편광 소자를 설치해서 얻는 효과를 주는 구조를 공진기내 어디엔가 만들어 주어야 한다. 이를 위해 비선형 단결정 소자의 면 S5를 횡모드에 대해 브루스터 각이 만족하도록 제2도와 제3도와 같이 가공해 준다. 이렇게 함으로써, 본 발명에 따른 내부 공진형 제2 고조파 발생 장치는 기본파 발생용 이득 매체(13)와 비선형 단결정 소자(14)로 구성되는 매우 간단한 구조가 된다.

상기와 같이 간단화된 내부 공진형 제2 고조파 발생 장치의 동작은 다음과 같이 설명된다.

반도체 레이저 다이오드(11)의 파장 λ₀이 809nm일 때 이득 매체 Nd:YAG에서 발진하는 기본파 λ₁은 1064nm가 되고, 공진기 내에서 공진하는 기본파의 광축상에 놓인 비선형 단결정 소자(14)에서 발생하는 제2 고조파 파장 λ₂는 기본파 λ₁의 절반인 파장이 된다. 본 발명에 따른 내부 공진형 제2 고조파 발생 장치에서 레이저를 발생하기 위해서는 면 S11, S12, S13, S14에서의 코팅은 표1과 같이 해준다.

여기서, AR은 저반사막 코팅 (anti-reflective coating)이고,

HR은 고반사막 코팅 (high-reflective coating)이고,

-은 코팅을 실시하지 않음을 나타낸다.

반도체 레이저 다이오드(11)에서 발진한 809nm 파장의 적외선 레이저는 포커싱 렌즈(12)를 통해 이득 매체(13)에 집속되어 광펌핑을 한다. 이 때, 809nm 파장의 적외선 레이저가 이득 매체(13) 안으로 잘 투과되도록 면 S11에는 809nm에 대해 저반사막 코팅이 되어 있다. 반도체 레이저에의해 광펌핑된 이득 매체는 파장 1064nm의 임의로 편광된 레이저를 발진하며 발진된 레이저가 기본파 광축상에 놓인 비선형 단결정 소자(14)의 한 측단이 브루스터 각으로 가공된 면을 통과하면서 횡모드만 무반사 통과하고 난 다음 기본파 1064nm에 대해 면 S14에서 반사되어 1064nm에 대해 역시 고반사막 코팅이 되어 있는 면 S11로 진행하여 반사되고 다시 면 S14에 반사되는 것을 연속적으로 하게 된다. 이 때, 면 S11과 면 S14 사이의 거리를 광학적 정렬에 의해 정밀 조정하면 발진한 광과 반사된 광간에 보강 간섭 상태가 유지되어 면 S11과 면 S14 사이를 공진하는 광 출력이 증강된다. 이렇게 증강된 기본파 1064nm의 광 에너지 중 약 5-10% 정도는 기본파 광축 상에 놓인 비선형 단결정 소자(14)에서 파장이 변환되어 제2 고조파가 발생한다. 발생한 제2 고조파는 면 S14에 기본 파장의 절반인 제2 고조파에 대해 저반사막 코팅이 되어 있으므로 모두 외부로 출력되게 된다. 또한, 면 S11과 면 S14 간을 공진하는 기본파가 내부적으로 손실이 없도록 면 S12에서도 기본파 1064nm에 대해 저반사막 코팅이 되어 있다. 이렇게 함으로써 단지 이득 매체와 비선형 단결정 소자로만 구성된 내부 공진형 제2 고조파 발생 장치가 제작되며, 이러한 구조에 의하여 제2 고조파를 효율적으로 얻을 수 있다.

본 발명에 따른 내부 공진형 제2 고조파 발생 장치의 효과는 다음과 같다.

광학적 정렬은 이득 매체와 비선형 단결정 소자와의 사이에 단 한번만 실시하면 되고, 광학적 부품의 경우 입력 미러, 출력 미러 및 편광 소자를 제거할 수있다. 또한, 본 발명에 따른 내부 공진형 제2 고조파 발생 장치를 제작할 경우 제작 시간이 대폭 감축되고(10분의 1 이하), 부품 절감 효과에 의해 비용을 절감할 수 있으며, 복잡한 광학적 정렬에 의한 레이저 출력 특성 저하 및 수율 감소를 막을 수 있다. 즉, 간단한 제작 공정, 부품 절감 및 성능 향상의 효과를 얻을 수 있어 저가 대량 생산 및 산업 기기에의 응용을 가능케 한다.

본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시에가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허 청구 범위의 기술적 사상에 의해 정해져야만 할 것이다.

제1도는 종래의 내부 공진형 제2 고조파 발생 장치의 개략도이고,

제2도는 본 발명에 따른 내부 공진형 제2 고조파 발생 장치의 개략도이고,

제3도는 브루스터 각으로 가공된 비선형 단결정 소자의 한 측단을 도시하는 개략도이다.

Claims

펌핑 레이저 광을 발생하는 반도체 레이저 다이오드와,

상기 반도체 레이저 다이오드로 부터의 펌핑 레이저 광에 의해 기본파를 발생하는 것으로 반도체 레이저 다이오드를 향하는 측면이 구면형으로 가공되어 입사된 광이 그 내부로 집중될 수 있도록 구성된 이득 매체와,

상기 반도체 레이저 다이오드에서 발진한 레이저를 상기 이득매체로 집속시키는 포커싱 렌즈와,

상기 이득매체의 광 입사측면에 형성되는 것으로 상기 펌핑레이저광에 대해서는 저반사, 상기 기본파에 대해서는 고반사율을 가지는 입력미러와,

상기 이득 매체에서 발진하여 공진하는 기본파 중 일부를 제2 고조파로 변환시켜 주는 것으로, 상기 기본파가 입사되는 측면이 상기 기본파의 임의로 편광된 레이저(randomly polarized laser) 중 횡 모드(transverse mode)만 무반사 통과될 수 있도록 입사 기본파에 대해 소정의 부루스터각도를 가지도록 경사져있는 비선형 단결정 소자와,

상기 비선형 단결정 소자의 제2고조파 출력측에 마련되는 것으로 기본파에 대해서는 고반사율, 제2고조파에 대해서는 저반사율을 가지는 출력 미러를; 구비하는 것을 특징으로 하는 내부 공진형 제2고조파 발생장치.