KR100764424B1 - 파장변환 레이저 장치 및 이에 사용되는 비선형 광학결정 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 파장변환 레이저 장치와 이에 사용되는 비선형 광학결정에 관한 것이다. 본 발명의 일측면에 따른 파장변환 레이저 장치는 정의 파장빔을 방출하는 레이저 광원과, 상기 레이저 광원의 파장빔을 기본파 빔으로 여기시키는 레이저 매질과, 상기 기본파 빔을 제2 조화파 빔으로 변환하여 출력시키고, 상기 기본파 빔의 입사면이 타입Ⅱ의 위상정합조건으로 b-c 결정면이 되도록 배치된 KTiOPO4(KTP)결정으로 이루어진 비선형 광학 결정부를 포함하는 파장변환 레이저 장치를 제공한다.
파장변환 레이저(wavelength converted laser), 제2 조화파 발생용 결정(SHG crystal), 위상정합(phase matching), KTiOPO4(KTP) 결정(KTP crystal)

Description

파장변환 레이저 장치 및 이에 사용되는 비선형 광학결정{WAVELENGTH CONVERTED LASER APPARATUS AND NONLINEAR OPTICAL CRYSTAL USED IN SAME}
도1a 및 도1b는 본 발명의 일 실시형태에 따른 파장변환 레이저 장치의 개략 구성도이다.
도2는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 파장변환 레이저 장치의 개략도이다.
도3a 및 도3b는 본 발명에 채용되는 비선형 광학결정인 KTiOPO4(KTP)의 결정구조에서 입사빔의 방향을 나타낸다.
도4는 기본파 빔의 파장이 1064㎚인 경우에, 각도(θ)변화에 따른 SHG(532㎚)세기를 나타내는 그래프이다.
도5는 본 발명에 채용되는 비선형 광학결정 KTP의 온도에 따른 SHG 광효율을 나타내는 그래프이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호설명>
11: 레이저 광원 12: 집광렌즈
14: Nd:YVO4 레이저 매질 15: KTiOPO4(KTP) 비선형 광학결정
16: 제1 미러 17: 제2 미러
본 발명은 파장변환 레이저 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 동작온도범위가 개선된 비선형 광학결정과 이를 포함한 파장변환 레이저 장치에 관한 것이다.
최근에는, 다양한 디스플레이 및 광기록장치 분야에서 반도체 레이저의 수요가 늘어나고 있다. 특히, 디스플레이분야에서는 풀컬러의 구현을 위한 반도체 레이저의 응용범위가 확대되면서, 저전력 특성을 가지면서 가시광선영역에서 고출력이 가능한 레이저가 크게 요구되고 있다.
하지만, 적색광을 얻고자 하는 경우에는 AlGaInP 또는 AlGaAs계 반도체 레이저가 비교적 용이하게 제조되어 사용되지만, 녹색 또는 청색광을 얻고자 하는 경우에는 3족 질화물 반도체의 고유한 격자상수 및 열팽창계수로 인해 다른 반도체 물질에 비해 매우 성장이 어려운 문제가 있으며, 전위와 같은 높은 결정결함을 가지므로, 레이저의 신뢰성을 저하시키고 수명을 단축시키는 문제를 야기할 수 있다.
이러한 문제의 해결방안으로서, 비선형 특성을 이용하여 파장을 변환하는 방법이 사용되고 있다. 이러한 비선형 특성을 이용하는 방법 중 하나로서 DPSS(diode-pumped solid-state) 레이저 장치가 주목을 받고 있다. DPSS 레이저 장 치에서는, Nd:YAG 등의 결정에 808㎚ 대역의 펌프 레이저 다이오드의 광을 입사시켜 1060㎚ 근처의 파장을 얻은 후에, 비선형 크리스털을 이용하여 주파수를 2배로 높여 530㎚ 근처의 녹색광을 얻을 수 있다.
DPSS 레이저 장치는 2차 조화파 발생용(Second Harmonic Generation: SHG)용 결정과 같은 비선형 광학결정은 온도에 따른 굴절률 변화가 결정방향에 따라 다르므로, 온도에 따라 위상 정합, 즉 최적의 파장변환효율을 얻기 위한 입사각이 변한다. 이로 인해, 사용온도범위에서 비선형 광학결정의 파장변환효율을 일정하게 유지하기 위한 방안이 요구된다.
종래의 방법으로는, 펠티에르(peltier)소자를 이용한 TEC(thermo-electric cooler)와 열방출구조를 채용하는 방안이 있으나, 미국등록특허 6,614,584호(Sergei외 다수)에서는 광출력을 모니터링하고 이를 피드백하여 최적의 위상정합조건의 입사각을 갖도록 비선형 광학결정을 변위하는 방안이 제안된 바 있으나, 전력소모를 증가시키거나 시스템이 커지는 문제가 있다.
특히, 이러한 소비전력 및 시스템의 증가는 최근 레이저 장치의 응용분야로서 관심을 받는 휴대용 프로젝터와 같은 초소형화된 제품에서 매우 심각한 장애로 여겨지고 있다.
본 발명은 상술된 종래 기술의 문제를 해결하기 위한 것으로서, 그 목적은 넓은 동작온도의 변화에서도 원하는 파장변환효율를 유지할 수 있는 비선형 광학결 정을 갖는 파장변환 레이저 장치를 제공하는데 있다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위해서, 본 발명의 일 측면은
소정의 파장빔을 방출하는 레이저 광원과, 상기 레이저 광원의 파장빔을 기본파 빔으로 여기시키는 레이저 매질과, 상기 기본파 빔을 제2 조화파 빔으로 변환하여 출력시키고, 상기 기본파 빔이 타입Ⅱ의 위상정합조건으로 b-c 결정면에 입사되도록 배치된 KTiOPO4(KTP)결정으로 이루어진 비선형 광학 결정부를 포함하는 파장변환 레이저 장치를 제공한다.
본 명세서에서, "입사면"은 입사빔과 반사빔이 이루는 면을 정의된다.
또한, 상기 KTP 결정은 상온(약 20℃)에서 기본파 빔의 파장에 따라 최대변환효율을 갖도록 결정의 c축과 입사빔이 이루는 각도(θ)가 0∼90°범위에서 적절히 선택될 수 있다.
기본파 빔이 1064㎚인 경우에, 상기 KTP 결정은 상기 기본파 빔이 Φ=90°및 θ=68.7°(Φ: 입사빔의 a-b 평면성분과 a축이 이루는 각도, θ: 결정의 c축과 입사빔이 이루는 각도)를 만족하는 위상정합각도를 갖도록 배치되는 것이 바람직하며, θ에 대한 0.1°의 반치폭을 가질 수 있다. 이러한 반치폭은 온도변화에 따른 위상정합조건을 보상하기 위한 틸팅각도범위로 이해될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 레이저 매질은 Nd:YVO4, Nd:YAG 또는 Nd:GdVO4 결정일 수 있으며, 상기 파장변환 레이저 장치는 제2 조화파(SHG) 변환효율을 향상시키기 위해서, 상기 제2 조화파 빔의 출력을 증가시키기 위한 공진기 구조를 더 포함하는 것이 바람직하다.
이 경우에, 상기 공진기 구조는, 상기 레이저 광원과 상기 레이저 매질 사이에 배치되고, 상기 기본파 빔의 파장에 대해 고반사성을 가지며 상기 레이저 광원의 파장에 대해 무반사성을 갖는 제1 미러와, 상기 비선형 광학결정의 출력측에 배치되고, 상기 기본파 빔의 파장에 대해 고반사성을 가지며 상기 제2 조화파 빔의 파장에 대해 무반사성을 갖는 제2 미러를 포함하여 구성될 수 있다.
본 발명의 다른 측면은, 파장변환 레이저 장치에서 기본파 빔을 수신하여 제2 조화파 빔을 생성하는 비선형 광학결정을 제공한다. 상기 비선형 광학결정은 상기 기본파 빔의 입사면이 b-c 결정면으로 될 수 있도록 a-b 결정면으로 절단된 면을 갖는 KTiOPO4(KTP)결정으로 이루어진다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 보다 상세히 설명한다.
도1a 및 도1b는 본 발명의 일 실시형태에 따른 파장변환 레이저 장치의 개략 구성도이다.
도1b와 함께 도1a에 도시된 바와 같이, 본 실시형태에 따른 파장변환 레이저 장치(10)는, 소정의 파장 빔(λ1)을 생성하는 레이저 광원(11)과, 상기 파장 빔(λ1)을 기본파 빔(λ2)으로 여기시키는 레이저 매질(14)과, 기본파 빔(λ2)을 제2 조화파 빔(SHG: λ3)으로 변환시켜 출력하는 비선형 광학결정(15)을 포함한다.
또한, 필요에 따라 다양한 광학계가 추가적으로 포함될 수 있다. 예를 들어, 본 실시형태와 같이 레이저 광원을 집광하기 위한 집광렌즈를 더 포함할 수 있다.
본 실시형태에서, 상기 파장변환 레이저 장치(10)는 제2 조화파 빔의 출력효율을 증가시키기 위해서 공진구조(R)를 포함한다. 본 실시형태에 채용된 공진기 구조(R)는, 상기 집광렌즈(12)과 상기 레이저 매질(14) 사이에 배치된 제1 미러(16)와 상기 비선형 광학결정(15)의 출력측에 배치된 제2 미러(17)를 포함한 형태일 수 있다.
이 경우에, 상기 제1 미러(16)는 상기 기본파 빔의 파장에 대해 고반사성을 가지며 상기 레이저 광원의 파장에 대해 무반사성을 갖는다. 또한, 상기 제2 미러는 상기 기본파 빔의 파장에 대해 고반사성을 가지며 상기 제2 조화파 빔의 파장에 대해 무반사성을 갖는다. 따라서, 상기 공진구조(R)는 상기 비선형 광학결정(15)에 서 변환되지 않은 기본파 빔(λ2)을 선택적으로 공진시켜 변환효율을 크게 향상시킬 수 있다.
보다 구체적으로, 도1b에 도시된 바와 같이, 레이저 광원(11)으로부터 약 808㎚의 파장광(λ1)이 생성되어 레이저 매질(14)에서 여기되어 약 1064㎚의 기본파 빔(λ2)이 출력된다. 상기 기본파 빔(λ2)은 비선형 광학결정(15)에서 그 반파장에 해당되는 532㎚의 제2 조화파 빔(λ3)으로 변환되어 출력될 수 있다. 본 실시형태에서, 상기 레이저 매질(14)은 Nd:YVO4, Nd:YAG 또는 Nd:GdVO4 결정일 수 있다.
또한, 본 발명에서, 상기 비선형 광학결정(15)은 b-c 결정면을 입사면으로 하는 KTiOPO4(KTP)결정을 사용한다. 일반적으로 KTP 비선형 광학결정(15)은 a-b 결정면을 입사면으로 사용하여 왔다. 특히, KTP 비선형 광학결정(15)은 최대변환효율이 보장될 수 있도록 Φ=23.5°및 θ=90°의 위상정합조건이 주로 사용되어 왔다.
하지만, 앞서 언급한 바와 같이, 비선형 광학결정(15)은 그 결정구조가 온도에 따라 민감하게 변화되므로, 일정한 입사각에서의 굴절률이 달라진다. 이러한 현상으로 인해 비선형 광학결정의 SHG 변환효율은 동작온도에 크게 의존하여 변화되는 문제가 있다.
따라서, 본 발명자는 비선형 광학결정의 SHG 변환효율을 적정한 범위를 확보 하는 조건에서 동작온도범위를 확대할 수 있는 방안에 관심을 가져 왔으며, 온도에 따른 파장변환효율의 변동폭이 작은 결정면을 입사면으로 선택함으로써 동작온도범위를 크게 개선할 수 있다는 사실을 알아 냈다. 즉, 본 실시형태와 같이, KTP 결정은 상기 기본파 빔이 타입Ⅱ의 위상정합조건으로 b-c 결정면이 입사면이 되도록 제조하여 배치함으로써 종래의 KTP 결정(a-b 결정면)에 비해 수배 이상의 동작온도범위를 가질 수 있다.
본 발명에서 제안된 조건을 만족하는 KTP 비선형 광학결정(15)은 종래에 비해 상대적으로 낮아진 변환효율을 갖더라도, 본 실시형태에 도시된 공진구조(16,17)의 특성을 개선함으로써 충분히 보상될 수 있으므로, 본 발명에 따른 동작온도범위의 확대는 상당히 유익하게 작용할 수 있다.
본 발명의 조건에 따르면, 상기 기본파 빔(λ2)의 입사면이 b-c 결정면이 되도록 상기 KTP 비선형 광학 결정(15)을 배치한다. 최대변환효율을 얻기 위한 위상정합조건은 온도뿐만 아니라 기본파 빔의 파장에 의존하므로, 기본파 빔의 파장에 따라서 b-c 결정면을 입사면으로 유지하는 조건(Φ=90°)에서 θ를 적절한 조건으로 변경하여 최대변환효율을 얻을 수 있다.
또한, 상온조건에서 1064㎚의 기본파 빔(λ2)이 사용되는 것을 가정할 때에, 상기 KTP 결정은 Φ=90°및 θ=68.7°를 만족하는 위상정합각도를 갖도록 배치되는 것이 바람직하다. 상기 위상정합을 위한 각도(θ)는 0.1°의 반치폭을 가질 수 있다. 실제로 본 실시형태에는 도시되지 않았으나, 온도에 따른 위상정합조건을 위해서 공지된 다른 입사각 조정수단을 결합될 수 있으며, 이 경우에 상기한 오차범위는 온도변화에 따른 위상정합조건을 보상하기 위한 틸팅각도범위로 이해될 수 있다.
도2는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 파장변환용 레이저 장치의 개략도이다.
본 실시형태에 따른 파장변환 레이저 장치(20)는, 도1의 실시형태와 유사하게, 소정의 파장 빔(λ1)을 생성하는 레이저 광원(21)과, 상기 파장 빔(λ1)을 기본파 빔(λ2)으로 여기시키는 레이저 매질(24)과, 기본파 빔(λ2)을 제2 조화파 빔(SHG: λ3)으로 변환시켜 출력하는 KTP 비선형 광학결정(25)을 포함한다. 또한, 상기 파장변환 레이저 장치(20)는 제2 조화파 빔의 출력효율을 증가시키기 위해서 공진구조(R)로서 제1 및 제2 미러(26,27)를 포함한다.
다만, 도1의 실시형태와 달리, 레이저 매질(24)의 출사단면과 KTP 비선형 광학결정(25)의 입사단면이 부착된다. 여기서, KTP 광학결정(25)의 입사단측 면은 기본파 빔의 입사면이 b-c 결정면이 되도록 a-b 결정면방향으로 절단된 면을 갖는다. 또한, 제1 및 제2 미러(26,27)는 상기 레이저 매질(24)의 입사단면과 상기 KTP 광학결정(25)의 출사단면에 각각 형성된다.
이와 같이, 본 실시형태에서는 매우 콤팩트한 구조로서 레이저 장치를 제공할 수 있으며, 각 요소를 별도로 배열하지 않으므로, 정밀한 정렬공정이 요구되지 않는다는 장점이 있다.
도3a는 본 발명에 채용되는 비선형 광학결정인 KTiOPO4(KTP)의 결정구조를 나타낸다.
도3a에 도시된 바와 같이, KTiOPO4(KTP)비선형 광학결정은 사방정계(orthohombic: a<b<c)구조이며, 본 발명에서는, 기본파 빔의 입사면으로 b-c 결정면이 되도록 a-b 결정면방향으로 절단된 구조를 갖는다. 앞서 설명한 바와 같이, 상기 KTP 결정에 대한 상기 기본파 빔의 입사조건은 b-c 결정면이 입사면이 되는 조건에서 기본파 빔의 파장조건에 따라 최대변환효율을 갖도록 0∼90°범위로 조정될 수 있다.
도3b에 표시된 바와같이, 기본파 빔이 1064㎚일 경우에, 상기 KTP 결정에 대한 입사조건 Φ=90°및 θ=68.7°를 만족하는 위상정합각도를 갖는 것이 변환효율측면에서 바람직하다. 여기서, Φ는 입사빔(L)의 a-b 평면성분(L')과 a축이 이루는 각도로 정의되며, θ는 상기 KTP 결정의 c축과 입사빔이 이루는 각도로 정의된다.
이러한 파장변환효율을 고려한 위상정합조건은 도4를 참조하여 보다 상세하게 설명될 수 있다.
도4는 기본파 빔의 파장이 1064㎚인 경우에, 각도(θ)변화에 따른 SHG(532㎚)세기를 나타내는 그래프이다.
상온 조건(약 20℃)에서 1064㎚의 기본파 빔(λ2)을 KTP 비선형 광학 결정의 b-c 결정면이 입사면이 되는 조건(Φ=90°)으로 입사시키되, 기본파 빔의 입사방향이 c축과 이루는 각도(θ)가 변화되도록 KTP 결정을 조정하면서 그 파장변환효율을 측정하였다. 그 결과는 도4에 그래프에 도시하였다.
도4에 나타난 바와 같이, θ=68.7°에서 최대 변환효율을 가지며, 0.1°의 반치폭을 갖는 것으로 나타났다. 여기서, 반치폭은 온도변화에 따른 위상정합조건을 보상하기 위한 틸팅각도범위로 이해될 수 있다. 이와 같이, 1064㎚의 기본파 빔을 사용할 때에 상온조건에서 최대변환효율이 보장되는 위상정합조건은 Φ=90°및 θ=68.7°으로 정의될 수 있다.
물론, 이러한 최대변화효율은 기본파 빔의 파장에 따라 달라지므로, 기본파 빔의 다른 파장을 가질 경우에, b-c 결정면을 입사면으로 유지하는 조건(Φ=90°)에서 θ를 0∼90°범위에서 적절한 조건으로 변경함으로써 최대변환효율을 얻을 수 있다.
도5는 본 발명에 채용되는 비선형 광학결정 KTP의 온도에 따른 SHG 광효율을 나타내는 그래프이다. 상온에서 1064㎚의 기본파 빔을 532의 SHG로 변환할 때에 종래의 비선형 광학결정의 위상정합조건과 본 발명에 따른 비선형 광학결정의 위상정 합조건을 대비한 결과이다.
도5의 그래프를 참조하면, 종래의 KTP 비선형 광학결정의 위상정합조건(Φ=23.5°및 θ=90°)에서 동작온도에 따라 얻어지는 제2 조화파(SHG)세기는 점선으로 표시되어 있으며, 본 발명의 바람직한 조건(Φ=90°및 θ=68.7°)에 따른 KTP 비선형 광학결정에 의해 얻어지는 동작온도에 따른 제2 조화파(SHG)세기는 실선으로 표시되어 있다.
물론, 최대변환효율의 측면에서는, 종래의 비선형 광학결정의 위상정합조건이 유리한 것으로 나타났지만, 실제로 그 동작온도범위는 매우 협소한 것을 알 수 있다.
예를 들어, 종래의 KTP 결정의 경우에, 허용 반치폭(SHG 효율이 반으로 감소하는 온도범위)은 약 24℃ 범위에 불과하지만, 본 발명의 바람직한 조건에 따른 KTP 결정의 경우에는 약 97℃ 범위로 거의 4배정도 증가된 동작온도범위를 갖는 것으로 나타났다.
나아가, KTP 결정의 온도가 약 40℃일 때에, 종래의 KTP 결정이 갖는 SHG 변환효율은 거의 0에 가깝지만, 본 발명의 바람직한 조건에 따른 KTP 결정의 SHG 변환효율은 0.26 정도로 20℃일 때의 최대변환효율(0.29)과 대비하여 손실이 약 10%에 불과한 것으로 나타났다.
이와 같이, 도5의 그래프를 통해 본 발명에 따른 입사조건을 갖도록 KTP 결 정을 배치함으로써 넓은 동작온도범위가 보장될 수 있다는 것을 확인할 수 있다.
또한, 앞서 설명한 바와 같이, SHG 변환효율은 공진기의 성능을 개선함으로써 일정한 범위의 향상을 기대할 수 있다고 가정할 때에, 본 발명에 따른 파장변환레이저장치는 넓은 동작온도범위에서 신뢰성 있게 사용가능하며, 실제로 상용조건이 되는 온도범위에서 안정적으로 커버할 수 있으므로, TEC와 같은 장치를 생략할 수 있다는 매우 유용한 장점을 제공한다.
본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며, 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 온도변화에 따른 SHG 변환효율이 상대적으로 안정된 조건을 갖는 KTP 비선형 결정이 제공될 수 있으므로, TEC 장치와 같이 온도변화에 따른 변화효율 보상장치가 없이도 넓은 사용온도 범위에서 안정적으로 동작가능한 파장변환 레이저장치를 제공할 수 있다. 따라서, 최근 레이저 장치의 응용분야로서 관심을 받는 휴대용 프로젝터와 같은 초소형화된 제품에 적합한 파장변환 레이저 장치를 제공할 수 있다.

Claims (8)

  1. 소정의 파장빔을 방출하는 레이저 광원;
    상기 레이저 광원의 파장빔을 기본파 빔으로 여기시키는 레이저 매질; 및
    상기 기본파 빔을 제2 조화파 빔으로 변환하여 출력시키고, 상기 기본파 빔의 입사면이 타입Ⅱ의 위상정합조건으로 b-c 결정면이 되도록 제공되는 KTiOPO4(KTP)결정으로 이루어진 비선형 광학 결정부를 포함하는 파장변환 레이저 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 KTP 결정은 기본파 빔의 파장에 따라 최대변환효율을 갖도록 상기 기본파 빔이 c축과의 각도(θ)가 0∼90°범위에서 선택된 것을 특징으로 하는 파장변환 레이저 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 기본파 빔은 1064㎚ 파장을 가지며,
    상기 KTP 결정은 Φ=90°및 θ=68.7°를 만족하는 위상정합각도를 갖도록 배치되며, 여기서 Φ는 입사빔의 a-b 평면성분과 a축이 이루는 각도로 정의되는 것을 특징으로 하는 파장변환 레이저 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 레이저 매질은 Nd:YVO4, Nd:YAG 또는 Nd:GdVO4 결정인 것을 특징으로 하는 파장변환 레이저 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제2 조화파 빔의 출력을 증가시키기 위한 공진기 구조를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 파장변환 레이저 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 공진기 구조는,
    상기 레이저 광원과 상기 레이저 매질 사이에 배치되고, 상기 기본파 빔의 파장에 대해 고반사성을 가지며 상기 레이저 광원의 파장에 대해 무반사성을 갖는 제1 미러와,
    상기 비선형 광학결정의 출력측에 배치되고, 상기 기본파 빔의 파장에 대해 고반사성을 가지며 상기 제2 조화파 빔의 파장에 대해 무반사성을 갖는 제2 미러를 포함하는 것을 특징으로 하는 파장변환 레이저 장치.
  7. 파장변환 레이저 장치에서 기본파 빔을 수신하여 제2 조화파 빔을 생성하는 비선형 광학결정에 있어서,
    상기 기본파 빔의 입사면이 b-c 결정면이 되도록 a-b 결정면방향으로 절단된 면을 갖는 KTiOPO4(KTP)결정으로 이루어진 비선형 광학결정.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 KTP 결정은 Φ=90°및 θ=68.7°를 만족하는 위상정합각도를 갖도록 배치되며, 여기서 Φ는 입사빔의 a-b 평면성분과 a축이 이루는 각도로 정의되며, θ는 상기 KTP 결정의 c축과 입사빔이 이루는 각도로 정의되는 것을 특징으로 하는 비선형 광학결정.
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