KR101898632B1 - 레이저 증폭 장치 - Google Patents

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KR101898632B1 KR1020170050511A KR20170050511A KR101898632B1 KR 101898632 B1 KR101898632 B1 KR 101898632B1 KR 1020170050511 A KR1020170050511 A KR 1020170050511A KR 20170050511 A KR20170050511 A KR 20170050511A KR 101898632 B1 KR101898632 B1 KR 101898632B1
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Abstract

레이저 증폭 장치가 개시된다. 개시된 레이저 증폭 장치는 시드빔을 공급하는 시드빔 광원; 및 상기 시드빔의 출력을 증폭시키는 고체 증폭기;를 포함하고, 상기 고체 증폭기는, 레이저 매질; 상기 레이저 매질을 여기시키는 펌핑빔을 공급하는 펌핑빔 광원; 상기 레이저 매질을 통과한 상기 펌핑빔을 상기 레이저 매질로 다시 반사시키는 펌핑빔 미러; 상기 시드빔이 상기 펌핑빔의 펌핑 경로와 동일한 경로로 상기 레이저 매질을 통과하도록 상기 시드빔을 반사시키는 복수의 다이크로익(dichroic) 미러; 및 상기 시드빔의 광경로상에 배치되는 복수의 미러;를 포함한다.

Description

레이저 증폭 장치{Laser amplifying apparatus}
본 발명은 레이저 증폭 장치에 관한 것으로, 광섬유 시드레이저를 고체 증폭기를 이용하여 증폭시키는 레이저 증폭 장치에 관한 것이다.
반도체 공정에서 레이저 응용기술의 사용이 점차 확대되고 있는 가운데, 반도체, 디스플레이, PCB, 스마트폰 등과 같은 마이크로 전자산업 제품과 부품들을 위한 정밀미세가공이 필요한 분야에서 생산효율과 생산성을 개선한 새로운 레이저 공정의 투입에 관심이 모아지고 있다.
레이저 다이싱(dicing) 공정에서는 나노 사이즈 이하의 공정에 적용될 경우 배선 간격이 좁아짐에 따라 정전용량증가, 시간지연, 소비전력증가, 상호간섭잡음 등의 문제가 발생한다. 이를 해결하기 위하여 반도체 칩 표면에 층간절연막이 도입되고 있는데, 이 경우 기존의 알루미늄 휠 방식으로 웨이퍼 절단 시 다이아몬드 휠 표면에 층간절연막 물질이 달라붙는 단점이 있다. 그렇기 때문에 반도체 칩 표면은 레이저 장비로 그루빙을 하고 나머지 부분은 기존의 방식으로 절단하는 것이 바람직하다.
또한, PCB공정에서도 생산효율 및 생산성향상을 개선하기 위한 공정개발이 진행중에 있다. 하나의 장비에서 자외선 드릴링, 커팅 등 두 가지 이상의 공정이 가능하게 하기 위해서는 단펄스와 장펄스를 갖는 두 가지 이상의 레이저광원이 필요하다. 최근 들어, 펄스폭 변조가 가능한 하나의 레이저 광원이 더욱 요구되고 있다.
현재 상용화 되고 있는 야그(YAG) 또는 바나데이트(YVO4)결정을 사용하는 자외선 고체레이저의 경우, 대부분은 펄스폭 발생 범위가 수 십 나노초(ns) 정도로 제한적이다. 따라서, 레이저 그루빙 및 PCB공정 등 다양한 공정에 적용 가능한 수 백 나노초 이상의 장펄스를 갖는 레이저 광원이 요구된다.
본 발명의 예시적인 실시예에 따르면, 수 나노초(ns)에서 수백 나노초(ns)의 펄스폭을 갖고, 수 백 kHz의 반복률로 동작할 수 있으며, 수 와트(watt)에서 수십 와트(watt)까지 출력이 가능한 레이저를 방출하는 레이저 증폭 장치가 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 증폭 장치는 시드빔을 공급하는 시드빔 광원; 및 상기 시드빔의 출력을 증폭시키는 고체 증폭기;를 포함하고, 상기 고체 증폭기는, 레이저 매질; 상기 레이저 매질을 여기시키는 펌핑빔을 공급하는 펌핑빔 광원; 상기 레이저 매질을 통과한 상기 펌핑빔을 상기 레이저 매질로 다시 반사시키는 펌핑빔 미러; 상기 시드빔이 상기 펌핑빔의 펌핑 경로와 동일한 경로로 상기 레이저 매질을 통과하도록 상기 시드빔을 반사시키는 복수의 다이크로익(dichroic) 미러; 및 상기 시드빔의 광경로상에 배치되는 복수의 미러;를 포함한다.
상기 복수의 다이크로익 미러는 상기 시드빔은 반사시키고, 상기 펌핑빔은 투과시킬 수 있다.
상기 다이크로익 미러는 제1 다이크로익 미러 및 제2 다이크로익 미러를 포함하며, 상기 레이저 매질은 상기 다이크로익 미러 및 상기 제2 다이크로익 사이에 배치될 수 있다.
상기 시드빔 광원은 광섬유 시드레이저 광원일 수 있다.
상기 시드빔 광원에서 방출되는 시드빔의 특성을 조절하는 시드빔 조절장치;를 더 포함할 수 있다.
상기 시드빔 조절장치는 반파장판을 포함할 수 있다.
상기 시드빔 조절장치는 상기 시드빔의 진행방향으로 서로 이격되게 마련되어 그 사이의 간격이 변화함에 따라 상기 시드빔의 빔 직경을 조절하는 제1 및 제2 렌즈를 포함할 수 있다.
상기 제1 및 제2 렌즈는 상기 제2 렌즈를 통과한 상기 시드빔이 평행빔이 되도록 구성될 수 있다.
상기 레이저 매질은 상기 시드빔을 신호빔으로 증폭시킬 수 있다.
상기 시드빔 광원에서 방출되는 상기 시드빔은 편광된 레이저 빔일 수 있다.
예시적인 실시예에 따른 레이저 증폭 장치는 광섬유 시드레이저를 이용함으로써 펄스폭 및 반복률의 조절을 쉽게 할 수 있으며, 고체 증폭기를 이용하여 수십 와트(watt)에서 수백 와트(watt)까지의 출력을 갖는 레이저를 방출할 수 있다.
또한, 이를 통해, 레이저 응용 장비, 특히 PCB 장비 및 그루빙(grooving) 장비의 가공품질 및 생산성을 향상시킬 수 있다.
또한, 하나의 레이저 증폭 장치를 이용하여 펄스폭의 변조 및 출력의 증폭이 가능하므로, 장비의 소형화, 장비제조원가 절감 및 유지 보수 측면에서도 유리한 효과를 가져올 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 증폭 장치를 개략적으로 도시한 것이다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 증폭 장치에서 시드빔 조절장치를 개략적으로 도시한 것이다.
도 2b는 시드빔 조절장치에서 제1 및 제2 렌즈를 확대하여 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 증폭 장치에서 고체 증폭기를 개략적으로 도시한 것이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 증폭 장치(100)를 개략적으로 도시한 것이다.
도 1을 참조하면, 레이저 증폭 장치(100)는 시드빔 광원(110), 시드빔 조절장치(120) 및 고체 증폭기(140)를 포함한다.
시드빔 광원(110)은 시드빔(L)을 방출하는 것으로, 예를 들어 반도체 레이저 다이오드 또는 피코초나 펨토초 모드잠금 광섬유 시드레이저 광원이 될 수 있다. 시드빔 광원(110)은 편광된 레이저 빔을 방출할 수 있으며, 일 예로 수평 편광의 시드빔을 방출할 수 있다. 시드빔 광원(110)으로 광섬유 시드레이저 광원을 사용하는 경우 펄스폭 변조를 통해 수 나노초에서 수 백 나노초의 펄스폭을 갖는 시드빔을 방출하도록 할 수 있다. 또한, 시드빔 광원(110)은 수 십에서 수백 kHz의 반복률을 갖도록 시드빔을 조절할 수 있다.
시드빔 조절장치(120)는 시드빔 광원(110)에서 방출되는 시드빔(L)의 특성을 조절할 수 있다. 시드빔 조절장치(120)의 구성은 이하 후술하기로 한다.
고체 증폭기(140)는 시드빔 광원(110)에서 방출된 시드빔(L)의 출력을 증폭시킬 수 있다. 고체 증폭기(140)는 레이저 매질(145), 펌핑빔 광원(141), 펌핑빔 미러(147), 복수의 다이크로익 미러(DM1, DM2) 및 복수의 미러(M1, M2, M3) 등을 포함할 수 있다. 고체 증폭기(140)의 상세 구성은 이하 도 3에서 후술하기로 한다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 증폭 장치에서 시드빔 조절장치(120)를 개략적으로 도시한 것이고, 도 2b는 시드빔 조절장치에서 제1 및 제2 렌즈를 확대하여 나타낸 도면이다.
도 2a를 참조하면, 시드빔 조절장치(120)는 반파장판(121), 제1 및 제2 렌즈(123, 125)를 포함할 수 있다.
반파장판(121)은 빠른축(fast axis)에 대해 느린축으로 가는 편광방향의 빛을 반파장만큼 차이가 나도록 만드는 파장판으로, 45도 선편광의 광을 수평 편광의 광으로 변환시키며, 수평 편광의 광을 45도 선편광의 광으로 변환시킬 수 있다.
도 2b를 참조하면, 제1 및 제2 렌즈(123, 125)는 시드빔(L)의 진행방향으로 서로 이격되게 마련되어, 그 사이 간격(d)이 변함에 따라 시드빔(L)의 빔 직경을 조절할 수 있다. 제1 렌즈(123)는 볼록렌즈에 가까운 형태를 가지고 있을 수 있다. 따라서, 제1 렌즈(123)는 입사되는 시드빔(L)의 빔 직경을 작게 할 수 있다. 도 2b에서 나타낸 바와 같이, 제1 렌즈(123)에 입사되는 시드빔(L)의 빔 직경(W1)보다 제2 렌즈(125)에서 출사되는 시드빔(L)의 빔 직경(W2)이 더 작을 수 있다.
또한, 제2 렌즈(125)는 오목렌즈에 가까운 형태를 가지고 있을 수 있다. 따라서, 제2 렌즈(125)에 입사되는 시드빔(L)을 평행 광에 가깝게 만들어줄 수 있다. 그리고 도면에 나타내지는 않았지만, 시드빔 조절장치(120)는 제1 및 제2 렌즈(123, 125) 사이의 거리(d)를 조절하는 렌즈 조절부를 포함할 수 있다. 렌즈 조절부는 기계적 구동방식 또는 수동으로 제어될 수 있으며, 제1 및 제2 렌즈(123, 125) 사이의 거리(d)를 좁히거나 늘릴 수 있다. 렌즈 조절부에 의해 제1 및 제2 렌즈(123, 125) 사이의 거리(d)가 조절됨으로써, 시드빔(L)의 빔 직경을 적절하게 변화시킬 수 있다. 제1 및 제2 렌즈(123, 125) 사이의 거리(d)가 커지면 제2 렌즈(125)를 통해 출사되는 시드빔(L)의 빔 직경은 작아지고, 제1 및 제2 렌즈(123, 125) 사이의 거리(d)가 작아지면 제2 렌즈(125)를 통해 출사되는 시드빔(L)의 빔 직경은 커질 수 있다.
예를 들어, 제1 렌즈(123)로 입사되는 시드빔(L)의 빔 직경(W1)은 2~3nm가 될 수 있으며, 제2 렌즈(125)를 통해 출사되는 시드빔(L)의 빔 직경(W2)은 1nm 이하가 될 수 있다.
시드빔 조절장치(120)는 평행광을 유지하면서 빔 직경을 조절할 수 있는 범위가 제한일 수 있다. 시드빔 조절장치(120)를 이용한 빔 직경의 조절 범위를 넓히기 위해, 제1 및 제2 렌즈(123, 125)는 시드빔 광원(110)의 출력특성(시드 빔 직경, 발산각) 및 시드빔 조절장치(120)와 고체 증폭기(140)의 거리에 따라 최적화된 렌즈들의 조합으로 구성될 수 있다. 또한, 시드빔 조절 장치(120)는 경우에 따라 3개 이상의 렌즈로 구성될 수도 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 증폭 장치에서 고체 증폭기(140)를 개략적으로 도시한 것이다.
도 3을 참조하면, 고체 증폭기(140)는 시드빔 광원(110)에서 방출된 시드빔(L)의 출력을 증폭시킬 수 있다. 고체 증폭기(140)는 레이저 매질(145), 펌핑빔 광원(141), 펌핑빔 미러(147), 제1 다이크로익 미러(DM1), 제2 다이크로익 미러(DM2) 및 복수의 미러(M1, M2, M3) 등을 포함할 수 있다.
레이저 매질(145)은 펌핑빔 광원(141)으로부터 방출된 펌핑빔(P)에 의해 매질 내의 이온들을 여기시킴으로써, 시드빔(L)을 증폭시키는 역할을 수행할 수 있다.
펌핑빔 광원(141)은 레이저 매질(145)을 여기시키는 펌핑빔(P)을 방출할 수 있다. 펌핑빔 광원(141)은 레이저 매질(145)로 펌핑빔(P)이 입사될 수 있도록 배치될 수 있다.
펌핑빔 미러(147)는 레이저 매질(145)이 펌핑빔 광원(141)과 펌핑빔 미러(147) 사이에 위치하도록 배치될 수 있다. 펌핑빔 광원(141)에서 방출된 펌핑빔(P)은 레이저 매질(145)에 의해 모두 흡수되지 못할 수 있으며, 펌핑빔(P) 중 레이저 매질(145)에 의해 흡수되지 못한 펌핑빔(P)의 일부는 펌핑빔 미러(147)에 의해 반사되어 다시 레이저 매질(145)로 입사될 수 있다. 따라서, 펌핑빔 미러(147)는 펌핑빔 광원(141)으로부터 방출되는 펌핑빔(P)이 레이저 매질(145)에 흡수되는 비율을 높이는 역할을 수행할 수 있다.
제1 다이크로익 미러(DM1) 및 제2 다이크로익 미러(DM2)는 시드빔(L)을 반사시킬 수 있으며, 시드빔(L)이 펌핑빔(P)의 진행 경로와 동일한 경로로 레이저 매질(145)을 통과하도록 배치될 수 있다.
제1 다이크로익 미러(DM1) 및 제2 다이크로익 미러(DM2)는 시드빔(L)은 반사시키고, 펌핑빔(P)은 투과시킬 수 있다. 따라서, 펌핑빔 광원(141)으로부터 방출된 펌핑빔(P)은 제1 다이크로익 미러(DM1)를 투과한 후, 레이저 매질(145)에 의해 흡수될 수 있다. 레이저 매질(145)에 의해 흡수되지 못한 펌핑빔(P)의 일부는 제2 다이크로익 미러(DM2)를 통과한 후, 펌핑빔 미러(147)에 의해 반사되고, 다시 제2 다이크로익 미러(DM2)를 통과하여 레이저 매질(145)에 의해 흡수될 수 있다.
고체 증폭기(140)로 입사된 시드빔(L)은 제1 미러(M1) 및 제2 미러(M2)에서 반사된 후, 제1 다이크로익 미러(DM1)으로 입사될 수 있다. 제1 다이크로익 미러(M1)로 입사된 시드빔(L)은 제1 다이크로익 미러(DM1)에 의해 반사되어 레이저 매질(145)을 통과할 수 있으며, 레이저 매질(145)을 통과하는 시드빔(L)과 펌핑빔(P)은 서로 동일한 광 경로를 가질 수 있다. 레이저 매질(145)로 입사된 시드빔(L)은 펌핑빔(P)에 의해 여기된 레이저 매질(145)에서 통과한 후, 증폭된 출력을 나타낼 수 있다. 예를 들어, 시드빔(L)은 레이저 매질(145)을 통과하기 전에는 수 와트(watt)의 출력을 나타낼 수 있으며, 레이저 매질(145)을 통과한 후에는 수십 내지 수백 와트(watt)의 출력을 나타낼 수 있다. 또한, 시드빔(L)은 레이저 매질(145)에 의해 증폭되어 신호빔의 역할을 수행할 수 있다.
레이저 매질(145)에 의해 증폭된 신호빔은 제2 다이크로익 미러(DM2)에서 반사된 후, 제3 미러(M3)로 입사될 수 있다. 제3 미러는 신호빔을 반사시킴으로써, 신호빔을 고체 증폭기(140)의 외부로 방출시킬 수 있다.
예시적인 실시예에 따른 레이저 증폭 장치(100)는 광섬유 시드레이저를 이용함으로써 펄스폭 및 반복률의 조절을 쉽게 할 수 있다. 또한, 고체 증폭기(140)를 이용하여 수 와트(watt)에서 수백 와트(watt)까지의 출력을 갖는 레이저를 방출할 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100 ... 레이저 증폭 장치
110 ... 시드빔 광원
120 ... 시드빔 조절장치
140 ... 고체 증폭기
121 ... 반파장판
123 ... 제1 렌즈
125 ... 제2 렌즈
141 ... 펌핑빔 광원
145 ... 레이저 매질
147 ... 펌핑빔 미러
DM1 ... 제1 다이크로익 미러
DM2 ... 제2 다이크로익 미러
M1, M2, M3 ... 미러
L ... 시드빔
P ... 펌핑빔

Claims (10)

  1. 시드빔을 공급하는 시드빔 광원;
    상기 시드빔 광원에서 방출되는 시드빔의 특성을 조절하는 시드빔 조절장치; 및
    상기 시드빔의 출력을 증폭시키는 고체 증폭기;를 포함하고,
    상기 고체 증폭기는,
    레이저 매질;
    상기 레이저 매질을 여기시키는 펌핑빔을 공급하는 펌핑빔 광원;
    상기 레이저 매질을 통과한 상기 펌핑빔을 상기 레이저 매질로 다시 반사시키는 펌핑빔 미러;
    상기 시드빔이 상기 펌핑빔의 펌핑 경로와 동일한 경로로 상기 레이저 매질을 통과하도록 상기 시드빔을 반사시키는 복수의 다이크로익(dichroic) 미러; 및
    상기 시드빔의 광경로상에 배치되는 복수의 미러;를 포함하며
    상기 시드빔 조절 장치는,
    상기 시드빔의 진행방향으로 서로 이격되게 마련되어 그 사이의 간격이 변화함에 따라 상기 시드빔의 빔 직경을 조절하는 제1 및 제2 렌즈; 및
    상기 제1 및 제2 렌즈 및 사이의 거리를 조절하는 렌즈 조절부;를 포함하며,
    상기 제2 렌즈를 통과한 상기 시드빔은 평행빔으로 성형되는,
    레이저 증폭 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 다이크로익 미러는 상기 시드빔은 반사시키고, 상기 펌핑빔은 투과시키는 레이저 증폭 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 다이크로익 미러는 제1 다이크로익 미러 및 제2 다이크로익 미러를 포함하며,
    상기 레이저 매질은 상기 제1 다이크로익 미러 및 상기 제2 다이크로익 미러 사이에 배치되는 레이저 증폭 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 시드빔 광원은 광섬유 시드레이저 광원인 레이저 증폭 장치.
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 시드빔 조절장치는 반파장판을 포함하는 레이저 증폭 장치.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 레이저 매질은 상기 시드빔을 신호빔으로 증폭시키는 레이저 증폭 장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 시드빔 광원에서 방출되는 상기 시드빔은 편광된 레이저 빔인 레이저 증폭 장치.
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