KR20150087933A - 고출력 극초단 펄스 레이저 장치 - Google Patents

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Abstract

공진기를 이용하여 펄스 에너지를 증가시키는 고출력 극초단 펄스 레이저 장치가 개시된다. 고출력 극초단 펄스 레이저 장치는, 펌프 빔을 1차적으로 공진시켜 제1 출력경을 통과시키는 제1 공진기와, 제1 다중반사 거울, 제2 다중반사 거울, 제1 다중반사 거울에 위치한 적어도 하나의 제1 소면적 거울 및 제2 다중반사 거울에 위치한 적어도 하나의 제2 소면적 거울을 포함하며, 제1 공진기로부터 전달받은 레이저 빔을 반복적으로 반사시켜 공진시키는 제2 공진기를 포함한다. 따라서, 다중 증폭단을 사용하지 않고서도 펄스 에너지를 증가시켜 고출력 극초단 펄스 레이저 빔을 발생시킬 수 있다.

Description

고출력 극초단 펄스 레이저 장치{HIGH POWER ULTRASHORT LASER DEVICE}
본 발명은 펄스 레이저 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 공진기를 이용하여 펄스 에너지를 증가시키는 고출력 극초단 펄스 레이저 장치에 관한 것이다.
1960년대 레이저가 발명된 후, 1970년대부터 산업화 응용에 대한 연구가 시작되면서 1980년부터는 CO2 레이저를 필두로 산업용, 의료용, 통신용, 디스플레이용 등과 같은 다양한 분야에 레이저가 활용되고 있다.
또한 1980년 Diode 레이저의 개발로 인해 고체 레이저가 등장하였으며, 기존의 기체 레이저로 접근이 쉽지 않았던 분야에 적용되면서 레이저의 수요는 점점 더 늘어나게 되었다. 따라서 레이저는 레이저 가공, 절단, 용접, 천공, 트리밍, 식각 등의 산업 분야, 치과 치료, 반점, 문신 제거, 제모, 라식 수술 등의 의료 분야, 레이저와 물질의 상호 작용을 연구하는 학술 분야, 그리고 국방 및 문화 분야 등 그 응용분야가 매우 광범위해지고 있다.
산업의 기술 발달은 레이저를 이용한 분야의 정밀도와 높은 생산성을 요구하게 되었고, 이에 부응하고자 최근에는 펨토초 레이저(femtosecond laser)가 다양한 분야에서 활용되고 있다.
펨토초 레이저는 아주 짧은 시간(10-15 s) 동안에 광 에너지가 응집되어 빛을 발하게 되는 특성을 갖는다. 이에 따라 펨토초 레이저는 기존의 레이저와는 다른 특성을 보여준다. 예들 들면, 펨토초 레이저는 레이저 광이 매질에 조사될 때 열이 매질에 전달될 시간보다 짧은 시간 동안만 조사되므로 기존의 레이저 가공 등에서 발생되는 열 영향 또는 열 변형을 피할 수 있다.
또한, 펨토초 레이저는 매질의 표면 손상없이 그 내부를 가공하는 것이 가능함으로써 정밀하고 미세한 처리를 요구하는 분야(반도체, 전자칩, 의료 등)에 사용되고 있다.
그러나 수율의 증대, 가공 면적의 확대 등을 위해 산업적으로 사용되기 위해서는 펨토초 레이저 단독으로는 출력의 한계가 있으며, 따라서 응용분야의 확대에 있어서도 제약 요건이 된다.
펨토초 레이저는 1974년 C. V. Shank와 E. P. Ipen("Subpicosecond kilowatt pulses from a mode-locked cw dye laser", Appl. Phys. Lett. Vol. 24, pp. 373, 1974)에 의해 염료(dye)를 이득 물질로 이용하여 처음 개발되었고, 그 이후, Diode laser의 등장과 함께 1991년 D. E. Spence, et al.(“60-fs pulse generation from a self-mode-locked Ti:sapphire laser," Opt. Lett. Vol. 16, pp. 42, 1991)에 의해 커 모드 잠김 기술을 이용한 펨토초 고체 레이저가 등장하였다. 1985년 G. Mourou, et al,("Compression of amplified chirped optical pulse," Opt. Commun., vol. 56, pp. 219, 1985)에 의해 개발된 CPA 기술 (Chirped Pulse Amplification)과 결합되면서 펨토초 레이저 펄스의 증폭이 가능하게 되었고, 현재는 다중 증폭단을 통해 나오는 고출력 펄스를 많은 분야에 이용하고 있다. 그러나 증폭단을 구성하면서 레이저의 크기는 커지고, 비용 또한 증가되며, 이를 유지 보수를 위한 전문인이 필요하여 산업계의 응용 확대에 제약이 되고 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 다중 증폭단을 사용하지 않고 펄스 에너지를 증가시키는 펄스 레이저 장치를 제공하는데 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 다른 목적은, 레이저 빔의 경로를 단순화하고 광정렬을 용이하게 하며, 열렌즈 현상을 최소화하는 펄스 레이저 장치를 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 고출력 극초단 펄스 레이저 장치는, 펌프 빔을 1차적으로 공진시켜 제1 출력경을 통과시키는 제1 공진기와, 제1 다중반사 거울, 제2 다중반사 거울, 제1 다중반사 거울에 위치한 적어도 하나의 제1 소면적 거울 및 제2 다중반사 거울에 위치한 적어도 하나의 제2 소면적 거울을 포함하며, 제1 공진기로부터 전달받은 레이저 빔을 반복적으로 반사시켜 공진시키는 제2 공진기를 포함한다.
여기에서, 상기 제2 공진기는, 적어도 하나의 제1 통공이 형성된 제1 다중반사 거울, 적어도 하나의 제2 통공이 형성된 제2 다중반사 거울, 적어도 하나의 제1 통공에 위치한 적어도 하나의 제1 소면적 거울 및 적어도 하나의 제2 통공에 위치한 적어도 하나의 제2 소면적 거울을 포함하며, 제1 공진기로부터 전달받은 레이저 빔을 반복적으로 반사시켜 공진시킬 수 있다.
여기에서, 상기 제1 공진기는, 펌프 빔을 집속시키는 집속 렌즈, 집속 렌즈에 의해 집속된 펌프 빔이 통과하는 제1 이득 매질, 제1 이득 매질을 통과한 레이저 빔을 순차적으로 반사 또는 역반사시키는 제1 곡면거울, 제1 반사거울, 제2 반사거울, 제2 곡면거울 및 제3 반사거울을 포함할 수 있다.
여기에서, 상기 고출력 극초단 펄스 레이저 장치는, 펌프 빔을 생성하는 펌프 레이저를 더 포함할 수 있다.
여기에서, 상기 제1 공진기에 의해 1차적으로 공진된 레이저 빔은, 제4 반사거울에서 반사되어 적어도 하나의 제 2 소면적 거울 중 어느 하나로 전달되며, 제1 다중반사 거울과 제2 다중반사 거울 사이에서 반복적으로 반사될 수 있다.
여기에서, 상기 제1 다중반사 거울 및 상기 적어도 하나의 제1 소면적 거울은 평면반사 거울이고, 상기 제2 다중반사 거울 및 상기 적어도 하나의 제2 소면적 거울은 곡면반사 거울일 수 있다.
여기에서, 상기 제2 다중반사 거울에서 최종 반사된 레이저 빔은, 적어도 하나의 제1 통공 중 어느 하나를 통과하여 제2 출력경으로 전달될 수 있다.
여기에서, 상기 고출력 극초단 펄스 레이저 장치는, 제2 출력경을 통과한 레이저 빔이 통과하는 제2 이득 매질, 제2 이득 매질을 통과한 레이저 빔을 순차적으로 반사 또는 역반사시키는 제3 곡면거울, 제4 곡면거울 및 제5 반사거울을 더 포함할 수 있다.
여기에서, 상기 고출력 극초단 펄스 레이저 장치는, 제2 출력경을 통과한 레이저 빔을 전달받아 반복적으로 반사시켜 공진시키며, 제2 공진기와 동일한 구성 요소를 가지는 추가적 제2 공진기를 더 포함할 수 있다.
여기에서, 상기 적어도 하나의 제1 통공 및 상기 적어도 하나의 제2 통공은, U 또는 V자의 형상을 가질 수 있다.
상기와 같은 본 발명의 실시예에 따른 레이저 펄스 장치는 다중 증폭단을 사용하지 않고서도 펄스 에너지를 증가시켜 고출력 레이저 빔, 특히 펨토초 레이저 빔을 발생시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 공진기 내의 레이저 빔의 경로를 단순하게 유지하면서 광정렬을 용이하게 할 수 있으며, 작은 공간을 차지하면서도 높은 출력의 펄스를 발생시키는 장점이 있다.
더 나아가, 본 발명은 기존의 공진기의 모드 감김 조건을 효과적으로 유지시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 펄스 레이저 장치를 구성하는 제1 공진기를 설명하기 위한 예시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 펄스 레이저 장치를 설명하기 위한 예시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 펄스 레이저 장치의 다중반사 거울을 더욱 상세히 설명하기 위한 예시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 펄스 레이저 장치로부터 획득한 펄스 모양을 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 펄스 레이저 장치로부터 획득한 레이저 스펙트럼을 나타내는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 펄스 레이저 장치로부터 획득한 레이저 펄스열을 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 펄스 레이저 장치로부터 획득한 신호 대 잡음비를 나타나는 그래프이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 펄스 레이저 장치의 다중반사 거울을 설명하기 위한 예시도이다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 펄스 레이저 장치를 설명하기 위한 예시도이다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 펄스 레이저 장치를 설명하기 위한 예시도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 펄스 레이저 장치를 구성하는 제1 공진기를 설명하기 위한 예시도이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 펄스 레이저 장치를 구성하는 펌프 레이저(100) 및 제1 공진기를 나타낸다. 펌프 레이저(100)에서 생성된 펌프 빔은 제1 공진기를 통하여 1차적으로 공진될 수 있다.
제1 공진기는 집속 렌즈(200), 제1 이득 매질(410), 제1 곡면거울(310), 제1 반사거울(610), 제2 반사거울(620), 제2 곡면거울(320) 및 제3 반사거울(630)을 포함하여 구성될 수 있다.
펌프 레이저(100)에서 생성된 펌프 빔은 집속 렌즈(200)를 통하여 제1 이득 매질(410)을 통과할 수 있고, 제1 이득 매질(410)을 통과한 레이저 빔은 제2 곡면거울(320)에서 반사되어 제1 프리즘(510), 제2 반사거울(620), 제2 프리즘(520) 및 제1 반사거울(610)을 거쳐 다시 제2 곡면거울(320)로 반사될 수 있다. 제2 곡면거울(320)로 전달된 레이저 빔은 제1 곡면거울(310)에 반사되어 제3 반사거울(630)에서 반사되어 제1 출력경(810)으로 출력될 수 있다.
따라서, 제1 공진기는 펌프 빔을 집속시키는 집속 렌즈(200), 집속 렌즈(200)에 의해 집속된 펌프 빔이 통과하는 제1 이득 매질(410), 제1 이득 매질(410)을 통과한 레이저 빔을 순차적으로 반사 또는 역반사시키는 제 1 곡면거울, 제1 반사거울(610), 제2 반사거울(620), 제2 곡면거울(320) 및 제3 반사거울(630)을 포함하여 구성될 수 있다.
상세하게는, 펌프 레이저(100)는 주파수 배가된 Nd:YAG 레이저, Nd:YVO4 레이저 또는 다이오드 레이저 등으로 구성될 수 있다. 펌프 레이저(100)에서 생성된 펌프 빔은 집속 렌즈(200)에 의해 집속되고 제1 이득 매질(410)로 전달될 수 있다.
제1 공진기는 레이저 발생을 위한 공진기로서, 제1 이득 매질(410), 이색성의 제1 곡면거울(310)과 제2 곡면거울(320), 제1 내지 제3 반사거울(610, 620, 630) 및 제1 프리즘(510)와 제2 프리즘(520)을 포함할 수 있다.
제1 이득 매질(410)은 티타늄:사파이어(Ti:Saphire)로 구성될 수 있으며, 펌프 빔은 제1 이득 매질(410)내에서 전자를 여기시킬 수 있다. 제1 이득 매질(410)을 통과한 레이저 빔은 제2 곡면거울(320)에서 반사되어 제2 반사거울(620)을 거쳐 제1 반사거울(610)로 전달될 수 있다. 제1 반사거울(610)에서 역으로 반사된 레이저 빔은 제2 반사거울(620)을 거쳐 제2 곡면거울(320)로 전달되고, 제1 이득 매질(410)을 통과한 후 제1 곡면거울(310)로 전달될 수 있다.
레이저 빔은 제1 곡면거울(310)에서 다시 반사된 후 제3 반사거울(630)로 전달될 수 있으며, 제1 곡면거울(310)로부터 반사된 레이저 빔이 제3 반사거울(630)에서 다시 반사되는 경로에 제1 출력경(810)이 위치할 수 있다.
여기서, 제1 프리즘(510) 및 제2 프리즘(520)은 제1 이득 매질(410)과 공기에 의한 양의 분산(Positive Dispersion)을 보상하기 위하여 음의 분산(Negative Dispersion) 값을 줄 수 있다. 예를 들어, 제1 프리즘(510) 및 제2 프리즘(520)은 굴절률이 높은 물질을 사용하는 것이 바람직하며, SF11 물질의 프리즘을 사용할 수 있다. 이는 공진기 내 출력이 올라가면서 발생되는 Self-phase modulation과 pulse stability을 고차 분산값을 통해 밸런스(balance)를 맞추어 주기 위함이다.
또한, 이러한 보상 조건이 만족되면 외부에서 프리즘이나 거울 중 하나에 요동을 주면 공진기 내 아이겐모드(eigenmode)가 일시적으로 크게 바뀌면서 3차 비선형 광학적 커(Kerr) 효과가 발생하고 이에 의해 Self phase modulation과 Self amplitude modulation 및 음의 분산 등이 서로 영향을 주면서 공진기 내 모드의 위상이 일치하여 모드 잠김이 일어날 수 있다. 이를 커 렌즈 모드 잠김(Kerr-lens mode-locking)이라 한다. 예컨대, 제1 프리즘(510) 및 제2 프리즘(520)은 처프 거울(chirped mirror)로 대체되는 것도 가능하다.
본 발명에 따른 레이저 펄스는 펨토초 레이저 펄스일 수 있다. 구체적으로, 레이저 빔은 가운데 부분이 가장 자리에 비해 강하므로 레이저 빔이 이득 매질을 투과할 때 레이저 빔의 중앙의 통과 시간이 더 오래 걸려서 이득 매질은 마치 볼록 렌즈와 같은 역할을 한다.
이 경우, 레이저 빔의 강한 부분은 약한 부분보다 강하게 집속된다. 조리개를 구비하여 레이저 빔의 약한 가장자리 부분을 가려주면 세기가 센 레이저 빔의 중앙 부분만 공진기를 돌면서 이득을 얻게 됨으로써 펨토초 펄스가 생성될 수 있으며, 이러한 방식을 하드 어퍼쳐(hard aperture) 모드 잠김이라 한다.
한편, 조리개의 역할을 펌프 레이저(100)의 레이저 빔으로 대신하는 경우, 이를 소프트 어퍼쳐(soft aperture) 모드 잠김이라 한다.
이와 같은 커 렌즈 모드 잠김은 수동 포화 흡수체인 Saturable Bragg Reflector 거울을 사용하여 모드 잠김을 이행하는 것보다 비선형 변조 깊이 (Modulation depth)가 더 커서 더욱 안정적으로 펄스열을 발생시킬 수 있는 장점이 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 펄스 레이저 장치를 설명하기 위한 예시도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 펄스 레이저 장치는 제1 공진기로부터 전달받은 레이저 빔을 제2 공진기를 통하여 반복적으로 반사시켜 공진시킬 수 있다.
제2 공진기는 제1 다중반사 거울(710), 제2 다중반사 거울(720), 제1 다중반사 거울(710)에 위치한 적어도 하나의 제1 소면적 거울(711) 및 제2 다중반사 거울(720)에 위치한 적어도 하나의 제2 소면적 거울(721)을 포함하며, 제1 공진기로부터 전달받은 레이저 빔을 반복적으로 반사시켜 공진시킬 수 있다.
여기서, 도 2는 제1 다중반사 거울(710)과 제2 다중반사 거울(720) 각각에 하나의 통공이 형성된 경우를 도시하나, 하나의 통공이 형성된 경우에만 한정되는 것은 아니다.
상세하게는, 제2 공진기는 적어도 하나의 제1 통공이 형성된 제1 다중반사 거울(710), 적어도 하나의 제2 통공이 형성된 제2 다중반사 거울(720), 적어도 하나의 제1 통공에 위치한 적어도 하나의 제1 소면적 거울(711) 및 적어도 하나의 제2 통공에 위치한 적어도 하나의 제2 소면적 거울(721)을 포함하며, 제1 공진기로부터 전달받은 레이저 빔을 반복적으로 반사시켜 공진시킬 수 있다.
제1 공진기에 의해 1차적으로 공진된 레이저 빔은 제4 반사거울(640)에서 반사되어 적어도 하나의 제2 소면적 거울(721) 중 어느 하나로 전달되며, 제1 다중반사 거울(710)과 제2 다중반사 거울(720) 사이에서 반복적으로 반사될 수 있다.
보다 상세하게는, 본 발명의 일 실시예에 따른 펄스 레이저 장치에 구비되는 제2 공진기는 제4 반사거울(640), 제1 다중반사 거울(710), 제2 다중반사 거울(720) 및 다중 반사 시에 레이저 빔의 경로를 바꾸어 주는 작은 면적을 가지는 적어도 하나의 소면적 거울(711, 721) 및 제2 출력경(820)을 포함할 수 있다.
한편 제1다중반사 거울(710) 및 제2 다중반사 거울(720)에는 노치(notch), U 또는 V자의 형상의 통공이 형성될 수 있다. 또한, 통공을 지나가는 레이저 빔을 소면적 거울(711, 721)을 이용하여 레이저 빔의 방향을 바꾸어 주어 계속적으로 다중 반사를 시킴으로써 제2 공진기를 콤팩트하게 할 수 있다. 여기서, 제1 소면적 거울(711)은 제1 다중반사 거울(710)에 형성된 제1 통공에 위치할 수 있고, 제2 소면적 거울(721)은 제2 다중반사 거울(720)에 형성된 제2 통공에 위치할 수 있다.
제1 공진기를 통해 나오는 레이저 빔은 제4 반사거울(640)을 거쳐 제2 소면적 거울(721)을 통해 제2공진기로 진입하게 되고, 시계 방향 혹은 반시계 방향으로 반복적인 반사가 이루어진 후 제1 소면적 거울(711)에 도달할 수 있으며, 다시 제2 소면적 거울(721)를 지나서 다시 시계방향 혹은 반시계 방향으로 다중 패스 반사가 이루어질 수 있다.
결국, 제2 다중반사 거울(720)에서 최종 반사된 레이저 빔은 적어도 하나의 제1 통공 중 어느 하나를 통과하여 제2 출력경(820)으로 전달될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 펄스 레이저 장치의 다중반사 거울을 더욱 상세히 설명하기 위한 예시도이다.
도 3을 참조하여 다중 반사와 반복적인 반사에서의 레이저 빔의 경로를 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.
제 2 공진기는 실질적으로 제1공진기의 제1 출력경(810)에서 시작할 수 있다.
예를 들어, 평면의 제1 다중반사 거울(710) 및 제1 소면적 거울(711)과 곡면의 제2 다중반사 거울(720) 및 제2 소면적 거울(721)을 이용하여 최종적으로 제2 출력경(820)에 도달하는 레이저 빔의 위치에서 q-파라미터(레이저 빔의 곡률 반경과 빔의 사이즈를 내포한 물리적인 값)가 보존되도록 ABCD matrix를 통해 계산할 수 있으며, 이를 계산하여 제1 다중반사 거울(710)과 제2 다중반사 거울(720) 사이의 거리는 1.025m이 되도록 하고, 레이저 빔이 연속적으로 맞는 두 점간 각도는 45도가 되도록 할 수 있다.
제1 다중반사 거울(710)과 제2 출력경(820) 사이의 거리는 제2 곡면거울(320)과 제1 반사거울(610) 사이의 거리보다 현저히 작을 경우, 제 1공진기의 커 렌즈 모드 잠김 조건을 바꾸지 않기 때문에 고출력 펄스 레이저를 발생시킬 수 있다.
최종적으로 제2 공진기에 대한 광정렬이 끝나면 제1공진기의 제1 출력경(810)은 제거된다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 펄스 레이저 장치로부터 획득한 펄스 모양을 나타내는 그래프이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 펄스 레이저 장치로부터 획득한 레이저 스펙트럼을 나타내는 그래프이고, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 펄스 레이저 장치로부터 획득한 레이저 펄스열을 나타내는 그래프이며, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 펄스 레이저 장치로부터 획득한 신호 대 잡음비를 나타나는 그래프이다.
도 4는 참조하면, 도 2에 따른 레이저 펄스 장치로부터 얻어진 펄스의 모양을 나타낸다. 반복류은 4.26 메가헤르츠이며 펄스 간 간격은 235 나노초이다. 도 4는 간섭형 오토코릴레이터(Autocorrelator)를 이용한 방법으로 측정하였을 때 최종적으로 98 펨토초의 펄스가 발생됨을 보여준다.
도 5은 도 2에 따른 장주기 고출력 극초단 펄스 레이저 장치로부터 얻어진 스펙트럼을 나타낸다. 도 5에 따르면 반치폭은 7 nm를 나타낸다.
도 6은 도 2에 따른 장주기 고출력 극초단 펄스 레이저 장치로부터 얻어진 펄스열이다.
도 7은 본 발명에 따른 장주기 고출력 극초단 펄스 레이저 장치로부터 얻어진 신호 대비 잡음비를 나타낸다. 도 7에 따르면, 60 dB이상으로 안정적으로 펄스가 발생되고 있음을 증명해주고 있다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 펄스 레이저 장치의 다중반사 거울을 설명하기 위한 예시도이다.
도 8을 참조하면, 제2 공진기에 포함되는 제1 다중반사 거울(710)과 제2 다중반사 거울(720) 각각에는 두 개의 통공이 형성될 수 있음을 나타낸다. 즉, 제1 다중반사 거울(710)과 제2 다중반사 거울(720)에는 적어도 하나의 통공이 각각 형성될 수 있으며, 각각의 통공에는 적어도 하나의 소면적 거울(711, 721)이 위치할 수 있음을 나타낸다.
도 9 및 도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 펄스 레이저 장치를 설명하기 위한 예시도이다.
도 9를 참조하면, 도 2에 따른 펄스 레이저 장치는 도 9와 같이 변형될 수 있다. 도 9에 따르면, 제2 공진기는 제2 출력경(820)을 통과한 레이저 빔이 통과하는 제2 이득 매질(420), 상기 제2 이득 매질(420)을 통과한 레이저 빔을 순차적으로 반사 또는 역반사시키는 제3 곡면거울(330), 제4 곡면거울(340) 및 제5 반사거울(650)을 더 포함할 수 있다. 따라서, 이들을 거친 레이저 빔은 최종 출력경(830)을 통하여 출력될 수 있다.
즉, 높은 출력의 펄스를 비선형 물질 또는 필터와 같은 제2 이득 매질(420)에 투과시킴으로써 공진기 내 Self-phase modulation과 Self-amplitude modulation에 의한 고출력 펄스의 불안정성을 제거할 수 있다.
도 10을 참조하면, 도 2에 도시된 제2 공진기를 2개 연결하여 펄스 레이저 장치를 구성할 수 있다. 즉, 본 발명의 실시예에 따르면, 제2 출력경(820)을 통과한 레이저 빔을 전달받아 반복적으로 반사시켜 공진시키며, 제2 공진기와 동일한 구성 요소를 가지는 추가적 제2 공진기를 더 포함시킬 수 있다. 따라서, 추가적 제2 공진기를 통하여 거친 레이저 빔은 최종 출력경(830)을 통하여 출력될 수 있다. 또한, 추가적 제2 공진기가 하나 이상 부가될 수 있음은 물론이다.
상술한 바와 같은 본 발명의 실시예에 따른 레이저 펄스 장치는 다중 증폭단을 사용하지 않고서도 펄스 에너지를 증가시켜 고출력 레이저 빔, 특히 펨토초 레이저 빔을 발생시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 공진기 내의 레이저 빔의 경로를 단순하게 유지하면서 광정렬을 용이하게 할 수 있으며, 작은 공간을 차지하면서도 높은 출력의 펄스를 발생시킬 수 있다.
더 나아가, 본 발명은 기존의 공진기의 모드 감김 조건을 효과적으로 유지시킬 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100: 펌프 레이저 200: 집속 렌즈
310: 제1 곡면거울 320: 제2 곡면거울
330: 제3 곡면거울 340: 제4 곡면거울
410: 제1 이득 매질 420: 제2 이득 매질
510: 제1 프리즘 520: 제2 프리즘
610: 제1 반사거울 620: 제2 반사거울
630: 제3 반사거울 640: 제4 반사거울
650: 제5 반사거울 660: 제6 반사거울
670: 제7 반사거울 710: 제1 다중반사 거울
711: 제1 소면적 거울 720: 제2 다중반사 거울
721: 제2 소면적 거울 810: 제1 출력경
820: 제2 출력경 830: 최종 출력경

Claims (10)

  1. 펌프 빔을 1차적으로 공진시켜 제1 출력경을 통과시키는 제1 공진기; 및
    제1 다중반사 거울, 제2 다중반사 거울, 상기 제1 다중반사 거울에 위치한 적어도 하나의 제1 소면적 거울 및 상기 제2 다중반사 거울에 위치한 적어도 하나의 제2 소면적 거울을 포함하며, 상기 제1 공진기로부터 전달받은 레이저 빔을 반복적으로 반사시켜 공진시키는 제2 공진기를 포함하는 고출력 극초단 펄스 레이저 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 공진기는,
    적어도 하나의 제1 통공이 형성된 상기 제1 다중반사 거울, 적어도 하나의 제2 통공이 형성된 상기 제2 다중반사 거울, 상기 적어도 하나의 제1 통공에 위치한 상기 적어도 하나의 제1 소면적 거울 및 상기 적어도 하나의 제2 통공에 위치한 상기 적어도 하나의 제2 소면적 거울을 포함하며, 상기 제1 공진기로부터 전달받은 레이저 빔을 반복적으로 반사시켜 공진시키는 것을 특징으로 하는 고출력 극초단 펄스 레이저 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 공진기는,
    상기 펌프 빔을 집속시키는 집속 렌즈, 상기 집속 렌즈에 의해 집속된 펌프 빔이 통과하는 제1 이득 매질, 상기 제1 이득 매질을 통과한 레이저 빔을 순차적으로 반사 또는 역반사시키는 제1 곡면거울, 제1 반사거울, 제2 반사거울, 제2 곡면거울 및 제3 반사거울을 포함하는 것을 특징으로 하는 고출력 극초단 펄스 레이저 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 펌프 빔을 생성하는 펌프 레이저를 더 포함하는 고출력 극초단 펄스 레이저 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 공진기에 의해 1차적으로 공진된 레이저 빔은 제4 반사거울에서 반사되어 상기 적어도 하나의 제 2 소면적 거울 중 어느 하나로 전달되며, 상기 제1 다중반사 거울과 상기 제2 다중반사 거울 사이에서 반복적으로 반사되는 것을 특징으로 하는 고출력 극초단 펄스 레이저 장치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 다중반사 거울 및 상기 적어도 하나의 제1 소면적 거울은 평면반사 거울이고,
    상기 제2 다중반사 거울 및 상기 적어도 하나의 제2 소면적 거울은 곡면반사 거울인 것을 특징으로 하는 고출력 극초단 펄스 레이저 장치.
  7. 청구항 2에 있어서,
    상기 제2 다중반사 거울에서 최종 반사된 레이저 빔은 상기 적어도 하나의 제1 통공 중 어느 하나를 통과하여 제2 출력경으로 전달되는 것을 특징으로 하는 고출력 극초단 펄스 레이저 장치.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 제2 출력경을 통과한 레이저 빔이 통과하는 제2 이득 매질, 상기 제2 이득 매질을 통과한 레이저 빔을 순차적으로 반사 또는 역반사시키는 제3 곡면거울, 제4 곡면거울 및 제5 반사거울을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고출력 극초단 펄스 레이저 장치.
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 제2 출력경을 통과한 레이저 빔을 전달받아 반복적으로 반사시켜 공진시키며, 상기 제2 공진기와 동일한 구성 요소를 가지는 추가적 제2 공진기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고출력 극초단 펄스 레이저 장치.
  10. 청구항 2에 있어서,
    상기 적어도 하나의 제1 통공 및 상기 적어도 하나의 제2 통공은,
    U 또는 V자의 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 고출력 극초단 펄스 레이저 장치.
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