일반기술

복합포물집속체를 이용한 다이오드 여기 Yb:YAG 디스크 레이저 장치

◦ 본 발명은 복합포물집속체를 이용한 다이오드 여기 빔 디스크 레이저장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 수백 W급 이상의 고출력 다이오드 어레이의 여기빔을 복합포물집속체에 입사시켜 레이저 매질인 디스크 형태의 Yb:YAG 레이저 결정부에 효과적으로 결합하는 종 여기 고출력 고체 레이저 발진기를 구현하기 위한 복합포물집속체를 이용한 다이오드 여기 빔 디스크 레이저장치에 관한 것이다.◦ 지금까지 사용된 Yb:YAG 디스크 레이저의 여기 구조에서는 수십 개의 광섬유가 결합된 다이오드 어레이를 사용하거나 적층의 다이오드 어레이 빔을 가늘고 길이 긴 원통형의 레이저 빔 균질화용 관을 사용함으로서 레이저 여기 빔이 레이저 결정에 결합되는 결합효율이 저하되고, 광섬유 결합된 다이오드 어레이를 사용할 시 가격이 상승되는 단점이 있었다. 또한 Yb:YAG 레이저빔이 공진기내에서 레이저 결정에 흡수되는 것을 방지하기 위해 수백 μm의 두께를 갖는 얇은 디스크 형태의 레이저 결정을 사용함으로서, 여기 빔이 레이저 결정에 충분히 흡수되도록 하기 위해서는 여기빔이 레이저 결정에 수십 번 궤환되도록 하기 위한 복잡한 외부 광학계와 포물반사체가 필요하고, 이 경우 여기빔의 진행거리가 증가하여 레이저 결정에 집속되는 여기빔의 크기가 증가되는 단점이 있었다. 부가해서, 디스크 레이저 결정의 한 면만을 냉각하는 구조를 갖고 있어 고출력 여기빔이 흡수될 시 디스크 양면에 온도의 차이가 큰 문제점이 있었다. ◦ 본 기술은 상기 종래기술의 단점을 보완하여, 다이오드 어레이 빔을 사용하여 Yb:YAG 디스크 결정을 종여기하는 레이저 구조에서 고출력 다이오드 어레이의 여기빔을 고체 레이저 결정에 효과적으로 결합하여 다이오드 어레이 여기빔이 레이저 결정에 흡수되는 흡수효율을 증가시키고, Yb:YAG 디스크 레이저가 공진기 내에서 레이저 결정에 흡수되는 것을 최소화할 수 있다.◦ 디스크 형태의 레이저 결정(Yb:YAG)을 포물 반사체와 외부 궤환용 광학계를 사용하여 종여기하는 방식은 레이저 결정의 두께가 수백 마이크로미터 정도이기 때문에 발생된 레이저 빔의 M 2 값이 작고, 여기빔을 레이저 결정에 반복적으로 진행시켜 흡수효율을 증가시킴으로서 고효율과 고출력이 가능한 장점을 갖는 레이저 구조이다. 다이오드 어레이 빔을 사용하여 Yb:YAG 디스크 결정을 종여기하는 레이저 구조에서 고효율을 갖는 레이저의 제작을 위해서는 고출력 다이오드 어레이의 여기빔을 고체레이저 결정에 효과적으로 결합하여 다이오드 어레이 여기빔이 레이저 결정에 흡수되는 흡수효율을 증가시켜야 하고, Yb:YAG 디스크 레이저 파장이 레이저 결정에 흡수되는 것을 최소화 시켜야 한다. 또한, Yb:YAG 레이저와 같은 3준위 레이저 에너지 준위를 갖는 레이저 발진구조에서 고출력 여기빔으로 레이저 결정을 여기 시 레이저 매질의 온도상승에 의한 기저 레이저 준위의 전자밀도증가에 의한 밀도반전의 감소를 레이저 결정의 냉각을 통해서 최소화 시켜야 한다.◦ 본 발명은 광섬유나 여기빔 균질화용 관을 사용치 않고 복합포물집속체를 광공동으로 사용하여 적층 다이오드 어레이에서 방출되는 여기빔을 직접 디스크 형태의 레이저 결정에 결합함으로서 여기빔의 결합효율을 증가시킬 수 있다. 고품질, 고효율, 그리고 고출력의 디스크 레이저 장점을 유지하면서 여기빔의 궤환을 위한 광학계를 제거할수 있어 구조와 제작이 간단한 장점을 갖는다. 기존의 디스크 레이저는 결정의 한면에서 냉각이 가능하였으나, 고안된 구조는 양면에서 동시에 냉각이 가능하여 레이저 열효과를 줄임으로서 임계 여기출력의 감소에 의한 레이저 효율의 증가와 레이저 빔의 질의 개선이 가능하다.