KR100327477B1 - Temperature control circuit and method of the second harmonic generator - Google Patents
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Abstract
본 발명은 비선형광학소자를 사용함으로써 나타나는 제2고조파 발생장치의 광출력 불안정 현상을 개선하기 위한 제2고조파 발생 장치의 온도 제어 회로 및 방법에 관한 것으로, 열전자 냉각기에 인가하는 바이어스 전류를 제1바이어스 전류 및 제2바이어스 전류로 나누어 펌핑 개시 전후로 순차적으로 인가하되, 펌핑용 광을 제2고조파 발생부에 인가하기 전에 미리, 제2고조파 출력광이 안정되었을 때 열전자 냉각기에 흐르는 전류의 40∼50%에 해당하는 제1차 바이어스 전류를 열전자 냉각기에 인가하고, 펌핑용 광이 제2고조파 발생부에 인가됨과 동시에 제2고조파 출력광이 안정되었을 때 열전자 냉각기에 흐르는 전류의 90%에 해당하는 제2차 바이어스 전류를 열전자 냉각기에 인가하여 줌으로써, 제2고조파 발생 장치를 시동할 때 제2고조파 출력이 안정되는 시간을 짧게할 수 있을 뿐만 아니라 제2고조파 출력광의 피크값을 정착하게 선택할 수 있는 효과가 있다.The present invention relates to a temperature control circuit and a method of a second harmonic generator for improving an optical output instability of a second harmonic generator exhibited by using a nonlinear optical element, wherein the bias current is applied to a thermoelectric cooler. 40 to 50% of the current flowing to the thermoelectric cooler when the second harmonic output light is stabilized in advance before applying the pumping light to the second harmonic generating unit before dividing the current and the second bias current into the pump before and after the start of pumping. The second bias current corresponding to 90% of the current flowing to the thermoelectric cooler when the first bias current corresponding to the thermoelectric cooler is applied, and the pumping light is applied to the second harmonic generator and the second harmonic output light is stabilized. By applying the differential bias current to the thermoelectric cooler, the second harmonic output is not output when starting the second harmonic generator. Only it can shorten the time as there is an effect that can be selected to establish the output light of the second harmonic peak value.
Description
본 발명은 비선형광학소자를 사용함으로써 나타나는 제2고조파 발생장치의 광출력 불안정 현상을 개선하기 위한 제2고조파 발생 장치의 온도제어 회로 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a temperature control circuit and a method of a second harmonic generator for improving the optical output instability of the second harmonic generator exhibited by using a nonlinear optical element.
레이저 광을 이용하여 데이타를 기록 재생하는 광자기 기록방식의 경우, 830nm 파장의 적외선 반도체 레이저 다이오드를 이용하고 있지만 보다 고밀도의 광기록이 요구되고 있는 현실에서 보다 더 짧은 파장의 레이저 다이오드의 제작이 추구되고 있다.In the magneto-optical recording method of recording and reproducing data by using laser light, an infrared semiconductor laser diode having a wavelength of 830 nm is used, but in the reality that a higher density optical recording is required, the manufacture of a shorter wavelength laser diode is pursued. It is becoming.
왜냐하면, 830nm 반도체 레이저 다이오드의 출력 빔은 초점이 모아졌을 때 그 초점에서의 빔의 지름은 830nm 이상이 되기 때문이다. 따라서, 830nm 보다 더 짧은 파장의 레이저 광원이 있으면 초점 지름을 더 줄일 수 있게 된다.This is because the output beam of the 830 nm semiconductor laser diode has a diameter of 830 nm or more when the focal point is focused. Therefore, if there is a laser light source with a wavelength shorter than 830nm, it is possible to further reduce the focal diameter.
이와같은 단파장의 레이저 광원으로는 헤륨-네온 레이저나 아르곤 레이저가 있지만, 민수용 데이타 정보를 기록 재생하기에는 크기가 너무 크고 소모전력이 많아 취급하기가 어렵다.Such a short wavelength laser light source is a helium-neon laser or an argon laser, but it is difficult to handle because it is too large and consumes a lot of power to record and reproduce civilian data information.
이러한 수요를 충족시킬 수 있는 것으로, 제2고조파발생장치(Second Harmonic Generation: 이하 SHG 라고도 함)가 있다. 여기서, 제1도의 제2고조파 발생 장치의 개략적 단면도를 참조하면서 그 구성을 살펴보면 다음과 같다.To meet such a demand, there is a second harmonic generation device (Second Harmonic Generation: also referred to as SHG). Here, the configuration thereof will be described with reference to a schematic cross-sectional view of the second harmonic generator of FIG. 1.
제2고조파 발생 장치는 광학적으로 가두어진 소정 거리의 공진구간을 마련하는 대향된 입력 미러(110)와 출력 미러(150)의 사이에 외부로 부터 가해지는 펌핑 광(화살표)으로 부터 에너지를 인가받아 제2고조파를 얻어내는 제2고조파 발생부가 마련되어 있고, 상기 부품들을 보호 지지하는 케이싱(10)이 마련되어 있다. 이에 더하여 상기 케이싱(100)의 주면에 마련되어 케이싱(100)의 온도를 보정하는 온도보정 장치(300)와 상기 케이싱(100)의 온도를 감지하여 설정된 온도 범위내에 케이싱(100)의 온도가 유지되도록 상기 온도 보정 장치(300)를 제어하는 제어 수단(410)을 구비한다.The second harmonic generating device receives energy from an external pumping light (arrow) applied between the opposing input mirror 110 and the output mirror 150 to provide a resonance distance of an optically confined distance. A second harmonic generating section for obtaining the second harmonic is provided, and a casing 10 for protecting and supporting the components is provided. In addition, the temperature correction device 300 is provided on the main surface of the casing 100 to correct the temperature of the casing 100 and the temperature of the casing 100 is sensed so that the temperature of the casing 100 is maintained within a set temperature range. Control means 410 for controlling the temperature correction device 300 is provided.
이를 구체적으로 살펴보면, 내부에 레이저 빔이 공진하는 공간을 마련하는공동부를 가지는 케이싱(100)의 양측에 펌핑 레이저에 대해 높은 투과율을 가지며 기본파와 제2고조파에 대해서는 고반사율을 가지는 입력 미러(110)와 제2고조파에 대해서만 높은 투과율을 가지는 출력 미러(150)가 마련되어 있다. 그리고 제2고조파 발생부를 이루는 것으로서 상기 케이싱(100)의 내부에는 부피와 취급이 용이한 809nm 반도체 레이저로부터 방출된 펌핑 광으로 부터 여기되어 1064nm 기본파를 발생하는 Nd:YAG 등과 같은 이득 매체(120), 1064nm 기본파의 특정 편광을 통과시키는 브루스트 플레이트와 같은 편광 소자(130) 그리고 입사된 1064nm의기본파로 부터 532nm의 제2고조파를 발생하는 KTP(KTiOPO4; Potassium Titanyl Phosphate), KNbO3등과 같은 비선형 단결정 소자(140)가 마련되어 있다.Specifically, the input mirror 110 has a high transmittance with respect to the pumping laser and high reflectance with respect to the fundamental wave and the second harmonic on both sides of the casing 100 having a cavity for providing a space in which the laser beam resonates therein. And an output mirror 150 having a high transmittance only with respect to the second harmonic. In addition, a gain medium 120 such as Nd: YAG, which generates a 1064 nm fundamental wave, is excited from the pumping light emitted from the 809 nm semiconductor laser, which is easy to be used for volume and handling. A polarizing element 130 such as a brew plate that passes a specific polarization of a 1064 nm fundamental wave, and KTP (KTiOPO 4 ; Potassium Titanyl Phosphate), KNbO 3 , which generates a second harmonic of 532 nm from the incident 1064 nm fundamental wave. The nonlinear single crystal element 140 is provided.
그리고 상기 단결정 소자(140)의 밑에는 펠티어 소자등의 열전소자에 의한 온도 조정 장치(141)가 위치하여 있다. 이 온도 조정장치(141)는 제4도에 도시된 바와 같이 다른 출력 값을 가지는 여러 모드(mode) 중에 원하는 하나를 선택하여 원하는 출력을 얻기 위한 것이다.Under the single crystal element 140, a temperature adjusting device 141 by a thermoelectric element such as a Peltier element is located. The temperature adjusting device 141 is to obtain a desired output by selecting a desired one among several modes having different output values as shown in FIG.
위의 구조에서 상기 케이싱(100)은 상기 광학 부품들을 지지하는 지지체로서의 기능을 갖는데, 이 케이싱(100)의 상하 또는 좌우 혹은 둘레에는 하나 또는 그 이상 (도면에서는 2개)의 열전 온도 보정 장치(300)가 부착되어 있고, 각 온도 보정 장치(300)에는 방열 또는 흡열을 위한 히이트 싱크(310)가 설치되어 있다. 상기 온도 보정 장치(300)와 히이트 싱크(310)는 상기 케이싱(100)을 전반적으로 감쌀 수 있는 크기가 되어야 하는데, 공진기의 지지체로 작용하는 케이싱의 체적팽창 또는 수축에 기인한 공진 거리의 변화 즉, 입력 미러(110)와 출력미러(150)와의 간격의 변화를 줄일수 있도록 하여야 한다. 따라서, 상기 온도 보정 장치는 케이싱(100)의 온도 변화에 의해 상기 케이싱(100) 내의 입력 미러(110)와 출력 미러(150) 사이의 거리가 변화되는 것을 방지할 수 있도록 상기 케이싱(100)의 주면 길이 방향을 포괄하게 설치되는 것이 필요하다.In the above structure, the casing 100 has a function as a support for supporting the optical components, one or more (two in the figure) thermoelectric temperature correction device (up and down, left and right or around the casing 100) ( 300 is attached, and a heat sink 310 for heat dissipation or heat absorption is provided in each temperature correction device 300. The temperature compensator 300 and the heat sink 310 should be sized to wrap the casing 100 as a whole, and a change in resonance distance due to volume expansion or contraction of the casing serving as a support of the resonator. That is, the change of the distance between the input mirror 110 and the output mirror 150 should be reduced. Accordingly, the temperature correction device may be configured to prevent the distance between the input mirror 110 and the output mirror 150 in the casing 100 from being changed by the temperature change of the casing 100. The main surface needs to be installed to cover the longitudinal direction.
그리고 상기 히트 싱크(310)에는 온도 검지를 위한 서어미스터(400)가 설치되어 있고, 이 서어미스터(400)는 상기 온도 보정 장치(300)를 제어하기 위한 온도 제어 회로(410)에 전기적으로 접속되어 있다. 상기 온도 제어 회로(410)는 상기 온도 보정 장치(300)에 대한 전류의 방향과 그 양을 조절하여 온도 보정 장치(300)에 의해 케이싱(100)으로 부터 흡열 또는 이를 가열되도록 하는 것으로서, 온도 보정 장치(300)와 병렬적 또는 도시된 바와 같이 직렬적 접속관계를 가질 수 있다. 상기 온도 보정 장치(300)는 일반적인 펠티어 효과를 이용한 소자, 즉 열전 가열/냉각 장치(TEC: thermal electronic cooler)를 적용한다. 일반적인 환경하에서는 케이싱(100)을 냉각하여야 하는 것이므로 상기 온도 보정 장치(300)는 단지 냉각 작용에 의해서만 케이싱(100)의 온도를 보상할 수 있으나, 특별한 극한 상황, 즉 주변온도가 극히 낮은 환경하에서는 안정된 레이징을 위하여 케이싱을 적정 온도로 가열하는 작용에 의해 케이싱(100)의 온도를 유지하게 할 수 있다. 그러므로 상기 온도 보정 장치는 오로지 냉각 작용만을 가지게 하거나 아니면 가열 작용을 가지게 하거나, 또 아니면 냉각 작용과 가열작용을 공히 가질 수도 있는데, 이것은 용도가 목적에 따라 선택될 것이다.The heat sink 310 is provided with a thermistor 400 for detecting a temperature, and the thermistor 400 is electrically connected to a temperature control circuit 410 for controlling the temperature correction device 300. It is. The temperature control circuit 410 adjusts the direction and the amount of current to the temperature correcting device 300 so as to endothermic or heated from the casing 100 by the temperature correcting device 300, the temperature correction It may have a parallel connection with device 300 or in series as shown. The temperature compensation device 300 applies a device using a general Peltier effect, that is, a thermoelectric heating / cooling device (TEC). Since the casing 100 is to be cooled in a general environment, the temperature compensating device 300 can compensate the temperature of the casing 100 only by a cooling action. However, the temperature correction device 300 is stable under a special extreme situation, that is, in an environment where the ambient temperature is extremely low. It is possible to maintain the temperature of the casing 100 by the action of heating the casing to an appropriate temperature for lasing. Therefore, the temperature correction device may have only a cooling action or a heating action, or may have both a cooling action and a heating action, which will be selected according to the purpose.
그리고, 상기 온도 제어 회로는 일반적인 구조를 가지는 것으로, 상기 서어미스터의 저항 변화를 초단에서 전기적 변화로 변환하는 변환부와, 얻어진 전기적 신호를 기준 레벨과 비교한 후 이를 증폭하는 차동 증폭부와, 차동 증폭부에서 얻어진 출력을 전력 증폭하는 전력증폭부를 가진다. 이때에 출력되는 전류의 방향은 온도 보정 장치의 작용, 즉 냉각 또는 가열의 작용을 결정하기 때문에 내부적으로 전술한 바와 같은 선택적인 사양에 의거 전류의 방향을 전환할 수 있는 기능을 부여할 수 있다. 이러한 온도 보정 장치의 작용은 단지 상기 케이싱의 온도를 검출하고 검출된 값을 기준치에 비교하여 비교된 차에 해당하는 만큼을 온도 제어에 반영하여 상기 케이싱(100)의 온도를 일정 범위 내에 두도록 하는 것이므로 통상적인 다른 유형의 적용도 가능할 것이다.In addition, the temperature control circuit has a general structure, a converter for converting the resistance change of the thermistor from the first stage to an electrical change, a differential amplifier for comparing the obtained electrical signal with a reference level and amplifying it; And a power amplifier for power amplifying the output obtained from the amplifier. At this time, since the direction of the output current determines the action of the temperature correction device, that is, the action of cooling or heating, the function of internally changing the direction of the current can be given based on the optional specification as described above. Since the operation of the temperature correction device merely detects the temperature of the casing and compares the detected value with a reference value, the temperature control reflects the corresponding difference to the temperature control so that the temperature of the casing 100 is kept within a predetermined range. Other types of applications would be possible.
이상과 같은 구조의 제2고조파 발생 장치의 동작을 살펴보면 다음과 같다.The operation of the second harmonic generating device having the above structure is as follows.
제2고조파 발생장치에서 펌핑용 광원인 레이저 다이오드로 부터 나오는 809nm 레이저광은 입력 미러(110)를 통과한후 두 개의 미러사이의 공진기 내부에 위치한 이득 매체(120)인 Nd:YAG를 통과함으로써 1064nm 기본파의 레이저 공진이 일어난다. 이때 Nd:YAG 와 출력 미러(150) 사이에는 편광 소자(130)인 브루스터 플레이트와 비선형 광학 소자(140)인 KTP 소자가 있으며, 이 비선형 광학 소자에서 기본파 파장의 절반인 532nm의 제2고조파가 발생한다.In the second harmonic generator, the 809 nm laser light emitted from the laser diode as the pumping light source passes through the input mirror 110 and then passes through the gain medium 120, Nd: YAG, located inside the resonator between the two mirrors. Laser resonance of the fundamental wave occurs. At this time, between Nd: YAG and the output mirror 150, there is a Brewster plate, which is a polarizing element 130, and a KTP element, which is a nonlinear optical element 140. In this nonlinear optical element, a second harmonic of 532 nm, which is half of the fundamental wave wavelength, Occurs.
출력 미러(150)로 진행하는 광에는 1064nm와 532nm의 광이 섞여있는데, 출력 미러(150)는 기본파에 대해 고반사율을 가지기 때문에 1064nm광은 입력 미러(110) 쪽으로 반사시키고 제2고조파인 532nm 광만 출력되게 한다. 이때에 532nm의 광을안정하게 조절발생하기 위하여 차단판(160)을 통하여 출력되는 제2고조파 광의 일부를 투과율:반사율이 97:3 이 되는 빔스프리터(170)를 통하여 광검출기(180)에 입력되게 한다. 여기서 차단판(160)은 제2고조파에 섞여 출력되는 기본파를 차단하기 위한 것이다. 532nm의 제2고조파는 광 검출기(180)에 닿으면 광전변환이 일어나 입력된 광량에 비례하여 전류로 변환된다. 이 전류는 제2고조파 발생 장치의 온도 제어 회로(410)로 입력된다. 제2고조파 발생 장치 온도 제어 회로(410)로 부터 출력되는 제어 신호는 온도 조정 장치(141)인 열전자 냉각기(Thermo Electric Cooler)로 입력되어 비선형 광학 소자(140)의 온도를 조절하게 된다.The light traveling to the output mirror 150 is mixed with light of 1064 nm and 532 nm. Since the output mirror 150 has a high reflectance with respect to the fundamental wave, the 1064 nm light is reflected toward the input mirror 110 and the second harmonic is 532 nm. Only light is output. In this case, a part of the second harmonic light output through the blocking plate 160 is input to the photodetector 180 through the beam splitter 170 having a transmittance: reflectance of 97: 3 in order to stably regulate the light of 532 nm. To be. Here, the blocking plate 160 is for blocking the fundamental wave output by mixing the second harmonic. When the second harmonic of 532 nm reaches the photodetector 180, photoelectric conversion occurs to be converted into a current in proportion to the input light amount. This current is input to the temperature control circuit 410 of the second harmonic generator. The control signal output from the second harmonic generator temperature control circuit 410 is input to a thermoelectric cooler which is a temperature adjusting device 141 to adjust the temperature of the nonlinear optical element 140.
앞서 설명한 바와 같이, 500 mW 정도의 출력을 가지는 레이저 다이오드로 809 nm 파장대의 적외선 레이저 빔을 상기 입력 미러(110)를 통해 공진기 내부로 입사시키면 비선형 단결정 소자(140)에 의해 제2고조파가 발생되게 되는데, 이 때에 케이싱(100)은 약 30℃ 정도와 온도로 가열된다. 그러나 이 케이싱(100)은 그 주변의 온도 영향을 받아 가열온도 보다 낮게 냉각되거나 가열온도보다 높게 온도 상승한다. 이러한 주변 온도에 의한 케이싱(100)의 온도 변화는 주변 온도 변화가 심할 경우에 큰 문제가 되게 된다. 이에 따라 케이싱(100)은 수축 또는 팽창하게 되어 광학 부품간의 간격, 특히 입력 미러(110)와 출력미러(150) 사이의 간격에 변화가 오게 된다. 그러나 이러한 현상이 나타나기 전에 케이싱(100)의 주변에 마련된 열전 온도 보정 장치(300)가 케이싱(100)의 온도를 소정 범위 내에 두도록 제어하게 됨으로써 케이싱(100)의 이상 팽창이나 수축이 나타나지 않게 된다. 그리고 온도 보정과 아울러 온도 조정 장치(141)의 전류를 즉각적으로 흘려주어 목적 모드와 전단모드 사이의 위치를 임시 선택하여 웜업 상태에 둔다. 이때에 케이싱(100)의 온도 보정은 두가지의 형태로 이루어 질 수 있는데, 하나는 주변 온도 보다 기준온도를 낮게 결정하여 케이싱(100)의 온도가 주변온도에 의해 상승될 때에 상승된 온도를 일정범위 내에서 유지되게 하는 연속적인 냉각 과정이며, 다른 하나는 규정 온도를 주변 온도 보다 높게 하여 케이싱(100)의 온도가 주변에 열을 빼앗김으로써 온도가 떨어질때에 이를 적절히 가열하여 주변 온도 보다 높은 일정 범위 내에서 케이싱(100)의 온도가 유지되게 하는 가열 과정이다. 일반적으로는 상기 두가지의 온도 보정 유형에 있어서, 냉각에 의해 케이싱(100)의 온도를 유지하는 것이 적용되겠으나, 전술한 바와 같이 특수한 상황하에서 오히려 가열에 의해 온도를 유지하는 것이 있을 수도 있겠다. 이러한 두가지 유형의 공통점은 주변 온도의 변화와 내적 발열에도 불구하고 케이싱(100)의 온도를 일정하게 유지하여 케이싱(100)내의 공진 거리의 변화를 최소화하는 것이다. 케이싱(100)의 온도 조절은 ±0.2 ℃ 범위내에서 이루어 지도록 하는 것이 바람직한데, 이러한 케이싱(100)의 온도 유지작용에 의하면 주변의 온도가 ±25℃의 폭으로 변동되어도 케이싱(100)의 온도는 규정된 온도에 대해 ±0.2 ℃ 범위 내에서 유지될 수 있다.As described above, the second harmonic is generated by the nonlinear single crystal element 140 when an infrared laser beam having a wavelength of about 500 mW is incident into the resonator through the input mirror 110 with the laser diode having an output of about 500 mW. At this time, the casing 100 is heated to about 30 ℃ and temperature. However, the casing 100 is cooled below the heating temperature or rises above the heating temperature under the influence of the surrounding temperature. The temperature change of the casing 100 due to the ambient temperature becomes a big problem when the ambient temperature change is severe. As a result, the casing 100 contracts or expands, thereby causing a change in the distance between the optical components, particularly, the distance between the input mirror 110 and the output mirror 150. However, before this phenomenon occurs, the thermoelectric temperature correction device 300 provided around the casing 100 controls the temperature of the casing 100 to be within a predetermined range, thereby preventing abnormal expansion or contraction of the casing 100. In addition to the temperature correction, the current of the temperature adjusting device 141 is immediately flowed to temporarily select a position between the target mode and the shear mode and put it in the warm-up state. At this time, the temperature correction of the casing 100 can be made in two forms, one of which determines the reference temperature lower than the ambient temperature so that the temperature rises when the temperature of the casing 100 is increased by the ambient temperature in a predetermined range. It is a continuous cooling process to be maintained in the inside, and the other is a predetermined range higher than the ambient temperature by heating the specified temperature higher than the ambient temperature so that the temperature of the casing 100 is taken away from the surroundings when the temperature drops It is a heating process to maintain the temperature of the casing 100 within. In general, in the above two types of temperature correction, it is applicable to maintain the temperature of the casing 100 by cooling, but there may be some that maintain the temperature by heating under special circumstances as described above. Common to these two types is to minimize the change in the resonance distance in the casing 100 by keeping the temperature of the casing 100 constant despite the change in ambient temperature and internal heat generation. The temperature control of the casing 100 is preferably made to be within a range of ± 0.2 ℃, according to the temperature maintaining action of the casing 100, even if the ambient temperature fluctuates in a width of ± 25 ℃ width of the casing 100 Can be maintained within the range of ± 0.2 ° C for the specified temperature.
이상과 같은 과정을 거쳐 케이싱(100)의 온도 보정이 끝나면, 고조파 출력의 모드가 안정화되게 되는데, 이와 같이 모드가 안정화되었을 때에, 상기 온도 조정 장치(141)에 전류를 증가시켜 목적하는 모드를 선택하여 고조파 출력을 결정한다. 이와 같이 케이싱(100)의 온도 안정화와 비선형 단결정 소자(140)의 온도 조정을 통한 모드 선택을 포함하는 일련의 과정에 의하면 원하는 출력의 고조파를 얻을 수있다.When the temperature correction of the casing 100 is completed through the above process, the mode of the harmonic output is stabilized. When the mode is stabilized in this way, the current is increased in the temperature adjusting device 141 to select the desired mode. To determine the harmonic output. As described above, according to a series of processes including mode stabilization through temperature stabilization of the casing 100 and temperature adjustment of the nonlinear single crystal element 140, harmonics of a desired output can be obtained.
제2도는 종래의 제2고조파 발생 장치의 온도 제어 회로의 블록도이고, 제3도는 제2도의 블록도의 구체적인 회로도이다. 이 도면들을 참조하여 그 구성 및 동작을 설명하면 다음과 같다.FIG. 2 is a block diagram of a temperature control circuit of a conventional second harmonic generator, and FIG. 3 is a specific circuit diagram of the block diagram of FIG. The configuration and operation thereof will be described with reference to the drawings.
제2고조파 발생 장치의 온도 제어 회로는 제2고조파 광출력을 감지하여 전기적인 신호로 바꿔주는 광 검출기(1), 광검출기(1)에서 감지된 전류 신호를 전압 신호로 변환하여 증폭하는 전류/전압 변환 증폭기(2), 증폭기(2)의 출력 전압을 기준 전압(-Vref의 R1/R1+R2분압)과 비교하는 비교기(3), 비교기(3)에서의 비교 결과를 적분하는 적분기(4), 적분기(4)의 적분 결과에 기준 전압(+Vref의 분압)을 더하는 가산기(5, R3및 R4로 구성됨), 가산 전압을 전류로 변환하는 전압/전류 변환기(6), 전압/전류 변환기(6)의 출력 전류에 의해 비선형 소자를 냉각하는 열전냉각소자(7), ±Vref 직류 기준 전압을 제공하는 기준 전압원(8), -Vref 전압을 저항기 R1및 R2로 분압함으로써 제2고조파 광출력량을 설정하는 제2고조파 광출력 설정부(9), +Vref 전압을 저항기 R5및 가변저항기 VR1로 분압하여 가산할 전압을 결정하는 바이어스 설정부(10) 및 바이어스 설정부(10)에서 설정된 가산 전압을 가산기에 전달 혹은 차단하는 스위치(11)로 구성되어 있다. 여기서 스위칭 동작은 제어기(12)에 의해 수행된다.The temperature control circuit of the second harmonic generating device detects and converts the second harmonic light output into an electrical signal, and a current for converting and amplifying the current signal detected by the photodetector 1 into a voltage signal. Integrating the comparison results in the comparator 3 and the comparator 3 comparing the output voltages of the voltage conversion amplifier 2 and the amplifier 2 with a reference voltage (R 1 / R 1 + R 2 partial voltage of -Vref) Integrator (4), an adder (consisting of 5, R 3 and R 4 ) that adds a reference voltage (partial voltage of + Vref) to the integration result of the integrator 4 , and a voltage / current converter (6) that converts the added voltage into a current A thermoelectric cooling element (7) cooling the nonlinear element by the output current of the voltage / current converter (6), a reference voltage source (8) providing a ± Vref direct current reference voltage, -Vref voltage to the resistors R 1 and R 2 divided by a second second harmonic light output setting section (9), + Vref voltage to the resistor R 5 and the variable resistor to set the harmonic light yield It is composed of a bias setting unit 10 and the bias setting unit 10 switch 11 to pass or block the added voltage to the adder is set in the partial pressure of a VR 1 for determining a voltage to be added. The switching operation here is performed by the controller 12.
이와 같이 구성된 온도 제어 회로의 동작을 살펴보면 다음과 같다. 제2고조파 발생장치의 출력광은 온도에 대단히 민감한 비선형 광학소자를 이용하기 때문에광출력이 불안정하다. 비선형 광학 소자의 온도에 따른 광출력을 제어하기 위하여, 제4도에 도시된 바와 같은, 제2고조파 광출력(이득) 특성 곡선의 최대 피크 중 노이즈가 없고 안정된 피크값을 선택하여 비선형 광학 소자의 온도를 조건에 따라 정확히 제어하여야 한다. 그러나, 비선형 광학 소자의 온도에 따른 제2고조파 광출력 특성이, 제4도에 도시된 바와 같이, 일정하지 않아, 온도에 따른 광출력 제어 만으로 제2고조파 광출력의 안정화가 불충분하다.The operation of the temperature control circuit configured as described above is as follows. Since the output light of the second harmonic generator uses a nonlinear optical element that is extremely sensitive to temperature, the light output is unstable. In order to control the light output according to the temperature of the nonlinear optical element, a noise-free and stable peak value is selected from the maximum peak of the second harmonic optical output (gain) characteristic curve, as shown in FIG. Temperature must be precisely controlled according to conditions. However, the second harmonic light output characteristic according to the temperature of the nonlinear optical element is not constant, as shown in FIG. 4, and the stabilization of the second harmonic light output is insufficient only by the light output control according to the temperature.
따라서, 비선형광학소자(KTP소자)로 부터 출력되는 제2고조파 광출력을, 제2도 및 제3도에 도시된 바와 같은 온도 제어 회로를 이용하여 전류 형태로 검출하여 제2고조파 광출력 안정화 목적에 이용한다.Therefore, the second harmonic light output from the nonlinear optical element (KTP element) is detected in the form of current using a temperature control circuit as shown in FIGS. 2 and 3 to stabilize the second harmonic light output. We use for.
즉, 비선형광학소자(KTP소자)로 부터 출력되는 제2고조파 광출력에 해당하는 전류를 발생시켜 주는 광검출기(1)로부터의 전류는 광출력 안정화를 목적으로 전류/전압 변환 증폭기(2)로 입력되어 전압으로 변환되는 동시에 증폭되어서, 제2고조파 광출력 설정부(9)로부터의 미리 출력하고자 하는 광출력 설정값에 대응하는 설정 전압과 비교하기 위하여 비교기(3)로 입력된다.That is, the current from the photodetector 1 which generates a current corresponding to the second harmonic light output from the nonlinear optical element (KTP element) is transferred to the current / voltage conversion amplifier 2 for the purpose of stabilizing the light output. The input is converted into a voltage and amplified at the same time, and is input to the comparator 3 to compare with a set voltage corresponding to the light output set value to be output in advance from the second harmonic light output setting section 9.
비교기(3)에서의 비교치는 광출력 오차신호가 되는데, 이 값이 적분기(4)로 적분하고, 이 적분값에 바이어스 설정부(10)에 의한 바이어스 전류를 스위치(11)를 통해 가산기(5)에서 가산한 다음, 전압/전류 변환부(6)에서 전류값으로 변환시켜서, 이 전류로 전자냉각기(7)를 구동하여 비선형광학소자의 온도를 제어한다.The comparison value in the comparator 3 becomes an optical output error signal, and this value is integrated into the integrator 4, and the bias current by the bias setting unit 10 is added to the integral value through the switch 11. ), And then converted into a current value in the voltage / current converter 6 to drive the electronic cooler 7 with this current to control the temperature of the nonlinear optical element.
즉, 제2고조파발생장치의 온도 제어 회로는 비선형 광학 소자로부터 출력되는 제2고조파 광출력을 광검출기(1)에서 출력광량에 비례하는 전류로 검출하고, 이전류는 다시 광출력 안정화 목적으로 전압으로 변환되어 비교기(4)에서 미리 설정된 광출력에 대한 전압과 비교된다. 이 비교된 값은 광출력 오차가 되는데, 이 값은 결국 전압/전류 변환부(6)의 열전자 냉각기 구동 트랜지스터(Q1)에 의해 전류로 변환되어 비선형 광학소자를 냉각시키게 되며, 광 검출기(1)의 출력 전류가 전류/전압 변환증폭기(2)에 의해 전압으로 변환된 값과 같아질 때 까지 증가한다. 즉, 비교기(3)의 출력값이 '0'이 될 때 까지 증가한다. 여기서, 비교기(3)의 출력값이 '0'이라 함은 출력 설정값대로 실제 제2고조파 광출력이 발생되고 있음을 의미한다. 초기에 전원을 인가하고 난 다음 비교기(3)의 출력값이 '0'이 될 때 까지 시간이 많이 걸리기 때문에 펌핑용 레이저를 구동하기 이전에 항상 바이어스 전류를 전자 냉각기(7)에 가한다. 필요한 바이어스 전류는, 제4도의 여러 피크값들 중, 안정된 피크값을 선택하여 비교기의 출력이 '0'이된 상태 즉, 광출력 설정값과 실제 광출력값이 같은 상태에서 전자 냉각기에 흐르는 전류의 90%이다.That is, the temperature control circuit of the second harmonic generator detects the second harmonic light output from the nonlinear optical element as a current proportional to the output light amount in the photodetector 1, and this current is again used for the purpose of stabilizing the light output. Is converted to and compared with the voltage for the preset light output in the comparator 4. This compared value becomes an optical output error, which is eventually converted into a current by the thermoelectron cooler driving transistor Q 1 of the voltage / current converter 6 to cool the nonlinear optical element, and the photodetector 1 Increases until the output current equal to the value converted by the current / voltage conversion amplifier 2 into voltage. That is, it increases until the output value of the comparator 3 becomes "0". Here, the output value of the comparator 3 '0' means that the actual second harmonic light output is generated according to the output setting value. Since it takes a long time until the output value of the comparator 3 becomes '0' after the power is initially applied, the bias current is always applied to the electronic cooler 7 before driving the pumping laser. The required bias current is the current of the current flowing in the electronic cooler in a state in which the output of the comparator is '0' by selecting a stable peak value among the various peak values in FIG. 90%.
이상과 같이 구성된 제2고조파 발생 장치의 온도 제어 회로는 비선형 광학 소자는 온도에 따라, 제5도에 도시된 바와 같이, 여러개의 광출력 첨두치를 나타내게 되는데, 설정된 광출력값과 실제 얻어지는 광출력값이 같아질 때 까지 광출력 오차가 온도 제어 회로의 광검출기를 통해 부궤환되어 안정된 출력이 얻어지게 된다. 이러한 과정에 의해 얻어지는 제2고조파 출력을, 제5도에서 살펴보면, 비선형 광학 소자의 온도에 따라 제2고조파 출력 설정치에 의해 출력되는 피크값은 2개 있다. 이 두 피크값들 중에서 하나의 피크값 만 선택하여 온도 제어를 하게된다. 여기서 피크값의 수는 제2고조파 발생 장치에 따라 달라질 수 있다.In the temperature control circuit of the second harmonic generator configured as described above, the nonlinear optical element exhibits several light output peak values as shown in FIG. 5 according to temperature, and the set light output value is equal to the actually obtained light output value. The light output error is negative feedback through the photodetector of the temperature control circuit until a stable output is obtained. Looking at the second harmonic output obtained by such a process in FIG. 5, there are two peak values output by the second harmonic output set point depending on the temperature of the nonlinear optical element. Temperature control is performed by selecting only one peak value among these two peak values. Here, the number of peak values may vary depending on the second harmonic generator.
또한, 이상과 같은 종래의 온도 제어 방식은, 제6도에 도시된 바와 같이, 809nm 레이저로 펌핑하기 전에 비선형 광학 소자를 냉각하는 열전자 냉각기(TEC)에 항상 일정한 바이어스 전류를 흘려주어 미리 비선형 광학 소자를 어느 정도 냉각하는 방식이다. 일정하게 흘려주는 바이어스 전류의 량은 809nm 펌프 광이 제2고조파 발생부 안으로 입사되어 제2 고조파의 출력 설정치 대로 제2고조파가 출력될 때 비선형 광학 소자를 냉각시키는데 필요한 열전자 냉각기의 전류의 약 90%이므로, 이러한 바이어스 전류의 비중이 너무 적거나 없게되면 실제 발생되는 제2고조파 출력광이 출력 설정값 까지 이르는 시간이 너무 오래 걸리게 된다는 문제점이 있다. 이 바이어스 전류값을 공급하는 방법은, 제3도에서 언급된 바와 같이, 기준 전압원(8)의 +Vref 전압을 바이어스 설정부(10)의 저항기 R5및 가변 저항기 VR1로 분압한 전압에 의해 스위치(11)를 거쳐 가산기(5)로 공급된다.In addition, the conventional temperature control scheme as described above, as shown in FIG. 6, always flows a constant bias current to the thermo-electronic cooler (TEC) that cools the nonlinear optical element before pumping it with the 809 nm laser, and thus the nonlinear optical element in advance. It is a way of cooling to some extent. The constant amount of bias current is about 90% of the current of the thermoelectric cooler required to cool the nonlinear optical element when the 809 nm pump light is incident into the second harmonic generator and the second harmonic is output according to the output setting of the second harmonic. Therefore, when the specific gravity of the bias current is too small or absent, there is a problem that the second harmonic output light actually takes too long to reach the output set value. The method of supplying this bias current value is, as mentioned in FIG. 3, by a voltage obtained by dividing the + Vref voltage of the reference voltage source 8 by the resistor R 5 of the bias setting section 10 and the variable resistor VR 1 . It is supplied to the adder 5 via the switch 11.
또한, 809nm 의 펌프광으로 이득 매체인 Nd:YAG를 여기시키면, Nd:YAG에서 1064nm의 기본파 광을 발생시키고, 이 기본파 광은 비선형 광학 소자(KTP)를 통과하면서 532nm의 제2고조파를 발생시킨다. 이 때 비선형 광학 소자는 1064nm 기본파 광 에너지에 의해 가열되어, 제5도에 도시된 바와 같이, A'영역 혹은 고온 영역인 A영역의 온도 범위에 있게 된다. 다시 온도 제어 회로의 피드백 원리에 의해 원하는 출력 설정값이 되도록 광검출기에서 감지한 전류 신호의 입력에 따라 제어를 한다. 이때 비선형 광학 소자를 냉각시키는 열전자 냉각기에 흘리는 전류를 조정하여비선형 광학 소자의 온도 범위를 절대적으로 A영역으로 맞추어야 한다. 만일 제2고조파 광출력 피크값3이 경우에 따라 설정 광출력값 보다 높게 나타날 경우 A'영역으로 비선형 광학 소자의 온도를 맞추어야 하는 어려움도 있다. 그러나 상기와 같은 종래의 온도 제어방법에서는 809nm 펌핑광이 제2고조파 발생 장치 안으로 펌핑되지 않더라도, 계속하여 바이어스 전류를 열전자 냉각기에 흘려주므로 A영역 보다 훨씬 더 냉각되어 C영역 까지 냉각된다. 이 때 809nm 펌프 광이 제2고조파 발생부 안으로 입사되면, 비선형 광학 소자의 온도는 B영역을 지나 A 또는 A'영역으로 이동한 다음 잠시 정지후 다시 냉각 방향으로 이동하면서 피크값1에 이르는 경사면을 만나 출력 설정치와 실제 출력값이 같은 점에서 열전자 냉각기의 전류 변동은 정지하고 비선형 광학 소자의 온도는 변동하지 않게되어 안정된 출력이 나타나게 된다. 그러나 여기서 비선형 광학 소자의 열전자 냉각기의 바이어스 전류가 부족하거나 피크값1이 대단히 높게되면 B영역 쪽의 피크값1의 경사면에서 전류를 감소시키게 되어 A영역으로 넘어오지 못하고 피크값2를 선택하는 경우가 있어 안정된 제어를 수행할 수 없다는 문제점도 있다.In addition, excitation of a gain medium Nd: YAG with 809nm pump light generates 1064nm fundamental wave light in Nd: YAG, and the fundamental wave light generates a second harmonic wave of 532nm while passing through the nonlinear optical element (KTP). Let's do it. At this time, the nonlinear optical element is heated by 1064 nm fundamental wave light energy, so as to be in the temperature range of the A 'region or the high temperature region, as shown in FIG. The feedback principle of the temperature control circuit again controls the input according to the input of the current signal detected by the photodetector to achieve the desired output set value. At this time, by adjusting the current flowing to the thermo-electronic cooler for cooling the nonlinear optical element, the temperature range of the nonlinear optical element should be absolutely set to the A region. If the second harmonic light output peak value 3 is higher than the set light output value in some cases, it is difficult to adjust the temperature of the nonlinear optical element to the region A '. However, in the conventional temperature control method as described above, even if the 809 nm pumped light is not pumped into the second harmonic generator, the bias current is continuously flowed to the thermo-electronic cooler, thereby cooling much more than the A region and cooling to the C region. At this time, when the 809 nm pump light is incident into the second harmonic generator, the temperature of the nonlinear optical element moves through the B region to the A or A 'region, stops for a while, and then moves to the cooling direction again to move the slope to the peak value 1. In this point, the current fluctuation of the thermoelectric cooler stops and the temperature of the nonlinear optical element does not fluctuate so that a stable output appears. However, if the bias current of the thermoelectric cooler of the nonlinear optical element is insufficient or the peak value 1 becomes very high, the current is reduced on the inclined plane of the peak value 1 in the B region, and the peak value 2 is not selected. There is also a problem that can not perform a stable control.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하고자 창안된 것으로, 제2고조파 발생 장치를 시동한 다음 안정될 때 까지의 시간이 짧으며, 소망하는 출력 피크값을 정확하게 선택할 수 있는 제2고조파 발생 장치의 온도 제어 회로 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention was devised to improve the above problems, and the time from starting up the second harmonic generator to stabilizing is short, and the temperature of the second harmonic generator capable of accurately selecting a desired output peak value. Its purpose is to provide a control circuit and method.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 제2고조파 발생 장치의 온도 제어 회로는,In order to achieve the above object, the temperature control circuit of the second harmonic generator according to the present invention,
제2고조파의 광출력량을 감지하여 그에 비례하는 전류를 발생시키는 광 검출 수단과, 상기 광 검출 수단으로 부터의 전류 출력을 전압으로 바꾸어 증폭하는 전류/전압 변환 증폭 수단과, 제2고조파 광출력 레벨을 소망하는 레벨로 설정하는 제2고조파 광출력 설정 수단과, 상기 증폭수단으로 부터의 입력된 검출 광출력값과 상기 광 출력 설정 수단에서 인가된 소정의 광출력 설정값과의 오차를 비교하여 연산하여 주는 비교수단과, 상기 비교 수단으로 부터의 오차 신호를 적분하여 주는 적분수단과, 상기 적분기의 출력 전압에 소정의 바이어스 전류 생성용 바이어스 전압을 가산하여 주는 가산 수단과, 상기 가산된 전압을 전류로 변환해 주는 전압/전류 변환 수단, 상기 전압/전류 변환 수단에서 출력되는 전류에 의해 비선형 광학소자의 온도를 조절할 수 있도록 하는 전자냉각 수단, 그리고 상기 광 검출 수단, 상기 광출력 설정 수단 및 상기 바이어스 전압 생성용 전압을 제공하는 기준 전압 공급 수단이 마련된 제2고조파 발생 장치의 온도 제어 회로에 있어서,Optical detection means for detecting an optical output amount of the second harmonic and generating a current proportional thereto, current / voltage conversion amplifying means for converting and amplifying the current output from the optical detection means into a voltage, and a second harmonic optical output level A second harmonic light output setting means for setting a to a desired level, and comparing the error between the detected light output value input from the amplifying means and a predetermined light output setting value applied by the light output setting means Giving means for integrating a comparison means, an integration means for integrating an error signal from said comparing means, adding means for adding a predetermined bias current generation bias voltage to an output voltage of said integrator, and said added voltage as a current. The temperature of the nonlinear optical element is controlled by the voltage / current conversion means for converting and the current output from the voltage / current conversion means. In the temperature control circuit of the second harmonic generating device provided with an electronic cooling means for enabling the operation, and the light detecting means, the light output setting means and the reference voltage supply means for providing the voltage for generating the bias voltage,
상기 기준 전압 공급 수단의 전압을 분압하여 상기 가산 수단에 상기 바이어스 전압을 제공하는 적어도 2개 이상의 바이어스 전류 설정 수단들; 및At least two bias current setting means for dividing the voltage of the reference voltage supply means to provide the bias voltage to the adding means; And
상기 바이어스 전류 설정 수단들의 각 바이어스 전압을 펌핑용 광이 제2고조파 발생부에 인가되기 전후에 순차적으로 상기 가산 수단에 인가하기 위한 스위칭 수단;을Switching means for sequentially applying the bias voltages of the bias current setting means to the adding means before and after the pumping light is applied to the second harmonic generating portion;
구비하여 된 것을 특징으로 한다.Characterized in that provided.
본 발명에 있어서, 상기 각 바이어스 전류 설정 수단들은 상기 기준 전압 공급 수단의 기준 전압을 각각 분압하는 적어도 하나 이상의 가변 저항기를 포함하는적어도 두 개 이상의 저항기를 구비하여 된 것이 바람직하며,In the present invention, each bias current setting means is preferably provided with at least two resistors including at least one variable resistor for dividing the reference voltage of the reference voltage supply means, respectively,
상기 바이어스 전류 설정 수단들은 제1 및 제2의 두 개의 바이어스 전류 설정 수단으로 이루어져, 상기 제1바이어스 전류 설정 수단은 상기 제2고조파 출력이 안정되었을 때 상기 열전자 냉각기에 흐르는 전류의 40%∼50%의 전류를 상기 펌핑용 광이 상기 제2고조파 발생부에 인가되기 전에 미리 상기 열전자 냉각기에 흘려 주고, 상기 제2바이어스 전류 설정 수단은 상기 제2고조파 출력이 안정되었을 때 상기 열전자 냉각기에 흐르는 전류의 90%의 전류를 상기 펌핑용 광이 상기 제2고조파 발생부에 인가됨과 동시에 상기 열전자 냉각기에 흘려 주도록 형성된 것이 바람직하며,The bias current setting means consists of two first and second bias current setting means, wherein the first bias current setting means is 40% to 50% of the current flowing in the hot electron cooler when the second harmonic output is stabilized. Is supplied to the hot electron cooler before the pumping light is applied to the second harmonic generating unit, and the second bias current setting means is configured to determine the current flowing in the hot electron cooler when the second harmonic output is stabilized. Preferably, 90% of the current is formed so that the pumping light is applied to the second harmonic generating unit and flows to the hot electron cooler.
상기 스위칭 수단은, 상기 제1바이어스 전류 설정 수단과는 상기 펌핑용 광이 상기 제2고조파 발생부에 인가되기 전에 접속되고, 상기 제2바이어스 전류 설정 수단과는 상기 펌핑용 광이 상기 제2고조파 발생부에 인가됨과 동시에 접속할 수 있도록 2개의 접속 단자를 구비한 2단 스위치로 형성된 것이 바람직하다.The switching means is connected with the first bias current setting means before the pumping light is applied to the second harmonic generator, and the pumping light is connected to the second bias current setting means with the second harmonic. It is preferable that it is formed of a two-stage switch having two connection terminals so that it can be simultaneously applied to the generator.
또한 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 제2고조파 발생 장치의 온도 제어 방법은,In addition, the temperature control method of the second harmonic generator according to the present invention in order to achieve the above object,
서로 다른 크기의 제1 및 제2바이어스 전류를 열전자 냉각기에 인가하여 제2고조파 발생부에서 제2고조파를 발생시키는 비선형 광학 소자의 온도를 제어함으로써, 일정한 제2고조파 광출력량을 안정화시키는 제2고조파 발생 장치의 온도 제어 방법에 있어서,A second harmonic for stabilizing a constant second harmonic light output by controlling a temperature of a nonlinear optical element that generates different harmonics in the second harmonic generator by applying first and second bias currents having different magnitudes to the thermo-electronic cooler In the temperature control method of the generator,
펌핑용 광을 상기 제2고조파 발생부에 인가하기 이전에 상기 제1 및 제2바이어스 전류 중 그 크기가 작은 제1바이어스 전류를 상기 열전자 냉각기에 인가하는 단계; 및Applying a first bias current having a smaller magnitude among the first and second bias currents to the thermo-electronic cooler before applying pumping light to the second harmonic generator; And
상기 펌핑용 광을 상기 제2고조파 발생부에 인가함과 동시에 상기 제2바이어스 전류를 상기 열전자 냉각기에 인가하는 단계;를Applying the pumping light to the second harmonic generator and simultaneously applying the second bias current to the hot electron cooler;
포함하는 것을 특징으로 한다.It is characterized by including.
본 발명에 있어서, 상기 제1바이어스 전류를 상기 열전자 냉각기에 인가하는 단계에서 상기 제1바이어스 전류는 상기 제2고조파 출력량이 안정화되었을 때 상기 열전자 냉각기에 흐르는 전류의 40%∼50%의 전류를 상기 열전자 냉각기에 흘려주는 것이 바람직하며,In the present invention, in the step of applying the first bias current to the hot electron cooler, the first bias current is a current of 40% to 50% of the current flowing in the hot electron cooler when the second harmonic output amount is stabilized It is desirable to flow into the thermoelectric cooler,
상기 제2바이어스 전류를 상기 열전자 냉각기에 인가하는 단계에서 상기 제2바이어스 전류는 상기 제2고조파 출력량이 안정화되었을 때 상기 열전자 냉각기에 흐르는 전류의 90%의 전류를 상기 열전자 냉각기에 흘려주는 것이 바람직하다.In the step of applying the second bias current to the hot electron cooler, the second bias current preferably flows 90% of the current flowing in the hot electron cooler to the hot electron cooler when the second harmonic output amount is stabilized. .
이하 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 제2고조파 발생장치 온도 제어 회로 및 방법을 설명한다.Hereinafter, a second harmonic generator temperature control circuit and method according to the present invention will be described with reference to the drawings.
제7도는 제2고조파 발생 장치의 비선형 광학 소자의 냉각 소자에 대한 본 발명에 따른 온도 제어 회로에서의 전류 인가 방법의 특성을 나타내는 선도이다. 이 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 제2고조파 발생 장치의 온도 제어 방법은 열전자 냉각기에 인가하는 바이어스 전류를 제1바이어스 전류 및 제2바이어스 전류로 나누어 펌핑개시 전후로 순차적으로 인가하는데 특징이 있다. 즉, 펌핑용 광을 제2고조파 발생부에 인가하기 전에 미리, 설정된 제2고조파 출력광과 같은 값으로 실제 제2고조파 출력광이 안정되게 발생되었을 때 열전자 냉각기에 흐르는 전류의 40～50%에 해당하는 제1차 바이어스 전류를 열전자 냉각기에 인가하고, 펌핑용 광이 제2고조파 발생부에 인가됨과 동시에 설정된 제2고조파 출력광과 같은 값으로 실제 제2고조파 출력광이 안정되게 발생되었을 때 열전자 냉각기에 흐르는 전류의 90%에 해당하는 제2차 바이어스 전류를 열전자 냉각기에 인가하는데 특징이 있다. 처음부터 제2고조파 출력광이 안정되었을 때에 열전자 냉각기에 흐르는 전류의 90%에 해당하는 바이어스 전류를 열전자 냉각기에 인가하기 보다는, 본 발명의 방법에서 처럼, 펌핑 광을 제2고조파 발생부에 인가하기 전에는 제2고조파 출력광이 안정되었을 때에 열전자 냉각기에 흐르는 전류의 40∼50%의 제1바이어스 전류 만을 열전자 냉각기에 인가하다가, 펌핑 광이 제2고조파 발생부에 인가되기 시작하면서 90%의 제2바이어스 전류를 열전자 냉각기에 인가함으로써, 제8도의 j영역에 있는 광출력 제1피크값으로 설정 광출력 값에 의한 실제 광출력 피크값을 제어할 수 없는 경우를 방지한다. 앞서 언급한 바와 같이, 제7도는 시간에 따라 펌핑 이전과 이후 열전자 냉각기에 흘려주는 전류의 크기를 나타낸 것으로, A 구간은 펌핑 이전이고 40∼50%의 전류가 흐르며, 제8도에서 비선형 광학 소자의 온도는 i영역에 있게된다. 만일 냉각기에 인가되는 바이어스 전류가 제2고조파 출력 안정시에 열전자 냉각에 흐르는 전류의 40∼50% 보다 훨씬 크게되면 비선형 광학 소자의 온도가 k영역으로 갈 우려가 있게된다. 이를 방지하기 위하여, 펌핑 이전의 초기 바이어스 전류를 제2고조파 출력 안정시에 열전자 냉각에 흐르는 전류의 40∼50%로하여 열전자 냉각기에 인가함으로써 비선형 광학 소자의 온도가 j영역에 가까운 i영역에 있도록 설정해야 한다. 따라서 앞서 언급한 바와 같이, 열전자 냉각기에 인가하는 바이어스 전류를 제1바이어스 전류 및 제2바이어스 전류로 나누어 펌핑 개시 전후로 순차적으로 인가하면, 809nm의 펌핑 광이 제2고조파 발생부에 인가될 때 비선형 광학 소자는 급격히 i영역으로 이동하게 되나, 동시에 제2고조파 출력 안정시에 열전자 냉각기에 흐르는 전류의 약90%로 바이어스 전류가 증가하게 되어 비선형 광학 소자의 온도는 j영역에 가까운 i영역에 있게된다. 이러한 방식으로 j영역에 있는 광출력 피크값의 경사면에서 광출력 설정값과 실제 광출력값이 같은 점을 짧은 시간내에 찾을 수 있다.7 is a diagram showing the characteristics of the current application method in the temperature control circuit according to the present invention for the cooling element of the nonlinear optical element of the second harmonic generator. As shown in this figure, the temperature control method of the second harmonic generator according to the present invention is characterized in that the bias current applied to the thermoelectric cooler is divided into a first bias current and a second bias current and sequentially applied before and after pumping starts. have. That is, before the pumping light is applied to the second harmonic generating unit, when the actual second harmonic output light is stably generated at the same value as the second harmonic output light previously set, it is applied to 40 to 50% of the current flowing in the thermoelectric cooler. When the first harmonic output light is applied to the thermoelectric cooler and the pumping light is applied to the second harmonic generating unit and the second harmonic output light is stably generated at the same value as the second harmonic output light set, the hot electron The secondary bias current corresponding to 90% of the current flowing in the cooler is characterized in that it is applied to the thermoelectronic cooler. Applying the pumping light to the second harmonic generator as in the method of the present invention, rather than applying a bias current corresponding to 90% of the current flowing in the hot electron cooler to the hot electron cooler when the second harmonic output light has stabilized from the beginning. Previously, when the second harmonic output light was stabilized, only 40 to 50% of the first bias current of the current flowing to the thermoelectric cooler was applied to the thermoelectric cooler, and the pumping light began to be applied to the second harmonic generating unit. By applying the bias current to the hot electron cooler, the case where the actual light output peak value due to the set light output value cannot be controlled by the light output first peak value in the j region in FIG. 8 is prevented. As mentioned above, FIG. 7 shows the magnitude of the current flowing to the thermo-electronic cooler before and after pumping with time. The A section is before pumping and 40 to 50% of the current flows. In FIG. The temperature of is in the i region. If the bias current applied to the cooler is much larger than 40-50% of the current flowing in the thermoelectron cooling at the time of stabilizing the second harmonic output, there is a fear that the temperature of the nonlinear optical element will go to the k region. To prevent this, the initial bias current before pumping is applied to the thermo-electronic cooler with 40-50% of the current flowing in the thermo-electron cooling at the second harmonic output stabilization so that the temperature of the nonlinear optical element is in the i region close to the j region. Must be set Therefore, as mentioned above, if the bias current applied to the thermo-electronic cooler is divided into the first bias current and the second bias current and sequentially applied before and after the pumping start, when the 809 nm pumped light is applied to the second harmonic generator, The device rapidly moves to the i region, but at the same time the bias current increases to about 90% of the current flowing to the thermoelectric cooler at the second harmonic output stability, so that the temperature of the nonlinear optical element is in the i region close to the j region. In this way, the point where the light output set value and the actual light output value are equal on the inclined plane of the light output peak value in the j region can be found within a short time.
한편, 이상과 같이, 열전자 냉각기에 인가하는 바이어스 전류를 제1바이어스 전류 및 제2바이어스 전류로 나누어 펌핑 개시 전후로 순차적으로 인가하는 온도 제어 회로가 제9도에 도시되어 있다. 제9도의 본발명에 따른 온도 제어 회로는 제3도의 온도 제어 회로와 바이어스 전류 설정부(10') 및 스위치(11') 만이 다를 뿐, 나머지 회로부(1,2,3,4,5,6,7,8,9)는 동일하다.On the other hand, as shown above, a temperature control circuit for dividing the bias current applied to the thermo-electronic cooler into a first bias current and a second bias current and applying sequentially before and after the pumping start is shown in FIG. 9. The temperature control circuit according to the present invention of FIG. 9 differs only from the temperature control circuit of FIG. 3 and the bias current setting unit 10 'and the switch 11', and the remaining circuit units 1, 2, 3, 4, 5, 6 , 7,8,9 are the same.
바이어스 전류 설정부(10')는 제1바이어스 전류 설정부(10A) 및 제2바이어스 전류 설정부(10B)로 구성된다. 여기서, 제1바이어스 전류 설정부는 저항기 R5및 가변 저항기 VR1으로 구성되어 기준 전압원(8)의 직류 전압 Vref를 분압하여 가산기(5)에 인가함으로써, 펌핑 이전의 열전자 냉각기(7)에 초기 바이어스 전류로 제2고조파 출력 안정시에 열전자 냉각기에 흐르는 전류의 40∼50%를 열전자 냉각기(7)에 제공하고, 제2바이어스 전류 설정부는 저항기 R6및 가변 저항기 VR2로구성되어 기준 전압원(8)의 직류 전압 Vref를 분압하여 가산기(5)에 인가함으로써, 펌핑과 동시에 열전자 냉각기(7)에 바이어스 전류로 제2고조파 출력 안정시에 열전자 냉각기에 흐르는 전류의 90%를 열전자 냉각기(7)에 제공한다.The bias current setting unit 10 'includes a first bias current setting unit 10A and a second bias current setting unit 10B. Here, the first bias current setting unit is composed of a resistor R 5 and a variable resistor VR 1 to divide the DC voltage Vref of the reference voltage source 8 and apply it to the adder 5, thereby initially biasing the hot electron cooler 7 before pumping. The current provides the thermoelectric cooler 7 with 40 to 50% of the current flowing to the thermoelectric cooler at the time of stabilizing the second harmonic output, and the second bias current setting section is composed of a resistor R 6 and a variable resistor VR 2 to provide a reference voltage source (8). By dividing the direct current voltage Vref of the s) and applying it to the adder 5, 90% of the current flowing to the thermoelectronic cooler at the time of stabilizing the second harmonic output as the bias current to the thermoelectric cooler 7 is pumped to the thermoelectronic cooler 7. to provide.
스위치(11')는 상기 제1바이어스 설정부(10A) 및 제2바이어스 설정부(10b)와 가산기(5)가 각각 펌핑 이전과 펌핑 이후에 순차적으로 접속될 수 있도록 2단 스위치로 형성된다. 여기서 스위칭 동작은 제어기(12)에 의해 수행된다.The switch 11 'is formed as a two-stage switch so that the first bias setting section 10A, the second bias setting section 10b, and the adder 5 can be sequentially connected before and after pumping, respectively. The switching operation here is performed by the controller 12.
제10도는 종래의의 비선형 광학 소자의 열전자 냉각기 전류 인가방법에 의한 시간에 따른 제2고조파 출력광 특성 선도 및 열전자 냉각기 전류 선도이며, 제11도는 본 발명에 따른 열전자 냉각기 전류 인가 방법에 의한 시간에 따른 제2고조파 출력광 특성 선도 및 열전자 냉각기 전류 선도이다. 이 두 도면에서 살펴보면, 본 발명에 따른 온도 제어방법 및 장치로 제2고조파 발생 장치의 온도를 제어하면, 월등히 안정된 제2고조파 광출력을 얻을 수 있음을 알 수 있다. 즉, 제10도에 도시된 종래의 전자 냉각기 전류 인가 방법에 의한 시간에 따른 제2고조파 출력광 특성 선도 및 열전자 냉각기 전류 선도는 그 파형의 변동이 심한 불안정한 동작을 보여주는데 반하여, 제11도에 도시된, 본 발명에 따른 전자 냉각기 전류 인가 방법에 의한 시간에 따른 제2고조파 출력광 특성선도 및 열전자 냉각기 전류 선도는 그 파형의 변동이 거의 없는 아주 안정된 동작을 보여준다.FIG. 10 is a second harmonic output light characteristic diagram and a thermoelectron cooler current diagram according to time according to a conventional non-electronic optical element thermoelectric cooler current application method, and FIG. 11 is a time of the thermoelectric cooler current application method according to the present invention. Second harmonic output optical characteristic diagram and hot electron cooler current diagram. Looking at these two drawings, it can be seen that by controlling the temperature of the second harmonic generating device with the temperature control method and apparatus according to the present invention, an extremely stable second harmonic light output can be obtained. That is, the second harmonic output optical characteristic diagram and the hot electron cooler current diagram according to the time by the conventional electronic cooler current application method shown in FIG. 10 show unstable operation in which the waveform fluctuates greatly. The second harmonic output light characteristic plot and the hot electron cooler current plot over time by the electronic cooler current application method according to the present invention show very stable operation with little variation in its waveform.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 제2고조파 발생 장치의 온도 제어 회로를 이용한 온도 제어 방법은 열전자 냉각기에 인가하는 바이어스 전류를 제1바이어스 전류 및 제2바이어스 전류로 나누어 펌핑 개시 전후로 순차적으로 인가하되, 펌핑용 광을 제2고조파 발생부에 인가하기 전에 미리, 제2고조파 출력광이 안정되었을 때 열전자 냉각기에 흐르는 전류의 40∼50%에 해당하는 제1차 바이어스 전류를 열전자 냉각기에 인가하고, 펌핑용 광이 제2고조파 발생부에 인가됨과 동시에 제2고조파 출력광이 안정되었을 때 열전자 냉각기에 흐르는 전류의 90%에 해당하는 제2차 바이어스 전류를 열전자 냉각기에 인가하여 줌으로써, 제2고조파 발생 장치를 시동할 때 제2고조파 출력이 안정되는 시간을 짧게할 수 있을 뿐만 아니라 제2고조파 출력광의 피크값을 정확하게 선택할 수 있는 효과가 있다.As described above, in the temperature control method using the temperature control circuit of the second harmonic generator according to the present invention, the bias current applied to the thermoelectric cooler is divided into a first bias current and a second bias current and sequentially applied before and after the start of pumping. Before applying the pumping light to the second harmonic generating unit, when the second harmonic output light is stabilized, a first bias current corresponding to 40-50% of the current flowing to the hot electron cooler is applied to the hot electron cooler, When the pumping light is applied to the second harmonic generator and the second harmonic output light is stabilized, a second harmonic is generated by applying a second bias current corresponding to 90% of the current flowing in the hot electron cooler to the hot electron cooler. Not only can shorten the time for the second harmonic output to stabilize when starting the device, but also the peak value of the second harmonic output light. There are effects that you can choose exactly.
제1도는 제2고조파 발생 장치의 개략적 구성도이고,1 is a schematic configuration diagram of a second harmonic generator,
제2도는 제1도의 제2고조파 발생 장치 온도 제어 회로의 개략적 블럭도이며,FIG. 2 is a schematic block diagram of the second harmonic generator temperature control circuit of FIG.
제3도는 제1도의 제2고조파 발생 장치 온도 제어 회로의 구체적 회로도이며,3 is a specific circuit diagram of the second harmonic generator temperature control circuit of FIG.
제4도는 제1도의 제2고조파 발생 장치의 비선형 광학 소자의 온도에 따른 제2고조파 출력 곡선이며(광검출에 의한 피드백 제어가 없는 경우),4 is a second harmonic output curve according to the temperature of the nonlinear optical element of the second harmonic generating device of FIG. 1 (when there is no feedback control by photodetection),
제5도는 제2도의 온도 제어 회로를 갖는 제2고조파 발생 장치의 비선형 광학 소자의 온도에 따른 제2고조파 출력 곡선이며,5 is a second harmonic output curve according to the temperature of the nonlinear optical element of the second harmonic generator having the temperature control circuit of FIG.
제6도는 제2도의 제2고조파 발생 장치의 비선형 광학 소자의 냉각 소자에 대한 온도 제어 회로에서의 전류 인가 방법의 특성을 나타내는 선도이며,6 is a diagram showing the characteristics of the current application method in the temperature control circuit for the cooling element of the nonlinear optical element of the second harmonic generator of FIG.
제7도는 제2고조파 발생 장치의 비선형 광학 소자의 냉각 소자에 대한 본 발명에 따른 온도 제어 회로에서의 전류 인가 방법의 특성을 나타내는 선도이며,7 is a diagram showing the characteristics of the current application method in the temperature control circuit according to the present invention for the cooling element of the nonlinear optical element of the second harmonic generator,
제8도는 제7도의 선도에 따른 온도 제어 회로를 갖는 제2고조파 발생장치의 비선형 광학 소자의 온도에 따른 제2고조파 출력곡선이며,8 is a second harmonic output curve according to the temperature of the nonlinear optical element of the second harmonic generator having the temperature control circuit according to the diagram of FIG.
제9도는 제7도의 선도에 의한 전류 인가 방법에 따른 본 발명의 제2고조파 발생 장치 온도 제어 회로의 구체적 회로도이고,9 is a specific circuit diagram of the second harmonic generator temperature control circuit of the present invention according to the current application method according to the diagram of FIG.
제10도는 제6도의 비선형 광학 소자의 열전자 냉각기 전류 인가 방법에 의한시간에 따른 제2고조파 출력광 특성 전도 및 열전자 냉각기 전류 선도이며,FIG. 10 is a diagram illustrating conduction of the second harmonic output light characteristic and the hot electron cooler current over time according to the method of applying the hot electron cooler current of the nonlinear optical element of FIG.
제11도는 제7도의 비선형 광학 소자의 열전자 냉각기 전류 인가 방법에 의한 시간에 따른 제2고조파 출력광 특성 선도 및 열전자 냉각기 전류 선도이다.FIG. 11 is a second harmonic output light characteristic plot and a hot electron cooler current plot over time by the method of applying a hot electron cooler current of the nonlinear optical element of FIG. 7.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for main parts of the drawings
1. 광 검출기 2. 전류/전압 변환 증폭기1. Photo detector 2. Current / voltage conversion amplifier
3. 비교기 4. 적 분기3. Comparator 4. Ever Branch
5. 가산기 6. 전압/전류 변환기5. Adder 6. Voltage / Current Converter
7. 열전 냉각 소자 8. 기준 전압원7. Thermoelectric cooling element 8. Reference voltage source
9. 제2고조파 광출력 설정부 10. 바이어스 설정부9. Second harmonic light output setting section 10. Bias setting section
11. 스위치 10A. 제1바이어스 설정부11. Switch 10A. First bias setting unit
10B. 제2바이어스 설정부 11'. 2단 스위치10B. 2nd bias setting part 11 '. 2-stage switch
12. 스위치 제어기12. Switch Controller
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