KR100385166B1 - 레이저 다이오드를 채용한 광학계 - Google Patents

Abstract

레이저 다이오드를 채용한 광학계를 개시한다. 본 발명은 하나의 하우징부내에 레이저 빔을 발산하는 레이저 다이오드와, 그 전방에 설치되어 빔을 콜리메이팅시키는 콜리메이팅 렌즈와, 콜리메이팅 된 레이저 빔을 포커싱하는 포커싱 렌즈와, 포커싱 렌즈의 전방에 위치하여 타원형의 레이저 빔을 원형으로 변형시키는 빔정형 렌즈와, 빔정형 렌즈로부터 레이저 빔이 입사되는 광화이버가 설치된다.

Description

레이저 다이오드를 채용한 광학계{Optics system applying laser diode}

본 발명은 광학계에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 하우징부내의 레이저 다이오드의 전방에 다수개의 렌즈를 부착시켜 광효율을 향상시킨 레이저 다이오드를 채용한 광학계에 관한 것이다.

통상적으로 레이저 다이오드는 그 특성상 타원형의 레이저 빔을 방출하게 되는데 종축이 횡축에 비하여 상대적으로 크기 때문에 광손실을 줄이기 위하여 다수개의 렌즈을 이용하여 빔을 콜리메이팅(collimating) 및 포커싱(focusing)시켜 광화이버에 전달하게 된다.

도 1은 종래의 레이저 다이오드를 채용한 광학계를 도시한 것이다.

도면을 참조하면, 종래의 광학계는 레이저 빔(100)을 발산하는 광원인 레이저 다이오드(11)와, 그 전방에 설치되어 레이저 빔(100)을 콜리메이팅시키는 콜리메이팅 렌즈(collimating lens,12)와, 콜리메이팅된 레이저 빔(100)을 정형화시키는 복수개의 빔정형 렌즈(beam shaping lenses,13)(14)들과, 정형화된 레이저 빔(100)을 포커싱하는 포커싱 렌즈(focusing lens,15)와, 포커싱 된 레이저 빔(100)이 입사되는 광화이버(optical fiber,16)를 포함한다.

이러한 광학계는 레이저 다이오드(11)의 광특성상 반도체 칩에서 발광된 레이저 빔(100)의 종축 및 횡축의 발산각이 차이가 나서 원형이 아닌 타원형의 형상을 가진다. 이에 따라, 단 렌즈(single lens)를 사용하는 경우에는 실린더형 렌즈(cylindrical lens)나, 구형 렌즈(spherical lens)를 많이 사용하는데, 이때의 광효율은 통상적으로 60 내지 65 퍼센트정도이다.

따라서, 광효율을 향상시키기 위하여 도 1에 도시된 바와 같이 2매 이상의 단 렌즈를 조합시킨 복합 렌즈를 사용하게 된다. 이때에는 복수개의 렌즈를 사용하게 되어서 광효율은 단 렌즈를 사용할때보다 상대적으로 높은 반면에 렌즈를 사용하는 수만큼 길이가 길어져서 광학계의 전체적인 크기가 커지게 되고, 무게가 증가되고, 가격 또한 상승되는 요인으로 작용하게 된다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 하우징부내에 광원과, 다수장의 렌즈를 설치하여 레이저 빔을 원형으로 변형시켜 광손실을 최소화한 레이저 다이오드를 채용한 광학계를 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 종래의 레이저 다이오드를 채용한 광학계를 개략적으로 도시한 구성도,

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이더 다이오드를 채용한 광학계를 개략적으로 도시한 구성도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 간단한 설명>

11,21...레이저 다이오드 12,22...콜리메이팅 렌즈

13,14,24...빔정형 렌즈 15,23...포커싱 렌즈

16,25...광화이버 21a...음극

21b...양극 21c...반도체 칩

26...화이버 고정구 27...에폭시

28...하우징부

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 측면에 따른 레이저 다이오드를 채용한 광학계는,

레이저 빔을 발산하는 레이저 다이오드;

상기 레이저 다이오드의 전방에 위치하여 상기 레이저 빔을 콜리메이팅시키는 콜리메이팅 렌즈;

상기 콜리메이팅 렌즈의 전면에 위치하여 콜리메이팅된 레이저 빔을 포커싱시키는 포커싱 렌즈;

상기 포커싱 렌즈의 전방에 위치하여 타원형의 레이저 빔을 원형으로 변형시키는 빔정형 렌즈;

상기 빔정형 렌즈로부터 레이저 빔이 입사되는 광화이버; 및

상기 레이저 다이오드, 콜리메이팅 렌즈, 포커싱 렌즈, 빔정형 렌즈와 광화이버가 그 내부에 연속적으로 설치되는 하나의 하우징부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 빔정형 렌즈는 상기 광화이버의 광입사면에 위치되는 것을 특징으로 한다.

게다가, 상기 콜리메이팅 렌즈는 구형 렌즈이고, 상기 포커싱 렌즈는 평볼록 렌즈이고, 상기 빔정형 렌즈는 실린더형 렌즈인 것을 특징으로 한다.

이하에서 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 레이저 다이오드를 채용한 광학계를 상세하게 설명하고자 한다.

도 2는 본 발명의 일 예에 따른 레이저 다이오드를 채용한 광학계를 도시한 것이다.

도면을 참조하면, 광학계에는 레이저 빔(200)을 발산하는 광원으로서 레이저 다이오드(21)가 설치된다. 상기 레이저 다이오드(21)는 주지하는 바대로 스템부의 일측벽에 반도체 칩(21c)이 부착되어 있다. 그리고, 스템부의 하부로 복수개의 전극인 음극(21a)과, 양극(21b)이 인출되어 있다.

상기 레이저 다이오드(21)는 출력이 1.5 와트이고, 파장은 980 나노미터이며, 빔 다이버전스(beam divergence)는 수직으로는 48도이고, 수평으로는 12도정도를 유지하고 있다.

상기 레이저 다이오드(21)의 전방에는 경통이 설치되고, 그 내부에 마련된 공간에는 구형 렌즈인 콜리메이팅 렌즈(22)가 설치된다. 상기 콜리메이팅 렌즈(22)는 상기 레이저 다이오드(21)로부터 발광된 레이저 빔(200)을 콜리메이팅시키는 역할을 한다. 상기 렌즈(22)는 직경이 2 밀리미터이고, 굴절율은 1.85 정도이다. 또한, 상기 콜리메이팅 렌즈(22)는 큰 개구수(numerical aperture)를 가지는 것이 바람직하며, 초점거리(focal length)는 1.1 밀리미터로 비교적 짧다.

상기 콜리메이팅 렌즈(22)의 전면에는 평볼록 렌즈(plano-convex lens)인 포커싱 렌즈(23)가 설치된다. 상기 포커싱 렌즈(23)는 상기 콜리메이팅 렌즈(22)로부터 콜리메이팅된 레이저빔(200)을 포커싱시키며, 광학계의 전체 길이를 단축시키는 역할을 한다. 상기 포커싱 렌즈(23)는 직경이 3 밀리미터이고, 굴절율은 1.49 정도가 바람직하다.

상기 포커싱 렌즈(23)의 전방부측에는 실린더형 렌즈인 빔정형 렌즈(24)가 설치된다. 상기 빔정형 렌즈(24)는 상기 포커싱 렌즈(23)로부터 포커싱된 레이저 빔(200)이 상기 레이저 다이오드(21)의 특성상 종축이 횡축보다 상대적으로 크게 형성된 타원형인데 이를 원형으로 변형시키는 역할을 한다. 이에 따라, 광손실을 줄일 수 있다. 상기 빔정형 렌즈(24)는 직경이 200 마이크로미터이고, 굴절율은 1.457이다. 또한, 개구수는 0.22 정도이다.

상기 빔정형 렌즈(24)의 전면에는 광화이버(25)가 설치된다. 상기 광화이버(24)는 상기 빔정형 렌즈(24)로부터 방출된 레이저 빔(200)이 한 점으로 포커싱된다. 상기 광화이버(24)는 코어의 직경이 100 마이크로미터정도이고, 코어의 외주면에 알루미늄이 코팅되어 있다. 그리고, 상기 광화이버(24)의 굴절율은 1.49이고, 개구수는 0.37 정도이다.

상기 광화이버(24)는 화이버 고정구(26)에 의하여 감싸져 있다.

여기서, 상술한 레이저 다이오드(21)와, 콜리메이팅 렌즈(22)와, 포커싱 렌즈(23)와, 빔정형 렌즈(24)와, 광화이버(25)는 하우징부(28)내에 연속적으로 설치되어 있다. 도면부호 27은 상기 화이버 고정구(26)를 상기 하우징부(28) 내에 고정시키기 위한 에폭시이다.

이렇게 하나의 하우징부(28) 내에 설치된 광학계는 레이저 다이오드(21)로부터 방출된 레이저 빔(200)이 콜리메이팅 렌즈(22)와, 포커싱 렌즈(23)를 통하여 콜리메이팅 및 포커싱되고, 빔정형 렌즈(24)로부터 원형으로 변형되어 상기 광화이버(25)의 코어에 전달하게 된다.

이러한 광학계를 이용하여 시험한 결과 광효율(coupling efficiency)은 대략 70 내지 75 퍼센트로 측정되어, 종래의 기술에 따른 광학계보다 10 퍼센트정도 향상되었다. 또한 각 렌즈들의 표면에서의 광손실이 한 면당 3 퍼센트라 가정했을 경우 렌즈 표면에 비반사코팅(anti-reflection coating)을 하면 최소한 10 퍼센트 광효율이 상승된다고 할 수 있을 것이다.

이상의 설명에서와 같이 본 발명의 레이저 다이오드를 채용한 광학계는 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.

첫째, 하나의 하우징부에 연속적으로 레이저 다이오드와 다수장의 렌즈를 설치함으로써 광학계의 전체적인 크기가 대폭 줄어들 수 있고, 무게도 감소시킬 수 있다.

둘째, 타원형의 레이저빔을 원형으로 변형시키는 빔정형 렌즈를 광화이버의 입사면에 위치시켜서 광효율과 조립성이 향상된다.

본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 등록청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (3)

1. 레이저 빔을 발산하는 레이저 다이오드;

   상기 레이저 다이오드의 전방에 위치하며, 상기 레이저 빔을 콜리메이팅시키는 콜리메이팅 렌즈;

   상기 콜리메이팅 렌즈의 전면에 위치하며, 콜리메이팅된 레이저 빔을 포커싱시키는 포커싱 렌즈;

   상기 포커싱 렌즈의 전방에 위치하며, 타원형의 레이저 빔을 원형으로 변형시키는 빔정형 렌즈;

   상기 빔정형 렌즈가 광입사면에 위치하며, 상기 빔정형 렌즈로부터 레이저 빔이 입사되는 광화이버; 및

   상기 레이저 다이오드, 콜리메이팅 렌즈, 포커싱 렌즈, 빔정형 렌즈와 광화이버가 그 내부에 연속적으로 설치되는 하나의 하우징부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 다이오드를 채용한 광학계.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,

   상기 콜리메이팅 렌즈는 구형 렌즈이고, 상기 포커싱 렌즈는 평볼록 렌즈이고, 상기 빔정형 렌즈는 실린더형 렌즈인 것을 특징으로 하는 레이저 다이오드를 채용한 광학계.