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KR970005166B1 - 유도 브릴루인 산란을 이용한 라만 레이저 발진 방법 및 그 장치 - Google Patents

유도 브릴루인 산란을 이용한 라만 레이저 발진 방법 및 그 장치 Download PDF

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KR970005166B1
KR970005166B1 KR1019930006937A KR930006937A KR970005166B1 KR 970005166 B1 KR970005166 B1 KR 970005166B1 KR 1019930006937 A KR1019930006937 A KR 1019930006937A KR 930006937 A KR930006937 A KR 930006937A KR 970005166 B1 KR970005166 B1 KR 970005166B1
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전용근
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국방과학연구소
김학옥
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Abstract

내용없음.

Description

유도 브릴루인 산란을 이용한 라만 레이저 발진 방법 및 그 장치
제1도는 종래 라만 레이저 발진기의 계통도.
제2도는 본 발명에 따른 유도 브릴루린 산란을 이용한 라만 레이저 발진장치의 계통도.
제3도는 제2도의 집속렌즈를 통과하는 레이저 빔의 경로를 표시한 도면.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
A : 펌프광 공진기 B : 브릴루인 공진기
1 : 시준렌즈 2 : 개스 셀
3 : 집속 렌즈 4 : 레이저 봉
5 : 큐-스위치 6 : 공진기 반사경
7 : 출력경 13 : 집속 렌즈
13A : 집속 렌즈(13)의 전면 13B : 집속 렌즈(31)의 후면
13A' : 집속렌즈(13)의 유전체층
본 발명은 라만 레이저 발진장치에 관한 것으로, 특히 유도 브릴루인 산란(Stimulated Brillouin Scattering)을 이용한 라만 레이저 발진 방법 및 그 장치에 관한 것이다.
일반적으로 유도 라만 산란(Stimulated Baamn Scattering; SRS)을 이용한 레이저 발진기는 펌프광 공진기에서 발생된 펌프광을 개시 셀에서 산란시킴으로써 레이저 빔의 파장을 변화시켜 원하는 파장의 레이저 빔을 출력시키는 것으로 산업에 응용되는 각종 측정기 등에 이용되고 있다.
제1도는 종래의 라만 레이저 발진장치를 보인 것으로, 그 구조는 미국 특허 제4,821,272호 에 기재된 것과 거의 동일하다. 이를 참조하여 종래 라만 레이저 발진장치를 설명하면 다음과 같다.
일반적인 라만 레이저의 경우, 제1도에 도시한 바와 같이 별도의 메탄 개스셀(2)의 레이저 공진기의 출력경(7)앞에 부착하여 개스 셀(2) 속에 발생하는 유도 라만 산란에 의한 레이저의 파장 변환 효과를 이용하고 있다.
이때, 공진기 반사경(6)은 펌프광을 반사시키는 역할을 하고, 레이저 출력경(7)은 공진기 반사경(6)과 함께 펌프광 공진기(A)를 구성하여 그 펌프광 공진기(A)내에서 펌프광을 반사하여 펌프광을 증폭하고 한면(4A)에 펌프광에 대한 높은 반사율을 갖도록 유전체 코팅을 하여 개스 셀(2)에서 반사되는 광을 개스 셀(2)로 반사시키는 역할을 한다. 큐-스위치(5)는 레이저의 펄스폭을 작게 하고 세기를 증가시키는 역할을 하는 광학장치로서 포화 흡수체(Saturatable Absorber)를 이용하여 방법이 가장 간단하고, 이 경우 10 내지 20ns의 펄스폭을 얻을 수 있다. 레이저 봉(4)은 두 개의 반사경(6,7)사이를 왕복하는 레이저를 증폭하는 역할을 하며, Nd : YAG 결정으로 사용할 경우에 발생하는 레이저 광의 파장은 1.06μm가 된다. 집속 렌즈(3)는 레이저 공진기에서 출력되는 레이저를 개스 셀(2)로 집속시킨다. 이때 개스 셀(2)로 집속된 펌프광과 개스 셀(2)속의 개스 분자의 분자 진동 사이의 상호 작용에 의해 유도 라만 산란이 발생하여 펌프광 파장이 변한다.
이렇게 유도 라만 산란된 레이저 빔은 파장이 길어져, 즉 진동수가 줄어들게되어 개스 셀(2)속의 개스가 메탄(CH4)일 경우 1.06μm의 파장이 1.54μm로 변한다. 개스 셀(2)속의 메탄과 같은 기체(또는 유체)는 통상 라만 매질이라고 부르며, 예를 들어 메탄, 증수소(D2), 수소(H2)등이 사용된다. 라면 변화된 레이저 빔은 시준 렌즈(1)를 통하여 평행광이 되어 출력된다.
그러나 이러한 종래의 라만 레이저 발진장치에서는 다음과 같은 문제점들이 있었다.
첫째, 개스 셀(2)속에서는 유도 라만 산란과 함께 유도 브릴루인 산란이 발생하게 되는데, 이 유도 브릴루인 산란으로 인한 손실이 크다. 유리 브릴루인 산란은 레이저 빔이 매질 속에서 발생되는 음파(Acoustic Wave)에 의해 산란되는 현상으로서, 유도 브릴루인 산란된 광은 파장의 변화가 거의 없으며, 반드시 레이저 광이 개스 셀(2)로 입사된 방향(즉, 후방)으로 진행한다. 이는 유도 브릴루인 산란된 레이저 광이 위상공액(Phase Conjugate)특성을 갖기 때문이다. 위상 공액 특성은 B. Ya. Zel'dovich, N,F. Pillpsky, V. V. Shkunov, Princples of Pashe Conjunction, Sprihger-Verage(1985)에 상세히 설명되어 있다. 이렇게 유도 브릴루인 산란된 레이저 광은 다시 처음 개스 셀(2)로 집속되었던 방향으로 다시 되돌아가게 된다. 그러나 유도 브릴루인 산란된 레이저 광은 펌프광의 파장과 거의 같아서 레이저 출력경(7)에 의하여 상당량이 반사되어 다시 펌프광 공진기(A)로 유입되지 못한다. 따라서 종래의 레이저 발진기에서의 유도 브릴루인 산란은 출력의 저하 또는 손길을 가져온다. 즉, 종래의 유도 라만 산란을 이용하여 라만 레이저 발진기의 경우에는 출력경(7)이 이러한 유도 브릴루인 산란 및 위상 공액 특성을 오히려 방해하고 있기 때문에 그 출력을 방해하는 요소로 작용하여 효율 및 세기가 저하된다.
둘째, 발진기의 구성품 사이의 광학적 정렬(반사면간의 평면도 등)이 용이하지 않다. 왜냐하면, 종래의 발진기에서는 레이저 출력경(7)이 필수적인 구성품인데 발진기를 구성하는 부품의 수가 늘어날수록 부품들 사이의 광학적 정렬이 더욱 어려워지며, 만일 광학적 정렬이 제대로 이루어지지 않으면 출력이 저하되기 때문이다. 또한 처음에 부품들 사이의 광학적 정렬이 정확히 되었다고 하더라도 시간이 경과함에 따라 주위환경(기계적 진동 또는 충격)에 의해 영향을 받으며 부품의 수가 많을수록 정렬 상태가 변하기 쉽다. 따라서 구성품의 수가 적을수록 그만큼 부품들 사이의 광학적 정렬이 안정성이 높아지는 것이다.
따라서 본 발명자들은 유도 라만 산란을 이용하는 레이저 발진기에서 레이저빔이 유도 라만 산란될 때에 함께 발생하는 유도 브릴루인 산란을 이용할 수 있도록 한 유도 브릴루인 산란을 이용한 라만 레이저 발진 방법 및 그 장치를 제공하려는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 종래 라만 레이저 발진기에서 사용되었던 출력경과 집속 렌즈를 하나의 광학 기구로 대체함으로써 레이저 발진기의 구성품들 사이의 광학적 정렬을 용이하게 할 수 있도록 하려는 것이다.
본 발명의 추가적인 목적은 사용되는 집속 렌즈의 양면에 코팅을 달리함으로써 종래 라만 레이저 발진기와 같은 효과 또는 출력을 갖는 라만 레이저 발진장치를 제공하려는 것이다.
즉, 본 발명은 종래의 유도 라만 산란을 이용하는 라만 레이저 발진기와는 달리 유도브릴루인 산란을 이용하여 레이저 출력을 증대시키고, 종래의 라만 레인지 발진기에서 필수적인 구성품이었던 출력경과 집속 렌즈를 상기 두 개의 구성품들이 하던 역할을 수행하는 하나의 집속 렌즈로 대체하여 구조를 간단히 하며, 구성품들 사이의 광학적 정렬을 용이하게 한다.
종래 유도 라만 산란을 이용한 레이저 발진기의 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 출력경과 집속렌즈를 하나의 부품으로 대체할 수 있는 집속 렌즈를 사용한다. 본 발명에서 사용되는 집속 렌즈는 개스 셀에서 유도 라만 산란과 함께 발생한 위상 공액 특성을 갖는 유도 브릴루인 산란된 레이저 광을 펌프 레이저 광이 처음 개스 셀로 집속되었던 방향으로 그대로 다시 레이저 공진기로 되돌아 갈 수 있도록 하였다. 본 발명에서 사용되는 집속 렌즈는 유도 브릴루인 산란된 광이 갖는 위상 공액 특성을 이용할 수 있도록 설계되었다.
또 본 발명은 종래 라만 레이저 발진기가 갖는 구성품 사이의 광학적 정렬의 어려움을 감안하여 지속렌즈로 종래의 출력경의 역할을 겸할 수 있도록 하였다.
본 발명에 따른 실시예는 제2도에 도시하였다. 제3도는 본 발명에서 사용된 집속렌즈와 집속렌즈를 통과하는 레이저 빔의 경로를 도시한 것이다.
본 발명에서 사용된 집속 렌즈는 보통의 렌즈로서 종래 출력경과 집속 렌즈의 기능 모두를 수행할 수 있도록 설계되었다.
이하, 본 발명에 의한 유도 브릴루인 산란을 이용한 라만 레이저 발진 방법 및 그 장치를 첨부도면에 도시한 실시예에 따라서 상세히 설명한다.
제2도에 도시한 바와 같이, 본 발명에 의한 유도 브릴루인 산란을 이용한 레이저 발진장치는, 시준 렌즈(1), 개스 셀(2), 레이저 봉(4), 큐-스위치 및 공진기 반사경(6)은 종래와 같은 순서로 배치된다.
본 발명에 의하여 상기 개스 셀(2)과 레이저 봉(4)사이에는 집속 렌즈(13)가 배치되고, 종래 집속 렌즈에 후방측에 배치되었던 출력경은 제외되었다.
상기 집속 렌즈(13)는 제12도에 도시한 바와 같이 개스 셀(2)에 위치하는 초점을 가짐과 아울러 제3도에 도시한 바와 같이 전면(13A)에 유전체층(13A')이 코팅된다. 이 유전체층(13A')은 이색성 반사경의 역할을 하도록 구성되는 것이다.
여기서 제2도에 도시한 바와 같이 공진기 반사경(6)과 집속 렌즈(13)의 후면(13B)과의 사이에서 종래 유도 라만 산란을 이용한 레이저 발진기에서와 같은 펌프광 공진기(A)가 형성되며, 공진기 반사경(6)과 개스 셀(2)내에서 유도 브릴루인 산란에 의한 위상 공액 특성에 의하여 형성되는 위상 공액 반사경과의 사이에서 브릴루인 공진기(B)가 형성된다. 상기 위상 공액 반사경의 위치는 집속 렌즈(13)의 초점(F)위치에 형성되는 것이다.
본 발명에 따른 실시예의 동작을 설명하면 다음과 같다.
처음 초기광(Seed Beam)이 형성되는 과정은 일반적인 라만 산란 레이저 발진기에서와 같다. 단, 본 발명에서는 집속 렌즈(13)의 후면(13B)이 종래 유도 라만 산란을 이용한 라만 레이저 발진기에서의 출력경의 역할을 겸하게 되는 것이다.
초기 레이저는 펌프광 공진기(A)를 한정하는 공진기 반사경(6)과 집속 렌즈(13)의 후면(13B) 사이에서 왕복하면서 증폭되어 개스 셀(2)내에서 발생하는 유도 부릴루인 산란을 유발하는 초기광을 발생한다. 다시 말하면, 집속 렌즈(13)의 후면(13B)과 공진기 반사경(6)사이가 종래의 유도 라만 산란을 이용한 레이저 발진기에서의 펌프광 공진기(A)에서와 같은 역할을 f하게 되는 것이다.
이와 같이 증폭된 펌프광은 집속 렌즈(13)을 통하여 개스 셀(2)로 집속된다.
가스 셀(2)로 집속된 펌프광은 개스 셀(2)내의 개스의 분자 진동과 상호 작용하여 유도 라만 산란과 함께 유도 브릴루인 산란을 경험한다.
유도 브릴루인 산람은 유도 라만 산란과 마찬가지로 비선형 광학적 형상이며, 매질 속에서 발생하는 음파에 의해 산란되는 형상이다.
유도 브릴루인 산란된 레이저 광은 파장의 변화가 거의 없으며 반드시 입사된 방향(즉, 공지기 반사경(6) 방향)으로 진행한다.
유도 라만 산란된 광은 후방(공진기 반사경(6) 방향)과 전방(시준 렌즈(1) 방향)으로 진행한다.
시준 렌즈(1)를 향해 진행하는 라만 산란 광은 시준 렌즈(1)에 의해 평행광이 되어 출력되고, 후방, 즉 레이저 공진기 방향으로 진행하는 브릴루인 산란광은 본 발명에서 사용되는 집속 렌즈(13)의 전면(13A)에 코팅된 유전체층(13A')에서 대부분(약 99%)이 반사되어 다시 시준 렌즈(1)를 통해 평행광이 되어 출력된다.
여기서 라만 출력 에너지가 최대가 되기 위해서는 개스의 압력이 적절히 조절되어야 한다.
반면, 유도 브릴루인 산란된 광은 위상 공액 특성을 가지므로 처음 개스 셀(2)로 집속되던 방향을 따라 그대로 되돌아게 되는데, 본 발명에서 사용되는 집속 렌즈(13)는 전면(13A)에 유전체층(13A')이 코팅되어 있어 거의 대부분(99%)이 투과된다.
이렇게 집속 렌즈(13)을 투과한 유도 브릴루인 산란된 레이저 광은 다시 공진기 반사경(6)에서 반사되어 다시 집속 렌즈(13)에 의해 개사 셀(2)로 재집속된다.
그런데 실제로는 유도 브릴루인 산란된 광은 위상 공액 특성을 가지므로 집속 렌즈(13)의 초점(F)에서 정확히 공진기 반사경(6)으로 되돌아가는데, 이때 집속 렌즈(13)의 초점(F)의 위치가 위상 공액 반사경(Phase Conjugate Mirror)을 이루게 되는 것이다.
여기서 위상 공액 반사경이란 일반적으로 광학 반사경과는 달리 반사된 광이 입사된 방향으로 정확히 되돌아가게 하는 특성을 가진 반사경을 말하는 것이다. 상기 개스 셀(2)속에서는 유도 라만 산란이 함께 일어나게 되며, 여기서 유도 라만 산란은 레이저 광의 파장을 변화시키는 역할을 하고, 유도 브릴루인 산란은 레이저 광을 되반사시키는 역할을 하게 되는 것으로, 본 발명에서의 위상 공액 반사경이라 함을 개스 셀(2)속에서 발생하는 유도 브릴루인 산란 형상에 의하여 만들어지는 것이다. 즉, 상기 위상 공액 반사경은 특정한 구성 요소를 지칭하는 것이 아니고 개스 셀(2)내에서의 집속 렌즈의 초점 위치가 위상 공액 반사경을 이루게 되는 것이다.
결국, 개스 셀(2) 속에서의 유도 브릴루인 산란에 의하여 집속 렌즈(13)의 초점에 형성되는 위상 공액반사경과 공진기 반사경(6)사이에 브릴루인 공진기(B)가 형성되어 강한 레이저 빔이 발진되는 것이다.
여기서, 상기 유도 브릴루인 산란은 종래의 유도 라만 산란을 이용한 레이저 발진기에서는 손실의 요인이 되었으나, 본 발명에서는 이를 이용하여 출력을 증대시킬 수 있는 것이다.
따라서 종래의 유로 라만 산란을 이용한 레이저 발진기에서 손실 효과를 가져오던 유도 브릴루인 산란이 본 발명에서는 오히려 펌프광의 세기를 크게 유지시키는 과정이 되어 전체적으로는 레이저 발진기의 추력을 증대시키는 것이다.
유도 브릴루인 산란되어 다시 공진기에서 증폭되고 집속 렌즈(13)을 통하여 개스 셀(2)로 입사된 광은 다시 유도 라만 산란되어 시준 렌즈(1)를 통항 평행광이 되어 출력된다.
본 발명에 따른 실시예에서는 발진기가 작동을 멈출때까지 위의 과정을 되풀이 하며, 유도 브릴루인 산란된 레이저 광은 위상 공액 특성을 가지므로 유도 브릴루인 산란된 후 증폭된 광은 집속성이 우수하고 라만 레이저의 출력을 증대시킨다.
또한 본 발명에서는 종래 사용되던 집속 렌즈와 출력경을 하나의 집속 렌즈로 대체함으로써 부품수가 줄어 광학적 정렬이 용이하고, 상용에 따른 광학적 정렬의 변화를 배제할 수 있게 되는 것이다.
본 발명에 따른 유도 브릴루인 산란을 이용한 라만 레이저 발진 장치는 거리 측정기 또는 레이저 원격 탐사 장치등에 이용될 수 있다.
또한 본 발명이 제공되는 유도 브릴루인 산란을 이용한 방법은 다른 분야에서 사용되는 레이저 발진기를 제작하는데 응용될 수 있다.
본 발명은 개스 셀에 발생된 유도 브릴루인 산란광을 다시 공진기 반사경으로 보내는 것이 본 발명의 주된 개념이다. 따라서 본 발명에서 전면의 곡률 반경이 초점과 일치하는 집속 렌즈를 사용하지만 이러한 구조를 갖지 않으면서 개스 셀에서 발생하는 유도 브릴루인 산란된 레이저 광의 대부분을 다시 레이저 공진기로 투과시키는 것은 모두 본 발명에 포함되는 것이다.
또 본 발명에서 사용되는 유도 브릴루인 산란을 이용한 레이저 발진 방법과 그 장치는 본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 사상 및 범위내에서 다양한 변형이 가능할 것이다.

Claims (5)

  1. 집속 렌즈(13)의 후면(12B)과 공진기 반사경(6)사이에 형성되는 펌프광 공진기(A)에 의하여 초기광을 발생시키는 초기광을 발생 단계와; 상기 초기광을 집속 렌즈(13)에 의하여 개스 셀(2)안으로 집속함으로써 개스 셀(2)안에 집속된 레이저 빔의 일부는 유도 라만 산란되고 일부는 브릴루인 산란되는 단계와; 상기 산란 단계에서 발생한 유도 라만 레이저 빔이 시준 렌즈(1)를 통하여 출력되고 유도 브릴루인 산란된 레이저 빔이 개스 셀(2)내에서의 유도 브릴루인 산란된 레이저 빔의 위상 공액 특성에 의하여 개스 셀(2)내에 형성되는 위상 공액 반사경에 의하여 상기 집속 렌즈(1)의 전면(13A)으로 되돌아가는 브릴루인 공진 단계와; 상기 위상 공액 반사경과 공진기 반사경(6)사이에서 증폭된 유도 라만 산란된 레이져 빔이 다시 상기 집속 렌즈(13)에 의하여 상기 개스 셀(2)내로 집속되어 상기 개스 셀(2)안에서 산란되는 재산란 단계 및; 상기 개스 셀(2)내에서 유도 라만 산란된 레이저 빔을 출력시키는 출력단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 유도 브릴루인 산란을 이용한 라만 레이저 발진 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 재산란 단계에서 상기 위상 공액 반사경의 위치를 상기 집속 렌즈(13)의 초점과 일치되게 하고, 상기 위상 공액 반사경과 상기 공진기 반사경(6)사이에 브릴루인 공진기가 형성되도록 설정함을 특징으로 하는 유도 브릴루인 산란을 이용한 라만 레이저 발진 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 재산란 단계는 상기 개스 셀(2)내에서 발생된 유도라만 산란된 레이저 빔중 상기 집속 렌즈(13)를 향하는 레이저 빔은 대부분 다시 상기 개스 셀(2)로 반사되고 상기 개스 셀(2)에서 유도 라만 산란과 함께 발생된 유도 브릴루인 산란된 레이저 빔을 상기 집속 렌즈(13)내에서 대부분 투과되며, 초기광이 발생된 이후 계속하여 되풀이 되는 것을 특징으로 하는 유도 브릴루인 산란을 이용한 라만 레이저 발진 방법.
  4. 전방으로부터 시준 렌즈(1), 개스 셀(2), 전면에 이색성 반사경을 구성하는 유전체층(13A')이 코팅된 집속 렌즈(13), 레이저 봉(4), 큐 스위치(5) 및 공진기 반사경(6)을 순차 배치되고, 상기 공진기 반사경(6)과 집속 렌즈(13)의 후면(13B)사이에서 펌프광 공진기(A)가 구성되며, 상기 개스 셀(2)의 내부에서 유도 라만 산란과 함께 발생되는 유도 브릴루인 산란에 따른 위상 공액 특성에 의하여 형성되는 위상 공액 반사경과 상기 공진기 반사경(6)의 사이에서 브릴루인 공진기(B)가 구성되는 것을 특징으로 하는 유도 브릴루인 산란을 위한 라만 레이저 발진 장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 집속 렌즈(13)의 전면(13A)에 코팅되는 유전체층(13A')은 유도 라만 산란된 레이저 빔은 대부분 시준 렌즈(1)측으로 반사시키고 유도 브릴루인 산란된 레이저 빔은 공진기 반사경(6)측으로 투과시키는 것임을 특징으로 하는 유도 브릴루인 산란을 이용한 라만 레이저 발진 장치.
KR1019930006937A 1993-04-24 1993-04-24 유도 브릴루인 산란을 이용한 라만 레이저 발진 방법 및 그 장치 Expired - Lifetime KR970005166B1 (ko)

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