주기적 분극 재료를 이용하여 비선형 주파수 변환을 하는소형 고체상태 레이저 document_id A220623072027

오랫동안 다양한 애플리케이션에 대하여 가시광선, 및 자외선 스펙트럼 영역의 소형이고, 효율적인 저비용 레이저 소스가 요구되어 왔다. 이러한 애플리케이션은 레이저 기반 프로젝션 디스플레이, 광 저장기기, 생체-분석 기기, 반도체 검사 및 분광기를 포함한다. 저비용의, 소형이고, 효율적인 플랫폼을 제공하는 반도체 레이저는 근적외선 스펙트럼 영역에서 가장 효율적으로 레이징하는 InGa(Al)P와 같은 재료 시스템에 의존한다. ~650nm(적색) 아래에서 효율적인 동작은 중대한 기술적 문제없이 달성될 수 있고, 몇몇 반도체 레이저 설계는 효율 및 신뢰도는 감소하지만 ~635nm 아래로 확장될 수 있다. 가시 영역의 더 짧은 파장측에서, GaN 시스템이 최근에 개발되었고, 자외선 스펙트럼 영역(~400nm 내지~445nm)의 레이저가 상용화되었다. 그러나, 효율적이고 신뢰성있게 003e#470nm 파장을 달성하는 것은 매우 어려운 도전으로 남아 있다. 그러므로, 대부분의 가시 스펙트럼(즉, ~470nm 청색에서 ~635nm 적색까지)은 현재 효율적인 반도체 레이저 솔루션을 가지지 못한다. 이러한 색상(파장) 중, 녹색의 부재는 이 색상이 사람 눈에 가장 민감하기 때문에 아마도 가장 중요하다. 실제로, 녹색 반도체 레이저에 대하여 현재 사용가능한 직접적인 솔루션은 존재하지 않는다. 1990년 이후 상용화된, 간접적인 솔루션은 Nd:YAG, 또는 Nd:YVO4와 같은, 네오디움(Nd) 기반의 고체 상태 레이저의 (2차-하모닉 생성, 또는 SHG로 알려진) 비선형 주파수 더블링을 기초로 하였다. 이러한 고체 상태 이득 재료는 적외선 반도체 레이저(예컨대, ~808nm)에 의해 펌핑되고, ~1064nm 파장의 레이저 방사선을 산출한다. 그 다음, 이 1064nm 방사선은 KTP(Potassium Titanyl Phosophate), 또는 LBO(Lithium Borate)와 같은 비선형 결정을 사용하여 녹색 532nm 파장으로 주파수 더블링될 수 있다. 유사한 기술이 946nm 고체-상태 레이저를 주파수 더블링함으로써 예를 들면 473nm의 청색을 얻는데에 사용될 수 있다. 이러한 접근법의 리뷰는 W. P. Risk, T. R. Gosnell, 및 A. V. Nurmikko의 책, "Compact Blue-Green Lasers", Cambridge University Press(2003)에서 찾을 수 있다. 또한, 저비용 플랫폼은 이득 칩과 비선형 결정이 모놀리식 레이저 캐비티를 형성하기 위해 결합된, 소위 마이크로칩 기술을 사용하여 달성될 수 있다. 마이크로 칩 개념은 Mooradian(미국특허 제5,365,539호)에 의해 처음 제안되었다. 그러나, 현재 사용가능한 마이크로칩 레이저는, 특히 예컨대, 수백 밀리와트에서 수 와트까지의 높은 파워 레벨에서, 많은 애플리케이션에서 요구되는 효율 및 유연성이 부족하다. 이것은 주로 KTP와 같은 종래의 비선형 재료의 주파수 변환의 비효율성으로 인한 것이다. KTP 기반의 마이크로 칩 레이저로부터 수백 밀리와트의 녹색광을 얻기 위해, 기본적인 적외선 레이저에 대하여 상당한 파워 마진을 제공해야 하고, 이는 전체 레이저 시스템 설계상에 온도, 크기, 및 비용 제한을 부과한다. 또한, KTP와 같은 전통적인 벌크 비선형 재료는 주파수 변환의 그들의 범위로 제한된다. 예를 들어, KTP는 녹색으로의 주파수 더블링을 위해 사용되지만, 실제로 청색광으로의 주파수 더블링을 위해 사용될 수 없고, 그러므로 효율성, 신뢰성, 및 비용적으로 그들 자신의 제한을 가진 다른 비선형 재료를 찾아야 한다. Laurell(미국특허 제6,259,711호)은 이러한 제한의 대부분이 주기적 분극된 비선형 결정의 사용에 의해 극복될 수 있다고 제안하였다. 이러한 결정은 원하는 변환 파장에 대하여 높은 비선형성을 제공하도록 엔지니어링될 수 있다. 그러므로, 마이크로칩 아키텍처로 구현된 이러한 레이저 설계는 종래의 벌크 비선형 재료와 연관된 수많은 제한을 처리할 수 있다. 그러나, 이 발명의 실시예는, 알다시피, 이러한 플랫폼의 상용화를 막아왔던, 중대한 제한을 겪고 있고, 오늘날까지, 가시 파장 마이크로칩 레이저가 KTP, 및 KNbO3와 같은 벌크 비선형 재료에 계속 의존하고, 후자의 재료는 청색 광을 산출하기 위해 사용된다(예컨대, 국제특허출원 WO2005/036,703 참조). 이러한 제한의 원인은 Laurell의 발명에서 제안했던 주기적 분극된 비선형 결정, 즉 KTiOPO4(KTP), LiNbO3(LN), 및 LiTaO3(LT)의 선택으로 인한 것이다. 이러한 재료는 높은 비선형성을 가지고, 주파수 더블링을 위해 주기적 구조로 쉽게 분극될 수 있다. 그러나, 이러한 재료의 실제 사용은 매우 제한적이다. 벌크 KTP와 유사하게, 주기적 분극된 KTP는 낮은 파워 레벨(가시 영역의 수 밀리와트, 또는 가능하다면 수십 밀리와트)에서 잘 실행할 수 있으나, 높은 파워 레벨에서 패시브 및 유도 흡수("그레이 트래킹")를 겪게 된다. 또한, KTP 결정 생산은 소비자 전자 디스플레이와 같은 몇몇 애플리케이션에 의해 요구되는 바와 같은 저비용으로 대량생산하도록 쉽게 확장되지 않는다. LiNbO3, 및 LiTaO3는 대량생산하도록 확장가능하고, 주기적 분극이 용이할 수 있지만, 심한 열화 없이 수 밀리 와트의 가시 광을 산출하기 위해 이러한 결정을 사용하는 것을 불가능하게 만드는, 가시광 유도 열화("광 굴절 손상")을 겪는다. 광 굴절 손상은 가열된 온도(003e#150℃)에서 감소될 수 있다. 그러나, 이것은 비선형 결정을 높은 온도로 유지하기 위해 오븐의 사용을 요구한다. 이러한 오븐은 저비용, 효율적인 레이저 제조, 특히 마이크로칩 지오메트리와 모순된다. 그러므로, Laurell에 의해 설명된 레이저 설계는 고출력, 저비용, 소형이고, 및 효율적인 아키텍처로 구현될 수 없다. 이와 유사하게, Brown(미국 공개 특허출원 제2005/0,063,441)은 저비용 애플리케이션에 적합한 것으로 나타난 소형 레이저 패키지를 위한 설계를 제안하였다. 그러나, Brown의 교시는 여전히 KTP, 및 LBO와 같은 종래의 비선형 재료를 중심으로 한다. PPLN 및 PPKTP의 사용이 가능한 것으로 언급되어 있으나, 이러한 결정의 제한, 특히 상술된 신뢰성 제한을 극복하는 방법을 교시하지 않았다. 합동의 LiNbO3, 및 LiTaO3는 가시 광으로 인한 광 굴절 손상을 겪고, 이러한 문제를 극복하기 위한 몇 가지 방법이 제안되었음이 알려져 있다. 상술된, 고온의 동작은 이 문제를 부분적으로 해결하지만, 대부분의 애플리케이션에 적합하지 않다. 제안된 다른 솔루션은 광 굴절 손상 메커니즘을 억제하기 위해 결정 성장 동안 합동 재료를 도핑하는 것이다(T. Volk, N. Rubinina, M. Wohlecke, "Optical-damage-resistant impurities in lithium niobate", Journal of the Optical Society of America B, vol. 11, p.1681(1994)). 높은 정도의 화학량으로 벌크 결정을 성장시키는 것은 광 굴절 손상을 억제하기 위한 또다른 방법으로서 제안되었다(Y. Furukawa, K. Kitamura, S. Takekawa, K.Niwa, H. Hatano, "Stoichiometric Mg:LiNbO3 as an effective material for nonlinear optics", Optics Letters, vol. 23, p. 1892(1998)).