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KR-102960797-B1 - Q-SWITCHING LASER SYSTEM AND LASER OUTPUT METHOD USING THE SAME

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Abstract

본 발명은 일정한 펄스 폭을 가진 활성 큐-스위칭 레이저 시스템에 관한 것으로, 상기 일정한 펄스 폭을 가진 활성 큐-스위칭 레이저 시스템은, 제1 전원 공급 장치; 상기 제1전원 공급 장치로부터 전력을 공급받아 펄스 에너지를 생성하는 공진 챔버(Resonator Chamber); 및 상기 공진 챔버 내에 펄스 에너지를 축적하도록 하고 기 설정된 펄스 폭을 갖는 펄스 에너지를 출력하도록 하는 큐-스위치(Q-Switch);를 포함하는 공진부와, 제2 전원 공급 장치; 및 상기 제2전원 공급 장치로부터 전력을 공급받고, 상기 공진부에서 출력된 펄스 에너지를 펌핑하여 통해 증폭시키고 방출하는 증폭 챔버(Amplifier Chamber);를 포함하는 증폭부를 포함하고, 상기 공진부에서의 펌핑 전압을 일정하게 유지하여 상기 방출되는 펄스 에너지의 펄스 폭이 일정한 크기를 갖도록 하는 것을 특징으로 한다.

Inventors

  • 공승환

Assignees

  • 주식회사 디에스이아이엔씨

Dates

Publication Date
20260506
Application Date
20240228

Claims (8)

  1. 하나 이상의 에너지 커패시터(Energy Capacitor)가 구비되는 제1 전원 공급 장치; 상기 제1전원 공급 장치로부터 전력을 공급받아 펄스 에너지를 생성하는 공진 챔버(Resonator Chamber); 및 상기 공진 챔버 내에 펄스 에너지를 축적하도록 하고 기 설정된 펄스 폭을 갖는 펄스 에너지를 출력하도록 하는 큐-스위치(Q-Switch);를 포함하는 공진부와, 제2 전원 공급 장치; 및 상기 제2전원 공급 장치로부터 전력을 공급받고, 상기 공진부에서 출력된 펄스 에너지를 펌핑하여 증폭시키고 방출하는 증폭 챔버(Amplifier Chamber);를 포함하는 증폭부를 포함하고, 상기 에너지 커패시터에 서로 다른 복수의 충전 및 방전 전압을 설정함으로써 서로 다른 펄스 폭(Pulse Width)을 가지는 복수의 펄스 폭 모드(Pulse Width Mode)가 생성되고, 상기 제1전원 공급 장치에서 제1출력 모드로 전압 인가 시에는 상기 증폭부에서의 펄스에너지는 800mJ이하이고, 제2출력 모드로 전압 인가 시에는 증폭부에서의 펄스 에너지는 400~2,000mJ이고, 상기 공진부에서의 펌핑 전압을 일정하게 유지하여 상기 방출되는 펄스 에너지의 펄스 폭이 일정한 크기를 갖도록 하는 것을 특징으로 하는 큐-스위칭 레이저 시스템.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 제2 전원 공급 장치에서는 전압이 가변되어 인가되는 것을 특징으로 하는 큐-스위칭 레이저 시스템.
  4. 삭제
  5. 청구항1에 있어서, 상기 제1출력 모드로 전압 인가 시 증폭부에서의 펄스 에너지의 펄스 폭은 20~40ns이고, 상기 제2출력 모드로 전압 인가 시 증폭부에서의 펄스 에너지의 펄스 폭은 10ns 이하인 것을 특징으로 하는 큐-스위칭 레이저 시스템.
  6. 일정한 펄스 폭을 가진 큐-스위칭 레이저를 출력하는 방법에 있어서, 제1 전원 공급 장치에서 전력을 공급받고, 공진 챔버(Resonator Chamber)를 펌핑(Pumping)하여 공진부에서 펄스 에너지를 축적하는 단계; 상기 공진부에 구비된 큐-스위치(Q-Switch)에 의해 상기 펄스 에너지를 방출하는 단계;및 상기 방출된 펄스 에너지를 증폭부에 의해 증폭시켜 방출하는 단계;를 포함하고, 상기 제1 전원 공급 장치에 의해 서로 다른 펄스 폭 모드(Pulse Width Mode)를 가지는 펄스 에너지가 생성되고, 상기 제1전원 공급 장치에서 제1출력 모드로 전압 인가 시에는 상기 증폭부에서의 펄스에너지는 800mJ이하이고, 제2출력 모드로 전압 인가 시에는 증폭부에서의 펄스 에너지는 400~2,000mJ이고, 상기 공진부에서의 펌핑 전압을 일정하게 유지하여 상기 방출되는 펄스 에너지의 펄스 폭이 일정한 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 큐-스위칭 레이저 출력 방법.
  7. 삭제
  8. 삭제

Description

큐-스위칭 레이저 시스템 및 이를 이용한 레이저 출력 방법{Q-SWITCHING LASER SYSTEM AND LASER OUTPUT METHOD USING THE SAME} 본 발명은 큐-스위칭 레이저 시스템 및 이를 이용한 레이저 출력 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로 공진부의 펌핑 전압을 일정하게 유지하여 일정한 펄스 폭을 갖는 큐-스위칭 레이저 시스템 및 이를 이용한 레이저 출력 방법에 관한 것이다. 일반적으로, 큐-스위칭(Q-Switching)은 레이저 광 펄스 출력 빔을 만드는 기법의 하나로, 레이저 공진기의 레이저 매질에 충분한 에너지를 축적한 후, 축적되었던 에너지가 높은 피크 출력과 폭이 좁은 펄스로 방출된다. 종래의 이러한 큐-스위칭 레이저는 의료 및 산업분야로 널리 사용되고 있으며, 특히 의료 분야에서는 고체 매질을 이용한 활성 큐-스위칭 레이저 시스템 (Active Q-switching Laser System)에 대한 개발이 지속적으로 이루어지고 있다. 이때, 활성 큐-스위칭 고체 레이저 시스템을 활용하는 의료 분야의 레이저 시스템에서는 정확한 피크 파워(Peak Power)가 매우 중요한데, 피크 파워는 펄스 에너지(Pulse Energy)와 펄스 폭(Pulse Width)에 의해 결정된다. 그러나, 종래의 활성 큐-스위칭 고체 레이저 시스템은 레이저 펄스 폭이 펌핑(Pumping) 강도에 따라 지속적으로 변하는 특징으로 인해 사용자가 펄스 에너지를 가변하면 펄스 폭도 함께 변하기 때문에 의도한 피크 파워를 얻는 데 어려움이 있었다. 따라서, 펄스 에너지와 무관하게 펄스 폭이 일정하게 유지되는 시스템에 대한 개발이 필요한 실정이다. 도 1은 본 발명과 관련된 큐-스위칭 레이저 시스템을 설명하기 위한 개략도이다. 도 2는 본 발명과 관련된 큐-스위칭 레이저 시스템을 설명하기 위한 블록도이다. 도 3은 본 발명과 관련된 큐-스위칭 레이저 시스템을 통해 방출된 펄스 에너지의 펄스 폭을 설명하기 위한 예시적인 그래프이다. 도 4는 본 발명과 관련된 큐-스위칭 레이저 시스템을 이용한 레이저 출력 방법을 설명하기 위한 순서도이다. 도 5는 본 발명과 관련된 제2 전원 공급 장치의 전압에 따른 펄스에너지 증폭을 설명하기 위한 그래프이다. 도 6은 본 발명과 관련된 증폭부에서의 전압에 따라 방출되는 펄스에너지의 펄스 폭 변화를 설명하기 위한 그래프이다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성 요소에는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성 요소에 대한 접미사 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명의 실시예들에서의 큐-스위칭 레이저 시스템은, 활성 큐-스위칭 레이저 시스템(Active Q-Switching Laser System)을 의미하나, 이에 한정되지 않는다. 본 발명의 실시예들에서는 큐-스위칭 레이저 시스템(Q-Switching Laser System) 및 이를 이용한 레이저 출력 방법에 관한 것으로, 구체적으로 공진부(Resonator)와 증폭부(Amplifier)의 제어를 별도로 분리하여 일정한 펄스 폭을 가진 큐-스위칭 레이저 시스템 및 이를 이용한 레이저 출력 방법이 개시된다. 먼저, 도 1은 본 발명과 관련된 큐-스위칭 레이저 시스템을 설명하기 위한 개략도이고, 도 2는 본 발명과 관련된 큐-스위칭 레이저 시스템을 설명하기 위한 블록도이고, 도 3은 본 발명과 관련된 큐-스위칭 레이저 시스템을 통해 방출된 펄스 에너지의 펄스 폭을 설명하기 위한 예시적인 그래프인데, 이하에서는 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명하기로 한다. 도 1내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예들에서의 큐-스위칭 레이저 시스템(이하에서는 '레이저 시스템'이라 한다)은, 공진부(120) 및 증폭부(140)를 포함한다. 여기서, 상기 공진부(120)는, 제1 전원 공급 장치(121)와, 상기 제1전원 공급 장치(121)로부터 전력을 공급받아 펄스 에너지(10)를 생성하는 공진 챔버(Resonator Chamber)(123)와, 상기 공진 챔버(123) 내에 펄스 에너지를 축적하도록 하고 기 설정된 펄스 폭을 갖는 펄스 에너지(10)를 출력하도록 하는 큐-스위치(Q-Switch)(122)를 포함한다. 이때, 상기 공진 챔버(123)(Resonator Chamber) 내부에 이득 매질(101)이 구비된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 공진부(120)에는, 펄스에너지(10)가 이득 매질(101)을 왕복할 수 있도록 제1 반사 미러(124) 및 출력 커플러(OC-Mirror, Output Coupler Mirror)(125)가 구비된다. 여기서, 제1 반사 미러(124)는 전반사 거울(HR-Mirror, High Reflectivity Mirror)을 의미하고, 출력 커플러(125)는 부분 반사 거울을 의미한다. 또한, 상기 큐-스위치(122)는, 이득 매질(101) 내에서 밀도반전 분포가 생성되면 순간적으로 스위치를 가동하여 공진 챔버(123) 내에 축적된 펄스 에너지(10)를 방출하는 기능을 가진다. 본 발명의 실시예들에서는 통상적인 큐-스위칭 레이저 시스템에서 사용되는 큐-스위치를 사용하므로, 이에 대한 자세한 설명을 생략하기로 한다. 이와 더불어, 상기 공진 챔버(123)는, 펄스 에너지(10)를 위한 광을 공급하는 제1 펌핑 램프(123a) 및 상기 광을 펄스 에너지(10)로 전환하는 제1 레이저 봉(123b)을 포함하되, 이에 대한 자세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 이득 매질(101)은, Nd:YAG(Neodymium-doped Yttrium Aluminum Garnet)를 이득 매질(101)로 선택하여 사용하되, 이에 한정되지 않고, Nd:YAG, Alexandrite, Er:YAG, Ho:YAG, Nd:YVO4, Nd:YLF, Ruby, Yb:YAG, Ti:Sapphire 중 하나가 선택될 수 있다. 또한, 상기 제1 전원 공급 장치(121)는, 공진부(120)에 전원을 공급하는 장치이며, 공진부(120)에서의 펌핑 전압을 일정하게 유지시키기 위해 제1 전원 공급 장치(121)의 전압은 일정한 크기로 인가된다. 이때, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 고정적인 전압을 갖는 제1 전원 공급 장치(121)에 의해 공진부(120)에서의 펌핑이 일정하게 진행되고, 공진부(120)에서 방출되는 펄스 에너지(10)는 보다 안정되고 일정한 크기의 펄스 폭을 가진다. 그리고, 상기 제1 전원 공급 장치(121)에는 하나 이상의 에너지 커패시터(121a)(Energy Capacitor)가 구비되는데, 상기 에너지 커패시터(121a)에 복수의 서로 다른 펄스 폭(Pulse Width)을 가지는 충전 및 방전 전압을 설정함으로써 복수의 펄스 폭 모드(Pulse Width Mode)를 가질 수 있도록 한다. 이때, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 복수의 펄스 폭 모드는, 일 예로 저출력 모드와 고출력 모드로 구분되며, 본 발명의 일 실시예에서는 상기 저출력 모드는 제1출력 모드로 지칭하고, 고출력 모드는 제2출력 모드로 지칭하기로 한다. 즉, 에너지 커패시터(121a)에 충전 및 방전되는 고정 전압의 종류를 추가함으로써 복수의 펄스 폭 모드가 더 구성될 수 있다. 다시 말해, 본 발명의 일 실시예에서의 공진부(120)는, 제1 전원 공급 장치(121)의 복수의 펄스 폭 모드에서 제1출력 모드(일 예로, 700 V의 전압)로 설정하고, 생성되는 펄스 에너지(10)를 제1 반사 미러(124) 및 출력 커플러(125)의 사이에 구비된 공진 챔버(123)에서 이득 매질(101)을 통해 펄스 에너지(10)가 축적되고, 큐-스위치(122)가 작동하면 출력 커플러(125)를 통해 펄스 에너지(10)의 일부가 통과되어 제2 반사 미러(150)를 통해 반사되어 증폭부(140)로 전송된다. 이때, 상기 제2 반사 미러(150)는 전반사 거울을 의미하되, 이에 한정되지 않고, 공진부(120)에서 증폭부(140)로 펄스 에너지(10)를 전송할 수 있거나, 펄스 에너지(10)를 반사할 수 있는 반사체 및 빔 스플리터(BeamSplitter)와 같은 이송, 투과 및 굴절 기능을 가진 광학품으로 치환될 수 있다. 한편, 상기 증폭부(140)는, 제2 전원 공급 장치(141)와, 상기 제2전원 공급 장치(141)로부터 전력을 공급받고, 상기 공진부(120)에서 출력된 펄스 에너지를 펌핑하여 증폭시키고 방출하는 증폭 챔버(Amplifier Chamber)(143)를 포함한다. 이때, 상기 증폭 챔버(143)에는 이득 매질(101)이 구비된다. 또한, 상기 증폭 챔버(143)는, 전송받은 펄스 에너지(10)를 증폭하기 위해 구비되는 제2 펌핑 램프(143a) 및 제2 레이저 봉(143b)을 포함하되, 이에 대한 자세한 설명은 생략하기로 한다. 여기서, 상기 제2 전원 공급 장치(141)는, 증폭부(140)에 전원을 공급하는 장치이며, 증폭부(140)에서의 펌핑을 유동