출력 커플러

출력 커플러(OC)는 레이저의 내경 빔에서 빛의 일부를 추출할 수 있는 광학적 공명기의 구성 요소다. 출력 커플러는 대부분 부분 반사 미러로 구성되며, 이 미러를 통해 내부 빔의 특정 부분을 전송할 수 있다. 다른 방법으로는 거의 완전히 반사되는 거울의 사용을 포함하며, 빔을 한 거울의 중앙에 드릴로 뚫은 작은 구멍에 집중시켜 방출하거나, 또는 회전하는 거울, 프리즘 또는 다른 광학 장치의 사용을 통해 방향을 바꾸어 빔이 주어진 시간에 엔드 미러 중 하나를 우회하도록 하는 방법이 있다.

부분반사 미러

가장 일반적인 형태에서 출력 커플러는 부분적으로 반사되는 거울로 구성되며, 때때로 빔플리터라고 불린다. 거울의 반사율과 투과율은 대개 레이저 매체의 이득에 의해 결정된다. 어떤 레이저에서는 이득이 매우 낮으므로 빔이 충분한 이득을 얻기 위해 매체를 수백 번 통과해야 한다. 이 경우 출력 커플러는 99%의 반사율만큼 높을 수 있으며, 사용할 캐비티 빔의 1%만 전송할 수 있다. 염료 레이저의 경우 대부분의 고체 상태의 레이저에 비해 매우 높은 이득이 있으므로 최적의 이득에 도달하려면 빔이 액체를 몇 번 통과해야 하므로 출력 커플러는 일반적으로 약 80% 반사된다. 엑시머 레이저와 같은 다른 곳에서는 코팅되지 않은 유리의 4% 반사율이 거울을 충분히 제공하여 근 96%의 내경 빔을 전송한다.

레이저는 둘 이상의 거울 사이에 활성 레이저 매체가 있는 빛을 반사하여 작동한다. 그 매체는 자극된 방출로 빛을 증폭시킨다. 라싱이 발생하려면 활성 매체의 이득이 총 손실보다 커야 하며, 여기에는 흡수, 빔 경로 이외의 방향에서의 방출, 출력 커플러를 통한 의도적인 에너지 방출과 같은 원하지 않는 영향이 모두 포함된다. 즉 레이저가 문턱에 도달해야 한다.

출력 커플러의 세 가지 중요한 특성이 있다.

• 곡률 반지름

출력 커플러 표면의 모양과 함께 고반사 모양은 광학 공동의 안정성을 결정한다. 출력 커플러는 광학 공동의 설계에 따라 평평하거나 구부러질 수 있다. 곡률 반경은 일반적으로 원하는 공동 유형(즉, 평면/평면, 동심원, 콘코칼 등)에 따라 공동의 직경 및 길이에 따라 결정된다. 캐비티 안으로 향하는 출력 커플러의 면은 부분 반사 코팅이 적용된 면이다. 이것은 레이저 모달 특성을 부분적으로 결정하는 측면이다. 이 내부 표면이 곡선인 경우 외부 표면도 곡선이어야 한다. 이렇게 하면 조직위원회가 렌즈 역할을 하지 못하게 된다. 외부 표면의 곡률은 시준된 레이저 출력을 제공하도록 설계할 수 있다. 이 외부 표면에는 일반적으로 출력 전력을 극대화하기 위해 반반사 코팅이 적용되어 있다. 손실을 최소화하고, 빔 프로필을 강화하며, 일관성을 극대화하기 위해, 표면의 모양은 보통 이상적인 표면으로부터의 편차를 최소화하면서 매우 높은 공학적 허용오차로 제조된다. 이러한 편차는 일반적으로 간섭계나 광학 평판과 같은 장치를 사용하여 빛의 파장에서 측정될 정도로 작게 유지된다. 일반적으로 레이저 출력 커플러는 ³/10(광선 파장의 10분의 1) 이내의 공차를 허용하도록 제조된다.

• 반사율

매체의 이득에 따라 조직위원회가 반사해야 하는 빛의 양은 매우 다양할 수 있다. 헬륨-네온 레이저에는 약 99%의 반사 거울이 필요한 반면 질소 레이저에는 매우 높은 이득("초반사성")이 있으며 OC(0% 반사)가 필요하지 않다. 어떤 조직위원회의 반사율은 파장에 따라 달라질 것이다. 금속 코팅 미러의 경우 일반적으로 넓은 대역폭에 대한 반사율이 양호하지만 스펙트럼의 전체 부분을 포함하지는 않을 수 있다. 은색은 시각적 범위에서 최대 99.9%의 반사율을 갖지만 자외선의 반사율은 떨어진다. 알루미늄은 적외선을 잘 반사하지 않지만 근-UV를 통한 시각적 범위로부터 좋은 반사체인 반면, 금은 적외선 빛에는 반사율이 높지만 노란색보다 짧은 파장의 반사체는 좋지 않다. 유전체 미러의 튜닝 범위는 특정 파장에 맞게 설계되었을 때 10nm 정도로 낮거나 튜닝 가능한 레이저의 경우 최대 100nm에 이르는 넓은 범위로 설계될 수 있다. 이러한 이유로 OC의 스펙트럼 특성은 레이저 공동이 조립될 때 고려하는 것이 중요하다.

• 투과율

거울의 기질로 사용되는 소재도 중요한 고려사항이다. 대부분의 안경은 근 UV에서 근 IR까지 투과율이 좋으나, 더 짧거나 더 긴 파장으로 방출되는 레이저에는 다른 기질이 필요할 수 있다. 예를 들어, 아연 셀레니드는 적외선 파장에 대한 투과율이 높기 때문에 일반적으로 탄소-다이옥사이드 레이저에 사용된다.

캐비티 더머

캐비티 덤퍼는 Q-스위치의 기능을 수행하는 출력 커플러다. 광학 공동에 에너지가 쌓일 수 있게 한 다음, 구체적으로 정해진 시간 간격으로 방출한다. 이것은 빔이 높은 레벨까지 쌓이고 나서 아주 짧은 시간에 방출되도록 한다; 종종 광파가 이 구멍을 통해 한 번 왕복하는 것을 완료하는 데 걸리는 시간 내에, 그래서 이름이 붙는다. 강렬하게 지은 후, 그 충치는 갑자기 에너지를 "분쇄"한다. 충치 덤프는 보통 충치의 양 끝에 고반사 거울을 사용하여 빔이 매체로부터 완전한 이득을 얻을 수 있도록 한다. 특정 간격에서 빔은 Pockels 셀, 음향-광학 변조기 또는 고속 회전 프리즘 또는 거울과 같은 장치를 사용하여 리디렉션된다. 이 리디렉션 빔은 엔드 미러를 우회하여 매우 강력한 펄스를 방출할 수 있다. 캐비티 덤프는 연속파 작동에 사용할 수 있지만, 가장 일반적인 용도는 모드 잠금 레이저로 최대 강도로 매우 짧은 펄스를 추출하는 것이다.^[1]

참고 항목

• 레이저 구조

참조