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OPSL 이점 관련 백서 시리즈 #1:

파장 유연성

Overview

The Optically Pumped Semiconductor Laser (OPSL) technology offers numerous advantages over other types of CW lasers, including wavelength flexibility. In particular, an OPSL can be designed to match the wavelength requirements of the application, which represents a paradigm shift over legacy technologies.

OPSL Advantages White Papers in this series:

#1. Wavelength flexibility
#2. Invariant beam properties
#3. No mode noise ("green noise")
#4. Superior reliability - huge installed base

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절충할 필요 없는 파장 유연성

광여기 반도체 레이저(OPSL)는 레이저 다이오드, 다이오드 펌핑 고체(DPSS) 및 이온 레이저의 가장 바람직한 특성을 결합하는 동시에 이러한 레이저의 여러 절충적인 한계를 제거한 특별한 기술입니다. 예를 들어 많은 이온 가스 레이저와 1세대 다이오드 펌핑 고체 레이저는 모두 공초점 현미경, 유세포 분석 및 홀로그래피를 포함한 많은 응용 분야에 요구되는 우수한 품질의 TEM00 모드로 출력 빔을 생성할 수 있었습니다. 그러나 출력 파장은 이득 물질에 의해 결정되는 소수의 방출선으로 제한되었습니다. 예를 들어 이온 레이저의 경우 488nm이고 DPSS 레이저의 경우 1064nm(및 해당 고조파)입니다. 지금까지 주요 응용 분야에서 이러한 고정 파장 중 하나(특히 생명과학 분야의 경우 488nm)와 일치시키는 데에는 적합했으며 최적화되지 않은 경우도 있었습니다. 한편, 2진법 반도체와 3진법 반도체를 기반으로 하는 다이오드 레이저는 계속 증가하는 가시광선 파장 및 근적외선 파장의 범위에서 작동하도록 제작할 수 있습니다. 하지만 일반적으로 이러한 장치는 작은(미크론 크기) 비대칭 출력면에서 빛이 방출되는 이른바 에지 이미터입니다. 따라서 출력은 매우 발산적이고 비대칭이고 회절 제한이 없으며 비점수차인 경우가 많습니다. 기존의 빔 속성을 필요로 하는 모든 응용 분야에서는 빔을 재구성하고 공간적으로 필터링하기 위해 다양한 광학 장치가 필요합니다. 또한 작은 출력면에서의 높은 강도는 출력 확장이 제한되고 일반적으로 바 또는 어레이에 배열된 여러 이미터가 필요함을 의미합니다. 이는 고도로 시준되거나 집속된 빔을 필요로 하는 응용 분야에 불리합니다.

OPSL은 레이저 다이오드의 파장 유연성과 전통적인 레이저의 우수한 빔 속성을 제공하는 특별한 레이저 아키텍처입니다. 또한 출력 확장 및 감소와 같은 다른 중요한 이점도 제공합니다.

 

OPSL 아키텍처

OPSL은 수직 공동 표면 방출 레이저(VCSEL)의 한 유형입니다. 기존 VCSEL에서는 빛이 접합부에 수직으로 방출되고 가장자리가 아닌 다이오드 칩의 표면으로 나갑니다. 출력 개구가 클수록 더 낮은 발산 빔이 생성되며, 이런 경우 발산 빔이 대칭적일 수 있습니다. 그러나 전기적으로 펌핑된 VCSEL은 에지 이미터의 높은 출력을 생성할 수 없습니다. 왜냐하면 너무 많은 광학 손실을 초래하는 확장된 전극을 사용하지 않고서는 넓은 영역에 전하 운반자를 가득 차게 할 방법이 없기 때문입니다. 이러한 문제는 Coherent가 특허를 낸 접근 방식을 이용해 해결할 수 있습니다. 즉, 다이오드 레이저로 장치를 광학적으로 펌핑하여 전하 운반자를 생성함으로써 방지할 수 있습니다. 이것이 OPSL의 기초입니다.

Figure 1

그림 1: OPSL의 주요 기능 구성 요소 개략도

그림 1은 OPSL의 핵심 요소를 간략하게 도식으로 나타낸 것입니다. 직접 결합 단일 에미터 또는 파이버 결합 레이저 다이오드 어레이의 펌프광은 OPSL 칩의 전면에 다시 이미지화됩니다. 이 모놀리식 III-V 반도체 칩은 이원(GaA) 층 간에 교번된 삼원 양자 우물(InGaA) 층을 포함하고 있습니다. 이러한 이원 층은 펌프 방사선을 효율적으로 흡수하도록 최적화되어 있어서 전하 운반자가 많이 생성됩니다. 이를 통해 양자 우물에서 밀도 반전 및 재조합으로 이어지고 레이저 방출을 유도하게 됩니다. 이러한 흡수/방출 층 뒤에는 원하는 OPSL 출력 파장에 최적화된 저손실 DBR(분포 브래그 반사기) 미러 역할을 하는 여러 개의 교번하는 고/저 인덱스 층이 있습니다. 반도체 칩은 방열판에 장착되어 뒤쪽 표면 전체에 걸쳐 효율적으로 냉각할 수 있습니다.

 

OPSL 파장 제어

다른 반도체 기반 레이저와 마찬가지로 OPSL도 양자 우물 구조의 화학량론과 물리적 차원에 의해 결정된 파장에서 방출합니다. 따라서 이러한 양자 우물의 구성과 크기를 변경함으로써 OPSL 칩은 응용 분야에서 요구되는 대로 다양한 특정 출력 파장에 맞게 조정할 수 있습니다(그림 2 참조).

Figure 2

그림 2: Coherent는 여러 표준 파장에서 OPSL을 제공하며 OEM을 위한 맞춤형 파장을 생성합니다.

대부분의 Coherent OPSL은 공동 내부에 복굴절 필터를 통합합니다. 이를 통해 OPS 칩을 포함한 대부분의 다이오드 레이저의 전형적인 두 가지 특성을 처리합니다. 우선, 이러한 이득 칩은 아르곤 이온 레이저와 같은 원자 방출 기반 레이저에 비해 더 넓은 파장의 빛을 방출할 수 있습니다. 또한 중심 파장은 칩마다 조금씩 다릅니다. 그렇기 때문에 좁은 파장 창에서 레이저 다이오드 선택 시 레이저 다이오드 제조업체가 프리미엄을 부과합니다. 복굴절 필터는 협대역 공동 내 필터 역할을 하며 전송 파장은 수직 축을 중심으로 회전하여 공장에서 설정됩니다. 이 필터는 방출을 협대역(일부 모델에서는 단일 종축 모드)으로 제한하고 출력을 목표 파장으로 정확하게 설정하는 데 사용됩니다.

Coherent OPSL은 InGaA 이득 칩을 기반으로 합니다. 그 이유는 가장 높은 출력 특성과 더불어 가장 안정적이고 수명이 긴 다이오드에 속하기 때문입니다. 이러한 유형의 양자 우물 장치는 근적외선의 넓은 범위에 걸쳐 레이저 방출을 생성하도록 설계할 수 있습니다. 그러면 공동 내 주파수 2배 결정을 사용하여 가시 출력으로 효율적으로 변환됩니다. 그리고 일부 OPSL은 주파수 3배를 수행하기 위한 한 쌍의 공동 내 결정이 갖춰져 있어서 자외선 출력을 필요로 하는 응용 분야에서도 이용할 수 있습니다.

 

파장 유연성의 가치

OPSL 기술이 출현하기 전에, 밀리와트에서 와트에 이르는 연속 발진(CW) 출력을 가진 가시광선 또는 UV 레이저 빔이 필요한 응용 분야에서는 사용 가능한 고정 파장 중 하나를 불가피하게 사용해야 했습니다. 처음에는 아르곤 이온 레이저의 488nm 및 514nm 라인과 같은 이온 가스 레이저의 방출선이었습니다. 그 다음에는 1064nm(공동 내에서는 532nm으로 2배가 됨)에서의 DPSS 레이저가 널리 이용 가능하게 되었습니다. 특히 스펙트럼의 노란색과 주황색 부분에서 단순한 레이저를 사용할 수 없었던 가시 스펙트럼에는 넓은 간격이 있었습니다. 더욱이 생명과학 분야의 경우, 이러한 영역에서 방출되는 레이저에 대해 증가하는 수요는 크립톤 이온 레이저, 색소 레이저 또는 비효율적인 약한 방출선을 기반으로 하는 복잡한 혼합 체계를 사용하는 고체 레이저에 의해서만 충족될 수 있었습니다. 그 결과, 이러한 파장이 필요한 응용 분야에서는 사용 가능한 레이저 파장 중 하나와 일치시키기 위해 절충해야 하는 경우가 많았습니다. OPSL은 패러다임의 변화를 일으켰습니다. 오늘날, 모든 기존 또는 새로운 응용 분야는 해당 응용 분야를 최적화하는 파장을 위해 특별히 설계된 OPSL에 의해 지원됩니다. 아래에 소개된 상이한 두 응용 분야가 이 기능의 이점을 명확하게 보여 줍니다.

 

AMD에 이용되는 광응고술

습성 나이관련 황반변성(AMD)은 시력 손실 및 실명의 주요 원인입니다. 이는 황반 혈관에서의 누출이 특징인 질환입니다. 황반은 시야의 중심부에 위치하고 고해상 색각을 담당하는 망막의 작은 영역(직경 6mm 미만)입니다. 누출되는 혈관의 위치에 따라 레이저 광응고술이 치료법으로 권장되는 경우가 많습니다. 여기서 레이저는 제어된 국소 소작을 생성하여 문제를 일으킨 아주 작은 혈관을 파괴하여 추가 출혈을 방지합니다.

성공적인 광응고술의 핵심은 조직 선택성입니다. 즉, 어떻게든 주변 조직을 손상시키지 않고 목표 혈관을 폐쇄하는 것입니다. 누출되는 혈관과 다른 조직 간의 주요 차이점은 혈액의 존재입니다. 따라서 혈액에 우선적으로 흡수되는 레이저 파장을 사용함으로써 가장 적절하게 선택성을 달성할 수 있습니다. 또한 레이저가 눈의 투명한 전면을 순조롭게 통과할 수 있도록 하려면 가시 파장이어야 합니다. 가시 흡수를 가능하게 하는 혈액의 주요 성분은 산화 헤모글로빈입니다. 그리고 수년 동안 가장 일반적으로 사용된 레이저 파장은 532nm(다이오드 펌핑 고체 레이저 사용 시)였으며, 이는 산화 헤모글로빈의 약한 흡수 피크에 가깝습니다.

Figure 3

그림 3: 577nm OPSL은 산화 헤모글로빈의 흡수 최대치와 정확히 일치하기 때문에 특정 유형의 습성 AMD를 치료하는 데 사용되는 광응고술용으로 선택되는 레이저가 되었습니다.

하지만 산화 헤모글로빈의 흡수는 실제로 577nm에서 최고조에 달합니다(그림 3 참조). Coherent는 이러한 응용 분야를 위해 이 특정 파장에서 3와트의 출력을 제공하는 완전히 새로운 OPSL 레이저(Genesis MX577)를 설계했습니다. 이 레이저는 532nm 이전 모델과 비교했을 때 눈에 가해지는 열 부하를 줄이면서 향상된 혈관 폐쇄를 제공했습니다. 이와 같은 중요한 이점 외에도 OPSL 고속 펄스(최대 100kHz) 기능 덕분에 "마이크로펄스" 사용이 가능함에 따라 국소 조직 외상을 최소화하면서 상처 치료 반응을 최대화하기 위한 고도의 투여 제어를 제공할 수 있게 되었습니다. 이러한 이유로 577nm OPSL은 이 응용 분야에서 선호하는 레이저로서 532nm DPSS를 대체했습니다.

 

우수한 색상 팔레트를 이용한 조명쇼

조명쇼는 OPSL의 파장 유연성이 레이저에서의 첫 번째 선택 요소가 되었던 것과는 아주 다른 응용 분야입니다. 레이저 조명쇼 엔진에서 생성할 수 있는 색상 범위(색 영역)는 이용하는 특정 레이저 파장에 따라 다릅니다. 일반적으로 대부분의 컬러 프로젝터는 세 가지(RGB(적/녹/청)) 레이저를 사용했는데, 그중 파란색은 488nm에서의 아르곤 이온 레거시 파장이었습니다. 하지만 인간의 눈은 색상 차이에 매우 민감하며 레이저 조명쇼와 관련된 과제는 기술적으로 D65라고 하는 진정한 백색을 생성하는 것이었습니다.

Coherent는 OPSL 기술을 사용하여 조명쇼를 위한 두 가지 중요한 비레거시 파장뿐만 아니라 레거시 RGB 파장에서 멀티와트 출력을 제공합니다. 577nm는 원래 광응고술 및 460nm를 위해 개척되었습니다. 그림 4에서 볼 수 있듯이 후자는 더 넓은 색 영역을 보장하며, 더 중요한 것은 577nm 및 460nm에서 단 두 개의 레이저를 혼합하여 백색을 생성할 수 있다는 점입니다. 이에 대한 구체적 사례는 조명쇼 디자이너를 위한 이 새로운 파장의 가치를 자세히 보여 줍니다.

Figure 4

그림 4: 460nm 및 577nm에서의 출력으로 레이저를 추가하면 기존 RGB 조명쇼 엔진의 색 영역이 상당히 증가하고 "백색" 출력 생성도 간소화할 수 있습니다.

2011년, BMW는 성능 및 핸들링을 항상 강조해 왔던 브랜드를 위한 주요 시장 개발의 일환으로 연비 높은 새로운 i-시리즈 자동차를 런칭하고자 했습니다. 그리고 프랑크푸르트 국제 모터쇼(IAA)를 선택했습니다. 이 런칭은 BlueScope 에이전시가 구상하고 Rockservice가 관리했으며 독일 알렌에 기반을 두고 있는 선도적인 레이저 조명쇼 회사인 LOBO의 서비스를 사용했습니다. 이 고가시성 런칭의 전반적인 개념은 파란색 레이저 광 터널을 통과하여 각각의 자동차를 공개하는 것이었습니다(그림 5 참조). 또한 프레젠테이션에는 다른 레이저 효과도 포함되었습니다. 이러한 레이저 요소는 모두 런칭 프레젠테이션의 다른 시각적 구성 요소(예: LED 화면)에 사용된 것과 같은 BMW 회사를 나타내는 파란색과 정확히 일치해야 했습니다. 그러나 지각색은 위치, 배경 조명 및 기타 요인에 따라 다릅니다. 그래서 LOBO는 현장에서 프로젝터의 파란색 출력에 대한 미묘한 변화를 부드럽게 하는 기능이 필요했습니다. 표준 RGB 프로젝터를 이용해 완벽한 색상 일치를 달성하는 것은 매우 어려웠을 것입니다. 대신에 LOBO는 488nm 및 460nm에서 2개의 파란색 OPSL(Coherent Taipan)로 RGB 프로젝터를 구성했습니다. 이를 통해 최종적인 조명 환경에서 전시장을 세팅할 때 다른 BMW 디스플레이 구성 요소의 지각색과 일치하도록 파란색 출력을 간단하게 "조정"할 수 있었습니다.

Figure 5

그림 5: OPSL로 구동되는 디스플레이는 2011년 프랑크푸르트 국제 모터쇼(IAA)에서 BMW가 처음으로 선보이는 연비 높은 자동차(i8 및 i3)를 런칭하는 데 도움이 되었습니다. 이미지 제공: BMW

Summary

The OPSL offers an unmatched combination of advantages for applications requiring milliwatts to watts of CW laser light. One of the most important is wavelength flexibility which has, for the first time, enabled laser wavelength to be matched to the precise needs of the application, rather than vice versa.

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