2002년 초에 Dataquest에 의해 발표된 시장전망에 의하면, 2003년 이후 3$~$4년간 엑시머 레이저를 이용한 DUV 노광장비 시장은 큰 폭으로 확대될 것으로 전망하고 있으며, DRAM 수요의 증가와 12인치(300mm) 공정의 가속화가 그 예상을 뒷받침 하고 있다. 특히, KrF엑시머 레이저 공정 이후에 도입될 ArF엑시머 레이저 시장의 확대가 주목된다.
광섬유 연결 반도체레이저 여기 세라믹 Nd:YAG 레이저의 열렌즈를 보상하기 위한 공진기를 구성하였다. 초점거리 30 mm, 유효직경 22 mm인 보상렌즈를 레이저 매질의 단면으로부터 25 mm 떨어진 곳에 위치시켜 열렌즈 효과를 보상하였다. 보상렌즈가 없는 경우 레이저 출력은 열렌즈 효과에 의해 여기파워 6 W 이상에서 급격히 감소하기 시작하였으며, 12 W에 이르러서는 레이저가 거의 발진되지 않았다. 열렌즈 효과가 보상되었을 경우 레이저 출력은 선형적으로 증가하였으며, 여기파워 12 W에서 $M^{2}$값은 2.4로 좋은 빔질을 나타내었다.
레이저를 이용한 미세 정밀 가공을 하려면 레이저를 포함한 광학기기의 특성을 잘 알고 있어야 하며 가공재료에 대한 물리화학적 특성에 대한 지식이 필수적이다. 이러한 기술적 문제 외에도 초기투자 비용 및 운전비용, 그리고 양산성까지 포함된 경제적 문제를 고려해야 한다. 그러나 이미 설치된 레이저의 활용도를 높여 시작품의 제작과 양산에 사용한다거나 기존의 방법에 비해 제품의 질과 가격이 우수한 경우 그리고 레이저이외의 방법으로는 제작이 불가능한 경우 레이저이외의 방법으로는 제작이 불가능한 경우 레이저에 의한 가공이 가능하다. 본 특집의 경우와 같이 가공의 제규격이 반도체공정으로는 너무 크고 기계가공으로는 너무 작은 초소형기기의 가공에는 많은 응용이 가능하리라 믿어진다.
여기 파워는 고체 레이저 매질 내부에 열을 발생시킨다. 매질 내부에서 발생한 열은 매질 표면을 따라 냉각이 진행되어 매질 내부에서는 불균일한 온도분포가 발생하게 된다. 레이저 매질의 굴절율은 온도에 따라 변하기 때문에 열복굴절 현상과 열렌즈 현상이 일어나 레이저 출력의 손실, 빔질의 저하를 유발하고 열적 스트레스는 매질의 손상 및 모드 동기된 극초단 펄스가 넓어지는 등의 문제를 초래한다. 선형 편광 광선을 이용하는 고체 레이저에서 열복굴절에 의해 레이저 출력이 약 30 %까지 감소하므로 레이저 공진기를 구성하는데 있어서 정량적인 열영향의 해석이 필요하다. 열복굴절에 의해 발생한 손실량은 다음과 같이 표현할 수 있다. (중략)
이득 스위칭 $1.55\mu\textrm{m}$ UFB 반도체 레이저에서 외부 주입광의 전력과 파장이 시간 지터와 펄스 폭에 미치는 영향을 전송선로 레이저 모델에 기초한 모의 실험을 통하여 분석하였다. 주입 광 전력이 증가함에 따라 시간지터는 감소하고 펄스폭은 증가했으며, 최소 시간 지터는 주입 광의 파장이 첩된 스펙트럼의 중시과 일치할 때에 나타났다. 이에 따라, 외부 광 주입에 의해 펄스 폭의 증가 없이도 시간 지터를 대략 1/2.7배로 감소시킬 수 있었다. 모의 실험 결과는 본 실험결과와는 물론이고 이미 발표된 실험결과와 비교적 잘 일치함을 확인하였으며, 이는 본 모델이 반도체 레이저에 기초한 시스템 분석에 유용함을 입증한다.
반도체 레이저 측면 여기시 Nd:YAG 레이저 매질에서 발생하는 열영향에 대해 분석하였다. 열영향을 고감도로 측정하기 위해 편광자와 Nd:YAG 매질 사이에 λ/4판을 삽입하여 여기 파워에 따라 발생하는 depolarization양을 측정하였다. CCD로 는 열영향에 의한 매질 내에서의 탐침광 분포 변화를 측정하고 해석하여 반도체 레이저 측면 여기시 발생하는 열영향을 최소화하기 위한 공진기 설계의 효과적인 방법을 제시하였다.
광기술은 차세대 산업 분야에서 기계, 전자와의 융합을 통한 첨단 산업의 핵심요소이다. 또한 광기술은 현재 신성장동력인 IT, 디스플레이, 자동차, 의료, 반도체 등 국내 기간산업 제품의 품질 및 기능을 향상시켜 고부가 가치를 창출할 수 있는 기초 원천 핵심 기술 및 응용 기술로 활용되고 있으며, 향후 첨단 산업 분야에서 광기술 활용도는 더욱 더 높아질 것으로 예상되고 있다. 본 논문에서는 오늘날 산업 분야에서 중요도가 점차 높아지고 있는 광기술의 발전 동향을 21 세기 기계 산업과 관련하여 설명한다. 특히 다양한 광기술 분야 중에서 보다 기계산업과 관련성이 높은 반도체 조명, 광계측, 산업용 레이저 및 레이저 가공 기술을 중심으로 발전 동향을 살펴본다.
본 연구에서는 355 nm 파장의 나노초 레이저를 비정질 실리콘 박막에 조사하여 형성된 주기적 laser-induced periodic surface structure (LIPSS) 구조의 분광학적 특성을 연구하였다. 지름 196 ㎛의 가우시안 빔을 단위면적당 레이저 펄스 190-280회, 레이저 빔의 세기는 100-130 mJ/cm2 범위에서 'ㄹ' 자 형태로 2차원 스캔하였다. 그 결과 Si 박막 표면에 ~300 nm 주기의 LIPSS 구조가 레이저 편광에 수직 방향으로 정렬되었다. 시료의 투과율 스펙트럼을 측정하여 transverse-electric 편광과 transverse-magnetic 편광에 대해서 각각 700 nm, 500 nm 근방에서 dip이 관측되었다. 이 현상을 설명하기 위해 1차원 격자구조 모델을 이용하여 rigorous coupled-wave analysis를 이용한 시뮬레이션을 하여 편광에 따른 도파모드 공진에 의한 특성임을 규명하였다.
외부 공진기형 반도체 레이저를 주레이저로 하여 종레이저로 사용한 상용 반도체 레이저에 광 주입-잠금을 수행하고, 주입-잠금된 종레이저의 모드 특성을 조사하였다. 루비듐 원자의 D1 전이선에서 포화흡수분광 스펙트럼과 주입-잠금된 종레이저의 모드를 측정하였다. 주입-잠금 대역폭 내에 있는 종레이저가 주레이저의 주파수와 선폭이 동기되는 것을 확인하였고, 주입되는 광의 세기에 따른 주입-잠금 대역폭을 측정하였다. 특히, 주입되는 광의 세기, 그리고 주레이저와 종레이저의 주파수 차이에 따른 주입-잠금 과정에 종레이저의 모드 변화를 공초점 패브리-페로 간섭계를 이용하여 측정했다. 불완전 주입-잠금 상태에서는 종레이저의 모드가 두 개 이상의 다중 모드로 발진하는 것을 확인할 수 있었다.
레이저 공진기 모드 크기가 반도체 포화 흡수체 거울(SESAM)을 이용하여 모드 잠금된 Yb:YAG 레이저의 출력에 주는 영향을 조사하였다. SESAM과 Yb:YAG 매질 위치에서 공진 모드들 크기를 곱한 값이 작을수록 모드 잠금이 안정적으로 발생함을 실험적으로 보였다. 수치적으로 레이저 매질의 열 렌즈 효과와 무관하게 모드 잠금이 이루어지는 공진기 길이 조건이 있음을 확인하였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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