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레이저모듈

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LD라는 반도체 다이오드와 광학계를 구성하여 사용자가 원하는 빔사이즈와 라인길이, pattern 모양을 만들
어주어 사용자 application 에 적합한 산업용 레이저 입니다.
Pattern 으로는 dot, line, cross line 의 제품군 및 각 제품군에 대해 빔사이즈 및 빔폭이 조절되는 방식의
제품이 주류를 이룬다.
 
단색성:
빛에 포함된 파장대역이 얼마나 좁은 대역폭을 가지는 지를 나타내는 수치이며, LD는 LED와는 달리 거의
단일 파장 대역으로 이루어져 있어 단색성이 좋다 말할수 있다.
지향성 및 가간섭성 :
일반 빛과는 달리 레이저는 결맞음이라는 coherence가 좋아서 원거리에서 평행하게 빛의 진행이 가능하며,
이렇게 빛이 퍼지지 않는성질을 지향성이라 하며, 결맞음에 의해 쉽게 간섭을일으킬수 있는 성질을 가간섭
성이라한다.

고밀도 에너지 및 고휘도성 :
레이저의 지향성 및 단색성 특성에 따라 높은 파워밀도 및 고휘도의 특성을 가질수 있다.

 
발산되는 레이저빔의 형태를 collimation(평행광) 만들어줄수 있는 collimator와 이렇게 입사된 광을 Line으
로 만들어 줄수 있는 Line generator로 나눌수 있다.Collimator렌즈는 dot용으로 사용되며 아래와 같이 분류
될수 있습니다.
구분 렌즈 비고
Collimator(Dot용) 구면,비구면 렌즈 Collimation 또는 focusing beam
Line Generator Deflection lens 45도 (근거리용)
Cylinder,Cylindrical lens 10,15,30,45,60,90,120도
Cross Line Generator Deflectioon lens 45도 (근거리용)
Diffraction lens 5도 (근거리용)
Cylinder,Cylindrical lens 10,15,30,45,60,90,120도
* Cylinder,Cylindrical lens는 기본적으로 Collimator를 사용한후에 사용된다.
 
Laser Diode의 약자이며, 반도체 다이오드라고 부른다. P-type 반도체(정공이 다수)와 N-type 반도체(전자
가 다수)를 접합시킨후 P-type 에 + 전위를 N-type에 - 전위를 걸어줄때 (순방향 바이어스) 높은 에너지 레
벨의 전자와 낮은 레벨의 정공이 결합하며, 이때 그 차이만큼의 에너지가 빛의 형태로 발생된다. 이 발생된
빛 에너지를 공진기를 구성하여 증폭시켰을때 레이저라 하며, LD는 이런 PN 결합반도체 칩이며, 빛 발생
면을 mirror 처리하여(공진기구성) 빛을 증폭시켜 레이저를 발생시킨다.
이와 같이 구성된 LD 소자는 전류에 매우 민감하며, 스펙에 알맞은 전류를 흘려보내기 위해 회로를 디자인
해야 합니다. 이때, 방식은 APC와, ACC가 있다.
APC란 Auto Power Control 의 약자로, LD는 spec 범위에 해당되는 전류가 spec의 온도범위에서 흐르게
될때 일정출력이 발생하게 된다. 그러나 주변온도의 상승, 부적합한 LD의 열방열등으로 LD에서 발생되는
열이 제대로 방열되지 못하고 쌓이게 되면 LD는 효율이 나빠져 동일한 전류가 흐르게 되어도 같은 출력을
발생시킬수 없고 떨어지게 된다.
이를 보정하기 위해 열방열 범위내에서 전류를 높여주어, 또는 전류를 낮춰주어 LD의 출력을 일정하게 만
들어주는 원리이다.
ACC란 Auto current Control의 약자로 APC가 최종광출력을 일정하게 맞춰주기 위해 spec범위내에서 전
류를 가변시키는 것과는 달리, ACC는 최종광출력이 어떠한 값을 가지건 상관없이 일정 전류만 LD쪽에 흐
르게 하는 원리이다.
위와 같은 APC, ACC 원리의 실제 소자출력은 LD TO 캔 내부에 있는 PD의 monitoring 값을 피드백 받아서
작동시킨다.
 
위의 그림1은 TO-18 과 TO-5 타입의 LD의 구조이며, 그림2는 그림1의 정면도에서 칩에서 발진되는 상태를
표현한 그림이다. 일반적으로 부르는 타입명을 나타내면 아래와 같다.
구분 길이
TO-18 5.6파이
TO-5 9파이
TO-3 타원형타입
HHL 사각타입
 
그림 1에서 보시는 바와같이 To 캡 밑에 윈도우glass가 있으며, 그밑에 submount 위에 LD 칩이 올려져있
다. 또한 발생되는 열을 방출시키기위한 heat sink가 sub mount 밑에 붙어 있다. LD 칩에서 레이저 발진은
그림2와 같이 위에서 아래로 바이어스를 걸어주어 전류를 흘려줄때 발진되며 active layer의 양쪽면에서 동
시에 발생된다.
이때 발생되는 빔은 active layer의 좁은 폭에 의한 회절효과에 따라서 가로,세로의 빔사이즈 비율이 다른
타원형을 발생시킨다.
뒤쪽으로 발진되는 레이저빔은 PD라는 photo diode에 수신되며, 이 소자를 이용하여 현재의 빔의 광량을
모니터링하는데 사용된다. 즉 APC의 회로구성시 이용한다.
PD 역시 LD와 마찬가지인 P-type과 N-type을 결합시킨 반도체다이오드이지만 순방향 바이어스가 아닌 역
방향바이어스를 걸어줄때 동작하는 특성을 이용한 소자이다.
 
일반적으로 -(마이너스) 전위를 ground라 부르며, 각 노드에서 흐르는 전류의 최종단 전압을 동일 전위로
(ground) 만들어 주어야 회로가 정상동작할 수 있다.
접지(Ground, Earth)는 크게 PCB 상의 ground 와 대지접지(Earth)로 구분할수 있으며, 회로에서 흐르는
전류의 최종단이 전원단자의 ground 선을 통해 대지로 빠져나갈수 있어야 노이즈 및 오동작등의 이상이
발생하지 않는다.
위와 같은 LD spec sheet에서 LD를 기준으로 P와 N type의 이름을 말할수 있다. 전류는 +에서 -로 흐르므
로 그림3또는 그림4는 위와같이 그릴수 있다. PD는 역방향일때 동작하므로 역시 위와같은 부호이다.?1번
단자를 기준으로 이름을 부르는것이며 2번단자는 TO캔의 case의 부호이다.
따라서 +(플러스)는 positive(정공)라고도 볼수 있으며, -(마이너스)는 Negative(전자)로 생각해도 무방하
므로 이것의 약자로 각 타입을 부를수 있다.
또한 P-type 과 case ground 는 동일한 뜻이며, 역시 N-type 과 case positive란 것도 동일 뜻이된다.
 
태양에서 비치는것과 같이 무한 평행광(collimation beam)에서 볼록렌즈에 입사될때 렌즈통과후 모이는 위
치를 초점거리라 하며, 이 평행광이 점점 짧아져서 point source가 될 수록 초점거리는 계속 길어진다.(양
쪽 면에 대해 symmetric 하다)
즉, collimation 렌즈의 초점거리(BFL) 위치에 LD를 두면 평행광이 나아갈수 있다. 그러나 실제 LD의 발산
각은 비점이라는 수차와 상이한 발산각에 따른 구면수차의 차이로 collimation을 하기는 어렵다.
LD 앞에 있는 collimator를 돌려서 초점거리보다 크게되면, 어느 특정지점에서 초점이 맺은후 발산하게된
다. 또한 초점거리보다 짧게 되면 초점이 맺지 않고 발산하게된다.
대략적인 렌즈의 결상원리를 표현한 그림은 아래와 같다.
 
collimator를 통과한 빛이 기본적으로 평행광이라 가정하여, Line Beam을 발생시키는 Cylinder 렌즈로 입사시, 아래와 같은 원리로 빛이 진행한다.
즉 cylinder 렌즈는 한쪽 방향으로만 곡면이 있는 렌즈이므로 입사된빔의 한축에 대해서만 곡률을 가진다.
(Line길이를 결정) 따라서 나머지 한축은 그대로 통과하게 되므로(Line width를 결정) 일정거리이상(초점
거리이상) 부터는 Line빔을 만들 수 있다. 렌즈 모양은 아래와 같다.
cylinder 렌즈에 입사되는 빔을 cylinder 렌즈 첫면에서 초점을 맺을수 있게 앞뒤로 가변한다면 입사되는 빔
사이즈가 달라지게 되므로 Line의 길이 및 두께 까지 조정할수 있다. 여기에서 두께 뿐만아니라 길이까지
달라지게 되므로 기준 각도별 Line길이는 collimation일때의 길이와 차이가 나게된다. 따라서 collimation
일때의 길이를 기준으로 해야한다.