배경
Q-스위치 레이저 공진기에서 출력되는 단일 펄스는 시간축에서 유사 가우시안 형태를 띠는 것으로 알려져 있으나, 실제로는 많은 수의 고주파 스파이크로 구성되어 있습니다. 응답 속도가 매우 빠른 센서와 대역폭이 넓은 오실로스코프를 활용하면 이러한 스파이크를 확인할 수 있습니다. 고주파 스파이크는 레이저 빔의 파장 변환에서 문제를 야기할 수 있는데, 이는 비선형 크리스탈을 이용한 파장 변환 효율이 레이저 빔의 순간적인 세기에 비례하기 때문입니다. 즉, 펄스 내 스파이크의 구성에 따라 파장 변환 효율이 상이하여, 파장 변환 후의 펄스 안정도가 크게 나빠지게 됩니다. 일반적으로 SHG(second harmonic generation, 기본 파장의 절반), THG(third harmonic generation, 기본 파장의 1/3)과 같은 파장 변환 과정에서 펄스 안정도는 2배, 3배 가량 악화됩니다.

문제
나노초 펄스 레이저는 조사된 부위의 정밀한 표면 가열 및 빠른 냉각을 가능하게 하여 레이저 어닐링(annealing)에 적합한 특성을 지닙니다. 이 기술은 주로 반도체 및 디스플레이 분야의 실리콘 기판(또는 웨이퍼)에 적용됩니다. 공정 미세화 추세에 따라 실리콘 기판 전체에 균일한 어닐링을 수행하기 위해 레이저 펄스 간 에너지 편차를 줄이는 것이 필수적이며, 이에 따라 펄스 안정도가 레이저의 중요한 사양으로 부각되었습니다. 일반적인 Q-스위치 기반 Nd:YAG 나노초 레이저의 펄스 안정도는 SHG에서 약 2%RMS, THG에서 약 3%RMS 수준입니다. 그러나 최근 실리콘 기판용 레이저 어닐링 공정에서는 SHG에서 0.2%RMS, THG에서 0.3%RMS 수준의 높은 안정도를 요구하고 있으며, 기존 대비 10배의 펄스 안정도 향상 방법이 필요했습니다.

해결
힐랩은 Q-스위치 레이저 공진기의 인하우스 모델링 및 시뮬레이션 도구를 보유하고 있으며, 이를 바탕으로 공진기 설계 및 개발을 진행하고 있습니다. 공진기 내 광경로를 10μm 수준의 정밀도로 설계하여 펄스 스파이크를 최소화하는 공진기 구조를 도출하였으며, 또한 공진기 내부에서 스파이크 발달을 억제할 수 있는 비선형 크리스탈 광학 부품을 개발하여 적용하였습니다. 이러한 두 가지 접근을 통해 펄스 스파이크를 최대한 억제하여, 파장 변환 과정에서 펄스 안정도가 저하되지 않는 나노초 레이저 펄스를 구현하였습니다. 이를 통해 SHG에서 0.1%RMS의 펄스 안정도를 달성하는데 성공하였습니다.

응용
펄스 스파이크 저감 Q-스위치 구조는 두 가지 주요 장점을 제공합니다. 첫째, 매우 뛰어난 펄스 안정도를 달성하여 정밀한 레이저 공정에 적합한 레이저를 제작할 수 있습니다. 둘째, 광학 부품의 손상을 유발하는 펄스 스파이크를 억제함으로써 동일한 광학 부품을 사용하여 더 높은 출력의 레이저를 구현할 수 있습니다. 이러한 장점은 레이저 어닐링 뿐만 아니라 정밀 계측에도 유용하게 적용할 수 있습니다. 예를 들면 LIBS(laser induced breakdown spectroscopy)와 같은 정량 분석 기술에서는 펄스와 펄스 사이의 편차가 분석 결과에 영향을 미칠 수 있으므로, 뛰어난 펄스 안정도를 갖는 레이저는 큰 이점을 제공합니다.