KR102362033B1

KR102362033B1 - 광섬유 레이저 빔 결합장치

Info

Publication number: KR102362033B1
Application number: KR1020200128514A
Authority: KR
Inventors: 김동환; 이용수; 정예지; 유준상; 정민완; 이강인; 김상인; 조준용; 이영민; 김태우
Original assignee: 주식회사 한화
Priority date: 2020-10-06
Filing date: 2020-10-06
Publication date: 2022-02-11

Abstract

본 발명은 광섬유 레이저 빔 결합장치 및 광섬유 레이저 빔의 빔 결합 방법에 관한 것으로 씨앗 레이저빔을 발생시키는 씨앗빔 발생부, 상기 씨앗빔 발생부를 통해서 출력된 씨앗 레이저빔을 복수의 레이저 빔으로 분할하는 다중빔 분할부, 상기 다중빔 분할부에서 분할된 복수의 레이저 빔 중 일부를 전달받아 증폭시키는 수직 광섬유 증폭부, 상기 다중빔 분할부에서 분할된 복수의 레이저 빔 중 나머지 부분을 전달받아 증폭시키는 수평 광섬유 증폭부, 상기 수직 광섬유 증폭부에서 증폭된 레이저빔을 제1단일 결합빔으로 결합시키는 제1결맞음 빔 결합모듈, 상기 수평 광섬유 증폭부에서 증폭된 레이저빔을 제2단일 결합빔으로 결합시키는 제2결맞음 빔 결합모듈, 상기 제1단일 결합빔과 상기 제2단일 결합빔을 결합시키는 편광 결합부를 포함하여 결맞음 빔결합방법, 파장제어 빔결합방법과 편광빔결합방법이 연동되도록 조합하여 결합빔의 입력 채널수를 최대한 증대시킬수 있으며 각 빔결합 제어기의 제어 부담을 분산시켜서 신속하게 빔제어가 가능하고, 결합빔의 품질을 유지하면서 결합빔의 출력을 극대화할 수 있다.

Description

광섬유 레이저 빔 결합장치{BEAM COMBINING APPARATUS OF FIBER LASER}

본 발명은 광섬유 레이저 빔 결합장치 및 광섬유 레이저 빔의 빔 결합 방법에 관한 것으로 더 상세하게 레이저 무기로 사용이 가능한 고품질과 고에너지의 레이저빔을 출력하는 광섬유 레이저 빔 결합장치에 관한 발명이다.

일반적으로 레이저는 전기에너지나 화학에너지등을 빛에너지로 변환시키는 장치이다.

다양한 종류의 레이저 빔 발생장치 중 광섬유를 이용하여 출력되는 광섬유 레이저 발생장치는 빔정렬 안정도가 우수하여 야외에서 레이저 무기로 사용이 가능하다.

다만, 광섬유 레이저 발생장치는 제약된 변환효율(에너지 변환효율 : ~40%)로 말미암아 단위 레이저 모듈에서는 일정 파워의 출력까지만 발진이 가능하며 더 이상의 출력을 올리게 되면 레이저 매질 자체가 발열로 인해 용해 및 깨짐이 발생하게 되어 출력증대에 제약이 있다.

레이저 빔의 출력을 증대하는 방법으로 복수의 레이저 빔을 결합시키는 빔 결합 방법이 제안된 바 있다.

빔 결합 방법 중 빔품질을 유지하면서 결합빔 채널수를 증대시킬수있는 방법으로는 결맞음 빔결합 방법(Coherent Beam Combining : CBC)과 파장제어 빔결합 방법(Spectral Beam Combining: SBC)이 있다.

결맞음 빔결합방법(CBC)은 단일 파장의 마스터 레이저빔을 다수개의 빔으로 나눈후 각각 빔을 광섬유레이저 증폭기를 이용하여 최대 증폭한 후 각각의 빔들의 위상을 일치하도록 위상을 조정한후 회절광학소자(Diffractive Optical Element : DOE)를 이용하여 재결합시켜서 최종 출력을 증대시키는 방법이다.

그런데 결맞음 빔결합방법(CBC)은 다수빔의 위상을 동시에 일치 시키려면 채널수가 증대하면서 위상을 일치시킬수있는 위상고정 밴드폭(phase locking bandwidth)이 줄어든다.

이러한 제약조건으로 실질적으로는 수채널 정도의 위상결합 결과만 보고되어 있는 상황이다.

또한, 파장제어 빔결합방법(SBC)는 파장이 서로 다른 광섬유레이저 빔을 회절격자(SBC grating)을 이용하여 결합하는 방법이나 광섬유증폭기의 실질적 가용가능한 증폭밴드폭이 40~50nm 정도이므로 +/- 1pm 이내의 파장 정밀도로 제어가 필요하며, 파장 채널이 증가됨에 따라 빔결합 제어기의 제어 부담이 증가되어 파장안정화까지 소요시간이 늘어나게되는 단점이 있다.

현재, 결맞음 빔결합방법(CBC) 또는 파장제어 빔결합방법(SBC)을 위한 광섬유레이저 모듈은 회절광학소자나 SBC grating에서 선폭에 의한 분산효과로 나빠지는 빔품질을 유지하기위해 협대역 선폭(narrow linewidth)의 광섬유레이저 모듈만이 가능한데 출력이 증대함에 따라 레이저 매질내의 비선형효과로 말미암아 수Ghz의 선폭에서는 대략 1kW급 정도 출력을 낼수있는 수준에 불과하다.

근래에 군용 무기로 드론 등의 소형 무인기의 활용이 증대되고 있는 추세로 군용 레이저 무기로 수 km 밖에 있는 드론 등의 소형 무인기를 격추하기 위해서는 100kW 이상의 출력을 발생시킬 수 있는 레이저 빔이 요구되고 있다.

그러나, 100kW급의 레이저 출력을 달성하려면 단일 파장제어 빔결합 방식으로는 각각 ~100채널의 서로 다른 파장의 광섬유레이저 빔을 결합하여야 하므로 시스템이 복잡하고, 제조원가가 많이 소요됨은 물론 시스템의 크기가 대형화되어 실절적으로 활용이 어려운 문제점이 있었다.

0001)한국 특허등록 제1928406호 '광섬유 레이저 생성장치'(2018.12.06.등록)

본 발명의 목적은 결맞음 빔결합방법, 파장제어 빔결합방법과 편광빔결합방법이 연동되도록 조합하여 결합빔의 입력 채널수를 최대한 증대시킬수 있으며 각 빔결합 제어기의 제어 부담을 분산시켜서 신속하게 빔제어가 가능하고, 결합빔의 품질을 유지하면서 결합빔의 출력을 극대화할 수 있는 광섬유 레이저 빔 결합장치 및 광섬유 레이저 빔의 빔 결합 방법을 제공하는 데 있다.

상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 광섬유 레이저 빔 결합장치의 일 실시예는 씨앗 레이저빔을 발생시키는 씨앗빔 발생부, 상기 씨앗빔 발생부를 통해서 출력된 씨앗 레이저빔을 복수의 레이저 빔으로 분할하는 다중빔 분할부, 상기 다중빔 분할부에서 분할된 복수의 레이저 빔 중 일부를 전달받아 증폭시키는 수직 광섬유 증폭부, 상기 다중빔 분할부에서 분할된 복수의 레이저 빔 중 나머지 부분을 전달받아 증폭시키는 수평 광섬유 증폭부, 상기 수직 광섬유 증폭부에서 증폭된 레이저빔을 제1단일 결합빔으로 결합시키는 제1결맞음 빔 결합모듈, 상기 수평 광섬유 증폭부에서 증폭된 레이저빔을 제2단일 결합빔으로 결합시키는 제2결맞음 빔 결합모듈, 상기 제1단일 결합빔과 상기 제2단일 결합빔을 결합시키는 편광 결합부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서 상기 씨앗빔 발생부, 상기 다중빔 분할부, 상기 수직 광섬유 증폭부, 상기 수평 광섬유 증폭부, 상기 제1결맞음 빔 결합모듈, 상기 제2결맞음 빔 결합모듈, 상기 편광 결합부를 포함한 무편광 결맞음빔 출력모듈을 복수로 구비하고, 본 발명에 따른 광섬유 레이저 빔 결합장치의 일 실시예는 복수의 상기 무편광 결맞음빔 출력모듈에서 출력된 복수의 무편광 결맞음빔을 결합하는 무편광 빔 결합부를 더 포함할 수 있다.

본 발명에서 복수의 상기 무편광 결맞음빔 출력모듈은 서로 다른 파장을 가지는 복수의 무편광 결맞음빔을 출력하고, 상기 무편광 빔 결합부는 복수의 무편광 결맞음빔 출력모듈에서 출력되고 서로 다른 파장을 가지는 복수의 무편광 결맞음빔을 무편광 회절격자를 이용하여 파장제어 빔결합시킬 수 있다.

본 발명에서 상기 다중빔 분할부는 상기 수직 광섬유 증폭부가 각각 위치되는 복수의 제1광섬유부재, 상기 수평 광섬유 증폭부가 각각 위치되는 복수의 제2광섬유부재 및 복수의 상기 제1광섬유부재 및 복수의 상기 제2광섬유부재에 각각 위치되어 빔의 위상을 제어하는 위상 변조부를 포함할 수 있다.

본 발명에서 상기 수직 광섬유 증폭부는 복수의 상기 제1광섬유부재에 각각 위치되는 복수의 제1빔 증폭부, 복수의 제1빔 증폭부와 각각 연결되어 상기 제1빔 증폭부로 증폭된 레이저 빔을 전달하는 복수의 제1전송 광섬유부재 및 복수의 상기 제1전송 광섬유부재의 단부 측이 융착되는 제1광섬유 어레이블럭부재를 포함할 수 있다.

본 발명에서 상기 제1전송 광섬유부재는 이터븀첨가광섬유(YDF)일 수 있다.

본 발명에서 상기 수평 광섬유 증폭부는 복수의 상기 제2광섬유부재에 각각 위치되어 수직 편광 상태인 레이저 빔을 수평 편광으로 변환하는 복수의 반파장기, 복수의 상기 제2광섬유부재에 각각 위치되는 복수의 제2빔 증폭부, 복수의 상기 제2빔 증폭부와 각각 연결되어 복수의 상기 제2빔 증폭부로 증폭된 레이저 빔을 전달하는 복수의 제2전송 광섬유부재 및 복수의 상기 제2전송 광섬유부재의 단부 측이 융착되는 제2광섬유 어레이블럭부재를 포함할 수 있다.

본 발명에서 상기 제2전송 광섬유부재는 이터븀첨가광섬유(YDF)일 수 있다.

본 발명에서 상기 제1결맞음 빔 결합모듈과 상기 제2결맞음 빔 결합모듈은 결맞음 빔결합을 구현하기 위한 비구면 반사형 포물경, 결맞음 빔결합을 구현하기 위한 회절광학소자(DOE), 결맞음 빔결합 제어를 위해 제1단일 결합빔 중의 일부 파워를 샘플링하는 샘플링 미러, 결맞음 빔결합 시 레이저 빔의 위상을 제어하기 위해 광검출기인 포트다이오드에 집속하기 위한 집속 렌즈 및 위상검출수신기로서 광검출기와 위상신호처리를 위한 제어보드를 포함할 수 있다.

본 발명에서 상기 편광 결합부는 상기 제1단일 결합빔과 상기 제2단일 결합빔을 무편광 결맞음빔을 결합하는 편광자 및 상기 제1단일 결합빔과 상기 제2단일 결합빔 중 어느 하나를 반사하여 편광자로 입사시키는 빔 결합용 반사경를 포함할 수 있다.

본 발명에서 상기 무편광 빔 결합부는 다른 파장의 레이저 빔을 결맞음 빔결합과 편광 빔결합된 결합빔을 동일한 회절각도로 출사시키도록 회절각 법칙(sinα+sinβ=λg)에 따라 입사될수있도록 조정해주는 스티어링 거울(steering mirror), 회절격자와 함께 파장제어 빔결합을 이루는 반사경 및 파장제어 빔결합을 구현하는 무편광 회절격자(SBC-grating)를 포함할 수 있다.

상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 광섬유 레이저 빔의 빔 결합 방법의 일 실시예는 한 개 파장 씨앗빔 레이저 빔을 복수로 분할하는 빔 분할단계, 빔 분할단계에서 분할된 복수의 빔 중 일부의 빔을 수직 편광의 상태에서 증폭시키고, 빔 분할단계에서 분할된 복수의 빔 중 나머지의 빔을 수평 편광의 상태에서 증폭시키는 빔 증폭단계, 빔 증폭단계에서 수직 편광의 상태에서 증폭된 복수의 레이저빔을 회절광학소자(DOE)로 결맞음 빔결합방법(CBC)을 통해 제1단일 결합빔으로 결합시키고, 수평 편광의 상태에서 증폭된 복수의 레이저빔을 회절광학소자(DOE)로 결맞음 빔결합방법(CBC)을 통해 제2단일 결합빔으로 결합시키는 결맞음 빔결합단계, 결맞음 빔결합단계에서 출력되는 제1단일 결합빔과 제2단일결합빔을 편광 결합기로 무편광 결맞음빔을 형성하는 편광 결합단계를 포함하여 서로 파장이 다른 복수의 무편광 결맞음빔을 형성하고, 서로 파장이 다른 복수의 무편광 결맞음빔을 무편광 회절격자를 이용하여 파장제어 빔결합시키는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 결맞음 빔결합방법, 파장제어 빔결합방법과 편광빔결합방법이 연동되도록 조합하여 결합빔의 입력 채널수를 최대한 증대시킬수 있으며 각 빔결합 제어기의 제어 부담을 분산시켜서 신속하게 빔제어가 가능하고, 결합빔의 품질을 유지하면서 결합빔의 출력을 극대화할 수 있는 효과가 있다.

본 발명은 빔 결합 방법을 혼성하여 결합빔의 채널수가 급증될 때 빔결합 제어기의 부담을 최소화하고, 이에 따라 수 km 밖에 있는 드론 등의 소형 무인기를 격추할 수 있는 100kW급 출력의 레이저 빔을 안정적으로 출력하고, 레이저 무기의 활용도를 크게 향상시키는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 광섬유 레이저 빔 결합장치의 일 실시예를 도시한 블럭도.
도 2는 본 발명에 따른 광섬유 레이저 빔 결합장치의 일 실시예를 도시한 구성도.
도 3은 도 2에서 회절광학소자를 이용한 결맞음 빔결합방식(CBC)을 이용한 빔결합의 부분 도면.
도 4는 본 발명에 따른 광섬유 레이저 빔 결합장치의 일 실시예에서 다수 파장으로 출사된 무편광 상태의 결맞음 결합빔을 재결합해주는 파장제어빔결합 구성도.
도 5는 도 2에서 빔결합을 위한 구성 모듈의 각 출력단에서의 파장, 편광상태, 빔패턴(빔갯수)을 보여주는 도면.

본 발명을 더욱 상세히 설명한다.

본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면에 의하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 본 발명의 상세한 설명에 앞서, 이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니된다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 1은 본 발명에 따른 광섬유 레이저 빔 결합장치의 일 실시예를 도시한 블럭도이고, 도 1을 참고하여 본 발명에 따른 광섬유 레이저 빔 결합장치의 일 실시예를 하기에서 상세하게 설명한다.

본 발명에 따른 광섬유 레이저 빔 결합장치의 일 실시예는 광섬유를 통해 씨앗 레이저빔을 발생시키는 씨앗빔 발생부(100)를 포함한다.

씨앗빔 발생부(100)는 단일 파장의 씨앗빔 레이저빔을 출력하는 것으로 반도체 레이저를 사용한 것을 일 예로 한다.

씨앗빔 발생부(100)는 반도체 레이저 이외에 단일파장의 씨앗 레이저빔 즉, 레이저빔을 발생시킬 수 있는 공지의 레이저 발생장치를 이용할 수 있는 바 더 상세한 설명은 생략함을 밝혀둔다.

씨앗 레이저빔은 다중빔 분할부(200)에 의해 복수의 레이저 빔으로 분할되며, 다중빔 분할부(200) 씨앗빔 발생부(100)를 통해서 출력된 씨앗 레이저빔을 복수의 레이저 빔으로 분할한다.

복수의 레이저 빔 중 일부는 수직 광섬유 증폭부(300)로 전달되고, 복수의 레이저 빔 중 나머지 부분은 수평 광섬유 증폭부(400)로 전달한다.

수직 광섬유 증폭부(300)와 수평 광섬유 증폭부(400)는 저출력의 레이저 빔을 kw급의 출력을 가지는 레이저 빔으로 빔의 출력을 증폭시킨다.

복수의 레이저 빔은 수직 편광된 레이저 빔이고, 수직 광섬유 증폭부(300)는 수직 편광된 복수의 레이저 빔 중 일부의 출력을 증대시키며, 수평 광섬유 증폭부(400)는 수직 편광된 복수의 레이저 빔 중 나머지를 수평 편광으로 변환한 후 수평 편광된 레이저 빔의 출력을 증폭시킨다.

본 발명에 따른 광섬유 레이저 빔 결합장치의 일 실시예는 수직 광섬유 증폭부(300)에서 증폭된 레이저빔을 결맞음 빔결합방법(CBC)을 통해 제1단일 결합빔으로 결합시키는 제1결맞음 빔 결합모듈(500), 수평 광섬유 증폭부(400)에서 증폭된 레이저빔을 결맞음 빔결합방법(CBC)을 통해 제2단일 결합빔으로 결합시키는 제2결맞음 빔 결합모듈(600), 제1단일 결합빔과 상기 제2단일 결합빔을 결합시키는 편광 결합부(700)를 포함한다.

제1결맞음 빔 결합모듈(500)은 수직 광섬유 증폭부(300)에서 증폭된 레이저빔을 결맞음 빔결합방법(CBC)을 통해 제1단일 결합빔으로 결합시켜 편광 결합부(700)로 출력한다.

제2결맞음 빔 결합모듈(600)은 수직 광섬유 증폭부(300)에서 증폭된 레이저빔을 결맞음 빔결합방법(CBC)을 통해 제2단일 결합빔으로 결합시켜 편광 결합부(700)로 출력한다.

편광 결합부(700)는 수직 편광되어 증폭된 제1단일 결합빔과 수평 편광되어 증폭된 제2단일 결합빔을 결합시켜 하나의 무편광 결맞음빔을 출력한다.

한편, 본 발명에 따른 광섬유 레이저 빔 결합장치의 일 실시예는 씨앗빔 발생부(100), 다중빔 분할부(200), 수직 광섬유 증폭부(300), 수평 광섬유 증폭부(400), 제1결맞음 빔 결합모듈(500), 제2결맞음 빔 결합모듈(600), 편광 결합부(700)를 포함한 무편광 결맞음빔 출력모듈(10)을 복수로 구비하고, 복수의 무편광 결맞음빔 출력모듈(10)에서 출력된 복수의 무편광 결맞음빔을 결합하는 무편광 빔 결합부를 더 포함한다.

복수의 무편광 결맞음빔 출력모듈(10)은 서로 다른 파장을 가지는 복수의 무편광 결맞음빔을 출력하고, 무편광 빔 결합부는 복수의 무편광 결맞음빔 출력모듈(10)에서 출력되고 서로 다른 파장을 가지는 복수의 무편광 결맞음빔을 무편광 회절격자를 이용하여 파장제어 빔결합시키는 빔 결합부이다.

도 2는 본 발명에 따른 광섬유 레이저 빔 결합장치의 일 실시예를 도시한 구성도이고, 도 3은 도 2에서 회절광학소자를 이용한 결맞음 빔결합방식(CBC)을 이용한 빔결합의 부분 도면이며, 도 4는 본 발명에 따른 광섬유 레이저 빔 결합장치의 일 실시예에서 다수 파장으로 출사된 무편광 상태의 결맞음 결합빔을 재결합해주는 파장제어빔결합 구성도이다.

도 2 내지 도 4를 참고하여 무편광 결맞음빔 출력모듈(10)의 각 구성 중 씨앗빔 발생부(100)를 제외한 다중빔 분할부(200), 수직 광섬유 증폭부(300), 수평 광섬유 증폭부(400), 제1결맞음 빔 결합모듈(500), 제2결맞음 빔 결합모듈(600), 편광 결합부(700) 및 무편광 빔 결합부에 대한 구체적인 실시예를 하기에서 상세하게 설명한다.

다중빔 분할부(200)는 씨앗 레이저빔을 2M개로 나누는 빔 분할기로, 복수의 광섬유를 포함하여 복수의 광섬유를 통해 씨앗 레이저빔을 분할한다.

다중빔 분할부(200)는 수직 광섬유 증폭부(300)가 각각 위치되는 복수의 제1광섬유부재(210), 수평 광섬유 증폭부(400)가 각각 위치되는 복수의 제2광섬유부재(220)를 포함한다.

다중빔 분할부(200)는 복수의 제1광섬유부재(210) 및 복수의 제2광섬유부재(220)에 각각 위치되어 빔의 위상을 제어하는 위상 변조부(230)를 더 포함한다.

위상 변조부(230)는 분할된 레이저 빔의 위상을 제어하기 위한 위상 변조기로 LiNbO₃ 변조기 인 것을 일 예로 한다.

수직 광섬유 증폭부(300)는 복수의 제1광섬유부재(210)에 각각 위치되는 복수의 제1빔 증폭부(310), 복수의 제1빔 증폭부(310)와 각각 연결되어 제1빔 증폭부(310)로 증폭된 레이저 빔을 전달하는 복수의 제1전송 광섬유부재(320), 복수의 제1전송 광섬유부재(320)의 단부 측이 융착되는 제1광섬유 어레이블럭부재(330)를 포함한다.

수평 광섬유 증폭부(400)는 복수의 제2광섬유부재(220)에 각각 위치되어 수직 편광 상태인 레이저 빔을 수평 편광으로 변환하는 복수의 반파장기(410), 복수의 제2광섬유부재(220)에 각각 위치되는 복수의 제2빔 증폭부(420), 복수의 제2빔 증폭부(420)와 각각 연결되어 복수의 제2빔 증폭부(420)로 증폭된 레이저 빔을 전달하는 복수의 제2전송 광섬유부재(430), 복수의 제2전송 광섬유부재(430)의 단부 측이 융착되는 제2광섬유 어레이블럭부재(440)를 포함한다.

반파장기(2/λ plate)(410)는 수직편광된 빔을 수평 편광으로 바꾸어주는 공지된 구성을 이용하여 다양하게 변형되어 실시될 수 있음을 밝혀둔다.

제1광섬유 어레이블럭부재(330)와 제2광섬유 어레이블럭부재(440)는 유리 등과 같이 레이저 빔을 투과시킬 수 있고, 레이저 빔의 파장에 대해 흡수가 적은 공지의 재질로 제조되며 더 상세함 설명은 생략함을 밝혀둔다.

제1광섬유 어레이블럭부재(330)는 복수의 제1전송 광섬유부재(320)로부터 전달받은 복수의 레이저 빔을 출력하고, 제2광섬유 어레이블럭부재(440)는 복수의 제1전송 광섬유부재(320)로부터 전달받은 복수의 레이저 빔을 출력한다.

제1빔 증폭부(310)와 제2빔 증폭부(420)는 각각 제1광섬유부재(210)와 제2광섬유부재(220)를 통해 전달되는 레이저 빔을 펌핑하는 펌프 레이저 다이오드, 제1광섬유부재(210)와 제1전송 광섬유부재(320)의 사이 및 제2광섬유부재(220)와 제2전송 광섬유부재(430)의 사이에 각각 위치되어 펌프 레이저 다이오드의 출력을 광섬유에 입사시켜주는 펌프광 결합부를 포함한다.

더 상세하게, 제1빔 증폭부(310)는 제1광섬유부재(210)를 통해 전달되는 레이저 빔을 펌핑하는 제1펌프 레이저 다이오드, 제1광섬유부재(210)와 제1전송 광섬유부재(320)의 사이에 위치되어 제1펌프 레이저 다이오드의 출력을 광섬유에 입사시켜주는 제1펌프광 결합부를 포함한다.

또한, 제1전송 광섬유부재(320)와 제2전송 광섬유부재(430)는 이터븀첨가광섬유(YDF)인 것을 일 예로 한다.

제1빔 증폭부(310)와 제2빔 증폭부(420)는 공지된 펌프 레이저 다이오드 및 펌프광 결합기를 포함한 빔 증폭구조 이외에도 공지의 빔 증폭구조를 사용하여 다양하게 변형되어 실시될 수 있음을 밝혀둔다.

제1결맞음 빔 결합모듈(500), 제2결맞음 빔 결합모듈(600)은 각각 제1광섬유 어레이블럭부재(330)와 제2광섬유 어레이블럭부재(440)에서 출력된 다수 레이저 빔을 회절광학소자(DOE)의 회절빔 차수에 해당하는 각도로(회절광학소자 회절법칙: sinθm = mλ/p) 입사시키도록 광섬유어레이 블록에서 광섬유간 간격 거리를 조절하면 회절빔 차수에 해당하는 각도로 입사시킬수 있는 비구면 반사형 포물경(510, 610)으로 구성되어 시준된(collimated) 단일 결합빔으로 출사한다.

더 상세하게 제1결맞음 빔 결합모듈(500), 제2결맞음 빔 결합모듈(600)은 각각 결맞음 빔결합을 구현하기 위한 비구면 반사형 포물경(510, 610), 결맞음 빔결합을 구현하기 위한 회절광학소자(DOE)(520, 620), 결맞음 빔결합 제어를 위해 제1단일 결합빔 중의 일부 파워를 샘플링하는 샘플링 미러(530, 630), 결맞음 빔결합 시 레이저 빔의 위상을 제어하기위해 광검출기인 포트다이오드에 집속하기 위한 집속 렌즈(540, 640), 위상검출수신기로서 광검출기와 위상신호처리를 위한 제어보드(550, 650)를 포함한다.

샘플링된 다수 채널빔들의 간섭에 의한 위상은 포토다이오드에 간섭세기에 비례하는 전류신호로 검출되며 제어보드(550, 650)는 검출된 샘플링된 다수 채널빔들의 간섭에 의한 위상을 SPGD등의 신호처리 알고리즘을 통하여 각 채널빔들의 위상이 일치하도록 각 위상변조기를 제어한다.

샘플링 미러(530, 630)는 제1단일 결합빔 중의 일부를 반사시키고, 나머지를 통과시켜 편광 결합부(700)로 전달한다.

편광 결합부(700)는 제1단일 결합빔과 제2단일 결합빔을 무편광 결맞음빔을 결합하는 편광자(710), 제1단일 결합빔과 제2단일 결합빔 중 어느 하나를 반사하여 편광자(710)로 입사시키는 빔 결합용 반사경(720)를 포함한다.

편광자(720)는 수직 편광별 및 수평 편광별로 결맞은 빔결합된 제1단일 결합빔과 수평 편광인 제2단일빔을 묶어주어 하나의 무편광 결맞음빔을 형성한다.

무편광 빔 결합부(800)는 복수의 무편광 결맞음빔 출력모듈(10)에 의해 출력되는 서로 다른 파장을 가지는 복수의 무편광 결맞음빔을 무편광 회절격자(810)를 이용하여 파장제어 빔결합시킨다.

무편광 빔 결합부(800)는 다른 파장의 레이저 빔을 결맞음 빔결합과 편광 빔결합된 결합빔을 동일한 회절각도로 출사시키도록 회절각 법칙 (sinα+sinβ=λg) 에 따라 입사될수있도록 조정해주는 스티어링 거울(steering mirror)(810), 회절격자와 함께 파장제어 빔결합을 이루는 반사경(820), 파장제어 빔결합을 구현하는 무편광 회절격자(SBC-grating)(830)를 포함한다.

도 5는 도 2에서 빔결합을 위한 구성 모듈의 각 출력단에서의 파장, 편광상태, 빔패턴(빔갯수)을 보여주는 도면이고, 도 5를 참고하면 본 발명에 따른 광섬유 레이저 빔 결합장치를 통해 결합되는 레이저 빔들이 빔의 결합 과정에서 변화되는 빔의 파장, 편광도, 빔패턴을 나타낸 것이다.

본 발명에 따른 광섬유 레이저 빔 결합장치를 통해 최종 출사되는 결합빔은 서로 수직인 편광도를 갖으며 다수의 파장과 고빔품질을 유지하는 고에너지 레이저 빔인 것을 확인할 수 있다.

한편, 본 발명에 따른 광섬유 레이저 빔의 빔 결합 방법의 일 실시예는 한 개 파장 씨앗빔 레이저 빔을 복수로 분할하는 빔 분할단계, 빔 분할단계에서 분할된 복수의 빔 중 일부의 빔을 수직 편광의 상태에서 증폭시키고, 빔 분할단계에서 분할된 복수의 빔 중 나머지의 빔을 수평 편광의 상태에서 증폭시키는 빔 증폭단계, 빔 증폭단계에서 수직 편광의 상태에서 증폭된 복수의 레이저빔을 회절광학소자(DOE)(520, 620)로 결맞음 빔결합방법(CBC)을 통해 제1단일 결합빔으로 결합시키고, 수평 편광의 상태에서 증폭된 복수의 레이저빔을 회절광학소자(DOE)(520, 620)로 결맞음 빔결합방법(CBC)을 통해 제2단일 결합빔으로 결합시키는 결맞음 빔결합단계, 결맞음 빔결합단계에서 출력되는 제1단일 결합빔과 제2단일결합빔을 편광 결합기로 무편광 결맞음빔을 형성하는 편광 결합단계를 포함하여 서로 파장이 다른 복수의 무편광 결맞음빔을 형성하고, 서로 파장이 다른 복수의 무편광 결맞음빔을 무편광 회절격자를 이용하여 파장제어 빔결합시키는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 광섬유 레이저 빔의 빔 결합 방법은 서로 파장이 다른 복수의 무편광 결맞음빔을 무편광 회절격자를 이용하여 파장제어 빔결합시킴으로써 결합빔의 채널수를 증대하는 혼성 빔결합 방법이다.

본 발명은 결맞음 빔결합방법, 파장제어 빔결합방법과 편광빔결합방법이 연동되도록 조합하여 결합빔의 입력 채널수를 최대한 증대시킬수 있으며 각 빔결합 제어기의 제어 부담을 분산시켜서 신속하게 빔제어가 가능하고, 결합빔의 품질을 유지하면서 결합빔의 출력을 극대화할 수 있다.

본 발명은 빔 결합 방법을 혼성하여 결합빔의 채널수가 급증될 때 빔결합 제어기의 부담을 최소화하고, 이에 따라 수 km 밖에 있는 드론 등의 소형 무인기를 격추할 수 있는 100kW급 출력의 레이저 빔을 안정적으로 출력하고, 레이저 무기의 활용도를 크게 향상시킬 수 있다.

본 발명은 상기한 실시 예에 한정되는 것이 아니라, 본 발명의 요지에 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 변경하여 실시할 수 있으며 이는 본 발명의 구성에 포함됨을 밝혀둔다.

10 : 무편광 결맞음빔 출력모듈 100 : 씨앗빔 발생부
200 : 다중빔 분할부 210 : 제1광섬유부재
220 : 제2광섬유부재 230 : 위상 변조부
300 : 수직 광섬유 증폭부 310 : 제1빔 증폭부
320 : 제1전송 광섬유부재
330 : 제1광섬유 어레이블럭부재 400 : 수평 광섬유 증폭부
410 : 반파장기 420 : 제2빔 증폭부
430 : 제2전송 광섬유부재
440 : 제2광섬유 어레이블럭부재
500 : 제1결맞음 빔 결합모듈 600 : 제2결맞음 빔 결합모듈
510, 610 : 비구면 반사형 포물경 520, 620 : 회절광학소자(DOE)
530, 630 : 샘플링 미러 540, 640 : 집속 렌즈
550, 650 : 제어보드 700 : 편광 결합부
710 : 편광자 720 : 빔 결합용 반사경
800 : 무편광 빔 결합부 810 : 스티어링 거울
820 : 반사경 830 : 무편광 회절격자

Claims

씨앗 레이저빔을 발생시키는 씨앗빔 발생부, 상기 씨앗빔 발생부를 통해서 출력된 씨앗 레이저빔을 복수의 레이저 빔으로 분할하는 다중빔 분할부;
상기 다중빔 분할부에서 분할된 복수의 레이저 빔 중 일부를 전달받아 증폭시키는 수직 광섬유 증폭부;
상기 다중빔 분할부에서 분할된 복수의 레이저 빔 중 나머지 부분을 전달받아 증폭시키는 수평 광섬유 증폭부;
상기 수직 광섬유 증폭부에서 증폭된 레이저빔을 제1단일 결합빔으로 결합시키는 제1결맞음 빔 결합모듈;
상기 수평 광섬유 증폭부에서 증폭된 레이저빔을 제2단일 결합빔으로 결합시키는 제2결맞음 빔 결합모듈; 및
상기 제1단일 결합빔과 상기 제2단일 결합빔을 결합시키는 편광 결합부를 포함하며,
상기 씨앗빔 발생부, 상기 다중빔 분할부, 상기 수직 광섬유 증폭부, 상기 수평 광섬유 증폭부, 상기 제1결맞음 빔 결합모듈, 상기 제2결맞음 빔 결합모듈, 상기 편광 결합부를 포함한 무편광 결맞음빔 출력모듈을 복수로 구비하고,
복수의 상기 무편광 결맞음빔 출력모듈에서 출력된 복수의 무편광 결맞음빔을 결합하는 무편광 빔 결합부를 더 포함하며,
상기 제1결맞음 빔 결합모듈과 상기 제2결맞음 빔 결합모듈은,
결맞음 빔결합을 구현하기 위한 비구면 반사형 포물경;
결맞음 빔결합을 구현하기 위한 회절광학소자(DOE);
결맞음 빔결합 제어를 위해 제1단일 결합빔 중의 일부 파워를 샘플링하는 샘플링 미러;
결맞음 빔결합 시 레이저 빔의 위상을 제어하기 위해 광검출기인 포트다이오드에 집속하기 위한 집속 렌즈; 및
위상검출수신기로서 광검출기와 위상신호처리를 위한 제어보드를 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 레이저 빔 결합장치.
씨앗 레이저빔을 발생시키는 씨앗빔 발생부, 상기 씨앗빔 발생부를 통해서 출력된 씨앗 레이저빔을 복수의 레이저 빔으로 분할하는 다중빔 분할부;
상기 다중빔 분할부에서 분할된 복수의 레이저 빔 중 일부를 전달받아 증폭시키는 수직 광섬유 증폭부;
상기 다중빔 분할부에서 분할된 복수의 레이저 빔 중 나머지 부분을 전달받아 증폭시키는 수평 광섬유 증폭부;
상기 수직 광섬유 증폭부에서 증폭된 레이저빔을 제1단일 결합빔으로 결합시키는 제1결맞음 빔 결합모듈;
상기 수평 광섬유 증폭부에서 증폭된 레이저빔을 제2단일 결합빔으로 결합시키는 제2결맞음 빔 결합모듈; 및
상기 제1단일 결합빔과 상기 제2단일 결합빔을 결합시키는 편광 결합부를 포함하며,
상기 씨앗빔 발생부, 상기 다중빔 분할부, 상기 수직 광섬유 증폭부, 상기 수평 광섬유 증폭부, 상기 제1결맞음 빔 결합모듈, 상기 제2결맞음 빔 결합모듈, 상기 편광 결합부를 포함한 무편광 결맞음빔 출력모듈을 복수로 구비하고,
복수의 상기 무편광 결맞음빔 출력모듈에서 출력된 복수의 무편광 결맞음빔을 결합하는 무편광 빔 결합부를 더 포함하며,
상기 무편광 빔 결합부는,
다른 파장의 레이저 빔을 결맞음 빔결합과 편광 빔결합된 결합빔을 동일한 회절각도로 출사시키도록 회절각 법칙(sinα+sinβ=λg)에 따라 입사될수있도록 조정해주는 스티어링 거울(steering mirror);
회절격자와 함께 파장제어 빔결합을 이루는 반사경; 및
파장제어 빔결합을 구현하는 무편광 회절격자(SBC-grating)를 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 레이저 빔 결합장치.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
복수의 상기 무편광 결맞음빔 출력모듈은 서로 다른 파장을 가지는 복수의 무편광 결맞음빔을 출력하고, 상기 무편광 빔 결합부는 복수의 무편광 결맞음빔 출력모듈에서 출력되고 서로 다른 파장을 가지는 복수의 무편광 결맞음빔을 무편광 회절격자를 이용하여 파장제어 빔결합시키는 것을 특징으로 하는 광섬유 레이저 빔 결합장치.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 다중빔 분할부는,
상기 수직 광섬유 증폭부가 각각 위치되는 복수의 제1광섬유부재;
상기 수평 광섬유 증폭부가 각각 위치되는 복수의 제2광섬유부재; 및
복수의 상기 제1광섬유부재 및 복수의 상기 제2광섬유부재에 각각 위치되어 빔의 위상을 제어하는 위상 변조부를 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 레이저 빔 결합장치.
청구항 4에 있어서,
상기 수직 광섬유 증폭부는,
복수의 상기 제1광섬유부재에 각각 위치되는 복수의 제1빔 증폭부;
복수의 제1빔 증폭부와 각각 연결되어 상기 제1빔 증폭부로 증폭된 레이저 빔을 전달하는 복수의 제1전송 광섬유부재; 및
복수의 상기 제1전송 광섬유부재의 단부 측이 융착되는 제1광섬유 어레이블럭부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 레이저 빔 결합장치.
청구항 5에 있어서,
상기 제1전송 광섬유부재는 이터븀첨가광섬유(YDF)인 것을 특징으로 하는 광섬유 레이저 빔 결합장치.
청구항 4에 있어서,
상기 수평 광섬유 증폭부는 복수의 상기 제2광섬유부재에 각각 위치되어 수직 편광 상태인 레이저 빔을 수평 편광으로 변환하는 복수의 반파장기;
복수의 상기 제2광섬유부재에 각각 위치되는 복수의 제2빔 증폭부;
복수의 상기 제2빔 증폭부와 각각 연결되어 복수의 상기 제2빔 증폭부로 증폭된 레이저 빔을 전달하는 복수의 제2전송 광섬유부재; 및
복수의 상기 제2전송 광섬유부재의 단부 측이 융착되는 제2광섬유 어레이블럭부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 레이저 빔 결합장치.
청구항 7에 있어서,
상기 제2전송 광섬유부재는 이터븀첨가광섬유(YDF)인 것을 특징으로 하는 광섬유 레이저 빔 결합장치.
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청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 편광 결합부는,
상기 제1단일 결합빔과 상기 제2단일 결합빔을 무편광 결맞음빔을 결합하는 편광자; 및
상기 제1단일 결합빔과 상기 제2단일 결합빔 중 어느 하나를 반사하여 편광자로 입사시키는 빔 결합용 반사경를 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 레이저 빔 결합장치.
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