KR100550819B1 - 공심형 광섬유 레이저 - Google Patents

Abstract

본 발명은 중심 부위가 비어 있는 공심형 광섬유를 이용하여 레이저를 발진시키는 장치에 관한 것으로, 공심 광섬유의 내벽에 두께가 얇은 이득 매질을 입히고 여기용 다이오드 레이저를 입사하여 이득 매질을 여기하고 공심을 비스듬히 전파하는 레이저가 내벽에서 반사할 때마다 이득이 증가하게 함으로써 대부분의 레이저 에너지를 공기중에 지나게 하여 고출력 레이저로 인한 광섬유의 손상을 줄이고, 비선형 효과로 인한 산란을 감소하게 하여 고효율 고출력 단파장 펄스 레이저의 구현이 가능하게 하는데 그 목적이 있으며, 상기의 목적을 달성하기 위하여 공심광섬유 안벽에 Nb 혹은 Yb 원소를 첨가한 실리카 용액을 바른 다음에 기체를 흘려서 말리는 수단과, 실리콘 튜브의 내벽에 화학증기증착법을 이용하여 Nb 혹은 Yb 등의 원소가 함유된 증기가 증착되게 한 다음 통상의 광섬유를 생산하는 방법으로 열을 가하여 길게 늘려 당김으로써 가늘고 긴 광섬유는 형성되면서 고출력 펄스 레이저에 의한 코어의 손상, 산란 등이 사라져 기존의 광섬유 레이저가 가진 단점을 해소할 수 있는 특징이 있다.

공심형 광섬유, 이득 매질, 광섬유 레이저, 펄스 레이저

Description

공심형 광섬유 레이저{HOLLOW OPTICAL FIBER LASER}

도 1은 본 발명의 일실시례에 의하여 공심형 레이저의 광섬유 구조도를 나타낸 사시도

도 2는 본 발명의 일시례에 의하여 다이오드 레이저로 여기하여 공심형 레이저를 발진시키는 장치의 예시도

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

10. 공심 광섬유 11. 외부클래드

12. 내부 클래드 13. 이득 매질

14. 공심 15. 다이오드 레이저

16. 집속 렌즈 17. 다이오드 레이저 빔

18. 전반사경 19. 출력경

20. 클래드 레이저 빔 21. 공심 전파 다이오드 레이저 빔

22. 클래드 전파 다이오드 레이저 빔

23. 공심을 진행하는 레이저 빛

본 발명은 중심 부위가 비어있는 공심형 광섬유를 이용하여 레이저를 발진시키는 장치에 대한 것으로, 더욱 상세하게는 실리카 혹은 용융 석영 재질로 이루어진 중심이 비어있는 광섬유의 내벽에 매우 얇은 이득 매질로 된 막을 입히고 여기용 다이오드 레이저를 공심과 외벽으로 구성된 전체 레이저에 입사하여 이득매질을 여기하고, 상기 여기된 이득매질의 양단에 설치된 거울 혹은 브래그 회절격자에서 빛을 되반사하여 공진기를 구성함으로써 고출력의 레이저가 발생하도록 하는 장치에 관한 것이다.

종래의 광섬유 레이저는 실리카 혹은 용융 석영 재질로 속이 가득 찬 광섬유의 코어 Nd, Yb 등의 원소를 함께 넣어 이득매질로 사용하는 구조가 대부분이다.

광섬유의 클래드(clad)를 이중으로 구성하고 내부 클래드에 여기 다이오드 레이저를 입사하면 상기 레이저는 이중으로 배치된 외부 클래드에 의하여 밖으로 빠져나가지 못하고 광섬유 클래드를 전파하면서 코어에 있는 이득매질을 가로지르게 되고 이러한 과정에서 흡수되어 이득매질이 여기되도록 구성한 것이었다.

상기의 경우 입사된 레이저가 클래드 표면에서 뒤틀림(skew) 방향으로 전파하므로 인해 광섬유 코어에 있는 이득매질에 흡수되지 않는 경로를 지나가는 광자가 생성될 수 있는 바, 이를 방지하여 여기 효율을 증가시키기 위해서는 상기 내부 클래드가 D자 모양 혹은, 사각형 모양을 갖도록 구성한다.

그리고, 종래의 광섬유 레이저는 광섬유의 중심에 이득 매질이 있으므로 여기 과정에서 광섬유 중심 부위에 열이 다량으로 발생하며, 상기 이 열은 굴절률을 변화시켜서 레이저의 산란이 증가하게 되고, 또한 레이저가 유리 재질을 통과하면 서 유도 브리앙 산란 등의 비선형 효과가 생겨 출력 감소 및 파장 변화 등의 현상이 생긴다.

한편, 광섬유 레이저에서 레이저의 공간적 분포는 중심 부위의 세기가 가장 강하므로 중심 부분에서 대부분의 비선형 효과가 발생하게 된다.

따라서, 광섬유 레이저는 펄스형 레이저보다는 연속 발진형 레이저로 주로 개발되어 왔으며, 파장이 800nm 이하로 짧은 경우에는 광섬유 코어의 재질인 유리에서의 산란이 급격히 증가하여 가시광 이하의 단파장 레이저의 발진이 어렵게 되는 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 바와 같은 광섬유 레이저의 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로, 공심 광섬유의 내벽에 두께가 얇은 이득 매질을 입히고 여기용 다이오드 레이저를 입사하여 이득 매질을 여기하고 공심을 비스듬히 전파하는 레이저가 내벽에서 반사할 때마다 이득이 증가하게 함으로써 대부분의 레이저 에너지를 공기중에 지나게 하여 고출력 레이저로 인한 광섬유의 손상을 줄이고, 비선형 효과로 인한 산란을 감소하게 하여 고효율 고출력 단파장 펄스 레이저의 구현이 가능하게 하는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 공심 광섬유의 안벽에 Nd 혹은 Yb 원소를 첨가한 실리카 용액을 바른 다음에 기체를 흘려서 말리는 수단과, 실리콘 튜브의 내벽에 화학증기증착법(MOCVD)을 이용하여 Nd 혹은 Yb 등의 원소가 함유된 증기가 증착되게 한 다음에 통상의 광섬유를 생산하는 방법으로 열을 가하여 길게 늘려 당김 으로써 가늘고 긴 광섬유를 만드는 수단을 제공하고자 하는 것이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의해 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 일시시례에 의하여 공심형 레이저의 광섬유 구조도를 나타낸 사시도이며, 도 2는 본 발명의 일시례에 의하여 다이오드 레이저로 여기하여 공심형 레이저를 발진시키는 장치의 예시도이다.

일반적으로 레이저의 작동원리는 우선 원자집단 또는 물질의 적당한 두 에너지 준위 사이에서 반전분포를 만든다. 이후, 두 준위 사이의 에너지차에 주파수가 공명하는 빛에 유발되어 높은 준위의 원자가 낮은 준위로 전이함으로써 방출되는 에너지를 광에 전달해 주어 유도복사가 일어나게 된다.

그 결과 입사광은 주파수 위상이 같고 세기가 증대된다. 레이저를 광의 공진기 안에 넣고 증폭된 광을 반복하여 왕복시키면 광의 발진이 일어나 레이저로 된다. 따라서 레이저광은 위상이 일치한 파가 되므로 보통의 빛과는 본질적으로 성질이 다른 것이다.

광의 공진기는 기본적으로 반사율이 높은 2개의 평면거울을 서로 평행하게 놓은 것으로 면에 수직인 정상파가 공진모드이다. 레이저 매질로서 증폭 가능한 주파수 범위에 많은 수의 광의 공진모드가 존재하므로 여러 개의 모드에서 레이저가 동시에 발진하는 것이 보통이고 특수한 방법에 의해 1개 모드에서 발진시킨 것을 단일 주파수 레이저라 한다. 반면, 연속적으로 광이 지속되는 연속파 레이저 외에 일정 시간만 광이 지속되는 펄스 레이저도 있다.

상기한 레이저에 사용되는 다양한 원자·물질 중의 하나인 광섬유는 유리나 합성수지로 만든 섬유모양으로 관의 형상을 갖고 중심부에 두께가 얇고 굴절률이 큰 유리로 된 코어(core)와 이것을 둘러싸고 있는 굴절률이 작은 클래드(clad)로 구성되어 있다.

이같은 광섬유의 한쪽 끝 속으로 레이저광을 보내면 코어와 클래드의 경계면에서 전반사를 계속하면서 빛이 바깥쪽으로 새어나가지 못하도록 하는 작동원리이다.

한편, 상기 공심 광섬유(10)는 그 명칭대로 속이 비어 있는 상태로 공기가 내부를 가득 채우고 있어 다양한 레이저 파장들이 유리 재질에 흡수됨을 피하여 공기를 통하여 유연하게 빛 에너지를 전달하는데 주로 사용된다.

예컨대, 파장이 10.6 마이크론인 CO₂ 레이저는 광섬유를 구성하는 용융 석영 혹은 실리카 등의 재질에 강하게 흡수되어 투과도가 극히 낮으며, 공심 광섬유(10)의 내벽에 매우 얇은 금속을 입히거나 유전체의 다층 박막을 입혀서 유리를 통과하기 힘든 CO₂ 레이저의 출력을 전달하는데 사용하기도 한다.

공기의 굴절률은 실리카보다 작으므로 그러한 코팅을 공심 광섬유(10)의 내벽에 입히지 않는다면 공심(14)으로 전달된 CO₂ 레이저 파는 진행하면서 공심 광섬유(10)의 클래드(12) 속으로 전달되고 전반사에 의하여 다시 공심(14)으로 빠져나오지 못하고 클래드(12)에서 강하게 흡수되어서 거의 투과하지 못하게 된다.

즉, 상기 공심 광섬유(10)의 내벽에 Nd 혹은 Yb 원소를 첨가한 실리카, 용융 석영 내지 유리 재질을 매우 얇게 입히고, 공심 광섬유(10)의 내부는 일반 광섬유가 코어 부분이 실리카로 가득 채워진 것과는 다르게 코어가 비어 있는 바, 실리카가 아닌 공기로 채워진다.

상기 공심형 광섬유(10) 양단에 구비된 전반사경(18)과 출력경(19)은 레이저빔(17)을 발진시키는데 사용된다. 공심 광섬유(10) 내벽에 활성 거울을 입혀두고 공심(14)을 진행하는 빛이 다중 반사를 하게 하여 증폭이 이루어지고 다중 반사된 빛을 상기 전반사경(18)과 출력경(19)을 이용하여 되돌림으로써 레이저 공진기를 구성하면 레이저는 공심(14)을 채우고 있는 공기 속을 대부분 전파하게 된다.

한편, 두께가 매우 얇은 이득 매질(13) 내벽을 가진 공심 광섬유(10)를 만드는 방법은 두가지로 구분된다.

첫째는 유리 혹은 용융 석영 재질의 공심 광섬유 내벽에 Nd 혹은 Yb 등의 원소를 첨가한 실리카 용액을 바른 다음에 기체를 흘려서 말리는 방법이 있다.

두번째는, 실리콘 튜브의 내벽에 화학증기증착법(MOCVD)을 이용하여 Nd 혹은 Yb 등의 원소가 함유된 증기가 증착되게 한 다음에 통상의 광섬유를 생산하는 방법으로 열을 가하여 길게 늘려 당김으로써 가늘고 긴 광섬유를 만드는 방법이 있다.

이때, 이득 매질(13)을 함유한 부분의 굴절률은 외부의 넓은 클래드(12) 부분에 비하여 굴절률이 높아서 상기 부분을 지나며 증폭되는 빛이 전반사에 의하여 클래드(12) 내부로 전달되지 않도록 한다.

상기의 상황에서 클래드 외부는 이중 클래드(11)가 감싸고 있어 클래드 내부 의 여기용 다이오드 레이저(15)가 새어 나가지 않게 한다.

상기 클래드(12) 부분에는 여기용 다이오드 레이저(15)가 입사하여 전파하면서 상기 레이저빔(20)이 점차로 얇은 이득매질(13)에 의하여 흡수되도록 구성하며이때, 클래드(12)의 모양은 비틀림 모드로 인한 손실이 없도록 D자형 혹은 사각형 등의 모양을 갖도록 한다.

상기 이득 매질(13)의 여기에는 공심(14)을 지나는 다이오드 레이저(17)에 의해서도 이루어지며, 상기 다이오드 레이저(15)는 이득 매질(13)의 벽면을 여러 번 반사 혹은 투과하며 진행하면서 이득 매질을 여기시킨다.

한편, 이득 매질(13)이 입혀진 부분의 두께를 약 1 마이크론 내외로 매우 얇게 하면 이 부분을 지나는 레이저의 에너지는 매우 작고 공심(14) 부분에서 공기 속을 따라서 감쇄파의 형태로 대부분의 에너지(23)가 왕복하면서 레이저 발진이 이루어진다.

얇은 이득매질 부분을 지나면서 충분한 증폭이 이루어지게 하기 위하여 함유된 Nd, Yb, Er, Tm 등의 원소가 통상의 광섬유 레이저의 경우보다 수백 ppm에서 0.1% 사이의 고농도가 되게 된다.

따라서, 상기한 방법을 통하여 본 장치는 레이저 강도가 강하게 진행하는 부분은 공기로 채워 비선형 효과를 줄이고, 내벽을 스쳐 지나가는 레이저 빛이 증폭되도록 하여 기존의 광섬유 레이저가 가진 유연성을 유지하면서도 강한 레이저에 의한 비선형 효과를 감소시켜 펄스형 광섬유 레이저가 가능하게 되는 장치이다.

또한, 광섬유의 이득매질로 사용하는 얇은 벽(13)과 클래드(12) 사이에 굴절 률이 다른 유전체를 매우 얇게 다층으로 교대로 입히면 특정한 파장만 통과하는 벽이 된다.

이같은 다층의 유전체 물질 안쪽의 공심(14)을 접하는 내벽에 얼비움(Erbium), 튤리움(thulium), 이테르븀(ytterbium), 네오디뮴(Neodymium) 등의 레이저 이득 매질(13)이 포함된 층을 입히면 상기 다층벽은 여기에 사용하는 다이오드 레이저(17)는 통과시키고 공심(14)을 지나며 발진하는 레이저는 반사시키는 이색 거울의 역할을 수행한다.

이때, 이득 매질(13)에 포함된 Nd, Yb, Er, Tm 등의 원소를 다층 박막을 이루는 유전체에 포함시켜 반사층과 이득 매질층을 합쳐도 동일한 효과가 생긴다.

본 발명에서는 얼비움(Erbium), 튤리움(thulium), 이테르븀(ytterbium), 네오디뮴(Neodymium) 등의 레이저 이득 매질을 하나의 일실시례로 선택하여 증폭되는 레이저 광속 또는 이득 매질과 반사경과 출력경 거울 2개로 구성된 레이저 공진기를 이루는 장치를 설명하고자 하는 것이다.

즉, 본 장치를 사용함에 있어 상기 원소 외에도 다른 원소를 함유한 이득매질을 사용하는 레이저를 본 장치에 적용하여 발진할 수 있고 거울 대신에 광섬유 브래그 회절격자를 광섬유 양단에 사용하여도 동일한 효과가 발생한다.

따라서, 이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변경 및 변형이 가능하므로 전술한 실시례 및 첨부된 도면에 한정되는 것이 아니다.

이상과 같이 본 발명은 얇은 이득 매질이 내벽에 입혀지고 속이 빈 광섬유에 레이저가 전반사를 통하여 진행하면서 이득매질에서 증폭을 거듭하여 출력이 증가되므로, 레이저의 대부분은 공기를 지나게 되어 진행할 때 발생하는 비선형 효과가 사라지고, 고출력 펄스 레이저에 의한 코어의 손상, 산란 등이 사라져 기존의 광섬유 레이저가 가진 단점이 해소된다.

따라서, 강한 레이저에 의한 매질의 손상이 작아 펄스 레이저의 구현이 가능하게 되고 제 2고조파 변환, 제 3고조파 변환을 공진기 내부에서 실시하여도 산란이 적어서 고효율을 달성하게 되는 효과가 있다.

Claims (2)

1. 얇은 이득 매질이 안벽에 입혀진, 속이 빈 광섬유에 레이저가 진행하면서 이득매질에서 증폭을 거듭하여 출력이 증가하거나 광섬유 양단의 거울 혹은 브래브 회절격자 사이에서 왕복하며 발진하는 레이저 장치에 있어서,

   상기 레이저 장치는 공심을 지나는 다이오드 레이저와 외부 클래드를 지나는 다이오드 레이저에 의하여 여기가 이루어지는 수단과; 상기 이득매질의 굴절률이 클래드 굴절률보다 높아 발생하는 전반사는 클래드로 발진 레이저가 지나가지 못하고 공심의 공기층과 이득 매질 층에 전파되는 수단을 갖도록 구성함을 특징으로 하는 공심형 광섬유 레이저
2. 제 1항에 있어서,

   상기 이득 매질과 클래드 사이에 형성된 매질층은 여기용 다이오드 레이저를 투과하여 상기 이득 매질을 여기함과 아울러 상기 레이저는 클래드로 전파되지 않고 공심의 공기층으로 전파되도록 구성함을 특징으로 하는 공심형 광섬유 레이저

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