KR100609451B1

KR100609451B1 - 광섬유 레이저의 클래딩 구조

Info

Publication number: KR100609451B1
Application number: KR1020040050902A
Authority: KR
Inventors: 김칠민
Original assignee: 배재대학교 산학협력단
Priority date: 2004-06-30
Filing date: 2004-06-30
Publication date: 2006-08-03
Also published as: US20060002435A1; WO2006004347A1; KR20060001739A; US7136567B2

Abstract

본 발명은 양자혼돈 개념을 이용하여 광섬유 레이저의 코어에서 효율적인 광펌핑이 이루어지도록 하는 광섬유 레이저의 클래딩 구조에 관한 것으로, 클래딩에 입사되는 펌핑광이 광섬유의 코어를 많이 지나갈 수 있도록, 클래딩을 양자혼돈을 일으키는 적분 불가능한 구조로 만들어 효율적으로 광섬유를 펌핑시키는 광섬유의 클래딩 구조에 관한 것이다. 이를 위하여 본 발명은, 레이저 매질로 이루어진 코어부분과 이를 둘러싼 클래딩으로 이루어진 광섬유 레이저에 있어서, 상기 클래딩은 단면이 적분불가능한 양자혼돈이 발생하는 구조를 가지고 있어, 클래딩을 입사된 펌핑광이 클래딩의 표면에 반사한 후 광섬유 코어를 펌핑하며, 상기 적분불가능한 양자혼돈이 발생하는 구조는, 광의 입사시에 광의 초기 진행방향이 조금만 달라도 이후에 완전히 다른 진행방향을 가지는 불안정 괘적을 가지는 구조인 것을 특징으로 한다.

광섬유 레이저, 클래딩, 레이저, 양자혼돈

Description

광섬유 레이저의 클래딩 구조{Cladding structure of the optical fiber laser}

도 1은 종래 발명에 있어서의 적분가능한 클래딩 구조이다.

도 2는 종래 발명에서의 적분 가능한 직사각형 형태의 클래딩에서 빛의 진행 운동 결과를 나타낸 도면이다.

도 3은 종래 발명에서의 적분 가능한 직사각형 형태에서 16만개의 임의의 방향으로 진행된 광섬유 코어로 빛이 진행하는 확률을 빛의 경로 길이에 대하여 구한 도면이다.

도 4는 본 발명에 따른 적분 불가능한 양자혼돈을 발생하는 클래딩의 단면도이다.

도 5는 본 발명에 따른 적분 불가능한 양자혼돈을 발생하는 클래딩에서 빛의 진행 운동 결과를 나타낸 도면이다.

도 6는 본 발명에 따른 적분 불가능한 양자혼돈을 발생하는 클래딩에서 16만개의 임의의 방향으로 진행된 광섬유 코어로 빛이 진행하는 확률을 빛의 경로 길이에 대하여 구한 도면이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

10: 코어 20: 클래딩

100: 나선구조 200: 내부코어

300: 외부코어

본 발명은 양자혼돈 개념을 이용하여 광섬유 레이저의 코어에서 효율적인 광펌핑이 이루어지도록 하는 광섬유 레이저의 클래딩 구조에 관한 것으로, 클래딩에 입사되는 펌핑광이 광섬유의 코어를 많이 지나갈 수 있도록, 클래딩을 양자혼돈을 일으키는 적분 불가능한 구조로 만들어 효율적으로 광섬유를 펌핑시키는 광섬유의 클래딩 구조에 관한 것이다.

최근 광섬유 레이저를 이용하여 수 킬로와트의 안정된 레이저 출력을 얻어 이 레이저를 여러 산업에 적용시키고 있다. 수 킬로와트의 레이저 빛을 광섬유 레이저로부터 얻기 위하여 여러 중요한 기술들이 최근 개발되었으나 그중 하나가 클래딩 설계 기술이다. 일반적으로 광섬유의 코어부분은 지름이 1.3~1.5㎛으로 작고, 레이저 광이 강해서 레이저를 코어부분에 입사시킬 경우에 여러 가지 문제가 발생하게 된다. 따라서, 외부의 펌핑(pumping)광원인 다이오드 레이저 광을 이용하여 광섬유의 클래딩 부분에 주입하게 되면, 다이오드 레이저 광이 광섬유의 코어부분을 지나면서, 에르븀(Er)이 내부에 도포된 코어부분에서 펌핑에 의해 레이저가 발진하게 된다. 이때 펌핑광원이 코어를 될 수 있는대로 많이 지나가면 펌핑이 효율적이므로 펌핑광이 지나는 통로의 클래딩의 설계가 중요해진다.

이때까지 연구된 클래딩은 미국특허 출원번호 20020181512의 내부에 원통형 코어가 있을 때 클래딩을 직사각형 모양으로 만들거나 혹은 미국 특허 6,157,763의 클래딩의 원통 양면을 깍아 만드는 방법 등이 제시되었으며, 이는 도1에 도시되어 있다. 도1 (a)는 직사각형 모양의 클래딩 구조이며, (b)는 원통 양면을 깍아 만는 클래딩의 구조이다.

도 2는 미국특허 출원번호 20020181512의 내부에 원통형 코어가 있을 때 클래딩을 직사각형 모양으로 된 경우 빛이 클래딩의 바깥 경계 면에서 반사할 때 코어로 다시 입사하는 경우의 궤적에 대한 4가지 경우를 그린 것이다. 4가지 궤적의 경우에 대해서 살펴보면, 내부에 바깥 경계에서 빛이 반사되어 코어에 도달할 때까지의 시간이 각각 (a)는 약0.92초, (b)는 무한대, (c)는 약 12.03초, (d)는 약217.77초 걸리는 것을 알 수 있다. 따라서, 직사각형 모양의 클래딩 구조에서는 빛이 어떤 경우는 내부에 바깥 경계에서 빛이 반사되어 코어에 도달할 때 까지 직사각형 코어의 경우 아주 많은 시간이 걸리거나 전혀 도달하지 않을 수 있음을 보여 준다.

도 3은 미국특허 출원번호 20020181512의 내부에 원통형 코어가 있을 때 직사각형 모양의 클래딩에서 16만개의 임의의 방향으로 진행된 광섬유 코어로 빛이 진행하는 확률을 빛의 경로 길이에 대하여 구한 것으로 도 6(a)는 확률에 대한 빛의 경로 길이이고, (b)는 확률에 로그를 취할 때의 확률로 규격화 길이가 지수 함수적으로 감소하나 확률적으로 나선 구조에 비하여 빛이 코어에 도달할 확률이 적은 것을 보여 주며 유한한 길이의 광섬유 레이저의 길이를 고려할 때 빛이 영원히 코어에 도달할 수 없는 빛의 방향도 존재함을 보여 준다.

또한 직사각형 구조에서는 아주 짧은 펌핑 방향도 있음에 비해 긴 펌핑 방향도 있음을 보여 주며 이런 구조는 광펌핑에 그리 효율적이지 못함을 보여 준다.

상기의 문제점을 해결하고자 본 발명은 제안된 것으로서, 클래딩에 입사되는 펌핑광이 광섬유의 코어를 많이 지나갈 수 있도록, 클래딩을 양자혼돈을 일으키는 적분 불가능한 구조로 만들어 효율적으로 광섬유를 펌핑시키는 광섬유의 클래딩 구조를 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.

상기의 목적을 이루기 위하여 광섬유 레이저의 클래딩 구조는 레이저 매질로 이루어진 코어부분과 이를 둘러싼 클래딩으로 이루어진 광섬유 레이저에 있어서, 상기 클래딩은 단면이 적분불가능한 양자혼돈이 발생하는 구조를 가지고 있어, 클래딩에 입사된 펌핑광이 클래딩의 표면에서 반사된 후 광섬유 코어를 펌핑하며, 상기 적분불가능한 양자혼돈이 발생하는 구조는, 광의 입사시에 광의 초기 진행방향 이 조금만 달라도 이후에 완전히 다른 진행방향을 가지는 불안정 괘적을 가지는 구조인 것을 특징으로 한다.

광섬유는 굴절율이 높은 매질이 중심을 이루고 주변은 굴절율이 낮은 매질로 덮혀져 있다. 즉, 광 섬유의 단면을 살펴보면 중앙의 코어(core) 부분과 이를 둘러싼 클래딩(cladding)이라는 부분이 이중원기둥 모양을 하고 있다. 광섬유의 응용원리는 전반사의 원리이다. 즉, 굴절률이 다른 두 가지 투명체의 경계면에서 빛이 입사하는 각도가 조건에 맞을 경우 빛의 완전반사가 일어나는 현상을 이용한 것이다.

최근들어 양자혼돈에 대한 연구가 활발히 이루어져 양자혼돈을 실제 응용하고자하는 시도가 많이 연구되고 있다. 그 중 하나가 마이크로디스크 레이저의 발진의 원리 규명과 이를 이용한 마이크로디스크 레이저의 설계이다. 양자혼돈이란 초기 빛의 진행방향이 서로 조금만 달라도 조금 뒤에는 서로 완전히 다른 진행방향으로 움직인다는 현상을 말한다. 그러므로 내부에는 불안정 궤적이 존재하게 되는데 이 현상을 클래딩 설계에 적용시키면 클래딩을 지나는 펌핑광의 궤적이 혼돈 양상을 보일 수 있고 그러면 효율적으로 펌핑광이 광섬유 코어를 지나는 클래딩의 외부 모양을 설계할 수 있다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.

도 4은 본 발명에 따른 적분 불가능한 양자혼돈을 발생하는 클래딩의 단면도이다.

도4(a)에 있어서, 광섬유 레이저는 코어(10)와 클래딩(20)으로 구성되며, 클래딩은 나선 구조를 가지고 있다. 이러한 나선구조는, 코어를 중심으로 나선의 형태로 회전되어 이루어지는 형상을 가지는 것으로, 대체적인 형상이 지름이 다른 두개의 반원을 원주면의 일측만 어긋나도록 원주면이 서로 결합한 형상을 가지게 된다.

도면 4(a)의 구조에서 클래딩의 표면으로 입사하는 빛은 광섬유의 특성상 광섬유 내부로 모두 전반사가 일어나며, 이때 내부로 전반사가 일어나는 빛의 진행은 도면의 양자 혼돈의 구조적 특성으로 광섬유 레이저 코어 쪽으로 진행하는 빛의 확률이 높아져 효율적인 펌핑이 일어나게 된다.

상기 도 4(a)는 나선형 구조로 되어 있어나 클래딩의 구조가 꼭 나선 구조일 필요는 없으며, 적분 불가능한 양자 혼돈의 구조를 가지면 된다. 양자 혼돈은 다양한 구조에서 일어나는데 예로 부미노비치 스타디움, 하트 모양 등에서 양자 혼돈을 많이 연구되었으나 이외에도 많은 적분 불가능한 구조애서 양자 혼돈이 일어나는 것으로 잘 알려져 있다. 이런 구조에서 빛이 바깥 경계에 도달하면 안쪽으로 전반사에 의해 빛이 반사되는데 양자 혼돈이 일어나는 구조에서의 빛의 궤적은 매우 불규칙하여 임의의 방향으로 진행하는 빛들도 가운데의 코어의 방향으로 빛의 진행이 아주 빠르게 바뀐다. 그러면 펌핑 광에 의해 광섬유 레이저의 코어의 매질이 효율적으로 광 펌핑되어 광섬유 레이저의 효율이 높아지게 된다.

또한, 적분 불가능한 양자혼돈의 구조에서 모서리에 각이 있을 때 이를 곡면 처리하게 되면 또 다른 적분 불가능한 양자혼돈의 구조를 가지게 된다.

도 4(b)는 이중 클래딩 구조를 갖는 광섬유 레이저에서 이런 양자 혼돈의 이론을 기반으로 양자혼돈이 일어나는 적분 불가능한 나선 구조를 예로 코어와 내부 클래딩의 단면을 설계한 것이다.

즉, 광섬유 클래딩에서 반사된 빛이 광섬유 코어로 진행하는 빛의 진행을 양자 혼돈이 일어나는 적분 불가능한 나선 구조에서 양자 혼돈의 개념을 이용하여 빛의 진행 다이나믹스를 보여준 4가지의 경우를 그린 것이다. 4가지 궤적의 경우에 대해서 살펴보면, 내부에 바깥 경계에서 빛이 반사되어 코어에 도달할 때까지의 시간이 각각 (a)는 약0.93초, (b)는 약 19.78초, (c)는 약 31.95초, (d)는 약59.43초 걸리는 것을 알 수 있다. 따라서, 종래의 발명에서의 도 2와 비교해보면, 직사각형 모양의 클래딩 구조에서는 빛이 어떤 경우는 내부에 바깥 경계에서 빛이 반사되어 코어에 도달할 때 까지 직사각형 코어의 경우 아주 많은 시간이 걸리거나 전혀 도달하지 않는 반면에 적분 불가능한 나선 구조에서는 보다 빠른 시간에 모든 광이 코어에 도달할 수 있음을 보여 준다.

적분 불가능한 나선 구조 클래딩에서는 임의의 빛이 클래딩의 표면으로 입사한 후 클래딩의 표면에서 반사되는 횟수가 80번 이내에 코어를 지나감을 보여 준 다. 또한 나선 구조에서는 어느 방향이든 거의 고른 분포를 보여 주는데 반해 직사각형 구조에서는 아주 짧은 펌핑 방향도 있음에 비해 긴 펌핑 방향도 있음을 보여 주며 이런 구조는 광펌핑에 그리 효율적이지 못함을 보여 준다. 그러므로 두 클래딩의 구조를 비교하여 보았을 때 적분 불가능한 양자 혼돈이 일어나는 구조를 가진 클래딩이 그렇지 않은 구조에 비하여 얼마나 효율적으로 광섬유 코어를 광펌핑하는지 알 수 있다.

본 발명의 실시예에서 광섬유 클래딩의 표면으로 펌핑광의 입사를 증가시키기 위하여, 휘거나 구부려서 광전달 경로를 변화시키는 구조를 가지면 보다 효과적으로 펌핑광의 입사를 증가시킬 수 있다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 기술되었지만, 본 발명이 속하는 기술 분야에 있어서, 통상의 지식을 가진 사람이라면, 첨부된 청구 범위에 정의된 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 본 발명을 여러 가지로 변형하여 실시할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명에 대한 앞으로의 실시예들의 변경은 본 발명의 기술을 벗어날 수 없을 것이다.

상기에서 설명한 바와 같이 본 발명은, 클래딩에 입사되는 펌핑광이 광섬유의 코어를 많이 지나갈 수 있도록, 클래딩을 양자혼돈을 일으키는 적분 불가능한 구조로 만들어 효율적으로 광섬유를 펌핑시키는 광섬유의 클래딩 구조를 제시함으 로써, 입사되는 모든 펌핑광이 광섬유 코어를 광펌핑하여 보다 빠른 시간에 모든 광이 코어에 도달할 수 있는 효과를 거둘 수 있다.

Claims

레이저 매질로 이루어진 코어부분과 이를 둘러싼 클래딩으로 이루어진 광섬유 레이저에 있어서,

상기 클래딩은 단면이 적분불가능한 양자혼돈이 발생하는 구조를 가지고 있어, 클래딩을 입사된 펌핑광이 클래딩의 표면에 반사한 후 광섬유 코어를 펌핑하며,

상기 적분불가능한 양자혼돈이 발생하는 구조는, 광의 입사시에 광의 초기 진행방향이 조금만 달라도 이후에 완전히 다른 진행방향을 가지는 불안정 괘적을 가지는 구조인 것을

특징으로 하는 광섬유 레이저의 클래딩 구조
제1항에 있어서, 상기 적분 불가능한 양자혼돈이 발생하는 구조는

나선형 구조, 부미노비치 스타디움 구조, 하트형의 구조인 것을 특징으로 하는 광섬유 레이저의 클래딩 구조
제2항에 있어서, 상기 나선형 구조는

지름이 다른 두개의 반원을 원주면의 일측만 어긋나도록 원주면이 서로 결합한 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 광섬유 레이저의 클래딩 구조
제1항에 있어서, 상기 광섬유 레이저는

광섬유 클래딩의 표면으로 펌핑광의 입사를 증가시키기 위하여, 휘거나 구부려서 광전달 경로를 변화시키는 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 광섬유 레이저의 클래딩 구조
제1항에 있어서, 상기 적분 불가능한 양자혼돈이 발생하는 구조에서 모서리에 각이 있을 때 이를 곡면 처리한 것을 특징으로 하는 광섬유 레이저의 클래딩 구조
레이저 매질로 이루어진 코어부분과 이를 둘러싼 내부 클래딩과 상기 내부 클래딩을 둘러싼 외부클래딩으로 이루어진 이중 클래딩 광섬유 레이저에 있어서,

상기 클래딩은 단면이 적분불가능한 양자혼돈이 발생하는 구조를 가지고 있어, 클래딩을 입사된 펌핑광이 클래딩의 표면에 반사한 후 광섬유 코어를 펌핑하며,

상기 적분불가능한 양자혼돈이 발생하는 구조는, 광의 입사시에 광의 초기 진행방향이 조금만 달라도 이후에 완전히 다른 진행방향을 가지는 불안정 괘적을 가지는 구조인 것을

특징으로 하는 이중 클래딩 광섬유 레이저의 클래딩 구조
제6항에 있어서, 상기 적분 불가능한 양자혼돈이 발생하는 구조는

나선형 구조, 부미노비치 스타디움 구조, 하트형의 구조인 것을 특징으로 하는 이중 클래딩 광섬유 레이저의 클래딩 구조
제7항에 있어서, 상기 나선형 구조는

지름이 다른 두개의 반원을 원주면의 일측만 어긋나도록 원주면이 서로 결합한 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 이중 클래딩 광섬유 레이저의 클래딩 구조
제6항에 있어서, 상기 광섬유 레이저는

광섬유 클래딩의 표면으로 펌핑광의 입사를 증가시키기 위하여, 휘거나 구부려서 광전달 경로를 변화시키는 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 이중 클래딩 광섬유 레이저의 클래딩 구조
제6항에 있어서, 상기 적분 불가능한 양자혼돈이 발생하는 구조에서 모서리에 각이 있을 때 이를 곡면 처리한 것을 특징으로 하는 이중클래딩 광섬유 레이저의 클래딩 구조