KR101083677B1 - 광선의 스페클 콘트라스트 제어장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 광선의 스페클 콘트라스트 제어장치에 관한 것으로서 반지름 방향으로 진동하는 원통형 압전소자(Piezoelectric Transducer, PZT); 및 광섬유의 코어 안에 도파되는 광선의 모드가 적어도 하나 이상인 다중모드 광섬유(Multi-Mode Fiber, MMF)를 포함하고, MMF는 PZT에 감겨 있으며, PZT가 반지름 방향으로 진동하는 동안 광선이 MMF를 통과하는 것을 특징으로 하며, 단일모드 광섬유(Single-Mode Fiber, SMF)를 사용함으로써 발생할 수 있는 여러 문제점들을 피하면서 균질한 광선을 형성한다.

Description

광선의 스페클 콘트라스트 제어장치{apparatus of controlling speckle contrast of light}

본 발명은 광선의 스페클 콘트라스트 제어장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 반지름 방향으로 진동하는 원통형 PZT에 MMF가 감겨있는 광선의 스페클 콘트라스트 제어장치에 관한 것이다.

광섬유는 코어(Core), 클래딩(Cladding), 그리고 코팅(Coating)의 구조로 구성되어 있다. 코어는 광신호 자체를 운송하며, 클래딩은 광신호를 코어에 유지시키는 역할을 한다.

MMF는 광섬유 코어 안에 도파되는 빛의 모드가 여러 개인 광섬유를 말한다. 이 광섬유는 코어의 직경이 대개 50㎛ 이상이며, 계단형 굴절률 광섬유와 언덕형 굴절률 광섬유가 있다. SMF는 광섬유 코어의 직경을 작게 하고, 하나의 모드만 도파시키는 광섬유를 말한다.

광섬유에서의 빛의 전파는 맥스웰(Maxwell) 방정식으로 나타내어질 수 있다. 빛이 전파되는 매질의 굴절률 등의 재료상수와 광섬유의 코어와 클래딩(광도파로나 광섬유에서 코어를 둘러싸고 있는 굴절률이 낮은 영역)에서의 경계치 조건을 맥스 웰 방정식에 대입하면 광섬유에 따라 도파되는 광파의 파동방정식이 만들어진다. 이 파동방정식을 풀면 전자장(Electromagnetic Field) 분포를 알 수 있게 된다. 이러한 광섬유를 따라 존재하는 전자장 분포를 광섬유의 모드(Mode)라고 한다.

빛이 MMF를 통해 도파될 때, 모드간의 간섭으로 인해 광섬유 출력부에서 생기는 지저분한 형태의 스페클(speckle)을 감소시키기 위한 방법으로 공간 간섭성 조절과 시간 간섭성 조절이 있다. 두 경우 모두 광원에서의 간섭성을 조절하는 방법으로, 1) 광섬유 자체에 떨림과 같은 외부 섭동(External Perturbation)을 주거나 2) 서로 다른 주파수의 광원을 동시에 입사시키는 방법 등을 예로 들 수 있다. 공간 간섭성을 조절하는 1)의 경우, 광섬유를 원운동 하는 회전판에 설치하여 도파되는 빛의 위상에 변화를 준다. 그렇게 되면 출력부에서 무작위로 분포하는 스페클들이 시간이 지남에 따라 그 위치를 변화하며 마치 물이 끓는 듯한 모습을 보이는데, 일정 시간 동안 그러한 모습의 사진을 여러 장 찍어 광도 기반으로 전체 평균하면 스페클이 줄어든 형태의 이미지를 얻는다. 이와 같이 후보정을 요구하는 과정은 실시간으로 안정된 형태의 광선을 요구하는 레이저 가공이나 디스플레이 응용에서 치명적인 단점으로 작용할 뿐 아니라, 전하 결합 소자(Charge-Coupled Device, CCD)를 검출기로 채택할 시 포화 효과를 야기한다. 2)의 경우, 서로 다른 진동수를 가지는 광원을 비간섭적으로 주사시켜 시간 간섭성을 조절한다. 펄스 레이저에도 유효하다는 장점이 있지만, 이 역시 여러 이미지를 평균하는 후보정 과정을 동반하며, 가격적인 측면에서도 부담이 되고 구성 시스템의 크기나 복잡함도 매우 커지므로 집적 회로로 발전하는데 큰 장애가 된다.

따라서 본 발명이 해결하고자 하는 첫 번째 과제는 집적회로에 집적가능하면서 SMF를 사용함으로써 발생할 수 있는 여러 문제점들을 피하면서 균질한 광선 형성이 가능한 광선의 스페클 콘트라스트 제어장치를 제공하는 것이다.

본 발명은 상기 첫 번째 과제를 달성하기 위하여, 반지름 방향으로 진동하는 원통형 PZT; 및 광섬유의 코어 안에 도파되는 광선의 모드가 적어도 하나 이상인 MMF를 포함하고, 상기 MMF는 상기 PZT에 감겨 있으며, 상기 PZT가 반지름 방향으로 진동하는 동안 상기 광선이 상기 MMF를 통과하는 것을 특징으로 하는 광선의 스페클 콘트라스트 제어장치를 제공한다.

또한, 상기 MMF는 유리 코어와 중합체 클래딩으로 구성될 수 있으며, 대표적으로 하드 폴리머 클래드 파이버(Hard Polymer-Clad Fiber, HPCF)가 있다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 MMF로부터 출력된 광선을 통과시키는 대물렌즈; 및 상기 대물렌즈를 통과한 광선을 입력받아 통과시키는 별도의 MMF를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 MMF로부터 출력된 광선을 통과시키는 대물렌즈; 및 상기 대물렌즈를 통과한 광선을 적어도 2개 이상의 광선으로 분리하는 광선 분리기를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 의하면, 상기 다중모드 광섬유의 단면형상은 D자 형태로 구성될 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 라디오 주파수(Radio Frequency, RF)로 진동하는 정현파(Sine Wave) 전압을 상기 PZT에 인가함으로써, 상기 PZT가 반지름 방향으로 진동한다.

또한, 상기 RF가 상기 PZT의 자연 진동수(Natural Frequency)일 때 상기 광선의 스페클 콘트라스트가 최소가 된다.

본 발명에 따르면, 반지름 방향으로 진동하는 원통형 PZT에 감겨 있는 MMF에 광선을 도파시킴으로써, SMF를 사용함으로써 발생할 수 있는 여러 문제점들을 피하면서 균질한 광선 형성이 가능하므로 광섬유 가공 산업에서 중요한 역할을 할 수 있다. 또한, 본 발명에 따르면, 광선 분리기에 의한 분기에 상관없이 가상의 불완전한 간섭성(Virtual Partial Coherence, VPC)이 유지되는 점을 감안하여 색 합성기 및 분배기에 효과적으로 응용할 수 있다. 여기서"가상의" 라는 용어는 광원의 공간 간섭성 저하를 의미한다. 나아가, 본 발명에 따르면, 도파되는 빛의 위상 변화와 더불어 광섬유가 구부러졌을 때 생기는 모드간의 결합을 적용하여 높은 초당 프레임 수(Frames Per Second, fps)에서도 유효한 효과를 내므로 후보정 작업이 필요치 않은 실시간 광선 균질기를 제작할 수 있다. 또한 본 발명에 따르면 그 원리가 매우 간단하여 제작이 용이하고 구성 시스템의 크기가 상당히 작아 집적 소자로서의 발전도 가능하다.

이하, 바람직한 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 그러나 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이에 의하여 제한되지 않는다는 것은 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.

본 발명에서는 반지름 방향으로 진동하는 원통형 PZT에 축을 중심으로 MMF를 팽팽하게 감은 뒤, PZT에 RF 영역의 정현파 형태로 전기 신호를 주고 PZT를 진동시켜 MMF가 음향 광학적 효과를 받도록 유도한다. 음향 광학적 효과란 떨림과 같은 외부 섭동에 의한 광섬유를 구성하는 물질의 유효 굴절률에 변화를 주는 효과이다. RF란, 약 3 Hz부터 300 GHz까지의 주파수로서, 이 범위의 주파수는 전파를 생성/감지하는데 사용되는 교류 전기 신호의 주파수에 대응한다.

유효한 음향 광학적 효과를 내기 위해 PZT의 떨림이 MMF에 잘 전달돼야 하므로, MMF가 끊기지 않는 조건하에서 최대한 팽팽하게 PZT의 외벽둘레 맞대는 것이 중요하다. 이때 MMF가 비틀림 없이 최대한 팽팽하게 PZT에 권선되도록 하기 위해 광섬유의 단면 형상을 D자 형태로 구성하고, 그 평평한 면을 PZT의 외벽둘레에 맞대게 할 수 있다.

광선이 지나가는 광도파로(Optical Waveguide)가 외부에서 교란을 받을 때, 위상변조 및 광도파로를 지나는 광선의 모드들 간의 결합 때문에 광도파로 출력부에서 광선의 패턴 분포는 변조(Modulation)된다. 공간상의 모드들(spatial modes)을 균질하게 하기 위해서는 반송파 위상(Carrier-Phase)이 검출 시스템의 반응 시간보다 시간 스케일에서 상대적으로

라디안 이상 더 빠르게 변해야 한다. 광도 파로는 광전력(Optical Power)을 도파할 수 있는 구조로서, 광통신에서 광신호를 전달하도록 설계된 광섬유가 대표적이다.

모드 결합에 의한

번째 모드의 전력 변화는 다음의 수학식 1과 같이 나타내어진다.

여기서,

은 광도파로를 지나는 광선들의 모드

과

사이의 전력 결합 계수,

은 모드

의 초기 전력,

은 광도파로에 있는 모드들의 총 수를 의미한다. 만일 전파 위치(Propagation Position)

에 따른 광섬유 변형 함수

가 광섬유 길이

에 대하여 알려져 있는 경우, 길이

에 대한 모드

과

사이의 전력 결합 계수는 다음의 수학식 2와 같이 나타내어진다.

여기서

은 광섬유 구조에 따른 상수이고,

은 다음의 수학식 3과 같이 나타내어진다.

여기서

과

은 각각 모드

과

의 전파 상수(Propagation Constant)이다. 이상의 수학식 1, 2, 3을 이용하여 도 1에 도시된 압전소자-광섬유 조합(Piezo-Fiber Assembly, PFA)에 진동을 가할 때의 변화를 이하 살펴보기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 PFA의 개념도 및 진동을 가할 때의 변화를 나타낸다. 도 1(a)은 사용된 HPCF의 구조 및 크기와 굴절률 분포를 나타내고, 도 1(b)은 PZT가 전기 신호에 의해 반지름 방향으로 팽창할 때를 전후하여 PZT에 감긴 광섬유에 일어나는 변화를 개략적으로 나타낸다.

따라서 도 1에 도시된 PFA에서의

은 다음의 수학식 4와 같이 수정될 수 있다.

여기서

는 PZT 둘레에 감긴 코일의 총 수이고,

은 PZT에 1회전 감긴 길이에 대한 광섬유 변형 함수이고,

는 PZT의 초기 바깥 반지름이다. 따라서 수학식 4에 포함된

은

로 다시 표현될 수 있다. 이 때

는 광섬유가 원형으로 굽혀짐에 따른 변형 함수이고,

은 PZT 반지름의 증가분이다. PZT에 감긴 광섬유는 전반에 걸쳐 동시에 팽창하기 때문에

은 전파 위치에 독립적인 요소이다. 만일 정현파 전압(

,

는 진폭,

는 각 주파수,

는 시간)을 PZT에 인가하는 경우, PZT의 진동하는 반지름 증가분

은 다음의 수학식 5와 같이 표현된다.

여기서

은 각주파수

의 함수로서, 단위 전압 당 진폭을 의미한다. 시간에 따른 변화량이 모드간의 결합에 영향을 미치므로

으로부터 시간 독립적인 함수

를 제외하고 수학식 4의

을 다시 표현하면 다음의 수학식 6과 같다.

여기서

함수는 정규화(Normalization) 되었다. 수학식 6을 수학식 2에 대입하면 다음의 수학식 7과 같은 결과를 얻는다.

여기서

이다.

수학식 7에 따르면, 광섬유 구조에 따른 상수

, PZT의 재료적 및 전기적 특성을 나타내는

, 광섬유를 압전소자에 감은 횟수

, PZT에 인가된 전압의 진폭

와 같은 요소에 의해 모드 결합이 영향 받음을 알 수 있다. 모드 결합 상수

은 전파 상수 차이(

)에 따른

함수에 비례한다. 전파 상수 차이(

)는 고차 모드들 사이에서 작은 값을 가지므로, 변수가 0에 가까울수록 높은 값을 갖는

함수의 성질 때문에 광섬유 내에서 도파된 광선의 모드간 결합은 낮은 차수의 모드들 사이에서보다 높은 차수의 모드들 사이에서 효율적일 것이다.

는

와

에 동시에 의존하므로 모드 결합의 효율을 극대화시키기 위해서는

가 최적화 되어야 한다.

이러한 모드 결합과 위상변조에 의해 PFA를 통과하는 광선은 VPC를 갖도록 변한다. 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 광선의 스페클 콘트라스트 제어장치에서의 VPC는 광섬유의 길이나 분기되는 개수에 관계없이 일정하게 유지되는 것을 알 수 있다. 이러한 특성은 레이저 가공장치, 외과수술, 및 디스플레이 응용장치 등에 특히 유용하다.

한편, 광섬유 내에서 도파되는 빛의 모드가 많을수록 광섬유 출력부에 분포하는 스페클 형상이 중첩되어 균질해질 확률이 높으므로, 사용되는 MMF의 코어 직경은 클수록 유리하다. 큰 코어 직경에 더하여 광섬유의 효율적인 음향 광학적 효 과 유도를 위해 클래딩이나 코팅에 의한 방해 효과를 최소로 하여 광섬유가 PZT의 진동에 민감하게 반응하도록 한다. 이러한 목적에 부합하는 상용화 된 제품으로 SSCP사의 HPCF를 들 수 있다. 이 광섬유는 직경이 200㎛의 유리 코어를 가지며 그 바깥으로 15㎛ 두께의 중합체 클래딩으로 둘러싸여 있다. 이 HPCF를 바깥직경 38mm, 두께 2mm, 높이 38mm인 미국 EDO Corporation사의 원통형 PZT EC-64의 축을 중심으로 끊어지지 않으면서도 최대한 팽팽하게 20번 감은 뒤 에폭시로 견고하게 부착하여 PFA를 만든다. 사용된 PZT는 정현파 형태의 전기신호를 가해줄 때 이론적인 분석에 의해 24kHz 부근에서 자연 진동수를 취하고, 반지름 방향으로 최대의 진폭을 가지면서 같은 진동수로 떨게 된다. 이러한 떨림이 HPCF에 음향 광학적 효과를 유도하여 위상 변화와 모드 결합을 발생시켜 매우 짧은 시간에도 충분한 평균효과를 내므로, 광섬유 출력부에서 얼룩이 없는 균질한 광선을 실시간으로 얻을 수 있다. 실제로 30 fps CCD 카메라가 검출기로 사용된 실험에서 실시간으로 균질한 형태의 광선이 확인되었고, 100 fps에 상당한다는 사람의 눈으로도 안정적이고 균질한 광선을 확인할 수 있다.

도 2는 최소의 스페클 콘트라스트 조건을 찾기 위해 자연 진동수 부근에서 10 피크전압(Peak-to-Peak Voltage, Vpp)으로 함수 생성기의 구동 주파수를 미세하게 변화시켜가며 콘트라스트 값을 측정한 그래프이다.

실험에 사용된 HPCF는 200㎛ 직경의 유리 코어, 15㎛ 두께의 중합체 클래딩으로 구성된다. HPCF는 코어 굴절률과 클래딩 굴절률이 각각 1.45와 1.40인 계단형 굴절률 구조를 갖는다. HPCF의 개구수(Numerical Aperture, NA)는 0.37에서 0.48에 이르는 값을 갖는다. NA라 함은, 광학 렌즈의 성질을 나타내는 척도의 하나이다. 확대경을 이용하여 태양광을 집광하면 밝기가 증가하여 종이를 태울 수 있는 예처럼, 렌즈에 평행광선을 입사시키면 렌즈를 통과한 빛은 초점에서 한 점에 집광된다. 이 때 렌즈의 끝단과 초점을 잇는 선이 렌즈의 중심과 초점을 잇는 선에 이루는 각을

라 하면, 이의 정현값을 NA라 한다. 일반적인 광섬유가 유리 코어와 유리 클래딩을 갖는 반면, HPCF는 유리 코어와 중합체 클래딩을 갖는다. HPCF가 훨씬 더 큰 직경의 코어 및 더 큰 코어-클래딩 굴절률 차이를 가지기 때문에 일반 광섬유보다 더 많은 모드를 유지한다.

납-지르코산염-티탄산염(Lead-Zirconate-Titanate)으로 제작된 원통형 PZT 둘레에 5미터 길이의 HPCF를 상기의 방법대로 부착한다. 실험결과 HPCF를 20번을 초과하여 감는 경우, 강력한 모드 결합 및 구부림으로 인한 광학적 손실로 인해 출력부에서 낮은 전력의 가우시안 광선(Gaussian Beam)이 관찰되므로 감는 횟수가 20회를 넘지 않도록 한다. RF 영역의 정현파 구동 신호가 PZT에 인가되면 광섬유는 반지름 방향으로 팽창하는 PZT에 의해 진동하여 음향 광학적 효과를 받게 되므로, 상기에 기술한대로 도파되는 빛의 위상변조 및 모드간 결합이 발생하게 된다.

이하에서는 HPCF로 이루어진 PFA에 대하여 구동 주파수에 따른 스페클 감소 영향을 살펴보기로 한다. 스페클의 정도를 나타내는 단위로 가장 많이 사용되는 물리량이 콘트라스트인데 이는 수학식 8과 같이 선택된 영역에서의 광도의 표준편차를 평균값으로 나누어 나타내며 그 값이 작을수록 출력부의 광선이 균질함을 의미 한다.

여기서

는 광도(Intensity),

는 광도의 평균값,

는 스페클 형상 내에서의 광도의 표준편차이다.

이 증가함에 따라 변조 효과는 증가하고, 스페클 콘트라스트가 감소된다. 실험결과 PZT의 자연 진동수(24.16kHz)에서 스페클 콘트라스트가 최소가 된다. 스페클 콘트라스트와 구동 주파수의 관계를 나타낸 도 2를 참조하면, 근접장 및 원거리장 모두 24.16kHz에서 최소의 콘트라스트 값을 가짐을 알 수 있으나 그 정도를 비교했을 때 근접장에서의 효과가 원거리장에서의 효과보다 훨씬 큰 것을 알 수 있다.

도 3은 PZT에 실험적으로 구한 자연 진동수 24.16kHz 및 구동 전압 40Vpp를 가했을 때 근접장 및 원거리장에서 광섬유 출력부에 해당하는 단면을 찍은 실제 사진이다.

는 녹색 원 안 영역에 해당하는 광도의 콘트라스트 값을 말하며, 도 2와 비교해 봄으로써 구동전압은 10Vpp이건 40Vpp이건 별 차이가 없음을 알 수 있다. 도 3의 아래 부분은 녹색 직선으로 표시된 부분의 20배 확대된 사진인데 주기적인 무늬가 있음을 알 수 있다. 이는 간섭에 의한 결과가 아닌 CCD 카메라 성능으로 인해 발생하는 것으로 고려 대상은 아니지만, 선 광도 분포를 측정하거나 콘트라스트를 계산할 때 품질저하를 일으킬 수 있음을 염두에 두어야 한다.

도 3을 참조하면 PZT가 진동하지 않는 경우 높은 콘트라스트를 갖는 현저한 스페클을 HPCF 출력부에서 관찰할 수 있다. 반면 PZT가 진동하는 경우, 모드 결합과 위상변조에 의해 스페클 콘트라스트가 눈에 띄게 감소하였다. 근접장에서 콘트라스트 값이 0.124에서 0.088까지 감소하여 29%의 콘트라스트 감소율을 보였으며, 원거리장에서 0.221에서 0.192까지 감소하여 13.1%의 감소율을 보였다. 높은 감소율은 HPCF의 중합체 클래딩이 일반 광섬유보다 외부 진동에 민감하게 반응하는 특징에 기인한다.

도 4는 도 3에서 녹색 직선으로 표시된 부분의 광도 분포이다. PZT가 떨림으로써 지저분한 선 광도 분포가 크게 진정되어 근접장의 경우 플랫-탑(Flat-Top) 형태를, 원거리장의 경우 가우시안과 흡사한 형태를 보인다. 도 4에서는 통계적인 분석을 위해 절대광도

대신에 상대광도

를 사용한다. 광도의 평균값은 도 3에 도시된 녹색 원들 내 영역으로부터 얻을 수 있다.

다음으로, 간섭성을 가지는 광원이 HPCF를 통한 장거리 도파 및 분기할 때에 PZT 진동에 미치는 영향을 살펴보기로 한다.

도 5는 PFA를 통과한 광선이 대물렌즈를 통해 길이 100미터의 HPCF에 입사됐을 때 PZT 진동에 따른 출력부에서의 변화를 보여준다.

PFA를 통과한 광선이 20배율의 대물렌즈를 거쳐 100미터 길이의 HPCF에 다시 입사되었을 때의 출력은 도 5에 도시된 바와 같다. 진동이 없는 경우 콘트라스트가 0.135이지만, 진동이 있는 경우 0.088로 감소하였다.

도 6은 PFA를 통과한 광선이 20배율의 대물렌즈를 통해 1×3 HPCF 광선 분리기에 입사됐을 때 각 출력부에서의 변화를 보여준다. PZT가 진동하는 경우 스페클 콘트라스트가 진동하지 않는 경우에 비하여 감소하였음을 알 수 있다. 도 5와 도 6을 고려할 때, 간섭성의 광원이 PFA를 통해 VPC를 가지게 되면 도파 길이나 분기수에 상관없이 계속 그 성질을 유지함을 알 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 광선의 스페클 콘트라스트 제어장치의 가장 큰 특징은 매우 효과적인 얼룩 감소 및 균질 광선 생성이라는 장점에도 불구하고 구성하는 시스템의 크기가 매우 작다는 것이다. 총 직경 230㎛의 HPCF를 촘촘히 20번 감는다고 가정하더라도 축의 길이가 5mm 이하가 된다. 본 발명의 타당성을 증명하기 위한 실험에서는 높이가 38mm인 PZT가 사용되었으나 기존에 발표된 논문을 참고하면 알 수 있듯이 이론적으로나 실험적으로나 원통형 PZT의 높이가 반지름 방향으로의 진동에 미치는 영향은 없다. 따라서 고안된 소자는 가로×세로×높이의 크기를 38mm×38 mm×5mm로 집적할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 광선의 스페클 콘트라스트 제어장치는 이론적으로 구한 자연 진동수 부근에서 가장 낮은 콘트라스트 값을 나타내는 진동수를 실험적으로 결정한 뒤, 신호발생기를 이용해 해당 진동수를 일정하게 가해주기만 하면 되므로 작동 절차가 매우 간단하다. HPCF의 구조 특성상 구부림에 의한 강력한 모드 결합 때문에 다른 일반 다중모드 광섬유의 경우처럼 PZT에 높은 전압을 인가할 필요가 없으므로 증폭기도 필요하지 않다. 실제로 40Vpp를 사용한 결과가 10 Vpp에서의 결과와 오차 범위 내에서 같음을 알 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 광선의 스페클 콘트라스트 제어장치는 광섬유 레이저를 이용한 가공에 활용될 수 있다. “Fiber Laser Market Review and Forecast”에 따르면 광섬유를 이용하는 레이저 기술은 킬로와트(kW)급 레이저 시장에서 이미 20억 달러의 커다란 점유를 기록한 바 있다. 또한 산업용 레이저 시장에서 2010년까지 35%의 놀라운 성장률을 보일 것으로 예상된다. 위의 광섬유 레이저에는 에르븀 첨가 광섬유 증폭기(Erbium doped fiber amplifier, EDFA) 외에도 일반적으로 SMF가 사용되는데, 출력부에서의 광선이 가우시안 형태를 띤다는 장점이 있으나, 광원을 광섬유에 입사시킬 때 발생하는 낮은 연결 효율이나 고출력에 의한 광섬유 자체의 광학적 손상 및 불안정함 등의 단점이 있어 쓰임새에 한계가 있었다. 고안된 광섬유기반 광선 균질기는 MMF를 사용하여 위에서 언급된 문제들을 해결함과 동시에 모드간의 간섭에 의한 스페클 문제를 해결하여 광섬유 레이저 시스템에서 사용가능한 광섬유의 자유도를 늘린다. 이는 계속적으로 성장하는 광섬유 레이저 가공 시장에서 충분한 가치를 발휘할 것으로 기대된다. SMF가 아닌 HPCF를 사용함으로써 균질한 광선 형성이 가능하므로 광섬유 가공 산업에서 중요한 역할을 할 수 있다. 기존의 SMF는 출력부가 가우시안 형태를 나타내므로 광선의 가장자리가 중심부보단 덜 깎이는 문제가 있었지만 본 발명의 경우 플랫-탑 형태를 나타내어 광선을 쬐어주는 전 구간에 걸쳐 균질한 가공 효과를 나타낼 것이다. 실험은 파장이 635nm인 헬륨네온 레이저에 대해서만 행하여졌지만 532nm 파장의 녹색 및 473nm 파장의 파란색 광원의 경우에도 동일하게 적용될 수 있으므로 분기에 상관없 이 VPC가 유지되는 점을 감안하여 색 합성기 및 분배기에 효과적으로 응용할 수 있다. 최근 보고된 3개 출력부 광섬유 기반 색 합성기는 현재 일반적으로 사용되는 액정화면(Liquid Crystal Display, LCD)의 백라이트 유닛(back light unit, BLU)을 이용한 방법보다 훨씬 더 다양한 색과 순백색의 광원을 생성할 수 있어 발광다이오드(Light-Emitting Diode, LED) 기반 BLU의 또 다른 대안으로 관심을 받고 있다. 모드간의 간섭으로 인해 나타나던 스페클 때문에 지금까지는 LED만이 사용되었지만, 고안된 기술은 높은 간섭성의 레이저 및 레이저 다이오드(Laser Diode, LD)도 사용 가능하게 하여 광섬유 기반 디스플레이 응용의 폭을 넓힐 것으로 기대된다. 그 밖에도 간섭성에 기인하는 스페클 문제로 인해 레이저 광원이 사용되지 못했던 그 밖의 많은 분야에 사용될 것으로 기대된다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 PFA의 개념도 및 진동이 가해졌을 때 광섬유 단면의 변화를 나타낸다.

도 2는 최소의 스페클 콘트라스트 조건을 찾기 위해 자연 진동수 부근에서 10 Vpp로 함수 생성기의 구동 주파수를 미세하게 변화시켜가며 콘트라스트 값을 측정한 그래프이다.

도 3은 PZT에 실험적으로 구한 자연 진동수 24.16kHz 및 구동 전압 40Vpp를 가했을 때 근접장 및 원거리장에서 광섬유 출력부에 해당하는 단면을 찍은 실제 사진이다.

도 4는 도 3에서 녹색 직선으로 표시된 부분의 광도 분포이다.

도 5는 PFA를 통과한 광선이 대물렌즈를 통해 길이 100미터의 HPCF에 입사됐을 때 PZT 진동에 따른 출력부에서의 변화를 보여준다.

도 6은 PFA를 통과한 광선이 대물렌즈를 통해 1×3 HPCF 광선 분리기에 입사됐을 때 각 출력부에서의 변화를 보여준다.

Claims (8)

1. 반지름 방향으로 진동하는 원통형 PZT; 및

   광섬유의 코어 안에 도파되는 광선의 모드가 둘 이상인 MMF를 포함하고,

   상기 도파된 광선의 모드간 결합은 낮은 차수의 모드들 사이에서보다 높은 차수의 모드들간 결합을 이용하고,

   상기 MMF의 코어 직경이 클수록 스페클 감소 효과가 커지며,

   공간상의 모드들을 균질하게 하기 위해서 반송파 위상이 검출 시스템의 반응 시간보다 시간 스케일에서 상대적으로 2π 라디안 이상 더 빠르게 변하며,

   상기 MMF는 상기 PZT에 감겨 있으며, 상기 PZT가 반지름 방향으로 진동하는 동안 상기 광선이 상기 MMF를 통과하는 것을 특징으로 하는 광선의 스페클 콘트라스트 제어장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 MMF는 유리 코어와 중합체 클래딩으로 구성된 것을 특징으로 하는 광선의 스페클 콘트라스트 제어장치.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 MMF는 HPCF인 것을 특징으로 하는 광선의 스페클 콘트라스트 제어장치.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 MMF로부터 출력된 광선을 통과시키는 대물렌즈; 및

   상기 대물렌즈를 통과한 광선을 입력받아 통과시키는 별도의 MMF를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광선의 스페클 콘트라스트 제어장치.
5. 제 3 항에 있어서,

   상기 MMF로부터 출력된 광선을 통과시키는 대물렌즈; 및

   상기 대물렌즈를 통과한 광선을 적어도 2개 이상의 광선으로 분리하는 광선 분리기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광선의 스페클 콘트라스트 제어장치.
6. 제 3 항에 있어서,

   상기 MMF의 단면형상은 D자 형태로 구성되어 있고, 상기 MMF의 단면의 평평한 면이 상기 원통형 PZT의 외벽둘레와 맞대어져 있는 것을 특징으로 하는 광선의 스페클 콘트라스트 제어장치.
7. 제 3 항에 있어서,

   RF로 진동하는 정현파 전압을 상기 PZT에 인가함으로써, 상기 PZT 반지름 방향으로 진동하는 것을 특징으로 하는 광선의 스페클 콘트라스트 제어장치.
8. 제 7 항에 있어서,

   상기 RF가 상기 PZT의 자연 진동수일 때 상기 광선의 스페클 콘트라스트가 최소가 되는 것을 특징으로 하는 광선의 스페클 콘트라스트 제어장치.

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