KR101268569B1 - 포화광 흡수체 거울과 광학 필터를 이용한 극초단 광섬유 레이저 공진기 - Google Patents

포화광 흡수체 거울과 광학 필터를 이용한 극초단 광섬유 레이저 공진기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 포화광 흡수체 거울과 광학 필터를 이용한 극초단 광섬유 레이저 공진기에 관한 것으로, 레이저 펌핑 광을 출사하는 펌핑 광원, 상기 펌핑 광원에서 출사되는 펌핑 광의 파장을 공진기 내부로 입사시키는 파장분할기, 상기 파장분할기를 통해 입사하는 광을 이용하여 발진기 내부 공진 광을 증폭시키는 이터븀 첨가 광섬유, 공진기 광경로를 구성하는 단일 모드 광섬유 및 공진기 내부 광을 모드 잠금하기 위한 펄스 발진부;를 포함하여 공진기를 구성하고, 상기 펄스 발진부는, 편광을 조절하여 원하는 경로를 설정하는 파장판(wave plate), 한 방향 공진을 유도하는 광 차폐기(optical isolator), 공진을 통해 넓어지는 스펙트럼의 양 끝단을 제거하여 안정적인 공진이 가능토록 하는 광학 필터(optical filter) 및 광량 기반 모드 잠금 현상을 유도하기 위한 포화광 흡수체 소자를 포함하여 구성된다.

Description

포화광 흡수체 거울과 광학 필터를 이용한 극초단 광섬유 레이저 공진기{The ultrafast fiber laser resonator based on saturable absorber mirror(SAM) and optical filter}
본 발명은 포화광 흡수체 거울과 광학 필터를 이용한 극초단 광섬유 레이저 공진기에 관한 것으로, 좀 더 상세히는 포화광 흡수체 거울과 광학 필터를 사용하고, 단일모드 광섬유, 펌프 레이저 다이오드(LD), 파장 분할기(WDM), 광 커플러(coupler), 광 차폐기(isolator), 파장판(wave plate), 희토류 첨가 광섬유(rare-earth doped fiber) 등을 구성 부품으로 하여 중심 파장 1 ~ 1.07 ㎛의 펄스를 생성하는 공진기에 관한 것이다.
광섬유 기반 펨토초 레이저 공진기는 크게 'ring-type'과 'figure eight type' 그리고 'Fabry-Perot type'으로 나눌 수 있다. 'ring-type'에서는 NPE(nonlinear polarization evolution) 현상 및 광량에 따라 다른 투과, 흡수 특성을 보이는 포화 흡수체(saturable absorber)를 이용하여 수동 모드 잠금(passive mode locking)을 실현하여 좁은 펄스를 생성한다. 'Fabry-Perot type'의 경우 'ring-type'과는 달리 발진기 내부에서의 펄스의 진행 방향이 양방향이기 때문에 주로 포화 흡수 거울(saturable absorber mirror)을 이용하여 좁은 펄스를 생성한다. 반면 'figure eight type'의 경우는 두 개의 공진 루프(loop)를 광섬유 커플러(fiber coupler)를 통해 연결한 시스템으로 시계 방향과 반시계 방향으로 공진하는 펄스 간 비선형 현상의 차이를 이용하여 좁은 펄스를 생성한다.
모드 잠금은 레이저 공진기에서 발진기의 길이에 해당하는 반복률을 갖고 좁은 펄스 형태로 출력이 발진되는 것을 지칭하며 펄스의 첨두 출력이나 평균 출력이 안정적인 특징을 갖는다.
모드 잠금된 발진기에서 얻어지는 주파수 축에서의 종모드(longitudinal modes)들은 위상이 일정한 상수 값으로 고정되어 있어 주파수 측정, 길이 측정, 시간 및 주파수 표준, 분광학 등의 분야에 널리 응용이 가능하다.
모드 잠금은 크게 능동 모드 잠금(active mode locking)과 수동 모드 잠금(passive mode locking), 그리고 이 둘의 조합으로 구성된 조화 모드 잠금(hybrid mode locking)으로 크게 나눌 수 있다. 능동 모드 잠금은 레이저 공진기에 가해주는 펌프 광의 에너지 및 발진기 내부에서 발생하는 손실을 레이저 공진기의 반복률에 맞춰 주기적으로 변화를 가해줌으로써 펄스를 생성하는 방식으로 시스템이 상대적으로 복잡하고 좁은 펄스의 형성이 어려운 단점이 존재한다. 수동 모드 잠금의 경우 앞서 언급된 NPE(nonlinear polarization evolution)이나 포화 흡수(saturable absorption) 현상을 이용하여 광량에 따른 펄스의 편광 변화 및 손실 차이를 이용함으로써 펄스를 생성하는 방식으로 시스템이 간단하며 좁은 펄스 폭을 얻을 수 있는 장점이 있다.
분산과 펄스 폭과의 관계는 좁은 펄스를 형성하기 위해서는 펄스의 주파수 대역이 넓어야 한다. 레이저 공진기 내부를 공진하는 주파수가 다른 여러 모드들은 광 경로의 차이를 겪게 되며 이로 인해 모드 간 위상의 차이가 누적되는데 이는 좁은 펄스 폭과 우수한 펄스 특성을 얻는 경우에 있어서 단점으로 작용한다. 흔히 분산이라 하면 군속도 분산(group velocity dispersion)을 뜻하며 군속도 분산과 더불어 고차 분산 또한 좁은 펄스 폭의 형성에 중요한 역할을 한다. 가장 이상적인 펄스를 얻기 위해서는 군속도 분산뿐 아니라 모든 고차 분산이 0이 되도록 해야 한다.
광섬유의 분산은 광섬유를 구성하는 재료에 의해 발생하는 material dispersion과 광섬유 구조에서 기인하는 waveguide dispersion으로 크게 나눌 수 있다. Er 첨가 광섬유(Erbium doped fiber)를 증폭 매질로 하는 1.5 ㎛대역의 광섬유 발진기의 경우 material dispersion의 기본 특성으로 인해 정상 분산(normal dispersion)과 비정상 분산(anomalous dispersion)을 갖는 광섬유의 제작이 상대적으로 수월하여 적절한 광섬유들의 조합만으로도 0에 근접하는 분산 값을 갖는 발진기를 제작 가능하다. 반면 Yb 첨가 광섬유(Ytterbium doped fiber)를 증폭 매질로 하는 1 ㎛ 대역의 광섬유 발진기의 경우 대부분의 광섬유들은 정상 분산 값을 가짐에 따라 광섬유의 조합만으로는 0에 근접하는 분산 값을 가질 수 없으며, 안정적인 펄스의 발진을 위해 발진기 내부에 회절격자 쌍이나 FBG(fiber Bragg grating)등의 정상 분산을 보상할 수 있는 소자를 사용하여 좁은 펄스의 발진기를 제작한다.
레이저 가공은 비접촉식으로 레이저 광과 재료가 반응하여 국부적인 면적에 에너지를 가하여 가공하는 기술로 레이저 광의 파장, 펄스 폭, 에너지, 반복률, 펄스 수, 편광 상태 등 레이저 광의 특성에 따라 다양한 가공물을 얻을 수 있다. 위의 인자들에 대한 제어를 통해 대상 가공 재료와 소비자의 요구에 맞는 가공을 할 수 있다. 레이저 빔은 집속력이 매우 뛰어나며, 알맞은 렌즈를 통해 원하는 작은 집속 크기를 만들 수 있다. 이를 통해 수 ㎛에서 수백 nm까지의 매우 작은 영역 가공이 가능하며, 좁은 가공 선폭과 높은 정밀도를 얻을 수 있다. 이러한 장점으로 인해 레이저가공의 분야는 미세 가공 분야로 발달하고 있으며, 그 응용 범위 또한 급속히 확대되고 있다.
초기에는 고출력 CO2 레이저나 Nd:YAG 레이저를 이용한 가공이 주를 이뤘으며, 지금까지도 절단, 용접에 많이 사용되고 있다. 상기 레이저는 수십 나노초(ns) 단위의 펄스 폭을 가지며 재료 물질의 흡수대역에 맞는 레이저 광이 조사되면서 재료 물질에 레이저광의 에너지가 흡수되어 열적인 가공이 일어나게 된다. 이러한 가공은 레이저 강도에 의한 재료 물질의 용융, 증발을 기본원리로 한다. 이러한 열적인 가공은 레이저 광의 파장이 중요한 가공 요소가 된다. 이후 피코초(ps), 펨토초(fs)의 펄스 폭을 가지는 레이저가 개발되었지만 가공에 충분한 에너지를 갖지 못했고, 안정화하기에 기술적인 어려움이 있어 가공분야에 산업적으로 적용되는데 한계를 가지고 있었다. 하지만 1980년대 개발된 CPA(Chirped Pulse Amplification)기술을 통해 피코초, 펨토초 펄스 폭을 갖는 극초단 펄스 레이저가 가공에 충분한 에너지와 안정도를 가질 수 있게 되어 산업분야에 응용이 가능해 졌다.
기존의 나노초 레이저 가공의 경우 재료와의 열적인 반응이 지배적여서 열적 영향 지대(HAZ : Heat Affected Zone) 때문에 미세 가공에는 한계를 보여왔다. 열적 영향으로는 가공 시 일어나는 열 확산 및 그로 인한 크랙(Crack) 발생, 용융된 가공 물질의 재결정화로 인한 데브리(Debris) 생성 등이 있으며, 이로 인해 가공 치수를 작게 가져가기 어렵고 품질에도 영향을 미치게 된다.
반면, 극초단 펄스의 경우 시간적 펄스 폭이 매우 짧으므로 인해 매우 높은 첨두 출력을 갖게 되며, 이를 통해 물질과의 비선형 현상이 일어나게 된다. 이러한 비선형 현상에 의해 레이저의 파장에 의존하지 않고 레이저 광으로부터 재료로의 에너지 전달이 가능해지고 재료가 제거되는데, 이러한 과정이 기존의 나노초 레이저의 열적 가공과는 다르게 된다. 물질 내의 열 확산시간은 약 수 ~ 수십 피코초 정도이다. 펄스 폭이 이보다 짧은 레이저 광이 물질에 조사되게 되면, 조사된 부분으로부터의 열 확산을 최소화시킬 수 있으며 열적 영향 지대를 최소화하여 더욱 정밀한 가공과 높은 품질의 가공 물질을 얻을 수 있다.
따라서, 극초단 펄스 레이저 공진기 개발이 점차 개발됨에 따라 효과적으로 레이저를 발진할 수 있는 발진기 개발이 필요한 실정이다.
따라서, 본 발명은 정상 분산을 갖는 광섬유 및 광섬유 소자들로 구성되어 있는 공진기에서 여타 비정상 분산 소자 없이 포화광 흡수체 거울과 광학 필터를 이용하여 안정적인 극초단 펄스 발진이 가능하도록 하는데 그 목적이 있다.
또한, 공진기를 이용하여 수십 MHz에서부터 최소 1 MHz 에 이르는 반복률을 구현하는데 그 목적이 있으며, 공진기를 직접 혹은 추가 증폭단을 통해 증폭 한 후 압축하여 산업 가공에 적용함으로써 높은 가공 효율을 얻는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 레이저 펌핑 광을 출사하는 펌핑 광원, 상기 펌핑 광원에서 출사되는 펌핑 광의 파장을 공진기 내부로 입사시키는 파장분할기, 상기 파장분할기를 통해 입사하는 광을 이용하여 발진기 내부 공진 광을 증폭시키는 이터븀 첨가 광섬유, 공진기 광경로를 구성하는 단일 모드 광섬유 및 공진기 내부 광을 모드 잠금하기 위한 펄스 발진부;를 포함하여 공진기를 구성하고, 상기 펄스 발진부는, 편광을 조절하여 원하는 경로를 설정하는 파장판(wave plate), 한 방향 공진을 유도하는 광 차폐기(optical isolator), 공진을 통해 넓어지는 스펙트럼의 양 끝단을 제거하여 안정적인 공진이 가능토록 하는 광학 필터(optical filter) 및 광량 기반 모드 잠금 현상을 유도하기 위한 포화광 흡수체 소자를 포함하여 구성된다.
또한, 상기 펄스 발진부는, 상기 광학필터와 포화광 흡수체 거울 사이에 구비되어 광 차폐기에서 출력되는 광을 편광 분할시키는 PBS(편광 빔 분할기)와, λ/4 파장판, 렌즈를 더 포함하여 구성된다.
또한, 상기 광학 필터는, 간섭 필터, 광섬유 브래그 격자 중 어느 하나로 사용되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 포화광 흡수체 소자는, 포화광 흡수체 거울(saturable absorber mirror, SAM), 광섬유 기반 투과형 포화광 흡수체, 광섬유 커넥터 끝단에 투과형 포화광 흡수체가 코팅되어 있는 소자, 포화광 흡수체 미러에 광섬유가 직접 융착되어 있는 소자 중 어느 하나로 구비되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 공진기는, 공진 광 경로상에 광 커플러를 더 구비하고, 상기 광 커플러를 통해 출력되는 광은 광 차폐기를 통해 최종 출력되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 편광 빔 스플리터에서 반사되는 광을 출력시키도록 편광 빔 스플리터에 반사되는 광 경로에 광 차폐기를 구비하여 최종 광을 출력시키는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 편광 빔 스플리터에서 반사되는 출력광을 또 다른 편광 빔 스플리터 또는 빔 스플리터 중 어느 하나 또는 둘 이상을 추가 구성하여 출력광을 다양한 위치에서 제공받는 것을 특징으로 한다.
또한, 레이저 펌핑 광을 출사하는 펌핑 광원, 상기 펌핑 광원에서 출사되는 펌핑 광의 파장을 공진기 내부로 입사시키는 파장분할기, 상기 파장분할기를 통해 입사하는 광을 이용하여 발진기 내부 공진 광을 증폭시키는 이터븀 첨가 광섬유, 공진기 광경로를 구성하는 단일 모드 광섬유 및 공진기 내부 광을 모드 잠금하기 위한 펄스 발진부를 포함하여 공진기를 구성하고, 상기 펄스 발진부는, 편광을 조절하여 원하는 경로를 설정하는 파장판(wave plate), 한 방향 공진을 유도하는 광 차폐기(optical isolator), 공진을 통해 넓어지는 스펙트럼의 양 끝단을 제거하여 안정적인 공진이 가능토록 하는 광학 필터(optical filter) 및 광량 기반 모드 잠금 현상을 유도하기 위한 포화광 흡수체 소자를 포함하여 구성되는 공진기와, 상기 공진기에서 출력되는 광을 압축하는 펄스 압축부로 구성되어 시편을 전달 가공 하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 펄스 압축부에는, 펄스 증폭부를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
이와 같이 구성되는 본 발명은 정상 분산을 갖는 광섬유들로 구성된 발진기에서 안정적인 모드 잠금을 통한 안정적인 펄스발진이 가능하다. 특히, 수십 MHz는 물론 1 MHz 수준의 낮은 반복률을 갖는 공진기의 구성이 가능하며, 여기서 발생하는 펄스를 압축하거나 혹은 증폭단을 통해 증폭하여 압축하는 경우 펄스 폭이 200 fs ~ 300 fs에 이르는 극초단 펄스를 생성할 수 있는 이점이 있다.
또한, 기존의 광섬유 발진기(200 MHz ~ 수십 MHz)에 비해 낮은 반복률(수십 MHz ~ 1 MHz)을 갖고 있기 때문에 펄스 당 에너지가 상대적으로 높아 시편의 가공 문턱 광량(threshold intensity)을 넘는데 용이하여 다양한 시편의 가공이 가능한 이점이 있다.
또한, 기존의 bulk type의 극초단 레이저 시스템에 비해 시스템이 간단하고 안정적이기 때문에 산업에 적용이 용이하며, 반복률 또한 bulk type 극초단 레이저에 비해 상대적으로 높아 상대적으로 높은 수율을 얻을 수 있다는 이점이 있다.
결과적으로, 본 발명은 포화광 흡수체 거울과 광학 필터를 동시에 적용하여 정상 분산의 보상 없이 수십 MHz에서부터 1 MHz에 이르는 반복률에서도 안정적인 극초단 펄스의 발진을 가능하며, 이 공진기를 가공에 적용하면 여타 광섬유 레이저 시스템과는 달리 반복률 조절 파트를 생략할 수 있어 간단한 시스템으로 초정밀 가공과 높은 수율이 동시에 구현할 수 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 포화광 흡수체 거울(SAM)과 광학 필터(optical filter)를 이용한 극초단 광섬유 레이저 공진기 구성의 일예를 도시한 도면,
도 2는 본 발명에 따른 포화광 흡수체 거울과 광학 필터를 이용한 극초단 광섬유 레이저 공진기 구성의 다른 예를 도시한 도면,
도 3은 본 발명을 통해 반복률 1.5 MHz의 저반복률 광섬유를 구성하였을 때 얻어지는 시간축에서의 펄스 발진 모양을 오실로스코프 측정을 통해 나타낸 화면,
도 4는 본 발명을 통해 반복률 1.5 MHz의 저반복률 광섬유를 구성하였을 때 얻어지는 자가간섭계를 통한 펄스 모양을 오토코릴레이터 측정을 통해 나타낸 화면,
도 5는 본 발명을 통해 반복률 1.5 MHz의 저반복률 광섬유를 구성하였을 때 얻어지는 스펙트럼의 결과를 광 스펙트럼 분석기에 의해 측정된 화면,
도 6은 본 발명에 따른 포화광 흡수체 거울과 광학 필터를 이용한 극초단 광섬유 레이저 공진기를 이용한 시편 가공 시스템의 흐름도,
도 7은 본 발명에 따른 포화광 흡수체 거울과 광학 필터를 이용한 극초단 광섬유 레이저와 이를 증폭 및 압축하는 파트, 그리고 이를 이용해 시편을 가공하는 시스템의 흐름도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 포화광 흡수체 거울과 광학 필터를 이용한 극초단 광섬유 레이저 공진기의 바람직한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 여타 레이저 발진기와는 달리 포화광 흡수체 거울과 광학 필터를 핵심 부품으로 하여 발진기를 구성하는 것이다. 포화광 흡수체 거울만을 이용한 시스템은 기존에도 많이 존재하지만, 정상 분산의 광섬유 소자들만으로 구성된 발진기에서 광학필터와의 조합으로 수 MHz의 낮은 반복률에서까지 안정적인 극초단 펨토초 레이저 시스템은 없었다.
본 발명에 따른 포화광 흡수체 거울과 광학 필터를 이용한 극초단 광섬유 레이저 공진기는 레이저 펌핑 광을 출사하는 펌핑 광원, 상기 펌핑 광원에서 출사되는 펌핑 광의 파장을 공진기 내부로 입사시키는 파장분할기, 상기 파장분할기를 통해 입사하는 광을 이용하여 발진기 내부 공진 광을 증폭시키는 이터븀 첨가 광섬유, 공진기 광경로를 구성하는 단일 모드 광섬유 및 공진기 내부 광을 모드 잠금하기 위한 펄스 발진부를 포함하여 공진기를 구성하고, 상기 펄스 발진부는, 편광을 조절하여 원하는 경로를 설정하는 파장판(wave plate), 한 방향 공진을 유도하는 광 차폐기(optical isolator), 공진을 통해 넓어지는 스펙트럼의 양 끝단을 제거하여 안정적인 공진이 가능토록 하는 광학 필터(optical filter) 및 광량 기반 모드 잠금 현상을 유도하기 위한 포화광 흡수체 소자를 포함하여 구성된다.
도 1은 본 발명에 따른 포화광 흡수체 거울(SAM)과 광학 필터(optical filter)를 이용한 극초단 광섬유 레이저 공진기 구성의 일예를 도시한 도면이다.
레이저 다이오드로 구성되는 펌핑 광원(301)에서 출력되는 출력광은 광 커플러(coupler)를 통해 발진기 바깥으로 나온다.
또한, 펌프 광은 파장 분할기(300)를 통해 발진기에 입사한 후 이터븀 첨가 광섬유(303)에서 흡수된다. 여기서 일부의 빛은 광 커플러(302)를 지나 출력으로 발진된다. 나머지 일부는 발진기를 공진하는 광은 파장판(304) 및 광 차폐기(305)를 통과하며 수평 편광 성분만 남게 되는데, 이는 광학필터(306)를 통과하며 스펙트럼의 양 끝단이 클리핑(clipping) 되며, 편광 빔 분할기(307)와 λ/4 파장판(308)을 지나 렌즈(309)와 포화광 흡수체 거울(310)에 입사됨에 따라 약한 광량의 노이즈 및 펄스들은 흡수되어 제거되고, 가장 광량이 큰 펄스만 살아남게 된다. 최종적으로 출력된 빛은 공진기의 보호 및 안정적인 모드잠금을 위해 설치된 광 차폐기(312)를 통과하여 나가게 된다.
도 2는 본 발명에 따른 포화광 흡수체 거울과 광학 필터를 이용한 극초단 광섬유 레이저 공진기 구성의 다른 예를 도시한 도면으로써, 출력광이 광 커플러가 아닌 PBS(편광 빔 분할기)에서 공간으로 바로 출사되는 시스템으로 이를 위해서는 앞단에 쓰인 광 차폐기의 편광 정렬 상태를 적절히 조절하여 일부는 PBS를 투과하고 일부는 반사하게 된다.
도 1과 도 2는 포화광 흡수체 거울과 광학 필터를 이용한 극초단 광섬유 레이저 발진기를 제작한 일례이며, 각 소자들의 위치 및 종류에 따라 다양한 조합이 가능하다. 종류에 있어서는 먼저, 광학 필터의 경우 공간상에서 간섭 필터를 사용할 수 있을 뿐 아니라 광섬유 내에 특정 파장만 투과하거나 반사시키는 광섬유 브래그 격자(fiber Bragg grating ; FBG) 등도 이용할 수 있으며, 또한 스펙트럼을 필터링 할 수 있는 다양한 소자들 또한 적용 및 대체가 가능하다. 다음으로 출사 빛의 위치가 다양해 질 수 있는데, 도 3과 같이 광 커플러를 이용하여 출사 빛을 얻을 수 있는 반면, 도 2와 같이 PBS에서 반사되는 빛을 출사 빛으로 간주할 수도 있다. 또한 빛이 발진기 내 공간상을 전파하는 과정에서 빔 분할기(BS) 및 편광 빔 분할기(PBS)의 추가 삽입을 통해 다양한 위치에서 출사 빛을 얻을 수 있으며 동시에 여러 출사 빛도 얻을 수 있다.
상기 포화광 흡수체 소자(310)의 경우 포화광 흡수체 기능을 하는 다양한 소자들로 대체할 수 있는데, 광섬유 기반 투과형 포화광 흡수체라든지, 광섬유 커넥터 끝단에 투과형 포화광 흡수체가 코팅되어 있는 소자, 포화광 흡수체 미러에 광섬유가 직접 융착되어 있는 소자 등 다양한 대체 소자로 기능을 대신할 수 있다.
공진기 내부의 광 차폐기 또한 편광에 독립적인 광차폐기와 편광에 종속적인 광차폐기가 존재하며 bulk에서 사용하는 타입과 광섬유 타입이 존재하는데 이들 모두 본 특허에서 광 차폐기의 대체품으로 사용이 가능하다.
마지막으로 발진기의 반복률을 낮추기 위해 단일모드 광섬유가 삽입이 되는데 이는 안정적인 모드 잠금이 일어나는 상황 하에서 광섬유 소자들 사이의 여러 위치에 삽입이 가능하다.
도 3은 본 발명을 통해 반복률 1.5 MHz의 저반복률 광섬유를 구성하였을 때 얻어지는 시간축에서의 펄스 발진 모양을 오실로스코프에서 나타낸 화면, 도 4는 본 발명을 통해 반복률 1.5 MHz의 저반복률 광섬유를 구성하였을 때 얻어지는 자가간섭계를 통한 펄스 모양을 오토코릴레이터에서 나타낸 화면, 도 5는 본 발명을 통해 반복률 1.5 MHz의 저반복률 광섬유를 구성하였을 때 얻어지는 스펙트럼의 결과를 광 스펙트럼 분석기에 의해 측정된 화면이다. 이는, 도 1의 방법으로 반복률 1.5 MHz의 발진기를 제작하고, 이를 회절격자 쌍을 통해 압축하여 얻은 출력 빛의 특성을 나타내는 결과들이다. 도 3은 오실로스코프를 통해 시간 축에서의 펄스의 발진 형태를 파악할 수 있는 그래프로 약 1.5 MHz의 반복률로 안정적인 펄스 발진이 일어나고 있음을 알 수 있다. 도 4는 오토코릴레이터를 통해 측정된 펄스의 모양으로 TPA(two photon absorption)에 의한 펄스 특성을 잘 나타내고 있으며, 펄스 폭은 약 260 fs로 측정되었다. 도 5는 광 스펙트럼 분석기(OSA)를 통해 펄스의 스펙트럼을 확인한 결과인데, SAM을 사용했을 때 나타나는 스펙트럼 특성을 잘 보여주고 있으며 bandwidth는 약 6 ~ 7 nm를 가짐을 확인할 수 있다.
도 6은 본 발명에 따른 포화광 흡수체 거울과 광학 필터를 이용한 극초단 광섬유 레이저 공진기를 이용한 시편 가공 시스템의 흐름도, 도 7은 본 발명에 따른 포화광 흡수체 거울과 광학 필터를 이용한 극초단 광섬유 레이저와 이를 증폭 및 압축하는 파트, 그리고 이를 이용해 시편을 가공하는 시스템의 흐름도이다. 도 6은 본 발명에 따른 포화광 흡수체 거울과 광학 필터를 이용한 극초단 광섬유 레이저를 이용하여 시편을 가공하는 시스템의 흐름도이다. 본 발명에서 시편을 가공하는 시스템은 크게 레이저 발진기 부분과 이를 압축하여 최소의 펄스 폭을 만드는 펄스 압축부, 그리고 가공 테이블까지 이송하여 가공하는 이송 및 가공 부분으로 나눌 수 있다. 시편의 종류에 보다 높은 광량이 요구되는 경우 따라 도 7과 같이 사이에 증폭단을 추가할 수 있다.
이와 같이 구성되는 본 발명은 공진기를 구성하는 대부분의 광섬유 소자가 정상 분산 특성을 갖는 1㎛ 파장 대역에서 분산 보상 소자 없이 안정적인 모드 잠금 및 펄스 발진이 가능한 것을 특징으로 한다.
이상, 본 발명의 원리를 예시하기 위한 바람직한 실시예와 관련하여 설명하고 도시하였지만, 본 발명은 그와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용으로 한정되는 것이 아니다. 오히려, 첨부된 청구범위의 사상 및 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대한 다수의 변경 및 수정이 가능함을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 그러한 모든 적절한 변경 및 수정과 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.
100 : 광섬유 레이저 공진기
101 : 펄스 압축 파트
102 : 펄스 전달 및 가공 파트
200 : 펄스 증폭 및 압축 파트
300 : 파장 분할기(WDM)
301 : 레이저 다이오드(LD)
302 : 광 커플러(coupler)
303 : 이터븀 첨가 광섬유
304 : 파장판(wave plates)
305 : 광 차폐기(isolator)
306 : 광학 필터 (optical filter)
307 : 편광 빔 분할기(PBS)
308 : λ/4 파장판 (QWP)
309 : 렌즈
310 : 포화광 흡수체 거울 (SAM)
311 : 단일 모드 광섬유 (SMF)
312 : 광 차폐기 (isolator)

Claims (9)

  1. 레이저 펌핑 광을 출사하는 펌핑 광원;
    상기 펌핑 광원에서 출사되는 펌핑 광의 파장을 공진기 내부로 입사시키는 파장분할기;
    상기 파장분할기를 통해 입사하는 광을 이용하여 발진기 내부 공진 광을 증폭시키는 이터븀 첨가 광섬유;
    공진기 광경로를 구성하는 단일 모드 광섬유; 및
    공진기 내부 광을 모드 잠금하기 위한 펄스 발진부;를 포함하여 공진기를 구성하고,
    상기 펄스 발진부는,
    편광을 조절하여 원하는 경로를 설정하는 파장판(wave plate);
    한 방향 공진을 유도하는 광 차폐기(optical isolator);
    공진을 통해 넓어지는 스펙트럼의 양 끝단을 제거하여 안정적인 공진이 가능토록 하는 광학 필터(optical filter); 및
    광량 기반 모드 잠금 현상을 유도하기 위한 포화광 흡수체 소자;를 포함하고,
    상기 펄스 발진부는,
    상기 광학필터와 포화광 흡수체 거울 사이에 구비되어 광 차폐기에서 출력되는 광을 편광 분할시키는 PBS(편광 빔 분할기)와, λ/4 파장판, 렌즈를 더 포함하여 구성되는 포화광 흡수체 거울과 광학 필터를 이용한 극초단 광섬유 레이저 공진기.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서, 상기 광학 필터는,
    간섭 필터, 광섬유 브래그 격자 중 어느 하나로 사용되는 포화광 흡수체 거울과 광학 필터를 이용한 극초단 광섬유 레이저 공진기.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 포화광 흡수체 소자는,
    포화광 흡수체 거울(saturable absorber mirror, SAM), 광섬유 기반 투과형 포화광 흡수체, 광섬유 커넥터 끝단에 투과형 포화광 흡수체가 코팅되어 있는 소자, 포화광 흡수체 미러에 광섬유가 직접 융착되어 있는 소자 중 어느 하나로 구비되는 포화광 흡수체 거울과 광학 필터를 이용한 극초단 광섬유 레이저 공진기.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 공진기는,
    공진 광 경로상에 광 커플러를 더 구비하고, 상기 광 커플러를 통해 출력되는 광은 광 차폐기를 통해 최종 출력되는 것을 특징으로 하는 포화광 흡수체 거울과 광학 필터를 이용한 극초단 광섬유 레이저 공진기.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 편광 빔 스플리터에서 반사되는 광을 출력시키도록 편광 빔 스플리터에 반사되는 광 경로에 광 차폐기를 구비하여 최종 광을 출력시키는 것을 특징으로 하는 포화광 흡수체 거울과 광학 필터를 이용한 극초단 광섬유 레이저 공진기.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 편광 빔 스플리터에서 반사되는 출력광을 또 다른 편광 빔 스플리터 또는 빔 스플리터 중 어느 하나 또는 둘 이상을 추가 구성하여 출력광을 다양한 위치에서 제공받는 것을 특징으로 하는 포화광 흡수체 거울과 광학 필터를 이용한 극초단 광섬유 레이저 공진기.
  8. 삭제
  9. 삭제
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111987578A (zh) * 2020-09-01 2020-11-24 深圳大学 一种自启动及自恢复的锁模光纤激光器

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103151683A (zh) * 2013-02-07 2013-06-12 广东汉唐量子光电科技有限公司 一种偏振态稳定控制的自启动锁模光纤激光器
KR101610689B1 (ko) 2015-03-17 2016-04-08 주식회사 루트로닉 레이저 장치
KR20170115382A (ko) * 2016-04-07 2017-10-17 (주)파이버프로 평판형 도파로 기반 펨토초 수동 모드 잠금 레이저

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005229119A (ja) * 2004-02-11 2005-08-25 Furukawa Electric North America Inc シングル・モード光ファイバ内でフェムト秒パルスを発生するための光ファイバ増幅器
JP2006511949A (ja) * 2002-12-20 2006-04-06 株式会社アルネアラボラトリ 光パルスレーザ
JP2006324613A (ja) 2005-05-17 2006-11-30 Alnair Labs:Kk 受動モード同期短パルス光ファイバレーザおよびスキャニングパルスレーザ

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006511949A (ja) * 2002-12-20 2006-04-06 株式会社アルネアラボラトリ 光パルスレーザ
JP2005229119A (ja) * 2004-02-11 2005-08-25 Furukawa Electric North America Inc シングル・モード光ファイバ内でフェムト秒パルスを発生するための光ファイバ増幅器
JP2006324613A (ja) 2005-05-17 2006-11-30 Alnair Labs:Kk 受動モード同期短パルス光ファイバレーザおよびスキャニングパルスレーザ

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111987578A (zh) * 2020-09-01 2020-11-24 深圳大学 一种自启动及自恢复的锁模光纤激光器
CN111987578B (zh) * 2020-09-01 2021-10-26 深圳大学 一种自启动及自恢复的锁模光纤激光器

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