KR101334498B1 - 포화 흡수체를 이용한 능동형 펄스 생성 광섬유 레이저 장치 - Google Patents

포화 흡수체를 이용한 능동형 펄스 생성 광섬유 레이저 장치 Download PDF

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김경헌
이승훈
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Abstract

본 발명은 펄스형 광섬유 레이저에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 가변형 포화 흡수체를 삽입한 광섬유 레이저 장치에 관한 것이다. 포화 흡수체를 이용한 능동형 펄스 생성 광섬유 레이저 장치에 있어서, 레이저부; 및 포화 흡수체부를 포함하며, 레이저부는 고리형 광섬유로 구성된 레이저 공진기와 이 공진기에 광 순환기를 포함하여 공진하는 레이저를 포화 흡수체부로 송수신하고, 포화 흡수체부는 포화 흡수체를 포함하고 광 펄스로 포화 흡수체의 포화상태를 조절하여 레이저의 발진을 유도하는 것을 특징으로 하는 광섬유 레이저 장치를 제공할 수 있다.

Description

포화 흡수체를 이용한 능동형 펄스 생성 광섬유 레이저 장치{ACTIVELY PULSED FIBER LASER DEVICE WITH A SATURABLE ABSORBER}
본 발명은 펄스형 광섬유 레이저에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 가변형 포화 흡수체를 삽입한 광섬유 레이저 장치에 관한 것이다.
간단한 구도의 안정된 고에너지 펄스 광원은 대기 측정이나, 3차원 스캐너 등에 필요한 레이저 레이더용 광원으로뿐만 아니라 의료용 펄스 광원 및 비선형 현상을 이용한 광섬유 센서용 광원으로도 많은 활용이 가능하고 실제로도 널리 사용되고 있다. 특히 능동형 큐 스위칭(Q-switching)에 의한 고출력 펄스 광원으로 깨끗한 펄스 모양과 펄스의 낮은 시간 지터, 조절 가능한 펄스 생성 반복률, 고출력 펄스 에너지 등의 기능이 중요한 점이다.
이전까지 큐 스위칭에 의한 고출력 레이저 펄스 생성으로 여러 가지 방법들이 시도되었으며, 주로 수동형과 능동형 큐 스위칭(Passive and Active Q-switching) 기술의 개발과 더불어 수동 및 능동 혼합형 큐 스위칭 등에 대한 연구들이 이루어져 왔다.
수동형 큐 스위칭 레이저 발진 구도에서는 주로 포화 흡수체(Saturable Absorber)를 이용하고, 차후 레이저 펄스와 동기를 위해서는 펄스의 일부분을 감지하여 동기 신호를 재생을 하여야 하는 번거로움이 있다.
아울러 기존의 능동형 큐 스위칭 레이저 발진 구도에서는 주로 광 변조기나 광 스위치, 광 차퍼(Optical chopper), 움직이는 거울 등을 이용하거나, 광 펌프에 의한 거울의 공진 파장을 바꾸어주거나 광 감쇠기의 감쇠 수준을 조절하는 구도로 외부 전기 신호나 광 펌프 신호와 동기화된 레이저 펄스를 얻는 방법들이 보고되고 있으며, 이는 상대적으로 동기화된 레이저 펄스를 얻기에 용이한 방법이다.
그러나 광 변조기나 광 스위치, 광 차퍼(Chopper), 움직이는 거울 등을 이용하는 방법들에서는 광 이득 요동에 따른 펄스 생성의 불안정 및 광 펄스 내의 펄스 모양이나 레이저의 종 모드 조절, 펄스의 시간 지터 등의 조절이 용이하지 않고, 이들의 제어를 위해서 추가적으로 복잡한 다른 구도들의 접목이 필요한 점이 있다.
광 펄스를 이용한 능동형 큐 스위칭 레이저를 발진한 기존의 한 구도로 특수한 Yb(Ytterbium, 이터븀) 첨가된 광섬유에 형성한 광섬유 브레그 격자(Fiber Bragg Grating; FBG)를 레이저 공진기 거울로 사용한 레이저 구도에서 외부에서의 펌프 광 펄스에 의한 거울의 공진 파장을 바꾸어 줌으로써 능동형 큐 스위칭이 일어나도록 구현하기도 하였으나, 특수한 광섬유 브레그 격자의 제작이 필요하고, 양쪽 거울용 광섬유 브레그 격자의 동일한 반사 파장 특성을 맞추기 위해 가열 장치를 달거나 해야 하는 번거로움과 펄스 레이저 에너지를 높이기가 쉽지 않은 단점이 있다.
능동형 큐 스위칭 레이저를 발진한 또 다른 기존의 구도로는 광섬유 공진기 내에 실리콘 기반의 가변형 광 감쇠기(Variable Optical Attenuator; VOA)를 두고, 이 실리콘 광 감쇠기에 걸어주는 전류의 세기에 따라 감쇠 정도가 달라지는 특성을 이용하여 능동형 큐 스위칭이 일어나도록 한 광섬유 레이저 구도가 있으며, 이 경우에는 가변형 광 감쇠기의 동작 속도가 1μs 수준으로 크게 빠르지 못한 점도 있다.
능동형 큐 스위칭된 레이저에 있어서 이득 요동에 의한 레이저 펄스의 불안정성을 해결하고 안정된 레이저 발진을 얻는 기술로는 공진기내에 비선형 광학 결정을 두어 2차 조화파를 공진시키는 방법도 보고되었으나, 이 경우에는 광섬유 레이저가 아니고 벌크형 레이저이고 레이저 발진 파장은 원래 레이저의 이득 매질에 의한 공진 파장이 아닌 2차 조화파에서만 발진이 가능한 단점이 발견될 수 있다.
발명은 상기한 기존 레이저 장치의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 희토류 첨가 광섬유를 포화 흡수체에 펄스 광 펌프에 의해 능동형 큐 스위칭된 펄스 레이저를 발진하고 깨끗한 펄스 모양과 펄스의 낮은 시간 지터, 조정이 자유로운 펄스 생성 반복률, 고출력 펄스 에너지 방출, 또는 출력파워를 자유롭게 조절 가능한 기능이 추가된 광섬유 레이저 장치를 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 포화 흡수체를 펌프하는 광 펄스의 반복률을 레이저 빛이 공진기를 왕복하는데 걸리는 시간의 역 수의 조화 주파수(기본 주파수의 정수배)로 맞추어 공진기 모드들의 위상이 일치하는 모드로킹(Mode-locking)된 상태로 레이저 펄스가 발진하는 능동형 모드로킹된 광섬유 레이저를 제공하는 데에도 그 목적이 있다.
포화 흡수체를 이용한 능동형 펄스 생성 광섬유 레이저 장치에 있어서, 레이저부; 및 포화 흡수체부를 포함하며, 레이저부는 고리형 광섬유로 구성된 레이저 공진기와 이 공진기에 광 순환기를 포함하여 공진하는 레이저를 포화 흡수체부로 송수신하고, 포화 흡수체부는 포화 흡수체를 포함하고, 외부에서 입사되는 광 펄스로 포화 흡수체의 포화상태를 조절하여 레이저의 발진을 유도하는 것을 특징으로 하는 광섬유 레이저 장치를 제공할 수 있다.
일측에 있어서, 레이저부는 이득 매질과 이득 매질을 여기시키기 위한 펌프레이저를 포함하고, 이득 매질은 희토류 첨가 광섬유로 구성되며, 펌프레이저의 펌프 광원으로는 반도체 광원을 이용할 수 있다.
또 다른 측면에 있어서, 포화 흡수체는 희토류 첨가 광섬유를 포함할 수 있다.
또 다른 측면에 있어서, 광섬유 레이저 장치는 큐 스위칭된 펄스 광섬유 레이저를 발진시키기 위해, 레이저부에 980 nm 펌프 레이저와 980 nm/1550 nm 파장 다중(WDM) 커플러, 레이저 이득 매질용 어븀 첨가 광섬유, 레이저 출력용 방향성 결합기, 광 순환기를 포함하며, 포화 흡수체부에 어븀 첨가 광섬유를 포함하는 포화 흡수체, 공진 파장에서 반사하는 반사단과 한 개 이상의 파장 분할(WDM) 광 필터, 광 필터에 의해 펌프되고 필터링되는 980 nm 파장대역의 펌프 광 펄스와 이 펌프 광 펄스를 이용하여 능동형 펄스 레이저를 발진시킬 수 있다.
또 다른 측면에 있어서, 포화 흡수체부는 레이저의 발진 파장을 선택할 수 있는 파장 선택 필터를 포함하고, 파장 분배기와 커플러, 파장 다중 필터에도 파장 선택 필터에서 선택한 파장이 적용될 수 있다.
또 다른 측면에 있어서, 포화 흡수체를 펌프하는 광 펄스의 반복률을 공진 주파수의 조화파에 해당하는 주파수로 공진하여 능동형 모드로킹(Mode-Locking)된 레이저 펄스를 생성할 수 있다.
또 다른 측면에 있어서, 광섬유 레이저 장치는 공진 파장에서 반사하는 반사단을 포함하고, 파장 분배기를 통해 포화 흡수체를 펄스 광으로 펌프할 때 능동형 레이저 펄스를 발진시킬 수 있다.
또 다른 측면에 있어서, 광섬유 레이저 장치는 공진 파장에서 반사하는 반사단을 양쪽 끝 단에 포함하고, 레이저를 출력하는 광 분배기를 포함하는 페브리-페롯(Fabry-Perot) 구조로 구성될 수 있다.
또 다른 측면에 있어서, 공진 파장에서 반사하는 반사단은 광섬유 브레그 격자(Fiber Bragg Grating)으로 구성될 수 있다.
또 다른 측면에 있어서, 공진 파장에서 반사하는 반사단은 입사 광에 대해 반사 광의 편광을 바꾸는 편광 회전 거울이 될 수 있다.
또 다른 측면에 있어서, 공진 파장에서 반사하는 반사단은 광섬유 루프와 광섬유 커플러로 구성된 루프 거울로 구성될 수 있다.
또 다른 측면에 있어서, 광섬유 레이저 장치는 공진 파장에서 반사하는 반사단 중 한쪽 반사단 앞 부분에 파장 필터를 포함할 수 있다.
또 다른 측면에 있어서, 포화 흡수체는 탄소 나노 튜브나 그래핀(Graphene)으로 구성될 수 있다.
본 발명에 의하면, 능동형 펄스 광섬유 레이저에 있어서 포화 흡수체를 사용하여 이 포화 흡수체를 외부 광 펄스로 포화 상태를 만들어 레이저 발진이 일어나게 하여 깨끗한 펄스 모양과 펄스의 낮은 시간 지터, 조정 가능한 펄스 생성 반복률, 고출력 펄스 에너지 방출, 및 출력 파워의 조절 기능 등이 비교적 쉽게 추가될 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 의한 능동형 펄스 광섬유 레이저는 고출력 광 펄스를 얻기 위한 능동형 큐 스위칭 모드로의 작동할 수 있을 뿐만 아니라, 짧은 펄스 폭을 가진 능동형 모드로킹된 광섬유 레이저 펄스를 생성할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 있어서, 능동형 펄스 생성용 광섬유 레이저 장치의 구성을 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 있어서, 능동형 펄스 생성용 광섬유 레이저 장치의 또 다른 구성을 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 있어서, 광섬유 레이저 장치에 사용될 수 있는 반사단으로, 공진 레이저를 반사시키는 거울로 이루어진 것을 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 있어서, 광섬유 레이저 장치에 사용될 수 있는 반사단으로, 광섬유 루프와 광섬유 커플러로 이루어진 루프 거울을 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 있어서, 광섬유 레이저 장치에 사용될 수 있는 반사단이 광섬유 브레그 격자(Fiber Bragg Grating)로 이루어진 것을 도시한 것이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 있어서, 반사단이 거울로 이루어진 경우에 반사단 앞부분에 파장 선택 필터를 추가한 것을 도시한 것이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 있어서, 반사단이 광섬유 루프와 광섬유 커플러를 포함한 루프 거울로 이루어진 경우에 반사단 앞부분에 파장 선택 필터를 추가한 것을 도시한 것이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 있어서, 광섬유 레이저 장치의 또 다른 일례로 정상파형 광섬유 레이저 장치의 구조를 도시한 것이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 있어서, 정상파형 광섬유 레이저 장치의 또 다른 구조를 도시한 것이다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 있어서, 도 9의 실시예를 변형한 일례로 정상파형 광섬유 레이저 장치의 구조를 도시한 것이다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 있어서, 도 1의 실시예에 의한 광섬유 레이저 장치로 발진된 시간에 따른 레이저 펄스 열의 일례를 나타낸 것이다.
도 12는 본 발명의 일실시예에 있어서, 도 1의 실시예에 의한 광섬유 레이저 장치로 발진된 레이저 펄스의 스펙트럼 일례를 나타낸 것이다.
이하, 광섬유 레이저 장치의 구조와 실시예에 대해 첨부된 도면을 참조하여 자세히 설명한다.
본 발명의 광섬유 레이저 장치는 희토류 첨가된 광섬유를 외부 펌프 광원으로 펌프한 광섬유 레이저에 포화 흡수체를 추가한 상태에서는 레이저 발진이 일어나지 않고, 이 포화 흡수체를 추가적인 외부 펌프 광 펄스로 펌프할 때 포화 흡수체가 포화 상태가 되면서 이 펌프 광 펄스와 동기화된 레이저 펄스가 발진할 수 있도록 하는 것을 그 특징으로 한다.
본 발명에 있어서 포화 흡수체는 희토류 원소인 어븀(Erbium: Er)이나 이터븀(Ytterbium: Yb) 등이 첨가된 광섬유로서, 흡수율이 펌프광의 세기가 커질수록 작아지며, 펌프 광 펄스가 없을 때에는 레이저 공진기 내의 빛은 모두 흡수하여 레이저 발진이 되지 않은 상태에 있다가 펌프 광 펄스가 입력됨과 동시에 포화 흡수체가 포화 상태가 되면서 레이저 발진이 일어나게 하는 광 투과 스위치 역할을 한다. 이때, 레이저 발진이 일어나면 포화 흡수체에 흡수되어 있던 에너지가 동시에 출력되어 생성되는 레이저 펄스의 에너지를 더 크게 하는 역할도 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 있어서, 발명을 통해 제안하고자 하는 광섬유 레이저의 일실시예로, 능동형 펄스를 생성하는 광섬유 레이저 장치의 구조를 도시한 것이다. 실시예에 따른 광섬유 레이저 장치는 레이저 공진을 위한 고리형의 광섬유로 구성된 레이저부(100)와 광 투과 스위치 역할을 하며, 광 펄스 펌프로 포화 흡수 상태를 변화시키는 포화 흡수체부(200)를 포함할 수 있다.
레이저부(100)는 어븀과 같은 희토류가 첨가된 광섬유로 구성된 이득 매질(110)을 여기시키기 위한 펌프 레이저(120), 예컨대 980 nm 또는 1480 nm 파장대의 펌프 레이저(120)를 포함하고, 펌프 레이저(120)의 펌프 광과 레이저부(100)를 공진하는 레이저 광을 결합시키는 980/1550 nm 혹은 1480/1550 nm 파장 다중(WDM) 커플러(130), 고리형 레이저 공진기를 구성하는 단일 모드 광섬유(140), 발진된 레이저의 일부를 출력시키는 광 출력단(170)과 출력시킨 레이저의 나머지는 레이저 공진기 내부를 공진(순환)하도록 분리해 주는 방향성 결합기(150), 그리고 공진하는 레이저를 포화 흡수체부(200)로 보내고 받는 광 순환기(160)을 포함할 수 있다.
또한, 광 펄스로 펌프되며, 레이저 발진을 유도하는 포화 흡수체부(200)는 포화 흡수체(210)의 포화 흡수 수준을 변화시키기 위해 펌프 광 펄스를 제공하는 광 펄스 광원(250)과 광 펄스 광원(250)으로부터의 펌프 광 펄스를 포화 흡수체(210)로 입력시켜 주고 발진되는 레이저 광과 분리해 주는 파장 분배기(230), 공진 레이저를 반사시키는 반사단(240)을 포함할 수 있으며, 그리고 이들 소자들을 연결해 주는 광섬유(220)로 구성될 수 있다.
여기서, 파장 분배기(230)은 CWDM (Coarse WDM) 또는 DWDM (Dense WDM) 커플러를 사용하는 것이 바람직하며, 공진 레이저를 반사시키는 반사단(240)은 반사율이 높은 것으로 구성되는 것이 좋으며, 공진 레이저 파장에서 선택적으로 반사되는 특성을 가질 수 있다.
상기와 같은 구성을 포함하는, 본 발명에 따른 포화 흡수체를 펌프 광 펄스로 구동함으로써 동작되는 능동형 펄스 생성 광섬유 레이저 장치는 하기의 설명과 같은 원리로 동작한다.
도 1에서 광 순환기(160)를 제외한 레이저부(100)는 전형적인 고리형 광섬유 레이저 장치의 구조를 나타낸다. 고리 형태의 단방향 공진기 형태는 레이저 광이 진행파의 형태를 가짐으로써 이득 매질(110) 내에서 정상파(Standing Wave)에 의한 간섭이나 공간 홀버닝(Spatial Hole Burning)이 일어나지 않기 때문에 단일 모드 발진에 유리하다.
이득 매질인 희토류 첨가, 또는 희토류 이온 첨가 광섬유(110)의 첨가 이온을 여기시키기에 적합한 파장의 펌프 광을 펌프 레이저(120)에서 파장 분배기(130)를 통해 주입하는데, 주입되는 펌프 광원은 반도체 광원이 이용될 수 있다. 주입된 펌프 광은 바닥 상태에 있던 희토류 이온이 에너지를 흡수하였다가 레이저 파장대에서의 자연 방출(Spontaneous Emission)로 시작되어, 광섬유(140)로 연결된 공진기, 혹은 광 경로를 공진 또는 순환하면서 이득과 손실의 차이가 가장 큰 파장에서 유도 방출(Stimulated Emission)을 유도하여 증폭되면서 레이저가 발진할 수 있다. 이때, 발진된 레이저는 방향성 결합기(150)를 통해 출력될 수 있다.
전형적인 고리형 광섬유 레이저 장치에 광 순환기(160)를 삽입하여, 레이저부(100)에서 자연 방출된 레이저는 파장 분배기(230)를 거쳐 포화 흡수체(210)에 입력된다. 여기서 일부는 포화 흡수체(210)에 흡수되고 일부는 투과되어 반사단(240)에서 반사되고, 반사된 레이저는 다시 포화 흡수체(210)에서 일부 흡수되고 다시 파장 분배기(230)를 거쳐서 레이저부(100)로 되돌아간다.
그러나, 광 펄스 광원(250)으로부터 추가적인 펌프 광 펄스의 입력이 없을 때에는 포화 흡수체(210)의 레이저 파장대에서의 흡수가 충분히 크도록 함으로써 자연 방출된 레이저가 전부 흡수되어 레이저 발진이 일어나지 않게 된다. 이와 반대로, 광 펄스 광원(250)에서 추가적인 펌프 광 펄스를 포화 흡수체(210)의 레이저 파장대에서의 흡수가 포화 상태가 되도록 충분한 세기로 입력하게 되면, 자연 방출된 레이저가 전체 공진기 내에서 유도 방출을 유도하도록 하여 공진하면서 레이저를 발진시킬 수 있다.
도 1에서 사용되는 파장 분배기(230)는 공진 레이저 파장의 레이저만 반사시키고, 그 외의 파장대의 레이저는 투과시키는 형태의 필터로 구성될 수 있기에 공진 레이저 파장의 레이저만이 전체 레이저 공진기 내에서 공진될 수 있다.
기존의 기술에서는 특수한 광섬유형의 브레그 격자를 필요로 하며, 복잡한 구조의 레이저 장치를 제시하는데 반해, 본 발명에서는 포화 흡수체를 사용하고, 이 포화 흡수체에 외부 광 펄스를 입력함으로써 포화 흡수 레벨을 조절하여 간단하게 능동형 큐-스위칭(Q-Switching), 또는 모드로킹(Mode-locking)이 일어나도록 할 수 있다. 큐 스위칭 펄스과 모드로킹 펄스는 모두 손실이 적은 매우 짧고 강력한 펄스를 말하는 것이다.
레이저부(100)에 980 nm의 펌프 레이저(120)와 980 nm/ 1550 nm의 파장 다중 커플러(130), 어븀 첨가 광섬유로 구성된 이득 매질(110)과 레이저 출력용 방향성 결합기(150)를 포함할 수 있으며, 포화 흡수체부(200)에 어븀 첨가 광섬유를 포함하는 포화 흡수체(210), 공진 파장에서 반사하는 반사단(240)과 한 개 이상의 파장 분배기(230), 파장 분배기(230)에 의해서 펌프되고 필터링되는 980 nm의 파장대역의 광 펄스 광원(250), 광 펄스 광원(250)의 광 펄스를 이용하여 능동형 펄스 레이저를 발진시킴으로써 큐 스위칭된 펄스 광섬유 레이저를 발진시킬 수 있다.
또한, 포화 흡수체(210)를 펌프하는 광 펄스의 반복률을 공진 주파수의 조화파에 해당하는 주파수로 공진함으로써 능동형 모드로킹된 레이저 펄스를 생성할 수 있다.
도 2의 실시예에 도시된 능동형 펄스 생성 광섬유 레이저 장치의 구조는 도 1의 실시예와 유사하지만, 도 1에서의 반사형 파장 분배기(230)를 대체하여, 펌프 펄스 광의 파장과 공진 레이저 광의 파장을 다중화할 수 있는 파장 다중 필터(260)로 구성될 수 있다.
장치의 동작 과정은 도 1과 유사하여, 이득 매질(110)의 첨가 이온을 여기시키기 적합한 파장의 펌프 광을 펌프 레이저(120)에서 파장 분배기(130)를 통해 주입되는데, 주입되는 펌프 광원은 반도체 광원이 이용될 수 있다. 주입된 펌프 광은 바닥 상태에 있던 희토류 이온이 에너지를 흡수하였다가 레이저 파장대에서의 자연 방출로 시작되어, 광섬유(140)로 연결된 공진기, 혹은 광 경로를 공진 또는 순환하면서 이득과 손실의 차이가 가장 큰 파장에서 유도 방출을 유도하여 증폭되면서 레이저가 발진할 수 있으며, 광 순환기(160)를 통해 포화 흡수체부(200)로 전달된다.
도 2의 실시예에서는, 자연 방출된 레이저를 파장 다중 필터(260)을 통해 전달받고, 펌프 펄스 광 레이저를 레이저 공진기로부터 빼내주어 레이저 펄스의 발진을 안정화하기 위해서 추가적으로 파장 다중 필터(261)가 포함될 수도 있다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 도 3에서 도 7은 도 1과 도 2의 능동형 펄스 생성 광섬유 레이저 장치 일례에 구성되어 파장 분배기(230) 또는 파장 다중 필터(260)을 통해 포화 흡수체(210)를 펄스 광으로 펌프할 때 능동형 공진 레이저 펄스를 반사시키는 반사단(240)의 구성을 나타낸 것이다.
도 3의 경우, 반사단(240)이 단순 거울(241)로 구성된 것으로 공진 파장에서 반사하는 거울, 혹은 공진 파장에서 입사 광에 대해 반사 광의 편광을 바꾸는 편광 회전 거울로 구성될 수 있다.
도 4의 실시예에서는 펄스 생성 광섬유 레이저에 사용된 공진 레이저를 반사시키는 반사단(240)이 도 3에서의 단순 거울(241) 구성을 대신하여 광섬유 루프 거울(242)로 구성할 수 있는데, 광섬유 루프 거울(242)은 광섬유 루프(242a)와 광섬유 커플러(242b)로 구성될 수 있다.
또 다른 일례로, 도 5의 실시예와 같이 반사단(240)이 도 3의 실시예와 같이 거울(241)로 구성되는 것을 대신하여 광섬유 브레그 격자(Fiber Bragg grating)(243)로 구성될 수 있다.
도 6에서는 도 1과 도 2에서 나타낸 본 발명에 의한 실시 예에 따른 능동형 펄스 생성 광섬유 레이저에 사용되는 공진 레이저를 반사시키는 반사단(240)이 도 3에서의 거울 면(241) 앞 부분에 공진 레이저 파장에 맞는 파장 선택 필터(270)가 추가되어 구성된 경우의 한 예를 도시하고 있다.
도 6과 비슷한 일례로, 도 7에서는 도 1과 도 2에서의 본 발명에 의한 실시 예에 따른 능동형 펄스 생성 광섬유 레이저에 사용되는 공진 레이저를 반사시키는 반사단(240)이 도 4에서의 광섬유 루프 거울(242) 앞 부분에 공진 레이저 파장에 맞는 파장 선택 필터(270)을 추가한 경우의 한 예를 보여주고 있다. 도 6과 도 7의 파장 선택 필터(270)를 통해 레이저 출력을 안정화할 수 있으며, 공진시키고자 하는 공진 파장을 선택할 수 있도록 한다. 파장 선택 필터(270)에서 선택된 파장은 파장 분배기(230)와 커플러(130), 파장 다중 필터(260)에도 적용될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 광섬유 레이저 장치는 앞서 설명한 구조를 변형한 형태를 포함할 수 있는데, 도 8 내지 도 10의 일례에 나타낸 장치 구조를 가질 수 있다.
도 8에서는 본 발명에 의한 제3의 실시예로서, 능동형 펄스 생성 광섬유 레이저 장치의 구성에 대해서 자세히 설명한다. 실시예에 나타난 레이저 장치는 양쪽 끝 단에 반사단(240)을 포함하는 페브리-페롯(Fabry-Perot) 구조로 공진기 내에 기존의 정상파(Standing Wave)형 광섬유 레이저 공진기에 대응하는 레이저부(100)가 구성되고, 레이저부(100) 내에 광 투과 스위치 역할을 하며 광 펄스 펌프로 포화 흡수 상태를 변화시키는 포화 흡수체부(200)가 추가된 형태로 구성될 수 있다.
정상파형 광섬유 레이저부(100)는 어븀 첨가 광섬유와 같은 이득 매질(110)을 여기 시키기 위한 980 nm 또는 1480 nm 파장대의 펌프 레이저(120), 펌프 레이저(120)의 펌프 광과 레이저부(100)내를 공진하는 레이저 광을 결합시켜 주는 980/1550 nm 혹은 1480/1550 nm 파장 다중 커플러(130), 레이저 공진기를 구성하는 단일 모드 광섬유(140)를 포함하고, 발진된 레이저의 일부를 출력시키는 광 출력단(170), 출력시킨 레이저 광 이외의 나머지 레이저 광은 레이저 공진기, 레이저부(100)의 내부를 순환하도록 분리하는 방향성 결합기(150)를 포함할 수 있다.
광 펄스로 펌프되는 포화 흡수체부(200)는 포화 흡수체(210)의 포화 흡수 레벨을 변화시키기 위해 펌프 광 펄스를 제공하는 광 펄스 광원(250)과 광 펄스 광원(250)을 통해 입력된 펌프 광 펄스를 포화 흡수체(210)로 입력시켜 준 후, 발진되는 레이저 광과 분리해 주는 파장 분배기(260)로 구성될 수 있다.
광섬유 레이저 장치의 동작은 도 1에서와 동일하게 실시될 수 있으며, 펌프 펄스 광을 레이저 공진기로부터 빼 주어 레이저 펄스 발진을 안정화하기 위해 추가적인 파장 다중 필터(261)가 포함될 수 있다. 또한, 레이저 출력의 안정화 및 레이저 공진 파장 선택을 위해 파장 선택 필터(270)가 추가될 수 있다. 또한, 도 8의 레이저 장치에 구성되는 공진 파장에서 반사하는 반사단(240)은 도 3 내지 도 5의 일례에 해당하도록 구성될 수 있다.
또한, 도 9에서는 본 발명에 의한 실시예에 따른 또 다른 구조의 능동형 펄스 생성 광섬유 레이저의 구성을 나타낸 것으로서, 양쪽 끝 단에 반사단(240)이 놓인 페브리-페롯(Fabry-Perot) 구조의 공진기 내 충분한 길이로 레이저의 이득 매질로서뿐만 아니라 포화 흡수체의 역할도 같이 할 수 있는 어븀 첨가 광섬유 등과 같은 이득 매질(111)과, 이득 매질(111)을 여기시키기 위한 980 nm 또는 1480 nm 파장대의 펌프 레이저(120)를 포함할 수 있다.
나아가, 펌프 레이저(120)를 통해 입력된 펌프 광과 레이저부(100) 내부를 공진하는 레이저 광을 결합시킬 수 있는 980/1550 nm 혹은 1480/1550 nm 파장 다중 커플러(130), 레이저 공진기를 구성하는 단일 모드 광섬유(140), 발진된 레이저의 일부를 출력시키는 광 출력단(170)과, 출력된 레이저의 나머지 부분은 레이저 공진기 내부를 순환하도록 분리해 주는 방향성 결합기(150), 그리고 어븀 첨가 광섬유와 같은 이득 매질(111)을 포화 상태로 만들기에 충분한 세기의 광 펌프 펄스 광원(250)의 펄스 광과 레이저 공진기 내로 입력되고 발진되는 레이저 광을 분리해 주는 파장 다중 필터(260)로 구성될 수 있다.
도 9의 실시예도 마찬가지로, 광섬유 레이저 장치의 동작은 도 1의 실시예를 설명한 것과 같은 동작 원리를 가지며, 펌프 펄스 광을 레이저 공진기로부터 제어하여 레이저 펄스의 발진을 안정화하기 위해서 추가적으로 파장 다중 필터(261)가 포함될 수 있고, 레이저 출력의 안정화 및 레이저 공진 파장의 선택을 위해서 파장 선택 필터(270)가 추가될 수 있다. 파장 선택 필터(270)에서 선택된 파장은 커플러(130), 파장 다중 필터(260)에도 적용될 수 있다. 그리고, 도 9의 양쪽 끝 단의 반사단(240)은 도 3 내지 도 5의 일례에 맞게, 편광 거울 등의 거울이나 광섬유 루프와 광섬유 커플러로 구성되거나, 광섬유 브레그 격자로 구성될 수 있다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 있어서, 도 9와 비슷한 구조로 양쪽 끝 단에 반사단(240)이 놓인 페브리-페롯 구조를 가지며, 펌프 레이저(120), 커플러(130)와 단일 모드 광섬유(140)으로 구성될 수 있는 레이저 공진기로 그 구성이 유사하지만 다른 실시예의 광섬유 레이저 장치의 구조를 나타낸 것으로서, 광 펄스 광원(250)과 파장 분배기(260)의 위치를 다르게 한 것을 볼 수 있다. 도 9의 실시예와 마찬가지로, 광 펄스 광원(250)의 펄스 광을 레이저 공진기로부터 제거하여 레이저 펄스의 발진을 안정화하기 위해서 추가적으로 파장 다중 필터(261)를 추가하였는데, 그 위치가 반대 편에 위치하여 포함된다.
포화 흡수체의 역할도 수행할 수 있는 어븀 첨가 광섬유 등과 같은 이득 매질(111)의 길이가 충분히 길고 펌프 광 펄스의 세기가 적절하도록 하면 레이저 공진기 내의 주요 모드를 제외한 다른 주파수 모드의 광 펄스는 흡수되고 결국 광 세기가 가장 큰 주요 종모드 들로 구성된 레이저 펄스가 발진하게 된다. 아울러 포화 흡수체의 역할로 이완 진동(Relaxation Oscillation)도 제거할 수 있고, 높은 펄스 에너지의 레이저 펄스를 얻을 수 있다.
레이저 출력의 안정화 및 레이저 공진 파장의 선택을 위해서 파장 선택 필터(270)가 추가될 수 있으며, 도 10의 양쪽 끝 단의 반사단(240)은 도 3 내지 도 5의 일례, 예컨대 편광 거울 등의 거울이나 광섬유 루프와 광섬유 커플러로 구성되거나, 광섬유 브레그 격자 등의 반사단으로 구성될 수 있다. 파장 선택 필터(270)에서 선택된 파장은 파장 분배기(230)와 커플러(130), 파장 다중 필터(260)에도 적용될 수 있다.
도 11에서는 본 발명에 의한 도 1의 실시예에 따른 능동형 펄스 생성 레이저에 의해 발진되는 시간에 따른 레이저 펄스 열의 한 예시를 보여주고 있다.
이에 도 11과 관련하여, 도 12에서는 본 발명에 의한 도 1의 실시예에 따른 능동형 펄스 생성 레이저에 의해 발진된 레이저 펄스의 파장 스펙트럼의 한 예시를 도시하고 있다.
상기의 어느 한 실시예에 있어서, 포화 흡수체(210)의 한 예로는 어븀 (Er) 이온 첨가 광섬유 (Er-doped fiber; EDF)가 사용될 수 있고, 광 펄스 광원(250)으로는 980 nm 또는 1480 nm 파장대의 고출력 반도체 레이저를 펄스 구동하여 사용할 수 있다. 이러한 경우에 파장 분배기(230) 혹은 파장 다중 필터(260, 261)는 1550/980 nm 또는 1550/1480 nm 파장다중(WDM) 커플러로 구성될 수 있다.
파장 선택 필터(270)는 고정형 좁은 선폭의 필터나 파장 가변 필터가 사용될 수도 있다. 고정형 선택 필터가 사용되면 정해진 파장대에서만 레이저의 발진 펄스 레이저의 생성이 가능하나, 파장 가변 필터를 사용하면 다양한 파장의 펄스 레이저가 발진, 구성될 수 있다.
포화 흡수체(210)에 광 펄스 광원(250)의 펌프 광 펄스가 가해지는 경우에는 일반적으로 큐 스위칭된 (Q-switched) 펄스 레이저 발진이 가능하나, 이 펌프 광 펄스의 반복률을 레이저 광이 전체 레이저 공진기를 왕복하는데 걸리는 시간의 역 수의 정수배에 해당하는 조화 주파수로 맞추어 펌프를 해 주면, 공진기 모드들의 위상이 일치하는 모드로킹(Mode-locking)된 상태로 레이저 펄스가 발진하는 능동형 모드로킹된 광섬유 레이저 발진이 가능하다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 포화 흡수체(210)는 탄소 나노 튜브나 그래핀(Graphene) 등의 다양하게 활용될 수 있는 신소재로 구성될 수 있는데, 자외선, 가시광선, 적외선까지 다양한 파장대의 레이저 광을 흡수할 수 있고, 그 흡수율 또한 높기 때문에 발명의 포화 흡수체로 활용하기에 적절하다 할 수 있다.
이와 같이, 본 발명은 펄스형 광섬유 레이저에 관한 것으로, 광섬유 레이저 공진기 내부에 가변형 포화 흡수체를 삽입하고 이를 외부 광 펄스로 펌프하여 광섬유 레이저가 이 외부 광 펄스와 동기화된 시간에서 펄스 레이저 출력을 하는 레이저 장치로서, 깨끗한 펄스 모양과 펄스의 낮은 시간 지터, 조정 가능한 펄스 생성 반복률, 고출력 펄스 에너지 방출, 및 출력 파워의 조절 기능이 추가된 능동형 펄스 광섬유 레이저를 제공할 수 있다.
특히, 어븀 등의 희토류 첨가 광섬유 포화 흡수체의 포화 수준을 조절할 수 있는 펌프 광 펄스를 주입함으로써, 주입 펄스를 능동적으로 조절함에 따라 이 펄스와 동기화되어 발진하는 레이저 펄스의 반복률, 펄스 폭, 발진 종 모드, 펄스 파워 및 에너지들을 광범위하게 조절할 수 있는 것을 그 특징으로 한다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 설명된 구성을 세분화하여 나누거나, 혹은 다른 구성요소 또는 균등한 것들에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.
100: 레이저부
110: 이득매질
120: 펌프 레이저
130: 파장다중 커플러
140: 광섬유(공진기)
150: 방향성 결합기
160: 광 순환기
170: 광 출력단
200: 포화 흡수체부
210: 포화 흡수체
220: 광섬유
230: 파장 분배기
240: 반사단
250: 광 펄스 광원
260: 파장 다중 필터
270: 파장 선택 필터

Claims (13)

  1. 포화 흡수체를 이용한 능동형 펄스 생성 광섬유 레이저 장치에 있어서,
    레이저부; 및
    포화 흡수체부
    를 포함하며,
    상기 레이저부는 고리형 광섬유로 구성된 레이저 공진기와 이 공진기에 광 순환기를 포함하여 상기 공진하는 레이저 광을 상기 포화 흡수체부로 송수신하고,
    상기 포화 흡수체부는 포화 흡수체를 포함하고 광 펄스로 상기 포화 흡수체의 포화 상태를 조절하여 상기 레이저의 발진을 유도하며,
    상기 포화 흡수체부는 상기 레이저의 발진 파장을 선택할 수 있는 파장 선택 필터를 포함하고,
    파장 분배기와 커플러, 파장 다중 필터에도 상기 파장 선택 필터에서 선택한 파장이 적용되는 것
    을 특징으로 하는 광섬유 레이저 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 레이저부는 이득 매질과 상기 이득 매질을 여기시키기 위한 펌프 레이저를 포함하고,
    상기 이득 매질은 희토류 첨가 광섬유로 구성되며,
    상기 펌프 레이저의 펌프 광원으로는 반도체 광원을 이용하는 것
    을 특징으로 하는 광섬유 레이저 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 포화 흡수체는 희토류 첨가 광섬유를 포함하는 것
    을 특징으로 하는 광섬유 레이저 장치.
  4. 포화 흡수체를 이용한 능동형 펄스 생성 광섬유 레이저 장치에 있어서,
    레이저부; 및
    포화 흡수체부
    를 포함하며,
    상기 레이저부는 고리형 광섬유로 구성된 레이저 공진기와 이 공진기에 광 순환기를 포함하여 상기 공진하는 레이저 광을 상기 포화 흡수체부로 송수신하고,
    상기 포화 흡수체부는 포화 흡수체를 포함하고 광 펄스로 상기 포화 흡수체의 포화 상태를 조절하여 상기 레이저의 발진을 유도하며,
    상기 광섬유 레이저 장치는 큐 스위칭된 펄스 광섬유 레이저를 발진시키기 위해,
    상기 레이저부에 980 nm 펌프 레이저와 980 nm/1550 nm 파장 다중(WDM) 커플러, 어븀 첨가 광섬유로 구성된 이득 매질, 레이저 출력용 방향성 결합기를 포함하며,
    상기 포화 흡수체부에 어븀 첨가 광섬유를 포함하는 포화 흡수체, 공진 파장에서 반사하는 반사단과 한 개 이상의 파장 분배기, 상기 파장 분배기에 의해 펌프되고 필터링되는 980 nm 파장대역의 펌프 광 펄스 광원과 상기 광 펄스 광원의 광 펄스를 이용하여 능동형 펄스 레이저를 발진시키는 것
    을 특징으로 하는 광섬유 레이저 장치.
  5. 삭제
  6. 포화 흡수체를 이용한 능동형 펄스 생성 광섬유 레이저 장치에 있어서,
    레이저부; 및
    포화 흡수체부
    를 포함하며,
    상기 레이저부는 고리형 광섬유로 구성된 레이저 공진기와 이 공진기에 광 순환기를 포함하여 상기 공진하는 레이저 광을 상기 포화 흡수체부로 송수신하고,
    상기 포화 흡수체부는 포화 흡수체를 포함하고 광 펄스로 상기 포화 흡수체의 포화 상태를 조절하여 상기 레이저의 발진을 유도하며,
    상기 포화 흡수체를 펌프하는 광 펄스의 반복률을 공진 주파수의 조화파에 해당하는 주파수로 공진하여 능동형 모드로킹(Mode-Locking)된 레이저 펄스를 생성하는 것
    을 특징으로 하는 광섬유 레이저 장치.
  7. 포화 흡수체를 이용한 능동형 펄스 생성 광섬유 레이저 장치에 있어서,
    레이저부; 및
    포화 흡수체부
    를 포함하며,
    상기 레이저부는 고리형 광섬유로 구성된 레이저 공진기와 이 공진기에 광 순환기를 포함하여 상기 공진하는 레이저 광을 상기 포화 흡수체부로 송수신하고,
    상기 포화 흡수체부는 포화 흡수체를 포함하고 광 펄스로 상기 포화 흡수체의 포화 상태를 조절하여 상기 레이저의 발진을 유도하며,
    상기 광섬유 레이저 장치는 공진 파장에서 반사하는 반사단을 포함하고, 상기 반사단은 파장 분배기를 통해 상기 포화 흡수체를 펄스 광으로 펌프할 때 능동형 레이저 펄스를 발진시키는 것
    을 특징으로 하는 광섬유 레이저 장치.
  8. 포화 흡수체를 이용한 능동형 펄스 생성 광섬유 레이저 장치에 있어서,
    레이저부; 및
    포화 흡수체부
    를 포함하며,
    상기 레이저부는 고리형 광섬유로 구성된 레이저 공진기와 이 공진기에 광 순환기를 포함하여 상기 공진하는 레이저 광을 상기 포화 흡수체부로 송수신하고,
    상기 포화 흡수체부는 포화 흡수체를 포함하고 광 펄스로 상기 포화 흡수체의 포화 상태를 조절하여 상기 레이저의 발진을 유도하며,
    상기 광섬유 레이저 장치의 레이저부는 고리형 공진기를 대신하여 공진 파장에서 반사하는 반사단을 양쪽 끝 단에 포함하고, 레이저를 출력하는 광 분배기를 포함하는 페브리-페롯(Fabry-Perot) 구조로 구성되는 것
    을 특징으로 하는 광섬유 레이저 장치.
  9. 제7항 또는 제8항에 있어서,
    상기 공진 파장에서 반사하는 반사단은 광섬유 브레그 격자(Fiber Bragg Grating)으로 구성된 것
    을 특징으로 하는 광섬유 레이저 장치.
  10. 제7항 또는 제8항에 있어서,
    상기 공진 파장에서 반사하는 반사단은 입사 광에 대해 반사 광의 편광을 바꾸는 편광 회전 거울로 구성되는 것
    을 특징으로 하는 광섬유 레이저 장치.
  11. 제7항 또는 제8항에 있어서,
    상기 공진 파장에서 반사하는 반사단은 광섬유 루프와 광섬유 커플러로 구성된 루프 거울로 구성되는 것
    을 특징으로 하는 광섬유 레이저 장치.
  12. 제7항 또는 8항에 있어서,
    상기 광섬유 레이저 장치는 상기 공진 파장에서 반사하는 반사단 중 한쪽 반사단 앞 부분에 파장 필터를 포함하는 것
    을 특징으로 하는 광섬유 레이저 장치.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 포화 흡수체는 탄소 나노 튜브나 그래핀(Graphene)으로 구성되는 것
    을 특징으로 하는 광섬유 레이저 장치.
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