KR101404652B1 - 광섬유 레이저 출력 장치 - Google Patents

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KR101404652B1
KR101404652B1 KR1020130001731A KR20130001731A KR101404652B1 KR 101404652 B1 KR101404652 B1 KR 101404652B1 KR 1020130001731 A KR1020130001731 A KR 1020130001731A KR 20130001731 A KR20130001731 A KR 20130001731A KR 101404652 B1 KR101404652 B1 KR 101404652B1
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end cap
ferrule
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조민식
유봉안
신우진
노영철
박영호
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국방과학연구소
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Abstract

본 발명은, 내부의 전반사를 통하여 광섬유 레이저를 전달하도록 형성되는 광섬유와, 상기 광섬유의 출력단에 장착되고 단위 면적당 상기 광섬유 레이저의 출력을 낮추도록 상기 광섬유보다 큰 직경으로 구성되는 엔드캡(end cap), 및 상기 광섬유를 감싸 지지하며 금속 재질로 형성되는 페룰을 포함하고, 상기 페룰은, 상기 광섬유를 수용하는 중공부, 및 내부에 상기 엔드캡이 안착되도록 상기 페룰의 단부에서 상기 중공부보다 구경이 크게 천공되며 상기 중공부와 연통되는 수용홈을 구비하는 광섬유 레이저 출력 장치를 제공한다.

Description

광섬유 레이저 출력 장치{APPARATUS FOR FIBER LASER OUTPUT}
본 발명은 고출력 펄스 레이저의 전송에 적합한 구조를 가지는 광섬유 레이저 출력 장치에 관한 것이다.
광섬유 레이저는 높은 레이저 출력 수준에서도 우수한 wall-plug 효율과 높은 빔 품질을 유지함으로써 레이저 분야에서 많은 관심을 받고 있다. 고출력 광섬유 레이저의 경우, 높은 출력으로 인하여 각 구성품에 손상이 일어날 수 있다. 일반적으로 광섬유의 표면에서 손상 문턱 출력값은 광섬유 매질 내의 손상 문턱 출력값에 비하여 약 10배 정도 작다. 따라서, 광섬유 내부의 높은 광출력은 광섬유 출력단의 표면에서 표면 손상을 일으킨다. 이를 해결하기 위하여, 고출력 광섬유 레이저의 출력단에서는 빔을 확대하여 단위 면적당 에너지 크기를 낮추게 된다.
또한, 출력되는 광섬유 레이저가 광섬유의 출력단을 통과하면서 의도하지 않은 되반사(retro-reflection)가 발생하면, 되반사 빔은 광섬유 증폭기 또는 공진기로 유입되어 레이저 시스템의 출력 증폭 효율을 감소시킨다. 특히, 첨두 출력이 높은 레이저에서는 되반사 빔이 증폭기 또는 공진기로 유입되면서 펌프 레이저 다이오드를 포함한 광섬유 레이저의 광 부품들의 손상을 유발시킨다. 따라서, 광섬유 레이저 및 증폭기의 신뢰성을 높일 수 있도록 고출력 광섬유 레이저 출력단에 고출력용 엔드캡(end cap)을 부착해 주어야 한다.
종래의 엔드캡은 대부분 광섬유의 직경과 같거나 거의 유사한 coreless 광섬유를 출력 광섬유의 출력단에 장착하여 사용하였다. 또한, 저출력 레이저의 경우, 엔드캡을 결합하는 페룰은 가공 정밀도가 좋은 세라믹 재질을 사용하였다. 그러나, 이와 같은 엔드캡은 레이저의 첨두 출력이 10kW 정도 까지는 문제가 없으나, 레이저의 첨두 출력이 MW 영역인 경우에는 손상이 발생한다. 따라서, MW급 첨두 출력을 가지는 고출력 광섬유 레이저에 적용할 수 있는 고출력 광섬유 레이저용 엔드캡의 필요성이 대두되었다.
도 1은 단일 모드 광섬유 레이저 출력 장치(100)의 개념도이다. 상기 출력 장치(100)의 경우, 광섬유의 코어 직경은 5~10um이고, 클래딩 직경은 125um이며, kW급의 출력을 발생한다. 상기 출력 장치(100)에 적용되는 엔드캡(120)은 일반적으로 클래딩 직경과 거의 비슷한 수백 um 직경을 갖는다. 엔드캡(120)과 단일 모드 광섬유 클래딩 직경 차이가 작기 때문에 중심 간 편심이 작고, 길이 및 회전방향의 각도 오차가 매우 작다. 하지만, 이러한 단일 모드 광섬유 레이저 출력 장치(100)의 엔드캡(120)은 MW급 고출력 펄스 레이저 광 전송시 레이저 출력단에서 심각한 손상을 발생시킬 수 있다. 따라서, 세라믹 재질 페룰(130)에 접착되는 엔드캡(120)을 적용한 단일 모드 광섬유 레이저 출력 장치(100)는 저출력·고품질의 광섬유 레이저 전송시에만 적용이 가능하다.
도 2는 고출력 광섬유 레이저 출력 장치(200)의 개념도이다. 일반적으로 상기 출력 장치(200)는 수십 KW 이상~MW급 레이저를 발생하며, 이에 사용되는 대구경 광섬유(210) 대부분의 코어 직경은 16~100um 이고, 클래딩 직경은 125~400um 이다. 대구경 광섬유 레이저 출력단에서 단위 면적당 고출력 레이저 광의 세기를 낮추어 레이저 출력단의 손상을 방지하도록 밀리미터 수준의 직경을 갖는 엔드캡(220)이 필요하다. 그러나, 엔드캡(220) 직경과 대구경 광섬유(210) 클래딩 직경 차이가 크기 때문에 도시한 바와 같이 페룰(230) 중심에 밀리미터 수준의 직경 홀(hole)을 뚫게 되고, 엔드캡(220)과 대구경 광섬유(210)를 접착하여 고정할 때 광섬유(210)의 길이 및 회전방향으로 각도 오차가 크게 발생할 수 있다.
본 발명은 고출력 펄스 레이저의 전송에 적합한 구조를 가지는 광섬유 레이저 출력 장치를 제안하기 위한 것이다.
상기한 과제를 실현하기 위한 본 발명의 일 실시예와 관련된 광섬유 레이저 출력 장치는, 내부의 전반사를 통하여 광섬유 레이저를 전달하도록 형성되는 광섬유와, 상기 광섬유의 출력단에 장착되고 단위 면적당 상기 광섬유 레이저의 출력을 낮추도록 상기 광섬유보다 큰 직경으로 구성되는 엔드캡(end cap), 및 상기 광섬유를 감싸 지지하며 금속 재질로 형성되는 페룰을 포함하고, 상기 페룰은, 상기 광섬유를 수용하는 중공부, 및 내부에 상기 엔드캡이 안착되도록 상기 페룰의 단부에서 상기 중공부보다 구경이 크게 천공[또는 리세스(recessed)]되며 상기 중공부와 연통되는 수용홈을 구비한다.
본 발명과 관련된 일 예에 따르면, 상기 수용홈은 단일 몸체로 이루어지는 상기 페룰의 단부가 상기 중공부에 대하여 단차를 갖도록 절삭 가공되어 형성된다.
본 발명과 관련된 다른 일 예에 따르면, 상기 광섬유 레이저 출력 장치는, 상기 엔드캡 표면에서의 상기 광섬유 레이저의 되반사(retro-reflection)가 감소되도록 상기 엔드캡의 표면에 코팅되는 무반사 코팅층을 더 포함한다. 또한, 상기 엔드캡의 단부는 상기 엔드캡 표면에서의 상기 광섬유 레이저의 되반사(retro-reflection)가 감소되도록 경사지게 형성될 수 있다. 이때, 상기 엔드캡의 표면과 상기 페룰 단부의 표면은 동일 평면을 이룰 수 있다.
본 발명과 관련된 또 다른 일 예에 따르면, 상기 광섬유와 상기 엔드캡은 각각 마이크로미터 및 밀리미터 수준의 지름을 갖도록 형성된다. 상기 중공부 및 상기 중공부와 연통되는 상기 수용홈은 상기 광섬유와 상기 엔드캡의 형상에 대응되게 형성될 수 있다.
본 발명과 관련된 또 다른 일 예에 따르면, 상기 페룰은, 상기 광섬유 및/또는 상기 엔드캡에서 발생하는 열의 방출 효율을 향상시키도록 외부에서 돌출되게 형성되는 복수의 방열핀을 구비한다. 상기 복수의 방열핀은 단일 몸체로 이루어지는 상기 페룰의 외부면이 절삭 가공되어 형성될 수 있다.
본 발명과 관련된 또 다른 일 예에 따르면, 상기 페룰은 외부 광학 기구부와 결합 가능하도록 FC/APC 또는 FC/PC 타입의 연결부를 구비한다.
상기와 같은 구성의 본 발명에 의하면, 페룰 내부에 광섬유와 엔드캡의 형상에 대응되는 수용 공간, 즉, 중공부 및 상기 중공부보다 구경이 크게 천공되는 수용홈이 각각 구비되므로, 엔드캡과 광섬유의 외경 차이로 인하여 발생하는 길이 및 회전방향의 각도 오차가 줄어들 수 있다.
또한, 엔드캡의 표면에 무반사 코팅층이 코팅되어 엔드캡 표면에서의 광섬유 레이저의 되반사가 감소될 수 있으며, 페룰의 외부에는 복수의 방열핀이 구비되어 광섬유 및/또는 엔드캡에서 발생하는 열의 방출 효율이 향상될 수 있다.
도 1은 배경 기술로서, 단일 모드 광섬유 레이저 출력 장치의 개념도.
도 2는 배경 기술로서, 고출력 광섬유 레이저 출력 장치의 개념도.
도 3은 본 발명과 관련된 고출력 광섬유 레이저 시스템에서, 증폭부를 포함하는 출력단의 구성 예를 보인 개념도.
도 4는 본 발명과 관련된 광섬유 레이저 출력 장치의 일 예를 보인 개념도.
도 5a 및 5b는 광섬유 레이저 출력 장치의 다른 일 예로서, 엔드캡 표면에서의 광섬유 레이저의 되반사가 감소될 수 있는 구조들을 보인 개념도.
도 6은 광섬유 레이저 출력 장치의 또 다른 일 예로서, 열의 방출 효율이 향상될 수 있도록 페룰 외부에 복수의 방열핀이 형성되는 구조를 보인 개념도.
도 7a 및 7b는 앞선 예들의 조합으로 구성된 광섬유 레이저 출력 장치들을 보인 개념도.
이하, 본 발명에 관련된 광섬유 레이저 출력 장치에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.
본 명세서에서는 서로 다른 실시예라도 동일·유사한 구성에 대해서는 동일·유사한 참조번호를 부여하고, 그 설명은 처음 설명으로 갈음한다. 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다.
도 3은 본 발명과 관련된 고출력 광섬유 레이저 시스템에서, 증폭부를 포함하는 출력단의 구성 예를 보인 개념도이다.
도 3을 참조하면, 광섬유 레이저 시스템의 증폭부는 1차 증폭된 고출력 펌프 레이저 광에 적합한 고출력용 아이솔레이터(301), 고출력용 밴드패스 필터(302), 펌프 스트리버(303), 대구경 광섬유(310), 파장 분할 다중화기(304), 펌프 레이저 다이오드(305) 및 고출력용 엔드캡(320)을 포함한다.
증폭부는 전치 증폭부를 통과한 펌프 레이저 광을 2차 증폭하여 수십 와트급 고출력 레이저(340)를 생성한다. 전치 증폭부에서 1차 증폭된 광은 펌프 레이저 다이오드(305)의 광 펌핑에 의해 높은 흡수율을 보이며 증폭된다.
도 4는 본 발명과 관련된 광섬유 레이저 출력 장치(300)의 일 예를 보인 개념도이다.
도 4를 참조하면, 광섬유 레이저 출력 장치(300)는 광섬유(310), 엔드캡(320) 및 페룰(330)을 포함한다. 광섬유(310)는 내부의 전반사를 통하여 광섬유 레이저(340)를 전달하도록 형성된다. 광섬유(310)의 출력단에는 엔드캡(320)이 장착되어, 단위 면적당 광섬유 레이저(340)의 출력을 낮추도록 이루어진다. 엔드캡(320)은 광섬유(310)의 출력단이나 외부 광학계(콜리메이터)로부터의 되반사(retro-reflection) 빔이 광섬유(310) 코어로 입사하는 것을 차단시켜 주는 역할을 하기도 한다.
엔드캡(320)의 직경은 광섬유(310)의 직경보다 크게 구성되는 것이 바람직하다. 엔드캡 단부(321)는 표면에서 반사된 광섬유 레이저(340)가 광섬유(310) 코어로 입사되는 것을 방지하기 위하여, 연마가공 또는 클리빙(cleaving)을 통하여 경사지게(8도 내외) 형성될 수 있다. 이때, 페룰 단부(333)도 엔드캡 단부(321)와 동일한 각도로 경사지게 형성될 수 있다.
페룰(330)은 광섬유(310)를 감싸 지지하도록 이루어지며, 금속 재질로 형성된다. 본 발명과 같이 고출력 광섬유 레이저 출력 장치(300)에서는 열이 많이 발생하게 되므로, 페룰(330)이 금속 재질로 형성되는 경우 기존의 세라믹 재질에 비하여 쿨링 성능이 향상될 수 있다. 페룰(330)은 외부 광학 기구부와 결합 가능하도록 FC/APC 또는 FC/PC 타입의 연결부(10, 도 1 참조)를 구비할 수 있다.
페룰(330)의 내부에는 서로 구경이 다른 중공부(331) 및 수용홈(332)이 형성된다. 중공부(331)는 페룰(330)의 길이 방향을 따라 연장되게 형성되며, 광섬유(310)는 중공부(331)에 수용되어 적정 위치에 고정된다. 수용홈(332)은 내부에 엔드캡(320)이 안착되도록 페룰 단부(333)에서 중공부(331)보다 구경이 크게 천공되며, 중공부(331)와 연통되도록 형성된다. 이때, 중공부(331)의 구경은 광섬유(310)의 직경에 대응되며, 수용홈(332)의 구경은 엔드캡(320)의 직경에 대응되게 형성되는 것이 바람직하다.
엔드캡(320)은 수용홈(332)을 형성하는 걸림턱(332a)에 안착되어 기설정된 위치에 고정될 수 있다. 페룰(330) 내부에 결합된 엔드캡(320)의 길이를 통하여 엔드캡(320) 표면에서 출력되는 광섬유 레이저(340)의 특성을 정확히 계산할 수 있도록, 페룰 단부(333)로부터 걸림턱(332a)까지의 깊이는 엔드캡(320)의 길이에 대응하도록 형성되는 것이 바람직하다. 걸림턱(332a)은 페룰(330)의 외주면에 대하여 수직하게 형성될 수 있다.
본 발명과 같은 고출력 광섬유 레이저 출력 장치(300)의 경우, 광섬유(310)와 엔드캡(320)은 각각 마이크로미터 및 밀리미터 수준의 지름을 갖도록 형성되는 것이 바람직하다. 즉, 엔드캡(320)과 광섬유(310)의 단면은 철(凸) 형상으로 이루어진다. 도면에 도시된 바와 같이, 중공부(331) 및 이와 연통되는 수용홈(332)은 광섬유(310)와 엔드캡(320)의 형상에 대응되게 형성될 수 있다.
수용홈(332)은 단일 몸체로 이루어지는 페룰 단부(333)가 중공부(331)에 대하여 단차를 갖도록 절삭 가공되어 형성될 수 있다. 즉, 페룰(330)에 길이 방향을 따라 중공부(331)를 형성한 후, 페룰 단부(333)에 수용홈(332)을 형성함으로써(혹은 그 반대의 과정으로), 위와 같은 구조를 갖는 페룰(330)을 제조할 수 있다.
상기와 같은 구성의 본 발명에 의하면, 페룰(330) 내부에 광섬유(310)와 엔드캡(320)의 형상에 대응되는 수용 공간, 즉, 중공부(331) 및 상기 중공부(331)보다 구경이 크게 천공되는 수용홈(332)이 각각 구비되므로, 엔드캡(320)과 광섬유(310)의 외경 차이로 인하여 발생하는 길이 및 회전방향의 각도 오차가 줄어들 수 있다.
도 5a 및 5b는 광섬유 레이저 출력 장치(400, 500)의 다른 일 예로서, 엔드캡(420) 표면에서의 광섬유 레이저(440)의 되반사가 감소될 수 있는 구조들을 보인 개념도이다.
도 5a 및 5b를 참조하면, 엔드캡(420, 520) 표면에서의 광섬유 레이저(440, 540)의 되반사가 감소되도록, 엔드캡(420, 520)의 표면에는 무반사 코팅층(422, 522)이 코팅될 수 있다. 일 예로, 엔드캡(420, 520)의 표면에 유전물질의 엷은 박막이 입혀지는 경우, 상기 유전물질이 엔드캡(420, 520)의 표면에서 반사되는 빛을 다시 반사시킴으로써, 엔드캡(420, 520) 표면에서의 광섬유 레이저(440, 540)의 투과율이 향상될 수 있다.
도 5a는 앞서 설명한 바와 같이, 엔드캡 단부(421)가 경사지게 형성되어 엔드캡(420) 표면에서 반사된 광섬유 레이저(440)가 광섬유(410) 코어로 입사되는 것을 방지하도록 구성된 것을 보이고 있다. 이때, 페룰 단부(433)도 엔드캡 단부(421)와 동일한 각도(8도 내외)로 경사지게 형성될 수 있으며, 엔드캡 단부(421)의 표면과 페룰 단부(433)의 표면은 동일 평면을 이루도록 구성될 수 있다.
도 5b는 엔드캡 단부(521)가 경사지지 않고 페룰(530)의 외주면에 대하여 수직하게 형성된 것을 보이고 있다. 즉, 이는 엔드캡(520)의 표면에 형성되는 무반사 코팅층(522)만으로 엔드캡(520) 표면에서의 광섬유 레이저(540)의 되반사를 감소시킨 구조이다.
도 6는 광섬유 레이저 출력 장치(600)의 또 다른 일 예로서, 열의 방출 효율이 향상될 수 있도록 페룰(630) 외부에 복수의 방열핀(634)이 형성되는 구조를 보인 개념도이다.
도 6을 참조하면, 페룰(630)은 외부에서 돌출되게 형성되는 복수의 방열핀(634)을 구비할 수 있다. 상기 구조에 의하면, 방열을 위한 표면적이 증가함으로써, 광섬유(610) 및/또는 엔드캡(620)에서 발생하는 열의 방출 효율이 향상될 수 있다. 복수의 방열핀(634)은 페룰(630) 상에서 열이 발생하는 부위에 따라 그 형상(길이, 간격 등)이 다르게 설계되어 효율적인 열 발산이 이루어지도록 구성될 수 있다.
복수의 방열핀(634)은 단일 몸체로 이루어지는 페룰(630)의 외부면이 절삭 가공되어 형성될 수 있다. 본 도면에서는 페룰(630) 중 광섬유(610)를 감싸는 부분의 외부면에 복수의 방열핀(634)이 규칙적으로 돌출되게 형성된 것을 예시하고 있다. 그러나 복수의 방열핀(634)의 구조가 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 복수의 방열핀(634)은 일 영역에 집중되어 형성될 수도 있고, 페룰(630) 중 엔드캡(620)을 감싸는 부분을 포함한 전 영역에 형성될 수도 있다.
도 7a 및 7b는 앞선 예들의 조합으로 구성된 광섬유 레이저 출력 장치들(700, 800)을 보인 개념도이다.
도 7a는 엔드캡 단부(721)가 경사지게 형성되고 그 표면에 무반사 코팅층(722)이 입혀져, 엔드캡(720)의 표면에서 광섬유 레이저(740)의 되반사가 감소될 수 있는 구조에 더하여, 페룰(730) 외부에 복수의 방열핀(734)이 구비되어 페룰(730)의 방열 효율이 향상될 수 있는 구조를 나타낸다.
도 7b는 엔드캡 단부(821)가 페룰(830)의 외주면에 대하여 수직한 표면을 가지고 그 표면에 무반사 코팅층(822)이 입혀지며, 페룰(830) 외부에 복수의 방열핀(834)이 구비된 구조를 나타낸다.
이상에서 설명한 광섬유 레이저 출력 장치는 위에서 설명된 실시예들의 구성과 방법에 한정되는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.

Claims (10)

  1. 내부의 전반사를 통하여 광섬유 레이저 빔을 전달하도록 형성되는 광섬유;
    상기 광섬유의 출력단에 장착되고, 단위 면적당 상기 광섬유 레이저 빔의 출력을 낮추도록 상기 광섬유보다 큰 직경으로 구성되는 엔드캡(end cap); 및
    상기 광섬유 및 상기 엔드캡의 외주를 감싸 지지하며, 금속 재질로 형성되는 페룰을 포함하고,
    상기 페룰은,
    상기 광섬유를 수용하는 중공부; 및
    내부에 상기 엔드캡이 안착되도록 상기 페룰의 단부에서 상기 중공부보다 구경이 크게 천공되며, 상기 중공부와 연통되는 수용홈을 구비하고,
    상기 엔드캡의 후단부는 상기 수용홈을 구성하는 걸림턱에 접하여 지지되도록 형성되며,
    상기 페룰의 단부의 표면은 상기 엔드캡의 표면과 동일 평면을 이루도록 형성되고, 상기 페룰은 상기 엔드캡의 상기 표면을 제외한 나머지 면을 완전히 덮도록 형성되는 것을 특징으로 하는 광섬유 레이저 출력 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 수용홈은 단일 몸체로 이루어지는 상기 페룰의 단부가 상기 중공부에 대하여 단차를 갖도록 절삭 가공되어 형성되는 것을 특징으로 하는 광섬유 레이저 출력 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 엔드캡 표면에서의 상기 광섬유 레이저의 되반사(retro-reflection)가 감소되도록, 상기 엔드캡의 표면에 코팅되는 무반사 코팅층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 레이저 출력 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 엔드캡의 단부는, 상기 엔드캡 표면에서의 상기 광섬유 레이저의 되반사(retro-reflection)가 감소되도록, 경사지게 형성되는 것을 특징으로 하는 광섬유 레이저 출력 장치.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 광섬유와 상기 엔드캡은 각각 마이크로미터 및 밀리미터 수준의 지름을 갖도록 형성되는 것을 특징으로 하는 광섬유 레이저 출력 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 중공부 및 상기 중공부와 연통되는 상기 수용홈은 상기 광섬유와 상기 엔드캡의 형상에 대응되게 형성되는 것을 특징으로 하는 광섬유 레이저 출력 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 페룰은, 상기 광섬유 및/또는 상기 엔드캡에서 발생하는 열의 방출 효율을 향상시키도록, 외부에서 돌출되게 형성되는 복수의 방열핀을 구비하는 것을 특징으로 하는 광섬유 레이저 출력 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 복수의 방열핀은 단일 몸체로 이루어지는 상기 페룰의 외부면이 절삭 가공되어 형성되는 것을 특징으로 하는 광섬유 레이저 출력 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 페룰은 외부 광학 기구부와 결합 가능하도록 FC/APC 또는 FC/PC 타입의 연결부를 구비하는 것을 특징으로 하는 광섬유 레이저 출력 장치.
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