KR101519857B1 - Q-스위칭 소자 및 이를 이용한 펄스 레이저 생성 장치 - Google Patents

Q-스위칭 소자 및 이를 이용한 펄스 레이저 생성 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 Q-스위칭 소자 및 이를 이용한 펄스 레이저 생성 장치에 관한 것으로, 특히 측면 연마 복굴절 광섬유 및 그 연마된 면 상에 구비된 굴절율 정합 박막을 포함하는 Q-스위칭 소자 및 이를 이용한 펄스 레이저 생성 장치에 관한 것이다. 본 발명에 따른 Q-스위칭 소자 및 이를 이용한 펄스 레이저 생성 장치에 의하면, 저비용으로 용이하게 Q-스위칭을 구현할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 Q-스위칭 소자는 광섬유 기반의 소자이므로, 광섬유와의 연결이 용이하다는 장점이 있다.

Description

Q-스위칭 소자 및 이를 이용한 펄스 레이저 생성 장치{Q-SWITCHING DEVICE AND PULSE LASER GENERATOR USING SAME}
본 발명은 Q-스위칭 소자 및 이를 이용한 펄스 레이저 생성 장치에 관한 것으로, 특히 측면 연마 복굴절 광섬유(side-polished birefringent fiber) 및 그 연마된 면 상에 구비된 굴절율 정합 박막(index matching film)을 포함하는 Q-스위칭 소자 및 이를 이용한 펄스 레이저 생성 장치에 관한 것이다.
최근, 초고속 광통신, 바이오 메디컬 이미징, 재료 가공 분야 등 다양한 분야에서 펄스 레이저가 많은 기술적 관심을 받고 있다. 펄스 레이저를 생성하는 기술로서 Q-스위칭 방식이 널리 이용된다.
Q-스위칭은 레이저 캐비티의 Q-팩터의 변조에 기초한 것이다. 일반적으로, Q-스위칭된 레이저는 높은 펄스 에너지를 갖지만, 펄스의 반복률은 대략 수십 kHz로 제한된다.
종래에, Q-스위칭된 펄스 레이저를 생성하는 Q-스위칭 소자로서, 측면 연마 광섬유 위에 반도체 재료 및 탄소 나노 물질이 증착된 구성이 알려져 있다(특허문헌 1 참조).
그러나, 위와 같은 Q-스위칭 소자는 그 제조를 위하여 진공 증착 또는 스프레이 공정이 필요하여, 상당한 비용이 소요된다. 따라서, 비용을 절감할 수 있으면서도 구현이 용이한 새로운 Q-스위칭 소자의 개발이 요망된다.
국제특허공보 WO2004/059806
본 발명은 저비용으로 용이하게 구현할 수 있는 Q-스위칭 소자 및 이를 이용한 펄스 레이저 생성 장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
본 발명의 한 관점에 따른 Q-스위칭 소자는, 광 공진기 내에 설치되어 Q-스위칭된 펄스 레이저를 생성하는 Q-스위칭 소자에 있어서, 측면 연마 복굴절 광섬유; 및 상기 측면 연마 복굴절 광섬유의 연마된 면 상에 구비된 굴절율 정합 박막을 포함하고, 상기 연마된 면은 저속축(slow axis)에 평행한 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 관점에 따른 펄스 레이저 생성 장치는 광 섬유를 포함하는 광 공진기; 상기 광 공진기에 펌프광을 공급하는 펌프광 공급부; 상기 광 공진기 상에 구비되고, 상기 펌프광으로부터 밀도 반전 현상을 발생시켜 상기 광 공진기 상의 레이저 광을 증폭하는 레이저 매질부; 상기 광 공진기 상에 구비되고, 상기 레이저 매질부에 의하여 증폭된 레이저 광을 수신하여 Q-스위칭된 펄스 레이저를 생성하는 Q-스위칭부; 및 상기 Q-스위칭된 펄스 레이저 중 적어도 일부를 출력하는 출력부를 구비하되, 상기 Q-스위칭부는 측면 연마 복굴절 광섬유 및 상기 측면 연마 복굴절 광섬유의 연마된 면 상에 구비된 굴절율 정합 박막을 포함하고, 상기 연마된 면은 저속축에 평행한 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 Q-스위칭 소자 및 이를 이용한 펄스 레이저 생성 장치에 의하면, 저비용으로 용이하게 Q-스위칭을 구현할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 Q-스위칭 소자는 광섬유 기반의 소자이므로, 광섬유와 완전히 결합될 수 있다는 장점이 있다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명에 따른 Q-스위칭 소자의 단면을 모식적으로 도시한 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 펄스 레이저 생성 장치를 도시한 블록도.
도 3a 및 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 펄스 레이저 생성 장치에 의하여 생성된 펄스 레이저의 파형의 일례를 도시한 도면.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 펄스 레이저 생성 장치를 도시한 블록도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 Q-스위칭 소자 및 이를 이용한 펄스 레이저 생성 장치의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명에 따른 Q-스위칭 소자(10)의 단면을 모식적으로 도시한 도면이다. 도 1a는 Q-스위칭 소자(10)의 길이 방향에 따른 단면을 도시하고, 도 1b는 상기 길이 방향과 수직인 방향의 단면을 도시한다.
도 1a 및 도 1b를 참조하면, Q-스위칭 소자(10)는 연마된 면을 구비하는 측면 연마 복굴절 광섬유(11) 및 그 연마된 면 상에 구비된 굴절율 정합 박막(18)을 포함한다.
상기 연마된 면은 바람직하게는 평탄하고, 저속축(slow axis)에 평행하다. 측면 연마 복굴절 광섬유(11)의 연마된 면의 길이(L)는 예를 들어 0.9~1.1mm이다.
측면 연마 복굴절 광섬유(11)는 그 중심부에 구비된 코어(12); 코어(12)를 피복하고, 상기 연마된 면을 구비하는 클래딩(14); 및 코어(12) 양쪽에 코어(12)와 나란히 배치된 응력부(16)를 포함한다.
측면 연마 복굴절 광섬유(11)는 클래딩(14)을 둘러싸는 버퍼 및 버퍼를 둘러싸는 재킷을 더 포함할 수 있다.
코어(12) 및 상기 연마된 면 사이의 최단 거리(d)는 예를 들어 9~11μm이고, 바람직하게는 10μm이다.
굴절율 정합 박막(18)은 예를 들어 굴절율 정합 젤(index matching gel) 등의 굴절율 정합 물질을 포함한다. 굴절율 정합 젤로서는 예를 들어 점탄성을 갖는 틱소트로픽 젤(thixotropic gel)이 사용될 수 있다.
굴절율 정합 박막(18)의 상면은 바람직하게는 평탄하다. 굴절율 정합 박막(18)의 두께는 예를 들어 1500~1600nm이고, 바람직하게는 1550nm이다.
전술한 Q-스위칭 소자(10)를 레이저 광이 진행하는 광 공진기 상에 설치하면, Q-스위칭 소자(10)는 수동적 Q-스위칭 소자로서 이용되는 포화 흡수체와 유사한 방식으로 광 공진기 상의 레이저 광에 대하여 Q-스위칭 현상을 발생시켜 Q-스위칭된 펄스 레이저를 생성한다.
Q-스위칭 소자(10)는 다음과 같은 방법으로 제조될 수 있다.
우선, V자형 홈이 있는 석영 블록을 준비한다.
다음으로, 상기 V자형 홈 위에 광섬유를 재치하고, 재치된 광섬유의 상면을 연마한다.
다음으로, 광섬유의 연마된 면 위에 굴절율 정합 물질을 포함하는 박막을 균일하게 도포하여 굴절율 정합 박막(18)을 형성한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 펄스 레이저 생성 장치를 도시한 블록도이다.
도 2를 참조하면, 펄스 레이저 생성 장치는 광 공진기(100a), 펌프광 공급부(200), 레이저 매질부(300), Q-스위칭부(400) 및 출력부(500a)를 포함한다.
광 공진기(100a)는 루프형 공진기로서, 광 섬유(110a)를 포함한다. 광 공진기(100a)는 광 아이솔레이터(120) 및 편광 조절부(130)를 더 포함할 수 있다.
광 아이솔레이터(120)는 광 섬유(110a) 상에서 레이저 매질부(300) 및 Q-스위칭부(400) 사이에 구비된다. 광 아이솔레이터(120)는 레이저 광이 Q-스위칭부(400)로부터 레이저 매질부(300)로 진행하는 것을 억제한다. 즉, 광 아이솔레이터(120)는 광 공진기(100a) 내의 반사에 의한 레이저 광의 역방향 진행을 억제하여 펄스 레이저 생성 장치의 효율을 향상시킨다.
편광 조절부(130)는 광 섬유(110a) 상에서 레이저 매질부(300) 및 Q-스위칭부(400) 사이에 구비된다. 편광 조절부(130)는 레이저 매질부(300)로부터 Q-스위칭부(400)로 진행하는 레이저 광(즉, 레이저 매질부(300)에 의하여 증폭된 레이저 광)의 편광을 조절한다.
펌프광 공급부(200)는 광 공진기(100a)에 펌프광을 공급한다. 펌프광 공급부(200)는 펌프광을 생성하는 펌프광 생성부(210) 및 펌프광 생성부(210)와 광 공진기(100a)를 광학적으로 연결하는 입력 커플러(220)를 포함한다. 펌프광 생성부(210)는 레이저 다이오드를 포함할 수 있다. 입력 커플러(220)는 파장 분할 다중화(WDM: Wavelength Division Multiplexing) 광 커플러를 포함할 수 있다. 입력 커플러(220)는 펌프광을 레이저 매질부(300)로 전송한다.
레이저 매질부(300)는 광 공진기(100a) 상에서 펌프광 공급부(200) 및 Q-스위칭부(400) 사이에 구비된다. 레이저 매질부(300)는 펌프광으로 인한 밀도 반전 현상을 발생시켜 광 공진기(100a) 상의 레이저 광을 증폭하고, 증폭된 레이저 광을 Q-스위칭부(400)에 전송한다. 레이저 매질부(300)는 희토류 이온 첨가 광 섬유, 예컨대 어븀 첨가 광 섬유(EBF: erbium-doped fiber), 이터븀 첨가 광섬유(ytterbium-doped fiber), 튤륨 첨가 광섬유(thulium-doped fiber), 홀뮴 첨가 광섬유(holmium-doped fiber) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
Q-스위칭부(400)는 광 공진기(100a) 상에서 레이저 매질부(300) 및 가변 광 변조기(500a) 사이에 구비된다. Q-스위칭부(400)는 전술한 Q-스위칭 소자(10)로 구성되며, 레이저 매질부(300)에 의하여 증폭된 레이저 광에 대하여 Q-스위칭을 수행하여 Q-스위칭된 펄스 레이저를 생성한다.
출력부(500a)는 광 섬유(110a) 상에 구비되고, 출력부(500a)는 광 섬유(110a)와 광학적으로 연결된다. 출력부(500a)는 출력 커플러를 포함할 수 있다. 출력 커플러는 Q-스위칭부(400)로부터 수신한 Q-스위칭된 펄스 레이저 중 일부를 출력하고, 나머지를 펌프광 공급부(200)로 전송한다. 예를 들어, 출력 커플러는 입력된 광의 10%를 출력하고 나머지 90%를 펌프광 공급부(200)로 전송하는 10:90 광 커플러에 의하여 구성될 수 있다.
이하, 도 1에 도시된 펄스 레이저 생성 장치의 동작에 대하여 상세히 설명한다.
펌프광 생성부(210)가 생성한 펌프광은 입력 커플러(220) 및 광 섬유(110a)를 통하여 레이저 매질부(300)에 공급된다.
레이저 매질부(300)는 펌프광으로부터 밀도 반전 현상을 발생시켜 광 섬유(110a) 내의 레이저 광을 증폭시킨다. 레이저 매질부(300)에 의해 증폭된 레이저 광은 광 섬유(110a)를 통해 순차적으로 광 아이솔레이터(120) 및 편광 조절부(130)로 전송된다. 광 아이솔레이터(120)는 레이저 광이 광 공진기(100a) 내의 한 방향(도 3의 예에서는 시계 방향)으로만 진행하게 한다. 편광 조절부(130)는 레이저 광의 편광을 조절한다. 광 아이솔레이터(120) 및 편광 조절부(130)를 경유한 광은 광 섬유(110a)를 통해 Q-스위칭부(400)로 전송된다.
Q-스위칭부(400)는 입사한 광에 대한 Q-스위칭을 수행하여 Q-스위칭된 펄스 레이저를 출력한다.
Q-스위칭된 펄스 레이저는 출력부(500a)로 전송된다. 출력부(500a)는 Q-스위칭된 펄스 레이저의 일부를 출력한다. Q-스위칭된 펄스 레이저 중 출력되지 않은 나머지는 공진기 내에서 순환하고, 밀도 반전 현상에 기여한다.
도 3a 및 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 펄스 레이저 생성 장치에 의하여 생성된 펄스 레이저의 파형의 일례를 도시한 도면이다. 도 3b는 도 3a의 파형을 시간축에 대하여 확대하여 도시한다.
도 3a 및 도 3b에 도시된 파형은 펌프 파워가 57mW, 광 스펙트럼 상의 중심 파장이 1559.84nm인 경우에 대하여 측정된 것이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 펄스 레이저 생성 장치를 도시한 개략도이다. 도 4의 펄스 레이저 생성 장치(10b)는 패브리 페로(Fabry-Perot) 공진기 상에 펄스 레이저 생성 장치를 구현한 것이다.
도 4를 참조하면, 펄스 레이저 생성 장치는 광 공진기(100b), 펌프광 공급부(200), 레이저 매질부(300), Q-스위칭부(400) 및 출력부(500b)를 포함한다. 펌프광 공급부(200), 레이저 매질부(300) 및 Q-스위칭부(400)의 구성은 전술한 일 실시예의 구성과 동일하므로, 그에 대한 반복은 생략한다.
광 공진기(100b)는 패브리 페로 공진기로서, 광 섬유(110b)를 포함한다. 광 공진기(100b)는 광 섬유(110b)의 제1 단부에 구비된 전반사부(140)를 더 포함할 수 있다. 전반사부(140)는 입사된 광을 전부 반사하는 전반사 거울을 포함할 수 있다. 전반사 거울은 광 섬유 브래그 격자로 구성될 수 있다.
출력부(500b)는 광 섬유(110b)의 제2 단부에 구비된 부분반사부를 포함한다. 부분반사부는 입사된 광의 일부를 반사하고 나머지는 투과시킨다. 부분반사부는 광 섬유(110b)의 끝이 절단되여 형성된 절단면에 의하여 구성될 수 있다.
전반사부(150b), 펌프광 공급부(200), 레이저 매질부(300), Q-스위칭부(400)) 및 출력부(500)는 광 섬유(110b) 상에 순차적으로 구비될 수 있다.
이하, 도 4에 도시된 펄스 레이저 생성 장치의 동작을 설명한다.
전반사부(150b) 및 출력부(500b)의 부분반사부가 광을 반사한다는 점과 광 공진기(110b) 내의 레이저 광 중 일부는 상기 제2 단부로부터 상기 제1 단부까지 역방향으로 진행한다는 점을 제외하면, 도 4에 도시된 펄스 레이저 생성 장치의 동작은 도 2에 도시된 펄스 레이저 생성 장치의 동작과 같다.
펌프광 공급부(200)가 생성한 펌프광은 입력 커플러(220) 및 광 섬유(110b)를 통하여 레이저 매질부(300)에 공급된다. 레이저 매질부(300)는 수신한 레이저 광을 증폭하여 Q-스위칭부(400)에 전송하고, Q-스위칭부(400)는 레이저 매질부(300)에 의하여 증폭된 레이저 광에 대한 Q-스위칭을 수행하여 Q-스위칭된 펄스 레이저를 생성한다.
출력부(500)는 Q-스위칭부(400)로부터 수신한 Q-스위칭된 펄스 레이저 중 일부를 출력하고, 나머지는 반사한다. 반사된 광은 Q-스위칭부(400), 레이저 매질부(300) 및 입력 커플러(220)을 순차적으로 경유하여 전반사부(150b)에 입사된다. 입사된 광은 전반사부(150b)에 의하여 반사되어, 레이저 매질부(300)에 공급되고 그 후 상기의 동작이 반복된다.
10 : Q-스위칭 소자 11 : 측면 연마 복굴절 광섬유
12 : 코어 14 : 클래딩
16 : 응력부 18 : 굴절율 정합 박막
100a, 100b : 광 공진기 110a, 110b : 광섬유
120 : 광 아이솔레이터 130 : 편광 조절부
140 : 전반사부 150 : 부분반사부
200 : 펌프광 공급부 210 : 펌프광 생성부
220 : 입력 커플러 300 : 레이저 매질부
400 : Q-스위칭부 500a, 500b : 출력부

Claims (20)

  1. 광 공진기 내에 설치되어 Q-스위칭된 펄스 레이저를 생성하는 Q-스위칭 소자에 있어서,
    측면 연마 복굴절 광섬유(side-polished birefringent fiber); 및
    상기 측면 연마 복굴절 광섬유의 연마된 면 상에 구비된 굴절율 정합 박막
    을 포함하고,
    상기 연마된 면은 저속축(slow axis)에 평행한 것을 특징으로 하는 Q-스위칭 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 측면 연마 복굴절 광섬유는
    상기 측면 연마 복굴절 광섬유의 중심부에 구비된 코어; 및
    상기 코어를 피복하고, 상기 연마된 면을 구비하는 클래딩
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 Q-스위칭 소자.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 코어 및 상기 연마된 면 사이의 거리는 9μm 이상이고 11μm 이하인 것을 특징으로 하는 Q-스위칭 소자.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 연마된 면은 평탄한 것을 특징으로 하는 Q-스위칭 소자.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 굴절율 정합 박막은 굴절율 정합 젤을 포함하는 것을 특징으로 하는 Q-스위칭 소자.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 박막의 상면은 평탄한 것을 특징으로 하는 Q-스위칭 소자.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 박막의 두께는 1500nm 이상이고 1600nm 이하인 것을 특징으로 하는 Q-스위칭 소자.
  9. 광 섬유를 포함하는 광 공진기;
    상기 광 공진기에 펌프광을 공급하는 펌프광 공급부;
    상기 광 공진기 상에 구비되고, 상기 펌프광으로부터 밀도 반전 현상을 발생시켜 상기 광 공진기 상의 레이저 광을 증폭하는 레이저 매질부;
    상기 광 공진기 상에 구비되고, 상기 레이저 매질부에 의하여 증폭된 레이저 광을 수신하여 Q-스위칭된 펄스 레이저를 생성하는 Q-스위칭부; 및
    상기 Q-스위칭된 펄스 레이저 중 적어도 일부를 출력하는 출력부
    를 구비하되,
    상기 Q-스위칭부는 측면 연마 복굴절 광섬유 및 상기 측면 연마 복굴절 광섬유의 연마된 면 상에 구비된 굴절율 정합 박막을 포함하고, 상기 연마된 면은 저속축에 평행한 것을 특징으로 하는 펄스 레이저 생성 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 측면 연마 복굴절 광섬유는
    상기 측면 연마 복굴절 광섬유의 중심부에 구비된 코어; 및
    상기 코어를 피복하고, 상기 연마된 면을 구비하는 클래딩
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 펄스 레이저 생성 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 코어 및 상기 연마된 면 사이의 거리는 9μm 이상이고 11μm 이하인 것을 특징으로 하는 펄스 레이저 생성 장치.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 연마된 면은 평탄한 것을 특징으로 하는 펄스 레이저 생성 장치.
  13. 삭제
  14. 제9항에 있어서,
    상기 굴절율 정합 박막은 굴절율 정합 젤을 포함하는 것을 특징으로 하는 펄스 레이저 생성 장치.
  15. 제9항에 있어서,
    상기 박막의 상면은 평탄한 것을 특징으로 하는 펄스 레이저 생성 장치.
  16. 제9항에 있어서,
    상기 박막의 두께는 1500nm 이상이고 1600nm 이하인 것을 특징으로 하는 펄스 레이저 생성 장치.
  17. 제9항에 있어서,
    상기 광 공진기는 루프형 공진기를 포함하는 것을 특징으로 하는 펄스 레이저 생성 장치.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 광 공진기는
    상기 레이저 매질부와 상기 Q-스위칭부의 사이에 구비되어 상기 레이저 광이 상기 Q-스위칭부로부터 상기 레이저 매질부로 진행하는 것을 억제하는 광 아이솔레이터; 및
    상기 레이저 매질부와 상기 Q-스위칭부 사이에 구비되어 상기 증폭된 레이저 광의 편광을 조절하는 편광 조절부
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 펄스 레이저 생성 장치.
  19. 제9항에 있어서,
    상기 광 공진기는 패브리 페로(Fabry-Perot) 공진기를 포함하는 것을 특징으로 하는 펄스 레이저 생성 장치.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 광 공진기는 상기 광 섬유의 제1 단부에 구비된 전반사부를 포함하고,
    상기 출력부는 상기 광 섬유의 제2 단부에 구비된 부분반사부를 포함하는 것을 특징으로 하는 펄스 레이저 생성 장치.

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