KR101575729B1 - 광섬유 레이저 장치 및 광섬유 레이저 제공방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 광섬유 레이저 장치에는, 파장이 다른 적어도 두 개의 씨드광을 제공하는 씨드부: 및 상기 적어도 두 개의 씨드광을 증폭하는 증폭부가 포함되고, 상기 증폭부에는, 파장이 상기 씨드광보다 짧은 여기광을 이용하여 상기 적어도 두 개의 씨드광을 증폭하는 전치증폭부; 및 별도의 여기광원이 제공되지 않고, 상기 적어도 두 개의 씨드광 중에서 파장이 가장 긴 씨드광에 대하여, 다른 씨드광은 여기광으로 작용하여, 상기 파장이 가장 긴 씨드광이 증폭되는 최종증폭부가 포함된다. 본 발명에 따르는, 광섬유의 길이를 가급적 짧게 함으로써 동일한 광섬유를 이용하면서도 첨두출력이 큰 펄스 출력을 갖는 광섬유 레이저 장치을 얻을 수 있다. 또한, 높은 첨두출력을 가지면서도, 작은 직경의 광섬유를 사용할 수 있어서 단일모드의 레이저 빔을 용이하게 얻을 수 있어서, 레이저 빔의 품질을 향상시킬 수 있다.

Description

광섬유 레이저 장치 및 광섬유 레이저 제공방법{Optical fiber laser apparatus and method}
본 발명은 광섬유 레이저 장치에 관한 것이다. 상세하게는, 고출력 펄스 레이저의 구현이 가능한 광섬유 레이저 장치 및 광섬유 레이저 제공방법에 관한 것이다.
레이저 장치는, 전자가 광자를 방출할 수 있도록 물질에 적절한 에너지를 공급하고, 거울을 이용하여 상기 광자가 상기 물질을 반복하여 지날 수 있도록 하여 레이저 광을 발생시키는 광원이다. 상기 레이저 장치는 광통신 분야의 약진, 산업용 레이저에 대한 수요 증가, 및 의료용 응용 기기의 성장 등을 배경으로 지속적인 성장을 거듭하고 있다. 근래에는 광섬유 레이저가 개발되어 여러 분야에서 활용되고 있다. 상기 광섬유 레이저는 우수한 레이저 빔특성, 뛰어난 안정성, 유지 보수의 용이함 등의 장점으로 지속적으로 그 활용분야를 넓혀가고 있다.
한편, 레이저 장치로 입력되는 광이 파장 변환을 통하여 다른 파장으로 출력되도록 하기 위하여, 선폭이 좁은 펄스 레이저가 요구되고 있다. 예를 들어, 초미세 레이저 가공 시스템의 광원으로 활용되는 자외선 영역의 고품질 레이저로서 상기 광섬유 레이저를 활용하기 위하여, 파장 변환에 효율적인 선폭이 좁은 펄스형 광섬유 레이저가 요구된다.
상기 광섬유 레이저로는, 코어 크기가 수십 um인 photonic crystal fiber 또는 large-mode-area double clad fiber(이하, LMA DCF, 또는 이중 클래드 광섬유라고 한다)가 이용된다. 상기 Photonic crystal fiber는 우수한 빔 품질을 갖는 장점이 있는 반면에, 광섬유의 접속이 어려워서 고출력의 전광섬유(all fiber) 레이저를 구성하기가 불가능하다. 이에 반하여, 상기 LMA DCF는 대구경 광섬유 접속기로 광섬유간 접속이 수월하게 가능하기 때문에, 전광섬유 형태의 광섬유 레이저를 만들기 용이하다. 상기 LMA DCF의 구조는 일반적으로 수십 um크기의 코어를 가지고, 수백 um크기의 안쪽 클래드 및 이를 감싸는 바깥쪽 클래드로 구성된다.
상기 LMA DCF의 광섬유 구조를 설명한다. 먼저, 코어에는 희토류 금속이 도핑되어 있고, NA(numeric aperture)는 0.04~0.08정도이다. 안쪽 클래드는 여기광이 도파하는 역할을 하고 NA는 0.4~0.5정도이다. 바깥쪽 클래드는 안쪽 클래드보다 굴절률이 낮은 아크릴이 사용될 수 있다. 이러한 구조에 의해서 여기광은 광섬유의 바깥으로 빠져나가지 않고, 안쪽 클래드에 의해 가이딩되는 상태로 광섬유를 따라서 도파하게 된다. 이때, 광섬유를 도파하며 코어에 도핑된 희토류 이온에 의해 광흡수가 일어나고 흡수된 에너지가 씨드광을 증폭할 수 있다.
상기 LMA DCF광섬유에서, 안쪽 클래드의 직경은 코어에 비하여 대략 5 ~ 20배에 이른다. 상기 안쪽 클래드에 의해 도파되는 여기광은, 코어와 겹치는, 즉 여기광이 코어를 통과하는 영역에서는 흡수가 일어나지만, 코어의 바깥쪽은 도핑이 되어 있지 않기 때문에 광흡수가 일어나지 않는다. 따라서, 여기광이 안쪽 클래드에 분포하는 경우는, 여기광을 코어로 진행시켜서 여기광이 코어에만 분포하는 경우에 비하여, 단위 길이당 여기광의 광흡수율이 떨어진다. 이때, 여기광이 광섬유의 코어로 도파하게 하였을 때 여기광의 흡수율을 코어 흡수율, 여기광이 안쪽 클래드로 도파하는 경우의 흡수율을 클래드 흡수율로 표시한다. 광섬율의 단위길이당 상기 클래드 흡수율은 개별 광섬유의 구조에 따라 다르지만, 대략 코어 흡수율에 비하여 면적비의 역수만큼 떨어진다. 예를 들어, 안쪽 클래드의 직경이 코어의 직경에 비해 5 ~ 20배 정도 크다면, 클래드 흡수율은 면적비인 25 ~ 400 배 정도 떨어지게 된다.
상기 LMA DCF광섬유에 있어서, 레이저 매질의 길이가 짧으면 여기광을 충분히 흡수하지 못하여 효율이 떨어지고, 너무 길게 하면 오히려 신호광이 흡수되어 효율이 떨어지는 문제가 있다. 이러한 점을 고려하여 일반적인 광섬유 레이저에 있어서, 여기광의 90%정도가 광흡수되도록 하는 것이 일반적이다.
살펴본 바와 같은 광섬유 레이저에 있어서, 첨두출력이 높은 고출력 레이저를 얻기 위해서는, 저출력의 씨드빔(seed beam)을 발생시켜 증폭기를 통하여 고출력으로 증폭하는 방법이 일반적으로 사용된다.
광섬유 레이저에서 고출력의 레이저 빔을 발생시키기 위해서는 광섬유의 직경을 크게 하여야 한다. 그러나, 광섬유의 직경이 커지면, 레이저 빔의 공간모드가 단일모드로 생성되지 않고 다중모드로 발생하는 단점이 있다. 따라서, 출력빔의 품질을 단일모드로 유지하기 위해서는 광섬유의 코어의 크기를 무한정 크게 할 수 없고, 이에 따라 광섬유 레이저의 최대 출력이 제한된다.
광섬유 레이저에서 효율적인 레이저 빔을 발생하기 위해서는, 여기광을 충분히 흡수하기 위한 광섬유 길이를 맞추어 주어야 한다. 그러나, 고출력 광섬유 레이저에서 광섬유의 길이가 길어지면 stimulated Brillouin scattering(SBS), stimulated Raman scattering(SRS) 등의 비선형 현상에 의해 출력이 제한된다. 일반적으로 SBS 문턱 광출력값은
Figure 112014041549383-pat00001
의 형태로 주어진다. 여기서, ASBS 는 광섬유와 레이저빔이 반응하는 유효 단면적을 나타내고, geff 는 SBS 유효 이득 계수를 나타내고, Leff 는 광섬유 유효 길이를 나타낸다. 또한, SRS의 문턱값은
Figure 112014041549383-pat00002
형태로 주어지고, 여기서, AR 는 유효 단면적, gR은 라만 이득계수, L은 광섬유 길이를 나타낸다. 이에 따라 고출력 광섬유 레이저에서 SBS 및 SRS 발생을 억제하기 위하여 광섬유의 단면적을 가급적 크게 하고, 광섬유 길이를 줄이는 것이 필요하다. 그러나, 이미 기술한 바와 같이 광섬유 코어의 직경을 100um 이상 크게 하면 단일 모드 발생이 불가능한 문제점이 있어서, 레이저의 품질이 떨어진다.
가급적 광섬유의 길이를 줄이고, 광섬유의 직경이 일정수준 이하로 제한되도록 하면서, 고출력 광섬유 레이저를 얻는 방법으로는, 여기광의 단위길이당 흡수율을 크게 하는 방법을 생각할 수 있다. 즉, 광섬유에서 도핑 이온의 도핑 농도를 크게 할 수 있는 것이다. 그러나 도핑 농도를 크게 하면 일반적으로 광암흑화효과(otodarkening) 등이 커지기 때문에, 레이저 이득 매질로 사용하기 부적당한 문제가 발생한다.
상기 LMA DCF광섬유에 있어서, 광섬유의 길이, 광섬유의 직경, 및 광섬유의 도핑이온의 농도가 제한되는 조건 하에서, 고출력 광섬유 레이저를 얻는 방법으로서, 상기 광섬유에서 광흡수율을 높일 수 있도록 여기광이 코어로 도파하도록 하는 방법을 생각해 볼 수 있다. 이 경우에는 여기광의 NA가 광섬유 코어의 NA보다 작은 광원이 필요하고, 여기광과 신호광을 결합할 수 있는 광 결합기가 필요하다. 그러나 일반적으로 여기광원으로 이용되는 10W 이상의 광섬유 결합형 고출력 레이저 다이오드에서 출력빔의 NA는 0.16~0.4영역이기 때문에 코어에 결합하여 가이딩시킬수가 없다. 또한, 상기 LMA DCF에서 고출력의 여기광과 신호광을 코어로 결합할 수 있는 광결합기도 가능하지 않은 문제점이 있다.
본 발명은 상기되는 배경하에서 발명자가 반복되는 연구를 통하여 개발한 것으로서, 광섬유 레이저에서, 광섬유의 길이와 직경과 도핑이온의 농도가 제한되는 조건에서도 고출력 광섬유 레이저를 얻을 수 있도록 하는 광섬유 레이저 장치 및 광섬유 레이저 제공방법을 제안한다.
본 발명에 따른 광섬유 레이저장치에는, 파장이 다른 적어도 두 개의 씨드광을 제공하는 씨드부: 및 상기 적어도 두 개의 씨드광을 증폭하는 증폭부가 포함되고, 상기 증폭부에는, 파장이 상기 씨드광보다 짧은 여기광을 이용하여 상기 적어도 두 개의 씨드광을 증폭하는 전치증폭부; 및 별도의 여기광원이 제공되지 않고, 상기 적어도 두 개의 씨드광 중에서 파장이 가장 긴 씨드광에 대하여, 다른 씨드광은 여기광으로 작용하여, 상기 파장이 가장 긴 씨드광이 증폭되는 최종증폭부가 포함된다. 이에 따르면, 고출력의 광섬유 레이저 장치를 얻을 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 광섬유 레이저 제공방법에는, 서로 다른 파장의 적어도 두 개의 씨드광을 제공하는 것; 제 1 증폭광섬유를 이용하여 다른 파장의 여기광을 이용하여 상기 적어도 두 개의 씨드광을 전치증폭하는 것; 증폭된 상기 적어도 두개의 씨드광 중 파장이 짧은 증폭된 씨드광이 여기광으로써 사용되어, 씨드광 중에서 파장이 가장 긴 증폭된 씨드광을, 제 2 증폭광섬유를 이용하여 최종증폭하는 것; 및 최종증폭된 다음에 출사되는 것이 포함된다. 본 발명에 따르면, 동일한 광섬유를 이용하면서도 첨두출력이 높은 레이저를 얻을 수 있다.
본 발명에 따르는, 광섬유의 길이를 가급적 짧게 함으로써 동일한 광섬유를 이용하면서도 첨두출력이 큰 펄스 출력을 갖는 광섬유 레이저 장치을 얻을 수 있다.
또한, 높은 첨두출력을 가지면서도, 작은 직경의 광섬유를 사용할 수 있어서 단일모드의 레이저 빔을 용이하게 얻을 수 있어서, 레이저 빔의 품질을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 작용과 원리를 설명하는 광섬유 레이저 장치의 간략한 구성도.
도 2와 도 3은 다양한 에너지 준위을 갖는 레이저 매질의 에너지 준위표를 나타내는 도면.
도 4는 실시예에 따른 광섬유 레이저 장치의 구성도.
도 5는 실시예에 따른 광섬유 레이저 제공방법을 설명하는 흐름도.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예를 상세하게 설명한다. 다만, 본 발명의 사상은 이하에 제시되는 실시예에 제한되지 아니하고, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에 포함되는 다른 실시예를 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 및 추가 등에 의해서 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명 사상의 범위 내에 포함된다고 할 것이다.
도 1은 발명의 작용과 원리를 설명하는 광섬유 레이저 장치의 간략한 구성도이다.
도 1을 참조하면, 파장이 다른 두 개의 씨드광을 제공하는 씨드부(1)와, 상기 씨드부(1)에서 제공되는 파장이 다른 두 개의 씨드광을 여기광을 이용하여 증폭하는 전치증폭부(2)와, 상기 두 개의 씨드광 중의 하나의 씨드광을 여기광으로 이용하여 다른 하나의 씨드광을 증폭하여 출력하는 최종증폭부(3)와, 출사하는 레이저광을 평행하게 조사하는 시준기(collimator)(4)와, 상기 두 개의 씨드광을 동기화시키는 작용을 수행하는 동기화 드라이버(15)가 적어도 포함되는 컨트롤러(5)가 포함된다.
상기 씨드부(1)에는, 제 1 파장(λ1)의 제 1 씨드광을 제공하는 제 1 씨드광원(6)과, 제 2 파장(λ2)의 제 2 씨드광을 제공하는 제 2 씨드광원(7)과, 상기 제 1, 2 씨드광원(6)(7)에서 제공되는 광을 결합하는 광결합기(8)가 포함된다.
상기 전치증폭부(2)에는 제 3 파장(λ3)의 여기광을 제공하는 여기광원(9)(10)과, 여기광을 이용하여 씨드광을 증폭하는 증폭광섬유(11)와, 역진광을 제거하는 광아이솔레이터(12)와, 광학적 필터링을 수행하는 광학필터(13)가 포함된다. 상기 전치증폭부(2)는 적어도 하나 이상이 제공되고 광경로를 따라서 직렬로 놓일 수 있다. 상기 제 1 파장과 제 2 파장과 제 3 파장과의 관계는, 제 1 파장이 가장 길고, 제 2 파장이 그 다음, 제 3 파장이 가장 짧게 제공될 수 있다. 이러한 파장의 상호관계는 본 명세서의 이하의 설명에 있어서도 동일하게 적용되는 것으로 한다.
상기 최종증폭부(3)에는 증폭광섬유(14)가 제공되어 제 2 파장의 제 2 씨드광이 여기광으로써 사용되어, 제 1 파장의 제 1 씨드광을 증폭시킬 수 있다. 상기 최종증폭부(3)에는 별도의 여기광원이 제공되지 않을 수 있다.
상기 최종증폭부(3)에서 증폭된 제 1 씨드광은 시준기(4)를 통과하며 평행광으로서 피조사물체로 출사한다.
상기 광섬유 레이저 장치의 작용을 상세하게 설명한다.
상기 제 1 씨드광원(6)에서 조사되는 제 1 씨드광은 짧은 펄스폭을 갖는 펄스로 제공되고, 상기 제 2 씨드광원(7)에서 조사되는 제 2 씨드광는 연속출력(CW) 으로 제공될 수 있다. 이들 씨드광은 광결합기(8)에서 결합되고, 전치증폭부(2)에서 제 3 파장의 여기광에 의해서 증폭광섬유(11)에서 증폭된다. 상기 전치증폭부(2)는 직렬로 복수개가 제공되어 상기 씨드광이 계속해서 증폭될 수 있다.
한편, 상기 제 2 씨드광은 펄스로 구동할 수 있다. 예를 들어, 상기 제 2 씨드광은 상기 제 1 씨드광에 비하여 긴 펄스로 구동할 수 있다. 이와 같은 경우에 제 1 씨드광 및 제 2 씨드광은 상기 동기화 드라이버(71)에 의해서 서로 동기화 하는 것이 바람직하다. 이는, 광섬유 레이저 장치의 출력이 효과적으로 수행되도록 하기 위한 것으로서, 제 2 씨드광의 펄스폭 및 제 2 씨드광의 제 1 씨드광에 대한 시간지연 또는 시간선행은 구체적인 광섬유 레이저 장치에 따라서 달라질 수 있다.
상기 최종증폭부(3)에서, 제 2 파장의 제 2 씨드광은 증폭광섬유(14)에서 흡수되어 여기광의 역할을 한다. 제 1 파장의 제 1 씨드광은 증폭광섬유(14)에서 계속해서 증폭되어 출력된다.
상기 제 1 씨드광, 제 2 씨드광, 및 여기광의 상호 작용을 도 2 및 도 3의 레이저 매질의 에너지 준위표 참조하여 설명한다.
도 2와 도 3은 다양한 에너지 준위을 갖는 레이저 매질의 에너지 준위표를 나타낸 도면이다. 도 2 및 도 3을 참조하면, 도펀트의 발생파장이나 흡수파장에 따라 다양한 형태의 흡수파장 및 발생파장의 조합이 가능하다. 일반적으로 흡수율이 큰 파장을 택하여 여기광을 입사하고, 흡수가 거의 없는 파장 영역에서 레이저 신호광을 발생시킨다(도 2의 경우). 흡수가 있는 영역에서 레이저를 발생시키면 재흡수로 인하여 레이저 효율이 떨어진다. 그러나 강한 여기광으로 상위준위의 분포를 충분히 크게 하면 흡수가 있는 영역에서도 레이저 신호를 발생할 수 있다(도 3의 경우).
도면에서, λ1(제 1 파장)은 흡수가 거의 없는 발생파장이 될 수 있고, λ2(제 2 파장)와 λ3(제 3 파장)은 흡수가 있는 파장대역이다. 그런데, 도 3에서 볼 수 있는 바와 같이 λ3의 파장을 갖는 상당히 강한 여기광을 레이저 매질에 입사하여 상위준위의 분포를 크게 하면, λ1 뿐만 아니라 λ2의 파장을 발생할 수 있다.
이러한 방법을 이용하여 실시예에서는, 제 3 파장의 여기광을 이용하고, 제 1 파장 및 제 2 파장의 두 씨드광을 입사시키면, 두 개의 씨드광은 각각 증폭이 되어 출력된다. 여기광의 세기, 각 씨드광의 세기에 따라 각각의 증폭효율은 달라질 수 있고, 일반적으로는 흡수가 없는 파장대역인 제 1 파장의 제 1 씨드광이 주로 증폭될 수 있다.
이 배경하에서, 상기 제 1 씨드광을 짧은 펄스로 작동시키고, 제 2 씨드광을 연속출력으로 입사하면, 제 1 씨드광의 광신호가 입사하지 않는 동안은 제 2 씨드광의 신호만 증폭되고, 제 1 씨드광의 신호가 입사하는 시간동안은 각각의 파장 증폭효율에 따라 두 파장의 신호가 동시에 증폭된다. 상기 두 씨드광의 증폭효율은 각 씨드광의 펄스폭 및 각각의 이득 효율에 따라 달라질 수 있다.
상기 두 씨드광의 증폭효율을 상세하게 설명한다. 연속출력의 여기광으로 여기하는 전치증폭기(2)의 증폭광섬유(11)에 펄스형의 제 1 씨드광, 및 연속출력의 제 2 씨드광 광신호를 결합하여 함께 증폭하면, 각 파장에 따른 증폭율이 크게 차이가 나지 않는다면, 제 1 씨드광은 펄스가 지속되는 시간 동안만 증폭되고, 연속출력의 제 2 씨드광은 연속적으로 증폭된다. 그러므로, 제 1 씨드광의 광신호의 펄스폭이 tp 이고, 주기가 T 이고, 주기 T가 레이저 매질의 포화시간보다 상당히 작아서 T >> tp 이면, 증폭되는 광신호의 단위 시간당 에너지 비율(제 1 파장의 광신호 에너지 : 제 2 파장의 광신호 에너지)은 대략 tp: T가 된다. 예를 들어 펄스폭이 10ns이고, 펄스 주기가 10us이면, 파장에 따른 단위 시간당 에너지는 약 1000배 정도 차이가 난다. 상기 파장에 따른 단위 시간당 출력에너지는 구체적인 레이저 시스템에서는 각각의 파장에 따른 증폭률 및 각각의 파장의 입사광 세기에 따라 달라질 수 있지만, 대략 펄스의 작동비(duty ratio)에 비례하는 형태로 나타낼 수 있다. 즉 tp: T에 비례하는 형태로 나타낼 수 있다.
상기 전치증폭부(2)에서 각각 증폭된 출력광을 여기광을 구비하지 않은 최종 증폭부(3)의 증폭광섬유(14)에 입사하면, 제 2 씨드광이 증폭된 제 2 파장의 광신호는 매질에 흡수되어 여기광의 역할을 하게 되고, 제 1 파장의 광신호는 계속하여 증폭되어 출력된다.
상기 최종증폭부(3)의 증폭광섬유(3)에서 제 2 파장의 광신호는 광섬유의 코어로 진행한다. 구체적으로 상기 최종증폭부(3)에서 여기광의 역할을 하는 제 2 파장의 광신호는 광섬유의 코어에서 발생하는데, 발생된 제 2 파장의 레이저 빔의 NA는 코어의 NA와 일치하므로 별도의 광 결합기가 필요하지 않다. 그러므로, 상기 제 2 파장의 광신호가 별도의 여기광을 구비하지 않은 최종증폭부(3)에 입사하면, 코어여기방식으로 작용하는 여기광의 역할을 수행할 수 있다. 상기 코어여기방식은, 여기광이 광섬유의 코어로 도파하게 하는 경우로서 코어 흡수율(여기광이 안쪽 클래드로 도파하는 경우의 클래드 흡수율과 대비되는 개념으로서 높은 광흡수율을 얻을 수 있다)을 얻을 수 있다. 그러므로, 상기 클래드 흡수율을 제공하는 클래드여기방식에 비하여 단위 길이당 흡수율이 크기 때문에 짧은 광섬유 길이로 충분한 흡수가 가능하고, 제 1 파장의 광신호의 첨두 출력을 더 높일 수 있다.
도 4는 실시예에 따른 광섬유 레이저 장치의 구성도이다. 실시예의 설명에 있어서 구체적인 설명이 없는 부분은 본 발명의 원리를 설명하는 도 1의 구성을 위하여 제시된 설명이 그대로 적용되는 것으로 한다.
도 4를 참조하면, 각각의 파장이 다른 제 1 파장의 제 1 씨드광과 제 2 파장의 제 2 씨드광을 제공하는 씨드부(20)와, 상기 씨드부(20)에서 제공되는 두 개의 씨드광을 증폭하는 제 1 전치증폭부(30) 및 제 2 전치증폭부(40)와, 상기 전치증폭부(30)(40)에서 증폭된 상기 제 1 파장의 광신호와 제 2 파장의 광신호 중에서 제 2 파장의 광신호를 여기광으로 이용하여 제 1 파장의 광신호를 증폭하여 출력하는 최종증폭부(50)와, 출사하는 레이저광을 평행하게 조사하는 시준기(60)와, 상기 두 개의 씨드광을 동기화시키기 위한 동기화 드라이버(71)가 적어도 포함되는 컨트롤러(70)가 포함된다.
상기 씨드부(1)에는, 제 1 파장(λ1)의 제 1 씨드광을 제공하는 제 1 씨드광원(21)과, 제 2 파장(λ2)의 제 2 씨드광을 제공하는 제 2 씨드광원(22)과, 상기 제 1, 2 씨드광원(21)(22)에서 제공되는 광을 결합하는 광결합기(23)가 포함된다. 상기 제 1 씨드광원(21) 및 제 2 씨드광원(22)은 레이저 다이오드로 구성될 수 있고, 레이저 공진기로 구성될 수 있다. 또한, 상기 제 1 씨드광원(21) 및 제 2 씨드광원(22)은 각각의 증폭기를 포함할 수도 있다.
상기 제 2 전치증폭부(40)에는 제 3 파장(λ3)의 여기광을 제공하는 여기광원(41)(42)과, 여기광을 이용하여 씨드광을 증폭하는 증폭광섬유(43)와, 역진광을 제거하는 광아이솔레이터(44)와, 광학적 필터링을 수행하는 광학필터(45)가 포함된다.
상기 최종증폭부(50)에는 증폭광섬유(51)가 제공되어 제 2 파장의 광신호가 여기광으로써 사용되어, 제 1 파장의 광신호를 증폭시킬 수 있다. 상기 최종증폭부(50)에는 별도의 여기광원이 제공되지 않는다. 상기 최종증폭부(50)에서 증폭된 제 1 씨드광은 시준기(60)를 통과하며 평행광으로서 출사한다.
상기 제 1 전치증폭부(30)는 단일모드 광섬유로 구성하여 저출력으로 코어여기방식으로 씨드광을 증폭할 수 있다. 상기 제 2 전치증폭부(40) 및 최종증폭부(50)의 광섬유는 코어직경이 25um이고, 안쪽 클래드의 직경이 250um인 LMA DCF로 구성할 수 있다. 상기 제 2 전치증폭부(40)는 클래드여기방식으로 증폭을 수행할 수 있고, 상기 최종증폭부(50)는 코어여기방식으로 출력광을 증폭할 수 있다. 이때, 상기 제 2 전치증폭부(40)의 증폭광섬유(43)의 길이는 수 m정도로 구성하고, 최종증폭부(50)의 증폭광섬유(51)는 수십 cm정도로 구성할 수 있다.
실시예에 따른 광섬유 레이저 장치의 작용을 설명한다.
상기 증폭광섬유(43)(51)에는 이터븀(Yb)이 첨가되는데, Yb 광섬유 레이저는 일반적으로 1030~1100nm 대역의 파장을 출력하는 광섬유 레이저이다. 일반적으로 915~940nm 대역과 970~985nm 대역의 파장을 갖는 여기광이 이용될 수 있다. 바람직하게는, 상기 씨드광의 파장은 1030~1080nm 및 970~985nm이고, 상기 여기광의 파장은 915~940nm가 이용될 수 있다. 본 실시예에서는 제 1 씨드광원(21)의 제 1 파장은 1064nm, 제 2 씨드광원(22)의 제 2 파장은 976nm를 사용한다. 상기 여기광의 제 3 파장으로는 915nm를 사용한다. 또한, 상기 제 1 씨드광원의 제 1 씨드광은 펄스로 구동하고, 제 2 씨드광원의 제 2 씨드광는 연속출력 또는 펄스로 구동하고, 여기광은 연속출력으로 구동한다.
상기 두 씨드광은 결합되어 제 1 전치증폭부(30)로 입력되고, 단일모드 광섬유로 구성된 제 1 증폭기(31)에서 제 1 씨드광 및 제 2 씨드광은 각각의 증폭율에 따라서 증폭된다. 이미 살펴본 바와 같이, 펄스형태의 제 1 씨드광과 연속출력의 제 2 씨드광의 단위 시간당 에너지 비는 대략 제 1 씨드광의 펄스 작동비에 비례하는 형태로 나타나므로, 연속출력의 형태인 976nm 파장의 신호가 훨씬 큰 에너지를 갖는다. 단일모드 광섬유의 출력은 클래드여기방식의 LMA DCF 로 구성된 제 2 전치증폭부(40)에서 더욱 고출력으로 증폭된다.
상기 전치증폭부(30)(40)의 출력 광신호는 여기광을 구비하지 않은 상기 최종증폭부(50)로 입사한다. 상기 최종증폭부(50)에서는 상기 전치증폭부(30)(40)에서 증폭된 976nm(제 2 파장)의 광신호가 흡수되고, 1064nm(제 1 파장)의 광신호는 계속하여 증폭된 다음에, 시준기(60)를 통하여 출력된다.
일반적인 광섬유 레이저에 있어서는, 직경 25um의 코어 크기를 갖는 증폭광섬유로 최종증폭기를 수 m의 길이로 구성하면, 10ns정도의 펄스폭을 가지고 0.1nm정도의 파장 선폭을 가지는 광신호는 첨두출력이 높아지면 상기 비선형 현상으로 인하여 레이저장치가 손상을 입게 된다. 따라서 광신호의 첨두출력은 대략 수십 kW정도로 제한된다. 이에 반하여, 본 실시예에서는 전치증폭기에서 제 1 파장의 광신호의 첨두출력을 수 kW 정도로만 증폭하고, 제 2 파장의 광신호도 연속출력 또는 긴 펄스로 구동되기 때문에 단위 시간당 에너지는 크게 하고 첨두출력은 낮은 형태로 출력되어 비선형 현상으로 인한 문제가 발생하지 않는다. 또한, 최종증폭부(50)의 증폭광섬유(51)는 그 길이가 수십 cm정도이기 때문에 비선형효과가 없이 제 1 파장 광펄스의 첨두 출력을 수백 kW수준으로 증폭할 수 있다.
상기 최종증폭부(50)의 증폭광섬유(51)의 길이가 짧아지는 것은, 코어여기방식으로 여기광의 광흡수 출력광의 증폭이 가능함으로써, 코어 흡수율을 얻을 수 있기 때문인 것을 알 수 있다. 이때 코어여기방식이 가능한 것은 여기광으로 동작하는 제 2 파장 광신호의 레이저 빔의 NA는 코어의 NA와 일치하기 때문임은 이미 살펴본 바와 같다. 이 경우에, 상기 증폭광섬유(51)의 길이는 다른 조건이 동일할 때, 90%의 클래드 흡수율을 가지는 증폭광섬유의 길이에 비하여 1/2~1/400의 길이로서 충분하다.
본 실시예에서는 제 3 파장의 여기광에 의해서 증폭된 제 2 파장(제 2 씨드광의 파장)의 광신호가 최종증폭부(50)의 증폭광섬유(51)에서 여기광으로 사용되는 것을 볼 수 있다. 이는 제 1 파장의 광신호는 최소 두 단계의 증폭과정을 거치게 된다. 다시 말하면, 전치증폭부(30)(40)에서 코어 크기에 비하여 낮은 첨두출력으로 비선형현상이 없이 일차 증폭된 다음에, 상기 최종증폭부(50)의 증폭광섬유(51)는 그 길이가 수십 cm로 짧은 것에 기인하여 비선형 현상없이 수백 kW 수준으로 이차 증폭될 수 있다. 증폭광섬유(51)의 길이가 짧은 것은 코어여기효과를 얻을 수 있기 때문인 것은 설명된 바와 같다.
이와 같은 두 단계 증폭에 따르면, 다른 광섬유 레이저 장치에 비하여 전체적인 증폭의 효율은 떨어질 수 있지만, 동일한 코어 크기를 가지는 광섬유를 이용하여 큰 첨두 출력을 낼 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 상기되는 구체적인 실시예에 따른 광섬유 레이저 장치에 제한되지 아니하고 다양한 구성예를 더 포함할 수 있다. 이하에서는 동일한 사상의 범위 내에 포함되는 다른 실시예를 더 제시한다.
먼저, 상기 실시예에서 제시한 씨드광의 파장 및 여기광의 파장은 실시예에 제시된 경우로 제한되지 않는다. 예를 들어, Yb 첨가 광섬유의 에너지 준위표를 참조할 때, 여기광으로는 흡수가 있는 짧은 파장을 선택하고, 제 2 씨드광으로는 흡수가 있지만 다른 파장에 대한 여기광으로서 강하게 여기하면 레이저 증폭이 가능한 파장으로 선택하고, 제 1 씨드광은 최종적인 펄스로서의 출력파장을 선택할 수 있다. 경우에 따라서는 씨드광을 두 개이상 제공하여 각각 증폭된 다음에, 최종증폭기에서 다른 씨드광이 출력파장을 제공하는 하나의 씨드광의 파장에 대하여 여기광으로 동작하도록 할 수도 있다.
다른 실시형태로서, 상기 광섬유는 Yb 첨가 광섬유로 제한되지 않고 Nd, Er, Tm 등 다른 도펀트가 첨가되는 광섬유도 충분히 사용이 가능하다. 나아가서, 상기 광섬유 레이저 장치에서 각 증폭부 별로 다른 종류의 이온이 첨가된 증폭광섬유를 사용할 수도 있다. 이 때에는 전치증폭부의 출력 파장이 최종증폭부의 증폭광섬유의 흡수 파장과 일치하도록 함으로써 광섬유 레이저 장치의 동작을 달성할 수 있다.
도 5는 실시예에 따른 광섬유 레이저 제공방법을 설명하는 흐름도이다.
도 5를 참조하면, 서로 다른 파장의 적어도 두개의 씨드광을 제공한다(S1). 이때 적어도 두개의 씨드광 중에서 하나는 출력파장이 될 수 있다. 이후에, 다른 파장의 여기광을 이용하여 상기 두 씨드광을 증폭한다(S2). 이때, 여기광의 파장은 상기 두 씨드광의 파장에 비하여 짧은 것이 바람직하다. 이후에 증폭된 상기 적어도 두개의 씨드광 중의 파장이 짧은 증폭된 씨드광이 여기광으로서 사용되고, 씨드광 중에서 파장이 가장 긴 증폭된 씨드광을 다시금 증폭한다(S3). 두 단계로 증폭된 씨드광이 출사한다(S4)
상기되는 광섬유 레이저 제공방법에 따르면, 레이저 장치에 손상을 주지 않으면서도 첨두출력이 높은 광섬유 레이저를 제공할 수 있다.
본 발명에 따르면, 동일한 크기 및 길이의 광섬유 레이저 장치의 경우에도 첨두출력이 큰 펄스 출력을 갖는 광섬유 레이저 장치을 얻을 수 있다.
또한, 높은 첨두출력을 가지면서도, 작은 직경의 광섬유를 사용할 수 있어서 레이저 빔의 품질을 향상시킬 수 있다.
3, 50: 최종증폭부

Claims (10)

  1. 파장이 다른 적어도 두 개의 씨드광을 제공하는 씨드부: 및
    상기 적어도 두 개의 씨드광을 증폭하는 증폭부가 포함되고,
    상기 증폭부에는, 파장이 상기 씨드광보다 짧은 여기광을 이용하여 상기 적어도 두 개의 씨드광을 증폭하는 전치증폭부; 및
    별도의 여기광원이 제공되지 않고, 상기 적어도 두 개의 씨드광 중에서 파장이 가장 긴 씨드광에 대하여, 상대적으로 파장이 짧은 다른 씨드광은 여기광으로 작용하여, 상기 파장이 가장 긴 씨드광이 증폭되어 출력광을 생성되는 최종증폭부가 포함되고,
    상기 파장이 가장 긴 씨드광은 짧은 펄스이고, 상기 파장이 가장 긴 씨드광을 제외하는 씨드광은 연속출력인 광섬유 레이저 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 최종증폭부에는 LMA DCF가 증폭광섬유로 사용되고, 상기 증폭광섬유는 코어여기방식으로 상기 파장이 가장 긴 씨드광을 증폭하는 광섬유 레이저 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 증폭광섬유의 길이는, 90%의 클래드 흡수율을 가지는 증폭광섬유의 길이에 비하여 1/2~1/400의 길이로 제공되는 광섬유 레이저 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 씨드광은 두 개이고, 상기 증폭광섬유에는 이터븀(Yb)이 첨가되고, 어느 하나의 씨드광의 파장은 1030~1080nm이고, 다른 하나의 씨드광의 파장은 970~985nm이고, 상기 여기광의 파장은 915~940nm인 광섬유 레이저 장치.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 전치증폭부와 상기 최종증폭부에는 증폭광섬유가 제공되고, 각각의 증폭광섬유에는 같거가 다른 희토류가 첨가되고, 상기 희토류에는 Yb, Nd, Er, 및 Tm가 포함되는 광섬유 레이저 장치.
  8. 삭제
  9. 서로 다른 파장의 적어도 두 개의 씨드광을 제공하는 것;
    제 1 증폭광섬유를 이용하여 다른 파장의 여기광을 이용하여 상기 적어도 두 개의 씨드광을 전치증폭하는 것;
    증폭된 상기 적어도 두개의 씨드광 중 상대적으로 파장이 짧은 증폭된 씨드광이 여기광으로써 사용되어, 씨드광 중에서 파장이 가장 긴 증폭된 씨드광을, 제 2 증폭광섬유를 이용하여 최종증폭하는 것; 및
    최종증폭된 다음에 출사되는 것이 포함되고,
    상기 파장이 가장 긴 씨드광은 짧은 펄스이고, 상기 파장이 가장 긴 씨드광을 제외하는 씨드광은 연속출력인 광섬유 레이저 제공방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 1 증폭광섬유는 클래드여기방식으로 증폭이 수행되고, 상기 제 2 증폭광섬유는 코어여기방식으로 증폭이 수행되는 광섬유 레이저 제공방법.
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