KR101713627B1 - 펄스 레이저를 위한 포화 흡수체, 펄스 레이저를 위한 포화 흡수체의 제조 방법 및 펄스 레이저 생성 장치 - Google Patents

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이준수
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서울시립대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 제1 광섬유; 상기 제1 광섬유에 접속되는 제2 광섬유; 및 상기 제1 광섬유 및 상기 제2 광섬유 사이에 배치되며 복수 개의 금속 나노 물질 입자를 포함하는 금속 나노층;을 포함하고, 상기 복수 개의 금속 나노 물질 입자 중 적어도 일부는 정렬되는 것인 펄스 레이저를 위한 포화 흡수체를 제공한다.
본 발명에 따르면 금속 나노 물질의 정렬을 조절하는 것에 의해서 흡수도를 용이하게 조절할 수 있고 1550nm 내지 2000nm의 범위의 광대역에서도 동작하는 펄스 레이저를 위한 포화 흡수체, 펄스 레이저를 위한 포화 흡수체의 제조 방법을 제공할 수 있다.

Description

펄스 레이저를 위한 포화 흡수체, 펄스 레이저를 위한 포화 흡수체의 제조 방법 및 펄스 레이저 생성 장치{SATURABLE ABSORBER FOR PULSED LASER, METHOD OF MANUFACTURING SATURABLE ABSORBER FOR PULSED LASER AND PULSED LASER GENERATING APPARATUS}
본 발명은 펄스 레이저를 위한 포화 흡수체, 펄스 레이저를 위한 포화 흡수체의 제조 방법 및 펄스 레이저 생성 장치에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 열처리에 의해서 금속 나노 물질의 정렬을 조절하는 것에 의해서 흡수도를 용이하게 조절할 수 있고 1550nm 내지 2000nm의 범위의 광대역에서도 동작하는 펄스 레이저를 위한 포화 흡수체, 펄스 레이저를 위한 포화 흡수체의 제조 방법 및 펄스 레이저 생성 장치에 관한 것이다.
Q-스위칭 펄스 레이저는 레이저 가공, LIDAR(Light Detection And Ranging), 초광대역 광원, 센서, 비선형 광학, 레이저 수술 등 다양한 용도로 이용되는 광원이다. 특히 광섬유 기반의 Q-스위칭 펄스 레이저는 광섬유 특유의 장점인 빔 정렬이 편리하고, 소형화가 용이하고, 열방출 능력이 우수하고, 높은 품질의 빔 성능을 가지는 등의 장점을 가진다.
광섬유 펄스 레이저는 일반적으로 능동형 Q-스위칭 방식과 수동형 Q-스위칭 방식으로 구현된다.
능동형 Q-스위칭 방식은 외부 변조기와 외부 RF 신호를 이용하는 방식으로 펄스의 반복률 및 펄스 폭 등의 특성을 쉽게 조절할 수 있는 장점이 있다. 하지만 능동형 Q-스위칭 방식은 일반적으로 고가의 외부 변조기 및 RF 신호를 필요로 하기 때문에 부피가 커지고 가격이 비싼 단점을 가진다.
수동형 Q-스위칭 방식은 포화 흡수체를 이용하여 Q-스위칭 레이저를 구현한다. 포화 흡수체는 빛의 세기에 비례해서 손실이 감소하는 비선형 물질이다. 수동형 Q-스위칭 방식에 의해서 구현된 Q-스위칭 레이저는 매우 작게 제조할 있으며 능동형 Q-스위칭 방식에 비해서 매우 적은 비용으로 레이저를 구현할 수 있다는 장점을 가진다.
포화 흡수체의 재료로서는 종래 반도체 물질 기반의 포화 흡수체가 일반적으로 이용되었었다. 하지만 반도체 기반의 포화 흡수체를 제작하기 위해서는 고비용의 반도체 공정 설비가 필요하다. 또한 포화 흡수체의 동작 파장이 수십nm까지로 제한된다는 단점을 가지고 있다.
이를 개선하기 위해서 탄소 나노 튜브와 그래핀 등의 물질을 포화 흡수체로 이용하는 방식이 제안되었고 또한 탄소 나노 튜브와 그래핀 등의 물질을 이용하여 펄스 레이저를 구현하는 것이 실험적으로 입증되었다. 예컨대 아주대학교 산학협력단에 의해서 2010년07월09일자로 출원되고 2011년12월15일자로 등록된 "단층그래핀을 포함하는 포화흡수체 및 그의 제조 방법"이라는 명칭의 한국등록특허 제10-1097175호는 포화흡수체, 특히 그래핀을 포함하는 포화 흡수체를 개시하고 있다.
또한 위상학적 절연체 등을 포화 흡수체로 이용하는 방식이 제안되었다.
한편 최근 골드 나노 물질을 포화 흡수체로 이용하는 방식도 제안되었으나, 동작 파장이 1000nm 이하이기 때문에 역시 전술한 1550nm 및 2000nm의 파장에서는 동작하기 어렵다는 단점이 있다.
또한 동작 파장을 장파장 영역으로 증가시키기 위해서 폴리머 물질과 골드 나노 물질을 혼합하여 포화 흡수체를 제조하는 방식도 제안되었다. 그러나 폴리머 물질이 추가됨이 따라서 제조 방식이 복잡해지고 또한 제작된 포화 흡수체를 분리하여 이동해야 하는 과정도 필요하다는 단점이 있다.
1. 한국등록특허 제10-1097175호.
본 발명의 목적은 열처리에 의해서 금속 나노 물질의 정렬을 조절하는 것에 의해서 흡수도를 용이하게 조절할 수 있고 1550nm 내지 2000nm의 범위의 광대역에서도 동작하는 펄스 레이저를 위한 포화 흡수체, 펄스 레이저를 위한 포화 흡수체의 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 전술할 펄스 레이저를 위한 포화 흡수체를 이용한 펄스 레이저 생성 장치를 제공하는데 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 제1 광섬유; 상기 제1 광섬유에 접속되는 제2 광섬유; 및 상기 제1 광섬유 및 상기 제2 광섬유 사이에 배치되며 복수 개의 금속 나노 물질 입자를 포함하는 금속 나노층;을 포함하고, 상기 복수 개의 금속 나노 물질 입자 중 적어도 일부는 정렬되는 것인 펄스 레이저를 위한 포화 흡수체를 제공한다.
본 발명에 따른 펄스 레이저를 위한 포화 흡수체에 있어서, 상기 복수 개의 금속 나노 물질 입자 각각은 금, 은 및 구리 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
삭제
또한 본 발명에 따른 펄스 레이저를 위한 포화 흡수체에 있어서, 상기 복수 개의 금속 나노 물질 입자 중 적어도 일부는 막대(rod) 형상을 가질 수 있다.
또한 본 발명에 따른 펄스 레이저를 위한 포화 흡수체에 있어서, 상기 제1 광섬유와 상기 제2 광섬유를 정렬하여 접속하는 제1 커넥터 및 제2 커넥터를 더 포함할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 펄스 레이저를 위한 포화 흡수체에 있어서, 상기 제1 커넥터 및 상기 제2 커넥터 각각은 FC/APC(Ferrule Connector/Angled Physical Contact) 페룰을 포함할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 펄스 레이저를 위한 포화 흡수체에 있어서, 상기 제1 광섬유와 상기 제2 광섬유는 실리카 광섬유, 어븀 첨가 광섬유 및 툴륨-홀륨 첨가 광섬유 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
또한 본 발명은 (a) 제1 광섬유의 단부(端部)에 복수 개의 금속 나노 물질 입자를 포함하는 액체를 도포하는 단계; (b) 상기 제1 광섬유의 상기 단부를 가열하는 단계; (c) 상기 제1 광섬유의 상기 단부와 제2 광섬유의 단부를 접속하는 단계; 를 포함하고, 상기 단계 (b)에서, 상기 복수 개의 금속 나노 물질 입자 중 적어도 일부가 정렬되는 것인 펄스 레이저를 위한 포화 흡수체의 제조 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 펄스 레이저를 위한 포화 흡수체의 제조 방법에 있어서, 상기 복수 개의 금속 나노 물질 입자 각각은 금, 은 및 구리 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
삭제
또한 본 발명에 따른 펄스 레이저를 위한 포화 흡수체의 제조 방법에 있어서, 상기 단계 (b)를 수행한 이후에, 상기 복수 개의 금속 나노 물질 입자 중 적어도 일부는 막대 형상을 가질 수 있다.
또한 본 발명에 따른 펄스 레이저를 위한 포화 흡수체의 제조 방법에 있어서, 상기 제1 광섬유의 상기 단부는 제1 커넥터에 수용되는 것이고, 상기 단계 (a)는 상기 제1 커넥터에 상기 제1 광섬유의 상기 단부가 수용된 상태에서 수행될 수 있다.
또한 본 발명에 따른 펄스 레이저를 위한 포화 흡수체의 제조 방법에 있어서, 상기 단계 (b)는, 상기 제1 광섬유의 상기 단부가 수용된 상기 제1 커넥터를 고정 구조에 장착하는 단계 및 히터를 통하여 방출되는 열을 상기 고정 구조에 상기 제1 커넥터에 의해서 고정된 상기 제1 광섬유의 상기 단부에 인가하는 단계를 포함할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 펄스 레이저를 위한 포화 흡수체의 제조 방법에 있어서, 상기 액체는 순수(Deionized Water) 및 알코올 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 펄스 레이저를 위한 포화 흡수체의 제조 방법에 있어서, 상기 단계 (b)에서 상기 제1 광섬유의 상기 단부를 가열하는 시간은 1분 내지 5분일 수 있다.
또한 본 발명에 따른 펄스 레이저를 위한 포화 흡수체의 제조 방법에 있어서, 상기 단계 (b)에서 상기 제1 광섬유의 상기 단부를 가열하는 온도는 100℃ 내지 200℃의 온도일 수 있다.
또한 본 발명에 따른 펄스 레이저를 위한 포화 흡수체의 제조 방법에 있어서, 상기 제1 광섬유의 상기 단부는 제1 커넥터에 수용되는 것이고, 상기 제2 광섬유의 상기 단부는 제2 커넥터에 수용되는 것이고, 상기 단계 (c)는 상기 제1 커넥터와 상기 제2 커넥터를 접속하는 단계를 포함할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 펄스 레이저를 위한 포화 흡수체의 제조 방법에 있어서, 상기 제1 커넥터 및 상기 제2 커넥터 각각은 FC/APC 페룰을 포함할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 펄스 레이저를 위한 포화 흡수체의 제조 방법에 있어서, 상기 제1 광섬유와 상기 제2 광섬유는 실리카 광섬유, 어븀 첨가 광섬유 및 툴륨-홀륨 첨가 광섬유 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
또한 본 발명은 전술한 펄스 레이저를 위한 포화 흡수체;를 포함하는 펄스 레이저 생성 장치를 제공한다.
또한 본 발명은 전술한 펄스 레이저를 위한 포화 흡수체의 제조 방법에 따라서 제조된 펄스 레이저를 위한 포화 흡수체;를 포함하는 펄스 레이저 생성 장치를 제공한다.
본 발명에 따르면 열처리에 의해서 금속 나노 물질의 정렬을 조절하는 것에 의해서 흡수도를 용이하게 조절할 수 있고 1550nm 내지 2000nm의 범위의 광대역에서도 동작하는 펄스 레이저를 위한 포화 흡수체, 펄스 레이저를 위한 포화 흡수체의 제조 방법을 제공할 수 있다.
특히 수동형 Q-스위칭 방식의 광섬유 펄스 레이저를 제조하는 것에 적용될 수 있어서, 레이저 가공, LIDAR, 초광대역 광원, 센서, 비선형 광학, 레이저 수술 등 다양한 용도로 이용될 수 있다.
도 1 내지 도 2는 본 발명에 따른 펄스 레이저를 위한 포화 흡수체의 예시적인 구성을 나타내는 도면.
도 3은 본 발명에 따른 펄스 레이저를 위한 포화 흡수체의 제조 방법의 예시적인 흐름도.
도 4는 본 발명에 따른 펄스 레이저를 위한 포화 흡수체의 제조 방법의 각 단계를 모식적으로 도시하는 도면.
도 5a 및 도 5b는 전술한 본 발명에 따른 펄스 레이저를 위한 포화 흡수체의 제조 방법에 있어서, 가열 시간에 따른 특성을 나타내는 도면.
도 6은 본 발명에 따른 펄스 레이저를 위한 포화 흡수체를 이용하여 구현한 펄스 레이저 생성 장치의 구성을 예시적으로 나타내는 도면.
도 7은 도 6의 구성을 통하여 측정된 출력 펄스의 광 스펙트럼을 나타내는 도면.
도 8은 본 발명에 따른 펄스 레이저를 위한 포화 흡수체를 이용하여 구현한 펄스 레이저 생성 장치의 다른 구성을 예시적으로 나타내는 도면.
도 9는 도 8의 구성을 통하여 측정된 출력 펄스의 광 스펙트럼을 나타내는 도면.
이하, 본 발명의 펄스 레이저를 위한 포화 흡수체, 펄스 레이저를 위한 포화 흡수체의 제조 방법 및 펄스 레이저 생성 장치의 실시예를 첨부한 도면을 참조로 보다 구체적으로 설명한다.
도 1 내지 도 2는 본 발명에 따른 펄스 레이저를 위한 포화 흡수체의 예시적인 구성을 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 펄스 레이저를 위한 포화 흡수체(100)는 제1 광섬유(110)와, 제2 광섬유(130)와, 금속 나노층(150)을 포함한다.
제1 광섬유(110)와 제2 광섬유(130)는 기존에 광 통신 등을 위해서 사용되는 광섬유이며, 제2 광섬유(130)는 제1 광섬유(110)에 접속된다.
제1 광섬유(110)와 제2 광섬유(130)는 예컨대 실리카 광섬유일 수 있다. 또한 제1 광섬유(110)와 제2 광섬유(130)는 실리카 광섬유에 어븀을 첨가한 어븀 첨가 광섬유일 수 있으며, 실리카 광섬유에 툴륨-홀륨을 첨가한 툴륨-홀륨 첨가 광섬유일 수도 있다. 또는 그 이외의 기존에 광 통신 등을 위해서 사용되는 광섬유일 수도 있다. 제2 광섬유(130)는 제1 광섬유(110)와 동일한 종류의 광섬유인 것이 바람직하다.
금속 나노층(150)은 제1 광섬유(110) 및 제2 광섬유(130) 사이에 배치된다. 금속 나노층(150)은 복수 개의 금속 나노 물질 입자(155)를 포함한다. 금속 나노층(150)은 복수 개의 금속 나노 물질 입자(155)만으로 이루어지고. 또한 복수 개의 금속 나노 물질 입자(155) 중 적어도 일부가 특히 후술하는 열 처리에 의해서 정렬된다는 점에서 종래의 구성과는 차이가 있다.
후술하는 열 처리에 의해서 복수 개의 금속 나노 물질 입자(155) 중 적어도 일부가 정렬되는 정도에 따라서 본 발명에 따른 펄스 레이저를 위한 포화 흡수체의 흡수도, 그리고 흡수 파장을 용이하게 조절할 수 있고 1550nm 내지 2000nm의 범위의 광대역에서도 동작하는 펄스 레이저를 생성하는 것에 본 발명에 따른 펄스 레이저를 위한 포화 흡수체를 이용할 수 있다.
금속 나노층(150)은 복수 개의 금속 나노 물질 입자(155)가 접합되어 이루어지는 층이다. 도 1에서는 복수 개의 금속 나노 물질 입자(155)가 접합되어 이루어지는 상태를 설명을 위해서 특히 복수 개의 금속 나노 물질 입자(155) 중 적어도 일부가 정렬된 상태로 금속 나노층(150)은 모식적으로 도시된다.
복수 개의 금속 나노 물질 입자(155) 각각은 금, 은 및 구리 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
또한 복수 개의 금속 나노 물질 입자(155) 중 적어도 일부는 막대 형상을 가진다. 특히 막대 형상의 가로 세로의 비율(세로/가로)인 어스펙트 비(Aspect Ratio)가 클 수록 장파장에 대해서 흡수가 발생한다. 후술하는 열 처리에 의해서 복수 개의 금속 나노 물질 입자(155) 각각이 정렬 및 접합되어 각각의 막대 형상이 일렬로 길게 늘어지고 이에 따라서 어스펙트 비가 보다 더 큰 막대 형상을 가질 수 있다.
한편 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 펄스 레이저를 위한 포화 흡수체는 제1 광섬유(110)와 제2 광섬유(130)를 정렬하여 접속하는 제1 커넥터(170) 및 제2 커넥터(190)를 더 포함할 수 있다.
제1 광섬유(110)의 단부는 제1 커넥터(170)에 수용되고, 제2 광섬유(130)의 단부는 제2 커넥터(190)에 수용된다.
제1 커넥터(170) 및 제2 커넥터(190)는 각각은 FC/APC 페룰을 포함할 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 펄스 레이저를 위한 포화 흡수체의 제조 방법의 예시적인 흐름도이다. 도 4는 본 발명에 따른 펄스 레이저를 위한 포화 흡수체의 제조 방법의 각 단계를 모식적으로 도시하는 도면이다.
본 발명에 따른 펄스 레이저를 위한 포화 흡수체의 제조 방법에 대해서 도 1 내지 도 4를 참조로 구체적으로 설명한다.
도 3을 참조하면, 우선 제1 광섬유(110)의 단부에 복수 개의 금속 나노 물질 입자(155)를 포함하는 액체를 도포한다(S100).
단계 S100을 수행하는 과정, 특히 피펫(200)을 이용하여 제1 광섬유(110)의 단부에 복수 개의 금속 나노 물질 입자(155)를 포함하는 액체를 도포하는 과정이 도 4의 (A)에 모식적으로 도시된다.
제1 광섬유(110)는 예컨대 실리카 광섬유일 수 있다. 또한 제1 광섬유(110) 실리카 광섬유에 어븀을 첨가한 어븀 첨가 광섬유일 수 있으며, 실리카 광섬유에 툴륨-홀륨을 첨가한 툴륨-홀륨 첨가 광섬유일 수도 있다. 또는 그 이외의 기존에 광 통신 등을 위해서 사용되는 광섬유일 수도 있다.
복수 개의 금속 나노 물질 입자(155) 각각은 금, 은 및 구리 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
또한 복수 개의 금속 나노 물질 입자(155)를 포함하는 액체 내에서 복수 개의 금속 나노 물질 입자(155) 각각은 다양한 형상을 가질 수 있다. 그러나 구(球) 형상 또는 가로와 세로의 길이가 비슷한 형상을 가지는 금속 나노 물질 입자는 전술한 어스펙트 비를 조절하는 것이 어려우므로, 복수 개의 금속 나노 물질 입자(155) 각각은 막대 형상을 가지는 것이 바람직하다. 막대 형상은 원기둥 형상, 각 기둥 형상 등일 수 있다.
복수 개의 금속 나노 물질 입자(155)를 포함하는 액체는 예컨대 순수(Deionized Water) 또는 에탄올, 메탄올 및 이소프로판올 등의 알코올 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
제1 광섬유(110)의 단부에 복수 개의 금속 나노 물질 입자(155)를 포함하는 액체를 도포하는 것은 예컨대 피펫(Pipette, 도 4의 200)에 복수 개의 금속 나노 물질 입자(155)를 포함하는 액체를 주입한 후 제1 광섬유(110)의 단부에 떨어뜨리는 방식을 이용할 수도 있고 기타 다른 방식을 통하여 제1 광섬유(110)의 단부에 복수 개의 금속 나노 물질 입자(155)를 포함하는 액체를 도포할 수 도 있다.
한편 단계 S100은 제1 커넥터(170)에 제1 광섬유(110)의 단부가 수용된 상태에서 수행될 수 있다. 예컨대 피펫(200)을 이용하여 제1 광섬유(110)의 단부에 복수 개의 금속 나노 물질 입자(155)를 포함하는 액체를 도포하는 경우, 바람직하게는 단계 S100은 제1 커넥터(170)에 제1 광섬유(110)의 단부가 수용된 상태에서 수행된다.
다음으로, 제1 광섬유(110)의 단부를 가열한다(S200).
단계 S200을 수행하는 과정, 특히 히터(220)를 이용하여 히터(220)를 통하여 방출되는 열을 제1 광섬유(170)의 단부에 인가하는 과정이 도 4의 (B)에 모식적으로 도시된다.
단계 S200은 제1 광섬유(110)의 단부가 수용된 제1 커넥터(170)를 고정 구조(도 4의 210)에 장착하고, 히터(도 4의 220)를 통하여 방출되는 열을 고정 구조(210)에 제1 커넥터(170)에 의해서 고정된 제1 광섬유(170)의 단부에 인가하는 것에 의해서 수행되는 것이 바람직하다. 즉 히터(220)를 통하여 방출되는 열을 제1 광섬유(170)의 단부에만, 보다 구체적으로 제1 광섬유(110)의 단부에 복수 개의 금속 나노 물질 입자(155)를 포함하는 액체가 도포된 상태에서 인가한다.
단계 S200에서 제1 광섬유(170)의 단부가 히터(220)에 의해서 열 처리되는 온도는 100℃ 내지 200℃의 온도인 것이 바람직하다.
전술하듯이 복수 개의 금속 나노 물질 입자(155)를 포함하는 액체로서 예컨대 순수를 사용하는 경우, 순수가 증발하는 온도인 100℃ 이상의 온도에서 열 처리를 수행하여 제1 광섬유(170)의 단부에 복수 개의 금속 나노 물질 입자(155)만으로 이루어지는 금속 나노층(150)이 형성될 수 있다.
한편 200℃를 초과하는 경우 복수 개의 금속 나노 물질 입자(155) 각각의 파손 가능성이 높아진다. 따라서 바람직하게는 열 처리되는 온도는 200℃ 이하이다.
한편 복수 개의 금속 나노 물질 입자(155)를 포함하는 액체로서 순수가 아니라 알코올을 사용하는 경우에는, 제1 광섬유(170)의 단부가 히터(220)에 의해서 열 처리되는 온도의 하한선은 알코올의 비등점일 수 있다.
또한 복수 개의 금속 나노 물질 입자(155)를 포함하는 액체로서 순수 및 알코올이 아닌 다른 액체를 사용하는 경우에는, 제1 광섬유(170)의 단부가 히터(220)에 의해서 열 처리되는 온도의 하한선은 해당 액체의 비등점일 수 있다.
단계 S200에서 제1 광섬유(170)의 단부가 히터(220)에 의해서 열 처리되는 시간은 1분 내지 5분인 것이 바람직하다.
제1 광섬유(170)의 단부가 히터((220)에 의해서 열 처리되는 시간의 하한선인 1분은 본 발명자가 순수를 이용하여 120℃에서 실험한 결과를 기초로 도출된 것으로서, 순수를 이용하는 경우 1분 미만의 열처리를 수행한 경우에는 복수 개의 금속 나노 물질 입자(155)의 정렬이 발생하지 않고 또한 복수 개의 금속 나노 물질 입자(155)를 포함하는 액체가 완전히 증발하지 않는다.
따라서 단계 S200에서 제1 광섬유(170)의 단부가 히터((220)에 의해서 열 처리되는 시간은 최소 1분 이상인 것이 바람직하다.
한편 제1 광섬유(170)의 단부가 히터((220)에 의해서 열 처리되는 시간의 상한선인 5분은 본 발명자가 순수를 이용하여 120℃에서 실험한 결과를 기초로 도출된 것으로서, 순수를 이용하는 경우 5분 초과의 열처리를 수행한 경우에는 복수 개의 금속 나노 물질 입자(155)가 일단 정렬된 후에 초과 가열에 의해서 복수 개의 금속 나노 물질 입자(155) 각각이 파손되고 또한 서로 접합되어서 하나의 큰 덩어리 형태로 변형된다.
따라서 단계 S200에서 제1 광섬유(170)의 단부가 히터((220)에 의해서 열 처리되는 시간은 최대 5분 이하인 것이 바람직하다.
한편 전슬한 열 처리되는 시간의 범위, 즉 1분 내지 5분은 본 발명자가 순수를 이용하여 120℃에서 실험한 결과를 기초로 도출된 것으로서, 열 처리 온도가 변경되거나 또는 순수가 아닌 다른 액체를 이용하는 경우에는 그에 따라서 변경될 수 있다.
단계 S200을 수행한 이후에, 복수 개의 금속 나노 물질 입자(155) 중 적어도 일부가 정렬된다. 즉 복수 개의 금속 나노 물질 입자(155) 중 적어도 일부가 정렬되고, 복수 개의 금속 나노 물질 입자(155) 중 적어도 일부는 막대 형상을 가진다.
이에 따라서 복수 개의 금속 나노 물질 입자(155) 각각이 정렬 및 접합되어 각각의 막대 형상이 일렬로 길게 늘어지고 이에 따라서 어스펙트 비가 보다 더 큰 막대 형상을 가질 수 있다.
다음으로, 제1 광섬유(110)의 단부와 제2 광섬유(130)의 단부를 접속한다(S300).
단계 S300을 수행하는 과정, 특히 제1 광섬유(110)의 단부와 제2 광섬유(130)의 단부를 접속하는 과정이 도 4의 (C)에 모식적으로 도시된다.
제2 광섬유(130)는 예컨대 실리카 광섬유일 수 있다. 또한 제2 광섬유(130)실리카 광섬유에 어븀을 첨가한 어븀 첨가 광섬유일 수 있으며, 실리카 광섬유에 툴륨-홀륨을 첨가한 툴륨-홀륨 첨가 광섬유일 수도 있다. 또는 그 이외의 기존에 광 통신 등을 위해서 사용되는 광섬유일 수도 있다. 제2 광섬유(130)는 제1 광섬유(110)와 동일한 종류의 광섬유인 것이 바람직하다.
바람직하게는, 단계 S300은 제1 커넥터(170)와 제2 커넥터(190)를 접속하는 것에 의해서 수행된다.
즉 제1 광섬유(110)의 단부가 제1 커넥터(170)에 수용된 상태에서 단계 S200이 수행되고, 제2 광섬유(130)의 단부가 수용된 제2 커넥터(190)에 제1 커넥터(170)가 접속된다.
제1 커넥터(170) 및 제2 커넥터(190)는 각각은 FC/APC 페룰을 포함할 수 있다.
도 5a 및 도 5b는 전술한 본 발명에 따른 펄스 레이저를 위한 포화 흡수체의 제조 방법에 있어서, 가열 시간에 따른 특성을 나타내는 도면이다.
도 5a 및 도 5b에서는, 금속 나노 물질 입자로서 상업적으로 이용 가능하며 표면 플라즈몬 공명 흡수 파장을 갖는 골드 나노 물질, 특히 막대 형상을 가지는 골드 나노 물질을 이용하였고, 가열 시간은 1분 내지 5분으로 하였다.
도 5a를 참조하면, 가열 시간이 증가할수록 흡수 스펙트럼이 변화하는 것을 확인할 수 있다. 또한 도 5b를 참조하면, 1550nm 와 2000nm 대역에서 가열 시간에 따라서 흡수도가 증가하는 것을 확인할 수 있다.
종래의 골드 나노 물질을 포화 흡수체로 이용하는 방식에서는 동작 파장이 1000nm 이하이기 때문에 1550nm 및 2000nm의 파장에서는 동작하기 어렵다는 단점이 있으나, 본 발명에 따른 펄스 레이저를 위한 포화 흡수체의 제조 방법에 의하면 가열에 의해서 1550nm 및 2000nm의 파장에서도 동작이 가능하다는 특징을 가진다.
도 6은 본 발명에 따른 펄스 레이저를 위한 포화 흡수체를 이용하여 구현한 펄스 레이저 생성 장치의 구성을 예시적으로 나타내는 도면이다.
도 6을 참조하면, 펄스 레이저 생성 장치(300)는 본 발명에 따른 펄스 레이저를 위한 포화 흡수체(100)와, 아이솔레이터(isolator)(310)와, 레이저 이득 물질(330)과, 파장 분할 다중화기(350)와, 펌프 광원(370)과, 결합기(390)를 포함한다.
레이저 이득 물질(330)로서는 3 m 길이의 어븀 첨가 광섬유가 사용되었다.
펌프 광원(370)으로서는 최대 출력 파워 150 mW를 갖는 980nm 펌프 광원이 사용되었고, 파장 분할 다중화기(350)로서 980/1550nm 파장 분할 다중화기를 통하여 펌프 광이 광섬유로 입사되었다.
출력 펄스 파워를 높이고 본 발명에 따른 펄스 레이저를 위한 포화 흡수체(100)의 데미지를 줄이기 위해서 결합기(390)로서 70:30% 광 결합기가 이용되었으며 70% 포트를 이용하여 출력 펄스를 얻었다. 단일 방향의 빔 진행을 위해서 아이솔레이터(310)가 이용되었다. Q-스위칭 광섬유 레이저의 총 길이는 13.69 m를 사용하였다.
도 6을 참조로 한 펄스 레이저 생성 장치(300)는 예시적인 구성일 뿐이며, 본 발명에 따른 펄스 레이저를 위한 포화 흡수체(100)를 사용하는 것을 제외하면 종래 구성과 동일 유사하므로 상세한 설명을 생략한다.
도 6의 구성을 기초로 실험한 결과, 안정적인 Q-스위칭 펄스들은 41 mW 이상부터 용이하게 생성되었으며 이때 출력 파워는 6.76 mW이었다.
도 7은 도 6의 구성을 통하여 측정된 출력 펄스의 광 스펙트럼을 나타내는 도면이다.
도 7을 참조하면, 광 스펙트럼의 중심 파장은 1558nm, 3-dB 대역폭은 0.3nm 였다.
도 8은 본 발명에 따른 펄스 레이저를 위한 포화 흡수체를 이용하여 구현한 펄스 레이저 생성 장치의 다른 구성을 예시적으로 나타내는 도면이다.
도 8을 참조하면, 펄스 레이저 생성 장치(400)는 본 발명에 따른 펄스 레이저를 위한 포화 흡수체(100)와, 아이솔레이터(410)와, 편광 조절기(430)와, 결합기(450)와, 이득 물질(470)과, 파장 분할 다중화기(490)와, 펌프 광원(510)을 포함한다.
이득 물질(470)로서는 1 m 길이의 툴륨-홀륨 첨가 광섬유가 사용되었다.
펌프 광원(510)으로서는 1560nm 펌프 광원이 사용되었고, 파장 분할 다중화기(490)로서 1550/2000nm 파장 분할 다중화기가 사용되었다.
출력 펄스 파워를 높이고 본 발명에 따른 펄스 레이저를 위한 포화 흡수체(100)의 데미지를 줄이기 위해서 결합기(450)로서 10:90광 결합기가 이용되었으며 10% 포트를 이용하여 출력 펄스를 얻었다. 단일 방향의 빔 진행을 위해서 아이솔레이터(410)가 이용되었다.
도 8을 참조로 한 펄스 레이저 생성 장치(300)는 예시적인 구성일 뿐이며, 본 발명에 따른 펄스 레이저를 위한 포화 흡수체(100)를 사용하는 것을 제외하면 종래 구성과 동일 유사하므로 상세한 설명을 생략한다.
도 8의 구성을 기초로 실험한 결과, 안정적인 Q-스위칭 펄스들은 펌프 파워가 125 mW 이상부터 용이하게 생성되었다.
도 9는 도 8의 구성을 통하여 측정된 출력 펄스의 광 스펙트럼을 나타내는 도면이다. 도 9를 참조하면, 광 스펙트럼의 중심 파장은 1914.2nm, 3-dB 대역폭은 0.2nm였다.
도 6 내지 도 9를 참조하면, 본 발명에 따른 펄스 레이저를 이용한 펄스 레이저 생성 장치(300, 400)에 의하면 1550nm 및 2000nm의 파장 대역에서도 동작이 가능하다는 것을 확인할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면 열처리에 의해서 금속 나노 물질의 정렬을 조절하는 것에 의해서 흡수도를 용이하게 조절할 수 있고 1550nm 내지 2000nm의 범위의 광대역에서도 동작하는 펄스 레이저를 위한 포화 흡수체, 펄스 레이저를 위한 포화 흡수체의 제조 방법을 제공할 수 있다.
특히 수동형 Q-스위칭 방식의 광섬유 펄스 레이저를 제조하는 것에 적용될 수 있어서, 레이저 가공, LIDAR, 초광대역 광원, 센서, 비선형 광학, 레이저 수술 등 다양한 용도로 이용될 수 있다.
비록 본 발명의 구성이 구체적으로 설명되었지만 이는 단지 본 발명을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변형이 가능할 것이다.
따라서 본 명세서에 개시된 실시예들은 본 발명을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 사상과 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 범위는 아래의 청구범위에 의해 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
본 발명에 따르면 열처리에 의해서 금속 나노 물질의 정렬을 조절하는 것에 의해서 흡수도를 용이하게 조절할 수 있고 1550nm 내지 2000nm의 범위의 광대역에서도 동작하는 펄스 레이저를 위한 포화 흡수체, 펄스 레이저를 위한 포화 흡수체의 제조 방법을 제공할 수 있다.
특히 수동형 Q-스위칭 방식의 광섬유 펄스 레이저를 제조하는 것에 적용될 수 있어서, 레이저 가공, LIDAR, 초광대역 광원, 센서, 비선형 광학, 레이저 수술 등 다양한 용도로 이용될 수 있다.
100: 포화 흡수체 110: 제1 광섬유
130: 제2 광섬유 150: 금속 나노층
155: 금속 나노 물질 입자 170: 제1 커넥터
190: 제2 커넥터 200: 피펫
210: 고정 구조 220: 히터
300: 펄스 레이저 생성 장치 310: 아이솔레이터
330: 레이저 이득 물질 350: 파장 분할 다중화기
370: 펌프 광원 390: 결합기
400: 펄스 레이저 생성 장치 410: 아이솔레이터
430: 편광 조절기 450: 결합기
470: 이득 물질 490: 파장 분할 다중화기
510: 펌프 광원

Claims (21)

  1. 제1 광섬유;
    상기 제1 광섬유에 접속되는 제2 광섬유; 및
    상기 제1 광섬유 및 상기 제2 광섬유 사이에 배치되며 복수 개의 금속 나노 물질 입자를 포함하는 금속 나노층;
    을 포함하고,
    상기 복수 개의 금속 나노 물질 입자 중 적어도 일부는 정렬되는 것인 펄스 레이저를 위한 포화 흡수체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수 개의 금속 나노 물질 입자 각각은 금, 은 및 구리 중 적어도 하나를 포함하는 것인 펄스 레이저를 위한 포화 흡수체.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 복수 개의 금속 나노 물질 입자 중 적어도 일부는 막대(rod) 형상을 가지는 펄스 레이저를 위한 포화 흡수체.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 광섬유와 상기 제2 광섬유를 정렬하여 접속하는 제1 커넥터 및 제2 커넥터를 더 포함하는 펄스 레이저를 위한 포화 흡수체.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1 커넥터 및 상기 제2 커넥터 각각은 FC/APC(Ferrule Connector/Angled Physical Contact) 페룰을 포함하는 펄스 레이저를 위한 포화 흡수체.
  7. 제1항에 있어서,
    제1 광섬유와 상기 제2 광섬유는 실리카 광섬유, 어븀 첨가 광섬유 및 툴륨-홀륨 첨가 광섬유 중 적어도 하나를 포함하는 것인 펄스 레이저를 위한 포화 흡수체.
  8. (a) 제1 광섬유의 단부(端部)에 복수 개의 금속 나노 물질 입자를 포함하는 액체를 도포하는 단계;
    (b) 상기 제1 광섬유의 상기 단부를 가열하는 단계;
    (c) 상기 제1 광섬유의 상기 단부와 제2 광섬유의 단부를 접속하는 단계;
    를 포함하고,
    상기 단계 (b)에서, 상기 복수 개의 금속 나노 물질 입자 중 적어도 일부가 정렬되는 것인 펄스 레이저를 위한 포화 흡수체의 제조 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 복수 개의 금속 나노 물질 입자 각각은 금, 은 및 구리 중 적어도 하나를 포함하는 것인 펄스 레이저를 위한 포화 흡수체의 제조 방법.
  10. 삭제
  11. 제8항에 있어서,
    상기 단계 (b)를 수행한 이후에, 복수 개의 금속 나노 물질 입자 중 적어도 일부는 막대 형상을 가지는 펄스 레이저를 위한 포화 흡수체의 제조 방법.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 제1 광섬유의 상기 단부는 제1 커넥터에 수용되는 것이고,
    상기 단계 (a)는 상기 제1 커넥터에 상기 제1 광섬유의 상기 단부가 수용된 상태에서 수행되는 것인 펄스 레이저를 위한 포화 흡수체의 제조 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 단계 (b)는, 상기 제1 광섬유의 상기 단부가 수용된 상기 제1 커넥터를 고정 구조에 장착하는 단계 및 히터를 통하여 방출되는 열을 상기 고정 구조에 상기 제1 커넥터에 의해서 고정된 상기 제1 광섬유의 상기 단부에 인가하는 단계를 포함하는 것인 펄스 레이저를 위한 포화 흡수체의 제조 방법.
  14. 제8항에 있어서,
    상기 액체는 순수(Deionized Water) 및 알코올 중 적어도 하나를 포함하는 것인 펄스 레이저를 위한 포화 흡수체의 제조 방법.
  15. 제8항에 있어서,
    상기 단계 (b)에서 상기 제1 광섬유의 상기 단부를 가열하는 시간은 1분 내지 5분인 것인 펄스 레이저를 위한 포화 흡수체의 제조 방법.
  16. 제8항에 있어서,
    상기 단계 (b)에서 상기 제1 광섬유의 상기 단부를 가열하는 온도는 100℃ 내지 200℃의 온도인 것인 펄스 레이저를 위한 포화 흡수체의 제조 방법.
  17. 제8항에 있어서,
    상기 제1 광섬유의 상기 단부는 제1 커넥터에 수용되는 것이고,
    상기 제2 광섬유의 상기 단부는 제2 커넥터에 수용되는 것이고,
    상기 단계 (c)는 상기 제1 커넥터와 상기 제2 커넥터를 접속하는 단계를 포함하는 것인 펄스 레이저를 위한 포화 흡수체의 제조 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 제1 커넥터 및 상기 제2 커넥터 각각은 FC/APC(Ferrule Connector/Angled Physical Contact) 페룰을 포함하는 것인 펄스 레이저를 위한 포화 흡수체의 제조 방법.
  19. 제8항에 있어서,
    제1 광섬유와 상기 제2 광섬유는 실리카 광섬유, 어븀 첨가 광섬유 및 툴륨-홀륨 첨가 광섬유 중 적어도 하나를 포함하는 것인 펄스 레이저를 위한 포화 흡수체의 제조 방법.
  20. 제1항, 제2항, 제4항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 펄스 레이저를 위한 포화 흡수체;
    를 포함하는 펄스 레이저 생성 장치.
  21. 제8항, 제9항, 제11항 내지 제19항 중 어느 한 항에 따른 펄스 레이저를 위한 포화 흡수체의 제조 방법에 따라서 제조된 펄스 레이저를 위한 포화 흡수체;
    를 포함하는 펄스 레이저 생성 장치.
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