KR101927883B1 - 고전력 금속 클래드 모드 흡수체 - Google Patents

고전력 금속 클래드 모드 흡수체 Download PDF

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Abstract

클래드 흡수체 유닛은 고전력 광섬유 레이저 시스템의 수동 광섬유 상에 제공되며, 수동 광섬유의 클래드를 따라 전파하는 고차 모드들을 가두고 제거하도록 동작한다. 모드 흡수체는 하나 이상의 액체 금속들 및 그들의 합금으로 이루어진 성분을 가지고, 수동 광섬유의 피복에 형성된 개구 내에 위치된다. 성분은 흡수체가 손상되는 임계 온도보다 낮은 온도에서 성분을 가열하는 기결정된 광 출력을 가지는 MM 광을 클래딩으로부터 제거하도록 구성된다.

Description

고전력 금속 클래드 모드 흡수체{HIGH POWER METAL CLAD MODE ABSORBER}
본 발명은 고전력 광섬유 레이저 시스템에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 수동 광섬유 내에 바람직하지 않은 클래딩-안내 광을 가두고 제거하도록 동작하는 클래드 모드 제거기/흡수체에 관한 것이다.
고전력 단일 모드 광섬유 레이저 시스템("HPSMFLS")은 통상 다중모드(MM) 펌프 광에 의해 측면 또는 단부에서 펌핑된 능동 이중 클래드 광섬유를 포함하는 하나 이상의 증폭 캐스케이드를 가지고 구성된다. 광-안내 도파관 클래딩을 따라 전파하는 펌프 광은 종종 능동 광섬유의 길이를 따라 완전히 흡수되지 않고 결과적으로 SM 수동 광섬유의 클래딩에 결합된다. 또한, 스플라이스들에서의 전력 손실은 고분자 보호 피복 아래의 도파관 클래딩에서 전파하는 다중모드 광이 원인이 된다. 게다가, 레이저 처리되는 표면으로부터의 후방 반사 또한 클래딩에 결합될 수 있다. 10-12dB 사이에서 변하는 중간 펌프 광 흡수율에도 불구하고 클래드-안내 펌프 광은 최종 증폭 단계에서 쉽게 300-600W에 이를 수 있다. 클래드 안내 광은 다음과 같은 이유에서 바람직하지 않다.
통상, HPSMFLS의 SM 수동 광섬유는 클래딩 영역의 굴절률보다 낮은 굴절률을 가지는 유연한 고분자 보호 피복에 의해 피복된다. 광섬유 굽힘부 또는 스플라이스드 연결부에서, 클래딩 영역의 전반사는 분산되어 클래드-안내 광의 보호 피복으로의 탈출을 가져올 수 있다. 결과적으로, 보호 피복은 과열되거나 파괴될 수 있다. 또한, 클래딩에서 운반되는 MM 방사선은 일반적으로 그 중 하나가 신호 전파에 반대 방향으로 펌핑되는 두 개의 게인 블럭들 사이에 결합된 수동 SM 전달 광섬유 또는 SM 수동 광섬유인 광섬유의 단부 영역을 손상시킬 수 있다. 마지막으로, 클래드-안내 MM 방사선이 전달 광섬유의 단부에 도달하면, 전송된 광 신호의 빔 품질이 나빠질 수 있고 이는 다른 광 구성요소 및 처리 품질에 불리한 영향을 줄 수 있다.
클래드 광을 제거하고 광 에너지를 열 에너지로 전환하도록 구성된 장치들은 클래딩 모드 흡수체("CMA")로 알려져 있다. 통상, CMA는 클래딩을 덮는 보호 피복이 제거된 광섬유 가닥을 따라 제공되며, 클래딩의 굴절률보다 높은 굴절률을 가지는 광-안내 고분자 화합물로 구성된다. 고분자 화합물 흡수체는 통상 약 100 내지 400W에 이르는 전력을 가지는 클래딩 광을 분리시키도록 한다.
공지된 CMA들의 구조적 한계 중 일부는 광섬유 및 CMA의 불균일한 열-의존 팽창/수축에 의해 유발된 기계적 응력에 대한 낮은 저항성을 포함한다. 통상, 기계적 응력은 단일 모드("SM") 큰 모드 영역("LMA") 광섬유에서 작은 굽힘 손실 및 고차 모드들("HOMs")의 여기를 야기한다.
또 다른 제한은 고분자 화합물의 상대적으로 낮은 열 전도성과 연관이 있으며, 이는 고분자 화합물의 고온을 야기한다. 일반적으로 110℃ 온도가 임계적인 것으로 고려되며, 고온은 CMA의 파괴를 가져온다. 이 임계 온도는 광섬유 레이저 시스템을 작동시킬 때 일어나는 갑작스러운 온도 변화 동안 훨씬 더 낮을 수 있다.
따라서 고온-저항 구조 및 기계 응력-저항 구조에 특징이 있는 CMA를 가지고 구성된 HPSMFLS에 대한 필요성이 존재한다.
향상된 CMA를 제조하는 방법에 대한 필요성 또한 존재한다.
이러한 필요성들은 상승된 온도를 견디고 응력-저항 구조를 제공하면서도 광을 흡수하도록 구성된 개시된 금속 광 클래드 에너지 흡수체("MLCA")에 의해 만족된다.
본 발명의 일 태양은 공지된 고분자 화합물-기반 흡수체와 달리, 보호 코팅이 제거된 영역을 따라 제공된 액체 금속 및 그들의 합금의 충전체를 포함하는 MLCA에 관한 것이다. 충전체는 광을 흡수하고 낮은 용해점; 높은 열 전도성, 소정 밀도 및 노출된 클래딩(석영)에 대한 좋은 접착력을 가지도록 선택된다. 이하에서 설명될 바와 같이, 개시된 흡수체는 공지된 실리콘계 흡수체보다 상당히 높은 입력 전력을 견딜 수 있다.
본 발명의 다른 태양은 개시된 MLCA의 응력 저항성을 향상시키는 것에 관한 것이다. 구체적으로, 흡수체를 구비한 광섬유는 슬리브가 충전체를 둘러싸고 거기에 부착되도록 구성된 방열판 내에 위치된다. 높은 열 전도 특성 때문에, 흡수체는 석영과 금속 방열판 사이에서 효과적인 열 배출 매체로서 동작한다.
본 명세서 내용 중에 포함되어 있음.
도 1은 개시된 금속 광 클래드 흡수체("MLCA")가 제공된 고전력 단일 모드 광섬유 레이저 시스템("HPSMFLS")의 개략도이다.
도 1a는 도시된 시스템의 구성요소들 사이에 결합된 수동 광섬유 상에 제공된 개시된 금속 흡수체를 구비한 마스터 발진기/전력 증폭기 구성("MOPA")을 포함하는 HPSMFLS의 개략도이다.
도 2는 개시된 MLCEC에 제공된 SM 수동 출력 광섬유의 개략도이다.
도 3은 개시된 MLCEC에 제공된 변경된 SM 출력 광섬유의 개략도이다.
도 4는 방열판 내에 탑재된 개시된 MLCA의 전개도이다.
도 5는 확산된 전력으로부터 MLCEC의 슬리브의 최대 온도 의존성을 도시하는 그래프이다.
개시된 에너지 흡수체, 그 흡수체를 포함하는 고전력 광섬유 레이저 시스템 및 그 흡수체를 제조하는 방법에 대한 참조가 이제부터 상세히 이루어질 것이다. 가능하다면, 도면 및 상세한 설명에서 동일하거나 유사한 부품 또는 단계들을 언급하기 위하여 동일한 또는 유사한 참조번호가 사용된다. 도면은 간략화된 형태이며 정확한 크기와는 거리가 있다. 편의성 및 명확성을 위하여, 방향성 용어는 도면들의 평면에 대하여 사용될 수 있으며, 범위를 제한하는 것으로 해석되지 않는다. 특별히 언급하지 않는 한, 명세서 및 특허청구범위의 용어 및 구문들은 광섬유 레이저 분야에서 통상의 기술을 가진 자에게 일반적이고 관습적인 의미를 주는 것으로 의도된다.
도 1은 kW 레벨에 이르는 실질적으로 SM 빔인 출력을 방출하도록 동작하는 유사하게 구성된 게인 블럭들과 결합된 또는 단일의 전형적인 게인 블럭(10)의 개략도를 도시한다. 다음으로 출력 빔은 전달 단일 모드("SM") 수동 광섬유(18)에 의해 목적 지점까지 전달된다. 전달 단일 모드("SM") 수동 광섬유(18)에는 액체 금속, 즉 저온 용점(melting point)을 가지는 금속 또는 액체 금속과 그들의 합금의 조합으로 이루어진 클래드 모드 흡수체(20)가 제공된다. 따라서 흡수체(20)는 광섬유(18)의 클래드를 따라 안내된 원치 않는 모드들을 가두고 흡수하도록 동작한다.
도 1a는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공지된 바와 같이 마스터 발진기(MO) 및 전력 증폭기(PA)를 포함하는 MOPA의 구성요소인 두 개의 게인 블럭들(10)을 도시한다. 이 설계에서, 전달 광섬유에 추가로 또는 전달 광섬유의 대안으로, 도시된 바와 같이 MO와 PA를 광학적으로 결합시키는 수동 광섬유(21) 상에 흡수체(20)가 제공될 수 있다. 광섬유(21)는 가령 광 신호의 순(forward) 전파 방향에 반대인 방향으로 PA에 결합된 펌프(15)로부터 흡수되지 않은 펌프 신호를 수신할 수 있다.
예컨대, 전력 증폭기(PA)인 게인 블럭(10)은 능동 광섬유(12), 즉 이테르븀, 에르븀, 툴륨 등과 같은 하나 이상의 희토류 성분 이온들로 도핑된 광섬유 및 단일SM 입력 및 출력 수동 광섬유(14, 16)를 각각 포함한다. 능동 광섬유(12)는 하나 이상의 클래딩 및 다중모드 코어로 구성되고, 원한다면, 다중모드 코어는 소정 파장에서 실질적으로 기본 모드를 지원하도록 구성된다. 펌프 유닛(15)에 의해 방출된 다중모드("MM") 펌프 광은 도파관 클래딩에 결합되고, 클래딩을 따라 전파됨에 따라 코어에 의해 점차적으로 흡수된다. 모든 펌프 광이 흡수되지는 않으며, 그들 중 일부는 클래딩에 남아있다. 흡수되지 않은 펌프광 및 다른 방향으로 향한 원치 않는 모드들은 수동 출력 광섬유(16)의 클래딩을 통하여 더 안내되며 전달 광섬유(21)의 클래드를 따라 더 전파한다. 클래드 광의 존재는 이전에 논의된 다양한 이유에서 매우 바람직하지 않으며, 최소화되거나 바람직하게는 완전히 제거되어야 한다. 앞선 설명에서는 단일 모드 시스템 및 광섬유를 논의하였으나, 개시된 흡수체는 다중모드 광섬유와 결합하여 사용될 수 있음을 주지하라.
도 2를 참조하면, 코어(22) 및 클래딩(24) 외에, 광섬유(18 또는 21)는 클래딩의 굴절 계수보다 낮은 굴절 계수를 갖는 고분자 보호 필름(제거되어 도시되지 않음)을 더 구비하도록 구성된다. 클래딩 전파 모드들을 흡수하기 위한 조건을 형성하기 위하여, 필름은 광섬유(18, 21)의 소정 축방향 영역을 따라 제거되어 클래딩(24)의 일부가 노출되고, 노출된 클래딩(24)은 액체계 금속 및/또는 그것의 합금들(30)로 이루어지는 흡수체(20)에 담궈질 수 있다. 고분자 화합물와 달리, 금속은 훌륭한 반사 특성을 가진다. 클래드 광 및 구체적으로 금속 코팅과 석영 사이의 경계를 따라 전파하는 이러한 모드들은 금속 코팅을 주기적으로 침투한다. 금속(30)에 입사된 광의 대부분은 흡수되며; 나머지만이 전파되어 결국 상당히 감소되거나 완전히 제거된다. 금속 흡수체(20)는 높은 기계적 응력, 고온을 견딜 수 있으며, 여전히 흡수가 제한되기는 하지만, 종래 고분자 화합물보다 더 잘 분산된다. 전체 광섬유 시스템의 공지된 파라미터들에 기초하여 흡수체(20)의 최적 구성 및 소정 위치을 선택하는 것은 흡수체(20) 및 시스템의 다른 광학 구성요소들에 손상을 주는 공지된 임계 온도보다 낮은 온도로 성분을 가열할 수 있는 최대 가능 광 전력을 가지는 클래드 광의 제거를 제공한다.
석영에 액체 금속을 단순히 적용하고 부착할 수 있지만, 석영에 액체 금속의 불완전한 부착에 의해 표면 응력은 여전히 상당할 수 있다. 따라서, 석영의 표면은 결이 형성되어, 매끄럽지 않고 미세한 형성물을 가지며, 이는 석영/클래드 및 금속 흡수체 사이의 결합을 향상시킨다. 또한 금속 흡수체는 실리콘의 열 팽창 계수에 가까운 열 팽창 계수를 가지도록 선택되며, 이 또한 기계적 응력을 감소시킨다.
액체 금속 및 그들의 합금은 실온 또는 실온 근처에서 액상으로 존재하며, 무엇보다 갈륨("Ga") 및 갈린스탄(Galinstan)과 같은 갈륨 합금을 포함할 수 있다. 갈린스탄은 68%의 Ga(갈륨), 21.5%의 In(인듐) 및 10%의 Sn(주석)의 성분이며, 약 19℃의 빙점을 가지며, 빙점 후 이 물질은 팽창하는 경향이 있다. 다른 액체 금속 및 합금들과 마찬가지로, 갈린스탄은 고분자 화합물보다 높은 열 전도도를 가지며 따라서 훌륭한 열 전도 및 발산 특징을 가진다. 실험들은 이 합금으로 이루어진 에너지 흡수체가 클래드-안내 광의 광 출력의 600 와트보다 높은 출력을 안전하게 발산할 수 있음을 보여준다. 합금 성분은 kW 레벨에 이르는 더 높은 광출력들을 견디도록 변경될 수 있다. 특히, 합금 성분의 질량 분율(mass fraction)은 제어가능하게 조정되어, MM 광이 클래딩을 손상시키는 것으로 알려진 임계 온도보다 낮은 온도에서 합금을 가열하는 최대 가능 광 전력을 가지고 클래딩으로부터 제거된다.
도 3을 참조하면, 클래드-안내 MM 광의 고전력 밀도를 감소시키고 바람직하게는 흡수체(20) 상의 열 부하를 다소 경감시키기 위하여, 수동 광섬유(18, 21)는 이중 병목형 단면을 가질 수 있으며, 이는 또한 쌍둥이 병("TB") 광섬유로 언급된다. TB 형상은 본 출원과 공동으로 양도되고 본 명세서에 전체가 참조로 통합된 함계 계류 중인 미국출원 US 12/559,284 및 US 12/630,545호에 자세히 개시되어 있다. 따라서 TB 광섬유(18 또는 21)의 구성은 서로 이격되고 상대적으로 균일한 작은 직경의 단부 영역들(28), 상대적으로 균일한 큰 직경의 중심 영역(34) 및 안내 광의 단열 팽창을 허용하는 단부 영역과 중심 영역 사이의 과도 영역(32)을 포함한다. 상술한 고려들에 기초하여, 흡수체(20)는 필수적인 것은 아니지만, 전력 밀도가 상대적으로 낮은 중심 영역(34)을 따라 제공되는 것이 바람직하다. 흡수체(20)의 직경은 필름(31)의 고분자 피복의 외부 직경과 동일하거나 클 수 있다. TB 광섬유(18, 21)는 흡수체(20)의 하류에 위치한 고분자 화합물로 이루어진 다른 흡수체(36)를 더 가질 수 있다. 광섬유(18)의 중심 영역(34)은 약 300 미크론의 직경으로 구성될 수 있다.
도 4를 참조하면, 높은 광 전력은 구리, 구리를 포함하는 텅스텐 합금 및 좋은 열 전도성 및 광섬유 응력을 방지하는 최소 열 팽창을 가지도록 구성된 다른 것들과 같은 연성 재료로 이루어진 방열판을 필요로 할 수 있다. 바람직한 하우징 재료는 금속 합금과 반응하지 않는다. 방열판은 파스너(42)에 의해 서로 분리가능하게 결합되고 수동 광섬유(18, 21) 가닥을 감싸도록 구성된 제 1 부분(38) 및 제 2 부분(40)을 포함하며 그 중 하나만이 도시된다. 수동 광섬유(18, 21) 가닥은 제 1 부분(38)에 제공되고 흡수체(20)로 채워진 그루브(44)에 위치된다. 그루브(44) 내의 광섬유 가닥의 양 끝단은 실리콘 겔과 같은 접착제에 의해 제 1 부분(38)에 결합된다. 접착제는 흡수체(20) 및 그루브(44) 내에 위치될 수 있는 광섬유(18) 상에 제공된 임의의 다른 제거액에도 적용될 수 있으며, 이는 구조적 밀봉을 제공한다. 전체 유닛을 덮는 하우징 부분(40)의 과열을 방지하기 위하여, 그리고 유닛의 기밀성을 훨씬 더 향상시키기 위하여 예컨대 Al로 이루어질 수 있는 포일(foil; 46)이 광섬유 가닥과 제 2 부분(40) 사이에 채워진다. 대안으로, 실리콘 겔, UV 글루 또는 에폭시가 제 2 부분(30)을 사용하지 않고 흡수체(20)를 완전히 덮을 수 있다. 이러한 물질들은 유연하며, 금속의 열 팽창을 효율적으로 보상한다.
도 5는 분산된 전력으로부터 개시된 흡수체로 광섬유(18) 가닥을 감싸는 방열판 또는 하우징의 온도를 도시한다. 800W에 이르는 전력에도 불구하고, 흡수체는 그것의 구조적 완전성을 유지한다.
개시된 흡수체는 고전력 광섬유 레이저 시스템 분야에서 매우 바람직하다. 비록 상술한 논의는 대부분 순 전파 광의 흡수체(20)의 제거 능력으로 언급되기는 했지만, 이는 후방 반사 광의 필터로서 기능할 수도 있다. 또한, 상기 개시된 구성은 SM 시스템의 면에서 설명되었지만, 개시된 흡수체는 MM 시스템에서도 역시 효율적으로 사용될 수 있다. 예컨대, 개시된 흡수체는 MM 전달 광섬유 상에 제공되어 후방 반사를 최소화할 수 있다. 또한, 개시된 구성은 연속파 및 펄스파 레이저 구성 모두에 사용될 수 있다.
본 발명의 기술적 사상 및 필수적 특징으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 개시된 구조의 다양한 변경이 이루어질 수 있다. 따라서, 상술한 명세서에 포함된 모든 요소들은 오직 설명을 위한 것으로 해석되어야 하며, 협의로 본 발명의 범위는 첨부되는 특허청구범위에 의해서만 정의되는 것으로 의도된다.

Claims (20)

  1. 코어, 코어를 둘러싸는 클래딩 및 상기 클래딩 상에 코팅되고 클래딩이 노출되도록 개구를 형성하는 불연속면을 갖는 고분자 피복을 구비한 수동 광섬유; 및
    상기 개구 내의 클래딩의 노출부를 덮으며, 액체 금속, 액체 금속 합금 및 그들의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 성분을 가지는 흡수체를 포함하며,
    흡수체가 손상되는 임계 온도보다 낮은 온도로 상기 성분을 가열하는 광 출력을 가지는 원하지 않는 다중모드("MM") 광을 흡수체가 클래딩으로부터 제거하도록 흡수체의 상기 성분의 질량 분율이 조정되고,
    상기 클래딩의 노출부는 클래딩에 흡수체의 접착력을 향상시키도록 결이 형성되는, 클래드 모드 흡수체 유닛("CMA").
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 흡수체는 갈륨, 인듐 및 그들의 합금으로 구성된 물질로 이루어지고, 상기 MM 광은 kW 레벨에 이르는 전력을 가지는 CMA.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 흡수체는 Ga(갈륨), In(인듐) 및 Sn의 성분을 포함하는 Galinstan 합금으로 구성되며,
    기결정된 광 출력을 제거하기 위하여 Ga, In 및 Sn 각각의 질량 분율이 조정되는 CMA.
  4. 제 1 항에 있어서,
    서로 분리가능하게 결합된 제 1 및 제 2 부분으로 구성된 방열판을 더 포함하며,
    제 1 부분은 상기 흡수체를 가지는 수동 광섬유 가닥을 수용하는 그루브를 가지도록 구성되고, 상기 흡수체는 방열판 내에 밀폐되는 CMA.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 방열판은 금속 베이스 및 금속 베이스에 결합되는 뚜껑을 포함하고,
    상기 뚜껑은 하나 이상의 가단성(malleable) 금속 및 실리콘 겔로 구성된 그룹으로부터 선택되는 CMA.
  6. 삭제
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 흡수체는 클래딩의 열 팽창 계수와 매칭되도록 선택되는 열 팽창 계수를 가지도록 구성되는 CMA.
  8. 제 7 항에 있어서,
    수동 광섬유는 클래딩에 의해 둘러싸인 코어를 포함하고, 1kW 이상의 전력을 가지는 SM 광을 안내하도록 구성되는 CMA.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 코어 및 클래딩 각각은 균일한 직경의 입력 단부 영역, 상기 입력 단부 영역의 직경보다 크고 균일한 직경을 가지는 중심 영역, 상기 단부 영역과 중심 영역을 연결하는 원추형 과도 영역을 포함하는 병목형 단면을 가지고, 상기 흡수체는중심 영역의 적어도 일부 위에 연장되는 CMA.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 코어 및 클래딩 각각은 균일한 직경을 가지고 서로 이격된 입력 단부 영역들, 상기 단부 영역들 중 한 영역의 직경보다 크고 균일한 직경을 가지는 중심 영역 및 중심 영역의 양단과 각 단부 영역을 연결한 원추형 영역을 포함하는 이중 병목형 단면을 가지고, 상기 흡수체는 중심 영역의 적어도 일부 위에 연장되는 CMA.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 코어 및 클래딩 각각은 균일한 직경을 가지고 이격된 입력 단부 영역들, 상기 단부 영역들의 직경보다 크고 균일한 직경을 가지는 중심 영역 및 중심 영역의 각각의 양단과 단부 영역들을 연결하는 원추형 영역을 포함하는 이중 병목형 단면을 가지고, 과도 영역들 중 하나는 다른 것보다 길며, 상기 흡수체는 각각의 중심 영역 및 가장 긴 원추형 영역의 부분과 겹치는 CMA.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 수동 광섬유에는 고분자 화합물로 이루어지며 금속 흡수체로부터 이격된 적어도 하나의 추가 흡수체가 더 제공되는 CMA.
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