KR102137120B1 - Alkali gas optical amplifier and alkali gas laser - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 알칼리 가스 광증폭기 및 알칼리 가스 레이저에 관한 것으로, 알칼리 가스가 채워진 가스 셀; 및 상기 셀 내에 삽입되고 반공명 간섭 중공광섬유를 광 이득 물질로 사용하는 반공명 반사형 광도파로; 를 포함하는, 알칼리 가스 광증폭기 및 알칼리 가스 레이저에 관한 것이다.The present invention relates to an alkali gas optical amplifier and an alkali gas laser, wherein the gas cell is filled with an alkali gas; And a semi-resonant reflective optical waveguide inserted into the cell and using a semi-resonant interference hollow optical fiber as an optical gain material. It relates to an alkali gas photoamplifier and an alkali gas laser comprising a.
Description
본 발명은, 알칼리 가스 광증폭기 및 이를 포함하는 알칼리 가스 레이저에 관한 것이다.The present invention relates to an alkali gas optical amplifier and an alkali gas laser including the same.
세슘 및 루비듐 등의 알칼리 원소의 가스상태를 이득 매질로 활용하는 레이저는, 광섬유 및 고체 레이저 등과 비교하여 상대적으로 높은 양자효율을 나타내고, 고효율 레이저 구현의 가능성을 가지고 있으므로, 고출력 협대역 레이저 다이오드의 개발에 따라 이를 이용한 다이오드 펌프 기반의 고효율 알칼리 레이저 구현에 응용하기 위한 연구가 진행되고 있다.Lasers that utilize the gaseous state of alkali elements such as cesium and rubidium as a gain medium show relatively high quantum efficiency compared to optical fibers and solid-state lasers, and have the possibility of realizing high-efficiency lasers, thereby developing high-power narrow-band laser diodes. Accordingly, research is being conducted to apply it to a diode pump-based high-efficiency alkali laser implementation using the same.
다이오드 펌프 기반 알칼리 레이저(Diode-pumped alkali laser, DPAL)에 대한 연구는 미국의 공군연구소를 중심으로 진행되어 왔으며 최근 이스라엘, 일본 및 중국의 국가 연구소 및 대학에서 관련된 연구가 진행되고 있다. 통상적으로 알칼리 레이저 및 증폭기 구현을 위하여 알칼리 가스셀을 이득매질로 활용하고 있으나 이러한 방법은 알칼리 가스-빛 간의 상호작용에 있어 제한적이며, 펌프광 및 증폭광의 공간적 결합에 어려움이 있다. Research on diode-pumped alkali lasers (DPALs) has been conducted around the United States Air Force Research Institute, and recently, research has been conducted at national research institutes and universities in Israel, Japan and China. Typically, an alkali gas cell is used as a gain medium for the implementation of an alkali laser and an amplifier, but this method is limited in the interaction between the alkali gas and light, and it is difficult to spatially combine pump light and amplified light.
이를 극복하기 위하여 코어가 비어 있는 광밴드갭 광섬유(photonic bandgap fiber) 내부에 알칼리 가스를 채워 넣고 펌프광 및 증폭광을 같은 공간에서 도파시킴으로써 효율적인 광 증폭을 시도하는 연구가 진행되었으나, 광 밴드갭 광섬유의 경우 밴드갭 도파 효과를 구현하기 위하여 복잡한 클래딩 구조가 포함되고, 이는 기계적으로 매우 취약한 특성을 나타내고, 상대적으로 광정렬이 어렵고 고출력 펌프광에 의하여 클래딩 구조가 손상될 가능성이 높다. In order to overcome this, studies have been conducted to attempt efficient amplification of light by filling alkali gas inside a photonic bandgap fiber with an empty core and guiding pump light and amplified light in the same space. In this case, a complex cladding structure is included in order to realize the bandgap waveguide effect, which exhibits a mechanically very vulnerable characteristic, is relatively difficult to align light, and is likely to be damaged by a high-power pump light.
본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 반공명 간섭 중공광섬유(anti-resonant reflecting optical fiber)를 적용하여 광의 증폭 효율이 향상된, 알칼리 가스 광 증폭기를 제공하는 것이다.The present invention is to solve the problems as described above, by applying an anti-resonant interference hollow optical fiber (anti-resonant reflecting optical fiber) is to provide an alkali gas optical amplifier, the light amplification efficiency is improved.
본 발명은, 본 발명에 의한 알칼리 가스 광 증폭기를 적용하여 고출력 및 고효율의 알칼리 가스 레이저를 제공하는 것이다. The present invention is to provide a high power and high efficiency alkali gas laser by applying the alkali gas optical amplifier according to the present invention.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The problem to be solved by the present invention is not limited to the problems mentioned above, and other problems not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.
본 발명의 일 실시예에 따라, 알칼리 가스가 채워진 가스 셀; 및 상기 셀 내에 삽입되고 반공명 간섭 중공광섬유를 광 이득 물질로 사용하는 반공명 반사형 광도파로;를 포함하는, 알칼리 가스 광증폭기에 관한 것이다. According to an embodiment of the present invention, an alkali gas-filled gas cell; And a semi-resonant reflective optical waveguide inserted into the cell and using a semi-resonant interference hollow optical fiber as an optical gain material.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 알칼리 가스는, 리튬(Li), 나트륨(Na), 칼륨(K), 루비듐(Rb) 및 세슘(Cs)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 알칼리 원소를 포함하는 것일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the alkali gas includes at least one alkali element selected from the group consisting of lithium (Li), sodium (Na), potassium (K), rubidium (Rb) and cesium (Cs). It may be.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 가스 셀은, 헬륨(He), 아르곤(Ar), 크림톤(Kr), 네온(Ne) 및 제논(Xe)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 원소를 포함하는 버퍼-가스를 더 포함하는 것일 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the gas cell includes one or more elements selected from the group consisting of helium (He), argon (Ar), crimtone (Kr), neon (Ne), and xenon (Xe). It may be to further include a buffer-gas.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 중공광섬유의 중공 내에 상기 알칼리 가스가 채워지고, 상기 중공 내로 입사광이 도파되는 것일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the alkali gas may be filled in the hollow of the hollow optical fiber, and incident light may be guided into the hollow.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 중공 내의 알칼리 가스는, 입사광에 의해 여기되고, 입사광의 파장과 동일한 에너지 준위로 전이되어 광을 증폭시키는 것일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the alkali gas in the hollow may be excited by the incident light and transferred to an energy level equal to the wavelength of the incident light to amplify the light.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 입사광은, 펌프광과 신호광이 결합된 것이며, 상기 알칼리 가스는, 입사광에 의해 여기되고, 신호광의 파장과 동일한 에너지 준위로 전이되어 광을 증폭시키는 것일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the incident light is a combination of pump light and signal light, and the alkali gas is excited by the incident light and may be amplified by being transferred to an energy level equal to the wavelength of the signal light.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 입사광의 파장은, 상기 중공광섬유의 도파되는 파장과 일치하도록 조정된 것일 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the wavelength of the incident light may be adjusted to match the waveguide wavelength of the hollow fiber.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 가스 셀은 복수개로 구성되고, 상기 복수개의 가스 셀은, 하나의 반공명 반사형 광도파로에 대하여 직렬 구조를 형성하도록 나란히 연결된 것일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the gas cells are composed of a plurality, and the plurality of gas cells may be connected side by side to form a series structure with respect to one semi-reflective optical waveguide.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 중공광섬유는, 원통형의 유리소재 모세관을 포함하는 것일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the hollow optical fiber may include a cylindrical glass material capillary.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 원통형의 유리소재 모세관유리소재 모세관은, 10 마이크로 미터에서 1000 마이크로 미터 범위의 내경 및 1 마이크로 미터에서 100 마이크로미터 범위의 두께를 갖는 것일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the cylindrical glass material capillary may be one having an inner diameter in the range of 10 micrometers to 1000 micrometers and a thickness in the range of 1 micrometer to 100 micrometers.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 원통형의 유리소재 모세관은, 상기 유리소재 모세관의 두께를 조절하여 도파되는 광의 중심 파장을 제어하는 것일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the cylindrical glass material capillary may be to control the center wavelength of light guided by adjusting the thickness of the glass material capillary.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 원통형의 유리소재 모세관에서 내경 대 두께의 비율은, 1:0.1 에서 1사이의 범위일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the ratio of the inner diameter to the thickness in the cylindrical glass material capillary may be in the range of 1:0.1 to 1.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 중공광섬유는, ARROW 광섬유인 것일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the hollow optical fiber may be an ARROW optical fiber.
본 발명의 일 실시예에 따라, 펌프광을 방출하는 펌프광원; 및 상기 펌프광이 입사되고 도파되는 광증폭기; 를 포함하고, 상기 광증폭기는, 알칼리 가스가 채워진 가스 셀; 및 상기 셀 내에 삽입된 반공명 간섭 중공광섬유를 광 이득 물질로 사용하는 것인, 알칼리 가스 레이저에 관한 것이다. According to an embodiment of the present invention, a pump light source emitting a pump light; And an optical amplifier to which the pump light is incident and guided. Included, The optical amplifier, A gas cell filled with an alkali gas; And using an anti-resonant interference hollow fiber inserted into the cell as an optical gain material.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 펌프광과 신호광을 결합시키는 제1 이색 거울; 및 상기 광증폭기에서 방출되는 광을 반사시키는 제2 이색 거울; 을 더 포함하는 것일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, a first dichroic mirror for combining the pump light and the signal light; And a second dichroic mirror reflecting light emitted from the optical amplifier. It may be to include more.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 이색 거울은, 상기 펌프광의 파장과 신호광 파장을 결합시켜 중공광섬유에서 도파되는 파장과 일치하도록 조정하는 것일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the dichroic mirror may be adjusted to match the wavelength guided by the hollow fiber by combining the wavelength of the pump light and the wavelength of the signal light.
본 발명은, 알칼리 가스가 삽입되고 반공명 간섭 중공광섬유를 광 이득매질로 사용하여 광의 증폭 효율이 향상된, 고효율 알칼리 가스 광증폭기 및 알칼리 가스 레이저를 제공할 수 있다. The present invention can provide a high-efficiency alkali gas optical amplifier and an alkali gas laser in which an amplification efficiency of light is improved by inserting an alkali gas and using a semi-resonant interference hollow fiber as an optical gain medium.
본 발명의 알칼리 가스 광증폭기 및 알칼리 가스 레이저는, 반공명 간섭 중공광섬유를 적용하여, 고출력 빛의 입사에 따른 반공명 간섭 중공광섬유의 광손상을 방지하고, 간단하고 기계적으로도 안정적인 구조를 제공할 수 있다.The alkali gas optical amplifier and the alkali gas laser of the present invention apply anti-resonant interference hollow optical fibers to prevent optical damage of the anti-resonant interference hollow optical fibers due to high power light incidence, and provide a simple and mechanically stable structure. Can.
본 발명의 알칼리 가스 광증폭기 및 알칼리 가스 레이저는, 도파하는 광섬유를 따라 펌프광 및 신호광의 공간적 결합이 용이하게 이루어지므로, 광의 증폭 효율을 월등하게 증가시킬 수 있다.The alkali gas optical amplifier and the alkali gas laser of the present invention can easily increase the amplification efficiency of light because spatial coupling of the pump light and the signal light is easily performed along the waveguided optical fiber.
도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따른, 본 발명에 의한 알칼리 가스 광증폭기의 구조를 예시적으로 나타낸 것이다.
도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따라, 본 발명에 의한 광증폭기의 반공명 간섭 중공광섬유 내의 알칼리 원자의 입사광에 의한 에너지 전이특성을 예시적으로 나타낸 것이다.
도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따른, 본 발명에 의한 알칼리 가스 광증폭기의 반공명 간섭 중공광섬유의 단면 (a) 및 도파광의 간섭 특성 (b)을 예시적으로 나타낸 것이다.
도 4는, 본 발명의 일 실시예에 따른, 본 발명에 의한 반공명 간섭 중공광섬유의 정성적 분석에 의한 도파특성 (a), 도파되는 파장과 도파되지 않는 파장에서 반공명 간섭 중공광섬유의 광의 도파 특성 (b) 및 (c)를 나타낸 것이다.
도 5는, 본 발명의 다른 실시예에 따른, 본 발명에 의한 알칼리 가스 광증폭기의 구조를 예시적으로 나타낸 것이다.
도 6은, 본 발명의 일 실시예에 따른, 본 발명에 의한 알칼리 가스 레이저의 구조를 예시적으로 나타낸 것이다.Figure 1, according to an embodiment of the present invention, shows the structure of an alkali gas optical amplifier according to the present invention by way of example.
Figure 2, according to an embodiment of the present invention, shows the energy transfer characteristics by the incident light of the alkali atoms in the semi-resonant interference hollow optical fiber of the optical amplifier according to the present invention.
Figure 3, according to an embodiment of the present invention, shows the cross section (a) of the anti-resonant interference hollow fiber of the alkali gas optical amplifier according to the present invention and the interference characteristic of the waveguide (b).
Figure 4, according to an embodiment of the present invention, the waveguide characteristics by qualitative analysis of the semi-resonant interference hollow optical fiber according to the present invention (a), the wavelength of the semi-resonant interference hollow fiber at the waveguided and non-guided wavelengths Waveguide characteristics (b) and (c) are shown.
Figure 5, according to another embodiment of the present invention, shows an exemplary structure of an alkali gas optical amplifier according to the present invention.
6 is a diagram showing an exemplary structure of an alkali gas laser according to the present invention according to an embodiment of the present invention.
이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 상세하게 설명한다. 그러나, 실시예들에는 다양한 변경이 가해질 수 있어서 특허출원의 권리 범위가 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 실시예들에 대한 모든 변경, 균등물 내지 대체물이 권리 범위에 포함되는 것으로 이해되어야 한다.Hereinafter, embodiments will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, various changes may be made to the embodiments, and the scope of the patent application right is not limited or limited by these embodiments. It should be understood that all modifications, equivalents, or substitutes for the embodiments are included in the scope of rights.
실시예에서 사용한 용어는 단지 설명을 목적으로 사용된 것으로, 한정하려는 의도로 해석되어서는 안된다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terms used in the examples are used for illustrative purposes only and should not be construed as limiting. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. In this specification, the terms "include" or "have" are intended to indicate the presence of features, numbers, steps, actions, components, parts or combinations thereof described in the specification, one or more other features. It should be understood that the existence or addition possibilities of fields or numbers, steps, operations, components, parts or combinations thereof are not excluded in advance.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless otherwise defined, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by a person skilled in the art to which the embodiment belongs. Terms, such as those defined in a commonly used dictionary, should be interpreted as having meanings consistent with meanings in the context of related technologies, and should not be interpreted as ideal or excessively formal meanings unless explicitly defined in the present application. Does not.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 실시예의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.In addition, in the description with reference to the accompanying drawings, the same reference numerals are assigned to the same components regardless of reference numerals, and redundant descriptions thereof will be omitted. In describing the embodiments, when it is determined that detailed descriptions of related known technologies may unnecessarily obscure the subject matter of the embodiments, the detailed descriptions will be omitted.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기를 기초로 다양한 기술적 수정 및 변형을 적용할 수 있다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.As described above, although the embodiments have been described by the limited drawings, those skilled in the art can apply various technical modifications and variations based on the above. For example, even if the described techniques are performed in a different order than the described method, and/or the described components are combined or combined in a different form from the described method, or replaced or replaced by another component or equivalent Appropriate results can be achieved.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 청구범위의 범위에 속한다.Therefore, other implementations, other embodiments, and equivalents to the claims are also within the scope of the following claims.
본 발명은, 알칼리 가스 광증폭기에 관한 것으로, 본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 알칼리 가스 광증폭기는, 반공명 간섭 중공광섬유(anti-resonant reflecting optical waveguide, ARROW)를 광 이득 물질로 사용하여 입사광이 도파되고, 도파되는 광과 알칼리 가스와 효율적인 상호작용을 유도하여 광의 증폭 효율을 향상시킬 수 있다. The present invention relates to an alkali gas optical amplifier, and according to an embodiment of the present invention, the alkali gas optical amplifier uses an anti-resonant reflecting optical waveguide (ARROW) as an optical gain material. The incident light is guided, and it is possible to improve the amplification efficiency of the light by inducing efficient interaction with the guided light and alkali gas.
본 발명의 일 실시예에 따라, 도 1을 참조하여 설명하여, 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른, 본 발명에 의한 알칼리 가스 광증폭기의 구조를 예시적으로 나타낸 것으로, 도 1에서 상기 알칼리 가스 광증폭기는, 가스 셀(110) 및 셀(110) 내에 삽입된 반공명 반사형 광도파로(120);를 포함할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, described with reference to FIG. 1, FIG. 1 is an exemplary structure of an alkali gas optical amplifier according to the present invention according to an embodiment of the present invention. The alkali gas optical amplifier may include a
가스 셀(110)은, 원통형 또는 다각 기둥이 형태일 수 있고, 내부에 알칼리 가스가 채워진 것일 수 있다. 상기 알칼리 가스는, 리튬(Li), 나트륨(Na), 칼륨(K), 루비듐(Rb) 및 세슘(Cs)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 알칼리 원소를 포함할 수 있다. 상기 알칼리 가스는, 헬륨(He), 아르곤(Ar), 크림톤(Kr), 네온(Ne) 및 제논(Xe)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 원소를 포함하는 버퍼-가스를 포함할 수 있다. The
가스 셀(110)은, 광의 입사 및 방출을 위해서 무반사 코팅된 투명한 윈도우(W1 및 W2)를 포함하고, 윈도우(W1 및 W2)의 직경은, 광의 입사 및 방출을 원활하게하고, 광의 증폭 효율을 개선하기 위해서 3 mm 에서 30 mm의 범위에 있다. The
반공명 반사형 광도파로(120)는, 반공명 간섭 중공광섬유를 광 이득 물질로 사용하고, 상기 반공명 간섭 중공광섬유의 중공 내에 상기 언급한 알칼리 가스가 채워지고, 상기 상기 반공명 간섭 중공광섬유의 중공 내로 입사광이 도파될 수 있다.The semi-resonant reflective
상기 입사광은, 증폭 대상인 신호광과 펌프광을 공간적으로 결합된 것으로, 무반사 코팅된 윈도우(W1)를 통하여 가스 셀(110) 내에 도입된다. 상기 입사광은, 펌프광 및 신호광의 결합에 따라 펌프광을 도파함으로써 효율적인 증폭광의 흡수가 가능하고 광 증폭 효율을 향상시킬 수 있다. 즉, 광의 증폭 효율은, 알칼리 가스에서 증폭광의 흡수율 및 신호광과 증폭광의 공간적 결합 정도에 의해서 결정되고, 알칼리가스가 채워진 반공명 간섭 중공광섬유에 펌프광을 도파함으로써 효율적인 증폭광의 흡수를 나타낼 수 있다. The incident light, which is spatially combined with the signal light and the pump light, which are amplified objects, is introduced into the
상기 입사광은, 상기 반공명 간섭 중공광섬유의 중공 내의 알칼리 가스와 상호작용하여 광 증폭시킬 수 있으며, 예를 들어, 상기 중공 내의 알칼리 가스는, 상기 입사광의 파장에 따라 에너지 준위로 여기되고, 상기 입사광의 파장과 동일한 에너지 준위로 전이되어 광을 증폭시킬 수 있고, 상기 입사광은, 신호광 및 펌프광의 결합에 의해 상기 반공명 간섭 중공광섬유의 도파되는 파장과 일치하도록 조정될 수 있다. 보다 구체적으로, 도 2를 참조하면, 도 2에서 입사된 펌프광은, 세슘가스의 에너지 준위를 여기상태(D2 전이)로 만들고, 입사된 신호광의 파장과 동일한 에너지 준위로 전이(D1 전이)하여 광을 증폭시키고, 그 결과, 광의 증폭 효율을 향상시킬 수 있다. The incident light may be amplified by interacting with the alkali gas in the hollow of the semi-resonant interference hollow fiber, and for example, the alkali gas in the hollow is excited to an energy level according to the wavelength of the incident light, and the incident light Transition to the same energy level as the wavelength of can amplify the light, the incident light can be adjusted to match the waveguide wavelength of the anti-resonant interference hollow fiber by a combination of signal light and pump light. More specifically, referring to FIG. 2, the pump light incident in FIG. 2 makes the energy level of cesium gas an excitation state (D2 transition), and transitions (D1 transition) to an energy level equal to the wavelength of the incident signal light. And amplification efficiency of light can be improved.
상기 반공명 간섭 중공광섬유는, 가시광선 및 근적외선 영역에서 흡수가 작은 매질을 기반으로 하는 중공광섬유이며, 높은 출력의 빛에 의한 광손상을 줄이고 기계적으로 안정적인 구조를 제공할 수 있다. The semi-resonant interference hollow optical fiber is a hollow optical fiber based on a medium having small absorption in visible and near infrared regions, and can reduce light damage caused by high output light and provide a mechanically stable structure.
도 3을 참조하면, 도 3은, 본 발명에 의한 알칼리 가스 광증폭기의 반공명 간섭 중공광섬유의 단면 및 도파광의 간섭 특성을 예시적으로 나타낸 것으로, 상기 반공명 간섭 중공광섬유는, 원통형의 유리소재 모세관(capillary)을 포함할 수 있다. 상기 원통형의 유리소재 모세관은, 광의 증폭 효율 및 구조적 안정성을 개선시키고, 광의 도파 과정에서 알칼리 가스와 효율적인 상호작용을 유도하기 위해서, 10 마이크로 미터에서 1000 마이크로 미터 범위의 내경(2r) 및 1 마이크로 미터에서 100 마이크로 미터 범위의 두께(t)를 가지며, 동작 파장에 따라 상기 범위 내에서 내경 및 두께를 조정할 수 있고, 예를 들어, 상기 유리소재 모세관의 두께 및/또는 내경을 조절하여 도파되는 광의 중심 파장을 제어할 수 있다. 상기 원통형의 실리카 모세관에서 내경 대 두께의 비율은, 광의 증폭 효율 및 구조적 안정성을 개선시키고, 광의 도파 과정에서 알칼리 가스와 효율적인 상호작용을 유도하기 위해서, 1:0.1에서 1 범위일 수 있다.Referring to Figure 3, Figure 3, the cross-section of the anti-resonant interference hollow optical fiber of the alkali gas optical amplifier according to the present invention and shows the interference characteristics of the waveguide light, the semi-resonant interference hollow optical fiber is a cylindrical glass material It may include a capillary (capillary). The cylindrical glass material capillaries have an inner diameter (2r) ranging from 10 micrometers to 1000 micrometers and 1 micrometer to improve amplification efficiency and structural stability of light and induce efficient interaction with alkali gas in the light waveguide process. At a thickness (t) in the range of 100 micrometers, the inner diameter and thickness can be adjusted within the range according to the operating wavelength, for example, the center of the light guided by adjusting the thickness and/or inner diameter of the glass material capillary The wavelength can be controlled. The ratio of the inner diameter to the thickness in the cylindrical silica capillary may range from 1:0.1 to 1 in order to improve amplification efficiency and structural stability of light and induce efficient interaction with alkali gas in the light waveguide process.
즉, 도 3에서, 모세관 내부(공기)의 굴절률(n1) 및 실리카 유리의 굴절률(n2)인 경우에, 비스듬히 입사된 빛이 모세관의 내부 벽과 외부벽에서 반사하며 간섭을 일으키고, 두께(t)를 조절하여 펌프광 및 신호광의 해당 파당에서 보강간섭을 일으키는 조건을 만족할 때, 광의 큰 손실 없이 모세관 내부(즉, 반공명 간섭 중공광섬유의 코어)로 광의 도파가 가능하고, 모세관 내부의 계면에서 반사된 두 빛의 상대적인 위상차가 보강간섭을 일으키는 조건에서 빛이 도파되어 코어 크기에 관계없이 두께를 조절하여 중심파장이 결정될 수 있다. That is, in FIG. 3, in the case of the refractive index (n 1 ) of the inside (air) of the capillary and the refractive index (n 2) of the silica glass, the light incident at an angle reflects from the inner and outer walls of the capillary, causing interference, and the thickness When (t) is adjusted to satisfy the condition causing reinforcing interference in the corresponding waves of the pump light and signal light, light can be guided into the capillary tube (ie, the core of the anti-resonant interference hollow fiber) without large loss of light, and the interface inside the capillary tube Under the condition that the relative phase difference between the two light reflected from the light causes the constructive interference, the light is waveguided and the center wavelength can be determined by adjusting the thickness regardless of the core size.
상기 반공명 간섭 중공광섬유는, ARROW 광섬유이며, ARROW 광섬유는 고출력 펌프광에서 펌프광 및 신호광의 공간적 결합을 향상시키고, 광의 증폭 효율이 우수하면서 기계적으로 안정적인 구조를 제공할 수 있다. 도 4를 참조하면, 도 4는, 본 발명의 일 실시예에 따른, 본 발명에 의한 반공명 간섭 중공광섬유의 정성적 분석에 따라, 도파되는 중심파장의 투과 특성을 그래프로 나타낸 것이며 (a), 및 도파되는 파장과 도파되지 않는 파장에서 반공명 간섭 중공광섬유의 광의 도파 특성 (b) 및 (c)를 나타낸 것으로, 도 4의 (a)에 나타낸 중심파장(λ1, λ2, λ3에 따라 도 4의 (b) 및 4의 (c)는 ARROW 광섬유의 파장에 따른 도파 특성을 확인할 수 있고, ARROW 광섬유의 모세관의 두께를 조절하여 펌프광 (λ1) 및 신호광 λ3)은, 도 4의 (b)와 같이 도파될 수 있으며, 중심파장이 λ2인 광은 도 4의 (c)와 같이 ARROW 광섬유에 도파되지 못하고 외부로 빠져 나오게된다.The semi-resonant interference hollow optical fiber is an ARROW optical fiber, and the ARROW optical fiber can improve the spatial coupling of pump light and signal light in high-power pump light, and can provide a mechanically stable structure with excellent amplification efficiency of light. Referring to Figure 4, Figure 4, according to an embodiment of the present invention, according to the qualitative analysis of the semi-resonant interference hollow optical fiber according to the present invention, a graph showing the transmission characteristics of the central wavelength waveguided (a) , And showing the waveguide characteristics (b) and (c) of the light of the semi-resonant interference hollow fiber at the wavelength that is guided and the waveguide, and the center wavelengths (λ 1 , λ 2 , λ 3 shown in (a) of FIG. 4) Depending on the (b) and 4 (c) of Figure 4 can be confirmed the waveguide characteristics according to the wavelength of the ARROW optical fiber, by adjusting the thickness of the capillary of the ARROW optical fiber pump light (λ 1 ) and signal light λ 3 ), It can be waveguided as shown in (b) of 4, and the light having a center wavelength of λ 2 is not guided by the ARROW optical fiber as shown in FIG. 4(c), and then exits outside.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 알칼리 가스 광증폭기는, 복수개의 가스 셀(110, 100')을 포함할 수 있고, 예를 들어, 도 5를 참조하면, 도 5는, 본 발명의 다른 실시예에 따른, 알칼리 가스 광증폭기의 구조를 나타낸 것으로, 도 5에서 복수개의 가스 셀(110, 110') 내에 하나의 반공명 반사형 광도파로(120)가 삽입되고, 이들은 직렬 구조로 나란히 연결되며, 하나의 반공명 반사형 광도파로(120)는, 복수개의 가스 셀(110, 110')을 연결할 수 있다. 상기 가스 셀(110)은 가스 주입구를 포함하고, 상기 가스 셀(110')은 가스 배출구를 포함하고, 이러한 가스 주입구 및 배출구의 도입에 의해 알카리 가스 흐름 셀(gas flow cell)을 형성할 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the alkali gas photoamplifier may include a plurality of
본 발명은, 알칼리 가스 레이저에 관한 것으로, 본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 알칼리 가스 레이저는, 본 발명에 의한 알칼리 가스 광증폭기를 도입한 알칼리 가스 기반의 레이저이며, 고출력 및 고효율의 알칼리 가스 레이저를 제공할 수 있다.The present invention relates to an alkali gas laser, and according to an embodiment of the present invention, the alkali gas laser is an alkali gas-based laser incorporating the alkali gas optical amplifier according to the present invention, and has high output and high efficiency alkali gas. A laser can be provided.
본 발명의 일 실시예에 따라, 도 6을 참조하면, 도 6은, 본 발명의 일 실시예에 따른, 본 발명에 의한 알칼리 가스 레이저의 구조를 예시적으로 나타낸 것으로, 광증폭기(100); 광원(200, seed laser); 펌프광원(300, pump laser diode); 제1 이색 거울(D1); 및 제2 이색 거울(D2);을 포함할 수 있다. According to an embodiment of the present invention, referring to FIG. 6, FIG. 6 is an exemplary structure of an alkali gas laser according to the present invention, according to an embodiment of the present invention, comprising: an
광증폭기(100)는, 펌프광이 입사되고 도파되는 것으로, 본 발명에 의한 알칼리 가스 광증폭기를 포함하고, 상기 언급한 바와 같이, 알칼리 가스가 채워진 가스 셀(110); 및 가스 셀(110) 내에 삽입되고 반공명 간섭 중공광섬유를 광 이득 물질로 사용되는 반공명 반사형 광도파로(120);를 포함할 수 있다. The
광원(200)은, 증폭 대상인 신호광(L1)을 방출하며, 예를 들어, 신호광(L1)은, 790㎚ 내지 1000 ㎚의 중심 파장을 가지며, 예를 들어, 약 895 nm의 중심파장을 가질 수 있다.The
펌프광원(300)은, 광증폭기(100)의 광 이득 물질의 흡수 밴드에 부합하도록 특정 파장의 펌프광(L2)을 방출하며, 예를 들어, 펌프광(L2)은, 790 ㎚ 내지 1000 ㎚의 중심 파장을 가지며, 약 852 nm의 중심 파장을 가질 수 있다. The pump
제1 이색 거울(D1, Dichroic mirror)은, 반사율이 높은 거울이며, 신호광(L1, 또는 증폭광)과 펌프광(L2)을 결합시켜 광증폭기(100)에 입사광(L3)을 입사시키는 것으로, 펌프광(L2)의 파장과 신호광 파장(L1)의 결합 시 광증폭기(100) 내의 반공명 간섭 중공광섬유의 도파되는 파장과 일치하도록 입사광(L3)을 조정하고, 조정된 파장영역의 입사광(L3)은, 윈도우(W1)를 통하여 광증폭기(100) 내에 삽입되어 도파될 수 있다.The first dichroic mirror (D1, Dichroic mirror) is a mirror with high reflectance, and combines signal light (L1, or amplified light) and pump light (L2) to inject incident light (L3) into the optical amplifier (100), and pump light When the wavelength of (L2) and the signal light wavelength (L1) are combined, the incident light (L3) is adjusted to match the waveguide wavelength of the semi-resonant interference hollow optical fiber in the
즉, 제1 이색 거울(D1)에 의한 파장 조정에 따라 상기 입사광(L3)은, 반공명 간섭 중공광섬유를 따라 도파하면서 펌프광(L2) 및 신호광(L1)의 공간적 결합이 용이하고 알칼리 가스와 상호 작용하여 광 증폭 효율을 크게 향상시켜 고출력의 레이저 광을 제공할 수 있다. That is, according to the wavelength adjustment by the first dichroic mirror (D1), the incident light (L3) is guided along the semi-resonant interference hollow optical fiber, while the spatial coupling of the pump light (L2) and signal light (L1) is easy and mutually with alkali gas By acting, the light amplification efficiency can be greatly improved to provide high power laser light.
제2 이색 거울(D2)은, 광증폭기(100)에서 방출되는 방출광(L4)을 반사 및/또는 투과시켜 레이저 광(L5)으로 방출하고, 제2 이색 거울(D2)에서 반사 및/또는 투과된 레이저 광의 일부(즉, 원치 않는 또는 사용하지 않는 레이저 광)는 이를 흡수하여 제거하는 레이저 빔 덤프(beam dump)로 전달되어 레이저 광의 산란(scatter)에 따른 간섭 및 손상을 줄일 수 있다. The second dichroic mirror D2 reflects and/or transmits the emitted light L4 emitted from the
본 발명은, 반공명 간섭 중공광섬유를 광도파로로 적용하고, 펌프광 및 신호광의 공간적 결합을 유도하여 상기 광도파로에 도파함으로써, 효율적인 광 증폭을 구현하고, 고효율 및 고출력의 레이저 광을 제공할 수 있다. The present invention, by applying a semi-resonant interference hollow optical fiber as an optical waveguide, guides the spatial coupling of pump light and signal light, and guides the optical waveguide, thereby realizing efficient light amplification and providing high efficiency and high power laser light. .
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기를 기초로 다양한 기술적 수정 및 변형을 적용할 수 있다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다. As described above, although the embodiments have been described by the limited drawings, those skilled in the art can apply various technical modifications and variations based on the above. For example, the described techniques are performed in a different order than the described method, and/or the components of the described system, structure, device, circuit, etc. are combined or combined in a different form from the described method, or other components Alternatively, even if replaced or substituted by equivalents, appropriate results can be achieved.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 청구범위의 범위에 속한다.Therefore, other implementations, other embodiments, and equivalents to the claims are also within the scope of the following claims.
Claims (16)
상기 셀 내에 삽입되고 반공명 간섭 중공광섬유를 광 이득 물질로 사용하는 반공명 반사형 광도파로;
를 포함하고,
상기 중공광섬유는, ARROW 광섬유이고,
상기 중공광섬유는, 원통형의 유리소재 모세관을 포함하는 것인, 알칼리 가스 광증폭기.
A gas cell filled with alkali gas; And
A semi-resonant reflective optical waveguide inserted into the cell and using a semi-resonant interference hollow optical fiber as an optical gain material;
Including,
The hollow optical fiber is an ARROW optical fiber,
The hollow optical fiber, comprising a cylindrical glass material capillary, an alkali gas optical amplifier.
상기 알칼리 가스는, 리튬(Li), 나트륨(Na), 칼륨(K), 루비듐(Rb) 및 세슘(Cs)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 알칼리 원소를 포함하는 것인, 알칼리 가스 광증폭기.
According to claim 1,
The alkali gas is to include one or more alkali elements selected from the group consisting of lithium (Li), sodium (Na), potassium (K), rubidium (Rb) and cesium (Cs), an alkali gas photoamplifier.
상기 가스 셀은, 헬륨(He), 아르곤(Ar), 크림톤(Kr), 네온(Ne) 및 제논(Xe)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 원소를 포함하는 버퍼-가스를 더 포함하는 것인, 알칼리 가스 광증폭기.
According to claim 1,
The gas cell further comprises a buffer gas containing at least one element selected from the group consisting of helium (He), argon (Ar), crimtone (Kr), neon (Ne), and xenon (Xe). Phosphorus, alkali gas optical amplifier.
상기 중공광섬유의 중공 내에 상기 알칼리 가스가 채워지고, 상기 중공 내로 입사광이 도파되는 것인, 알칼리 가스 광증폭기.
According to claim 1,
The alkali gas optical amplifier, wherein the alkali gas is filled in the hollow of the hollow optical fiber, and incident light is guided into the hollow.
상기 중공 내의 알칼리 가스는, 입사광에 의해 여기되고, 입사광의 파장과 동일한 에너지 준위로 전이되어 광을 증폭시키는 것인, 알칼리 가스 광증폭기.
According to claim 4,
The alkali gas in the hollow is excited by the incident light and is transferred to an energy level equal to the wavelength of the incident light to amplify the light.
상기 입사광은, 펌프광과 신호광이 결합된 것이며,
상기 알칼리 가스는, 입사광에 의해 여기되고, 신호광의 파장과 동일한 에너지 준위로 전이되어 광을 증폭시키는 것인, 알칼리 가스 광증폭기.
According to claim 4,
The incident light is a combination of pump light and signal light,
The alkali gas is an alkali gas optical amplifier that is excited by incident light and is transferred to an energy level equal to the wavelength of the signal light to amplify the light.
상기 입사광의 파장은, 상기 중공광섬유의 도파되는 파장과 일치하도록 조정된 것인, 알칼리 가스 광증폭기.
According to claim 4,
The wavelength of the incident light, is adjusted to match the waveguide wavelength of the hollow fiber, the alkali gas optical amplifier.
상기 가스 셀은 복수개로 구성되고,
상기 복수개의 가스 셀은, 하나의 반공명 반사형 광도파로에 대하여 직렬 구조를 형성하도록 나란히 연결된 것인, 알칼리 가스 광증폭기.
According to claim 1,
The gas cell is composed of a plurality,
The plurality of gas cells, the alkali gas optical amplifier, which is connected side by side to form a series structure with respect to one semi-reflective optical waveguide.
상기 원통형의 유리소재 모세관은, 10 마이크로 미터에서 1000 마이크로 미터 범위의 내경 및 1 마이크로 미터에서 100 마이크로 미터 범위의 두께를 갖는 것인, 알칼리 가스 광증폭기.
According to claim 1,
The cylindrical glass material capillary, having an inner diameter ranging from 10 micrometers to 1000 micrometers, and a thickness ranging from 1 micrometer to 100 micrometers.
상기 원통형의 유리소재 모세관은, 상기 유리소재 모세관의 두께를 조절하여 도파되는 광의 중심 파장을 제어하는 것인, 알칼리 가스 광증폭기.
According to claim 1,
The cylindrical glass material capillary is to control the center wavelength of light guided by adjusting the thickness of the glass material capillary, the alkali gas optical amplifier.
상기 원통형의 유리소재 모세관에서 내경 대 두께의 비율은, 1:0.1 에서 1 사이의 범위인 것인, 알칼리 가스 광증폭기.
According to claim 1,
The ratio of the inner diameter to the thickness in the cylindrical glass material capillary is in the range of 1:0.1 to 1, an alkali gas optical amplifier.
상기 광증폭기는, 알칼리 가스가 채워진 가스 셀; 및 상기 셀 내에 삽입된 반공명 간섭 중공광섬유를 광 이득 물질로 사용하고,
상기 중공광섬유는, ARROW 광섬유이고,
상기 중공광섬유는, 원통형의 유리소재 모세관을 포함하는 것인, 알칼리 가스 레이저.
A pump light source that emits pump light; And an optical amplifier to which the pump light is incident and guided. Including,
The optical amplifier includes: a gas cell filled with alkali gas; And using a semi-resonant interference hollow optical fiber inserted in the cell as an optical gain material,
The hollow optical fiber is an ARROW optical fiber,
The hollow optical fiber, which includes a cylindrical glass material capillary, an alkali gas laser.
상기 펌프광과 신호광을 결합시키는 제1 이색 거울; 및
상기 광증폭기에서 방출되는 광을 반사시키는 제2 이색 거울; 을 더 포함하는 것인, 알칼리 가스 레이저.
The method of claim 14,
A first dichroic mirror combining the pump light and the signal light; And
A second dichroic mirror reflecting light emitted from the optical amplifier; It further comprises an alkali gas laser.
상기 제1 이색 거울은, 상기 펌프광의 파장과 신호광 파장을 결합시켜 중공광섬유에서 도파되는 파장과 일치하도록 조정하는 것인, 알칼리 가스 레이저.
The method of claim 15,
The first dichroic mirror is to adjust the wavelength of the pump light and the wavelength of the signal light to match the wavelength guided by the hollow fiber, the alkali gas laser.
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