KR102193232B1

KR102193232B1 - 섬유 표면을 감싼 면발광소자로 광 펌핑되는 섬유레이저

Info

Publication number: KR102193232B1
Application number: KR1020140000966A
Authority: KR
Inventors: 박순영
Original assignee: 박순영
Priority date: 2014-01-04
Filing date: 2014-01-04
Publication date: 2020-12-18
Also published as: KR20150081405A

Abstract

기존 파이버레이저는 광섬유 외부의 광을 커플러로 광섬유에 펌핑하는 구조로 소형화 불가능한 단점을 가지고 있다. 저가, 초소형, 초단순 구조 파이버레이저를 위하여 단순한 전지 하나만으로도 섬유형 레이저를 만들수 있는 섬유 하나로만 구성된 파이버레이저가 필요하다. 본 발명에서는 희토류 원소 도핑된 광섬유 외부 표면을 감싸는 OLED, LEC, QD-LED 같은 면발광층을 만들고, 면발광층에 전기만을 가함으로써 초단순 구조의 파이버레이저를 구현한다.

Description

섬유 표면을 감싼 면발광소자로 광 펌핑되는 섬유레이저 {Fiber laser pumped by surface lighting device which covered fiber}

본 발명은 섬유의 외부에 적층되어 면발광소자의 광을 광펌핑의 소스로 사용하는 섬유레이저에 관한 것이다.

파이버레이저는 광섬유 외부에서 커플러를 이용하여 레이저나 일반 광을 광섬유 내부에 주입하고, 주입된 레이저나 일반 광이 광섬유의 코어에 분포하는 희토류 이온을 들뜨게 하여 레이저 발진이 일어나게 하는 것이다. 희토류 이온의 종류에 따라 다양한 파장의 레이저를 자유롭게 만들 수 있는 장점을 가지고 있다. 파이버 레이저의 구성에서 펌핑모듈은 크기의 대부분을 차지하는 것으로써 펌핑모듈의 크기에 따라 파이버레이저의 크기가 정해지게 된다. 기존의 펌핑모듈로는 LD(laser diode)모듈, LED모듈, 고체/기체 레이저 모듈 등이 있다. LD모듈의 경우는 모듈의 냉각장치와 광 커플링 장치의 규모때문에 소형화에 한계가 있다. 기존 저출력의 가시광 RGB LED를 펌프 광원으로 하는 고체 레이저 시스템이 구현되어 있고, 파이버레이저의 광펌핌용으로 사용되고 있지만 여전히 소형화에는 한계를 가자고 있다.

대한민국특허 출원 1020100014412 "led펌핑 광섬유레이저"에는 고출력 인코히어런트(incoherent) LED 광을 직접 파이버에 커플링시켜 광펌핑하는 파이버레이저를 보이고 있다. 도 1은 이러한 고출력 인코히어런트(incoherent) LED (113)를 펌프 광원으로 사용한 파이버 레이저를 보인다. 본 발명의 이해를 돕기 위하여 기존의 광섬유레이저 발명을 활용한다. 기존 발명의 도 1을 참조하면, 파이버레이저(100)는 펌프모듈(110)과 이득모듈(120)로 구성된다. 펌프모듈(110)은 고출력 인코히어런트(incoherent) LED (113), 유도 광섬유(114), 펌프 콤바이너(pump combiner)(115)로 구성된다. 이득모듈(120)은 연결광섬유(116), 고반사율 광섬유 브래그 격자(123), 저반사율 광섬유 브래그 격자(125), 액티브 광섬유(active fiber)(126)로 구성된다. 펌프 콤바이너(pump combiner)(115)에 의해 많은 LED의 광을 결합하여 액티브 광섬유(active fiber)(126)에 광을 펌핑하기 때문에 소형화가 많이 되었지만, 초소형화를 위해서 더욱 더 관련 부분을 줄일 필요가 있다.

본 발명의 목적은 광펌핑 구조의 개선에 의하여 초소형의 단순한 파이버레이저를 만드는 것이다.

파이버레이저에 있어서,

코어에 레이저 이득매질인 희토류 이온이 도핑된 광섬유;

상기 광섬유의 클래드층 외부면에 적층된 광추출층;

상기 광추출층 외부면에 적층된 내부투명전극층;

상기 내부전극층 외부면에 적층된 면발광층;

상기 면발광층 외부면에 적층된 외부전극층; 으로 구성된 파이버레이저로 광파이버 표면에 형성된 OLED나 LEC나 QD-LED 등의 면발광층에서 생성된 광을 나노구조의 물질로 구성된 광추출층을 이용하여 효율적으로 광섬유 내부에 펌핑한다. 외부의 펌핑모듈의 필요없이, 이득매질과 이득매질의 표면에 얇게 코팅된 발광층으로 초소형 파이버레이저를 구성한다.

본 발명은 조명이나 디스플레이에 사용되는 OLED나 LEC, QD-LED 등의 고효율 면발광체를 광섬유의 외부면에 코팅하여 광섬유에 광을 직접 주입하는 것으로써, 다양한 응용분야를 창출하는 효과를 갖는다. 직접 광주입에 의하여 소형화가 가능하기때문에 파이버레이저를 이용한 레이저 프로젝터, 레이저 조명에 활용할 수 있다. 또한 초소형의 구성으로 초소형 레이저 수술을 가능하게 한다. 또한 초소형의 파이버레이저를 여러개 결합하여 산업현장에 사용할 수 있는 고출력파이버레이저를 구성하게 한다.

도 1은 기존 LED 광펌핑의 파이버레이저를 설명하기 위한 개략도
도 2는 본 발명의 구성도
도 3은 본 발명의 광추출층의 광펌핑의 설명을 위한 설명도

본 발명을 첨부된 도면을 활용하여 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명의 구성도이다. 본 발명의 파이버레이저(200)는 레이저 이득매질인 희토류 이온이 도핑된 코어(도3의 241), 고반사율 광섬유 브래그 격자(220), 저반사율 광섬유 브래그 격자(230)를 갖는 광섬유(240)와 광섬유(240)의 클래드층(도3의 242) 외부면에 적층된 광추출층(250)과 광추출층(250) 외부면에 적층된 내부전극층(260)과 내부전극층(260) 외부면에 적층된 면발광층(270)과 면발광층(270) 외부면에 적층된 외부전극층(280)으로 구성된다.

액티브 광섬유(active fiber)(210)는 광섬유(240)에 레이저 발진을 위한 이득매질인 희토류 이온(네오디뮴(neodymium: Nd3+) , 툴륨(thuilum: Tm3+), 어븀(Er3+) 홀륨(Ho3+), 이터븀(Yb3+), 프라세오디뮴 (Pr3+))이 도핑되어있다.

본 발명에서는 광섬유(240)의 표면에 광추출을 위한 광 추출층(250)을 구성하고 있다. 광 추출층(250)은 광섬유(240)의 표면을 피라미드 구조, 프리즘 구조, 나노 구조 등의 다양한 형상을 가질 수 있게 가공하여 구성할 수 있고, 광섬유(240)를 생성시에 자동적으로 생성되게 할 수 있다. 또한 광 추출층(250)은 나노 구조 재료의 적층에 의해 광섬유(240) 외부 표면에 구성될 수도 있다. 나노 구조 재료는 Q-dot으로 표면 플라스몬을 구성하고, 광 추출 효율을 향상시킨다. 이 광 추출층(250)에 의하여 추출되는 빛은 광추출층(250)의 구조에 의하여 산란되어 광섬유(240)의 코어(241)에 주입되고, 코어(241)에 도핑된 희토류 이온을 들뜨게 하여 레이저 발진을 유도하게 된다.

광 추출층(250) 외부에 내부투명전극층(260)을 생성한다. 내부투명전극층(260)은 은(Ag) 나노 전극으로 구성될 수 있다. 내부투명전극층(260)은 그래핀 또는 은 나노와이어로 구성될 수 있다. 광섬유(240)에 광이 정상적으로 커플링되면 되기 때문에 내부투명전극층(260)은 커플링에 영향을 받지 않는 한도 내에서 투명도가 낮아도 문제가 되지 않는다.

내부투명전극층(260) 외부에 발광층(270)을 적층한다. . 발광층(270)은 면발광에 대표적인 OLED의 경우 양극정공주입층->양극활성 층->액티브층->음극활성층->음극전자주입층 순서로 적층되어 진다. 혹은 음극전자주입층->음극활성층->액티브층->양극활성->양극정공주입층 순서로 적층할 수 있다. 또는 발광층(270)은 LEC의 경우 mobile-ion 활성층을 적층하여 구성할 수 있다. 또는 발광층(270)은 양자점LED를 적층하여 구성할 수 있다.

발광층(270) 위에 외부전극층(280)을 생성하여 파이버레이저(200)를 완성한다. 내부투명전극층(260)과 외부전극층(280)에 전기를 연결하면 발광층(270)에서 빛이 발생되고, 광 추출층(250)에 의하여 효율적으로 광섬유(240)에 커플링되고, 액티브 광섬유(210)의 희토류 이온에 의하여 레이저가 발생되게 된다. 액티브 광섬유(210)에 광추출층(250), 내부전극층(260), 면발광층(270), 외부전극층(280)이 직접적으로 생성되어 광펌핑을 구성하는 것이 광펌핑 면적을 키울 수 있어서 바람직하다.

도 3은 본 발명의 광추출층의 광펌핑의 설명을 위한 설명도이다. 광 추출층(250)이 대표적인 프리즘 커플러 구성을 하고 있는 예를 보인다. 발광층(270)에서 발생된 광(275)은 광 추출층(250)의 프리즘에 의해서 광섬유(240) 내부로 커플링된다. 광 추출층(250)을 구성하는 프리즘은 나노크기의 프리즘일 수 있다. 또는 광 추출층(250)을 구성하는 물질은 광의 커플링 효율향상을 위한 고분자 구조체로 구성될 수 있다. 또는 광 추출층(250)을 구성하는 물질은 플라즈모닉 현상을 일으키는 나노파티클로 광커플링 효율을 높이는 것으로 구성되는 것이 바람직하다. 광의 커플링 효율향상을 위한 고분자 구조체로 구성될 수 있다. 또는 광 추출층(250)의 구조는 나노주름으로 구성될 수 있다.

이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

200 : 파이버레이저 210 : 액티브 광섬유
220 : 고반사율 광섬유 브래그 격자 230 : 저반사율 광섬유 브래그 격자
240 : 광섬유 241 : 코어
242 : 클래드층 250 : 광추출층
260 : 내부투명전극층 270 : 면발광층
280 : 외부전극층

Claims

파이버레이저에 있어서,
코어에 레이저 이득매질인 희토류 이온이 도핑된 광섬유;
상기 광섬유의 클래드층 외부면에 적층된 광추출층;
상기 광추출층 외부면에 적층된 내부투명전극층;
상기 내부전극층 외부면에 적층된 면발광층;
상기 면발광층 외부면에 적층된 외부전극층; 으로 구성된 파이버레이저
제1항에 있어서 광추출층이 나노 프리즘 구조로 구성된 것을 특징으로 하는 파이버 레이저
제1항에 있어서 광추출층이 나노 파티클에 의한 산란층으로 구성된 것을 특징으로 하는 파이버 레이저
제1항에 있어서 면발광층이 OLED로 구성된 것을 특징으로 하는 파이버 레이저
제1항에 있어서 면발광층이 LEC로 구성된 것을 특징으로 하는 파이버 레이저
제1항에 있어서 면발광층이 양자점LED로 구성된 것을 특징으로 하는 파이버 레이저