KR102222954B1

KR102222954B1 - 광섬유 레이저 증폭 모듈의 냉각 장치

Info

Publication number: KR102222954B1
Application number: KR1020190133666A
Authority: KR
Inventors: 김윤석; 안진수; 박세훈
Original assignee: 레이저닉스 주식회사
Priority date: 2019-10-25
Filing date: 2019-10-25
Publication date: 2021-03-05

Abstract

본 발명은 광섬유 레이저 증폭 모듈의 냉각 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 광섬유 레이저 증폭 모듈 내 고출력 레이저 증폭용 광섬유의 길이방향으로의 국부적인 열집중 현상을 해소하여 레이저 성능 및 광섬유 냉각 효과를 향상시키기 위한 광섬유 레이저 증폭 모듈의 냉각 장치에 관한 것이다.

Description

광섬유 레이저 증폭 모듈의 냉각 장치{COOLER APPARATUS FOR LIGHT FIBER LASER AMPLIFIER MODULE}

극초단 펄스 레이저는 수십 피코초(ps) 내지 수십 펨토초(fs)의 짧은 순간에 에너지를 집중시키는 레이저로서, 시간당 에너지의 집중이 매우 높아 기존 레이저로는 가공이 불가능한 시편의 가공이 가능하다. 또한 열확산이 미처 시작되기 전에 에너지 전달이 완료되어 국부적으로 초고온이 형성되는 물리현상으로 인해 특정재료에 국한되지 않고 마이크로미터(μm) 이하의 작은 가공 사이즈에서도 깨끗한 가공이 가능하여 디스플레이 수리, 반도체/솔라셀 가공, 안과시술, 마킹 및 표면처리 등 초미세 가공분야에서 각광받고 있다.

이러한 극초단 펄스 레이저는 레이저 증폭 매질에 따라 크리스탈 타입과 광섬유 타입으로 분류할 수 있으며, 일반적으로 크리스탈 타입은 비선형 현상이 적어 좁고 깨끗한 펄스폭 형성이 가능하다는 장점이 있지만, 주변 환경 변화에 상대적으로 취약하고 방열에 불리해 고출력 시스템에 적용이 어렵다는 단점이 있다. 반면 광섬유를 증폭매질로 사용하는 광섬유 기반 극초단 펄스 레이저의 경우, 광섬유의 고차 분산 및 비선형 특성으로 인해 펄스 모양이 상대적으로 양호하지 않으나, 광경로가 광섬유로 구성되어 있어 환경 변화에 둔감하고 안정적이다. 또한 증폭 매질의 구조적인 특징으로 인해 방열이 용이하며 따라서 상대적으로 높은 평균출력 확보가 가능하며, 이와 같은 광섬유 기반 극초단 펄스 레이저의 장점들은 안정성 및 생산성을 요하는 산업 분야의 필요를 충족시켜 주고 있다.

한편, 산업용 광섬유 레이저 증폭 모듈은 방열 타입에 따라 두 가지로 나뉜다. 첫째는 공랭식(air-cooled version) 시스템으로 전도 및 복사를 통해서 방열하며 방열의 한계로 인해 최대 펌핑량은 통상적으로 수십 와트(W) 수준으로 제한되어 있다. 이보다 더 높은 출력을 갖는 경우에는 수랭식 시스템(water-cooled version)을 활용하는데, 발열부를 물을 통해 냉각하며 공랭식에 비해 최소 두 배 이상의 방열 효율을 보인다. 하지만 물을 순환시키기 위해 순환 시스템 및 추가적인 펌프가 필요하며, 누수 발생 시 주변 시스템에 미치는 영향이 크기 때문에 선택 및 사용에 주의가 요구된다.

또한, 최근 레이저의 응용분야가 늘어나고 필요로 하는 출력이 높아지면서, 증폭 매질에서의 방열 또한 중요한 이슈로 떠오르고 있다. 만약 광섬유와 광섬유 주변 방열수단(substrate) 간의 접촉 열저항(solid contact resistance, Rcs)을 줄여 열전달을 획기적으로 향상시킬 수 있다면, 공랭식 타입의 방열장치가 가지는 구성의 장점을 취하면서도 상대적으로 높은 방열량을 감당할 수 있게 된다.

현재까지 광섬유와 기저체 간 접촉 열저항을 감소시켜 광섬유에서 기저체로의 열전달을 향상시키는 노력이 꾸준히 진행되어 왔으나 레이저의 출력과 발열량이 지속적으로 증가하는 현재의 추세로 인하여 단순히 접촉 열저항을 감소시켜 열전달율을 향상키는 것만으로는 광섬유의 국부적인 열집중 현상을 해소하지는 못하는 문제가 있었다.

MOPA는 master oscillator power amplifier의 줄임말로서, 높은 출력의 레이저를 얻기 위해 구성되는 시스템 중의 하나이다. 전체 시스템은 시드(seed) 레이저 생성 파트와 증폭 파트로 이원화되어 있으며, 출력이 작은 시드(seed) 레이저는 여러 증폭단을 통과하면서 높은 출력을 얻게 된다.

광섬유 증폭 모듈은 출력이 작은 시드(seed) 레이저와 고출력의 펌프 레이저를 증폭 광섬유 등의 증폭 매질에 동시에 입사시켜 시드(seed) 레이저의 출력을 증폭시키는 시스템을 의미한다. 보통 증폭 광섬유와 그 지지부를 광섬유 증폭 모듈로 지칭하나, 여기에 펌프 레이저 다이오드(pump LD) 나 WDM(Wavelength Division Multiplexor), 펌프 컴바이너 아이솔레이터 모드 스트리퍼(pump combiner isolator mode stripper), 펌프 덤프(pump dump) 등의 소자를 포함하여 포괄적으로 칭하기도 한다.

도 1은 MOPA 시스템의 개략도이며, 광섬유 증폭 모듈의 세 가지 예를 확인할 수 있다.

펌프(Pump) 레이저는 WDM(Wavelength Division Multiplexor)이나 펌프 컴바이너(pump combiner)를 통해 증폭 광섬유 내부로 입사되거나, 혹은 렌즈를 통과하여 광섬유 끝단으로 직접 입사되기도 한다. 시드 레이저와 펌프(pump) 레이저의 진행 방향을 다르게 하여 정방향 펌핑(forward pumping) 혹은 역방향 펌핑(backward pumping) 타입으로 증폭모듈을 구성할 수 있다. 이러한 광섬유 증폭 모듈에서 펌프(pump) 레이저가 입사되는 지점의 증폭 광섬유에는 코어나 클래드에 가이드 되지 못하고 빠져나오는 펌프(pump) 레이저 등으로 인해 열집중 현상이 발생한다.

도 2는 MOPA 시스템의 광섬유 레이저 증폭 모듈 내 펌프 레이저 빔이 입사되는 입구로부터 광섬유의 거리별 온도를 나타낸 그래프로서, 이를 참조하면 광섬유에서 펌프 레이저빔이 입사되는 입구부분에 열이 집중되는 것으로 나타나 있고, 광섬유 길이가 2~3 m만 벗어나더라도 상온과 크게 온도차가 벌어지지 않는 것으로서, 광섬유 길이가 길어질수록 입구로부터 멀어지는 부분에서는 발열에 거의 관여하고 있지 않는 것으로 나타났다.

또한, 도 3은 종래 기술에 따른 광섬유 레이저 증폭 모듈에서의 열전달계수의 향상과 열집중 해소의 효과에 대해 나타낸 그래프로서, 광섬유와 기저체 간의 열전달계수를 늘려도 광섬유의 국부적 열집중 현상이 크게 해소되지 않은 것을 확인할 수 있다. 보다 구체적으로 도 3의 그래프는에서 열전달 계수를 두 배 향상시키더라도 광섬유 온도의 감소는 50℃ 이하임을 보여준다. 따라서 단순히 접촉 열저항을 개선하는 방식으로는 광섬유 내 국부적 열집중 현상을 해결하기 매우 어렵다고 판단할 수 있다.

이러한 광섬유의 국부적인 열집중은 증폭과 직접 관계된 원인 이외에도 fiber 융착부분, 클래딩을 통해 진행된 레이저빔의 dumping부등에서 또한 발생될 수 있고 그 열량도 상황에 따라서 매우 높은 열유속이 형성될 수 있어 보다 효과적인 방열 방법이 필요한 실정이다.

한편, 현재까지 광섬유와 기저체의 접촉 열저항을 줄여 열전달을 향상시키는 기술이 연구개발되어 왔으나, 아직까지는 광섬유의 특정 길이구간에 발생하는 열집중 현상을 해소하는 방향으로 이루어진 사례는 없었으며, 특히 열전도율이 매우 큰 히트파이프를 적용해 상기의 기능을 구현한 예는 없었다.

다음으로 본 발명의 기술이 속하는 분야에 존재하는 선행기술에 대하여 간략하게 설명하면, 먼저, 미국등록특허공보 US 8467426 는 섬유 레이저 또는 증폭기를 냉각시키기 위한 방법과 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 유연성을 가진 드럼의 외면에 광섬유를 감고, 히트파이프가 설치된 중앙부 코어로 열전달을 할 수 있는 매체를 두었고, 광섬유가 감긴 드럼과 중앙부 코어에 각각 엇갈린 핀(fin) 구조를 구성하여 열전달이 원활하게 될 수 있도록 하였으며, 이는 열전달을 향상시키는 목적으로 히트파이프를 적용한 점에서는 의의가 있으나, 열전달의 방향은 여전히 광섬유에서 금속체 기저면으로의 열전달 면적의 제한을 직접적으로 해소하는 목적은 찾기 어려우며, 온도변화에 따른 광섬유와 드럼의 열팽창계수 차이에 의한 변형의 영향을 최소화하는 목적에 초점이 맞춰져 있다. 또한 히트파이프를 적용하였으나, 방출된 열이 광섬유가 접촉한 드럼의 상당부분의 깊이를 통과한 후에 히트파이프에 도달하는 구조이므로 히트파이프가 광섬유 길이방향의 국소적인 열집중을 해소하는 데에 직접 기여하기 보다는 전도된 열을 외부로 방출하는 통로를 제공하는 데에 의미가 있는 구성이다.

또한, 중국공개특허공보 CN 106785828 A(2017.05.31. 공개일)는 광섬유 레이저를 위한 냉각 튜브에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 내벽에 3단계에 걸쳐 리브가 4개, 8개, 16개가 형성되어 있는 냉각튜브 내에 리브와 맞닿도록 광섬유가 위치하며 광섬유와 냉각 튜브의 내벽 사이에는 냉각 매체가 흐르는 구조의 냉각 튜브에 관한 기술이 기재되어 있다. 이와 같은 기술은 광섬유의 각 구간에서의 온도 구배를 감소시키는 데에 의의가 있으나, 광섬유의 구간별로 방열을 달리하여 온도 구배를 감소시킬 뿐 광섬유의 특정 구간에 집중된 열을 분배하는 방식이 아니라는 점에서 냉각 성능에 한계가 있다.

또한, 중국공개특허공보 CN 104037598 A(2014.09.10. 공개일)는 고출력 광섬유를 위한 고효율 냉각 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 냉각 액체가 흐르난 중공 원통형 금속 슬리브 내에 광섬유가 위치하는 구조를 가지는 냉각 장치에 관한 기술이 기재되어 있으며, 이는 광섬유와 냉각 매체 사이의 접촉 면적을 효과적으로 증가시키고 열전도 계수를 증가 시키며, 광섬유 코어의 온도를 감소시키는 효과는 있으나, 타 선행기술과 마찬가지로 광섬유의 특정 길이구간에 발생하는 열집중 현상을 해소하지는 못하는 문제가 있었다.

상기와 같은 실정에 따라 본 발명은 종래기술에 따른 방식에 해당하는, 광섬유(fiber)와 기저체의 접촉(열)저항을 줄이고 기저체에서 외부로의 열전달을 통하여 fiber의 표면방향으로의 열전달을 향상시키는 방식을 탈피하여 광섬유(fiber)의 길이방향으로의 열집중을 해소하는 방식을 구현함으로써, 열전도율이 높은 히트파이프를 이용하여 광섬유의 특정 길이구간에 집중되는 열을 광섬유의 길이방향으로 방열하여 분배하도록 하여 광섬유의 열집중 현상을 해소하여 냉각 성능을 향상시킬 수 있는 새로운 광섬유 레이저 증폭 모듈의 냉각 장치를 제시하고자 한다.

미국등록특허공보 US 8467426 B(2012.04.12. 공개일) 중국공개특허공보 CN 106785828 A(2017.05.31. 공개일) 중국공개특허공보 CN 104037598 A(2014.09.10. 공개일)

본 발명은 상기 과제를 해결하기 위해 창작된 것으로, 광섬유 레이저 증폭 모듈의 냉각 장치에 있어서, 광섬유의 길이방향과 평행한 방향으로 파이프 형태의 히트파이프를 배치하고, 히트파이프에서 기저체로 열이 전달되도록 함으로써, 광섬유의 특정 길이구간에 집중되는 열을 광섬유의 길이방향으로 방열함으로써, 광섬유의 특정 구간에서의 열집중 현상을 해소할 수 있는 광섬유 레이저 증폭 모듈의 냉각 장치를 제공하고자 하는 데 그 목적이 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유 레이저 증폭 모듈의 냉각 장치는, 레이저 증폭 모듈에 사용되는 광섬유; 상기 광섬유의 길이방향과 평행한 방향으로 배치되는 파이프 형태의 구조를 가지는 히트파이프로서, 각각의 히트파이프내 적어도 일부의 표면이 서로 맞닿거나 소정의 거리로 이격하여 배치되며, 하기 광섬유 접촉 열매체를 통해 상기 광섬유로부터 열을 전달받아 상기 파이프 형태의 길이방향으로 열을 분산시키는 복수의 히트파이프; 상기 광섬유의 길이방향으로 구비되되, 상기 복수의 히트파이프의 표면이 서로 맞닿거나 소정의 거리로 이격되어 있는 부분에 인접하여 상기 복수의 히트파이프와 상기 광섬유 사이의 공극에 상기 광섬유를 감싸며 채워짐으로써, 상기 광섬유로부터 전도되는 열을 복수의 히트파이프로 전달시키는 광섬유접촉 열매체; 및 상기 히트파이프의 길이방향과 평행한 방향으로 배치되며, 적어도 하나이상의 히트파이프의 외면에 맞닿도록 배치되어 상기 히트파이프로부터 전달되는 열을 외부로 방열시키는 기저체;를 포함한다.

일 실시예로서, 상기 광섬유접촉 열매체는 오일, 젤(gel), 그리스(grease), 탄성체 또는 비탄성체로 경화되는 접착제로부터 선택되는 재료중 어느 하나 또는 이들의 혼합성분을 포함하는 것을 특징으로 한다.

일 실시예로서, 상기 히트파이프는 단면이 원형, 타원형, 다각형 또는 이들이 조합된 형태인 것을 특징으로 한다.

일 실시예로서, 상기 복수의 히트파이프내 각각의 히트파이프는 적어도 일부의 표면이 서로 맞닿아 배치되는 것을 특징으로 한다.

일 실시예로서, 상기 광섬유 레이저 증폭 모듈의 냉각 장치는 광섬유의 길이방향으로 서로 평행하게 배치된 2개 내지 5개의 히트파이프를 구비하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

일 실시예로서, 상기 광섬유 레이저 증폭 모듈의 냉각 장치는 광섬유의 길이방향으로 서로 평행하게 배치된 2개의 히트파이프를 포함하고, 상기 광섬유접촉 열매체는 상기 2개의 히트파이프의 표면이 서로 맞닿거나 소정의 거리로 이격되어 있는 부분에 인접하여 상기 2개의 히트파이프와 상기 광섬유 사이의 공극에 상기 광섬유를 감싸며 채워진 형태로 배치되는 것을 특징으로 한다.

일 실시예로서, 상기 광섬유 레이저 증폭 모듈의 냉각 장치는 광섬유의 길이방향으로 서로 평행하게 배치된 3개의 히트파이프를 포함하고, 각각의 히트파이프의 단면의 중심점을 연결하였을 때 삼각형이 되도록 배치되며, 상기 광섬유접촉 열매체는 상기 3개의 히트파이프의 표면이 서로 맞닿거나 소정의 거리로 이격되어 있는 부분에 인접하여 상기 3개의 히트파이프 사이의 공극에 상기 광섬유를 감싸며 채워짐으로써, 배치되는 것을 특징으로 한다.

일 실시예로서, 상기 기저체는 상기 히트파이프와 밀착되어 결합하도록 상기 히트파이프의 외면의 형상에 따라 단면의 적어도 일부가 원호형, 타원호형 또는 다각형에 의한 요(凹)부가 형성되어 상기 히트파이프와 결합되어 있는 것을 특징으로 한다.

일 실시예로서, 상기 기저체는 추가적으로 히트파이프, 공랭식 히트싱크, 수랭식 유로, 냉각블럭 또는 이들이 조합된 형태의 방열수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.

일 실시예로서, 상기 광섬유는 적어도 2중 이상의 클래드 구조를 가지는 광증폭 광섬유인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 본 발명에 따른 광섬유 레이저 증폭 모듈의 냉각 장치를 포함하는 광섬유 레이저 장치를 제공할 수 있다

본 발명에 따른 광섬유 레이저 증폭 모듈의 냉각 장치는 광섬유의 길이방향과 평행한 방향으로 파이프 형태의 히트파이프를 배치하고, 히트파이프에서 기저체로 열이 전달되도록 함으로써, 광섬유에서 발생된 열이 히트파이프로 전달되어 파이프의 길이방향(즉, 광섬유의 길이방향)으로 분산되기 때문에 광섬유의 특정 길이구간에서 열이 집중되는 현상을 방지할 수 있는 효과가 있다.

또한, 종래 기술에서는 광섬유의 특정 길이구간에 집중되어 방출되는 열이 열매체를 통해 직접 기저체로 전달되기 때문에 주로 광섬유의 표면에 수직한 방향으로만 열전달이 이루어져 단위면적당 통과해야 하는 열유속이 높았었던 반면, 본 발명에 따른 광섬유 레이저 증폭 모듈의 냉각 장치는 광섬유에서 발생하는 열이 길이방향으로 매우 높은 열전도계수를 갖는 히트파이프에 먼저 전달됨으로써 특정 길이구간에 집중된 열이 효과적으로 분산된 후 기저체로 전달됨으로써, 단위면적당 열유속이 충분히 낮아져 열을 원활하게 방출할 수 있고 광섬유 내의 국부적인 고온형성을 방지하는 효과가 있다.

또한, 종래 기술에서는 레이저 증폭용 광섬유는 고온에 장시간 노출될 경우 광섬유 내부에 도핑된 이온이 확산되어 증폭 효율이 낮아지고, 레이저 빔의 형태 및 집속성 등 레이저의 품질이 저하 될 수 있으며, 더 나아가 비가역적 열손상을 입게 되는 문제가 있었기 때문에 수랭식에 비하여 냉각 효과가 떨어지는 공랭식 냉각을 적용하는데 한계가 있었다. 그러나 본 발명의 구성을 통해 열전도방식의 냉각만으로 광섬유의 특정 길이구간에 형성되는 열집중을 해소함으로써, 종래의 구성방식으로는 수냉식 냉각만 가능한 출력범위에서도 공랭식 레이저를 구현할 수 있으므로, 공랭식 레이저의 응용범위를 획기적으로 넓힐 수 있는 효과가 있으며, 예컨대, 현재 시판중인 공랭식 증폭 모듈의 경우 펌핑 출력의 한계가 40 W 수준(수랭식 모델의 경우 100 W 수준)인 반면, 본 발명을 기반으로 한 공랭식 레이저 증폭 모듈의 경우 기존 공랭식 펌핑 출력 한계를 최소 1.5 배 이상 향상시킬 것으로 기대된다.

도 1은 MOPA 시스템의 개략도이며, 광섬유 증폭 모듈의 세 가지 예를 확인할 수 있는 도면이다.
도 2는 종래 기술에 따른 MOPA 시스템의 광섬유 레이저 증폭 모듈 내 펌프 레이저 빔이 입사되는 입구로부터 광섬유의 거리별 광섬유의 중심부 온도를 나타낸 그래프이다.
도 3은 종래 기술에 따른 광섬유 레이저 증폭 모듈에서의 열전달계수의 향상과 열집중 해소의 효과에 대해 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유 레이저 증폭 모듈의 냉각 장치의 구성과 열전달의 방향에 대해 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유 레이저 증폭 모듈의 냉각 장치를 사용하였을 때 광섬유 내 국부적인 열집중 현상이 해소되는 방식을 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른, 2개의 히트파이프를 포함하는 광섬유 레이저 증폭 모듈의 냉각 장치의 구조에 대해 설명하기 위한 단면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른, 3개의 히트파이프를 포함하는 광섬유 레이저 증폭 모듈의 냉각 장치의 구성에 대해 설명하기 위한 단면도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명에 따른 광섬유 레이저 증폭 모듈의 냉각 장치의 바람직한 실시예를 상세히 설명하도록 한다.

본 발명의 각 도면에 있어서, 구조물들의 사이즈나 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하거나 축소하여 도시한 것이고, 특징적 구성이 드러나도록 공지의 구성들은 생략하여 도시하였으므로 도면으로 한정하지는 아니한다.

본 발명의 바람직한 실시예에 대한 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 광섬유 레이저 증폭 모듈에 대해 설명하도록 한다.

본 발명은 광섬유 레이저 증폭 모듈 내 고출력 레이저 증폭용 광섬유의 길이방향으로의 국부적인 열집중 현상을 해소하여 레이저 성능 및 광섬유 냉각 효과를 향상시키기 위한 광섬유 레이저 증폭 모듈의 냉각 장치에 관한 것으로, 이하 도 4내지 도 7을 참조하여 본 발명의 구성을 상세히 설명하고자 한다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유 레이저 증폭 모듈의 냉각 장치의 구성과 열전달의 방향에 대해 나타낸 도면으로서, 상기 도 4에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따른 광섬유 레이저 증폭 모듈은, 레이저 증폭 모듈에 사용되는 광섬유(1), 상기 광섬유로부터 열을 전달받아 광섬유의 길이방향으로 열을 분산하는 복수의 히트파이프(2), 상기 광섬유와 히트파이프 사이 공극에 배치되어 상기 광섬유의 열을 상기 히트파이프로 전달시키는 광섬유접촉 열매체((3), 도 6 및 도 7 참조) 및 상기 히트파이프로부터 전달되는 열을 외부로 방열시키는 기저체((4),도 6 및 도 7 참조)를 포함하여 구성된다.

본 발명에 따른 냉각장치에서 사용될 수 있는 광섬유는 레이저 증폭에 사용되는 광섬유이면 종류에 제한되지 않고 사용될 수 있으며, 바람직하게는 내부에 희토류가 도핑된 실리카(silica) 코어 및 내부 클래딩을 갖는 광섬유일 수 있고, 더욱 바람직하게는 적어도 2중 이상의 클래드 구조를 가지는 광증폭 광섬유를 사용할 수 있다.

한편, 본 발명에 따른 상기 복수의 히트파이프에서의 각각의 히트파이프는 상기 광섬유의 길이방향과 평행한 방향으로 배치되는 파이프 형태의 구조를 가지고 있으며, 이를 통해 광섬유에서 발생된 열이 히트파이프의 길이방향(광섬유(fiber)의 길이방향)으로 배치된 파이프 구조로 열전달된 이후에 기저체로 방열됨으로써, 광섬유내 편중된 열의 집중도를 보다 용이하게 낮추어 줄 수 있다.

즉, 광섬유(fiber)의 특정 길이구간에서 집중적으로 발생하는 열을 상기 히트파이프를 통해 길이방향으로의 넓게 펴지게(spread)하여 보다 원활하게 방열시킬 수 있도록 하며, 이를 통해 종래기술에서의, 광섬유로부터 발생되는 열이 집중도가 해소되지 않은 상태로 직접 기저체로 전달되어 기저체 접촉면의 수직한 방향으로만 열전달이 이루어져 단위면적당 통과해야 하는 열유속이 높은 문제점을 본 발명에서 제시된 구성을 통해, 광섬유에서 발생되는 열을 상기 히트파이프에서 먼저 길이방향으로 효과적으로 방출시킴으로써, 방열을 보다 분산시켜 기저체로 전달하게 하여 단위면적당 열유속이 충분히 낮아져 원활하게 방출할 수 있고 또한 광섬유내의 국부적인 고온형성을 방지하는 효과를 가질 수 있다.

또한, 증폭용 광섬유의 경우 고온에 장시간 노출될 경우 광섬유 내부에 도핑된 이온이 확산되어 증폭 효율이 낮아지고, 빔의 형태 및 집속성등 레이저의 품질이 저하될 수 있으며, 극단적으로는 비가역적 열손상을 입게 될 수 있지만, 본 발명에 따른 구성을 가지는 냉각장치를 구비하게 되는 경우에, 단위면적당 열유속이 충분히 낮아져 광섬유로부터의 열을 원활하게 방출할 수 있고 또한 광섬유내의 국부적인 고온형성을 방지하는 효과를 가질 수 있어, 상기 증폭용 광섬유의 열손상 및 레이저의 품질저하를 획기적으로 막을 수 있는 장점을 가지게 된다.

한편, 본 발명에 따른 히트 파이프는 상기 광섬유의 길이방향과 평행한 방향으로 배치되는 파이프 형태의 구조를 가지면 그 재질 및 형상에 제한되지 않으나, 바람직하게는 그 단면이 원형, 타원형, 다각형 또는 이들이 조합된 형태를 가지는 구조일 수 있고, 바람직한 히트 파이프의 재질로서는 구리, 알루미늄, 금, 은 중에서 선택되는 어느 하나 또는 이들의 혼합 재료일 수 있다.

또한, 상기 복수의 히트파이프는 상기 각각의 히트파이프 내 적어도 일부의 표면이 서로 맞닿거나 소정의 거리로 이격하여 배치될 수 있으며, 이를 통해 상기 광섬유로부터 전도되는 열은 상기 광섬유접촉 열매체로 전달된 후 상기 히트파이프로 전달되어 상기 파이프 형태의 길이방향으로 분산될 수 있다.

여기서, 상기 복수의 히트파이프는 바람직하게는 각각의 히트파이프 내 적어도 일부의 표면이 서로 맞닿아 배치되거나 또는 0.01 um 내지 50 mm 의 범위의 거리로 이격하여 배치될 수 있다.

여기서, 본 발명에 따른 광섬유 레이저 증폭 모듈의 냉각 장치는 광섬유의 길이방향으로 서로 평행하게 배치된 2개 내지 5개의 히트파이프를 구비하여 이루어진 것이 바림직하며, 더욱 바람직하게는, 2개 또는 3개의 히트파이프를 구비하여 이루어진다.

한편, 본 발명에 따른 광섬유 레이저 증폭 모듈의 냉각 장치는 광섬유의 단면의 적어도 일부를 감싸는 광섬유 접촉 열매체를 포함할 수 있고, 이를 통해 상기 히트파이프는 상기 광섬유 접촉 열매체를 통해 상기 광섬유로부터 열을 전달받아 상기 파이프 형태의 길이방향으로 열을 분산시킬 수 있다.

보다 구체적으로, 상기 광섬유접촉 열매체는 상기 광섬유의 길이방향으로 구비되되, 상기 복수의 히트파이프의 표면이 서로 맞닿거나 소정의 거리로 이격되어 있는 부분에 인접하여 상기 복수의 히트파이프와 상기 광섬유 사이의 공극에 상기 광섬유를 감싸며 채워짐으로써, 상기 광섬유와 히트파이프 사이의 열저항을 줄여주고 상기 광섬유로부터 전도되는 열을 복수의 히트파이프로 전달시키는 열매체 역할을 수행한다. 이를 위해 상기 광섬유접촉 열매체는 오일, 젤(gel), 그리스(grease), 탄성체 또는 비탄성체로 경화되는 접착제로부터 선택되는 재료 중 어느 하나 또는 이들의 혼합성분을 포함할 수 있다.

이때, 상기 오일, 젤(gel), 그리스(grease) 또는 접착제 성분은 추가적으로 그라파이트; 세라믹; 구리, 알루미늄, 금, 은 중에서 선택되는 어느 하나이상의 금속분말;을 포함할 수 있다.

또한, 상기 기저체는 상기 히트파이프의 길이방향과 평행한 방향으로 배치되며, 적어도 하나이상의 히트파이프의 외면에 맞닿도록 배치되어 상기 히트파이프로부터 전달되는 열을 외부로 방열시키는 역할을 하며, 기저체의 형상 및 재질은 히트파이프로부터 전달되는 열을 외부로 방열시키는 구조를 가지는 것이면 그 형상과 재질에 제한받지 않으며, 바람직하게는 히트파이프의 표면과 접촉을 원활하게 하는 형상이면 제한되지 않고 사용가능하며, 예시적으로 원형, 타원형 삼각형, 사각형, 오각형, 육각형 등의 다각형의 형상을 가질 수 있고, 재질로서도 구리, 알루미늄, 철, 마그네슘, 세라믹 등로부터 선택되는 재료 중 어느 하나 또는 이들의 혼합성분을 포함할 수 있다.

또한, 상기 기저체는 복수의 히트파이프 각각과 밀착되어 결합하도록 각각의 개별 히트파이프의 외면의 형상에 따라 단면의 적어도 일부가 원호형, 타원호형 또는 다각형을 가지는 홈에 의한 요(凹)부가 형성될 수 있으며, 이를 통해 그 단면이 상기 요(凹)부에 대응되는 철(凸)부를 포함하는 히트파이프와 밀착된 형태로 결합될 수 있으며, 도 6 및 도 7에서는 기저체의 단면에 원형인 요(凹)부가 형성된 것을 도시하고 있다.

이때 상기 기저체와 히트파이프의 경계면은 용접, 납땜 또는 전도성 그리스와 같은 액상 열매체, 또는 고체상의 열매체를 포함하여 이루어질 수 있다. 또한, 상기 기저체에서 최종적으로 열을 외부로 방출하기 위해 상기 기저체는 추가적으로 히트파이프, 공랭식 히트싱크, 수랭식 유로, 냉각블럭 또는 이들이 조합된 형태 등의 적절한 방열수단을 포함할 수도 있다.

한편, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유 레이저 증폭 모듈의 냉각 장치를 사용하였을 때 광섬유 내 국부적인 열집중 현상이 해소되는 것을 나타낸 그래프로서, 상기 도 5에 도시되어 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 광섬유 레이저 증폭 모듈의 냉각 장치는 광섬유에서 기저체를 향해 면 방향으로 열을 전도 냉각시키는 종래 냉각 장치와는 달리 광섬유의 길이방향으로 배치된 파이프 구조의 히트파이프를 이용하여 광섬유로부터의 열을 광섬유의 길이 방향으로 분산하여 냉각시키기 때문에 광섬유의 길이방향에 걸쳐서 비교적 고른 열 분포도를 가지는 것을 나타내고 있다.

한편, 도 6 및 도 7은 본 발명에 따른 광섬유 레이저 증폭 모듈의 냉각 장치의 예시적 단면을 도시한 것으로서, 도 6은 2개의 히트파이프를 포함하는 광섬유 레이저 증폭 모듈의 냉각 장치의 구조에 대해 설명하기 위한 단면도이고, 도 7은 3개의 히트파이프를 포함하는 광섬유 레이저 증폭 모듈의 냉각 장치의 구조에 대해 설명하기 위한 단면도이다.

상기 도 6에 도시되어 있는 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유 레이저 증폭 모듈의 냉각 장치는 광섬유의 길이방향으로 서로 평행하게 배치된 2개의 히트파이프를 포함하며, 이때, 상기 2개의 히트파이프는 도 6에서 도시된 바 같이 히트파이프의 표면이 서로 맞닿아있을 수도 있거나, 또는 소정의 간격으로 이격되어 있을 수 있으며, 이격된 경우에 그 거리는 0.01 um 내지 50 mm, 바람직하게는 0.02 um 내지 20 mm 의 범위, 더욱 바람직하게는 0.05 um 내지 8 mm 의 거리로 이격하여 배치될 수 있다.

또한, 상기 2개의 히트파이프가 길이 방향으로 평행하게 배치된 경우에 상기 광섬유는 2개의 히트파이프와 평행하게 배치되되, 바람직하게는, 2개의 히트파이프의 단면의 중심으로부터 각각 최단거리에 위치하도록 배치하는 것이 바람직하다.

또한, 도 6과 같이 2개의 히트파이프가 맞닿아 있거나 소정의 간격으로 이격된 경우에 각각의 히트파이프가 마주한 사이에는 공극이 형성될 수 있고, 상기 공극쪽에 광섬유가 배치되는 경우에, 상기 각각의 히트파이프와 광섬유 사이에 형성된 공극에 광섬유접촉 열매체가 채워지며 또한, 상기 광섬유접촉 열매체는 상기 광섬유를 감싸도록 배치됨으로써, 광섬유와 히트파이프 사이의 접촉 열저항을 감소시켜 광섬유로부터 히트파이프로 열전달을 수행하여 방열 효율을 향상시킬 수 있다.

즉, 상기 광섬유접촉 열매체는 상기 2개의 히트파이프의 표면이 서로 맞닿거나 소정의 거리로 이격되어 있는 부분에 인접하여 상기 2개의 히트파이프와 상기 광섬유 사이의 공극에 상기 광섬유를 감싸며 채워진 형태로 배치되는 것으로 상기 광섬유접촉 열매체가 광섬유(fiber)를 감싸도록 구성됨으로써, 광섬유와 히트파이프 사이의 열저항을 줄여줄 수 있다.

또한, 상기 도 7에 도시되어 있는 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유 레이저 증폭 모듈의 냉각 장치는 광섬유의 길이방향으로 서로 평행하게 배치된 3개의 히트파이프를 포함하며, 이때, 상기 3개의 히트파이프는 도 7에서 도시된 바 같이 히트파이프의 표면의 적어도 일부가 각각 서로 맞닿아있을 수도 있거나, 또는 3개 모두의 히트파이프의 표면이 서로 맞닿아있을 수 있거나, 또는 각각의 히트파이프의 표면이 서로 소정의 간격으로 이격되어 있을 수 있으며, 이격된 경우에는 그 거리는 0.01 um 내지 50 mm, 바람직하게는 0.02 um 내지 20 mm 의 범위, 더욱 바람직하게는 0.05 um 내지 8 mm 의 거리로 이격하여 배치될 수 있다.

또한, 상기 3개의 히트파이프가 길이 방향으로 평행하게 배치된 경우에 상기 광섬유는 3개의 히트파이프와 평행하게 배치되되, 3개의 히트파이프의 단면의 중심으로부터 각각 최단거리에 위치하도록 배치하는 것이 바람직하다.

즉, 상기 광섬유는 3개의 히트파이프가 배치된 경우에 각각의 히트파이프의 단면을 이루는 각각의 도형의 중심점을 서로 연결한 도형의 중심에 위치하도록 배치되며, 이는 3개 이상의 히트파이프가 사용되는 광섬유 레이저 증폭 모듈의 냉각 장치에도 동일하게 적용될 수 있다.

예컨대, 단면이 원형인 3개의 히트파이프가 배치된 경우에 각각의 히트파이프의 단면의 중심점을 연결하였을 때 삼각형이 되도록 배치되며, 이 때 광섬유는 3개의 히트파이프 사이의 공극 중앙에 위치될 수 있다.

또한, 도 7과 같이 3개의 히트파이프가 맞닿아 있거나 소정의 간격으로 이격된 경우에 각각의 히트파이프가 마주한 사이에는 공극이 형성될 수 있고, 상기 공극쪽에 광섬유가 배치되는 경우에, 상기 각각의 히트파이프와 광섬유 사이에 형성된 공극에 광섬유접촉 열매체가 채워지며 또한, 상기 광섬유접촉 열매체는 상기 광섬유를 감싸도록 배치됨으로써, 광섬유와 히트파이프 사이의 접촉 열저항을 감소시켜 광섬유로부터 히트파이프로 열전달을 수행하여 방열 효율을 향상시킬 수 있다.

또한, 상기 기저체는 상기 기저체는 적어도 하나이상의 히트파이프에 결합될 수 있고, 바람직하게는 2개 또는 3개의 히트파이프에 결합되어 있을 수도 있으며, 예시적으로 도 7에서는 3개의 히트파이프 중 2개의 히트파이프에만 기저체가 결합된 것을 도시하고 있으나, 본 발명은 이에 제한되지 않는다.

또한, 본 발명은 앞서 기재된, 본 발명에 따른 광섬유 레이저 증폭 모듈의 냉각 장치를 포함하는 광섬유 레이저 장치를 제공할 수 있다. 본 발명에 따른 광섬유 레이저 증폭 모듈의 냉각 장치를 포함하는 광섬유 레이저 장치는 다양한 레이저에 응용될 수 있으며, 구체적으로는 극초단 펄스 레이저에 응용될 수 있고, 이의 용도적 측면에서는 디스플레이 표면 어블레이션/수리, 반도체/솔라셀 다이싱/트리밍/패터닝 가공, 백내장/라식라섹/비문증 치료 등의 바이오/안과시술, 난가공/투명재료 내부마킹, 및 발수/친수/컬러 표면처리 등 초미세 가공분야 의 용도에 활용되는 레이저 장치에 가능하나 이에 제한되지 않는다.

이상으로 본 발명은 첨부된 도면에 도시된 실시예를 참조하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술에 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 것을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.

1 : 광섬유
2 : 히트파이프
3 : 광섬유접촉 열매체
4 : 기저체
5 : 기저체 요(凹)부

Claims

광섬유 레이저 증폭 모듈의 냉각 장치에 있어서,
레이저 증폭 모듈에 사용되는 광섬유;
상기 광섬유의 길이방향과 평행한 방향으로 배치되는 파이프 형태의 구조를 가지는 히트파이프로서, 각각의 히트파이프내 적어도 일부의 표면이 서로 맞닿거나 소정의 거리로 이격하여 배치되며, 하기 광섬유 접촉 열매체를 통해 상기 광섬유로부터 열을 전달받아 상기 파이프 형태의 길이방향으로 열을 분산시키는 복수의 히트파이프;
상기 광섬유의 길이방향으로 구비되되, 상기 복수의 히트파이프의 표면이 서로 맞닿거나 소정의 거리로 이격되어 있는 부분에 인접하여 상기 복수의 히트파이프와 상기 광섬유 사이의 공극에 상기 광섬유를 감싸며 채워짐으로써, 상기 광섬유와 히트파이프 사이의 열저항을 줄여주고 상기 광섬유로부터 전도되는 열을 복수의 히트파이프로 전달시키는 광섬유접촉 열매체; 및
상기 히트파이프의 길이방향과 평행한 방향으로 배치되며, 적어도 하나이상의 히트파이프의 외면에 맞닿도록 배치되어 상기 히트파이프로부터 전달되는 열을 외부로 방열시키는 기저체;를 포함하는 광섬유 레이저 증폭 모듈의 냉각 장치로서,
상기 광섬유접촉 열매체는 추가적으로 그라파이트; 세라믹; 구리, 알루미늄, 금, 은 중에서 선택되는 어느 하나이상의 금속분말;을 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 레이저 증폭 모듈의 냉각 장치.
제1항에 있어서,
상기 광섬유접촉 열매체는 오일, 젤(gel), 그리스(grease), 탄성체 또는 비탄성체로 경화되는 접착제로부터 선택되는 재료 중 어느 하나 또는 이들의 혼합성분을 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 레이저 증폭 모듈의 냉각 장치.
제1항에 있어서,
상기 히트파이프는 단면이 원형, 타원형, 다각형 또는 이들이 조합된 형태인 것을 특징으로 하는 광섬유 레이저 증폭 모듈의 냉각 장치.
제1항에 있어서,
상기 광섬유 레이저 증폭 모듈의 냉각 장치는 광섬유의 길이방향으로 서로 평행하게 배치된 2개 내지 5개의 히트파이프를 구비하여 이루어진 것을 특징으로 하는 광섬유 레이저 증폭 모듈의 냉각 장치.
제1항에 있어서,
상기 광섬유 레이저 증폭 모듈의 냉각 장치는 광섬유의 길이방향으로 서로 평행하게 배치된 2개의 히트파이프를 포함하고,
상기 광섬유접촉 열매체는 상기 2개의 히트파이프의 표면이 서로 맞닿거나 소정의 거리로 이격되어 있는 부분에 인접하여 상기 2개의 히트파이프와 상기 광섬유 사이의 공극에 상기 광섬유를 감싸며 채워진 형태로 배치되는 것을 특징으로 하는 광섬유 레이저 증폭 모듈의 냉각 장치.
제1항에 있어서,
상기 광섬유 레이저 증폭 모듈의 냉각 장치는 광섬유의 길이방향으로 서로 평행하게 배치된 3개의 히트파이프를 포함하고, 각각의 히트파이프의 단면의 중심점을 연결하였을 때 삼각형이 되도록 배치되며,
상기 광섬유접촉 열매체는 상기 3개의 히트파이프의 표면이 서로 맞닿거나 소정의 거리로 이격되어 있는 부분에 인접하여 상기 3개의 히트파이프 사이의 공극에 상기 광섬유를 감싸며 채워짐으로써, 배치되는 것을 특징으로 하는 광섬유 레이저 증폭 모듈의 냉각 장치.
제1항에 있어서,
상기 기저체는 상기 히트파이프와 밀착되어 결합하도록 상기 히트파이프의 외면의 형상에 따라 단면의 적어도 일부가 원호형, 타원호형 또는 다각형에 의한 요(凹)부가 형성되어 상기 히트파이프와 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 광섬유 레이저 증폭 모듈의 냉각 장치.
제1항에 있어서,
상기 기저체는 추가적으로 히트파이프, 공랭식 히트싱크, 수랭식 유로, 냉각블럭 또는 이들이 조합된 형태의 방열수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 레이저 증폭 모듈의 냉각 장치.
제1항에 있어서,
상기 광섬유는 적어도 2중 이상의 클래드 구조를 가지는 광증폭 광섬유인 것을 특징으로 하는 광섬유 레이저 증폭 모듈의 냉각 장치.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 기재된 광섬유 레이저 증폭 모듈의 냉각 장치를 포함하는 광섬유 레이저 장치.