KR102302409B1 - 불균일하게 구성된 광섬유간 로드 다중모드 증폭기를 가진 초고출력 단일모드 광섬유 레이저 시스템 - Google Patents

불균일하게 구성된 광섬유간 로드 다중모드 증폭기를 가진 초고출력 단일모드 광섬유 레이저 시스템 Download PDF

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Abstract

고출력 단일모드("SM") 레이저 시스템은 일체형 광섬유 대 다중모드("MM") 코어와 상기 코어를 둘러싼 적어도 하나의 클래딩으로 구성된 로드 광섬유 도파관으로 구성된 증폭기를 포함한다. MM 코어는 SM 신호광을 수신하고 가이드하는 소직경의 균일 입력영역, 상기 입력영역으로부터 밖으로 뻗어 있는 모드변환의 원추형 코어영역 및 비교적 대직경의 균일 출력영역으로 구성된다. 고출력 레이저 시스템은 많아야 출력 코어부의 개구수와 같은 개구수(NA2)를 갖는 MM 펌프광 전송 광섬유로 더 구성된다. 증폭기와 펌프광 출력 광섬유는 자유로운 전송 케이블을 지나고 전파반대방향으로 증폭기의 코어에 입사 펌프광을 집속시키도록 구성된 미러로부터 상류에 종료한다. 미러는 증폭기의 광축을 따라 정렬되고 전파방향으로 증폭된 신호광의 무손실 통로를 제공하도록 구성된 개구로 더 구성된다.

Description

불균일하게 구성된 광섬유간 로드 다중모드 증폭기를 가진 초고출력 단일모드 광섬유 레이저 시스템{ULTRA HIGH POWER SINGLE MODE FIBER LASER SYSTEM WITH NON-UNIFORMLY CONFIGURED FIBER-TO-FIBER ROD MULTIMODE AMPLIFIER}
본원은 실질적으로 기본모드의 신호광을 자유공간을 통해 레이저 헤드로 직접 전송하는 일체형 광섬유-로드 광섬유 증폭기가 제공된 초고출력 광섬유 레이저 시스템에 관한 것이다.
지난 십 년에 걸쳐 희토류 도핑 광섬유 소스로부터 출력전력의 극적 증가로 출력전력, 빔 품질, 전체 효율, 조밀도(compactness), 및 파장 유연성 면에서 현저한 성능을 가진 광섬유 레이저 시스템이 다양해졌다. 그러나 현대의 고출력 광섬유 레이저 시스템의 출력 규모는 여태까지 증가하고 있는 산업 수요를 충족하기에 한참 멀다.
당업자에 잘 알려진 바와 같이, 효율적인 고출력, 단일모드 또는 로우모드("SM/LM") 광섬유 증폭기를 기초로 하는 구내는 오히려 간단하다: SM/LM 액티브 광섬유의 코어 직경을 최대로 확대하고 MM 액티브 코어 가이드광의 길이를 최소화한다. 코어 직경을 크게 하고 길이를 짧게 하는 이유는 고출력 피크와 평균전력레벨 및 실질적으로 회절제한 레이저 출력을 가질 필요성으로 쉽게 이해될 수 있다.
그러나, 도파관의 코어 직경을 늘림으로써 빔 품질을 떨어뜨리는 가이드된 고차모드("HOM")의 개수가 늘어난다. 이는 코어의 크게 감소된 개구수("NA")에 의해 완화될 수 있으나, 그렇게 함으로써 코어에 결합될 수 있는 펌프 광의 양이 중대히 제한된다. 이 경우, 고출력에 달하기 위한 종래기술의 유일한 실행가능한 옵션은 클래드 펌핑이다. 클래드 펌핑을 이용하는 것은 클래딩에 결합된 펌프광의 흡수가 코어에 결합되는 것보다 8배 미만이므로 액티브 광섬유의 필요한 길이를 늘리는 것을 필요로 한다. 따라서, NLE의 개시를 위한 임계치가 급격히 낮아진다. SM/LM 출력을 방출할 수 있는 고출력 레이저 시스템의 확정성을 향상시키기 위한 수 많은 기술들이 개발되었고 바로 아래에 간략히 언급되어 있다.
확장성에 크게 영향을 주는 한가지 중요한 개발은 광섬유 레이저 해당기술분야의 당업자에 잘 알려진 이중 클래드 광섬유를 포함한다. 예컨대, 미국 특허 5,818,630 및 그 확장된 특허군은 이중 클래드 MM 액티브 광섬유 증폭기를 포함한 고출력 광섬유 레이저 시스템을 개시하고 있다. 좋은 품질의 출력 빔은 SM 액티브 및 MM 액티브 광섬유들 간에 위치된 모드매칭소자, 소위 빔 확장기로서 광학장치의 당업자에 잘 알려진 소위 모드 컨버터에 의해 구현된다. 컨버터는 통상적인 기술 중 하나로 알려진 바와 같이 가우시안 형태로 대략 기술될 수 있는 액티브 광섬유의 기본모드의 크기로 SM을 확장하도록 구성된다.
이 설계는 소정의 장애가 있다. 명백히, 이는 부피가 크고 가혹하지 않아야 하는 제한이 있어 상대적으로 스트레스가 없는 환경에 이용되는데, 이는 현장에서 만들고 유지하기가 쉽지 않다. 테이퍼진 광섬유가 모드매칭소자로 사용되면, 각각의 SM 및 MM 광섬유들의 단부들에 융합된다. 이 구성에서, 광섬유들과 회절제한빔의 왜곡 간의 출력손실이 뚜렷이 증가된다. 또한, 이중클래드 구성으로 인해, 펌핑기술은 증폭기의 길이를 늘이고 NLE에 대한 임계치를 올리는 내부 클래딩에 펌프광을 결합시키는 것을 포함한다.
최근에, 광섬유 레이저 산업은 광섬유 증폭기의 확장성을 해결하기 위해 대표적으로 증폭기 체인들의 출력단에 사용되는 결정 광섬유 로드로 돌아섰다. 통기구 클래드 기술을 기초로, 결정 광섬유 로드는 도핑된 코어, 대직경 펌프코어 또는 내부 클래딩 및 외부 클래딩와 더불어 이중 클래드 구조를 포함한다.
로드 광섬유의 SM 도핑된 코어는 NA가 아주 작고, 대표적으로 낮은 도판트 농도를 갖는 융합 실리카/석영으로 제조된다. 낮은 개구수는 레이저 시스템이 CW 또는 펄스 영역에서 동작하는지 여부에 따라 kW-MW 범위로 초고출력에 도달하는데 필요한 양으로 코어에 결합될 수 있는 고출력 펌프광의 양을 제한한다. 따라서, 충분한 양의 펌프광이 펌프 코어 또는 내부 클래딩에만 결합될 수 있다. 따라서, 클래드-결합 펌프광을 충분히 이용하기 위해, 광섬유 로드는 수 십(대표적으로 50 이상) 센티미터 및 미터 사이에서 변하는 길이를 가져야 한다. 심지어 가장 짧은 이용가능한 광섬유 로드도 NLE가 있으므로 인해 악영향을 받는다. 이는, 물론, 레이저의 출력 확장성을 치명적으로 제한한다.
이트리븀("Yb")과 같은 광섬유 로드에서 이온의 낮은 농도는 대표적으로 약 7xx ppm이다. 이런 낮은 도판트 농도로는, 펌프광의 흡수도 또한 낮다. 소정의 kW-MW 출력을 얻기 위해, 펌프광은 아주 높은 출력으로 방출되어야 한다. 펌프광의 적절한 흡수를 제공하기 위해, 광섬유 로드의 전체 길이는 증가해야 한다. 상술한 바와 같이, 전체 길이를 늘리는 것은 NLE에 대한 임계치를 낮추고, 이는 차례로 증폭기의 출력 확장성을 제한한다.
광섬유 로드의 개방단부 구조도 또 다른 문제 영역이다. 대표적으로, 통기구를 통해 입력신호를 내보내는 것은 마이크로 광학에 의해서만 구현될 수 있다. 물론, 이는 전체 시스템 구성을 복잡하게 하고 성가시며 비용이 많이 들게 한다. 구멍에 있는 공기가 있으므로 인해 열전도도 성질도 떨어진다. 특히, 공기구멍은 열 소산이 느리고, 이는 차례로 로드 그 자체에 손상을 주고 환경적 위험을 초래할 수 있다.
결정 광섬유 로드를 이용하고 상기 로드를 기초로 광섬유장치를 증폭하는 것이 미국특허 7,813,603("603")에 개시되어 있다. 상기 '603에 개시된 바와 같은 구조는 증폭 매질, 적어도 하나의 펌프광 수송 광섬유, 및 신호 광전파 방향에 반대 방향으로 펌프광을 증폭 매질로 지향하는 반사소자를 포함한다. 증폭 매질은 신호전파방향에 반대 방향으로 반사된 펌프광을 수신하는 다중모드 펌프코어라고 하는 내부 클래딩을 갖는 멀티-클래드 광결정 광섬유 로드로 구성된다. 상술한 바와 같이, 작은 SM 도핑 코어로 인해, 반사된 펌프광의 흡수가 상당한 광섬유 길이를 따라 발생해 저출력 레벨의 NLE 개시를 방지한다. 개시된 구조는 도핑된 코어에 손상을 막기 위해 다만 150W 출력전력으로 동작하다.
상기를 요약하면, 고출력 광섬유 시스템의 설계는 하기의 요인들로 인해 어려운 과제에 직면한다: 전반적으로 광섬유 및 특히 광섬유 로드에서의 비선형 효과, 고차모드("HOM")에 대한 기본모드 출력의 손실; 펌프 휘도 및, 물론 과도한 열발생. 각 요인이 별도로 출력 스케일링을 제한하나, 이들은 또한 상호연관되어 있다.
따라서, 공지의 시스템의 상술한 단점들을 실질적으로 극복한 초고출력 SM 광섬유 레이저 시스템이 필요하다.
평균 kW 수준 및 MW 수준의 피크 전력을 출력할 수 있는 컴팩트하고 휴대가능한 초고출력 SM 광섬유 레이저 시스템이 또 필요하다.
개시된 고출력 SM 레이저 시스템은 광섬유 로드 출력영역을 변환시키며 연속한 광섬유 입력에 의해 정의된 자유로운 일체형 광섬유-로드 광섬유 부스터를 포함한 부스터 스테이지로 구성된다. 일체형 MM 도파관은 연속 MM 코어와 코어를 둘러싸며 같은 넓이로 확장되는 적어도 하나의 클래딩으로 구성된다. 도파관의 입력 광섬유 영역을 통해 뻗어 있는 코어의 입력 영역은 작고 시드 소스로부터 수신된 SM 신호광을 지원하도록 구성된다.
도파관의 길이를 따라 어딘가에, 코어는 출력 증폭영역으로 이어진 변환영역을 정의하는 병목형태의 횡단면을 가정해 뻗어 있다. 출력영역은 입력 코어부의 균일 직경보다 더 큰 균일 직경으로 구성된다. 다수의 고차모드("HOM")를 지지할 가능성에도 불구하고, 단일 기본모드는 HOM의 증폭에 비해 크게 증폭되므로 노이즈가 줄어든다. 그 결과, 증폭기는 실질적으로 단일 기본모드로 광을 방출한다. 부스터는 접합들이 없고 따라서 기본 및 HOM 간에 결합 가능성도 접합 손실도 없다.
부스터는 자유공간으로 확장되고 종래의 SM 패시브 전송 광섬유의 사용 없이 작업영역으로 광을 전송하는데 제한을 받지 않을 수 있다. 부스터의 증가된 코어 직경은 더 큰 펌프광 출력이 짧은 코어세 흡수되게 한다. 특히, 적어도 하나의 MM 펌프광 섬유가 부스터의 출력단부 가까이에 제공된다. 펌프 장치의 개시된 구성은 당업자에 알려진 바와 같이 펌프광의 흡수를 강화하는 신호 전파방향에 반대방향으로 펌프광이 부스터의 코어에 결합되게 한다.
펌프광의 전파반대방향은 각각의 부스터와 전송 광섬유의 출력단부들에서 이격된 반사소자에 의해 제공된다. 부스터의 개구수보다 더 작은 개구수("NA")와 소정 곡률의 반사소자를 갖는 펌프광 전송 광섬유를 구성하는 것은 반사된 펌프광을 부스터의 출력 코어단부에 결합하게 돕는다.
출력영역과 펌핑장치의 큰 코어직경은 부스터가 상대적으로 짧아지게 하는 중요 파라미터이다. 길이는 주로 부스터의 로드 광섬유 영역의 출력 코어영역을 따라 결합된 펌프광의 흡수를 제공하도록 선택된다. 큰 펌프광 출력에도 불구하고, 감소된 길이는 NLE의 개시를 최소화한다.
반사소자는 부스터의 광축과 정렬된 개구로 구성된다. 개구의 치수는 의미 있는 펌프광 손실을 방지하고 전파방향으로 개구를 지나는 무손실의 증폭된 신호광을 제공하도록 선택된다.
증폭된 신호광의 고출력 밀도는 광섬유 표면에 위험하다. 이를 감소시키기 위해, 개시된 시스템은 대표적으로 석영으로 제조된 코어리스 단말블록으로 구성된다. 블록은 각각의 부스터와 펌프광 전송 광섬유 및 반사소자의 단부들 사이에 위치해 있다. 블록의 상류면은 각각의 부스터 및 펌프 광섬유의 광섬유 단부들에 융합된다.
개시된 부스터의 컴팩트함은 로드 광섬유부를 둘러싼 슬리브, 단말 블록 및 반사소자를 제공함으로써 더 향상된다. 슬리브는 레이저 헤드로 또한 알려진 단부 패키지를 정의하도록 둘러싼 광학 구성요소들에 결합된다.
본 발명의 내용에 포함됨.
개시된 시스템의 상기 및 다른 특징과 이점은 첨부 도면과 하기의 상세한 설명으로부터 더 쉽게 명백해진다:
도 1은 개시된 부스터 스테이지의 광학 구성도를 도시한 것이다.
도 1a는 도 1의 선 A-A을 따른 부스터 스테이지의 횡단면도이다.
도 2는 도 1의 부스터 스테이지의 증폭기를 도시한 것이다.
도 3은 도 1의 부스터 스테이지를 수용하는 레이저 헤드를 도시한 것이다.
도 4는 도 3의 터미널 패키지의 예시적인 개략도이다.
본 발명의 실시예에 대해 더 상세히 언급할 것이다. 가능한 한 어디서나, 동일 또는 유사한 참조부호는 도면 및 명세서에서 동일 또는 유사 부분 또는 단계들을 언급하기 위해 사용된다. 도면은 간략한 형태이며 정확한 비율로 되어 있지 않다. 구체적으로 언급하지 않는 한, 명세서 및 특허청구범위에 있는 용어와 어구는 광섬유 레이저 기술분야의 당업자들에 통상의 익숙한 의미로 제시되게 되어 있다. "커플" 및 유사한 용어들은 반드시 직접 및 바로 연결을 나타내는 것이 아니라, 자유 공간 또는 중간 소자를 통한 기계적 광학연결을 포함한다.
도 1 및 도 1a를 참조하면, 예시적인 초고출력 광섬유 레이저 시스템(10)은 실질적으로 기본모드 및 MW 피크전력 출력으로 수-kW 및 더 높은 신호광을 방출할 수 있다. 시스템(10)은 집합적으로 35로 표시되고 초고출력 SM 시스템 출력을 발생하게 보조하도록 구성된 하나 이상의 펌프소스(13), 시드 레이저(14), 광 사전증폭 캐스케이드(들), 전자기기, 냉각시스템 및 모든 기타 장치 및 구성부품들을 수용하는 하나 또는 복수의 캐비넷들을 포함한 메인 콘솔로 구성될 수 있다.
시드 레이저(14)에 의해 방출된 SM 신호광은 콘솔과 레이저 헤드(15) 사이에 자유공간을 통해 뻗어 있는 가요성 전송 케이블(25)로 구성된 광섬유 부스터 스테이지(12)를 따라 더 가이드되고 상기 부스터 스테이지에서 증폭된다. 부스터 스테이지(12)는 케이블(25)을 가로지르고 희토류 원소와 같은 하나 이상의 광이미터들로 도핑된 MM 코어와 함께 능동형 이중 클래드 섬유로 구성된 광섬유 부스터(18)를 더 포함한다. 적어도 하나의 펌프광 출력 광섬유(24)는 또한 도 1a에 도시된 바와 같이 캐비넷(11)과 레이저 헤드(15) 사이의 전송 케이블(25) 내의 자유공간을 통해 뻗어 있다. 레이저 헤드(15)는 펌프광을 전파반대방향으로 증폭기의 출력단부에 결합시키도록 구성된 반사소자로 구성된다. 펌프 및 레이저 헤드(15)를 따른 부스터 스테이지(12)의 구조적 특이성으로 인해, 시스템(10)은 신호광 전파방향으로 실질적으로 회절제한 출력빔을 방출하도록 동작한다.
고출력 SM 레이저 시스템(10)은 다수의 증폭 스테이지들 또는 도시된 바와 같이 하나의 스테이지를 가질 수 있으며, 당업자에 부스터 스테이지(12)로 알려진 최종 증폭 스테이지를 말한다. 시드 소스(14)는 바람직하게는 소정 주파수에서 신호광을 부스터 스테이지(12)에 전송하는 SM 출력 패스브 광섬유(16)를 갖는 단일 주파수의 SM 광섬유 레이저로 구성된다.
출력 광섬유(16)는 전송 케이블(25)을 가로지르고 공지의 희토류 소자들에서 선택된 하나 또는 다수의 다른 타입의 광이미터들로 도핑된 MM 코어를 갖는 부스터(도 2)에 이어진다. 부스터(18)는 별개로 제조된 광섬유 및 함께 융합된 광섬유 로드부를 포함할 수 있으나, 바람직하게는 일체형의 한 피스의 구성요소로 제조된다. 신호광은 부스터(18)에서 방출됨에 따라 소정 레벨로 증폭된다. 바람직하기로, 시스템(10)은 펄스 영역으로 동작하며, MW의 SM 신호광빔을 방출할 수 있다. 시스템(10)이 연속 영역으로 동작하면, 평균출력전력은 높은 kW 레벨에 도달할 수 있다. 동작 영역에 무관하게, 방출된 신호광의 M2 빔 품질 파라미터는 1.1 내지 1.5 사이에서 변한다.
부스터 스테이지(12)의 고전력 출력은 당업자에 알려진 바와 같이, 빔가이드 광학기가 제공되고 레이저 처리되는 워크피스 가까이에 위치된 레이저 헤드(15)에 결합된다. 특히, 레이저 헤드(15)는 당업자에 알려진 바와 같이 광학표면 손상을 방지하도록 구성된 터미널 블록 또는 버퍼(20)를 둘러싼다. 출력회절제한 신호빔은 하기에 더 상세히 본 명세서에 언급된 바와 같이 신호전파방향으로 미러(22)의 중앙 개구를 통해 더 가이드된다.
도 2를 참조하면, 부스터(18)는 도핑된 MM 코어(30)와 이중 클래드 구성을 갖고 클래딩과 같은 넓이로 확장될 수 있다. 균일하게 형성된 입력 광섬유부(36)는 시드(14)(도 1)로부터 SM 신호광을 가이드하는 패시브 섬유(16)에 연결된다. 증폭기(18)의 출력 로드광섬유부(40)도 또한 균일하게 형성되고 입력 광섬유 영역의 직경보다 더 큰 각각의 코어 및 클래딩부 직경을 갖는다. 원추형 모드 변형부(38)가 입력 및 출력 광섬유부(36 및 40)를 각각 잇는다.
연속 코어 MM(30)이 바람직한 실시예로 적어도 3부분들, 즉, 균일한 치수의 입력영역(42), 원추형 모드 변형영역(44) 및 출력증폭영역(46)과 함께 구성된다. 도핑된 MM 코어(30)에서 단지 기본모드의 여기는 초기에 MM 코어(30)의 기본모드의 모드필드직경("MFD")을 패시브 광섬유(16)의 직경과 일치시킴으로써 구현된다. 형태, 즉, 각각의 단일 및 기본모드들의 강도 프로파일들도 또한 실질적으로 서로 일치하는 것이 또한 바람직하다. 각각의 SM 전송 광섬유(16) 및 증폭기(18)의 MFD가 실질적으로 일치하기 때문에, 모드매칭 광학기가 필요치 않다. 즉, 각각의 광섬유의 꼭지들이 서로 직접 이어진다.
여기된 기본모드는 상대적으로 작은 직경(d1)으로 입력코어영역(42)을 따라 가이드된다. 모드변형 코어영역(44)에 들어가면, 기본모드는 입력코어영역(42)의 직경보다 더 큰 제 2 직경(d2)을 갖도록 단열 확장된다. 기본모드가 각각의 변형 및 증폭 코어부(44 및 46)를 따라 각각 확장 및 전파함에 따라, 실제로 증폭된 신호광을 기본모드로 부스터(18)에서 내보내게 하는 HOMs이 전혀 여기되지 않는다.
코어(30)는 상술한 3 영역들 대신 2 영역을 가질 수 있다. 특히, 코어(30)는 입력 및 모드변형 코어영역들로만 제조될 수 있다. 증폭기(18)의 클래딩은 MM 코어(30)의 외부면에 상보적으로 뻗어 있는 내부면으로 구성될 수 있고, 따라서 동일한 2 또는 3개의 다르게 치수화되고 형성된 영역들을 가질 수 있다. 대안으로, 클래딩은 균일한 횡단면을 가질 수 있다.
도 3을 참조하면, 선택적으로, 부스터 스테이지(12)(도 1)에 버퍼(20)가 제공될 수 있다. 버퍼(20)의 상류 입력면은 각각의 펌프 광섬유 및 증폭기(24,18)의 출력단부에 각각 연결된다. 버퍼(20)는 실리카-유리 코어리스 로드로 구성될 수 있고 출력빔의 감소된 전력밀도로 인해 광섬유 단부에 손상을 막도록 동작될 수 있다.
펌프광 전송 광섬유(24)는 패시브, MM 광섬유로 구성된다. 바람직하게는, 전송 광섬유(24)의 하류 단부영역(48)은 증폭기(18)의 출력 영역(40)에 나란히 뻗어 있다. 증폭기(18) 및 펌프 광섬유(24)의 출력 단부는 각각 하나의 광전파방향(Ls)을 따라 본 버퍼(20)의 상류면에 직접 접합될 수 있다. 이들 2개의 광섬유들 간의 다른 공간적 관계들도 또한 본원의 범위 내에 있다. 예컨대, 전송 및 액티브 광섬유들 중 하나는 다른 광축에 대해 비스듬히 버퍼의 상류면에 접합될 수 있다. 하나 이상의 전송 광섬유가 증폭기(18)와 조합해 사용될 수 있다.
반사소자(22)는 구형 또는 비구형 미러로 구성될 수 있다. 미러(22)에 제공되고 시스템(10)의 광축에 중심을 둔 개구(50)는 전파방향으로 펌프광 손실을 방지하거나 최소화하는 치수로 되어 있다. 바람직하기로, 개구(50)는 빔 직경의 2배 큰 직경을 가지나, 가령 빔 웨이스트 직경의 3배로, 다소 더 클 수 있다. 미러(22)의 직경은 부스터(18)와 개구(50)의 하류 면 사이 거리와 실질적으로 같다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 각각의 부스터(18) 및 펌프광 출력 광섬유(24)의 하류 단부 영역(40 및 48)은 도 1의 전송 케이블(25) 너머로 뻗어 있고 전송 케이블의 출력 단부에 인접한 보호 슬리브(52) 내에 실장된다. 특히, 슬리브(52)는 펌프광 전송 광섬유 및 미러(22)의 하류 단부영역(48)과 부스터(18)의 출력영역(40)을 둘러쌀 수 있다. 버퍼(20)가 제공되면, 슬리브(52)의 내부면에 부착된 둘러싼 구성요소들을 밀봉하는 슬리브(52) 내에 또한 둘러싸인다. 에폭시와 같은 임의의 적절한 부착 수단이 부착재료로 사용될 수 있다. 따라서, 슬리브(52)는 유체전송수단(54)에 의해 슬리브로 주기적으로 펌핑되는 공기와 같은 유체 흐름에 의해 더 강화될 수 있는 실질적으로 불순물이 없는 환경을 생성한다.
슬리브(52) 내에 둘러싸인 광학 구성요소들의 엔드 패키지는 증폭기(18)의 코어(30)에 펌프광의 신뢰할 수 있는 커플링 및 출력 슬리브 개구 또는 통로(62)를 통한 신호광의 거의 손실 없는 통과를 제공하도록 조정될 수 있다. 특히, 조절장치(56)는 도파관(18)과 전송 광섬유(24)의 하류 단부들, 및 XYZ면으로 미러(22)를 서로에 대해 각각 옮기도록 동작된다. XYZ 액츄에이터는 기계분야의 당업자에 잘 알려져 있고 본원의 목적을 위해 쉽게 조정될 수 있다.
슬리브(52)는 폐쇄된 공간을 정의하기 위해 서로 겹치는 2개의 U자형 캡(58 및 60)을 포함한다. 큰 직경의 컵(60)에는 컵의 하류 하단에 정의되고 이 하단에 실장된 미러(22)의 개구(50)와 정렬된 통로(62)가 제공된다. 다른 컵(58)은 각각의 광섬유(24 및 18)와 버퍼(20)의 출력단부영역들을 수용한다.
개시된 구조는 현대 레이저 기술로 직접 접근될 수 없는 파장을 얻기 위해 고조파 발생기와 결부해 사용될 수 있다. 비선형 주파수 변환기술은 UV범위, 가시범위 및 IR 스펙트럼 범위의 파장으로 레이저 복사를 발생하게 한다. 당업자에 알려진 바와 같이, 고조파 발생은 비선형 결정(62)에 의해 구현된다. 구조적으로, 결정(62) 및 조준 광학기(64)가 슬리브(52)에 광학적 및 기계적으로 연결되는 하우징(66) 내부에 배치될 수 있다.
개시된 시스템은 초고출력으로 인해 높은 열동역학적 스트레스를 받는다. 열적 스트레스의 악영향과 싸우기 위해, 개시된 시스템(10)은 냉각수단으로 구성된다. 냉각수단은 하나 이상의 가요성 파이프들을 지나는 물 또는 임의의 다른 적절한 유체와 같은 가압 냉각제 소스를 포함할 수 있다. 가요성 파이프는 전송 케이블(25) 내에 또는 그 외부에 제공될 수 있다. 대안으로, 냉각수단은 증폭기의 외부면에 코팅된 폴리머 재료로 된 내열재료층을 포함한다.
가장 실질적이고 바람직한 실시예라고 여기지는 것이 도시되고 개시되었으나, 개시된 구성 및 방법으로부터 이탈도 당업자에 그 스스로 추정되고 본 발명의 기술사상 또는 범위로부터 벗어남이 없이 사용될 수 있음이 명백하다. 따라서, 본 발명은 특허청구범위내에 있을 수 있는 모든 변경들과 부합하도록 해석되어야 한다.

Claims (21)

  1. 삭제
  2. 자유공간에 뻗어있고 다중모드("MM")의 불균일한 치수의 코어와 상기 코어를 둘러싸는 클래딩으로 구성된 광섬유간 로드 부스터 증폭기;
    부스터 증폭기와 함께 자유공간에 뻗어있고 펌프광을 가이드하며 단말 영역을 포함하는 MM 펌프광 출력 광섬유;
    부스터 증폭기 및 펌프광 출력 광섬유 각각의 단말 영역들을 수용하는 레이저 헤드;
    레이저 헤드에 실장되고 전파방향으로 증폭된 신호광이 횡단하도록 형성된 중앙 개구를 가지며, 펌프광이 부스터 증폭기의 코어에 결합되도록 전파반대방향으로 펌프광 입사를 재지향시키게 구성된 미러; 및
    부스터 증폭기와 펌프광 출력 광섬유의 단말 영역들이 XYZ 면에서 미러에 대하여 이동되도록, 미러와 상기 단말 영역들 모두를 이동시키도록 동작하는 액츄에이터를 구비하는, 초고출력 단일모드("SM") 부스터 스테이지.
  3. 제 2 항에 있어서,
    증폭기 및 펌프광 출력 광섬유가 가로지르는 자유로운 전송 케이블을 더 구비하고, 각각의 펌프광 출력 광섬유와 증폭기의 단말 영역은 실질적으로 서로 나란히 뻗어 있고 상기 전송 케이블의 하류 단부를 지나 레이저 헤드에 돌출한 초고출력 단일모드("SM") 부스터 스테이지.
  4. 제 2 항에 있어서,
    MM 코어는 광이미터들로 도핑되고:
    전파방향으로 증폭기의 제 1 부를 따라 단일모드("SM") 신호광을 가이드하도록 구성된 소직경의 균일 입력영역, 및 입력부와 출력부를 잇는 모드변환영역으로 구성되는 초고출력 단일모드("SM") 부스터 스테이지.
  5. 제 4 항에 있어서,
    MM 코어는 모드변환영역으로부터 뻗어 있고 증폭기의 단말 영역을 따라 SM 신호광을 가이드하는 대직경의 균일 출력영역을 더 포함하는 초고출력 단일모드("SM") 부스터 스테이지.
  6. 제 3 항에 있어서,
    각각의 증폭기와 출력 광섬유의 단말 영역들에 융합되고 레이저 헤드에 실장되는 버퍼; 및
    각각의 증폭기와 펌프광 출력 광섬유의 단말 영역들, 버퍼, 및 미러의 적어도 일부를 둘러싸고 이에 결합된 슬리브를 더 구비하고,
    미러 및 각각의 증폭기와 펌프광 출력 광섬유의 단말 영역은 전파방향으로 개구를 통해 증폭된 SM 신호광을 출력하면서 펌프광을 증폭기의 MM 코어에 결합하도록 서로에 대해 조절될 수 있는 초고출력 단일모드("SM") 부스터 스테이지.
  7. 제 3 항에 있어서,
    펌프광의 개구수는 증폭기의 출력 코어영역의 개구수와 거의 같은 초고출력 단일모드("SM") 부스터 스테이지.
  8. 제 2 항에 있어서,
    미러는 구형 또는 비구형인 초고출력 단일모드("SM") 부스터 스테이지.
  9. 제 3 항에 있어서,
    기류가 미러의 구멍을 통해 나감에 따라 슬리브 밖으로 불순물을 실어나르도록 슬리브에 기류를 주입하도록 동작하는 공기공급시스템을 더 구비하는 초고출력 단일모드("SM") 부스터 스테이지.
  10. 삭제
  11. 제 2 항에 있어서,
    광섬유간 로드 증폭기는 입력 및 출력 단자 사이에서 연속인 초고출력 단일모드("SM") 부스터 스테이지.
  12. 제 2 항에 있어서,
    광섬유간 로드 증폭기는 광섬유와 함께 융합된 광섬유 로드부를 포함하는 초고출력 단일모드("SM") 부스터 스테이지.
  13. 제 6 항에 있어서,
    슬리브는 레이저 헤드의 불순물 없는 내부를 제공하도록 서로에 삽입가능하고 서로에 연결된 2개의 컵형태의 부분들을 포함하는 초고출력 단일모드("SM") 부스터 스테이지.
  14. 신호를 전송하도록 구성된 시드 레이저 소스; 및
    제 2 항 내지 제 9 항, 제 11 항 및 제 12 항 중 어느 한 항에 따른 부스터 스테이지를 구비하는 초고출력 광섬유 레이저 시스템.
  15. 제 14 항에 있어서,
    증폭된 SM 신호광의 기본 주파수의 고조파를 발생하도록 동작하는 시스템을 둘러싸는 하우징을 더 구비하고, 상기 시스템은 각각의 증폭기와 펌프광 출력 광섬유의 단말 영역들로부터 떨어져 있는 레이저 헤드에 광학적으로 기계적으로 결합된 하우징으로 구성되는 초고출력 광섬유 레이저 시스템.
  16. 제 15 항에 있어서,
    레이저 헤드 및 하우징은 미러의 개구와 정렬되고 레이저 헤드에서 하우징으로의 전파방향으로 증폭된 신호광을 가이드하는 각각의 통로들로 구성되는 초고출력 광섬유 레이저 시스템.
  17. 제 14 항에 있어서,
    레이저 헤드로부터 이격되고 시드 레이저 소스를 수용하는 메인 콘솔을 더 구비하고, 시드 소스에는 메인 콘솔내 증폭기의 상류 영역에 융합된 SM 패시브 시드 출력 광섬유가 제공되며, 시드 출력 광섬유에는 증폭기의 MM 코어의 입력 영역의 직경과 실질적으로 일치하는 모드필드 직경으로 구성된 코어가 제공되는 초고출력 광섬유 레이저 시스템.
  18. 제 17 항에 있어서,
    메인 콘솔내에 둘러싸이고 레이저 시스템 동작을 지원하도록 구성된 유틸리티 어셈블리를 더 구비하고, 상기 유틸리티 어셈블리는 컨트롤 및 안전 전자기기를 포함하는 초고출력 광섬유 레이저 시스템.
  19. 제 17 항에 있어서,
    증폭기내 신호 및 펌프광에 의해 발생된 열동역학적 스트레스를 줄이도록 구성된 냉각 시스템을 더 구비하는 초고출력 광섬유 레이저 시스템.
  20. 제 19 항에 있어서,
    냉각 시스템은 메인 콘솔내에 수용된 냉매 소스; 적어도 하나의 가요성 파이프는 소스에 결합된 입력부와 출력부를 갖고, 전송 케이블 내에 또는 전송 케이블 밖으로 뻗어 있는 적어도 하나의 가요성 파이프; 및 상기 가요성 파이프를 지나는 냉각유체를 포함하는 초고출력 광섬유 레이저 시스템.
  21. 제 19 항에 있어서,
    냉각 시스템은 증폭기의 출력면에 코팅되고 수백℃까지의 온도를 견딜 수 있는 폴리머 재료로 된 외부층으로 구성되는 초고출력 광섬유 레이저 시스템.
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