KR102350424B1 - 기생 광 손실을 유도하기 위한 기구를 갖는 섬유 레이저 시스템 - Google Patents

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Abstract

섬유 레이저 시스템에서 기생 파장의 광 손실을 유도하는 방법은 기생 파장의 광의 손실을 유도하기 위해 공급 및 프로세스 섬유로부터 이격되고 그 사이에 제공되거나 공급 섬유의 단부 출력으로부터 이격되는 파장 식별기(WD)를 제공하는 단계를 포함한다. 개시된 방법을 실행하는 장치는 레이저 소스로 구성되며, 전달 섬유와 WD는 처리될 표면과 전달 섬유의 단부 사이에서 일정 거리 이격되고, WD는 자유 공간에 걸쳐서 기생 광을 수용하며, 기생 파장의 광에 손실을 유도하는 이색성 필터로서 구성된다.

Description

기생 광 손실을 유도하기 위한 기구를 갖는 섬유 레이저 시스템
본 발명은 자유 공간에 걸쳐서 기생 및 신호 파장의 광을 수용하고 섬유 레이저 시스템에서 기생 파장의 광의 손실을 최대화하도록 구성된 파장 식별기(WD)로 구성된 섬유 레이저 시스템에 관한 것이다.
많은 광섬유 레이저 시스템에서 원치않는 기생 파장에서의 레이저발진(lasing)은 바람직하지 않으며 이는 몇 가지 요인에 의해 초래될 수 있다. 이들 요인 중 하나는 유도 라만 산란(stimulated Raman scattering: SRS)과 같은 비선형 효과의 존재이다. 다른 요인은 상이한 종류의 희토류 이온으로 도핑된 게인 매체, 및 Er/Yb 도핑된 매체에 기초한 에르븀(Er) 레이저에서의 이테르븀(Yb) 방사선과 같은 게인 매체 내의 상이한 레이저발진 레벨의 존재에 관한 것이다. 전술한 목록은 배타적이지 않으며 크게 확장될 수 있다. 기생 레이저발진은 높은 게인 고체 상태 레이저의 성능을 심각하게 제한한다. 이는 광학 시스템의 전체 효율을 감소시키고, 개별 부품을 손상시키며, 광학 시스템의 작동을 불안정하게 만든다.
기생 파장의 방사선 문제는 제어 불가능한 후면반사를 특징으로 하는 섬유 레이저 시스템에서 훨씬 더 심각해진다. 특히 취약한 것은 기생 파장에서의 후면-반사 레벨이 레이저 처리 공정, 재료 표면 상태 및 시스템 파라미터에 따라서 크게 변화할 때 다양한 재료를 처리하기 위해 사용되는 섬유 레이저 시스템이다.
도 1을 참조하면, 피가공물을 처리하기 위한 통상적인 산업용 섬유 레이저 시스템(10)은 필연적으로, 특히, 여기에서 레이저로 도시된 하나 이상의 게인 블록(12)을 가질 수 있는 광원, 및 광을 처리될 표면(16) 쪽으로 안내하는 공급 섬유(14) 또는 공급 및 프로세스 섬유를 통상적으로 구비하는 전달 섬유를 포함한다. 게인 블록(12)은 예를 들어 Yb 이온으로 도핑되는 능동 섬유(22)로 구성되고, 종종 입력 및 출력 수동 신호 섬유(18, 20)로 각각 구성된다. 수동 섬유(18, 20)는 스플라이스(24)에 의해 능동 섬유(22)의 대향 단부 각각에 결합된다. 수동 공급 섬유(14)와 함께 수동 및 능동 섬유는 게인 블록(12)과 표면(16) 사이에서 단일 파장의 광의 전파를 지지하는 도파관을 형성한다. 통상적으로, 도파관의 출력 단부는, 석영으로 제조되고 출력 광의 파워 밀도를 감소시키도록 구성된 빔 확장기(25)와 같은 출력 광 커플러에 결합된다. 빔 확장기(25)의 출력 표면에는 통상적으로 처리될 표면으로부터 후면반사되는 신호 광이 도파관 내로 전파되는 것을 최소화하는 반사 방지(AR) 층 또는 임의의 다른 파장 식별기(WD)가 제공된다. 그러나 AR 층은 신호 광의 신호 파장과 상이한 다른 기생 파장의 광을 투과시키며, 비교적 높은 광도 및 섬유 길이로 인해 섬유 레이저 시스템 및 그 전달 섬유에 생성된다. 다시 말해서, 신호 광은 전달 수동 섬유 내에 기생 파장의 광을 초래하는 비선형 효과를 발생시키기 위한 임계치를 초과하기에 충분한 파워를 갖는다.
공급 섬유(14)에 결합된 광은 게인 블록(12)의 개수에 기초하여 수백 와트 내지 수백 킬로와트 사이에서 변경될 수 있는 파워를 가지며; 공급 섬유(14)의 길이는 표면(16)이 레이저 광원으로부터 얼마나 멀리 떨어져 있는지에 따라서 상당할 수 있다. 파워와 섬유 길이 모두 SRS와 같은 비선형 효과의 발생에 대한 주요 기여자이다. 그 결과, 공급 섬유(14)의 출력 단부로부터 방출되는, 도 3의 광의 스펙트럼은 통상적으로 표면(16)에 입사되기 전에 신호 및 기생 파장 1070 및 1125± x nm를 각각 갖는다. 입사광의 적어도 일부는 공급 섬유(14) 내에 후면반사되며 공급 섬유는 이를 레이저 광원 쪽으로 안내한다.
AR 코팅(27)은 표면(16)으로부터 후면반사된 기생 광에 대해 비효율적이기 때문에, 기생 광을 레이저발진시킬 수 있는 공진기가 표면(16)과 이 광을 표면(16)으로 다시 재귀-반사시킬 수 있는 도 1의 시스템(10) 내의 임의의 형성부 사이에 형성된다. 예를 들어, 레이저 시스템(10)(도 1)의 개략도의 고반사율 섬유 브래그 격자(high reflectivity fiber Bragg grating: HRFBG)(26)는 도 2에 도시된 그 반사율 스펙트럼으로 인해 후면반사된 기생 광의 가장 큰 몫을 재귀-반사시킨다. HR FBG(26) 외에, 기생 파장에서의 후면반사된 광의 방향전환을 가능하게 하는 도 1의 스플라이스(24) 및 기타 내부 장애물은 당연히 고려해야 할 기여 요인이다.
공진기의 형성은 표면과 후면반사 형성부 사이의 게인 매체에 의해 경합된다. 따라서 게인 매체는 능동 섬유(22), 수동 섬유(18, 20) 및 공급 섬유(14) 또는 그 임의의 개별 부분을 구비하는 전체 도파관일 수 있다. 후자의 예는 Er 레이저가 기생의, 원치않는 Er 파장의 광을 증폭시키는 것이다. 기존의 것에 결합되는 임의의 추가 출력 섬유 및/또는 추가 증폭 캐스케이드는 오직 기생 파장의 광이 겪는 게인에 추가된다. 따라서, 외표면(16)으로부터 기생 파장의 광이 후면반사됨에 따라, 이 기생 공진기의 Q 값(quality factor)이 증가하고 기생 파장에서의 발생이 시작된다.
따라서, 외부 후면반사를 억제하고 Q 값을 감소시키기 위해 기생 공진기에서의 원치않는 광의 손실은 가능한 한 높은 것이 매우 바람직하다. 이 일반적인 요구 사항은 기생 파장의 광을 여과시킴으로써 충족된다.
여기에서의 문제는 기생 공진기 내에서 어디에 손실-유도 기구가 설치되어야 하는 것이다. 하기 시스템에서는 기생 파장에서의 후면-반사를 방지하기 위한 여러가지 시도가 이루어졌다.
예를 들어, 미국 특허 제7912099호는 섬유 레이저 광원을 구성하는 인접한 게인 블록 사이에 배치된 경사 섬유 브래그 격자(FBG)를 개시한다. 또한, 하나 이상의 FBG가 전달 섬유에 기입된다. 경사 FBG, 특히 출력된 광이 레이저 소스에서 방출된 후 자유 공간을 거쳐서 전파되어야 하는 섬유 레이저 시스템에 사용되는 FBG는 어떤 단점을 가질 수 있다. 예를 들어, FBG는 신호 파장에서 신호 광의 바람직하지 않은 손실을 유도하며; 그 반사 대역폭은 오히려 좁아서 후면반사된 기생 광의 상당 부분이 도파관을 따라서 반대 방향으로 전파될 수 있게 한다. 기생 파장의 후면반사된 광은 처리될 표면과 FBG 사이에서 전방 및 후면반사된 광 둘다에 대한 게인 매체로서 기능하는 공급 섬유를 따라서 안내된다. 전반적으로, 개시된 FBG의 구성은 유연하지 않고: 신호 파장의 광에 유해한 영향을 미치지 않으면서 이것을 더 깊게 및/또는 더 길게 만들 수 없다.
따라서, 기생 파장의 광의 손실을 유도하고, 공지된 파장 식별 요소보다 더 유연하게 구성된 파장 식별 기구를 제공하는 것이 바람직하다. 또한, 후면반사된 기생 광이 전달 섬유에 결합되기 전에 후면반사된 기생 광의 손실을 유도하는 파장 식별 부품으로 구성되는 섬유 레이저 시스템을 제공하는 것이 바람직하다.
기생 파장의 후면 반사된 방사선의 유해한 효과를 최소화하도록 작동하는 섬유 레이저 시스템의 또 다른 예가 미국 특허 제80813786호에 개시되어 있다. 개시된 레이저 시스템은 게인 스테이지 사이에 배치되고 전달 섬유에서 발생하는 기생 파장의 광을 감쇠시키도록 구성된 광학 부품을 포함한다. 그러나, 이 레이저 소스에서, 기생 파장의 광은 전달 섬유 내에서 반대되는 전후 방향으로 제어 불가능하게 전파되며 이는 전술한 모든 문제를 초래한다.
통상적으로, 이 특허에 개시된 것을 포함하는 산업용 섬유 레이저 광원에는 레이저 처리될 표면으로 광을 안내하는 전달 섬유가 제공된다. 일반적으로, 전달 섬유는 상당한 길이를 갖는다. 섬유 레이저 시스템 분야의 통상의 기술자는 섬유 길이가 길수록 SRS를 생성하기 위한 임계치가 낮아지는 것을 잘 알고 있다.
많은 섬유 레이저 시스템은 광을 원격 위치로 전달하고 따라서 종종 상당한 길이를 갖는 수동 프로세스 섬유를 구비한다. 수백 킬로와트에 달할 수 있는 높은 광도와 상당한 섬유 길이로 인해, 프로세스 섬유는 게인 매체 또는 라만-활성 매체로서 기능한다. 통상적으로, 고 파워 섬유 레이저 시스템에서, 프로세스 섬유는 빔 커플러 또는 빔 스위치와 같은 벌크 안내 광학 부품에 의해, 시스템의 출력 섬유에 연결되는 공급 섬유로부터 광을 수용한다. 제어되지 않은 상태에서, 기생 광은 전달 섬유로부터 매우 높은 파워 레벨로 방출될 수 있다. 이 바람직하지 않은 방출의 결과는 레이저 가공될 피가공물에 대한 원치않는 효과를 포함한다. 그러나 많은 산업상 적용은 기생 광의 존재를 허용하지 않는다. 또한, 피가공물에 입사되는 모든 기생 광이 흡수되지는 않는다. 따라서 피가공물로부터 후면반사된 기생 광의 일부는 공급 섬유에 결합되고 게인 블록 및 펌프를 향해서 전파된다. 이것은 기생 광이 게인 블록을 통해서 펌프 쪽으로 후방 전파되는 섬유 레이저 시스템과 관련하여 전술한 문제점을 제공한다.
따라서, 기생 광에 대한 "기생" 공진기 또는 게인 매체에서 기생 파장의 광 손실을 증가시키는 방법이 요구된다.
본 발명의 방법을 실행하고 "기생" 공진기에서 기생 파장의 방사선에 대한 손실을 증가시키도록 구성된 파장 식별 기구를 구비하는 섬유 레이저 시스템도 요구된다.
상기 요구는 공급 및 프로세스 섬유를 구비하는 전달 섬유 시스템 내부 또는 이 전달 섬유 시스템 외부에서 발산, 시준(collimated) 또는 집속된 빔에 파장 식별기(WD)를 배치하는 것을 포함하는 방법에 의해 충족된다. 개시된 섬유 레이저 시스템은 신호 광을 실질적으로 일체의 감쇠없이 전송하면서 기생 광의 손실을 유도하도록 구성된 파장 식별기(WD)로 전술한 방법을 실행한다. 본 명세서에 개시되는 방법 및 섬유 레이저 시스템은 신호 파장에서의 손실을 최소화하고 시스템의 출력 안정성에 대한 제어 불가능한 외부 파라미터의 영향을 실질적으로 제거함으로써 단일 모드(SM) 또는 다중 모드(MM) 중간-파워 및 고-파워 섬유 레이저 시스템에 이득이 된다.
본 개시의 일 양태에 따르면, 개시된 방법은 공급 섬유의 출력 단부와 처리될 표면 사이에 WD를 제공하는 단계를 포함한다. 그 결과, 기생 공진기 내에서 순환하는 기생 파장의 광은 신호 광의 더 높은 안정적인 출력 파워로 변환되는 비선형 효과에 대한 높은 임계치로 이어지는 손실을 겪는다.
본 발명의 다른 양태에서, 상기 이전 양태의 상기 개시된 방법은 또한 공진기에서 기생 파장의 후면반사된 광을 최소화하도록 WD를 선택하는 단계를 포함한다. WD는 전달 섬유 시스템의 출력부에 작동적으로 연결되는 빔 확장기에 결합된 다층 이색성(dichroic) 미러로서 구성된다. 신호 및 기생 파장의 광은 WD를 통과할 때 여과되기 전에 확장기 내의 자유 공간에 걸쳐서 전파된다. 이 구성은 특히 최대 수 kW 방사선을 출력하는 중간-파워 섬유 레이저 시스템에서 비배타적으로 유리하다.
상기 양태 중 임의의 것과 여전히 조합하여, 개시된 방법은 신호 또는 작동 및 기생 파장의 광이 WD에 의해 여과되기 전에 공급 섬유 및 자유 공간에 걸쳐서 전파되도록 WD를 커플러 및 빔 스위치와 같은 비-섬유 부품에 배치하는 단계를 추가로 포함한다. 이 양태는 단수 또는 복수의 프로세스 섬유가 기생 주파수가 실질적으로 없는 광을 피가공물로 안내하기 때문에 십 내지 백 kW 출력을 방사하는 고 파워 섬유 레이저 시스템에서 특히 유용하다.
본 발명의 또 다른 양태에서, 전술한 양태 중 임의의 양태의 방법은 기생 파장의 후면반사된 광뿐 아니라 섬유 전달 시스템의 상류에서 발생된 전방 전파 기생 광을 방지하는 단계를 포함한다. 기생 파장의 광은 두 개의 변수, 즉 섬유 레이저 시스템의 파라미터에 종속되고 따라서 일정한 하나의 내부 반사, 및 기생 파장의 가변 후면반사된 광의 함수인 다른 하나의 외부 반사의 합계에 의해 결정된다. 따라서, 후면반사된 기생 광이 공진기에 진입하는 것이 차단되면, 시스템의 출력에 포함된 기생 파장의 어떤 광이든지 이는 일정하고 따라서 쉽게 결정된다.
본 발명의 다른 양태에서, 상기 양태 중 임의의 양태의 WD는 신호/작동 파장의 광에 상당한 손실을 유도하지 않으면서 기생 공진기 내의 기생 파장의 후면반사된 광을 제거하기 위해 시준기의 광축에 대해 조절 가능한 각도로 배치된다.
또 다른 양태에 따르면, 상기 개시된 양태의 방법은 시스템 출력 광의 파워와 스펙트럼 및 기생 파장의 후면반사된 광의 파워를 측정하는 단계를 추가로 포함한다.
본 발명의 다른 양태는 전술한 양태 중 임의의 양태의 섬유 레이저 시스템 및 방법의 게인 매체에서 기생 광의 손실을 최대화하는 방법에 관한 것이거나 그것과 독립적이다.
개시된 섬유 레이저 시스템은 WD로 구성되며, 상기 양태의 각각 및 임의의 조합에 개시된 방법 또는 방법들을 실행한다.
상기 및 다른 양태는 도면을 참조한 하기 특정 설명에서 상세히 논의된다.
도 1은 종래 기술에 따른 섬유 레이저 시스템의 개략적인 광학 도시도이다.
도 2는 도 1의 1070 nm 파장에서의 고반사율 섬유 브래그 격자(HRFBG)의 반사 스펙트럼이다.
도 3은 라만 신호의 발생 도중의 도 1의 레이저의 방출 스펙트럼이다.
도 4는 기생 파장의 후면반사된 광을 재귀-반사시킴으로써 기생 파장의 광의 손실을 유도하도록 작동하는 WD를 구비한 개시된 섬유 레이저 시스템의 광학 개략도이다.
도 5는 도 4의 WD의 반사 스펙트럼이다.
도 6은 도 4의 WD를 갖거나 갖지 않는, SRS와 같은 비선형 효과에 대한 임계치를 결정하기 위해 사용되는 실험적 섬유 레이저 시스템의 개략도이다.
도 7a 내지 도 7c는 전달 섬유의 상이한 길이에서 도 6의 실험 시스템의 출력의 와트-암페어 특성을 도시한다.
도 8은 도 6의 시스템에서 라만 생성 임계치를 전달 섬유의 길이 함수로서 도시한다.
도 9의 (a) 및 도 9의 (b)는 SRS와 같은 비선형 효과에 대한 각각의 임계치에 대응하는 출력 파워에서 도 4의 WD를 갖거나 갖지 않는 도 6의 실험적 레이저 시스템에서의 HR FBG 상류에서의 방출 스펙트럼을 도시한다.
도 10은 도 4의 개시된 섬유 레이저 시스템에서 기생 라만 파장에서의 추가 광 손실을 이 광의 외부 반사의 함수로서 도시한다.
도 11은 기생 광의 외부 반사로부터, WD를 갖거나 갖지 않는 SRS와 같은 비선형 효과의 각각의 임계치에 대응하는 시스템(4) 출력 사이의 차이를 나타내는 출력 파워를 도시하며, 두 그래프는 각각 상이한 전달 섬유 길이를 갖는 섬유 레이저 시스템을 나타낸다.
도 12는 라만-활성 매체에서 기생 광의 손실을 유도하도록 구성되는 WD가 제공된 개시된 섬유 레이저 광학 시스템의 전체 개략도이다.
도 13은 도 12의 섬유 레이저 시스템의 상세 개략도이다.
도 14는 도 12 및 도 13의 섬유 레이저 시스템에서의 WD 설치 구조를 도시한다.
도 15는 도 12 및 도 13의 WD의 투과 스펙트럼이다.
도 16은 도 12 및 도 13의 WD를 갖거나 갖지 않는 개시된 섬유 레이저 시스템의 방출 스펙트럼이다.
도 17은 상이한 풀 파워에서의 WD를 갖거나 갖지 않는 도 13의 시스템의 레이저 스펙트럼을 도시한다.
이제 본 발명의 실시예를 상세히 참조할 것이다. 가능한 경우에, 동일하거나 유사한 부분 또는 단계를 나타내기 위해 도면 및 설명에서 동일하거나 유사한 참조 번호가 사용된다. 도면은 단순화된 형태이며 정확한 척도로 도시되어 있지 않다. "결합"이라는 용어 및 유사한 용어는 반드시 직접적이고 즉각적인 연결을 지칭하지 않으며 중간 요소 또는 장치를 통한 연결도 포함한다.
도 4는 본 개시의 여러 양태 중 하나를 도시한다. 도시된 바와 같이, 섬유 레이저 시스템(30)은 기생 공진기에서 기생 파장의 광의 손실을 최대화하는 본 발명의 방법을 실행하도록 구성된다. 기생 공진기는 시스템(30)의 작동 중에 게인 매체에 의해 형성되며, 게인 매체는 광을 반사하는 레이저-처리된 표면(16)과 후면반사된 광을 재귀-반사할 수 있는 전달 섬유(38)의 출력 단부 사이의 섬유 도파관 내의 임의의 형성부 사이에서 연장되는 섬유 도파관이다.
섬유 레이저 시스템(30)은 도 1의 시스템(10)과 유사하게 구성되며, 24에서 상호 접합되는 발광기-도핑된 능동 신호 섬유(22) 입력부, 수동 신호 섬유(18, 20) 및 수동 출력 섬유(21)로 구성되는 게인 블록(12)을 갖는 레이저 소스를 구비한다. 게인 블록(12)은 레이저 또는 증폭기로서 구성될 수 있으며, 예시의 목적으로, 이것은 각각의 수동 신호 섬유(18, 20)에 기입된 HR FBG(26)와 저반사율(LF) FBG(28) 사이에 형성된 섬유 레이저로서 구성된다.
빔 확장기(25)는 본 발명의 주요 개념 중 하나인 섬유 레이저 시스템(30)에서의 기생 파장의 광의 손실 유도를 실현하는 WD(32)로 구성된다. 특히, 도 4의 WD(32)는 기생 공진기에서 기생 광 손실을 증가시킨다. 기생 광의 손실이 공진기에서 증가할수록, SRS와 같은 비선형 효과에 대한 임계치가 더 높아지며, 이는 결국 시스템 광의 더 높고 더 안정적인 출력으로 이어지고 피가공물의 더 양호하게 가공된 표면(16)으로 이어진다.
레이저(12)는 공급 섬유(14)에서 기생 광을 발생시키기 위한 임계치를 초과하기에 충분한 광도 및 1070 nm의 중심 신호 λ1sl 작동 파장에서 신호광을 방출하는 준-연속 체제(quasi-continuous regime: QCW)에서 작동하는 단일 횡 모드(single transverse mode: SM) 패브리-페로(Fabri-Perrot) 발진기이다. 본 발명과 관련하여, 기생 광은 라만 산란의 결과이지만; 통상의 기술자가 쉽게 인식하듯이, 기생 파장의 광의 발생을 초래하는 다른 비선형 효과도 본 명세서에서 고려된다. 시스템 광을 다중 횡 모드로 출력하고, 능동 섬유(22)의 발광 이온의 형태에 의존하는 1070 nm와 다른 중심 파장에서 CW 또는 펄스형 체제로 작동하도록 구성될 수도 있다.
도 5에 도시되어 있듯이, WD(32)는 1070±2 nm 신호 파장(λ1)에서의 신호 광에 대해 투과적이다. 그러나, WD(32)는 기생 파장 λ3ebr에서 외부 후면 반사 광을 방지하고 이것을 다시 λ3eprr로 도시하듯이 표면(16)으로 재귀-반사시키도록 구성될 수 있다. WD(32)는 이색성 미러를 구비한다. 통상의 기술자에게 알려져 있듯이, 이색성 필터는 유리 기판 상에 조립되는 상이한 굴절률을 갖는 교호적인 광학 코팅 층으로 구성된다. 상이한 굴절률의 층과 고반사율(최대 99%)의 층 사이의 계면은, 선택적으로 광의 특정 파장을 보강하고 다른 파장과 간섭하는 단계적 반사를 생성한다. 층의 두께 및 개수를 제어함으로써, 필터의 통과대역의 파장이 튜닝될 수 있고 필요에 따라 넓게 또는 좁게 만들어질 수 있다. 원치않는 파장이 흡수되기보다는 반사되기 때문에, 이색성 필터는 작동 도중의 이 원치않는 에너지를 흡수하지 않으며, 이는 그렇지 않은 경우 필터의 매우 높은 온도 및 결국 필터의 혼동으로 이어진다.
WD(32)가 제공된 시스템(30) 내의 기생 파장의 전체 광은 두 개의 변수, 즉 WD로부터의 내부 반사된 광, 및 표면(16)과 같은 시스템 장애물의 내부 또는 외부에 있는 시스템으로부터의 외부 반사된 광의 합계이다. 내부 기생 광(λip)의 점유율은 R*D2/(2*L*A)2로 정의되며, 여기에서 D는 전달 섬유의 직경이고, R은 기생 파장에서의 WD의 반사 계수이며, A는 레이저 방사선의 NA이고, L은 레이저 광이 빔 확장기 내의 자유 공간에 걸쳐서 전파되는 거리이다. 공진기에 결합된 기생 파장의 외부 광은 내부 광에 전혀 영향을 미치지 않는다.
기생 파장 λepbr의 외부 발생된 기생 후면반사된 광의 점유율은 R1*(1-R)2으로서 결정되며, 여기에서 R1은 공진기에 결합되는 기생 파장에서의 후면반사된 광이다. 따라서, WD(32)의 반사율(R)을 조절함으로써 광의 이러한 점유율이 상당히 감소될 수 있고 심지어 실질적으로 제거될 수 있다. 예를 들어, R=0.95에서, 시스템(30)은 기생 파장에서의 광의 손실이 정상 WD를 갖는 도 1의 시스템(10)에 비해 400배 증가하는 것을 겪는다.
도 4로 돌아가서, WD(32)는 빔 확장기(25)와 같은 단부 커넥터의 출력 표면(40) 상에 코팅되고, 전방 및 후면반사된 전파 방향 둘 다로 전파되는 기생 광을 처리하도록 구성된다. 대안적으로, WD(32)는 대향 면 양자가 기생 파장의 광을 각각의 방향으로 반사하는 별개 요소일 수 있다. 특정 구성에 관계없이, WD(32)는 기생 공진기에서 기생 파장의 광에 대해 손실을 유도한다.
WD(32)는 빔 확장기(25) 내의 자유 공간에 걸쳐서 전방 전파 방향으로 전파되는 기생 파장 λ3ip의 내부 생성된 광을 이것이 WD(32)에 입사되기 전에 산란시킨다. 후면반사된 내부 생성된 기생 광 λ3ipbr의 미미한 부분만이 공급 섬유(14)의 코어 내에 다시 결합되며, 이 광의 가장 큰 몫은 청색 화살표로 도시하듯이 산란되고 섬유(14)의 코어에 진입하지 않는다. 그 결과, WD(32)는 물론 WD(32)의 반사 계수에 따라서 내부 생성된 기생 광에 의해 크게 영향받지 않는 표면(16)을 향한 내부 생성된 기생 광의 전파를 크게 최소화한다.
기생 파장 λ3epbr의 외부 생성된 후면반사된 광, 즉 WD(32)를 통해서 가까스로 전파된 내부 생성된 기생 광의 일부는 표면(16)으로부터 시스템(30)의 도파관 쪽으로 후면반사된다. 그러나, WD(32)는 후면반사된 광 λ3eprr을 재귀-반사시키며 따라서 외부 기생 광이 공진기에 결합되는 것을 최소화한다. WD(32)가 없는 상태에서, 공진기에 결합되어 증폭되면, 외부 생성된 기생 광은 후면반사된 방향으로 레이저(12)의 광학 부품을 손상시킬 수 있으며 이것이 도파관 내의 임의의 주어진 형태로부터 재귀-후면반사될 때 전방 방향으로 표면(16)에 해롭게 영향을 미칠 수 있다.
공지되어 있듯이, 레이저에서 광, 이 경우 기생 광의 생성은 공진기 내의 기생 광이 겪는 게인이 이 광의 손실과 동일할 때 발생한다. 따라서, SRS의 추가 손실은 더 높은 출력 파워로 이어진다. 하기 표는 상기 내용을 확인시켜주는 결과를 나타낸다.
WD
구조		 1070nm에서
섬유 코어 내로
후면반사		 1150nm에서
섬유 코어 내로
후면반사		 라만 생성 시작
시의 파워.
섬유 길이 36m		 라만 생성 시작 시의 파워.
섬유 길이 16m		 라만 생성 시작 시의 파워.
섬유 길이 6m
정상 -15.5 dB -15.5 dB 430 W 690 W 1030 W
개시된
구조		 -15.5 dB -39.8 dB 625 W 1027 W 1500 W
전술한 표로부터 후술하듯이, 개시된 WD를 갖는 시스템에서의 라만 생성을 위한 임계치는 전달 섬유의 길이가 양 시스템에서 동일하다면 정상 WD를 갖는 시스템에서보다 약 1.4배 내지 2배 높은 파워에서 발생한다.
시스템(30) 내의 개시된 WD에 의해 24.3 dB의 추가 손실이 도입된다고 가정한다. 기생 라만 광을 레이저발진하기 위한 임계치에 도달하기 위해서, 그 게인은 도 1의 시스템(10)의 그것보다 24.3/2 = 12.3 dB 높아야 한다. 후자는 방사선이 공진기 내로 후면반사될 때 손실이 한 번만 발생하는 반면에 공진기 내의 신호가 두 배 증폭되는 사실에 의해 설명된다.
상기 개시된 표의 데이터는 도 1 및 도 4 각각의 시스템과 유사한 도 6의 시스템(45)에 의해 얻어진 것이다. 특히, 레이저 소스는 기생 파장의 광에 대해 14㎛ 모드 필드 직경(mode field diameter: MFD)을 각각 갖는 수동 섬유(18, 20) 및 능동 섬유(22)를 구비한다. 소스는 QCW 체제에서 1070nm 신호 작업 파장에서 작동하고 1500W의 피크 파워를 출력하는 패브리-페로 공진기로 구성된다. 시스템의 출력 단부에는 SM 광 커넥터/빔 확장기(25)가 제공된다. 테스트는 통상의 코팅을 갖는 빔 확장기(25)와 1070nm에서의 신호 광에 대해 투과적이고 기생 광을 1115 내지 1150nm 사이의 스펙트럼 영역에서 반사시키는 개시된 WD(32) 사이를 번갈아서 이루어졌다. 라만 생성을 위한 레이저발진 임계치의 발생은 HR FBG26으로부터 상류에서의 레이저 방사선의 스펙트럼 및 방사선 파워 증가와, 판(34)으로부터 하류에서의 파워 측정기에서의 파워의 포화를 방사선 파워 증가의 출력부에서 결정함으로써 제어된다.
도 7a 내지 도 7c는 시스템의 출력 피크 파워를, 상기 표에 개시되고 상기 테스트 도중에 도 6의 실험 시스템(45)에 의해 얻어지는 전달 섬유(14)의 각 길이에서의 다이오드 펌프(38)에서의 입력 전류의 함수로서 도시한다. WD(32)를 갖는 개시된 시스템은 상당히 더 높은 피크 파워를 특징으로 한다.
도 8은 라만 생성 임계치를 전달 섬유(14)의 길이의 함수로서 도시한다. 본 개시의 개념적 기초를 확인하면, WD(32)를 갖는 개시된 시스템은 도 1의 시스템(10)의 임계치보다 상당히 높은 임계치를 갖는다.
도 9의 (a) 및 도 9의 (b)는 라만 생성을 촉발하는 파워에서의, 도 6의 시스템(45)의 HR FBG(26)로부터 상류에서의 레이저 방출의 각각의 스펙트럼을 도시한다. 도 9의 (a)는 개시된 WD(32)를 갖는 시스템(45)을 도시하며, 도 9의 (b)는 정상 WD를 구비하고 도 9의 (a)의 것보다 낮은 파워에서의 임계치를 특징으로 하는 시스템(45)을 도시한다.
상기 개시된 테스트 결과에 기초하여, WD(32)를 갖거나 갖지 않는 시스템(45)의 라만 생성에 대한 공진기 내의 손실 차이는 분명히 기생 파장에서의 후면반사된 광의 레벨에 좌우되고, 외부 및 내부 변수 사이의 차이와 동등하다. 도 10은 빔 확장기(25)에 WD(32) 및 정상 WD가 제공된 상태에서 도 6의 시스템(45)에서의 기생 광의 추가 손실의 그래프이다.
도 11은 개시된 시스템 및 종래 기술 시스템에서의 레이저 방출의 최대 출력 파워의 차이(Wods-Wopa)를, 비선형 효과에 대한 임계치에 도달하기 전의 후면반사된 기생 광의 레벨의 함수로서 도시한다. 청색 곡선은 4미터 길이의 전달 섬유가 제공된 이들 시스템 간의 출력 차이에 대응하는 반면에, 적색 곡선은 10미터 길이의 전달 섬유가 제공된 개시된 시스템 및 종래 기술 시스템에 대응한다. 전달 섬유의 코어에 결합된 대략 0.1%의 아주 작은 후면반사에서도, 최대 출력 파워의 차이는 약 150-200W이며, 이는 1000-1500W 범위에서의 공칭 출력 파워에 비해서 상당한 것이다.
요약하면, 상기 내용에 기초하여, 개시된 WD는 기생 파장에서의 후면반사된 광의 효과적인 억제의 결과로 공진기에서 기생 광의 상당한 추가 손실을 초래한다. 후면반사된 광의 억제는 공진기 내의 기생 광 발생을 위한 높은 임계치에 기여한다. 비선형 효과에 대한 임계치에 도달하기 전의 개시된 시스템과 종래 시스템의 출력 파워의 차이는 공진기에서 기생 광의 후면반사가 증가함에 따라 성장한다(도 11 참조). SM QCW 레이저의 경우에, 전달 섬유의 길이 및 후면 반사 레벨에 따라서, 이 차이는 750W 정도로 높을 수 있다.
도 12 및 도 13은 각각, 원칙적으로 도 4 내지 도 11의 레이저 시스템(30)에 사용될 수 있는 벌크 필터와 같은 이색성 WD(56)로 구성된 고 파워 섬유 레이저 시스템(50, 55)을 도시한다. WD(56)는 공급 섬유(14)와 광을 최종 목적지로 안내하는 수동 프로세스 섬유(62) 사이에 광통신을 제공하는 섬유-대-섬유 커플러(60)(도 12) 내에 설치될 수 있다. 대안적으로 WD(56)는 통상적으로 레이저 소스로부터의 방사선을 각각의 수동 프로세스 섬유(62)를 통해서 상이한 광 수용기에 분배하는 빔 스위치(54)(도 13)에 장착될 수 있다. 어느 경우에나, 공급 섬유(14)는 레이저 소스(12)의 수동 출력 섬유에 결합되고 기생 광을 위한 게인 매체로서 기능하는 반면에, 이색성 WD(56)는 전방 전파되는 기생 광을 프로세스 섬유/게인 매체(62)에 결합되기 전에 반사시키도록 작동한다. 게인 매체(62)에 결합되는 기생 광의 양은 신호 광을 급격하게 감쇠시키지 않으면서 이 기생 광의 최대 99%가 게인 매체에 진입하는 것을 방지할 수 있는 WD(62)의 반사 계수에 좌우된다.
구체적으로 도 12를 참조하면, 고 파워 섬유 레이저 시스템(50)은 레이저(12)로 제한될 수 있거나, 그 각각이 적어도 능동 섬유를 구비하지만 통상적으로 능동 및 두 개의 수동 입출력 섬유의 조합을 갖는 하나 이상의 증폭 캐스케이드 또는 게인 블록(52)을 가질 수 있다. 시스템 출력 광은 공급 섬유(14)에 결합되며, 공급 섬유는 시스템 출력 광을 공급 섬유(14)와 프로세스 섬유(62) 각각 사이의 자유 공간에 걸쳐서 광 통신을 제공하는 섬유-대-섬유 커플러(60)로 안내한다.
시스템(50)은 벌크 광 안내 및 빔 성형 유닛(58)을 추가로 구비한다. 시스템 출력 광은, 유닛(58)과 함께 그리고 가능하다면 다른 광학 부품과 함께 예를 들어 케이싱(60) 내에 수용될 수 있는 WD(56)에 입사된다.
신호 및 기생 광은 원치않는 광에 대한 추가 게인 매체로서 기능하는 프로세스 섬유(62)를 통해서 전파된다. 본 명세서에 전체가 참조로 원용되는 미국 특허 제7912099호의 경사진 섬유 격자로 시스템(50)이 구성되더라도, 프로세스 섬유(62)는 단독으로 또는 공급 섬유(14)와 조합되어, 라만과 같은 기생 광에 대한 게인 매체를 구성한다. 도 12 및 도 13으로부터 알 수 있듯이, 시스템(50)은 수백 미터 거리를 커버하는 전달(공급 및 프로세스) 섬유를 가질 수 있으며, 도시된 구성에 의해 통상적으로 수십 내지 수백 kW의 높은 전력 레벨에서 작동한다. 섬유 길이 및 광학 파워 밀도는 개별적으로 또는 서로 조합하여 기생 공진기의 존재함은 물론이고 기생 공진기가 없어도 기생 광의 발생에 우호적인 조건을 생성하는 시스템 특성이다. 전방 전파되는 방출된 기생 광이 표면(16)에 가할 수 있는 손상은 회복 불가능할 수 있다. 또한, 표면 처리 공정에 사용되는 경우에, 기생 공진기 및 후면반사된 기생 광의 유해한 역할은 무시될 수 없다. 따라서, 게인 매체에서 기생 광의 손실을 유도하는 것은 신호광 파장에서의 시스템 출력을 상당히 증가시키고 표면 처리의 품질을 향상시킨다.
구체적으로 도 13을 참조하면, 게인 매체(62)에서의 라만 생성을 최소화할 수 있는 WD(56)를 사용하는 장점은 섬유-대-섬유 커플러 대신에 빔 스위치(54)를 갖는 시스템(55)에서 테스트되었다. 시스템은 프로세스 섬유(62)의 출력 단부에 결합되는 빔 확장기(68)로부터 이격된 유닛(66)에 의해 실현되는 출력 빔의 스펙트럼 및 그 파워를 측정 및 제어하도록 작동한다. 프로세스 섬유는 공급 섬유(14)로부터의 레이저 발생된 광을 빔 스위치(54)를 거쳐서 수용하며 여기에서 광은 빔 스위치(54)의 하우징 내에 시준기(72) 및 WD(56)와 함께 장착된 미러(70)에 의해 안내되는 동안 자유 공간에 걸쳐서 전파된다.
레이저 시스템(55)은 프로세스 섬유(62)의 출력부에서 반사된 SRS 억제를 결정하기 위한 실험 시스템이다. WD(56)는 1050-1080nm 작업 파장의 신호 광을 투과시키고 1129-1200nm 파장의 기생 광을 반사하며 도 15에 도시된 바와 같은 투과율을 갖는 50mm 직경 및 2.5mm 두께의 판으로서 구성된다. WD(56)는 레이저(12)에 대한 반사된 SRS 방사선의 영향을 방지하기 위해 시준기의 광축에 대해 1°로 하우징에 장착된다. 따라서 반사된 SRS 빔은 공급 섬유(14)의 출력 단부로부터 3.5mm에서 편향된다.
실험 시스템(55)은
Figure 112019010314845-pct00001
100㎛, 112m 길이의 공급 섬유를 사용하여 31kW를 출력하도록 구성된다. 두 개의 테스트, 하나는 WD(56)를 갖고 다른 하나는 갖지 않는 테스트 결과 도 16에 도시된 바와 같이 각각 두 개의 스펙트럼이 도출되었다. SRS 레벨의 억제, 즉 이들 스펙트럼 사이의 차이는 1135nm에서 27dB이다. WD(56)를 갖거나 갖지 않는 상태에서 상이한 전체 출력 파워로 작동하는 동일한 시스템에서 추가 테스트가 이루어졌다. 그 결과가 도 17에 도시되어 있으며 이는 이색성 WD(56)의 설치로 인해 출력 파워를 30% 이상 증가시킬 수 있음을 보여준다.
본 개시를 개시된 예와 관련하여 설명했지만, 전술한 실시예에 대한 다수의 수정 및/또는 추가는 본 발명의 범위 및 사상으로부터 벗어남이 없이 레이저 기술 분야의 통상의 기술자에게 쉽게 자명할 것이다.

Claims (16)

  1. 섬유 레이저 시스템에서 기생 파장의 광의 손실을 유도하는 방법이며, 상기 섬유 레이저 시스템은 기생 파장과 다른 신호 파장의 광을 발생시키는 레이저 소스, 기생 및 신호 파장의 광을 안내하는 전달 섬유, 및 기생 파장의 광의 소정 부분을 반사시키고 신호 파장의 광을 투과시키도록 구성된 파장 식별기(WD)를 구비하고,
    상기 방법은 전달 섬유와 WD 사이에 자유-공간 광 통신을 제공하여, 섬유 레이저 시스템의 출력부에서 기생 파장의 광의 방출을 억제하는 단계를 포함하는, 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 기생 파장의 광의 방출을 억제하는 단계는 기생 파장에서의 전방 전파되는 광의 소정 부분 및 표면으로부터 반사된 기생 파장의 재귀-후면반사된 광을 후면반사시키는 단계를 포함하며, WD는 기생 파장의 반사된 광의 소정 부분을 결정하는 반사 계수를 갖는 이색성 필터이고, 신호 파장의 광은 단일 횡 모드 또는 다중 횡 모드로 방출되는, 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 전달 섬유의 출력 단부와 WD 사이에 자유 공간 광학 부품을 장착하는 단계,
    피가공물을 레이저 처리하는 단계를 추가로 포함하며,
    WD는, WD를 위한 것이 아니지만, 기생 파장의 광의 소정 부분을 후면반사하는 표면과, 후면반사된 광을 재귀-후면반사할 수 있는 섬유 레이저 시스템의 임의의 형성부, 및 상기 표면과 게인 매체로서 기능하는 형성부 사이의 섬유 길이 사이에 형성되는 기생 공진기에서 기생 파장의 광의 손실을 유도함으로써 기생 파장의 광의 방출을 억제하는, 방법.
  4. 제3항에 있어서, 자유-공간 광학 부품의 출력 표면 상에 WD를 코팅하여, 기생 파장의 소정 전방 전파 광을 후면반사시키는 단계로서, 자유-공간 광학 부품은 전달 섬유 필터의 출력 단부에 결합되는 빔 확장기를 구비하는, 단계; 및
    WD로부터 기생 파장의 광을 후면반사하는 동안, 기생 파장의 전방-전파 광의 일부를 전달 섬유로부터 멀리 편향시키는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 WD는 석영으로 제조된 빔 확장기인 자유-공간 부품의 출력 표면 상에 코팅된 다층 필름이고, 상기 WD는,
    상기 섬유 레이저 시스템에서 하지만 WD 없이 기생 광 손실을 수백 배 증가시키고,
    공진기에서 기생 파장의 광을 생성하기 위한 임계치에 도달하는데 필요한 섬유 레이저 시스템의 출력 파워를 WD가 없는 섬유 레이저 시스템에 비해서 1.4 내지 2배 이상 증가시키도록 구성되며,
    섬유 레이저 시스템은 이테르븀 이온으로 도핑되고 준-연속 체제에서 1070㎚ 신호 광 파장으로 작동하는 능동 섬유를 갖는 패브리-페로 섬유 발진기로 구성되며, WD는 Yb-도핑된 섬유 레이저에 대한 유도 라만 산란의 파장 범위에 대응하는 1115-1150nm 범위에서 99.6%보다 큰 반사 계수로 구성되는, 방법.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 자유-공간 광학 부품을 전달 섬유의 두 개의 서로 대향하고 이격된 내측 단부 사이에 결합시키는 단계로서, 레이저 소스와 자유-공간 광학 부품 사이의 전달 섬유의 길이는 공급 섬유이고 자유-공간 광학 부품 이후의 전달 섬유의 길이는 프로세스 섬유이며 자유 공간 광학 부품은 빔 스위치 또는 섬유-대-섬유 커플러인, 결합 단계;
    기생 파장 광의 전방 전파 방향으로 시준 유닛으로부터 하류의 거리에서 WD를 자유 공간 광학 부품의 하우징 내에 장착하는 단계로서, WD는 벌크 이색성 필터이며, 따라서 전달 섬유에서 기생 파장의 광의 손실을 유도하는, 장착 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서, WD를 광로의 평면에 대해 제어 가능하게 경사시켜, 기생 파장의 반사된 전방-전파 광의 일부를 전달 섬유로부터 멀리 편향시키는 단계를 추가로 포함하며, WD는 기생 파장의 광의 유도 방출 발생의 임계치에 대응하는 섬유 레이저 시스템의 출력 파워를 WD가 없는 동일한 섬유 레이저 시스템에 비해 30% 이상 증가시키는, 방법.
  8. 섬유 레이저 시스템이며,
    전방 전파 광을 신호 파장에서 단일 횡 모드 또는 다중 횡 모드로 생성하는 섬유 레이저 소스;
    상기 레이저 소스의 수동 출력 섬유와 접촉하는 전달 섬유로서, 신호 파장의 광은 수동 및 능동 신호 섬유, 출력 섬유 및 전달 섬유를 구비하는 섬유 도파관에 기생 파장의 광을 생성하기 위한 임계치를 초과하기에 충분한 광도를 가지며, 기생 파장과 신호 파장은 상이한, 전달 섬유; 및
    자유 공간에 걸쳐서 전달 섬유로부터 신호 및 기생 파장의 광을 수신하고 기생 파장의 광의 방출을 억제하도록 구성된 WD를 포함하는, 섬유 레이저 시스템.
  9. 제8항에 있어서, 상기 WD는 기생 파장의 전방 전파 광의 소정 부분을 반사시키는 반면에 신호 파장의 광을 투과시키도록 선택된 반사 계수로 구성되는 이색성 필터인, 섬유 레이저 시스템.
  10. 제8항 또는 제9항에 있어서, 상기 섬유 레이저 소스는 하나 이상의 게인 블록을 구비하고, 각각의 게인 블록은 능동 신호 섬유와 상기 능동 신호 섬유의 각각의 대향 단부에 접합되는 입력 및 출력 수동 신호 섬유의 조합을 가지며, 수동 출력 신호 섬유는 전달 섬유의 입력 단부에 접합되는, 섬유 레이저 시스템.
  11. 제8항 또는 제9항에 있어서, 전달 섬유와 WD 사이에 자유-공간 광학 부품을 추가로 포함하는, 섬유 레이저 시스템.
  12. 제11항에 있어서, 상기 자유-공간 광학 부품은 전달 섬유의 출력 단부에 결합되고 피가공물에서 시스템 출력 광을 트레이닝하도록 구성된 빔 확장기를 구비하며, 섬유 레이저 시스템의 작동 중에
    기생 파장의 광을 후면반사시키고, 후면반사된 광을 재귀-후면반사시킬 수 있는 도파관을 따르는 형성부, 및 피가공물과 형성부 사이에 도파관의 길이를 갖는 게인 매체와 함께 기생 공진기를 형성하며, WD는 빔 확장기의 출력 표면 상에 코팅되는 이색성 필름 필터이거나 벌크 이색성 필터이고 기생 파장의 전방 전파 광의 소정 부분을 소정 부분의 일부가 전달 섬유로부터 멀리 편향되는 상태로 반사시키며,
    기생 공진기에서 기생 파장의 광의 손실을 유도하기 위해 피가공물로부터 후면반사된 기생 파장의 광을 재귀-후면반사하는, 섬유 레이저 시스템.
  13. 제12항에 있어서, 상기 WD는 레이저 시스템 출력 광의 출력 파워를 기생 파장의 광을 생성하기 위한 임계치에 도달하기 전에 WD가 없는 섬유 레이저 시스템보다 1.4 내지 2배 이상 증가시키기에 충분하게 기생 공진기에서 기생 파장의 광의 손실을 유도하며, 게인 블록은 준-연속 체제에서 1060-1080㎚ 신호 광 파장으로 작동하는 패브리-페로 섬유 이테르븀 발진기를 구비하고, WD는 Yb-도핑된 섬유 레이저에 대한 유도 라만 산란의 파장 범위에 대응하는 1115-1150nm 범위에서 99.6%보다 큰 반사 계수로 구성되는, 섬유 레이저 시스템.
  14. 제8항 또는 제9항에 있어서, 자유-공간 광학 부품은 각각 하우징을 갖는 빔 스위치 또는 섬유-대-섬유 커플러로부터 선택되고, 전달 섬유의 두 개의 대향하고 이격된 내측 단부 사이에 배치되며, 레이저 소스와 자유-공간 광학 부품 사이의 전달 섬유의 길이는 공급 섬유이고 자유-공간 광학 부품 이후의 전달 섬유의 길이는 프로세스 섬유이며, 상기 하우징은 WD 및 WD로부터 후면반사 방향으로 이격되는 시준 유닛을 둘러싸는, 섬유 레이저 시스템.
  15. 제14항에 있어서, 상기 WD는 기생 파장의 광을 광로의 평면으로부터 멀리 편향시키기 위해 하우징 내에서 광로의 평면에 대해 경사 가능하게 장착되며, WD는 기생 파장의 광의 유도 방출 발생의 임계치에 대응하는 섬유 레이저 시스템의 출력 파워를 WD가 없는 동일한 섬유 레이저 시스템에 비해 30% 이상 증가시키는, 섬유 레이저 시스템.
  16. 제14항에 있어서, 시스템 출력 광의 파워, 기생 파장의 후면반사된 광의 파워, 및 시스템 출력 광의 스펙트럼을 측정하도록 구성된 측정 유닛을 추가로 포함하는, 섬유 레이저 시스템.
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