KR102373232B1 - 다단 스테이지 광스위치를 이용하는 펄스 레이저 발생장치 - Google Patents

다단 스테이지 광스위치를 이용하는 펄스 레이저 발생장치 Download PDF

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광주과학기술원
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Abstract

본 발명에 따른 펄스 레이저 발생장치에는, 펌프광을 생성하는 펌프광 생성부; 상기 펌프광 생성부의 출력을 레이저 이득 매질부로 출력하는 파장 분할기; 상기 레이저 이득 매질부에서 발생한 레이저를 일방향으로 출력하는 광고립기; 및 상기 광 고립기로부터 입력되는 광을 이용하여 펄스 레이저를 출사하는 멀티 스테이지 고속 광 스위치가 포함된다.

Description

다단 스테이지 광스위치를 이용하는 펄스 레이저 발생장치{PULSE LASER GENERATION APPARATUS USING MULTI-STAGE HIGH-SPEED OPTICAL SWITCH}
본 발명은 다단 스테이지 광스위치를 이용하는 펄스 레이저 발생장치에 관한 것이다.
레이저는 전자가 광자를 방출할 수 있도록 특정 물질에 적절한 에너지를 공급하고, 거울을 이용하여 광자가 특정 물질을 반복하여 지나게 함에 따라 레이저 광을 발생시키는 광원이다.
광원으로서 레이저는 광 통신 분야의 약진, 산업용 레이저에 대한 시장 및 수요 증가, 의료용 응용 기기에 대한 꾸준한 성장을 배경으로 지속적으로 개발되고 있다.
최근에는, 광섬유 레이저가 개발되어 다양한 분야에서 활용되고 있다. 광섬유 레이저는 우수한 레이저 빔 특성, 뛰어난 안정성, 유지 보수의 용이함 등의 장점에 기반하여 지속적으로 그 활용분야를 넓혀가고 있다. 특히, 펄스 레이저는 유도무기 교란 체계 파장변환 시스템의 핵심 광원으로 활용되고 있다.
상기 펄스 레이저 발생장치의 종래기술로는, SPIEDigitalLibrary.org/conference-proceedings-of-spie에 확인이 가능하고 SPIE LASE, 2018, San Francisco, California, United States에서 공개되는 Joonhoi Koo, Woojin Shin 공저의 'Nanosecond pulse generation from actively Q-switched thulium-doped fiber laser using a high-speed optical switch'를 참조할 수 있다.
상기 문헌은, 10:90의 광결합기(output coupler)를 추가로 사용하여 펄스 레이저를 발생하였다. 이 때문에 비용이 비싸지고, 응답성이 비교적 낮은 문제점이 있었다.
Joonhoi Koo, Woojin Shin, "Nanosecond pulse generation from actively Qswitched thulium-doped fiber laser using a high-speed optical switch," Proc SPIE 10512, Fiber Lasers XV: Technology and Systems, 105122E (26 February 2018); doi: 101117/122289247
본 발명은 별도의 광결합기를 사용하지 않는 펄스 레이저 발생장치를 제공한다.
본 발명에 따른 펄스 레이저 발생장치에는, 펌프광을 생성하는 펌프광 생성부; 상기 펌프광 생성부의 출력을 레이저 이득 매질부로 출력하는 파장 분할기; 상기 레이저 이득 매질부에서 발생한 레이저를 일방향으로 출력하는 광고립기; 및 상기 광 고립기로부터 입력되는 광을 이용하여 펄스 레이저를 출사하는 멀티 스테이지 고속 광 스위치가 포함된다.
상기 멀티 스테이지 고속 광스위치는, 상기 펄스 레이저를 출력하는 제 1 출력포트, 및 상기 파장분할기로 광을 출력하는 제 2 출력포트를 가진다.
상기 펄스 레이저는 나노초 단위로 구현될 수 있다.
상기 제 1 출력포트는 Q값을 변조하여 동작할 수 있다.
상기 Q값 변조를 전압제어에 의해 수행하는 제어부가 포함될 수 있다.
상기 파장 분할기, 상기 레이저 이득 매질부, 상기 광고립기, 및 상기 멀티 스테이지 고속 광 스위치는, 링 공진기를 이룰 수 있다.
본 발명에 따르면, 2단 고속 광 스위치를 통하여 펄스 레이저를 생성하므로 간단한 구조로 레이저 시스템 구성이 가능하다.
본 발명에 따르면, 고속 스위칭이 가능하여 kHz 반복률을 갖는 나노초 펄스 레이저를 생성할 수 있고, 나아가서, 고출력 레이저 공진기 시스템에도 적용이 가능하다.
본 발명에 따르면, 기존의 전기광학 변조기 보다는 저속이지만 고출력이 가능하고, 음향 광학 변조기 보다 저출력이지만 부피 및 구동 드라이버의 소형화가 가능하다
도 1은 실시예에 따른 2단 고속 광 스위치를 이용한 펄스 생성 장치를 설명하기 위한 블록도.
도 2(a)는 실시예에 사용한 2단 고속 광 스위치, 도 2(b)는 상기 스위치에 인가된 전기신호에 따른 광 신호의 반응 속도 측정값을 설명하기 위한 도면.
도 3는 실시예에 따른 2단 고속 광 스위치에 인가되는 2.9V의 peak-to-peak 변조 신호 주파수에 따른 펄스 레이저 출력 특성을 설명하기 위한 도면.
도 4는 실시예에 따른 단일 펄스 레이저 출력 특성을 설명하기 위한 도면.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 개시의 실시 예에 대해 상세히 설명한다. 본 발명의 실시예는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용한다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하거나 축소하여 도시한 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
나노초 수준의 레이저 펄스를 생성하기 위한 Q-스위칭 기술을 적용하기 위하여, 전기광학 변조기, 음향 광학 변조기 등을 공진기에 삽입하여 확보할 수 있다.
종래기술에서 살펴본 바와 같이, Q-스위칭 광섬유 레이저의 경우, 공진기에 출력 포트에 광 분할기를 삽입하는 형태가 일반적이다. 이에 반하여, 본 발명에서는 다단 스테이지 광 스위치를 어느 스테이지의 출력을 펄스 레이저의 출력 포트로 사용할 수 있다. 바람직하게 상기 다단 스테이지 광 스위치로는 2단 광 스위치를 적용할 수 있다. 상기 2단 광 스위치를 적용함으로서, 가장 저렴하게 펄스 레이저 발생장치를 구현할 수 있다. 상기 광 스위치가 2단 광 스위치에 제한되는 것은 아니다.
본 발명에서는, 멀티 스테이지 고속 광 스위치를 이용해서 고속으로 Q-스위칭 펄스 레이저를 생성시킬 수 있다. 이와 함께, 상기 스위치의 한쪽 포트를 출력 포트로 사용하여 별도의 광 분할기를 사용하지 않고, 간소화된 펄스 레이저 발생장치를 구현할 수 있다.
상기 멀티 스테이지 고속 광 스위치의 바람직한 예는 2단 고속 광스위치 일 수 있다. 이하의 설명에서 동일하다.
도 1은 실시예에 따른 멀티 스테이지 고속 광 스위치를 이용한 펄스 생성 장치를 설명하기 위한 블록도이다.
도 1을 참조하면, 실시예에 따른 펄스 레이저 발생 장치에는, 펌프광을 생성하는 펌프광 생성부(1), 상기 펌프광 생성부(1) 및 후술하는 다단 스테이지 고속 광 스위치(5)의 어느 스테이지의 출력을 단일포트로 출력하는 파장 분할기(2), 상기 파장 분할기(2)의 출력으로부터 레이저를 생성하는 레이저 이득 매질부(3), 레이저를 일방향으로 출력하는 광고립기(4), 및 멀티 스테이지 고속 광 스위치(5)가 포함될 수 있다.
상기 멀티 스테이지 고속 광스위치(5)는 2단 고속 광 스위치로 제공될 수 있다. 상기 멀티 스테이지 고속 광스위치(5)는 제어부(6)에 의해서 제어되어 펄스 레이저를 발생시킬 수 있다. 상기 멀티 스테이지 고속 광스위치(5)의 어느 출력포트는 펄스 레이저를 출력할 수 있다. 이때 상기 펄스 레이저는 나노초 단위로 구현할 수 있다. 이때 상기 어느 출력포트(제 1 포트)는 공진기의 Q값을 변조하는 것으로써, 동작할 수 있다. 상기 멀티 스테이지 고속 광스위치(5)의 다른 출력포트(제 2 포트)는 상기 파장분할기(2)로 출력할 수 있다.
상기 펌프광 생성부(1)는 어븀/이터븀 도핑(erbium/ytterbium-doped)으로 1550nm의 펌프광을 출력하는 광섬유 레이저를 사용할 수 있다.
상기 파장 분할기(WDM: Wavelength Division Multiplexer)(2)는 1550/2000nm의 파장분할기를 사용할 수 있다.
상기 레이저 이득 매질부(4)의 이득매질로는, 어븀(erbium　(Er3+)),　네오듐(neodymium(Nd3+)),　이터븀(ytterbium　(Yb3+)), 및 톨륨(thulium(Tm3+)) 중에서 선택되는 적어도 하나의 매질 또는 적어도 두 개 이상의 매질의 혼합을 사용할 수 있다.
상기 광 고립기(4)는, 광의 진행방향으로 나아갈 때는 빛을 통하고, 반사되어 광원을 향해서 빛이 되돌아가는 것을 차단하는 것으로서, 광 아이솔레이터라고도 한다. 이를 통하여 레이저광 등이 전송로의 도중에 있는 광부품에 반사되어 광원으로 돌아가 전송부품을 열화시키는 것을 방지할 수 있다.
상기 멀티 스테이지 고속 광 스위치(5)는 Q 스위칭 동작을 수행할 수 있다. 상기 펄스 레이저는 높은 일률을 가지기 때문에, 레이저 발진이 시작되자마자 곧 들뜬 상태를 소모해 버린다. 이 발진을 지연시켜 더 높은 밀도에 이르르게 될 때 비로소 발진을 진행시킬 수 있는 스위치를　광경로상에 설치하여 더 짧고 강력한 펄스를 만들 수 있는 데 이를　큐 스위칭(Q-switching)이라 한다.
상기 멀티 스테이지 고속 광 스위치(5)는, 미국등록특허 7,403,677(Fiber optic reconfigurable devices with beam shaping for low-voltage operation)에 적용되는 기술이 적용되어 구현될 수 있다. 상기 멀티 스테이지 고속 광 스위치(5)의 실제 제품의 예로는, AGILTRON사의 NanoSpeed Dual-stage 1x2 Series Fiber Optical Switch(SM, PM, High Power)가 사용될 수 있다.
실시예에 따른 펄스 레이저 발생장치의 동작을 설명한다.
상기 펌프광 생성부(1)에서 만들어진 펌프광은 파장 분할기(2)를 통하여 레이저 이득 매질부(3)에 흡수된다. 이후 레이저 이득 매질부(3)에서 자발 방출된 광은 광고립기(4), 멀티 스테이지 고속 광 스위치(5), 파장 분할기(2)를 통과한 후, 다시 레이저 이득 매질부(3)로 들어가 자극방출을 유도한다.
상기 구조가 광섬유 레이저에 적용됨으로써, 링 공진기라고 할 수 있다. 상기 멀티 스테이지 고속 광 스위치의 어느 출력포트(제 1 포트)는 펄스 레이저의 출력단으로 사용될 수 있다. 상기 제 1 포트는, Q값을 변조하는 것에 의해서 동작할 수 있다. 상기 Q값은 상기 제어부(6)에 의해서 전압제어 될 수 있다.
도 2(a)는 실시예에 사용한 2단 고속 광 스위치, 도 2(b)는 스위치에 인가된 전기신호에 따른 광 신호의 반응 속도 측정값을 설명하기 위한 도면이다. 2단 광 스위치 출력단에서 측정된 광의 rising time은 160ns falling time은 140 ns 정도로 나노초 레이저 구동에 충분한 값을 보여주고 있다.
도 3는 실시예에 따른 멀티 스테이지 고속 광 스위치에 인가되는 2.9V의 peak-to-peak 변조 신호 주파수에 따른 펄스 레이저 출력 특성을 설명하기 위한 도면이다.
200 kHz 반복률에서도 안정적인 펄스 레이저 출력을 보여줌을 확인할 수 있다.
도 4는 본 개시의 예시적 실시 예에 따른 단일 펄스 레이저 출력 특성을 설명하기 위한 도면이다. 펄스 폭은 약 160 ns으로 측정되었고, 단일 펄스의 반치폭 값은 10 kHz 부터 200 kHz 반복률 사이에서 동일한 값을 가짐을 확인할 수 있다.
본 발명에 따르면 간단한 구조로 펄스 레이저를 발생시킬 수 있다.
5: 다단 스테이지 광 스위치

Claims (5)

  1. 펌프광을 생성하는 펌프광 생성부;
    상기 펌프광 생성부의 출력을 레이저 이득 매질부로 출력하는 파장 분할기;
    상기 레이저 이득 매질부에서 발생한 레이저를 일방향으로 출력하는 광고립기; 및
    상기 광 고립기로부터 입력되는 광을 이용하여 펄스 레이저를 출사하는 멀티 스테이지 고속 광 스위치가 포함되고,
    상기 멀티 스테이지 고속 광스위치는,
    상기 펄스 레이저를 출력하는 제 1 출력포트, 및
    상기 파장분할기로 광을 출력하는 제 2 출력포트를 가지는 펄스 레이저 발생장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 펄스 레이저는 나노초 단위로 구현되는 펄스 레이저 발생장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 출력포트는 Q값을 변조하여 동작하는 펄스 레이저 발생장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 Q값 변조를 전압제어에 의해 수행하는 제어부가 포함되는 펄스 레이저 발생장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 파장 분할기, 상기 레이저 이득 매질부, 상기 광고립기, 및 상기 멀티 스테이지 고속 광 스위치는, 링 공진기를 이루는 펄스 레이저 발생장치.



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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20190084971A (ko) * 2016-11-24 2019-07-17 트럼프 사이언티픽 레이저스 게엠베하 + 코. 카게 포켈스 셀 결정의 여기

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KR20190084971A (ko) * 2016-11-24 2019-07-17 트럼프 사이언티픽 레이저스 게엠베하 + 코. 카게 포켈스 셀 결정의 여기

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Joonhoi Koo, Woojin Shin, "Nanosecond pulse generation from actively Qswitched thulium-doped fiber laser using a high-speed optical switch," Proc SPIE 10512, Fiber Lasers XV: Technology and Systems, 105122E (26 February 2018); doi: 101117/122289247

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