KR102402354B1 - 광섬유 루프를 이용한 펄스군 형성 장치 - Google Patents

광섬유 루프를 이용한 펄스군 형성 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른, 광섬유 루프를 이용한 펄스군 형성 장치는, 제1 광경로로 환산되는 제1 시간구간의 간격으로 레이저 펄스를 출력하는 펄스 광원과, 상기 레이저 펄스를 포함하는 입력광이 입력되는 입력단과, 상기 입력광을 출력광과 분리광으로 분리하여 출력하는 출력단을 포함하는 광커플러와, 상기 광커플러의 입력단과 출력단에 광학적으로 결합하고, 상기 분리광에 대하여 상기 광커플러와 함께 상기 제1 광경로보다 작은 제2 광경로를 제공하는 광섬유 루프를 포함하고, 상기 출력광은, 상기 제1 시간구간 내에서 복수의 펄스를 포함하는 펄스군으로 출력되는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 본 발명은, 하나의 추가적인 광섬유 루프를 이용하여 컴팩트하고 제작이 용이하며, 다양한 주파수의 고반복률 펄스군을 손쉽게 형성할 수 있는 효과가 있다.

Description

광섬유 루프를 이용한 펄스군 형성 장치{Apparatus for generating LASER pulse burst using fiber loop}
본 발명은 광섬유 루프를 이용한 펄스군 형성 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 하나의 추가적인 광섬유 루프를 이용하여 컴팩트하고 제작이 용이하며, 다양한 주파수의 고반복률 펄스군을 손쉽게 형성할 수 있는, 광섬유 루프를 이용한 펄스군 형성 장치에 관한 것이다.
유리, 실리콘, 세라믹 등의 취성기판을 절단하여 분리하거나, 또는 금속 및 비금속, 반도체 등을 아우르는 재료 구조의 변성 등 가공대상의 표면 또는 내부의 양태를 변경하는 방법으로서, 레이저 빔이 사용될 수 있다.
이러한 레이저를 이용한 가공대상의 변성은 화학적 변화 및 물리적인 파괴, 분해, 증발을 가져올 수 있고, 마이크로 패턴 등의 미소치수의 각인 등 정밀도를 요구하는 가공에서 적절히 사용될 수 있다.
최근 들어 수 피코초(ps, pico-second) 이하 수준의 펄스폭을 갖는 극초단 펄스 레이저가 연구분야 뿐 아니라 산업계에서도 각광받고 있다. 극초단 펄스 레이저는 수 펨토초(fs, femto-second) ~ 수 ps 수준의 매우 짧은 펄스폭을 갖는 펄스 레이저로서, 다양한 형태의 증폭 매질을 통해 구성이 가능하며, 크게 티타늄:사파이어(Ti:Sapphire)를 증폭 매질로 사용하는 780 nm 중심파장의 벌크 타입 레이저와 에르븀(Er, Erbium) 또는 이터븀(Yb, Ytterbium) 이온 첨가 광섬유를 기반으로 하는 1550 nm 또는 1040 nm 중심파장의 광섬유 기반 레이저로 나눌 수 있고, 광섬유를 기반으로 하는 극초단 펄스 레이저의 경우에는 환경에 둔감하고 부피가 작으며 유지보수가 수월하고 증폭 시스템의 경우 광섬유 자체의 우수한 발열 특성으로 인해 수십 W 이상의 평균출력과 수십 MHz이상의 반복률 시스템도 수월하게 구성이 가능한 장점이 있다.
산업에서 널리 쓰이고 있는 광섬유 기반 극초단 펄스 레이저가 갖는 평균출력은 수 W ~ 수십 W 수준이며, 가공에 요구되는 펄스 에너지는 수십 μJ 수준이다. 따라서 구현이 용이한 평균출력 하에서 원하는 펄스 에너지를 확보하기 위해, 레이저의 반복률은 수백 kHz ~ 1 MHz로 낮게 조정되어 활용된다.
이와 관련하여, 종래기술로서 비특허문헌1에는 수백 MHz 이상의 고반복률 펄스군(pulse burst)의 우수한 비열가공 성능이 개시되어 있다. 이에 따르면, 펄스의 반복률(또는 주파수)이 충분히 높은 경우 펄스 간 시간 간격이 좁아서 레이저 펄스로 인해 발생한 열이 미처 확산되기 전에 다음 펄스가 입사하게 되는데, 이 때문에 물질이 제거되면서 열에너지도 함께 제거되어 가공 주변부의 열 데미지가 최소화된다. 동시에 가공 시점에서 가공부의 온도가 높게 유지되는 관계로 적은 펄스에너지로도 가공 온도에 도달할 수 있어 기존 레이저 대비 10배 이상의 월등한 물질 제거율(ablation rate) 특성을 보인다. 참고로, GHz 수준의 고반복률을 전 시간대역에서 유지할 경우 구현 가능한 평균출력 제한으로 인해 펄스 당 에너지가 극히 낮아지게 되며, 이는 일부 펄스군에 에너지를 집중시키는 형태로 보완한다. GHz 수준으로 반복률이 높아진 펄스열은 최종 증폭기로 진입하기 전에 음향광학변조기(AOM, acousto-optic modulator) 등의 장치를 지나면서 펄스군들이 수십 kHz ~ 수 MHz 수준의 반복률을 갖도록 선별되고 나머지 펄스군은 필터링된다. 여기에서 하나의 고반복률 펄스군은 수십~수백개의 GHz 펄스들로 구성된다.
이러한 고반복률 펄스군이 생체시편 가공 및 수술에 활용될 경우 물질 제거 효율이 우수하여 빠른 조치가 가능할 뿐 아니라 가공 주변부의 세포 생존율이 높아 수술 후 회복 시간을 줄일 수 있다는 장점이 있다. 또한 산업응용에 있어서도 디스플레이 리페어 등 가공 주변부의 열데미지 이슈가 중요한 분야에 최적의 성능을 보일 것으로 기대된다.
펄스군을 형성 방법에 관한 종래기술로서 특허문헌1에는 다중의 광섬유 결합/분할 엘리먼트(3, 4)와 분산보상유닛을 활용하여 고반복률 펄스군을 형성하는 방법이 제시되어 있다.
도 1에는 종래기술로서 특허문헌1에 따른 고반복률 펄스군을 형성하는 구조가 도시되어 있다.
그러나 도 1에 따르면, 특허문헌1은 수십 MHz 수준의 레이저 반복률을 수 GHz 수준으로 높이기 위해서는 다단의 광섬유 결합/분할 엘리먼트(3, 4)와 분상보상 유닛이 필요하다. 일례로 27 MHz의 반복률을 3.456 GHz로 높이기 위해서는 일곱 쌍의 서로 다른 길이의 광섬유 결합/분할 엘리먼트(3, 4) 쌍과 분상보상유닛이 필요하며 이 때문에 시스템의 복잡도가 증가하는 문제가 있다.
또한, 각 분상보상 유닛은 각 광섬유 결합/분할 엘리먼트(3, 4) 쌍 내의 분산량 차이를 정밀하게 보상해 주는 역할을 하는데, 각 섬유 결합/분할 엘리먼트(3, 4) 쌍의 길이가 다르기 때문에 분상보상 유닛 역시 각기 다른 양으로 최적화되어야 하는 번거로움이 있다. 이와 더불어, 특허문헌1의 종래기술은 수십 MHz에 해당하는 레이저 공진기의 펄스 에너지를 수 GHz 수준으로 재분배하는 개념으로, 이로 인해 펄스 당 광량이 수십~ 수백 배 이상 낮아져 추후 이를 보완하기 위한 추가 증폭이 필수적이다. 그리고 고반복률 펄스군(2, 8, 10) 내에 펄스 수는 광섬유 결합/분할 엘리먼트(3, 4) 유닛의 수에 의해 결정되기 때문에 시스템 구성 후에는 펄스군(2, 8, 10) 내 펄스 수 조정이 불가능한 문제점이 있다.
도 1을 참조하면, 특허문헌1에 따른 펄스군 형성 구조는, 한 쌍의 광섬유 분할/결합 엘리먼트(3, 4)와 이들로 인해 형성된 두 광섬유 암(arm, 5, 6, 7, 9)을 하나의 기본 유닛으로 삼고 있으며, 이를 다단으로 연결하여 원하는 고반복률 펄스군(2, 8, 10)을 형성한다. 펄스 광원(20)으로부터 레이저 펄스(1)가 기본 유닛으로 입력될 때, 기본 유닛 내의 두 광섬유 암(5, 6)의 길이에 차이를 두면 펄스 간 시간 지연이 발생하기 때문에, 광섬유 결합 엘리먼트(4)를 통과한 두 펄스는 하나로 합쳐지지 않고 시간 옵셋을 두고 두 펄스로 진행하게 된다. 광섬유 암(5, 6, 7, 9)의 길이 차가 작을수록 펄스 간 시간 옵셋이 줄어들며, 길이 차를 수 cm 이하로 조절하면 GHz 이상의 고반복률 펄스군(2, 8, 10)을 형성할 수 있다. 이때 광섬유 길이 차이로 인해 발생하는 분산의 차이는 이종 광섬유 등을 조합하는 형태로 보상이 가능하다. 광섬유 암(5, 6, 7, 9)의 길이차가 서로 다르게 셋팅된 n 개의 유닛을 조합하면 2n개의 펄스를 갖는 고반복률 펄스군(2, 8, 10)이 형성된다.
도 1에 도시된 특허문헌1의 경우 서로 다른 길이를 갖는 다단의 광섬유 결합/분할 엘리먼트(3, 4) 쌍과 분상보상 유닛이 필요하고, 낮아진 펄스 에너지를 회복시키기 위한 추가 증폭단이 요구되며, 일단 시스템 구성이 완료된 후에는 펄스군(2, 8, 10) 내 펄스 수 조정이 불가하다는 단점이 있다.
특허문헌1 외에도 펄스군을 형성하는 종래기술의 구조는 도 2 및 도 3에 도시되어 있다.
도 2는 종래기술로서 일반적인 극초단 펄스 레이저의 펄스 흐름도를 도시하고 있다.
펄스 광원(20)인 통상적인 광섬유 공진기는 수십 MHz ~250 MHz 수준의 반복률을 갖는 펄스열을 생성한다. 이후 생성된 펄스는 필요에 따라 펄스 스트레처(pulse stretcher)나 여러 단의 사전 증폭단(30)을 거친 후, 펄스 선택유닛(40)을 통과하며 반복률이 낮아진 펄스군은 주증폭기(50)를 통하여 원하는 크기로 증폭된다. 광섬유 기반 증폭 시스템에서 얻을 수 있는 평균출력에는 한계가 있기 때문에 펄스 에너지와 첨두 출력을 높이기 위해 반복률을 낮춰 펄스당 에너지를 높이는 과정이 일반적으로 수반된다.
도 3은 종래기술로서 일반적인 극초단 펄스 레이저 내부에 반복률 승수기(60, repetition multiplier)가 위치하는 경우의 펄스 흐름도를 도시하고 있다. 이 구조에서는 펄스 광원(20)에서 출력되는 레이저 펄스는 반복률 승수기(60)를 거치면서 반복률 승수만큼 펄스의 세기가 약해지기 때문에 사전증폭기(30) 같은 추가 증폭단을 통한 증폭이 요구된다. 이후 마찬가지로 펄스 선택유닛(40)을 지나면서 펄스군의 반복률이 낮게 조정된다.
공개특허공보 제10-2019-0093652호
Can Kerse. "Ablation-cooled material removal with ultrafast bursts of pulses", Naure. 1 Sep. 2016, VOL 537, pp.84-89
따라서 본 발명은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 하나의 추가적인 광섬유 루프를 이용하여 컴팩트하고 제작이 용이하며, 다양한 주파수의 고반복률 펄스군을 손쉽게 형성할 수 있는, 광섬유 루프를 이용한 펄스군 형성 장치를 제공하는 데에 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은, 고반복률 펄스군 형성시에 실제 활용되는 펄스에 에너지를 집중시켜 펄스 손실 및 에너지 손실을 최소화할 수 있는, 광섬유 루프를 이용한 펄스군 형성 장치를 제공하는 데에 그 목적이 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른, 광섬유 루프를 이용한 펄스군 형성 장치는, 제1 광경로로 환산되는 제1 시간구간의 간격으로 레이저 펄스를 출력하는 펄스 광원; 상기 레이저 펄스를 포함하는 입력광이 입력되는 입력단과, 상기 입력광을 출력광과 분리광으로 분리하여 출력하는 출력단을 포함하는 광커플러; 상기 광커플러의 입력단과 출력단에 광학적으로 결합하고, 상기 분리광에 대하여 상기 광커플러와 함께 상기 제1 광경로보다 작은 제2 광경로를 제공하는 광섬유 루프를 포함하고, 상기 출력광은, 상기 제1 시간구간 내에서 복수의 펄스를 포함하는 펄스군으로 출력되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 펄스군 형성 장치는, 상기 제2 광경로 내에 배치되고, 광펌핑 출력으로 제어되는 증폭도로 상기 분리광을 증폭하는 증폭 매질과, 상기 증폭 매질에 인접하게 배치되어 상기 증폭 매질에 상기 광펌핑 출력을 인가하는 펌핑 소스를 포함하는 펌프 유닛을 포함하고, 상기 광펌핑 출력은 상기 제1 시간구간 보다 작은 제2 시간구간 동안 상기 증폭 매질에 인가될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 펄스군 형성 장치는, 상기 광펌핑 출력은, 상기 출력광의 펄스군의 엔벨로프가 평탄(flat-top)하게 출력되는 구간을 갖도록 상기 펌프 유닛을 제어하는 임계 출력 레벨로 인가될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 펄스군 형성 장치는, 상기 광펌핑 출력은, 상기 출력광의 펄스군의 엔벨로프가 평탄(flat-top)하게 출력되는 구간을 갖도록 상기 광증폭기를 제어하는 임계 출력 레벨보다 더 큰 출력레벨로 인가될 수 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 다른 실시예에 따른, 광섬유 루프를 이용한 펄스군 형성 장치는, 제1 광경로로 환산되는 제1 시간구간의 간격으로 레이저 펄스를 출력하는 펄스 광원; 상기 레이저 펄스를 포함하는 입력광이 입력되는 입력단과, 상기 입력광을 출력광과 분리광으로 분리하여 출력하는 출력단을 포함하는 광커플러; 상기 광커플러의 입력단과 출력단에 광학적으로 결합하고, 상기 분리광에 대하여 상기 광커플러와 함께 상기 제1 광경로보다 큰 제2 광경로를 제공하는 광섬유 루프를 포함하고, 상기 출력광은, 상기 제1 시간구간 내에서 복수의 펄스를 포함하는 펄스군으로 출력되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 펄스군 형성 장치는, 상기 제2 광경로 내에 배치되고, 광펌핑 출력으로 제어되는 증폭도로 상기 분리광을 증폭하는 광증폭기를 포함하고, 상기 광펌핑 출력은 상기 제1 시간구간보다 긴 제3 시간구간 동안 시간에 따라 점차 증가할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 펄스군 형성 장치는, 상기 광펌핑 출력은, 상기 출력광의 펄스군의 엔벨로프가 평탄(flat-top)하게 출력되는 구간을 갖도록 상기 광증폭기를 제어하는 임계 기울기로 증가할 수 있다.
본 발명에 따른 펄스군 형성 장치는, 상기 제2 광경로 내에 배치되고, 상기 분리광의 퍼짐 현상을 보상하기 위한 분산보상 유닛을 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 펄스군 형성 장치는, 상기 분산보상 유닛은, 분산보상 광섬유 또는 회절격자를 포함하여 구성될 수 있다.
본 발명에 따른 펄스군 형성 장치는, 상기 제1 시간구간마다 출력되는 펄스군들 중에서 하나의 펄스군을 주기적으로 선택하는 펄스 선택유닛을 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 펄스군 형성 장치는, 상기 광커플러의 전단 혹은 후단에 배치되고, 상기 출력광의 펄스군 내 각각의 펄스를 시간축으로 펼쳐주는 펄스 스트레처; 상기 광커플러의 전단 또는 후단, 상기 펄스 스트레쳐의 전단 또는 후단, 또는 상기 펄스 선택유닛의 전단 또는 후단에 배치되어 상기 펄스를 증폭하는 적어도 하나 이상의 사전증폭기; 및 상기 사전증폭기의 후단에 배치되고, 상기 펼쳐진 펄스를 압축하는 펄스 압축기를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른, 광섬유 루프를 이용한 펄스군 형성 장치는, 하나의 광섬유 루프를 추가하고 내부 증폭 매질에 인가되는 펌프 레이저를 조절하여 컴팩트하고 제작이 용이하며 경제적인 고반복률 펄스군을 형성할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른, 광섬유 루프를 이용한 펄스군 형성 장치는, 하나의 추가 광섬유 루프의 길이 조절을 통해 손쉽게 다양한 주파수의 고반복률 펄스군을 형성할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른, 광섬유 루프를 이용한 펄스군 형성 장치는, 고반복률 펄스군 형성시에 실제 활용되는 펄스에 에너지를 집중시켜 펄스 손실 및 에너지 손실을 최소화하는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른, 광섬유 루프를 이용한 펄스군 형성 장치는, 광섬유 루프 내 펄스 증폭 제어를 통하여 고반복률 펄스군 내에 위치하는 펄스의 개수를 임의로 세팅할 수 있는 효과가 있다
도 1은 종래기술에 따른 고반복률 펄스군 형성장치의 구성도이다.
도 2는 종래의 가공용 광섬유 펄스 레이저의 기본 구성도이다.
도 3은 종래의 고반복률 펄스군을 형성하는 가공용 광섬유 펄스 레이저 구성도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른, 광섬유 루프를 이용한 펄스군 형성 장치의 구성도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 펄스군 형성 장치에 적용되는 광섬유 공진기와 광섬유 루프의 구성도이다.
도 6은 도 4에 도시된 본 발명의 일 실시예에서 광경로(OPL, optical path length)가 L1 인 광섬유 공진기와 광경로가 L2 (L1 >> L2)인 광섬유 루프로 인해 형성되는 고반복 펄스군의 공간상 분포도이다.
도 7은 도 4에 도시된 본 발명의 일 실시예에서 펌핑 파워 조절에 따른 광섬유 루프 내 펄스 수, 광섬유 루프 인근 펄스의 시간상 분포도이다.
도 8은 도 4에 도시된 본 발명의 일 실시예에서, 평탄한(flat top) 펄스군을 형성하는 광펌핑을 가해줬을 시의 고반복률 펄스군과, 이를 펄스 선택유닛을 통해 선별하여 출력하는 동작을 보여주는 개념도이다.
도 9는 도 5에 도시된 본 발명의 다른 실시예에서 광경로(OPL)가 L1 인 광섬유 공진기와 광경로(OPL)가 L1 + L2 (L2 >> L1)인 광섬유 루프로 인해 형성되는 고반복 펄스군의 공간상 분포도이다.
도 10은 도 5에 도시된 본 발명의 다른 실시예에서 펌핑 파워 조절에 따른 광섬유 루프 내 펄스 수, 광섬유 루프 인근 펄스의 시간상 분포도이다.
도 11은 도 5에 도시된 본 발명의 다른 실시예에서, 평탄한(flat top) 펄스군을 형성하는 광펌핑 출력을 가해줬을 시의 고반복률 펄스군과, 이를 펄스 선택유닛을 통해 선별하여 출력하는 동작을 보여주는 개념도이다.
도 12는 본 발명에 따른 펄스군 형성 장치의 상세 구성도이다.
본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 이하의 상세한 설명은 예시적인 것에 지나지 않으며, 본 발명의 바람직한 실시예를 도시한 것에 불과하다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른, 광섬유 루프(100)를 이용한 펄스군 형성 장치의 구성도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른, 광섬유 루프(100)를 이용한 펄스군 형성 장치는, 제1 광경로로 환산되는 제1 시간구간의 간격으로 레이저 펄스를 출력하는 펄스 광원(200)과, 레이저 펄스를 포함하는 입력광이 입력되는 입력단과, 입력광을 출력광과 분리광으로 분리하여 출력하는 출력단을 포함하는 광커플러(700)와, 광커플러(700)의 입력단과 출력단에 광학적으로 결합하고, 분리광에 대하여 광커플러(700)와 함께 제1 광경로보다 작은 제2 광경로를 제공하는 광섬유 루프(100)를 포함하여 구성될 수 있다. 이때, 출력광은 제1 시간구간 내에서 복수의 펄스를 포함하는 펄스군으로 출력되는 것을 특징으로 한다.
펄스 광원(200)은, 극초단 펄스 레이저를 출력하는 광원으로서, 티타늄:사파이어(Ti:Sapphire)나 엔디야그(Nd:YAG)등의 크리스탈을 증폭 매질(112)로 사용하는 벌크 타입 레이저 광원일 수 있거나, 광경로(OPL, optical path length)의 길이가 L1 인 광섬유 공진기(200)로 구성된 광원일 수 있다. 여기에서, 광섬유 공진기(200)에서 출력되는 레이저 펄스의 간격은 공간적으로 L1 이고 시간적으로는 제1 시간구간(L1/c, c는 광속)으로 환산될 수 있다. 또한 광섬유 공진기(200)는 링 타입, 리니어 캐비티 타입 등 광섬유 기반으로 펄스를 형성하는 다양한 타입을 지칭한다. 이하에서는 광섬유 공진기(200)가 펄스 광원(200)으로 사용되는 경우를 예로 들어 설명하기로 한다.
광커플러(700)는, 펄스 광원(200)으로부터 출력된 레이저 펄스를 전송하는 광섬유와 광섬유 루프(100)를 광학적으로 결합시키는 구성요소로서, 레이저 펄스를 포함하는 입력광이 입력되는 입력단과, 입력광을 출력광과 분리광으로 분리하여 출력하는 출력단을 포함하여 구성된다. 여기에서 광커플러(700)의 입력단에 입력되는 입력광은 펄스 광원(200)으로부터 출력된 레이저 펄스 및 광섬유 루프(100)로부터 입력되는 펄스이고, 광커플러(700)의 출력단에서는 입력광으로부터 소정의 분리도로 분리되어 광섬유 루프(100)로 입력되는 분리광과, 입력광에서 분리광이 제외된 후 후단의 광학 소자로 전송되는 출력광이 출력된다. 따라서, 광커플러(700)는 입력단과 출력단의 단자수가 각각 2개씩 구성된 2×2 광커플러일 수 있다. 또한 이는 입력단 출력단 단자수가 2×1 및 1×2 인 두 광커플러의 조합으로도 구성할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서의 광섬유 루프(100)는, 광커플러(700)의 입력단과 출력단에 광학적으로 결합하고, 광커플러(700)와 함께 광섬유 공진기(200)의 제1 광경로(L1)보다 길이가 짧은 제2 광경로(L2)를 제공한다. 이때, 제2 광경로(L2)는 제1 광경로(L1)보다 훨씬 짧은 길이로 형성된다(L2 << L1).
광섬유 공진기(200)에서 형성된 펄스는 광섬유 루프(100)를 지나며 다수의 연속된 펄스군(succession pulses)으로 변환되어 진행한다. 도 4를 참고하면, 하나의 펄스군을 이루는 펄스열의 간격은 공간적으로 L2 이고 시간적으로는 L2/c 로 환산될 수 있다. 이후 마찬가지로 펄스 선택유닛(400)을 지나면서 펄스군의 반복률이 낮게 조정된다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 펄스군 형성 장치의 광섬유 루프(100)는, 분리광을 증폭하도록 제어되는 펌프 유닛(110)과, 분리광이 한쪽 방향으로만 진행되도록 제2 광경로에 배치되는 아이솔레이터(130)와, 제2 광경로 내에 배치되고 분리광의 퍼짐 현상을 보상하기 위하여 분산보상 광섬유 또는 회절격자를 포함하는 분산보상 유닛(120)을 더 포함하여 구성될 수 있다.
여기에서 펌프 유닛(110)은, 제2 광경로 내에 배치되고 광펌핑 출력으로 제어되는 증폭도로 분리광을 증폭하는 증폭 매질(112)과, 증폭 매질(112)에 인접하게 배치되어 증폭 매질(112)에 광펌핑 출력을 인가하는 펌핑 소스(111)와, 광펌핑 출력에 의한 여기광이 증폭 매질(112) 내로 입사되도록 펌핑 소스(111)와 증폭 매질(112)을 광학적으로 결합시키는 광결합 소자를 포함하여 구성되고, 광결합 소자는 파장이 서로 다른 분리광과 여기광이 혼합되어 증폭 매질(112)로 입사되도록 구성된 파장분할 다중화기(113, WDM, wavelegth division multiplexer)일 수 있다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 펄스군 형성 장치는, 광섬유 루프(100)를 거쳐서 출력되는 펄스군을 증폭하는 사전증폭기(300)와, 제1 시간구간마다 출력되는 펄스군들 중에서 하나의 펄스군을 주기적으로 선택하는 펄스 선택유닛(400)과, 펄스 선택유닛(400)을 거쳐서 선별된 펄스군들을 증폭하는 주증폭기(500)를 더 포함하여 구성될 수 있다.
사전증폭기(300)와 주증폭기(500)는, 펄스군의 펄스들이 원하는 첨두치를 갖도록 펄스의 크기를 증폭시킨다. 사전증폭기(300) 및 주증폭기(500)는 모두 펄스를 증폭시키는 펄스 증폭기의 일종이나, 주증폭기(500)는 펄스의 흐름상 제일 후단에 위치하여 레이저의 최종 특성을 결정짓는 펄스 증폭기를 지칭하며, 통상적으로 그 앞단의 하나 이상의 펄스 증폭기들은 사전증폭기(300)로 통칭할 수 있다.
도 4에는, 사전증폭기(300)가 광커플러(700)와 펄스 선택유닛(400) 사이에 배치된 형태가 도시되어 있으나, 사전증폭기(300)의 배치 위치는 이에 한정되는 것이 아니며, 광커플러(700)의 전단 또는 후단, 펄스 선택유닛(400)의 전단 또는 후단, 또는 후술하는 펄스 스트레처(800)의 전단 또는 후단에 적어도 하나 이상 배치될 수 있다. 이하에서는 설명의 편의를 위하여 하나의 사전증폭기(300)가 광커플러(700)와 펄스 선택유닛(400)의 사이, 또는 펄스 스트레처(800)와 펄스 선택유닛(400) 사이에 배치된 경우를 예로 들어 설명한다.
펄스 선택유닛(400)은, 제1 시간구간마다 출력되는 펄스군들 중에서 특정 펄스군을 주기적으로 선별하여 출력하는 구성요소로서, 음향광학변조기(AOM, acousto-optic modulator)나 전기광학변조기(EOM, electro-optic modulator)등을 통하여 구현될 수 있다. 펄스 선택유닛(400)을 이용하여 고반복률 펄스군의 반복률을 수백 kHz에서 수 MHz, 혹은 임의의 주파수 값으로 셋팅할 수 있다.
이상에서는 광섬유 루프(100)의 광경로의 길이가 광섬유 공진기(200)의 제1 광경로(L1)보다 훨씬 짧은 제2 광경로(L2)로 형성되는(L2 << L1), 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 광섬유 루프(100)의 광경로의 길이를 광섬유 공진기(200)의 제1 광경로(L1)보다 길게 구성하는 것도 가능하다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 펄스군 형성 장치에 적용되는 광섬유 공진기(200)와 광섬유 루프(100)의 구성도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 펄스군 형성 장치는, 제1 광경로로 환산되는 제1 시간구간의 간격으로 레이저 펄스를 출력하는 펄스 광원(200)과, 레이저 펄스를 포함하는 입력광이 입력되는 입력단과, 입력광을 출력광과 분리광으로 분리하여 출력하는 출력단을 포함하는 광커플러(700)와, 광커플러(700)의 입력단과 출력단에 광학적으로 결합하고, 분리광에 대하여 광커플러(700)와 함께 제1 광경로보다 긴 제2 광경로를 제공하는 광섬유 루프(100)를 포함하여 구성된다. 이때, 출력광은, 제1 시간구간 내에서 복수의 펄스를 포함하는 펄스군으로 출력되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 펄스군 형성 장치는, 도 4에 도시된 본 발명의 일 실시예에서의 광섬유 루프(100)를 도 5에 도시된 것처럼 광섬유 공진기(200)의 제1 광경로보다 긴 제2 광경로를 가진 광섬유 루프(100)로 치환함으로써 구현될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에서의 광섬유 루프(100)는, 본 발명의 일 실시예처럼 펌프 유닛(110), 아이솔레이터(130) 및 분산보상 유닛(120)을 더 포함하여 구성될 수 있으며, 이 구성요소들은 세부적인 동작을 제외하고는 본 발명의 일 실시예와 동일한 구성으로 볼 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 펄스군 형성 장치는, 광섬유 루프(100)의 제2 광경로가 광섬유 공진기(200)의 제1 광경로보다 긴 특징 외에 나머지 구성요소들, 즉 광섬유 공진기(200), 광커플러(700), 사전증폭기(300), 펄스 선택유닛(400) 및 주증폭기(500)는 본 발명의 일 실시예와 세부적인 동작을 제외하고는 동일한 구성으로 볼 수 있다. 따라서, 상술한 본 발명의 다른 실시예의 나머지 구성요소들에 대한 설명은 본 발명의 일 실시예의 설명으로 갈음하고 이하에서는 설명을 생략한다.
본 발명의 다른 실시예에서의 광섬유 루프(100)는, 광커플러(700)의 입력단과 출력단에 광학적으로 결합하고, 광커플러(700)와 함께 광섬유 공진기(200)의 제1 광경로(L1)보다 길이가 긴 제2 광경로(L1+L2)를 제공한다. 이때, 광섬유 루프(100)의 광경로는 광섬유 공진기(200)에 비하여 L2 만큼 길며, L2는 제1 광경로(L1)보다 훨씬 짧은 길이로 형성된다(L2 << L1).
광섬유 공진기(200)에서 형성된 펄스는 광섬유 루프(100)를 지나며 다수의 연속된 펄스군(succession pulses)으로 변환되어 진행한다. 광섬유 공진기(200)의 제1 광경로(L1)보다 길이가 긴 제2 광경로(L1+L2)를 형성하는 광섬유 루프(100)를 채용한 본 발명의 다른 실시예에서도 본 발명의 일 실시예와 유사하게 하나의 펄스군을 이루는 펄스열의 간격은 공간적으로 L2 이고 시간적으로는 L2/c 로 환산될 수 있다. 다만, 광섬유 공진기(200)에서 광섬유 루프(100)로 입사되는 시드 펄스에 의하여 생성되는 테일 펄스들(tail pulse)이 생성되는 메커니즘은 본 발명의 일 실시예와 다른 실시예가 상이하나 이에 관하여서는 후술한다.
(본 발명의 일 실시예)
도 6은 도 4에 도시된 본 발명의 일 실시예에서 광경로(OPL, optical path length)가 L1 인 광섬유 공진기(200)와 광경로가 L2 (L1 >> L2)인 광섬유 루프(100)로 인해 형성되는 고반복 펄스군의 공간상 분포도이다.
도 6에 따르면, 본 발명의 일 실시예에 따른 펄스군 형성 장치는, 광섬유 공진기(200)의 광경로 L1에 비해 광섬유 루프(100)의 광경로 L2가 매우 짧기 때문에 시드 펄스(seed pulse)를 뒤따르는 펄스열(succession pulses)은 다음 시드 펄스가 입사하기 전에 수렴하여 소멸된다. 이때 시드 펄스 간 광경로 차는 L1이며, 뒤따르는 펄스 간 광경로 차는 L2이다.
광섬유 루프(100)로 입사되는 분리광은 소정의 분리도(< 1)로 입력광에서 분리되는 것이므로 뒤따르는 펄스열은 뒤로 갈 수로 크기가 작아지다가 소멸한다. 분리도가 작을수록 더 빨리 소멸하고 유효한 펄스열의 개수도 줄어든다. 본 발명에 따른 펄스군 형성 장치는, 광커플러(700)의 분리도에 따라 작아진 펄스의 크기를 보상하기 위하여 광섬유 루프(100) 내에 광펌핑 출력에 따라 증폭도가 제어되는 펌프 유닛(110)을 둘 수 있다. 따라서, 펄스 광원(200)에서 광섬유 루프(100)에 입사되는 레이저 펄스를 시드 펄스로 하여 형성된 펄스군에서 평탄(flat top)한 엔벨로프를 이루는 펄스와 소멸하는 펄스의 개수는 광커플러(700)의 분리도 및 펌프 유닛(110)의 증폭도를 제어함에 따라 손쉽게 조절하는 것이 가능하다.
도 7은 도 4에 도시된 본 발명의 일 실시예에서 펌핑 파워 조절에 따른 광섬유 루프(100) 내 펄스 수, 광섬유 루프(100) 인근 펄스의 시간상 분포도이며, 광섬유 루프(100) 내에 증폭 매질(112)을 포함한 펌프 유닛(110)을 위치시켜 펄스의 증폭이 가능하도록 하였을 때 펌핑에 따른 펄스 패턴을 보여주는 도면이다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 펄스군 형성 장치의 광섬유 루프(100)는, 분리광을 증폭하도록 제어되는 펌프 유닛(110)을 더 포함하여 구성될 수 있다.
펌프 유닛(110)은, 제2 광경로 내에 배치되고 광펌핑 출력으로 제어되는 증폭도로 분리광을 증폭하는 증폭 매질(112)과, 증폭 매질(112)에 인접하게 배치되어 증폭 매질(112)에 광펌핑 출력을 인가하는 펌핑 소스(111)와, 광펌핑 출력에 의한 여기광이 증폭 매질(112) 내로 입사되도록 펌핑 소스(111)와 증폭 매질(112)을 광학적으로 결합시키는 광결합 소자를 포함하여 구성되고, 광결합 소자는 파장이 서로 다른 분리광과 여기광이 혼합되어 증폭 매질(112)로 입사되도록 구성된 파장분할 다중화기(113, WDM)일 수 있다.
도 7(a) 및 도 7(c)에 따르면, 펌핑 소스(111)의 광펌핑 출력(펌핑 전력)은 광섬유 공진기(200)로부터 입력되는 레이저 펄스(도 7의 ①지점)의 간격인 제1 시간구간 보다 작은 제2 시간구간 동안 증폭 매질(112)에 인가되어 펌프 유닛(110)의 증폭도를 제어할 수 있다.
이때, 광펌핑 출력은, 광섬유 루프(100)에서 후단으로 출력되는 출력광의 펄스군의 엔벨로프가 평탄(flat-top)하게 출력되는 구간을 갖도록 펌프 유닛(110)의 증폭도를 제어하는 임계 출력 레벨로 인가될 수 있다. 이론상, 출력광의 펄스군의 엔벨로프가 평탄(flat-top)하게 출력되기 위해서는 펌프 유닛(110)의 증폭도는 광커플러(700)의 분리도의 역수가 되도록 광펌핑 출력은 상수값으로 제어되어야 하나, 실제 구현 시에는 소정의 광펌핑 출력의 전력레벨이 완벽한 상수값일 수는 없고 어느 정도의 편차가 존재할 수 있다.
도 7(d)와 도 7(e)를 살펴보면, 증폭 매질(112)에 가해주는 광펌핑 출력(전력)의 세기가 임계 출력(Critical power) 레벨을 가질 때는 광섬유 루프(100) 내의 펄스와 광섬유 공진기(200)에서 입사하는 펄스의 크기가 같아지며, 이때 도 7의 ②, ③ 및 ④지점의 고반복률 펄스군의 엔벨로프는 평탄한(flat top) 형태가 된다. 펌핑의 세기가 임계 출력(전력) 레벨보다 작을 때는 고반복률 펄스군의 엔벨로프가 점점 작아지는 형태가 되며, 펌핑의 세기가 임계 출력 레벨보다 클 때는 펄스군의 엔벨로프가 점점 커지는 형태가 된다.
광섬유 루프(100)의 후단에 설치되는 사전증폭기(300) 및 주증폭기(500)는 일반적으로 펄스군의 펄스 중에서 먼저 입력되는 펄스일수록 더 높은 증폭도로 증폭되는 경향이 있으므로 최종 출력의 펄스군의 엔벨로프가 평탄하도록 하기 위하여, 광펌핑 출력을 임계 출력 레벨보다 더 큰 출력레벨로 인가하는 것을 고려할 수도 있다.
또한, 증폭 매질(112)에 가해주는 펌핑의 시간을 조절하면 고반복률 펄스군 내의 펄스 개수를 조절할 수 있다. 도 7(b)를 참조하면, 광섬유 공진기(200)에서 광섬유 루프(100)로 전달된 펄스는 펌핑이 유지되는 동안에는 크기를 유지하며, 펌핑이 멈춘 후에 감소되어 소멸된다. 이와 같은 특징을 활용하면, 펌핑 전력이 공급되는 구간에만 유효한 크기의 펄스열이 출력되고 펌핑 전력이 중단되면 뒤따르는 펄스들이 빠르게 소멸하도록 구성하는 것도 가능하다. 예를 들어 광커플러(700)의 분리도를 0.5보다 낮게 설정하고 이에 대응하여 펌프 유닛(110)의 증폭도를 높게 설정함으로써 펌핑 전력의 중단과 함께 뒤따르는 펄스들을 빠르게 소멸시킬 수 있다.
다만, 광커플러(700)의 분리도는 1:99에서부터 50:50까지 다양하게 선택할 수 있으나, 본 발명의 실제 구현에 있어서는 펄스열이 소멸하는 정도나 평탄한(flat top) 펄스열을 유지하는데 필요한 임계 출력 레벨 및 기울기 값을 보면서 광커플러 분리도의 최적값을 찾을 필요가 있다. 예컨대, 평탄한 펄스열을 유지하는 데 임계 출력이 예상외로 큰 경우에는 펌핑 전력 중단 후에 뒤따르는 펄스가 빠르게 소멸하지 못하더라도 광커플러(700)의 분리도를 높여서 펄스 증폭에 필요로 하는 출력 부담을 줄여야 하는 경우도 고려할 수 있다.
도 8은 도 4에 도시된 본 발명의 일 실시예에서, 평탄한(flat top) 펄스군을 형성하는 광펌핑을 가해줬을 시의 고반복률 펄스군과, 이를 펄스 선택유닛(400)을 통해 선별하여 출력하는 동작을 보여주는 개념도이다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 펄스군 형성 장치는, 광섬유 루프(100)의 제2 광경로(L2)가 광섬유 공진기(200) 제1 광경로(L1)보다 짧은 경우(L2 << L1)에, 임계 전력(critical power)으로 펌핑을 유지하고 이를 펄스 선택유닛(400)을 통해 일부 펄스군만을 선별하여 출력할 수 있다. 여기에서, 펄스 선택유닛(400)은 예시적으로 음향광학변조기(AOM, acousto-optic modulator)로 구성할 수 있으며, 펄스 선택유닛(400)을 지나면서 펄스군들이 수십 kHz ~ 수 MHz 수준의 반복률을 갖도록 선별되고 나머지 펄스군은 필터링되도록 펄스 선택유닛(400)을 제어할 수 있다. 도 8에 따르면, 펄스 선택유닛(400)을 지나서 생성된 펄스군은 패턴이 일정함을 확인할 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명의 일 실시예는, 고반복률 펄스군을 형성함에 있어 보다 직관적이고 제어가 용이한 장점이 있으나, 1 GHz 이하의 고반복률 펄스군을 얻기 위한 광섬유 루프(100)의 광경로가 바람직하게는 30 cm 이하로 구성되어야 하므로 증폭 매질(112)과 아이솔레이터(130), 분산보상 유닛(120) 등을 위치시키기에는 현실적으로 어려움이 따를 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에서의 광섬유 루프(100)의 광경로보다 더 긴 광경로의 광섬유 루프(100)를 구비하는 본 발명의 다른 실시예 구조가 고려될 수 있다.
(본 발명의 다른 실시예)
도 9는 도 5에 도시된 본 발명의 다른 실시예에서 광경로(OPL)가 L1 인 광섬유 공진기(200)와 광경로(OPL)가 L1 + L2 (L2 >> L1)인 광섬유 루프(100)로 인해 형성되는 고반복 펄스군의 공간상 분포도이다.
본 발명의 다른 실시예에서 광섬유 루프(100)의 광경로는 L1+L2 로서 광섬유 공진기(200)의 광경로(L1)보다 L2 만큼 길며, 이때, L2 는 L1 에 대하여 L2 << L1 의 관계가 성립한다.
도 9를 참조하면, 광섬유 루프(100)의 광경로가 광섬유 공진기(200) 광경로보다 길기 때문에 광섬유 공진기(200)로부터 광섬유 루프(100)로 입사되는 시드 펄스(seed pulse)를 뒤따르는 펄스열(succession pulses)은 다음 시드 펄스의 뒤에 자리잡으며, 본 발명의 일 실시예에 대한 도 6의 경우에 비해 수렴에 오랜 시간이 소요된다. 이때 시드 펄스 간 광경로 차는 공간적으로 L1이며, 뒤따르는 펄스 간 광경로 차는 L1+L2이므로, 시드 펄스에 의하여 뒤따르는 펄스와 다음 시드 펄스 간의 광경로 차는 L2 이다. 따라서, 시드 펄스가 제1 시간구간 간격으로 발생할 때 제1 시간구간 내에 형성되는 펄스군에서 각 펄스들의 광경로 차는 L2 임을 알 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 펄스군 형성 장치는, 본 발명의 일 실시예와 마찬가지로 광커플러(700)의 분리도에 따라 작아진 펄스의 크기를 보상하기 위하여 광섬유 루프(100) 내에 광펌핑 출력에 따라 증폭도가 제어되는 펌프 유닛(110)을 둘 수 있다. 다만, 도 9를 살펴보면, 본 발명의 다른 실시예에서는 도 6과 달리 시간이 지날수록 광섬유 루프(100) 내에 존재하는 펄스의 수가 증가하므로 펄스군의 엔벨로프를 평탄(flat top)한 형태로 형성시키기 위하여 펌프 유닛(110)의 증폭도를 제어하는 광펌핑 출력은 시드 펄스가 발생하는 제1 시간구간 보다 더 시간 동안 소정의 기울기로 증가하는 형태로 제어될 수 있다.
이때, 광펌핑 출력은, 제1 시간구간 단위로 계단증가하는 형태이거나 연속증가하는 형태일 수 있고, 연속증가인 경우에도 직선과 같은 1차 함수 형태일 수 있으나 실제 구현 시에는 2차 또는 3차 함수의 기울기를 포함하는 것도 가능하다.
도 10은 도 5에 도시된 본 발명의 다른 실시예에서 펌핑 파워 조절에 따른 광섬유 루프(100) 내 펄스 수, 광섬유 루프(100) 인근 펄스의 시간상 분포도이며, 광섬유 루프(100) 내에 증폭 매질(112)을 포함한 펌프 유닛(110)을 위치시켜 펄스의 증폭이 가능하도록 하였을 때 펌핑에 따른 펄스 패턴을 보여주는 도면이다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 펄스군 형성 장치의 광섬유 루프(100)는, 분리광을 증폭하도록 제어되는 펌프 유닛(110)을 더 포함하여 구성될 수 있다.
도 10(a) 및 도 10(c)에 따르면, 펌핑 소스(111)의 광펌핑 출력(펌핑 전력)은 광섬유 공진기(200)로부터 입력되는 시드 펄스(도 10의 ①지점)의 간격인 제1 시간구간 보다 긴 시간구간 동안 소정의 기울기로 증폭 매질(112)에 인가되어 펌프 유닛(110)의 증폭도를 제어할 수 있다.
이때, 광펌핑 출력은, 광섬유 루프(100)에서 후단으로 출력되는 출력광의 펄스군의 엔벨로프가 평탄(flat-top)하게 출력되는 구간을 갖도록 펌프 유닛(110)의 증폭도를 제어하는 임계 기울기로 증가하면서 인가될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예처럼 광섬유 루프(100)가 광섬유 공진기(200)의 광경로보다 길 경우에는 광섬유 루프(100) 내 증폭 결과가 최소 L1/c (c는 광속) 시간 이후에 나타나므로 펄스군의 엔벨로프를 형성하는 데에도 상대적으로 더 오랜 시간이 필요하다. 예컨대, n개의 펄스로 구성된 펄스군을 형성하기 위해서는 (n-1) * (L1+L2)/c의 시간이 필요하다. 또한, 도 10(b)에 도시된 바와 같이, 시간이 경과할수록 광섬유 루프(100)를 진행하는 펄스의 수도 점차 증가하기 때문에 평탄한(flat top) 형태의 펄스군 엔벨로프를 얻기 위해서는 펌핑 전력을 점진적으로 증가시켜야 한다. 펌핑량의 증가율이 특정 기울기, 예컨대 임계 기울기(critical slope)보다 작은 경우 펄스군의 엔벨로프는 점차적으로 감소하는 형태를 띄며, 펌핑량의 증가율이 특정 기울기보다 크면 펄스군의 엔벨로프가 점진적으로 증가한다.
도 10(d)와 도 10(e)를 살펴보면, 증폭 매질(112)에 가해주는 광펌핑 출력(전력)의 기울기가 임계 기울기(Critical slope)를 가질 때는 도 10의 ②, ③ 및 ④지점의 고반복률 펄스군의 엔벨로프는 평탄한(flat top) 형태가 된다. 펌핑의 기울기가 임계 기울기보다 작을 때는 고반복률 펄스군의 엔벨로프가 점점 감소하는 형태가 되며, 펌핑의 기울기가 임계 기울기보다 클 때는 펄스군의 엔벨로프가 점점 증가하는 형태가 된다.
도 11은 도 5에 도시된 본 발명의 다른 실시예에서, 평탄한(flat top) 펄스군을 형성하도록 광펌핑 출력을 가해줬을 시의 고반복률 펄스군과, 이를 펄스 선택유닛(400)을 통해 선별하여 출력하는 동작을 보여주는 개념도이다.
도 11을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 펄스군 형성 장치는, 광섬유 루프(100)의 광경로(L1+L2)가 광섬유 공진기(200)의 광경로(L1)보다 약간 긴 경우(L2 << L1), 임계 기울기(critical slope)로 펌핑 전력을 유지하고 이를 펄스 선택유닛(400)을 통해 일부 펄스군만을 선별하여 출력할 수 있다. 여기에서, 펄스 선택유닛(400)은 예시적으로 음향광학변조기(AOM, acousto-optic modulator)로 구성할 수 있으며, 펄스 선택유닛(400)을 지나면서 펄스군들이 수십 kHz ~ 수 MHz 수준의 반복률을 갖도록 선별되고 나머지 펄스군은 필터링되도록 펄스 선택유닛(400)을 제어할 수 있다. 이 경우 생성된 펄스군은 패턴이 일정하지 않고 주기적으로 변화함을 확인할 수 있으며, 펄스 선택유닛(400)을 통해 같은 패턴을 주기적으로 선별하도록 제어할 수 있고, 바람직하게는 펄스 선택유닛(400)이 펌핑 전력의 변화주기에 동기하여 펄스군을 선별하여 출력하도록 제어할 수 있다.
이와 같이 광섬유 루프(100)의 광경로가 광섬유 공진기(200)의 광경로보다 긴 경우에는 광섬유 루프(100) 내 펄스의 소멸 또한 시간이 오래 걸리므로 펄스군의 반복률을 수 MHz 이상으로 높이는 것에는 어려움이 따를 수 있으나, 펄스군의 반복률이 1MHz를 넘지 않는 시스템의 경우에는 큰 문제가 되지 않는다. 또한, 본 발명의 다른 실시예와 같은 구조는 광섬유 루프(100) 내 광경로가 L1+L2 로 L2 인 본 발명의 일 실시예보다 충분히 길기 때문에 아이솔레이터(130)나 증폭 매질(112), 분산보상 유닛(120) 등을 광섬유 루프(100) 내에 위치시키기가 용이하다는 장점이 있다.
도 12는 본 발명의 일 실시예 또는 다른 실시예에 따른 펄스군 형성 장치의 상세 구성도이다.
도 12를 참조하면, 본 발명에 따른 펄스군 형성 장치는, 광커플러(700)의 전단 혹은 후단에 배치되고, 출력광의 펄스군 내 각각의 펄스를 시간축으로 펼쳐주는 펄스 스트레처(800)와, 사전증폭기(300)의 후단에 배치되고 펄스 스트레처(800)에 의하여 펼쳐진 펄스를 압축하는 펄스 압축기(900)를 더 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 펄스군 형성 장치는, 펄스 선택유닛(400)의 후단에 펄스 선택유닛(400)을 거쳐서 선별된 펄스군들이 원하는 첨두치를 갖도록 크기를 증폭하는 주증폭기(500)를 더 포함할 수 있다.
이상에서는, 사전증폭기(300)가 펄스 스트레처(800)와 펄스 선택유닛(400) 사이에 배치된 형태가 도시되어 있으나, 상술하였듯이 사전증폭기(300)의 위치는 이에 한정되는 것이 아니며, 광커플러(700)의 전단 또는 후단, 펄스 선택유닛(400)의 전단 또는 후단, 또는 펄스 스트레처(800)의 전단 또는 후단에 적어도 하나 이상 배치될 수 있다.
상술한 구성을 통하여, 본 발명에 따른, 광섬유 루프(100)를 이용한 펄스군 형성 장치는, 하나의 추가적인 광섬유 루프(100)를 이용하여 컴팩트하고 제작이 용이하며, 다양한 주파수의 고반복률 펄스군을 손쉽게 형성할 수 있는 효과가 있다.
이상에서는, 본 발명의 원리를 예시하기 위한 바람직한 실시 예를 기초로 본 발명을 설명하고 도시하였지만, 본 발명은 그와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용으로 한정되는 것이 아니다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 기술자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서도 본 발명이 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
1: 레이저 펄스 2, 8, 10: 펄스군
3, 4: 광섬유 결합/분할 엘리먼트
5, 6, 7, 9: 광섬유 암 100: 광섬유 루프
110: 펌프 유닛 111: 펌핑 소스
112: 증폭 매질 113: 파장분할 다중화기(WDM)
120: 분산보상 유닛 130: 아이솔레이터
20, 200: 펄스 광원, 광섬유 공진기
30, 300: 사전증폭기 40, 400: 펄스 선택유닛
50, 500: 주증폭기 60: 반복률 승수기
700: 광커플러 800: 펄스 스트레처
900: 펄스 압축기

Claims (11)

  1. 제1 광경로로 환산되는 제1 시간구간의 간격으로 레이저 펄스를 출력하는 펄스 광원;
    상기 레이저 펄스를 포함하는 입력광이 입력되는 입력단과, 상기 입력광을 출력광과 분리광으로 분리하여 출력하는 출력단을 포함하는 광커플러;
    상기 광커플러의 입력단과 출력단에 광학적으로 결합하고, 상기 분리광에 대하여 상기 광커플러와 함께 상기 제1 광경로보다 작은 제2 광경로를 제공하는 광섬유 루프를 포함하고,
    상기 제2 광경로 내에는, 광펌핑 출력으로 제어되는 증폭도로 상기 분리광을 증폭하는 증폭 매질과, 상기 증폭 매질에 인접하게 배치되어 상기 증폭 매질에 상기 광펌핑 출력을 인가하는 펌핑 소스를 포함하는 펌프 유닛이 배치되고,
    상기 광펌핑 출력은, 상기 출력광이 상기 제1 시간구간 내에서 복수의 펄스를 포함하는 펄스군으로 출력되도록 상기 제1 시간구간 보다 작은 제2 시간구간 동안 상기 증폭 매질에 인가되되, 상기 인가되는 시간으로 상기 펄스군 내의 펄스 개수를 조절하고, 상기 광펌핑 출력의 세기로 상기 펄스군의 엔벨로프를 조절하는 것을 특징으로 하는, 광섬유를 이용한 펄스군 형성 장치.
  2. 제1 광경로로 환산되는 제1 시간구간의 간격으로 레이저 펄스를 출력하는 펄스 광원;
    상기 레이저 펄스를 포함하는 입력광이 입력되는 입력단과, 상기 입력광을 출력광과 분리광으로 분리하여 출력하는 출력단을 포함하는 광커플러;
    상기 광커플러의 입력단과 출력단에 광학적으로 결합하고, 상기 분리광에 대하여 상기 광커플러와 함께 상기 제1 광경로보다 큰 제2 광경로를 제공하는 광섬유 루프를 포함하고,
    상기 제2 광경로 내에는, 광펌핑 출력으로 제어되는 증폭도로 상기 분리광을 증폭하는 증폭 매질과, 상기 증폭 매질에 인접하게 배치되어 상기 증폭 매질에 상기 광펌핑 출력을 인가하는 펌핑 소스를 포함하는 펌프 유닛이 배치되고,
    상기 광펌핑 출력은, 상기 출력광이 상기 제1 시간구간 내에서 복수의 펄스를 포함하는 펄스군으로 출력되도록 상기 제1 시간구간보다 긴 제3 시간구간 동안 시간에 따라 점차 증가하는 기울기로 상기 증폭 매질에 인가되어 상기 펄스군의 엔벨로프를 조절하는 것을 특징으로 하는, 광섬유를 이용한 펄스군 형성 장치.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 광펌핑 출력은, 상기 출력광의 펄스군의 엔벨로프가 평탄(flat-top)하게 출력되는 구간을 갖도록 상기 펌프 유닛을 제어하는 임계 출력 레벨로 인가되는 것을 특징으로 하는, 광섬유를 이용한 펄스군 형성 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 광펌핑 출력은, 상기 출력광의 펄스군의 엔벨로프가 평탄(flat-top)하게 출력되는 구간을 갖도록 상기 광증폭기를 제어하는 임계 출력 레벨보다 더 큰 출력레벨로 인가되는 것을 특징으로 하는, 광섬유를 이용한 펄스군 형성 장치.
  6. 삭제
  7. 제2항에 있어서,
    상기 광펌핑 출력은, 상기 출력광의 펄스군의 엔벨로프가 평탄(flat-top)하게 출력되는 구간을 갖도록 상기 광증폭기를 제어하는 임계 기울기로 증가하는 것을 특징으로 하는, 광섬유를 이용한 펄스군 형성 장치.
  8. 제1항, 제2항, 제4항, 제5항, 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 광경로 내에 배치되고, 상기 분리광의 퍼짐 현상을 보상하기 위한 분산보상 유닛을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 광섬유를 이용한 펄스군 형성 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 분산보상 유닛은, 분산보상 광섬유 또는 회절격자를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는, 광섬유를 이용한 펄스군 형성 장치.
  10. 제1항, 제2항, 제4항, 제5항, 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 시간구간마다 출력되는 펄스군들 중에서 하나의 펄스군을 주기적으로 선택하는 펄스 선택유닛을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 광섬유를 이용한 펄스군 형성 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 광커플러의 전단 혹은 후단에 배치되고, 상기 출력광의 펄스군 내 각각의 펄스를 시간축으로 펼쳐주는 펄스 스트레처;
    상기 광커플러의 전단 또는 후단, 상기 펄스 스트레쳐의 전단 또는 후단, 또는 상기 펄스 선택유닛의 전단 또는 후단에 배치되어 상기 펄스를 증폭하는 적어도 하나 이상의 사전증폭기; 및
    상기 사전증폭기의 후단에 배치되고, 상기 펼쳐진 펄스를 압축하는 펄스 압축기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 광섬유를 이용한 펄스군 형성 장치.
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