KR102519766B1 - Device of Stimulated Brillioun Scattering Suppression in Narrow Linewidth High Power Large Mode Area Fiber Laser and Method thereof - Google Patents

Device of Stimulated Brillioun Scattering Suppression in Narrow Linewidth High Power Large Mode Area Fiber Laser and Method thereof Download PDF

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정환성
이광현
김동준
구준회
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국방과학연구소
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Abstract

본 발명은 협대역 시드 광원부(30), 이중 광섬유 클래드인 전치 증폭부(40) 및 주 증폭부(50), 상기 주 증폭부의 광섬유의 크기와 동일한 광섬유로된 SBS 효과 억제부(60), 및 출력단 광학부(70)를 포함하며, 상기 SBS 효과 억제부는 장주기 격자(Long period grating, LPG) 필터의 양단에 제1 CLS 및 제2 CLS가 배치된 협대역 고출력 대구경 광섬유 레이저 장치에 관한 발명이다.The present invention includes a narrowband seed light source unit 30, a preamplifier unit 40 and a main amplifier unit 50 which are double optical fiber cladding, an SBS effect suppression unit 60 made of an optical fiber identical in size to the optical fiber of the main amplification unit, and The present invention relates to a narrowband, high-output, large-diameter fiber laser device including an output stage optical unit 70, and the SBS effect suppression unit having a first CLS and a second CLS disposed at both ends of a long period grating (LPG) filter.

Description

유도 브릴루앙 산란을 억제하는 협대역 고출력 대구경 광섬유 레이저 장치 및 그 방법 {Device of Stimulated Brillioun Scattering Suppression in Narrow Linewidth High Power Large Mode Area Fiber Laser and Method thereof}Narrowband high power large diameter fiber laser device and method for suppressing stimulated Brillouin scattering

본 발명은 광섬유 격자를 이용해 고출력 협대역 광섬유 레이저에서 발생되는 SBS(Stimulated Brillioun Scattering)를 억제하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다. The present invention relates to an apparatus and method for suppressing Stimulated Brillioun Scattering (SBS) generated from a high power narrowband fiber laser using an optical fiber grating.

광섬유 레이저는 고체 레이저 및 기체 레이저와 비교하여 높은 구조적 안정성, 우수한 빔 품질 및 출력 안정성을 가지고 있다. Compared with solid-state lasers and gas lasers, fiber lasers have high structural stability, excellent beam quality and output stability.

단일 공진기 혹은 증폭기 기반 레이저의 출력 증대를 위해 고출력 광섬유 레이저를 결합하는 빔 결합 방식이 보고되고 있다. 빔 결합 방식 중 대표적으로 파장제어 빔 결합 방식와 위상제어 빔 결합 식이 있으며 이러한 방식을 이용하여 수십 kW 이상 출력을 갖는 레이저 연구들이 진행되고 있다. 빔 결합 기술을 이용한 고출력 레이저 연구에서 핵심적인 요구사항은 빔 결합 가능한 고출력 협대역 광섬유 레이저 발생 기술이다. A beam combining method for combining high-power fiber lasers has been reported to increase the power of a single resonator or amplifier-based laser. Among the beam combining methods, there are typically a wavelength-controlled beam combining method and a phase-controlled beam combining method, and research on lasers with an output of several tens of kW or more is being conducted using these methods. A key requirement in high-power laser research using beam-combining technology is high-power narrowband fiber laser generation technology that can be beam-combined.

이때 광섬유 레이저의 출력 증대 측면에서 주요 제한 요소로 유도 브릴루앙 산란(Stimualted Brillouin scattering, SBS) 광이 있다. SBS 광은 레이저 반대 방향으로 진행하는 특징을 가지고 있으며 SBS 효과와 관련된 인자로는 레이저 출력, 광섬유 길이, 및 광섬유 구조 등이 있다.At this time, there is Stimulated Brillouin scattering (SBS) light as a major limiting factor in terms of increasing the output of the fiber laser. SBS light has a characteristic of traveling in the opposite direction to the laser, and factors related to the SBS effect include laser power, fiber length, and fiber structure.

광섬유에서 발생되는 SBS 효과를 억제하기 위해 보고된 방법으로는 전송 광섬유 길이 조절, 광섬유 물성 조절, 온도 구배, 장력 배분, 입력 빔 선폭 변조 등이 있다. 전송 광섬유 길이 조절의 경우 협대역 고출력 광섬유 레이저에서 가장 효과적으로 SBS 광을 억제할 수 있는 방법이나 파장제어 빔 결합 레이저용 광섬유 레이저는 고출력 레이저를 빔 결합 장치로 전송하기 위해 전송 광섬유가 포함되어 있으며 이로 인하여 전송 광섬유 길이 조절을 통한 SBS 광 억제는 제한적이다. 또한, 광섬유 물성 조절을 통한 SBS 억제 방식은 효과적일 수 있으나 물성 변경으로 인한 광섬유 성능 확보에 어려움이 존재한다. 광섬유 온도 구매 및 장력 배분 방식을 이용하여 광섬유 내에서 발생되는 SBS 효과를 억제하는 방법은 광섬유 레이저 내에 추가적인 구조가 삽입되어 광섬유 레이저 크기가 증가되어 소형 경량화 측면에서 불리하게 작용한다. SBS 효과는 입력 빔의 선폭과 관련되어 있으며 SBS 효과 억제를 위해 수~수십 GHz 선폭을 갖는 선폭 변조된 입력 빔을 활용한다. Methods reported to suppress the SBS effect generated in the optical fiber include adjusting the length of the transmission fiber, adjusting the physical properties of the optical fiber, temperature gradient, tension distribution, and input beam width modulation. In the case of adjusting the length of the transmission fiber, the most effective way to suppress the SBS light in the narrowband high-power fiber laser, but the fiber laser for the wavelength-controlled beam-combining laser includes a transmission fiber to transmit the high-power laser to the beam combining device. SBS light suppression by adjusting the length of the transmission fiber is limited. In addition, the SBS suppression method through adjusting the physical properties of the optical fiber can be effective, but there are difficulties in securing the performance of the optical fiber due to the change in physical properties. The method of suppressing the SBS effect generated in the optical fiber using the optical fiber temperature purchase and tension distribution method is disadvantageous in terms of miniaturization and weight reduction because an additional structure is inserted into the optical fiber laser to increase the size of the optical fiber laser. The SBS effect is related to the line width of the input beam, and a line width modulated input beam having a line width of several to several tens of GHz is used to suppress the SBS effect.

이러한 광섬유 레이저는 산업, 의료, 국방 분야에서 응용되고 있으며 그 응용 분야가 증가됨에 따라 광섬유 레이저의 출력 증대에 대한 요구가 더욱 증가하고 있다. 광섬유 레이저의 응용분야가 확대됨에 따라 광섬유 레이저의 출력 증대 요구가 증가하고 있어 추가적인 SBS 광 억제 구조 및 방법이 필요하다. These fiber lasers are applied in industrial, medical, and defense fields, and as the application fields increase, the demand for increasing the output of the fiber laser is further increasing. As the application field of the fiber laser expands, the demand for increasing the power of the fiber laser increases, so additional SBS light suppression structures and methods are required.

한국등록특허공보 제10-2271640 B1 (2021.6.25)Korean Registered Patent Publication No. 10-2271640 B1 (2021.6.25)

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 고출력 협대역 광섬유 레이저에서 발생되는 SBS(Stimulated Brillioun Scattering)를 억제하기 위해, 장주기 격자 기반 광학 필터(Long period grating, LPG) 또는 기울어진 FBG(Tilted fiber Bragg grating, TFBG) 필터를 이용하여, SBS 광만 선택적으로 제거하여 광섬유 레이저의 SBS 광을 억제하고자하는데 있다.A technical problem to be achieved by the present invention is a long period grating-based optical filter (Long period grating, LPG) or tilted fiber Bragg grating (TFBG), in order to suppress Stimulated Brillioun Scattering (SBS) generated in a high-power narrowband fiber laser. ) filter to suppress the SBS light of the fiber laser by selectively removing only the SBS light.

본 발명에서 협대역 고출력 대구경 광섬유 레이저 장치는, 협대역 시드 광원부(30), 이중 광섬유 클래드인 전치 증폭부(40) 및 주 증폭부(50), 상기 주 증폭부의 광섬유의 크기와 동일한 광섬유로된 SBS 효과 억제부(60), 및 출력단 광학부(70),를 포함하며, 상기 SBS 효과 억제부는 장주기 격자(Long period grating, LPG) 필터의 양단에 제1 CLS 및 제2 CLS가 배치된 것을 특징으로 한다.In the present invention, the narrowband high-output large-diameter fiber laser device includes a narrowband seed light source unit 30, a preamplifier unit 40 and a main amplifier unit 50, which are double fiber cladding, and an optical fiber of the same size as the optical fiber of the main amplifier unit. It includes an SBS effect suppression unit 60 and an output stage optical unit 70, wherein the SBS effect suppression unit has a first CLS and a second CLS disposed at both ends of a long period grating (LPG) filter. to be

또한, 상기 제1 CLS와 장주기 격자(Long period grating, LPG) 필터 간의 거리는20 cm 이내이며, 상기 SBS 효과 억제부에서 SBS 억제는, 광섬유 격자 기반 광 필터에 의해 SBS 광 손실 40 dB 이상 발생하며, 상기 광 필터에 의해 코어 빔이 클래드 빔으로 전환되고, 상기 클래드 빔으로 전환된 빔이 상기 광섬유 클래드로 도파되며, 상기 제1 CLS 및 제2 CLS에 의헤 클래드 빔이 제거되는 것을 특징으로 한다.In addition, the distance between the first CLS and a long period grating (LPG) filter is within 20 cm, and SBS suppression in the SBS effect suppression unit generates more than 40 dB of SBS light loss by an optical fiber grating-based optical filter, The core beam is converted to a clad beam by the optical filter, the beam converted to the clad beam is guided to the optical fiber cladding, and the clad beam is removed by the first CLS and the second CLS.

본 발명은 협대역 고출력 대구경 광섬유 레이저 장치에 의한 SBS(Stimulated Brillioun Scattering) 억제방법으로서, 시드(seed) 광원을 온(on)하는 단계(S10), 시드광원의 중심 파장을 설정하는 단계(S20), 전치 증폭기를 온(on)하는 단계(S30), 주 증폭기의 인가전류를 설정하는 단계(S40), 증폭기 최종 출력 및 SBS 모니터링 출력을 측정하는 단계(S50), 출력분석단계로서, SBS 출력을 포함해 역방향 출력의 비율을 분석하고(S62), 레일리(Rayleigh) 및 SBS 광스펙트럼을 비교분석하는 단계(S64), SBS 허용 기준치 초과 여부를 판단하는 단계(S70), SBS 허용 기준치를 초과 시, SBS 억제의 여부를 판단하는 단계(S80), SBS 억제가 되지 않으면, 상기 주 증폭기 및 상기 전치 증폭기를 오프(off)한 뒤(S82), 시드광원의 중심 파장을 재설정하는 단계(S20)를 포함한다. 또한, 광섬유 격자의 격자 간격 도출 단계를 포함할 수 있다.The present invention is a method for suppressing Stimulated Brillioun Scattering (SBS) by a narrow-band, high-power, large-diameter fiber laser device, comprising the steps of turning on a seed light source (S10) and setting the center wavelength of the seed light source (S20). , the step of turning on the preamplifier (S30), the step of setting the applied current of the main amplifier (S40), the step of measuring the final output of the amplifier and the SBS monitoring output (S50), the output analysis step, the SBS output Including, analyzing the ratio of the reverse output (S62), comparing and analyzing the Rayleigh and SBS optical spectrum (S64), determining whether the SBS acceptance standard is exceeded (S70), when the SBS acceptance standard is exceeded, Determining whether to suppress SBS (S80), if SBS suppression does not occur, turn off the main amplifier and the preamplifier (S82), and then reset the center wavelength of the seed light source (S20). do. In addition, a step of deriving the grating spacing of the optical fiber grating may be included.

또한, SBS 억제는 장주기 격자에 의해 LP02 이상의 고차모드가 발생하며, TFBG 중심 파장이 레이저 발진 파장보다 크다.In addition, SBS suppression generates higher-order modes higher than LP02 by the long-period grating, and the TFBG central wavelength is greater than the laser oscillation wavelength.

또한, 광섬유 격자 기반 광 필터에 의해 발생되는 고차모드가 코어에 결합되는 단계, LPG(또는 TFBG) 이후 전송 광섬유 코일링에 의해 코어에서 고차 모드 손실이 발생하는 단계, 광섬유 코일링에 의해 고차모드 손실 발생되어 고차모드가 클래드에 결합되는 단계, 및 CLS에 의해 손실발생하는 단계를 포함할 수 있다.In addition, the step of coupling the higher-order modes generated by the optical fiber grating-based optical filter to the core, the step of generating the higher-order mode loss in the core by coiling the transmission fiber after LPG (or TFBG), and the step of higher-order mode loss by fiber coiling It may include a step in which a higher order mode is generated and coupled to a clad, and a step in which a loss occurs by CLS.

본 발명에서 제안하고자 하는 SBS 광 억제 구조 및 방법은 협대역 고출력 광섬유 레이저에서 발생되는 SBS 광의 손실을 의도적으로 발생시켜 SBS 효과를 억제하는 구조이며 SBS 광을 효과적으로 억제하여 협대역 고출력 광섬유 레이저의 출력을 증대하는 방법이다. 본 발명을 이용할 경우 2 m 이상의 전송 광섬유 길이를 갖는 광섬유 레이저 구현이 가능할 것으로 판단된다. 광섬유 격자 기반 SBS 광 억제 구조는 기 보고된 SBS 광 억제 방안과 함께 광섬유 레이저에 적용가능하다는 장점이 있다. 제안하고자 하는 SBS 억제 구조 및 방법을 적용하여 SBS 광을 억제함으로써 레이저 출력 증대 및 동작 안정성을 확보하고자 한다. 광섬유 레이저의 출력 증대는 빔 결합 레이저에 요구되는 광섬유 레이저의 수량 감소와 관련되어 있어 레이저 소형 경량화가 가능하다.The SBS light suppression structure and method to be proposed in the present invention is a structure that suppresses the SBS effect by intentionally generating the loss of SBS light generated in a narrowband high power fiber laser, and effectively suppresses the SBS light to increase the output of the narrowband high power fiber laser. way to increase When using the present invention, it is determined that it is possible to implement a fiber laser having a transmission fiber length of 2 m or more. The fiber optic grating-based SBS light suppression structure has the advantage of being applicable to fiber lasers along with previously reported SBS light suppression schemes. By applying the proposed SBS suppression structure and method, SBS light is suppressed to increase laser output and secure operation stability. The increase in the output of the fiber laser is related to the reduction in the number of fiber lasers required for the beam-combining laser, making it possible to reduce the size and weight of the laser.

도 1은 광학 필터 기반 SBS 억제 방안 개념도이다.
도 2는 장주기 격자 기반 광학 필터 동작 원리 개념도이다.
도 3은 TFBG 격자 기반 광학 필터 동작 원리 개념도이다.
도 4는 광섬유 기반 유도 브릴루앙 산란 억제 구조가 포함된 협대역 고출력 대면적 광섬유 레이저 구성도이다.
도 5는 유도 브릴루앙 산란 억제 최적화 방법의 순서도이다.
도 6은 유도 브릴루앙 산란 억제 최적화 개념도이다.
도 7은 유도 브릴루랑 산란 억제에 따른 레이저 출력 분석 그래프이다.
1 is a conceptual diagram of an optical filter-based SBS suppression scheme.
2 is a conceptual diagram illustrating the operation principle of a long-period grating-based optical filter.
3 is a conceptual diagram of an operating principle of a TFBG grating-based optical filter.
4 is a configuration diagram of a narrowband, high-power, and large-area fiber laser including an optical fiber-based guided Brillouin scattering suppression structure.
5 is a flowchart of a method for optimizing guided Brillouin scattering suppression.
6 is a conceptual diagram illustrating the optimization of stimulated Brillouin scattering suppression.
7 is a graph of laser power analysis according to suppression of stimulated Brillouin scattering.

본 발명은 고출력 협대역 광섬유 레이저에서 발생되는 SBS(Stimulated Brillioun Scattering) 억제 구조에 대한 구체적인 내용으로서, 파장제어 빔 결합 레이저 구현을 위해 2 m 이상의 전송 광섬유 길이를 가지며 SBS 광이 억제된 고출력 협대역 광섬유 레이저 구조에 관하여 설명한다. The present invention is a detailed description of a SBS (Stimulated Brillioun Scattering) suppression structure generated in a high-power narrowband fiber laser, and a high-power narrowband optical fiber having a transmission fiber length of 2 m or more and suppressing SBS light to implement a wavelength-controlled beam-combining laser. The structure of the laser is explained.

협대역 고출력 광섬유 레이저를 투사 할 때, 역방향으로 진행하는 광으로서, 광섬유 단면에서 발생되는 레일리(Rayleigh) 산란광과 SBS(Stimulated Brillioun Scattering) 광이 있다. 레일리(Rayleigh) 산란광과 SBS(Stimulated Brillioun Scattering) 광의 특징으로, 레일리 산란광은 레이저 출력 파장대역과 동일한 파장 특성을 가지며, SBS 광의 중심 파장은 레이저 발진 파장 대비 약 16 GHz 파장 천이된다. When a narrowband high-power fiber laser is projected, there are Rayleigh scattered light and SBS (Stimulated Brillioun Scattering) light generated from the fiber end face as light traveling in the opposite direction. Characteristics of Rayleigh scattered light and SBS (Stimulated Brillioun Scattering) light, Rayleigh scattered light has the same wavelength characteristics as the laser output wavelength band, and the center wavelength of SBS light is shifted by about 16 GHz compared to the laser oscillation wavelength.

본 발명은 SBS 광만 선택적으로 제거하여 광섬유 레이저의 SBS 광을 억제하기위해, 장주기 격자 기반 광학 필터(Long period grating, LPG) 또는 기울어진 FBG(Tilted fiber Bragg grating, TFBG) 필터를 이용한다. The present invention uses a long period grating (LPG) or a tilted fiber Bragg grating (TFBG) filter to suppress SBS light of a fiber laser by selectively removing only SBS light.

먼저, 도 1은 광학 필터 기반 SBS 억제 방안 개념도로서, 본 발명에서 제안하고자 하는 SBS 광의 파장 천이 특성을 이용한 비선형 특성 억제 방법의 개념도이다. SBS 광의 중심 파장은 레일리(Rayleigh) 산란광 대비 16 GHz 천이되어 있어 일반적인 대역폭 필터(bandpass filter)를 이용하여 SBS 광만 선택적으로 제거하기에는 어려움이 존재한다. First, FIG. 1 is a conceptual diagram of an optical filter-based SBS suppression method, which is a conceptual diagram of a nonlinear characteristic suppression method using wavelength shift characteristics of SBS light to be proposed in the present invention. Since the center wavelength of SBS light is shifted by 16 GHz compared to Rayleigh scattered light, it is difficult to selectively remove only SBS light using a general bandpass filter.

또한, 상용 대역폭 필터는 다양한 중심 파장을 갖는 협대역 고출력 광섬유 레이저 적용에 한계가 있다. 광섬유 격자 기반 필터에서 격자 간격을 조절함으로써 필터 대역폭 중심 파장 조절이 가능하다는 장점이 있다. 도 1(a)는 레일리(Rayleigh) 산란광과 SBS(Stimulated Brillioun Scattering) 광의 각각의 파장을 나타내며, 레일리(Rayleigh) 산란광 대비 16 GHz 천이되어 있음을 나타내며, 도 1(b)는 광학필터를 통과시켜, 도 1(c)에서 SBS(Stimulated Brillioun Scattering) 광이 제거되고, 레일리(Rayleigh) 산란광만 존재하는 개념도이다.In addition, commercial bandwidth filters have limitations in application of narrowband high power fiber lasers having various center wavelengths. An advantage of an optical fiber grating-based filter is that it is possible to adjust the filter bandwidth center wavelength by adjusting the grating spacing. Figure 1 (a) shows each wavelength of Rayleigh scattered light and SBS (Stimulated Brillioun Scattering) light, and shows that it is shifted to 16 GHz compared to Rayleigh scattered light. , is a conceptual diagram in which Stimulated Brillioun Scattering (SBS) light is removed and only Rayleigh scattered light exists in FIG. 1(c).

도 2는 대면적 광섬유 장주기 격자를 기반으로한 광학 필터 동작 원리에 대한 개념도이다. 협대역 고출력 광섬유 레이저에 사용되는 광섬유의 코어(10) 및 클래드(20) 크기는 각각 20 ~ 30 μm와 400 μm이며 코어 NA는 0.065이다. 대면적 광섬유의 코어에는 단일모드뿐만 아니라 고차모드(LP02) 모드까지 도파가 가능하다. 장주기 격자에 의해 발생되는 고차모드는 LP02 모드 이상의 모드가 발생되어야 하며, 고차모드의 유효 굴절률을 고려하여 장주기 격자의 격자 간격을 선정해야 한다. 2 is a conceptual diagram of an optical filter operation principle based on a large-area optical fiber long-period grating. The sizes of the core 10 and the clad 20 of the optical fiber used in the narrowband high-power fiber laser are 20 to 30 μm and 400 μm, respectively, and the core NA is 0.065. In the core of the large-area optical fiber, not only single mode but also high-order mode (LP02) mode can be waveguided. The higher-order mode generated by the long-period grating must be higher than the LP02 mode, and the lattice spacing of the long-period grating must be selected in consideration of the effective refractive index of the higher-order mode.

장주기 격자에 의해 해당 파장에서 고차모드가 발생되면, 고차모드는 클래드 결합(coupling)되어 도파된다. 클래드에 결합되어 도파되는 SBS 광은 코어에 결합되지않기 때문에 코어에 결합된 고출력 레이저에 영향을 주지 않으며, SBS 광의 손실로 협대역 광섬유 레이저의 SBS 효과를 억제 할 수 있다. 장주기 격자(Long period grating, LPG) 기반 대역폭 필터는 상대적으로 넓은 대역폭 특성을 가지고 있으며, 신호광과 SBS 광의 파장 차이가 작아 신호광 일부에서 손실이 발생할 수 있다. 따라서, SBS 광과 레이저 신호광의 비율을 최적화하는 작업이 필요하다. 또한, LPG는 격자 간격이 mm 수준으로 격자 제작 측면에서 FBG 대비 상대적으로 간편하다는 장점을 가지고 있다. When a higher-order mode is generated at a corresponding wavelength by the long-period grating, the higher-order mode is cladding coupled and guided. Since the SBS light coupled to the clad and guided is not coupled to the core, it does not affect the high-power laser coupled to the core, and the loss of SBS light can suppress the SBS effect of the narrowband fiber laser. A long period grating (LPG) based bandwidth filter has a relatively wide bandwidth characteristic, and a small difference in wavelength between signal light and SBS light may cause loss in some of the signal light. Therefore, it is necessary to optimize the ratio of SBS light and laser signal light. In addition, LPG has the advantage of being relatively simple compared to FBG in terms of grid fabrication with a grid spacing of mm.

도 3은 광섬유 격자 기반 대역폭 필터 중 TFBG(Tilted fiber Bragg grating, TFBG) 필터의 동작 원리 개념도이다. 일반적인 FBG(fiber Bragg grating) 필터는 광섬유 코어에 도파되는 특정 파장(λBragg)만을 반사시키는 소자이다. 고출력 광섬유 레이저에 FBG를 적용할 경우 SBS 광 억제는 가능하겠지만 신호광의 반사로 인하여 레이저 되먹임(Feedback)이 발생하여 레이저 손상이 초래된다. 따라서 격자의 배열을 기울어지게 함으로써 신호광의 되반사를 억제하고 특정 파장 대역의 스펙트럼 성분을 클래드에 결합될 수 있게 하는 TFBG가 필요하다. TFBG는 FBG 기반 센서에 응용되고 있어 광학적으로 그 성능이 검증되어 있다. 3 is a conceptual diagram illustrating the operation principle of a tilted fiber Bragg grating (TFBG) filter among optical fiber grating-based bandwidth filters. A general fiber Bragg grating (FBG) filter is an element that reflects only a specific wavelength (λ Bragg ) guided to an optical fiber core. When FBG is applied to a high-power fiber laser, it is possible to suppress SBS light, but laser feedback occurs due to reflection of signal light, resulting in laser damage. Therefore, there is a need for a TFBG capable of suppressing back-reflection of signal light by inclining the arrangement of the grating and enabling spectral components of a specific wavelength band to be coupled to the clad. TFBG has been applied to FBG-based sensors and its performance has been optically verified.

TFBG도 특정 파장(λBragg) 반사가 가능하며 기울어진 격자에 의한 클래드 모드 결합이 가능하여 특정 파장 필터로 사용이 가능하다. 특히, 클래드 모드 발생으로 제거되는 스펙트럼 성분은 코어 모드로 도파가 되지 않아 FBG와 달리 레이저 되먹임 효과가 발생하지 않는 장점을 가지고 있다. SBS 광의 특성상 레이저 신호광과 중심 파장 차이가 적어 SBS 광과 레이저 신호광의 비율을 최적화하는 작업이 필요하다. TFBG can also reflect a specific wavelength (λ Bragg ) and can be used as a specific wavelength filter because clad mode coupling by an inclined grating is possible. In particular, since the spectral component removed by the generation of the clad mode is not waveguided into the core mode, unlike FBG, the laser feedback effect does not occur. Due to the nature of the SBS light, the difference between the laser signal light and the central wavelength is small, so it is necessary to optimize the ratio of the SBS light and the laser signal light.

도 4는 SBS 광이 억제된 대면적 광섬유 격자 기반 협대역 고출력 광섬유 레이저 개념도이다. 도 4의 고출력 협대역 광섬유 레이저는 협대역 시드 광원부(30), 전치 증폭부(40), 주 증폭부(50), SBS 효과 억제부(60), 및 출력단 광학부(70)로 구성되어 있다. 4 is a conceptual diagram of a narrowband high-power fiber laser based on a large-area fiber grating in which SBS light is suppressed. The high power narrowband fiber laser of FIG. 4 is composed of a narrowband seed light source 30, a preamplifier 40, a main amplifier 50, an SBS effect suppressor 60, and an optical output stage 70. .

광원부(30)는 레이저 다이오드로서 DFB-LD(Distributed Feed Back type - Laser Diode)인 분포귀환형 레이저 다이오드이다. DFB-LD는 회절격자(브래그 격자)가 있는 부분에 전류를 주입하여 이득을 갖게한 레이저다이오드이다. 광원부에는 전기광학형 변조기(Electro-optic modulators, EOM)이 구비될수 있다. SBS 효과 억제부(60)는 제1 CLS(Clad light stripper), FBG 필터(fiber bragg grating based optical filter), 제2 CLS로 이루어진다.The light source unit 30 is a laser diode and is a distributed feed back type laser diode (DFB-LD). DFB-LD is a laser diode that has a gain by injecting current into a portion with a diffraction grating (Bragg grating). Electro-optic modulators (EOMs) may be provided in the light source unit. The SBS effect suppression unit 60 includes a first clad light stripper (CLS), a fiber bragg grating based optical filter (FBG filter), and a second CLS.

즉, 협대역 시드 광원부(30)는 선폭 변조 기반 시드빔 광원으로 구성되어 있으며 증폭부는 2단 증폭기 구성으로 되어 있다. 전치 증폭부(40)의 이득 광섬유는 10 μm/125 μm 이중 광섬유 클래드로 구성되어 있다. 주 증폭부(50)는 코어/클래드 직경이 20 ~ 30 μm/400 μm인 이중 광섬유 클래드로 구성되어 있다.That is, the narrowband seed light source 30 is composed of a line width modulation based seed beam light source, and the amplification section is composed of a two-stage amplifier. The gain fiber of the preamplifier unit 40 is composed of a 10 μm/125 μm double fiber cladding. The main amplifier 50 is composed of a double optical fiber clad having a core/clad diameter of 20 to 30 μm/400 μm.

SBS 효과 억제부(60)는 주 증폭부의 광섬유의 크기와 동일한 광섬유로 구성되어 있으며 GDF(Germanium doped fiber)이다. SBS 효과 억제부(60)는 LPG 및 TFGB에 의해 발생되는 클래드 모드 제거 및 클래드 광에 의한 소자의 손상을 배제하기 위해 LPG 양단에 2개의 CLS(Clad light stripper)를 배치한다. 제1 CLS와 광섬유 격자 기반 광 필터 간의 거리는 최소화(20 cm 이내, 광섬유 융착 가능 길이)되어야 한다. 그 이유는 이득 광섬유 이후 연결되는 GDF의 길이를 최소화함으로써 광섬유 길이에 의해 발생되는 SBS 광을 억제하기 위함이다. 제2 CLS는 광 필터 이후 적절한 광섬유 길이 이후에 체결되어야 하며 필요시 전송 광섬유 구부림 또는 코일링에 의한 고차 모드 손실 유도가 가능하도록 광섬유 길이가 확보되어야 한다. 광섬유 코어에 도파되는 고차 모드의 경우 광섬유 구부림 또는 코일링에 의해 클래드에 결합되어 도파되며 이는 제2 CLS에서 제거가 가능하다. The SBS effect suppression unit 60 is composed of an optical fiber having the same size as the optical fiber of the main amplifying unit and is a Germanium doped fiber (GDF). The SBS effect suppression unit 60 arranges two clad light strippers (CLS) at both ends of LPG to eliminate clad mode caused by LPG and TFGB and damage to devices by clad light. The distance between the first CLS and the optical fiber grating-based optical filter should be minimized (within 20 cm, an optical fiber splicing length). The reason is to suppress the SBS light generated by the length of the fiber by minimizing the length of the GDF connected after the gain fiber. The second CLS should be fastened after an appropriate optical fiber length after an optical filter, and if necessary, an optical fiber length should be secured so that high-order mode loss can be induced by bending or coiling a transmission optical fiber. In the case of a high-order mode guided to the optical fiber core, it is coupled to the cladding and guided by bending or coiling the optical fiber, which can be removed by the second CLS.

광섬유 격자 기반 광 필터에 의해 SBS 광 손실 40 dB 이상 발생하며, 광 필터에 의해 코어 빔이 클래드 빔으로 전환되고, 클래드 빔으로 전환된 빔이 광섬유 클래드로 도파되며, CLS에 의헤 클래드 빔이 제거된다.The optical fiber grating-based optical filter generates more than 40 dB of SBS light loss, the optical filter converts the core beam into a clad beam, the converted beam into a clad beam is guided to the optical fiber cladding, and the clad beam is removed by the CLS. .

또한, 장주기 격자가 포함된 구조에서 장주기 격자에 의해 LP02 이상의 고차모드가 전환되는거나, TFBG가 포함된 구조에서 TFBG 중심 파장이 레이저 발진 파장보다 커서 SBS 광 손실이 발생될 수 있다. In addition, in a structure including a long-period grating, higher order modes of LP02 or higher may be converted by the long-period grating, or in a structure including TFBG, the TFBG central wavelength is greater than the laser oscillation wavelength, and thus SBS light loss may occur.

또한, 광섬유 격자 기반 광 필터에 의해 발생되는 고차모드가 코어에 결합되고, LPG(또는 TFBG) 이후 전송 광섬유 코일링에 의해 코어에서 고차 모드 손실이 발생하며, 광섬유 코일링에 의해 고차모드 손실 발생되어 고차모드가 클래드에 결합되고, 이때 코일링 직경은 10 cm 이내로서 클래드 결합된 고차모드가 CLS에 의해 손실이 발생할 수 있다.In addition, higher-order modes generated by an optical fiber grating-based optical filter are coupled to the core, high-order mode loss occurs in the core by coiling of transmission fibers after LPG (or TFBG), and higher-order mode loss is generated by optical fiber coiling. Higher-order modes are coupled to the clad, and at this time, the coiling diameter is less than 10 cm, and the clad-coupled higher-order modes may be lost by the CLS.

도 5는 본 발명에 의해 SBS 효과를 억제하는 방법을 나타내는 순서도이다. 5 is a flowchart showing a method of suppressing the SBS effect according to the present invention.

먼저, 시드(seed) 광원을 온(on)하는 단계(S10), 시드광원의 중심 파장을 설정하는 단계(S20), 전치 증폭기를 온(on)하는 단계(S30), 주 증폭기의 인가전류를 설정하는 단계(S40), 증폭기 최종 출력 및 SBS 모니터링 출력을 측정하는 단계(S50), 출력분석단계로서 SBS 출력을 포함해 역방향 출력의 비율을 분석하는 단계(S62) 및 레일리(Rayleigh) 및 SBS 광스펙트럼을 비교분석하는 단계(S64), SBS 허용 기준치 초과 여부를 판단하는 단계(S70), SBS 허용 기준치를 초과하지 않은 경우 다시 주 증폭기의 인가전류를 다시 설정하는 단계(S40)로 돌아가며, SBS 허용 기준치를 초과 시에는 SBS 억제 효과의 최적화 여부를 판단하는 단계(S80)로 진행된다. 최적화 도달여부는 SBS 억제 효과 최적화 이후 동일 SBS 특성을 나타내며 레이저의 출력이 10 % 이상 증가하였을 때로 판단한다. First, the step of turning on the seed light source (S10), the step of setting the center wavelength of the seed light source (S20), the step of turning on the preamplifier (S30), the applied current of the main amplifier Setting step (S40), measuring the amplifier final output and SBS monitoring output (S50), analyzing the ratio of reverse output including SBS output as an output analysis step (S62) and Rayleigh and SBS optical The step of comparing and analyzing the spectrum (S64), the step of determining whether or not the SBS tolerance level is exceeded (S70), and if the SBS tolerance level is not exceeded, the process returns to the step of resetting the applied current of the main amplifier (S40), allowing SBS. When the reference value is exceeded, the step (S80) of determining whether to optimize the SBS suppression effect proceeds. Optimization is determined when the same SBS characteristics are displayed after optimization of the SBS suppression effect and the laser output is increased by 10% or more.

S80에서 SBS 억제효과가 최적화되지 않은 경우 주 증폭기 및 전치 증폭기를 오프(off)하는 단계(S82) 및 시드광원의 중심 파장을 설정하는 단계(S20)로 돌아가서 시드광원의 중심 파장을 재설정한다. S80에서 SBS 억제효과가 최적화가 된 경우, 레이저 성능을 측정하는 단계(S90), 최적화된 광섬유 격자 간격을 도출하는 단계(S100), 광섬유 격자 제작 및 광섬유 레이저에 적용하는 단계(S120), 레이저 성능 측정단계(S120)로 진행된다.If the SBS suppression effect is not optimized in S80, the center wavelength of the seed light source is reset by returning to the step of turning off the main amplifier and the preamplifier (S82) and setting the center wavelength of the seed light source (S20). When the SBS suppression effect is optimized in S80, measuring the laser performance (S90), deriving the optimized fiber grating spacing (S100), manufacturing the fiber grating and applying it to the fiber laser (S120), laser performance It proceeds to the measuring step (S120).

즉, 협대역 시드 광원 중심 파장 조절을 통한 SBS 효과 최적화하고, SBS 억제 효과 최적화를 통한 레이저 출력 증대 한 뒤, 광섬유 격자의 최적 격자 간격 도출할 수 있다.That is, after optimizing the SBS effect by adjusting the central wavelength of the narrowband seed light source and increasing the laser output through optimizing the SBS suppression effect, the optimum lattice spacing of the optical fiber grating can be derived.

보다 구체적으로는, 광섬유 격자 기반 광 필터에 의해 SBS 광 손실 40 dB 이상 발생하는 단계; 광 필터에 의해 코어 빔이 클래드 빔으로 전환되는 단계; 클래드 빔으로 전환된 빔이 광섬유 클래드로 도파되는 단계; CLS에 의한 클래드 빔 제거되는 단계; 레이저 신호광 및 SBS 광 손실 발생 단계; 의 순서로 SBS 발생이 억제된다.More specifically, generating an SBS light loss of 40 dB or more by an optical fiber grating-based optical filter; converting the core beam into a clad beam by an optical filter; guiding a beam converted into a clad beam into an optical fiber clad; removing the clad beam by CLS; generating laser signal light and SBS light loss; In the order of, SBS generation is suppressed.

또한, 장주기 격자가 포함된 구조에서 장주기 격자에 의해 LP02 이상의 고차모드가 전환되는거나, TFBG가 포함된 구조에서 TFBG 중심 파장이 레이저 발진 파장보다 커서 SBS 광 손실이 발생되는 단계;를 통해 SBS 발생이 억제된다.In addition, in a structure including a long-period grating, higher-order modes of LP02 or higher are converted by the long-period grating, or in a structure including TFBG, the TFBG center wavelength is greater than the laser oscillation wavelength and SBS optical loss occurs; through which SBS is generated. are suppressed

또한, 광섬유 격자 기반 광 필터에 의해 발생되는 고차모드가 코어에 결합되는 단계; LPG(또는 TFBG) 이후 전송 광섬유 코일링에 의해 코어에서 고차 모드 손실이 발생하는 단계; 광섬유 코일링에 의해 고차모드 손실 발생되어 고차모드가 클래드에 결합되는 단계; 이때 코일링 직경은 10 cm 이내로서 클래드 결합된 고차모드가 CLS에 의해 손실발생으로, SBS 발생이 억제된다.In addition, the step of coupling the higher order mode generated by the optical fiber grating-based optical filter to the core; generating high-order mode loss in the core by transmission fiber coiling after LPG (or TFBG); coupling higher-order modes to the clad by generating higher-order mode loss by optical fiber coiling; At this time, the coiling diameter is less than 10 cm, and the clad-coupled higher-order mode is lost by the CLS, and the SBS generation is suppressed.

도 6에서 레일리 산란광은 레이저 출력 파장대역과 동일한 파장 특성을 가지고 있으며 SBS 광의 중심 파장은 레이저 발진 파장 대비 약 16 GHz 파장 천이된다. 레이저 신호광과 SBS 광의 파장 차이가 16 GHz 수준으로 그 차이가 상당히 작은 값이기 때문에, 광 필터의 대역폭과 신호광 대비 SBS 광 비율을 고려하여 레이저 신호광의 중심 파장을 조절한다. In FIG. 6, the Rayleigh scattered light has the same wavelength characteristics as the laser output wavelength band, and the center wavelength of the SBS light has a wavelength shift of about 16 GHz compared to the laser oscillation wavelength. Since the difference between the wavelengths of the laser signal light and the SBS light is 16 GHz, which is a very small value, the center wavelength of the laser signal light is adjusted in consideration of the bandwidth of the optical filter and the ratio of the SBS light to the signal light.

신호광의 일부가 광 필터에 의한 손실이 발생할 수 있기 때문에 SBS 광 비율을 분석함으로써 SBS 억제 효과를 최적화할 수 있다. Since some of the signal light may be lost by the optical filter, the SBS suppression effect can be optimized by analyzing the SBS light ratio.

SBS 억제 효과 최적화 시 레이저 소손을 방지하기 위해 증폭기의 전원을 오프(off) 상태로 수행해야 한다. 기존 SBS 효과 억제 방안과 비교해서 레이저의 구조는 동일한 상태에서, 레이저의 광 특성 변경으로만 SBS 효과를 억제할 수 있어, 고출력 레이저 출력 성능 확보에 있어서 장점이 있다. 추후 SBS 억제 효과 결과를 토대로 LPG 및 TFBG의 격자 간격을 최적화함으로써 레이저 발진 파장에 최적화된 광 필터 소자 제작이 가능하다. When optimizing the SBS suppression effect, the power of the amplifier must be turned off to prevent laser burnout. Compared to the conventional SBS effect suppression method, the SBS effect can be suppressed only by changing the optical characteristics of the laser while the structure of the laser is the same, which has an advantage in securing high power laser output performance. In the future, it is possible to manufacture an optical filter element optimized for the laser oscillation wavelength by optimizing the lattice spacing of LPG and TFBG based on the results of the SBS suppression effect.

도 7은 SBS 억제 효과에 따른 레이저 출력 시뮬레이션 결과이다. 출력 광학부의 광섬유 길이는 고정한 상태에서 신호광 대비 역반사 광의 출력 비율을 분석하였다. 역반사 광 비율(SBS 광 기준치)을 고려하여 주 증폭기의 펌프 LD 출력을 증가시켰다. 그 결과 SBS 광 손실이 증가함에 따라 레이저 출력이 증가함을 확인 하였다. 최종적으로 레이저 출력이 약 13 % 증가함을 확인하였으며 이는 빔 결합용 협대역 고출력 광섬유 레이저 제작시 레이저 출력 증가로 인하여 요구되는 레이저 채널 수량 감소가 예상된다. 빔 결합 레이저 목표 출력 달성을 위한 레이저 채널 수량 감소는 빔 결합 레이저의 소형 경량화 측면에서 장점이 있다.7 is a laser output simulation result according to the SBS suppression effect. The output ratio of retro-reflected light to signal light was analyzed while the optical fiber length of the output optical part was fixed. The pump LD output of the main amplifier was increased considering the retroreflection light ratio (SBS light reference value). As a result, it was confirmed that the laser power increased as the SBS optical loss increased. Finally, it was confirmed that the laser power increased by about 13%, which is expected to reduce the number of laser channels required due to the increased laser power when manufacturing a narrowband high-power fiber laser for beam combining. Reducing the number of laser channels to achieve the target output of the beam-coupled laser has an advantage in terms of miniaturization and weight reduction of the beam-coupled laser.

Claims (8)

삭제delete 삭제delete 삭제delete 시드(seed) 광원을 온(on)하는 단계(S10);
시드광원의 중심 파장을 설정하는 단계(S20);
전치 증폭기를 온(on)하는 단계(S30);
주 증폭기의 인가전류를 설정하는 단계(S40);
증폭기 최종 출력 및 SBS 모니터링 출력을 측정하는 단계(S50);
출력분석단계로서,
SBS 출력을 포함해 역방향 출력의 비율을 분석하고(S62), 레일리(Rayleigh) 및 SBS 광스펙트럼을 비교분석하는 단계(S64);
SBS 허용 기준치 초과 여부를 판단하는 단계(S70);
SBS 허용 기준치를 초과 시, SBS 억제의 여부를 판단하는 단계(S80);
SBS 억제가 되지 않으면, 상기 주 증폭기 및 상기 전치 증폭기를 오프(off)한 뒤(S82), 시드광원의 중심 파장을 재설정하는 단계(S20)를 포함하고,
상기 SBS 억제의 여부를 판단하는 단계(S80)는 장주기 격자에 의해 LP02 이상의 고차모드가 발생하거나, TFBG가 포함된 구조에서 TFBG 중심 파장이 레이저 발진 파장 보다 커서 SBS 광 손실이 발생되는 것을 통해 판단하는 것을 특징으로 하는
협대역 고출력 대구경 광섬유 레이저 장치에 의한 SBS(Stimulated Brillioun Scattering) 억제방법
Turning on a seed light source (S10);
Setting the center wavelength of the seed light source (S20);
Turning on the preamplifier (S30);
Setting the applied current of the main amplifier (S40);
Measuring the amplifier final output and SBS monitoring output (S50);
As an output analysis step,
Analyzing the ratio of the reverse output including the SBS output (S62), and comparatively analyzing the Rayleigh and SBS light spectrum (S64);
Determining whether or not the SBS acceptance criterion is exceeded (S70);
When the SBS acceptance criterion is exceeded, determining whether SBS is suppressed (S80);
If SBS suppression is not achieved, after turning off the main amplifier and the preamplifier (S82), resetting the center wavelength of the seed light source (S20),
The step of determining whether the SBS suppression (S80) is that higher order modes of LP02 or higher are generated by the long period grating, or the TFBG center wavelength is greater than the laser oscillation wavelength in the structure including TFBG, and SBS optical loss is determined through characterized by
Stimulated Brillioun Scattering (SBS) Suppression Method by Narrowband High Power Large Diameter Fiber Laser Device
제4항에 있어서,
광섬유 격자의 격자 간격 도출 단계;를 추가로 포함하는
협대역 고출력 대구경 광섬유 레이저 장치에 의한 SBS(Stimulated Brillioun Scattering) 억제방법
According to claim 4,
Further comprising: deriving the grating spacing of the optical fiber grating;
Stimulated Brillioun Scattering (SBS) Suppression Method by Narrowband High Power Large Diameter Fiber Laser Device
삭제delete 삭제delete 제4항에 있어서,
SBS 억제는,
광섬유 격자 기반 광 필터에 의해 발생되는 고차모드가 코어에 결합되는 단계; LPG(또는 TFBG) 이후 전송 광섬유 코일링에 의해 코어에서 고차 모드 손실이 발생하는 단계;
광섬유 코일링에 의해 고차모드 손실 발생되어 고차모드가 클래드에 결합되는 단계; 및 CLS에 의해 손실발생하는 단계; 인 것을 특징으로 하는
협대역 고출력 대구경 광섬유 레이저 장치에 의한 SBS(Stimulated Brillioun Scattering) 억제방법
According to claim 4,
SBS suppression is
coupling a higher order mode generated by an optical fiber grating-based optical filter to a core; generating high-order mode loss in the core by transmission fiber coiling after LPG (or TFBG);
coupling higher-order modes to the clad by generating higher-order mode loss by optical fiber coiling; and generating a loss by CLS; characterized in that
Stimulated Brillioun Scattering (SBS) Suppression Method by Narrowband High Power Large Diameter Fiber Laser Device
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