KR102520072B1 - 선택적 도핑농도를 가지는 이득매질 및 이를 포함하는 광 증폭 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 광 증폭 장치에 관한 것으로, 펌프광을 발생시키는 광 펌핑부, 상기 펌프광을 통한 씨드빔의 광 증폭이 이루어지는 이득매질부 및 상기 광 펌핑부에서 발생된 펌프광을 집광하여 상기 이득매질부로 전달하는 광 전달부를 포함하여, 상기 이득매질부는 상기 펌프광의 집속율이 가장 높은 지점인 집속지점이 포함된 제1 세그먼트 및 상기 펌프광의 집속율이 가장 낮은 지점인 비집속지점이 포함된 제2 세그먼트를 포함하며, 상기 제1 세그먼트의 도핑율이 상기 제2 세그먼트의 도핑율 보다 높게 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 펌프 세기가 높은 부분이나 레이저 모드 분포가 높은 부분의 도핑 농도를 선택적으로 높임으로써, 이득매질 내에 도핑 농도가 균일한 경우와 비교하여 동일한 펌프 세기에서 보다 증폭된 레이저 출력 세기를 얻을 수 있다.

Description

선택적 도핑농도를 가지는 이득매질 및 이를 포함하는 광 증폭 장치{GAIN MEDIUM HAVING SELECTIVE DOPING CONCENTRATION AND OPTICAL AMPLIFIER INCLUDING SAME}

본 발명은 이득매질 및 이를 포함하는 광 증폭 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 도핑이 세분화된 이득매질 및 이를 포함하는 광 증폭 장치에 관한 것이다.

레이저 장치는 제조 공정을 포함한 산업 전반에 걸쳐 효과적으로 이용되고 있으며, 외과 수술시에 피부를 정밀하게 절개하거나, 신체조직의 일부를 선택적으로 절제하는 역할을 하는 의료용 기기 분야에서도 널리 사용되고 있다.

일반적으로 레이저는 유도 방출(Stimulated emission) 현상에 의한 빛의 증폭을 의미하며, 레이저 증폭 장치는 빛을 증폭할 수 있는 이득매질(Gain medium)과 빛을 가둘 수 있는 공진기(Resonator), 그리고 이득매질에 에너지를 주는 펌핑부를 필수적 구성으로 하고 있다. 여기서 공진기는 이득매질의 양측에 각각 배치되는 반사경과 출력경 등으로 구성될 수 있다.

이득매질은 펌핑에너지에 의하여 여기되어 입사된 씨드 빔을 증폭시킬 수 있기 때문에 레이저나 광의 증폭에 널리 이용되는데, 이 때, 이득매질에서의 밀도 반전(Population inversion)을 위하여 펌핑이 필요하고, 이러한 과정을 통하여 빛의 증폭이 이루어진다.

여기서 광 펌핑(Optical pumping)은 펌핑에너지를 인가하는 여러 방법 중의 하나로써 이득매질로 여기 에너지를 광학적으로 주입하는 작용을 말하며, 이득매질 내부의 전자들은 광 펌핑 작용에 의해 여기되어 유도 방출에 의하여 씨드 빔을 증폭시킨다.

레이저는 이득매질의 종류에 따라서 기체 레이저, 액체 레이저, 고체 레이저, 반도체 레이저 등과 같이 다양한 형태의 레이저로 분류될 수 있다. 여기서 이득매질로 유리(glass) 또는 결정(crystal)과 같은 고체 상태의 물질을 사용하고 여기에 neodymium, chromium, erbium, thulium, ytterbium 등의 희토류 이온들이 도핑된 레이저 장치를 특히 고체 레이저 장치(Solid state laser device)라 하며, 고체 레이저 장치는 상대적으로 효율이 높고 컴팩트한 구성이 가능하다는 이점이 있다.

그러나 상기 고체 레이저 장치는 레이저의 출력을 높이기 위한 고출력 레이저(High power laser)로 구성하는 경우, 광 펌핑 과정에서 이득매질에 상당한 열이 발생하는 문제점이 있다. 이는 펌핑 광의 일부만이 레이저 발진 또는 증폭에 기여하고 나머지는 열로서 이득매질에 존재하게 되어 나타나는 문제인데, 상기 이러한 열 문제는 이득매질 내의 불균일한 열 분포를 유발하고, 레이저 빔 품질을 저하시키며 나아가 이득매질이 갈라지고 손상되는 등의 기계적 결함을 일으킬 수 있다.

이와 같은 열 문제를 해결하고자 매질을 얇은 두께로 구성하여 열 방출 면적을 넓힌 씬 디스크(Thin disk) 형태, 부피대 면적비가 큰 얇은 판상구조를 매질로 사용하는 슬랩(slab) 형태, 광섬유(Fiber) 형태 등이 제시되었으나, 씬 디스크 및 슬랩 형태는 정밀한 광정렬이 요구되는 등 구조가 매우 복잡하다는 단점이, 파이버 형태는 코어가 얇아 고에너지 광이 좁은 공간에 집속되어야 하기 때문에 비선형 광학 효과(nonlinear optical effect)가 발생하는 단점이 있다.

따라서 최근에는 고출력 레이저의 형태로서, 여러 형태의 장점들이 적절히 절충된 단결정성 광섬유 (Single Crystal Fiber, SCF) 형태가 주목받고 있다. SCF는 단결정성(monocrystalline) 물질로 구성된 막대(rod)형태이다.

종래의 SCF는 레이저 이득매질의 도핑 농도를 이득매질 전체에 고르게 분포시켰다. 이러한 경우 씨드빔과 펌프광의 공간적 중첩을 전혀 고려하지 않는 관계로 효율적인 증폭이 이뤄질 수 없다는 문제점이 있다. 즉, 씨드빔 모드와 펌프 모드의 중첩이 낮은 영역에서 도핑에 따른 펌프 흡수가 일어날 경우, 이러한 펌프광 흡수는 레이저 발진 및 증폭에 사용되지 않고 자발 방출(spontaneous emission) 및 열로 손실되어 증폭 효율이 감소하게 된다.

상기의 문제점을 해결하고자 본 발명은 레이저 모드와 펌프 모드의 공간적 중첩성이 높은 부분이 선택적으로 도핑된 이득매질을 통하여, 레이저 발진 효율이 현저히 향상된 광 증폭 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명은 광 증폭 장치를 개시하여, 펌프광을 발생시키는 광 펌핑부, 상기 펌프광을 통한 씨드빔의 광 증폭이 이루어지는 이득매질부 및 상기 광 펌핑부에서 발생된 펌프광을 집광하여 상기 이득매질부로 전달하는 광 전달부를 포함하여, 상기 이득매질부는 상기 펌프광의 집속율이 가장 높은 지점인 집속지점이 포함된 제1 세그먼트 및 상기 펌프광의 집속율이 가장 낮은 지점인 비집속지점이 포함된 제2 세그먼트를 포함하며, 상기 제1 세그먼트의 도핑율이 상기 제2 세그먼트의 도핑율 보다 높게 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 제1 세그먼트는 상기 집속지점을 중심으로,상기 집속지점과 상기 집속지점의 일 방향에 인접한 비집속지점의 중간지점인 제1 중간지점과 상기 집속지점과 상기 집속지점의 타 방향에 인접한 비집속지점의 중간지점인 제2 중간지점 사이의 거리 이하로 형성되는 영역인 것을 특징으로 한다.

또한 상기 제1 세그먼트는 6.5 내지 8.5 mm 로 형성되는 영역인 것을 특징으로 한다.

또한 상기 제2 세그먼트는 비도핑된 영역인 것을 특징으로 한다.

또한 상기 이득매질부는 단결정성 광섬유(Single Crystal Fiber, SCF)형인 것을 특징으로 한다.

또한 상기 이득매질은 단면이 원형(circular) 또는 다각형(polygonal)인 원통 로드 형태(cylindrical rod)인 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명은 광 증폭 장치의 다른 실시예로서, 광 증폭 장치는 개시하여 펌프광을 발생시키는 광 펌핑부, 상기 펌프광을 통한 씨드빔의 광 증폭이 이루어지는 이득매질부 및 상기 펌프광 광원부에서 발생된 펌프광을 집광하여 상기 이득매질로 전달하는 광 전달부를 포함하여, 상기 이득매질부는 상기 씨드빔의 광 분포가 가장 높은 영역이 포함된 제1 세그먼트 및 상기 씨드빔의 광 분포가 가장 낮은 영역이 포함된 제2 세그먼트를 포함하여, 상기 제1 세그먼트의 도핑율이 상기 제2 세그먼트의 도핑율 보다 높게 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 제1 세그먼트는 상기 씨드빔의 광 경로에 상응하는 영역인 것을 특징으로 한다.

또한 상기 제1 세그먼트에서 제2 세그먼트 방향으로 갈수록 도핑율이 점차적으로 낮아지는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 제1 세그먼트는 상기 이득매질부의 축방향의 중심점을 기준으로 상기 이득매질부 반지름의 1/2 이하로 형성되는 원통 영역인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 실시 예들에 따른 광 증폭 장치의 효과에 대해 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 펌프 세기가 높은 부분이나 레이저 모드 분포가 높은 부분의 도핑 농도를 선택적으로 높임으로써, 이득매질 내에 도핑 농도가 균일한 경우와 비교하여 동일한 펌프 세기에서 보다 증폭된 레이저 출력 세기를 얻을 수 있다.

또한 효율적인 광펌핑 및 증폭빔의 재흡수를 낮춰 레이저 발진 효율을 향상시킬 수 있다.

다만, 본 발명의 실시 예들에 따른 선택적 도핑농도를 가지는 이득매질 및 이를 포함하는 광 증폭 장치가 달성할 수 있는 효과는 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명에 관한 이해를 돕기 위해 상세한 설명의 일부로 포함되는, 첨부도면은 본 발명에 대한 실시예를 제공하고, 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 광 증폭 장치(1000)의 구성도를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이득매질부(400)를 도시한 것이다.
도 3은 도 2에 도시된 이득매질부(400)의 A-A'방향의 단면을 도시한 것이다.
도 4는 도 2의 이득매질부(400)의 제1 세그먼트(410A)를 구체적으로 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예로서 균일 도핑 또는 선택적 도핑이 이루어진 각 이득매질부의 단면을 도시한 것이다.
도 6은 도 5에 도시된 각 이득매질부(Case 1 내지 4)의 펌핑출력 대비 증폭출력의 값을 나타낸 그래프이다.
도 7의 (a), (b)는 다양한 조건으로 도핑된 이득매질부의 펌핑출력 대비 증폭율(Gain) 을 나타낸 그래프이다.
도 8은 다양한 조건으로 도핑된 이득매질부의 펌핑출력 대비 펌프광의 흡수율(absorptance) 값을 나타낸 그래프이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이득매질부(400)를 도시한 것이다.
도 10은 도 9에 도시된 이득매질부(400)의 A-A'방향의 단면을 도시한 것이다.
도 11은 도 9에 도시된 이득매질부(400) 내의 반경(r)에 따른 도핑 농도를 나타낸 그래프이다.

본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정하여 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해서 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 하나의 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다. 이하에서는, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 선택적 도핑농도를 가지는 이득매질 및 이를 포함하는 광 증폭 장치를 상세하게 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 광 증폭 장치(1000)의 구성도를 나타낸 것이다.

본 발명에 따른 광 증폭 장치(1000)는 초기 증폭하고자 하는 레이저 빔, 즉 씨드빔(seed beam)을 발생시키는 씨드빔 발생부(100), 펌프광을 발생시키는 광 펌핑부(200), 입사된 펌프광을 통한 씨드빔의 광 증폭이 이루어지는 이득매질부(400) 및 광 펌핑부(200)에서 발생된 펌프광을 집광하여 상기 이득매질부(400)로 전달하는 광 전달부(300)를 포함한다.

씨드빔 발생부(100)는 레이저 광을 발생시키며, 씨드빔 발생부(100)로부터 발생된 광을 이득매질부(400)로 전달한다.

광 펌핑부(200)는 펌프광을 발생시켜, 발생된 펌프광을 이득매질부(400)에 입사시킨다. 이로 인해 이득매질부(400)에 저장된 에너지량이 높아지고, 매질의 밀도반전(population inversion)이 일어남으로써 씨드빔의 광증폭이 이루어진다. 여기서 광 펌핑부(200)는 복수의 레이저 다이오드(LD)가 실장된 형태의 레이저 다이오드 어레이일 수 있으며, 마이크로렌즈 등에 의하여 시준(collimation)이 이루어질 수 있다.

이득매질부(400)는 상기 펌프광을 통해 얻은 에너지를 이용하여 이득매질부(400)로 조사된 씨드빔을 증폭하고 궁극적으로 증폭된 레이저를 방출한다. 일 실시예로서 상기 이득매질부(400)는 직경(diameter)이 대략 1~2 mm 이하인 원통형 기둥 형상일 수 있다.

광 전달부(300)는 상기 광 펌핑부(200)에서 발생된 펌프광을 집광하여 상기 이득매질부로 전달하는 광학기구일 수 있다. 일 실시예로서, 광 펌핑부(200)에서 발생된 광을 집광(또는 집속)하여 이득매질부(400)에 조사하기 위한 조준 렌즈(collimating lens) 및 집속 렌즈(focusing lens)를 포함할 수 있다.

본 발명은 이득매질부(400)로 입사되는 씨드빔과 펌프광의 중첩성, 즉, 레이저 모드와 펌프 모드의 공간적 중첩성이 높은 부분의 도핑율을 높힌 이득매질부(400)를 통하여 레이저 발진 효율을 높이는 것을 목적으로 한다. 이하에서는 도 2 내지 도 4를 참조하여 본 발명에 따른 이득매질부(400)를 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이득매질부(400)를 도시한 것이다.

도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 이득매질부(400)는 펌프광의 집속율이 가장 높은 지점인 집속지점(412A)이 포함된 제1 세그먼트(410A) 및 상기 펌프광의 집속율이 가장 낮은 지점인 비집속지점(412B)이 포함된 제2 세그먼트(410B)를 포함하며, 상기 제1 세그먼트(410A)의 도핑율이 상기 제2 세그먼트(410B)의 도핑율 보다 높게 형성되는 것을 특징으로 한다.

레이저의 증폭 효율을 높이기 위해서는 이득매질부(400)에 흡수된 펌프 에너지가 최대한 레이저 모드의 증폭에만 기여해야 한다. 즉, 레이저 모드가 분포하는 공간에 펌프 에너지 흡수가 높을 경우 레이저 효율이 극대화 될 수 있다.

이를 위해 본 발명은 이득매질부(400)내의 광 펌핑부(200)에서 발생한 펌프광이 집속되는 곳의 도핑율(또는 도핑농도)을 선택적으로 높이거나 (또는 세분화(segmented)하여) 또는 레이저 모드가 분포하는 공간에만 도핑농도를 높여 흡수된 펌프 에너지 대부분이 레이저 증폭에 기여할 수 있도록 한다.

특히, 본 발명의 이득매질로 사용되는 단결정성 광섬유(Single Crystal Fiber, SCF)와 같은 이득매질의 경우, 증폭빔의 재흡수율을 줄일 수 있고, 도핑농도가 낮은 영역에서는 열전도율이 상대적으로 높아 열발산 효율 또한 높일 수 있다. 여기서 상기 SCF 이득매질은 단면이 원형(circular) 또는 다각형(polygonal)인 원통 로드 형태(cylindrical rod)일 수 있다.

제1 세그먼트(410A)는 펌프광의 집속율이 가장 높은 지점인 집속지점(412A)이 포함되어 도핑율이 높게 형성되는 영역이다. 여기서 '집속(focused)'은 입사된 펌프광이 한군데로 모이는 것을 의미하며,'지점'은 점(dot)을 포함하는 특정한 영역을 의미한다.

제2 세그먼트(410B)는 펌프광의 집속율이 가장 낮은 지점인 비집속지점(412B)이 포함되어 도핑율이 낮게 형성되는 영역이다. 여기서'비집속'은 입사된 펌프광이 가장 분산된, 즉 가장 퍼져있는 것을 의미하며, '지점'은 점(dot)을 포함하는 특정한 영역을 의미한다. 이득매질부(400)의 상세한 구성은 도 3 및 도 4를 참조하여 설명한다.

도 3은 도 2에 도시된 이득매질부(400)의 A-A'방향의 단면을 도시한 것이고, 도 4는 도 2의 이득매질부(400)의 제1 세그먼트(410A)를 구체적으로 도시한 것이다.

도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 이득매질부(400)의 제1 세그먼트(410A)는 상기 집속 지점을 중심으로, 상기 집속지점과 상기 집속지점의 일 방향에 인접한 비집속지점의 중간지점인 제1 중간지점과 상기 집속지점과 상기 집속지점의 타 방향에 인접한 비집속지점의 중간지점인 제2 중간지점 사이의 거리 이하로 형성되는 영역인 것을 특징으로 한다.

입사된 펌프광의 집속율이 가장 높은 지점인 집속지점(412A)과 집속율이 가장 낮은 지점인 비집속지점(412B)은 교대로 반복하여 나타나기 때문에 집속지점(412A)에는 양 측에 인접한 비집속지점(412B)이 형성된다. 상기 제1 세그먼트(410A)는 집속지점(412A)을 중심으로 일측의 비접속지점(412B)의 중간 지점인 제1 중간지점과 타측의 비접속지점(412B)과의 중간 지점인 제2 중간지점 사이의 영역(즉, L/2 + L/2)으로 형성될 수 있으며, 상기 제1 중간지점과 제2 중간지점 사이의 거리 이하로 형성될 수도 있다.

집속지점(412A) 및 비집속지점(412B)은 광 펌핑부(200)의 펌프광이 입사되는 펌프 조건(Pump Condition)에 따라 이득매질부(400)내에 다양한 위치 및 개수로 형성될 수 있다. 구체적으로 펌프광이 입사되는 각도 (Numerical Aperture, NA), 이득매질의 반경(Radius), 이득매질의 길이(Length), 이득매질의 굴절율(refractive index) 등에 따라 달라질 수 있다. 일 실시예로서 펌프광의 NA 0.11, 이득매질의 반경 0.5mm, 이득매질의 굴절율 1.82 조건에서 상기 제1 세그먼트(410A)가 8.3 mm 로 형성될 수 있다.

제1 세그먼트(410A)는 일정 농도(예를 들어 1 내지 5 %)로 도핑된 호스트(doped host) 소재가 사용될 수 있으며, 일 실시예로서 톨륨(Tm) 또는 이터븀(Yb)과 같은 희토류가 도핑된 야그(yttrium-aluminum-garnet, YAG)일 수 있고, 제2 세그먼트(410B)는 제1 세그먼트(410A)의 도핑 농도보다 낮은 농도로 도핑된 호스트 소재가 사용될 수 있다. 상기 제2 세그먼트(410B)가 비도핑되는 경우 비도핑 호스트(undoped host) 소재가 사용될 수 있으며, 이 경우, 비도핑된 YAG일 수 있다.

도 5는 본 발명의 일 실시예로서 균일 도핑 또는 선택적 도핑이 이루어진 각 이득매질부의 단면을 도시한 것이다. 선택적 도핑농도를 가지는 이득매질의 효율을 확인하기 위하여 펌프광의 NA는 0.11, 펌프광의 반경은 200um, 이득매질의 반경 0.5mm, 이득매질의 굴절율 1.82, 이득매질의 길이는 30mm 조건에서 전산시늉 결과를 비교하였다.

Case 1 및 Case 3은 이득매질 전체를 1 % 또는 2 %의 농도로 균일하게 도핑한 것이고, Case 2 및 Case 4는 이득매질에서 펌프광의 집속율이 가장 높은 지점인 집속지점이 포함된 제1 세그먼트에 해당되는 영역을 1 % 또는 2 %의 농도로 균일하게 도핑하고, 펌프광의 집속율이 가장 낮은 지점인 비집속지점이 포함된 제2 세그먼트에 해당되는 영역은 비도핑한 것이다. Case 2 및 Case 4에서 이득매질내 제1 세그먼트 영역이 약 7.5 ㎜으로 형성된 것을 알 수 있다. 이때, 펌프광의 집속율이 가장 높은 지점인 집속지점과 펌프광의 집속율이 가장 낮은 지점인 비집속지점 사이의 거리(L)는 8.3mm이나, Case 1 및 Case 3과의 효과를 쉽게 비교하기 위하여 Case 1과 Case 4의 이득매질내 총 도핑 농도가 같도록 제 1 세그먼트 영역을 7.5 mm 로 설정하였다.

도 6은 도 5에 도시된 각 이득매질부(Case 1 내지 4)의 펌핑출력 대비 증폭출력의 값을 나타낸 그래프이다.

도 6의 그래프에서 1p, 2p는 도핑농도인 1 %, 2 %를 의미하고, 1pseg, 2pseg는 세분화 즉, 1 % 또는 2 % 의 농도가 선택적으로 도핑되었음을 의미하며, 50 W는 초기 씨드빔의 출력이 50 W 인 것을 의미한다.

Case 1 및 Case 4를 비교해보면, 펌핑 출력이 0 인 곳에서 증폭된 출력이 동일한 것을 알 수 있다. 이는 1 %의 균일 도핑된 이득매질과 2 % 의 선택적 도핑이 이루어진 이득매질의 총 도핑농도가 같아서 펌핑 출력이 0일 경우 씨드빔의 이득매질 흡수율이 같기 때문이다. 그러나 펌핑 출력이 점차적으로 증가할수록 증폭된 출력에 상당한 차이가 발생하는 것을 확인할 수 있다.

이를 통해 동일 농도로 도핑이 이루어졌다고 하더라도 펌프광이 집속되는 영역을 선택적으로 도핑하였을 때, 증폭 출력이 더 커지는 효과가 있는 것을 알 수 있다.

또한 Case 3 및 Case 4를 비교해보면, 펌핑 출력이 0 인 곳에서 증폭된 출력이 Case 3이 더 낮은 것을 알 수 있다. 이 결과는 2 %의 균일 도핑된 이득매질이 2 % 의 선택적 도핑이 이루어진 이득매질 보다 총 도핑농도가 더 높기 때문인데(약 2배), 이는 씨드빔의 흡수가 도핑농도가 높은 곳에서 더 높게 일어나기 때문이다. Case 4는 Case 3에 비하여 총 도핑농도가 절반정도 밖에 되지 않음에도 펌핑 출력의 일정범위내에서는 펌핑 출력에 따른 증폭 출력이 더 높거나 또는 거의 유사하게 나타나는 것을 확인할 수 있다.

즉, 펌프광이 집속되는 영역을 선택적으로 도핑한 경우, 펌핑 출력의 일정범위내에서는 전체를 균일하게 도핑하였을 때의 절반 농도로 동일한 증폭 출력이 나타날 수 있다는 것을 의미한다.

도 7의 (a), (b)는 다양한 조건으로 도핑된 이득매질부의 펌핑출력 대비 증폭율(Gain) 을 나타낸 그래프이다.

도 7의 (a) 그래프에서도 앞서 설명한 바와 같이, 1 %의 균일 도핑된 이득매질(1p)과 2 % 의 선택적 도핑이 이루어진 이득매질(2pseg)의 총 도핑농도가 같다.

1p10W, 2pseg10W를 비교해보면, 도핑 총 농도가 같음에도 불구하고 선택적으로 도핑을 수행한 경우 증폭율이 현저히 큰 것을 알 수 있다. 이는 1p50W, 2pseg50W의 경우, 1p100W, 2pseg100W의 경우를 비교해보아도 마찬가지이다.

도 7의 (b) 그래프에서도 앞서 설명한 바와 같이, 2 %의 균일 도핑된 이득매질(2p)이 2 % 의 선택적 도핑이 이루어진 이득매질(2pseg) 보다 총 도핑농도가 약 2 배가량 높다.

2pseg10W, 2p10W를 비교해보면, 총 도핑농도가 절반정도 밖에 되지 않음에도 일정범위에서는 펌핑 출력에 따른 증폭 출력이 더 높거나 또는 거의 유사하게 나타나는 것을 확인할 수 있다. 이는 2pseg50W, 2p50W 의 경우, 2pseg100W, 2p100W 의 경우를 비교해보아도 마찬가지이다.

결론적으로 이득매질 전체의 도핑 농도는 유지한 채 펌프가 집속되는 부분에만 선택적으로 도핑 농도를 높여 도핑이 세분화된 증폭 매질의 출력세기를 균일하게 도핑한 경우와 비교한 결과 전자가 항상 증폭률이 높다는 것을 확인할 수 있었다.

도 8은 다양한 조건으로 도핑된 이득매질부의 펌핑출력 대비 펌프광의 흡수율(Absorbed pump power) 값을 나타낸 그래프이다.

도 8의 (a)에서 1p10W, 2pseg10W를 비교해보면 양자는 총 도핑 농도가 같기 때문에 펌프광의 흡수율이 거의 동일하게 나타나는 것을 확인할 수 있다. 이와 같은 결과를 도 6 및 도 7과 함께 고려해본다면, 펌프광의 흡수율이 동일함에도 불구하고 선택적 도핑이 수행된 이득매질의 증폭율이 현저히 높다는 것을 알 수 있다. 이는 도 8의 (b)의 1p50W, 2pseg50W, 도 8의 (c)의 1p100W, 2pseg100W를 비교해보아도 마찬가지이다.

도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이득매질부(400)를 도시한 것이고,도 10은 도 9에 도시된 이득매질부(400)의 A-A'방향의 단면을 도시한 것이며, 도 11은 도 9에 도시된 이득매질부(400) 내의 반경(r)에 따른 도핑 농도를 나타낸 그래프이다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 이득매질부(400)는 상기 씨드빔의 광 분포가 가장 높은 영역이 포함된 제1 세그먼트(420A) 및 상기 씨드빔의 광 분포가 가장 낮은 영역이 포함된 제2 세그먼트(420B)를 포함하여, 상기 제1 세그먼트(420A)의 도핑율이 상기 제2 세그먼트(420B)의 도핑율 보다 높게 형성되는 것을 특징으로 한다.

상기 제1 세그먼트(420A)는 씨드빔, 즉 레이저 모드와의 공간적 중첩성이 가장 높은 영역을 포함한다. 여기서 상기 제1 세그먼트(420A)는 씨드빔의 광 경로에 상응(또는 대응)하는 영역일 수 있다. 이득매질부(400)내에서 레이저 모드와의 공간적 중첩성이 가장 높은 부분은 축방향의 중심부분이다. 따라서 축방향의 중심점을 기준으로 일정 반경(r)에 해당되는 원통 영역이 제1 세그먼트(420A)가 될 수 있다. 일 실시예로서 상기 r은 이득매질 반지름의 1/2 이하의 길이일 수 있다. 이는 씨드빔이 회절영향 없이 빔품질을 유지한채 이득매질에 입사하기 위해서는 씨드빔 반지름이 이득매질 반경의 1/2 이하인 것이 유리하기 때문이다. 구체적인 예로, 이득매질 반지름이 500um일 때 이득매질에 입사하는 씨드빔의 크기는 200um 또는 그 이하가 바람직하다.

상기 제2 세그먼트(420B)는 상기 제1 세그먼트(420A) 보다 도핑 농도가 낮게 형성되는 영역으로 일 실시예로서 비도핑된 영역일 수 있다. 한편, 제2 세그먼트(420B)를 비도핑하지 않고, 제1 세그먼트(420A)에서 제2 세그먼트(420B) 방향으로 갈수록 농도를 점차적으로 낮추어 도핑하는 것 또한 가능하다.

도 11은 도 9에 도시된 이득매질부(400) 내의 반경(r)에 따른 도핑 농도를 나타낸 그래프로, 도 11의 (a)는 중심축에서 외곽으로 갈수록 농도가 연속적으로 감소하는 형태(ex) 지수함수적(exponential) 감소, 가우시안 분포(Gaussian distribution) 형태)로 도핑하는 형태이며, 도 11의 (b)는 일정 거리까지는 동일한 농도를 유지하여 도핑하고, 나머지 부분을 비도핑하는 형태이다. 도 11의 (c)는 농도가 계단식으로 감소되도록 도핑하는 형태이다. 상기와 같은 도핑 형태들은 레이저 모드와의 공간적 중첩성이 가장 높은 축방향 중심부분의 도핑 농도가 가장 높다는 것에 있다.

이와 같이 레이저 모드와의 중첩성이 높은 곳을 선택적으로 도핑하는 경우, 동일 농도로 전체를 균일하게 도핑한 경우 보다 향상된 증폭출력이 나타날 수 있다.

이상에서 본 발명의 대표적인 실시예들을 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

1000 : 광 증폭 장치
100 : 씨드빔 발생부
200 : 광 펌핑부
300 : 광 전달부
400 : 이득매질부
410A, 420A : 제1 세그먼트
412A : 집속지점
410B, 420B : 제2 세그먼트
412B : 비집속지점

Claims (11)

1. 펌프광을 발생시키는 광 펌핑부;
   상기 펌프광을 통한 씨드빔의 광 증폭이 이루어지는 이득매질부; 및
   상기 광 펌핑부에서 발생된 펌프광을 집광하여 상기 이득매질부로 전달하는 광 전달부를 포함하고,
   상기 이득매질부는 상기 펌프광의 집속율이 가장 높은 지점인 집속지점이 포함된 제1 세그먼트 및 상기 펌프광의 집속율이 가장 낮은 지점인 비집속지점이 포함된 제2 세그먼트를 포함하며, 상기 제1 세그먼트의 도핑율이 상기 제2 세그먼트의 도핑율 보다 높게 형성되고,
   상기 제2 세그먼트는 비도핑된 영역인 것을 특징으로 하는 광 증폭 장치.
   
2. 펌프광을 발생시키는 광 펌핑부;
   상기 펌프광을 통한 씨드빔의 광 증폭이 이루어지는 이득매질부; 및
   상기 펌프광 광원부에서 발생된 펌프광을 집광하여 상기 이득매질로 전달하는 광 전달부를 포함하고,
   상기 이득매질부는 상기 씨드빔의 광 분포가 가장 높은 영역이 포함된 제1 세그먼트 및 상기 씨드빔의 광의 광 분포가 가장 낮은 영역이 포함된 제2 세그먼트를 포함하여, 상기 제1 세그먼트의 도핑율이 상기 제2 세그먼트의 도핑율 보다 높게 형성되고,
   상기 제1 세그먼트는, 집속지점을 중심으로, 상기 집속지점과 상기 집속지점의 일 방향에 인접한 비집속지점의 중간지점인 제1 중간지점과 상기 집속지점과 상기 집속지점의 타 방향에 인접한 비집속지점의 중간지점인 제2 중간지점 사이의 거리 이하로 형성되는 영역인 것을 특징으로 하는 광 증폭 장치.
   
3. 제2항에 있어서,
   상기 제1 세그먼트는 6.5 내지 8.5 mm 로 형성되는 영역인 것을 특징으로 하는 광 증폭 장치.
   
4. 삭제
5. 제1항에 있어서,
   상기 이득매질부는 단결정성 광섬유(Single Crystal Fiber, SCF)형인 것일 특징으로 하는 광 증폭 장치.
   
6. 제1항에 있어서,
   상기 이득매질은 단면이 원형(circular) 또는 다각형(polygonal)인 원통 로드 형태(cylindrical rod)인 것을 특징으로 하는 광 증폭 장치.
   
7. 펌프광을 발생시키는 광 펌핑부;
   상기 펌프광을 통한 씨드빔의 광 증폭이 이루어지는 이득매질부; 및
   상기 펌프광 광원부에서 발생된 펌프광을 집광하여 상기 이득매질로 전달하는 광 전달부를 포함하고,
   상기 이득매질부는 상기 씨드빔의 광 분포가 가장 높은 영역이 포함된 제1 세그먼트 및 상기 씨드빔의 광의 광 분포가 가장 낮은 영역이 포함된 제2 세그먼트를 포함하여, 상기 제1 세그먼트의 도핑율이 상기 제2 세그먼트의 도핑율 보다 높게 형성되고,
   상기 제2 세그먼트는 비도핑된 영역인 것을 특징으로 하는 광 증폭 장치.
   
8. 펌프광을 발생시키는 광 펌핑부;
   상기 펌프광을 통한 씨드빔의 광 증폭이 이루어지는 이득매질부; 및
   상기 펌프광 광원부에서 발생된 펌프광을 집광하여 상기 이득매질로 전달하는 광 전달부를 포함하고,
   상기 이득매질부는 상기 씨드빔의 광 분포가 가장 높은 영역이 포함된 제1 세그먼트 및 상기 씨드빔의 광의 광 분포가 가장 낮은 영역이 포함된 제2 세그먼트를 포함하여, 상기 제1 세그먼트의 도핑율이 상기 제2 세그먼트의 도핑율 보다 높게 형성되고,
   상기 제1 세그먼트는 상기 씨드빔의 광 경로에 상응하는 영역인 것을 특징으로 하는 광 증폭 장치.
   
9. 삭제
10. 제7항에 있어서,
    상기 제1 세그먼트에서 제2 세그먼트 방향으로 갈수록 도핑율이 점차적으로 낮아지는 것을 특징으로 하는 광 증폭 장치.
    
11. 펌프광을 발생시키는 광 펌핑부;
    상기 펌프광을 통한 씨드빔의 광 증폭이 이루어지는 이득매질부; 및
    상기 펌프광 광원부에서 발생된 펌프광을 집광하여 상기 이득매질로 전달하는 광 전달부를 포함하고,
    상기 이득매질부는 상기 씨드빔의 광 분포가 가장 높은 영역이 포함된 제1 세그먼트 및 상기 씨드빔의 광의 광 분포가 가장 낮은 영역이 포함된 제2 세그먼트를 포함하여, 상기 제1 세그먼트의 도핑율이 상기 제2 세그먼트의 도핑율 보다 높게 형성되고,
    상기 제1 세그먼트는 상기 이득매질부의 축방향의 중심점을 기준으로 상기 이득매질부 반지름의 1/2 이하로 형성되는 원통 영역인 것을 특징으로 하는 광 증폭 장치.

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