KR102593596B1 - 디폴라라이저를 포함하는 고출력 레이저빔 전송장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 디폴라라이저를 포함하는 고출력 레이저빔 전송장치에 관한 것이다. 본 발명은 고출력 레이저빔을 발생하는 고출력 레이저 발생기와, 상기 고출력 레이저 발생기로부터 방출된 레이저빔을 광섬유에 전달하는 빔전송기와, 상기 빔전송기의 출력단에 배치되어 레이저빔을 전달받는 광섬유를 포함하고, 상기 빔전송기는 다수개의 렌즈들과, 상기 다수개의 렌즈들 사이에 각각 배치되는 다수개의 디폴라라이저들로 구성되는 것을 특징으로 하는 디폴라라이저를 포함한다. 본 발명은 디폴라라이저를 배치하여 고출력 레이저빔의 광섬유 입사시 발생하는 보강간섭을 줄여 높은 순간출력에 의한 광섬유의 손상을 감쇠할 수 있다.

Description

디폴라라이저를 포함하는 고출력 레이저빔 전송장치{High-power laser beam transmission device including depolarizer}

본 발명은 디폴라라이저를 포함하는 고출력 레이저빔 전송장치에 관한 것으로, 특히 고출력 레이저빔을 광섬유로 전달할 때 발생하는 광섬유 손상을 감쇠하기 위해 빔전송기 내에 디폴라라이저를 포함하는 고출력 레이저빔 전송장치에 관한 것이다.

높은 에너지의 레이저빔을 발생하는 고출력 레이저빔 전송장치가 여러 분야에서 많이 활용되고 있어 연구가 활발하게 진행되고 있다. 특히 높은 에너지의 레이저빔을 광섬유로 전달하는 경우, 높은 순간 출력으로 인해 광섬유가 쉽게 손상되는 문제가 발생하고 있다. 광섬유 손상은 주로 입사면과 출사면에서 높은 순간 출력에 의해 발생하며, 프레넬 반사와 함께 전송 효율을 저하시키는 주요 원인에 해당한다.

예컨대, 1J의 에너지를 광섬유로 전달한다고 할 때, 연속파(CW)의 레이저의 경우 1초간 1W의 출력으로 충분하나, 1초간 10ns 펄스폭의 레이저 펄스 10개로 전달할 경우 펄스당 0.1J, 순간적으로 10MW의 출력이 10번 광섬유를 통과하기 때문에 광섬유가 손상될 수 있다.

실리카 기반의 광섬유의 손상한계는 일반적으로 출력밀도 1GW/cm² 로 알려 있다. 일반적인 대구경 광섬유의 직경이 1mm이므로, 단위 환산하면 약 10MW가 광섬유표면에서 평균 1GW/cm² 이상이 되어 전달이 불가능하며, 펄스당 0.08J 가량이 한계일 수 있다. 심지어 이러한 계산은 레이저빔이 균일하며, 레이저빔의 보강간섭이 일어나지 않는 가정하에 성립하므로, 실제로는 훨씬 낮은 펄스당 에너지의 레이저를 사용하거나 광섬유의 직경이 더 커야 한다.

따라서, 고출력 레이저빔 전송장치에서 레이저빔을 광섬유에 전달할 때 보강간섭을 감쇠하여 광섬유의 손상을 막는 방법이 요청되고 있다.

도 1은 종래의 빔균질기를 포함하는 고출력 레이저빔 전송장치의 개념도이다. 도 1을 참조하면, 광섬유에 균일한 레이저빔을 전송하는 기존의 빔 균질기(beam homogenizer)를 이용하면 빔 균질기에 의한 보강 간섭이 발생하여 손상한계 범위 내에서도 확률적으로 손상이 발생하는 문제가 발생한다. 즉, 보강 간섭으로 인해 미세 패턴이 발생한다.

빛이 전송되며 매질이 바뀔 경우, 매질 간의 굴절률 차에 따라 반사율이 바뀔 수 있다. 공기 중에서 광섬유로 레이저를 전송할 경우, 입사면과 출사면에서 매질 사이의 굴절률 차이로 많은 양의 에너지가 손실된다. 예컨대, 공기의 굴절률이 1.00, 실리카 광섬유 굴절률이 1.46이고, 수직 입사각으로 한정할 경우, 다음 반사율 공식 적용된다.

즉, 반사율 3.6%이므로 투과율은 96.4%이며, 입사면과 출사면에 각각 적용할 경우, 단일광섬유의 전송 효율은 92.9%이다.

이를 해결하기 위해 광섬유의 두 면에 연마 및 코팅하는 방법이 일반적이나, 이러한 방법은 비용이 높고, 고출력 레이저를 전송하는 과정에서 코팅면의 손상이 발생할 가능성이 매우 높은데다 손상이 발생했을 경우 산업 현장에서 바로 대응할 수 있는 방법이 없는 문제가 있다. 특히 출사면의 경우, 연마 상태에 따라 레이저 빔의 특성이 바뀔 수 있는 문제가 있다.

종래기술로는 한국등록특허 제10-1106797호(결맞는 빔결합 시 직접잠금 방법을 이용하는 레이저 시스템)은 결맞는 빔결합을 수행할 시 직접잠금 방법을 이용하기 위해 디폴라라이저 구성을 개시하고 있으나, 일부 빔을 편광시켜 비교를 통해 위상을 동기화하는 기술을 개시하고 있을 뿐이다. 또한, 한국등록특허 제10-215351호(빔 균질기 및 이를 채용한 고에너지 레이저 광섬유 빔 전송 시스템)가 개시되어 있으나, 고출력 레이저 펄스 빔보다 더 높은 에너지를 갖는 펄스 레이저를 광섬유를 통해 전송하는 기술을 개시하고 있을 뿐이다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 고출력 레이저빔을 광섬유로 전달할 때 발생하는 보강 간섭에 의한 광섬유 손상을 막기 하기 위해 디폴라라이저를 포함하는 고출력 레이저빔 전송장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 실시예에 따른 디폴라라이저를 포함하는 고출력 레이저빔 전송장치에 관한 것으로, 고출력 레이저빔을 발생하는 고출력 레이저 발생기와, 상기 고출력 레이저 발생기로부터 방출된 레이저빔을 광섬유에 전달하는 빔전송기와, 상기 빔전송기의 출력단에 배치되어 레이저빔을 전달받는 광섬유를 포함하고, 상기 빔전송기는 다수개의 렌즈들과, 상기 다수개의 렌즈들 사이에 각각 배치되는 다수개의 디폴라라이저들로 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기 다수개의 렌즈들은 제1렌즈 내지 제4렌즈로 구성되고, 상기 다수개의 디폴라라이저들은 제1디폴라라이저와 제2디폴라라이저로 구성되되, 상기 제1디폴라라이저는 상기 제1렌즈와 상기 제2렌즈 사이에 배치되고, 상기 제2디폴라라이저는 상기 제2렌즈와 상기 제3렌즈사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 디폴라라이저를 포함한다.

상기 다수개의 디폴라라이저들은 동일한 형상으로, 동일한 폭과 높이로 구성되고, 상기 제1렌즈는 레이저빔을 전달받는 일측면이 오목면이고, 타측면은 평면으로 구성되고, 상기 제2렌즈는 레이저빔을 전달받는 일측면이 평면이고, 타측면이 볼록면으로 구성되고, 상기 제3렌즈는 다수개의 렌즈 셀 어레이로 구성되는 것을 특징으로 한다. 상기 다수개의 디폴라라이저들은, 디폴라이저들이 배치되는 개수에 따라 출사 패턴의 각도 차이가 발생하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면 디폴라라이저를 배치하여 고출력 레이저빔의 광섬유 입사시 발생하는 보강간섭을 줄여 높은 순간출력에 의한 광섬유의 손상을 감쇠할 수 있다.

또한, 간섭효과가 줄어들어 국소적으로 발생하는 레이저빔의 피크수가 줄어들고, 크기도 줄어들어 광섬유의 손상한계가 높아지고 손상 가능성이 감소한다.

도 1은 종래의 빔균질기를 포함하는 고출력 레이저빔 전송장치의 개념도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 고출력 레이저빔 전송장치의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 고출력 레이저빔 전송장치내의 빔전송기의 구성도이다.
도 4 내지 도 6은 디폴라라이저 유무에 따른 순간출력의 차이를 비교하기 위해 측정한 예시도이다.
도 7은 단일 디폴라라이저의 S-pol 입사에 대한 출사 패턴 예시도이고, 도 8은 이중 디폴라라이저의 S-pol 입사에 대한 출사 패턴 예시도이다.

본 명세서에 개시되어 있는 본 발명의 개념에 따른 실시예들에 대해서 특정한 구조적 또는 기능적 설명은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예들을 설명하기 위한 목적으로 예시 된 것으로서, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태들로 실시될 수 있으며 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되지 않는다.

본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 변경들을 가할 수 있고 여러 가지 형태들을 가질 수 있으므로 실시예들을 도면에 예시하고 본 명세서에서 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명의 개념에 따른 실시예들을 특정한 개시 형태들에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 또는 대체물을 포함한다.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로서, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 본 명세서에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 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.

이하, 본 명세서에 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 고출력 레이저빔 전송장치의 구성도이다.

도 2를 참조하면, 고출력 레이저빔 전송장치(10)는 빔전송기(100), 고출력 레이저 발생기(200), 광섬유(300)로 구성된다.

빔전송기(100)는 고출력 레이저 발생기로부터 방출된 레이저빔(400)을 광섬유에 전달한다. 빔전송기(100)는 다수개의 렌즈들과, 상기 다수개의 렌즈들 사이에 각각 배치되는 다수개의 디폴라라이저들로 구성된다.

상기 다수개의 렌즈들은 서로 다른 형상으로 서로 다른 폭과 높이로 구성될 수 있고, 렌즈어레이로 구성될 수 있다. 상기 다수개의 디폴라라이저들은 동일한 형상으로, 동일한 폭과 높이로 구성될 수 있다. 단, 렌즈와 디폴라라이저의 형상, 폭, 높이를 한정하는 것은 아니다.

고출력 레이저 발생기(200)는 고출력 레이저빔(400)을 발생하여 빔전송기(100)에 전달한다. 고출력 레이저 발생기(200)는 빔전송기의 입력단(100)에 배치된다. 고출력 레이저 발생기(200)에서 발생하는 레이저빔은 1000mJ 내지 1100mJ/pulse 범위 내의 높은 에너지를 가질 수 있다.

광섬유(300)는 빔전송기의 출력단에 배치되어 레이저빔을 전달받는다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 고출력 레이저빔 전송장치내의 빔전송기의 구성도이다.

도 3을 참조하면, 빔전송기(100)는 다수개의 렌즈들과, 상기 다수개의 렌즈들 사이에 각각 배치되는 다수개의 디폴라라이저들로 구성된다. 다수개의 렌즈들은 제1렌즈(110), 제2렌즈(130), 제3렌즈(150), 제4렌즈(160)으로 구성된다.

제1렌즈(110)는 레이저빔을 전달받는 일측면이 오목면이고, 타측면은 평면으로 구성되고, 제2렌즈(130)는 레이저빔을 전달받는 일측면이 평면이고, 타측면이 볼록면으로 구성된다. 제3렌즈(150)는 다수개의 렌즈 셀 어레이로 구성되고, 각각의 렌즈를 통과한 레이저빔은 초점면을 향해 수렴되고, 초점면을 지나 확산되도록 설계된다. 제4렌즈(160)는 레이저빔을 전달받는 일측면이 볼록면이고, 타측면이 평면으로 구성된다.

다수개의 디폴라라이저들은 제1디폴라라이저(120)와 제2디폴라라이저(140)로 구성될 수 있다. 단, 다수개의 렌즈들과 다수개의 디폴라라이저들의 개수를 한정하는 것은 아니다. 제1디폴라라이저는 상기 제1렌즈와 상기 제2렌즈 사이에 배치되고, 상기 제2디폴라라이저는 상기 제2렌즈와 상기 제3렌즈사이에 배치된다.

제1렌즈(110)와 제2렌즈(130)의 이격거리(w1+w3)는 렌즈 배율에 따라 결정되며, 제3렌즈(150)의 초점거리(w7)는 광섬유의 직경에 따라 결정된다. 제3렌즈의 집속위치와 제4렌즈(160)의 이격거리(w8)는 적어도 5mm 이상, 최대 제3렌즈(150)의 초점거리(w7) 이내이어야 한다. 제3렌즈(150)와 제4렌즈(160)의 이격거리(w6)는 빔 균질기를 구성하는 최소 크기이고, 제1렌즈(110)와 제2디폴라라이저의 이격거리(w1+w2)는 빔 확대기를 구성하는 최소 크기이다.

제1렌즈(110)와 제1디폴라라이저(120)의 이격거리(w1)는 1mm 이상이고, 제1디폴라라이저(120)와 제2디폴라라이저(140)의 이격거리(w2)는 10mm ~ 100mm 범위 내이고, 제1디폴라라이저(120)와 제2렌즈(130)의 이격거리(w3)는 1mm 이상이고, 제2렌즈(130)와 제2디폴라라이저(140)의 이격거리(w4)는 1mm 이상이고, 제2디폴라라이저(140)와 제3렌즈(150)의 이격거리(w5)는 1000mm 이내이다.

즉, 빔전송기(100)는 고출력 레이저 발생기로부터 방출된 레이저빔을 제1디폴라라이저에 의해 편광 상태를 균일하지 않게 편광 소멸한 후, 제2디폴라라이저에 의해 2차로 편광 소멸함으로써 레이저빔 전달 중에 일어하는 간섭 효과를 줄일 수 있다.

도 4 내지 도 6은 디폴라라이저 유무에 따른 순간출력의 차이를 비교하기 위해 측정한 예시도이다.

도 4 내지 도 6을 참조하면, 최대 순간출력을 측정하기 위해 본 발명의 광섬유 대신 카메라를 배치하여 카메라를 통해 가장 값이 큰 지점(픽셀)의 밝기 값을 추출한 실험결과이다. 카메라를 광축을 따라 이동하여 defocus 거리에 따른 순간출력을 측정하였다. 펄스당 100mJ 레이저를 기준으로, 도 4는 디폴라라이저를 배치한 실험결과이고, 도 5는 디폴라라이저를 배치하지 않은 실험결과이다.

도 6을 참조하면, 디폴라라이저를 배치한 경우(A1)의 순간출력 피크가 대략 300J/cm²이고, 디폴라라이저를 배치하지 않은 경우(A2)의 순간출력 피크가 대략 150J/cm²이다. 즉, 디폴라라이저를 배치한 경우(A1)의 순간출력 피크가 디폴라라이저를 배치하지 않은 경우(A2)의 순간출력 피크보다 약 절반 가량 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 즉, 디폴라라이저를 배치함으로써 레이저빔의 보강간섭을 감쇠함으로써 순간출력을 줄일 수 있다는 것을 실험적으로 확인하였다.

도 7은 단일 디폴라라이저(120)의 S-pol 입사에 대한 출사 패턴 예시도이고, 도 8은 이중 디폴라라이저(120, 140)의 S-pol 입사에 대한 출사 패턴 예시도이다.

도 7과 도 8을 참조하면, 디폴라라이저는 의사랜덤으로써, 완전히 섞이는 것이 아니고 규칙적인 패턴을 가질 수 있다. 디폴라라이저는 불균일한 극성 패턴을 달성하기 위하여 디폴라라이저 개수에 따른 적합한 각도를 계산할 수 있다.

복굴절에 의한 디폴라이저는 180°를 기준으로 대칭적인 특성을 가지므로, 다수개의 디폴라라이저를 사용할 때 가급적 각도 차이가 크도록 배치해야 효율적이다. 입사광의 극성은 주변부의 상황 및 광원의 종류에 따라 다를 수 있으므로 고려하지 않으며, 디폴라라이저들간의 각도 차이를 아래의 식과 같이 정의한다.

, ,이때, n은 디폴라라이저의 개수, 는 디폴라라이저들간의 각도차, 는 i번째 디폴라라이저의 절대각도.

디폴라라이저의 개수에 따른 각도차는 아래의 표와 같다.

n	dψ	ψ1	ψ2	ψ3	ψ4	ψ5
2	90°	0°	90°
3	60°	0°	60°	120°
4	45°	0°	45°	90°	135°
5	36°	0°	36°	72°	108°	144°

발명의 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 등록청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

100; 빔전송기 110; 제1렌즈
120; 제1디폴라라이저 130; 제2렌즈
140; 제2디폴라라이저 150; 제3렌즈
160; 제4렌즈 200; 고출력 레이저 발생기
300; 광섬유 400; 레이저빔

Claims (5)

1. 디폴라라이저를 포함하는 고출력 레이저빔 전송장치에 있어서,
   고출력 레이저빔을 발생하는 고출력 레이저 발생기;
   상기 고출력 레이저 발생기로부터 방출된 레이저빔을 광섬유에 전달하는 빔전송기; 및
   상기 빔전송기의 출력단에 배치되어 레이저빔을 전달받는 광섬유를 포함하고,
   상기 빔전송기는 다수개의 렌즈들과, 상기 다수개의 렌즈들 사이에 각각 배치되는 다수개의 디폴라라이저들로 구성되고,
   상기 다수개의 렌즈들은 제1렌즈, 제2렌즈, 제3렌즈 및 제4렌즈로 구성되고,
   상기 다수개의 디폴라라이저들은 제1디폴라라이저와 제2디폴라라이저로 구성되되, 상기 제1디폴라라이저는 상기 제1렌즈와 상기 제2렌즈 사이에 배치되고, 상기 제2디폴라라이저는 상기 제2렌즈와 상기 제3렌즈사이에 배치되고,
   상기 제1렌즈는 레이저빔을 전달받는 일측면이 오목면이고, 타측면은 평면으로 구성되고, 상기 제2렌즈는 레이저빔을 전달받는 일측면이 평면이고, 타측면이 볼록면으로 구성되고, 상기 제3렌즈는 다수개의 렌즈 셀 어레이로 구성되,
   상기 제4렌즈는 레이저빔을 전달받는 일측면이 볼록면이고, 타측면이 평면으로 구성되고,
   상기 다수개의 렌즈들을 통과한 레이저빔은 초점면을 향해 수렴되고, 초점면을 지나 확산되도록 설계되는 것을 특징으로 하는 디폴라라이저를 포함하는 고출력 레이저빔 전송장치.
   
   
   
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 다수개의 디폴라라이저들은 동일한 형상으로, 동일한 폭과 높이로 구성되는 것을 특징으로 하는 디폴라라이저를 포함하는 고출력 레이저빔 전송장치.
   
   
   
4. 삭제
5. 제1항에 있어서,
   상기 다수개의 디폴라라이저들은, 디폴라이저들이 배치되는 개수에 따라 출사 패턴의 각도 차이가 발생하는 것을 특징으로 하는 디폴라라이저를 포함하는 고출력 레이저빔 전송장치.
   
   

Images