KR102603289B1 - 펄스 반복률 조절이 가능한 광섬유 레이저 및 이를 구비한 광섬유 레이저 장치 - Google Patents
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Abstract
개시된 광섬유 레이저는, 복수의 출력 포트를 제공하며, 서로 반대 쪽에 위치하는 제1 단과 제2 단을 포함하는 3x3 커플러, 상기 3x3 커플러의 제1 단의 제1 포트 및 제2 포트에 연결되고, 제1 레이저 다이오드에 연결된 제1 파장 분할 다중화기(WDM), 이득 광섬유(Gain fiber), 제2 레이저 다이오드에 연결된 제2 파장 분할 다중화기(WDM), 및 위상 천이기(Phase shifter)를 포함하는 제1 광섬유 루프, 및 상기 3x3 커플러의 제2 단의 제4 포트 및 제5 포트에 연결되고, 아이솔레이터를 포함하는 제2 광섬유 루프를 포함한다.
또한 개시된 광섬유 레이저 장치는, 상기 광섬유 레이저와 이 광섬유 레이저가 안착되는 외부 가열/냉각 부재를 포함한다.
또한 개시된 광섬유 레이저 장치는, 상기 광섬유 레이저와 이 광섬유 레이저가 안착되는 외부 가열/냉각 부재를 포함한다.
Description
본 개시는 펄스 반복률 조절이 가능한 광섬유 레이저와 이를 구비한 광섬유 레이저 장치에 관한 것이다.
광섬유 레이저는 일반 레이저의 원리를 광섬유 구조 내에서 구현한 것으로 어븀, 이터븀, 툴륨 등의 희토류 원소가 첨가된 코어와 클래딩을 갖는 광섬유를 이득매질로 사용한다. 광섬유 레이저 기술은 레이저 광원의 출력 특성에 따라 연속 발진형 광섬유 레이저 기술과 펄스형 광섬유 레이저 기술로 분류될 수 있다.
펄스형 레이저는 출력 파장, 펄스 폭, 반복률 등에 따라 광통신, 레이저 가공, 분광학, 광계측, 의료분야 등에서 활발히 활용되고 있으며, 펄스형 레이저를 구현하기 위해 일반적으로 Q-스위칭과 모드 잠금 기술을 사용한다.
모드 잠금된 레이저는 미세 가공이나 각종 정밀 측정 분야에서 광원으로서 매우 높은 활용 가능성을 가지고 있으나, 기존의 모드 잠금된 레이저는 온도나 주변 상태 변화에 민감하여 상태 변화가 많은 외부 환경에서 사용하는 데에는 한계가 있다.
하지만, 펄스 레이저를 이용한 레이저 거리측정, 정밀레이저 분광, 표면형상 측정 등에 활용하기 위해서는 반복률 안정화가 필수적이고, 또한 극심한 온도, 압력, 습도 변화 등의 환경에서는 넓은 범위에서 고속으로 반복률 제어가 필요하다.
실시예의 일 측면은 고속으로 넓은 범위에서 펄스 반복률 조절이 가능한 광섬유 레이저를 제공하고자 한다.
그러나, 본 발명의 실시예들이 해결하고자 하는 과제는 상술한 과제에 한정되지 않고 본 발명에 포함된 기술적 사상의 범위에서 다양하게 확장될 수 있다.
한 실시예에 따른 광섬유 레이저는, 복수의 출력 포트를 제공하며, 서로 반대 쪽에 위치하는 제1 단과 제2 단을 포함하는 3x3 커플러, 상기 3x3 커플러의 제1 단의 제1 포트 및 제2 포트에 연결되고, 제1 레이저 다이오드에 연결된 제1 파장 분할 다중화기(WDM), 이득 광섬유(Gain fiber), 제2 레이저 다이오드에 연결된 제2 파장 분할 다중화기(WDM), 및 위상 천이기(Phase shifter)를 포함하는 제1 광섬유 루프, 및 상기 3x3 커플러의 제2 단의 제4 포트 및 제5 포트에 연결되고, 아이솔레이터를 포함하는 제2 광섬유 루프를 포함한다.
상기 3x3 커플러의 제2 단의 제6 포트는 제1 출력 포트와 연결될 수 있다.
상기 3x3 커플러의 제1 단의 제3 포트는 제2 출력 포트와 연결될 수 있다.
상기 아이솔레이터는 상기 3x3 커플러의 제2 단의 상기 제4 포트로부터 상기 제5 포트를 향하는 방향으로의 신호를 투과시키고 상기 방향과 반대되는 방향의 신호를 흡수할 수 있다.
상기 위상 천이기는 상기 3x3 커플러의 제1 단의 제2 포트와 상기 제2 파장 분할 다중화기 사이에 배치될 수 있다.
상기 이득 광섬유는 상기 제1 파장 분할 다중화기와 상기 제2 파장 분할 다중화기 사이에 배치될 수 있다.
상기 제1 및 제2 레이저 다이오드는 펌프 레이저를 포함할 수 있다.
다른 실시예에 따른 광섬유 레이저 장치는, 상기 광섬유 레이저, 및 상기 광섬유 레이저가 안착되는 외부 가열/냉각 부재를 포함한다.
상기 외부 가열/냉각 부재는 펠티어(Peltier) 소자를 포함할 수 있다.
실시예에 따른 광섬유 레이저에 의하면 위상 천이기를 구비하여 고속으로 펄스 반복률의 조절이 가능하다.
또한, 실시예에 따른 광섬유 레이저 장치에 의하면 위상 천이기와 외부 가열/냉각 부재를 동시에 적용함으로써 넓은 반복률 조절 범위에서 고속으로 반복률 제어가 가능하다.
도 1은 한 실시예에 따른 광섬유 레이저의 구성을 도시한 도면이다.
도 2 및 도 3은 도 1에 나타낸 광섬유 레이저가 외부 가열/냉각 부재에 장착된 광섬유 레이저 장치를 도시한 평면도 및 측면도이다.
도 4 및 도 5는 도 1에 나타낸 광섬유 레이저로부터 발진된 레이저 광원의 스펙트럼과 펄스열을 각각 나타낸 그래프이다.
도 6은 도 1에 나타낸 광섬유 레이저에서 펄스열의 반복률을 주파수 측정기로 측정한 결과를 나타낸 그래프이고, 도 7은 도 6의 일부를 확대하여 나타낸 그래프이다.
도 8은 도 1에 나타낸 광섬유 레이저에서 위상 천이기와 외부 가열/냉각 부재를 이용하여 반복률을 제어하는 경우를 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 2 및 도 3은 도 1에 나타낸 광섬유 레이저가 외부 가열/냉각 부재에 장착된 광섬유 레이저 장치를 도시한 평면도 및 측면도이다.
도 4 및 도 5는 도 1에 나타낸 광섬유 레이저로부터 발진된 레이저 광원의 스펙트럼과 펄스열을 각각 나타낸 그래프이다.
도 6은 도 1에 나타낸 광섬유 레이저에서 펄스열의 반복률을 주파수 측정기로 측정한 결과를 나타낸 그래프이고, 도 7은 도 6의 일부를 확대하여 나타낸 그래프이다.
도 8은 도 1에 나타낸 광섬유 레이저에서 위상 천이기와 외부 가열/냉각 부재를 이용하여 반복률을 제어하는 경우를 비교하여 나타낸 그래프이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다. 또한, 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었으며, 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것이 아니다.
첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
명세서 전체에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 따라서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 명세서 전체에서, "연결된다"라고 할 때, 이는 둘 이상의 구성요소가 직접적으로 연결되는 것만을 의미하는 것이 아니고, 둘 이상의 구성요소가 다른 구성요소를 통하여 간접적으로 연결되는 것, 물리적으로 연결되는 것뿐만 아니라 전기적으로 연결되는 것, 또는 위치나 기능에 따라 상이한 명칭들로 지칭되었으나 일체인 것을 의미할 수 있다.
도 1은 한 실시예에 따른 광섬유 레이저의 구성을 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 광섬유 레이저(101)는 3x3 커플러(130)를 기준으로 양쪽으로 제1 광섬유 루프(110)와 제2 광섬유 루프(150)를 포함하도록 구성되어 8자 형태를 갖는다.
3x3 커플러(130)는 복수의 출력 포트를 제공하며, 서로 반대 쪽에 위치하는 제1 단과 제2 단을 포함한다. 3x3 커플러(130)는 펄스 레이저의 모드잠금을 위해 필요한 소자로서, 왼쪽과 오른쪽에 광섬유가 각각 3개씩 연결되어 있으며, 입사된 광섬유의 광량을 1/3씩 3개의 포트(port)로 분기하여 전달할 수 있다. 즉, 3x3 커플러(130)는 제1 단에서 제1 포트, 제2 포트, 및 제3 포트를 포함하고, 제2 단에서 제4 포트, 제5 포트, 및 제6 포트를 포함할 수 있다.
제1 광섬유 루프(110)는 3x3 커플러(130)의 제1 단의 제1 포트 및 제2 포트에 연결될 수 있다. 이때 제1 광섬유 루프(110)는 제1 파장 분할 다중화기(Wavelength Division Multiplexing, WDM)(113), 이득 광섬유(Gain fiber)(114), 제2 파장 분할 다중화기(115), 및 위상 천이기(117)를 포함할 수 있다.
제1 파장 분할 다중화기(113)는 제1 레이저 다이오드(103)에 연결되고, 제2 파장 분할 다중화기(115)는 제2 레이저 다이오드(105)에 연결될 수 있다. 제1 및 제2 레이저 다이오드(103, 105)는 펌프 레이저를 포함할 수 있으며, 제1 및 제2 파장 분할 다중화기(113, 115)를 통해 이득 광섬유(114)에 펌프 에너지를 전달할 수 있다. 또한 제1 레이저 다이오드(103)는 반시계방향(CCW)으로 광에너지를 공급하고, 제2 레이저 다이오드(105)는 시계방향(CW)으로 광에너지를 공급할 수 있다.
이득 광섬유(114)는 펌프 레이저에서 전달된 에너지를 레이저 발진 파장으로 변환해주는 광섬유이며, 어븀(Erbium, Er), 이터븀(ytterbium, Yb), 토륨(thorium, Th) 등의 이득물질이 도핑된 광섬유로 이루어질 수 있다.
위상 천이기(117)는 3x3 커플러(130)의 제1 단의 제2 포트와 제2 파장 분할 다중화기(115) 사이에 배치될 수 있다. 그리고 이득 광섬유(114)는 제1 파장 분할 다중화기(113)와 제2 파장 분할 다중화기(115) 사이에 배치될 수 있다.
위상 천이기(117)는 레이저의 반복률을 고속으로 조절 가능하게 하며, 고속의 반복률 조절을 통해 주변 환경 영향으로 인한 반복률 흐름(drift)을 실시간으로 보상하여 반복률 값을 일정하게 안정화시킬 수 있다. 이렇게 반복률이 안정화된 레이저는 레이저 거리측정, 정밀 레이저 분광, 표면 형상 측정 등에 활용될 수 있다.
위상 천이기(117)는 열, 내부거리조절, 음향-광변조 (acousto-optic modulation), 전기광변조 (electro-optic modulation) 원리를 포함할 수 있다. 즉, 일례로, 위상 천이기(117)는 광섬유의 온도를 조절하여 광섬유의 길이를 조절하는 원리로 구현되거나, 광섬유 내부의 빛을 자유공간으로 커플링 시킨 후 자유공간의 길이를 조절하여 구현될 수 있다. 또한 다른 예로, 위상 천이기(117)는 음향-광변조 소자를 이용하여 소자 내 광경로를 고속으로 조절하여 구현되거나, 전기광변조 소자를 이용하여 소자 내의 굴절률을 제어함으로써 통과하는 빛의 위상을 고속으로 조절하여 구현될 수 있다.
제2 광섬유 루프(150)는 3x3 커플러(130)의 제2 단의 제4 포트 및 제5 포트에 연결될 수 있으며, 아이솔레이터(151)를 포함한다. 아이솔레이터(151)는 3x3 커플러(130)의 제2 단의 제4 포트로부터 제5 포트를 향하는 방향으로의 신호를 투과시키고 상기 방향과 반대되는 방향의 신호를 흡수할 수 있다. 따라서 아이솔레이터(151)는 제2 광섬유 루프(150)에서 제4 포트로부터 제5 포트를 향하는 방향으로만 레이저 펄스가 진행되도록 할 수 있다.
3x3 커플러(130)의 제2 단의 제6 포트는 제1 출력 포트와 연결되고, 3x3 커플러(130)의 제1 단의 제3 포트는 제2 출력 포트와 연결될 수 있다.
도 2 및 도 3은 도 1에 나타낸 광섬유 레이저가 외부 가열/냉각 부재에 장착된 광섬유 레이저 장치를 도시한 평면도 및 측면도이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 실시예에 따른 광섬유 레이저 장치(100)는 제1 광섬유 루프(110), 3x3 커플러(130), 및 제2 광섬유 루프(150)를 포함하는 광섬유 레이저(101)가 외부 가열/냉각 부재(140)에 안착되도록 구성될 수 있다. 외부 가열/냉각 부재(140)는 펠티어(Peltier) 소자를 포함할 수 있으며, 광섬유 레이저(101)의 구성이 모두 안착될 수 있는 판 형상으로 이루어질 수 있다. 상기 펠티어 소자는 양(+)의 전압을 걸어주면 가열이 되고 음(-)의 전압을 걸어주면 냉각이 되는 소자를 포함할 수 있다.
광섬유 레이저(101)에 포함된 위상 천이기(117)는 제어가능한 전압 범위에 제한이 있을 수 있으며, 그 임계점에 도달하면 반복률 조절량이 제한될 수 있다. 이때 위상 천이기(117)를 외부 가열/냉각 부재(140)와 연동하여 활용함으로써 반복률 조절량을 확대할 수 있다. 즉, 광섬유 레이저 장치(100)에서 위상 천이기(117)와 외부 가열/냉각 부재(140)를 동시에 적용함으로써 넓은 반복률 조절 범위에서 고속으로 반복률 제어가 가능하게 된다.
도 4 및 도 5는 도 1에 나타낸 광섬유 레이저로부터 발진된 레이저 광원의 스펙트럼과 펄스열을 각각 나타낸 그래프이다. 즉, 광섬유 레이저(101)에서 생성된 펄스열을 오실로스코프로 측정한 결과를 나타냈다.
도 6은 도 1에 나타낸 광섬유 레이저에서 펄스열의 반복률을 주파수 측정기로 측정한 결과를 나타낸 그래프이고, 도 7은 도 6의 일부를 확대하여 나타낸 그래프이다. 즉, 광섬유 레이저(101)에서 위상 천이기(117)에 인가된 전압을 고속으로 변조하여 레이저의 반복률을 고속으로 조절한 결과를 나타낸 것이다.
도 8은 도 1에 나타낸 광섬유 레이저에서 위상 천이기와 외부 가열/냉각 부재를 이용하여 반복률을 제어하는 경우를 비교하여 나타낸 그래프이다.
즉, 도 8의 왼쪽 그래프는 광섬유 레이저(101)에서 펄스열의 반복률을 위상 천이기(117)만 이용하여 제어한 경우, 시간에 따른 위상 천이기 제어전압(a-1)과 펄스 반복률(a-2) 변화를 나타낸 것이다.
그리고 도 8의 오른쪽 그래프는 광섬유 레이저(101)에 외부 가열/냉각 부재(140)를 더한 광섬유 레이저 장치(100)에서 펄스열의 반복률을 위상 천이기(117)와 외부 가열/냉각 부재(140)를 동시에 적용하여 제어한 경우, 시간에 따른 펠티어 소자 제어전압(b-1), 위상 천이기 제어전압(b-2), 및 펄스 반복률(b-3) 변화를 나타낸 것이다.
도 8을 참조할 때, 펄스 반복률을 일정하게 안정화시키기 위해 위상 천이기(117)에 인가된 전압을 고속으로 제어할 수 있고(a-1), 이때 그래프의 점선 지점(t1)까지 펄스 반복률이 일정하게 유지될 수 있다(a-2).
다만, 위상 천이기(117)가 제어가능한 전압 범위에 제한이 있는 경우 그 임계점에 도달하면 반복률 제어가 불가능할 수 있다. 즉, 도 8의 그래프 (a-2)에서 임계점을 t1이라고 할 때 t1 이후에는 반복률 안정화가 더 이상 지속되지 않을 수 있다.
하지만 외부 가열/냉각 부재(140)를 함께 적용하는 경우, 위상 천이기(117)의 제어전압이 상단 임계점에 도달할 때(t1) 광섬유 레이저(101)를 냉각시켜주면 위상 천이기(117)의 제어 범위 내로 전압을 낮출 수 있다(b-2). 또한 위상 천이기(117)의 제어전압이 하단 임계점에 도달할 때(t2) 광섬유 레이저(101)를 가열해주면 다시 위상 천이기(117)의 제어 범위 내로 전압을 높일 수 있다(b-2). 그 결과로 펄스 반복률은 지속적으로 안정될 수 있다(b-3).
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 청구범위와 발명의 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
100: 광섬유 레이저 장치
101: 광섬유 레이저
103, 105: 제1 및 제2 레이저 다이오드
110, 150: 제1 및 제2 광섬유 루프
113, 115: 제1 및 제2 파장 분할 다중화기
114: 이득 광섬유
117: 위상 천이기
130: 3x3 커플러
140: 외부 가열/냉각 부재
151: 아이솔레이터
101: 광섬유 레이저
103, 105: 제1 및 제2 레이저 다이오드
110, 150: 제1 및 제2 광섬유 루프
113, 115: 제1 및 제2 파장 분할 다중화기
114: 이득 광섬유
117: 위상 천이기
130: 3x3 커플러
140: 외부 가열/냉각 부재
151: 아이솔레이터
Claims (9)
- 복수의 출력 포트를 제공하며, 서로 반대 쪽에 위치하는 제1 단과 제2 단을 포함하는 3x3 커플러;
상기 3x3 커플러의 제1 단의 제1 포트 및 제2 포트에 연결되고, 반시계방향으로 광에너지를 공급하는 제1 레이저 다이오드에 연결된 제1 파장 분할 다중화기(WDM), 이득 광섬유(Gain fiber), 시계방향으로 광에너지를 공급하는 제2 레이저 다이오드에 연결된 제2 파장 분할 다중화기(WDM), 및 위상 천이기(Phase shifter)를 포함하는 제1 광섬유 루프; 및
상기 3x3 커플러의 제2 단의 제4 포트 및 제5 포트에 연결되고, 아이솔레이터를 포함하는 제2 광섬유 루프
를 포함하는 광섬유 레이저. - 제 1 항에 있어서,
상기 3x3 커플러의 제2 단의 제6 포트는 제1 출력 포트와 연결되는, 광섬유 레이저. - 제 1 항에 있어서,
상기 3x3 커플러의 제1 단의 제3 포트는 제2 출력 포트와 연결되는, 광섬유 레이저. - 제 1 항에 있어서,
상기 아이솔레이터는 상기 3x3 커플러의 제2 단의 상기 제4 포트로부터 상기 제5 포트를 향하는 방향으로의 신호를 투과시키고 상기 방향과 반대되는 방향의 신호를 흡수하는, 광섬유 레이저. - 제 1 항에 있어서,
상기 위상 천이기는 상기 3x3 커플러의 제1 단의 제2 포트와 상기 제2 파장 분할 다중화기 사이에 배치되는, 광섬유 레이저. - 제 5 항에 있어서,
상기 이득 광섬유는 상기 제1 파장 분할 다중화기와 상기 제2 파장 분할 다중화기 사이에 배치되는, 광섬유 레이저. - 제 1 항에 있어서,
상기 제1 및 제2 레이저 다이오드는 펌프 레이저를 포함하는, 광섬유 레이저. - 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 따른 광섬유 레이저; 및
상기 광섬유 레이저가 안착되는 외부 가열/냉각 부재
를 포함하는 광섬유 레이저 장치. - 제 8 항에 있어서,
상기 외부 가열/냉각 부재는 펠티어(Peltier) 소자를 포함하는, 광섬유 레이저 장치.
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|---|---|---|---|
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