KR19980087217A - 고출력 레이저 빔용 공간필터 - Google Patents

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KR19980087217A
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토마스 에이. 쿡
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Abstract

본 발명은 레이저 빔, 특히 고출력 레이저 빔을 공간적으로 필터링 하는 방법과 공간필터로 구성된다. 특히, 본 발명의 공간필터와 방법은 광 도파관에 굴절률 격자를 나타내기 위한 광학 시스템에 사용하기 적당하다. 본 발명은 광 도파관에 격자를 나타내는 방법을 제공함으로써 격자 성능의 개선을 이룰 수 있다.

Description

고출력 레이저 빔용 공간필터
본 발명은 공간필터에 관한 것으로, 특히, 레이저 빔용 공간필터에 관한 것이다. 본 발명이 넓은 응용 범위를 갖고 있으나, 본 발명은 특히 광 도파관에 굴절률 격자를 나타내기 위한 광학시스템에 사용하기 적당하다.
실용 레이저 원(source)이 개발된 직후, 산업분야에 레이저 빔이 이용되었다. 현재, 레이저 빔은 광학 도파관 글라스(optical waveguide glass), 특히 광섬유에 사용된 글라스에서 굴절률의 변화를 유도하는데 사용된다. 굴절률 격자는 간섭 자외 레이저 빔에 의해 형성된 간섭패턴으로 게르마노 실리케이트(germano-silicate) 유리 광섬유 내부에 표시된다. 주기적인 굴절률 변화는 굴절률 격자를 광섬유에 표시되게 하거나 형성되게 하는 간섭패턴에 의해 유도된다. 섬유 브랙 격자와 장주기 섬유 격자는 광섬유에 생성되고 광학 원거리통신 신호의 전송에 사용되는 굴절률 격자의 두가지 예이다. 섬유 브랙 격자는 광섬유를 통한 광전송에서 선택식 파장 반사 필터로 이용될 수 있다. 광섬유에서 굴절률 격자의 공간은 특정 범위의 파장은 반사시키는 반면 다른 파장은 반사되지 않고 굴절률 격자를 통하여 지나가도록 하기 위한 것이다. 종래의 섬유 브랙 격자의 품질은 의외의 높은 수준의 반사율 사이드 로브(sidelobe; 임의방향의 방사로브)에 의해 떨어졌다. 반사율 사이드 로브는 소정 고 반사율 파장 대역 바깥에 있는 광파장이 격자를 통해 적당하게 전송되지 않고 격자에 의해 반사될 때 발생하게 된다.
따라서, 본 발명은 대체로 당업계의 한계와 불리한 조건으로 인한 하나 또는 그 이상의 문제점을 제거하기 위한 방법과 장치에 관한 것이다.
본 발명의 특징과 잇점은 하기된 설명에서 다루어질 것이고, 부분적으로는 설명으로 명확해질 것이며, 또는 본 발명을 실시함으로써 알 수 있을 것이다. 본 발명의 목적과 다른 잇점은 도면 뿐만아니라 하기된 상세한 설명과 청구항에서 지적한 장치, 시스템 및 방법에 의해 이루어지고 이해될 것이다.
본 발명의 목적에 따른 이들 및 다른 목적을 이루기 위해, 광범위하게 실시되고 설명된 바와 같이, 본 발명은 고출력 밀도 레이저 빔용 공간필터를 포함한다. 고출력 밀도 레이저 빔용 공간필터는 광 전향부재로 이루어진다. 또 다른 특징으로서, 본 발명은 본 발명의 목표인 낮은 공간 주파수와 불필요하게 높은 공간 주파수를 갖는 푸리에 변환된(집중된) 레이저 빔을 제공하는 단계를 포함하여 레이저 빔을 공간적으로 필터링하는 방법을 포함한다. 상기 방법은 낮은 공간 주파수 레이저 빔을 생성하기 위해 푸리에 변환된 레이저 빔의 낮은 공간 주파수 부분을 푸리에 변환된 레이저 빔의 높은 공간 주파수 부분으로 비흡수적으로 전향시키는 단계를 더 포함하고, 상기 높은 공간 주파수 부분은 불필요한 높은 공간주파수로 이루어지며, 상기 낮은 공간 주파수 부분은 목표가 된 낮은 공간 주파수로 이루어진다. 또 다른 특징으로서, 본 발명은 높은 공간 주파수와 낮은 공간 주파수를 갖는 고출력 밀도 레이저 빔용 공간필터를 포함하고, 상기 공간필터는 비흡수적으로 낮은 공간 주파수를 높은 공간주파수로 전향시키기 위한 수단으로 구성된다. 본 발명은 레이저 빔의 내부에 완만한 빔 윤곽을 남기도록 레이저 빔의 바깥 부분을 비흡수적으로 전향시키기 위한 수단으로 구성된 공간필터를 포함한다. 또 다른 특징으로서, 본 발명은 중심 축선을 갖는 선(線)집중 레이저 빔을 형성하기 위하여, 레이저 빔을 생성하고, 렌즈와 같은 푸리에 변환 광학 부재로써 이 레이저빔을 1 차원으로 집중시켜는 단계를 포함하는 격자 제조 방법을 포함한다. 본 발명은 공간적으로 필터링된 1 차원의 레이저 빔을 형성하고 이렇게 공간적으로 필터링된 레이저 빔으로 간섭패턴을 형성하여 광 도파관, 특히 광 도파관 섬유에 격자를 만들기 위하여, 비흡수 반사면, 바람직하게는 총 내부 반사로써 레이저 빔의 집중선(集中線)과 낮은 공간주파수를 선집중 레이저 빔의 바깥 부분(높은 공간 주파수)으로 전향시키는 단계를 더 포함한다.
전술한 일반적인 설명과 하기된 상세한 설명은 예시적이고 설명을 위한것이며, 청구된 바와 같은 본 발명을 더 설명하기 위한 것임을 알 수 있다. 첨부된 도면은 본 발명의 이해를 돕기 위한 것으로 명세서의 일부를 구성하며, 본 발명의 원리를 설명하는 상세한 설명과 함께 본 발명의 실시예를 나타낸다.
광 도파관 섬유에 개선된 굴절률 격자를 제조하는 방법을 연구하는 과정에서, 본 발명자들은 자신들이 광 도파관 섬유에 격자를 나타내는데 사용하는 광학 시스템 트레인(train)을 따라 레이저 광 에너지가 집중되는 것과 레이저 빔의 파괴력에 관한 문제에 직면하였다.
게르마늄 도포된 실리카 코어와 실리카 피복으로 이루어지고 코어와 피복 사이의 굴절률차 때문에 빛을 안내하는 단일 모드 광섬유와 같은 광 도파관에 굴절률 격자를 나타내는데 있어서, 자외선 파장에 매우 강한 레이저 광을 사용하는 것이 유익하다. 광 도파관 섬유에 격자를 나타내는데는 글라스에서 굴절률 변화를 유도하는데 효과적이라는 점에서 고출력 자외 레이저 빔이 바람직하고, 굴절률 변화 탐색에 필요한 노출시간이 적게 요구된다는 점에서 고출력 자외 레이저 빔이 효율적이다.
격자 제조에 사용된 광학 트레인의 소정 위치에서, 0.5 joules/cm2, 잠재적으로는 1.0 joules/cm2이상의 출력 밀도(감응 수준)를 갖는 고출력 밀도 레이저 빔이 형성될 수 있다. 레이저 빔을 집중시키는 것은 출력 밀도 수준을 증가시키고, 이렇게 높은 출력 밀도 레이저 빔은 광학 시스템을 이루는 요소에 대하여 특히 파괴적일 수 있다.
도파관에 투사되는 두 개의 자외 레이저 빔을 간섭시킴으로서 광섬유에 격자가 제조된다. 자외선 빔이 레이저로부터 생성되어 재결합되었을 때 간섭패턴을 형성하는 두 개의 빔으로 분할될 수 있고, 상기 간섭패턴은 광 노출에 맞춰 굴절률 변화를 유도함으로써 광섬유에 격자를 생성하게 된다. 간섭 패턴은 광 빔을 분할한 후 빔의 생산적이고 파괴적인 간섭으로 인한 주기적인 최고점과 최저점을 형성하도록 재결합시켜 분할된 빔을 간섭시키는 수단을 포함하는 공지의 간섭수단을 이용하여 형성될 수 있다. 격자를 만들기 위하여 간섭 패턴을 형성하는 용이한 수단은 주기 위상 마스크를 통하여 자외 레이저 빔을 통과시키는 것이다.
발명자는 품질이 개선된 레이저가 격자 제조에 이용된다면 광 도파관에 개선된 격자가 형성될 수 있다는 것을 발견했다. 간섭 패턴을 형성하기에 앞서 레이저 빔을 공간적으로 필터링하여 높은 공간 주파수를 제거시킴으로서 개선된 레이저 품질과 개선된 격자를 얻을 수 있다. 완만한 윤곽의 레이저 빔을 생성하기 위하여 빔을 집중시키고, 불투명한 흡수 물질에 형성된 구멍을 빔이 집중된 곳에 위치시킴으로써 레이저 빔을 공간필터링하는 표준적인 방법은 광섬유에 격자를 효과적으로 제조하기 위해 필요한 고출력 밀도 레이저 빔을 실제로 사용하지 않는 것으로 밝혀졌다. 격자 제조에 위와 같이 흡수성 불투명 차단 공간필터가 사용되는 경우, 자외 레이저 빔의 고출력 밀도는 공간필터의 흡수성 불투명 차단 물질을 파괴하게 된다. 표준 공간필터의 경우, 흡수성 공간필터 물질의 공중(空中) 구멍은 집중된 레이저 빔의 낮은 공간 주파수는 통과시키는 반면 집중된 레이저 빔의 높은 공간 주파수는 적어도 부분적으로 흡수되도록 하거나 비투과성 금속 또는 그외에 불투명 차단물질과 같은 흡수성 물질에 의해 산재되도록 한다. 고출력 밀도 레이저 빔과 함께 사용되는 경우, 공간필터는 흡수된 높은 공간 주파수 곁의 흡수성 물질의 삭마(削磨)에의해 곧 쓸모없게 되어 교체되어야만 한다. 이렇게 불투명하고 비투과성 물질의 표면을 연마하는 것은 반사율을 개선할 수 있으나 고출력 밀도 수준에 사용될 땐 이들 표면과 광(光)사이의 흡수성 상호작용이 물질의 파괴를 낳게 된다.
발명자들은 비흡수성 공간필터를 개발하였다. 따라서, 본 발명의 고출력 밀도 레이저 빔 분광 필터와 시스템은 비흡수성 투명 광 전향부재를 이용한다.
본 명세서의 일부를 구성하는 첨부 도면은 상세한 설명과 함께 본 발명의 목적, 효과 및 원리를 설명하고 본 발명의 실시예를 도시한다.
도 1은 광(光)을 나타내는 화살표와 함께 본 발명의 공간필터를 도시한 도면이고,
도 2는 푸리에 변환된 레이저 빔의 공간 주파수 분포를 나타낸 도면이며,
도 3은 본 발명의 광학 시스템과 방법을 나타낸 도면이고,
도 4는 섬유 브랙 격자의 반사 스펙트럼이며,
도 5는 본 발명에 의해 생성된 섬유 브랙 격자의 반사 스펙트럼이고,
도 6은 본 발명의 광학 시스템과 방법을 나타낸 도면이며,
도 7은 총 내부 반사 조건을 나타낸 도면이고,
도 8은 본 발명에 의해 생성된 섬유 브랙 격자의 반사 스펙트럼이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 좀 더 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 실시예가 도 1에 도시되어 있고 일반적으로 참조번호 20으로 표시된다. 본 발명은 광 전향부재로 이루어진 고출력 밀도 레이저 빔 공간필터를 제공하고, 상기 전향부재는 투명하고 비흡수성인 광학물질, 바람직하게는 용융 실리카로 구성된다. 바람직하게 상기 전향부재는 반사면과 비반사면을 갖는 투명한 광학물질로 이루어지고, 바람직하게 중심 축선을 갖는 레이저 빔의 바깥부분의 높은 공간 주파수 광은 상기 반사면에 의해 레이저 빔의 중심축선으로부터 비흡수적으로 전향된다.
도 1은 광 전향부재(22)에 매우 근접한 부근과 푸리에 변환된 레이저 빔(24)을 갖는 렌즈의 초점에 매우 근접한 부근의 푸리에 변환된 레이저 빔(24) 사이의 상호 작용을 도시한 도면이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 광 전향부재(22)에 매우 근접한 푸리에 변환된 레이저 빔(24)은 공간필터(20)를 통과할 수 있는 바람직한 낮은 공간 주파수로 이루어진 중심부(38)와, 광 전향부재(22)에 의해 비흡수적으로 전향되는 불필요한 높은 주파수로 이루어진 외곽부(40)를 갖는다. 도 2는 강도(I)를 나타내는 Y축과 레이저 빔(24)의 중심축선(31)으로부터의 거리(X)를 나타내는 X축으로 레이저 빔(24)의 공간주파수 분포를 도시한 도면이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 낮은 공간 주파수(38)로 이루어진 푸리에 변환된 레이저 빔(24)의 바람직한 부분은 높은 공간 주파수(40)로 이루어진 불필요한 부분으로부터 분할선(33)에 의해 분리되어 나타난다. 분할선(33)에 의해 도시된 바와 같이, 낮은 공간 주파수와 높은 공간 주파수사이의 선택/거부 경계는 어느 정도 변경될 수 있다. 분할선(33)은 푸리에 변환된 레이저 빔(24)과 이의 중심축선(31)에 대한 광 전향부재(22)의 위치를 표시한다.
도 1에 도시되고 실시된 바와 같이, 고출력 밀도 레이저 빔 공간필터(20)는 광 전향부재(22)를 포함한다. 광 전향부재(22)는 평면 도파관일 수 있다. 광 전향부재(22)는 매우 비흡수성인 투명한 광학물질로 이루어진다. 광 전향부재(22)는 공간적으로 필터링되는 레이저 빔의 파장에 비해 무시할만한 흡수력을 갖는 광학물질로 제조된다. 상기 광학물질은 레이저 빔 파장과 함께 사용되도록 투명해야 하고, 따라서 레이저 빔 파장에서 높은 투과율을 가져야 한다. 비흡수성은 광 전향부재가 매우 적은 양의 투사 레이저 광을 흡수하기 때문에 광 전향부재가 감지할 수 있을 정도로 손상되거나 교란되지 않는다는 것을 의미한다. 바람직하게 광 전향부재는 레이저 광의 파장이 통과하도록 매우 투명하다. 바람직하게 광 전향부재는 레이저 광의 파장에 높은 투과성을 갖는 광학물질로 이루어진다. 바람직하게 광 전향부재는 광학 특성을 갖는 물질로 이루어져 10μ두께의 박편에서 투사광의 63%이하가 흡수되고, 바람직하게는 투사광의 30% 이하가 흡수되며, 더욱 바람직하게는 투사광의 10%이하가 흡수되고, 가장 바람직하게는 투사광의 1% 이하가 흡수된다. 비흡수성 광 전향부재의 흡수력은 흡수되거나 열로 전환되는 전향부재로 떨어지는 방사 에너지의 일부로써 측정되는 경우 매우 낮다(1% 이하). 연마된 금속 표면과 같이 흡수성 차단 물질은 많은 양의 투사 방사 에너지를 흡수하고, 이러한 흡수가 흡수성 물질에 손상을 야기하게 된다. 광학적으로 연마된 스테인레스강 표면은 본 발명의 비흡수성 광 전향부재에 비해 흡수력이 있다. 바람직한 광 전향부재(22) 비흡수성 광학물질은 용융 실리카이고, 특히 자외 레이저 빔으로 광 도파관에 격자를 나타내는데 사용될 때 바람직하다. 레이저 손상에 견디는 고품질 자외선급 용융 실리카가 바람직한 비흡수성 광학물질이다. 1㎝ 두께에 대하여 200㎚ 이상(200∼400㎚)의 자외선 파장에서 90% 이상(바람직하게는 92% 이상)의 외부 투과율을 갖고 표면 반사 손실을 포함하는 엑시머급 용융 실리카와 같은 자외선 투명 용융 실리카를 사용하는 것이 바람직하다. 바람직하게, 용융 실리카와 같은 광학물질은 적어도 99%, 바람직하게는 적어도 99.5%, 더욱 바람직하게는 적어도 99.7%의 레이저 광 파장에서 내부 투과성을 갖는다. 광 전향부재(22)는 비반사면(26)과 반사면(28)을 포함한다. 화살표로 표시된 바와 같이, 비반사면(26)을 통하여 전향부재(22)로 들어간 광은 총 내부 반사를 거쳐 반사면(28)에 의해 반사되고, 아르곤 및 질소와 같은 불활성 가스 또는 진공화된 대기 또는 다른 가스 및 그 혼합물, 또는 진공 또는 보통 대기중의 공기인 주위 환경과 전향부재(22)의 광학물질 사이에서의 굴절률 차이(굴절률 간섭)와 반사면(28)의 반사에 의해 레이저 빔(24)의 중심축선으로부터 전향된다.
화살표로 표시된 바와 같이, 비반사면(26)을 통하여 광 전향부재(22)로 들어간 광은 반사면(28)에 의해 전향된 다음 전향부재(22)의 광학물질을 통하여 투사된다. 광은 길이방향의 외표면 측부(34)를 통하여 투사되거나 또는 길이방향의 외표면 측부(34)에 의해 반사될 수 있다. 광이 길이방향의 외표면 측부(34)에 의해 반사되는 경우, 광은 도파 전향부재(22)가 있는 말단부(36)로 도파된다.
바람직하게는 광 전향부재(22) 속으로 광이 들어가는 입구인 비반사면(26)은 광학물질의 편평한 연마면이다. 레이저 빔(24)의 투사광이 비반사면(26)과 면 주위환경의 굴절률 간섭을 통하여 투사되도록 비반사면(26)과 레이저 빔(24) 광의 투사각이 위치된다. 비반사성 투사각의 일예는 면(26)과 레이저 빔(24)이 대략 수직을 이루는 것이다. 바람직하게, 전향부재(22)의 반사면(28)과 길이방향의 외표면 측부(34)는 굴절률 간섭을 제공하는 광학물질의 편평한 연마면이다. 반사면(28)은 비반사면(26)과 비반사면(26)을 통하여 투사되는 레이저 빔(24)의 투사광에 대하여 위치되고 형성되어 반사면(28)의 굴절률 간섭이 투사된 투사광을 전향하게 된다. 도 1에 도시된 바와 같이, 광 전향부재(22)에 의한 불필요한 높은 공간 주파수의 총 내부 반사에 적당한 각도가 이용되고, 예를 들어, 비반사면(26)과 반사면(28)사이의 대략 45˚각도가 광이 부재(22)로 들어가서 레이저 빔(24)의 중심 축선으로부터 반사적으로 전향되기 위한 수단을 제공한다. 공간필터(20)의 또 다른 실시예가 도 3에 도시되어 있고, 광 전향부재(22)는 용융 실리카로된 직사각형 블록으로 이루어진다. 도 3에 도시된 바와 같이, 레이저 빔(24)의 외곽부(40)가 반사되고 전향되도록 비반사면(26)과 반사면(28)의 직각 모서리가 투사광에 대하여 위치된다. 도 7은 주위환경(19)과 반사면(28)의 굴절률 간섭에서의 광 전향부재(22)의 총 내부 반사 조건을 도시한 도면이다. 광 전향부재는 굴절률 n1을 갖는 투명한 광학물질로 이루어지고, 주위 환경(19)는 굴절률 n2를 갖는다. 도 7에서, 실선/화살표는 광 전향부재로 투과되어 n1sinθ1 =n2sinθ2로 반사면에 투사되는 (높은 공간 주파수의) 파장 λ인 광빔을 나타내고, 여기서, θ1은 반사면의 법선에 대한 투사광의 각도이다. 부재(22)에서의 일단의 총 내부 반사에 대한 최소각θ1에 있어서, θ2=90°이기 때문에, θ1= sin-1(n2/n1)이다.
θ1≥ sin-1(n2/n1)일 때 총 내부 반사가 얻어질 것이다.
굴절률 n1과 n2는 광 전향부재(22)의 광학특성, 기체 상태 또는 진공일 수 있는 주위 환경(19) 및 광의 파장(λ)에 따라 좌우된다. 투사광의 파장(λ)이 250nm이고, 광 전향부재가 용융 실리카로 이루어지며, 주위환경이 표준 대기이고, n1=1.5이며, n2=1 이면, θ1= sin-1(1/1.5) 42°이다.
용융 실리카로된 광 전향부재(22)에서 반사면(28)과 주위를 감싼 대기와의 간섭에서의 총 내부 반사는 θ1≥42°일 때 250nm 파장(λ)으로 발생한다. 총 내부 반사를 얻기 위하여 주위의 공기 간섭을 표준화하는데 실리카를 사용하는 것이 바람직하고, 필요하다면 표면(26)의 비반사성을 개선하기 위하여 적당한 광학 피복이 사용될 수 있다. 레이저 빔(24)의 외곽부로부터 나온 광은 비반사면(26)을 통해 전향부재(22)로 들어가고, 반사면(28)의 굴절률 간섭에 의해 전향된다. 광 전향부재(22)는 레이저 빔(24)의 중심축선(31)에서 떨어진 레이저 빔(24)의 외곽부(40)의 투사광과 필터링된 레이저 빔(32)을 안내하여 말단부(36)로 향하게 할 수 있다. 말단부(36)는 특히 부재(22)가 광 도파관일 때 부재(22) 내부에 수용된 광에 출구를 제공한다. 말단부(36)는 광이 부재(22) 밖으로 투사되도록 적당한 굴절률을 제공한다. 말단부(36)는 집중 또는 분산면과 같은 다른 광학면이나 편평한 연마면을 포함할 수 있다. 말단부(36) 및 길이방향의 외표면 측부(34)에 존재하는 광은 이제 낮은 출력 밀도 광의 흡수를 견딜 수 있는 판(37)과 같은 흡수면으로 투사된다. 선택적으로는 불필요하게 존재하는 광은 더 투사되어 산란(散亂)과 같은 것으로 처리될 수 있다.
고출력 밀도 레이저 빔 공간필터(20)의 광 전향부재(22)는 필터링된 레이저 빔(32)으로 투사 레이저 빔(24)의 중심부(38)와 이의 중심축선(31)으로부터 멀리 떨어진 투사 레이저 빔(24)의 불필요한 높은 공간 주파수인 외곽부(40)를 반사한다. 중심부(38)와 필터링된 레이저 빔(32)은 투사 레이저 빔(24)의 바람직한 낮은 공간 주파수로 이루어진다.
비반사면(26)으로 들어간 광이 길이방향의 외표면 측부(34)에 의해 전향부재(22)내에 수용되고 말단부(36)로 나가도록, 전향된 높은 공간 주파수 광을 방향성있게 제어하기 위한 바람직한 광 전향부재(22)는 레이저 빔(24)에 대하여 위치되고 설계된 평면 도파관이다.
공간필터(20)는 단일 또는 복수의 광 전향부재(22)로 이루어질 수 있다. 공간필터(20)는 투명한 비반사 광학물질에 형성되고 바람직하게는 형상이 원형인 구멍으로 구성된 단일 광 전향부재(22)로 이루어질 수 있다. 그러한 구멍은 비반사면(26)과 반사면(28)을 포함할 수 있고, 투사 레이저 빔(24)의 중심축선(31)과 중심부(38)는 구멍의 중심과 개구부를 통하여 지날 수 있는 반면, 외곽부(40)는 바람직하게는 총 내부 반사를 이용하여 레이저 빔의 중심축선(31)과 구멍의 중심에서 떨어진 외곽부(40)의 불필요한 높은 공간 주파수를 전향시키는 반사면(28)을 향하여 비반사면(26)을 통해 광 전향부재(22)로 들어가게 된다.
본 발명은 고출력 밀도 레이저 빔을 공간적으로 필터링하는 방법을 더 포함한다. 레이저 빔을 공간적으로 필터링하기 위한 방법은 낮은 공간 주파수부와 높은 공간 주파수부로 이루어진 레이저 빔을 제공하는 단계와; 상기 낮은 공간 주파수부에서 떨어진 높은 공간 주파수부를 비흡수적으로 전향시키는 단계를 포함한다. 바람직하게, 상기 레이저 빔을 제공하는 단계는 고출력 밀도 레이저 빔을 1차원으로 집중시키는 것을 포함하는 레이저 빔의 푸리에 변환을 더 포함한다. 바람직하게, 상기 비흡수적으로 전향시키는 단계는 높은 공간 주파수부를 반사하고 이 높은 공간 주파수부를 투명한 광학물질에 투사하는 것으로 이루어진다. 1차원으로 레이저 빔을 푸리에 변환시키는 바람직한 방법은 빔을 선으로 집중시키기 위한 다른 수단 또는 실린더형 렌즈로 집중시키는 것이다. 레이저 빔의 푸리에 변환은 낮은 공간 주파수의 중앙부를 초점 또는 초점 부근에 제공한다. 높은 공간 주파수부를 전향시키는 단계는 내측의 낮은 공간 주파수부에서 떨어진 외곽의 높은 공간 주파수부를 비흡수적으로 반사시키는 것으로 더 구성된다. 높은 공간 주파수부를 전향시키는 바람직한 방법은 용융 실리카와 같은 고품질의 투명한 비흡수 광학물질로 높은 공간 주파수부의 광을 반사시키는 것을 포함한다. 바람직하게 비흡수 반사면을 갖는 투명부재는 높은 공간 주파수부가 낮은 공간 주파수부로부터 분리되도록 투사성의 높은 공간주파수부에 대하여 위치된다.
본 발명은 레이저 빔의 외곽부를 비흡수적으로 전향시키는 수단으로 구성된 공간필터링 시스템과 공간필터를 포함한다. 외곽부를 비흡수적으로 전향시키기 위한 바람직한 수단은 레이저 빔의 외곽부의 광은 반사시키는 반면 레이저 빔의 중심부의 광은 전향시키지 않는 수단을 포함한다. 본 발명은 높은 공간 주파수와 낮은 공간 주파수를 갖는 레이저 빔를 위한 공간필터를 제공하고, 상기 필터는 낮은 공간 주파수에서 떨어진 높은 공간 주파수를 비흡수적으로 전향시키기 위한 수단으로 구성된다. 바람직하게, 비흡수적으로 전향시키기 위한 수단은 높은 공간 주파수를 반사시키기 위한 수단을 갖는 투명 광학부재로 더 구성되고, 상기 반사 수단은 총 내부 반사를 제공하는 굴절률 간섭으로 구성된다.
본 발명은 광 도파관에 격자를 제조하는 방법을 더 포함하고, 바람직하게는 광 도파관 섬유에 브랙 격자를 제조하는 방법을 더 포함한다. 본 발명에 따른 격자 제조 방법은 레이저 빔을 생성하는 단계를 포함한다. 본 방법은 중심축선을 갖는 선으로 집중된 레이저 빔을 형성하기 위하여 레이저 빔을 1 차원으로 집중시켜 푸리에 변환하는 단계와, 1 차원의 공간적으로 필터링된 레이저 빔을 형성하기 위하여 비흡수 투명 반사부재를 이용하여 선집중 레이저 빔의 중심축선에서 떨어진 선집중 레이저 빔의 외곽부를 비흡수적으로 전향시키는 단계를 포함한다. 본 방법은 격자를 제조하기 위하여 공간적으로 필터링된 레이저 빔으로 간섭 패턴을 형성하는 단계를 더 포함한다. 광 도파관 섬유에 굴절률 격자를 제조하는 바람직한 방법은 자외 레이저를 이용하는 것을 포함한다.
격자 제조 방법은 제 2의 선집중 레이저 빔을 형성하기 위하여 상기 1 차원의 공간적으로 필터링된 레이저 빔을 2차원으로 집중시키는 단계와, 2 차원의 공간적으로 필터링된 레이저 빔을 형성하기 위하여 비흡수 투명 반사부재로 제 2의 선집중 레이저 빔의 외곽부를 비흡수적으로 전향시키는 단계 및 격자를 제조하기 위하여 상기 2 차원의 공간적으로 필터링된 레이저 빔으로 간섭패턴을 형성하는 단계를 더 포함한다.
바람직하게는 레이저 빔의 외곽부를 전향하기 위해 사용되는 반사부재는 레이저 빔의 파장에 투명한 용융 실리카로 형성된다.
레이저 빔을 생성하는 바람직한 방법은 고출력 밀도 레이저 빔을 생성하는 단계, 더욱 바람직하게는 자외선 고출력 밀도 레이저 빔을 생성하는 단계를 포함한다.
격자(58)는 도 3에 도시된 방법과 장치 시스템을 이용하여 광 도파관 섬유(57)에 형성된다. 고출력 밀도 레이저 빔(44)을 제공하기 위한 수단(42)은 240 nm 파장 레이저 빔을 생성하기 위하여 주파수 체배 크리스탈을 구동하는 480 nm 파장 레이저 빔을 생성하는 큐마린(coumarin) 480 nm 블루 다이로 다이 레이저를 펌핑하는 XeF (351 nm) 레이저를 포함한다. 레이저 빔 제공 수단(42)은 고출력 밀도 자외 레이저 빔(44)에 240 nm 파장을 제공하기 위해 주파수 체배 크리스탈로부터 나오는 모든 480 nm 광을 필터링하는 4 프리즘 빔 분리 필터를 더 포함한다. 고출력 밀도 자외 레이저 빔을 제공하기 위한 선택적인 수단은 248 nm KrF 엑시머 레이저와 같은 엑시머 레이저이다. 푸리에 변환 및 레이저 빔(44) 집중수단(46)은 실린더형 렌즈로 구성된다. 실린더형 렌즈(46)는 광 전향부재(22) 사이의 공간에 형성된 공간필터(20)에 푸리에 변환된 선 집중 빔을 제공하기 위하여 레이저 빔(44)을 1 차원으로 집중시킨다. 렌즈(46)는 초점과 공간필터(20) 부근의 낮은 공간 주파수인 중앙부(38)와 높은 공간 주파수인 외곽부(40)로 이루어진 푸리에 변환된 선 집중 레이저 빔(24)을 제공한다. 공간필터(20)는 고순도의 자외 엑시머급 용융 실리카 직사각형 블록인 광 전향부재(22)로 이루어진다. 90°의 모서리를 갖는 광학 직사각형 블록 부재의 제조가 용이하기 때문에 직사각 블록형 광 전향부재(22)가 바람직하다. 광 전향부재(22)는 화살표로 표시된 바와 같이 외곽부(40)의 높은 공간 주파수 레이저 광이 비반사면(26)에 의해 투사되고 반사면(28)에 의해 전향되도록 선집중 레이저 빔(24)에 대하여 위치된다. 중앙부(38)의 낮은 공간주파수 레이저 광은 비반사면(26)과 반사면(28)에 의해 형성된 광 전향부재(22)의 코너 사이의 공간을 통해 투사된다. 광 전향부재(22)는 대략 길이 30㎝, 폭 20㎝ 및 두께 0.5㎝의 크기로된 직사각형 블록이다. 광 전향부재는 1㎜ 내지 2㎝의 범위의 두께와, 레이저 빔의 직경과 광학 테이블의 브라켓에 장착하는데 적당한 길이 및 폭을 갖을 수 있다. 공간필터(20)로부터 나와 공간적으로 필터링된 레이저 빔(32)은 고출력 밀도의 중심 로브(50)와 저출력 밀도의 외곽 주변 로브(52)를 포함한다. 주변 로브(52)는 저출력 밀도 주변 로브(52)의 흡수작용을 견딜 수 있는 표준 BK-7 광학 글라스로된 빔 브로커(48)에 의해 흡수된다. 공간적으로 필터링된 1 차원의 빔(54)은 간섭 패턴을 형성하기 위한 수단(56)에 투사된다. 간섭 패턴 형성 수단(56)은 레이저 빔(54)을 두 개의 분할 빔으로 나눈 다음 간섭패턴을 형성하기 위해 두 개의 빔을 재결합하는 간섭계로 이루어진다. 또한, 간섭 패턴 형성 수단(56)은 위상 마스크와 같은 것으로 광 도파관(57)에 간섭 패턴을 형성하기 위한 다른 수단으로 구성될 수 있다. 간섭패턴은 대략 200 mJ/pulse/cm2의 감응수준을 갖는 광학적으로 필터링된 소정 크기의 고출력 밀도 레이저 빔(54)을 이용하여 광 도파관(57)에 형성된다. 광 도파관(57)은 코닝 SMF/DSTM광 도파관 섬유로 이루어지고, 이러한 섬유는 감광성을 향상시키기 위해 H2가 첨가됨이 바람직하다.
섬유 브랙 격자는 간섭패턴 형성 수단(56)에 비공간적으로 필터링된 레이저 빔을 제공하는 것과 공간적으로 필터링된 레이저 빔을 제공하는 것의 차이를 비교하여 광섬유 부분에 형성된다. 도 4는 비공간적으로 필터링된 레이저 빔을 이용하여 제조된 섬유 브랙 격자의 반사 스펙트럼이다. 도 5는 공간적으로 필터링된 레이저 빔을 생성하기 위해 본 발명의 공간필터를 이용하여 제조된 섬유 브랙 격자의 반사 스펙트럼이다. 도 5의 공간필터로 생성된 격자와 도 4의 비공간필터로 생성된 격자에 대하여 비교하면, 본 발명의 고출력 밀도 자외 레이저 빔을 이용한 방법 및 반사성 비흡수성 투명 공간필터가 바람직한 높은 반사율 대역(62)의 외측에 있는 불필요한 반사율 사이드로브(60)가 감소된 수준인 광 도파관 격자를 생성함을 알 수 있다. 도 5의 반사율 사이드로브(60)의 감소량 및 정도가 도 4의 사이드로브(60)보다 크다. 도 8은 공간적으로 필터링된 레이저 빔을 생성하기 위해 본 발명의 공간필터를 이용하여 제작된 섬유 브랙 격자의 반사 스펙트럼이고, 본 발명에 따라, 480 nm 의 청색 파장 빔의 일측이 주파수 체배 크리스탈로 들어가기 앞서 실리카 블록으로 잘리게 된다. 바람직한 고 반사율 대역(62)의 외측에 있는 불필요한 반사율 사이드로브(60)가 매우 낮다(-39dB)는 점에서 도 8의 공간필터로 생성된 격자는 매우 우수하다. 도 8에 도시된 본 발명의 섬유 브랙 격자에 있어서, 약 1.5nm 의 대역폭을 갖는 고 반사율 대역(62)의 외측에 -39dB 이상의 반사율을 갖는 사이드로브(60)가 없다. 본 발명은 대역의 외측에 고 반사율 대역을 갖는 사이드로브가 없는 섬유 브랙 격자를 포함하여 -39dB 이상의 반사율을 갖는다. 본 발명은 섬유 브랙 격자를 제조하는 방법을 더 포함하고, 상기 섬유 브랙 격자 제조 방법은 반사율이 -39dB 이하인 사이드로브를 갖는 섬유 브랙 격자를 생성하기 위해 레이저 빔을 공간적으로 필터링하는 단계를 포함한다.
도 6에 도시된 본 발명의 또 다른 실시예는 2차원으로 완전히 공간적으로 필터링된 레이저 빔(64)을 이용하여 도파관(57)에 격자(58)을 제조하기 위한 방법과 장치 시스템을 제공한다. 1차원으로 공간적으로 필터링된 레이저 빔(32)는 레이저 빔을 푸리에 변환하기 위한 제 2집중 수단(46)과, 제 2비흡수 투명 공간필터링 수단(20)을 통해 다른 직경으로 공간적으로 필터링된다. 1차원으로 공간적으로 필터링된 레이저 빔(32)은 제 2의 선 집중 레이저 빔(63)을 형성하기 위하여 제 1의 실린더형 렌즈(46)에 대해 90°회전된 제 2의 실린더형 렌즈(46)에 의해 제 2의 1 차원으로 집중된다. 제 2의 선 집중된 레이저 빔(63)은 제 2의 선 집중 레이저 빔(63)과 일치되도록 제 1의 공간필터에 대해 90°회전된 제 2의 공간필터(20)에 의해 공간적으로 필터링된다. 2 차원으로 공간적으로 필터링된 레이저 빔(64)는 간섭 패턴 형성 수단(56)에 투사된다. 그 후, 굴절률 격자(58)는 2 차원으로 공간적으로 필터링된 고출력 밀도 자외 레이저 빔(64)를 이용하여 광 도파관(57)에 표시된다. 이렇게 공간적으로 필터링된 레이저 빔으로 형성된 섬유 브랙 격자는 반사율 사이드로브가 감소된 수준의 더 개선된 품질을 갖을 수 있다.
본 발명의 정신과 범위를 벗어나지 않고 본 발명의 방법과 장치에 대한 다양한 변경과 실시가 이루어질 수 있다는 것이 당업계의 기술을 가진 자에게 명백할 것이다. 따라서, 본 발명은 첨부된 청구범위와 이에 동등한 것에 해당하는 본 발명의 변경과 실시를 포함하고자 한다.
전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 고출력 레이저 빔용 공간필터는 간섭 패턴을 형성하기에 앞서 레이저 빔을 공간적으로 필터링하여 높은 공간 주파수를 제거시킴으로써 개선된 레이저 품질과 개선된 격자를 얻을 수 있다.

Claims (23)

  1. 광 전향부재로 이루어진 것을 특징으로 하는 레이저 빔 공간필터.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 전향부재는 비흡수성 광학물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 레이저 빔 공간필터.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 전향부재는 투명 광학물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 레이저 빔 공간필터.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 전향부재는 용융 실리카로 이루어진 것을 특징으로 하는 레이저 빔 공간필터.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 전향부재는 반사면으로 이루어진 것을 특징으로 하는 레이저 빔 공간필터.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 전향부재는 투명 광학물질 및 비반사면으로 이루어진 것을 특징으로 하는 레이저 빔 공간필터.
  7. 제 5 항에 있어서, 중심 축선을 갖는 레이저 빔의 외곽부의 높은 공간 주파수 광이 반사면에 의해 레이저 빔의 중심축선으로부터 비흡수적으로 전향되는 것을 특징으로 하는 레이저 빔 공간필터.
  8. 낮은 공간 주파수부와 높은 공간 주파수부로 이루어진 레이저 빔을 제공하는 단계와, 상기 낮은 공간 주파수부로부터 높은 공간 주파수부를 비흡수적으로 전향시키는 단계로 구성된 것을 특징으로 하는 공간적으로 레이저 빔을 필터링하는 방법.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 레이저 빔을 제공하는 단계는 레이저 빔을 푸리에 변환하는 단계로 더 구성된 것을 특징으로 하는 공간적으로 레이저 빔을 필터링하는 방법.
  10. 제 8 항에 있어서, 상기 레이저 빔을 제공하는 단계는 높은 공간 주파수부를 반사시키는 단계로 더 구성된 것을 특징으로 하는 공간적으로 레이저 빔을 필터링하는 방법.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 비흡수적으로 전향시키는 단계는 높은 공간 주파수부를 반사키는 단계로 더 구성된 것을 특징으로 하는 공간적으로 레이저 빔을 필터링하는 방법.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 비흡수적으로 전향시키는 단계는 투명 광학물질에 높은 공간 주파수부를 투사시키는 단계로 더 구성된 것을 특징으로 하는 공간적으로 레이저 빔을 필터링하는 방법.
  13. 높은 공간 주파수와 낮은 공간 주파수를 갖는 레이저 빔용 공간필터에 있어서, 상기 필터는 상기 낮은 공간 주파수로부터 떨어진 높은 공간 주파수를 비흡수적으로 전향시키기 위한 수단으로 구성된 것을 특징으로 하는 레이저 빔용 공간필터.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 비흡수적으로 전향시키기 위한 수단은 상기 높은 공간 주파수를 반사시키기 위한 수단을 갖는 투명 광학물질로 더 구성된 것을 특징으로 하는 레이저 빔용 공간필터.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 반사시키기 위한 수단은 총 내부 반사를 제공하는 굴절률 간섭으로 구성된 것을 특징으로 하는 레이저 빔용 공간필터.
  16. 레이저 빔을 생성하는 단계; 중심 축선을 갖는 선 집중 레이저 빔을 생성하기 위해 제 1의 1 차원으로 레이저 빔을 집중시키는 단계; 공간적으로 필터링된 1 차원 레이저 빔을 생성하기 위해 반사 부재로 선집중 레이저 빔의 중심축선에서 떨어진 선 집중 레이저 빔의 외곽부를 비흡수적으로 전향시키는 단계 및 격자를 제조하기 위해 공간적으로 필터링된 레이저 빔으로 간섭 패턴을 형성하는 단계로 구성된 것을 특징으로 하는 격자 제조 방법.
  17. 제 16 항에 있어서, 상기 격자 제조 방법은 제 2의 선 집중된 레이저 빔을 생성하기 위해 공간적으로 필터링된 1 차원 레이저 빔을 제 2의 1 차원에 집중시키는 단계; 공간적으로 필터링된 2 차원 레이저 빔을 생성하기 위해 반사부재로 제 2의 선 집중 레이저 빔의 외곽부를 비흡수적으로 전향시키는 단계 및 격자를 제조하기 위해 공간적으로 필터링된 2 차원 레이저 빔으로 간섭 패턴을 형성하는 단계로 더 구성된 것을 특징으로 하는 격자 제조 방법.
  18. 제 16 항에 있어서, 상기 반사 부재는 용융 실리카로 이루어진 것을 특징으로 하는 격자 제조 방법.
  19. 제 16 항에 있어서, 상기 레이저 빔 생성 단계는 고출력 밀도 레이저 빔을 생성하는 단계로 더 구성된 것을 특징으로 하는 격자 제조 방법.
  20. 제 19 항에 있어서, 상기 고출력 밀도 레이저 빔 생성 단계는 자외 레이저 빔을 생성하는 단계로 더 구성된 것을 특징으로 하는 격자 제조 방법.
  21. 제 16 항에 있어서, 격자를 제조하기 위하여 공간적으로 필터링된 레이저 빔으로 간섭 패턴을 형성하는 단계는 광 도파관에 굴절률 변화를 일으키기 위해 광 도파관에 간섭패턴을 형성하는 단계로 더 구성된 것을 특징으로 하는 격자 제조 방법.
  22. 레이저 빔을 생성하는 단계; 중심 축선을 갖는 선 집중 레이저 빔을 생성하기 위하여 제 1의 1차원으로 레이저 빔을 집중시키는 단계; 공간적으로 필터링된 1 차원 레이저 빔을 생성하기 위하여 반사 부재로 선 집중 레이저 빔의 중심 축선에서 떨어진 선 집중 레이저 빔의 외곽부를 비흡수적으로 전향시키는 단계 및 반사율이 -39 dB 이상인 사이드로브가 없는 섬유 브랙 격자를 제조하기 위하여 공간적으로 필터링된 레이저 빔으로 간섭 패턴을 형성하는 단계로 구성된 것을 특징으로 하는 격자 제조 방법.
  23. 고 반사율 대역을 갖고, 상기 고 반사율 대역의 외측에 복수의 사이드로브를 갖는 섬유 브랙 격자에 있어서, 상기 대역의 외측에 있는 사이드로브가 -39dB 이하의 반사율을 갖는 것을 특징으로 하는 섬유 브랙 격자.
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