KR20010005706A - 고분자 광섬유의 전력 처리 용량 향상 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

고분자 섬유의 전력 처리 용량은 통상적으로 가우스 분포인 입력 강도 프로파일을 확장하므로써 광이 고분자 섬유 내부로 커플링되는 효율의 큰 감소없이 증대된다. 고분자 성유의 전력 처리 용량의 증대 방법은 a) 섬유 광원으로부터 가우스 강도 프로파일을 갖는 광을 방출하는 단계; b) 고분자 섬유 내부로 방사되기 전에 상기 방출된 광의 피크 전력 프로파일을 감소시키기 위하여 상기 가우스 강도 프로파일의 중심에서의 에너지가 가장자리로 분산되도록 상기 가우스 강도 프로파일을 확장하는 단계; c) 상기 방출된 광을 하나 이상의 고분자 섬유 내부로 전송하는 단계를 포함한다. 바람직하게는, 강도 프로파일을 확장하는데 융합 섬유속이 사용되며, 융합 섬유속은 경사진 입력 말단면을 갖는다. 결과적으로, 광 흡수에 의한용융을 일으키지 않도록 그 한계점 이하를 유지하면서 좀 더 많은 총 전력이 고분자 섬유 내부로 커플링 될 수 있다. 예를 들면, 1와트 이상의 전력이 1mm 직경의 PMMA 섬유를 통하여 전송될 수 있다.

Description

고분자 광섬유의 전력 처리 용량 향상 방법 및 장치{Method and apparatus for improving power handling capabilities of polymer optical fibres}

배경 기술에 관한 다음의 설명은 발명자의 지식을 기술한 것이며, 반드시 배경 기술에 관한 지식을 기술한 것은 아니다.

고분자로부터 제조된 저융점 섬유는 고개구수(high numerical apertures)를 가지며, 기계적 유연성이 크고 단가가 낮은 장점이 있다. 광(light)은 통상적으로 근접 커플링(proximity coupling)("butt coupling")에 의하여 집속광원이나 다른 섬유 또는 섬유속으로부터 이들 섬유 내부로 직접 커플링된다.

이러한 고분자들은 융점이 낮으며 광을 흡수하는 성질을 가지므로 고분자 섬유의 전력 처리 용량(power handling capability)은 비교적 낮다. 비록 무시할 수 있을 정도로 작으나, 섬유 내부에서의 흡수에 기인하며 열적 손실(thermal run-away) 및 고분자의 용융을 유발하는 온도의 증가는 전송될 수 있는 광의 총량을 제한하는 임계 파라미터이다. 섬유의 말단면(endface)이 점차적으로 용융되는 원인에는 광의 흡수 뿐만 아니라, 광원과 고분자 섬유 사이의 크기 및 개구수의 부정합(mismatch)의 결과로서 열로 전환되는 비전송광(non-transmitted light)이 포함된다.

광흡수는 국부 전력 강도에 좌우된다. 따라서, 통상적으로 가우스 분포인 강도 프로파일의 형태는 고분자 섬유가 용융될 때의 입력 전력을 결정하는 중요한 요소이다. 또한, 자외선(UV) 및 적외선(IR)을 제거하기 위해 적절한 광-필터링을 하지 않으면, 섬유가 변색되고 전송능력도 저하될 것이다. 전송능력은 비전송광으로부터 발생하는 열과 고강도의 광으로 인해 더욱 빨리 저하된다.

광원과 고분자 섬유 사이에 공간 필터(spatial filter)를 도입하므로써 개선될 수 있다. 공간 필터는 고분자 섬유와 광원의 입력 계면에 위치한 개구 및 히트싱크(heatsink), 또는 고분자 섬유의 개구수 이하의 개구수 및 유도되지 않은 광 모드(mode)를 제거하기에는 충분한 길이를 갖는 짧은 유리 또는 석영 섬유로 구성될 수 있다. 유리 또는 석영 섬유로 구성된 공간 필터는, 1mm 직경의 PMMA 섬유를 예를 들면, 100mW에서 300 내지 400mW 범위까지 고분자 섬유의 전력 전송 능력을 향상시킨다. 그럼에도 불구하고, 유사한 유리 또는 석영 코아(core) 섬유와 비교하면 이러한 고분자 섬유는 융점이 낮으므로, 단일 고분자 섬유 또는 섬유속 내부로 커플링될 수 있는 최대 전력이 크게 제한된다. 통상적으로 3mm 이상의 직경을 갖는 단일 섬유에 대하여, 광원과 고분자 섬유 사이에 유리 섬유속을 삽입하는 기술이 알려져 있다. 미국 특허 제4,986,622호(마티네즈)에는 광원으로부터 플라스틱 고분자 섬유 내부로 광을 전송하기 위해 유리 섬유속을 사용하고 있다. 이러한 공간 필터가 플라스틱 섬유를 분해시키지 않으면서 이를 통해 전송될 수 있는 광을 증대시킨다는 사실이 알려져 있지만, 공간 필터링은 가우스 프로파일의 형태를 변형시키지 않으면서 유도되지 않은 모드를 제거하는 정도로 제한된다.

비록 공간 필터링이 유도되지 않은 모드를 제거한다고 할지라도, 입력광은 피크 전력이 빔의 중심부에서 최고이고 주변부에서 최저인 가우스와 같은 강도 프로파일을 갖는다. 따라서, 흡수 한계를 초과한 고피크 전력이 섬유의 분해를 일으키기 때문에, 고분자 섬유의 말단면 중심에서의 강도는 섬유의 전력 처리 용량을 제한하는 요소가 된다.

본 발명은 공업 및 의료 분야에서 광전송 및 조명의 용도로 광범위하게 사용되고 있는 것으로서, 고분자(예를 들면, 폴리메틸메타크릴레이트, PMMA 등)로부터 제조된 저융점 섬유와 같은 광전송 섬유에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 본 발명은 이러한 광전송 섬유의 전력 처리 용량(power handling capabilities)에 관한 것이다.

본 발명은 실시예 및 도면을 통하여 설명되나, 이에 한정되지 않는다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예의 개략적인 측면도이고;

도 2는 본 발명의 제2 실시예의 개략적인 측면도이고;

도 3은 본 발명의 일태양에 따른 경사진 입력 말단면을 갖는 융합 섬유속의 출력 강도 프로파일 그래프이고,

도 4는 본 발명의 다수 실시예에 따른 본 발명의 장치를 설명하는 개략적인 측면도이고,

도 5는 본 발명의 다른 실시예를 설명하는 개략적인 측면도이고,

도 6은 본 발명의 또 다른 실시예를 설명하는 개략적인 측면도이다.

본 발명은 고분자 섬유 내부로 광을 커플링하는 효율을 크게 감소시키지 않으면서 가우스 강도 프로파일을 확장시키거나 변형시키므로써 고분자 섬유의 전력 처리 용량을 증대시킨다. 바람직한 실시예를 통하여 전반적인 강도 프로파일은 더 균일하게 되고 피크 강도도 더 낮게 된다. 이것은 고분자 섬유의 입력 계면을 용융시키지 않으면서 더 많은 전력량이 고분자 섬유 내부로 커플링되도록 한다. 이 방법에 의하면 전력 전송 능력이 크게 개선된다. 예를 들면, 1mm 직경의 PMMA 섬유를 통해 1 와트 이상의 전력을 전송할 수 있다.

본 발명은 열적 손실을 일으키는 흡수값인 한계 입력 전력을 높이기 위하여 광의 강도 프로파일 변형 장치를 포함하는 새로운 해결방법을 제공한다. 상기 장치는 단일 고분자 섬유 또는 섬유속 내부로 커플링되기 전에 광원의 출력 강도 프로파일을 확장시킨다. 강도 프로파일을 확장시키므로써 가우스 강도 프로파일 중심에서의 에너지는 주변으로 퍼지게 되고, 따라서 피크 전력 강도를 낮추게 된다. 흡수도는 단위 면적당 에너지의 함수이므로, 흡수되는 에너지가 감소하므로써 고분자가 용융되기 시작하는 한계 온도에 도달할 가능성이 줄어든다. 따라서, 가우스 프로파일이 변형되지 않았을 때에 비해 축적되는 열이 감소되므로, 상당히 높은 입력 전력에서도 섬유가 보존된다. 또한, 이것은 고분자 섬유가 열적인 손상을 입지 않으면서 전송할 수 있는 최대 전력을 증대시킨다.

본 발명의 일측면에 따르면, 고분자 섬유의 전력 처리 용량을 증대시키는 방법은, a) 섬유 광원으로부터 방출된 가우스 강도 프로파일을 가지며, 약 400nm 미만이거나 약 700nm를 초과하는 파장을 제거하기 위해 필터링된 광을 방출하는 단계; b) 고분자 섬유 내부로 방사되기 전에 상기 방출된 광의 피크 전력 강도를 줄이기 위하여, 상기 가우스 강도 프로파일 중심에서의 에너지가 상기 프로파일의 주변으로 분산되도록 가우스 강도 프로파일을 확장시키는 단계; c)상기 방출된 광을 하나 이상의 고분자 섬유 내부로 전송하는 단계를 포함한다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 하나 이상의 고분자 섬유 내부로 방사(즉, 전송)되는 총 에너지는 실질적으로 변화하지 않으나, 피크 전력 강도는 감소되도록 가우스 강도 프로파일이 유지된다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 가우스 강도 프로파일을 확장시키는 단계는 방출된 광과 하나 이상의 고분자 섬유 사이에 산광기(diffuser)를 제공하는 단계를 포함한다. 산광기로는 융합된 섬유속이 가장 바람직하다.

본 발명의 또 다른 측면에 있어서, 융합된 섬유속의 말단면은 경사를 이룬다.

이러한 확장 장치는 예를 들어, 광섬유(fiber optic) 또는 아크 램프의 방출광과 같은 광원으로부터 나온 전력 레벨에 대하여, 고분자 섬유의 면(face)에 영향을 주는 에너지 총량은 변하지 않으나, 피크 전력은 감소되도록 하는 기능을 한다. 요컨대, 낮은 각도인 중심부의 광을 주변부의 높은 각도로 분산되도록 변형시키므로써 가우스 프로파일의 중심부 내의 각 포인트에서 국부 전력 밀도를 감소시킨다.

전술한 본 발명의 장점이나 특성은 하기 도면 및 청구범위와 함께 설명되는 바람직한 실시예로부터 더욱 쉽게 이해될 것이다.

본 발명은 강도 프로파일의 변형 및 확장이 홀로그래프 격자(holographic gratings), 마이크로 렌즈 어레이(micro-lens arrays), 집속 파라볼라 집신기( concentrating parabolic concentrators), 엑시콘(axicons) 또는 광학 웨지(optocal wedges)와 같은 산광기를 통하여 전달된다는 것에 주목한다. 그러나, 본 발명의 바람직한 실시예들은 광 유도 장치로서 보다는 산광기로서 작용하도록 설계된 융합 섬유속을 이용한다.

예를 들면, 융합 섬유속은 약 10㎛ 내지 50㎛의 작은 직경을 갖는 섬유 수천개를 가질 수 있다. 융합 섬유속의 디자인은 광이 커플링 되는 고분자 섬유의 개구수에 좌우된다. 고분자 섬유를 통하여 강도 프로파일을 확장하고 높은 광 전송을 이루기 위한 일반적인 사양은 융합 섬유속 및 고분자 섬유의 상대적인 개구수와 융합 섬유속의 길이에 좌우된다. 융합 섬유속의 입력 말단면에서, 각각의 작은 섬유는 광원으로부터 나온 빔의 일부분을 차단하여 이것을 섬유속의 출력 말단부에 전송한다. 융합 섬유속의 출력 프로파일은 각각의 개별적인 섬유의 출력 강도 프로파일의 합으로서, 각각의 개별적인 섬유들의 개구수에 좌우된다.

만일 융합 섬유속이 대략 섬유속 직경의 7배보다 짧으면, 광은 또한 클래딩 모드(예를 들면, 유도되지 않은 광)로 말단으로 전송되어 각각의 섬유로부터 방출된 강도 프로파일을 더 방산시킬 것이다. 직경에 대한 융합 섬유속의 실제 길이는 코아 클래딩 비(core cladding ratio) 및 상대적인 개구수에 좌우된다. 입력 광의 개구수가 융합 섬유속의 섬유의 개구수와 동일하더라도, 입력 말단면에서보다 출력 말단면에서 가우스 프로파일이 더 넓고, 낮은 피크 강도를 갖는다는 것이 네트 효과(net effect)로부터 확인된다. 통상적으로, 융합 섬유속의 유효 개구수는 고분자 섬유의 유효 개구수보다 크도록 선택된다. 개구수가 클수록, 출력 프로파일은 균일해지므로, 광원이 직접적으로 커플링되는 것보다 더 많은 전력을 고분자 섬유의 용융없이도 전송할 수 있게 된다. 요컨대, 광은 가우스 프로파일의 중심에서 가장자리로 퍼져서 용융이 일어나는 피크 전력인 흡수 한계를 낮춘다. 클래딩 모드에서의 광량은 융합 섬유속 길이에 좌우되므로, 융합 섬유속의 길이는 클래딩 모드로 이송되는 광량을 조절할 수 있도록 조정될 수 있다. 따라서, 필요한 만큼 강도 프로파일을 방산시킬 수 있다. 융합 섬유속의 개구수나 길이중 하나 또는 두개 모두를 조절하므로써 최적의 출력 강도 프로파일이 얻어진다.

섬유에 의해 강하게 흡수되며 잠재적으로 섬유의 광전송 특성의 빠른 저하를 일으킬 수 있는 광 스펙트럼의 대역(bandwidth)을 제거할 수 있는 정도로, 저융점 고분자 섬유에 입사한 광이 필터링 되어야 한다. 통상적으로, 이러한 대역은 자외선(〈400nm) 및 적외선(〉700nm) 파장 영역을 포함하나, 실제적인 컷오프는 고분자 섬유의 스펙트럼 특성에 좌우된다. 예를 들면, 본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 410nm 미만 이거나 700nm를 초과하는 광은 PMMA 섬유로 필터링된다. 롬 앤 하스 옵티플렉스(Rohm and Hass Optiflex) 폴리아크릴레이트 섬유에 대하여, 컷-오프 포인트는 약 430nm 및 700nm이다.

광원에 대한 광 필터링은 광원인 단일 광 전송 섬유의 입력부에서 또는 융합 섬유속과 하나 이상의 고분자 섬유 사이의 계면에서 내부적으로 달성될 수 있다. 전송 또는 반사 표면에 코팅되는 절연막(예를 들면, 광 전송을 위해 단일 광섬유 의 말단면 위로 광을 수집, 압축 및 집속하도록 설계된 거울)으로 광 필터링을 할 수 있다. 융합 섬유속의 말단면은 고분자 섬유에 대한 손상을 최소화하기 위하여 400nm와 700nm 사이의 파장만을 전송하도록 절연 코팅될 수 있다. 선택된 실제 파장은 고분자 섬유의 흡수 특성에 좌우될 것이다. 또한, 밴드패스 필터(bandpass filter)는 고분자 섬유에 대한 손상을 최소화하기 위해 광의 대역을 제한하거나 광 자체를 특이한 용도에 사용하기 위해 대역을 조절하기 위하여, 융합 섬유속의 일단 또는 양단에 사용될 수 있다. 예를 들면, 630nm 내지 690nm의 특유한 대역을 가진 광이 약제 또는 화학물질을 활성화시키는 것과 같은 특별한 용도에 필요하다면, 필요로 하는 특유한 대역을 갖는 광을 생산하도록 각각 낮은 패스(〈690nm) 및 높은 패스(630nm)를 갖는 코팅재로 융합 섬유속의 입력 및 출력의 말단면을 절연 코팅할 수 있다. 또한, 필터링된 광을 생산하기 위하여 광원인 광섬유의 일단 또는 양단에 절연 코팅을 할 수 있다. 유사하게, 광전송 특성을 손상시키지 않으면서 고분자 섬유 내로 광을 커플링하기 위한 구성에 있어서, 여러가지 광학적 요소에 적용되는 코팅재의 조합, 예를 들면 단일 광섬유의 말단면 및 융합 섬유속의 일 말단면 위로 광을 모으거나 응축하거나 집속하도록 설계된 거울의 반사면이 사용될 수 있다. 만일 전술한 바와 같이 융합 섬유속 대신에 광을 분산시키기 위한 다른 수단이 사용된다면, 광 필터링을 위해 이러한 산광기에 절연 코팅재를 사용할 수 있다.

도 1은 전술한 바와 같이 본 발명의 제1 실시예를 나타내며, 예를 들어 각 면에서 0도로 제조된, 직각 말단면 (210 및 220)을 갖는 융합 섬유속(200)을 구비한다. 설명한 바와 같이, 섬유 광원(100)은 광을 섬유속(200)으로 인도한다. 이어서, 상기 섬유속(200)은 광을 고분자 섬유(300) 내부로 인도한다. 고분자 섬유는 단일 섬유 또는 섬유속을 포함할 수 있다.

도 2는 말단면(210)이 A 각도로 형성된 다른 실시예를 나타낸다. 도 2를 참조하면, 동일한 도면부호는 동일한 부분을 나타낸다. 고분자 섬유(300)의 전력 처리 용량은 광을 수직 라인 Y에 대해 0도보다 큰 각도를 이루는 입력 말단면(210)을 구비한 융합 섬유속(200)으로 방사하면 더욱 향상된다. 입사각이 증가하면 클래딩 모드로 이행되는 광량을 증가시키고 출력면 위의 섬유 가장자리로 강도 프로파일의 중심을 옮겨서 비대칭 강도 프로파일을 만드므로써 입력면 상에 융합 섬유속(200)의 개구수(NA)를 효과적으로 감소시킨다. X축에 대한 융합 섬유속의 비대칭 프로파일로 인하여, 섬유에 에너지가 축적되기 전에 더 빨리 에너지를 방산하도록 하는 히트싱크(미도시)의 사용 효율이 더욱 촉진된다.

본 발명에 있어서, 입력 강도 프로파일이 변형되는 고분자 섬유(300)는 광원과 고분자의 특성에 따라 단일 고분자 섬유 또는 섬유속일 수 있다. 입력 광원(100)은 단일 섬유로부터 나온 광이거나 집속된 광원일 수 있다. 또한, 전술한 바와 같이, 강도 프로파일을 분산시키거나 확산시키는 융합 섬유속(200)은 비록 바람직하지는 않으나 2중 광학 장치, 복합 광학 장치 또는 적절하게 설계된 인코히런트(incoherent) 섬유속과 같은 공간 샘플링을 위한 광학 장치를 포함하는, 유사하게 분산시키는 다른 장치로 대체할 수 있다. 결국, 광을 고분자 섬유 내부로 인도하기 위한 본 발명의 전력 처리 장치의 상기 장점 외에도, 상기 광학장치는 고강도 광을 고분자 섬유속 내부로 방사하는데 사용될 수 있으며, 연속해서 섬유속 내의 섬유들 사이의 출력 전력 변동을 줄일 수 있다.

도 4는 강도 프로파일을 변형 및 확장시키기 위한 산광기(D)를 포함하는 본 발명의 실시예를 도시하고 있다. 바람직한 실시예에 있어서, 섬유속 산광기에 외에도, 산광기(D)는 홀로그래프 그래팅, 마이크로-렌즈 어레이, 컨센트레이팅 파라볼라 컨센트레이터, 엑시콘 또는 광학 왜지와 같은 다른 산광기를 포함할 수 있다. 당업자는 본 명세서에 기초하여 이러한 다른 산광기를 결합시키는 방법을 알 수 있을 것이다.

여러가지 본 발명의 예시적 구조가 이하에서 논의된다. 하기 표 1은 이러한 여러가지 구조에 적용되며, 융합 섬유속의 입력 각도에 대한 커플링 효율 및 최대 출력 전력을 나타내고 있다.

융합 섬유속의 입력 말단면 각(도)	780㎛ 섬유와 융합 섬유속 사이의 커플링 효율(%)	융합 섬유속과 PMMA 섬유 사이의 커플링 효율(%)	용융되지 않는 최대 전력 출력(Watt)
0	88	48.3	590
15	85	48	860
20	84	47.9	890
25	77	46.4	970
소스 섬유 : 코아 직경 780㎛, 0.68 NA융합 섬유속 : 길이 8mm 미만, 직경 1mm, 0.57 NA플라스틱 섬유 : 길이 4', 직경 1mm, 0.5 NA

표 1은 동일한 타입의 소스 섬유 및 다른 말단면 각도를 갖는 섬유속과 플라스틱 섬유에 대한 커플링 효율 및 최대 출력 전력을 나타내고 있다. 표 1에 나타난 실시예의 한 형태를 설명하는 제1 실시예에 대해 살펴본다. 이러한 제1 실시예에서, 입력 광원은 가우스 출력 강도 프로파일을 가지며 0.78mm의 직경, 0.68NA의 단일 석영 섬유이다. 여기에서 나온 광은 약 8mm보다 짧으며(예를 들면, 약 7mm), 0.57NA 및 20㎛ 직경의 섬유 수천개를 갖는 짧은 조각의 융합 유리 섬유속으로 방사된다. 표 1은 이러한 형태의 구조에 대한 데이터를 포함하고 있다. 표 1에 나타난 바와 같이, 관찰되는 손실이 오직 각 표면에서의 프레스넬 손실(Fresnel loss)에 기인하기 때문에 융합 섬유속의 출력 말단면에서의 커플링 효율을 측정하므로써 클래딩 모드의 존재를 확인할 수 있다. 제1 실시예에서, 융합 섬유속의 말단면의 각도는 수직축 Y에 대하여 약 0도이다. 융합 섬유속의 출력은 PMMA 섬유(직경 1mm, 0.5 NA)에 버트 커플링된다. 표 1에 나타난 바와 같이, 이러한 타입의 구조는 4피트의 길이를 갖는 플라스틱 섬유를 통하여 최대전력 약 600mW를 전송하는데, 이것은 이러한 융합 섬유속이 존재하지 않을 때의 최대 값인 300mW보다 상당히 크다. 0.57 NA 융합 섬유속이 0.66 NA(0.66 NA 섬유속은 동일한 길이, 동일한 직경 및 동일한 직경의 섬유를 가짐)의 높은 NA를 갖는 융합 섬유속으로 대체되면, 동일한 PMMA 섬유는 용융되지 않으면서도 1.3와트의 광학 전력을 전송할 수 있다. 강도 프로파일이 소량 변화되므로써 PMMA 섬유가 용융되지 않으면서 이를 통하여 전송될 수 있는 광량을 크게 변화시킨다.

이러한 실시예를 설명하는 다른 예를 기술한다. 필터링된 300와트 제논 아크 램프로부터 나온 광은 3mm의 직경을 가진, 0.66NA 융합 섬유속의 말단면 위로 집속되어 직경 3mm의 폴리아크릴레이트 단일 섬유(롬 앤 하스에 의해 제조된 "옵티플렉스")로 커플링된다. 광은 4.5와트까지 고분자 섬유의 분해없이 고분자 섬유 내부로 커플링된다. 대조적으로, 필터링된 제논 램프 광을 3mm의 폴리아크릴레이트 단일 섬유로 직접 커플링하면 2분 내에 섬유의 용융을 일으킨다. 낮은 NA의 융합 섬유속을 사용하거나 길이가 긴 0.66 NA 융합 섬유속을 사용하면 고분자 섬유의 수명을 비슷하게 단축시킨다.

고분자 섬유의 말단면에 커플링되는 강도 프로파일이 확장될수록 섬유의 분해없이 이를 통하여 전송될 수 있는 광의 강도는 커지게 된다. 유사하게, 명확한 특성을 갖는 가우스 프로파일을 생산하기 위하여 공간 필터로서 작용하는 제1 융합 섬유속과 결합된 산광기로서, 직경의 3배 미만인 길이를 가지며 NA 이상의 제2 융합 섬유속을 사용하여 고분자 섬유에 대한 입력 강도 프로파일을 더 크게 변형시키므로써 고분자 섬유에 대한 손상을 최소화한다. 이들 두 산광기들은 통상적으로 이들 각각의 광학축에 따라 연마된다. 이러한 제2　융합 섬유속(200')의 일예가 도 5에 개략적으로 나타나 있다. 또한, 클래딩 유리 막대(광학 막대)은 제논 아크 램프와 같은 광원으로부터 광을 융합 섬유속으로 커플링하도록 제1 산광기 대신에 사용될 사용될 수 있다. 이러한 클래딩 유리 막대(R)의 일예가 도 6에 개략적으로 도시되어 있다. 더 작은 직경의 섬유에 대해서는, 그 길이가 공간적으로 유도되지 않은 모드를 필터링하는데 필요한 길이보다 작을 때 광원과 고분자 섬유 사이에 산광기로서 융합 섬유속이 삽입된다. 이러한 융합 섬유속 산광기는 산광기의 NA가 고분자 섬유의 NA 이상일 때 가장 적절하게 실행된다.

이하에서는 도 2에 도시한 제2 실시예의 구조를 설명한다. 이 제2 실시예는 입력 강도 프로파일 및 광원의 전력 밀도에 대한 고분자 섬유의 광 전송 감도를 설명한다. 도 2는 고분자 섬유의 전력 처리 용량을 더욱 증대시키는 바람직한 기술을 보여주고 있다. 경사진 입력 말단면 (210)을 구비한 융합 섬유속 내부로 광을 방사하므로써, 광의 빔 강도 프로파일의 피크가 수직축 Y에 대하여 0도보다 큰 각으로 이동하도록 출력 강도 프로파일이 변경된다. 실제로, 통상 0도의 입사각을 갖는 광은 그 입사각이 변경되고 따라서, 융합 섬유속 내부에서 최소 내부 반사수를 갖는 광이 섬유 내부에 큰 내부 반사수를 발생하는 입사각을 가진 광으로 바뀐다. 가우스 분포에서는 강도 프로파일의 피크가 0도에서 일어나므로, 내부 반사수의 증가는 출력 말단상의 강도 프로파일의 피크를 확장시킨다. 강도 프로파일을 퍼지게 하므로써 피크 파워는 감소되고 고분자 섬유 내부의 피크 흡수 또한 감소된다. 이러한 피크 강도의 이동은 비대칭 강도 프로파일을 만들고, 상기 분포의 중심은 고분자 섬유의 가장자리로 더욱 근접하여 위치한다. 이러한 이동은 또한 히트싱크가 열을 더욱 효과적으로 빨리 분산시키도록 한다. 도 3은 다른 각도의 갖는 말단면(210)을 구비한 융합 섬유속의 출력 강도 프로파일(표 1과 같은 구조에 기초함)을 나타낸다. 라인 0, 15 및 25는 각각 0, 15 및 25도로 경사진 입력 말단면(210)에서의 강도 프로파일을 나타낸다. 0, 15, 20 및 25도의 입력각과 0.57 NA를 가진 플라스틱 융합 섬유속의 최대 출력 전력이 표 1에 나타나 있다.

본 발명은 고분자 섬유의 최대 전력 용량(섬유의 전력 처리 용량에 따라 그 용도가 제한됨)을 증대시킬 뿐만 아니라, 안정성 등을 고려하여 최대 광 출력을 정하는데 이용될 수 있다. 융합 섬유속의 입력 말단면의 각을 조절하므로써 즉, 고분자 섬유의 말단면의 최대 전력 입력을 조절하므로써, 고분자 섬유면 상에 입사되는 광의 강도 한계를 높이는 것이 가능하고, 따라서 고분자 섬유를 통하여 전송되는 전력이 초과되는 것을 방지할 수 있다.

본 발명이 본 발명을 실시하기 위한 베스트 모드로서 생각되는 바람직한 실시예를 참조하여 기술되었으나, 이것은 개시된 명세 및 이하 기술되는 청구범위에 기술되는 발명의 개념을 벗어나지 않는 한 다른 실시예로 다양하게 변형될 수 있음을 알아야 한다.

Claims (34)

1. a) 섬유 광원으로부터 가우스 강도 프로파일을 갖는 광을 방출하는 단계;

   b) 상기 방출된 광의 피크 전력 프로파일을 감소시키기 위하여 상기 가우스 강도 프로파일 중심에서의 에너지가 상기 프로파일의 가장자리로 분산되도록 상기 가우스 강도 프로파일을 확장하는 단계;

   c) 상기 확장된 광을 하나 이상의 고분자 섬유 내부로 전송하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고분자 섬유의 전력 처리 용량의 증대 방법.
2. 제 1항에 있어서, 가우스 강도 프로파일을 확장하는 단계는, 상기 하나 이상의 고분자 섬유 내부로 전송되는 에너지 총량은 실질적으로 변하지 않으나 피크 전력 강도를 감소시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
3. 제 2항에 있어서, 상기 가우스 강도 프로파일을 확장하는 단계는 상기 방출된 광과 상기 하나 이상의 고분자 섬유 사이에 산광기를 구비하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
4. 제 3항에 있어서, 상기 산광기를 구비하는 단계는 홀로그래프 격자(holographic gratings), 마이크로 렌즈 어레이(micro-lens arrays), 집속 파라볼라 집신기( concentrating parabolic concentrators), 엑시콘(axicons), 광학 웨지(optocal wedges) 및 융합 섬유속으로 이루어진 군으로부터 선택된 산광기를 구비하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
5. 제 3항에 있어서, 상기 산광기를 구비하는 단계는 융합 섬유속을 구비하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
6. 제 5항에 있어서, 상기 융합 섬유속의 말단면에 절연 코팅을 하므로써 상기 고분자 섬유에 입사하는 광을 필터링하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
7. 제 5항에 있어서, 상기 융합 섬유속이 약 10㎛ 내지 50㎛의 작은 직경을 갖는 다수의 섬유를 구비하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
8. 제 5항에 있어서, 강도 프로파일을 더 분산시키기 위하여 광이 클래딩 모드로 이행되도록 상기 융합 섬유속을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
9. 제 5항에 있어서, 직경의 8배 미만인 길이를 갖는 상기 섬유속을 구비하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
10. 제 5항에 있어서, 상기 하나 이상의 고분자 섬유의 개구수보다 더 큰 개구수의 상기 융합 섬유속을 구비하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
11. 제 5항에 있어서, 상기 융합 섬유속의 중심축에 대하여 실질적으로 수직이 되도록 입력 말단면 및 출력 말단면을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
12. 제 11항에 있어서, 상기 융합 섬유속의 말단면이 상기 축에 대하여 약 90도의 각을 이루는 것을 특징으로 하는 방법.
13. 제 5항에 있어서, 상기 융합 섬유속의 중심축에 대하여 90도 미만의 각도로 상기 융합 섬유속의 입력 말단면을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
14. 제 5항에 있어서, 상기 융합 섬유속의 중심축에 대하여 약 65도 이상 및 90도미만의 각도로 상기 융합 섬유속의 입력 말단면을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
15. 제 5항에 있어서, 상기 융합 섬유속을 구비하는 단계는 융합 유리섬유로부터 형성된 융합 섬유속을 구비하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
16. 제 5항에 있어서, 상기 하나 이상의 고분자 섬유는 단일 PMMA 섬유이고, 상기 PMMA 섬유에 대하여 상기 융합 섬유속의 출력을 버트 커플링(butt-coupling)하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
17. 제 16항에 있어서, 상기 PMMA 섬유의 직경이 약 1mm 미만인 것을 특징으로 하는 방법.
18. 제 16항에 있어서, 상기 PMMA 섬유의 용융없이 0.5와트 이상의 광전력을 전송하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
19. 제 5항에 있어서, 상기 융합 섬유속의 가장자리로부터 광을 히트싱크하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
20. 제 1항에 있어서, 상기 광을 방출하는 단계는 단일 섬유로부터 상기 섬유의 광원을 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
21. 제 1항에 있어서, 상기 광을 방출하는 단계는 집속된 광원으로부터 상기 섬유의 광원을 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
22. 제 1항에 있어서, 상기 방출된 광을 하나 이상의 고분자 섬유 내부로 전송하는 단계는 상기 하나 이상의 고분자 섬유로서 단일 고분자 섬유를 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
23. 제 1항에 있어서, 상기 방출된 광을 하나 이상의 고분자 섬유 내부로 전송하는 단계는 상기 하나 이상의 고분자 섬유로서 고분자 섬유속을 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
24. 제 1항에 있어서, 상기 가우스 강도 프로파일을 확장하는 단계는 섬유 광원과 상기 하나 이상의 고분자 섬유 사이에 홀로그래프 그래팅을 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
25. 제 1항에 있어서, 상기 가우스 강도 프로파일을 확장하는 단계는 상기 섬유 광원과 상기 하나 이상의 고분자 섬유 사이에 마이크로-렌즈 어레이를 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
26. 제 1항에 있어서, 상기 가우스 강도 프로파일을 확장하는 단계는 상기 섬유 광원과 상기 하나 이상의 고분자 섬유 사이에 집속 파라볼라 집신기를 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
27. 제 1항에 있어서, 상기 가우스 강도 프로파일을 확장하는 단계는 상기 섬유 광원과 상기 하나 이상의 고분자 섬유 사이에 엑시콘을 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
28. 제 1항에 있어서, 상기 가우스 강도 프로파일을 확장하는 단계는 상기 섬유 광원과 상기 하나 이상의 고분자 섬유 사이에 광학 웨지를 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
29. 제 4항에 있어서, 상기 하나 이상의 고분자 섬유로 입사하는 광을 필터링하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
30. 제 29항에 있어서, 상기 필터링 단계는 상기 하나 이상의 고분자 섬유에 의해 다량 흡수되어 상기 하나 이상의 고분자 섬유의 분해를 일으키는 광의 파장을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
31. 제 29항에 있어서, 상기 필터링 단계는 특정한 광의 대역을 생산하기 위하여 지정된 파장보다 작거나 큰 파장을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
32. 제 29항에 있어서, 상기 필터링 단계는 약 400nm 미만인 광 및 약 700nm를 넘어선 광의 파장을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
33. 제 1항에 있어서, 상기 가우스 강도 프로파일을 갖는 광을 방출하는 단계는 융합 섬유속에 커플링된 아크 램프로부터 광을 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
34. 제 1항에 있어서, 상기 가우스 강도 프로파일을 갖는 광을 방출하는 단계는 클래딩 유리 막대에 커플링된 아크 램프로부터 광을 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.