KR20030032839A

KR20030032839A - 광 다중화/역다중화기와 광 파이버 레이저 장치 및 영상표시 장치

Info

Publication number: KR20030032839A
Application number: KR1020020057693A
Authority: KR
Inventors: 스기야마도오루; 아카마츠나오키; 가와이기요유키; 오카노히데아키
Original assignee: 가부시끼가이샤 도시바
Priority date: 2001-10-19
Filing date: 2002-09-24
Publication date: 2003-04-26
Also published as: JP2003198013A; US20030086446A1; TWI226192B; US6829256B2

Abstract

제1 여기 광원에서의 빛이 제1 광 파이버의 한쪽 단면에 입사된다. 코어에는 제1 희토류 물질이 첨가된다. 공진광을 발생하도록 공진부가 코어에 삽입되어, 제1 광 파이버의 다른쪽 단면에 선택된 빛을 제공한다. 광 다중화/역다중화기는 선택된 파장의 빛을 제1 광 파이버의 방향과 상이한 방향으로 반사한다. 제2 여기 광원은 광 다중화/역다중화기와, 제1 광 파이버의 다른쪽 단면를 경유해서, 제1 광 파이버의 공진부에 빛을 공급한다. 제2 광 파이버는 광 다중화/역다중화기로부터의 선택된 파장의 빛을 외부로 가이드한다.

Description

광 다중화/역다중화기와 광 파이버 레이저 장치 및 영상 표시 장치{FIBER LASER APPARATUS AS WELL AS OPTICAL MULTI/DEMULTIPLEXER AND IMAGE DISPLAY APPARATUS THEREFOR}

본 발명은 여기(勵起) 광원으로서 반도체 레이저를 사용하여 간단한 구성으로 청색의 레이저 광을 획득하는 광 파이버 레이저 장치와, 이 광 파이버 레이저 장치로부터 레이저 광을 취득하는 광 다중화/역다중화기에 관한 것이다.

레이저는 청색광의 파장과 같은 파장의 빛을 방사하는 것이 바람직하다. 그 이유는 표시 장치, 광기억 장치, 광정보 처리 및 광센서와 같은 다양한 분야에서 상기 레이저를 응용하는 것이 예상되기 때문이다. 이들 분야 중에, 단위 면적 당 높은 광파워[광파워(광밀도)]를 필요로 하는 분야가 광 기억 장치이다. 한편, 표시 장치와 같은 응용 분야에서는 발진 파장이 중요하므로, 그다지 높은 광파워(광밀도)를 요구하지 않는다.

청색광을 방사하는 레이저 장치로서, 튤륨 이온(Tm³⁺)을 광 파이버의 코어에 첨가하여 상향 전환 여기(upconversion excitation) 방식으로 청색 레이저 광을 획득하는 레이저 장치가 제안되어 있다.

예컨대, 일본 특허 출원 특개평 7-226551호에는 상향 전환 방식의 레이저 광원 장치가 개시되어 있다.

광 파이버는 Tm³⁺과 Tb³⁺이온이 첨가된 코어부를 구비한다. 제1 여기 광원인 반도체 레이저에 의해 방사되는 640∼650 nm 파장의 레이저광과, 제2 여기 광원인 반도체 레이저에 의해 방사되는 670∼810 nm 파장의 레이저광은 광 다중화기에서 합성된 후 광 파이버의 한쪽 단에 입력된다. 레이저광은 광 파이버의 Tm³⁺를 여기시키고 455 nm 파장의 빛을 방사한다. 방사된 빛은 광 파이버에 형성된 광공진기에 의해 반복적으로 반사되고 증폭된 후, 레이저광으로서 광 파이버의 다른쪽 단에서 출력된다.

코어부내의 전자의 에너지 준위를 파장 455 nm의 레이저광의 에너지 준위까지 상승시키기 위하여 코어부에는 Tm³⁺가 첨가된다.

전술한 종래예에서 같이, Tm³⁺를 여기시키기 위해 파장이 서로 다른 2개의 빛을 이용하는 것이 효율적이다. 또한, 가능한 한 광파워(광밀도)가 높은 것이 Tm³⁺를 여기하는데 바람직하다. 그러나, 광 파이버의 한쪽 단면에서 출력광을 취득하기 위해서는, 이 예와 같은 경우에 파장이 서로 다른 2개의 빛이 광 파이버의 다른쪽 단면에 입사되어야 한다. 그 결과, 파장이 상이한 2개의 빛을 합성하는 광 다중화기가 필요하다. 따라서, 광축 조정 개소, 예컨대 2개의 반도체 레이저와 광 다중화기 사이에, 광 다중화기와 광 파이버 사이와 같은 광축 조정 개소가 많아지게 된다. 또한, 2개의 빛이 같은 정도의 정밀한 조정을 필요로 하므로, 부품수와 제조 비용이 상승하게 된다. 따라서, 장치가 고가라는 문제가 있다.

저렴한 광 다중화기로서, 코어가 Y자 형이며 입사부가 복수개 설치된 도파관(Y 도파관)을 사용하는 것을 고려할 수 있다. 그러나, 이 경우에, 입사광이 합류부에서의 임계각을 초과하여, 코어부 외부로 일부 입사광이 방사된다. 그러므로, 광파워(광밀도)가 높아질 수 없다

또한, 파장 650 nm(고 에너지 파장)의 고출력 반도체 레이저는 현재 고가이며 입수가 용이하지 않다.

게다가, 파장 635 nm의 빛을 출력하는 광 파이버 레이저가 예컨대, 산드록(T. Sandrock)씨 등에 의한「High-power continous wave upconversion fiber laser at room temperature」, Optics letters, vol.22, No.11, Jun. 11, 1997에 개시되어 있다. 이 문헌에 따르면, 파장 850 nm(고 에너지 파장)의 출력광을 제공하는 티타늄 사파이어 레이저를 여기 광원으로서 사용하고 Pr³⁺와 Yb³⁺이온이 첨가된 광 레이저를 사용해서 635 nm(고 에너지 파장)의 고출력 레이저광을 얻을 수 있다. 이 문헌에 제시된 값들을 사용해서, 광 파이버 레이저의 발진 문턱값에서 측정된, 코어에 입사되는 여기광의 파워 밀도는 약 0.4 MW/cm²로 계산된다.

한편, 현재 입수 가능한 고출력의 적외선 방사 반도체 레이저에 있어서, 칩의 단면에서의 전형적인 광파워(광밀도)는 약 1.0 MW/cm²이다. 이 값은 상기 문헌의 여기광 파워보다 약간 더 크다. 더욱이, 반도체 레이저로부터의 빔은 칩 두께 방향으로 ±10∼20°, 칩 폭 방향으로 ±수°의 큰 스프레드 각(spread angle)을 가진다. 그러므로, 광학계(optical system)로 집광할지라도 입사 효율을 유지하면서 광파워(광밀도)를 더욱 높이는 것은 사실상 불가능하다. 또한, 광파워(광밀도)는 전술한 바와 같이, Y 도파관과 복수의 반도체 레이저를 사용할지라도 높아질 수 없다. 따라서, 불행하게도, 반도체 레이저는 광파워(광밀도)가 낮다는 문제가 있다.

전술한 바와 같이, 종래 기술에서는, 2개의 반도체 레이저가 사용되며, 이들 레이저에서 서로 다른 파장의 빛이 Tm³⁺가 첨가된 광 파이버의 한 단면에 입사된다. 이 종래의 방법에서는 광 다중화기를 필요로 하며, 또한 광축 조정 개소도 많아진다. 따라서, 2개의 빛은 동일한 정도의 정밀 조정을 필요로 하므로, 부품수와 제조 비용이 높아진다. 또한, 불행하게도, 광파워(광밀도)는 Y 도파관을 사용하여 서로 다른 레이저로부터 2개의 빛을 합성하는 방법으로는 높아질 수 없다.

본 발명은 서로 다른 파장의 빛을 방사하는 2개의 여기 광원을 이용하여, 광 다중화/역다중화기와 영상 표시 장치 및 여기 광원을 이용한 광공진 작용에 기초해서 원하는 파장(색)의 광 빔을 얻을 수 있는 광 파이버 레이저 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

이 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 특징에 따라, 제1 여기 광원과; 상기 제1 여기 광원의 빛이 한쪽 단면에 입사되고, 코어에 제1 희토류 물질이 첨가되며, 상기 코어내에서 광공진이 발생하며, 공진된 파장의 빛 가운데 선택된 파장의 빛을 다른쪽 단면측에 출력하는 공진부가 형성되어 있는 제1 광 파이버와; 상기 제1 광 파이버의 다른쪽 단면에 배치되고, 상기 선택된 파장의 빛을 상기 제1 광 파이버의 방향과 다른 방향으로 반사시켜 출력하는 광 다중화/역다중화기와; 상기 광 다중화/역다중화기와, 상기 제1 광 파이버의 다른쪽 단면을 경유해서, 상기 제1 광 파이버의 상기 공진부에 빛을 공급하는 제2 여기 광원 및; 상기 광 다중화/역다중화기에서의 상기 선택된 파장의 빛을 외부로 가이드하는 제2 광 파이버를 포함하는 광 파이버 레이저 장치가 제공된다.

본 발명의 추가 목적 및 장점은 이어서 상세하게 설명할 것이고, 부분적으로 명세서를 통해 명백해 질 것이며 또는 본 발명을 실시해 봄으로써 습득될 것이다. 본 발명의 목적과 장점은 이하에서 특정하게 지정되는 수단 및 조합에 의해 실시 및 달성될 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 광 파이버 레이저 장치의 기본 실시예의 구성을 도시하는 도면.

도 2는 본 발명에 따른 광 파이버 레이저 장치의 다른 실시예의 구성을 도시하는 도면.

도 3은 본 발명에 따른 광 파이버 레이저 장치의 또다른 실시예의 구성을 도시하는 도면.

도 4는 본 발명에 따른 광 파이버 레이저 장치의 기본적인 동작 원리를 설명하기 위한 에너지 준위를 나타내는 도면.

도 5는 청색 레이저 빔을 얻는 과정의 원리를 설명하기 위한 에너지 준위를 나타내는 도면.

도 6은 본 발명에 따른 광 파이버 레이저 장치의 제1 실시예를 설명하기 위한 시스템을 도시하는 도면.

도 7은 본 발명에 따른 광 파이버 레이저 장치의 제2 실시예를 설명하기 위한 시스템을 도시하는 도면.

도 8은 본 발명에 따른 광 파이버 레이저 장치의 제3 실시예를 설명하기 위한 시스템을 도시하는 도면.

도 9는 본 발명에 따른 광 파이버 레이저 장치에 이용되는 광 다중화/역다중화기의 제1 실시예를 설명하기 위한 사시도.

도 10은 도 9에 도시하는 구성의 단면도.

도 11의 (a) 내지 (c)는 도 9에 도시하는 구성의 주요 부분들의 제작 방법을 설명하기 위한 도면.

도 12는 도 9에 도시하는 광 다중화/역다중화기의 제1 변형예를 설명하기 위한 단면도.

도 13은 도 9에 도시하는 광 다중화/역다중화기의 제2 변형예를 설명하기 위한 단면도.

도 14는 도 9에 도시하는 광 다중화/역다중화기의 제3 변형예를 설명하기 위한 단면도.

도 15는 본 발명에 따른 광 다중화/역다중화기의 제2 실시예를 설명하기 위한 사시도.

도 16은 도 15에 도시하는 구성의 단면도.

도 17은 도 15에 도시하는 광 다중화/역다중화기의 제1 변형예를 설명하기 위한 단면도.

도 18은 도 15에 도시하는 광 다중화/역다중화기의 제2 변형예를 설명하기 위한 단면도.

도 19는 도 15에 도시하는 광 다중화/역다중화기의 제3 변형예를 설명하기 위한 단면도.

도 20는 본 발명에 따른 광 다중화/역다중화기의 제3 실시예를 설명하기 위한 사시도.

도 21은 도 20에 도시하는 구성의 단면도.

도 22는 도 20에 도시하는 광 다중화/역다중화기의 변형예를 설명하기 위한 단면도.

도 23은 도 20에 도시하는 광 다중화/역다중화기의 다른 변형예를 설명하기 위한 단면도.

도 24는 본 발명에 따른 광 다중화/역다중화기의 제4 실시예를 설명하기 위한 사시도.

도 25는 도 24에 도시하는 구성의 단면도.

도 26는 도 24에 도시하는 광 다중화/역다중화기의 변형예를 설명하기 위한 단면도.

도 27은 본 발명에 따른 영상 표시 장치의 구성예를 도시하기 위한 도면.

도 28은 본 발명에 따른 영상 표시 장치의 다른 구성예를 도시하기 위한 도면.

<도면의 주요부분에 대한 설명>

100 : 제1 Pr³⁺/Yb³⁺첨가 광 파이버에서 Pr³⁺/Yb³⁺의 에너지 준위

200 : 제2 Pr³⁺/Yb³⁺첨가 광 파이버에서 Pr³⁺/Yb³⁺의 에너지 준위

300 : Tm³⁺첨가 광 파이버에서 Tm³⁺의 에너지 준위

11, 17 : 반도체 레이저

12, 18 : 집광 소자

13 : 제1 광 파이버

14, 51 : Tm³⁺첨가 광 파이버

15 : 광 다중화/역다중화기

16 : 제2 광 파이버

19, 20, 21, 22, 23, 52, 53 : 반사 소자

24, 57 : 결합 소자

25, 58 : 멀티모드 파이버

26, 27, 28, 41, 42, 54, 55, 56 : 광공진기

43 : 좌단면

61 : 기판

621, 622 : 측면

63, 64 : 홈부(groove)

65 : 오목부(recess)

66∼68, 661, 671, 681 : 광 파이버

69∼71, 691, 701 : 페룰(ferule)

72∼74 : 로드 렌즈

75 : 프리즘

76, 77 : 미러

78 : 덮개

121∼123 : 블록 렌즈

171∼173 : 테이퍼 광도파관(tapered optical waveguide)

174, 175, 212 : 미러

211 : 멈춤개

본 명세서의 포함되어 일부를 구성하는 첨부 도면은 본 발명의 양호한 실시예들을 이제 도시하며, 앞에서의 일반적인 설명과 함께, 이하 실시예들의 상세한 설명은 본 발명의 원리를 설명할 것이다.

본 발명의 실시예들은 도면을 참조하여 이하에서 상세하게 설명될 것이다.

먼저, 도 1을 참조하게 되면, 본 발명에 따른 광 파이버 레이저 장치의 기본 구성이 도시된다. 이 도면에서, 제1 여기 광원(1111)은 예컨대, 반도체 레이저(11)와, 이 반도체 레이저(11)에서 출력된 여기광을 집광하는 집광 소자(12)로 구성된다.

제2 여기 광원(1112)은 예컨대, 반도체 레이저(17)와, 이 반도체 레이저(17)에 의해 출력된 여기광을 집광하는 집광 소자(18)로 구성된다.

집광 소자(12)에 의해 집광된 여기광은 반사 소자(20)를 경유해서, 제1 광 파이버(14)의 한쪽 단면에서 코어에 입사된다. 제1 광 파이버(14)의 다른쪽 단면에는 반사 소자(21)가 설치되어 있다. 제1 광 파이버(14)의 코어에는 Tm³⁺가 첨가되어 있다. 반사 소자(20, 21)들은 공진기(28)를 구성한다. 이 공진기의 구체적인 원리에 대해서는 후술한다.

제1 광 파이버(14)의 다른쪽 단면은 반사 소자(21)와 광 파이버(1401)를 경유해서 파장 선택 출력 수단인 파장 선택 소자에 결합된다. 이 소자(15)가 광 다중화/역다중화기이다. 상기 예에서 광 다중화/역다중화기는 WDM(Wavelength Division Multiplexing) 커플러이다.

다음에, 제2 여기 광원에서의 여기광은 광 파이버(1601)와 광 다중화/역다중화기를 경유해서 제1 광 파이버(14)의 코어로 가이드된다. 광공진은 공진기(28)에서 일어난다. 공진된 파장의 빛 가운데, 소정 파장의 빛이 공진기(28)로부터 광 다중화/역다중화기(15)에 입사된다. 광 다중화/역다중화기(15)는 상기 소정 파장의빛을 반사하는 반사부를 구비하여 제1 광 파이버(14)의 방향과 다른 방향으로 빛을 반사하여 출력한다.

광 다중화/역다중화기(15)에서 취득한 소정 파장의 빛은 제2 광 파이버(25)를 경유해서 외부로 출사된다.

이제, 광 파이버 레이저 장치의 동작을 설명한다. 제1 여기 광원(1111)은 635 nm 파장의 빛을 출력한다. 파장 635 nm의 빛은 광 도파관(12)을 경유해서 제1 광 파이버(14)에 입사된다. 한편, 제2 광 여기 광원(1112)은 695 nm 파장의 빛을 출력한다. 695 nm 파장의 빛은 광 도파관(18), 광 파이버(1601), 광 다중화/역다중화기(15) 및 광 파이버(1401)를 경유해서 제1 광 파이버(14)에 입사된다. 광 파이버(14)에 입사한 635 nm 파장과 695 nm 파장의 빛들은 코어내의 Tm³⁺에 의해 흡수되어 455 nm 파장의 빛을 발생한다. 455 nm 파장의 빛은 반사 소자(20, 21) 사이에서 반복적으로 반사되고 증폭되어 공진을 일으킨다. 결국, 이 빛은 원하는 파장(455 nm)을 갖는 레이저 광이 된다. 반사 소자(21)는 반사 소자(20)보다 반사율이 낮다. 그러므로, 레이저 광은 반사 소자(21)에서 일부 투과된 후에, 광 다중화/역다중화기(15)에 입사된다. 광 다중화/역다중화기(15)는 파장 455 nm의 빛을 반사하는 특징이 있는, 내부가 경사진 반사부를 구비한다. 반사부에 의해 반사된 빛은 제2 광 파이버(25)에 입사한다. 제2 광 파이버(25)는 파장 455 nm의 빛을 광 파이버 레이저 장치의 외부에 출력한다.

전술한 광 파이버 레이저 장치에 따르면, 제1 및 제2 여기 광원은 파장이 서로 다른 빛을 공진부에 공급하여 원하는 파장의 빛을 얻는다. 이 경우, 제1 및 제2 여기 광원에서 빛을 공진부(28)에 공급하는 구성은, 빛이 광 파이버(14)의 대향 단면에서 공급되기 때문에 구조가 간단하다. 그러므로, 어떠한 광 손실없이 광공진이 효율적으로 이루어진다. 즉, 광파워(광밀도)를 향상시킬 수 있다.

본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 변형될 수 있다.

도 2는 본 발명의 제2 실시예를 도시하고 있다. 도 1의 예에서, 제1 및 제2 여기 광원은 각각, 반도체 레이저와 광 도파관으로 구성된다. 그러나, 제2 실시예에서, 제1 및 제2 여기 광원은 각각 광 파이버 레이저 광원을 포함한다. 이어지는 설명에 있어서, 도 1의 예에서와 동일한 기능부는 같은 도면 부호로 표시한다.

즉, 제1 여기 광원(1111)은 반도체 레이저(11), 광 도파관(12), 제3 광 파이버(13), 반사 소자(19, 20)로 구성된다. 이 경우도, 제3 광 파이버(13)의 코어에는 희토류 물질이 첨가된다. 첨가물은 Pr³⁺또는 Yb³⁺이다.

또한, 제2 여기 광원(1112)은 반도체 레이저(17), 광 도파관(18), 제4 광 파이버(16), 반사 소자(23, 22)로 구성된다. 또한 이 경우에, 제4 광 파이버(16)의 코어에는 희토류 물질이 첨가된다. 첨가물은 Pr³⁺또는 Yb³⁺이다.

제1 여기 광원(1111)에 있어서, 반도체 레이저(11)는 예컨대, 850 nm 파장의 레이저 광을 출력한다. 반사 소자(19)는 850 nm 파장의 빛을 전부 투과시킨다. 또한, 반사 소자(19)는 반사 소자(20)로부터의 635 nm 파장의 빛을 반사한다. 또한, 반사 소자(20)는 반사 소자(19)로부터의 635 nm 파장의 빛을 반사한다. 반사소자(20)는 또한 반사 소자(21)로부터의 455 nm 파장의 빛을 반사한다.

반도체 레이저(11)로부터의 850 nm 파장의 빛은 광 도파관(12)을 경유해서, 제3 광 파이버(13)의 코어내의 첨가물 Pr³⁺또는 Yb³⁺에 의해 흡수된다. 코어에서 파장 635 nm의 빛이 발생된다. 635 nm 파장의 빛은 반사 소자(19, 20)에서 반복적으로 반사되어 레이저 광이 된다. 반사 소자(19, 20)는 공진기(26)를 구성한다.

반사 소자(20)는 반사 소자(19)보다 반사율이 낮다. 그러므로, 파장 635 nm의 빛은 반사 소자(20)에서 출사되어 공진기(28)에 입사된다.

한편, 제2 여기 광원(1112)에 있어서, 반도체 레이저(17)는, 예컨대 파장 850 nm의 레이저 광을 출력한다. 반사 소자(23)는 파장 850 nm의 빛을 전부 투과시킨다. 또한, 반사 소자(23)는 반사 소자(22)로부터의 파장 695 nm의 빛을 반사한다. 더욱이, 반사 소자(22)는 반사 소자(23)로부터의 파장 695 nm의 빛을 반사한다.

반도체 레이저(17)에서의 파장 850 nm의 빛은 광 도파관(18)을 경유해서, 제4 광 파이버(16)의 코어내의 첨가물 Pr³⁺또는 Yb³⁺에 의해 흡수된다. 코어에서 파장 695 nm의 빛이 발생된다. 695 nm 파장의 빛은 반사 소자(22, 23)에서 반복적으로 반사되어 레이저 광이 된다. 반사 소자(22, 23)는 공진기(27)를 구성한다. 반사 소자(22)는 반사 소자(23)보다 반사율이 낮다. 그러므로, 파장 695 nm의 빛은 반사 소자(22)에서 출사되어 광 다중화/역다중화기(15)를 경유해서 공진기(28)에 입사된다.

전술한 바와 같이, 공진기(28)는 제1 여기 광원(1111)으로부터의 파장 635 nm의 빛과, 제2 여기 광원(1112)으로부터의 파장 695 nm의 빛을 수신한다. 이후의 동작은 도 1의 실시예에 대해 설명한 것과 같다.

즉, 광 파이버(14)에 입사된 파장 635 nm의 빛과 파장 695 nm의 빛이 코어내의 Tm³⁺에 의해 흡수되어 파장 455 nm의 빛을 발생한다. 파장 455 nm의 빛은 반사 소자(20, 21) 사이에서 반복적으로 반사되고 증폭되어 공진을 일으킨다. 그 결과, 이 빛은 소정의 파장(455 nm)을 갖는 레이저 광이 된다. 반사 소자(21)는 반사 소자(20)보다 반사율이 낮다. 그러므로, 레이저 광은 반사 소자(21)에 일부 투과된 후 광 다중화/역다중화기(15)에 입사된다. 광 다중화/역다중화기(15)는 파장 455 nm의 빛을 반사시키는 특징이 있는, 내부가 경사진 반사부를 구비한다. 반사부에 의해 반사된 빛은 제2 광 파이버(25)에 입사된다. 제2 광 파이버(25)는 파장 455 nm의 빛을 광 파이버 레이저 장치의 외부로 출력한다.

본 발명은 상기 실시예들에 한정되지 않는다. 본 발명에 있어서, 2개의 여기 광원은 이 여기 광원을 기반으로 한 공진 작용을 이용해서 원하는 파장(색)을 갖는 레이저 빔을 얻는데 기본적으로 사용된다. 이 경우에, 출력광은 충분한 파워를 가지며, 장치의 구성은 간단하다.

전술한 실시예에서, 파장 635 nm의 레이저 광이 [광 파이버(13)와 반사 소자(19, 20)에 의해 구현되는]공진기(26)에 제공된다. 또한, 파장 695 nm의 레이저 광이 [광 파이버(16)와 반사 소자(22, 23)에 의해 구현되는]공진기(27)에 제공된다. 그러나, 공진기(26, 27)가 구성되는 위치는 상기 예들에 한정되지 않는다.

도 3은 본 발명의 제3 실시예를 나타내고 있다. 이어지는 설명에 있어서, 전술한 실시예에서와 동일한 기능부에는 같은 도면 부호를 부여한다. 즉, 이 실시예에서, 공진기(26)는 반사 소자(19, 21) 사이에 구성된다. 공진기(27)는 반사 소자(20, 23) 사이에 구성된다. 이 실시예에서, 반사 소자(20)는 파장 635 nm의 빛을 오른쪽으로 투과하도록 그 특성이 설정된다. 또한, 반사 소자(20)는 파장 695 nm의 빛과 파장 455 nm의 빛을 오른쪽으로 반사하도록 그 특성이 설정된다. 더욱이, 반사 소자(21)는 우측 방향에서의 파장 635 nm의 빛을 투과시키고, 파장 635 nm의 빛과, 파장 455 nm의 빛의 일부는 반사하도록 그 특성이 설정된다. 그러므로, 공진기(26)는 파장 635 nm의 빛을 공진하여 증폭한다. 공진기(27)는 파장 695 nm의 빛을 공진하여 증폭한다.

전술한 실시예에서, 광 파이버(1401)는 광 파이버(14)의 단면에 설치된다. 그러나, 광 파이버(14)의 단면에 반사 소자(미러)를 증착(蒸着)시킬 수 있다. 이렇게 형성된, 광 파이버의 단부에 광 다중화/역다중화기를 직접 장착할 수 있다. 이 경우에, 광 파이버(1401)를 생략할 수 있다. 또한 도 2와 도 3의 예에서, 광 파이버(1601)도 생략할 수 있으며, 광 파이버(16)를 광 다중화/역다중화기에 직접 장착할 수 있다.

본 발명의 기술적인 내용과 다른 방법의 실시예들은 이하에서 상세하게 설명한다.

먼저, 본 발명의 기본적인 동작 원리를 도 4를 참조하여 설명한다.

도 4는 제1 Pr³⁺/Yb³⁺첨가 광 파이버에서 Pr³⁺/Yb³⁺의 에너지 준위(100)와, 제2 Pr³⁺/Yb³⁺첨가 광 파이버에서 Pr³⁺/Yb³⁺의 에너지 준위(200) 및, Tm³⁺첨가 광 파이버에서 Tm³⁺의 에너지 준위(300)를 도시하고 있다.

먼저, 도 4에 있어서, 외부에서 파장 820∼1,000 nm의 빛이 제1 및 제2 광 파이버에 입사되고, Yb³⁺의 기저 에너지 준위²F_7/2에 있는 전자가 여기되어 그 기저 에너지 준위가²F_5/2까지 상승한다. 이 때, 에너지 준위가 기저 에너지 준위²F_7/2까지 떨어질 때, 그 에너지는 Yb³⁺의 근처에 있는 Pr³⁺에 전달된다. 이것은 Pr³⁺의 기저 에너지 준위³H₄에 있는 전자를 여기시킨다. 더욱이, 파장 820∼1,000 nm의 여기광이 Pr³⁺에 의해 흡수되어 에너지 준위³P₀,³P₁또는¹I₆까지 상승한다.

그래서, 에너지를 방사하는 동안에 전자가 에너지 준위 하락이 있을 때 즉, 에너지 준위³P₁→³F₄또는³P₀→¹I₆로 천이할 때, 파장 695 nm(고 에너지 파장)의 광방사를 얻을 수 있다. 에너지 준위³P₀→³F₂천이되면, 파장 635 nm의 광방사를 얻을 수 있다.

그러므로, 제1 및 제2 Pr³⁺/Yb³⁺첨가 광 파이버는, 각각 파장 695 nm, 635nm의 빛으로 공진하는 광공진 기능을 가지며, 각각 파장 695 nm와 파장 635 nm의 레이저 광을 얻을 수 있다.

이어서, 파장 695 nm와 파장 635 nm의 레이저 광이 Tm³⁺첨가 광 파이버에서 Tm³⁺를 여기하는 데 사용된다. Tm³⁺의 기저 에너지 준위³H₆에 있는 전자는 제1 Pr³⁺/Yb³⁺첨가 광 파이버에서 발생된 파장 695 nm의 여기광을 흡수한다. 따라서, 전자의 에너지의 준위는³F₂또는³F₃까지 상승한다. 이들 에너지 준위의 수명은 매우 짧으며, 이들 전자들은 에너지를 방사하는 중에 에너지 준위³H₄아래로 급속하게 떨어진다.

에너지 준위³H₄에 있는 전자들은 제2 Pr³⁺/Yb³⁺첨가 광 파이버에 발생된 파장 635 nm의 여기광을 추가로 흡수한다. 그러므로, 전자들의 에너지 준위가¹D₂까지 상승한다. 이어서, 전자들이 에너지를 방사하는 동안 그 에너지 준위가¹D₂에서³F₄까지 떨어질 때, 파장 455 nm의 청색광(고 에너지 파장)을 얻을 수 있다.

이 때, 전자의 분자 밀도가³F₄에서보다¹D₂에서 높은 경우인 반전 분포 상태라면, 파장 455 nm의 레이저 발진이 가능하다. 그러나, 에너지 준위³F₄의 수명은약 6 ms로 매우 길어진다. 그 결과, 통상 반전 분포는 달성되지 않는다.

그러므로, Tm³⁺첨가 광 파이버에서 파장 455 nm의 빛과 함께 파장 1,750∼2,000 nm의 빛으로 공진하는 경우에 광공진 기능이 달성된다. 이 때, 파장 1,750∼2,000 nm의 빛은 전자로 하여금 에너지를 방사하게 하면서, 전자의 에너지 준위를³F₄에서³H₆으로 떨어뜨리는 데 사용된다. 이것은 에너지 준위³F₄의 수명을 단축한다.

이상의 과정에 있어서, 에너지 준위³F₄와¹D₂사이에서 반전 분포가 달성된다. 그 결과, 파장 455 nm의 청색 레이저 광(고 에너지 파장)을 얻을 수 있다.

이제, 파장 455 nm와 480 nm의 청색 레이저 광을 획득하는 과정의 원리를 도 5를 참조하여 설명할 것이다.

Tm³⁺의 기저 에너지 준위³H₆에 있는 전자는 제1 Pr³⁺/Yb³⁺첨가 광 파이버에서 발생된 파장 695 nm의 여기광을 흡수한다. 따라서, 전자들의 에너지 준위는³F₂또는³F₃까지 상승한다. 이들 준위의 수명은 매우 짧고, 전자들의 에너지 준위는 그 수명이³H₄아래로 급속하게 하락한다. 이 때, 전자들은 제2 Pr³⁺/Yb³⁺첨가 광 파이버에서 파장 635 nm의 여기광을 추가로 흡수한다. 그러므로, 전자들의 에너지 준위는¹D₂까지 상승한다. 이 때, 전자들은 에너지를 방사하는 중에 그 에너지 준위가³F₄까지 떨어질 때 파장 455 nm의 청색광이 발생된다. 에너지 준위가³F₄인 전자들은 파장 635 nm의 여기광을 추가로 흡수하여 그 에너지 준위가¹G₄까지 상승한다. 전자들이 에너지를 방사하는 중에 그 에너지 준위가¹G₄에서³H₆으로 하락할 때, 파장 480 nm의 빛이 방사된다.

따라서, 파장 455 nm와 480 nm의 빛에 대한 광공진 기능을 제공하여 적합한 빛을 유도 및 반출할 수 있다면, 파장 455 nm와 480 nm의 레이저 광을 얻을 수 있다.

이상의 원리에 기초해서, 본 발명의 제4 실시예를 도면을 참조하여 자세하게 설명할 것이다.

도 6은 본 발명의 광 파이버 레이저 장치의 다른 실시예를 설명하기 위한 도면이다. 먼저, 도 6의 (A)와 (B)를 참조하여 제4 실시예를 설명한다. 도면 부호 11은 파장 820∼1,000 nm(λp1)의 빛을 방사하고 제1 여기 수단으로서 기능하는 반도체 레이저를 표시한다. 또한, 도면 부호 17은 파장 820∼1,000 nm(λp2)의 빛을 방사하고 제2 여기 수단으로서 기능하는 반도체 레이저를 표시한다. 다음의 설명에 있어서, 기재 문자 λp1과 λp2 각각은 반도체 레이저(11, 17)에 의해 방사되는 빛의 파장을 표시한다.

따라서, 반사 소자(19, 20)와 제3 광 파이버(13)는 파장 λs1(695 nm)에 대한 광공진기(26)를 형성한다.

광 파이버(13)의 코어부에는 100∼10,000 ppm의 Pr³⁺와 500∼100,000 ppm의 Yb³⁺가 첨가된다. 광 파이버(13)의 모재(母材)는 할로겐화물 유리 재료와 같은 저 포논(phonon) 에너지 재료를 사용한다.

반사 소자(19)는 파장 695 nm(λs1)의 빛은 실질적으로 전부 반사시키고 파장 λp1의 빛은 실질적으로 전부 투과시키는 특성이 있다.

반사 소자(20)는 파장 λs1의 빛은 일부 반사시키고 파장 1,750∼2,000 nm(λs4)의 빛과 635 nm(λs2)의 빛은 실질적으로 전부 반사시키며, 파장 λp1과 λp2의 빛은 실질적으로 전부 투과시키는 특성이 있다.

그러므로, 반사 소자(19), 반사 소자(20) 및 제3 광 파이버(13)는 695 nm(λs2)의 광공진기(26)를 형성한다.

광 파이버(16)의 코어부에는 100∼10,000 ppm의 Pr³⁺와 500∼100,000 ppm의 Yb³⁺가 첨가된다. 광 파이버(16)의 모재는 할로겐화물 유리 재료와 같은 저 포논(phonon) 에너지 재료를 사용한다.

반사 소자(23)는 파장 λs2(635 nm)의 빛은 실질적으로 전부 반사시키고 파장 λp2의 빛은 실질적으로 전부 투과시키는 특성이 있다.

반사 소자(22)는 파장 λs2(635 nm)의 빛은 일부 반사시키고, 파장 λp1과λp2의 빛은 실질적으로 전부 투과시키는 특성이 있다. 따라서, 반사 소자(22, 23) 및 제3 광 파이버(13)는 λs2(635 nm)에 대한 광공진기(27)를 형성한다.

Tm³⁺첨가 광 파이버(14)의 코어부에는 100∼10,000 ppm의 Tm³⁺이 첨가된다. 광 파이버(16)의 모재는 할로겐화물 유리 재료와 같은 저 포논(phonon) 에너지 재료를 사용한다.

반사 소자(21)는 파장 λs1(695 nm)와 λs4(1,750∼2,000 nm)의 빛은 실질적으로 전부 반사시키고, 파장 λs3(455 nm) 빛은 실질적으로 일부 반사시키며, 파장 λp1(820∼1,000 nm), λp2(820∼1,000 nm) 및 λs2(635 nm)의 빛은 실질적으로 전부 투과시키는 특성이 있다.

반사 소자(20, 21) 및 Tm³⁺첨가 광 파이버(14)는 광공진기(28)를 형성한다.

광 파이버(13), Tm³⁺첨가 광 파이버(14) 및 광 파이버(16)는 반사 소자(20, 21)와, 파장 선택 출력 수단으로서의 소자(15) 및 반사 소자(22)를 통해 서로 단면 결합(butt-joint)된다.

파장 선택 출력 수단은 광 다중화/역다중화기이며, 예컨대 WDM(Wavelength Division Multiplexing) 커플러를 의미한다. 광 다중화/역다중화기(15)는 λs3의 빛은 실질적으로 전부 반사시키고, 파장 λp1, λp2 및 λs2의 빛은 실질적으로 전부 투과시키는 특성이 있어서, 파장 λs3의 빛을 상향[광 파이버(25) 쪽으로] 출력시킨다.

그 결과, Tm³⁺에 영향을 미치는 파장 λs3의 여기광이 광 파이버(25)의 코어에 효율적으로 입사된다.

이제, 동작을 설명한다. 반도체 레이저(11)에 의해 방사된 파장 820∼1,000 nm(λp1)의 여기광은 집광 소자(12)에 의해 집광되고, 반사 소자(19)에 통해 실질적으로 투과된 후, 광 파이버(13)의 코어부에 입사된다. 광 파이버의 코어 직경 또는 NA(개구 면적)을 적절하게 선택하면, 약 0.5 MW/cm²의 광파워(광밀도)를 획득할 수 있다. 상기 원리에서 전술한 바와 같이, 여기광이 전파되는 동안, 전자는 광 파이버(13)의 Pr³⁺및 Yb³⁺를 여기하여 빛을 방사한다.

그러나, 광공진기(26)는 방사된 빛 가운데 파장 695 nm(λs1)의 빛만을 반복적으로 반사하고 증폭하여 레이저 발진에 이른다. 그 빛의 일부는 부분 반사 미러인 반사 소자(20)를 투과한 후, 광 파이버(14)에 입사된다. 또한, 파장 λp1의 빛의 잔광(殘光)은 반사되어 리턴된다.

한편, 반도체 레이저(17)에 의해 방사된 파장 820∼1,000 nm(λp2)의 빛은 집광 렌즈(18)에 의해 집광되어, 반사 소자(23)를 통해 실질적으로 투과된 후, 광 파이버(16)의 코어부에 입사된다. 상기 원리에서 설명한 바와 같이, 여기광이 전파되는 동안, 전자는 광 파이버(16)의 Pr³⁺및 Yb³⁺를 여기시켜 빛을 방사한다.

이 때, 광공진기(27)는 방사된 빛 가운데 파장 635 nm(λs2)의 빛만을 반복적으로 반사하고 증폭시켜 레이저 발진에 이른다. 그 빛의 일부는 부분 반사 미러인 반사 소자(22)를 투과한 후, 광 파이버(14)에 입사된다. 또한, 파장 λp2의 빛의 잔광은 반사되어 리턴된다.

반사 소자(20)를 통해 투과된 파장 695 nm(λs1)과 파장 820∼1,000 nm(λp1)의 빛은 Tm³⁺첨가 광 파이버(14)의 코어부에 입사된다.

한편, 반사 소자(22)를 통해 투과된 파장 635 nm(λs2)과 파장 820∼1,000 nm(λp2)의 빛은 광 다중화/역다중화기(15)와 반사 소자(21)를 통해 전부 투과된 후, Tm³⁺첨가 광 파이버(14)의 코어부에 입사된다.

광 파이버(14)에서, 파장 695 nm(λs1)과 파장 635 nm(λs2)의 입사광은 전술한 원리에서 설명한 바와 같이, Tm³⁺를 여기시켜 파장 455 nm(λs3)과 1,750∼2,000 nm(λs4)의 빛을 방사한다.

광공진기(28)는 파장 1,750∼2,000 nm(λs4)의 빛을 반복적으로 반사 및 증폭하여 레이저 발진에 이른다. 이 발진에 의해 파장 455 nm(λs3)의 빛을 방사하는 에너지 준위간에 반전 분포가 가능해 진다. 파장 455 nm(λs3)의 빛도 역시 반사 및 증폭되어 레이저 발진에 이른다.

파장 455 nm(λs3)의 레이저 광은 부분 반사 미러인 반사 소자(21)에 일부 투과된 후, 광 다중화/역다중화기(15)에 입사된다. 이 때, 상기 소자(15)는 파장 λ3의 레이저 광을 큰 스프레드 각으로 결합 소자(24)를 향해 출력한다. 이 레이저 광은 결합 소자(24)에 의해 집광되어 멀티모드 파이버(25)의 단면에 입사된다.

멀티모드 파이버(25)는 광 파이버(14)보다 NA가 매우 크고, 코어 직경도 더크다. 따라서, 광 파이버(14)로부터 레이저 광을 수신하는 멀티모드 파이버(25)는 레이저 광을 수신할 수 있도록 위치 조정이 용이하다. 즉, 멀티모드 파이버(25)는 효율적으로 레이저 광을 수신할 수 있다. 그러므로, 멀티모드 파이버(25)의 다른쪽 단면에서 파장 455 nm(λs3)의 레이저 광 출력이 달성된다.

한편, 파장 820∼1,000(λp1과 λp2)의 입사광은 Tm³⁺과 상호 작용없는 파장대(wavelength band)를 가지므로, 큰 손실없이 파이버를 투과하여 출력된다.

파장 λp1의 빛은 광 다중화/역다중화기(15)와 반사 소자(22)를 투과하여, 광 파이버(14)의 코어부에 입사된다. 파장 λp1의 빛은 또한, 광 파이버(14)의 Pr³⁺와 Yb³⁺를 여기시킬 수 있다. 그러므로 그 빛은 흡수되고 효율적으로 사용된다.

유사하게, 파장 λp2의 빛은 반사 소자(22)를 투과해서, 광 파이버(13)의 코어부에 입사된다. 파장 λp2의 빛은 또한, 광 파이버(13)에 함유된 Pr³⁺와 Yb³⁺를 여기시킬 수 있다. 그러므로 그 빛은 흡수되고 효율적으로 사용된다.

즉, 반도체 레이저(11)에 의해 방사된 파장 λp1의 여기광과, 반도체 레이저(17)에 의해 방사된 파장 λp2의 여기광은 도 6의 (B)에 도시된 바와 같이 점선의 화살표를 따라 전파된다. 결과적으로, 제1 및 제2 광 파이버(13, 16)의 광파워(광밀도)는 파장 λp1과 λp2의 빛의 광파워의 합과 같다. 그러므로, 광파워가 향상된다.

전술한 바와 같이, 청색 광을 간단한 구성의 광 파이버 레이저 장치에서 획득할 수 있다.

집광 소자(12, 18)는 예컨대, 렌즈 광학계 또는 광 도파관일 수 있다. 반사 소자(19, 20, 21, 22, 23)는 광 파이버의 단면상에 직접 형성된 유전체 다층막인 것이 좋다. 또한, 광 파이버 브래그 격자(FBG : Fiber Bragg Gratings)를 사용하여도 유사한 효과를 얻을 수 있다.

이 실시예에서, 광 파이버(13, 14, 16)는 반사 소자를 통해 서로 단면 결합된다. 그러나, 본 발명은 이것에 한정되지 않으며, 반사 소자들을 분할하여 이 반사 소자들 사이를 다른 광 파이버, 광학계 또는 광 도파관을 이용해서 서로 연결하거나 결합할 수 있다. 또한, 이 실시예에서, 광 다중화/역다중화기(15)는 파장 635 nm(λs2)의 빛을 출력하는 광공진기(27)와, 광공진기(28) 사이에 설치된다. 그러나, 반사 소자(20)를 분할하여 광공진기(16, 18) 사이에 광 다중화/역다중화기(15)를 설치하여도 동일한 효과를 얻을 수 있다. 즉, 이상의 설명에 있어서, 파장 λs1을 파장 638 nm 대신에 사용할 수 있고, 파장 λs2를 파장 695 nm 대신에 사용할 수 있다.

또한, 전술한 원리를 나타내는 도 5에 설명한 반사 소자의 구성을 파장 455 nm와 파장 480 nm의 빛을 획득하는 데 사용할 수 있다.

도 6의 (A)와 같이 구성된 장치와 도 6의 (C)에 도시된 동작이 제5 실시예를 구성한다. 이 구성은 도 6의 (B)에 도시된 동작의 경우와 비교해서, 반사 소자(20)가 파장 λp1의 빛을 실질적으로 전부 반사하도록 소자(20)의 특성을 변경함으로써 달성된다. 또한, 반사 소자(22)의 특성은 이 반사 소자(22)가 파장 λp2의 빛을 실질적으로 전부 반사하도록 변경된 것이다.

이 특성 변경에 의해, 도 6의 (A)와 (B)에 도시된 구성에 의해 달성되는 광파워와 동일하게 광파워가 상승하는데 파장 λp1와 파장 λp2의 여기광이 광학 파이버(13, 14)를 통해 왕복하기 때문이다.

도 6의 (A)와 같이 구성된 장치와 도 6의 (D)에 도시한 동작이 제6 실시예를 나타낸다. 이 구성은 도 6의 (B)에 도시된 동작의 경우와 비교해서, 광 다중화/역다중화기(15)의 특성을 변경함으로써 달성된다. 광 다중화/역다중화기(15)는 측방향에서 입사하는 파장 λp1과 λp2의 빛을 전부 반사하여 파장 λ2의 빛은 광 파이버(25)에서 떨어져서 전파하게 하고 파장 λ1의 빛은 광 파이버(25) 쪽으로 전파하도록 그 특성이 변경된다.

이 구성은 반도체(17)의 파장 λp1의 입사광과 반도체(11)의 파장 λp2의 입사광으로 인해 야기될 수 있는 반도체 레이저의 불안정한 동작을 막는다. 이 경우에, 파장 λp1, λp2의 빛이 파장 455 nm(λp3)의 출력광에 혼입(混入)된다. 그러나, 이 혼입된 빛은 출력측에 광 필터(도시 생략)를 추과함으로써 용이하게 제거될 수 있으며, 상기 필터는 파장 λp1과 λp2의 빛을 차단하고 파장 λp3의 빛만은 투과시킨다.

도 6의 (A)에 도시한 바와 같이 구성된 장치와 도 6의 (E)의 동작이 제7 실시예를 구성한다. 이 구성은 도 6의 (B)에 도시된 동작의 경우와 비교해서, 발진 파장 λp1과 λp2의 빛을 서로 다른 반도체 레이저(11, 17)로부터 획득하는 종류에 속한다. 반사 소자(19)는 파장 λp2의 빛은 실질적으로 전부 반사시키고, 파장λp1의 빛은 실질적으로 전부 투과시키도록 그 특성이 변경된다. 반사 소자(23)는 파장 λp2의 빛은 실질적으로 전부 투과시키며, 파장 λp1의 빛은 실질적으로 전부 반사시키도록 그 특성이 변경된다.

이 구성에서는 파장 λp1과 λp2의 빛이 광 파이버(13, 16)를 통해 왕복하기 때문에 광파워가 향상된다.

도 7은 본 발명의 다른 실시예를 나타내고 있다. 다음의 설명에 있어서, 도 6의 기능부와 동일한 것에는 동일한 도면 부호를 부여한다.

제3 광 파이버(13)의 우단과 Tm³⁺첨가 광 파이버(14)의 좌단 사이에 설치된 반사 소자(41)는 파장 λs2, λs3, λs4의 빛은 실질적으로 전부 반사시키며 파장 λp1, λp2, λs1의 빛은 실질적으로 전부 투과시키는 특성이 있다. 또한, Tm³⁺첨가 광 파이버(14)의 우단과 광 다중화/역다중화기(15) 좌단 사이에 설치된 반사 소자(42)는 파장 λs1, λs4의 빛은 실질적으로 전부 반사시키고 파장 λs3의 빛은 일부 반사시키며, 파장 λp1, λp2, λs2의 빛은 실질적으로 전부 투과시키는 특성이 있다. 광 다중화/역다중화기(15)의 우단과 제1 광 파이버(14)의 왼쪽 단면(43)은 임의의 반사 소자없이 단면 결합된다.

반사 소자(19, 42), 이 반사 소자(19, 42)들 사이에 설치된, 제3 광 파이버(13), 반사 소자(41) 및 Tm³⁺첨가 광 파이버(14)는 광 파이버(14)를 포함하는 광공진기(44)를 형성한다.

또한, 반사 소자(23, 41), 이 반사 소자(23, 42)들 사이에 설치된, 제1 광파이버(14), 단면(43), 광 다중화/역다중화기(15), 반사 소자(42) 및 Tm³⁺첨가 광 파이버(14)는 광 파이버(14)를 포함하는 광공진기(45)를 형성한다. 더욱이, 반사 소자(41, 42)와 Tm³⁺첨가 광 파이버(14)는 광공진기(46)를 형성한다.

이어서, 도 7의 광 파이버 레이저의 동작을 설명한다. 반도체 레이저(11)에 의해 방사된 파장 820∼1,000 nm(λp1)의 여기광은 집광 렌즈(12)로 집광되고 이어서 반사 소자(19)를 투과한 후에 제3 광 파이버(13)의 코어부에 입사된다. 전술한 원리에서 설명한 바와 같이, 여기광이 전파되는 동안, 전자는 제3 광 파이버(13)내의 Pr³⁺과 Yb³⁺를 여기시켜 빛을 방사한다. 이어서, 광공진기(44)는 여기된 Pr³⁺에 의해 방사된 파장 695 nm(고 에너지 파장)의 빛을 반사 소자(19, 40) 사이에서 반복적으로 반사 및 증폭하여 레이저 발진에 이른다.

광공진기(44)는 Tm³⁺첨가 광 파이버(14)를 포함한다. 그러므로, Tm³⁺은 공진기(44)에서 파장 λs1의 빛을 출력시키는 일없이 효율적으로 여기될 수 있다. 또한 파장 λp1의 여기광의 나머지 부분은 반사 소자(42)를 통해 투과되어 우향으로 출력된다. 상기 부분은 광 다중화/역다중화기(15)를 통해 우향으로 투과된 후, 제1 광 파이버(14)의 단면(43)을 통해 그 코어부에 입사된다. 빛은 이때 제1 광 파이버(14)에서 Pr³⁺/Yb³⁺를 여기시키는 데 효율적으로 사용된다.

한편, 반도체 레이저(17)에 의해 방사된 파장 820∼1,000 nm(λp2)의 여기광은 집광 렌즈(18)로 집광되고, 이어서 반사 소자(23)를 투과한 후에, 제3 광 파이버(14)의 코어부에 입사된다. 전술한 원리에서 설명한 바와 같이, 여기광이 전파되는 동안, 전자는 제1 광 파이버(14)내의 Pr³⁺과 Yb³⁺를 여기시켜 빛을 방사한다. 이어서, 광공진기(45)는 여기된 Pr³⁺에 의해 방사된 파장 635 nm(고 에너지 파장)의 빛을 반사 소자(23, 41) 사이에서 반복적으로 반사 및 증폭시켜 레이저 발진에 이른다.

광공진기(45)는 Tm³⁺첨가 광 파이버(14)를 포함한다. 그러므로, Tm³⁺은 공진기(45)에서 파장 λs2의 빛을 출력하지 않고서도 효율적으로 여기될 수 있다. 또한 파장 λp2의 여기광의 잔광은 반사 소자(41)를 투과한 후, 제3 광 파이버(13)의 코어부에 입사된다. 이어서 이 빛은 제3 광 파이버(13)내의 Pr³⁺/Yb³⁺를 여기시키는 데 효율적으로 이용된다.

광공진기(46)에 의해, 여기된 Tm³⁺첨가 광 파이버(14)는 파장 1,750∼2,000 nm(λs4)과 455 nm(고 에너지의 파장)의 빛을 발진시킨다. 발진된 파장 λs3의 빛은 부분 반사 미러인 반사 소자(42)를 일부 투과한 후, 도 7의 윗 방향에서 넓은 스프레드 각도로 광 다중화/역다중화기(15)에 의해 출력된다. 이 때, 출력광은 결합 소자(24)를 통해 멀티모드 파이버(25)의 단면에 입사된다. 멀티모드 파이버(25)는 광 파이버(14)보다 개구수가 크고, 코어 직경이 길다. 따라서, 멀티모드 파이버(25)는 광 다중화/역다중화기(15)에서의 빛이 멀티모드 파이버(25)에 효율적으로 입사될 수 있도록 위치 조정이 용이하다.

그러므로, 멀티모드 파이버(25)의 다른쪽 단면에서 파장 455 nm(λs3)의 청색 레이저 광 출력(29)을 얻을 수 있다.

반사 소자(19, 41, 42, 23)는 광 파이버의 단면에 직접 형성된 유전체 다층 막일 수 있다. 또한, 파이버 브래그 격자(FBG)를 사용하여도 유사한 효과를 얻을 수 있다.

이 실시예에서, 광 파이버(13, 14, 16)는 반사 소자를 통해 서로 단면 결합된다. 그러나, 본 발명은 이것에 한정되지 않으며, 반사 소자들을 분할하여 이 반사 소자들 사이를 다른 광 파이버, 광학계 또는 광 도파관을 이용해서 서로 연결하거나 결합할 수 있다. 또한, 이 실시예에서, 광 다중화/역다중화기(15)는 광공진기(45)내에 설치되며, 광공진기는 파장 635 nm(λs2)(고 에너지의 파장)의 빛을 방사한다. 그러나, 반사 소자(41)와 제3 광 파이버(13) 사이에 광 다중화/역다중화기(15)를 설치하여도 동일한 효과를 얻을 수 있다. 즉, 전술한 바에 있어서, 파장 λ s1를 파장 635 nm 대신에 사용할 수 있으며, 파장 λs2를 파장 695 nm 대신에 사용할 수 있다. 다른 방법에 있어서, 광 파이버(14)는 광공진기(44, 45) 중 단 하나에만 포함될 수 있다.

또한, 전술한 바에 있어서, 반도체 레이저(11, 17)에 의해 방사된 여기광은 도 6의 (A)와 (B)에 해당하는 장치에서 사용될 수 있다. 도 6의 (C), (D) 또는 (E)에 해당하는 장치 및 동작 또한 달성될 수 있다. 이 경우에, 반사 소자의 반사 특성을 적합하게 변경해야 한다.

이제, 본 발명의 광 파이버 레이저 장치의 제3 실시예를 도 8의 개략적인 도면을 참조하여 설명한다. 다음의 설명에 있어서, 도 6의 기능부와 동일한 것에는 동일한 도면 부호를 부여한다.

도 8에서, Tm³⁺첨가 파이버(51)의 코어부에는 100∼1,000 ppm의 Tm³⁺가 첨가된다. 광 파이버(16)의 모재(母材)는 할로겐화물 유리 재료와 같은 저 페논 에너지 재료를 사용한다. 반사 소자(52)는 파장 λs1, λs3, λs4의 빛은 실질적으로 전부 반사시키며 파장 λp1, λp2, λs2의 빛은 실질적으로 전부 투과시키는 특성이 있다. 또한, 파장 선택 출력 수단으로서 기능하는 Tm³⁺첨가 광 파이버(51)에 있는 반사 소자(53)는 파장 λs3의 빛을 일부 반사시켜 수직 방향으로 출력시키며, 파장 λp1, λp2, λs1, λs2 및 λs4의 빛은 실질적으로 전부 투과시키는 특성이 있다.

광 파이버(13), Tm³⁺광 파이버(51) 및 제1 광 파이버(16)는 반사 소자를 통해 서로 단면 결합된다. 반사 소자(19, 52), 이 반사 소자(19, 52)들 사이에 설치된, 광 파이버(13), 반사 소자(41), 및 Tm³⁺첨가 광 파이버(51)에 포함된 반사 소자(53)는 광 파이버(51)를 포함하는 광공진기(54)를 형성한다. 반사 소자(23, 41), 이 반사 소자(23, 41)들 사이에 설치된, 제1 광 파이버(16), 반사 소자(52), 및 Tm³⁺첨가 광 파이버(51)에 포함된 반사 소자(53)는 광 파이버(51)를 포함하는 광공진기(55)를 형성한다. 반사 소자(41, 52), 이 반사 소자(41, 52) 사이에 설치된 Tm³⁺첨가 광 파이버(51)에 포함된 반사 소자(53)는 광공진기(56)를 형성한다.

이어서, 도 8에 도시하는 광 파이버 장치의 동작을 설명한다.

반도체 레이저(11)에 의해 방사된 파장 820∼1,000 nm(λp1)의 여기광은 집광 렌즈(12)에 의해 집광되고, 이어서 반사 소자(19)를 투과한 후, 제3 광 파이버(13)의 코어부에 입사된다. 전술한 원리에서 설명한 바와 같이, 여기광이 전파되는 동안, 전자는 제3 광 파이버(13)내의 Pr³⁺와 Yb³⁺를 여기시켜 빛을 방사한다. 이 때, 광공진기(54)는 여기된 Pr³⁺에 의해 방사된 파장 695 nm(λs1)의 빛을, Tm³⁺첨가 광 파이버(51)가 그 사이에 설치되어 있는 반사 소자(19, 52) 사이에서 반복적으로 반사 및 증폭시켜 레이저 발진에 이른다.

광공진기(54)는 Tm³⁺첨가 광 파이버(51)를 포함한다. 따라서, Tm³⁺는 공진기(54)가 파장 λs1의 빛을 출력하는 일없이 효율적으로 여기될 수 있다. 또한, 파장 λp1의 여기광의 잔광은 반사 소자(52)를 투과한 후, 제1 광 파이버(14)의 코어부에 입사된다. 이 빛은 이어서, 제1 광 파이버(16)내의 Pr³⁺/Yb³⁺를 여기시키는 데 효율적으로 이용된다.

한편, 반도체 레이저(17)에 의해 방사된 파장 820∼1,000 nm(λp2)의 여기광이 집광 렌즈(18)에 의해 집광되고, 이어서 반사 소자(23)를 통해 반사된 후, 제3 광 파이버(16)의 코어부에 입사된다. 전술한 원리에서 설명한 바와 같이, 여기광이 전파되는 동안, 전자는 제1 광 파이버(16)내의 Pr³⁺와 Yb³⁺를 여기시킨다. 이 때, 광공진기(55)는 여기된 Pr³⁺에 의해 방사된 파장 635 nm(λs2)의 빛을, Tm³⁺첨가 광 파이버(51)가 그 사이에 설치되어 있는 반사 소자(23, 41) 사이에서 반복적으로 반사 및 증폭시켜 레이저 발진에 이른다.

광공진기(55)는 Tm³⁺첨가 광 파이버(51)를 포함한다. 그러므로, Tm³⁺는 공진기(55)가 파장 λs2의 빛을 출력하는 일없이 효율적으로 여기될 수 있다. 또한, 파장 λp2의 여기광의 잔광은 반사 소자(41)를 통해 투과된 후, 제3 광 파이버(13)의 코어부에 입사된다. 이 빛은 이어서, 제3 광 파이버(13)내의 Pr³⁺/Yb³⁺를 여기시키는 데 효율적으로 사용된다.

광공진기(56)는 여기된 Tm³⁺첨가 광 파이버(51)에서 파장 1,750∼2,000 nm(λs4)와 455 nm(λs3)의 빛을 발진시킨다. 발진된 파장 λs3의 빛은 부분 반사 미러인 반사 소자(53)에 의해 일부 투과된 후에, 상향 및 하향으로 출력된다. 이 때, 상향 출력광은 결합 소자(24)를 통해 멀티모드 파이버(25)의 단면에 입사된다. 멀티모드 파이버(25)는 광 파이버(51)보다 더 큰 개구수와 더 긴 코어 직경을 갖는다. 따라서, 멀티모드 파이버(25)는 광 다중화/역다중화기(15)의 빛이 멀티모드 파이버(25)에 효율적으로 입사될 수 있도록 위치 조정이 용이하다.

따라서, 멀티모드 파이버(25)의 다른쪽 단면에서부터 파장 455 nm(λs3)의 레이저 광 출력(29)을 얻을 수 있다. 마찬가지로, 하향 출력광은 결합 소자(57)를 통해 멀티모드 파이버(58)의 단면에 입사된다. 멀티모드 파이버(58)는 광파이버(51)보다 더 큰 개구수와 더 큰 코어 직경을 갖는다. 따라서, 멀티모드 파이버(58)는 광 다중화/역다중화기(15)에서의 빛이 멀티모드 파이버(58)에 효율적으로 입사될 수 있도록 위치 조정이 용이하다.

따라서, 멀티모드 파이버(58)의 다른쪽 단면에서부터 파장 455 nm(λs3)의 레이저 광 출력(59)을 얻을 수 있다.

반사 소자(19, 41, 52, 23)는 광 파이버의 단면상에 직접 형성된 유전체 다층 막인 것이 좋다. 또한, 파이버 브래그 격자(FBG)를 사용하여도 동일한 효과를 얻을 수 있다. 이 실시예에서, 광 파이버(13, 51, 16)는 반사 소자를 통해 서로 단면 결합된다. 그러나, 본 발명은 이것에 한정되지 않으며, 반사 소자들을 분할하여 이 반사 소자들 사이를 다른 광 파이버, 광학계 또는 광 도파관을 이용해서 서로 연결하거나 결합할 수 있다.

더욱이, 전술한 바에 있어서, 반도체 레이저(11, 17)에 의해 방사된 여기광은 도 6의 (A)와 (B)에 해당하는 장치에서 사용된다. 도 6의 (C), (D) 및 (E)에 해당하는 구성 및 동작 역시 구현될 수 있다. 이 경우에, 반사 소자의 반사 특성이 적절하게 변경되어야 한다. 또한 광공진기(55)에서 광 파이버(51)를 제거하는 것도 가능하다.

본 발명의 광 파이버 레이저 장치에 이용되는 광 다중화/역다중화기의 실시예를 설명한다.

도 9는 본 발명의 광파이버 레이저 장치에 이용되는 광 다중화/역다중화기의 제1 실시예를 설명하기 위한 사시도이다. 도 10은 제1 실시예의 단면도이다.

도 9에서, 도면 부호 61은 기판을 나타낸다. 기판에는 그 한쪽 측면(621)에서 다른쪽 측면(622)까지 연장 형성된 선형 홈부(63)와, 측면(62)에서 중간 위치까지 연장 형성된 선형 홈부(64)를 구비한다. 홈부(63, 64)에는 직교하는 오목부(65)가 형성된다.

도면 부호 66 내지 68은 광 파이버를 나타낸다. 광 파이버(68)는 광 파이버(66, 67)보다 코어 직경이 더 길다. 도면 부호 69 내지 71은 광 파이버(66∼68)가 삽입되는 페룰(ferule)을 나타낸다. 페룰(69)은 측면(621)에 더 가깝게 배치된 홈부(63)에 끼워진다. 페룰(70)은 측면(622)에 더 가깝게 배치된 홈부(63)에 끼워진다. 페룰(69, 70)은 광 파이버(66, 67)의 코어 단면이 서로 대향하도록 배치된다. 페룰(71)은 홈부(64)에 끼워진다.

페룰(69, 71)의 개방단에는 로드 렌즈(72∼74)가 배치된다. 프리즘(75)은 오목부(65)에 끼워 맞춰진다. 페룰(69∼71)의 외경은 로드 렌즈(72∼74)의 외경과 크기가 동일하다. 프리즘(75)에는 미러(76, 77)가 일체 형성되어 있다. 미러(76)의 한 면은 로드 렌즈(72)에 비스듬하게 배치된다. 미러(76)의 다른 면은 광 입출력부로서의 로드 렌즈(73)에 대향하여 비스듬하게 배치된다. 미러(77)는 로드 렌즈(74)에 대향하여 비스듬하게 배치된다. 도면 부호 78은 덮개를 나타낸다.

이제, 덮개(78)가 제거된 평면도인 도 10을 참조하여 광 다중화/역다중화기의 동작을 설명한다.

광 파이버(66)에서 출사된 빛은 로드 렌즈(72)에 의해 평행광으로 변환된다. 평행광은 미러(76)에 투과된 후 로드 렌즈(73)에 의해 집광되어 광 파이버(67)에입사한다. 한편, 광 파이버(67)에서 출사된 빛은 로드 렌즈(73)에 의해 평행광으로 변환된다. 평행광은 미러(76, 77)에 의해 반사된 후에 로드 렌즈(74)로 집광되어 광 파이버(68)에 입사한다. 즉, 미러(76)는 광 파이버(66)에서 출사되는 소정 파장의 빛을 투과하고, 광 파이버(67)에서 출사되는 소정 파장의 빛을 반사하도록 설정된다. 미러(77)는 광 파이버(67)에서 출사되는 소정 파장의 빛을 반사하도록 설정된다.

도 11은 기판(61) 제작 공정을 설명하기 위한 도면이다. 먼저, 도 11의 (a)의 기판에서 컷팅에 의해 형성된 도 11의 (b)의 홈부(63, 64)에 광 파이버와 로드 렌즈를 끼워 맞춘다. 이어서, 도 11의 (c)에서 형성된 오목부(65)에 프리즘(75)을 끼워 맞춘다.

다음에, 도 11의 공정에 의해 형성된 기판(61)에 각 부품을 조립하는 방법을 설명한다. 먼저, 프리즘(75)을 오목부(65)에 끼워 맞춘다. 다음에, 프리즘(75)에 각 렌즈의 한쪽 단을 밀착시킨 상태로 로드 렌즈(72∼74)를 끼워 맞춘다. 이어서, 페룰(69)에 삽입되는 광 파이버(66)를 로드 렌즈(72)의 다른쪽 단에 밀착시킨 상태로 홈부(63)에 끼워 맞춘다. 페룰(70)에 삽입되는 광 파이버(67)를 로드 렌즈(73)의 다른쪽 단에 밀착시킨 상태로 홈부(63)에 끼워 맞춘다. 페룰(71)에 삽입하는 광 파이버(68)를 로드 렌즈(74)의 다른쪽 단에 밀착 상태가 되도록 홈부(64)에 끼워 맞춘다.

서로 밀착 상태가 된 부품에 있어서, 홈부(63, 64)와 오목부(65)에 끼워 맞춰진 구성 부품들을 접착제로 고정시킨다. 이어서, 덮개(78)를 덮으면 조립 작업이완성된다.

광 파이버(66, 67)는 동축상의 홈부(63)를 통해 서로 정렬된다. 따라서, 이들 파이버간에 위치 일탈은 적다. 또한, 광 파이버(66)에서 출사하는 빛이 미러를 투과한다. 그러므로, 미러(76)의 위치 일탈이 실질적인 광결합 손실을 일으키지 않는다. 이로써, 광 파이버(66)에서 광 파이버(67)로의 광 결합시에 손실이 저감될 수 있다. 광 파이버(67, 68)는 동축 배열되지 않으며, 미러(76, 77)는 빛을 반사한다. 따라서, 미러의 위치가 광 파이버(68)에서의 입사광 위치에 크게 영향을 미친다. 그러나, 광 파이버(68)의 코어 직경은 광 파이버(67)의 것보다 더 크기 때문에, 미러(76, 77)간의 위치 일탈이 흡수될 수 있다. 따라서, 광 파이버(67)로부터 광 파이버(68)로의 광 결합시에 손실이 저감될 수 있다.

또한, 기판(61) 상에 형성된 홈부(63, 64)는 반드시 도 11의 (a) 내지 (c)에 도시된 사각형일 필요가 없으며, V 또는 U형도 좋다. 기판(61)뿐만 아니라 덮개(78)에도 홈부(63, 64)를 형성할 수 있다. 페룰(69∼71)은 생락될 수 있으며, 광 파이버의 외경과 로드 렌즈의 외경은 같은 크기이면 좋다.

도 12 내지 도 14는 도 9의 광 다중화/역다중화기의 변형예를 도시하고 있다. 도 12 내지 도 14 각각은 제1, 제2 및 제3 변형예를 설명하기 위한 단면도이다. 다음의 설명에 있어서, 도 9의 기능부와 동일한 것에는 동일한 도면 부호를 부여한다.

도 12의 광 다중화/역다중화기는 도 9의 광 다중화/역다중화기에 비교해서, 광 파이버(681)의 코어 직경이 더 크고, 로드 렌즈(14)도 상응하게 생략될 수 있다. 도 12의 광 다중화/역다중화기에 있어서, 미러(76, 77)에 의해 반사된 빛은 평행광으로서 광 파이버(68)에 직접 입사된다.

도 13의 광 다중화/역다중화기에 있어서, 광 파이버(68)는 광 파이버(66, 67)를 통과하도록 배열될 수 있다. 미러(76)에 의해 반사된 빛은 로드 렌즈(74)에 의해 집광되어 광 파이버(68)에 입사된다. 이 경우 미러(77)는 필요하지 않다.

도 14의 광 다중화/역다중화기에 있어서, 광 파이버(681)는 도 13의 광 다중화/역다중화기의 광 파이버보다 코어 직경이 더 길다. 미러(76)에 의해 반사된 빛은 평행광으로서 광 파이버(681)에 직접 입사된다. 이 경우, 미러(74)는 필요하지 않다.

이 실시예에서, 도 8의 광 파이버 레이저 장치에 이용되는 광 다중화/역다중화기는 예컨대, 도 13의 광 파이버(68)에 대향하도록 다른 광 파이버를 기판(61)에 장착함으로써 구현될 수 있다.

도 15는 본 발명의 광 다중화/역다중화기의 제2 실시예를 설명하기 위한 사시도이다. 도 16은 제2 실시예의 단면도이다. 다음의 설명에 있어서 도 9의 기능부와 동일한 것에는 동일한 도면 부호로 표시한다. 이 실시예가 도 9의 실시예와 다른 점은 로드 렌즈(72∼74) 대신에 볼록 렌즈를 사용한다는 것이다. 볼록 렌즈(121)는 로드 렌즈(72)에 대응한다. 볼록 렌즈(122)는 로드 렌즈 (73)에 대응한다. 볼록 렌즈(123)는 로드 렌즈 (74)에 대응한다. 이 광 다중화/역다중화기의 광학적인 동작은 도 9에서와 유사하며, 따라서 그에 대한 설명은 생락한다.

도 17 내지 도 19는 도 15의 광 다중화/역다중화기의 변형 실시예를 도시하고 있다. 도 17 내지 도 19는 각각 제1, 제2 및 제3 변형 실시예를 설명하기 위한 단면도이다. 다음에 설명에 있어서, 도 9의 기능부와 동일한 것에는 동일한 도면 부호를 부여한다.

도 17의 예가 도 12의 예와 다른 점은 도 12에 각각 도시되는 로드 렌즈(72, 73) 대신에 볼록 렌즈(121, 122)를 사용한다는 것이다. 이 광 다중화/역다중화기의 광학적인 동작은 도 12에서와 유사하며, 따라서 그에 대한 설명은 생락한다.

더욱이, 도 18의 예에서, 볼록 렌즈(121, 122)는 각각 도 13에 도시되는 로드 렌즈(72, 73) 대신에 사용된다.

도 19의 실시예에서, 볼록 렌즈(121, 122)는 각각 도 14에 도시되는 로드 렌즈(72, 73) 대신에 사용된다. 도 18과 도 19의 광 다중화/역다중화기의 광학적인 동작은 각각은 도 12에서와 유사하며, 따라서 그에 대한 설명은 생락한다.

도 20은 본 발명의 광 다중화/역다중화기의 제3 실시예를 설명하기 위한 사시도이다. 도 21은 제3 실시예의 단면도이다. 다음에 설명에서는 도 9의 기능부와 동일한 것에는 동일한 도면 부호를 부여한다.

이 광 다중화/역다중화기가 도 9의 것과 다른 점은 광 파이버에서 출사하는 빛을 평행광으로 변환한 후 미러에 의해 투과되거나 반사되는 것 대신에 테이퍼 광 도파관을 사용해서 빔 직경을 늘리고, 미러에 투과하거나 반사되기 전에 스프레드 각을 좁게 한다는 것이다. 테이퍼 광 도파관의 입사 직경을 Ri, 그 출사 직경을 Ro, 입사시 빛의 스프레드 각을 θi, 출사시 빛의 스프레드 각을 θo 라고 정의할 때, 이들 파라메터들간의 관계식은 다음 수학식 1과 같다.

도 20과 도 18에서, 도면 부호 171∼173은 테이퍼 광 도파관을 표시한다. 각각의 테이퍼 광 도파관의 코어 직경은 광파이버(66∼68)에 접하는 측에서, 대응하는 광 파이버의 코어 직경과 일치한다. 도면 부호 174와 175는 증기 증착으로 표면상에 막을 형성한 유리판으로 이루어진 미러를 나타낸다. 미러(174)는 광 파이버(67)에서 출사된 빛을 반사하고 광 파이버(66)에서 출사되는 빛을 투과시키는 파장 선택성을 가진다. 미러(175)는 광 파이버(67)에서 출사되는 빛을 반사하도록 설정된다.

도 20의 광 다중화/역다중화기의 동작을 도 21을 참조하여 설명한다. 광 파이버(66)에서 출사되는 빛은 테이퍼 광 도파관(171)에 의해 그 빔 직경이 넓어진 후, 미러(174)에 투과된다. 이 빛은 이어서 테이퍼 광 도파관(172)에 의해 그 빔 직경이 축소된 후에 광 파이버(67)에 입사된다. 미러(174)의 두께에 대응하는 갭이 테이퍼 광 도파관(171, 172) 사이에 제공된다. 그러나, 빔 직경이 수학식 1에 따라 늘어나서 빛의 스프레드 각을 줄이기 때문에, 도파관들은 감소된 손실로 서로 광학 결합된다.

한편, 광 파이버(67)에서 출사하는 빛은 테이퍼 광 도파관(172)에 의해 그 빔 직경이 늘어난 후, 미러(174, 175)를 투과한다. 이 빛은 이어서 테이퍼 광 도파관(173)에 의해 그 빔 직경이 축소된 후, 광 파이버(68)에 입사된다. 광도파관(172, 173)간의 광학 거리는 광 도파관(171, 172) 간의 거리보다 길다. 그러므로, 빔 직경은 빛이 광 도파관(172)에서 출사한 후와 광 도파관(173)에 도달하기 전에 늘어난다. 따라서, 그러나, 광 파이버(68)의 큰 코어 직경 덕택에, 광 도파관(173)의 미러 직경을 늘리는 것이 가능하다. 따라서, 광 도파관(67)에서 출사하는 빛은 그 빔 직경 이상으로 광 도파관(173)의 미러(175)의 코어 직경을 늘림으로써 감소된 손실로 광 파이버(68)에 광학 결합될 수 있다.

광 다중화/역다중화기를 조립하기 위해서 미러(174, 175)는 기판(61)에 있는 오목부에 끼워 맞춰지고, 테이퍼 광 도파관(171∼173)과 광 파이버(66∼68)는 기판에 장착된다. 이어서, 테이퍼 광 도파관(171, 172)은 밀착 상태가 되도록 접착제로 미러(174)에 고정된다. 테이퍼 광 도파관(173)은 밀착 상태가 되도록 접착제로 미러(175)에 고정된다. 덮개(78)를 기판(61)에 덮어서 고정하면 조립이 완성된다.

도 22는 도 20의 광 다중화/역다중화기의 변형 실시예의 단면도를 도시하고 있다. 도 23은 도 20의 광 다중화/역다중화기의 또다른 변형 실시예의 단면도이다. 도 22의 예에서, 광 파이버(67)에서 출사한 후 미러(174)에 의해 반사된 빛은 볼록 렌즈(123)에 의해 집광되어 광 파이버(68)에 입사된다. 도 23의 예에서 광 파이버(68)는 도 22의 광 파이버보다 코어 직경이 더 넓고 볼록 렌즈(123)는 생략될 수 있다. 광 파이버(67)에서 출사한 후 미러(174)에 의해 반사된 빛은 광 파이버(681)에 직접 입사된다. 각각의 변형 실시예의 광학적인 동작은 전술하였던 것과 같다.

도 24는 본 발명의 광 다중화/역다중화기의 제4 실시예를 설명하기 위한 사시도이다. 도 25는 제4 실시예의 단면도이다. 다음의 설명에 있어서, 도 20의 기능부와 동일한 것에는 동일한 도면 부호를 부여한다. 이 실시예가 전술한 실시예들과 다른 점은 광 파이버와 페룰의 절단 표면에 미러의 구성 재료를 직접 증착시켜 미러를 형성한다는 것이다.

즉, 도 24와 도 25에서, 도면 부호 691과 701은 페룰을 표시한다. 페룰(691)에 삽입되어 고정된 광 파이버(661)에 있어서, 광 파이버(661)와 페룰(691) 양쪽의 끝부는 대응하는 원래 표면에서 45°경사지도록 연마된다. 또한, 페룰(691)은 그 끝에 노치를 구비한다. 따라서, 페룰(691)이 기판(61)에 장착되면, 기판상의 멈춤개(211)가 그 노치와 맞물린다. 그 결과, 페룰의 끝 위치가 설정될 수 있다. 페룰(701)에 삽입되어 고정된 광 파이버(671)에 있어서, 광 파이버(671)의 끝부는 대응하는 원래 표면에서 45°경사지도록 연마된다. 미러(212)는 이 연마된 단면상에 증착되어 형성된다. 미러(212)는 광 파이버(671)에서 출사하는 빛을 반사하고 광 파이버(661)에서 출사하는 빛을 투과할 수 있는 파장 선택성을 가진다. 광 파이버(661, 671)는 미러(212)를 통해 서로 밀착 상태가 된다.

제4 실시예의 광 다중화/역다중화기의 동작은 도 25를 참조하여 설명한다. 광 파이버(661)에서 출사하는 빛은 미러(212)를 투과한 후, 광 파이버(671)에 입사된다. 단면 결합에 의해, 광 파이버(661, 671)는 감소된 손실로 서로 광학 연결된다.

광 파이버(671)에서 출사하는 빛은 미러(212)에 의해 반사된 후 볼록 렌즈(123)에 의해 집광되어 광 파이버(68)에 입사된다. 미러(212)와 볼록렌즈(123)의 위치 일탈은 광 파이버(68)에서의 입사광의 위치에 영향을 미친다. 그러나, 광 파이버(68)의 코어 직경이 광 파이버(671)보다 더 크기 때문에, 미러(212)와 볼록 렌즈(123)의 위치 일탈은 흡수될 수 있다.

광 다중화/역다중화기의 조립 방법에 있어서, 페룰(691)과 일체화된 광 파이버(661)는 기판(61)에 끼워 맞쳐져서 멈춤개(211)에 밀리는 상태에서 접착제로 고정된다. 페룰(701)과 일체화된 광 파이버(671)는 기판(61)에 끼워 맞쳐져서 광 파이버(661)에 밀리는 상태에서 접착제로 고정된다. 덮개(78)가 기판(61)에 덮여지면 조립이 완성된다.

도 26은 도 24의 광 다중화/역다중화기의 변형 실시예를 설명하기 위한 단면도이다. 이 도면에서, 광 파이버(681)의 코어 직경은 도 24의 광 파이버의 코어 직경보다 더 크다. 광 파이버(671)에서 출사되어 미러(212)에 의해 반사되는 빛은 광 파이버(68)에 직접 입사된다. 따라서, 볼록 렌즈(123)와 페룰(71)이 생략될 수 있다.

또한, 본 발명의 광 다중화/역다중화기의 제2 내지 제4 실시예에서, 도 8의 광 파이버 레이저 장치에 이용되는 광 다중화/역다중화기는 광 파이버(68 또는 681)에 대향하도록 다른 광 파이버를 기판(61)에 장착함으로써 구현될 수 있다.

전술한 바와 같이, 본 발명에 따라 2개의 파장을 이용해서 여기되는 광 파이버 레이저 장치에 있어서, 빛이 파이버의 단면에서 출력되지 않고, 대향 단면이 여기광을 파이버에 입사시키는 데 사용된다. 그 결과, 입사 효율이 향상되어 여기광 파워(광밀도)가 상승할 수 있다.

또한, 여기광이 희토류 물질이 첨가된 광 파이버의 대향면에 입사되는 광 파이버 레이저 장치에 있어서, 입사 및 출사 시스템은 감소된 손실로 서로 광학 결합될 수 있다.

전술한 광 파이버 레이저 장치는 청색(B) 방사 색을 제공한다. 그러나, 레이저 장치는 적색(R) 및 녹색(G)을 제공하도록 개발되었다.

도 27은 전술한 광 파이버 레이저 장치를 이용한 영상 표시 장치의 구성에를 도시하고 있다. 도면 부호 81R, 81G, 81B는 R, G, B 레이저 빔 각각을 그 끝에서 방사하는 광 파이버 레이저 장치를 표시한다.

레이저 광은 액정 패널과 같은 공간 변조 소자(80R, 80G, 80B)에 투과된다. 그러므로, R, G, B 광학상은 합성 프리즘(80)에 입사된다. 합성 프리즘(80)에서는 컬러 광학상을 얻을 수 있다. 이 영상은 이어서 투사 렌즈(87)를 통해 스크린(88)에 투사된다. 광학상은 액정 패널 대신에 반사형 미러 장치를 이용해서 형성될 수 있다. 또한, 공간 변조 소자(80R, 80G, 80B)에는 영상 처리 회로(도시 생략)에 의해 R, G, B 영상 신호가 공급된다.

도 28은 컬러 영상을 얻을 수 있는 또다른 영상 표시 장치를 나타내고 있다. 도면 부호 80R, 80G 및 80B는, 각각 적색, 녹색 및 청색의 레이저 광을 제공하는 광 파이버 레이저 장치를 나타낸다. 각각의 파이버 레이저 장치의 구성은 도 27에 도시하는 것과 같다. 그러나, 투과된 레이저 광(R, G, B)은 투사 렌즈(87R, 81G, 87B)를 통해 스크린에 투사된다. 본 발명은 전술한 실시예들에 한정되는 것이 아니라, 3개의 광 파이버 레이저 장치는 레이저 빔을 이용해서 하나의 공통색 액정 패널을 조사하는 구성도 좋다.

당업계에서는 추가 장점과 변형 실시예들을 용이하게 발상할 수 있다. 그러므로, 넓은 관점에서 본 발명은 본 명세서에 도시하고 설명한 대표 실시예들과 그 특정의 세부 사항에 한정되지 않는다. 따라서, 첨부 도면 및 그 동류에 의해 정의되는 본 발명의 일반적인 원리의 사상과 범위를 일탈하는 일없이 다양한 변형 실시예들이 이루어질 수 있다.

전술한 바와 같이, 본 발명에 따라, 서로 다른 파장의 빛을 출사하는 2개의 여기 광원을 사용해서 이 여기 광원을 사용한 광공진 작용을 이용해서 원하는 파장(색)의 광빔을 얻을 수 있다. 또한, 간단한 구성으로 충분한 파워의 빛을 제공하는 장치를 얻을 수 있다.

Claims

광 파이버 레이저 장치로서,

제1 여기 광원과;

상기 제1 여기 광원의 빛이 한쪽 단면에 입사되고, 코어에 제1 희토류 물질이 첨가되고, 상기 코어내에서 광공진이 발생하며, 공진된 파장의 빛 가운데 선택된 파장의 빛을 다른쪽 단면측에서 출력하는 공진부가 형성되어 있는 제1 광 파이버와;

상기 제1 광 파이버의 다른쪽 단면에 배치되고, 상기 선택된 파장의 빛을 상기 제1 광 파이버의 방향과 다른 방향으로 반사시켜 출력하는 광 다중화/역다중화기와;

상기 광 다중화/역다중화기와, 상기 제1 광 파이버의 다른쪽 단면을 경유해서, 상기 제1 광 파이버의 상기 공진부에 빛을 공급하는 제2 여기 광원 및;

상기 광 다중화/역다중화기에서 상기 선택된 파장의 빛을 외부로 가이드하는 제2 광 파이버를 포함하는 광 파이버 레이저 장치.
제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 여기 광원에서의 빛은 파장이 서로 다르고, 그 각각의 빛은 상기 코어내의 희토류 물질의 전자를 여기시켜 상기 공진부에서 상기 선택된 파장의 빛을 발생시키는 것인 광 파이버 레이저 장치.
광 파이버 레이저 장치로서,

제1 파장의 빛을 방사하는 수단과;

상기 제1 파장의 빛을 방사하는 수단에 의해 방사된 빛을 집광하는 수단과;

상기 제1 집광 수단에서 집광된 빛이 입사되고, 제2 파장에서 공진하는 광공진기를 구비하며, 희토류 물질이 첨가되는 제1 광 파이버와;

제3 파장의 빛을 방사하는 수단과;

상기 제3 파장의 빛을 방사하는 수단에 의해 방사되는 빛을 집광하는 수단과;

상기 제3 파장의 빛을 방사하는 수단에 의해 방사된 빛을 집광하는 수단에서 집광된 빛이 입사되고, 제4 파장의 빛을 공진시키는 광공진기를 구비하며, 희토류 물질이 첨가되는 제2 광 파이버와;

한쪽 단이 상기 제1 광 파이버에 광학 결합되고 다른쪽 단이 상기 제2 광 파이버에 광학 결합되며, 제5 파장에서 공진하는 광공진기를 구비하고, 희토류 물질이 첨가되는 제3 광 파이버 및;

상기 제1 광 파이버와 제2 광 파이버 사이에 상기 제5 파장의 빛을 선택적으로 출력하는 파장 선택 출력 수단을 포함하는 광 파이버 레이저 장치.
제3항에 있어서, 상기 제1 및 제2 광 파이버 중의 적어도 하나의 광공진기는 상기 제3 광 파이버를 포함하도록 구성되는 것인 광 파이버 레이저 장치.
제3항에 있어서, 상기 제1 및 제3 여기 수단은 반도체 레이저인 것인 광 파이버 레이저 장치.
제3항에 있어서, 상기 파장 선택 출력 수단의 출력측에 광학 결합되는 한쪽 단을 갖는 멀티모드 파이버를 더 포함하고,

상기 제5 파장의 레이저 광은 상기 멀티모드 파이버의 다른쪽 단에서 출력되는 것인 광 파이버 레이저 장치.
제3항에 있어서, 상기 파장 선택 출력 수단은 상기 제5 파장의 빛과 함께 상기 제1 파장과 제3 파장의 빛을 선택 출력하는 것인 광 파이버 레이저 장치.
제3항에 있어서, 상기 제1 파장과 제3 파장은 820∼1,000 nm 사이에 있고, 상기 제2 파장은 695 nm이고, 상기 제4 파장은 635 nm이며, 상기 제5 파장은 455 nm인 것인 광 파이버 레이저 장치.
제3항에 있어서, 상기 제1 광 파이버에는 희토류 물질로서 프라세오디뮴 이온과 이테르븀 이온이 첨가되고, 상기 제2 광 파이버에는 희토류 이온으로서 프라세오디뮴 이온과 이테르븀 이온이 첨가되며, 상기 제3 광 파이버에는 희토류 이온으로서 툴륨 이온이 첨가되는 것인 광 파이버 레이저 장치.
광 다중화/역다중화기로서,

한쪽 단면에서 선택된 파장의 빛이 출사되는 제1 광 파이버에서, 상기 선택된 파장의 빛이 가이드되는 제1 광 입출력부와;

제1 단면에서부터 선택된 파장의 빛을 그 빛의 광축과 다른 방향으로 반사하는 반사부와;

빛을 상기 반사부에서 외부로 가이드하는 제2 광 파이버의 입사 단면측이 배치되는 광 입출력부 및;

제3 광 파이버의 출사 단면을 상기 제1 광 입출력부에 대향시키고, 상기 제3 광 파이버를 상기 제1 광 파이버의 동축 연장선상에 위치시켜, 상기 제3 광 파이버에서의 빛을 상기 제1 광 파이버로 가이드하는 제2 광 입출력부를 포함하는 광 다중화/역다중화기.
제10항에 있어서, 적어도 상기 제1 광 입출력부와 상기 반사부 사이에 또는 상기 제2 광 입출력부와 상기 반사부 사이에 또는 상기 제2 광 파이버의 입사 단면과 상기 반사부 사이에 렌즈가 배치되는 것인 광 다중화/역다중화기.
제10항에 있어서, 적어도 상기 제1 광 입출력부와 상기 반사부 사이에 또는 상기 제2 광 입출력부와 상기 반사부 사이에 또는 상기 반사부와 상기 제2 광 파이버의 입사 단면 사이에 렌즈가 배치되는 것인 광 다중화/역다중화기.
제12항에 있어서, 상기 제1 및 제2 광 입출력부는 광축에 대해 비스듬하게 컷팅되고 상기 반사부에서 서로 대향 배치되는 것인 광 다중화/역다중화기.
제10항에 있어서, 상기 제1 광 파이버, 상기 반사부 및 상기 제2 광 파이버를 경유해서 외부로 가이드되는 상기 선택된 파장의 빛은 청색 레이저 광인 것인 광 다중화/역다중화기.
제10항에 있어서, 상기 제1 여기 광원에서의 파장 635 nm의 빛이 상기 제1 광 파이버에 입사되고, 상기 제2 여기 광원에서의 파장 695 nm의 빛이 상기 제3 광 파이버에 입사되는 것인 광 다중화/역다중화기.
제15항에 있어서, 상기 제1 및 제2 여기 광원은 광 파이버 레이저부인 것인 광 다중화/역다중화기.
광 파이버 레이저 장치가 청색 광원으로서 이용되는 영상 표시 장치로서, 상기 광 파이버 레이저 장치는 제1 여기 광원과; 상기 제1 여기 광원의 빛이 한쪽 단면에 입사되고, 코어에 제1 희토류 물질이 첨가되고, 상기 코어내에서 광공진이 발생하며, 공진된 파장의 빛 가운데 선택된 파장의 빛을 다른쪽 단면측에 출력하는 공진부가 형성되어 있는 제1 광 파이버와; 상기 제1 광 파이버의 다른쪽 단면에 배치되고, 상기 선택된 파장의 빛을 상기 제1 광 파이버의 방향과 다른 방향으로 반사시켜 출력하는 광 다중화/역다중화기와; 상기 광 다중화/역다중화기와, 상기 제1 광 파이버의 다른쪽 단면을 경유해서, 상기 제1 광 파이버의 상기 공진부에 빛을 공급하는 제2 여기 광원 및; 상기 광 다중화/역다중화기에서 상기 선택된 파장의 빛을 외부로 가이드하는 제2 광 파이버를 포함하는 것인 영상 표시 장치.