KR20060064531A

KR20060064531A - 마이크로 단위의 비선형 편광 펄스 고정 모드 섬유 레이저

Info

Publication number: KR20060064531A
Application number: KR1020050117854A
Authority: KR
Inventors: 지안 리우
Original assignee: 폴라로닉스 인코포레이티드
Priority date: 2004-12-08
Filing date: 2005-12-06
Publication date: 2006-06-13
Also published as: US7526003B2; CN1797874A; US20060120412A1

Abstract

레이저 펌프로부터의 광학적 입력 출사를 수용하기 위한 레이저 이득 매질을 포함하는 섬유 레이저 공동 공진기가 개시된다. 섬유 레이저 공동 공진기는 변형 제한 펄스 모양을 갖는 출력 레이저를 생성하기 위해, 양의 분산량을 갖는 섬유 부분과 음의 분산량을 갖는 섬유 부분을 포함하며, 섬유 레이저 공동 공진기 내부에서 자기 위상 변조와 분산 유도 펄스 확장/축소의 균형을 맞추기 위해 이들은 알짜 음의 분산량을 갖는다. 이득 매질은 레이저 펄스를 증폭 및 압축하며, 이를 위해 이테르븀 도핑 섬유를 더 포함한다. 섬유 레이저 공진기는 출력 레이저의 모양 형성을 위해 편광 고감도 절연기와 편광 조정기를 더 포함한다.

단 펄스 고정 모드, 섬유 레이저, 공동 공진기

Description

마이크로 단위의 비선형 편광 펄스 고정 모드 섬유 레이저{NONLINEAR POLARIZATION PULSE SHAPING MODE LOCKED FIBER LASER AT ONE MICRON}

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 단 펄스 고정 모드 섬유 레이저(short-pulse mode-locked fiber laser)의 기능 블록도이다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 고밀도 저비용의 섬유 기반 고출력 펨토초(femtosecond) 단위의 섬유 레이저 시스템의 기능 블록도이다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 펨토초 단위의 레이저 펄스들을 제공하기 위한 고출력 증폭기를 나타내는 기능 블록도이다.

도 4a 및 도 4b는 레이저 펄스가 레이저 공동 공진기로 전달됨에 따라 나타나는 편광 변화의 파형 그래프이다.

도 5는 광출력에 따른 위상 변화의 분석 결과를 나타내는 그래프이다.

도 6은 커다란 뒤틀림이 없는 고출력 극초단 펄스 증폭의 파형을 나타내는 그래프이다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 격자 구조의 개략적인 단면도이다.

도 8은 격자쌍을 나타내는 기능 블록도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100, 100′：레이저 시스템 110：파장 분할 다중 방식 커플러

130：출력 빔 산란기 140-1, 140-2：편광 조정기

145-1, 145-2：격자쌍 150：페러데이 회전 거울

본 발명은 단 펄스 고정 모드 섬유 레이저(short-pulse mode-locked fiber laser)를 공급하는 시스템 및 상기 단 펄스 모드 섬유 레이저를 공급하는 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 개선되고 조정 가능한 펄스 모양을 갖는 비선형 편광 펄스 고정 모드 섬유 레이저(nonlinear polarization pulse-shaping mode-locked fiber laser)를 공급하는 시스템 및 방법에 관한 것이다.

종래 단 펄스 고정 모드 섬유 레이저를 생성하는 기술들에 따르면 극초단(ultra-short) 펄스 및 고전압을 갖는 레이저가 실용성을 갖기 어렵다는 기술적 어려움이 있다. 특히, 상기 극초단 고전압 레이저는 종종 펄스 모양의 뒤틀림에 의해 그 실용성이 약화된다. 게다가, 상기 레이저를 생성시키는 시스템들은 부피가 크고, 정렬된 상태를 유지하는데 힘이 들며, 충분히 튼튼하도록 만드는 것이 어렵다. 이러한 문제점들은 상기 극초단 고전압 레이저의 실용성을 떨어뜨리는 결과를 가져온다.

역사적으로 볼 때, 10^-15초(펨토초) 단위의 작은 펄스폭을 갖는 고정 모드 레이저의 생성은 포화 흡수재로 사용할 자원의 한계 및 섬유들의 불규칙한 분산 때문 에 어려운 작업이었다. 종래에는, 1.3㎛ 이하의 파장에서 작동하는 단 펄스 고정 모드 섬유 레이저들은 이러한 파장 영역에서 모든 섬유에 대해 적용되는 간단한 분산 보상에 대한 해(solution)를 구할 수 없다는 어려움이 있었다(1.3㎛ 이상의 파장에서는, 정상적이거나 혹은 불규칙적인 분산 중 어느 하나를 나타내는 몇 가지 유형의 섬유들이 존재하므로, 서로 다른 파장을 갖는 섬유들을 조합하여 적용 가능한 분산을 갖는 공동 공진기(cavity)를 얻을 수 있다). 따라서, 앞선 연구들은 상기 공동 공진기에 적용 가능한 분산을 제공하는 격자쌍이나 프리즘과 같은 부피가 큰 장치들을 사용한다. 그러나, 불행하게도 이런 장치들은 상기 섬유쌍들의 부피가 커지게 되므로 정렬에 너무 민감한 레이저를 생성하는 결과를 가져온다.

몇 가지 종래 기술들은 상기 극초단 고전압 레이저 시스템을 구성하는 여러 가지 반도체 포화 흡수재를 개시하고 있다. 하지만, 상기 극초단 고전압 레이저 시스템의 구성들은 자유 공간 광학계를 사용함에 따라 종종 부피가 크고 튼튼하지 못한 시스템들로 귀결된다. 예를 들어, 에스 엔 바가에프 등(S. N. Bagayev, S. V. Chepurov, V. M. Klementyev, S. A. Kuznetsov, V. S. Pivtsov, V. V. Pakasov, V. F. Zakharyash)이 저술한 "고 안정성 펄스 주파수를 갖는 펨토초(femtosecond) 단위의 자기 고정 모드 티타늄 사파이어 레이저(A femtosecond self-mode-locked Ti:sapphire laser with high stability of pulserepetition frequency and its applications, Appl. Phys. B, 70, 375-378(2000).)"나 조운즈 디 제이 등(Jones D. J., Diddams S. A., Ranka J. K., Stentz A., Windeler R. S., Hall J. L., Cundi® S. T.)이 저술한 "펨토초 고정 모드 레이저의 운반체 용기(carrier- envelope)의 위상 조정 및 광학적 주파수 종합(Carrierenvelope phase control of femtosecond mode-locked laser and direct optical frequency synthesis, Science, vol.288, pp.635-639,2000.)" 등에 상기 시스템들이 개시되어 있다.

계속해서, 상기 단 펄스 고전압 레이저의 생성 방법을 개선하기 위해 연장된(stretched) 고정 모드 섬유 레이저들이 개시되어 있다. 하지만, 상기 연장된 고정 모드 섬유 레이저들에서도, 분광 혹은 결합 등을 위한 사분의 일 파 지연기(quarter wave retarder)나 분광기 같은 자유 공간 광학계 구성 요소들이 사용된다. 상기 연장된 고정 모드 섬유 레이저 시스템의 예들은 존 엘 할 등(John L. Hall, Jun Ye, Scott A. Diddams, Long-Sheng Ma, Steven t. Cundi®, and David J. Jones)이 저술한 "극민감 분광학, 극안정 레이저, 극속 레이저 그리고 비선형 섬유:물리학과 계측학의 새 연합(Ultrasensitive Spectroscopy, the Ultrastable Lasers, the Ultrafast Lasers, and the Seriously Nonlinear Fiber: A New Alliance for Physics and Metrology, IEEE JOURNAL OF QUANTUM ELECTRONICS, VOL.37,NO.12, DECEMBER 2001)"이나 엘 홀버그 등(L. Hollberg, C. W. Oates, E. A. Curtis, E. N. Ivanov, S. A. Diddams, Th. Udem, H. G. Robinson, J. C. Bergquist, R. J. Rafac, W. M. Itano, R. E. Drullinger and D. J. Wineland)이 저술한 "광학적 주파수 표준과 계측(Optical frequency standards and measurements, IEEE U. Quant. Electron.37,1502(2001).)"에 개시되어 있다.

상기 레이저 시스템들의 실용성의 한계는 펄스폭이 축소되어 고전압 섬유 증 폭의 필요조건과 결합되는 경우에 더욱 더 드러나게 된다. 상기 펄스폭이 10^-15초 단위로 축소되는 경우 및 피크 전압이 10㎾를 초과하도록 증가하는 경우에는 자기 위상 변조(Self Phase Modulation; SPM)와 교차 위상 변조(Cross Phase Modulation; XPM)와 같은 강한 비선형 효과들이 스펙트럼 및 시간에 대한 광역화(broadening)를 더욱 심하게 한다. 이러한 비선형 효과들과 스펙트럼 및 시간에 대한 광역화는 상기 레이저 펄스에 대해 더 큰 정도의 뒤틀림을 일으킨다. 증가된 브릴로우인 산란(Stimulated Brillouin Scattering; SBS)과 증가된 로만 산란(Stimulated Roman Scattering; SRS)을 감소시켜 포화 출력을 증가시키기 위해 광모드 영역(Large Mode Area; LMA) 섬유가 사용될 수 있다 하더라도, 상기한 기술적인 문제들은 쉽게 해결되지 않는다. 또한, 상기 광모드 영역 섬유를 사용할 경우는, 상기 피크 출력의 축소를 가져오고, 효율성의 감소로 인해 바람직하지 못한 결과들을 초래한다.

상기 단 펄스 고정 모드 섬유 레이저들이 극속 현상, 미세 가공 및 생리학 분야의 측정에 유용하다는 것이 밝혀짐에 따라서, 상기 언급한 기술적인 문제들을 해결하는 것이 시급한 과제가 되었다. 상기 문제점들을 해결하기 위한 몇 가지 다른 기술들이 개시되고 있으며, 여기에는 비선형 편광 회전(NonLinear Polarization Rotation; NLPR)이나 이미 언급한 연장된 고정 모드 섬유 레이저들의 사용이 포함된다. 상기 비선형 편광 회전은 시간 영역의 강도에 의존하는 편광 회전을 다루고 있으므로, 시간 영역이나 스펙트럼 영역 모두에서의 편광 전개에 의해 펄스 모양의 뒤틀림은 방지할 수 없다. 이러한 이유로 인해, 종래 기술들은 적당한 펄스 모양을 갖는 고출력 레이저 펄스를 생성하는 효율적인 극초단 펄스 고출력 레이저 시스템들을 제공하기 위한 구성과 방법을 제대로 고안해 내지 못하고 있다.

상기 언급한 문제점들 외에도, 상기 레이저 시스템들은 상기 레이저 공동 공진기에서의 분산 조정을 위한 격자쌍들을 필요로 한다. 상기 시스템들에서의 정렬을 유지하는 것은 시간을 소모하는 작업이 되어가고 있으며, 따라서 자유 공간 광학계와 격자쌍들을 사용해 작동하는 시스템들이 실용성을 갖도록 하는 것을 방해한다. 게다가, 상기 격자쌍들은 상기 레이저 장치들의 크기와 무게를 증가시켜 레이저 소스를 제공하는 장치들을 소형화시키는 노력에 장애가 된다.

그러므로, 상기 언급한 문제들을 해결할 수 있도록 조정 가능한 펄스 모양을 갖는 극초단 고출력 고정 모드 섬유 레이저를 생성하기 위한 새롭고도 개선된 구성과 방법을 제공하기 위한 필요가 섬유 레이저 디자인 및 제조에 있어서 여전히 남아 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 고출력 레이저 펄스를 생성하는 효율적인 극초단 펄스 고출력 레이저 시스템들을 제조할 수 있는 섬유 레이저 공동 공진기를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 공동 공진기에서의 펄스 전파를 조정하고 자기 위상 변조(SPM)와 분산 유도 펄스 확대/축소의 균형을 유지할 수 있도록 비선형 편광 전개(Nonlinear Polarization Evolution; NPE)와 분산 조정 섬유 공동 공진기를 사용 하여 펄스 모양의 변형이 제한된 레이저를 생성하는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 일 측면에 따른 섬유 레이저 공동 공진기는 레이저 펌프로부터 출사된 광학적 입력을 수용하고, 레이저 펄스를 증폭 및 압축하는 레이저 이득 매질 및 변형이 제한된 펄스 모양을 갖는 출력 레이저를 생성하기 위해, 내부에서 자기 위상 변조(SPM)와 분산 유도 펄스의 확대/축소의 균형을 맞추도록 알짜 음(net negative)의 분산을 생성하는 양(positive)의 분산 섬유 부분과 음(negative)의 분산 섬유 부분을 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 섬유 레이저 공동 공진기는 상기 출력 레이저의 모양 형성을 위해, 레이저 펄스의 일부를 불규칙 분산을 갖는 광 출사를 전달하는 격자쌍으로 전달하는 편광 고감도 절연기의 기능을 하는 빔 산란기를 더 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 섬유 레이저 공동 공진기는 상기 격자쌍으로부터 출사된 레이저의 편광을 뒤집는 페러데이 회전 거울을 더 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 이득 매질은 레이저 펄스의 증폭 및 압축을 위해 이테르븀(Yb) 도핑 섬유를 더 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 섬유 레이저 공동 공진기는 상기 출력 레이저의 모양 형성을 위해, 편광 고감도 절연기와 편광 조정기를 더 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 이득 매질은 양(positive)의 분산량을 갖는 이테르븀 도핑 섬유를 더 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 섬유 레이저 공동 공진기는 고리 형상을 갖는다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 이득 매질은 55ps/nm/km의 분산량을 갖는 양의 분산 섬유 부분을 구성하는 이테르븀 도핑 섬유를 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 섬유 레이저 공동 공진기는 상기 출력 레이저의 일부를 전달하는 출력 커플러를 더 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 섬유 레이저 공동 공진기는 상기 이득 매질에 연결된 음의 분산량을 갖는 섬유 부분을 구성하는 단일 모드 섬유를 더 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 섬유 레이저 공동 공진기는 상기 출력 레이저는 1 펨토초 이하의 펄스폭을 갖는 레이저를 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 출력 레이저는 1 펨토초 이하의 펄스폭과 가우시안(Gaussian) 펄스 모양을 갖는 레이저를 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 출력 레이저는 1 펨토초 이하의 펄스폭과 솔리톤(soliton) 펄스 모양을 갖는 레이저를 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 출력 레이저는 1 펨토초 이하의 펄스폭과 쌍곡선 펄스 모양을 갖는 레이저를 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 이득 매질은 이중 피복 이테르븀 도핑 섬유(DCYDF)를 더 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 이득 매질은 광 모드 영역(LMA)을 갖는 이중 피복 이테르븀 도핑 섬유(DCYDF)를 더 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 이득 매질은 이중 피복 이테르븀 도핑 광자 결정 섬유(DCYD-PCF)를 더 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 섬유 레이저 공동 공진기는 상기 출력 레이저의 모양 형성을 위해, 레이저 펄스의 일부를 불규칙 분산을 갖는 광 출사를 전달하는 지붕 거울 및 반사 격자들을 갖는 거울로 전달하는 편광 고감도 절연기의 기능을 하는 빔 산란기를 더 포함한다.

본 발명의 다른 측면에 따른 레이저 공동 공진기로부터 펄스 모양의 변형 제한 출력 레이저를 생성하는 방법은 알짜 음(net negative)의 분산을 생성하는 양(positive)의 분산 섬유 부분과 음(negative)의 분산 섬유 부분을 채용함으로써 레이저 공동 공진기를 형성하는 단계 및 변형이 제한된 펄스 모양을 갖는 출력 레이저를 생성하기 위해, 레이저 펌프로부터 이득 매질 내에서 레이저 펄스를 증폭하고 압축하는 상기 레이저 공동 공진기로 입력 레이저를 출사하여, 상기 레이저 공동 공진기 내부에서 자기 위상 변조(SPM)와 분산 유도 비선형성의 균형을 맞추는 단계를 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 레이저 공동 공진기로부터 펄스 모양의 변형 제한 출력 레이저를 생성하는 방법은 상기 출력 레이저의 모양 형성을 위해, 레이저 펄스의 일부를 불규칙 분산을 갖는 광 출사를 전달하는 격자쌍으로 전달하는 편광 고감도 절연기로서 기능하는 빔 산란기를 채용하는 단계를 더 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 레이저 공동 공진기로부터 펄스 모양의 변형 제한 출력 레이저를 생성하는 방법은 상기 격자쌍으로부터 출사된 레이저의 편광을 뒤집는 페러데이 회전 거울을 채용하는 단계를 더 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 레이저 공동 공진기로부터 펄스 모양의 변형 제한 출력 레이저를 생성하는 방법은 레이저 펄스의 증폭 및 압축을 위한 이득 매질로서 이테르븀(Yb) 도핑 섬유를 채용하는 단계를 더 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 레이저 공동 공진기로부터 펄스 모양의 변형 제한 출력 레이저를 생성하는 방법은 상기 출력 레이저의 모양 형성을 위해, 편광 고감도 절연기와 편광 조정기를 채용하는 단계를 더 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 레이저 공동 공진기로부터 펄스 모양의 변형 제한 출력 레이저를 생성하는 방법은 상기 레이저 펄스의 증폭 및 압축을 위한 이득 매질로서 양(positive)의 분산량을 갖는 이테르븀 도핑 섬유를 채용하는 단계를 더 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 레이저 공동 공진기로부터 펄스 모양의 변형 제한 출력 레이저를 생성하는 방법은 레이저 펄스의 증폭 및 압축을 위한 상기 이득 매질로서 55ps/nm/km의 양의 분산량을 갖는 이테르븀 도핑 섬유를 채용하는 단계를 더 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 레이저 공동 공진기로부터 펄스 모양의 변형 제한 출력 레이저를 생성하는 방법은 상기 섬유 레이저 공동 공진기로부터 상기 출력 레이저의 일부를 전달하는 출력 커플러를 채용하는 단계를 더 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 레이저 공동 공진기로부터 펄스 모양의 변형 제한 출력 레이저를 생성하는 방법은 상기 이득 매질에 음의 분산량을 갖는 섬유 부분을 구성하는 단일 모드 섬유를 연결하는 단계를 더 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 레이저 공동 공진기로부터 펄스 모양의 변형 제한 출력 레이저를 생성하는 방법은 상기 출력 레이저는 1 펨토초 이하의 펄스폭을 갖는 레이저를 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 레이저 공동 공진기로부터 펄스 모양의 변형 제한 출력 레이저를 생성하는 방법은 1 펨토초 이하의 펄스폭과 가우시안(Gaussian) 펄스 모양을 갖는 상기 출력 레이저를 생성하는 단계를 더 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 레이저 공동 공진기로부터 펄스 모양의 변형 제한 출력 레이저를 생성하는 방법은 1 펨토초 이하의 펄스폭과 솔리톤(soliton) 펄스 모양을 갖는 상기 출력 레이저를 생성하는 단계를 더 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 레이저 공동 공진기로부터 펄스 모양의 변형 제한 출력 레이저를 생성하는 방법은 1 펨토초 이하의 펄스폭과 쌍곡선 펄스 모양을 갖는 상기 출력 레이저를 생성하는 단계를 더 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 레이저 공동 공진기로부터 펄스 모양의 변형 제한 출력 레이저를 생성하는 방법은 상기 이득 매질로서 이중 피복 이테르븀 도핑 섬유(DCYDF)를 채용하는 단계를 더 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 레이저 공동 공진기로부터 펄스 모양의 변형 제한 출력 레이저를 생성하는 방법은 상기 이득 매질로서 광 모드 영역(LMA)을 갖는 이중 피복 이테르븀 도핑 섬유(DCYDF)를 채용하는 단계를 더 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 레이저 공동 공진기로부터 펄스 모양의 변형 제한 출력 레이저를 생성하는 방법은 상기 이득 매질로서 이중 피복 이테르븀 도핑 광자 결정 섬유(DCYD-PCF)를 채용하는 단계를 더 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 레이저 공동 공진기로부터 펄스 모양의 변형 제한 출력 레이저를 생성하는 방법은 상기 출력 레이저의 모양 형성을 위해, 레이저 펄스의 일부를 불규칙 분산을 갖는 광 출사를 전달하는 지붕 거울 및 반사 격자들을 갖는 거울로 전달하는 편광 고감도 절연기의 기능을 하는 빔 산란기를 채용하는 단계를 더 포함한다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들에 대하여 상세하게 설명하지만, 본 발명이 하기의 실시예들에 제한되는 것은 아니며, 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양한 다른 형태로 구현할 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 단 펄스 고정 모드 섬유 레이저 (short-pulse mode-locked fiber laser) 시스템의 기능 블록도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 비선형 편광 펄스 고정 모드 섬유 레이저 시스템(100)의 구성이 개략적으로 나타나 있다. 상기 섬유 레이저 시스템(100)은 고리형 구조를 가지며, 이득 매질로 사용되는 이테르븀(ytterbium, Yb)이 도핑된 섬유(Ytterbium Doped Fiber, YDF)(105), 제1 및 제2 분광기(135-1, 135-2), 제1 및 제2 편광 조정기(140-1, 140-2), 980/1550 파장 분할 다중 방식(Wavelength Division Multiplexing; WDM) 커플러(110) 및 출력 빔 산란기(130)를 포함한다. 상기 출력 빔 산란기(130)는 페러데이 회전 거울(150)과 결합되어 사용되는 격자쌍(145-1, 145-2)과 함께 사용된다. 대략 반 미터 정도 되는 상기 이테르븀 도핑 섬유(YDF)(105)는 상기 섬유 레이저 시스템(100)에서 이득 매질로 사용되고, 펄스폭을 증가시키거나 축소시키는 데에 이용된다. 상기 이테르븀 도핑 섬유(YDF)(105)는 고농도의 도핑 농도 예를 들어 976㎚ 파장에서 600dB/m의 농도를 가지고, 55ps/nm/km의 분산량을 갖는다. 상기 파장 분할 다중 방식 커플러(110)와 결합된 980㎚의 고출력 펌프 레이저 다이오드(101)는 상기 이테르븀 도핑 섬유(YDF)(105)를 펌핑하여 공동 공진기를 회전하는 펄스들을 증폭하기 위해 사용된다. 상기 공동 공진기는 예를 들어, 20ps/nm/km의 분산량을 가지고 대략 3미터 정도의 길이를 가지는 단일 모드 섬유(Single Mode; SM)와 1060㎚의 파장에서 20ps/nm/km의 분산량을 갖는 표준 섬유로서 코닝(Corning)사에 의해 판매되며 대략 반 미터 정도의 길이를 갖는 에이치아이(HI) 섬유를 포함한다. 상기 빔 산란기(130)는 주어진 편광 상태에서 상기 공동 공진기로부터 나오는 빛의 일부와 결합하는 용도로 사용되는 절연기로서의 기능을 제공한다. 상기 이득 매질(105)은 보통의 양의 분산량을 갖는 섬유(β>0)와 음의 분산량을 갖는 섬유(β<0)로 구성되며, 전체 공동 공진기의 평균 분산량은 불규칙한 음의 분산량(β<0)을 갖도록 고안된다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 격자쌍(145-1, 145-2)이나 광자 밴드 갭(Photonic Band Gap; PBG) 섬유들이 안정된 변형 제한(transform-limited) 펄스를 위한 불규칙한 분산량을 얻을 수 있다.

본 발명에 따른 섬유 레이저 시스템(100)은 바가예프 에스 엔 등(Bagayev S. N., Chebotaiev V, P)이 저술한 "메탄 라인에 안정화된 3.39m 헬륨 네온 레이저의 주파수 안정성 및 재현성(Frequency Stability and Reproducibility of the 3.39m He-Ne Laser Stabilized on the Methane Line, Appl. Phys., 1975, v.7, p.56)"이나 에벤슨 케이 엠 등(Evenson K. M., Jennings D. A., Peterson F. R. et al.)이 저술한 "레이저 주파수 측정: 197 테라헤르쯔로의 리뷰, 한계, 연장(Laser Frequency Measurements: A Review, Limitations, Extension to 197 Thz, Springer Ser. Opt. Sci., 1997, V.7, p.56)"에서 개시된 것과 같이 1 마이크론 영역에서 단 펄스 고정 모드 섬유 레이저들을 얻을 수 있다는 측면에서 종래 레이저들과 다르다. 특히, 도 1에서는 시그마(sigma) 구성과 같이 특별한 레이저 공동 공진기를 개시하고 있다. 상기 시그마 구성은 상기 공동 공진기에서의 펄스 전파를 조정한다는 측면 및 증폭 영역에서의 포화 효과들을 줄이기 위해 상기 자기 위상 변조(SPM)와 분산량의 균형을 맞춘다는 측면에서 이점을 가진다. 한편, 상기 자기 위상 변조(SPM)의 비선형 위상 변화에 의해 유도된 비선형 위상 전개(Nonlinear Phase Evolution; NPE)는 상기 편광들을 단일 펄스 강도에 의존하도록 한다. 상기 펄스가 상기 편광 고감도 산란기(빔 산란기)(130)를 통과할 때, 상기 편광 고감도 산란기(130)와 정렬된 가장 높은 강도만이 통과하고(상기 편광 조정기들(140-1, 140-2)을 조정함으로써), 상기 펄스 중에서 낮은 강도를 갖는 부분은 필터링되어 상기 펄스의 모양이 형성된다. 이는 포화 흡수재(Saturation Absorber; SA)로서 기능하며, 상기 펄스폭을 줄인다. 1 마이크로 영역에서 상기 섬유는 오직 양의 분산량을 갖고 작동한다는 사실 때문에, 상기 격자쌍(145-1, 145-2)은 음의 분산량을 얻는데 사용 되며 상기 격자쌍(145-1, 145-2) 사이의 거리를 변화시킴으로써 상기 분산량은 조정될 수 있다. 상기 페러데이 회전 거울(150)은 편광 상태를 뒤집어 반사된 펄스가 직교 상태로 되게 하여 다른 방향으로 진행하도록 하는데 사용될 수 있다.

도 1에서 도시된 레이저 시스템 구성에서, 상기 격자쌍(145-1, 145-2)과 결합된 편광 고감도 빔 산란기(beam splitter)(130)를 통해 편광된 출력 레이저 빔이 생성된다. 상기 고정 모드 섬유 레이저들은 결합계수가 10±5%에서 조정된다. 또한, 분산량 정합과 비선형 편광 전개를 이용하여, 상기 레이저 시스템은 동작 과정이 매우 간소화된 자기 시동이 가능하다.

본 발명의 일 실시예에 따른 편광 고정 모드 기술들은 이미 언급한 대로 존 엘 홀 등(John L. Hall et al.), 엘 홀버그 등(L. Hollerg et al.) 및 에스 에시 디담스 등(S. A. Didamms et al.)에 의해 개시된 비선형 편광 회전(NLPR)이나 연장 모드 접근 방식과 같은 종래 접근 방식과는 다르며, 이것들과는 후술하는 적어도 세 가지의 주된 차이점이 있다.

첫째, 종래 비선형 편광 회전(NLPR) 기술들은 시간 영역 강도에 의존하는 편광 회전만을 고려한다. 그러나 본 발명의 일 실시예에 따르면, 광학적 전달의 편광 전개는 시간 영역에서의(강도(intensity)에 의존하는) 변화뿐만 아니라 스펙트럼 영역에서의(파장에 의존하는) 변화도 고려한다. 이는 편광자 및 사분의 일 파장 판(Quarter Wave Plate)과 반 파장 판(Half Wave Plate, HWP)을 선택함으로써 수행될 수 있다. 기본적으로, 위상 지연기의 대역폭은 복굴절 물질의 굴절률 차이 △n에 비례하며, 방정식 위상=N△n/λ를 만족한다. 이 때, λ는 파장, N은 상기 위상 지 연기나 섬유 같은 복굴절 물질의 번호를 나타낸다. 상기 방정식을 미분하면, 상기 대역폭 는 △n상기 N△n에 반비례한다는 것을 알 수 있다. 이는 본 발명에 따른 레이저 시스템은 상기 위상 지연기나 복굴절 물질에서 낮은 번호, 예를 들어 N=1을 사용함으로써 보다 큰 대역폭을 얻을 수 있다는 것을 나타낸다. 따라서 상기 위상 지연기들은 보다 큰 대역폭을 갖고 상기 편광자나 편광 고감도 절연기를 통과하도록 조정된다.

둘째, 종래 기술들은 분산량 정합만을 고려하는 반면, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 분산량 정합이 보다 큰 스펙트럼 대역폭에 걸쳐 조정 가능하도록, 상기 분산량 정합뿐만 아니라 분산 기울기 정합도 고려한다. 이는 서로 다른 분산량 및 분산 기울기를 갖는 두 개나 혹은 그 이상의 섬유들의 조합을 이용해 수행될 수 있다. 예를 들어, 서로 다른 분산량과 분산 기울기를 갖는 섬유들은 적당한 길이 비율로 결합되면, 원하는 넓은 영역에서 전체 분산량은 거의 영에 가까워지도록 할 수 있다. 따라서 본 발명의 일 실시예에 따르면, 대역폭은 펄스폭에 반비례하므로, 이득 대역폭을 최대로 활용하면서도 펄스폭을 최소로 하는 레이저 시스템을 제공할 수 있다.

셋째, 종래 레이저 시스템들은 분산량 보상이나 편광 조정을 위해서 부피가 큰 자유 공간 광학계들에 의해 작동된다. 그러나 본 발명의 일 실시예에 따르면, 모두 섬유 기반 구성 요소들에 의해 작동하며 자유 공간 광학계 구성 요소들은 배제되므로, 고밀도, 나노 단위의 공정 시스템에 적용될 수 있는 극초단 펄스 레이저 모듈을 만드는 궁극적인 방법이 제공된다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 고밀도 저비용의 섬유 기반 고출력 펨토초 단위의 섬유 레이저 시스템의 기능 블록도이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 섬유 레이저 시스템(100′)은 모두 섬유 기반의 구성 요소들이다. 상기 섬유 레이저 시스템(100′)은 980㎚나 1550㎚ 파장의 파장 분할 다중 방식 커플러(110)를 통해 입력 레이저를 수용하는 고리형 구조를 갖는다. 상기 섬유 레이저 시스템(100′)은 펄스폭을 증폭 혹은 축소시키는 이득 매질로서 도 1에서 도시한 이테르븀(Yb) 도핑 섬유(YDF)(105)를 갖는 섬유 레이저 시스템(100)과 비슷한 구조를 갖는다. 통신 그레이드(telecom grade) 980㎚ 펌프 레이저는 공동 공진기 내부 펄스들의 증폭을 위해 이테르븀(Yb)을 펌핑하는 데 사용된다. 상기 공동 공진기 내의 분산량과 분산 기울기를 보상하기 위해, 격자쌍이나 프리즘을 사용하는 대신 광자 결정(Photonic Crystal; PC) 섬유(125)를 사용한다. 상기 광자 결정 섬유(125)는 1060㎚ 파장 범위에서 독특한 성질을 갖고서 정상적이거나 혹은 불규칙한 분산량 모두를 제공할 수 있을 뿐만 아니라 분산 기울기도 조정할 수 있으므로, 분산량 및 분산 기울기 모두가 정합되어 펄스폭이 최대로 좁아질 수 있도록 상기 섬유 레이저 공동 공진기가 디자인될 수 있다. 종래의 선행 기술들과 비교할 때, 도 2에 도시된 시스템은 50fs 미만의 극초단 펄스를 얻기 위해서, 시간 영역에서의(강도에 의존하는) 편광 전개뿐만 아니라 스펙트럼 영역에서의(파장에 의존하는) 편광 전개도 고려한다. 이러한 편광 필터링은 분산량 및 분산 기울기를 조정하거나 더 나아가 섬유 기반의 인라인(inline) 편광 절연기와 편광 조정기를 사용하여 수행된다. 상기 섬유 레이저 시스템(100′)은 단 일 모드 섬유 접속 전선들과 함께 작동하는 인라인 편광 고감도 절연기(135′)의 전후에 인라인 편광 조정기들(140-1, 140-2)을 배치하여 사용한다. 상기 인라인 편광 고감도 조정기들(140-1, 140-2)로서 제너럴 포토닉스사의 폴라라이트(polarite) 제품을 사용할 수 있다. 상기 편광 절연기(135′)는 높은 소멸비(extinction ratio)를 가지며, 넓은 스펙트럼 범위에서 오직 하나의 선형 편광만이 통과할 수 있도록 허용한다. 자기 위상 변조(SPM)의 비선형 효과 때문에 굴절률은 출력 강도에 의존하며, 따라서 각각의 펄스 내에서 고강도 피크는 저강도 날개 부분이 겪는 것과 다른(강도에 의해 유도되는) 복굴절을 겪게 된다. 피크 편광을 상기 편광 절연기(135′)와 정렬할 때, 상기 펄스의 피크 부분만이 전달될 수 있으며, 상기 날개 부분은 차단된다. 따라서 상기 펄스는 편광 형성 및 분산 조정을 통해 펨토(10^-15)초 단위로 모드가 고정될 수 있다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 도 1에서 도시한 섬유 레이저 시스템(100)과 비슷하게, 광모드 영역(LMA)을 갖는 고농도 이중 피복 이테르븀 도핑 섬유(Double Cladding Yb Doped Fiber; DCYDF)(105)의 짧은 절편을 사용하여, 상기 증폭이 수행된다. 짧은 길이의 상기 이중 피복 이테르븀 도핑 섬유(DCYDF)(105)의 광모드 영역(LMA)은 자기 위상 변조(SPM)나 교차 위상 변조(XPM)와 같은 비선형 효과들과 분산량의 균형을 유지하여 펄스폭이 증폭 이후에 넓어지지 않도록 하는데 도움을 준다. 상기 이중 피복 이테르븀 도핑 섬유(DCYDF)(105)는 상기 분산량과 비선형 효과들의 균형을 유지하는데 있어서 광자 결정(PC) 섬유들을 사용할 수도 있다. 도 2에 도시된 섬유 레이저 시스템(100′)은 자유롭게 정렬되고 유지된다는 장점을 갖고 있다. 종래 고정 모드 고체 상태 혹은 섬유 레이저들을 다루는 것보다 본 발명에 따른 섬유 기반 섬유 레이저와 증폭기를 다루는 것이 훨씬 쉽다. 여기에 정렬이나 재정렬 문제는 없다. 상기 섬유들과 구성 요소들이 함께 접합되어 포장된 다음에는, 동작이나 유지를 위해 특별히 훈련된 기술자들이 있을 필요가 없으며, 따라서 실제 응용 분야에서 비용과 위험을 상당히 줄이는 효과를 갖는다. 또한, 광학 섬유의 탄력성으로 인해 특별한 광학 정렬을 위한 노력 없이도 망원 시스템 혹은 초점 시스템과 같은 다른 모듈과 쉽게 결합될 수 있다. 게다가, 상기 레이저 시스템(100′)은 상기 이테르븀 도핑 섬유(YDF)(105)의 이득 스펙트럼 모두를 활용하여 나노 단위의 물질에 대한 공정에 적합한 고품질 레이저를 제공한다. 상기 레이저 시스템(100′)은 상기 분산량 및 분산 기울기 모두를 보상하기 위해, 공동 공진기에서의 이득 매질과 전달 섬유 모두를 위한 광자 결정(PC) 섬유들을 사용하여 작동한다. 상기 광자 결정(PC) 섬유는 1300㎚ 이하 범위의 정상 혹은 불규칙 분산 모두를 얻기 위해, 속이 빈 격자 모양과 매립 인자와 같은 구조들을 조정하는 특이한 성질을 나타낸다. 상기 광자 결정(PC) 섬유는 다양한 광자 결정(PC) 섬유들을 선택함으로써, 상기 공동 공진기 내의 분산량과 분산 기울기 모두를 보상하고 단 펄스 섬유 레이저를 만드는 데에 사용된다. 그리고, 일반적인 단일 모드 섬유들보다 작은 유효 영역을 갖는 독특한 속성 때문에, 보다 강한 비선형 효과들이 상기 섬유 내에서 발생할 수 있으며, 상기 비선형 효과들이 자기 위상 변조(SPM)에 미치는 충격은 적절한 광자 결정(PC) 섬유들을 선택함으로써 보다 짧은 길이의 공동 공진기를 얻는데 활용된다. 한편, 상기 공심 광자 결정(PC) 섬유의 속성을 이용함으로써, 보다 큰 펄스 에너지가 추출될 수 있다.

도 3에서 도시한 바와 같이, 고출력 증폭기 이테르븀 도핑 섬유(YDF)(105)는 고출력 펌프(101)로부터 유입된 시드 펄스를 펌프 결합 광학계(110′)를 통해 부트(boot)하여 펨토(10^-15)초 단위의 극초단 펄스 증폭으로 평균 출력이 10W에 이르도록 한다. 이것은 연속파(Continuous Wave; CW)와 나노초(NanoSecond; NS) 단위의 펄스와 다르다. 여기서, 자기 위상 변조(SPM), 교차 위상 변조(XPM), 및 4광파 혼합(Four Wave Mixing; FWM)의 효과들이 특별히 고려되어야 한다. 상기 비선형 단 펄스 섬유의 전달 모드들에서 펄스의 광역화 및 뒤틀림을 피하기 위해, 모든 효과들이 정합되고 균형잡히도록 분산은 세심하게 선택되어야 한다. 상기 분산 조정 수행을 개선하기 위해, 브이 레이첼 등(V. Reichel, et al.)이 저술한 "펌프 다중 방식 이테르븀 도핑 섬유 레이저의 응용(Applications of pump multiplexed Yb-doped fiber lasers, SPIE 4974, 148(2003))"에서 개시된 것과 같이, 공기 홀을 채우는 매립 인자를 조정함으로써 특별한 섬유가 작동한다. 상기 섬유의 구조는 이산화규소 모세관을 쌓아 육각형의 밀봉된 구조를 만들고, 고체 섬유 코어를 형성하기 위해 상기 쌓여진 모세관의 중심부를 고체 이산화규소 봉으로 교체함으로써 형성된다. 따라서 상기 섬유 코어는 일반적으로 광자 밴드 갭(PBG) 섬유로 알려진 섬유를 형성하는 방법과 유사한 방법으로 형성된다.

도 2에 도시된 섬유 레이저 시스템(100′)에서는 10W 이상의 고출력이 생성된다. 그리고, 상기 이중 피복 이테르븀 도핑 섬유(DCYDF)를 사용하여, 비선형 효과를 최소화함으로써 펌프 출력 전환 효율이 85%나 된다. 상기 섬유 레이저의 빔 출력은 빔 품질 계수 M이 M²=1을 만족하는 단일 모드 회절의 속성상 뛰어난 빔 품질을 가진다. 이득 섬유들은 콤팩트한 크기의 다른 구성 요소들과 함께 작은 치수로 감겨서 포장될 수 있다. 도 2에서 도시한 구성을 갖는 15W의 표준적인 섬유 레이저 제품에서는, 모든 구성 요소들은 포장되어 대략 130㎜ × 70㎜ × 35㎜의 크기의 컨테이너에 수납된다. 따라서 편리하게 설정을 바꿀 수 있는 콤팩트한 크기의 레이저 시스템이 제공될 수 있다.

섬유는 두 개의 직교하는 편광 영역 구성 요소들의 국지적인 강도에 의존하는 비선형 복굴절을 나타낸다. 결과적으로, 타원형으로 편광된 펄스는 두 개의 직교 구성 요소, 예를 들어 x와 y 두 개의 구성 요소를 갖게 된다. 이 두 개의 구성 요소들은 서로 다른 위상 변이들을 겪게 되고, 따라서 상기 편광 타원형을 회전시킨다. 상기 위상 변이는 강도에 의존하는 과정이므로, 상기 위상 변이는 상기 펄스들의 국지적인 강도에 의존하는 서로 다른 값들에서 상기 펄스의 편광을 회전시킨다.

도 4a 및 도 4b를 참조하면, 편광이 펄스에 끼치는 물리적 효과를 알 수 있다. 비선형 효과들을 무시하면, 도 4a는 등방성 광학 섬유로 발진하는 균일하게 편광된 펄스를 나타내고, 도 4b는 균일하게 편광된 출력 펄스를 나타낸다. 따라서, 동일한 펄스를 자기 위상 변조(SPM)와 교차 위상 변조(XPM)의 효과들이 작용하는 동일한 섬유로 발진시킴으로써, 도 4a에서 도시한 출력 펄스와 유사한 펄스가 생성된다. 도 4a를 살펴보면, 저강도(low intensity)의 날개 부분은 영향을 받지 않으나, 상기 펄스의 강도가 증가할수록, 상기 편광 타원형의 회전이 관찰된다. 따라서, 상기 편광은 펄스 강도에 의존하므로, 자기 위상 변조(SPM)의 비선형적 위상 변화에 의해 유도되는 비선형 위상 전개(NPE)는 편광 회전을 일으킨다. 즉, 고정 모드 메커니즘은 상기 비선형 위상 전개(NPE)에 의해 유도되는 상기 자기 위상 변조(SPM)에 의해 발생한다.

도 2를 다시 참조하면, 상기 펄스가 상기 편광 조정기들(140-1, 140-2)에 의해 조정되는 상기 편광 고감도 절연기(135′)를 통과할 때, 상기 편광 고감도 절연기(135′)와 정렬된 최고 강도의 펄스만이 통과한다. 상기 펄스의 저강도 부분은 필터링된다. 따라서, 상기 펄스는 좋은 모양을 가지고, 펄스폭을 축소시키는 포화 흡수재(SA)로서의 역할을 한다. 상기 편광 조정기들(140-1, 140-2)은 섬유 기반이거나 부피가 큰 광학 사분의 일 파 혹은 반 파 위상 지연기이거나, 혹은 두 가지 모두의 조합일 수 있다. 상기 편광 고감도 절연기(135′) 및 편광 조정기들(140-1, 140-2)의 조합은 시간 영역에서 서로 다른 편광 상태를 갖는 상기 펄스들의 편광을 선택하는 역할을 수행한다.

상기 펄스가 상기 펄스 레이저 공동 공진기를 회전할 때, 상기 레이저 펄스는 고출력 피크와 10^-12단위의 단 펄스폭 때문에, 음의 불규칙 단일 모드 섬유 영역과 양의 정상 분산 섬유 영역 모두에서 자기 위상 변조(SPM)에 의해 유도된 펄스 광역화(broadening) 효과를 겪는다. 그리고, 상기 이테르븀 도핑 섬유(YDF)(105)에서는 상기 양의 분산 영역, 즉, β>0인 영역에서 상기 피크 출력이 매우 크기 때문에(200fs 펄스의 경우 200W보다 크다), 비선형 길이와 분산 길이는 대략 1m 정도로 거의 동등하다. 상기 펄스는 자기 위상 변조(SPM) 및 분산 효과 모두를 이용하여 압축될 수 있다.

도 5는 광출력에 따른 위상 변화의 분석 결과를 나타내는 그래프이다. 도 5에서는, 10 마이크론의 모드 영역 직경을 갖는 섬유의 상기 자기 위상 변조(SPM)에 의한 위상의 비선형 변화 효과에 대한 정량적 분석 결과가 도시되어 있다.

도 5를 참조하면, 광의 위상(편광 상태에 따른)은 상기 광의 강도와 파장에 크게 의존함을 알 수 있다. 주어진 파장에서, 3dB의 출력 변화는 상기 위상 변화의 50%를 일으킬 수 있다. 주어진 출력 레벨에서, 10% 파장 변화는 동일한 양의 위상 변화를 일으킬 수 있다.

이테르븀 도핑 섬유의 이득이 1000㎚에서 1100㎚까지 100㎚ 이상을 커버할 수 있으므로, 이득 매질은 대략 50fs 보다 작은 매우 짧은 펄스의 생성을 가능하게 한다. 그러나, 상기 편광 상태는 (△λ/λ에 비례하는, 이테르븀 섬유 레이저에서는 대략 10%가 된다)파장의 함수이므로, 스펙트럼 영역에서, 서로 다른 파장의 펄 스는 서로 다른 편광 상태를 겪게 된다. 이는 다시 펄스폭과 펄스의 품질에 영향을 주게 된다. 게다가, 특정 대역폭에서 분산 조정도 행해질 수 있으므로, 종래 섬유들을 사용해서는 상기 이득 매질의 전체 100nm 대역폭을 커버할 수 없다. 극초단 레이저 펄스들을 생성하기 위해서는, 분산 기울기 보상도 고려되어야 한다. 결론적으로, 상기 이테르븀 도핑 섬유(YDF)의 최대 이득 스펙트럼을 활용하기 위해서는, 상기 분산 기울기 보상은 스펙트럼 영역에서의 편광 보상과 조합되어 반드시 필요하다. 10㎛의 모드 영역 직경을 갖는 섬유에 대한 시뮬레이션 분석이 상기 (자기 위상 변조)위상 변화에 미치는 비선형 효과들을 계량하기 위해 수행되었다. 도 5에서는, 광의 강도와 파장에 강한 함수 관계를 갖고서 이에 크게 의존하는 편광 상태에 따른 광의 위상에 대한 시뮬레이션 결과가 나타나 있다. 주어진 파장에서 3dB의 출력 변화는 위상 변화의 50%를 생성할 수 있다. 주어진 출력 레벨에서, 파장의 10% 변화는 동일한 양의 위상 변화를 일으킬 수 있다.

도 6을 참조하면, 적절한 분산을 갖는 고농도로 도핑된 섬유를 사용하여, 도 1 및 도 2에 도시된 레이저 시스템들은 1㎽ 100fs 펄스들을 증폭하여 작은 광역화 효과를 갖는 100㎽의 펄스들로 바꿀 수 있다. 구체적으로, 증폭 전후의 자동 연결기로부터 뽑아낸 펄스 자취들이 도 6에 도시되어 있으며, 뒤틀림이나 광역화 효과가 거의 없음을 알 수 있다. 섬유는 상기 섬유에 더 많은 펌프 출력 발진을 허용하므로, 상기 출력을 1W까지 더 증폭시키기 위해서 적절히 선택된 분산을 갖는 이중 피복 고농도 도핑 섬유를 사용할 수 있다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 격자 구조의 개략적인 단면도이고, 도 8은 격자쌍을 나타내는 기능 블록도이다.

도 7 및 도 8을 참조하면, 종래 레이저 시스템에서 사용되는 격자쌍을 사용하는 대신 지붕 거울(145-1′)이 사용된다. 상기 지붕 거울(145-1′)은 광을 격자(145-2)로 반사하기 위해 사용되며, 이에 따라 하나의 격자만을 가지고도 펄스 신장이나 축소가 가능하다.

본 발명에 따르면, 비선형 편광 전개(NPE)와 분산을 조정할 수 있는 공동 공진기를 사용하여, 상기 공동 공진기 내에서 펄스의 진행을 조정하고 자기 위상 변조(SPM)와 분산 유도 펄스의 확장/축소 사이의 균형을 유지하는 방법이 제공된다. 상기 방법에 따른 편광 레이저 펄스 형성 시, 섬유 길이, 비선형 효과 및 분산의 복합적 효과를 통해 변형이 제한된 레이저 펄스 모양을 생성할 수 있다. 이에 따라 종래 기술들이 갖는 레이저 펄스의 뒤틀림 문제나, 상기 레이저 펄스를 생성하는 시스템이 갖는 문제점들, 예를 들어 정렬된 상태 유지가 힘든 것, 부피가 너무 큰 것, 견고하지 못한 것 등이 해결될 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예들을 참조하여 설명하였지만 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims

레이저 펌프로부터 출사된 광학적 입력을 수용하고, 레이저 펄스를 증폭 및 압축하는 레이저 이득 매질; 및

변형이 제한된 펄스 모양을 갖는 출력 레이저를 생성하기 위해, 내부에서 자기 위상 변조(SPM)와 분산 유도 펄스의 확대/축소의 균형을 맞추도록 알짜 음(negative)의 분산을 생성하는 양(positive)의 분산 섬유 부분과 음(negative)의 분산 섬유 부분을 포함하는 섬유 레이저 공동 공진기.
제 1 항에 있어서, 상기 출력 레이저의 모양 형성을 위해, 레이저 펄스의 일부를 불규칙 분산을 갖는 광 출사를 전달하는 격자쌍으로 전달하는 편광 고감도 절연기의 기능을 하는 빔 산란기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 섬유 레이저 공동 공진기.
제 2 항에 있어서, 상기 격자쌍으로부터 출사된 레이저의 편광을 뒤집는 페러데이 회전 거울을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 섬유 레이저 공동 공진기.
제 1 항에 있어서, 상기 이득 매질은 레이저 펄스의 증폭 및 압축을 위해 이테르븀(Yb) 도핑 섬유를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 섬유 레이저 공동 공진기.
제 1 항에 있어서, 상기 출력 레이저의 모양 형성을 위해, 편광 고감도 절연기와 편광 조정기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 섬유 레이저 공동 공진기.
제 1 항에 있어서, 상기 이득 매질은 양(positive)의 분산량을 갖는 이테르븀 도핑 섬유를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 섬유 레이저 공동 공진기.
제 1 항에 있어서, 상기 섬유 레이저 공동 공진기는 고리 형상인 것을 특징으로 하는 섬유 레이저 공동 공진기.
제 1 항에 있어서, 상기 이득 매질은 55ps/nm/km의 분산량을 갖는 양의 분산 섬유 부분을 구성하는 이테르븀 도핑 섬유를 포함하는 것을 특징으로 하는 섬유 레이저 공동 공진기.
제 1 항에 있어서, 상기 출력 레이저의 일부를 전달하는 출력 커플러를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 섬유 레이저 공동 공진기.
제 1 항에 있어서, 상기 이득 매질에 연결된 음의 분산량을 갖는 섬유 부분을 구성하는 단일 모드 섬유를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 섬유 레이저 공동 공진기.
제 1 항에 있어서, 상기 출력 레이저는 1 펨토초(femtosecond) 이하의 펄스폭을 갖는 레이저를 포함하는 것을 특징으로 하는 섬유 레이저 공동 공진기.
제 1 항에 있어서, 상기 출력 레이저는 1 펨토초 이하의 펄스폭과 가우시안(Gaussian) 펄스 모양을 갖는 레이저를 포함하는 것을 특징으로 하는 섬유 레이저 공동 공진기.
제 1 항에 있어서, 상기 출력 레이저는 1 펨토초 이하의 펄스폭과 솔리톤(soliton) 펄스 모양을 갖는 레이저를 포함하는 것을 특징으로 하는 섬유 레이저 공동 공진기.
제 1 항에 있어서, 상기 출력 레이저는 1 펨토초 이하의 펄스폭과 쌍곡선 펄스 모양을 갖는 레이저를 포함하는 것을 특징으로 하는 섬유 레이저 공동 공진기.
제 1 항에 있어서, 상기 이득 매질은 이중 피복 이테르븀 도핑 섬유(DCYDF)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 섬유 레이저 공동 공진기.
제 1 항에 있어서, 상기 이득 매질은 광 모드 영역(LMA)을 갖는 이중 피복 이테르븀 도핑 섬유(DCYDF)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 섬유 레이저 공동 공진기.
제 1 항에 있어서, 상기 이득 매질은 이중 피복 이테르븀 도핑 광자 결정 섬유(DCYD-PCF)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 섬유 레이저 공동 공진기.
제 1 항에 있어서, 상기 출력 레이저의 모양 형성을 위해, 레이저 펄스의 일부를 불규칙 분산을 갖는 광 출사를 전달하는 지붕 거울 및 반사 격자들을 갖는 거울로 전달하는 편광 고감도 절연기의 기능을 하는 빔 산란기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 섬유 레이저 공동 공진기.
알짜 음(net negative)의 분산을 생성하는 양(positive)의 분산 섬유 부분과 음(negative)의 분산 섬유 부분을 채용함으로써 레이저 공동 공진기를 형성하는 단계; 및

변형이 제한된 펄스 모양을 갖는 출력 레이저를 생성하기 위해, 레이저 펌프로부터 이득 매질 내에서 레이저 펄스를 증폭하고 압축하는 상기 레이저 공동 공진기로 입력 레이저를 출사하여, 상기 레이저 공동 공진기 내부에서 자기 위상 변조(SPM)와 분산 유도 비선형성의 균형을 맞추는 단계를 포함하는 상기 레이저 공동 공진기로부터 펄스 모양의 변형 제한 출력 레이저를 생성하는 방법.
제 19 항에 있어서, 상기 출력 레이저의 모양 형성을 위해, 레이저 펄스의 일부를 불규칙 분산을 갖는 광 출사를 전달하는 격자쌍으로 전달하는 편광 고감도 절연기로서 기능하는 빔 산란기를 채용하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 상기 레이저 공동 공진기로부터 펄스 모양의 변형 제한 출력 레이저를 생성하는 방법.
제 20 항에 있어서, 상기 격자쌍으로부터 출사된 레이저의 편광을 뒤집는 페러데이 회전 거울을 채용하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 상기 레이저 공동 공진기로부터 펄스 모양의 변형 제한 출력 레이저를 생성하는 방법.
제 19 항에 있어서, 레이저 펄스의 증폭 및 압축을 위한 이득 매질로서 이테르븀(Yb) 도핑 섬유를 채용하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 상기 레이저 공동 공진기로부터 펄스 모양의 변형 제한 출력 레이저를 생성하는 방법.
제 19 항에 있어서, 상기 출력 레이저의 모양 형성을 위해, 편광 고감도 절연기와 편광 조정기를 채용하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 상기 레이저 공동 공진기로부터 펄스 모양의 변형 제한 출력 레이저를 생성하는 방법.
제 19 항에 있어서, 상기 레이저 펄스의 증폭 및 압축을 위한 이득 매질로서 양(positive)의 분산량을 갖는 이테르븀 도핑 섬유를 채용하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 상기 레이저 공동 공진기로부터 펄스 모양의 변형 제한 출력 레이저를 생성하는 방법.
제 19 항에 있어서, 레이저 펄스의 증폭 및 압축을 위한 상기 이득 매질로서 55ps/nm/km의 양의 분산량을 갖는 이테르븀 도핑 섬유를 채용하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 상기 레이저 공동 공진기로부터 펄스 모양의 변형 제한 출력 레이저를 생성하는 방법.
제 19 항에 있어서, 상기 섬유 레이저 공동 공진기로부터 상기 출력 레이저의 일부를 전달하는 출력 커플러를 채용하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 상기 레이저 공동 공진기로부터 펄스 모양의 변형 제한 출력 레이저를 생성하는 방법.
제 19 항에 있어서, 상기 이득 매질에 음의 분산량을 갖는 섬유 부분을 구성하는 단일 모드 섬유를 연결하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 상기 레이저 공동 공진기로부터 펄스 모양의 변형 제한 출력 레이저를 생성하는 방법.
제 19 항에 있어서, 상기 출력 레이저는 1 펨토초 이하의 펄스폭을 갖는 레이저를 포함하는 것을 특징으로 하는 상기 레이저 공동 공진기로부터 펄스 모양의 변형 제한 출력 레이저를 생성하는 방법.
제 19 항에 있어서, 1 펨토초 이하의 펄스폭과 가우시안 펄스 모양을 갖는 상기 출력 레이저를 생성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 상기 레이저 공동 공진기로부터 펄스 모양의 변형 제한 출력 레이저를 생성하는 방법.
제 19 항에 있어서, 1 펨토초 이하의 펄스폭과 솔리톤(soliton) 펄스 모양을 갖는 상기 출력 레이저를 생성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 상기 레이저 공동 공진기로부터 펄스 모양의 변형 제한 출력 레이저를 생성하는 방법.
제 19 항에 있어서, 1 펨토초 이하의 펄스폭과 쌍곡선 펄스 모양을 갖는 상기 출력 레이저를 생성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 상기 레이저 공동 공진기로부터 펄스 모양의 변형 제한 출력 레이저를 생성하는 방법.
제 19 항에 있어서, 상기 이득 매질로서 이중 피복 이테르븀 도핑 섬유(DCYDF)를 채용하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 상기 레이저 공동 공진기로부터 펄스 모양의 변형 제한 출력 레이저를 생성하는 방법.
제 19 항에 있어서, 상기 이득 매질로서 광 모드 영역(LMA)을 갖는 이중 피복 이테르븀 도핑 섬유(DCYDF)를 채용하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 상기 레이저 공동 공진기로부터 펄스 모양의 변형 제한 출력 레이저를 생성하는 방법.
제 19 항에 있어서, 상기 이득 매질로서 이중 피복 이테르븀 도핑 광자 결정 섬유(DCYD-PCF)를 채용하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 상기 레이저 공동 공진기로부터 펄스 모양의 변형 제한 출력 레이저를 생성하는 방법.
제 19 항에 있어서, 상기 출력 레이저의 모양 형성을 위해, 레이저 펄스의 일부를 불규칙 분산을 갖는 광 출사를 전달하는 지붕 거울 및 반사 격자들을 갖는 거울로 전달하는 편광 고감도 절연기의 기능을 하는 빔 산란기를 채용하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 상기 레이저 공동 공진기로부터 펄스 모양의 변형 제한 출력 레이저를 생성하는 방법.