KR20060121735A - All fiber based short pulse amplification at one micron - Google Patents
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Abstract
Description
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 단 펄스 모드 잠금 섬유 레이저 (short-pulse mode-locked fiber laser) 시스템의 기능 블록도이다.1 is a functional block diagram of a short-pulse mode-locked fiber laser system in accordance with one embodiment of the present invention.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 섬유 기반 단 펄스 모드 잠금 섬유 레이저의 기능 블록도이다. 2 is a functional block diagram of a fiber based short pulse mode locked fiber laser according to one embodiment of the invention.
도 3은 펨토초 단위의 레이저 펄스들을 제공하기 위한 고출력 증폭기를 나타내는 기능 블록도이다.3 is a functional block diagram illustrating a high power amplifier for providing laser pulses in femtoseconds.
도 4a는 도 3에서 채용된 이중으로 피복된 광 모드 영역의 이테르븀 도핑 광자 결정 섬유의 단면도이다.FIG. 4A is a cross-sectional view of the ytterbium doped photonic crystal fiber of the double coated optical mode region employed in FIG. 3.
도 4b는 공심(air core)을 가진 광자 밴드갭 섬유의 단면도이다.4B is a cross-sectional view of a photon bandgap fiber with an air core.
도 4c는 끝면에서 출력 빔의 모드 영역을 증가시키기 위하여 광자 밴드 갭 섬유에 부착된 심이 없는 섬유 또는 유리가 사용된 경우, 그 상한을 보여주는 그래프이다.4C is a graph showing the upper limit when a seamless fiber or glass attached to the photon band gap fiber is used to increase the mode area of the output beam at the end face.
도 5a 및 도 5b는 레이저 펄스가 레이저 공진기로 전달됨에 따라 나타나는 편광 변화의 파형 그래프들이다.5A and 5B are waveform graphs of polarization change that appear as a laser pulse is delivered to a laser resonator.
도 6은 광출력에 따른 위상 변화의 분석 결과를 나타내는 그래프이다.6 is a graph illustrating an analysis result of phase change according to light output.
도 7은 커다란 뒤틀림이 없는 고출력 극초단 펄스 증폭의 파형을 나타내는 그래프이다.7 is a graph showing waveforms of high power ultrashort pulse amplification without large distortion.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 격자 구조의 개략적인 단면도이다.8 is a schematic cross-sectional view of a grating structure according to an embodiment of the present invention.
도 9는 격자쌍을 나타내는 기능 블록도이다. 9 is a functional block diagram illustrating a grid pair.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
100, 100':레이저 시스템 110:파장 분할 다중 방식 커플러100, 100 ': Laser system 110: Wavelength division multiplexing coupler
130:출력 빔 산란기 140-1, 140-2:편광 조정기130: Output beam scattering machine 140-1, 140-2: Polarization regulator
145-1, 145-2:격자쌍 150:페러데이 회전 거울145-1, 145-2: Grid pair 150: Faraday rotating mirror
본 발명은 단 펄스 모드 잠금 섬유 레이저(short-pulse mode-locked fiber laser)를 공급하는 장치 및 상기 단 펄스 모드 잠금 섬유 레이저를 공급하는 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 개선되고 보다 조정 가능한 펄스 모양을 갖는 비선형 편광 펄스 형 모드 잠금 섬유 레이저(nonlinear polarization pulse-shaping mode-locked fiber laser)를 공급하는 장치 구성 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a device for supplying a short-pulse mode-locked fiber laser and a method for supplying the short-pulse mode-locked fiber laser. More specifically, the present invention relates to apparatus construction and methods for supplying nonlinear polarization pulse-shaping mode-locked fiber lasers with improved and more adjustable pulse shapes.
종래의 단 펄스 모드 잠금 섬유 레이저를 생성하는 기술들은, 예를 들어 피코초(ps) 내지 약 100펨토초(fs)에 이르는 단 펄스를 증폭시켜, 예를 들어, 밀리 주울 수준의 고에너지 수준으로 만드는 데에 있어, 여전히 기술적 어려움들과 한계 에 직면하고 있다. 더욱이, 극초단(ultra-short) 펄스 및 고전압을 갖는 레이저의 실제적인 응용은 쉽게 이루어질 수 없는 상태이다. 구체적으로는, 상기 극초단 고출력 레이저는 종종 펄스 모양의 뒤틀림에 의해 그 실용성이 방해 받게 된다. 게다가, 상기 레이저 시스템들은 때때로 부피가 크고, 광의 정렬된 상태를 유지하는데 힘이 들며, 충분히 튼튼하도록 만드는 것이 어렵다. 이러한 문제점들은 상기 극초단 고출력 레이저의 실제적인 응용을 방해하는 결과를 가져온다.Techniques for generating conventional short pulse mode locked fiber lasers amplify short pulses, for example from picoseconds (ps) to about 100 femtoseconds (fs), resulting in high energy levels, for example, milli Joules. In this regard, there are still technical difficulties and limitations. Moreover, practical applications of lasers with ultra-short pulses and high voltages are difficult to achieve. Specifically, the ultra-high power lasers are often hampered by their pulse shape distortion. In addition, such laser systems are sometimes bulky, difficult to maintain an aligned state of light, and are difficult to make sufficiently robust. These problems result in the practical application of the ultra-high power laser.
역사적으로 볼 때, 펨토초 레벨의 작은 펄스폭을 갖는 모드 잠금 레이저의 생성은 포화 흡수재로 사용할 자원의 한계 및 섬유들의 불규칙한 분산 때문에 어려운 작업이었다. 종래에는, 약 1.3㎛ 이하의 파장에서 작동하는 단 펄스 모드 잠금 섬유 레이저들은 이러한 파장 영역에서 모든 섬유에 대해 적용되는 간단한 분산 보상에 대한 해(solution)를 구할 수 없다는 점에서 일종의 특별한 도전이었다(약 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 공진기(cavity)를 얻을 수 있다). 따라서 이전 연구자들은 상기 공진기에 적용 가능한 량의 분산을 제공하는 격자쌍이나 프리즘과 같은 부피가 큰 장치들을 사용하였다. 그러나 불행하게도 이런 장치들은 상기 섬유들을 상기 부피가 큰 장치에 결합시키는 것이 필요하게 되므로 그 결과 레이저가 섬유들의 정렬에 매우 민감해지고, 이에 따라, 주변 환경에 민감해지게 된다.Historically, the generation of mode locked lasers with small pulse widths at the femtosecond level has been a difficult task due to the limitation of resources to be used as saturated absorbers and the irregular dispersion of fibers. Conventionally, short pulse mode locked fiber lasers operating at wavelengths of about 1.3 μm or less have been a particular challenge in that no solution to the simple dispersion compensation applied for all fibers in this wavelength range is available (about At wavelengths above 1.3 μm, there are several types of fibers that exhibit either normal or irregular dispersion, so that fibers with different wavelengths can be combined to obtain a cavity with an applicable dispersion). Previous researchers have therefore used bulky devices such as grating pairs or prisms that provide an amount of dispersion applicable to the resonator. Unfortunately, however, such devices need to couple the fibers to the bulky device, which results in the laser being very sensitive to the alignment of the fibers and thus the environment.
몇 가지 종래 기술들은 상기 극초단 고출력 레이저 시스템을 구성하는 여러 가지 반도체 포화 흡수재를 개시하고 있다. 하지만, 상기 극초단 고전압 레이저 시 스템의 구성들은 자유 공간 광학계를 사용함에 따라 종종 부피가 크고 튼튼하지 못한 시스템들로 개발되었다. 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 펄스반복 주파수를 갖는 펨토초 단위의 자체 모드 잠금 티타늄 사파이어 레이저와 그 응용들(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 존스 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 모드 잠금 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.Several prior arts disclose various semiconductor saturable absorbers that make up the ultra-high power laser system. However, the configurations of the ultra-high voltage laser systems have often been developed into bulky and not robust systems using free space optics. s. yen. Femtosecond Self-Mode Locking Titanium Sapphire Laser with High Stability Pulse Repetition Frequency and Its Applications (Baggaev et al. A femtosecond self-mode-locked Ti: sapphire laser with high stability of pulserepetition frequency and its applications, Appl. Phys. B, 70, 375-378 (2000).) Or Jones D. second. Phase adjustment and optical frequency synthesis (Carrierenvelope of carrier-envelope of femtosecond-mode locked lasers by Jones DJ, Diddams SA, Ranka JK, Stentz A., Windeler RS, Hall JL, Cundi® ST). phase control of femtosecond mode-locked laser and direct optical frequency synthesis, Science, vol. 288, pp. 635-639, 2000.
또한, 상기 단 펄스 고출력 레이저의 생성 방법을 개선하기 위해 연장된(stretched) 모드 잠금 섬유 레이저들이 개시되어 있다. 하지만, 상기 연장된 모드 잠금 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 모드 잠금 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 레이저들, 극속 레이저들 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).)"등에 개시되어 있다.In addition, stretched mode locked fiber lasers are disclosed to improve the method of producing the short pulse high power laser. However, even in the extended mode locked fiber lasers, free space optical components such as a quarter wave retarder or a spectroscope for spectroscopy or coupling are used. Examples of the extended mode locking fiber laser system are described in John El. Written by John L. Hall, Jun Ye, Scott A. Diddams, Long-Sheng Ma, Steven t. Cundi®, and David J. Jones. 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 ) "Or El. "Optical frequency standards and measurements by L. Hollberg, CW Oates, EA Curtis, EN Ivanov, SA Diddams, Th. Udem, HG Robinson, JC Bergquist, RJ Rafac, WM Itano, RE Drullinger and DJ Wineland (Optical frequency standards and measurements, IEEE U. Quant. Electron. 37,1502 (2001).).
상기 레이저 시스템들의 실용성의 제한은 고출력 섬유 증폭의 필요조건에 부합하여, 펄스폭이 더욱 축소될 때, 펄스 모양의 뒤틀림이 나타나기 때문에, 더욱 더 드러나게 된다. 상기 펄스폭이 펨토초 수준으로 축소되는 경우 및 피크 출력이 10㎾를 초과하도록 증가하는 경우에는 자체 위상 변조(Self Phase Modulation; SPM)와 교차 위상 변조(Cross Phase Modulation; XPM)와 같은 강한 비선형 효과들이 스펙트럼과 시간에 대한 광역화(broadening)를 더욱 심하게 한다. 이러한 비선형 효과들과 스펙트럼 및 시간에 대한 광역화는 상기 레이저 펄스에 대한 뒤틀림의 정도를 더욱 심화시킨다. 상기한 기술적인 문제들은, 촉진된 브릴로우인 산란(Stimulated Brillouin Scattering; SBS)과 촉진된 라만 산란(Stimulated Raman Scattering; SRS)을 감소시켜, 포화 출력을 증가시키기 위해 광모드 영역(Large Mode Area; LMA) 섬유가 사용될 수 있다 하더라도, 쉽게 해결되지 않는다. 또한, 상기 광모드 영역 섬유를 사용할 경우는, 상기 피크 출력의 축소를 가져오고, 효율성의 감소로 인해 바람직하지 못한 결과들을 초래한다.The limitations of the practicality of the laser systems are more and more revealed in order to meet the requirement of high power fiber amplification, as the pulse shape distortion appears when the pulse width is further reduced. When the pulse width is reduced to the femtosecond level and the peak output is increased to more than 10 Hz, strong nonlinear effects such as Self Phase Modulation (SPM) and Cross Phase Modulation (XPM) are introduced. It makes the broadening of spectrum and time even worse. These nonlinear effects and widening of spectrum and time further exacerbate the degree of distortion for the laser pulse. The technical problems described above include: Large Mode Area (Stimulated Brillouin Scattering (SBS)) and promoted Raman Scattering (SRS) to reduce saturation power and increase the saturation power; Although LMA) fibers can be used, they are not easily resolved. In addition, the use of the optical mode region fiber results in a reduction in the peak power and undesirable effects due to a decrease in efficiency.
상기 단 펄스 모드 잠금 섬유 레이저들이 극속 현상, 미세 가공 및 생리학 분야의 측정에 있어서, 더 넓어진 응용분야와 그 유용성을 가짐이 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 모드 잠금 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 적절한 펄스 모양을 갖는 고출력 레이저 펄스를 생성하는 효율적인 극초단 펄스 고출력 레이저 시스템들을 제공하기 위한 구성과 방법을 제대로 고안해 내지 못하고 있다.As the short pulse mode locked fiber lasers have been found to have wider applications and their usefulness in the measurement of the field of rapid flux, microfabrication and physiology, it is an urgent task to solve the above-mentioned technical problems. . Several other techniques have been disclosed to solve the above problems, including the use of NonLinear Polarization Rotation (NLPR) or the already mentioned extended mode locking fiber lasers. Since the nonlinear polarization rotation deals with the polarization rotation depending on the intensity of the time domain, the distortion of the pulse shape due to the polarization development in both the time domain and the spectral domain cannot be prevented. For this reason, the prior art does not properly devise a configuration and method for providing efficient ultrashort pulsed high power laser systems that produce high power laser pulses with an appropriate pulse shape.
상기 언급한 문제점들 외에도, 이러한 레이저 시스템들은 상기 레이저 공진기에서의 분산 조절을 위한 격자쌍들을 필요로 한다. 상기 시스템들에서의 정렬을 유지하는 것은 시간을 소모하는 작업이 되어가고 있으며, 따라서 자유 공간 광학계와 격자쌍들을 사용하는 시스템들이 실용성을 갖도록 하는 것을 방해한다. 또한, 상기 격자쌍들은 상기 레이저 장치들의 크기와 무게를 더욱 증가시켜 이러한 레이저 소스를 이용하는 장치들을 소형화시키는 노력을 방해한다.In addition to the problems mentioned above, these laser systems require grating pairs for dispersion control in the laser resonator. Maintaining alignment in these systems is becoming a time consuming task, thus preventing systems using free space optics and grating pairs from becoming practical. In addition, the grating pairs further increase the size and weight of the laser devices, hindering efforts to miniaturize devices using such a laser source.
그러므로 상기 언급한 문제들을 해결할 수 있도록 보다 조정이 용이한 펄스 모양을 갖는 극초단 고출력 모드 잠금 섬유 레이저를 생성하는 새롭고도 개선된 구성과 방법을 제공하기 위한 필요가 섬유 레이저 디자인 및 제조 분야에 있어서 여 전히 남아 있다.Therefore, there is a need in the fiber laser design and manufacturing field to provide a new and improved configuration and method for producing ultra-high power mod lock fiber lasers with a more easily adjustable pulse shape to address the above mentioned problems. It remains entirely.
따라서 본 발명의 목적은 극초단 펨토초 레이저 펄스를 증폭하여 밀리 주울 에너지 수준의 고 에너지를 출력하는 섬유 레이저 증폭기를 제공하는 것이다.It is therefore an object of the present invention to provide a fiber laser amplifier that amplifies an ultrashort femtosecond laser pulse and outputs high energy at the milli Joule energy level.
본 발명의 다른 목적은 공진기 내에서의 펄스 전파를 조정하고 자체 위상 변조(SPM)와 분산 유도 펄스 확대/축소의 균형을 유지할 수 있도록 비선형 편광 전개(Nonlinear Polarization Evolution; NPE)와 분산 조정 섬유 공진기를 사용하는 방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a nonlinear polarization evolution (NPE) and dispersion adjustment fiber resonator to adjust the pulse propagation in the resonator and to balance self phase modulation (SPM) and dispersion induced pulse zooming. To provide a way to use it.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 발명은 레이저 펌프로부터의 광학적인 입력 방사(optical input projection)를 수용하기 위한 레이저 이득 매질을 포함하는 섬유 레이저 공진기가 개시된다. 상기 섬유 레이저 공진기는 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. 여기서, 상기 레이저 이득 매질은 레이저 펄스를 증폭시키고, 압축시키기 위하여, 이중으로 피복되고, 이테르븀(Yb)이 도핑된 광자 결정 섬유(DC YDPCF; 이하, 이중 피복 이테르븀 도핑 섬유라 한다.)를 더 포함한다. According to one embodiment of the invention, the present invention discloses a fiber laser resonator comprising a laser gain medium for receiving optical input projection from a laser pump. The fiber laser resonator generates net negative variances to balance magnetic phase modulation (SPM) and zooming of dispersion induced pulses internally to produce an output laser having a pulse shape with limited strain. A positively dispersed fiber portion and a negatively dispersed fiber portion. Here, the laser gain medium further comprises double coated, Yttb-doped photonic crystal fibers (DC YDPCF; hereinafter referred to as double coated ytterbium doped fibers) to amplify and compress the laser pulses. do.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 섬유 레이저 공진기는 상기 출력 레이저의 모양 형성을 위해, 레이저 펄스의 일부를 불규칙 분산을 갖는 광 출사를 전달 하는 격자쌍으로 전달하는 편광 고감도 절연기의 기능을 하는 빔 산란기를 더 포함한다.According to an embodiment of the present invention, the fiber laser resonator functions as a polarization high sensitivity insulator for transmitting a portion of the laser pulse to a pair of gratings that transmits light output having irregular dispersion to form the shape of the output laser. It further comprises a beam scatterer.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 섬유 레이저 공진기는 상기 격자쌍으로부터 출사된 레이저의 편광을 뒤집는 패러데이(Faraday) 회전 거울을 더 포함한다.According to another embodiment of the present invention, the fiber laser resonator further includes a Faraday rotating mirror that reverses the polarization of the laser emitted from the grating pair.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 섬유 레이저 공진기는 상기 출력 레이저의 또 다른 모양 형성을 위해 편광 고감도 절연기와 편광 조절기를 더 포함한다.According to another embodiment of the present invention, the fiber laser resonator further includes a polarization high sensitivity insulator and a polarization controller to form another shape of the output laser.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 이득 매질은 양의 분산을 갖는 이중 피복 이테르븀 도핑 섬유(DC YDPCF)를 더 포함한다.According to another embodiment of the invention, the gain medium further comprises double coated ytterbium doped fibers (DC YDPCF) with positive dispersion.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 레이저 공진기는 고리 형상의 레이저 공진기이다.According to another embodiment of the invention, the laser resonator is a ring-shaped laser resonator.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 이득 매질은 55ps/㎚/km의 분산을 갖는 양의 분산 섬유 부분을 구성하는 이중 피복 이테르븀 도핑 섬유(DC YDPCF)를 포함한다.According to another embodiment of the invention, the gain medium comprises double coated ytterbium doped fibers (DC YDPCF) which constitute a positively dispersed fiber portion with a dispersion of 55 ps / nm / km.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 섬유 레이저 공진기는 상기 출력 레이저로서, 섬유 레이저 공진기로부터 레이저의 일부를 전달하는 출력 커플러(coupler)를 더 포함한다.According to another embodiment of the present invention, the fiber laser resonator further includes an output coupler for transmitting a portion of the laser from the fiber laser resonator as the output laser.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 섬유 레이저 공진기는 상기 이득 매질에 연결되어 음의 분산을 가진 섬유 부분을 구성하는 단일 모드 섬유를 더 포 함한다.According to yet another embodiment of the invention, the fiber laser resonator further comprises single mode fibers connected to the gain medium to form a fiber portion with negative dispersion.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 출력 레이저는 약 1 펨토초 이하의 펄스폭을 가지는 레이저를 포함한다.According to another embodiment of the present invention, the output laser comprises a laser having a pulse width of about 1 femtosecond or less.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 출력 레이저는 약 1 펨토초 이하의 펄스폭과 가우시안(Gaussian) 펄스 모양을 갖는 레이저를 포함한다.According to another embodiment of the invention, the output laser comprises a laser having a pulse width of about 1 femtosecond or less and a Gaussian pulse shape.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 출력 레이저는 약 1 펨토초 이하의 펄스폭과 솔리톤(soliton) 펄스 모양을 갖는 레이저를 포함한다.According to another embodiment of the invention, the output laser comprises a laser having a pulse width of less than about 1 femtosecond and a soliton pulse shape.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 출력 레이저는 약 1 펨토초 이하의 펄스폭과 쌍곡선 펄스 모양을 갖는 레이저를 포함한다.According to another embodiment of the invention, the output laser comprises a laser having a pulse width of less than about 1 femtosecond and a hyperbolic pulse shape.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 이득 매질은 약 15 ㎛ 내지 약 80 ㎛ 범위의 광 모드 영역(LMA)을 갖는 이중 피복 이테르븀 도핑 섬유를 더 포함한다.According to another embodiment of the present invention, the gain medium further comprises double coated ytterbium doped fibers having a light mode region (LMA) in the range of about 15 μm to about 80 μm.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 이득 매질은 광 모드 영역(LMA)을 갖는 이중 피복 이테르븀 도핑 섬유를 더 포함한다.According to another embodiment of the invention, the gain medium further comprises double coated ytterbium doped fibers having a light mode region (LMA).
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 이득 매질은 이테르븀(Yb)의 농도가 10,000 피피엠(ppm) 내지 2,000,000 피피엠(ppm) 사이의 범위를 갖는 고농도 이중 피복 이테르븀 도핑 섬유를 포함한다.According to another embodiment of the present invention, the gain medium comprises a high concentration double coated ytterbium doped fiber having a concentration of ytterbium (Yb) in the range of 10,000 ppm to 2,000,000 ppm (ppm).
본 발명의 다른 측면에 따른 실시예에 따르면, 레이저 이득 매질을 포함하는 레이저 공진기로부터 펄스 모양 변형이 제한된 출력 레이저를 생성하는 방법이 개시된다. 상기 방법은 알짜 음의 분산을 생성하는 양의 분산 섬유 부분과 음의 분산 섬유 부분을 채용함으로써 상기 레이저 공진기를 형성하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 상기 이득 매질 안에서 레이저 펄스를 증폭시키고 압축시키기 위해, 레이저 펌프로부터 섬유 레이저 공진기로 입력 레이저를 출사시키는 단계를 더 포함한다. 이러한 단계에서는, 변형이 제한된 펄스 모양을 갖는 출력 레이저를 생성하기 위해 상기 섬유 레이저 공진기 내에서 자체 위상 변조(SPM)를 갖는 분산 유도 비선형성의 균형을 맞추게 된다. According to an embodiment according to another aspect of the present invention, a method of generating an output laser with limited pulse shape deformation from a laser resonator comprising a laser gain medium is disclosed. The method includes forming the laser resonator by employing a positively dispersed fiber portion and a negatively dispersed fiber portion that produces a net negative dispersion. The method further includes emitting an input laser from a laser pump to a fiber laser resonator to amplify and compress a laser pulse in the gain medium. In this step, the dispersion induced nonlinearity with self phase modulation (SPM) is balanced in the fiber laser resonator to produce an output laser having a limited pulse shape.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 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.According to one embodiment of the present invention, the method comprises a beam scatterer functioning as a polarization high sensitivity insulator for transferring a portion of the laser pulses to a grating pair that transmits light output with irregular dispersion for shaping the output laser. And further employing.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 방법은 상기 격자쌍으로부터 출사된 레이저의 편광을 뒤집는 패러데이 회전 거울을 채용하는 단계를 더 포함한다.According to one embodiment of the invention, the method further comprises employing a Faraday rotating mirror that reverses the polarization of the laser emitted from the grating pair.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 방법은 레이저 펄스의 증폭 및 압축을 위한 이득 매질로서 이테르븀(Yb) 도핑 섬유를 채용하는 단계를 더 포함한다.According to one embodiment of the invention, the method further comprises employing ytterbium (Yb) doped fibers as a gain medium for the amplification and compression of the laser pulses.
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.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, but the present invention is not limited to the following embodiments, and those skilled in the art will appreciate the technical features of the present invention. The present invention may be embodied in various other forms without departing from the spirit thereof.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 단 펄스 모드 잠금 섬유 레이저 (short-pulse mode-locked fiber laser) 시스템의 기능 블록도이다.1 is a functional block diagram of a short-pulse mode-locked fiber laser system in accordance with one embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 비선형 편광 펄스 모드 잠금 섬유 레이저 시스템(100)의 구성이 개략적으로 나타나 있다. 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. 출력 빔 산란기(130)는 패러데이 회전 거울(150)과 결합되어 사용되는 격자쌍들(145-1, 145-2)과 함께 사용된다. 대략 반 미터 정도 되는 이테르븀 도핑 섬유(YDF)(105)는 상기 섬유 레이저 시스템에서 이득 매질로 사용되고, 상기 펄스폭을 증가시키거나 축소시키는 데에 이용된다. 이테르븀 도핑 섬유(YDF)(105)는 고농도의 도핑 농도, 예를 들어 약 976㎚ 정도의 파장에서 약 600㏈/m 정도의 농도를 가지고, 약 55ps/㎚/km 정도의 분산량을 갖는다. 파장 분할 다중 방식 커플러(110)와 결합된 약 980㎚ 정도의 고출력 펌프 레이저 다이오드(101)는 이테르븀 도핑 섬유(YDF)(105)를 펌핑하여 공진기를 순환하는 펄스들을 증폭하기 위해 사용된다. 상기 공진기는, 예를 들어, 약 20ps/㎚/km 정도의 분산량을 가지고 대략 3m 정도의 길이를 가지는 단일 모드 섬유(Single Mode; SM)(115)와 약 1060㎚ 정도의 파장에서 20ps/㎚/km 정도의 분산량을 갖는 표준 섬유로서 코닝(Corning)사에 의해 제조 및 판매되며 대략 반 미터(m) 정도의 길이를 갖는 에이치아이(HI) 섬유(120)를 포함한다. 빔 산란기(130)는 주어진 편광 상태에서 상기 공진기로부터 나오는 빛의 일부와 결합하는 용도로 사용되는 절연기로서의 기능을 제공한다. 상기 이득 매질(105)은 통상적인 양의 분산량을 갖는 섬유(β>0)와 음의 분산량을 갖는 섬유(β<0)로 구성되며, 전체 공진기의 평균 분산량은 불규칙한 음의 분산량(β<0)을 갖도록 설계된다. 본 발명은 안정적으로 변환이 제한되는 펄스를 생성하는 상기 불규칙한 분산량을 얻기 위하여, 상기 격자쌍들 또는 광자 밴드 갭(Photonoc Band Gap; PBG) 섬유들을 채용한다. 상기 전체 공진기의 평균 분산량은 불규칙한 음의 분산량(β<0)을 갖도록 설계된다. Referring to FIG. 1, the configuration of a nonlinear polarized pulse mode locked
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 모드 잠금 섬유 레이저들을 얻을 수 있다는 측면에서 종래 레이저들과 다르다. 특히, 도 1에서는 시그마(sigma) 구성과 같이 특별한 레이저 공진기를 개시하고 있다. 상기 시그마 구성은 상기 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 편광 고감도 산란기(빔 산란기)(130)를 통과할 때, 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. 약 1 마이크로 영역에서 상기 섬유는 오직 양의 분산량을 갖고 작동한다는 사실 때문에, 격자쌍들(145-1, 145-2)은 음의 분산량을 얻는데 사용되며 격자쌍들(145-1, 145-2) 사이의 거리를 변화시킴으로써 상기 분산량은 조정될 수 있다. 패러데이 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 구성에 있어서, 격자쌍들(145-1, 145-2)과 결합된 편광 고감도 빔 산란기(beam splitter)(130)를 통해 편광된 출력 레이저 빔이 생성된다. 상기 모드 잠금 섬유 레이저들은 결합 계수(coupling ratio)가 약 10ㅁ 5% 정도에서 조정된다. 또한, 분산량 정합과 비선형 편광 전개를 이용하여, 상기 레이저 시스템은 동작 과정이 매우 간소화된 자기 시동이 가능하다.In the laser system configuration shown in FIG. 1, a polarized output laser beam is generated through polarization high
본 발명의 일 실시예에 따른 편광 모드 잠금 기술들은 이미 언급한 대로 존 엘. 할 등(John L. Hall et al.), 엘. 홀버그 등(L. Hollerg et al.) 및 에스. 에이. 디담스 등(S. A. Didamms et al.)에 의해 개시된 비선형 편광 회전(NLPR)이나 연장 모드 접근 방식과 같은 종래 접근 방식과는 다르며, 이들과는 다음과 같이 적어도 세 가지의 주된 차이점들이 있다.Polarization mode locking techniques in accordance with one embodiment of the present invention, as already mentioned John L. John L. Hall et al., L. Holberg et al. And S. a. It differs from conventional approaches such as nonlinear polarization rotation (NLPR) or extended mode approach disclosed by S. A. Didamms et al., With at least three main differences as follows.
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 Δn에 비례하며, 방정식 위상=NΔn/λ를 만족한다. 여기서, λ는 파장, N은 상기 위상 지연기나 섬유 같은 복굴절 물질의 계수를 나타낸다. 상기 방정식을 미분하면, 상기 대역폭 Δλ는 상기 NΔn에 반비례한다는 것을 알 수 있다. 이는 본 발명에 따른 레이저 시스템은 상기 위상 지연기나 복굴절 물질에서 낮은 계수, 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.First, conventional nonlinear polarization rotation (NLPR) techniques only consider polarization rotation that depends on the time domain intensity. However, according to one embodiment of the invention, the polarization evolution of the optical transmission takes into account not only the change in the time domain (intensity dependent) but also the change in the spectral domain (wavelength dependent). This can be done by selecting a polarizer and a quarter wave plate and a half wave plate (HWP). Basically, the bandwidth of the phase retarder is proportional to the refractive index difference Δn of the birefringent material and satisfies the equation phase = NΔn / λ. Where? Is the wavelength and N is the coefficient of the birefringent material such as the phase retarder or fiber. By differentiating the above equation, it can be seen that the bandwidth Δλ is inversely proportional to the NΔn. This indicates that the laser system according to the invention can obtain a larger bandwidth by using a lower coefficient, for example N = 1, in the phase retarder or birefringent material. Thus, the phase retarders have a larger bandwidth and are adjusted to pass through the polarizer or polarization high sensitivity isolator.
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 반비례하므 로, 이득 대역폭을 최대로 활용하면서도 펄스폭을 최소로 하는 레이저 시스템을 제공할 수 있다. Second, while the prior arts only consider dispersion matching, according to one embodiment of the present invention, not only the dispersion matching but also the dispersion gradient matching, so that the matching of the dispersion is adjustable over a larger spectral bandwidth. This can be done using a combination of two or more fibers with different dispersion amounts and dispersion slopes. For example, fibers having different amounts of dispersion and dispersion slopes can be combined at an appropriate length ratio so that the overall amount of dispersion in the desired wide area is near zero. Therefore, according to an embodiment of the present invention, the bandwidth is inversely proportional to the pulse width, thereby providing a laser system that minimizes the pulse width while maximizing the gain bandwidth.
셋째, 종래 레이저 시스템들은 분산량 보상이나 편광 조정을 위해서 부피가 큰 자유 공간 광학계들을 채용하였다. 그러나 본 발명의 일 실시예에 따르면, 모두 섬유 기반 구성 요소들에 의해 작동하며 자유 공간 광학계 구성 요소들은 배제되므로, 나노 단위의 공정 시스템에 적용될 수 있는 고밀도의 극초단 펄스 레이저 모듈을 만드는 궁극적인 방법이 제공된다.Third, conventional laser systems employ bulky free space optics for dispersion compensation or polarization adjustment. However, according to one embodiment of the present invention, all are driven by fiber-based components and the free space optics components are excluded, resulting in the ultimate method of making dense ultra-short pulsed laser modules that can be applied to nanoscale process systems. This is provided.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 섬유 기반 단 펄스 모드 잠금 섬유 레이저의 기능 블록도이다. 2 is a functional block diagram of a fiber based short pulse mode locked fiber laser according to one embodiment of the invention.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 섬유 레이저 시스템(100')은 모두 섬유 기반의 구성 요소들이다. 상기 섬유 레이저 시스템(100')은 약 980㎚ 정도나 약 1,550㎚ 정도의 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 공진기 내부 펄스들의 증폭을 위해 이테르븀(Yb)을 펌핑하는 데 사용된다. 상기 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 약 1,060㎚ 정도의 파장 범위에서 독특한 구조적 특성을 갖고서 정규적이거나 혹은 불규칙한 분산량 모두를 제 공할 수 있을 뿐만 아니라 분산 기울기도 조정할 수 있으므로, 분산량 및 분산 기울기 모두가 정합되어 펄스폭이 최대로 좁아질 수 있도록 상기 섬유 레이저 공진기가 디자인될 수 있다. 종래의 선행 기술들과 대비되어, 도 2에 도시된 시스템은 약 50 펨토초 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 기반 레이저 시스템(100')은 단일 모드 섬유 접속 전선들과 함께 작동하는 인라인 편광 고감도 절연기(135')의 전후에 인라인 편광 조정기들(140-1, 140-2)을 배치하여 사용한다. 인라인 편광 고감도 조정기들(140-1, 140-2)로서 제너럴 포토닉스사의 폴라라이트(polarite) 제품군 중에서 선택할 수 있다. 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 복굴절을 겪게 된다. 피크 편광을 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 펨토초 단위로 모드 잠금될 수 있다. 2, the fiber laser system 100 'according to one embodiment of the present invention is all fiber based components. The
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 펨토초 단위의 레이저 펄스들을 제공하기 위한 고출력 증폭기를 나타내는 기능 블록도이다.3 is a functional block diagram illustrating a high power amplifier for providing femtosecond laser pulses according to an embodiment of the present invention.
도 2 및 도 3을 참조하면, 도 1에서 도시한 섬유 레이저 시스템(100)과 비슷하게, 광모드 영역(LMA)(105)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 유지하도록 하여, 펄스폭이 증폭 이후에 넓어지지 않게 한다. 상기 이중 피복 이테르븀 도핑 섬유(DCYDF)(105)는 상기 분산량과 비선형 효과들의 균형을 유지하는데 있어서 광자 결정(PC) 섬유들을 사용할 수도 있다. 도 2 과 도 3에 도시된 섬유 레이저 시스템(100')은 정렬 또는 유지에 있어 문제가 없다는 장점을 갖고 있다. 종래 모드 잠금 고체 상태 혹은 섬유 레이저들을 다루는 것보다 본 발명에 따른 섬유 기반 섬유 레이저와 증폭기를 다루는 것이 훨씬 쉽다. 여기에서, 정렬이나 재정렬 문제는 없다. 상기 섬유들과 구성 요소들이 함께 접합되어 패키지(package)화 된 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 이테르븀 도핑 섬유(YDF)(105)의 이득 스펙트럼 충분히 활용하여 나노 단위의 물질에 대한 공정에 적합한 고품질 레이저를 제공한다. 상기 레이저 시스템(100')은 상기 분산량 및 분산 기울기 모두를 보상하기 위해, 공진기에서의 이득 매질과 전달 섬유 모두를 위한 광자 결정(PC) 섬유들을 사용하 여 작동한다. 상기 광자 결정(PC) 섬유는 약 1,300㎚ 이하 범위의 정규 혹은 불규칙 분산 모두를 얻기 위하여, 속이 빈 격자(hollow lattice)모양과 매립 인자(filling factor)와 같은 구조들을 조절하는데 있어 새로운 특성을 보여준다. 상기 광자 결정(PC) 섬유는 다양한 광자 결정(PC) 섬유들을 선택함으로써, 상기 공진기 내의 분산량과 분산 기울기 모두를 보상하고 단 펄스 섬유 레이저를 만드는 데에 사용된다. 또한, 일반적인 단일 모드 섬유들보다 작은 유효 영역을 갖는 독특한 속성 때문에 보다 강한 비선형 효과들이 상기 섬유 내에서 발생할 수 있으며, 자기 위상 변조(SPM)에 미치는 상기 비선형 효과들은 적절한 광자 결정(PC) 섬유들을 선택함으로써 보다 짧은 길이의 공진기를 얻는데 활용된다. 한편, 상기 공심(air core) 광자 결정(PC) 섬유의 속성을 이용함으로써, 보다 큰 펄스 에너지를 추출할 수 있다.2 and 3, similar to the
도 3에 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 펨토초 단위의 극초단 펄스 증폭으로 평균 출력이 10W에 이르도록 한다. 레이저 펌프(101)는 약 915㎚ 또는 약 980㎚ 정도의 레이저 펌프일 수 있는데, 결합 광학계(coupling optics)(110') 또는 섬유 펌프 결합기를 통하여 피코초 또는 펨토초 단위의 극초단 펄스의 증폭을 하기 위하여, 이테르븀 이온을 펌핑하는 데 사용되어 진다. 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 균형 잡히도록 분산은 세심하게 선택되어야 한다. As shown in FIG. 3, the high power amplifier ytterbium-doped fiber (YDF) 105 boots the seed pulses introduced from the
상기 펄스들의 증폭은 도 4a에 개시된 바와 같이, 광 모드 영역(LMA)을 갖는 고 농도의 이중 피복 이테르븀 도핑 광자 결정 섬유(DC YDFCF)(105)의 단편을 사용하여 이루어진다. 광자 결정 섬유(PCF)는 별도의 펌핑 출력을 상기 섬유에 부가하여 평균 출력이 더 높은 섬유 레이저를 생성하도록 하기 위해, 이중 피복 특성을 가지도록 고안된다. 공기 피복 지역은 유도된 방사선의 파장보다 더 좁은 실리카 다리들(silica bridges)의 망으로 내부 피복을 둘러싸게 되면서 생성될 수 있다고 알려져 왔다. 도 4a는 전형적인 이중 피복 광자 결정 섬유의 도안을 보여준다. 본 발명에서, 약 0.8 정도로 상당히 증가된 개구수(Numerical Aperture; NA)는 기존의 이중 피복 광 모드 영역 섬유들에 필적할 정도로 될 수 있다. 상기 내부 피복을 축소하는 것은 상기 활성 심(active core)의 내부 피복에 대한 중첩 비율을 증가시키는 것을 의미한다. 이는 고출력 증폭을 위해 섬유에 있어서 더 짧은 길이를 사용할 수 있도록 해준다.Amplification of the pulses is accomplished using a fragment of a high concentration double coated ytterbium doped photonic crystal fiber (DC YDFCF) 105 having a light mode region (LMA), as disclosed in FIG. 4A. Photonic crystal fibers (PCFs) are designed to have double coating properties in order to add a separate pumping power to the fiber to produce a fiber laser with a higher average power. It has been known that air coverage areas can be created by enclosing the interior coating with a network of silica bridges that are narrower than the wavelength of the induced radiation. 4A shows a design of a typical double coated photonic crystal fiber. In the present invention, the Numerical Aperture (NA), which is significantly increased by about 0.8, may be comparable to existing double coated optical mode region fibers. Reducing the inner sheath means increasing the overlap ratio for the inner sheath of the active core. This allows the use of shorter lengths in the fiber for higher power amplification.
짧은 길이로 결합된 상기 이중 피복 이테르븀 도핑 광자 결정 섬유(DC YDPCF)의 광 모드 영역은 자체 위상 변조(SPM)와 교차 위상 변조(XPM)과 같은 비선형 효과들과 상기 분산을 균형을 이루도록 도와서, 펄스폭이 증폭 이후에도 확장되지 않도록 한다. 상기 이중 피복 이테르븀 도핑 광자 결정 섬유(DC YDPCF)는 상기 분산과 자체 위상 변조(SPM)의 균형을 맞춘다는 점에서, 일반적인 이중 피복 섬유일 수 있다. 상기 펄스의 여분의 첩(chirp)은 도 4b에 도시한 바와 같이 공심(air core) 광자 밴드 갭 (PBG) 섬유의 단편에 의해 더욱더 해소가 될 수 있는데, 이러한 공심 광자 밴드 갭 섬유는 예를 들어, 덴마크 파트 #HC-1060-02 모델의 결정 섬유인 경우 120 ps/㎚/ks 정도에 이르는 큰 불규칙 분산을 제공한다. 상기 공심 광자 밴드 갭(PBG) 섬유는 불규식 분산을 가지고 있는데. 이는 약 1㎛일 경우, 일반적인 섬유와는 반대되는 특성이다. 상기 공심 광자 밴드 갭(PBG) 섬유는 상기 펄스를 보상하는(첩을 해소하는)데 사용되어 질수 있다. 공기 구멍(air hole)의 숫자와 구조를 조절함으로써, 다양한 분산들을 얻을 수 있다. 표면 손상을 더욱 개선하기 위해서는, 심이 없는 섬유나 유리의 단편의 끝 부분이 공심 광자 밴드 갭(PBG) 섬유에 부착될 수 있고 이로서, 끝면에서 출력 빔의 모드 영역을 증가시킬 수 있다. 이것은 도 4c에 나타나 있는 것과 같이, 피코초 내지 약 100 펨토초 수준의 펄스를 밀리 주울 수준으로 증폭하는 것을 가능하게 한다.The optical mode region of the short coated ytterbium doped photonic crystal fiber (DC YDPCF) coupled to short lengths helps to balance the dispersion with nonlinear effects such as self phase modulation (SPM) and cross phase modulation (XPM) Do not allow the width to expand after amplification. The double coated ytterbium doped photonic crystal fiber (DC YDPCF) may be a common double coated fiber in that it balances the dispersion and self phase modulation (SPM). The extra chirp of the pulses can be further eliminated by fragments of air core photon band gap (PBG) fibers, as shown in FIG. 4B, which can be, for example, Crystalline fibers of the Danish part # HC-1060-02 model provide large irregular dispersion up to 120 ps / nm / ks. The concentric photon band gap (PBG) fibers have irregular dispersion. This is the opposite of the general fiber when about 1㎛. The concentric photon band gap (PBG) fibers can be used to compensate for (pulling) the pulses. By controlling the number and structure of air holes, various dispersions can be obtained. To further improve surface damage, the ends of the seam-free fibers or pieces of glass can be attached to the co-concentric photon band gap (PBG) fibers, thereby increasing the mode area of the output beam at the ends. This makes it possible to amplify pulses at picoseconds to about 100 femtoseconds to milli Joules, as shown in FIG. 4C.
상기 분산 조정 수행을 더욱 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, 공기구멍(air hole)을 채우는 매립 인자(filling factor)를 조정함으로써 특별한 섬유가 작용한다. 상기 섬유의 구조는 규소된 이루어진 모세관을 쌓아 육방 밀집 구조(hexagonal close packed structure)를 만들고, 고체 섬유 심(core)을 형성하기 위해 상기 쌓여진 모세관의 중심부를 고체 규소 봉으로 교체함으로써 형성된다. 따라서 상기 공심(air core)은 일반적으로 광자 밴드 갭(PBG) 섬유로 알려진 섬유를 형성하는 방법과 유사한 방법 으로 형성된다. 도 10a 및 도 10b는 광자 결정 섬유에 대한 주사 전자 현미경(SEM) 사진을 보여 주고 있으며, 상기 구멍 크기에 대한 상기 분산 및 기울기 변화를 나타내고 있다. 이것은 최적화된 광자 결정 섬유 구조를 명확히 보여주고 있는데, 분산은 200㎛를 초과하는 스펙트럼의 영역에서 균일할 수 있다. 종래의 섬유들로는 이러한 결과를 취득할 가능성은 없다.In order to further improve the dispersion adjustment performance, As disclosed in "Applications of pump multiplexed Yb-doped fiber lasers (SPIE 4974, 148 (2003))" by V. Reichel, et al. Special fibers work by adjusting the filling factor that fills the air holes. The structure of the fiber is formed by stacking siliconized capillaries to form a hexagonal close packed structure and replacing the central portion of the stacked capillary with solid silicon rods to form a solid fiber core. Thus, the air core is formed by a method similar to the method of forming fibers, commonly known as photon band gap (PBG) fibers. 10A and 10B show scanning electron microscopy (SEM) images of photonic crystal fibers and show the dispersion and tilt changes with respect to the pore size. This clearly shows an optimized photonic crystal fiber structure, where the dispersion can be uniform in the region of the spectrum exceeding 200 μm. There is no possibility of obtaining these results with conventional fibers.
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 약 85% 정도에 이른다. 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 패키지될 수 있다. 도 2에서 도시한 구성을 갖는 약 15W의 표준적인 섬유 레이저 제품에서는, 모든 구성 요소들은 패키지화 되어 대략 130㎜ㅧ 70㎜ ㅧ 35㎜의 크기의 컨테이너에 수납된다. 따라서 편리하게 설정을 바꿀 수 있는 콤팩트한 크기의 레이저 시스템이 제공될 수 있다.In the
도 5a 및 도 5b는 레이저 펄스가 레이저 공진기로 전달됨에 따라 나타나는 편광 변화의 파형 그래프이다.5A and 5B are waveform graphs of polarization changes that appear as a laser pulse is delivered to a laser resonator.
섬유는 두 개의 직교하도록 편광된 영역(field) 구성 요소들의 국지적인 강도에 의존하는 비선형 복굴절을 나타낸다. 결과적으로, 타원형으로 편광된 펄스는 두 개의 직교 구성 요소, 즉, 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 량으로 상기 펄스의 편광을 회전시킨다. The fiber exhibits a nonlinear birefringence that depends on the local strength of the two orthogonally polarized field components. As a result, an elliptically polarized pulse has two orthogonal components, two components x and y. These two components experience different phase shifts, thus rotating the polarization ellipsoid. Since the phase shift is a process that depends on the intensity, the phase shift rotates the polarization of the pulse in different amounts depending on the local intensity of the pulses.
도 5a 및 도 5b를 참조하면, 편광이 펄스에 미치는 물리적 효과를 알 수 있다. 비선형 효과들을 무시하면, 도 5a는 등방성 광학 섬유로 발진하는 균일하게 편광된 펄스를 나타내고, 도 5b는 균일하게 편광된 출력 펄스를 나타낸다. 따라서 동일한 펄스를 자체 위상 변조(SPM)와 교차 위상 변조(XPM)의 효과들이 작용하는 동일한 섬유로 발진시킴으로써, 도 5b에서 도시한 출력 펄스와 유사한 펄스가 생성된다. 도 5b를 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, 자체 위상 변조(SPM)의 비선형적 위상 변화에 의해 유도되는 비선형 위상 전개(NPE)는 편광 회전을 일으킨다. 즉, 모드 잠금 메커니즘은 상기 자체 위상 변조(SPM)에 의해 유도되는 비선형 위상 전개(NPE)에 의해 발생한다. 5A and 5B, the physical effects of polarization on pulses can be seen. Neglecting nonlinear effects, FIG. 5A shows uniformly polarized pulses oscillating with isotropic optical fibers and FIG. 5B shows uniformly polarized output pulses. Thus, by oscillating the same pulse to the same fiber on which the effects of self phase modulation (SPM) and cross phase modulation (XPM) work, a pulse similar to the output pulse shown in FIG. 5B is generated. Referring to FIG. 5B, the wing portion of low intensity is not affected, but as the intensity of the pulse increases, the rotation of the polarized ellipse is observed. Thus, since the polarization depends on the pulse intensity, nonlinear phase evolution (NPE) induced by nonlinear phase change of self phase modulation (SPM) causes polarization rotation. That is, the mode locking mechanism is caused by nonlinear phase evolution (NPE) induced by the self phase modulation (SPM).
도 2를 다시 참조하면, 상기 펄스가 상기 편광 조정기들(140-1, 140-2)에 의해 조정되는 상기 편광 고감도 절연기(135')를 통과할 때, 편광 고감도 절연기(135')와 정렬된 최고 강도의 펄스만이 통과한다. 상기 펄스의 저강도 부분은 필터링된다. 따라서 상기 펄스는 바람직한 모양을 가지고, 펄스폭을 축소시키는 포화 흡수재(SA)로서의 역할을 한다. 상기 편광 조정기들(140-1, 140-2)은 섬유 기반이 거나 부피가 큰 광학 사분의 일 파 혹은 반 파 위상 지연기이거나, 혹은 두 가지 모두의 조합일 수 있다. 편광 고감도 절연기(135') 및 편광 조정기들(140-1, 140-2)은 시간 영역에서 서로 다른 편광 상태를 갖는 상기 펄스들의 편광을 선택하는 역할을 수행한다.Referring again to FIG. 2, when the pulse passes through the polarization
상기 펄스가 상기 펄스 레이저 공진기를 순환할 때, 상기 레이저 펄스는 고출력 피크와 피코초 미만의 단 펄스폭 때문에, 음의 불규칙 단일 모드 섬유 영역과 양의 정규 분산 섬유 영역 모두에서 자체 위상 변조(SPM)에 의해 유도된 펄스 광역화(broadening) 효과를 겪는다. 그리고 이테르븀 도핑 섬유(YDF)(105)에서는 상기 양의 분산 영역, 즉, β>0인 영역에서, 상기 피크 출력이 매우 크기 때문에(200 펨토초 펄스의 경우 약 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.When the pulse circulates through the pulsed laser resonator, the laser pulse is self phase modulated (SPM) in both the negative irregular single mode fiber region and the positive normally distributed fiber region because of the high power peak and short pulse width of less than picoseconds. Suffer from the pulse broadening effect induced by And in the ytterbium doped fiber (YDF) 105, in the positive dispersion region, i.e., the region of β > 0, because the peak power is very large (greater than about 200 W for a 200 femtosecond pulse), the nonlinear length and dispersion length Is approximately equal to about 1 m. The pulse can be compressed using both magnetic phase modulation (SPM) and dispersion effects.
도 6은 광출력에 따른 위상 변화의 분석 결과를 나타내는 그래프이다. 도 6에서는, 10㎛의 모드 영역 직경을 갖는 섬유의 상기 자체 위상 변조(SPM)에 의한 위상의 비선형 변화 효과에 대한 정량적 분석 결과가 도시되어 있다. 6 is a graph illustrating an analysis result of phase change according to light output. In FIG. 6, the results of quantitative analysis for the effect of nonlinear change of phase by the self phase modulation (SPM) of a fiber having a mode region diameter of 10 μm are shown.
도 6을 참조하면, 광의 위상(편광 상태에 상응하는)은 상기 광의 강도와 파장에 크게 의존함을 알 수 있다. 주어진 파장에서, 3㏈ 정도의 출력 변화는 상기 위상 변화의 약 50% 정도를 일으킬 수 있다. 주어진 출력 레벨에서, 10% 정도의 파장 변화는 동일한 양의 위상 변화를 일으킬 수 있다.Referring to FIG. 6, it can be seen that the phase of light (corresponding to the polarization state) is highly dependent on the intensity and wavelength of the light. At a given wavelength, an output change of about 3 Hz can cause about 50% of the phase change. At a given output level, a wavelength change of about 10% can cause the same amount of phase change.
이테르븀 도핑 섬유의 이득이 1,000㎚에서 1,100㎚까지 100㎚ 이상을 커버할 수 있으므로, 이득 매질은 대략 50 펨토초 보다 작은 매우 짧은 펄스의 생성을 가능하게 한다. 그러나 상기 편광 상태는 (Δλ/λ에 비례하는, 이테르븀 섬유 레이저에서는 대략 10% 정도가 된다)파장의 함수이므로, 스펙트럼 영역에서, 서로 다른 파장의 펄스는 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 100㎚의 대역폭을 커버할 수 없다. 극초단 레이저 펄스들을 생성하기 위해서는, 분산 기울기 보상도 고려되어야 한다. 결론적으로, 이테르븀 도핑 섬유(YDF)의 최대 이득 스펙트럼을 활용하기 위해서는, 상기 분산 기울기 보상은 스펙트럼 영역에서의 편광 보상과 조합되어 반드시 필요하다. 10㎛ 정도의 모드 영역 직경을 갖는 섬유에 대한 시뮬레이션 분석이 상기 (자체 위상 변조)위상 변화에 미치는 비선형 효과들을 계량하기 위해 수행되었다. 도 6에서는, 광의 강도와 파장에 강한 함수 관계를 갖고서 이에 크게 의존하는 편광 상태에 따른 광의 위상에 대한 시뮬레이션 결과가 나타나 있다. 주어진 파장에서 3㏈의 출력 변화는 위상 변화의 50% 정도를 생성할 수 있다. 주어진 출력 레벨에서, 파장의 10% 정도의 변화는 동일한 양의 위상 변화를 일으킬 수 있다.Since the gain of the ytterbium doped fibers can cover more than 100 nm from 1,000 nm to 1,100 nm, the gain medium allows the generation of very short pulses of less than approximately 50 femtoseconds. However, since the polarization state is a function of wavelength (which is about 10% for ytterbium fiber lasers proportional to Δλ / λ), in the spectral region, pulses of different wavelengths will experience different polarization states. This in turn affects the pulse width and the quality of the pulse. In addition, dispersion adjustments can also be made at certain bandwidths, so conventional fibers cannot be used to cover the entire 100 nm bandwidth of the gain medium. In order to generate ultrashort laser pulses, dispersion slope compensation must also be considered. In conclusion, in order to utilize the maximum gain spectrum of the ytterbium doped fiber (YDF), the dispersion slope compensation is necessary in combination with the polarization compensation in the spectral region. Simulation analysis on fibers with a mode region diameter on the order of 10 μm was performed to quantify the nonlinear effects on the (self phase modulation) phase change. In FIG. 6, simulation results are shown for the phase of light according to the polarization state which has a strong functional relationship to the intensity of the light and the wavelength and which is highly dependent thereon. An output change of 3 dB at a given wavelength can produce as much as 50% of the phase change. At a given output level, a change of about 10% of the wavelength can cause the same amount of phase change.
도 7은 커다란 뒤틀림이 없는 고출력 극초단 펄스 증폭의 파형을 나타내는 그래프이다.7 is a graph showing waveforms of high power ultrashort pulse amplification without large distortion.
도 7을 참조하면, 적절한 분산을 갖는 고농도로 도핑된 섬유를 사용하여, 도 1 및 도 2에 도시된 레이저 시스템들은 1㎽ 100 펨토초 펄스들을 증폭하여 작은 광역화 효과를 갖는 100㎽의 펄스들로 바꿀 수 있다. 구체적으로, 자동 연결 기(autocorrelator)로부터 뽑아낸 증폭 전후의 펄스 자취들이 도 7에 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.Referring to FIG. 7, using heavily doped fibers with proper dispersion, the laser systems shown in FIGS. 1 and 2 amplify 1
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 격자 구조의 개략적인 단면도이고, 도 9는 격자쌍을 나타내는 기능 블록도이다.8 is a schematic cross-sectional view of a grating structure according to an embodiment of the present invention, and FIG. 9 is a functional block diagram showing a grating pair.
도 8 및 도 9를 참조하면, 본 발명에서는 도 9에 도시된 바와 같은 격자쌍을 이용하는 대신, 지붕 거울(145-1')을 종래 레이저 시스템에서 사용되는 격자쌍을 대체하여 사용된다. 지붕 거울(145-1')은 광을 격자(145-2)로 옮기거나 반사하기 위해 사용되며, 이에 따라 하나의 격자만을 가지고도 펄스 신장이나 축소가 가능하다.8 and 9, in the present invention, instead of using the grating pair as shown in FIG. 9, the roof mirror 145-1 'is used in place of the grating pair used in the conventional laser system. The roof mirror 145-1 ′ is used to transfer or reflect light to the grating 145-2, thereby allowing pulse extension or reduction even with only one grating.
본 발명에 따르면, 비선형 편광 전개(NPE)와 분산을 조정할 수 있는 공진기를 사용하여 상기 공동 공진기 내에서 펄스의 진행을 조정하고 자체 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.According to the present invention, a nonlinear polarization expansion (NPE) and a resonator that can adjust dispersion are used to adjust the progress of the pulse within the cavity resonator and to balance the balance between self phase modulation (SPM) and expansion / contraction of the dispersion induced pulses. A method of maintaining is provided. When forming a polarized laser pulse according to the method, it is possible to generate a laser pulse shape with limited deformation through the combined effect of fiber length, nonlinear effects and dispersion. This solves the distortion problem of the laser pulses of the prior arts, the problems of the system generating the laser pulses, for example, the difficulty of maintaining the aligned state, the volume is too large, not robust, etc. Can be.
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.As described above, the present invention has been described with reference to the preferred embodiments of the present invention, but a person of ordinary skill in the art does not depart from the spirit and scope of the present invention as set forth in the claims below. It will be understood that various modifications and changes can be made.
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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US8582613B1 (en) | 2012-06-18 | 2013-11-12 | Korea Electrotechnology Research Institute | Laser apparatus using anisotropic crystals |
Also Published As
Publication number | Publication date |
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