KR20120123011A

KR20120123011A - 단일 모드 고출력 파이버 레이저 시스템

Info

Publication number: KR20120123011A
Application number: KR1020127004229A
Authority: KR
Inventors: 발렌틴 가폰트시프
Original assignee: 아이피지 포토닉스 코포레이션
Priority date: 2009-12-03
Filing date: 2010-12-02
Publication date: 2012-11-07
Also published as: JP2013513243A; US20110064097A1; CN102668273B; DK2417677T3; US8081667B2; ES2808298T3; EP2417677A4; WO2011068980A2; KR101762746B1; CN102668273A; EP2417677B1; JP5952740B2; WO2011068980A3; EP2417677A2

Abstract

고출력의 단일 모드 파이버 레이저 시스템이, MM 코어(core) 주위를 클래딩(cladding) 및 같은 넓이로 퍼지는 다중-모드(MM: multimode) 코어를 포함하는 능동 파이버(active fiber)로 구성된다. 상기 MM 코어는 희토류 및 전이 금속에서 선택된 하나 이상의 이온으로 도핑되어 본 발명의 특징에 따른 병목을 구비한다. 상기 병목 횡단면은 비교적 작은 일정한 크기의 입력단 영역, 원뿔 형태 영역 및 비교적 크고 일정한 크기의 증폭 영역을 포함한다. 상기 MM 코어의 계단형 굴절률 분포가 입력단 영역을 따른 크기와 형태의 중앙 딥으로 구성되어, 기본 모드의 가우스 필드 프로파일을 방해하지 않고 가우스 필드 프로파일을 기본 모드의 환 프로파일로 점차로 변환하여 증폭 영역을 따라 환 프로파일을 지지한다. 다른 특징에 따라, 상기 출력단 영역에 의해 왜곡이 없이 지지된 가우스 필드 프로파일로 환 필드 프로파일을 점차로 만드는 딥(dip)을 구비한 출력단 변환 영역이 상기 코어에 더 제공된다. 본 발명의 제1 및 제 2의 특징에 따라 구성된 구조의 다양한 종단 및 측면 펌핑(pumping) 장치가 채택된다.

Description

단일 모드 고출력 파이버 레이저 시스템{SINGLE MODE HIGH POWER FIBER LASER SYSTEM}

본 출원은 2009년 9월 14일자로 미국 특허청에 출원된 미국특허 출원 번호 제 12/559,284호의 일부 계속 출원으로, 여기에 그 내용이 참조되어 기술된다.

본 내용은 본질적으로 기본 모드(fundamental mode)로 광을 인도할 수 있는 다중-모드 파이버(multimode fiber)로 구성된 단일 모드 고출력 파이버 레이저 시스템에 관한 것이다.

파이버 레이저 시스템의 여러 어플리케이션(applications)이 고출력, 고품질의 빔(beam)을 필요로 한다. 광학적인 비선형성의 징후 때문에, SM 능동(active) 파이버를 이용하는 파이버 레이저가 출력에 있어 제한된다. 하나의 공통적인 해결책이 MM 능동 파이버의 이용으로, 이것은 약간의 고차모드(high-order mode: HOM)를 지원할 수 있지만 이러한 HOM들의 증폭과 여기(excitation)를 방지하는 구조이다.

그러나 이러한 MM 파이버를 구비한 단일 모드 고출력(SMHP) 파이버 레이저 시스템의 출력 스케일링(크기 조정) 역시, 유도 라만 산란(SRS: Stimulated Raman Scattering)에 한정되지는 않지만 이것을 포함하는 비선형성의 존재에 의해 다소 제한된다. 아마도, 비교적 높은 광학적인 비선형 임계치를 초래하는 가장 효과적인 실용적 접근법 중의 하나가, 상기 코어(core) 직경을 증가시키고, 구치 구경을 감소시키며, 또한 비선형 상호작용의 유효 길이를 감소시킴으으로써, MM 파이버의 코어 내부의 전력 밀도를 줄이는 것이다. 불행하게도, 이러한 배치는 다음의 이유 때문에 쉽게 얻을 수가 없다. 첫째로, 상기 코어 직경의 증가는 쉽게 여기되어 출력 빔(beam)의 품질에 악영향을 주는 HOM들의 개수를 증가시킨다. 둘째로, 아주 매우 낮은 Δn을 구비한 고품질 파이버의 제조는 아주 힘들다. 셋째로, 그런 파이버들은 구부러진 부하에 민감하다.

그러므로 공지의 종래 기술과 관련된 문제점이 거의 없는 적어도 하나의 능동 MM 파이버가 제공된 SMHP 시스템에 대한 필요가 있다.

공지된 SMHP 시스템과 비교한다면, 비선형의 더 높은 임계치와 여기된 기본 모드의 증가된 유효 영역을 구비한 코어 굴절률을 갖는 MM 능동 파이버가 제공된 SMHP 시스템을 필요로 한다.

주변 및 중앙의 대칭적인 고차 모드로의 결합 가능성을 최소화하는 반면에 실질적으로 기본 모드만을 증폭할 수 있는 도펀트 프로파일(dopant profile)로 구성된 능동 다중모드 MM 파이버를 구비한 SMHP 시스템을 필요로 한다.

비선형의 높은 임계치로 고출력에서 작동하며, 능동(active)과 수동(passive)의 융합된 파이버들 사이에 모드 매칭을 제공하는 구조를 갖고, 실질적으로 기본 모드만을 지지하는 구조의 MM 능동 파이버를 포함하는 SMHP 파이버 레이저 시스템이 위에 기술된 필요성을 만족한다.

일 양태에 따라, 개시된 SMHP 파이버 레이저 시스템은 MM 능동 파이버로 직접 연결된 입력 SM 수동 파이버로 구성되어서, 가우스 필드 프로파일(Gaussian field profile)의 단일 모드로 입력 파이버로부터 방사된 광이 실질적인 연결 손실 없이 상기 MM 파이버로 보내진다. 특정 구조의 실시예에서, 상기 MM 능동 파이버는 비교적 좁은 입력단 영역, 점차로 확장되는 원뿔 형태의 변환(transformer) 영역과 비교적 넓고 균등한 크기의 증폭 영역으로 형성된 병목-형상의 부분을 구비한다.

상기 MM 코어의 입력단 영역이 수동 SM 파이버 코어의 출력단과 동일하게 구성된다. 그 결과, 보내진 SM은, 상기 MM 파이버 종단에서 보내진 SM의 것과 매칭되는 모드 필드 직경(mode field diameter; MFD)을 구비한 실질적으로 기본 모드만을 여기한다. 상기 변환 영역과 증폭 영역은 여기된 기본 모드의 전파를 유지하는 반면에, 고차 모드(high order modes: HOM들)로의 그것의 커플링(coupling)을 최소화하도록 구성된다.

본 내용의 다른 양태에 따르면, 상기 MM 능동 파이버는 상기 중앙 코어 영역까지 연장된 딥(dip)이 제공된 계단형 굴절률 분포(step-index profile)를 가지고, 상기 여기된 기본 모드의 가우스 필드 프로파일(Gaussian field profile)을 이 모드의 환 프로파일(ring profile)로 변환하도록 제어하게끔 구성된다. 상기 환 프로파일은 상기 가우스 프로파일보다 더 큰 유효 영역을 구비한다. 상기 기본 모드의 더 큰 유효 영역은 일정한 HOM들의 증폭을 최소화하고, 차례로, 상기 기본 모드의 전체적인 광 에너지/출력의 대부분을 보존한다. 상기 기본 모드의 출력 손실이 적을수록, 고출력 SM 레이저 시스템은 더 효과적이다.

심지어 상기 딥이 없이도, 상기 MM 코어의 입력단 영역과 비교하면 비교적 낮은 전력 밀도를 갖는 상기 MM 파이버의 증폭 코어 영역을 따라 상기 딥은 상대적으로 큰 기하학적 치수를 갖는다. 상기 밀도가 더 낮을수록, 비선형성들에 대한 임계값은 더 높아지고, 상기 파이버 레이저의 전력 조절 능력은 더 좋아진다. 필드 강도(I)는 모드 영역(A(I~P/A, P는 전력))이 증가됨에 따라 더 낮아지는 경향이 있기 때문에 상기 딥의 형성은 훨씬 더 높은 임계값을 허용한다.

다른 태양에 따르면, 상기 MM 파이버 코어의 입력 및 출력단 영역을 따르는 딥의 특정 구성 때문에, 상기 MM 파이버의 출력단 영역과 출력 SM 수동 파이버 사이에 형성된 연결 영역의 접속 손실이 더 작아진다. 입력 및 출력 SM 수동파이버 각각이 가우스 필드 프로파일로 SM 방사의 전파를 지원하도록 구성되기 때문에, 만약 변하지 않은 채로 남아 있다면 환 모양의 프로파일은 가우스 프로파일과 일치하지 않는다. 실질적인 관점에서, 이러한 불일치는 출력 연결에서 전력 손실과 입력 연결에서 HOM들의 여기를 초래한다. 전파 강도 차이에 따른 출력 손실을 피하기 위해, MM 파이버가 이중의 병목 형태로 구성되고, 즉, 상기 MM 파이버의 입력단 및 변환 코어 영역과 실질적으로 일치하도록 구성된 점점 좁아지는 출력 변환기와 출력단 영역을 갖도록 구성된다. 그러나, 상기 딥은 상기 가우스 모드가 방해받지 않는 양 종단 영역을 따라서 매우 작다. 따라서, 상기 딥은 입력 영역을 따라 작고, 입력 변환 영역을 따라 가장 크게 될 때까지 점차적으로 확장되며, 증폭 영역을 다라 균일한 크기를 갖고 출력 변환 영역을 따라 점차적으로 좁아져서 출력단 영역에서 매우 작은 크기를 갖는다. 상기 입력 및 출력 변환 영역을 따른 딥의 기하학적 형상의 점진적인 변경은 이러한 영역을 따른 HOM 여기의 가능성을 실질적으로 방지한다.

또 다른 양태에 따르면, 기술된 MM 능동 파이버가 도펀트(dopant) 환 프로파일로 구성된 계단형 굴절률 분포 구조를 갖기에, 상기 기본 모드로의 실질적인 이득을 제공하나, LP₀₂ 같은 중앙 대칭 모드의 증폭을 최소화한다. 상기 도펀트 환 프로파일이 기본 모드를 현저하게 증폭하도록 구성되고, HOM들의 증폭을 최소화하면서 기본 모드의 환 필드 프로파일의 최고점(peak)들을 증폭시키도록 구성된다.

본 명세서 내에 포함되어 있음

본 발명의 이러한 특징과 이점은 이하의 상세한 설명, 첨부된 특허청구범위 및 도면을 참조하여 보다 상세하게 이해될 것이다.
도 1은 종단-펌핑 기술에 따라서 펌핑되고 병목 형상의 단면으로 구성된 능동 MM 파이버를 구비한 단일 모드 고출력 파이버 레이저의 일 실시예의 개략도이다.
도 2는 도 1의 상기 MM 파이버의 굴절률 프로파일을 도시한다.
도 3은 개시된 MM 파이버의 종단 영역을 따라 각각의 중앙 대칭 및 기본 모드의 굴절률 및 강도 필드 프로파일을 도시한다.
도 4는 MM 파이버의 중앙 영역을 따라 각각의 중앙 대칭 및 기본 모드의 굴절률 및 강도 필드 프로파일을 도시한다.
도 5는 환(ring) 형상의 도펀트 프로파일이 구비된 코어를 갖는 개시된 MM 파이버의 계단형 굴절률을 도시한다.
도 6은 도 1의 시스템에 이용된 펌프의 정면도이다.
도 7은 종단-펌핑 장치를 이용하여 개시된 시스템의 다른 실시예를 도시한다.
도 8은 측면-펌핑 장치를 이용하여 개시된 시스템의 다른 실시예를 도시한다.
도 9는 측면-펌핑 장치로 구성되어 개시된 시스템의 또 다른 실시예를 도시한다.

이제, SM 고출력 파이버(fiber) 시스템의 개시된 실시예가 상세히 기술된다. 가능하면, 동일하거나 유사한 참조 번호가 도면과 상세한 설명에서 동일하거나 같은 부분을 참조하기 위하여 사용된다. 도면은 간략화된 형태로 도시되며 정확한 비율은 아니다.

도 1은 종단 펌핑(pumping) 기술에 따라서, 증폭기(12)와 펌프 광(pump light)을 증폭기(12)의 출력단(20)으로 내보내는 펌프 유닛(18)을 포함하는 단일-모드 고출력(single-mode high power: SMHP) 파이버 레이저 시스템(10)을 도시한다. 상기 SMHP 파이버 레이저 시스템(10)은 수동(passive) 파이버(24)에 의해 증폭기(12)의 입력단(22)에 SM 복사를 결합시키면, 실제로 기본 모드(fundamental mode)만이 증폭기의 입력에서 여기되도록 동작한다.

상기 증폭기(12)는 하나 이상의 희토류 이온으로 도핑된 MM 코어(core)(14)와 MM 코어를 둘러싸며 함께 연장된 하나 이상의 클래딩들(claddings: 16)(하나만이 도시됨)로 구성된다. 상기 MM 코어(14)와 클래딩(16)은 각각 좁고 균일한 크기의 입력단 영역(26), 입력단 영역보다 넓은 균일한 크기의 증폭 영역(28) 및 입력단 영역과 코어 증폭 영역을 연결하는 원뿔 형태의 입력 변환(30)을 포함하는 병목 형상의 단면을 갖는다.

MM 코어(14)의 입력단 영역(22)에서 실질적으로 기본 모드만의 여기는 증폭기(12)의 MM 능동(active) 파이버와 각각의 입력 수동 파이버(24)의 출력과 입력 코어 영역의 기하학적 구조의 결과로서 일어난다. 특히, 각각의 파이버의 융합된 출력 및 입력 코어 영역은, 수동 파이버(24)의 코어로부터 방출된 입력 SM 복사의 모드 필드 직경(MFD)이 MM 코어(14)의 입력단 영역(26)에 의해 지지된 기본 모드의 상기 MFD와 실질적으로 매칭되도록 구성된다. 더욱이, 수동 파이버(24)와 증폭기(12)의 융합된 코어 종단들은 입력 SM과 여기된 기본 모드가 각각의 가우스 필드 프로파일(Gaussian field profile)들을 갖도록 구성된다.

각각의 수동 및 능동 파이버의 형태와 실질적으로 매칭되는 MFD들의 조합은 SM 복사의 MM 코어(14)로의 실질적으로 손실 없는 결합을 허용한다. 더욱이, 개시된 여기 모드들의 실질적인 균일성은 MM 코어(14)의 입력에서의 HOM 여기의 가능성을 최소화한다.

SMHP 시스템(10)은 수십 kW에 도달 가능한 광대역 출력 내에서 작동하도록 설계된다. 따라서, 증폭기(12)를 따라 전파되는 광의 전력 밀도 또한 높다. 고전력 밀도는 비선형성에 대한 임계치를 낮추는 경향이 있고, 이것은 레이저 기술 분야에서 통상의 지식을 가진에게 공지된 바와 같이 파이버 레이저 시스템의 특성에 악영향을 준다. 광 전력 밀도를 줄이기 위해, MM 코어(14)의 증폭 코어 영역(32)이 입력단 코어 영역(26)의 것보다 더 큰 직경을 구비한다. 따라서, 증폭 영역(32)의 확대된 코어가 더 양호한 전력 취급 특성을 허용한다. 그렇지만, 증가된 코어 직경은 통상적으로 HOM들의 여기(excitation)의 증가된 극히 바람직하지 않은 가능성과 연관된다. 따라서, HOM들의 여기 가능성을 최소화시키는 기본 모드 LP₀₁의 MFD를 증가시킬 필요가 있다.

본 발명의 모든 실시예를 예시하고 도 1과 연관지어 기술된 도 2에 도시된 바와 같이, 코어(14)의 굴절률 프로파일에 중앙 딥(dip: 38)을 제공하는 것에 의하여 증가된 MFD가 구현된다. 딥(39)은 입력 코어 영역(26)에서 여기된 기본 모드의 가우스의 필드 프로파일을 증폭 영역(32)을 따라 상기 가우스 필드 프로파일보다는 더 큰 코어 영역을 겹치는 환-모양의 프로파일로 변환하도록 구성된다. 그러나, 필드 프로파일의 환-모양의 프로파일로의 순간적인 변화는, HOM들의 여기 가능성 때문에 문제가 될 수 있다. 결과적으로, 바로 아래에 설명되듯이, 딥(38)은 증폭기(12)를 따라 가변적인 형태를 갖는다.

도 1의 상황에서 논의되고 또한 하기에 개시된 모든 실시예에 적용 가능한 도 3은, 가우스 모드의 여기된 기본 모드 LP₀₁를 최소로 왜곡시키도록 구성된 균등한 크기의 딥(38)을 구비한 입력단 영역(26)를 따라 개시된 코어(14)의 계단형 굴절률을 나타낸다. 바람직하게는, 종단 영역(26)를 따라 딥(38)의 폭이 약 1λ과 약 5λ 사이의 범위 내에서 변하는데, 여기서 λ는 능동 코어(14)가 실질적으로 기본 모드만을 지지할 수 있도록 주어진 파장이다. 증폭기(12)의 개시된 구성은 실질적으로 이상적인 구성을 갖는 것으로 간주된다. 그러나 그러한 구성조차도 중앙의 고차(high order) 모드 LP₀₂ 같은 일정한 HOM들의 여기를 허용한다.

입력 변환 영역(30)을 따라 기본 모드가 계속 전파되기 때문에, 딥(38)의 점진적인 확장으로 인해 가우스의 필드 프로파일이 점진적으로 환 필드 프로파일(ring field profile)로 변환된다. 아래에 논의되듯이, 딥(dip)이 더 클수록 기본 모드가 더욱 환형(ring-like)이 된다.

도 4는 현재 개시된 모든 실시예에 관한 것으로, 기본 모드가 MM 능동 코어(14)의 중앙 영역(32)으로 진입할 때 일어나는 기본 모드의 연결된 환 프로파일과 연관된 가장 큰 크기의 딥(38)을 도시한다. 기본 모드 LP₀₁의 환 프로파일이 각각 두 개의 에너지 피크(40, 42)와, 피크 영역을 연결하는 중앙에 위치한 계곡(33)을 포함한다. 따라서, 환 프로파일은 가우스 프로파일보다는 더 큰 영역의 코어(14)를 점유하도록 전개된다. 딥(38)은 코어(14)의 중앙 영역을 바람직하게는, 불소(fluoride) 이온으로 제어가능하게 도핑함으로써 구현될 수 있다. 선택적으로, 붕소(boron) 이온들이 이용될 수 있다. 또 다른 가능성은 코어(14)의 주변 영역의 농도와 다른 인산염의 농도로 중앙 코어 영역을 제어가능하게 도핑하는 것이다. 증폭 영역(32)를 따른 딥(38)의 존재가 중앙 굴절율 영역에서 LP₀₂의 피크 강도를 최소화시킨다는 것을 쉽게 알 수 있다. 더욱이, 기본 모드 LP₀₁의 날개가 펌프 전력의 가장 큰 부분을 추출하여, 실제로 이득 없이 중앙 HOM LP₀₂의 날개를 남겨 놓는다.

도 1과 7-9에 적용 가능하고 도 3, 4와 연관지어 논의된 도 5를 참조하면, 딥(38)과 완전히 도핑된 MM 코어(14)의 조합이 원하는 결과 - 기본 모드 LP₀₁의 증폭과 그것의 왜곡되지 않은 전파 - 을 초래하는 반면에, 증폭기(12)는 동일 결과를 얻을 수 있는 상이한 구조를 가질 수 있다. 예를 들어, MM 코어(14)는 전체 코어 영역을 덮지 않는 환 모양의 도펀트 프로파일(dopant profile: 45)을 가질 수 있다. 특히, 이득(gain) 영역 또는 도펀트 프로파일(45)이 굴절률의 중앙 영역을 둘러싸서 그 주위로부터 얼마간 떨어져 끝난다. 이득 영역은 기본 모드의 환 필드 프로파일의 두 개의 전력 피크 영역(40, 42: 도 4)을 각각 포함하도록 구성된다. 그 결과, 전력 피크(40, 42)의 증폭이 기본 모드에 상당한 이득을 제공하는 반면에, LP₀₂같은 중앙 HOM들은 아예 없거나 의미가 없는 이득을 얻는다.

도 1과 연관되어 기술된 도 6에 대해, 펌프 유닛(18)은 광원으로부터 광을 이송하는 복수의 주변 공급 파이버(50) 및 MM 코어(48)가 제공된 수동 중앙 파이버(46)를 포함한다. 주변 및 중앙 파이버(50, 46) 각각은 서로 작동되도록 연결되어 결합기(combiner)를 형성한다. 상기 결합기의 출력단(36)은 증폭기(12)의 출력단(20)에서 MM 능동 코어(14)의 출력단과 실질적으로 일치하는 중앙 파이버(46)의 MM 코어(48)의 종단을 형성하도록 기계적으로 처리된다. 더욱이, 펌프의 종단(36)의 처리 후에 주변 파이버(50)가, 증폭기의 출력단(20)에서 클래딩(16)의 외경과 실질적으로 매칭되는 외경을 갖는 본체를 형성한다. 중앙 수동 파이버와 각각의 능동 MM 파이버의 코어들(14, 48) 사이에 실질적 매칭은 HOM들의 눈에 띌 만한 여기 없이 환 필드 프로파일을 갖는 기본 모드의 중앙 파이버(48)로의 손실 없는 접속을 제공한다.

도 1로 되돌아가서, 도 4에 도시된 딥(38)과 실질적으로 일치하게 구성된 딥이 또한 수동 중앙 MM 파이버(46)에 제공된다. 결과적으로, 중앙 수동 파이버(46)의 MM 코어(48)가 환 필드 프로파일로 기본 모드를 계속하여 지원한다. 그렇지만, 실제 사용을 위하여, 가우스 필드 프로파일의 기본 모드로 출력 복사를 구비할 필요가 있다. 이에 따라, 중앙 파이버(46)의 하류 종단이 수동의 MM 전달 파이버(52)와 결합되고, 이것은 각각의 파이버들(12, 46) 같이 환 필드 프로파일을 가우스의 것으로 변환하도록 구성된 딥을 구비한 MM 코어를 구비한다. 특히, 전달 파이버의 코어의 딥이 출력(54)으로 점차적으로 좁아지며, 환 필드 프로파일이 가우스 필드 프로파일로 점차적으로 변형되도록 한다. 파이버(52)의 클래딩(53)이 파이버(46)의 외경보다 더 큰 외경을 갖는 입력단과 원뿔대 모양의 출력단을 구비한다. 상기 클래딩(53)은 출력 파이버(46)의 클래딩을 따라 전파되는 광을 수신하여, 상기 광이 시스템(10)의 가장 민감한 범위를 따른 환경을 훼손시키는 것을 방지한다. 전달 파이버(52)의 원뿔대 모양 종단은 수신된 클래딩-지지 광이 시스템 출력(10)에서 코어-지지 광과 섞이기 전에 원하는 지점에서 파이버(52) 밖으로 연결되도록 한다. 전달 빔(52)의 출력단(54)은 고출력 SM 출력 빔에 의해 취해진 환경적인 위험을 최소화시키고 코어-지지된 광의 밀도를 다소 낮추도록 구성된 석영 빔 확장기(56: expander)에 연결된다. 특히, 확장기(56)는 다각형 모양의 단면 혹은 임의의 다른 단면을 구비하고, 여기서 출력단 영역은 바람직하게는 확장기의 확장기의 입력단 단면보다 더 큰 단면을 갖는다.

도 7은 본 내용의 종단 펌핑(pumping) 구성의 변형을 도시한다. 도 1에 도시된 증폭기(12)와 달리, 증폭기(56)는 이중의 병목 단면을 갖는다. 따라서, 입력단 영역, 변환 영역 및 증폭 영역(26, 30, 32)에 더하여, MM 코어(58)는 각각의 입력단(26)과 입력 변환 영역(30)과 실질적으로 일치하도록 구성된 출력 변환 영역(60)과 출력단 영역(62)을 더 구비한다.

이중 병목 모양의 증폭기(56)의 구조가 본 발명의 목적, 즉 입력 SM 복사의 손실 없는 접속, HOM들의 최소 혹은 무(無) 여기 및 비교적 높은 비선형 임계치와 부합한다. 도 1을 참조하여 상세히 기술되듯이, 실질적으로 손실 없는 광 결합과 최소 HOM 여기는 종단 입력 영역(26)의 구조와 SM 수동 파이버의 출력 영역(24)을 매칭하는 것에 의해 구현된다. 게다가, 증폭기(56)의 코어(58)는 도 2 및 4에 각각 도시된 크기와 모양에 따라 구성되고 코어(58)의 굴절률로 이루어진 딥을 포함한다. 특히, 입력단 영역(26)를 따라 연장된 딥은 여기된 기본 모드의 가우스 필드 프로파일을 방해하지 못하도록 충분히 작다. 더욱이, 상기 딥이 입력단 변환 영역(30)을 따라 확장되고 증폭 영역(32)을 따라 가장 큰 크기를 갖기에, 가우스 필드 프로파일을 환 필드 프로파일로 점차로 변환하여 가우스 프로파일의 것보다는 더 큰 유효 영역의 기본 모드를 제공한다.

출력단 전이 및 종단 영역(60, 62) 각각의 추가는, 환 필드 프로파일을 가우스 필드 프로파일로 점차로 변환하는 출력 변환 영역에 따라서 딥의 크기를 점차로 감소시키도록 한다. 코어(58)의 출력단 영역(62)은 결합기(combiner)의 중앙 파이버(46)의 MM 코어로 접속된 기본 모드의 가우스 프로파일에 영향을 주지 않는 작은 딥으로 구성된다. 상기 결합기는 도 1에 기술된 구조에 따라 구성된다.

MM 능동, 중앙 및 공급 파이버-도 1, 7의 SMHP 파이버 레이저 시스템의 구성요소들-는 필수는 아니지만 바람직하게 모두가 계단 모양의 굴절률 프로파일을 구비한다. 입력 SM 파이버(24)는 바람직하게 W 프로파일로 구성된다.

개시된 SMHP 파이버 레이저 시스템의 다른 실시예들은 측면-펌핑 기술에 따라 구성된다. 상기 개시된 구성과 유사하게, 아래 기술되듯이, 측면-펌핑 기술에 근거한 기술된 SMHP 파이버 레이저 시스템은 비선형의 높은 임계치를 갖고 실질적으로 기본 모드만을 지원하며 실질적으로 손실 없는 광 결합을 허용한다.

도 8은 측면-펌핑 기술에 따라 SM 복사를 지원하는 도파관과 상기 도파관 속으로 펌프 광을 발사하는 펌프 유닛(66)을 포함하는 SMHP 파이버 레이저 시스템(64)을 도시한다. 상기 도파관은 도 1의 증폭기(12)와 유사하게 구성된 증폭기(68)를 포함한다. 특히, 증폭기(68)는 실질적으로 기본 모드만을 지원할 수 있는 MM 코어(70)와, 하나 이상의 클래딩을 포함한다. 이렇게, 상기 코어(70)는 실질적으로 가우스 필드 프로파일의 기본 모드만이 여기(勵起)되도록 SM 수동 입력 파이버(78)로부터 SM 복사를 수신하는 구조의 균등한 크기의 입력단 영역(72)을 구비한다. 원뿔 형태의 입력단 변환 영역(74)에 도달하면, 상기 기본 모드는 HOM에 결합하지 않고 거기를 따라 전파하여 균등한 크기의 증폭 영역(79)를 따라 지원 및 증폭된다. 비선형성의 임계치를 올리기 위해, MM 코어(76)에는 도 3에 따른 입력단 영역(72)를 따라 그리고 도 4에 따른 증폭 영역(78)를 따라 구성된 딥이 제공된다. 따라서, 가우스 필드 프로파일의 기본 모드가 입력 변환 영역(74)을 따라 전파됨에 따라, 그 모양은 가우스 필드 프로파일에서 환 필드 프로파일로 변환한다.

증폭기(68)의 출력에서의 결합 손실을 방지하기 위해, 단일 출력 MM 수동 파이버(80)는 MM 코어(76)의 출력단과 기하학적으로 및 광학적으로 매칭되는 구조의 입력단을 구비한 코어(82)를 가져서 실질적으로 결합된 기본 모드만이 코어(82)에 의해 지지되도록 한다. 도 4에 따른 도핑된 MM 코어(76)의 증폭 영역(78)에 제공된 딥과 유사한 구조의 단일 파이버(80)에서의 딥 때문에, 환 모양의 기본 모드가 역시 방해받지 않고 남아있다. 각각의 MM 파이버들(68, 80)의 외경이 이와 같이 대체로 서로 매칭된다. 수동 전달 파이버(84)에는 또한 실질적으로 기본 모드만을 지원하고 수신하도록 하는 MM 코어(86)가 제공한다. 전달 파이버(84)의 클래딩(88)의 외경은 도 1에 기술된 이유 때문에 바람직하게는, 신호 파이버(80)의 외경보다 더 크다. 딥의 굴절률이 결과적으로 점점 기본 모드의 환 필드 프로파일에서 가우스 필드 프로파일로 재형성되도록, MM 코어(86)의 출력단이 안으로 점점 가늘어진다. 전달 파이버(88)의 가늘어진 출력단이 커넥터(92) 내에 위치한 석영 블록(90)에 동작가능하게 연결된다.

펌프 유닛(66)은 레이저 다이오들 또는, 바람직하게는 MM 펌프 광 발사 파이버(96)를 구비한 결합기(94)로 함께 결합된 복수의 SM 파이버 레이저들과 같은 복수의 광원들로 구성된다. 발사 파이버(96)는 반드시는 아니지만 바람직하게는, MM 코어(76)의 증폭 영역(79)를 따라서 증폭기 또는 능동 파이버(68)를 따라 연장되며 그에 결합됨에 따라 점차로 가늘어진다. 파이버들(96, 68) 사이의 결합 영역은 발사 파이버(96)의 전체 가늘어진 영역과 대체로 일치한다. 희토류 또는 전이 금속 이온으로 도핑된, 증폭기(64)의 코어(76)의 증폭 영역을 따라 펌프 광의 최대 흡수를 제공하도록 가늘어진 영역의 길이와 외형이 선택된다. MM 수동 파이버로 구성되는 결합기(94)와 각각의 MM 능동 파이버(68) 및 신호 파이버(80)의 융합된 종단은 커플러(coupler) 파이버 클래딩 내에 포함된 것보다 더 작은 굴절률의 재료로 이루어진 커플러(95)에 의해 함께 결합된다. 상기 커플러(95)는 이렇게 구성되어 주위 밖으로의 클래딩 지지된 모드의 커플링을 방지한다.

상기 SMHP 파이버 레이저 시스템(64)은 능동 MM 파이버(10)의 능동 매체와 SM 펌프 파이버 레이저(93)의 구성에 따라, 다양한 파장에서 작동한다. 각각 로만(Roman) 구성 코어(76)를 갖는 SM 펌프 레이저 각각이 Er 이온들로 도핑된다면, 예를 들어, 시스템(64)의 출력 빔이 약 1530nm 이상의 파장에서 방사될 수 있다. 추가 예로, 약 1560-1600nm의 파장에서 SM 방사를 출력하는 SMHP 시스템(64)의 Er 도핑된 파이버(68) 속으로 약 1530과 약 1540nm 사이의 파장에서 Yb/Er 레이저가 펌프 광을 발사하도록, SM 펌프 레이저(92)가 구성될 수 있다. 더 추가하면, Yb/Er 같이 도핑된 SM 펌프 레이저(92)는 각각 약 1550-1600nm 사이의 파장에서 광을 방사하는 반면, Tm으로 오핑된 코어(76)는 1750-2100μm 사이 범위의 파장에서 출력 SM 복사 빔을 출력한다. 고출력 시스템(64)의 또 다른 가능한 변형에서, SM 펌프 레이저(92) 각각이 Nd 도핑된 파이버로 구성되어, 약 974nm 내지 약 1μm의 파장으로 실질적으로 SM 출력 빔을 발생하는 Yb 도핑된 파이버(68)로 920-945nm 범위 내의 펌프 광을 발사한다. 마지막으로, Yb 도핑된 SM 펌프 파이버 레이저(92)가 약 1000-1030nm의 파장으로 펌프 출력을 발생하고 이것이 Yb 이온으로 도핑된 MM 능동 파이버(68) 속으로 발사되어서, 약 1050내지 약 1080nm 범위의 파장에서 증폭된 SM 복사를 출력한다.

바로 위에 기술된 펌프 유닛(66)과 실질적으로 동일하게 구성된 펌프 유닛(98)과 조합된 측면 펌핑 구조를 갖는 개시된 SMHP 파이버 레이저 시스템(100)의 추가 변형이 도 9에 도시된다. 한편, SMHP 시스템(100)의 도파관은 도 7의 증폭기(56)와 유사하게 구성되며, 도 2-4를 참조하여 기술된 굴절률의 딥과 이중의 병목 단면을 갖는 증폭기(102)를 구비한다. 바람직하게, 필수적인 것은 아니지만, 증폭기(102)의 코어는 도 5를 참조하여 상세히 설명된 환 도펀트 프로파일을 갖도록 도핑된다.

수동 SM 신호 파이버(104)는 증폭기(102)의 각각의 코어와 클래딩과 유사한 크기의 코어와 클래딩을 갖도록 구성된다. 그 결과, 신호 파이버의 반대 단(105)에 융합된 증폭기(102)의 출력단으로부터 방출된 가우스 프로파일의 SM 복사가, HOM의 실질적인 여기와 눈에 띌만한 손실없이 SM 수동 신호 파이버(104)로 결합된다. 바람직하게 W 굴절률 프로파일로 구성된 MM 전달 수동 파이버(106)가, 이러한 파이버의 융합된 종단의 동일한 구조 때문에 눈에 띌만한 손실과 HOM들의 여기 없이 신호 파이버의 출력단(107)에 융합된다. 고전력 밀도를 다소 완화시키도록, 전달 파이버(106)가 각각 병목-형상의 단면(108)을 갖는 코어와 클래딩을 구비할 수 있다.

기술된 고출력 SM 파이버 레이저 시스템이 양쪽의 펄스와 CW 구조 모두에 통합될 수 있다. 이에 따라, 광대역 라인 CW용 4-파(wave) 믹싱(mixing)과 협대역 라인용 SBS를 따른 펄스 파이버 레이저 시스템용 4-파 믹싱 및 평파 SBS, 자체 위상 변조 같은 다른 비선형 효과를 위한 임계치가 상승할 수 있다.

모든 상술한 능동 파이버나 증폭기에서 MM 코어의 주(host) 물질은 실리카(silica)를 포함하지만, 바람직하게 상기 코어의 주 물질은 인산염을 포함한다. 이는 도파관의 열화를 초래하는 클러스터(cluster)들의 생성 없이도 인산염 도펀트 농도가 실리카보다 더 높기 때문에 바람직하다. 대체로, Yb 같은 이온의 온도가 약 1000-2000ppm에 도달할 때, Si에서의 클러스터의 발생이 관측된다. 이와는 대조적으로, 인산염 주 물질은 약 5000ppm 이상의 희토류 이온 농도를 허용한다. 위에 언급되었듯이, 상기 도펀트는 희토류 및 전이 금속으로부터 선택될 수 있다.

이상에서는 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 설명하였으나, 당업자라면 본 발명의 취지 및 범위를 벗어나지 않고 수정, 변경을 할 수 있다. 따라서 본 발명의 상세한 설명 및 실시예로부터 본 발명이 속하는 기술분야에 속한 사람이 용이하게 유추할 수 있는 것은 본 발명의 권리범위에 속하는 것으로 해석된다.

10: SMHP 파이버 레이저 시스템
12: 증폭기
14: MM 코어
16: 클래딩
18: 펌프 유닛
20: 증폭기의 출력단
22: 증폭기의 입력단
24: 수동 파이버
26: 입력단 영역
28: 증폭 영역
30: 입력 변환 영역
32: 증폭 코어 영역
46: MM 코어
48: 중앙 영역
50: 주변 영역
52: 전달 파이버
53: 전달 파이버의 클래딩
54: 전달 파이버의 출력단
56: 석영 빔 확장기

Claims

단일-모드 고출력(SMHP: single-mode high power) 파이버 레이저 시스템(fiber laser systems)에 있어서,
병목-형상(bottleneck-shaped)의 단면을 갖는 코어(core)를 구비한 다중모드(MM: multimode) 능동 파이버로서, 상기 코어가 소정 파장에서 실질적으로 기본 모드(fundamental mode)만을 지원하고 상기 기본 모드가 상기 코어를 따라 전파됨에 따라 상기 기본 모드의 가우스 필드 프로파일(Gaussian field profile)이 환(ring) 필드 프로파일로 변환되도록 구성되는, MM 능동 파이버; 및
실질적으로 증폭된 기본 모드로 방사선을 출력하는 상기 MM 능동 파이버로 결합되는 펌프 빔(pump beam)을 발생하도록 작동하는 펌프 장치를 포함하는, SMHP 파이버 레이저 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 능동 MM 파이버는 상기 코어와 같은 길이로 전개되어 상기 코어를 둘러싸는 적어도 하나의 클래딩(cladding)을 더 포함하고,
상기 코어는:
가우스 필드 프로파일로 상기 기본 모드를 안내하는, 균등한 크기의 입력단 영역;
상기 입력단 영역의 직경보다 더 큰 직경을 갖고서 상기 환 필드 프로파일로 상기 기본 모드를 증폭하도록 작동하는, 균등한 크기의 증폭 영역; 및
상기 기본 모드의 가우스 필드 프로파일을 환 필드 프로파일로 점차로 변환하도록 구성되어 각각의 입력단 영역과 증폭 영역의 대향하는 종단들을 연결하는 원뿔 형태의 입력단 변환 영역을 포함하며,
상기 MM 능동 파이버의 코어는 상기 MM 파이버의 대향하는 종단들 사이에 연장된 중앙 딥(dip)을 구비한 계단형 굴절율 프로파일(refractive step index profile)로 구성되는, SMHP 파이버 레이저 시스템.
제 2 항에 있어서,
상기 펌프 장치는:
환 필드 프로파일로 상기 기본 모드를 실질적인 손실 없이 수신하여 고차 모드(HOM: high order mode)들로의 실질적인 결합 없이 이를 인도하도록, 상기 능동 파이버의 증폭 영역의 코어에 모드 매칭(modematch)된 MM 코어를 구비하고, 상기 MM 능동 파이버의 출력단에 직접 융합된 중앙 신호 수동 파이버; 및
상기 MM 능동 파이버의 출력단 영역의 클래딩(cladding)으로 펌프 빔(pump beam)을 발사하도록 서로 작동가능하게 연결되고, 상기 중앙 신호(signal) MM 파이버를 둘러싸는 복수의 주변 파이버들로 구성되는, SMHP 파이버 레이저 시스템.
제 3 항에 있어서,
상기 MM 중앙 신호 파이버의 코어는, 링 필드 프로파일로 기본 모드의 전파를 지원하기 위해, MM 파이버들 사이의 연결부에서 상기 MM 능동 파이버의 증폭 영역의 딥(dip)과 정렬되고, 상기 딥과 유사하게 구성된 하나의 중앙 딥이 제공된 계단형 굴절율 프로파일로 구성되는, SMHP 파이버 레이저 시스템.
제 4 항에 있어서,
상기 MM 중앙 신호 파이버의 코어와 실질적으로 동일하게 구성된 코어를 구비하고 상기 펌프 장치의 중앙 신호 MM 파이버와 융합된 수동 MM 전달 파이버를 더 포함하며,
상기 중앙 신호 파이버의 외경이 상기 전달 파이버의 외경보다 더 큰, SMHP 파이버 레이저 시스템.
제 5 항에 있어서,
상기 전달 파이버는 점점 가늘어지는 출력단을 구비하고, 상기 전달 파이버의 코어는 상기 기본 모드의 환 필드 프로파일을 가우스의 필드 프로파일로 재형성하도록, 상기 전달 파이버의 출력단을 따라 좁은 딥을 구비한 계단형 굴절률 프로파일(step index profile)로 구성되는, SMHP 파이버 레이저 시스템
제 6 항에 있어서,
상기 전달 파이버로부터 수신된 가우스의 필드 프로파일의 상기 기본 모드를 확장하도록 구성된 석영 빔 확장기를 더 포함하는, SMHP 파이버 레이저 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 MM 능동 파이버의 코어는 이득 매체(gain medium)가 제공된 계단형 굴절률 프로파일을 구비하며, 상기 이득 매체는 상기 기본 모드만을 증폭하도록 구성되고 상기 코어의 주변 영역과 중앙 영역 사이에 위치한 환-모양의 영역을 가로지르거나 상기 코어의 전체 영역을 가로질러 도핑되는, SMHP 파이버 레이저 시스템.
제 2 항에 있어서,
상기 MM 능동 파이버의 입력단으로 SM에서 입력 방사선을 발사하는 SM 수동 입력 파이버를 더 포함하고,
상기 코어는 상기 MM 능동 파이버의 입력 영역을 따라 연장되고 각각의 단일 및 기본 모드의 모드 필드 직경이 실질적으로 서로 매칭되도록 상기 SM 입력 파이버의 코어가 구성되는, SMHP 파이버 레이저 시스템
제 2 항에 있어서,
상기 MM 능동 파이버의 코어는,
상기 증폭 영역로부터 좁아지는 원뿔 형태의 출력 변환 영역과,
상기 출력 변환 영역로부터 이어지고 상기 종단 입력 영역과 실질적으로 동일하게 구성된 출력단 영역과,
상기 펌프 유닛으로 이어진 상기 출력단 영역을 따라 전파하는, 상기 기본 모드의 환 필드 프로파일을 가우스 필드 프로파일로 점차로 변환하도록 출력 변환 영역을 따라 구동하는 딥(dip)으로 구성되는, SMHP 파이버 레이저 시스템.
제 10 항에 있어서,
상기 펌프 유닛은,
상기 가우스 프로파일로 기본 모드를 손실 없이 수신하여 안내하도록, 상기 MM 능동 파이버의 상기 출력단 코어 영역에 모드 매칭되도록 구성된 코어를 구비하는, 상기 MM 능동 파이버에 융합된 MM 중앙 신호 수동 파이버; 및
상기 MM 능동 파이버의 코어의 출력단 영역을 둘러싸는 MM 능동 파이버의 클래딩으로 상기 펌프 빔을 전달하고, 상기 중앙 신호 수동 파이버를 둘러싸는 복수의 주변 파이버로 구성되는, SMHP 파이버 레이저 시스템.
제 11 항에 있어서,
입력단 및 출력단 영역을 따라 연장된 중앙 딥이, 상기 가우스 필드 프로파일의 왜곡을 방지하도록 비교적 작고, 상기 증폭 영역을 통해 연장된 상기 딥이 상기 종단 영역을 따른 것보다 더 크며 기본 모드의 환 필드 프로파일을 지지하도록 구성되는, SMHP 파이버 레이저 시스템.
제 2 항에 있어서,
상기 펌프 유닛은,
펌프 빔의 소스(source); 및
상기 펌프 빔을 수신하고, 상기 코어의 증폭 영역을 따라서 상기 MM 능동 파이버의 스트레치에 작동가능하게 연결되어 그것을 따라 연장된 부분을 구비하는 공급 MM 파이버로 구성되는, SMHP 파이버 레이저 시스템.
제 13 항에 있어서,
상기 MM 능동 파이버의 출력단 영역에 융합된 종단을 구비하고, 상기 신호 파이버의 코어로 상기 기본 모드의 손실 없는 접속을 제공하도록 상기 MM 능동 파이버의 출력단 코어 영역와 실질적으로 동일한 크기의 코어로 구성되는 신호 MM 수동 파이버를 더 포함하는, SMHP 파이버 레이저 시스템.
제 14 항에 있어서,
상기 기본 모드가 HOM들에 결합하지 않고 실질적으로 손실 없이 전달 파이버의 코어에 결합되도록, 상기 중앙 신호 파이버의 다른 종단에 융합된 MM 전달 파이버를 더 포함하고,
각각의 융합된 능동, 신호 및 전달 파이버들의 코어들은 중앙 딥이 제공된 계단형 굴절율 프로파일을 갖는, SMHP 파이버 레이저 시스템.
제 13 항에 있어서,
상기 전달 파이버의 코어는 균일한 크기위 출력 영역으로 좁아지는 원뿔대 모양의 출력 변환 영역을 가지며,
상기 딥은,
각각의 능동 및 전달 파이버의 대향하는 입력 및 출력 영역을 따라 상기 기본 모드의 가우스 필드 프로파일을 보존하도록 선택된 비교적 작은 폭;
각각의 능동 및 전달 파이버의 변환 입력 및 출력 영역 사이에 기본 모드의 환 프로파일을 보존하도록 선택된 비교적 큰 폭: 및
상기 능동 및 전달 파이버의 각각의 변환 입력 및 출력 영역을 역으로 따라서 및 가우스 프로파일을 상기 기본 모드의 환 프로파일로 형성하도록 선택된, 점차로 확장되고 좁아지는 폭으로 구성되는, SMHP 파이버 레이저 시스템.
제 16 항에 있어서,
석영 빔 확장 블록을 더 포함하는, SMHP 파이버 레이저 시스템.
제 10 항에 있어서,
상기 펌프 유닛은,
펌프 빔의 소스; 및
상기 펌프 빔을 수신하고, 상기 코어의 증폭 영역을 따라 연장되어 MM 능동 파이버에 동작가능하게 연결된 가늘어지는 부분을 구비하는 공급 MM 수동 파이버로 구성되는, SMHP 파이버 레이저 시스템.
제 19 항에 있어서,
상기 가우스 필드 프로파일을 갖는 상기 기본 모드가 실질적인 손실 및 HOM들의 여기 없이 신호 파이버로 결합되도록, 상기 MM 능동 파이버의 출력단 코어 영역과 실질적으로 동일하게 상기 MM 능동 파이버의 출력단 코어 영역에 융합된 SM 신호 파이버: 및
가우스 프로파일을 갖는 상기 기본 모드가 실질적인 손실 및 HOM들의 여기 없이 상기 전달 파이버의 코어의 입력단 영역에 결합되도록, SM 신호 파이버의 출력단과 실질적으로 동일한 크기를 갖고 SM 신호 파이버의 출력단에 융합된 입력단을 구비한 MM 수동 전달 파이버를 더 포함하는, SMHP 파이버 레이저 시스템.
제 19 항에 있어서,
상기 MM 수동 전달 파이버의 코어는 입력 영역으로부터 연장된 원뿔형 영역과 상기 MM 수동 파이버의 입력 영역보다 큰 중앙 영역을 갖는, SMHP 파이버 레이저 시스템.