KR20130134199A - 포화흡수체와 비선형 편광 회전 현상을 통해 모드 동기가 되는 10 ＭＨｚ 이하의 반복률을 갖는 광섬유 레이저 공진기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 포화흡수체와 비선형 편광 회전 현상을 통해 모드 동기가 되는 10 MHz 이하의 반복률을 갖는 전체 정상 분산 광섬유 레이저 공진기에 관한 것으로, 레이저 pump 광을 출력하는 레이저 다이오드, 상기 레이저 다이오드에서 출력되는 레이저 pump 광을 공진기 내부로 couple시키는 파장분할기, 상기 파장분할기를 투과한 공진기의 펄스를 couple된 pump 광을 이용해 증폭시키는 이터븀 첨가 광섬유, 상기 광섬유를 투과한 레이저 광의 편광을 변환시키는 제 1 파장판(1/4)과 제 1파장판(1/2), 상기 제 1파장판을 각각 투과한 레이저 광의 편광을 분리하는 제 1편광 광 분할기, 상기 제 1편광 광 분할기를 투과한 광의 투과 대역을 각각 필터링 하는 복굴절 결정 기반 광학 필터와 간섭 필터, 상기 간섭 필터를 투과한 편광 중에서 일부 광을 차단하는 광차폐기, 상기 광차폐기를 투과한 광의 편광을 변환시키는 제 2 파장판(1/2), 상기 제 2파장판을 투과하는 레이저 광의 편광을 분리하는 제 2편광 광 분할기, 상기 제 2편광 광 분할기를 투과한 광 편광을 변환시키는 제 2파장판(1/4), 상기 제 2파장판을 투과한 광을 투과시키는 렌즈, 상기 렌즈를 투과한 광의 모드잠금을 유도하는 포화 흡수체, 모드잠금된 레이저 광의 편광 광을 변환시키는 제 3파장판(1/4) 및 상기 제 3파장판을 투과한 레이저 광의 낮은 반복률을 유도하는 단일모드 광섬유를 포함하며, 상기 레이저 다이오드에서 출력되는 레이저 광이 순차적으로 투과하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

포화흡수체와 비선형 편광 회전 현상을 통해 모드 동기가 되는 10 ＭＨｚ 이하의 반복률을 갖는 전체 정상 분산 광섬유 레이저 공진기{Sub 10MHz - All normal dispersion fiber laser oscillator modelocked by saturable absorber and nonlinear polarization rotation phenomena}

본 발명은 펨토초 레이저 펄스 생성 시스템에 관련된 것으로, 좀 더 상세하게는 포화흡수체(saturable absorption materials such as semiconductor saturable absorber mirror, Carbon nano tube based materials, Graphite based materials)에서 기인하는 광량에 따른 차별적인 흡수 특성과 비선형 편광 회전 현상(nonlinear polarization rotation)을 통해 모드 동기가 되는, 10 MHz 이하의 반복률을 갖는 광섬유 레이저 공진기에 관한 것이다.

광섬유 기반 펨토초 레이저는 크게 'ring-type'과 'figure eight type' 그리고 'Fabry-Perot type'으로 나눌 수 있다. 'ring-type'에서는 NPE(nonlinear polarization evolution) 현상 및 광량에 따라 다른 투과, 흡수 특성을 보이는 포화 흡수체(saturable absorber)를 이용하여 수동 모드 잠금(passive mode locking)을 실현하여 좁은 펄스를 생성한다. 'Fabry-Perot type'의 경우 'ring-type'과는 달리 공진기내부에서펄스의진행방향이양방향이기때문에주로포화흡수거울(saturable absorber mirror)을 이용하여 좁은 펄스를 생성한다. 반면 'figure eight type'의 경우는 두 개의 공진 루프(loop)를 광섬유 커플러(fiber coupler)를 통해 연결한 시스템으로 시계 방향과 반시계 방향으로 공진하는 펄스 간 비선형 현상의 차이를 이용하여 좁은 펄스를 생성한다.

광섬유 기반 증폭 매질은 Er, Yb, Tm, Ho 등의 희토류 이온을 광섬유에 도핑시켜 제작하는데, 희토류 이온의 종류에 따라 흡수 및 방출 파장 대역이 달라진다. 이중 Yb 이온은 흡수대역은 915nm와 976nm이며, 방출대역은 1030 ~ 1060nm 대역으로서, 흡수대역인 976nm의 경우 상용 다이오드 레이저의 출력 파장과 일치하여 경제적인 펌핑이 가능하며, 방출대역과 흡수대역간의 파장차이가 다른 희토류 이온들에 비해 상대적으로 매우 작아 quantum defect(펌핑 포톤과 방출되는 포톤 간의 에너지 차이)가 작으며, 따라서 펌핑 대비 출력 비가 높은 장점을 갖는다. 더불어 낮은 quantum defect값은 낮은 발열량을 의미하므로 고출력 시스템에 더욱 적합하다. 이로 인해 광섬유 기반 고출력 증폭 시스템은 대부분 Yb 첨가 광섬유를 증폭 매질로 사용하고 있으며, 1μm의 파장을 가이드 하기에 적합한 형태로 디자인 되어 있다.

광섬유의 분산은 물질 분산(material dispersion)과 도파관 분산(waveguide dispersion)의 합으로 결정된다. 분산의 단위는 ps²/m,또는 ps/nmㅇkm이며 ps²/m > 0,ps/nmㅇkm < 0 인 경우 정상 분산이라고 한다. 빛이 투과하는 대역에서의 대부분의 매질은 정상 분산 값을 가지며, 이는 물질 고유의 값이기 때문에 조절할 수 없는 고정된 값이다. 반면 도파관 분산의 경우 코어와 클래딩의 굴절률 차이, 코어의 지름 등 광섬유의 디자인에 따라 조절이 가능하며, 이의 조절을 통해 광섬유가 갖는 분산을 조절할 수 있다. 1.5μm 대역의 광섬유의 경우에는 물질이 갖는 정상 분산 값이 상대적으로 작기 때문에 도파관 분산을 조절하여 광섬유의 전체 분산 값을 비정상 값으로 맞출 수 있는 반면, μm 대역의 경우 물질의 정상 분산 값이 커서 대부분의 단일 모드 광섬유는 정상 분산 값을 보이게 된다.

광섬유 기반 공진기에서는 공진기 분산의 정도에 따라 발생하는 펄스의 특성이 달라지며, 크게 세 가지 타입으로 구분할 수 있다. 첫 번째는 soliton pulse이다. 이는 전체 분산이 음(비정상)일 경우 발생하는 펄스로, 비선형 효과와 분산 효과의 상호 작용에 의해 펄스가 생성된다. 펄스가 발진하기 위한 threshold 파워가 낮은 특징을 갖는다. 다음으로 stretched pulse(dispersion managed pulse)가 있는데 정상과 비정상 분산의 조합을 통해 전체 분산이 0일 경우 발생하는 펄스로, 스펙트럼이 넓고 노이즈 레벨이 낮은 특징을 갖는다. 마지막으로 정상 분산 대역에서 발진하는 self similar pulse가 있는데 전체 분산이 양인 경우 발생하는 펄스로 상대적으로 큰 광량이 얻어진다는 장점이 있다.

앞서 언급한 것과 같이 1.0 μm 대역에서는 대부분의 광섬유 및 광섬유 부품들이 정상 분산 특성을 나타내기 때문에, soliton pulse와 stretched pulse를 발생시키기 위해서는 공진기 내부에 FBG(fiber Bragg grating)이나 회절격자 쌍 등 분산 보상을 위한 장치를 별도로 삽입하여야 한다. FBG는 grating 패턴을 새기는 과정에서의 한계로 인해 300 fs 수준의 좁은 펄스의 생성이 어려우며, 회절격자 쌍은 시스템이 커지고 장기 유지보수에 어려운 점이 있다. 반면 self similar pulse의 경우에는 추가 분산 보상의 필요성이 없다.

기존 연구결과를 살펴보면, Cornell 대학의 Andy Chong 및 그의 동료들이 전체 정상 분산 대역에서 비선형 편광 회전 현상을 이용하여 25 MHz, 12.5 MHz의 반복률을 갖는 공진기를 제작한 예가 존재한다. 이때, 모드 잠금이 일어나기 위한 필수 부품으로 대역 투과 필터(band pass filter)가 있으며 투과 필터의 대역이 좁을수록 더 낮은 반복률을 갖는 공진기의 구성이 가능하다고 언급하고 있다.(8 nm band pass filter를 사용 시 25MHz 반복률의 공진기 구성가능, 6 nm band pass filter 사용 시 12.5 MHz 반복률의 공진기 구성가능) "OPTICS LETTERS / Vol. 32, No. 16 / August 15, 2007" 비선형 편광 회전 현상은 펄스의 첨두 출력에 따라 광섬유 내에서 펄스가 겪는 굴절률이 달라져 위상차가 발생하는 현상을 말하며, 간단한 수식으로 표현하면 다음과 같다.

[수학식]

ΦNL=γl(P_x-P_y)/3

여기서 ΦNL은비선형위상차, γ는 비선형 계수(/W·km), l는 광섬유의 길이, P_x, P_y는 펄스의 x축과 y축 광 첨두출력을 의미한다.

이러한 현상에 의해 생성되는 펄스들은 첨두출력에 따라 다른 편광을 갖게 되며, 여기에 편광 조절 모듈과 편광판(혹은 편광 분할기)를 배치시키면 특정 첨두 출력을 갖는 펄스를 선별적으로 선택하여 공진시킬 수 있어 모드들의 동기화(모드 잠금)가 가능해진다.

포화흡수체(Saturable absorber)는 빛의 강도에 따라 흡수 및 반사율이 달라지는 물체로써, Saturation fluence이하에서는 광량이 증가함에 따라 흡수율이 작아지는 경향을 보이고, 이로 인해 광량이 큰 펄스를 선택적으로 투과시켜 공진기의 모드잠금에 기여하는 물체이다.

광섬유 기반 펨토초 레이저 공진기의 반복률 대역은 광섬유 기반 펨토초 레이저 공진기에서 반복률은 공진기의 광경로 길이와 직접적인 관련이있으며, 좁은 펄스 생성에 필수적인 모드 잠금 현상은 반복률이 30 ~ 200 MHz에 해당하는 광경로 길이일 때 안정적으로 일어난다. 반복률을 200 MHz이상으로 높이기 위해서는 공진기를 구성하는 광섬유의 길이가 1 m 보다 짧아야 하는데 공진기 구성에 필수적인 증폭매질이나 파장분할기(WDM)의 길이를 고려하여 보았을 때, 구현이 쉽지 않다. 또 반복률을 30 MHz이하로 낮추기 위해서는 공진기를 구성하는 광섬유의 길이가 7 m이상으로 길어져야 하며, 이때 광섬유의 분산이나 편광 모드 분산(polarization mode dispersion)에 의한 영향이 증가하여 모드 잠금 현상이 일어나기 어려워진다.

한편, 가공을 목적으로 하는 극초단 고출력 레이저 시스템과 공진기 반복률의 관계를 살펴보면, 공기 중에서 시편에 극초단 펄스 레이저를 가해 가공을 할 때, 집광된 펄스의 광량이 10¹³W/cm² 레벨을 넘어서게 되면 air breakdown plasma가 발생하게 되며, 이에 의해 가공 효율이 감소하는 경향이 있는데, 이 plasma의 소멸 시간이 수 μs 수준이다. 펄스의 반복률이 수 MHz 이상이 되면 plasma가 미처 소멸되기도 전에 다음 펄스가 입사하게 되지만, 펄스의 반복률이 수 MHz 이하가 되면 plasma에 의한 가공 효율 감소 효과를 최소화 시킬 수 있다. Glass 계열 등 시편의 열전도도가 낮은 경우에는 레이저에 의해 발생된 열의 확산이 상대적으로 늦어 시편이 열에 의해 변형될 가능성이 높아진다. 반복률이 수 MHz이하가 되면 열의 축적으로 인한 변형 현상을 완화시킬 수 있어 극초단 펨토초 레이저의 초정밀 가공 장점을 극대화 시킬 수 있는 장점이 있다.

펄스의 반복률이 낮으면 낮을수록 같은 평균 출력에서 펄스당 에너지가 커지는 장점이 있다. 10 MHz 이하의 반복률을 갖는 극초단 펄스 레이저 시스템을 구성하기 위해서는 수십 MHz의 반복률을 갖는 공진기에펄스 picking 시스템을 조합하거나, 또는 공진기자체가 10 MHz 이하의 반복률을 갖도록 하는 방법이 있다.

펨토초 레이저 증폭 시스템에서 레이저를 가공에 적용하기 위해서는 수 W이상의 평균출력의 확보가 요구된다. 대부분의 레이저 공진기의 경우 평균출력은 수십 mW~수백 mW 수준이며 따라서 추가적인 증폭단을 통해 추가 증폭이 진행된다. 기존에 가공에 널리 응용되던 고출력 펨토초 레이저 시스템은 크리스탈 기반 증폭 시스템이며 따라서 발열 문제로 인해 수백 kHz이상의 반복률을 얻기가 어려운 단점이 있다. 반면 광섬유를 증폭 매질로 하는 증폭 시스템은 광섬유의 구조에서 기인하는 효율적인 발열 조건으로 인해 수 MHz 이상의 반복률 확보가 용이하다.

극초단 펄스 레이저 절단 및 가공은 기존의 펄스 레이저는 피가공물을 열적으로 여기시킴으로써, 물질의 상을 변화시켜 가공을 수행한다. 이에 반해, 극초단 펄스 레이저(펄스 폭 10 ps 이하)는 극초단 펄스의 높은 첨두출력을 이용하여 피가공물을 플라즈마 상태로 직접 변화시켜 제거하거나 물질의 상태를 변화시키는 것을 기반으로 한다.

또한, 좁은 펄스 폭으로 인해, 주변 물질로 열이 전도되기 전에 모든 가공이 수행되므로, 가공 주변 부에 영향을 주지 않는 깨끗하고, 정밀한 가공이 가능하다.

극초단 펄스 레이저의 가공에 있어서의 장점으로는 극초단 펄스 레이저 가공에서는 기존 레이저 가공에서 요구되는 피가공물의 비결정적 결함전자(Defect Electron)에 의존하지 않고, 비선형 광흡수에 의해 가공이 시작 및 진행됨. 따라서 가공물에 의존하지 않는 결정적 공정(Deterministic)으로 가공의 제어가 매우 용이하다. 극초단 펄스 앞 단의 수십 펨토초에 해당하는 시간 동안 비선형 이온화를 통해 시드 전자(Seed Electron)군이 충분히 생성됨. 이를 통해 가공이 시작 및 진행된다. 따라서 가공 부위의 선택성과 공정의 반복성을 크게 높일 수 있으므로, 실제 응용 분야에 적용에 있어서 매우 유리하다.

극초단 펄스 레이저가 투명재료 가공에 있어서 가지는 장점으로 비선형 광흡수 현상에 의해, 초점 부근의 부피에만 가공 및 변화를 집중시킬 수 있으며, 가공 정밀도를 높일 수 있고 주변 영역에 응력변화를 최소화시킨다. 비선형 광흡수 현상은 피가공 물질의 물성에 의존하지 않으므로, 다양한 피가공물의 가공이 가능하며, 특히 서로 다른 다양한 물질들의 조합 및 층으로 구성된 가공물을 단일 레이저로 용이하게 가공할 수 있다.

펨토초 레이저 마이크로 가공 원리는 극초단 레이저 기반 광학 브레이크 다운(Optical Breakdown)을 기반으로 한다. 광 에너지가 물질에 전파되고, 이는 다수의 전자를 이온화 시키게 됨, 이 결과 에너지가 물질의 격자(Lattice)로 전달되어, 물질의 상 변화 혹은 구조적 변화를 발생시킴. 레이저 집속 구역에 집중된 굴절률의 변화 및 공동(void)을 생성하기도 한다.

10 fs 이상의 펄스 폭을 가질 경우, 비선형적으로 여기된 전자는 광자를 통한 선형적 흡수 메커니즘을 통해 충분한 에너지를 얻어 다른 속박 전자를 추가 여기시키는 아발란치(Avalanche) 이온화 과정을 발생 시켜, 추가 가공속도의 향상을 가져온다.

펨토초 레이저의 반복률과 가공 특성간의 관계를 살펴보면, 고출력 펨토초 레이저를 이용한 시편의 가공은 물질의 액화나 기화가 아닌 플라즈마화를 통해 일어난다. 따라서 형성된 플라즈마는 시편과 레이저와의 반응에 영향을 미치게 된다. 시편 위에 형성된 플라즈마는 레이저 펄스의 산란을 유도하여 가공 효율을 감소시키는가 하면, 경우에 따라서는 시편 표면에서의 레이저 흡수율을 높여 효율을 증가시키기도 한다.

시편에 따라 생성된 플라즈마의 소멸 시간이 다르며, 따라서 플라즈마의 소멸 시간과 레이저의 반복률간의 관계는 가공 효율에 큰 영향을 미친다. 기존의 가공에 적용 가능한 크리스탈 기반 펨토초 레이저의 반복률은 수백 kHz를 상회하지 못하며, 이로 인해 수백 kHz 이상의 반복률에서 보이는 가공 특성은 연구된 바가 없다.

KR 10-0957133호

따라서, 본 발명은 10 MHz 이하의 반복률을 갖는 광섬유 기반 공진기에서 모드 잠금 시 발생하는 문제점을 해결하기 위하여 포화흡수체를 공진기내에 삽입하여 펄스의 첨두출력이 낮아짐에도 모드잠금이 성공적으로 구현되는 구성을 제안하고, 이를 레이저 공진기를 구현하는데 적용하여, 10 MHz 이하의 반복률을 갖는 광섬유 기반 공진기를 구성하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 레이저 펄스를 증폭하기 위한 pump 광을 출력하는 레이저 다이오드, 상기 레이저 다이오드에서 출력되는 pump 광을 공진기 내부로 couple시키는 파장분할기, 상기 파장분할기를 통해 입사된 pump 광의 에너지를 흡수하여 공진기 내부의 펄스를 증폭시키는 이터븀 첨가 광섬유, 상기 광섬유를 투과한 레이저 광의 편광을 변환시키는 제 1 파장판(1/4)과 제 1파장판(1/2), 상기 제 1파장판들을 각각 투과한 레이저 펄스의 편광을 분리하는 제 1편광 광 분할기, 상기 제 1편광 광 분할기를 투과한 펄스의 파장에 따른 편광을 조절하는 복굴절 결정 기반 광학 필터, 투과한 펄스의 파장에 따른 투과율을 조절하는 간섭 필터, 상기 간섭 필터를 투과한 편광 중에서 일부 광을 차단하며 동시에 한 방향 공진이 가능하도록 하는 광차폐기, 상기 광차폐기를 투과한 광의 편광을 변환시키는 제 2 파장판(1/2), 상기 제 2파장판을 투과하는 레이저 광의 편광을 분리하는 제 2편광 광 분할기, 상기 제 2편광 광 분할기를 투과한 광 편광을 변환시키는 제 2파장판(1/4), 상기 제 2파장판을 투과한 광을 투과시키는 렌즈, 상기 렌즈를 투과한 광의 모드잠금을 유도하는 포화 흡수체, 모드잠금된 레이저 광의 편광 광을 변환시키는 제 3파장판(1/4) 및 상기 제 3파장판을 투과한 레이저 광의 낮은 반복률을 유도하는 단일모드 광섬유를 포함하며, 상기 레이저 다이오드에서 출력되는 레이저 광이 순차적으로 투과하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 광차폐기는, 광섬유 타입으로 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 포화 흡수체는, 광섬유 기반의 포화흡수체로 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제 1파장판은, 광섬유 기반의 편광 조절 모듈로 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제 3파장판은, 광섬유 기반의 편광 조절 모듈로 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 광섬유 타입의 광 커플러를 더 포함하여 추가 출력단을 구성하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 레이저 다이오드는, 전방 펌핑(forward pumping) 형태로 배열되거나, 후방 펌핑(backward pumping) 형태로 배열되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 포화흡수체는 반도체 기반의 포화흡수체 거울(Semiconductor Saturable Absorber Mirror, SAM)이나 탄소나노튜브 기반의 물질(Carbon nano tube based materials), 혹은 Graphite 기반의 물질 중 어느 하나로 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기와 같이 구성되고 작용되는 본 발명은 포화흡수체(saturable absorption materials such as semiconductor saturable absorber mirror, Carbon nano tube based materials, Graphite based materials)에서 기인하는 광량에 따른 차별적인 흡수 특성과 비선형 편광 회전 현상(nonlinear polarization rotation)을 동시에 적용하여 10 MHz 이하의 반복률에서 안정적인 모드 잠금을 구현할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 10 MHz 이하의 반복률을 갖는 광섬유 기반 레이저 공진기는, 광섬유 레이저 시스템 특유의 환경 변화에 둔감한 장점을 가짐과 동시에, 반복률을 조절하는 별도의 시스템 없이 확장, 증폭 및 압축 시스템을 거쳐 10 MHz 이하의 반복률을 갖는 펨토초 고출력 레이저 시스템을 구성 가능케 한다. 통상적으로 광섬유 기반 레이저 공진기는 50 ~ 200 MHz 수준의 반복률을 갖고 있으며 이를 기반으로 고출력 증폭 시스템을 구성할 경우, 피가공물 근처에 생성되는 air breakdown plasma로 인해 가공 효율이 감소되는 현상이 나타나지만, 반복률이 10 MHz 이하로 낮을 경우에는 펄스 간 시간 간격이 상대적으로 커서 air breakdown plasma로 인한 영향이 줄어든다.

또한, 본 발명을 기본 레이저로 선택하여 추가 증폭단을 구성하면, 기존의 Ti:Sapphire 레이저 증폭 시스템(반복률: 수 ~ 수백 KHz 수준)과 광섬유 기반 증폭 시스템(반복률: 수십 MHz 수준)에서는 얻을 수 없는 반복률 대역을 확보할 수 있어, 가공 시편의 최적 가공 조건을 파악하는데 큰 장점을 갖는다.

또한, 본 발명을 기본 레이저로 선택하여 추가 증폭단을 구성하면, 같은 평균 출력 조건에서 상대적으로 더 큰 펄스당 광량을 확보할 수 있어 damage threshold가 높은 시편 가공에도 유리한 이점이 있다.

또한, 본 발명에서 복굴절 결정, 간섭 필터, 렌즈, 포화 흡수체, 단일 모드 광섬유의 두께, 종류, 초점거리, 길이 등을 조절하면 원하는 다른 반복률을 갖는 공진기도 구성 가능하다.

도 1은 본 발명에 따른 포화흡수체와 비선형 편광 회전 현상을 통해 모드 잠금이 되는 10 MHz 이하 (9.8 MHz)의 반복률을 갖는 레이저 공진기의 구성도,
도 2는 도 1의 공진기에서 발진하는 펄스의 스펙트럼을 보여주는 그래프(스펙트럼의 FWHM(full width half maximum)은 약 8 nm 수준),
도 3은 도 1의 공진기에서 발진하는 펄스의 펄스폭을 회절격자 기반 펄스 압축기를 통해 압축하였을 때 얻어지는 펄스폭을 autocorrelator를 통해 측정한 결과를 도시한 도면(약 300 fs의 펄스폭을 얻음),
도 4는 도 1의 공진기에서 발진하는 펄스의 시간축에서의 특성을 오실로스코프로 관찰한 결과를 나타낸 도면,
도 5는 도 1에서 광 차폐기를 광섬유 타입으로 대체한 실시예를 나타낸 구성도,
도 6은 도 1에서 포화흡수체를 광섬유 기반 포화흡수체로 대체한 실시예를 나타낸 구성도,
도 7은 도 1에서 파장판들을 광섬유 기반 편광 조절 모듈로 대체한 실시예를 나타낸 구성도,
도 8은 도 1에서 전방 펌핑(forward pumping) 형태로 배열되어 있는 레이저 다이오드와 WDM를 후방 펌핑(backward pumping) 형태로 배열한 실시예를 나타낸 구성도,
도 9는 도 1에서 광섬유 타입의 광 커플러를 통해 추가 출력단을 구성한 실시예를 나타낸 구성도.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 포화흡수체와 비선형 편광 회전 현상을 통해 모드 동기가 되는 10 MHz 이하의 반복률을 갖는 전체 정상 분산 광섬유 레이저 공진기의 바람직한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따른 포화흡수체와 비선형 편광 회전 현상을 통해 모드 동기가 되는 10 MHz 이하의 반복률을 갖는 전체 정상 분산 광섬유 레이저 공진기는, 레이저 pump 광을 출력하는 레이저 다이오드, 상기 레이저 다이오드에서 출력되는 레이저 pump 광을 공진기 내부로 couple시키는 파장분할기, 상기 파장분할기를 투과한 공진기의 펄스를 couple된 pump 광을 이용해 증폭시키는 이터븀 첨가 광섬유, 상기 광섬유를 투과한 레이저 광의 편광을 변환시키는 제 1 파장판(1/4)과 제 1파장판(1/2), 상기 제 1파장판을 각각 투과한 레이저 광의 편광을 분리하는 제 1편광 광 분할기, 상기 제 1편광 광 분할기를 투과한 광의 투과 대역을 각각 필터링 하는 복굴절 결정 기반 광학 필터와 간섭 필터, 상기 간섭 필터를 투과한 편광 중에서 일부 광을 차단함과 동시에 펄스를 한쪽 방향으로 공진시키는 광차폐기, 상기 광차폐기를 투과한 광의 편광을 변환시키는 제 2 파장판(1/2), 상기 제 2파장판을 투과하는 레이저 광의 편광을 분리하는 제 2편광 광 분할기, 상기 제 2편광 광 분할기를 투과한 광 편광을 변환시키는 제 2파장판(1/4), 상기 제 2파장판을 투과한 광을 투과시키는 렌즈, 상기 렌즈를 투과한 광의 모드잠금을 유도하는 포화 흡수체, 모드잠금된 레이저 광의 편광 광을 변환시키는 제 3파장판(1/4) 및 상기 제 3파장판을 투과한 레이저 광의 낮은 반복률을 유도하는 단일모드 광섬유를 포함하며, 상기 레이저 다이오드에서 출력되는 레이저 광이 순차적으로 투과하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 정상 분산 광섬유 레이저 공진기는, 포화흡수체와 비선형 편광 회전 현상을 통해 모드 동기가 되는, 10 MHz이하 반복률을 갖는 전체 정상 분산 광섬유 레이저 공진기와, 전체 정상 분산 광섬유 레이저 공진기의 출력을 증폭하여 가공에 적용하는 것을 주요 기술적 요지로 한다.

또한, 복굴절 결정과 간섭 필터를 조합하여 10 nm 이하의 투과특성을 갖는 대역 투과 필터를 구성하여, 10 MHz이하 반복률을 갖는 전체 정상 분산 광섬유 레이저 공진기에 적용하거나, 다양한 두께의 복굴절 결정들과 편광판(또는 편광 빔 분할기)을 조합하여 10 nm 이하의 투과특성을 갖는 대역 투과 필터를 구성하여, 10 MHz이하 반복률을 갖는 전체 정상 분산 광섬유 레이저 공진기에 적용하는 것을 특징으로 한다.

광섬유를 기반으로 하는 펨토초 레이저를 이용하여 가공 특성을 검증하는 연구가 발표되고 있으며, 가공 시편에 따라 10 MHz 이하의 반복률에서도 우수한 가공 특성 및 효율을 보이는 것이 확인되고 있다.

평균 출력 수 W 이상, 펄스당 광량 수 μJ 이상, 펄스폭 수백 fs이하의 광섬유기반 고출력 펨토초 펄스 레이저를 집광하여 초정밀 가공을 수행함에 있어서, 공기 중에서 가공 시에 필수적으로 동반되는 air breakdown plasma에 의한 가공 효율 감소 현상을 완화시키기 위해, 수 MHz 수준의 반복률을 갖는 광섬유 기반 레이저 공진기를 구성하는데 그 목적이 있다. 참고로 air breakdown plasma는 지속시간이 수 μs 수준이며, 따라서 수~수십 MHz 수준의 반복률을 갖는 고출력 레이저 시스템에서는 반복률을 낮추면 낮출수록 air breakdown plasma에 의한 영향을 줄일 수 있다.

시편의 열전도도가 금속이나 Sapphire wafer 등에 비해 낮은 Glass나 세라믹 계열의 가공물들은 극초단 고출력 펨토초 펄스 레이저를 이용한 초정밀 가공 시 낮은 열 확산 속도로 인해 열적인 변형 현상이 수반될 가능성이 높아진다. 이는 극초단 고출력 펨토초 펄스 레이저의 plasma 가공 특성의 장점을 희석시키는 결과를 가져오며, 따라서 레이저 시스템의 반복률을 낮출 필요성이 있다.

또한, 고출력 펨토초 레이저의 반복률을 낮추면 같은 평균출력에서 펄스당 광량을 증가시키는 효과를 얻을 수 있다.

현재까지 학계에 보고된 비선형 편광 회전 현상을 이용한 전체 정상 분산 공진기의 가장 낮은 반복률은 12.5 MHz이다. ("OPTICS LETTERS / Vol. 32, No. 16 / August 15, 2007")

반복률을 12.5 MHz보다 낮추기 위해서는 공진기 내 광섬유의 길이가 늘어나야 하지만, 이 경우 늘어난 광섬유로 인해 공진기 내 총 분산값이 증가하게 되고, 이는 공진기내 펄스의 첨두출력을 낮추는 효과를 가져오며, 결과적으로 비선형 편광 회전 현상을 통한 모드 잠금에 필요한 첨두 출력을 얻기가 어려워진다.

따라서, 본 발명에서는 반복률을 10MHz 이하로 낮추면서 공진기 내부의 펄스의 첨두 출력이 낮더라도 안정적인 nonlinear polarization rotation 모드 잠금 상태로 smooth하게 옮겨 갈수 있도록 포화 흡수체를 공진기 내에 추가로 설치하여, 레이저를 켠 후 안정적인 모드 잠금 상태로 가기 전까지의 transient state에서 pulse 간 fluctuation을 완화시킬 수 있는 광섬유 타입의 공진기를 구성하고자 한다.

도 1에서 단일모드 광섬유(115)와 파장 분할기(101), 이터븀 첨가 광섬유(102)의 위치는 서로 바뀔 수 있다.

도 1에서 복굴절 결정(106)과 간섭 필터(107)로 구성된 대역 투과 필터 파트는 여러 복굴절 결정과 편광판(또는 편광 빔 분할기)들의 조합으로 대체될 수 있다.

도 5는 도 1에서 광 차폐기(108)를 광섬유 타입(500)으로 대체한 예이다. 광섬유 타입 광 차폐기의 경우 114와 115 사이, 115와 101 사이, 101과 102 사이, 102와 103 사이에 위치할 수 있다.

도 6은 도 1에서 포화흡수체(113)를 광섬유 기반 포화흡수체(600)로 대체한 예이다. 광섬유 기반 포화흡수체는 양 끝단에 광섬유가 처리된 포화흡수체로, 114와 115 사이, 115와 101 사이, 101과 102 사이, 102와 103 사이에 위치할 수 있으며, 도 6과 같이 편광 광 분할기 110를 적용하여 투과되는 빔을 제 2의 출력으로 사용할 수 있으며, 또는 편광 광 분할기 110을 제거하여 109에서 나온 빔을 114로 바로 입사시킬 수도 있다.

도 7은 도 1에서 제 1파장판과 제 3파장판[(제 1파장판(103), 제 1파장판(104), 제 3파장판(114)]들을 광섬유 기반 편광 조절 모듈(700)로 대체한 예이다. 편광 조절 모듈은 광섬유에 torsion이나 bending을 가해 편광을 조절하는 모듈과, 파장판 혹은 PM 광섬유 같은 두 축의 굴절률이 다른 매질을 이용하여 편광을 조절하는 모듈 등, 양 끝단이 광섬유로 처리된 기존의 어떤 편광 조절 모듈들이 다 적용 가능하다.

도 8은 1에서 전방 펌핑(forward pumping) 형태로 배열되어 있는 레이저 다이오드(100)와 WDM(101)를 후방 펌핑(backward pumping) 형태로 재배열한 예이다.

도 9는 도 1에서 광섬유 타입의 광 커플러(900)를 통해 추가 출력단을 구성한 예이다. 광 커플러의 경우 필요에 따라 114와 115 사이, 115와 101 사이, 101과 102 사이, 102와 103 사이에 위치할 수 있다.

본 발명은 앞서 언급된 다양한 조합들을 통해 발진이 되는 경우를 모두 포함한다.

이상, 본 발명의 원리를 예시하기 위한 바람직한 실시예와 관련하여 설명하고 도시하였지만, 본 발명은 그와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용으로 한정되는 것이 아니다. 오히려, 첨부된 청구범위의 사상 및 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대한 다수의 변경 및 수정이 가능함을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 그러한 모든 적절한 변경 및 수정과 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.

100 : 레이저 다이오드(LD)
101 : 파장 분할기(WDM)
102 : 이터븀 첨가 광섬유
103 : 제 1파장판(1/4 wave plate)
104 : 제 1파장판(1/2 wave plate)
105 : 제 1편광 광 분할기(polarization beam splitter)
106 : 복굴절 결정 기반 광학 필터(birefringent crystal filter)
107 : 간섭 필터(interference filter)
108 : 광 차폐기(isolator)
109 : 제 2파장판(1/2 wave plate)
110 : 제 2편광 광 분할기(polarization beam splitter)
111 : 제 2파장판(1/4 wave plate)
112 : 렌즈
113 : 포화 흡수체 거울(saturable absorber mirror)
114 : 제 3파장판(1/4 wave plate)
115 : 단일 모드 광섬유
500 : 광섬유 기반 광 차폐기
600 : 광섬유 기반 투과형 포화 흡수체
700 : 광섬유 기반 편광 조절기(polarization controller)
900 : 광섬유 커플러 (fiber coupler)

Claims (8)

1. 레이저 pump 광을 출력하는 레이저 다이오드;
   상기 레이저 다이오드에서 출력되는 레이저 pump 광을 공진기 내부로 couple시키는 파장분할기;
   상기 파장분할기를 투과한 공진기의 펄스를 couple된 pump 광을 이용해 증폭시키는 이터븀 첨가 광섬유;
   상기 광섬유를 투과한 레이저 광의 편광을 변환시키는 제 1 파장판(1/4)과 제 1파장판(1/2);
   상기 제 1파장판을 각각 투과한 레이저 펄스의 편광을 분리하는 제 1편광 광 분할기;
   상기 제 1편광 광 분할기를 투과한 펄스의 파장에 따른 편광을 조절하는 복굴절 결정 기반 광학 필터, 투과한 펄스의 파장에 따른 투과율을 조절하는 간섭 필터;
   상기 간섭 필터를 투과한 편광 중에서 일부 광을 차단하며 동시에 한 방향 공진이 가능하도록 하는 광차폐기;
   상기 광차폐기를 투과한 광의 편광을 변환시키는 제 2 파장판(1/2);
   상기 제 2파장판을 투과하는 레이저 광의 편광을 분리하는 제 2편광 광 분할기;
   상기 제 2편광 광 분할기를 투과한 광 편광을 변환시키는 제 2파장판(1/4);
   상기 제 2파장판을 투과한 광을 투과시키는 렌즈;
   상기 렌즈를 투과한 광의 모드잠금을 유도하는 포화 흡수체;
   모드잠금된 레이저 광의 편광 광을 변환시키는 제 3파장판(1/4); 및
   상기 제 3파장판을 투과한 레이저 광의 낮은 반복률을 유도하는 단일모드 광섬유;를 포함하며,
   상기 레이저 다이오드에서 출력되는 레이저 광이 순차적으로 투과하도록 구성되는 포화흡수체와 비선형 편광 회전 현상을 통해 모드 동기가 되는 10 MHz 이하의 반복률을 갖는 전체 정상 분산 광섬유 레이저 공진기.
2. 제 1항에 있어서, 상기 광차폐기는,
   광섬유 타입으로 구성하는 포화흡수체와 비선형 편광 회전 현상을 통해 모드 동기가 되는 10 MHz 이하의 반복률을 갖는 전체 정상 분산 광섬유 레이저 공진기.
3. 제 1항에 있어서, 상기 포화 흡수체는,
   광섬유 기반의 포화흡수체로 구성되는 포화흡수체와 비선형 편광 회전 현상을 통해 모드 동기가 되는 10 MHz 이하의 반복률을 갖는 전체 정상 분산 광섬유 레이저 공진기.
4. 제 1항에 있어서, 상기 제 1파장판은,
   광섬유 기반의 편광 조절 모듈로 구성되는 포화흡수체와 비선형 편광 회전 현상을 통해 모드 동기가 되는 10 MHz 이하의 반복률을 갖는 전체 정상 분산 광섬유 레이저 공진기.
5. 제 1항에 있어서, 상기 제 3파장판은,
   광섬유 기반의 편광 조절 모듈로 구성되는 포화흡수체와 비선형 편광 회전 현상을 통해 모드 동기가 되는 10 MHz 이하의 반복률을 갖는 전체 정상 분산 광섬유 레이저 공진기.
6. 제 1항에 있어서,
   광섬유 타입의 광 커플러를 더 포함하여 추가 출력단을 구성하는 포화흡수체와 비선형 편광 회전 현상을 통해 모드 동기가 되는 10 MHz 이하의 반복률을 갖는 전체 정상 분산 광섬유 레이저 공진기.
7. 제 1항에 있어서, 상기 레이저 다이오드는,
   전방 펌핑(forward pumping) 형태로 배열되거나, 후방 펌핑(backward pumping) 형태로 배열되는 포화흡수체와 비선형 편광 회전 현상을 통해 모드 동기가 되는 10 MHz 이하의 반복률을 갖는 전체 정상 분산 광섬유 레이저 공진기.
8. 제 1항에 있어서, 상기 포화흡수체는,
   saturable absorption materials such as semiconductor saturable absorber mirror, Carbon nano tube based materials, Graphite based materials 중 어느 하나로 구성되는 포화흡수체와 비선형 편광 회전 현상을 통해 모드 동기가 되는 10 MHz 이하의 반복률을 갖는 전체 정상 분산 광섬유 레이저 공진기.

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