KR20140140012A

KR20140140012A - 단일 모드 네오디뮴 광섬유 소스를 구비한 고전력 단일 모드 이테르븀 광섬유 레이저 시스템

Info

Publication number: KR20140140012A
Application number: KR1020147016373A
Authority: KR
Inventors: 발렌틴 가폰트시프; 이고르 사마르체프
Original assignee: 아이피지 포토닉스 코포레이션
Priority date: 2012-01-20
Filing date: 2013-01-18
Publication date: 2014-12-08
Also published as: US9036667B2; JP2015515114A; KR102008377B1; EP2724429A1; EP2724429A4; CN103858293B; WO2013109902A1; EP2724429B1; CN103858293A; US20130195126A1; JP6144705B2

Abstract

본 발명은 가우시안 강도 프로파일을 갖는 실질적으로 회절 제한된 빔을 방출하는 고전력 광섬유 레이저 시스템에 관한 것으로, 고전력 광섬유 레이저 시스템은 SM 펌프 광을 출력하는 단일 모드("SM") 네오디뮴 광섬유 펌프 소스; 펌프 광의 파장 보다 큰 파장의 SM 신호 광을 방출하도록 동작하는 시드 레이저; 및 SM 펌프 광 및 신호 광을 수신하여 멀티플렉싱하는 SM DWM를 포함한다. 개시된 시스템은 또한 부스터 광섬유 증폭기를 포함하고, 부스터 광섬유 증폭기는 SM만을 지원하는 작은 직경의 입력 단부 및 SM 및 고차 모드들("HOM")을 지원할 수 있는 큰 직경의 출력 단부를 갖는 원추형 이테르븀("Yb") 도핑된 코어, 및 상기 코어를 둘러싸고 코어와 함께 연장된 클래딩을 포함한다. 상기 코어는 펌프 및 신호 광의 각 SM의 강도 프로파일이 서로 중첩되어 코어의 전체 길이에 따른 중첩 적분이 실질적으로 1과 같아지도록 구성되며, 광 신호의 SM은 펌프 모드의 실질적으로 전체 에너지를 추출하여, HOM들이 MW 피크 전력 범위 및 수백 와트의 평균 전력 범위에서 시스템의 실질적으로 회절 제한된 빔의 품질에 영향을 주지 않도록 증폭 없이 남겨둔다.

Description

단일 모드 네오디뮴 광섬유 소스를 구비한 고전력 단일 모드 이테르븀 광섬유 레이저 시스템{HIGH POWER SINGLE MODE YTTERBIUM FIBER LASER SYSTEM WITH SIGNLE MODE NEODYMIUM FIBER SOURCE}

본 발명은 단일 모드 고 피크/평균 전력 밝은 출력을 방출하는 짧은 능동 광섬유로 구성된 광 증폭기 및 광 증폭기를 포함하고 매우 밝은 고출력 단일 모드 펄스 또는 연속파("CW") 방출을 방출하도록 동작하는 단일 모드 고전력 레이저 시스템에 관한 것이다.

이테르븀("Yb"), 에르븀("Er") 및 다른 히토류 이온이 도핑된 광섬유를 포함하는 광섬유 레이저 시스템은 고효율이며, 경제적이고, 소형이며 변화가 많은 광 발생장치 및 광증폭 장치이다. 이 중, Yb 및 Er 연속파 및 펄스 광섬유 레이저 시스템은 주로 훌륭한 효율 및 장기간 안정성 덕분에 산업 광섬유 레이저 시장을 지배해 왔다.

히토류 도핑된 광섬유 레이저 및 증폭기는 매우 잘 제어된 스펙트럼 품질의 고품질 빔을 방출할 수 있는 강하고 효율적이며 작은 광 소스를 나타낸다. 그러나 이러한 소스들에 의해 생성된 출력 전력은 기생 비선형 광 효과들("NLE(nonlinear optical effects)")에 의해 제한된다.

비선형 효과들("NLE")은 유도된 브릴루인 및 라만 산란(SBS 및 SRS), 자기-위상 및 교차-위상 변조(SPM 및 XPM), 그리고 4파 믹싱(FWM:four-wave mixing)을 포함한다. 이러한 효과들의 공통적인 원인은 광 코어에서의 높은 광 강도, 및 광섬유 내 광 빔과 광섬유 재료(예를 들어, 실리카) 사이의 비선형 상호작용을 위한 긴 경로, 즉 긴 광섬유이다.

이러한 효과들은 고 전력 연속 파 및 고 피크 전력 펄스 광섬유 레이저 시스템 모두에 결합된 도핑된 광섬유에서 관찰된다. 고전력 펄스 레이저의 관점에서, NLE들은 무엇보다 바람직하지 않은 스펙트럼의 확장과 펄스 시간 프로파일의 왜곡을 야기한다.

서로 다른 NEL들은 많은 공통점을 가진다. 예를 들어, 비선형 효과들 자체를 나타내는 광 임계 전력은 광섬유 코어 영역에 비례하고 광섬유 길이에 반비례한다. 다시 말해, 광섬유 길이가 증가하고 코어 직경이 감소함에 따라, NLE들에 대한 임계 전력은 점진적으로 낮아진다. 따라서, 고 전력에 있어서 큰 코어 직경과 짧은 광섬유 길이에 대한 요구가 항상 존재한다.

단일 모드를 가질 수 있는 광의 전파를 지원하는 광섬유들이 단일 모드("SM") 광섬유로 불리는 반면, 방사선의 다중 횡단 모드를 지원하는 광섬유들은 다중 모드("MM") 광섬유로 불린다. SM 광섬유들은 계단형 프로파일을 갖는 광섬유들에 비하여 가우시안 강도 형태를 갖는 가장 높은 빔 품질을 방출한다.

MM 계단형 광섬유들의 코어에 의해 지원되는 다중 모드 사이에서, 가장 강력한 기본 모드는 가우시안과 매우 유사한 프로파일을 가진다. 고차 모드들("HOM")은 가우시안과 다르고 또한 서로 다른 광 강도의 개별 피로파일에 의해 특징지어진다. 주어진 계단형에서, 광섬유에 의해 지원되는 횡단 모드들의 수는 코어 영역에 비례한다. 따라서, 큰 코어 광섬유들은 다중 모드("MM")인 경향이 있으며, 모드들이 여기될 때 SM 광섬유들에 비하여 낮은 빔 품질의 빔을 방출한다. 빔의 품질은 많은 산업 및 큰 광섬유 코어 직경을 갖는 MM 능동 광섬유를 포함하는 고 전력 광섬유 레이저 시스템들의 과학적 응용에 있어서 임계적 의의를 갖는다. 품질 요구를 만족시키기 위하여, MM 코어들은 실질적으로 기본 모드만을 지원하도록 구성될 수 있다.

상술한 비선형 효과들("NLE")은 공지된 종래 기술들에 의해 광범위하게 분석된다. 횡단 모드 수의 감소를 제공하는 기술들 중 하나는 여기에 참조로 전체적으로 통합된 미국특허 제6,496,301호에 개시된 굽힘-손실-유도 모드 선택을 포함한다. 또 다른 기술은 IPG 포토닉스사에 의해 개발된 서로 직접 이어진 SM 및 MM 광섬유들 사이의 모드-매칭된 개시를 포함한다. 두 기술 모두 고전력 광섬유 레이저 시스템들("HPFLS")에서 널리 성공적으로 사용되고 있다. 그러나, 증가하는 고 전력에 대한 요구 때문에 현대 광섬유 증폭기들은 유해한 NLE들에 의해 그들의 한계에 매우 근접해 있다.

kW 내지 MW 범위의 출력을 갖는 HPFLS에 포함되는 도핑된 광섬유에서 바람직하지 않은 NLE들의 존재를 최소화하기 위하여,

1. 실질적으로 굽힘 손실이 없는 SM 빔의 방해받지 않는 전파를 제공하는 짧고 직선인 광학 구성요소인 광학 로드의 길이에 근접하는 최소 광섬유 길이; 및

2. 광을 감소시키고 그에 의해 MLE 임계값들을 증가시키는 기본 모드의 최대 가능한 MFD를 갖는 희토류 이온-도핑된 광섬유들을 설계할 필요가 있다.

발명자의 최근 지식에 의하면, 매우 높은 평균 및 피크 전력 광섬유 증폭기들에 사용되는 가장 최근에 유용한 광섬유 설계들도 상술한 요구사항을 적절히 만족시킬 수 없었다.

도핑된 광섬유의 길이는 또한 기본 모드의 품질에 영향을 준다. 기본 모드가 수 미터의 긴 광섬유를 통하여 전파됨에 따라, 기본 모드는 MM 광섬유의 굽힘(bending) 때문에 모두 중심 중력이 이동하는 경향이 있다. 결과적으로, 모드 영역이 감소된다. 도핑된 김 광섬유들이 펌프될 때, 기본 모드만의 증폭을 허용하는 기본 모드와 개별 펌프 펌프의 강도 프로파일들 사이의 중첩이 악화된다. 따라서, 초기에 증폭되지 않은 HOM들은 기본 모드에 의해 손실된 광전력이 HOM들로 이동하기 때문에 출력 빔의 품질을 양보하기 시작한다. 따라서, 중첩 적분으로 공지된 이러한 중첩은 광섬유의 전체 길이에 따라 가능하면 1에 가까운 것이 바람직하다. 명백하게, 이는 수십 센티미터를 초과하지 않는 길이를 갖는 광섬유들에서 실현되기 쉽다.

SM 동작으로 MM HPFLS에서 최적의 광섬유 구성에 대한 필요를 달성하고 나면, 다음 단계는 수십 센티미터 내로 측정된 길이를 갖는 광섬유 증폭기에서 고 전력 펌프 광을 발생시키고 흡수시키는 것이다. 가능성들 중 하나는 도펀트 농도를 증가시키는 것을 포함한다. 그러나 아쉽게도 이는 특정 레벨 이상으로 증가할 수 없다. 예를 들어 현재 공지된 최대 실제 도펀트 농도 레벨에서조차, 1060nm 파장에서 이중 클래드 Yb-도핑된 광섬유는 일반적으로 수 미터에 이른다. 따라서 그러한 광섬유 길이는 낮은 NLE 임계 전력에 대하여 바람직한 조건들을 생성한다. 게다가, 고전력 MM 레이저 다이오드들이 이러한 구성으로 사용될 수 있다 하더라도 그들을 출력은 충분히 밝지 않은 것으로 알려져 있으며; 공지된 산업 응용들 중 대부분이 매우 밝은 빔들을 필요로 한다.

물론 광섬유 코어로 SM 펌프 광을 런칭하는 것을 포함하는 엔드-코어 펌핑 기술은 펌프 광의 밝기 및 흡수를 향상시킨다. 그러나, 레이저 분야의 통상의 기술자에게 공지된 바와 같이, 현재 산업적으로 사용가능한 SM 레이저 다이오드들은 MW 피크 및 수백 W의 평균 전력 출력을 방출하도록 동작하는 HPFLS에 필요한 강력한 펌프 광을 발생시키기에 거의 충분하지 않다.

따라서 약 976 내지 1030nm 파장 범위에 kW-MW 전력 범위의 평균 및 피크 전력을 갖는 SM 빔을 방출하도록 동작하는 Yb-도핑된 광섬유 증폭기에 대한 필요성이 존재한다.

수십 센티보다 길지 않은, 따라서 낮은 임계 전력에서 NLE들의 발생을 방지하도록 구성된 도핑된 광섬유에 기반한 Yb-도핑된 광섬유 증폭기에 대한 필요성 또한 존재한다.

소정 910-960nm 파장 범위에서 수백 와트에 이르는 SM 밝은 펌프 신호를 방출하도록 동작하는 네오디뮴("Nd") 광섬유 펌프 소스에 대한 필요성 또한 존재한다.

상술한 Nd 광섬유 펌프 소스 및 Yb 광섬유 증폭기를 포함하는 엔드 펌핑 장치에 대한 필요성 또한 존재한다.

Yb 도핑된 광섬유의 코어 단으로 런칭된 펌프 모드와 펌프 광을 런칭할 때 Yb 광섬유에서 여기된 단일/기본 모드들 사이의 중첩 적분이 Yb 도핑된 광섬유의 전체 길이에 따라 실질적으로 1과 같아지도록 구성되는 Yb 광섬유 증폭기 및 SM Nd 펌프 소스에 대한 또 다른 필요성이 존재한다.

짧은 직선의 도핑된 광섬유를 구비하고 소정 파장 범위에서 kW-MW 범위로 신호 광을 증폭시킬 수 있는 부스터, λp 파장에서 펌프 광을 방출하는 SM 펌프 소스, λp 보다 큰 λs 파장에서 신호 광을 방출하는 시드 레이저 및 상기 부스터로부터 상류의 펌프 광과 신호를 결합하는 SM 광섬유 파장 분할 멀티플렉서("WDM")로 구성된 초 고전력 시스템(ultra high power system)에 대한 또 다른 필요성이 존재한다.

이러한 그리고 다른 필요성들은 개시된 광섬유 증폭기 및 그 광섬유 증폭기(부스터로도 불림-멀티-캐스캐이드 광섬유 증폭 시스템에서 최근 가장 강력한 증폭 단계)를 포함하는 고전력 광섬유 레이저 시스템에 의해 달성된다. 개시된 광섬유 레이저 시스템은 976-1030nm 파장 범위에서 단일 모드로 MW 출력 피크 전력 및 적어도 수백 W의 출력 평균 전력을 방출하도록 구성된다.

광섬유 증폭기는 길이방향 축을 따라 연장된 광섬유 로드와 같은 Yb 도핑된 도파관 및 광섬유 코어의 입력단에 결합되어 바람직하게는 910-960nm 파장에서 수백 와트에 이르는 SM 펌프 광을 방출하는 SM Nd 광섬유 펌프 소스를 포함한다.

증폭기는 또한 모놀리식 코어 및 코어를 둘러싸고 코어와 동축으로 연장된 클래딩을 구비하는 짧은 직선의 Yb 도핑된 광섬유 로드로 구성된다. 코어는 Yb 도핑된 광섬유의 큰 직경의 출력단을 향하여 퍼지는 일반적으로 원추형의 긴 단면을 갖도록 구성된다. 코어의 입력단은 SM만을 지원하도록 구성되는 반면 코어의 출력단 영역은 기본 모드 및 일부 HOM들을 지원할 수 있다.

Yb 도핑된 광섬유 로드는 SM 펌프 및 코어 기본 모드들이 중첩 적분이 실질적으로 1과 같아지도록 전체 짧은 광섬유를 따라 서로 중첩되도록 구성된다. 따라서, 코어의 길이를 따라 일부 HOM들이 여기된다 하더라도, 실제로는 여기된 SM/기본 모드만이 증폭되어 HOM들의 존재가 매우 약한 노이즈 레벨로 간주된다. 게다가, HOM들은 증폭되지 않은 채 남아있을 뿐 아니라 코어 출력단으로부터 방출된 빔과 976-1030nm 파장 대역에서 제한된 회절을 제공하도록 포화될 수 있다. 따라서 개시된 구조는 소위 중심 도핑의 사용이 불필요하다.

개시된 초 고전력 시스템은 함께 엔드 펑핌 장치를 형성하는 앞서 논의된 Yb 증폭기 및 SM Nd 소스를 포함하는 부스터를 구비한다. 시스템은 또한 Nd 펌프보다 큰 파장의 SM 신호 광을 방출하는 SM 시드 레이저를 포함한다. 펌프 신호와 마찬가지로 시드 신호 또한 Yb 증폭기의 코어 입력으로 런칭된다. SM 펀프와 시드 신호의 Yb 도핑된 코어로의 결합은 수동 SM 광섬유를 통하여 코어 단으로 전달된 두 신호를 결합시키도록 동작하는 SM 광섬유 파장 분할 멀티플렉서("DWM")에 의해 실현되어 여기된 신호 모드들과 각 펌프의 가우시안 프로파일이 Yb 도핑된 광섬유의 전체 길이에 따라 완전히 중첩되게 한다.

본 명세서 내에 기재되어 있음

상술한 그리고 다른 특징들 및 이점들은 이하의 첨부된 도면과 결합되는 다른 상세한 설명으로부터 좀 더 명확하게 이해될 것이다.
도 1은 본 발명에 따라 구성된 고전력 광섬유 레이저 시스템("HPFLS")의 개략도이다.
도 1a는 도 1에 도시된 HPFLS의 Yb 도핑된 광섬유의 실시예를 나타낸다.
도 2는 도 1에 도시된 개시된 Yb 도핑된 광섬유의 코어로 함께 전파되는 광섬유 코어의 굴절 계단형 프로파일, 신호 광의 기본 모드의 강도 프로파일 및 펌프의 강도 프로파일을 나타낸다.
도 3은 도 1의 HPFLS의 펌프 소스의 개략적인 구성을 나타낸다.
도 4는 도 1 및 1a에 도시된 증폭기에서 기본 모드(LP₀₁) 및 두 개의 HOM(LP₁₁ 및 LP₀₂)의 출력 전력을 각각 나타내는 컴퓨터 생성 그래프이다.
도 5는 팽창 계수(Doo:Doi)의 함수로서 기본 모드(LP₀₁)의 효율 및 개시된 증폭기의 전체 효율의 컴퓨터 생성 그래프이며, 여기서 Doo 및 Doi는 각각 도핑된 코어의 입력 및 출력 영역의 외부 직경이다.
도 6은 팽창 계수의 함수로서 기생 라만 신호의 증폭의 컴퓨터 생성 그래프를 나타낸다.
도 7은 Yb 이온 농도의 함수로서 로그 스케일로 기생 라만 신호의 증폭의 컴퓨터 생성 그래프를 나타낸다.
도 8은 팽창 계수에 대한 기생 라만 신호의 의존성의 컴퓨터 생성 그래프를 나타낸다.
도 9는 Yb 도핑 농도에 대한 기생 라만 신호의 의존성의 컴퓨터 생성 그래프를 나타낸다.
도 10은 파장의 함수로서 기본 모드(LP₀₁) 및 HOM들(LP₁₁ 및 LP₀₂)의 출력 전력의 컴퓨터 생성 그래프를 나타낸다.
도 11은 dB 스케일로 각각 기본 모드(LP₀₁) 및 HOM들(LP₁₁ 및 LP₀₂)의 증폭의 컴퓨터 생성 그래프를 나타낸다.
도 12는 신호 파장의 함수로서 로그 스케일로 기생 라만 신호의 증폭의 컴퓨터 생성 그래프를 나타낸다.
도 13은 펌프 파장의 함수로서 도 1 및 1a의 증폭기의 전체 효율의 컴퓨터 생성 그래프를 나타낸다.

첨부된 도면에 도시된 설명된 개시된 몇몇 실시예들을 참조하여 상세히 설명된다. 가능하면, 동일하거나 유사한 참조 번호들은 도면 및 상세한 설명에서 동일하거나 유사한 부분을 언급하도록 사용된다. 도면은 간략화된 형태로 제공되며, 정확한 스케일은 아니다.

도 1은 CW 또는 펄스계에 사용되며 약 976-1030nm 파장 범위에서 kW-MW 스케일로 단일 기본 모드의 출력을 방출하도록 동작하는 고전력 SM 광섬유 레이저 시스템(10)을 도시한다. 따라서 시스템(10)은 매우 밝은, 실질적으로 회절 제한된 빔을 방출하도록 동작하는 초 고전력 구성이며, Yb 광섬유 증폭기 또는 부스터(12) 및 단일 모드 Nd 광섬유 레이저 펌프 소스(14)의 후술하는 기하학적 형상 때문에 소형의 변화가 많은 구조를 갖는다.

Yb 도핑된 증폭기/부스터(12)는 Yb 이온 도핑된 코어(18) 및 그 코어를 둘러싸는 클래딩(20)을 구비하는 능동 광섬유 로드(16)로 구성된다. 여기서 사용되는 광섬유 로드는 풀리는 경우 그 형태를 용이하게 유지하기에 충분히 두꺼운 광 도파관이다. 광섬유 로드(15)는 50 센티미터 이하의 길이이며, 특히 바람직한 구성으로 그 길이는 약 5 내지 30 센티미터 사이이다. 광섬유 로드(15)는 단순히 테이퍼지고 직선이다. 클래딩(20)은 코어(18)와 유사한 단면을 가질 수 있거나 광섬유 로드(16)의 전체 길이를 따라 균일한 외부 직경이 제공될 수 있다. 부스터는 광섬유 레이저 헤드와 같은 하우징(50)에 패키징된다. 코어(18)의 입력 및 출력단들은 다른 광섬유들에 연결되기에 충분히 작다.

Yb 광섬유 로드(16)는 MW 스케일의 피크 전력에서 동작하면서 실질적으로 단일 횡단 모드를 유지하도록 구성된다. 후술하는 바와 같이 광섬유 로드(16)가 짧고 직선이며 전체 광섬유 길이를 따라 펌프 모드를 완전히 중첩하는 기본 모드의 큰 모드 직경을 갖기 때문에 이러한 고전력 레벨이 획득된다.

광섬유 로드(16)는 1. 광섬유 로드의 기하학적 형상 및 2. 엔드 코어 펌핑 장치 때문에 실질적으로 회절-제한 출력 빔을 방출하도록 구성되는 이는 이하에서 설명된다. 광섬유 로드(16)의 기하학적 형상은 광섬유 로드(16)의 중심 길이방향 출을 따라 봤을 때 일반적으로 원추형-형상의 단면을 함께 형성하는 다수의 영역들을 포함한다.

광섬유 로드(16)의 Yb 도핑된 코어(16)는 전형적으로 각각 균일한 직경이 제공된 코어(18) 및 클래딩(20)을 갖는 단일 모드 입력단 영역(22)을 갖는다. 따라서 가우시안 강도 프로파일을 갖는 하나의 모드만이 직선 코어(18)의 입력 영역(22)으로 런칭된 SM 펌프 신호에 의해 여기된다. 펌프 및 여기 신호 모드들 모두 개별 매칭 모드 필드 직경들("MFDs")을 가지며 가우시안 강도 프로파일을 형성한다. 기본 모드의 MPD를 증가시키고 그에 따라 NLE들의 발생에 기여하는 높은 강도들을 감소시키기 위하여, 단일 및 펌프 모드들의 개별 MFD들은 증가되어야 한다. 이는 단열 팽창되는, 즉 강도 프로파일이 서로 완전히 중첩되면서 개별 펌프 및 여기된 SM의 MFD를 증가시키는 일시적으로 테이퍼진 영역(24)을 갖는 코어(18)의 기하학적 형상에 의해 실현된다. 이러한 중첩은 기본 모드에 의해 펌프 광으로부터의 에너지의 가능한 최대 추출을 허용하며, 따라서 전이 영역(18)의 하류를 따라 그리고 출력단 영역(26)의 전체 길이를 통과하는 HOM들의 증폭을 방지한다. 다시 말해, 중첩 적분이 광섬유(16)의 전체 길이를 따라 실질적으로 1과 동일한다. 출력 영역(26)은 입력 영역(22)의 직경보다 큰 균일한 직경을 가지며 적은 모드들을 지원하도록 구성된다. 그러나, 짧은 길이 및 상술한 단일 및 펌프 모드들의 강도 프로파일 사이의 중첩 때문에, 코어 출력단 영역(26)에서 HOM 여기 가능성은 낮다.

그러나 도 1a를 참조하면, Yb 도핑된 광섬유(16)의 형태는 일반적으로 원추형 단면을 유지하면서 변화할 수 있다. 예를 들어, Yb 도핑된 광섬유는 양단 사이에 연장된 전이 영역을 갖는 원뿔체로 구성될 수 있다. SM 펌프 광의 코어 런칭, 약 1의 중첩 적분 및 광섬유(16)의 크기 때문에, 도 1a에 도시된 구성은 도 1의 구성과 동일한 증폭 메커니즘을 갖는다.

도 1 및 1a의 구성 모두를 각각 참조하면, Yb 광섬유(16)는 광 경로를 따르는 특정 지점에서 기본 모드의 팽창이 멈추는 반면 코어는 여전히 확장되도록 구성될 수 있다. 다시 말해, 모드가 도 1a에 도시된 원뿔 각(β)보다 작은 각으로 확장된다. 이 경우, 단일 모드는 코어의 내부 둘레와 접촉하는 것을 멈춘다. 따라서, 이 지점에서 완전히 도핑된 구성요소(52)가 훨씬 높은 MW 레벨로 피크 전력이 급등하도록 Yb 도핑된 광섬유(18)의 출력단에 결합될 수 있다.

도 2는 출력단 영역(26)의 코어 영역(30)을 구비한 광섬유 로드(16)의 계단형 굴절을 나타낸다. 일반적인 조건 하에서 심지어 광섬유 로드(16)와 같이 짧은 광섬유 길이에서도, 이러한 큰 코어는 기본 모드(30) 및 몇몇 HOM(32)을 포함하는 몇몇 모드들을 도파할 수 있을 수 있다. 기본 모드(31)는 가우시안 강도 프로파일을 갖는다. HOM들(32, 하나의 HOM만이 도시됨)은 코어(30)의 주변 영역을 차지한다. 이 도면을 보면, 회절 제한 출력 빔의 왜곡을 근본적으로 최소화시키기 위하여 HOM들은 펌프 광의 런칭에 응답하여 증폭되지 않아야 한다. 반대로, 기본 모드는 최대로 증폭되어야 한다.

본 발명에 따르면, 후자는 입력 및 전이 영역(22, 24)을 따라서 뿐 아니라 코어 출력단 영역(26)을 따라서도 서로 실제적으로 완전히(약 99% 및 그보다 높게) 일치하는 개별 기본 및 펌프 모드들(31, 34)의 강도 프로파일을 갖는 것에 의해 달성된다. 다시 말해, 기본 모드는 펌프 모드(34)의 MFD 및 형태 모드가 단일/기본 모드(30)의 MFD 및 형태와 매칭되기 때문에 광섬유 로드(16)의 전체 길이를 따라 펌프 모드로부터 최대 에너지를 추출한다. 따라서, 중첩 적분은 광섬유 로드(16)의 전체 길이에 따라 실질적으로 1과 같다. 따라서 HOM들은 무시할만한 노이즈 레벨까지 감소되고 빔 품질에 인식할만한 영향을 주지 않는다.

도 3은 Nd SM 광섬유 레이저를 포함하는 펌프 소스(14)의 예시적인 구성을 나타낸다. 소스(14)는 Nd 도핑된 광섬유(36) 및 펌프광 전송 수동 광섬유(38)fmf 구비한 게인 블록으로 구성될 수 있다. 능동 광섬유(36)의 코어(40)는 코어와 같이 연장되는 하나 또는 다수의 클래딩에 의해 둘러싸일 수 있다. 능동 광섬유(36)의 기하학적 형상, 즉 길이방향 광섬유 축에 따른 개별 코어 및 클래딩의 단면들은 본 출원과 공통으로 소유되며 여기에 참조로 완전히 통합된 PCT/US10/051743에 개시된 이중 병목 형상 단면을 가질 수 있다. 후자는 좁은 크기의 입력단 영역, 입력단 영역의 면적보다 넓은 면적(Acore)을 갖는 균일한 크기의 흡수 중심 또는 중간 영역 및 단부 및 중간 코어 영역을 연결하는 원추형 입력 변환 영역을 포함한다. 이중 병목 단면을 완성하기 위하여, 코어(40)는 원추형 출력 변환 영역 및 출력단 영역을 더 구비한다. 전형적인 균일한 직경 광섬유 코어를 포함하는 코어(40)의 다른 형상이 부스터(12)의 성능에 영향을 주지 않고 도시된 이중 병목 형상 단면을 대신해 사용될 수 있다. 형태에 상관없이, 개시된 Nd 도핑된 레이저는 몇백 와트에 이르는 전력으로 매우 밝은 SM 펌프 광신호를 전달하도록 동작한다.

도 1을 참조하면, 시스템(10)은 약 976-1030nm 사이의 범위에 있는 파장(λs)의 단일 모드 신호광을 방출하는 시드 레이저 소스(42)를 더 포함한다. 시드 소스(42)는 광섬유 또는 반도체 레이저로 구성될 수 있다. 신호광은 전달 광섬유(43)를 따라 안내되며, 전달 광섬유(43)는 바람직하게는 극성 유지 광섬유(PMF)로 구성될 수 있다. Yb 도핑된 광섬유(16)는 그것의 기하학적 형상에 의해 PM 구성되지 않는다 하더라도 원하는 국성이 유지될 것임을 주지하라.

SM 펌프 광의 사용에 따라, 시스템(10)은 부스터(12)의 SM 수동 입력 광섬유(48)로 신호 및 펌프 광을 전달하는 수동 광섬유(46)의 코어로 결합된 신호 및 펌프 광을 멀티플렉싱하는 단일 모드 WDM(44)을 이용할 수 있다. WDM(44)은 바람직하게는 광섬유 구성을 가지나, 다르게 구성될 수도 있음은 자명하다. 각 광섬유들(48, 16)의 기하학적 코어 크기가 균일하거나 균일하지 않을 수 있는 반면, 그들의 강도 프로파일은 실질적으로 서로 매칭되는 MFD 및 형태를 갖는다.

시스템(10)은 기계적 응력으로부터 광섬유 부품을 보호하도록 구성되며 Yb 능동 광섬유(16)가 굽힘 없이 선형으로 연장되는 크기의 대칭적으로 도시된 하우징(50)에 수용된다. 전체적으로, 시스템은 약 10 센티미터만큼 작을 수 있는 광섬유(16)의 짧은 광섬유 길이 때문에 매우 소형이다.

Yb 도핑된 광섬유(16)는 서로 다른 형태일 수 있다. 예를 들어, 그것은 전자 결정 광섬유 기술에 따라 만들어질 수 있다. 대안으로, 약 1밀리미터 이상의 직경을 갖는 유리 로드-벌크 광학장치- 또한 사용될 수 있다. 후자의 경우, 그것은 예를 들어 도 1a에 도시된 기하학적 형상의 도파관 영역을 가질 수 있다. 통상의 기술자에게 자명한 바와 같이, 벌크 광학장치의 NLE에 대한 전력 임계는 광섬유의 전력 임계보다 높을 수 있으며, 이는 피크 전력의 훨씬 큰 스케일링을 가능하게 한다. 로드 내에 여기된 HOM들의 수가 상대적으로 클 수 있음에도 불구하고, 이러한 모드들은 중심 코어 영역으로부터 매우 잘 제거되는 반면 기본 모드와 펌프 모드들은 서로 중첩된다. 결과적으로 HOM들은 증폭되지 않고 따라서 로드의 출력에서 제한된 회절에 실제적으로 영향을 주지 않는다.

Yb 도핑된 증폭기(12)에 대하여 획득되어 온 대규모 실험 데이터들이 도 4 내지 13에 다소 반영된다. 수많은 실험들 중 하나는 1cm 길이 입력 영역(22), 1cm 길이 전이 영역(24) 및 15cm 길이 출력 영역(26)을 구비한 일반적으로 병목 형상을 갖는 광섬유(15)를 특징짓는다. 비제한적인 예에도 불구하고, Yb 광섬유의 상술한 기하학적 형성은 이하에 설명될 개시된 증폭기에 대하여 특정 경향을 나타낸다.

도 4는 증폭기(12) 내의 기본 모드(LP₀₁) 및 두 개의 HOM(LP₁₁ 및 LP₀₂)의 출력 전력을 각각 나타내는 그래프이다. 기본 모드(LP₀₁)와 비교할 때 HOM(LP₁₁ 및 LP₀₂)의 전력이 얼마나 작은지 쉽게 이해할 수 있다.

도 5는 Doo:Doi 비로 결정된 팽창 계수의 함수로서 증폭기(12)의 전체 효율 및 기본 모드(LP₀₁)의 효율을 도시하며, 여기서 Doo 및 Doi는 각각 입력 및 출력 영역(22, 26)의 외부 직경이다.각각의 입력 및 출력 코어 영역들의 직경이 동일한 비를 갖는 것으로 가정된다. 팽창 계수가 증가함에 따라, 두 가지 효율들 모두 악화된다. 다른 파라미터들 및 이하에 개시될 경향들에 근거하여, 3 내지 5 사이의 팽창 계수가 이들 실험에서 선택된 증폭기(12)의 파라미터에 대해 적어도 최적임이 발견되었다. 5를 초과하는 팽창 계수는 엄청나게 증폭된 자발 방출에 의해 달성된다.

도 6은 팽창 계수의 함수로서 하나의 NLE-라만 산란의 증폭을 나타낸다.도 5와 반대로, 팽창 계수가 커짐에 따라 라만 산란의 증폭은 작아진다. 도시된 바와 같이 3 내지 4.5 사이에서 변하는 팽창 계수는 약 4.5 계수에서 실제적으로 존재하지 않는 기생 라만 신호의 최소 증폭을 제공한다.

도 7은 Yb 이온 농도가 증가함에 따라 dB로 로그 스케일의 라만 증폭을 나타낸다. 약 1000 내지 7000ppm 사이에서 변하는 Yb 농도가 다양한 파장에 대하여 최적이다.

도 8은 팽창 계수에 대한 라만 의존성의 퍼센트를 나타낸다. 다시, 3 내지 4.5 사이에서 변하는 팽창 계수의 범위는 라만의 최소 존재에 대응한다. 도 9는3000ppm 초과의 Yb 이온 농도에서 라만이 스스로 나타나기 시작함을 도시한다.

도 10은 신호 파장이 약 976nm부터 1030nm까지 변함에 따른 기본 모드(LP₀₁) 및 HOM들(LP₁₁ 및 LP₀₂)의 출력 전력을 도시한다. 실제로, HOM들은 976nm 또는 1030nm 어디에서도 의미있는 전력을 가지지 않는다. 도 11은 dB 스케일의 기본 모드(LP₀₁)의 증폭이 각 HOM들(LP₁₁ 및 LP₀₂)의 증폭보다 높음을 가리킨다.

도 12는 서로 다른 신호 파장들에서 로그 스케일로 라만 증폭을 도시한다. 이해할 수 있는 바와 같이, 상술한 많은 다른 것들과 마찬가지로, 이러한 파라미터는 각 976nm 및 1030nm 파장 피크에서 가파르게 변하지 않는다.

도 13은 900-975nm 범위의 펌프 파장에서 증폭기(12)의 높은 전체 효율(TE)이 약 910-960nm 범위에서 주로 얻어짐을 확인한다. 당연히, 높은 전체 효율은 동일한 펌프 파장 범위 내에서 SM의 높은 효율의 결과이다.

요약하면, 개시된 부스터는 직선이며 짧고 CW 또는 나노초 이하의 펄스계에서 동작시 kW-MW 전력 범위의 단일 횡당 모드 빔을 유지 및 방출하도록 동작하는 출력 Yb 도핑된 광섬유 로드를 향하여 점진적으로 팽창한다. 현재, 976-1030nm 범위에서 0.003보다 작은 수치 개구, 3 내지 5 사이의 팽창 계수 및 약 2000 내지 4000ppm 사이의 도펀트 농도를 갖는 20cm 길이의 원추형 Yb 광섬유(부스터)가 약 1MW 전력에서 SM 피코초(picosecond) 펄스를 각각 방출할 수 있다. 팽창 계수를 증가시키는 것 외에 동일 파라미터를 유지하면 출력 피크 전력은 수십 MW에 이를 수 있다.

짧은 직선의 그리고 원추형의 부스터는 SM Nd 펌프 소스에 의해 방출된 수백 와트에 이르는 SM 펌프 광에 의해 코어 단이 펌프된다. 그것의 기하학적 형상에 의해, 부스터는 고전력 SM 펌프 광과 함께 부스터가 소정 976-1020nm 파장에서 신호 광을 MW 레벨의 피크 전력까지 증폭할 수 있게 하는 NEL에 대한 높은 임계 전력에 의해 특징지어진다. 부스터는 항상 90%를 초과할 수 있는 고효율 및 HOM들의 증폭보다 SM의 높은 증폭으로 특징지어지며, 따라서 HOM들은 약 915 내지 950nm 범위 사이의 펌프 파장 범위에서 무시할만한 노이즈 레벨까지 감소된다.

비록 본 명세서는 개시된 예들의 관점에서 설명되었으나, 상기 논의된 실시예들에 대한 수많은 수정 및/또는 추가가 이하의 청구범위의 범위 및 기술적 사상에서 벗어나지 않는 범위 내에서 레이저 기술분야에서 통사의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.

10: 고전력 SM 광섬유 레이저 시스템
12: Yb 광섬유 증폭기/부스터
14: Nd 광섬유 레이저 펌프 소스
16: 광섬유 로드
18: 코어
20: 클래딩
22: 입력단 영역
26: 출력단 영역

Claims

길이방향 축을 따라 연장된 세장형 클래딩; 및
상기 클래딩에 의해 둘러싸이며 작은 직경의 입력 영역 및 큰 직경의 출력 영역 사이에서 상기 클래딩과 함께 연장되는 실질적으로 원추형의 희토류 이온 도핑된 코어를 포함하며,
상기 입력 영역은 단일 모드(SM)의 전파를 지원하고 상기 출력 영역은 다중 모드(MM)를 지원하며,
기 코어는 코어의 전체 길이를 따라 단일 모드만을 증폭시키도록 구성된, 길이방향 축을 따라 연장된 직선의 광섬유 로드.
제 1 항에 있어서,
상기 코어는 약 5 센티미터 및 약 30 센티미터 사이에서 변하는 길이는 갖는, 광섬유 로드.
제 1 항에 있어서,
팽창 계수(Do : Din)는 약 2 내지 5 사이에서 변하며, 여기서 Do는 출력 코어 영역에 따른 코어 직영이며, Din은 입력 영역의 코어 직경인, 광섬유 로드.
제 1 항에 있어서,
상기 코어 및 클래딩은 광섬유로부터 부하를 제거할 때 직선으로 남아 있는, 광섬유 로드.
제 1 항에 있어서,
상기 이온은 약 1000 내지 7000ppm 사이에서 변하는 농도 레벨로 코어에 도핑된 이테르븀("Yb")을 포함하는, 광섬유 로드.
제 4 항에 있어서,
출력 빔은 976-1030nm 파장 범위로 방출되는, 광섬유 로드.
제 1 항에 있어서,
상기 코어는 수십 MW에 이르는 피크 전력 및 수백 와트에 이르는 평균 전력을 갖는 출력 빔을 방출하도록 구성된, 광섬유 로드.
제 1 항에 있어서,
상기 코어 및 클래딩은 도파관에 0.003보다 작은 수치 개구가 제공되도록 구성된, 광섬유 로드.
제 1 항에 있어서,
상기 클래딩은 원통형 단면 또는 원추형 단면으로 구성된, 광섬유 로드.
제 1 항에 있어서,
상기 입력 및 출력 영역 각각은 균일한 형태이며 각각 제 1 및 제 2 직경을 가지고, 상기 제 2 직경은 제 1 직경보다 큰, 광섬유 로드.
제 1 항에 있어서,
상기 코어는 원뿔형 단면을 갖는, 광섬유 로드.
제 1 항에 있어서,
상기 광섬유 로드의 하류단에 연결되며 게인 매체로 도핑된 전체 영역을 갖는 광학 요소를 더 포함하며,
원추형 코어의 길이는 코어의 출력 영역으로부터 출력이 방출되어 상기 광학 요소에 결합될 때 SM이 코어의 원추각보다 작은 각으로 확장되도록 선택되는, 광섬유 로드.
SM 펌프 광을 출력하는 단일 모드("SM") 네오디뮴 광섬유 펌프 소스; 및
상기 SM 펌프 광을 수신하는 직선 도파관을 포함하고,
상기 직선 도파관은,
신호 광의 SM을 지원하도록 구성된 작은 직경의 입력 단부 및 신호 광의 SM 및 고차 모드들을 지원할 수 있는 큰 직경의 출력 단부를 갖는 원추형 이테르븀("Yb") 도핑된 코어, 및
상기 코어를 둘러싸고 코어와 함께 연장된 클래딩을 포함하며,
상기 코어는 신호 광의 SM이 펌프 광의 SM과 중첩되어 코어의 전체 길이에 따른 SM들의 중첩 적분이 실질적으로 1과 같아지도록 구성되며, 광 신호의 SM은 펌프 광의 SM으로부터 실질적으로 전체 에너지를 추출하여, HOM들이 시스템의 SM 방출의 품질에 영향을 주지 않도록 증폭 없이 남겨두는, 단일 모드 방출로 신호 광을 출력하는 광 증폭 광섬유 시스템.
제 13 항에 있어서,
상기 코어는 약 5 내지 약 30 센티미터 사이에서 변하는 길이를 갖는, 광 증폭 광섬유 시스템.
제 13 항에 있어서,
상기 코어는 약 2 내지 5 사이에서 변하는 팽창 계수(Do:Din)로 구성되고, 여기서 Do는 출력단의 코어 직경이며, Din은 입력단의 코어 직경인, 광 증폭 광섬유 시스템.
제 13 항에 있어서,
상기 코어는 수심 MW에 이르는 피크 전력 및 수백 와트에 이르는 평균 전력으로 SM 방사선을 방출하도록 구성된, 광 증폭 광섬유 시스템.
제 13 항에 있어서,
Yb 이온들은 약 1000 내지 7000ppm 사이에서 변하는 농도 레벨로 코어에 도핑되는, 광 증폭 광섬유 시스템.
제 13 항에 있어서,
신호 광은 976-1030nm 파장 범위에서 방출되는, 광 증폭 광섬유 시스템.
제 13 항에 있어서,
도파관은 도판관으로부터 로드를 제거할 때 직선으로 유지될 수 있는 광섬유 로드의 형태를 갖는, 광 증폭 광섬유 시스템.
제 13 항에 있어서,
상기 코어 및 클래딩은 도파관에 0.003보다 작은 수치 개구가 제공되도록 구성되는, 광 증폭 광섬유 시스템.
제 13 항에 있어서,
상기 클래딩은 원통형 단면 또는 원추형 단면으로 구성되는, 광 증폭 광섬유 시스템.
제 13 항에 있어서,
입력 영역은 거의 수 밀리미터의 길이 및 실질적으로 균일한 직경을 갖는, 광 증폭 광섬유 시스템.
제 13 항에 있어서,
상기 코어는 단부들 사이에 연장하는 테이퍼진 전이 코어 영역을 더 구비하여, 코어에 병목형상 단면이 제공되는, 광 증폭 광섬유 시스템.
제 13 항에 있어서,
상기 코어는 원뿔형 단면을 갖는, 광 증폭 광섬유 시스템.
제 13 항에 있어서,
원추형 코어는 SM 신호가 원뿔각보다 작은 각으로 출력단 영역의 하류 부분을 따라 팽창하도록 구성되는, 광 증폭 광섬유 시스템.
제 25 항에 있어서,
코어의 출력단의 면적보다 큰 면적을 가지고 코어의 출력단에 결합된 완전히 도핑된 광학 요소를 더 포함하는, 광 증폭 광섬유 시스템.
제 13 항에 있어서,
SM Nd 펌프 소스는 Nd 이온으로 도핑되고 원통형 단면 또는 이중 병목 단면을 가지는 능동 광섬유로 구성되는, 광 증폭 광섬유 시스템.
가우시안 강도 프로파일을 갖는 실질적으로 회절 제한된 빔을 방출하는 고전력 광섬유 레이저 시스템으로,
SM 펌프 광을 출력하는 단일 모드("SM") 네오디뮴 광섬유 펌프 소스;
펌프 광의 파장 보다 큰 파장의 SM 신호 광을 방출하도록 동작하는 시드 레이저;
SM 펌프 광 및 신호 광을 수신하여 멀티플렉싱하는 SM DWM; 및
부스터 광섬유 증폭기를 포함하고,
상기 부스터 광섬유 증폭기는,
SM만을 지원하는 작은 직경의 입력 단부 및 SM 및 고차 모드들("HOM")을 지원할 수 있는 큰 직경의 출력 단부를 갖는 원추형 이테르븀("Yb") 도핑된 코어, 및
상기 코어를 둘러싸고 코어와 함께 연장된 클래딩을 포함하며,
상기 코어는 펌프 및 신호 광의 각 SM의 강도 프로파일이 서로 중첩되어 코어의 전체 길이에 따른 중첩 적분이 실질적으로 1과 같아지도록 구성되며, 광 신호의 SM은 펌프 모드의 실질적으로 전체 에너지를 추출하여, HOM들이 MW 피크 전력 범위 및 수백 와트의 평균 전력 범위에서 시스템의 실질적으로 회절 제한된 빔의 품질에 영향을 주지 않도록 증폭 없이 남겨두는, 고전력 광섬유 레이저 시스템.
제 28 항에 있어서,
상기 코어는 약 5 내지 약 30 센티미터 사이에서 변하는 길이를 갖는, 고전력 광섬유 레이저 시스템.
제 28 항에 있어서,
상기 코어는 약 2 내지 5 사이에서 변하는 팽창 계수(Do:Din)로 구성되고, 여기서 Do는 출력단의 코어 직경이며, Din은 입력단의 코어 직경인, 고전력 광섬유 레이저 시스템.
제 28 항에 있어서,
Yb 이온들은 약 1000 내지 7000ppm 사이에서 변하는 농도 레벨로 코어에 도핑되는, 고전력 광섬유 레이저 시스템.
제 28 항에 있어서,
신호 광은 976-1030nm 파장 범위에서 방출되는, 고전력 광섬유 레이저 시스템.
제 28 항에 있어서,
도파관은 도판관으로부터 로드를 제거할 때 직선으로 유지될 수 있는 광섬유 로드의 형태를 갖는, 고전력 광섬유 레이저 시스템.
제 28 항에 있어서,
상기 코어 및 클래딩은 도파관에 0.003보다 작은 수치 개구가 제공되도록 구성되는, 고전력 광섬유 레이저 시스템.
제 28 항에 있어서,
상기 클래딩은 원통형 단면 또는 원추형 단면으로 구성되는, 고전력 광섬유 레이저 시스템.
제 28 항에 있어서,
입력 영역은 거의 수 밀리미터의 길이 및 실질적으로 균일한 직경을 갖는, 고전력 광섬유 레이저 시스템.
제 28 항에 있어서,
상기 코어는 단부들 사이에 연장하는 테이퍼진 전이 코어 영역을 더 구비하여, 코어에 병목형상 단면이 제공되는, 고전력 광섬유 레이저 시스템.
제 28 항에 있어서,
상기 코어는 원뿔형 단열은 갖는, 고전력 광섬유 레이저 시스템.
제 28 항에 있어서,
원추형 코어는 SM 신호가 원뿔각보다 작은 각으로 출력단 영역의 하류 부분을 따라 팽창하도록 구성되는, 고전력 광섬유 레이저 시스템.
제 38 항에 있어서,
상기 코어의 출력단의 면적보다 큰 면적을 가지고 코어의 출력단에 결합된 완전히 도핑된 광학 요소를 더 포함하는, 고전력 광섬유 레이저 시스템.
제 28 항에 있어서,
SM Nd 펌프 소스는 Nd 이온으로 도핑되고 원통형 단면 또는 이중 병목 단면을 가지는 능동 광섬유로 구성되는, 고전력 광섬유 레이저 시스템.