KR20150083625A - 광섬유 레이저 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 광섬유 레이저에 관한 것으로, 펌핑(pumping)광을 발생시키는 펌핑부; 펌핑광을 진행시키고 그 에너지를 흡수하여 발생된 레이저광을 공진시키는 광섬유를 포함하는 광섬유 공진부; 및 광섬유에서 공진되는 레이저광 중 일부를 투과하는 제1 반사부와, 제1 반사부로부터 입사되는 광신호를 제1 반사부를 향해 반사시키는 제2 반사부를 포함하는 종모드 결정 공진부를 포함하는 광섬유 레이저를 제공한다.

Description

광섬유 레이저{OPTICAL FIBER LASER}
본 발명은 광섬유 레이저(optical fiber laser)에 관한 것이다.
본 발명은 지식경제부의 기술혁신사업/산업기술개발사업/신성장동력 장비 경쟁력 강화 사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다(과제관리번호 : 201200000002779, 과제명 : 박판 spot welding system용 출력 확장형 6kW급 준연속 레이저 개발)
광섬유 레이저 시스템은 광섬유의 도파로 구조로 인해 고체 레이저에 비해 훨씬 긴 활성 레이저 매질을 사용한 레이저 시스템을 구성할 수 있으므로, 고출력 레이저 발진 시 나타나는 열 문제 제거에 탁월한 특성을 지니고 있어 고출력 발진에 아주 뛰어난 특성을 갖는다. 그로 인해, 광섬유 레이저, 그 중에서 특히 이중 클래딩 구조를 가진 광섬유를 사용한 고출력 광섬유 레이저는 지난 10여 년간 눈부신 발전을 이룩하여, 최근에는 10킬로와트 급의 연속 발진 광섬유 레이저가 상용화되어 사용되고 있고, 연구, 산업, 군사 등 다양한 분야에서 기존의 고체 레이저를 빠르게 대체하고 있다.
일반적인 광섬유 레이저 시스템의 구성은 펌프용 다이오드 레이저를 렌즈 혹은 광섬유 접합계를 사용하여 희토류 첨가 능동 광섬유에 종펌핑 혹은 횡펌핑하는 구조를 갖는다. 이때, 공진기 형성을 위하여 광섬유 양쪽 끝단에 되먹임 신호를 줄 수 있는 반사면이 필요한데, 이를 위해 광섬유 양끝을 수직으로 절단하여 4%의 프레넬 반사가 일어나도록 하거나, 양끝 혹은 한쪽 끝에 반사 거울, 회절 격자, 광섬유 회절 격자 등을 접합하여 레이저 신호의 일부 반사가 일어나도록 한다.
하지만, 이러한 기존 광섬유 레이저의 자발 펄싱(self-pulsing) 현상은 안정적인 고출력 레이저 발진에 있어 여러 가지 문제점을 야기하고 있다. 즉, 기존 광섬유 레이저는 긴 흡수 길이 및 공진기 길이로 인한 이득률과 펌핑률의 부조화, 펌핑률의 길이에 따른 변화, 비선형 광섬유 효과 등으로 인해, 연속 발진시 수 마이크로초 단위로 평균 출력보다 수배에서 수십 배 높은 첨두 출력을 가진 자발 펄스가 발생하여, 레이저 출력이 매우 불안정해짐과 동시에 광섬유 레이저 매질의 손상을 가져올 수도 있는 현상이 발생하게 된다. 자발 펄싱 효과는 안정적인 연속 발진 레이저 출력을 얻는 것을 방해할 뿐 아니라, 심하게는 광섬유나 광부품의 심각한 손상을 야기할 수 있다. 따라서, 이러한 자발 펄싱 현상을 제거하여야만 안정된 연속 발진 출력을 얻을 수 있고, 산업, 군사, 의료 등의 다양한 응용 분야에 사용할 수 있다.
자발 펄싱 현상의 원인으로는 레이저 신호와 밀도 반전 사이의 상호작용, 충분히 펌핑되지 않은 도핑 광섬유 부분에서의 레이저 신호의 재흡수 때문에 발생하는 자발 모드 잠금 효과, 펌프 광원 출력의 불안정, SBS 혹은 SRS 등의 비선형 효과 등으로 알려져 있다. 이러한 자발 펄싱 현상을 해결하고, 안정적인 레이저 발진을 얻기 위한 여러 가지 방법이 제시되었는데, 이러한 방법에는 레이저 발진시 공진 파장 근처의 이중 펌핑, 양방향 펌핑 구조를 가진 광섬유 시스템, 긴 길이의 수동 광섬유 접합, 링 공진기 형태의 광섬유 레이저 구성 방식 등이 있다. 하지만, 이들 방법은 광섬유 레이저의 구조를 상당히 복잡하게 만들거나, 광섬유 레이저 공진기 내의 손실을 증가시켜 출력의 저하를 가져오는 단점이 있다.
자발 펄스 발생으로 인한 출력 불안정 현상을 제거하기 위하여 가장 많이 사용되는 기존 기술은 1km 이상의 수동 광섬유를 접합하는 방법인데, 이 방법은 레이저 신호의 공진 시간을 매우 늘려 레이저 공진 신호가 한바퀴 돌기 전에 능동 광섬유에 펌핑이 충분히 되도록 하는 방법이다. 하지만, 이 방법은 수십 배 늘어난 공진 길이로 인해 유도 브릴루앙 현상, 유도 라만 현상 등 광섬유의 비선형 광학 현상이 크게 증가하는 문제점이 있어, 고출력 발진 및 좁은 선폭의 레이저 발진에 적합하지 않다.
다른 방법은 링 형태의 광섬유 레이저 공진 시스템을 구성하는 것으로, 이 방법은 레이저 공진 신호의 유효 시간을 매우 늘려 자발 펄스 발생을 억제할 수 있지만, 이러한 시스템을 구성하기 위해서는 한쪽 방향으로만 공진하도록 광섬유 편광기, 아이솔레이터 등 여러 능동 광소자를 삽입해야 하므로, 시스템이 복잡해지고 비용이 증가하며, 더 나아가 출력에 따라 이들 능동 광소자를 각각 조절해 줘야 하는 단점이 있다.
또 다른 방법으로는 전자 회로 구성을 통한 이득률 및 손실률을 조절하는 방법이 있는데, 이는 복잡한 전자 회로 되먹임 시스템을 구성, 설치해야 하므로, 시스템의 복잡도가 크게 증가하는 동시에 비용 또한 크게 증가하는 단점이 있다. 그 외에 수cm의 매우 짧은 길이의 능동 광섬유를 사용하거나, 수백 와트급의 높은 출력에서 작동시키는 방법 등이 있는데, 적용하여 얻을 수 있는 출력 범위에 많은 제약이 따른다.
본 발명은 자발 펄싱(self-pulsing) 현상을 억제하여 안정화된 출력을 얻을 수 있는 광섬유 레이저를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 저비용으로 안정된 출력을 얻을 수 있는 광섬유 레이저를 제공하는 것에 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급된 과제로 제한되지 않는다. 언급되지 않은 다른 기술적 과제들은 이하의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 광섬유 레이저는, 펌핑(pumping)광을 발생시키는 펌핑부; 상기 펌핑광을 진행시키고 그 에너지를 흡수하여 발생된 레이저광을 공진시키는 광섬유를 포함하는 광섬유 공진부; 및 상기 광섬유에서 공진되는 레이저광 중 일부를 투과하는 제1 반사부와, 상기 제1 반사부로부터 입사되는 광신호를 상기 제1 반사부를 향해 반사시키는 제2 반사부를 포함하는 종모드 결정 공진부를 포함한다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 제1 반사부는 상기 제2 반사부에서 반사된 광신호를 상기 제2 반사부를 향해 반사시키는 제1 반사면을 구비하고, 상기 제2 반사부는 상기 제1 반사부로부터 입사되는 광신호를 상기 제1 반사부를 향해 반사시키는 제2 반사면을 구비할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 종모드 결정 공진부는 상기 제1 반사부와 상기 제2 반사부 사이에서 상기 광신호를 공진시켜 상기 광섬유에 입사시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 제1 반사부는 상기 제1 반사부와 상기 제2 반사부 사이에서 공진되는 광신호 중 일부를 상기 광섬유로 입사시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 제2 반사부는 상기 제1 반사부보다 높은 반사율을 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 광섬유 레이저는, 상기 광섬유 공진부에 의해 공진된 레이저 광을 출력하는 출력부를 더 포함하며, 상기 출력부는 상기 광섬유 공진부와 연결되어 상기 광섬유 공진부에 의해 공진된 레이저 광을 출력하는 커플러, 또는 상기 광섬유 공진부에 의해 공진된 레이저 광을 반사하여 출력하는 이색 거울을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 광섬유는 이득 물질이 도핑된 능동 광섬유를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 광섬유는 희토류 첨가된 능동 광섬유를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 광섬유 공진부는 상기 광섬유 공진부의 양측에 각각 제공되는 반사면에 의해 상기 광섬유를 향해 상기 레이저광을 반사하여 상기 레이저광을 공진시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 펌핑부는, 상기 펌핑광을 발생하는 펌핑 소스(pumping source); 및 상기 펌핑 소스와 상기 광섬유의 일 단을 결합시키는 커플러(coupler)를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 펌핑부는, 상기 펌핑광을 발생하는 펌핑 소스(pumping source); 및 상기 펌핑광을 집속하여 상기 광섬유의 일 단으로 입사시키는 렌즈를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 종모드 결정 공진부는 상기 제1 반사부와 상기 제2 반사부 간의 거리에 대응하는 종모드를 갖는 되먹임 신호를 상기 광섬유로 입사할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 종모드 결정 공진부의 광 경로는 상기 광섬유의 광 경로보다 짧을 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 제1 반사부는 상기 광섬유에서 공진되는 레이저광 중 일부를 투과시키는 제1 광섬유 회절 격자를 포함하고, 상기 제2 반사부는 상기 제1 광섬유 회절 격자로부터 입사되는 광신호를 상기 제1 광섬유 회절 격자를 향해 반사시키는 제2 광섬유 회절 격자를 포함하며, 상기 종모드 결정 공진부는 상기 제1 광섬유 회절 격자와 상기 제2 광섬유 회절 격자 사이에 제공되는 수동 광섬유를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 종모드 결정 공진부는 상기 광섬유에 접합되어 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 제1 반사부는 상기 광섬유에서 공진되는 레이저광 중 일부를 투과시키는 제1 반사 거울을 포함하고, 상기 제2 반사부는 상기 제1 반사 거울로부터 입사되는 광신호를 상기 제1 반사 거울을 향해 반사시키는 제2 반사 거울을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 광섬유는 상기 제1 반사 거울 측의 단부가 경사면을 갖도록 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 광섬유 레이저는, 상기 광섬유의 상기 단부에서 출사되는 레이저광을 집속하여 상기 제1 반사 거울로 입사시키고, 상기 종모드 결정 공진부에서 공진되어 상기 제1 반사 거울을 통해 출사되는 광신호를 집속하여 상기 광섬유로 입사시키는 렌즈를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 제1 반사부는 상기 광섬유의 단부 측에 상기 광섬유의 광축과 수직한 면으로 형성되어 상기 광섬유에서 공진되는 레이저광 중 일부를 투과시키는 수직면을 포함하며, 상기 제2 반사부는 상기 수직면으로부터 입사되는 광신호를 상기 수직면을 향해 반사시키는 반사 거울을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 광섬유 레이저는, 상기 수직면과 상기 반사 거울 간에 광신호를 집속시켜 출력하는 렌즈를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 의하면, 자발 펄싱(self-pulsing) 현상을 억제하여 안정화된 광섬유 레이저 출력을 얻을 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 의하면, 저비용으로 안정된 광섬유 레이저 출력을 얻을 수 있다.
본 발명의 효과는 상술한 효과들로 제한되지 않는다. 언급되지 않은 효과들은 본 명세서 및 첨부된 도면으로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.
도 1a는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 광섬유 레이저를 개략적으로 보여주는 구성도이다.
도 1b는 도 1a에 도시된 'A'부를 확대하여 보여주는 도면이다.
도 1c는 도 1a에 도시된 'B'부를 확대하여 보여주는 도면이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 광섬유 레이저를 개략적으로 보여주는 구성도이다.
도 3는 본 발명의 제3 실시 예에 따른 광섬유 레이저를 개략적으로 보여주는 구성도이다.
도 4는 본 발명의 제4 실시 예에 따른 광섬유 레이저를 개략적으로 보여주는 구성도이다.
도 5는 본 발명의 제5 실시 예에 따른 광섬유 레이저를 개략적으로 보여주는 구성도이다.
도 6은 본 발명의 제6 실시 예에 따른 광섬유 레이저를 개략적으로 보여주는 구성도이다.
도 7은 본 발명의 제7 실시 예에 따른 광섬유 레이저를 개략적으로 보여주는 구성도이다.
도 8은 본 발명의 제8 실시 예에 따른 광섬유 레이저를 개략적으로 보여주는 구성도이다.
도 9는 본 발명의 제9 실시 예에 따른 광섬유 레이저를 개략적으로 보여주는 구성도이다.
도 10은 본 발명의 제10 실시 예에 따른 광섬유 레이저를 개략적으로 보여주는 구성도이다.
도 11은 본 발명의 제11 실시 예에 따른 광섬유 레이저를 개략적으로 보여주는 구성도이다.
도 12는 본 발명의 제12 실시 예에 따른 광섬유 레이저를 개략적으로 보여주는 구성도이다.
도 13은 종모드 결정 공진부를 구비하지 않은 광섬유 레이저의 신호 진폭 파형을 보여주는 도면이다.
도 14는 본 발명의 실시 예에 따른 광섬유 레이저의 신호 진폭 파형을 보여주는 도면이다.
도 15는 본 발명의 실시 예에 따른 광섬유 레이저의 출력을 보여주는 도면이다.
본 발명의 다른 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술하는 실시 예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되지 않으며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 만일 정의되지 않더라도, 여기서 사용되는 모든 용어들(기술 혹은 과학 용어들을 포함)은 이 발명이 속한 종래 기술에서 보편적 기술에 의해 일반적으로 수용되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 공지된 구성에 대한 일반적인 설명은 본 발명의 요지를 흐리지 않기 위해 생략될 수 있다. 본 발명의 도면에서 동일하거나 상응하는 구성에 대하여는 가급적 같은 참조번호가 사용된다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 광섬유 레이저는 펌핑(pumping)광을 발생시키는 펌핑부; 펌핑광을 진행시키고 그 에너지를 흡수하여 발생된 레이저광을 공진시키는 광섬유를 포함하는 광섬유 공진부; 및 광섬유에서 공진되는 레이저광 중 일부를 투과하는 제1 반사부와, 제1 반사부로부터 입사되는 광신호를 제1 반사부를 향해 반사시키는 제2 반사부를 포함하는 종모드 결정 공진부를 포함한다. 종모드 결정 공진부는 제1 반사부와 제2 반사부 사이에서 광신호를 공진시켜 광섬유에 입사시킨다. 종모드 결정 공진부는 제1 반사부와 제2 반사부 간의 거리에 대응하는 종모드를 갖는 되먹임 신호를 광섬유로 입사한다. 종모드 결정 공진부의 광 경로를 광섬유의 광 경로보다 훨씬 짧게 하면, 광섬유 레이저의 발진 종모드를 강제하여 자발 펄싱(self-pulsing) 현상을 억제할 수 있으며, 이에 따라 안정화된 광섬유 레이저 출력을 얻을 수 있다. 본 발명의 실시 예에 의하면, 광섬유 공진부에 간단한 기구의 종모드 결정 공진부를 결합하는 것에 의해, 저비용으로 안정된 광섬유 레이저 출력을 얻을 수 있다.
도 1a는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 광섬유 레이저를 개략적으로 보여주는 구성도이다. 도 1a를 참조하면, 광섬유 레이저(100)는 펌핑 소스(pumping source)(110), 커플러(coupler)(120), 광섬유(optical fiber)(130)를 포함하는 광섬유 공진부, 그리고 종모드 결정 공진부(10)를 포함한다. 본 발명의 제1 실시 예에서, 펌핑 소스(110)와 커플러(120)는 펌핑부에 상응한다. 펌핑 소스(110)는 펌핑(pumping)광을 발생시킨다. 펌핑 소스(110)는 예시적으로, 다이오드 펌핑 소스일 수 있다. 커플러(120)는 펌핑 소스(110)와 광섬유(130)의 일 단을 결합시킨다. 광섬유(130)는 커플러(120)에서 출사되어 입력되는 펌핑광을 진행시킬 수 있다. 일 실시 예로, 광섬유(130)는 이득 물질이 도핑된 능동 광섬유를 포함할 수 있다. 입사된 펌핑광은 광섬유(130)에 첨가된 희토류 이온에 의해 흡수되고, 펌핑광을 흡수한 이온은 유도 방출에 의해 레이저광을 발생시킨다. 발생한 레이저광은 광섬유 내부에서 진행하게 되고, 광섬유 공진부는 이의 양측에 각각 제공되는 반사면(130a,130b)에 의해 광섬유(130)를 향해 레이저광을 반사하여 레이저광을 공진시킬 수 있다.
일 실시 예로, 광섬유(130)는 희토류 첨가된 능동 광섬유를 포함할 수 있다. 광섬유 공진부는 이의 양측에 각각 제공되는 반사면(130a,130b)에 의해 광섬유(130)를 향해 펌핑광을 반사하여 펌핑광을 공진시킬 수 있다.
도 1b는 도 1a에 도시된 'A'부를 확대하여 보여주는 도면이다. 도 1b를 참조하면, 광섬유(130)의 일 단부는 커플러(120)의 출력단과 광연결부(120a)에 의해 결합된다. 일 실시 예로, 광섬유(130)의 일 단부는 광축에 대해 수직한 단면으로 형성된다. 이와 같이, 광섬유(130)의 일 단부가 수직면으로 형성되면, 수직면은 광섬유 공진부에서 4%의 프레넬 반사에 의해 레이저광을 공진시키는 반사면(130a)의 기능을 수행한다. 광섬유 공진부에서, 다른 하나의 반사면(130b)은 광섬유(130)의 타 단부에 형성될 수 있다. 도 1c는 도 1a에 도시된 'B'부를 확대하여 보여주는 도면이다. 도 1c를 참조하면, 광섬유(130)의 타 단부는 광축에 대해 수직한 수직면으로 형성되고, 이에 따라 수직면에 의해 4%의 프레넬 반사에 의해 레이저광을 공진시키는 반사면(130b)의 기능을 수행한다.
도 1a 내지 도 1c를 참조하면, 광섬유 공진부는 광섬유(130) 양측의 반사면(130a,130b) 사이에서 레이저광을 공진시킨다. 즉, 광섬유(130)의 양쪽 단면에서 발생하는 레이저광의 반사에 의해 레이저광이 공진하게 되고, 레이저 발진이 일어나게 된다. 이때, 레이저 종모드는 광섬유(130) 양 끝단의 두 반사면(130a,130b)에 의해서 형성된다. 레이저 신호의 공진 종모드는 예시적으로, 능동 광섬유에서 나오는 레이저 신호의 파장과 광섬유의 굴절율, 그리고 광섬유(130)의 양측 끝단에서 되먹임 신호를 일으키는 두 반사면(130a,130b) 사이의 거리에 의해 결정될 수 있다. 광섬유 공진부의 길이는 수 m에 이를 정도로 매우 길기 때문에, 수많은 종모드가 공진하게 되며, 이들 모드들의 시간적 간섭으로 인해 자발 펄스 현상이 발생하고, 레이저 출력이 불안정해질 수 있다. 즉, 레이저 발진 종모드의 수는 매우 많으며, 발진하는 종모드 또한 시간, 외부 조건에 따라 수 마이크로 초 이내로 변하게 되며, 이로 인해 자발 펄스가 발생하게 되고 레이저 출력이 불안정해질 가능성이 존재한다.
이에 본 발명의 실시 예에 따른 광섬유 레이저는 광섬유 레이저의 발진 종모드를 강제하여 안정된 레이저 종모드를 형성하기 위해, 광섬유 공진부 외에 종모드 결정 공진부(10)를 구비한다. 본 발명의 제1 실시 예에서, 종모드 결정 공진부(10)는 제1 광섬유 회절 격자(140), 수동 광섬유(150) 및 제2 광섬유 회절 격자(160)를 포함한다. 본 발명의 제1 실시 예에서, 제1 광섬유 회절 격자(140)는 종모드 결정 공진부(10)의 제1 반사부에 상응하며, 제2 광섬유 회절 격자(160)는 종모드 결정 공진부(10)의 제2 반사부에 상응한다. 종모드 결정 공진부(10)는 광섬유(130)에 접합되어 형성될 수 있다.
제1 광섬유 회절 격자(140)는 광섬유(130)에서 공진되는 레이저광 중 일부를 투과한다. 수동 광섬유(150)는 제1 광섬유 회절 격자(140)와 제2 광섬유 회절 격자(160) 사이에 제공될 수 있다. 제2 광섬유 회절 격자(160)는 제1 광섬유 회절 격자(140)로부터 입사되는 광신호를 제1 광섬유 회절 격자(140)를 향해 반사시킨다. 제2 광섬유 회절 격자(160)는 제1 광섬유 회절 격자(140)보다 높은 반사율을 가질 수 있다. 즉, 제1 광섬유 회절 격자(140)는 저반사율 광섬유 회절 격자이고, 제2 광섬유 회절 격자(160)는 고반사율 광섬유 회절 격자일 수 있다.
제1 광섬유 회절 격자(140)는 종모드 결정 공진부(10)의 제1 반사면(140a)을 제공하며, 제2 광섬유 회절 격자(160)는 종모드 결정 공진부(10)의 제2 반사면(160a)을 제공한다. 즉, 제1 광섬유 회절 격자(140)는 제2 광섬유 회절 격자(160)에서 반사된 광신호를 제2 광섬유 회절 격자(160)를 향해 반사시키는 제1 반사면(140a)을 구비하며, 제2 광섬유 회절 격자(160)는 제1 광섬유 회절 격자(140)로부터 입사되는 광신호를 제1 광섬유 회절 격자(140)를 향해 반사시키는 제2 반사면(160a)을 구비한다.
종모드 결정 공진부(10)는 제1 광섬유 회절 격자(140)와 제2 광섬유 회절 격자(160) 사이에서 광신호를 공진시켜 광섬유 공진부, 즉 광섬유(130)에 입사시킬 수 있다. 즉, 제1 광섬유 회절 격자(140)는 제1 광섬유 회절 격자(140)와 제2 광섬유 회절 격자(160) 사이에서 공진되는 광신호 중 일부를 광섬유(130)로 입사시킨다. 종모드 결정 공진부(10)는 두 반사면(140a,160a) 사이에서 광신호를 공진시키는 광섬유 패브리-패롯(Fabry-Perot) 공진기로 동작한다. 종모드 결정 공진부(10)는 광섬유 공진부로 입사되는 되먹임 신호의 종모드를 결정하는 기능을 갖는다. 종모드 결정 공진부(10)에 의해 공진되어 광섬유로 입사되는 되먹임 신호는 제1 광섬유 회절 격자(140)와 제2 광섬유 회절 격자(160) 간의 거리에 대응하는 종모드를 갖는다.
즉, 광섬유(130)의 한쪽 끝단에 저반사율 반사면(140a)과 고반사율 반사면(160a)으로 이루어진 수동형 패브리-패롯 공진기를 구성하면, 저반사율 반사면(140a)을 통해 나온 레이저 신호는 제1 광섬유 회절 격자(140)와 제2 광섬유 회절 격자(160)로 이루어지는 패브리-패롯 공진기 내부에서 다시 한 번 공진하게 된다. 이때, 공진 조건에 맞는 레이저 종모드 신호만 입사한 신호와 같은 세기로 반사하여 광섬유 공진부로 다시 입사하게 되는데, 이 신호의 세기는 고반사율 반사면(160a)에서 반사된 신호의 세기와 같으며, 저반사율 반사면(140a)에서 반사된 되먹임 신호의 세기보다 훨씬 크므로, 이 신호가 광섬유 레이저를 작동시키는 되먹임 신호로 작용하게 된다.
따라서, 종모드 결정 공진부(10)의 광 경로(R2), 즉 제1 광섬유 회절 격자(140)와 제2 광섬유 회절 격자(160)의 간격(예를 들어, 1m 내외)을 광섬유(130)의 전체 광 경로(R1)(예를 들어, 수 m 이상)보다 짧게 설계하면, 종모드 결정 공진부(10)의 되먹임 신호에 의하여 광섬유 레이저의 발진 종모드를 강제할 수 있으며, 결과적으로 안정된 레이저 종모드를 형성하는 동시에 자발 펄스 현상을 억제할 수 있다. 광섬유 공진부에 의해 공진된 레이저 광은 커플러(120)의 레이저광 출력단을 통해 출력된다. 본 발명의 제1 실시 예에서, 커플러(120)의 레이저광 출력단은 출력부에 상응한다. 종모드 결정 공진부(10)에 의하여, 안정된 레이저 종모드를 형성하는 동시에 자발 펄스 현상을 억제할 수 있으므로, 안정화된 레이저 출력을 얻을 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시 예에 의하면, 광섬유 공진부에 결합되는 종모드 결정 공진부에 의해 종모드가 선택되게 되고, 종모드 결정 공진부에 의해 선택된 종모드는 제1 광섬유 회절 격자(140)를 통해 다시 능동 광섬유(130)로 입사되며, 그에 따라, 광섬유 레이저의 발진 종모드를 강제하여 안정된 레이저 발진 종모드가 형성되고, 자발 펄스 현상이 억제되어 매우 안정된 레이저 출력을 획득할 수 있다. 본 발명의 실시 예에 의하면, 전자 회로와 같은 능동형 광소자를 사용하지 않는 수동형 시스템에 의하여 구현할 수 있으므로, 간단한 방법으로 안정된 출력을 얻을 수 있으며, 간단한 시스템의 추가로 자발 펄스 발생을 억제하여 매우 안정된 레이저 출력을 얻을 수 있음과 동시에, 비용을 크게 줄일 수 있다.
본 발명의 실시 예에 의하면, 모든 구성을 광섬유 소자로 구성할 수 있으며, 수 km에 달하는 수동형 광섬유를 접합시키지 않고도, 1m 내외의 수동형 광섬유를 접합하는 것으로도 충분하므로, 수 km에 달하는 수동형 광섬유를 접합할 때 발생할 수 있는 유도 브릴루앙, 유도 라만 현상과 같은 비선형 광학 현상을 최소화시킬 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시 예에 의하면, 구조의 간단함으로 인해 출력의 범위 및 세기가 외부 조건에 영향받지 않으며, 출력 범위의 제한, 복잡성, 비용 증가 등의 문제를 동시에 해결할 수 있다.
도 2는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 광섬유 레이저를 개략적으로 보여주는 구성도이다. 도 2에 도시된 실시 예를 설명함에 있어서, 도 1a 내지 도 1c에 도시된 실시 예와 동일하거나 상응하는 구성에 대하여는 중복되는 설명을 생략할 수 있다. 본 발명의 제2 실시 예에서, 종모드 결정 공진부(10)는 광섬유(130)에 직접 결합되는 대신, 커플러(120)를 매개로 간접적으로 결합될 수 있다. 즉, 종모드 결정 공진부(10)는 커플러(120)를 통해 광섬유(130)에 결합된다. 종모드 결정 공진부(10)는 광연결부(120a)에 의하여 커플러(120)에 결합될 수 있다.
광섬유 공진부는 광섬유(130)의 일 단에 수직면으로 제공되는 반사면(130a)과 광섬유(130)의 타 단에 수직면으로 제공되는 반사면(130b) 사이에서 레이저광을 공진시킨다. 광섬유 공진부에 의해 공진되는 레이저광 중의 일부는 커플러(120)를 통해 종모드 결정 공진부(10)로 입사된다. 종모드 결정 공진부(10)는 커플러(120)를 통해 입사된 광신호를 제1 반사면(140a)과 제2 반사면(160a) 사이에서 공진시켜 다시 커플러(120)를 통해 광섬유 공진부로 되먹임한다. 광섬유 레이저(100)의 레이저광은 광섬유(130)의 타 단을 통하여 출력될 수 있다. 본 발명의 제2 실시 예에 의하면, 종모드 결정 공진부(10)에 의해 종모드가 선택되고, 종모드 결정 공진부(10)의 되먹임 신호에 의하여 광섬유 레이저의 발진 종모드가 강제되며, 이에 따라 안정된 레이저 종모드를 형성하는 동시에 자발 펄스 현상을 억제하여 레이저 출력을 안정화할 수 있다.
도 3은 본 발명의 제3 실시 예에 따른 광섬유 레이저를 개략적으로 보여주는 구성도이다. 도 3에 도시된 실시 예를 설명함에 있어서, 도 1a 내지 도 1c에 도시된 실시 예와 동일하거나 상응하는 구성에 대하여는 중복되는 설명을 생략할 수 있다. 본 발명의 제3 실시 예에서, 커플러(coupler) 대신 렌즈(111,122)와 이색 거울(dichroic mirror)(121)을 이용하여 펌핑 소스(110)로부터 광섬유 공진부로 펌핑광을 공급하고, 광섬유 공진부에 의해 발진된 레이저 광을 출력할 수 있다. 본 발명의 제3 실시 예에서, 펌핑 소스(110)와 렌즈(111,122)는 펌핑부에 상응한다. 제1 렌즈(111)는 펌핑 소스(110)에서 발생한 펌핑광을 집속한다. 집속된 펌핑광은 이색 거울(121)을 투과한 후, 다시 제2 렌즈(122)에 의해 집속된 후 광섬유(130)로 입사된다. 또한, 제2 렌즈(122)는 광섬유 공진부에 의해 발진된 레이저 광을 집속한다. 본 발명의 제3 실시 예에서, 이색 거울(121)은 출력부에 상응한다. 즉, 제2 렌즈(122)에 의해 집속된 레이저 광은 이색 거울(121)의 반사면에서 반사되는 광 경로를 통해 출력된다. 본 발명의 제3 실시 예에 의하면, 종모드 결정 공진부(10)에 의해 종모드가 선택되고, 종모드 결정 공진부(10)의 되먹임 신호에 의하여 광섬유 레이저의 발진 종모드가 강제되며, 이에 따라 안정된 레이저 종모드를 형성하는 동시에 자발 펄스 현상을 억제하여 레이저 출력을 안정화할 수 있다.
도 4는 본 발명의 제4 실시 예에 따른 광섬유 레이저를 개략적으로 보여주는 구성도이다. 도 4에 도시된 실시 예를 설명함에 있어서, 도 1a 내지 도 1c 및 도 3에 도시된 실시 예와 동일하거나 상응하는 구성에 대하여는 중복되는 설명을 생략할 수 있다. 본 발명의 제4 실시 예에서, 종모드 결정 공진부(10)는 광섬유(130)에 직접 결합되지 않고, 이색 거울(121)을 매개로 간접적으로 광섬유(130)에 결합될 수 있다. 광섬유 공진부에 의해 공진되는 펌핑광 중의 일부는 이색 거울(121)의 반사면에서 반사되어 종모드 결정 공진부(10)로 입사된다. 종모드 결정 공진부(10)는 이색 거울(121)에서 반사되어 입사된 광신호를 제1 반사면(140a)과 제2 반사면(160a) 사이에서 공진시킨다. 종모드 결정 공진부(10)에서 공진된 되먹임 신호는 다시 이색 거울(121)의 반사면에서 반사되어 광섬유 공진부로 입사된다. 광섬유 레이저(100)의 레이저광은 광섬유(130)의 단부를 통하여 출력된다. 본 발명의 제3 실시 예에 의하면, 종모드 결정 공진부(10)에 의해 종모드가 선택되고, 종모드 결정 공진부(10)의 되먹임 신호에 의하여 광섬유 레이저의 발진 종모드가 강제되며, 이에 따라 안정된 레이저 종모드를 형성하는 동시에 자발 펄스 현상을 억제하여 레이저 출력을 안정화할 수 있다.
도 5는 본 발명의 제5 실시 예에 따른 광섬유 레이저를 개략적으로 보여주는 구성도이다. 도 5에 도시된 실시 예를 설명함에 있어서, 도 1a 내지 도 1c에 도시된 실시 예와 동일하거나 상응하는 구성에 대하여는 중복되는 설명을 생략할 수 있다. 본 발명의 제5 실시 예에서, 종모드 결정 공진부(10)는 제1 반사 거울(180)과 제2 반사 거울(190)을 포함한다. 제1 반사 거울(180)은 광섬유(131)에서 공진되는 레이저광 중 일부를 투과시키며, 제2 반사 거울(190)은 제1 반사 거울(180)로부터 입사되는 광신호를 제1 반사 거울을 향해 반사시킨다. 본 발명의 제5 실시 예에서, 광섬유(131)는 도 1a 내지 도 1c에 도시된 광섬유(130)에 상응하는 구성요소이다. 광섬유(131)의 일 단은 수직면으로 형성되어 광섬유 공진부의 반사면(131a)을 이루고 있으며, 광섬유(131)의 타 단, 즉 제1 반사 거울(180) 측의 단부는 경사면을 갖도록 형성되어 있어 반사면을 형성하지 않는다. 제2 반사 거울(190)의 반사면(190a)은 종모드 결정 공진부의 반사면의 기능을 수행하며, 동시에 광섬유 공진부의 반사면(131b)의 기능도 수행한다.
광섬유 공진부는 이의 양측에 각각 제공되는 반사면(131a,131b)에서 광섬유(130)를 향해 레이저광을 반사하여, 반사면(131a,131b) 사이에서 레이저광을 공진시킨다. 즉, 광섬유(131)의 일 단부에 형성된 반사면(131a)과, 제2 반사 거울(190)의 반사면(131b)에서 발생하는 레이저 신호의 반사에 의해 광섬유 공진부에서 레이저 신호가 공진하게 되고, 레이저 발진이 일어나게 된다. 레이저 종모드는 광섬유 공진부의 양 끝단의 두 반사면(131a,131b)에 의해서 형성된다. 광섬유 공진부의 길이는 수 m에 이를 정도로 매우 길기 때문에, 수많은 종모드가 공진하게 되며, 이들 모드들의 시간적 간섭으로 인해 자발 펄스 현상이 발생하고, 레이저 출력이 불안정해질 수 있다. 이에 본 발명의 제5 실시 예에 따른 광섬유 레이저는 광섬유 레이저의 발진 종모드를 강제하여 안정된 레이저 종모드를 형성하기 위해, 광섬유 공진부를 이루는 광섬유(131)와 제2 반사 거울(190) 사이에 제2 반사 거울(190)보다 낮은 반사율을 갖는 제1 반사 거울(180), 즉 반투과성 반사 거울을 형성한다. 제1 반사 거울(180)과 제2 반사 거울(190)에 의해 종모드 결정 공진부(10)가 제공된다. 본 발명의 제5 실시 예에서, 제1 반사 거울(180)은 종모드 결정 공진부(10)의 제1 반사부에 상응하며, 제2 반사 거울(190)은 종모드 결정 공진부(10)의 제2 반사부에 상응한다.
제1 반사 거울(180)은 광섬유(131)에서 공진되는 레이저광 중 일부를 투과하고 나머지 일부를 반사한다. 제2 반사 거울(190)은 제1 반사 거울(180)로부터 입사되는 광신호를 제1 반사 거울(180)을 향해 반사시킨다. 제2 반사 거울(190)은 제1 반사 거울(180)보다 높은 반사율을 가질 수 있다. 즉, 제1 반사 거울(180)은 저반사율 거울이고, 제2 반사 거울(190)은 고반사율 거울일 수 있다.
제1 반사 거울(180)은 종모드 결정 공진부(10)의 제1 반사면(180a)을 제공하며, 제2 반사 거울(190)은 종모드 결정 공진부(10)의 제2 반사면(190a)을 제공한다. 즉, 제1 반사 거울(180)은 제2 반사 거울(190)에서 반사된 광신호를 제2 반사 거울(190)을 향해 반사시키는 제1 반사면(180a)을 구비하며, 제2 반사 거울(190)은 제1 반사 거울(180)로부터 입사되는 광신호를 제1 반사 거울(180)을 향해 반사시키는 제2 반사면(190a)을 구비한다.
종모드 결정 공진부(10)는 제1 반사 거울(180)과 제2 반사 거울(190) 사이에서 광신호를 공진시켜 광섬유 공진부의 광섬유(131)에 입사시킬 수 있다. 즉, 제1 반사 거울(180)은 제1 반사 거울(180)과 제2 반사 거울(190) 사이에서 공진되는 광신호 중 일부를 광섬유(131)로 입사시킨다. 종모드 결정 공진부(10)는 두 반사면(140a,160a) 사이에서 광신호를 공진시키는 광섬유 패브리-패롯(Fabry-Perot) 공진기로 동작한다. 종모드 결정 공진부(10)는 광섬유 공진부로 입사되는 되먹임 신호의 종모드를 결정하는 기능을 갖는다. 종모드 결정 공진부(10)에 의해 공진되어 광섬유로 입사되는 되먹임 신호는 제1 반사 거울(180)과 제2 반사 거울(160) 간의 거리에 대응하는 종모드를 갖는다.
즉, 광섬유(131)의 한쪽 끝단에 저반사율 반사면(180a)과 고반사율 반사면(190a)으로 이루어진 수동형 패브리-패롯 공진기를 구성하면, 저반사율 반사면(180a)을 통해 나온 레이저 신호는 제1 반사 거울(180)과 제2 반사 거울(190)로 이루어지는 패브리-패롯 공진기 내부에서 다시 한 번 공진하게 된다. 이때, 공진 조건에 맞는 레이저 종모드 신호만 입사한 신호와 같은 세기로 반사하여 광섬유 공진부의 광섬유(131)로 다시 입사하게 되는데, 이 신호의 세기는 고반사율 반사면(190a)에서 반사된 신호의 세기와 같으며, 저반사율 반사면(180a)에서 반사된 되먹임 신호의 세기보다 훨씬 크므로, 이 신호가 광섬유 레이저를 작동시키는 되먹임 신호로 작용하게 된다.
따라서, 종모드 결정 공진부(10)의 광 경로(R2), 즉 제1 반사 거울(180)과 제2 반사 거울(190)의 간격(예를 들어, 1m 내외)을 광섬유 공진부의 전체 광 경로(R1)(예를 들어, 수 m 이상)보다 짧게 설계하면, 종모드 결정 공진부(10)의 되먹임 신호에 의하여 광섬유 레이저의 발진 종모드를 강제할 수 있으며, 결과적으로 안정된 레이저 종모드를 형성하는 동시에 자발 펄스 현상을 억제할 수 있다. 광섬유 공진부에 의해 공진된 레이저광은 커플러(120)의 레이저광 출력단을 통해 출력된다. 광섬유(131)와 제1 반사 거울(180) 사이의 렌즈(170)는 광섬유(131)의 단부에서 출사되는 레이저광을 집속하여 제1 반사 거울(180)로 입사시키고, 종모드 결정 공진부(10)에서 공진되어 제1 반사 거울(180)을 통해 출사되는 광신호를 집속하여 광섬유(131)로 입사시키는 기능을 수행할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 의하면, 광섬유 공진부에 광학적으로 결합되는 종모드 결정 공진부(10)에 의해 종모드가 선택되게 되고, 종모드 결정 공진부에 의해 선택된 종모드는 제1 반사 거울(180)를 통해 능동 광섬유(131)로 입사되며, 그에 따라 광섬유 레이저의 발진 종모드를 강제하여 안정된 레이저 발진 종모드가 형성되고, 자발 펄스 현상이 억제되어 매우 안정된 레이저 출력을 획득할 수 있다. 본 발명의 실시 예에 의하면, 전자 회로와 같은 능동형 광소자를 사용하지 않는 수동형 시스템에 의하여 구현할 수 있으므로, 간단한 방법으로 안정된 출력을 얻을 수 있으며, 간단한 시스템의 추가로 자발 펄스 발생을 억제하여 매우 안정된 레이저 출력을 얻을 수 있음과 동시에, 비용을 크게 줄일 수 있다.
도 6은 본 발명의 제6 실시 예에 따른 광섬유 레이저를 개략적으로 보여주는 구성도이다. 도 6에 도시된 실시 예를 설명함에 있어서, 도 5에 도시된 실시 예와 동일하거나 상응하는 구성에 대하여는 중복되는 설명을 생략할 수 있다. 본 발명의 제6 실시 예에서, 종모드 결정 공진부(10)와 렌즈(170)는 커플러(120)를 통해 광섬유 공진부의 광섬유(131)와 결합된다. 광섬유 공진부는 광섬유(131)의 일 단, 즉 광섬유(131)의 커플러(120) 측의 단부에 수직면으로 제공되는 반사면(131a)과 광섬유(131)의 타 단, 즉 광섬유(131)의 커플러(120) 반대 측의 단부에 수직면으로 제공되는 반사면(131b) 사이에서 레이저광을 공진시킨다.
광섬유 공진부에 의해 공진되는 레이저광 중의 일부는 커플러(120)를 통해 종모드 결정 공진부(10)로 입사된다. 종모드 결정 공진부(10)는 커플러(120)를 통해 입사된 광신호를 제1 반사면(180a)과 제2 반사면(190a) 사이에서 공진시켜 다시 커플러(120)를 통해 광섬유 공진부로 되먹임한다. 광섬유 레이저(100)의 레이저광은 광섬유(131)의 타 단, 즉 광섬유 공진부의 반사면(131b)이 형성된 광섬유(131)의 단부를 통하여 출력될 수 있다. 커플러(120)와 제1 반사 거울(180) 사이의 렌즈(170)는 광섬유 공진부에서 공진되어 커플러(120)를 통해 입사되는 광신호를 집속하여 제1 반사 거울(180)로 입사시키고, 종모드 결정 공진부(10)에서 공진되어 제1 반사 거울(180)을 통해 출사되는 광신호를 집속하여 커플러(120)로 입사시키는 기능을 수행할 수 있다. 본 발명의 제6 실시 예에 의하면, 종모드 결정 공진부(10)에 의해 종모드가 선택되고, 종모드 결정 공진부(10)의 되먹임 신호에 의하여 광섬유 레이저의 발진 종모드가 강제되며, 이에 따라 안정된 레이저 종모드를 형성하는 동시에 자발 펄스 현상을 억제하여 레이저 출력을 안정화할 수 있다.
도 7은 본 발명의 제7 실시 예에 따른 광섬유 레이저를 개략적으로 보여주는 구성도이다. 도 7에 도시된 실시 예를 설명함에 있어서, 도 5에 도시된 실시 예와 동일하거나 상응하는 구성에 대하여는 중복되는 설명을 생략할 수 있다. 본 발명의 제7 실시 예에서, 커플러(coupler) 대신 렌즈(111,122)와 이색 거울(121)을 이용하여 펌핑 소스(110)로부터 광섬유 공진부로 펌핑광을 공급하고, 광섬유 공진부에 의해 발진된 레이저 광을 출력할 수 있다. 본 발명의 제7 실시 예에서, 펌핑 소스(110)와 렌즈(111,122)는 펌핑부에 상응한다. 제1 렌즈(111)는 펌핑 소스(110)에서 발생한 펌핑광을 집속한다. 집속된 펌핑광은 이색 거울(121)을 투과한 후, 다시 제2 렌즈(122)에 의해 집속된 후 광섬유(131)로 입사된다. 또한, 제2 렌즈(122)는 광섬유 공진부에 의해 발진된 레이저 광을 집속한다. 본 발명의 제7 실시 예에서, 이색 거울(121)은 출력부에 상응한다. 즉, 제2 렌즈(122)에 의해 집속된 레이저 광은 이색 거울(121)의 반사면에서 반사되는 광 경로를 통해 출력된다. 본 발명의 제7 실시 예에 의하면, 종모드 결정 공진부(10)에 의해 종모드가 선택되고, 종모드 결정 공진부(10)의 되먹임 신호에 의하여 광섬유 레이저의 발진 종모드가 강제되며, 이에 따라 안정된 레이저 종모드를 형성하는 동시에 자발 펄스 현상을 억제하여 레이저 출력을 안정화할 수 있다.
도 8은 본 발명의 제8 실시 예에 따른 광섬유 레이저를 개략적으로 보여주는 구성도이다. 도 8에 도시된 실시 예를 설명함에 있어서, 도 3 내지 도 4에 도시된 실시 예와 동일하거나 상응하는 구성에 대하여는 중복되는 설명을 생략할 수 있다. 본 발명의 제8 실시 예에서, 종모드 결정 공진부(10)는 이색 거울(121)을 통해 광섬유(130)에 결합될 수 있다. 광섬유 공진부에 의해 공진되는 레이저광 중의 일부는 이색 거울(121)의 반사면에서 반사되어 종모드 결정 공진부(10)로 입사된다. 이색 거울(121)의 반사면에서 반사된 광신호는 이색 거울(121)과 제1 반사 거울(180) 사이의 렌즈(170)에 의해 집속된다. 렌즈(170)에 의해 집속된 광신호는 종모드 결정 공진부(10)로 입사된다. 종모드 결정 공진부(10)는 입사된 광신호를 제1 반사면(180a)과 제2 반사면(190a) 사이에서 공진시킨다. 종모드 결정 공진부(10)에서 공진된 되먹임 신호는 렌즈(170)에 의해 집속되고, 다시 이색 거울(121)의 반사면에서 반사되어 광섬유 공진부로 입사된다. 광섬유 레이저(100)의 레이저광은 광섬유(130)의 단부를 통하여 출력된다. 본 발명의 제8 실시 예에 의하면, 종모드 결정 공진부(10)에 의해 종모드가 선택되고, 종모드 결정 공진부(10)의 되먹임 신호에 의하여 광섬유 레이저의 발진 종모드가 강제되며, 이에 따라 안정된 레이저 종모드를 형성하는 동시에 자발 펄스 현상을 억제하여 레이저 출력을 안정화할 수 있다.
도 9는 본 발명의 제9 실시 예에 따른 광섬유 레이저를 개략적으로 보여주는 구성도이다. 도 9에 도시된 실시 예를 설명함에 있어서, 도 5에 도시된 실시 예와 동일하거나 상응하는 구성에 대하여는 중복되는 설명을 생략할 수 있다. 본 발명의 제9 실시 예에서, 광섬유(132)는 도 5에 도시된 광섬유(131)에 상응하는 구성요소이다. 본 발명의 제9 실시 예에서, 광섬유(131)의 일 단과 타 단은 각각 광섬유(132)의 광축과 수직한 수직면으로 형성되어 광섬유 공진부의 반사면(132a,132b)을 이루고 있다. 종모드 결정 공진부(10)는 광섬유(132)의 단부에 제공되는 수직면(191b)과 반사 거울(191)을 포함한다. 광섬유(132)의 타 단에 형성되는 반사면(132b)은 광섬유 공진부의 반사면의 기능을 수행하는 동시에, 종모드 결정 공진부(10)의 제1 반사면(191b)의 기능도 수행한다. 반사 거울(191)의 반사면은 종모드 결정 공진부(10)의 제2 반사면(191a)의 기능을 수행한다.
광섬유(132)와 반사 거울(191) 사이의 렌즈(171)는 광섬유(132)의 수직면(132b)과 반사 거울(191) 간에 광신호를 집속시켜 출력한다. 즉, 렌즈(171)는 광섬유(132)로부터의 광신호를 집속하여 반사 거울(191)로 입사시키고, 반사 거울(191)로부터의 광신호를 집속하여 광섬유(132)로 입사시킨다. 본 발명의 제9 실시 예에서, 광섬유(132)의 반사면(191b)은 종모드 결정 공진부(10)의 제1 반사부에 상응하며, 반사 거울(191)은 종모드 결정 공진부(10)의 제2 반사부에 상응한다. 반사 거울(191)은 광섬유(132)의 반사면(132b)으로부터 입사되는 광신호를 반사면(132b)을 향해 반사시킨다. 광섬유(132)의 반사면(132b)은 광섬유(132)에서 공진되는 레이저광 중 일부를 투과시키며, 반사 거울(191)은 광섬유(132)의 반사면(132b)으로부터 입사되는 광신호를 반사면(132b)을 향해 반사시킨다.
광섬유 공진부는 광섬유(132)의 양측에 각각 제공되는 반사면(132a,132b)에서 광섬유(132)를 향해 레이저광을 반사하여, 반사면(132a,132b) 사이에서 레이저광을 공진시킨다. 즉, 광섬유(132)의 양 단부에 형성된 반사면(132a,132b)에서 발생하는 레이저 신호의 반사에 의해 광섬유 공진부에서 레이저 신호가 공진하게 되고, 레이저 발진이 일어나게 된다. 레이저 종모드는 광섬유 공진부의 양 끝단의 두 반사면(132a,132b)에 의해 형성된다. 광섬유 공진부의 길이는 수 m에 이를 정도로 매우 길기 때문에, 수많은 종모드가 공진하게 되며, 이들 모드들의 시간적 간섭으로 인해 자발 펄스 현상이 발생하고, 레이저 출력이 불안정해질 수 있다. 본 발명의 제9 실시 예에 따른 광섬유 레이저는 광섬유 레이저의 발진 종모드를 강제하여 안정된 레이저 종모드를 형성하기 위해, 광섬유(132)의 외부에 반사 거울(191)을 형성하여, 되먹임 신호의 종모드를 결정하는 외부 공진기, 즉 종모드 결정 공진기(10)를 형성한다. 종모드 결정 공진부(10)는 광섬유(132)의 수직면에 의해 제공되는 반사면(191b)과 반사 거울(191)의 반사면(191a)에 의해 제공된다.
광섬유(132)의 반사면(132b)은 광섬유(132)에서 공진되는 레이저광 중 일부를 투과하고 나머지 일부를 반사한다. 반사 거울(191)은 광섬유(132)의 반사면(132b)으로부터 입사되는 광신호를 광섬유(132)의 반사면(132b)을 향해 반사시킨다. 광섬유(132)의 반사면(132b)은 종모드 결정 공진기(10)에서 반사 거울(191)로부터 입사되는 광신호의 일부를 반사 거울(191)을 향해 반사시킨다. 종모드 결정 공진부(10)는 광섬유(132)의 반사면(132b)과 반사 거울(191)의 반사면(191a) 사이에서 광신호를 공진시켜 광섬유 공진부의 광섬유(132)에 입사시킬 수 있다.
종모드 결정 공진부(10)는 두 반사면(191a,191b) 사이에서 광신호를 공진시키는 광섬유 패브리-패롯(Fabry-Perot) 공진기로 동작한다. 종모드 결정 공진부(10)는 광섬유 공진부로 입사되는 되먹임 신호의 종모드를 결정하는 기능을 갖는다. 종모드 결정 공진부(10)에 의해 공진되어 광섬유로 입사되는 되먹임 신호는 광섬유(132)와 반사 거울(191) 간의 거리에 대응하는 종모드를 갖는다. 광섬유(132)의 한쪽 끝단에 광섬유(132)의 반사면(132b)과 반사 거울(191)로 이루어진 수동형 패브리-패롯 공진기를 구성하면, 광섬유(132)의 반사면(132b)을 통해 나온 레이저 신호는 반사면(132b)과 반사 거울(191) 사이의 패브리-패롯 공진기 내부에서 다시 한 번 공진하게 된다. 이때, 공진 조건에 맞는 레이저 종모드 신호만 입사한 신호와 같은 세기로 반사하여 광섬유 공진부의 광섬유(132)로 다시 입사하며, 이 신호가 광섬유 레이저를 작동시키는 되먹임 신호로 작용하게 된다.
따라서, 종모드 결정 공진부(10)의 광 경로(R2), 즉 광섬유(132)와 반사 거울(190)의 간격(예를 들어, 1m 내외)을 광섬유 공진부의 전체 광 경로(R1)(예를 들어, 수 m 이상)보다 짧게 설계하면, 종모드 결정 공진부(10)의 되먹임 신호에 의하여 광섬유 레이저의 발진 종모드를 강제할 수 있으며, 결과적으로 안정된 레이저 종모드를 형성하는 동시에 자발 펄스 현상을 억제할 수 있다. 광섬유 공진부에 의해 공진된 레이저 광은 커플러(120)의 레이저광 출력단을 통해 출력된다.
본 발명의 실시 예에 의하면, 광섬유 공진부에 광학적으로 결합되는 종모드 결정 공진부(10)에 의해 종모드가 선택되고, 종모드 결정 공진부(10)에 의해 선택된 종모드는 능동 광섬유(132)로 입사되며, 그에 따라 광섬유 레이저의 발진 종모드를 강제하여 안정된 레이저 발진 종모드가 형성되고, 자발 펄스 현상이 억제되어 매우 안정된 레이저 출력을 획득할 수 있다. 본 발명의 실시 예에 의하면, 전자 회로와 같은 능동형 광소자를 사용하지 않는 수동형 시스템에 의하여 구현할 수 있으므로, 간단한 방법으로 안정된 출력을 얻을 수 있으며, 간단한 시스템의 추가로 자발 펄스 발생을 억제하여 매우 안정된 레이저 출력을 얻을 수 있음과 동시에, 비용을 크게 줄일 수 있다.
도 10은 본 발명의 제10 실시 예에 따른 광섬유 레이저를 개략적으로 보여주는 구성도이다. 도 10은 본 발명의 제10 실시 예에 따른 광섬유 레이저를 개략적으로 보여주는 구성도이다. 도 10에 도시된 실시 예를 설명함에 있어서, 도 9에 도시된 실시 예와 동일하거나 상응하는 구성에 대하여는 중복되는 설명을 생략할 수 있다. 본 발명의 제10 실시 예에서, 종모드 결정 공진부(10)는 커플러(120)를 경유하는 광 경로에 의하여 광섬유(132)에 결합된다.
광섬유 공진부는 광섬유(130)의 일 단에 수직면으로 제공되는 반사면(132a)과 광섬유(130)의 타 단에 수직면으로 제공되는 반사면(132b) 사이에서 레이저광을 공진시킨다. 광섬유 공진부에 의해 공진되는 레이저광 중의 일부는 커플러(120)를 통해 종모드 결정 공진부(10)로 입사된다. 종모드 결정 공진부(10)는 커플러(120)를 통해 입사된 광신호를 광섬유(132)의 반사면(132a)과 반사 거울(191)의 반사면(191a) 사이에서 공진시켜 다시 커플러(120)를 통해 광섬유 공진부로 되먹임한다. 광섬유 레이저(100)의 레이저광은 광섬유(130)의 타 단(132b)을 통하여 출력될 수 있다. 본 발명의 제10 실시 예에 의하면, 종모드 결정 공진부(10)에 의해 종모드가 선택되고, 종모드 결정 공진부(10)의 되먹임 신호에 의하여 광섬유 레이저의 발진 종모드가 강제되며, 이에 따라 안정된 레이저 종모드를 형성하는 동시에 자발 펄스 현상을 억제하여 레이저 출력을 안정화할 수 있다.
도 11은 본 발명의 제11 실시 예에 따른 광섬유 레이저를 개략적으로 보여주는 구성도이다. 도 11에 도시된 실시 예를 설명함에 있어서, 도 9에 도시된 실시 예와 동일하거나 상응하는 구성에 대하여는 중복되는 설명을 생략할 수 있다. 본 발명의 제11 실시 예에서, 커플러(coupler) 대신 렌즈(111,122)와 이색 거울(121)을 이용하여 펌핑 소스(110)로부터 광섬유 공진부로 펌핑광을 공급하고, 광섬유 공진부에 의해 발진된 레이저 광을 출력할 수 있다. 본 발명의 제11 실시 예에서, 펌핑 소스(110)와 렌즈(111,122)는 펌핑부에 상응한다. 제1 렌즈(111)는 펌핑 소스(110)에서 발생한 펌핑광을 집속한다. 집속된 펌핑광은 이색 거울(121)을 투과한 후, 다시 제2 렌즈(122)에 의해 집속된 후 광섬유(132)로 입사된다. 또한, 제2 렌즈(122)는 광섬유 공진부에 의해 발진된 레이저 광을 집속한다. 본 발명의 제11 실시 예에서, 이색 거울(121)은 출력부에 상응한다. 즉, 제2 렌즈(122)에 의해 집속된 레이저 광은 이색 거울(121)의 반사면에서 반사되는 광 경로를 통해 출력된다. 본 발명의 제11 실시 예에 의하면, 종모드 결정 공진부(10)에 의해 종모드가 선택되고, 종모드 결정 공진부(10)의 되먹임 신호에 의하여 광섬유 레이저의 발진 종모드가 강제되며, 이에 따라 안정된 레이저 종모드를 형성하는 동시에 자발 펄스 현상을 억제하여 레이저 출력을 안정화할 수 있다.
도 12는 본 발명의 제12 실시 예에 따른 광섬유 레이저를 개략적으로 보여주는 구성도이다. 도 12에 도시된 실시 예를 설명함에 있어서, 도 9와 도 11에 도시된 실시 예와 동일하거나 상응하는 구성에 대하여는 중복되는 설명을 생략할 수 있다. 본 발명의 제12 실시 예에서, 종모드 결정 공진부(10)는 이색 거울(121)을 경유하는 광 경로를 통해 광섬유(130)에 결합된다. 광섬유 공진부에 의해 공진되는 펌핑광 중의 일부는 이색 거울(121)의 반사면에서 반사되어 종모드 결정 공진부(10)로 입사된다. 종모드 결정 공진부(10)는 이색 거울(121)에서 반사되어 입사된 광신호를 광섬유(132)의 반사면(132a)과 반사 거울(191)의 반사면(191a) 사이에서 공진시킨다. 종모드 결정 공진부(10)에서 공진된 되먹임 신호는 다시 이색 거울(121)의 반사면에서 반사되어 광섬유 공진부로 입사된다. 광섬유 레이저(100)의 레이저광은 광섬유(130)의 단부(132b)를 통하여 출력된다. 본 발명의 제12 실시 예에 의하면, 종모드 결정 공진부(10)에 의해 종모드가 선택되고, 종모드 결정 공진부(10)의 되먹임 신호에 의하여 광섬유 레이저의 발진 종모드가 강제되며, 이에 따라 안정된 레이저 종모드를 형성하는 동시에 자발 펄스 현상을 억제하여 레이저 출력을 안정화할 수 있다.
< 실시 예 1 >
Yb 광섬유를 이용해서 광섬유 레이저를 제작하였다. 사용한 Yb 도핑 광섬유는 PM 구조의 단일 공간 모드 Yb 광섬유로, 직경 6μm, 0.11NA 코어와 125μm, 0.45NA 클래딩으로 구성되어 있다. 펌핑 레이저(펌핑 소스)로는 975nm의 고출력 다이오드 레이저를 사용하였다. 이 펌핑 파장에서 Yb 광섬유의 흡수는 6.9dB/m이므로 약 3m 길이의 광섬유를 사용하였다. 공진기의 한쪽 끝은 부피 회절 격자(Volume Bragg grating)와 에탈론을 사용하였으며, 광섬유 다른 한쪽은 수직으로 클리빙된 면을 가지도록 만들어 레이저 공진기를 구성하고, 이를 비교 예로 하였다. 자발 펄싱 현상을 억제시키기 위해, 레이저 출력의 한쪽 끝단에 렌즈와 고반사율 거울을 이용한 외부 공진기(종모드 결정 공진기)를 형성하였다. 즉, 광섬유 레이저의 한쪽 끝단으로부터 나온 출력이 외부 공진기에 입사된 후, 다시 반사되어 광섬유의 한쪽 끝단으로 다시 되돌아가게 하였으며, 광섬유 레이저의 모든 출력은 반대쪽 끝단으로 나오도록 하였으며, 이를 발명 예로 하였다.
도 13은 종모드 결정 공진부를 구비하지 않은 광섬유 레이저(비교 예)의 신호 진폭 파형을 보여주는 도면이다. 광디텍터의 반응 속도는 1ns로 하였다. 도 13에 도시된 바와 같이, 비교 예에 따른 광섬유 레이저는 레이저 발진시 출력이 매우 불안정하며, 전형적인 자발 펄싱 효과를 보이고 있다. 도 14는 본 발명의 실시 예에 따른 광섬유 레이저(발명 예)의 신호 진폭 파형을 보여주는 도면이다. 도 14에 도시된 바와 같이, 종모드 결정 공진부를 형성한 본 발명의 실시 예에 따른 광섬유 레이저는 자발 펄싱 효과가 거의 완전히 사라진 아주 안정적인 출력을 갖는다.
도 15는 본 발명의 실시 예에 따른 광섬유 레이저의 출력을 보여주는 도면이다. 도 15에 도시된 바와 같이, 15W의 입사 펌프 출력 대비 8.5W의 레이저 출력을 얻을 수 있었으며, 레이저 기울기 효율은 약 57%로 측정되어 일반적인 Yb 광섬유 레이저 발진 효율과 큰 차이가 없었다. 이는 본 발명의 실시 예에 따른 광섬유 레이저가 광섬유 레이저의 출력 저하를 일으키지 않고, 자발 펄싱 현상을 억제할 수 있다는 것을 의미한다. 레이저 빔 질(M2)은 1.03으로 측정되었으며, 이는 레이저가 단일 공간 모드로 발진하고 있음을 의미한다.
이상의 실시 예들은 본 발명의 이해를 돕기 위하여 제시된 것으로, 본 발명의 범위를 제한하지 않으며, 이로부터 다양한 변형 가능한 실시 예들도 본 발명의 범위에 속하는 것임을 이해하여야 한다. 본 발명의 기술적 보호범위는 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이며, 본 발명의 기술적 보호범위는 특허청구범위의 문언적 기재 그 자체로 한정되는 것이 아니라 실질적으로는 기술적 가치가 균등한 범주의 발명에 대하여까지 미치는 것임을 이해하여야 한다.
10: 종모드 결정 공진기 100: 광섬유 레이저
110: 펌핑 소스 111: 제1 렌즈
120: 커플러 121: 이색 거울
122: 제2 렌즈 130,131,132: 광섬유
140: 제1 광섬유 회절 격자 140a: 제1 반사면
150: 수동 광섬유 160: 제2 광섬유 회절 격자
160a: 제2 반사면 170,171: 렌즈
180: 제1 반사 거울 180a: 제1 반사면
190: 제2 반사 거울 190a,191a: 제2 반사면
191: 반사 거울

Claims (20)

  1. 펌핑(pumping)광을 발생시키는 펌핑부;
    상기 펌핑광을 진행시키고 그 에너지를 흡수하여 발생된 레이저광을 공진시키는 광섬유를 포함하는 광섬유 공진부; 및
    상기 광섬유에서 공진되는 레이저광 중 일부를 투과하는 제1 반사부와, 상기 제1 반사부로부터 입사되는 광신호를 상기 제1 반사부를 향해 반사시키는 제2 반사부를 포함하는 종모드 결정 공진부를 포함하는 광섬유 레이저.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 반사부는 상기 제2 반사부에서 반사된 광신호를 상기 제2 반사부를 향해 반사시키는 제1 반사면을 구비하고,
    상기 제2 반사부는 상기 제1 반사부로부터 입사되는 광신호를 상기 제1 반사부를 향해 반사시키는 제2 반사면을 구비하는 광섬유 레이저.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 종모드 결정 공진부는 상기 제1 반사부와 상기 제2 반사부 사이에서 상기 광신호를 공진시켜 상기 광섬유에 입사시키는 광섬유 레이저.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 제1 반사부는 상기 제1 반사부와 상기 제2 반사부 사이에서 공진되는 광신호 중 일부를 상기 광섬유로 입사시키는 광섬유 레이저.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 반사부는 상기 제1 반사부보다 높은 반사율을 갖는 광섬유 레이저.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 광섬유 공진부에 의해 공진된 레이저 광을 출력하는 출력부를 더 포함하며,
    상기 출력부는 상기 광섬유 공진부와 연결되어 상기 광섬유 공진부에 의해 공진된 레이저 광을 출력하는 커플러, 또는 상기 광섬유 공진부에 의해 공진된 레이저 광을 반사하여 출력하는 이색 거울을 포함하는 광섬유 레이저.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 광섬유는 이득 물질이 도핑된 능동 광섬유를 포함하는 광섬유 레이저.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 광섬유는 희토류 첨가된 능동 광섬유를 포함하는 광섬유 레이저.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 광섬유 공진부는 상기 광섬유 공진부의 양측에 각각 제공되는 반사면에 의해 상기 광섬유를 향해 상기 레이저광을 반사하여 상기 레이저광을 공진시키는 광섬유 레이저.
  10. 제1 항에 있어서,
    상기 펌핑부는,
    상기 펌핑광을 발생하는 펌핑 소스(pumping source); 및
    상기 펌핑 소스와 상기 광섬유의 일 단을 결합시키는 커플러(coupler)를 포함하는 광섬유 레이저.
  11. 제1 항에 있어서,
    상기 펌핑부는,
    상기 펌핑광을 발생하는 펌핑 소스(pumping source); 및
    상기 펌핑광을 집속하여 상기 광섬유의 일 단으로 입사시키는 렌즈를 포함하는 광섬유 레이저.
  12. 제1 항에 있어서,
    상기 종모드 결정 공진부는 상기 제1 반사부와 상기 제2 반사부 간의 거리에 대응하는 종모드를 갖는 되먹임 신호를 상기 광섬유로 입사하는 광섬유 레이저.
  13. 제1 항에 있어서,
    상기 종모드 결정 공진부의 광 경로는 상기 광섬유의 광 경로보다 짧은 광섬유 레이저.
  14. 제1 항 내지 제13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 반사부는 상기 광섬유에서 공진되는 레이저광 중 일부를 투과시키는 제1 광섬유 회절 격자를 포함하고,
    상기 제2 반사부는 상기 제1 광섬유 회절 격자로부터 입사되는 광신호를 상기 제1 광섬유 회절 격자를 향해 반사시키는 제2 광섬유 회절 격자를 포함하며,
    상기 종모드 결정 공진부는 상기 제1 광섬유 회절 격자와 상기 제2 광섬유 회절 격자 사이에 제공되는 수동 광섬유를 더 포함하는 광섬유 레이저.
  15. 제14 항에 있어서,
    상기 종모드 결정 공진부는 상기 광섬유에 접합되어 형성되는 광섬유 레이저.
  16. 제1 항 내지 제13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 반사부는 상기 광섬유에서 공진되는 펌핑광 중 일부를 투과시키는 제1 반사 거울을 포함하고,
    상기 제2 반사부는 상기 제1 반사 거울로부터 입사되는 광신호를 상기 제1 반사 거울을 향해 반사시키는 제2 반사 거울을 포함하는 광섬유 레이저.
  17. 제16 항에 있어서,
    상기 광섬유는 상기 제1 반사 거울 측의 단부가 경사면을 갖도록 형성되는 광섬유 레이저.
  18. 제16 항에 있어서,
    상기 광섬유의 상기 단부에서 출사되는 레이저광을 집속하여 상기 제1 반사 거울로 입사시키고, 상기 종모드 결정 공진부에서 공진되어 상기 제1 반사 거울을 통해 출사되는 광신호를 집속하여 상기 광섬유로 입사시키는 렌즈를 더 포함하는 광섬유 레이저.
  19. 제1 항 내지 제13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 반사부는 상기 광섬유의 단부 측에 상기 광섬유의 광축과 수직한 면으로 형성되어 상기 광섬유에서 공진되는 레이저광 중 일부를 투과시키는 수직면을 포함하며,
    상기 제2 반사부는 상기 수직면으로부터 입사되는 광신호를 상기 수직면을 향해 반사시키는 반사 거울을 포함하는 광섬유 레이저.
  20. 제19 항에 있어서,
    상기 수직면과 상기 반사 거울 간에 광신호를 집속시켜 출력하는 렌즈를 더 포함하는 광섬유 레이저.
KR1020140003393A 2014-01-10 2014-01-10 광섬유 레이저 KR101552109B1 (ko)

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