KR20150112651A - 광섬유 레이저 출력 장치 및 방법 - Google Patents

광섬유 레이저 출력 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 광섬유 레이저 출력 장치는 펄스파형 구동 신호를 발생시키는 펄스 구동부, 상기 펄스 구동부에서 발생된 상기 펄스파형 구동 신호를 조절할 수 있도록 상기 펄스 구동부에 공급되는 전류를 변조하는 전류 변조부, 상기 전류 변조부와 연결되며, 상기 변조 전류에 따른 펄스파형 구동 신호의 상승 시간 또는 하강 시간을 실시간으로 제어하여 상기 펄스파형 구동 신호의 과잉 증폭 또는 감소 구간을 보상하는 시간 제어부 및 상기 시간 제어부에서 보상된 펄스파형의 광을 방출하는 레이저 다이오드를 포함하며 이를 이용한 방법을 제공한다.
본 발명에 따르면, 레이저 시스템에서 증폭되거나 감소된 광펄스 신호의 파형 왜곡의 방지를 통하여 비선형 현상을 효과적으로 억제하고 안정적인 레이저 시스템을 구축할 수 있는 효과가 있다.

Description

광섬유 레이저 출력 장치 및 방법{Apparatus And Mathod for outputting Opticcal fiber laser}
본 발명은 광섬유 레이저 출력 장치 및 방법에 관한 것으로서 보다 상세하게는 레이저 펄스 신호의 왜곡 방지를 위한 광섬유 레이저 출력 장치 및 방법에 관한 것이다.
펄스 레이저는 시간적으로 발진 및 정지가 반복되는 레이저를 말한다. 이와 같은 펄스 레이저는 에너지의 시간적 집속성을 매우 높일 수 있다. 즉, 펄스 폭이 수 ns인 초단광 펄스를 발진시키면 피크 파워는 매우 커진다. 이와 같은 특성 때문에, 펄스 레이저는 거리 측정, 물체의 속도 계측 등에 사용되고 있으며, 그 적용 분야 또한 점차 확대되어 가고 있다. 펄스 레이저가 더욱 많은 분야에 적용되기 위해서는. 좁은 펄스 폭을 가지고, 높은 반복률 및 대칭형의 펄스 파형을 가지는 펄스 레이저의 개발이 요구된다.
종래 광섬유 레이저 출력 장치는 광섬유 레이저 제작을 위해 많이 사용되는 Master oscillator power amplifier (MOPA) 방식에서 주발진기에서 발생된 펄스 신호의 파형이 연속되는 광증폭기를 거치면서 파형이 왜곡되는 현상이 발생한다. 이러한 펄스 파형의 왜곡은 증폭단에 시간적으로 먼저 도착하는 펄스신호의 앞부분이 과도하게 증폭되면서 상승되기 때문에 발생한다. 이러한 펄스 왜곡현상은 최종 레이저 출력신호에 심각한 왜곡을 초래 하여 레이저 광원을 응용분야에 적용하는데 문제가 있을 뿐만 아니라, 과도하게 증폭된 펄스 신호의 앞부분에 의해 레이저 시스템 내부에 비선형 현상을 유도하여 레이저 시스템의 안정성에 문제를 발생시킨다.
이러한 파형 왜곡을 방지하기 위해 펄스 파형을 정형화 하는 기술을 사용하고 있으나, 고속의 광신호 펄스를 파형 정형을 위해서는 고가의 펄스 발생기를 사용해야 하며 이는 레이저 시스템의 가격 경쟁력을 떨어뜨리는 요소로 작용하고 있다.
대한민국 등록특허공보 제10-1176447호
본 발명에서는 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 펄스 파형이 증폭되기 전, 펄스 발생기의 상승시간 및 하강시간을 조정하기 위한 고속 상승기술과 저속 상승기술을 발명하고 이를 이용하여 레이저 시스템에서 증폭된 광펄스 신호의 파형 왜곡을 방지를 통하여 비선형 현상을 효과적으로 억제하고 안정적인 레이저 시스템을 구축하고자 하는데 목적이 있다.
본 발명에 따른 광섬유 레이저 출력 장치는 펄스파형 구동 신호를 발생시키는 펄스 구동부; 상기 펄스 구동부에서 발생된 상기 펄스파형 구동 신호를 조절할 수 있도록 상기 펄스 구동부에 공급되는 전류를 변조하는 전류 변조부; 상기 전류 변조부와 연결되며, 상기 변조 전류에 따른 펄스파형 구동 신호의 상승 시간 또는 하강 시간을 실시간으로 제어하여 상기 펄스파형 구동 신호의 과잉 증폭 또는 감소 구간을 보상하는 시간 제어부; 및 상기 시간 제어부에서 보상된 펄스파형의 광을 방출하는 레이저 다이오드를 포함할 수 있다.
또한, 상기 레이저 다이오드로부터 발진된 상기 펄스파형의 레이저광을 증폭하는 증폭부; 및 상기 증폭부에 의해 증폭된 상기 펄스파형의 레이저광의 파장을 고정하는 파장 고정부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 시간 제어부는 상기 펄스파형 구동 신호의 상승 시간을 조절하는 상승시간 제어부 또는 상기 펄스파형 구동 신호의 하강 시간을 조절하는 하강시간 제어부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 시간 제어부는 상기 펄스 구동부에 공급되는 전류의 출력 및 펄스파형을 정형화하고, 상기 펄스 구동부에서 발생된 상기 펄스 파형 구동신호가 상기 정형화된 기준 레벨 이상 또는 이하인 경우에 트리거신호를 출력하는 슈미트 트리거를 포함할 수 있다.
그리고 상기 상승시간 제어부는 상기 펄스 구동부에서 발생한 상기 펄스파형 구동 신호의 고속 상승 또는 저속 상승이 가능하도록 전류를 제어하는 제 1전류 개폐부를 포함할 수 있으며, 상기 하강시간 제어부는 상기 펄스 구동부에서 발생한 상기 펄스파형 구동 신호의 고속 하강 또는 저속 하강이 가능하도록 전류를 제어하는 제 2전류 개폐부를 포함할 수 있다.
더욱이, 상기 슈미트 트리거는 상기 제 1전류 개폐부와 연결되며, 상기 펄스 구동부에서 발생된 상기 펄스파형 구동 신호가 상기 기준 레벨 이상 또는 이하로 수신되면, 상기 제 1전류 개폐부로 상기 트리거 신호를 제공할 수 있다.
또한, 상기 슈미트 트리거는 상기 제 2전류 개폐부와 연결되며, 상기 펄스 구동부에서 발생된 상기 구동 신호가 상기 기준 레벨 이상 또는 이하로 수신되면, 상기 제 2전류 개폐부로 상기 트리거 신호를 제공할 수 있다.
그리고 상기 전류 변조부의 변조 전류에 의하여 조절된 상기 펄스파형 구동 신호는 입력 신호 대비 저속의 상승시간을 가지며, 상기 레이저 다이오드에서 출력되는 펄스파형은 대칭형일 수 있다.
본 발명에 따른 광섬유 레이저 출력 방법은 펄스 구동부에서 펄스파형 구동 신호를 발생시키는 단계; 상기 펄스 구동부에서 발생된 펄스파형 구동 신호를 제어할 수 있도록 상기 펄스 구동부에 공급되는 전류를 변조하는 단계; 상기 보상된 펄스파형 광을 레이저 다이오드에서 방출하는 단계;를 포함할 수 있다.
또한, 상기 펄스 구동부에 공급되는 전류를 변조하는 단계는, 상기 펄스파형 구동신호의 상승시간 또는 하강시간을 제어하여 상기 펄스파형 구동 신호의 과잉 증폭 또는 감소 구간을 보상하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 펄스파형 구동신호의 상승시간 또는 하강시간을 제어하는 단계는, 슈미트 트리거에서 상기 펄스 구동부에 공급되는 전류의 출력 및 펄스파형을 정형화하고, 상기 펄스 구동부에서 발생된 상기 펄스 파형 구동신호가 상기 정형화된 기준 레벨 이상 또는 이하인 경우에 트리거신호를 출력하는 단계를 더 포함할 수 있다.
그리고 상기 펄스파형 구동신호의 상승 시간을 제어하는 단계는, 상기 펄스파형 구동 신호의 고속 상승 또는 저속 상승이 가능하도록 제 1전류 개폐부에서 전류를 조절하는 단계를 더 포함하거나 상기 스파형 구동신호의 하강시간을 제어하는 단계는, 상기 펄스파형 구동 신호의 고속 하강 또는 저속 하강이 가능하도록 제 2전류 개폐부에서 전류를 조절하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 슈미트 트리거는 상기 제 1전류 개폐부와 연결되며, 상기 펄스 구동부에서 발생된 상기 구동 신호가 상기 기준 레벨 이상 또는 이하로 수신되면, 상기 제 1전류 개폐부로 상기 트리거 신호를 제공하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 슈미트 트리거는 상기 제 2전류 개폐부와 연결되며, 상기 펄스 구동부에서 발생된 상기 구동 신호가 상기 기준 레벨 이상 또는 이하로 수신되면, 상기 제 2전류 개폐부로 상기 트리거 신호를 제공하는 단계를 포함할 수 있다.
더욱이 상기 변조 전류를 공급하여 보상된 펄스파형 구동 신호에 의한 파형은 입력 신호 대비 저속의 상승시간을 가지며, 상기 레이저 다이오드에서 출력되는 펄스파형 파형은 대칭형일 수 있다.
그리고 광섬유 레이저 출력 방법에서 상기 레이저 다이오드로부터 발진된 상기 펄스파형 레이저광을 증폭하는 단계; 및 상기 증폭된 상기 펄스파형 레이저광의 파장을 고정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
기타 실시 예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명에 따른 광섬유 레이저 출력 장치는 레이저 시스템에서 증폭되거나 감소된 광펄스 신호의 파형 왜곡의 방지를 통하여 비선형 현상을 효과적으로 억제하고 안정적인 레이저 시스템을 구축할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 레이저 다이오드로 광을 발진하기 이전에 펄스 파형을 조절할 수 있어, 기존 레이저 다이오드로 광을 발진한 이후에 펄스 파형의 정형을 위하여 고가의 발생기를 사용하여야 하는 단점을 극복할 수 있어 경제적인 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유 레이저 출력 장치의 개념도이다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 입력펄스 파형에 따른 출력 파형 특성을 나타낸 그래프이다.
도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 상승시간 및 하강시간을 조정을 이용한 발진 펄스 파형의 정형방법을 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 모드별 펄스 파형을 나타낸 실험 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 저속 상승형 펄스 발생기 구조도이다.
도 5a 내지 5d는 본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유 레이저 출력 장치의 핀 배열에 따른 타입 구별도이다.
도 6는 본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유 레이저 출력 방법에 관한 순서도이다.
이하, 본 발명의 실시 예에 따른 광섬유 레이저 출력 장치에 대해 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 그러나 본 실시예의 이하에서 개시되는 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원 시점에 있어서 이를 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
펄스로 동작하는 광섬유 레이저는 여러 방법으로 구현할 수 있다. 그 중에서 본 발명은 광섬유 기반 MOPA(master oscillator power amplifier) 기술을 이용할 수 있다. MOPA는 기본적으로 펄스를 발진시키는 오실레이터(oscillator)와 펄스를 증폭시키는 증폭기 부분으로 나눌 수 있다. 오실레이터 부분에서는 주로 Q-스위칭 펄스를 이용하며, 수동형과 능동형의 방법으로 발진시킬 수 있다. 수동형 Q-스위칭 펄스를 발진시키기 위해 사용하는 소자 중 하나로 반도체 포화 흡수체 거울(semiconductor saturable-absorber mirrors: SESAM)을 이용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유 레이저 출력 장치의 개념도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유 레이저 출력 장치(10)는 펄스파형 구동 신호를 발생시키는 펄스 구동부(100), 펄스 구동부(100)에서 발생된 상기 펄스파형 구동 신호를 조절할 수 있도록 상기 펄스 구동부에 공급되는 전류를 변조하는 전류 변조부(200), 전류 변조부(200)와 연결되며, 상기 변조 전류에 따른 펄스파형 구동 신호의 상승 시간 또는 하강 시간을 제어하여 상기 펄스파형 구동 신호의 과잉 증폭 또는 감소 구간을 보상하는 시간 제어부(300) 및 시간 제어부(300)에서 보상된 펄스파형의 광을 방출하는 레이저 다이오드(400)를 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 레이저 다이오드(400)로부터 발진된 펄스파형 레이저광을 증폭하는 증폭부(500) 및 증폭부(500)에 의해 증폭된 펄스 레이저광의 파장을 고정하는 파장 고정부(600)를 더 포함할 수 있다.
광섬유 레이저 출력 장치(10)는 펄스신호와 대기신호를 모두 출력할 수 있는 것으로, 대기신호는 펄스신호 사이의 휴지구간에서 발생된다.
광섬유 레이저 출력 장치(10)는 레이저 다이오드 또는 레이저 공진기를 포함하여 구성될 수 있다. 광섬유 레이저 출력 장치(10)에서 발생되는 대기신호는 후속하는 광을 증폭하는 증폭부(500)에 축적되는 에너지를 소모하기 위한 것이다. 일정한 시간동안 펄스신호가 입사되지 않으면 증폭부(500)의 증폭 매질에 에너지가 계속 축적되어, 추후 입력되는 펄스 신호가 다른 펄스 신호에 비하여 매우 강하게 증폭되는데, 본 발명의 경우 레이저 다이오드(400)에 의해 레이저 광이 방출되기 전 전류 변조부(200)가 실시간으로 펄스 구동부(100)에 전달되는 전류량을 조절함으로써 이러한 과다증폭을 방지할 수 있다.
펄스 구동부(100)는 레이저 다이오드(400)를 구동시키기 위한 구동 신호를 발생시킨다. 레이저 다이오드(400)는 구동 신호에 의해 구동되어 펄스 레이저 광을 발진시킨다. 레이저 다이오드(400)에서 발진되는 펄스 레이저 광의 파장은 수 ㎛ 대역, 바람직하게는 1㎛ 내지 2㎛ 대역이다.
펄스 구동부(100)는 주기적으로 펄스를 발생시킬 수 있도록 구성되며, 전류 변조부(200)는 펄스 구동부(100)에서 발생된 펄스파형 구동 신호에 공급되는 전류의 증감을 제어할 수 있다.
이하 전류 변조부(200)에 관하여 설명한다. 전류 변조부(200)는 상승 또는 하강 시간을 조절할 수 있는 시간 제어부(300)를 포함하여 구성된다. 시간 제어부(300)는 파형의 상승 시간(rise time)과 하강 시간(fall time)을 제어할 수 있는 상승 시간 제어부(300) 및 하강 시간 제어부(300)를 구비할 수 있다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 입력펄스 파형에 따른 출력 파형 특성을 나타낸 그래프이다. 도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 상승시간 및 하강시간을 조정을 이용한 발진 펄스 파형의 정형방법을 나타낸 그래프이다.
도 2a 및 도 2b에 제시된 바와 같이, 상승 시간은 펄스 파가 최소값에서 최대값까지 증대해 가는 기간 중 최대값의 10%에서 90%가 되는 사이의 시간을 의미하며, 하강 시간은 펄스 파가 최대값에서 최소값으로 되기까지의 기간 중 최대값의 90%에서 10%로 되는 사이의 시간을 의미한다. 펄스의 성질을 살피는 경우에 사용되는 특성의 하나로 본 발명의 상승 시간 제어부(300) 및 하강 시간 제어부(300)는 상기 구간을 조절하여 기존 펄스 파의 대칭성이 왜곡되는 부분을 보완하여 조정하고, 최종 출력되는 광펄스 신호의 파형이 왜곡되지 않은 대칭성을 갖추게 할 수 있다. 따라서 레이저 다이오드(400)에서 발진된 파형이 보상된 대칭 파형을 이루게 됨에 따라 고출력, 고에너지의 광펄스 출력 신호의 획득이 가능하다.
예를 들면, 일반적으로 고출력 고에너지를 갖춘 레이저 증폭기에서는 광증폭기에 입력된 펄스 파형의 앞부분이 다른 파형의 부분과 비교하여 좀 더 높게 증폭되는 성질을 가지고 있다. 이러한 과잉 증폭에 의한 왜곡현상은 레이저 시스템의 비선형 현상으로 인하여 시스템에 문제를 야기시킨다. 따라서 입력 신호 파형을 발생시키는 단계에서 전류 변조부(200)의 상승시간 제어부(310)에서 상승시간을 느리게 제어하여 광증폭기에 입사시키게 되면, 과잉 증폭이 일어나는 광신호의 크기 변화를 완만하게 나타낼 수 있으므로 광증폭기에서 최종적인 출력 파형이 정상적인 대칭형 펄스 파형으로 변화시켜 구현할 수 있다.
상승시간 제어부(310)는 펄스 구동부(100)에서 발생한 상기 펄스 구동 신호의 고속 상승 또는 저속 상승이 가능하도록 전류를 제어하는 제 1전류 개폐부(311)를 포함할 수 있다. 또한, 전류의 출력 또는 펄스파형을 정형화하여 미리 설정된 기준 레벨 이상의 펄스파형을 가지는 경우에 트리거 신호를 출력하는 슈미트 트리거(330)를 더 포함할 수 있다. 또한, 슈미트 트리거(330)에서 출력된 트리거 신호가 제 1전류 개폐부(311)에 전달되면 상기 정형화된 전류의 출력에 한하여 전류가 공급되로록 스위칭 할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 모드별 펄스 파형을 나타낸 실험 그래프이다.
도 3a 및 3b는 고속 라이징 모드에서 상승시간 1ns 및 10ns의 상승시간이 걸린 실험 그래프이며, 도 3c 및 도 3d는 저속 라이징 모드에서 상승시간 20ns 및 80ns의 상승시간이 걸린 실험 그래프이다.
각 실험 그래프를 보면, 본 발명의 광섬유 레이저 출력 장치(10)는 레이저 다이오드(400)를 통해 레이저 광이 방출되기 전, 펄스 구동부(100)에서 발진된 펄스파형 구동 신호가 상당히 어긋난 비대칭 형태에서 대칭 형태가 되도록 시간 제어부(300)에서 상승 및 하강 시간의 조절이 가능함을 알 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 저속 상승형 펄스 발생기 구조도이다.
도 4에 개시된 바와 같이, 상승시간 제어부(310)는 펄스 신호를 제어할 수 있는 슈미트 트리거(330)를 설치하고, 슈미트 트리거(330)의 트리거 신호 전달이 가능하도록 슈미트 트리거(330)와 연결된 제 1전류 개폐부를 설치할 수 있다.
예를 들어, 입력되는 펄스 신호에 대하여 펄스 신호를 고속 슈미트 트리거(330)의 하한 레벨 단자로 입력하고 상한 레벨을 각각 입력 신호의 80%, 60%, 40%, 20%로 설정할 수 있다. 이 경우, 논리'0'을 기준으로 슈미트 트리거(330)의 논리 값이 설정된 상한 레벨을 넘어서는 구간에서'1'을 가지게 된다. 따라서 입력 신호의 크기가 각각 설정된 상한 레벨을 넘는 경우에 한하여 연결된 제 1전류 개폐부(311)가 작동하여 레이저 다이오드(400)에 전류를 공급하게 된다. 즉 논리'0'에서는 제 1전류 개폐부(311)가 스위칭되어 전류를 통하게 설정하고 논리'1'에서는 제 1전류 개폐부(311)가 스위칭되어 전류를 차단하도록 설정되도록 입력이 가능하다.
이를 통하여 슈미트 트리거(330)의 상한 및 하한 레벨을 상황에 따라 필요한 값을 설정하면 입력 신호 대비 저속 상승시간을 가지는 펄스를 갖춘 파형을 발생 시킬 수 있다. 만약 슈미트 트리거(330)의 상한 레벨을 모두 0%로 설정하면 입력신호 대비 거의 동일한 상승시간을 가지는 펄스의 생성이 가능하다.
상승시간 제어부(310)와 상반되도록, 하강시간 제어부(320)는 펄스 구동부(100)에서 발생한 상기 펄스 구동 신호의 고속 하강 또는 저속 하강이 가능하도록 제 2전류 개폐부(321)를 포함할 수 있다. 또한, 상승시간 제어부(310)와 같이, 전류의 출력 또는 펄스 파형 구동신호를 정형화하여 미리 설정된 기준 레벨이상 또는 레벨이하의 파형 구동신호가 되는 경우 트리거 신호를 출력하는 슈미트 트리거(330)를 더 포함할 수 있다. 또한, 슈미트 트리거(330)에서 출력된 트리거 신호가 제 2전류 개폐부(321)에 전달되면 상기 정형화된 전류의 출력에 한하여 전류가 공급되로록 스위칭 할 수 있다.
하강시간 제어부(320)의 제 2전류 개폐부(321) 및 슈미트 트리거(330)는 상승시간 제어부(310)처럼 슈미트 트리거(330)의 입력 단자에 원하는 입력 값을 설정함에 따라 하강하는 펄스 파형에 제 2전류 개폐부(321)가 작동하게 되고 그에 맞는 레이저 다이오드(400)에 전류를 공급하게 된다.
입력신호 고속 라이징 모드 저속 라이징 모드
상승기간 하강시간 상승시간 하강시간
10nsec@5V 1nsec 1nsec 10nsec 10nsec
10nsec@3.3V 1nsec 1nsec 30nsec 30nsec
상기 표 1는 본 발명의 일 실시예에 따른 입력 신호 대비 출력 신호의 시간 지연 특성을 나타낸 것이다. 구체적으로 입력신호의 종류에 따라 이미 발생된 펄스파형 구동 신호를 전류 변조부(200)의 시간 제어부(300)에서 고속 발생 모드 및 저속 발생 모드별로 상승시간 및 하강시간을 조절할 수 있다. 10nsec@5V의 입력신호를 이용하여 본 발명에 적용할 경우 상승시간 및 하강시간을 느리게 조절할 수 있어서 펄스 구동부(100)에서 발생된 펄스파형의 구동신호(1nsec)를 대칭형에 유사한 펄스파형 구동 신호(10nsec)로 변형시킬 수 있다.
즉, 상승시간 제어부(310) 및 하강시간 제어부(320)는 입력시간에 따라 저속의 상승 및 하강 시간을 조절하여 펄스 파형이 변화될 수 있도록 할 수 있다. 특히 일반적으로 고출력 고에너지 증폭기에서 왜곡된 펄스 파형이 레이저 다이오드(400)로 발진되기 전, 파형을 조절하여 대칭형의 정상 파형의 펄스 형태를 나타낼 수 있다.
모델 조절 단계 최대 펄스폭 최대 편차
ELM-HPG 50NS 0.25ns 63.75ns 1ns
ELM-HPG 120NS 0.5ns 127.5ns 2ns
ELM-HPG 250NS 1.0ns 255ns 4ns
ELM-HPG 500NS 2.0ns 510ns 8ns
ELM-HPG 1200NS 5.0ns 1275ns 20ns
상기 표 2는 본 발명의 일 실시예에 해당하는 다양한 모델에서 적용할 수 있는 조절 시간, 최대 펄스폭 등의 기능을 나타내었다. ELM-HPG 50NS의 경우 조절 가능한 시간이 0.25ns이며, 최대 펄스폭은 63.75ns, 최대 편차는 1ns이다.
도 5a 및 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유 레이저 출력 장치의 핀 배열에 따른 타입 구별도이다.
도 5a 및 5b를 참고하면, 본 발명에 따른 광섬유 레이저 출력 장치는 7*2의 핀 배열을 가질 수 있다. 각 핀 배열에 따라 연결될 수 있는 레이저 다이오드(400), 모니터 및 온도계 등을 표 3 및 표 4에 나타내었다.
핀# 배열형태 핀# 배열형태
1 TEC(+) 8 N.C.
2 Thermistor 9 N.C.
3 Monitor PD Anode 10 Laser Anode(+)
4 Monitor PD Cathode 11 Laser Cathode(-)
5 Thermistor 12 N.C.
6 N.C. 13 G round
7 N.C. 14 EC(-)
핀# 배열형태 핀# 배열형태
1 Thermistor 8 Caser Ground
2 Thermistor 9 Case Ground
3 Laser DC Bias(-) 10 N.C.
4 Monitor PD Anode(-) 11 RF Common
5 Monitor PD Cathode(+) 12 Laser RF Input(-)
6 TEC(+) 13 RF Common(+)
7 TEC(-) 14 N.C.
이하, 본 발명에 따른 출력 방법에 의하여 정상 대칭형 파형을 갖춘 광을 발진할 수 있는 방법을 제시한다.
도 6는 본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유 레이저 출력 방법에 관한 순서도이다.
우선, 펄스 구동부(100)에서 펄스파형 구동 신호를 발생시키는 단계가 진행된다.(S10)
그리고 펄스 구동부(100)에서 발생된 펄스파형의 구동 신호를 제어할 수 있도록 펄스 구동부에 공급되는 전류를 변조하는 단계가 진행된다.(S20) 전류를 변조하는 전류 변조부(200)는 펄스 구동부(100)와 연결되어 있으며, 이미 펄스 구동부(100)에서 발생된 펄스파형의 구동신호를 조절할 수 있으며, 기 설정된 펄스 파형의 형태 및 상승, 하강시간의 수치에 따라 펄스 구동부(100)에서 펄스파형 구동신호가 발생하기 전에 세팅되어 있을 수 있다.
그리고 변조 전류의 상승기간 또는 하강시간을 제어하여 펄스파형 구동 신호의 과잉 증폭 또는 감소구간을 보상하는 단계가 진행된다.(S30) 상승시간 또는 하강시간을 제어하는 시간 제어부(300)는 전류 변조부(200)와 연결되어 있으며, 펄스 구동부(100)에서 발생한 펄스 파형의 구동 신호가 대칭 형태를 따르지 않고 상승 시간부가 지나치게 가파른 그래프로 구성된 파형이거나 하강 시간부가 지나치게 가파른 그래프가 구성되어 있는 경우에 완만한 형태의 곡선을 이루어 질 수 있도록 시간을 제어할 수 있다. 즉, 각각의 시간을 지연시키도록 펄스 구동부(100)에 공급되는 전류의 양을 조절할 수 있다. 따라서 최종 파형의 형태가 상승 최대값 또는 하강 최대값을 기준으로 서로 대칭형을 유지하여 고출력, 고에너지의 광펄스 출력 신호의 획득이 이루어질 수 있다.
또한, 변조 전류의 상승시간 또는 하강시간을 제어하는 단계는, 펄스파형 구동 신호의 고속 상승 또는 저속 상승이 가능하도록 제 1전류 개폐부(311)에서 조절하거나 펄스파형 구동 신호의 고속 하강 또는 저속 하강이 가능하도록 제 2전류 개폐부(321)에서 조절하는 단계를 포함할 수 있다.
그리고 변조 전류의 상승시간 또는 하강시간을 제어하는 단계는, 제 1전류 개폐부(311) 또는 제 2전류 개폐부(321)와 연결된 슈미트 트리거(330)에서 상기 펄스 구동부에 공급되는 전류 출력 또는 펄스 파형을 정형화하고, 미리 설정된 펄스 파형의 기준 레벨 이상 또는 이하인 경우에 트리거신호를 출력하는 단계를 포함할 수 있다.
시간 제어부(300)는 제 1,2전류 개폐부(311,321) 및 슈미트 트리거(330)가 포함되어 구성되어 있으며, 각각의 슈미트 트리거(330)를 통한 트리거 신호를 출력하는 과정 및 제 1, 2전류 개폐부(311,321)에서 트리거 신호에 따라 전류의 흐름을 스위칭하는 과정이 상호 연관성을 가지며 이루어진다.
즉, 상기에서 제시된 슈미트 트리거(330)의 논리에 따라 설정된 기준값 초과하는 경우에만 트리거 신호를 전류 개폐부(311,321)에 전달하여 전류의 흐름을 개방하도록 스위칭하며, 설정된 기준값을 이하인 경우 트리거 신호를 전류 개폐부(311,321)에 전달하지 않는 방식으로 이루어질 수 있다.
따라서 펄스 구동부(100)에서 초기 발진된 펄스파형 구동신호를 실시간으로 체크하면서 상승시간 또는 하강시간을 지연시킬 수 있다. 물론 펄스파형 구동신호의 상승시간 또는 하강시간을 촉진시킬 수 있으나 일반적으로 고출력, 고에너지를 갖춘 광섬유 레이저 출력 장치(10)의 경우 증폭된 펄스파형 신호가 과잉 증폭이 이루어지는바 시간 지연을 중심으로 슈미트 트리거(330)의 입력값을 설정하는 것이 바람직하다.
이후, 보상된 펄스파형 광을 레이저 다이오드(400)에서 방출하는 단계가 진행되며(S40), 레이저 다이오드(400)에서 방출된 광은 파형이 왜곡이 보상된 대칭형으로 고출력, 고에너지의 레이저가 방출될 수 있다.
그리고 레이저 다이오드(400)로부터 발진된 상기 펄스파형 레이저광을 증폭하는 단계(S50)와 증폭된 상기 펄스파형 레이저광의 파장을 고정하는 단계(S60)가 진행된다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적인 특징들이 변경되지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것으로 이해할 수 있을 것이다. 그러므로, 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
광섬유 레이저 출력 장치 : 10
펄스 구동부 : 100 전류 변조부 : 200
시간 제어부 : 300 상승시간 제어부 : 310
하강시간 제어부 : 320 슈미트 트리거 : 330
제 1전류 개폐부 : 311 제 2전류 개폐부 : 321
레이저 다이오드 : 400 증폭부 : 500
파장 고정부 : 600

Claims (19)

  1. 펄스파형 구동 신호를 발생시키는 펄스 구동부;
    상기 펄스 구동부에서 발생된 상기 펄스파형 구동 신호를 조절할 수 있도록 상기 펄스 구동부에 공급되는 전류를 변조하는 전류 변조부;
    상기 전류 변조부와 연결되며, 상기 변조 전류에 대한 펄스파형 구동 신호의 상승 시간 또는 하강 시간을 실시간으로 제어하여 상기 펄스파형 구동 신호의 과잉 증폭 또는 감소 구간을 보상하는 시간 제어부; 및
    상기 시간 제어부에서 보상된 펄스파형의 광을 방출하는 레이저 다이오드를 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 레이저 출력 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 레이저 다이오드로부터 발진된 상기 펄스파형의 레이저광을 증폭하는 증폭부; 및
    상기 증폭부에 의해 증폭된 상기 펄스파형의 레이저광의 파장을 고정하는 파장 고정부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 레이저 출력 장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 시간 제어부는 상기 펄스파형 구동 신호의 상승 시간을 조절하는 상승시간 제어부 또는 상기 펄스파형 구동 신호의 하강 시간을 조절하는 하강시간 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 레이저 출력 장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 시간 제어부는 상기 펄스 구동부에 공급되는 전류의 출력 및 펄스파형을 정형화하고, 상기 펄스 구동부에서 발생된 상기 펄스 파형 구동신호가 상기 정형화된 기준 레벨 이상 또는 이하인 경우에 트리거신호를 출력하는 슈미트 트리거를 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 레이저 출력 장치.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 상승시간 제어부는 상기 펄스 구동부에서 발생한 상기 펄스파형 구동 신호의 고속 상승 또는 저속 상승이 가능하도록 전류를 제어하는 제 1전류 개폐부를 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 레이저 출력 장치.
  6. 제 4항에 있어서,
    상기 하강시간 제어부는 상기 펄스 구동부에서 발생한 상기 펄스파형 구동 신호의 고속 하강 또는 저속 하강이 가능하도록 전류를 제어하는 제 2전류 개폐부를 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 레이저 출력 장치.
  7. 제 5항에 있어서,
    상기 슈미트 트리거는 상기 제 1전류 개폐부와 연결되며, 상기 펄스 구동부에서 발생된 상기 펄스파형 구동 신호가 상기 기준 레벨 이상 또는 이하로 수신되면, 상기 제 1전류 개폐부로 상기 트리거 신호를 제공하는 것을 특징으로 하는 광섬유 레이저 출력 장치.
  8. 제 6항에 있어서,
    상기 슈미트 트리거는 상기 제 2전류 개폐부와 연결되며, 상기 펄스 구동부에서 발생된 상기 구동 신호가 상기 기준 레벨 이상 또는 이하로 수신되면, 상기 제 2전류 개폐부로 상기 트리거 신호를 제공하는 것을 특징으로 하는 광섬유 레이저 출력 장치.
  9. 제 7항 또는 제 8항에 있어서,
    상기 전류 변조부의 변조 전류에 의하여 조절된 상기 펄스파형 구동 신호는 입력 신호 대비 저속의 상승시간을 가지는 것을 특징으로 하는 광섬유 레이저 출력 장치.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 레이저 다이오드에서 출력되는 펄스파형은 대칭형인 것을 특징으로 하는 광섬유 레이저 출력 장치.
  11. 펄스 구동부에서 펄스파형 구동 신호를 발생시키는 단계;
    상기 펄스 구동부에서 발생된 펄스파형 구동 신호를 제어할 수 있도록 상기 펄스 구동부에 공급되는 전류를 변조하는 단계;
    상기 보상된 펄스파형 광을 레이저 다이오드에서 방출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 레이저 출력 방법.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 펄스 구동부에 공급되는 전류를 변조하는 단계는,
    상기 펄스파형 구동신호의 상승시간 또는 하강시간을 제어하여 상기 펄스파형 구동 신호의 과잉 증폭 또는 감소 구간을 보상하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 레이저 출력 방법.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 펄스파형 구동신호의 상승시간 또는 하강시간을 제어하는 단계는,
    슈미트 트리거에서 상기 펄스 구동부에 공급되는 전류의 출력 및 펄스파형을 정형화하고, 상기 펄스 구동부에서 발생된 상기 펄스 파형 구동신호가 상기 정형화된 기준 레벨 이상 또는 이하인 경우에 트리거신호를 출력하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 레이저 출력 방법.
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 펄스파형 구동신호의 상승 시간을 제어하는 단계는,
    상기 펄스파형 구동 신호의 고속 상승 또는 저속 상승이 가능하도록 제 1전류 개폐부에서 전류를 조절하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 레이저 출력 방법.
  15. 제 13항에 있어서,
    상기 스파형 구동신호의 하강시간을 제어하는 단계는,
    상기 펄스파형 구동 신호의 고속 하강 또는 저속 하강이 가능하도록 제 2전류 개폐부에서 전류를 조절하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 레이저 출력 방법.
  16. 제 14항에 있어서,
    상기 슈미트 트리거는 상기 제 1전류 개폐부와 연결되며, 상기 펄스 구동부에서 발생된 상기 구동 신호가 상기 기준 레벨 이상 또는 이하로 수신되면, 상기 제 1전류 개폐부로 상기 트리거 신호를 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 레이저 출력 방법.
  17. 제 15항에 있어서,
    상기 슈미트 트리거는 상기 제 2전류 개폐부와 연결되며, 상기 펄스 구동부에서 발생된 상기 구동 신호가 상기 기준 레벨 이상 또는 이하로 수신되면, 상기 제 2전류 개폐부로 상기 트리거 신호를 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 레이저 출력 방법.
  18. 제 16항 또는 제 17항에 있어서,
    상기 변조 전류를 공급하여 보상된 펄스파형 구동 신호에 의한 파형은 입력 신호 대비 저속의 상승시간을 가지며, 상기 레이저 다이오드에서 출력되는 펄스파형 파형은 대칭형인 것을 특징으로 하는 광섬유 레이저 출력 방법.
  19. 제 11항에 있어서,
    상기 레이저 다이오드로부터 발진된 상기 펄스파형 레이저광을 증폭하는 단계; 및
    상기 증폭된 상기 펄스파형 레이저광의 파장을 고정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 레이저 출력 방법.
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WO2021054401A1 (ja) * 2019-09-19 2021-03-25 大学共同利用機関法人自然科学研究機構 レーザ装置及びパルス幅変更方法
CN113504644A (zh) * 2021-07-21 2021-10-15 中国工程物理研究院激光聚变研究中心 一种抑制高功率激光装置中幅频效应的方法
KR102438216B1 (ko) * 2021-10-05 2022-08-30 김낙환 레이저 출력의 세기를 제어하는 디지털-아날로그 변환 회로

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