KR20150142311A - 주변환경에 안정적인 광섬유 레이저 장치 - Google Patents

주변환경에 안정적인 광섬유 레이저 장치 Download PDF

Info

Publication number
KR20150142311A
KR20150142311A KR1020140070883A KR20140070883A KR20150142311A KR 20150142311 A KR20150142311 A KR 20150142311A KR 1020140070883 A KR1020140070883 A KR 1020140070883A KR 20140070883 A KR20140070883 A KR 20140070883A KR 20150142311 A KR20150142311 A KR 20150142311A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
optical fiber
pbs
collimator
optical axis
mirror
Prior art date
Application number
KR1020140070883A
Other languages
English (en)
Other versions
KR101609549B1 (ko
Inventor
김덕영
소병휘
배윤성
조승범
Original Assignee
연세대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 연세대학교 산학협력단 filed Critical 연세대학교 산학협력단
Priority to KR1020140070883A priority Critical patent/KR101609549B1/ko
Publication of KR20150142311A publication Critical patent/KR20150142311A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101609549B1 publication Critical patent/KR101609549B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/05—Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
    • H01S3/06—Construction or shape of active medium
    • H01S3/063—Waveguide lasers, i.e. whereby the dimensions of the waveguide are of the order of the light wavelength
    • H01S3/067—Fibre lasers
    • H01S3/06704—Housings; Packages
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
    • H01S3/10007—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating in optical amplifiers
    • H01S3/10023—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating in optical amplifiers by functional association of additional optical elements, e.g. filters, gratings, reflectors
    • H01S3/1003—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating in optical amplifiers by functional association of additional optical elements, e.g. filters, gratings, reflectors tunable optical elements, e.g. acousto-optic filters, tunable gratings
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
    • H01S3/105—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating by controlling the mutual position or the reflecting properties of the reflectors of the cavity, e.g. by controlling the cavity length
    • H01S3/1051—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating by controlling the mutual position or the reflecting properties of the reflectors of the cavity, e.g. by controlling the cavity length one of the reflectors being of the type using frustrated reflection
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
    • H01S3/11—Mode locking; Q-switching; Other giant-pulse techniques, e.g. cavity dumping
    • H01S3/1106—Mode locking
    • H01S3/1112—Passive mode locking
    • H01S3/1115—Passive mode locking using intracavity saturable absorbers
    • H01S3/1118—Semiconductor saturable absorbers, e.g. semiconductor saturable absorber mirrors [SESAMs]; Solid-state saturable absorbers, e.g. carbon nanotube [CNT] based

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)
  • Lasers (AREA)

Abstract

본 발명의 실시예에 따른 광섬유 레이저 장치는 레이저 광원부; 상기 레이저 광원부로부터 일측 방향으로 이격된 편광 변환부; 상기 레이저 광원부로부터 타측 방향에 이격 구비되고 상기 편광 변환부와 동일한 광축을 갖는 광섬유; 상기 광섬유로부터 타측 방향에 구비되고 상기 광섬유와 동일한 광축을 갖는 제 2 콜리메이터; 및 상기 제 2 콜리메이터로부터 타측 방향에 구비되고 상기 제 2 콜리메이터와 동일한 광축을 갖는 패러데이 회전 거울;을 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 광섬유 레이저 장치는 패러데이 회전 거울과 편광 변환부 사이에 광섬유와 같은 어떠한 광학적 이방성 물질을 구비한 구조에서 광섬유에 의한 편광 효과를 모두 상쇄시켜 환경에 대한 특성변화를 최소화시킨 안정적인 레이저를 출력할 수 있는 효과가 있다.

Description

주변환경에 안정적인 광섬유 레이저 장치{ENVIRONMENTALLY STABLE FIBER LASER APPARATUS}
본 발명은 광섬유 레이저 장치에 관한 것으로, 특히 외부환경의 요인에 대해 편광 특성과 출력이 안정적인 광섬유 레이저 장치에 관한 것이다.
광섬유 레이저에서 발생한 레이저 광은 짧은 펄스폭을 갖는 초단 펄스의 특성 때문에 초고속 광통신에 이용할 수 있는 광원 중의 하나이다. 이러한 광섬유 레이저는 광섬유를 통해 레이저 광을 발생시키도록 구성되어 있기 때문에, 외부 환경에 대해 매우 민감하여 안정된 광펄스 출력을 얻는 것이 가장 큰 어려움이다.
특히, 광섬유 레이저에서 광섬유를 통과하는 빛의 편광특성은 온도 및 습도와 같은 광섬유 주변의 환경 요인에 의해 크게 영향을 받는다. 광섬유 레이저에서는 레이저를 구성하는 광섬유의 편광특성에 따라서 레이저의 편광특성 및 출력 특성이 변하므로, 안정적인 레이저를 만들기 위해서 보통 일반 광섬유가 아닌 편광유지 광섬유(polarizing maintaining fiber)를 사용하여 레이저를 구현한다.
그러나 편광유지 광섬유는 다루기가 매우 까다롭기 때문에, 사용 방법이 정확하지 않은 경우에 광섬유 레이저의 편광이 유지되지 않아 광섬유 레이저의 사용에 많은 어려움이 따른다.
특허문헌 1: 등록특허공보 제 10-0160582호
본 발명은 상기 문제점을 해소하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 외부환경의 요인에 대해 편광 특성과 출력이 안정적인 광섬유 레이저 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 실시예에 따른 광섬유 레이저 장치는 레이저 광원부; 상기 레이저 광원부로부터 일측 방향으로 이격된 편광 변환부; 상기 레이저 광원부로부터 타측 방향에 이격 구비되고 상기 편광 변환부와 동일한 광축을 갖는 광섬유; 상기 광섬유로부터 타측 방향에 구비되고 상기 광섬유와 동일한 광축을 갖는 제 2 콜리메이터; 및 상기 제 2 콜리메이터로부터 타측 방향에 구비되고 상기 제 2 콜리메이터와 동일한 광축을 갖는 패러데이 회전 거울;을 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 광섬유 레이저 장치에서 상기 레이저 광원부는 LD(Laser Diode) 또는 펌프 LD(Pump Laser Diode)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 광섬유 레이저 장치에서 상기 편광 변환부는 상기 광섬유와 동일한 광축으로 연결된 제 1 콜리메이터; 상기 제 1 콜리메이터와 동일한 광축으로 연결된 PBS(Polarizing Beam Splitter); 상기 PBS로부터 일측 광경로에 구비된 제 1 거울; 및 상기 일측 광경로에 대해 수직으로 상기 PBS로부터 타측 광경로에 구비된 제 2 거울;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 광섬유 레이저 장치에서 상기 패러데이 회전 거울은 투과율에 따라 1% ~ 99%의 레이저를 출력하는 부분 거울을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 광섬유 레이저 장치에서 상기 편광 변환부는 상기 광섬유와 동일한 광축으로 연결된 제 1 콜리메이터; 상기 제 1 콜리메이터와 동일한 광축으로 연결된 PBS; 상기 PBS로부터 일측 광경로에 구비된 SESAM(Semiconductor Saturable Absorber Mirror); 및 상기 일측 광경로에 대해 수직으로 상기 PBS로부터 타측 광경로에 구비된 제 2 거울;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 광섬유 레이저 장치는 상기 SESAM과 상기 PBS 사이에 렌즈를 더 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 광섬유 레이저 장치에서 상기 제 2 거울은 투과율에 따라 1% ~ 99%의 레이저를 출력하는 부분 거울을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 광섬유 레이저 장치에서 상기 편광 변환부는 상기 광섬유와 동일한 광축으로 연결된 제 1 콜리메이터; 상기 제 1 콜리메이터와 동일한 광축으로 연결된 PBS; 상기 PBS로부터 일측 광경로에 구비된 제 1 거울; 및 상기 일측 광경로에 대해 수직으로 상기 PBS로부터 타측 광경로에 순차적으로 구비된 1/4 파판과 제 2 거울;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 광섬유 레이저 장치에서 상기 편광 변환부는 상기 광섬유와 동일한 광축으로 연결된 제 1 콜리메이터; 상기 제 1 콜리메이터와 동일한 광축으로 연결된 PBS; 상기 PBS로부터 일측 광경로에 구비된 SESAM; 및 상기 일측 광경로에 대해 수직으로 상기 PBS로부터 타측 광경로에 순차적으로 구비된 1/4 파판과 제 2 거울;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 광섬유 레이저 장치에서 상기 편광 변환부는 상기 광섬유와 동일한 광축으로 연결된 제 1 콜리메이터; 상기 제 1 콜리메이터와 동일한 광축으로 연결된 제 2 패러데이 회전자; 상기 제 2 패러데이 회전자에 동일한 광축으로 연결된 PBS; 및 상기 PBS에 동일한 광축을 따라 순차적으로 연결된 1/4 파판과 거울;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 광섬유 레이저 장치에서 상기 편광 변환부는 상기 광섬유와 동일한 광축으로 연결된 제 1 콜리메이터; 상기 제 1 콜리메이터와 동일한 광축으로 연결된 제 2 패러데이 회전자; 상기 제 2 패러데이 회전자에 동일한 광축으로 연결된 PBS; 상기 PBS에 동일한 광축으로 연결된 1/4 파판; 및 상기 1/4 파판에 동일한 광축으로 연결된 SESAM;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 광섬유 레이저 장치는 레이저 광원부; 상기 레이저 광원부로부터 일측 방향으로 이격된 편광 변환부; 상기 레이저 광원부로부터 타측 방향에 이격 구비되고 상기 편광 변환부와 동일한 광축을 갖는 광섬유; 상기 광섬유로부터 타측 방향에 구비되고 상기 광섬유와 동일한 광축을 갖는 제 2 콜리메이터; 상기 제 2 콜리메이터로부터 타측 방향에 구비되고 상기 제 2 콜리메이터와 동일한 광축을 갖는 제 1 패러데이 회전자; 및 상기 제 1 패러데이 회전자와 동일한 광축을 갖는 거울;을 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 광섬유 레이저 장치에서 상기 편광 변환부는 상기 광섬유와 동일한 광축으로 연결된 제 1 콜리메이터; 상기 제 1 콜리메이터와 동일한 광축으로 연결된 제 2 패러데이 회전자; 상기 제 2 패러데이 회전자에 동일한 광축으로 연결된 PBS; 및 상기 PBS에 동일한 광축으로 연결된 거울;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 광섬유 레이저 장치에서 상기 제 1 패러데이 회전자는 레이저의 파장과 일치하고, 상기 제 2 패러데이 회전자는 상기 레이저의 파장과 불일치하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 광섬유 레이저 장치에서 상기 편광 변환부는 상기 광섬유와 동일한 광축으로 연결된 제 1 콜리메이터; 상기 제 1 콜리메이터와 동일한 광축으로 연결된 제 2 패러데이 회전자; 상기 제 2 패러데이 회전자에 동일한 광축으로 연결된 PBS; 및 상기 PBS에 동일한 광축으로 연결된 SESAM;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 광섬유 레이저 장치에서 상기 제 1 패러데이 회전자는 레이저의 파장과 일치하고, 상기 제 2 패러데이 회전자는 상기 레이저의 파장과 불일치하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다.
이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고, 사전적인 의미로 해석되어서는 아니 되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
본 발명의 실시예에 따른 광섬유 레이저 장치는 패러데이 회전 거울과 편광 변환부 사이에 광섬유와 같은 어떠한 광학적 이방성 물질을 구비한 구조에서 광섬유에 의한 편광 효과를 모두 상쇄시켜 환경에 대한 특성변화를 최소화시킨 안정적인 레이저를 출력할 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 실시예에 따른 광섬유 레이저 장치는 부분 거울 또는 1/4 파판과 PBS를 이용하여 레이저의 출력을 가변할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 관한 편광 행렬을 설명하기 위한 좌표 예시도.
도 2는 본 발명에 관한 편광 조절의 원리를 설명하기 위한 제 1 구성도.
도 3은 본 발명에 관한 편광 조절의 원리를 설명하기 위한 제 2 구성도.
도 4는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 광섬유 레이저 장치의 구성도.
도 5는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 광섬유 레이저 장치의 구성도.
도 6은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 광섬유 레이저 장치의 구성도.
도 7은 본 발명의 제 4 실시예에 따른 광섬유 레이저 장치의 구성도.
도 8은 본 발명의 제 5 실시예에 따른 광섬유 레이저 장치의 구성도.
도 9는 본 발명의 제 6 실시예에 따른 광섬유 레이저 장치의 구성도.
도 10은 본 발명의 제 7 실시예에 따른 광섬유 레이저 장치의 구성도.
도 11은 본 발명의 제 8 실시예에 따른 광섬유 레이저 장치의 구성도.
도 12는 본 발명의 제 9 실시예에 따른 광섬유 레이저 장치의 구성도.
본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 도 1은 본 발명에 관한 편광 행렬을 설명하기 위한 좌표 예시도이고, 도 2는 본 발명에 관한 편광 조절의 원리를 설명하기 위한 제 1 구성도이며, 도 3은 본 발명에 관한 편광 조절의 원리를 설명하기 위한 제 2 구성도이다.
본 발명의 실시예에 따른 광섬유 레이저 장치는 일반광섬유를 사용하면서도 외부환경에 안정적으로 레이저의 편광 특성과 출력을 갖도록 구성된다.
여기서, 빛의 편광특성은 수직방향 성분과 수평방향 성분의 세기와 상대적인 위상차이에 의해서 결정된다. 일반 광섬유를 통과한 빛의 수평방향 성분과 수직방향 성분의 상대적인 위상차는 온도 및 습도와 같은 주변 환경요인에 따라서 변하게 된다. 선형편광된 빛이 예를 들어 패러데이 회전자를 통과하면 편광방향이 시계방향으로 45도 회전하게 된다. 또한, 패러데이 회전자 반대편에 거울를 놓고 빛을 반사시키고 패러데이 회전자를 왕복하여 통과시키면, 통과한 빛의 편광 방향은 입력된 편광방향과 90도의 위상차 각도를 갖게 된다.
이러한 성질을 이용하여 광섬유를 통과한 빛이 패러데이 회전자를 통과하고 거울에 반사되어 다시 패러데이 회전자와 광섬유를 순차적으로 통과하게 되면, 출력되는 빛의 편광상태가 처음 광섬유를 통과하기 전의 편광상태로 되돌아오게 된다.
이와 같이 일반 광섬유에 대하여 편광방향이 90도 회전하여 빛을 왕복으로 통과시키면, 광섬유의 편광특성이 온도, 습도, 압력과 같은 주변의 환경요인에 영향을 받지 않는다.
빛의 편광특성은 존스 벡터(Jones vector)로 표현되며, 매질의 빛에 대한 작용은 존스 행렬(Jones matrix)로 나타낼 수 있다. 이러한 존스 행렬과 존스 벡터를 이용하여, 광섬유를 포함하는 다양한 광소자로 구성된 레이저에 대한 빛의 편광특성을 기술할 수 있다.
구체적으로, 도 1에 도시된 바와 같이 빛의 진행방향이 Z축이면, 시간에 따른 전기장의 x축 및 y축 성분을 아래의 [수학식 1]로 나타낼 수 있다.
Figure pat00001
이때, 존스 벡터는 정규화(normalized)된 x축 및 y축 방향의 편광 성분의 크기 및 위상인
Figure pat00002
로 나타내며, a2+b2=1 을 만족한다.
입사된 빛의 편광 행렬을 기술하기 위한 x - y 좌표축에 대하여 매질의 느린축(x축)과 빠른축(y축)이 도 1과 같이 z축에 대하여 반시계 방향으로 Φ만큼 회전되어 있는 경우, 매질의 새로운 x'- y' 좌표축에서의 빛에 대한 존스 벡터
Figure pat00003
와 동일한 빛에 대한 이전 x - y 좌표축에서의 존스 벡터
Figure pat00004
와의 관계는 아래와 같은 [수학식 2]의 회전행렬 R(Φ)로 표현될 수 있다.
Figure pat00005
x' - y' 좌표축에서 매질에 대한 존스 행렬 M'을 알고 있을 때, 매질을 통과한 후의 빛에 대한 존스 벡터는 통과하기 전의 빛에 대한 존스 벡터에 M'을 곱하여 얻을 수 있다. 이때 x - y 좌표축에서의 매질에 대한 새로운 존스 행렬 M은 M'와 아래와 같은 관계를 갖는다.
Figure pat00006
여기서, 회전 행렬 R(Φ)에 대한 역행렬은 아래의 [수학식 4]로 표현되고, x - y 좌표축에서 매질을 통과한 빛에 대한 존스 벡터는 매질을 통과하기 전의 빛에 대한 존스 벡터에 새로운 존스 행렬 M을 곱하면 얻을 수 있다.
Figure pat00007
또한, 빛이 패러데이 회전자(Faraday Rotator)에 입력되면 빛의 편광상태가 45도 회전되어, 패러데이 회전자를 순방향으로 통과하면 진행방향(z축)에 대하여 반시계방향으로 45도 회전되고, 패러데이 회전자를 역방향으로 통과하면 진행방향(z축)에 대하여 시계방향으로 45도 회전한다.
이때, 패러데이 회전 거울(Faraday Rotator Mirror)은 순방향 패러데이 회전자, 거울 및 역방향 패러데이 회전자를 순차적으로 연결한 구조이므로, 패러데이 회전 거울의 존스 행렬은 아래의 [수학식 5]로 나타낼 수 있다.
Figure pat00008
이러한 패러데이 회전 거울과 PBS(Polarizing Beam Splitter)를 이용하면 광섬유와 같은 임의의 광 이방체(optical birefringence material)에 의한 편광 변화를 상쇄시킬 수 있다.
예를 들어, 도 2에 도시된 제 1 구성도에서 빛이 PBS(10) 왼편에서 입사하여 제 1 콜리메이터(20)를 통하여 광섬유(30)에 입사되고, 제 2 콜리메이터(40)와 패러데이 회전자(50)를 통과한 후 거울(60)에서 반사되어 다시 광섬유(30)를 통과하여 PBS(10)로 들어오면, 빛의 편광 상태가 90도 회전되어 PBS(10)를 통과하지 못하고 반사되어 위쪽으로 향하게 된다.
이때, PBS(10)의 왼편에서 입사한 빛은 PBS(10)를 지나면서 수직편광(y-축 편광) 상태의 빛과 수평편광(x-축 편광) 상태의 빛으로 분기되어, 수직편광(y-축 편광) 상태의 빛은 PBS(10)를 투과하여 오른쪽 광섬유(30)로 입사되고, 수평편광(x-축 편광) 상태의 빛은 PBS(10)에서 반사되어 아래쪽으로 출력된다.
따라서, PBS(10)를 지나 제 1 콜리메이터(20)로 입사되는 빛은 수직편광상태의 빛으로 이에 대한 존스벡터는
Figure pat00009
이다.
광섬유(30)는 임의의 위상차(δ)를 갖지만, 느린 축의 방향을 알 수 없고 느린 축의 방향이 수시로 변하는 파판(wave plate)으로 생각할 수 있어서, 이러한 느린 축의 방향이 도 2의 PBS(10)의 기준 좌표계에 대하여 반시계 방향으로 Φ 만큼 회전되어 있는 경우, 광섬유(30)에 대한 존스 행렬(M1)은 아래의 [수학식 6]과 같이 쓸 수 있다.
Figure pat00010
따라서, 광섬유(30)를 통과하여 제 2 콜리메이터(40)를 지나 패러데이 회전 거울(50,60)로 입사되는 빛의 존스 벡터(V2)는 아래의 [수학식 7]과 같다.
Figure pat00011
존스 벡터(V2)의 빛이 패러데이 거울(60)에서 반사되어 제 2 콜리메이터(40)를 지나 광섬유(30)를 역방향으로 통과하기 직전에 빛의 존스 벡터(V3)는 [수학식 5]를 이용하여 아래의 [수학식 8]과 같이 쓸 수 있다.
Figure pat00012
광섬유(30)의 경우 역방향으로 통과할 때의 존스 행렬(M2)은 순방향으로 통과할 때의 존스 행렬(M1)과 비슷하지만 회전 각도(Φ)는 반대가 되므로, 광섬유(30)를 역방향으로 통과하는 경우의 존스 행렬(M2)은 아래의 [수학식 9]와 같이 쓸 수 있다.
Figure pat00013
그러므로 광섬유(30)를 역방향으로 통과(오른쪽에서 왼쪽으로 통과)한 빛의 존스 벡터(V4)는 아래의 [수학식 10]과 같이 표현되고, 수평편광(x-축 편광) 상태의 빛을 나타낸다.
Figure pat00014
반면에, PBS(10)를 통과하여 광섬유(30)에 입사되는
Figure pat00015
의 존스 벡터를 갖는 수직편광(y-축 편광) 상태의 빛은 광섬유(30)를 통과하고 패러데이 회전 거울(50,60)에서 반사된 후 다시 PBS(10)로 돌아오면, 편광 상태가 90도로 회전되어 [수학식 11]과 같이 수평편광(x-축 편광)상태로 편광이 바뀌게 된다.
Figure pat00016
이러한 관계는 PBS(10)와 패러데이 회전 거울(50,60) 사이에 어떤 광학 이방성 물질이나 소자가 있어도 항상 성립한다.
따라서, 도 2에서와 같이 PBS(10)를 통과하여 광섬유(30)와 패러데이 회전자(50)를 각각 왕복 투과하여 다시 PBS(10)로 되돌아온 빛은 PBS(10)를 통과하지 못하고 PBS(10)에서 반사되어 원래 빛이 입사된 방향이 아닌 PBS(10)의 위쪽으로 향하게 된다.
즉, PBS(10)와 패러데이 회전 거울(50,60) 사이에 임의의 광학적 이방성 물질인 광섬유(30)가 위치한 경우에, 수직 편광 상태로 입사하고 광섬유(30)와 패러데이 회전자(50)를 왕복으로 통과하여 PBS(10)로 되돌아온 빛은 광섬유(30)의 상태에 상관없이 항상 수평편광 상태가 되어 PBS(10)의 위쪽으로 반사된다.
이러한 편광제어원리는 광 아이솔레이터(optical isolator) 및 광 서큘레이터(optical circulator) 등과 같은 광섬유 소자에도 적용될 수 있다.
다른 편광제어원리는 도 3에 도시된 바와 같이 1/4 파판을 이용하여 편광을 제어할 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, PBS(10), 거울(60) 및 1/4 파판(70)을 포함한 제 2 구성도는 예컨대, CD 또는 DVD 등과 같은 광학저장장치에서 주로 사용되는 일종의 광 격리장치(Optical Isolator)의 일부 구성도로서, 1/4 파판(70)의 회전을 조절하여 출력되는 빛의 세기를 변화시킬 수 있다.
도 3에서 PBS(10)의 오른쪽에서 수평방향(x-축 방향)으로 편광된 빛이 입사되는 경우, 빛은 PBS(10)에서 100% 반사되어 PBS(10)의 위쪽, 1/4 파판(70)과 거울(60)이 있는 방향으로 향하게 된다.
구체적으로, PBS(10)에서 반사된 후에 x-축으로 편광되어 위쪽으로 진행하는 빛의 존스 벡터가
Figure pat00017
이면, 느린 축(slow axis)이 x-축과 일치하는 1/4 파판(70)의 존스벡터는
Figure pat00018
이다.
도 3에서 1/4 파판(70)의 느린 축이 PBS(10)의 기준 좌표계 중 x-축에 대하여 반시계 방향으로 만큼 회전되어 있는 경우, 1/4 파판(70)에 대한 존스 행렬(M3)은 [수학식 3]에 의해서 아래의 [수학식 12]와 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00019
x-축으로 편광되어 위쪽으로 진행하는 빛이 이러한 회전된 1/4 파판(70)을 아래에서 위쪽으로 통과하면, 이에 대한 존스 벡터(V6)는 [수학식 13]으로 나타낼 수 있다.
Figure pat00020
이러한 빛이 거울(60)에서 반사되면, 이에 대한 존스 벡터(V7)는 아래의 [수학식 14]와 같다.
Figure pat00021
이후 빛이 1/4 파판(70)을 역방향으로 통과할 때의 존스 행렬(M4)은 순방향으로 통과할 때의 존스 행렬(M3)과 비슷하지만, 회전 각도 Φ는 방향이 반대가 되어 -Φ가 된다. 그러므로 1/4 파판(70)을 역방향으로 통과하는 경우의 존스 행렬(M4)은 아래의 [수학식 15]와 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00022
이에 따라, 거울(60)에서 반사된 빛이 1/4 파판(70)을 위에서 아래쪽으로 통과하면, 이에 대한 존스 벡터(V8)는 아래의 [수학식 16]과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00023
여기서, Φ는 1/4 파판(70)의 느린 축이 PBS(10)의 기준 좌표계의 x-축에 대하여 반시계 방향으로 회전된 각도이다.
이러한 [수학식 16]에서 Φ가 0도 또는 90도가 되면, PBS(10)로 돌아오는 빛의 존스 벡터(V8)는
Figure pat00024
이 된다. 이것은 PBS(10)의 수평축(x-축)으로 선편광된 빛이므로 PBS(10)에서 100% 반사되어 PBS(10)의 아래쪽으로 통과되는 빛의 양은 0%가 된다.
반면에, [수학식 16]에서 Φ가 -45도 또는 +45도가 되면, PBS(10)로 돌아오는 빛의 존스 벡터(V8)는
Figure pat00025
이 된다. 이것은 PBS(10)의 수직축(y-축)으로 선편광된 빛이므로 PBS(10)에서 100% 투과되어 PBS(10)의 아래쪽으로 출력된다.
따라서, 1/4 파판(70)의 느린 축을 0도에서 45도까지 회전함으로써, 빛의 출력을 0%에서 100%까지 연속적으로 제어할 수 있다.
이하, 상술한 편광제어원리를 적용한 본 발명의 제 1 실시예에 따른 광섬유 레이저 장치에 대해 도 4를 참조하여 설명한다. 도 4는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 광섬유 레이저 장치의 구성도이다.
본 발명의 제 1 실시예에 따른 광섬유 레이저 장치(100)는 1개의 PBS(112)와 1개의 패러데이 회전자(140)를 포함하여 광섬유(120)의 편광 특성에 관계없이 안정적으로 출력을 도출하는 Y자형 광경로를 갖는 광섬유 레이저 장치로서, 레이저 광원부(101), 편광 변환부(110), 광섬유(120), 제 2 콜리메이터(131), 패러데이 회전자(140) 및 부분 거울(150)을 포함한다.
레이저 광원부(101)는 레이저 광을 발생시켜 광섬유(120)로 주입하는 부분으로, 예를 들어 레이저의 이득을 여기시키기 위한 펌프 광을 발생시키는 펌프 LD(Pump Laser Diode)를 포함할 수 있다.
편광 변환부(110)는 광섬유(120)를 통과한 빛의 편광변화를 최소화시켜 안정적인 출력을 획득하기 위한 변환 기능을 수행하는 부분으로, 편광 상태에 따라 빛을 나누어주는 PBS(112), PBS(112)와 광섬유(120) 사이에 구비된 제 1 콜리메이터(111), PBS(112)로부터 일측 광경로에 구비된 제 1 거울(113), 및 일측 광경로에대해 수직이고 PBS(112)로부터 타측 광경로에 구비된 제 2 거울(114)를 포함한다.
이러한 구조의 편광 변환부(110)는 광섬유(120)로부터 제 1 콜리메이터(111)를 거쳐 주입되는 빛의 편광변환을 수행한다. 특히, PBS(112)는 제 1 콜리메이터(111)를 통해 주입되는 빛을 수직편광 및 수평편광으로 나누어주는 역할을 수행하여, 수평 편광된 빛은 90도 각도로 반사하고 수직 편광된 빛은 통과하게 한다.
패러데이 회전자(140)는 수평 편광된 빛의 편광각도를 45도 회전하게 하고, 패러데이 회전 거울(140,150)은 빛의 편광면을 90도 회전시키는 효과가 있다.
이때, 거울(150)은 예컨대 부분 거울(partial mirror)을 사용하여, 레이저 내부 에너지의 일정 비율만큼 출력하며, 부분 거울의 투과율에 따라 1% ~ 99%의 레이저 출력을 결정할 수 있다.
또한, 도 4에서 거울(150)은 부분 거울을 사용하지만, 거울(150)을 100% 거울로 대치하고 제 1 거울(113) 또는 제 2 거울(114)을 부분 거울로 대치하여 제 1 거울(113) 또는 제 2 거울(114)을 통해 레이저 출력을 뽑아낼 수도 있다.
제 1 콜리메이터(111)와 제 2 콜리메이터(131)는 렌즈를 포함하고, 광섬유(120)를 거쳐 주입된 레이저 빛을 자유공간으로 뽑아내거나 반대로 광섬유(120)로 커플링시킬 수 있다.
이와 같이 구성된 본 발명의 제 1 실시예에 따른 광섬유 레이저 장치는 패러데이 회전 거울(140,150)에서 반사된 빛은 반사될 때마다 편광면이 90도 회전되므로, 한번은 편광 변환부(110)의 제 1 거울(113) 부분으로 향하고 다음번은 편광 변환부(110)의 제 2 거울(114) 부분으로 향하게 된다. 즉, 레이저 빛이 편광 변환부(110)의 제 1 거울(113) 경로와 제 2 거울(114) 경로를 각각 1번씩 왕복하여 통과할 때, 광섬유(120)와 패러데이 회전 거울(140,150)의 경로를 2번 왕복으로 통과하게 된다.
따라서, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 광섬유 레이저 장치(100)는 패러데이 회전 거울(140,150)과 PBS(112) 사이에 광섬유(120)와 같은 어떤 광학적 이방성 물질에 의한 편광 효과도 모두 상쇄시킬 수 있다. 특히 광섬유(120)는 주변의 온도와 습도 등의 환경에 매우 민감한 이방성 물질로, 광섬유를 통과한 빛의 편광특성은 주변의 환경에 따라 변화되지만, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 광섬유 레이저 장치(100) 구조에 따라 광섬유를 패러데이 회전 거울(140,150)과 PBS(112)사이에 위치시킴으로써, 이러한 광섬유의 환경에 대한 특성변화를 최소화시켜 안정적인 광섬유 레이저의 출력을 얻을 수 있다.
이하, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 광섬유 레이저 장치에 대해 도 5를 참조하여 설명한다. 도 5는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 광섬유 레이저 장치의 구성도이다.
본 발명의 제 2 실시예에 따른 광섬유 레이저 장치(200)는 제 1 실시예에 따른 광섬유 레이저 장치(100)와 유사하지만, 편광 변환부(210)를 구성하는 2개의 거울 중 하나를 SESAM(Semiconductor Saturable Absorber Mirror)으로 대치하여 모드 잠김을 통하여 펄스형 레이저를 발생시키고, 다른 하나의 거울을 부분 거울로 대치하여 1% ~ 99%의 레이저를 출력하는 차이점이 있다.
이에 따라 본 발명의 제 2 실시예에 따른 광섬유 레이저 장치(200)에 관한 설명이 제 1 실시예에 따른 광섬유 레이저 장치(100)에 관한 설명과 중복되는 부분은 생략한다.
본 발명의 제 2 실시예에 따른 광섬유 레이저 장치(200)는 도 5에 도시된 바와 같이 편광 변환부(210)가 편광 상태에 따라 빛을 나누어주는 PBS(212), PBS(212)와 광섬유(220) 사이에 구비된 제 1 콜리메이터(211), PBS(212)로부터 일측 광경로에 순차적으로 구비된 렌즈(213)와 SESAM(214), 및 일측 광경로에 대해 수직이고 PBS(212)로부터 타측 광경로에 구비된 제 2 거울(215)를 포함하여 구성된다.
제 2 거울(215)은 예컨대 부분 거울(partial mirror)로서, 레이저 내부 에너지의 일정 비율만큼 출력하여, 부분 거울의 투과율에 따라 1% ~ 99%의 레이저를 출력한다.
패러데이 회전 거울(240,250)의 거울(250)은 100% 거울로 구비되어 주입되는 빛을 모두 패러데이 회전자(240)로 반사시킨다.
이렇게 구성된 본 발명의 제 2 실시예에 따른 광섬유 레이저 장치(200)는 내부적으로 펄스가 광섬유(220)를 2번 통과할 때마다 SESAM(214)과 제 2 거울(215)을 한 번씩 통과하게 되며, 펄스가 제 2 거울(215)에서 반사될 때마다 펄스가 제 2 거울(215)을 통해 한 개씩 출력될 수 있다.
이에 따라 본 발명의 제 2 실시예에 따른 광섬유 레이저 장치(200)는 패러데이 회전자(240)를 1개 사용하여 광섬유(220)를 왕복으로 통과한 빛이 PBS의 왼쪽으로 향하지 않고 위쪽으로 향하는 Y자형 광경로를 이루며, 종래의 선형구조 광섬유를 구비한 레이저 장치에 비하여 펄스 반복율이 1/2 정도로 낮춰지는 특징이 있다.
이하, 본 발명의 제 3 실시예에 따른 광섬유 레이저 장치에 대해 도 6을 참조하여 설명한다. 도 6은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 광섬유 레이저 장치의 구성도이다.
본 발명의 제 3 실시예에 따른 광섬유 레이저 장치(300)는 제 1 실시예에 따른 광섬유 레이저 장치(100)와 유사하지만, 편광 변환부(310)를 구성하는 2개의 거울 중 하나를 SESAM(Semiconductor Saturable Absorber Mirror)으로 대치하여 모드 잠김을 통하여 펄스형 레이저를 발생시키는 차이점이 있다.
이에 따라 본 발명의 제 3 실시예에 따른 광섬유 레이저 장치(300)에 관한 설명이 제 1 실시예에 따른 광섬유 레이저 장치(100)에 관한 설명과 중복되는 부분은 생략한다.
본 발명의 제 3 실시예에 따른 광섬유 레이저 장치(300)는 편광 변환부(310)가 편광 상태에 따라 빛을 나누어주는 PBS(312), PBS(312)와 광섬유(320) 사이에 구비된 제 1 콜리메이터(311), PBS(312)로부터 일측 광경로에 순차적으로 구비된 렌즈(313)와 SESAM(314), 및 일측 광경로에 대해 수직이고 PBS(312)로부터 타측 광경로에 구비된 제 2 거울(315)를 포함하여 구성된다.
패러데이 회전 거울(340,350)의 거울(350)은 예컨대 부분 거울(partial mirror)을 사용하여, 레이저 내부 에너지의 일정 비율만큼 출력하여, 부분 거울의 투과율에 따라 레이저 출력을 1% ~ 99%의 범위에서 결정할 수 있다.
도 5에 도시된 본 발명의 제 2 실시예에 따른 광섬유 레이저 장치(200)의 경우와 달리, 도 6에 도시된 본 발명의 제 3 실시예에 따른 광섬유 레이저 장치(300)는 펄스가 광섬유(320)를 1번 왕복하여 통과할 때마다 부분 거울(350)을 통해 펄스가 출력되므로, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 광섬유 레이저 장치(200)의 경우보다 펄스의 반복율이 2배 정도로 높게 된다.
하지만, 레이저의 출력부분인 거울(350)과 SESAM(314) 사이의 거리 및 거울(350)과 제 2 거울(315) 사이의 거리가 서로 정확하게 동일한 거리를 갖지 않으므로 펄스와 펄스의 간격이 매 2 펄스마다 서로 다르게 나타난다는 특이성을 갖는다.
특히, 레이저 내부를 왕복하는 펄스가 광섬유(320)를 1번 왕복하여 통과할 때마다 펄스가 1개씩 외부로 출력되므로, 펄스 주기가 도 5에 도시된 본 발명의 제 2 실시예에 따른 광섬유 레이저 장치(200)의 경우보다 2배 높아진다.
이하, 본 발명의 제 4 실시예에 따른 광섬유 레이저 장치에 대해 도 7을 참조하여 설명한다. 도 7은 본 발명의 제 4 실시예에 따른 광섬유 레이저 장치의 구성도이다.
본 발명의 제 4 실시예에 따른 광섬유 레이저 장치(400)는 제 1 실시예에 따른 광섬유 레이저 장치(100)와 유사하지만, 편광 변환부(410)가 도 3에서 설명한 1/4 파판을 포함하여 편광을 제어하는 원리가 적용되는 구조라는 점에서 차이가 있다.
이에 따라 본 발명의 제 4 실시예에 따른 광섬유 레이저 장치(400)에 관한 설명이 제 1 실시예에 따른 광섬유 레이저 장치(100)에 관한 설명과 중복되는 부분은 생략한다.
편광 변환부(410)는 편광 상태에 따라 빛을 나누어주는 PBS(412), PBS(412)와 광섬유(420) 사이에 구비된 제 1 콜리메이터(411), PBS(412)로부터 일측 광경로에 구비된 제 1 거울(414), 및 일측 광경로에 대해 수직이고 PBS(412)로부터 타측 광경로에 순차적으로 구비된 1/4 파판(416)과 제 2 거울(415)을 포함하여 구성된다.
제 1 거울(414)과 제 2 거울(415)은 100% 거울로 구비되어 주입되는 빛을 PBS(412)로 반사시킨다.
이와 같이 구성된 본 발명의 제 4 실시예에 따른 광섬유 레이저 장치(400)는 1/4 파판(416)을 PBS(412)에 대해 0도에서 45도까지 회전시킴에 따라, PBS(412)를 통해 레이저 장치 내부의 에너지 및 외부로 출력되는 레이저의 비율을 0.1%에서 100%까지 연속적으로 조절할 수 있다.
이하, 본 발명의 제 5 실시예에 따른 광섬유 레이저 장치(500)에 대해 도 8을 참조하여 설명한다. 도 8은 본 발명의 제 5 실시예에 따른 광섬유 레이저 장치의 구성도이다.
본 발명의 제 5 실시예에 따른 광섬유 레이저 장치(500)는 도 7에 도시된 본 발명의 제 4 실시예에 따른 광섬유 레이저 장치(400)와 유사하지만, 편광 변환부(510)를 구성하는 2개의 거울 중 하나를 SESAM(Semiconductor Saturable Absorber Mirror)으로 대치하여 모드 잠김을 통하여 펄스형 레이저를 발생시키고, 도 3에서 설명한 1/4 파판을 포함하여 편광을 제어하는 원리가 적용되는 구조라는 점에서 차이가 있다.
이에 따라 본 발명의 제 5 실시예에 따른 광섬유 레이저 장치(500)에 관한 설명이 제 4 실시예에 따른 광섬유 레이저 장치(400)에 관한 설명과 중복되는 부분은 생략한다.
본 발명의 제 5 실시예에 따른 광섬유 레이저 장치(500)는 편광 변환부(510)로서 편광 상태에 따라 빛을 나누어주는 PBS(512), PBS(512)와 광섬유(520) 사이에 구비된 제 1 콜리메이터(511), PBS(512)로부터 일측 광경로에 순차적으로 구비된 렌즈(513)와 SESAM(514), 및 일측 광경로에 대해 수직이고 PBS(512)로부터 타측 광경로에 순차적으로 구비된 1/4 파판(516)과 제 2 거울(515)을 포함하여 구성된다.
본 발명의 제 5 실시예에 따른 광섬유 레이저 장치(500)는 SESAM(514)을 이용한 모드 잠김을 통해 펄스형 레이저를 발생시키고, 펄스가 광섬유(520)를 2번 통과할 때마다 SESAM(514)과 제 2 거울(515)에서 한 번씩 반사되며, 펄스가 제 2 거울(515)에서 반사될 때마다 펄스가 PBS(512)를 통해 한 개씩 출력될 수 있다.
이때, 1/4 파판(516)을 PBS(512)에 대해 0도에서 45도까지 회전시킴에 따라, PBS(512)를 통해 레이저 장치 내부의 에너지 및 외부로 출력되는 레이저의 비율을 0.1% 에서 100%까지 연속적으로 조절할 수도 있다.
이하, 본 발명의 제 6 실시예에 따른 광섬유 레이저 장치에 대해 도 9를 참조하여 설명한다. 도 9는 본 발명의 제 6 실시예에 따른 광섬유 레이저 장치의 구성도이다.
본 발명의 제 6 실시예에 따른 광섬유 레이저 장치(600)는 2개의 동일한 패러데이 회전자(617,640)를 사용하여 일자형 광 경로를 구현한 레이저 장치라는 특징이 있다. 즉 상술한 제 1 내지 제 5 실시예에 따른 광섬유 레이저 장치는 패러데이 회전자를 1개 사용하여 광섬유를 왕복으로 통과한 빛이 PBS의 왼쪽으로 향하지 않고 위쪽으로 향하는 Y자형 광 경로를 구현하지만, 본 발명의 제 6 실시예에 따른 광섬유 레이저 장치(600)는 PBS(612)를 통과한 빛이 광섬유(620)에 입사되기 전에 제 2 패러데이 회전자(617)를 더 통과하도록 하여 광섬유(620)를 왕복으로 통과한 빛이 광섬유(620)의 상태와 상관없이 항상 PBS(612)를 다시 통과하는 일자형 광 경로를 구현할 수 있다.
이러한 본 발명의 제 6 실시예에 따른 광섬유 레이저 장치(600)는 도 3을 참조하여 설명한 원리가 적용되어 1/4 파판(616)과 PBS(612)를 사용하여 레이저의 출력을 가변적으로 출력할 수 있다.
예를 들어, PBS(612)의 왼쪽에 위치한 1/4 파판(616)을 0도에서45도까지 회전시키면, 레이저는 내부의 에너지와 외부 출력의 비율을 0.1에서 50% 까지 가변적으로 조절하여 PBS(612)의 아래쪽으로 출력할 수 있다.
이하, 본 발명의 제 7 실시예에 따른 광섬유 레이저 장치에 대해 도 10을 참조하여 설명한다. 도 10은 본 발명의 제 7 실시예에 따른 광섬유 레이저 장치의 구성도이다.
도 10에 도시된 본 발명의 제 7 실시예에 따른 광섬유 레이저 장치(700)는 도 9에 도시된 본 발명의 제 6 실시예에 따른 광섬유 레이저 장치(600)의 구조와 동일한 2개의 동일한 패러데이 회전자(717,740)를 사용하여 일자형 광 경로를 구현한 레이저 장치로서, 장치의 왼쪽 끝 부분에 있는 100% 거울(614)을 대신하여 SESAM(714)으로 교체함으로써 모드 잠김을 통하여 펄스형 레이저를 발생시키도록 한 차이점이 있다.
이때, 1/4 파판(716)을 PBS(712)에 대해 0도에서 45도까지 회전시킴에 따라, PBS(712)를 통해 레이저 장치 내부의 에너지 및 외부로 출력되는 레이저의 비율을 0.1% 에서 50%까지 연속적으로 조절할 수 있다.
이하, 본 발명의 제 8 실시예에 따른 광섬유 레이저 장치에 대해 도 11을 참조하여 설명한다. 도 11은 본 발명의 제 8 실시예에 따른 광섬유 레이저 장치의 구성도이다.
본 발명의 제 8 실시예에 따른 광섬유 레이저 장치(800)는 도 9에 도시된 본 발명의 제 6 실시예에 따른 광섬유 레이저 장치(600)의 구조와 동일하게 2개의 패러데이 회전자(817,840)를 사용하여 일자형 광 경로를 구현한 레이저 장치이지만, 2개의 패러데이 회전자(817,840)를 레이저의 파장과 일치하는 제 1 패러데이 회전자(840) 및 레이저의 파장과 맞지 않는 제 2 패러데이 회전자(817)로 구성한다는 차이점이 있다.
구체적으로, 패러데이 회전자(817,840)는 주어진 파장으로 입사되는 빛의 편광면을 45도 회전시키지만, 입사된 빛의 파장과 패러데이 회전자의 파장이 서로 일치하지 않으면 투과하는 빛의 편광 회전 각도를 파장에 따른 패러데이 효과에 의해서 45도보다 크거나 작게 한다.
이러한 원리를 이용하여, 도 11에서와 같이 편광 변환부(810)의 PBS(812) 바로 옆에 레이저 파장에 맞지 않는 제 2 패러데이 회전자(817)를 위치시키면 광섬유(820)를 왕복으로 통과한 빛이 PBS(812) 왼편으로 100% 투과하지 않고 일부가 PBS(812)에 의해 반사되어 PBS(812) 아래쪽으로 향하게 된다.
이때, 광섬유(820) 오른쪽에 위치한 패러데이 회전 거울(840,850)에 사용되는 제 1 패러데이 회전자(840)의 중심 파장(λ1)은 레이저의 파장과 일치하도록 하여야 한다. 그렇지 않으면 주위 환경에 민감하게 변하는 광섬유의 이방성(birefringence) 성질에 의한 편광 변화를 상쇄시킬 수 없으므로 안정적인 레이저를 구성할 수 없다.
PBS(812) 바로 옆에 위치하는 제 2 패러데이 회전자(817)의 회전 각도가 45도에서 q 만큼 벗어날 경우 PBS(812)에서 반사되어 레이저의 출력단으로 출력되는 레이저의 비율은 sin2(2q)가 된다.
이에 따라 본 발명의 제 8 실시예에 따른 광섬유 레이저 장치(800)는 PBS(812)를 통해 레이저 장치 내부의 에너지 및 외부로 출력되는 레이저의 비율을 0.1% 에서 99%까지 조절하여 출력할 수 있다.
이하, 본 발명의 제 9 실시예에 따른 광섬유 레이저 장치에 대해 도 12를 참조하여 설명한다. 도 12는 본 발명의 제 9 실시예에 따른 광섬유 레이저 장치의 구성도이다.
본 발명의 제 9 실시예에 따른 광섬유 레이저 장치(900)는 도 10에 도시된 본 발명의 제 7 실시예에 따른 광섬유 레이저 장치(700)의 구조와 동일하게 2개의 패러데이 회전자(917,940)를 사용하여 일자형 광 경로를 구현한 펄스형 레이저 장치이지만, 2개의 패러데이 회전자(917,940)를 레이저의 파장과 일치하는 제 1 패러데이 회전자(940) 및 레이저의 파장과 맞지 않는 제 2 패러데이 회전자(917)로 구성한다는 차이점이 있다.
이러한 본 발명의 제 9 실시예에 따른 광섬유 레이저 장치(900)는 도 12에서와 같이 편광 변환부(910)의 PBS(912) 바로 옆에 레이저 파장에 맞지 않는 제 2 패러데이 회전자(917)를 위치시키면 광섬유(920)를 왕복으로 통과한 빛이 PBS(912) 왼편으로 100% 투과하지 않고 일부가 PBS(912)에 의해 반사되어 PBS(812) 아래쪽으로 향하게 한다.
이때, 광섬유(920) 오른쪽 방향에 위치한 패러데이 회전 거울(940,950)에 사용되는 제 1 패러데이 회전자(940)의 중심 파장(λ1)은 레이저의 파장과 일치하도록 하여야 한다. 그렇지 않으면 주위 환경에 민감하게 변하는 광섬유의 이방성(birefringence) 성질에 의한 편광 변화를 상쇄시킬 수 없으므로 안정적인 펄스형 레이저를 구성할 수 없다.
이에 따라 본 발명의 제 9 실시예에 따른 광섬유 레이저 장치(900)는 PBS(912)를 통해 레이저 장치 내부의 에너지 및 외부로 출력되는 레이저의 비율을 0.1% 에서 99%까지 조절하여 출력할 수 있다.
따라서, 상술한 본 발명의 실시예들에 따른 광섬유 레이저 장치는 패러데이 회전 거울과 편광 변환부 사이에 광섬유와 같은 어떠한 광학적 이방성 물질을 구비한 구조에서 광섬유에 의한 편광 효과를 모두 상쇄시켜 환경에 대한 특성변화를 최소화시킨 안정적인 레이저를 출력할 수 있다.
또한, 상술한 본 발명의 실시예들에 따른 광섬유 레이저 장치는 부분 거울 또는 1/4 파판과 PBS를 이용하여 레이저의 출력을 가변할 수 있다.
본 발명의 기술사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 전술한 실시예들은 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다.
또한, 본 발명의 기술분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 다양한 실시가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
100: 광섬유 레이저 장치 101: 레이저 광원부
110: 편광 변환부 111: 제 1 콜리메이터
112: PBS 113: 제 1 거울
114: 제 2 거울 120: 광섬유
131: 제 2 콜리메이터 140: 패러데이 회전자
150: 부분 거울

Claims (16)

  1. 레이저 광원부;
    상기 레이저 광원부로부터 일측 방향으로 이격된 편광 변환부;
    상기 레이저 광원부로부터 타측 방향에 이격 구비되고 상기 편광 변환부와 동일한 광축을 갖는 광섬유;
    상기 광섬유로부터 타측 방향에 구비되고 상기 광섬유와 동일한 광축을 갖는 제 2 콜리메이터; 및
    상기 제 2 콜리메이터로부터 타측 방향에 구비되고 상기 제 2 콜리메이터와 동일한 광축을 갖는 패러데이 회전 거울;
    을 포함하는 광섬유 레이저 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 레이저 광원부는 LD(Laser Diode) 또는 펌프 LD(Pump Laser Diode)를 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 레이저 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 편광 변환부는
    상기 광섬유와 동일한 광축으로 연결된 제 1 콜리메이터;
    상기 제 1 콜리메이터와 동일한 광축으로 연결된 PBS(Polarizing Beam Splitter);
    상기 PBS로부터 일측 광경로에 구비된 제 1 거울; 및
    상기 일측 광경로에 대해 수직으로 상기 PBS로부터 타측 광경로에 구비된 제 2 거울;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 레이저 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 패러데이 회전 거울은 투과율에 따라 1% ~ 99%의 레이저를 출력하는 부분 거울을 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 레이저 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 편광 변환부는
    상기 광섬유와 동일한 광축으로 연결된 제 1 콜리메이터;
    상기 제 1 콜리메이터와 동일한 광축으로 연결된 PBS;
    상기 PBS로부터 일측 광경로에 구비된 SESAM(Semiconductor Saturable Absorber Mirror); 및
    상기 일측 광경로에 대해 수직으로 상기 PBS로부터 타측 광경로에 구비된 제 2 거울;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 레이저 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 SESAM과 상기 PBS 사이에 렌즈를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 광섬유 레이저 장치.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 2 거울은 투과율에 따라 1% ~ 99%의 레이저를 출력하는 부분 거울을 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 레이저 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 편광 변환부는
    상기 광섬유와 동일한 광축으로 연결된 제 1 콜리메이터;
    상기 제 1 콜리메이터와 동일한 광축으로 연결된 PBS;
    상기 PBS로부터 일측 광경로에 구비된 제 1 거울; 및
    상기 일측 광경로에 대해 수직으로 상기 PBS로부터 타측 광경로에 순차적으로 구비된 1/4 파판과 제 2 거울;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 레이저 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 편광 변환부는
    상기 광섬유와 동일한 광축으로 연결된 제 1 콜리메이터;
    상기 제 1 콜리메이터와 동일한 광축으로 연결된 PBS;
    상기 PBS로부터 일측 광경로에 구비된 SESAM; 및
    상기 일측 광경로에 대해 수직으로 상기 PBS로부터 타측 광경로에 순차적으로 구비된 1/4 파판과 제 2 거울;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 레이저 장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 편광 변환부는
    상기 광섬유와 동일한 광축으로 연결된 제 1 콜리메이터;
    상기 제 1 콜리메이터와 동일한 광축으로 연결된 제 2 패러데이 회전자;
    상기 제 2 패러데이 회전자에 동일한 광축으로 연결된 PBS; 및
    상기 PBS에 동일한 광축을 따라 순차적으로 연결된 1/4 파판과 거울;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 레이저 장치.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 편광 변환부는
    상기 광섬유와 동일한 광축으로 연결된 제 1 콜리메이터;
    상기 제 1 콜리메이터와 동일한 광축으로 연결된 제 2 패러데이 회전자;
    상기 제 2 패러데이 회전자에 동일한 광축으로 연결된 PBS;
    상기 PBS에 동일한 광축으로 연결된 1/4 파판; 및
    상기 1/4 파판에 동일한 광축으로 연결된 SESAM;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 레이저 장치.
  12. 레이저 광원부;
    상기 레이저 광원부로부터 일측 방향으로 이격된 편광 변환부;
    상기 레이저 광원부로부터 타측 방향에 이격 구비되고 상기 편광 변환부와 동일한 광축을 갖는 광섬유;
    상기 광섬유로부터 타측 방향에 구비되고 상기 광섬유와 동일한 광축을 갖는 제 2 콜리메이터;
    상기 제 2 콜리메이터로부터 타측 방향에 구비되고 상기 제 2 콜리메이터와 동일한 광축을 갖는 제 1 패러데이 회전자; 및
    상기 제 1 패러데이 회전자와 동일한 광축을 갖는 거울;
    을 포함하는 광섬유 레이저 장치.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 편광 변환부는
    상기 광섬유와 동일한 광축으로 연결된 제 1 콜리메이터;
    상기 제 1 콜리메이터와 동일한 광축으로 연결된 제 2 패러데이 회전자;
    상기 제 2 패러데이 회전자에 동일한 광축으로 연결된 PBS; 및
    상기 PBS에 동일한 광축으로 연결된 거울;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 레이저 장치.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 제 1 패러데이 회전자는 레이저의 파장과 일치하고, 상기 제 2 패러데이 회전자는 상기 레이저의 파장과 불일치하는 것을 특징으로 하는 광섬유 레이저 장치.
  15. 제 12 항에 있어서,
    상기 편광 변환부는
    상기 광섬유와 동일한 광축으로 연결된 제 1 콜리메이터;
    상기 제 1 콜리메이터와 동일한 광축으로 연결된 제 2 패러데이 회전자;
    상기 제 2 패러데이 회전자에 동일한 광축으로 연결된 PBS; 및
    상기 PBS에 동일한 광축으로 연결된 SESAM;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 레이저 장치.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 제 1 패러데이 회전자는 레이저의 파장과 일치하고, 상기 제 2 패러데이 회전자는 상기 레이저의 파장과 불일치하는 것을 특징으로 하는 광섬유 레이저 장치.
KR1020140070883A 2014-06-11 2014-06-11 주변환경에 안정적인 광섬유 레이저 장치 KR101609549B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020140070883A KR101609549B1 (ko) 2014-06-11 2014-06-11 주변환경에 안정적인 광섬유 레이저 장치

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020140070883A KR101609549B1 (ko) 2014-06-11 2014-06-11 주변환경에 안정적인 광섬유 레이저 장치

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20150142311A true KR20150142311A (ko) 2015-12-22
KR101609549B1 KR101609549B1 (ko) 2016-04-06

Family

ID=55081636

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020140070883A KR101609549B1 (ko) 2014-06-11 2014-06-11 주변환경에 안정적인 광섬유 레이저 장치

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101609549B1 (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2019245027A1 (ja) * 2018-06-21 2019-12-26 学校法人近畿大学 光ファイバ出力光源装置

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR0160582B1 (ko) 1995-12-07 1999-02-01 양승택 광섬유 레이저

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR0160582B1 (ko) 1995-12-07 1999-02-01 양승택 광섬유 레이저

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2019245027A1 (ja) * 2018-06-21 2019-12-26 学校法人近畿大学 光ファイバ出力光源装置
JPWO2019245027A1 (ja) * 2018-06-21 2020-06-25 学校法人近畿大学 光ファイバ出力光源装置

Also Published As

Publication number Publication date
KR101609549B1 (ko) 2016-04-06

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN107328355B (zh) 用于冷原子干涉仪的集成化光学系统
US10215816B2 (en) Magnetic field measuring apparatus
KR101501509B1 (ko) 이중 광빗 펨토초 광섬유 레이저
CN104092088A (zh) 同时降低单频激光强度与频率噪声的装置及其工作方法
Merlet et al. A simple laser system for atom interferometry
CN104767119A (zh) 中心频率可调谐的半导体激光器稳频装置和稳频方法
Matijosˇius et al. Formation of optical vortices with topological charge| l|= 1 and| l|= 1/2 by use of the s-waveplate
CN203490436U (zh) 一种电光调q光开关
KR101609549B1 (ko) 주변환경에 안정적인 광섬유 레이저 장치
CN108321667B (zh) 一种矢量标量脉冲双向输出的光纤激光光源
Hong et al. Flat broadband chaos in vertical-cavity surface-emitting lasers subject to chaotic optical injection
CN206515569U (zh) 激光脉冲整形装置及激光脉冲整形系统
Vinegoni et al. Measurement of nonlinear polarization rotation in a highly birefringent optical fibre using a Faraday mirror
CN109596043B (zh) 非对称量子干涉仪及方法
CN103986062A (zh) 单光束饱和吸收稳频光学装置
WO2018044363A3 (en) Methods and apparatus for mode-locking on-chip lasers
Yang et al. Coherent polarization beam combination by microcontroller-based phase-locking method
WO2012033021A1 (ja) レーザー光束制御装置、レーザー光束エネルギー安定化装置、レーザー光束制御方法、及びレーザー光束エネルギー安定化方法
CN109283706A (zh) 混合型光隔离器
CN105278205A (zh) 消除全光Sagnac干涉仪中寄生光的方法
US11808577B2 (en) Atomic gyroscope and atomic interferometer
CN112600058B (zh) 一种基于Rb87调制转移光谱稳频光路结构
Nazhan et al. Hysteresis properties induced by variable polarization angle in the polarization switching of VCSELs
Li et al. Experimental research on light emission time of laser terminal guidance irradiator
Cheng et al. External-cavity birefringence feedback effects of microchip Nd: YAG laser and its application in angle measurement

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20190325

Year of fee payment: 4