KR20160076306A

KR20160076306A - Optical fiber, method of manufacturing the optical fiber and laser transmission method using the optical fiber

Info

Publication number: KR20160076306A
Application number: KR1020140186366A
Authority: KR
Inventors: 김현수
Original assignee: 조선대학교산학협력단
Priority date: 2014-12-22
Filing date: 2014-12-22
Publication date: 2016-06-30
Also published as: WO2016104938A1; KR101728112B1

Abstract

Provided are an optical fiber, a manufacturing method thereof, and a laser transmission method using the same. The disclosed optical fiber comprises: a core member having a refractive index which virtually becomes lower from a center to a wider radius of the same; and a clad configured to surround the core member. The clad has a higher refractive index than that of the core member in a core-clad peripheral area in which the core member comes into contact with the clad. The disclosed optical fiber is able to transmit a high quality and high power laser beam.

Description

TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to an optical fiber, a method for manufacturing the optical fiber, and a laser transmission method using the optical fiber.

고출력 레이저 빔을 전송할 수 있는 광섬유 및 광섬유 제조방법과 상기 광섬유를 이용한 레이저 빔 전송방법에 관한 것이다.An optical fiber and an optical fiber capable of transmitting a high-power laser beam, and a laser beam transmission method using the optical fiber.

최근 산업에서 레이저를 이용한 가공 기술이 발전하면서, 레이저 빔(beam) 품질의 우수성과 가격 경쟁력 관점에서 광섬유 레이저에 대한 수요가 증가하고 있다. 이 중에서도 산업에의 다양한 응용을 위해서 출력이 높은 레이저가 요구되면서 고품질, 고출력 광섬유 레이저가 요구된다.Recently, as laser processing technology has been developed in the industry, there is an increasing demand for optical fiber lasers in terms of laser beam quality and price competitiveness. Of these, high-output, high-output fiber lasers are required for various applications in the industry, as high-output lasers are required.

이러한 고품질, 고출력 광섬유 레이저는 고체 레이저에 비해 시스템의 크기가 작아 산업 현장에서 많은 관심을 받고 있다. 하지만 고품질, 고출력용 광섬유는, 작은 크기의 코아에 강한 세기의 빛이 전송되기 때문에 발생하는 매질의 비선형 특성이나 매질의 파손으로 인해 고출력에 한계가 있다.These high-quality, high-output fiber lasers have attracted much attention in the industrial field due to their small system size compared to solid state lasers. However, a high-quality, high-output optical fiber has a limitation in high output due to nonlinear characteristics of the medium or damage to the medium due to transmission of strong intensity light to a small-sized core.

적어도 일 실시예는 고품질, 고출력 레이저 빔을 전송할 수 있는 광섬유 및 그 제조방법을 제공한다. At least one embodiment provides an optical fiber capable of transmitting a high-quality, high-output laser beam and a method of manufacturing the same.

또한 적어도 일 실시예는 고품질, 고출력 레이저 빔을 전송할 수 있는 광섬유를 이용한 레이저 빔 전송방법을 제공한다.Also, at least one embodiment provides a laser beam transmission method using an optical fiber capable of transmitting a high-quality, high-output laser beam.

일 측면에 있어서,In one aspect,

중심으로부터 반경이 커질수록 실질적으로 굴절률이 감소하는 코어부재;A core member whose refractive index substantially decreases as the radius increases from the center;

상기 코어부재를 둘러싸도록 마련되는 클래드;를 포함하며, And a clad disposed to surround the core member,

상기 클래드는, 상기 코어부재와 상기 클래드가 만나는 코어-클래드 경계에서 상기 코어부재의 굴절률보다 높은 굴절률을 가지는 광섬유가 제공된다.The clad is provided with an optical fiber having a refractive index higher than that of the core member at a core-clad boundary where the core member and the clad meet.

상기 코어부재에는 전송되는 레이저 빔의 강도를 증폭하기 위해 이득매질이 포함되어 있는 광섬유.Wherein the core member includes a gain medium for amplifying the intensity of a transmitted laser beam.

상기 이득매질은 희토류 원소 및 전이금속 원소 중 적어도 하나로부터 얻어진 활성 이온(active ion)을 포함하는 광섬유. Wherein the gain medium comprises active ions obtained from at least one of a rare earth element and a transition metal element.

상기 희토류 원소는 이터븀(Yb), 네오디뮴(Nd), 어븀(Er) 및 툴륨(Tm) 중 적어도 하나를 포함하고, 상기 전이금속은 크롬(Cr) 및 티타늄(Ti) 중 적어도 하나를 포함하는 광섬유.Wherein the rare earth element comprises at least one of ytterbium (Yb), neodymium (Nd), erbium (Er) and thulium (Tm), wherein the transition metal comprises at least one of chromium (Cr) and titanium Optical fiber.

상기 코어부재 및 상기 클래드의 굴절률 분포는, 레이저 빔을 구성하는 광섬유 전송의 모드 차수가 높아질수록 감쇠계수가 커지도록 구성될 수 있다.The refractive index distribution of the core member and the clad may be configured such that the attenuation coefficient increases as the mode order of the optical fiber transmission constituting the laser beam increases.

상기 코어부재 및 상기 클래드의 굴절률 분포는, 다중 광섬유 전송 모드로 구성된(다중모드) 레이저 빔 가운데 최저차 1차 모드 레이저 빔은 기준강도 이상으로 유지되고 나머지 레이저 빔은 기준강도 미만으로 감쇠되도록 구성될 수 있다.The refractive index distribution of the core member and the clad is configured so that the lowest order differential primary mode laser beam among the (multiple mode) laser beams configured in the multiple fiber transmission mode is maintained above the reference intensity and the remaining laser beam is attenuated below the reference intensity .

상기 1차 모드 레이저 빔은 가우시안 함수 형태 또는 준 가우시안(quasi-gaussian) 형태의 강도분포를 가질 수 있다.The primary mode laser beam may have a Gaussian function type or a quasi-gaussian type intensity distribution.

상기 코어부재의 굴절률은 상기 중심으로부터 반경이 커짐에 따라 실질적으로 연속적으로 감소할 수 있다.The refractive index of the core member can be substantially continuously decreased as the radius increases from the center.

상기 코어부재와 상기 클래드의 경계에서 굴절률이 불연속적으로 변할 수 있다.The refractive index can be discontinuously changed at the boundary between the core member and the clad.

상기 클래드는 내측으로부터 반경이 증가할수록 굴절률이 감소할 수 있다.The refractive index of the clad may decrease as the radius increases from the inside.

상기 클래드의 굴절률은 상기 클래드의 반경이 증가함에 따라 실질적으로 연속적으로 감소할 수 있다.The refractive index of the clad can be substantially continuously decreased as the radius of the clad increases.

상기 클래드는 내측으로부터 반경이 증가할수록 굴절률이 증가할 수 있다.The refractive index of the clad may increase as the radius increases from the inside.

상기 클래드의 굴절률은 상기 클래드의 반경이 증가함에 따라 실질적으로 연속적으로 증가할 수 있다.The refractive index of the clad may increase substantially continuously as the radius of the clad increases.

상기 클래드의 굴절률은 상기 클래드의 반경이 증가함에 따라 불연속적으로 감소할 수 있다.The refractive index of the clad may be discontinuously reduced as the radius of the clad increases.

상기 클래드는 일정한 굴절률을 가질 수 있다.The clad may have a constant refractive index.

상기 코어부재의 중심에서의 굴절률은 상기 코어-클래드 경계에서 상기 클래드의 굴절률보다 클 수 있다.The refractive index at the center of the core member may be greater than the refractive index of the clad at the core-clad boundary.

상기 코어부재의 중심에서의 굴절률은 상기 코어-클래드 경계에서 상기 클래드의 굴절률보다 작을 수 있다.The refractive index at the center of the core member may be smaller than the refractive index of the clad at the core-clad boundary.

상기 코어-클래드 경계에서 상기 코어부재의 굴절률과 상기 클래드의 굴절률 차이는 상기 코어부재의 반경이 커질수록 작아지도록 구성될 수 있다.The difference between the refractive index of the core member and the refractive index of the clad at the core-clad boundary may be smaller as the radius of the core member increases.

다른 측면에 있어서,In another aspect,

중심으로부터 반경이 커질수록 굴절률이 감소하는 코어부재와, 상기 코어부재를 둘러싸도록 마련되며, 상기 코어부재와 상기 클래드가 만나는 코어-클래드 경계에서 상기 코어부재의 굴절률보다 높은 굴절률을 가지는 클래드를 포함하는 광섬유를 이용한 레이저 빔 전송방법에 있어서,And a clad having a refractive index higher than the refractive index of the core member at a core-clad boundary where the core member and the clad meet, the core member having a refractive index that decreases as the radius increases from the center, A method of transmitting a laser beam using an optical fiber,

레이저 빔을 상기 광 섬유에 입사하는 단계;Comprising the steps of: injecting a laser beam into the optical fiber;

상기 레이저 빔 가운데 1차 모드 레이저 빔은 기준강도 이상으로 유지하고 나머지 레이저 빔은 기준강도 미만으로 감쇠 시키는 단계; 및Maintaining a primary mode laser beam of the laser beam above a reference intensity and attenuating the remaining laser beam below a reference intensity; And

상기 레이저 빔을 상기 광섬유 안에서 전송시키는 단계;를 포함하는 레이저 빔 전송방법이 개시된다.And transmitting the laser beam in the optical fiber.

상기 레이저 빔을 광섬유 안에서 전송시키는 단계는, 상기 1차 모드 레이저 빔의 파워를 증폭하는 단계를 포함할 수 있다.The step of transmitting the laser beam in the optical fiber may include amplifying the power of the primary mode laser beam.

또 다른 측면에 있어서,In yet another aspect,

중심으로부터 반경이 커질수록 실질적으로 굴절률이 감소하는 코어부재를 형성하는 단계; 및Forming a core member whose refractive index substantially decreases as the radius increases from the center; And

상기 코어부재를 둘러싸는 클래드 형성하는 단계;를 포함하며, And forming a clad surrounding the core member,

상기 클래드를 형성하는 단계는, 상기 코어부재와 상기 클래드가 만나는 코어-클래드 경계에서 상기 클래드의 굴절률이 코어부재의 굴절률보다 크도록 하는 광섬유 제조방법이 개시된다.The step of forming the clad is a method of manufacturing an optical fiber in which the refractive index of the clad is greater than the refractive index of the core member at a core-clad boundary where the core member and the clad meet.

상기 클래드를 형성하는 단계는, 상기 클래드의 굴절률이 일정하도록 상기 클래드를 형성할 수 있다.In the forming of the clad, the clad may be formed such that the refractive index of the clad is constant.

상기 클래드를 형성하는 단계는, 내측으로부터 반경이 증가할수록 굴절률이 감소하도록 상기 클래드를 형성할 수 있다.The step of forming the clad may form the clad so that the refractive index decreases as the radius increases from the inside.

상기 클래드를 형성하는 단계는, 내측으로부터 반경이 증가할수록 굴절률이 증가하도록 상기 클래드를 형성할 수 있다.The step of forming the clad may form the clad so that the refractive index increases as the radius increases from the inside.

상기 코어부재를 형성하는 단계는, 상기 코어부재의 중심에서의 굴절률이 상기 코어-클래드 경계에서 상기 클래드의 굴절률보다 크도록 할 수 있다.The step of forming the core member may make the refractive index at the center of the core member greater than the refractive index of the clad at the core-clad boundary.

상기 코어부재를 형성하는 단계는, 상기 코어부재의 중심에서의 굴절률이 상기 코어-클래드 경계에서 상기 클래드의 굴절률보다 작도록 할 수 있다.The forming of the core member may make the refractive index at the center of the core member smaller than the refractive index of the clad at the core-clad boundary.

적어도 일 실시예에 따르면, 고품질, 고출력 레이저 빔을 전송시킬 수 있는 광섬유가 제공된다.According to at least one embodiment, there is provided an optical fiber capable of transmitting a high quality, high power laser beam.

도 1은 예시적인 실시예에 따른 광섬유를 대략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1에서 나타낸 광섬유의 A-A’ 단면도와 굴절률 분포를 나타낸 도면이다.
도 3은 도 1 및 도 2에서 나타낸 예시적인 실시예에 따른 다중모드 레이저 빔이 광섬유에 입사했을 때 광섬유를 통과하는 레이저 빔의 강도변화를 나타낸 도면이다.
도 4는 다중모드 레이저 빔이 도 2에서 나타낸 굴절률 분포를 가지는 광섬유에 입사했을 때 광섬유를 통과하는 레이저 빔의 강도변화를 나타낸 다른 도면이다.
도 5는 도 1 및 도 2에 도시된 실시예와 비교하기 위한 비교 예를 나타낸 도면이다.
도 6은 도 5와 같이 코어부재 및 클래드의 굴절률 분포를 구성하였을 때 다중모드 레이저 빔이 광섬유에 입사했을 때 광섬유에서 전송되는 레이저 빔의 강도변화를 나타낸 도면이다.
도 7은 도 1 및 도 2에 도시된 실시예와 비교하기 위한 비교예를 나타낸 도면이다.
도 8은 가우시안 형태의 강도분포를 가지는 1차 모드 레이저 빔이 도 7과 같은 굴절률 분포의 광섬유에서 진행할 때의 강도변화를 나타낸 도면이다.
도 9는 다중모드 레이저 빔이 도 7과 같은 굴절률 분포의 광섬유에서 진행할 때의 강도변화를 나타낸 도면이다.
도 10a 및 도 10b는 다른 예시적인 실시예에 따른 광섬유의 굴절률 분포를 나타낸 도면이다.
도 11은 도 10a에서 나타낸 굴절률 분포를 가지는 광섬유를 통과하는 레이저 빔의 강도변화를 나타낸 도면이다.
도 12는 또 다른 예시적인 실시예에 따른 광섬유의 굴절률 분포를 나타낸 도면이다.
도 13은 또 다른 예시적인 실시예에 따른 광섬유의 굴절률 분포를 나타낸 도면이다.
도 14는 또 다른 예시적인 실시예에 따른 광섬유의 굴절률 분포를 나타낸 도면이다.
도 15 및 도 16은 도7과 같은 굴절률 분포를 가지는 광섬유를 통해 가우시안 강도분포의 레이저 빔이 증폭되는 결과를 나타낸 도면이다.
도 17은 예시적인 실시예에 따른 광섬유를 통해 가우시안 강도분포의 레이저 빔이 증폭되는 결과를 나타낸 도면이다.
도 18은 도5의 굴절률 분포를 갖는 일반적인 gain-guided and index-antiguided(GG-IAG) 광섬유와 예시적인 실시예에 따른 광섬유에 같은 크기의 에너지를 가지는 레이저 빔을 입사했을 때 출력 레이저 빔의 강도 차이를 나타낸 도면이다.
도 19는 예시적인 실시예에 따른 광섬유를 이용한 레이저 빔 전송방법을 나타낸 흐름도이다.
도 20은 예시적인 실시예에 따른 광섬유 제조방법을 나타낸 흐름도이다.1 schematically shows an optical fiber according to an exemplary embodiment.
FIG. 2 is a cross-sectional view along the line A-A 'of FIG. 1 and a refractive index profile.
FIG. 3 is a graph showing a change in intensity of a laser beam passing through an optical fiber when a multi-mode laser beam according to the exemplary embodiment shown in FIGS. 1 and 2 is incident on the optical fiber.
4 is another view showing a change in the intensity of the laser beam passing through the optical fiber when the multimode laser beam is incident on the optical fiber having the refractive index profile shown in Fig.
5 is a view showing a comparative example for comparison with the embodiment shown in Figs. 1 and 2. Fig.
FIG. 6 is a graph showing a change in intensity of a laser beam transmitted from an optical fiber when a multimode laser beam is incident on the optical fiber when the refractive index distribution of the core member and the clad is configured as shown in FIG.
7 is a view showing a comparative example for comparison with the embodiment shown in Figs. 1 and 2. Fig.
FIG. 8 is a diagram showing a change in intensity when a primary mode laser beam having a Gaussian intensity distribution progresses in an optical fiber having a refractive index distribution as shown in FIG.
9 is a diagram showing a change in intensity when the multimode laser beam is advanced in an optical fiber having a refractive index distribution as shown in Fig.
10A and 10B are diagrams showing refractive index distributions of optical fibers according to another exemplary embodiment.
FIG. 11 is a diagram showing a change in intensity of a laser beam passing through an optical fiber having a refractive index profile shown in FIG. 10A.
12 is a view showing a refractive index distribution of an optical fiber according to another exemplary embodiment.
13 is a view showing a refractive index distribution of an optical fiber according to another exemplary embodiment.
14 is a view showing a refractive index distribution of an optical fiber according to another exemplary embodiment.
FIGS. 15 and 16 are diagrams showing a result of amplifying a laser beam having a Gaussian intensity distribution through an optical fiber having a refractive index profile as shown in FIG.
17 is a diagram illustrating a result of amplifying a laser beam having a Gaussian intensity distribution through an optical fiber according to an exemplary embodiment.
FIG. 18 is a graph showing the intensity of an output laser beam when a laser beam having the same magnitude of energy is incident on a general gain-guided and index-antiguided (GG-IAG) optical fiber having a refractive index profile shown in FIG. 5 and an optical fiber according to an exemplary embodiment. Fig.
19 is a flowchart illustrating a laser beam transmission method using an optical fiber according to an exemplary embodiment.
20 is a flowchart illustrating a method of manufacturing an optical fiber according to an exemplary embodiment.

이하, 예시적인 실시예에 따른 광섬유, 광섬유 제조방법 및 광섬유를 이용한 레이저 전송방법에 대해 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. Hereinafter, an optical fiber, an optical fiber manufacturing method, and a laser transmission method using an optical fiber according to exemplary embodiments will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도면에서 동일한 참조번호는 동일한 구성 요소를 지칭하며, 각 구성 요소의 크기나 두께는 설명의 편의를 위해 과장되어 있을 수 있다. 한편, 이하에 설명되는 실시예는 단지 예시적인 것에 불과하며, 이러한 실시 예들로부터 다양한 변형이 가능하다. 예를 들면, 한 층이 기판이나 다른 층의 "위", "상부" 또는 "상"에 구비된다고 설명될 때, 그 층은 기판이나 다른 층에 직접 접하면서 위에 존재할 수도 있고, 그 사이에 또 다른 층이 존재할 수도 있다.Like reference numerals in the drawings denote like elements, and the sizes and thicknesses of the respective elements may be exaggerated for convenience of explanation. On the other hand, the embodiments described below are merely illustrative, and various modifications are possible from these embodiments. For example, when one layer is described as being provided on a "top", "top", or "top" of a substrate or other layer, the layer may be on top of the substrate or other layer directly, Other layers may also be present.

도 1은 예시적인 실시예에 따른 광섬유를 대략적으로 나타낸 도면이다. 1 schematically shows an optical fiber according to an exemplary embodiment.

도 1을 참조하면, 예시적인 실시예에 따른 광섬유는, 코어부재(110) 및 코어부재(110)를 둘러싸도록 마련되는 클래드(120)를 포함할 수 있다. 코어부재(110)는 도 1에서와 같이 원기둥 형상을 가질 수 있으며 클래드(120)는 코어부재(110)를 감싸도록 원형 실린더 형상을 가질 수 있으나 이에 제한되지 않는다. 실시예에 따른 광섬유는, 레이저 빔을 전송하는데 이용될 수 있다. 또한 실시예에 따른 광섬유는, 레이저 빔을 전송하면서 레이저 빔의 파워를 증폭시킬 수 있다. 레이저 빔을 전송함에 있어서 고출력, 고품질 레이저 빔을 전송하기 위해, 도 1에서 나타낸 광섬유는 아래에서 설명하는 바와 같은 굴절률 분포를 가질 수 있다.Referring to FIG. 1, the optical fiber according to the exemplary embodiment may include a core member 110 and a clad 120 that surrounds the core member 110. The core member 110 may have a cylindrical shape as shown in FIG. 1 and the clad 120 may have a circular cylinder shape to surround the core member 110, but the present invention is not limited thereto. The optical fiber according to the embodiment can be used to transmit a laser beam. Also, the optical fiber according to the embodiment can amplify the power of the laser beam while transmitting the laser beam. In order to transmit a high-power, high-quality laser beam in transmitting the laser beam, the optical fiber shown in FIG. 1 may have a refractive index distribution as described below.

도 2는 도 1에서 나타낸 광섬유의 A-A'단면도와 굴절률 분포를 나타낸 도면이다. FIG. 2 is a cross-sectional view along the line A-A 'of FIG. 1 and a refractive index profile.

도 2의 그래프에서 세로축은 굴절률의 크기를, 가로축은 도 2에서 나타낸 광섬유의 단면방향 좌표를 의미한다. 상기 단면방향 좌표는, 광섬유의 길이방향에 수직한 단면에서 반경방향으로 설정된 좌표일 수 있다. 또한 상기 길이방향은 광섬유에서 레이저 빔에 의해 에너지가 전달되는 방향일 수 있다.In the graph of FIG. 2, the vertical axis represents the magnitude of the refractive index, and the horizontal axis represents the cross-sectional direction coordinate of the optical fiber shown in FIG. The cross-sectional direction coordinate may be a coordinate set in a radial direction in a cross section perpendicular to the longitudinal direction of the optical fiber. Further, the longitudinal direction may be a direction in which energy is transferred by the laser beam in the optical fiber.

코어부재(110)는 중심으로부터 반경이 커질수록 실질적으로 감소하는 굴절률 분포를 가질 수 있다. 즉, 코어부재(110)의 굴절률 분포는 중심으로부터 반경이 커질수록 굴절률이 작아지는 언덕모양일 수 있다. 여기서, 실질적으로 굴절률이 감소한다는 것은 반경의 증가에 따른 굴절률 변화가 단조 감소(monotonously decreasing)에 한정되지 않음을 의미한다. 예를 들어, 코어부재의 반경이 증가할수록 코어부재의 굴절률이 대체로 감소하면서, 국소적인 영역에서 굴절률이 일시적으로 증가하거나 변화가 없을 수도 있다. 클래드(120)는 코어부재(110)와 클래드(120)가 만나는 코어-클래드 경계(20)에서 코어부재(110)보다 높은 굴절률을 가질 수 있다. The core member 110 may have a refractive index distribution that decreases substantially as the radius increases from the center. That is, the refractive index distribution of the core member 110 may be a hill shape in which the refractive index becomes smaller as the radius increases from the center. Here, the substantial decrease in refractive index means that the change in refractive index with increasing radius is not limited to monotonously decreasing. For example, as the radius of the core member increases, the refractive index of the core member generally decreases, and the refractive index may temporarily increase or decrease in the local region. The clad 120 may have a higher refractive index than the core member 110 at the core-clad boundary 20 where the core member 110 and the clad 120 meet.

도 2에서 나타낸 바와 같이 광섬유의 굴절률 분포를 구성하면, 코어-클래드 경계(20)에서 클래드(120)의 굴절률이 코어(110)의 굴절률보다 큰 역계단형 굴절률 분포를 가진다. 코어부재(110) 및 클래드(120)의 굴절률 분포를 역계단형 분포로 구성하였을 때 각 레이저의 전송모드에 대한 감쇠계수는 수학식 1로 나타낼 수 있다. 수학식 1은 예시적인 것에 불과하며 실시예가 수학식 1의 관계식을 만족하도록 제한되는 것은 아니다.As shown in FIG. 2, when the refractive index distribution of the optical fiber is configured, the refractive index of the clad 120 in the core-clad boundary 20 has an opposite-stepped refractive index distribution which is larger than the refractive index of the core 110. When the refractive index distributions of the core member 110 and the clad 120 are formed in an inverse stepwise distribution, the attenuation coefficient for each laser transmission mode can be expressed by Equation (1). Equation (1) is merely illustrative and the embodiment is not limited to satisfy the relation of Equation (1).

수학식 1에서 α_1m은 m번째 레이저 빔 모드의 감쇠계수를 나타내고, u_1m 은 0차 베셀(Bessel) 함수 방정식 J₀(u_1m)=0의 m차 근을 나타낸다. 또한 n은 클래드(120)의 굴절률, △n은 코어-클래드 경계에서 코어부재와 클래드 사이의 굴절률 차이를 나타내며 a는 코어부재의 반지름을 나타내고 λ₀ 는 진공속에서 레이저 파장, ν는 코어부재(110)의 굴절률에 대한 클래드(120) 굴절률의 비를 나타낸다. 수학식 1을 참조하면, m이 증가할수록 u_1m 이 증가하기 때문에 감쇠계수의 크기가 함께 증가할 수 있다. 도 2와 같이 광섬유의 굴절률 분포를 구성하면, 레이저 빔의 모드 차수가 높아질 수록 레이저 빔의 감쇠가 더 빠르게 일어날 수 있다. 따라서 예시적인 실시예에 따른 광섬유에서는 저차모드에 비해 고차모드 레이저 빔이 더 빨리 감쇠될 수 있다.In Equation (1), α _1m represents the attenuation coefficient of the m-th laser beam mode, and u _1m represents the m-th root of the zero-order Bessel function equation J ₀ (u _1m ) = 0. N is the refractive index of the clad 120,? N is the refractive index difference between the core and the clad at the core-clad boundary, a is the radius of the core member,? ₀ is the laser wavelength in vacuum, And the refractive index of the clad 120 relative to the refractive index of the clad 120. FIG. Referring to Equation (1), as m increases, the magnitude of the damping coefficient increases as u _1m increases. If the refractive index distribution of the optical fiber is configured as shown in FIG. 2, the attenuation of the laser beam can occur more rapidly as the mode order of the laser beam becomes higher. Therefore, in the optical fiber according to the exemplary embodiment, the higher order mode laser beam can be attenuated more quickly than the lower order mode.

수학식 1에서는 1차 모드의 레이저 빔 또한 상당한 크기의 감쇠계수를 가진다. 이 경우 레이저 빔 공정에 이용되는 1차모드 가우시안 또는 준 가우시안(quasi-gaussian) 형태의 레이저 빔 또한 높은 감쇠율을 보이기 때문에 광섬유를 레이저 매질로 사용하기 위해서는 감쇠를 극복할 수 있는 매우 높은 최소 이득계수가 요구된다. 여기서, 준 가우시안 형태의 레이저 빔이란 레이저 빔의 강도분포가 근사적으로 가우시안 형태를 따른다는 것을 의미할 수 있다. 수학식 1에서 나타나는 1차모드 가우시안 또는 준 가우시안 빔의 출력 감소를 해결하기 위해, 예시적인 실시 예에 따른 광섬유의 코어부재(110)는 도 2에서 나타낸 바와 같이 언덕형 굴절률 분포를 가질 수 있다. 즉, 예시적인 실시예에 따른 광섬유는 1차모드 레이저 빔에 대해 수학식 1에서 나타난 감쇠계수보다 더 낮은 감쇠계수를 가질 수 있다. 예를 들어, 실시예에 따른 광섬유에 전송하는 레이저 빔의 최저차 모드의 감쇠계수는 거의 0의 값을 가질 수 있다.In Equation (1), the laser beam of the primary mode also has a damping coefficient of considerable magnitude. In this case, the first-mode Gaussian or quasi-gaussian laser beam used in the laser beam process also exhibits a high attenuation rate. Therefore, in order to use the optical fiber as the laser medium, a very high minimum gain coefficient Is required. Here, the semi-Gaussian type laser beam may mean that the intensity distribution of the laser beam approximately conforms to the Gaussian form. In order to solve the power reduction of the primary mode Gaussian or quasi-Gaussian beam shown in Equation (1), the core member 110 of the optical fiber according to the exemplary embodiment may have a hill type refractive index distribution as shown in FIG. That is, the optical fiber according to the exemplary embodiment may have a damping coefficient that is lower than the damping coefficient shown in equation (1) for the primary mode laser beam. For example, the attenuation coefficient of the lowest order mode of the laser beam transmitted to the optical fiber according to the embodiment may have a value of almost zero.

도 2에서 나타낸 코어부재(110)의 언덕형 굴절률 분포는 예시적으로 수학식 2를 따를 수 있다. 하지만 이는 예시적인 것에 불과할 뿐, 도 2에서 나타낸 실시예가 이에 제한되는 것은 아니다.The hill-shaped refractive index profile of the core member 110 shown in FIG. 2 may be exemplarily shown in Equation (2). However, this is merely an example, and the embodiment shown in Fig. 2 is not limited thereto.

여기서

는 코어부재 중심에서의 굴절률을 의미하고,

는 코어부재의 반경을 의미하고,

는 후술하는 스케일 팩터이며,

는 레이저 빔의 빔 사이즈에 따라 결정되는 상수로 예를 들어, 2 근처 값을 가질 수 있다. 상기 스케일 팩터

는 기초모드(1차 모드) 레이저 빔의 집속현상을 방지하도록 설정될 수 있다. 광섬유 안에서 레이저 빔이 전송될 때, 레이저 빔은 주기적으로 발산(divergence)와 집속(convergence, focusing)을 반복할 수 있다. 다시 말해 광섬유 안에서 레이저 빔의 빔 사이즈가 커졌다 작아짐을 반복할 수 있다. 이 때 레이저 빔이 과도하게 집속되어 빔 사이즈가 작아지게 되면, 좁은 영역에 많은 에너지가 집중되고 이로 인해 광섬유의 소재가 손상될 수 있다. 따라서 레이저 빔의 집속 현상이 일어나지 않도록 코어부재의 굴절률 분포를 조절할 수 있다. 코어부재(110)의 굴절률 분포를 적절히 조절하면 굴절률 변화에 따른 레이저 빔의 굴절각과 회절각이 적절히 제어됨으로써 상기 레이저 빔의 집속현상을 방지할 수 있다. 수학식 2의 굴절률 분포에서는 상기 스케일 팩터

를 조절하여 레이저 빔의 집속현상을 방지할 수 있다. 예시적으로 스케일 팩터

는 수학식 3을 만족할 수 있다.here

Denotes the refractive index at the center of the core member,

Quot; means the radius of the core member,

Is a scale factor to be described later,

Is a constant determined according to the beam size of the laser beam, and may have a value near 2, for example. The scale factor

May be set to prevent focusing of the fundamental mode (primary mode) laser beam. When a laser beam is transmitted in an optical fiber, the laser beam can periodically repeat divergence and convergence and focusing. In other words, the beam size of the laser beam becomes larger and smaller in the optical fiber. At this time, when the laser beam is excessively focused to reduce the beam size, a large amount of energy is concentrated in a narrow region, which may damage the material of the optical fiber. Therefore, the refractive index distribution of the core member can be adjusted so as not to cause the focusing phenomenon of the laser beam. When the refractive index distribution of the core member 110 is properly adjusted, the refraction angle and the diffraction angle of the laser beam according to the refractive index change are appropriately controlled, thereby preventing the laser beam from being focused. In the refractive index distribution of the equation (2)

The focusing of the laser beam can be prevented. Illustratively, the scale factor

Can satisfy Equation (3).

수학식 3에서

은 레이저 빔의 반경을 의미하고,

는 레이저 빔의 진공파장을 의미하며,

는 레이저 빔의 빔 사이즈에 따라 결정되는 상수로 2 근처 값을 가질 수 있다. 수학식 3의 조건은 예시적인 것에 불과하며 이에 제한되지 않는다. 예를 들어, 시뮬레이션 결과에 의하면 스케일 팩터

를 수학식 3에 의해 계산되는 값의 0.5배 내지 2배로 변화시키더라도 실시예에 따른 광섬유의 레이저 빔 전송효과가 크게 달라지지 않음을 알 수 있었다. 이는 코어부재(110)의 언덕형 굴절률 분포를 구성할 때 수학식 2 및 수학식 3의 조건을 엄격히 만족할 필요가 없음을 의미한다. 따라서 수학식 2 및 수학식 3은 코어부재(110)의 언덕형 굴절률 분포를 예시적으로 설명하기 위한 것일 뿐, 실시예를 제한하는 의미로 해석되지 않는다.In Equation 3,

Quot; means the radius of the laser beam,

Means the vacuum wavelength of the laser beam,

Is a constant determined according to the beam size of the laser beam and may have a value near 2. The condition of the equation (3) is merely illustrative and not restrictive. For example, according to the simulation results,

Is changed from 0.5 to 2 times the value calculated by Equation (3), the effect of the laser beam transmission of the optical fiber according to the embodiment is not greatly changed. This means that it is not necessary to strictly satisfy the conditions of the equations (2) and (3) when constructing the hill type refractive index distribution of the core member (110). Therefore, the equations (2) and (3) are only for illustrative explanation of the hill type refractive index distribution of the core member 110, and are not construed as limiting the embodiments.

도 2에서 나타낸 예시적인 실시예에 따른 광섬유의 굴절률 분포는 다중모드 레이저 빔 가운데 1차모드 레이저 빔은 기준강도 이상으로 전송하고 나머지 고차모드 레이저 빔은 기준강도 미만으로 감쇠되도록 구성될 수 있다. 상기 1차모드 레이저 빔은 가우시안 또는 준 가우시안 형태의 강도분포를 가질 수 있다. 이를 통해 가우시안 또는 준 가우시안 형태의 1차모드 레이저 빔을 고출력으로 출력하여 레이저 가공에 이용할 수 있다. 상기 기준강도는 레이저 가공의 품질을 고려하여 설정될 수 있다. 예를 들어, 요구되는 레이저 가공품질이 높을수록, 고차모드 레이저 빔에 대해서는 상기 기준강도는 더 낮은 값을 가지고 1차모드 레이저 빔에 대해서는 상기 기준강도가 더 높은 값을 가질 수 있다. 즉, 고차모드 레이저 빔은 더 약하게 감쇠시키고 1차모드 레이저 빔은 더 잘 전송하도록 기준강도가 레이저 빔 모드 별로 다르게 설정될 수 있다. 상기 기준강도는 전술한 고차모드 레이저 빔의 집속현상을 고려하여 설정될 수도 있다. 예를들어, 고차모드 레이저 빔은 광섬유 안에서 집속현상을 일으켜 광섬유를 파손시킬 수 있기 때문에 광섬유 파손을 방지하기 위해 요구되는 고차모드 레이저 빔의 감쇠정도를 고려하여 상기 기준강도를 설정할 수 있다. The refractive index profile of the optical fiber according to the exemplary embodiment shown in FIG. 2 may be configured such that the primary mode laser beam among the multi-mode laser beams transmits above the reference intensity and the remaining higher mode laser beams attenuate below the reference intensity. The primary mode laser beam may have an intensity distribution in the Gaussian or semi-Gaussian form. Thus, the first-mode laser beam of Gaussian or semi-Gaussian form can be output at high output and used for laser processing. The reference intensity can be set in consideration of the quality of laser machining. For example, the higher the required laser processing quality, the lower the reference intensity for a higher order mode laser beam and the higher the reference intensity for a primary mode laser beam. That is, the reference intensity may be set differently for each laser beam mode so that the higher order mode laser beam attenuates more weakly and the primary mode laser beam transmits better. The reference intensity may be set in consideration of the focusing phenomenon of the above-described high-order mode laser beam. For example, since the high-order mode laser beam may cause a focusing phenomenon in the optical fiber to break the optical fiber, the reference intensity can be set in consideration of the degree of attenuation of the high-order mode laser beam required to prevent damage to the optical fiber.

기준강도가 정해지면 광섬유 안에서 고차모드 레이저 빔이 상기 기준강도 이하로 낮아지도록 하는 감쇠계수를 가지도록 광섬유의 굴절률 분포를 기준강도에 맞추어 다르게 구성할 수 있다. 이를 위해, 코어-클래드 경계(20)에서 클래드(120)와 코어부재(110) 사이의 굴절률 차이가 기준강도 및 광섬유의 코어반경 등에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 수학식 1을 참조하면, 코어-클래드 경계에서 코어부재(110)과 클래드(120) 사이의 굴절률 차이 △n은 수학식 4와 같이 나타내어질 수 있다.The index of refraction of the optical fiber may be differently set in accordance with the reference strength so that the reference mode intensity is determined so that the high-order mode laser beam within the optical fiber has a damping coefficient lower than the reference intensity. The refractive index difference between the clad 120 and the core member 110 in the core-clad boundary 20 may vary depending on the reference strength, the core radius of the optical fiber, and the like. For example, referring to Equation 1, the refractive index difference Δn between the core member 110 and the clad 120 at the core-clad boundary can be expressed by Equation (4).

수학식 4를 참조하면, 감쇠계수 α_1m이 커질수록 굴절률 차이 △n의 절대값은 더 작아짐을 알 수 있다. 감쇠계수 α_1m은 전술한 기준강도 및 광섬유의 길이에 따라 목표 값이 다르게 설정될 수 있다. 또한 감쇠계수 α_1m 이 정해졌을 때 광섬유의 코어부재(110)의 반경 a에 따라 굴절률 차이 △n이 달라질 수 있다. 예를 들어, 수학식 4에서 나타낸 바와 같이 코어부재(110)의 반경 a가 클수록 코어-클래드 경계(20)에서 코어부재(110)과 클래드(120) 사이의 굴절률 차이 △n의 절대값은 작아질 수 있다. 이때 코어부재(110)의 반경은 광섬유에서 출력되는 레이저 빔의 강도에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 레이저 빔 출력량이 강한 경우 광섬유의 파손방지를 위해 코어부재(110)는 큰 반경을 가질 수 있으며, 레이저 빔 출력량이 작은 경우, 코어부재(110)의 반경은 작아질 수 있다.Referring to Equation (4), it can be seen that the absolute value of the refractive index difference? N becomes smaller as the damping coefficient? _1m becomes larger. The attenuation coefficient? _1m may be set differently according to the reference strength and the length of the optical fiber. Also, when the attenuation coefficient? _1m is determined, the refractive index difference? N can be changed according to the radius a of the core member 110 of the optical fiber. For example, as shown in Equation (4), the larger the radius a of the core member 110 is, the smaller the absolute value of the refractive index difference? N between the core member 110 and the clad 120 at the core- Can be. At this time, the radius of the core member 110 may vary depending on the intensity of the laser beam output from the optical fiber. For example, if the amount of laser beam output is high, the core member 110 may have a large radius to prevent damage to the optical fiber, and if the amount of laser beam output is small, the radius of the core member 110 may be small.

도 3은 도 1 및 도 2에서 나타낸 예시적인 실시예에 따른 광섬유를 통과하는 레이저 빔의 강도변화를 나타낸 도면이다. 도 3에서 x축은 광섬유의 단면 방향 좌표를 나타내고, y축은 광섬유의 길이방향 좌표를 나타내며 z축은 전송되는 레이저빔의 강도를 나타낸다. 여기서 길이방향 좌표는 광섬유에서 레이저 빔에 의해 에너지가 전달되는 방향 좌표일 수 있으며, 단면 방향 좌표는, 광섬유의 길이방향에 수직한 단면에서 반경방향으로 설정된 좌표일 수 있다.FIG. 3 is a diagram showing a change in intensity of a laser beam passing through an optical fiber according to the exemplary embodiment shown in FIGS. 1 and 2. FIG. In FIG. 3, the x-axis represents the cross-sectional directional coordinates of the optical fiber, the y-axis represents the longitudinal direction coordinates of the optical fiber, and the z-axis represents the intensity of the transmitted laser beam. Here, the longitudinal direction coordinate may be a direction coordinate in which energy is transmitted by the laser beam in the optical fiber, and the cross sectional direction coordinate may be a coordinate set in a radial direction in a cross section perpendicular to the longitudinal direction of the optical fiber.

도 3에서 코어부재(110)의 반경은 50㎛, 코어부재(110)의 중심 굴절률은 1.56639, 클래드(120)의 굴절률은 1.57139, 코어-클래드 경계에서 코어부재(110)와 클래드(120)의 굴절률 차이 △n=-0.0045, 레이저 빔 반경은 25㎛, 레이저 빔의 진공파장은 1.052㎛, 광섬유의 길이는 24cm,

=2, 스케일 팩터

=0.001167로 설정되었다. 도 3을 참조하면, 실시예에 따른 광섬유 안에서 레이저 빔이 진행함에 따라 고차모드 레이저 빔은 기준강도 이하로 감쇠되어 버리고, 1차모드 레이저 빔은 기준강도 이상으로 유지됨을 알 수 있다. 따라서 광섬유 안에서, 다중모드 레이저 빔은 일정 거리를 지나고 난 후, 가우시안 형태의 강도분포를 가지는 1차모드 레이저 빔에 가깝게 변화되어 전송될 수 있다. 3, the radius of the core member 110 is 50 占 퐉, the central refractive index of the core member 110 is 1.56639, the refractive index of the clad 120 is 1.57139, and the refractive index of the core member 110 and the clad 120 at the core- Refractive index difference? N = -0.0045, the laser beam radius is 25 占 퐉, the laser beam has a vacuum wavelength of 1.052 占 퐉, the length of the optical fiber is 24 cm,

= 2, scale factor

= 0.001167. Referring to FIG. 3, as the laser beam advances in the optical fiber according to the embodiment, the high-order mode laser beam is attenuated to a level lower than the reference intensity, and the primary mode laser beam is maintained above the reference intensity. Therefore, in the optical fiber, the multimode laser beam can be transmitted after being passed through a certain distance and then changed close to a primary mode laser beam having a Gaussian intensity distribution.

도 4는 도 2에서 나타낸 굴절률 분포를 가지는 광섬유를 통과하는 레이저 빔의 강도변화를 나타낸 다른 도면이다. 도 4에서 x축은 광섬유의 단면 방향 좌표를 나타내고, y축은 광섬유의 길이방향 좌표를 나타내며 z축은 전송되는 레이저빔의 강도를 나타낸다. FIG. 4 is another view showing a change in intensity of a laser beam passing through an optical fiber having a refractive index profile shown in FIG. 2. FIG. In FIG. 4, the x-axis represents the cross-sectional directional coordinates of the optical fiber, the y-axis represents the longitudinal direction coordinate of the optical fiber, and the z-axis represents the intensity of the laser beam transmitted.

도 4에서 코어부재(110)의 반경은 25㎛, 코어부재(110)의 중심 굴절률은 1.56639, 클래드(120)의 굴절률은 1.57139, 코어-클래드 경계에서 코어부재(110)와 클래드(120)의 굴절률 차이 △n=-0.0045, 레이저 빔 반경은 10㎛, 레이저 빔의 진공파장은 1.052㎛, 광섬유의 길이는 24cm,

=2, 스케일 팩터

=0.002845로 설정되었다. 도 4의 설정 값들은 도 3에서의 설정 값들과 비교하여, 레이저 반경 및 코어부재(110)의 반경이 더 작아졌다. 이와 같이 레이저 반경을 작게 하면 수학식 3으로부터 스케일 팩터 의 크기를 크게 할 수 있다. 그리고 이로부터 코어부재(110)의 중심 굴절률과 코어-클래드 경계에서 코어부재(110)의 굴절률 차이를 크게 할 수 있기 때문에 코어부재(110)의 굴절률 분포를 구성하는 것이 좀 더 용이해질 수 있다. 4, the radius of the core member 110 is 25 占 퐉, the central refractive index of the core member 110 is 1.56639, the refractive index of the clad 120 is 1.57139 and the refractive index of the core member 110 and the clad 120 at the core- Refractive index difference? N = -0.0045, the laser beam radius is 10 占 퐉, the laser beam has a vacuum wavelength of 1.052 占 퐉, the length of the optical fiber is 24 cm,

= 2, scale factor

= 0.002845. The set values in Fig. 4 are compared with the set values in Fig. 3, so that the laser radius and the radius of the core member 110 are smaller. If the laser radius is reduced as described above, the scale factor can be increased from Equation (3). Since the difference between the central refractive index of the core member 110 and the refractive index of the core member 110 at the core-clad boundary can be increased, it becomes easier to configure the refractive index distribution of the core member 110.

도 4를 참조하면, 도 3에서와 마찬가지로 입사된 다중모드 레이저 빔이 1차모드 레이저 빔에 가깝게 변화되어 전송됨을 알 수 있다. 즉, 고차모드 레이저 빔은 기준강도 이하로 감쇠되어 거의 사라진 반면, 1차모드 레이저 빔은 큰 감쇠 없이 전송될 수 있다. 이러한 효과는 상기 스케일 팩터

=0.002845 값을 0.5 내지 2배로 변화시키더라도 유지될 수 있다. Referring to FIG. 4, it can be seen that the incident multi-mode laser beam is transmitted close to the primary mode laser beam as in FIG. That is, the high-order mode laser beam is attenuated below the reference intensity and almost disappeared, while the primary mode laser beam can be transmitted without significant attenuation. Such an effect may be achieved by adjusting the scale factor

= 0.002845 can be maintained even if the value is changed by 0.5 to 2 times.

도 5는 도 1 및 도 2에 도시된 실시예와 비교하기 위한 비교예를 나타낸 도면이다. 도 5에서 세로축은 굴절률 크기를 나타내고 가로축은 광섬유의 단면방향 좌표를 나타낸다.5 is a view showing a comparative example for comparison with the embodiment shown in Figs. 1 and 2. Fig. 5, the vertical axis represents the refractive index size and the horizontal axis represents the cross-sectional directional coordinates of the optical fiber.

도 5를 참조하면, 광섬유가, 코어-클래드 경계(20)에서 클래드의 굴절률이 코어의 굴절률보다 큰 역계단형 굴절률 분포를 가진다. 하지만, 도 5의 경우 코어부재가 언덕형 분포를 가지지 않고 일정한 굴절률 분포를 가진다. 도 5와 같이 굴절률 분포를 구성하면, 레이저 빔 모드들에 대해 수학식 1과 같은 감쇠계수를 얻을 수 있다. 따라서 차수가 높은 모드의 레이저 빔에 대해 더 높은 감쇠계수를 얻을 수 있다. 하지만 도 1 및 도 2에서 설명한 실시예와 달리 1차모드 레이저 빔 또한 수학식 1에 따라 높은 감쇠계수를 가질 수 있다. 즉, 레이저 가공에 필요한 1차모드 레이저 빔까지 매우 낮은 강도로 감쇠시켜서 고출력 레이저 빔을 얻기 어려울 수 있다. Referring to FIG. 5, the optical fiber has an inverse stepped refractive index distribution in which the refractive index of the clad in the core-clad boundary 20 is larger than the refractive index of the core. However, in the case of FIG. 5, the core member does not have a hill-like distribution and has a constant refractive index distribution. If the refractive index distribution is constructed as shown in FIG. 5, the attenuation coefficient can be obtained for the laser beam modes as shown in Equation (1). Thus, a higher attenuation coefficient can be obtained for a laser beam of a higher order mode. However, unlike the embodiment described in FIGS. 1 and 2, the primary mode laser beam can also have a high attenuation coefficient according to Equation (1). That is, it may be difficult to obtain a high output laser beam by attenuating the primary mode laser beam required for laser processing to a very low intensity.

도 6은 도 5와 같이 코어부재 및 클래드의 굴절률 분포를 구성하였을 때 광섬유에서 전송되는 레이저 빔의 강도변화를 나타낸 도면이다. 도 6에서 x축은 광섬유의 단면 방향 좌표를 나타내고, y축은 광섬유의 길이방향 좌표를 나타내며 z축은 전송되는 레이저빔의 강도를 나타낸다.FIG. 6 is a graph showing a change in intensity of a laser beam transmitted from an optical fiber when a refractive index distribution of a core member and a clad is configured as shown in FIG. 6, the x-axis represents the cross-sectional directional coordinates of the optical fiber, the y-axis represents the longitudinal direction coordinates of the optical fiber, and the z-axis represents the intensity of the laser beam transmitted.

도 6에서 레이저 반경은 35.3㎛, 코어부재 반경은 50㎛, 진공에서 레이저 파장은 1.052㎛, 클래드의 굴절률 n=1.57139, 코어-클래드의 굴절률 차이 △n=-0.0045로 설정되었다. 도 6에서는 광섬유에서 다중모드 레이저 빔이 진행할 때 레이저 빔의 강도변화가 나타나 있다. 여기서, 다중모드 레이저 빔은 슈퍼 가우시안 형태의 강도분포를 가지는 고차모드 레이저 빔을 포함한 레이저 빔을 의미한다. 도 6에서 보는 바와 같이 레이저 빔이 진행할수록 고차모드 레이저 빔들이 빠르게 감쇠하여 사라짐을 알 수 있다. 가우시안 또는 준 가우시안 형태의 강도분포를 가지는 1차모드 레이저 빔도 감쇠에 의해 강도가 작아질 수 있다. 즉, 도 5에서 나타낸 비교예는 고출력 레이저 빔을 전송하는데 한계가 있을 수 있다.6, the laser radius was 35.3 mu m, the core member radius was 50 mu m, the laser wavelength in vacuum was 1.052 mu m, the refractive index of the clad n = 1.57139, and the refractive index difference of the core-clad DELTA n = -0.0045. FIG. 6 shows a change in the intensity of the laser beam when the multi-mode laser beam proceeds in the optical fiber. Here, the multi-mode laser beam means a laser beam including a high-order mode laser beam having an intensity distribution in a super Gaussian form. As shown in FIG. 6, the higher-order mode laser beams rapidly attenuate and disappear as the laser beam advances. The intensity of the primary mode laser beam having a Gaussian or semi-Gaussian intensity distribution can also be reduced by attenuation. That is, the comparative example shown in FIG. 5 may have a limitation in transmitting a high-power laser beam.

도 7은 도 1 및 도 2에 도시된 실시예와 비교하기 위한 비교예를 나타낸 도면이다. 도 7에서 세로축은 굴절률 크기를 나타내고 가로축은 광섬유의 단면방향 좌표를 나타낸다.7 is a view showing a comparative example for comparison with the embodiment shown in Figs. 1 and 2. Fig. In Fig. 7, the vertical axis represents the refractive index size and the horizontal axis represents the cross-sectional directional coordinates of the optical fiber.

도 7을 참조하면, 코어부재의 굴절률이 중심으로부터 반경이 증가할수록 낮아질 수 있다. 즉, 도 7에서 나타낸 광섬유의 코어부재는 언덕형 굴절률 분포를 가질 수 있다. 하지만, 도 1 및 도 2에서 나타낸 실시예와 달리 코어-클래드 경계(20)에서 클래드의 굴절률이 코어부재보다 크지 않음을 알 수 있다. 즉 코어-클래드 경계(20)에서 굴절률 분포가 역계단형 굴절률 분포가 아닐 수 있다. 이 경우 1차모드 레이저 빔만을 다루기엔 무리가 없을 수 있다. 즉, 1차모드 레이저 빔만 광섬유 안에 존재하는 경우 효과적인 전송이 가능할 수 있다.Referring to FIG. 7, the refractive index of the core member may be lowered as the radius increases from the center. That is, the core member of the optical fiber shown in FIG. 7 may have a hill type refractive index distribution. However, unlike the embodiment shown in FIGS. 1 and 2, the refractive index of the clad in the core-clad boundary 20 is not greater than that of the core member. That is, the refractive index distribution at the core-clad boundary 20 may not be an inverse stepped refractive index distribution. In this case, it may be reasonable to handle only the primary mode laser beam. That is, if only the primary mode laser beam exists in the optical fiber, effective transmission can be possible.

도 8은 가우시안 형태의 강도분포를 가지는 레이저 빔이 도 7과 같은 굴절률 분포의 광섬유에서 진행할 때의 강도변화를 나타낸 도면이다. 도 8에서 x축은 광섬유의 단면 방향 좌표를 나타내고, y축은 광섬유의 길이방향 좌표를 나타내며 z축은 전송되는 레이저빔의 강도를 나타낸다.FIG. 8 is a diagram showing a change in intensity when a laser beam having a Gaussian-type intensity distribution progresses in an optical fiber having a refractive index distribution as shown in FIG. In FIG. 8, the x-axis represents the cross-sectional direction coordinate of the optical fiber, the y-axis represents the longitudinal direction coordinate of the optical fiber, and the z-axis represents the intensity of the laser beam transmitted.

도 8을 참조하면, 도 7에서와 같이 코어부재가 언덕형 굴절률 분포를 가질 때 1차 모드의 레이저 빔이 감쇠 없이 일정한 강도로 전송됨을 확인할 수 있다. 즉 도 7과 같이 코어부재의 굴절률이 중심으로부터 반경이 증가할수록 실질적으로 감소되도록 하면, 1차 모드 레이저 빔을 손실 없이 전송시킬 수 있다. 하지만 만약 광섬유에 다중모드 레이저 빔이 입사되거나, 1차모드 레이저 빔이 입사되더라도 증폭과정에 생기는 왜곡에 의해 고차모드 레이저 빔이 발생하는 경우 이를 감쇠시키지 못할 수 있다. 이로 인해 레이저 빔 가공품질이 떨어질 수 있다. 또한 고차모드 레이저 빔의 집속현상에 의해 광섬유가 파손될 수 있으므로 고출력 레이저 빔을 출력하는데 제한이 있을 수 있다.Referring to FIG. 8, it can be seen that when the core member has a hill type refractive index profile as shown in FIG. 7, the primary mode laser beam is transmitted at a constant intensity without attenuation. That is, if the refractive index of the core member is substantially reduced as the radius increases from the center as shown in FIG. 7, the primary mode laser beam can be transmitted without loss. However, if a multimode laser beam is incident on an optical fiber or a primary mode laser beam is incident, it may not be attenuated when a high-order mode laser beam is generated due to distortion occurring in the amplification process. This may degrade the laser beam machining quality. Also, since the optical fiber may be broken due to the focusing phenomenon of the high-order mode laser beam, there is a limitation in outputting a high-power laser beam.

도 9는 다중모드 레이저 빔이 도 7과 같은 굴절률 분포의 광섬유에서 진행할 때의 강도변화를 나타낸 도면이다. 도 9에서 x축은 광섬유의 단면 방향 좌표를 나타내고, y축은 광섬유의 길이방향 좌표를 나타내며 z축은 전송되는 레이저빔의 강도를 나타낸다.9 is a diagram showing a change in intensity when the multimode laser beam is advanced in an optical fiber having a refractive index distribution as shown in Fig. In FIG. 9, the x-axis represents the cross-sectional direction coordinate of the optical fiber, the y-axis represents the longitudinal direction coordinate of the optical fiber, and the z-axis represents the intensity of the laser beam transmitted.

도 9를 참조하면, 레이저 빔이 광섬유 내부에서 집속과 발산을 반복하면서 매우 복잡한 형태의 강도분포 변화가 일어남을 알 수 있다. 이는 다중모드 레이저 빔에 슈퍼 가우시안 형태의 강도분포를 가지는 고차모드 레이저 빔이 포함되어 있기 때문이다. 그리고 고차모드 레이저 빔이 감쇠되지 않는 것은 도 7에서와 같이 코어-클래드 경계에서 클래드의 굴절률이 코어부재의 굴절률보다 크지 않아서 고차모드 레이저 빔을 효과적으로 감쇠시키지 않기 때문일 수 있다. 이렇게 광섬유에서 남아있는 고차모드 레이저 빔들은 레이저 가공품질을 저하시킬 수 있다. 또한, 도 9에서와 같이 집속과 발산을 반복하면서 광섬유의 소재 손상을 야기할 수 있다. 따라서 도 7과 같은 굴절률 분포의 광섬유는 1차모드의 레이저 빔만을 전송하기에는 적합하지만 다중모드 레이저 빔을 다루거나 1차모드 레이저 빔을 증폭하여 전송하기에는 한계가 있을 수 있다. Referring to FIG. 9, it can be seen that the intensity distribution changes in a very complicated manner as the laser beam repeats focusing and diverging in the optical fiber. This is because the multimode laser beam includes a high-order mode laser beam having a super Gaussian intensity distribution. The reason why the high-order mode laser beam is not attenuated may be that the refractive index of the clad at the core-clad boundary is not larger than the refractive index of the core member as shown in FIG. 7, so that the high-order mode laser beam is not effectively attenuated. The higher mode laser beams remaining in the optical fiber may degrade the laser processing quality. Further, as shown in Fig. 9, it is possible to cause material damage of the optical fiber while repeating focusing and diverging. Therefore, although the optical fiber having the refractive index distribution shown in FIG. 7 is suitable for transmitting only the first-mode laser beam, there is a limit to transmit the first-mode laser beam or to deal with the multi-mode laser beam.

이상에서 도 5내지 도 9를 참조하여, 도 1내지 도 4에서 나타낸 실시예에 대한 비교예를 제시하였다. 전술한 비교예와 비교하면, 도 1 및 도 2에서 나타낸 예시적인 실시예에 따른 광섬유는 고차모드 레이저 빔을 필터링하여 고품질의 레이저 빔을 고출력으로 출력할 수 있다. 도 1 및 도 2에서 나타낸 실시예는 예시적인 것에 불과할 뿐 실시예가 이에 제한되는 것은 아니다. 아래에서는 통상의 기술자가 변형할 수 있는 변형 예를 예시적으로 제시한다. 제시된 실시예들은 예시적인 것에 불과할 뿐 이에 제한되는 것은 아니다. In the foregoing, a comparative example of the embodiment shown in Figs. 1 to 4 has been presented with reference to Figs. 5 to 9. Fig. Compared with the above-described comparative example, the optical fiber according to the exemplary embodiment shown in Figs. 1 and 2 can filter a high-order mode laser beam and output a high-quality laser beam with high output. The embodiments shown in Figs. 1 and 2 are merely illustrative, and the embodiments are not limited thereto. Hereinafter, a modification example that the ordinary technician can modify is exemplarily shown. The embodiments shown are illustrative and not restrictive.

도 10a 및 도 10b는 다른 예시적인 실시예에 따른 광섬유의 굴절률 분포를 나타낸 도면이다. 10A and 10B are diagrams showing refractive index distributions of optical fibers according to another exemplary embodiment.

도 10a를 참조하면, 클래드(120)의 굴절률이 내측으로부터 반경이 증가할수록 감소할 수 있다. 클래드(120)의 굴절률 감소는 단조감소에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어 클래드(120)의 반경이 증가할수록 굴절률이 대체적으로 감소하되, 굴절률이 증가하는 국소적인 영역이 클래드(120)에 포함될 수도 있다. 도 2와 마찬가지로 도 10에서 나타낸 굴절률 분포를 가지는 광섬유 또한 고차모드 레이저 빔은 기준강도 미만으로 감쇠시키고 1차모드 레이저 빔만 기준강도 보다 크게 유지하여 전송시킬 수 있다. Referring to FIG. 10A, the refractive index of the clad 120 may decrease as the radius increases from the inside. The reduction of the refractive index of the clad 120 is not limited to monotone reduction. For example, as the radius of the clad 120 increases, the clad 120 may include a local region where the refractive index generally decreases but the refractive index increases. As in FIG. 2, the optical fiber having the refractive index profile shown in FIG. 10 can also be transmitted by attenuating the high-order mode laser beam below the reference intensity and keeping only the primary mode laser beam higher than the reference intensity.

코어-클래드 경계(20) 밖에서 클래드(120)의 굴절률 변화는 광섬유에서 전송되는 레이저 빔의 강도분포에 큰 영향을 주지 않을 수 있다. 따라서 클래드(120)의 굴절률 분포는 여러가지 방법으로 변형될 수 있다. 예를 들어, 도 10a에서와 달리 도 10b에서 클래드(120)의 굴절률은 반경이 증가할수록 굴절률이 증가할 수도 있다.A change in the refractive index of the clad 120 outside the core-clad boundary 20 may not significantly affect the intensity distribution of the laser beam transmitted from the optical fiber. Therefore, the refractive index distribution of the clad 120 can be modified in various ways. For example, unlike FIG. 10A, the refractive index of the clad 120 in FIG. 10B may increase as the radius increases.

도 11은 도 10a에서 나타낸 굴절률 분포를 가지는 광섬유를 통과하는 레이저 빔의 강도변화를 나타낸 도면이다. FIG. 11 is a diagram showing a change in intensity of a laser beam passing through an optical fiber having a refractive index profile shown in FIG. 10A.

도 11에서 코어부재(110)의 반경은 50㎛, 코어부재(110)의 중심 굴절률은 1.56639, 클래드(120)의 굴절률은 1.57139, 코어-클래드 경계에서 코어부재(110)와 클래드(120)의 굴절률 차이 △n=-0.0045, 레이저 빔 반경은 25㎛, 레이저 빔의 진공파장은 1.052㎛, 광섬유의 길이는 24cm,

=2, 스케일 팩터

=0.001167/4로 설정되었다. 도 11를 참조하면, 도 4에서와 마찬가지로, 실시예에 따른 광섬유 안에서 레이저 빔이 진행함에 따라 고차모드 레이저 빔은 기준강도 이하로 감쇠되어 버리고, 1차모드 레이저 빔은 기준강도 이상으로 유지됨을 알 수 있다. 즉, 도 2의 굴절률 분포에서 클래드(120)의 굴절률 분포를 언덕형으로 변환하더라도 광섬유의 성능에 큰 차이가 없음을 알 수 있다.11, the radius of the core member 110 is 50 占 퐉, the central refractive index of the core member 110 is 1.56639, the refractive index of the clad 120 is 1.57139 and the refractive index of the core member 110 and the clad 120 at the core- Refractive index difference? N = -0.0045, the laser beam radius is 25 占 퐉, the laser beam has a vacuum wavelength of 1.052 占 퐉, the length of the optical fiber is 24 cm,

= 2, scale factor

= 0.001167 / 4. Referring to FIG. 11, as in FIG. 4, as the laser beam advances in the optical fiber according to the embodiment, the higher-order mode laser beam is attenuated below the reference intensity, and the primary mode laser beam is maintained above the reference intensity. . That is, even if the refractive index distribution of the clad 120 is converted into the hill-like shape in the refractive index distribution of FIG. 2, there is no significant difference in performance of the optical fiber.

도 12는 또 다른 예시적인 실시예에 따른 광섬유의 굴절률 분포를 나타낸 도면이다. 도 12를 참조하면, 다른 예시적인 실시예에 따른 광섬유는 코어-클래드 경계(20)에서 굴절률 분포가 연속적으로 변할 수 있다. 이 경우에도 도 2에서와 같이 코어-클래드 경계(20)를 기준으로 클래드(120)이 코어부재(110)보다 높은 굴절률을 가질 수 있다.12 is a view showing a refractive index distribution of an optical fiber according to another exemplary embodiment. 12, in an optical fiber according to another exemplary embodiment, the refractive index distribution at the core-clad boundary 20 can be continuously changed. In this case as well, the clad 120 may have a refractive index higher than that of the core member 110 with respect to the core-clad boundary 20 as shown in FIG.

도 13은 또 다른 예시적인 실시예에 따른 광섬유의 굴절률 분포를 나타낸 도면이다. 13 is a view showing a refractive index distribution of an optical fiber according to another exemplary embodiment.

도 13을 참조하면, 코어부재(110) 중심의 굴절률이 코어-클래드 경계(20)에서 클래드(120)의 굴절률보다 큰 값을 가질 수 있다. 수학식 2를 참조하면, 코어부재(110)의 중심에서 굴절률과 코어-클래드 경계에서 코어부재(110)의 굴절률의 차이는

로 주어진다. 따라서 스케일 팩터

와 코어부재의 굴절률

에 따라 코어부재(110)의 중심 굴절률과 코어-클래드 경계에서 코어부재(110)의 굴절률 사이의 차이가 달라질 수 있다. 그리고 상기 굴절률 차이가 커지게 되면, 도 13에서 나타낸 바와 같이 코어부재(110)의 중심 굴절률이 코어-클래드 경계(20)에서 클래드(120)의 굴절률보다 큰 값을 가질 수 있다. 그리고 상기 스케일 팩터는 레이저 빔 반경

에 비해 코어부재(110)의 반경

가 큰 경우 또는 레이저 빔의 진공파장이 큰 경우에 커질 수 있으므로 상기 굴절률 차이 또한 이들 경우에 커질 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.Referring to FIG. 13, the refractive index of the center of the core member 110 may be greater than the refractive index of the clad 120 at the core-clad boundary 20. Referring to Equation (2), the difference between the refractive index at the center of the core member 110 and the refractive index of the core member 110 at the core-

. Therefore,

And the refractive index of the core member

The difference between the central refractive index of the core member 110 and the refractive index of the core member 110 at the core-clad boundary may vary. 13, the central refractive index of the core member 110 may be greater than the refractive index of the clad 120 at the core-clad boundary 20. In this case, And the scale factor is a laser beam radius

The radius of the core member 110

Is large or the vacuum wavelength of the laser beam is large, the refractive index difference may also increase in these cases, but the present invention is not limited thereto.

이상에서 설명한 실시예에서는, 예시적으로 코어부재(110)의 굴절률이 연속적으로 변하는 예를 나타냈으나 실시예가 이에 제한되는 것은 아니다. 또한 도 10에서는 클래드(120)의 굴절률이 연속적으로 변하는 예를 나타냈으나 실시예가 여기에 제한되는 것도 아니다. 광섬유의 제조공정을 고려하였을 때, 코어부재(110)의 굴절률은 불연속적으로 변할 수도 있다. 또한, 도 10과 같이 클래드(120)의 굴절률이 변하게 하는 경우, 클래드(120)의 굴절률도 불연속적으로 변할 수도 있다. In the embodiment described above, the refractive index of the core member 110 is continuously varied, for example, but the embodiment is not limited thereto. 10 shows an example in which the refractive index of the clad 120 is continuously changed, but the embodiment is not limited thereto. When considering the manufacturing process of the optical fiber, the refractive index of the core member 110 may be discontinuously changed. In addition, when the refractive index of the clad 120 is changed as shown in Fig. 10, the refractive index of the clad 120 may also be discontinuously changed.

도 14는 또 다른 예시적인 실시예에 따른 광섬유의 굴절률 분포를 나타낸 도면이다.14 is a view showing a refractive index distribution of an optical fiber according to another exemplary embodiment.

도 14를 참조하면, 도 10에서 나타낸 굴절률 분포와 유사하지만 코어부재(110) 및 클래드(120)의 굴절률이 각각 불연속적으로 변함을 알 수 있다. 비록 도 14에서는 도 10과 유사한 굴절률 분포를 나타냈지만 실시예가 이에 제한되는 것은 아니며 클래드(120)는 일정한 굴절률 분포를 가질 수도 있다. 도 14에서 나타낸 바와 같이, 코어부재(110)는 중심으로부터 반경이 증가할수록 굴절률이 감소하되, 굴절률이 계단모양으로 불연속하게 감소할 수 있다. 따라서 굴절률이 일정한 부분들이 코어부재(110)에 포함될 수도 있다. Referring to FIG. 14, it can be seen that the refractive indexes of the core member 110 and the clad 120 are discontinuously changed, similar to the refractive index distribution shown in FIG. Although FIG. 14 shows a refractive index distribution similar to FIG. 10, the embodiment is not limited thereto, and the clad 120 may have a constant refractive index distribution. As shown in FIG. 14, the refractive index of the core member 110 decreases as the radius increases from the center, but the refractive index can be discontinuously decreased in a step-like manner. Therefore, portions having a constant refractive index may be included in the core member 110.

이상에서 도 1 내지 도 14를 참조하여, 예시적인 실시예들에 따른 광섬유에 관하여 설명하였다. 실시예에 따른 광섬유는 레이저 빔을 증폭하여 레이저 빔 가공공정에 이용될 수도 있다. 이를 위해 실시예에 따른 광섬유는, 레이저 다이오드, 광 분리기(optical isolator)등의 광 소자와 결합되어 있을 수 있다. 또한 실시예에 따른 광섬유는, 자체적으로 코어부재(110)에 이득매질이 첨가되어 있어 광섬유에서 전송되는 레이저 빔을 증폭할 수 있다. 이러한 이득 매질은 예시적으로 상기 이득 매질은 예시적으로 이터븀(Yb), 네오디뮴(Nd), 어븀(Er), 툴륨(Tm) 등과 같은 희토류 원소들로부터 얻은 활성 이온(active ion)들이 포함할 수 있다. 또한 상기 이득 매질은 예시적으로 크롬(Cr), 티타늄(Ti) 등과 같은 전이금속 원소들로부터 얻은 활성 이온(active ion)들을 포함할 수도 있다.The optical fiber according to the exemplary embodiments has been described above with reference to Figs. 1 to 14. Fig. The optical fiber according to the embodiment may be used in a laser beam processing process by amplifying a laser beam. To this end, the optical fiber according to the embodiment may be combined with an optical element such as a laser diode or an optical isolator. Also, in the optical fiber according to the embodiment, since a gain medium is added to the core member 110 itself, the laser beam transmitted from the optical fiber can be amplified. Such a gain medium is illustratively the gain medium includes active ions obtained from rare earth elements such as ytterbium (Yb), neodymium (Nd), erbium (Er), thulium (Tm) . The gain medium may also include active ions, which are illustratively obtained from transition metal elements such as chromium (Cr), titanium (Ti), and the like.

이터븀(Yb), 네오디뮴(Nd), 어븀(Er), 툴륨(Tm) 등과 같은 희토류 원소들로부터 얻은 활성 이온(active ion)이나 크롬(Cr), 티타늄(Ti) 등과 같은 전이금속 원소들로부터 얻은 활성 이온(active ion)에 의해 광섬유가 도핑되어 있으면 광섬유에서 일어나는 광 펌핑 작용에 의해 광섬유를 통과하는 레이저 빔의 강도가 증폭될 수 있다. The transition metal elements such as active ions or chromium (Cr), titanium (Ti), etc., obtained from rare earth elements such as ytterbium (Yb), neodymium (Nd), erbium (Er), thulium If the optical fiber is doped by the obtained active ion, the intensity of the laser beam passing through the optical fiber can be amplified by the optical pumping action occurring in the optical fiber.

도 15 및 도 16은 도 7과 같은 굴절률 분포를 갖는 광섬유를 통해 가우시안 강도분포의 레이저 빔이 증폭되는 결과를 나타낸 도면이다. 도 15는 레이저 빔의 강도변화를 3차원 적으로 나타낸 것이며 도 16은 광섬유 중심축에서 레이저 빔의 강도변화를 그래프로 나타낸 것이다. 도 15 및 도 16을 참조하면, 도 7과 같은 굴절률 분포를 갖는 광섬유에서 가우시안 강도분포의 레이저 빔이 증폭될 때 레이저 빔의 왜곡현상으로 레이저 빔의 강도분포가 더 이상 가우시안 분포를 만족하지 않게 됨을 알 수 있다. 또한 이에 따라 레이저 빔이 코어부재 내부에 한정되지 않고 클래드에도 레이저 빔의 강도분포가 발생하면서 에너지 손실이 발생할 수 있다. 또한 레이저 빔의 집속현상이 일어남에 따라 광섬유의 소재가 파손될 수 있다.FIGS. 15 and 16 are diagrams showing the results of amplifying a laser beam having a Gaussian intensity distribution through an optical fiber having a refractive index profile as shown in FIG. FIG. 15 is a graph showing the intensity change of the laser beam three-dimensionally, and FIG. 16 is a graph showing the intensity variation of the laser beam at the center axis of the optical fiber. 15 and 16, when the laser beam of the Gaussian intensity distribution is amplified in the optical fiber having the refractive index distribution shown in FIG. 7, the intensity distribution of the laser beam does not satisfy the Gaussian distribution due to the distortion of the laser beam Able to know. In addition, the laser beam is not limited to the inside of the core member, and the intensity distribution of the laser beam is generated in the cladding, resulting in energy loss. Also, as the focusing of the laser beam occurs, the material of the optical fiber may be damaged.

도 17은 예시적인 실시예에 따른 광섬유를 통해 가우시안 강도분포의 레이저 빔이 증폭되는 결과를 나타낸 도면이다.17 is a diagram illustrating a result of amplifying a laser beam having a Gaussian intensity distribution through an optical fiber according to an exemplary embodiment.

도 17을 참조하면, 레이저 빔의 증폭이 일어나더라도 레이저 빔이 계속해서 가우시안 형태의 강도분포를 나타냄을 알 수 있다. 이는 레이저 빔의 왜곡현상이 일어나더라도 광섬유가 가우시안 형태의 1차모드 레이저 빔만 기준강도 이상으로 유지하고 나머지 고차모드 레이저 빔은 기준강도 미만으로 감쇠시켜 버리기 때문이다. 또한 도 17에서 나타낸 바와 같이 실시예에 따른 광섬유에서는 클래드(120)에서의 레이저 빔 강도분포가 나타나지 않는다. 그리고 도 17에서 나타난 바와 같이, 실시예에 따른 광섬유 안에서는 레이저 빔의 집속현상이 일어나지 않기 때문에 광섬유의 소재 파손 또한 방지할 수 있다. Referring to FIG. 17, it can be seen that the laser beam continues to exhibit a Gaussian intensity distribution even when amplification of the laser beam occurs. This is because even if the laser beam distortion occurs, the optical fiber maintains only the Gaussian mode primary mode laser beam at the reference intensity level and the remaining high mode mode laser beam attenuates to less than the reference intensity level. Also, as shown in FIG. 17, in the optical fiber according to the embodiment, the intensity distribution of the laser beam in the clad 120 is not shown. As shown in FIG. 17, since the focusing of the laser beam does not occur in the optical fiber according to the embodiment, it is possible to prevent the breakage of the material of the optical fiber.

도 18은 도 5의 굴절률 분포를 갖은 일반적인 gain-guided and index-antiguided (GG+IAG) 광섬유와 예시적인 실시예에 따른 광섬유에 같은 크기의 에너지를 가지는 레이저 빔을 입사했을 때 출력 레이저 빔의 강도 차이를 나타낸 도면이다. 도 18에서 입사되는 레이저 빔의 파워는 10mW로 설정되었다. 또한 실시예에 따른 광섬유 및 GG+IAG 광섬유에서 소 신호 이득 계수(small signal gain coefficient)는 모두 3/cm로 설정되었다.FIG. 18 is a graph showing the relationship between the intensity of the output laser beam when a laser beam having the same magnitude of energy is incident on a general gain-guided and index-antiguided (GG + IAG) optical fiber having a refractive index profile and an optical fiber according to the exemplary embodiment, Fig. The power of the laser beam incident in FIG. 18 was set to 10 mW. Also, in the optical fiber and the GG + IAG optical fiber according to the embodiment, the small signal gain coefficient was set to 3 / cm.

도 18을 참조하면, GG+IAG 광섬유는 길이가 대략 300mm일 때 광섬유에 입사된 10mW의 레이저 빔이 0.35W로 출력되었다. 반면, 같은 조건에서 실시예에 따른 광섬유는 8.84W의 레이저 빔을 출력하였다. 따라서 실시예에 따른 광섬유는 GG+IAG 광섬유보다 고출력으로 레이저 빔을 출력할 수 있다. Referring to FIG. 18, when the length of the GG + IAG optical fiber was approximately 300 mm, a laser beam of 10 mW incident on the optical fiber was output at 0.35 W. On the other hand, the optical fiber according to the embodiment output a laser beam of 8.84 W under the same conditions. Therefore, the optical fiber according to the embodiment can output a laser beam with higher output than the GG + IAG optical fiber.

이상에서 도 1내지 도 18을 참조하여 예시적인 실시예들에 따른 광섬유 및 비교예들에 관하여 설명하였다. 이하에서는 예시적인 실시예에 따른 광섬유를 이용한 레이저 빔 전송방법 및 광섬유의 제조방법에 관하여 설명한다.The optical fibers and comparative examples according to the exemplary embodiments have been described above with reference to FIGS. 1 to 18. FIG. Hereinafter, a laser beam transmission method and an optical fiber manufacturing method using an optical fiber according to an exemplary embodiment will be described.

예시적인 실시예에 따른 광섬유는 다양한 물질 및 제조방법을 이용하여 제조될 수 있다. The optical fiber according to the exemplary embodiment can be manufactured using various materials and manufacturing methods.

예를 들어, 코어부재(110) 및 클래드(120)는 실리카, 불소지르콘산염(fluorozirconate), 플루오로알루미네이트(fluoroaluminate) 및 칼코게나이드(chalcogenide) 중 적어도 하나를 포함하는 유리 조성물로부터 만들어질 수 있다. 위의 물질들은 예시적인 것에 불과할 뿐 이에 제한되는 것은 아니다. 또한 코어부재(110) 및 클래드(120)의 굴절률 분포는 이중 도가니, 봉이든 튜브(rod-in-tube) 및 불순물 증착 실리카(Doped Deposited Silica : DDS) 공정 중 적어도 하나를 포함하는 공정을 통해 제조될 수 있다. 위의 공정들은 예시적인 것에 불과할 뿐 이에 제한되는 것은 아니다. 이중 도가니 공정에서는 녹아 있는 상태의 코아 유리가 안쪽 용기에 담겨 있고 바깥 용기에는 용융 상태의 클래드 유리가 있다. 두 종류의 유리가 바깥 용기의 바닥으로 나오면서 유리 코어-클래드를 형성하고 용융상태의 혼합물을 뽑아 광섬유를 만든다. 봉이든 튜브(rod-in-tube) 공정에서 코어 유리 막대는 클래딩 유리 튜브 속에 들어있고 이를 파이버 방사를 통해 길게 뽑아냄으로써 원하는 굴절률 분포를 가지는 광섬유를 만들 수 있다. 또한 불순물 증착 실리카 공정은 유리 조성물을 증착시켜 광섬유를 만들 수 있다. 이러한 증착 공정에는 바깥 증착, 축 증착, 안쪽 증착 공정 등이 포함될 수 있다. 위의 제조공정 및 물질들은 예시적인 것에 불과하며 이에 제한되는 것은 아니다.For example, the core member 110 and the clad 120 may be made from a glass composition comprising at least one of silica, fluorozirconate, fluoroaluminate, and chalcogenide have. The above materials are by way of example only and not by way of limitation. The refractive index distribution of the core member 110 and the clad 120 may be manufactured through a process including at least one of a double crucible, a rod-in-tube process, and a Doped Deposited Silica (DDS) . The above processes are by way of example only and not by way of limitation. In the double crucible process, the molten core glass is contained in the inner vessel and the outer vessel contains the molten clad glass. Two types of glass exit the bottom of the outer container to form a glass core-clad and pull out the molten mixture to form an optical fiber. In a rod-in-tube process, the core glass rod is contained in a cladding glass tube and can be pulled out by fiber spinning to produce an optical fiber having a desired refractive index distribution. The impurity deposition silica process can also be used to make optical fibers by depositing a glass composition. Such deposition processes may include outer deposition, axial deposition, and in-situ deposition processes. The above manufacturing processes and materials are by way of example only and not by way of limitation.

도 19는 예시적인 실시예에 따른 광섬유를 이용한 레이저 빔 전송방법을 나타낸 흐름도이다. 도 19에서 나타낸 빔 전송방법에서는 도 1 내지 도 18을 참조하여 전술한 실시예들에 따른 광섬유가 이용될 수 있다.19 is a flowchart illustrating a laser beam transmission method using an optical fiber according to an exemplary embodiment. In the beam transmission method shown in FIG. 19, the optical fibers according to the embodiments described above with reference to FIGS. 1 to 18 can be used.

도 19를 참조하면, 예시적인 실시예에 따른 광섬유를 이용한 레이저 빔 전송방법은 레이저 빔을 상기 광 섬유에 입사하는 단계(S2010), 상기 레이저 빔 가운데 1차 모드 레이저 빔은 기준강도 이상으로 유지하고 나머지 고차모드 레이저 빔은 기준강도 미만으로 감쇠 시키는 단계(S2020); 및 동시에 상기 레이저 빔을 상기 광섬유 안에서 전송시키는 단계(S2030)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 19, in the laser beam transmission method using an optical fiber according to the exemplary embodiment, a laser beam is incident on the optical fiber (S2010), a primary mode laser beam among the laser beams is maintained at a reference intensity or higher Damping the remaining higher order mode laser beam below a reference intensity (S2020); And simultaneously transmitting the laser beam in the optical fiber (S2030).

여기서 기준강도는, 도 2를 참조하여 설명한 바와 같이 레이저 가공의 품질을 고려하여 설정될 수 있다. 예를 들어, 요구되는 레이저 가공품질이 높을수록 상기 고차모드 레이저 빔에 대한 기준강도는 더 낮은 값을 가질 수 있다. 기준강도가 낮게 설정될수록 광섬유를 통과하는 다중모드의 레이저 빔은 단일모드, 즉 1차모드 레이저 빔에 더 가깝게 변화되어 출력될 수 있다. 상기 기준강도는 전술한 고차모드 레이저 빔의 집속현상을 고려하여 설정될 수도 있다. 즉, 고차모드 레이저 빔은 광섬유 안에서 집속현상을 일으켜 광섬유를 파손시킬 수 있기 때문에 광섬유 파손을 방지하기 위해 요구되는 고차모드 레이저 빔의 감쇠정도를 고려하여 상기 기준강도가 다르게 설정될 수 있다. 또한 상기 기준강도는 다중모드 레이저 빔의 각 모드 별로 다르게 설정될 수도 있다. 예를 들어, 고차모드 레이저 빔 가운데에서도 차수가 높은 레이저 빔과 차수가 낮은 레이저 빔에 대해 기준강도가 서로 다르게 설정될 수 있다.Here, the reference intensity can be set in consideration of the quality of laser machining as described with reference to Fig. For example, the higher the required laser processing quality, the lower the reference intensity for the higher mode laser beam may be. As the reference intensity is set lower, the multimode laser beam passing through the optical fiber can be output to be changed closer to the single mode, that is, the primary mode laser beam. The reference intensity may be set in consideration of the focusing phenomenon of the above-described high-order mode laser beam. That is, since the high-order mode laser beam may cause a focusing phenomenon in the optical fiber and may damage the optical fiber, the reference intensity may be set differently in consideration of the degree of attenuation of the high-order mode laser beam required to prevent damage to the optical fiber. Also, the reference intensity may be set differently for each mode of the multi-mode laser beam. For example, the reference intensity may be set to be different for a laser beam having a higher order and a laser beam having a lower order, among the higher-order mode laser beams.

도 19의 레이저 빔을 전송시키는 단계(S2030)는 레이저 빔의 파워를 증폭하는 단계를 포함할 수 있다. 증폭작용을 위해 실시예에 따른 광섬유에 레이저 다이오드, 광 분리기(optical isolator)등의 광 소자를 결합시킬 수 있다. 또한 광섬유의 코아부재에 첨가된 이득매질에 의한 광 펌핑 작용에 의해 레이저 빔 증폭이 이루어질 수도 있다. 상기 이득 매질은 예시적으로 이터븀(Yb), 네오디뮴(Nd), 어븀(Er), 툴륨(Tm) 등과 같은 희토류 원소들로부터 얻은 활성 이온(active ion)들이 포함할 수 있다. 또한 상기 이득 매질은 예시적으로 크롬(Cr), 티타늄(Ti) 등과 같은 전이금속 원소들로부터 얻은 활성 이온(active ion)들을 포함할 수도 있다. 이는 예시적인 것에 불과할 뿐 코어부재(110)에서 진행하는 레이저 빔의 강도를 증폭할 수 있는 임의의 매질이 코어부재(110)에 첨가될 수 있다. 레이저 빔 증폭단계를 통해 도 17 및 도 18에서 나타낸 바와 같이 고출력 레이저 빔을 광섬유로부터 증폭 할 수 있다.The step of transmitting the laser beam in FIG. 19 (S2030) may include amplifying the power of the laser beam. An optical element such as a laser diode or an optical isolator may be coupled to the optical fiber according to the embodiment for amplification. Also, the laser beam amplification may be performed by optical pumping action by the gain medium added to the core member of the optical fiber. The gain medium may illustratively include active ions obtained from rare earth elements such as ytterbium (Yb), neodymium (Nd), erbium (Er), thulium (Tm) The gain medium may also include active ions, which are illustratively obtained from transition metal elements such as chromium (Cr), titanium (Ti), and the like. Any medium capable of amplifying the intensity of the laser beam traveling in the core member 110 can be added to the core member 110, which is only an illustrative example. The high power laser beam can be amplified from the optical fiber as shown in FIGS. 17 and 18 through the laser beam amplification step.

도 20은 예시적인 실시예에 따른 광섬유 제조방법을 나타낸 흐름도이다.20 is a flowchart illustrating a method of manufacturing an optical fiber according to an exemplary embodiment.

도 20을 참조하면, 예시적인 실시예에 따른 광섬유 제조방법은, 중심으로부터 반경이 커질수록 실질적으로 굴절률이 감소하는 코어부재(110)를 형성하는 단계(S2110) 및 코어부재(110)를 둘러싸는 클래드(120) 형성하는 단계(S2120)를 포함할 수 있다. 또한 클래드를 형성하는 단계(S2120)는, 상기 코어부재(110)와 상기 클래드(120)가 만나는 코어-클래드 경계(20)에서 상기 클래드(120)의 굴절률이 코어부재(110)의 굴절률보다 크도록 할 수 있다.Referring to FIG. 20, a method for fabricating an optical fiber according to an exemplary embodiment includes forming a core member 110 having a substantially reduced refractive index as a radius increases from a center (S2110) And forming a clad 120 (S2120). The step of forming the clad S2120 may be performed such that the refractive index of the clad 120 at the core-clad boundary 20 where the core member 110 and the clad 120 meet is greater than the refractive index of the core member 110 .

광섬유 제조방법에 의해 제조되는 광섬유는 도 2, 도10 내지 도 14를 참조하여 나타낸 굴절률 분포를 모두 가질 수 있다. 이를 위해 클래드를 형성하는 단계(S2120)는, 클래드(120)의 굴절률이 일정하도록 클래드(120)를 형성할 수 있다. 다른 예로 상기 클래드(120)를 형성하는 단계(S2120)는, 내측으로부터 반경이 증가할수록 굴절률이 감소하도록 상기 클래드(120)를 형성할 수 있다. 또 다른 예로 상기 클래드(120)를 형성하는 단계(S2120)는, 내측으로부터 반경이 증가할수록 굴절률이 증가하도록 상기 클래드(120)를 형성할 수 있다.The optical fiber manufactured by the optical fiber manufacturing method may have all the refractive index distributions shown in Figs. 2, 10 to 14. For forming the clad (S2120), the clad 120 may be formed such that the refractive index of the clad 120 is constant. As another example, in the step of forming the clad 120 (S2120), the clad 120 may be formed such that the refractive index decreases as the radius increases from the inside. As another example, in the step of forming the clad 120 (S2120), the clad 120 may be formed such that the refractive index increases as the radius increases from the inside.

상기 코어부재(110)를 형성하는 단계(S2110)는, 코어부재(110)의 중심에서의 굴절률이 코어-클래드 경계(20)에서 클래드(110)의 굴절률보다 크도록 할 수 있다. 다른 예로 상기 코어부재(110)를 형성하는 단계(S2110)는, 코어부재(110)의 중심에서의 굴절률이 코어-클래드 경계(20)에서 클래드(110)의 굴절률보다 작도록 할 수 있다. The step of forming the core member 110 may be such that the refractive index at the center of the core member 110 is greater than the refractive index of the clad 110 at the core- As another example, the step (S2110) of forming the core member 110 may make the refractive index at the center of the core member 110 smaller than the refractive index of the clad 110 at the core-clad boundary 20. [

코어부재(110)를 형성하는 단계(S2110) 및 클래드(120)를 형성하는 단계(S2120)는 이중 도가니, 봉이든 튜브(rod-in-tube) 및 불순물 증착 실리카(Doped Deposited Silica : DDS) 공정 중 적어도 하나를 포함하는 공정을 통해 제조될 수 있다. 이중 도가니 공정에서는 녹아 있는 상태의 코아 유리가 안쪽 용기에 담겨 있고 바깥 용기에는 용융 상태의 클래드 유리가 있다. 두 종류의 유리가 바깥 용기의 바닥으로 나오면서 유리 코어-클래드를 형성하고 용융상태의 혼합물을 뽑아 광섬유를 만든다. 봉이든 튜브(rod-in-tube) 공정에서 코어 유리 막대는 클래딩 유리 튜브 속에 들어있고 이를 파이버 방사를 통해 길게 뽑아냄으로써 원하는 굴절률 분포를 가지는 광섬유를 만들 수 있다. 또한 불순물 증착 실리카 공정은 유리 조성물을 증착시켜 광섬유를 만들 수 있다. 이러한 증착 공정에는 바깥 증착, 축 증착, 안쪽 증착 공정 등이 포함될 수 있다. Step S2110 of forming the core member 110 and step S2120 of forming the clad 120 may be performed in a double crucible, a rod-in-tube and a Doped Deposited Silica (DDS) process &Lt; RTI ID = 0.0 > and / or < / RTI > In the double crucible process, the molten core glass is contained in the inner vessel and the outer vessel contains the molten clad glass. Two types of glass exit the bottom of the outer container to form a glass core-clad and pull out the molten mixture to form an optical fiber. In a rod-in-tube process, the core glass rod is contained in a cladding glass tube and can be pulled out by fiber spinning to produce an optical fiber having a desired refractive index distribution. The impurity deposition silica process can also be used to make optical fibers by depositing a glass composition. Such deposition processes may include outer deposition, axial deposition, and in-situ deposition processes.

이상의 설명에서 많은 사항들이 구체적으로 기재되어 있으나, 그들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다 바람직한 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 때문에 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.While a number of embodiments have been described in detail above, they should be construed as examples of preferred embodiments rather than limiting the scope of the invention. Therefore, the scope of the present invention is not to be determined by the described embodiments but should be determined by the technical idea described in the claims.

20 : 코어-클래드 경계
110 : 코어부재
120 : 클래드20: core-clad boundary
110: core member
120: Clad

Claims

A core member whose refractive index substantially decreases as the radius increases from the center;
And a clad disposed to surround the core member,
Wherein the clad has a refractive index higher than that of the core member at a core-clad boundary where the core member and the clad meet.

The method according to claim 1,
Wherein the core member includes a gain medium for amplifying the intensity of the laser beam transmitted from the core member.

3. The method of claim 2,
Wherein the gain medium comprises active ions obtained from at least one of a rare earth element and a transition metal element.

The method of claim 3,
Wherein the rare earth element comprises at least one of ytterbium (Yb), neodymium (Nd), erbium (Er) and thulium (Tm), wherein the transition metal comprises at least one of chromium (Cr) and titanium Optical fiber.

The method according to claim 1,
Wherein the refractive index distribution of the core member and the clad is configured such that a damping coefficient increases as the mode order of the laser beam increases.

The method according to claim 1,
Wherein the refractive index distribution of the core member and the clad is configured such that the primary mode laser beam among the multimode laser beams is maintained above a reference intensity and the remaining laser beams are attenuated below a reference intensity.

The method according to claim 6,
Wherein the primary mode laser beam has an intensity distribution in a Gaussian function form or a quasi-gaussian form.

The method according to claim 1,
Wherein the refractive index of the core member decreases substantially continuously as the radius increases from the center.

The method according to claim 1,
Wherein the refractive index of the core member is substantially discontinuously decreased as the radius increases from the center.

The method according to claim 1,
And refractive index discontinuously changes at a boundary between the core member and the clad.

The method according to claim 1,
Wherein the refractive index of the clad decreases as the radius increases from the inside.

The method according to claim 1,
Wherein the refractive index of the clad increases as the radius increases from the inside.

13. The method according to claim 11 or 12,
Wherein the refractive index of the clad changes substantially continuously as the radius of the clad increases.

13. The method according to claim 11 or 12,
Wherein the refractive index of the clad is discontinuously changed as the radius of the clad increases.

The method according to claim 1,
Wherein the clad has a constant refractive index.

The method according to claim 1,
And the refractive index at the center of the core member is larger than the refractive index of the clad at the core-clad boundary.

The method according to claim 1,
And the refractive index at the center of the core member is smaller than the refractive index of the clad at the core-clad boundary.

The method according to claim 1,
Wherein a difference between a refractive index of the core member and a refractive index of the clad at the core-clad boundary is smaller as a radius of the core member becomes larger.

And a clad having a refractive index higher than the refractive index of the core member at a core-clad boundary where the core member and the clad meet, the core member having a refractive index that decreases as the radius increases from the center, A method of transmitting a laser beam using an optical fiber,
Comprising the steps of: injecting a laser beam into the optical fiber;
Maintaining a primary mode laser beam of the laser beam above a reference intensity and attenuating the remaining laser beam below a reference intensity; And
And transmitting the laser beam in the optical fiber.

20. The method of claim 19,
Wherein the step of transmitting the laser beam in the optical fiber comprises amplifying the power of the primary mode laser beam.

Forming a core member whose refractive index substantially decreases as the radius increases from the center; And
And forming a clad surrounding the core member,
Wherein the step of forming the clad is such that the refractive index of the clad is greater than the refractive index of the core member at the core-clad boundary where the core member and the clad meet.

22. The method of claim 21,
Wherein the step of forming the clad forms the clad such that the refractive index of the clad is constant.

22. The method of claim 21,
Wherein the step of forming the clad forms the clad so that the refractive index decreases as the radius increases from the inside.

22. The method of claim 21,
And forming the clad so that the refractive index increases as the radius increases from the inside.

22. The method of claim 21,
Wherein the step of forming the core member is such that the refractive index at the center of the core member is greater than the refractive index of the clad at the core-clad boundary.

22. The method of claim 21,
Wherein the step of forming the core member is such that the refractive index at the center of the core member is smaller than the refractive index of the clad at the core-clad boundary.