KR20160093056A - 고출력 고효율 광섬유 레이저 및 상기 레이저의 월 플러그 효율을 최적화하는 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 레이저는 레이저의 하우징 내부에 20-25℃ 내에 있게 유지되는 실온으로 입력된 직류를 각각 수신하는 복수의 피그테일형 다중모드(MM) 다이오드 레이저들로 구성된다. 다이오드 레이저들 각각은 최적동작범위에서 소정 파장으로 동작하도록 구성되고, 다이오드 레이저는 63% 내지 75%의 WPE 범위로 동작한다. 각 다이오드 레이저에 입력된 직류는 다이오드 레이저의 효율이 감소하기 시작하는 반면 다이오드 레이저의 출력전력은 계속 증가하는 레이저 다이오드의 효율곡선에서 임계치 미만이게 선택된다. 레이저는 누적 펌프출력으로 펌핑되고 최적동작범위에서 소정 파장으로 수백 와트 내지 수십 킬로와트의 전력 범위에서 레이저 출력을 방출하도록 동작하는 능동 광섬유 매질을 갖는 광섬유 이득블록으로 더 구성된다.
각각의 MM 다이오드 레이저와 광섬유 이득블록의 최적동작범위는 55% 까지 전반적으로 최대 시스템효율을 제공하며 각각의 최대효율의 중첩을 달성하도록 일치된다.

Description

고출력 고효율 광섬유 레이저 및 상기 레이저의 월 플러그 효율을 최적화하는 방법{HIGH POWER HIGH EFFICIENCY FIBER LASER AND METHOD FOR OPTIMIZING WALL PLUG EFFICIENCY THEREOF}

본 출원은 45%를 초과한 강화된 월-플러그 효율("WPE")을 갖는 고출력 광섬유 레이저 및 강화된 WPE를 갖는 고출력 광섬유 레이저를 구성하는 방법에 관한 것이다.

고출력 광섬유 레이저는 종래 레이저 소스에 비해 높은 신뢰도, 적은 유지보수, 작은 풋프린트 및 저가의 유지보수비를 포함한 이점으로 인해 많은 산업적 응용을 위한 레이저의 선택이 되어왔다. 광섬유 레이저 및 광섬유-결합 레이저 시장의 기본적 요구는 비용절감이다. 따라서, 무엇보다도, 월-플러그(wall-plug) 효율, 즉, 레이저 시스템의 전체 전기-광 출력효율을 높이는 것이 중요하다.

일반적으로, 고체상태 레이저의 효율은 3개의 주요 파라미터들, 즉, 펌프 반도체 레이저 다이오드 전기-광 변환효율, 활성매질로 펌프광의 커플링 또는 이송 효율, 및 능동이득매질의 광-광 변환효율과 레이저 그 자체에서 이어지는 전력 손실에 의해 결정된다. 물론, 이들 파라미터들은 서브-파라미터들로 더 나누어질 수 있다.

펌프 반도체 레이저 다이오드의 효율은 50% 전기-광 효율의 크기로 높다. 실험 결과는 심지어 더 나은데, 전기 펌프 에너지의 70% 이상이 광으로 변환된다. 이 출력 파장이 광섬유 레이저 흡수라인에 주의 깊게 매치되면, 그 결과가 펌프 광섬유 레이저의 강화된 월 플러그 효율("WPE")이다.

광-광 변환효율은 작은 양자결함, 높은 여기 및 추출효율과 배경손실에 따른다. 이는 60%에서 90%의 크기일 수 있다.

물론, 레이저 구성부품들과 전자장비의 열적 제어와 같은 광섬유 레이저 시스템의 다른 구성부품들, 다이오드를 모니터하기 위한 보조 제어전자장비, AC-DC 전력변환효율 및 기타 등등이 추가 손실을 일으킨다. 그러나, 시스템의 전체 비효율성에 대한 이들의 누적된 기여는 상대적으로 크지 않다. 반도체 레이저를 제외하고 레이저 기술분야의 당업자에 잘 알려진 바와 같이, 양수인에 의해 제조되고 YLS-xxx-Y13으로 지정된 광섬유 레이저를 포함한 모든 알려진 다른 타입의 레이저들은 25% 에서 35% 범위의 WPE로 동작한다. 이런 범위의 상한은 높아져야 하며 시장의 수요를 충족시키기 위해 상당히 올라가야 한다.

따라서, 공지 기술의 고출력 광섬유 레이저보다 더 큰 전체 WPE를 갖는 고출력 광섬유 레이저에 대한 필요성이 있다. 바람직하기로, Yb 고출력 광섬유 레이저는 약 45% 내지 55% 사이의 효율 범위에서 동작한다.

광섬유 레이저 시스템의 특정 구성부품들로 다시 돌아와, 모든 레이저 부품은 다른 파라미터들로부터 그 자신의 효율 의존성을 갖는다. 예컨대, 전원의 WPE는 출력 전압 및 동작 전류에 따른다; 펌프 레이저 다이오드("PLD")의 WPE는 LD 전류 등에 따른다. 특히 레이저 다이오드는 비효율적이다. 레이저 다이오드가 광을 생성하기 시작할 때까지, 소비전력이 단순히 낭비된다. 동일한 문제가 광섬유 블록에 관도 관련되나, 손실은 실질적으로 레이저 다이오드의 손실보다 더 낮다. 모니터, 제어회로, 드라이버 및 기타 구성부품들과 같은 전자부품들이 전체 손실에 기여하나, 레이저 다이오드에 비해, 이들의 기여는 고출력전력에서 오히려 크지 않다.

따라서, 개개의 부품들이 55% 효율까지 광섬유 레이저 시스템의 전체 효율에 기여하는 각각의 최대효율범위 내에서 동작하도록 구성된 고출력 광섬유 레이저 시스템에 대한 필요성이 더 있다.

전체 월 플러그 비효율성에 대한 주요 기여자, 즉, PLD를 참조하면, 작동시 다수의 손실 방식들이 있다. 하나는 간단히 레이저에서 밀도반전을 얻기 위한 소모되는 소정량의 구동전류를 포함하는 소위 임계치 미만이다. 또한, 캐리어를 소비하는 비방사식 방법들이 있다. 두번째 방식은 밴드 정렬을 포함한다: 레이저 다이오드는 다양한 헤테로구조 인터페이스의 밴드 구조의 오정렬로 인해 발생한 전압 결손을 극복해야 한다. 결손이 극복될 때까지, 유용한 광출력이 발생될 수 없다. 또 다른 방식은 캐리어 누설인데 포톤을 효과적으로 만들기 위해 양자우물에 할 수 없는 쌍극 캐리어를 말한다. 산란 및 흡수로 알려진 다른 방식은 양자우물, 웨이브가이드, 또는 불완전 미러들 내에 발생한 산란으로 인해 웨이브가이드에 머물지 못하는 생성된 포톤들 때문이다. 추가로, 웨이브가이드 내 포톤들은 자유-캐리어에 의해 흡수될 수 있다. 그리고 마지막으로, 줄열 방식이 다이오드의 유효한 일련의 저항으로 인해 발생하며, 이는 접촉 저항뿐만 아니라 헤테로구조 그 자체에서 벌크 저항을 포함한다. 열거된 손실방식 모두들 중에, 임계치 미만 방식이 PLD의 WPE에 가장 유해하다.

그러므로, LD의 동작 효율이 떨어지는 전류 임계치에서 동작하더라도 하나 이상의 PLD로 구성된 고출력 광섬유 레이저 시스템에 대한 필요성이 더 있다.

상술한 필요성은 개시된 고출력 광섬유 레이저 및 이 시스템을 구성하기 위한 방법에 의해 해결된다.

개시된 고출력 광섬유 레이저 시스템은 이득매질에 결합되는 하나 이상의 PLD 방출 다중모드로 구성된다. 고출력 광섬유 레이저 시스템, 즉, 출력전력이 수십 및 수백 kW에 달할 수 있는 신호광을 출력하도록 동작하는 시스템의 임의의 설계에 내재하는 전제 중 하나는 매우 간단하고 레이저 기술, 즉, 개개의 레이저 다이오드들의 출력 증가가 당업자에 잘 이해된다. 고출력에 대한 끊임없는 추구의 결과로서 레이저 다이오드 기술분야에 주목할만한 전력수준이 달성되었다. 레이저 기술분야의 당업자가 쉽게 인식하듯이 최대 이용가능한 전력에 달한다는 것은 다이오드 전류의 소정의 최대수준에서 수행될 수 있다.

본 출원의 발명 개념은 오히려 직관적에 반하는 접근을 기초로 한다. 최대전력을 이끄는 고입력 전류로 PLD를 동작하는 대신, 본 발명은 증가된 출력전력에도 불구하고 소정의 기설정된 임계치 미만의 전류레벨, 즉, PLD의 효율이 떨어지기 시작하는 전류레벨을 이용한다. 고출력 광섬유 레이저 시스템의 다양한 부품들의 다른 최적으로 선택된 파라미터들과 조합해 최적의 레이저 다이오드들의 증가된 WPE는 약 55%에 달할 수 있는 전체 시스템의 전반적 효율과 같다. 본 발명의 목적을 위해, WPE는 물과 같은 냉각유체를 레이저에 제공하기 위한 임의의 칠러(chiller)를 동작시키는데 필요한 전력을 포함하지 않는다.

55%까지의 WPE는 파이어니어링 넘버(pioneering number)이다. 광섬유 레이저 산업과 레이저 물리학에서 진보된 정도로 수년간의 경험을 각각 가진 본 출원인은 단일의 이용가능한 광섬유 레이저, 특히 40%에 달하는 WPE를 갖는 고출력 Yb 광섬유 레이저를 알지 못한다.

더욱이, 임계치 미만의 전류레벨에서 동작하는 레이저 다이오드의 사용은 다이오드의 유용한 수명을 상당히 증가시킨다. 개개의 PLD의 전력을 감소시킴으로써 대표적인 PLD와 관련된 온도보다 낮은 고온과 관련된 열동역학적 프로세스에 덜 유해한 결과를 초래한다. 그 결과, 개시된 광섬유 레이저 시스템을 구동하는 비용이 크게 줄어든다.

PLD에 의해 야기된 손실이 가장 큰 반면에, 개시된 고출력 광섬유 레이저의 다른 많은 부품들은 증가된 WPE에 기여하도록 동작하게 구성된다.

상기를 토대로, 본 발명의 레이저는 레이저의 하우징 내부에 20-25℃ 내에 있게 유지되는 실온으로 입력된 직류를 각각 수신하는 복수의 피그테일형 다중모드(MM) 다이오드 레이저들로 구성된다. 다이오드 레이저들 각각은 최적동작범위에서 소정 파장으로 동작하도록 구성되고, 다이오드 레이저는 63% 내지 75%의 WPE 범위로 동작한다. 각 다이오드 레이저에 입력된 직류는 다이오드 레이저의 효율이 감소하기 시작하는 반면 다이오드 레이저의 출력전력은 계속 증가하는 레이저 다이오드의 효율곡선에서 임계치 미만이게 선택된다. 레이저는 누적 펌프출력으로 펌핑되고 최적동작범위에서 소정 파장으로 수백 와트 내지 수십 킬로와트의 전력 범위에서 레이저 출력을 방출하도록 동작하는 능동 광섬유 매질을 갖는 광섬유 이득블록으로 더 구성된다. 능동 광섬유는 바람직하게는 대향단부가 각각의 SM 광섬유에 결합되고 전체 광섬유 이득블록이 광-광 효율이 80% 내지 90% 사이 범위에 있는 최적동작범위에서 동작하게 구성된다.

각각의 MM 다이오드 레이저와 광섬유 이득블록의 최적동작범위는 일치되어 전체 최대시스템 효율은 55%까지에 이르게 된다. 개별적으로 그리고 다른 것들과 조합해 하기의 부품들 모두도 또한 전체 최대 55% WPE에 기여하도록 구성된다. Yb 고출력 광섬유 레이저에 대해, 전체 WPE는 45-55% 범위에 있다.

예컨대, 복수의 디지털 부품들을 포함한 드라이버 유닛은 적어도 98%의 최적효율범위에서 동작하게 구성된다. 전원블록은 드라이버 유닛에 전력을 공급하고, 다이오드 레이저들, 전원블록, 및 드라이버의 각각의 최대효율과 중첩될 경우 최대시스템효율을 제공하는 약 95%의 최대효율을 최적효율범위에서 전원블록의 동작에 제공하도록 구성된 복수의 전자 디지털 부품들을 포함한다.

따라서, 이들 및 다른 특징, 목적 및 이점은 하기의 상세한 설명에서 상세히 언급될 것이다.

본 발명의 내용에 포함됨.

첨부도면을 토대로 상세한 설명이 더 쉽게 이해될 것이다.
도 1은 개시된 고출력 광섬유 레이저 시스템의 광구성도이다.
도 2는 도 1의 광섬유 레이저 시스템의 전반적인 효율을 도시한 그래프이다.
도 3은 PLD의 효율 대 LD 전류의 전형적인 의존성을 도시한 그래프이다.
도 4는 특정 출력전압에 대한 전원의 WPE 대 출력전류의 전형적인 의존성을 도시한 그래프이다.
도 5는 소정의 냉각수 온도에서 PLD의 누적 스펙트럼 대 LD 전류의 그래프를 도시한 것이다.
도 6은 소정의 냉각수 온도에서 PLD의 누적 스펙트럼 대 LD 전류의 중심 파장 의존성을 도시한 것이다.
도 7은 이테르븀("Yb") 광섬유 블록의 효율 대 LD 전류의 의존성을 도시한 것이다.
도 8은 Yb 광섬유 블록의 출력전력 대 펌프 전력의 대표적인 의존성을 도시한 것이다.

본원의 하기의 부분은 Yb 광섬유 레이저에 관한 것이다. 그러나, 당업자는 모든 관련된 희토류 원소들을 포함한 임의의 광섬유 이득맥질에도 완전히 적용될 수 있음을 쉽게 인식한다. 레이저 기술분야의 당업자가 쉽게 인식하는 바와 같이, 임의의 레이저의 WPE는 선택된 희토류 원소에 의존한다. 당업자는 에르븀(Er) 및 툴륨(Tm)은 WPE가 Er 및 Tm의 고유한 물리적 특징들로 인해 Yb 광섬유 레이저의 것보다 약간 더 낫을 것이란 것을 명백히 이해한다. 그러나, 하기의 논의는 Yb 오실레이터(레이저)에 기초하나, 광섬유 증폭기는 본원의 범위 내에 본질적으로 포함되고 본 명세서에서 하기에 개시된 방법은 Yb 희토류 이온들과는 다른 것을 기초로 한 레이저 및 증폭기에도 적용된다.

광섬유 레이저의 부품들 각각은 다수의 파라미터들의 함수인 최적의 효율로 동작할 수 있다. 본원의 개념은 본 부품의 동작을 특징을 하는 선택된 파라미터 또는 파라미터들이 부품의 최대 WPE를 제공하는 소정 범위 내에서 변하도록 시스템의 부품들 중 적어도 하나로 구성된 전체 광섬유 시스템의 증가된 효율과 관련 있다.

도 1을 참조하면, 예시적인 고출력 광섬유 레이저 시스템(100)은 복수의 부품들로 구성된다. 이득블록은 임의의 적절한 희토류 원소 또는 이들 원소들의 조합으로 도핑된 광섬유(3)와 같은 이득매질을 둘러싼 하우징(1)으로 구성된다. 예컨대, 능동 광섬유(3)는 더블클래드 구성을 가질 수 있고 레이저 기술분야의 당업자에 알려진 많은 산업적 광섬유 레이저 적용의 선택 원소인 Yb 이온으로 도핑될 수 있다. 대표적으로, 능동 광섬유(3)는 미국특허 Noo.에 개시된 바와 같이 소정 파장에서 실질적으로 유일한 기본모드의 전파를 지지할 수 있는 다중모드 코어로 구성된다. 그러나, 물론, 능동 광섬유는 단일모드 코어를 가질 수 있다. 따라서, 코어의 구성에 무관하게, 본 발명의 레이저의 출력은 단일모드로 방출된다.

스플라이스 영역(4)을 따라 능동 광섬유의 각 단부에 스플라이스된 각각의 단일모드 입출력 수동 광섬유(6)가 능동 광섬유(3)의 대향단부에 결합된다. 강한 입력 및 약한 출력 광섬유 브래그 격자(5)가 각각의 수동 광섬유(6)에 그려지고, 능동 광섬유(3)의 전체 길이를 포함한 공진 공동 사이에 정의한다. 도시된 바와 같이, 레이저 시스템(100)은 오실레이터를 수용하는 단일 이득블록으로 구성되나, 당업자에 의해 쉽게 인식되는 바와 같이, 시스템(100)은 함께 연결된 다수의 광섬유 이득블록들을 가질 수 있고 각각은 증폭기로서 구성된다. 증폭기를 오실레이터와 구별하는 유일한 구조적 차이는 격자의 부재를 포함한다. 더욱이, 도시된 블록에 꼭 일치하게 각각 구성된 다수의 이득블록들은 가령 소정 목적지로 신호광을 전달하는 단일 전달광섬유(9)를 갖는 미국특허 No. 7953435 및 미국특허출원번호 No. 및 기타에 개시된 SM-MM 컴바이너(8)에 함께 결합된 각각의 출력 광섬유들(7)을 가질 수 있다.

미국특허번호 7,773,655 및 기타에 따라 구성된 펌프(102)는 다중모드("MM")로 펌프광을 방출하는 다수의 개개의 PLD(11)를 포함한다. PLD로부터 펌프광이 펌프 커플러(2)에 의해 이득매질(3)에 결합되는 각각의 MM 펌프광 전달 광섬유(10)에 결합된다. 도시된 바와 같이, 펌프광은 반대방향으로 이득매질(3)에 결합되나, 동일 또는 반대 전파 커플링 방향들 중 단 하나만이 사용될 수 있다. 전원블록(13)은 당업자에 알려진 바와 같이 드라이버(12)에 결합된 전류를 출력한다.

개시된 바와 같이 고출력 광섬유 레이저 시스템(100)은 오히려 대표적인 구성을 갖는다. 이 시스템의 신규성은 시스템(100)이 55% 까지 전체 시스템 WPE를 갖게 하는 각각의 최대 WPE로 선택된 부품들이 동작하도록 하나 이상의 개시된 부품들을 구성하는 것을 포함한다.

모든 레이저 부품들의 효율이 파라미터의 특정 범위 내에서 최대에 도달한다. 다른 레이저 부품들의 이들 최적 동작 범위는 최대 시스템 효율에 이르는 효율 최대의 중첩을 달성하도록 매치된다. 펌프와 광섬유 이득블록과 조합된 레이저 부품들 각각은 단지 Yb 고출력 레이저에서 45-55% 효율 범위를 강화시킬 수 있다. 유사하게, 이득블록 및 펌프와 함께 모든 부품 또는 부품들의 임의의 조합이 본 발명의 효율 범위를 산출한다.

도 2는 전체 전력소비, 즉, 시스템 부품의 누적 소비로부터 약 1kW SM 출력을 방출하도록 동작하는 시스템(100)의 출력전력의 일반적인 의존성을 도시한 것이다. 이 의존성은 어림잡아 약 200W의 임계치를 갖는다. 이는 초기 200W가 낭비되고 대표적으로 바람직하지 못한 열로 변환된 것을 의미하는 것으로 상기 열은 강력한 냉각 시스템을 필요로 하며, 차례로, 전체 시스템의 비효율성에 기여한다. 임계치가 0으로 이동될 수 있으면, 전체 WPE, 즉, Pout/Pin 비율은 점차 더욱더 균일하게 될 것이다. 다시 말하면, 시스템의 전체 효율은 출력전력과 별개가 될 것이다. 그러나, 실제로, 완벽하게 효율적인 레이저 시스템을 구성하는 것이 불가능하다. 예컨대, 소정량의 구동전류가 레이저 다이오드에서 단순히 밀도반전을 얻기 위해 소비되어야 한다. 유사한 방식이 임의의 이득매질에서 작용한다. 따라서, 개시된 시스템의 목표는 자연이 허락하는 만큼 낮은 임계치에서 동작하는 것이다. 이는 적어도 하나, 그러나 ,바람직하게는 모든 시스템 구성부품들의 효율을 최적화함으로써 달성된다.

도 1과 결부해 여기서 고려된 도 3은 소정 전압에서 구동전류("LD")로부터 PLD(11)의 WPE의 대표적인 의존성을 도시한 것이다. 일반적으로, LD의 WPE = 유용한 광출력전력 ÷ (입력전류 × 디바이스 양단의 전압강하). PLD의 동작은 도 1의 시스템(100)의 전체 비효율성에 기여하는 가장 손해를 끼치는 요인들 중 하나이다. 이 요인의 중대성을 최소화기 위해, 레이저 다이오드들 각각은 최적 전류범위 내에서 동작하는 것이 필수적이다. 도 3의 그래프는 PLD(11)의 최대 WPE가 5A 주위의 LD 범위에 해당하는 것을 명백히 나타낸다. 그러나, 일반적으로, 도 1에 도시된 타입의 고출력 광섬유 레이저 시스템에 사용된 레이저 다이오드들은 펌프광의 와트수를 늘리도록 9에서 13A 범위에서 동작한다. 그 결과, 5A 이상의 점진적으로 높은 수준에서 PLD(11)를 동작시킴으로써 소정 전압에서 다이오드의 WPE가 점차 감소된다.

PLD(11)의 최대 WPE를 고려하면, Yb 광섬유 레이저 시스템(100)의 펌프(102)는 약 63% 만큼 큰 다이오드 WPE에 해당하는 각각 구동전류의 4 내지 6A 범위 내에서 동작하는 PLD(11)로 구성된다. 바람직하기로, PLD(11)는 5A에 더 가까운 구동전류로 펌프광에 레이저를 비춘다. 비교로, 레이저 다이오드의 알려진 가장 높은 효율은 60% 미만이며, 희박한 경우, 약 70%에 달하나 단지 실험실에서만 가능할 수 있다. 펌프(102)를 가진 개시된 시스템(100)은 현장 조건에서 동작하도록 구성되고 대량생산을 위해 준비된다. PLD(11)는 시스템(100)을 포함한 kW 레이저 시스템에 사용된 레이저 다이오드들과 동일한 레이저 다이오드들임에 유의하라. 각각의 최적화된 PLD(11)는 대표적인 높은 암페어수의 범위 내에서 그리고 보다 상세하게는 1kW 광섬유 레이저에 대해 대표적인 바와 같이 13A로 동작할 수 있다. 그러나, 이와 같은 높은 전류는 효율 관점에서 결코 맞지 않다.

도 1 및 도 4를 참조하면, 전원(13)의 WPE는 출력전압 및 동작전류에 따른다. 도 4는 특별한 출력전압에 대해 출력전류로부터 전원의 WPE의 대표적인 의존성을 나타낸다. 전원(13)에 대해, 도시된 최적전류범위는 15-25A이다.

도 1 및 도 5-6을 참조하면, Yb 광섬유(3)의 펌프 변환효율은 펌프 복사의 파장에 엄격히 따르는 펌프 흡수율에 의존한다. 이테르븀 도핑된 능동 광섬유에서 최대펌프흡수는 975nm PLD 파장과 일치한다. 차례로, PLD 복사의 파장은 LD 전류 및 냉각조건에 따른다. 특히, 파장 스펙트럼은 LD 전류와 높은 냉각수 온도가 증가함에 따라 더 긴 파장으로 옮겨간다(도 5 및 6).

도 1, 도 3-8을 참조로, 시스템(100)의 각 부품들의 다양한 개개의 최적화된 효율값들을 알고 있다면, 최적값은 시스템(100)의 최적 효율을 달성하게 매치되어야 한다. 예컨대, 도 3에 도시된 최대 PLD 효율은 PLD(11)의 975nm 파장과 일치해야 한다. 이런 구성은 정상 냉각조건 하에서 LD 전류 5-6A에서 약 975nm의 방출을 보장하고 광섬유들(6 및 3) 간에 펌프 커플 및 스플라이스를 포함한 Yb 광섬유 블록에 의해 5-6A LD 전류에서 펌프변환효율의 최대값을 가능하게 한다. Yb 광섬유 블록의 변환효율은 약 83%에서 87%까지 그리고 PLD(11)의 최적의 5A 작동전류와 각각의 온도 15℃, 18℃ 및 21℃에서 심지어 90%에 이른다. 레이저의 하우징 내에 최적의 온도 범위는 20℃ 내지 25℃ 사이에 이르는 실온에 있도록 결정된다.

상술한 부품들의 최적화 이외에, 다른 시스템 부품들도 또한 최적화될 수 있다. 45%를 넘는 시스템(100)의 전반적 효율에 대해. 각각의 시스템 부품들의 하기의 개개의 최적효율값이 결정되고 다음과 같이 아래에 열거되어 있다:

A. 펌프 레이저 다이오드(PLD)(11)는 6A의 LD 전류와 적절한 냉각조건에서 62% 미만의 월-플러그 효율을 가져야 한다.

B. PLD의 구동 전자장비(12)는 전체 LD 전류범위에 걸쳐 2% 미만의 손실을 보장해야 한다.

C. 전원(PS)(13)의 최대효율은 94%보다 커야 한다.

D. 이트레븀 광섬유 블록(YFB)은 87%보다 큰 펌프변환효율을 가져야 한다. 이 요건은 하기의 구성에 의해 충족된다:

d1. 능동 광섬유(3)의 사전 선택. 능동 광섬유는 낮은 펌프 손실, 낮은 신호 손실 및 높은 펌프흡수를 가져야 한다.

d2. 능동 광섬유(3)의 기본모드는 낮은 스플라이스 손실을 보장하기 위해 수동 광섬유(6)의 기본모드와 일치해야 한다.

d3. 광섬유 브래그 격자(FBG)(5)는 각각의 수동 광섬유(6)에 그려져야 한다. FBG는 낮은 고유손실을 가져야 한다.

d4. 펌프 커플러(2)는 2% 미만의 손실을 가져야 한다.

E. 필요하다면, 다수의 YFB의 단일모드 복사가 결합요소(8)에 의해 출력 다중모드 광섬유(9)로 내보내질 수 있다. 이런 경우, 결합요소는 1.5% 미만의 손실을 가져야 한다.

상기 모두가 87% 보다 큰 YFB 펌프 변환효율의 최대값을 달성하게 한다.

보다 더 구체적으로, 직류를 출력하는 드라이버 유닛은 98%의 최대효율을 가지며 최적효율범위에서 동작하도록 구성되고, 여하튼 드라이버 유닛은 다이오드 레이저의 최대효율범위에 걸쳐 2% 보다 낮은 손실을 가지며 동작하게 구성된다.

전원 블록은 드라이버 유닛에 전력을 공급하고 전원블록의 동작에 약 95%의 최대효율을 제공하도록 구성된 복수의 디지털 부품들을 포함한다. 광섬유 이득블록의 출력에 직접 연결되고 레이저 출력을 목적지점으로 가이드하는 전달 광섬유는 본 발명에 따라 구성되고 나란히 연결된 복수의 SM 광섬유 레이저들이 소정 파장에서 0.1% 미만의 손실을 갖도록 구성된 SM-MM 컴바이너에서 결합된 각각의 SM 출력을 가지면 소정 파장에서 0.1% 미만의 손실을 갖도록 구성된다. 따라서, 각 레이저는 MOPA 구성을 정의하는 2개의 이득블록을 포함하도록 구성된다.

45%보다 큰 WPE 광섬유 레이저들인 개시된 구조의 수많은 이점들 중에서, 하기의 이점들이 특히 중요하다:

낮은 전력소모, 낮은 동작비용

생태학적 문제. 에너지 소비 절감으로 이산화탄소 및 기타 온실가스의 방출도 감소하게 한다.

낮은 열부하. 냉각 시스템은 이 경우 더 간단해지고 더 저렴해질 수 있다.

더 긴 동작수명을 보장하는 레이저 설계가 더 튼튼하고 신뢰할 수 있다.

개시된 구조로, 개시된 효율범위로 동작하는 레이저 다이오드는 효율곡선에서 최적 지점 너머로 최대 암페어수로 잘 동작하는 적은 개수의 레이저 다이오드들로 생산될 수 잇는 펌프출력과 실질적으로 일치하는 펌프출력을 생성한다. 최대 암페어수에 대한 대표적인 범위는 고출력 이테르븀 광섬유 레이저에 대해 12 내지 13A 사이에서 변하는 반면, 효율범위는 동일한 레이저에 대해 4 내지 6A 사이에서 변할 수 있다.

첨부도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예들 중 하나를 기술하였으나, 본 발명은 이들 정확한 실시예들에 국한되지 않음을 알아야 한다. 개시된 바와 같이, 다른 희토류 원소들도 광섬유를 도핑하는데 사용될 수 있다. 다른 파장, 광섬유 파라미터 및 희토류 도판트를 포함한 다양한 변화, 변경 및 적용들도 개시된 바와 같이 본 발명의 기술사상 또는 범위로부터 벗어남이 없이 당업자에 의해 행해질 수 있다. 상기 각각에 대한 상술한 적용 및 특허 모두는 전체적으로 본 명세서에 합체되어 있고 본 출원의 필수적인 부분인 것으로 간주된다.

Claims (12)

1. 각각이 실온에서 입력된 직류를 수신하고, 누적 펌프출력에서 함께 결합된 각각의 출력들을 방출하도록 동작하며, 최적동작범위에서 소정의 파장으로 동작하도록 구성되고, 63% 내지 75%의 WPE 범위로 동작하는 복수의 피그테일형 다중모드(MM) 다이오드 레이저들; 및
   누적 펌프출력으로 펌핑되고 최적동작범위에서 소정 파장으로 수백 와트 내지 수십 킬로와트의 전력 범위에서 레이저 출력을 방출하도록 동작하는 이득매질을 갖는 광섬유 이득블록을 포함하고,
   입력된 직류는 다이오드 레이저의 효율이 감소하기 시작하는 반면 다이오드 레이저의 출력전력은 계속 증가하는 레이저 다이오드의 효율곡선에서 임계치 미만이며,
   광섬유 이득블록은 광-광 효율이 80% 내지 90% 사이 범위인 최적동작범위에서 동작하며,
   각각의 MM 다이오드 레이저와 광섬유 이득블록의 최적동작범위는 55% 까지 전반적으로 최대 시스템효율을 제공하며 각각의 최대효율의 중첩을 달성하도록 일치되는 높은 월 플러그 효율(WPE)의 광섬유 레이저.
2. 제 1 항에 있어서,
   이득매질은 이테르븀(Yb) 이온들로 도핑되고, Yb 이득블록을 가진 광섬유 레이저의 최대시스템효율은 45% 내지 55% 사이 범위인 높은 월 플러그 효율(WPE)의 광섬유 레이저.
3. 제 1 항에 있어서,
   레이저 다이오드들 각각은 20℃ 내지 25℃로 변하는 실온 범위에서 63%-75% 효율범위로 동작하는 높은 월 플러그 효율(WPE)의 광섬유 레이저.
4. 제 1 항에 있어서,
   각각의 다이오드 레이저들의 입력에 결합된 전류신호를 출력하도록 서로 연결된 복수의 디지털 부품들을 포함하고, 소정 파장에서 최대시스템효율을 제공하기 위해 다이오드 레이저와 이득블록의 각각의 최대효율과 중첩되는 98% 최대효율과 더불어 최적효율 범위에서 동작하도록 구성된 드라이버 유닛을 더 포함하는 높은 월 플러그 효율(WPE)의 광섬유 레이저.
5. 제 4 항에 있어서,
   드라이버 유닛에 전력을 공급하고, 다이오드 레이저들, 전원블록, 및 드라이버의 각각의 최대효율과 중첩될 경우 최대시스템효율을 제공하는 약 95%의 최대효율을 최적효율범위에서 전원블록의 동작에 제공하도록 구성된 복수의 디지털 부품들을 포함하는 전원블록을 더 포함하는 높은 월 플러그 효율(WPE)의 광섬유 레이저.
6. 제 1 항에 있어서,
   광섬유 이득블록은 희토류 원소들의 이온들로 도핑된 능동 광섬유로 구성되고, 능동 광섬유는 단일모드 코어 또는 다중모드 코어에서 선택된 코어를 가지며, 코어는 단일모드에서 레이저 출력을 방출하도록 구성된 높은 월 플러그 효율(WPE)의 광섬유 레이저.
7. 제 6 항에 있어서,
   광섬유 이득블록의 출력에 직접 연결되고 목적 지점으로 SM으로 레이저 출력을 가이드는 전달 광섬유을 더 구비하고, 상기 전달 광섬유는 최대시스템효율을 제공하기 위해 소정 파장에서 0.1% 미만의 손실을 갖게 구성된 높은 월 플러그 효율(WPE)의 광섬유 레이저.
8. 제 6 항에 있어서,
   서로 나란히 결합되고 광섬유 이득블록으로 구성된 복수의 높은 WPE 레이저들을 더 포함하는 높은 월 플러그 효율(WPE)의 광섬유 레이저.
9. 제 8 항에 있어서,
   전달 광섬유, 및 각각의 WPE 레이저의 광섬유 이득블록들과 레이저 출력을 목적 지점으로 가이드하는 전달 광섬유 간에 결합되는 SM-MM 광섬유 컴바이너를 더 구비하고, 광섬유 컴바이너는 2% 미만의 손실을 갖도록 구성되며, 전달 광섬유는 최대시스템효율을 제공하기 위해 소정 파장에서 0.1% 미만의 손실을 갖게 구성된 높은 월 플러그 효율(WPE)의 광섬유 레이저.
10. 제 1 항에 있어서,
    마스터 오실레이터/전력증폭기 구성(MOPA)에서 광섬유 이득블록의 입력과 직렬로 연결된 추가 광섬유 이득블록을 더 구비하는 높은 월 플러그 효율(WPE)의 광섬유 레이저.
11. 다이오드 레이저의 효율이 감소하기 시작하는 반면 다이오드 레이저의 출력전력은 계속 증가하는 레이저 다이오드의 효율곡선에서 임계치 미만인 직류를 발생하는 단계;
    실온으로 각각의 피그테일형 다중모드(MM) 다이오드 레이저에 직류를 연결시켜 소정 파장에서 그리고 63% 내지 75% 사이의 WPE 범위에서 각 다이오드 레이저를 동작시키는 단계;
    누적 펌프출력에서 각각의 MM 다이오드 레이저들의 출력들을 함께 결합시키는 단계;
    광섬유 이득블록의 이득 매질로 누적 펌프출력을 입력해 광섬유 이득블록의 광-광효율이 80% 내지 90% 사이 범위에 있는 최적동작범위에서 소정 파장으로 수백 와트 내지 수십 킬로와트 사이의 전력범위로 레이저 출력을 방출하는 단계; 및
    55%까지 전반적인 최대시스템효율을 제공하며 각각의 최대효율의 중첩을 달성하기 위해 각각의 MM 다이오드 레이저와 광섬유 이득블록의 최적동작범위와 일치시키는 단계를 포함하는 광섬유 레이저의 월 플러그 효율(WPE)을 최적화하는 방법.
12. 제 11 항에 있어서,
    이득 매질은 이트레븀(Yb) 이온이고, Yb 이득블록을 가진 광섬유 레이저의 WPE는 45% 내지 55% 사이의 범위인 광섬유 레이저의 월 플러그 효율(WPE)을 최적화하는 방법.

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