KR20160108610A - 다중모드 파이버 - Google Patents

Abstract

단일체형 파이버는 주어진 파장에서 실질적으로 기본 모드만을 지원할 수 있으면서 대향 단부 영역들과, 각각의 단부 영역들로부터 내향 연장하는 절두원추형으로 형성된 변환 영역들과, 변환 영역들을 가교하는 중앙의 균일하게 치수설정된 영역을 구비하는 이중 병목형 다중모드(MM) 코어로 구성된다. MM 코어는 파이버의 길이를 따라 변하는 폭을 갖는 중앙에 위치된 딥을 구비하도록 구성된 굴절 단차 지수 프로파일을 갖는다. 딥의 폭은 가우스 프로파일을 갖는 기본 모드만을 지원하도록 MM 코어의 단부 영역들에서 비교적 작다. 딥이 입력 변환 영역을 따라 더 커짐에 따라, 이는 가우스 프로파일을 기본 모드의 링 프로파일로 점진적으로 성형하며, 이 기본 모드의 링 프로파일은 MM 코어의 중앙 영역을 따라 안내된다. 딥은 MM 코어의 출력 단부 영역으로부터 방사된 기본 모드의 실질적 가우스 프로파일로 다시 링 프로파일을 성형하도록 출력 전이 영역을 따라 점진적으로 더 작아진다. 굴절율 프로파일은 하나 이상의 희토류 원소로 도핑되고 실질적으로 기본 모드만을 증폭하도록 구성된 링 영역을 갖는다.

Description

다중모드 파이버{MULTIMODE FIBER}

본 발명은 다중모드(multimode; MM) 파이버의 입력에서 실질적으로 기본 모드의 여기(excitation)를 가능하게 하고, 고차 모드들과의 결합 없이 여기된 기본 모드를 안내할 수 있게 하는 형상으로 구성된 MM 파이버에 관한 것이다.

파이버 레이저들의 다양한 응용들이 고전력, 고 품질 빔(beam)을 필요로 한다. SM 능동 파이버들을 사용하는 파이버 레이저들은 광학적 비선형성들의 발생에 기인하여 전력이 제한된다. 한가지 일반적 해법은 소수의 고차 모드들(HOM)을 지원할 수 있지만 이들 HOM들의 여기 및 증폭을 방지하도록 구성된 MM 능동 파이버를 사용하는 것이다.

그러나, 이러한 MM 파이버들의 전력 스케일링도 유도 라만 산란(Stimulated Raman Scattering(SRS))을 포함하지만 이에 한정되지 않는 비선형성들의 존재에 의해 다소 제한된다. 아마도, 비교적 높은 광학적 비선형성 임계치를 도출하는 가장 효율적인 실용적 접근법들 중 한가지는 코어 직경을 증가시키고, 수치 구경을 감소시키며, 또한, 비선형 상호작용의 유효 길이를 감소시킴으로써 MM 파이버의 코어 내부의 전력 밀도를 감소시키는 것이다. 불행하게도, 이런 형상은 이하의 이유들 때문에 쉽게 얻어질 수 없다. 첫 번째로, 코어 직경의 증가는 쉽게 여기될 수 있는 HOM들의 수를 증가시키며, 이는 출력 빔의 품질에 유해한 영향을 준다. 두 번째로, 실제로 매우 낮은 Δn을 갖는 고품질 파이버의 제조는 매우 어렵다. 세 번째로, 이런 파이버들은 굴곡 부하들에 대해 민감하다.

파이버 레이저 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공지된 기술들 중 하나는 이하에 설명되는 바와 같이, 코어의 중앙 영역을 점유하는 도펀트 프로파일로 MM 파이버의 코어를 구성하는 것을 포함한다. 중앙 도핑 영역은 통상적으로 모드 결합의 결과로서 또는 MM 파이버들의 입력에서 발원되는 것으로서 고려되는 LP₁₁ 같은 주변 비제로(non-zero) 방위수 HOM(peripheral non-zero azimuthal number HOM)들의 여기를 효과적으로 최소화한다. 그러나, 중앙 도핑 영역은 MM 파이버의 입력 단부에서 LP₀₂ 같은 제로 방위수를 갖는 중앙 대칭 HOM들의 여기를 유발한다. 임의의 다른 여기된 HOM들과 같이 여기된 중앙 모드들은 기본 모드로부터 전력를 추출하는 경향이 있으며, 따라서 심각한 문제를 나타낸다.

따라서, 실질적으로 기본 모드만을 여기하기 위해 가장 바람직한 조건들을 제공하는 축 단면으로 구성된 MM 파이버에 대한 필요성이 존재한다.

MM 파이버가 실질적으로 기본 모드에 집중된 수십 kW 수준의 방사선을 출력할 수 있게 하는 비선형성들에 대한 더 높은 임계치들과 여기된 기본 모드의 증가된 유효 영역을 제공하는 굴절률로 구성된 코어를 갖는 MM 파이버에 대한 다른 필요성이 존재한다.

LP₀₂ 같은 중앙 대칭 모드들과의 결합 없이 실질적 기본 모드 LP₀₁을 이득 안내하도록 구성된 도펀트 프로파일을 갖는 MM 파이버 코어에 대한 또 다른 필요성이 존재한다.

기본 모드와 고차 모드 사이의 현저한 이득 편차를 제공하도록 구성된 상술된 MM 파이버 증폭기로 구성된 고출력 파이버 레이저 시스템에 대한 또 다른 필요성이 존재한다.

상술한 필요성들 모두는 파이버의 길이방향 축 상에 중심이 있고 이중 병목형 축 단면으로 구성된 코어와, 길이방향 축에 횡방향으로 연장하는 코어 축을 따라 중심이 설정된 제어가능하게 감소된 굴절률 영역을 갖는 MM 파이버에 의해 충족된다. 개시된 MM 파이버 증폭기의 특징들 각각은 공지된 종래 기술이 상술된 특성들 중 각각의 특성을 해결하며, 증폭기의 실질적 단일 모드(SM) 동작의 특성들을 개선시킨다.

본 발명의 일 양태에 따라서, 파이버 시스템의 MM 능동 파이버는 파이버의 대향하는 좁은 대향 단부들에서 결합 손실들을 최소화하도록 구성된 이중 병목 형상을 갖는다. 통상적으로, 고출력 파이버 시스템들에서, 입력 SM 빔은 MM 능동 파이버의 입력 단부에 이어진(spliced) SM 수동 파이버에 의해 전달된다. 각각의 파이버들의 코어 형상 및 굴절율이 서로 다른 경우, 즉, 각각의 단일 및 기본 모드들의 모드 필드 직경들(MFD) 및 형상들 또는 프로파일들이 서로 일치하지 않는 경우, HOM 여기의 가능성이 높다. 따라서, 코어의 비교적 좁은 입력 병목형 단부는 각각의 입력 SM 및 여기 기본 모드의 MFD들 및 형상들이 실질적으로 일치하도록 구성된다.

수십 kW 수준의 고출력들을 고려하면, 표준의 균일하게 구성된 코어를 따라 전파하는 광의 전력 밀도는 높고, 비선형성들에 대한 임계치는 낮다. 비선형 효과들의 존재는 고출력 파이버 레이저 또는 증폭기의 제한 인자이다. 따라서, 개시된 MM 파이버의 작은 단부 영역들은 비선형성들의 발원을 위해 충분히 짧은 반면, 파이버의 중앙 영역은 확장된 균일 직경을 가지고, 따라서 감소된 전력 밀도를 가능하게 하며, 결과적으로 비선형성들에 대한 상승된 임계치를 가능하게 한다.

MM 파이버 증폭기의 각각의 대향 단부들과 중앙 영역의 각각의 단부들을 연결하는 변환 영역들 각각은 원뿔대 모양의 단면을 갖는다. 따라서, 변환 영역들은 각각 광 경로를 따라 점진적으로 확장하고 점진적으로 좁아진다. 따라서, 변환 영역들의 형상은 경로를 따른 기본 모드 및 HOM들 사이의 결합을 최소화하는 여기된 기본 모드의 팽창 및 압축을 가능하게 한다. 따라서, 주로 기본 모드만이 입력 단부에서 여기되기 때문에, 개시된 MM 파이버의 형상은 이 모드의 보존 및 증폭을 제공하고, 그래서 실질적 기본 모드에서 강력한 출력을 갖게 된다.

본 발명의 다른 양태는 이중 병목 단면에 추가로, 비선형성을 위한 높은 임계치에 기여하는 파이버 구성에 관련된다. 특히, 개시된 MM 파이버는 여기된 기본 모드의 모드 필드 직경을 증가시키고, 따라서 비선형성들에 대한 임계치를 더욱 상승시키도록 구성된다.

MM 파이버의 대향 단부들에서의 여기된 기본 모드는 각각 입력 및 전달 SM 수동 파이버들 각각의 가우스 프로파일들에 대응하는 실질적인 가우스 프로파일을 갖는다. 가우스형 기본 모드의 MFD의 증가는 MM 능동 파이버의 중앙의 두꺼운 영역에 의해 지지되는 링 프로파일로의 가우스 프로파일의 변환을 제공하는 굴절율 프로파일을 갖는 개시된 파이버에 의해 실현된다. 구조적으로, 이는 굴절율 프로파일의 중앙 영역 내에 딥(dip)을 제공함으로써 달성된다.

기본 모드의 가우스 프로파일과 링 프로파일 사이의 불일치는 개시된 MM 파이버의 전체 길이를 따른 딥의 기하학적 형상에 의해 해결된다. SM 및 MM 파이버들 각각의 단일 및 기본 모드들의 프로파일들과 MFD들 사이의 원하는 일치를 보존하기 위해, 딥의 형상은 모드 프로파일 왜곡을 방지하기에 충분히 작다. 따라서, 각각의 SM 파이버들과 능동 MM 파이버의 이어진 단부들 모두는 실질적으로 가우스 프로파일을 갖는다.

딥(US 7,400,807 및 US 6,018,533 각각은 균일하게 치수의 딥을 개시함)의 폭은 MM 파이버의 확장하는 입력 변환 영역을 따라 점진적으로 증가하고, 중앙 영역의 입력에서 기본 모드의 링 프로파일에 대응하는 그 최대 크기에 도달한다. 이 모드의 유효 영역이 크면 클수록, 비선형성들에 대한 임계치가 더 높아진다. 출력 변환 영역은 가우스 프로파일로의 링 프로파일의 역변환에 도움이 되는 점진적으로 감소하는 딥의 폭으로 구성된다. 가우스 프로파일은 SM 전달 파이버의 가우스 프로파일의 것과 일치하는 MFD를 갖는다. 요약하면, 상술한 능동 MM 파이버 증폭기는 이음 영역에서 HOM의 여기 및 증폭 가능성을 최소화한다.

본 발명의 다른 양태에서, 개시된 MM 파이버 증폭기는 기본 모드에 현저한 이득을 제공하지만 LP₀₂ 같은 중앙 대칭 모드들의 증폭을 방지하도록 구성된 구조를 갖는다. 이는 링형 단면을 갖는 도펀트 프로파일을 제공함으로써 실현되며, 즉 링형 도펀트 프로파일은 굴절율의 중앙 및 주변 영역들 내에서 어떠한 이득도 제공하지 않는다. 그러나, 링형 도펀트 프로파일은 중앙 및 주변 코어 영역들 사이에 위치되어 있는, 기본 모드의 강도 프로파일이 그 피크들을 갖는 코어의 영역들에서 현저한 이득을 제공하도록 구성된다.

본 명세서 내에 포함되어 있음

이하의 설명, 첨부 청구범위 및 첨부 도면을 참조로 본 발명의 이들 및 다른 특징들, 양태들 및 장점들을 더 양호하게 이해할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따라 구성된 이중 병목형 단면을 갖는 MM 능동 파이버를 도시한다.
도 2는 도 1의 MM 파이버의 굴절율 프로파일을 도시한다.
도 3은 개시된 MM 파이버의 단부 영역들을 따른 각각의 중앙 대칭 및 기본 모드들의 굴절율 및 강도 필드 프로파일들을 도시한다.
도 4는 MM 파이버의 중앙 영역을 따른 각각의 중앙 대칭 및 기본 모드들의 굴절율 및 강도 필드 프로파일들을 도시한다.
도 5는 공지된 종래 기술의 고출력 파이버 시스템에서 관찰되는 굴절율 및 모드 프로파일들을 도시한다.
도 6은 주로 기본 모드의 이득 안내를 제공할 수 있는 도펀트 링 프로파일로 구성된 굴절율 프로파일을 구비하는 도 1의 MM 파이버를 도시한다.
도 7은 파이버 증폭기로서, 그리고 수동 전달 파이버로서 SM 고출력 파이버 레이저 시스템에 통합된 개시된 MM 파이버의 개략도를 도시한다.
도 8a는 도 1의 MM 파이버를 포함하는 SM 파이버 시스템의 측부 펌핑 장치을 예시하며, 특히, MM 파이버의 단부 영역들을 따라 연장하는 펌핑 장치의 일부를 도시한다.
도 8b는 도 1의 MM 파이버의 중앙 영역을 따른 측부 펌핑 장치의 일 실시예를 도시한다.
도 8c는 도 1의 MM 파이버의 중앙 영역을 따른 측부 펌핑 장치의 다른 실시예를 도시한다.
도 8d 및 도 8e는 도 1의 MM 파이버의 단부 펌핑 기술을 도시한다.

이제, 개시되어 있는 특수 파이버들의 제조 방법, 특수 파이버 자체 및 개시된 특수 파이버를 포함하는 고출력 파이버 레이저 시스템을 상세히 설명한다. 가능하다면, 도면들 및 상세한 설명에서는 동일 또는 유사 부분들을 지시하기 위해 동일 또는 유사 참조 번호들을 사용한다. 도면들은 단순화된 형태이며, 정확한 스케일과는 거리가 있다.

본 발명의 일 양태에 따라서, 단일체형 MM 파이버는 주로 소정 파장의 기본 모드의 여기를 제공하도록 구성된다. 코어의 입력 단부에서 실질적으로 기본 모드만의 여기와, 코어를 따른 왜곡되지 않는 전파를 위한 바람직한 조건들을 생성하는 MM 파이버의 개시된 구성이 이하에서 개시된다.

도 1은 MM 코어(12)와 적어도 하나의 클래딩(14)을 포함하는 MM 파이버(10)를 도시한다. 클래딩(14)은 다양한 형상들을 가질 수 있으며, 도시된 클래딩은 단지 예시적인 단면일 뿐이다. MM 코어(12)는 길이방향 축 A-A'을 따라서 볼 때 이중 병목형 단면에 관한 본 발명의 양태들 중 하나에 따라 구성된다. 따라서, MM 코어(12)는 대향하는 입력 및 출력 균일 치수 단부 영역들(36), 단부 영역들(36)의 직경보다 큰 직경을 갖는 중앙 영역 또는 증폭기(38) 및 각각 단부 영역(36)과 중앙 영역(38) 사이에 각각 위치되어 있는 두 개의 원뿔대 모양의 모드 변환기들(39)을 포함하는 다수의 영역들로 구조화되어 있다.

단부 영역들(36) 각각은 중앙 영역(38)보다 실질적으로 더 짧고 비선형 효과들의 발생을 방지하도록 치수가 설정되어 있다. 코어(12)의 입력 단부 영역(36)은 발사된(launched) SM 입력에 의해 여기되는 기본 모드의 MFD 및 필드 프로파일이 SM 발사된 입력의 각각의 MFD 및 프로파일과 실질적으로 일치하도록 구성된다. 특히, 기본 및 SM 모드들 양자 모두는 MFD들과 실질적으로 일치되는 각각의 실질적인 가우스 필드 프로파일들을 갖는다. 유사하게, MM 파이버(10)의 출력 단부(36)는 그 MFD 및 형상이 파이버(10)의 출력 단부에 이어진 전달 SM 파이버의 MFD 및 형상에 각각 일치하는 기본 모드로 출력 빔을 발사하도록 구성된다.

각각의 기본 및 단일 모드들의 실질적으로 일치된 MFD들 및 프로파일들은 입력 단부 영역에서 HOM들의 여기를 방지한다. 따라서, 파이버(10)가 능동 증폭 파이버로서 구성되는 경우, 즉, 코어(12)가 희토류 원소들로 도핑되는 경우, 여기된 모드는 코어(12)를 통한 그 경로를 따라 증폭된다. 대조적으로, 입력 단부 영역(36)에서 여기되지 않는 경우 HOM들은 파이버(10)를 따라 증폭되지 않을 수 있다. 그렇지 않으면, HOM들이 실질적으로 기본 모드의 증폭 정도로 증폭되는 경우, 기본 모드는 소위 모드 결합에 기인하여 전력 손실들을 겪게 된다. 물론, 파이버(10)는 상술된 바와 동일한 메커니즘을 갖지만, 그러나, 증폭 기능은 갖지 않는 수동 파이버로서 구성될 수 있다.

중앙 증폭기(38)의 확장된 코어 직경은 더 양호한 전력 취급 특성들을 가능하게 하는데, 그 이유는 증가된 코어 직경이 감소된 전력 밀도를 제공하며 따라서 SRS 같은 비선형성들에 대한 임계치를 상승시키기 때문이다. 그러나, 증가된 코어 직경은 통상적으로 증가된 그리고 매우 바람직하지 못한 HOM의 여기의 가능성과 연계된다. 따라서, HOM들의 여기의 가능성을 최소화하면서 비선형성들에 대한 비교적 높은 임계치를 제공하는 기본 모드 LP₀₁의 MFD를 증가시키는 것이 바람직하다.

도 1에 연계하여 설명된 도 2에 도시된 바와 같이, 증가된 MFD는 코어(12)의 굴절율 프로파일에 중앙 딥(18)을 제공함으로써 실현된다. 일반적으로, 제조 프로세스에 기인하여 MM 파이버들에 매우 통상적으로 형성되는 딥은 통상적으로 HOM 모드들의 여기 및 기본 모드 LP₀₁과의 결합의 원인이 되는 것으로 고려된다. 공지된 종래 기술과 대조적으로, 개시된 딥(18)은 이하의 이유들 때문에 고의적으로 그리고 제어가능하게 중앙 영역(38)을 따라 확장된다.

딥(18)은 확장된 가우스 프로파일보다 더 큰 중앙 영역(38)을 따른 코어 구역과 중첩하는 더 큰 링형 프로파일로 입력 영역(36)의 여기된 기본 모드의 실질적 가우스 프로파일을 변환하도록 구조화된다. 기본 모드의 MFD가 더 클수록, 비선형성들을 위한 임계치가 더 높다. 그러나, 가우스 및 링 프로파일들은 명백히 불일치하며, 통상적으로 이들 단부 영역들이 각각의 SM 입력 및 전달 파이버들에 이어지기 때문에 이는 MM 파이버(10)의 대향 단부 영역들(36)에서 특히 문제가 된다.

SM 파이버들은 통상적으로 실질적으로 가우스 프로파일을 갖는 단일 모드를 지원하도록 구성된다. MM 파이버(10)의 단부 영역들(36)이 기본 모드의 링 프로파일을 지원하도록 구성되는 경우, 광 전력의 결합 손실들은 상당할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따라, 딥(18)은 후술된 바와 같이 MM 파이버(10)를 따라 제어가능하게 변하는 구성으로 구성된다.

도 1에 관하여 설명된 도 3은 여기된 기본 모드의 가우스 모드를 최소로 왜곡시키도록 구성된 딥(18)을 구비하는, 개시된 단부 영역들(36)을 따른 코어(12)의 단차 굴절율을 도시한다. 달리 말하면, 단부 영역들(36)을 따른 딥(18)은 기본 모드의 가우스 프로파일을 왜곡시키지 않도록 치수설정된다. 바람직하게는, 단부 영역들(36)을 따른 딥(18)의 폭은 약 1λ와 약 5λ 사이의 범위 이내에서 변하며, 여기서, λ는 코어(12)가 실질적으로 기본 모드만을 지원할 수 있는 소정 파장이다. 기본 모드가 입력 변환 영역(39)을 따라 계속 전파될 때, 가우스 프로파일은 딥(18)의 점진적 확장에 기인하여 링 프로파일로 변환된다. 딥이 더 크면 더 클수록, 기본 모드는 더욱 더 링 형상이 된다.

도 4는 기본 모드가 MM 파이버(10)의 중앙 영역(38)에 진입할 때 발생하는, 기본 모드 LP₀₁의 연결된(articulated) 링 프로파일과 연계된 딥(18)의 최대 치수를 도시한다. 기본 모드 LP₀₁의 링 프로파일은 각각 두 개의 에너지 피크들(20, 22)과 피크 영역들을 연결하는 중앙에 위치된 계곡(valley)을 포함하며, 가우스 프로파일보다 더 큰 코어(12)의 영역을 점유하도록 확산된다. 딥(18)은 바람직하게는 불소 이온들로 코어(12)의 중앙 영역을 제어가능하게 도핑함으로써 실현될 수 있다. 대안적으로, 붕소의 이온들이 사용될 수 있지만, 붕소는 여기서는 고려되지 않지만 이 원소가 불소의 제어된 농도보다 덜 유리해지게 하는 소수의 효과들을 가질 수 있다. 또 다른 가능성은 코어(12)의 주변 영역들 내의 것과는 다른 인산염의 농도로 중앙 영역(32)을 제어가능하게 도핑하는 것이다.

능동 파이버(10)의 경우에, 코어(12)는 Yb, Er, Nd, Tm, Pr, Ce 및/또는 Ho 이온들과 그 조합들로 구성된 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 희토류 이온들로 전체적으로 도핑된다. 코어(12)의 호스트 재료는 실리카를 포함할 수 있지만, 바람직하게는 코어의 호스트 재료는 인산염을 포함한다. 인산염은 인산염 내의 도펀트들의 농도가 도파관의 열화를 초래하는 클러스터들을 생성하지 않고 실리카 내에서보다 실질적으로 높을 수 있기 때문에 유리하다. 통상적으로, Si 내의 클러스터들의 생성은 Yb 같은 이온들의 농도가 약 1000-2000 ppm에 도달할 때 Si 내의 클러스터들의 생성이 관찰된다. 대조적으로, 인산염 호스트 재료는 약 5000 ppm 이상까지의 희토류 이온 농도를 가능하게 한다.

도 3, 도 4 및 도 5를 각각 참조하면, 도 5에 도시된 공지된 종래 기술의 예시적 표준 MM 파이버에 비하여 도 3 및 도 4에 도시된 개시된 파이버의 장점들이 쉽게 인식될 수 있다.

도 5는 균일하게 치수설정된 MM 파이버(100)의 굴절 및 강도 프로파일들을 도시한다. 다년간, MM 파이버(100) 같은 MM 파이버들은 열악한 코어-클래드 동심성 및 코어 원형성 같은 불완전 구성으로 제조된다. 따라서, 임의의 SM 파이버와의 파이버(10)의 융합은 통상적으로, 각각의 HOM들 LP₁₁ 및 LP₀₂의 여기를 초래할 수 있으며, 이는 다른 HOM들 중에서, 이음 영역에서 가장 여기되기 쉽다. 주변 코어 영역을 점유하면, LP₁₁₀은 파이버가 불완전한 경우 쉽게 여기된다. 따라서, 공지된 기술들의 대부분은 이 모드(미국특허 제5,818,630호)의 여기를 방지 또는 최소화하는 것에 대부분 집중되어 있다. LP₀₂를 포함하는 대칭적 중앙 모드들의 여기는 덜 연구되었으며, 중앙 도핑 영역을 갖는 것들(미국특허 제5,818,630호) 같은 다수의 능동 파이버 구성들은 심지어 중앙 HOM들을 증폭시킨다.

파이버 제조 방법들의 출현으로, MM 파이버, 특히 능동 파이버들의 구성은 0.5㎛보다 작은 코어-클래드 동심성 및 0.99보다 큰 코어 원형성을 포함하는 "이상적" 특성들에 접근하는 경향이 있다. 또한, 융합된 파이버들 사이의 이음부들도 끊임없이 개선된다. 따라서, 이들 "이상적" 파이버들에서, 비대칭 모드들 및 특히 LP₁₁ 모드는 이음부 영역에서 그리고 대칭 원리에 기인하여 "이상적" MM 파이버들의 입력 단부 영역에서 여기되지 않을 수 있다. 유사하게, 함께 융합될 때 수동 "이상적" 파이버들은 또한 대체로 LP₀₂ 같은 중앙 대칭 고차 모드들만의 여기를 특징으로 한다.

도 3을 다시 참조하면, 실질적으로 이상적 구성을 갖는 것으로 고려되는 MM 파이버(10)의 개시된 구성은 MM 파이버(10)의 입력 단부에서 여기된 HOM들을 도시한다. 알 수 있는 바와 같이, 실질적으로 중앙 고차 모드 LP₀₂만이 기본 모드 LP₀₁을 따라 여기된다. 따라서, 중앙 영역(38)을 따른 개시된 파이버(10)의 구성은 이 중앙 HOM의 강도의 추가 증가를 방지할 뿐만 아니라, 바람직하게는 그 강도가 다소 감소되도록 이루어져야 한다.

도 4를 참조하면, 이는 파이버의 영역(28)을 따른 딥(18)의 존재가 중앙 코어 굴절율 영역(32)의 LP₀₂의 피크 강도를 최소화한다는 것을 쉽게 관찰할 수 있다. 또한, 기본 모드 LP₀₁의 윙들은 실질적으로 이득 없이 중앙 HOM LP₀₂의 윙들을 남기고 펌프 전력의 최대 부분(lion's share)을 추출한다. 그러나, 특정 딥 형상이 LP₀₂의 강도 프로파일이 기본 모드 LP₀₁ 중 하나와 유사한 링 형상을 취하도록 하기 때문에 딥(18)의 확대는 무한하지 않다는 것을 주의하여야 한다. HOM LP₀₂의 이러한 변환이 일어나는 경우, 순차적으로 비선형성들을 위한 매우 더 높은 임계치에 기여하는 기본 모드만의 증가된 유효 영역을 초래하는 딥(18)의 개시된 구성은 개시된 장점들을 제공하는 것을 중단한다.

도 3 및 도 4와 조합하여 설명된 도 6을 참조하면, 전체적으로 도핑된 코어(12)와 딥(18)의 조합은 원하는 결과, 즉 기본 모드 LP₀₁의 증폭 및 실질적으로 왜곡되지 않은 전파를 도출할 수 있지만, 능동 파이버는 동일한 결과들을 달성할 수 있는 다른 구성들을 가질 수 있다. 최근의 파이버 디자인들은 양식 구별(modal discrimination)을 제공하도록 이득 도펀트의 횡방향 프로파일을 맞춤화하는 데에 초점을 두고 있다. 예로서, 상술한 바와 같이, 한가지 디자인(US 특허 5,818,630)은 코어의 중앙 도핑 영역을 포함한다. 이 기술은 MM 파이버의 출력 단부에서 기본 모드의 에너지 손실을 초래하는 기본 모드 LP₀₁가 받는 이득과 실질적으로 동일한 중앙 HOM LP₀₂의 증폭을 제공한다.

따라서, 코어(12)는 전체 코어 영역을 덮지 않는 링 도핑 영역(16)으로 구성될 수 있다. 특히, 이득 영역 또는 도펀트 프로파일(16)은 코어(12)의 중앙 영역(32)을 둘러싸고, 코어(12)의 주변으로부터 거리를 두고 종결한다. 이득 영역(16)은 영역들(20, 22), 즉 도 4에 도시된 기본 모드의 피크 전력 영역들을 포함하도록 구성된다. 결과적으로, 이들 피크 전력 영역들의 증폭들은 기본 모드에 현저한 이득을 제공하지만, LP₀₂ 같은 중앙 HOM들은 어떠한 이득도 받지 않거나 미소한 이득을 받게 된다.

이제, 도 6의 굴절율 프로파일의 중앙 영역(32)에 집중하면, LP₀₂ 같은 각각의 중앙 HOM들의 강도 피크들은 링형 도핑 영역(16)의 존재에 무관하게 중앙에 남아 있다. 그러나, 이들 피크들은 어떠한 이득도 받지 않는다. 따라서, 도 4에 도시된, LP₀₂의 피크는 증폭되지 않으며, 이는 MM 파이버(10)의 출력 단부에서 이 모드의 낮은 강도를 의미한다. 따라서, 제어가능하게 치수설정된 딥(18)과 MM 파이버(10)의 이중 병목 단면의 조합에 추가로, 링형 이득 영역(16)은 기본 모드의 출력 전력를 추가로 개선시킬 수 있다.

파이버(10)는 펄스형 및 CW 구성들에 통합될 수 있다. 따라서, 자체 위상 변조, 4-파 혼합, SRS 및 SBS 같은 다른 비선형 효과들에 대한 임계치가 상승될 수 있다.

도 7은 하나 이상의 이득 블록들을 포함하는 예시적 고출력 파이버 레이저 시스템(50)을 개략적으로 도시한다. 각 이득 블록(50)은 대향 단부들(36)에서 각각의 SM 수동 파이버들(42)에 융합된 개시된 MM 능동 파이버(10)로 구성된다. 그 각각이 파이버(10)의 단부(36)에 결합되어 있는 각각의 수동 파이버들(42)의 출력 및 입력 영역들의 형상은 SM 파이버들에 의해 지지되는 SM 광의 MFD 및 프로파일이 MM 파이버(10)의 기본 모드의 것들과 실질적으로 일치한다. 결과적으로, 이중 병목 형상 및 딥(18)(도 3 및 도 4)으로 능동 MM 파이버(10)를 구성하는 것은 결합 전력 손실들을 최소화할 뿐만 아니라, 기본 모드를 또한 증폭한다. 레이저 시스템(50)이 kW 수준의 높은 전력들을 취급할 수 있기 때문에, SM 수동 파이버들(42) 각각은 또한 큰 직경 영역 내의 비교적 낮은 전력 밀도에 기인하여 수동 전달 파이버(42) 내의 비선형 효과들의 발생을 최소화하는 이중 병목 형상을 가질 수 있다.

시스템(50)의 예시적 버전은 약 18㎛의 단부(36)에서의 코어(12)의 직경과 약 150 내지 250㎛의 중앙 부분 또는 증폭기(38) 및 각각 125㎛의 각각의 대향 단부들(36)의 외부 직경들을 갖도록 도출된 Yb 도핑 MM 능동 파이버(10)를 포함할 수 있다. 약 125㎛의 단부와 원하는 모드 필드 직경으로 수동 파이버(42)를 구성함으로써, MM 파이버(10)와 수동 파이버(42) 사이의 융합은 실질적으로 손실 없이 제공될 수 있다.

도 8a 내지 도 8c는 능동 MM 파이버(10)를 포함하는 HP 파이버 레이저 시스템들에서 사용되는 각각의 측부 펌핑 장치들을 도시한다. 바람직하게는, 펌프 전달 파이버(55)는 능동 MM 파이버(10)의 대부분의 길이를 따라 그것의 클래딩(14)에 동작되도록 연결된다. 따라서, 도 8a는 MM 파이버(10)의 단부 영역들(36)을 따라 연장하는 측부 펌핑 장치의 단부 부분을 도시한다. 부착된 파이버들(10, 55) 각각은 파이버들(10, 55)의 외부로의 펌핑된 광의 결합을 방지하도록 클래딩(14)보다 낮은 굴절율을 갖는 재료로 이루어진 슬리브(60)에 둘러싸여진다. 결합된 파이버들(10, 55)은 도 8a의 단부 영역을 따라 실질적으로 동일한 외부 직경을 갖는다는 것을 주의하여야 한다. 도 8b는 도 8a의 입력 단부의 직경들보다 큰, 실질적으로 동일한 직경을 갖는 파이버들(10, 55)을 특징으로 하는 측부 배열의 중앙 부분을 도시한다. 또한, 도 8c는 펌프 전달 파이버(55)의 외부 직경이 MM 파이버(10) 중 하나의 것보다 실질적으로 더 작은 배열의 중앙 영역을 따른 결합을 나타낸다. 도 8c에 도시된 구성은 펌프 휘도(pump radiance)의 대부분이 MM 파이버(10)의 코어(12)에서 흡수되기 때문에 특히 유리하다. 도 8d 및 도 8e는 단부 펌핑 기술의 각각의 구성들을 도시한다. 도 8d의 구성은 단부 영역(36) 내로의 펌프 방사선의 결합을 포함하지만, 도 8e는 대응 출원에 개시된 바와 같은 중앙 영역(38) 펌핑의 가능성을 도시한다.

본 기술 분야의 숙련자들은 본 명세서에 개시된 레이저 강력 시스템에 다양한 변형들 및 변경들이 이루어질 수 있다는 것을 명백히 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명은 이들이 첨부된 청구범위 및 그 균등물들의 범주 내에 있는 한, 본 내용에 대한 변형들 및 변경들을 포함하는 것을 의도한다.

10: MM 파이버
12: MM 코어
14: 클래딩
36: 단부 영역
38: 증폭기 영역
39: 변환기 영역

Claims (7)

1. 소정 파장에서 단일 기본 모드를 지원할 수 있는 MM 코어를 포함하는 파이버에 있어서,
   상기 MM 코어는 딥이 제공된 굴절율 프로파일로 구성되고, 상기 딥은 상기 기본 모드가 MM 코어를 따라 전파할 때 가우시안 및 링 강도 프로파일들 사이에서 상기 기본 모드의 강도 프로파일을 변환하도록 구성되는 파이버.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 딥은 상기 MM 코어의 길이를 따라 변하는 구성을 갖는 파이버.
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 MM 코어는:
   단일 모드 입력을 수신하고, 상기 수신된 SM 입력에 응답하여 여기되는 기본 모드를 지원하도록 구성되는 입력 단부 영역;
   상기 입력 단부 영역들로부터 이격되고, 상기 기본 모드의 방사선을 각각 출력하도록 구성되는 출력 단부 영역;
   각각의 입력 및 출력 단부 영역들로부터 내부로 연장되며, 각각은 이격된 작은 직경 및 큰 직경 단부들을 갖는 입력 및 출력 변환 영역들; 및
   각각의 입력 및 출력 변환 영역들의 큰 직경 단부들 사이에서 연장하는 중앙 영역으로서, 상기 입력 및 출력 단부 영역들, 상기 입력 및 출력 변환 영역들 및 상기 중앙 영역은 상기 MM 코어를 따라 상기 기본 모드를 왜곡없이 안내하도록 구성되는 중앙 영역으로 구성된, 파이버.
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 딥은,
   상기 MM 코어의 상기 입력 및 출력 단부 영역들의 작은 폭;
   상기 중앙 영역을 따른 상기 작은 폭보다 더 큰, 큰 폭; 및
   각각의 입력 및 출력 변환 영역들을 따라 점진적으로 확장하고 좁아지는 폭을 갖는, 파이버.
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 MM 코어의 입력 단부 영역은 상기 각각의 SM 입력 및 기본 모드의 모드 필드 직경들이 서로 일치하도록 구성되는, 파이버.
6. 제 4 항에 있어서,
   상기 딥은, 상기 기본 모드의 상기 강도 링 프로파일이 상기 가우시안 프로파일에 의해 커버되는 상기 중앙 영역의 구역보다 큰 상기 MM 코어의 중앙 영역의 구역과 중첩되는, 파이버.
7. 제 5 항에 있어서,
   상기 MM 코어는 상기 MM 코어의 상기 중앙 영역을 따른 상기 기본 모드의 상기 강도 링 프로파일의 피크 전력 영역들에만 이득을 제공하도록 구성된 링 형상을 구비하는 도펀트 농도 프로파일을 갖는, 파이버.

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