KR20170069681A - 광섬유 펨토초 레이저 공진기 및 이를 포함한 광섬유 펨토초 레이저 장치 - Google Patents

광섬유 펨토초 레이저 공진기 및 이를 포함한 광섬유 펨토초 레이저 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 이득매질의 흡수광 파장에 해당하는 광을 펌핑하는 레이저 다이오드(Laser diode); 상기 레이저 다이오드에서 펌핑된 광을 이득매질(gain medium)로 입사시켜주는 파장 분할 다중화기(Wavelength division multiplexer); 상기 이득매질로 입사된 광에 대해 비선형 편광 회전을 위해 커 미디엄(Kerr medium)으로 사용하기 위한 단일모드 광섬유; 상기 비선형 편광 회전된 광의 편광을 제어하기 위한 편광 조절기(Polarization controller); 상기 편광조절기에 의해 편광된 광의 편광방향이 제 1 축 또는 제 2축에 매칭됨에 따라 모드 록킹되고, 소정의 반사율로 광을 반사시키는 제 1 선택적 반사부; 및 상기 공진기에서 생성된 광의 펄스 폭에 따라 선택적으로 반사 혹은 출력하는 제 2 선택적 반사부를 포함하는 광섬유 펨토초 레이저 공진기 및 이를 포함하는 광섬유 펨토초 레이저 장치를 제공한다.

Description

광섬유 펨토초 레이저 공진기 및 이를 포함한 광섬유 펨토초 레이저 장치{Optical Fiber Femtosecond Laser Osillator and Apparatus Including The Same}
본 출원은 피동형 모드방법을 사용하는 광섬유 펨토초 레이저에 관한 것으로, 좀더 상세하게는 편광 의존 루프 미러를 이용한 모드잠금을 통해 고출력 펨토초 레이저 펄스를 출력할 수 있는 광섬유 펨토초 레이저 공진기 및 이를 포함한 광섬유 펨토초 레이저 장치에 관한 것이다.
일반적으로 광섬유 펨토초 레이저는 대부분 단일 모드 광섬유(Single Mode Fiber, SMF)와 이득매질인 희토류 첨가 광섬유(Rare earth doped fiber)로 구성된 단 방향 순환 공진기(unidirectional ring cavity)로 구성 되어있어 후방 산란(backscatter)을 감소시키므로 자가 발진(self-starting)이 용이하여 turnkey 방식의 쉬운 작동이 가능하다. 또한 환경변화에 둔감하여 장기간 작동이 가능하며, 통신대역에서의 광섬유 구성품을 사용하여 낮은 가격과 통신대역에서의 활용 등의 산업적으로 응용하기 좋은 여러 장점을 가지고 있다.
이러한 광섬유 펨토초 레이저는 발진 파장의 대역에 따른 광섬유의 분산(dispersion)의 값에 따라 정상분산(normal dispersion)과 비정상분산(anomalous dispersion)영역으로 나눠진다.
보통 파장의 길이가 1300 nm 보다 작은 경우는 정상분산의 영역으로 분산값 D가 음수를 가지기 때문에 펨토초 광섬유 레이저에서 발생하는 극초단파(ultrashort pulse)의 시간에 대한 폭이 광섬유를 통과하면서 계속 넓어진다. 따라서 이러한 극초단파를 유지하면서 이득을 계속 얻으며 펨토초 광섬유 레이저 발진을 유지하기 위해서는 피동형 모드잠금(passive mode lock)을 사용한다.
피동형 모드잠금의 방법에는 포화흡수체(SA, Saturable absorber), 반도체 포화흡수체 미러 (SESAM, Semiconductor saturable absorber mirror), 비선형 편광 회전(NPR, Nonlinear polarization rotation), 비선형 증폭 루프 미러 (NALM, Nonlinear amplifying loop mirror)를 사용한다.
포화흡수체(Saturable absorber)를 이용한 모드잠금은, 빛의 세기가 증가하게 되면 빛의 흡수가 감소하는 현상을 이용한 것으로, 공진기 안에서 진행하는 펄스의 가장자리 부분은 빛의 세기가 약하기 때문에 포화 흡수체를 통해 흡수가 되어 더 이상 공진기 내부를 진행을 못하는 반면, 펄스의 중간 부분은 빛의 세기가 강하여 포화 흡수체에서의 흡수를 포화(saturation)시켜 공진기 내부를 계속 진행할 수 있는 비선형필터(Nonlinear filter)의 역할을 하므로 좁은 펄스 폭을 갖게 하는 모드잠금을 유도한다.
비선형 편광 회전(NPR, Nonlinear polarization rotation) 모드잠금은 공진기 내부의 편광기에 의해 펄스 중심의 빛이 강한 부분이 살아남고, 펄스 가장자리의 빛이 약한 부분은 제거 시킬 수 있는 인공 포화 흡수체(artificial saturable absorber)를 형성하는 조건을 말한다. 이러한 비선형 편광 회전방식 모드잠금의 장점으로는 특별한 장치 없이 백색잡음으로부터 모드잠금을 위한 자가 발진이 가능하고, 한정된 수명이 없이 비교적 저렴한 통신대역의 광섬유 제품들로 구성이 가능하며, 100fs 이하의 좁은 폭을 갖는 펄스를 생성할 수 있다. 단점으로는 광섬유 내부에서의 편광 변화를 이용한 모드잠금이므로 안정된 편광 상태를 위하여 공진기를 구성하는 광섬유의 온도안정화가 필요하다.
비선형 증폭 루프거울 방식(NALM, Nonlinear amplifying loop mirror)을 이용한 모드잠금은 8-자형 공진기에서 사용되는 모드잠금 방식으로, 두 개의 공진 루프(loop)를 광섬유 커플러(fiber coupler)를 통해 연결한 시스템으로, 시계방향과 반시계 방향으로 진행하는 펄스의 증폭 위치를 다르게 하거나 결합(coupling) 비율을 다르게 하여 두 펄스간의 비선형 위상 차이를 발생시킨다. 그리고 두 펄스가 만나는 지점에서 간섭을 통해 빛의 세기가 강한 펄스의 중간부분은 보강간섭이 되어 빛의 투과가 최대가 되는 반면 빛의 세기가 약한 펄스의 가장자리 부분은 상쇄간섭을 유도하여 빛의 투과를 낮추므로 좁은 펄스폭을 유도하는 모드잠금 방식이다. 장점으로는 긴 공진기 길이를 이용하여 높은 에너지와 좁은 폭을 갖는 펄스를 생성할 수 있는 반면, 긴 공진기 길이가 요구되므로 높은 반복률을 갖는 펨토초 레이저를 형성하기 어렵다는 단점이 있다.
한편, 광섬유 펨토초 레이저가 산업분야에 이용됨에 있어서, 평균출력 100mW 이상, 펄스 에너지 수 nJ이상, 펄스폭 100fs 수준의 특성을 만족함이 필요한데 이를 위해서는 일반적으로 공진기 외에 추가적으로 증폭기와 외부 분산 보상기가 요구된다. 이러한 경우, 시스템이 복잡해지고 비용이 증가하는 단점이 있고, 시스템의 추가로 인해 발생하는 주변 환경에 대한 안정도 감소와 증폭기에서 발생하는 잡음의 증가는 정밀분야 적용에 한계를 발생시킨다.
따라서 가능하면 공진기만을 사용하여 펨토초 레이저 펄스를 생성하려는 연구가 노력 중에 있는데, 대표적으로 포화흡수체(SA, Saturable absorber) 또는 반도체 포화흡수체 미러 (SESAM, Semiconductor saturable absorber mirror)를 기반으로 모드잠금을 유도한다.
그러나 이러한 종래 포화흡수체(SA, Saturable absorber) 또는 반도체 포화흡수체 미러 (SESAM, Semiconductor saturable absorber mirror)의 모드잠금 방법은 수 nJ이상의 펄스 에너지 생성이 가능하지만, 흡수를 기반으로 하고 있어 에너지 손실이 크고, 수백 펨토초의 펄스 폭 한계를 가지며, 파장 대역폭도 좁게 형성되는 단점이 있다.
한국공개특허 제10-2004-0092826호
본 출원은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 출원의 일 실시예에서는 편광 의존 루프 미러를 이용하여 모드잠금 하고, 이에 따라 에너지의 큰 손실 없이, 수 nJ 이상의 펄스 에너지 생성과 펨토 단위의 좁은 펄스 폭 및 파장 대역 폭의 한계를 극복한 고출력 펨토초 레이저 펄스를 생성하는데 그 목적이 있다.
본 출원의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일 관점에 따른 광섬유 펨토초 레이저 공진기는 이득매질의 흡수광 파장에 해당하는 광을 펌핑하는 레이저 다이오드(Laser diode); 상기 레이저 다이오드에서 펌핑된 광을 이득매질(gain medium)로 입사시켜주는 파장 분할 다중화기(Wavelength division multiplexer); 상기 이득매질로 입사된 광에 대해 비선형 편광 회전을 위해 커 미디엄(Kerr medium)으로 사용하기 위한 단일모드 광섬유; 상기 비선형 편광 회전된 광의 편광을 제어하기 위한 편광 조절기(Polarization controller); 상기 편광조절기에 의해 편광된 광의 편광방향이 제 1 축 또는 제 2축에 매칭됨에 따라 모드 록킹되고, 소정의 반사율로 광을 반사시키는 제 1 선택적 반사부; 및 상기 공진기에서 생성된 광의 펄스 폭에 따라 선택적으로 반사 혹은 출력하는 제 2 선택적 반사부를 포함한다.
본 발명의 다른 관점에 따른 광섬유 펨토초 레이저 공진기는 이득매질의 흡수광 파장에 해당하는 광을 펌핑하는 레이저 다이오드(Laser diode); 상기 레이저 다이오드에서 펌핑된 광을 이득매질(gain medium)로 입사시켜주는 파장 분할 다중화기(Wavelength division multiplexer); 상기 이득매질로 입사된 광에 대해 비선형 편광 회전을 위해 커 미디엄(Kerr medium)으로 사용하기 위한 단일모드 광섬유; 상기 비선형 편광 회전된 광의 편광을 제어하기 위한 편광 조절기(Polarization controller); 상기 편광조절기에 의해 편광된 광의 편광방향이 제 1 축 또는 제 2축에 매칭됨에 따라 모드 록킹되고, 소정의 반사율로 광을 반사시키는 반사부; 상기 공진기에서 생성된 광이 더욱 모드록킹 되도록 상기 선택적 반사부로 반사하는 반사부; 및 상기 선택적 반사부와 상기 반사부 사이에 배치ㅚ어 상기 공진기에서 생성된 극초단 펄스 광을 출력하는 광 커플러를 포함한다.
제 1선택적 반사부는 2 x 2 편광 유지 광섬유 커플러의 양단이 스플라이싱되어 형성되는 것을 특징으로 한다.
제 2선택적 반사부는 광의 펄스 폭에 따라 소정의 비율로 반사 혹은 투과하는 파이버 브래그 그래이팅(FBG, Fiber bragg grating)인 것을 특징으로 한다.
이득매질은 희토류 첨가 광섬유인 것을 특징으로 한다.
공진기는 링 타입(Ring type) 혹은 페브리 페롯 타입(Fabry-Parot type)인 것을 특징으로 한다.
반사부는 단 방향 펄스광을 생성하는 아이솔레이터(Isolrator), 파이버 브래그 그래이팅(Fiber bragg grating), 반도체 포화흡수체(Semiconductor saturable absorber) 중 어느 하나 인 것을 특징으로 한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유 펨토초 레이저 공진기 및 이를 포함한 광섬유 펨토초 레이저 장치는 에너지의 큰 손실 없이, 수 nJ 이상의 펄스 에너지 생성과 펨토 단위의 좁은 펄스 폭 및 파장 대역 폭의 한계를 극복한 고출력 펨토초 레이저 펄스를 생성할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유 펨토초 레이저 공진기의 구성을 나타낸 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 제 1 선택적 반사부에서의 광 경로를 설명하기 위한 도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 다른 광섬유 펨토초 레이저 공진기의 구성을 나타낸 개략도이다.
도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 다른 광섬유 펨토초 레이저 공진기에서 반사부의 일예를 설명하기 위한 도이다.
도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 다른 광섬유 펨토초 레이저 공진기에서 반사부의 다른 예를 설명하기 위한 도이다.
도 4c는 본 발명의 일 실시예에 따른 다른 광섬유 펨토초 레이저 공진기에서 반사부의 또 다른 예를 설명하기 위한 도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유 펨토초 레이저 장치에 관한 것이다.
이하 본 발명의 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다. 다만, 첨부된 도면은 본 발명의 내용을 보다 쉽게 개시하기 위하여 설명되는 것일 뿐, 본 발명의 범위가 첨부된 도면의 범위로 한정되는 것이 아님은 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 용이하게 알 수 있을 것이다.
또한, 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유 펨토초 레이저 공진기의 구성을 나타낸 개략도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 광섬유 펨토초 레이저 공진기(110)는 링 타입(Ring type) 혹은 페브리 페롯 타입(Fabry-Parot type)으로 구조를 갖을 수 있고, 레이저 다이오드(10, Laser diode), 이득매질(20, Gain medium), 파장 분할 다중화기(30, Wavelength division multiplexer), 단일모드 광섬유(40, Single mode fiber), 편광 조절기(50, Polarization controller), 제 1 선택적 반사부(60), 및 제 2 선택적 반사부(70)를 포함한다.
레이저 다이오드(10)은 이득매질(20)의 흡수광 파장에 해당하는 광을 펌핑한다.
이득 매질(20)은 희토류(rare earth)가 도핑된 광섬유로, 희토류는 어븀(Erbium), 이터븀(Ytterbium) 혹은 홀뮴(holmium)을 포함할 수 있다. 즉, 이득매질은 980nm 또는 1480nm 파장을 흡수대역으로하고, 1550nm 파장을 중심으로 넓은 방출 대역을 갖는 어븀이 도핑된 광섬유(Erbium Doped Fiber, EDF) 혹은 980nm의 파장을 흡수대역으로 하여 1030nm 파장을 중심으로 수십 nm의 넓은 방출 대역을 갖는 이터븀이 도핑된 광섬유(Ytterbium Doped Fiber, YDF)를 사용할 수 있다. 또한, 이득 매질은 파장 대역이 다른 히토류 금속, 예를 들어 튤리윰(Thulium), 홀미엄(Holmium), 네오디미움(Neodymium), 프라세오디미움(Praseodymium) 등을 광 섬유에 첨가하여 사용할 수 있다.
파장 분할 다중화기(30)는 상기 레이저 다이오드(10)에서 출력되는 광의 파장을 분할하여 상기 이득매질(20)을 통과시킨다.
단일모드 광섬유(40)는 커 미디엄(Kerr medium)으로 사용되어, 상기 이득매질(20)로 입사된 광에 대해 비선형 편광회전을 하게 한다.
편광 조절기(50)는 광 섬유를 다수의 패들(paddle)에 감아 회전시키거나, 광섬유를 비틀거나(squeeze) 눌러주어(press) 광의 편광을 조절하는 것으로, 상기 비선형 편광 회전된 광의 편광을 제어한다. 이때, 편광 조절은 패들의 수, 회전 수, 비틀림의 정도, 눌림 정도에 따라 조절할 수 있다.
제 1 선택적 반사부(60)는 상기 편광 조절기(50)에서 편광되어 입사된 광을 소정의 축에 따라 매칭하여 모드 록킹(Mode locking)한다. 제 1 선택적 반사부(60)는 여러 가지 방법을 이용하여 구성할 수 있지만, 예를 들어, 2 x 2 형태의 편광 유지 광섬유 커플러(PMF Coupler, Polarization maintaining fiber coupler) 양 끝단을 스플라이싱하여 루프(loop)를 구성할 수 있다. 이와 같이 구성된 루프(loop)는 편광 의존 루프 미러 (PDLM, Polarization dependent loop mirror)를 형성하게 된다.
편광 의존 루프 미러(PDLM)의 반사도는 다음 수학식 1에 의해서 결정이 된다.
수학식 1.
Figure pat00001
여기서, T는 2x2 커플러를 지나는 투과율을 나타내고, ρ는 2x2 커플러의 커플링 비율을 나타낸다. 편광 유지 광섬유 커플러(PMF Coupler)의 경우에는 제 1 축(slow axis)과 제 2축(fast axis)에 따라 T값과 ρ값이 달라지기 때문에 편광 의존 루프 미러(PDLM)에 입력되는 편광 방향에 따라 편광 의존 루프 미러(PDLM)의 반사율이 달라진다.
다음 표 1은 투과율과 커플링 비율에 따른 편광 의존 루프 미러(PDLM)의 제 1축(slow axis)과 제 2축(fast axis)의 반사율을 나타낸다.
축 투과율, T 커플링 효율, ρ 반사율, R
Slow axis 90 51 0.81
Fast axis 50 54 0.25
한편, 광섬유 펨토초 레이저에서 펄스 광이 광섬유를 지나게 되면, 편광 의존 분산에 의해서 비선형 편광회전(nonlinear polarization rotation)이 발생하게 되는데, 이때 광의 편광 방향이 편광 유지 광섬유 커플러(PMF coupler)의 slow axis과 매칭되면 반사율이 높아 많이 반사되고, 광의 편광 방향이 편광 유지 광섬유 커플러(PMF coupler)의 fast axis와 매칭되면 낮은 반사율로 작게 반사된다.
따라서 광이 입사되는 방향의 편광 유지 광섬유 커플러(PMF coupler) 전단에 배치된 편광 제어기(polarization controller)에 의해 편광 방형을 slow axis와 일치하게 제어하면 높은 세기의 광은 통과하게 되고 낮은 세기의 광은 필터링된다.
제 2 선택적 반사부(70)는 제 1 선택적 반사부(60)에서 반사된 광이 더욱 모드 록킹될 수 있도록 입사된 광을 제 1 선택적 반사부(60) 방향으로 반사한다. 이때, 제 1 선택적 반사부(60)와 제 2선택적 반사부(70) 사이를 왕복하면서 모드 로킹되어 발생된 극초단파는 제 2 선택적 반사부(70)를 통하여 출력된다.
제 2 선택적 반사부(70)를 구성하는 수단은 회절 격자의 수 및 간격을 조절하여 반사 및 투과율을 예를 들어, 반사율 90 %: 투과율10%, 혹은 반사율 80%: 투과율 10% 등과 같이 조절하는 파이버 브래그 그래이팅(FBG, Fiber bragg grating)을 사용할 수 있지만, 발생된 광의 펄스 폭에 따라 반사 또는 투과하여 출력할 수 있는 수단이면 모두 가능하다.
이와 같은 구조를 갖는 공진기는 에너지의 큰 손실 없이, 수 nJ 이상의 펄스 에너지와 극초단파 펄스를 생성할 수 있는 모드 로킹을 형성할 수 있다.
한편, 제 1 선택적 반사부(60)를 형성하는 편광의존 루프 미러(PDLM)에서 광은 도 2와 같은 방법으로 광 경로를 갖는다.
도시된 바와 같이, 편광의존 루프 미러(PDLM)를 형성하는 편광 유지 파이버 (PMF)에 화살표 방향으로 입사된 광은 웨이브 가이드(WG, Wave Guide)를 형성하고, 편광 유지 파이버가 서로 인접한 곳에서 전기장 유도에 따라 인접한 편광 유지 파이버로 웨이브 가이드가 유도된다. 즉, 커플러(C, Coupler)에서 웨이브 가이드의 커플링이 발생하고, 이에 따라 입사된 광은 편광 의존 루프를 따라 서로 반대 방향으로 진행한다. 이때, 서로 반대 방향으로 진행한 광은 위상차에 따라 보강되거나 소멸되고, 보강된 광은 제 2 선택적 반사부(70) 방향으로 진행한다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예로, 광섬유 펨토초 레이저 공진기의 개략도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 또 다른 실시 예로써의 광섬유 펨토초 레이저 공진기(110)는 도 1의 실시예에서 언급한 레이저 다이오드(10), 이득매질(20), 파장분할 다중기(30), 단일모드 광섬유(40), 편광 조절기(50), 제1 선택적 반사부(60)를 포함하고, 이에 대한 설명은 도 1에서 설명한 내용과 동일함으로 생략하기로 한다. 또한, 광섬유 펨토초 레이저 공진기는 내부에서 공진을 통하여 발생된 극초단파를 출력하기 위한 광 커플러(80), 도 1에서 언급한 제 2 선택적 반사부(70)을 대체하는 반사부(100)를 포함하고, 공진기는 링 타입 혹은 페브릿 페롯 타입의 구조를 갖는다
반사부(100)는 미러 역할을 하며, 투과율없이 공진기 내부에서 발생한 광이 더욱 모드 록킹될 수 있도록 제 1선택적 반사부(60) 방향으로 반사한다. 이 때 사용되는 반사부(100)는 도 4a에서와 같이, 일 방향으로 펄스광을 생성하는 아이솔레이터(100a, Isolarator)를 사용할 수 있고, 도 4b에서와 같이, 내부구조가 투과율 없이 100% 반사할 수 있는 구조를 갖는 파이버 브래그 그래이팅(100b, FBG, Fiber bragg grating) 및 도 4c와 같이, 일정 광을 흡수하고 반사하는 반도체 포화흡수체 미러(100c, SESAM, Semiconductor saturable absorber mirror)을 사용할 수 있다. 본 실시예에서는 반사부(100)에 대해 아이솔레이터, 파이버 브래그 그래이팅, 반도체 포화흡수체 미러 만을 언급하였지만, 제 1선택적 반사부(60) 방향으로 빛을 반사 시키는 수단이면 모두 사용 가능하다.
광 커플러(80)는 제 1선택적 반사부(60)와 반사부(100) 사이를 왕복운동 하면서 모드 록킹 된 극초단 펄스 광을 출력하는 것으로, 제 1선택적 반사부(60)와 반사부(100) 사이 광이 이동하는 경로 중 어느 위치든 배치 될 수 있다. 다만, 반사부(100) 방향 쪽에 배치될 경우, 전체분산이 양(+)인 정상분산(normal dis광persion) 영역에 위치되어 펄스 폭이 넓어지고, 상대적으로 비선형 편광회전에 의해 제 1선택적 반사부(60)에서 출사되는 펄스의 폭이 좁기 때문에, 광 커플러(80)는 선택적 반사부(90)에 가까운 위치에 예를들어, 편광조절기(50)와 단일모드 광섬유(40) 사이에 배치됨이 바람직하다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유 펨토초 레이저 장치에 관한 것이다.
도 5를 참조하면, 펨토초 레이저 장치(200)은 공진기(110), 파라데이 아이솔레이터(120), 펄스 확장/압축기(130), 스펙트럼 성형기(140), 박막 편광기(TFP), 파라데이 회전기(150). 증폭기(170), 펄스 피커(160)를 포함할 수 있다.
공진기(110)는 앞서 설명한 도 1 또는 도 3의 광섬유 펨토초 레이저 공진기로써 내부에서 펨토초 영역의 극초단 펄스를 발생시킨다.
펄스 확장/압축기(130)는 내부에 확장기(131) 및 압축기(132)를 포함하여, 공진기(110)에서 발생한 펨토초 펄스 폭을 확장하거나 증폭기(170)에서 증폭된 펄스를 다시 펨토초 영역의 펄스로 압축시킨다.
확장기(131)와 압축기(132)는 각각 그래이팅(grating)과 같은 별도의 분광소자를 이용하여 펄스를 확장하거나 압축할 수 있다. 또한, 확장기(131)와 압축기(132)는 하나의 분광소자를 공통으로 사용하여 펄스를 확장 및 압축할 수 있는 일체형으로 이루어질 수 있다. 이에 따라 광섬유 펨토초 레이저 장치(200)의 크기를 컴팩트하게 할 수 있고, 제조 비용을 줄일 수 있다.
확장기(131)는 공진기(110)에서 발생된 펨토초 펄스의 폭을 시간적으로 길게 확장하여, 상기 펨토초 펄스가 증폭기(170)에서 증폭하는 과정 중 레이저 매질 등과 같은 광학 부품의 물리적인 손상을 방지한다. 예를 들어, 확장기(131)는 공진기(110)에서 발생된 100 펨토초(fs) 정도의 펄스를 수십 피코초(ps)펄스로 확장한다. 압축기(132)는 증폭기(170)에서 증폭된 펄스를 펨토초 영역의 펄스로 압축시켜 외부로 전달한다. 파라데이 아이솔레이터(Faraday isolator, 120)는 공진기(110)와 펄스 확장/압축기(130) 사이에 배치되어 증폭기(170)에서 발생된 높은 에너지의 펄스가 공진기(110)로 다시 입사되는 것을 방지한다.
스펙트럼 성형기(spectral shaper, 140)는 펄스 확장기(131)에서 확장된 펄스에 대해 상기 펄스의 스펙트럼을 원하는 형태로 변형한다. 즉, 스펙트럼 성형기(140)는 증폭기(170)에 입력하는 종자펄스(seeding pulses)의 스펙트럼을 성형하여, 증폭기에서 증폭되는 과정에서 스펙트럼 밴드 폭이 좁아지는 것을 보상할 수 있다. 여기서, 종자펄스는 펄스 증폭을 위하여 증폭기(170)에 인가되는 펄스를 의미한다.
이러한 스펙트럼 성형기(140)는 공진기(110)나 증폭기(170)내에서 펄스의 스펙트럼을 원하는 형태로 변형할 경우, 상기 공진기(110)나 증폭기(170) 내에 포함시키거나 또는 상기 광섬유 펨토초 레이저 장치(200)에서 생략할 수 있다.
스펙트럼 성형된 펄스는 전반사 거울(FM), 박막 편광기(TFP) 및 파라데이 회전기(Faraday rotator, 150)를 거쳐 증폭기(170)에 인가된다. 이때, 전반사 거울(FM)은 빔의 경로를 바꿔주기 위한 것으로, 광 섬유 펨토초 레이저 장치(200)의 크기 및 설계 조건에 따라 삽입 혹은 삭제 가능하다. 다만, 본 발명의 일 실시예와 같이, 전반사 거울(FM)을 이용할 경우, 빔의 경로를 제한된 공간에서도 바꿀 수 있으므로, 이에 따라 광섬유 펨토초 레이저 장치를 컴팩트하게 할 수 있다.
증폭기(170)는 광섬유 레이저 또는 고체 레이저를 이용한 레이저빔 발생장치를 포함하고, 상기 레이저 빔 발생장치를 이용하여 상기 입력된 종자펄스의 에너지를 증폭시킨다.
증폭기(170)에서 사용되는 레이저 매질은 결정 매질과 비결정 매질간의 다양한 조합으로 이루어질 수 있고, 사용되는 레이저 매질이 결정 매질일 경우, 등방성 결정과 비등방성 결정간의 다양한 조합으로 이루어질 수 있다.
파라데이 회전기(150)는 증폭기(170)에서 증폭된 레이저 펄스의 진행 경로를 박막 편광기(TFP)에 의해 펄스 피커(pulse picker, 160) 방향으로 변경되도록 상기 레이저 펄스의 편광 방향을 90도 회전시킨다.
펄스 피커(160)는 전기-광학적 스위치(elelctro-optic switch)를 포함하고, 상기 스위치를 스위칭하여 증폭된 레이저 펄스에 대해 필요한 펄스와 필요치 않은 펄스를 구분하여 선택적으로 통과시킨다. 이후, 선택된 레이저 펄스는 압축기(132)에서 펨토초 영역의 극초단 레이저 펄스로 압축하여 펨토초 레이저 시스템 외부로 방출된다.
이처럼, 본 발명에 따른 광섬유 펨토초 레이저 장치(200)는 공진기(110)에서 발생하는 수 nJ 영역의 레이저 펄스를 펨토초 레이저 가공에 응용하기 용이하도록 상기 레이저 펄스의 에너지를 증폭시켜 높인다.
이상에서와 같이, 본 발명은 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자는 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명의 요소들에 대한 수정 및 변경의 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명의 필수적인 영역을 벗어나지 않는 범위 내에서 특별한 상황들이나 재료에 대하여 많은 변경이 이루어질 수 있다. 그러므로, 본 발명은 본 발명의 바람직한 실시 예의 상세한 설명으로 제한되지 않으며, 첨부된 특허청구범위 내에서 모든 실시 예들을 포함할 것이다.
10: 레이저 다이오드 20: 이득 매질
30: 파장 분할 다중화기 40: 단일모드 광섬유
50: 편광 조절기 60: 제 1 선택적 반사부
70: 제 2 선택적 반사부 80: 광 커플러
100: 반사부 110: 공진기
120: 파라데이 아이솔레이터 130: 펄스 확장/압축기
140: 스펙트럼 성형기 150: 파라데이 회전기
160: 펄스 피커 170: 증폭기

Claims (12)

  1. 광섬유 펨토초 레이저 공진기에 있어서,
    이득매질(gain medium)의 흡수광 파장에 해당하는 광을 펌핑하는 레이저 다이오드(Laser diode);
    상기 레이저 다이오드에서 펌핑된 광을 상기 이득매질로 입사시켜주는 파장 분할 다중화기(Wavelength division multiplexer);
    상기 이득매질로 입사된 광에 대해 비선형 편광 회전을 위해 커 미디엄(Kerr medium)으로 사용하기 위한 단일모드 광섬유(Single mode fiber);
    상기 비선형 편광 회전된 광의 편광을 제어하기 위한 편광 조절기(Polarization controller);
    상기 편광조절기에 의해 편광된 광의 편광방향이 제 1 축 또는 제 2축에 매칭됨에 따라 모드 록킹되고, 소정의 반사율로 광을 반사시키는 제 1 선택적 반사부; 및
    상기 공진기에서 생성된 광의 펄스 폭에 따라 선택적으로 반사 혹은 출력하는 제 2 선택적 반사부를 포함하는 광섬유 펨토초 레이저 공진기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 선택적 반사부는 2 x 2 편광 유지 광섬유 커플러의 양단이 스플라이싱되어 형성되는 것을 특징으로 하는 광섬유 펨토초 레이저 공진기.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 제 2 선택적 반사부는 광의 펄스 폭에 따라 소정의 비율로 반사 혹은 투과하는 파이버 브래그 그래이팅(FBG, Fiber bragg grating)인 것을 특징으로 하는 광섬유 펨토초 레이저 공진기.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 이득매질은 희토류 첨가 광섬유인 것을 특징으로 하는 광섬유 펨토초 레이저 공진기.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 공진기는 링 타입(Ring type) 혹은 페브리 페롯 타입(Fabry-Parot type)인 것을 특징으로 하는 광섬유 펨토초 레이저 공진기.
  6. 광섬유 펨토초 레이저 공진기에 있어서,
    이득매질의 흡수광 파장에 해당하는 광을 펌핑하는 레이저 다이오드(Laser diode);
    상기 레이저 다이오드에서 펌핑된 광을 이득매질(gain medium)로 입사시켜주는 파장 분할 다중화기(Wavelength division multiplexer);
    상기 이득매질로 입사된 광에 대해 비선형 편광 회전을 위해 커 미디엄(Kerr medium)으로 사용하기 위한 단일모드 광섬유;
    상기 비선형 편광 회전된 광의 편광을 제어하기 위한 편광 조절기(Polarization controller);
    상기 편광조절기에 의해 편광된 광의 편광방향이 제 1 축 또는 제 2축에 매칭됨에 따라 모드 록킹되고, 소정의 반사율로 상기 광을 반사시키는 제 1선택적 반사부;
    상기 공진기에서 생성된 광이 더욱 모드 록킹 되도록 상기 제 1선택적 반사부로 반사 하는 반사부; 및
    상기 제 1 선택적 반사부와 상기 반사부 사이에 배치되어 상기 공진기에서 생성된 극초단 펄스 광을 출력하는 광 커플러를 포함하는 광섬유 펨토초 레이저 공진기.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 반사부는 단 방향 펄스광을 생성하는 아이솔레이터(Isolrator), 파이버 브래그 그래이팅(Fiber bragg grating), 반도체 포화흡수체(Semiconductor saturable absorber) 중 어느 하나 인 것을 특징으로 하는 광섬유 펨토초 레이저 공진기.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 1선택적 반사부는 2 x 2 편광 유지 광섬유 커플러의 양단이 스플라이싱되어 형성되는 것을 특징으로 하는 광섬유 펨토초 레이저 공진기.
  9. 제 6항에 있어서,
    상기 이득매질은 희토류 첨가 광섬유인 것을 특징으로 하는 광섬유 펨토초 레이저 공진기.
  10. 제 6항에 있어서,
    상기 공진기는 링 타입(Ring type) 혹은 페브리 페롯 타입(Fabry-Parot type)인 것을 특징으로 하는 광섬유 펨토초 레이저 공진기.
  11. 펨토초 영역의 펄스를 발생시키는 상기 청구항 1 또는 상기 청구항 6의 광섬유 펨토초 레이저 공진기;
    상기 발생된 펨토초 영역의 펄스의 폭을 확장하기 위한 펄스 확장기;
    상기 펄스의 에너지를 증폭시키기 위한 증폭기; 및
    상기 증폭된 펄스를 펨토초 영역의 펄스로 압축시키기 위한 펄스 압축기를 포함하고, 상기 펄스 확장기, 증폭기, 펄스 압축기는 선택적으로 포함되는 광섬유 펨토초 레이저 장치.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 확장된 펄스의 스펙트럼을 성형하기 위한 스펙트럼 성형기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 펨토초 레이저 장치.
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