KR20180089630A - 포화 흡수체, 포화 흡수체의 제조 방법 및 레이저 생성 장치 - Google Patents

포화 흡수체, 포화 흡수체의 제조 방법 및 레이저 생성 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 클래딩과 코어를 포함하며, 상기 클래딩은 일부가 연마된 연마부를 포함하는 것인 광섬유; 상기 연마부 상에 배치되는 포화 흡수 물질층; 상기 포화 흡수 물질층 상에 배치되는 열 감응성 광학 물질층; 및 상기 열 감응성 광학 물질층 상에 배치되는 온도 조절 장치를 포함하는 포화 흡수체를 제공한다.
본 발명에 따르면 열 감응성 광학 물질을 이용하여 흡수도를 용이하게 조절할 수 있는 포화 흡수체, 포화 흡수체의 제조 방법 및 레이저 생성 장치를 제공할 수 있다.

Description

포화 흡수체, 포화 흡수체의 제조 방법 및 레이저 생성 장치{SATURABLE ABSORBER, METHOD OF MANUFACTURING SATURABLE ABSORBER AND LASER GENERATING APPARATUS}
본 발명은 포화 흡수체, 포화 흡수체의 제조 방법 및 레이저 생성 장치에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 열 감응성 광학 물질을 이용하여 흡수도를 용이하게 조절할 수 있는 포화 흡수체, 포화 흡수체의 제조 방법 및 레이저 생성 장치에 관한 것이다.
광섬유 레이저는 기존의 벌크 레이저에 비해서 빔 정렬이 간편하고, 빔 풀질이 우수하며, 유지 보수 비용이 낮다는 장점을 가진다. 특히 펄스 레이저는 광학 측정，레이저 가공，LIDAR(Light Detection And Ranging), 초광대역 광원, 광 센서, 비선형 광학 및 레이저 수술과 같은 다양한 용도로 이용되고 있다. 일반적으로 펄스 레이저는 Q-스위칭 방식과 모드 잠금 방식으로 구분된다. Q-스위칭 방식은 레이저 공진기 내의 Q값을 조절하여 수 마이크로초 이내의 펄스를 생성하는 기술이며, 모드 잠금은 레이저의 공진 모드를 동기화하여 수 피코초 이내의 펄스를 생성하는 기술이다.
Q-스위칭 방식과 모드 잠금 방식은 각각 능동형 방법과 수동형 방법으로 분류될 수 있다. 능동형 방법은 외부 변조기를 이용하는 방법으로 펄스의 반복률 및 펄스의 폭과 같은 파라미터를 용이하게 조절할 수 있다는 장점이 있다. 그러나 능동형 방법은 일반적으로 고가인 외부 변조기 및 RF 신호 발생기를 이용하기 때문에, 전체 레이저 시스템의 부피가 커지고 가격이 비싸지는 단점을 가진다.
수동형 방법은 포화 흡수체를 이용하는 방법이다. 포화 흡수체는 빛의 세기에 비례해서 광학적 투과가 증가하는 소자를 지칭한다. 수동형 방법에 의해서 구현된 Q-스위칭 레이저 시스템 또는 모드 잠금 레이저 시스템은 능동형 방법에 의해 구현된 Q-스위칭 레이저 시스템 또는 모드 잠금 레이저 시스템과 비교할 때 소형화가 가능하며, 적은 비용으로 구현할 수 있다는 장점이 있다.
포화 흡수체로는 종래 반도체 물질 기반의 포화 흡수체가 사용되었다. 비록 능동형 방법에 비해서 적은 비용으로 구현할 수 있지만, 반도체 물질 기반의 포화 흡수체를 제작하기 위해서는 고가의 반도체 공정 설비가 필요하다. 또한 포화 흡수체의 동작 파장이 수십nm까지로 제한된다는 단점을 가지고 있다.
이를 개선하기 위해서 탄소 나노 튜브 및 그래핀(Graphene)과 같은 물질을 포화 흡수체로 이용하는 방식이 제안되었고, 탄소 나노 튜브와 그래핀과 같은 물질을 이용하여 Q-스위칭 레이저 및 모드 잠금 레이저와 같은 광섬유 펄스 레이저를 구현하는 것이 실험적으로 입증되었다. 예컨대 아주대학교 산학협력단에 의해서 2010년07월09일자로 출원되고 2011년12월15일자로 등록된 "단층그래핀을 포함하는 포화 흡수체 및 그의 제조 방법"이라는 명칭의 한국등록특허 제10-1097175호는 포화 흡수체, 특히 그래핀을 포함하는 포화 흡수체를 개시하고 있다. 탄소 나노 튜브 및 그래핀과 같은 물질을 포화 흡수체로 이용하면, 가격이 저렴하며 넓은 파장대역에서 동작하는 포화 흡수체를 제작할 수 있다.
한편 광섬유의 소산장과 그래핀의 상호 작용을 이용한 포화 흡수체는 편광 의존성을 가진다. 이를 이용한 펄스 레이저는, 레이저 공진기 내의 편광 상태를 조절하는 것에 의해서 동일한 레이저 공진기를 이용하여, 연속 발진 레이저, Q-스위칭 레이저 및 모드 잠금 레이저로 동작할 수 있다는 것이 확인되었다.
예컨대 Eun Jung Lee 등에 의해서 발표된 "Active control of all-fibre graphene devices with electrical gating"이라는 명칭의 논문에서는, 측면이 연마된 광섬유 상에 그래핀 기반의 트랜지스터가 형성된 포화 흡수체가 개시된다.
상기 논문에 따르면, 게이트 전압에 따라서 레이저의 동작 상태는 연속 레이저, Q-스위칭 레이저 및 모드 잠금 레이저로 변경될 수 있다. 그러나 트랜지스터가 형성되어야 하므로, 상기 논문에 따른 구조는 매우 복잡하고 고가의 반도체 공정 설비가 필요하다는 단점이 있다.
1. 한국등록특허 제10-1097175호.
1. "Active control of all-fibre graphene devices with electrical gating", Eun Jung Lee et. al., Nature Communications 6, Article number: 6851, 2015
본 발명의 목적은 열 감응성 광학 물질을 이용하여 흡수도를 용이하게 조절할 수 있는 포화 흡수체 및 포화 흡수체의 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 전술한 포화 흡수체를 이용하여 연속 레이저, Q-스위칭 방식 펄스 레이저 및 모드 잠금 방식 펄스 레이저를 저렴하고 간단하게 생성할 수 있는 레이저 생성 장치를 제공하는데 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 클래딩과 코어를 포함하며, 상기 클래딩은 일부가 연마된 연마부를 포함하는 것인 광섬유; 상기 연마부 상에 배치되는 포화 흡수 물질층; 상기 포화 흡수 물질층 상에 배치되는 열 감응성 광학 물질층; 및 상기 열 감응성 광학 물질층 상에 배치되는 온도 조절 장치를 포함하는 포화 흡수체를 제공한다.
본 발명에 따른 포화 흡수체에 있어서, 상기 연마부는 상기 광섬유의 상기 코어가 노출되지 않도록 상기 클래딩을 연마하여 형성될 수 있다.
또한 본 발명에 따른 포화 흡수체에 있어서, 상기 포화 흡수 물질층은 탄소 나노 튜브, 그래핀, 그래핀 산화물, 위상학적 절연체(topological insulator), 전이 금속 칼코겐 화합물(transition metal dichalcogenides), 흑린(black phosphorous), 금 나노 입자(gold nanoparticles) 및 전이금속 산화물(transition metal oxides) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 포화 흡수체에 있어서, 상기 열 감응성 광학 물질층은 상기 포화 흡수 물질층과 상기 온도 조절 장치를 접착할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 포화 흡수체에 있어서, 상기 열 감응성 광학 물질층은 광학 접착제(optical adhesive)를 포함할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 포화 흡수체에 있어서, 상기 온도 조절 장치는 열전 소자를 포함할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 포화 흡수체에 있어서, 상기 광섬유를 지지하는 기판을 더 포함할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 포화 흡수체에 있어서, 상기 기판은 석영(quartz)을 포함할 수 있다.
또한 본 발명은, (a) 코어와 클래딩을 포함하는 광섬유의 상기 클래딩의 일부를 연마하여 연마부를 형성하는 단계; (b) 상기 연마부 상에 포화 흡수 물질층을 형성하는 단계; (c) 상기 포화 흡수 물질층 상에 열 감응성 광학 물질층을 형성하는 단계; 및 (d) 상기 열 감응성 광학 물질층 상에 온도 조절 장치를 부착하는 단계를 포함하는 포화 흡수체의 제조 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 포화 흡수체의 제조 방법에 있어서, 상기 연마부는 상기 광섬유의 상기 코어가 노출되지 않도록 상기 클래딩을 연마하여 형성될 수 있다.
또한 본 발명에 따른 포화 흡수체의 제조 방법에 있어서, 상기 포화 흡수 물질층은 탄소 나노 튜브, 그래핀, 그래핀 산화물, 위상학적 절연체, 전이 금속 칼코겐 화합물, 흑린, 금 나노 입자 및 전이 금속 산화물(transition metal oxides) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 포화 흡수체의 제조 방법에 있어서, 상기 단계 (b)는, 수용액에 분산된 상기 그래핀 산화물을 상기 연마부 상에 드롭 캐스트(dropcast) 방식으로 증착하는 단계를 포함할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 포화 흡수체의 제조 방법에 있어서, 상기 열 감응성 광학 물질층은 상기 포화 흡수 물질층과 상기 온도 조절 장치를 접착할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 포화 흡수체의 제조 방법에 있어서, 상기 열 감응성 광학 물질층은 광학 접착제를 포함할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 포화 흡수체의 제조 방법에 있어서, 상기 온도 조절 장치는 열전 소자를 포함할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 포화 흡수체의 제조 방법에 있어서, (e) 상기 단계 (a)를 수행하기 전에 상기 광섬유를 기판 상에 배치하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 포화 흡수체의 제조 방법에 있어서, 상기 기판은 석영을 포함할 수 있다.
또한 본 발명은 전술한 포화 흡수체를 포함하는 레이저 생성 장치를 제공한다.
또한 본 발명은 전술한 포화 흡수체의 제조 방법에 따라서 제조된 포화 흡수체를 포함하는 레이저 생성 장치를 제공한다.
본 발명에 따르면 열 감응성 광학 물질을 이용하여 흡수도를 용이하게 조절할 수 있는 포화 흡수체, 포화 흡수체의 제조 방법 및 레이저 생성 장치를 제공할 수 있다.
특히 연속 레이저, Q-스위칭 방식 펄스 레이저 및 모드 잠금 방식 펄스 레이저를 동일한 포화 흡수체를 이용하여 저렴하고 간단하게 생성하는 것에 적용될 수 있어서, 광학 측정，레이저 가공，LIDAR, 초광대역 광원, 광 센서, 비선형 광학 및 레이저 수술과 같은 다양한 용도로 이용될 수 있다.
도 1 내지 도 2는 본 발명에 따른 포화 흡수체의 예시적인 구성을 나타내는 도면.
도 3은 본 발명에 따른 포화 흡수체의 제조 방법의 예시적인 흐름도.
도 4 내지 도 7은 본 발명에 따른 포화 흡수체의 제조 방법의 각 단계에서의 상태를 예시적으로 도시하는 도면.
도 8 내지 도 9는 본 발명에 따른 포화 흡수체에 있어서 온도 조절 장치의 동작에 따른 포화 흡수체의 동작을 나타내는 도면.
도 10은 본 발명에 따른 포화 흡수체를 이용하여 구현한 레이저 생성 장치의 구성을 예시적으로 나타내는 도면.
도 11은 본 발명에 따른 레이저 생성 장치에 있어서 Q-스위칭 동작 상태의 출력 스펙트럼을 나타내는 도면.
도 12 및 도 13은 본 발명에 따른 레이저 생성 장치에 있어서 온도 조절 장치에 인가되는 전류에 따른 레이저의 출력 특성을 나타내는 도면.
도 14는 본 발명에 따른 레이저 생성 장치에 있어서 모드 잠금 동작 상태의 출력 스펙트럼을 나타내는 도면.
도 15는 본 발명에 따른 레이저 생성 장치에 있어서 모드 잠금 동작 상태의 펄스의 오토코렐레이션을 나타내는 도면.
이하, 본 발명의 포화 흡수체, 포화 흡수체의 제조 방법 및 레이저 생성 장치의 실시예를 첨부한 도면을 참조로 보다 구체적으로 설명한다. 한편 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 도면들에서, 설명의 편의를 위해서 실제 구성 중 일부만을 도시하거나 일부를 생략하여 도시하거나 변형하여 도시하거나 또는 축척이 다르게 도시될 수 있다.
도 1 내지 도 2는 본 발명에 따른 포화 흡수체의 예시적인 구성을 나타내는 도면이다. 보다 구체적으로 도 1은 본 발명에 따른 포화 흡수체의 장변 방향의 단면을 예시적으로 도시하는 도면이며, 도 2는 도 1에 도시된 포화 흡수체의 단변 방향의 단면을 예시적으로 도시하는 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 포화 흡수체(100)는 광섬유(110)와, 포화 흡수 물질층(130)과, 열 감응성 광학 물질층(150)과, 온도 조절 장치(170)를 포함한다.
광섬유(110)는 클래딩(115)과 코어(113)를 포함한다. 광섬유(110)의 클래딩(115)의 표면의 일부는 연마되어, 클래딩(115) 내에 연마부가 형성된다. 클래딩(115) 내에 형성된 연마부는 광섬유(110)의 코어(113)가 노출되지 않도록 클래딩(115)의 표면을 연마하는 것에 의해서 형성될 수 있다.
광섬유(110)는 예컨대 실리카 광섬유에 어븀을 첨가한 어븀 첨가 광섬유일 수 있으며, 실리카 광섬유에 툴륨-홀륨을 첨가한 툴륨-홀륨 첨가 광섬유일 수도 있다. 또는 광섬유(110)는 그 이외의 기존에 광 통신 등을 위해서 사용되는 광섬유일 수도 있다.
포화 흡수 물질층(130)은 클래딩(115) 내에 연마부 상에 배치된다. 포화 흡수 물질층(130)은 바람직하게는 탄소 나노 튜브 및 그래핀 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 포화 흡수 물질층(130)은 탄소 나노 튜브, 그래핀, 그래핀 산화물, 위상학적 절연체, 전이 금속 칼코겐 화합물, 흑린, 금 나노 입자 및 전이 금속 산화물 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
열 감응성 광학 물질층(150)은 포화 흡수 물질층(130) 상에 배치된다. 열 감응성 광학 물질층(150)은 포화 흡수 물질층(130)과 온도 조절 장치(170)를 접착한다. 보다 구체적으로, 열 감응성 광학 물질층(150)은 광학 접착제를 포함할 수 있다. 광학 접착제는 예컨대 NOA61과 같은 명칭의 물질을 포함한다.
온도 조절 장치(170)는 열 감응성 광학 물질층(150) 상에 배치된다. 온도 조절 장치(170)는 예컨대 열전 소자를 포함한다. 온도 조절 장치(170)는 예컨대 열전 소자의 열전 효과를 이용하여 광섬유(110), 포화 흡수 물질층(130) 및 열 감응성 광학 물질층(150)을 가열하거나 냉각한다.
또한 도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 포화 흡수체(100)는 기판(190)을 더 포함할 수 있다.
기판(190)은 광섬유(110)를 지지한다. 바람직하게는, 기판(190)은 광섬유(110)를 고정한다. 기판(190)은 예컨대 석영 재질로 형성될 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 포화 흡수체의 제조 방법의 예시적인 흐름도이다. 도 4 내지 도 7은 본 발명에 따른 포화 흡수체의 제조 방법의 각 단계에서의 상태를 예시적으로 도시하는 도면이다.
본 발명에 따른 포화 흡수체의 제조 방법에 대해서 도 1 내지 도 7을 참조로 구체적으로 설명한다.
도 3을 참조하면 본 발명에 따른 포화 흡수체의 제조 방법은 단계 S190을 더 포함할 수 있다. 도 4는 광섬유(110)를 기판(190) 상에 배치한 상태를 나타내는 도면이다. 즉 후술하는 단계 S110이 수행되기 전에, 광섬유(110)를 기판(190) 상에 배치한다(S190). 바람직하게는, 광섬유(110)를 기판(1690) 상에 고정한다. 기판(190)은 예컨대 석영 재질로 형성될 수 있다.
다음에는, 광섬유(110)의 클래딩(115)의 일부를 연마하여 연마부(117)를 형성한다(S110). 도 5는 광섬유(110)를 연마하여 연마부(117)가 형성된 상태를 나타내는 도면이다. 연마부(117)는 도 5에 도시되듯이 광섬유(110)의 코어(113)가 노출되지 않도록 클래딩(115)을 연마하여 형성될 수 있다. 바람직하게는, 연마 장치를 이용하여 광섬유(110)의 표면의 일부, 즉 클래딩(115)의 일부를 연마한다.
다음에는, 연마부(117) 상에 포화 흡수 물질층(130)을 형성한다(S130). 도 6은 연마부(117) 상에 포화 흡수 물질층(130)이 형성된 상태를 나타내는 도면이다.
포화 흡수 물질층(130)은 클래딩(115) 내에 연마부(117) 상에 배치된다. 포화 흡수 물질층(130)은 바람직하게는 탄소 나노 튜브 및 그래핀 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 포화 흡수 물질층(130)은 그래핀 산화물을 포함할 수 있다. 그래핀 산화물로서, 예컨대 상업적으로 이용 가능한 수용액에 분산된 그래핀 산화물이 이용될 수 있다. 수용액에 분산된 그래핀 산화물을 이용하는 경우, 단계 S130은 드롭 캐스트 방식으로 증착될 수 있다. 포화 흡수 물질층(130)은 전술하듯이 위상학적 절연체, 전이 금속 칼코겐 화합물, 흑린, 금 나노 입자 및 전이 금속 산화물 중 적어도 하나를 포함할 수도 있다.
다음에는, 포화 흡수 물질층(130) 상에 열 감응성 광학 물질층(150)을 형성한다(S150). 도 7은 포화 흡수 물질층(130) 상에 열 감응성 광학 물질층(150)이 형성된 상태를 나타내는 도면이다.
열 감응성 광학 물질층(150)은 포화 흡수 물질층(130)과 온도 조절 장치(170)를 접착한다. 보다 구체적으로, 열 감응성 광학 물질층(150)은 광학 접착제를 포함할 수 있다. 광학 접착제는 예컨대 NOA61과 같은 명칭의 물질을 포함한다.
다음에는, 열 감응성 광학 물질층(150) 상에 온도 조절 장치(170)를 부착한다(S170). 이에 의해서 예컨대 도 1에 도시된 바와 같은 포화 흡수체(100)가 형성될 수 있다.
온도 조절 장치(170)는 열 감응성 광학 물질층(150) 상에 배치된다. 온도 조절 장치(170)는 예컨대 열전 소자를 포함한다. 온도 조절 장치(170)는 예컨대 열전 소자의 열전 효과를 이용하여 광섬유(110), 포화 흡수 물질층(130) 및 열 감응성 광학 물질층(150)을 가열하거나 냉각한다.
도 8 내지 도 9는 본 발명에 따른 포화 흡수체에 있어서 온도 조절 장치의 동작에 따른 포화 흡수체의 동작을 나타내는 도면이다.
도 8은 온도 조절 장치(170)에 전류를 인가하는 것에 따라서 본 발명에 따른 포화 흡수체(100)의 온도와 손실을 나타내는 도면이며, 도 9는 포화 흡수체(100)의 동작 속도를 나타내는 도면이다.
도 8을 참조하면, 온도 조절 장치(170)에 인가되는 전류는 25mA부터 700mA까지의 범위 내이며, 인가되는 전류가 증가함에 따라서 포화 흡수체(100)의 온도는 22℃정도로부터 37℃정도까지로 상승하였다. 또한 포화 흡수체(100)의 손실은 2.2dB 정도로부터 5.2dB정도까지로 증가하였다. 포화 흡수체(100)의 손실이 증가하는 이유는 열 감응성 광학 물질층(150)의 굴절률이 전류의 증가에 따라서 감소하기 때문에 광섬유(110) 내의 빔이 상부로 진행하기 때문으로 판단된다. 이러한 손실의 변화에 따라서 포화 흡수체(100)를 통과하는 빔의 편광이 변화되며, 예컨대 편광 방위각이 약 50˚ 정도로 변화되었다. 한편 포화 흡수체(100)의 온도에 따른 손실 변화 속도를 확인하기 위해서, 1550 nm 대역의 연속 레이저와 오실로스코프를 이용하여 동작 속도를 측정하였으며, 그 결과가 도 9에 도시된다. 도 9를 참조하면, 연속 레이저를 연결한 후 온도 조절 장치(170)에 0.7A의 전류를 인가한 후 90초 동안 출력, 즉 광하적 세기(optical intensity)의 변화를 확인하였고, 상승 시간은 32초 정도, 하강 시간은 4.4초 정도로 측정되었다.
도 10은 본 발명에 따른 포화 흡수체를 이용하여 구현한 레이저 생성 장치의 구성을 예시적으로 나타내는 도면이다.
도 10을 참조하면, 레이저 생성 장치(200), 즉 레이저 공진기는, 전술한 본 발명에 따른 포화 흡수체(100)와, 이득 물질(210)과, 아이솔레이터(isolator)(220)와, 편광 조절기(230)와, 커플러(240)와, 파장 분할 다중화기(wavelength division multiplexer)(250)와, 광원(260)을 포함한다.
이득 물질(210)로서, 예컨대 2.3m의 어븀 첨가 광섬유가 사용되었다. 아이솔레이터(220)가 단일 방향의 빔 진행을 위해서 이용되었다.
편광 조절기(230)를 이용하여 레이저 공진기 내의 편광 상태를 확인하였다. 다만 포화 흡수체(100)의 성능을 실험하는 경우에는 편광 조절기(230)를 사용하지 않았다.
커플러(240)로서, 90:10 커플러를 이용하여 레이저 빔의 10%를 출력으로 하였다.
파장 분할 다중화기(250)로서 예컨대 980/1550nm 파장 분할 다중화기가 사용되었다.
광원(260)으로서는 980nm 펌프 레이저 다이오드가 예시적으로 사용되었다.
도 10을 참조로 한 레이저 생성 장치(200)는 예시적인 구성일 뿐이며, 본 발명에 따른 포화 흡수체(100)를 사용하는 것을 제외하면 종래 구성과 동일 유사하므로 상세한 설명을 생략한다.
도 10을 참조로 한 레이저 생성 장치(200)의 구성은 예시적인 것일 뿐이므로, 본 발명의 권리 범위가 이에 한정되지 않는다는 것은 말할 필요도 없다. 즉 본 발명에 따른 레이저 생성 장치는 도 10에 도시된 구성 뿐만 아니라 다양하게 변경된 구성에도 적용될 수 있으며, 특히 본 발명에 따른 포화 흡수체(100)를 구비하는 레이저 생성 장치에 적용될 수 있다.
이하 도 10의 예시적인 구성을 기초로 실험한 결과를 설명한다.
도 10의 예시적인 구성을 기초로 실험한 결과, 펌프 파워가 40 mW 이상일 때 레이저가 동작하기 시작하였으며, 펌프 파워를 75.2 mW로 고정하고 실험을 진행하였다.
펌프 파워가 75.2 mW일 때는 레이저 공진기는 연속 발진 레이저를 생성하도록 동작하였으며, 온도 조절 장치(100)에 인가되는 전류가 0.52A인 경우에는 레이저 공진기는 Q-스위칭 펄스 레이저를 생성하도록 동작하였다.
도 11은 본 발명에 따른 레이저 생성 장치에 있어서 Q-스위칭 동작 상태의 출력 스펙트럼을 나타내는 도면이다.
도 11을 참조하면, 중심 파장과 3-dB 대역폭은 각각 1558.3nm 정도 및 0.2nm 정도로 측정되었다. 또한 출력 펄스의 폭은 5.54us이고, 펄스 반복률은 31.02kHz였다.
도 12 및 도 13은 본 발명에 따른 레이저 생성 장치에 있어서 온도 조절 장치에 인가되는 전류에 따른 레이저의 출력 특성을 나타내는 도면으로서, 도 12는 전류에 따른 펄스 폭과 펄스 반복률의 변화를 나타내는 도면이고, 도 13은 전류에 따른 레이저 평균 출력 파워와 Q-스위칭 펄스 에너지를 나타내는 도면이다.
도 12 및 도 13을 참조하면, 온도 조절 장치에 인가되는 전류가 증가할수록 Q-스위칭 펄스 폭은 5.54us에서 12.35us로 증가하였으며, 펄스 반복률은 31.02kHz에서 17.25kHz로 감소하였다. 또한 전류가 증가함에 따라서, 레이저 평균 출력 파워는 1.32mW 정도에서 0.9mW정도로 선형적으로 감소하였으며, Q-스위칭 최대 펄스 에너지는 약 52.8nJ로 측정되었다.
한편 온도 조절 장치에 인가되는 전류가 700mA로 되면, 레이저 공진기는 모드 잠금 레이저를 생성하도록 동작하였다.
도 14는 본 발명에 따른 레이저 생성 장치에 있어서 모드 잠금 동작 상태의 출력 스펙트럼을 나타내는 도면이다.
도 14를 참조하면, 중심 파장과 3-dB 대역폭은 각각 1556.8nm 정도 및 5.1nm 정도로 측정되었다. 또한 펄스 반복률은 237.5MHz 정도였고, 레이저 공진기 주파수의 약 19배인 고차 모드 잠금이 펄스가 생성되었다. 이는 레이저 공진기의 높은 펌프 파워 때문인 것으로 판단된다.
모드 잠금 레이저의 정확한 펄스 폭을 측정하기 위해서 오토코렐레이션(autocorrelation)을 측정하였으며, 도 15에 그 결과가 도시된다.
도 15는 본 발명에 따른 레이저 생성 장치에 있어서 모드 잠금 동작 상태의 펄스의 오토코렐레이션을 나타내는 도면이다.
도 15를 참조하면, 실제 모드 잠금 펄스의 펄스폭은 595fs 정도로 추정되었고, 레이저의 평균 출력, 즉 세기(intensity)는 0.2mW 정도로 측정되었다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면 열 감응성 광학 물질을 이용하여 흡수도를 용이하게 조절할 수 있는 포화 흡수체, 포화 흡수체의 제조 방법 및 레이저 생성 장치를 제공할 수 있다.
특히 연속 레이저, Q-스위칭 방식 펄스 레이저 및 모드 잠금 방식 펄스 레이저를 동일한 포화 흡수체를 이용하여 저렴하고 간단하게 생성하는 것에 적용될 수 있어서, 광학 측정，레이저 가공，LIDAR, 초광대역 광원, 광 센서, 비선형 광학 및 레이저 수술과 같은 다양한 용도로 이용될 수 있다.
비록 본 발명의 구성이 구체적으로 설명되었지만 이는 단지 본 발명을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변형이 가능할 것이다.
따라서 본 명세서에 개시된 실시예들은 본 발명을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 사상과 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 범위는 아래의 청구범위에 의해 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
본 발명에 따르면 열 감응성 광학 물질을 이용하여 흡수도를 용이하게 조절할 수 있는 포화 흡수체, 포화 흡수체의 제조 방법 및 레이저 생성 장치를 제공할 수 있다.
특히 연속 레이저, Q-스위칭 방식 펄스 레이저 및 모드 잠금 방식 펄스 레이저를 동일한 포화 흡수체를 이용하여 저렴하고 간단하게 생성하는 것에 적용될 수 있어서, 광학 측정，레이저 가공，LIDAR, 초광대역 광원, 광 센서, 비선형 광학 및 레이저 수술과 같은 다양한 용도로 이용될 수 있다.
100: 포화 흡수체 110: 광섬유
113: 코어 115: 클래딩
117: 연마부 130: 포화 흡수 물질층
150: 열 감응성 광학 물질층 170: 온도 조절 장치
200: 레이저 생성 장치 210: 이득 물질
220: 아이솔레이터 230: 편광 조절기
240: 커플러 250: 파장 분할 다중화기
260: 광원

Claims (14)

  1. 클래딩과 코어를 포함하며, 상기 클래딩은 일부가 연마된 연마부를 포함하는 것인 광섬유;
    상기 연마부 상에 배치되는 포화 흡수 물질층;
    상기 포화 흡수 물질층 상에 배치되는 열 감응성 광학 물질층; 및
    상기 열 감응성 광학 물질층 상에 배치되는 온도 조절 장치
    를 포함하는 포화 흡수체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 포화 흡수 물질층은 탄소 나노 튜브, 그래핀, 그래핀 산화물, 위상학적 절연체(topological insulator), 전이 금속 칼코겐 화합물(transition metal dichalcogenides), 흑린(black phosphorous), 금 나노 입자(gold nanoparticles) 및 전이금속 산화물(transition metal oxides) 중 적어도 하나를 포함하는 것인 포화 흡수체.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 열 감응성 광학 물질층은 상기 포화 흡수 물질층과 상기 온도 조절 장치를 접착하는 광학 접착제(optical adhesive)를 포함하는 것인 포화 흡수체.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 광섬유를 지지하는 기판
    을 더 포함하는 포화 흡수체.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 기판은 석영(quartz)을 포함하는 것인 포화 흡수체.
  6. (a) 코어와 클래딩을 포함하는 광섬유의 상기 클래딩의 일부를 연마하여 연마부를 형성하는 단계;
    (b) 상기 연마부 상에 포화 흡수 물질층을 형성하는 단계;
    (c) 상기 포화 흡수 물질층 상에 열 감응성 광학 물질층을 형성하는 단계; 및
    (d) 상기 열 감응성 광학 물질층 상에 온도 조절 장치를 부착하는 단계
    를 포함하는 포화 흡수체의 제조 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 연마부는 상기 광섬유의 상기 코어가 노출되지 않도록 상기 클래딩을 연마하여 형성된 것인 포화 흡수체의 제조 방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 포화 흡수 물질층은 그래핀 산화물을 포함하는 것인 포화 흡수체의 제조 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 단계 (b)는, 수용액에 분산된 상기 그래핀 산화물을 상기 연마부 상에 드롭 캐스트(dropcast) 방식으로 증착하는 단계
    를 포함하는 것인 포화 흡수체의 제조 방법.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 열 감응성 광학 물질층은 상기 포화 흡수 물질층과 상기 온도 조절 장치를 접착하는 광학 접착제를 포함하는 것인 포화 흡수체의 제조 방법.
  11. 제6항에 있어서,
    상기 온도 조절 장치는 열전 소자를 포함하는 것인 포화 흡수체의 제조 방법.
  12. 제6항에 있어서,
    (e) 상기 단계 (a)를 수행하기 전에 상기 광섬유를 기판 상에 배치하는 단계
    를 더 포함하는 포화 흡수체의 제조 방법.
  13. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따른 포화 흡수체
    를 포함하는 레이저 생성 장치.
  14. 제6항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 포화 흡수체의 제조 방법에 따라서 제조된 포화 흡수체
    를 포함하는 레이저 생성 장치.
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