KR20200048059A - Gain medium having selective doping concentration and optical amplifier including same - Google Patents

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KR20200048059A KR1020180129708A KR20180129708A KR20200048059A KR 20200048059 A KR20200048059 A KR 20200048059A KR 1020180129708 A KR1020180129708 A KR 1020180129708A KR 20180129708 A KR20180129708 A KR 20180129708A KR 20200048059 A KR20200048059 A KR 20200048059A
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Abstract

The present invention relates to an optical amplification device, which comprises: an optical pumping unit for generating pump light; a gain medium unit for performing optical amplification of a seed beam through the pump light; and a light transmission unit which collects the pump light generated by the optical pumping unit and transfers the collected pump light to the gain medium unit. The gain medium unit includes a first segment including a focusing point, which is the point with the highest focusing rate of the pump light, and a second segment including a non-focusing point, which is the point with the lowest focusing rate of the pump light, wherein the doping rate of the first segment is higher than the doping rate of the second segment. The present invention selectively increases the doping concentration of a portion with high pump intensity or a portion with high laser mode distribution, thereby obtaining more amplified laser output intensity at the same pump intensity in comparison to the case in which the doping concentration is uniform in the gain medium.

Description

선택적 도핑농도를 가지는 이득매질 및 이를 포함하는 광 증폭 장치{GAIN MEDIUM HAVING SELECTIVE DOPING CONCENTRATION AND OPTICAL AMPLIFIER INCLUDING SAME}GAIN MEDIUM HAVING SELECTIVE DOPING CONCENTRATION AND OPTICAL AMPLIFIER INCLUDING SAME}

본 발명은 이득매질 및 이를 포함하는 광 증폭 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 도핑이 세분화된 이득매질 및 이를 포함하는 광 증폭 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a gain medium and an optical amplifying device including the same, and more particularly, to a gain medium in which doping is subdivided and to an optical amplifying device comprising the same.

레이저 장치는 제조 공정을 포함한 산업 전반에 걸쳐 효과적으로 이용되고 있으며, 외과 수술시에 피부를 정밀하게 절개하거나, 신체조직의 일부를 선택적으로 절제하는 역할을 하는 의료용 기기 분야에서도 널리 사용되고 있다.Laser devices are effectively used throughout the industry, including manufacturing processes, and are widely used in the field of medical devices that serve to precisely incise skin or selectively ablate parts of body tissue during surgical operations.

일반적으로 레이저는 유도 방출(Stimulated emission) 현상에 의한 빛의 증폭을 의미하며, 레이저 증폭 장치는 빛을 증폭할 수 있는 이득매질(Gain medium)과 빛을 가둘 수 있는 공진기(Resonator), 그리고 이득매질에 에너지를 주는 펌핑부를 필수적 구성으로 하고 있다. 여기서 공진기는 이득매질의 양측에 각각 배치되는 반사경과 출력경 등으로 구성될 수 있다.In general, the laser means amplification of light by a stimulated emission phenomenon, and the laser amplification device is a gain medium capable of amplifying light, a resonator capable of trapping light, and a gain medium. The pumping part that gives energy to the body is essential. Here, the resonator may be composed of a reflector and an output mirror, which are disposed on both sides of the gain medium.

이득매질은 펌핑에너지에 의하여 여기되어 입사된 씨드 빔을 증폭시킬 수 있기 때문에 레이저나 광의 증폭에 널리 이용되는데, 이 때, 이득매질에서의 밀도 반전(Population inversion)을 위하여 펌핑이 필요하고, 이러한 과정을 통하여 빛의 증폭이 이루어진다. Since the gain medium is excited by the pumping energy and can amplify the incoming seed beam, it is widely used for amplification of lasers or light. At this time, pumping is required for density inversion in the gain medium. Amplification of light is achieved through.

여기서 광 펌핑(Optical pumping)은 펌핑에너지를 인가하는 여러 방법 중의 하나로써 이득매질로 여기 에너지를 광학적으로 주입하는 작용을 말하며, 이득매질 내부의 전자들은 광 펌핑 작용에 의해 여기되어 유도 방출에 의하여 씨드 빔을 증폭시킨다. Here, optical pumping is one of various methods of applying pumping energy, and refers to an action of optically injecting excitation energy into a gain medium, and electrons inside the gain medium are excited by light pumping action and seeded by induced emission. Amplify the beam.

레이저는 이득매질의 종류에 따라서 기체 레이저, 액체 레이저, 고체 레이저, 반도체 레이저 등과 같이 다양한 형태의 레이저로 분류될 수 있다. 여기서 이득매질로 유리(glass) 또는 결정(crystal)과 같은 고체 상태의 물질을 사용하고 여기에 neodymium, chromium, erbium, thulium, ytterbium 등의 희토류 이온들이 도핑된 레이저 장치를 특히 고체 레이저 장치(Solid state laser device)라 하며, 고체 레이저 장치는 상대적으로 효율이 높고 컴팩트한 구성이 가능하다는 이점이 있다.Lasers can be classified into various types of lasers, such as gas lasers, liquid lasers, solid-state lasers, and semiconductor lasers, depending on the type of gain medium. Here, a solid state material such as glass or crystal is used as a gain medium, and a laser device doped with rare earth ions such as neodymium, chromium, erbium, thulium, and ytterbium is particularly used in a solid state laser device. laser device), and the solid laser device has an advantage of being relatively efficient and compact.

그러나 상기 고체 레이저 장치는 레이저의 출력을 높이기 위한 고출력 레이저(High power laser)로 구성하는 경우, 광 펌핑 과정에서 이득매질에 상당한 열이 발생하는 문제점이 있다. 이는 펌핑 광의 일부만이 레이저 발진 또는 증폭에 기여하고 나머지는 열로서 이득매질에 존재하게 되어 나타나는 문제인데, 상기 이러한 열 문제는 이득매질 내의 불균일한 열 분포를 유발하고, 레이저 빔 품질을 저하시키며 나아가 이득매질이 갈라지고 손상되는 등의 기계적 결함을 일으킬 수 있다.However, when the solid-state laser device is configured as a high power laser for increasing the power of the laser, there is a problem in that considerable heat is generated in the gain medium in the light pumping process. This is a problem that only a part of the pumped light contributes to laser oscillation or amplification, and the rest is present in the gain medium as heat, which causes uneven heat distribution in the gain medium, degrades the laser beam quality and further improves the gain. It can cause mechanical defects such as cracking and damage of the medium.

이와 같은 열 문제를 해결하고자 매질을 얇은 두께로 구성하여 열 방출 면적을 넓힌 씬 디스크(Thin disk) 형태, 부피대 면적비가 큰 얇은 판상구조를 매질로 사용하는 슬랩(slab) 형태, 광섬유(Fiber) 형태 등이 제시되었으나, 씬 디스크 및 슬랩 형태는 정밀한 광정렬이 요구되는 등 구조가 매우 복잡하다는 단점이, 파이버 형태는 코어가 얇아 고에너지 광이 좁은 공간에 집속되어야 하기 때문에 비선형 광학 효과(nonlinear optical effect)가 발생하는 단점이 있다.In order to solve the heat problem, a thin disk shape in which the heat dissipation area is widened by configuring the medium in a thin thickness, a slab form using a thin plate-like structure having a large volume to area ratio as the medium, and an optical fiber (Fiber) The shape and the like have been presented, but the thin disc and slab shape has the disadvantage that the structure is very complex, such as requiring precise alignment, and the fiber shape has a thin core and requires high energy light to be converged in a narrow space. effect).

따라서 최근에는 고출력 레이저의 형태로서, 여러 형태의 장점들이 적절히 절충된 단결정성 광섬유 (Single Crystal Fiber, SCF) 형태가 주목받고 있다. SCF는 단결정성(monocrystalline) 물질로 구성된 막대(rod)형태이다.Therefore, recently, as a form of a high power laser, a single crystal fiber (SCF) form in which various advantages are appropriately compromised has been attracting attention. SCF is a rod made of monocrystalline material.

종래의 SCF는 레이저 이득매질의 도핑 농도를 이득매질 전체에 고르게 분포시켰다. 이러한 경우 씨드빔과 펌프광의 공간적 중첩을 전혀 고려하지 않는 관계로 효율적인 증폭이 이뤄질 수 없다는 문제점이 있다. 즉, 씨드빔 모드와 펌프 모드의 중첩이 낮은 영역에서 도핑에 따른 펌프 흡수가 일어날 경우, 이러한 펌프광 흡수는 레이저 발진 및 증폭에 사용되지 않고 자발 방출(spontaneous emission) 및 열로 손실되어 증폭 효율이 감소하게 된다.In the conventional SCF, the doping concentration of the laser gain medium is evenly distributed throughout the gain medium. In this case, there is a problem that efficient amplification cannot be achieved because the spatial overlap of the seed beam and the pump light is not considered at all. That is, when pump absorption due to doping occurs in a region where the overlap of the seed beam mode and the pump mode is low, the pump light absorption is not used for laser oscillation and amplification, but is lost as spontaneous emission and heat, so that the amplification efficiency decreases. do.

상기의 문제점을 해결하고자 본 발명은 레이저 모드와 펌프 모드의 공간적 중첩성이 높은 부분이 선택적으로 도핑된 이득매질을 통하여, 레이저 발진 효율이 현저히 향상된 광 증폭 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.In order to solve the above problems, an object of the present invention is to provide an optical amplification device in which laser oscillation efficiency is significantly improved through a gain medium selectively doped with a portion having high spatial overlap between the laser mode and the pump mode.

상기 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명은 광 증폭 장치를 개시하여, 펌프광을 발생시키는 광 펌핑부, 상기 펌프광을 통한 씨드빔의 광 증폭이 이루어지는 이득매질부 및 상기 광 펌핑부에서 발생된 펌프광을 집광하여 상기 이득매질부로 전달하는 광 전달부를 포함하여, 상기 이득매질부는 상기 펌프광의 집속율이 가장 높은 지점인 집속지점이 포함된 제1 세그먼트 및 상기 펌프광의 집속율이 가장 낮은 지점인 비집속지점이 포함된 제2 세그먼트를 포함하며, 상기 제1 세그먼트의 도핑율이 상기 제2 세그먼트의 도핑율 보다 높게 형성되는 것을 특징으로 한다.In order to solve the above technical problem, the present invention discloses an optical amplification device, condensing an optical pumping unit for generating pump light, a gain medium unit for amplifying the seed beam through the pump light, and the pump light generated by the optical pumping unit Thus, including a light transmission unit for transmitting to the gain medium portion, the gain medium portion is the first segment containing the focus point of the highest point of focus of the pump light and the non-focus point of the point of the lowest focus rate of the pump light It includes a second segment included, it characterized in that the doping rate of the first segment is formed higher than the doping rate of the second segment.

또한 상기 제1 세그먼트는 상기 집속지점을 중심으로,상기 집속지점과 상기 집속지점의 일 방향에 인접한 비집속지점의 중간지점인 제1 중간지점과 상기 집속지점과 상기 집속지점의 타 방향에 인접한 비집속지점의 중간지점인 제2 중간지점 사이의 거리 이하로 형성되는 영역인 것을 특징으로 한다.In addition, the first segment is centered around the focusing point, a first intermediate point which is an intermediate point between the focusing point and a non-focusing point adjacent to one direction of the focusing point, and a ratio adjacent to the other direction of the focusing point and the focusing point. It is characterized in that it is an area formed below the distance between the second intermediate point, which is the intermediate point of the focusing point.

또한 상기 제1 세그먼트는 6.5 내지 8.5 mm 로 형성되는 영역인 것을 특징으로 한다. In addition, the first segment is characterized in that the area formed of 6.5 to 8.5 mm.

또한 상기 제2 세그먼트는 비도핑된 영역인 것을 특징으로 한다.In addition, the second segment is characterized by being an undoped region.

또한 상기 이득매질부는 단결정성 광섬유(Single Crystal Fiber, SCF)형인 것을 특징으로 한다.In addition, the gain medium portion is characterized in that the single crystal fiber (Single Crystal Fiber, SCF) type.

또한 상기 이득매질은 단면이 원형(circular) 또는 다각형(polygonal)인 원통 로드 형태(cylindrical rod)인 것을 특징으로 한다.In addition, the gain medium is characterized in that it has a cylindrical rod shape (cylindrical rod) having a circular or polygonal cross section.

또한 본 발명은 광 증폭 장치의 다른 실시예로서, 광 증폭 장치는 개시하여 펌프광을 발생시키는 광 펌핑부, 상기 펌프광을 통한 씨드빔의 광 증폭이 이루어지는 이득매질부 및 상기 펌프광 광원부에서 발생된 펌프광을 집광하여 상기 이득매질로 전달하는 광 전달부를 포함하여, 상기 이득매질부는 상기 씨드빔의 광 분포가 가장 높은 영역이 포함된 제1 세그먼트 및 상기 씨드빔의 광 분포가 가장 낮은 영역이 포함된 제2 세그먼트를 포함하여, 상기 제1 세그먼트의 도핑율이 상기 제2 세그먼트의 도핑율 보다 높게 형성되는 것을 특징으로 한다.In addition, the present invention is another embodiment of the optical amplification device, the optical amplification device is a light pumping unit for generating a pump light by starting, a gain medium portion for amplifying the seed beam through the pump light, and the pump light generated by the pump light source unit Including a light transmission unit for condensing and transmitting the gain medium, the gain medium unit includes a first segment including a region having the highest light distribution of the seed beam and a second portion including a region having the lowest light distribution of the seed beam. Including a segment, the doping rate of the first segment is characterized in that it is formed higher than the doping rate of the second segment.

또한 상기 제1 세그먼트는 상기 씨드빔의 광 경로에 상응하는 영역인 것을 특징으로 한다.In addition, the first segment is characterized in that the area corresponding to the optical path of the seed beam.

또한 상기 제1 세그먼트에서 제2 세그먼트 방향으로 갈수록 도핑율이 점차적으로 낮아지는 것을 특징으로 한다.In addition, the doping rate is gradually lowered from the first segment toward the second segment.

또한 상기 제1 세그먼트는 상기 이득매질부의 축방향의 중심점을 기준으로 상기 이득매질부 반지름의 1/2 이하로 형성되는 원통 영역인 것을 특징으로 한다.In addition, the first segment is characterized in that it is a cylindrical region formed less than 1/2 of the radius of the gain medium portion based on the center point in the axial direction of the gain medium portion.

본 발명의 실시 예들에 따른 광 증폭 장치의 효과에 대해 설명하면 다음과 같다.According to embodiments of the present invention The effects of the optical amplifying device are as follows.

본 발명은 펌프 세기가 높은 부분이나 레이저 모드 분포가 높은 부분의 도핑 농도를 선택적으로 높임으로써, 이득매질 내에 도핑 농도가 균일한 경우와 비교하여 동일한 펌프 세기에서 보다 증폭된 레이저 출력 세기를 얻을 수 있다.According to the present invention, by selectively increasing the doping concentration of a portion having a high pump intensity or a portion having a high laser mode distribution, compared with the case where the doping concentration is uniform in the gain medium, amplified laser output intensity can be obtained at the same pump intensity .

또한 효율적인 광펌핑 및 증폭빔의 재흡수를 낮춰 레이저 발진 효율을 향상시킬 수 있다.In addition, it is possible to improve the efficiency of laser oscillation by lowering efficient light pumping and reabsorption of the amplified beam.

다만, 본 발명의 실시 예들에 따른 선택적 도핑농도를 가지는 이득매질 및 이를 포함하는 광 증폭 장치가 달성할 수 있는 효과는 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.However, the gain medium having the selective doping concentration according to the embodiments of the present invention and the effects that the optical amplifying device including the same can achieve are not limited to those mentioned above, and other effects not mentioned are described below From this will be clearly understood by those of ordinary skill in the art.

본 발명에 관한 이해를 돕기 위해 상세한 설명의 일부로 포함되는, 첨부도면은 본 발명에 대한 실시예를 제공하고, 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 광 증폭 장치(1000)의 구성도를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이득매질부(400)를 도시한 것이다.
도 3은 도 2에 도시된 이득매질부(400)의 A-A'방향의 단면을 도시한 것이다.
도 4는 도 2의 이득매질부(400)의 제1 세그먼트(410A)를 구체적으로 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예로서 균일 도핑 또는 선택적 도핑이 이루어진 각 이득매질부의 단면을 도시한 것이다.
도 6은 도 5에 도시된 각 이득매질부(Case 1 내지 4)의 펌핑출력 대비 증폭출력의 값을 나타낸 그래프이다.
도 7의 (a), (b)는 다양한 조건으로 도핑된 이득매질부의 펌핑출력 대비 증폭율(Gain) 을 나타낸 그래프이다.
도 8은 다양한 조건으로 도핑된 이득매질부의 펌핑출력 대비 펌프광의 흡수율(absorptance) 값을 나타낸 그래프이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이득매질부(400)를 도시한 것이다.
도 10은 도 9에 도시된 이득매질부(400)의 A-A'방향의 단면을 도시한 것이다.
도 11은 도 9에 도시된 이득매질부(400) 내의 반경(r)에 따른 도핑 농도를 나타낸 그래프이다.
The accompanying drawings, which are included as part of the detailed description to aid understanding of the present invention, provide embodiments of the present invention and describe the technical spirit of the present invention together with the detailed description.
1 shows a configuration diagram of an optical amplifying device 1000 according to the present invention.
Figure 2 shows a gain medium 400 according to an embodiment of the present invention.
3 is a cross-sectional view of the gain medium portion 400 shown in FIG. 2 in A-A 'direction.
FIG. 4 specifically illustrates the first segment 410A of the gain medium 400 of FIG. 2.
5 is a cross-sectional view of each gain medium portion in which uniform doping or selective doping is performed as an embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a graph showing the value of the amplification output versus the pumping output of each gain medium section (Case 1 to 4) shown in FIG.
7 (a) and 7 (b) are graphs showing the amplification factor (Gain) compared to the pumping output of the gain medium portion doped under various conditions.
8 is a graph showing the absorbance value of the pump light compared to the pumping output of the gain medium doped under various conditions.
9 shows a gain medium unit 400 according to another embodiment of the present invention.
10 is a cross-sectional view of the gain medium portion 400 shown in FIG. 9 in A-A 'direction.
11 is a graph showing the doping concentration according to the radius r in the gain medium part 400 shown in FIG. 9.

본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정하여 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해서 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 하나의 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다. 이하에서는, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 선택적 도핑농도를 가지는 이득매질 및 이를 포함하는 광 증폭 장치를 상세하게 설명하기로 한다.Terms or words used in the present specification and claims should not be interpreted as being limited to ordinary or lexical meanings, and the inventor may appropriately define the concept of terms in order to explain his or her invention in the best way. Based on the principle that it can be, it should be interpreted as meanings and concepts consistent with the technical spirit of the present invention. Therefore, the configuration shown in the embodiments and drawings described in this specification is only one of the most preferred embodiments of the present invention, and does not represent all of the technical spirit of the present invention, and can replace them at the time of application. It should be understood that there may be various equivalents and variations. Hereinafter, a gain medium having a selective doping concentration according to an embodiment of the present invention and an optical amplifying device including the same will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명에 따른 광 증폭 장치(1000)의 구성도를 나타낸 것이다.1 shows a configuration diagram of an optical amplifying device 1000 according to the present invention.

본 발명에 따른 광 증폭 장치(1000)는 초기 증폭하고자 하는 레이저 빔, 즉 씨드빔(seed beam)을 발생시키는 씨드빔 발생부(100), 펌프광을 발생시키는 광 펌핑부(200), 입사된 펌프광을 통한 씨드빔의 광 증폭이 이루어지는 이득매질부(400) 및 광 펌핑부(200)에서 발생된 펌프광을 집광하여 상기 이득매질부(400)로 전달하는 광 전달부(300)를 포함한다.The optical amplifying apparatus 1000 according to the present invention includes an initial laser beam to be amplified, that is, a seed beam generator 100 that generates a seed beam, an optical pumping unit 200 that generates pump light, and an incident pump light It includes a light transmission unit 300 for condensing the pump light generated in the gain medium unit 400 and the light pumping unit 200 where light amplification of the seed beam is performed through the light medium 300 and condensing the pump light.

씨드빔 발생부(100)는 레이저 광을 발생시키며, 씨드빔 발생부(100)로부터 발생된 광을 이득매질부(400)로 전달한다.The seed beam generator 100 generates laser light, and transmits light generated from the seed beam generator 100 to the gain medium 400.

광 펌핑부(200)는 펌프광을 발생시켜, 발생된 펌프광을 이득매질부(400)에 입사시킨다. 이로 인해 이득매질부(400)에 저장된 에너지량이 높아지고, 매질의 밀도반전(population inversion)이 일어남으로써 씨드빔의 광증폭이 이루어진다. 여기서 광 펌핑부(200)는 복수의 레이저 다이오드(LD)가 실장된 형태의 레이저 다이오드 어레이일 수 있으며, 마이크로렌즈 등에 의하여 시준(collimation)이 이루어질 수 있다.The light pumping unit 200 generates pump light and causes the generated pump light to enter the gain medium 400. Due to this, the amount of energy stored in the gain medium unit 400 increases, and the density inversion of the medium occurs, so that the seed beam is optically amplified. Here, the light pumping unit 200 may be a laser diode array in which a plurality of laser diodes LD are mounted, and collimation may be performed by a micro lens or the like.

이득매질부(400)는 상기 펌프광을 통해 얻은 에너지를 이용하여 이득매질부(400)로 조사된 씨드빔을 증폭하고 궁극적으로 증폭된 레이저를 방출한다. 일 실시예로서 상기 이득매질부(400)는 직경(diameter)이 대략 1~2 mm 이하인 원통형 기둥 형상일 수 있다.The gain medium part 400 amplifies the seed beam irradiated to the gain medium part 400 by using the energy obtained through the pump light, and ultimately emits an amplified laser. As an example, the gain medium 400 may have a cylindrical pillar shape having a diameter of approximately 1 to 2 mm or less.

광 전달부(300)는 상기 광 펌핑부(200)에서 발생된 펌프광을 집광하여 상기 이득매질부로 전달하는 광학기구일 수 있다. 일 실시예로서, 광 펌핑부(200)에서 발생된 광을 집광(또는 집속)하여 이득매질부(400)에 조사하기 위한 조준 렌즈(collimating lens) 및 집속 렌즈(focusing lens)를 포함할 수 있다.The light transmission unit 300 may be an optical device that collects the pump light generated by the light pumping unit 200 and transmits it to the gain medium unit. As an embodiment, a collimating lens and a focusing lens may be used to collect (or focus) light generated by the light pumping unit 200 and irradiate the gain medium unit 400. .

본 발명은 이득매질부(400)로 입사되는 씨드빔과 펌프광의 중첩성, 즉, 레이저 모드와 펌프 모드의 공간적 중첩성이 높은 부분의 도핑율을 높힌 이득매질부(400)를 통하여 레이저 발진 효율을 높이는 것을 목적으로 한다. 이하에서는 도 2 내지 도 4를 참조하여 본 발명에 따른 이득매질부(400)를 상세히 설명한다.The present invention is to increase the laser oscillation efficiency through the gain medium unit 400 which increases the doping rate of the overlap of the seed beam and the pump light incident on the gain medium unit 400, that is, the spatial overlap of the laser mode and the pump mode is high. It is aimed at. Hereinafter, the gain medium 400 according to the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 2 to 4.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이득매질부(400)를 도시한 것이다.Figure 2 shows a gain medium 400 according to an embodiment of the present invention.

도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 이득매질부(400)는 펌프광의 집속율이 가장 높은 지점인 집속지점(412A)이 포함된 제1 세그먼트(410A) 및 상기 펌프광의 집속율이 가장 낮은 지점인 비집속지점(412B)이 포함된 제2 세그먼트(410B)를 포함하며, 상기 제1 세그먼트(410A)의 도핑율이 상기 제2 세그먼트(410B)의 도핑율 보다 높게 형성되는 것을 특징으로 한다.Referring to FIG. 2, the gain medium 400 according to the present invention includes a first segment 410A including a focus point 412A, which is a point having the highest focus rate of the pump light, and a point at which the focus rate of the pump light is lowest. And a second segment 410B including a phosphorus non-focusing point 412B, wherein a doping rate of the first segment 410A is higher than that of the second segment 410B.

레이저의 증폭 효율을 높이기 위해서는 이득매질부(400)에 흡수된 펌프 에너지가 최대한 레이저 모드의 증폭에만 기여해야 한다. 즉, 레이저 모드가 분포하는 공간에 펌프 에너지 흡수가 높을 경우 레이저 효율이 극대화 될 수 있다.In order to increase the amplification efficiency of the laser, the pump energy absorbed by the gain medium 400 should contribute only to the amplification of the laser mode as much as possible. That is, when the pump energy absorption is high in the space where the laser mode is distributed, the laser efficiency may be maximized.

이를 위해 본 발명은 이득매질부(400)내의 광 펌핑부(200)에서 발생한 펌프광이 집속되는 곳의 도핑율(또는 도핑농도)을 선택적으로 높이거나 (또는 세분화(segmented)하여) 또는 레이저 모드가 분포하는 공간에만 도핑농도를 높여 흡수된 펌프 에너지 대부분이 레이저 증폭에 기여할 수 있도록 한다.To this end, the present invention selectively increases the doping rate (or doping concentration) where the pump light generated from the light pumping unit 200 in the gain medium 400 is focused (or is segmented) or the laser mode The doping concentration is increased only in the distributed space so that most of the absorbed pump energy can contribute to laser amplification.

특히, 본 발명의 이득매질로 사용되는 단결정성 광섬유(Single Crystal Fiber, SCF)와 같은 이득매질의 경우, 증폭빔의 재흡수율을 줄일 수 있고, 도핑농도가 낮은 영역에서는 열전도율이 상대적으로 높아 열발산 효율 또한 높일 수 있다. 여기서 상기 SCF 이득매질은 단면이 원형(circular) 또는 다각형(polygonal)인 원통 로드 형태(cylindrical rod)일 수 있다.Particularly, in the case of a gain medium such as a single crystal fiber (SCF) used as the gain medium of the present invention, the reabsorption rate of the amplified beam can be reduced, and in a region where the doping concentration is low, heat conductivity is relatively high and heat dissipation Efficiency can also be increased. Here, the SCF gain medium may be a cylindrical rod having a circular or polygonal cross section.

제1 세그먼트(410A)는 펌프광의 집속율이 가장 높은 지점인 집속지점(412A)이 포함되어 도핑율이 높게 형성되는 영역이다. 여기서 '집속(focused)'은 입사된 펌프광이 한군데로 모이는 것을 의미하며,'지점'은 점(dot)을 포함하는 특정한 영역을 의미한다.The first segment 410A is a region in which the focusing point 412A, which is the point where the focusing rate of the pump light is the highest, is included and the doping rate is formed high. Here, 'focused' means that incident pump light is gathered in one place, and 'point' means a specific area including dots.

제2 세그먼트(410B)는 펌프광의 집속율이 가장 낮은 지점인 비집속지점(412B)이 포함되어 도핑율이 낮게 형성되는 영역이다. 여기서'비집속'은 입사된 펌프광이 가장 분산된, 즉 가장 퍼져있는 것을 의미하며, '지점'은 점(dot)을 포함하는 특정한 영역을 의미한다. 이득매질부(400)의 상세한 구성은 도 3 및 도 4를 참조하여 설명한다.The second segment 410B is a region in which the doping rate is low because the non-focusing point 412B, which is the point where the focusing rate of the pump light is the lowest, is included. Here, 'non-focusing' means that the incident pump light is the most dispersed, that is, the most diffused, and 'point' means a specific area including dots. The detailed configuration of the gain medium 400 will be described with reference to FIGS. 3 and 4.

도 3은 도 2에 도시된 이득매질부(400)의 A-A'방향의 단면을 도시한 것이고, 도 4는 도 2의 이득매질부(400)의 제1 세그먼트(410A)를 구체적으로 도시한 것이다.FIG. 3 shows a cross section in the A-A 'direction of the gain medium part 400 shown in FIG. 2, and FIG. 4 specifically shows a first segment 410A of the gain medium part 400 of FIG. 2 Did.

도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 이득매질부(400)의 제1 세그먼트(410A)는 상기 집속 지점을 중심으로, 상기 집속지점과 상기 집속지점의 일 방향에 인접한 비집속지점의 중간지점인 제1 중간지점과 상기 집속지점과 상기 집속지점의 타 방향에 인접한 비집속지점의 중간지점인 제2 중간지점 사이의 거리 이하로 형성되는 영역인 것을 특징으로 한다.Referring to FIG. 4, the first segment 410A of the gain medium 400 according to the present invention is an intermediate point between the focusing point and a non-focusing point adjacent to one direction of the focusing point, centering on the focusing point. It is characterized in that it is an area formed below a distance between the first intermediate point and the second intermediate point which is the intermediate point of the non-focusing point adjacent to the other direction of the focusing point and the focusing point.

입사된 펌프광의 집속율이 가장 높은 지점인 집속지점(412A)과 집속율이 가장 낮은 지점인 비집속지점(412B)은 교대로 반복하여 나타나기 때문에 집속지점(412A)에는 양 측에 인접한 비집속지점(412B)이 형성된다. 상기 제1 세그먼트(410A)는 집속지점(412A)을 중심으로 일측의 비접속지점(412B)의 중간 지점인 제1 중간지점과 타측의 비접속지점(412B)과의 중간 지점인 제2 중간지점 사이의 영역(즉, L/2 + L/2)으로 형성될 수 있으며, 상기 제1 중간지점과 제2 중간지점 사이의 거리 이하로 형성될 수도 있다.Since the focusing point 412A, which is the highest focusing rate of the incident pump light, and the non-focusing point 412B, which is the lowest focusing rate, appear alternately, the focusing point 412A has a non-focusing point adjacent to both sides. (412B) is formed. The first segment 410A is a first intermediate point, which is an intermediate point of a non-connecting point 412B, and a second intermediate point, which is an intermediate point between the other non-connecting point 412B, around the focusing point 412A. It may be formed of a region (ie, L / 2 + L / 2), or may be formed below a distance between the first intermediate point and the second intermediate point.

집속지점(412A) 및 비집속지점(412B)은 광 펌핑부(200)의 펌프광이 입사되는 펌프 조건(Pump Condition)에 따라 이득매질부(400)내에 다양한 위치 및 개수로 형성될 수 있다. 구체적으로 펌프광이 입사되는 각도 (Numerical Aperture, NA), 이득매질의 반경(Radius), 이득매질의 길이(Length), 이득매질의 굴절율(refractive index) 등에 따라 달라질 수 있다. 일 실시예로서 펌프광의 NA 0.11, 이득매질의 반경 0.5mm, 이득매질의 굴절율 1.82 조건에서 상기 제1 세그먼트(410A)가 8.3 mm 로 형성될 수 있다.The focusing point 412A and the non-focusing point 412B may be formed in various positions and numbers in the gain medium 400 according to a pump condition in which pump light of the light pumping unit 200 is incident. Specifically, it may vary according to the angle (Numerical Aperture, NA), the radius of the gain medium, the length of the gain medium, and the refractive index of the gain medium. As an embodiment, the first segment 410A may be formed at 8.3 mm under the condition of NA 0.11 of the pump light, radius of the gain medium of 0.5 mm, and refractive index of the gain medium of 1.82.

제1 세그먼트(410A)는 일정 농도(예를 들어 1 내지 5 %)로 도핑된 호스트(doped host) 소재가 사용될 수 있으며, 일 실시예로서 톨륨(Tm) 또는 이터븀(Yb)과 같은 희토류가 도핑된 야그(yttrium-aluminum-garnet, YAG)일 수 있고, 제2 세그먼트(410B)는 제1 세그먼트(410A)의 도핑 농도보다 낮은 농도로 도핑된 호스트 소재가 사용될 수 있다. 상기 제2 세그먼트(410B)가 비도핑되는 경우 비도핑 호스트(undoped host) 소재가 사용될 수 있으며, 이 경우, 비도핑된 YAG일 수 있다.In the first segment 410A, a doped host material may be used at a certain concentration (for example, 1 to 5%), and in one embodiment, rare earths such as tolium (Tm) or ytterbium (Yb) may be used. A doped yttrium-aluminum-garnet (YAG) may be used, and the second segment 410B may be a host material doped at a concentration lower than that of the first segment 410A. When the second segment 410B is undoped, an undoped host material may be used, and in this case, it may be an undoped YAG.

도 5는 본 발명의 일 실시예로서 균일 도핑 또는 선택적 도핑이 이루어진 각 이득매질부의 단면을 도시한 것이다. 선택적 도핑농도를 가지는 이득매질의 효율을 확인하기 위하여 펌프광의 NA는 0.11, 펌프광의 반경은 200um, 이득매질의 반경 0.5mm, 이득매질의 굴절율 1.82, 이득매질의 길이는 30mm 조건에서 전산시늉 결과를 비교하였다.5 is a cross-sectional view of each gain medium portion in which uniform doping or selective doping is performed as an embodiment of the present invention. In order to confirm the efficiency of the gain medium having a selective doping concentration, the NA of the pump light is 0.11, the radius of the pump light is 200 μm, the radius of the gain medium is 0.5 mm, the refractive index of the gain medium is 1.82, and the length of the gain medium is computed under the condition of 30 mm. Compared.

Case 1 및 Case 3은 이득매질 전체를 1 % 또는 2 %의 농도로 균일하게 도핑한 것이고, Case 2 및 Case 4는 이득매질에서 펌프광의 집속율이 가장 높은 지점인 집속지점이 포함된 제1 세그먼트에 해당되는 영역을 1 % 또는 2 %의 농도로 균일하게 도핑하고, 펌프광의 집속율이 가장 낮은 지점인 비집속지점이 포함된 제2 세그먼트에 해당되는 영역은 비도핑한 것이다. Case 2 및 Case 4에서 이득매질내 제1 세그먼트 영역이 약 7.5 ㎜으로 형성된 것을 알 수 있다. 이때, 펌프광의 집속율이 가장 높은 지점인 집속지점과 펌프광의 집속율이 가장 낮은 지점인 비집속지점 사이의 거리(L)는 8.3mm이나, Case 1 및 Case 3과의 효과를 쉽게 비교하기 위하여 Case 1과 Case 4의 이득매질내 총 도핑 농도가 같도록 제 1 세그먼트 영역을 7.5 mm 로 설정하였다. Case 1 and Case 3 are uniformly doped the entire gain medium at a concentration of 1% or 2%, and Case 2 and Case 4 are the first segment containing the focus point, which is the point where the focus rate of the pump light is highest in the gain medium. The region corresponding to is uniformly doped at a concentration of 1% or 2%, and the region corresponding to the second segment including the non-focusing point, which is the point where the focus rate of the pump light is the lowest, is non-doped. In Case 2 and Case 4, it can be seen that the first segment region in the gain medium is formed to be about 7.5 mm. At this time, the distance L between the focusing point where the focusing rate of the pump light is the highest point and the non-focusing point which is the point where the focusing rate of the pump light is the lowest is 8.3 mm, but in order to easily compare the effects with Case 1 and Case 3 The first segment region was set to 7.5 mm so that the total doping concentration in the gain medium of Case 1 and Case 4 was the same.

도 6은 도 5에 도시된 각 이득매질부(Case 1 내지 4)의 펌핑출력 대비 증폭출력의 값을 나타낸 그래프이다.FIG. 6 is a graph showing the value of the amplification output compared to the pumping output of each gain medium section (Case 1 to 4) shown in FIG. 5.

도 6의 그래프에서 1p, 2p는 도핑농도인 1 %, 2 %를 의미하고, 1pseg, 2pseg는 세분화 즉, 1 % 또는 2 % 의 농도가 선택적으로 도핑되었음을 의미하며, 50 W는 초기 씨드빔의 출력이 50 W 인 것을 의미한다.In the graph of FIG. 6, 1p and 2p mean the doping concentrations of 1% and 2%, and 1pseg and 2pseg mean that the concentration of 1% or 2% is selectively doped, and 50W is the initial seed beam. It means that the output is 50 W.

Case 1 및 Case 4를 비교해보면, 펌핑 출력이 0 인 곳에서 증폭된 출력이 동일한 것을 알 수 있다. 이는 1 %의 균일 도핑된 이득매질과 2 % 의 선택적 도핑이 이루어진 이득매질의 총 도핑농도가 같아서 펌핑 출력이 0일 경우 씨드빔의 이득매질 흡수율이 같기 때문이다. 그러나 펌핑 출력이 점차적으로 증가할수록 증폭된 출력에 상당한 차이가 발생하는 것을 확인할 수 있다. Comparing Case 1 and Case 4, it can be seen that the amplified output is the same where the pumping output is 0. This is because the total doping concentration of the uniformly doped gain medium of 1% and the selective selective doping of 2% is the same, so that when the pumping output is 0, the absorption rate of the seed beam is the same. However, it can be seen that as the pumping output gradually increases, a significant difference occurs in the amplified output.

이를 통해 동일 농도로 도핑이 이루어졌다고 하더라도 펌프광이 집속되는 영역을 선택적으로 도핑하였을 때, 증폭 출력이 더 커지는 효과가 있는 것을 알 수 있다.Through this, it can be seen that even when the doping is performed at the same concentration, when the region where the pump light is focused is selectively doped, the amplification output becomes larger.

또한 Case 3 및 Case 4를 비교해보면, 펌핑 출력이 0 인 곳에서 증폭된 출력이 Case 3이 더 낮은 것을 알 수 있다. 이 결과는 2 %의 균일 도핑된 이득매질이 2 % 의 선택적 도핑이 이루어진 이득매질 보다 총 도핑농도가 더 높기 때문인데(약 2배), 이는 씨드빔의 흡수가 도핑농도가 높은 곳에서 더 높게 일어나기 때문이다. Case 4는 Case 3에 비하여 총 도핑농도가 절반정도 밖에 되지 않음에도 펌핑 출력의 일정범위내에서는 펌핑 출력에 따른 증폭 출력이 더 높거나 또는 거의 유사하게 나타나는 것을 확인할 수 있다.Also, comparing Case 3 and Case 4, it can be seen that the amplified output is lower in Case 3 where the pumping output is 0. This result is because the 2% uniformly doped gain medium has a higher total doping concentration than the 2% selective doping gain medium (approximately twice), which is higher where the seed beam absorption is higher in the higher doping concentration. Because it happens. In case 4, it can be seen that the amplification output according to the pumping output is higher or almost similar within a certain range of the pumping output, although the total doping concentration is only about half as compared to case 3.

즉, 펌프광이 집속되는 영역을 선택적으로 도핑한 경우, 펌핑 출력의 일정범위내에서는 전체를 균일하게 도핑하였을 때의 절반 농도로 동일한 증폭 출력이 나타날 수 있다는 것을 의미한다.That is, when the region where the pump light is focused is selectively doped, it means that the same amplification output can be exhibited at half the concentration when the whole is uniformly doped within a certain range of the pumping output.

도 7의 (a), (b)는 다양한 조건으로 도핑된 이득매질부의 펌핑출력 대비 증폭율(Gain) 을 나타낸 그래프이다.7 (a) and 7 (b) are graphs showing the amplification factor (Gain) compared to the pumping output of the gain medium portion doped under various conditions.

도 7의 (a) 그래프에서도 앞서 설명한 바와 같이, 1 %의 균일 도핑된 이득매질(1p)과 2 % 의 선택적 도핑이 이루어진 이득매질(2pseg)의 총 도핑농도가 같다. 7A, the total doping concentration of the 1% uniformly doped gain medium 1p and the 2% selective doping gain medium 2pseg is the same as described above.

1p10W, 2pseg10W를 비교해보면, 도핑 총 농도가 같음에도 불구하고 선택적으로 도핑을 수행한 경우 증폭율이 현저히 큰 것을 알 수 있다. 이는 1p50W, 2pseg50W의 경우, 1p100W, 2pseg100W의 경우를 비교해보아도 마찬가지이다.When comparing 1p10W and 2pseg10W, it can be seen that the amplification rate is remarkably large when the doping is selectively performed despite the same doping total concentration. This is the same when comparing 1p50W and 2pseg50W, and 1p100W and 2pseg100W.

도 7의 (b) 그래프에서도 앞서 설명한 바와 같이, 2 %의 균일 도핑된 이득매질(2p)이 2 % 의 선택적 도핑이 이루어진 이득매질(2pseg) 보다 총 도핑농도가 약 2 배가량 높다. 7 (b), the total doping concentration is about 2 times higher than that of the 2% uniformly doped gain medium (2 pseg) in which the 2% uniformly doped gain medium (2p) is selectively doped.

2pseg10W, 2p10W를 비교해보면, 총 도핑농도가 절반정도 밖에 되지 않음에도 일정범위에서는 펌핑 출력에 따른 증폭 출력이 더 높거나 또는 거의 유사하게 나타나는 것을 확인할 수 있다. 이는 2pseg50W, 2p50W 의 경우, 2pseg100W, 2p100W 의 경우를 비교해보아도 마찬가지이다.When comparing 2pseg10W and 2p10W, it can be seen that although the total doping concentration is only about half, the amplification output according to the pumping output is higher or almost similar in a certain range. This is the same when comparing 2pseg50W and 2p50W, and 2pseg100W and 2p100W.

결론적으로 이득매질 전체의 도핑 농도는 유지한 채 펌프가 집속되는 부분에만 선택적으로 도핑 농도를 높여 도핑이 세분화된 증폭 매질의 출력세기를 균일하게 도핑한 경우와 비교한 결과 전자가 항상 증폭률이 높다는 것을 확인할 수 있었다. In conclusion, as compared with the case where the doping concentration of the entire gain medium is maintained and the doping concentration is selectively increased only at the portion where the pump is focused, the output intensity of the doped granular amplification medium is uniformly doped. As a result, the former always has a high amplification rate. I could confirm.

도 8은 다양한 조건으로 도핑된 이득매질부의 펌핑출력 대비 펌프광의 흡수율(Absorbed pump power) 값을 나타낸 그래프이다.8 is a graph showing the absorbed pump power value of the pump light compared to the pumping output of the gain medium doped under various conditions.

도 8의 (a)에서 1p10W, 2pseg10W를 비교해보면 양자는 총 도핑 농도가 같기 때문에 펌프광의 흡수율이 거의 동일하게 나타나는 것을 확인할 수 있다. 이와 같은 결과를 도 6 및 도 7과 함께 고려해본다면, 펌프광의 흡수율이 동일함에도 불구하고 선택적 도핑이 수행된 이득매질의 증폭율이 현저히 높다는 것을 알 수 있다. 이는 도 8의 (b)의 1p50W, 2pseg50W, 도 8의 (c)의 1p100W, 2pseg100W를 비교해보아도 마찬가지이다.When comparing 1p10W and 2pseg10W in FIG. 8 (a), it can be confirmed that both have the same total doping concentration, and thus the absorption rate of the pump light is almost the same. Considering these results together with FIGS. 6 and 7, it can be seen that although the absorption rate of the pump light is the same, the amplification rate of the gain medium in which selective doping is performed is remarkably high. This is the same when comparing 1p50W, 2pseg50W of FIG. 8 (b), 1p100W, 2pseg100W of FIG. 8 (c).

도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이득매질부(400)를 도시한 것이고,도 10은 도 9에 도시된 이득매질부(400)의 A-A'방향의 단면을 도시한 것이며, 도 11은 도 9에 도시된 이득매질부(400) 내의 반경(r)에 따른 도핑 농도를 나타낸 그래프이다.9 shows a gain medium part 400 according to another embodiment of the present invention, and FIG. 10 shows a cross section in the A-A 'direction of the gain medium part 400 shown in FIG. 9, and 11 is a graph showing the doping concentration according to the radius r in the gain medium 400 shown in FIG. 9.

본 발명의 다른 실시예에 따른 이득매질부(400)는 상기 씨드빔의 광 분포가 가장 높은 영역이 포함된 제1 세그먼트(420A) 및 상기 씨드빔의 광 분포가 가장 낮은 영역이 포함된 제2 세그먼트(420B)를 포함하여, 상기 제1 세그먼트(420A)의 도핑율이 상기 제2 세그먼트(420B)의 도핑율 보다 높게 형성되는 것을 특징으로 한다.The gain medium 400 according to another embodiment of the present invention includes a first segment 420A including an area having the highest light distribution of the seed beam and a second area including an area having the lowest light distribution of the seed beam. Including the segment 420B, the doping rate of the first segment 420A is formed to be higher than the doping rate of the second segment 420B.

상기 제1 세그먼트(420A)는 씨드빔, 즉 레이저 모드와의 공간적 중첩성이 가장 높은 영역을 포함한다. 여기서 상기 제1 세그먼트(420A)는 씨드빔의 광 경로에 상응(또는 대응)하는 영역일 수 있다. 이득매질부(400)내에서 레이저 모드와의 공간적 중첩성이 가장 높은 부분은 축방향의 중심부분이다. 따라서 축방향의 중심점을 기준으로 일정 반경(r)에 해당되는 원통 영역이 제1 세그먼트(420A)가 될 수 있다. 일 실시예로서 상기 r은 이득매질 반지름의 1/2 이하의 길이일 수 있다. 이는 씨드빔이 회절영향 없이 빔품질을 유지한채 이득매질에 입사하기 위해서는 씨드빔 반지름이 이득매질 반경의 1/2 이하인 것이 유리하기 때문이다. 구체적인 예로, 이득매질 반지름이 500um일 때 이득매질에 입사하는 씨드빔의 크기는 200um 또는 그 이하가 바람직하다.The first segment 420A includes a seed beam, that is, a region having the highest spatial overlap with laser mode. Here, the first segment 420A may be an area corresponding to (or corresponding to) the optical path of the seed beam. The portion of the gain medium 400 having the highest spatial overlap with the laser mode is the central portion in the axial direction. Therefore, the cylindrical region corresponding to the predetermined radius r may be the first segment 420A based on the central point in the axial direction. In one embodiment, r may be less than 1/2 of the gain medium radius. This is because it is advantageous that the seed beam radius is less than 1/2 of the radius of the gain medium in order to enter the gain medium while maintaining the beam quality without diffraction influence. As a specific example, when the gain medium radius is 500 μm, the size of the seed beam incident on the gain medium is preferably 200 μm or less.

상기 제2 세그먼트(420B)는 상기 제1 세그먼트(420A) 보다 도핑 농도가 낮게 형성되는 영역으로 일 실시예로서 비도핑된 영역일 수 있다. 한편, 제2 세그먼트(420B)를 비도핑하지 않고, 제1 세그먼트(420A)에서 제2 세그먼트(420B) 방향으로 갈수록 농도를 점차적으로 낮추어 도핑하는 것 또한 가능하다.The second segment 420B is an area in which a doping concentration is lower than that of the first segment 420A, and may be an undoped area as an embodiment. On the other hand, without doping the second segment 420B, it is also possible to gradually dopantly lower the concentration from the first segment 420A toward the second segment 420B.

도 11은 도 9에 도시된 이득매질부(400) 내의 반경(r)에 따른 도핑 농도를 나타낸 그래프로, 도 11의 (a)는 중심축에서 외곽으로 갈수록 농도가 연속적으로 감소하는 형태(ex) 지수함수적(exponential) 감소, 가우시안 분포(Gaussian distribution) 형태)로 도핑하는 형태이며, 도 11의 (b)는 일정 거리까지는 동일한 농도를 유지하여 도핑하고, 나머지 부분을 비도핑하는 형태이다. 도 11의 (c)는 농도가 계단식으로 감소되도록 도핑하는 형태이다. 상기와 같은 도핑 형태들은 레이저 모드와의 공간적 중첩성이 가장 높은 축방향 중심부분의 도핑 농도가 가장 높다는 것에 있다.FIG. 11 is a graph showing the doping concentration according to the radius r in the gain medium part 400 shown in FIG. 9, and FIG. 11 (a) is a form in which the concentration continuously decreases toward the outer side from the central axis (ex ) Exponential reduction, doping with a Gaussian distribution), and (b) of FIG. 11 maintains the same concentration up to a certain distance and dopes the rest. 11 (c) is a form in which the concentration is doped so as to decrease stepwise. The above doping forms have the highest doping concentration in the axial center portion with the highest spatial overlap with the laser mode.

이와 같이 레이저 모드와의 중첩성이 높은 곳을 선택적으로 도핑하는 경우, 동일 농도로 전체를 균일하게 도핑한 경우 보다 향상된 증폭출력이 나타날 수 있다.When selectively doping a place having high overlap with the laser mode as described above, improved amplification output may be exhibited when the whole is uniformly doped at the same concentration.

이상에서 본 발명의 대표적인 실시예들을 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.Although the exemplary embodiments of the present invention have been described in detail above, those skilled in the art to which the present invention pertains will understand that various modifications are possible within the limits without departing from the scope of the present invention. . Therefore, the scope of rights of the present invention should not be limited to the described embodiments, but should be determined not only by the claims to be described later, but also by the claims and equivalents.

1000 : 광 증폭 장치
100 : 씨드빔 발생부
200 : 광 펌핑부
300 : 광 전달부
400 : 이득매질부
410A, 420A : 제1 세그먼트
412A : 집속지점
410B, 420B : 제2 세그먼트
412B : 비집속지점
1000: optical amplification device
100: seed beam generator
200: optical pumping unit
300: light transmitting unit
400: gain medium
410A, 420A: first segment
412A: Focusing point
410B, 420B: second segment
412B: Non-focused point

Claims (11)

펌프광을 발생시키는 광 펌핑부;
상기 펌프광을 통한 씨드빔의 광 증폭이 이루어지는 이득매질부; 및
상기 광 펌핑부에서 발생된 펌프광을 집광하여 상기 이득매질부로 전달하는 광 전달부;
를 포함하여, 상기 이득매질부는 상기 펌프광의 집속율이 가장 높은 지점인 집속지점이 포함된 제1 세그먼트 및 상기 펌프광의 집속율이 가장 낮은 지점인 비집속지점이 포함된 제2 세그먼트를 포함하며, 상기 제1 세그먼트의 도핑율이 상기 제2 세그먼트의 도핑율 보다 높게 형성되는 것을 특징으로 하는 광 증폭 장치.
An optical pumping unit generating pump light;
A gain medium unit for amplifying the seed beam through the pump light; And
A light transmission unit that collects pump light generated by the light pumping unit and transfers the light to the gain medium unit;
Including, the gain medium portion includes a first segment including a focusing point, which is the point with the highest focusing rate of the pump light, and a second segment including a non-focusing point, which is the point where the focusing rate of the pump light is lowest, The optical amplification device, characterized in that the doping rate of the first segment is formed higher than the doping rate of the second segment.
제1항에 있어서,
상기 제1 세그먼트는
상기 집속 지점을 중심으로,
상기 집속지점과 상기 집속지점의 일 방향에 인접한 비집속지점의 중간지점인 제1 중간지점과 상기 집속지점과 상기 집속지점의 타 방향에 인접한 비집속지점의 중간지점인 제2 중간지점 사이의 거리 이하로 형성되는 영역인 것을 특징으로 하는 광 증폭 장치.
According to claim 1,
The first segment
Centering on the focusing point,
The distance between the focusing point and the first intermediate point, which is the intermediate point of the non-focusing point adjacent to one direction of the focusing point, and the second intermediate point, which is the intermediate point of the focusing point and the non-focusing point adjacent to the other direction of the focusing point. An optical amplifying device characterized in that it is a region formed below.
제2항에 있어서,
상기 제1 세그먼트는 6.5 내지 8.5 mm 로 형성되는 영역인 것을 특징으로 하는 광 증폭 장치.
According to claim 2,
The first segment is an optical amplifying device, characterized in that the area formed of 6.5 to 8.5 mm.
제1항에 있어서,
상기 제2 세그먼트는 비도핑된 영역인 것을 특징으로 하는 광 증폭 장치.
According to claim 1,
And the second segment is an undoped region.
제1항에 있어서,
상기 이득매질부는 단결정성 광섬유(Single Crystal Fiber, SCF)형인 것일 특징으로 하는 광 증폭 장치.
According to claim 1,
The gain medium portion is a single crystal optical fiber (Single Crystal Fiber, SCF) type optical amplification device.
제1항에 있어서,
상기 이득매질은 단면이 원형(circular) 또는 다각형(polygonal)인 원통 로드 형태(cylindrical rod)인 것을 특징으로 하는 광 증폭 장치.
According to claim 1,
The gain medium is an optical amplification device, characterized in that the cylindrical rod (cylindrical rod) having a circular or polygonal cross-section.
펌프광을 발생시키는 광 펌핑부;
상기 펌프광을 통한 씨드빔의 광 증폭이 이루어지는 이득매질부; 및
상기 펌프광 광원부에서 발생된 펌프광을 집광하여 상기 이득매질로 전달하는 광 전달부;
를 포함하여, 상기 이득매질부는 상기 씨드빔의 광 분포가 가장 높은 영역이 포함된 제1 세그먼트 및 상기 씨드빔의 광의 광 분포가 가장 낮은 영역이 포함된 제2 세그먼트를 포함하여, 상기 제1 세그먼트의 도핑율이 상기 제2 세그먼트의 도핑율 보다 높게 형성되는 것을 특징으로 하는 광 증폭 장치.
An optical pumping unit generating pump light;
A gain medium unit for amplifying the seed beam through the pump light; And
A light transmission unit that collects the pump light generated by the pump light source unit and transfers it to the gain medium;
Including, the gain medium portion includes a first segment including a region having the highest light distribution of the seed beam and a second segment including a region having the lowest light distribution of the seed beam, the first segment The doping rate of the optical amplification device, characterized in that formed higher than the doping rate of the second segment.
제7항에 있어서,
상기 제1 세그먼트는 상기 씨드빔의 광 경로에 상응하는 영역인 것을 특징으로 하는 광 증폭 장치.
The method of claim 7,
The first segment is an optical amplifying device, characterized in that the area corresponding to the optical path of the seed beam.
제7항에 있어서,
상기 제2 세그먼트는 비도핑된 영역인 것을 특징으로 하는 광 증폭 장치.
The method of claim 7,
And the second segment is an undoped region.
제7항에 있어서,
상기 제1 세그먼트에서 제2 세그먼트 방향으로 갈수록 도핑율이 점차적으로 낮아지는 것을 특징으로 하는 광 증폭 장치.
The method of claim 7,
The optical amplifying device, characterized in that the doping rate is gradually lowered from the first segment to the second segment.
제7항에 있어서,
상기 제1 세그먼트는 상기 이득매질부의 축방향의 중심점을 기준으로 상기 이득매질부 반지름의 1/2 이하로 형성되는 원통 영역인 것을 특징으로 하는 광 증폭 장치.
The method of claim 7,
The first segment is a light amplifying device, characterized in that the cylindrical region formed by less than 1/2 of the radius of the gain medium portion based on the center point in the axial direction of the gain medium portion.
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