KR20200048849A - 편광이 분리된 광펌핑 및 이를 포함하는 레이저 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 레이저 장치에 관한 것으로, 펌프광을 발생시키는 광 펌핑부, 상기 펌프광을 통한 씨드빔의 광 증폭이 이루어지는 이득매질부, 상기 펌프광을 서로 다른 편광을 가지는 제 1 펌프광 및 제 2 펌프광으로 분리하는 편광 분리부, 상기 제1 펌프광이 상기 이득매질부의 일단으로 입사될 수 있도록 하는 제1 반사부 및 상기 제2 펌프광이 상기 이득매질부의 타단으로 입사될 수 있도록 하는 제2 반사부를 포함한다.
본 발명은 펌프광을 서로 다른 편광을 가지는 두 개의 광으로 분리한 뒤, 이를 이득매질 양단 끝으로 입사시켜 보다 넓은 영역에서 펌프광이 흡수되도록 하는바 향상된 열발산 효과와 펌프 흡수 효율 향상 효과가 나타날 수 있다.

Description

편광이 분리된 광펌핑 및 이를 포함하는 레이저 장치{POLARIZED OPTICAL PUMPING AND LASER APPARATUS COMPRISING THE SAME}
본 발명은 레이저 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 편광이 분리된 펌프광이 이득매질부 양단으로 입사되도록 하는 레이저 장치에 관한 것이다.
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.
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.
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.
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.
한편, 이득매질의 형태에는 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 있으나, 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.
이러한 SCF 구조에서는 증폭 매질 내부에서 펌프광이 가이딩되어 집속되는 영역이 적어도 두 군데 이상이 존재한다. 이 때, 실질적으로는 펌프광이 이득 매질 입사 초반에 대부분 흡수가 이루어지므로 두 번째 집속되는 영역에서의 흡수 효과가 저하된다. 또한 첫 번째 펌프가 집속되는 영역에서 발생하는 열로 인해 이득매질에 비균질한 스트레스가 가해질 수 있는데 이는 궁극적으로 레이저 증폭률의 한계를 가져온다.
상기의 문제점을 해결하고자 본 발명은 펌프광을 서로 다른 편광을 가지는 두 개의 광으로 분리한 뒤, 이를 이득매질 양단 끝으로 입사시킴으로써 SCF 형 이득매질의 효과를 극대화하는 것을 목적으로 한다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명은 레이저 장치를 개시하여, 펌프광을 발생시키는 광 펌핑부, 상기 펌프광을 통한 씨드빔의 광 증폭이 이루어지는 이득매질부, 상기 펌프광을 서로 다른 편광을 가지는 제 1 펌프광 및 제 2 펌프광으로 분리하는 편광 분리부, 상기 제1 펌프광이 상기 이득매질부의 일단으로 입사될 수 있도록 하는 제1 반사부 및 상기 제2 펌프광이 상기 이득매질부의 타단으로 입사될 수 있도록 하는 제2 반사부를 포함한다.
또한 상기 제1 펌프광은 광 펌핑부로부터 발생한 펌프광의 경로와 수직한 경로를 가지며, 제2 펌프광은 광 펌핑부로부터 발생한 펌프광의 경로와 수평한 경로를 가지는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 광 펌핑부와 편광 분리부 사이에는 상기 광 펌핑부에서 발생된 펌프광을 집광하는 광 전달부가 위치하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 편광 분리부와 제1 반사부 사이에는 상기 제1 펌프광을 집속하는 제1 집속부가 위치하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 레이저 장치는 제2 펌프광의 경로를 변경하여 상기 제2 펌프광이 상기 제2 반사부로 입사될 수 있도록 하는 제3 반사부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 제2 반사부와 제3 반사부 사이에는 상기 변경된 경로를 가지는 제2 펌프광을 집속하는 제2 집속부가 위치하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 레이저 장치는 상기 이득매질부를 통과한 제1 펌프광 및 제2 펌프광을 흡수하는 덤퍼(dumper)를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 이득매질부는 단결정성 광섬유(Single crystal fiber, SCF) 형태인 것을 특징으로 한다.
또한 상기 단결정성 광섬유 형태의 이득매질부는 상기 펌프광의 집속율이 가장 높은 지점인 집속지점이 포함된 제1 세그먼트 및 상기 펌프광의 집속율이 가장 낮은 지점인 비집속지점이 포함된 제2 세그먼트를 포함하여, 상기 제1 세그먼트의 도핑율이 상기 제2 세그먼트의 도핑율 보다 높게 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한 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 한다.
본 발명의 실시 예들에 따른 레이저 장치의 효과에 대해 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 펌프광을 서로 다른 편광을 가지는 두 개의 광으로 분리한 뒤, 이를 이득매질 양단 끝으로 입사시켜 보다 넓은 영역에서 펌프광이 흡수되도록 하는바 향상된 열발산 효과가 나타날 수 있다.
또한 이득매질의 양 방향으로 펌프광을 입사시켜 펌프 흡수 효율을 높일 수 있으며, 펌프광이 가지는 에너지를 최대로 활용할 수 있다.
또한 본 발명은 하나의 광 펌핑부를 이용하는바, 두 개의 광 펌핑부를 이득매질 양 끝단에서 각각 집속시켜 입사시키는 경우 발생하는 문제, 즉 SCF에서 흡수되고 남은 펌프 에너지가 반대편 광 펌핑부에 동일한 경로로 입사되어 광 핌핑부의 레이저 다이오드에 손상이 가해지는 문제가 발생하지 않는다.
다만, 본 발명의 실시 예들에 따른 레이저 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.
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 레이저 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 다양한 조건으로 도핑된 이득매질부의 펌핑출력 대비 증폭출력의 값을 나타낸 그래프이다.
도 6의 (a)는 이득매질 한쪽 끝으로 펌프광이 입사되는 경우 나타나는 펌프광의 흡수 분포를 나타낸 것이고, (b)는 이득매질 양쪽 끝으로 펌프광이 입사되는 경우 나타나는 펌프광의 흡수분포를 나타낸 것이다.
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 레이저 장치를 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 레이저 장치(1000)의 구성도를 나타낸 것이다.
본 발명에 따른 레이저 장치(1000)는 초기 증폭하고자 하는 레이저 빔, 즉 씨드빔(seed beam)을 발생시키는 씨드빔 발생부(100), 펌프광을 발생시키는 광 펌핑부(200), 상기 펌프광을 통한 씨드빔의 광 증폭이 이루어지는 이득매질부(400), 광 펌핑부(200)에서 발생된 펌프광을 집광하여 이득매질부(400)로 전달하는 광 전달부(300), 상기 펌프광을 서로 다른 편광을 가지는 제 1 펌프광 및 제 2 펌프광으로 분리하는 편광 분리부(500), 상기 제1 펌프광이 상기 이득매질부(400)의 일단으로 입사될 수 있도록 하는 제1 반사부(600A) 및 상기 제2 펌프광이 상기 이득매질부(400)의 타단으로 입사될 수 있도록 하는 제2 반사부(600B)를 포함한다.
씨드빔 발생부(100)는 레이저 광을 발생시키며, 씨드빔 발생부(100)로부터 발생된 광을 이득매질부(400)로 전달한다.
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 있다. 한편 본 발명에 따른 레이저 장치(1000)는 상기 펌프광을 서로 다른 경로를 가지는 두개의 광(제1 펌프광 및 제2 펌프광)으로 분리하여 하나의 광은 이득매질부(400)의 일단 끝에, 다른 하나의 광은 이득매질부(400)의 타단 끝에 입사되도록 하는데 이에 대해서는 편광 분리부(500)에 대한 설명을 통해 상세히 설명한다.
광 전달부(300)는 상기 광 펌핑부(200)에서 발생된 펌프광을 집광하여 상기 편광 분리부(500)로 전달하는 광학기구일 수 있다. 광 전달부(300)는 광 펌핑부(200)에서 발생된 높은 발산각을 가지는 펌프광이 발산하지 않도록(확산하지 않도록) 집광하여 편광 분리부(500)로 입사시킬 수 있도록 하는 조준 렌즈(collimating lens) 및 집속 렌즈(focusing lens)를 포함할 수 있다. 광 전달부(300)는 광 펌핑부(200)와 편광 분리부(500) 사이에 위치할 수 있다.
이득매질부(400)는 상기 편광 분리부(500)를 통해 분리된 제1 펌프광 및 제2 펌프광의 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. 이득매질부(400)에 대해서는 도 2 내지 도 5를 통하여 상세히 설명한다.
편광 분리부(500)는 광 펌핑부(200)에서 발생한 펌프광을 서로 다른 편광을 가지는 제1 펌프광 및 제2 펌프광으로 분리한다. 즉, 펌프광이 다른 편광으로 이중 경로(double-pass)를 갖도록 분리한다. 상기 편광 분리부(500)는 편광 광선 분리 큐브 (Polarizing BeamSplitter Cube), 편광 광선 분리 판 (Polarizing Plate Beamsplitter) 등 일 수 있다. 제1 펌프광은 광 펌핑부로부터 발생한 펌프광의 경로와 수직한 경로를 가지며, 제2 펌프광은 광 펌핑부로부터 발생한 펌프광의 경로와 수평한 경로를 가진다. 제1 펌프광은 이득매질부(400)의 일단으로, 제2 펌프광은 이득매질부(400)의 타단으로 입사된다.
제1 반사부(600A)는 제1 펌프광이 이득매질부(400) 일단에 입사될 수 있도록 이득매질부(400)의 일단 방향에 위치할 수 있다. 구체적으로 제1 반사부(600A)는 편광 분리부(500)에서 편광이 분리되어 펌프광의 경로와 수직한 경로를 가지는 제1 펌프광이 이득매질부(400)의 일단에 입사될 수 있도록 한다.
제2 반사부(600B)는 제2 펌프광이 이득매질부(400) 타단에 입사될 수 있도록 이득매질부(400)의 타단 방향에 위치할 수 있다. 구체적으로 제2 반사부(600B)는 편광 분리부(500)에서 편광이 분리되어 펌프광의 경로와 수평한 경로를 가지는 제2 펌프광이 이득매질부(400)의 일단에 입사될 수 있도록 한다.
제1 반사부(600A)와 제2 반사부(600B)는 펌프광은 반사시키지만 씨드빔 및 증폭빔은 통과시킨다. 일 실시예로서 제1 반사부(600A), 제2 반사부(600B)는 다이크로익 미러(dichroic mirror), 통과대역 필터(bandpass filter)일 수 있다.
제3 반사부(600C)는 편광 분리부(500)에서 분리된 제2 펌프광이 제2 반사부(600B)로 입사될 수 있도록 한다. 일 실시예로서 제3 반사부(600C)는 제2 펌프광의 경로를 수직한(vertical) 방향으로 변경하여 제2 반사부(600B)로 입사시킬 수 있다. 제3 반사부(600C)의 위치는 상기 편광 분리부(500)와 제2 반사부(600B)의 위치에 따라 그 수와 위치가 적절히 변경될 수 있으며, 제2 펌프광이 제2 반사부(600B)로 입사될 수 있도록 하는 위치 및 갯수라면 어느 위치에 있든 그 수가 몇 개이든 무방하다. 궁극적으로 제2 펌프광은 제2 반사부(600B) 및 제3 반사부(60C)를 통해 이득매질부(400) 타단에 입사될 수 있다. 일 실시예로서 제3 반사부(600C)는 전반사 미러(Total reflection mirror)일 수 있다.
제1 집속부(700A)는 편광 분리부(500)와 제1 반사부(600A) 사이에 위치하여 상기 제1 펌프광을 집속하고, 제2 집속부(700B)는 제2 반사부(600B)와 제3 반사부(600C) 사이에 위치하여 상기 제2 펌프광을 집속한다. 제1 집속부(700A)를 통해 집속된 제1 펌프광은 제1 반사부(600A)를 통해 이득매질부(400)의 일단으로 입사되고, 제2 집속부(700B)를 통해 집속된 제2 펌프광은 제2 반사부(600B)를 통해 이득매질부(400)의 타단으로 입사된다.
덤퍼(800)는 이득매질부(400)를 통과한 펌프광이 다시 편광 분리부(500)를 통해 모두 흡수될 수 있도록 한다. 이득매질을 통과한 펌프광이 덤퍼(800)로 입사되고 광 펌핑부(200)로 재입사하는 광이 없어지기 때문에 안전하게 고출력 펌핑이 가능하다. 이득매질부(400)를 투과하여 반대편 광 펌핑부(200)로 들어가는 광이 없기 때문에 레이저 다이오드의 손상을 방지할 수 있다.
또한 편광 분리부(500)에 의해 편광을 나눈뒤 이득매질 양 끝단에 펌프 빔을 입사시키기 때문에, 이득매질 입사전 편광판(polarizer)(미도시)을 이용하여 원하는 편광 방향(예를 들어, λ/2)으로 편광을 돌린 후 입사시킬 수 있어 펌프 효율을 높일 수 있다. 즉, 이득매질의 축에 따른 펌프 흡수율이 상이하므로 펌프 흡수율이 높은 축으로 펌프광의 편광을 돌린 후 이득매질에 입사시키면, 펌프 효율이 높아진다. 한편, 하나의 광 펌핑부를 이용할 경우에는 펌프 레이저 다이오드의 편광이 분리되지 않고 섞인 채 이득매질에 입사되므로 이득매질의 펌프 흡수율이 낮은 축에 평행한 편광성분을 가지는 펌프광은 흡수가 많이 되지 않고 대부분 이득매질을 투과하게 되어 흡수 효율이 크게 떨어진다.
한편 본 발명에 따른 레이저 장치(1000)는 이득매질부(400)가 단결정성 광섬유(Single crystal fiber, SCF) 형태인 경우, 나아가 도핑이 선택적(segment)으로 이루어진 경우 효과가 극대화 될 수 있는데, 이러한 이득매질부(400)에 대해서는 도 2 내지 도 5를 참조하여 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이득매질부(400)를 도시한 것이다.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
도 5는 다양한 조건으로 도핑된 이득매질부의 펌핑출력 대비 증폭출력의 값을 나타낸 그래프이다.
도 5의 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. 여기서 1p50W 조건을 Case 1, 1pseg50W 조건을 Case 2, 2p50W 조건을 Case 3, 2pseg50W 조건을 Case 4인 것으로 한다.
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 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.
이를 통해 동일 농도로 도핑이 이루어졌다고 하더라도 펌프광이 집속되는 영역을 선택적으로 도핑하였을 때, 증폭 출력이 더 커지는 효과가 있는 것을 알 수 있다.
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.
즉, 펌프광이 집속되는 영역을 선택적으로 도핑한 경우, 펌핑 출력의 일정범위내에서는 전체를 균일하게 도핑하였을 때의 절반 농도로 동일한 증폭 출력이 나타날 수 있다는 것을 의미한다.
도 6의 (a)는 이득매질 한쪽 끝으로 펌프광이 입사되는 경우 나타나는 펌프광의 흡수 분포를 나타낸 것이고, (b)는 이득매질 양쪽 끝으로 펌프광이 입사되는 경우 나타나는 펌프광의 흡수분포를 나타낸 것이다.
SCF 이득매질부의 한쪽 방향으로만 펌프광이 입사하는 경우, 펌프광이 입사된 일측 방향에 형성된 도핑영역에만 펌프광의 흡수가 높게 이루어진 것을 알 수 있으나, 펌프광을 제1 펌프광 및 제2 펌프광으로 분리하여 이를 SCF 이득매질부의 양쪽 방향으로 입사시키는 경우, 양측 방향에 형성된 도핑영역 모두에 펌프광의 흡수가 높게 이루어진 것을 알 수 있다.
또한 이때, 펌프광은 편광이 분리되어 이득매질부의 양쪽 방향으로 입사되므로, 이득매질의 펌프 흡수율이 높은 축이 펌프 편광과 평행하도록 입사시킬 수 있고 이는 펌프광의 흡수를 더 높일 수 있다.
이와 같이 본 발명은 하나의 광 펌핑부에서 발생하는 펌프광을 이득매질부의 양 방향으로 입사시켜, 펌프광이 가지는 에너지를 최대로 활용할 뿐만 아니라 국소적으로 발생하는 열적 문제를 감소시켜 고출력 레이저 발진이 가능할 수 있도록 한다.
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.
1000 : 레이저 장치
100 : 씨드빔 발생부
200 : 광 펌핑부
300 : 광 전달부
400 : 이득매질부
410A, 420A : 제1 세그먼트
412A : 집속지점 412B : 비집속지점
410B, 420B : 제2 세그먼트
500 : 편광 분리부
600A : 제1 반사부 600B : 제2 반사부
600C : 제3 반사부
700A,: 제1 집속부 700B : 제2 집속부
800 : 덤퍼(dumper)

Claims (10)

  1. 펌프광을 발생시키는 광 펌핑부;
    상기 펌프광을 통한 씨드빔의 광 증폭이 이루어지는 이득매질부;
    상기 펌프광을 서로 다른 편광을 가지는 제 1 펌프광 및 제 2 펌프광으로 분리하는 편광 분리부;
    상기 제1 펌프광이 상기 이득매질부의 일단으로 입사될 수 있도록 하는 제1 반사부 및 상기 제2 펌프광이 상기 이득매질부의 타단으로 입사될 수 있도록 하는 제2 반사부를 포함하는 레이저 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 펌프광은 광 펌핑부로부터 발생한 펌프광의 경로와 수직한 경로를 가지며, 제2 펌프광은 광 펌핑부로부터 발생한 펌프광의 경로와 수평한 경로를 가지는 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 광 펌핑부와 편광 분리부 사이에는 상기 광 펌핑부에서 발생된 펌프광을 집광하는 광 전달부가 위치하는 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 편광 분리부와 제1 반사부 사이에는 상기 제1 펌프광을 집속하는 제1 집속부가 위치하는 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 레이저 장치는 제2 펌프광의 경로를 변경하여 상기 제2 펌프광이 상기 제2 반사부로 입사될 수 있도록 하는 제3 반사부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제2 반사부와 제3 반사부 사이에는 상기 변경된 경로를 가지는 제2 펌프광을 집속하는 제2 집속부가 위치하는 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 레이저 장치는 상기 이득매질부를 통과한 제1 펌프광 및 제2 펌프광을 흡수하는 덤퍼(dumper)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 이득매질부는 단결정성 광섬유(Single crystal fiber, SCF) 형태인 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 단결정성 광섬유 형태의 이득매질부는 상기 펌프광의 집속율이 가장 높은 지점인 집속지점이 포함된 제1 세그먼트 및 상기 펌프광의 집속율이 가장 낮은 지점인 비집속지점이 포함된 제2 세그먼트를 포함하여, 상기 제1 세그먼트의 도핑율이 상기 제2 세그먼트의 도핑율 보다 높게 형성되는 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
  10. 제9항에 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 레이저 장치.
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