KR20200101931A - 불균일하게 구성된 광섬유간 로드 다중모드 증폭기를 가진 초고출력 단일모드 광섬유 레이저 시스템 - Google Patents

불균일하게 구성된 광섬유간 로드 다중모드 증폭기를 가진 초고출력 단일모드 광섬유 레이저 시스템 Download PDF

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Abstract

자유 공간으로 뻗어 있는 광섬유 증폭기로 구성된 부스터, 펌프 소스, 및 펌프광을 수신하고 신호 전파반대 방향으로 부스터의 출력단부를 향해 반사하는 굴절소자를 포함하는 레이저 헤드를 포함한다. 부스터는 동심이며 같은 넓이로 뻗어있는 원추형으로 형성된 다중모드("MM") 코어와 상기 코어를 둘러싼 클래딩으로 구성된다. 코어는 소직경 SM 입력 및 대직경 MM 출력 코어 사이에 뻗어 있는 모드전이영역을 포함하고 단일모드("SM") 신호광이 입력에서 출력 코어단부로 전파함에 따라 고차모드의 증폭이 실질적으로 억제되도록 구성된다. 레이저 헤드는 각각의 펌프광 전송 케이블 및 신화 광섬유의 출력단부를 각각 수용한다. 펌프 소스는 부스터 주위에 배열된 복수의 별개의 서브-펌프들로 구성된다. 레이저 헤드는 각각의 펌프 서브소스들에서 나온 펌프광을 전파반대방향으로 부스터의 출력단부에 반사시키도록 구성된 세그먼트 미러를 지지하고, 부스터는 실질적으로 SM으로 MM 출력 레벨에까지 도달하는 증폭된 광신호를 방출하도록 구성된다.

Description

불균일하게 구성된 광섬유간 로드 다중모드 증폭기를 가진 초고출력 단일모드 광섬유 레이저 시스템{ULTRA HIGH POWER SINGLE MODE FIBER LASER SYSTEM WITH NON-UNIFORMLY CONFIGURED FIBER-TO-FIBER ROD MULTIMODE AMPLIFIER}
본원은 실질적으로 기본모드로 수십 kW 및 MW 수준의 평균 및 피크 전력출력을 각각 방출하도록 동작하는 고출력 광섬유 레이저 시스템에 관한 것이다. 보다 상세하게, 본원은 전파반대방향의 펌프광을 증폭기의 출력단부로 재지향하는 원격 레이저 헤드에 모두 직접 결합된 복수의 불구속의 이격된 증폭기 및 펌프광 출력 광섬유들로 구성된 컴팩트한 단일모드("SM") 고출력 광섬유 레이저 시스템에 관한 것이다.
지난 십년에 걸쳐 희토류 도핑 광섬유 소스로부터 출력전력의 극적 증가로 출력전력, 빔품질, 전체 효율, 조밀도(compactness), 및 파장 유연성 면에서 현저한 성능을 가진 광섬유 레이저 시스템이 다양해졌다. 전반적으로, 출력전력의 상승은 무엇보다도 “LMADC”(large mode diameter double clad) 광섬유의 개발과 아래에 간략히 언급된 반도체 다이오드 펌프의 전력 및 휘도의 증가를 포함한 다수의 요인들로 인해 가능해 졌다.
능동 DC 광섬유의 발전은 LMA(Large Mode Area)로 인한 비선형효과("NLE")에 대한 감도를 저하시키고, 코어-클래딩 영역비를 개선시키며 펌프흡수를 향상시키는 코어 크기 증가와 관련 있다. 그러나, 실질적으로 SM만 지원하는 대직경 코어는 또한 계단형 굴절율 광섬유에 상당한 제약을 부여한다. 광섬유 레이저 기술의 당업자에 알려진 바와 같이, SM 광섬유는 약 2.405와 같은 정규화된 주파수 파라미터 V= Rco (2π/λ)
Figure pat00001
에 의해 특징되며, 여기서 Rco는 코어직경이고, Δn=ncore2-nclad2이다. 따라서, DC 광섬유에서 고차모드의 발생을 방지하기 위해, 코어 내 가이딩이 약해지게 되어 광섬유가 지나치게 벤딩손실에 민감해지게 하는 광섬유의 NA가 크게 감소되어야 한다.
현대의 레이저 다이오드 펌프들의 발전은 특히 다이오드 펌프들이 LMADC 광섬유와 결부해 사용될 경우 연속 전력증가 및 휘도에 또한 몹시 기여한다. 그러나, 펌프 전력수준은 하기에 기술된 바와 같이 광섬유 장치들의 확장성을 제한하는 공지의 광섬유 증폭기들의 기하학적 형태를 포함한 많은 요인들로 인해 무한하지 않다.
펌프/DC 구성을 포함한 광섬유 시스템을 참조하면, 펌프 흡수는 증폭 광섬유들의 코어/클래드 직경비에 따른다. 코어 크기는 여기될 경우, 허용가능한 수준 아래로 출력광의 품질을 즉시 저하시키는 고차모드("HOMs")의 여기 및 증폭으로 인해 소정 값 이상으로 확대될 수 없다. 제한된 코어 치수들은 또한 클래드의 크기를 제한하는데, 이는 그렇지 않으면 코어/클래드 직경비가 허용불가능하게 감소될 수 있고, 차례로 펌프광의 휘도 및 흡수를 저하시킬 수 있기 때문이다. 그 결과, 클래드 및 코어 직경들의 제한은 펌프 광의 양에 영향을 끼치고 차례로 광섬유 증폭기의 출력을 제한한다.
최근에, 광섬유 레이저 산업은 광섬유 증폭기의 확장성을 해결하기 위해 대표적으로 증폭기 체인들의 출력 단계에서 사용되는 결정 광섬유 로드로 돌아섰다. 에어홀 클래드 기술을 기초로, 결정 광섬유 로드는 내부 클래딩이 증가된 직경 펌프 코어를 정의하는 이중 클래드 구조를 포함한다.
광섬유 로드의 도핑된 코어는 아주 작은 NA를 갖고, 대표적으로 낮은 도판트 농도를 수용하는 융합 실리카/석영으로 제조된다. 상술한 특징들은 아래에 설명된 바와 같이 광섬유 로드를 기초로 한 레이저 시스템의 확장성에 악영향을 줄 수 있다.
일반적으로 약 0.02를 초과하지 않는 낮은 개구수로 인해 레이저 시스템이 CW 또는 펄스 영역에서 동작하는지에 따라 kW-MW 범위의 초고출력에 도달하는데 필요한 양에 있어 코어에 결합될 수 있는 고출력 펌프광의 양이 제한된다. 따라서, 펌프 코어/내부 클래딩에만 충분한 양의 펌프광이 결합될 수 있다. 광섬유 레이저 기술의 당업자는 클래드-결합 펌프광의 흡수가 코어-결합 광의 흡수보다 약 8배 낮은 것을 안다. 따라서, 클래드-결합 펌프광을 완전히 이용하기 위해, 광섬유 로드는 길이가 수십(대표적으로 50을 넘는) 센티미터 및 미터 사이에서 변해야 한다. 심지어 가장 짧은 이용가능한 광섬유 로드도 NLE가 있으므로 인해 악영향을 받는다. 물론, 가장 짧은 광섬유 로드는 레이저의 출력 확장성을 대단히 제한한다.
이테르븀("Yb")과 같은 저농도의 이온은 대표적으로 약 700ppm이다. 이런 낮은 도판트 농도로 인해, 펌프광의 흡수도 또한 낮다. 예컨대, 소정의 응용에서는, 920nm로 Nd-도핑된 광섬유 레이저 펌프를 사용하는 것이 아주 바람직하다. 그러나, Yb 도판트의 적은 농도로 인해 920nm에서의 흡수가 특히 낮다. 적절한 흡수를 제공하기 위해, 광섬유 로드의 전체 길이가 증가되어야 한다. 상술한 바와 같이, 전체 길이를 늘리는 것은 NLE에 대한 임계치를 떨어뜨리고, 차례로 증폭기의 전력 확장성을 제한한다.
광섬유 로드의 개방단부 구조도 또한 문제다. 대표적으로, 에어 갭 내내 입력신호를 내보내는 것은 마이크로-광학에 의해서만 구현될 수 있다. 물론 이는 전체 레이저 구성을 복잡하게 해 성가시며 비용이 많이 든다. 갭 또는 홀에서 공기가 있으므로써 열전도도 속성이 저하된다. 특히, 에어홀은 열 발산을 늦추고, 차례로, 로드 그 자체에 손상을 주고 환경적 위험을 초래할 수 있다.
공지의 고출력 광섬유 레이저 시스템은 대표적으로 이들 시스템이 배치되는 제한된 공간으로 인해 매우 바람직한 컴팩트함과 거리가 멀다. 광섬유 도파관들의 실제 길이 이외에, 대개, 공지의 시스템은 증폭된 신호광을 레이저 처리되는 가공물 또는 표면으로 가이드하는 긴 수송 수동 광섬유를 포함한다. 로컬 요건들에 지배를 받는 전송 케이블의 길이는 실제로 제한이 없고 수십 미터 이상에 달할 수 있다. 조밀도 외에, 수동 광섬유 전송 케이블의 사용은 또한 전력손실에 영향을 준다. 전송 케이블은 증폭기 광섬유의 출력에 직간접적으로 이어져야 하며, 이는 신호광의 접속전력손실이 초래될 수 있다. 심지어 저전력손실도 고출력 광섬유 레이저 시스템의 매우 경쟁적인 세계에 바람직하지 않다.
따라서, 상대적으로 짧은 광섬유 길이를 따른 수-kW 다중모드("MM") 펌프광의 약 90% 이상을 흡수하고 실질적으로 기본모드의 수-kW 출력을 방출하도록 구성된 증폭 광섬유의 필요성이 있다.
정규의 LMADC 광섬유들의 NA보다 상당히 더 큰 NA로 구성된 상술한 증폭 광섬유에 대한 또 다른 필요성이 있다.
상술한 증폭기 광섬유가 레이저 헤드에 직접 증폭된 펌프광을 전송하는 초고출력 광섬유 레이저 시스템에 대한 또 다른 필요성이 있다.
증폭 광섬유의 내부 클래딩의 소정 영역에 제어가능하게 연결된 펌프광을 방출하는 수-kW 펌프 시스템으로 구성된 초고출력 광섬유 레이저 시스템에 대한 필요성이 더 있다.
본원에 따르면, 개시된 고출력 광섬유 레이저 시스템은 실질적으로 기본모드로 약 20 이상의 kW와 같이 수-kW의 신호광을 방출하도록 동작된다. 시스템은 펌프 소스들을 각각 포함한 하나 이상의 캐비넷들, 선택적인 예비 증폭 캐스케이드, 전자장치, 냉각 시스템 및 고전력 SM 출력을 방출하는데 필요한 모든 다른 장치들로 구성된다. 휴대용 레이저 헤드에는 빔가이딩 광학장치가 제공되고 콘솔로부터 이격되어 있다. 광섬유 증폭기 또는 부스터가 오르내리는 전송 케이블이 콘솔과 레이저 헤드 사이에 뻗어 있다. 복수의 펌프광 전송 케이블들은 자유공간에 걸쳐 뻗어 있고 펌프광을 전파반대 방향으로 헤드에 또한 직접 연결된 부스터의 출력단부로 재지향하도록 구성된 벌크 광학기들로 구성된 레이저 헤드로 직접 펌프광을 전송한다.
부스터의 기하학적 형태는 병목 형태의 횡단면을 함께 정의하는 광섬유부와 광섬유 로드부로 구성된 불구속 이중 클래드("DC") 증폭 MM 광섬유를 포함한다. 따라서, 광섬유부의 기하학적 형태는 상류 SM 수동 광섬유로부터 수신된 SM을 지지하도록 치수화된 균일한 치수의 소직경 입력단부 코어 영역을 포함한다. 광섬유 로드부는 광섬유 로드부를 따라 뻗어 있고 다수의 고차모드("HOM")를 지원할 수 있는 균일한 치수의 출력단부를 갖는 코어영역으로 구성된다. 입력 및 출력 코어어부 사이에 위치된 모드변형 테이퍼부로, 이 구성은 HOM의 의미 있는 증폭 없이 광섬유 증폭에 있어 여기된 SM의 MFD를 증가시키고, 펌프 출력을 높이며 광섬유 길이를 줄여 비선형 효과에 대한 임계치를 끌어올리도록 구성된다.
개시된 펌핑 구성의 일실시예에 따르면, 클래딩은 광섬유 로드의 출력단부에 결하된 펌프광을 수용한다. 클래딩에는 클래딩을 내부 및 외부 서브-클래딩으로 분할하며 코어/클래딩 비를 높임으로써 펌프광의 흡수를 극대화시키는 특별히 도핑된 링 영역이 제공될 수 있다. 흡수의 극대화는 링 영역이 펌프광을 내부 서브-클래딩에 한정하도록 설계되므로 가능하다.
본원의 다른 태양은 고출력 MM 펌프광을 광섬유 로드의 대직경 코어단부에 펌핑하는 것을 포함한다. 펌프광은 내부 서브-클래딩의 NA보다 더 낮고, 더 바람직하게는 실질적으로 0.1 이상인 코어부보다 더 낮은 것을 특징으로 한다. 조합으로, 전파반대방향, 펌프광의 명시된 이상의 NA, 및 FM의 큰 모드필드 직경은 테이퍼진 코어부의 매우 적은 축방향 길이를 따라 펌프광의 효과적 흡수를 위한 선호 조건을 제공한다. 상기 축방향 길이는 약 30cm를 초과하지 않으나 바람직하게는 길이가 약 10cm다. 이런 제한된 길이로, NLE에 대한 임계치는 아주 높아지고, 따라서 단일 기본모드 또는 매우 적은 HOM으로 MW 레벨의 피크전력에 까지 출력 스케일링이 상당히 향상될 수 있다.
부스터가 이동하는 전송 케이블은 냉각매질을 수용하는 충분한 공간을 제공하는 치수로 된다. 냉각매질은 물냉각 시스템을 포함할 수 있거나, 대안으로 부스터의 외부 표면을 따라 코팅된 추가 폴리머층으로 형성될 수 있다.
증폭 광섬유 또는 부스터는 각각의 펌프 소스들의 가요성 있는 불구속 MM 출력 수동 광섬유들로부터 이격되어 있다. 광섬유들은 동작 동안 개시된 시스템의 소정의 가요성을 제공하도록 서로 이격되어 있다. 각각의 MM 수동 광섬유들의 하류 단부들 각각은 커넥터 어셈블리에 의해 레이저 헤드에 착탈식으로 연결된다. 커넥터 어셈블리는 X-Y-Z 좌표 시스템에서 렌즈를 옮기도록 동작하는 렌즈 위치지정장치와 집속 렌즈로 구성된다. 수동 광섬유들의 각각의 하류 단부를 수용하는 주변 커넥터들은 이격되는 식으로 레이저 헤드에 실장되고 능동 광섬유의 하류 단부를 수용하는 중앙 커넥터를 둘러싼다. 레이저 헤드는, 조절가능한 렌즈들과 결합해, 펌프광빔들이 미러의 각각의 세그먼트들에 입사하도록 전파반대방향으로 펌프광 빔을 제어가능하게 재지향시키는 세그먼트 미러를 둘러싼다. 커넥터의 구성은 손상된 광섬유 및/또는 렌즈의 용이한 교체를 가능하게 하는 반면, 레이저 헤드는 필요하다면 교체될 수 있는 미러에 접근이 용이하도록 구성된다. 따라서, 시스템은 모듈식 구조를 갖는다.
개시된 부스터 스테이지는 종래기술의 공지의 유사한 강력한 광섬유 레이저 시스템에 비해 매우 컴팩트하다. 컴팩트함은 무엇보다도 레이저 헤드에 직접 증폭된 신호광을 가이드하는 전송 케이블로서 또한 기능하는 증폭 광섬유의 결과다. 결과적으로, 전체 시스템의 치수가 줄어들 뿐만 아니라 시스템은 실질적으로 기본모드로 고전력출력을 가능하게 하는 더 적은 전력손실을 경험한다.
본 발명의 내용 중에 포함되어 있다.
개시된 시스템의 상기 및 다른 특징과 이점은 첨부 도면과 하기의 상세한 설명으로부터 더 쉽게 명백해진다:
도 1 및 도 2는 본원의 고출력 SM 광섬유 레이저 시스템을 도시한 것이다.
도 3은 도 1 및 도 2의 시스템의 광학 구성도를 도시한 것이다.
도 4는 개시된 부스터의 실시예들 중 하나에 대한 횡단면도이다.
도 5는 개시된 부스터의 다른 실시예의 횡단면도이다.
도 6은 도 1의 본원의 시스템의 펌프 및 신호채널의 입면도이다.
도 7a 및 7b는 냉각 어셈블리용의 다른 배열들을 도시한 도 3의 선 VII-VII을 따른 각각의 도면이다.
도 8은 도 5의 부스터의 MM 능동 광섬유의 굴절률 프로파일이다.
도 9a 내지 9c는 진행반대방향으로 개시된 부스터의 대직경 출력단부의 소정 영역에 펌프광을 결합하도록 구성된 개시된 굴절소자의 각각의 등각도, 저면도 및 측면도이다.
본 발명의 실시예에 대해 더 상세히 언급할 것이다. 가능한 한 어디서나, 동일 또는 유사한 참조부호는 도면 및 명세서에서 동일 또는 유사 부분 또는 단계들을 언급하기 위해 사용된다. 도면은 간략한 형태이며 정확한 비율로 되어 있지 않다. 구체적으로 언급하지 않는 한, 명세서 및 특허청구범위에 있는 용어와 어구는 광섬유 레이저 기술분야의 당업자들에 통상의 익숙한 의미로 제시되게 되어 있다. "커플" 및 유사한 용어들은 반드시 직접 및 바로 연결을 나타내는 것이 아니라, 자유 공간 또는 중간 소자를 통한 기계적 광학연결을 포함한다.
도 1은 실질적으로 CW 영역에서 SM 신호광보다 가령 약 20kW 이상의 수-kW 및 펄스 영역에서 MW 피크 출력을 방출할 수 있는 예시적인 고출력 광섬유 레이저 시스템(10)을 도시한 것이다. 시스템(10)은 펌프 소스들, 시드 레이저(11), 선택적 사전증폭 캐스케이드(들), 전자장치, 냉각시스템 및 고출력 SM 출력을 방출하는데 필요한 기타 모든 장치들을 포함한 하나 또는 복수의 캐비넷들(12)로 구성될 수 있다. 시드 레이저에 의해 방출된 SM 신호광은 콘솔과 레이저 헤드(16) 간의 자유 공간을 통해 뻗어 있는 가요성 전송 케이블(50)내에 둘러싸인 광섬유 부스터(14)를 따라 더 가이드되고 증폭된다. 부스터(14)는 희토류 원소들과 같은 광 이미터들로 도핑된 MM 코어를 갖는 능동 이중 클래드 광섬유로 구성된다. 자유공간을 통해 또한 뻗어 있는 복수의 펌프광 전송/출력 광섬유들(18)(도 2)과 진행반대 방향으로 증폭기 광섬유에 펌프광을 결합시키도록 구성된 필수적인 벌크 광학기가 레이저 헤드(16)에 실장된다. 펌프 및 레이저 헤드(16)를 따른 부스터(14)의 구조적 사양들로 인해, 시스템(10)은 초고출력의, 신호광 전파방향으로 실질적으로 회절 제한된 출력빔을 방출하도록 동작한다.
도 2는 마스터 발진기/전력 증폭기("MOPA") 구성으로 구성된 시스템(10)을 도시한 것이다. 마스터 발진기(20)는 캐비넷(12)에 위치해 있고 신호광 전파방향으로 소정 파장으로 단일모드("SM") 신호광을 방출하도록 동작한다. 발진기(20)는 가령, 부스터(14)의 입력단부에 이어진 입력 수동 광섬유(22)를 따라 바람직하게는 캐비넷(12) 내에 가이드되는 약 1012-1060nm 범위 내에 있는 파장으로 신호광을 방출하도록 동작하는 Yb-도핑된 광섬유 발진기를 포함한 다양한 구성들을 가질 수 있다. 부스터(14)의 출력단부는 커넥터(24)에 의해 레이저 헤드(16)에 실장된다. 시스템(10)은 캐비넷(12)내에 위치되고 가령, 약 975 내지 약 1018nm 사이에서 변하는 파장 범위로 MM 펌프광을 출력하는 복수의 펌프 어셈블리들(26)을 더 포함한다. 펌프 어셈블리(26)는 하기에 상세히 언급된 바와 같이 펌프광 전송 광섬유(18)에 연결된 펌프광을 출력하기 위해 나란히 함께 결합된다.
도 3을 참조하면, 예시적인 펌프 어셈블리(26)는 각각이 하나 이상의 다이오드를 포함할 수 있는 다수의 모듈에 일반적으로 배열된 다수의 피그테일형 레이저 다이오드(28)를 포함할 수 있다. 각각의 레이저 다이오드 모듈(28)로부터 나온 출력 광섬유는 출력 MM 수동 광섬유 펌프광 출력/전송 광섬유(18)를 갖는 MM-MM 광섬유 결합기(19)에서 함께 결합된다. 예로서, MM 펌프광을 각각 방출하는 결합된 레이저 다이오드 모듈(28)은 MM 펌프 광섬유(18)에서 함께 결합될 수 있다. 각각의 펌프 어셈블리(26)의 출력펌프 광섬유(18)는 레이저 헤드(16)에 탈착식으로 장착된 각각의 커넥터(24)에 수용된다. 개시된 시스템(10)은 20kW 이상에 도달한 펌프광의 결합된 출력을 가질 수 있다. 레이저 헤드(16)에 수신된, 다수의 펌프광들은 레이저 헤드에 장착되고, 하기에 개시된 바와 같이 진행반대방향으로 부스터(14)의 출력단부에 펌프광을 결합시키도록 동작하는 세그먼트 미러(30)로부터 반사된다.
도 2 및 도 3과 결부해 도 4를 참조하면, 부스터(14)는 캐비넛(12) 내에 패시브 입력 광섬유(22)에 이어진 입력단부를 갖고 길이는 가령 약 5미터다. 부스터(14)의 구성을 전체적으로 광섬유부(15)와 길이가 수 cm에서 수 m에 이르는 광섬유 로드부(17)를 포함한 광섬유 간 로드 도파관이라 한다. 예컨대, 광섬유 로드부(17)는 길이가 약 10cm 만큼 작게 변할 수 있다. 대안으로, 부스터(14)는 함께 이어진 별개의 부분들로 구성될 수 있다. 어느 한 경우, 부스터(14)는 실질적으로 기본모드("FM")로 복사를 방출하도록 구성된다. 광섬유부(15)는 말단부가 전반적으로 원추형을 갖게 구성되며, 작은 직경의 하류 단부는 소정 파장(λs)으로 광섬유부(15)로부터 SM 또는 저/고차모드 신호광을 수신하고 큰 직경의 출력단부는 다수의 모드를 지원할 수 있다.
부스터(14)는 가령 균일한 횡단면(32), 원추형 횡단부(34) 및 큰 직경의 균일하게 형성된 출력부(35)를 갖는 인광 MM 코어(38)를 포함할 수 있다. 대안으로, MM 코어(38)는 각각 입력부 및 원추부(32 및 34)로만 구성될 수 있다. 입력코어영역(32)은 하기에 상세히 개시된 바와 같이 HOMs의 여기를 최소화하고 바람직하게는 억제하기 위해 모드 전이의 테이퍼진 코어영역을 따라 큰 직경의 출력코어영역(35)으로 단열적으로 뻗어 있는 단일모드 또는 매우 적은 낮은 HOMs만을 실질적으로 지원하기 위한 치수로 되어 있다. 코어(38)는 출력 신호광의 전력밀도를 줄이도록 구성된 원통형 또는 원추형 석영블록(39)으로 더 구성된다. 하나 또는 다수의 코팅들(41)은 차츰 클래딩(42)을 둘러싸고 코팅의 굴절률보다 더 낮고 차례로 클래딩의 굴절률보다 더 낮은 각각의 굴절률을 갖는다. 내부 코팅은 두께가 약 20㎛ 내지 약 40㎛ 사이에서 변할 수 있는 반면, 외부 코팅의 두께는 약 20㎛ 내지 약 35㎛ 사이에서 변할 수 있다.
입력코어영역(32)은 모드전이 코어영역(34)을 따라 더 뻗어 있는 SM 신호를 수신하고 지원하도록 구성된다. 단일모드는 코어의 전체 길이를 따라 코어(38)의 횡단면적의 약 0.652보다 크게 커버한다. 이런 SM의 큰 모드 면적은 펌프광의 주요부가 코어영역(35) 확대시에 있는 모든 가능한 HOMs가 실제로 배경 노이즈로 감소하는 정도로 단지 SM/FM의 증폭을 위해 사용되게 한다.
개시된 부스터(14)의 펌프구성은 출력단부 카운터-펌핑 기술에 따라 구성된다. 펌핑 구성의 일실시예에서, 미러(30)(도 3)는 하기에 상세히 개시된 바와 같이 부스터(14)의 클래딩(42)(도 4)으로 펌프광을 반사시키도록 구성된다. 이 실시예에 따르면, 클래딩(42)은 클래딩을 내부 및 외부 서브-클래딩(46 및 48)으로 각각 분할하는 링영역(40)을 포함한다.
부스터(14)의 링영역(40)은 휘도 증가를 돕고 펌프광의 흡수를 높인다. 링영역(40)은 클래딩(42)의 굴절률보다 낮고 따라서 펌프광이 교차하는 클래딩 영역의 직경을 0.22를 초과하는 NA를 갖는 내부 서브-클래딩(46)으로 효과적으로 줄이는 굴절률을 특징으로 하는 플루오르화물로 도핑된다. 감소된 클래딩 영역은 코어(38)를 관통하는 펌프광의 광경로를 늘려 흡수를 개선시킨다.
점차 좁아지는 부스터(14)의 횡단면을 따라 광이 전파함에 따라, 광이 도파관으로부터 디커플링을 시작하도록 NA가 증가하는 경향이 있다. 디커플링된 광은 소정의 증폭 목적을 위해 손실되고 광섬유 구성요소들의 보호코팅에 손상을 준다. 이런 디커플링은 심지어 사소한 전력손실이 시스템의 성능을 심각하게 열화시킬 수 있는 kW-MW로 동작하는 고출력 시스템에서 확대된다. 따라서, 펌프광의 NA가 확대되어 링영역(40)을 통해 외부 서브-클래딩(48)으로 번지기 시작하기 전에, 펌프광은 각각 증폭 및 모드전이영역(35 및 34)을 따라 최대로 흡수되는 것이 아주 바람직하다.
이에 대해, 광섬유 레이저 기술의 당업자에 알려진 바와 같이, MM 펌프광의 모든 모드들이 DC 광섬유에서 균일하게 흡수되는 것이 아니고, 당업자에 쉽게 인식되는 바와 같이 임의의 소정의 모드 및 코어영역들 간의 중첩에 따른 몇몇은 전혀 흡수없이 전파한다. LP01 이상과 같은 흡수가능한 모드, 즉, 강도 분포가 광섬유의 짧은 대칭축을 따라 집중된 대칭모드가 광섬유의 길이방향 축에 대해 각각의 큰 각도들로 전파한다. 기타 덜 흡수되거나 전혀 흡수될 수 없는 모드들은 LP11 이상과 같은 비대칭모드를 포함하고 펌프출력의 상당부를 전달하나, 기하광학에 잘 알려진 바와 같이, 도핑된 코어영역과 기껏해야 미미한 중첩을 제공하는 나선형 경로를 갖는다.
부스터(14)의 테이퍼진 영역의 개방각도(Φ)를 구성함으로써 링(40)을 통해 번지기 시작하기 전에 펌프광의 대부분의 흡수가 구현된다. 개방각도는 링(40)에 입사하는 각각의 펌프광선들이 점차 증가하는 반사각에 따라 반사하도록 선택된다. 그 결과, 펌프광이 모드전이 코어영역(34)을 가로지르는 주파수가 증가하고, 차례로 흡수가 강화되게 한다.
펌프광은 다중모드이다. 알려진 바와 같이, 대칭모드는 비대칭모드의 각보다 더 큰 각도로 도파관을 따라 전파한다. 즉, 비대칭 모드는 대칭모드보다 MM 코어(38)의 도핑 면적을 덜 겹친다. 따라서, 테이퍼진 영역의 개방각도(Φ)는 대칭모드뿐만 아니라 비대칭모드도 효과적으로 MM 코어(38)에 도핑된 광이미터와 상호작용하도록 링(40)에 입사하는 펌프광선의 반사각을 높이게 선택된다. 특히, 개방각도(Φ)로 인해 코어모드-전이 영역(34)의 소정 길이를 따라 소정량의 펌프광이 흡수된다. 소정 길이는 부스터를 따라 전파하는 펌프광이 링(44)에 의해 한정되는, 즉, 펌프광의 NA의 광이 외부 서브-클래딩(48)으로 번지기 시작하도록 증가하기 전에 모드전이영역(34)의 길이다. 흡수된 펌프광에 대한 임계치는 약 4m의 모드전이 코어영역을 가지며 가령 5m를 넘지 않는 코어 길이를 따라 적어도 90%여야 한다.
개시된 부스터(14)는 약 적어도 2의 테이퍼링 비, 즉, 테이퍼진 영역의 소직경과 대직경 단부 간의 비로 구성될 수 있다. 2의 테이퍼링 비를 기초로, 링의 대향 단부들은 두께가 각각 약 15㎛ 및 약 30㎛일 수 있다. 각각의 내부 서브-클래딩과 코어의 직경들 간의 비는 적어도 약 5일 수 있는 반면, 각각의 외부 서브-클래딩과 코어의 직경들 간의 비는 약 10이다. 예컨대, 입력 코어단부의 직경은 두께가 약 적어도 20㎛일 수 있고 출력 코어단부의 직경은 두께가 적어도 40㎛인 반면, 클래딩의 각각의 소형단부 및 대형단부의 외직경은 약 200㎛ 및 약 400㎛이다.
바람직하기로, 출력광 전송 광섬유들(18) 각각은 내부 서브-클래딩(46)의 NAic와 실질적으로 동일한 NAp로 구성된다. 대안으로, NAp는 내부 클래딩 보다 더 클 수 있는데, 이는 레이저 시스템이 1-2%의 전력손실이 소정 결과에 영향을 끼치지 않는 이런 고출력 수준으로 동작하기 때문이다. 마지막으로, NAic보다 낮은 펌프 NAp를 가질 확률이 또한 가능하다.
도 5는 MM 코어(38)에 결합되도록 부스터(14)의 출력단부로 펌프광(Lp)을 반사하는 것을 포함한 개시된 펌프 구성의 다른 실시예를 도시한 것이다. 이는 실질적으로 0.1 이상인 코어(38)의 NAp보다 더 낮은 NAp를 갖는 펌프광을 제공함으로써 구현된다. 결합하여, 전파반대방향, 명시된 이상의 펌프광 NA 및 FM의 큰 모드 필드직경은 테이퍼진 코어부의 매우 작은 축방향 길이를 따른 펌프광의 효과적 흡수를 위한 선호 조건을 제공한다.
도 6은 펌프 출력 광섬유 및 광섬유 부스터를 레이저 헤드(16)에 각각 결합하기 위한 커넥터 어셈블리(24 및 24')를 도시한 것이다. 커넥터의 부분들 중 일부는 광섬유의 하류 단부를 수용하는 반면, 다른 부분은 레이저 헤드(16)에 고정된다. 커넥터는 가령, 손상된 광섬유 교체를 포함한 다양한 이유로 레이저 헤드(16)에 각각의 광섬유의 용이한 커플링 및 디커플링을 제공하도록 설계된다.
각각의 MM 패시브 및 DC 능동 광섬유들의 하류 단부들 각각은 커넥터의 볼록부에 수용된다. 그 결과, 모든 광섬유들의 하류 단부들은 서로 방사상으로 이격되어 있다. 또한, 파워센서(66)가 각각의 볼록 커넥터부에 실장되어 각각의 펌프광 및 신호광의 출력전력을 모니터하게 한다. 임의의 주어진 펌프 및 증폭 채널에서 측정된 광의 출력이 소정의 기준 값과 일치하지 않으면, 펌프 입력시 전류는 광출력을 높이도록 조정된다.
오목부는 레이저 헤드(16)에 착탈식으로 실장되고 각 펌프광과 관련된 커넥터 어셈블리(24)의 오목부는 렌즈(68)와 같은 집속 구성부품을 수용한다. 렌즈(68)는 전파반대방향으로 집속된 빔을 반사하는 미러(30)의 소정 세그먼트에 펌프광을 집속하도록 구성된다. 반사된 펌프광이 소정 영역에 입사되지 않으면, 렌즈(68)는 소정 면에 렌즈(68)를 이격시키도록 각각 동작하는 3개의 액츄에이터(72)를 포함한 조정장치(70)에 의해 X-Y-Z 방향을 따라 옮겨질 수 있다. 그 결과, 커넥터 어셈블리(24,24')와 조정장치(70)의 구성으로 인해 각 렌즈가 별개로 조정되게 한다. 더욱이, 상기를 기초로, 상기 개시된 구성부품들 각각은 필요하다면 교체될 수 있다.
도 4와 결부해 도 7a 및 7b를 참조로, 부스터(14)를 둘러싼 전송 케이블(50)은 각각의 케이블과 부스터의 대향 면들 사이 공간 내에 냉각 시스템을 수용하도록 치수화된다. 냉각 시스템은 부스터(14)를 통해 가이드되는 초고출력 광으로 인해 발생한 바람직하지 못한 열동역학적 부하의 결과를 최소화하도록 구성된다. 도 7a에 도시된 바와 같은 실시예에서, 가이드(52)는 실질적으로 부스터(14)의 전체 길이를 통해 콘솔로부터 뻗어 있는 하나의 파이프 또는 파이프들의 조합을 포함한다. 파이프(52)는 물과 같은 가압 냉각매질을 가이드한다.
대안으로, 도 7b는 고출력 광의 유해한 열적효과를 최소화하는 두꺼운 폴리머층(54)을 도시한 것이다. 층(54)은 부스터(14)의 전체 길이 또는 그 일부를 따라 코팅될 수 있다. 층(54)을 제조하는데 사용된 재료들은 1.33 이하의 굴절률, 약 수백 ℃까지의 동작 온도 및 약 6 내지 50㎛의 두께를 갖는 플루오르폴리머를 포함한다.
도 8은 도 4의 부스터(14)의 계단식 굴절률 프로파일을 도시한 것이다. 코어(38)는 약 3000ppm 내지 약 5000ppm 사이에서 변하는 농도로 Yb, Er, Tm, Nd 등과 같은 하나 이상의 희토류 원소들의 이온들로 도핑된다. 코어(38)는 코어 굴절률 프로파일이 상부가 평평하게 끝나는 일반적으로 원추형을 갖는 상대적으로 높은 굴절률 영역(60)으로 이어지며 상대적으로 낮은 균일하게 형성된 굴절률 영역(44)을 포함하도록 게르마늄 이온으로 더 도핑된다. 이런 구성이 기본모드의 증가된 모드필드 직경으로 인해 이점적임이 밝혀졌다.
도 9a-9c를 참조로, 미러(30)는 세그먼트되거나 되지 않은 구형이거나 비구형일 수 있다. 바람직한 구성으로, 미러(30)는 개시된 부스터의 길이방향 축(56) 주위에 중심을 둔 다수의 세그먼트들(60)과 미러(30)의 실장 위치에서 부스터와 동축인 개구(58)를 정의하는 각각의 내부면들로 구성된다. 세그먼트(60)는 서로를 향해 수렴하는 각각의 경사진 반사면들(62)로 구성되므로 개시된 부스터의 출력단부를 향해 좁아지는 전반적으로 원추형의 반사면을 정의한다. 개시된 부스터(14)의 내부 서브-클래딩에 펌프광을 정확히 결합시키기 위해, 세그먼트(60)는 길이방향 축(56)에 수직인 각각의 대칭축(64) 주위로 선회될 수 있다.
첨부도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예들 중 적어도 하나를 기술하였으나, 본원은 이들 정확한 실시예들에 국한되지 않음을 알아야 한다. 다른 파장, 광섬유 파라미터 및 희토류 도판트를 포함한 다양한 변경, 변형, 및 적용들이 상술한 바와 같이 본 발명의 기술사상 또는 범위로부터 벗어남이 없이 당업자에 의해 달성될 수 있다.

Claims (25)

  1. 길이방향 축을 따라 중심을 둔 불구속 전송 케이블;
    상기 전송 케이블을 통해 뻗어 있고, 동심이며 같은 넓이로 퍼지는 다중모드("MM") 코어 및 상기 MM 코어를 둘러싼 적어도 하나의 클래딩으로 구성된 세장형 광섬유 부스터;
    부스터의 출력단부를 직접 수용하는 레이저 헤드;
    서로 이격되고 전송 케이블로부터도 이격되며, 각각이 전파방향으로 MM 펌프광을 가이드하는 복수의 불구속 펌프광 출력 광섬유들; 및
    레이저 헤드 단부에 실장되고 펌프광을 전파반대방향으로 부스터의 출력단부으로 재지향시키도록 구성된 미러를 구비하고,
    MM 코어는 희토류 이온 그룹에서 선택된 광 액티베이터들로 도핑되며,
    MM 코어는 비균일하게 형성되고, 소직경 입력 및 대직경 출력의 균일하게 형성된 MM 코어 영역들 간에 뻗어 있으며 SM 신호광이 MM 코어를 따라 전파방향으로 가이드됨에 따라 고차모드의 증폭이 실질적으로 억제되도록 구성되는 모드전이영역을 포함하고,
    부스터는 실질적으로 SM으로 kW에서 MW 범위의 신호광을 방출하는, 단일모드("SM") 초고출력 광섬유 레이저 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    펌프광은 MM 코어의 출력단부에 결합되는 단일모드 초고출력 광섬유 레이저 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    부스터의 클래딩은:
    코어의 모드전이영역과 같은 넓이로 확장되는 테이퍼진 영역; 및
    적어도 테이퍼진 큰직경의 출력 영역들을 따라 뻗어 있는 세장된 내부 링으로 구성되고,
    상기 세장된 내부 링은 클래딩의 굴절률보다 낮은 굴절률로 구성되고 상기 클래딩을 내부 및 외부 서브-클래딩으로 분할하며, 상기 내부 서브-클래딩은 MM에 인접하고 펌프광을 수신하도록 구성되고, 각각의 펌프광 출력 광섬유의 개구수("NA")는 많아야 부스터의 내부 서브-클래딩의 개구수 만큼 큰 단일모드 초고출력 광섬유 레이저 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    내부 서브-클래딩은 결합된 MM 펌프광을 웨이브가이드하고, 클래딩의 테이퍼진 영역은 펌프광의 적어도 90%가 모드전이 영역 코어를 따라 흡수되기 전이 아니라 내부 서브-클래딩에서 외부 서브-클래딩으로 디커플되는 커플된 펌프광의 각각의 대칭 및 비대칭 모드의 반사각을 증가시키도록 선택된 개방각도로 구성되는 단일모드 초고출력 광섬유 레이저 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    레이저 헤드에 각각 실장되고 재지향된 펌프광이 부스터의 출력단부에 결합되도록 미러에 펌프광을 집속시키도록 동작하는 복수의 광집속 어셈블리들을 더 구비하는 단일모드 초고출력 광섬유 레이저 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    광집속 어셈블리는 각각의 출력 펌프광 섬유를 수용하고 각 X-Y-Z 좌표 시스템에서 각각의 펌프광의 출력을 조정하도록 구성되는 단일모드 초고출력 광섬유 레이저 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    미러는 부스터의 길이방향 축에 중심을 두고, 각각의 펌프 소스스들로부터의 MM광을 부스터의 출력단부에 결합시키도록 길이방향 축에 수직하게 뻗어 있는 각각의 축들 주위로 서로에 대해 옮기도록 동작되는 다수의 세그먼트들을 포함하는 단일모드 초고출력 광섬유 레이저 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서,
    세그먼트 미러는 부스터를 향해 협소해지는 원추형으로 구성되는 단일모드 초고출력 광섬유 레이저 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서,
    각각의 전송 케이블과 부스터의 대향 면들은 그 사이에 공간을 정의하는 단일모드 초고출력 광섬유 레이저 시스템.
  10. 제 9 항에 있어서,
    공간 내에 위치된 냉각 시스템을 더 포함하는 단일모드 초고출력 광섬유 레이저 시스템.
  11. 제 10 항에 있어서,
    냉각 시스템은 냉각제가 지나가는 적어도 하나의 파이프를 포함하는 단일모드 초고출력 광섬유 레이저 시스템.
  12. 제 10 항에 있어서,
    냉각 시스템은 부스터의 외부 면에 결합되는 폴리머 코팅을 포함하고,
    상기 코팅은:
    1.33 미만의 굴절률;
    수백℃까지의 동작 온도; 및
    6 내지 50㎛ 사이 범위의 두께로 구성되는 단일모드 초고출력 광섬유 레이저 시스템.
  13. 제 1 항에 있어서,
    레이저 헤드는 펌프광 출력의 각각의 출력단부와 부스터 광섬유를 수용하는 복수의 커넥터들로 구성되는 단일모드 초고출력 광섬유 레이저 시스템.
  14. 제 1 항에 있어서,
    각각의 kW 내지 MW 출력의 펌프광을 방출하는 하나 이상의 펌프 소스들을 수용하는 하나 이상의 캐비넷들로 구성된 메인 콘솔, 컨트롤 전자시스템, 및 SM 신호광을 방출하는 마스터 발진기를 더 포함하고, 부스터 광섬유 및 발진기는 마스터 발진기 전력 증폭기("MPOA") 구성으로 서로에 결합되는 단일모드 초고출력 광섬유 레이저 시스템.
  15. 제 3 항에 있어서,
    내부 서브-클래딩은 적어도 0.22의 NA로 구성되는 단일모드 초고출력 광섬유 레이저 시스템.
  16. 제 4 항에 있어서,
    각각의 코어, 내부 클래딩 및 링의 테이퍼링 비가 적어도 2이도록 개방각도가 선택되는 단일모드 초고출력 광섬유 레이저 시스템.
  17. 제 4 항에 있어서,
    각각의 내부 서브-클래딩 및 코어의 직경들 간의 비는 적어도 5에 해당하고, 각각의 외부 서브-클래딩 및 코어의 직경들 간의 비는 10인 단일모드 초고출력 광섬유 레이저 시스템.
  18. 제 3 항에 있어서,
    링 영역은 플루오라이드 이온들로 도핑되는 단일모드 초고출력 광섬유 레이저 시스템.
  19. 제 3 항에 있어서,
    링의 대향 단부는 두께가 각각 15㎛ 및 30㎛인 단일모드 초고출력 광섬유 레이저 시스템.
  20. 제 1 항에 있어서,
    클래딩의 테이퍼진 영역의 각각의 소형단부 및 대형단부의 외직경들은 각각 200㎛ 및 400㎛인 단일모드 초고출력 광섬유 레이저 시스템.
  21. 제 1 항에 있어서,
    부스터는 계단식 굴절률 프로파일로 구성되고, 코어는 상기 코어의 굴절률 프로파일이 평평한 상부에서 끝나는 전반적으로 원추형을 가진 상대적으로 큰 굴절률 영역으로 이어지는 상대적으로 낮은 굴절률 영역을 포함하도록 게르마늄 이온들로 더 도핑되는 단일모드 초고출력 광섬유 레이저 시스템.
  22. 제 1 항에 있어서,
    클래딩을 둘러싸고 두께가 20㎛ 내지 40㎛ 사이에서 변하는 외부 코팅을 더 포함하는 단일모드 초고출력 광섬유 레이저 시스템.
  23. 제 1 항에 있어서,
    모드전이영역의 길이는 4m이고, 코어의 총 길이는 20kW의 증폭된 SM 신호광의 출력에서 5 내지 7m 사이인 단일모드 초고출력 광섬유 레이저 시스템.
  24. 제 1 항에 있어서,
    부스터의 출력단부 및 펌프광 전송 광섬유에 이어진 코어리스(coreless) 실리카 글래스를 각각 더 구비하고, 원통형 횡단면 또는 전반적으로 원추형 횡단면을 갖는 단일모드 초고출력 광섬유 레이저 시스템.
  25. 제 1 항에 있어서,
    부스터는 일체형 구조로 구성되고 함께 융합된 복수의 부분들을 포함하는 단일모드 초고출력 광섬유 레이저 시스템.
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