KR20210020938A - 1.02 내지 1.06 ㎛ 클래드 펌핑 체계를 갖는 고파워 이터븀:에르븀(Yb:Er) 섬유 레이저 시스템 - Google Patents

1.02 내지 1.06 ㎛ 클래드 펌핑 체계를 갖는 고파워 이터븀:에르븀(Yb:Er) 섬유 레이저 시스템 Download PDF

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amplifier
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일리야 자이체프
페도르 셰르비나
안드레이 마쉬킨
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아이피지 포토닉스 코포레이션
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Abstract

섬유 레이저는 에르븀 이온(Er+3) 및 이터븀 이온(Yb+3)으로 도핑된 코어를 갖는 이중 클래드 섬유로 구성된다. 적어도 2개의 이격된 고반사 및 저반사 거울이 코어의 측면에 위치되고 공진 공동을 그 사이에 형성한다. 섬유 레이저는, Yb:Er 도핑된 이중 클래드 섬유 내로 커플링되는 1.02 내지 1.06 ㎛ 파장 범위의 광을 출력하는 펌프 레이저를 더 포함한다. 섬유 증폭기는 에르븀(Er+3) 이온 및 이터븀(Yb+3) 이온으로 도핑된 코어를 가지는 이중 클래드 섬유, 및 1.02 내지 1.06 ㎛ 파장 범위의 펌프 파장에서 복사선을 생성하는 펌프 레이저를 포함하고, 펌프 레이저는 Yb:Er 도핑된 이중 클래드 섬유 내로 커플링되는 1.02 내지 1.06 ㎛ 파장 범위의 광을 출력한다. 개시된 섬유 레이저 및 섬유 증폭기의 각각은, 9xx nm 펌프 파장에서 동작하는 알려진 체계의 임계값보다 상당히 더 큰 1 ㎛ 파장 범위 내의 레이징 임계값을 갖는다.

Description

1.02 내지 1.06 ㎛ 클래드 펌핑 체계를 갖는 고파워 이터븀:에르븀(Yb:Er) 섬유 레이저 시스템
개시내용은 1 미크론 nm 파장 범위 내의 Yb 레이징의 억제된 시작(suppressed onset)의 고파워 Yb:Er 섬유 레이저 시스템에 관한 것이다. 특히, 개시내용은, 1020 내지 1060 nm 파장 범위에서 클래드 펌핑되는 Yb:Er 도핑 섬유를 기초로 하는 고파워 섬유 발진기 및 증폭기에 관한 것이다.
1.5 내지 1.6 ㎛ 파장 범위에서 동작하는 고파워의, 실용적이고 저비용적인 에르븀(Er)-도핑된 이중 클래드 섬유 레이저 시스템이 요구되고 있다. 이러한 파장 범위 내의 레이저 동작은 몇 가지 이유로 매력적이다: 이는 툴륨(Tm) 레이저 시스템, 중간-IR 파라메트릭 증폭기(parametric amplifier) 및 발진기의 펌핑이 우수하고; 또한 많은 과학적 및 공학적 적용에서 고파워 Er 레이저를 매우 유리하게 만드는 낮은 섬유 손실을 갖는다.
가장 일반적인 Er에서의 레이저 전이(laser transition)는 1550 nm 주위에서 집중된다. Er-기반의 레이저 시스템을 위한 압도적으로 대중적인 펌핑 기구는 약 980 nm 펌프 파장에서 동작하고, Er 섬유 시스템에서 널리 활용되고 있다. 그러나, 9xx nm 파장 범위에서 펌핑되는 Er 섬유 장치는 지속적으로 성장하는 산업적인 요구를 만족시킬 수 있는 충분한 파워를 가지지 못할 수 있다. Er 섬유 장치의 파워 스케일링을 제한하는 주된 이유는, 고파워의 단일 모드(SM) 파워 공급원이 없기 때문이다. 전형적으로, 알려진 SM 파워 공급원은, 파워가 2 내지 3 W를 초과하지 않는 다이오드 레이저를 기초로 한다. 다른 한계는 Er 이온 도핑 농도가 이하의 이유로 비교적 낮다는 사실에 기인한다. 첫 번째로, 높은 Er 농도에서, 루미네선스(luminescence)가, Er 이온과 OH- 사이의 상호작용으로 인해서 에너지 전달 프로세스에 의해서 ??칭될(quenched) 수 있다. 두 번째로, 이는, 정전기적 쌍극자-쌍극자 상호작용을 통해서 Er 이온을 탈-여기(de-excite)시키는 잘 알려진 "농도 ??칭"이다. 이러한 현상은 효율 감소 및 이득 감소의 원인이다. 그 이외에도, 큰 펌프 파워가 인가되는 경우에 다른 협력적인 상향변환(upconversion) 프로세스가 발생되고, 이는, 섬유 열화(fiber degradation)를 유발하는, 매우 바람직하지 못한 광흑화(photodarkening)를 초래한다.
Er 섬유에서 비교적 낮은 펌프 흡수를 회피하여 Er 레이저 및 Er 증폭기 파워 스케일링을 증가시키기 위해서, 증감제로서 작용하는 Yb+3와 함께 Er+3를 같이 도핑하는 것이 사용되고 있다. Yb 이온은, 실리카 섬유에 대해서 도 2에 도시된 바와 같이, 바닥 상태 위의 단지 하나의 준 안정 상태, 넓은 흡수 스펙트럼, 및 큰 흡수 및 방출 횡단면을 가지는, 단순한 전자 구조를 갖는다. Er와 달리, Yb는, 고파워 MM 다이오드 레이저에 의한 클래드 펌핑 체계의 이용을 가능하게 하는 높은 도핑 농도일 수 있거나 그러한 높은 도핑 농도로 사용된다. 펌핑은, 원칙적으로, 910 nm 내지 1064 nm의 넓은 파장 범위에서 이루어질 수 있다. 특히 976 nm에서의, 큰 흡수 횡단면은 큰 펌프 흡수를 가능하게 하고, 이는 비교적 짧은 섬유 길이를 초래한다.
도 3은, 고반사 및 저반사 거울들(15) 사이에 형성된 광학적 공진기 내에 배치되는 Yb:Er 공통-도핑된 이중 클래드(DC) 섬유(12)를 갖는, Er 레이저(10)로 구성된 고파워 섬유 시스템의 전형적인 개요를 도시한다. Yb:Er 레이저는 다이오드 레이저-기반의 펌프(14)에 의해서 9xx nm 파장에서 양방향적으로 측면 펌핑된다. 동작 시에, 펌프 광이 내부 클래딩 내로 발진되고 한정되며, 섬유(12)의 코어와 공간적으로 중첩된다. Yb+3 이온은 섬유(12)의 전체 길이에 걸쳐 펌프 광자를 흡수하는 한편, 그 에너지를 Er+3 이온으로 공진적으로 전달한다. 섬유(12)는, 큰 방출 횡단면으로 인해서 Yb3+ Er3+ 공통-도핑된 시스템을 위한 우수한 호스트(host)로 간주되는 인-실리케이트 유리이다. 인산염 호스트 내의 큰 광자 에너지는 희망 이완(desired relaxation)을 위한 전이 가능성을 증가시키고, 이는 Er+3로부터 Yb+3로 역으로 에너지가 전달되는 것을 방지한다. 또한, Yb 방출 스펙트럼과 Er 흡수 스펙트럼 사이의 큰 스펙트럼 중첩에서, 인-실리케이트 섬유 내의 Yb3+로부터 Er3+로의 에너지 전달 효율은 95%에 도달할 수 있다.
9xx nm 파장 범위에서 동작하는 도 3의 펌프 기구(14)를 갖는 레이저(12)의 파워 스케일링을 방해하는 많은 수의 제한 인자가 있다. 이러한 제한 중 하나는 1 ㎛ 파장 범위 내의 기생 Yb 방출이고, 이는, 이러한 파장 범위 내의 원치 않는 큰 이득 계수로 인해서, Yb:Er 섬유 레이저의 섬유(12)를 복구 불가능하게 손상시킬 수 있다. 도 4는 1 ㎛ 파장 범위 내의 도 2의 Yb:Er 섬유 레이저(10)에서의 기생 생성을 도시한다. 하단 그래프 1은 1570 nm 에서의 Er 출력 펄스를 나타낸다. 상단 그래프 2는 1 ㎛ 파장 범위 내의 레이징 피크를 갖는 Yb의 수퍼루미네선스 신호(superluminescence signal)를 나타낸다.
1 ㎛ 파장 범위 내의 원치 않는 방출을 설명하는 인자 중 하나는, Er 이온으로의 에너지 전달에 참여하지 않는 섬유의 코어 내의 Er 이온으로부터 격리된 Yb 이온의 제한된 양의 존재이다. 전형적으로, 격리된 Yb 이온은 Yb 이온의 전체 양의 몇 퍼센트 이하로 기여한다. 그러나, 도 5 및 도 6의 각각의 이득 스펙트럼들을 비교하는 것에 의해서 확인될 수 있는 바와 같이, 격리된 Yb 이온은, 9xx 펌프 파장에서 에너지 전달에 참여하는, Yb 이온보다 비교할 수 없을 정도로 큰 바람직하지 않은 전체 개체수 반전(total unwanted population inversion)에 기여한다. 1 ㎛ 파장 범위 내의 Yb 이온의 큰 이득은 Yb:Er 섬유 레이저 시스템에서 전형적인 바람직하지 못한 현상이다.
파워 스케일링에 영향을 미치는 또 다른 인자는 1 ㎛ 파장 범위 내의 기생 생성이다. 활성 섬유의 온도가 증가됨에 따라, 이러한 파장 범위 내의 흡수 계수 및 Er 이온과 Yb 이온 사이의 전이 속도가 또한 증가된다. 그러나, 후자의 조건이 만족되지 않는 경우에, 1 ㎛ 파장 범위 내의 큰 기생 생성이 증가된다.
전술한 내용을 기초로, 1 ㎛의 파장 범위 내의 작은 이득을 특징으로 하는 고파워의 효율적인 Yb:Er 레이저 및 증폭기가 요구되고 있다.
이러한 필요성은, 1 내지 1.06 ㎛ 펌프 파장 범위 내에서 Yb:Er 도핑 섬유를 펌핑하는 적어도 하나의 Yb 섬유 레이저를 구현하는 것에 의해서, 본 발명의 고파워 Yb:Er 섬유 레이저/증폭기에 의해서 충족된다.
1 내지 1.06 ㎛ 펌프 파장 범위에서 Yb:Er 도핑 섬유를 펌핑하는 것은, 9xx nm 펌프 파장에서의 70%의 개체수 반전과 비교할 때, 격리된 Yb 이온의 개체수 반전을 약 2 내지 15%까지 제한한다. 동시에, 더 긴 펌프 파장은, Er+3 이온으로의 에너지 전달에 참여하는 Yb+3 이온의 개체수 반전에 큰 영향을 미치지 않는다. 격리된 Yb+3 이온의 작은 개체수 반전에서, 1020 내지 1060 nm 펌프 파장에서의 1 ㎛ 범위 내의 최대 이득 계수는 9xx nm 펌프 파장에서의 최대 이득 계수보다 상당히 더 작다. 결과적으로, 본 발명의 시스템은, 9xx nm 펌프 파장에서 동작하는 알려진 체계의 임계값보다 상당히 더 큰 1 ㎛ 파장 범위 내의 레이징 임계값을 갖는다.
더 구체적으로, 개시내용의 일 양태에 따라, 본 발명의 시스템은 Yb:Er 섬유 레이저로 구성된다. 특히, 섬유 레이저는, 1 내지 1.06 ㎛ 펌프 파장 범위에서 동작하는 레이저 공급원에 의해서 펌핑되는 Er:Yb 공통-도핑 이중 클래드(DC) 구성을 기초로 한다. 펌프 광은, (신호 광 전파 방향에 대한) 정방향 및 역방향 중 어느 하나로 또는 양방향적으로 DC 섬유의 펌프 클래딩 내로 커플링될 수 있다.
15xx nm 파장 주위의 신호 광을 출력하는, 개시된 Yb:Er DC 섬유는, 단일 모드(SM) 코어, 5 미만, 그리고 바람직하게 2 미만의 M2를 가지는 15xx nm 범위 내의 신호 광을 출력하는 저모드(low mode)(LM) 코어, 또는 다중모드(MM) 섬유로 구성될 수 있다.
또 다른 양태에 따라, 개시된 펌프 레이저는 SM 또는 MM일 수 있다. 또한, Yb:Er 섬유를 펌핑하는 기술이 측면 또는 단부 펌핑일 수 있다. 구체적인 펌핑 기술은 해당 과제에 따라 달라지고, 전술한 양태의 임의의 또는 모든 특징 및 개시된 시스템의 특징과 함께 이용될 수 있다.
이하의 개시내용의 양태에 따라, Yb : Er 시스템은, 1000 내지 1060 nm 파장 범위에서 동작하는 Yb 레이저 펌프, 희망하는 15xx 내지 16xx nm 파장의 신호 광을 출력하는 시드(seed), 및 하나 이상의 증폭 캐스케이드(amplifying cascade)로 구성될 수 있다. 시드 및 증폭기(들) 중 적어도 하나 또는 둘 모두가 Yb:Er 섬유를 기초로 한다. 조합에서, 시드 및 증폭기는 마스터 발진기 파워 섬유-증폭기(master oscillator power fiber-amplifier)(MOPFA) 아키텍처를 구성한다.
전술한 모든 양태에서 개시된 Yb 펌프 섬유 레이저는, 앞서 개시된 모든 펌핑 기술에 따라, 시드 공급원 또는 섬유 증폭기 또는 시드 공급원 및 증폭기 모두를 선택적으로 펌핑할 수 있다. 또한, 개시된 Yb 섬유 펌프는 다른 펌프 구성과 조합되어 이용될 수 있다. 예를 들어, 시드 및 증폭기 중 하나가 다이오드 레이저-기반의 펌프와 조합되어 동작되는 반면, 다른 하나는 개시된 Yb 섬유 레이저 펌프를 이용한다.
개시된 전술한 개별적인 섬유 레이저 및 MOPFA 구성은, 다양하게 도핑된 활성 매체를 위한 Yb:Er 펌프로서 이용될 수 있다. Yb:Er 펌프의 산업적인 적용예 중 하나는, Yb:Er 펌프 광의 파장 보다 긴 파장에서 동작하는 Er 섬유 레이저 또는 증폭기를 펌핑하는 것을 포함한다. Yb:Er 펌프의 또 다른 적용예는 툴륨-도핑된(Tm) 이득 매체 내로 커플링된 펌프 광을 출력하는 것을 포함한다.
앞서 개시된 Yb:Er 레이저 및 MOPFA 구성은 상이한 동작 체제들로 동작될 수 있다. 즉, 이들은 연속 파동(CW) 체제, 준(quasi) CW (QCW) 체제 또는 순수 펄스형 체제로 동작할 수 있다.
전술한 그리고 다른 특징 및 장점이 이하의 도면을 수반하는 구체적인 설명으로부터 보다 명확해질 것이다.
도 1은 Yb:Er 인산염 유리 내의 Er+3 이온의 알려진 흡수 및 방출 횡단면이다.
도 2는 실리카 유리 내의 Yb+3 이온의 알려진 흡수 및 방출 횡단면이다.
도 3은 9xx nm 펌프 파장에서 펌핑되는 알려진 Yb:Er 레이저의 광학적 개요이다.
도 4는 Yb:Er QCW 섬유 레이저 내의 1.5 ㎛ 및 1 ㎛ 파장 각각에서의 신호 및 기생 생성의 예를 도시한다.
도 5는 도 2의 9xx nm 펌프 파장에서 Yb:Er 섬유 내의 Er+3에 대한 에너지 전달에 참여하는 Yb+3 이온의 이득을 도시한다.
도 6은 도 2의 개요의 Yb:Er 섬유 내의 이득 격리된 Yb+3 이온을 도시한다.
도 7은 도 2의 개요 내의 1 ㎛ 기생 파장에서의 기생에서 모든 Yb+3 이온의 총 이득을 도시한다.
도 8은 개시된 레이저 시스템의 광학적 개요이다.
도 9는 도 8의 개요 내의 1 ㎛ 기생 파장에서의 모든 Yb+3 이온의 총 이득을 도시한다.
도 10은 마스터 발진기 파워 섬유 증폭기 구성에서 동작되는 도 8의 본 발명의 섬유 레이저 시스템을 도시하는 광학적 개요이다.
도 11은 Tm 이온으로 도핑된 이득 매체를 펌핑하는 도 9의 본 발명의 섬유 레이저 시스템의 광학적 개요이다.
도 12는 온도에 대한 레이징 임계값의 의존성을 도시한다.
도 8은, MM 파장 반사부들(24) 사이에 형성된 공진 공동 내에 배치되는 이중 클래드 Yb:Er 도핑 섬유(22)를 기초로 하는 본 발명의 MM Er 섬유 레이저 또는 증폭기(20)를 도시한다. 공지 기술과 대조적으로, Er 섬유 레이저는, 15xx nm 파장 주위의 신호 광을 출력하기 위해서, 1020 내지 1060 nm 펌프 파장에서 동작되는 파브리-페롯(Fabry-Perrot) Yb 섬유 레이저 또는 1050 내지 1060 nm 펌프 파장의 네오디뮴(Nd) 도핑 섬유 레이저와 같은, 펌프 공급원에 의해서 펌핑되는 클래드이다. 펌핑 기구는, 반대되는 광 전파 방향들 중 하나를 따른 일방향적 펌핑 또는, 도시된 바와 같은, 양방향적인 펌핑을 가능하게 하는 측면-펌핑 또는 단부 펌핑 기술에 따라 구성될 수 있다.
도 8의 예시적인 섬유(22)는 1028 nm 펌프 파장에서 섬유(22)를 측면-펌핑하는 하나 이상의 MM Yb 펌프 섬유 레이저(26)에 의해서 펌핑된다. 섬유(22)는 Yb:Er 이온으로 도핑된 50 ㎛ MM 코어 및 약 10 미터의 길이를 갖는다. 1 ㎛ 파장 범위 내의 Yb+3 이온의 기생 생성에 도달하지 않고, QCW 체제에서 1570 nm 신호 파장에서 1 kW 출력이 얻어졌다. 대조적으로, 960 내지 970 nm 펌프로 동작되는 도 3의 구성의 동일한 예시적인 개요는 1570 nm 신호 파장에서 최대 300 내지 400 W를 출력하고, 그 후에 1 ㎛ 파장 범위 내의 기생 생성이 이론적으로 결정된다. 이론적으로, 도 3의 구성을 이용하여 960 nm 펌프 파장에서의 1 kW 출력이 얻어질 수 있는 경우에, 모든 Yb+3 이온의 1 ㎛에서의 총 증폭은, 도 7에 도시된 바와 같이, 80 dB을 초과할 것이다. 대조적으로, 도 8의 본 발명의 구조는, 앞서 개시된 바와 같은 섬유(22)에 대한 도 9에서 명확하게 확인될 수 있는 바와 같이, 동일한 1 kW 출력에 대해서 32 dB의 총 기생 증폭만을 가질 것이다.
도 10은, 마스터 발진기 파워 섬유 증폭기(MOPFA) 구성에서 1020 내지 1060 nm 펌프 파장 범위에서 본 발명의 QCW Yb:Er 섬유 레이저를 이용하는 광학적 개요(30)를 도시한다. 섬유(22)의 출력부에서 1 ㎛ 파장 범위 내의 기생 신호를 추가적으로 처리하는 Yb-도핑된 섬유의 길이로서 구성된 필터(32)가, Yb:Er 섬유 레이저(20)와 Yb:Er 섬유 증폭기 또는 부스터(30) 사이에 배치된다. Yb 섬유 레이저(34)를 포함하는 펌프 기구는 레이저(20) 및 부스터(30) 모두를 펌핑하도록 구성된다. Yb:Er 섬유의 펌핑은, 펌프 광이 레이저(20) 및 부스터(30) 내로 커플링될 수 있게 하는, 2개의 상대적으로 약한 파장 반사부들(36 및 38) 사이에 Yb 펌프(34)의 공진 공동을 제공하는 것에 의해서 실현되고, 레이저(20) 내로 커플링된 펌프 광은 섬유 부스터(30) 내로 커플링된 펌프 광보다 상당히 약하다. 레이저(20)의 공동으로부터 15xx nm 파장의 신호 광이 바람직하지 않게 누출되는 것을 방지하기 위해서, 다중 MM 강한 파장 반사부들(40)의 조합이 Yb:Er 섬유(22)의 상류를 따라서 설치된다.
도 11을 참조하면, 본 발명의 Yb:Er 섬유 구성은 Tm 섬유 레이저 시스템(42)을 위한 펌프 유닛으로서 이용될 수 있다. 후자는 개별적인 Tm 섬유 레이저로서 또는, 도시된 바와 같이, MOPFA 구성으로, 또는 별개의 Tm 섬유 증폭기로서 구현될 수 있다.
요약하면, 1020 내지 1060 nm 펌프 파장 범위는 격리된 Yb+3 이온의 이득을 감소시킬 수 있게 하고 Yb:Er 인산염 섬유에서 1 ㎛ 파장 내의 기생 생성의 임계값을 2배 내지 3배 높일 수 있게 한다.
현재 개시된 접근방식은 임의의 주어진 과제를 위해서 Yb:Er 섬유의 구성을 최적화하는데 도움을 줄 수 있다. 전형적으로, 레이저 시스템의 최대 파워 및 광의 품질은 처음부터 설정된다. 연역적으로(a priori) 알려진 이러한 매개변수를 이용하여, 1 ㎛ 파장 범위 내의 최대 용인 가능 기생 이득이 결정된다. Yb:Er 레이저 시스템의 구체적인 적용예에 따라서, 용인 가능한 기생 이득이 달라질 수 있다. 예를 들어, Yb:Er 섬유 레이저가 Tm-도핑된 섬유를 위한 펌프로서 이용되는 경우에, 1 ㎛ 파장 범위 내의 최대 용인 가능 이득은, 반사 표면을 가지는 재료를 열처리하기 위해서 이용되는 Yb:Er 섬유의 그러한 이득보다 클 수 있다. Yb:Er 섬유 레이저의 출력부에서 광 신호의 품질과 관련하여, 이는 대부분 이득 매체, 즉 Yb:Er 섬유의 매개변수에 따라, 예를 들어 레이저 분야의 당업자에게 잘 알려진 코어 직경, 섬유 길이, 코어 NA 및 기타에 따라 달라진다.
15xx ㎛ 파장에서 Yb:Er 레이저의 희망 출력 파워를 위해서, 1 ㎛ 파장에서 동작하는 고파워 펌프가 요구되는 것으로 가정한다. 전형적으로, 펌프 효율은 다양한 광 손실로 인해서 50%인 것으로 가정되고, 즉, 예를 들어, 1550 nm에서 출력하는 1 kW 시스템은 1 ㎛ 파장 범위에서 약 2 kW의 펌프 광을 필요로 한다.
전술한 내용에 따라, Yb 이온의 2개의 그룹이 Yb:Er 매체 내에 있다. 제1 그룹은, Yb+3 이온의 총 수의 5% 이하를 구성하고 1 ms와 1.4 ms 사이의 수명을 가지는, 격리된 Yb+3 이온을 포함한다. 다른 그룹은, 예를 들어, 몇십 마이크로초(㎲)의 수명을 갖는, Er+3 이온에 대한 에너지 전달에 참여하는 95%의 Yb+3 이온을 포함한다. Yb+3의 이온에 의한 펌프 광의 흡수가 5% 내지 95%로 분산되고, 95%는 제2 에너지 전달 Yb+3 이온의 이온에 의해서 흡수된다.
앞서 개시된 가정에서, Yb+3 이온 그룹의 각각에서의 반전 개체수의 레벨은, 주어진 섬유 길이에서, 예를 들어 1020 nm 파장의 2 kW 펌프 출력에서 결정된다. 이어서, Yb+3 이온의 양 그룹들에서의 반전 개체수를 아는 상태에서, 양 그룹 내의 Yb+3 이온의 각각의 이득을 결정하고 합산한다. 최대 기생 이득이 최대 용인 가능 레벨을 초과하는 경우에, 이하의 단계들이 취해질 수 있다.
첫 번째로, 도핑된 섬유 길이가 변경될 수 있고, 앞서 개시된 절차 이후에 Yb+3 이온의 결과적인 이득을 재계산할 수 있다. 그러나, 섬유 길이가 무제한으로 증가될 수 없는데, 이는, 그러한 무제한적인 증가가, 허용될 수 없는 광 손실 및 레이저 효율 감소를 초래할 수 있기 때문이다.
두 번째로, 펌프 파장이 증가된다. 예를 들어, 1020 nm 파장 대신, 1030 nm 파장을 이용한다. 더 긴 펌프 파장에서, 격리된 Yb 이온의 개체수 반전 그리고 그에 따라 원치 않는 파장 범위 내의 이득이 감소된다. 결과적으로, 동일한 2 kW 펌프 파워에서, 격리된 Yb 이온의 개체수 반전이 감소되는 반면, 에너지 전달 Yb+3 이온의 개체수 반전은 변화 없이 유지된다. 결과적으로, 1 ㎛ 파장 범위 내의 원치 않는 총 Yb 이득이 또한 감소된다.
더 긴 펌프 파장에서, Yb:Er 섬유의 구성이 또한 다시 고려되어야 한다. 예를 들어, 클래딩 직경을, 예를 들어, 200 μ로부터 150 μ로 줄일 필요가 있을 수 있다.
도 12는 1 ㎛에서 기생 생성을 최소화하는데 도움을 주는 다른 중요한 인자를 도시한다. 활성적 Er:Yb 섬유는 레이저 동작의 초기 스테이지에서 실온에 가까운 온도를 갖는다. 레이저가 계속 작동함에 따라, 이득 매체의 온도가 상승된다. 소위 저온 시동 중의 비교적 저온의 온도에서, 1 ㎛ 파장 범위 내의 기생 생성이 존재한다. 또한, 레이저가 계속 동작되고 온도가 상승됨에 따라, 이러한 생성은 실질적으로 사라진다. 따라서, 1 ㎛ 파장 범위 내의 기생 생성을 보다 더 최소화하기 위해서, 도 8에 도시된 본 발명의 섬유 레이저 시스템은, 매우 초기부터 Yb:Er 섬유의 온도를 특정 온도 범위에서 유지하기 위해서 제어될 수 있는 서모스탯(thermostat)을 포함한다. 분명하게, 범위의 가장 낮은 한계는 실온보다 높아야 하고, 분명하게, 가장 높은 온도는 섬유의 무결성을 손상시킬 수 있는 레벨에 도달하지 않아야 한다. 그러한 범위는 각각의 개별적인 레이저에 대해서 분석적으로 또는 실험적으로 결정될 수 있다.
레이저 분야의 당업자는, 본 발명의 의도된 범위로부터 벗어나지 않고도, 개시된 개별적인 섬유 레이저의 많은 상이한 구성들이 용이하게 구현될 수 있다는 것을 용이하게 이해할 것이다. 분명하게, 본 발명의 구조물의 동작 체제는 QCW 구성으로 제한되지 않고, CW 및 펄스형 체제 모두에서 성공적으로 이용될 수 있다. 모든 SM 또는 저모드(low mode) 레이저, 펌프, 및 증폭기가 앞서-개시된 MM 장치를 대체할 수 있다. 펌프 기구는, 비록 바람직하게 섬유 레이저를 포함하지만, 그 대신 임의의 다른 적합한 펌프를 포함할 수 있다. 개시된 신호 광 파워는 단지 예시적인 것이고, 분명하게 펌프 파워 및 냉각 기구의 최적화와 함께 증가될 수 있고 증가될 것이다.
따라서, 본 발명이 그 상세한 설명으로 설명되었지만, 전술한 설명은 예시를 위한 것이고 첨부된 청구항의 범위에 의해서 규정되는 본 발명의 범위를 제한하기 위한 것이 아님을 이해할 수 있을 것이다. 다른 양태, 장점, 및 변경예가 이하의 청구항의 범위 내에 포함된다.

Claims (18)

  1. 섬유 레이저이며:
    에르븀 이온(Er+3) 및 이터븀 이온(Yb+3)으로 도핑된 코어를 갖는 이중 클래드 섬유;
    상기 코어의 측면에 위치되고(flanking) 공진 공동을 사이에 형성하는, 적어도 2개의 이격된 고반사 및 저반사 거울; 및
    1.02 내지 1.06 ㎛ 파장 범위 내의 펌프 파장에서 복사선을 생성하는 펌프 레이저로서, 펌프 레이저는 Yb:Er 도핑된 이중 클래드 섬유 내로 커플링되는 1.02 내지 1.06 ㎛ 파장 범위의 광을 출력하는, 펌프 레이저를 포함하는, 섬유 레이저.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 펌프 레이저는 단일 모드(SM) 섬유 레이저 또는 다중모드(MM) 섬유 레이저이고, 파브리-페롯 공진기로 구성되거나 MOPFA로서 구성되는, 섬유 레이저.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 펌프 레이저는 벌크 또는 반도체 레이저로부터 선택되는, 섬유 레이저.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 이중 클래드 섬유는 단부 펌핑되거나 측면-펌핑되는, 섬유 레이저.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 이중 클래드 섬유의 코어는 다중 횡단 모드 또는 단일 횡단 모드(single transverse mode)의 전파를 지원하도록 구성되는, 섬유 레이저.
  6. 섬유 증폭기이며:
    에르븀 이온(Er+3) 및 이터븀 이온(Yb+3)으로 도핑된 코어를 갖는 이중 클래드 섬유; 및
    1.02 내지 1.06 ㎛ 파장 범위 내의 펌프 파장에서 복사선을 생성하는 펌프 레이저로서, 펌프 레이저는 Yb:Er 도핑된 이중 클래드 섬유 내로 커플링되는 1.02 내지 1.06 ㎛ 파장 범위의 광을 출력하는, 펌프 레이저를 포함하는, 섬유 증폭기.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 펌프 레이저는, 파브리-페롯 구성을 가지는 SM 섬유 레이저 또는 MM 섬유 레이저로부터 선택되는, 섬유 증폭기.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 펌프 레이저는 벌크 또는 반도체 레이저인, 섬유 증폭기.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 섬유는 단부 펌핑되거나 측면-펌핑되는, 섬유 증폭기.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 코어는 다중 횡단 모드 또는 단일 횡단 모드의 전파를 지원하도록 구성되는, 섬유 증폭기.
  11. 섬유 레이저 시스템이며:
    마스터 발진기 파워 섬유 증폭기(MOPFA) 구성으로서, Yb:Er 섬유 증폭기를 시딩하는(seed) Yb:Er 섬유 레이저, Er+3 이온 및 Yb+3 이온으로 도핑된 코어로 구성되는 이중 클래드 광섬유를 기초로 하는 Yb:Er 섬유 레이저 및 증폭기 중 적어도 하나 또는 모두, 그리고 코어를 둘러싸는 클래딩을 포함하는, 마스터 발진기 파워 섬유 증폭기(MOPFA) 구성; 및
    마스터 발진기 및 증폭기 중 적어도 하나의 Yb:Er 도핑된 활성 섬유 내로 커플링되는 1.02 내지 1.06 ㎛ 파장 범위 내의 펌프 광을 출력하는 펌프 레이저를 포함하는, 섬유 레이저 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 펌프 레이저는 SM 또는 MM 섬유 레이저이고 파브리-페롯 공진기 또는 MOPFA 아키텍처와 함께 구성되는, 섬유 레이저 시스템.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 펌프 레이저는 벌크 레이저 또는 반도체이고, 상기 벌크 레이저는 Nd:YAG 또는 Yb:YAG로부터 선택되는, 섬유 레이저 시스템.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 펌프 섬유 레이저는 Yb:Er 섬유 레이저 및 Yb:Er 증폭기 모두에 에너지를 공급하는, 섬유 레이저 시스템.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 Yb:Er 섬유 레이저 및 증폭기는 각각의 펌프 레이저를 가지는, 섬유 레이저 시스템.
  16. 제11항에 있어서,
    상기 Yb:Er 섬유 증폭기는 단일 방향으로 펌핑되거나 양방향으로 펌핑되는, 섬유 레이저 시스템.
  17. 제11항에 있어서,
    상기 활성 섬유는 단부 펌핑되거나 측면-펌핑되는, 섬유 레이저 시스템.
  18. 제11항에 있어서,
    Yb:Er 도핑된 활성 섬유의 온도를 실온보다 높게 유지하도록 제어할 수 있는 서모스탯을 더 포함하는, 섬유 레이저 시스템.
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