KR20230002647A

KR20230002647A - 파이버 레이저 시스템

Info

Publication number: KR20230002647A
Application number: KR1020227039455A
Authority: KR
Inventors: 빈센트 불랑제; 미셸 피체; 마틴 베르니에; 미셸 올리비에
Original assignee: 우니베흐시떼 라발; 세젭 가르노
Priority date: 2020-04-23
Filing date: 2021-04-21
Publication date: 2023-01-05
Also published as: EP4140000A1; WO2021237334A1; EP4140000A4; US20230163553A1; CN115461943A; CA3179682A1

Abstract

일반적으로 펌프 레이저 빔을 생성하는 펌프 레이저를 갖는 파이버 레이저 시스템이 설명되고; 및 상기 펌프 레이저에 광학적으로 결합된 광섬유의 길이로서, 상기 광섬유의 길이는: 공진기 경로를 갖는 광 공진기, 제1 반사율 프로파일을 갖는 제1 광섬유 브래그 격자, 제2 필터 프로파일을 갖는 제2 필터, 및 공진기 경로를 따라 제1 광섬유 브래그 격자와 제2 필터 사이의 광 이득 영역을 포함하고, 제1 반사율 프로파일은 제2 필터 프로파일로부터 스펙트럼적으로 디튠 되고, 적어도 0.2 nm의 반치전폭 및 가우시안-유사 아포다이제이션을 포함하는 제1 굴절률 분포를 갖는 제1 광섬유 브래그 격자, 여기서 펌프 레이저 빔으로 광 이득 영역을 펌핑하고 광 공진기의 모드 잠금 시, 광 펄스는 공진기 경로를 따라 순환되며; 및 출력된다.

Description

파이버 레이저 시스템

개선 사항은 일반적으로 파이버 레이저 시스템 분야와 관련되며, 특히 광 펄스 생성과 관련이 있다.

파이버 레이저 시스템(fiber laser system)은 일반적으로 레이저 활성 광섬유, 레이저 활성 광섬유를 펌핑하는 펌프 레이저, 및 레이저 활성 광섬유가 펌프 레이저에 의해 펌핑될 때 레이저 모드를 지원하는 광 공진기(laser cavity, 레이저 캐비티, 레이저 공동)를 갖는다. 레이저 모드가 서로 고정되면 레이저 모드는 매번 광 펄스를 생성할 때마다 주기적 방식으로 서로 보강 간섭하도록 강제된다. 광 펄스를 생성하는 기존 파이버 레이저 시스템이 어느 정도 만족스럽긴 하지만, 특히 자유 공간 광전송(free-space optical, FSO) 부품의 수를 제한하고, 광 펄스당 에너지를 증가시키고/거나 더 짧은 광 펄스를 생성한다는 점에서 개선의 여지가 항상 남아 있다.

본 발명은 , 일반적으로 펌프 레이저 빔을 생성하는 펌프 레이저를 갖는 파이버 레이저 시스템에 관한 것이다. 상기 파이버 레이저 시스템은 펌프 레이저에 광학적으로 결합된 광섬유 길이를 가진다. 광섬유의 길이는 광학 이득 영역이 있는 광 공진기와 광학 이득 영역(optical gain region)을 사이에 두는 두 개의 광섬유 브래그 격자(fiber Bragg gratings, FBG)를 가진다. 두 개의 광섬유 브래그 격자는 서로 디튠(detuned)된 반사율 프로파일(reflectivity profile)을 가진다. 따라서, 펌프 레이저 빔으로 광학 이득 영역을 펌핑할 때와 광 공진기의 모드 잠금 시, 광학 이득 영역을 통해 전파할 때 스펙트럼 확장을 경험할 만큼 충분히 증폭된 광학 펄스만 두 개의 광섬유 브래그 격자 사이 광 공진기 내부에서 앞뒤로 반사된다. 예를 들어, 첫 번째 광섬유 브래그 격자의 반사율 프로파일에 의해 반사되지만 스펙트럼 확장을 나타낼 만큼 충분히 증폭되지 않은 노이즈는 두 번째 광섬유 브래그 격자의 반사율 프로파일에 의해 반사되지 않으며 그 반대의 경우도 마찬가지이다. 파이버 레이저 시스템은 광 공진기 내에서 적어도 반사된 광 펄스의 일부를 출력하기 위해 광 공진기에 광학적으로 결합된 출력을 갖는다.

종래의 균일한 광섬유 브래그 격자가 비교적 좁은 반사율 프로파일 대역폭(bandwidths, 밴드위스)과 비교적 적당한 반사율을 갖기 때문에, 각 광 펄스의 일부만이 광 공진기 내에서 효과적으로 반사될 수 있다는 것이 발견된다. 따라서, 제1 광섬유 브래그 격자에 0.2 nm 이상의 반치전폭(a full width at half maximum bandwidth, FWHM)에서 전체 폭 및 가우시안-유사 아포다이제이션(Gaussian-like apodization)을 갖는 제1 굴절률 분포(refractive index profile)을 제공함으로써, 더 큰 펄스 에너지 및/또는 더 큰 압축성 품질을 얻을 수 있다. 예를 들어, 가우시안-유사 아포다이제이션은 더 큰 펄스 에너지에서 안정성을 선호할 수 있다. 이 아포다이제이션은 결과적인 반사도 프로파일에서 사이드 로브(side-lobes)의 존재를 제한할 수 있기 때문에 결과적인 광 펄스의 바람직함을 차례로 증가시킬 수 있기 때문이다. 제 1 굴절률 분포 이 다양한 격자 기간(grating period)(즉, 처프(chirp))를 갖는 실시예에서, 제 1 반사율 프로파일은 최대 반사율 값이 증가하는 것을 볼 수 있을 뿐만 아니라 광 공진기 내에 존재하는 광 펄스의 더 많은 부분을 반사할 수 있는 대역폭의 확장을 볼 수 있습니다.

본 발명의 제1 양상에 따르면, 파이버 레이저 시스템이 제공되고, 상기 파이버 레이저 시스템은: 펌프 레이저 빔을 생성하는 펌프 레이저; 및 상기 펌프 레이저에 광학적으로 결합된 광섬유의 길이로서, 상기 광섬유의 길이는: 공진기 경로(cavity path, 캐비티 경로)를 갖는 광 공진기, 제1 반사율 프로파일을 갖는 제1 광섬유 브래그 격자, 제2 필터 프로파일을 갖는 제2 필터, 및 공진기 경로를 따라 제1 광섬유 브래그 격자와 제2 필터 사이의 광학 이득 영역을 포함하고, 제1 반사율 프로파일은 제2 필터 프로파일로부터 스펙트럼적으로 디튜닝되고, 적어도 0.2 nm의 반치전폭을 포함하는 제1 굴절률 분포 및 가우스-유사 아포다이제이션을 갖는 제1 광섬유 브래그 격자, 여기서, 펌프 레이저 빔으로 광학 이득 영역을 펌핑하고 광 공진기의 모드 잠금 시, 광 펄스는 공진기 경로를 따라 순환되며; 및 광 공진기에 광학적으로 결합되고 적어도 광 펄스의 일부를 출력하는 출력을 포함한다.

또한, 본 발명의 제1 양상에 따르면, 제1 광섬유 브래그 격자의 제1 반사율 프로파일은 예를 들어 최대 반사율 값이 40% 이상이고 반치전폭이0.5nm 이상이다.

본 발명의 제1 양상에 따르면, 제1 반사율 프로파일의 최대 반사율 값은 예를 들어 적어도 50%이다.

본 발명의 제1 양상에 따르면, 제1 반사율 프로파일의 반치전폭은 예를 들어 약 4nm와 약 5nm 사이일 수 있다.

본 발명의 제1 양상에 따르면, 제1 굴절률 분포 은 예를 들어 변화하는 격자 기간, 즉 처프될 수 있다.

본 발명의 제1 양상에 따르면, 제1 및 제2 굴절률 분포 중 각각의 변화하는 격자 기간은 예를 들어 선형 방식으로 변화할 수 있고, 이에 의해 제1 반사율 분포 및 제2 필터 프로파일 각각에 걸쳐 선형 그룹 지연 분산(group delay dispersion, GDD)을 제공한다.

본 발명의 제1 양상에 따르면, 선형 그룹 지연 분산은 예를 들어 ± 0.5 ps²보다 더 가파를 수 있다.

또한, 본 발명의 제1 양상에 따르면, 가변 격자 기간의 선형 그룹 지연 분산은 예를 들어 광학 이득 영역에 의해 제공되는 선형 그룹 지연 분산보다 적어도 2배 가파를 수 있다.

본 발명의 제1 양상에 따르면, 제2 필터 프로파일은 예를 들어 제1 반사율 프로파일의 최대 반사율 값보다 작은 최대 반사율 또는 투과율 값을 가질 수 있으며, 출력은 제 2 필터에 광학적으로 결합된다.

본 발명의 제1 양상에 따르면, 제2 필터는 예를 들어 제2 광섬유 브래그 격자일 수 있고, 제2 필터 프로파일은 제1 반사율 프로파일로부터 스펙트럼적으로 디튠된 제2 반사율 프로파일이다.

본 발명의 제1 양상에 따르면, 제1 및 제2 광섬유 브래그 격자는 예를 들어 공진기 경로를 따라 적어도 광학 이득 영역의 일부를 사이에 둘 수 있으며, 이에 따라 공진기 경로는 그에 따른 선형 경로가 된다. 광 펄스는 첫 번째와 두 번째 광섬유 브래그 격자 사이에서 앞뒤로 반사된다.

본 발명의 제1 양상에 따르면, 제2 광섬유 브래그 격자는 예를 들어 0.2 nm 이상의 반치전폭 및 가우시안-유사 아포다이제이션을 갖는 제2 굴절률 분포 을 가질 수 있다.

본 발명의 제1 양상에 따르면, 제2 광섬유 브래그 격자의 제2 반사율 프로파일은 예를 들어 적어도 40%의 최대 반사율 값을 가질 수 있고 반치전폭은 최소 0.5 nm이다.

본 발명의 제1 양상에 따르면, 제2 반사율 프로파일의 최대 반사율 값은 예를 들어 적어도 50%일 수 있다.

본 발명의 제1 양상에 따르면, 제2 반사율 프로파일의 반치전폭은 예를 들어 약 4nm와 약 5nm 사이일 수 있다.

또한, 본 발명의 제1 양상에 따르면, 제2 굴절률 분포는 예를 들어 다양한 격자 주기를 가질 수 있다.

본 발명의 제1 양상에 따르면, 파이버 레이저 시스템은 예를 들어 광섬유의 길이에 결합되고 상기 광 공진기의 상기 모드 잠금에 기여하는 모드 잠금 장치를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 제1 양상에 따르면, 모드 잠금 장치는 예를 들어 제1 광섬유 브래그 격자 및 제2 필터 중 적어도 하나를 종 방향으로 스트레칭하는 스트레칭 요소를 가질 수 있으며, 이에 의해 제1 반사율 프로파일과 제2 필터 프로파일 사이의 스펙트럼 디튜닝(spectral detuning)을 수정하는 단계를 포함한다.

본 발명의 제1 양상에 따르면, 모드 잠금 장치는 예를 들어 광섬유의 길이에 광학적으로 결합되고 모드 잠금 암 (arm) 으로 이어지는 광 커플러 (optical coupler) 를 가질 수 있다.

본 발명의 제1 양상에 따르면, 광학 이득 영역은 예를 들어 레이저 활성 에르븀 도핑(erbium-doped)영역일 수 있고, 펌프 레이저 빔은 약 980 nm의 파장을 갖고, 제1 반사율 프로파일은 약 1550 nm의 중심 파장을 갖고, 제2 필터 프로파일은 약 1565 nm의 중심 파장을 갖는다.

본 발명의 제1 양상에 따르면, 펌프 레이저는 예를 들어 제1 펌프 레이저일 수 있고, 파이버 레이저 시스템은 광섬유의 길이에 광학적으로 결합된 제2 펌프 레이저를 포함하고 상기 펌핑 동안 상기 광학 이득 영역을 따라 제2 펌프 레이저 빔을 전파하는 단계를 포함한다.

본 발명의 제1 양상에 따르면, 출력은 예를 들어 제2 필터에 광학적으로 결합된 주 출력일 수 있으며, 파이버 레이저 시스템은 제1 광섬유 브래그 격자에 광학적으로 결합된 보조 출력을 포함한다.

본 발명의 제1 양상에 따르면, 출력된 광 펄스는 예를 들어 선형적으로 변화하는 순간 주파수(instantaneous frequency) 및 압축 후 100 fs 미만의 펄스 지속시간을 갖는 유사-유사 (similariton-like) 프로파일을 가질 수 있다.

본 발명의 제1 양상에 따르면, 광 펄스는 예를 들어 적어도 10nJ의 펄스 에너지를 가질 수 있다.

본 발명의 제2 양상에 따르면, 펌프 레이저 빔을 생성하는 펌프 레이저; 펌프 레이저에 광학적으로 결합되고, 공진기 경로를 갖는 광 공진기, 가우시안-유사 형상의 제1 필터 프로파일을 갖는 제1 필터, 제2 필터 프로파일을 갖는 제2 필터, 및 제1 사이의 광학 이득 영역 및 공진기 경로를 따른 제2 필터로서, 제1 및 제2 필터 프로파일은 서로 스펙트럼적으로 디튠되고, 제1 필터는 분산되어 적어도 제1 필터 프로파일의 일부에 걸쳐 분산 프로파일을 부여하고, 여기서, 광학 이득 영역의 펌핑 시 펌프 레이저 빔과 광 공진지의 모드 잠금이 있는 영역에서 광 펄스는 공진기 경로를 따라 순환; 및 레이저 캐비티에 광학적으로 결합되고 적어도 광 펄스의 일부를 출력하는 출력을 포함한다.

또한, 본 발명의 제2 양상에 따르면, 제1 필터는 예를 들어 0.2 nm 이상의 반치전폭 및 가우시안-유사 아포다이제이션을 포함하는 굴절률 분포을 갖는 광섬유 브래그 격자일 수 있다.

본 발명의 제2 양상에 따르면, 굴절률 분포는 예를 들어 다양한 격자 주기를 가질 수 있다.

본 발명의 제2 양상에 따르면, 적어도 광 공진기의 일부는 예를 들어 섬유화될 수 있다.

본 발명를 읽은 후 당업자에게 본 발명의 개선에 관한 많은 추가 기능 및 조합이 나타날 것이다.

도 1. 하나 이상의 실시 예. 에 따른, 펌프 레이저, 광학 이득 영역, 및 광학 이득 영역을 사이에 두는 제1 및 제2 광섬유 브래그 격자를 갖는 파이버 레이저 시스템의 예의 개략도(schematic view);
도 1a. 하나 이상의 실시 예. 에 따른, 도 1. 의 제1광섬유 브래그 격자의 제1 반사율 프로파일의 예를 보여주는 그래프로서, 또한 적어도 제1 반사율 프로파일의 일부에 걸쳐 변하는 그룹 지연;
도 1b. 는 하나 이상의 실시 예. 에 따른, 일정한 그룹 지연을 또한 나타내는, 도 1. 의 제2 광섬유 브래그 격자의 제2 반사율 프로파일의 예를 나타내는 그래프;
도 1c. 는 도 1. 의 제2 광섬유 브래그 격자의 제2 반사율 프로파일의 다른 예를 나타내는 그래프로서, 하나 또는 더 많은 실시 예.;
도 2. 는 하나 이상의 실시 예. 에 따른 처프 및 가우시안-유사 아포다이제이션을 나타내는 도 1. 의 제1 광섬유 브래그 격자의 예시적인 굴절률 분포를 나타내는 그래프;
도 3. 은 하나 이상의 실시 예. 에 따른, 제2 광섬유 브래그 격자를 신장시키는 신장 요소를 포함하는 모드 잠금 장치와 함께 도시된, 도 1. 의 파이버 레이저 시스템의 개략도;
도 3a. 는 하나 이상의 실시 예. 에 따른, 도 1. 의 파이버 레이저 시스템의 제1 및 제2 광섬유 브래그 격자의 반사율 프로파일을 나타내는 그래프;
도 4. 하나 이상의 실시 예. 에 따르면, 펌프 레이저, 광학 이득 영역, 광학 이득 영역을 사이에 두고 있는 제1 및 제2 광섬유 브래그 격자, 모드 잠금 암 및 펌프 반사기를 갖는 파이버 레이저 시스템의 다른 예의 개략도;
도 4a. 하나 이상의 실시 예. 에 따른, 도 4. 의 모드 잠금 암의 제1 예의 개략도;
도 4b. 는 하나 이상의 실시 예. 에 따른, 도 4. 의 모드 잠금 암의 제2 예의 개략도;
도 5. 하나 이상의 실시 예. 에 따른, 2개의 펌프 레이저, 광학 이득 영역, 광학 이득 영역을 사이에 두는 제1 및 제2 광섬유 브래그 격자, 및 모드 잠금 암을 갖는 파이버 레이저 시스템의 다른 예의 개략도;
도 6. 은 하나 이상의 실시 예. 에 따른, 제1 및 제2 광섬유 브래그 격자를 통합하는 링형 광 공진기를 갖는 파이버 레이저 시스템의 예의 개략도;
도 7. 하나 이상의 실시 예. 에 따른, 제1 광섬유 브래그 격자 및 제2 유전체 투과 필터(dielectric transmissive filter)를 포함하는 링형 광 공진기를 갖는 파이버 레이저 시스템의 다른 예의 개략도;
도 8. 일 실시 예. 에 따르면, 제1 및 제2 모드 잠금 장치와 함께 제1 및 제2 처프 광섬유 브래그 격자 사이에 끼워진 파이버-활성 레이저 영역을 갖는 광 공진기를 갖는 파이버 레이저 시스템의 다른 예의 개략도;
도 8a. 반치전폭이 4.7 nm이고 최대 반사율 값이 65%이고, -0.87　ps² 의 그룹 지연 분산인, 도 8.의 제1 처프 광섬유 브래그 격자의 제1 반사율 프로파일을 나타내는 그래프;
도 8b. 반치전폭이 4.5 nm이고 최대 반사율 값이 41%이고, -0.82　ps² 의 그룹 지연 분산인, 도 8.의 제2 처프 광섬유 브래그 격자의 제2 반사율 프로파일을 나타내는 그래프;
도 9a. 도 8. 의 파이버 레이저 시스템에 의해 생성된 광 펄스의 시뮬레이션 및 실험 스펙트럼을 나타내는 그래프;
도 9b. 도 8. 의 파이버 레이저 시스템에 의해 생성된 광 펄스의 시뮬레이션 및 실험적 자기상관 (autocorrelation) 트레이스 (traces) 를 보여주는 그래프;
도 9c. 도 8. 의 파이버 레이저 시스템에 의해 생성된 광 펄스에 대한 압축 후 시뮬레이션 및 측정된 펄스 포락선 (envelope) 을 나타내는 그래프;
도 9d. 도 8. 의 파이버 레이저 시스템에 의해 생성된 광 펄스에 대한 잡음과 비교한 무선 주파수 스펙트럼을 나타내는 그래프;
도 10a. 41%의 최대 반사율 값을 갖는 제2 처프 광섬유 브래그 격자에 대한 제1 처프 광섬유 브래그 격자의 함수로서 2차 분산의 보상 후 광 펄스에 대한 피크 전력 및 펄스 에너지에 대한 시뮬레이션을 보여주는 그래프;
도 10b. 15%의 최대 반사율 값을 갖는 제2 처프 광섬유 브래그 격자에 대한 제1 처프 광섬유 브래그 격자의 함수로서 2차 분산의 보상 후 광 펄스에 대한 피크 전력 및 펄스 에너지에 대한 시뮬레이션을 보여주는 그래프;
도 11a. 도 8. 의 파이버 레이저 시스템의 파이버-활성 도핑 영역의 길이의 함수로서 펄스 포물선 부정합 매개변수(pulse parabolic misfit parameter)

의 예시적인 전개를 보여주는 그래프;
도 11b. 도 8. 의 파이버 레이저 시스템의 파이버-활성 도핑 영역의 길이를 따른 제1 종 방향 위치에서의 광 펄스의 펄스 및 이득 스펙트럼(gain spectra)을 나타내는 그래프;
도 11c. 상기 제1 종 방향 위치로부터 이격 된 제2 종 방향 위치에서의 광 펄스의 펄스 및 이득 스펙트럼을 나타내는 그래프;
도 12a. 하나 이상의 실시 예. 에 따른, 에르븀-기반(erbium-based) 광 공진기에서 1552 nm에서 작동하는 광섬유 브래그 격자의 굴절률 분포의 다른 예를 나타내는 그래프;
도 12b. 하나 이상의 실시 예. 에 따른, 도 12a. 의 광섬유 브래그 격자의 예시적인 반사율 프로파일을 나타내는 그래프;
도 13a. 하나 이상의 실시 예. 에 따른, 이테르븀-기반(ytterbium-based) 광 공진기에서 1050 nm에서 작동하는 광섬유 브래그 격자의 굴절률 분포의 다른 예를 나타내는 그래프;
도 13b. 는 하나 이상의 실시 예. 에 따른, 도 13a. 의 광섬유 브래그 격자의 예시적인 반사율 프로파일을 나타내는 그래프이다.

도 1. 파이버 레이저 시스템 100 의 예를 도시한다. 도시된 바와 같이, 파이버 레이저 시스템 100 은 펌프 레이저 빔 104 을 생성하는 펌프 레이저 102 , 및 펌프 레이저 102 에 광학적으로 결합된 광섬유의 길이 106 를 갖는다.

광섬유의 길이 106 는 공진기 경로 109, 광학 이득 영역 110, 공진기 경로 109 를 따르는 제1 광섬유 브래그 격자 112 , 공진기 경로 109 를 따라 제1 광섬유 브래그 격자 112 로부터 이격 된 제2 필터 111 , 여기서 광학 이득 영역 110 은 제1 광섬유 브래그 격자 112 와 제2 필터 111 사이에 놓여 있다. 광섬유의 길이 106 는 또한 광 공진기 108 내에서 생성된 광 펄스 118 를 출력하기 위해 광 공진기 108 에 광학적으로 결합된 출력(output) 116을 갖는다.

상기 특정 실시 예. 에서, 제2 필터 111 는 제2 광섬유 브래그 격자 114 의 형태로 제공된다. 도시된 바와 같이, 제1 및 제2 광섬유 브래그 격자 112, 114 는 광학 이득 매체 110 를 사이에 두고, 상기 경우 공진기 경로 109 는 광 펄스 118 가 제1 및 제2 광섬유 브래그 격자 112, 114 사이에서 앞뒤로 반사되는 선형 경로이다.

제1 및 제2 광섬유 브래그 격자 112, 114 각각은 광섬유의 길이 106 의 각 부분 112a, 114a 을 따라 내접한 각각의 굴절률 분포를 갖고, 상기에 의해 대응하는 반사율 프로파일을 제1 및 제2 광섬유 브래그 격자 112, 114 에 부여한다.

상기 특정 실시 예에서, 제1 광섬유 브래그 격자 112 는 제2 광섬유 브래그 격자의 제2 반사율 프로파일로부터 디튠된 제1 반사율 프로파일을 갖는다. 도 1a. 는 상기 경우에 제1 브래그 파장 λ1에 중심을 둔 제1 광섬유 브래그 격자 112 의 제1 반사율 프로파일 122 의 예를 도시한다. 도 1b. 및 도 1c. 는 제2 광섬유 브래그 격자의 제2 반사율 프로파일 124 의 예를 도시하며, 상기 경우 제1 반사율 프로파일 122 의 제1 브래그 파장 λ1 으로부터 스펙트럼적으로 이격 된 제2 브래그 파장 λ2 에 중심을 두고 있다.

상기와 같이, 제1 광섬유 브래그 격자 112 의 제1 반사율 프로파일 122 에 의해 반사된 광 펄스의 스펙트럼 내용(contents)은 제 2 광섬유 브래그 격자 114 의 제 2 반사율 프로파일 124 의 제 2 브래그 파장 λ2을 포함하도록 광 공진기 108 에서 전파되는 동안 스펙트럼적으로 넓어지는 경향이 있고(화살표 A 참조), 그리고 그 반대의 경우도 마찬가지이며, 상기에 의해 광학 이득 영역 110 이 펌프 레이저 빔 104 으로 펌핑되고 광 공진기 108 가 모드 잠길 때 제1 및 제2 광섬유 브래그 격자 112, 114 사이에서 광 펄스가 앞뒤로 반사되도록 허용한다. 상기와 같이, 광학 이득 영역 110 을 통해 전파될 때 스펙트럼 확장을 경험할 만큼 충분히 증폭된 광 펄스만이 광 공진기 108 내에서 진동할 수 있다. 비선형 광 공진기에 2개의 오프셋 필터의 존재에 기초한 구조는 Mamyshev 발진기(Mamyshev oscillator, Mamyshev 오실레이터) 라고한다.

상기 실시 예. 에서, 제1 광섬유 브래그 격자 112 는 변화하는 격자 주기 128 (즉, 처프) 및 가우시안-유사 아포다이제이션 130을 포함하는 제1 굴절률 분포 126을 가지며, 상기 실시 예. 가 도 2. 에 도시되어 있다. 상기와 같이, 제1 굴절률 분포의 격자 주기 128 는 그것이 새겨진 광섬유의 길이 부분을 따라 변한다. 변화하는 격자 주기는 처프를 생성하여 첫 번째 반사율 프로파일의 최대 반사율 값을 향상시키고 대역폭을 넓힌다. 상기 실시 예. 에서, 제1 광섬유 브래그 격자는 그러므로 처프된 광섬유 브래그 격자 또는 "CFBG"이다. 가우시안-유사 아포다이제이션 130 은 가우시안-유사 프로파일에 따라 굴절률 n이 변하는 것을 보여준다. 가우시안-유사 프로파일은 더 큰 펄스 에너지에서 안정적인 광 펄스를 선호한다. 아포다이제이션이라는 용어는 제1 굴절률 분포 126 의 양 단부 130a 및 130b 에서 0에 접근하는 굴절률 n의 등급화를 지칭한다. 아포다이즈 된 광섬유 브래그 격자는 만족스러운 반사율을 유지하면서 사이드 로브 억제 측면에서 편리할 수 있다. 가우시안-유사 아포다이제이션 130 은 절대 변동율이 약 1000%/nm 미만 및/또는 사이드 로브 반사율은 약 -10dB 미만이 되도록 메인 로브 내에서 부드러운 반사율 프로파일을 달성할 수 있는 모든 아포다이제이션을 포함하는 것으로 설명 될 수 있다. 일부 실시 예. 에서, 가우시안-유사 아포다이제이션 130 은 예를 들어 대칭 가우시안 반사율 프로파일을 생성할 수 있는 약간 비대칭인 형상을 가질 수 있다. 도 2. 에 도시된 제1 굴절률 분포 126 는 예시적인 것일 뿐이며, 도시된 변화하는 격자 주기는 실제 값도 스케일도 아니기 때문이다. 변화하는 격자 주기 128 또는 동등하게 처프(chirp)는 제1 굴절률 분포 126 에서만 선택사항이다. 따라서, 제1 굴절률 분포 126 는 일부 다른 실시 예에서 변하지 않거나 균일한 격자 주기를 가질 수 있다.

제1 광섬유 브래그 격자의 구성은 제1 굴절률 분포 126 이 더 큰 펄스 에너지 및/또는 적어도 더 큰 압축성 품질을 제공할 수 있는 0.2 nm의 반치전폭을 갖도록 하는 것이다. 일부 실시 예. 서, 제1 굴절률 분포 126 의 반치전폭은 유리하게는 0.2 nm보다 높을 수 있다. 상기 도 1a. 를 참조하면, 제1 변화하는 격자 주기 및 제1 굴절률 분포의 가우시안-유사 아포다이제이션 덕분에, 제1 광섬유 브래그 격자 112 의 제1 반사율 프로파일 122 은 적어도 40% 의 최대 반사율 값 R1 및 적어도 0.5 nm의 반치전폭 Δλ1에서의 전체 폭을 가질 수 있다. 일부 실시 예. 에서, 제1 반사율 프로파일 122 의 최대 반사율 값 R1 은 적어도 50%, 바람직하게는 적어도 55%, 가장 바람직하게는 적어도 60%이다. 일부 실시 예. 에서, 제1 반사성 프로파일 122 의 반치전폭 Δλ1은 적어도 약 0.2 nm, 바람직하게는 적어도 약 2 nm 또는 3 nm, 가장 바람직하게는 약 4 nm와 약 5 nm 사이이다.

출력 116 에서 출력되는 광 펄스 118 는 적어도 10nJ, 바람직하게는 적어도 15nJ, 가장 바람직하게는 적어도 20nJ의 펄스 에너지를 가질 수 있고, 최대 반사율 값 R1 과 제1 광섬유 브래그 격자 122 의 제1 반사율 프로파일 122 의 반치전폭 Δλ1 덕분이다.

일부 실시 예에서, 제1 광섬유 브래그 격자 112 의 변화하는 격자 주기는 패브리-페로 (Fabry-Perot) 광 공진기에서와 같이 적어도 제1 반사율 프로파일 122 의 일부에 걸쳐 선형 방식으로 변화할 수 있다. 상기 실시 예에서, 제1 광섬유 브래그 격자 112 는 도 1a.의 점선으로 도시된 바와 같이 적어도 제1 반사율 프로파일 122 의 일부에 걸쳐 선형 그룹 지연 분산을 제공할 수 있다. 선형 그룹 지연 분산은 ± 0.5 ps²보다 더 가파를 수 있다고 예상되며, 그 예는 하기에서 설명될 것이다. 일부 실시 예에서, 제1 광섬유 브래그 격자 112 의 변화하는 격자 주기의 선형 그룹 지연 분산은 광학 이득 영역 110 에 의해 제공되는 선형 그룹 지연 분산보다 적어도 2배 가파르다. 일부 다른 실시 예에서, 제1 광섬유 브래그 격자 112 의 변화하는 격자 주기는 또한 비선형 방식으로 변화할 수 있다. 제1 광섬유 브래그 격자 112 의 격자 주기가 어떻게 변하는지에 관계없이, 제1 광섬유 브래그 격자 112 는 광 공진기 108 내의 다른 곳에서 발생하는 분산을 보상하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 광학 이득 영역 110 은 정상 분산, 즉 광학 그룹 속도가 파장에 따라 증가할 수 있으며, 상기는 광학 펄스가 이를 가로질러 전파하여 더 긴 파장이 짧은 파장보다 더 빠르게 이동하는 것을 보게 할 것이다. 비정상적인 분산은 그 반대이다. 즉, 가이드 광학 모드의 그룹 속도는 파장이 점차 증가함에 따라 감소한다. 각 왕복에서의 공진기 분산은 엄격하게 보정할 필요가 없다. 그러나, 제1 광섬유 브래그 격자 112 의 그룹 속도 분산은 섬유 분산을 보상하고 필터 된 펄스 위상, 강도 및 스펙트럼 프로파일을 조작하는 데 사용될 수 있다. 따라서, 예를 들어 출력 펄스 압축성을 향상시킬 수 있는 다음 비선형 증폭을 최적화하는 것이 가능하다. 제1 광섬유 브래그 격자 112 는 이러한 반대 부호 분산을 광 펄스에 부여하기 위해 사용될 수 있다. 상기와 같이, 선형 그룹 지연 분산은 일부 실시 예에서 비정상적일 수 있는 반면, 선형 그룹 지연 분산은 일부 다른 실시 예에서 정상일 수 있다. 반대 부호가 선택되면 그룹 지연 분산의 더 높은 절대값이 제1 광섬유 브래그 격자 112 에 사용될 수 있으며, 상기는 제1 광섬유 브래그 격자 112 의 지수 프로파일에 대한 더 낮은 처프를 의미하고, 따라서 제1 광반사율 프로파일의 최대 반사율 값 R1을 더욱 개선한다.

일부 실시 예. 에서, 제2 광섬유 브래그 격자 114 는 일정한 격자 주기 (즉, 처프 없음) 를 포함하는 제2 굴절률 분포를 갖고, 상기에 의해 도 1b. 에서 124로 도시된 것과 같은 반사율 프로파일을 부여한다. 상기 실시 예. 에서, 제2 광섬유 브래그 격자 114 의 제2 반사율 프로파일 124 은 감소된 반사율 값 R2 및 감소된 반치전폭 Δλ을 가질 수 있다. 일부 실시 예. 에서, 제2 반사율 프로파일 124 의 최대 반사율 값 R2 은 적어도 10%, 바람직하게는 적어도 20%, 가장 바람직하게는 적어도 30%이다. 일부 실시 예. 에서, 제2 반사율 프로파일 124 의 반치전폭 Δλ2는 적어도 약 2nm, 바람직하게는 적어도 약 3nm, 가장 바람직하게는 약 4nm와 약 5nm 사이이다. 제2 광섬유 브래그 격자 114 가 처프되지 않은 실시 예. 에서, 제2 광섬유 브래그 격자 114 는 도 1b. 의 파선으로 도시된 바와 같이 적어도 제2 반사율 프로파일 124 의 일부에 걸쳐 널(null) 그룹 지연 분산을 제공할 수 있다. 어떠한 경우에도, 제1 및 제2 반사율 프로파일의 반치전폭은 일부 실시 예. 에서 서로 유사하다.

필수는 아니지만, 제2 광섬유 브래그 격자 114 는 제1 광섬유 브래그 격자 112 와 유사한 방식으로 처프 될 수 있다. 예를 들어, 제2 굴절률 분포의 격자 주기는 또한 그것이 새겨진 광섬유의 길이 부분을 따라 변할 수 있다. 변화하는 격자 주기는 처프를 생성하여, 도 1c. 의 124에 도시된 제2 반사율 프로파일에 도시된 바와 같이, 제2 반사율 프로파일 124 의 최대 반사율 값 R2을 향상시키고 그 대역폭 Δλ2 을 넓힌다. 두 번째 굴절률 분포의 가우시안-유사 아포다이제이션은 안정적인 광학 펄스 또는 더 큰 펄스 에너지를 선호할 수 있다. 상기 실시 예. 에서, 제2 굴절률 분포는 제1 굴절률 분포와 유사성을 가질 수 있다. 제2 반사율 프로파일 124 은 또한 일부 실시 예. 에서 적어도 0.2 nm의 반치전폭을 가질 수 있다.

상기 도 1c. 를 참조하면, 제2 광섬유 브래그 격자 114 의 제2 반사율 프로파일 124 은 40% 이상의 최대 반사율 값 R2 및 변화하는 격자 주기와 제 2 광섬유 굴절률의 가우시안-유사 아포다이제이션에 대해 설명한다. 일부 실시 예. 에서, 제2 반사율 프로파일 124 의 최대 반사율 값 R2 은 적어도 50%, 바람직하게는 적어도 55%, 가장 바람직하게는 적어도 60%이다. 일부 실시 예. 에서, 제2 반사율 프로파일 124 의 반치전폭 Δλ2 은 적어도 약 0.2 nm, 바람직하게는 적어도 약 2 nm 또는 3 nm, 가장 바람직하게는 약 4 nm와 약 5 nm 사이이다.

일부 실시 예. 에서, 제2 광섬유 브래그 격자 114 의 변화하는 격자 주기는 적어도 제2 반사율 프로파일 124 의 일부에 걸쳐 선형 방식으로 변화할 수 있다. 상기 실시 예. 에서, 제2 광섬유 브래그 격자 114 는 도 1c. 의 점선으로 도시된 바와 같이 적어도 제2 반사율 프로파일 114 의 일부에 걸쳐 선형 그룹 지연 분산을 제공할 수 있다. 선형 그룹 지연 분산은 ± 0.5 ps²보다 더 가파를 수 있다고 예상된다. 일부 실시 예. 에서, 제2 광섬유 브래그 격자 114 의 변화하는 격자 주기의 선형 그룹 지연 분산은 광학 이득 영역 110 에 의해 제공되는 선형 그룹 지연 분산보다 적어도 2배 가파르다. 일부 다른 실시 예. 에서, 제2 광섬유 브래그 격자 114 의 변화하는 격자 주기는 비선형 방식으로 변화할 수 있다. 선형 그룹 지연 분산은 일부 실시 예. 에서 음수일 수 있는 반면, 일부 다른 실시 예. 에서 선형 그룹 지연 분산은 양수일 수 있다

일부 실시 예. 에서, 제2 필터 111 는 광섬유 브래그 격자가 아닐 수 있다. 그럼에도 불구하고, 제2 필터 111 는 제1 광섬유 브래그 격자 112 의 제1 반사율 프로파일 122 로부터 스펙트럼적으로 디튠된 필터 프로파일을 부여함으로써, Mamyshev 유형의 발진기를 형성한다. 따라서, 제2 필터 111 는 반사성 또는 투과성일 수 있고, 상기의 경우 대응하는 제2 필터 프로파일은 각각 반사율 프로파일 또는 투과율 프로파일일 수 있다. 실제로, 상기 실시 예. 에서, 제2 필터 111 는 유전체 필터, 조정 가능한 필터, 하나 이상의 필터 유닛 및 하나 이상의 광 순환기를 통합하는 루프, 또는 이들의 임의의 조합일 수 있다. 그러나, 일부 실시 예. 에서, 광섬유 브래그 격자의 형태로 제2 필터 111 를 제공하는 것은 대응하는 광 공진기의 복잡성을 주장할 수 있기 때문에 편리할 수 있다.

상기 도 1. 에 도시된 예와 같이, 광섬유의 길이 106 는 제1 광섬유 브래그 격자 112 를 갖는 광섬유의 제1 세그먼트(segment) 106a, 광학 이득 영역 110 을 갖는 제2 세그먼트 106b, 제2 광섬유 브래그 격자 114 , 및 출력 116 을 갖는 제4 세그먼트 106d 를 포함한다. 상기 특정 실시 예. 에서, 제1, 제2, 제3 및 제4 세그먼트는 융합 접합되거나 그렇지 않으면 서로 광학적으로 연결된다. 예를 들어, 광학 커넥터는 세그먼트를 서로 광학적으로 연결하는 데 사용할 수 있다. 실시 예. 에 따라, 광섬유의 길이 106 는 4개보다 적거나 많은 세그먼트를 가질 수 있다. 예를 들어, 제1 및 제2 광섬유 브래그 격자 112, 114 는 일부 실시 예. 에서 광학 이득 영역 110 내에 직접 내접할 수 있다. 광섬유의 길이 106 는 제1 및 제2 광섬유 브래그 격자 112, 114 및 광학 이득 영역 110 에 대한 것과 다른 광섬유 세그먼트를 가질 수 있다는 점에 유의한다. 실제로, 광섬유의 길이 106 는 수동 또는 능동 광섬유를 포함하는 임의의 적절한 수의 광섬유 세그먼트를 포함한다. 일부 실시 예. 에서, 추가적인 수동 광섬유 세그먼트는 결과적인 파이버 레이저 시스템의 분산, 비선형성 및 반복률과 같은 매개변수를 제어하기 위해 광 공진기 108 내에서 사용된다.

또한 상기 실시 예. 에 도시된 바와 같이, 펌프 레이저 102 는 광섬유의 길이 106 의 제1 세그먼트 106a 에 광섬유 출력 134 이 광학적으로 연결되는 광섬유 레이저 다이오드(fibered laser diode) 132 의 형태로 제공된다. 보다 구체적으로, 광섬유 레이저 다이오드 132 의 광섬유 출력 134 은 상기 특정 실시 예. 에서 광섬유의 길이 106 의 제1 단부 106a 에 융착 접합되거나 그렇지 않으면 광학적으로 연결된다. 일부 다른 실시 예. 에서, 펌프 레이저 102 는 펌프 레이저 빔을 방출하는 광섬유 레이저 등을 포함하지만 상기에 제한되지 않는 임의의 적합한 유형의 레이저로 제공될 수 있다.

이해할 수 있는 바와 같이, 상기 실시 예. 에서, 제2 반사율 프로파일 114 은 제1 반사율 프로파일 112 의 최대 반사율 값 R1 보다 작은 최대 반사율 값 R2을 가지며, 상기 경우에 출력 116 은 제1 광섬유 브래그 격자 112 보다 광 공진기 108 내에서 진동하는 광 펄스 118 의 더 많은 부분을 전송하는 제2 광섬유 브래그 격자 114 에 광학적으로 결합된다. 일부 실시 예. 에서, 출력된 광 펄스 118 는 선형적으로 변하는 순간 주파수를 갖는 유사-유사 프로파일 136을 가지므로 압축 후 100 fs 이하 또는 그 이하의 펄스 지속기간을 허용한다.

광학 이득 영역 110 은 에르븀 이온 (Er³⁺), 이테르븀 이온 (Yb³⁺), 툴륨 이온 (Tm³⁺), 홀뮴 이온 (Ho³⁺), 디스프로슘 이온 (Dy³⁺), 프라세오디뮴 이온 (Pr³⁺), 네오디뮴 이온 (Nd³⁺) 또는 상기의 임의의 조합과 같은 하나 이상의 희토류 이온(rare-earth ions)으로 도핑을 통해 레이저 활성(laser-active)인 임의의 유형의 광섬유일 수 있다. 희토류 이온의 농도는 레이저 활성 도핑 영역마다 다를 수 있다. 레이저 활성 도핑 영역은 희토류 이온을 포함하는 기존의 실리카-기반 매트릭스(silica-based matrix)를 가질 수 있다. 그렇지 않으면 광섬유의 매트릭스는 몇 가지 예를 들면 불화물 (fluoride-), 칼코겐화물 (chalcogenide-), 칼코할라이드 (chalcohalide-) 또는 텔루르화물-기반 유리 (telluride-based glass)와 같은 낮은 포논 에너지 유리(phonon energy glass)일 수 있다. 일부 다른 실시 예. 에서, 저 포논 에너지 유리는 ZBLAN (ZrF₄/HfF₄, BaF₂, LaF₃, NaF, 및 AlF₃)과 같은 ZrF₄를 포함하는 조성을 갖는 지르코늄 플루오라이드 유리 (zirconium fluoride glass) 이다. 일부 다른 실시 예. 에서, 저 포논 에너지 유리는 InF₃ 를 포함하는 조성을 갖는 인듐 플루오라이드 유리 (indium fluoride glass) 이다. 대안적인 실시 예. 에서, 저 포논 에너지 유리는 AlF₃ 를 포함하는 조성을 갖는 알루미늄 플루오라이드 유리 (aluminum fluoride glass) 이다. 추가 실시 예. 에서, 저 포논 에너지 유리는 As₂S₃, As₂Se₃, AsTe, AsSSe, AsSTe, GaLaS, GeAsS, GeAsSe 등을 포함하는 조성을 갖는 칼코겐화물 유리 (chalcogenide glass) 이다. 광결정 섬유(Photonic crystal fibers, PCF), LMA(Large Mode Area) 섬유 및 기타 유형의 특수 광섬유가 파이버 레이저 시스템에 사용될 수 있다. 더욱이, 광학 이득 영역 110 은 유도된 라만 산란(Raman scattering) 또는 임의의 다른 적절한 비선형 효과 또는 이들의 조합과 같은 비선형 효과를 통해 광학 이득을 제공할 수 있음에 유의한다. 광학 이득 영역 110 이 이러한 비선형 효과에 의존하는 실시 예. 에서, 광학 이득 영역110 은 예를 들어 희토류 이온으로 도핑 될 필요가 없다.

예를 들어, 광학 이득 영역 110 이 실리카-기반 매트릭스로 에르븀-도핑 된 실시 예. 에서, 펌프 레이저 빔 104 은 약 980 nm의 파장을 가질 수 있다. 광학 이득 영역 110 의 길이는 적어도 5m, 바람직하게는 적어도 8m, 가장 바람직하게는 적어도 10m일 수 있다. 예를 들어, 상기 특정 실시 예. 에서, 광학 이득 영역 110 은 길이가 10.8m이다. 상기 실시 예. 에서, 제1 반사율 프로파일 122 은 약 1550 nm의 제1 브래그 파장 λ1을 가질 수 있는 반면, 제2 반사율 프로파일 124 은 약 1565 nm의 브래그 파장 λ2를 가질 수 있고, 상기 의해 약 15 nm의 스펙트럼 디튜닝을 남길 수 있다. 일부 실시 예. 에서, 스펙트럼 디튜닝은 약 15 nm 미만일 수 있는 반면, 일부 다른 실시 예. 에서 스펙트럼 디튜닝은 약 15 nm 초과일 수 있다.

상기 특정 실시 예. 에서, 제1 광섬유 브래그 격자 112 는 약 65%의 최대 반사율 R1 과 약 4.7nm의 반치전폭 Δλ 을 갖는 제1 반사율 프로파일로 처프 된다. 제2 광섬유 브래그 격자 114 도 약 41%의 최대 반사율 R2 과 약 4.5nm의 반치전폭 Δλ2을 갖는 제2 반사율 프로파일로 처프(chirped)된다. 본 실시 예. 에서 광섬유의 길이 106 는 전체가 편광 유지(PM, polarization-maintaining) 광섬유로 이루어지며, 상기는 광 펄스 생성의 안정성에 기여할 수 있다. 그러나, 일부 다른 실시 예. 에서, 광섬유의 길이 106 의 일부만이 PM일 수 있다.

하기 실시 예. 와 같이, 설명된 파이버 레이저 시스템은 하나 이상의 모드 잠금 장치, 하나 이상의 펌프 레이저, 하나 이상의 출력, 하나 이상의 광 커플러, 하나 이상의 편광 아이솔레이터, 펌프 반사경 등을 가질 수 있다.

예를 들어, 도 3. 은 광섬유의 길이 106 에 결합되고 광 공진기 108 의 모드 잠금에 기여하는 예시적인 모드 잠금 장치 140 를 갖는 파이버 레이저 시스템 100을 도시한다. 모드 잠금 장치 140 는 제1 광섬유 브래그 격자 112 를 종 방향으로 신장하는 두 개의 이격 된 신장 요소 (stretching elements) 142 를 가지며, 상기에 의해 모드 잠금을 용이하게 할 수 있는 제1 및 제2 반사율 프로파일 122, 124 사이의 스펙트럼 디튜닝을 수정한다. 도 3a. 는 제1 및 제2 반사율 프로파일 122, 124 이 신장 요소 142 를 사용하여 함께 가져오거나 서로 밀어낼 수 있는 방법을 도시한다. 제1 및 제2 반사율 프로파일 122, 124 의 인접한 꼬리부 146 는 주어진 양만큼 서로 겹친다. 대안적으로 또는 추가적으로, 유사한 모드 잠금 장치가 제2 광섬유 브래그 격자 114 를 신장시키기 위해 사용될 수 있다. 어떤 경우에도 광섬유 브래그 격자를 신장하는 것은 해당 반사율 프로파일의 브래그 파장이 적색편이 (redshift)이 되는 경향을 갖는다. 따라서, 제 1 및 제 2 반사율 프로파일이 서로를 향하게 된다면, 신장 요소 (stretching elements) 는 바람직하게는 더 낮은 브래그 파장을 갖는 광섬유 브래그 격자에 설치되어야 한다. 상기 경우에, 제1 광섬유 브래그 격자 112 는 제2 광섬유 브래그 격자 114 의 제2 파장 λ2 보다 낮은 제1 브래그 파장 λ1을 가지며, 따라서 신축 요소 142 는 제1 광섬유 브래그 격자 112 를 신축한다. 일부 다른 실시 예. 에서, 제 2 광섬유 브래그 격자 114 의 제 2 파장 λ2는 제 1 광섬유 브래그 격자 112 의 제 1 브래그 파장 λ1보다 낮고, 상기에 따라 신장 요소 142 는 제 1 광섬유 브래그 격자 대신에 제 2 광섬유 브래그 격자 114 상에 설치된다. 일부 실시 예. 에서, 파이버 레이저 시스템 100 은 광 공진기 108 내의 공진기 경로에 경사진 파이버 브래그 격자 143 를 갖는다. 경사진 파이버 브래그 격자 143 는 필요한 경우 광 공진기 108 내의 편광 효과 및/또는 추가 필터링을 제공할 수 있다.

도 4. 는 파이버 레이저 시스템 200 의 다른 예를 도시한다. 도시된 바와 같이, 파이버 레이저 시스템 200 은 펌프 202, 펌프 202 에 광학적으로 결합된 광섬유의 길이 206 를 갖는다. 광섬유의 길이 206 광학 이득 영역 210, 제1 및 제2 브래그 격자 212, 214, 예컨대 상기한 것과 같은 광 공진기 208 , 및 광섬유의 길이 206 에 광학적으로 결합된 출력 216 을 갖는다. 상기 특정 예에 도시된 바와 같이, 파이버 레이저 시스템 200 은 광 공진기 208 로부터 상류에서 모드 잠금 암으로 이어지는 광섬유의 길이 206 에 탭 (tapped) 된 광 커플러 246 를 갖는 모드 잠금 장치 240 를 갖는다. 도 4a. 및 4b. 는 이러한 모드 잠금 장치 240 의 2개의 상이한 예를 도시한다. 상기 실시 예. 에서, 파이버 레이저 시스템 200 은 모드 잠금 장치 내에 보조 출력 248을 가질 수 있다.

도 4a. 의 모드 잠금 암 240' 은 제1 반파장판 (half wave plate) 270, 제1 편광 빔 스플리터 (polarization beam splitter) 272, 제2 반파장판 274, 제2 편광 빔 스플리터 276 , 경로 내 위치 및 경로 밖 위치 사이에서 이동 가능한 플립 미러 (flip mirror) 278, 및 정적 미러(static mirror) 280 로 구성된다. 이러한 구성요소는 서로 직렬로 배열된다. 플립 미러 278 가 경로 내 위치에서 이동되면 보조 출력 248 에서 출력된 광 신호는 제1 반파장판 270, 제1 편광 빔 스플리터 272, 제2 반파장판 274 , 제2 반파장판 274 을 가로질러 전파된고, 제2 편광 빔 스플리터 276 , 그리고 나서 보조 출력 248 을 통해 광 공진기로 다시 들어가고, 상기에 의해 광 공진기에 모드 잠금 피드백을 제공한다. 플립 미러 278 가 경로를 벗어난 위치로 다시 이동되면, 광 공진기는 안정적인 단일 펄스 모드 고정 체제 (regime) 로 전환할 수 있다.

도 4b. 는 모드 잠금 암 240'' 의 다른 예를 도시한다. 도시된 바와 같이, 모드 잠금 암 240'' 은 플립 미러 278, 렌즈 282, 및 가포화 흡수 미러 (saturable absorber mirror) 284 를 갖는다. 립 미러 278 가 경로 내 위치에서 이동될 때, 보조 출력 248 으로부터 출력된 광학 신호는 렌즈 282 를 가로질러 가포화 흡수 미러 284 를 향해 전파될 것이고, 그 다음 보조 출력 248 을 통해 광 공진기 내로 다시 전파될 것이고, 따라서 광 공진기의 모드 잠금 피드백을 제공한다. 유사한 방식으로, 플립 미러 278 가 경로를 벗어난 위치로 다시 이동되면, 광 공진기는 안정적인 단일 펄스 모드 고정 체제로 전환될 수 있다.

도 3. 내지 도 4. 를 참조하여 상기 모드 잠금 장치 140, 240 는 다음과 같다. 예를 들어, 다른 모드 잠금 장치를 사용할 수 있다. 일부 실시 예. 에서, 모드 잠금 장치는 미리 결정된 변조 매개변수 (modulation parameters) 에 따라 펌프 레이저 102 를 변조하여 일단 정상 상태 (steady state) 가 달성되면 모드 잠금 피드백을 광 공진기 108 에 제공하는 펌프 레이저 변조 장치이다. 숙련된 독자가 알 수 있는 대로 다른 수동 또는 능동 모드 잠금 장치를 사용할 수 있다. 도 3. 내지 도 4. 을 참조하여 상기 모드 잠금 장치 140, 240 는 상황에 따라 파이버 광 공진기가 스스로 모드를 잠글 수 있으므로 생략할 수도 있다.

상기 도 4. 를 참조하면, 제1 및 제2 광섬유 브래그 격자 212, 214 는 광학 이득 영역 210 의 사이에 위치한다. 예를 들어, 제2 광섬유 브래그 격자 214 는 광섬유의 길이 206 의 광학 이득 영역 210 의 일부에 내접해 있다. 따라서, 광학 이득 영역 210 은 상기 특정 실시 예. 에서 출력 216을 향해 제2 광섬유 브래그 격자 214 를 넘어 연장된다. 상기와 같이, 광섬유의 길이 206 는 일반적으로 광 공진기 208 와 출력 216 사이의 광학 연결과 관련된 광학 손실 (optical losses) 부족할 수 있다. 또한, 광학 펄스 218 의 부분적 증폭은 이러한 구조로 광 공진기 208 외부에서도 발생할 수 있다.

또한 상기 실시 예. 에 도시된 바와 같이, 펌프 레이저 빔 204 은 광학 이득 영역 210 을 가로질러 출력 216 을 향해 전파되고, 그 다음 제2 광섬유 브래그 격자로부터 하류 (downstream) 에 있는 펌프 반사경 (pump reflector) 250 을 사용하여 광학 이득 영역 210 을 향해 다시 반사된다. 상기와 같이, 펌프 반사경은 추가 펌핑을 위해 광학 이득 영역 210을 향해 다시 펌프 레이저 빔 204 의 임의의 나머지 부분을 반사할 수 있다. 펌프 반사경 250 은 예를 들어 광섬유 브래그 격자일 수 있다. 펌프 반사경 250 은 일부 실시 예. 에서 생략될 수 있기 때문에 선택적이다.

상기 실시 예. 에서, 파이버 레이저 시스템 200 은 적어도 하나의 클래딩 (cladding) 으로 둘러싸인 코어를 갖는 단일 클래드 광섬유 (single-clad fiber) 로 이루어지며, 상기 경우 제1 및 제2 광섬유 브래그 격자는 단일 클래드 광섬유의 코어 내에 내접 된다. 그러나, 일부 다른 실시 예. 에서, 다른 예시적인 파이버 레이저 시스템은 내부 클래딩에 의해 둘러싸인 코어를 갖는 다중 클래드 광섬유(multi-clad fiber)로 만들어질 수 있으며, 이는 차례로 적어도 외부 클래딩에 의해 둘러싸인다. 상기 후자의 실시 예. 에서, 제1 및 제2 광섬유 브래그 격자가 다중 클래드 섬유의 코어에 내접 될 수 있으므로, 펌프 반사기 250 와 같은 임의의 펌프 반사기는 다중 클래드 광섬유의 내부 클래딩 대신에 내접한 광섬유 브래그 격자일 수 있다.

일부 실시 예. 에서, 원하는 대로 광학 펄스 218 의 편광 상태를 고정하기 위해 제1 및 제2 광섬유 브래그 격자 212, 214 사이에 광섬유 편광자 (fibered polarizer) 260 를 광 공진기 208 에 제공하는 것이 구상될 수 있다. 그러한 실시 예. 에서, 광섬유 편광자 260 를 제2 광섬유 브래그 격자 214 로부터 바로 연결된 하류에 위치시키는 것이 또한 바람직할 수 있다.

도 5. 는 파이버 레이저 시스템 300 의 다른 예를 도시한다. 도시된 바와 같이, 파이버 레이저 시스템 300 은 펌프 302, 펌프 302 에 광학적으로 결합된 광섬유의 길이 306 를 갖는다. 광섬유의 길이 306 는 광학 이득 영역 310, 상기와 같은 제1 및 제2 브래그 격자 312, 314, 및 광섬유의 길이 306 에 광학적으로 결합된 출력 316을 갖는 광 공진기 308 를 갖는다. 도 4. 의 파이버 레이저 시스템 300 과 대조적으로, 상기 실시 예. 에서, 펌프 레이저 302 는 광 공진기 308 의 하류에 있고, 펌프 레이저 빔 304을 출력 316 으로부터 멀어지고 광 공진기 308 쪽으로 전파한다. 일부 실시 예. 에서, 파이버 레이저 시스템 300 은 광 공진기 308 의 상류 (upstream) 에 제2 펌프 레이저 302' 를 가질 수 있고 광 커플러를 통해 광섬유의 길이 306 에 광학적으로 결합된다. 상기 실시 예. 에서, 제2 펌프 레이저 302' 는 증가된 펌핑 결과를 위해 광학 이득 영역 310을 따라 제2 펌프 레이저 빔 304'을 전파한다. 상기 실시 예. 에서, 파이버 레이저 시스템 300 에는 펌프 레이저 302, 302' 를 보호하기 위해 광 공진기 308 내부 또는 외부에 하나 이상의 광학 아이솔레이터 (optical isolators) 가 제공될 수 있다. 이는 펌프 레이저 빔 304, 304' 이 다른 파장을 가질 때 특히 편리하다.

상기 파이버 레이저 시스템 100, 200, 300 은 모두 광학 펄스가 제1 및 제2 광섬유 브래그 격자 사이에서 앞뒤로 반사되는 선형 공진기 경로를 갖지만, 여기에 설명된 파이버 레이저 시스템의 다른 실시 예. 는 광 펄스가 순환하는 링형 공진기를 가질 수 있으며, 그 예는 도 6. 및 도 7. 를 참조하여 설명된다.

도 6. 은 링형 Mamyshev 발진기 구조에 따른 파이버 레이저 시스 400 의 예를 도시한다. 도시된 바와 같이, 파이버 레이저 시스템 400 은 제1 펌프 레이저 402a 및 제1 파장 분할 다중화 (WDM, wavelength division multiplexing) 커플러 446a 를 통해 제1 펌프 레이저 402a 에 광학적으로 결합된 광섬유의 길이 406 를 갖는다. 광섬유의 길이 406 는 적어도 링 공진기 경로 409 를 갖는 광 공진기 408, 원형 공진기 경로 409 를 따른 제1 광섬유 브래그 격자 412, 제1 광섬유 브래그 격자 412로부터 이격된 원형 공진기 경로 409 를 따른 제2 광섬유 브래그 격자 414, 및 제1 및 제2 광섬유 브래그 격자 412, 414 사이의 제1 광학 이득 영역 410a 을 포함한다. 출력 416 은 광 펄스 418 를 출력하기 위해 링형 광 공진기 408 에 광학적으로 결합된다.

상기 예시된 바와 같이, 광 순환기 486a 및 486b 는 각각의 제1 및 제2 광섬유 브래그 격자 412 및 414 에 의해 반사된 광 펄스 418 를 상이한 광 섬유 세그먼트 상에서 다시 순환시키는 데 사용되며, 상기에 의해 광 펄스 418 가 링 공진기 경로 409 주위를 시계 반대 방향으로 이동할 수 있게 한다. 광학 아이솔레이터 488 는 반대 방향으로 전파하는 광 펄스를 차단하기 위해 제공될 수 있다. 상기 특정 실시 예. 에서, 제2 광학 이득 영역 410b 은 광섬유의 길이 406 를 따라 제1 및 제2 광섬유 브래그 격자 412, 414 사이에 제공된다. 제1 및 제2 광학 이득 영역 410a, 410b 을 펌핑하기 위해, 2개의 추가 펌프 레이저 402b, 402c 가 각각의 WDM 커플러 446b, 446c 를 사용하여 광 공진기 408 에 광학적으로 결합된다. 도시된 바와 같이, 제1 광학 이득 영역 410a 은 2개의 역전파 펌프 레이저 빔 (contra-propagating pump laser beams) 404으로 펌핑된다.

Mamyshev 구조에 따르면, 제1 및 제2 광섬유 브래그 격자 412, 414 는 서로에 대해 스펙트럼적으로 디튠 되는 반사율 프로파일을 갖는다. 상기 특정 실시 예. 에서, 제1 및 제2 광섬유 브래그 격자 412 및 414 는 각각 다양한 격자 주기 및 가우시안-유사 아포다이제이션을 갖는 굴절률 분포를 가지며, 상기에 의해 최대 반사율 값 및 반치전폭의 측면에서 만족스러운 반사율의 반사율 프로파일을 부여한다. 그러나, 상기에서 언급된 바와 같이, 제2 광섬유 브래그 격자 414 는 만족스러운 필터 프로파일의 임의의 다른 필터가 사용될 수 있기 때문에 단지 선택적이다.

도 7. 은 링형 Mamyshev 발진기 구조에 따른 파이버 레이저 시스템 500 의 다른 예를 도시한다. 도시된 바와 같이, 파이버 레이저 시스템 500 은 제1 펌프 레이저 502a 및 제1 WDM 커플러 546a 를 통해 제1 펌프 레이저 502a 에 광학적으로 결합된 광섬유의 길이 506 를 갖는다. 광섬유의 길이 506 는 적어도 링 공진기 경로 509 를 갖는 광 공진기 508, 원형 공진기 경로 509 를 따른 제1 광섬유 브래그 격자 512, 제1 광섬유 브래그로부터 이격 된 원형 공진기 경로 509 를 따른 제2 필터 511 및 제1 광섬유 브래그 격자 512 와 제2 필터 511 사이의 제1 광학 이득 영역 510a 을 포함한다. 출력 516 은 광 펄스 518 가 출력되는 90/10 광 커플러 546' 를 통해 링형 광 공진기 508 에 광학적으로 결합된다. 상기 실시 예. 에서, 제1 광섬유 브래그 격자 512 는 격자 주기 및 가우시안-유사 아포다이제이션이 변화하는 굴절률 분포를 가지며, 상기에 의해 본 명세서에 설명된 원하는 반사율 프로파일을 부여한다.

상기 예시된 바와 같이, 광학 순환기(optical circulator) 586 는 각각의 제1 광섬유 브래그 격자 512 에 의해 반사된 광 펄스 518 를 상이한 광 섬유 세그먼트 상에서 다시 순환시키는 데 사용되며, 상기에 의해 광 펄스 518 가 링 공진기 경로 509 주위를 시계 반대 방향으로 이동 할 수 있게 한다. 대조적으로, 제2 필터 511 가 투과형이기 때문에, 링 공진기 경로 509 를 따라 광 펄스 518 의 순환을 유지하기 위해 광학 순환기가 필요하지 않다.

또한 상기 실시 예. 에서 도시된 바와 같이, 파이버 레이저 시스템 500 은 제2 WDM 커플러 546b 를 통해 광 공진기 508 에 광학적으로 결합된 제2 펌프 레이저 502b 를 갖는다. 상기 실시 예. 에 도시된 광 공진기 508 은 또한 제3 WDM 커플러 546c 를 통해 상기에 광학적으로 결합된 제3 펌프 레이저 502c 에 의해 적어도 펌핑 가능한 제2 광학 이득 영역 510b 을 갖는다. 광학 아이솔레이터 588 는 반대 방향으로 전파하는 광 펄스를 차단하기 위해 제공될 수 있다.

파이버 레이저 시스템 500 은 제2 필터 511 가 반사율 프로파일을 제공하는 광섬유 브래그 격자가 아니라 투과율 프로파일을 제공하는 유전체 필터라는 점에서 도 6. 파이버 레이저 시스템 400 과 다르다는 것에 주목한다. Mamyshev 구조로부터 예상할 수 있는 바와 같이, 제1 광섬유 브래그 격자 512 의 제1 반사율 11 f 은 제2 필터 511 의 필터 프로파일로부터 스펙트럼적으로 디튠 되고, 따라서 임의의 Mamyshev 발진기에서와 같이 스펙트럼 확장을 경험하는 광 펄스만이 광 공진기 508 내에서 존속할 수 있게 한다. 제2 필터의 다른 예는 일부 다른 실시 예. 에서 사용될 수 있다.

실시 예1. 처프 된 광섬유 브레그 격자로 활성화된 전체 광섬유 Mamyshev 발진기

초고속 파이버 레이저는 잘 정립된(well-established) 부피가 큰 고체 상태의 모드 고정 레이저보다 더 많은 효율성, 소형화, 견고성 및 단순성을 제공한다는 약속으로 번성하고 있다. 과거에는 높은 피크 전력 (high peak power) 애플리케이션의 경우 파이버 레이저 발진기가 단단히 밀폐된 도파관 (waveguide) 매체에서 비선형성을 관리하는 데 어려움을 겪었을 수 있으며 더 경쟁력이 있을 수 있다. 최근에 Mamyshev 발진기 (MO, Mamyshev oscillator) 라고 하는 새로운 비선형 가포화 흡수체 (SA, saturable absorber) 를 기반으로 하는 파이버 레이저 시스템이 다양한 파장 영역에서 기존 레이저와 비교하여 흥미로운 것으로 밝혀졌다. 이제 PM 광섬유의 견고함을 활용하면서 메가와트 (megawatt) 피크 전력 수준을 제공할 수 있다. 파이버 레이저 시스템은 모드 잠금을 지원하기 위해 자체 위상 변조와 2개의 디튠 된 스펙트럼 필터에 의존할 수 있다. 지금까지 고 에너지 파이버 레이저 시스템은 가우시안-필터링 (Gaussian filtering) 을 달성하기 위해 쌍을 이루는 시준기 (collimators) 와 회절 격자를 사용하고 있다. 그러나 상기 유망한 성능은 신뢰할 수 있는 자체 시작 프로세스를 통해 비용 효율적인 전체 광섬유 형식으로 구현하여 전문 실험실 외부에서 광범위하게 사용하는 데 도움이 될 수 있다. 고출력에서 신뢰할 수 있는 전체 광섬유 형식으로 효율적이고 바람직하게는 조정 가능한 필터를 얻고자 한다.

상기 예에서, 스펙트럼 필터로서 가우시안 아포다이제이션을 갖는 2개의 처프 광섬유 브래그 격자 (CFBG, chirped fiber Bragg gratings) 에 기초한 선형-공진기 (linear-cavity) MO가 제안된다. 처프 (chirp) 는 필요한 대역폭에 대해 높은 반사율을 달성하기 위해 두 개의 FBG에서 선호된다. 또한 고도로 분산된 필터를 사용하여 Mamyshev 발진기의 비선형성을 관리할 수 있다. 여기에는 압축 후 21.3 nJ의 에너지와 108 fs의 지속 시간으로 펄스를 생성하는 실험적 MO-기반 파이버 레이저 시스템이 제시된다. 결과적으로 CFBG-기반 설계에 대한 지침을 제안하고 비선형 펄스 진화 (pulse evolution) 에 대한 필터 분산의 영향을 연구할 수 있는 수치 시뮬레이션과 일치한다.

언뜻 보면, 도 8. 에 도시된 파이버 레이저 시스템 600 은 표준 연속파 파이버 (CW, continuous wave) 레이저처럼 보일 수 있다. 전체가 PM 섬유로 구성되어 있다. 10.8m 길이의 작은 코어 에르븀-도핑 된 섬유 610 (OFS의 EDF07-PM SR) 은 1550nm에서 이득 및 일반 분산을 제공한다. 광 공진기 608 의 각 단부에서, 제1 및 제2 CFBG 612, 614 는 각각 ~5nm 대역폭 반사 필터로서 작용한다. CFBG 612 및 614는 높은 수준의 감광성을 가진 표준 수동 광섬유 (Fujikura의 SM15) 로 작성된다. 두 개의 수동 세그먼트는 공진기 내 총 길이가 ~0.60m 이다. 광 공진기 608 에서의 싱글 패스 (single pass) 에 대한 그룹 지연 분산 (GDD, group delay dispersion) 은 0.38 ps²로 추정된다.

CFBGs 612 및 614 의 대응하는 그룹 지연 분산과 함께 제 1 및 제 2 반사율 프로파일 622 및 624 의 측정이 도 8a. 및 도 8b. 에 도시되어 있다. 선형 처프 및 아포다이제이션은 모델링을 통해 최적화되어 출력 펄스 에너지 및 모드 잠금 안정성을 최대화하기 위한 관련 요소인 최소 사이드 로브 (side-lobes) 가 있는 부드러운 가우시안 반사 프로파일 (Gaussian reflective profile) 을 제공한다. CFBGs 612 및 614 는 각각의 최대 반사도 값 R1 및 R2에 대해 -30 dB (LR-CFBG) 및 -28 dB (HR-CFBG) 에서 사이드 로브를 갖는다. 1 00 nm/cm의 처프 위상 마스크 (chirped phase mask) 로 UV 기록된다. 처프 된 가우시안 아포다이제이션 (FWHM

400 μm) 과 높은 지수 변조 (index modulation)(~3Х10^(-3))가 있는 매우 짧은 내접 길이는 상기 실시 예. 에서 큰 대역폭으로 높은 반사율을 달성하기 위해 활용된다. 그러나, 일부 다른 실시 예. 에서 다른 내접 방법이 사용될 수 있다. 주어진 대역폭 및 최대 지수 변조에 대해 위에서 논의한 바와 같이 처프 FBG는 균일한 FBG보다 더 높은 반사율을 생성한다. 반사율 프로파일 622, 624 의 완벽한 가우시안으로부터의 편차 및 비대칭은 아포다이제이션 프로파일의 결함으로 인해 발생할 수 있다. 이러한 작은 편차는 그룹 지연 곡선 623, 625 에도 영향을 미치며, 그렇지 않으면 전체 대역폭

에 걸쳐 완벽하게 선형이다. 상기 아티팩트 (artifacts) 는 정확한 내접 후 높은 지수 대비 (index contrast) 의 서브 밀리미터 (sub-millimeter) CFBGs 를 피하기 어려워 상당한 도전이다.

CFBG 612 및 614 의 제1 및 제2 반사율 프로파일 622 및 624 사이의 15 nm의 스펙트럼 디튜닝은 임의의 CW 진동이 억제되는 동안 광 공진기에서 생존하기 위해 높은 피크 전력을 갖는 스펙트럼으로 확장된 펄스를 허용한다. 파이버 레이저 시스템은 고 에너지 펄스를 선호하는 큰 변조 깊이 (large modulation depth) 를 가진 이상적인 비선형 SA처럼 작동한다. 그러나, 상기 또한 일부 실시 예. 에서 잡음으로 인한 자가 시작 (self-starting) 을 방지한다. 이 문제를 해결하기 위해 12.5 cm 간격으로 설정된 2개의 신축 요소 640a 가 추가되어 해당 격자의 반사율 곡선을 적색 편이하는 1550 nm HR-CFBG 622 를 유지 및 신축한다. 필터가 서로 가까우면 SA의 변조 깊이가 감소하고 피크 전력이 낮은 작은 노이즈 변동이 두 필터를 통해 전송되어 결국 고 에너지 펄스가 형성된다.

상기 행위는 이 예에서 관찰되지 않는다. 오히려, 광 공진기는 스펙트럼 필터 날개가 이 특정 실시 예. 에서 겹칠 때 CW를 방출하는 경향이 있다. 따라서, 상기 실험을 위해 신뢰할 수 있는 자체 시동을 얻기 위해 외부 시동 암 640b 이 추가되었습니다. 암 640b 은 가포화 흡수 미러 (BATOP GmbH의 SAM-1550-50-10ps) 를 사용하여 보조 출력 648 으로부터의 피드백과 함께 1565 nm에서 노이즈 Q-스위칭 (noisy Q-switching) 을 유도한다. 플립 미러 (flip mirror) 670 가 내려지면 광 공진기 608 는 안정적인 단일 펄스 모드 잠금 체제로 즉시 전환한다. 상기 단계에서, 신장 요소 640a 는 모드 잠금을 잃지 않고 HR-CFBG 612 를 1550 nm에서 1560 nm로 앞뒤로 조정하는 데 사용될 수 있다. 상기 사항이 설명된 파이버 레이저 시스템 600 에 필수적인 것은 아니지만 흥미로운 자유도 (degree of freedom) 를 추가한다. 주 출력 펄스 618 의 전체 특성이 시뮬레이션 결과와의 비교와 함께 도 9a. - 9d. 에 도시되어 있다. 시뮬레이션은 스칼라 일반화된 비선형 슈뢰딩거 방정식을 통해 자체 위상 변조 (SPM, self-phase-modulation), 2차 분산 (GVD, second-order dispersion), 3차 분산 (TOD, third-order dispersion) 및 스펙트럼 이득 (spectral gain) 을 설명한다. 측정된 반사율 및 분산 프로파일은 CFBG 612 및 614를 모두 나타내는 데 직접 사용된다. 이득 (gain) 은 에르븀 단면에서 계산되고 속도 방정식은 정상 상태에서 해결된다. 선형 구성에서, 광 펄스 618 는 각 왕복에서 광 이득 영역 610 의 각 섹션을 두 번 통과한다. 따라서 광섬유를 따라 각 위치의 전이율은 HR-CFBG 612 로 향하는 펄스 에너지와 LR-CFBG 614 로 향하는 반사된 대응물의 펄스 에너지를 고려하여 계산된다.

평균 전력이 190 mW인 무선 주파수 스펙트럼에서 8.935 MHz에서 안정적인 21.3 nJ 펄스 열 (pulse train) 이 관찰된다. 주입된 펌프 전력은 850 mW로 22.3 %의 뛰어난 전력 변환 효율을 제공한다. 펄스 에너지는 주입된 펌프 전력에 의해 제한된다. 2차 출력 648 에서 11.7 nJ의 펄스가 관찰된다. 설계상 대부분의 에너지는 펌프 레이저 빔 604과 함께 전파되는 펄스에 의해 추출된다. 주 출력의 넓은 스펙트럼은 74 fs의 변환 제한 펄스를 지원할 수 있다. 광 공진기 608 의 주 출력 618 에서 변칙적인 GVD 수동 섬유 (passive fiber) 의 15 cm 분절은 도 9a. 에 표시된 스펙트럼 변조를 부분적으로 담당하고 LR-CFBG 614 에 의해 남겨진 스펙트럼 홀 (spectral hole) 을 보충하는 데 도움이 된다. 광 공진기 608 에는 편광자가 필요하지 않다는 점은 흥미롭다. 파이버 레이저 시스템 600 은 주 출력 618을 분석하여 알 수 있는 바와 같이 PM 섬유의 두 직교 모드 중에서 하나의 선형 편광 상태를 자연스럽게 선택한다. 편광판을 사용하여 -20dB의 소광비 (extinction ratio) 가 측정된다. 상기 자기 편광 효과는 스펙트럼 확장에 대한 교차 위상 변조 (XPM, cross-phase modulation) 보다 SPM의 유리한 기여로 인해 발생한다. 수치 모델의 벡터 버전에서도 광섬유의 빠른 축과 느린 축 사이의 그룹 지연 차이를 고려하지 않은 경우에도 이러한 역학을 보여준다. 실험 설정에서 복굴절 광섬유 (birefringent fiber) 는 편광 상태의 중단을 방지하는 데 필수적이다. 또한 환경 섭동 (environmental perturbations) 에 대한 견고성을 크게 향상시키는 데 기여: 광섬유를 만지거나 구부리는 것은 모드 잠금 상태 또는 출력 펄스 특성에 영향을 미치지 않는다. 펄스는 격자 쌍 압축기(600 lines/mm) 로 디처프 (또는 압축) 되었으며 자기 상관 트레이스 (autocorrelation trace) 가 도 9b. 에 나와 있다. 펄스 포락선의 정확한 재구성 (reconstruction) 을 얻기 위해 PICASSO 알고리즘이 사용된다. 압축 펄스 피크 전력은 FWHM 지속 시간이 108 fs인 95 kW로 추정된다. 압축기의 50% 손실을 고려하면 실제 실험 피크 전력은 47.5 kW이다. 이 외에도 펄스 에너지의 상당 부분이 3ps에 걸쳐 펼쳐진 사이드 로브에서 손실된다. 상기는 비선형이고 부드럽지만 출력 펄스 순간 주파수의 변화로 인해 발생한다. 4.7 nm 대역폭은 완전한 비선형 확장 (nonlinear broadening) 후에 115 nm 스패닝 스펙트럼 (spanning spectrum) 에 큰 영향을 줄 수 없기 때문에 CFBG에서 오는 잠재적 위상 노이즈는 여기에서 중요하지 않다. 수치 결과와의 탁월한 일치는 측정 및 수치 모델 모두의 검증을 제공한다. 상기는 광 공진기 608 내부의 펄스 역학과 CFBG 612, 614 의 GDD의 영향을 더 탐구할 기회를 제공한다.

시뮬레이션을 통해, 광 공진기 608 에 대한 HR-CFBG 612 의 분산의 영향은 GDD의 넓은 범위에 걸쳐 그리고 LR-CFBG 614 의 반사율의 두 값에 대해 연구된다. 상기 분석을 위해, 두 필터의 반사율 매개변수는 4.5 nm 대역폭의 완벽한 가우시안 (perfectly Gaussian) 으로 간주된다. 주 출력 618 에서 LR-CFBG 614 이후의 수동 광섬유는 고려되지 않는다. 모든 결과는 광 공진기 608 가 정상 상태에 도달할 때 취해진다. 도 10a. - 10b. 는 HR-CFBG의 GDD의 함수로서 2차 분산 보상을 통한 최적 압축 후 펄스 에너지와 피크 전력을 보여준다. 도 10a. 는 상기 실험 설정과 본질적으로 동일하지만 도 10b. 의 경우는 분산 없이 더 낮은 LR-CFBG 반사율의 영향을 보여준다. GDD가 증가하는 한 정상 분산 영역이나 비정상 분산 영역에서 펄스 에너지도 증가함을 알 수 있다.

정상 상태에서 메인 펄스와 반사된 상대 (counterpart) 는 광섬유를 따라 동일한 로컬 이득 (local gain) 을 공유한다. 상기 이유로 비선형 진화 및 증폭 프로세스는 모두 종 방향 이득 프로파일 (longitudinal gain profile) 을 통해 서로 연결된다. 상기 효과를 입증하기 위해 도 10a. 는 분산 없는 낮은 LR-CFBG 반사율이 에너지 추출에 대한 경쟁을 줄이고 스펙트럼의 더 적은 부분을 절단함으로써 주 펄스 에너지에 상당한 개선을 줄 수 있음을 보여준다. 그러나 필터 분산은 광 공진기의 에너지 손실을 일으키지 않으며 펄스 에너지에 약간만 영향을 미친다. 상기 작은 섭동 (perturbation results) 은 광섬유를 따라 파장 종속 이득 (wavelength-dependent gain) 에 영향을 미치는 수정된 비선형 스펙트럼 확장으로 인해 발생한다.

공진기는 음의 GDD 영역에서 더 높은 분산을 지원할 수 있다. 41 % LR-CFBG의 경우 차이는 0.5

로 단일 패스 GDD와 유사하다. 음수일 때 CFBG 분산은 광섬유를 따라 축적된 양의 처프를 보상해야 한다. 상기는 더 높은 변칙적 분산을 위해 초기 피크 전력 및 펄스의 비선형 확장에 대한 더 약한 억제를 의미한다. 같은 이유로 LR-CFBG 반사율이 낮은 공진기는 더 작은 최대 필터 분산을 허용한다.

압축 후 더 높은 피크 전력은 더 선형적인 초기 처프와 압축된 펄스의 사이드 로브에서 더 낮은 에너지 손실로 이어지는 더 부드러운 스펙트럼을 나타낸다. 상기 예에서 시뮬레이션은 +0.55

의 양의 GDD 값이 출력 펄스 압축성에 최적임을 보여준다. 실제로 이러한 낮은 GDD에서는 최대 지수 변조 측면에서 제한이 있기 때문에 좋은 특성을 가진 CFBG를 달성할 수 없다. 더 많은 분산은 동일한 최대 굴절률 변조 및 대역폭에 대해 더 작은 처프와 함께 더 긴 CFBG를 기록함으로써 더 높은 피크 반사율을 달성할 수 있음을 의미한다. 따라서 높은 펄스 에너지를 유지하는 데 필요한 대역폭과 반사율을 얻기 위해 더 높은 최적의 이상 GDD에서 작동한다. 더 높은 음의 GDD로 CFBG를 작동하면 다른 긍정적인 부작용이 있다. 첫째, 펄스는 양의 GDD에서 작동할 때 발생할 수 있는 광섬유의 클래딩 모드와의 결합으로 인한 손실을 방지한다. 둘째, 시뮬레이션은 더 높은 분산이 비문의 불완전성으로 인해 발생할 수 있는 필터 모양의 비대칭 영향을 완화할 수 있음을 나타낸다. 전반적으로 도 10a. - 10b. 는 출력 펄스 에너지에 큰 영향을 미치지 않으면서 비선형 펄스 전개를 조정할 가능성을 제시한다. 기억해야 할 일반적인 경향은 적당한 양의 필터 분산(포지티브 또는 네거티브)이 유익하다는 것이다. 상기 배후의 기본 역학을 더 자세히 이해하기 위해 시뮬레이션 결과는 도 11a. - 11c. 는 최악의 값과 최적의 HR-CFBG GDD 값 사이의 이득 광섬유 내부의 펄스 진화를 비교한다. 실선은 처프 광섬유 브래그 격자가 사용될 때 펄스 포물선 부적합 매개변수, 펄스 에너지 및 펄스 대역폭의 발전을 보여준다. 점선은 광섬유 브래그 격자가 비교를 위해 처프되지 않은 경우 해당 매개변수의 발전을 보여준다.

펄스 에너지가 두 경우 모두 유사한 방식으로 증가한다는 사실을 알아차리는 것은 흥미롭다. 비선형 역학을 크게 조작하더라도 정상 상태의 포화 이득 분포가 고정 펌프 전력 및 CFBG의 반사율에 대해 거의 동일하게 유지되기 때문에 필터 분산은 펄스 에너지에 크게 영향을 미치지 않는다. 부적합 매개변수 M의 진화는 두 가지 다른 비선형 영역을 보여준다. 첫째, 펄스 매개변수는 최소 M 값에 도달할 때까지 기하급수적으로 증가한다 (에너지, RMS 대역폭 등). 상기는 입력 펄스를 포물선 모양으로 끌어당기는 자기 유사 (SS, self-similar) 체제에서 일반적이다. 둘째, 스펙트럼이 넓어지고 결국에는 비선형 끌개 (nonlinear attractor) 를 멈추게 하는 이득 대역폭 한계에 도달한다. 펄스는 이득 대역폭 효과로 인해 펄스가 천천히 포물선 모양을 잃을 때 선형 처프가 구부러지기 시작하는 단순한 SPM 및 이득 영역으로 이동한다. 상기 상태는 확장된 스펙트럼의 파란색 부분이 약간의 흡수를 겪기 때문에 자기 유사 및 이득 관리 비선형 (GMN, gain-managed nonlinearity) 영역 간의 전환 상태와 유사한 동작을 갖는다. 상기는 광섬유 끝을 향한 펄스 스펙트럼 RMS 대역폭의 포화로 표현된다. 증폭 전에 펄스를 늘리면 초기 피크 전력이 감소하고 스펙트럼 확장이 느려진다. 결과적으로 두 영역 사이의 변곡점이 섬유를 따라 더 밀린다. SPM 증폭 영역의 동작 길이를 줄임으로써 출력 펄스 처프는 보다 선형적이다. 반면에 더 높은 처프와 지속 시간을 가진 초기 펄스에 대해 포물선 모양으로 더 느린 수렴 속도를 관찰할 것으로 예상된다. 상기는 또한 대부분의 증폭기 길이에서 매끄럽지 않은 스펙트럼을 초래한다. 상기 효과가 너무 강해지면 자기 유사 체제가 가져오는 부드러운 비선형 진화가 일어날 수 없다. 포물선 모양의 구현이 금지되어 펄스가 광파 차단에 의해 약화되고 공동이 불안정해진다. 상기는 도 10a. - 10b. 에서 관찰된 분산 상한 (upper-limits) 을 설명한다. 최상의 GDD 값은 대역폭 효과와 더 약한 자기 유사 영역 사이에 최적의 절충안을 제공한다.

상기 예를 결론짓기 위해, 발사된 펌프 전력에 대해 22.3 % 의 효율로 108 fs로 압축 가능한 21.3 nJ 펄스를 방출하는 전체 광섬유 Mamyshev 발진기가 제안된다. 상기 성과는 선형 공진기의 말단에서 스펙트럼 필터로 서브-밀리미터 가우시안-모양의 처프 광섬유 브래그 격자를 사용하여 가능하다. 격자의 처프는 MO에 필요한 대역폭으로 고 반사율 가우시안 필터를 제작하는 데 필수적이다. 처프는 또한 필터의 분산을 제어할 수 있는 기회를 제공하며, 이는 MO에서 펄스의 비선형 전개에 중요한 영향을 미친다. 상기 예에서 광섬유 GDD에 필적하는 필터 GDD의 양이 펄스 에너지에 영향을 주지 않고 더 큰 펄스 피크 전력을 얻는 데 유리하다는 것이 보여진다. 상기는 Mamyshev 발진기에서 보다 복잡한 펄스 형성 방식을 향한 첫 번째 단계일 수 있다. 틀림없이 상기는 지금까지 가장 단순한 초고속 파이버 레이저 구조이며 여전히 펄스 에너지, 지속 시간 및 피크 전력 측면에서 경쟁력 있는 결과를 산출한다. 상기는 고 에너지 펄스를 필요로 하는 많은 애플리케이션을 가능하게 하는 접근성 및 비용 효율성에 대한 길을 열어준다. 높은 전력 요구 사항과 호환되기 때문에 상기 접근 방식은 이테르븀-기반 광섬유 MO의 MW 전력 수준을 전체 광섬유 형식으로 가져올 가능성도 보여준다.

하기 예에서, 격자 내접 프로세스에 사용되는 지수 변조는 다음 방정식으로 제공된다.

[0001]

, (1)

상기 z는 광섬유를 따라 길이 방향 위치를 나타내고, A는 아포다이제이션 프로파일, n_o 는 광섬유의 초기 지수,

는 격자 주기이다.

실시 예 2. 에르븀-기반 광 공진기에서 1552 nm에서 작동하는 광섬유 브래그 격자

도 12a. 는 에르븀-기반 광 공진기에 대해 약 1552 nm 근처에서 가우시안-유사 반사율 프로파일을 얻도록 설계된 광섬유 브래그 격자의 예를 보여준다. 상기 특정 실시 예. 에서 격자는 특정 아포다이제이션과 65 nm/cm의 선형 처프 위상 마스크 기간으로 새겨져 있다. 측정된 격자는 Nufern의 PM980-XP 광섬유에 새겨져 있다. 도 12b. 는 광섬유 브래그 격자의 측정된 반사율 프로파일을 보여준다. 상기 특정 예에서, z축을 따른 광섬유 브래그 격자의 길이는 약 2000 μm이고, 도 12a. 에 도시된 가우시안-유사와 같이, 초기 인덱스 n_o 는 1.44897이고, 격자 주기는

0.362 um + z*(32.5 nm/cm) 로 지정되며, 여기서 z는 아포다이제이션 프로파일의 중심을 나타낸다. 상기 특정 값은 단지 예로서 주어지고, 실시 예. 마다 상이할 수 있으므로 비제한적이다.

실시 예 3. 이테르븀-기반 광 공진기에서 1050 nm에서 작동하는 광섬유 브래그 격자

도 13a. 는 광섬유 브래그 격자의 다른 예를 도시한다. 상기 특정 예에서, 광섬유 브래그 격자는 이테르븀-기반 광 공진기에 대해 약 1050nm 근처에서 가우시안-유사 반사율 프로파일을 나타내도록 설계된다. 격자에는 특정 아포다이제이션과 균일한 격자 주기가 새겨져 있으며 nLIGHT의 Liekki Passive-10/125DC-PM 광섬유에 새겨져 있다. 도 13b. 는 광섬유 브래그 격자의 측정된 반사율 프로파일을 보여준다. 상기 특정 예에서, z-축을 따른 광섬유 브래그 격자의 길이는 약 700μm이고, 도 13a. 에 도시된 바와 같이 가우시안-유사인 아포다이제이션 프로파일 A, 초기 인덱스 n_o 는 1.45201, 격자 주기 Λ는 0.535 μm 로 지정 된다. 상기 특정 값은 예시로서만 제공되며, 실시 예. 에 따라 상이할 수 있으므로 비제한적이다.

이해될 수 있는 바와 같이, 상기에서 설명되고 예시된 실시 예. 는 단지 예시적인 것으로 의도된다. 예를 들어, 제1 광섬유 브래그 격자는 일부 실시 예. 에서 광섬유 브래그 격자가 아닐 수 있다. 이상기 실시 예. 에서, 레이저 시스템은 펌프 레이저, 및 펌프 레이저에 광학적으로 결합된 광 공진기를 가질 수 있다. 제1 광섬유 브래그 격자는 일부 실시 예. 에서 균일한 격자 주기를 가질 수 있다. 일부 실시 예. 에서, 광 공진기는 섬유화 될 수 있다. 광 공진기는 공진기 경로, 가우시안-유사 형상의 제1 필터 프로파일을 갖는 제1 필터, 제2 필터 프로파일을 갖는 제2 필터, 및 공진기 경로를 따른 제1 및 제2 필터 사이의 광학 이득 영역을 갖는다. 모든 Mamyshev 발진기에서와 같이 제1 및 제2 필터 프로파일은 스펙트럼적으로 서로 디튠된다. 그러나, 상기 실시 예. 에서, 제1 필터는 분산 필터이고, 이에 의해 제1 필터 프로파일의 적어도 일부에 걸쳐 분산 프로파일을 부여한다. 상기 같이 광 이득 영역이 펌프 레이저로 펌핑되고 *?*광 공진기가 모드 잠금 상태일 때 만족스러운 펄스 에너지 및 압축성 품질의 광 펄스가 광 공진기 내에서 순환한 다음 출력을 통해 공진기 외부로 순환할 수 있다. 상기 실시 예. 에서, 제1 필터는 브래그 필터, 볼륨 브래그 필터 (volume Bragg filters), 광섬유 브래그 격자, 3차원 브래그 필터 등을 포함하지만 이에 제한되지 않는 임의의 적합한 유형의 분산 필터일 수 있다. 범위는 첨부된 청구범위에 의해 표시된다.

Claims

펌프 레이저 빔을 발생시키는 펌프 레이저; 및
펌프 레이저에 광학적으로 결합된 광섬유의 길이를 포함하고, 상기 광섬유의 길이는:
공진기 경로를 갖는 광 공진기, 제1 반사율 프로파일을 갖는 제1 광섬유 브래그 격자, 제2 필터 프로파일을 갖는 제2 필터, 및 공진기 경로를 따른 제1 광섬유 브래그 격자와 제2 필터 사이의 광학 이득 영역, 제1 반사율 프로파일은 제2 필터 프로파일로부터 스펙트럼적으로 디튠되고(detuned), 제1 광섬유 브래그 격자는 적어도 0.2 nm의 반치전폭(full width at half maximum bandwidth) 및 가우시안-유사 아포다이제이션(Gaussian-like apodization)을 포함하는 제1 굴절률 분포를 갖고, 여기서, 광학 이득의 펌핑 시 펌프 레이저 빔과 광 공진기의 모드 잠금이 있는 영역에서 광 펄스는 공진기 경로를 따라 순환되고; 및
광 공진기에 광학적으로 결합되고 광 펄스의 적어도 일부를 출력하는 출력을 포함하는 것을 특징으로 하는, 파이버 레이저 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 제 1 광섬유 브래그 격자의 제 1 반사율 프로파일은 적어도 40 % 의 최대 반사율 값을 갖고, 반치전폭은 적어도 0.5 nm인 것을 특징으로 하는, 파이버 레이저 시스템.
제2항에 있어서,
상기 제1 반사율 프로파일의 최대 반사율 값은 적어도 50%인 것을 특징으로 하는, 파이버 레이저 시스템.
제2항에 있어서,
상기 제1 반사율 프로파일의 반치전폭은 약 4 nm와 약 5 nm 사이인 것을 특징으로 하는, 파이버 레이저 시스템.
제1항에 있어서,
상기 제1 굴절률 분포는 변화하는 격자 주기를 갖는 것을 특징으로 하는, 파이버 레이저 시스템.
제 5 항에 있어서,
상기 제 1 및 제 2 굴절률 분포 중 각각의 변화하는 격자 주기는 선형 방식으로 변화함으로써, 제 1 반사율 프로파일 및 제 2 필터 프로파일 각각에 걸쳐 선형 그룹 지연 분산을 제공하는 것을 특징으로 하는, 파이버 레이저 시스템.
제6항에 있어서,
상기 선형 그룹 지연 분산은 ±　0.5 ps²보다 가파른 것을 특징으로 하는, 파이버 레이저
제6항에 있어서,
상기 변화하는 격자 주기의 선형 그룹 지연 분산은 광학 이득 영역에 의해 제공되는 선형 그룹 지연 분산보다 적어도 2배 가파른 것을 특징으로 하는, 파이버 레이저 시스템.
제1항에 있어서,
상기 제2 필터 프로파일은 제1 반사율 프로파일의 최대 반사율 값보다 작은 최대 반사율 또는 투과율 값을 갖고, 출력은 제2 필터에 광학적으로 결합되는 것을 특징으로 하는, 파이버 레이저 시스템.
제1항에 있어서,
상기 제2 필터는 제2 광섬유 브래그 격자이고, 상기 제2 필터 프로파일은 상기 제1 반사율 프로파일로부터 스펙트럼적으로 디튠 된 제2 반사율 프로파일인 것을 특징으로 하는, 파이버 레이저 시스템.
제10항에 있어서,
상기 제1 및 제2 광섬유 브래그 격자는 공진기 경로를 따라 광 이득 영역의 적어도 일부를 사이에 두고, 상기에 따라 공진기 경로는 광 펄스가 제1 및 제2 광섬유 브래그 격자 사이에서 앞뒤로 반사되는 선형 경로인 것을 특징으로 하는, 파이버 레이저 시스템.
제10항에 있어서,
상기 제2 광섬유 브래그 격자는 0.2 nm 이상의 반치전폭 및 가우시안-유사 아포다이제이션을 갖는 제2 굴절률 분포를 갖는 것을 특징으로 하는, 파이버 레이저 시스템.
제 11 항에 있어서,
상기 제 2 광섬유 브래그 격자의 제 2 반사율 프로파일은 적어도 40 % 의 최대 반사율 값을 갖고 반치전폭은 적어도 0.5 nm인 것을 특징으로 하는, 파이버 레이저 시스템.
제12항에 있어서,
상기 제2 반사율 프로파일의 최대 반사율 값은 적어도 50 % 인 것을 특징으로 하는, 파이버 레이저 시스템.
제 12 항에 있어서,
상기 제 2 반사율 프로파일의 반치전폭은 약 4 nm와 약 5 nm 사이인 것을 특징으로 하는, 파이버 레이저 시스템
제12항에 있어서,
상기 제2 굴절률 분포는 변화하는 격자 주기를 갖는 것을 특징으로 하는, 파이버 레이저 시스템.
제1항에 있어서,
광섬유의 길이에 결합되고 상기 광 공진기의 상기 모드 잠금에 기여하는 모드 잠금 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 파이버 레이저 시스템.
제17항에 있어서,
상기 모드 잠금 장치는 상기 제1 광섬유 브래그 격자 및 상기 제2 필터 중 적어도 하나를 종 방향으로 신장시키는 신장 요소를 구비하여, 상기 제1 반사율 프로파일과 상기 제2 필터 프로파일 사이의 스펙트럼 디튜닝(spectral detuning)을 수정하는 것을 특징으로 하는, 파이버 레이저 시스템.
제18항에 있어서,
상기 모드 잠금 장치는 광섬유의 길이에 광학적으로 결합되고 모드 잠금 암(mode locking arm) 으로 이어지는 광학 커플러를 갖는 것을 특징으로 하는, 파이버 레이저 시스템.
1항에 있어서,
상기 광학 이득 영역은 레이저-활성 에르븀-도핑 영역(laser-active erbium-doped region)이고, 상기 펌프 레이저 빔은 약 980 nm의 파장을 갖고, 상기 제1 반사율 프로파일은 약 1550 nm의 중심 파장을 가지며, 상기 제2 필터 프로파일은 약 1565 nm의 중심 파장을 갖는 것을 특징으로 하는, 파이버 레이저 시스템.
제1항에 있어서,
상기 펌프 레이저는 제1 펌프 레이저이고, 상기 파이버 레이저 시스템은 광섬유의 길이에 광학적으로 결합되고 상기 펌핑 동안 상기 광학 이득 영역을 따라 제2 펌프 레이저 빔을 전파하는 제2 펌프 레이저를 포함하는 것을 특징으로 하는, 파이버 레이저 시스템.
제1항에 있어서,
상기 출력은 제2 필터에 광학적으로 결합된 주 출력이고, 파이버 레이저 시스템은 제1 광섬유 브래그 격자에 광학적으로 결합된 보조 출력을 포함하는 것을 특징으로 하는, 파이버 레이저 시스템.
제1항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서,
출력된 광 펄스는 선형적으로 변화하는 순간 주파수(instantaneous frequency) 및 압축 후 100 fs 미만의 펄스 지속 시간을 갖는 유사-유사 프로파일(similariton-like profile) 을 갖는 것을 특징으로 하는, 파이버 레이저 시스템.
제1항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 광 펄스는 적어도 10 nJ의 펄스 에너지를 갖는 것을 특징으로 하는, 파이버 레이저 시스템.
제1항 내지 제24항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 광 공진기 내의 공진기 경로에 경사진 광섬유 브래그 격자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 파이버 레이저 시스템.
펌프 레이저 빔을 발생시키는 펌프 레이저;
공진기 경로, 가우시안-유사 형상의 제1 필터 프로파일을 갖는 제1 필터, 제2 필터 프로파일을 갖는 제2 필터, 및 공진기 경로를 따른 제1필터와 제2필터 사이의 광학 이득 영역을 포함하고,
상기 제1 필터는 분산되어 제1 필터 프로파일의 적어도 일부에 걸쳐 분산 프로파일을 부여하고, 여기서, 펌프 레이저 빔으로 광 이득 영역을 펌핑하고 광 공진기의 모드 잠금 시 광 펄스는 공진기 경로를 따라 순환되는, 펌프 레이저에 광학적으로 결합된 광 공진기; 및
광 공진기에 광학적으로 결합되고 광 펄스의 적어도 일부를 출력하는 출력;을 포함하는 것을 특징으로 하는, 레이저 시스템.
제26항에 있어서,
상기 제1 필터는 적어도 0.2 nm의 반치전폭 및 가우시안-유사 아포다이제이션을 포함하는 굴절률 분포를 갖는 광섬유 브래그 격자인 것을 특징으로 하는, 레이저 시스템.
제27항에 있어서,
상기 굴절률 분포는 변화하는 격자 주기를 갖는 것을 특징으로 하는, 레이저 시스템.
제26항에 있어서, 상기 광 공진기의 적어도 일부는 섬유화된 것을 특징으로 하는, 레이저 시스템.