WO2016104938A1 - 광섬유, 광섬유 제조방법 및 광섬유를 이용한 레이저 전송방법 - Google Patents

광섬유, 광섬유 제조방법 및 광섬유를 이용한 레이저 전송방법 Download PDF

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WO2016104938A1
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refractive index
clad
optical fiber
laser beam
core member
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PCT/KR2015/011670
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김현수
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조선대학교 산학협력단
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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/02—Optical fibres with cladding with or without a coating
    • G02B6/028—Optical fibres with cladding with or without a coating with core or cladding having graded refractive index
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/30—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range using scattering effects, e.g. stimulated Brillouin or Raman effects
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/30—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range using scattering effects, e.g. stimulated Brillouin or Raman effects
    • H01S3/302—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range using scattering effects, e.g. stimulated Brillouin or Raman effects in an optical fibre

Definitions

  • the present invention relates to an optical fiber and a method of manufacturing an optical fiber capable of transmitting a high power laser beam, and a method of transmitting a laser beam using the optical fiber.
  • high quality, high power fiber lasers have received much attention in the industry due to their smaller system size than solid state lasers.
  • high-quality, high-power optical fibers are limited in high power due to the nonlinear characteristics of the medium or the breakage of the medium, which occurs because light of high intensity is transmitted to a small size core.
  • At least one embodiment provides an optical fiber and a method of manufacturing the same that can transmit a high quality, high power laser beam.
  • At least one embodiment provides a laser beam transmission method using an optical fiber capable of transmitting a high quality, high power laser beam.
  • the clad is provided with an optical fiber having a refractive index higher than that of the core member at the core-clad interface where the core member and the clad meet.
  • an optical fiber capable of transmitting a high quality, high power laser beam is provided.
  • FIG. 1 is a diagram schematically illustrating an optical fiber according to an exemplary embodiment.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view and a refractive index distribution of A-A 'of the optical fiber shown in FIG.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating a change in intensity of a laser beam passing through an optical fiber when the multimode laser beam is incident on the optical fiber according to the exemplary embodiment illustrated in FIGS. 1 and 2.
  • FIG. 4 is another diagram illustrating the intensity change of the laser beam passing through the optical fiber when the multimode laser beam is incident on the optical fiber having the refractive index distribution shown in FIG. 2.
  • FIGS. 1 and 2 are views showing a comparative example for comparison with the embodiment shown in FIGS. 1 and 2.
  • FIG. 6 is a view showing a change in intensity of a laser beam transmitted from an optical fiber when the multimode laser beam is incident on the optical fiber when the refractive index distributions of the core member and the clad are configured as shown in FIG. 5.
  • FIGS. 7 is a view showing a comparative example for comparison with the embodiment shown in FIGS. 1 and 2.
  • FIG. 8 is a view showing a change in intensity when a first mode laser beam having a Gaussian intensity distribution travels in an optical fiber having a refractive index distribution as shown in FIG. 7.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating a change in intensity when a multimode laser beam travels in an optical fiber having a refractive index distribution as shown in FIG. 7.
  • FIGS. 10A and 10B are diagrams illustrating a refractive index distribution of an optical fiber according to another exemplary embodiment.
  • FIG. 11 is a view illustrating a change in intensity of a laser beam passing through an optical fiber having a refractive index distribution illustrated in FIG. 10A.
  • FIG. 12 is a diagram illustrating a refractive index distribution of an optical fiber according to another exemplary embodiment.
  • FIG. 13 is a diagram illustrating a refractive index distribution of an optical fiber according to yet another exemplary embodiment.
  • FIG. 14 is a diagram illustrating a refractive index distribution of an optical fiber according to another exemplary embodiment.
  • 15 and 16 illustrate a result of amplifying a laser beam of a Gaussian intensity distribution through an optical fiber having a refractive index distribution as shown in FIG. 7.
  • 17 is a diagram illustrating a result of amplifying a laser beam of a Gaussian intensity distribution through an optical fiber according to an exemplary embodiment.
  • FIG. 18 shows the intensity of an output laser beam when a laser beam having the same magnitude of energy is incident on a general gain-guided and index-antiguided (GG-IAG) optical fiber having the refractive index distribution of FIG. 5 and an optical fiber according to an exemplary embodiment.
  • GG-IAG general gain-guided and index-antiguided
  • 19 is a flowchart illustrating a method of transmitting a laser beam using an optical fiber according to an exemplary embodiment.
  • 20 is a flowchart illustrating a method of manufacturing an optical fiber according to an exemplary embodiment.
  • a first charging member including a plurality of first protrusions
  • a second charging member disposed between the first protrusions and including a plurality of second protrusions including a material different from the first protrusions.
  • the side surfaces of the first protrusions and the side surfaces of the second protrusions contact each other, or the distance between the side surfaces of the first protrusions and the side surfaces of the second protrusions is changed.
  • An energy harvester for generating electrical energy is provided.
  • the first and second protrusions may be formed in a first direction, and at least one of the first and second charging members may be provided to move in a second direction perpendicular to the first direction.
  • the first charging member may include a first electrode including the first protrusions.
  • the first charging member may include a first plastic structure including a plurality of first posts having a shape corresponding to the first protrusions, and the first electrode provided on a surface of the first plastic structure. Can be.
  • the second charging member may include a second electrode including a plurality of second posts having a shape corresponding to the second protrusions, and a dielectric layer provided on a surface of the second posts.
  • the dielectric layer may include at least one of piezoelectric materials, ferroelectric materials, electric active polymers (EAP), and pyroelectric materials.
  • the second charging member may include a second electrode and a dielectric layer provided on the second electrode and including the second protrusions.
  • the second electrode may include a plurality of first sub-electrodes arranged in parallel with an arrangement direction of the first and second protrusions and electrically connected to each other, and a plurality of second electrodes disposed between the first sub-electrodes and electrically connected to each other. It may include a sub electrode.
  • the second charging member may include a second plastic structure including a plurality of second posts having a shape corresponding to the second protrusions, a second electrode provided on the second plastic structure, and a second electrode formed on the second electrode. It may comprise a dielectric layer.
  • the first and second charging members may include different charging materials.
  • the first charging member may include a first electrode and a first dielectric layer provided on the first electrode.
  • the second charging member may include a second electrode and a second dielectric layer provided on the second electrode.
  • the second electrode may include a plurality of first sub-electrodes arranged in parallel with an arrangement direction of the first and second protrusions and electrically connected to each other, and a plurality of second electrodes disposed between the first sub-electrodes and electrically connected to each other. It may include a sub electrode.
  • the first and second protrusions may have a stripe shape in which a plurality of lines are formed parallel to each other.
  • At least one of the first and second protrusions may be surface treated to increase the surface area.
  • the energy harvester may further include a first case in which the first and second charging members are embedded.
  • the energy harvester is provided inside the first case, the first elastic support to restore the position of at least one of the first and second charging member when at least one of the first and second charging member is moved. It may further include.
  • the energy harvester is provided on an inner wall of the first case, and further includes a third charging member generating electrical energy by contacting at least one of the first and second charging members or changing a distance therebetween. can do.
  • the energy harvester may include a second case including the first case
  • the energy harvester may be provided inside the second case, and may further include a second elastic body that restores the position of the first case when the first case is moved inside the second case.
  • the energy harvester may further include a first guide member configured to guide movement of at least one of the first and second charging members in a first direction.
  • the energy harvester may further include a second guide member configured to guide movement of at least one of the first and second charging members in a second direction perpendicular to the first direction.
  • the energy harvester may include a case including the first and second charging members and the first and second guide members; And,
  • a third charging member provided on an inner wall of the case and generating electrical energy by contacting at least one of the first and second charging members or changing a distance therebetween may be further included.
  • a plurality of protrusions formed on one surface and disposed between the first charging material layer including the first charging member and another material and the protrusions and including a material different from the first charging member and the first charging material layer;
  • a second charging member including a second charging material layer;
  • a first electrode provided on the other surface of the first charging material layer
  • An energy harvester is provided in which electrical energy is generated in the first and second electrodes by moving at least one of the first and second charging members.
  • the first electrode includes a plurality of first sub-electrodes provided in a direction in which the protrusions are arranged and electrically connected to each other, and the second electrode is provided between the first sub-electrodes and electrically connected to each other. It may include a second sub-electrode of.
  • a first charging member And
  • a second charging member spaced apart from the first charging member to surround the first charging member, the second charging member including a material different from the first charging member.
  • At least one of the first and second charging members moves so that the outer surface of the first charging member and the inner surface of the second charging member are in contact with each other or between the outer surface of the first charging member and the inner surface of the second charging member.
  • An energy harvester is provided which varies in intervals to generate electrical energy.
  • the first charging member may have a disk shape, and the second charging member may have a ring shape.
  • the first charging member may have a spherical shape
  • the second charging member may have a spherical shape surrounding the first charging member
  • the first charging member may include a first electrode
  • the second charging member may include a second electrode and a dielectric layer provided inside the second electrode.
  • the first charging member may include a first electrode and a dielectric layer provided outside the first electrode, and the second charging member may include a second electrode.
  • the first charging member includes a first electrode and a first dielectric layer provided outside the first electrode
  • the second charging member includes a second electrode and a second dielectric layer provided inside the second electrode. can do.
  • the energy harvester may further include an elastic support provided between the first charging member and the second charging member to apply a restoring force to at least one of the first charging member and the second charging member.
  • a first charging member including a first electrode
  • a second charging member provided to face the first charging member, the second charging member including a second electrode and a plurality of dielectric layers radially arranged on the second electrode, and the first charging member and the second charging member
  • An energy harvester is provided which generates electrical energy by the relative rotational movement therebetween.
  • the first charging member may have an area smaller than that of the second charging member.
  • the first friction layer may have a disc shape, and the second friction layer may have a semi-circle shape.
  • the energy harvester may further include an elastic body that applies a restoring force to at least one of the first and second charging members.
  • a smart watch comprising a; transmission circuit for transmitting the electrical energy generated from the energy harvester to another device.
  • the transmission circuit includes a converter for converting an AC signal into a direct current, a control unit for adjusting the impedance of the transmission circuit so that the power transmission rate transmitted through the transmission circuit is maximized, and the magnitude of the DC voltage converted in the converter. It may include a step down converter to adjust the.
  • FIG. 1 is a diagram schematically illustrating an optical fiber according to an exemplary embodiment.
  • an optical fiber according to an exemplary embodiment may include a core member 110 and a clad 120 disposed to surround the core member 110.
  • the core member 110 may have a cylindrical shape as shown in FIG. 1, and the clad 120 may have a circular cylinder shape to surround the core member 110, but is not limited thereto.
  • the optical fiber according to the embodiment may be used to transmit a laser beam.
  • the optical fiber according to the embodiment can amplify the power of the laser beam while transmitting the laser beam.
  • the optical fiber shown in FIG. 1 may have a refractive index distribution as described below.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line A-A 'of the optical fiber shown in FIG.
  • the vertical axis represents the magnitude of the refractive index
  • the horizontal axis represents the cross-sectional coordinate of the optical fiber shown in FIG. 2.
  • the cross-sectional coordinates may be coordinates set in a radial direction in a cross section perpendicular to the longitudinal direction of the optical fiber.
  • the longitudinal direction may be a direction in which energy is transmitted by the laser beam in the optical fiber.
  • the core member 110 may have a refractive index distribution that decreases substantially as the radius from the center increases. That is, the refractive index distribution of the core member 110 may be a hill shape in which the refractive index decreases as the radius from the center increases.
  • substantially decreasing the refractive index means that the change in refractive index with increasing radius is not limited to monotonously decreasing. For example, as the radius of the core member increases, the refractive index of the core member generally decreases, while the refractive index may temporarily increase or remain unchanged in the local region.
  • the clad 120 may have a higher refractive index than the core member 110 at the core-clad boundary 20 where the core member 110 and the clad 120 meet.
  • Equation 1 is merely exemplary and the embodiment is not limited to satisfying the relationship of Equation 1.
  • n is the refractive index of the clad 120
  • ⁇ n is the refractive index difference between the core member and the cladding at the core-clad boundary
  • a is the radius of the core member
  • ⁇ 0 is the laser wavelength in vacuum
  • ⁇ is the core member
  • the ratio of the refractive index of the clad 120 to the refractive index of 110 is shown. Referring to Equation 1, as m increases, u 1m increases, so that the magnitude of the damping coefficient may increase together.
  • the higher the mode order of the laser beam the faster the attenuation of the laser beam may occur. Therefore, in the optical fiber according to the exemplary embodiment, the higher-order mode laser beam may be attenuated faster than the lower-order mode.
  • the laser beam in the first mode also has a significant attenuation coefficient.
  • the first mode Gaussian or quasi-gaussian type laser beam used in the laser beam process also exhibits a high attenuation rate, so that a very high minimum gain factor that can overcome the attenuation in order to use the optical fiber as a laser medium.
  • the semi-Gaussian type laser beam may mean that the intensity distribution of the laser beam approximately follows the Gaussian type.
  • the core member 110 of the optical fiber according to the exemplary embodiment may have a hill-shaped refractive index distribution as shown in FIG.
  • the optical fiber according to the exemplary embodiment may have a lower attenuation coefficient than the attenuation coefficient shown in Equation 1 for the first mode laser beam.
  • the attenuation coefficient of the lowest difference mode of the laser beam transmitted to the optical fiber according to the embodiment may have a value of almost zero.
  • the hill-shaped refractive index distribution of the core member 110 shown in FIG. 2 may exemplarily be expressed by Equation 2 below. However, this is only an example, and the embodiment illustrated in FIG. 2 is not limited thereto.
  • the scale factor May be set to prevent focusing of the basic mode (primary mode) laser beam.
  • the laser beam may periodically repeat divergence and convergence and focusing.
  • the beam size of the laser beam increases and decreases in the optical fiber. At this time, when the laser beam is excessively focused and the beam size is reduced, a lot of energy is concentrated in a narrow area, which may damage the material of the optical fiber.
  • the refractive index distribution of the core member may be adjusted so that the focusing phenomenon of the laser beam does not occur.
  • the refraction angle and the diffraction angle of the laser beam according to the change of the refractive index may be properly controlled to prevent the focusing phenomenon of the laser beam.
  • the scale factor It can be adjusted to prevent the focusing of the laser beam.
  • scale factor May satisfy equation (3).
  • Equation (3) Means the radius of the laser beam, Means the vacuum wavelength of the laser beam, Is a constant determined according to the beam size of the laser beam, and may have a value near 2.
  • the condition of Equation 3 is merely exemplary and is not limited thereto.
  • simulation results show that the scale factor It can be seen that the laser beam transmission effect of the optical fiber according to the embodiment does not significantly change even if the value is changed from 0.5 times to 2 times the value calculated by Equation 3. This means that it is not necessary to strictly satisfy the conditions of Equations 2 and 3 when constructing the hill-shaped refractive index distribution of the core member 110. Therefore, Equation 2 and Equation 3 are merely for explaining the hill-shaped refractive index distribution of the core member 110 by way of example, and are not construed as limiting the embodiment.
  • the refractive index distribution of the optical fiber according to the exemplary embodiment shown in FIG. 2 may be configured such that the primary mode laser beam of the multimode laser beam is transmitted above the reference intensity and the remaining high order mode laser beam is attenuated below the reference intensity.
  • the primary mode laser beam may have an intensity distribution in the form of Gaussian or quasi-Gaussian. Through this, a Gaussian or quasi-Gaussian type primary mode laser beam can be output at high power and used for laser processing.
  • the reference strength may be set in consideration of the quality of laser processing. For example, the higher the required laser processing quality, the lower the reference intensity may be for higher order mode laser beams and the higher the reference intensity for primary mode laser beams.
  • the reference intensity may be set differently for each laser beam mode so that the higher mode laser beam is attenuated more weakly and the primary mode laser beam is transmitted better.
  • the reference intensity may be set in consideration of the focusing phenomenon of the high-order mode laser beam described above. For example, since the high-order mode laser beam may cause focusing in the optical fiber and damage the optical fiber, the reference intensity may be set in consideration of the degree of attenuation of the higher-order mode laser beam required to prevent the optical fiber from being damaged.
  • the refractive index distribution of the optical fiber may be configured differently according to the reference intensity so that the higher-order mode laser beam in the optical fiber has attenuation coefficient lowered below the reference intensity.
  • the difference in refractive index between the clad 120 and the core member 110 at the core-clad boundary 20 may vary depending on the reference strength and the core radius of the optical fiber.
  • the difference in refractive index ⁇ n between the core member 110 and the clad 120 at the core-clad boundary may be expressed as Equation 4.
  • the attenuation coefficient ⁇ 1m may be set differently depending on the reference strength and the length of the optical fiber described above.
  • the refractive index difference ⁇ n may vary according to the radius a of the core member 110 of the optical fiber. For example, as shown in Equation 4, the larger the radius a of the core member 110, the smaller the absolute value of the refractive index difference ⁇ n between the core member 110 and the clad 120 at the core-clad boundary 20. Can lose.
  • the radius of the core member 110 may vary depending on the intensity of the laser beam output from the optical fiber. For example, when the laser beam output amount is strong, the core member 110 may have a large radius to prevent breakage of the optical fiber, and when the laser beam output amount is small, the radius of the core member 110 may be reduced.
  • the x axis represents the cross-sectional coordinates of the optical fiber
  • the y axis represents the longitudinal coordinates of the optical fiber
  • the z axis represents the intensity of the laser beam transmitted.
  • the longitudinal coordinates may be direction coordinates in which energy is transmitted by the laser beam in the optical fiber
  • the cross-sectional direction coordinates may be coordinates set in a radial direction in a cross section perpendicular to the longitudinal direction of the optical fiber.
  • the radius of the core member 110 is 50 ⁇ m
  • the center refractive index of the core member 110 is 1.56639
  • the refractive index of the clad 120 is 1.57139
  • the core member 110 and the clad 120 are disposed at the core-clad boundary.
  • Refractive index difference ⁇ n -0.0045
  • laser beam radius is 25 ⁇ m
  • vacuum wavelength of laser beam is 1.052 ⁇ m
  • scale factor 0.001167 was set.
  • FIG. 4 is another diagram illustrating a change in intensity of a laser beam passing through an optical fiber having a refractive index distribution illustrated in FIG. 2.
  • the x axis represents the cross-sectional coordinates of the optical fiber
  • the y axis represents the longitudinal coordinates of the optical fiber
  • the z axis represents the intensity of the laser beam transmitted.
  • the radius of the core member 110 is 25 ⁇ m
  • the center refractive index of the core member 110 is 1.56639
  • the refractive index of the clad 120 is 1.57139
  • the core member 110 and the clad 120 are disposed at the core-clad boundary.
  • Refractive index difference ⁇ n -0.0045
  • laser beam radius is 10 ⁇ m
  • vacuum wavelength of laser beam is 1.052 ⁇ m
  • scale factor 0.002845 was set.
  • the set values of FIG. 4 are smaller than the set values of FIG. 3 and the radius of the laser radius and the core member 110 is smaller.
  • the magnitude of the scale factor can be increased from the equation (3).
  • the difference in the refractive indices of the core member 110 at the core refractive index and the core-clad boundary of the core member 110 can be increased, it may be easier to construct the refractive index distribution of the core member 110.
  • the incident multimode laser beam is changed close to the first mode laser beam and transmitted. That is, the high-order mode laser beam is attenuated below the reference intensity and almost disappeared, while the first-mode laser beam can be transmitted without large attenuation.
  • FIG. 5 is a view showing a comparative example for comparison with the embodiment shown in FIGS. 1 and 2.
  • the vertical axis represents the refractive index and the horizontal axis represents the cross-sectional coordinates of the optical fiber.
  • the optical fiber has a reverse stepped refractive index distribution at which the refractive index of the clad at the core-clad boundary 20 is greater than the refractive index of the core.
  • the core member does not have a hill-shaped distribution but has a constant refractive index distribution.
  • attenuation coefficients such as Equation 1 can be obtained for the laser beam modes.
  • higher attenuation coefficients can be obtained for laser beams of higher order mode.
  • the first mode laser beam may also have a high attenuation coefficient according to Equation 1. That is, it may be difficult to obtain a high power laser beam by attenuating the primary mode laser beam required for laser processing at a very low intensity.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating a change in intensity of a laser beam transmitted from an optical fiber when the refractive index distributions of the core member and the clad are configured as shown in FIG. 5.
  • the x axis represents the cross-sectional coordinates of the optical fiber
  • the y axis represents the longitudinal coordinates of the optical fiber
  • the z axis represents the intensity of the laser beam transmitted.
  • the laser radius was set to 35.3 ⁇ m
  • the core member radius was 50 ⁇ m
  • the laser wavelength was 1.052 ⁇ m
  • the refractive index n 1.57139 of the clad
  • the refractive index difference ⁇ n -0.0045 of the core-clad.
  • the intensity change of the laser beam is shown when the multimode laser beam proceeds in the optical fiber.
  • the multimode laser beam refers to a laser beam including a higher-order mode laser beam having a super Gaussian type intensity distribution.
  • Primary mode laser beams having a Gaussian or quasi-Gaussian type intensity distribution can also be reduced in intensity by attenuation. That is, the comparative example shown in FIG. 5 may have a limit in transmitting a high power laser beam.
  • FIG. 7 is a view showing a comparative example for comparison with the embodiment shown in FIGS. 1 and 2.
  • the vertical axis represents the refractive index and the horizontal axis represents the cross-sectional coordinates of the optical fiber.
  • the refractive index of the core member may be lowered as the radius increases from the center. That is, the core member of the optical fiber shown in FIG. 7 may have a hill-shaped refractive index distribution.
  • the refractive index of the clad at the core-clad boundary 20 is not larger than the core member. That is, the refractive index distribution at the core-clad boundary 20 may not be the reverse stepped refractive index distribution. In this case, it may be enough to handle only the primary mode laser beam. That is, when only the primary mode laser beam is present in the optical fiber, it may be possible to transmit effectively.
  • FIG. 8 is a view showing a change in intensity when a laser beam having a Gaussian type intensity distribution travels in an optical fiber having a refractive index distribution as shown in FIG. 7.
  • the x-axis represents the cross-sectional coordinates of the optical fiber
  • the y-axis represents the longitudinal coordinates of the optical fiber
  • the z-axis represents the intensity of the laser beam transmitted.
  • the laser beam in the first mode may be transmitted at a constant intensity without attenuation. That is, as shown in FIG. 7, if the refractive index of the core member is substantially reduced as the radius increases from the center, the primary mode laser beam may be transmitted without loss.
  • the multimode laser beam is incident on the optical fiber or the primary mode laser beam is incident, it may not be attenuated when the higher-order mode laser beam is generated by the distortion generated in the amplification process. This may degrade the laser beam processing quality.
  • the optical fiber since the optical fiber may be damaged by the focusing phenomenon of the high-order mode laser beam, there may be a limitation in outputting the high power laser beam.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating a change in intensity when a multimode laser beam travels in an optical fiber having a refractive index distribution as shown in FIG. 7.
  • the x axis represents the cross-sectional coordinate of the optical fiber
  • the y axis represents the longitudinal coordinate of the optical fiber
  • the z axis represents the intensity of the laser beam transmitted.
  • the intensity distribution changes in a very complicated form while the laser beam focuses and diverges inside the optical fiber.
  • the multimode laser beam includes a higher-order mode laser beam having a super-Gaussian intensity distribution.
  • the higher mode laser beam may not be attenuated because the refractive index of the clad at the core-clad boundary is not greater than the refractive index of the core member, as shown in FIG.
  • the higher-order laser beams remaining in the optical fiber may degrade the laser processing quality.
  • repeated focusing and divergence, as shown in FIG. 9 may cause material damage to the optical fiber. Therefore, although the optical fiber having a refractive index distribution as shown in FIG. 7 is suitable for transmitting only the laser beam in the primary mode, there may be a limitation in handling the multimode laser beam or amplifying and transmitting the primary mode laser beam.
  • the optical fiber according to the exemplary embodiment illustrated in FIGS. 1 and 2 may output a high quality laser beam at high power by filtering a higher-order mode laser beam.
  • 1 and 2 are merely exemplary and the embodiments are not limited thereto.
  • the following provides an example of a modification that can be modified by those skilled in the art.
  • the presented embodiments are merely exemplary and are not limited thereto.
  • FIGS. 10A and 10B are diagrams illustrating a refractive index distribution of an optical fiber according to another exemplary embodiment.
  • the refractive index of the clad 120 may decrease as the radius increases from the inside. Reduction of the refractive index of the clad 120 is not limited to monotonous reduction. For example, as the radius of the clad 120 increases, the refractive index generally decreases, but the local region where the refractive index increases may be included in the clad 120. As in FIG. 2, the optical fiber having the refractive index distribution shown in FIG. 10 may also be attenuated below the reference intensity, and the primary mode laser beam may be transmitted while maintaining only the primary mode laser beam greater than the reference intensity.
  • the change in the refractive index of the clad 120 outside the core-clad boundary 20 may not significantly affect the intensity distribution of the laser beam transmitted in the optical fiber. Therefore, the refractive index distribution of the clad 120 may be modified in various ways. For example, unlike in FIG. 10A, the refractive index of the clad 120 may increase as the radius increases in FIG. 10B.
  • FIG. 11 is a view illustrating a change in intensity of a laser beam passing through an optical fiber having a refractive index distribution illustrated in FIG. 10A.
  • the radius of the core member 110 is 50 ⁇ m
  • the center refractive index of the core member 110 is 1.56639
  • the refractive index of the clad 120 is 1.57139
  • the core member 110 and the clad 120 are disposed at the core-clad boundary.
  • Refractive index difference ⁇ n -0.0045
  • laser beam radius is 25 ⁇ m
  • vacuum wavelength of laser beam is 1.052 ⁇ m
  • optical fiber length is 24cm
  • scale factor 0.001167 / 4.
  • the refractive index distribution may be continuously changed at the core-clad boundary 20.
  • the clad 120 may have a higher refractive index than the core member 110 based on the core-clad boundary 20.
  • FIG. 13 is a diagram illustrating a refractive index distribution of an optical fiber according to yet another exemplary embodiment.
  • the refractive index of the center of the core member 110 may have a value larger than that of the clad 120 at the core-clad boundary 20.
  • the difference between the refractive index at the center of the core member 110 and the refractive index of the core member 110 at the core-clad boundary is Is given by Therefore scale factor Index of refraction and core member
  • the difference between the central refractive index of the core member 110 and the refractive index of the core member 110 at the core-clad boundary may vary.
  • the scale factor is the laser beam radius Radius of the core member 110 Is large, or the vacuum wavelength of the laser beam may be large, and thus the refractive index difference may be large in these cases, but is not limited thereto.
  • FIG. 10 illustrates an example in which the refractive index of the clad 120 is continuously changed, the embodiment is not limited thereto.
  • the refractive index of the core member 110 may be changed discontinuously.
  • the refractive index of the clad 120 may be changed discontinuously.
  • FIG. 14 is a diagram illustrating a refractive index distribution of an optical fiber according to another exemplary embodiment.
  • FIG. 14 it is similar to the refractive index distribution shown in FIG. 10, but it can be seen that the refractive indices of the core member 110 and the clad 120 are changed discontinuously.
  • FIG. 14 shows a refractive index distribution similar to that of FIG. 10, the embodiment is not limited thereto, and the clad 120 may have a constant refractive index distribution.
  • the core member 110 decreases the refractive index as the radius increases from the center, but the refractive index may be discontinuously reduced in a step shape. Therefore, portions having a constant refractive index may be included in the core member 110.
  • the optical fiber according to the exemplary embodiments has been described.
  • the optical fiber according to the embodiment may be used for the laser beam processing by amplifying the laser beam.
  • the optical fiber according to the embodiment may be combined with an optical device such as a laser diode, an optical isolator.
  • a gain medium is added to the core member 110 by itself to amplify a laser beam transmitted from the optical fiber.
  • Such a gain medium may illustratively include active ions obtained from rare earth elements such as ytterbium (Yb), neodymium (Nd), erbium (Er), thulium (Tm), and the like. Can be.
  • the gain medium may illustratively include active ions obtained from transition metal elements such as chromium (Cr), titanium (Ti), and the like.
  • the intensity of the laser beam passing through the optical fiber may be amplified by the optical pumping action occurring in the optical fiber.
  • FIG. 15 and 16 illustrate a result of amplifying a laser beam of a Gaussian intensity distribution through an optical fiber having the same refractive index distribution as in FIG. 7.
  • FIG. 15 shows the intensity change of the laser beam in three dimensions
  • FIG. 16 shows the intensity change of the laser beam in the central axis of the optical fiber.
  • the laser beam is not limited to the inside of the core member and energy loss may occur while the intensity distribution of the laser beam is generated in the clad.
  • the material of the optical fiber may be damaged.
  • 17 is a diagram illustrating a result of amplifying a laser beam of a Gaussian intensity distribution through an optical fiber according to an exemplary embodiment.
  • the laser beam continues to exhibit a Gaussian-type intensity distribution even when the laser beam is amplified. This is because even if the distortion of the laser beam occurs, the optical fiber maintains only the Gaussian type primary mode laser beam above the reference intensity and attenuates the remaining higher order mode laser beams below the reference intensity.
  • the laser beam intensity distribution in the clad 120 does not appear.
  • the focusing phenomenon of the laser beam does not occur in the optical fiber according to the embodiment it is also possible to prevent material damage of the optical fiber.
  • FIG. 18 illustrates the intensity of an output laser beam when a laser beam having the same size energy is incident on a general gain-guided and index-antiguided (GG + IAG) optical fiber having the refractive index distribution of FIG. 5 and an optical fiber according to an exemplary embodiment.
  • the power of the laser beam incident in FIG. 18 was set to 10 mW.
  • both small signal gain coefficients were set to 3 / cm.
  • the optical fiber according to the embodiment when the GG + IAG optical fiber has a length of approximately 300 mm, a 10 mW laser beam incident on the optical fiber outputs 0.35 W. On the other hand, under the same conditions, the optical fiber according to the embodiment outputs a laser beam of 8.84W. Therefore, the optical fiber according to the embodiment may output a laser beam at a higher power than GG + IAG optical fiber.
  • optical fiber and the comparative examples according to the exemplary embodiments have been described above with reference to FIGS. 1 to 18.
  • a laser beam transmission method using an optical fiber and a method of manufacturing the optical fiber according to an exemplary embodiment will be described.
  • the optical fiber according to the exemplary embodiment may be manufactured using various materials and manufacturing methods.
  • core member 110 and clad 120 may be made from a glass composition comprising at least one of silica, fluorozirconate, fluoroaluminate, and chalcogenide. have.
  • the above materials are merely exemplary and are not limited thereto.
  • the refractive index distribution of the core member 110 and the clad 120 is manufactured through a process including at least one of a double crucible, a rod-in-tube and a doped deposited silica (DDS) process.
  • DDS doped deposited silica
  • the double crucible process the melted core glass is contained in the inner container and the clad glass in the molten state in the outer container.
  • the impurity deposition silica process may deposit a glass composition to make an optical fiber.
  • Such a deposition process may include an outer deposition, axial deposition, inner deposition process, and the like. The above manufacturing process and materials are merely exemplary and are not limited thereto.
  • FIG. 19 is a flowchart illustrating a method of transmitting a laser beam using an optical fiber according to an exemplary embodiment.
  • an optical fiber according to the embodiments described above with reference to FIGS. 1 to 18 may be used.
  • the first mode laser beam among the laser beams is maintained at a reference intensity or more. Attenuating the remaining higher-order laser beam below a reference intensity (S2020); And simultaneously transmitting the laser beam in the optical fiber (S2030).
  • the reference strength may be set in consideration of the quality of the laser processing as described with reference to FIG. 2.
  • the higher the laser processing quality required the lower the reference intensity for the higher-order laser beam may be.
  • the reference intensity may be set lower, the multi-mode laser beam passing through the optical fiber may be changed and output closer to the single mode, that is, the primary mode laser beam.
  • the reference intensity may be set in consideration of the focusing phenomenon of the high-order mode laser beam described above. That is, since the high-order mode laser beam may cause a focusing phenomenon in the optical fiber to damage the optical fiber, the reference intensity may be set differently in consideration of the attenuation degree of the high-order mode laser beam required to prevent the optical fiber from being damaged.
  • the reference intensity may be set differently for each mode of the multimode laser beam. For example, even among the higher-order laser beams, the reference intensity may be set differently for the laser beam of higher order and the laser beam of lower order.
  • Transmitting the laser beam of FIG. 19 may include amplifying the power of the laser beam.
  • An optical device such as a laser diode or an optical isolator may be coupled to the optical fiber according to the embodiment for the amplification operation.
  • laser beam amplification may be performed by an optical pumping action by a gain medium added to the core member of the optical fiber.
  • the gain medium may illustratively include active ions obtained from rare earth elements such as ytterbium (Yb), neodymium (Nd), erbium (Er), thulium (Tm), and the like.
  • the gain medium may illustratively include active ions obtained from transition metal elements such as chromium (Cr), titanium (Ti), and the like.
  • transition metal elements such as chromium (Cr), titanium (Ti), and the like.
  • Cr chromium
  • Ti titanium
  • any medium capable of amplifying the intensity of the laser beam propagating through the core member 110 may be added to the core member 110.
  • the high power laser beam may be amplified from the optical fiber.
  • 20 is a flowchart illustrating a method of manufacturing an optical fiber according to an exemplary embodiment.
  • an optical fiber manufacturing method may include forming a core member 110 having a refractive index that decreases substantially as a radius from a center (S2110) and surrounding the core member 110. It may include the step of forming the clad 120 (S2120). In addition, forming the clad (S2120), the refractive index of the clad 120 is greater than the refractive index of the core member 110 at the core-clad boundary 20 where the core member 110 and the clad 120 meet. You can do that.
  • the optical fiber manufactured by the optical fiber manufacturing method may have all of the refractive index distributions shown with reference to FIGS. 2 and 10 to 14.
  • the clad 120 may be formed such that the refractive index of the clad 120 is constant.
  • the clad 120 may be formed such that the refractive index decreases as the radius increases from the inside.
  • the clad 120 may be formed such that the refractive index increases as the radius increases from the inside.
  • the refractive index at the center of the core member 110 may be greater than the refractive index of the clad 110 at the core-clad boundary 20.
  • forming the core member 110 (S2110) may allow the refractive index at the center of the core member 110 to be smaller than the refractive index of the clad 110 at the core-clad boundary 20.
  • Forming the core member 110 (S2110) and forming the clad 120 (S2120) is a double crucible, rod-in-tube and doped deposited silica (DDS) process It may be prepared through a process comprising at least one of.
  • DDS doped deposited silica
  • the core glass rod is enclosed in a cladding glass tube and drawn long through fiber spinning to create an optical fiber with the desired refractive index distribution.
  • the impurity deposition silica process may deposit a glass composition to make an optical fiber.
  • Such a deposition process may include an outer deposition, axial deposition, inner deposition process, and the like.

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Abstract

광섬유, 광섬유 제조방법 및 광섬유를 이용한 레이저 전송방법이 제공된다. 개시된 광섬유는, 중심으로부터 반경이 커질수록 실질적으로 굴절률이 감소하는 코어부재와, 상기 코어부재를 둘러싸도록 마련되는 클래드를 포함한다. 그리고 상기 클래드는, 상기 코어부재와 상기 클래드가 만나는 코어-클래드 경계에서 상기 코어부재의 굴절률보다 높은 굴절률을 가진다. 개시된 광섬유는 고품질 고출력 레이저 빔을 전송시킬 수 있다.

Description

광섬유, 광섬유 제조방법 및 광섬유를 이용한 레이저 전송방법
고출력 레이저 빔을 전송할 수 있는 광섬유 및 광섬유 제조방법과 상기 광섬유를 이용한 레이저 빔 전송방법에 관한 것이다.
최근 산업에서 레이저를 이용한 가공 기술이 발전하면서, 레이저 빔(beam) 품질의 우수성과 가격 경쟁력 관점에서 광섬유 레이저에 대한 수요가 증가하고 있다. 이 중에서도 산업에의 다양한 응용을 위해서 출력이 높은 레이저가 요구되면서 고품질, 고출력 광섬유 레이저가 요구된다.
이러한 고품질, 고출력 광섬유 레이저는 고체 레이저에 비해 시스템의 크기가 작아 산업 현장에서 많은 관심을 받고 있다. 하지만 고품질, 고출력용 광섬유는, 작은 크기의 코아에 강한 세기의 빛이 전송되기 때문에 발생하는 매질의 비선형 특성이나 매질의 파손으로 인해 고출력에 한계가 있다.
적어도 일 실시예는 고품질, 고출력 레이저 빔을 전송할 수 있는 광섬유 및 그 제조방법을 제공한다.
또한 적어도 일 실시예는 고품질, 고출력 레이저 빔을 전송할 수 있는 광섬유를 이용한 레이저 빔 전송방법을 제공한다.
일 측면에 있어서,
중심으로부터 반경이 커질수록 실질적으로 굴절률이 감소하는 코어부재;
상기 코어부재를 둘러싸도록 마련되는 클래드;를 포함하며,
상기 클래드는, 상기 코어부재와 상기 클래드가 만나는 코어-클래드 경계에서 상기 코어부재의 굴절률보다 높은 굴절률을 가지는 광섬유가 제공된다.
적어도 일 실시예에 따르면, 고품질, 고출력 레이저 빔을 전송시킬 수 있는 광섬유가 제공된다.
도 1은 예시적인 실시예에 따른 광섬유를 대략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1에서 나타낸 광섬유의 A-A’ 단면도와 굴절률 분포를 나타낸 도면이다.
도 3은 도 1 및 도 2에서 나타낸 예시적인 실시예에 따른 다중모드 레이저 빔이 광섬유에 입사했을 때 광섬유를 통과하는 레이저 빔의 강도변화를 나타낸 도면이다.
도 4는 다중모드 레이저 빔이 도 2에서 나타낸 굴절률 분포를 가지는 광섬유에 입사했을 때 광섬유를 통과하는 레이저 빔의 강도변화를 나타낸 다른 도면이다.
도 5는 도 1 및 도 2에 도시된 실시예와 비교하기 위한 비교 예를 나타낸 도면이다.
도 6은 도 5와 같이 코어부재 및 클래드의 굴절률 분포를 구성하였을 때 다중모드 레이저 빔이 광섬유에 입사했을 때 광섬유에서 전송되는 레이저 빔의 강도변화를 나타낸 도면이다.
도 7은 도 1 및 도 2에 도시된 실시예와 비교하기 위한 비교예를 나타낸 도면이다.
도 8은 가우시안 형태의 강도분포를 가지는 1차 모드 레이저 빔이 도 7과 같은 굴절률 분포의 광섬유에서 진행할 때의 강도변화를 나타낸 도면이다.
도 9는 다중모드 레이저 빔이 도 7과 같은 굴절률 분포의 광섬유에서 진행할 때의 강도변화를 나타낸 도면이다.
도 10a 및 도 10b는 다른 예시적인 실시예에 따른 광섬유의 굴절률 분포를 나타낸 도면이다.
도 11은 도 10a에서 나타낸 굴절률 분포를 가지는 광섬유를 통과하는 레이저 빔의 강도변화를 나타낸 도면이다.
도 12는 또 다른 예시적인 실시예에 따른 광섬유의 굴절률 분포를 나타낸 도면이다.
도 13은 또 다른 예시적인 실시예에 따른 광섬유의 굴절률 분포를 나타낸 도면이다.
도 14는 또 다른 예시적인 실시예에 따른 광섬유의 굴절률 분포를 나타낸 도면이다.
도 15 및 도 16은 도7과 같은 굴절률 분포를 가지는 광섬유를 통해 가우시안 강도분포의 레이저 빔이 증폭되는 결과를 나타낸 도면이다.
도 17은 예시적인 실시예에 따른 광섬유를 통해 가우시안 강도분포의 레이저 빔이 증폭되는 결과를 나타낸 도면이다.
도 18은 도5의 굴절률 분포를 갖는 일반적인 gain-guided and index-antiguided(GG-IAG) 광섬유와 예시적인 실시예에 따른 광섬유에 같은 크기의 에너지를 가지는 레이저 빔을 입사했을 때 출력 레이저 빔의 강도 차이를 나타낸 도면이다.
도 19는 예시적인 실시예에 따른 광섬유를 이용한 레이저 빔 전송방법을 나타낸 흐름도이다.
도 20은 예시적인 실시예에 따른 광섬유 제조방법을 나타낸 흐름도이다.
일 측면에 있어서,
복수의 제1 돌기부를 포함하는 제1 대전부재; 및
상기 제1 돌기부들 사이에 배치되며상기 제1 돌기부와 다른 물질을 포함하는 복수의 제2 돌기부를 포함하는 제2 대전부재;를 포함하고,
상기 제1 및 제2 대전부재 중 적어도 하나가 움직임으로써 상기 제1 돌기부들의 측면과 상기 제2 돌기부들의 측면이 서로 접촉하거나 상기 제1 돌기부들의 측면과 상기 제2 돌기부들의 측면 사이의 간격이 변화하여 전기에너지를 발생시키는 에너지 하베스터가 제공된다.
상기 제1 및 제2 돌기부들은 제1 방향으로 형성되고, 상기 제1 및 제2 대전부재 중 적어도 하나는 상기 제1 방향과 수직인 제2 방향으로 움직이도록 마련될 수 있다.
상기 제 1 대전부재는 상기 제1 돌기부들을 포함하는 제1 전극을 포함할 수 있다.
상기 제1 대전부재는 상기 제1 돌기부들에 대응하는 형상의 복수의 제1 포스트(post)를 포함하는 제1 플라스틱 구조체와, 상기 제1 플라스틱 구조체의 표면에 마련되는 상기 제1 전극을 포함할 수 있다.
상기 제2 대전부재는 상기 제2 돌기부들에 대응하는 형상의 복수의 제2 포스트를 포함하는 제2 전극과, 상기 제2 포스트들의 표면에 마련되는 유전체층을 포함할 수 있다.
상기 유전체층은 압전 물질(piezoelectric materials), 강유전 물질(ferroelectric materials), 전기 활성 고분자(EAP; electric active polymer) 및 초전성 물질(pyroelectric materials) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 제2 대전부재는 제2 전극과, 상기 제2 전극에 마련되며 상기 제2 돌기부들을 포함하는 유전체층을 포함할 수 있다.
상기 제2 전극은 상기 제1 및 제2 돌기부들의 배열방향과 나란하게 배치되며 서로 전기적으로 연결된 복수의 제1 서브전극과, 상기 제1 서브전극들 사이에 배치되며 서로 전기적으로 연결된 복수의 제2 서브전극을 포함할 수 있다.
상기 제2 대전부재는 상기 제2 돌기부들에 대응하는 형상의 복수의 제2 포스트를 포함하는 제2 플라스틱 구조체와, 상기 제2 플라스틱 구조체에 마련되는 제2 전극과, 상기 제2 전극에 마련되는 유전체층을 포함할 수 있다.
상기 제1 및 제2 대전 부재는 서로 다른 대전물질을 포함할 수 있다.
상기 제1 대전 부재는 제1 전극과, 상기 제1 전극에 마련되는 제1 유전체층을 포함할 수 있다.
상기 제2 대전 부재는 제2 전극과, 상기 제2 전극에 마련되는 제2 유전체층을 포함할 수 있다.
상기 제2 전극은 상기 제1 및 제2 돌기부들의 배열방향과 나란하게 배치되며 서로 전기적으로 연결된 복수의 제1 서브전극과, 상기 제1 서브전극들 사이에 배치되며 서로 전기적으로 연결된 복수의 제2 서브전극을 포함할 수 있다.
상기 제 1 및 제 2 돌기부들은 복수의 라인들이 서로 나란하게 형성된 스트라이프 형상을 가질 수 있다.
상기 제1 및 제2 돌기부들 중 적어도 하나는 표면적이 증가하도록 표면처리가 되어있을 수 있다.
상기 에너지 하베스터는, 상기 제1 및 제2 대전부재를 내장하는 제1 케이스를 더 포함할 수 있다.
상기 에너지 하베스터는, 상기 제1 케이스의 내측에 마련되는 것으로, 상기 제1 및 제2 대전부재 중 적어도 하나가 움직였을 때 상기 제1 및 제2 대전부재 중 적어도 하나의 위치를 복원시키는 제1 탄성 지지체를 더 포함할 수 있다.
상기 에너지 하베스터는, 상기 제 1 케이스의 내벽에 마련되는 것으로, 상기 제 1 및 제 2 대전부재 중 적어도 하나와 서로 접촉하거나 그 사이의 간격이 변화함으로써 전기 에너지를 발생시키는 제3 대전부재를 더 포함할 수 있다.
상기 에너지 하베스터는, 상기 제 1 케이스를 내장하는 제 2 케이스; 및
상기 에너지 하베스터는, 상기 제 2 케이스의 내측에 마련된느 것으로, 상기 제 1 케이스가 상기 제 2 케이스의 내부에서 움직였을 때 상기 제 1 케이스의 위치를 복원시키는 제 2 탄성체;를 더 포함할 수 있다.
상기 에너지 하베스터는, 상기 제 1 및 제 2 대전부재중 적어도 하나가 제 1 방향으로 움직이는 것을 가이드 하는 제 1 가이드 부재를 더 포함할 수 있다.
상기 에너지 하베스터는, 상기 제 1 및 제 2 대전부재 중 적어도 하나가 상기 제 1 방향과 수직인 제2 방향으로 움직이는 것을 가이드 하는 제 2 가이드 부재를 더 포함할 수 있다.
상기 에너지 하베스터는, 상기 제 1 및 제 2 대전부재와 상기 제 1 및 제 2 가이드 부재를 내장하는 케이스; 및,
상기 케이스의 내벽에 마련되는 것으로, 상기 제 1 및 제 2 대전부재 중 적어도 하나와 서로 접촉하거나 간격이 변화함으로써 전기 에너지를 발생시키는 제 3 대전부재;를 더 포함할 수 있다.
다른 측면에 있어서,
제 1 대전부재;
일면에 복수의 돌기부가 형성되며 제1 대전부재와 다른 물질을 포함하는 제1 대전물질층 및 상기 돌기부들 사이에 배치되며 상기 제1 대전부재 및 상기 제1 대전물질층과 다른 물질을 포함하는 제2 대전물질층을 포함하는 제 2 대전부재;
상기 제1 대전물질층의 타면에 마련되는 제1 전극; 및
상기 제1 대전물질층의 타면에 마련되는 제 2 전극;을 포함하고,
상기 제1 및 제2 대전부재 중 적어도 하나가 움직임으로써 상기 제1 및 제2 전극에 전기에너지가 발생되는 에너지 하베스터가 제공된다.
상기 제1 전극은, 상기 돌기부들이 배열된 방향으로 마련되며 서로 전기적으로 연결된 복수의 제 1 서브전극을 포함하고, 상기 제2 전극은, 상기 제1 서브전극들 사이에 마련되며 서로 전기적으로 연결된 복수의 제 2 서브전극을 포함할 수 있다.
또 다른 측면에 있어서,
제 1 대전부재; 및
상기 제 1 대전부재와 이격되어 상기 제1 대전부재를 둘러싸도록 마련되는 것으로, 상기 제1 대전부재와는 다른 물질을 포함하는 제 2 대전부재;를 포함하며,
상기 제1 및 제2 대전부재 중 적어도 하나가 움직임으로써 상기 제 1 대전부재의 외면과 상기 제 2 대전부재의 내면이 서로 접촉하거나 상기 제 1 대전부재의 외면과 상기 제 2 대전부재의 내면 사이의 간격이 변화하여 전기에너지를 발생시키는 에너지 하베스터가 제공된다.
상기 제 1 대전부재는 원판 형상을 가지고, 상기 제 2 대전부재는 링 형상을 가질 수 있다.
상기 제 1 대전부재는 구 형상을 가지고, 상기 제 2 대전부재는 상기 제1 대전부재를 둘러싸는 구 형상을 가질 수 있다.
상기 제 1 대전부재는 제1 전극을 포함하고, 상기 제 2 대전부재는 제2 전극 및 상기 제2 전극의 내측에 마련되는 유전체층을 포함할 수 있다.
상기 제 1 대전부재는 제1 전극 및 상기 제1 전극의 외측에 마련되는 유전체층을 포함하고, 상기 제 2 대전부재는 제2 전극을 포함할 수 있다.
상기 제 1 대전부재는 제1 전극 및 상기 제1 전극의 외측에 마련되는 제1 유전체층을 포함하고, 상기 제 2 대전부재는 제2 전극 및 상기 제2 전극의 내측에 마련되는 제2 유전체층을 포함할 수 있다.
상기 에너지 하베스터는, 상기 제 1 대전부재와 상기 제 2 대전부재 사이에 마련되어 상기 제 1 대전부재 및 상기 제 2 대전부재 중 적어도 하나에 복원력을 가하는 탄성 지지체를 더 포함할 수 있다.
또 다른 측면에 있어서,
제1 전극을 포함하는 제1 대전부재; 및
상기 제1 대전부재와 마주보도록 마련되는 것으로, 제2 전극 및 상기 제2 전극에 방사상으로 배열되는 복수의 유전체층을 포함하는 제2 대전부재를 포함하고, 상기 제1 대전부재와 상기 제2 대전부재 사이의 상대적인 회전 운동에 의해 전기에너지를 발생시키는 에너지 하베스터가 제공된다.
상기 제1 대전부재는 상기 제2 대전부재보다 작은 면적을 가질 수 있다.
상기 제1 마찰층은 원판 형상을 가지며, 상기 제2 마찰층은 반원판 형상을 가질 수 있다.
상기 에너지 하베스터는, 상기 제 1 및 제 2 대전부재 중 적어도 하나에 복원력을 가하는 탄성체를 더 포함할 수 있다.
또 다른 측면에 있어서,
상기 기재된 에너지 하베스터; 및
상기 에너지 하베스터로부터 발생되는 전기에너지를 다른 소자에 전송하는 전송회로;를 포함하는 스마트 워치가 제공된다.
상기 전송회로는, 교류신호를 직류로 전환하는 컨버터(converter), 상기 전송회로를 통해 전달되는 전력전송률이 최대가 되도록 상기 전송회로의 임피던스를 조절하는 제어유닛 및 상기 컨버터에서 전환된 직류 전압의 크기를 조절하는 스텝 다운 컨버터(step down converter)를 포함할 수 있다.
이하, 예시적인 실시예에 따른 광섬유, 광섬유 제조방법 및 광섬유를 이용한 레이저 전송방법에 대해 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도면에서 동일한 참조번호는 동일한 구성 요소를 지칭하며, 각 구성 요소의 크기나 두께는 설명의 편의를 위해 과장되어 있을 수 있다. 한편, 이하에 설명되는 실시예는 단지 예시적인 것에 불과하며, 이러한 실시 예들로부터 다양한 변형이 가능하다. 예를 들면, 한 층이 기판이나 다른 층의 "위", "상부" 또는 "상"에 구비된다고 설명될 때, 그 층은 기판이나 다른 층에 직접 접하면서 위에 존재할 수도 있고, 그 사이에 또 다른 층이 존재할 수도 있다.
도 1은 예시적인 실시예에 따른 광섬유를 대략적으로 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 예시적인 실시예에 따른 광섬유는, 코어부재(110) 및 코어부재(110)를 둘러싸도록 마련되는 클래드(120)를 포함할 수 있다. 코어부재(110)는 도 1에서와 같이 원기둥 형상을 가질 수 있으며 클래드(120)는 코어부재(110)를 감싸도록 원형 실린더 형상을 가질 수 있으나 이에 제한되지 않는다. 실시예에 따른 광섬유는, 레이저 빔을 전송하는데 이용될 수 있다. 또한 실시예에 따른 광섬유는, 레이저 빔을 전송하면서 레이저 빔의 파워를 증폭시킬 수 있다. 레이저 빔을 전송함에 있어서 고출력, 고품질 레이저 빔을 전송하기 위해, 도 1에서 나타낸 광섬유는 아래에서 설명하는 바와 같은 굴절률 분포를 가질 수 있다.
도 2는 도 1에서 나타낸 광섬유의 A-A'단면도와 굴절률 분포를 나타낸 도면이다.
도 2의 그래프에서 세로축은 굴절률의 크기를, 가로축은 도 2에서 나타낸 광섬유의 단면방향 좌표를 의미한다. 상기 단면방향 좌표는, 광섬유의 길이방향에 수직한 단면에서 반경방향으로 설정된 좌표일 수 있다. 또한 상기 길이방향은 광섬유에서 레이저 빔에 의해 에너지가 전달되는 방향일 수 있다.
코어부재(110)는 중심으로부터 반경이 커질수록 실질적으로 감소하는 굴절률 분포를 가질 수 있다. 즉, 코어부재(110)의 굴절률 분포는 중심으로부터 반경이 커질수록 굴절률이 작아지는 언덕모양일 수 있다. 여기서, 실질적으로 굴절률이 감소한다는 것은 반경의 증가에 따른 굴절률 변화가 단조 감소(monotonously decreasing)에 한정되지 않음을 의미한다. 예를 들어, 코어부재의 반경이 증가할수록 코어부재의 굴절률이 대체로 감소하면서, 국소적인 영역에서 굴절률이 일시적으로 증가하거나 변화가 없을 수도 있다. 클래드(120)는 코어부재(110)와 클래드(120)가 만나는 코어-클래드 경계(20)에서 코어부재(110)보다 높은 굴절률을 가질 수 있다.
도 2에서 나타낸 바와 같이 광섬유의 굴절률 분포를 구성하면, 코어-클래드 경계(20)에서 클래드(120)의 굴절률이 코어(110)의 굴절률보다 큰 역계단형 굴절률 분포를 가진다. 코어부재(110) 및 클래드(120)의 굴절률 분포를 역계단형 분포로 구성하였을 때 각 레이저의 전송모드에 대한 감쇠계수는 수학식 1로 나타낼 수 있다. 수학식 1은 예시적인 것에 불과하며 실시예가 수학식 1의 관계식을 만족하도록 제한되는 것은 아니다.
수학식 1
Figure PCTKR2015011670-appb-M000001
수학식 1에서 α1m은 m번째 레이저 빔 모드의 감쇠계수를 나타내고, u1m 은 0차 베셀(Bessel) 함수 방정식 J0(u1m)=0의 m차 근을 나타낸다. 또한 n은 클래드(120)의 굴절률, △n은 코어-클래드 경계에서 코어부재와 클래드 사이의 굴절률 차이를 나타내며 a는 코어부재의 반지름을 나타내고 λ0 는 진공속에서 레이저 파장, ν는 코어부재(110)의 굴절률에 대한 클래드(120) 굴절률의 비를 나타낸다. 수학식 1을 참조하면, m이 증가할수록 u1m 이 증가하기 때문에 감쇠계수의 크기가 함께 증가할 수 있다. 도 2와 같이 광섬유의 굴절률 분포를 구성하면, 레이저 빔의 모드 차수가 높아질 수록 레이저 빔의 감쇠가 더 빠르게 일어날 수 있다. 따라서 예시적인 실시예에 따른 광섬유에서는 저차모드에 비해 고차모드 레이저 빔이 더 빨리 감쇠될 수 있다.
수학식 1에서는 1차 모드의 레이저 빔 또한 상당한 크기의 감쇠계수를 가진다. 이 경우 레이저 빔 공정에 이용되는 1차모드 가우시안 또는 준 가우시안(quasi-gaussian) 형태의 레이저 빔 또한 높은 감쇠율을 보이기 때문에 광섬유를 레이저 매질로 사용하기 위해서는 감쇠를 극복할 수 있는 매우 높은 최소 이득계수가 요구된다. 여기서, 준 가우시안 형태의 레이저 빔이란 레이저 빔의 강도분포가 근사적으로 가우시안 형태를 따른다는 것을 의미할 수 있다. 수학식 1에서 나타나는 1차모드 가우시안 또는 준 가우시안 빔의 출력 감소를 해결하기 위해, 예시적인 실시 예에 따른 광섬유의 코어부재(110)는 도 2에서 나타낸 바와 같이 언덕형 굴절률 분포를 가질 수 있다. 즉, 예시적인 실시예에 따른 광섬유는 1차모드 레이저 빔에 대해 수학식 1에서 나타난 감쇠계수보다 더 낮은 감쇠계수를 가질 수 있다. 예를 들어, 실시예에 따른 광섬유에 전송하는 레이저 빔의 최저차 모드의 감쇠계수는 거의 0의 값을 가질 수 있다.
도 2에서 나타낸 코어부재(110)의 언덕형 굴절률 분포는 예시적으로 수학식 2를 따를 수 있다. 하지만 이는 예시적인 것에 불과할 뿐, 도 2에서 나타낸 실시예가 이에 제한되는 것은 아니다.
수학식 2
Figure PCTKR2015011670-appb-M000002
여기서
Figure PCTKR2015011670-appb-I000001
는 코어부재 중심에서의 굴절률을 의미하고,
Figure PCTKR2015011670-appb-I000002
는 코어부재의 반경을 의미하고,
Figure PCTKR2015011670-appb-I000003
는 후술하는 스케일 팩터이며,
Figure PCTKR2015011670-appb-I000004
는 레이저 빔의 빔 사이즈에 따라 결정되는 상수로 예를 들어, 2 근처 값을 가질 수 있다. 상기 스케일 팩터
Figure PCTKR2015011670-appb-I000005
는 기초모드(1차 모드) 레이저 빔의 집속현상을 방지하도록 설정될 수 있다. 광섬유 안에서 레이저 빔이 전송될 때, 레이저 빔은 주기적으로 발산(divergence)와 집속(convergence, focusing)을 반복할 수 있다. 다시 말해 광섬유 안에서 레이저 빔의 빔 사이즈가 커졌다 작아짐을 반복할 수 있다. 이 때 레이저 빔이 과도하게 집속되어 빔 사이즈가 작아지게 되면, 좁은 영역에 많은 에너지가 집중되고 이로 인해 광섬유의 소재가 손상될 수 있다. 따라서 레이저 빔의 집속 현상이 일어나지 않도록 코어부재의 굴절률 분포를 조절할 수 있다. 코어부재(110)의 굴절률 분포를 적절히 조절하면 굴절률 변화에 따른 레이저 빔의 굴절각과 회절각이 적절히 제어됨으로써 상기 레이저 빔의 집속현상을 방지할 수 있다. 수학식 2의 굴절률 분포에서는 상기 스케일 팩터
Figure PCTKR2015011670-appb-I000006
를 조절하여 레이저 빔의 집속현상을 방지할 수 있다. 예시적으로 스케일 팩터
Figure PCTKR2015011670-appb-I000007
는 수학식 3을 만족할 수 있다.
수학식 3
Figure PCTKR2015011670-appb-M000003
수학식 3에서
Figure PCTKR2015011670-appb-I000008
은 레이저 빔의 반경을 의미하고,
Figure PCTKR2015011670-appb-I000009
는 레이저 빔의 진공파장을 의미하며,
Figure PCTKR2015011670-appb-I000010
는 레이저 빔의 빔 사이즈에 따라 결정되는 상수로 2 근처 값을 가질 수 있다. 수학식 3의 조건은 예시적인 것에 불과하며 이에 제한되지 않는다. 예를 들어, 시뮬레이션 결과에 의하면 스케일 팩터
Figure PCTKR2015011670-appb-I000011
를 수학식 3에 의해 계산되는 값의 0.5배 내지 2배로 변화시키더라도 실시예에 따른 광섬유의 레이저 빔 전송효과가 크게 달라지지 않음을 알 수 있었다. 이는 코어부재(110)의 언덕형 굴절률 분포를 구성할 때 수학식 2 및 수학식 3의 조건을 엄격히 만족할 필요가 없음을 의미한다. 따라서 수학식 2 및 수학식 3은 코어부재(110)의 언덕형 굴절률 분포를 예시적으로 설명하기 위한 것일 뿐, 실시예를 제한하는 의미로 해석되지 않는다.
도 2에서 나타낸 예시적인 실시예에 따른 광섬유의 굴절률 분포는 다중모드 레이저 빔 가운데 1차모드 레이저 빔은 기준강도 이상으로 전송하고 나머지 고차모드 레이저 빔은 기준강도 미만으로 감쇠되도록 구성될 수 있다. 상기 1차모드 레이저 빔은 가우시안 또는 준 가우시안 형태의 강도분포를 가질 수 있다. 이를 통해 가우시안 또는 준 가우시안 형태의 1차모드 레이저 빔을 고출력으로 출력하여 레이저 가공에 이용할 수 있다. 상기 기준강도는 레이저 가공의 품질을 고려하여 설정될 수 있다. 예를 들어, 요구되는 레이저 가공품질이 높을수록, 고차모드 레이저 빔에 대해서는 상기 기준강도는 더 낮은 값을 가지고 1차모드 레이저 빔에 대해서는 상기 기준강도가 더 높은 값을 가질 수 있다. 즉, 고차모드 레이저 빔은 더 약하게 감쇠시키고 1차모드 레이저 빔은 더 잘 전송하도록 기준강도가 레이저 빔 모드 별로 다르게 설정될 수 있다. 상기 기준강도는 전술한 고차모드 레이저 빔의 집속현상을 고려하여 설정될 수도 있다. 예를들어, 고차모드 레이저 빔은 광섬유 안에서 집속현상을 일으켜 광섬유를 파손시킬 수 있기 때문에 광섬유 파손을 방지하기 위해 요구되는 고차모드 레이저 빔의 감쇠정도를 고려하여 상기 기준강도를 설정할 수 있다.
기준강도가 정해지면 광섬유 안에서 고차모드 레이저 빔이 상기 기준강도 이하로 낮아지도록 하는 감쇠계수를 가지도록 광섬유의 굴절률 분포를 기준강도에 맞추어 다르게 구성할 수 있다. 이를 위해, 코어-클래드 경계(20)에서 클래드(120)와 코어부재(110) 사이의 굴절률 차이가 기준강도 및 광섬유의 코어반경 등에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 수학식 1을 참조하면, 코어-클래드 경계에서 코어부재(110)과 클래드(120) 사이의 굴절률 차이 △n은 수학식 4와 같이 나타내어질 수 있다.
수학식 4
Figure PCTKR2015011670-appb-M000004
수학식 4를 참조하면, 감쇠계수 α1m이 커질수록 굴절률 차이 △n의 절대값은 더 작아짐을 알 수 있다. 감쇠계수 α1m 은 전술한 기준강도 및 광섬유의 길이에 따라 목표 값이 다르게 설정될 수 있다. 또한 감쇠계수 α1m 이 정해졌을 때 광섬유의 코어부재(110)의 반경 a에 따라 굴절률 차이 △n이 달라질 수 있다. 예를 들어, 수학식 4에서 나타낸 바와 같이 코어부재(110)의 반경 a가 클수록 코어-클래드 경계(20)에서 코어부재(110)과 클래드(120) 사이의 굴절률 차이 △n의 절대값은 작아질 수 있다. 이때 코어부재(110)의 반경은 광섬유에서 출력되는 레이저 빔의 강도에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 레이저 빔 출력량이 강한 경우 광섬유의 파손방지를 위해 코어부재(110)는 큰 반경을 가질 수 있으며, 레이저 빔 출력량이 작은 경우, 코어부재(110)의 반경은 작아질 수 있다.
도 3은 도 1 및 도 2에서 나타낸 예시적인 실시예에 따른 광섬유를 통과하는 레이저 빔의 강도변화를 나타낸 도면이다. 도 3에서 x축은 광섬유의 단면 방향 좌표를 나타내고, y축은 광섬유의 길이방향 좌표를 나타내며 z축은 전송되는 레이저빔의 강도를 나타낸다. 여기서 길이방향 좌표는 광섬유에서 레이저 빔에 의해 에너지가 전달되는 방향 좌표일 수 있으며, 단면 방향 좌표는, 광섬유의 길이방향에 수직한 단면에서 반경방향으로 설정된 좌표일 수 있다.
도 3에서 코어부재(110)의 반경은 50㎛, 코어부재(110)의 중심 굴절률은 1.56639, 클래드(120)의 굴절률은 1.57139, 코어-클래드 경계에서 코어부재(110)와 클래드(120)의 굴절률 차이 △n=-0.0045, 레이저 빔 반경은 25㎛, 레이저 빔의 진공파장은 1.052㎛, 광섬유의 길이는 24cm,
Figure PCTKR2015011670-appb-I000012
=2, 스케일 팩터
Figure PCTKR2015011670-appb-I000013
=0.001167로 설정되었다. 도 3을 참조하면, 실시예에 따른 광섬유 안에서 레이저 빔이 진행함에 따라 고차모드 레이저 빔은 기준강도 이하로 감쇠되어 버리고, 1차모드 레이저 빔은 기준강도 이상으로 유지됨을 알 수 있다. 따라서 광섬유 안에서, 다중모드 레이저 빔은 일정 거리를 지나고 난 후, 가우시안 형태의 강도분포를 가지는 1차모드 레이저 빔에 가깝게 변화되어 전송될 수 있다.
도 4는 도 2에서 나타낸 굴절률 분포를 가지는 광섬유를 통과하는 레이저 빔의 강도변화를 나타낸 다른 도면이다. 도 4에서 x축은 광섬유의 단면 방향 좌표를 나타내고, y축은 광섬유의 길이방향 좌표를 나타내며 z축은 전송되는 레이저빔의 강도를 나타낸다.
도 4에서 코어부재(110)의 반경은 25㎛, 코어부재(110)의 중심 굴절률은 1.56639, 클래드(120)의 굴절률은 1.57139, 코어-클래드 경계에서 코어부재(110)와 클래드(120)의 굴절률 차이 △n=-0.0045, 레이저 빔 반경은 10㎛, 레이저 빔의 진공파장은 1.052㎛, 광섬유의 길이는 24cm,
Figure PCTKR2015011670-appb-I000014
=2, 스케일 팩터
Figure PCTKR2015011670-appb-I000015
=0.002845로 설정되었다. 도 4의 설정 값들은 도 3에서의 설정 값들과 비교하여, 레이저 반경 및 코어부재(110)의 반경이 더 작아졌다. 이와 같이 레이저 반경을 작게 하면 수학식 3으로부터 스케일 팩터 의 크기를 크게 할 수 있다. 그리고 이로부터 코어부재(110)의 중심 굴절률과 코어-클래드 경계에서 코어부재(110)의 굴절률 차이를 크게 할 수 있기 때문에 코어부재(110)의 굴절률 분포를 구성하는 것이 좀 더 용이해질 수 있다.
도 4를 참조하면, 도 3에서와 마찬가지로 입사된 다중모드 레이저 빔이 1차모드 레이저 빔에 가깝게 변화되어 전송됨을 알 수 있다. 즉, 고차모드 레이저 빔은 기준강도 이하로 감쇠되어 거의 사라진 반면, 1차모드 레이저 빔은 큰 감쇠 없이 전송될 수 있다. 이러한 효과는 상기 스케일 팩터
Figure PCTKR2015011670-appb-I000016
=0.002845 값을 0.5 내지 2배로 변화시키더라도 유지될 수 있다.
도 5는 도 1 및 도 2에 도시된 실시예와 비교하기 위한 비교예를 나타낸 도면이다. 도 5에서 세로축은 굴절률 크기를 나타내고 가로축은 광섬유의 단면방향 좌표를 나타낸다.
도 5를 참조하면, 광섬유가, 코어-클래드 경계(20)에서 클래드의 굴절률이 코어의 굴절률보다 큰 역계단형 굴절률 분포를 가진다. 하지만, 도 5의 경우 코어부재가 언덕형 분포를 가지지 않고 일정한 굴절률 분포를 가진다. 도 5와 같이 굴절률 분포를 구성하면, 레이저 빔 모드들에 대해 수학식 1과 같은 감쇠계수를 얻을 수 있다. 따라서 차수가 높은 모드의 레이저 빔에 대해 더 높은 감쇠계수를 얻을 수 있다. 하지만 도 1 및 도 2에서 설명한 실시예와 달리 1차모드 레이저 빔 또한 수학식 1에 따라 높은 감쇠계수를 가질 수 있다. 즉, 레이저 가공에 필요한 1차모드 레이저 빔까지 매우 낮은 강도로 감쇠시켜서 고출력 레이저 빔을 얻기 어려울 수 있다.
도 6은 도 5와 같이 코어부재 및 클래드의 굴절률 분포를 구성하였을 때 광섬유에서 전송되는 레이저 빔의 강도변화를 나타낸 도면이다. 도 6에서 x축은 광섬유의 단면 방향 좌표를 나타내고, y축은 광섬유의 길이방향 좌표를 나타내며 z축은 전송되는 레이저빔의 강도를 나타낸다.
도 6에서 레이저 반경은 35.3㎛, 코어부재 반경은 50㎛, 진공에서 레이저 파장은 1.052㎛, 클래드의 굴절률 n=1.57139, 코어-클래드의 굴절률 차이 △n=-0.0045로 설정되었다. 도 6에서는 광섬유에서 다중모드 레이저 빔이 진행할 때 레이저 빔의 강도변화가 나타나 있다. 여기서, 다중모드 레이저 빔은 슈퍼 가우시안 형태의 강도분포를 가지는 고차모드 레이저 빔을 포함한 레이저 빔을 의미한다. 도 6에서 보는 바와 같이 레이저 빔이 진행할수록 고차모드 레이저 빔들이 빠르게 감쇠하여 사라짐을 알 수 있다. 가우시안 또는 준 가우시안 형태의 강도분포를 가지는 1차모드 레이저 빔도 감쇠에 의해 강도가 작아질 수 있다. 즉, 도 5에서 나타낸 비교예는 고출력 레이저 빔을 전송하는데 한계가 있을 수 있다.
도 7은 도 1 및 도 2에 도시된 실시예와 비교하기 위한 비교예를 나타낸 도면이다. 도 7에서 세로축은 굴절률 크기를 나타내고 가로축은 광섬유의 단면방향 좌표를 나타낸다.
도 7을 참조하면, 코어부재의 굴절률이 중심으로부터 반경이 증가할수록 낮아질 수 있다. 즉, 도 7에서 나타낸 광섬유의 코어부재는 언덕형 굴절률 분포를 가질 수 있다. 하지만, 도 1 및 도 2에서 나타낸 실시예와 달리 코어-클래드 경계(20)에서 클래드의 굴절률이 코어부재보다 크지 않음을 알 수 있다. 즉 코어-클래드 경계(20)에서 굴절률 분포가 역계단형 굴절률 분포가 아닐 수 있다. 이 경우 1차모드 레이저 빔만을 다루기엔 무리가 없을 수 있다. 즉, 1차모드 레이저 빔만 광섬유 안에 존재하는 경우 효과적인 전송이 가능할 수 있다.
도 8은 가우시안 형태의 강도분포를 가지는 레이저 빔이 도 7과 같은 굴절률 분포의 광섬유에서 진행할 때의 강도변화를 나타낸 도면이다. 도 8에서 x축은 광섬유의 단면 방향 좌표를 나타내고, y축은 광섬유의 길이방향 좌표를 나타내며 z축은 전송되는 레이저빔의 강도를 나타낸다.
도 8을 참조하면, 도 7에서와 같이 코어부재가 언덕형 굴절률 분포를 가질 때 1차 모드의 레이저 빔이 감쇠 없이 일정한 강도로 전송됨을 확인할 수 있다. 즉 도 7과 같이 코어부재의 굴절률이 중심으로부터 반경이 증가할수록 실질적으로 감소되도록 하면, 1차 모드 레이저 빔을 손실 없이 전송시킬 수 있다. 하지만 만약 광섬유에 다중모드 레이저 빔이 입사되거나, 1차모드 레이저 빔이 입사되더라도 증폭과정에 생기는 왜곡에 의해 고차모드 레이저 빔이 발생하는 경우 이를 감쇠시키지 못할 수 있다. 이로 인해 레이저 빔 가공품질이 떨어질 수 있다. 또한 고차모드 레이저 빔의 집속현상에 의해 광섬유가 파손될 수 있으므로 고출력 레이저 빔을 출력하는데 제한이 있을 수 있다.
도 9는 다중모드 레이저 빔이 도 7과 같은 굴절률 분포의 광섬유에서 진행할 때의 강도변화를 나타낸 도면이다. 도 9에서 x축은 광섬유의 단면 방향 좌표를 나타내고, y축은 광섬유의 길이방향 좌표를 나타내며 z축은 전송되는 레이저빔의 강도를 나타낸다.
도 9를 참조하면, 레이저 빔이 광섬유 내부에서 집속과 발산을 반복하면서 매우 복잡한 형태의 강도분포 변화가 일어남을 알 수 있다. 이는 다중모드 레이저 빔에 슈퍼 가우시안 형태의 강도분포를 가지는 고차모드 레이저 빔이 포함되어 있기 때문이다. 그리고 고차모드 레이저 빔이 감쇠되지 않는 것은 도 7에서와 같이 코어-클래드 경계에서 클래드의 굴절률이 코어부재의 굴절률보다 크지 않아서 고차모드 레이저 빔을 효과적으로 감쇠시키지 않기 때문일 수 있다. 이렇게 광섬유에서 남아있는 고차모드 레이저 빔들은 레이저 가공품질을 저하시킬 수 있다. 또한, 도 9에서와 같이 집속과 발산을 반복하면서 광섬유의 소재 손상을 야기할 수 있다. 따라서 도 7과 같은 굴절률 분포의 광섬유는 1차모드의 레이저 빔만을 전송하기에는 적합하지만 다중모드 레이저 빔을 다루거나 1차모드 레이저 빔을 증폭하여 전송하기에는 한계가 있을 수 있다.
이상에서 도 5내지 도 9를 참조하여, 도 1내지 도 4에서 나타낸 실시예에 대한 비교예를 제시하였다. 전술한 비교예와 비교하면, 도 1 및 도 2에서 나타낸 예시적인 실시예에 따른 광섬유는 고차모드 레이저 빔을 필터링하여 고품질의 레이저 빔을 고출력으로 출력할 수 있다. 도 1 및 도 2에서 나타낸 실시예는 예시적인 것에 불과할 뿐 실시예가 이에 제한되는 것은 아니다. 아래에서는 통상의 기술자가 변형할 수 있는 변형 예를 예시적으로 제시한다. 제시된 실시예들은 예시적인 것에 불과할 뿐 이에 제한되는 것은 아니다.
도 10a 및 도 10b는 다른 예시적인 실시예에 따른 광섬유의 굴절률 분포를 나타낸 도면이다.
도 10a를 참조하면, 클래드(120)의 굴절률이 내측으로부터 반경이 증가할수록 감소할 수 있다. 클래드(120)의 굴절률 감소는 단조감소에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어 클래드(120)의 반경이 증가할수록 굴절률이 대체적으로 감소하되, 굴절률이 증가하는 국소적인 영역이 클래드(120)에 포함될 수도 있다. 도 2와 마찬가지로 도 10에서 나타낸 굴절률 분포를 가지는 광섬유 또한 고차모드 레이저 빔은 기준강도 미만으로 감쇠시키고 1차모드 레이저 빔만 기준강도 보다 크게 유지하여 전송시킬 수 있다.
코어-클래드 경계(20) 밖에서 클래드(120)의 굴절률 변화는 광섬유에서 전송되는 레이저 빔의 강도분포에 큰 영향을 주지 않을 수 있다. 따라서 클래드(120)의 굴절률 분포는 여러가지 방법으로 변형될 수 있다. 예를 들어, 도 10a에서와 달리 도 10b에서 클래드(120)의 굴절률은 반경이 증가할수록 굴절률이 증가할 수도 있다.
도 11은 도 10a에서 나타낸 굴절률 분포를 가지는 광섬유를 통과하는 레이저 빔의 강도변화를 나타낸 도면이다.
도 11에서 코어부재(110)의 반경은 50㎛, 코어부재(110)의 중심 굴절률은 1.56639, 클래드(120)의 굴절률은 1.57139, 코어-클래드 경계에서 코어부재(110)와 클래드(120)의 굴절률 차이 △n=-0.0045, 레이저 빔 반경은 25㎛, 레이저 빔의 진공파장은 1.052㎛, 광섬유의 길이는 24cm,
Figure PCTKR2015011670-appb-I000017
=2, 스케일 팩터
Figure PCTKR2015011670-appb-I000018
=0.001167/4로 설정되었다. 도 11를 참조하면, 도 4에서와 마찬가지로, 실시예에 따른 광섬유 안에서 레이저 빔이 진행함에 따라 고차모드 레이저 빔은 기준강도 이하로 감쇠되어 버리고, 1차모드 레이저 빔은 기준강도 이상으로 유지됨을 알 수 있다. 즉, 도 2의 굴절률 분포에서 클래드(120)의 굴절률 분포를 언덕형으로 변환하더라도 광섬유의 성능에 큰 차이가 없음을 알 수 있다.
도 12는 또 다른 예시적인 실시예에 따른 광섬유의 굴절률 분포를 나타낸 도면이다. 도 12를 참조하면, 다른 예시적인 실시예에 따른 광섬유는 코어-클래드 경계(20)에서 굴절률 분포가 연속적으로 변할 수 있다. 이 경우에도 도 2에서와 같이 코어-클래드 경계(20)를 기준으로 클래드(120)이 코어부재(110)보다 높은 굴절률을 가질 수 있다.
도 13은 또 다른 예시적인 실시예에 따른 광섬유의 굴절률 분포를 나타낸 도면이다.
도 13을 참조하면, 코어부재(110) 중심의 굴절률이 코어-클래드 경계(20)에서 클래드(120)의 굴절률보다 큰 값을 가질 수 있다. 수학식 2를 참조하면, 코어부재(110)의 중심에서 굴절률과 코어-클래드 경계에서 코어부재(110)의 굴절률의 차이는
Figure PCTKR2015011670-appb-I000019
로 주어진다. 따라서 스케일 팩터
Figure PCTKR2015011670-appb-I000020
와 코어부재의 굴절률
Figure PCTKR2015011670-appb-I000021
에 따라 코어부재(110)의 중심 굴절률과 코어-클래드 경계에서 코어부재(110)의 굴절률 사이의 차이가 달라질 수 있다. 그리고 상기 굴절률 차이가 커지게 되면, 도 13에서 나타낸 바와 같이 코어부재(110)의 중심 굴절률이 코어-클래드 경계(20)에서 클래드(120)의 굴절률보다 큰 값을 가질 수 있다. 그리고 상기 스케일 팩터는 레이저 빔 반경
Figure PCTKR2015011670-appb-I000022
에 비해 코어부재(110)의 반경
Figure PCTKR2015011670-appb-I000023
가 큰 경우 또는 레이저 빔의 진공파장이 큰 경우에 커질 수 있으므로 상기 굴절률 차이 또한 이들 경우에 커질 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.
이상에서 설명한 실시예에서는, 예시적으로 코어부재(110)의 굴절률이 연속적으로 변하는 예를 나타냈으나 실시예가 이에 제한되는 것은 아니다. 또한 도 10에서는 클래드(120)의 굴절률이 연속적으로 변하는 예를 나타냈으나 실시예가 여기에 제한되는 것도 아니다. 광섬유의 제조공정을 고려하였을 때, 코어부재(110)의 굴절률은 불연속적으로 변할 수도 있다. 또한, 도 10과 같이 클래드(120)의 굴절률이 변하게 하는 경우, 클래드(120)의 굴절률도 불연속적으로 변할 수도 있다.
도 14는 또 다른 예시적인 실시예에 따른 광섬유의 굴절률 분포를 나타낸 도면이다.
도 14를 참조하면, 도 10에서 나타낸 굴절률 분포와 유사하지만 코어부재(110) 및 클래드(120)의 굴절률이 각각 불연속적으로 변함을 알 수 있다. 비록 도 14에서는 도 10과 유사한 굴절률 분포를 나타냈지만 실시예가 이에 제한되는 것은 아니며 클래드(120)는 일정한 굴절률 분포를 가질 수도 있다. 도 14에서 나타낸 바와 같이, 코어부재(110)는 중심으로부터 반경이 증가할수록 굴절률이 감소하되, 굴절률이 계단모양으로 불연속하게 감소할 수 있다. 따라서 굴절률이 일정한 부분들이 코어부재(110)에 포함될 수도 있다.
이상에서 도 1 내지 도 14를 참조하여, 예시적인 실시예들에 따른 광섬유에 관하여 설명하였다. 실시예에 따른 광섬유는 레이저 빔을 증폭하여 레이저 빔 가공공정에 이용될 수도 있다. 이를 위해 실시예에 따른 광섬유는, 레이저 다이오드, 광 분리기(optical isolator)등의 광 소자와 결합되어 있을 수 있다. 또한 실시예에 따른 광섬유는, 자체적으로 코어부재(110)에 이득매질이 첨가되어 있어 광섬유에서 전송되는 레이저 빔을 증폭할 수 있다. 이러한 이득 매질은 예시적으로 상기 이득 매질은 예시적으로 이터븀(Yb), 네오디뮴(Nd), 어븀(Er), 툴륨(Tm) 등과 같은 희토류 원소들로부터 얻은 활성 이온(active ion)들이 포함할 수 있다. 또한 상기 이득 매질은 예시적으로 크롬(Cr), 티타늄(Ti) 등과 같은 전이금속 원소들로부터 얻은 활성 이온(active ion)들을 포함할 수도 있다.
이터븀(Yb), 네오디뮴(Nd), 어븀(Er), 툴륨(Tm) 등과 같은 희토류 원소들로부터 얻은 활성 이온(active ion)이나 크롬(Cr), 티타늄(Ti) 등과 같은 전이금속 원소들로부터 얻은 활성 이온(active ion)에 의해 광섬유가 도핑되어 있으면 광섬유에서 일어나는 광 펌핑 작용에 의해 광섬유를 통과하는 레이저 빔의 강도가 증폭될 수 있다.
도 15 및 도 16은 도 7과 같은 굴절률 분포를 갖는 광섬유를 통해 가우시안 강도분포의 레이저 빔이 증폭되는 결과를 나타낸 도면이다. 도 15는 레이저 빔의 강도변화를 3차원 적으로 나타낸 것이며 도 16은 광섬유 중심축에서 레이저 빔의 강도변화를 그래프로 나타낸 것이다. 도 15 및 도 16을 참조하면, 도 7과 같은 굴절률 분포를 갖는 광섬유에서 가우시안 강도분포의 레이저 빔이 증폭될 때 레이저 빔의 왜곡현상으로 레이저 빔의 강도분포가 더 이상 가우시안 분포를 만족하지 않게 됨을 알 수 있다. 또한 이에 따라 레이저 빔이 코어부재 내부에 한정되지 않고 클래드에도 레이저 빔의 강도분포가 발생하면서 에너지 손실이 발생할 수 있다. 또한 레이저 빔의 집속현상이 일어남에 따라 광섬유의 소재가 파손될 수 있다.
도 17은 예시적인 실시예에 따른 광섬유를 통해 가우시안 강도분포의 레이저 빔이 증폭되는 결과를 나타낸 도면이다.
도 17을 참조하면, 레이저 빔의 증폭이 일어나더라도 레이저 빔이 계속해서 가우시안 형태의 강도분포를 나타냄을 알 수 있다. 이는 레이저 빔의 왜곡현상이 일어나더라도 광섬유가 가우시안 형태의 1차모드 레이저 빔만 기준강도 이상으로 유지하고 나머지 고차모드 레이저 빔은 기준강도 미만으로 감쇠시켜 버리기 때문이다. 또한 도 17에서 나타낸 바와 같이 실시예에 따른 광섬유에서는 클래드(120)에서의 레이저 빔 강도분포가 나타나지 않는다. 그리고 도 17에서 나타난 바와 같이, 실시예에 따른 광섬유 안에서는 레이저 빔의 집속현상이 일어나지 않기 때문에 광섬유의 소재 파손 또한 방지할 수 있다.
도 18은 도 5의 굴절률 분포를 갖은 일반적인 gain-guided and index-antiguided (GG+IAG) 광섬유와 예시적인 실시예에 따른 광섬유에 같은 크기의 에너지를 가지는 레이저 빔을 입사했을 때 출력 레이저 빔의 강도 차이를 나타낸 도면이다. 도 18에서 입사되는 레이저 빔의 파워는 10mW로 설정되었다. 또한 실시예에 따른 광섬유 및 GG+IAG 광섬유에서 소 신호 이득 계수(small signal gain coefficient)는 모두 3/cm로 설정되었다.
도 18을 참조하면, GG+IAG 광섬유는 길이가 대략 300mm일 때 광섬유에 입사된 10mW의 레이저 빔이 0.35W로 출력되었다. 반면, 같은 조건에서 실시예에 따른 광섬유는 8.84W의 레이저 빔을 출력하였다. 따라서 실시예에 따른 광섬유는 GG+IAG 광섬유보다 고출력으로 레이저 빔을 출력할 수 있다.
이상에서 도 1내지 도 18을 참조하여 예시적인 실시예들에 따른 광섬유 및 비교예들에 관하여 설명하였다. 이하에서는 예시적인 실시예에 따른 광섬유를 이용한 레이저 빔 전송방법 및 광섬유의 제조방법에 관하여 설명한다.
예시적인 실시예에 따른 광섬유는 다양한 물질 및 제조방법을 이용하여 제조될 수 있다.
예를 들어, 코어부재(110) 및 클래드(120)는 실리카, 불소지르콘산염(fluorozirconate), 플루오로알루미네이트(fluoroaluminate) 및 칼코게나이드(chalcogenide) 중 적어도 하나를 포함하는 유리 조성물로부터 만들어질 수 있다. 위의 물질들은 예시적인 것에 불과할 뿐 이에 제한되는 것은 아니다. 또한 코어부재(110) 및 클래드(120)의 굴절률 분포는 이중 도가니, 봉이든 튜브(rod-in-tube) 및 불순물 증착 실리카(Doped Deposited Silica : DDS) 공정 중 적어도 하나를 포함하는 공정을 통해 제조될 수 있다. 위의 공정들은 예시적인 것에 불과할 뿐 이에 제한되는 것은 아니다. 이중 도가니 공정에서는 녹아 있는 상태의 코아 유리가 안쪽 용기에 담겨 있고 바깥 용기에는 용융 상태의 클래드 유리가 있다. 두 종류의 유리가 바깥 용기의 바닥으로 나오면서 유리 코어-클래드를 형성하고 용융상태의 혼합물을 뽑아 광섬유를 만든다. 봉이든 튜브(rod-in-tube) 공정에서 코어 유리 막대는 클래딩 유리 튜브 속에 들어있고 이를 파이버 방사를 통해 길게 뽑아냄으로써 원하는 굴절률 분포를 가지는 광섬유를 만들 수 있다. 또한 불순물 증착 실리카 공정은 유리 조성물을 증착시켜 광섬유를 만들 수 있다. 이러한 증착 공정에는 바깥 증착, 축 증착, 안쪽 증착 공정 등이 포함될 수 있다. 위의 제조공정 및 물질들은 예시적인 것에 불과하며 이에 제한되는 것은 아니다.
도 19는 예시적인 실시예에 따른 광섬유를 이용한 레이저 빔 전송방법을 나타낸 흐름도이다. 도 19에서 나타낸 빔 전송방법에서는 도 1 내지 도 18을 참조하여 전술한 실시예들에 따른 광섬유가 이용될 수 있다.
도 19를 참조하면, 예시적인 실시예에 따른 광섬유를 이용한 레이저 빔 전송방법은 레이저 빔을 상기 광 섬유에 입사하는 단계(S2010), 상기 레이저 빔 가운데 1차 모드 레이저 빔은 기준강도 이상으로 유지하고 나머지 고차모드 레이저 빔은 기준강도 미만으로 감쇠 시키는 단계(S2020); 및 동시에 상기 레이저 빔을 상기 광섬유 안에서 전송시키는 단계(S2030)를 포함할 수 있다.
여기서 기준강도는, 도 2를 참조하여 설명한 바와 같이 레이저 가공의 품질을 고려하여 설정될 수 있다. 예를 들어, 요구되는 레이저 가공품질이 높을수록 상기 고차모드 레이저 빔에 대한 기준강도는 더 낮은 값을 가질 수 있다. 기준강도가 낮게 설정될수록 광섬유를 통과하는 다중모드의 레이저 빔은 단일모드, 즉 1차모드 레이저 빔에 더 가깝게 변화되어 출력될 수 있다. 상기 기준강도는 전술한 고차모드 레이저 빔의 집속현상을 고려하여 설정될 수도 있다. 즉, 고차모드 레이저 빔은 광섬유 안에서 집속현상을 일으켜 광섬유를 파손시킬 수 있기 때문에 광섬유 파손을 방지하기 위해 요구되는 고차모드 레이저 빔의 감쇠정도를 고려하여 상기 기준강도가 다르게 설정될 수 있다. 또한 상기 기준강도는 다중모드 레이저 빔의 각 모드 별로 다르게 설정될 수도 있다. 예를 들어, 고차모드 레이저 빔 가운데에서도 차수가 높은 레이저 빔과 차수가 낮은 레이저 빔에 대해 기준강도가 서로 다르게 설정될 수 있다.
도 19의 레이저 빔을 전송시키는 단계(S2030)는 레이저 빔의 파워를 증폭하는 단계를 포함할 수 있다. 증폭작용을 위해 실시예에 따른 광섬유에 레이저 다이오드, 광 분리기(optical isolator)등의 광 소자를 결합시킬 수 있다. 또한 광섬유의 코아부재에 첨가된 이득매질에 의한 광 펌핑 작용에 의해 레이저 빔 증폭이 이루어질 수도 있다. 상기 이득 매질은 예시적으로 이터븀(Yb), 네오디뮴(Nd), 어븀(Er), 툴륨(Tm) 등과 같은 희토류 원소들로부터 얻은 활성 이온(active ion)들이 포함할 수 있다. 또한 상기 이득 매질은 예시적으로 크롬(Cr), 티타늄(Ti) 등과 같은 전이금속 원소들로부터 얻은 활성 이온(active ion)들을 포함할 수도 있다. 이는 예시적인 것에 불과할 뿐 코어부재(110)에서 진행하는 레이저 빔의 강도를 증폭할 수 있는 임의의 매질이 코어부재(110)에 첨가될 수 있다. 레이저 빔 증폭단계를 통해 도 17 및 도 18에서 나타낸 바와 같이 고출력 레이저 빔을 광섬유로부터 증폭 할 수 있다.
도 20은 예시적인 실시예에 따른 광섬유 제조방법을 나타낸 흐름도이다.
도 20을 참조하면, 예시적인 실시예에 따른 광섬유 제조방법은, 중심으로부터 반경이 커질수록 실질적으로 굴절률이 감소하는 코어부재(110)를 형성하는 단계(S2110) 및 코어부재(110)를 둘러싸는 클래드(120) 형성하는 단계(S2120)를 포함할 수 있다. 또한 클래드를 형성하는 단계(S2120)는, 상기 코어부재(110)와 상기 클래드(120)가 만나는 코어-클래드 경계(20)에서 상기 클래드(120)의 굴절률이 코어부재(110)의 굴절률보다 크도록 할 수 있다.
광섬유 제조방법에 의해 제조되는 광섬유는 도 2, 도10 내지 도 14를 참조하여 나타낸 굴절률 분포를 모두 가질 수 있다. 이를 위해 클래드를 형성하는 단계(S2120)는, 클래드(120)의 굴절률이 일정하도록 클래드(120)를 형성할 수 있다. 다른 예로 상기 클래드(120)를 형성하는 단계(S2120)는, 내측으로부터 반경이 증가할수록 굴절률이 감소하도록 상기 클래드(120)를 형성할 수 있다. 또 다른 예로 상기 클래드(120)를 형성하는 단계(S2120)는, 내측으로부터 반경이 증가할수록 굴절률이 증가하도록 상기 클래드(120)를 형성할 수 있다.
상기 코어부재(110)를 형성하는 단계(S2110)는, 코어부재(110)의 중심에서의 굴절률이 코어-클래드 경계(20)에서 클래드(110)의 굴절률보다 크도록 할 수 있다. 다른 예로 상기 코어부재(110)를 형성하는 단계(S2110)는, 코어부재(110)의 중심에서의 굴절률이 코어-클래드 경계(20)에서 클래드(110)의 굴절률보다 작도록 할 수 있다.
코어부재(110)를 형성하는 단계(S2110) 및 클래드(120)를 형성하는 단계(S2120)는 이중 도가니, 봉이든 튜브(rod-in-tube) 및 불순물 증착 실리카(Doped Deposited Silica : DDS) 공정 중 적어도 하나를 포함하는 공정을 통해 제조될 수 있다. 이중 도가니 공정에서는 녹아 있는 상태의 코아 유리가 안쪽 용기에 담겨 있고 바깥 용기에는 용융 상태의 클래드 유리가 있다. 두 종류의 유리가 바깥 용기의 바닥으로 나오면서 유리 코어-클래드를 형성하고 용융상태의 혼합물을 뽑아 광섬유를 만든다. 봉이든 튜브(rod-in-tube) 공정에서 코어 유리 막대는 클래딩 유리 튜브 속에 들어있고 이를 파이버 방사를 통해 길게 뽑아냄으로써 원하는 굴절률 분포를 가지는 광섬유를 만들 수 있다. 또한 불순물 증착 실리카 공정은 유리 조성물을 증착시켜 광섬유를 만들 수 있다. 이러한 증착 공정에는 바깥 증착, 축 증착, 안쪽 증착 공정 등이 포함될 수 있다.
이상의 설명에서 많은 사항들이 구체적으로 기재되어 있으나, 그들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다 바람직한 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 때문에 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.

Claims (26)

  1. 중심으로부터 반경이 커질수록 실질적으로 굴절률이 감소하는 코어부재;
    상기 코어부재를 둘러싸도록 마련되는 클래드;를 포함하며,
    상기 클래드는, 상기 코어부재와 상기 클래드가 만나는 코어-클래드 경계에서 상기 코어부재의 굴절률보다 높은 굴절률을 가지는 광섬유.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 코어부재에서 전송되는 레이저 빔의 강도를 증폭하기 위해 상기 코어부재에는 이득매질이 포함되어 있는 광섬유.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 이득매질은 희토류 원소 및 전이금속 원소 중 적어도 하나로부터 얻어진 활성 이온(active ion)을 포함하는 광섬유.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 희토류 원소는 이터븀(Yb), 네오디뮴(Nd), 어븀(Er) 및 툴륨(Tm) 중 적어도 하나를 포함하고, 상기 전이금속은 크롬(Cr) 및 티타늄(Ti) 중 적어도 하나를 포함하는 광섬유.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 코어부재 및 상기 클래드의 굴절률 분포는, 레이저 빔의 모드 차수가 높아질수록 감쇠계수가 커지도록 구성되는 광섬유.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 코어부재 및 상기 클래드의 굴절률 분포는, 다중모드 레이저 빔 가운데 1차 모드 레이저 빔은 기준강도 이상으로 유지되고 나머지 레이저 빔은 기준강도 미만으로 감쇠되도록 구성되는 광섬유.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 1차 모드 레이저 빔은 가우시안 함수 형태 또는 준 가우시안(quasi-gaussian) 형태의 강도분포를 가지는 광섬유.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 코어부재의 굴절률은 상기 중심으로부터 반경이 커짐에 따라 실질적으로 연속적으로 감소하는 광섬유.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 코어부재의 굴절률은 상기 중심으로부터 반경이 커짐에 따라 실질적으로 불연속적으로 감소하는 광섬유.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 코어부재와 상기 클래드의 경계에서 굴절률이 불연속적으로 변하는 광섬유.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 클래드는 내측으로부터 반경이 증가할수록 굴절률이 감소하는 광섬유.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 클래드는 내측으로부터 반경이 증가할수록 굴절률이 증가하는 광섬유.
  13. 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서,
    상기 클래드의 굴절률은 상기 클래드의 반경이 증가함에 따라 실질적으로 연속적으로 변화하는 광섬유.
  14. 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서,
    상기 클래드의 굴절률은 상기 클래드의 반경이 증가함에 따라 불연속적으로 변화하는 광섬유.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 클래드는 일정한 굴절률을 가지는 광섬유.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 코어부재의 중심에서의 굴절률은 상기 코어-클래드 경계에서 상기 클래드의 굴절률보다 큰 광섬유.
  17. 제 1 항에 있어서,
    상기 코어부재의 중심에서의 굴절률은 상기 코어-클래드 경계에서 상기 클래드의 굴절률보다 작은 광섬유.
  18. 제 1 항에 있어서,
    상기 코어-클래드 경계에서 상기 코어부재의 굴절률과 상기 클래드의 굴절률 차이는 상기 코어부재의 반경이 커질수록 작아지도록 구성되는 광섬유.
  19. 중심으로부터 반경이 커질수록 굴절률이 감소하는 코어부재와, 상기 코어부재를 둘러싸도록 마련되며, 상기 코어부재와 상기 클래드가 만나는 코어-클래드 경계에서 상기 코어부재의 굴절률보다 높은 굴절률을 가지는 클래드를 포함하는 광섬유를 이용한 레이저 빔 전송방법에 있어서,
    레이저 빔을 상기 광 섬유에 입사하는 단계;
    상기 레이저 빔 가운데 1차 모드 레이저 빔은 기준강도 이상으로 유지하고 나머지 레이저 빔은 기준강도 미만으로 감쇠 시키는 단계; 및
    상기 레이저 빔을 상기 광섬유 안에서 전송시키는 단계;를 포함하는 레이저 빔 전송방법.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 레이저 빔을 광섬유 안에서 전송시키는 단계는, 상기 1차 모드 레이저 빔의 파워를 증폭하는 단계를 포함하는 레이저 빔 전송방법.
  21. 중심으로부터 반경이 커질수록 실질적으로 굴절률이 감소하는 코어부재를 형성하는 단계; 및
    상기 코어부재를 둘러싸는 클래드 형성하는 단계;를 포함하며,
    상기 클래드를 형성하는 단계는, 상기 코어부재와 상기 클래드가 만나는 코어-클래드 경계에서 상기 클래드의 굴절률이 코어부재의 굴절률보다 크도록 하는 광섬유 제조방법.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 클래드를 형성하는 단계는, 상기 클래드의 굴절률이 일정하도록 상기 클래드를 형성하는 광섬유 제조방법.
  23. 제 21 항에 있어서,
    상기 클래드를 형성하는 단계는, 내측으로부터 반경이 증가할수록 굴절률이 감소하도록 상기 클래드를 형성하는 광섬유 제조방법.
  24. 제 21 항에 있어서,
    상기 클래드를 형성하는 단계는, 내측으로부터 반경이 증가할수록 굴절률이 증가하도록 상기 클래드를 형성하는 광섬유 제조방법.
  25. 제 21 항에 있어서,
    상기 코어부재를 형성하는 단계는, 상기 코어부재의 중심에서의 굴절률이 상기 코어-클래드 경계에서 상기 클래드의 굴절률보다 크도록 하는 광섬유 제조방법.
  26. 제 21 항에 있어서,
    상기 코어부재를 형성하는 단계는, 상기 코어부재의 중심에서의 굴절률이 상기 코어-클래드 경계에서 상기 클래드의 굴절률보다 작도록 하는 광섬유 제조방법.
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