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KR101238307B1 - 고출력 네오디뮴 광섬유 레이저 및 증폭기 - Google Patents

고출력 네오디뮴 광섬유 레이저 및 증폭기 Download PDF

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KR101238307B1
KR101238307B1 KR1020127009042A KR20127009042A KR101238307B1 KR 101238307 B1 KR101238307 B1 KR 101238307B1 KR 1020127009042 A KR1020127009042 A KR 1020127009042A KR 20127009042 A KR20127009042 A KR 20127009042A KR 101238307 B1 KR101238307 B1 KR 101238307B1
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아이피지 포토닉스 코포레이션
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Abstract

광섬유 블록은 Nd-도프된 능동 광섬유와 펌프 광을 능동 광섬유의 Nd-도프된 코어로 내보내기 위해 측면대 측면 구조에서 능동 광섬유를 따라 연장하는 스트레치를 갖는 펌프-광 전송 광섬유를 포함하는 광섬유 블록으로써 구성된다. 능동 광섬유의 코어는 코어와 같이 상대적으로 큰 면적의 중심 영역과 상대적으로 작은 입력 및 출력 영역을 갖는 이중 병목 단면을 갖는 적어도 하나 이상의 클래딩에 의해 둘러싸인다. 펌프 광 전달 광섬유는 능동 광섬유의 중심 영역과 동일하게 연장하는 상대적으로 작은 면적의 중심 영역을 갖는 실질적으로 덤벨 단면을 가지도록 구성된다. 능동 광섬유가 능동 광섬유의 전체 길이가 1060 nm 범위 내 증폭을 기설정된 임계치에 제한하면서 900 nm 범위 내 레이저 신호의 최대 증폭을 위해 제공하도록 치수화되어 구성된다. 광섬유 블록은 대부분의 비흡수 광을 가지도록 더 구성되고, 수동 광섬유의 상대적으로 큰 면적의 출력단 영역에서 지지되고, 그리고 이웃하는 광섬유 블록을 펌핑하기 위해 더 사용된다.

Description

고출력 네오디뮴 광섬유 레이저 및 증폭기{HIGH POWER NEODYMIUM FIBER LASERS AND AMPLIFIERS}
본 발명은 주 파장 및 기생 파장에서 방사선을 방출하도록 동작하는 고출력 광섬유 레이저 시스템("HPFLS")에 관한 것이다. 더욱 구체적으로, 본 발명은 기생 파장에서의 이득을 제한하면서 소정의 파장에서 방사선을 생성/증폭하도록 동작하는 Nd-도프된 광섬유들을 갖는 이득 블록 및 그 이득 블록의 응용에 관한 것이다.
880-960 nm 발광 범위에서 광을 방출하는 광섬유 레이저 시스템의 개발 및 전력 스케일링이 최근 강조되고 있는데, 이것은 이들 시스템이 다양한 산업적 응용을 발견하고 있기 때문이다. 예컨대, 그런 시스템들은 Yb-도프된 광섬유 레이저를 위한 강력한 펌프로서 기능할 수 있다. 또한, 이들 광섬유 레이저 시스템은 2차 고조파 발생의 실현-두 배의 주파수 및 그에 따른 반파장, 즉 450-470 nm의 발생과 관련된 비선형 광학 처리를 위하여 사용된다. 이 범위에서 동작하는 레이저 시스템은 "블루(blue)" 레이저라고 알려져 있다.
880-960 nm 발광 스펙트럼 범위에 대응하는 네오디뮴 이온의 4F3/2-4I9 /2 전이가 그라운드 상태에서 종결된다는 것은 잘 알려진 것이다. 그러므로, 이 스펙트럼 범위의 신호는 그라운드 상태 흡수가 가해지고, 결과적으로 높은 반전 분포가 이 스펙트럼 범위에서 합리적인 이득을 얻기 위하여 요구되며, 이것은 기생 1060 nm 파장 근처에서 극히 높은 이득을 발생시킨다. 두 개의 가장 일반적인 방법이 이 문제를 해결하기 위하여 종래부터 사용되고 있다.
공지된 방법 중의 하나는 광섬유 내의 활성 이온의 농도 및 능동 광섬유의 길이를 감소시키는 것에 근거하고 있다. 이 방법의 실현은 일반적으로 펌프 방사선의 효과적 흡수를 위하여 매우 큰 코어 직경을 갖는 광섬유를 사용을 필요로 한다. 결과적으로 이것은 더 고차 모드의 이득의 실질적인 증가를 수반한다. 1060 nm에서의 높은 기생 이득의 효과와 고차 모드 증폭의 성장은 서로 중첩되어서 1060 nm에서의 더 고차 모드들에 대한 이득의 파괴적 성장을 가져온다는 것에 주목해야 한다. 이러한 제한은 코어/클래딩 굴절률 차를 감소시키고 장파장 스펙트럼 범위에서의 더 고차 모드 및 심지어 기본 모드에 대한 굽힘 손실을 유도함으로써 극복할 수 있다.
널리 사용되는 또 다른 실행 방법은 w-프로파일 능동 광섬유의 사용을 통하여 장파장 범위에서의 능동 광섬유의 기본 모드의 억제에 근거하고 있다. 일반적으로, 이 방법은 매우 작은 코어 직경을 갖는 능동 광섬유를 사용할 것을 요구한다. 이것은 합리적인 펌프 흡수를 갖고 그 결과, 수백 dB에 도달할 수 있는 1060 nm 스펙트럼 범위에서의 높은 기생 이득을 갖기 위에 필요한 높은 농도의 활성 이온의 사용을 수반한다. 이것은, w-프로파일 능동 광섬유에서의 억제가 수백 dB를 초과해야 함을 의미하며, 이는 실현하거나 모니터하기가 매우 어렵다. 이 밖에도, 그런 높은 농도의 네오디뮴 이온은 펌프 반전 효율의 감소를 발생시킨다. 또한, 작은 코어 직경에 대응하는 모드 필드 직경의 압축은 비선형 현상의 임계를 낮추게 한다. 상술한 모든 이유가 900 nm 범위의 고성능 및 고출력 네오디뮴 광섬유 레이저의 실현을 방해한다.
정리하면, Nd-도프된 광섬유에 기초하는 이득 블록은 각각의 신호 및 기생 파장에서의 증폭을 특징으로 한다. 900 nm 범위에 있는 신호 파장에서의 소정값의 이득에서 1060 nm 범위에 있는 기생 파장에서의 이득은 Nd-도프된 광섬유의 전체 길이 및 활성 이온의 농도의 함수이다. 일반적으로, 광섬유 길이 및 농도가 증가함에 따라, 기생 범위에서의 이득은 증가하며 동작 파장 범위에서의 이득은 감소한다.
Nd-도프된 광섬유 내의 이득 블록에서의 펌프 흡수는 또한 Nd-도프된 광섬유의 길이 및 활성 이온의 농도에 비례한다. 그러므로, 더 큰 길이와 더 높은 Nd 이온 농도를 가짐으로써 펌프 흡수를 증가시키는 것은 필연적으로 기생 증폭의 성장및 동작 파장에서의 이득 감소를 가져온다.
따라서, 도펀트 농도의 증가 및 능동 광섬유 길이의 증가 필요 없이, 펌프 광 흡수가 개선된 Nd-도프된 광섬유에 기초하는 이득 블록과 그 블록을 제조하는 방법에 대한 요구가 있다.
또한 네오디뮴 광섬유 이득 블록이 설치된 고성능 및 고출력 광섬유 레이저 시스템에 대한 요구도 있다.
게다가 이득 블록의 방사선의 2차 또는 더 높은 고조파를 생성하기 위하여 네오디뮴-도프된 광섬유 이득 블록에 기초하는 광섬유 레이저 시스템에 대한 요구도 있다.
다양한 발명의 광학 방법으로 개시된 Nd-도프된 블록의 구성 및 그 블록의 적용이 이러한 요구들을 만족시킨다. 본 발명의 이득 블록은 사이드-펌핑("SP") 구조로 구성되어 있으며, 이 사이드-펌핑 구조는 각 대향 측면을 따라서 서로 광학적으로 결합되어 있는 고정된 길이의 Nd-도프된 능동 광섬유와 수동 펌프 전송 광섬유를 포함한다. SP 구조는 흡수 영역의 전체 펌프 안내 클래드 면적(Aclad)에 대한 능동 광섬유의 코어 면적(Ac) 사이의 높은 비율로 구성된다. 알려진 바와 같이, 그 비율이 클수록 펌프 광 흡수가 증가된다. 따라서 각 능동 및 전송 광섬유의 구성은 900 nm 범위의 소정 파장에서 펌프 광의 고효율의 흡수와 높은 이득을 제공한다. 동시에, 1060 nm 범위에서 기생 이득은 합리적인 임계를 초과하지 않는다.
특히, 길게 연장된 펌프 전송 광섬유 및 능동 광섬유 중 적어도 하나는 가변 직경을 갖는 축 단면을 구비하도록 구성된다. 개시된 블록의 구성들 중 하나는 두 개의 이격된 작은 면적의 단부 영역과 큰 면적의 중심 영역에 의하여 정의되는 이중 병목 형상을 갖는 능동 광섬유를 포함하는 반면, 전송 광섬유는 대향하는 큰 면적의 단부 영역들 사이에 연장된 작은 면적의 중심 영역을 갖는 덤벨 형상을 갖는다. 다른 구성은 축을 따라 가변 직경을 갖는 능동 또는 펌프 전송 광섬유 중 하나를 포함하는 반면 다른 광섬유는 축방향으로 균일 형상의 단면을 갖도록 남겨진다. 개시된 구성들 모두에 공통적인 것은, 각 광섬유의 중심 영역이 펌프 광 흡수율을 증가시키도록 선택된 코어 면적과 전체 클래드 면적 사이의 비율로 구성된 구조를 포함한다는 것이다. 동시에, 능동 광섬유는 기생 파장의 이득을 기설정된 합리적인 값으로 제한하는 가능한 가장 짧은 길이로 구성된다. 그러므로, 본 발명의 이득 블록 및 그 제조 방법은, 상술한 기술과 달리, 펌프 광 흡수를 개선하기 위하여 더 높은 농도와 더 긴 광섬유 길이를 필요로 하지 않는다.
그러나, 코어 및 전체 클래드 면적 사이의 비율이 증가되었다고 할지라도, 펌프 광의 일부분은 일반적으로 흡수되지 않고 남아서 충분히 활용되지 않는다. 물론 이것은 이득 블록의 효율을 감소시킨다. 그러므로, 본 발명의 펌핑 장치는, 비흡수 광이 초기의 통과 후에 코어의 중심 흡수 영역을 통하여 사용되도록 구성된다. 본 발명의 펌핑 장치 중 하나는 비흡수 광이 동일한 흡수 영역으로, 그러나 초기의 것과는 반대 방향으로 되돌아오도록 구성된다. 다른 구성은 비흡수 펌프 광을 펌핑을 위하여 사용되는 이웃하는 이득 블록으로 안내하도록 제공된다.
본 명세서 내에 포함되어 있음.
아래의 첨부 도면에 대한 설명에 의해 상술한 특징 및 장점들이 더욱 분명하게 될 것이다.
도 1은 개시된 광섬유 블록의 개략도이다.
도 2는 도 1의 광섬유 블록의 SP 배열의 일 구성이다.
도 3은 도 1의 광섬유 블록의 능동 광섬유의 변환 구성이다.
도 4는 도 1의 광섬유 블록의 SP 배열의 다른 구성이다.
도 4a는 도 4의 광섬유 블록의 다른 구성의 개략도이다.
도 4b는 도 4의 광섬유 블록의 또 다른 구성도이다.
도 5는 도 1의 광섬유 이득 블록으로 구성된 개시된 인라인 광섬유 레이저 시스템의 개략도이다.
도 6은 도 1의 광섬유 블록으로 구성된 본 발명의 고출력 레이저 시스템의 다른 구성의 개략도이다.
도 7은 도 5 및 6의 레이저 시스템들의 출력 신호 스펙트럼이다.
도 8은 도 1 내지 4의 개시된 광섬유 블록으로 구성된 블루 레이저의 개략도이다.
도 9는 도 1 내지 4의 광섬유 블록으로 구성된 펌프를 갖는 고출력 광섬유 레이저 시스템의 개략도이다.
첨부 도면에 도시된 본 발명의 몇 가지 실시예들을 이하 상세히 언급할 것이다. 가능하다면, 동일 또는 유사한 참조번호는 동일 구성요소 또는 단계를 나타내기 위해 도면과 상세한 설명에 사용된다. 도면은 간략한 형태이고 정확한 스케일을 필요로 하지 않는다. 용어 "결합", "동작 가능하게 연결된", 그리고 유사한 용어들은 반드시 직접 연결만을 인용하는 것이 아니라 매개 구성요소 또는 장치를 통한 연결을 또한 의미한다.
도 1은 광섬유 증폭기 또는 광섬유 레이저로 구성되고 복합 도파관을 포함하는 광섬유 블록(10)을 개략적으로 도시한다. 도파관은, 예를 들어 멀티-모드(MM), 멀티-클래드 능동 광섬유(24)로 구성된다. 광섬유 블록(10)은 또한 능동 광섬유(24)의 각 대향 단부에 맞붙여 이어진 싱글 모드(SM) 입출력 수동 광섬유들(14 및 16)을 더 포함한다. 하나 이상의 광원으로 구성된 펌프(25)는 코어 없는 MM 펌프 광 전송 수동 광섬유(28)로 결합된 펌프 광을 방출하도록 동작하며, 수동 광섬유(28)는 능동 광섬유(24)의 스트레치(stretch)에 동작 가능하도록 열-기계적으로 결합된 스트레치를 구비하여, 이 결합된 스트레치들이 결합 영역을 정의한다. 펌프 광은 능동 광섬유(24)로 나아가게 되고 결합 영역을 따라 광섬유의 도프된 코어의 이득 매체에 의해 적어도 부분적으로 흡수된다. 필요하다면, 결합된 광섬유들은 그에 가해진 외력에 반응해서 서로 떨어질 수 있다. 900 nm 파장 범위의 소정의 이득과 1060 nm 범위의 합리적인 이득을 제공하도록 주어진 농도의 Nd 이온들이 능동 광섬유의 코어로 주입된다.
폴리머 코팅(26)은 광섬유들(24, 28)을 둘러싸고 실질적으로 전체 결합 영역을 따라 그 광섬유들(24 및 28)에 동작가능하게 연결된다. 코팅(26)과 각각 결합하는 광섬유들(24, 28)은 SP 구성의 필수적인 구성요소이다.
도 2는 광섬유 블록(10)의 능동 광섬유(24)와 펌프 광 전송 수동 광섬유(28)의 각각의 기하학적 구조의 일 태양을 도시한 것이다. 능동 광섬유(24)의 코어(12)는 코어와 함께 연장하는 다중 클래딩(42)(하나만 도시됨)에 의해 둘러싸여질 수 있다. 능동 광섬유(24)의 기하학적 구조, 즉 길이방향 광섬유 축을 따른 코어(12) 및 클래딩(42)의 각 단면은 이중 병목 형상의 단면을 갖는다. 후자는 좁은 입력 단부 영역(36)과, 입력 영역의 면적보다 더 큰 면적(Acore)을 갖는 균일하게 치수화된 흡수 중심 또는 중앙 영역(38)과, 그리고 단부 영역과 중앙 코어 영역을 연결하는 원뿔대형 입력 변환 영역(46)을 포함한다. 이중 병목 단면을 완성하기 위해, 코어(12)는 원뿔대형 출력 변환 영역과 출력 단부 영역을 더 갖는다. 코어(12)는 단일 횡 모드 또는 다중 모드를 지원할 수 있다.
코어의 흡수 영역(38)의 코어 면적(Acore)이 증가하는 반면에, 코어 없는 전송 광섬유(28)의 중심 또는 중앙 영역(44)의 면적과 결과적으로 전체 클래드 면적(Aclad)은 감소한다. 일반적으로, 전송 광섬유(28)의 단면은 상대적으로 작은 면적의 중심 영역과 상대적으로 큰 면적의 단부 영역을 특징으로 하는 임의의 형상을 나타내는 덤벨 형상의 단면으로 또한 언급된다. 각 광섬유의 증감 계수들은 임의적이지 않다. 계수들은 중심 영역의 전체 클래드 면적이 바람직하게는 도 2의 전체 SP 구조의 입력 단부의 전체 클래드 면적과 동일하도록 선택된다. 후자는 펌프 광의 출력 밀도 및 그에 따른 후자의 개구수가 변하지 않고 남아있도록 한다; 다시 말하면, 이 구조는 증가된 펌프 광 손실을 가질 것이다.
일반적으로, 후자가 상대적으로 작은 개구를 유지한다고 가정하면, 광섬유의 클래드 면적의 축소가 이 광섬유의 개구수(NAaf)를 증가시킨다는 사실에 근거하여 전송 광섬유(28)의 감소 계수를 결정한다. 예를 들어, 전송 광섬유(28)가 0.1의 NApump, 즉 펌프 전송 광섬유로 결합된 레이저 다이오드 또는 레이저 다이오드들의 결합에 의한 펌프 방출의 NA를 유지하고 광섬유(24)가 NA=
Figure 112012036346391-pct00001
=0.4를 갖는다고 가정하자. 여기서, nclad 및 ncoat는 각각 클래딩과 코팅의 계수이다. 다음으로, 실제 펌프 광 손실 없이 전체 클래드 면적이 감소될 수 있는 최대 계수(k)는 k=(Naf/Ndel)2=(0.4/0.1)2=16이다.
어떤 상황에서, 이득 또는 광섬유 블록(10)은 1060 nm 범위에서 이득을 제한하면서 900 nm 소정 범위에서 강력한 방사선을 방출할 뿐만 아니라 소정 개수의 모드들을 거의 가질 수 있는 방사선을 출력하는 것이 바람직하다. 종종, 광섬유 레이저 시스템에 의해 방사된 고품질 광은 극소수 또는 심지어 실질적으로 단일, 바람직하게는 기본 모드를 필요로 한다. SM 수동 광섬유들(14, 16) 각각의 모드 필드 직경(MFD) 및 이 경우 MM 구조를 가지는 코어(12)에 의해 지지된 기본 모드가,서로 매우 일치한다면 실질적으로 기본 모드 또는 극소수 모드만의 여기가 일어난다. 따라서, 능동 광섬유(24)의 대향 단부들은, 이러한 광섬유들 사이의 이어 붙임 영역을 통해 SM이 전파함에 따라, 입력 광섬유(14)에 의해 지지된 SM 모드가 MM 코어(12)에서 실질적으로 기본 또는 극소수 모드를 여기시키도록 구성된다.
도 3은 1060nm 부근의 기생 파장에서 수용할 수 없는 이득을 제한하면서 900nm 범위의 동작 파장에서 소정 이득을 갖는 방사선을 방출하도록 단위 길이당 펌프 광의 향상된 흡수를 제공하는, 도 2의 SP 구조의 변형을 설명한다. 능동 광섬유(50)는 균일하지만 확장되지 않은 클래딩 직경(42)으로 구성되어 있으나, 코어(12)는 병목 또는 이중 병목 형상의 단면을 갖는 구성을 갖는다. 코어 없는 펌프-광 전송 MM 수동 광섬유가 결합 영역을 따라서 감소되는 면적으로 도시되어 있다. 따라서, 코어(12)의 면적(Acore)과 전체 클래딩 면적(Aclad), 즉 각 능동, 수동 및 슬리브 광섬유의 클래딩 면적의 합이 되는 면적 사이의 비율이 상대적으로 높으며, 소정 파장에서의 흡수가 향상된다.
상술한 도파관의 구성들을 간단히 요약하면, 구조적 조합은, 축방향으로 이중 병목 형상 단면으로 구성된 코어가 제공된 능동 광섬유와 축방향으로 균일 형상 단면을 구비한 수동 광섬유, 또는 축방향으로 균일 형상 단면을 갖는 코어를 구비한 능동 광섬유와 축방향 덤벨 형상 단면을 갖는 수동 광섬유, 또는 축방향으로 이중 병목 형상 단면을 갖는 코어를 구비한 능동 광섬유와 덤벨 단면을 구비한 수동 광섬유로부터 선택될 수 있다. 상술한 구조적 조합 모두는, 능동 및 전송 광섬유들의 중심 영역들이, 능동 광섬유가 기생 파장에서의 이득을 기설정된 임계값으로 제한하면서 동작 파장에서 소정 이득을 허용하는 한 가능한 짧은 길이를 갖도록 하는 중심 코어 영역에서의 펌프 광 흡수율을 제공하도록 구성된 발명적 개념을 구현한다.
일반적으로, 모든 펌프 광이 능동 광섬유의 코어의 이득 매체에 의하여 흡수되지는 않는다. 펌프 광이 초기에는 능동 광섬유(24)의 입력단 영역으로만 결합되는 구성에서, 수동 전송 광섬유(28)의 출력단 영역의 면적이 능동 광섬유(24)의 출력 영역의 면적보다 N배 더 크게 구성된다. 능동 및 수동 광섬유의 각 면적 사이의 상술한 관계는 결합 영역의 단부에서 비흡수 광이 능동 및 수동 광섬유 사이에 분포되게 한다. 그러므로, 수동 전송 광섬유(28)는 능동 광섬유(24)의 출력단보다 N배 더 많은 비흡수 펌프 광을 가지게 될 것이다. 바람직하게는, 전송 광섬유(28)의 출력단 영역의 면적은 광섬유(24)의 출력단 영역의 면적보다 약 7 내지 약 10 배 더 크다. 구조적으로, 전송 광섬유의 대향하는 입력단 및 출력단은 균일한 형상과 크기를 가질 수도 있으며, 균일하지 않을 수도 있다. 유사하게, 능동 광섬유의 대향하는 작은 면적 단부 영역은 균일하게 구성될 수도 있으며, 그렇지 않을 수도 있다.
수동 광섬유(28)에 결합된 비흡수 펌프 광은 이하에 설명되는 바와 같이, 다음 번의 이득 블록을 펌핑하기 위하여 재사용될 수 있다. 선택적으로, 나머지 펌프 광은 능동 광섬유(24)를 펌핑하기 위하여 반사기(27)에 의하여 반대 방향으로 재반사될 수 있다. 반사기(27)는 광섬유 미러, 벌크 미러 또는 다른 것으로서 구성될 수 있다.
도 4는 능동 광섬유(54)의 측면에 배치된 두 개의 수동 광섬유(52, 56)로 구성된 이득 블럭(10)의 SP 구성의 다른 변환을 설명한다. 능동 광섬유(54)는 소정 파장과 기생 파장에서 방사선을 생성/증폭할 수 있는 Nd 도펀트와 같은 이득 매체로 도프된 MM 코어를 갖는다. 펌프 광은 동일한 방향으로, 바람직하게는 신호 광의 전방-전파 방향에 반대 방향으로, 두 개의 수동 광섬유(52, 56)에 각각 결합될 수 있다. 수동 광섬유(52, 56)의 기하학적 형상은 도 2의 전송 수동 광섬유(28)의 형상에 대응하며, 따라서 덤벨 형상의 단면을 갖는다. 선택적으로, U-형상의 형태로 배열된 단일 수동 광섬유는 능동 광섬유(54)의 중앙 영역을 따라서 연장되는 다중 이격된 작은-면적의 중앙 영역들로 사용될 수도 있다. 능동 광섬유(54)의 구성은 도 2 및 도 3에 도시된 것 중 하나 일 수 있다. 도 4의 SP 구성의 구조는, 도 4a에 도시된 바와 같이 각 광섬유의 종축에 대하여 가로지르는 평면에 정렬된 모두 3개의 광섬유들을 가질 수 있다. 선택적으로, 광섬유는 그 가로지르는 평면에 도 4b의 삼각형을 형성하도록 배치될 수 있다. 광섬유는 서로 결합된 각각의 함께 연장하는 길이방향의 중앙 영역을 갖는다.
수동 전송 광섬유(52, 56)는 각각, 광이 처음 통과하는 중, 예를 들어 수동 광섬유(52)로부터 수동 광섬유(56)로 통과하는 중에 비흡수 펌프 광을, 광섬유(56)에서 광섬유(52)로 반대 방향으로 통과하는 중에 다시 흡수되도록 결합되어 있는 각 펌프로부터 이격된 말단 단부들을 갖는다. 따라서, 펌프 광의 흡수는 이 도시된 구성에서 크게 강화된다. 바람직하게는 각 수동 광섬유의 말단 단부는, 각 전송 광섬유의 입력 단부 영역으로부터 떨어져 있는 코어 단부 영역의 근방에서 결합되어 있다.
요약하면, 상술한 모든 실시형태는 다음의 예에 의하여 설명될 수 있다. 이득 블록이 특정 농도(PPMx)의 Nd 이온으로 도프된 코어를 갖는 광섬유로 구성된다고 가정한다. 그 이득 블록은 920 nm 파장에서 5 dB 이득은 생성하지만 기생파장에서 30 dB 보다 큰 이득을 갖지 않을 것이 요구된다. 동작 파장 및 기생 파장에서 타겟 이득 및 도펀트 농도를 알고 있다면, Nd 광섬유의 전체 최소 가능 길이는 30/PPMx를 초과하면 안 된다. 기생 파장에서 이미 설정된 이득을 제한하는 Nd-도펀트 광섬유의 최소 가능 길이를 결정했다면, 이제 920 nm의 파장에서 5 dB의 이득을 갖기 위하여 결정된 길이에 따른 최대 흡수율을 제공할 필요가 있다.
도 5는 전형적인 MOPA 구성을 갖는 고출력의 인라인 광섬유 레이저 시스템(65)을 도시한다. 시스템(65)은 소정 파장(λ1), 예를 들어 918 nm의 신호를 출력하는 발광원(seed source)을 포함하며, 이는 Nd-도프된 능동 광섬유(62)로 광을 전송하는 수동 광섬유(64)와 결합된다. 펌프(25)는 부스터 이득 블록(63)의 능동 광섬유(62)에 결합되는, 예를 들어 808 nm 파장의 펌프 광을 생성하는 하나 또는 복수의 레이저 다이오드를 구비할 수 있다.
상기 개시된 실시형태들 중 하나에 따라 구성된 전치 증폭기(62, preamplifier)는 소정의 918 nm와 기생 1060 nm 파장에서 광신호에 대한 이득을 제공한다. 광신호는 기생 주파수를 필터링하여 기생 주파수와 메인 주파수를 구별하도록 동작하는 필터 요소(66)에 결합된다. 필터(66)는 긴 주기의 또는 경사진 광섬유 격자를 가진 수동 광섬유, 사마륨(Sm3+)이나 당업자에게 알려진 다른 유사기능의 도펀트 농도 증가를 가진 수동 광섬유, W 굴절률 프로파일을 갖는 광섬유 또는 큰 부피의 광학 장치로부터 선택될 수 있다. 필터된 광은 또한 차단기(68)와 결합되며 차단기는 반사된 방사선이 상위 광요소로 전파되는 것을 방지한다.
마지막으로, 광은 상기 개시된 SP 구조의 변형에 따라 구성된 이득 블록(63)을 포함하는 부스터 스테이지와 결합한다. 부스터 스테이지는 레이저 다이오드에 의해 펌핑된다. 모든 수동 광섬유와 능동 광섬유는 상호 접합하며 실질적으로 서로 매칭된 개별 MFD들로 구성된다. 시스템(65)은 시험되었으며 181 W 펌프 출력 레벨에서 M2~1.05를 가진 900 nm 범위에서 102 W 이상의 최대 출력 전력을 보였다. 도 7은 레이저 시스템(65)의 출력 스펙트럼이며 소정 파장에서 실질적으로 증폭된 광과 기생 파장 범위에서 광신호의 제한된 증폭을 명백하게 도시한다.
도 6은 상술한 이득 블록들이 제공된 고출력 광섬유 레이저 시스템(70)의 다중 캐스케이드 각각의 구성을 나타낸다. 시스템(70)의 구성은 다음 증폭단의 능동 광섬유의 추가적인 펌프를 위해, 일 증폭단의 수동 펌프 전송 광섬유에 남아있는 펌프광의 효율적인 이용을 보여준다.
SM 수동 광섬유(78)는 원하는 파장(λ1)에서 신호전파를 지원하며 광을 이중 병목 형상을 가진 상위 이득 블록(75)의 Nd-도프된 이중 클래드 MM 광섬유(74)로 전달한다. 기생 주파수의 신호 광은, 증폭된 신호광이 수동 SM 필터(78) 내지 도 5의 필터(66)와 유사하게 구성된 필터(90)로 전파됨에 따라 추가로 필터링된다. 마지막으로, 소정 주파수에서 증폭된 광은 다른 SM 수동 광섬유(78)를 거쳐 전파하며 인접 이득 블록(85)의 Nd-도프된 이중 클래드 MM 광섬유(80)와 결합되어, 소정 파장범위에서 kPinput의 방사선을 방출하도록 증폭되며, 여기서 k는 이득 계수이다.
펌핑 어셈블리는 커플러(82)와 결합된 각각의 출력부를 갖는 복수의 광원을 포함하며, 커플러(82)는 신호의 방향과 반대 방향으로 펌프 광의 전파를 지원하는 코어 없는 MM 펌프 광 전송 광섬유(76)의 일 단부에 연결된다. 펌프 광은 SP 구성의 일측에서만 결합하며 전송 광섬유(72)에 남아있는 일부 광은 추가적으로 MM 수동 광섬유(84)와 결합한다. 결국, 잔여 펌프 광은 하위 이득 블록(85)의 코어 없는 MM 펌프 광 전송 광섬유(86)와 결합된다.
이득 블록(85)은 펌프 광 전송 광섬유(86)에 결합된 커플러(88)에 연결된 각각의 출력부를 갖는 하나 이상의 레이저 다이오드를 구비한 자신의 펌프 배열을 갖는다. 결과적으로, 펌프 광은 블록(85)의 능동 광섬유(80)의 클래딩과 결합하며 방향은 이득 블록(75)에서 전송되는 펌프 광 방향과 반대이다. 펌프 광 전송 광섬유(86)에 남아 있는 펌프 광은 상위 이득 블록(75)으로 더 안내되며 여기서 능동 광섬유(72)의 클래딩으로 내보내지고 능동 광섬유(72) 코어와 만나 흡수된다. 따라서, 펌프 광 구성은 각 펌프 광 전송 광섬유 출력에 남은 펌프 광이 능동 광섬유의 추가적인 펌프를 위해 다른 전송 광섬유로 전파되도록 한다.
도 7은 "블루" 광섬유 레이저 시스템을 도시한다. 도시된 바와 같이, 시스템은 Nd-도프된 클래딩 펌프 능동 광섬유와 MM 펌프광 전송 광섬유를 구비하는 본 발명의 개시에 따라 구성된 이득 블록(94)을 포함한다. 전술한 모든 변형에서와 같이 이득 블록(94)은 900 nm 범위의 소정 파장에서 레이저광을 출력하도록 동작하는 레이저 또는 증폭기로 구성될 수 있다. 출력광은 결합 광의 주파수를 배수화하는 2차 또는 고조파 생성기(96)와 결합하여 대략 450 nm와 470 nm 사이의 파장 범위의 출력 방사선을 방출한다.
도 9는 다중 모드 멀티클래드 광섬유(110, 112)에 각각 기반한 다수의 이득 블록을 구비하고 다수의 펌핑 어셈블리(125)를 더 갖는 강력한 광섬유 레이저 시스템(115)을 도시한 것이다. 각 펌핑 어셈블리(125)는 복수의 채널(l251 -n)을 포함하며 바람직하게 각 채널은 레이저 다이오드(120)의 각 어레이에 의해 펌프되는 SM Nd 광섬유 레이저(123)로 구성된다. Nd 광섬유 레이저(123)는 도 2 내지 도 6의 광 기술에 따라 구성된다. 바람직하게 복수의 SM Nd 레이저(123)는 SM-MM 결합기(127)에 의해 결합된다. Nd 광섬유 레이저(123) 각각은 약 900 내지 940 nm 파장에서 광출력을 생성한다. SM-MM 결합기(127)의 출력은 Yb 광섬유 레이저 블록(122, 124)의 각 입력부와 결합하며 이 레이저 블록은 이득 블록을 수용하는 공진 캐비티를 형성하는 각 수동 광섬유에 기록된 격자에 따라 약 970-1000 nm 이상의 파장에서 광출력(Io)을 내보낸다. Yb 출력의 펌프방출 파장에 대한 소정의 900 nm 범위에서 Nd 레이저의 펌프방출 파장의 유사성은 실질적으로 열 발생을 감소시킨다.
도 2의 각 능동 광섬유와 전송 광섬유(24, 28)의 제조과정은 각각의 사전형태에서 광섬유의 동시 회수를 포함한다. 각 광섬유가 회수되는 속도는 엄격히 제어되어 광섬유(24, 28)의 각 중심영역의 원하는 영역 확대와 감소를 가져오며 균일한 형태가 아니다. 더욱이, 광섬유(24, 28)가 회수되는 개별 속도는 동일하지 않다. 광섬유(24, 28)가 각각 변형되기 때문에 각 광섬유에서 한 쌍의 확대 및 감소된 면적의 중심영역은 상호간에 제거 가능하게 부착되며 미약한 힘을 가하여 이들이 용이하게 분리된다.
첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예 중 적어도 하나를 설명하였지만 본 발명은 이들 실시예에 국한되지 않으며 이에 대한 다양한 변형이 기술분야의 당업자에 의해 가능하며 이는 첨부된 청구항에 정의된 발명의 사상이나 범주를 벗어나지 않는다.
12: 능동 광섬유의 코어
14: 입력 수동 광섬유
16: 출력 수동 광섬유
24: 능동 광섬유
26: 슬리브
28: 수동 광섬유
36: 입력 단부 영역
38: 중앙 영역
40: 수동 광섬유의 입력 영역
42: 클래딩
44: 수동 광섬유의 중앙 영역
46: 입력 변환 영역
50: 능동 광섬유

Claims (20)

  1. 적어도 하나의 도파관을 포함하는 광섬유 레이저 시스템에 있어서,
    상기 도파관은 평행한 축을 따라 연장되고 서로 광학적으로 연결된 능동 Nd-도프된 광섬유 및 수동 펌프 전송 광섬유로 구성되며, 상기 능동 광섬유 및 수동 광섬유는 각각 대향하는 두 개의 단부 영역과 상기 단부 영역 사이에 축방향으로 연장되며 상기 단부 영역으로부터 소정 거리에서 종단(terminating)되는 중심 영역을 구비하고,
    상기 광섬유들은,
    축방향으로 이중 병목 형상 단면을 갖는 코어를 구비한 능동 광섬유 및 축방향으로 균일 형상 단면을 구비한 수동 광섬유;
    축방향으로 균일 형상 단면을 갖는 코어를 구비한 능동 광섬유 및 축방향으로 덤벨 형상 단면을 구비한 수동 광섬유; 및
    축방향으로 이중 병목 형상 단면을 갖는 코어를 구비한 능동 광섬유 및 축방향으로 덤벨 형상 단면을 구비한 수동 광섬유; 중 하나로부터 선택된 구조를 정의하도록 서로 결합되고,
    각 능동 광섬유 및 펌프 전송 광섬유들의 중심 영역들은, 상기 능동 광섬유가 기생 파장에서의 신호 광의 이득을 기설정된 값으로 제한하면서 동작 파장에서의 신호 광에 소정 이득을 허용하는 최단 가능 길이를 구비하도록, 능동 광섬유의 중심 영역을 따른 펌프 광 흡수율을 제공하도록 구성되는 광섬유 레이저 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    Nd 이온이, 능동 광섬유에 동작 파장에서의 소정 이득 및 기생 파장에서의 기설정된 이득을 제공하도록 선택된 주어진 농도로 코어에 도입되는, 광섬유 레이저 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 펌프 전송 광섬유의 출력단 영역이 상기 능동 광섬유의 출력단 영역보다 비흡수 펌프 광을 N배 더 포함하도록 구성되고, 상기 N은 상기 능동 광섬유의 출력단 영역의 클래드 면적에 대한 상기 펌프 전송 광섬유의 출력단 영역의 면적 비율인, 광섬유 레이저 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 펌프 전송 광섬유의 상기 출력단 영역에 결합된 반사부와;
    상기 펌프 전송 광섬유의 입력단 영역에 결합되는 펌프 광을 방사하는 펌프 유닛을 더 포함하고,
    상기 반사부는 상기 능동 광섬유의 상기 최단 가능 길이를 따라 비흡수 상기 펌프 광을 상기 펌프 전송 광섬유의 상기 입력단 영역을 향하여 재반사하여 상기 비흡수 광을 상기 능동 광섬유의 상기 중심 영역으로 다시 내보내도록 구성되는, 광섬유 레이저 시스템.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 능동 및 펌프 전송 광섬유들 각각의 상기 중심 영역들의 전체 클래드 면적과 입력단 영역들의 전체 면적이 상호 동일한, 광섬유 레이저 시스템.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 능동 및 펌프 전송 광섬유들 각각의 상기 중심 영역을 둘러싸는 보호 광섬유 코팅을 더 포함하고,
    상기 능동 및 전송 광섬유들 각각의 상기 중심 영역들의 전체 클래드 면적은 계수 k=[NAaf/NApump]2로 감소되며, 여기서 NAaf=
    Figure 112012102973447-pct00002
    는 각각 능동 광섬유의 클래딩과 코팅의 굴절율인 nclad 및 ncoat를 구비한 능동 광섬유의 개구수이며, NApump는 펌프 방출의 개구수인, 광섬유 레이저 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    하나의 펌프 전송 광섬유와 동등하게 구성된 축방향으로 덤벨 형상 단면을 갖는 다른 펌프 전송 광섬유를 더 포함하며,
    상기 다른 펌프 전송 광섬유는, 상기 하나의 및 다른 펌프 전송 광섬유 각각의 상기 중심 영역이 상기 능동 광섬유의 중심 영역과 축방향으로 함께 연장되고 상기 축에 수직으로 연장하는 평면에서 상기 중심 영역과 정렬되도록 위치되는, 광섬유 레이저 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 펌프 전송 광섬유들의 입력단 영역에 결합된 상기 펌프 광을 방사하는 펌프 광원을 더 포함하고,
    상기 펌프 전송 광섬유들 각각의 출력단 영역들은 상기 하나의 펌프 전송 광섬유의 입력단 영역으로부터 축방향으로 이격된 상기 중심 영역의 단부에서 상호 결합되고, 상기 결합된 펌프 전송 광섬유들은 U-형상의 구조를 형성하는, 광섬유 레이저 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 펌프 광원은 상기 펌프 광을 각각 방사하는 2개 펌프 유닛을 가지고, 상기 방사된 펌프 광들은 대향 방향으로 전파하도록 상기 U-형상의 펌프 전송 광섬유의 입력단 영역 각각에 결합되는, 광섬유 레이저 시스템.
  10. 제 1 항에 있어서,
    하나의 펌프 전송 광섬유와 동등하게 구성되는 축방향으로 덤벨 형상 단면을 갖는 다른 전송 광섬유를 더 포함하고,
    상기 다른 전송 광섬유는 상기 펌프 전송 광섬유 각각의 상기 중심 영역이 상기 능동 광섬유의 상기 중심 영역과 축방향으로 함께 연장되도록 위치되며, 각각의 능동 및 펌프 전송 광섬유들은 상기 축에 수직으로 연장하는 평면에서 삼각형 구조를 형성하는, 광섬유 레이저 시스템.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 도파관 외에 다른 도파관을 더 포함하며,
    상기 도파관의 능동 광섬유의 출력단 영역과 상기 다른 도파관의 능동 광섬유의 입력단 영역이 광학적으로 서로 결합되고 상기 도파관의 펌프 전송 광섬유의 출력단 영역과 상기 다른 도파관의 펌프 전송 광섬유의 입력단 영역이 광학적으로 서로 결합되어, 상기 도파관의 펌프 전송 광섬유의 출력단 영역에 남아있는 비흡수 펌프 광이 상기 다른 도파관의 펌프 전송 광섬유의 입력단 영역으로 안내되어 수광된 비흡수 펌프 광을 상기 다른 도파관의 능동 광섬유의 중심 영역으로 내보내는, 광섬유 레이저 시스템.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 도파관의 상기 펌프 전송 광섬유에 결합된 상기 펌프 광을 발생시키는 광원; 및
    상기 다른 도파관의 상기 펌프 전송 광섬유의 출력단 영역에 위치되고, 상기 다른 도파관의 상기 펌프 전송 광섬유의 상기 출력단 영역에 남아 있는 비흡수 펌프 광을 재반사하도록 동작하는 반사부를 더 포함하는, 광섬유 레이저 시스템.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 도파관 및 다른 도파관의 펌프 전송 광섬유들의 각각에 결합된 각각의 펌프 광들을 발생시키는 2개의 광원들을 더 포함하고,
    상기 도파관의 출력단 영역에 남아 있는 비흡수 펌프 광이 상기 다른 도파관의 상기 능동 광섬유로 수광된 비흡수 펌프 광을 내보내기 위하여 상기 다른 도파관의 상기 펌프 전송 광섬유의 입력단 영역에 동작 가능하게 결합되는, 광섬유 레이저 시스템.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 도파관의 출력단 영역으로부터 이격되어, 상기 도파관의 출력단 영역과 상기 다른 도파관의 입력단 영역 사이에 위치되어, 상기 동작 파장에서의 신호 광을 전송하며 상기 기생 파장에서의 신호 광을 차단하는 광학 필터;
    상기 도파관의 출력단 영역과 상기 필터의 입력 사이에서 신호 광을 안내하는 제 1 전송 수동 광섬유; 및
    상기 필터의 출력과 상기 다른 도파관의 입력단 영역 사이에 연장된 제 2 전송 수동 광섬유를 더 포함하는, 광섬유 레이저 시스템.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 광학 필터는 장주기 광섬유 격자, 경사진 광섬유 격자, 증가된 사마륨(Sm3+) 농도를 갖는 광섬유, W 굴절율 분포를 갖는 광섬유, 벌크 광학소자 및 이들의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는, 광섬유 레이저 시스템.
  16. 제 1 항에 있어서,
    Yb-도프된 능동 광섬유를 갖는 이득 블록을 더 포함하며, 상기 도파관의 능동 광섬유로부터 방사된 신호 광이 상기 이득 블록의 Yb-도프된 능동 광섬유를 펌핑하기 위하여 사용되는, 광섬유 레이저 시스템.
  17. 제 1 항에 있어서,
    상기 도파관으로부터 신호 광을 수신하고, 450 내지 470 nm 범위에서 광을 출력하기 위해 신호 광의 주파수를 배수화하도록 동작하는 비선형 결정을 더 포함하는, 광섬유 레이저 시스템.
  18. 제 1 항에 따른 광섬유 레이저 시스템을 구성하는 방법에 있어서,
    상기 방법은:
    (a) Nd-이온 농도로 도핑된 코어 및 상기 코어를 둘러싼 클래딩을 구비하는 능동 광섬유를 인출하는 단계;
    (b) 펌프 광 전송 광섬유를 상기 (a)와 동시에 인출하는 단계;
    (d) 다음 구조로부터 선택되는 구조를 형성하도록 상기 능동 광섬유 및 펌프 전송 광섬유 각각의 중심 영역을 결합시키는 단계를 포함하며,
    상기 다음 구조는,
    축방향으로 이중 병목 형상 단면으로 구성된 코어를 구비한 능동 광섬유 및 축방향으로 균일 형상 단면을 구비한 수동 광섬유;
    축방향으로 균일 형상 단면을 갖는 코어를 구비한 능동 광섬유 및 축방향으로 덤벨 형상 단면을 구비한 수동 광섬유; 및
    축방향으로 이중 병목 형상 단면을 갖는 코어를 구비한 능동 광섬유 및 축방향으로 덤벨 형상 단면을 구비한 수동 광섬유; 중 하나로부터 선택되며,
    상기 이중 병목 형상 단면은 코어 단부 영역들 사이에 배치된 코어 중심 영역을 구비하고, 상기 코어 중심 영역의 면적이 코어 단부 영역들의 면적보다 크며,
    상기 덤벨 형상 단면은 중심 영역과 중심 영역을 사이에 두고 이격된 단부 영역들을 구비하고, 상기 펌프 광 전송 광섬유의 중심 영역은 상기 이격된 단부 영역들의 면적보다 작은 면적으로 구성되며,
    상기 광섬유들의 중심 코어 면적과 전체 클래드 면적 사이의 비는, Nd-이온 농도의 상기 능동 광섬유에 기생 파장에서의 신호 광의 이득을 기설정된 값으로 제한하면서 동작 파장에서의 신호 광에 소정 이득을 제공하는 최단 가능 길이를 제공하는, 광섬유 레이저 시스템 구성 방법.
  19. 제 18 항에 있어서,
    적어도 상기 중심 영역을 따라 각각의 상기 능동 및 펌프 전송 광섬유의 클래딩 위에 보호 코팅을 제공하는 단계를 더 포함하고,
    상기 광섬유들을 인출하는 단계는 상기 펌프 전송 광섬유의 상기 중심 영역의 클래드 면적을 계수 k=[NAaf/NApump]2로 감소시키는 단계를 포함하며, 여기서 NAaf=
    Figure 112012102973447-pct00003
    는 각각 능동 광섬유의 클래딩과 코팅의 굴절율인 nclad 및 ncoat를 구비한 능동 광섬유의 개구수이며, NApump는 펌프 방출의 개구수인, 광섬유 레이저 시스템 구성 방법.
  20. 제 18 항에 있어서,
    상기 펌프 전송 광섬유의 대향 단부 영역들 중 하나가 상기 능동 광섬유의 대응 단부 영역의 단면보다 더 큰 면적을 갖고, 따라서 상기 펌프 전송 광섬유의 하나의 단부 영역에서 상기 능동 광섬유의 단부 영역보다 상기 중심 코어 영역에서 흡수되지 않은 상기 펌프 광의 많은 부분을 집광하며,
    상기 펌프 전송 광섬유의 하나의 단부 영역에 결합된 반사 요소가, 상기 중심 코어 영역을 재펌프하도록 상기 펌프 전송 광섬유의 다른 단부 영역으로 다시 비흡수 펌프 광을 안내하거나,
    상기 펌프 전송 광섬유와 동일한 구조로 상기 펌프 전송 광섬유로부터 이격된 추가 펌프 전송 광섬유의 입력단 영역을 향하여 상기 비흡수 펌프광을 안내하며, 상기 추가 펌프 전송 광섬유는 상기 능동 광섬유와 동일하게 구성된 추가 능동 광섬유의 중심 코어 영역으로 상기 비흡수 펌프 광을 내보내는, 광섬유 레이저 시스템 구성 방법.
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