KR102078144B1

KR102078144B1 - 초고출력 싱글모드 광섬유 레이저 시스템

Info

Publication number: KR102078144B1
Application number: KR1020167004388A
Authority: KR
Inventors: 발렌틴 가폰트시프; 이고르 사마르체프
Original assignee: 아이피지 포토닉스 코포레이션
Priority date: 2013-08-20
Filing date: 2013-08-20
Publication date: 2020-02-17
Also published as: JP6294486B2; CN105659446B; CN109921273A; JP2016531444A; EP3036804B1; CN109921273B; EP3036804A1; WO2015026327A1; CN105659446A; KR20160045067A; EP3036804A4

Abstract

초고출력 광섬유 레이저 시스템은 공통으로 0.1 이상의 개구수로 구성되고 전체 횡단면을 가로지르는 하나 이상의 희토류 원소들의 이온들로 도핑된 코어를 갖는 광섬유 및 직선의 짧은 광섬유 로드부로 구성된 일체형 광섬유 부스터를 포함한다. 광섬유 로드부는 약 수십 센티미터를 넘지 않는 짧은 길이로 구성되고 일반적으로 균일하게 구성된 광섬유부에서 확장한 전체적으로 원추형 횡단면을 갖는다. 광섬유부를 따라 뻗어 있는 코어는 전파방향으로 코어를 따라 가이드되고 광섬유 로드의 원추형 코어의 소직경 단부에 결합되는 SM 또는 매우 작은 수의 HOM을 지원할 수 있다. 원추형 코어의 맞은편 대직경 단부는 코어의 전체 길이를 따라 적어도 0.65²의 코어 횡단면적과 겹치는 기본모드로 멀티모드들을 지원한다. 개시된 출력 시스템은 기껏해야 코어의 NA와 같은 NA를 가지며 반대전파방향으로 코어의 대직경 단부에 결합되는 고출력 멀티모드 펌프광을 방출하는 펌프소스를 더 포함한다. 펌프는 기본모드의 증폭이 코어의 중첩된 면적에 계속되는 동안 코어의 주변의 비중첩 면적은 표백되는 이와 같은 밀도로 펌프광을 방출하도록 구성된다. 그 결과, 개시된 시스템은 CW 영역에서 수 kW의 평균전력 또는 시스템 동작의 펄스 영역에서 1 이상의 MW의 피크 전력을 가지며 실질적으로 기본모드로 신호광을 방출한다.

Description

초고출력 싱글모드 광섬유 레이저 시스템{ULTRA HIGH POWER SINGLE MODE FIBER LASER SYSTEM}

본 출원은 실질적으로 기본모드로 MW-레벨의 피트 및 kW-레벨의 평균 전력출력을 방출하는 싱글모드("SM") 초고출력 광섬유 레이저 시스템에 관한 것이다. 보다 상세하게, 개시된 SM 광섬유 시스템은 펌프와 시드 소스를 갖는 고정 하우징, 우징과 헤드 사이에 구속받지 않는 전달 케이블, 및 적어도 부분적으로 수송 케이블을 통해 뻗어 있고 하류 단부가 레이저 헤드에 직접 연결된 부스터를 포함한다.

더블 클래드 광섬유의 사용을 통해, 지난 십 년에 걸쳐 희토류 도핑된 광섬유 소스로부터 출력전력의 극적인 증가는 출력전력, 빔 품질, 전체 효율, 및 파장 유연성 면에서 우수한 성능을 가진 광섬유 레이저 시스템의 범위로 이어졌다. 그러나 현대의 고출력 광섬유 레이저 시스템의 파워 스케일링은 점점 증가하고 있는 산업적 수요를 만족시키는 것과는 거리가 멀다

현재, 이 분야의 발전들은 주로 최대 추출가능한 에너지의 한계 및 비선형효과의 개시에 의해 제약받고 있다. 얼마나 많은 에너지가 증폭기에 저장될 수 있는지 결정하기 위해 이득 매질의 포화 에너지가 핵심 파라미터이며 아래와 같이 주어진다:

여기서, es, as는 신호파장에서 방출 및 흡수 횡단면이고, hν_s는 ν_s주파수에서 신호 에너지이며, A_eff는 활성 도핑영역의 면적이고, s는 활성영역과의 신호 중첩이다.

유해한 비선형 효과와 특히 유도브릴루앙산란(Stimulated Brillouin Scattering, SBS) 및 유도 라만산란(Stimulated Raman Scattering, SRS)은 신호로부터 전력을 빼앗고 갑작스런 큰 손상을 일으킬 수 있다. 광섬유 레이저 기술분야의 통상적인 기술 중 하나로 알려진 바와 같이, 모드 영역을 늘리고 광섬유 길이를 줄임으로써 완화가 가능해진다. 더 큰 코어가 전체 광섬유 횡단면의 더 큰 부분을 차지하고 따라서 더 큰 펌프흡수를 갖기 때문에, 최적의 광섬유 길이는 A_eff에 따라 역으로 변한다. 따라서, 코어 면적을 늘림으로써 당연히 길이가 짧아진다.

그러나, 코어는 무제한으로 증가될 수 없다. 싱글모드 동작에 대해, 코어 직경이 증가함에 따라, 코어와 클래딩 간에 굴절률(n) 차는 감소해야 하고, 소정의 임계치 후에는 휨에 민감해진다. 그리고 n이 최소로 고정되면, 코어 직경이 더 증가해 멀티모드 동작이 된다. 이것이 허용될 수 있는 한, 코어 크기는 모드들 간에 불가피하게 그러나 바람직하지 못한 에너지 전달에 의해 구속된다. 멀티모드 광섬유에서 모드들 간의 모드결합효율은 다음과 같이 주어진다:

여기서, k는 굴절률과 마이크로벤드 요동으로 인한 섭동 진폭이고, n_eff는 다른 모드들 간에 유효 굴절률 차이며, p는 광섬유 상에 기계적 섭동을 고려한 (0보다 큰 값을 갖는) 피팅 파라미터이다. 따라서, 로우모드 커플링에 큰 n_eff가 바람직하다. 불행히도, A_eff가 증가함에 따라, n_eff는 감소하고 소정 지점에서 모드 커플링이 방지될 수 없다.

고출력 레이저와 증폭기의 모든 적용에서 큰 A_eff 설계가 갖는 추가적 문제는 장치 출력을 공간적으로 변환 및 집속하는 것을 포함한다. 이는 가우시안 빔으로 가장 잘 달성된다. 따라서, 고출력 장치에 중요한 척도는 완벽한 가우시안 공간 프로파일 M²로부터 이탈의 측정이다(M²=1은 완벽한 가우시안 모드이다).

광섬유가 여러 모드들을 가이드할 수 있으나, 현재 선호되는 레이저 설계는 낮은 M²를 갖는 기본모드의 동작을 제공하는 수단에 집중된다. 이를 달성하기 위해 한가지 개시된 수단은 서로 융합된 다수의 별개의 광섬유들을 포함한 증폭 시스템을 설계하는 것이다. 특히, 상기 시스템은 테이퍼의 출력에 융합된 균일한 치수의 MM 증폭 광섬유의 기본모드의 크기와 실질적으로 일치하는 크기로 SM의 MFD를 단열 확장하도록 구성된 테이퍼로 SM 신호광을 가이드하는 균일한 치수의 SM 패시브 광섬유로 구성된다. 다수의 광섬유 구성요소들로 인해, 접속손실이 허용할 수 없이 클 수 있다. 더욱이, 상술한 바와 같이, 다성분 시스템을 제조하는 것은 시간 비효율적이고 따라서 비용이 많이 든다. 또한, NLE의 낮은 임계치와 벤딩손실 문제도 여전히 허용될 수 없다.

최근에, 광섬유 레이저 산업은 광섬유 증폭기의 확장성을 해결하기 위해 증폭기 체인의 출력단에 대표적으로 사용되는 결정 광섬유 로드로 돌렸다. 에어클래드(airclad) 기술을 기반으로, 결정 광섬유 로드는 실질적으로 기본모드만을 지지할 수 있는 큰 직경의 코어를 둘러싼 더블 클래드 구조를 포함한다.

광섬유 로드의 도핑된 코어는 매우 작은 개구수("NA")를 갖고, 일반적으로 낮은 도판트 농도를 갖는 융합된 실리칸/석영으로 제조된다. 상술한 특징들 중 3가지 모두는 광섬유 로드를 기반으로 한 레이저 시스템의 확장성에 악영향을 끼칠 수 있다.

대표적으로 약 0.02를 초과하지 않는 작은 개구수는 레이저 시스템이 CW 영역 또는 펄스 영역에서 동작하는지 여부에 따라 kW-MW 범위의 초고출력에 도달하는데 필요한 양으로 도핑된 코어에 결합될 수 있는 고출력 펌프광의 양을 제한한다. 따라서, 충분 양의 펌프광은 더블 클래드 광섬유의 내부 클래딩에만 결합될 수 있다. 광섬유 레이저 분야의 당업자는 클래드 결합 펌프광의 흡수는 실질적으로 코어 결합 광의 흡수보다 실질적으로 덜한 것을 안다. 클래드 결합된 펌프광을 충분히 이용하기 위해, 광섬유 로드는 일반적으로 50cm를 넘거나 종종 수 미터에 달하는 길이를 가져야 한다. 따라서, 가장 짧은 광섬유 로드는 NLE가 있으므로써 악영향을 받는다. 물론, 상기 최단 광섬유 로드는 레이저 출력 확장성을 치명적으로 제한한다.

이테르븀("Yb")과 같은 이온들의 낮은 농도는 대표적으로 약 700ppm이다. 이런 낮은 도판트 농도로, 펌프광의 흡수도 또한 낮다. 충분한 흡수를 제공하기 위해, 광섬유 로드의 전체 길이가 다시 늘려져야 하며, 이는 NLE의 낮은 임계치로 인해 증폭기의 출력 확장성을 제한한다.

광섬유 로드의 개방단부 구조는 몇몇 문제들을 제기할 수 있다. 대표적으로, 에어갭을 통한 신호광의 개시는 마이크로광학에 의해 구현될 수 있다. 마이크로 광학은 전체 구성을 복잡해 성가시고 비용상 비효과적이게 한다. 갭 또는 홀에 공기가 있음으로써 열전도도가 떨어진다. 특히, 에어 홀로 인해 열 분산 속도가 느려지고, 이는 차례로 로드 그 자체를 손상시키고 환경상 유해할 수 있다.

상기를 요약하면, 고출력 광섬유 시스템의 설계는 하기의 요인들, 즉, 일반적으로 광섬유 및 특히 광섬유 로드에서 비선형 효과, 고차모드("HOM")로 기본모드 전력의 손실; 펌프 휘도 및, 물론, 과도한 열 발생으로 인해 난제에 직면한다. 각 요인은 별개로 파워 스케일링(power scaling)을 제한하나, 부스터 스테이지(최종 이득 스테이지)에서, 이들은 또한 서로 상관된다.

따라서, 실질적으로 공지의 시스템들의 상술한 단점을 극복한 초고출력 광섬유 레이저 시스템이 필요하다.

이 필요성은 개시된 초고출력 SM 광섬유 레이저 시스템에 의해 충족된다. 개시된 시스템은 실질적으로 기본모드로 MW-GB 레벨의 피크전력과 kW의 평균 전력을 방출할 수 있다.

일태양에 따르면, 개시된 시스템은 적어도 2개의 다르게 형성된 부분들, 즉, 가요성 있는 균일한 치수의 입력 광섬유와 상기 입력 광섬유로부터 멀리 확장한 직선의 원추형 광섬유로 구성된 부스터 증폭기를 포함한다. 상기 증폭기는 코어의 전체 횡단면적에 걸쳐 약 1000ppm 내지 5000ppm 사이로 변하는 희토류 원소들의 고농도 이온들로 도핑된 포스페이트 코어를 포함한다. 입력 광섬유부를 따라 뻗어 있는 코어의 입력부는 기본모드("FM") 또는 작은 수의 고차모드("HOM")만을 가이드하도록 구성된다. 광섬유 로드를 따라 확장한 코어의 출력부는 아래에 후술된 바와 같이 증폭이 실질적으로 억제되는 멀티모드를 지원할 수 있는 출력단부를 갖는다.

개시된 구조의 태양들 중 하나는 FM 면적과 코어 사이에 각각 가능한 최대 중첩을 포함한다. 특히, FM("Afm")의 면적은 코어의 전체 길이를 따라 0.65²의 코어 면적("Ac")을 초과한다. 이런 큰 중첩은 임의의 HOM의 증폭보다 FM모드의 상당히 더 큰 증폭을 제공한다.

본원의 다른 태양은 광섬유 로드의 대직경 코어 단부에 고출력 MM 펌프광을 펌핑하는 것을 포함한다. 펌프광은 실질적으로 0.1 이상인 코어(NAc)의 개구수보다 더 낮은 개구수(NAp)로 특징된다. 펌프광의 반대전파방향의 특정한 NA 이상과 FM의 큰 모드필드직경은 테이퍼진 코어부의 매우 작은 축방향 길이를 따라 펌프광의 효과적인 흡수를 위해 적합한 조건을 제공한다. 상기 작은 축방향 길이는 약 30cm를 초과하지 않으나 바람직하게는 길이가 약 10cm이다. 이런 제한된 길이로, NLE의 임계치가 아주 크며, 따라서, 파워 스케일링이 단일 기본모드 또는 매우 작은 수의 HOM에서 MW-레벨의 피크 전력에까지 상당히 향상될 수 있다.

본원의 다른 태양은 기본모드에 의해 중첩되지 않는 코어 접경영역에 관한 것이다. 코어의 전체 횡단면적이 희토류 이온 또는 방출 액티베이터(activators)로 도핑되기 때문에, 특정한 관심은 자발적 방출 및/또는 접경 코어영역에서 HOM의 증폭을 포함한다.

그러나, 개시된 펌프소스는 코어 접경영역에서 광이미터들의 흡수를 표백하는데 필요한 밀도보다 훨씬 더 큰 전력밀도를 갖는 펌프광을 출력하도록 구성된다. 다시 말하면, 펌프광은 상기 펌프광의 전력밀도가 신호의 기본모드에 의해 중첩된 코어영역에 있는 희토류 이온을 반전시킬 수 있도록 반대전파방향으로 코어의 출력영역에 결합된다. 동시에, 이런 펌프광은 HOM 및/또는 자발적 방출의 증폭에 비해FM의 증폭이 훨씬 더 커지는 비중첩 영역에 광이미터를 반전시키기에 불충분하다.

본 발명의 내용에 포함됨.

개시된 구조의 상기 및 다른 태양과 특징과 이점은 도면과 함께 하기의 구체적인 설명으로부터 더 쉽게 명백해진다:
도 1은 개시된 초고출력 광섬유 레이저 시스템의 매우 개략적인 도면이다.
도 2는 도 1의 시스템의 실시예들 중 하나의 도면이다.
도 3은 HOM을 억제하는 방식을 설명하며 구성된 개시된 구조의 도면이다.
도 4는 도 1의 시스템에 이용된 예시적인 고출력 MM 광섬유 펌프소스의 도면이다.

본 발명의 실시예들이 더 상세히 참조된다. 가능한 곳이면, 동일 또는 유사한 부분들 언급하기 위해 동일하거나 유사한 부호가 도면과 명세서에 사용된다. 도면은 간략화된 형태로 있으며 정확한 스케일이 아니다. 특별히 언급하지 않는 한, 명세서와 특허청구범위에 있는 용어와 구는 광섬유 레이저 분야의 당업자에 통상적이고 익숙한 의미로 주어지게 의도되어 있다. "결합" 단어 및 유사한 용어는 반드시 직간접적인 연결을 의미할 필요가 없으나, 또한 자유 공간이나 중간 요소들을 통한 기계적 광학적 연결을 포함한다.

도 1은 무엇보다도 오실레이터/시드(12) 및 부스터 증폭기(15)를 포함한 마스터 오실레이터/전력 증폭기(또는 부스터)("MOPA")를 갖는 초고출력 레이저 시스템(10)의 매우 개략적인 도면이다. 단지 2개의 증폭 캐스케이드만이 도시되어 있으나, 해당기술분야의 당업자는 시드와 부스터 간에 추가적인 중간 증폭 캐스케이들이 쉽게 사용될 수 있음을 쉽게 인식할 수 있다.

시드(12)는 임의의 주어진 시스템의 광섬유 구성요소들에 도핑된 희토류 요소들의 이온들에 따라 가령 약 960nm에서 약 2000nm의 광범위한 파장에서 소정의 파장(λ_s)으로 SM 신호광을 방출하도록 동작한다. 예컨대, 이테르븀("Yb"), 에르븀("Er"), 네오디뮴("Nd"), 툴륨("Tm")이 단지 예로써 주어져 있다. 고출력을 필요로 하는 산업 및 군사 레이저 애플리케이션에 가장 광범위하게 사용되는 Yb 이온들로, 이 특별한 타입의 도판트들에 대해 이어지는 논의가 집중되나 여전히 광섬유 레이저 분야의 당업자에게 모든 가능한 희토류 원소들의 범용 교시를 제공한다. 이온 농도는 특별한 타입의 광이미터에 따라 약 1000ppm 내지 5000ppm 사이로 변한다. 부스터(15)는 바람직하게는 편광유지("PM") 포스페이트 광섬유로 구성되나, 정규의 논PM 포스페이트 액티브 광섬유가 본 명세서의 범위 내에 또한 사용될 수 있다.

도 2를 참조하면, 부스터 증폭기(15)는 광섬유부(25) 및 수 센티미터에서 수십 센티미터에 이르는 길이로 구성된 광섬유 로드부(14)를 포함한 일체형 광섬유-광섬유 로드 이득매질로 구성된다. 예컨대, 광섬유 로드부(14)는 길이가 약 10cm 내지 약 30cm 사이로 변할 수 있다. 대안으로, 상기 부분들(25 및 14)은 각각 함께 접합된 별개의 부분들로 구성될 수 있다. 광섬유 로드부(14)는 소정의 파장(λ_s)으로 광섬유부(25)로부터 SM 또는 작은 고차모드 신호광을 수신하는 소직경의 하류단부(22)와, 멀티모드를 지원하는 대직경의 출력단부(24)를 갖는 전반적인 원추형 형태를 갖는다. MM 펌프소스(16)는 반대전파방향으로 부스터(14)의 코어 출력단부(24)에 결합된 펌프광(λ_pcd)을 방출한다. 부스터(15)의 맞은편 입력단부에, 또 다른 펌프소스(18)가 같은 진행방향으로 광섬유부(25)의 입력단부(22)에 결합된 MM 펌프광을 방출한다.

이득 매질에서 펌프광 세기와 상기 매질과 더불어 입력 레이저 복사의 상호작용 길이, 가령, 흡수 길이의 곱에 의해 레이저 매질의 이득이 결정된다. kW 레벨에까지 그리고 NLE에 대해 높은 임계치에 이르는 매우 큰 펌프전력으로 인해, 시스템(10)은 바로 아래에 개시된 바와 같이 부스터(15)의 대직경 단부(24)를 통해 실질적으로 기본모드로 가령 약 5kW 평균전력 출력 또는 MW 레벨의 피크전력 출력까지 방출하도록 동작한다.

시스템(10)은 바람직하게는 펄스 영역에서 동작하나, 확실히 연속파("CW") 동작에도 이용될 수 있다. 따라서, 부스터(15)는 각각 입력 및 출력단부(22,24) 사이에 뻗어 있고 가령 Yb 이온들로 도핑된 코어(26)와 상기 코어(26)를 둘러싼 클래딩(28)을 포함한다. 코어(26)의 입력단부(22)로부터 뻗어나온 입력영역은 균일한 직경으로 구성되고 단일 기본모드만 또는 코어(26)에 결합되는 시드(12)로부터 SM 신호광에 응답해 여기된 매우 낮은 개수의 HOM만을 가이드하도록 치수화되어 있다. 이는 각각의 부스터(15)와 수송 광섬유(23)의 코어들을 정렬함으로써 행해진다. 추가로, 입력단부(22)는 기본모드("FM")의 모드필드직경("MFD")이 시드(12)로부터 방출되고 SM 광섬유(23)를 따라 전달된 SM 신호광의 MFD와 실질적으로 일치하게 구성될 수 있다.

코어(26)의 입력영역은 광섬유 로드부(14)를 따라 멀티모드를 지원하는 출력단부를 향해 단열 확장한 모드전이영역(30)으로 이어진다. 선택적인 균일하게 구성된 하류영역(29)은 광섬유 로드부(14)의 구조를 종결한다. 실린더형 또는 원추형 횡단면을 갖는 석영블록(27)은 출력신호의 고출력 밀도를 낮추도록 구성된다. 부스터(15)와 펌프소스(16)는 바로 아래에 개시된 바와 같이 출력영역(24)을 따라 HOM의 증폭 및/또는 자발적 방출을 억제하도록 구성된다.

도 3은 부스터(15)의 광섬유 로드부(14)를 따라 HOM의 증폭 및/또는 바람직하지 못한 자발적 방출을 억제하기 위한 개시된 장치를 도시한 것이다. 부스터의 코어(26)는 더 많은 희토류 원소들 중 하나 또는 희토류 원소들의 조합으로 전체 횡단면을 가로질러 도핑되고 실질적으로 0.1 이상의 NA로 구성된다. 더욱이, 코어(26)의 전체 길이는 FM에 의해 중첩되지 않는 코어(26)의 작은 외주영역(A_no)(52), 즉, HOM 및/또는 자발적 방출이 증폭될 수 있는 영역을 남기는 FM(42)에 의해 중첩된 약 0.65²의 중앙영역(Ao)을 갖도록 구성된다.

그러나, 외주영역(A_no)(52)에서 이 증폭은 기껏해야 코어(26)의 개구수(NALc)와 일치하나, 바람직하게는 NAc보다 더 작은, 즉 NA_Lp < NAc인 개구수(NA_Lp)로 펌프광(50)을 방출하도록 펌프소스(16)를 구성함으로써 크게 억제된다. 그 결과, FM은 코어(26)의 전체 길이를 따라 적어도 기본모드의 크기와 같은 크기를 갖는 펌프광 내에 둘러싸인다. 다시 말하면, 펌프광의 전력밀도는 비중첩 코어영역(Ano)을 표백하는데 필요한 전력밀도보다 훨씬 더 크다. 따라서, 코어(26)의 비중첩 영역(Ano)은 그라운드 레벨과 고에너지 레벨에서 실질적으로 같은 개수의 이온들로 각각 특징된다. 즉, 펌핑 광을 더 주입해도 광이 증폭되지 않는다. 동시에, 코어(26)의 중첩 영역(Ao)에서, 고에너지의 이온 개수는 그라운드 레벨에서 이온 개수보다 지속적으로 더 많으며, FM의 증폭은 코어(26)의 비중첩 영역(Ano)에서 임의의 HOM 및 SE의 증폭보다 FM의 증폭이 계속해 결국 훨씬 더 커진다.

로드 광섬유부(14)의 콘의 개방각은 적어도 일부의 미흡수된 펌프광(Lp)의 디커플링을 제공하도록 제어가능하게 선택된 다음 광이 방열판으로 둘러싸일 수 있는 광섬유부(25)에 들어간다. 펌프광은 다른 각도로 부스터(15)에 결합된다. 상대적으로 큰 각도를 갖는 광선들은 상대적으로 쉽게 외부로 누출된다. 더 작은 각을 가진 광선, 즉, 부스터(15)의 축에 거의 나란하게 전파하는 광선들은, 클래딩에 입사시, 반사된 광선들의 디커플링을 제공하기에 충분한 큰 각도로 반사하기 전에 표면에 연이어 도달한다.

도 3 및 도 4를 참조하면, 펌프소스(16)는 MM 광섬유 레이저 시스템으로 구성되고 가령 980nm 범위의 시드광을 발생하는 적어도 하나 이상의 조합된 시드들(32)과 부스터(15)에 결합된 고출력, 고휘도의 펌프광을 출력하도록 펌프광을 수신하고 증폭시키는 MM 파장 컨버터(34)를 포함한다. 펌프광은 도 3의 경계면 위에 개시된 바와 같이 부스터(15)의 큰 코어단부(24)에 결합된다.

파장 컨버터(34)는 Yb 이온들로 도핑되고 복수의 결합된 반도체 레이저 다이오드들을 포함한 서브-펌프 시스템(36)에 의해 사이드 펌프된 멀티모드 코어를 갖는 액티브 광섬유를 포함한다. 서브-펌프 시스템은 서브펌프 파장(λ_sp)으로 컨버터(34)에 결합되고 Δλ=λ_p-λ_sp < 0/1λ_sp이도록 선택된 서브-펌프광을 발생하며, λ_p는 (신호광의 파장과 같은) 펌프출력 파장이다. 파장의 근사성은 고양자효율에 기인하며, 이는 차례로 낮은 열관련 손실로 전환된다. 개시된 바와 같이, 파장 컨버터(34)는 λ_sp 파장의 서브펌프 파장을 또한 가능한 한 신호광 파장(λ_s)과 유사한 1 마이크로 범위의 펌프파장(λ_pcd)으로 변환하도록 동작한다. 예컨대, 펌프소스(16)는 약 1016nm의 펌프광을 발생하도록 구성될 수 있는 반면 신호광은 약 1030nm로 방출된다.

가령, 펌프시드(32)는 적어도 약 0.1 rms의 평균제곱근(rms)에 해당하는 노이즈 레벨을 가지며 980nm 파장 범위로 완만한 스파이크가 없는 신호광을 발생하는 하나 또는 다수의 결합된 강력한 피그테일형 MM 레이저 다이오드 또는 광섬유 기반의 시드로 구성된다. 다이오드는 또한 약 0.1 내지 약 0.13 사이 범위인 NA를 갖는다. 펌프시드(32)로부터의 광은 수십 내지 수백 와트 사이로 변하는 출력전력을 가질 수 있다. 흡수 피크에 가장 가까운 파장으로 펌프소스(16)의 출력의 특정 파장(A_pcd)이 펌프 컨버터(34)에 선택된다.

펌프 컨버터(34)의 MM Yb 도핑된 액티브 광섬유는 더블 클래드 또는 규칙적 구성 및 가령 약 50에서 150 마이크론(또는 더 큰) 범위 내에서 변할 수 있는 코어 직경을 가질 수 있다. 컨버터(34)의 Yb 도핑된 광섬유는 약 0.05 내지 0.1 사이로 변하는 NA로 더 구성된다.

파장 컨버터(34)로부터 펌프광의 출력전력은 매우 클 수 있고 서브펌프 어셈블리, 가령, 사이드 펌핑 컨버터(34) 및 물론 그 개수에 결합된 HP 반도체 레이저 다이오드(36)의 개수에 따른다. 따라서, 펌프광의 전력 P는 NxPld와 같고, 여기서 N은 HP 레이저 다이오드의 개수이고, Pld는 각 개개의 다이오드의 전력이다. 물론, 펌프광(P)의 출력전력도 또한 HP 레이저 다이오드의 결합된 전력에 더해질 수 있는 시드광의 전력에 따른다. 펌프광은 가령 920nm 파장으로 방출될 수 있고 신호광의 전파방향을 따라 그리고 반대방향으로 모두 전파할 수 있다. 레이저 다이오드의 개수는 함께 결합된 90개까지의 다이오드들을 포함할 수 있다. 각 다이오드는, 가령, 100 와트의 펌프광을 출력할 수 있다. 따라서, 펌프소스(16)는 소정의 펌프 파장으로 다수의 kW 펌프광을 출력할 수 있다. 서브펌프 어셈블리가 서브펌프 파장 컨버터(14)에 도시되어 있으나, 복수의 레이저 다이오드들(36)을 포함한 엔드펌핑 구성이 당업자에 의해 쉽게 구현될 수 있음에 유의하라.

펌프광(Ppl)의 고출력 레벨은 시드광에 비해 펌프광의 극적으로 향상된 휘도( "B")에 기인한다. 휘도(B)는 일반적으로 Po/BPP와 같을 수 있고, BPP는 빔 파라미터 곱이며, 이는 차례로 1/2DcxNA로 결정될 수 있다. 여기서 Dc는 코어 직경이고 NA는 개구수이다. NA는 특히 신호광의 NA와 같거나 작기 때문에, 펌프 출력의 휘도는 출력 전력이 실질적으로 균일하다면 공지 기술의 가장 강력한 MM 컴바이너의 휘도보다 적어도 10배 더 클 수 있다.

코어에서 Yb³ ⁺ 도판트의 농도는 이점적으로 상대적으로 낮다. 본 개시에 따르면, 바람직하게는, Yb 이온의 농도는 50 내지 100 ppm 사이로 변한다. 그러나, 이 범위는 약 10-200 ppm 범위로 확장될 수 있다.

대안으로, 펌프소스(16)는 다수의 고출력 MM 레이저 다이오드로 구성될 수 있다. 그러나, 이에 따라 구성된 펌프의 휘도는 상기 개시된 광섬유 레이저 구성의 휘도와 비교할 수 없다. 펌프광을 코어(26)의 출력단부(24)에 결합하는 것은 중앙 슬롯형 미러 또는 렌즈(42)(도 2)를 이용해 구현될 수 있다.

도 2로 돌아가, SM 신호광의 결합시 코어(26)의 입력영역(22)에서 여기된 FM은 가령 920nm 파장으로 펌프광을 방출하는 펌프소스(18)에 의해 추가로 증폭된다. 가능한 펌핑 방식 중 하나는 신호광을 또한 수신하는 파장분할다중화기(Wavelength Division Multiplexer, WDM)(20)를 이용한 복수의 다이오드들을 포함할 수 있다. 따라서, WDM(20)으로부터의 출력신호는 코어(26)의 입력단부(22)에 결합되는 2개의 다른 주파수들을 모두 실어나른다. 대안으로, 대시선으로 도시된 바와 같이 사이드 양방향 펌핑 기술이 이용될 수 있다. 이 방식에 따르면, 복수의 레이저 다이오드에 의해 방출된 펌프광은 부스터(14)의 입력영역을 따라 동일 및 반대 전파방향으로 클래딩(28)에 결합된다.

첨부도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예들 중 적어도 하나를 설명하였으나, 본 발명은 이들 정확한 실시예들에 국한되지 않음을 알아야 한다. 예컨대, 개시된 시스템은 CW 영역에서 동작할 수 있다. 다른 파장, 광섬유 파라미터 및 희토류 도판트들을 포함한 다양한 변경, 변형, 및 적용들도 상술한 바와 같이 본 발명의 범위 또는 기술사상으로부터 벗어남이 없이 당업자에 의해 달성될 수 있다.

청구항

하우징;

상기 하우징 내에 둘러싸이고 펌프광을 방출하는 펌프소스;

상기 하우징에 실장되고 전파방향으로 싱글모드("SM") 신호광을 방출하도록 동작하는 시드소스;

적어도 부분적으로 상기 하우징 내에 뻗어 있고 시드소스로부터 경로를 따라 상기 SM 신호광을 가이드하는 SM 시드 출력 광섬유;

상기 하우징으로부터 소정 거리에 이격된 레이저 헤드;

상기 하우징과 레이저 헤드 사이에 뻗어 있는 수송 케이블;

세장형 입력 광섬유와 출력 광섬유 로드부를 포함한 구속되지 않는 일체형 광섬유-광섬유 로드 부스터; 및

레이저 헤드에 실장되고, 펌프광이 리플렉터의 표면에 입사하고 부스터를 엔드펌프하도록 반대전파방향 반사되게 펌프소스에 동작가능하게 결합된 리플렉터를 구비하고,

부스터는 MM 코어 및 상기 부스터의 대향 단부들 사이에 상기 코어를 둘러싼 적어도 하나의 클래딩으로 구성되며,

상기 코어는 입력 광섬유부의 길이를 따라 뻗어 있고 고차모드("HOM")의 여기 없이 SM을 수용하고 가이드하도록 시드 광섬유의 모드필드직경("MFD")과 실질적으로 일치하는 모드필드직경(MFD)으로 구성된 균일한 치수의 입력 코어영역과, 입력 코어영역으로부터 확장되고 HOM의 여기를 억제하는 한편 SM의 MFD를 확장하도록 구성된 모드변환 코어영역과, 부스터의 출력 광섬유 로드부를 따라 상기 모드변환 코어영역으로부터 뻗어 있고 입력 코어영역보다 짧고 직경이 상기 입력 코어영역의 직경보다는 더 큰 균일한 치수의 증폭 코어영역을 포함하며,

구속되지 않는 일체형 광섬유-광섬유 로드 부스터는 적어도 부분적으로 수송 케이블 내에 위치되고, 수송 케이블의 하류단부를 통해 돌출되고 레이저 헤드내에 둘러싸인 부스터의 광섬유 로드부를 갖는 싱글 또는 로우모드 초고출력 광섬유 레이저 시스템.

제 1 항에 있어서,

입력코어와 모드변환 코어영역은 수송 케이블 내에 위치되는 싱글 또는 로우모드 초고출력 광섬유 레이저 시스템.

제 1 항에 있어서,

수송 케이블의 내부면과 부스터 사이에 냉각제를 더 포함한 싱글 또는 로우모드 초고출력 광섬유 레이저 시스템.

제 1 항에 있어서,

적어도 하나의 펌프광 수송 케이블을 더 포함하는 싱글 또는 로우모드 초고출력 광섬유 레이저 시스템.

제 4 항에 있어서,

펌프광 수송 광섬유는 수송 케이블 내에 뻗어 있고 방출단부가 레이저 헤드에 결합되는 싱글 또는 로우모드 초고출력 광섬유 레이저 시스템.

제 4 항에 있어서,

수송 케이블로부터 이격되어 있고 수송 케이블을 둘러싸는 복수의 레이저 광수송 광섬유들을 더 구비하는 싱글 또는 로우모드 초고출력 광섬유 레이저 시스템.

Claims

세장형 입력 광섬유와 출력 광섬유 로드부를 포함한 일체형 광섬유-광섬유 로드 부스터; 및
코어의 개구수보다 작은 개구수를 가지며 반대 전파방향으로 출력 코어단부에 결합된 펌프광을 방출하도록 동작하는 초고휘 멀티모드 펌프소스를 구비하고,
상기 부스터는 코어 및 상기 부스터의 대향 단부들 사이에 상기 코어를 둘러싼 클래딩으로 구성되며,
상기 코어는 입력 광섬유부의 길이를 따라 뻗어 있고 전파방향으로 SM을 가이드하도록 구성된 가요성 있는 균일한 치수의 입력 코어영역과, 코어의 횡단면적의 중앙 영역에 중첩한 기본모드("FM")의 모드영역으로 기본모드 및 고차모드를 지원할 수 있는 코어의 출력단부를 향한 광섬유 로드부의 길이를 따라 입력 코어영역으로부터 뻗어 나온 직선의 출력 코어영역을 포함하고, 상기 광섬유 로드부는 길이가 10cm 내지 30cm이고 적어도 0.1의 개구수로 구성되며,
펌프광의 전력밀도는 FM에 의해 중첩되지 않은 코어영역을 표백하는데 필요한 밀도보다 훨씬 더 크고,
증폭기는 5kW를 초과하는 평균 출력전력 또는 MW 레벨에 달하는 피크전력을 가지며 SM으로 출력을 방출하는 초고출력 싱글모드("SM") 광섬유 레이저 시스템.
제 1 항에 있어서,
부스터의 출력단부에 접합되고 실린더형 횡단면 또는 전반적으로 원추형 횡단면을 갖는 코어리스 실리카 글래스 로드를 더 포함하는 초고출력 싱글모드("SM") 광섬유 레이저 시스템.
제 1 항에 있어서,
출력 코어영역은 원추형 모드변환부로 구성된 초고출력 싱글모드("SM") 광섬유 레이저 시스템.
제 3 항에 있어서,
출력 코어영역은 상기 원추형 모드변환부에서 뻗어 있고 출력 코어단부를 포함한 실린더형부를 더 갖는 초고출력 싱글모드("SM") 광섬유 레이저 시스템.
제 1 항에 있어서,
펌프광 소스는:
파장(λ_p)의 낮은 노이즈 펌프광 신호를 발생하는 적어도 하나의 펌프 시드 소스;
서브-펌프 파장(λ_sp)으로 서브-펌프 방출을 방사하도록 함께 결합된 복수의 고출력("HP") 반도체 레이저 다이오드들; 및
서브-펌프 파장(λ_sp)의 서브-펌프 방출을 파장(λ_p)의 펌프신호로 변환시키는 Yb 도핑된 멀티모드("MM") 광섬유 파장 컨버터로 구성되고,
상기 파장 컨버터에 의해 방출된 펌프신호는:
낮은 노이즈 신호광의 노이즈 레벨과 실질적으로 일치하는 노이즈 레벨;
n(HP 반도체 레이저 다이오드의 개수)×B(각 HP 레이저 다이오드의 휘도)와 실질적으로 같은 휘도("B"); 및
nPd와 실질적으로 같은 출력전력("Po")를 갖고,
여기서, Pd는 각 HP 레이저 다이오드의 전력이고 n은 그 개수인 초고출력 싱글모드("SM") 광섬유 레이저 시스템.
제 1 항에 있어서,
입력 코어영역에 결합된 SM 신호를 방출하는 시드;
상기 시드와 입력 코어단부 사이에 위치된 파장분할다중화기("WDM"); 및
입력 코어단부에 결합된 신호 및 추가 펌프광을 결합하도록 구성된 상기 WDM에 결합된 MM 펌프광을 방출하는 추가 펌프소스를 더 구비하는 초고출력 싱글모드("SM") 광섬유 레이저 시스템.
제 6 항에 있어서,
입력 단부영역을 양방향으로 사이드 펌프하도록 동작하는 추가 펌프소스를 더 구비하는 초고출력 싱글모드("SM") 광섬유 레이저 시스템.
제 6 항에 있어서,
시드는 960nm 내지 2㎛ 사이로 변하는 파장으로 신호광을 방출하는 초고출력 싱글모드("SM") 광섬유 레이저 시스템.
제 1 항에 있어서,
FM은 코어의 전체 길이를 따라 적어도 0.65²의 코어 횡단면적과 겹치는 초고출력 싱글모드("SM") 광섬유 레이저 시스템.
제 1 항에 있어서,
부스터는 광이미터들로 도핑된 편광유지 액티브 포스페이트 광섬유를 포함하고, 도핑된 광이미터들의 농도는 1000ppm 내지 5000ppm으로 변하는 초고출력 싱글모드("SM") 광섬유 레이저 시스템.
세장형의 균일하게 구성된 광섬유부와 광섬유 로드부로 구성된 부스터; 및
코어의 개구수보다 작은 개구수를 가지며 코어의 전체 길이를 따라 기본모드를 둘러싸도록 반대 전파방향으로 출력 코어단부에 결합된 펌프광을 방출하도록 동작하는 초고휘 멀티모드 펌프소스를 구비하고,
상기 부스터는 코어 및 상기 코어를 둘러싼 적어도 하나의 클래딩을 가지며,
상기 코어는 광섬유부를 따른 전파방향으로 가이드되는 싱글모드 또는 작은 수의 고차모드들을 지원하는 균일한 구조의 입력 코어영역, 및 광섬유 로드부를 따라 뻗어 있고 기본모드와 고차모드를 지원하도록 치수화된 출력 코어영역을 포함하고, 상기 코어는 기본모드가 전체 길이를 따라 코어의 횡단면적의 중앙 영역과 겹치도록 구성되며,
부스터는 약 5kW를 초과하는 평균 출력전력 또는 MW 레벨에 달하는 피크전력을 가지며 실질적으로 기본모드로 출력을 방출하는 광섬유 모듈.
제 11 항에 있어서,
광섬유 로드부는 길이가 10cm 내지 30cm 사이로 변하고 개구수가 적어도 0.1로 구성되며, 기본모드에 의해 중첩된 코어의 중앙영역은 적어도 0.65²의 코어 횡단면적과 같고, 코어의 중앙영역을 따라 뻗어 있으며, 펌프광의 전력밀도는 FM에 의해 중첩되지 않은 코어영역을 표백하는데 필요한 밀도보다 훨씬 더 큰 광섬유 모듈.
제 11 항에 있어서,
부스터의 출력단부에 접합되고 실린더형 횡단면 또는 전체적으로 원추형 횡단면을 갖는 코어리스 실리카 글래스 로드를 더 구비하는 광섬유 모듈.
제 11 항에 있어서,
코어는 포스페이트로 도핑되고 상기 코어와 함께 희토류 광이미터들은 5000ppm까지의 농도로 도핑되는 광섬유 모듈.
제 11 항에 있어서,
출력 코어영역은 균일한 구성의 입력 코어영역에서 확장된 원추형의 서브영역과 입력 코어영역의 직경보다 더 큰 직경을 갖는 균일한 구성의 출력 서브영역을 포함하는 광섬유 모듈.
제 11 항에 있어서,
펌프광 소스는:
파장(λ_cp)의 낮은 노이즈 펌프광 신호를 발생하는 적어도 하나의 펌프시드 소스;
서브-펌프 파장(λ_sp)의 서브-펌프 방출을 방사하도록 함께 결합된 복수의 고출력("HP") 반도체 레이저 다이오드; 및
서브-펌프 파장(λ_sp)의 서브-펌프 방출을 파장(λ_p)의 펌프신호로 변환시키는 Yb 도핑된 멀티모드("MM") 광섬유 파장 컨버터로 구성되고,
상기 파장 컨버터에 의해 방출된 펌프신호는:
낮은 노이즈 신호광의 노이즈 레벨과 실질적으로 일치하는 노이즈 레벨;
n(HP 반도체 레이저 다이오드의 개수)×B(각 HP 레이저 다이오드의 휘도)와 실질적으로 같은 휘도("B"); 및
nPd와 실질적으로 같은 출력전력("Po")를 갖고,
여기서, Pd는 각 HP 레이저 다이오드의 전력이고, n은 그 개수인 광섬유 모듈.
제 11 항에 있어서,
입력 코어영역의 상류 단부에 결합되는 MM 펌프광을 방출하는 추가 펌프소스를 더 구비하는 광섬유 모듈.
제 11 항에 있어서,
부스터의 출력부는 960nm 내지 2000nm 파장으로 방출되는 광섬유 모듈.
제 11 항에 있어서,
일체형 바디 또는 광섬유 및 광섬유 로드부가 서로 접합되는 두 부분의 바디를 갖는 광섬유 모듈.
세장형의 균일한 구조의 광섬유부와 광섬유 로드부를 갖고, 코어와 상기 코어를 둘러싼 적어도 하나의 클래드를 갖는 광섬유 증폭기; 및
코어의 개구수보다 작은 개구수를 가지며 기본모드가 코어의 전체 길이를 따라 적어도 상기 기본모드의 크기와 적어도 같은 크기를 갖는 펌프광내에 둘러싸이도록 반대 전파방향으로 출력 코어단부에 결합된 펌프광을 방출하도록 동작하는 초고휘 멀티모드 펌프소스를 구비하고,
상기 코어는 광섬유부를 따른 전파방향으로 가이드되는 싱글모드 또는 작은 수의 고차모드들을 지원하는 균일한 구조의 입력 코어영역, 및 광섬유 로드부를 따라 뻗어 있고 코어 횡단면적의 중앙 서브영역과 겹치는 기본모드의 모드영역으로 기본모드와 고차모드를 지원하도록 치수화된 출력 코어단부를 향해 뻗어 있는 출력 코어영역을 포함하고,
이득 매질은 5kW를 초과하는 평균 출력전력 또는 MW 레벨에 달하는 피크전력을 가지며 실질적으로 기본모드으로 출력을 방출하는 광증폭 시스템.
제 20 항에 있어서,
코어는 적어도 0.1의 개구수로 구성되고 10cm 내지 30cm 사이 길이를 따라 뻗어 있는 광섬유 로드부를 갖고, 펌프광은 코어의 개구수보다 더 작은 개구수를 갖는 광증폭 시스템.