KR102287019B1 - 고출력 초단파 펄스 광섬유 레이저 - Google Patents
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Abstract
고출력 단일모드 초단파 펄스 광섬유 레이저 시스템은 메인 콘솔 및 레이저 헤드와 사이를 두며 구성된다. 광섬유 부스터는 메인 콘솔과 레이저 헤드 사이에 뻗어 있고 이에 따라 증폭 광섬유 및 수송 광섬유 모두로서 이용되는 하나의 액티브 광섬유로 구성된다. 레이저 헤드에는 재지향 펌프광이 전파 반대방향을 향해 전파하게 하고 광섬유 부스터의 하류단부에 결합되게 하는 구성이 제공된다. 개시된 레이저는 선형 처프된 광섬유 브래그 격자와 100fs - 100psec 범위의 신호광의 펄스 기간을 제어가능하게 조정하도록 구성된 조정가능한 스트레처를 더 포함한다. 처프 펄스들은 공간 브래그 격자로서 구성된 컴프레서에 의해 더 넓어진다.
Description
본원은 초단파 펄스 광섬유 레이저에 관한 것이다. 보다 상세하게, 본원은 조절가능한 펄스기간 방식의 컴팩트한 초단파 모드락 광섬유 레이저에 관한 것이다.
고출력 펄스 광섬유 레이저 시스템은 현재 상업적 산업 및 다른 과학기술 분야에서 광범위한 사용을 발견한다. 산업적 응용에 있어 펄스 광섬유 레이저의 적용은 레이저 펄스의 평균 및 피크출력, 출력 에너지, 빔 품질, 파장, 효율, 신뢰성, 안정성, 강건성 및 컴팩트성에 따른다.
컴팩트한 고출력 광섬유 레이저의 개발은 이들 레이저들의 전기-광학적 특징의 진화만큼 중요하다. 컴팩트성은 전력, 크기, 및 무게가 주요 관심인 공간이 제한된 위치에 진보된 고출력 레이저 시스템들을 개발하는 전체적인 목적에 중요한 단계이다. 본원의 주제인 연속파 또는 펄스모드로 동작하는 컴팩트한 고출력 광섬유 레이저는 광범위하나 개별적으로 매우 특정한 적용에 있어 더 나은 방안의 성공적인 개발에 있어 중요한 요인이다.
초단파 펄스 레이저는 기간 상 서브 피코초에서 기간 상 수십 피코 초로 펄스를 방출하는 레이저이며, 다른 많은 레이저 구성들처럼, 컷팅, 용접, 및 기타 종래 적용에 광범위하게 사용된다. 추가로, 초단파 펄스 레이저는 유리컷팅, 인쇄회로기판에 있는 관통구 형성, 연료 인젝터에 정확한 홀들의 형성, 미세가공 및 안과 등을 포함한 특정한 적용을 갖는다. 이들 적용에 대해, 필요로 하는 성능을 달성하기 위해 정확한 펄스 에너지 및 피크출력이 요구된다.
펄스 kW-MW 출력의 광섬유 레이저는 통상적으로 광섬유 기반의 "MOPA"(Master Oscillating Power Amplifier)를 갖는 구조로 구성된다. 이 구성에서, 마스터 오실레이터는 레이저 펄스를 발생하고 광섬유 증폭기는 이들 펄스들을 고출력 레벨로 증폭시킨다. 펄스 증폭은 광학적 비선형성의 개시로 국한된다. 증폭기로부터 초단파 펄스들에 의해 더 많은 에너지를 추출하기 위해, 처프펄스 증폭기 사용된다. 이 방법에서, 펄스들은 펄스 피크출력을 줄이기 위해 분산을 통해 시간적으로 스트레치된다. 펄스는 수 서브-피코초로부터 10 나노초만큼 긴 펄스 기간으로 스트레치될 수 있다. 증폭 후에, 펄스 기간은 일반적으로 초기 값으로 복구(압축)된다. 대표적으로, 과도하게 큰 치수의 벌크소자들에 의해 처핑 및 압축 모두가 구현된다.
그러므로, 컴팩트하게 구성된 펄스 처핑 및 압축 성분들을 가진 컴팩트한 초단파 고출력 광섬유 레이저에 대한 필요성이 있다.
몇몇 적용에 대해, 펄스 기간은 신속하게 조정되어야 한다. 이에 대한 예는 한가지 공정단계 동안 서브 피코초 펄스를 이용하고 그런 후 빠른 속도로 가공단계들 간에 스위칭을 필요로 하는 다음 단계에 대해 피코초 펄스를 이용한다. 또 다른 예는 레이저 조건을 변경하기 위해 펄스 기간을 원래 펄스 기간으로의 재조정이다. 이는 광섬유 증폭기에서 비선형 양과 피크출력 변화에 의해 야기된 분산을 보상하기 위한 요건을 변경하는 펄스들의 피크출력에서의 변화일 수 있다.
처프 FBG는 이런 빠른 전환에 사용될 수 있다. 선형으로 처프된 FBG는 펄스를 따른 선형 처프를 유도할 수 있다. FBG의 길이를 조절함으로써, 격자의 분산을 변경할 수 있다. 실시간으로 펄스기간을 조정하기 위한 공지의 방법은 격자의 온도 조절이다. 그러나, 이런 조정 속도는 온도제어루프에 의해 제한된다. 광섬유 브래그 격자의 길이를 조정하는 또 다른 방법은 격자를 기계적으로 스트레칭하는 것이다. 이는 모터 액츄에이터에 의해 행해질 수 있다. 이는 다시 기계적 액츄에이터의 속도에 의해 제한된다. 더 빠른 동조방법은 압전 트랜스듀서를 이용하는 것이다. 불행히도, 압전은 변위 범위가 제한되고 적용도 제한된 펄스기간조절을 위해 주로 비선형 분산을 보상하기 위한 비선형 처프 FBG를 이용하는 것에 국한된다.
따라서, 공지의 방식보다 더 먼 거리에서 비선형 처프 FBG를 스트레칭하도록 구성된 압전기반의 액츄에이터 펄스기간 조절방식을 가진 고출력 펄스 광섬유 MOPA 구성에 대한 필요성이 더 있다.
접근성이 떨어질 수 있는 수신지로 고강도의 실질적인 회절제한 펄스 레이저빔을 전달하는 능력은 전체적인 레이저 컴팩트성 문제에 대한 승낙 없이 고려될 수 없다. 시드, 전치증폭기, 펌프소스, 전자장치 및 소정 수신지 가까이에 있는 기타 필수적인 레이저 시스템 부품들과 함께 전체 레이저 시스템들을 위치시키는 것이 항상 현실적이기 않기 때문에 광섬유 수송이 바람직하다. 대부분의 레이저 적용들은 레이저 광원의 고도의 조작성을 필요로 한다. 이들 적용에서, 대표적으로, 패시브 수송 광섬유는 MOPA 증폭된 회절제한 펄스빔을 상대적으로 작고, 경량이며 소정 위치에 빔을 집속시키는 가이드 광학기가 제공되는 가공 레이저 헤드로 가이드한다.
고출력 광섬유 레이저와 특히 펄스 레이저에서 광섬유들의 이용에 따른 기술적 문제는 SPM(Self-Phase Modulation)을 포함한 비선형 효과의 상대적으로 낮은 임계치와 관련 있는 kW-Mw의 높은 피크출력의 조합이다. 대표적으로 비선형 효과는 회절제한빔을 방출하도록 구성된 광섬유 레이저의 출력 스케일링을 제한한다. 비선형 효과들의 개입에 맞서 싸우는데 많이 사용되는 2가지 일반적인 접근들: 1) 액티브 광섬유, 즉, 코어가 희토류 원소의 이온들로 도핑된 광섬유의 확대된 코어 횡단면, 및 2) 광섬유 길이축소는 레이저 기술분야의 당업자에 잘 알려져 있다.
따라서, 실질적으로 단일 기본모드만을 지지하고 엔드펌프되도록 구성된 다중모드("MM") 코어를 갖는 액티브 광섬유를 이용한 컴팩트한 빔수송 어셈블리가 제공된 고출력 단일모드("SM") 펄스 광섬유 레이저에 대한 필요성이 더 있다.
상술한 필요성들은 전반적인 컴팩트성, 조절가능한 기간에 따른 신호광과 초단파 펄스의 높은 피크출력에 기여하도록 다수의 부품들이 설계된 본원에 개시된 고출력 SM 초단파 펄스 광섬유 레이저에 의해 만족된다.
개시된 레이저 시스템은 증폭기 및 신호광 수송 광섬유 둘 다로서 동시에 기능하는 광섬유 부스터를 특징으로 한다. 시드 레이저로부터 전치증폭기, 전자장치를 거쳐 펌프 어셈블리들까지 모든 주변 부품들을 수용하는 메인 콘솔 간에 자유공간 위로 뻗어 있는 광섬유 부스터로, 개시된 레이저 헤드는 매우 컴팩트하고 가볍다.
개시된 시스템에는 컴퓨터 펄스 스트레처(pluse stretcher) 및 펄스 컴프레서가 제공된다. 펄스 스트레처는 처프 광섬유 브래그 격자를 지지하고 굴곡범위가 큰 마운트를 휘게 구성된 압전소자를 수용하는 가요성 마운트로 구성된다.
마운트의 휨 범위가 늘어남에 따라 선형 처프된 광섬유 브래그 격자가 이용가능해진다. 선형 처프된 광섬유 브래그 격자로, 본래 프리처프 기간 및 심지어 더 짧은 기간으로 펄스를 압축할 수 있다. 컴프레서는 레이저 헤드의 컴팩트성에 크게 기여하는 공간 브래그 격자로서 구성된다.
개시된 레이저는 펌프광이 또한 자유공간 위로 뻗어 있는 펌프광 수송 광섬유에 의해 수송되고 신호광의 전파방향에 반대방향으로 광섬유 부스터의 말단에 결합된 엔드펌핑 기술을 이용한다. 이는 레이저 헤드에 실장되고 전파반대방향으로 펌프광을 재지향하도록 구성된 반사기에 의해 구현된다. 동시에, 반사기는 레이저 헤드 내 전파방향으로 증폭된 신호광이 손실없이 광경로 아래로 더 전파하게 하는 개구가 제공된다.
본 발명의 내용에 포함됨.
본원의 상기 및 다른 특징과 이점은 도면과 결부해 하기의 명세서로부터 더 쉽게 명백해질 것이다:
도 1은 본원의 고출력 초단파 펄스 레이저 시스템의 도면이다.
도 2는 도 1의 시스템의 광원의 광학적 구성도이다.
도 3은 도 2에 도시된 펄스 스트레처의 직교 도면이다.
도 4는 도 3의 펄스 스트레처의 횡단면도이다.
도 5는 반사시 소정의 FBG 스펙트럼이다.
도 6은 도 3 및 도 4의 개시된 펄스 스트레처의 동작을 예시한 컴퓨터 발생 시뮬레이션이다.
도 7은 도 1의 레이저 시스템의 레이저 헤드의 횡단면도이다.
도 8은 도 7에서 A로 표시된 레이저 헤드의 영역의 확대 개략도이다.
도 9는 도 7에서 A 영역의 횡단면도이다.
도 10은 도 7에서 A 영역의 측면도이다.
도 11은 도 7의 변형된 A 영역의 개략도이다.
도 1은 본원의 고출력 초단파 펄스 레이저 시스템의 도면이다.
도 2는 도 1의 시스템의 광원의 광학적 구성도이다.
도 3은 도 2에 도시된 펄스 스트레처의 직교 도면이다.
도 4는 도 3의 펄스 스트레처의 횡단면도이다.
도 5는 반사시 소정의 FBG 스펙트럼이다.
도 6은 도 3 및 도 4의 개시된 펄스 스트레처의 동작을 예시한 컴퓨터 발생 시뮬레이션이다.
도 7은 도 1의 레이저 시스템의 레이저 헤드의 횡단면도이다.
도 8은 도 7에서 A로 표시된 레이저 헤드의 영역의 확대 개략도이다.
도 9는 도 7에서 A 영역의 횡단면도이다.
도 10은 도 7에서 A 영역의 측면도이다.
도 11은 도 7의 변형된 A 영역의 개략도이다.
본원의 바람직한 실시예에 대해 더 상세히 언급할 것이다. 가능한 한 어디에서나, 도면 및 설명에 동일 또는 유사한 참조부호를 사용해 동일 또는 유사한 부분이나 단계들을 나타낸다. 도면은 매우 간략한 형태로 되어 있으며 정확한 비율로 되어 있지 않다.
도 1은 무엇보다도, 선편광(LP) 신호광의 단일의 횡모드(SM) 초단파 펄스의 소스를 수용하는 메인 콘솔(12)로 구성된 본원의 펄스 광섬유 레이저(10)를 도시한 것이다. 레이저(10)는 빔가이딩 광학기를 갖는 레이저 헤드 및 가요성 케이블(16) 내에 콘솔(12)과 레이저 헤드(14) 간의 자유공간 위로 뻗어 있는 광섬유 부스터를 더 포함한다. 통상의 패시브 수송 출력 광섬유없이 광이미터 도핑 광섬유만으로 구성된 광섬유 부스터의 사용으로 많은 공지의 시스템들에 비해 유효 광섬유 길이가 단축된다. 이는 단축된 광섬유 파장으로 유도된 비선형 효과의 임계치가 더 높아지기 때문에 중요하다.
도 2는 초단파 펄스 광섬유 레이저에 대표적인 것으로 "MOPA"(Master Oscillating Power Amplifier)를 갖는 광섬유 레이저(10)의 매우 도식화한 광구조를 도시한 것이다. 마스터 오실레이터(18)는 액티브 모드락 광섬유 레이저로서 또는 바람직하게는 SESAM(Semiconductor Absorber Mirror)을 가진 패시브 모드락 광섬유 레이저로서 구성되고 메인 콘솔(12)에 실장되어 SM LP 서브 나노초 레이저 펄스를 출력한다. 하나 이상의 광섬유 전치증폭기들(24)도 또한 콘솔(12)에 실장되고 이들 펄스들을 증폭시키도록 동작한다. 광학적 비선형성의 개시에 의해서만 출력전력이 제한된 광섬유 부스터(26)에 의해 주요 증폭이 구현된다.
초단파 펄스들에 의해 더 많은 에너지를 추출하도록, 하기에 더 상세히 언급된 바와 같이, 콘솔(12) 내에 시드(16)와 전치증폭기(24) 간에 펄스 스트레처(22)가 결합된다. 마지막으로, 펄스들은 레이저 헤드(14)에 실장된(도 1) 광컴프레셔(42)에 의해 압축되고, 하기에 더 상세히 언급된 바와 같이, 스트레치된 펄스들을 본래 피코 초 또는 펨토 초의 펄스 기간들과 비교하도록 동작한다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 도 1 및 도 2의 구성에 이용된 조정가능한 펄스 스트레처(22)는 처프 광섬유 브래그 격자("FBG")(30)를 보유한 기계적 플렉셔 마운트(28)를 둘러싼 하우징을 포함한다. 압전소자(32)는 선회지점 주위로 FBG(30)의 스트레칭을 최적하기 위한 위치에서 마운트(28)에 제공된 네스트(44)에 수용된다. 이런 구성은 압전 동작 범위에 걸쳐 FBG의 길이에 있어 큰 변화를 유도하고 선형 처프된 FBG를 이용해 펄스 기간을 동조하게 한다. 이런 식으로 펄스 기간은 마이크로초만큼의 짧은 전환시간으로 100fm에서 100psec로 조정될 수 있다. 선형 처프된 FBG의 사용은 본래 기간 또는 심지어 더 짧은 기간으로 펄스의 압축을 가능하게 한다.
압축된 펄스의 펄스 형태는 기간에 영향을 주는 것이 알려져 있다. 또한 "SPM"(Self-Phase Modulation)과 같은 광섬유 비선형성이 선형 분산보상을 갖는 펄스 압축을 이용해 전체 변환이 제한된 펄스압축을 막는 것이 알려져 있다. SPM에 의한 스펙트럼 퍼짐을 모방한 포물선 펄스형태는 심지어 SMP이 있어도 압축될 수 있다. 따라서 소정의 포물선 펄스형태는 상당한 비선형성이 있을 경우 제한된 변환을 달성하는데 필수적이다. 적절한 아포디제이션(apodization) 프로파일을 갖는 FBG(30)는 이러한 펄스형태를 발생할 수 있다. 제안된 기술들 중 하나는 부피가 큰 도 1-2의 구성에서 공간 광변조기의 사용이다. 여기서, 기술은 도 5에 도시된 바와 같이 사이드 펌핑기술에 의해 다른 파장들로 동작하고 적절한 광이미터들로 도핑된 FBG(30)의 각 영역들을 펌핑하는 복수의 다이오드들을 포함한다. 다른 가능성은 도 1-2에 도시된 구성에서 복수의 마이크로 전자기계 시스템들 또는 광학적 위치들(witches)("MEMS")과 조합한 단일 다이오드의 사용이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 전하가 압전소자(32)에 가해질 경우, 네스트(44)의 외주부에 대해 밀게 스트레치 된다. 그 결과, 마운트(28)는 FBG(30)의 길이가 늘어나며 도 4의 점(46) 주위로 휘어진다. 다른 압전소자와 동시에 동작하는 압전소자를 수용한 추가 네스트(44)를 갖기 때문에, 마운트(28)는 FBG(30)의 길이를 심지어 더 늘린 아치모양으로 된다. 이는 도 6에 도시된 시뮬레이션을 보면 더 쉽게 명백해진다.
마운트(28)의 상단은 FBG(30)를 수용하는 트레이(34)로 구성된다. FBG(30)의 이격된 공간들은 임의의 적절한 수단에 의해 각각의 기설정된 위치에 고정된다. 조정 용도로 위해 주로 제공된 마운트(28)는 온도 트랜스듀서(40)에 의해 제어되는 열전소자(36)를 지지한다. 패스너(38)는 하우징에 마우트(28)의 실장을 제공한다.
마우트(28)는 바람직하게는 알루미늄으로 제조되나 임의의 다른 가요성 재료로 제조될 수 있다. 몇몇 애플리케이션에 대해, 펄스 기간이 신속하게 조절되어야 한다. 이것의 예는 한 공정단계 동안 서브 피코 초의 펄스를 이용하고 그런 후 빠른 속도로 가공 단계들 간에 다음 단계 스위칭을 위해 피코 초 펄스를 이용하는 것이다. 마운트(28) 재료를 올바르게 선택함으로써 높은 kHz 레벨에 달하는 주파수 속도로 마운트를 스트레치시킬 수 있다. 예를 들어, 플렉셔 마운트는 전하를 가할 시 kHz 레벨에 달하는 주파수에서 50mm까지 떨어져 이동될 수 있다.
도 7을 참조하면, 도 1-2의 본원의 구성의 휴대용 레이저 헤드(14)는 방열판(51)에 놓인 각각의 펌프광 수송광섬유 및 광섬유 부스터의 하류 단부를 수용하는 페룰(ferrule)(52)을 입력/상류 단부상에 포함한 하우징으로 구성된다. MW 레벨에 달하는 피크출력을 가진 증폭된 광신호의 고출력 림도를 방지하기 위해, 실리카 기반의 단말 블록(54)이 하류 광섬유 단부에 결합된다. 하기에 더 상세히 언급된 구형 미러(56)는 펌프 광을 전파 반대방향으로 광섬유 부스터의 하류 단부로 다시 반사시키도록 구성된다. 미러(56)는 손실을 야기하지 않고도 증폭된 광심호에 의해 이동되도록 치수화된 중앙개구를 포함한다. 증폭된 광신호는 증폭단을 향해 후방반사된 신호광의 전파를 최소화하도록 구성된 렌즈 시스템(58) 및 아이솔레이터(60)를 통해 더 전파한다.
상류 미러(62)는 입사 신호광을 빔스플리터(66)로 재지향시키고 상기 빔스플리터(66)는 차례로 컴프레서(42)를 향해 신호광을 보낸다. 컴프레서(44)는 공간 브래그 격자로서 구성된다. 마지막으로, 신호광의 압축된 펄스들은 미러(68 및 70)에 순차적으로 입사한 다음 레이저 헤드(16)의 출력포트를 나간다.
신호광의 펄스들은 선편광된다. 레이저 헤드(16)를 나가고 특히 빔스플리터(66)를 통해 전파하도록 편광시스템은 전방 전파 신호광의 극성을 바꾸게 구성된다. 특히 1030nm 파장에 대해 설계된, 편광시스템은 압축 신호광의 극성이 처프된 신호광의 극성과 반대가 되도록 바꾸게 구성된 1/2 및 1/4 웨이브 플레이트(64 및 61)로 각각 구성된다. 대안으로, 웨이브 플레이트 대신, 패러데이 서큘레이터가 예시된 방식으로 구현될 수 있고, 실제로, 다른 모든 파장들에 대해 이점적이다.
도 8 및 도 9는 각각의 광섬유 부스터(72)와 펌프광 수송 광섬유 또는 광섬유들(74)의 하류 단부를 도시한 것이다. 광섬유 부스터(72)는 서로 다른 부분들로 이격된 두 부분들로 구성될 수 있으나 바람직하게는 연속한 분할없는 바디이다. 광섬유 부스터부의 외직경은 균일할 수 있거나 상대적으로 긴 상류 광섬유부 및 상류부와 하류부를 잇는 테이퍼진 부분을 갖는 상대적으로 큰 하류 광섬유 로드부를 포함할 수 있다. 부스터(72)의 MM 코어는 균일한 치수의 입력영역(76), 테이퍼진 영역(78) 및 입력영역(76)의 횡단면보다 더 큰 횡단면을 갖는 또 다른 균일한 치수의 증폭영역(80)을 갖는다. MM 코어의 입력영역(76)은 시드 및 전치증폭단으로부터 전달된 신호광의 단일모드와 동일한 모드필드 직경을 갖는 기본모드를 지원하도록 구성된다. 그 결과, MM 코어의 입력 코어영역(76)에 SM 신호광의 결합시 고차모드들이 더 이상 여기되지 않는다. 테이퍼진 영역은 증폭 코어영역을 향해 신호광을 단열 팽창시키므로 하지만 고차모드 여기없이 기본모드가 점차 확장된다.
각각의 광섬유 부스터(72)와 펌프광 수송 광섬유(74)의 주요 길이부들은 케이블(16)을 통해 뻗어 있는 반면, 이들 각각의 단부들은 레이저 헤드(14)에 수용되고 방열판(51)에 안착된다(도 7). 각각의 부스터와 펌프광 신호 수송 광섬유의 말단 단부들은 단말 블록(54)에 융합된다. 사용시, 펌프광은 단부(82)에서 방출되고 블록(54)을 통해 전파방향으로 전파하며 최종적으로 미러(56)에서 반사된다. 미러(56)는 재지향된 펌프광이 동일한 블록(54)을 통해 전파 반대방향으로 그리고 광섬유 부스터(72)의 말단 단부로 가이드되는 이와 같은 만곡 반사면으로 구성된다. 부스터(72)의 상대적으로 큰 증폭 광섬유 로드부 내에서 반사된 펌프광의 유효 흡수로 전체 광섬유 부스터는 필요하다면 약 30cm 길어질 수 있고, 높은 피크출력 레벨에서 비선형의 발생이 방지된다. 증폭된 신호광은 그런 후 단말 블록(54)을 통해 전파하고 미러(56)(또는 대안으로 개구가 없이 구성된 미러(56))에 있는 개구(84)를 지나 도 7을 참조로 설명한 바와 같이 레이저 헤드(14)를 따라 더 가이드된다.
광섬유 코어는 전체 횡단면을 가로질러 하나 이상의 희토류 원소로 도핑된다. 바람직하기로, 산업적 경향에 비추어, 선택 도판트는 종종 에트리븀(YB3+)이다. 증폭 코어영역(80)은 실질적으로 0.1 이상의 NA로 구성될 수 있다. 더욱이, 코어의 전체 길이는 기본모드에 의해 중첩된 약 0.652의 중앙영역을 갖도록 구성되며, 이는 따라서, FM에 의해 중첩되지 않는, HOM 및/또는 자발적 방출이 증폭될 수 있는 영역인 코어(26)의 작은 외주영역을 남긴다.
그러나 외주영역에서의 증폭은 코어영역(80)의 개구수와 가장 잘 일치하나 바람직하게는 그보다 작은 개구수로 펌프광을 방출하도록 펌프소스를 구성함으로써 크게 억제된다. 그 결과, 기본모드는 부스터(72)의 MM 코어의 전체 길이를 따라 적어도 기본모드 크기만큼 큰 크기를 갖는 펌프광 내에서 둘러싸인다. 테이퍼진 코어영역(78)의 개방 각도는 코어영역(76)으로 입사하기 전에 적어도 일부의 흡수되지 못한 펌프광의 디커플링을 제공하도록 제어가능하게 선택된다.
도 10을 참조하면, 개시된 카운터-펌핑 방식으로, 광섬유 부스터(72) 및 블록(54) 확장기 간의 융합영역은 일반적으로 부스터의 나머지 영역보다 훨씬 더 고온하에 있는데, 왜냐하면 펌프광이 이 영역을 통해 액티브 광섬유의 부스터(72)의 단부 영역에 결합되기 때문이다. 또한, 광섬유 부스터(72)의 말단 단부(90)는 방열판(51)(도 7)에 놓여 있지 않으며, 이는 상승된 온도와 함께 특히 취약한 융합된 표면들 간에 접합을 이루게 한다.
도 11을 참조하면, 단부 광섬유 영역(90)과 블록(54) 간의 접합을 강화하기 위해, 블록(54)과 광섬유 영역(90) 사이에 MM 패시브 광섬유(92)가 삽입되고 광섬유 부스터(72)의 증폭 코어영역(80)의 직경과 일치하는 직경을 갖는다. 펌프 수송광섬유(74)가 여전히 블록(54)과 직접 접촉해 있다. 반사된 펌프광은 패시브 광섬유(92) 내에 포획되고 광섬유 부스터(72)의 코어영역(80)에 결합된다.
몇몇 상황들 하에서, 펌프광을 수신하는 더 큰 영역을 부스터(72)의 MM 코어에 제공하는 것이 바람직하다. 이는 링(94)이 플루오르로 도핑된 부스터(72)의 클래딩(86)을 제공함으로써 달성될 수 있다. 패시브 광섬유(92)의 코어는 실질적으로 링(94)의 직경과 일치한다. 패시브 광섬유(92)에 흡수가 전혀 없기 때문에, 블록(54)과의 접합에 있어 거의 손상이 없다.
본원의 Yb 광섬유 레이저(10)는 1.5W 내지 30W 이상으로 변하는 평균출력과 5MW 이상의 피크출력으로 동작할 수 있다. 펄스 에너지는 100μJ을 초과할 수 있고 5μJ만큼 낮을 수 있다. 빔품질은 1.2 내지 1.5 범위에 이른다. 펄스 기간은 100fs에서 100psec 간격에 이르며, 펄스 반복율은 3000kHz 이상에 달할 수 있다. 예를 들어, 광섬유 시드 레이저는 펄스 반복이 3000kHz까지에 달하는 1064nm 파장에서 신호광 펄스를 방출하도록 동작하고, 각 펄스는 100fs 내지 100psec의 기간을 가질 수 있다.
개시된 예를 기초로 본원을 기술하였으나, 상술한 실시예들에 대해 많은 변형 및/또는 추가들은 하기의 특허청구범위와 기술사상으로부터 벗어남이 없이 레이저 분야의 당업자들에게는 자명할 것이다.
Claims (20)
- 자유공간 위로 뻗어 있고 전파방향으로 단일모드("SM") 선편광 신호광의 서브 나노초 펄스들을 가이드하는 광이미터 도핑된 다중모드("MM") 코어를 갖는 광섬유 부스터;
전파방향으로 펌프광을 가이드하고 자유공간 위로 광섬유 부스터와 같이 뻗어 있는 펌프광 수송 광섬유가 제공된 펌프;
광섬유 부스터의 하류 영역들과 펌프광 수송 광섬유를 각각 수용하는 휴대용 레이저 헤드;
자유공간 위로 광섬유 부스터 및 펌프광 수송 광섬유를 둘러싸는 가요성 슬리브;
광섬유 부스터의 상류에 있고 광섬유 부스터에 결합되는 선형 처프된 광섬유 브래그 격자("FBG"); 및
선형 처프된 FBG를 지지하고 상기 FBG의 길이에 변화를 유도해 소정의 펄스 기간 범위에서 신호광의 펄스 기간을 제어가능하게 조정하도록 동작될 수 있는 조정가능한 펄스 스트레처를 포함하고,
상기 휴대용 레이저 헤드는:
전파 반대방향으로 펌프광을 재지향시켜 재지향된 펌프광이 MM 코어의 하류단부에 결합되게 하고,
실질적으로 단일 기본모드에서 전파방향으로 증폭된 신호광을 출력하게 구성되고,
조정가능한 펄스 스트레처는 FBG를 지지하는 플렉셔 마운트, 및 소정의 펄스 기간 범위에 걸쳐 굴곡점 주위에서 플렉셔 마운트를 제어가능하게 아치모양이 되도록 스트로크를 야기하며 상기 플렉셔 마운트에 실장된 압전 액츄에이터로 구성되는, 초단파 펄스 광섬유 레이저. - 제 1 항에 있어서,
소정의 펄스 기간 범위는 100fs 내지 100psec인 초단파 펄스 광섬유 레이저. - 제 1 항에 있어서,
휴대용 레이저 헤드로부터 상류에 이격되어 있고 FBG와 조정가능한 펄스 스트레처를 둘러싼 메인 콘솔; 및
상기 메인 콘솔에 실장되고 출력 광섬유가 FBG의 상류 단부에 이어져 있는 광섬유 시드 레이저를 더 포함하고,
광섬유 시드 레이저는 전파방향으로 단일모드("SM") 선편광 신호광의 서브 나노초 펄스들을 방출하도록 동작하는 초단파 펄스 광섬유 레이저. - 제 1 항에 있어서,
마운트는 압전 액츄에이터를 수용하고 스트레칭된 위치에서 압전 액츄에이너의 길이보다 짧은 적어도 하나의 U형 네스트로 구성되므로, 압전 액츄에이터가 가해진 전하에 응답해 네스트의 외주를 밀면, 플렉셔 마운트는 압전 액츄에이터의 스트로크를 통해 선형 처프된 FBG의 길이를 늘리며 굴곡점 주위로 아치모양으로 되는 초단파 펄스 광섬유 레이저. - 제 4 항에 있어서,
마운트는 한 네스트와 정렬되고 추가 압전 액츄에이터를 수용하는 추가 U형 네스트로 구성되며, 압전 액츄에이터는 적어도 동시에 반대방향으로 작동되는 초단파 펄스 광섬유 레이저. - 제 4 항에 있어서,
마운트는 선형 처프된 FBG를 수용하는 광섬유 트레이 및 광섬유 트레이와 측면에 접하고 각각의 고정된 위치에서 선형 처프된 FBG의 각각의 단부에 연결된 2개의 이격된 패스너들로 더 구성되는 초단파 펄스 광섬유 레이저. - 제 4 항에 있어서,
플렉셔 마운트는 전하를 가할 시 kHz 레벨에 달하는 주파수에서 50mm까지 떨어져 이동될 수 있는 초단파 펄스 광섬유 레이저. - 제 3 항에 있어서,
광섬유 시드 레이저는 패시브 모드락 레이저 또는 액티브 모드락 레이저인 초단파 펄스 광섬유 레이저. - 제 3 항에 있어서,
광섬유 시드 레이저는 펄스 반복이 3000kHz까지에 달하는 1064nm 파장에서 신호광 펄스를 방출하도록 동작하고, 각 펄스는 100fs 내지 100psec의 기간을 갖는 초단파 펄스 광섬유 레이저. - 제 3 항에 있어서,
SM 신호광의 서브 나노초 펄스들을 광섬유 부스터의 상류 코어부로 전송하는 출력 패시브 SM 광섬유를 더 포함하고, 출력 패시브 SM 광섬유 및 광섬유 부스터는 서로 결합되고 서로 일치하는 각각의 모드필드 직경들로 구성된 각각의 코어영역들을 가지므로 광섬유 부스터의 MM 코어에 신호광의 결합시 단지 기본모드만이 광섬유 부스터의 코어영역에서 여기되는 초단파 펄스 광섬유 레이저. - 제 3 항에 있어서,
펄스 스트레처로부터 하류에 메인 콘솔에 실장된 적어도 하나의 광섬유 전치증폭기를 더 포함하는 초단파 펄스 광섬유 레이저. - 제 1 항에 있어서,
휴대용 레이저 헤드는:
각각의 광섬유 부스터와 펌프광 수송 광섬유의 하류영역들로부터 이격된 반사소자; 및
각각의 광섬유 부스터와 펌프광 수송 광섬유의 하류영역들 및 반사소자 간에 실리카 단말 블록을 수용하는 초단파 펄스 광섬유 레이저. - 제 12 항에 있어서,
각각의 광섬유 부스터와 펌프광 수송 광섬유 및 반사소자의 하류영역들은 직접 실리카 단말 블록의 상류면에 융합되고, 반사소자는 펌프광을 전파 반대방향으로 광섬유 부스터의 MM 코어에 다시 반사시키도록 구성되며, 신호광이 전파방향으로 방해없이 개구를 지나가게 하는 치수로 된 중앙개구를 갖는 초단파 펄스 광섬유 레이저. - 제 12 항에 있어서,
휴대용 레이저 헤드는:
광섬유 부스터와 펌프광 수송 광섬유의 하류단부들을 각각 지지하는 방열판; 및
일단이 손실 없이 광섬유 부스터의 하류영역에 이어지고 타단이 단말 블록의 상류면에 융합된 단부 패시브 광섬유를 더 수용하고,
펌프 수송 광섬유의 하류영역은 단말 블록의 상류면에 직접 융합되고,
단부 패시브 광섬유는 광섬유 부스터의 하류영역이 방열판에 의해 전체적으로 지지되는 말단 단부를 갖도록 치수화된 길이를 갖는 초단파 펄스 광섬유 레이저. - 제 12 항에 있어서,
레이저 헤드는 반사소자로부터 하류에 위치되고 전파 반대방향으로 후방 반사된 신호광의 전파를 방지하도록 구성된 아이솔레이터를 더 수용하는 초단파 펄스 광섬유 레이저. - 제 1 항에 있어서,
레이저 헤드에 둘러싸이고 광섬유 부스터로부터 상류에 처프된 신호광의 펄스들을 압축하도록 구성된 공간 브래그 격자를 더 포함하는 초단파 펄스 광섬유 레이저. - 제 16 항에 있어서,
신호광의 증폭된 처프 펄스들의 편광상태를 바꾸기 위한 1/4 웨이브 플레이트 및 편광기를 기초로 한 서큘레이터를 더 포함하는 초단파 펄스 광섬유 레이저. - 제 1 항에 있어서,
광섬유 부스터의 MM 코어는 입력 광섬유부 및 광섬유 로드 출력부로 구성된 초단파 펄스 광섬유 레이저. - 제 18 항에 있어서,
MM코어의 입력 광섬유부는 입력 광섬유부의 횡단면보다 더 큰 횡단면을 갖는 광섬유 로드 출력부로 이어지는 모드변환의 테이퍼진 영역으로 이어지는 균일한 치수의 입력영역으로 구성되는 초단파 펄스 광섬유 레이저. - 제 3 항에 있어서,
메인 콘솔에 실장되고 희토류 원소들의 하나 이상의 이온들로 도핑된 선형 처프된 FBG를 사이드 펌프하도록 각각의 다른 파장들에서 선택적으로 복사를 방출하는 복수의 다이오드 레이저들을 더 포함하는 초단파 펄스 광섬유 레이저.
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