파이버 레이저란 무엇입니까?

정의: 도핑된 섬유를 이득 매질로 사용하는 레이저 또는 레이저 공진기가 대부분 섬유로 구성된 레이저.

파이버 레이저는 일반적으로 파이버를 이득 매질로 사용하는 레이저를 말하지만, 반도체 이득 매질(반도체 광 증폭기) 및 파이버 공진기를 사용하는 일부 레이저는 파이버 레이저(또는 반도체 광 레이저)라고도 합니다. 또한 일부 다른 유형의 레이저(예: 섬유 결합 반도체 다이오드) 및 섬유 증폭기를 섬유 레이저(또는 섬유 레이저 시스템)라고도 합니다.

대부분의 경우 이득 매질은 에르븀(Er3+), 이테르븀(Yb3+), 토륨(Tm3+) 또는 프라세오디뮴(Pr3+)과 같은 희토류 이온 도핑 광섬유이며 하나 이상의 광섬유 결합 레이저 다이오드가 필요합니다. 펌핑용. 파이버 레이저의 이득 매질은 고체 벌크 레이저의 이득 매질과 유사하지만 도파관 효과와 작은 유효 모드 영역으로 인해 레이저의 특성이 서로 다릅니다. 예를 들어, 일반적으로 레이저 이득이 높고 공진기 공동 손실이 높습니다. 파이버 레이저 및 벌크 레이저 항목을 참조하세요.

그림 1

파이버 레이저 공진기

광섬유를 사용하여 레이저 공진기를 얻으려면 여러 개의 반사기를 사용하여 선형 공진기를 형성하거나 섬유 링 레이저를 생성할 수 있습니다. 선형 광학 레이저 ​​공진기에는 다양한 유형의 반사경을 사용할 수 있습니다.

그림 2

1. 실험실 설정에서는 그림 1과 같이 수직으로 절단된 섬유의 끝 부분에 일반 이색성 거울을 사용할 수 있습니다. 그러나 이 솔루션은 대규모 생산에 사용할 수 없으며 내구성이 없습니다.

2. 베어 파이버 끝의 프레넬 반사는 파이버 레이저의 출력 커플러 역할을 하기에 충분합니다. 그림 2는 예를 보여줍니다.

3. 유전체 코팅은 일반적으로 증발을 통해 섬유 끝부분에 직접 증착될 수도 있습니다. 이러한 코팅은 넓은 범위에 걸쳐 높은 반사율을 달성할 수 있습니다.

4. 상업용 제품에서는 일반적으로 섬유 브래그 격자가 사용되며, 이는 도핑된 섬유에서 직접 준비하거나 도핑되지 않은 섬유를 활성 섬유에 접합하여 준비할 수 있습니다. 그림 3은 두 개의 섬유 격자를 포함하는 분산 브래그 반사 레이저(DBR 레이저)를 보여줍니다. 도핑된 섬유에 격자가 있고 그 사이에 위상 변화가 있는 분산 피드백 레이저도 있습니다.

5. 광섬유에서 방출된 빛이 렌즈에 의해 시준되고 이색성 거울에 의해 다시 반사되면 더 나은 파워 핸들링을 얻을 수 있습니다. 거울에 의해 수신된 빛은 더 넓은 빔 영역으로 인해 강도가 크게 감소합니다. 그러나 약간의 정렬 불량으로 인해 상당한 반사 손실이 발생할 수 있으며, 광섬유 끝 면에서 프레넬 반사가 추가로 발생하면 필터 효과가 발생할 수 있습니다. 후자는 각진 절단된 광섬유 끝을 사용하여 억제할 수 있지만 이로 인해 파장에 따른 손실이 발생합니다.

6. 파이버 커플러와 패시브 파이버를 이용하여 광루프 반사경을 형성하는 것도 가능하다.

대부분의 광학 레이저는 하나 이상의 광섬유 결합 반도체 레이저에 의해 펌핑됩니다. 펌프 광은 파이버 코어에 직접 결합되거나 고전력으로 펌프 클래딩(이중 클래드 파이버 참조)에 결합됩니다. 이에 대해서는 아래에서 자세히 설명합니다.

파이버 레이저에는 다양한 유형이 있으며 그 중 몇 가지가 아래에 설명되어 있습니다.

파이버 레이저에는 다양한 유형이 있으며 그 중 몇 가지가 아래에 설명되어 있습니다.

고출력 파이버 레이저

처음에 광섬유 레이저는 몇 밀리와트의 출력 전력만 달성할 수 있었습니다. 오늘날 고출력 광섬유 레이저는 단일 모드 광섬유에서 수백 와트, 때로는 수 킬로와트의 출력을 달성할 수 있습니다. 이는 열광학 효과를 방지하는 종횡비와 도파관 효과를 증가시킴으로써 달성됩니다.

자세한 내용은 고출력 광섬유 레이저 및 증폭기 항목을 참조하세요.

상향 변환 광섬유 레이저

파이버 레이저는 일반적으로 상대적으로 드문 레이저 전환에서 작동하고 매우 높은 펌프 강도가 필요한 상향 변환 레이저를 구현하는 데 특히 적합합니다. 파이버 레이저에서는 높은 펌프 강도가 장거리에 걸쳐 유지될 수 있으므로 이득 효율이 매우 낮은 전환에 대해 쉽게 얻을 수 있습니다.

대부분의 경우, 실리카 섬유는 상향변환 광섬유 레이저에 적합하지 않습니다. 왜냐하면 상향변환 메커니즘은 전자 에너지 수준에서 긴 중간 상태 수명을 요구하기 때문입니다. 이는 일반적으로 높은 포논 에너지로 인해 실리카 섬유에서 매우 작습니다(다광자 전이 참조). 따라서 포논 에너지가 낮은 ZBLAN(플루오로지르콘산염)과 같은 일부 중금속 불화물 섬유가 일반적으로 사용됩니다.

가장 일반적으로 사용되는 상향 변환 광섬유 레이저는 청색광용 토륨 첨가 광섬유, 적색, 주황색, 녹색 또는 청색광용 프라세오디뮴 첨가 레이저(때때로 이테르븀 포함), 삼극관용 에르븀 첨가 레이저입니다.

좁은 선폭 파이버 레이저

파이버 레이저는 수 킬로헤르츠 또는 1kHz 미만의 매우 좁은 선폭을 갖는 단일 세로 모드(단일 주파수 레이저, 단일 모드 작동 참조)로만 작동할 수 있습니다. 장기간 안정적인 단일 주파수 작동을 위해 온도 안정성을 고려한 후 추가 요구 사항이 없으면 레이저 공동은 짧아야 합니다(예: 5cm). 원칙적으로 공동이 길수록 위상 잡음이 낮아지고 범위가 좁아집니다. 선의 폭. 파이버 끝 부분에는 캐비티 모드를 선택하기 위한 협대역 파이버 브래그 격자(분산 브래그 반사 레이저, DBR 파이버 레이저 참조)가 포함되어 있습니다. 출력 전력은 일반적으로 수 밀리와트에서 수십 밀리와트에 이르며, 최대 1W의 출력을 제공하는 단일 주파수 광섬유 레이저도 사용할 수 있습니다.

극단적인 형태는 분산 피드백 레이저(DFB 레이저)로, 전체 레이저 공동이 위상 변이가 있는 광섬유 브래그 격자 내에 포함되어 있습니다. 여기서 캐비티는 상대적으로 짧기 때문에 출력 전력과 선폭이 희생되지만 단일 주파수 작동은 매우 안정적입니다.

광섬유 증폭기를 사용하여 더 높은 출력으로 증폭할 수도 있습니다.

Q 스위치 파이버 레이저

파이버 레이저는 다양한 능동 또는 수동 Q 스위치를 사용하여 수십에서 수백 나노초 길이의 펄스를 생성할 수 있습니다. 대형 모드 영역 광섬유를 사용하면 몇 밀리줄의 펄스 에너지를 얻을 수 있으며, 극단적인 경우에는 포화 에너지(대형 모드 영역 광섬유에서도) 및 손상 임계값(짧은 펄스의 경우 더 뚜렷함)에 의해 제한되어 수십 밀리줄에 도달할 수 있습니다. 자유 공간 광학을 제외한 모든 광섬유 장치는 일반적으로 대형 모드 영역 광섬유 및 효과적인 Q 스위칭을 구현할 수 없기 때문에 펄스 에너지가 제한됩니다.

높은 레이저 이득으로 인해 파이버 레이저의 Q-스위칭은 본질적으로 벌크 레이저의 Q 스위칭과 매우 다르며 더 복잡합니다. 일반적으로 시간 영역에는 여러 개의 스파이크가 있으며 공진기 왕복 시간보다 짧은 길이로 Q 스위치 펄스를 생성하는 것도 가능합니다.

모드 고정 광섬유 레이저는 더 복잡한 공진기(초단거리 광섬유 레이저)를 사용하여 피코초 또는 펨토초 펄스를 생성합니다. 여기서 레이저 공진기는 활성 변조기 또는 일부 포화 흡수체를 포함합니다. 포화 흡수체는 비선형 편광 회전 효과 또는 비선형 섬유 루프 미러를 사용하여 구현할 수 있습니다. 예를 들어 그림 8의 "8자형 레이저"에는 비선형 루프 미러를 사용할 수 있습니다. 여기서 왼쪽에는 왕복 초단파 펄스를 증폭, 형성 및 안정화하기 위한 주 공진기와 비선형 섬유 링이 포함되어 있습니다. 특히 고조파 모드 잠금에서는 광학 필터로 사용되는 하위 공동과 같은 추가 장치가 필요합니다.