탠덤 펌핑한 이터븀 첨가 광섬유 레이저 특성 연구

Abstract

광섬유 레이저는 웨이브 가이딩 구조를 가지고 있어 긴 길이를 사용하므로 구조상의 열 조절에 탁월하여 고출력 레이저 발진에 있어 유리한 조건을 가지고 있으며, 출력 빔의 빔질이 레이저의 구조나 외부 영향에는 관계없이 항상 일정하게 조절 가능하다. 뿐만 아니라 높은 광 변환 효율, 구조의 간단함 및 높은 안정성 등의 많은 장점들과 함께 고출력 다이오드 레이저의 상용화로 인하여 기존의 고체 및 기체 레이저의 출력 한계를 뛰어 넘는 킬로와트 급의 고출력 레이저 구현이 가능하다. 따라서 광섬유 레이저는 지난 십여년간 많은 장점을 가지고 눈부신 발전을 하여 산업, 의료, 연구, 군사 등의 다양한 분야에서 응용되고 있다. 하지만 기존의 다이오드 펌핑 방식의 경우, 레이저의 출력이 증가함에 따라 발생하는 열이 증가하면서 광섬유 모재의 손상 및 열렌즈, 열복굴절로 인한 출력 빔의 왜곡 등의 문제를 야기하게 되어 약 3 kW 급 출력이 한계로 알려져 있다. 본 연구에서 연구, 개발하고자 하는 탠덤 펌핑한 이터븀 첨가 광섬유 레이저는 펌핑 광자와 레이저 광자 사이의 에너지 차이인 양자 결함을 줄임으로써 열 발생을 감소시켜 기존의 다이오드 펌핑 방식의 레이저 출력 한계를 뛰어넘을 수 있는 방법이며, 실제 탠덤 펌핑 구조를 이용하여 고출력 레이저를 구현한 사례도 보고되지만 이에 대한 레이저 특성이나 최적 조건에 대한 내용은 많지 않다. 본 연구에서는 우선 실제 사용하고자 하는 광섬유 레이저 시스템을 수치모사하여 조사하였다. 그리고 펌핑 광원용 이터븀(Yb) 첨가 광섬유 레이저 시스템에 사용되는 이득 광섬유의 길이 및 발진 파장 최적화를 위한 선행 연구를 하였다. 이러한 결과를 바탕으로 펌핑 광원으로 사용되는 이터븀(Yb) 첨가 광섬유 레이저 시스템을 구축하고 이를 적용하여 탠덤 펌핑한 이터븀(Yb) 첨가 광섬유 레이저 시스템을 제작하였으며, 각각의 시스템은 파장 조절이 가능하게 설계하여 각 시스템에 대한 발진 조건, 레이저 특성 등에 대하여 확인하였다. 본 연구에서는 실제 시스템에 사용된 이득 광섬유의 사양을 이용하여 이득 분포를 계산하여 실제 측정된 결과와 비교 및 분석하여 보고하고자 한다.