Yb 도핑 광섬유를 이용한 고휘도 레이저 및 형광 광원에 관한 연구

Abstract

This thesis presents the study of high-power fiber lasers and fiber-based fluorescent light sources, including the theoretical calculations and experimental results. Lasers are being used as major technologies in various fields such as industry, medical care, and the military. Each application field requires different properties of laser, e.g. power, wavelength, line width, etc. Especially, fiber lasers are easy to miniaturize and maintain due to the structural characteristics of optical fibers, and have an excellent effect on heat dissipation in producing high power. However, the output is limited due to the nonlinear phenomenon that occurs in the manufacture of high-power fiber lasers, and research on high-power lasers is still lacking in Korea. First, this thesis reports study the kW-class continuous wave single-mode fiber laser generation. Second, this thesis includes the study of high-power optical fiber-based fluorescent light sources. An fiber-based fluorescent light source is light that is amplified by propagating along the optical fiber by spontaneously emitted light due to the wave guide structure of the optical fiber. It can be used in fields such as OCT, precision measurement, and spectroscopy that require a broadband light source. It has a short coherence length like a conventional broadband light source, but also has high brightness like a laser. It can has advantages in high power fiber source because of continuous wavelength distribution. Most of the nonlinear phenomena that occur in high power lasers depend on the line width. laser has discontinuous spectrum, so in the same linewidth with fiber-based light source laser has lower threshold of nonlinear phenomena. In this thesis, I construct high-power fiber-based fluorescent light source systems with various coherence lengths and report the characteristics of the fluorescent light source according to the coherence length and the relaxation of nonlinear phenomena.|오늘날의 레이저는 산업, 의료, 군사 등 다양한 분야에서 주요 기술로 사용되고 있다. 각 응용분야에 따라 각기 다른 레이저의 작동방식과 출력, 파장, 선폭 등을 요구하고 있다. 그중에서도 광섬유를 기반으로 하는 광섬유 레이저는 광섬유의 구조적 특성상 소형화와 유지보수가 용이하고, 고출력을 제작함에 있어 열 분산에 탁월한 효과가 있어 최근에는 전통적으로 고체나 가스 레이저가 사용되던 분야를 빠르게 대체하고 있다. 또한 광섬유 레이저는 고체나 가스 레이저와 달리 별도의 빔 정렬이 필요하지 않아 시스템이 외부 충격에 대해 비교적 안정적이다. 때문에 광섬유 레이저를 내부 환경이 아닌 외부 환경에 사용하려는 수요가 늘고 있고 특히 최근에는 국방 분야에서 수요가 두드러지게 늘고 있다. 이를 위한 고출력 광섬유 레이저에 대한 관심이 나날이 커짐에 따라 이제는 kW 이상의 광섬유 레이저가 연구 보고 되고 있다. 그러나 고출력 광섬유 레이저 제작시 나타나는 비선형 현상에 의해 출력이 제한되고 있으며 국내에서는 아직 고출력에 대한 연구가 부족하다. 본 연구에서는 광섬유 레이저 시스템을 제작하여 kW급 연속발진 단일모드 광섬유 레이저 생성에 대해 연구하여 이를 보이고자 한다. 또한 광섬유는 광도파로 특성에 의해 기존 레이저와는 다른 응용을 가질 수 있다. 빛과 물질에 상호작용에 있어 자발방출은 무작위한 방향성을 가져 사실상 사용이 불가능하다. 그러나 광섬유의 경우 자발 방출된 빛이 광섬유를 따라 진행할 수 있어 이를 이용한 광섬유 기반 형광 광원 구성이 가능하다. 광섬유 기반 형광 광원은 레이저와 같이 우수한 공간적 빔 특성을 가지면서도, 동시에 넓은 선폭을 가지는 광원이다. 기존 광대역 광원을 필요로 하는 OCT, 정밀측정, 분광학 등의 분야는 대부분 다이오드나 램프 등을 사용하는데, 광섬유 기반 형광 광원은 기존의 광대역 광원과 같이 짧은 결맞음 길이를 가지면서도 레이저와 같이 고휘도, 고출력이 가능하므로 보다 많은 분야에서 응용이 가능하다. 또한 레이저와는 달리 연속적인 파장분포를 가지는데 이는 기존 레이저가 사용되는 분야에서도 고출력 레이저의 발진에 있어 이점을 가지게 된다. 고출력 레이저에서 발생하는 대부분의 비선형 현상은 레이저의 선폭에 의존하는데, 불연속적인 레이저와 달리 연속적인 파장분포를 가지고 있어 동일한 선폭에서도 단위 선폭당 세기가 낮아 이러한 현상을 완화시키는 등 레이저를 대신하는 분야 역시 많은 연구가 이루어지고 있다. 본 연구에서는 광섬유 기반 형광 광원을 구성하고, 결맞음 길이에 따른 형광 광원의 특성과 비선형 현상 완화에 대해 보고하자 한다.