Yb 첨가 kW 급 고출력 광섬유 레이저의 출력 증강 및 특성 분석

Abstract

1917년 A. Einstein에 의해 유도 방출(Stimulated emission)의 개념이 발견된 이후 1960년 T.H. Maiman에 의해 루비를 이용한 최초의 레이저(Light amplification by stimulated emission of radiation)가 보고되었고, 같은 해 N. Kapany에 의해 ‘Fiber optics’라는 용어가 만들어졌다. 1961년 E. Snitzer는 광섬유 모드(Mode)라는 개념을 발견하였고 1963년 최초로 광섬유를 이용한 레이저를 개발하였으며, 1988년에는 이중 클래딩 광섬유를 통한 레이저도 개발하였다. 그 후 2004년 이중 클래딩 구조의 Yb 첨가 광섬유를 이용하여 1 μm 영역대의 1 kW 급 연속 발진(Continuous wave) 레이저가 구현된 이후 광섬유 레이저는 비약적인 발전을 거듭해왔다. 회절 한계의 빔 특성을 가지며 수 kW 급을 상회하는 광섬유 레이저는 기존의 벌크-고체 방식의 레이저를 대체하여 많은 응용 분야에서 사용되고 있다. 특히 청정 가공, 생산 자동화 등이 중요시되는 산업 및 공업 분야를 넘어서 드론, 미사일, 지뢰 등 갈수록 정밀화, 소형화, 무인화, 첨단화가 되어가는 국방 분야에서는 최소 수 kW에서 수백 kW에 이르는 고출력 광섬유 레이저 시스템의 필요성이 증대되고 있으며 이와 관련된 많은 연구 개발이 보고되고 있다. 불과 십수 년 동안의 단기간에 이루어진 이 비약적인 발전은 광섬유가 가지는 구조적 특징으로 인해 이루어 졌으며, 한편으론 그 특징으로 인해 광섬유 레이저 출력 증강의 한계점이 존재한다. 이에 출력 증강을 위해 선진사에서는 자체 제작한 소자를 사용하고 있지만 대부분의 연구 그룹에서는 같은 방법으로는 목표 사양을 획득하기는 어렵다. 이에 광섬유 레이저의 구조적 이해 및 제한 요소들의 이론적 계산을 바탕으로 물리적, 광학적 해결이 필요하다. 본 논문은 고출력 광섬유 레이저의 출력 증강에 대해 논의하고자 한다. 본 논문은 제1 장 서론을 포함하여 총 6 장으로 구성되어 있다. 제 2장에서는 광섬유의 구조와 종류에 대해 소개하고 이로부터 광섬유 레이저의 구조와 특징에 대해 설명하며, 현재 고출력 광섬유 레이저의 대부분을 차지하고 있는 Yb(Ytterbium) 첨가 광섬유 레이저에 대해 소개를 하고자 한다. 또한 광섬유 레이저의 구조적 특징으로 인해 나타나는 광섬유 레이저 출력 제한 요소 및 이론적 해결 방안에 대해 설명한다. 이를 바탕으로 제 3장에서는 레이저 다이오드(Laser diode, LD)로 펌핑 한 고출력 Yb 광섬유 레이저에 대한 실험 및 실험 결과에 대해 보고하고, 제 4장에서는 광섬유 레이저 출력 증강의 제한 요소 중 하나인 포토다크닝(Photodarkening)에 대해 펌핑 파장에 따른 특징 및 차이점에 대한 실험 및 결과를 보고하고자 한다. 제 5장에서는 LD 펌핑 방식의 고출력 Yb 광섬유 레이저의 출력 한계를 뛰어 넘을 수 있는 방법 중 하나인 탠덤 펌핑 방식의 고출력 Yb 광섬유 레이저에 대해 소개하며, 이에 대한 실험 및 결과에 대해 보고하고 제 6장에서 요약 및 결론으로 마무리하고자 한다.