[논문]고출력 광섬유 레이저 기술과 그 응용

정윤찬

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문제 정의

그러나, 비교적 좁고 긴 도파로 특징은 광세기에 의한 표면 손상, 비선형산란 등의 문제점을 야기하기도 하므로, 단편적으로는 고출력 광섬유 레이저 분야의 주된 연구 주제는 이러한 극한의 문제점들을 해결하고, 또한, 그러한 문제점들을 애초부터 최소화하기 위해 레이저 효율 자체를 극대화하는 것이라 하겠다. 본 글에서 필자는 이러한 고출력 광섬유 레이저의 기본적인 개념과 특징, 발전 현황, 그리고, 그 응용과 향후 전망에 대해 간략히 살펴 보고자 한다.

후속연구

따라서, 임의의 특성을 갖는 저출력 레이저라 할지라도 다단의 출력 증폭기를 통하게 되면 그 출력이 순차적으로 증폭되고 고출력화될 수 있다. 그러나, 레이저의 진행 방향이 단일 방향이 되어야 하는 제한성으로 인해 광격리기의 사용이 필수적이므로, 이를 고출력화하고 광섬유 끝단처리하는 기술 개발이 추가적으로 요구된다. 또한, 다단의 출력 증폭기 사용은 증폭기의 잡음특성으로 인해 최종 출력되는 레이저의 특성을 열화 시키므로 이에 대한 적절한 분석과 조치가 또한 요구된다.
그렇지 못할 경우, 고출력 광섬유 레이저는 신호용 광섬유 레이저와는 달리, 발진되는 레이저 광출력 자체로 인해 직접적인 시스템 손상이 유발된다. 또한, 광섬유의 길이 및 코어의 크기가 광출력의 세기에 비해 너무 길거나 작을 경우, 비선형산란 현상에 의해 시스 템이 불안정해지거나 손상 받는 경우가 발생하므로 이에 대한 명확한 사전 분석과 이를 억제하기 위한 광섬유 구조의 설계 및 시스템 구성에 대한 근본적인 방책에 대한 연구가 반드시 필요하다.
기계, 금속 분야에 있어서 용접, 절단 등의 대규모 물질 가공뿐만 아니라 생체, 의료, 전자 분야의 영상 획득, 미세 가공 등에도 널리 응용되고 있으며, 더욱이 해상/ 항공 탑재 미사일 격추 레이저 등의 국가방어 시스템, 대기, 해양 분야의 원거리 계측(LIDAR/Ranging), 천문 계측 분야의 레이저 안내 별 (Guide star) 등 다양한 분야에 응용되고 있다. 또한, 광통신 기술과 한 맥을 같이하고 있는 고출력 광섬유 레이저 기술은 향후 도래할 FTTH (Fiber to the home) 기술의 전개에 있어서도 지대한 응용이 있을 것으로 기대된 다.
그러나, 레이저의 진행 방향이 단일 방향이 되어야 하는 제한성으로 인해 광격리기의 사용이 필수적이므로, 이를 고출력화하고 광섬유 끝단처리하는 기술 개발이 추가적으로 요구된다. 또한, 다단의 출력 증폭기 사용은 증폭기의 잡음특성으로 인해 최종 출력되는 레이저의 특성을 열화 시키므로 이에 대한 적절한 분석과 조치가 또한 요구된다.
특히, 이 파장 영역대는 잠재적으로 생체 의용 영상 획득 분야에 응용될 수 있으므로 이에 대한 지속적인 연구 관심이 기대된다 [28]. 또한, 단일 고출력 광섬유 레이저로부터 얻을 수 있는 최대 출력이 수 킬로와트를 상회한다 할지라도, 궁극적으로는 광섬유 물질의 손상 임계값(통상적으로 20 GW/cm²)을 넘어 설 수는 없으므로, 레이저 고출력화의 최종 단계에서는 반드시 결맞는 빔 조합(Coherent beam combination) 방식의 합성 개구(Synthetic aperture) 기술이 요구되므로, 이에 대한 연구 관심이 고조될 것으로 예상된다 [29]. 필자가 이끄는 서울대학교 레이저공학 및 응용 연구실(Laser Engineering and Applications Laboratory)은 2010년 9월부터 희토류 혼입 광섬유에 기반한 고출력/고에너지 레이저 개발, 극초단 레이저 개발, 신물질 기반 레이저용 광섬유 개발, 비선형 파장 변환, 결맞는 빔 조합 기반 합성 개구 개발 등을 주 연구 주제로 하고 있다 [30].
이는 고출력 펌핑 과정에서 이터븀-어븀 간 에너지 전달의 병목현상(Bottleneck)에 의해 1060 나노미터 파장 영역대에 형성되는 기생 레이저 발진(Parasitic lasing) 현상에 기인한다. 상대적으로 저출력임에도 불구하고 어븀/이터븀 공혼입 광섬유 레이저를 통해 발진 되는 레이저의 경우, 대기 투과율 및 눈 안전성(Eye-safety) 측면에서 큰 이점이 있으므로 향후 이에 대한 연구 결과의 진전이 더욱 기대된다 [23]. 툴륨 혼입 광섬유 레이저의 경우 2000 나노미터 영역대의 동작 파장을 가지고 있는데, 다른 희토류 혼입 광섬유와는 달리 상호완화작용(Cross relaxation)을 통해 레이저 효율이 배가되는 특징을 가지고 있다.
필자가 이끄는 서울대학교 레이저공학 및 응용 연구실(Laser Engineering and Applications Laboratory)은 2010년 9월부터 희토류 혼입 광섬유에 기반한 고출력/고에너지 레이저 개발, 극초단 레이저 개발, 신물질 기반 레이저용 광섬유 개발, 비선형 파장 변환, 결맞는 빔 조합 기반 합성 개구 개발 등을 주 연구 주제로 하고 있다 [30]. 앞으로 고출력 광섬유 레이저 분야에 관심 있는 후학들과 관련 분야 연구 자들과의 활발한 연구 교류가 있기를, 또한 이를 통해 국내 고출력 광섬유 레이저 개발 및 응용 연구가 앞으로의 세계 레이저 분야 연구를 선도하는 한 축이 되기를 기대 하며 이상의 두서 없는 글을 맺는다.
이상의 개별 요소들로서 광섬유 레이저 시스템이 구성 되고, 또, 동작하게 되는데, 고출력 광섬유 레이저의 경우, 무엇보다도 레이저 변환 효율과 각 소자별 삽입 손실 및 연결 손실의 크고 작음이 실제 최대 출력 광세기를 결정하는 인자가 되므로, 이에 대한 각별한 최적화 연구와 그에 따른 충분한 안전 동작 허용치에 대한 연구가 선행되어야 한다. 그렇지 못할 경우, 고출력 광섬유 레이저는 신호용 광섬유 레이저와는 달리, 발진되는 레이저 광출력 자체로 인해 직접적인 시스템 손상이 유발된다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

광섬유 레이저는 무엇으로 구성되어 있는가?

이는 다름 아닌 2000년대 초반부터 이어져 온, 작고 가볍고 단순한 고출력 광섬유 레이저 기술의 발전에 기인한다고 하겠다. 광섬유 레이저는 머리카락 굵기 혹은 그것의 수배에 지나지 않는 굵기의 실리카 유리 (SiO2) 섬유로 구성되지만, 이로부터 얻을 수 있는 평균출력은 이미 킬로와트(kW)를 넘어서고 있다 [1-6]. 더욱이 광섬유 레이저에서 발생되는 레이저 빔은 공간모드 특성이 우수하여 수 마이크로미터(μm) 이하의 빔 크기로 집광이 용이하므로, 평균출력이 킬로와트급 이상이 되면 두꺼운 철판을 뚫거나 녹여 내는 데도 충분히 사용될 수 있다.

1960년대에 개발된 초기 형태의 광섬유 레이저는 어떤 기술 진전을 이루었는가?

Kao에 의해 시작된 저손실 광섬유 기술의 절묘한 조합에 그 바탕을 둔다 [9, 10]. 1960년대에 개발된 초기 형태의 광섬유 레이저는 1980년대에 이르러 희토류 광섬유를 이용한 최초의 단일모드 광섬유 레이저 및 증폭기의 개발로 첫번째 돌파적(breakthrough) 기술 진전을 이루었다 [11]. 이러한 기술 진전은 저손실 광섬유를 통한 초고속/원거리 광섬유 통신 기술의 혁신적인 발전을 이루어 내어 1990년대 시작되어 오늘날에 이른 인터넷 시대의 도래를 이끌게 되었다고 해도 과언이 아니 다.

돌파적(breakthrough) 기술 진전이 거듭하면서 1990년대가 시작하면서 어떤 시대의 도래를 이끌게 되었는가?

1960년대에 개발된 초기 형태의 광섬유 레이저는 1980년대에 이르러 희토류 광섬유를 이용한 최초의 단일모드 광섬유 레이저 및 증폭기의 개발로 첫번째 돌파적(breakthrough) 기술 진전을 이루었다 [11]. 이러한 기술 진전은 저손실 광섬유를 통한 초고속/원거리 광섬유 통신 기술의 혁신적인 발전을 이루어 내어 1990년대 시작되어 오늘날에 이른 인터넷 시대의 도래를 이끌게 되었다고 해도 과언이 아니 다. (K.

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