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Kafe 바로가기주관연구기관 | 광주과학기술원 Gwangju Institute of Science and Technology |
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연구책임자 | 한원택 |
보고서유형 | 최종보고서 |
발행국가 | 대한민국 |
언어 | 한국어 |
발행년월 | 2016-10 |
과제시작연도 | 2015 |
주관부처 | 산업통상자원부 Ministry of Trade, Industry and Energy |
등록번호 | TRKO201800039524 |
과제고유번호 | 1415141940 |
사업명 | 신성장동력장비경쟁력강화 |
DB 구축일자 | 2018-11-03 |
키워드 | 레이저 발진용 특수 광섬유.광섬유 레이저 공진기.레이저 다파장변환 모듈.MOPA 레이저 시스템. |
□ 핵심기술
ps급 고출력 다파장 광섬유 레이저 시스템 구현을 위한 공통 핵심 기술 개발로 레이저 발진용 특수 광섬유, 광섬유 레이저 공진모듈 및 파장 변환 모듈, 그리고 레이저 다단 증폭 시스템 개발
□ 최종목표
○ 고출력 저굽힘 손실 레이저 발진용 특수 광섬유 및 광섬유 소자
- PM (Polarization-Maintaining) 및 NPM(Non-Polarization-Maintaining) 광섬유 레이저 및 증폭기용 Yb 첨가 특수 광섬유 제조
· 저출력용 PM 단일모드 Yb 첨가 광섬유
□ 핵심기술
ps급 고출력 다파장 광섬유 레이저 시스템 구현을 위한 공통 핵심 기술 개발로 레이저 발진용 특수 광섬유, 광섬유 레이저 공진모듈 및 파장 변환 모듈, 그리고 레이저 다단 증폭 시스템 개발
□ 최종목표
○ 고출력 저굽힘 손실 레이저 발진용 특수 광섬유 및 광섬유 소자
- PM (Polarization-Maintaining) 및 NPM(Non-Polarization-Maintaining) 광섬유 레이저 및 증폭기용 Yb 첨가 특수 광섬유 제조
· 저출력용 PM 단일모드 Yb 첨가 광섬유 개발
· 고출력용 PM 대면적 코어 Yb 첨가 광섬유 개발
· 복굴절률: > 2×10-4
· 100 W급 PM 및 NPM 대면적 코어 Yb 첨가 광섬유
· 발진 레이저의 빔 특성 지수(M2): <1.5
- Trench 구조를 이용한 코일링이 가능한 저손실 Yb 첨가 광섬유 개발
· 밴딩 손실 <1 dB/turn (밴딩 직경 : 10 mm)
- 주공진기(Master Oscillator)용 고비선형 단일모드 광섬유의 개발
· 비선형 계수 : > 10 (Wkm)-1
· 복굴절률: > 2×10-4
- 고출력 레이저 출력단 표면 보호를 위한 End Cap 기술 개발
· 동작 평균출력파워: > 20 W
· 외경: 200 μm 이상
○ 고출력 광섬유 레이저용 소자 및 파장변환기 기술의 개발
- 광섬유격자 소자 개발, 펌프 레이저 구동회로 및 안정화
· 주공진기 되먹임용 광섬유격자 소자의 개발
· 레이저 및 광증폭기용 펌프 레이저 광원의 출력 안정화 기술개발
· 고출력 펌프 LD 구동용 회로 설계 및 시스템 개발
- 다파장 및 파장 가변형 광섬유격자 소자 모듈의 설계 및 제작
· 파장 가변 범위: 1030 nm ~ 1090 nm
· 광섬유 테이퍼링 및 융착 기술을 이용한 펌프광 집속기의 설계 및 제작
- 2×1, 3×1, 4×1, 6×1 구조
- 펌프광 광섬유 직경 100~200 μm, NA > 0.1
· 고출력 광섬유 레이저용 소자 및 파장변환기 기술의 개발
- PM 기반 광섬유격자 소자 개발 및 이종 광섬유간 최적 융착기술 개발
· 복굴절율을 고려한 광섬유 격자의 중심파장 및 분산의 최적화 설계 및 안정화
· 이종 광섬유간 최적 융착 기술 개발: 융착 손실 < 0.4 dB,편광대비 > 17 dB (PM)
· 비선형 단결정 온도 조절 오븐의 설계 및 제작과 패키징 기술개발: 온도 안정성 < 0.1℃
- 비선형 단결정 LBO를 이용한 2차/3차 고조파 생성 장치 개발
· N-PM 기반 PS MOPA 시스템의 출력을 이용한 단일경로 Green(532 nm)의 생성 및 특성 분석
· N-PM 기반 PS MOPA 시스템의 출력을 이용한 단일경로 UV(355 nm) 생성 및 특성 비교 분석
- 비선형 단결정 LBO를 이용한 2차/3차 고조파 생성 장치의 최적화
· PM 기반 PS MOPA 시스템의 출력을 이용한 단일경로 Green(532 nm)의 생성 및 특성 분석: 출력파워 > 30 W
· PM 기반 PS MOPA 시스템의 출력을 이용한 단일경로에서 UV(355 nm) 생성 및 특성 비교 분석: 출력파워 > 10 W
· 비선형 단결정 소자 내구성 테스트 및 출력 안정화 연구:소형화된 패키징 구조 개발
○ 초정밀 가공용 고출력 다파장 광섬유 레이저
- PM PS MOPA 시스템 개발
· PM 기반 4차 광섬유 증폭기의 개발: 출력파워 >100 W, M2<1.5, 편광대비 >17 dB
- PM PS MOPA 시스템의 안정성 및 신뢰성 시험
· 출력파워, 중심 파장, 펄스폭, 반복률, 편광대비 특성의 사용시간에 따른 변동률 측정 및 분석
- 고출력 다파장 광섬유 레이저 개발 및 초정밀 가공 시연
· 2차/3차 고조파 생성 장치와 PM PS MOPA 시스템을 결합하여 고출력 다파장 광섬유 레이저 개발: 100 W @ ~1064nm, 30 W @ ~532 nm, 10 W @ ~355 nm.
· 1 μm 선폭 가공 시연
□ 개발내용 및 결과
○ 고출력 저굽힘 손실 레이저 발진용 특수 광섬유
: N-PM (Non-Polarization-Maintaining) 및 PM(Polarization-Maintaining) 기반 광섬유 레이저 및 증폭기용 단일 모드 및 대면적 Yb 첨가 특수 광섬유 제조
- N-PM기반 저출력용 단일 모드 Yb 첨가 특수 광섬유
․ 고출력 레이저 발진 특성을 갖는 특수 광섬유 코어 조성 및 광섬유 구조 설계를 통해 1064 nm 파장 영역에서의 레이저 발진을 유도하기 위해 희토류 원소인 Yb가 광섬유 코어 영역에 고용된 N-PM 기반 레이저용 단일 모드 특수 광섬유를 개발하였음
․ 레이저 발진용 특수 광섬유 구조는 코어를 6±1 μm, 클래딩을 125 μm의 크기로 설계하였으며, 단일 모드 조건의 특수 광섬유를 제작하기 위해 코어와 클래딩의 굴절률 차(△n)를 0.007으로 설계함
․ 광섬유의 클래딩 부분은 실리카 유리 제조의 주재료인 SiCl4 및 PoCl3 을 사용하여 증착시켰으며, 코어 부분은 GeCl4를 사용하여 클래딩부분과의 굴절률차를 조절하여 1064 nm 레이저 발진 파장에서의 단일모드 조건을 갖도록 하였으며, Yb와 Al 이온을 MCVD (Modified Chemical Vapor Deposition)공정을 통하여 광섬유 코어 영역에 co-doping함
․ 광섬유를 제조하기 위해 YbCl3ㆍ6H2O와 AlCl3 Powder를 각각 이용하여 0.5 mole과 3 mole의 농도를 갖도록 에탄올 용액에 용해시켜 1 : 6의 비율로 도핑 용액을 제조하였음
․ 수직형 용액 첨가법과 변형된 용액 첨가법을 통해 제조된 Yb/Al 첨가 단일 모드 광섬유 모재의 외경과 코어경은 각각 14 mm와 0.7 mm, 그리고 14 mm와 0.69 mm이며, 코어와 클래딩의 굴절률 차(Δn)는 각각 약 0.57 % 및 0.59 % (@632.8nm)으로 step index 굴절률 분포를 가졌으며, N.A(Numerical aperture) 값은 각각 약 0.129 및 0.131 이였음
․ 수직형 용액 첨가법과 변형된 용액 첨가법을 통해 제조된 광섬유 모재의 굴절률 분포 특성 결과를 바탕으로 FiberCAD 프로그램을 이용하여 시뮬레이션을 수행한 결과, 광섬유 인출시, 125㎛ 외경에 대해 광섬유 코어 직경과 차단파장(Cutoff wavelength)은 각각 6.4 ㎛와 0.74 ㎛ 그리고 6.3 ㎛와 0.79㎛로 레이저 발진 파장 영역대 (1064 nm)에서 단일 모드 조건을 만족하였음
․ 레이저 발진용 특수 광섬유 모재를 이용한 광섬유 인출을 위하여 주관기관인 광주과학기술원에서 보유하고 있는 SG Control 사의 8m 높이의 Draw tower를 이용하였으며, 광섬유 인출 장비는 흑연 발열체를 이용한 전기로, 광섬유 외경조절을 위한 광섬유 직경 측정 장치, 광섬유 보호용 피복 형성을 위한 1, 2차 코팅 장치, 코팅을 경화를 위한 UV 경화장치, 그리고 스풀에 인출된 광섬유를 감는 Winding 장치로 구성됨. 광섬유 모재의 인출 온도를 1900 ~ 2200℃ 범위에서 조절하여 테스트를 수행하였으며, 그 결과로 온도가 1970~ 2050 ℃ 일 때 끊어짐이 없는 적정한 인출 특성을 보였음.광섬유 모재 Feeding 속도 및 Winding 속도를 상호 조절하여 광섬유 외경을 조절하였으며, 광섬유 모재를 2.0 mm/min의 속도로 Feeding 하여 분당 30m의 속도로 끊어짐 없이 직경 125 ㎛의 광섬유로 인출함
․ 고온의 광섬유 인출 공정을 통해 수직형 용액 첨가법과 변형된 용액 첨가법을 통해 제조된 레이저 발진용 Yb/Al이 첨가된 특수 광섬유의 코어 직경과 차단파장(Cutoff wavelength)이 각각 6.42 ㎛와 785 nm 그리고 6.45 ㎛와 805 nm로 시뮬레이션 결과와 유사한 값으로 레이저 발진 파장 영역대에서 단일모드 조건을 만족하였음
․ 제작된 N-PM 기반 저출력용 단일모드 Yb/Al 첨가 광섬유의 광흡수 특성을 cut-back method를 통해 측정한 결과, 파장에 따른 광흡수 특성은 915 nm 및 975 nm 파장영역에서 존재하였으며, 수직형 용액 첨가법을 사용하여 제조된 Yb/Al 첨가 광섬유의 경우, 975 nm 파장영역에서 170 dB/m의 흡수특성을 보였으며, 수직형 용액 첨가법의 도핑 한계를 보완하기 위해 제안된 변형된 용액 첨가법의 경우, 975 nm 파장영역에서 약 1,000 dB/m의 우수한 광흡수 특성을 얻었으며,이를 통해 도핑 조건을 최적화하였음
․ 이를 통해 975 nm 파장영역의 펌핑에 따른 Yb/Al 첨가 광섬유의 광방출 파장은 1060 nm 부근에서 ASE (Amplified Spontaneous Emission) 밴드가 존재하였음
- N-PM 기반 대면적 Yb 첨가 특수 광섬유 개발
․ N-PM (Non-Polarization-Maintaining) 기반 대면적 외부 굽힘 저손실 레이저 발진용 Yb 첨가 광섬유 모재의 개발은 선행 기술을 통해 최적화된 고출력 레이저 발진용 Yb 첨가 광섬유 코어 조성 및 구조 설계 기술을 바탕으로 최적화하였음
․ 고출력용 광증폭기의 경우, 최종적으로 평균출력 100 W 이상되어야 하며, 첨두 출력 수십 킬로와트의 광파워가 생성되어야 하므로, 기존의 저출력 광증폭기용 이득 광섬유를 사용하는데는 한계가 있음
․ 일반 단일모드 광섬유의 사이즈인 125 ㎛ 외경에 약 7 ㎛의 코어 직경을 갖는 광섬유의 고출력 레이저 발진 유도를 위한 광 펌프 런칭 효율 및 레이저 발진 출력 극대화를 위해 대면적 코어를 갖는 레이저 발진용 Yb/Al 첨가 특수 광섬유 모재를 개발하였으며, 코어를 20~40 μm, 클래딩을 400~600 μm의 크기로 설계, 단일모드 레이저 동작이 가능한 레이저 발진용 특수 광섬유를 제작하기 위해 코어와 클래딩의 굴절률 차(△n)를 0.006으로 설계함
․ 변형된 용액 첨가법을 활용하였으며, YbCl3ㆍ6H2O와 AlCl3 powder를 각각 이용하여 0.5 mole과 3 mole의 농도를 갖도록 에탄올 용액에 용해시켜 1 : 10의 비율로 제조된 도핑 용액을 활용하였음
․ 레이저 시스템 소형화 및 고출력 레이저 전송에 따른 시스템 안정화를 위한 외부 굽힘 저손실 레이저 발진용 특수 광섬유구현 기술을 개발하였음 (밴딩 손실< 1 dB/turn (밴딩 직경 :10mm)). Trench 형성을 통한 저손실 굽힘 보강용 특수 광섬유 제작 기술을 기반으로 한 저손실 광섬유 레이저용 특수 광섬유 모재 구조를 설계하였으며, 구부림 손실이 10 mm 밴딩 직경에서 < 1 dB/turn @ 980/1064/1550 nm 이하인 광섬유를 개발하기 위한 depressed cladding 층인 trench 형성을 통해 외부 굽힘 저손실 광섬유의 구조 설계 및 구부림 손실 simulation을 수행하였음
․ 광섬유의 밴딩 손실은 광섬유 코어 영역으로 진행하는 신호가 외부 밴딩에 의해 클래딩으로 빠져나가기 때문에 발생하는 것이므로 본 과제에서는 외부 밴딩에 광 신호 손실을 최소화 할 수 있는 굽힘 강도에 둔감한 레이저 발진용 특수 광섬유를 제작하기 위해 시뮬레이션 공정을 통해 최적화된 외부 굽힘 저손실 광섬유 제작 조건은 단일 모드 조건을 전제로 하였으며, 이를 위해 기존의 상용화된 단일 모드 광섬유와 동일한 사양으로 제작하였음.
․ 시뮬레이션 결과를 바탕으로 외부 굽힘 저손실 광섬유 모재의 구조 설계는 광섬유 코어 영역과 클래딩 영역의 굴절률 차이를 0.006, 코어 직경은 8.7 μm, 광섬유 클래딩 영역 내에 존재하는 trench의 굴절률은 클래딩 굴절률 보다 0.002이하,trench의 너비는 최소 4.3 μm , 그리고 inner cladding width 값은 최소 4.3 μm를 갖도록 광섬유 모재 구조 설계를 하였음
․ 외부 굽힘 저손실 레이저 발진용 Yb/Al 첨가 광섬유를 제조하기 위한 MCVD 공정 조건을 나타내는 것으로 앞서 설계,개발된 레이저 발진용 특수 광섬유 모재 제조 조건과는 달리 클래딩 영역 형성 전에 클래딩 영역 보다 낮은 굴절률을 갖는 trench 영역을 형성하였으며, 이러한 낮은 굴절률을 갖는 영역을 형성하기 위해 음의 굴절률을 갖는 Fluorine이나 Boron을 이용하였음
․ 제작된 외부 굽힘 저손실 레이저 발진용 Yb/Al 첨가 광섬유 모재의 펌핑 효율을 높이기 위해 이중 클래딩 구조를 갖는 광섬유를 제작하기 위해 광섬유 모재 가공 지그를 제작하여 D형 클래딩을 갖도록 광섬유 모재를 가공하였음. 외부 굽힘 저손실 레이저 발진용 Yb/Al 첨가 광섬유 모재의 경우, 모재직경 및 코어경은 각각 12 mm와 1 mm였으며, D형 클래딩을 갖도록 가공된 광섬유 모재의 직경은 12 mm/9 mm 이었으며, 코어 직경은 동일하게 1 mm임
․ 제조된 대면적 외부 굽힘 레이저 발진용 특수 광섬유의 코어 직경은 125 ㎛와 400 ㎛ 기준으로 광섬유를 인출할 경우 각각 7.4 ㎛와 23.7 ㎛이며, 코어와 클래딩의 굴절률차이는 0.0064 (@632.8 nm), 클래딩과 trench의 굴절률 차이는 –0.002 (@632.8 nm), 그리고 trench의 너비는 125 ㎛ 외경 기준시, 3.7 ㎛로 시뮬레이션 조건을 만족하였으며, 광섬유의 N.A(Numerical aperture) 값은 각 약 0.137 이었음
․ 변형된 용액 첨가법을 통해 제조된 외부 굽힘 저손실 레이저 발진용 특수 광섬유 모재의 굴절률 분포 특성 결과를 바탕으로 FiberCAD 프로그램을 이용하여 시뮬레이션을 수행한 결과,광섬유 인출 시, 125 ㎛ 외경에 대해 광섬유 코어 직경과 차단파장(Cut-off wavelength)은 각각 8 ㎛와 0.51 ㎛로 레이저 발진 파장 영역대 (1064 nm)에서 단일 모드 조건을 만족하였음
․ 선행기술을 통해 최적화된 광섬유 인출 공정을 통해 약 1900~ 2200 ℃ 범위에서 feeding 속도 및 winding 속도를 상호 조절하여 광섬유 외경을 조절하였으며, 광섬유 모재를 2.0mm/min 의 속도로 feeding 하여 분당 3 m의 속도로 끊어짐 없이 직경 400~600 ㎛의 대구경 광섬유로 인출하였음
․ 레이저 펌핑 효율 증대를 위한 이중 클래딩 구조의 D형 클래딩 구조를 갖는 대면적 외부 굽힘 저손실 이중 클래딩 레이저 발진용 특수 광섬유로 인출하기 위해 모재 용융 온도인 2000℃에서 blob을 받은 후, D형을 유지하기 위해 인출 온도를 1930 ℃로 낮춰 목표하는 500 ㎛ 직경의 광섬유를 인출하였음
․ 광섬유 인출 공정 중, 1.378 굴절률을 갖는 low-index 폴리머(Efiron, UVF PC-375 AP)를 대면적 광섬유 코팅 jig를 이용하여 코팅하고 UV 경화 장치를 사용하여 폴리머를 경화시켜 광섬유를 표면 결점에 의한 파손이나 끊어짐 및 광 손실로부터 보호하였음
․ 제작된 N-PM 기반 대면적 O형 이중 클래딩 외부 굽힘 저손실 레이저 발진용 특수 광섬유와 N-PM 기반 대면적 D형 이중 클래딩 외부 굽힘 저손실 레이저 발진용 특수 광섬유에서 975 nm 파장영역에서 각각 1,250 dB/m 및 600 dB/m로 우수한 광흡수 특성을 보였음
․ 대면적 D형 이중 클래딩 외부 굽힘 저손실 레이저 발진용 특수 광섬유의 경우에는, 펌프 광원의 코어 론칭이 어려우며 FBG 공진기를 통한 레이저 발진 효율을 측정하기가 용이하지 않아, 렌즈를 통한 광섬유 론칭을 통해 측정한 결과, 약 1075 nm에서 레이저 동작 임계치 (Lasing threshold)는 4.1W였으며, 약 79 %의 발진 특성을 보여 계획 대비 목표를 성공적으로 달성하였음
․ 광섬유 클래딩 영역 내에 Low-index cladding 층인 Trench 구조를 도입하여 최적화된 외부 굽힘 저손실 광섬유를 개발하였으며, 실제 외부 굽힘 하에서의 광전송 손실을 밴딩 전, 후의 광파워를 측정한 결과, 980/1064/1550 nm 파장에서 10mm 밴딩 직경과 1 trun의 환경에서 각각 0.161/0.051/0.032 dB의 광손실 특성을 보였으며, 특히, 1064 nm 파장에서는 10 mm 밴딩 직경과 1 trun의 환경에서 각각 0.051 dB의 우수한 외부 굽힘 저손실 광특성을 보여 외부 굽힘 저손실 과제계획 목표인 1 dB보다 낮은 우수한 결과를 얻어 과제 계획을 성공적으로 달성하였음
․ 단일모드 레이저 동작 구현을 위해 발진 레이저의 빔 특성 지수인 M2는 약 1.6으로 측정되었음
- 저출력용 PM 단일모드 Yb 첨가 저손실 특수 광섬유 최적화
․ 일반 통신용 단일 모드 광섬유를 통해 유도된 빛의 경우, 주변 환경 변화인 온도, 압력 그리고 기계적인 힘 등의 외부 스트레스에 의해 광섬유에 불규칙한 복굴절이 유도되어 위상 오차가 발생함. 이러한 위상 오차에 의해 편광 상태의 불규칙한 변동은 발생되는 광섬유 레이저에서 레이저 출력의 불안정성을 유발하며, 연속파 광섬유 레이저의 진폭과 주파수는 요동을 하게 되고, 펄스 광섬유 레이저의 모드 잠금은 까다로워짐
․ 따라서 외부 스트레스에 의한 광섬유의 위상 오차를 줄이거나 의도적으로 광섬유 코어 영역에서의 편광을 유지하여 빛이 광섬유를 진행하면서 일정한 편광면을 유지되도록 하는 편광 유지 광섬유 (polarization maintaining fiber)가 요구됨
․ 이에 따라 기계적인 응력을 인가하여 복굴절을 가지는 광섬유가 개발되었는데, 이러한 광섬유에서 복굴절은 광섬유 코어의 양쪽에 열팽창 계수가 높은 보론(boron)이 첨가된 붕규산유리봉을 광섬유 클래딩 영역에 삽입하여 제작하였으며, 이 두 영역들은 열적 평형상태에 있게 되나, 냉각될 때에는 그들 각각의 열팽창 계수의 차이로 인해 광섬유 코어를 가로질러 잔류응력 이방성(residual stress anisotropy)이 존재하게 됨
․ 광섬유 굴절률에 따른 PANDA형 편광유지 광섬유 시뮬레이션 결과를 토대로 최적화된 PANDA형 편광유지 광섬유를 제조하기 위해 응력봉과 광섬유의 직경 비율은 약 0.43의 조건,코어와 응력봉의 간격 비율은 약 4의 조건으로 설정하였음(125 ㎛의 외경을 갖는 광섬유에 대해 응력봉의 직경은 약26.9 ㎛, 코어와 응력봉과의 간격은 14 ㎛의 구조를 설계)
․ 저출력용 PM 단일모드 Yb 첨가 저손실 특수 광섬유 모재 제조는 YbCl3ㆍ6H2O와 AlCl3 powder를 각각 이용하여 0.5 mole과 3 mole의 농도를 갖도록 에탄올 용액에 용해시켜 1: 10의 비율로 도핑 용액을 제조하여 사용하였으며, trench 영역인 낮은 굴절률을 갖는 영역을 형성하기 위해 음의 굴절률을 갖는 fluorine이나 boron을 첨가 도펀트로 사용하였음
․ 제작된 저출력용 PM 단일모드 Yb 첨가 저손실 특수 광섬유 모재의 편광유지 특성을 부여하기 위한 목적으로, 잔류응력유발용 붕규산 유리봉을 삽입하기 위한 두 개의 구멍(side-holes)을 drilling 공정을 통해 제조된 모재의 코어 양쪽에 길이방향으로 가공함
․ 광섬유 인출 과정에서 응력봉 영역의 크기 및 외형을 제어하기 위해 헬륨 가스 및 진공 펌프를 이용하여 광섬유 모재 내부의 압력을 조절하여 원하는 형태를 얻었으며, 광섬유 모재를 0.2 mm/min의 속도로 feeding 하여 분당 10 m의 속도로 끊어짐 없이 직경 125 ㎛의 광섬유로 인출하였음
․ 제조된 저출력용 PM 단일모드 Yb 첨가 저손실 특수 광섬유의 코어 및 클래딩 직경은 각각 7 ㎛와 125.1 ㎛였으며, 붕규산유리 응력봉의 직경 및 코어와 응력봉 간의 간격은 각각 28.8 ㎛와 16 ㎛ 이었으며, 차단파장(cutoff wavelength)은 880 nm로 시뮬레이션 결과와 유사한 값으로 가졌으며, 1060nm의 레이저 발진 파장 영역대에서 단일모드 조건을 만족하였음
․ 제조된 광섬유의 광흡수는 975 nm 파장영역에서 약 1,200 dB/m의 우수한 광흡수 특성을 보였으며, 샤냑 루프 간섭계를 이용하여 저출력용 PM 기반 단일모드 Yb 첨가 저손실 특수 광섬유의 복굴절과 Beat length를 측정한 결과, 2.2x10-4와 4.81 mm, 그리고 21 ~ 23 dB의 extinction ratio (ER) 수치를 보였음
․ 1060 nm 파장에서 15 mm/10 mm/5 mm 밴딩 직경의 환경에서 각각 0.020 dB/0.057 dB/0.147 dB의 광손실 특성을 보였으며, HR/LR PM 광섬유 브라그 격자와 active gain fiber와 연결하여 구성하여 공진기를 구성하여 특성을 확인한 결과, 레이저 출력 파장 1070.2 nm에서 레이저의 입력 펌프파워 대비 출력을 측정한 결과, 효율이 약 72 %인 레이저가 발진되었음. 편광 특성에 따른 PM 광섬유 격자의 PER 특성평가 결과, 17 dB 이상이었음
․ 단일모드 레이저 동작 구현을 위해 발진 레이저의 빔 특성 지수인 M2를 측정한 결과, 1.89/1.86으로 우수한 빔 특성을 보임
- PM 기반 고출력 저손실 Yb 첨가 대면적 특수 광섬유
․ 최적화된 PM 기반 고출력 저손실 Yb 첨가 대면적 특수 광섬유 개발을 수행하였으며, 특히, 공정 변수 및 상용화 제품으로의 활용을 위해 레이저 발진용 특수 광섬유의 가장 중요한 특성들인 광흡수, 광방출, 복굴절, Beat length, Extinction ratio, 외부 굽힘 광손실, 레이저 발진 파장 및 효율, 그리고 레이저 빔 품질 (M2) 등의 최적화 공정 개발을 수행하였음
․ 최종적으로 평균출력 100 W 이상이 되기 위해 첨두 출력 수십 킬로와트의 광파워가 생성되어야 하므로, 기존의 저출력 광증폭기용 이득 광섬유를 사용하는 데는 한계가 있어 대면적 코어를 갖는 Yb/Al 첨가 특수 광섬유 모재 개발을 통해 고출력 레이저 발진 유도를 위한 광 펌프 런칭 효율 및 레이저 발진 출력 극대화를 유도하기 위해 코어를 20 μm, 클래딩을 400 μm의 크기로 설계, 코어와 클래딩의 굴절률 차(△n)의 변수 (< 0.006와 < 0.002)를 통해 단일 모드 구현 및 빔 특성 향상을 진행하였음
․ 레이저 발진용 특수 광섬유의 조성 및 구조는 선행 기술로 최최적화된 PM 기반 고출력 저손실 레이저 발진용 대면적 특수 광섬유와 동일하게 설계하여, 광섬유 모재 제조와 인출 공정을 거쳐 개발하였음. 시뮬레이션 결과를 토대로 최적화된 PANDA형 편광유지 대면적 특수 광섬유를 제조하기 위해 광섬유 코어와 클래딩 직격이 각각 20 ㎛와 400 ㎛, 코어와 trench 간격은 10 ㎛, trench 폭은 20 ㎛, 그리고 trench와 응력봉 간격는 30 ㎛로 구성하였으며, 응력봉의 직경은 약 75 ㎛, 코어와 응력봉과의 간격은 70 ㎛로 설계하여 응력봉과 광섬유의 직경 비율은 약 0.38, 코어와 응력봉의 간격 비율은 약 5로 최적화하여 구조를 설계하였음
․ 광섬유 코어와 클래딩의 굴절률 차이가 0.006인 레이저 발진용 PM 기반 고출력 저손실 대면적 특수 광섬유의 제조 결과는 125 ㎛와 400 ㎛ 외경 기준으로 광섬유를 인출할 경우,코어 직경은 6.3 ㎛와 20.2 ㎛이며, 코어와 클래딩의 굴절률 차이(ncore)는 0.0059 (@632.8 nm), 클래딩과 trench의 굴절률 차이(ntrench)는 –0.003 (@632.8 nm), 그리고 trench의 너비(d)는 5 ㎛와 16 ㎛로 시뮬레이션 조건을 만족하였으며, 차단파장(cut-off wavelength)은 630 nm임
․ 이를 바탕으로 PM 특성 구현을 위해 선행 기술 개발 결과에서 활용한 붕규산 유리와 별개로 PANDA형 편광유지 광섬유를 제작하기 위해 j-BDSR : Boron doped silica rod인 20wt% 이상의 B2O3 함량(연화점인 1500 ℃)을 갖으며, 4 mm 직경을 갖는 것을 활용하여 광섬유 인출 공정 중, 1.378 굴절률을 갖는 low-index 폴리머 코팅 공정과 함께 광섬유 모재를 2 mm/min의 속도로 feeding 하여 분당 5 m의 속도로 끊어짐 없이 약 400 ㎛의 직경을 갖는 대면적 광섬유로 인출하였음. 특히, 대면적 광섬유를 제조하기 위해 다양한 직경의 coating jig를 제작하였음
․ 제조된 PM 기반 고출력 저손실 레이저용 대면적 특수 광섬유의 코어 및 클래딩 직경은 각각 21.5 ㎛와 398.4 ㎛였으며,붕규산 유리 응력봉의 직경 및 코어와 응력봉 간의 간격은 각각 76.4 ㎛와 53.7 ㎛ 이었음. 977 nm 파장영역에서 약 3.54 dB/m의 우수한 광흡수 특성을 보였으며, 대면적 특수 광섬유의 코어/클래딩 비를 통한 코어 영역에 함유된 Yb 이온의 상대적인 값은 약 1,215 dB/m임
․ 제작된 광섬유의 복굴절과 Beat length는 각각 2.80x10-4과 3.80 mm를 얻었으며, 20 ~ 22 dB의 extinction ratio 수치를 보였음. 광섬유의 밴딩에 따른 광손실 특성을 밴딩 직경 10 mm와 15 mm 조건에서 측정한 결과, 1064 nm 파장에서 각각 0.74 dB/0.20 dB의 광손실 특성을 보였음. 약1093 nm 파장 영역에서 레이저 발진이 구현되었으며, 집광렌즈 및 광섬유 삽입 손실 등을 고려하여 레이저 발진 효율을 측정한 결과, 120 W급 레이저 파워 출력 범위에서 약 66%의 발진 특성을 보였으며, 발진 레이저의 빔 특성 지수인 M2 값은 1.88/1.73으로 우수한 빔 특성을 보임
- 최적화된 N-PM 및 PM 기반 고출력 저손실 Yb 첨가 대면적 특수 광섬유
․ 앞서 선행 기술 개발을 통해 개발된 N-PM 및 PM 기반 고출력 저손실 단일 모드 및 대면적 Yb 첨가 특수 광섬유들을 바탕으로 레이저 시스템 적용을 통한 가공용 레이저로의 활용을 위해 다양한 레이저 발진용 특수 광섬유들의 제조 공정을 최적화하였으며, 특히, 광섬유 모재 제조 과정에서의 다양한 조건들의 최적화를 통해 공정 편차를 최소화하였으며, 허용 범위를 한정하였음. 광섬유의 코어와 클래딩의 굴절률 변화에 따른 공정 변수를 확립하여, 0.002조건으로 설계, 제조하였음
․ 특히, 최종 레이저 시스템 개발을 통한 레이저 활용 측면에서 레이저 빔 특성 (M2)을 계획 목표인 1.5 이하로 맞추기 위해 코어 굴절률을 제어하였으며, 이를 위해 레이저 발진용 특수 광섬유 제조를 위한 조성을 Yb와 Al의 농도를 1:5로 제어하였으며, 코어 굴절률 제어를 위해 Fluorine 및 Germanium의 코어 고용 농도를 최적화하였음
․ 광섬유 모재를 1 mm/min의 속도로 feeding 하여 분당 3 m의 속도로 끊어짐 없이 약 400 ㎛의 직경을 갖는 대면적 광섬유로 인출하였으며, 제조된 N-PM 및 PM 기반 고출력 저손실 레이저용 대면적 특수 광섬유의 구조를 분석한 결과,N-PM 대면적 특수 광섬유의 경우, 코어 및 클래딩 직경이 각각 19.4 ㎛와 406.5 ㎛였으며, PM 대면적 특수 광섬유의 경우, 코어 및 클래딩 직경은 각각 20.6 ㎛와 400.4 ㎛였으며,붕규산 유리 응력봉의 직경 및 코어와 응력봉 간의 간격은 각각 81.3 ㎛와 61.9 ㎛ 이었음. 광섬유 차단파장(cut-off wavelength)은 550 nm로 레이저 발진 파장 영역대 (1064nm)에서 단일 모드 조건을 만족하였음
․ 977 nm 파장영역에서 N-PM 및 PM 기반 고출력 저손실 레이저용 대면적 특수 광섬유들의 광흡수는 각각 약 1,244 dB/m와 1,318 dB/m였으며, 복굴절과 Beat length는 각각 2.87x10-4와 3.71 mm를 얻었음. 약 20 ~ 26 dB의 extinction ratio 수치를 보임
․ 제작된 N-PM 및 PM 기반 고출력 저손실 레이저용 대면적 특수 광섬유의 밴딩에 따른 광손실 특성을 밴딩 직경 10 mm 조건에서 측정한 결과, 1064 nm 파장에서 각각 0.272 dB와 0.162 dB의 광손실 특성을 보였으며, 975 nm 펌핑 조건에서 레이저 발진 스펙트럼 측정한 결과, 약 1093 nm 파장 영역에서 발생하는 것을 확인 할 수 있었으며, 100 W급 레이저 파워 출력 범위에서 각각 약 68 %와 62 %의 발진 특성을 보여 계획 대비 목표를 성공적으로 달성하였음. 발진 레이저의 빔 특성 지수인 M2를 측정한 결과, 400μm 광섬유 클래딩 조건하에서 X축/Y축에 대한 M2 값은 각각 1.44/1.22와 1.37/1.20으로 개발 목표인 1.5 이하의 우수한 빔 특성을 보임
- N-PM 및 PM 기반 고출력 레이저용 수동형 대면적 광섬유
․ 또한 대면적 코어 레이저 발진용 특수 광섬유와의 활용성을 위해 최적화된 N-PM 및 PM 기반 수동형 광섬유 개발하였으며, 이의 광손상 임계값 및 광파워밀도 분석을 수행하였음
․ 앞서 광섬유 코어와 클래딩의 굴절률차이가 0.002을 갖는 PM 기반 고출력 저손실 레이저용 대면적 특수 광섬유와의 융착 손실을 최소화하기 위한 수동형 PM 기반 대면적 광섬유를 동일한 방법으로 제조하였음
․ 최적화된 N-PM 및 PM 기반 대면적 코어 수동형 특수 광섬유의 코어/클래딩 직경은 선행 기술 개발 결과인 레이저 발진용 특수 광섬유와 마찬가지로 각각 20 μm과 400 μm의 크기로 설계하였으며, 단일모드 레이저 동작 및 M2 특성을 구현하기 위해 코어와 클래딩의 굴절률 차(△n)를 0.002로 설계하였으며, 저손실 특성을 갖는 trench 구조를 편광 특성 구현을 위한 PANDA형 PM 광섬유 구조와 접목하여 최적화된 PM기반 대면적 코어 수동형 광섬유의 코어 및 클래딩 구조 조건을 설계하였음
․ 제조된 N-PM 및 PM 기반 대면적 코어 수동형 광섬유들을 광학 현미경을 통해 구조를 분석한 결과, N-PM 대면적 특수 광섬유의 경우, 코어 및 클래딩 직경이 각각 21.8 ㎛와 408.9 ㎛였으며, PM 대면적 특수 광섬유의 경우, 코어 및 클래딩 직경은 각각 19.4 ㎛와 415 ㎛였으며, 붕규산 유리 응력봉의 직경 및 코어와 응력봉 간의 간격은 각각 83.11 ㎛와 54.6 ㎛ 이었음. 그리고 차단파장(cut-off wavelength)은 620 nm로 레이저 발진 파장 영역대 (1064 nm)에서 단일 모드 조건을 만족하였음
․ 제조된 N-PM 및 PM 기반 대면적 코어 수동형 광섬유들의 광손실을 1064 nm 파장에서 각각 0.615 dB/m와 1.23 dB/m의 광손실 결과를 얻었으며, 복굴절률과 Beat length을 계산한 결과 각각 약 2.74x10-4와 3.88 mm를 얻었음. 그리고 24 ~ 27 dB의 extinction ratio 수치를 가짐
․ 제작된 N-PM 및 PM 기반 대면적 코어 수동형 광섬유의 밴딩에 따른 광손실 특성을 밴딩 직경 10 mm 조건에서 측정한 결과, 1064 nm 파장에서 각각 0.697 dB와 0.363 dB의 광손실 특성을 보였으며, M2 값은 각각 1.41/1.42와 1.32/1.20으로 개발 목표인 1.5 이하의 우수한 빔 특성을 보임
․ 최적화된 N-PM 기반 대면적 코어 수동형 광섬유의 광손상 임계값을 측정한 결과, 100 W급 고출력 레이저 파워에서 각각 약 90 %와 84 %의 전송 효율을 가지며, 광섬유의 파손이나 변형 없이 원활하게 작동되었음
- PM 기반 고비선형 단일모드 광섬유의 개발
․ PM 기반 고비선형 단일모드 광섬유를 제조하기 위해 광자결정 광섬유(PCF, Photonic Crystal Fiber) 구조를 기반으로 하였으며, PCF는 코어 영역의 조성/구조와 클래딩 영역의 air-hole 패턴과 배열, hole size 및 hole 사이의 거리 등을 변화시킴으로써 목적에 맞는 분산, 모드, 편광, 그리고 비선형 특성 등의 다양한 광학적 특성을 갖게 할 수 있는 장점이 있어, 본 과제에서는 광섬유의 비선형 광 스위칭 소자로의 응용을 위해 편광 유지 기반의 고비선형 PCF(PM-PCF)를 제조함
․ PM-PCF는 core에 높은 복굴절을 인가하기 위해 코어 주위를 둘러싸고 있는 첫번째 air-hole(d1) 층중 코어 양옆의 2개의 air-hole을 내경이 더 큰 air-hole(d2)로 대체한 구조로 설계하였음. 대체된 2개의 air-hole(d2)에 의하여 PCF 편광모드의 fast axis와 slow axis의 다른 두 편광모드의 유효굴절률(Δneff=nfast-nslow) 차이가 생기게 되며 따라서 복굴절 특성이 발생하며, 이 때, 광섬유의 복굴절은 서로 다른 air-hole 직경의 비율인 d1/d2에 의해서 결정되며, 일반적으로 d1/d2의 값이 작아질수록 코어의 비등방성이 커지고 두 편광축(fast and slow axes)의 유효굴절률 차이가 커져 더 큰 복굴절 특성을 보임. 일반적인 PCF의 모드 특성은 air-hole 직경(d)과 hole 사이의 간격(Λ)에 의해 결정되며, glass core/air hole 구조의 도파 모드형 PCF 경우 d/Λ 값이 0.45 이하에서 단일 모드 특성을 보이므로 본 연구에서는 PM-PCF의 모드 특성, confinement loss, 복굴절 등의 시뮬레이션 결과를 고려하여, d1/d2 및 d1/Λ 값이 각각 0.4와 0.45 이하가 되도록 설계하여 제작하였음
․ 제작된 PM 기반 고비선형 단일모드 광섬유 광손실은 1060nm 파장에서 0.048 dB/m의 광손실 가지며, 복굴절과 Beat length은 각각 약 3.6x10-4과 3.0 mm임. 그리고 26 ~28.5 dB의 extinction ratio 수치를 보임. 마지막으로 non-resonant 비선형 계수 (γ) 는 11.03 x 10-20 [W-1km-1]로 측정되었음
- 고출력 광섬유 레이저 온도 안정화 코팅 기술 개발
․ 레이저 발진용 특수 광섬유의 고출력 에너지 환경 내에서의 활용을 위해서는 기존의 acrylate 수지는 외부 및 내부의 고온 환경에서 불안정하며, 특히, 150 ℃ 이상의 온도 환경에서는 코팅 물질인 acrylate 수지의 색깔이 변하거나 표면이 고온에 열화되어 안정성이 떨어져 실리카 유리 재질의 광섬유보호를 위한 목적으로는 한계가 있어 본 과제에서는 온도 열화에 대한 안정성이 우수한 코팅 물질로 polyimide 수지를 이용하여 고출력 광섬유 레이저용 광섬유의 코팅 기술 개발을 진행하였음
․ 제작된 고온 안정화용 polyimide 코팅 광섬유의 외경 및 코팅 두께를 광학 현미경을 통해 분석한 결과, 실리카 유리 외경과 코팅을 포함한 광섬유 전체 외경은 각각 125 μm와 145.5μm로 인출되었으며, polyimide는 코팅 두께가 10.2 μm 임을 확인할 수 있었음
․ 제작된 고온 안정화용 polyimide 코팅 광섬유의 고출력 레이저 발진 환경과 유사한 외부 고온 환경에서의 열화 여부를 평가하기 위해 200 ℃에서 시간에 따른 광섬유 코팅의 변화를 평가한 결과, 단계적으로 200 ℃까지 온도를 변화 시켜주었을 때 약 1 dB 범위 내에서 광 손실 특성을 보였으며, 이를 통해 고온 환경에서의 안정적인 광전송 특성을 확인 할 수 있었음
- 고출력 레이저 출력단 표면 보호를 위한 end cap 기술 개발
․ 고출력 광섬유 레이저의 출력단에서 발생하는 반사광에 대한 피해를 최소화하기 위해 광섬유 끝단에 각을 주어 절단하는 방식으로 광섬유의 끝단의 절단각에 따라 반사되어 돌아오는 각이 벌어져 코어로 입사되지 않아 seed laser 및 pump laser에 피해를 최소화 할 수 있는 기술을 angled cleaving 기술을 적용하여 고출력 레이저 출력단 표면 보호를 위한 end cap 기술을 개발하였음
․ 광섬유 종단면에서의 표면 반사를 최소화할 수 있는 광섬유 구조와 함께 기존의 고출력 고체 레이저 및 반도체 레이저 광원 전송용으로 주로 활용되고 있는 Air-gap형 SMA 커넥터 기술을 적용하여 고출력 레이저 출력단 표면 보호를 위한 end cap 기술이 적용된 제품을 제작하였음
․ 제작된 Air-gap SMA end-cap 광섬유 모듈을 통해 전송 평가를 수행한 결과로, 전송효율은 80 % 이상으로 우수하였으며 25 W 이상에서도 광원의 손상 없이 출력단 표면 보호가 이루어졌으며, 광손상 임계값 및 광파워밀도 분석을 위해 980 nm 파장의 고출력 LD 모듈을 광섬유에 론칭하여 통해 출력 파워가 100 W가 되도록 구성하여 전송이 가능하였음
○ 고출력 광섬유 레이저용 소자 및 파장변환기 기술의 개발
- 광섬유격자 소자 개발, 펌프 레이저 구동회로 및 안정화
· 1064 nm 대역에서 발진하는 광섬유 레이저 공진기용 격자 제작을 위한 광섬유 Bragg 조건을 만족하는 phase mask 설계를 비롯한 광섬유 Bragg 격자를 제작하였음
· 1064.4 nm 주공진기용 고반사율 격자와 seed laser의 파장 안정화를 위한 되먹임용 공진기용 격자를 제작하여, 개별적으로 특성 평가를 수행하였음
· 레이저 다이오드의 파장 안정화용 되먹임 광섬유격자 소자를 제작하여 적용·발진 상태을 확인하였고, 출력 파장 안정화를 위한 펌프 레이저 다이오드 구동 회로를 개발하여, 온도 제어에 따른 출력/파장을 20~30℃에서 출력 안정성을 확보하였음
· 고출력 multimode 펌프 레이저 다이오드, 10W급 출력의 레이저 다이오드를 제어하기 위해서 구동전류 ~15A 까지 제어할 수 있도록 회로 설계하고 제작하여 성능 확인을 완료하였음
- 다파장 및 파장 가변형 광섬유격자 소자 모듈의 설계 및 제작
· 고출력 공진기 설계기술을 바탕으로 한 다양한 파장대역의(1030 nm – 1090 nm)의 레이저용 광섬유 격자 모듈을 개발함
· 다파장 광섬유 격자 모듈 1033/1066/1071/1082/1091 nm제작하여 특성 평가한 결과 반사율 99 % 이상을 보임으로서 레이저 공진기에 적용할 수 있는 모듈 기술을 확보함
· 펌프광 집속기의 설계 및 제작을 위해서 컴바이너 설계 변수 최적화 BPP (beam product parameter)를 고려한 스펙 선정하고 제작 조건을 최적화함
· Nx1 구조의 펌프 광 집속기의 펌프광 입력단의 광섬유 105/125 μm, NA~0.15 이용, 펌프 출력단의 광섬유 직경 125 μm, NA~0.22 광섬유 직경 220 μm 이상을 만족해야 함
· 광섬유 테이퍼링 및 융착 기술을 이용한 펌프광 집속기의 설계 제작함. 7x1 펌프광 집속기의 특성평가를 시행하여 목표 대비 90% 이상의 transmission이 가능한 펌프광 집속기 제작을 완료하였음
- PM 기반 광섬유격자 소자 개발 및 이종 광섬유간 최적 융착기술 개발
· PM 광섬유 레이저용 광섬유 브라그 격자 소자를 개발을 위해서 PM 광섬유(PANDA)의 편광 축(slow/fast axes)에 따른 이미지를 확인하여 fast axis 기준 코어에 PM 광섬유 격자를 제작하였음
· 고반사율을 갖는 PM 광섬유 격자는 중심파장 1070.7nm에서 반사도 99% 이상, 3-dB 대역폭이 0.46 nm의 성능을 보였고, 저반사율을 갖는 PM 광섬유 격자는 중심파장 1070.8nm에서 반사도 20% 이하, 3-dB 대역폭이 0.08 nm로 확인되었음. 이를 활용하여 PM 광섬유 격자 기반의 PM 광섬유 레이저 공진기를 구성할 수 있으며, 발진 특성을 확인할 수 있었음
· 이종 광섬유 간 최적 융착 기술 개발: PM 광섬유의 융착은 편광 축(slow/fast axes)에 따른 이미지를 확인하여 축간의 tilt를 최소화하여 융착 접속을 시행하였으며, 자동화 축 정렬시스템을 활용하였고, 측정에 사용한 모든 광섬유 소자들을 동일한 PM 광섬유(PANDA)로 활용하여 성능을 측정한 결과편광 대비 특성이 17dB 이상 성능을 보임
· 비선형 단결정 온도 조절 오븐의 설계 및 제작과 패키징 기술 개발: 비선형 단결정 소자의 파장 변환을 위해서 NCPM(Non-critical phase matching)을 위한 오븐을 설계하였고, 오븐의 온도를 0.1℃내에서 조절할 수 있는 온도 모니터링용 센서를 이용하여 제작하였음. 외부 하우징을 추가하여 환경에 따른 온도 변화를 최소화할 수 있도록 하였음
- 비선형 단결정 LBO를 이용한 2차/3차 고조파 생성 장치 개발
· 비선형 단결정 소자의 파장 변환을 위해서 NCPM을 위한 오븐을 설계/제작하였음. 오븐의 온도를 0.1℃내에서 조절할 수 있는 온도 모니터링용 센서를 이용하여 DPSSL(1064 nm,10W급 pulsed) 광원을 활용하여 532 nm/355 nm 파장 변환이 가능한지 확인하기 위해서 비선형 단결정 소자인 LBO를 채택하여 오븐에 장착하고 발진 실험한 결과 NCPM 조건 148 ℃/66 ℃에서 532 nm(SHG), 355 nm(THG)레이저가 발진되는 것을 확인하였음
· 비선형 단결정 LBO를 이용한 2차/3차 고조파 생성 장치를 제작하였는데, 비선형 단결정을 포함한 오븐과 각종 광학계로 구성된 단일 시스템으로 제작 완료함 (WDH: 750 x 500x 150 mm, 15 kG)
· 파장 변환 소자의 온도 콘트롤러의 온도 안정성: < ± 0.1 ℃ 제작 완료하여, DPSSL 레이저 시스템(1064nm, 100W급 ns pulsed PM)을 활용하여 파장 변환 소자의 성능 테스트를 실시하여 파장 변환 효율 532 nm(20%, SHG), 355 nm(20%, THG) 임을 확인함
- 비선형 단결정 LBO를 이용한 2차/3차 고조파 생성 장치의 최적화
· 비선형 단결정 소자의 내구성 향상을 위한 소형화 패키지를 구현하고, 파장변환을 위한 광학계를 이루는 단일 시스템으로 제작하여 개발 완료함
· 공동연구개발기관에서 개발한 100W급 PM기반 PS MOPA 시스템을 활용하여 Green(532 nm), UV(355 nm) 생성을 위한 실험을 진행하였음
· PM 기반 PS MOPA 시스템 100W급 출력을 이용하여 단일경로 Green(532 nm)의 생성하여 출력 32W 이상 확보하였음
· PM 기반 PS MOPA 시스템의 IR(1064nm)와 발생한 Green(532 nm)을 이용하여 UV(355 nm) 생성하였고 광출력 10W 이상 확보하였으며, 10분동안 출력이 안정적으로 유지 되었음을 확인하였음
․ 제작된 10W급 355 nm 파장의 레이저를 활용하여 스테인레스 스틸에 1 μm 직경을 갖는 홀 가공을 통해 산업용 활용 가능성을 확인하였음
○ 레이저 다이오드 드라이버
: 광섬유 레이저 시스템의 LD(Laser Diode, 레이저 다이오드)를 구동하기 위한 광섬유 LD 드라이버
- Seed LD Driver 개발
․ 광섬유 레이저의 Seed pulse를 구동하기 위한 LD 드라이버로, 최소 2.5 ns의 펄스폭과 최대 18 A의 펄스 구동전류로 Seed LD를 구동할 수 있는 LD 드라이버를 개발하였음
․ 본 드라이버의 프로세서인 FPGA(Field Programmable Gate Array)를 이용하여 펄스를 발생시키도록 설계되어 있으며, 펄스폭은 2.5 ns 부터 10 us까지 조정 가능하고, 반복률은 최대 100 MHz까지 설정 가능하며, 최대 12개의 펄스신호를 중첩하여 다양한 펄스 파형을 발생시킬 수 있음
․ 고속 광펄스로 LD를 구동시 발생할 수 있는 Laser 펄스의 Overshoot을 제어하기 위하여 LD 펄스 입력 신호선에 스너버(Snubber)회로를 적용하였으며, LD의 Anode와 Cathode 양단에 병렬로 1~100 pF의 Capacitor를 적용하여 조절하도록 설계되었음
․ LD의 온도를 0.1 ℃ 단위로 조절할 수 있으며, 온도 조절을 통해 LD의 출력광 파장을 조절할 수 있고, LD의 온도, 연속 광의 구동 전류, TEC(Thermo Electric Cooler) 구동 전류,LD내부의 모니터링 PD를 통해 LD 출력광파워를 모니터링할 수 있도록 설계됨
․ USB2.0 통신을 통해 외부 Controller(PC)와 통신할 수 있도록 설정되어 있으며, 사용자는 설계된 LabWindowsCVI 기반의 GUI(Graphic User Interface)와 USB 통신을 통해 LD 드라이버를 제어하거나 모니터링할 수 있음
- High Speed Seed LD Driver 개발
․ 일반 Seed LD Driver에 비해 펄스 구동 전류는 낮은 대신에 펄스폭을 줄인 형태의 LD Driver로, 최소 400ps의 펄스폭과 최대 1.25GHz의 반복률로 LD를 고속 구동하도록 설정된 드라이버임
․ LD 구동기로 광통신용 2.5G LD Driver Chip을 적용했으며,2.5GHz 고속 구동을 위해, 16:1 Serializer Chip을 적용하여, FPGA로부터 16개의 병렬 신호가 155MHz 반복률로 Serializer Chip으로 전송되고, Serializer Chip이 2.5GHz 내부 Clock을 이용해 병렬 입력신호를 Serialize한 다음, LD Driver chip으로 전송하도록 설계함
․ 400ps 고속 펄스 구동시의 펄스 전류는 최대 85mA까지 조정이 가능하며, 보다 높은 파워의 펄스 구동이 필요할 경우,최소 2.5ns의 펄스폭으로 1.2A까지 구동이 선택적으로 가능하도록 설계함
- Arbitrary Waveform LD Driver 개발
․ 광섬유 레이저 시스템에서 요구되는 다양한 형태의 광펄스 파형을 생성하기 위해 FPGA와 고속 DAC(Digital to Analog Converter)를 이용하여 Arbitrary Waveform LD Driver를 개발함
․ 최소 5ns의 시간단위로 펄스파형이 조절되도록 하기 위해 200MHz Bandwidth 12bit resolution DAC를 적용하였으며, 200MHz의 고속 파형신호의 처리를 위해 임의 파형 Data용 Memory로 FPGA내의 Block RAM을 사용하고, Memory 2개를 병렬로 연결하여, 2개 Memory로부터 스위칭 방식으로 Data를 교대로 출력하도록 설정함
․ LD 펄스 전류의 최대 조정값이 2A인 임의파형용 Driver 회로를 구성하기 위해, 900MHz Bandwidth의 고속 RF(Radio Frequence)용 FET(Field Effect Transistor, 트랜지스터)를 사용하였으며, FET가 포함된 LD Driver 회로는 DAC로부터 입력되는 임의파형 Voltage 신호를 Voltage에 비례하는 펄스 전류신호로 변환한 다음 LD로 인가도록 개발함
- Analog LD Driver 개발
․ 사용자가 광펄스 파형을 자체적으로 생성하는 장치가 있을 경우에, 임의 파형의 Voltage 신호를 입력받아, 동일한 파형의 광펄스를 출력하는 Electric to Optical Pulse Converter를 개발함
․ 저가의 Compact형으로 구성하기 위해 메인 프로세서로 CPLD(Complex Programmable Logic Device)를 사용하였으며, CPLD를 통해 Stand-alone 구동 방식으로 LD의 온도 모니터링과 TEC 전류 제어를 통한 온도 안정화 제어가 되도록 설계하였음
․ LD Driver 회로는 Arbitrary Waveform LD Driver 회로를 사용하였으며, DAC에서 입력되는 신호 대신에 SMA 커넥터로 입력되는 외부 장치에 의해 생성된 임의 파형 Voltage 신호를 LD Driver회로에 입력되도록 설계함
- Dual Pump LD Driver 개발
․ 고출력 레이저 시스템의 광펄스 Pre-pumping용 또는 광섬유 증폭기 등에서 증폭용 광원으로 사용되는 Pump LD를 구동하는 LD Driver로 2개의 Pump LD를 개별적으로 동시에 구동할 수 있도록 설계되어 있으며, 최대 1000mA까지 Pump LD 구동 전류를 조정할 수 있도록 설계됨
․ Pump LD의 가장 중요한 특성인 Pump LD의 파장의 안정성과 출력 Power의 안정성을 위하여, LD온도가 ±0.1℃ 이내로 안정되도록 LD Thermistor를 통한 온도 모니터링 및 TEC 전류 조절 기능을 최적화하였으며, 온도제어 알고리즘으로 기존 PID(Proportional–Integral–Derivative) 대신에 자체 개발한 알고리즘을 적용하였음
․ Pump LD의 출력 Power의 안정성을 위해, 기존 CW(Continuous Wave)용 LD Bias Current 회로의 Op Amp bypass capatitor 값을 최적화하고, LD의 Anode와 Cathode 양단에 1nF, 100nF, 10uF 3개의 Capacitor를 병렬로 적용하여, Optical Spectrum Anayzer로 측정한 Pump LD의 출력 Spectrum에 발생할 수 있는 Ripple을 제거하였음
- High Power LD Driver 개발
․ 기존 8 Channel 직렬형 구동방식의 High power LD Driver를 개선하여, 병렬형 구동 방식으로 변경하고, 4개 채널을 독립적으로 구동할 수 있도록 설계하였으며, 기존 CW 구동 기능에 Arbitary waveform 펄스 Driver 기능을 추가함
․ 4개 채널 각각 Arbitary waveform 펄스 Drive가 가능하도록 FPGA회로를 설계하였으며, 최소 1us의 펄스폭을 위해 20MHz bandwidth 12bit resolution DAC를 적용하고, LD출력 펄스파형의 안정성을 위해 고속인 FET 대신에 보다 안정적인 Darlington transistor을 적용함
․ BWT사의 27W LD를 적용하여 Test한 결과, BWT사 LD의~10us Rising time 특성과 유사한 Rising time 특성 결과를 얻었으며, LD 온도 측정을 위해 부가적으로 Thermistor를 부착하고 온도를 모니터링할 수 있는 회로를 설계함
- Fiber Laser Driver Mux 모듈 개발
․ Seed LD Driver 1채널, Pump LD Driver 1채널 및 High power LD Driver 4채널을 통합한 모듈로서, 1개의 광섬유 레이저 시스템용 광원모듈을 구동할 수 있도록 설계하였으며,각각의 개별 모듈을 융합하면서 프로세서와 외부 인터페이스 및 전원 모듈을 공유함으로써 직접화된 모듈을 개발함
․ Seed LD Driver 부분의 사양은 최소 2.5ns 펄스폭과 최대 2.4 A 펄스 구동전류며, Pump LD Driver 사양은 최대 1000mA의 CW구동 전류이고, High power LD Driver는 각 채널 최대 12 A의 CW 구동이 되도록 설계함
․ 본 모듈의 GUI는 세종류 종합 6채널의 LD를 안정적이고 효율적으로 제어할 수 있도록 제어의 효율성을 높일 수 있는 방향으로 설계를 진행했으며, 보드 Layout 및 회로 배치에 있어서, 집약된 회로에 따른 모듈의 과열을 제어하는데 중점을 두고 보드 설계를 진행함
․ 통합 LD 구동 모듈을 Compact형으로 개선하고, LIDAR용 레이저 구동모듈, 레이저 가공시스템의 레이저 모듈 등, 다양한 레이저 시스템에 적용 가능도록 Case를 설계 및 제작하여 내장시켰으며, Case 설계 방향으로는 광회로를 안정적으로 장착할 수 있도록 별도의 공간을 설정하고 광회로와 광부품을 효율적으로 배치할 수 있는 구조로 개발함
․ FAN이 장착된 Case를 이용하여 내부에 광회로를 장착하고,500 mW Seed LD, 600 mW Pre-pump LD 및 9 W high power LD 3개를 구동하여, CW 15 W 광출력 사양의 광섬유 레이저 모듈을 개발함. 특히, 본 Driver는 ETRI에 공급되어 Lidar System의 고출력 광섬유 팔스 레이저의 구동 모듈로 적용되어, 1.5 ns 펄스폭과 10 kW 이상의 특성과 200 ps이하의 낮은 Jitter 특성을 가지는 초단파 고출력 레이저 성능을 구현함
- Seed and Pump LD Driver 개발
․ Seed LD Driver 1채널, Pump LD Driver 1채널을 구동하도록 설계된 Driver로, Pump LD Driver 부분의 경우, 기존 CW 구동에서 펄스도 구동이 가능하도록 설계하여, Seed 신호가 없을 경우에는 Pump LD를 Off하여 광섬유 레이저의 잔류광을 제거함으로써, 좋은 노이즈 특성이 요구되어지는 응용분야에 적용되고 있음
․ Seed LD와 Pump LD의 구동 펄스가 서로 동기화되어 출력되도록 제어할 수 있으며, 두 LD의 펄스폭을 각각 10 ns 단위로 설정할 수 있고, 특히 두 LD 펄스간 시간차도 1 us 단위로 사용자가 GUI를 통해 조절할 수 있어서, 각 펄스의 펄스폭과 시간차를 조절하면서 최적의 조건을 구현할 수 있도록 설계됨
- 7 Channel High Power LD Driver 개발
․ 통합 레이저 구동 모듈 제품의 출력 파워를 향상시키기 위해 고출력 Pump LD의 구동 파워와 채널 수를 증가시킨 제품으로, 1개의 Pre-pump LD, 3개의 9 W LD, 4개의 60 W LD를 구동할 수 있도록 설계됨
․ Pre-pump LD Driver의 경우 기존과 동일하게 1000 mA까지 구동 CW 전류를 조절할 수 있으며, 9 W LD 및 60 W LD Driver 모두 최대 12 A까지 조절할 수 있도록 설계하였고, Power supply의 경우 9 W LD 및 60 W LD Driver의 상이한 Forward voltage에 따라 Bias voltge를 각각 4 V 및 14 V로 설정되었으며, 필요에 따라 Bias voltage를 조절할수 있도록 개발함
- 100 ps High Speed LD Driver 개발
․ 기존 400 ps Pulse 구동 Seed LD Driver를 개선하여, 최대 11.3 Gbps Frequence 사양의 LD Driver chip을 적용하고, 최대 10 GHz 이상의 Port IO Speed 성능을 가지는 Xilinx사의 Kintex7-160T FPGA를 적용한 100 ps Pulse 구동이 가능한 모듈을 설계 진행함
․ FPGA와 LD Driver chip에 입력되는 동기화된 125 MHz의 Clock신호 품질을 위해, 최대 500 MHz 사양의 Clock generation 5channel Chip을 적용하고, FPGA 내부에서 10 Gbps의 Serialize된 출력 신호를 발생시키기 위해 125 MHz 80 bit Parallel 구조의 Data pattern 발생 Blcok을 개발함
․ GUI를 통해 설정된 최소 펄스폭, 반복률, 펄스 패턴 정보가 FPGA로 입력되면, 설계된 Data pattern generation block을 통해 80 bit Parallel 연속신호가 125 MHz 주기로 출력되어 FPGA의 10 Gigabit transceiver block으로 입력되고, 이 Transceiver block은 80 bit Parallel신호를 10 Gbps Serial 신호로 전환하여 10 Gbps LD Driver chip으로 출력하도록 설계함
○ 고출력 광섬유 레이저 및 증폭기 시스템 기술의 개발
- 저손실 Yb 첨가 광섬유의 도파로 및 레이저 특성 분석
· 굴절된 광섬유의 모드 특성과 벤딩 손실을 구할 수 있는 전산모사 기술을 확립함. 모든 광섬유의 구조와 곡률 반경에 대해서 계산할 수 있는 기술을 확보
· Steady-state rate equation에 기반한 Yb 첨가 광섬유 증폭기의 모델링 설정. Runge-Kutta method를 주 방정식에 적용해, Yb 첨가 광섬유 내에서 펌프 신호와 시드 신호의 출력 변화를 확인 가능. 또한 임의의 첨가 분포에서 증폭 효율을 확인 가능한 수치 해석 기술 개발 완료
- N-PM 기반 Yb 첨가 광섬유의 특성 분석 및 고출력 연속광 레이저의 시연
· 10 W급 연속광 레이저의 시연: 단일모드 이터븀 첨가 광섬유 사용
· 단일모드 이터븀 첨가 광섬유(YDF-12-005)를 사용하여 ISO11554에 근거한 10 W급 연속광 레이저(10.34 ± 0.11W)를 시연 완료함
· 100 W급 연속광 레이저의 시연: 대면적 코어 Yb 첨가 광섬유 사용
· 250 W 급 펌프를 이용하여 114 W 급 레이저를 시연 완료
- 주공진기 모듈의 개발
· 수동형 및 능동형 주공진기의 개발 및 특성 비교 분석
· FBG와 자유 발진 공진기가 개발되었고 그 특성을 비교 분석하였음
· 이득 스위칭 LD 기반 펄스형 주공진기 모듈 연구 분석(반복률 50 MHz 이상, 펄스폭 50 ps 급 시연)
· 이득 스위칭 LD를 이용하여 ISO11554에 근거한 반복률 50MHz 이상, 펄스폭 50 ps 이하의 펄스 광원의 시연을 완료함
· 반복률 > 50 MHz, 펄수폭 < 50 ps의 공진기 개발: N-PM 단일모드 광섬유 및 고비선형 단일모드 광섬유 사용
· N-PM 단일모드 광섬유 및 SESAM 기반 Saturable Absorber를 이용하여 ISO11554에 근거한 반복률 50 MHz이상, 펄스폭 50 ps 이하의 펄스 광원(53.99 ± 0.07 MHz, 23.01 ± 0.54 ps)의 시연을 완료함
- N-PM PS MOPA (Pico-Second Master-Oscillator Power Amplifier) 시스템 개발
· 초저잡음 특성 입력단 1차 광섬유 증폭기의 개발: 잡음특성지수(Noise Figure) 4 dB 이하
· 광 증폭기가 입력 신호를 증폭시킬 때 추가적으로 발생하는 잡음(noise)을 측정 및 분석하였고, 낮은 잡음지수를 위한 기술을 연구함. 코어 펌핑 기반 Yb 광섬유 증폭기를 통해 4 dB미만의 잡음특성지수를 구현함. 개발된 광섬유 증폭기는 일반적인 광 증폭기의 ~6 dB 정도의 잡음특성지수보다 더 우수한 잡음 특성을 보임
· 2차 광섬유 증폭기의 개발: 출력파워 50 mW 이상
· N-PM 단일모드 광섬유 및 SESAM 기반 수동형 모드잠금 레이저에 Yb 광섬유 증폭기를 추가 구현함으로써 2차 광섬유 증폭단을 구현하였고, 3 W의 펌프 광원에 대해 평균 출력파워 100 mW 이상의 출력 파워를 얻음
· N-PM 기반 3차 광섬유 증폭기의 개발: 출력파워 > 2W
· 증폭된 유도 방출 및 후반사 현상을 억제해 안정성을 확보한 고출력 증폭기 구현. 2단 증폭을 통해 목표한 2 W 출력의 증폭기 시연. 3단 증폭 및 10 W급 아이솔레이터를 사용해 최고 3.7 W 출력의 증폭기 시연
· N-PM 기반 4차 광섬유 증폭기의 개발: 출력파워 >100 W,반복률 >50 MHz, 펄스폭 <50 ps
· 증폭된 유도 방출 및 후반사 현상을 억제해 안정성을 확보한 고출력 증폭기 구현. 4단 증폭을 통해 평균출력 106.92 W의 광증폭기 시연
- 능동형 편광 제어 기술의 개발
· 외부 편광 조절기를 이용한 실시간 동적 편광 제어: 편광대비 10 dB 이상
· 파장판을 능동제어하는 외부 편광 조절기을 통해 실시간 동적 편광 유지가 가능한 시스템을 구현. 편광 출력 변동율의 표준편차: 1% 이하 (20 dB 이상)
- PM 기반 Yb 첨가 광섬유의 특성 분석 및 고출력 연속광 레이저의 시연
· PM 기반 Yb 첨가 광섬유의 도파로 및 단일편광 레이저 특성분석
· 열팽창으로 인한 응력이 광섬유의 굴절률에 미치는 영향을 구할 수 있는 전산모사 기술을 확립함. 복굴절 매질의 모드 전산모사 기술을 확립함. PM 광섬유의 각 편광의 유효굴절률을 계산할 수 있는 기술을 확보
· 10 W급 단일편광 연속광 레이저의 시연: 편광대비 > 17 dB
· 출력파워 10.3 W, 편광대비 30.80 dB의 레이저 시연
· 100 W급 단일편광 연속광 레이저의 시연: 편광대비 >17 dB
· 자유공간 레이저 시스템을 구성하여, 최대 출력파워 155.8 W시연 완료. 출력 스펙트럼 1045 nm에서 1085 nm 사이 영역의 자유 발진모드, 20 dB 이상의 편광대비 구현
- PM 기반 PS MOPA 시스템 개발
· 반복률 > 50 MHz, 펄스폭 < 50 ps, 편광대비 > 20 dB
· 이터븀 첨가된 광섬유 링 공진기 총길이를 4 m 이하로 제한,적정 특성의 포화 흡수체와 편광 조절기를 이용하여 반복률 52.38 MHz, 펄스폭 9.04 ps, 편광대비 30.28 dB를 만족하는 공진기 개발
· PM 기반 1차 및 2차 광섬유 증폭기의 개발: 출력파워 50mW 이상
· 위상 변조 및 음향-광 변조 기술이 적용된 자체적 시드 광원확보, 50 mW 출력의 PM 기반 1차 증폭기 개발 완료. 500mW 출력의 PM 기반 2차 증폭기 개발 완료
· PM 기반 3차 광섬유 증폭기의 개발: 출력파워 2 W 이상
· 최대 20 W 출력의 PM 기반 3차 증폭기 개발 완료
· 100 W 급 PM PS MOPA 시스템 개발
․ 주공진기 출력 증폭기 시스템의 동작 파장, 반복률 등 기본적인 특성을 가진 seed laser 광원을 증폭단의 입력으로 구성하였고, seed laser에서 나온 광은 펌프광과 함께 이득 매질이 첨가된 광섬유를 거치면서 증폭하도록 설계
․ 제 1단 광증폭기 구성: 제 1단 광증폭기는 코어 지름 8 μm의 PM Yb-doped fiber를 이용하여 설계. 코어 펌핑으로 설계하였기에, 1 m의 짧은 YDF로 구성하였으며, 아이솔레이터를 연결하여 광신호의 진행 방향을 단일 방향으로 구현함
․ 제 2단 광증폭기 구성: 제 2단 광증폭기는 3.5 m 길이, 코어지름 10 μm의 PM Yb-doped fiber를 이용함. Tapered fiber bundle를 이용하여 다중 모드 LD를 클래딩 펌핑하여 증폭
․ 제 3단 광증폭기 구성: 고출력을 위해 코어 지름 15 μm의 YDF에 LD 2개를 tapered fiber bundle에 연결하여 클래딩 펌핑함. 광증폭기 말단에 평균출력 15 W, 첨두출력 1kW 급의 아이솔레이터를 연결하여 단방향 증폭기 구성
․ 제 4단 광증폭기 구성: 고출력을 위해 코어 지름 25 μm의 YDF에 3개의 60 W급 LD 3개를 이용해 클래딩 펌핑함.
․ 출력파워: 102.5 W, M2: 1.467, 편광대비: 19.010 dB 를 확보함
- N-PM PS MOPA 시스템의 안정성 및 신뢰성 시험
· 출력파워, 중심 파장, 펄스폭, 반복률, 편광대비 특성의 사용시간에 따른 변동률 측정 및 분석
· 100 W급 4차 MOPA 시스템의 안정성 및 신뢰성 시험이 완료됨. 106.92±0.41 W의 출력파워, 1060.6 ± 0.035 nm의 중심 파장, 0.344 ± 0.056 nm의 반치폭을 확보함
- PM 기반 PS MOPA 시스템의 안정성 및 신뢰성 시험
· 100 W 급 PM PS MOPA 시스템 안정성 및 신뢰성 시험
․ 100 W 급 PM PS 시스템 안정성 및 신뢰성 시험이 완료됨 10분 동안 100.237 ± 0.634 W의 출력파워, 1062.858 ±0.0362 nm의 중심파장, 0.183 ± 0.0235 nm의 반치폭,998.413 ± 2.109 MHz의 반복률, 18.915 ± 0.187 dB의 편광대비를 확보함
□ 기술개발 배경
○ 단색성, 가간섭성, 지향성 및 고휘도성으로 정의되는 레이저 빛의 특성 중 특별히 지향성과 고휘도성은 레이저 빛의 탁월한 집광성을 가능하게 함: 만약 렌즈를 이용하여 레이저 빛을 집광한다면 일반 광원으로부터는 얻을 수 없는, 높은 해상도 및 에너지 밀도를 얻을 수 있어 고정밀 및 고출력 레이저 가공분야에 적합함
○ 현재 가공용 고출력 레이저는 기체레이저, 고체레이저, 화학레이저, 자유전자 레이저가 주종을 이루고 있고, 그 동안의 연구 및 개발이 이에 집중되어 왔으나, 통짜형(bulk-type)의 고에너지 레이저의 경우 아래와 같은 근본적인 단점들이 있음
- 레이저 이득 매질의 공간적 제한성 및 낮은 레이저 발진 효율
- 자유공간 광학계에 의존하는 시스템의 대형성 및 낮은 집적도
- 레이저 이득 매질의 높은 가격 및 짧은 수명
- 단일 모드 동작 특성의 제한성 및 이로 인한 집광도 저하
- 단결정기반의 고체레이저의 경우 발진봉의 열렌즈 현상에 의한 빔특성 저하
- 대용량의 냉각 시스템의 필요성과 높은 전력 사용량
- 빔 정렬 및 유지 관리의 어려움
- 재질 및 가공 특성을 고려한 다파장 레이저 시스템의 구현의 어려움
○ 최근 이러한 통짜형 레이저 기술의 문제점을 근본적으로 해결하고 대체하기 위한 광섬유 집적화 레이저 기술의 연구개발에 대한 필요성이 대두됨
○ 다시 말해서, 이러한 자유공간 광학계를 이용하는 구조적인 문제는 시스템 구성상 다양한 종류의 미러 및 렌즈를 사용해야하기 때문에 시스템의 소형화, 경량화 및 집적화가 용이하지 않고, 또한 빔 정렬이 온도, 진동 등 환경의 변화에 민감하여 안정적인 동작 특성도 제한 받음: 이는 산업용 레이저의 경우 생산성 및 생산 품질과 직결됨
○ 이에 반하여 광섬유 기반 레이저 시스템은 기본적으로 자유공간 광학계 의존성을 배제하는 전광식(all-optical) 구조로 구현될 수 있음
○ 광섬유 레이저는 넓은 범주로는 고체 레이저로 분류되나 통짜형 고체 레이저와는 근본적으로 다음과 같이 구분됨
- 단결정이 아닌 유리 기반 레이저 이득 매질을 광섬유의 형태로 제조함: 광섬유 도파로 구조에 레이저 이득 물질[주로 희토류 이온, 이터븀(Yb), 어븀(Er), 니오디뮴(Nd), 튤륨(Tm) 등]을 첨가하여 레이저 매질을 구성하며, 단결정 이득 매질에 비하여 흡수 및 방출 단면적의 파장 대역폭이 넓어지고 또한 이득 매질의 길이도 임의로 정할 수 있어서 레이저 발진 효율 및 증폭률을 제고 할 수 있음
- 레이저 이득매질 자체가 광도파로 역할을 하므로, 여러 가지 전광식 광소자, 즉 광섬유 격자, 광섬유 결합기, 광섬유 펌프광 결합기, 광격리기(isolator)를 활용하여 레이저 발진기 및 광증폭기를 전광식으로 구현할 수 있어서, 소형․경량화, 고효율화, 고집적화 및 정밀화가 가능. 즉 레이저 발진 및 도광이 광섬유 자체로 가능하여 빔 정렬 및 유지 관리의 문제점을 해결할 수 있으며, 원하는 자유 공간으로의 도광이 가능하여 3D 가공과 같은 레이저 활용 측면에서 높은 호환성을 가져 가공 특성의 수월성을 가짐
- 레이저 이득 매질이 광섬유 형태로 되어 있어서, 열원이 되는 레이저 이득 매질의 부피 대비 표면적이 커 냉각 효율이 제고되고, 레이저 발진 효율 또한 높아서 (Yb 광섬유의 경우 80%이상의 레이저 발진 효율 가능) 공냉 방식을 채택하여 냉각 시스템을 최소화하여 단가를 줄일 수 있고, 또한 레이저 이득 매질의 열 손상에 따른 레이저 효율 저하를 최소화할 수 있어 수명 향상, 가동․유지보수비용 저렴화, 단순화 및 높은 안정성으로 다양한 산업 분야에서 핵심 요소로 각광을 받고 있음. 이는 다른 통짜형 레이저 시스템과 비교할 때, 유지보수 비용의 절감효과를 극대화할 수 있음
○ 이에 고출력 저손실 광섬유 레이저 시스템의 국산화 및 선진화를 위해 공통 핵심 기술을 개발함에 있어 본 과제에서는 고출력 저손실 레이저 발진용 특수 광섬유 개발 기술, 레이저 발진용 광섬유 공진 모듈 및 광부품 개발 기술, 다파장 레이저 발진 변환 기술, 그리고 광-전자 회로 설계 기술을 바탕으로 한 구동 시스템 개발을 수행함
○ 특히, 고출력 광섬유 레이저 시스템의 핵심 발진 소자인 특수 광섬유는 출력 향상, 굽힘 손실, 그리고 편광 유지 특성 등을 고려한 다양한 원천 핵심 소자의 개발이 절실히 요구됨
○ 그리고 특수 광섬유의 레이저 발진을 위해서는 공진기의 개발이 필수적임. 이를 위해 광섬유 코어 내에 UV 레이저(248㎚)를 이용하여 수백㎛ 단주기 격자 (Fiber Bragg Grating, FBG)를 형성하여 레이저 발진용 광섬유 공진기를 개발함
○ 고출력 광섬유 레이저 공진기는 고출력 펌프 모듈과 이득 생성모듈로 구성되며, 광섬유 레이저 발진을 위해서는 이득 매질(이득 물질이 도핑된 광섬유)양단에 선택된 파장의 에너지 증폭을 위해서 공진기 사용이 필수적임
- 이러한 광섬유 공진기 구성은 손실이 적은 FBG가 사용됨
- 광섬유 공진기인 FBG는 이득물질을 중심으로 High Reflectivity(R) (R>99%) 와 Low Reflectivity 또는 Output Coupler (R~ 5%)로 구성됨
- 이러한 FBG는 광섬유레이저 구성을 위해 Double Clad Passive Fiber에 Photosensitivity를 증가시켜서 UV Laser조사를 통해 만들어 지며, 이때 Phase Mask를 사용해서 선택된 파장영역의 반사구조를 생성함
○ 고출력 레이저 발진을 유도하기 위해서는 공진기뿐만 아니라 레이저 발진에 필요한 에너지를 주입하는 여기광(Pump LD)라 필수적이며, 여기광 주입을 이득 매질의 Absorption Wavelength Region에 최적화된 광원을 사용하며, 직접 End pumping과 Side Pumping을 통해 주입함
○ 1W 이상의 고출력 LD이 경우 아직 국내에서 상용화되고 있지 않으며, 기술개발을 위해서는 장기간의 투자와 노력이 요함
○ 고출력 광섬유 레이저 시스템 경우, 요구되는 출력광의 특성에 따라 단일 공진기 구조 혹은 주공진기 출력 증폭기(MOPA: Master-Oscillator Power Amplifier) 구조로 구현 가능하며,수십 MHz이상의 반복률을 갖는 고출력 피코초 펄스광 구현에 있어서는 광특성 제어가 용이하고 다단 출력 증폭이 가능한 주공진기 출력 증폭기 (MOPA) 구조의 개발이 필수적임
○ 주공진기 출력 증폭기 (MOPA)의 광특성은 1차적으로 그 입력단 신호 광원인 Seed laser의 광특성에 영향을 받게 되므로,광특성 및 동작 안정성이 우수하고 제어가 용이한 Seed laser의 개발이 필수적임
○ 그리고 수십 MHz이상의 반복률을 갖는 피코초 펄스광 구현에 있어서는 고가의 광소자를 필요로 하는 능동형 모드잠금 레이저 기술보다는 비교적 저가의 비용으로도 안정적 동작 구현이 가능한 수동형 모드잠금 광섬유 레이저 기술 및 이득스위칭을 이용한 LD 기술이 적합함
○ 적외선 파장 영역의 연속광 및 펄스광을 이용하여 가시광 또는 UV영역의 단파장광을 생성을 위해서는 비선형 파장 변환법,즉, 조화파발생, 광혼합, 광파라메트릭 발진 등이 있으며, 본 기획에서는 현재 산업용에서 안정적으로 사용되고 있는 방법인 비선형 단결정을 이용하는 조화파발생 기술을 이용하는 것이용이함
○ 고출력 광섬유 레이저 시스템으로부터 생성된 1064 nm의 적외광은 2차 조화파 발생(second-harmonic generation, SHG) 기술을 통해 532 nm의 녹색 가시광으로 변환되고, 3차 조화파 발생(third-harmonic generation, THG) 기술을 통해 355 nm의 자외광으로 변환됨. 두 광원 λ1, λ2 의 편광상태가 같은(parallel) 빔이 입사되면 2차 조화파 λ3 의 편광상태는 수직인(orthogonal) 빔이 생성됨
○ 조화파 생성시 NCPM(non-critical phase matching) 기술을 응용하면, 비선형 단결정의 온도를 능동적 제어하여 파장에 따른 최적의 위상 정합 조건을 조정할 수 있고, 또한 안정화할 수 있음. 특히, 적외선 광섬유 레이저의 출력광은 그 출력단이 광섬유로 연결이 되어 있으므로 적외선 광섬유 레이저와 파장변환 모듈 사이에 빔 정렬 문제가 간소화 됨
○ 따라서, 개발 최종목표인 고출력 저손실 다파장 광섬유 레이저 공통기술의 개발과 확보를 위해 특수 광섬유 기술, 고출력 레이저 광부품 기술, 레이저 시스템 기술, 파장 변환 시스템 기술을 적립하고 최적화할 것임
□ 핵심개발 기술의 의의
○ 본 과제를 통해 고출력 저손실 레이저 발진용 특수 광섬유 개발 기술, 레이저 발진용 광섬유 공진 모듈 및 광부품 개발 기술, 다파장 레이저 발진 변환 기술, 그리고 광-전자 회로 설계기술을 바탕으로 한 구동 시스템 제작 기술을 개발하였으며, 원천 기술 및 활용 기술에 대한 모든 부품들의 국산화율을 100% 완수하였음
○ 특히, 고출력 광섬유 레이저 시스템 구현에 있어 저 굽힘 손실특성을 갖게 하기 위해 세계 최초로 광섬유 클래딩 영역 내에 Trench를 형성하여 고출력 레이저 발진이 가능한 특수 광섬유를 개발하였으며, 출력 향상뿐만 아니라 편광 유지 특성 등을 고려한 원천 핵심 소자를 개발하였음
○ Trench가 형성된 고출력 레이저 발진용 PM기반 특수 광섬유의 개발은 세계 최초로 개발, 적용된 기술로 추후 시스템 구현을 위해서는 핵심적인 기술로 해외 기술 수출 가능성이 아주 높으며, 다양한 분야에 적용 가능한 기술임
○ 그리고 외부 스트레스에 의해 광섬유에 불규칙한 복굴절이 유도되어 위상 오차가 발생하는데, 이러한 위상 오차에 의해 편광상태의 불규칙한 변동은 발생되는 광섬유 레이저에서 레이저 출력의 불안정성을 유발하며, 연속파 광섬유 레이저의 진폭과 주파수는 요동을 하게 되고, 펄스 광섬유 레이저의 모드 잠금은 까다로워짐. 따라서 외부 스트레스에 의한 광섬유의 위상 오차를 줄이거나 의도적으로 광섬유 코어 영역에서의 편광을 유지하여 빛이 광섬유를 진행하면서 일정한 편광면을 유지되도록하는 편광 유지 광섬유 (polarization maintaining fiber) 기술을 적용한 고출력 저손실 레이저 발진용 특수 광섬유를 개발하였으며, 광섬유 인출 과정에서 응력봉 영역의 크기 및 외형을 제어하기 위해 헬륨 가스 및 진공 펌프를 이용하여 광섬유 모재 내부의 압력 조절 등의 최적화된 인출 공정을 개발하였음
○ 또한 평균출력 100 W 이상이 되기 위해 첨두 출력 수십 킬로와트의 광파워가 생성되어야 하므로, 기존의 저출력 광증폭기용이득 광섬유를 사용하는 데는 한계가 있어 대면적 코어를 갖는 Yb/Al 첨가 특수 광섬유 모재 개발을 통해 고출력 레이저 발진 유도를 위한 광 펌프 런칭 효율 및 레이저 발진 출력 극대화를 유도하였음
○ 그리고 대면적 코어 레이저 발진용 특수 광섬유와의 활용성을 위해 최적화된 N-PM 및 PM 기반 수동형 광섬유 개발함에 있어 단일모드 레이저 동작 및 M2 특성을 구현하기 위해 코어와 클래딩의 굴절률 차(△n)를 0.002로 설계하였으며, 저손실 특성을 갖는 trench 구조를 편광 특성 구현을 위한 PANDA형 PM 광섬유 구조와 접목하여 최적화된 PM 기반 대면적 코어 수동형 광섬유를 개발하였음
○ 이러한 고출력 저손실 레이저용 특수 광섬유 뿐만 아니라 다양한 광응용 부품 및 소자의 활용을 위해 편광 유지 기반의 고비선형 PCF(PM-PCF)를 제조하였으며, 레이저 발진용 특수 광섬유의 고출력 에너지 환경 내에서의 활용을 위해서는 온도 열화에 대한 안정성이 우수한 코팅 물질로 polyimide 수지를 이용하여 고출력 광섬유 레이저용 광섬유의 코팅 기술 개발하여 적용하였음
○ 고출력 광섬유 레이저의 출력단에서 발생하는 반사광에 대한 피해를 최소화하기 위해 angled cleaving 기술을 적용하여 광섬유 종단면에서의 표면 반사를 최소화할 수 있는 광섬유 구조와 함께 기존의 고출력 고체 레이저 및 반도체 레이저 광원 전송용으로 주로 활용되고 있는 Air-gap형 SMA 커넥터 기술을 적용하여 고출력 레이저 출력단 표면 보호를 위한 end cap 기술이 적용된 제품을 제작하였음
○ 고출력 광섬유 레이저 발진에 적용할 수 있는 수동 소자들을 제작하고 성능을 평가하여 적용가능성을 확인하였음. 특히 1030 nm 대역부터 1090 nm 대역의 광섬유 브라그 격자 미러를 고반사율/저반사율 쌍을 제작하여 레이저에 적용할 수 있도록 하였음. 선진사의 경우 고출력 레이저용으로 다양한 파장의 제품을 선보이고 있으나, 국내에서는 고출력용으로 자체 조달할 수 있는 가능성을 열었다는데 의미가 있고, 사업화로 확장할 수 있음
○ 편광 유지 광섬유(Polarization maintaining fiber) 브라그 격자는 광섬유의 stress rod에 의해서 반사 투과 성능에 차이가 있을 수 있으므로 제작이 어려움이 있음. PM광섬유의 fast/slow축 경계를 이미지로 확인하면서 광섬유 브라그 격자를 제작할수 있는 방법을 적용하여 PM 광섬유 레이저 공진기용 미러 격자를 제작할 수 있었음. 고반사율 격자의 경우 99%이상의 성능을 확보하여 PM 광섬유 레이저 공진기에 적용할 수 있는 기술임
○ 고출력 광섬유 레이저용 빔 결합기는 고출력 광섬유 레이저 발진을 위해서 반드시 개발이 필요한 소자임. 수 백W 이상의 출력을 얻을 수 있는 소자 개발에 적용할 수 있는 조건을 확보하였고, 출력단의 광섬유를 고출력에 적합한 광섬유로 변경가능할 것으로 보임. 향후 고출력 펌핑용 레이저 다이오드의 성능에 따라 계속적으로 입/출력단의 성능을 개선할 것으로 기대하고 있으며, 선진사와의 기술격차를 줄이면서 사업화를 확장할 수 있을 것으로 보임
○ 다파장 및 파장가변용 파장변환 모듈은 광섬유 레이저를 이용해서 2차/3차 고조파, 즉 IR (1064 nm) 광섬유 레이저를 입력 광원으로 2차 고조파인 Green 레이저(532 nm)를 생성하고,생성된 2차 고조파와 IR 레이저를 이용해서 3차 고조파인 UV레잊저(355 nm)를 구현하는 기술임. 이를 위해서 안정적으로 구현이 가능한 비선형 크리스탈을 선정하고 위상정합용 오븐을 설계하고 제작하였음. 상용 IR 광원을 활용하여 파장변환이 가능한지 확인하였으며, 참여기관에서 개발한 100 W 급 PM PS레이저 시스템을 활용하여 성능 확인을 진행하여 파장변환이 가능한지 확인하였음
○ PM기반 고출력, 고품질, 고 편광유지 특성의 광섬유 레이저 시스템의 개발은 국방, 의료, 가공 등 다양한 분야에서 응용 가능하며, 장시간 동작에 대한 안전성이 검증되었다는 점에서, 단기간 내에 산업화 가능한 수준의 기술을 확보한 것으로 볼 수 있음
○ 100 W급 연속광 레이저 시스템의 개발을 통해 높은 평균 파워 및 첨두 출력을 가진 광섬유 기반의 PM PS MOPA 시스템 구현 가능성을 확인하였음
○ PM 레이저 출력의 안정성을 구현하기 위해, 실시간 능동형 동적 편광 제어 기술을 구현하였으며, 이는 증폭기 시스템 내부에 삽입되어야 하는 기존의 편광 제어 시스템에 비해, 구성된 광섬유 시스템 자체에 큰 변화를 가하지 않고 출력단에 쉽게 설치될 수 있는 장점을 지님
○ 안정성이 확보된 N-PM 기반 고출력, 고품질 PS MOPA 레이저는 높은 파워의 빛을 정밀하게 출력시키는 것이 가능하기 때문에, 개발된 본 레이저는 의료 및 가공 등 여러 산업 분야에서 직접적으로 응용 가능함
○ PM기반 고출력, 고품질, 고 편광유지 특성의 광섬유 레이저 시스템의 개발은 국방, 의료, 가공 등 다양한 분야에서 응용 가능하며, 장시간 동작에 대한 안전성이 검증되었다는 점에서, 단기간 내에 산업화 가능한 수준의 기술을 확보한 것으로 볼 수 있음
○ 2차/3차 고조파 생성을 통한 다파장 PM기반 고출력, 고품질,고 편광유지 특성의 광섬유 레이저 시스템은 더욱 미세한 빔스팟 구현이 가능하기 때문에, 정밀한 가공 기술에 사용될 수 있음
□ 적용 분야
○ 본 과제를 통해 개발된 고출력 저손실 광섬유 레이저는 최근 각광을 받는 그린카 등 수송시스템(자동차/조선), 산업소재(화학공정소재/금속소재/섬유의류), 로봇, 바이오/의료기기, 청정제조기반(생산시스템/청정기반/생산기반), 산업융합기술(융합기술/나노기반) 등의 7대 산업원천 기술 분야를 비롯한 solar cell,LED, 디스플레이 등 기존의 PCB, 자동차, 조선 등 신성장동력 산업과 주력기간산업의 핵심기반기술로 활용 가능함
○ 초정밀 가공용 고출력 저손실 다파장 광섬유 레이저 공통핵심기술은 주력기간산업과 신성장동력산업의 핵심기반기술 전분야 활용 가능함. 또한 국내 자동차, 조선 및 반도체, 디스플레이 산업 등 주력기간산업과 에너지․환경, 바이오 및 융합신산업 등 신성장동력산업의 지속적인 경쟁력 향상을 위한 핵심 시스템임
○ 또한 다파장, 단일 모드 고출력 펄스형 광섬유 레이저 시스템의 개발은 원자력 산업, 극미량 원소검출, 중금속 오염 및 공해분석, 초고속 반도체 소자개발, 원거리 측정용 LIDAR, 광섬유 소자개발, 의료용, 극초단 펄스를 이용한 분광학연구 등 다양한 분야에 응용될 수 있음
○ 산업용 레이저의 주요 수요처는 주력기간산업인 반도체, 디스플레이, 전기전자 다층기판 등 마이크로 전자분야로서 각종 신소재, 복합소재의 가공공정 요소이며, 신성장동력 산업에서의 솔라셀 절단 등 제조 기반 기술 뿐만 아니라 바이오 및 의료산업용으로 적용 가능함
- 산업분야
․ 100W급 출력으로 플라스틱 및 금속 등의 가공, 절단 및 용접공정에 적용
․ 1대의 장비로 다양한 재질의 소재에 적용 가능하므로 공간 활용 및 작업 원활
․ 비접촉식 장점 활용을 통해 다양한 형태의 마킹 및 scribing,구멍 뚫기, 절단 및 용접에 활용 가능함
- 통신분야
․ 차세대 광가입자망 WDM-PON의 기술에 다파장 레이저를 접목시킬 경우 WDM-PON에 요구되는 독립파장에 대한 적용이 가능하여 광통신분야의 기술적인 혁신을 이룰 수 있음
․ 광통신 분야에서 요구하는 C-band 및 L-band 대역에 대해 적용 가능하므로 광통신 시장에 바로 활용 가능함
- 의료분야
․ 피부과용, 안과용, 수술용, 치과용 등 치료분야에 따라 요구되는 다양한 파장대에 대해 적용할 수 있어 의료분야 전반에 활용 가능
․ 광섬유 기반의 레이저로 의료분야에서 요구하는 미세한 Spot size와 용이한 핸들링 조건을 만족하여 의료장비에 즉시 활용가능
․ 빔 초점 영역이 20~100μm로 micro-surgery 분야, 피부 미용용 skin resurfacing, photocurring, photodamage 분야, photo-spectroscopy 분야에서 활용 기대
( 출처: 최종보고서 초록 - 3. 개발결과 요약 5p )
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