광학 파이버에 새로운 기능을 제공하는 희토류 원소
수술에서 우주에 이르기까지, 도핑 광학 파이버를 사용하는 레이저는 일상적인 기술에서 사용됩니다.
2023년 3월 14일, 작성 Coherent
광학 파이버는 홈 인터넷, 자동차, 진료실, 전자 통신 등 모든 곳에서 활용되고 있으며, 사람들은 광학 파이버를 사용하여 우리가 의존하는 서비스를 제공합니다.
오늘날에는 특수 광학 파이버를 통해 차량 충돌을 방지하고, 흉터를 최소화하는 정밀 수술을 집도하고, 안질환을 진단하고, 발전소 내 온도 변화 또는 대형 교량의 물리적 변형을 원격으로 감지할 수 있습니다. 이러한 여러 응용 분야에서 파이버는 더 빠른 데이터 속도 및/또는 가벼운 중량으로 인해 구리선을 대체하고 있습니다.
이 모든 부분은 엔지니어가 가느다란 유리 가닥인 광학 파이버를 통해 빛을 효율적으로 전송할 수 있다는 것을 인식했을 때 시작되었습니다.
이러한 여러 응용 분야에서 다양한 유형의 광학 파이버가 사용되고 있습니다. 전자 통신 전송에 사용되지 않는 광학 파이버는 종종 “특수 파이버”라고 총칭됩니다.
여러 산업과 기술에 미치는 특수 파이버의 광범위한 파급효과 측면에 있어 가장 중요한 응용 분야 중 하나는 특수 파이버를 사용하여 레이저 광선을 생성하고 증폭하는 데 있습니다.
이러한 특수성은 일반적으로 희토류 원소를 통해 구현됩니다. 해당 원소 중 한 가지 이상이 유리에 소량 함유되어 있습니다. 희토류 도펀트를 사용하면 특수 광학 파이버를 활용하는 여러 응용 분야에 필요한 파장과 출력에 대한 정밀도 및 제어력을 높일 수 있습니다.
특수 광학 파이버에 대한 증가하는 수요
희토류는 네오디뮴(Nd), 에르븀(Er), 툴륨(Tm), 홀뮴(Ho), 이테르븀(Yb)이 포함된 금속 원소 그룹입니다.
희토류 금속으로 도핑된 파이버는 산업, 과학, 의료 및 항공 우주 응용 분야에 최적화된 레이저의 게인 매체 역할을 합니다.
이 레이저의 최종 용도는 전기차의 “까다로운” 금속 용접부터 정밀 레이저 수술, 의료장치 마킹, 원격 이미징에 이르기까지 다양합니다.
Coherent는 이러한 유형의 특수 광학 파이버를 제조하는 세계적인 선도업체로, 북극에서 적도까지의 거리보다 더 긴 연간 11,000km(6,835마일) 이상의 광학 파이버를 통해 계속 증가하는 수요를 지원하고 있습니다!
기존 고체 레이저와 열 문제
특히 네오디뮴은 실제로 수십 년 전부터 레이저에 사용되었습니다.
레이저 초기 과학자들은 네오디뮴 이온이 유리나, 가넷 또는 바나듐산염 등 특정 크리스털 물질에 호스팅되면 도핑된 물질이 빛을 흡수한 다음 에너지를 강렬한 레이저 광으로 다시 방출할 수 있다는 것을 발견했습니다. 흡수는 “펌핑”이라 하고, 수년 동안 펌프 광은 강렬한 플래시 램프에서 제공했습니다.
이 레이저에서 생성되는 문제의 폐열을 줄이려고 Coherent와 다른 레이저 제조업체에서는 램프를 반도체(다이오드 레이저) 칩으로 교체하여 다이오드 펌핑 고체(DPSS) 레이저를 제작하게 되었습니다.
그러나 폐열이 줄어들기는 했지만 확실히 제거되지는 않았으며 크리스털 중앙에 있는 폐열은 여전히 주변 냉각수로 유입되어야 했습니다.
이에 따라 통신 분야에서 혁신적인 솔루션 모델이 제시되었습니다.
파이버 - 다가올 미래의 모습
전 세계 원거리 통신은 광학 파이버를 기반으로 하므로 엔지니어들은 관련성이 없어 보이지만 포토닉스에서 극복해야 할 또 다른 기술적 문제가 있다는 것을 발견했습니다. 작은 손실로 광 신호가 사라지기 전에 파이버를 통해 광 신호가 도달하는 거리가 제한되므로 원거리 즉 트랜스-오셔닉 전송을 구현하는 것이 문제였습니다.
1987년에는 에르븀 도핑 파이버 증폭기(EDFA)가 해결책으로 제시되었습니다.
엔지니어들은 에르븀 이온으로 도핑된 파이버가 다이오드 레이저에 나온 빛을 흡수하여 레이저 증폭기 역할을 할 수 있음을 보여주었습니다. 특히, EDFA는 파이버를 통과하는 모든 광 신호를 직접 향상시킵니다(증폭합니다). 이 전체 광학 신호 증폭 기술은 오늘날 디지털로 연결된 글로벌 세계의 핵심 기술로 입증되었습니다.
파이버 레이저 및 증폭기
또한 파이버 레이저 증폭기는 레이저 엔지니어에게 냉각 문제를 유발하지 않고 과학 및 산업 응용 분야의 고출력 레이저를 활용할 수 있는 경로를 보여 주었습니다. 동일한 유형의 희토류 도핑에 기반한 다양한 특수 파이버를 개발하여 파이버 레이저와 고출력 증폭기를 만드는 데 사용했습니다. 오늘날 이 파이버 기반의 레이저 시스템은 몇 와트에서 수 킬로와트까지의 출력을 사용하여 드릴링, 절단, 마킹 등 효율적인 재료 가공 응용 분야가 포함된 놀라울 만큼 다양한 응용 분야를 지원하고 있습니다. 실제로 파이버 레이저는 이러한 응용 분야에서 압도적인 우위를 차지하고 있습니다.
그림 1. (위 그림)은 가시광선, 적외선 및 눈에 안전한 파장의 스펙트럼을 나타냅니다.
파이버 레이저가 압도적 우위를 차지하는 또 다른 영역은 의료 응용 분야입니다. 툴륨 도핑 파이버는 Tm 파이버 레이저가 더 높은 펄스 속도를 생성하므로 비뇨기과 및 쇄석술 치료에도 널리 사용됩니다. 그 결과 더 작은 결석 조각을 생성하여 환자의 불편함을 줄이고 환자 회복 속도를 높일 수 있습니다.
약 1400nm 파장에서 빛이 수분에 의해 강하게 흡수되면 파이버를 원격으로 전달하는 동시에 의료(예: 외과 절제) 응용 분야에 유용한 파장보다 더 긴 파장을 만듭니다. 이러한 수분 흡수로 인해 일반적으로 1400nm는 눈에 안전한 레이저의 차단 파장으로 간주됩니다. 더 긴 파장은 눈 외부에 있는 수분에 의해 안전하게 흡수되어 망막에 침투하지 않습니다. 이 때문에 이러한 비가시 파장은 광선 레이더 이미징, 자동차 안전 시스템과 자율주행 차량 등 혁신적인 응용 분야에서도 유용합니다.
수천 개의 다양한 도핑 파이버 옵션
그림 2에는 흔히 사용되는 5가지 희토류 이온인 Nd, Er, Yb, Tm, Ho의 파장 특성, 즉 방출 파장과 필수 펌핑 파장 특성이 모두 요약되어 있습니다. Yb는 상대적으로 넓은 방출 대역폭을 통해 50펨토초에 불과한 펄스를 가진 모드 잠금 파이버 레이저와 불과 수백 펨토초의 펄스를 가진 Coherent Monaco 시리즈를 지원하여 초단파 펄스(USP) 레이저에서 점점 더 인기를 얻고 있습니다.
흔히 사용되는 5가지 희토류 이온인 Nd, Er, Yb, Tm, Ho의 파장 특성. 빨간색 곡선은 파이버에 사용되는 유리 호스트의 감쇠를 보여 줍니다.
5개의 개별 도펀트뿐만 아니라 Coherent는 Er과 Yb로 동시 도핑된 특수 광학 파이버를 제공하기도 합니다. Er은 게인 매체 역할을 하므로 도핑 농도에 따라 약 1550nm를 방출할 수 있습니다. Yb는 광 흡수재 역할을 하므로 원치 않는 약 1미크론의 자연 증폭 방출을 방지하여 눈에 안전한 레이저 시스템을 보장할 수 있습니다.
Coherent 도핑 파이버는 단일 모드(SM), 다중 모드(MM), 편광 유지(PM), 대형 모드(LMA) 파이버로 제공되며 개구수(NA)와 코어 직경에서 모두 몇 가지 선택이 가능합니다. 또한 전체 제품 라인에는 단일 클래드, 이중 클래드와 삼중 클래드 파이버가 포함됩니다. 전체적으로 수천 개의 서로 다른 도핑 파이버가 포함됩니다. 또한 Coherent는 고열에 견디고, 항공기 탐색과 위성 통신 등을 지원할 수 있는 맞춤형 파이버를 제작합니다.
희토류 부족
도핑 파이버 이력과 레이저 및 레이저 증폭기 관련 용도는 엔지니어의 지식과 우연이 결합하여 한 가지 문제에 대한 솔루션이 또 다른 문제 해결에도 적합할 수 있다는 것을 입증하고 있습니다. 희토류를 이용한 도핑으로 모두 지원되는 중요한 출력 확장 가능 레이저 아키텍처가 그 결과입니다.
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