NIR 레이저 및 증폭기를 지원하는 희토류 도핑 파이버

희토류 원소가 도핑된 특수 광학 파이버를 기반으로 하는 레이저 및 레이저 시스템은 전기차의 "까다로운" 금속 용접부터 정밀 레이저 타겟팅, 의료장치 절단에 이르기까지 최근 가장 성공적인 이중 사용 광자 기술 중 하나입니다. 이 문서에서는 완전한 파이버 레이저 시스템에서 중요한 역할을 하는 특수한 일부 파이버 옵션에 대해 설명합니다.

근적외선 레이저 작동을 지원하는 희토류

희토류 원소의 양이온을 포함하는 이테르븀(Yb), 네오디뮴(Nd), 홀뮴(Ho), 툴륨(Tm) 및 Erbium(Er)과 같은 도핑 물질은 근적외선(NIR) 1~2미크론 파장 영역의 출력을 제공합니다. 많은 재료가 강하게 흡수되어 드릴링, 절단, 용접 및 마킹을 포함한 효율적인 재료 가공 응용분야에서 활용할 수 있기 때문에 유용한 작동 범위입니다. 또한 약 1,400nm 파장에서 빛이 수분에 의해 흡수되면 파이버를 원격으로 전달하는 동시에 의료(예: 외과 수술) 응용 분야에 유용한 파장보다 더 긴 파장을 만들 수 있습니다. 이러한 수분 흡수로 인해 일반적으로 1400nm는 눈에 안전한 레이저의 차단 파장으로 간주되며 더 긴 파장은 눈 외부에 있는 수분에 의해 안전하게 흡수되어 망막에 침투하지 않습니다. 이를 통해 보이지 않는 파장이 광선 레이더 이미징 및 범위 찾기와 같은 분야에서 유용하게 만듭니다. 레이저 파장은 비선형 광학 결정을 사용하여 가시광선 또는 자외선으로 이동할 수도 있습니다.

파이버 레이저는 열 관리 문제를 방지함

이러한 이온은 다양한 결정 및 유리 물질에 도핑될 수 있지만, 오늘날 대부분의 레이저 응용 분야에서는 이온이 실리카 유리 광학 파이버에 도핑되는 파이버 레이저 형식을 사용합니다. 파이버 레이저는 자유 공간 광학에 비해 기계적 안정성을 제공하는 것 외에도 막대 및 슬래브와 같은 벌크 형식의 방열 문제가 없습니다. 이를 통해 파이버 레이저의 출력을 와트에서 10킬로와트 이상으로 확장할 수 있습니다. 넓은 출력 범위는 이러한 레이저의 다양한 응용 분야의 주요 이유입니다.

그림 1은 증폭 파이버 레이저 시스템의 주요 구성 요소를 개략적으로 보여 줍니다. 이득 매체는 Nd, Er, Yb, Tm 또는 Ho와 같은 희토류 원소의 양이온으로 도핑된 능동 파이버입니다. 이를 통해 다이오드 레이저에 의해 직접 펌핑되어 전기적으로 효율적인 컴팩트한 레이저 시스템을 지원합니다. 다른 주요 구성 요소로는 증폭 단계로 작용하는 활성(도핑된) 파이버의 추가 길이, 유해한 역반사광을 방지하는 광학 절연체, 레이저 진동을 지원하는 공진 미러인 광섬유 브래그 격자배열형 센서, 고조파 또는 이동된 파장을 생성하는 결정, 수동 전달 파이버 등이 있습니다.

희토류 도핑 옵션

유리(실리카) 파이버는 여러 희토류 원소의 이온으로 도핑될 수 있습니다. Coherent는 원하는 파장, 전력 수준 및 펄스 매개변수에 따라 최적의 선택이 달라지므로 도핑 및 옵션의 범위가 포괄적입니다. 그림 2에는 흔히 사용되는 5가지 희토류 이온인 Nd, Er, Yb, Tm, Ho의 파장 특성이 다음과 같이 요약되어 있습니다. 방출 파장과 필수 펌핑 파장 모두. Yb는 방출 대역폭이 상대적으로 넓으므로 단파 펄스(USP) 레이저에서 점점 더 인기를 얻고 있으며, 50펨토초 미만의 펄스를 가진 모드 잠금 파이버 레이저와 불과 수백 펨토초의 펄스를 가진 시스템을 지원합니다.

Coherent는 또한 Er과 Yb가 함께 도핑된 특수 광학 파이버를 제공합니다. 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.

희토류가 도핑된 파이버는 또한 알루미늄(Al) 게르마늄(Ge) 또는 인(P)과 같은 "변경" 요소로 추가 도핑될 수 있습니다. 주로 파이버의 굴절률을 조작하는 데 사용되며, 개구수(NA)로 파이버의 코어 직경과 다소 독립적으로 수정될 수 있게 됩니다. NA는 파이버에서 방출되는 빛의 확산 각도와 빛이 파이버에 집중될 수 있는 각도 범위를 정의합니다. 레이저가 다운스트림 광학 장치에 의해 초점을 맞추거나 투사되는 방법에 대한 제한 요소가 되는 경우가 많기 때문에 이는 중요합니다.

다양한 파이버 옵션

다른 광학 파이버와 마찬가지로 희토류 도핑 능동 파이버도 코어 및 클래딩의 광학 세부 사항에 따라 결정되는 전송 모드에 따라 분류됩니다. 

코어: 코어는 직경이 10-200미크론이며 약간 낮은 지수의 유리 클래딩으로 둘러싸여 있습니다. 이 배열은 내부 전반사로 인해 빛을 파이버로 제한하고 코어에만 희토류 이온을 도핑합니다. 대부분의 파이버는 세 가지 유형 (단일 모드(SM), 다중 모드(MM) 및 대형 모드(LMA)) 중 하나에 할당될 수 있습니다. SM 파이버의 내부 코어는 직경이 가장 작기 때문에 하나의 전송 모드만 있으며, 이는 가장 작은 스폿과 같은 최상의 포커스 성능을 갖춘 빔을 생성하기 때문에 바람직한 경우가 많습니다. MM 파이버는 그 다음으로 가장 일반적인 파이버 유형으로, 약 1,000가지의 서로 다른 전송 모드를 지원합니다. 더 높은 전력 출력을 지원하지만 초점이 덜 맞는 빔을 사용하며 주로 다이오드의 펌프 빛을 처리하는 데 사용됩니다. LMA 파이버는 매우 높은 전력 시스템에서 사용하기 위한 차별화된 주요 유형입니다.

클래딩: 도핑된 파이버는 두 가지 클래딩 옵션과 함께 사용할 수 있습니다. 가장 간단한 형식은 코어가 클래딩보다 지수가 약간 더 높은 단일 클래드 파이버라고 하며, 클래딩은 인덱스 폴리머의 보호 코팅으로 둘러싸여 있습니다. 이중 클래드 파이버에서 내부 클래딩은 저 굴절률 폴리머 코팅으로 둘러싸여 있습니다. 이중 클래드 파이버는 더 높은 입력 펌프 전력을 허용하고, 펌프 빛과 코어의 활성 희토류 이온 사이의 상호 작용을 향상시켜 빛을 흡수하는 코어의 성능을 향상합니다. Coherent는 대부분의 파이버 상호연결 시스템과 다이오드 레이저 전력 전달 시스템을 지원하고 우주 기반의 응용 분야에서 내방사성을 제공하는 삼중 클래드 파이버를 제공합니다. 

종합적인 특수 광학 파이버 옵션

모든 선택 사항을 요약하면 희토류 도핑 파이버는 Coherent의 표준 제품으로 제공되며 다섯 가지 희토류 이온 (Nd, Er, Yb, Tm, or Ho) 중에서 선택할 수 있습니다. 단일 모드(SM), 다중 모드(MM), 대형 모드(LMA) 파이버로 제공되며 개구수(NA)와 코어 직경에서 몇 가지 선택이 가능합니다. 또한 전체 제품 라인에는 단일 클래드, 이중 클래드와 삼중 클래드 파이버가 포함됩니다. 전체적으로 수천 개의 서로 다른 표준 도핑 파이버가 포함됩니다. OEM 시스템 빌더는 Coherent와 협력하여 맞춤형 응용 분야에 맞게 파이버 사양을 정의할 수도 있습니다.

까다로운 작업을 위한 혁신적인 성능 

Coherent 희토류 도핑 파이버는 넓은 전력 범위에서 레이저 및 레이저 증폭기 응용 분야에 이상적입니다. 예를 들어 당사의 고품질 파이버는 파이버 증폭기 전력 확장에서 잘 알려진 두 가지 문제인 SRS(자극된 라만 산란) 및 TMI(횡모드 불안정성)를 없앱니다. 이 제품의 특징은 높은 모드 품질, 우수한 펌프 빛 흡수, 긴 수명 및 예외적으로 낮은 광암색화입니다. 결과적으로 가장 까다로운 산업, 의료, 우주 및 광선 레이더 응용 분야에서도 안정적이고 확장된 작동을 보장합니다.