2. 이론적인 배경
2.3 파이버 레이저의 원리와 특성
2.3.1 레이저의 발진원리
분포법칙은 E1의 원자수를 N1, E2의 원자수를 N2로 할 때 E2>E1이라면 N2<N1으로 되는 분포이다. 이러한 상태에서는 낮은 에너지 상태에 있는 입자수가 많기 때문에 유도방출 은 발생하지 않는다.
원자의 종류에 따라서는 특정 에너지준위 가운데 수명이 긴 준안정상태의 에너지 준 위를 가지고 있는 것이 있다. 예를 들어 E1의 원자 수명이 짧고 E2의 원자 수명이 긴 경우에 원자를 계속 여기할 경우, Fig. 2.14와 같이 E2>E1에서 N2>N1의 관계로 되어 반 전분포(population Inversion)상태가 만들어진다. 이와 같이 E2와 E1사이에 반전분포가 형 성된 상태에서 유도방출이 발생하게 되면 빛은 계속적으로 증폭되게 된다. 이러한 반전 분포를 만들기 위해 E2준위로의 선택적 여기를 행하는 조작을 펌핑(pumping)이라고 한 다25~26,29).
Fig. 2.8 Schematic of excitation process
(a) (b)
Fig. 2.10 Excitation by electromagnetic and photon absorptionFig. 2.11 Photon emission by natural transition
(a) Excitation emission of light
(b) Illustration of light by stimulated emission
Fig. 2.12 Stimulated emission and amplification of light
Fig. 2.13 Boltzmann’s distribution law
Fig. 2.14 Population inversion
(2) 파이버 레이저의 발진원리
Fig. 2.15에 파이버 레이저 모듈의 기본 개념을 나타낸다. 일반적으로 레이저의 공진
기는 레이저 매질, 여기광원, 공진 미러로 구성되어 있지만 파이버 레이저는 이 3요소 가 일체화되어있다. 매질의 역할을 하는 더블 클래드 파이버는 여기용 다이오드모듈과 용접되어 있다. 더블 클래드 파이버의 코어 양단에는 2개의 FRG(fiber bragg gratings)가 1개씩 있어 공진 미러의 역할을 대신하며 특정 파장의 빛은 반사하지만 그 외의 모든 빛은 투과하여 증폭된 레이저 광이 파이버로부터 출사하게 된다.
Fig. 2.16에 더블 클래드 파이버의 구조를 나타낸다. 중심부의 코어는 희토류 원소가
첨가된 직경 10㎛정도의 가는 석영 파이버를 사용하고 있다. 이 때 사용되는 희토류 원소는 에르븀(Er), 이테르븀(Yb), 네오디뮴(Nd), 탄탈륨(Ta)등이 있으며, 원소 종류에 따 라 다양한 파장대의 레이저빔을 방출한다. 예를 들어 에르븀 파이버 레이저는 1,540 nm, 이테르븀 파이버 레이저는 1,070 nm, 탄탈륨 파이버 레이저는 1,720 nm파장의 레이 저빔을 방출한다. 석영 파이버 주위에 내측 클래드층이 둘러싸고 있으며 이 내측 클래 드는 100㎛이상의 큰 직경으로 되어 있다. 이 클래드에는 얇은 외측 클래드가 있고 각 각 굴절율이 다르기 때문에 큰 직경의 내측 클래드에는 고출력의 멀티모드 여기광이 도입되어 외측 클래드와 경계에서 전반사하면서 코어를 지나게 된다. 여기광은 항상 코 어부를 횡단하게 되므로 코어부의 석영 파이버는 높은 효율로 여기 된다.
더블 클래드 파이버의 내측 클래드에 여기광을 도입하는 방법은 Fig. 2.17에 나타낸 다. 내측 클래드에 다수의 멀티모드 파이버를 집속할 경우 여기광을 증가시키는 것이 가능하므로 용이하게 고출력화를 꾀할 수 있다. 여기광이 내측 클래드에 도입되어 외측 클래드와 경계에서 전반사하여 코어를 지나게 되면 매질에 도핑되어 있는 희토류 원자 의 이온이 여기된다. 여기된 이온은 자연방출로 특정파장을 가지는 광을 방출하고 기저 준위로 돌아간다. 이 때 발생되는 광은 전방향으로 발생되고 그 중 일부가 코어의 경계 면을 전반사하면서 코어 양단에 설치되어 있는 브래그 격자에 반사되게 되며 코어내를 왕복한다. 이 때 여기 되어 있는 이온을 자극하여 동일한 파장과 위상을 가지는 빛을 방출하는 유도방출을 일으키거나 기저준위에 있는 이온을 펌핑하여 여기상태를 형성한 다. 공진기 내에 기저상태의 이온보다 여기상태의 이온이 많아지는 반전분포가 형성되
Fig. 2.15 Schematic fiber laser system to structures
Fig. 2.16 The structure of a double clad fiber
(a) Excitation method of cross section
(b) Excitiation method of V-groove
(b) Excitiation method of multi-parallel Fig. 2.17 Excitation method of Fiber laser
2.3.2