|
광섬유 증폭기의 출력을 높이는 모드 변환기
2008년에 로렌스 리버모어 국립연구소(LLNL)의 연구진은 열, 비선형성, 손상, 펌프 결합, 모드전계직경(MFD) 등의 제한 요인들을 고려하여 회절제한 광섬유 레이저의 확장성을 분석하였으며, 전통적인 거대모드면적(LMA) 광섬유와 광결정(PC) 광섬유를 이용한 광섬유 레이저 증폭기가 회절제한 등급의 빔 품질로 최대 36 kW 정도의 출력을 낼 수 있다는 결론을 내린 바 있다. 그런데 이번에는 당시의 연구자들이 많이 포함된 LLNL의 연구진이 사각코어 광섬유가 단일개구부 광섬유 레이저 증폭기의 출력을 100 kW 이상으로 향상시킬 수 있다고 제안하고, 그러한 출력 확장을 가능케 할 모드변환기 시스템을 개발했다.
이 사각코어 광섬유는 얇은 리본 차원(y)으로는 최저차 모드만을 지원하고 폭 차원(x)으로는 다중 모드를 지원하도록 설계되었다. 하지만, x 차원을 따라서는 하나의 고차모드(HOM)만 여기된다. 광섬유가 y 방향으로만 감기므로 이 모드의 안정적인 전파가 보장되며 x 방향의 하나의 HOM이 사각코어 광섬유에서 전파될 수 있다. 도파로의 폭을 증가시키면 이 광섬유의 MFD를 조절할 수 있고, 동시에 광섬유의 유효면적이 증가됨으로써 원형 대칭 도파로에서 가능한 것보다 높은 전력 수준으로 HOM을 도파시킬 수 있다. 원형 대칭 도파로를 리본형 사각코어 광섬유 도파로로 바꿀 때의 또 다른 장점은 열렌즈 효과(thermal lensing)의 발생이 지연된다는 점이다. 리본 광섬유의 축에서의 최대 강도도 원형 코어 광섬유의 HOM에 비해서 매우 작다.
대부분의 씨앗 레이저(seed lasers)는 둥근 TEM00 모드를 출력하기 때문에, 그 출력을 사각코어 증폭 광섬유에 효과적으로 결합시키기 위해서는 모드 변환기가 필수적이다. 더군다나, 많은 고출력 재료가공 분야에서는 회절제한 등급의 빔을 필요로 하므로, 사각코어 광섬유의 증폭된 HOM을 다시 빔 전송을 위한 TEM00 모드로 변환하는 것이 요구된다. 밀리와트 수준의 저출력 씨앗 레이저의 TEM00 모드 출력을 사각코어 광섬유의 특정한 HOM 프로파일로 변환하기 위해서 LLNL에서 개발된 모드 변환기는 2개의 회절광학요소(DOEs)나 공간 광변조기를 이용하여 구현된 위상판들을 이용한다. 첫 번째 DOE는 가우시안 TEM00 모드를 사각코어 광섬유의 x, y 방향 HOM 특징과 일치하는 다중 로브(multiple-lobed) 프로파일로 바꾼다. 두 번째 DOE는 첫 번째 DOE에 관한 공액 푸리에 평면에 놓이고, 원하는 HOM의 각각의 로브들 사이의 위상 차이가 0과 π 사이에서 바뀌도록 두 번째 DOE의 위상 프로파일이 선택된다. 두 평면에서의 전기장들은 푸리에 변환 관계이며, DOE의 매개변수(위상판 프로파일)들은 GS(Gerchberg-Saxton) 알고리듬을 이용하여 모델링될 수 있다.
LLNL의 모드 변환기를 반대로 동작시키면 5 × 50μm 실리카 코어와 125-μm 직경의 둥근 클래딩을 가진 상용 사각코어 광섬유의 HOM 출력이 TEM00 모드로 바뀐다. 이 실험에서 저자들은 두 DOE들의 최적 위상 프로파일을 찾기 위해 GS 알고리즘과 유전 알고리즘을 함께 사용했다. 사각코어 광섬유의 7차 HOM으로부터 가우시안 TEM00 출력 빔으로의 모드변환 효율은 1053nm에서 약 80%로 측정되었다. 이 출력의 M2값은 x축과 y축 방향으로 각각 1.27과 1.07이었다. “향후, 용융실리카 유리로 제조된 위상판들을 이용하면, 사각코어 광섬유 증폭기의 높은 출력을 견디는 모드 변환기를 제작할 수 있다. 이러한 모드 변환기들은 고체 증폭기에서 더 많은 출력을 끌어내는 데에도 이용될 수 있다”고 LLNL의 상근 물리학자인 아룬 쿠마르 스리드하란(Arun Kumar Sridharan)은 말했다.
* 그림 : 사각코어 광섬유(a)는 광섬유 레이저와 광섬유 증폭기들의 출력 전력을 증가시킬 수 있다. 씨앗 레이저의 TEM00 모드를 사각코어 광섬유에 결합시키기 위해서 회절광학요소(DOE) 기반의 위상판들을 이용한 모드 변환기(b)가 LLNL에서 개발되었으며 그 효율은 약 80%에 달한다.
출처 : http://www.laserfocusworld.com/articles/print/volume-49/issue-02/world-news/novel-fiber-optic-components--mode-converter-scales-power-in-rec.html
|
