고출력 광섬유 레이저의 시스템 구성

고출력 광섬유 레이저의 시스템 구성
1. 시스템 구성
고출력 파이버 레이저는 펌프 소스, 펌프 결합기, 이득 파이버 및 레이저 출력 헤드의 네 부분으로 구성됩니다.
1.1 펌프 소스: 단일 레이저 칩의 출력은 10W~50W에 불과하며, 수요에 따라 6~50개의 칩을 집적하여 패키징합니다. 칩의 수가 많을 경우, 출력을 높이기 위해 공간 빔 결합과 편광 빔 결합을 결합합니다. 단일 펌프 소스의 출력은 수십 와트에서 수백 와트에 이르며, 킬로와트급 출력을 얻으려면 10개 이상의 펌프 소스를 직렬로 연결해야 합니다(예: 루이케 레이저는 11개의 펌프 소스를 조합하여 사용).
1.2 펌프 결합기: 광섬유 융착 접합 기술을 통해 제작되며, 여러 개의 펌프 모듈이 동일한 광섬유에 광학적으로 결합됩니다.
1.3 이득 광섬유: 길이가 30미터를 넘는 경우가 많으며, 코일 형태로 감겨 방열판에 고정됩니다. 일반적으로 이터븀이 도핑된 이중 클래딩 구조를 사용하며, 코어 직경은 10~20μm, 단일 모드/다중 모드 도파관으로 이터븀 이온이 도핑되어 있습니다. 내부 클래딩 직경은 400μm에 달하며 다중 모드 펌프광을 전송하는 데 사용됩니다.
1.4 레이저 출력 헤드: 최종 레이저 출력을 담당하며 표준 인터페이스를 통해 가공 장비에 연결할 수 있습니다.
2. 핵심 운영 원칙
2.1 광 증폭용 공진기: 한 쌍의 광섬유 브래그 격자(FBG)로 구성됩니다. 높은 반사율(반사율 > 99%)을 가진 격자는 목표 파장(예: 1080nm)의 빛을 이득 광섬유로 반사합니다. 출력 결합 격자(반사율 10%~50%)는 발진을 유지하기 위해 부분적으로 반사하고, 부분적으로 투과시켜 출력을 형성합니다. 펌프광은 이터븀 이온을 여기시켜 자발 방출을 일으키고, 원하는 파장 조건을 만족하는 광자는 격자 사이에서 반복적으로 증폭되어 최종적으로 안정적인 레이저 출력을 생성합니다.
2.2 모드 선택을 통한 빔 품질 확보: 한편으로는 소직경 코어층의 도파관 제한으로 인해 손실이 적은 기본 모드만 전송이 허용됩니다. 다른 한편으로는 기본 모드와 이득 매질(이터븀 이온) 간의 높은 중첩과 고차 모드의 높은 손실 특성을 활용하고, 고차 모드를 추가로 필터링하기 위한 광섬유 벤딩 설계를 결합하여, 궁극적으로 M² 값이 1에 가까운 고품질 기본 모드 출력을 얻습니다.