고출력 광섬유 레이저 기술과 그 응용 특집 ■ 광섬유 레이저
* 서울대학교 전기·정보공학부
고출력 레이저? 007 시리즈에 등장할 법한 수 미터에 달하는 커다란 공진기와 이를 구동하고 냉각하는 복잡한 물리적 구조물?? 이는 전통적인 방식의 기체 레이저 혹 은 광결정(Crystal)을 이용하는 고체 레이저의 경우에 한 해서는 충분히 타당한 상상이다. 하지만, 레이저가 최초 로 개발된 지 50년이 훌쩍 넘어선 현재, 고출력 레이저 라고 해서 반드시 크고 무겁고 복잡해야만 할 필요는 없 다. 이는 다름 아닌 2000년대 초반부터 이어져 온, 작고 가볍고 단순한 고출력 광섬유 레이저 기술의 발전에 기 인한다고 하겠다. 광섬유 레이저는 머리카락 굵기 혹은 그것의 수배에 지나지 않는 굵기의 실리카 유리 (SiO2) 섬유로 구성되지만, 이로부터 얻을 수 있는 평균출력은 이미 킬로와트(kW)를 넘어서고 있다 [1-6]. 더욱이 광 섬유 레이저에서 발생되는 레이저 빔은 공간모드 특성이
우수하여 수 마이크로미터(μm) 이하의 빔 크기로 집광 이 용이하므로, 평균출력이 킬로와트급 이상이 되면 두 꺼운 철판을 뚫거나 녹여 내는 데도 충분히 사용될 수 있 다. 또한, 고출력 광섬유 레이저가지니는 고효율 및 초경 량 특성은 이를 넘어서해상 탑재(Seaborne) 및 항공 탑 재(Airborne)가 가능한 강력한 레이저로서 미사일 격추 방어 시스템에도 응용될 수 있다 [7, 8].
사실, 광섬유 레이저 기술의 발전은 1960년 T.
Maiman에 의해 최초로 개발된 레이저 기술과 1966년 K. C. Kao에 의해 시작된 저손실 광섬유 기술의 절묘 한 조합에 그 바탕을 둔다 [9, 10]. 1960년대에 개발된 초 기 형태의 광섬유 레이저는 1980년대에 이르러 희토류 광섬유를 이용한 최초의 단일모드 광섬유 레이저 및 증 폭기의 개발로 첫번째 돌파적(breakthrough) 기술 진
전을 이루었다 [11]. 이러한 기술 진전은 저손실 광섬유 를 통한 초고속/원거리 광섬유 통신 기술의 혁신적인 발 전을 이루어 내어 1990년대 시작되어 오늘날에 이른 인 터넷 시대의 도래를 이끌게 되었다고 해도 과언이 아니 다. (K. C. Kao는 저손실 광섬유 개발의 선도적 기술 공 헌으로 2009년 노벨 물리학상을 수상하였다.) 그러나, 이러한 광섬유 레이저 및 증폭기 기술은 1990년대 후반 까지는 주로 광통신 응용에 국한되어 있었기 때문에 이 로부터 발생되는 광출력의 세기는 통상적으로 밀리와트
특집 ■ 광섬유 레이저
고출력 광섬유 레이저 기술과 그 응용
정윤찬*
그림 1. 세계 최초로 개발된 킬로와트급 단일모드 고출력 광섬유 레이저의 발진 모습 [1]
아닌 고출력 광섬유 레이저 분야로 다변화하게 되었고, 이로 인해 2000년대 초반 많은 연구 기관들이 막대한 연 구비 지원을 받으면서 기존 방식의 기체 레이저 및 고체 레이저를 대체할 수 있는 고출력 광섬유 레이저 연구 분 야를 개척하게 된 것이다. 고출력 광섬유 레이저 기술은 그 동안 발전을 거듭해온 광섬유 통신 기술과 펌프용 반 도체 레이저 기술의 기반 위에서 급속한 기술적인 진전 을 이루어, 2000년대 초반, 두 번째 돌파적 기술 진전이 라 할 수 있는 최초의 킬로와트급 고출력 단일모드 광섬 유 레이저가 개발되었다 [1, 2]. 이후 계속된 발전을 통해 2000년대 후반 및 2010년대에 이르러 킬로와트를 상회 하는 단일모드 광섬유 레이저가 상품화되어 다방면의 과 학기술 및 산업현장에서 기존 방식의 기체 및 고체 레이 저들을 점진적으로 대체하고 있으며 [5, 6], 또한, 광섬 유 레이저 고유의 특성을 이용하여 다각도로 그 응용 기 술 변모를 꾀하고 있는 현시점이 된 것이다.
이러한 고출력 광섬유 레이저 기술의 급속하고도 괄목 할 만한 발전은, 기본적으로는 기존의 광섬유 기술과 반 도체 레이저 기술의 발전에 그 뿌리를 두고 있겠지만, 그 와 함께 다음과 같은 광섬유 레이저의 고유한 장점에 기 인한다. 다시 말해서, 광섬유 레이저는 기타 다른 레이저 방식과는 달리 레이저가 발진되고 전파되는 영역이 도 파로 구조로 형성이 되므로, 레이저를 구성함에 있어서 자유 공간 광학계(Free-space
optics) 사용이 최소화되어, 레 이저를 소형, 경량화하는데 적 합하다. 이러한 도파로 구조를 통해 발진된 레이저는 공간적 빔 품질(Spatial beam quality) 이 뛰어나고, 또한, 희토류 혼 입 광섬유의 도파로 구조 및 길 이 조절을 통해 임의의 광 이득 (Optical gain)을 구현할 수 있 다. 그리고, 무엇보다도 이득 매 질로 사용되는 광섬유의 가늘고
발진에 적합한 특성을 갖게 해 준다. 덧붙여, 기존의 광 통신 기술에서 차용된 다양한 편광 조절, 변조 및 스위칭 기술들은 고출력 광섬유 레이저의 특성을 더욱 필요에 맞게 세련되게 하여 준다. 그러나, 비교적 좁고 긴 도파 로 특징은 광세기에 의한 표면 손상, 비선형산란 등의 문 제점을 야기하기도 하므로, 단편적으로는 고출력 광섬유 레이저 분야의 주된 연구 주제는 이러한 극한의 문제점 들을 해결하고, 또한, 그러한 문제점들을 애초부터 최소 화 하기 위해 레이저 효율 자체를 극대화하는 것이라 하 겠다. 본 글에서 필자는 이러한 고출력 광섬유 레이저의 기본적인 개념과 특징, 발전 현황, 그리고, 그 응용과 향 후 전망에 대해 간략히 살펴 보고자 한다.
그림 2에 나타나 있는 바와 같이 고출력 광섬유 레이저 는 크게 희토류 혼입 광섬유, 펌프 광원, 펌프광 결합 광 학계 및 기타 광학 및 광섬유 소자로 구성이 된다.
첫번째로 희토류 혼입 광섬유는 펌프 광원을 통해 광 여기되어 광이득이 생성되는 부분으로, 일반적으로 이 중클래딩 구조로 구성된다. 레이저가 발생되는 코어 영역은 희토류가 혼입 되어 있으며, 응용 특성에 따 라 수에서 수십 마이크로미터 직경을 갖게 된다. 고출 력 용도로 주로 사용되는 혼입 희토류 물질은 니오디뮴 (Neodymium), 이터븀(Ytterbium), 어븀(Erbium), 툴 륨(Thulium) 등이며 물질의 종류에 따라 사용되는 펌프
그림 2. 고출력 광섬유 레이저의 기본 개념도.
Outer cladding:
Low-index polymer- coating or all-glass structure, e.g., F-doping or JAC
High-power, low-brightness diode pump beam at λp
Inner cladding:
Heavily multimode waveguide for pump radiation
Core:RE-doped, single-mode or multimode waveguide
High-power,high-brightness laser signal at λp
All-fiber integration:
e.g., FBG
Pump coupler:
End/side-pumping,
multiplexing or
integration
고출력 광섬유 레이저 기술과 그 응용 특집 ■ 광섬유 레이저
광과 발진되는 신호광의 파장 영역이 달라 지게 된다. 그 중, ~1.1 마이크로미터(μm) 파장 영역에서 80%이상의 발진 효율 특성을 갖는 이터븀 물질이 고출력 광섬유 레 이저에 가장 많이 사용된다 [1-4]. 이는 펌프광[975 나 노미터(nm)]과 신호광(~1100 나노미터)의 에너지 준위 차이(Quantum defect)가 기본적으로 작아서 레이저 발 진 효율이 상대적으로 높고, 또한, 이터븀의 에너지 준 위 구조 자체가 2단 (2 level) 구조로 단순화 되어 있어 서 여기준위흡수(Excited-state absorption)로 인한 에 너지 손실이 기본적으로 배제되기 때문이다. 그러나, 모 체(Host) 물질, 혼입 물질 농도, 밀도 반전율에 따라 광 암색화(Photodarkening)의 현상이 발생되어 점진적 레 이저 효율 저하가 초래될 수 있는데, 현재는 그 동안 개 발된 적절한 회피 기술을 통해 광암색화 문제점은 충분 히 해결된 것으로 판단된다 [12-13]. 특히, 포스포실리 케이트(Phosphosilicate) 모체를 활용할 경우, 광암색화 현상이 현저히 줄어들 게 된다는 사실은 이미 널리 알려 져 있다 [13]. 한편, 내부 클래딩(Inner-cladding) 영역 은 펌프광이 도파되는 영역으로, 이를 위해서 외부 클래 딩(Outer-cladding) 영역을 저굴절률 중합체(Polymer) 물질, 불소(Fluorine) 혼입 실리카, 덧저고리형 공기 클 래딩(Jacketed-air-cladding) 등으로 구성하여 그 유 효 굴절률을 내부 클래딩 물질보다 충분히 낮게 한다. 이 를 통해 내부 클래딩 수치 개구(Numerical aperture)는 0.2에서 0.6이상이 되도록 하여 펌프광의 집광성을 높인 다. 반면 코어의 수치 개구(Numerical aperture)는 0.01 에서 0.15정도로 낮게 하여, 코어 영역이 대면적이 되더 라도 실제 도파되는 모드의 수가 너무 많아지지 않도록 제한한다. 특히, 유효 수치 개구가 0.05 이하로 낮아질 경우, 도파로의 곡률 손실(Curvature loss)이 현저히 커 지게 되므로, 이 경우는 그 도파로가 일직선상으로 고정 된 형태인 막대형 광섬유(Rod-type fiber)의 방식을 택 하게 되는데, 다만 형태적 특징으로 인해 그 길이는 대략 적으로 1 미터 혹은 그 이내로 제한된다 [14]. 실제 대면 적 코어 광섬유의 경우, V 파라미터가 2.405이상이 되어 도파로 관점에서는 단일 모드 구조가 될 수 없는 경우가 많지만, 코일링 혹은 테이퍼링에 의한 부가적인 모드 필 터링 작용과 이득 물질의 공적적 재분포 등의 기술을 통 해 광이득 및 레이저 발진 측면에서는 단일 모드로 동작 하게 하는 방법을 사용한다 [2, 15].
두번째로, 펌프 광원은 주로 다중모드 레이저 다이오 우드를 사용한다. 단일모드 레이저 다이오우드와는 달 리 다중모드 레이저 다이오우드는 고효율(>40%)의 고출 력 레이저광를 발생시키기 쉬워 킬로와트 이상의 펌프광 을 저비용으로 구현할 수 있다. 그러나, 여기서 얻어진 출력광은 고출력이라 할지라도 공간적 빔 품질이 낮아 서, 단일모드 혹은 고휘도 레이저광에 비해 집광도가 현 격히 떨어지므로 전술한 레이저용 광섬유의 코어 영역에 집속이 되지 못하고, 이 보다 상대적으로 큰 내부 클래 딩 영역에 집속이 될 수 있다. 일반적으로 고출력 펌프용 레이저 다이오우드의 가용 파장대역은 808, 920, 940, 980, 1480 나노미터 등이 주로 사용된다. 그리고, 그 평균출력이 10 와트급까지는 단일 방사체 방식(Single emitter), 100 와트급까지는 단일 방사체가 횡방향으로 배열된 다이오우드 막대(Diode bar) 방식, 그 이상에서 는 전술한 다이오우드 막대들이 종방향 다층구조로 배열 된 다이오우드 무더기(Diode stack) 방식이 주로 사용된 다. 단일 방사체 혹은 다이오우드 막대 방식은 공냉식으 로 동작될 수 있으나, 다이오우드 무더기 방식은 미세통 로(Micro-channel)을 통한 수냉식 방식으로 동작되며, 이러한 펌프용 레이저 다이오우드들의 동작 수명은 수천 에서 만 시간정도로 산정된다 [5].
세번째로, 펌프광 결합 광학계로는 일반적으로 자유 공간 광학계 방식 혹은 전광섬유 방식을 사용하게 되는 데, 자유공간 광학계 방식의 경우, 광학용 렌즈 혹은 반 사경을 이용하여 다중모드 펌프광을 이득매질 광섬유의 양 끝단면, 혹은 그 측면에 형성된 V자형 골(V-groove) 및 회절 격자 (Diffraction grating)를 통해 내부 클래딩 에 집속되도록 한다 [16, 17]. 전광섬유 방식은 펌프광을 전파하는 다수의 광섬유를 직접 혹은 테이퍼링 과정을 거친 후 다발로 묶어 펌프광 도파로와 이득매질 도파로 를 결합하는 방식이다 [18, 19]. 이 경우, 자유 광학계 사 용 및 정렬의 번거로움과 이로 인한 신뢰성 문제점을 현 저히 피할 수 있어서, 레이저 시스템을 소형, 경량화하고 그 안정성을 제고할 수 있다는 장점이 있으나, 집속 손실 에 따라 펌프광 집속기의 최대 허용 펌프광량이 결정되 므로, 이에 대한 적절한 최적화 과정과 개발 사양 선택이 필요하게 된다.
마지막으로 기타 광학 및 광섬유 소자는 부가적으로 레이저의 특성을 결정하거나 그 출력의 끝단처리에 필요
filter), 광격리기(Optical isolator), 광시준기(Optical collimator) 등도 많은 경우 광섬유 끝단처리(Fiber pigtail)될 수 있으므로, 이미 상업화되어 널리 사용되고 있다. 특별히 이러한 부가 소자들이 고출력 레이저 시스 템에서 문제 없이 동작하기 위해서는 각 소자의 개별 삽 입 손실(Insertion loss)과 연결 손실(Splicing loss)의 최 소화가 무엇보다도 더 요구된다.
이상의 개별 요소들로서 광섬유 레이저 시스템이 구성 되고, 또, 동작하게 되는데, 고출력 광섬유 레이저의 경 우, 무엇보다도 레이저 변환 효율과 각 소자별 삽입 손 실 및 연결 손실의 크고 작음이 실제 최대 출력 광세기를 결정하는 인자가 되므로, 이에 대한 각별한 최적화 연구 와 그에 따른 충분한 안전 동작 허용치에 대한 연구가 선 행되어야 한다. 그렇지 못할 경우, 고출력 광섬유 레이저 는 신호용 광섬유 레이저와는 달리, 발진되는 레이저 광 출력 자체로 인해 직접적인 시스템 손상이 유발된다. 또 한, 광섬유의 길이 및 코어의 크기가 광출력의 세기에 비 해 너무 길거나 작을 경우, 비선형산란 현상에 의해 시스 템이 불안정해지거나 손상 받는 경우가 발생하므로 이에 대한 명확한 사전 분석과 이를 억제하기 위한 광섬유 구 조의 설계 및 시스템 구성에 대한 근본적인 방책에 대한 연구가 반드시 필요하다.
일반적으로 고출력 광섬유 레이저 시스템은 그림 3 에 나타내진 바와 같이 크게, 레이저 공진기(Laser oscillator) 구조 및 주공진기 출력 증폭기(MOPA:
Master-oscillator power amplifier) 구조로 구현된다 [20, 21].
레이저 공진기 구조의 경우, 특히 고출력의 연속광 레 이저를 얻는데 가장 간단하면서도 효율적인 구조이나 한 편으로는 단일주파수 레이저, 고속 및 극초단 레이저 등 의 엄밀한 특성이 요구되는 레이저의 고출력 생성에는 적합하지 않다. 이 경우에는 주로, 요구되는 엄밀한 특성 을 띠는 저출력 주공진기 레이저와 이를 고출력화 할 수 있는 출력 증폭기를 구분하여 이용하는 주공진기 출력 증폭기 구조를 사용하게 된다. 따라서, 임의의 특성을 갖
는 저출력 레이저라 할지라도 다단의 출력 증폭기를 통 하게 되면 그 출력이 순차적으로 증폭되고 고출력화될 수 있다. 그러나, 레이저의 진행 방향이 단일 방향이 되 어야 하는 제한성으로 인해 광격리기의 사용이 필수적이 므로, 이를 고출력화하고 광섬유 끝단처리하는 기술 개 발이 추가적으로 요구된다. 또한, 다단의 출력 증폭기 사 용은 증폭기의 잡음특성으로 인해 최종 출력되는 레이저 의 특성을 열화 시키므로 이에 대한 적절한 분석과 조치 가 또한 요구된다.
그림 4는 필자가 참여하고 주도한 연구팀(ORC, University of Southampton)의 고출력 연속광 광섬유 레이저의 개발을 포함한 초기 발전 현황을 보여 준다.
1100 나노미터 파장 영역대의 이터븀 혼입 광섬유 레이 저의 경우 80%이상의 레이저 효율로 킬로와트를 상회 하는 세계 최초의 단일모드 광섬유 레이저는 2003년 8 월에 시연되었고 [1, 2], 현재는 10 킬로와트를 상회하는 다단 증폭기 방식의 단일모드 레이저가 개발되어 상업 화 된 바 있다 [5]. 1570 나노미터 파장 영역대의 어븀/
이터븀 공혼입 광섬유 레이저의 경우, 시연된 약 300 와 트의 출력은 2013년 현재까지도 최고 출력세기로 기록되 고 있다 [22]. 이러한 어븀/이터븀 공혼입 광섬유 레이저 의 상대적인 저출력성은, 전술한 바와 같이 그 레이저 효 율이 기본적으로 40% 이하로 낮고, 레이저가 고출력화 될수록 그 효율은 더욱 저하되는 경향성을 보여 주기 때 문이다. 이는 고출력 펌핑 과정에서 이터븀-어븀 간 에
그림 3. 레이저 공진기 및 주공진기 출력 증폭기 구조의 개념도.
고출력 광섬유 레이저 기술과 그 응용 특집 ■ 광섬유 레이저
너지 전달의 병목현상(Bottleneck)에 의해 1060 나노미 터 파장 영역대에 형성되는 기생 레이저 발진(Parasitic lasing) 현상에 기인한다. 상대적으로 저출력임에도 불 구하고 어븀/이터븀 공혼입 광섬유 레이저를 통해 발 진 되는 레이저의 경우, 대기 투과율 및 눈 안전성(Eye- safety) 측면에서 큰 이점이 있으므로 향후 이에 대한 연 구 결과의 진전이 더욱 기대된다 [23]. 툴륨 혼입 광섬유 레이저의 경우 2000 나노미터 영역대의 동작 파장을 가 지고 있는데, 다른 희토류 혼입 광섬유와는 달리 상호완 화작용(Cross relaxation)을 통해 레이저 효율이 배가되 는 특징을 가지고 있다. 최근 수백에서 킬로와트급 출력 을 갖는 고출력 광섬유 레이저들이 개발되어 학계에 보 고 된 바 있다 [24]. 특히, 2000 나노미터 영역대의 파 장은 실리카 유리 광섬유에서 동작할 수 있는 최장 파장 이므로, 향후 중적외선(Mid-infrared) 영역대의 레이
저 개발에 있어서도 중요한 기반 기술이 될 수 있다. 또 한, 니오디뮴 혼입 광섬유는 초기에는 1060 나노미터 레 이저 발진에 사용되었으나, 현재는 3준위 레이저 동작에 기반한 920 나노미터 레이저 개발에 주로 사용된다. 이 를 비선형 광결정 물질을 통해 제2고조파로 변환하게 되 면 460 나노미터의 청색 레이저를 직접 발생시킬 수 있 으므로, 가시광 응용 및 해저 원거리 계측(Underwater ranging) 직접적으로 응용될 수 있다 [25]. 이에 덧붙 여서 최근 많이 연구되고 있는 광자밴드갭(Photonic bandgap) 형태를 포함한 희토류 혼입 광섬유와 비스무 스(Bismuth) 혼입 광섬유 등도 고출력 광섬유 레이저 분 야에서 향후 발전이 기대되어 앞으로 주목할 분야라 하 겠다 [26, 27].
전술한 바와 같이 고출력 광섬유 레이저의 고효율성, 고빔품질성, 고신뢰도, 초소형성, 초경량성, 저비용성 등 은 기존 방식의 기체 및 고체 레이저들과 비교 할 때, 막 대한 이점으로 작용하므로, 과학기술 및 산업에의 응용 측면에 있어서 기존 방식의 레이저들을 점진적으로 대체 해 나가고 있고, 또한 그 활용 범위를 더욱 넓혀 가고 있 다. 기계, 금속 분야에 있어서 용접, 절단 등의 대규모 물 질 가공뿐만 아니라 생체, 의료, 전자 분야의 영상 획득, 미세 가공 등에도 널리 응용되고 있으며, 더욱이 해상/
항공 탑재 미사일 격추 레이저 등의 국가방어 시스템, 대기, 해양 분야의 원거리 계측(LIDAR/Ranging), 천 문 계측 분야의 레이저 안내 별 (Guide star) 등 다양한 분야에 응용되고 있다. 또한, 광통신 기술과 한 맥을 같 이하고 있는 고출력 광섬유 레이저 기술은 향후 도래할 FTTH (Fiber to the home) 기술의 전개에 있어서도 지
대한 응용이 있을 것으로 기대된 다.
현재, 고출력 광섬유 레이저 기 술은 2000년대 초반부터 계속된 지난 십여 년 동안의 연구개발 단 계를 거쳐서, 특히 이터븀 혼입 광 섬유 레이저를 포함한 일부 분야 는 이미 그 산업화 단계에 접어 들었다고 볼 수 있고, 관련된 응 용 연구도 최근 크게 활성화 되고 있다. 그러나, 고출력 광섬유 레 이저의 경우 그 파장 대역 변환
그림 4. 연속광 광섬유 레이저의 고출력화 현황.
그림 5. 고출력 광섬유 레이저의 응용.
많은 노력이 필요할 것으로 판단된다. 특히, 이 파장 영 역대는 잠재적으로 생체 의용 영상 획득 분야에 응용될 수 있으므로 이에 대한 지속적인 연구 관심이 기대된다 [28]. 또한, 단일 고출력 광섬유 레이저로부터 얻을 수 있는 최대 출력이 수 킬로와트를 상회한다 할지라도, 궁 극적으로는 광섬유 물질의 손상 임계값(통상적으로 20 GW/cm2)을 넘어 설 수는 없으므로, 레이저 고출력화 의 최종 단계에서는 반드시 결맞는 빔 조합(Coherent beam combination) 방식의 합성 개구(Synthetic aperture) 기술이 요구되므로, 이에 대한 연구 관심이 고조될 것으로 예상된다 [29]. 필자가 이끄는 서울대학 교 레이저공학 및 응용 연구실(Laser Engineering and Applications Laboratory)은 2010년 9월부터 희토류 혼입 광섬유에 기반한 고출력/고에너지 레이저 개발, 극 초단 레이저 개발, 신물질 기반 레이저용 광섬유 개발, 비선형 파장 변환, 결맞는 빔 조합 기반 합성 개구 개발 등을 주 연구 주제로 하고 있다 [30]. 앞으로 고출력 광 섬유 레이저 분야에 관심 있는 후학들과 관련 분야 연구 자들과의 활발한 연구 교류가 있기를, 또한 이를 통해 국 내 고출력 광섬유 레이저 개발 및 응용 연구가 앞으로의 세계 레이저 분야 연구를 선도하는 한 축이 되기를 기대 하며 이상의 두서 없는 글을 맺는다.
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[30] Information available from http://leal.snu.ac.kr.
정윤찬
약 력• 2009. 12 – 현재
Associate Editor, Optics Express, OSA
• 2010. 09 – 현재
서울대학교 전기·정보공학부 조교수
• 2001. 11 – 2010. 08
Reader/SnrRF/RF, Optoelectronics Research Centre, University of Southampton, United Kingdom
• 1999. 09 – 2001. 10
서울대학교 전기공학부/반도체공동연구소 박사후연구원
• 1990. 03 – 1999. 08
서울대학교 전기공학부 박사/석사/학사
