공간상의 스펙트럼 측정을 통한 대면적 광섬유에서의 고차 공간모드 분석
- 주제(키워드) 고차 공간모드 분석 및 억제
- 발행기관 아주대학교
- 지도교수 염동일
- 발행년도 2017
- 학위수여년월 2017. 8
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 에너지시스템학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/ajou/000000025982
- 본문언어 한국어
- 저작권 아주대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
초록/요약
기본모드(fundamental mode)만 진행하는 단일모드 광섬유는 빔 품질이 우수하다는 장점이 있어 광섬유 레이저 제작에 보편적으로 사용되었다. 하지만 고출력 동작에 있어서 단일모드 광섬유의 작은 유효면적(effective area)은 광학적 손상의 임계점이 낮고 3차 비선형 현상이 발생한다는 단점이 있다. 때문에 고출력 광섬유 레이저 및 증폭기를 제작할 경우 단일모드 광섬유 보다 유효면적이 큰 대면적 광섬유를 사용하는 것이 유리하다. 하지만 대면적 광섬유를 진행하는 빔은 기본모드뿐만 아니라 여러 고차공간모드도 함께 도파하는데 고차공간모드의 세기가 증폭되어 강해지면 레이저의 출력의 불안정성, 빔 품질 및 빔 조향(steering)에 심각한 문제를 발생시킬 수 있다. 그러므로 고차모드를 분석하고 효율적으로 억제하는 연구는 안정적인 대면적 광섬유 레이저 및 증폭기를 구현하는데 있어 매우 중요하다. 본 연구에서는 모드간의 군 지연 차이로 인해 발생하는 스펙트럼에서의 간섭패턴을 분석하여 기본모드와 고차모드의 상대적인 세기를 알아내고 각 모드의 빔 단면을 시각화할 수 있는 S2 imaging 방법을 실험적으로 구현하였다. S2 imaging 시스템을 통해 특정 대면적 광섬유에서 1000nm와 1550nm 파장에서 측정한 결과 -50dB 이상의 고차모드 상대적인 세기도 측정 가능하였고 또한 LP모드들의 빔 단면을 시각화한 결과 이론적으로 예상되는 빔 단면과 상당히 일치하는 모습을 볼 수 있었다. 추가적으로 대면적 광섬유로 측면 연마 광섬유를 제작하고 적당한 굴절률의 물질을 도포함으로써 기본모드는 지속적으로 도파하되 고차모드의 세기는 효과적으로 억제시키는 소자를 설계 및 제작하였다. S2 imaging 시스템을 통해 이 소자에 대한 검증을 한 결과 고차모드의 세기를 약 -12dB 이상 감소시킬 수 있음을 확인하였다.
more초록/요약
Single-mode fibers (SMF) supporting only single spatial mode called fundamental mode are widely used for fiber laser manufacturing because of its excellent spatial beam quality. However the fiber laser fabricated with the SMF has typically low threshold value of optical damage and high 3rd order non-linearity due to the small effective area of the mode, which significantly limits the high power operation of the fiber lasers and amplifiers. Therefore large-mode area (LMA) fibers generally replace the SMFs to alleviate above issues when the fiber laser and amplifier operate at high power. However, LMA fibers normally support additional few spatial modes, called higher-order modes (HOM), which can cause the degradation of the output beam quality and lead to pointing instability. Therefore it is very important to analyze and efficiently suppress the HOM in the LMA-based fiber lasers and amplifiers. In this study, we experimentally demonstrate Spatially resolve Spectrum analysis (S2 imaging) system, which can visualize and estimate the relative power of the HOM in LMA fibers. Using this system, we measure the intermodal relative powers and visualize the beam profile of each higher-order spatial mode in the LMA fibers at the wavelength of 1000 nm and 1550 nm. Based on the measurement, we found that our S2 imaging system can resolve the power of the HOM with the sensitivity of –50 dB. We also successfully visualize the spatial image of each HOM, which reasonably agrees with that of the theoretical expectation. In addition, we suggest a device that can efficiently suppress the HOM while maintaining the fundamental mode by employing side-polished LMA fiber that covered with over-layer that has suitable refractive index. From the measurement using our S2 imaging system, we observed that the intensity of HOM can be reduced by - 12 dB through our device without significant loss of the fundamental guided mode in the LMA fibers.
more목차
제 1 장 서 론 1
제 2 장 기 초 이 론 3
제 1 절 광섬유에서의 빛의 진행 3
제 2 절 광섬유에서의 모드 이론 6
2.2.1 광섬유를 진행하는 빔의 전기장과 자기장 6
2.2.2 LP모드 12
제 3 장 대면적 광섬유에서의 LP 모드 세기 분석 및 빔 단면 시각화 17
제 1 절 기본모드와 고차모드의 구분 원리 17
3.1.1 모드간 위상차이에 의한 스펙트럼 간섭패턴 17
3.1.2 기본모드와 고차모드 사이의 상대적인 세기(MPI) 계산 및 각 모드의 빔 단면 시각화 방법 21
3.1.3 시뮬레이션을 통한 MPI 계산법과 빔 단면 시각화 방법 검증 24
제 2 절 대면적 광섬유에서의 모드 분석 시스템 구현 및 결과 26
3.2.1 1000nm 파장에 대해 2개의 LP모드가 진행하는 대면적 광섬유에서의 LP모드 분석 27
3.2.2 1550nm 파장에 대해 4개의 LP모드가 진행하는 대면적 광섬유에서의 LP모드 분석 28
3.2.3 LP11모드의 구분된 영역 사이의 상대적인 위상 측정 31
제 3 절 대면적 광섬유에서의 고차모드 억제 32
3.3.1 대면적 광섬유의 구부림을 통한 고차모드 억제 32
3.3.2 LP모드의 유효굴절률 차이를 이용한 고차모드 억제 33
3.3.3 측면 연마 광섬유를 이용한 고차모드 억제 소자 설계 및 제작 34
3.3.4 특정 굴절률의 오버클래딩을 이용한 고차모드 억제 및 측정결과 35
제 4 장 결 론 38
참고문헌 40
영문요약 41
