최근 국방, 광통신 및 산업 기기 등의 다양한 분야에서 고출력 레이저를 위한 연구를 진행하고 있으나, 단일 레이저 빔만으로는 레이저의 출력에 한계가 있다. 이를 극복하기 위한 대안으로 다채널 레이저를 결합함으로써 출력을 높이는 방안이 다양하게 연구되고 있다^[1-3]. 이러한 빔결합의 대표적인 방법으로는 결맞음 고려 여부에 따라 비결맞음 빔결합과 결맞음 빔결합으로 나뉘며, 비결맞음 빔결합 방식으로는 자유 공간의 목표 지점에 다채널의 빔 소스를 조사하여 결합하는 공간 빔결합 방식과 회절격자를 이용하여 서로 다른 파장의 빔을 합치는 파장 빔결합 방식이 있다. 공간 빔결합 방식에서 레이저 빔의 결합은 단순 중첩 효과를 낳는다. 또다른 비결맞음 빔결합으로는 여러 채널의 광섬유를 코어가 큰 멀티모드 광섬유(multimode fiber)에 융착한 광섬유 신호 결합기(signal beam combiner)를 이용하여 빔을 결합시키는 방식이 있으며, 이 경우 빔 품질이 낮아진다는 단점이 있다. 한편 각각의 빔이 결맞음(coherence)을 갖고 위상을 맞추어서 결합하는 결맞음 빔결합^[4-9]도 연구되었다. 결맞음 빔결합은 타일형 결맞음 빔결합, 회절 광학 소자를 이용한 빔결합, 편광자, 부분 반사경, 빔 분할기(beam splitter)를 통한 빔결합 등이 있다. 통상적인 빔 분할기를 이용한 결맞음 빔결합은 방식이 간결하지만 결합할 수 있는 빔이 두 개로 제한된다는 단점이 있다.

본 연구에서는 회절 광학 소자를 이용하여 결맞음 빔결합을 구현하였다^[10]. 회절 광학 소자는 정해진 특성에 맞춰 다양한 회절 무늬를 만들 수 있는 소자로서, 용도에 따른 상용 제품이 많이 출시되어 있어 다양한 광학 연구에 활용된다^[11-13]. 연구에서 사용한 회절 광학 소자는 상용 1 × 3 빔 분할기(beam splitter)이다. 빔 분할기는 본래 1개의 레이저 빔을 3개로 나누는 광학소자이지만 이를 역으로 적용하면 3개의 레이저 빔을 1개로 합칠 수 있다. 3개의 레이저 빔을 원래 빔이 분할되어 출사하는 방향에서 역으로 입사시키고 위상을 맞추어 주면 1개의 빔으로 결합되어 나오게 되는데, 이때 빔 분할기의 효율이 떨어지거나 위상이 잘 맞지 않거나 각도 정렬이 잘 이루어지지 않으면 결합빔의 효율이 떨어진다. 이를 해결하기 위해 효율이 뛰어난 빔 분할기를 설계 또는 주문 제작할 수도 있으나, 비용이 많이 든다는 문제가 있다.

표적에서 여러 개의 빔이 하나로 중첩되는 공간 빔결합 방식은 표적의 결합된 빔을 모니터링하기 위한 정교한 시스템이 필요하지만, 회절 광학 소자(diffractive optical element, DOE)를 사용하면 다채널 레이저 빔 소스를 광원과 가까운 거리에서 결합할 수 있으며 간단한 모니터링 시스템만으로도 빔결합을 구현할 수 있다는 장점이 있다. 결합빔의 위상 제어 알고리즘으로는 기존에 다양한 연구가 선행된 확률적 병렬 경사 하강법(stochastic parallel gradient descent, SPGD)을 사용하였다^[14-16]. SPGD 방법은 단일한 광 검출기로 결합빔의 세기만을 측정하고, 세기가 증가하는 방향으로 각각의 위상을 알고리즘을 사용해 조절하여 결합빔 세기를 극대화하는 방법이다. SPGD 알고리즘은 실험을 간소화하고, 레이저 빔의 수가 늘어나더라도 빠르게 위상을 조절할 수 있다는 장점이 있다.

본 논문에서는 저출력 3 채널 광섬유 레이저와 상업용 회절 광학 소자를 통해 구현한 결맞음 빔결합에 대해 기술하고, 이어 각 레이저 빔의 위상을 알고리즘을 통해 조절함으로써 결합된 빔의 세기를 극대화하는 방법에 대하여 기술한다.

2.1. 3 채널 광섬유 레이저 시스템 및 실험 구성

본 연구에서는 회절 광학 소자를 통한 빔결합을 연구하기 위해 시드 레이저를 공유하는 3 채널 광섬유 레이저를 개발하였다. 그림 1은 연구에서 개발한 3 채널 레이저 시스템 및 빔결합 실험 구성도이다. 시드 레이저는 출력 60 mW, 파장 1064 nm인 편광 유지(polarization maintaining) 광섬유가 연결된 distributed Bragg reflector (DBR) 레이저 다이오드(DBR-1064-PM-70-01; Innolume, Dortmund, Germany)를 사용하였다. 먼저 이터븀 광섬유를 사용한 증폭기를 통하여 시드 레이저의 출력을 약 237 mW로 증폭하고, 증폭된 레이저를 1 × 4 광섬유 분배기(PMFCM-06-0104-EV-2-L-H-F; Advanced Fiber Resources, Zhuhai, China)에 입사시켜 각각 55 mW, 55 mW, 59 mW, 59 mW의 4개의 채널로 나누었다. 이때 광섬유 분배기의 효율은 약 96% 정도였다. 네 개의 채널 중 하나는 포토 다이오드에 연결하여 레이저 출력 모니터링에 사용하였고, 나머지 세 개의 채널은 위상변조기(MD1100; FiberPro Inc., Daejeon, Korea)를 각각의 광경로에 설치하여 각 채널의 출력빔의 위상을 제어할 수 있도록 하였다. 또한 역방향으로 진행하는 반사광 및 산란광과 증폭자발방출(amplified spontaneous emission, ASE)광으로 인한 레이저 시스템의 손상을 방지하기 위하여 대역투과필터가 포함된 일체형 광고립기(optical isolator with bandpass filter)를 증폭기 앞과 뒤에 설치하였다.

Figure 1. Schematic of a 3-channel fiber laser and a beam combining system.

각 채널의 출력빔은 시준렌즈를 거쳐 각각 정해진 각도로 정렬하여 회절 광학 소자(DOE)에 입사한다. 이때 각 채널의 렌즈들이 공간적으로 간섭하지 않게 하기 위한 적절한 거리를 고려하여 회절 광학 소자는 출력빔 시준렌즈로부터 3.5 cm 정도 떨어진 곳에 위치시켰다. 또한 회절 광학 소자로부터 약 13.5 cm 정도 떨어진 뒷편에 빔 분할기(beam splitter)를 배치하여 회절 광학 소자를 통과한 0차 빔을 두 개로 나누었다. 분할된 빔은 각각 charge-coupled device (CCD)와 포토 다이오드로 입사하여 결합빔의 형상 관측 및 위상 제어를 위한 세기 관측에 활용된다.

2.2. 확률적 경사 하강법을 이용한 위상 제어 시스템

광섬유 분배기를 거친 레이저 빔은 각 채널의 광섬유 및 출력단에 전해지는 진동, 온도 등의 변화에 따라 시간이 지날수록 위상이 불규칙적으로 변한다. 그러므로 회절 광학 소자에 입사된 후 출력되는 각각의 회절 빔에 보강 간섭과 상쇄 간섭이 발생하고, 이는 회절 광학 소자를 투과한 후 빔의 세기에 변화가 생기는 요인이 된다. 따라서 위상 변조기를 통해 광섬유 분배기를 통과한 각 빔의 위상을 제어하면, 입사된 빔이 보강 간섭되도록 유도하고 결합 빔의 세기를 최대로 유지할 수 있다.

앞서 설명한 바와 같이 본 연구에서는 확률적 병렬 경사 하강법(SPGD) 알고리즘을 이용하여 위상을 제어하였다. 확률적 병렬 경사 하강법은 목표 함수에 대해 섭동을 인가하는 방식의 계산을 반복하여 필요한 목표값에 도달하는 방식으로서 그림 2(a)와 같이 목표값에 도달하기 위해 함수의 기울기를 감소시키는 방향으로 능동적인 계산이 가능하며, 연산 1회당 필요 계산량이 적어 다른 방식에 비해 고속으로 시스템을 제어하는데 유용한 방식이다. 그림 2(b)는 임의의 목표함수 J에 대한 SPGD 알고리즘의 시뮬레이션 예이다. 변수 θ₁, θ₂, θ₃에 SPGD 알고리즘을 적용하여 목표함수 J가 최대값에 도달하는 모습을 나타내었다.

Figure 2. (a) Stochastic parallel gradient descent algorithm and (b) example.

SPGD 알고리즘의 n개의 변수(u)로 구성된 목표함수 J와 섭동을 다음과 같이 표현할 수 있다^[17-20].

식 (1), (2)의 섭동을 적용한 각각의 목표함수는 다음과 같이 나타낼 수 있다.

식 (3)과 (4)를 통하여 알고리즘이 목표함수의 진행방향을 능동적으로 설정할 수 있고, 계산을 반복함으로써 필요한 목표 값을 찾을 수 있다. 또한 목표 값에 도달하고자 할 때, 섭동의 크기는 정확도 및 시간과 밀접한 관계가 있으므로 이를 목표 값에 따라 조절해 주어야 알고리즘의 성능을 향상시킬 수 있다. 따라서 섭동의 크기를 조절해주는 변수 γ를 도입하여 식 (5)와 같이 n+1번째 목표함수를 표현할 수 있다.

본 연구에서는 목표 함수 J를 검출기에 입력되는 신호로, 위상변조기에 입력되는 전압은 변수 u로 표현하였다. 또한 SPGD 알고리즘을 기반으로 제작한 프로그램을 통해 임의의 목표 세기를 설정해주어 해당 목표에 도달하면 위상 제어를 중단하고, 목표 세기보다 줄어들면 다시 동작하도록 설계하였다.

회절 광학 소자(DOE)를 투과한 레이저 빔은 소자의 설계에 따라 다양한 패턴으로 회절된다. 실험에 사용한 상업용 회절 광학 소자는 입사빔을 3개의 빔으로 분할하는 1 × 3 빔 분할기(beam splitter)로서, 세 가지 상용 회절 광학 소자의 회절 패턴을 그림 3에 나타내었다. 이 중 왼쪽의 소자는 회절 각도가 0.34°이고, 가운데는 10.2°, 오른쪽은 0.07°이다. 회절 광학 소자에 입사되어 분할된 빔의 형상을 확인하기 위해 렌즈를 설치하여 빔을 집속시켜 CCD에 입사시켰다. 오른쪽에 사용된 회절 광학 소자는 5 m 이상의 거리에서도 완전히 분할되지 않아서 본 실험에 사용할 수 없었고, 왼쪽에 사용된 회절 광학 소자는 충분히 빔이 분할되지만 회절 각도가 작아서 빔결합 실험을 위한 추가적인 출력단 구성이 필요하였다. 따라서 회절 각도가 충분히 큰 가운데 사진의 회절 광학 소자를 사용하여 실험을 진행하였다.

Figure 3. Diffraction pattern of laser beams after diffractive optical elements.

본 실험에서 사용된 소자(TS-293-I-Y-A; Holo/Or Inc., Ness Ziona, Israel)는 회절 각도가 10.2°이고 빔 분할 효율은 약 84%인 제품이다. 본 회절 광학 소자에 수직으로 입사되는 빔을 0차 성분으로 정의하고, 각도가 10.2°인 빔을 1차 성분으로, 각도가 −10.2°인 빔을 −1차 성분으로 정의한 뒤 0차 성분과 1차 성분, −1차 성분을 사용하여 빔결합을 실시하였다. 표 1에 회절 광학 소자에 입사하는 3개 채널 레이저빔의 세기와 회절 광학 소자를 투과한 후의 세기를 각각 나타내었다.

Table 1 . Laser beam power after diffractive optical elements (DOEs).

Channel	Before DOE (mW)	After DOE (mW)	Loss (%)
Ch. 1	22.6	19.52	13.62
Ch. 2	19.5	16.65	14.60
Ch. 3	22.8	19.78	13.26

제작된 레이저를 수직으로 입사시켰을 때(채널 2) 투과한 빔은 약 14.6%의 손실을 가지는 것으로 측정되었고, 1차 및 −1차 회절 각도인 10.2°, −10.2° 각도로 입사하였을 경우(채널 1, 3) 각각 13.6% 및 13.3% 정도의 손실을 보여 회절 광학 소자 제조사에서 제공한 정보와 거의 일치함을 확인할 수 있었다. 손실은 대부분 3개의 분할빔 외의 고차 회절빔에 의한 것이다. 각각의 채널별 빔 형상은 그림 4와 같으며 복수의 빔이 입력되면 각 채널의 위상 변화에 따라 빔의 세기 및 출력이 변한다.

Figure 4. (a) Beam profiles of single and dual channels. (b) All-channel-combined beam profile and power.

이때 투과된 빔 중 0차 성분의 레이저 빔 세기를 최대로 제어하기 위해 각 채널의 위상을 SPGD 알고리즘을 통하여 조절하였으며, 목표값 42 mW보다 떨어지는 경우 위상제어가 다시 실행될 수 있도록 설정하였다. 그림 5는 레이저 시스템의 각 채널 위상 제어 전후 투과된 빔의 0차 성분의 세기 변화를 나타낸다. 그림 5(a)는 위상 제어가 되기 전으로 일정한 주기 없이 세기의 변화가 발생하며 결합된 빔의 출력은 2.9 mW에서 48.3 mW까지 변화하는 것으로 측정되었다. 그림 5(b)는 위상 제어 후 빔의 세기이며, 결합빔의 세기가 42 mW 이상이 되도록 SPGD 알고리즘의 목표값을 설정하였기에 출력광의 세기가 외부 요란에 의해 목표값 아래로 떨어질 시 위상 제어가 작동하여 목표 값으로 복귀하는 것을 볼 수 있다. 연구에서는 해당 목표값에서 약 45초간 위상 제어를 실시했을 때 91.8%의 구간에서 빔의 세기가 42 mW 이상으로 유지되는 것을 확인하였다. 또한 목표값에 도달하기 위한 SPGD 알고리즘 위상 제어에 소요되는 시간은 최소 0.02초에서 최대 0.7초인 것으로 측정되었다. 이 소요 시간은 위상 변조기에 입력되는 변수 외에도 알고리즘 내부에 적용되는 변수의 최적화와 데이터 입출력에 필요한 시간을 줄이는 하드웨어적인 기능 상승을 통해 더욱 줄일 수 있을 것으로 예상된다.

Figure 5. Laser beam powers (a) non-phase-matched and (b) phase-matched.

회절 광학 소자를 투과하는 단일 빔과 결합된 빔의 프로파일 비교는 그림 6과 같다. 그림 6에 따르면 단일 빔의 세기는 0.5 × 10³이며, 위상 제어된 결합빔의 세기는 3.27 × 10³로 위상 제어를 거쳤을 시 빔의 세기가 약 6.4배 커진 것으로 측정된다. 또한 결합된 빔의 위상을 제어했을 때의 최대 출력인 46.5 mW [그림 5(b) 참조]는 위상을 제어하지 않고 소자를 투과한 결합빔의 출력을 시간별로 측정을 진행하였을 때의 최대값 48.3 mW [그림 5(a) 참조]에 비해 3.7%의 손실을 가지는 것으로 보아 위상 제어를 통해 얻을 수 있는 최대 출력에 근접하였다고 판단된다. 또한 소자를 투과하기 전 단일 빔 출력의 총합인 64.9 mW와 비교했을 때 약 71%의 효율을 가진다. 이러한 회절 광학 소자 입사광 분할 효율 저하의 원인은 입사광 구성 성분이 0차, 1차 성분 외의 고차 성분이 상당량 섞여 있기 때문으로 여겨지며, 그에 따라 이를 역으로 적용한 빔결합 효율 또한 떨어지는 것으로 판단된다.

Figure 6. Intensity of a single beam and a combined phase-matched laser beam.

연구에서 제작한 3 채널 광섬유 레이저가 회절 광학 소자를 투과한 후, 단일빔과 결합빔 각각의 M²는 그림 7과 같다. 단일 빔의 M²는 수평, 수직 방향으로 각각 1.04, 1.05인 것으로 측정되었다. 결합빔의 M²는 위상이 제어되지 않을 시 수평, 수직 방향으로 각각 1.15, 1.10, 위상이 제어될 시 수평, 수직 방향으로 각각 1.04, 1.04인 것으로 측정되었다. 이로 미루어볼 때 단일빔과 위상을 제어한 결합빔은 거의 차이가 없다고 볼 수 있으나, 위상이 제어되지 않은 결합빔은 빔 품질이 떨어지는 것을 알 수 있다. 이는 위상을 제어하지 않은 결합빔의 M² 측정 중 빔세기가 시간에 따라 변화하면서 나타난 것으로 여겨진다.

Figure 7. M² of single, non-phase-matched, and phase-matched combined beams.

상업용 회절 광학 소자를 이용하여 SPGD 알고리즘으로 3 채널 레이저 빔결합을 구현하였다. 3 채널 레이저 시스템은 시드 레이저를 공유하는 광섬유 레이저로서 각 채널의 위상을 조절할 수 있는 광섬유 위상 변조기를 포함하고 있다. 상업용 회절 광학 소자는 1 × 3 광분할기로 분할 효율이 약 84%인 제품이고, 빛을 역으로 입사시켜 광결합기로 활용하였다. 회절 광학 소자를 투과한 빔은 각 채널의 위상변화에 따라 보강, 상쇄간섭이 발생하여 출력에 변화가 있었는데, 수직 입사 시 0차 성분의 출력은 2.9 mW에서 48.3 mW까지 변화하였다. 이는 회절 광학 소자의 분할 효율이 충분히 크지 않고, 1차 성분 이상의 고차 회절빔을 고려하지 않아서 나타나는 손실인 것으로 파악되었다. 또한 소자를 투과한 빔의 출력을 최대로 유지하기 위하여 각 채널의 위상을 SPGD 알고리즘을 통해 45초 간 제어하였으며, 제어된 0차 성분의 출력은 측정 시간 내 최대 46.5 mW로 이 때 빔결합 효율은 약 71%였고, 전체 시간 대비 91.8%의 구간에서 42 mW 이상의 출력을 유지할 수 있었다.

본 연구에서는 상업용 회절 광학 소자를 사용하고 SPGD 알고리즘을 활용하여 레이저 빔 출력부와 가까운 거리에서 빔을 결합함으로써 낮은 비용으로 간결한 결맞음 빔결합을 구현하였으며, 이후 고효율 회절 광학 소자 이용을 통해 빔결합 효율을 보다 높일 수 있을 것으로 기대한다.

LIG Nex1 연구 재원 지원.

저자는 본 논문과 관련된 어떠한 이해충돌 사항도 없었음을 밝힌다.

본 연구의 결과 분석 및 생성된 데이터는 모두 본 논문 내 명시되어 있으며 공공의 이용이 가능하다. 데이터에 접근하거나 사용하고자 하는 이는 저자에게 타당한 이유를 밝히고 허가를 득해 사용 가능하다.