• 한국광학회지
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• 제34권1호
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• pp.1-12
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• 2023

본 연구에서는 다채널 결맞음 빔결합 시스템을 위한 위상제어 방식으로 covariant matrix adaption evolution strategy (CMA-ES) 알고리즘 및 stochastic parallel gradient descent (SPGD) 알고리즘을 결합한 이중 위상제어 알고리즘을 제안하고 그 동작 특성을 전산모사를 통해 분석한다. 제안하는 CMA-ES/SPGD 이중 위상제어 알고리즘은 결합된 최종 출력광 세기가 미리 설정된 특정값에 도달하기 전까지는 그 위상제어 최적화를 CMA-ES 알고리즘을 통해 진행하고, 그 이후에는 SPGD 알고리즘으로 전환하여 진행하는 순차적 이중 구조를 취한다. 이를 이상적인 7채널과 19채널 광섬유 결합기 기반 결맞음 빔결함 시스템에 적용하였을 때, 위상제어 최적화 평균 수렴시간이 기존의 SPGD 알고리즘만 단독적용한 경우에 비해 약 10% 단축됨을 확인하였다. 뿐만 아니라, 동일한 결맞음 빔결함 시스템에서 실제 환경과 유사하게 각 채널광에 위상잡음을 부가적으로 인가한 경우, 본 연구에서 제안하는 이중 위상제어 알고리즘을 적용할 경우 주어진 조건에서 그 평균 수렴시간이 기존의 SPGD 알고리즘만 단독적용한 경우에 비해 7채널 시스템의 경우 약 17%, 19채널 시스템의 경우 약 16-27% 정도 단축됨을 확인하였다. 본 연구에서 제안한 CMA-ES/SPGD 이중 위상제어 알고리즘은 향후 실제 대기 환경과 같이 위상잡음 효과를 무시할 수 없는 조건에서 결맞음 빔결합을 구현시 매우 유용하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

• 한국광학회지
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• 제31권6호
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• pp.247-258
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• 2020

본 논문에서는 대기외란에 따른 SPGD 위상제어 알고리즘 기반 결맞음 빔결합 시스템의 위상제어 동작성능을 논의한다. 대기의 외란에 대한 통계적 이론을 바탕으로 전산모사를 통해 대기외란에 의한 레이저빔의 위상 및 파면 왜곡에 대한 분석과 왜곡된 빔을 통해 얻게 되는 7채널 및 19채널 결맞음 빔결합 결과를 도출하고, 이를 통해 대기외란의 정도에 따른 빔결합 시스템의 위상제어 동작성능 및 효율을 수치적으로 비교분석한다. 분석 결과, 7채널 결맞음 빔결합의 경우, 대기외란 파라미터 cn2 값이 10-13 m-2/3 까지 증가한 상황에서도 SPGD 위상제어 알고리즘을 적절히 적용할 경우 90% 이상의 빔결합 효율로 시스템의 위상 잠금이 가능하다는 것을 확인하였다. 19채널 결맞음 빔결합의 경우, 동일한 대기외란 조건에서도 대기의 굴절률 비균질성(refractive index inhomogeneity)의 영향이 더 커서 빔결합 효율이 60% 수준으로 급격하게 감소할 수 있음을 확인하였다. 또한, 대기외란이 있는 상황에서 위상잠금시점까지 요구되는 알고리즘의 반복연산 횟수와 대기현상의 변화간격을 비교분석함으로써, 다채널 결맞음 빔결합 시스템이 ㎲의 간격을 가지는 대기외란 상황에서도 정상동작을 하기 위해서는 SPGD 위상제어 알고리즘의 연산대역폭이 수백 MHz에서 수 GHz까지 확장되어야 한다는 것을 확인하였다. 향후, 대기외란이 SPGD 위상제어 알고리즘 기반 결맞음 빔결합 시스템의 위상제어 동작성능에 미치는 영향을 정량적으로 분석하고 예측하는 데 있어서 본 논문의 결과가 유용하게 활용될 수 있을 것이라 기대된다.

• 한국광학회지
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• 제33권6호
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• pp.245-251
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• 2022

타일형 결맞음 빔결합 연구를 위하여 시드 공유형 다채널 광섬유 레이저 및 출력단, 다중 빔 정렬 기술을 개발하였다. 광섬유 레이저는 7개의 채널을 갖고, 각각의 채널당 출력 10 W 이상으로 시드, 전치 증폭기, 광 분배기, 주 증폭기로 구성된 master oscillator power amplifier 구조이다. 레이저 빔 시준 및 정렬을 위하여 틸팅 기능이 가능한 출력단을 개발하였다. 출력단은 채움값을 높이기 위하여 원통형 구조로 제작하였으며, 광섬유 엔드캡의 결합이 가능하게 하였고, 출력단 내부에 PZT를 장착하여 틸팅 기능을 구현하였다. 다중 채널 레이저의 각 채널 빔을 표적의 한 점으로 정렬하기 위하여 stochastic parallel gradient decent (SPGD) 알고리즘을 적용하였다. SPGD 알고리즘을 이용한 PZT 제어를 통해 다중 빔 정렬을 성공적으로 구현하였다. 다중 빔 정렬 기술을 이용한 결맞음 빔결합 기술 개발이 기대된다.

• 한국광학회지
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• 제35권3호
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• pp.107-114
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• 2024

본 연구에서는 다채널 결맞음 빔결합 시스템에서 공분산 행렬 적응 진화 전략(covariance-matrix-adaptation-evolution-strategy, CMA-ES) 알고리즘의 구현 가능성을 실험적으로 확인하였다. 파장이 635 nm인 결맞음 광원과 함께 공간 광 변조기를 다채널 위상 변조기 배열로 활용하는 다채널 결맞음 빔결합 시스템을 구성하고, 확률적 병렬 경사 하강(stochastic parallel gradient descent, SPGD) 및 CMA-ES 알고리즘을 결맞음 빔결합 시스템에 적용하여 획득한 두 알고리즘의 동작 특성을 비교하였다. 사각 구조인 16채널 및 벌집 구조인 19채널 결맞음 빔결합 시스템에서 두 알고리즘의 동작 특성을 평가한 결과 두 알고리즘의 동작 특성은 주어진 조건에서 평균적으로 유사하였으나, CMA-ES 알고리즘이 SPGD 알고리즘에 비해 초기 위상값 설정에 따른 동작 특성 변동이 상대적으로 작아 보다 안정적으로 동작할 수 있음을 확인하였다. 본 연구는 저자가 아는 범위 내에서 CMA-ES 위상제어 알고리즘을 다채널 결맞음 빔결합 시스템에 적용한 최초의 원리증명 시연이며, 향후 CMA-ES 위상제어 알고리즘에 기반한 다채널 결맞음 시스템에서 채널 수 증가 혹은 외부 위상잡음 효과 등을 실험적으로 연구할 때 유용하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

• 한국광학회지
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• 제32권1호
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• pp.1-8
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• 2021

단일 레이저의 출력 한계를 뛰어넘기 위한 빔결합 방법으로서, 보강간섭 원리를 이용한 타일형 결맞음 빔결합 시스템에 대해 연구하였다. 와트급 출력의 3 채널 결맞음 광섬유 레이저 및 삼각형 배치의 팁-틸트(tip-tilt) 기능을 갖춘 3 채널 출력단을 자체제작 하였다. 모니터링 시스템, 위상제어기, 3 채널 위상변조기 간의 궤환 제어 시스템(closed-loop system)을 구성하고 SPGD 알고리즘을 적용하여, 위상잠금 속도 5~67 kHz, 이상적인 계산값 대비 중심부 광세기 효율 53.3%의 성공적인 3 채널 위상잠금을 구현하였다. 빔결합 소자가 필요 없고, 가장 고출력 가능성을 가진 타일형 결맞음 빔결합을 위한 요소기술 개발이 완료되어, 향후 다채널, 고출력, 고속 제어 연구로 이어질 수 있을 것으로 기대된다.

• 한국광학회지
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• 제35권4호
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• pp.157-163
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• 2024

상업용 회절 광학 소자를 통한 레이저 빔결합 연구를 위해 시드 공유형 3 채널 광섬유 레이저와 위상 제어 시스템을 제작하였다. 회절 광학소자에 입사되는 빔의 각도를 조절하여 빔결합을 실시하고, 이 때 각 빔의 위상을 제어하여 결합된 빔의 세기가 최대가 되도록 하였다. 소자를 투과하기 전 3 채널 레이저의 출력은 약 65 mW이다. 결합된 빔의 세기는 각 채널의 위상 변화에 따라 2.9-48.3 mW로 변화하였으며, 45초간의 위상제어를 통해 결합된 빔의 출력은 42 mW로 전체 시간의 91.8% 이상의 구간에서 출력을 유지할 수 있었다. 본 연구에서 더 나아가 향후 회절 광학 소자의 효율을 높이고 위상 제어 시스템의 성능을 개선함으로써 빔결합 효율을 더 높일 수 있을 것으로 기대된다.