JP2006516811A - ファイバレーザ - Google Patents

Abstract

特性波長でレーザ放射を発生する光ファイバが、第１のマルチモードコア領域と、ポンプ放射によりポンプされると特性波長で放射を発生するコア領域に埋め込まれた活性領域とを有している。コア領域はファイバの長手方向のレーザ放射をガイドし、かつポンプ放射をガイドするように適合させられている。活性領域は、活性領域内で発生した放射が活性領域内に閉じこめられないのに十分なほど小さな横方向の寸法を有している。

Description

優先権の主張
この出願は、米国連邦法規類集 タイトル３５ §１１９（ｅ）に基づき、２００３年１月２４日提出のアメリカ合衆国特許出願通し番号第６０／４４２，１２３号及び２００３年５月１５日提出の通し番号６０／４７０，４４６号に対して優先権を主張するものである。上記アメリカ合衆国特許出願の全内容は参考として本明細書に取り込まれている。

技術分野
本発明はレーザ、より具体的にはファイバレーザに関する。

背景
ダイオードポンプファイバレーザは長くて薄いジオメトリを有しており、バルク固体レーザのジオメトリよりも良好な熱除去が可能である。現在では、ファイバを通してポンプレーザから送られることの多いポンプ光は、ファイバレーザの外側コアに入り、この外側コアに閉じこめられ、ファイバの内側コアを通過するように方向転換され、この内側コアでレーザ活物質を励起して光を発生させ、増幅する。ポンプ光はファイバの端部を通して又はファイバの側部を通して入ってもよい。

多くの固体レーザの出力波長はおよそ１〜２μｍの間である。この波長域内のレーザ出力を得るために、半導体材料をＮｄ，Ｅｒ，Ｙｂ，Ｖｎのようなドーパントでドープすることもできる。したがって、以下の文章では、以下で説明するファイバレーザがこの範囲の出力波長を有しているものと仮定する。出力波長がこの仮定と異なっている場合には、ファイバレーザの寸法は適切に出力波長に合わせてスケーリングされる。

ポンプ光パワーをファイバの全長にわたって所望の波長で出力レーザパワーに変換するためには、「ダブルクラッドファイバレーザ」が使用されている。このようなダブルクラッドファイバレーザは一般に（ポンプレーザ波長用の）マルチモードクラッドに埋め込まれた（出力レーザ波長用の）シングルモードコアから構成されており、マルチモードクラッド自体は外側クラッドに埋め込むことができる。

ファイバレーザのマルチモードクラッドは数十μｍ〜数百μｍのオーダーの直径を有している。マルチモードクラッドはポンプレーザダイオードからの光を透過させる。ポンプレーザダイオードはファイバの側面に沿って入力結合される（すなわち、「サイドポンプファイバレーザ」）か、又はファイバの一方の端部又は両端に位置している（すなわち、「エンドポンプファイバレーザ」）。

シングルモードコアは数μｍのオーダーの直径を有し、レイジングドーパントを含有している。ドーパントはポンプ波長を吸収し、コア内部で出力レーザ波長に対する利得を生じさせる。シングルモードコアは損失の低い最低次の導波モードしか搬送しないので、高次モードにおけるレイジングは起きず、シングルモードファイバレーザからは高品質の回折制限ビームを得ることができる。このようなシングルモードファイバの活性領域である内側コアの直径は、一般に、最低次のガウシアンモードが実質的な損失なしに活性コア内を伝播することのできる唯一のモードとなるように選択されている。言い換えれば、直径は最低次のガウシアンモード以外のどの高次モードに対するカットオフ周波数も活性媒質のレイジング周波数よりも上になるように選択されている。したがって、これらのモードは活性コアに閉じこめられて伝播することができない。

一般に、このようなダブルクラッドファイバレーザが良好に機能するためには、ポンプ波長はクラッドとコアの両方に効率的に貫入しなければならず、その一方で出力レーザ波長はコア内でのみ搬送されなければならない。コアとクラッド層との間の屈折率の違いにより、出力レーザ波長の光は確実にコア領域に閉じこめられる。

多くの材料加工用途（例えば、金属の切断及び溶接）向けには、高出力（数ｋＷ）連続波（“ｃｗ”）と（回折制限ビームに近い）高品質ビームが望ましい。ファイバのジオメトリは数ｋＷでの動作によく適している。というのも、過度の熱をファイバの全長にわたって有効に除去することができるからである。しかしながら、ファイバ内の放射強度Ｉ_ｍｉｎ（１平方センチメートルあたりのワットで測定）は、所与のレーザ波長に関して、出力パワーＰ_Ｌ（ワットで測定）に比例し、
Ｉ_ｍｉｎ∝Ｐ_Ｌ
強度が非常に高い場合には、実質的に有効レーザ動作を妨げる非線形効果が生じる。典型的なシングルモードファイバレーザのコアの直径は出力レーザ光の波長によって制限されるので、これらの条件は、シングルモードｃｗ動作に対して、現在のところ２００Ｗの有効な電力上限を課す。

概要
十分な量のレーザ光が発生する活性領域のサイズを縮小することにより、発生した光はファイバレーザの活性領域に閉じこめられない。ファイバレーザの利得が低い場合及び／又はファイバレーザにおいてモード弁別部が使用されている場合には、ファイバレーザは、発生した光がファイバレーザのマルチモード導波管内に送られる場合でさえ、シングルモードレーザとして動作することができる。

第１の一般的側面においては、特性波長でレーザ放射を発生する光ファイバは第１のマルチモードコア領域と、ポンプ放射によりポンプされると特性波長で放射を発生するコア領域に埋め込まれた活性領域とを有している。コア領域はファイバの長手方向のレーザ放射をガイドし、かつポンプ放射をガイドするように適合させられている。活性領域は、活性領域内で発生した放射が活性領域内に閉じこめられないのに十分なほど小さな横方向の寸法を有している。

本発明は以下の特徴のうちの１つ又はそれ以上を有することができる。例えば、活性領域内に特性波長で発生する放射のおよそ５０％未満、又は１０％未満、又は５％未満、又は２％未満が活性領域内に閉じこめられるようにすることができる。活性領域の横方向の寸法が特性波長よりも短い。活性領域は第１の屈折率とは異なる第２の屈折率を有し、活性領域の横方向の寸法と、第１の屈折率と第２の屈折率との間の差は、活性領域内で発生した放射が活性領域内に閉じこめられないように組み合わされている。

所望のモードはファイバの最低次モード又はガウシアンモードであってよい。光ファイバの長手方向に沿った利得が十分に小さいため、所望のレーザモードはレイジング閾より上で動作し、その一方で他のすべてのモードはレイジング閾よりも下で動作する。

光ファイバはさらに、マルチモードファイバ内に発生した不所望なモードの光を弁別し、その一方で所望のモードの光についてはマルチモードファイバモード内を伝播することを許可するモード弁別部又はモード弁別手段を有する。

モード弁別部はミラーと第１のマルチモードファイバとの間に定められた自由空間伝播路であってよい。光ファイバは自由空間伝播路内に配置された光学素子をさらに有していてもよく、この光学素子は、所望のモードで第１のマルチモードファイバから発し、ミラーによりマルチモードファイバに反射し返された光を透過させるように構成してよい。この光学素子は、不所望なモードで第１のマルチモードファイバから発された光は透過させず、第１のマルチモードファイバに戻らせないように構成してよい。この光学素子はレンズとすることができる。

光ファイバはさらに、レーザ放射をガイドする第２のマルチモード光ファイバを有してもよく、モード弁別部は第１のマルチモードファイバと第２のマルチモードファイバの間の自由空間伝播路であってよい、又はモード弁別部は第１のマルチモードファイバと第２のマルチモードファイバの間に配置された第３のマルチモードファイバであってよい。モード弁別部が自由空間伝播路である場合には、光ファイバはさらに自由空間伝播路内に配置された光学素子を有し、該光学素子が所望のモードで第１のマルチモードファイバから発した光を第２のマルチモード光ファイバ内へと透過させるように構成することができる。この光学素子はレンズであってよい。モード弁別部が第３のマルチモードファイバである場合には、第３のマルチモードファイバがファイバの半径方向に沿って変化する屈折率を有するようにすることができる。

モード弁別部は光ファイバの強く曲げられた区間であってよい。モード弁別部は光ファイバの強く曲げられた複数の区間であってもよく、これらの曲げられた区間は実質的に平行でない平面に位置するものとすることができる。光ファイバの強く曲げられた区間のうちの少なくとも１つは実質的に腎臓の形に曲げられているものとしてよい。

第２の一般的側面において、特性波長を有するレーザエネルギーをシングル光学モードで表面に供給する方法は、マルチモード光ファイバ内に埋め込まれた活性領域をポンプエネルギーでポンプし、特性波長を有するレーザエネルギーを発生させ、発生した光をマルチモードファイバで表面にガイドする。ただし、前記活性領域の横方向の寸法は特性波長よりも短い。

別に定義しないかぎり、本明細書において使用されるすべての技術的及び科学的用語は、本発明の属する分野における通常の知識を有する者によって普通に理解される通りの意味を有している。本明細書で説明されている方法及び材料に類似の又は等価な方法及び材料は本発明の実施又は試験において使用することができるが、適切な方法及び材料は以下に説明されている。本明細書で言及されているすべての刊行物、特許出願、特許、及び他の参考文献は全体的に参照として取り込まれている。両立困難な場合には、定義を含めて本明細書が支配する。さらに、材料、方法、及び、実施例は単に説明のためのものであり、限定的なものと解されてはならない。

本発明の他の特徴及び利点は以下の詳細な説明と請求項とから明らかとなる。

図面の説明
図１ａは円筒形ファイバレーザの概略図である。
図１ｂは円筒形ファイバレーザの概略的な断面図である。
図１ｃは円筒形ファイバレーザの概略的な断面図である。
図１ｄは円筒形ファイバレーザの概略的な断面図である。
図１ｅは円筒形ファイバレーザの概略的な断面図である。
図１ｆは円筒形ファイバレーザの概略的な断面図である。
図２は矩形ファイバレーザの概略的な断面図である。
図３ａはサイドポンプファイバレーザの概略図である。
図３ｂはサイドポンプファイバレーザの概略図である。
図３ｃは自由空間伝播路により分離されたレーザ区間を有するファイバレーザの概略図である。
図３ｄはモード弁別区間により分離されたレーザ区間を有するファイバレーザの概略図である。
図４ａはモード弁別区間の概略的な側面図である。
図４ｂはモード弁別区間の概略的な側面図である。
図４ｃはモード弁別区間の概略的な側面図である。
図４ｄはモード弁別区間の概略的な側面図である。
図４ｅはモード弁別区間の概略的な側面図である。
図４ｆはモード弁別区間の概略的な側面図である。
図５ａは端部にモード弁別区間が設けられたファイバレーザの概略的な断面図である。
図５ｂは端部にモード弁別区間が設けられたファイバレーザの概略的な断面図である。
図５ｃは端部にモード弁別区間が設けられたファイバレーザの概略的な断面図である。
それぞれ異なる図の中の同じ参照記号は同じ構成要素を指す。

詳細な説明
ファイバレーザは、レーザ放射の波長に比べて大きな断面を有する主に受動的な導波管内でレーザ放射を搬送することができる。この大きな導波管断面が、非線形効果なしで数ｋＷの出力を可能にする値にまで導波管内の放射強度を低下させる。レーザのマルチモード動作を防止するために、装置の利得は最低次モードの閾より僅かに高い値まで下げられる。高次モードは１つ又は複数のモード弁別区間の使用及び／又は最低次モードに対して高次モードの損失を増大させるレーザ共振器の使用によって抑制される。利得の低減は活性媒質のサイズならびにレイジングモードとファイバ内の活性媒質との重なりを大幅に減少させることにより実現される。

ここで説明されるファイバレーザシステムでは、レーザの出力限界は他の多くの非ファイバ型レーザの場合のように熱の考慮によって決定されるものではない。その代わりに、ファイバレーザの出力は非線形散乱の生じるビーム強度によって限界付けられる。したがって、一般に、ファイバレーザの数ｋＷのシングルモード動作は、ポンプ光と出力レーザ光とが同じマルチモードファイバコアを共有し、また出力レーザ波長の最低次モードでさえ領域内に閉じこめられないほど小さな１つ又は複数の領域に活性（ドープされた）媒質が制限されているようなファイバにおいて実現される。これは、例えば、活性領域が出力レーザビームの波長λよりも小さい場合に実現され得る。ビームは、活性領域に閉じこめられないので、マルチモードファイバコアの寸法により決まる空間的外形を有することができる。なお、マルチモードファイバコアの寸法は一般にシングルモードファイバコアの寸法よりも格段に大きい。ビーム外形の増大によって、ファイバレーザは感知し得るほどの非線形効果の生じるレベルまでファイバ内の強度を上げることなしに数ｋＷの出力を生じることができるようになる。

さらに、活性領域の小さな断面積がファイバ内の全体的な利得を低下させる。利得が低いため、レーザビームがそのピーク動作電力に達するには、レーザキャビティ内での多くの往復が必要とされる。したがって、異なるモード間の正味利得の小さな差がモード間の効果的な弁別をもたらす。活性領域とそのそれぞれのドーパント濃度は、活性領域内で発生した光が好適には低次モードに結合し高次モードから弁別されるように、分布させることができる。さらに、活性領域はマルチモードコア内でのローカルポンプ光モードの発生を減少させるようにマルチモードコア内に分布させることもできる。なお、このローカルポンプ光モードは、活性領域とのオーバーラップを避けることによりポンプ効率を低下させるものである。加えて、活性領域からのポンプ光の散乱を減少させるために、活性領域の屈折率ｎ_１を活性領域を囲むファイバコア領域の屈折率ｎ_２に一致した屈折率にしてもよい。しかしながら、屈折率ｎ_１はｎ_２及び／又はコアを囲むクラッド領域の屈折率ｎ_３と何らの関係をもっていなくてもよい。高次モードの弁別は、ファイバ区間内もしくはファイバ区間の間又はファイバの端部にある１つ又は複数のモード弁別区間内の高次モードの比較的大きな結合損を利用することによって実現することができる。

図１ａを参照すると、ファイバレーザ（９５）は、（例えば、「ポンプ」放射によって）活性媒質にエネルギーが供給されると、活性媒質に特徴的な波長でファイバ内に放射を発するレーザ活性媒質を有する光ファイバ（１００）から形成することができる。２つの反射器（９７）がファイバ（１００）内に光共振器を画定しており、放射はこの光共振器内で往復し、ファイバ内の活性媒質から放射の誘導放出を引き起こすことができる。放射の誘導放出により引き起こされた光利得が共振器内での光損失よりも大きい場合には、全体的な増幅を受け、ファイバの「レイジング」の間、共振器内で放射が強まる。反射器（９７）は、例えば、ファイバ（１００）に書き込まれたブラッグ格子、又はファイバ（１００）の外部に配置することのできるミラーであってよい。反射器（９７）のうちの少なくとも１つは、共振器から放射が出力結合されるように、部分透過性を有するものとすることができる。

光ファイバのファイバコア（２）の内部には、ポンプ光でポンプされるとレーザ波長で光を発する活性領域（１）がある。図１ｂには１つの活性領域（１）が示されているが、複数の活性領域（１）をファイバコア（２）内に分布させてもよい。活性領域で発生した放射が活性領域（１）に閉じこめられないことを保証するため、活性領域（１）の少なくとも１つの寸法は出力波長λを有する最低次モードのサイズよりも小さい。例えば、ファイバコア（２）内に埋め込まれた円筒形の活性領域（１）に関しては、活性領域（１）の直径ｄ_１をレーザ出力の波長λよりも小さくしてよい。活性領域（１）の寸法を小さくすることによって、活性領域（１）内へのレーザモードの閉じこめが有効に抑制される。

より一般的なケースでは、領域のサイズだけでなく、領域とその周囲領域との屈折率の対比も、放射を領域内に閉じこめ及びガイドし得る。例えば、屈折率ｎ_２のクラッドに包囲された、半径ｒ、屈折率ｎ_１の活性領域を有し、且つ波長λの放射を搬送する円筒形ファイバでは、活性領域は
ｒ（ｎ_１ ^２−ｎ_２ ^２）^１／２＜２．０４５λ／２π
のときには最低次モードだけをサポートする。ｒ（ｎ_１ ^２−ｎ_２ ^２）^１／２がこの値より小さくなるにつれて、フィールドの益々大きな割合が活性領域からクラッドの中へと漏れる。最低次モードの強度の約５０％以上が活性領域外にあれば、活性領域がモードを閉じこめるとは言えない。

活性領域（１）の屈折率ｎ_１はファイバコア領域に一致した屈折率（ｎ_１＝ｎ_２）とすることもできるが、ｎ_１はポンプ波長及び／又は出力レーザ波長のいずれについてもｎ_２及び／又はｎ_３と何ら特定の関係を有している必要はない。活性領域（１）の屈折率がファイバコア領域に一致した屈折率である場合には、活性領域は屈折率導波により発生した放射を閉じこめない。コア領域（２）の直径ｄ_２はレーザ出力の波長λよりも大きい。コア領域（２）の直径は、複数の非零次モードがファイバ内を伝播することができるように波長λよりも十分に大きくしてよい。例えば、λ＝１μｍならば、ｄ_２はおよそ３〜５０μｍとしてよい。

図１ｃを参照すると、ファイバコア（２）の円対称性はファイバコア（２）を２つの半円に分け、そのうちの一方を互いに他方の方へとずらすことにより破ることができる。このような形状のファイバ（１００）、又はファイバ（１００）の半径方向の軸に実質的に平行な平面窓面を有する他の類似の形状のファイバ（１００）は、ファイバ側面に沿って形成された１つ又は複数の表面（２１）を介してファイバ（１００）の効果的なサイドポンピングを行うのに便利である。ポンプ光が平面表面（２１）を通ってファイバ（１００）に入ると、ポンプ光はファイバ（１００）の曲がった外表面（２２）により完全内反射され、ファイバ（１００）の内部全体に拡散する。ファイバコア（２）は図１ｂに示されているような円形の断面を有することができるが、図１ｃに示されているような又はアメリカ合衆国特許第６，１０１，１９９号、第５，５３３，１６３号、第４，８２９，５２９号、及び第４，８１５，０７９号に示され、説明されているような他の非円形断面を有していてもよい。なお、上記アメリカ合衆国特許は参考として本明細書に取り込まれている。対称性の破れたファイバコア（２）は効率的なファイバポンピングに役立てることができる。というのも、対称性の破れがファイバ（１００）内に入射したポンプ光のフィールドにおけるローカルモードの立ち上がりを抑制するからである。

ファイバ（１００）は周知の標準的技術により作成することができる。例えば、プレフォームは様々な技術を用いて（例えば、融解石英の煤を融解石英の内壁に堆積させ、その結果生じた管を焼結してロッドを成形することにより；融解石英の煤をセラミックロッドの外側に堆積させ、その結果生じた構造物を冷却し、ロッドを取出し、その結果生じた管を焼結してロッドを成形することにより；又は融解石英の煤を元となる純粋な石英のロッドに軸方向に蒸着させてロッドを成形することにより）作成することができる。プレフォームはフライス削り又は切削により所望のファイバ断面形にカットされる。例えば、円筒形のプレフォームを長手軸に沿って半分にカットし、この２つの半円筒形の半分を相互にオフセット位置で焼結することにより再び接着させて最終段階のファイバに所望の断面を形成することができる。それから、ファイバは周知の技術を用いてプレフォームから引き抜かれ、引き抜かれたファイバの断面は、ファイバを引き抜いたもとのプレフォームの断面形を保持する。活性（１）領域はファイバコア（２）の中心から僅かに外すことができるので、コア（２）の半分が分離されても中断されない。

図１ｄを参照すると、複数の活性領域（１）はコア（２）全体に分布させることができる。各活性領域（１）は、活性領域（１）で発生した放射が活性領域（１）によって閉じこめられないような寸法（例えば、直径）及び周囲コア（２）との間の屈折率の対比を有している。個々の活性領域（１）のドーパント濃度（１１）は、コア（２）内での個々の活性領域の位置に応じて異ならせてよい。例えば、個々の活性領域（１）により形成されるコア（２）の断面全体にわたる総利得が所望の低次ファイバレーザモードの強度分布に段階的に適合するように、ドーパントはコアの外周よりもコア（２）の中心近くで比較的高くしてよい。

図１ｅを参照すると、ファイバ（１００）はクラッド（３）、コア（２）、及び、薄い同心円状のリングの形に配置された複数の活性領域（１）を有している。リングの厚さｄ_ｒ及びその周囲材料との屈折率の対比は、放射が個々の活性領域（１）内に閉じこめられないようなものである。異なるそれぞれのリングのドーパント濃度は、所望のモードの空間的な外形に合うように選択することができる。例えば、ガウシアンモードに合わせるためには、軸の活性領域は最も外側のリングよりも高いドーパント濃度を有する。リング形活性領域（１）は円形から成っている必要はなく、同心円状に配置されなくもよいし、又はまったく互いの内側に配置されなくてもよい。

図１ｆを参照すると、ファイバ（１００）はクラッド（３）、コア（２）、及び、活物質（１）の薄いスラブを有している。活物質（１）の真っ直ぐな又は曲がったスラブの厚さｄ_ｌは、放射が活物質内に閉じこめられないような厚さと周囲コアとの屈折率の対比とを有している。

もちろん、ファイバコア内に分布した多数の活性領域（１）は、図１ｂ〜図１ｆに関連して上で説明した基本形状の任意の組合せから成っていてもよい。

図２ａを参照すると、ファイバ（１００）はクラッド（３）、活物質（１）、及び、長方形の形状を有することのできるファイバコア（２）を有している。長方形の形状はファイバコアのダイオードポンピングに便利であり得る。長方形ファイバコア（２）の両方の寸法（高さａと幅ｂ）は、コア（２）内でポンプ光のマルチモード伝播が可能となるように、ファイバレーザ出力波長λに比べて十分に大きい。活性領域（１）に対して図１ｂ〜図１ｆに関連して上で説明したすべての形状及び形状の組合せが可能であるのに対して、直線状活性領域は図２ｂに別に示されている。なぜならば、直線状のジオメトリは図示された直方形導波管に特に適しているからである。λ＝１μｍの出力波長を有するファイバレーザに対しては、長方形ファイバコアの高さ及び／又は幅をおよそ３〜５０μｍとすることができる。

図３ａを参照すると、ファイバ（１００）内の活性領域を励起するのに用いられるポンプ放射を形成するために、複数の高出力ダイオードレーザ（１５）を使用することができる。ポンプ放射はファイバの側壁を通してファイバ（１００）内に入射させることができる。例えば、ポンプレーザ放射は、受動的な平面ガラスプレート（１７）を通して、エッチング、切削、又は他の方法でファイバ（１００）内に成形された平面窓（２１）に結合させることができる。ポンプ放射は窓（２１）を通ってファイバ（１００）のコア（２）に入力結合される。高出力ダイオードレーザは互いに隣接しているように示されているが、これは不可欠ではない。どの２つのダイオードレーザの間の距離もファイバレーザのニーズに最も良く合うように選択することができる。

図３ｂを参照すると、ファイバレーザ（１００）は、単一のポンプダイオードレーザ（６０）がファイバの１つより多くのループに光を入射させることができるように、ファイバレーザに沿って分布した１つ又は複数のマルチモードダイオードレーザ（６０）でサイドポンピングされることができる。なお、このマルチモードファイバ（６０）は重なり合うループに巻かれていてもよい。半透明の出力結合ミラー（５１）と反射性のリアミラー（５２）は所望の低次ファイバレーザモード（１０）に対して低い損失フィードバックを供給する。例えば、ファイバレーザ（１００）は、多数の接続されたファイバ束により、ファイバ（１００）内のＶ溝の中へポンプ光を照射することにより、又は、側面のファセット（２１）を通してファイバ（１００）内にポンプ光を照射することによりポンプされ得る。

図３ｃを参照すると、不所望なモードがファイバレーザ（１００）内で共振するのを防ぐために、ファイバレーザ（１００）を自由空間伝播路（１０２）により分離された異なる区間（１０１）に分けてもよい。ファイバ結合部（１０３）において、ファイバレーザモードはこのモードに特徴的なビームの開きを以てファイバ区間（１０１）を離れる。レーザ放射は次のファイバ区間（１０３’）に結合するまで自由空間伝播路（１０２）内を伝播する。ビームの開きの小さい低次モードが大きな結合損なしに自由空間伝播路（１０２）を渡ることができるのに対して、高次モードはかなりの結合損を被り、それゆえ実質的に抑制される。これにより、ファイバレーザ（１１０）のマルチモードファイバコア内での低次モードレーザ動作が保証される。

図３ｄを参照すると、ファイバレーザ（１１０）は分散したモード弁別区間（１３０）によって分離された異なる区間（１０１）に分けることができる。これらの分散したモード弁別区間（１３０）の機能により、ビームの開きの小さい低次モードは大きな損失なしに分散モード弁別区間を通過することができるのに対して、高次モードはかなりの損失を被り、それゆえ実質的に抑制される。これにより、マルチモードファイバコア（２）内での低次モードレーザ動作が保証される。モード弁別区間（１３０）は以下でさらに詳細に特定される。

図４ａは、ファイバコア（２）とファイバクラッド（３）とを有する２つのファイバ区間（１０１及び１０１’）としてモード弁別区間（１３０）を示している。ファイバコア（２）とファイバクラッド（３）は、ハウジング（８０）の中に保持され、自由空間伝播路により互いから離されている。所望の最低次モード（２１）は一方のファイバ区間（１０１）に存在し、小さなビームの開きを以て自由空間内を他方のファイバ区間（１０１’）の入口へと伝播する。出入力結合と自由空間伝播の最中にこのモードが被る損失は非常に小さく、このモード（２１）のレーザ動作の効率は大幅に低下しない。しかし、高次モード（２２）は自由空間伝播路を介した結合の最中にかなりの損失を被る。というのも、高次モードの比較的大きなビームの開きが次のファイバ区間（１０１’）への効率的な結合を妨げるからである。レーザ共振器はファイバレーザ（１）内で両方向に伝播する光を含んでいるので、上記の技術及び装置は他方の方向（区間（１０１’）から区間（１０１）へ）に伝播する光についても有効である。ファイバ端がハウジング（８０）の内部に配置されている場合には、従来技術によるシーリング剤とシーリング手法（８）を用いてハウジング（８０）内の露出端を封止し、ほこりの進入を防いでもよい。

図４ｂは、ファイバコア（２）とファイバクラッド（３）とを有する２つのファイバ区間（１０１及び１０１’）としてモード弁別区間（１３０）を示している。ファイバコア（２）とファイバクラッド（３）はハウジング（８０）の中に保持され、自由空間伝播路により互いから離されている。さらに、所望の低次モード（２１）を効率的に結合し、またその一方で不所望のモード（２２）を効率的に弁別するために、光学素子（５３）（例えば、レンズ）が２つのファイバ区間（１０１及び１０１’）の間の自由空間伝播路内に配置されている。光学素子（５３）によって、所望のモード（２１）の結合効率は高められる。というのも、一方のファイバ区間（１０１）の端部から発した光を他方のファイバ区間（１０１’）の端部に光学的に投射することができるからである。光学素子（５３）はまた、最低次モードを弁別し、その一方で所望の高次モードを一方のファイバ区間（１０１）から他方のファイバ区間（１０１’）へ効率的に結合するために使用することもできる。例えば、光学素子（３５）を最低次モードのビームの開きを増大させる１つ又は複数のレンズから構成することにより、一方のファイバ区間（１０１）から他方のファイバ区間（１０１’）への最低次モードの結合を減少させるとともに、所望の高次モードの結合効率を最適化することができる。

図４ｃは、ファイバコア（２）とファイバクラッド（３）とを有する２つのファイバ区間（１０１及び１０１’）として、モード弁別区間（１３０）を示している。ファイバコア（２）とファイバクラッド（３）は、ハウジング（８０）の中に保持され、第３のファイバ区間（１９９）により互いから離されており、第３のファイバ区間（１９９）はコア（１９０）とファイバクラッド（１９１）を有しており、ファイバクラッド（１９１）は位置（２００）においてファイバ区間（１０１）及び（１０１’）に接続されている。コア（１９０）の断面はファイバ区間（１０１）及び（１０１’）のコア（２）の断面よりも大きい。所望の最低次モード（２１）は、小さなビームの開きで、したがって低損失で、ファイバ区間（１９９）を通過する。しかしながら、高次モード（２２）はコア１９０内で急速に発散するのでファイバ区間（１９９）を通過する間にかなりの損失を被る。

図４ｄは、図４ｃに記載されているのと同様のモード弁別区間（１３０）を示しているが、弁別ファイバ区間（１９９）のコア（１９０）の屈折率は半径方向に沿って変化する。屈折率は、例えば、図４ｄのグラフに示されているように、コア１９０の軸上での比較的高い値から、コアの中心からある距離を置いた位置での比較的小さな値まで滑らかに変化するようにすることができる。この屈折率プロファイルは低次モードのための導管として機能し、したがってファイバ区間（１９９）を通過する間の低次モードの損失を減少させる一方で、高次モードのビームの開きを増大させることによって高次モードの損失を増大させる。クラッド（１９１）はコア（１９０）より小さな値の屈折率を有していてよい。

図４ｅは、図４ｃに記載されているのと同様のモード弁別区間（１３０）を示しているが、弁別ファイバ区間（１９９）は、不所望のモード（例えば、ビーム開きの大きなモード）の損失を増大させる一方で、所望のモード（例えば、ビーム開きの小さなモード）は低損失で通過させるファイバ回折格子（１９２）を有していてよい。回折格子（１９２）は低次モードのための導管として機能することができ、したがってファイバ区間（１９９）を通過する間の低次モードの損失を減少させ、その一方で高次モードのビームの開きを増大させることによって高次モードの損失を増大させる。

図４ｆでは、分散したモード弁別区間（１３０）はファイバの区間分け又は接続なしにファイバ（１００）それ自体から構成されている。モード弁別は、（曲げ半径が数センチメートル〜数十センチメールのオーダーである）強く曲げられた区間（１３０）を用いて行われる。この曲げられたファイバ区間（１３０）は円状又は腎臓形に曲げられたものにしてよい。マルチモードレーザビーム（２１０）が、半径ｄ＞＞λのマルチモードファイバコアを有するファイバ（１００）のこのように強く曲げられた区間（１３０）を通過すると、単一モードレーザビーム（２１１）だけがファイバの強く曲げられた区間から出てくる。ファイバ（１００）内を進行しているモードを一様に弁別するために、強く曲げられた区間（１３１）を図４ｆに示されているように３次元配置において組合せることもできる。例えば、ファイバ（１００）を時計回り方向（１３１）に曲げることで、ファイバ外半径で進行するモードを抑制する一方で、ファイバ内半径におけるモードは抑制しないようにすることができる。反時計回りに曲げられたファイバ（１３１’）区間を付加することにより、時計回りに曲げられたファイバ区間（１３１）の中を内半径で進行するモードは今や反時計回りに曲げられたファイバ区間（１３１’）の外半径で進行し、弁別される。この原理は、図４ｆに示されているように、２つより多くの寸法に拡張することができる。

図５ａを参照すると、ファイバ区間（１０１）から発するレーザ光は、レーザ共振器の出力結合器（５１）又はリアミラー（５２）により逆反射させることができる。最低次モード（２１）はファイバ端から出て、小さなビームの開きで自由空間を伝播し、出力結合ミラー（５１）又はリアミラー（５２）によって反射し、自由空間を通ってファイバ端に戻り、効率的にファイバ端に結合することができる。高次モード（２２）は有効に抑制される。なぜならば、出力結合器（５１）又はリアミラー（５２）によって逆反射された後、大きなビームの開きがファイバ端への効率的な再入（結合）を妨げるからである。

図５ｂを参照すると、出力結合器（５１）又はリアミラー（５２）の曲面曲率（５２）は所望のモード（２０）のファイバ端への結合を最適化することができる。この手法を用いて、自由空間伝播とミラー反射の後の所望のモードのファイバ端への結合をさらに向上させ、その一方で任意の不所望のモードの結合効率をさらに低下させることができる。

図５ｃを参照すると、最低次モードは最適化されたファイバ回折格子（５５）により反射させることができる。このファイバ回折格子は所望のモード（２１）の反射のために最適化されており、このケースでは所望のモード（２１）はファイバ端を出ることができず、その一方でこのファイバ回折格子はすべての高次モード（２２）を少なくとも部分的に透過させる。高次モードは出力結合損の増大を被り、それゆえ効率的に抑制される。

他の実施形態
本発明は本発明の詳細な説明との関連で記述されているが、上記の記述は本発明を例解する目的で為されているものであり、添付した請求項の範囲により規定される本発明の範囲を限定するものではない。他の側面、利点、及び変更形態は以下の請求項の範囲内にある。

円筒形ファイバレーザの概略図である。 円筒形ファイバレーザの概略的な断面図である。 円筒形ファイバレーザの概略的な断面図である。 円筒形ファイバレーザの概略的な断面図である。 円筒形ファイバレーザの概略的な断面図である。 円筒形ファイバレーザの概略的な断面図である。 矩形ファイバレーザの概略的な断面図である。 サイドポンプファイバレーザの概略図である。 サイドポンプファイバレーザの概略図である。 自由空間伝播路により分離されたレーザ区間を有するファイバレーザの概略図である。 モード弁別区間により分離されたレーザ区間を有するファイバレーザの概略図である。 モード弁別区間の概略的な側面図である。 モード弁別区間の概略的な側面図である。 モード弁別区間の概略的な側面図である。 モード弁別区間の概略的な側面図である。 モード弁別区間の概略的な側面図である。 モード弁別区間の概略的な側面図である。 図５ａは端部にモード弁別区間が設けられたファイバレーザの概略的な断面図である。 端部にモード弁別区間が設けられたファイバレーザの概略的な断面図である。 端部にモード弁別区間が設けられたファイバレーザの概略的な断面図である。

Claims (30)

1. 特性波長でレーザ放射を発生する光ファイバにおいて、
   該光ファイバは、
   第１の屈折率を有する第１のマルチモードコア領域と、
   活性領域とを有し、
   前記コア領域はレーザ放射をファイバの長手方向にガイドし、かつポンプ放射をガイドするように適合させられており、
   前記活性領域は、ポンプ放射によりポンプされると特性波長で放射を発生するコア領域に埋め込まれており、活性領域内で発生した放射が活性領域内に閉じこめられないのに十分なほど小さな横方向の寸法を有している、ことを特徴とする光ファイバ。
2. 活性領域内に特性波長で発生する放射のおよそ５０％未満が活性領域内に閉じこめられる、請求項１記載の光ファイバ。
3. 活性領域内に特性波長で発生する放射のおよそ１０％未満が活性領域内に閉じこめられる、請求項１記載の光ファイバ。
4. 活性領域内に特性波長で発生する放射のおよそ５％未満が活性領域内に閉じこめられる、請求項１記載の光ファイバ。
5. 活性領域内に特性波長で発生する放射のおよそ２％未満が活性領域内に閉じこめられる、請求項１記載の光ファイバ。
6. 活性領域の横方向の寸法が特性波長よりも短い、請求項１記載の光ファイバ。
7. 活性領域は第１の屈折率とは異なる第２の屈折率を有し、活性領域の横方向の寸法と、第１の屈折率と第２の屈折率との間の差は、活性領域内で発生した放射が活性領域内に閉じこめられないように組み合わされている、請求項１記載の光ファイバ。
8. 光ファイバの最低次のモードが所望のモードである、請求項１記載の光ファイバ。
9. 光ファイバのガウシアンモードが所望のモードである、請求項１記載の光ファイバ。
10. 光ファイバの長手方向に沿った利得が十分に小さいため、所望のレーザモードはレイジング閾より上で動作し、その一方で他のすべてのモードはレイジング閾よりも下で動作する、請求項１記載の光ファイバ。
11. マルチモードファイバ内に発生した不所望なモードの光を弁別し、その一方で所望のモードの光についてはマルチモードファイバモード内を伝播することを許可するモード弁別部をさらに有する、請求項１記載の光ファイバ。
12. 前記モード弁別部はミラーと第１のマルチモードファイバとの間に定められた自由空間伝播路である、請求項１１記載の光ファイバ。
13. 自由空間伝播路内に配置された光学素子をさらに有しており、
    該光学素子は、所望のモードで第１のマルチモードファイバから発し、ミラーによりマルチモードファイバに反射し返された光を透過させるように構成されており、かつ、不所望なモードで第１のマルチモードファイバから発された光は透過させず、第１のマルチモードファイバに戻らせないように構成されている、請求項１２記載の光ファイバ。
14. 前記光学素子はミラーである、請求項１３記載の光ファイバ。
15. レーザ放射をガイドする第２のマルチモード光ファイバをさらに有しており、
    前記モード弁別部は第１のマルチモードファイバと第２のマルチモードファイバの間の自由空間伝播路である、請求項１１記載の光ファイバ。
16. 前記自由空間伝播路内に配置された光学素子をさらに有しており、
    該光学素子は、所望のモードで第１のマルチモードファイバから発した光を第２のマルチモード光ファイバ内へと透過させるように構成されている、請求項１５記載の光ファイバ。
17. 前記光学素子はレンズである、請求項１６記載の光ファイバ。
18. 前記モード弁別部はファイバ回折格子である、請求項１１記載の光ファイバ。
19. レーザ放射をガイドする第２のマルチモード光ファイバをさらに有しており、
    前記モード弁別部は第１のマルチモードファイバと第２のマルチモードファイバの間に配置された第３のマルチモードファイバである、請求項１１記載の光ファイバ。
20. 第３のマルチモードファイバはファイバの半径方向に沿って変化する屈折率を有している、請求項１９記載の光ファイバ。
21. 前記モード弁別部は光ファイバの強く曲げられた区間である、請求項１１記載の光ファイバ。
22. 上記の光ファイバの強く曲げられた区間は実質的に腎臓の形に曲げられている、請求項２１記載の光ファイバ。
23. 前記モード弁別部は光ファイバの強く曲げられた複数の区間であり、これらの曲げられた区間は実質的に平行でない平面に位置している、請求項１１記載の光ファイバ。
24. 光ファイバの強く曲げられた区間のうちの少なくとも１つは実質的に腎臓の形に曲げられている、請求項２３記載の光ファイバ。
25. マルチモードファイバ内に発生した不所望なモードの光を弁別し、その一方で所望のモードの光についてはマルチモードファイバモード内を伝播することを許可するモード弁別手段をさらに有する、請求項１記載の光ファイバ。
26. 活性領域の横方向の寸法が特性波長よりも短い、請求項２５記載の光ファイバ。
27. 最低次のモードが所望のモードである、請求項２５記載の光ファイバ。
28. ガウシアンモードが所望のモードである、請求項２５記載の光ファイバ。
29. 光ファイバの長手方向に沿った利得が十分に小さいため、所望のレーザモードはレイジング閾より上で動作し、その一方で他のすべてのモードはレイジング閾よりも下で動作する、請求項２５記載の光ファイバ。
30. 特性波長を有するレーザエネルギーをシングル光学モードで表面に供給する方法において、
    マルチモード光ファイバ内に埋め込まれた活性領域をポンプエネルギーでポンプし、特性波長を有するレーザエネルギーを発生させ、
    発生した光をマルチモードファイバで表面にガイドし、
    ただし、前記活性領域の横方向の寸法は特性波長よりも短い、ことを特徴とする特性波長を有するレーザエネルギーをシングル光学モードで表面に供給する方法。

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