JP2008529311A - ポンプとレーザー波閉じ込めとを有するレーザーのための複合光ファイバーとレーザーへの応用 - Google Patents

ポンプとレーザー波閉じ込めとを有するレーザーのための複合光ファイバーとレーザーへの応用 Download PDF

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Abstract

本発明は、ポンプ・ガイディング・シースがコア（２）と接触してこれを包囲して成るレーザー用複合光ファイバー（１）に係るものである。ポンプ・ガイディング・シース（４）は、その材料内にコアに平行して間隔をあけて配置されている同軸キャピラリーの実質的に規則正しいマトリックス・アレーにより形成されたフォトニック構造体となっている。コアはさらにドーピング成分を持つコア材料であって、コアを通る第１の決められた波長のポンプ光信号からエネルギーを吸収することにより少なくとも一つの励起電子状態とされ、そして第２の決められた波長の光信号の形でエネルギーを放出することにより最初の状態に戻ることができ、コアは決められた直径を有し、そして前記のポンプ・ガイディング・シースも決められた直径を有している。本発明の特徴は、ポンプ・ガイディング・シースの直径がコアの直径よりも大きく、そしてコアの直径の４倍よりも小さいか、４倍に等しく、コアの直径は３５マイクロメータよりも大きいか、３５マイクロメータに等しいである。
【選択図】図３

Description

本発明はポンプ波とレーザー波とを閉じ込めるレーザ用の複合光ファイバーに係るものであって、それは高パワーレーザーを実現でき、そして種々のレーザーシステムを実現するために使用できる。レーザーと言う術語は、予め電子が付勢された状態にある元素で電子にエネルギーを放出させることによりファイバーが光を放出するようにしたものを謂い、このことはレーザーだけでなく、さらに一般的に光増幅器もその範疇にある。連続放射レーザーに使用できるけれども本発明のファイバーはパルス作動式レーザーにおいて特効がある。
一般に言って、レーザーの動作原理では材料媒体にいわゆるポンプエネルギーを転移してその材料媒体の成分元素の電子を付勢状態にして、分布反転を起こさせ、それから基底状態に戻させて所定波長のコヒーレントな電磁波輻射を生じさせ、増幅性能によってこの放射特性を高めていくのである。
しかしながら、エネルギーの変換はレーザーでは完全ではない。一方では、すべてのポンプエネルギーは分布反転を生じさせるため媒体により利用されることはない。増幅利得Ｇは、ポンプ・フルエンスＪｐ（エネルギー密度もしくは連続放射の場合には強度）と飽和フルエンスと称される媒体のパラメーターＪｓａｔとの比に比例するとして表わされる：Ｇ＝ｅｘｐ（Ｊｐ／Ｊｓａｔ）。そして媒体が高い飽和フルエンスを呈するときには、高いポンプ・フルエンスを使用すべきである。他方、放射中その放射波長はポンピングに使われた波長とは異なり、短くなっており、そして媒体の励起エネルギーの一部分は放射輻射に変換されずに媒体内で熱を発生する。もしもその材料が高いＪｓａｔを有すると、利得は低くなり、ポンプのパワー密度は高く、そして発生熱はその材料の破壊限界に達するまでになる。最後に、材料媒体は光学的に完全ではなく、そして吸収効果、回折もしくはエネルギーに対する非線形性を呈し、それらと透過輻射の品質とは妥協しなければならない。
かくしてパワーレーザーにおいて、平均パワー、エネルギーそして空間品質を組合せるのは特に困難である。現在の高パワーレーザーは、スラブレーザーの場合、もしくは静止した薄いディスクレーザーの場合に高パワーと高パルス作動エネルギーを発生させるとビームの空間品質を損なうか、もしくは高パワーを得られなくなり、ファイバーレーザーの場合パルス幅の小さいパルス作動輻射はあり得ないことになる。
高パワースラブレーザーは数ミリメートルの直径と数十センチメートルの長さとを有する。このスラブの直径は波長に対して非常に大きく、ビーム品質を回折限界に近くしておくことは特に困難である。典型的には１００Ｗ以上の高パワーを発生するレーザーはマルチモードであり、そして高パワーであるけれども、非常に高い輝度（パワー表面密度）を得ることはできない。さらに、サイズが小さく薄いいディスクレーザーは簡単に解決できない熱消散問題を起こす。
ファイバーパワーレーザーの場合には、ファイバーは非常に長いので非線形効果が顕著となる。これらの効果には、ラマン効果、位相自己変調、自己収束…があり、これらの非線形効果は信号のピーク・パワーと伝播長、すなわち、ファイバーの長さとの積に比例し、主として短パルスレーザーの場合に顕著である。したがって現在のところピコ秒もしくはフェムト秒パルスレーザーは典型的な数百マイクロジュールよりも小さいエネルギーに制限されている。
オプティックス エクスプレス ８１８、第１１巻、第７号、７ＡＶＲ２００３、に掲載のジェイ・リンパート等の論文「ハイパワー、エアークラッド ラージモードエリア フォトニック クリスタル ファイバーレーザー」にあるように、直径がほぼ２８マイクロメータの三角形のアクチブなコアを空気ホールマトリックス分布領域で包囲した、長さ２．３メートルの複合ファイバーでホトニック・オプティカル手段を実現してファイバーレーザーの効率を高めることが提案されている。
本発明はスラブレーザーとファイバーレーザーの特性の中のあるものを組合せた複合光ファイバーを提供する。具体的に言えば、それは光ファイバーであるが、既知のレーザーファイバーに対して長さは短くなっているが、既知のレーザーファイバーとは対照的に能動的な媒体（レーザー効果がつくられる領域）の断面は大きくなっていて、そのことがそれをスラブレーザーに近づけている。さらに、ポンプとレーザー波を案内するフォトニック構造としての手段を光ファイバーに講じている。非常に短い長さと組合わさっている能動コアの非常に大きい断面がパワー光増幅器として本発明のファイバーを使用させることができ、そしてレーザーパルスの場合において、望ましくない非線形効果の発生閾に到達することなく大きなパワーを得させることができる。
本発明は、ポンプ・ガイディング・シースがコアと接触してこれを包囲して成るレーザー用複合光ファイバーであって、ポンプ・ガイディング・シースは、その材料内にコアに平行して間隔をあけて配置されているキャピラリーの実質的に規則正しいマトリックス・アセンブリにより形成されたフォトニック構造体であり、コアはさらにドーピング成分を持つコア材料であって、コアを通る第１の決められた波長のポンプ光信号からエネルギーを吸収することにより少なくとも一つの励起電子状態とされ、そして第２の決められた波長の光信号の形でエネルギーを放出することにより最初の状態に戻ることができ、コアは決められた直径を有し、そして前記のポンプ・ガイディング・シースも決められた直径を有している。
本発明においては、ポンプ・ガイディング・シースの直径はコアの直径よりも大きく、そしてコアの直径の４倍よりも小さいか、４倍に等しく、コアの直径は３５マイクロメータよりも大きいか、３５マイクロメータに等しい。
本発明の様々な実施例において以下の手段を独立して、もしくは技術的に可能なすべての組合せとして使用できる。
‐コアの直径はほぼ３５マイクロメートルである。
‐ポンプ・ガイディング・シースの直径は１４０マイクロメートルよりも小さく、そして好ましくは、ほぼ１３０マイクロメートルである。
‐ポンプ・ガイディング・シースの断面は六角形である。
‐ポンプ・ガイディング・シースの断面は六角形であり、隅から隅までの直径はほぼ１４１マイクロメートルであり、そして面から面への直径は１１７マイクロメートルである。
‐ファイバーの長さは１メートルよりも短い。
‐ファイバーの長さは５０センチメートルよりも短い。
‐第１の波長のポンプ信号に対して全体に実質的に透過性であるポンプ・ガイディング・シースの少なくとも一部分は、第２波長の光信号の透過を減少させるポンプ・ガイディング・シース成分を形成する材料内にある（これらの成分は何らかの光学的効果によりポンプ・シースにおける第2波長の光信号の透過を減少させるような成分であって、そしてそれ故、例えば吸収及び／又は反射及び／又は拡散及び／又は回折成分に加えて、そのような結果を齎す光学的構成もしくは格子が前記の成分の部分であると言うことが考えられる。）
‐第１の波長のポンプ信号に対して実質的に透過性であるポンプ・ガイディング・シースの少なくとも一部分は、第2の波長の光信号の吸収及び／又は反射及び／又は拡散及び／又は回折成分のポンプ・ガイディング・シースを形成する材料内にある。
‐第2の波長の光信号の吸収及び／又は反射及び／又は拡散及び／又は回折成分を含むポンプ・ガイディング・シースの部分は、ファイバーのコアと接触している部分である。
‐吸収及び／又は反射及び／又は拡散及び／又は回折成分はマイクロもしくはナノ金属微粒子、奇土類もしくは半導体から選択される。
‐光シースはポンプ・ガイディング・シースの周りに閉じ込めシースをさらに含んでおり、この閉じ込めシースの光インデックスはポンプ・ガイディング・シースを形成する材料の光インデックスよりも小さい。
‐閉じ込めシースは主として空気を含んでおり、そして取り付けキャピラリー（空気を充填した、薄壁の菅）の隣接アセンブリにより形成されている
‐閉じ込めシースにおいて、取り付けキャピラリーの壁は空気の体積よりも少なくとも１０倍小さい材料の体積を表わしている。
‐ファイバーは閉じ込めシースの周りに配置された機械的な剛性シースをさらに含んでいる。
‐機械的なシースは有機ポリマーもしくは無機質材料から選択された材料であり、無機質材料の場合にはガラスもしくは純粋なシリカが好ましい。
‐機械的なシースの直径は少なくとも１ミリメートルである。
‐機械的なシースの直径は１ミリメートルと１０ミリメートルの間である。
‐コア材料はポンプ・ガイディング・シースを形成する材料と同じである（コアはさらにドーパントを含み、そしてポンプ・ガイディング・シースは吸収剤を追加的に含んでいる）。
‐コア材料はポンプ・ガイディング・シースを形成する材料と同じであり、そして純粋なシリカである（コアはさらにドーパントを含み、そしてポンプ・ガイディング・シースは吸収剤を追加的に含んでいる）。
‐コア材料はポンプ・ガイディング・シースを形成する材料と同じであり、そしてガラスである（コアはさらにドーパントを含み、そしてポンプ・ガイディング・シースは吸収剤を追加的に含んでいることがある）。
本発明は上記の一つ又は幾つかの特徴を有するファイバーを含むファイバー・レーザーであって、そしてそれはファイバーと不可分の、及び／又はファイバーの外部の手段をさらに含み、この手段は第２波長のレーザ光信号をつくるためにファイバーを含む光学的同調空洞もしくはキャビティを形成することができる。
レーザーは以下の手段を独立して、もしくは技術的に可能なすべての組合せとして含む。
‐ファイバーを含む光学的同調空洞を形成することのできる不可分の手段は、ファイバーの端にあって、ファイバーの主軸に垂直な少なくとも平面鏡である。
‐ファイバーの端の平面鏡は第2の決められた波長の光信号の少なくとも一部分を反射する。
‐ファイバーの端の平面鏡はポンプ光信号の少なくとも一部分を反射する。
‐ファイバーの端の平面鏡は第2の決められた波長の光信号の少なくとも一部分を反射し、そしてポンプ光信号の少なくとも一部分を反射する。
‐平面鏡はファイバーの磨かれた平らな端面であって、反射コンパウンドで覆われている。
‐平面鏡は光学的に能動な層のパイルである。
‐ファイバーを含む光学的同調空洞を形成することのできる不可分の手段は、少なくともファイバーの端の磨かれた平らな面であり、この面はファイバーの主軸に垂直である。
‐ファイバーを含む光学的同調空洞を形成することのできるファイバーの外部の手段は少なくとも一つの外部の平面鏡である。
‐外部平面鏡は第2の決められた波長の光信号の少なくとも一部分を反射する。
‐外部平面鏡はポンプの光信号の少なくとも一部分を反射する。
‐外部平面鏡は第2の決められた波長の光信号の少なくとも一部分を反射し、そしてポンプの光信号の少なくとも一部分を反射する。
‐ファイバーを含む光学的同調空洞を形成することのできる外部手段はファイバーの主軸に沿う少なくとも垂直外部光学格子である。
‐外部光学格子はレーザーを同調させるため調整できる。
‐コアとポンプ・ガイディング・シースの軸方向でファイバーにポンプ光信号を入射する。
‐ポンプ光信号をファイバーに沿って半径方向にファイバーに入射する。
‐ポンプ光信号は少なくとも発光ダイオードにより発生される。
‐ポンプの発光ダイオードは少なくともレーザーダイオードである。
‐レーザーは本発明の少なくとも２つの複合ファイバー・アセンブリから成り、これらのファイバーは直列及び／又は並列アセンブリとなって使用される。
‐レーザーはパルス励起され、そしてトリガーセルを含んでいる。
‐レーザーは光パルスを含む光信号の増幅器として使用され、増幅しようとする光信号がファイバーを通過し、そしてパルスがレーザー放出をトリガーする。
本発明のファイバーの実施態様を以下に示す。
‐コア材料の一本のワイヤー（一本のワイヤーからコアを形成する）、もしくはコア材料の一組の纏めたワイヤー（一組のワイヤーからコアを形成する）とポンプ・ガイディング・シースを形成する材料キャピラリとをマトリックス分布となるよう平行に配列してアセンブリとし、このアセンブリを加熱してワイヤーとキャピラリとを一緒に溶融して実質的に均質な構造とすることによりファイバーをつくる。
‐コア材料の一本のワイヤー、もしくはコア材料の一組の纏めたワイヤーとポンプ・ガイディング・シースを形成する材料キャピラリとをマトリックス分布となるよう平行に配列してアセンブリとし、一組のキャピラリを周りに配置して閉じ込めシースを形成し、前記のアセンブリを加熱してワイヤーとキャピラリとを一緒に溶融して実質的に均質な構造とすることによりファイバーをつくる。
‐コア材料の一本のワイヤー、もしくはコア材料の一組の纏めたワイヤーとポンプ・ガイディング・シースを形成する材料キャピラリとをマトリックス分布となるよう平行に配列してアセンブリとし、一組のキャピラリを周りに配置して閉じ込めシースを形成し、機械的シース材料をその外部に配置して機械的シースを形成し、前記のアセンブリを加熱してワイヤーとキャピラリとを一緒に溶融して実質的に均質な構造とすることによりファイバーをつくる。
‐コア材料の一組のワイヤーの場合には加熱段階を経てファイバーをつくる。第一段階は、コアのアセンブリを形成して、それを加熱してワイヤーを融かして実質的に均質なコア構造体を形成する。
‐コア材料のワイヤーには最初からドーピング成分が入っている。
‐加熱してコアをつくった後でコアにドーピング成分を入れる。
‐ファイバーは加熱段階を経てつくられる。（一組のワイヤーの場合でも一本のワイヤーの場合でも）コアをつくったら、その後の工程でポンプ・ガイディング・シースを形成する。加熱してワイヤーとキャピラリを一緒に融かし、そしてコアの周りに実質的に均質なポンプ・ガイディング構造を形成する。
‐ファイバーは加熱段階を経てつくられる。ポンプ・ガイディング・シースを形成したら、その後の工程で閉じ込めシースを形成する。加熱してキャピラリを一緒に融かし、そしてポンプ・ガイディング・シースの周りに実質的に均質な閉じ込めシース構造を形成する。
‐ファイバーは加熱段階を経てつくられる。ポンプ・ガイディング・シースを形成したら、その後の工程で閉じ込めシースの周りに機械的なシース材料を加熱沈着させて機械的シースを形成する。
‐組立中ワイヤーを糊状にしておく温度にワイヤーを加熱する。
本発明は優れた空間品質と高エネルギーパルス発生能力とを保持しながら、非常に高い平均パワーのコヒーレントな光輻射を発生する。さらに、本発明は光増幅器とレーザーの利用分野を大きく拡張する。必ずしも冷却を必要としない比較的簡単なシステムで非常に高い平均エネルギーとパワーそして優れたビーム品質を同時に実現することができる。あらゆるファイバーシステムに利用することができ、特に現場での使用やその他に耐えられる頑丈さがある。
高パワー、短パルスレーザーへのファイバーとしての使用は産業分野（機械加工、エッチング、マーキング…）から医療分野（眼科手術、医療撮像装置…）、原材料や環境分析（ＬＩＤＡＲ…）、基礎研究までにわたっている。
以下、本発明を例示するが、本発明は、図に関連した下記の説明に限定されるものではない。
図１，２の略図に示すように、本発明は全体としてはレーザー（もしくは光増幅器）用の複合ファイバー１から成り、該複合ファイバー１は、その能動部分に半径Ｒ１の実質的に円筒状のコア２を含んでいる。このコア２は、レーザー信号波長で光利得を呈し、ポンプ波長を吸収する材料から形成されている。このコアは、半径Ｒ２の光シース３で包囲されており、この光シース３はポンプ波長を透過する材料から形成されている。これらの図は、コアを通過し、光シースの周囲境界で反射されて複合ファイバー１の内側に閉じ込められているポンプ波フォトンが辿る路を例示している。光シース３とこの光シース３の外部との間の光インデックスは、上記閉じ込めをもたらすことのできるものである（外部の光インデックスは光シースの光インデックスよりも小さい）。同様に、コア２の光インデックスと光シース３の光インデックスは、ポンプ波がコア２を効果的に貫通し、好ましくはレーザー波がコア内に閉じ込められるようにするものである。Ｒ２／Ｒ１の半径比は小さく選定され、典型的には１０よりも小さく、そして好ましくは４よりも小さく選定されている。主たる用途において複合ファイバーの全長は典型的には５０センチメートルよりも短い。
コア２と光シース３とは、複合ファイバーのコア内をレーザー波の基本モードだけが伝播できるように設計されている。このことは、コアと光シースの屈折インデックスを思慮深く選択することにより、もしくは好ましいフォトニック結晶構造により得られる。この条件は、コア直径を波長よりもはるかに大きくする、典型的には波長の３０倍よりも大きくすることにより満足される。光シースは、それ自体で、例えば空気に呈されることで、もしくは後述するように閉じ込めシースで分かるように非常にインデックスの小さい材料で被膜されることにより、非常に広い開口数を示すことが好ましい。この非常にインデックスの小さい材料は、空気もしくは空気含有分の高い構成物であるのが好ましい。一つもしくは幾つかの発光ダイオード、具体的にはレーザーダイオードにより長さ方向に（ファイバーの主軸に沿って）全体をポンピングして複合ファイバーの能動コアの成分の励起状態に相当する分布反転を得る。
複合ファイバーの好ましい構造を詳述する際に理解されることとなるが、光シースは実際にはポンプ・ガイディング・シースに相当し、これは閉じ込めシースで包囲され、そしてポンプ・ガイディング・シースと閉じ込めシースとの境界面でファイバーの内側にポンプ波が反射される。
ポンプの全エネルギーを実際に吸収するのに必要な長さＬｅｆｆは次式により求める。
Ｌｅｆｆ＝１／α（ｄｇ／ｄｃ）２、
ここでαはファイバーのコアを構成する材料の線形吸収係数であり、ｄｇはポンプ波が伝播するシースの直径であり、そしてｄｃは増幅しようとする信号／レーザーが伝播するファイバーのコアの直径である。
本発明の複合ファイバーに使用される小さい比Ｒ２／Ｒ１によって、従来の光ファイバーと比較して非常に短い距離（×０．１）にわたってポンプの全エネルギーを実質的に吸収でき、この距離はスラブ・レーザー・クリスタルの従来の厚みよりも遥かに長い（×１０００）。マッシブな材料の長さと比較して長くなっている本発明の複合ファイバーの長さが熱効果を著しく減少させ、（３０ないし１００のオーダーの比ｄｇ／ｄｃはファイバーが１０メートル以上であることを意味する）従来のファイバーに対して短くなっている本発明の複合ファイバーの長さが非線形効果を減少させている。
図３に示す本発明の好ましい実施例では複合ファイバーのコア２はイットリウム・イオンをドープしたほぼ直径４０ミクロンのシリカスラブである。このコア２は、直径がほぼ１２０ミクロンの純粋なシリカのポンプ・ガイディング・シース４に含まれ、そのシースはある数の小直径の中空菅（図３に規則的に配置されている黒丸）を含んで、フォトニック結晶を形成し、そして基本レーザーモードだけがコア内を伝播することを保証している。ポンプ・ガイディング・シース４は、キャピラリ・クラウン・タイプの閉じ込めシース５（空気を充填した薄壁の菅）により包囲されており、このシース５は、その壁厚が直径に比して小さくなっており、ポンプ・ガイディング・シースの光インデックスに対してこのクラウンの光インデックスは非常に小さく、１に近いのでポンプ波の非常に高度な閉じ込めを保証している。そのような構造体の開口数は０．６よりも大きい。全構造体を、図３に表わすように直径の大きいガラス（１ないし１０ミリメートル）の機械的シース６で覆って機械的にそして熱的により安定したものとするのがよい。
コアの光インデックスはポンプ・ガイディング・シースの平均インデックスよりも大きく、そして閉じ込めシースの平均光インデックスはポンプ・ガイディング・シースの平均インデックスよりも小さい。実施例ではポンプ・ガイディング・シースの平均インデックスはほぼ１．５であり、そして閉じ込めシースの平均インデックスは１に近い。
ある実施例では、ポンプ・ガイディング・シース４は、ポンプ波長を透過し、レーザー輻射を吸収する要素から成り、そしてそれ故コア２の利得バンドに実質的に一致する。吸収と言う術後は、本来の吸収と拡散もしくは回折も含んでいる。この構成によって、コアに正確に入射されず、それでもコア内のポピュレーションを減少させるレーザー波の部分の増幅を回避できる。吸収は、製作中にポンプガイドに含まれる吸収成分（例えばイオン）の使用のためであったり、もしくはレーザー波長を外部に結合するためポンプガイド内で長期格子を書くことによる（それ故長期格子はファイバーの主軸に正確に配向されていない）幾何学的プロセスによることがある。
そのような複合ファイバー構造体を使って連続輻射もしくはパルス輻射をつくることができる。それはレーザー共振器に使用でき、もしくは光増幅器として使用できる。
本発明の複合ファイバーをパルス増幅器として使用した例を図４に示す。左から右へ見ていくと、ダイオードレーザータイプの光ポンピング装置７のビームが第1のレンズ８に送られ、ダイクロイック・プレート９を通過して第2レンズ１０に入ってから、複合ファイバー１にそれの軸方向に入る。発生したレーザービームはファイバーの両端から出ていく。ポンプ端を通って、レーザービームは、ダイクロイック・プレート９に返され、フイルタ目的の半波プレート１１、偏光調整のためのファラディ・ロテータ１２、第３レンズ１３そしてこれらの素子を介して複合ファイバー１に向けてレーザービームを送り返すミラー１４を含む光路に向けられる。複合ファイバーの他端において、レーザービームは、第４レンズ１５へ送られ、（設けられる場合がある）中間ミラー１６を介して偏光器１７に向う。この偏光器もここではレーザーパルス源１８である源からの光パルスを受ける。源１８のレーザーパルスは偏光器１７により複合ファイバー１に向って送られ、そして複合ファイバー１のコアのポンプ７により反転／励起されたポピュレーションに対しレーザー効果をトリガーする。レーザーパルスはこうして源１８のレーザーパルスと同期してファイバー１内につくられる。このような入射はファイバーをダブル・パスで使用し、そして偏光回転システムを含んでいる。この入射が直線偏光を発生する。
ファイバーに使われるすべての材料は異なる膨張を回避するため同じ物であるのが好ましく、そしてそれはガラスであり、好ましくは純粋なシリカであって、ファイバーの場所によってドーパント及び／又は（可能性としての）吸収剤を含んでいる。ファイバーの能動コアのドーパントは主としてイッテルビウムもしくはイッテルビウムとエルビウムとの組合せのような希土類である。他のドーパントとしては、とりわけアルミニウムとフッ素とが使用でき、そしてそれらは使用条件、特にポンピング光波の波長を考慮して選択される。９７６マイクロメートル付近のＬＥＤタイプのポンピングについてはイッテルビウムを使用する。
複合ファイバーをレーザーに使用し、それのイッテルビウムをドープした能動コアの直径はほぼ３５マイクロメートルである。ホトニック・クリスタル・タイプの（ファイバー横断面で空気孔として現れる）キャピラリーの格子／マトリックス構造のポンプ・ガイディング・シースは、六角形の外形を呈しており、その六角形のコーナーからコーナーへの直径は約１４１マイクロメートルであり、面から面への直径は１１７マイクロメートルである。孔直径／格子ピッチ比はほぼ０．３３である。ポンプ・ガイディング・シースの周りに配置された閉じ込めシースは主として空気を含み、そしてキャピラリーの取り付けからそのようになる。ポンプシースがファイバーのコア内にレーザー波を閉じ込め、そしてそれを通るポンプ波を閉じ込めシースに反射させてまたコアに戻し、コアは励起できるようにする。最後に、ほぼ直径が１．７０ミリメートルの機械的シースが閉じ込めシースを包囲する。ファイバーの長さはほぼ４８センチメートルである。この構造体の開口数は約０．６であり、そして４００マイクロメートルで開口数が０．２２の普通の発光ダイオード、特にレーザーダイオードにより軸方向ポンピングを実施することを可能にする。
連続レーザーアセンブリが提供され、そこでは第１の側は高度の反射鏡となっており、第２の側ではほぼ４％のフレネル反射システムとなっている空洞内に本発明の複合ファイバーは配置されている。この連続レーザーアセンブリは図５に示されている。左から右へ、ダイオードレーザータイプの光ポンピング装置７のビームは第１のレンズ８’へ送られ、そしてダイクロイック・プレート９’（フレネル反射器）を通り、それから第２のレンズ１０’を通ってから軸方向に複合ファイバー１に入る。発生されたレーザービームはそれの両端を通ってファイバーから出る。ポンピング端を通って出たレーザービームは、レーザー出力のためにダイクロイック・プレート９’により返される。複合ファイバーの他端においては、レーザービームはレンズ１５’、次いでリターン・ミラー１６’に送られる。
この連続レーザーアセンブリについては、波長９７６ナノメートルではポンプ波の吸収係数はほぼ３０ｄＢ／ｍであった。図６の効率スロープは７４％であり、そしてレーザー放出スレショールドは１０Ｗポンピング以下と比較的低い。これらの結果はファイバーの主軸に垂直に切られた両端でポンピングして得られる。９７６ナノメートルの１６５Ｗポンピング波で１０３０ナノメートルの波長の１２０Ｗレーザーが得られ、そして２５０Ｗ／ｍの線形パワーが測定された。得られたレーザー波のスペクトルを図７に示す。２５０Ｗ／ｍの線形パワーとなるこれらの試験で、ファイバーは強制空冷されてはおらず、ただ空気中に置かれているということに注目すべきである。これらの結果は従来の長いレーザーファイバーの結果よりも大きく、そして本発明のファイバーが非常に短いので非線形効果による制限もない。大きなパワー／エネルギーを達成できるのは試験の測定範囲で効率曲線が屈曲していないからである。
比較的直径が大きく、そして壁厚の薄いキャピラリを隣接させた集合体により形成されているので比較的脆弱となっている閉じ込めシースの機械的剛性と機械的保護とを高める、好ましくはガラス（純粋なシリカ）からできている機械的シースによっても、ファイバーに発生した熱を消散させることができる。この機械的シースは、空気に、もしくは（できれば強制循環した）他の気体に曝すか、または冷却液に浸す。機械的シースの外面が円形以外の形をしている場合には、その外形の表面の一部は平らにして、例えば断面が三角形もしくは四角形の機械的なシースをファイバーに設ける。熱伝導ペーストをできれば介在させてこの平らな部分を吸熱冷却金属面に配置する（機械的シースと吸熱体との間で膨張係数が異なるのでファイバーを直接吸熱体に接着することは回避するのが好ましい）。
機械的なシースの材料はガラス（純粋なシリカ）とは異なってもよいが、予期される温度上昇効果を考慮してそれの材料を選択して熱膨張の差を制限することに加えて、予期される温度で固体となっている材料を選定するのであるが、有機ポリマータイプの熱可塑性材料の場合その選定は制限されるかもしれない。変更態様として、熱で伸縮自在となる外部保護層を機械的なシースの周りに配置することもできる。
本発明の複合光ファイバーは、ファイバーが短いので、１０ナノ秒よりも短いパルスを発生するトリガー式レーザーに使用してもよい。波長がほぼ１０３０ナノメートルの実験レーザーアセンブリを図８に示す。左から右へ、波長が９７６ナノメートルの発光ダイオードを持つポンピング・システム７、第１レンズ１９、１０１０ナノメートルよりも長い波長を反射し、そして９９０ナノメートルよりも短い波長を透過させるような応答曲線を有するダイクロイック・ミラー２０、第２レンズ２１、端面がファイバーの主軸に垂直な本発明のファイバー１、第３レンズ２２，薄膜偏光器２３、トリガーセル２４（ポッケルスセル）そして１０１０ナノメートルよりも長い波長を反射するミラー２５となっている。トリガーセルの立ち上がり時間はほぼ１０ナノ秒であり、そして休止時間／放出時間比は１と５０の間である。パルス作動レーザー信号がダイクロイックプレート２０により引出される。
ファイバーの長さはほぼ４３センチメートルであり、そして空洞の長さはほぼ６０センチメートルである。このファイバーについて、ポンプ・ガイディング・シースの孔直径／格子ピッチ比はほぼ０．３３である。２５ｄＢ利得を単一パス飽和で測定した。
２．５キロヘルツと１００キロヘルツとの間の幾つかの反復周波数について、得られたパルスのエネルギーを図９に示す。図１０は幅が１０ナノ秒のパルスの場合におけるレーザーパルスの幅を示す。実験アセンブリで最短幅のレーザーパルスは７．５ナノ秒である。最後に、波長が１０３０ナノメートルで幅がほぼ４ナノメートルのレーザー波のスペクトル分布を図１１に示す。この短い波長は高い励起状態のポピュレーションの密度の所為であって、イッテルビウムの３レベルにより生じる最小波長に向って最大利得を遷移させる。最後に、測定した偏向度は１よりもよく２０である。
このアセンブリは、利用できるポンピングパワーにより制限される平均３１Ｗのパワーと５００マイクロジュールの１０ナノ秒のパルスを発生できる。ファイバーの主軸に垂直なファイバー出力面に損傷を生じることがあるので５００マイクロジュールで引出されるエネルギーに制限するのが好ましい。出力面を斜めにしたり、及び又は端キャップを出力面に取り付けたり溶接したりしてこれらの危険を制限して、大きなエネルギーを引出す。端キャップは実質的に均質な、もしくはインデックス・グラジエントを持ち、５ないし６ミリメートルの厚みのガラスペレット（シリカ）であって、その中でビームは散乱してレーザー出力における表面エネルギーを減少させて破壊レベル以下に留める。実験を行ったところ、トリガーされたレーザーの理論限界に到達しないので良い結果を得ることができるようである。
複合ファイバーは偏向現象を生じないので、相互に直交する２つの偏向ポンプ波により複合ファイバーをそれの同じ端面を通してポンプできる。このことは複合ファイバーの両端で実施でき、複合ファイバーの一端だけの従来のポンピングに比してポンプパワーを４倍にする。
単純化した複合ファイバーの透過概略図である 単純化した複合ファイバーを軸方向で見た透過概略図である 本発明の複合ファイバーの中心部分を拡大して示す横断面図である。 パルス作動増幅器への本発明の複合ファイバーの使用例を示す。 本発明の複合ファイバーを備えた連続レーザーを示す。 本発明の複合ファイバーを使ったレーザーのファイバーに送られたポンプパワー（Ｗ）に対する出力パワー（Ｗ）のカーブと対応する効率スロープとを表わす。 本発明の複合ファイバーを使ったレーザーの波長スペクトルを、対数目盛強度（任意単位）対波長（ナノメートル）で示す。 本発明の複合ファイバーを備えたパルス作動レーザーを示す。 図８のパルス作動レーザーの様々な反復周波数について対数目盛のパルス幅（ナノ秒）対パルス（マイクロジュール）抽出エネルギーのカーブを表わす。 図８のパルス作動レーザーについてパルス強度（任意単位）対時間のカーブを表す。 図８のパルス作動レーザーの輻射波のスペクトルを強度（任意単位）対波長（ナノメートル）で示す。
符号の説明
１ 複合ファイバー
２ コア
３ 光シース
４ ポンピ・ガイディング・シース
５ 閉じ込めシース
６ 剛性シース；機械的シース
７ 光ポンピング装置
８ 第１レンズ
９ ダイクロイック・プレート
１０ 第２レンズ
１１ 半波プレート
１２ ファラディ・ロテータ
１３ 第３レンズ
１４ ミラー
１５ 第４レンズ
１６ 中間ミラー
１７ 偏向器
１８ レーザーパルス源
１９ 第１レンズ
２０ ダイクロイック・ミラー
２１ 第２レンズ
２２ 第３レンズ
２３ 薄膜偏向器
２４ トリガーセル

Claims (11)

  1. ポンプ・ガイディング・シースがコア（２）と接触してこれを包囲して成るレーザー用複合光ファイバーであって、ポンプ・ガイディング・シースは、その材料内にコアに平行して間隔をあけて配置されているキャピラリーの実質的に規則正しいマトリックス・アセンブリにより形成されたフォトニック構造体であり、コアはさらにドーピング成分を持つコア材料であって、コアを通る第１の決められた波長のポンプ光信号からエネルギーを吸収することにより少なくとも一つの励起電子状態とされ、そして第２の決められた波長の光信号の形でエネルギーを放出することにより最初の状態に戻ることができ、コアは決められた直径を有し、そして前記のポンプ・ガイディング・シースも決められた直径を有しているレーザー用複合光ファイバーにおいて、
    ポンプ・ガイディング・シースの直径はコアの直径よりも大きく、そしてコアの直径の４倍よりも小さいか、４倍に等しく、コアの直径は３５マイクロメータよりも大きいか、３５マイクロメータに等しいことを特徴とするレーザー用複合光ファイバー。
  2. ファイバーの長さは５０センチメートルよりも小さい請求項１に記載のレーザー用複合光ファイバー。
  3. 第１の波長のポンプ信号に対して全体に実質的に透過性であるポンプ・ガイディング・シース（４）の少なくとも一部分は、第２波長の光信号の透過を減少させるポンプ・ガイディング・シース成分を形成する材料内にある請求項１もしくは２に記載のレーザー用複合光ファイバー。
  4. 光シースはポンプ・ガイディング・シースの周りに閉じ込めシース（５）をさらに含んでおり、この閉じ込めシースの光インデックスはポンプ・ガイディング・シースを形成する材料の光インデックスよりも小さい請求項１、２もしくは３に記載のレーザー用複合光ファイバー。
  5. 閉じ込めシースは主として空気を含んでおり、そして取り付けキャピラリーの隣接アセンブリにより形成されている請求項４に記載のレーザー用複合光ファイバー。
  6. ファイバーは閉じ込めシースの周りに配置された機械的な剛性シース（６）をさらに含んでいる請求項４もしくは５に記載のレーザー用複合光ファイバー。
  7. コア材料はポンプ・ガイディング・シースを形成する材料と同じであり、そして純粋なシリカである請求項１ないし６のいずれかに記載のレーザー用複合光ファイバー。
  8. 請求項１ないし７のいずれかのファイバーを含み、そして第２波長のレーザ光信号をつくるためファイバーを含む光学的同調空洞を形成することのできるファイバーと不可分の、及び／又はファイバー外部の手段をさらに含んでいることを特徴とするファイバー・レーザー。
  9. コアとポンプ・ガイディング・シースの軸方向でファイバーにポンプ光信号を入射する請求項８に記載のファイバー・レーザー。
  10. レーザーはパルス励起され、そしてトリガー・セル（２４）を含んでいる請求項８もしくは９に記載のファイバー・レーザー。
  11. レーザーは光パルスを含む光信号の増幅器として使用され、増幅しようとする光信号がファイバーを通過し、そしてパルスがレーザ放出をトリガーする請求項８もしくは９に記載のファイバー・レーザー。
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