JP2009536785A - 光放射を提供する装置 - Google Patents

Abstract

光放射（３８１）を提供する装置（３８０）であって、装置は、シーディング放射（３８７）を提供するシードレーザー（３８２）と、シーディング放射（３８７）を増幅する少なくとも１つの増幅器（３８３）と、反射器（３８４）と、を有し、この場合に、シードレーザー（３８２）は、ファブリペロー半導体レーザーであり、シードレーザー（３８２）は、反射器（３８４）を介して増幅器（３８３）に接続され、反射器（３８４）は、ファイルシードレーザー（３８２）によって放射されたシーディング放射（３８７）の中のある比率（３８８）をシードレーザー（３８２）内に反射して戻すべく構成され、且つ、増幅器（３８３）は、屈折率ｎ１を具備したコア（３）と、屈折率ｎ２を具備したペデスタル（４）と、を有する光ファイバ（１）を有し、且つ、この場合に、光ファイバ（１）は、ペデスタル（４）を取り囲む屈折率ｎ３を具備したガラスから製造された第１クラッディング（５）を含み、この場合に、ｎ１はｎ２より大きく、且つ、ｎ２はｎ３より大きい。
【選択図】図３８

Description

本発明は、光放射を提供する装置に関する。この装置は、材料加工用の装置の基礎を形成しうる。

ファイバパルスレーザーは、微細機械加工、穿孔、及びマーキングなどの多数の産業用アプリケーションにおいて、人気のあるレーザーとして益々導入されている。マーキングなどのピークパワー駆動型のアプリケーションにおいては、高速の文字マーキング及び増大したスループットを実現するべく、高反復レートにおいて高ピークパワー（２．５〜５ｋＷ超）を保持することが不可欠である。

従来の単一段のＱスイッチレーザーは、エネルギーの保存において非常に効率的である。しかしながら、これらは、反復レートの増大に伴う可変平均パワー及び大きなピークパワーの降下を特徴とする。大部分のケースにおいて、ピークパワーは、プロセス（例えば、マーキング）閾値未満に降下可能であり、速度及びスループットに対する悪影響を伴う。一方、主発振器パワーアンプ（ＭＯＰＡ）構成は、パルスレーザーのパルス特性及びパワー性能と比べて、大きな制御性を提供することができ、且つ、マーキングユニットの動作領域を更に高い反復レートに拡張することにより、増大したマーキング速度を提供することができる。パルスレーザーが、２００ｋＨｚ超の反復レートにおいて５ｋＷレベル超のピークパワーを維持するためには、ある要件が必要である。平均パワーが１０Ｗ超であり、パルスエネルギーが、０．１〜０．５ｍＪの範囲又はこれを上回っており、パルス持続時間が、１０ｎｓ〜２００ｎｓにおいて変化可能であることを要し、且つ、ピークパワーが、１０ｋＨｚ〜＞２００ｋＨｚの範囲の反復レートにおいて、約５ｋＷ又は１０ｋＷのレベルにおいて実質的に一定に留まることを要する。更なる要件は、例えば、低モード型又はシングルモード型ファイバレーザーによって提供な、良好なビーム品質である。

これらの強度及びピークパワーにおいては、光学的非線形性及び光学的損傷の発現を回避するべく、パルスシステムに特別な注意が必要とされる。更には、パルスシステムの効率及び寿命を低減することになることから、結果的に得られる高利得、高反転動作条件下において、活性ファイバは、フォトダークニングの影響を被るべきではない。

スタンドアロン方式において、又は主発振器パワーアンプ構成の一部として、いくつかの異なるパルスファイバレーザー構成が提案及び使用されている。特に、Ｑスイッチファイバレーザーは、相対的に単純且つ安定した構成において、高ピークパワー及び数ｍＪのパルスエネルギーを生成可能であるため、非常に魅力的である。アプリケーション領域を拡大するべく、様々な方式において産業用アプリケーションに使用されることを目的としたスタンドアロンＱスイッチレーザーの主要な欠点の１つは、パルス繰り返し数、エネルギー、ピークパワー、及びパルス幅などの対象のすべてのパラメータが、相互に関係しており、且つ、独立的に制御不能であるという点にある。特に、ピークパワーは、パルス繰り返し周波数の増大に伴って低下する。

いくつかのこれらの性能上の課題は、解決可能であり、且つ、複数増幅段のＭＯＰＡ構成を使用することにより、必要とされる高ピークパワー性能を高ＰＲＲ型に拡張可能である。

この場合には、パルスシードは、低パワーＱスイッチレーザー又は直接変調半導体レーザーのいずれかであってよい。後者は、直接制御可能であり、且つ、パルス形状及びＰＲＲを定義する際に格段に大きな自由度を提供すると共に、これらを意図的に変更する可能性を付与してアプリケーションニーズを更に良好に充足する。更には、これは、通信産業において多年にわたって育まれた十分に発達し、且つ、極めて信頼性の高い半導体技術に基づいている。増幅チェーンに沿った利得分布を制御することにより、増幅パルスシーケンスの様々なパラメータが正確に定義される。

増幅器の出力端に向かうパルスが到来する前に、ファイバ増幅器内における局所的な反転が相当に増大する。反転分布に関する知識は、この性能劣化効果の傾向を有するファイバを使用する場合には、フォトダークニングレートを定義する際に非常に重要である。パルスは、その伝播に伴って、反転を減少させ、この結果、その強度を増大させる。又、増幅プロセスは、著しいパルス整形及びフロントエンドシャープニングをも結果的にもたらす。これは、パルス幅及びピークパワーを定義する際に極めて重要であり、且つ、この結果、誘導ラマン散乱（ＳＲＳ）及び誘導ブリルアン散乱（ＳＢＳ）などの様々な非線形性の開始を定義する。特定のエネルギーレベルを超える場合、すべてのパルスは、相当に整形され（鋭くなり）、且つ、そのパルス幅を低減する。これは、増幅器の飽和を開始するのに十分なエネルギーをパルスが獲得するという事実に起因する。このような条件下においては、エネルギーがパルスのリーディングエッジによって主に抽出され、この結果、パルスの整形及び歪がもたらされることが知られている。ピークパワーは、パルスエネルギーに伴って非線形的に増大し、この結果、不可避にＳＲＳ閾値を超過する。このＳＲＳ閾値は、通常、ファイバ設計及びパルス形状に応じて、約５ｋＷ〜１０ｋＷである。

パルスファイバレーザーの出力パワーを制限する別の重要な効果は、ジャイアントパルスの形成である。これらは、システム内の光学コンポーネントを破滅的に損傷可能である。この効果は、レーザーのピークパワー及びスペクトル特性に非常に依存するものと考えられ、且つ、誘導ブリルアン散乱（ＳＢＳ）に由来すると考えられる。非線形閾値に到達した際に、前方伝播パルスが反射される。ジャイアントパルスが観察され、且つ、これらは、パルスレーザーシステム内の増幅器（並びに、その他の装置）を破滅的に損傷可能である。残念ながら、この効果は、その特性が確率論的であり、且つ、それ自体、非常に予測不能である。ライン幅を狭める（レーザーダイオードなどの）シードレーザーの瞬間的なスペクトル特性における単一の変動は、ＳＢＳイベントを結果的に生成する可能性があり、且つ、ジャイアントパルスの形成及び後続の破滅的な損傷をトリガ可能である。このような損傷は、産業用の加工装置内に設置された数ヶ月後のレーザー内において観察された。

ファイバレーザーは、しばしば、レーザーダイオードによってポンピングされる。これらのレーザーダイオードは、レーザーからダイオードに伝播する望ましくない光放射によって損傷されることがある。レーザーダイオードは、パルスのエネルギーではなく、ピークパワーによって損傷するため、影響は、特に、パルスレーザーにおいて深刻である。パルスレーザーは、連続波レーザーよりも格段に大きなピークパワーを有する。従って、レーザーからポンプを分離する要求は、連続波レーザーよりもポンプレーザーにおいて更に切実である。

Ｙｂ３＋ドーピング型ファイバレーザー及び増幅器の長期にわたる動作に関係した非常に重要な課題は、フォトダークニングの効果である。この効果は、時間に伴うファイバの背景損失の漸進的な増大として現れ、これにより、光学システムの出力パワー及び全体的な効率が低下する。これは、既存のファイバ色中心の光学的な活性化に関係すると考えられ、吸収帯域は、主にＵＶスペクトル領域内に位置する。しかしながら、吸収帯域の尾部が、近ＩＲ内に延長し、これにより、光学性能に悪影響を付与する。フォトダークニングは、漸進的な劣化を結果的にもたらすが、破滅的な突然のファイバ障害を結果的にもたらすものとはされていない。フォトダークニングの速度及び最終的なレベルは、活性ファイバの反転の程度に依存するとされており、この結果、異なる増幅システムは、異なる劣化を示すことになる。

光ファイバの多くのアプリケーションは、光ファイバの透明度を時間に伴って劣化させる強度を有する、光学信号の生成及び伝送を必要としている。この効果は、フォトダークニングとして呼ばれており、これは、光によって誘発されたガラスの吸収の変化である。吸収の増大は、スペクトルのＵＶ及び可視部分の光を強力に吸収する色中心の形成又は活性化に起因すると考えられる。

スペクトルドメインにおいては、フォトダークニングは、約８００ｎｍの波長未満の鋭い損失の増大として現れる。この強力な吸収帯域の尾部は、十分に１ミクロン〜１．５ミクロン領域内に延長し、この結果、ポンプ及び信号波長の両方における損失に悪影響を与える。これは、この波長域において動作する、ファイバレーザー及び増幅器の性能及び全体効率を深刻に限定する効果を有する。

時間ドメインにおいては、フォトダークニングは、レーザー又は増幅器の出力パワーが徐々に漸近値にまで減少する、擬似指数的減少として現れる。最終的なパワーの降下及び関係する時間スケールは、ファイバレーザー又は増幅器の動作条件、最も顕著には、ポンプ及び平均反転レベル、並びに、動作温度に依存するものと思われる。出力パワーの降下は、更なるポンプ源の提供及び／又は駆動ポンプ電流の増大によって補償することが可能である。前者は、結果的にユニットコストの増大をもたらし、後者は、結果的にポンプユニットの経年変化の加速及び破滅的な障害確率の増大をもたらすため、いずれの対策も、望ましいものではない。

光ファイバレーザー及び増幅器は、しばしば、多重光子プロセスを介してフォトダークニングに結び付く可能性を有する希土類ドーパントを含む。この効果は、少なくとも、Ｔｍ³⁺、Ｙｂ³⁺、Ｃｅ³⁺、Ｐｒ³⁺、及びＥｕ³⁺ドーピング型のシリカガラスにおいて観察される。

フォトダークニングは、光ファイバが産業用の材料加工において使用される際に、問題となる。フォトダークニングは、レーザー放射を（周波数倍増、周波数三倍増ロッドレーザー、ディスクレーザー、及びファイバレーザーなどの）レーザーから被加工物に供給するべく使用されるファイバ内における伝播を劣化させ得る。又、これは、ファイバレーザー内において生成可能である又は光学増幅器内において増幅可能である光学パワーの量を、大幅に制限し得る。

ガラス内のフォトダークニングを低減する従来の方法は、所謂「ウェットシリカ」と呼ばれるヒドロキシル基（ＯＨ）の高い含有量を有するシリカを使用するものである。これは、重水素によって充填可能であり、且つ、紫外（ＵＶ）光によって照射可能である。但し、ＯＨは、光ファイバの背景損失を増大させることになるため、これらの方法は、ファイバレーザーには、あまり適してはいない。

ピークパワーを広い範囲の繰り返し周波数にわたって維持すると共に、非線形効果を制御することが可能なパルスレーザーに対するニーズが存在する。

ポンプ損傷に対する耐性を有するファイバレーザーのニーズが存在する。

ジャイアントパルス形成に起因した破滅的な損傷に対する耐性を有するファイバレーザのニーズが存在する。

耐フォトダークニング型光ファイバに対するニーズが存在する。フォトダークニングに対する耐性を有するファイバレーザー及び増幅器に対する関連ニーズが存在する。フォトダークニングとは、一時的であるか又は永久的であるかとは無関係に、光によって誘発されたガラスの透過率の減少を意味している。

本発明の非限定的な実施例によれば、光放射を提供する装置が提供され、この装置は、シーディング放射を提供するシードレーザー、シーディング放射を増幅する少なくとも１つの増幅器、及び反射器を有し、この場合に、シードレーザーは、ファブリペロー半導体レーザーであり、シードレーザーは、反射器を介して増幅器に接続され、反射器は、シードレーザーによって放射されたシーディング放射のある比率をシードレーザー内に反射するべく構成され、且つ、増幅器は、屈折率ｎ１を具備したコアと、屈折率ｎ２を具備したペデスタルと、を有する光ファイバを有し、且つ、この場合に、光ファイバは、ペデスタルを取り囲む屈折率ｎ３を具備したガラスから製造された第１クラッディングを含み、この場合に、ｎ１はｎ２より大きく、ｎ２はｎ３より大きい。

驚いたことに、このような反射器の使用法は、誘導ブリルアン散乱の結果として生じると考えられるジャイアントパルスの発生を効果的に除去することが判明した。

ペデスタルの包含は、第１クラッディングに対する信号パワーの交差結合を低減するため、有利である。これは、クラッディングポンピング型ファイバレーザー及び増幅器におけるポンプダイオード障害を劇的に低減することが判明した。

本発明の利点は、光ファイバが、高強度の光放射を伝播させる能力を有するという点にある。コアが低開口数を具備する場合には、ファイバは、所謂ラージモードエリアファイバとして構成可能であり、これは、高強度との組み合わせにおいて、ファイバレーザー及び増幅器の出力パワー及び／又は製品寿命の増大を許容する。ファイバレーザー及び増幅器の設計における更なる利点は、光ファイバが、製品寿命にわたってその透過率品質を維持するため、必要とされるポンプダイオードが相対的に少ないという点にある。

反射器は、分散型反射器であってよい。

シードレーザーは、光学的有効走行時間によって特徴付け可能である。反射器は、帯域幅及び帯域幅にわたる往復反射時間遅延変動によって特徴付け可能である。往復反射時間遅延変動は、光学的有効走行時間を上回るものであってよい。

シードレーザー内に反射によって戻されるシードレーザーによって放射されたシーディング放射の比率は、２０％未満であってよい。比率は、１％〜１０％であってよい。

反射器は、シードレーザーから５ｍ未満の距離に配置可能である。距離は、２ｍ未満であってよい。距離は、０．５ｍ〜１．５ｍであってよい。

反射器は、シードレーザーから５ｍｍ〜５０ｃｍの距離に配置可能である。

装置から放射されるピークパワーは、１ｋＷを超過し得る。

コアは、シリカ、０．１〜４モルパーセントの範囲の濃度のアルミナ、２〜２０モルパーセントの範囲の濃度の燐酸塩を含むことが可能であり、且つ、ペデスタルは、シリカ、燐酸塩、及び酸化ゲルマニウムを含むことができる。

光ファイバは、コア及びペデスタルの少なくとも１つのものの内部に配置された少なくとも１つの希土類ドーパントによってドーピング可能である。希土類ドーパントは、２０００〜６００００ｐｐｍの範囲の濃度を有するイッテルビウムであってよい。イッテルビウムの濃度は、約１５０００〜５００００ｐｐｍであってよい。イッテルビウムの濃度は、約２００００〜４５０００ｐｐｍであってよい。

コアは、１２〜１７モルパーセントの濃度の燐酸塩を含むことが可能である。コア内の燐酸塩の濃度は、約１５モルパーセントであってよい。

コアは、約０．２０〜１モルパーセントの濃度のアルミナを含むことが可能である。アルミナの濃度は、約０．３〜０．８モルパーセントであってよい。

光ファイバは、信号波長においてマルチモード導波路であってよい。光ファイバは、大きな長さにわたって、大きな歪を伴うことなしに、シングルモード光を伝播させるべく構成し得る。

光ファイバは、シングルモード導波路であってよい。光ファイバは、コア内に複屈折性を誘発する少なくとも１つのストレス生成領域を有することができる。

光ファイバは、０．１５未満の開口数を具備した導波路を有することができる。

光ファイバは、０．１５未満の開口数を具備した導波路を有する耐フォトダークニング型光ファイバであってよい。コアは、シリカ、約０．３〜０．８モルパーセントの濃度のアルミナ、実質的に１５モルパーセントの濃度の燐酸塩、及び実質的に２００００〜４５０００ｐｐｍの濃度のイッテルビウムを有することができる。ペデスタルは、シリカ、燐酸塩、及び酸化ゲルマニウムを有することができる。

導波路は、信号波長においてマルチモード導波路あってよく、且つ、この場合に、導波路は、大きな長さにわたって、大きな歪を伴うことなしに、シングルモード光を伝播させるべく構成される。導波路は、シングルモード導波路であってよい。

反射器は、ファイバブラッグ格子であってよい。ファイバブラッグ格子は、チャープされ得る。

帯域幅は、１ｎｍを上回るものであってよい。

往復反射時間遅延変動は、約５０ｐｓ〜１０００ｐｓであってよい。往復反射時間遅延変動は、１００ｐｓ〜６００ｐｓであってよい。

光学的有効走行時間は、１０ｐｓ〜５０ｐｓであってよい。光学的有効走行時間は、２５ｐｓ〜４０ｐｓであってよい。

装置は、レーザー供給ファイバ及び加工ヘッドを包含可能であり、装置は、材料を加工するレーザーの形態であってよい。

装置は、パルス繰り返し周波数のレンジにわたって材料を加工するべく十分な平均パワー及びピークパワーを光放射が具備するように、シードレーザー及び増幅器を制御するべく構成されたコントローラを包含可能である。

装置は、コントローラを包含可能であり、この場合に、光放射は、パルス幅を具備したパルスによって特徴付けられ、且つ、コントローラは、パルス繰り返し周波数の変化に伴ってパルス幅を変化させる。

本発明は、シードレーザー、少なくとも１つの増幅器、及び反射器を有する光放射を提供する装置を有することが可能であり、この場合に、シードレーザーは、反射器を介して増幅器に接続され、増幅器は、ペデスタルを具備した光ファイバを有し、シードレーザーは、光学的有効走行時間によって特徴付けられたレーザーダイオードを有し、反射器は、シードレーザーによって放射されたシーディング放射の中のある比率をシードレーザー内に反射するべく構成され、反射器は、帯域幅及び帯域幅にわたる往復反射時間遅延変動によって特徴付けられ、且つ、往復反射時間遅延変動は、光学的有効走行時間を上回る。

本発明は、マーキングの方法を含み、この方法は、シードレーザー、少なくとも１つの増幅器、及び反射器を有する光放射を提供するマーキングレーザー内に反射器を提供する段階を含み、この場合に、シードレーザーは、反射器を介して増幅器に接続され、増幅器は、クラッディングポンピングされる光ファイバを有し、シードレーザーは、光学的有効走行時間によって特徴付けられたレーザーダイオードを有し、反射器は、シードレーザーによって放射されたシーディング放射の中のある比率をシードレーザー内に反射するべく構成され、反射器は、帯域幅及び帯域幅にわたる往復時間遅延変動によって特徴付けれ、且つ、往復時間遅延変動は、光学的有効走行時間を上回る。

ペデスタル内の燐酸塩及び酸化ゲルマニウムの濃度は、所望の開口数を実現するべく選択される。酸化ゲルマニウムの包含は、光ファイバ製造プロセスにおいて、ペデスタルの仮想温度を増大させ、且つ、この結果、真円度とペデスタルに対するコアの同軸性の両方と、従って、第１クラッディングに対するコアの同軸性の保持を支援するという利点を具備する。コアの同軸性は、低損失融着接続の生成の際に重要である。

好ましくは、コア内には、実質的にゼロのツリウムドーパントが存在する。好ましくは、その他の微量の希土類ドーパントも、回避されることを要する。ツリウムドーパントを含むファイバは、フォトダークニングの影響を特に受け易いことが判明しているので、ツリウムドーパントを除去することの重要性は、ファイバレーザー及び増幅器の設計において重要である。従って、わずかな少ない量のツリウムを具備した希土類ドーパントを使用することが重要である。ツリウム濃度は、約１０ｐｐｍ未満、好ましくは、１ｐｐｍ未満であることを要する。

光ファイバは、コア内に複屈折性を誘発する少なくとも１つのストレス生成領域を有することができる。

耐フォトダークニング型光ファイバは、０．１５未満の開口数を具備した導波路を有することが可能であり、この場合に、導波路は、屈折率ｎ１を具備したコアと、屈折率ｎ２を具備したペデスタルと、を有し、且つ、この場合に、ファイバは、ペデスタルを取り囲む屈折率ｎ３を具備した第１クラッディングを含み、この場合に、ｎ１はｎ２より大きく、ｎ２はｎ３より大きい。コアは、シリカ、約０．３〜０．８モルパーセントの濃度のアルミナ、実質的に１５モルパーセントの濃度の燐酸塩、実質的に２００００〜４５０００ｐｐｍの範囲の濃度のイッテルビウムを有する。ペデスタルは、シリカ、燐酸塩、及び酸化ゲルマニウムを有することができる。好ましくは、コアは、実質的にゼロのツリウムドーパントを有する。

光ファイバは、少なくとも１つのポンプエネルギーの供給源を有するクラッディングポンピング型増幅光学装置の形の装置内において、使用可能である。この装置は、低開口数のコアから散乱又は漏洩する信号光が、ペデスタルによって優先的に捕獲及び導波され、この結果、ポンプ内に返送されないため、特に有利である。従って、この装置は、クラッディングポンピング型レーザーの主要な障害メカニズムの１つ、即ち、望ましくない信号光によって生じるポンプダイオードの破滅的な障害、を除去する。

光ファイバは、増幅器、レーザー、主発振器パワーアンプ、Ｑスイッチレーザー、或いは、少なくとも１つのポンプエネルギー供給源を有する超高速レーザーの形の装置内において使用可能である。

本発明は、少なくとも１つのポンプエネルギー供給源、光ファイバ、レーザー供給ファイバ、及び加工ヘッドを有する材料加工用のレーザーの形の装置であってよい。

本発明は、マーキングの方法であってよく、この方法は、マーキングレーザー内に反射器を提供する段階を含む。

本発明は、前項までの請求項の中のいずれか一項記載の装置を使用して加工された際の材料であってよい。材料は、半導体パッケージ（プラスチック又はセラミック）、携帯電話機上のキーパッド、ｉＰＯＤ、コンピュータ、コンポーネント、パッケージ、又は商用又は産業用製品であってよい。

本発明の別の態様は、シードレーザー及び反射器を、面発光ＬＥＤ（ＳＬＥＤ）によって置換するというものである。その使用によってＳＢＳの発現が劇的に低減されるように、ＳＬＥＤを増幅し得る。装置は、好ましくは、前述の光ファイバを有する。

本発明による装置を示す。 光ファイバの屈折率プロファイルを示す。 コア内に複屈折性を誘発するストレス生成領域を含む光ファイバを示す。 クラッディングポンピング型増幅光学装置を示す。 材料加工用のレーザーの形態における装置を示す。 ４つの連続波ファイバレーザーにおけるフォトダークニングの効果を示す。 アルミナドーピング型シリカ内におけるフォトダークニングの効果を示す。 １ファイバ内における加速エージング試験の結果を示す。 他のファイバ内における加速エージング試験の結果を示す。 さらに他のファイバ内における加速エージング試験の結果を示す。 ０．６ｍＪのパルスエネルギー及び３５ｎｓのパルス幅を具備した２０ｋＨｚのパルスを有する１２Ｗの平均パワーを放射するＭＯＰＡ内におけるフォトダークニング効果の除去を示す。 １０ｋＨｚにおいて変調されたファイバレーザー内におけるフォトダークニング効果の除去を示す。 好適な実施例の屈折率プロファイルを示す。 楕円形のペデスタルを具備した光ファイバを示す。 ２００Ｗの連続波ファイバレーザーにおける出力パワーの計測値を示す。 ２００Ｗの連続波ファイバレーザーにおける出力パワーの計測値を示す。 ＭＯＰＡを示す。 シードが面発光ＬＥＤ（ＳＬＥＤ）であるＭＯＰＡを示す。 反射器を含むＭＯＰＡを示す。 正常動作におけるパルス形状を示す。 追加のスパイクを含むパルス形状を示す。 ジャイアントパルスの一例を示す。 レーザーダイオードからの代表的なスペクトルを示す。 定位置に反射器を有するレーザーダイオードのスペクトルを示す。 反射器として使用されたファイバブラッグ格子の設計を示す。 ファイバブラッグ格子の計測反射率を示す。 異なる反復レートにおける出力パルスを示す。 シードレーザーによって放射された対応するパルスを示す。 図２７に示された個々のパルスを重畳して示す。 図２８に示された個々のパルスを重畳して示す。 反復周波数に伴うピークパワー及びパルスエネルギーの変動を示す。 ポンプパワーの増大に伴うＭＯＰＡからの出力パワーを示す。 図３２に示されたパルスの光学スペクトルを示す。 出力パルスの形状に対する、パルス繰り返し周波数及びパルス幅の変化による効果を示す。 出力パルスの形状に対する、パルス繰り返し周波数及びパルス幅の変化による効果を示す。 出力パルスの形状に対する、パルス繰り返し周波数及びパルス幅の変化による効果を示す。 出力パルスの形状に対する、パルス繰り返し周波数及びパルス幅の変化による効果を示す。 反射器及びペデスタルを有する装置を示す。

以下、添付の図面を参照し、本発明の実施例について説明するが、これは、一例に過ぎない。

図３８を参照すれば、光放射３８１を提供する装置３８０が提供され、この装置は、シーディング放射３８７を提供するシードレーザー３８２と、シーディング放射３８７を増幅する少なくとも１つの増幅器３８３と、反射器３８４と、を有し、この場合に、シードレーザー３８２は、ファブリペロー半導体レーザーであり、シードレーザー３８２は、反射器３８４を介して増幅器３８３に接続され、増幅器３８３は、（図１との関係において示されているように）ガラスから製造されたペデスタル４を有する光ファイバ１を有する。反射器３８４は、シードレーザー３８２によって放射されたシーディング放射３８７のある比率３８８をシードレーザー３８２内に反射して戻すべく構成されている。

ペデスタル４は、光ファイバ１から漏洩する光放射３８１による損傷から装置３８０を保護している。

反射器３８４は、損傷から装置３８０を保護している。反射器３８４は、シードレーザー３８２が、１個のシングル縦モード（又は、いくつかの縦モード）においてシーディング放射３８７を放射することを妨げ、これにより、誘導ブリルアン散乱（ＳＢＳ）の開始を抑圧していると考えられる。

好ましくは、反射器３８４は、分散型反射器である。

好ましくは、シードレーザー３８２は、光学的有効走行時間３８６によって特徴付けられ、反射器３８４は、帯域幅３８１０及び帯域幅３８１０にわたる往復反射時間遅延変動３８９によって特徴付けられ、且つ、往復反射時間遅延変動３８９は、光学的有効走行時間３８６を上回る。

比率３８８は、２０％未満であってよい。この比率は、好ましくは、１％〜１０％である。

反射器３８４は、シードレーザー３８２から距離３８１１に配置される。１ｍの距離は、光ファイバにおける約１０ｎｓの往復遅延に対応する。光ファイバ内における誘導ブリルアン散乱のビルドアップ時間は、材料組成に応じて、約２０ｎｓ〜４０ｎｓである。フィードバックがシードレーザー３８２からの放射に影響を与えるための時間を有するように、反射器３８４を配置することが重要である。距離３８１１は、５ｍ未満であることを要する。距離３８１１は、理想的には、２ｍ未満であることを要する。この距離は、好ましくは、０．５ｍ〜１．５ｍである。或いは、この代わりに、反射器３８４は、シードレーザー３８２と共にパッケージングすることも可能であり、且つ、距離３８１１は、５ｍｍ〜５０ｃｍであってよい。

本発明は、スイッチオンから最初の２００ｎｓにおいて１ｋＷを上回るピークパワーを有しうるパルスファイバレーザーとして構成された装置３８０において、最大の有用性を具備する。前述の距離３８１１は、装置３８０が１ｋＷを上回るパワーを放射していている際に、反射器３８４からのフィードバックが発生することを保証するべく選択可能である。

光学的有効走行時間３８６とは、光がシードレーザー３８２全体を前方方向に伝播するのに要する時間を意味している。

図１は、導波路２を含む光ファイバ１を示している。導波路２は、屈折率ｎ１を具備したコア３と、屈折率ｎ２を具備したペデスタル４と、ガラスから製造された屈折率ｎ３を具備する第１クラッディング５と、を有する。好ましくは、ｎ１＞ｎ２＞ｎ３である。光ファイバ１は、好ましくは、ｎ３未満の屈折率を具備したコーティングによって被覆される。この結果、ファイバ１は、ポンプ放射を少なくとも第１クラッディング５内に結合することにより、クラッディングポンピング可能である。コーティングは、好ましくは、ポリマーである。図１に示されているものなどのペデスタルファイバを増幅器内において使用した際には、クラッディングポンピング型ファイバレーザーは、ポンプダイオードを損傷する光放射に対する耐性をあまり有していないことが判明した。好ましくは、光ファイバ１は、サイドポンピングされる。

光ファイバ１は、好ましくは、フォトダークニング耐性を有する光ファイバである。「耐性」により、本発明者らは、動作の際の光ファイバ１の減衰の増大が１０％を上回らないことを意味している。好ましくは、減衰の増大は、２，０００時間において５％を上回らないことを要する。好ましくは、増大は、２，０００時間内において１％未満であることを要する。フォトダークニングに関する計測データについては、後程詳述する。

光ファイバ１は、好ましくは、０．１５未満の開口数を具備する。

以下においては、シリカ、燐酸塩、アルミナ、及び酸化ゲルマニウムなどの材料を頻繁に参照している。シリカとは、純粋なシリカ、ドーピングされたシリカ、並びに、高度にドーピングされたシリカガラスを意味し、これらのガラスは、しばしば、シリケート又はシリシックガラスと呼ばれる。燐酸塩とは、五酸化燐（Ｐ₂Ｏ₅）などの燐の酸化物を意味している。アルミナとは、Ａｌ₂Ｏ₃などのアルミニウム（ａｌｕｍｉｎｕｍ）の酸化物を意味している（欧州においては、「アルミニウム（ａｌｕｍｉｎｉｕｍ）」と呼ばれる）。酸化ゲルマニウムとは、ゲルマニウムの酸化物、特にＧｅＯ₂を意味している。イッテルビウムとは、酸化物としてガラス内に含まれたイッテルビウムを意味しており、且つ、ｐｐｍを単位とする濃度は、イッテルビウムイオン、特にＹｂ³⁺の濃度である。同様に、（ツリウム、エルビウムなどの）その他の希土類金属と称することにより、酸化物としてガラス内に含まれた希土類金属を意味しており、且つ、ｐｐｍを単位とする濃度は、希土類金属のイオン濃度である。

図２は、ファイバ１の屈折率プロファイル２０を示している。コア３、ペデスタル４、及び第１クラッディング５の屈折率は、それぞれ、ｎ１、ｎ２、及びｎ３である。ｎ１がｎ２より大きく、且つ、ｎ２がｎ３より大きいことが好ましい。

好適な実施例は、約０．３〜０．８モルパーセントの濃度のアルミナと、実質的に１５モルパーセントの濃度の燐酸塩と、を有するシリカガラスを有するコア３を具備する。ツリウムドーパントは実質的にゼロであることが好ましい。ペデスタル４は、シリカ、燐酸塩、及び酸化ゲルマニウムを有することが好ましい。第１クラッディング５は、純粋なシリカ、フッ素ドーピングされたシリカ、又は光ファイバを製造する際に使用されるその他のクラッディング材料（ポリマーを含む）であってよい。第１クラッディング５がガラスである場合には、ファイバ１は、好ましくは、ポンプ光を増幅器及びレーザー内において導波するべく、第１クラッディング５の屈折率を下回る屈折率を具備し得るポリマーによってコーティングされる。ファイバレーザー及び増幅器内の利得媒質としてのアプリケーションの場合には、コア３及びペデスタル４の少なくとも１つのものは、希土類ドーパントによってドーピングされる。希土類ドーパントは、その濃度が、好ましくは、実質的に２００００〜４５０００ｐｐｍの範囲にあるイッテルビウムであってよい。

耐フォトダークニング型ファイバを使用する利点は、光ファイバ１が、高ポンピング及び反転状態、並びに、高強度下において光放射を伝播させる能力を有するという点にある。低開口数は、所謂ラージモードエリアファイバとなるように、ファイバ１を構成し得ることを意味しており、これにより、高ポンピング及び反転状態との組み合わせにおいて、ファイバレーザー及び増幅器の出力パワー及び／又は製品寿命を増大可能である。大きなモードエリアファイバの設計は、米国特許第６，６１４，９７５号に記述されている。ファイバレーザー及び増幅器の設計における更なる利点は、光ファイバがその透過率品質を製品寿命にわたって維持するため、必要とされるポンプダイオードが相対的に少ないという点にある。

前述の図面は、好適な実施例を表しているが、コア３は、０．１〜４モルパーセントの範囲の濃度のアルミナ及び２〜２０モルパーセントの範囲の濃度の燐酸塩と共に、シリカを有することができる。アルミナドーピングされたコアは、酸化ゲルマニウム燐ドーピングされたペデスタルとの組み合わせにおいて、従来技術と比較し、改善された再現性を有する低開口数ファイバの製造を可能にする。０．０６〜０．１、又は、好ましくは、約０．０８という小さな開口数を容易に実現可能である。

ペデスタル４は、シリカ、燐酸塩、及び酸化ゲルマニウムを有することができる。燐酸塩及び酸化ゲルマニウムの濃度は、所望の開口数を実現するべく選択される。酸化ゲルマニウムの包含は、光ファイバ製造プロセスにおいて、ペデスタル４の仮想温度（ｆｉｃｔｉｖｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）を増大させ、且つ、これにより、真円度及びペデスタル４に対するコア３の同軸性の両方と、従って、第１クラッディング５に対するコア３の同軸性の保持を支援するという利点を具備する。コアの同軸性は、低損失融着接続の生成において重要である。

好ましくは、コア３内には、実質的にゼロのツリウムドーパントが存在する。ツリウムドーパントを除去することの重要性は、ツリウムドーパントを含むファイバは、特にフォトダークニングの影響を受け易いことが判明していることから、ファイバレーザー及び増幅器の設計において重要である。従って、わずかな少ない量のツリウムを具備した希土類ドーパントを使用することが重要である。ツリウムの濃度は、約１０ｐｐｍ未満、好ましくは、１ｐｐｍ未満であることを要する。

光ファイバ１は、コア３及びペデスタル４の少なくとも１つのものの内部に配置された少なくとも１つの希土類ドーパントによってドーピング可能である。希土類ドーパントは、２０００〜６００００ｐｐｍの範囲の濃度を具備したイッテルビウムであってよい。イッテルビウムの濃度は、約１５０００〜５００００ｐｐｍであってよい。イッテルビウムの濃度は、好ましくは、約２００００〜４５０００ｐｐｍである。

コア３内の燐酸塩の濃度は、約１２〜１７モルパーセントであってよい。コア３内の燐酸塩の濃度は、好ましくは、約１５モルパーセントである。

アルミナの濃度は、約０．２０〜１モルパーセントであってよい。アルミナの濃度は、好ましくは、約０．３〜０．８モルパーセントである。

光ファイバ１は、化学気相蒸着法及び溶液ドーピング法を使用して製造可能である。技法については、米国特許第４，７８７，９２７号、第４，８１５，０７９号、第４，８２６，２８８号、第５，０４７，０７６号、及び第５，１５１，１１７号に記述されている。

導波路２は、信号波長においてマルチモード導波路であってよい。導波路２は、大きな長さにわたって、大きな歪及び／又はモード結合を伴うことなしに、シングルモード光を伝播させるべく構成し得る。このような設計は、高パワーファイバレーザー及び増幅器の設計において、特に、分光法、産業用の材料加工、レーザー手術、及び航空宇宙アプリケーションにおいて、重要である。コア設計、シングルモード光を伝播させる技法、並びに、望ましくない高次モードを（少なくとも部分的に）除去するための曲げ損失の使用法の例については、米国特許第５，８１８，６３０号、第６，４９６，３０１号、第６，６１４，９７５号、及び第６，９５４，５７５号に記述されている。

導波路２は、シングルモード導波路であってよい。

図３は、コア３内に複屈折性を誘発するストレス生成領域３１を含む光ファイバ３０を示している。コア３は、円形又は楕円形であってよい。或いは、この代わりに、又はこれに加えて、複屈折性は、ペデスタル４及びコア３の少なくとも１つのものを楕円形に製造することによって誘発させることも可能である。図１４は、複屈折性を誘発する楕円形のペデスタル４を具備した光ファイバ１４０を示している。又、光ファイバ１４０は、ペデスタル４のものよりも高い粘度を具備するべく設計された内部クラッディング１４１をも含む。これは、例えば、その屈折率を低下させるべく、ペデスタル４内に硼素ドーパントを包含することによって実現可能である。このような複屈折ファイバを製造する技法については、米国特許第４，２７４，８５４号及び第４，４２６，１２９号に記述されている。このようなファイバにおいては、楕円形ジャケット内にペデスタルを整形することができるように、ペデスタル内の酸化ゲルマニウムのドーパント濃度を低減又は除去することが有利であることに留意されたい。或いは、この代わりに、又はこれに加えて、前述の特許番号によって開示されているように、楕円形ジャケットを形成するべく、硼素の酸化物によってドーピングされた追加のクラッディング（図示されてはいない）をファイバ１に包含することも可能である。又、光ファイバ３０及び１４０は、米国特許第６，４９６，３０２号及び同時係属中の本明細書と同一の譲受人に譲渡された米国特許出願第１０／５２８，８９５号に記述された、シングルモード又はマルチモードであり得る単一偏光光ファイバであってもよい。

図４は、ポンプ４４と、光ファイバ４１と、を有するクラッディングポンピング型増幅光学装置４０の形の装置を示している。光ファイバ４１は、光ファイバ１、３０、又は１４０であってよい。クラッディングポンピング型光学装置４０は、共通コーティング４６内に、光ファイバ４１と、ポンプファイバ４３と、を有する複合ファイバ４２を利用している。複合ファイバ４２については、米国特許第６，８２６，３３５号に記述されている。米国特許第４，８１５，０７９号、第５，８５４，８６５号、第５，８６４，６４４号、及び第６，７３１，８３７号に記述されたものなどのその他のクラッディングポンピング型ファイバ及び構成も可能である。低開口数のコア３から散乱又は漏洩する信号光は、ペデスタル４により、優先的に捕獲及び導波され、この結果、ポンプ４４に返送されないため、本発明は、特に有利である。従って、本装置は、クラッディングポンピング型レーザーの主要な障害メカニズムの１つのものを、即ち、望ましくない信号光によって生じるポンプダイオードの破滅的な障害を除去する。クラッディングポンピング型光学装置４０は、増幅器、レーザー、主発振器パワーアンプ、Ｑスイッチレーザー、或いは、少なくとも１つのポンプエネルギーの供給源を有する超高速レーザーであってよい。超高速レーザーとは、例えば、１ｎｍ未満の、更に好ましくは、１０ｐｓ未満のパルス幅を具備したパルスを放射する、モードロックされたレーザー及び／又は主発振器パワーアンプの形のレーザーを含むレーザーを意味している。超高速レーザーの設計及びアプリケーションについては、米国特許第６，８８５，６８３号、第６，２７５，５１２号、第５，６２７，８４８号、第５，６９６，７８２号に開示されている。

図５は、材料加工用のレーザー５０の形の装置を示している。レーザー５０は、増幅光学装置４０、レーザー供給ファイバ５１、及び加工ヘッド５２を有する。加工ヘッド５２は、スキャナ、ガルバノメーター、又は合焦レンズであってよい。レーザー５０は、金属、プラスチック、及びその他の材料のマーキング、微細溶接、印刷、微細機械加工、及び切断に特に有用である。

図６は、それぞれが、イッテルビウム、アルミナ、酸化ゲルマニウム、及び硼素の酸化物によってドーピングされたコア３を有する、４つの連続波ファイバレーザー内におけるフォトダークニングの効果を示している。この図は、４つの異なるファイバレーザーにおける時間６６に伴う出力パワー６１の計測値を示している。これらのファイバレーザーのそれぞれのコア３は、標準的な市販品のイッテルビウムドーパントによってドーピングされた。ライン６２は、高いツリウム含有量を具備した標準的な市販のイッテルビウムドーパントによってドーピングされた、ファイバレーザーからの計測値を示している。出力パワー６１の迅速な減少が観察される。ライン６３は、６０Ｗの連続波出力パワーを出力するファイバレーザーから３０℃において採取された計測値を示している。ファイバコア１は、標準的な市販のイッテルビウムによってドーピングされた。この場合にも、観察可能な出力パワー６１の迅速な減少が存在する。ライン６４は、１１０Ｗの連続波出力パワーを出力するファイバレーザーから７０℃において採取された計測値を示している。最後に、ライン６５は、６０Ｗの連続波出力パワーを出力するファイバレーザーから３０℃において採取された計測値を示している。イッテルビウムドーパントは、高純度であり、百万分の１未満の規定の不純物レベルを有する。イッテルビウムドーパントは、高純度であり、百万分の１（１ｐｐｍ）未満の規定の不純物レベルを有する。ライン６３及び６５を比較することにより、高純度イッテルビウムの使用は、同一レベルの出力パワー及び温度において計測された際のフォトダークニングの効果を低減している。ライン６４をライン６５と比較することにより、３０℃から７０℃への温度の上昇は、フォトダークニングの増大を引き起こしている。非常に低レベルのツリウム及びその他の不純物を有するＹｂドーパントを利用することによって実現されたフォトダークニングに対する耐性の大きな改善が、明らかに存在する。残りのフォトダークニング効果は、その他の屈折率制御コアコドーパント、即ち、アルミナ、酸化ゲルマニウム、及び硼素の酸化物に起因すると考えられる。

Ｋｉｔａｂａｙａｓｈｉ他は、Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｆｉｂｅｒ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ ２００６ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅにおいて発表された「Ｐｏｐｕｌａｔｉｏｎ ｉｎｖｅｒｓｉｏｎ ｆａｃｔｏｒ ｄｅｐｅｎｄｅｎｃｅ ｏｆ ｐｈｏｔｏｄａｒｋｅｎｉｎｇ ｏｆ Ｙｂ−ｄｏｐｅｄ ｆｉｂｅｒｓ ａｎｄ ｉｔｓ ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎ ｂｙ ｈｉｇｈｌｙ ａｌｕｍｉｎｕｍ ｄｏｐｉｎｇ」という名称の自身の論文において、Ｙｄドーピングされたファイバ内のフォトダークニングは、アルミニウムドーピングを包含することによって低減可能ではあるが、完全には除去することができないことを開示している。この内容は、本引用により、本明細書に包含される。

驚いたことに、本発明者らは、ファイバ１のコア３から酸化ゲルマニウムを除去し、且つ、燐酸塩ドーパントを包含することにより、更なる改善を実現可能であることを発見した。図７は、アルミナドーピングされたコア１内に燐酸塩ドーパントを包含することによって得られた改善を示している。コア１は、酸化ゲルマニウム及び硼素ドーピングを含んでいない。コア１は、ツリウム及びその他の希土類に起因した汚染を最小限に維持するべく、イッテルビウムの高純度の酸化物（１ｐｐｍよりも良好になるように規定された合計不純物含有量）によってドーピングされた。曲線６７は、アルミナドーパントを有する結果を示しており、曲線６８は、アルミナ及び燐酸塩ドーパントを有する結果を示している。Ｋｉｔａｂａｙａｓｈｉ他の結果によれば、アルミナは、単独では、フォトダークニング効果を完全に抑圧することができないとされている。しかしながら、本発明者らは、アルミナに加えて燐酸塩コドーパント（ｃｏ−ｄｏｐａｎｔ）を包含することにより、結果的に劇的な改善がもたらされ、この結果、イッテルビウムドーピングされたファイバ内のフォトダークニング効果が劇的に低減されることを発見した。又、重要なことは、コア内におけるアルミナドーパントの使用は、燐酸塩ドーピングのみによるものよりも高い再現性を有する低開口数の導波路の製造をも可能にすることである。

又、光ファイバのフォトダークニングは、加速エージング試験に晒された状態において、光ファイバの（対象である１ミクロン領域の周囲の）吸収の増大を監視することにより、特徴付けすることも可能である。エージングは、イッテルビウムドーピングされたコアをポンピングして可能な最大反転を実現することにより、加速される。図８〜図１０を参照して示された計測値は、９７６ｎｍにおける約４００ｍＷのポンプ光によって長さが約０．１〜１ｍのファイバをコアポンピングし、且つ、タングステンフィラメントからの白色光をコア内に結合することにより、得られた。次いで、スペクトル吸収をカットバック計測によって計測した。計測法は、Ｌ．Ｌ． Ｋｏｐｏｎｅｎ他による「Ｐｈｏｔｏｄａｒｋｅｎｉｎｇ ｉｎ ｙｔｔｅｒｂｉｕｍ−ｄｏｐｅｄ ｓｉｌｉｃａ ｆｉｂｅｒｓ」（Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ＳＰＩＥ Ｖｏｌｕｍｅ ５９９０）という論文に発表された方法に準拠しており、この内容は、本引用により、本明細書に包含される。損失８１対波長８３の計測値を加速エージングの前及び後において採取した。図８は、そのコアが高純度のＹｂ、酸化ゲルマニウム、及び硼素によってドーピングされたファイバレーザー内における加速エージングの前８４及び後８５における損失８１の計測値を示している。図９は、市販の耐フォトダークニング型Ｙｂドーピングファイバを使用した同一の計測値を示している。図１０は、図１に示されたファイバ１を含むファイバレーザーに関する同一の計測値を示している。図８〜図１０のそれぞれのものにおいて、約８５０〜１０５０ｎｍのイッテルビウムの吸収ピークが明らかである。この理由から、（図８及び図９の）曲線８６及び８７により、且つ、図１０の曲線１０１により、減衰曲線８４及び８５を外挿した（曲線８４及び８５の間に識別可能な差が存在しないため）。フォトダークニングは、波長８３の減少に伴って増大する損失８１の増大により、図８において明らかである。対象の領域８８は、１０００ｎｍ〜１１００ｎｍにおける損失８１の増大を示す、図８及び図９のハッチングエリアによって示されている。図９に対応するファイバは、図８に対応するファイバよりも、格段に小さな損失の増大を明らかに示している。しかしながら、図１０から明らかなように、強調表示されたエリア１０２によって明白に示されているように、この波長帯域には、明らかなフォトダークニングは存在していない。従って、本発明のこの態様によるファイバ設計は、フォトダークニングを除去している。

図１１及び図１２は、図１０の加速エージング試験において使用されたものに類似したドーパントを有する図１のファイバを利用したファイバレーザーからの出力パワー１１０対時間１１１を示している。それぞれの図中の上部計測ラインは、出力パワー１１０であり、下部ラインは、計測値が採取された周辺温度１１２である。図１１に示された結果を得るべく使用されたファイバレーザーは、０．６ｍＪのパルスエネルギー及び３５ｎｓのパルス幅を具備した２０ｋＨｚのパルスを有する１２Ｗの平均パワーを放射する主発振器パワーアンプ（図示されてはいない）であった。図１２に示された結果を得るべく使用されたファイバレーザーは、ポンプ源として使用されたレーザーダイオードを１０ｋＨｚにおいて且つ７０％のデューテイサイクルにおいて反復的にターンオン及びオフすることにより、１０ｋＨｚにおいて変調された連続波レーザーであった。高ピークパワーのパルス主発振器パワーアンプ及び連続波レーザーの両方において、２〜３ヶ月の連続運転にわたって、時間１１１に伴う出力パワー１１０の劣化が生じていないことを図１１又は図１２の両方において観察可能である。

図１３は、本発明の好適な実施例における屈折率プロファイル１３０を示している。プロファイル１３０は、崩壊（ｃｏｌｌａｐｓｅ）におけるドーパント（特に、燐酸塩）の蒸発に起因したコア３内の中央の落ち込み１３０を含むという点において、図２の理想的なプロファイルとは異なっている。コア３とペデスタル４の間の屈折率差１３１は、ｎ₁−ｎ₂によって付与され、これは、約０．００３２である。これは、約０．０９６の開口数に対応する。同様に、ペデスタル４と第１クラッディング５の間の屈折率差１３２は、約０．００９７であり、これは、約０．１７の開口数に対応する。コア３は、約０．７０モルパーセントのドーパント濃度を有するアルミナと、約１５モルパーセントのドーパント濃度を有する燐酸塩と、約２５０００ｐｐｍのドーパント濃度を有するイッテルビウムと、によってドーピングされた。イッテルビウムドーパントは、１ｐｐｍ未満の不純物含有量を有するイッテルビウムの酸化物によって提供され、従って、コア３内には、実質的にツリウムドーパントが含まれていなかった。ペデスタル４は、約０．００３２という所望のペデスタル４に対するコア３の屈折率１３１を提供するのに十分なレベルにおいて、燐及びゲルマニウムによってドーピングされた。ペデスタル４内の燐酸塩は、堆積されるコア３により、プレフォームの崩壊の際に蒸発することにならないため、ペデスタルの屈折率差１３２は、高精度で製造可能であることに留意されたい。又、燐酸塩とは異なり、アルミナドーパントは、プレフォームの崩壊の際に蒸発の影響を相対的に受けないため、コア屈折率差１３１も、同様に、高精度で製造可能である。従って、好ましい実施例は、高精度において、且つ、製造の際のコア３からのドーパントの大規模な蒸発を伴うことなしに製造可能であるフォトダークニング問題に対する解決策を提供している。２５０００ｐｐｍというイッテルビウムのドーパント濃度は、約２００００ｐｐｍ〜４００００ｐｐｍにおいて変化可能である。更に大きな値は、ファイバレーザー又は増幅器内におけるポンプ吸収の増大を許容する。これは、使用する活性ファイバの必要な長さを低減するという更なる利点をも具備する。５μｍ〜５０μｍの範囲の又は（非常に大きなパワーのレーザー及び増幅器に使用される場合の１００μｍなどの）これよりも大きな直径を有するコアを製造するべく、製造の際にプレフォームをオーバースリービングすることにより、又は当産業において既知のその他の技法により、コア３の直径１３３を変更可能である。コア３は、シングルモード又はマルチモードであってよく、且つ、コア３及び／又はペデスタル４に伴うドーパント濃度を調節することにより、等価な開口数が約０．０６〜０．１５の範囲、好ましくは、０．０８〜０．１５の範囲になるように、屈折率差１３１を変更可能である。ペデスタル４の直径１３４は、コア４の直径１３３の約１〜５倍の範囲、好ましくは、コア４の直径１３３の１．５〜４倍のレンジ、更に好ましくは、コア４の直径１３３の約２．０〜４倍であってよい。図１３に示された設計は、本明細書に記述されたファイバ１、３０、４１、又は１４０のコア３及びペデスタル４の基礎として使用可能である。

主発振器パワーアンプパルスレーザーの増幅の最終段内における（図１３に示された）中央の落ち込みを有する活性ファイバの使用は、低パワーの前置増幅器段によって後続された半導体シードレーザーを有する主発振器パワーアンプ構成において、非常に有益であることが判明した。

中央の落ち込みの存在によって生成された非ガウスモードプロファイルは、フラットトップ屈折率におけるモードとの関係において、ファイバピグテールに対する乏しい整合性を有するため、これは意外であった。信号接続損失の増大は、増幅器内において使用されたポンプパワーと出力信号パワーの間の比率として定義される増幅器効率の低減を結果的にもたらすものと考えられた。逆に、活性ファイバコア内に落ち込みを導入することにより、増幅器効率の改善が得られた。所望のレーザー出力パワーに到達するべく必要とされるポンプダイオードの数が相対的に少なくなるため、高効率は、大きな利点を提供する。

様々な活性ファイバの特徴判定において、３００ｍＷの入力信号パワーを使用した。これは、半導体シードレーザーからの５〜１０ｍＷの平均出力パワー及び前置増幅器段における〜２５ｄＢの増幅を有する対象の主発振器パワーアンプ構成において、一般的なものである。

フラットトップ屈折率プロファイルを有するファイバの計測された効率は、複数の横モードが活性ファイバ内において励起された際には、５０〜５５％であり（マルチモード効率）、更に低次のモードが励起された際には、２５〜３５％と低かった（略して、シングルモード効率と呼ばれる）。良好な出力ビーム品質を目標としているため、ファイバレーザーにおいては、後者のほうが関係している。

この代わりに、中央の落ち込みを有するファイバは、６５〜７０％のマルチモード効率を、そして、５０〜５５％という高いシングルモード効率を示した。コアの中央に異なる落ち込みを有する様々なファイバについて、これらの結果を得た。屈折率低下の変化は、−０．００３〜−０．０１０の範囲であった。

これは、媒質内において入手可能な最大エネルギーに対するレーザー媒質から抽出されたエネルギーの比率として定義される、様々な設計の様々なエネルギー抽出効率を考慮することにより、説明可能である。エネルギー抽出効率は、活性媒質の入力飽和を増大させることにより、即ち、更に大きな信号入力パワーを使用するか又は活性媒質とファイバモードのオーバーラップを改善することにより、増大可能である。半導体シード＋１つの前置増幅段から取得可能である相対的に低いパワーは、良好なオーバーラップを目標としなければならないことを意味している。

フラットトップのファイバにおいては、相対的に低次のモードがコアの中心の周りに集中し、これにより、コアエッジの近傍における大量のＹｂイオン内に保存されたエネルギーの効率的な使用が妨げられる。実際に、Ｙｂドーパントプロファイルは、Ｙｂイオンの高いモル屈折度に起因し、コアの屈折率プロファイルに略準拠していると仮定することが妥当である。

逆に、相対的に低次のモードプロファイルは、中央の落ち込みを有するファイバ内のＹｂ分布プロファイルと整合している。ドーパントのすべてのセクションが効率的に入力信号によって使用され、この結果、相対的に良好な飽和の平均レベル及び良好な抽出効率が得られる。屈折率において−０．００３という小さな低下が導入された際には、大きな利点が理論的に見出されるが、低下が更に増大した場合には、変化は、無視可能である。

更なる利益は、ファイバの製造における製造公差の緩和と（この理由は、落ち込みは、プレフォームの崩壊プロセスにおけるドーパントの蒸発に関係しており、これは、制御が困難であるためである）、中央の落ち込みが所与の出力エネルギーにおける基本のピーク強度を低下させ、これによって非線形効果が低減されるという点にある。

可能な欠点は、増幅器内におけるパルス整形の増大によって付与される。相対的に良好な抽出効率は、増幅器内における相対的に不良なパルス変形と、同一の合計パルスエネルギーにおけるパルスリーディング端部のピークパワーの増大を結果的にもたらす。これは、非線形効果及びパルス形状制御の両方にとって有害である。小さな落ち込み（約０．００３の屈折率の変化）により、相対的に厳格な製造要件を代償として、効率と整形の間の最適なバランスが得られる。

図１５は、連続波２００Ｗレーザーにおける出力パワー１１０対時間１１１を示している。２００Ｗレーザーは、その出力が２００Ｗ光ファイバ増幅器によって増幅される２０Ｗファイバレーザーを有する。２００Ｗファイバ増幅器は、図１３に示されたものに類似した屈折率プロファイルを有するファイバを使用した。コア３は、アルミナ、燐酸塩、及びイッテルビウムによってドーピングされた。出力パワー１１０は、７０時間において、約２Ｗ（０．７％）だけ減少した。この小さな減少は、フォトダークニング以外の理由によって発生した可能性がある。対照的に、図１６は、窪んだ内部クラッディングを有する従来の屈折率ステップ型ファイバを、２００Ｗの光学増幅器内において使用した等価的な結果を示している。コアは、アルミナ、硼素、イッテルビウムによってドーピングされた。出力パワー１１０は、３５時間において、約２５Ｗ（１０％）だけ劣化したことが観察される。コア内においてアルミナ及び燐酸塩ドーパントを使用することによって得られた改善が明らかに実証されている。

フォトダークニングが、ｍＷから数百ワットのパワーレベルにおいて発生することを実証する実験結果を提示した。主要な要因は、ドーパントの組成と、実際的に可能な限り低減することを要するファイバ内における反転の量である。反転の低減は、光学増幅システムの全体を通じて、すべての段においてわずかな信号利得を低減することにより、実現可能である。フォトダークニングは、１０ｄＢを上回る光学利得において問題となり、特に、２０ｄＢを上回る光学利得において問題となる。

本明細書に記述された解決策は、１ワット未満から数千ワットのパワーレベルにおいて、連続波レーザー及び数十フェムト秒〜数百ミリ秒のパルス幅を具備するパルスレーザーにおいて、シングルモード及びマルチモード出力の両方おいて、且つ、ランダム偏光された及び偏光された出力の両方において、適用可能であると考えられる。記述された内容は、イッテルビウムドーピングに合焦しているが、本発明者らは、これらの結果は、誘導ラマン散乱（ＳＲＳ）に基づいたファイバレーザー及び増幅器、並びに、ネオジミウム、イッテルビウム、エルビウム、ネオジミウム、プラセオジミウム、ツリウム、サマリウム、ホルミウム及びジスプロシウム、イッテルビウムコドーピングされたエルビウム、或いは、イッテルビウムコドーピングされたネオジミウムを含むものにも適用可能であると考える。これらの解決策は、約１３５０ｎｍ未満の波長において動作するファイバレーザー及び増幅器にとって重要であり、特に、１１００ｎｍ未満の波長において動作するファイバレーザー及び増幅器にとって重要である。又、これらの結果は、特にファイバレーザーからの出力が８００ｎｍ未満の波長を具備する際には、（図５のファイバ５１などの）ビーム供給ファイバの設計にも適用可能である。これは、例えば、非線形結晶、導波路、又はファイバ、或いは、チャープされた周期的に分極されたニオブ酸リチウムなどの材料を使用し、周波数倍増又は三倍増を通じて実現可能である。解決策は、高いヒドロキシル基（ＯＨ）含有量を有するシリカ、所謂「ウェットシリカ」の使用などの、フォトダークニングを低減するための従来の方法との関連において使用可能である。これは、重水素によって充填可能であり、且つ、紫外光によって照射可能である。

図１７は、光源１７２、少なくとも１つの増幅器１７３、及びコントローラ１７４を有する光放射１７１３を提供する装置１７１を示している。光源１７２は、出力パルス１７１９を生成するべく増幅器１７３によって増幅される光学パルス１７５を放射する。出力パルス１７１９は、パルス繰り返し周波数１７６、パルス持続時間１７７、ピークパワー１７９、平均パワー１７８、及びパルスエネルギー１７１０によって特徴付けられている。パルスエネルギー１７１０は、パルス１７１９の下部のシェーディングエリアとして、図１７に示されている。装置１７１は、増幅器１７３と光放射１７１３を材料１７１４に導波する任意選択の加工ヘッド１７１２の間に任意選択の光ファイバケーブル１７１１を具備する。コントローラ１７４は、装置１７１が材料１７１４を加工できるように、光源１７２及び増幅器１７３の少なくとも１つを制御する。図１７においては、加工は、マーク１７１５として描かれている。光源１７２は、図３８のシードレーザー３８２を有することができる。光源１７２は、図３８の反射器３８４を有することができる。増幅器１７３は、図３８の増幅器３８３を有することができる。

又、加工は、マーキング、印刷、切断、穿孔、溶接、微細溶接、蝋付け、アニーリング、並びに、その他の材料加工アプリケーションを包含することも可能である。又、加工は、（皮膚などの）組織の治療、歯科医術、及び外科などの生物学的プロセスを包含することも可能である。

加工ヘッド１７１２は、光放射１７１３をスキャニングするスキャニングヘッド又はガルバノメーターを有することができる。或いは、この代わりに、又はこれに加えて、加工ヘッド１７１２は、光放射１７１３をコリメート及び／又は合焦する少なくとも１つのレンズを有することも可能である。好ましくは、加工ヘッド１７１２は、材料１７１４から由来する後方反射による増幅器１７３の不安定化を防止するべく、ハイパワー光学アイソレータを包含可能である。

装置１７１を使用して加工される材料１７１４は、半導体パッケージ（プラスチック又はセラミック）、携帯電話機上のキーパッド、ｉＰＯＤ、コンピュータ、コンポーネント、パッケージ、又は商用又は産業用の製品などの物品であってよい。

前置増幅器、パワー増幅器、並びに、図１７の装置内において使用可能である光学構成は、反射器１９６を除いて、米国特許第６，４３３，３０６号に記述されており、この内容は、本引用により、本明細書に包含される。この特許が記述しているように、装置１７１のピークパワー１７９の増大に伴い、非線形効果が出現し始める。誘導ブリルアン散乱（ＳＢＳ）を回避するべく提案された解決策は、増幅段が相対的にＳＢＳから免れるように、存在する多数のモードの数だけＳＢＳ閾値を増大させるべく、複数波長を具備したレーザーダイオードを光源２として使用するというものである。本発明者らは、この方法は、約１ｋＷ〜５ｋＷ未満のピークパワー１７９において一般的に好適であることを見出した。しかしながら、以下において観察されるように、この解決策に基づいた主発振器パワーアンプ（ＭＯＰＡ）は、レーザーを損傷可能であるランダムパルシングの傾向を有する。この効果は、ＳＢＳに起因するものと考えられる。ファイバのモードエリアを増大させるなどの解決策は、ＳＢＳ閾値を増大させはするが、確実に約５ｋＷ超に増大させることは困難であることが証明された。米国特許第６，４３３，３０６号は、ＳＢＳ閾値を増大させるための又はランダムパルシングを回避するための反射器１９６の使用法を開示又は提案してはない。

ＳＢＳによって生じる問題の一例として、１２ｋＷのピークパワーを放射する装置内において、５０を超える数のモードを具備したレーザーダイオードを使用した。（１時間〜数ヶ月などの）かなりの期間にわたって２０ｋＨｚにおいて変調された際に、増幅器１７３を有する導波路に内部的な損傷を生成するトランジェントパルスが、出力において観察された。この効果は、時折発生するライン幅のナローイング及びこの結果としてＳＢＳの発生をもたらす半導体レーザー内のランダム効果に起因して発生すると考えられる。この効果は、恐らくはＳＢＳに起因すると思われるが、これは証明されてはいない。しかしながら、トランジェントパルス損傷は、特に、これがまれにしか発生しないことから、定量化すること、そして、このような装置から除去することが、非常に困難であることが判明した。

驚いたことに、本発明者らは、図１８の装置１８０を使用し、この問題を解決することができた。半導体レーザーを、スーパールミネッセントダイオード（ＳＬＥＤ）１８１、アイソレータ１８６、及び前置増幅器１８２によって置換した。前置増幅器１８２は、ポンプ１８９によってポンピングされている。前置増幅器１８２の出力は、光学アイソレータ１８６を介して増幅器１８３に結合され、次いで、これは、別の光学アイソレータ１８６を介してパワー増幅器１８１０に結合されている。増幅器１８３及びパワー増幅器１８１０は、ポンプ１８４及び１８１１によってそれぞれポンピングされている。ポンプ１８９、１８４、及び１８１１は、好ましくは、半導体レーザーである。

半導体レーザーをＳＬＥＤ１８１によって置換することは、直観に反した方法である。これは、ＳＬＥＤ１８１が、半導体レーザーよりも格段に小さなパワーを具備するためである。この結果、前置増幅器１８２は、飽和せず、且つ、増幅器１８３とパワー増幅器１８１０の利得を飽和させるＡＳＥをパルス１７１９の間に生成する。ＡＳＥは、ポンプ１８９が常にオンである場合に生成される。これは、ポンプ１８９が前置増幅器１８２をポンピングすることにより、反転及び後続のＡＳＥの生成をもたらすためである。パルスの間においてターンオフされ、且つ、ＳＬＥＤ１８１から到来するパルスの前にターンオンされるようにポンプ１８９を変調することにより、ＡＳＥの効果を低減可能である。正確なタイミングは、前置増幅器１８２の設計と、特に、ポンプ１８９から入手可能であるパワーに依存しており、ポンプパワーが大きいほど、ポンプ１８９をターンオン状態に維持するべく必要とされる時間は少なくなる。或いは、この代わりに、又はこれに加えて、前置増幅器１８２とパワー増幅器１８１０の間に光学スイッチ１８１２を挿入することも可能である。好ましくは、光学スイッチ１８１２は、前置増幅器１８２と増幅器１８３の間に挿入される。或いは、この代わりに、又はこれに加えて、フィルタ（図示されていない）を使用し、ＡＳＥをフィルタリングすることも可能であるが、これは、ポンプを変調するか又は光学スイッチ１８１２を使用するほどに効率的であるとは考えられない。光学スイッチ１８１２は、音響光学変調器、導波路スイッチ、ケラーセル、又はポッケルスセルであってよい。

ＳＬＥＤ１８１及びポンプ１８９、１８４、及び１８１１は、コントローラ２５によって制御されており、このコントローラは、装着されている場合には、光学スイッチ１８１２をも制御することになろう。これらの装置は、同期状態となると共に非線形及び損傷効果を低減するべく、制御されることになろう。

前置増幅器１８２、増幅器１８３、及びパワー増幅器１８１０は、コアポンピング又はクラッディングポンピング可能である。好ましくは、前置増幅器１８２は、コアポンピング型の前置増幅器である。これは、コアポンピング型の前置増幅器は、相対的に短い装置であって、こちらのほうが効率的であるためである。好ましくは、増幅器１８３及びパワー増幅器１８１０は、クラッディングポンピングされる。このような構成は、低コストで製造可能な効率的な装置を提供する。

前置増幅器１８２、増幅器１８３、及びパワー増幅器１８１０内に含まれた光ファイバは、それぞれ、ソリッドコアファイバ又は所謂ホーリーファイバであってよい。これらは、好ましくは、イッテルビウム、エルビウム、ネオジミウム、ホルミウム、ツリウム、又はプラセオジミウムなどの希土類ドーパントによってドーピングされる。好ましくは、光ファイバは、フォトダークニングに対する耐性を有する。このようなファイバについては、図１〜図１６を参照して説明されている。

好ましくは、ＳＬＥＤ１８１は、１０ｎｍを上回る、好ましくは、２０ｎｍ〜４０ｎｍ、又はこれを上回る帯域幅を具備する。帯域幅が大きいほど、ＳＢＳ閾値も大きく、この結果、本発明の装置の信頼性が高くなる。

その他の形態の（エッジ発光ＬＥＤなどの）ＬＥＤや（格子によってフィルタリングされたＡＳＥ源などの）スーパールミネッセントファイバ源などのその他の広帯域源を図１７の光源１７２として使用し、ＳＬＥＤ１８１を置換可能である。

本発明者は、図１９に示された装置を使用することにより、ＳＢＳイベントを防止可能であることを発見した。シードレーザー１９２は、好ましくは、シードレーザー３８２である。反射器１９６は、好ましくは、反射器３８４である。増幅器１９３は、好ましくは、増幅器３８３である。実験においては、装置１９０は、デポラライザ１９１、アイソレータ１８６、ポンプ１９９によってポンピングされた前置増幅器１９２、及びポンプ１９４によってポンピングされたパワー増幅器１９３を有していた。コントローラ１７４は、光源１７２、並びに、ポンプ１９９及び１９４を制御した。

シードレーザー１９２は、約１０６０ｎｍの中心波長において約５０〜１００個の縦モードを放射するシングル横モードファブリペロー半導体レーザーであった。反射器１９６は、約２ｎｍの帯域幅を具備し、且つ、チャープされたファイバブラッグ格子であった。この反射率は、約４％であった。デポラライザ１９１は、互いに４５度において接続された２つの長さの偏光保持ファイバを有していた。デポラライザ１９１の使用は、偏光変動によって発生する加工状態の変動を低減するべく、多くの材料加工アプリケーションにおいて好ましい（但し、すべてにおいてそうであるわけではない）。従って、シードレーザー１９２は、その放射の偏光を解消できるように十分な光学帯域幅を具備することが重要である。アイソレータ１８６は、増幅された自発放射がシードレーザー１９２内に反射して戻ることを防止するべく選択された市販の在庫品のアイソレータであった。前置増幅器１９２及びパワー増幅器１９３は、イッテルビウムドーピングされたクラッディングポンピング型ファイバ増幅器であった。ポンプ１９４、１９９は、１つに組み合わせられた多くのシングルエミッタ半導体レーザーダイオードを有していた。パワー増幅器１９３からの後方伝播光放射を監視するべく、タップカプラ１９７を提供した。タップカプラ１９７及び後方反射検出器１９８は、診断のために包含されたものであり、従って、最終的な装置の一部を形成する必要はない。

正常動作においては、シードレーザー１９２は、１ｋＨｚ〜５００ｋＨｚの周波数において１０ｎｓ〜２５０ｎｓのパルス１７５を提供するべくパルシングされる。２５ｋＨｚにおいて、シードレーザーからのピークパワーは、約３００ｍＷであり、前置増幅器１９２からのピークパワーは、約１００Ｗであり、且つ、パワー増幅器１９３からのピークパワーは、約１０〜１５ｋＷである。

反射器１９６を使用しない場合には、装置１９０は、破滅的な障害を被ることが判明した。障害メカニズムは、パワー増幅器１９３内のイッテルビウムドーピングされた短い長さ（最大で１００ｍｍ）の光ファイバが自動的に破壊されることによって特徴付けられる。短い長さのファイバは、白色パウダーに変化する。別の障害メカニズムは、障害が発生するパワー増幅器の一端における融着接続である。これらの及びその他の障害は、製造及び試験の両方において発生可能であり、但し、十分に試験済みの製品の場合にも、数ヶ月の動作の後に、発生可能である。

図２０は、正常な動作において後方反射検出器１９８よって計測された（パワー増幅器１９３の出力において計測された）前方伝播パルス１７１９の光学パワー２０１及び出力パワー２０２を示している。出力パワー２０１は、光学パワー２０２よりも格段に大きなパワーを具備するため、光学パワー２０１及び２０２は、異なるスケールでプロットされている。出力パワー２０２は、第１反射２０３及び第２反射２０４を有する。第１反射２０３は、タップ１９７とパワー増幅器１９３の間の接続（図示されてはいない）に由来する。第２反射２０４は、光ファイバケーブル１７１１の出力からの反射に由来する。図２０に示されたパルス形状は、装置１９０から出現するパルスの大部分を代表するものである。

図２１は、後方伝播パルスの２つの例２１１、２１２を示している。パルス２１１及び２１２は、以前と同様に光学パワー２０３及び２０４を有するが、更なるスパイク２１３及び２１４をも含む。これらの追加のスパイク２１３及び２１４は、まれにしか発生せず、且つ、発生及び大きさがランダムである。発生の頻度は、シードレーザー１９２の動作条件（温度、駆動電流、及びパルス形状など）を変更することによって変化させることができる。２５ｋＨｚのパルス繰り返し周波数において、追加のスパイクは、約１計測／週末〜３０，０００計測／５分のレートで観察された。更には、発生のレートは、異なる又は同一の製造者によって供給された異なるシードレーザー１９２を使用することによっても変化可能である。後方伝播方向においては、追加のスパイク２１３、２１４が観察されたが、前方伝播パルス形状２０１においては、その徴候を観察不能である。スパイク２１３及び２１４は、誘導ブリルアン散乱（ＳＢＳ）の徴候であると考えられる。

図２２は、前方方向において発生した正常な外観のパルス２０１上に重畳されたジャイアントパルスの一例２２１を示している。後方反射検出器１９８によって計測された関係するパルス２２２は、複雑な形状を有し、且つ、図２０に示されたパルス２０２よりも数倍大きな規模を有する。実際に、光学パワー２０３及び２０４は、このスケールにおいては可視状態にはない。パルス２２２は、スパイク２２３、トレーリングエッジ２２４、及び落ち込み２２５を具備する。これらのデータは、後方スパイク２１３及び２１４が約１００Ｈｚにおいて発生するように、装置１９０をセットアップすることにより、得られた。この反復周波数において、ジャイアントパルス２２１及び関連するパルス２２２は、約１回／５分において発生することが観察された。換言すれば、ジャイアントパルス２２１は、後方伝播パルス２１３及び２１４よりも格段に頻度が低く、且つ、ランダムに発生する。

落ち込み２２５は、この場合にも、ＳＢＳの徴候であると考えられる。後方伝播パルス２２２は、ＳＢＳを介して前方伝播パルスをポンピングするべく十分なエネルギーを具備する。これが、前方伝播方向においてジャイアントパルス２２１を結果的にもたらし、従って、これが、後方伝播パルス２２２からエネルギーを抽出することにより、結果的に落ち込み２２５をもたらしている。前述のパルスは、いずれも、パワー増幅器１９３内の活性利得媒質によって更に増幅される。

図２２を参照すれば、図示のジャイアントパルス２２１の振幅２２６は、（ジャイアントパルス２２１の重畳を伴うことのない）パルス２０１の振幅２２７の約２倍である。振幅２２６は、ランダムに変化しており、且つ、パルス２０１の振幅２２７の数倍になる可能性がある。ジャイアントパルス２２１の振幅は、パワー増幅器１９３内のファイバの光学損傷閾値を超過するべく十分なものになる可能性があり、且つ、前述のランダムで予測不能な破滅的な障害を引き起こしたのは、恐らくは、ＳＢＳ伝播と関連する音波によって引き起こされた追加エネルギーと共に、これであろうと考えられる。但し、この説明は、理論に過ぎず、且つ、可能な障害メカニズムを説明するための本発明者らの試みは、本発明の範囲を制限することを意図したものではない。

図２３は、シードレーザー１９２からの代表的なスペクトル２３０を示している。中心波長２３１は、約１０６２ｎｍであり、且つ、全体帯域幅２３２は、約６ｎｍである。スペクトル２３０は、約０．０４５ｎｍだけ離隔した約１５０個のレーザーライン２３３を有する（すべてが図示されてはいない）。スペクトル２３０は、パルス１７１９の進展に伴って変化することが観察されたレーザーライン２３３の３つのファミリー２３４、２３５、２３６を有する。具体的には、第１ファミリー２３４は、パルス持続時間１７７の第１段階において優勢であり（この間に、パルス１７１９はチャープする）、且つ、この後に、中央ファミリー２３５が、より優勢となる。

図２５は、図１９の装置において反射器１９６として使用されたファイバブラッグ格子２５０（図示されてはいない）の設計を示している。図２５は、波長２５３の関数としてプロットされた反射率２５１（左軸）及び群遅延２５２（右軸）を示している。群遅延２５２は、ゼロからオフセットされている。群遅延２５２は、その計測位置に依存することから、オフセットは任意である。反射率曲線２５１及び群遅延曲線２５２の両方には、非常に小さな数値を伴う演算に起因した数学的な特性を有する雑音が存在する。格子２５０は、約４ｎｍの帯域幅２５５によってチャープされる。その中心波長２５４は、図２４の中央ファミリー内に略アライメントされた状態において、１０６１ｎｍとなるように設計された。図２６は、格子２５０の計測反射率２６１を示している。中心波長２６２は、約１０６０．７ｎｍであり、且つ、帯域幅２６３は、約２ｎｍである。帯域幅２６３は、格子２５０の製造におけるデチューニング効果に起因し、設計帯域幅２５５未満である。これらの効果については、ファイバ格子の製造分野における当業者には既知である。このような格子を設計及び製造する技法は、米国特許第６，４４５，８５２号及び第６，０７２，９２６号に記述されており、これらの特許の内容は、本引用により、本明細書に包含される。

ここでは、格子２５０を追加する目的が、レーザーダイオード２からの放射を安定化させることではなかったことに留意されたい。放射波長をロックするべく、モードパーティション雑音を防止するべく、サイドモードの振幅を低減するべく（所謂サイドモード抑圧）、及び／又はライン幅を狭めるべく、しばしば、狭帯域格子（帯域幅が、約０．５ｎｍ未満、並びに、しばしば、約０．１ｎｍ未満）がレーザーダイオードパッケージングに内蔵されている。このようなすべての目的は、ＳＢＳを促進すると共にジャイアントパルスの発生頻度を増大させることになる（と考えられる）相対的に安定した放射を結果的にもたらす傾向を有することになり、且つ、従って、装置１９０の破滅的な障害を回避することにはならないであろう。

図２４は、定位置に格子２５０を有する状態において計測されたレーザーダイオード２のスペクトル２４０を示している。中心波長２１４は、約１０６１ｎｍである。スペクトル２４０は、スペクトル２３０の帯域幅２３２未満である帯域幅２４２を具備する。帯域幅２４２は、約２ｎｍであり、これは、格子２５０からの光学的フィードバックによって決定される。米国特許第６，４３３，３０６号の開示内容によれば、このような帯域幅のナローイングは、ＳＢＳ性能を劣化させると予想されよう。驚いたことに、格子２５０の使用は、後方伝播ランダムパルス２１３及び２１４の両方、並びに、関連する更にランダムな前方伝播ジャイアントパルス２２１をも除去した。装置１９０は、無障害（ｆａｉｌｕｒｅ ｆｒｅｅ）であることが判明した。その他のレーザーダイオードを有し、且つ、デポラライザを有する、及び有さない更なる実験は、装置１９０内に反射器１９６を包含することの有益な効果を確認した。格子２５０は、シングル横モードにおける少なくとも１０％の光放射を具備し、且つ、１ｋＷ〜４０ｋＷの範囲のピークパワーを具備するパルスレーザーにおいて、信頼性の高い動作を提供することを示した。ＳＢＳによる問題の発生を伴うことなしに、最大で１００ｋＷ又はこれを上回る更に大きなピークパワーを実現可能であると考えられる。

格子２５０は、シードレーザー１９２（この場合には、レーザーダイオード）を不安定化させたと考えられる。即ち、パワー増幅器１９３内におけるＳＢＳ生成の条件が回避されるように、個別のレーザーライン２３３が拡張されるか、チャープされるか、又は変調されている。ＳＢＳの生成を回避するためのその他の方法は、光ファイバカプラを介して結合可能である部分反射ミラー又は表面、或いは、０．５ｎｍを上回る、好ましくは、１ｎｍを上回る、更に好ましくは、２ｎｍを上回る帯域幅を具備した格子などの、広帯域反射器として反射器１９６を実装するというものであろう。格子２５０は、チャープされることが好ましいが、必ずしも、このようにする必要はない。チャープされた格子２５０は、シードレーザー１９２のスペクトルの広がりに更に寄与すると考えられる波長に依存した有効外部空洞長を提供することになる。チャープされた格子２５０は、好ましくは、その偏光軸がシードレーザー１９２の偏光保持ファイバピグテールの偏光軸とアライメントされた又は角度を有する状態において、偏光保持光ファイバ内に刻み込まれる。格子２５０は、非偏光保持ファイバ内にも同様に刻み込み可能である。又、シードレーザー１９２のピグテールも、必ずしも偏光保持ファイバである必要はない。反射器１９６は、レーザー放射をシードレーザー１９２の前面又は後面（図示されてはいない）内に反射するべく配置可能である。又、反射器１９６は、誘電体コーティングを有することも可能である。反射器１９６の反射率は、約０．１％〜１０％であってよい。パルス２１３、２１４を伴わない結果が、３４％という高い反射率において取得されたが、これらのレベルにおいては、パルス歪が観察された。好ましくは、反射率は、約２％〜６％である。正確な数値は、使用する特定のレーザーダイオードに依存することになり、且つ、実験によって見出すことが可能である。反射器１９６の反射率は、シードレーザー１９２の前面において使用された反射率を上回ることを要すると考えられる。又、シードレーザー１９２の帯域幅は、好ましくは、反射器１９６の帯域幅に匹敵するか又はこれを下回ると考えられる。これは、前述の実験には当て嵌まらず、従って、シードレーザー１９２の動作条件（温度及びドライブ電流）をシードレーザー１９２の異なるバッチについてセットアップする必要があった。或いは、この代わりに、又はこれに加えて、シードレーザー１９２の全体帯域幅及び放射波長の製造公差を包含するように、格子反射器１９６の帯域幅を増大させることも可能である。又、後方伝播パルスの完全な欠如は、高信頼性動作の確実な表れであるため、タップ１９７の提供が、このようなセットアップを可能にすることに留意されたい。

格子２５０は、シードレーザー１９２から４０ｃｍ〜１ｍに配置された。性能に差は観察されなかった。従って、反射フィードバックによってシードレーザー１９２を安定化させるのに不十分な時間しか存在しないほどに距離が大きくない場合には、正確な位置は、重要ではないと考えられる。

シードレーザー１９２及びポンプ１９９及び１９４は、コントローラ２５によって制御されている。光学パルス１７１９のパルス形状を制御するためのコントローラの使用法、並びに、材料加工におけるアプリケーション及び装置の使用法に関する更なる情報については、後述する。

前置増幅器１９２及びパワー増幅器１９３は、コアポンピング又はクラッディングポンピング可能である。前置増幅器１９２は、コアポンピング型前置増幅器であってよい。コアポンピング型の前置増幅器は、クラッディングポンピング型前置増幅器よりも短い装置であり、且つ、効率的である。或いは、この代わりに、前置増幅器１９２は、クラッディングポンピング型前置増幅器であってもよい。これは、コストを低減するために好ましい。好ましくは、パワー増幅器１９３は、クラッディングポンピングされる。このような構成は、低コストによって製造可能な効率的な装置を提供する。クラッディングポンピング型増幅器の設計及び構造は、米国特許第６，８２６，３３５号に記述されており、この内容は、本引用により、本明細書に包含される。

前置増幅器１９２及びパワー増幅器１９３内に含まれた光ファイバは、それぞれ、ソリッドコアファイバ又は所謂ホーリーファイバであってよい。これらは、好ましくは、イッテルビウム、エルビウム、ネオジミウム、ホルミウム、ツリウム、又はプラセオジミウムなどの希土類ドーパントによってドーピングされる。好ましくは、光ファイバは、フォトダークニングに対する耐性を有する。このようなファイバは、同時係属特許出願である代理人ドケット番号ＳＯ０１−Ｐ２０に記述されており、この内容は、本引用により、本明細書に包含される。

図１９を使用し、図１９の光源１７２及び増幅器１７３を置換可能である。後程詳述するように、コントローラ１７４は、パルス繰り返し周波数１７６の範囲にわたって材料１７１４を加工するべく、十分なレベルにおいて平均パワー１７８及びピークパワー１７９が維持されるように、前置増幅器１９２及び増幅器１９３をポンピングするシードレーザー１９２及びポンプ１９４を制御する。

図２７は、それぞれ、１１５ｋＨｚ、４６ｋＨｚ、３０ｋＨｚ、及び２４ｋＨｚのパルス繰り返し数における出力パルス２７１、２７２、２７３、及び２７４対時間２７５を示している。シードレーザー１９２によって放射された対応する光学パルス１７５は、図２８においては、それぞれ、パルス２８１、２８２、２８３、及び２８４として示されている。出力パルス２７１〜２７４及び光学パルス２８１〜２８４は、それぞれ、個々のパルスが重畳された図２９及び図３０に再生成されている。図３１は、パルス繰り返し周波数１７６に伴うピークパワー１７９及びパルスエネルギー１７１０の変動を示している。ピークパワー１７９は、５ｋＷを上回る状態において維持され、且つ、パルスエネルギー１７１０は、２４ｋＨｚ〜１１５ｋＨｚのパルス繰り返し周波数１７６において、０．１ｍＪを上回る状態に維持されている。更には、平均パワー１７８は、パルス繰り返し周波数１７６とパルスエネルギー１７１０の積であるため、平均パワー１７８は、２４ｋＨｚ〜１１５ｋＨｚのパルス繰り返し周波数１７６において約１０Ｗを上回ることを観察可能である。２段の増幅のみにより、１００ｋＨｚを上回るパルス繰り返し周波数において０．１ｍＪのパルスエネルギーによって５ｋＷのピークパワーを実現可能であることを証明しているため、図２７〜図３１に示された結果は非常に重要である。ＭＯＰＡ１９０は、匹敵する平均出力パワー１７８のその他の光ファイバパルスレーザーと比較し、加工速度の増大における大きな有用性を具備することになる。

図３２は、ポンプ１９４からのパワーの増大に伴うＭＯＰＡ１９０からの出力パワー３２０を示している。３５ｋＷのピークパワーが、（ピークパワーの半分において計測された）約１０ｎｓのパルス幅によって実現されている。図３３は、波長３３２に対してプロットされた状態において、パルスの光学スペクトル３３１を示している。シードレーザー１９２からのパルスの信号波長３３３は、約１０６２ｎｍであった。パワーの大きな比率が、信号波長３３３よりも長い波長に存在しており、このパワーは、誘導ラマン散乱（ＳＲＳ）などの非線形プロセスに起因し、波長シフトされている。図３２を再度参照すれば、１０７０ｎｍを上回る波長を減衰させる光学フィルタを使用し、出力パワー３２１を計測した。図３２及び図３３から、約８ｋＷを上回る出力パワーが波長においてシフトされることが観察される。８ｋＷの出力パワーを非線形閾値３２２として定義可能である。従って、材料加工のためのＭＯＰＡ１９０の使用法は、図１７の加工ヘッド１７１２内における広帯域オプティクスの使用を必要とする可能性がある。「広帯域オプティクス」とは、約１０ｎｍを上回る帯域幅を具備した信号波長を透過及び合焦可能であるオプティクスを意味している。これにも拘わらず、このモードにおいて動作するＭＯＰＡ１９０は、約８ｋＷを上回るピークパワー１７９を必要とする材料加工において大きな有用性を具備する。

コントローラ１７４を使用し、ポンプ１９４及び１９９によって放射されるパワーを低減するか、又は出力パルス１７１９の形状を制御することにより、波長変換される出力パルス１７１９の比率を低減可能である。波長変換される比率を５０％未満に、且つ、好ましくは、１０％未満に低減可能である。実質的に出力パルス１７１９のいずれもが、図２７〜図３１を参照して実証されたものなどの広いレンジのパルス繰り返し周波数１７６にわたって波長変換されないことが好ましい。コントローラ１７４の制御機能は、（例えば、実験及び特徴判定を通じて実現される）開ループ制御により、或いは、ＭＯＰＡ１９０内の（例えば、増幅器１９３の入力又は出力又は別の場所における）ポイントからパワー（平均パワー又はピークパワー又は波長シフトされたパワー）の計測値を採取し、望ましい値と比較し、且つ、計測値と望ましい値の間の差を使用してコントローラ１７４によって提供された制御機能を変更する閉ループ制御により、実現可能である。

図３４〜図３７は、パルス繰り返し周波数（ｐｒｆ）１７６及びパルス幅１７７の変化がＭＯＰＡ１９０内の出力パルス１７１９の形状に対して具備する効果を示している。４つの図は、いずれも、同一スケール上にプロットされており、出力パワーは、任意の単位においてプロットされている。コントローラ１７４は、平均パワー１７８が１２Ｗに維持されるように、ポンプ１９４及び１９９を制御した。又、コントローラ１７４は、パルス繰り返し周波数１７６をその望ましい値に設定した。次いで、コントローラ１７４は、パルス幅１７７（即ち、それぞれのパルス１７１９の全体パルス幅）を変化させ、ピークパワー１７９を望ましい値に設定した。

図３４は、２５ｋＨｚのパルス繰り返し周波数、０．６ｍＪのパルスエネルギー１７１０、及び１２Ｗの平均パワー１７８によって計測された出力パワー３４０対時間２７５を示している。パルス幅３４３（即ち、コントローラ１７４によって制御される全体パルス幅）は、約２００ｎｓであった。出力パワー３４０は、ピークパワー３４１と、約３５ｎｓの半値全幅パルス幅３４２を具備する。

図３５は、それぞれ、２つの異なるパルス幅３５５及び３５６について計測された出力パワー３５０及び３５１対時間２７５を示している。パルス繰り返し周波数１７６は、５０ｋＨｚであり、パルスエネルギー１７１０は、０．２４ｍＪであり、且つ、平均パワー１７８は、１２Ｗであった。出力パワー３５０の半値全幅パルス幅３５４は、約３５ｎｓであった。ピークパワー３５２、３５３は、パルス幅３５５、３５６の増大に伴って低下する。

図３６は、それぞれ、３つの異なるパルス幅３６７、３６８、及び３６９について計測された出力パワー３６０、３６１、及び３６２対時間２７５を示している。パルス繰り返し周波数１７６は、１００ｋＨｚであり、パルスエネルギー１７１０は、０．１２ｍＪであり、且つ、平均パワー１７８は、１２Ｗであった。出力パワー３６０の半値全幅パルス幅１２６は、約３５ｎｓであった。ピークパワー３６３、３６４、３６５は、パルス幅３６７、３６８、３６９の増大に伴って低下する。

図３７は、それぞれ、２つの異なるパルス幅３７５及び３７６について計測された出力パワー３７０及び３７１対時間２７５を示している。パルス繰り返し周波数１７６は、２００ｋＨｚであり、パルスエネルギー１７１０は、０．０６ｍＪであり、且つ、平均パワー１７８は、１２Ｗであった。出力３７０の半値全幅パルス幅３７４は、約２０ｎｓであった。ピークパワー３７２及び３７３は、パルス幅３７５及び３７６の増大に伴って低下する。

図１９の装置内のシードレーザーパルス１７５の形状を変化させることにより、ピークパワー１７９は、１Ｈｚ〜２００ｋＨｚのパルス繰り返し周波数１７６のレンジにわたって、０．１ｍＪを上回るパルスエネルギー１７１０を提供しつつ、５ｋＷのレベルを上回る状態に維持された。ピークパワー１７９は、１Ｈｚ〜５００ｋＨｚのパルス繰り返し周波数の範囲にわたって、０．０４ｍＪを上回るパルスエネルギー１７１０を提供しつつ、３ｋＷのレベルを上回る状態に維持された。重要なことに、これらの結果は、いずれも、ＳＢＳの徴候を伴うことなしに、且つ、２つの増幅段のみにより、実現された。

図１９の装置内のシードレーザーパルス１７５の形状を制御し、増幅器１９２、１９３の利得を増大させ、且つ、これらの相対的な利得を制御することにより、本発明者らは、２０〜２５Ｗの平均パワー１７８、０．８〜１ｍＪの範囲のパルスエネルギー１７１０、１５〜２０ｎｓの範囲の半値全幅パルス幅３７４、１８〜２６ｋＷの範囲のピークパワー１７９、１Ｈｚ〜２５ｋＨｚのパルス繰り返し周波数を更に実証した。重要なことに、これらの結果も、ＳＢＳの徴候を伴うことなしに、且つ、２つの増幅段のみにより、実現された。

又、本発明は、前述のレーザー及びコントローラの中の１つ又は複数のものを有する材料加工装置（例えば、材料の切断、溶接、穿孔、マーキング、又は加工用のもの）の形態であってもよい。

添付の図面を参照した前述の本発明の実施例は、一例として付与されたものに過ぎず、且つ、性能を向上させるべく変更及び追加コンポーネントを提供可能であることを理解されたい。

本発明は、単一で又は任意の組み合わせにおいて採用された前述の特徴を包含する。

Claims (39)

1. 光放射を提供する装置であって、シーディング放射を提供するシードレーザーと、前記シーディング放射を増幅する少なくとも１つの増幅器と、反射器と、を有する装置において、
   ・前記シードレーザーは、ファブリペロー半導体レーザーであり、
   ・前記シードレーザーは、前記反射器を介して前記増幅器に接続され、
   ・前記反射器は、前記シードレーザーによって放射された前記シーディング放射の中のある比率を前記シードレーザー内に反射して戻すべく構成され、且つ、
   ・前記増幅器は、屈折率ｎ１を具備したコアと、屈折率ｎ２を具備したペデスタルと、を有する光ファイバを有し、且つ、この場合に、前記光ファイバは、前記ペデスタルを取り囲む屈折率ｎ３を具備したガラスから製造された第１クラッディングを含み、この場合に、
   ・ｎ１はｎ２より大きく、
   ・ｎ２はｎ３より大きい、装置。
2. 前記反射器は、分散型反射器である請求項１記載の装置。
3. 前記シードレーザーは、光学的有効走行時間によって特徴付けられ、前記反射器は、帯域幅及び前記帯域幅にわたる往復反射時間遅延変動によって特徴付けられ、且つ、前記往復反射時間遅延変動は、前記光学的有効走行時間を上回る請求項１又は２記載の装置。
4. 前記帯域幅は、１ｎｍを上回る請求項３記載の装置。
5. 前記比率は、２０％未満である前項までの請求項中のいずれか一項記載の装置。
6. 前記比率は、１％〜１０％である請求項５記載の装置。
7. 前記反射器は、前記シードレーザーから５ｍ未満の距離に配置される前項までの請求項中のいずれか一項記載の装置。
8. 前記距離は、２ｍ未満である請求項７記載の装置。
9. 前記距離は、０．５ｍ〜１．５ｍである請求項８記載の装置。
10. 前記反射器は、前記シードレーザーから５ｍｍ〜５ｃｍの距離に配置される請求項８記載の装置。
11. 前記装置から放射されたピークパワーは、１ｋＷを超過する前項までの請求項中のいずれか一項記載の装置。
12. ・前記コアは、シリカ、０．１〜４モルパーセントの範囲の濃度のアルミナ、２〜２０モルパーセントの範囲の濃度の燐酸塩を有し、且つ、
    ・前記ペデスタルは、シリカ、燐酸塩、及び酸化ゲルマニウムを有する前項までの請求項中のいずれか一項記載の装置。
13. 前記光ファイバは、前記コア及び前記ペデスタルの少なくとも１つのものの内部に配置された少なくとも１つの希土類ドーパントによってドーピングされる前項までの請求項中のいずれか一項記載の装置。
14. 前記希土類ドーパントは、２０００〜６００００ｐｐｍの範囲の濃度を具備したイッテルビウムである請求項１３記載の装置。
15. 前記イッテルビウムの濃度は、約１５０００〜５００００ｐｐｍである請求項１４記載の装置。
16. 前記イッテルビウムの濃度は、約２００００〜４５０００ｐｐｍである請求項１５記載の装置。
17. 前記コアは、前記コア内に約１２〜１７モルパーセントの濃度の燐酸塩を含む請求項１３記載の装置。
18. 前記コア内の前記燐酸塩の濃度は、約１５モルパーセントである請求項１７記載の装置。
19. 前記コアは、約０．２０〜１モルパーセントの濃度のアルミナを含む前項までの請求項中のいずれか一項記載の装置。
20. 前記アルミナの濃度は、約０．３〜０．８モルパーセントである請求項１９記載の装置。
21. 前記光ファイバは、信号波長においてマルチモード導波路である前項までの請求項中のいずれか一項記載の装置。
22. 前記光ファイバは、大きな長さにわたって、大きな歪を伴うことなしに、シングルモード光を伝播させるべく構成される前項までの請求項中のいずれか一項記載の装置。
23. 前記光ファイバは、シングルモード導波路である請求項１〜２０の中のいずれか一項記載の装置。
24. 前記光ファイバは、前記コア内に複屈折性を誘発する少なくとも１つのストレス生成領域を有する前項までの請求項中のいずれか一項記載の装置。
25. 前記光ファイバは、０．１５未満の開口数を具備した導波路を有する前項までの請求項中のいずれか一項記載の装置。
26. 前記光ファイバは、０．１５未満の開口数を具備した導波路を有する耐フォトダークニング型光ファイバであり、この場合に、
    ・前記コアは、シリカ、約０．３〜０．８モルパーセントの濃度のアルミナ、実質的に１５モルパーセントの濃度の燐酸塩、実質的に２００００〜４５０００ｐｐｍの範囲の濃度のイッテルビウムを有し、
    ・前記ペデスタルは、シリカ、燐酸塩、及び酸化ゲルマニウムを有する前項までの請求項中のいずれか一項記載の装置。
27. 前記導波路は、信号波長においてマルチモード導波路であり、且つ、この場合に、前記導波路は、大きな長さにわたって、大きな歪を伴うことなしに、シングルモード光を伝播させるべく構成される請求項２６記載の装置。
28. 前記導波路は、シングルモード導波路である請求項２６記載の装置。
29. 前記反射器は、ファイバブラッグ格子である前項までの請求項中のいずれか一項記載の装置。
30. 前記ファイバブラッグ格子は、チャープされる請求項２９記載の装置。
31. 往復反射時間遅延変動は、約５０ｐｓ〜１０００ｐｓである前項までの請求項中のいずれか一項記載の装置。
32. 前記往復反射時間遅延変動は、１００ｐｓ〜６００ｐｓである請求項３１記載の装置。
33. 前記光学的有効走行時間は、１０ｐｓ〜５０ｐｓである前項までの請求項中のいずれか一項記載の装置。
34. 前記光学的有効走行時間は、２５ｐｓ〜４０ｐｓである請求項３３記載の装置。
35. レーザー供給ファイバと、加工ヘッドと、を含み、
    前記装置は、材料を加工するレーザーの形態である前項までの請求項中のいずれか一項記載の装置。
36. 前記光放射が、パルス繰り返し周波数のレンジにわたって前記材料を加工するべく十分な平均パワー及びピークパワーを具備するように、前記シードレーザー及び前記増幅器を制御するべく構成されたコントローラを含む請求項３５記載の装置。
37. コントローラを含み、この場合に、前記光放射は、パルス幅を具備したパルスによって特徴付けられ、且つ、前記コントローラは、前記パルス繰り返し周波数の変化に伴って前記パルス幅を変化させる請求項３５又は３６記載の装置。
38. 前項までの請求項中のいずれか一項記載の装置を使用して加工された際の材料。
39. 半導体パッケージ（プラスチック又はセラミック）、携帯電話機上のキーパッド、ｉＰＯＤ、コンピュータ、コンポーネント、パッケージ、或いは、商用又は産業用の製品の形態である請求項３８記載の材料。

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