JP2014241439A - 高パワーレーザパルスを出力する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高パワーレーザパルスを出力する方法を提供する。
【解決手段】ファイバ増幅器３００は、第１の帯域内波長から該第１の帯域内波長より大きい第２の帯域内波長まで広がる帯域内部分を有するスペクトル利得曲線であって、帯域内部分では第１の振幅範囲を有するスペクトル利得曲線を有する。スペクトル利得曲線の帯域内部分にある信号波長にて入力信号３１０をファイバ増幅器に供給し、信号波長よりも小さいポンプ波長にてポンプ放射を生成して、第１の帯域内波長より小さくポンプ波長より大きい波長におけるスペクトル利得曲線の全部分の振幅が、第１の振幅範囲の振幅値より１０ｄＢ大きい振幅レベル以下となるようにする。ファイバ増幅器のファイバの出力端から出るポンプパワーの値が、少なくともファイバに吸収されるポンプパワーの値以上となるように、ポンプ放射のパワーをファイバ増幅器のファイバによって吸収されるパワーよりも大きくする。
【選択図】図３

Description

本出願は、２００６年８月７日に出願され、発明の名称が"Ｆｉｂｅｒ ａｍｐｌｉｆｉｅｒｓ ａｎｄ ｆｉｂｅｒ ｌａｓｅｒｓ ｗｉｔｈ ｒｅｄｕｃｅｄ ｏｕｔ−ｏｆ−ｂａｎｄ ｇａｉｎ"であり、その開示内容全体が参照によって本明細書に組み込まれている米国仮特許出願第６０／８３６，２４４号の合衆国法典第３５巻第１１９条（ｅ）に基づく利益を主張する。

本発明は、一般に光増幅器およびレーザの分野に関する。より詳細には、本発明は、光学的に励起された希土類ドープ光ファイバ利得媒体に関連した方法およびシステムに関する。単に一例として、方法およびシステムは、帯域外利得の低下に適用され、光ファイバの自発放出を増幅している。しかし、本発明は、非常に広い適用範囲を有することが認められる。

従来のレーザに基づく材料加工は一般に高ピークパワーパルスレーザ、たとえば、マーキング、エングレイビング、マイクロマシニング、および、切断用途のための１０６４ｎｍで動作するＱ−スイッチドＮｄ：ＹＡＧレーザを使用している。より最近では、ファイバ利得媒体に基づくレーザシステムが開発されている。これらのファイバベースのレーザシステムの一部では、ファイバ増幅器が利用される。

ファイバ利得媒体を利用するある種の光増幅器およびレーザは、多くの場合に半導体レーザポンプを使用することにより、光ポンプされる。ファイバ利得媒体は典型的に希土類元素がドープされた石英ガラス製である。希土類元素の選定およびファイバ利得媒体の組成は、特有の用途に依存する。一つのそのような希土類元素は、１０２０ｎｍ〜１１００ｎｍの範囲で光増幅器およびレーザ放射のため使用されるイッテルビウムである。ある種のファイバ利得媒体で使用される別の希土類元素は、１５３０ｎｍ〜１５６０ｎｍの範囲で光増幅器およびレーザ放射のため使用されるエルビウムである。

イッテルビウムドープファイバ増幅器およびレーザのため使用される光学的ポンプ源の波長は典型的に９１０ｎｍから９８０ｎｍの波長範囲にある。エルビウムドープファイバ増幅器およびレーザのため使用される光学的ポンプ源の波長は典型的に約９８０ｎｍまたは約１４８０ｎｍに集中された波長範囲にある。イッテルビウムドープまたはエルビウムドープファイバ増幅器が上記の波長でポンプされるとき、ファイバ増幅器は一般に、着目中の波長範囲、すなわち、発振波長または増幅波長の外側に著しい利得および増幅自然放出（ＡＳＥ）を有している。たとえば、イッテルビウムドープファイバ利得媒体は、約９１５ｎｍの波長でポンプされるとき、約９７６ｎｍで高い利得およびＡＳＥを生じ、約９７６ｎｍの波長でポンプされるとき、約１０３０ｎｍで高い利得およびＡＳＥを生じる。エルビウムドープトファイバの場合、９８０ｎｍまたは１４８０ｎｍの波長でのポンピングは約１５３０ｎｍで高い利得およびＡＳＥを生じる。

帯域外利得の結果として、すなわち、着目中の波長範囲の外側に存在する利得の結果として、増幅器またはレーザは、これらの帯域外波長でＡＳＥを生じるか、または、発振を開始することが可能である。このようなＡＳＥまたは発振は、着目中の波長で利用できる利得の大きさを制限する。ある種の増幅器用途では、大きな帯域外ＡＳＥは利用可能な利得を制限し、ＡＳＥパワーは着目中の波長における信号パワーより大きいことがある。

よって、帯域外ＡＳＥおよび利得が低下したファイバベースの増幅器およびレーザが当分野で必要とされている。

本発明によれば、一般に光増幅器およびレーザの分野に関連した技術が提供される。より詳細には、本発明は、トリミング、マーキング、切断、および、溶接のような産業上の利用のため高パワーレーザパルスを増幅する方法および装置に関する。単に一例として、本発明は、イッテルビウムドープトファイバレーザ増幅器に適用されている。しかし、本発明はより広範な適用可能性があり、その他のレーザ源に適用され得る。

本発明の一実施形態によれば、スペクトル利得曲線によって特徴付けられたファイバ増幅器を動作させる方法が提供される。この方法は信号波長で入力信号を生成するステップを含む。信号波長は、第１の帯域内波長から第２の帯域内波長まで広がるスペクトル利得曲線の帯域内部分の範囲内にあり、帯域内部分が第１の振幅範囲によって特徴付けられる。この方法は、ポンプ波長でポンプ放射を生成するステップをさらに含む。ポンプ波長は信号波長に満たない。この方法は、ポンプ放射をファイバ増幅器に結合させるステップと、出力信号を生成するため入力信号を増幅するステップとをさらに含む。第１の帯域内波長より小さく、かつ、ポンプ波長より大きい波長におけるスペクトル利得曲線の全部分は、第１の振幅範囲より１０ｄＢ大きい振幅以下である第２の振幅によって特徴付けられる。

本発明の別の実施形態によれば、イッテルビウムドープトファイバ増幅器を動作させる方法が提供される。この方法は、１０５０ｎｍと１０９０ｎｍとの間の波長で入力信号を生成するステップと、１０１０ｎｍと１０５０ｎｍとの間の波長でポンプ放射を生成するステップと、ポンプ放射をイッテルビウムドープトファイバ増幅器に結合させるステップとを含む。この方法は出力信号を生成するため入力信号を増幅するステップをさらに含む。

本発明のさらに別の実施形態によれば、イッテルビウムドープトファイバ増幅器を動作させる方法が提供される。この方法は、１０５０ｎｍと１０９０ｎｍとの間の波長で入力信号を生成するステップと、１０１０ｎｍと１０５０ｎｍとの間の波長でシード放射を生成するステップと、シード放射をイッテルビウムドープトファイバ増幅器に結合させるステップとを含む。この方法は、９１０ｎｍと１０５０ｎｍとの間の波長でポンプ放射を生成するステップと、ポンプ放射をファイバ増幅器に結合させるステップと、出力信号を生成するため入力信号を増幅するステップとをさらに含む。

本発明の代替的な実施形態によれば、ファイバ増幅器を動作させる方法が提供される。この方法は、信号波長で入力信号を生成するステップと、ポンプ波長でポンプ放射を生成するステップとを含む。ポンプ放射は入力ポンプパワーによって特徴付けられる。この方法はポンプ放射をファイバ増幅器に結合させるステップをさらに含む。入力ポンプパワーは、ファイバの長さに応じて実質的に均一な反転分布を生じるために十分に高い。

本発明の特定の実施形態によれば、ファイバ増幅器を動作させる方法が提供される。この方法は信号波長で入力信号を生成するステップを含む。第１のピーク振幅によって特徴付けられたスペクトル利得曲線の帯域内部分は信号波長と関連付けられている。この方法はポンプ波長でポンプ放射を生成するステップをさらに含む。ポンプ波長は信号波長未満である。この方法は、ポンプ放射をファイバ増幅器に結合させるステップと、出力信号を生成するため入力信号を増幅するステップとをさらに含む。第２のピーク振幅によって特徴付けられ、信号波長と関連付けられたスペクトル利得曲線の帯域外部分はスペクトル利得曲線の帯域内部分に満たない。

本発明の別の特定の実施形態によれば、イッテルビウムドープトファイバ増幅器を動作させる方法が提供される。この方法は、１０５０ｎｍと１０９０ｎｍとの間の波長で入力信号を生成するステップと、１０１０ｎｍと１０５０ｎｍとの間の波長でポンプ放射を生成するステップと、ポンプ放射をイッテルビウムドープトファイバ増幅器に結合させるステップと、出力信号を生成するため入力信号を増幅するステップとをさらに含む。

本発明のさらに別の特定の実施形態によれば、イッテルビウムドープトファイバ増幅器を動作させる方法が提供される。この方法は、１０５０ｎｍと１０９０ｎｍとの間の波長で入力信号を生成するステップと、１０１０ｎｍと１０５０ｎｍとの間の波長でシード放射を生成するステップと、シード放射をイッテルビウムドープトファイバ増幅器に結合させるステップと、９１０ｎｍと１０５０ｎｍとの間の波長でポンプ放射を生成するステップと、ポンプ放射をファイバ増幅器に結合させるステップと、出力信号を生成するため入力信号を増幅するステップとを含む。

本発明の付加的な特定の実施形態によれば、ファイバ増幅器を動作させる方法が提供される。この方法は、信号波長で入力信号を生成するステップと、ポンプ波長でポンプ放射を生成するステップとを含む。ポンプ放射は入力ポンプパワーによって特徴付けられる。この方法はポンプ放射をファイバ増幅器に結合させるステップをさらに含む。入力ポンプパワーは、ファイバの長さに応じて実質的に均一な反転分布を生じるには十分に高い。

本発明の特定の実施形態によれば、ファイバ増幅器を動作させる方法が提供される。この方法は、信号波長で入力信号を生成するステップと、ポンプ波長でポンプ放射を生成するステップとを含む。ポンプ放射は入力ポンプパワーによって特徴付けられる。この方法はポンプ放射をファイバ増幅器に結合させるステップをさらに含む。入力ポンプパワーは、少なくともファイバ内に吸収されるポンプ放射の量以上である値をもつファイバの出力端から出るポンプ放射の量を生じるために十分に高い。

本発明の別の特定の実施形態によれば、光増幅器が提供される。この増幅器は、第１の波長の光パルス信号を増幅するため１本の希土類ドープトファイバを含む。光信号波長は希土類ドープトファイバの利得ピークの外側にある。増幅器は、１本の希土類ドープトファイバに注入される第２の波長の光学的ポンプ光をさらに含む。ポンプ光波長は、増幅された自然放出およびピークにおける利得が実質的に低下されるように、希土類ドープトファイバの利得ピークの近くにある。

本発明のさらに別の特定の実施形態によれば、光増幅器が提供される。増幅器は、第１の波長の光パルス信号を増幅するため１本の希土類ドープトファイバを含む。光信号波長は希土類ドープトファイバの利得ピークの外側にある。増幅器は、１本の希土類ドープトファイバに注入される第２の波長の光学的シード光をさらに含む。シード光波長は希土類ドープトファイバの利得ピークの近くにある。光増幅器は、同様に１本の希土類ドープトファイバに注入される第３の波長の光学的ランプ光をさらに含む。ポンプ光波長は、ポンプ光の実質的な部分がシード波長の光に変換され、増幅された自然放出およびピークにおける利得が実質的に低下されるように選定される。

従来の技術を越える多数の利点が本発明を使用して実現される。たとえば、シード信号を利用する本発明による実施形態では、光パルスは固有の利得ピークの外側の波長で高パワーに増幅されることが可能であり、類似の性能特性をもつレーザと比べて安定性が改善されている。さらに、本発明の実施形態では、ＡＳＥが低下した状態で短いパルスが生成される。実施形態に依存して、これらの利点のうちの一つ以上が存在することがある。これらの利点およびその他の利点は本明細書の全体を通じて、以下でより詳細に記載されている。本発明の様々な付加的な目的、特徴および利点は、以下の詳細な説明および添付図面を参照してより完全に認められ得る。

９７６ｎｍで光ポンプされるイッテルビウムドープトファイバ増幅器におけるスペクトル利得の略図である。 ９７６ｎｍで光ポンプされるイッテルビウムドープトファイバ増幅器の出力スペクトルの略図である。 イッテルビウムドープトファイバ増幅器における反転分布の様々なレベルでのスペクトル利得の略図である。 本発明の一実施形態による帯域外利得が低下した光ファイバ増幅器の概略図である。 本発明の一実施形態による光ファイバ増幅器の利得スペクトルの略図である。 本発明の一実施形態による光ファイバ増幅器の出力スペクトルの略図である。 様々な長さのイッテルビウムドープト光ファイバ増幅器の利得スペクトルの略図である。 本発明の別の実施形態による帯域外利得が低下した光ファイバ増幅器の概略図である。 本発明の別の実施形態による帯域外利得が低下した光ファイバ増幅器のスペクトル利得の略図である。 ２０Ｗのポンピングパワーのファイバの長さ方向の反転分布の略図である。 ２０Ｗのポンピングパワーのファイバの長さ方向のＡＳＥ強度の略図である。 ２０Ｗのポンピングパワーのファイバの長さ方向の残留ポンプパワーの略図である。 ４０Ｗのポンピングパワーのファイバの長さ方向の反転分布の略図である。 ４０Ｗのポンピングパワーのファイバの長さ方向のＡＳＥ強度の略図である。 ４０Ｗのポンピングパワーのファイバの長さ方向の残留ポンプパワーの略図である。 ２０Ｗのポンピングパワーの高エネルギー第１パルス問題の例を示す図である。 ２０Ｗのポンピングパワーの利得回復時間を示す図である。 ４０Ｗのポンピングパワーの高エネルギー第１パルス問題の例を示す図である。 ４０Ｗのポンピングパワーの利得回復時間を示す図である。 本発明の一実施形態による２０Ｗのポンピングパワーのファイバの長さ方向の１０２８ｎｍにおける上位レベル分布、残留ポンプパワー、および、利得プロファイルを示す図である。 本発明の一実施形態による２０Ｗのポンピングパワーのファイバの長さ方向の１０２８ｎｍにおける上位レベル分布、残留ポンプパワー、および、利得プロファイルを示す図である。 本発明の一実施形態により提供される増幅器における注入ポンプパワーに応じて利得および残留ポンプパワーを示す図である。

図１Ａは、９７６ｎｍで光ポンプされるイッテルビウムドープトファイバ増幅器におけるスペクトル利得の略図である。図１Ａに示されたスペクトル利得曲線１１０を生成するために、イッテルビウムドープトファイバ増幅器が５００ｍＷのポンプパワーを用いて９７６ｎｍの波長でコアポンプされた。光ファイバの長さは１０６４ｎｍで３０ｄＢに近い利得を達成するように選択された。図１Ａに示されたスペクトル利得データを生成するために、能動材料の反転は約４７％であった。ポンプ光の大部分はイッテルビウム増幅器のポンピング中に吸収される。

図１Ａを参照すると、実質的な利得ピーク１１２が約１０３０ｎｍの波長でスペクトル利得曲線に存在する。１０６４ｎｍの波長での発振または増幅が必要とされる用途に対し、約１０３０ｎｍでの利得ピーク１１２は帯域外利得を表現している。図１Ａに示されている実施例では、利得ピーク１１２は５０ｄＢを超える。高い値の利得ピーク１１２は、１０６４ｎｍで利用可能である利得を制限し、１０６４ｎｍでノイズを増大させることがある寄生発振または不安定性を約１０３０ｎｍで生じるかもしれないことがわかる。本発明の実施形態は、帯域外利得ピーク１１２を低下させることによって、従来の技術を使用して得られない利点を提供する。

図１Ｂは、９７６ｎｍで光ポンプされるイッテルビウムドープトファイバ増幅器の出力スペクトル１２０の略図である。出力スペクトル１２０内のピーク１２２は所望の１０６４ｎｍの波長で増幅された出力を示している。しかし、ピーク１２４は、実質的な出力パワーが約１０３０ｎｍの波長に位置しているＡＳＥピーク１２４に存在することを示している。ある種の用途では、ピーク１２４における帯域外パワーは所望の１０６４ｎｍの波長で利得を低下させ、増幅器効率（たとえば、出力パワー／ポンプパワー）の減少を生じさせる。

図２は、イッテルビウムドープトファイバ増幅器における反転分布の種々のレベルでのスペクトル利得の略図である。図２に示されたスペクトル利得曲線に対し、反転はファイバの長さに応じて実質的に均一である。その結果として、増幅器の利得は長さに応じて実質的に均一である。長さに応じて実質的に均一である反転を生成するために、ファイバ増幅器内の能動媒体によって吸収され得る光パワーの量を超える光パワーの量を生成するポンプ源が設けられる。典型的に、ポンプパワーは吸収されたパワーを２倍以上の倍率で超過する。特定の実施形態では、後述されるように、ポンプパワーは吸収されたパワーより約５倍の倍率で大きい。

図２を参照すると、曲線２１０は１０％の反転分布を表現し、曲線２１２は２０％の分布を表現し、曲線２１４は３０％の反転分布を表現する。残りの曲線は曲線毎に１０％ずつ増加する分布を表現し、曲線２２２は７０％の反転分布を表現している。

図２に示された曲線を生成するために、ポンプ波長は、小さい反転と関連付けられた長い波長から、高い反転と関連付けられた短い波長まで変化させられた。曲線２１０を参照すると、約１０２０ｍｍのポンプ波長が使用された。ポンプ源のパワー、ファイバの長さ、ドーピング密度などは、ポンプ光の吸収が長さに応じて実質的に均一であり、ファイバの長さ方向に約１０％の実質的に均一な反転を生じるように選択された。一般に、より長いファイバに対し、より高いポンプパワーが均一な反転を生じるために与えられる。

反転が利得媒体の長さ方向に均一である条件に対し、ポンプパワーのさらなる増加は能動媒体または付加的な反転による吸収の著しい増加を生じさせない。よって、図２の曲線は「最大反転」曲線であるとみなされ、ポンプ源の波長が与えられると、最大反転が達成される。能動媒体が付加的なポンプ光を吸収するので、放出レートが吸収レートを釣り合わせ、最大吸収と、反転された能動媒体の割合の制限とを生じることがわかる。

図２に示されているように、ポンプ波長の選定は達成され得る最大反転分布を決定する。反転分布は長さに応じて均一、たとえば、曲線２１４によって示されているように約３０％であるかもしれないが、利得は波長に応じている。所与の上位状態帯域への注入のために、この最大反転分布はポンプ波長が増加すると共に減少する。所与のポンプ波長におけるこの最大反転分布は波長に応じて利得の値を決定する。最大反転分布があらゆるポンプ波長に対し達成されるとき、ポンプ波長における利得は正確に０ｄＢである。

たとえば、図２を参照すると、９６０ｎｍのポンピング波長（曲線２２２）で、７０％反転分布曲線が９６０ｎｍでおよそ０ｄＢの利得を与えることがわかる。その結果、９６０ｎｍのポンプ波長は、〜７０％の最大反転分布を可能にする。４０％の反転分布をもつ曲線２１６に対し、９８５ｎｍのポンプ波長における利得はおよそ０ｄＢである。図２を参照すると、７０％の反転（曲線２２２）であれば、９７６ｎｍと１０３０ｎｍの両方で光学利得は１０６４ｎｍにおける光学利得より実質的に大きい。その結果、１０６４ｎｍで動作するファイバ増幅器またはファイバレーザで利用できる最大利得は、増幅器が９６０ｎｍでポンプされるとき、制限されることがある。

本発明の実施形態は、帯域内利得に対し帯域外利得を低下させるシステムを提供する。帯域外利得および帯域内利得のため選択される特定のレベルは特定の用途に依存する。特定の実施形態では、帯域外利得は無視できるレベルで生成される。他の実施形態では、帯域外利得は単に低下されるので、帯域外利得は帯域内利得より３ｄＢ大きい利得以下である。当業者は、多数の変形例、変更例および代替例を認める。

図２を再び参照すると、１０６４ｎｍの単一波長（すなわち、１０６４ｎｍの帯域内波長）で動作することを意図されたイッテルビウムドープト光増幅器の場合、より高い反転レベルで優勢である９７６ｎｍおよび１０３０ｎｍの両方で帯域外利得ピークを低下させる（曲線２１０〜２１４によって概略的に表現されている）およそ５％〜２５％の反転分布を選択するのが有利であることがある。したがって、特定の実施形態では、約１０００ｎｍから約１０４０ｎｍまでの範囲内のポンプ波長は、５％および２５％の反転曲線に対し０ｄＢの利得曲線によって決定されるように、１０６４ｎｍ出力を生成する際に光ポンプとして利用される。

約１０２０ｎｍのポンプ波長を有する曲線２１０を参照すると、１０６４ｎｍでの利得は１０％の反転分布において約１０ｄＢ／メートルである。よって、６０ｄＢの利得を達成するために、６メートルのファイバが利用される。他の実施形態では、３０ｄＢの利得は３メートルのファイバを必要とする。ファイバ増幅器がその長さ方向に均一に反転される限り、長さの増加は対応する利得の増加を生じる。曲線２１０および２１２と関連付けられた低レベルの反転と対比して、９７６ｎｍの従来のポンプ波長が利用されるならば（曲線２１８）、１０６４ｎｍでの利得は約６０ｄＢ／メートルである。よって、従来のファイバ増幅器では、１メートルのファイバは６０ｄＢの利得を生成し、または、３０ｄＢの利得は１／２メートルのファイバを必要とする。しかし、曲線２１８に対する１０３０ｎｍにおける帯域外利得は重大（〜１００ｄＢ／メートル）である。１０６４ｎｍでの帯域内利得と比較してこの高帯域外利得の結果として、望ましくないＡＳＥ、発振などが起こる。ポンプ波長が９７６ｎｍより下に減少されるとき、帯域外利得は帯域内利得に対して増加し続ける。従来のシステムにおける帯域外利得を低下させるために、一般にシステム複雑性およびコストを増加させる技術が利用される。当業者は多数の変形例、変更例および代替例を認める。

図３は、本発明の実施形態による帯域外利得が低下した光ファイバ増幅器の概略図である。光増幅器３００は、１０６４ｎｍで出力光パルス列３３０を生成するため１０６４ｎｍの入力光パルス列３１０を増幅する。光ファイバ増幅器３００は、１本の希土類ドープトファイバ利得媒体３２４を含む。本発明の実施形態では、１本の希土類ドープトファイバ利得媒体３２４は所定の長さであり、希土類ドープトシングルクラッド、ダブルクラッド、または、さらにマルチクラッド光ファイバを含むがそれらに限定されない。このようなファイバで使用される希土類ドーパントは、イッテルビウム、エルビウム、ホルミウム、プラセオジム、ツリウム、ネオジム、これらの元素の組み合わせなどを含む。特定の実施形態では、光ファイバ増幅器３００を構築する際に利用される光ファイバベースのコンポーネントは、偏光維持シングルモードファイバを利用する。

図３を参照すると、特定の実施形態では、ポンプレーザ３２０は、光カプラ３２２を介して希土類ドープトファイバ利得媒体３２４の第１の面に光結合される。ポンプレーザ３２０は、所定の波長で光出力を生成し、所定のスペクトル帯域幅を有する半導体ダイオードレーザである。ポンプレーザ３２０のための半導体レーザ源の使用は狭いスペクトル帯域幅をもつポンプ放射を生成することが認められる。本発明の実施形態によれば、半導体ポンプレーザ３２０の波長は約１０００ｎｍから約１０４０ｎｍの範囲に入るように選択される。特定の実施形態では、ポンプレーザ３２０のポンプ波長は１０３０ｎｍである。単に一例として、光カプラ３２２は、信号フィードスルー付きの波長分割マルチプレクサ（ＷＤＭ）またはマルチモードポンプコンバイナでもよい。このような光カプラは、英国、トーキー所在のＳｉｆａｍ Ｆｉｂｒｅ Ｏｐｔｉｃｓから入手可能である。

ポンプレーザ３２０のパワーは、ファイバ増幅器利得媒体３２４の長さに応じて実質的に均一な反転を生成するように選択される。特定の実施形態では、光カプラ３２２を介してファイバ増幅器利得媒体３２４に結合される光パワーは５００ｍＷである。一般に、５００ｍＷ以上のポンプレーザ３２０が本実施形態において利用される。本発明の実施形態によるファイバ増幅器では、ファイバ増幅器利得媒体３２４によって吸収される光パワーは約１００ｍＷであり、入力パルス３１０の波長、たとえば、１０６４ｎｍで、出力パルス３３０と共にファイバの端部から出る約４００ｍＷの光ポンプパワーを生じる。よって、ポンプ波長でファイバ増幅器３００から出る光パワーはファイバ増幅器利得媒体３２４によって吸収される光パワーの４倍である。

反転分布および利得はファイバの長さに応じて実質的に均一であるために、利得は長さに対して直線的であり、その結果、信号波長で、利得が１メートルファイバに対し１０ｄＢであるならば、２メートルファイバに対する利得は２０ｄＢである。利得とファイバの長さとの間のこの対応関係は、ファイバの端に重大なポンプ漏れが存在する限り生じる。利得媒体によってポンプパワーの比較的僅かな部分しか吸収されないので、本発明の実施形態は、著しく大量のポンプパワーが利得媒体に吸収される従来のファイバ増幅器と対照的であることが認められる。

本発明の実施形態により提供されるファイバ増幅器の特徴付けは以下の手順を使用して実行されることがある。これらの特徴付け手順は、本発明の範囲を制限することを目的とするのではなく、単に一例として記載されている。入力信号のパワー（ピークパルスパワー、時間平均パワー、または、その他の指標のいずれか）および出力信号のパワーが信号波長、たとえば、１０６４ｎｍでの利得を決定するために測定される。その他の波長、たとえば、１０３０ｎｍでの利得は、波長可変レーザ源または多数の波長で動作する一連のレーザ源を使用して測定される。したがって、ファイバ増幅器のスペクトル利得曲線が測定され、図２に類似したデータを与える。ポンプ波長に依存して、図２に示された曲線に類似した曲線がこれらの測定から得られる。

ファイバ増幅器長に応じて反転を決定するために、ポンプレーザ出力のパワー測定、ファイバのカップリング係数の測定、ポンプレーザ波長で増幅器から出る光パワーのパワー測定が行われる。ポンプパワーの変動は、他の技術と共に、長さに応じて反転分布の均一性を決定するために使用されることがある。低ポンプパワーレベルで、ポンプパワーの増加はポンプエネルギーの大部分を吸収させる。ポンプパワーレベルが増加すると、利得媒体がファイバ増幅器の長さ方向に均一に反転されるので、ポンプパワーの増加は吸収されるポンプエネルギーの部分を減少させる。システム性能の特徴付けに基づいて、信号波長における利得と帯域外波長における利得との比較が行われることがある。

図４Ａは本発明の実施形態による光ファイバ増幅器の利得スペクトルの略図である。単に一例として、イッテルビウムドープトファイバ増幅器の利得スペクトルが図４Ａに示されている。イッテルビウムドープト光ファイバ増幅器の利得スペクトルは１０３０ｎｍのポンプ波長でのコアポンピングに対し示されている。図４Ａに示された実施形態のポンプパワーは５００ｍＷである。イッテルビウムドーピングレベルはおよそ５×１０^２４イオン／ｍ^３である。特定の実施形態では、光ファイバの長さは１０６４ｎｍの信号波長でおよそ２２ｄＢの利得を達成するように選択された。図４Ａにおいてわかるように、従来のファイバ増幅器と対照的に、スペクトル利得曲線のピークは信号波長の周辺に集中されるので、帯域外波長における種々の潜在的な不安定性および／または寄生発振を防止する。１０３０ｎｍの特定の帯域外波長で、利得は０ｄＢ未満である。

図４Ｂは本発明の実施形態による光ファイバ増幅器の出力スペクトルの略図である。図４Ｂに示されているように、出力スペクトルは、信号波長における発信と、最小限の帯域外ＡＳＥとを示している。本発明の実施形態によって行われる帯域外利得の低下は、有用な信号波長で、安定性がより高く、かつ、より高い利得を有する光増幅器およびレーザの製造を可能にさせる。

図５は種々の長さのイッテルビウムドープト光ファイバ増幅器の利得スペクトルの略図である。特に、利得スペクトルは、０．６メートル（５１０）、５メートル（５１２）および１０メートル（５１４）の長さをもつイッテルビウムドープト光ファイバに関して示されている。光ファイバは、９７６ｎｍで４０Ｗの光パワーを用いてクラッドポンプされる。図５に示された利得スペクトルを生成する際に使用される光ファイバは、３０μｍのコア径および２５０μｍの内部クラッド径をもつダブルクラッドファイバである。イッテルビウムドーピングレベルはコア内で９．２×１０^２５ｍ^−３である。このイッテルビウムドーピングレベルは、およそ９８０ｎｍから１１００ｎｍの波長範囲で動作を行うように選択される。エルビウム、ネオジム、または、ツリウムなどのようなその他の希土類元素が特定の用途に応じて適切にその他の波長での増幅のため使用されることがある。

図５を再び参照すると、０．６ｍのドープトファイバに対する曲線５１０は、１０６４ｎｍの信号波長で約３０ｄＢの利得を有している。実質的な帯域外利得ピークはおよそ１０３０ｎｍに存在する。曲線５１０に対し示されているように、帯域外利得ピークはほぼ６０ｄＢである。図示されているような帯域外利得ピークは高い利得の値を与え、１０３０ｎｍの付近で寄生発振または不安定性を生じるかもしれないことが認められる。このような寄生発振または不安定性の結果として、利用可能な利得は制限され、ノイズは着目中の波長（１０６４ｎｍ）で増加されることがある。

本発明の実施形態は、このような実質的な帯域外利得ピークの存在を補う増幅器および／またはレーザ設計を提供する。ある種の従来のアプローチでは、帯域外利得ピークを低下させる技術は光ファイバを延長することであり、光ファイバの延長は、短波長信号の再吸収を助長し、その結果、帯域外利得を低下させる。この技術は、ファイバの長さを５ｍおよび１０ｍにそれぞれ増加する効果を示す曲線５１２および５１４によって例示されている。しかし、ファイバの長さの増加はより長い波長で利得を増加させる結果を招く。図５に示されているように、ファイバの長さを１０ｍまで増加すること（曲線５１４）は、１０６４ｎｍの着目中の波長で約５０ｄＢの利得を生じる。したがって、一部の従来の技術は、所望のスペクトル利得プロファイルを維持すると同時に固有利得値によって特徴付けられた増幅器を設計する際に問題がある。

ある種の従来の設計で使用される別のアプローチは利得を調整するためポンプレベルを変えることである。たとえば、図５に曲線５１４によって示された１０ｍファイバにおいて、１０６４ｎｍでの５０ｄＢの利得はポンプパワーを４０Ｗより下に低下させることによって低下されることがある。しかし、光ポンプパワーが低下すると、増幅器の回復時間が増加することになり、高いポンプパワーが典型的に高いパルス繰返しレートで増幅器を動作させるために要求されるので望ましくない場合がある。したがって、これらの従来の設計は、目標利得と高速回復時間を同時に達成する際に問題がある。

図６は本発明の別の実施形態による帯域外利得が低下した光ファイバ増幅器の概略図である。光増幅器６１０は１０６４ｎｍの出力光パルス列６４０を生成するために１０６４ｎｍの入力光パルス列６２０を増幅する。光ファイバ増幅器６１０は、１本の希土類ドープトファイバ利得媒体６３８を含む。本発明の実施形態では、１本の希土類ドープトファイバは、希土類ドープトシングルクラッド、ダブルクラッド、または、さらにマルチクラッド光ファイバを含むが、それらに限定されない。このようなファイバで使用される希土類ドーパントは、イッテルビウム、エルビウム、ホルミウム、プラセオジム、ツリウム、または、ネオジムを含む。特定の実施形態では、光増幅器６１０を構築する際に利用される光ファイバベースのコンポーネントは、偏光維持シングルモードファイバを利用する。別の特定の実施形態では、ファイバはおよそ９．２×１０^２５ｃｍ^−３のレベルでイッテルビウムがドープされている。

特定の実施形態では、光ポンプ６３４は光カプラ６３６を介して希土類ドープトファイバ６３８の第１の面に結合される。特定の実施形態では、光カプラ６３６は、たとえば、英国、トーキー所在のＳｉｆａｍ Ｆｉｂｒｅ Ｏｐｔｉｃｓから入手可能である、信号フィードスルー付きの波長分割マルチプレクサ（ＷＤＭ）またはマルチモードポンプコンバイナである。本発明の実施形態によれば、９１０ｎｍ〜１０００ｎｍの範囲内の波長（たとえば、９７６ｎｍ）および約４０Ｗのパワーを用いる半導体ポンプレーザ６３４が利用される。単一のポンプレーザ６３４の発振が図６に示されているが、１台以上の半導体レーザまたはその他のレーザが代替的な実施形態で利用されることがある。当業者は、多数の変形例、変更例および代替例を認める。特定の実施形態では、ポンプレーザ６３４はマルチモード半導体レーザであり、ポンプパワーはマルチモードファイバコンバイナ６３６を使用してイッテルビウムドープトファイバクラッドに注入される。

本発明の実施形態によれば、光ファイバ増幅器６１０は、ポンプ源６３４および入力パルス６２０と異なる波長でシード源６３０からのシード光を利用する。好ましくは、シード源は、ポンプ源波長と入力パルス波長との間に位置する波長を有している。本明細書を通じてより完全に記載されているように、本発明の実施形態は多数の利点を提供するため利得ピークをクランプする。図６に示されているように、シード光は、光カプラ６３２により希土類ドープトファイバに注入されたシード源６３０によって供給される。特定の実施形態では、シード光は約１０３０ｎｍの波長で動作し、約５０ｍＷと約５００ｍＷとの間の光パワーを有している半導体レーザによって供給され、波長分割マルチプレクサ６３２を使用してイッテルビウムドープトファイバコアに注入される。さらに別の実施形態では、シード源６３０からのシード光は光ポンプされたイッテルビウムドープトファイバ増幅器からＡＳＥによって供給され、光入力信号６２０と同じ線上を伝播し得る。

以下の議論は利得クランピング機構を説明しているが、本発明の実施形態はこの特定の説明に限定されない。信号が強く増幅されるとき、信号は利得媒体からエネルギーを抽出し、その結果、利得が低下される。光増幅器６１０に適用されるように、９７６ｎｍのポンプはファイバに吸収され、１０３０ｎｍと１０６４ｎｍの両方の波長で広帯域利得を生成する。１０３０ｎｍでの強いシード信号の入力は、強く増幅されているシード信号を生じ、増幅器からエネルギーを抽出することにより、１０３０ｎｍで利得を低下させる。内部クラッド内の９７６ｎｍのポンプエネルギーはコア内で１０３０ｎｍの光に実質的に変換され、１０６４ｎｍを含むより長い波長で利得を提供するため光ファイバのコアをポンプすることが認められる。１０３０ｎｍでエネルギーをポンプするために９７６ｎｍのポンプエネルギーを吸収および変換することは、１０３０ｎｍでポンピングを効率的に生じさせる。効率的なポンピング波長は１０３０ｎｍであるので、この波長での利得は利得がファイバの長さ方向に完全に反転される条件に対し０ｄＢである。９７６ｎｍから１０３０ｎｍの変換が行われる光ファイバの僅かな部分だけが１０３０ｎｍでのあらゆる残留利得に寄与する。したがって、１０３０ｎｍを超えるあらゆる利得が最小限に抑えられる。

高パワーレーザは、１０３０ｎｍでは、その他の波長のように容易に利用できない。増幅器から高出力パワーを獲得するために、５０Ｗを超えるポンプパワーが必要とされることが多い。図６を再び参照して、本発明の実施形態では、約１０３０ｎｍの波長で５０ｍＷと１００ｍＷとの間の出力パワーをもつシングルモード連続波（ＣＷ）半導体シードレーザ６３０が、波長分割マルチプレクサ（ＷＤＭ）６３２を使用してイッテルビウムドープトファイバ６３８に結合されている。イッテルビウムドープトファイバ６３８は、典型的に、約３０μｍのコア径と２５０μｍの内部クラッド径とを備えたダブルクラッドファイバである。シードレーザ６３０からのシード光はファイバ６３８の３０μｍのコアに伝播する。さらに、９１０ｎｍと９８０ｎｍとの間の波長で約５０Ｗであるマルチモードポンプレーザ６３４は、マルチモードコンバイナ６３６を使用してイッテルビウムドープトファイバ６３８に結合される。ポンプレーザ６３４からのポンプ光は主としてファイバ６３８の２５０μｍの内部クラッド内を伝播する。ファイバ内に吸収されているポンプ光はシード光を強く増幅し、ポンプ光を１０３０ｎｍでシード光に大幅に変換し、１０３０ｎｍで利得を飽和させる。典型的に、変換は、コア内を伝播する約３０Ｗから約４０Ｗの１０３０ｎｍ光を生じる。したがって、増幅器は、９７６ｎｍでクラッドポンプされるのではなく、この場合、１０３０ｎｍでコアポンプされている。

１０６４ｎｍのパルス状入力光信号６２０は出力光信号６４０を生成するため増幅される。シードレーザのために利得は１０３０ｎｍで飽和されるが、用途に応じてイッテルビウムドープトファイバのための所定の長さを選択することによって信号を３０ｄＢずつ増幅するために十分な利得が１０６４ｎｍで残されていることが認められる。ファイバの長さが増加されるのにつれて、ポンプ光のより多くの部分が１０６４ｎｍ利得の増加と共にシード光に変換される。本実施形態では、同じダブルクラッドイッテルビウムドープトファイバが１０３０ｎｍのコアポンプ光を生成し、１０６４ｎｍ信号を増幅するために同時に使用される。

図７は本発明の別の実施形態による光ファイバ増幅器の利得スペクトルの略図である。比較のために、図７は、図５に示されているように９．２×１０^２５ｃｍ^−３のドーピングレベルをもつ同じイッテルビウムドープト光ファイバと関連付けられた利得スペクトルを示している。図７に示されたデータを取得するために、３０μｍのコアおよび２５０μｍの内部クラッドをもつダブルクラッドファイバが利用された。さらに、９７６ｎｍで４０Ｗのポンプパワー、および、１０３０ｎｍで２００ｍＷのシードパワーが利用された。曲線６１２は２．７ｍのファイバの長さを使用して１０６４ｎｍで約３０ｄＢの利得を有している。曲線６１４は５ｍのファイバの長さを使用して１０６４ｎｍで約４５ｄＢの利得を有している。いずれのスペクトルの場合でも、帯域外利得から帯域内利得を引き算すると５ｄＢ未満である。したがって、本発明の実施形態を利用して、絶対利得を調整し、同時に利得リップルを最小限に抑えることが可能である。

本発明の実施形態は、マイクロマシニング、レーザトリミング、レーザ穿孔などを含む多種多様の用途で利用されることがある。当業者は多数の変形例、変更例および代替例を認める。

本発明の実施形態は、利得媒体が長さ方向に完全に反転されているパルス状ファイバ増幅器を提供する。したがって、独立した制御が全増幅器利得および光パルス間の利得の回復時間に利用できる。このファイバ増幅器は、一定のパルス対パルス特性をもつ光パルスの増幅に特に適し、第１のパルスのオーバーシュートは従来の技術より低減されている。

マーキング、エングレイビング、マイクロマシニング、切断などを含む用途の間に、用途および加工されるべき材料に応じて、パルス幅、繰返しレート、ピークパワー、および／または、パルス当たりエネルギーを含むレーザのパルス特性は、当面のタスクのため適合している。通常、レーザがパルスオンデマンドモードで動作されるとき、第１の光パルスは後に続くパルスより強力である傾向がある。これは一般に望ましくない効果である。本発明の実施形態を制限することが意図されていない説明によれば、レーザ利得媒体内に蓄積されたエネルギーは、第１のパルスの後に著しく奪われ、次のパルスが現れる時間までに完全に補充されない。換言すると、光利得は、通常は、一貫したパルス対パルスパワー特性を与えるためにパルス間で十分に急速に回復しない。ある種のシステムでは、第１のパルス問題は複雑な電子制御方法を使用して対処されている。

さらに、従来のファイバ増幅器は、全利得、利得回復時間、および、出力パルスエネルギーが互いに依存するように一般に動作される。１個のパラメータを変えることは、一般に、他のパラメータに望ましくない変動を生じさせる。たとえば、利得回復時間を短縮するために、ポンプパワーを増加させることが可能であるが、ポンプパワーの増加は第１のパルスで利用できる全利得も増加させることになる。第１のパルスで利用できる全利得の増加は、その場合に、パワーが増加した第１のパルスを容認するか、または、第１のパルスのパワーの増加を補償するため入力パルスエネルギーを減少させることになるので、必ずしも望ましくない。

よって、第１のパルスと後のパルスとの間のパワー差を低減するレーザ増幅器を提供するシステムおよび技術が当分野で必要とされている。

本発明の実施形態によれば、ファイバ増幅器は光増幅器として設けられている。本明細書に記載されている方法およびシステムは、固体ロッド増幅器または固体ディスク増幅器のような固体増幅器を含むその他の増幅器にも適用可能であるが、それらに限定されない。

典型的な光ファイバ増幅器では、ファイバは光ビーム、典型的に、レーザによってポンプされる。ドープトファイバでは、このポンプ光は添加された希土類元素のイオンによってファイバ内に吸収される。典型的に、吸収された光は、希土類イオンを基底状態から高エネルギー、すなわち、「上位レベル」状態まで励起させる。この上位レベル状態のイオンは「反転型」と呼ばれる。反転されたイオンが光信号に利得を与え、利得の量は反転状態にある希土類イオンの割合によって決定される。この一部分は一般に「反転」と呼ばれる。ポンプ光の波長に依存して、達成され得る最大反転が存在する。この最大反転が達成されるとき、光ファイバは「完全反転型」と呼ばれる。この最大反転はポンプ波長の増加と共に単調に減少する。

図８Ａ、８Ｂおよび８Ｃは、２０Ｗのポンピングパワーに対しファイバの長さ方向に反転分布、ＡＳＥ強度、および、残留ポンプパワーを示している。図９Ａ、９Ｂおよび９Ｃは、４０Ｗのポンピングパワーに対しファイバの長さ方向に上位レベル分布および残留ポンプパワーを示している。図８および９を参照すると、反転、ＡＳＥ強度、および、残留ポンプパワーは、イッテルビウムドープトダブルクラッドファイバの長さ方向に示されている。示されている実施例では、ファイバの長さは４ｍである。イッテルビウムドープトダブルクラッドファイバは３０ｍｍのコア径および２５０ｍｍの内部クラッド径を有している。イッテルビウムドーピングレベルは１．４％である。

図８および９は、増幅器が安定状態条件にあり、パルスが増幅器の中を通過していない条件を示している。なお、反転はファイバの長さ方向に一定ではなく、反転は２つの入力ポンプパワーに対し異なる。２０Ｗポンプパワーに対し、反転の最大値は約０．３５に達し、一方、４０Ｗのポンプパワーに対し、反転の最大値は約０．４０に達する。両方の場合に、反転は、前方伝播および後方伝播ＡＳＥによって強く抑制される。その結果、反転は最大化されず、ファイバはファイバの長さ方向に十分に反転されない。図８および９を参照すると、ファイバの端部に存在する低レベルの残留ポンプパワーは、実質的に全てのポンプパワーがファイバ内に吸収されることを実証する。

４０Ｗによってポンプされた増幅器は、２０Ｗによってポンプされた増幅器より高速の光パルス間の利得回復を示している。残念ながら、この高速の利得回復はより高いポンプレベルのための初期利得の増加を犠牲にして行われる。一般に、このような増幅器の場合、初期利得に影響を与えることなく利得回復時間を変更することは不可能である。

図１０Ａおよび１０Ｂは、２０Ｗのポンピングパワーに対する高エネルギー第１パルス問題および利得回復時間の実施例を示している。図１１Ａおよび１１Ｂは、４０Ｗのポンピングパワーに対する高エネルギー第１パルス問題および回復時間の実施例を示している。図１０Ａを参照すると、５個の光パルスが示されている。図１０Ａに示されているように、ピークパワーは後に続くあらゆるパルスより第１のパルスにおいて大きい。よって、上述された高エネルギー第１パルス問題が示されている。図１０Ｂは、時間に応じて利得を示し、各パルスの後の急速な減少とパルス間の遅い不完全な回復とを明らかにしている。図１０Ｂを図１１Ｂと比較すると、４０Ｗによってポンプされた増幅器は、パルス間の利得のより大きな勾配によって示されているように、２０Ｗによってポンプされた増幅器より急速に回復する。さらに、第１のパルスのエネルギーは、後に続くパルスのエネルギーより殆ど常に高く、場合によっては、およそ１桁高いということがわかる。図１０Ａを図１０Ｂと比較すると、４０Ｗによってポンプされた増幅器の第１のパルスは２０Ｗによってポンプされた増幅器の第１のパルスよりエネルギーが大きく、増幅器利得は２０Ｗより４０Ｗによってポンプされたときにより大きいという事実を示している。したがって、増幅器利得および利得回復時間は互いに強く連結されている。

本発明の実施形態は、利得媒体、特に、一般に従来のファイバ増幅器より長さが短い希土類ドープトファイバを利用する。ある種の実施形態では、ファイバ増幅器は、従来のポンプパワーレベルより高いポンプパワーレベルでポンプされる。これらの条件の結果として、単独で、または、組み合わせて、本発明の実施形態は、少なくとも反転およびポンプパワー吸収の振る舞い方が従来の増幅器と異なる光増幅器を提供する。

図１２は、本発明の実施形態による２０Ｗのポンピングパワーに対するファイバの長さ方向の１０２８ｎｍ波長における上位レベル分布と、残留ポンプパワーと、利得プロファイルとを示している。図１３は、本発明の実施形態による４０Ｗのポンピングパワーに対するファイバの長さ方向の１０２８ｎｍ波長における上位レベル分布と、残留ポンプパワーと、利得プロファイルとを示している。図１２および１３は、図８Ａおよび８Ｂに示されたデータを取得するために使用されたイッテルビウムドープトダブルクラッドファイバの長さ方向のプロファイルに類似したイッテルビウムドープトダブルクラッドファイバの長さ方向のプロファイルを示している。本実施例では、ファイバの長さは０．８ｍであり、入力ポンプパワーはそれぞれ２０Ｗおよび４０Ｗである。なお、両方の入力ポンプパワーに対し、ファイバはファイバの全長に沿って実質的に完全に反転されている。さらに、本発明の実施形態によれば、ファイバ内に吸収されるポンプ光の割合は従来の増幅器より少ないことがわかる。実際に、ファイバは、３Ｗ程度のポンプパワーを伴う類似した反転プロファイルを提供することがわかる。本明細書を通じて完全に説明されているように、反転の最大値は、一方で、ポンプレーザの波長によって決定される。図２を参照すると、図１２および１３に示された結果に対して、ポンプレーザの波長は９７５ｎｍであり、反転の対応する最大値はおよそ５０％である。

上述されているように、ファイバ増幅器から入手可能な利得は反転分布に応じている。本発明の実施形態を利用すると、増幅器の利得はある種の所定の値に固定され、ポンプパワーがある特定の下限（図１２および１３の実施例の場合に、〜３Ｗ）より上に維持されるならば、ポンプパワーの量と独立した状態に保たれる。一定利得の値は、適切なファイバの長さを選択することにより選定され、特定用途に依存する。本発明の実施形態により構築された増幅器のデシベル（ｄＢ）単位の実際の利得の値は、所与のファイバ設計に対し、ファイバの長さと共に直線的に変化し、増幅器設計を簡単化する。

図１４は、本発明の実施形態により提供された増幅器における注入ポンプパワーに応じた利得および残留ポンプパワーを示している。図１４に示されたデータに関して、およそ５×１０^２４イオン／ｍ^３のドーピング密度を有している５ｍの長さのＹｂドープトシングルクラッドファイバが利用された。図１４はファイバ内に吸収されなかった残留ポンプパワーの量の測定を表している。残留ポンプパワーは、ファイバを通過した後にファイバの端部から放出されたポンプパワーの量である。同図は、およそ１０３２ｎｍの波長におけるシングルパスの小信号利得も表している。

図１４は、ある特定の閾値、たとえば、約５０ｍＷより大きいポンプパワーレベルに対し、一部または大部分のポンプパワーがファイバを介して伝達され、もう一方の端部から放出されることを実証している。図１４は、閾値を上回るポンプパワーにおいて、シングルパス利得は、たとえば、上記の条件に対し、およそ２８ｄＢで基本的にクランプされることをさらに実証している。ポンプ吸収の不足と利得のクランピングとの間の相関は、本発明の実施形態を制限することなく、ファイバの長さ方向に完全に反転されているファイバに起因すると考えられる。したがって、付加的なポンプパワーが与えられるとき、反転、その結果として、利得は、さらなる増加が殆ど無いか、または、全く無いということを示している。

これらの実施形態において説明されているようなポンプパワーは、図６との関連で説明されているような増幅されたシード信号によって与えられ得ることが認められる。図６に示されているような特定の実施形態では、シード６３０のパワーは、ポンプ６３４のパワーをシードパワーへ大幅に変換するために十分に、たとえば、５０ｍＷより高く、または、さらに、１００ｍＷより高く、シード信号の増幅を生じさせる。このように生成されたシード信号は、ファイバ増幅器へのポンプパワーとして作用する。ある特定の閾値、たとえば、約５０ｍＷより高いシードパワーレベルに対し、既に図１４に示されているように、一部または大部分のシードパワーがファイバを介して伝達され、もう一方の端部から放出される。これらの条件下で、シングルパス利得は、基本的にクランプされ、ファイバはファイバの長さ方向に完全に反転される。その結果として、本発明のある実施形態では、図１２、１３および１４における「ポンプ」という用語は、図６に示された実施形態との関連で利用されるとき「シード」という用語によって置き換えられる。

本発明の実施形態は、ファイバの長さに応じて実質的に均一な反転と、高レベルでのポンピング、（たとえば、ポンプパワーの大部分、たとえば、５０％より多くの部分）が能動媒体によって吸収されないレベルでのポンピングとによって特徴付けられる方法およびシステムを提供する。さらに、実施形態は、従来のシステムより長い波長のポンピングを利用し、それによって、帯域外波長における利得より信号波長の利得を実現する方法およびシステムを提供する。しかし、これらの実施形態は、別々に設けられるか、または、部分的に組み合わされて設けられるようなこれらの特徴の組み合わせに限定されない。

本発明の実施形態を制限することなく、「限界パワー」のため以下の式を導出することが可能である。ドープトファイバにおけるＰ_ｅｒは、 Ｐ_ｅｒ＝Ａ_ｄＥ_ｐ／（χ_ａ＋χ_ｅ）Γτであり、式中、Ａ_ｄはファイバのドープト領域の面積であり、Ｅ_ｐはポンプ光の光子のエネルギーであり、χ_ａおよびχ_ｅはそれぞれポンプ波長におけるファイバ内のドーパントの吸収断面および放出断面であり、Γはドーパント面積に関するポンプ伝播モードの閉じ込め係数であり、τはファイバ内のドーパントの励起状態寿命である。限界パワーの観点で、ファイバ内の反転ｉをポンプパワーＰに関係付ける以下の式： ｉ＝ｉ_ｓａｔ／（Ｉ＋Ｐ_ｅｒ／Ｐ）を導出することも可能であり、式中、ｉ_ｓａｔは飽和反転である。この式から、ｉはＰがＰ_ｅｒを超えるとｉ_ｓａｔに接近することがわかる。これらの計算に基づいて、実施形態では、ポンプ光がファイバに沿って伝播するとき、Ｐが限界パワーのおよそ３倍を超えるならば、反転は全ての点で近似的に飽和する。よって、ここに示されているように、残留ポンプパワーが限界パワーのおよそ３倍を超えるならば、ファイバ全体に亘る反転は飽和反転にほぼ一致する。

「シード」信号の限界パワーは、「ポンプ」信号の限界パワーと実質的に異なる可能性がある。特に、閉じ込め係数Γと、断面の値χ_ａおよびχ_ｅは両方の場合に著しく異なる可能性がある。「ポンプ」光および「シード」光の両方がファイバ内に存在するとき、各信号の限界パワーの点でファイバ内の反転を「ポンプ」パワーおよび「シード」パワーの両方に関連付ける式を導出することが可能である。この導出された式から、「シード」パワーが「シード」信号の限界パワーのおよそ３倍を超えるならば、および、「ポンプ」パワーが「ポンプ」信号の限界パワーのおよそ１／２未満ならば、反転は「シード」波長の飽和反転とほぼ等しいことがわかる。この状況において、ポンプ光のシード光への実質的な変換は、シード波長の下側の飽和反転レベルで、反転がファイバ全体に亘って近似的にまたは実質的に均一である増幅器を生じる。

よって、本発明の実施形態を利用すると、増幅器利得および光出力エネルギーに影響を与えることなく、ポンプパワーの量を調整することにより増幅器回復時間を調整することが可能である。回復時間を増加させるために、ポンプパワーの増加が行われる。さらに、本発明の実施形態は、一般に従来の増幅器において巨大なパルスの出現と関連した高速回復時間を生じた余分なポンプパワーが著しい付加的な利得を生じることなく、それによって、増幅器の利得を自己制限する方法およびシステムを提供する。

以下のシステムは本発明の種々の実施形態の範囲内に含まれている。

光利得媒体と、帯域外利得が帯域内利得より実質的に小さいように選択された波長を有する光ポンプとを含む光増幅器またはレーザ。

光利得媒体と、帯域外利得が低下され、または、最小限に抑えられるように選択された波長を有する光ポンプとを含む光増幅器またはレーザ。

光利得媒体と、帯域外利得が帯域内利得に実質的に類似するように選択された波長を有する光ポンプとを含む光増幅器またはレーザ。

光利得媒体と、帯域外ＡＳＥが低下され、または、最小限に抑えられるように選択された波長を有する光ポンプとを含む光増幅器またはレーザ。

帯域外ＡＳＥが低下され、または、最小限に抑えられるように選択された波長を有する光ポンプ付きの光増幅器またはレーザ。

種々の実施形態において、利得媒体は、シングルクラッド構造、ダブルクラッド構造、または、マルチクラッド構造でもよい希土類ドープト光ファイバを備える。光ファイバは偏光維持ファイバでもよい。希土類ドープト光ファイバは、イッテルビウム（Ｙｂ）、エルビウム（Ｅｒ）、ネオジム（Ｎｄ）、ツリウム（Ｔｈ）、ホルミウム（Ｈｏ）、または、プラセオジム（Ｐｒ）を含む１個以上の希土類元素の組み合わせを含むことがあるが、それらに限定されない。ポンプは、半導体ダイオードレーザ、ファイバレーザ、固体レーザ、これらのレーザの組み合わせなどを備える。

第１の長さのイッテルビウムドープト光ファイバと、実質的に１０００ｎｍから１０４０ｎｍの範囲において選択された波長を有する光ポンプとを備える光増幅器またはレーザ。

第１の長さのイッテルビウムドープト光ファイバと、実質的に１０２０ｎｍから１０４０ｎｍの範囲において選択された波長を有する光ポンピング手段とを備える光増幅器またはレーザ。

第１の長さのイッテルビウムドープト光ファイバと、実質的に１０２５ｎｍから１０３０ｎｍの範囲において選択された波長を有する光ポンプとを備える光増幅器またはレーザ。

種々の実施形態において、光増幅器またはレーザは、シングルクラッドファイバ、ダブルクラッドファイバ、または、マルチクラッドファイバを備えるイッテルビウムドープトファイバを含む。イッテルビウムドーピング濃度は、１ｍ^３当たり１×１０^２４から１×１０^２６イオンの範囲内でもよい。光ファイバは偏光維持型でもよい。ポンプは、半導体ダイオードレーザ、ファイバレーザ、固体レーザ、これらの組み合わせなどでもよい。

以下のシステムもまた本発明の種々の実施形態の範囲内に含まれている。

第１の長さのエルビウムドープト光ファイバと、実質的に１４９０ｎｍから１５３５ｎｍの範囲において選択された波長を有する光ポンプとを含む光増幅器またはレーザ。

第１の長さのエルビウムドープト光ファイバと、実質的に１５００ｎｍから１５３０ｎｍの範囲において選択された波長を有する光ポンプとを含む光増幅器またはレーザ。

第１の長さのエルビウムドープト光ファイバと、実質的に１５１５ｎｍから１５２５ｎｍの範囲において選択された波長を有する光ポンプとを含む光増幅器またはレーザ。エルビウムドープトファイバは、１ｍ^３当たり１×１０^２４から１×１０^２６イオンの範囲内のエルビウムドーピング濃度を有するシングルクラッドファイバを含むことがある。光ファイバは偏光維持型でもよい。ポンプは、半導体ダイオードレーザ、ファイバレーザ、固体レーザ、これらの組み合わせなどでもよい。

ポンピング波長で動作するため適した光ポンプと、信号波長で増幅されるため適した光信号と、シード波長で動作するため適した利得クランプシードとを含む光増幅器。実施形態では、光ポンプ、光信号、および、利得クランプシードは、光利得媒体にすべて同時に注入される。

ポンピング波長で動作するため適した光ポンプと、信号波長で増幅されるため適した光信号と、シード波長で動作するため適した利得クランプシードとを含む光増幅器。光ポンプ、光信号、および、利得クランプシードは、利得クランプシードの光パワーが信号波長の外側の光利得を信号波長での利得より５ｄＢ高い利得に満たないレベルに制限するため動作可能であるように、光利得媒体にすべて同時に注入される。種々の実施形態によれば、光増幅器は、希土類ドープトファイバ媒体でもよいファイバ増幅器を含み、光ポンプは１個以上の半導体レーザを含み、利得クランプシードは１個以上の半導体レーザを含む。

希土類ドープト光ファイバは、イッテルビウム、エルビウム、ツリウム、ホルミウム、プラセオジム、または、ネオジムを含むことがある。希土類ドープトファイバは、シングルクラッド型、ダブルクラッド型、または、マルチクラッド型でもよい。

９１０ｎｍと１０００ｎｍとの間のポンピング波長で少なくとも１個の半導体レーザを備える光ポンプと、１０５０ｎｍと１１００ｎｍとの間の波長を有し、増幅されるため適した光信号と、１０００ｎｍと１０５０ｎｍとの間の波長を有する利得クランピング半導体シードとを含むイッテルビウムドープト光ファイバ増幅器。光ポンプ、光信号、および、利得クランピング半導体シードは共通の長さのイッテルビウムドープトファイバにすべて注入される。

光ファイバ増幅器は、ポンプ光、信号光、および、利得クランピング半導体シード光を共通の長さのイッテルビウムドープトファイバに結合させるため適した光カプラをさらに含む。信号波長の外側の光利得は、一実施形態によれば、信号波長における光利得より５ｄＢ高い利得に満たない。利得クランピング半導体シードは、別の実施形態では、１０ｍＷより高いパワーによって特徴付けられる。イッテルビウムドープトファイバは、シングルクラッド型、ダブルクラッド型、または、マルチクラッド型でもよく、他のドーピング元素をさらに含むことがある。

以下のシステムは本発明の種々の実施形態の範囲内にさらに含まれている。

ポンプと、長さ方向に実質的に完全に反転されている利得媒体とを含む光増幅器。ポンプは、半導体ダイオードレーザ、ファイバレーザ、固体レーザ、これらの組み合わせなどでもよい。利得媒体は、シングルクラッド構造、ダブルクラッド構造、または、マルチクラッド構造のいずれかを備える希土類ドープト光ファイバを含むことがある。光ファイバは偏光維持ファイバを含むことがある。希土類ドープト光ファイバは、イッテルビウム（Ｙｂ）、エルビウム（Ｅｒ）、ネオジム（Ｎｄ）、ツリウム（Ｔｈ）、ホルミウム（Ｈｏ）、または、プラセオジム（Ｐｒ）を含む１個以上の希土類元素の組み合わせを含むことがある。

本発明は特定の実施形態と特定の実施形態の具体的な実施例とに関して記載されているが、その他の実施形態が発明の精神および範囲であることは理解される。したがって、本発明の範囲は、特許請求の範囲を、その均等物の全範囲と共に参照して定められるべきである。

Claims (9)

1. 高パワーレーザパルスを出力する方法であって、
   第１の帯域内波長から該第１の帯域内波長より大きい第２の帯域内波長まで広がる帯域内部分を有するスペクトル利得曲線であって、前記帯域内部分では第１の振幅範囲を有するスペクトル利得曲線を有するファイバ増幅器を用意し、
   前記スペクトル利得曲線の帯域内部分にある信号波長にて入力信号を前記ファイバ増幅器に供給し、
   前記信号波長よりも小さいポンプ波長にてポンプ放射を生成して、前記第１の帯域内波長より小さく前記ポンプ波長より大きい波長における前記スペクトル利得曲線の全部分の振幅が、前記第１の振幅範囲の振幅値より１０ｄＢ大きい振幅レベル以下となるようにし、
   前記ファイバ増幅器のファイバの出力端から出るポンプパワーの値が、少なくとも前記ファイバに吸収されるポンプパワーの値以上となるように、前記ポンプ放射のパワーを前記ファイバ増幅器のファイバによって吸収されるパワーよりも大きくし、
   前記ポンプ放射を前記ファイバ増幅器に結合させ、
   前記入力信号を増幅して出力信号を生成する、
   方法。
2. 前記第１の帯域内波長、前記第２の帯域内波長、および、前記信号波長が単一波長である、請求項１に記載の方法。
3. 前記ポンプ放射の前記ファイバ増幅器への結合は、前記ファイバ増幅器における前記ポンプ放射の吸収を含み、その結果ファイバの長さに応じた実質的に均一な反転分布が生じる、請求項１に記載の方法。
4. 前記ファイバの出力端から出るポンプパワーの値が、少なくとも限界パワーの３倍以上である、請求項３に記載の方法。
5. 実質的な均一性がピーク反転値の１０％の範囲内である、請求項３に記載の方法。
6. 前記スペクトル利得曲線の前記帯域内部分の中心が前記信号波長である、請求項１に記載の方法。
7. 前記ファイバ増幅器の利得イオンがイッテルビウムであり、前記ポンプ波長が１μｍより大きい、請求項１に記載の方法。
8. 前記ファイバ増幅器の利得イオンがイッテルビウムであり、前記ポンプ波長が１０２５ｎｍと１０３５ｎｍとの間に分布する、請求項７に記載の方法。
9. 前記第１の帯域内波長より小さく前記ポンプ波長よりも大きい波長における前記スペクトル利得曲線の全部分の振幅が、前記第１の振幅範囲の振幅値より小さい、請求項１に記載の方法。

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