JP2015515114A - シングルモードのネオジムファイバ源を用いた高パワーシングルモードのイッテルビウムファイバレーザシステム - Google Patents

Abstract

ガウス形の強度プロファイルを有する、実質的に回折限界のビームを放射する高パワーファイバレーザシステムは、シングルモード（「ＳＭ」）のポンプ光を出力するＳＭのネオジムファイバポンプ源と、ポンプ光より長い波長のＳＭの信号光を放射するように動作するシードレーザと、ＳＭのポンプ光および信号光を受け入れ、多重化するＳＭのＷＤＭとを含む。開示されるシステムは、ポンプ光および信号光を受け入れ、ＳＭのみを維持する小さい直径の入力端部、およびＳＭおよび高次モード（「ＨＯＭ」）を維持することが可能な大きい直径の出力端部を用いて構成された円錐台形のイッテルビウム（「Ｙｂ」）ドープコアを備えるように構成されたブースタファイバ増幅器をさらに含む。ブースタは、コアを囲み、それと共に延びるクラッドをさらに有し、コアは、ポンプ光および信号光のそれぞれのＳＭの強度プロファイルを互いに重ねるように構成され、その結果、重なり積分がコアの全長に沿って実質的に１に等しくなる。光信号のＳＭは、ＭＷのピークパワー範囲および数百ワットの平均パワー範囲において、ポンプモードから実質的に全エネルギーを引き出し、ＨＯＭをシステムの回折限界のビームの品質に必然的に影響を及ぼす増幅がない状態に維持する。

Description

本開示は、シングルモードの高ピーク／平均的パワーの高輝度出力を放射するために、短いアクティブ光ファイバを用いて構成された光増幅器、およびその光増幅器を組み込み、きわめて明るく高パワーのシングルモードのパルス波または連続波（「ＣＷ」）を放射するように動作するシングルモードの高パワーファイバレーザシステムに関する。

イッテルビウム（「Ｙｂ」）、エルビウム（「Ｅｒ」）および他の希土類イオンドープファイバを含むファイバレーザシステムは、高効率であり、費用効率が高く、コンパクトかつ堅牢な、光を発生するとともに光を増幅するデバイスである。これらの中でも、ＹｂならびにＥｒの連続波（ＣＷ）およびパルス式のファイバレーザシステムは、主にその優れた効率および長期間安定性により、工業的なファイバレーザ市場で優位を占めている。

希土類ドープファイバのレーザおよび増幅器は、高度に制御されたスペクトル品質の高品質ビームを放射することが可能な、頑丈、効率的かつコンパクトな光源である。しかしながら、こうした光源によって生成される出力パワーは、非線形な光学的寄生効果（「ＮＬＥ」）によって制限される。

非線形効果（「ＮＬＥ」）は、誘導ブリルアン散乱（ＳＢＳ）および誘導ラマン散乱（ＳＲＳ）、自己位相変調（ＳＰＭ）および交差位相変調（ＸＰＭ）、ならびに４光波混合（ＦＷＭ）を含む。これらの効果に共通する原因は、
ファイバコアにおける高い光強度、および
ファイバ内の光ビームとファイバ材料（例えばシリカ）の間の非線形相互作用に対する長い経路、すなわち長いファイバ
である。これらの効果は、高パワーの連続波のファイバレーザシステムおよび高ピークパワーのパルス式のファイバレーザシステムの両者に組み込まれたドープファイバにおいて観察される。高パワーのパルス式レーザとの関連では、ＮＬＥはとりわけ、パルスの時間プロファイルの望ましくないスペクトルの広がりおよび歪みを引き起こす。

異なるＮＬＥは、いくつかの共通点を有する。例えば、非線形効果が現れる光学的な閾値パワーは、ファイバコアの面積に比例し、ファイバ長に反比例する。換言すれば、ファイバの長さが増し、コアの直径が小さくなるにつれて、ＮＬＥに対する閾値パワーは次第に小さくなる。それに応じて、高パワーに対しては、常に大きいコア径および短いファイバ長が要求される。

シングルモードを有することが可能な光の伝搬をサポートする光ファイバは、シングルモード（「ＳＭ」）ファイバと呼ばれ、一方、複数の横モードの放射を維持するものは、マルチモード（「ＭＭ」）ファイバと呼ばれる。ＳＭファイバは、ステップインデックス形のプロファイルを有するファイバの場合、ガウス形の強度の形状を有する最も高いビーム品質を放射する。

ＭＭのステップインデックスファイバのコアによって維持されるマルチモードの中で最も強力な基本モードは、ガウス形にきわめて類似したプロファイルを有する。高次モード（「ＨＯＭ」）は、ガウス形とは異なるとともに互いに異なる光強度のプロファイルそれぞれによって特徴付けられる。所与のステップインデックスでは、ファイバによって維持される横モードの数はコアの面積に比例する。したがって、長いコアのファイバは、マルチモード（「ＭＭ」）になる傾向があり、複数のモードが励起されると、ビーム品質がＳＭファイバより低いビームを放射する。ビームの品質は、ファイバコアの直径が大きいＭＭアクティブファイバを含む、高パワーファイバレーザシステムの多くの工業的および科学的用途にとってきわめて重要である。品質の要件を満たすために、ＭＭのコアを、実質的に基本モードのみを維持するように構成することが可能である。

前述の非線形効果（「ＮＬＥ」）は、周知の従来技術によって広く解析されている。横モードの数を減らすことを可能にする技術の１つは、参照によって本明細書に全体的に組み込まれる特許文献１に開示されている、曲げ損失によって誘起されるモードの選択を含む。さらに他の技術は、ＩＰＧ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎによって開発された、互いに直接接続されたＳＭファイバとＭＭファイバとの間のモードを合わせた発射を含む。どちらの技術も、高パワーファイバレーザシステム（「ＨＰＦＬＳ」）において広くかつうまく使用されている。しかしながら、さらに高いパワーが求められるため、最近のファイバ増幅器は、好ましくないＮＬＥによるその限界に危険なまでに近付いている。

ｋＷ〜ＭＷの範囲の出力を有するＨＰＦＬＳに組み込まれたドープファイバにおける、望ましくないＮＬＥの存在を最小限に抑えるためには、
１．望ましくは光ロッド−実際的に曲げ損失がなく、ＳＭビームを乱さずに伝搬することができる短くまっすぐな光学的構成要素−の長さに近い、最短で最適な長さ、および
２．光を低減し、したがってＮＬＥの閾値を高める、基本モードの実現可能な最大のＭＦＤ
を備えた希土類イオンドープファイバを構成することが必要である。発明者等の知る限り、きわめて高い平均およびピークパワーのファイバ増幅器に使用される、現在のところ最も有効なファイバの設計でも、これまでに述べた要件を十分に満たすことはできない。

また、ドープファイバの長さは、基本モードの品質に影響を及ぼす。基本モードは、メートルの長さのファイバを通って伝搬するとき、ＭＭファイバの曲げによってモード重心（ｍｏｄｅ ｃｅｎｔｅｒ ｇｒａｖｉｔｙ）がシフトする傾向がある。その結果として、モード領域が減少する。長いドープファイバがポンピングされる（ｐｕｍｐｅｄ）と、ポンプモードおよび基本モードのそれぞれの強度プロファイル間の重なりは、実質的に基本モードしか増幅が許容されないために悪化する。したがって、ＨＯＭは、最初は増幅されないが、基本モードによって失われるパワーがＨＯＭに移るため、出力ビームの品質を損ない始める。したがって、重なり積分として知られるこの重なりが、ファイバの全長に沿ってできるだけ１に近いことがきわめて望ましい。明らかに後者は、数十センチメートルを超えない長さのファイバで実現するのがより簡単である。

ＭＭのＨＰＦＬＳにおけるＳＭ動作では、最適なファイバ構成の必要性が認められており、次のステップは、長さが数十センチメートルを超えないファイバ増幅器で高パワーのポンプ光を発生させ、吸収することである。可能性の１つは、ドーパントの濃度を高めることを含む。しかしドーパントの濃度は、ある特定のレベルを超えて論理的ではなく高くすることはできない。例えば、現在知られている実際的な最大のドーパントの濃度レベルでも、１０６０ｎｍの波長のダブルクラッドのＹｂドープファイバは、通常は数メートルに達する。したがって、そうしたファイバ長は、低いＮＬＥ閾値パワーに有利な条件をもたらす。さらに、この構成に高パワーのＭＭレーザダイオードを用いることができるが、その出力は明るさが不十分であることが知られており、依然として周知の工業用途の多くは、きわめて高輝度のビームを必要としている。

もちろん、ＳＭポンプ光をファイバコアの中に発射することを含むエンドコアポンピング技術は、ポンプ光の明るさおよび吸収を改善する。しかしながら、レーザ技術の技術者に知られているように、現在利用可能な最も強力なＳＭレーザダイオードでも、個々には、ＭＷのピークパワー出力および数百Ｗの平均パワー出力を放射するように動作するＨＰＦＬＳに対して、所望の強力なポンプ光を発生させるにはまだまだ不十分である。

米国特許第６，４９６，３０１号明細書 国際出願第２０１２／０４７２１８号パンフレット

したがって、約９７６〜１０３０ｎｍの波長範囲で、ｋＷ〜ＭＷのパワー範囲の平均パワーおよびピークパワーを有するＳＭビームを放射するように動作する、Ｙｂドープ光ファイバ増幅器が求められている。

他には、長さが数センチメートルを超えない、したがって、低い閾値パワーでのＮＬＥの発生を防止するように構成されたドープファイバに基づく、Ｙｂドープ光ファイバ増幅器が求められている。

他には、所望の９１０〜９６０ｎｍの波長範囲で、最大数百ワットの高輝度のＳＭポンプ信号を放射するように動作する、ネオジム（「Ｎｄ」）ファイバポンプ源が求められている。

他には、前述のＮｄファイバポンプ源およびＹｂファイバ増幅器を含む、エンドポンピングの配置が求められている。

さらに他には、Ｙｂドープファイバのコアエンドの中に発射されるポンプモードと、ポンプ光を発射するとＹｂファイバ内で励起されるシングル／基本モードとの間の重なり積分が、Ｙｂドープファイバの全長に沿って実質的に１に等しくなるように構成された、Ｙｂファイバ増幅器およびＳＭのＮｄポンプ源が求められている。

さらに他には、短くまっすぐなドープファイバを有し、所望の波長範囲でｋＷ〜ＭＷの範囲までの信号光を増幅することができるブースタ、波長λｐのポンプ光を放射するＳＭポンプ源、波長λｓ（＞λｐ）の信号光を放射するシードレーザ、およびブースタから上流で信号光とポンプ光を組み合わせるＳＭファイバ波長分割多重化装置（「ＷＤＭ」）を用いて構成された、超高パワーのシステムが求められている。

こうした必要性および他の必要性は、開示されるファイバ増幅器、およびファイバ増幅器（ブースタとも呼ばれる−マルチカスケード型ファイバ増幅システムにおいて、最後にある最も強力な増幅段階）を組み込んだ高パワーファイバレーザシステムによって満たされる。開示されるファイバレーザシステムは、９７６〜１０３０ｎｍの波長範囲内においてシングルモードで、ＭＷの出力ピークパワーおよび少なくとも数百Ｗの出力平均パワーを放射するように構成される。

ファイバ増幅器は、長手方向の軸に沿って延びる光ファイバロッドなどのＹｂドープ導波路、およびファイバコアの入力端部に結合される、好ましくは９１０〜９６０ｎｍの波長で最大数百ワットのＳＭポンプ光を放射するＳＭのＮｄファイバポンプ源を含む。

増幅器はさらに、モノリシックなコア、およびコアを囲みコアと同軸に延びるクラッドを有する、短くまっすぐなＹｂドープファイバロッドを用いて構成される。コアは、Ｙｂドープファイバの大きい直径の出力端部に向かって広がる、略円錐台形の細長い断面を用いて構成される。コアの入力端部領域は、ＳＭのみを維持するように構成され、一方、コアの出力端部領域は、基本モードおよび少数のＨＯＭを維持することができる。

Ｙｂドープファイバロッドは、ＳＭのポンプモードおよびコアの基本モードが短いファイバの全長に沿って互いに重なり、その結果、重なり積分が実質的に１に等しくなるように構成される。それに応じて、コアの長さに沿って少数のＨＯＭが励起された場合でも、実際的には励起されたＳＭ／基本モードのみが増幅され、その結果、ＨＯＭの存在が実質的でない低いノイズレベルになる。さらに、ＨＯＭは増幅されない状態を保つだけではなく、ＨＯＭを飽和させ、約９７６〜１０３０ｎｍの波長帯において出力コアの端部から放射される回折限界に近いビームを与えることができる。したがって、開示される構造によって、いわゆる中心ドーピングの使用が不要になる。

開示される超高パワーのシステムは、これまでに論じたＹｂ増幅器およびＳＭのＮｄファイバレーザ源を含むブースタを有し、これらＹｂ増幅器とブースタとはともに、エンドポンピングの配置を画定する。システムは、Ｎｄポンプより大きい波長のＳＭ信号光を放射するＳＭシードレーザをさらに含む。ポンプ信号のようなシード信号は、Ｙｂ増幅器のコアの入力部の中にも発射される。ＳＭポンプおよびシード信号のＹｂドープコアへの結合は、パッシブなＳＭファイバを通ってコアの端部に送達された両方の信号を組み合わせ、その結果、ポンプモードおよび励起されたシングルモードそれぞれのガウス形のプロファイルを、Ｙｂドープファイバの全長に沿って完全に重ねるように動作する、ＳＭファイバ波分割多重化装置（「ＷＤＭ」）によって実現される。

前述のならびに他の特徴および利点は、以下の図面を参照した具体的な説明によって、より容易に明らかになるであろう。

本開示に従って構成された高パワーファイバレーザシステム（「ＨＰＦＬＳ」）の光学的な概要を示す図である。 図１に示すＨＰＦＬＳのＹｂドープファイバの実施形態を示す図である。 ファイバコアの屈折のステップインデックス、ならびにそれぞれ図１に示す開示されるＹｂドープファイバのコア内を共に伝搬する、信号光の基本モードおよびポンプの基本モードの強度プロファイルを示す図である。 図１のＨＰＦＬＳのポンプ源の概略的な構成を示す図である。 図１および図１Ａに示す増幅器における、基本モードＬＰ_０ｌならびに２つのＨＯＭ ＬＰ_ｌｌおよびＬＰ_０２の出力パワーをそれぞれ示す、コンピュータによって生成されたグラフである。 開示される増幅器の全効率および基本モードＬＰ_０ｌの効率を、拡張係数Ｄｏｏ：Ｄｏｉ（ただし、ＤｏｏおよびＤｏｉは、ドープされたコアの入力領域および出力領域のそれぞれの外径である）の関数として示す、コンピュータによって生成されたグラフである。 寄生的なラマン信号の増幅を拡張係数の関数として示す、コンピュータによって生成されたグラフである。 寄生的なラマン信号の増幅を対数目盛でＹｂイオン濃度の関数として示す、コンピュータによって生成されたグラフである。 寄生的なラマン信号の割合の拡張係数からの依存を示す、コンピュータによって生成されたグラフである。 寄生的なラマン信号のＹｂイオン濃度からの依存を示す、コンピュータによって生成されたグラフである。 基本モードＬＰ_０１、ならびにＨＯＭ ＬＰ_１１およびＬＰ_０２の出力パワーをそれぞれ波長の関数として示す、コンピュータによって生成されたグラフである。 基本モードＬＰ_０１、ならびにＨＯＭ ＬＰ_１１およびＬＰ_０２の増幅をそれぞれｄＢ目盛で示す、コンピュータによって生成されたグラフである。 寄生的なラマン信号の増幅を対数目盛で信号波長の関数として示す、コンピュータによって生成されたグラフである。 図１および図１Ａの増幅器の全効率をポンプ波長の関数として示す、コンピュータによって生成されたグラフである。

次に、添付図面に示す本開示のいくつかの実施形態に詳しく言及する。可能な限り、図面および記述では、同じまたは類似の部分を指すために同じまたは同様の参照番号を使用する。図面は単純化した形であり、正確な縮尺のものではない。

図１は、ＣＷまたはパルス化の方式に用いられ、約９７６〜１０３０ｎｍの波長範囲においてｋＷ〜ＭＷ規模の単一の基本モードの出力を放射するように動作する、高パワーのＳＭファイバレーザシステム１０を示す。したがって、システム１０は、きわめて高輝度の実質的に回折限界のビームを放射するように動作する超高パワーの構成であり、以下に開示されるＹｂファイバ増幅器またはブースタ１２およびシングルモードのＮｄファイバレーザポンプ源１４の形状によって、コンパクトで頑丈な構造を有する。

Ｙｂファイバ増幅器／ブースタ１２は、Ｙｂイオンドープコア１８およびコアを囲むクラッド２０を有する、アクティブなファイバロッド１６によって構成される。ここで使用するファイバロッドは、解放されたとき、その形を容易に保つのに十分な光導波路の厚さである。ファイバロッド１６は長さが５０センチメートルを超えず、特に有利な構成では、ファイバ長は約５〜３０センチメートルである。ファイバロッド１６は、モノリシックでテーパが付けられたまっすぐなものである。クラッド２０は、コア１８に似た断面を有するか、またはファイバロッド１６の全長に沿って均一な外径を備えることが可能である。ブースタは、ファイバレーザヘッドなどのハウジング５０に収められる。コア１８の入力端部および出力端部は、他のファイバに接続するのに十分なだけ小さい。

Ｙｂファイバロッド１６は、ＭＷ規模のピークパワーでの動作によって、実質的に単一の横モードを維持するように構成される。こうした高いパワーレベルが得られるのは、ファイバロッド１６が短くまっすぐであり、かつ以下に論じるように、ファイバの全長に沿ってポンプモードと完全に重なる基本モードの大きいモードフィールド径を有するためである。

ファイバロッド１６は、１．ファイバロッドの形状、および２．エンドコアポンピングの配置によって、実際的に回折限界の出力ビームを放射するように構成されるが、それについては以下に開示する。ファイバロッド１６の形状は、ファイバロッド１６の中央の長手方向の軸に沿って見た場合、全体的に円錐台形の断面を画定する複数の領域を同時に含む。

したがって、ファイバロッド１６のＹｂドープコア１８は、シングルモードの入力端部領域２２を有し、入力端部領域２２は通常、それぞれの均一な直径を備えたコア１８およびクラッド２０を有する。それに応じて、まっすぐなコア１８の入力領域２２の中に発射されたＳＭポンプ信号によって、ガウス形の強度プロファイルの形状を有するただ１つのモードが励起される。ポンプモードと励起されたシングルモードとはどちらも、それぞれ適合するモードフィールド径（「ＭＦＤ」）およびガウス形の強度プロファイルを有する。基本モードのＭＦＤを大きくする、したがって、ＮＬＥの発生にも寄与する高い強度を低下させるには、シングルモードおよびポンプモードのそれぞれのＭＦＤを大きくしなければならない。これは、断熱的に拡張するテーパが付けられた移行領域２４を有するコア１８の形状によって実現され、すなわち、ポンプおよび励起されたＳＭのそれぞれのＭＦＤが増大すると同時に、それらの強度プロファイルが互いに実質的に完全に重なる。この重なりによって、基本モードによるポンプ光からのエネルギーの実現可能な最大限の引き出しが可能になり、したがってそれにより、移行領域２４の下流に沿って、さらに出力端部領域２６の全長を通してＨＯＭの増幅が防止される。換言すれば、重なり積分は、ファイバ１６の全長に沿って実質的に１に等しくなる。出力領域２６は、入力領域２２の直径より大きく、少数のモードを維持するように構成された均一な直径を有する。しかしながら、長さが短いこと、およびこれまでに言及したシングルモードとポンプモードの強度プロファイル間の重なりのために、コアの出力端部領域２６におけるＨＯＭの励起は考えられない。

図１Ａを参照すると、Ｙｂドープファイバ１６の形は異なってもよいが、略円錐台形の断面を保つ。例えばＹｂドープファイバは、両端間で移行領域を拡張させる円錐体を用いて構成することができる。ＳＭポンプ光を発射するコア、約１の重なり積分およびファイバ１６の寸法によって、図１Ａに示す構成は、図１の構成と同じ増幅機構を有するようになる。

図１と図１Ａとの両方の構成をそれぞれ参照すると、Ｙｂファイバ１６は、光路に沿った所定の点において、コアが依然として拡大する一方で、基本モードが広がりを停止するように構成することができる。換言すれば、モードは、図１Ａに見られるテーパ角度βより小さい角度で広がる。この場合、シングルモードは、コアの内縁部と接触しなくなる。それに応じて、その点において、ピークパワーをさらに高いＭＷレベルまで上昇させる（ｓｐｉｋｅ）ように、十分にドープされた構成要素５２をＹｂドープコア１８の出力端部に結合することができる。

図２は、ファイバロッド１６の屈折のステップインデックスを、出力端部領域２６のコア領域３０と共に示す。通常の条件下では、ファイバロッド１６のような短いファイバ長でも、この大きいコアは、基本モード３１および少数のＨＯＭ３２を含むいくつかのモードを導波可能にすることができる。基本モード３１は、ガウス形の強度プロファイルを有する。ＨＯＭ３２（ＨＯＭを１つだけ示す）は、コア３０の周縁の領域を占める。この図を見ると、根本的に回折限界の出力ビームの悪化を最小限に抑えるためには、ＨＯＭをポンプ光の発射に応答して増幅すべきではないことは明らかである。逆に、基本モードは最大限に増幅すべきである。

後者は、本開示に従い、基本モード３１およびポンプモード３４それぞれの強度プロファイルを、それぞれ入力領域２２および移行領域２４に沿ってだけではなく、コアの出力端部領域２６に沿って、互いに実質上完全に一致させる（約９９％以上）ことによって達成される。換言すれば、ポンプモード３４のＭＦＤも形も、それぞれシングル／基本モード３０のＭＦＤおよび形に一致するため、基本モードは、ファイバロッド１６の全長に沿ってポンプモードから最大限のエネルギーを引き出す。したがって、重なり積分は、ファイバロッド１６の全長に沿って実質的に１に等しくなる。したがって、ＨＯＭは、ビームの品質に顕著な影響を及ぼすことのない、わずかなノイズレベルまで低減される。

図３は、ＳＭのＮｄファイバレーザを含むポンプ源１４の例示的な構成を示す。ポンプ源１４は、Ｎｄドープファイバ３６およびポンプ光送達用のパッシブファイバ３８を有する利得ブロックとして構成することができる。アクティブファイバ３６のコア４０は、コアと同じ広がりを有する１つまたは複数のクラッドによって囲むことができる。アクティブファイバ３６の形状、すなわちファイバの長手方向の軸に沿ったコアおよびクラッドそれぞれの断面は、参照によって本明細書に完全に組み込まれ、本願と所有者が共通する特許文献２に開示される、２重ボトルネック形の断面を有することができる。２重ボトルネック形の断面は、細い寸法の入力端部領域、入力領域より大きい面積Ａのコアを有する均一な寸法の中心または中間の吸収領域、および端部領域と中間のコア領域をつなぐ円錐台形の入力トランスフォーマ領域を含む。２重ボトルネックの断面を完成させるために、コア４０は、出力用の円錐台形のトランスフォーマ領域および端部領域をさらに有する。ブースタ１２の性能に影響を及ぼすことなく、示される２重ボトルネック形の断面の代わりに、通常の均一な直径のファイバコアを含むコア４０の他の構成を使用することも可能である。構成にかかわらず、開示されるＮｄドープレーザは、数百ワットに達するパワーを有するきわめて高輝度のＳＭポンプ光信号を送達するように動作する。

図１に戻ると、システム１０は、約９７６〜１０３０ｎｍの範囲である、波長λｓのシングルモードの信号光を放射するシードレーザ源４２をさらに含む。シード源４２は、ファイバまたは半導体レーザとして構成することができる。信号光は、有利には偏波保持ファイバ（ＰＭＦ）として構成することが可能な送達ファイバ４３に沿って案内される。Ｙｂドープファイバ１６では、その形状のためにＰＭ用に構成されていない場合でも、所望の偏波が維持されることに留意されたい。

ＳＭポンプ光を使用する場合、システム１０は、パッシブファイバ４６のコアに結合される信号光およびポンプ光を多重化するシングルモードのＷＤＭ４４を利用することが可能であり、パッシブファイバ４６は、ブースタ１２の入力用のＳＭパッシブファイバ４８に信号光およびポンプ光を送達する。ＷＤＭ４４は、好ましくはファイバの構成を有するが、異なった構成にすることも可能である。それぞれのファイバ４８および１６のコアの幾何学的な寸法は、均一でも均一でなくてもよいが、それらの強度プロファイルは、実質的に互いに適合したそれぞれのＭＦＤおよび形を有する。

システム１０は、ファイバの構成要素を機械的な圧力から保護するように構成され、かつＹｂアクティブファイバ１６が曲がることなく直線的に延びるような寸法に定められた、図式的に示すハウジング５０に入れられる。全体的には、ファイバ１６のファイバ長が短く、約１０センチメートル程度にすることができるため、システムはきわめてコンパクトである。

Ｙｂドープファイバ１６は、様々な構成を有することが可能である。例えば、それをフォトニック結晶ファイバ技術に従って製造することができる。あるいは、約１ミリメートル以上の直径を有するガラスロッド−バルク光学系−を使用することもできる。その場合、それは、例えば図１Ａに示す形状を備えた導波路領域を有することができる。当業者にはよく知られているように、バルク光学系におけるＮＬＥに対するパワー閾値は、ファイバより高くすることが可能であり、それによってピークパワーをさらに高めることが可能になる。ロッド内で励起されるＨＯＭの数は比較的大きくなる可能性があるが、これらのモードは、基本モードおよびポンプモードが互いに重なる中心のコア区域からさらに除かれる。結果として、ＨＯＭは増幅されず、したがって、実際的にはロッドの出力における回折限界に影響を及ぼさない。

図４〜図１３には、Ｙｂドープ増幅器１２について得られている大量の実験データをいくつか示す。多くの実験のうちの１つは、長さ１ｃｍの入力領域２２、長さ１ｃｍの移行領域２４および長さ１５ｃｍの出力領域２６を備えた、全体的にボトルネック形を有するファイバ１６を特徴付けるものである。非排他的な例であるにもかかわらず、前述のＹｂファイバの形状は、以下に開示する開示の増幅器に対してある傾向を示す。

図４はそれぞれ、増幅器１２における基本モードＬＰ_０１、ならびに２つのＨＯＭ ＬＰ_１１およびＬＰ_０２の出力パワーを示すグラフである。ＨＯＭ ＬＰ_１１およびＬＰ_０２では、基本モードＬＰ_０１に比べてどのくらいパワーが小さいかが容易に理解される。

図５は、増幅器１２の全効率および基本モードＬＰ_０１の効率を、Ｄｏｏ：Ｄｏｉ（ただし、ＤｏｏおよびＤｏｉはそれぞれ、入力領域２２および出力領域２６のそれぞれの外径である）の比として定めた拡張係数の関数として示す。入力および出力のコア領域の直径はそれぞれ、同じ比を有すると仮定する。拡張係数が高くなるにつれて、どちらの効率も悪化する。以下に開示する他のパラメータおよび傾向に基づき、３と５の間の拡張係数が、少なくともこれらの実験に選択された増幅器１２のパラメータに最適であることが分かる。５を超える拡張係数は、禁止的に増幅された自然放出を伴う。

図６は、あるＮＬＥ−ラマン散乱の増幅を拡張係数の関数として示す。図５とは対照的に、係数が大きくなるほど、ラマン散乱の増幅が小さくなる。示されるように、３と４．５の間の範囲にある拡張係数が、寄生的なラマン信号の最小の増幅をもたらすが、実際的には係数４．５付近ではラマン信号は存在しない。

図７は、Ｙｂイオン濃度の濃度が増加するときの、ｄＢ単位の対数目盛に対するラマンの増幅を示す。約１０００と７０００ｐｐｍの間の範囲にあるＹｂ濃度が、様々な波長に最適であることが示されている。

図８は、ラマンの割合の拡張係数からの依存を示す。やはり約３と４．５の間にある拡張係数の範囲が、ラマンの最小限の存在に対応する。図９は、ラマンが３０００ｐｐｍ超のＹｂイオン濃度で出現し始めることを示す。

図１０はそれぞれ、信号波長が約９７６ｎｍ〜１０３０ｎｍの範囲にあるときの、基本モードＬＰ_０１、ならびにＨＯＭ ＬＰ_１１およびＬＰ_０２における出力パワーを示す。実際的には、ＨＯＭは９７６ｎｍまたは１０３０ｎｍにおいて意味のあるパワーを有していない。図１１は、基本モードＬＰ_０１のｄＢ目盛での増幅が、それぞれのＨＯＭ ＬＰ_１１およびＬＰ_０２より高いことを示す。

図１２は、様々な信号波長におけるラマン増幅を対数目盛で示す。理解できるように、このパラメータは、これまでに論じた多くの他のもののように、それぞれ９７６ｎｍおよび１０３０ｎｍの波長ピークで急激に変化するものではない。

図１３は、９００〜９７５ｎｍの範囲のポンプ波長における増幅器１２の高い全効率ＴＥが、主に約９１０〜９６０ｎｍのポンプ波長の範囲で得られることを立証している。驚くにはあたらないが、高い全効率は、同じポンプ波長の範囲内におけるＳＭの高い効率の結果である。

要約すると、開示されるブースタは、ＣＷもしくはサブナノ秒のパルスの方式における動作によってｋＷ〜ＭＷのパワー範囲の単一の横モードのビームを維持および放射するように動作する、まっすぐで短く、その出力部に向かって徐々に拡張するＹｂドープファイバロッドである。現在のところ、．００３より小さい開口数、３と５の間の拡張係数、および約２０００〜４０００ｐｐｍのドーパント濃度を有する、長さ２０ｃｍの円錐台形のＹｂファイバ（ブースタ）は、９７６〜１０３０ｎｍの範囲において、ＳＭのピコ秒のパルスをそれぞれ約１ＭＷのパワーで放射することが可能である。同じパラメータを保ち、拡張係数を高めると、出力のピークパワーは数十ＭＷに達する可能性がある。

ブースタの短くまっすぐな円錐台形の構成は、ＳＭのＮｄポンプ源が放射する最大数百ワットのＳＭポンプ光によってコアエンドでポンピングされる。その形状により、ブースタは、高パワーのＳＭポンプ光と共に、ブースタが信号光を所望の９７６ｎｍおよび１０２０ｎｍの波長でＭＷレベルのピークパワーまで増幅することを可能にする、ＮＬＥに対する高い閾値パワーによって特徴付けられる。ブースタは常に、９０％を超え得る高い効率、および実質的にＨＯＭより高いＳＭの増幅によって特徴付けられ、したがって、ＨＯＭは、約９１５〜９５０ｎｍの間のポンプ波長の範囲において、重要ではないノイズレベルまで低減される。

本開示を、開示される例に関して説明してきたが、レーザ分野の技術者には、以下の特許請求の範囲の範囲および趣旨から逸脱することなく、前述の実施形態に対する多くの変更および／または追加が容易に明らかになるであろう。

１０ ファイバレーザシステム、システム
１２ Ｙｂファイバ増幅器、ブースタ、Ｙｂドープ増幅器、増幅器
１４ Ｎｄファイバレーザポンプ源、ポンプ源
１６ ファイバロッド、Ｙｂファイバロッド、ファイバ、Ｙｂドープファイバ、Ｙｂファイバ、Ｙｂアクティブファイバ
１８ Ｙｂイオンドープコア、コア、Ｙｂドープコア
２０ クラッド
２２ 入力端部領域、入力領域
２４ 移行領域
２６ 出力端部領域、出力領域
３０ コア部分、コア
３１ 基本モード
３２ ＨＯＭ
３４ ポンプモード
３６ Ｎｄドープファイバ、アクティブファイバ
３８ パッシブファイバ
４０ コア
４２ シードレーザ源、シード源
４３ 送達ファイバ
４４ ＷＤＭ
４６ パッシブファイバ
４８ 入力用のＳＭパッシブファイバ、ファイバ
５０ ハウジング
５２ 構成要素

Claims (41)

1. 長手方向の軸に沿って延びる細長いクラッドと、
   シングルモード（ＳＭ）の伝搬を維持する小さい直径の入力領域と、マルチモード（ＭＭ）を維持する大きい直径の出力領域と、の間で前記クラッドによって囲まれ、前記クラッドとともに延びる実質的に円錐台形の希土類イオンがドープされたコアであって、実質的にＳＭのみを全長に沿って増幅するように構成されるコアと、
   を備える、長手方向の軸に沿って延びるまっすぐなファイバロッド。
2. 前記コアが、約５〜約３０センチメートルの長さを有する請求項１に記載のファイバロッド。
3. 拡張係数Ｄｏ：Ｄｉｎが約２〜５の間、前記Ｄｏが前記出力コア領域に沿ったコアの直径であり、Ｄｉｎが前記入力領域のコアの直径である請求項１に記載のファイバロッド。
4. 前記ファイバロッドから負荷を除いたとき、前記コアおよび前記クラッドがまっすぐな状態を保つ請求項１に記載のファイバロッド。
5. 前記イオンが、前記コアに約１０００〜７０００ｐｐｍの濃度レベルでドープされたイッテルビウム（「Ｙｂ」）イオンを含む請求項１に記載のファイバロッド。
6. 出力ビームが、９７６〜１０３０ｎｍの波長範囲で放射される請求項４に記載のファイバロッド。
7. 前記コアが、最大数十ＭＷのピークパワーおよび最大数百ワットの平均パワーを有する前記出力ビームを放射するように構成された請求項１に記載のファイバロッド。
8. 前記コアおよび前記クラッドが、導波路が．００３より小さい開口数を備えるように構成された請求項１に記載のファイバロッド。
9. 前記クラッドが、円筒形の断面または円錐台形の断面を用いて構成された請求項１に記載のファイバロッド。
10. 前記入力領域および前記出力領域それぞれが均一な形であり、かつそれぞれ第１の直径および第２の直径を有し、前記第２の直径が前記第１の直径より大きい請求項１に記載のファイバロッド。
11. 前記コアが円錐形の断面を有する請求項１に記載のファイバロッド。
12. 前記ファイバロッドの下流の端部に接続され、領域全体が利得媒体でドープされた光学的構成要素をさらに備え、前記円錐台形のコアの長さは、前記出力が前記コアの前記出力領域から放射され、前記光学的構成要素に結合されると、前記ＳＭが前記コアのテーパ角度より小さい角度で広がるように選択された請求項１に記載のファイバロッド。
13. シングルモード（「ＳＭ」）のポンプ光を出力する、ＳＭのネオジムファイバポンプ源と、
    前記ＳＭのポンプ光を受け入れるまっすぐな導波路と、
    を備えるシングルモード放射の際に信号光を出力する光増幅ファイバシステムであって、
    前記導波路が、
    前記信号光のＳＭを維持するように構成された小さい直径の入力端部、並びに前記信号光の前記ＳＭおよび高次モードを維持することが可能な大きい直径の出力端部を有する、円錐台形のイッテルビウム（「Ｙｂ」）ドープコアと、
    前記コアを囲むとともに、前記コアとともに延びるクラッドであって、前記コアが前記信号光の前記ＳＭを前記ポンプ光の前記ＳＭと重ねるように構成され、その結果、前記ＳＭ間の重なり積分が前記コアの全長に沿って実質的に１に等しくなり、前記信号光の前記ＳＭが前記ポンプ光の前記ＳＭから実質的に全エネルギーを引き出し、前記ＨＯＭを前記システムの前記ＳＭの放射の品質に必然的に影響を及ぼす増幅がない状態に維持するクラッドと、
    を含む光増幅ファイバシステム。
14. 前記コアが、約５〜約３０センチメートルの長さを有する請求項１３に記載の光増幅ファイバシステム。
15. 前記コアが、約２〜５の拡張係数Ｄｏ：Ｄｉｎを用いて構成され、前記Ｄｏが前記出力端部のコアの直径であり、Ｄｉｎが前記入力端部のコアの直径である請求項１３に記載の光増幅ファイバシステム。
16. 前記コアが、最大数十ＭＷのピークパワーおよび最大数百ワットの平均パワーでＳＭ放射を行うように構成される請求項１３に記載の光増幅ファイバシステム。
17. 前記Ｙｂイオンが、前記コアに約１０００〜７０００ｐｐｍの濃度レベルでドープされる請求項１３に記載の光増幅ファイバシステム。
18. 前記信号光が、９７６〜１０３０ｎｍの波長範囲で放射される請求項１３に記載の光増幅ファイバシステム。
19. 前記導波路が、前記導波路から負荷を除いたとき、まっすぐな状態を保つことが可能なファイバロッドの構成を有する請求項１３に記載の光増幅ファイバシステム。
20. 前記コアおよび前記クラッドが、前記導波路が．００３より小さい開口数を備えるように構成される請求項１３に記載の光増幅ファイバシステム。
21. 前記クラッドが、円筒形の断面または円錐台形の断面を用いて構成される請求項１３に記載の光増幅ファイバシステム。
22. 前記入力領域が、最大で数ミリメートルの長さであり、実質的に均一な直径を有する請求項１３に記載の光増幅ファイバシステム。
23. 前記コアが、ボトルネック形の断面を備えるように、前記端部間に延びるテーパが付けられた移行コア領域をさらに有する請求項１３に記載の光増幅ファイバシステム。
24. 前記コアが円錐形の断面を有する請求項１３に記載の光増幅ファイバシステム。
25. 前記円錐台形のコアが、前記ＳＭの信号光が前記出力端部領域の下流部分に沿ってテーパ角度より小さい角度で広がるように構成される請求項１３に記載の光増幅ファイバシステム。
26. 前記コアの前記出力端部より大きい面積を有し、かつ前記出力端部に結合された、十分にドープされた光学的構成要素をさらに備える請求項２５に記載の光増幅ファイバシステム。
27. 前記ＳＭのＮｄポンプ源が、Ｎｄイオンでドープされたアクティブファイバを用い、円筒形の断面または２重ボトルネック形の断面を有するように構成される請求項１３に記載の光増幅ファイバシステム。
28. ガウス形の強度プロファイルを有する、実質的に回折限界のビームを放射する高パワーファイバレーザシステムであって、
    シングルモード（「ＳＭ」）のポンプ光を出力する、ＳＭのネオジムファイバポンプ源と、
    前記ポンプ光より長い波長のＳＭの信号光を放射するように動作するシードレーザと、
    前記ＳＭのポンプ光および前記ＳＭの信号光を受け入れ、多重化するＳＭのＷＤＭと、
    ブースタファイバ増幅器と、
    を備え、
    前記ブースタファイバ増幅器は、
    前記ポンプ光および前記信号光を受け入れ、ＳＭのみを維持する小さい直径の入力端部、および前記ＳＭおよび高次モード（「ＨＯＭ」）を維持することが可能な大きい直径の出力端部によって構成された円錐台形のイッテルビウム（「Ｙｂ」）ドープコアと、
    前記コアを囲むとともに、前記コアとともに延びるクラッドであって、前記コアが、ポンプ光および信号光のそれぞれのＳＭの強度プロファイルを互いに重ねるように構成され、その結果、重なり積分が前記コアの全長に沿って実質的に１に等しくなり、前記信号光の前記ＳＭが、ＭＷのピークパワー範囲および数百ワットの平均パワー範囲において、ポンプモードから実質的に全エネルギーを引き出し、前記ＨＯＭを前記システムの前記実質的に回折限界のビームの品質に必然的に影響を及ぼす増幅がない状態に維持するクラッドと、
    を備える高パワーファイバレーザシステム。
29. 前記コアが、約５〜約３０センチメートルの長さを有する請求項２８に記載の高パワーファイバシステム。
30. 前記コアが、約２〜５の拡張係数Ｄｏ：Ｄｉｎを用いて構成され、前記Ｄｏが前記出力端部のコアの直径であり、Ｄｉｎが前記入力端部のコアの直径である請求項２８に記載の高パワーファイバシステム。
31. 前記Ｙｂイオンが、前記コアに約１０００〜７０００ｐｐｍの濃度レベルでドープされる請求項２８に記載の高パワーファイバシステム。
32. 前記信号光が、９７６〜１０３０ｎｍの波長範囲で放射される請求項２８に記載の高パワーファイバシステム。
33. 導波路が、前記導波路から負荷を除いたとき、まっすぐな状態を保つことが可能なファイバロッドの構成を有する請求項２８に記載の高パワーファイバシステム。
34. 前記コアおよび前記クラッドが、前記導波路が．００３より小さい開口数を備えるように構成される請求項２８に記載の高パワーファイバシステム。
35. 前記クラッドが、円筒形の断面または円錐台形の断面を用いて構成される請求項２８に記載の高パワーファイバシステム。
36. 前記入力領域が、最大で数ミリメートルの長さであり、実質的に均一な直径を有する請求項２８に記載の高パワーファイバシステム。
37. 前記コアが、ボトルネック形の断面を備えるように、前記端部間に延びるテーパが付けられた移行コア領域をさらに有する請求項２８に記載の高パワーファイバシステム。
38. 前記コアが円錐形の断面を有する請求項２８に記載の高パワーファイバシステム。
39. 前記円錐台形のコアが、前記ＳＭの信号光が前記出力端部領域の下流部分に沿ってテーパ角度より小さい角度で広がるように構成される請求項２８に記載の高パワーファイバシステム。
40. 前記コアの前記出力端部より大きい面積を有し、かつ前記出力端部に結合された、十分にドープされた光学的構成要素をさらに備える請求項３８に記載の高パワーファイバシステム。
41. 前記ＳＭのＮｄポンプ源が、Ｎｄイオンでドープされたアクティブファイバを用い、円筒形の断面または２重ボトルネック形の断面を有するように構成される請求項２８に記載の高パワーファイバシステム。