JP2016129222A - ファイバレーザアセンブリおよび発光方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】ファイバ増幅器のモード不安定性を低減する。
【解決手段】ファイバ増幅器のモード不安定性はある長さの受動マルチモード光ファイバをファイバ増幅器の能動マルチモード光ファイバ１６にカップリング、例えばスプライシングすることにより低減され得る。光を受動光ファイバ１３に発射する際、いくつかの高次横モードは受動光ファイバ１３において励起され得る。高次モードは受動マルチモード光ファイバ１３において基本モードと干渉し得る。しかしながら、発射されたモードのモード間干渉は受動光ファイバ１３における熱勾配を引き起こさない。受動マルチモード光ファイバ１３における伝搬の際、励起された光モードは相互コヒーレンスを損失し、能動光ファイバ１６のドープコアに沿ったモード間干渉パターンのコントラストの低減を引き起こし、能動光ファイバ１６におけるモード不安定性を効果的に低減させ得る。
【選択図】図１Ａ

Description

本開示は光源、とくにファイバレーザ、増幅器、ならびにファイバレーザおよび増幅器を用いる発光方法に関する。
ファイバレーザは自由空間レーザのような他のレーザタイプと比較して効率および実用性の顕著な利点を提供する。ファイバレーザおよび増幅器では、光は一般的には光利得をもたらすイッテルビウムのような希土類元素のイオンでドープされた「能動」ファイバコアにより導かれる。ドープファイバコアの導光特性は光アライメントの要件をかなり緩和する。これは利得媒質の長さを数十、さらには数百メートルまで増加させることも可能とし、非常に高い達成可能な光利得をもたらす。
ダブルクラッドファイバ（ＤＣＦ）の出現により、ファイバレーザはキロワット（ｋＷ）のパワーレベルまで拡張した。ＤＣＦでは、ポンプ光は、ドープコアの周囲の、一般的には直径１２５〜６００マイクロメートルの、比較的大きな内部クラッドにおいて伝搬する。ドープコアは、例えば５〜１００マイクロメートルの、かなり小さな直径を有する。レーザ光はドープコアにおいて伝搬する。内部クラッドはポンプ光をドープコアに沿って導き、ポンプ光をドープコアにファイバ全長で効率的に吸収することを可能にし、レーザ光増幅をファイバ全長に沿って分布させる。
高い平均パワーレベルのレジームでは、ファイバまたは他の導波路レーザおよび増幅器はいわゆるモード不安定性を示し得る。モード不安定性はレーザ光を高次コアモード、さらにはクラッドモードに散乱させ、よってビーム品質、使用可能なパワー、または両方の大幅な低下を引き起こし得る。この不安定性は各種設計の大モード面積ファイバを用いて約１００Ｗより大きな平均パワーでサブマイクロ秒パルスを生成するレーザにおいて研究された。例としては、Ｅｉｄａｍ ｅｔ ａｌ．は“Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｔｈｅ ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ−ｌｉｋｅ ｏｎｓｅｔ ｏｆ ｍｏｄｅ ｉｎｓｔａｂｉｌｉｔｉｅｓ ｉｎ ｈｉｇｈ ｐｏｗｅｒ ｆｉｂｅｒ ａｍｐｌｉｆｉｅｒｓ”と題する論文、Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ，Ｖｏｌ．１９，Ｉｓｓｕｅ １４，ｐｐ．１３２１８−１３２２４，２０１１においてモード不安定性の考えられるメカニズムについて説明する。このメカニズムは横レージングモードの干渉によるレーザファイバに沿った温度勾配の生成を含む。温度勾配はレーザファイバに沿った屈折率の変調を引き起こし、これはひいては基本レージングモードから高次横レージングモードへのエネルギーカップリングを増加させ、さらなるモード干渉、およびしたがってレーザファイバに沿ったさらなる温度変動を引き起こす。本質的には、光エネルギーが基本レージングモードからカップリングアウトされる暴走プロセスが展開し、レーザビーム品質を低下させ、出力光パワーを低減させる。
高パワーファイバレーザにおけるモード不安定性を低減させる各種方法が提案された。例えば、ファイバレーザの全長は、上述した暴走プロセスを抑制するため、屈折率の変調を生成する温度勾配の形成に抵抗するように能動的に温度安定化してもよい。あるいは、ファイバレーザキャビティは、その光路長が高次モードの弱め合う光干渉を引き起こすように動的に調節され、よって基本および高次モードの間のクロスカップリングの係数を低減させる、温度制御部分で拡張してもよい。しかしながら、実際には、これらの方法はモード不安定性の実質的な抑制には成功していない。
本開示の１つの態様によると、ファイバ増幅器のモード不安定性は、ファイバ増幅器のある長さの受動マルチモード光ファイバを能動マルチモード光ファイバにカップリング、例えばスプライシングすることにより低減させてもよい。受動光ファイバの導光特性および／または機械パラメータは能動光ファイバのそれと実質的に一致させてもよい。増幅する信号光は能動光ファイバに直接発射する代わりに受動光ファイバに発射される。信号光を受動光ファイバに発射する際、いくつかの高次横モードは受動光ファイバにおいて励起され得、またはそれらは、例えばマルチモードファイバレーザ発振器からの、受動光ファイバへの発射前に信号光中にすでに存在し得る。受動マルチモード光ファイバにおいて高次モードは依然として基本モードと干渉し得る。しかしながら、発射されたモードのモード間干渉は、受動光ファイバにはドープファイバコアが存在しないため、受動光ファイバにおける熱勾配を引き起こさない。
受動マルチモード光ファイバにおける伝搬の際、励起されたモードは相互コヒーレンスを失う傾向がある。これは信号光が一般的にはゼロでないスペクトル幅、およびしたがって有限のコヒーレンス長を有するために起こり得る。異なる横モードはモード間分散の現象により受動マルチモード光ファイバにおいて異なる光路長を伝搬する。よって、これらのモードは少なくとも部分的に失われた相互コヒーレンスを有する能動光ファイバにカップリングされる。モード間コヒーレンスの低減は能動光ファイバのドープコアに沿ったモード間干渉パターンのコントラストの低減を引き起こし、これは能動ファイバに沿った反射率の変調を抑制、または少なくとも緩和し、能動光ファイバにおけるモード不安定性の低減をもたらし得る。
本開示のある態様によると、
ゼロでないスペクトル幅を有する信号光を発射するための光源；
信号光を受容し、信号光を受動マルチモード光ファイバにおいてその第２端に向かってゼロ光次モードおよび高次光モードで伝搬するための、その第１端で光源に光学的にカップリングされた、その第１および第２端の間のある長さの受動マルチモード光ファイバであって、こうした伝搬の際、ゼロ次および高次光モードの一方が他方の光モードに対して遅延され、受動マルチモード光ファイバの第２端でその間のコヒーレンスを少なくとも部分的に低減させる、受動マルチモード光ファイバ；ならびに
ゼロ次光モードが能動マルチモード光ファイバの第２端に向かって伝搬する際にゼロ次光モードを受容および増幅するための、その第１端で受動マルチモード光ファイバの第２端に光学的にカップリングされた、その第１および第２端の間のある長さの能動マルチモード光ファイバ
を備える、ファイバレーザアセンブリが提供される。
本開示によると、
有限のコヒーレンス長を有する信号光を発射するための光源；
信号光を受容し、信号光を受動マルチモード光ファイバにおいてその第２端に向かってゼロ次光モードおよび高次光モードで伝搬するための、対向する第１および第２端を有し、その第１端で光源に光学的にカップリングされた受動マルチモード光ファイバであって、こうした伝搬の際、ゼロ次および高次光モードの一方が他方の光モードに対して受動マルチモード光ファイバにおけるモード間分散により第１距離だけ遅延され、第１距離が信号光のコヒーレンス長の少なくとも１％である、受動マルチモード光ファイバ；ならびに
ゼロ次光モードが能動マルチモード光ファイバの第２端に向かって伝搬する際にゼロ次光モードを増幅するための、対向する第１および第２端を有し、その第１端で受動マルチモード光ファイバの第２端に光学的にカップリングされた能動マルチモード光ファイバ
を備える、ファイバレーザアセンブリがさらに提供される。
１つの実施形態では、受動マルチモード光ファイバの長さは少なくとも１ｍｍである。また１つの実施形態では、受動および能動マルチモード光ファイバは互いに１０％未満だけ異なる外径、および／または互いに１０％未満だけ異なるコア開口数を備える。光源は、例えばある長さの能動シングルモードまたはマルチモード光ファイバを備える、ファイバレーザ発振器を備えてもよい。
本開示の別の態様によると、
（ａ）それぞれ対向する第１および第２端を有する受動および能動マルチモード光ファイバを用意するステップ；
（ｂ）受動マルチモード光ファイバの第２端を能動マルチモード光ファイバの第１端に光学的にカップリングするステップ；
（ｃ）ゼロでないスペクトル幅を有する信号光を受動マルチモード光ファイバの第１端にカップリングし、これにより信号光のゼロ次光モードを受動マルチモード光ファイバの第１から第２端まで信号光の高次光モードと共伝搬するステップであって、こうした伝搬の際、ゼロ次および高次光モードが能動マルチモード光ファイバの第１端にカップリングされる前に、ゼロ次および高次光モードの一方が他方に対して遅延され、信号光のゼロでないスペクトル幅によりその間のコヒーレンスを少なくとも部分的に低減させるステップ；ならびに
（ｄ）能動マルチモード光ファイバを光学的にポンピングし、ゼロ次光モードが能動マルチモード光ファイバの第２端に向かって伝搬する際にゼロ次光モードを増幅するステップ
を備える、１００Ｗ超のパワーレベルでの発光方法がさらに提供される。
例となる実施形態をここで図面とともに説明する。
受動および能動マルチモード光ファイバを備えるファイバレーザアセンブリの概略図を示す。 図１Ａに示される受動マルチモード光ファイバのゼロ次および高次モードの端面図を示す。 光を能動マルチモード光ファイバに直接カップリングするためのカプラの概略正面図である。 光を能動マルチモード光ファイバにカップリングされた受動マルチモード光ファイバにカップリングするためのカプラの概略正面図である。 主発振器−パワー増幅器（ＭＯＰＡ）ファイバレーザの概略ブロック図を示す。 モード不安定性による光パワー変動を示す高パワーＭＯＰＡファイバレーザの、それぞれ、出力光パワーおよび拒絶クラッド光のタイムトレースを示す。 モード不安定性による光パワー変動を示す高パワーＭＯＰＡファイバレーザの、それぞれ、出力光パワーおよび拒絶クラッド光のタイムトレースを示す。 安定な光パワーレベルを示す、図３Ｂの光カプラを有する高パワーＭＯＰＡファイバレーザの、それぞれ、出力光パワーおよび拒絶クラッド光のタイムトレースを示す。 安定な光パワーレベルを示す、図３Ｂの光カプラを有する高パワーＭＯＰＡファイバレーザの、それぞれ、出力光パワーおよび拒絶クラッド光のタイムトレースを示す。 １００Ｗ超のパワーレベルでの発光方法のフローチャートを示す。
発明の詳細な説明
本教示は各種実施形態および実施例とともに説明されるが、本教示がこうした実施形態に限定されることは意図されない。逆に、本教示は、当業者により理解されるように、各種代替物および同等物を含む。
ここで図１Ａおよび１Ｂを参照すると、ファイバレーザアセンブリ１０（図１Ａ）は後述するように構成してもよい。ファイバレーザアセンブリ１０はパワースペクトルＰ（λ）のゼロでない幅Δλを有する信号光１２を発射するための光源１１を備えてもよく、例えばΔλは０．１ｎｍ〜５ｎｍの範囲であってもよい。第１（１３Ａ）および第２（１３Ｂ）端の間の長さＬ１を有する受動マルチモード光ファイバ１３が用意される。受動マルチモード光ファイバ１３は、信号光１２を受容し、信号光１２を受動マルチモード光ファイバ１３において伝搬するため、その第１端１３Ａで光源１１に光学的にカップリングしてもよい。信号光１２は受動マルチモード光ファイバ１３の第２端１３Ｂに向かってゼロ次横光モード１４（図１Ｂ）および高次横光モード１５で伝搬する。本開示によると、こうした伝搬の際、ゼロ次１４および高次１５光モードの一方は他方の光モードに対して受動マルチモード光ファイバ１３におけるモード間分散の現象により遅延される。結果として、受動マルチモード光ファイバ１３の第２端１３Ｂでのゼロ次１４および高次１５光モードの間の光コヒーレンスｃは低減される。受動マルチモード光ファイバ１３に沿った長さ座標ｌに伴うコヒーレンスｃの段階的な低減はｃ（ｌ）依存性１７により示される。コヒーレンスｃは信号光１２のゼロでないスペクトル幅Δλにより低減する。
能動マルチモード光ファイバ１６は図１Ａに示されるように構成してもよい。能動マルチモード光ファイバ１６は第１（１６Ａ）および第２（１６Ｂ）端の間の長さＬ２を有してもよい。能動マルチモード光ファイバ１６は、能動マルチモード光ファイバ１６に沿った長さ座標ｌに対するゼロ次光モード１４の光パワーＰの依存性１８により示されるように、ゼロ次光モード１４が能動マルチモード光ファイバ１６の第２端１６Ｂに向かって伝搬する際にこれを受容および増幅するため、その第１端１６Ａで受動マルチモード光ファイバ１３の第２端１３Ｂに光学的にカップリングしてもよい。本明細書では、「能動光ファイバ」の語は、そのコアが、図１Ａには示されないポンプ光を照射（ポンピング）される場合、増幅剤、例えば希土類イオンでドープされた光ファイバを示す。「マルチモード光ファイバ」の語は２つ以上の横コア導波光モードを伝搬することができる光ファイバを意味する。よって、高次光モード１５は能動マルチモード光ファイバ１６によりゼロ次光モード１４とともに増幅してもよい。これはもちろんファイバにおいて２つ以上のモードが常に伝搬することを意味しない。当業者に知られるように、特定の条件下ではマルチモード光ファイバはシングルコア光モードを維持することができる。
ファイバレーザアセンブリ１０の能動マルチモード光ファイバ１６におけるモード不安定性の低減に対する受動マルチモード光ファイバ１３の役割を示すため、信号光１２が能動マルチモード光ファイバ１６に直接カップリングされ、受動マルチモード光ファイバ１３を省略する場合の高パワー条件下での能動マルチモード光ファイバ１６の稼働が考慮されるだろう。図２Ａを参照すると、ファイバレーザアセンブリ２０Ａが示される。ファイバレーザアセンブリ２０Ａは、レンズシステム２３によって能動マルチモード光ファイバ１６に直接カップリングされた、信号光１２を発射する能動シングルモード光ファイバ２１を備える。ファイバレーザアセンブリ２０Ａにおいて受動マルチモード光ファイバ１３は省略される。ファイバレーザアセンブリ２０Ａは能動マルチモード光ファイバ１６におけるモード不安定性を示し得る。モード不安定性は次のように起こり得る。
（１）能動マルチモード光ファイバ１６における光伝搬の所望の主モードに加えて、例えばレンズシステム２３によるモードサイズおよび形状の非完全一致により、少なくとも１つの他のモードが少量で存在し、これは能動マルチモード光ファイバ１６の第１端１６Ａ上に焦点を形成する。
（２）図示されない少なくとも２つのモードはここで能動マルチモード光ファイバ１６においてその第１端１６Ａからその第２端１６Ｂに向かって伝搬する。少なくとも２つのモードはここで互いに干渉し、能動マルチモード光ファイバ１６に沿って周期的に変動する強度Ｉ（ｌ）を有する干渉パターン２４（破線）を生成する。
（３）能動マルチモード光ファイバ１６における吸収または利得により、空間的に変動する干渉パターン２４は能動マルチモード光ファイバ１６において周期的な空間的に変動する温度パターンｔ（ｌ）２５（実線）を生成する。
（４）フォトリフラクティブ効果により、変動する温度パターン２５は能動マルチモード光ファイバ１６において周期的な空間的に変動する屈折率プロファイル（すなわち屈折率グレーティング；図示せず）を生成する。
（５）屈折率グレーティングは基本ファイバモードの光を他のモード、および場合によっては非コア（すなわちクラッド）モードを含む他のモードにカップリングさせる。
（６）十分に高い平均稼働パワーでは、屈折率グレーティングは主モードの大部分がそのモードから、場合によっては一時的、振動的、または無秩序にカップリングアウトするのに十分なほど強くなる。
ここで受動マルチモード光ファイバ１３の役割について考える。図１Ａおよび図２Ａをさらに参照しながら図２Ｂを参照すると、ファイバレーザアセンブリ２０Ｂは図１Ａのファイバアセンブリ１０Ａの実施形態であり、図２Ａのファイバアセンブリ２０Ａと同様である。図２Ｂのファイバアセンブリ２０Ｂは図２Ａのファイバアセンブリ２０Ａとは受動マルチモード光ファイバ１３を備えることが異なる。能動シングルモード光ファイバ２１により発射される信号光１２（図２Ｂ）はレンズシステム２３により、その第２端１３Ｂで能動マルチモード光ファイバ１６の第１端１６Ａにカップリング、例えばフュージョンスプライシングされた、受動マルチモード光ファイバ１３の第１端１３Ａにカップリングされる。
図１Ｂをさらに参照しながら図２Ｂをとくに参照すると、信号光１２（図２Ｂ）が受動マルチモード光ファイバ１３にカップリングされる場合、レンズシステム２３により生成される焦点と受動マルチモード光ファイバ１３のゼロ次光モード１４との間の非完全一致、および／またはレンズシステム２３における光ミスアライメントは、高次光モード１５（図１Ｂ）をゼロ次光モード１４とともに発射させ、受動マルチモード光ファイバ１３においてモード１４および１５を共伝搬し得る。受動マルチモード光ファイバ１３におけるモード間分散により、ゼロ次光モード１４および高次光モード１５は受動マルチモード光ファイバ１３の第１（１３Ａ）および第２（１３Ｂ）端の間の異なる有効光路長を伝搬するだろう。信号光１２はゼロでないスペクトル幅Δλを有するため、ゼロ次光モード１４および高次光モード１５の有効光路長における差はゼロ次光モード１４および高次光モード１５の間のコヒーレンスの少なくとも部分的な損失を引き起こすだろう。このコヒーレンスの損失はゼロ次光モード１４と高次光モード１５との間の干渉パターンのコントラストの低減をもたらすだろう。干渉パターンの低減したコントラストはひいては能動マルチモード光ファイバ１６に沿った温度分布をより均一にし、これは結果として空間的に変動する反射率プロファイルの振幅を低減させ、モード間カップリングの低減、および対応するモード不安定性の低減をもたらし得る。
信号光１２のコヒーレンスは信号光１２のコヒーレンス長によっても定義され得る。信号光１２のゼロでないスペクトル幅Δλは信号１２の有限のコヒーレンス長をもたらす。受動マルチモード光ファイバ１３は信号光１２を第１端１３Ａで受容する。信号光１２は受動マルチモード光ファイバ１３においてその第２端１３Ｂに向かってゼロ次光モード１４および高次光モード１５で伝搬する。こうした伝搬の際、ゼロ次１４および高次光モード１５の一方は他方の光モードに対して受動マルチモード光ファイバ１３におけるモード間分散により第１距離だけ遅延される。第１距離は当業者により受動マルチモード光ファイバ１３の光学および物理パラメータから計算され得る。受動マルチモード光ファイバ１３のこれらのパラメータは、第１距離が信号光１２のコヒーレンス長の少なくとも１％、好適には信号光１２のコヒーレンス長の少なくとも１０％、より好適には少なくとも１００％となるように選択され得る。
また図２Ｂおよび図１Ｂを参照すると、受動１３および能動１６マルチモード光ファイバ（図２Ｂ）は、ゼロ次光モード１４の能動マルチモード光ファイバ１６（図１Ｂ）の第１端１６Ａへのカップリングがゼロ次光モード１４の光パワーを能動マルチモード光ファイバ１６における高次光モード１５に実質的に移動させないように同軸に配置されることが好ましい。そのため、受動１３および能動１６マルチモード光ファイバは互いに１０％未満だけ異なる各外径Ｄ１およびＤ２を有してもよい。Ｄ１およびＤ２を一致させることは受動１３および能動１６マルチモード光ファイバのフュージョンスプライシングを促進する。市販のフュージョンスプライサにとって一致する直径Ｄ１およびＤ２を有する光ファイバ１３および１６を無視できる光損失およびモード間エネルギー移動でスプライシングすることはかなり容易である。ゼロ次光モード１４のエネルギーが高次光モード、例えばゼロでない光モード１５に移動するのを回避するのと同じ理由で、受動１３および能動１６マルチモード光ファイバのコア開口数を互いの１０％以内に一致させることも好ましい。受動マルチモード光ファイバ１３は非ドープコア１３Ｄの周囲の内部クラッド１３Ｃを有するダブルクラッド光ファイバとして示されていても、受動マルチモード光ファイバ１３はシングルクラッド光ファイバを備えてもよいが、ポンピングに関する理由でダブルクラッド構造が好適であり得る。能動マルチモード光ファイバ１６は好適には内部クラッド１６Ｃおよびドープコア１６Ｄを備えるダブルクラッドファイバである。
図２Ｂをさらに参照しながら図３を参照すると、主発振器−パワー増幅器（ＭＯＰＡ）ファイバレーザ３０は図２Ｂのファイバレーザアセンブリ２０Ｂを備えてもよい。ＭＯＰＡファイバレーザ３０（図３）はファイバ発振器３１、ファイバ増幅器３２、およびファイバ発振器３１とファイバ増幅器３２との間にカップリングされた受動マルチモード光ファイバ１３を備える。ファイバ発振器３１は第１（３３Ａ）および第２（３３Ｂ）端の間のある長さの能動発振器ファイバ３３を備えてもよい。能動発振器ファイバ３３の第１端３３Ａは波長選択的ハイリフレクタ（ＨＲ）３４Ａ、例えば一般的には＞９０％反射率のファイバブラッググレーティングにカップリングされ、能動発振器ファイバ３３の第２端３３Ｂは波長選択的出力カプラ（ＯＣ）３４Ｂ、例えば一般的には＜５０％反射率のファイバブラッググレーティングにカップリングされる。能動発振器ファイバ３３は、信号光１２の必要な出力パワーおよびモード組成特性に応じて、シングルモードまたはマルチモード（この場合、当技術分野において周知の技術、例えば、本明細書に参照により組み入れられる、Ｋｏｐｌｏｗ ｅｔ ａｌ．による米国特許第６，４９６，３０１号を用いてシングルモードで稼働せざるを得ないことが好ましい）、シングルクラッドまたはダブルクラッド光ファイバであってもよい。
図２Ｂおよび３の実施形態では、受動マルチモード光ファイバ１３はダブルクラッドファイバである。受動マルチモード光ファイバ１３はその第１端１３Ａで能動発振器ファイバ３３の第２端３３ＢのＯＣ３４Ｂに光学的にカップリングされる。１つの実施形態では、受動マルチモード光ファイバ１３は少なくとも１ｍｍの長さを有する。能動マルチモード光ファイバ１６もダブルクラッドファイバである。能動マルチモード光ファイバ１６はその第１端１６Ａで受動マルチモード光ファイバ１３の第２端１３Ｂに光学的にカップリングされる。記号「Ｘ」がついた位置３５はフュージョンスプライスを示す。能動発振器ファイバ３３もダブルクラッドファイバである実施形態では、内部クラッド１３Ｃおよび１６ＣはＭＯＰＡファイバレーザ３０全体を通して延在してもよく、これは図３に示されるようにポンプ光３９を位置３８にカップリングしやすくする。これはポンプ光３９が能動発振器ファイバ３３および能動マルチモード光ファイバ１６の両方を単一のポンプ源３６でポンピングすることを可能にする。換言すると、ポンプ源３６は能動発振器ファイバ３３および能動マルチモード光ファイバ１６をポンピングするため位置３８で能動発振器ファイバ３３の第１端３３Ａに光学的にカップリングされる。残留ポンプ光はクラッド光ストリッパ（ＣＬＳ）３７（図３）により能動マルチモード光ファイバ１６の内部クラッド１６Ｃ（図２Ｂ）から除去してもよい。ＣＬＳ３７はいずれかの残留ポンプ光、およびコアＤの代わりにファイバクラッド１６Ｃにおいて伝搬するいずれかのレーザ光を、図示されないアプリケーションに送達される前に除去する。能動マルチモード光ファイバ１６の直接ポンピングを含む、他のポンピング構成ももちろん可能である。後者の場合、能動発振器ファイバ３３および能動マルチモード光ファイバ１６は別々のポンプ源によりポンピングしてもよい。受動マルチモード光ファイバ１３はこの場合シングルクラッドであってもよい。
非限定的な例として、ＭＯＰＡ３０が約１０７０ｎｍ〜１０８０ｎｍの波長λで稼働するように、ＭＯＰＡ３０の能動マルチモード光ファイバ１６がイッテルビウム（Ｙｂ）でドープされる場合、能動マルチモード光ファイバ１６は、例えば、０．０８のＮＡで１２．５ミクロン半径のコア１６Ｄを有し、
V = 2πa NA /λ= 5.8 (1)
のＶナンバーをもたらし得る。
Ｖナンバーが５．８の能動マルチモード光ファイバ１６は、ファイバがきつく巻かれていない限り、それぞれ２つの偏光を有する、１０モードまでサポートし得る。５．８のＶナンバーは、例えば、１００Ｗ超で、とくにシングルモードビーム品質を要さないシート金属を切断および溶接するためのキロワットクラスの連続波またはミリ秒パルスレーザにおいて用いてもよく、大きなマルチモード増幅器ファイバの使用はポンプ光の効率的な吸収をもたらし、誘導ラマン散乱および自己位相変調のような望ましくない非線形効果を抑制する。非限定的な例として、能動マルチモード光ファイバ１６において伝搬するゼロ次光モードは少なくとも１５マイクロメートルのモード直径を有してもよい。
発振器３１は一般的には０．１ｎｍ〜５ｎｍの範囲内であるスペクトル幅Δλを有する信号光１２を生成する。ファイバブラッググレーティングが有限のバンド幅を有するため、また潜在的には発振器３１における非線形性のため、バンド幅はゼロでない。このスペクトル幅Δλの大きさにより、マルチモードファイバにおけるモード１４および１５は比較的短い距離で互いにインコヒーレントとなる。具体的には、屈折率ｎのファイバにおけるモードの相互コヒーレンス長Ｌｃは式
Lc = π2 a2/ (nΔλ) (2)
により近似的に計算することができ、上記１２．５ミクロンのマルチモード増幅器ファイバについて、シリカファイバがｎ＝１．４５およびΔλ＝１ｎｍを有すると仮定すると、コヒーレンス長は１．１メートルとなる。
いくつかの場合では受動マルチモード光ファイバ１３の長さはコヒーレンスがゼロ次１４および高次１５光モードの間で完全に失われるようなものであることが好適であり得るが、モード不安定性は閾値によって決まるプロセスであり、閾値を超えない限り、得られるビーム品質は適切であり得るため、実際にはこれを要さない場合もあり得る。加えて、受動マルチモード光ファイバ１３と能動マルチモード光ファイバ１６との間に非常に良好なモード一致（例えば１０％以内のコア直径一致および１０％以内のＮＡ一致）が存在する場合、モード不安定性の抑制は、コヒーレンス長よりかなり小さい、例えばコヒーレンス長の１％台である、ある長さの受動マルチモード光ファイバ１３で達成され得る。実際面では、光源１１（図２Ｂ）、例えば発振器３１（図３）のスペクトル幅が１ｎｍ〜５ｎｍである場合、受動マルチモード光ファイバ１３の長さは少なくとも５ｍｍとなるように選択され得る。光源１１（図２Ｂ）、例えば発振器３１（図３）のスペクトル幅が０．１ｎｍ〜１ｎｍである場合、より長い受動マルチモード光ファイバ１３の長さ、例えば少なくとも５０ｍｍが選択され得る。しかしながら、非完全モード一致も伴うモード不安定性のロバストな抑制のためには、コヒーレンス長の少なくとも１０％、より好適にはコヒーレンス長の１００％である、ある長さの受動マルチモード光ファイバ１３を用いることが望ましい。
能動発振器ファイバ３３がシングルモードファイバである場合、能動マルチモード光ファイバ１６にはいくつかのモードが存在し、一般的には２〜３のＭ２パラメータを有する出力ビーム品質をもたらし得る。図示されないモード変換器が入力ファイバと増幅器ファイバとの間に挿入される場合、入力光のほとんどを能動マルチモード光ファイバ１６の基本モードまたはゼロ次モードに発射することが可能であるが、モード変換技術の限界により、一般的には依然として入力光パワーの少なくとも数パーセントが高次モードで存在するだろう。よって、図２Ｂおよび３の構成には、おそらく能動マルチモード光ファイバ１６の始点で少なくともわずかに励起された少なくとも２つのモードがあるだろう。
受動マルチモード光ファイバ１３は、信号光１２のマルチモード光ファイバ１３の第１端１３Ａへの発射の際のモード不一致の結果として複数のモードが存在する場合だけでなく、受動マルチモード光ファイバ１３への発射前に、信号光１２自体において複数のモードが存在する場合にも、モード不安定性の低減を促進し得る。この後者の場合、受動マルチモード光ファイバ１３のコア直径をダブルクラッド能動マルチモード光ファイバ１６のコア直径より小さくなるように選択することが有利であり得る。これは上記数式（２）によるコヒーレンス長を低減させ、コヒーレンス低減のためより短い長さの受動マルチモード光ファイバ１３を用いることを可能にする。
図２Ｂのファイバレーザアセンブリ２０Ｂおよび図３の３０の実験検証についてここで示す。ベースラインとして、実験はファイバレーザアセンブリ２０Ｂおよび３０から省略された受動マルチモード光ファイバ１３で行われた。図３をさらに参照しながら図４Ａおよび４Ｂを参照すると、モード不安定性は起動後約１秒間観測された後、レーザ増幅器ファイバが熱平衡に達すると消滅した。この現象は送達された出力パワーの一時的な低減として（図４Ａのグラフ４０Ａ）および対応するＣＬＳ３７により拒絶されるクラッド光の一時的な増加として（図４Ｂのグラフ４０Ｂ）の両方で見ることができる。
ここで図５Ａおよび５Ｂを参照すると、Ｌ１＝２．０ｍ長、半径ａ＝１１マイクロメートルのコア１３Ｄ、受動マルチモード光ファイバ１３が図２Ｂのファイバレーザアセンブリ２０Ｂおよび図３の３０に含まれる場合の実験の結果が示される。出力パワー５０Ａおよび拒絶されるクラッド光パワー５０Ｂのグラフから、モード不安定性は本質的に排除されたことがわかる。
図１Ｂおよび３をさらに参照しながら図６を参照すると、１００Ｗ超のパワーレベルでの発光方法６０（図６）は、それぞれ対向する第１（１３Ａ、１６Ａ）および第２（１３Ｂ、１６Ｂ）端（図３）を有する受動１３および能動１６マルチモード光ファイバを用意するステップ６１を備える。次のステップ６２では、受動マルチモード光ファイバ１３の第２端１３Ｂは能動マルチモード光ファイバ１６の第１端１６Ａに光学的にカップリング、例えばスプライシングされる。次のステップ６３では、信号光１２は受動マルチモード光ファイバ１３の第１端１３Ａにカップリングされる。信号光１２はゼロでないスペクトル幅Δλを有する。カップリングの結果として、信号光１２のゼロ次光モード１４は受動マルチモード光ファイバ１３の第１（１３Ａ）から第２（１３Ｂ）端まで信号光１２の高次光モード１５（図１Ｂ）と共伝搬する。こうした伝搬の際、ゼロ次１４および高次１５光モードの一方は他方に対して遅延され、ゼロ次１４と高次１５との間のコヒーレンスは信号光１２のゼロでないスペクトル幅Δλにより低減される。コヒーレンスはゼロ次１４および高次１５光モードが能動マルチモード光ファイバ１６の第１端１６Ａにカップリングされる前に低減される。
最後に、ステップ６４では、能動マルチモード光ファイバ１６は、ゼロ次光モード１５が能動マルチモード光ファイバ１６の第２端１６Ｂに向かって伝搬する際にゼロ次光モード１５を増幅するように、ポンプ光３９（図３）でポンピングされる。
以上で説明したように、第２ステップ６２の光カップリングは、ゼロ次光モード１４の能動マルチモード光ファイバ１６の第１端１６Ａへの第３ステップ６３のカップリングがゼロ次光モード１４の光パワーを能動マルチモード光ファイバ１６の高次光モード１５、または別の高次光モードに実質的に移動させないように、受動１３および能動１６マルチモード光ファイバを同軸に配置することにより行ってもよい。好適には、受動１３および能動１６マルチモード光ファイバは、カップリングステップ６２が受動マルチモード光ファイバ１３の第２端１３Ｂを能動マルチモード光ファイバ１６の第１端１６Ａにフュージョンスプライシングすることにより行われ得るように、互いの１０％以内に一致する外径Ｄ１およびＤ２を有する。さらに、好適には、受動１３および能動１６マルチモード光ファイバはダブルクラッド光ファイバである。
本開示は本明細書に記載される特定の実施形態により範囲を限定されるものではない。実際には、本明細書に記載されるものに加えて、他の各種実施形態および変更は上述の説明および添付の図面から当業者には明らかとなるだろう。よって、こうした他の実施形態および変更は本開示の範囲内に含まれることを意図する。さらに、本開示は本明細書では特定の目的で特定の環境における特定の実施の文脈で説明されたが、当業者であればその有用性がこれに限定されず、本開示が多くの目的で多くの環境において有利に実施され得ることを認識するだろう。したがって、後述する特許請求の範囲は本明細書に記載されるような本開示の全範囲および精神を考慮して解釈されるべきである。

Claims (20)

  1. ゼロでないスペクトル幅を有する信号光を発射するための光源；
    信号光を受容し、信号光を受動マルチモード光ファイバにおいてその第２端に向かってゼロ次光モードおよび高次光モードで伝搬するための、その第１端で光源に光学的にカップリングされた、その第１および第２端の間のある長さの受動マルチモード光ファイバであって、こうした伝搬の際、ゼロ次および高次光モードの一方が他方の光モードに対して遅延され、受動マルチモード光ファイバの第２端でその間のコヒーレンスを少なくとも部分的に低減させる、受動マルチモード光ファイバ；ならびに
    ゼロ次光モードが能動マルチモード光ファイバの第２端に向かって伝搬する際にゼロ次光モードを受容および増幅するための、その第１端で受動マルチモード光ファイバの第２端に光学的にカップリングされた、その第１および第２端の間のある長さの能動マルチモード光ファイバ
    を備える、ファイバレーザアセンブリ。
  2. 光源のスペクトル幅が１ｎｍ〜５ｎｍであり、受動マルチモード光ファイバの長さが少なくとも５ｍｍである、請求項１に記載のファイバレーザアセンブリ。
  3. 光源のスペクトル幅が０．１ｎｍ〜１ｎｍであり、受動マルチモード光ファイバの長さが少なくとも５０ｍｍである、請求項１に記載のファイバレーザアセンブリ。
  4. 受動マルチモード光ファイバの長さが、コヒーレンスがゼロ次と高次光モードとの間で完全に失われるようなものである、請求項１に記載のファイバレーザアセンブリ。
  5. 受動および能動マルチモード光ファイバが互いに１０％未満だけ異なる外径を備える、請求項１に記載のファイバレーザアセンブリ。
  6. 受動および能動マルチモード光ファイバが互いに１０％未満だけ異なるコア開口数を備える、請求項５に記載のファイバレーザアセンブリ。
  7. 光源がファイバ発振器を備える、請求項５に記載のファイバレーザアセンブリ。
  8. ファイバ発振器がその第１および第２端の間のある長さのダブルクラッドマルチモード発振器ファイバを備え；
    受動マルチモード光ファイバがダブルクラッドマルチモード発振器ファイバの第２端に光学的にカップリングされたダブルクラッド受動マルチモード光ファイバを備え；
    能動マルチモード光ファイバがダブルクラッド受動マルチモード光ファイバに光学的にカップリングされたダブルクラッド能動マルチモード光ファイバを備え；
    ダブルクラッドマルチモード発振器ファイバおよびダブルクラッド能動マルチモード光ファイバをポンピングするためのダブルクラッドマルチモード発振器ファイバの第１端に光学的にカップリングされたポンプ源をさらに備える、請求項７に記載のファイバレーザアセンブリ。
  9. 受動ダブルクラッドマルチモード光ファイバの長さが少なくとも１ｍｍである、請求項８に記載のファイバレーザアセンブリ。
  10. 受動ダブルクラッドマルチモード光ファイバのコア直径がダブルクラッド能動マルチモード光ファイバのコア直径より小さい、請求項８に記載のファイバレーザアセンブリ。
  11. 稼働時、能動マルチモード光ファイバにおいて伝搬するゼロ次光モードが少なくとも１５マイクロメートルのモード直径を備える、請求項９に記載のファイバレーザアセンブリ。
  12. 少なくとも１００Ｗの平均出力光パワーを定格とする、請求項８に記載のファイバレーザアセンブリ。
  13. 有限のコヒーレンス長を有する信号光を発射するための光源；
    信号光を受容し、信号光を受動マルチモード光ファイバにおいてその第２端に向かってゼロ次光モードおよび高次光モードで伝搬するための、対向する第１および第２端を有し、その第１端で光源に光学的にカップリングされた受動マルチモード光ファイバであって、こうした伝搬の際、ゼロ次および高次光モードの一方が他方の光モードに対して受動マルチモード光ファイバにおけるモード間分散により第１距離だけ遅延され、第１距離が信号光のコヒーレンス長の少なくとも１％である、受動マルチモード光ファイバ；ならびに
    ゼロ次光モードが能動マルチモード光ファイバの第２端に向かって伝搬する際にゼロ次光モードを増幅するための、対向する第１および第２端を有し、その第１端で受動マルチモード光ファイバの第２端に光学的にカップリングされた能動マルチモード光ファイバ
    を備える、ファイバレーザアセンブリ。
  14. 受動および能動マルチモード光ファイバが互いの１０％以内に一致する外径を備える、請求項１３に記載のファイバレーザアセンブリ。
  15. 受動および能動マルチモード光ファイバが互いの１０％以内に一致するゼロ次モード直径を備える、請求項１４に記載のファイバレーザアセンブリ。
  16. 光源が能動シングルモード光ファイバを備える、請求項１５に記載のファイバレーザアセンブリ。
  17. （ａ）それぞれ対向する第１および第２端を有する受動および能動マルチモード光ファイバを用意するステップ；
    （ｂ）受動マルチモード光ファイバの第２端を能動マルチモード光ファイバの第１端に光学的にカップリングするステップ；
    （ｃ）ゼロでないスペクトル幅を有する信号光を受動マルチモード光ファイバの第１端にカップリングし、これにより信号光のゼロ次光モードを受動マルチモード光ファイバの第１から第２端まで信号光の高次光モードと共伝搬するステップであって、こうした伝搬の際、ゼロ次および高次光モードが能動マルチモード光ファイバの第１端にカップリングされる前に、ゼロ次および高次光モードの一方が他方に対して遅延され、信号光のゼロでないスペクトル幅によりその間のコヒーレンスを少なくとも部分的に低減させる、ステップ；ならびに
    （ｄ）ゼロ次光モードが能動マルチモード光ファイバの第２端に向かって伝搬する際にゼロ次光モードを増幅するため、能動マルチモード光ファイバを光学的にポンピングするステップ
    を備える、発光方法。
  18. ステップ（ｂ）の光学的カップリングが、ステップ（ｃ）におけるゼロ次光モードの能動マルチモード光ファイバの第１端へのカップリングがゼロ次光モードの光パワーを能動マルチモード光ファイバにおける高次光モードに実質的に移動させないように、受動および能動マルチモード光ファイバを同軸に配置することにより行われる、請求項１７に記載の方法。
  19. 受動および能動マルチモード光ファイバが互いの１０％以内に一致する外径を備え、ステップ（ｂ）が受動マルチモード光ファイバの第２端の能動マルチモード光ファイバの第１端へのフュージョンスプライシングを含む、請求項１８に記載の方法。
  20. ステップ（ａ）がダブルクラッド受動および能動マルチモード光ファイバを用意することを含む、請求項１７に記載の方法。
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