JP2016509698A - Method and apparatus for fiber delivery of a high power laser beam - Google Patents

Method and apparatus for fiber delivery of a high power laser beam Download PDF

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    • H01S2301/03Suppression of nonlinear conversion, e.g. specific design to suppress for example stimulated brillouin scattering [SBS], mainly in optical fibres in combination with multimode pumping

Abstract

様々な実施例では、光ファイバ(11)は、誘導ラマン散乱若しくは誘導ブリルアン散乱又は両方の閾値を上昇させるように選ばれた相対的に広い面積を有するコアを含み、前記コアは、高いアスペクト比で伸張する断面を有し、かつ、第1屈折率を有する。前記コアは、速い軸方向では狭く、かつ、遅い軸方向では広い。その結果、前記ファイバは、前記速い軸方向では機械的に可撓性を有し、かつ、前記遅い軸方向では機械的に剛性を有する。In various embodiments, the optical fiber (11) includes a core having a relatively large area selected to increase the threshold for stimulated Raman scattering or stimulated Brillouin scattering, or both, the core having a high aspect ratio. And has a first refractive index. The core is narrow in the fast axis direction and wide in the slow axis direction. As a result, the fiber is mechanically flexible in the fast axis direction and mechanically rigid in the slow axis direction.

Description

本開示は、高出力レーザービームのファイバ供給装置及び方法に関する。   The present disclosure relates to a fiber supply apparatus and method for a high-power laser beam.

光ファイバは、レーザー光源から所望の位置へレーザービームを伝送するのに用いられて良い。レーザー光源から所望の位置へレーザービームを伝送するのに光ファイバを用いることは、多くのレーザー応用における成功にとっての重要な要因である。なぜなら光ファイバは、自由空間光通信を含まず、かつ、リアルタイムで光路の再設定が可能な可撓性を有する伝送路を提供するからである。たとえばシリカファイバを介して伝送可能な波長で動作する産業用レーザーはほぼ普遍的に、レーザー光源から所望の位置へレーザービームを伝送するのにそのような光ファイバを用いている。通常、光ファイバの出力端は、出力ビームを工作物へ案内するロボットアームに取り付けられている。他の例は医療応用である。医療応用では、光ファイバは、血管を介して特定の位置へレーザービームを伝送するのに用いられている。前記特定の位置では、集束ビームが所望の医療効果を実現するのに用いられる。他の例は、固体レーザーの設計に見られる。固体レーザーの設計では一般的に、ポンプダイオードからの放射線が、ファイバ又はファイバの束を介して固体レーザーの活性領域へ供給される。さらに他の例は防衛システムである。防衛システムでは、レーザービームを移動及び案内する複雑な順序を構成する光学素子を介して伝播させることを要せずに、ビームディレクタの内側ジンバルへレーザービームを案内することが望ましい。   The optical fiber may be used to transmit a laser beam from a laser light source to a desired position. The use of optical fibers to transmit a laser beam from a laser source to a desired location is an important factor for success in many laser applications. This is because the optical fiber does not include free-space optical communication and provides a flexible transmission path that allows the optical path to be reset in real time. For example, industrial lasers operating at wavelengths that can be transmitted through silica fibers are almost universally using such optical fibers to transmit a laser beam from a laser source to a desired location. Usually, the output end of the optical fiber is attached to a robot arm that guides the output beam to the workpiece. Another example is medical applications. In medical applications, optical fibers are used to transmit a laser beam through a blood vessel to a specific location. At the specific location, a focused beam is used to achieve the desired medical effect. Another example is found in the design of solid state lasers. In solid state laser designs, radiation from the pump diode is typically delivered to the active region of the solid state laser via a fiber or bundle of fibers. Yet another example is a defense system. In defense systems, it is desirable to guide the laser beam to the inner gimbal of the beam director without having to propagate through the optical elements that make up the complex sequence of moving and guiding the laser beam.

上で挙げた最初の3つの例は既にそれぞれの応用領域において実装されているが、防衛システムにおいてレーザービームを供給するのに光ファイバを用いることは、これまで2つの課題によって制限されてきた。第1に、従来のシステムにおける光ファイバは、光損傷又は非線形光学過程−たとえば誘導ブリルアン散乱(SBS)又は誘導ラマン散乱(SRS)−によるレーザービームの劣化に悩まされることなく要求された平均又はピーク出力に適合可能とするのに十分な大きさのコア面積を有することが要求される。第2に、十分に大きなコアが開発された場合、入力ビーム品質−多くの軍事応用では略回折限界でなければならない−がファイバを介した伝播によって劣化しないように、ファイバは設計されなければならない。   Although the first three examples listed above have already been implemented in their respective application areas, the use of optical fibers to deliver laser beams in defense systems has so far been limited by two challenges. First, the optical fiber in the conventional system has the required average or peak without suffering from laser beam degradation due to optical damage or nonlinear optical processes such as stimulated Brillouin scattering (SBS) or stimulated Raman scattering (SRS). It is required to have a core area large enough to be adaptable to the output. Second, if a sufficiently large core is developed, the fiber must be designed so that the input beam quality—which must be nearly diffraction limited for many military applications—is not degraded by propagation through the fiber. .

光ファイバは、産業用レーザー市場においてレーザービーム供給用に広く用いられている。これらの光ファイバは、関心対象である非常に高出力のレーザービームを供給する機能を有する。しかしこれらの従来の光ファイバは、高い多モード産業用レーザーの放射線を輸送するように設計されている。これらの従来の光ファイバは必然的に、高い多モードとなるように、0.5〜1mmのコア直径、及び、0.1〜0.2の大きな開口数(NA)を有する。現在のところ、ビーム供給に従来の光ファイバを用いるときに高いビーム品質を維持する実用的な方法は存在しない。これらの従来の光ファイバの多モード態様に起因して、光ファイバを曲げることで、基本横電磁モード及び他の最低次の横電磁モードと共に案内される高次の横電磁モードへの強いモード結合が起こる。最低次の横電磁モードがこれらの従来の光ファイバ内で放出される場合、最低次のモードは、高次横電磁モードを供給する際にその出力のほとんどを失う。その結果、たとえ入力ビームが略回折限界であり、かつ、出力ビームがわずかな出力損失にしか悩まされない場合でも、出力ビームの品質は一般的に、回折限界の50〜100倍(XDL)よりも大きくなる。従ってこれらの従来の光ファイバは、出力供給の要求を満たすが、ビーム品質供給の要求を満たさない。   Optical fibers are widely used for supplying laser beams in the industrial laser market. These optical fibers have the function of supplying a very high power laser beam of interest. However, these conventional optical fibers are designed to transport the radiation of high multimode industrial lasers. These conventional optical fibers inevitably have a core diameter of 0.5-1 mm and a large numerical aperture (NA) of 0.1-0.2 for high multimode. At present, there is no practical way to maintain high beam quality when using conventional optical fibers for beam delivery. Due to the multimode aspects of these conventional optical fibers, strong mode coupling to higher order transverse electromagnetic modes guided along with the fundamental transverse electromagnetic mode and other lowest order transverse electromagnetic modes by bending the optical fiber Happens. If the lowest order transverse electromagnetic mode is emitted in these conventional optical fibers, the lowest order mode loses most of its output when providing a higher order transverse electromagnetic mode. As a result, the quality of the output beam is generally better than 50-100 times the diffraction limit (XDL), even if the input beam is nearly diffraction limited and the output beam suffers only a small output loss. growing. Thus, these conventional optical fibers meet the requirements for power supply, but do not meet the requirements for beam quality supply.

高出力レーザー用の典型的なビーム供給ファイバの他の問題は、コアの直径が増大する高レーザー出力に適合するように増大することで、ファイバは可撓性を有しなくなってしまうことである。ある点では、ファイバの基本的な目的−機械的な可撓性−は、ファイバの直径が大きくなることで深刻な制限を受けるようになる。   Another problem with typical beam delivery fibers for high power lasers is that the fiber becomes inflexible as it grows to accommodate higher laser power with increasing core diameter. . In some respects, the basic purpose of the fiber—mechanical flexibility—becomes severely limited as the fiber diameter increases.

高品質のビーム輸送の上記欠点を克服するため、大モード面積(LMA)光ファイバ設計が実装されて良い。LMA光ファイバは、ビーム品質を回折限界(XDL)の約1.3倍以上に維持しながら、わずかな高次横電磁モードを案内し得る。LMA光ファイバは、約1μmの信号波長用の約20μm〜約30μmの相対的に小さなコア直径、及び、減少した約0.06のNAを有する点で、標準的な大きなコアの供給ファイバとは異なる。LMAファイバは、良好なビーム品質を維持するため、適切にコイルを構成しなければならない。規定されたコア直径では、コイルを構成することで、すべての横電磁モードへの曲げ損失が誘起されるが、高次モードはすべて、所望の最低次横モードよりもはるかに大きなコイルを構成することで誘起される損失に悩まされる。従ってコイルを構成することで、高次の横電磁モードの放射線損失が増大し、高次の横電磁モードはコアの外へ取り除かれる。その結果、レーザービームが「浄化(cleaning up)」され、かつ、ほとんど基本横電磁モードを有するビームが得られる。最適化されたコイル半径によって、基本横電磁モードの損失は低くて許容可能なレベルのままとなる。   To overcome the above disadvantages of high quality beam transport, large mode area (LMA) optical fiber designs may be implemented. LMA optical fibers can guide a few higher order transverse electromagnetic modes while maintaining beam quality above about 1.3 times the diffraction limit (XDL). An LMA optical fiber is a standard large core feed fiber in that it has a relatively small core diameter of about 20 μm to about 30 μm for a signal wavelength of about 1 μm and a reduced NA of about 0.06. Different. LMA fiber must be properly coiled in order to maintain good beam quality. For a specified core diameter, configuring the coil induces bending losses to all transverse electromagnetic modes, but all higher order modes constitute a much larger coil than the desired lowest order transverse mode. Suffers from the loss induced by this. Therefore, by configuring the coil, the radiation loss of the higher order transverse electromagnetic mode is increased, and the higher order transverse electromagnetic mode is removed out of the core. As a result, a laser beam is “cleaned up” and a beam having an almost fundamental transverse electromagnetic mode is obtained. With optimized coil radius, the fundamental transverse electromagnetic mode loss remains at a low and acceptable level.

産業応用で用いられるビームディレクタへ供給されるレーザービームを発生させる10kWのファイバレーザーは通常、LMAファイバに基づいている。従来のLMAビーム供給ファイバは、ビーム供給の要求を満たすと考えて良い。特にレーザービームが最初にLMAファイバによって生成されるので、LMAファイバは明らかにレーザー出力に適合し得る。しかし他にも考慮する必要がある事項が存在する。とりわけ、典型的な用途で要求されているようにビーム供給ファイバ長が数メートルに達することで、誘導ラマン散乱(SRS)又は誘導ブリルアン散乱(SBS)が始まることがある。   A 10 kW fiber laser that generates a laser beam supplied to a beam director used in industrial applications is usually based on LMA fiber. Conventional LMA beam delivery fibers may be considered to meet beam delivery requirements. The LMA fiber can obviously be adapted to the laser power, especially since the laser beam is initially generated by the LMA fiber. However, there are other items that need to be considered. In particular, stimulated Raman scattering (SRS) or stimulated Brillouin scattering (SBS) may begin when the beam delivery fiber length reaches several meters, as required in typical applications.

米国特許第5208699号明細書US Pat. No. 5,208,699 米国特許第7042631号明細書US Pat. No. 7,042,631 米国特許第7860360号明細書US Pat. No. 7,860,360 米国特許第7983312号明細書U.S. Pat. No. 7,983,312 米国特許出願第12/358983号明細書US patent application Ser. No. 12 / 358,983

必要なことは、高出力レーザービームの供給に用いられる従来の光ファイバの上述した欠陥を解決し、かつ、上述の考慮すべき事項−SRSとSBSを含む−を考慮する光ファイバを提供することである。   What is needed is to provide an optical fiber that solves the above-mentioned deficiencies of conventional optical fibers used to provide high power laser beams and takes into account the above considerations-including SRS and SBS- It is.

本開示の一の実施例は、誘導ラマン散乱若しくは誘導ブリルアン散乱又は両方の閾値を上昇させるように選ばれた相対的に広い面積を有するコアを含む光ファイバを供する。前記コアは、高いアスペクト比で伸張する断面を有し、かつ、第1屈折率を有する。前記コアは、速い軸方向では狭く、かつ、遅い軸方向では広い。その結果、前記ファイバは、前記速い軸方向では機械的に可撓性を有し、かつ、前記遅い軸方向では機械的に剛性を有する。   One embodiment of the present disclosure provides an optical fiber that includes a core having a relatively large area selected to increase the threshold for stimulated Raman scattering or stimulated Brillouin scattering, or both. The core has a cross section extending at a high aspect ratio and a first refractive index. The core is narrow in the fast axis direction and wide in the slow axis direction. As a result, the fiber is mechanically flexible in the fast axis direction and mechanically rigid in the slow axis direction.

本開示の他の実施例は、レーザー、入力端部と出力端部を有する光ファイバ、及び、前記レーザーから前記光ファイバの入力端部を介して放射線を入力するように構成される光カプラを有する光学装置を供する。前記光ファイバは、誘導ラマン散乱若しくは誘導ブリルアン散乱又は両方の閾値を上昇させるように選ばれた相対的に広い面積を有するコアを含む。前記コアは、高いアスペクト比で伸張する断面を有し、かつ、第1屈折率を有する。前記コアは、速い軸方向では狭く、かつ、遅い軸方向では広い。その結果、前記ファイバは、前記速い軸方向では機械的に可撓性を有し、かつ、前記遅い軸方向では機械的に剛性を有する。   Another embodiment of the present disclosure includes a laser, an optical fiber having an input end and an output end, and an optical coupler configured to input radiation from the laser through the input end of the optical fiber. An optical device is provided. The optical fiber includes a core having a relatively large area selected to increase the threshold for stimulated Raman scattering or stimulated Brillouin scattering, or both. The core has a cross section extending at a high aspect ratio and a first refractive index. The core is narrow in the fast axis direction and wide in the slow axis direction. As a result, the fiber is mechanically flexible in the fast axis direction and mechanically rigid in the slow axis direction.

本開示の他の実施例は、入力端部と出力端部を有する光ファイバ、及び、前記光ファイバの出力端に接続される端部キャップを有する光学装置を供する。前記光ファイバは、誘導ラマン散乱若しくは誘導ブリルアン散乱又は両方の閾値を上昇させるように選ばれた相対的に広い面積を有するコアを含む。前記コアは、高いアスペクト比で伸張する断面を有し、かつ、第1屈折率を有する。前記コアは、速い軸方向では狭く、かつ、遅い軸方向では広い。その結果、前記ファイバは、前記速い軸方向では機械的に可撓性を有し、かつ、前記遅い軸方向では機械的に剛性を有する。   Another embodiment of the present disclosure provides an optical device having an optical fiber having an input end and an output end, and an end cap connected to the output end of the optical fiber. The optical fiber includes a core having a relatively large area selected to increase the threshold for stimulated Raman scattering or stimulated Brillouin scattering, or both. The core has a cross section extending at a high aspect ratio and a first refractive index. The core is narrow in the fast axis direction and wide in the slow axis direction. As a result, the fiber is mechanically flexible in the fast axis direction and mechanically rigid in the slow axis direction.

本開示の他の実施例は、高出力レーザービームのファイバ供給方法を供する。当該方法は、誘導ラマン散乱若しくは誘導ブリルアン散乱又は両方の閾値を上昇させるように選ばれた相対的に広い面積を有するコアを含む光ファイバを供する段階であって、前記コアは、高いアスペクト比で伸張する断面を有し、かつ、第1屈折率を有し、かつ、前記コアは、速い軸方向では狭く、かつ、遅い軸方向では広い結果、前記ファイバは、前記速い軸方向では機械的に可撓性を有し、かつ、前記遅い軸方向では機械的に剛性を有する、段階を有する。当該方法はさらに、前記ファイバへレーザービームを放出する段階であって、前記レーザービームは、前記遅い軸方向と前記速い軸方向に沿って前記コアの幅よりも狭い幅を有する、段階、及び、誘導ラマン散乱若しくは誘導ブリルアン散乱又は両方の発生を回避しながら、前記ファイバを介して前記レーザービームを伝播させる段階、を有する。   Another embodiment of the present disclosure provides a fiber delivery method for a high power laser beam. The method includes providing an optical fiber that includes a core having a relatively large area selected to increase a threshold for stimulated Raman scattering or stimulated Brillouin scattering, or both, wherein the core has a high aspect ratio. The fiber has a cross section that extends and has a first refractive index, and the core is narrow in the fast axis direction and wide in the slow axis direction, so that the fiber is mechanically mechanical in the fast axis direction. A stage that is flexible and mechanically rigid in the slow axis direction. The method further comprises emitting a laser beam into the fiber, the laser beam having a width that is narrower than the width of the core along the slow axis direction and the fast axis direction; and Propagating the laser beam through the fiber while avoiding the generation of stimulated Raman scattering or stimulated Brillouin scattering or both.

さらに他の実施例は、誘導ラマン散乱若しくは誘導ブリルアン散乱又は両方の閾値を上昇させるように選ばれた相対的に広い面積を有するコアを含む光ファイバを供する段階であって、前記コアは、高いアスペクト比で伸張する断面を有し、かつ、第1屈折率を有する、段階を有する、高出力レーザービームのファイバ供給方法を供する。前記ファイバのコアは、速い軸方向では狭く、かつ、遅い軸方向では広い。その結果、前記ファイバは、前記速い軸方向では機械的に可撓性を有し、かつ、前記遅い軸方向では機械的に剛性を有する。当該方法はさらに、前記ファイバへレーザービームを放出する段階であって、前記レーザービームは、前記遅い軸方向と前記速い軸方向に沿って前記コアの幅よりも狭い幅を有する、段階を有する。当該方法はさらに、前記ファイバを介して前記レーザービームを伝播させることで、誘導ラマン散乱若しくは誘導ブリルアン散乱又は両方の発生を緩和しながら、低次横電磁モードの損失よりも大きな任意の高次横電磁モードの損失を供することで、前記ファイバのコア内で前記遅い軸方向に沿って前記高次横モードを実質的に除去する段階、を有する。   Yet another embodiment provides an optical fiber comprising a core having a relatively large area selected to increase the threshold of stimulated Raman scattering or stimulated Brillouin scattering or both, wherein the core is high A method for providing a fiber of a high power laser beam having a step having a cross section extending at an aspect ratio and having a first refractive index is provided. The fiber core is narrow in the fast axis direction and wide in the slow axis direction. As a result, the fiber is mechanically flexible in the fast axis direction and mechanically rigid in the slow axis direction. The method further includes emitting a laser beam into the fiber, the laser beam having a width that is narrower than the width of the core along the slow axis direction and the fast axis direction. The method further propagates the laser beam through the fiber to mitigate the occurrence of stimulated Raman scattering or stimulated Brillouin scattering, or both, while taking any higher order transverse greater than the loss of the low order transverse electromagnetic mode. Substantially eliminating the higher order transverse modes along the slow axis in the fiber core by providing electromagnetic mode losses.

本開示の上記及び他の特徴及び特性、並びに、動作方法、構造の関連する要素の機能、部品の組み合わせ、及び製造の効率は、添付図面を参照しながら以降の詳細な説明と特許請求の範囲を検討することでより明らかになる。図面のすべては本願明細書の一部を構成する。図中、同様の参照番号は様々な図における対応する部材を示す。一の実施例では、本願で表された構造は正しい縮尺で描かれていない。しかし図は例示及び説明目的でしかなく、本発明の基本概念を限定するものと意図していないことに留意して欲しい。   The above and other features and characteristics of the present disclosure, as well as the method of operation, the function of the relevant elements of the structure, the combination of parts, and the efficiency of manufacture are described in the following detailed description and claims with reference to the accompanying drawings It becomes clearer by examining. All of the drawings constitute part of the present specification. In the drawings, like reference numerals indicate corresponding parts in the various views. In one embodiment, the structure depicted herein is not drawn to scale. However, it should be noted that the figures are for illustration and explanation purposes only and are not intended to limit the basic concepts of the present invention.

なぜ環状コア供給ファイバのコアとNAが、高エネルギーレーザー(HEL)ビームの出力とビーム品質のために特別にサイズ設定されなければならず、さもなければシステムは効率又はビーム品質の損失に悩まされることになるのかを示す概略図である。Why the core and NA of the annular core feed fiber must be specially sized for the power and beam quality of the high energy laser (HEL) beam, otherwise the system suffers from loss of efficiency or beam quality It is a schematic diagram showing what will happen. 如何にして高アスペクト比のコア(HARC)のファイバが、さらなる設計の自由度を与え、その結果、特定されたコアのアスペクト比に依存する一群の最適化曲線が得られるのかを示す概略図である。Schematic showing how a high aspect ratio core (HARC) fiber provides additional design freedom, resulting in a group of optimization curves depending on the specified core aspect ratio. is there. 本開示の実施例によるビーム供給用途において要求されると考えられる曲がった経路に従うHARCファイバの概略図である。FIG. 2 is a schematic diagram of a HARC fiber following a curved path that may be required in a beam delivery application according to an embodiment of the present disclosure. 本開示の実施例によるHARCファイバの断面の概略図である。1 is a schematic cross-sectional view of a HARC fiber according to an embodiment of the present disclosure. 本開示の実施例による半導波性(semi−guiding)高アスペクト比のコア(SHARC)のファイバの断面の概略図である。1 is a schematic diagram of a cross-section of a semi-guiding high aspect ratio core (SHARC) fiber according to an embodiment of the present disclosure. FIG. 一の実施例によるレーザーの出力をHARC又はSHARCファイバへ結合する光カプラの概略図である。1 is a schematic diagram of an optical coupler that couples the output of a laser to a HARC or SHARC fiber according to one embodiment. FIG. 一の実施例による、光カプラと図3に図示されたHARCファイバを介するレーザービームの3D伝播シミュレーションの結果をグレースケールで図示したものである。FIG. 4 illustrates in gray scale the results of a 3D propagation simulation of a laser beam through an optical coupler and the HARC fiber illustrated in FIG. 3 according to one embodiment. 一の実施例による、図1に図示された半導波性ファイバ端部に設けられた出力端キャップの概略図である。FIG. 2 is a schematic view of an output end cap provided at the end of a semi-waveguide fiber illustrated in FIG. 1 according to one embodiment. ねじり角の関数としてのねじりが誘起する焦点距離を表す理論モデルと、ねじり角の関数としての測定されたねじりが誘起する焦点距離のプロットである。2 is a theoretical model representing the focal length induced by torsion as a function of torsion angle and a plot of focal length induced by measured torsion as a function of torsion angle. 本開示の実施例による光ファイバモジュールの概略図である。1 is a schematic diagram of an optical fiber module according to an embodiment of the present disclosure. FIG. 他の実施例による光ファイバモジュールの一部の斜視図である。It is a one part perspective view of the optical fiber module by another Example. 図11aは、ファイバ構造を用いたローリングループ法の実施例の概略図である。FIG. 11a is a schematic diagram of an embodiment of the Laurin group method using a fiber structure. 図11bは、ファイバ構造を用いたローリングループ法の実施例の概略図である。FIG. 11b is a schematic diagram of an example of the Laurin group method using a fiber structure. 図11cは、ファイバ構造を用いたローリングループ法の実施例の概略図である。FIG. 11c is a schematic diagram of an embodiment of the Laurin group method using a fiber structure. 図11a−11cのローリングループ法において用いられたファイバ構造の一部の側面図である。FIG. 11a is a side view of a portion of the fiber structure used in the Laurin group method of FIGS. 11a-11c. 図12aで示されたファイバ構造の一部の断面図である。12b is a cross-sectional view of a portion of the fiber structure shown in FIG. 12a. 本開示の実施例による2つのねじられていないガラス製HARC/SHARCファイバを相互接続するツイストモジュールとして使用可能な90°のねじれを有する中空コア導波路の概略図である。1 is a schematic diagram of a hollow core waveguide with 90 ° twist that can be used as a twist module to interconnect two untwisted glass HARC / SHARC fibers according to an embodiment of the present disclosure. FIG.

防衛関連の応用は通常、回折限界(XDL)の約1.3倍よりも良好なビーム品質を有する単一の高出力(たとえば10kW以上)の固体又はファイバレーザーの出力を許容できて、かつ、そのレーザービームを離れた位置へ供給可能なビーム供給手段を利用できることから利益を享受する。そのような防衛用途では、ビーム供給ファイバは、本来のレーザーと同程度のビーム品質を維持しながら、そのような高い出力レベルに適合できなければならない。上述の態様に加えて、そのような防衛用途は、ビーム供給ファイバが、高出力レーザービームをビームディレクタの内側ジンバルへ運び、かつ、予想される領域のシナリオにおいてジンバル集合体の予想された運動に適合するのに適切な長さを有するように、可撓性を有し、かつ、最大約10m以上の長さを有することを明記する。   Defense-related applications typically can tolerate the output of a single high power (eg, 10 kW or higher) solid or fiber laser with beam quality better than about 1.3 times the diffraction limit (XDL), and Benefits are obtained from the availability of beam supply means that can supply the laser beam to a remote location. In such defense applications, the beam delivery fiber must be able to adapt to such high power levels while maintaining the same beam quality as the original laser. In addition to the above-described aspects, such defense applications include the ability of the beam delivery fiber to carry a high power laser beam to the inner gimbal of the beam director and to the expected motion of the gimbal assembly in the anticipated area scenario. It is stated that it is flexible and has a maximum length of about 10 m or more so that it has an appropriate length to fit.

レーザー波長が1μmで、かつ、約0.01nmよりも広いスペクトル幅では、この種類の応用における従来のファイバの原理上の限界の1つは、SRSを発生させることなく動作することである。たとえば10kWのファイバレーザーを用いる代表的な応用では、出力は十分大きいので、従来のビーム供給ファイバの長さは約2m未満に制限される。しかしある防衛用途では、この制限された長さは不適切でかつ制約が大きい。   At a laser wavelength of 1 μm and a spectral width wider than about 0.01 nm, one of the fundamental limitations of conventional fibers in this type of application is to operate without generating SRS. For example, in a typical application using a 10 kW fiber laser, the output is sufficiently large so that the length of a conventional beam delivery fiber is limited to less than about 2 m. However, in certain defense applications, this limited length is inappropriate and constrained.

一般的には、SRSは、効率、及び、蓋然的には伝送されたレーザービームのビーム品質を劣化させる。特にSRSは、逆伝播ビームを発生させることで、初期の信号強度の大部分が、意図した標的ではなくレーザーに戻ってしまう恐れがある。同時にSRSは、順方向に伝播し続ける信号強度の周波数帯域を広げてしまう。そのような広がりは、多くの応用で許容されない。SRSはまた、一般的に高次モードのみならず基本モードも含む順方向に伝播するビームをも生成し得る。この過程は、伝送された光のビーム品質を劣化させる。   In general, SRS degrades efficiency and possibly the beam quality of the transmitted laser beam. In particular, SRS generates a counter-propagating beam, which can cause the majority of the initial signal strength to return to the laser rather than the intended target. At the same time, SRS widens the frequency band of signal strength that continues to propagate in the forward direction. Such spread is unacceptable for many applications. SRS may also generate a forward propagating beam that generally includes not only higher order modes but also fundamental modes. This process degrades the beam quality of the transmitted light.

連続波(CW)放射又は約100psよりも長いパルスでは、光ファイバ内においてSRSが起こる条件は次式で表される。

g(2P/A)L<25 (1)

ここで、gは媒質に依存するラマン利得、Pは信号強度、Aはコアの面積、及び、Lはファイバの長さである。式(1)の左辺の因子2は、伝播する基本光学横電磁モードの実効面積が、実際のコアの面積の約半分であるという近似である。
For continuous wave (CW) radiation or pulses longer than about 100 ps, the conditions under which SRS occurs in the optical fiber are expressed as:

g (2P / A) L <25 (1)

Here, g is the Raman gain depending on the medium, P is the signal intensity, A is the area of the core, and L is the length of the fiber. Factor 2 on the left side of Equation (1) is an approximation that the effective area of the propagating fundamental optical transverse electromagnetic mode is approximately half the actual core area.

たとえば、g=0.01cm/GWである溶融シリカにおいては、P=10kWでは、長さLとコア面積Aとの間の関係式は以下のようにして決定され得る。

L<(25A/2gP)=1.25A (2)

ここで、SRSが起こる長さはL(単位cm)で、Aはファイバのコア面積(単位μm)である。
For example, in fused silica where g = 0.01 cm / GW, at P = 10 kW, the relationship between length L and core area A can be determined as follows.

L <(25A / 2gP) = 1.25A (2)

Here, the length at which SRS occurs is L (unit: cm), and A is the core area (unit: μm 2 ) of the fiber.

一部の防衛応用はさらに、コヒーレントレーザー検出及び測距(LADAR)システムの一部として低出力ビームのファイバ供給を明記する。この応用の公称出力が1kWで低くても、スペクトル幅は10kHz未満では非常に狭い。この場合、制限となる非線形過程は誘導ブリルアン散乱(SBS)である。式(1)はSBSにも当てはまる。しかしSBSでは、溶融シリカの利得gは、5cm/GWで高くなる。たとえば1kWの信号強度では、長さの限界は式(3)を用いて判断される。

<0.025A (3)

ここで、LはSBSの起こる長さ(単位cm)で、かつ、Aはファイバのコア面積(単位μm)である。
Some defense applications further specify low power beam fiber delivery as part of a coherent laser detection and ranging (LADAR) system. Even if the nominal power of this application is as low as 1 kW, the spectral width is very narrow below 10 kHz. In this case, the limiting nonlinear process is stimulated Brillouin scattering (SBS). Equation (1) also applies to SBS. However, with SBS, the gain g of fused silica increases at 5 cm / GW. For example, for a signal strength of 1 kW, the length limit is determined using equation (3).

L B <0.025A (3)

Here, L B is the length of occurrence of SBS (unit cm), and, A is the core area of the fiber (in [mu] m 2).

約30μmの相対的に大きなコア直径を有する従来のLMAファイバでは、コア面積は約700μmである。約700μmのLMAファイバのコア面積を用いれば、限界長さLは、式(2)を用いることで約8.4mと計算することができる。しかしこの長さは、SRS閾値に到達する前の限界長さに相当することに留意して欲しい。安全な長さの値は、SRSの発生に対する2倍のマージンを供するようにこの長さの半分であって良い。しかもHELがファイバレーザーである場合、いずれのファイバもシリカから作られていると仮定すると、計算された長さの限界は、ファイバレーザー自身を含まなければならない。たとえば10kWの出力では、ファイバレーザー自身は、許容可能な長さのほとんどを使い果たす(たとえファイバレーザーのコアが30μmよりも長いときでさえも)。その結果、ビーム供給ファイバのさらなる長さに対する許容度は最小となる。従って従来のLMAファイバは、SRSを起こさない約10mのビーム供給長さの要求を満たすことができない。 For a conventional LMA fiber having a relatively large core diameter of about 30 μm, the core area is about 700 μm 2 . If the core area of the LMA fiber of about 700 μm 2 is used, the limit length L can be calculated to be about 8.4 m using Equation (2). However, note that this length corresponds to the limit length before the SRS threshold is reached. The safe length value may be half of this length to provide a double margin for the occurrence of SRS. Moreover, if the HEL is a fiber laser, the calculated length limit must include the fiber laser itself, assuming that both fibers are made of silica. For example, at a power of 10 kW, the fiber laser itself uses up most of the acceptable length (even when the fiber laser core is longer than 30 μm). As a result, the tolerance for further length of the beam delivery fiber is minimal. Therefore, the conventional LMA fiber cannot meet the requirement of a beam supply length of about 10 m without causing SRS.

ファイバは、従来のLMAファイバで利用可能な面積よりも大きな面積に変更された。原則としては、そのような大面積ファイバは、SRSを起こすことなくより長い長さに変更されて良い。しかし単一モード又は数モードのファイバコアの直径の変更は、コアの開口数(NA)を約0.03未満にさらに減少させることによって実現されなければならない。このNAの減少は、案内される横電磁モードの数を相対的に少ない数に制限する必要性によって進められる。さもなければ、高い出力での単一モード動作を維持するために用いられるモード識別機構は機能しなくなる。具体的には、所与のNAでコアのサイズが増大することで、すべてのコアのモードでの実効モード指数は非常に近接して離間する。その結果高次モードは最低次モードとほぼ縮退する。その結果、最低次モードと多くの高次モードとの間での曲がりが誘起するモード混合が非常に強くなり、最低次モードから高次モードへ出力が転換される。この意図しない結果を回避するため、大きなコアのファイバのたとえわずかな曲がりや変形も回避することが重要である。そのようなファイバの別な問題は、NAが減少することで、高次モードが漏出するようになり、許容不可能な伝送損失を誘起することなくファイバを撓ませることが、もはやできなくなる。コアを大きくすることで、ファイバは、屈折率の不均一性の影響を受けやすくなる。その結果、最先端のレーザーから望まれる優れたモード品質を維持することの困難さが増大する。   The fiber has been changed to a larger area than is available with conventional LMA fibers. In principle, such large area fibers can be changed to longer lengths without causing SRS. However, changing the diameter of a single mode or number mode fiber core must be realized by further reducing the numerical aperture (NA) of the core to less than about 0.03. This reduction in NA is driven by the need to limit the number of guided transverse modes to a relatively small number. Otherwise, the mode identification mechanism used to maintain single mode operation at high power will not work. Specifically, as the size of the core increases for a given NA, the effective mode exponents in all core modes are very closely spaced. As a result, the higher order mode is almost degenerated from the lowest order mode. As a result, the mode mixing induced by bending between the lowest order mode and many higher order modes becomes very strong, and the output is switched from the lowest order mode to the higher order mode. To avoid this unintended result, it is important to avoid even slight bends and deformations in large core fibers. Another problem with such fibers is that the reduced NA causes higher order modes to leak out and it is no longer possible to flex the fiber without inducing unacceptable transmission losses. Increasing the core makes the fiber more susceptible to refractive index non-uniformity. As a result, the difficulty of maintaining the superior mode quality desired from state-of-the-art lasers is increased.

曲がらないファイバを設計することによって、大きなコアを有する低NAファイバの曲がり感受性を回避することができる。実際、コア直径が最大100μmで非常に低いNAを有する「ロッド状」ファイバレーザーは、印象的な出力のスケール変更を実現した。しかしこれらのファイバでは、コアは直径約2mmの石英ロッド内に埋め込まれることで、そのようなファイバは可撓性を有しなくなる。結論は、ビーム供給の応用に求められる可撓性を維持しながら従来のファイバのコア面積の大きさを現実的に変更することはできないということである。   By designing a fiber that does not bend, the bending sensitivity of a low NA fiber with a large core can be avoided. In fact, “rod-like” fiber lasers with core diameters up to 100 μm and very low NA achieved impressive power scaling. However, in these fibers, the core is embedded in a quartz rod with a diameter of about 2 mm, which makes such fibers inflexible. The conclusion is that the size of the core area of conventional fibers cannot be realistically changed while maintaining the flexibility required for beam delivery applications.

これまで、SRS又はSBSを起こすことなく高出力動作を実現できる点でファイバのコア面積を増大させることに係る課題しか考慮してこなかった。しかしそのような誘導散乱を抑制する解決法が見つかったとしても、大きなコアの環状ビーム供給ファイバもまた、図1を参照することによって最も良く理解できる異なる基本的な制限に悩まされる。図1は、ビーム品質(XDL)に対する従来の環状コアファイバの(所与のNAの)コア面積のグラフを示している。この図のグラフは、レーザービームに適合するのに必要な(所与のNAの)コア面積をそのレーザービームのビーム品質の関数として概略的に表している。ビーム品質が一般的に2次元的ではなく1次元的に(つまりビーム直径がどの程度回折限界を超えるかで)表されるので、要求されるコア面積は大雑把にはビーム品質の2乗に対して変化する。図1の放物線は、ビーム品質の関数としてコア面積の変化を示している。   Until now, only the problem related to increasing the core area of the fiber has been considered in that high power operation can be realized without causing SRS or SBS. However, even if a solution to suppress such stimulated scattering is found, the large core annular beam delivery fiber also suffers from different fundamental limitations that are best understood by referring to FIG. FIG. 1 shows a graph of core area (for a given NA) of a conventional annular core fiber versus beam quality (XDL). The graph in this figure schematically represents the core area (for a given NA) required to fit a laser beam as a function of the beam quality of the laser beam. Since the beam quality is generally expressed in one dimension rather than in two dimensions (ie, how much the beam diameter exceeds the diffraction limit), the required core area is roughly relative to the square of the beam quality. Change. The parabola in FIG. 1 shows the change in core area as a function of beam quality.

図1のグラフの左上では、ビーム供給ファイバの実際のコア面積が放物線によって予め決められたコア面積を超える状況が図示されている。従って入力ビームは、図1で概略的に示されているように、コアを満たしていない。たとえばビームが指定された10mのファイバを伝播するまで、そのファイバが、ビームディレクタが標的を追跡するように動く際に動的に撓むと仮定すると、出力ビームは、図1において概略的に示されているように、コア面積全体と全NAを満たす。それに対応して、コア面積全体と全NAはいずれも本来のビーム面積と発散を超える。結果はビーム品質の劣化である。放出されたビームでは、コア面積を満たすことはできるがNAを満たすことができない。しかしこれは問題の解決にはならないことに留意して欲しい。たとえNAの一部しか放出されたビームによって満たせないとしても、NAは不可避的に満たされる。従ってモードスクランブルが、ビームディレクタの運動に起因して必然的に起こるファイバの撓みによって誘起される。このようにして高いNAの帰結は、伝送されたビーム品質の劣化となる。   In the upper left of the graph of FIG. 1, the situation where the actual core area of the beam delivery fiber exceeds the core area predetermined by the parabola is illustrated. Thus, the input beam does not fill the core, as shown schematically in FIG. For example, assuming that the fiber dynamically deflects as the beam director moves to track the target until the beam propagates through the designated 10 m fiber, the output beam is shown schematically in FIG. As shown, the entire core area and the total NA are satisfied. Correspondingly, the overall core area and total NA both exceed the original beam area and divergence. The result is beam quality degradation. The emitted beam can fill the core area but not the NA. But keep in mind that this does not solve the problem. The NA is inevitably filled even if only a portion of the NA can be filled by the emitted beam. Therefore, mode scrambling is induced by fiber deflection that inevitably occurs due to the motion of the beam director. The result of a high NA in this way is a degradation of the transmitted beam quality.

図1のグラフの右下では、コア面積がビームの断面積のサイズよりも小さい(たとえばビーム直径がファイバ直径よりも大きい)状況が示されている。具体的には、入力ビームは供給ファイバのコアを過剰に満たす。出力ビーム“out”がコアを満たし、クラッドへ放出される出力は失われる。そのため、サイズの小さなファイバを用いることで、顕著な効率の損失が生じる。入力ビームサイズがファイバの範囲内に適合するように減少する場合にも同様の損失が起こる。この結果発散は、ファイバ入力でNAを超える。   In the lower right of the graph of FIG. 1, a situation is shown where the core area is smaller than the size of the beam cross-sectional area (eg, the beam diameter is greater than the fiber diameter). Specifically, the input beam overfills the supply fiber core. The output beam “out” fills the core and the power emitted to the cladding is lost. Therefore, significant efficiency loss occurs when using small size fibers. Similar losses occur when the input beam size is reduced to fit within the fiber. As a result, the divergence exceeds NA at the fiber input.

この例において唯一満足できる解決法は、図1の放物曲線上で厳密に操作することである。入力ビームの品質が向上することで、環状のファイバコアの面積はそれに比例して大きくならなければならない。逆も真である。これにより、レイセオン社で現在開発中の高出力レーザーシステムの放射線に適合し得る環状ファイバが存在しないという明白な問題が起こる。これらのレーザーは、2XDL未満の良好なビーム品質を有する。従ってファイバが放物線の底部で利用可能な小さいコア面積から選ばれる場合にのみ、ビーム品質は環状ビーム供給ファイバの外でも維持され得る。しかしその代わりに100kWを超える高出力レベルでは、光学損傷や非線形減少−たとえばSRS−を含む負の結果と共に効率の損失を抑制するように非常に大きなコア面積が要求される。   The only satisfactory solution in this example is to operate strictly on the parabolic curve of FIG. As the quality of the input beam improves, the area of the annular fiber core must increase proportionally. The reverse is also true. This raises the obvious problem that there is no annular fiber that can accommodate the radiation of the high power laser system currently being developed by Raytheon. These lasers have good beam quality of less than 2XDL. Thus, beam quality can be maintained outside the annular beam delivery fiber only if the fiber is selected from the small core area available at the bottom of the parabola. Instead, however, at high power levels above 100 kW, a very large core area is required to suppress loss of efficiency with negative consequences including optical damage and non-linear reduction—eg, SRS—.

原則としては、誘導散乱又は他の強度依存過程に遭遇することなく高レーザー出力に適合できるほど十分大きなコア面積を有する高多モード供給ファイバを指定し、出力ビームを浄化して所望の良好なビーム品質を復元する方法を用いることができる。たとえばこれは、特許文献1に記載されている位相共役アーキテクチャを用いて実現され得る。この場合、レーザーアーキテクチャは、単純なファイバレーザーから、ビーム供給ファイバ及びファイバ増幅器が経路間の位相共役鏡(PCM)からの反射によって2回通過するように配置されている主発振出力増幅器(MOPA)へ修正されなければならない。約400μmのコア直径を有する受動的多モードファイバの歪みの位相共役補償が従来示されてきたが、大きなコアのファイバへの適用は、PCM補償機能の限界による問題があると考えられる。それに加えて、位相共役アーキテクチャの複雑さによってコストとリスクが加わる。   As a general rule, specify a high multimode feed fiber with a core area large enough to accommodate high laser power without encountering stimulated scattering or other intensity dependent processes, and purify the output beam to achieve the desired good beam A method of restoring quality can be used. For example, this can be achieved using the phase conjugate architecture described in US Pat. In this case, the laser architecture is a main oscillation output amplifier (MOPA) in which a beam delivery fiber and fiber amplifier are arranged to pass twice by reflection from a phase conjugate mirror (PCM) between paths from a simple fiber laser. Must be corrected. Although phase conjugate compensation for distortion of passive multimode fibers having a core diameter of about 400 μm has been shown in the past, application to large core fibers is believed to be problematic due to limitations of the PCM compensation function. In addition, the complexity of the phase conjugate architecture adds cost and risk.

適切なファイバに基づく方法がなければ、高出力レーザーからビームディレクタータレットへ信号ビームを伝えるのに用いることができる2つの主なファイバによらない方法から選ぶことができる。第一の方法は、レーザービームをビームディレクタから離れた自由空間へ入り込むように結合して、そのビームをタレットへ向かわせて、(大きな光学顕微鏡で通常用いられている、タレット装置内部に設けられた一連の光学系を含む)肘型に曲がった経路(coude path)を用いることによって、そのタレットを通過するように光路を設定する方法である。他の方法は、ビームディレクタ装置上にレーザーヘッド自体を設けることで、レーザーヘッドの出力ファイバからビームディレクタータレットまでの距離を短くする方法である。この場合、標的にビームを向けるように迅速に動くことのできる必要のあるタレットが、レーザーデバイスのさらなる重量を保持しなければならない。これは重大なことだと考えられる。第1の方法では、タレットの設計は肘型に曲がった経路によって複雑になる。肘型に曲がった経路中の光学系は、高エネルギーレーザービームが様々な機構によって光学的に歪められる程度に損傷を受けたり加熱されたりせずに、その高エネルギーレーザービームに適合するのに十分なサイズである必要がある。光学系はまた、光路が時間及び環境にわたって変化することで位置合わせを維持しなければならない。この要求によって、システムのコストと複雑性が加わる。   Without an appropriate fiber-based method, one can choose from two main fiber-independent methods that can be used to deliver a signal beam from a high power laser to the beam director turret. The first method is to combine the laser beam so that it enters a free space away from the beam director and direct the beam to the turret (provided inside the turret device, which is commonly used in large optical microscopes). In this method, an optical path is set so as to pass through the turret by using an elbow-shaped curved path (including a series of optical systems). Another method is to shorten the distance from the output fiber of the laser head to the beam director turret by providing the laser head itself on the beam director device. In this case, a turret that needs to be able to move quickly to direct the beam at the target must carry the additional weight of the laser device. This is considered serious. In the first method, turret design is complicated by elbow-shaped paths. The optics in the elbow-shaped path is sufficient to fit the high energy laser beam without being damaged or heated to such an extent that the high energy laser beam is optically distorted by various mechanisms. It needs to be a proper size. The optical system must also maintain alignment as the optical path changes over time and environment. This requirement adds to the cost and complexity of the system.

上述した方法のすべてからの劇的な新たな新機軸は、導波路を使い続けるが、コアの形状を変化させることである。この方法は、環状コアファイバを用いることは、高出力でほぼ回折限界のレーザービームでは不可能であるという図1の基本的な結論を認識することによって始まる。しかしこの新たな方法はまた、図2で概略的に示されているように、高アスペクト比(HARC)のファイバでは状況がかなり異なることも認識している。図2は、レーザーのビーム品質(XDL)の関数としてファイバのコアの面積を表すグラフを示している。HARCファイバは長方形の断面を有する。長方形のコアでは、コア寸法の1つである「速い軸」方向が狭い。一の実施例では、ファイバコアは、速い軸方向において単一の速い軸モードだけ又はおそらくはわずかな低次の速い軸モードを案内するのに十分な程度狭くして良い。速い軸のクラッドの長さもまた、この方向においてファイバの機械的可撓性を供するように十分狭くされて良い。このようにして、ファイバは速い軸方向において曲がることが可能となる。ファイバはこの長さにおいては単一モードであり得るので、そのファイバはビーム品質を歪めることなく曲げられることができる。他方、コアの断面積は、直交する「遅い軸」の長さに沿ってコアの長さを拡張することで非常に大きくなり得る。特にコア面積は、非常に高いレーザー出力がSRS閾値を超えることなく放出され得るのに十分な程度大きくて良い。   A dramatic new innovation from all of the methods described above is to continue to use the waveguide, but to change the shape of the core. This method begins by recognizing the basic conclusion of FIG. 1 that using an annular core fiber is not possible with a high power, near diffraction limited laser beam. However, this new method also recognizes that the situation is quite different for high aspect ratio (HARC) fibers, as shown schematically in FIG. FIG. 2 shows a graph representing the area of the fiber core as a function of the beam quality (XDL) of the laser. HARC fiber has a rectangular cross section. A rectangular core has a narrow “fast axis” direction, which is one of the core dimensions. In one embodiment, the fiber core may be narrow enough to guide only a single fast axis mode or possibly a few low order fast axis modes in the fast axis direction. The length of the fast axis cladding may also be narrow enough to provide the mechanical flexibility of the fiber in this direction. In this way, the fiber can be bent in the fast axial direction. Since the fiber can be single mode at this length, the fiber can be bent without distorting the beam quality. On the other hand, the cross-sectional area of the core can be very large by extending the length of the core along the length of the orthogonal “slow axis”. In particular, the core area may be large enough that very high laser power can be emitted without exceeding the SRS threshold.

HARCの特徴の一部は、図1のグラフと図2のグラフとを比較することによって評価することができる。最初に、図1のプロットと比較して、縦軸のスケールの重大な変化が図2のプロットにおいて存在することに留意して欲しい。HARCファイバは、コアを特定する合計2つの自由度を供することがわかる。2つの自由度とは面積とアスペクト比である。これにより、各々が所与のコアのアスペクト比(遅い軸方向でのコアの長さを速い軸方向でのコアの長さで除した値)を表す曲線の一群を生成することが可能となる。1:1のアスペクト比は環状コアファイバと同じ制限に悩まされる。しかしアスペクト比が高くなると、速い軸の長さを入力ビームのビーム品質に適合させ(回折限界であるのか否かにかかわらず)、かつ、コアが、損傷を生じさせることも、SRS閾値を超えることもなく全体のレーザー出力に適合できるように、遅い軸の長さを特定することを同時に行うこと可能となる。たとえ如何なるビーム品質及び出力レベルが要求されているのかにかかわらず、HARCファイバは適切なコアアスペクト比を備えるように特定されて良い。   Some of the features of HARC can be evaluated by comparing the graph of FIG. 1 with the graph of FIG. First, note that there is a significant change in the scale of the vertical axis in the plot of FIG. 2 compared to the plot of FIG. It can be seen that the HARC fiber provides a total of two degrees of freedom to specify the core. The two degrees of freedom are area and aspect ratio. This makes it possible to generate a group of curves each representing the aspect ratio of a given core (the length of the core in the slow axis divided by the length of the core in the fast axis). . A 1: 1 aspect ratio suffers from the same limitations as an annular core fiber. However, with higher aspect ratios, the fast axis length is adapted to the beam quality of the input beam (whether or not diffraction limited), and the core can also cause damage, exceeding the SRS threshold. It is possible to simultaneously determine the length of the slow axis so that it can be adapted to the overall laser power without any problems. Regardless of what beam quality and power level is required, the HARC fiber may be identified with an appropriate core aspect ratio.

中空コアのビーム供給導波路に、高エネルギー短パルスから生じるレーザー損傷への耐性を増大させるため、HARC法は特許文献2において提案された。長方形形状のコアの自己結像特性は、長方形のコア導波路を介してビームを輸送することで、導波路の出力面を入力面の像とするのに用いられる。しかしこの方法は、導波路のコア形状の変形のみならず供給路の撓みにも極端に敏感である。自己結像は、非常に厳格な1ラジアン未満の許容度のレベルでのすべてのモードの相対位相の追跡に基づく。導波路製造中でのコア形状におけるわずかな不完全性、自己結像距離からの伝播距離のずれ、及び、単純な導波路の撓みのすべては、モード間での相対位相を破壊してしまう恐れがある。それにより、自己結像現象及びそれに関連する利点が得られなくなる。所望の自己結像をも破壊することなくこの方法を用いてコヒーレントビームを輸送する現実的な方法は存在しない。   The HARC method has been proposed in US Pat. No. 6,057,836 to increase the resistance to laser damage resulting from high energy short pulses in a hollow core beam delivery waveguide. The self-imaging property of the rectangular core is used to image the output surface of the waveguide to the input surface by transporting the beam through the rectangular core waveguide. However, this method is extremely sensitive not only to the deformation of the core shape of the waveguide but also to the deflection of the supply path. Self-imaging is based on the tracking of the relative phase of all modes with a very strict tolerance level of less than 1 radian. Minor imperfections in the core shape during waveguide fabrication, propagation distance deviation from self-imaging distance, and simple waveguide deflection can all destroy the relative phase between modes. There is. As a result, the self-imaging phenomenon and the related advantages cannot be obtained. There is no practical way to transport a coherent beam using this method without destroying the desired self-imaging.

一の実施例によるさらに他のHARC法は、自己結像に依拠することによって課される制限なしに実装されて良い。この代替法は、高アスペクト比のクラッド内に埋め込まれる同様に高アスペクト比のコアを有するガラス又は他の透明材料から作られ得るファイバを利用する。図3は、ビーム供給応用において要求されると思われる曲率を有する経路に従うHARCファイバ11の概略図である。HARCファイバ11がリボンのような幾何学形状を有するので、HARCファイバ11は薄い長さでしか曲がらないことに留意して欲しい。このことは図3で概略的に示されている。図4aは、一の実施例によるファイバ11の横方向断面4の概略図である。ファイバ11はコア42とクラッド44を有する。コーティング46はクラッド44を覆う。一の実施例では、コーティング46はポリマーコーティング又は任意の他の可撓性コーティングであって良い。HARCファイバ11は、図4aに図示されているように長方形断面を有する。一の実施例では、HARCファイバ11の長方形コア42は、ファイバ11を透過するレーザー出力及び用途にも依存して、一般的には約30:1〜100:1以上の範囲をとり得るアスペクト比を有する。遅い軸と速い軸は図4aに図示されている。遅い軸は、ファイバ11の長方形断面の長い寸法の方向である。速い軸は、ファイバ11の長方形断面の小さい寸法の方向である。   Yet another HARC method according to one embodiment may be implemented without the limitations imposed by relying on self-imaging. This alternative utilizes a fiber that can be made from glass or other transparent material with a similarly high aspect ratio core embedded in a high aspect ratio cladding. FIG. 3 is a schematic diagram of a HARC fiber 11 following a path with a curvature that may be required in beam delivery applications. Note that because the HARC fiber 11 has a geometric shape like a ribbon, the HARC fiber 11 can only bend with a thin length. This is shown schematically in FIG. FIG. 4a is a schematic illustration of a transverse section 4 of a fiber 11 according to one embodiment. The fiber 11 has a core 42 and a clad 44. The coating 46 covers the cladding 44. In one example, the coating 46 may be a polymer coating or any other flexible coating. The HARC fiber 11 has a rectangular cross section as shown in FIG. 4a. In one embodiment, the rectangular core 42 of the HARC fiber 11 generally has an aspect ratio that can range from about 30: 1 to 100: 1 or more, depending on the laser power transmitted through the fiber 11 and the application. Have The slow axis and the fast axis are illustrated in FIG. 4a. The slow axis is the direction of the long dimension of the rectangular cross section of the fiber 11. The fast axis is the direction of the small dimension of the rectangular cross section of the fiber 11.

図4aに図示されているように、コア42はファイバ11内で中心をとる。その際、垂直軸AAはファイバ11を2つの実質的に同一で対称性を有する半分にわけ、かつ、水平軸BBはファイバ11を2つの実質的に同一で対称性を有する半分にわける。しかしすぐにわかるように、コア42はファイバ11内で中心をとる必要はない。たとえば一の実施例では、コア42はファイバ11の対称軸BBからオフセットされて良い(たとえばコア42は、コーティング46の上部又は下部に近づくようにファイバ11の「上部」又は「下部」に設けられて良い)。あるいはその代わりに又はそれに加えて、コア42はファイバ11の対称軸AAからオフセットされて良い(たとえばコア42は、コーティング46の左側部又は右側部に近づくようにファイバ11の左側又は右側に設けられて良い)。   As shown in FIG. 4 a, the core 42 is centered within the fiber 11. The vertical axis AA then divides the fiber 11 into two substantially identical and symmetric halves, and the horizontal axis BB divides the fiber 11 into two substantially identical and symmetric halves. However, as will be readily appreciated, the core 42 need not be centered within the fiber 11. For example, in one embodiment, the core 42 may be offset from the axis of symmetry BB of the fiber 11 (eg, the core 42 is provided “upper” or “lower” of the fiber 11 so as to approach the upper or lower portion of the coating 46. Good). Alternatively, or in addition, the core 42 may be offset from the axis of symmetry AA of the fiber 11 (eg, the core 42 is provided on the left or right side of the fiber 11 to approach the left or right side of the coating 46). Good).

HARCファイバ11は、非常に大きな面積(たとえば最大30000μm以上)を有する高アスペクト比の長方形コア42を特定することによって、従来のLMAファイバから区別される。コア42の面積は、他の寸法(速い軸方向)をLMAコアの本来の半径と略同一に維持しながら、一の寸法(遅い軸方向)のみでコア42を伸張することによって増大する。速い軸のコアの厚さと開口数は、LMAファイバに類似して、コアの速い軸方向が単一モード又はわずかな低次モードのいずれかを案内するように選ばれて良い。一の実施例では、速い軸の厚さは、速い軸に対して入力ビーム品質を適合させるように選ばれて良い。その結果、結合光は、クラッドへ入射する際に大きな出力損失をすることなくコアの速い軸の寸法とNAを実質的に満たす。この方法によると、コアを取り囲むクラッドもまた、ファイバを速い軸方向において機械的に可撓性を有するように、速い軸方向において相対的に薄い状態に保たれる。一の実施例では、レーザービームがコアの速い軸の寸法とNAに適合し、かつ、クラッドは薄いので、ファイバは、同一の入力発散を維持しながら、つまり速い軸のビーム品質について妥協することなく、速い軸の曲がりを含む任意の軌跡にわたってレーザー放射線を輸送することができる。 The HARC fiber 11 is distinguished from conventional LMA fiber by identifying a high aspect ratio rectangular core 42 having a very large area (eg, up to 30000 μm 2 or more). The area of the core 42 is increased by stretching the core 42 with only one dimension (slow axial direction) while maintaining other dimensions (fast axial direction) approximately the same as the original radius of the LMA core. The core thickness and numerical aperture of the fast axis may be chosen so that the fast axis direction of the core guides either a single mode or a few lower order modes, similar to an LMA fiber. In one embodiment, the fast axis thickness may be chosen to match the input beam quality to the fast axis. As a result, the coupled light substantially meets the fast axis dimension and NA of the core without significant power loss when incident on the cladding. According to this method, the cladding surrounding the core is also kept relatively thin in the fast axial direction so that the fiber is mechanically flexible in the fast axial direction. In one embodiment, since the laser beam is compatible with the core fast axis dimensions and NA, and the cladding is thin, the fiber will compromise the fast axis beam quality while maintaining the same input divergence. Without, laser radiation can be transported over any trajectory including fast axis bends.

従って速い軸のコアのパラメータは、速い軸方向での曲がりが存在する状態で入力ビームの品質を維持するように特定されて良い。遅い軸のコアのパラメータは、ファイバが誘導ラマン散乱又はブリルアン散乱又は光学損傷の制限を受けることなく高レーザー出力に適合可能となるように、相補的に特定される。たとえばHARCファイバ11のコア42の寸法が約10μm(これは速い軸方向において単一モードである)かつ0.5mm(遅い軸方向において)で、コア42の面積が約5000μmであると仮定すると、SRSの閾値の長さLは、式(2)を用いることによって、10kWの信号では約62.5mと決定され得る。従って、2倍のマージンを許容することで、HARCファイバ11は、SRSを起こすことなく約30mの長さ(つまり62.5mの約半分)だけ高出力レーザービームを運ぶことができる。SBSによって制限される狭帯域の応用については、式(3)は、コアの寸法が20μm×2mmでコアの面積が40000μmであれば、10mの長さが可能になることを示唆している。従って2倍のマージンを許容することで、このファイバは、SBSを起こすことなく、約5mの長さだけ1kWの狭帯域レーザービームを運ぶことができる。その結果、ファイバ11のコア42について適切な寸法を選ぶことによって、SRS、SBS、又はそれら両方の発生の閾値を上昇し得る。 Accordingly, the fast axis core parameters may be specified to maintain the quality of the input beam in the presence of fast axial bends. The parameters of the slow axis core are specified complementarily so that the fiber can be adapted to high laser power without the limitations of stimulated Raman scattering or Brillouin scattering or optical damage. For example, assuming that the core 42 dimension of the HARC fiber 11 is about 10 μm (which is single mode in the fast axis direction) and 0.5 mm (in the slow axis direction), the area of the core 42 is about 5000 μm 2. , SRS threshold length L can be determined to be approximately 62.5 m for a 10 kW signal by using equation (2). Therefore, by allowing twice the margin, the HARC fiber 11 can carry a high-power laser beam by a length of about 30 m (that is, about half of 62.5 m) without causing SRS. For narrowband applications is limited by the SBS, equation (3) suggests that the size of the core is equal area of the core is a 40000Myuemu 2 at 20 [mu] m × 2 mm, allowing the length of 10m . Thus, by allowing twice the margin, this fiber can carry a 1 kW narrowband laser beam for a length of about 5 m without causing SBS. As a result, by selecting appropriate dimensions for the core 42 of the fiber 11, the threshold of occurrence of SRS, SBS, or both can be increased.

適切に設計されたHARCファイバが、SRS又はSBSに遭遇することなく高出力レーザービームを運ぶとすると、コアのサイズ及び形状がファイバに沿って伝播するレーザービームの出力ビームの品質に及ぼす影響を判断することは価値がある。HARCファイバのコア端部が、クラッド材料からの全内部反射に起因して反射性となり、かつ、入力放射線がコアの寸法とNAを満たすとすると、結果として得られるビーム品質は不十分であると考えられる。それに加えて、たとえ放出されたビームが良好なビーム品質を有していても不適切に放出される場合には、そのようなガイドからの出力ビーム品質は不十分となり得る恐れがある。前述したように、一の実施例による以下の手順が利用される場合には、出力である遅い軸のビームの品質は実際には、入力ビームの品質と同程度であり得る。   Given a properly designed HARC fiber carrying a high power laser beam without encountering SRS or SBS, determine the effect of core size and shape on the output beam quality of the laser beam propagating along the fiber It is worth doing. If the core end of the HARC fiber becomes reflective due to total internal reflection from the cladding material, and the input radiation meets the core dimensions and NA, the resulting beam quality is inadequate Conceivable. In addition, the output beam quality from such a guide may be inadequate if the emitted beam has a good beam quality but is improperly emitted. As described above, when the following procedure according to one embodiment is utilized, the quality of the output slow axis beam may actually be comparable to the quality of the input beam.

第一に、一の実施例では、ビームはファイバ軸に沿って直接放出される。そのように放出することで、全経路を通じた入力光の発散が保存される。この理由は、遅い軸のコアの端部(ファイバ軸とビームの伝播方向に対して平行である)からの任意の反射が、遅い軸に対する光線の角度傾斜を反転させるが、反射は傾斜角の大きさを増大させないからである。ファイバの高アスペクト比の長方形形状が、遅い軸方向での曲がりに耐えるので、速い軸方向で曲げられるHARCファイバは、遅い軸方向に沿って実効的にまっすぐなままとなる。この事実と特定された放出条件によって、レーザー放射線の入力角度スペクトルは、ファイバ軸に対して対称性を有することが可能となる。従って遅い軸の端部による反射はビームの発散を増大させ得ない。   First, in one embodiment, the beam is emitted directly along the fiber axis. Such emission preserves the divergence of the input light through all paths. The reason for this is that any reflection from the end of the slow axis core (parallel to the fiber axis and the beam propagation direction) reverses the angular tilt of the beam with respect to the slow axis, but the reflection is This is because the size is not increased. Because the high aspect ratio rectangular shape of the fiber withstands bending in the slow axis, HARC fibers that are bent in the fast axis remain effectively straight along the slow axis. This fact and specified emission conditions allow the input angular spectrum of laser radiation to be symmetric with respect to the fiber axis. Thus, reflections at the end of the slow axis cannot increase beam divergence.

第二に、一の実施例では、ビームは、コアの遅い軸の寸法を完全に満たすようにHARCファイバへ入り込むように放出される。良好な入力ビーム品質のため、放出されたビームは、低次の遅い軸のモードのみを励起する。これらの条件下では、回折は入力ビームのスポットサイズを広げず、かつ、実効的なビームサイズは全ファイバ経路を通じて略一定で、コアの幅によってしか制約されない。上述したように、速い軸方向に曲げられるHARCファイバは、複雑な可撓性を有する経路でさえも、遅い軸の曲がりに悩まされない。従って、ファイバの出力端への入力ビームの発散は保存される。このことは、遅い軸のビーム品質(ビーム寸法とビーム発散との積によって表される)は、ファイバの入力端部と出力端部で同一であることを意味する。   Second, in one embodiment, the beam is emitted so that it enters the HARC fiber to fully meet the slow axis dimensions of the core. For good input beam quality, the emitted beam excites only low order slow axis modes. Under these conditions, diffraction does not broaden the spot size of the input beam, and the effective beam size is substantially constant throughout the entire fiber path and is limited only by the width of the core. As mentioned above, HARC fibers that are bent in a fast axial direction do not suffer from slow axis bending, even in complex flexible paths. Thus, the divergence of the input beam to the output end of the fiber is preserved. This means that the slow axis beam quality (expressed by the product of beam size and beam divergence) is the same at the input and output ends of the fiber.

たとえHARCファイバの形状によって、速い軸方向でしか曲がりが起こらないとしても、高出力レーザービームを供給する際に複雑な経路に従うファイバは、速い軸の曲がりだけではなく、ファイバのねじりを必要とする可能性がある。HARCファイバの一部をねじることで、光の焦点をぼかし、かつ、遅い軸の面内でのビーム発散を増大させ得る実効的な負の平板レンズを生成することができる。ファイバ軸が遅い軸方向において実効的にまっすぐである場合でさえも、ねじりは遅い軸のビーム品質について妥協する恐れがある。   Even if the shape of the HARC fiber causes bending only in the fast axis direction, a fiber that follows a complex path when delivering a high-power laser beam requires not only fast axis bending but also fiber twisting. there is a possibility. Twisting a portion of the HARC fiber can produce an effective negative flat lens that can defocus the light and increase beam divergence in the slow axis plane. Even if the fiber axis is effectively straight in the slow axis direction, twisting can compromise the beam quality of the slow axis.

上述の状況では、良好なビーム品質を維持するため、さらなる段階が実装されて良い。第一に、全伝播経路は、純粋に速い軸で曲がりが生じているか、又は、曲がらずに純粋にねじれているかの2種類のファイバリボンの変形の列として設計されて良い。2種類の変形の各々を有する部分は互いに継がれて良い。しかしファイバの任意の所与の部分は1種類の変形しか有してはならない。これらの条件下では、ファイバが実効的にまっすぐで、かつ、ねじれレンズ効果が存在しない純粋に曲がっている領域を介して伝播する間、遅い軸のビーム品質は自動的に保存される。   In the above situation, further steps may be implemented to maintain good beam quality. First, the entire propagation path may be designed as a series of two types of fiber ribbon deformations, with a purely fast axis bending or purely twisting without bending. The parts having each of the two types of deformation may be joined to each other. However, any given part of the fiber must have only one type of deformation. Under these conditions, the slow axis beam quality is automatically preserved while the fiber propagates through a purely bent region where the fiber is effectively straight and there is no torsional lens effect.

第二に、ねじれが誘起するレンズ効果の補償が、ねじれ領域の各々において、負のねじれレンズによってビーム品質の歪みを排除するように実施されて良い。レンズ補償の様々な方法が実施されて良い。たとえば、本願において以降で説明されている2つのレンズ補償方法はいずれも、特許文献3で開示されているように、ファイバコア内に埋め込まれて良い。特許文献3の内容は本願に援用される。補償方法はすべて、ねじれレンズが光学的には、ねじれ領域とねじれ角の両方に依存する焦点距離を有する実効的な負の1D屈折率分布(GRIN)レンズとして動作するという事実に基づいている。補償は、ファイバのねじれた部分を起源とする負のレンズのパワーに等しくて、かつ、反対のレンズパワーを有する正のGRINレンズをねじれた領域のコア内に構築することによって行われて良い。正のレンズ効果は、市販の2DのGRINレンズを生成するのに通常行われているように、遅い軸の屈折率変化をコア内に生成することによって生成されて良い。同様の集束効果もまた、遅い軸方向に沿ってコアの厚さのプロファイルを形成する−具体的にはファイバ軸に沿って中間部ではコアを厚くして、端部付近では狭くする−ことによって生成されて良い。さらに他の補償方法は、ねじれ領域の各端部に1つ以上のシリンドリカルレンズを設けることである。ここでレンズは、ねじれ誘起レンズの焦点外しパワーに等価な正味で正のレンズ効果を生成するように設計される。   Second, compensation for torsion-induced lens effects may be performed in each of the torsional regions to eliminate beam quality distortion with a negative torsion lens. Various methods of lens compensation may be implemented. For example, any of the two lens compensation methods described hereinafter in this application may be embedded in the fiber core as disclosed in Patent Document 3. The contents of Patent Document 3 are incorporated herein by reference. All compensation methods are based on the fact that the twisted lens behaves optically as an effective negative 1D gradient index (GRIN) lens with a focal length that depends on both the twist region and the twist angle. Compensation may be performed by building a positive GRIN lens in the core of the twisted region that is equal to the power of the negative lens originating from the twisted portion of the fiber and that has the opposite lens power. The positive lens effect may be generated by generating a slow axis refractive index change in the core, as is usually done to produce commercially available 2D GRIN lenses. A similar focusing effect also creates a core thickness profile along the slow axis, specifically by making the core thicker in the middle along the fiber axis and narrower near the ends. May be generated. Yet another compensation method is to provide one or more cylindrical lenses at each end of the torsional region. Here the lens is designed to produce a net positive lens effect equivalent to the defocus power of the twist-inducing lens.

上で提案した方法は、入力ビーム品質を犠牲にすることなく複雑で動的に可撓性を有する軌跡を介して多モード入力放射線を輸送するのに有効となり得る。この場合、補償のための極端な許容度は必要ない。その結果、横モード間でのわずかな光学結合が許容される。なぜならわずかな光学結合は光の発散を顕著に増大させず、単純に多くの励起したファイバモード間の位相を最分布させるからである。   The method proposed above can be useful for transporting multi-mode input radiation over complex, dynamically flexible trajectories without sacrificing input beam quality. In this case, extreme tolerance for compensation is not necessary. As a result, slight optical coupling between the transverse modes is allowed. This is because slight optical coupling does not significantly increase the divergence of light and simply redistributes the phase between many excited fiber modes.

一部のファイバ供給の応用は、最高の単一横モードの高出力放射線を供給することを要求すると考えられる。上の段落で説明した動作は、単一横モードの入力放射線にとっては不十分であると思われる。ファイバを撓ませることは依然としてモード混合を伴い得る。なぜなら完全なスケールのシステムにおいてこの効果を排除するための許容度は高すぎて実用的ではないと考えられるからである。従ってたとえ単一の横モードだけがHARCファイバコア入力で結合されるとしても、経路を撓ませることで、高次モードの出力の再分布が誘起される。HARCファイバが損失することなくすべてのモードを案内するので、高次モードは、基本モードと共に出力に存在し、かつ、モード間での干渉が生じる結果、出力ビームの品質について妥協することになる。従って、真に単一モードの放射線を撓んだ多モードファイバを介して供給するには、根本的に異なる方法が必要になると考えられる。   Some fiber delivery applications may be required to deliver the highest single transverse mode high power radiation. The operation described in the above paragraph appears to be insufficient for single transverse mode input radiation. Bending the fiber can still involve mode mixing. This is because the tolerance to eliminate this effect in a full scale system is considered too impractical to be practical. Thus, even if only a single transverse mode is coupled at the HARC fiber core input, deflecting the path induces a redistribution of higher order mode output. Since the HARC fiber guides all modes without loss, higher order modes are present at the output with the fundamental mode and interference between the modes results, which compromises the quality of the output beam. Thus, a fundamentally different approach may be required to deliver truly single mode radiation over a deflected multimode fiber.

高出力レーザービームのファイバビーム供給へのこの根本的に異なる方法は、他の新規な型のファイバ−具体的には半導波性高アスペクト比のコア(SHARC)ファイバ−に基づく。SHARCファイバは、高出力レーザーを生成する増幅器として提案された。SHARCファイバレーザーの例は特許文献4と5で説明されている。特許文献4,5の内容のすべては本願において援用される。   This fundamentally different approach to fiber beam delivery of high power laser beams is based on other novel types of fibers, specifically semi-guided high aspect ratio core (SHARC) fibers. SHARC fibers have been proposed as amplifiers that produce high power lasers. Examples of SHARC fiber lasers are described in US Pat. The entire contents of Patent Documents 4 and 5 are incorporated herein by reference.

図4bは、一の実施例によるSHARCファイバ10の横方向断面の概略図である。ファイバ10は、コア12、信号又は速い軸のクラッド14、モード屈折率整合(NIM)クラッド16、及びコーティング18を有する。コア12は2つの信号クラッド14の間に設けられ、すなわち挟まれる。コア12と信号クラッド14はNIMクラッド16によって取り囲まれる。コーティング18はポンプクラッド16を覆う。一の実施例では、コーティング18はポリマーコーティング又は任意の他の可撓性コーティングであって良い。SHARCファイバ10は、図4bに図示されているように長方形断面を有する。一の実施例では、SHARCファイバ10の長方形コア12は、ファイバ10を透過するレーザー出力及び用途にも依存して、一般的には約30:1〜100:1以上の範囲をとり得るアスペクト比を有する。遅い軸と速い軸は図4bに図示されている。遅い軸は、ファイバ10の長方形断面の長い寸法の方向である。速い軸は、ファイバ10の長方形断面の小さい寸法の方向である。   FIG. 4b is a schematic cross-sectional view of a SHARC fiber 10 according to one embodiment. The fiber 10 has a core 12, a signal or fast axis cladding 14, a mode index matching (NIM) cladding 16, and a coating 18. The core 12 is provided between the two signal claddings 14, i.e., sandwiched. The core 12 and the signal cladding 14 are surrounded by the NIM cladding 16. The coating 18 covers the pump cladding 16. In one example, the coating 18 may be a polymer coating or any other flexible coating. The SHARC fiber 10 has a rectangular cross section as shown in FIG. 4b. In one embodiment, the rectangular core 12 of the SHARC fiber 10 typically has an aspect ratio that can range from about 30: 1 to 100: 1 or more, depending on the laser power transmitted through the fiber 10 and the application. Have The slow axis and the fast axis are illustrated in FIG. 4b. The slow axis is the direction of the long dimension of the rectangular cross section of the fiber 10. The fast axis is the direction of the small dimension of the rectangular cross section of the fiber 10.

図4bに図示されているように、コア12はファイバ10内で中心をとる。その際、垂直軸AAはファイバ10を2つの実質的に同一で対称性を有する半分にわけ、かつ、水平軸BBはファイバ10を2つの実質的に同一で対称性を有する半分にわける。しかしすぐにわかるように、コア12及び/又はクラッド14はファイバ10内で中心をとる必要はない。たとえば一の実施例では、コア12とクラッド14はファイバ10の対称軸BBからオフセットされて良い(たとえばコア12とクラッド14は、コーティング18の上部又は下部に近づくようにファイバ10の「上部」又は「下部」に設けられて良い)。あるいはその代わりに又はそれに加えて、コア12はファイバ10の対称軸AAからオフセットされて良い(たとえばコア12とクラッド14は、コーティング18の左側部又は右側部に近づくようにファイバ10の左側又は右側に設けられて良い)。   As shown in FIG. 4 b, the core 12 is centered within the fiber 10. The vertical axis AA then divides the fiber 10 into two substantially identical and symmetric halves, and the horizontal axis BB divides the fiber 10 into two substantially identical and symmetric halves. However, as will be readily appreciated, the core 12 and / or cladding 14 need not be centered within the fiber 10. For example, in one embodiment, the core 12 and the cladding 14 may be offset from the axis of symmetry BB of the fiber 10 (eg, the core 12 and the cladding 14 may be “top” of the fiber 10 to approach the top or bottom of the coating 18 or It may be provided at the “bottom”). Alternatively or in addition, the core 12 may be offset from the axis of symmetry AA of the fiber 10 (eg, the core 12 and the cladding 14 are on the left or right side of the fiber 10 to approach the left or right side of the coating 18). May be provided).

HARCファイバ11の場合ように、SHARCファイバ10は、非常に大きな面積(たとえば最大30000μm以上)を有する高アスペクト比の長方形コア12を特定することによって、従来のLMAファイバから区別される。コア12の面積は、他の寸法(速い軸方向)をLMAコアの本来の半径と略同一に維持しながら、一の寸法(遅い軸方向)のみでコア12を伸張することによって増大する。コア12は、半導波性となるように設計される。そのため、全内部反射(TIR)による従来の屈折率導波が、クラッド14とコア12との間の界面で長方形コアの2つの大きな表面に沿って起こる。その一方で、遅い軸方向の狭いコアの端部13はTIRを支援しないように設計される。一の実施例では、コア−端部の境界13での屈折率のステップは十分小さい−たとえば500ppm未満(たとえば10―4)−ので、その結果、高次のコアモードは、(遅い軸方向に沿って)コア外部で自由に回折する。よってすべての広い軸の横電磁モード(つまり遅い軸に沿ったモード)はコア端部13を介した放射線の損失に悩まされる。半導波性コアを生成するために特定のファイバ構造を参照しながらSHARCファイバ10が説明されているが、他の構造も、同一の半導波性特性を生成するのに用いられ得ることは容易にわかる。 As with the HARC fiber 11, the SHARC fiber 10 is distinguished from conventional LMA fibers by identifying a high aspect ratio rectangular core 12 having a very large area (eg, up to 30000 μm 2 or more). The area of the core 12 is increased by stretching the core 12 with only one dimension (slow axial direction) while maintaining other dimensions (fast axial direction) approximately the same as the original radius of the LMA core. The core 12 is designed to be semi-waveguide. Thus, conventional refractive index guiding by total internal reflection (TIR) occurs along the two large surfaces of the rectangular core at the interface between the cladding 14 and the core 12. On the other hand, the slow axial narrow core end 13 is designed not to support TIR. In one embodiment, the refractive index step at the core-edge boundary 13 is small enough—eg, less than 500 ppm (eg, 10 −4 ) —so that higher order core modes are (in the slow axis direction) Along) freely diffracts outside the core. Thus, all wide axis transverse electromagnetic modes (ie modes along the slow axis) suffer from radiation loss through the core end 13. Although the SHARC fiber 10 has been described with reference to a particular fiber structure to create a semi-waveguide core, it is possible that other structures can be used to produce the same semi-waveguide characteristics. Easy to understand.

SHARCファイバ10がHARCファイバ11と共有する一の特性は、たとえコア12の面積が非常に大きく(>30000μm)なりえても、速い軸に沿ったファイバの外部寸法は相対的に小さい(たとえば約500μmを超えない)ことである。それに加えて、一の実施例では、速い軸に沿ったコア12の開口数NAは、相対的に小さい。たとえば約15〜25μmのコアの厚さでは約0.06である。この値は、妥当な曲がり半径の下で速い軸のクラッドを介して信号が外へ漏れるのを防止するのに十分である。これらの条件下では、SHARCファイバ10は速い軸方向において機械的に可撓性を有し、かつ、SHARCファイバ10は本質的に、基本モードの損失を生じさせることなくこの方向において撓み、又は、コイルを構成し得る。対照的に、前段落で説明したように、直径が非常に大きくて低NAの環状コアを有する「ロッド状」ファイバは、曲がりに対して極端に敏感で、かつ、ビーム品質を犠牲にせず、かつ、大きな回折損失に悩まされることなく低損失コイルを構成し得る。従って、適切に整合した速い軸のコアの厚さとNAを供しながら、曲がり可能にして、かつ、機械的可撓性を有することによって、SHARCファイバ10は、高出力レーザーのファイバ供給の候補となる基準の少なくとも一部を満足する。
これらの基準に加えて、HARCファイバについて前述したように、SHARCファイバ10は、誘導ラマン散乱又は誘導ブリルアン散乱の閾値を上昇させることによって、SRS又はSBSを実質的に起こすことなくレーザー出力供給の要求を満たすのに十分なサイズのコア面積を供する。
One characteristic that the SHARC fiber 10 shares with the HARC fiber 11 is that the external dimension of the fiber along the fast axis is relatively small (eg, approximately about 30000 μm 2 ), even if the core 12 area can be very large (> 30000 μm 2 ). (Not exceeding 500 μm). In addition, in one embodiment, the numerical aperture NA of the core 12 along the fast axis is relatively small. For example, a core thickness of about 15 to 25 μm is about 0.06. This value is sufficient to prevent the signal from leaking out through the fast shaft cladding under a reasonable bend radius. Under these conditions, the SHARC fiber 10 is mechanically flexible in the fast axial direction and the SHARC fiber 10 inherently bends in this direction without causing fundamental mode loss, or A coil may be constructed. In contrast, as explained in the previous paragraph, a “rod-like” fiber with a very large diameter and low NA annular core is extremely sensitive to bending and does not sacrifice beam quality, In addition, a low loss coil can be configured without suffering from a large diffraction loss. Thus, by providing bendability and mechanical flexibility while providing a properly aligned fast axis core thickness and NA, the SHARC fiber 10 is a candidate for high power laser fiber delivery. Satisfy at least some of the criteria.
In addition to these criteria, as previously described for the HARC fiber, the SHARC fiber 10 requires a laser power supply requirement without substantially causing SRS or SBS by raising the threshold for stimulated Raman scattering or stimulated Brillouin scattering. Provide a sufficiently large core area to satisfy

さらなる基準は、SHARCファイバ10が、入力レーザービームの出力とビーム品質を劣化させることなく相対的に高出力のレーザービームを供給することができるか否かを判断することである。SHARCファイバ10は本質的に、その独自のコア設計のため確かな動作をすることができる。従来の波長に基づくモード除去−これは多モード波長では有効ではないため、深刻な劣化を起こした出力ビームを得ることになる−に依拠する代わりに、SHARCファイバ10は、コア端部13による影響を受けないビーム伝播を当然可能にする遅い軸方向において十分広いコアを有することに依拠している。   A further criterion is to determine whether the SHARC fiber 10 can provide a relatively high power laser beam without degrading the output and beam quality of the input laser beam. The SHARC fiber 10 can essentially operate reliably due to its unique core design. Instead of relying on conventional wavelength-based mode rejection—which is not effective at multimode wavelengths, it will result in a severely degraded output beam—the SHARC fiber 10 is affected by the core end 13. It relies on having a sufficiently wide core in the slow axis direction that naturally allows unacceptable beam propagation.

コリメートされた入力ビームが、フレネル長さLFr〜W n/λがファイバ長さL(ここでnはコア12の屈折率で、かつ、λはレーザーの波長)を超える程度に十分大きな遅い軸のビーム幅wをコア12の内部で有する場合で、かつ、コア12の材料が光学的に均一である場合、ビームは、コア端部からの反射を受けない。その結果、コリメートされた出力ビームは入力ビームの品質を保持する。それに加えて、モデルが示し、かつ、実験が保証しているように、速い軸方向においてSHARCファイバ10を曲げても、遅い軸方向でのビームの品質は影響を受けない。この事実の一の理由は、コアのアスペクト比が非常に高いために、遅い軸方向と速い軸方向に沿った回折過程の分離が容易になるためである。任意の生じ得る不完全性が波面歪を誘起する場合、又は、他の過程が、本来のレーザービームプロファイルからより発散した光線となるように放射線を散乱させる場合、「損失フィルタリング(loss filtering)」による浄化が、ビーム品質の低下を防止するのを助ける。損失フィルタリングは、発散光を表す高次横電磁モードが、所望である本来の最低次横電磁モードよりも、より強く回折して半導波性コア領域の外部へ漏れることを利用する。この漏れは、コア端部13の各側部での発散する3つの矢印として図4において概略的に示されている。SHARCファイバ増幅器とレーザーにおけるモード制御への損失フィルタリングの適用は、特許文献5において詳細に説明されている。特許文献5の内容は本願に援用される。 The collimated input beam is large enough so that the Fresnel length L Fr to W b 2 n / λ exceeds the fiber length L (where n is the refractive index of the core 12 and λ is the wavelength of the laser) If the core 12 has a slow axis beam width w b and the material of the core 12 is optically uniform, the beam will not be reflected from the end of the core. As a result, the collimated output beam retains the quality of the input beam. In addition, bending the SHARC fiber 10 in the fast axial direction does not affect the quality of the beam in the slow axial direction, as the model shows and experiments warrant. One reason for this fact is that the very high aspect ratio of the core facilitates the separation of diffraction processes along the slow and fast axis directions. “Loss filtering” if any possible imperfections induce wavefront distortion, or if other processes scatter the radiation into a more divergent ray from the original laser beam profile. The purification by prevents the beam quality from being deteriorated. Loss filtering utilizes the fact that higher order transverse electromagnetic modes representing divergent light diffract more strongly than the desired lowest order transverse electromagnetic mode and leak out of the semi-waveguide core region. This leakage is shown schematically in FIG. 4 as three diverging arrows on each side of the core end 13. The application of loss filtering to mode control in SHARC fiber amplifiers and lasers is described in detail in US Pat. The contents of Patent Document 5 are incorporated herein by reference.

SHARCファイバ10は、薄い速い軸方向に沿って単一モードとなるか、又は、LMAファイバの箇所で前述した方法と同一のコイルを構成する方法を用いることによってこの速い軸において実効的に単一モードなるように構成される。後者の場合、平板コア12の厚さは、相対的に小さくなり、同時に速い軸方向に沿ったコア12の開口数NAを減少させることで、多数の案内された速い軸のモードを1〜数個のモードに減少させる。速い軸方向においてコイルを形成することに固有なファイバの曲がりによって、モードは浄化する。つまり高次の速い軸モードは除去され、かつ、本質的には、基本横電磁モードだけが放射損失せずに伝播する。しかし、コイルを構成することは、ファイバが静的コイルを構成する場合には単一モードを維持する十分な能力を有するが、ビーム供給応用では、適切なコイル直径が動的動作中常に維持されるのは容易ではない。従って速い軸方向において単一モードとなるようにファイバを設計することが好ましい。   The SHARC fiber 10 is single mode along the thin fast axis, or is effectively single in this fast axis by using the same coil construction method described above at the LMA fiber location. Configured to be a mode. In the latter case, the thickness of the flat core 12 is relatively small, and at the same time, by reducing the numerical aperture NA of the core 12 along the fast axis direction, a number of guided fast axis modes can be reduced to 1 to several. Reduce to 1 mode. The mode is cleared by the fiber bend inherent in forming the coil in the fast axial direction. That is, the higher order fast axis modes are eliminated, and essentially only the fundamental transverse electromagnetic mode propagates without radiation loss. However, configuring the coil has sufficient ability to maintain a single mode if the fiber configures a static coil, but for beam delivery applications, the appropriate coil diameter is always maintained during dynamic operation. It is not easy to do. It is therefore preferable to design the fiber so that it is single mode in the fast axial direction.

SHARCファイバ10の能動的なバージョンでは、遅い軸のモード制御は、(i)損失フィルタリング、及び、(ii)利得フィルタリングの2つの相補的な機構の組み合わせを利用することによって実現される。損失フィルタリング機構は、すべての遅い軸のモードが、「開放された」コア端部13を介してクラッド16へ入射する放射線の損失を受けるという事実に基づく。低次横電磁モード伝播の損失よりも大きな高次横電磁モードの損失を与えることで、SHARCファイバ10内において遅い軸に沿った高次横電磁モードを実質的に除去するように、屈折率ステップ(クラッド16の屈折率とコア12の屈折率との間の屈折率差)は、略ゼロに設計される。放射線損失はモードに強く依存し、他よりも損失の少ない基本モードを好む。利得フィルタリング機構は、遅い軸方向において利得ストライプ幅をコアの幅よりも狭くなるように設計することによって実現される。係る利得ストライプによるモードの重なりは、任意の高次の遅い軸モードよりも基本モードではるかに大きくなる。その結果、基本の遅い軸モードで顕著に利得が改善される。SHARCファイバ10の伝播についての詳細な研究によって、複数の最低次横電磁モードについて前述したモード依存損失及び利得識別又はフィルタリングが定量化された。これらの研究は、損失識別が、能動ファイバの所望のモード制御を実現するのに適切であることを保証する。   In the active version of SHARC fiber 10, slow axis mode control is achieved by utilizing a combination of two complementary mechanisms: (i) loss filtering and (ii) gain filtering. The loss filtering mechanism is based on the fact that all slow axis modes experience a loss of radiation incident on the cladding 16 via the “open” core end 13. Refractive index step so as to substantially eliminate higher order transverse electromagnetic modes along the slow axis in SHARC fiber 10 by providing higher order transverse electromagnetic mode losses greater than the loss of lower order transverse electromagnetic mode propagation. (Refractive index difference between the refractive index of the clad 16 and the refractive index of the core 12) is designed to be substantially zero. Radiation loss depends strongly on the mode, and prefers the fundamental mode with less loss than others. The gain filtering mechanism is realized by designing the gain stripe width to be narrower than the core width in the slow axis direction. The mode overlap due to such gain stripes is much larger in the fundamental mode than in any higher order slow axis mode. As a result, the gain is significantly improved in the basic slow axis mode. Detailed studies on the propagation of the SHARC fiber 10 have quantified the mode-dependent loss and gain discrimination or filtering described above for multiple lowest order transverse electromagnetic modes. These studies ensure that loss identification is adequate to achieve the desired mode control of the active fiber.

SHARCファイバ10が受動的−レーザーの伝播と供給の場合−となるように構成される場合、SHARCファイバ10内には利得媒体が存在しないので、利得フィルタリングモード制御機構は全体として有効ではなくなる。しかし損失フィルタリングは、コア12を介して伝播する間に生成され得る任意の高次の遅い軸のモードを除去するのに用いられて良い。   When the SHARC fiber 10 is configured to be passive—in the case of laser propagation and delivery—since there is no gain medium in the SHARC fiber 10, the gain filtering mode control mechanism is not effective overall. However, loss filtering may be used to remove any higher order slow axis modes that may be generated while propagating through the core 12.

しかし損失フィルタリング機構は限られた機能しか供さない。損失フィルタリングは、SHARCファイバ10内で伝播する高次横電磁モードを除去するのに用いられ得るが、ある限度内でしか用いられ得ない。たとえば、遅い軸のコアの幅が約2mmの場合では、最低次のモードは、約0.004m−1の伝播損失率αを有する。これは10mの供給長さでは約4%に達する。モードmの損失率αは、遅い軸のモード数の2乗に対して変化する、つまりαはα(m+1)に比例する(m=0,1,2,3...)ので、モード1と2の損失率をそれぞれ表すαとαは、それぞれ0.016m−1と0.036m−1である。それらの値はそれぞれ10mのファイバ長での約15%と約30%に損失に相当する。そのような損失は無視できないものではないが、90%を超える重大な損失つまりは最も有効な横電磁モード識別は、m>5の高次モードでしか起こらない。従って、基本横電磁モードがコア12を介して伝播する際に歪められる場合、高次の遅い軸の収差は実効的にフィルタリングされるが、低次収差は出力ビーム中に残ることで、伝送されたビームの品質が低下する。 However, the loss filtering mechanism provides limited functionality. Loss filtering can be used to remove higher order transverse electromagnetic modes propagating in the SHARC fiber 10, but can only be used within certain limits. For example, for a slow axis core width of about 2 mm, the lowest order mode has a propagation loss rate α 0 of about 0.004 m −1 . This reaches about 4% for a supply length of 10 m. The loss rate α m of the mode m changes with respect to the square of the slow axis mode number, that is, α m is proportional to α 0 (m + 1) 2 (m = 0, 1, 2, 3,...). since mode 1 and alpha 1 and alpha 2 respectively representing the loss factor of 2 each 0.016 M -1 and 0.036 m -1. These values correspond to losses of about 15% and about 30% for a fiber length of 10 m, respectively. Such losses are not negligible, but significant losses in excess of 90% or the most effective transverse electromagnetic mode discrimination occurs only in higher order modes with m> 5. Thus, when the fundamental transverse electromagnetic mode is distorted as it propagates through the core 12, higher order slow axis aberrations are effectively filtered, while lower order aberrations remain in the output beam and are transmitted. The quality of the beam is reduced.

伝送されたビームにおける低次収差を緩和又は実質的に除去するための多数の方法が特定されている。以降の段落で説明されるこれらの方法は、所望の効果を実現するために別個に用いられても良いし、又は、組み合わせて用いられて良い。   A number of methods have been identified for mitigating or substantially eliminating low order aberrations in the transmitted beam. These methods described in the following paragraphs may be used separately or in combination to achieve the desired effect.

第一に、一の実施例では、遅い軸方向におけるコア12の幅は、損失因子がm=1のモード(つまり第1の高次モード)で十分高くなる最適値にまで減少し得る。モデルは、コアの遅い軸の端部13を介する放射損失率αが幅wの3乗に対して変化する、つまりαが1/wに比例することを示している。この理由のため、2mmではなく1.2mmのコア幅wが用いられる場合、損失率αは、すべてのモードで4.6倍増大する。その結果、10mの伝播後での高次横電磁モードの伝送損失は、m=1では約53%増大し、かつ、m=2では約82%増大する。損失は、m=2では95%を超えて非常に強くなる。係る損失の識別はモードの「浄化」(つまり高次モードの識別)にとっては十分となり得る。それにより、基本横電磁モードのみがSHARCファイバ10へ放出され、その一方で、基本横電磁モードがコア12内の光学不完全性を介して伝播する場合には、その基本横電磁モードをきっかけとして高次横電磁モードが生じるという事実が考慮される。しかしこの方法の一の課題は、ビーム品質を改善するためのコストが、低次基本横電磁モードの放射損失の増大となることである。たとえば約1.2mmの幅を有するコア12と、約10mの長さを有するファイバ10では、クラッド16への基本横電磁モードの損失は約18%にも達する。 First, in one embodiment, the width of the core 12 in the slow axis direction can be reduced to an optimum value that is sufficiently high in a mode with a loss factor of m = 1 (ie, the first higher order mode). The model shows that the radiation loss rate α m through the slow axis end 13 of the core varies with the cube of the width w, ie α m is proportional to 1 / w 3 . For this reason, the loss rate α m increases 4.6 times in all modes when a core width w of 1.2 mm is used instead of 2 mm. As a result, the transmission loss in the higher order transverse electromagnetic mode after 10 m propagation increases by about 53% at m = 1 and by about 82% at m = 2. The loss becomes very strong, exceeding 95% at m = 2. Such loss identification may be sufficient for mode “purification” (ie, higher order mode identification). As a result, only the fundamental transverse electromagnetic mode is emitted to the SHARC fiber 10, while when the fundamental transverse electromagnetic mode propagates through the optical imperfection in the core 12, the fundamental transverse electromagnetic mode is triggered. The fact that higher order transverse electromagnetic modes occur is taken into account. However, one problem with this method is that the cost to improve beam quality results in increased radiation loss in the low order fundamental transverse electromagnetic mode. For example, in the core 12 having a width of about 1.2 mm and the fiber 10 having a length of about 10 m, the loss of the fundamental transverse electromagnetic mode to the cladding 16 reaches about 18%.

第二に、伝播損失は、信号ビームが損失を生じさせやすいコア端部へ入射するときに起こるので、損失は、ビームがコア端部13に到達しない程度に十分コア12を広くすることによって除去され得る。この状況は、以下の条件が満たされる場合に実現され得る。
(a) コア12内部の入力ビーム幅wでは、ファイバ長さLは、フレネル範囲LFr〜w n/λ未満に特定される。
(b) コア材料は実質的に光学的に均一である。
(c) コアの幅wは、ファイバの出力端での回折信号の幅を超える。
(d) 任意のねじれが誘起する遅い軸のレンズ効果の焦点外し効果は、特定のモードサイズに対応する回折効果と比較して弱い。この条件は、ねじり角が小さいためか、又は、負のねじれレンズが正確に補償されるために生じ得る。
Second, since propagation loss occurs when the signal beam is incident on the core end where loss is likely to occur, the loss is eliminated by widening the core 12 sufficiently that the beam does not reach the core end 13. Can be done. This situation can be realized if the following conditions are met.
(A) In the input beam width w b inside the core 12, the fiber length L is specified to be less than the Fresnel range L Fr to w b 2 n / λ.
(B) The core material is substantially optically uniform.
(C) The core width w exceeds the width of the diffraction signal at the output end of the fiber.
(D) The defocus effect of the slow axis lens effect induced by arbitrary twist is weak compared to the diffraction effect corresponding to a particular mode size. This condition can occur because the torsion angle is small or because negative torsion lenses are accurately compensated.

たとえば約10mの長さを有するSHARCファイバ10では、上述の条件を満たすように、入力ビーム幅wは2.2mmを超えるように選ばれ、かつ、コア12の幅は3mmを超えるように選ばれる。光学均一性は、モード歪みが最小の高性能ファイバを実現するための一般的な条件であるため、条件(b)はSHARCファイバ10にとって固有ではない。 For example, in the SHARC fiber 10 having a length of about 10 m, the input beam width w b is selected to exceed 2.2 mm and the width of the core 12 is selected to exceed 3 mm so as to satisfy the above-described conditions. It is. Since optical uniformity is a common condition for realizing a high performance fiber with minimal mode distortion, condition (b) is not unique to the SHARC fiber 10.

以降の段落において(S)HARCファイバと総称するHARCファイバとSHARCファイバのいずれについても、2つの別個のモード歪み源が制御される必要がある。第1の歪み源はコアの光学不完全性である。そのような不完全性は、コアを構成するガラス(たとえばシリカ)の不均一性又はコアの不正確な形状−特にコアの厚さのゆらぎ−のいずれかに起因して生じ得る。コアのガラス材料の正確な選択と精製は、線引き処理中での温度均一性の正確な制御と共に、最高のコア−ガラス均一性を実現するために通常用いられる。しかし任意のコア不完全性が波面歪みを誘起する場合、又は、他の過程が、本来のビームプロファイルからより発散した光線となるように放射線を散乱させる場合、SHARCファイバ内での損失フィルタリングによる浄化という選択肢は、出力ビーム中でのビーム品質の低下を防止することを助ける。   For both the HARC fiber and the SHARC fiber, collectively referred to as (S) HARC fiber, in the following paragraphs, two separate mode distortion sources need to be controlled. The first strain source is the optical imperfection of the core. Such imperfections can be caused by either the non-uniformity of the glass (e.g. silica) constituting the core or the inaccurate shape of the core-in particular the fluctuations in the thickness of the core. Accurate selection and refining of the core glass material is usually used to achieve the best core-glass uniformity, with precise control of temperature uniformity during the drawing process. However, if any core imperfections induce wavefront distortion, or if other processes scatter the radiation to make it more divergent from the original beam profile, then cleanup by loss filtering in the SHARC fiber This option helps to prevent beam quality degradation in the output beam.

第2の光学歪み源はファイバの変形である。ファイバの変形は以下のようにして抑制することができる。第一に、ファイバ10,11の平板ファイバコア12,42はそれぞれ、速い軸方向において純粋に単一モードとなり得る。これにより、速い軸のモードのプロファイルは、その速い軸方向に沿った任意の曲がりに対して感受性を有しなくなり得る。第二に、モデルが示し、かつ、実験が保証しているように、速い軸方向において(S)HARCファイバを曲げても、遅い軸のビーム品質に有害な影響は生じない。上述したように、この事実の一の理由は、アスペクト比が非常に大きくなることで、遅い軸方向に沿った回折過程と速い軸方向に沿った回折過程の完全な分離が促進されるからである。しかし遅い軸方向においてコア12,42を曲げることで、遅い軸のビーム品質が損なわれる恐れはある。この理由のため、ファイバ10,11が遅い軸で曲がらないようにする別な手当がとられてよい。一の実施例では、これはたとえば、ファイバ10,11が、長方形コア12,42(たとえば図4a及び図4bに図示されているように)及び長方形の外形を有することを特定することによって実現され得る。一の実施例では、この目的のためには、ファイバ10,11の外形のアスペクト比(つまりファイバ10,11の幅と高さとの比)は3以上で十分となり得る。これにより、ファイバ10,11の全体はリボンとして振る舞う。その結果ファイバ10,11の全体は、速い軸方向での曲がりとねじれに対して容易に適合するが、遅い軸方向での変形には強く抵抗する。   The second optical strain source is fiber deformation. The deformation of the fiber can be suppressed as follows. First, the flat fiber cores 12, 42 of the fibers 10, 11 can each be purely single mode in the fast axial direction. This may cause the fast axis mode profile to be insensitive to any bend along its fast axis direction. Second, as the model shows and experiments have warranted, bending (S) HARC fiber in the fast axis direction has no detrimental effect on the beam quality of the slow axis. As mentioned above, one reason for this fact is that the very large aspect ratio facilitates complete separation of the diffraction process along the slow axis and the diffraction process along the fast axis. is there. However, bending the cores 12 and 42 in the slow axis direction may impair the slow axis beam quality. For this reason, another allowance may be taken to prevent the fibers 10, 11 from bending on a slow axis. In one embodiment, this is accomplished, for example, by specifying that the fibers 10, 11 have a rectangular core 12, 42 (eg, as illustrated in FIGS. 4a and 4b) and a rectangular profile. obtain. In one embodiment, an aspect ratio of the outer shape of the fibers 10 and 11 (ie, the ratio of the width and height of the fibers 10 and 11) of 3 or more may be sufficient for this purpose. Thereby, the whole fibers 10 and 11 behave as ribbons. As a result, the fibers 10 and 11 as a whole are easily adapted to bending and twisting in the fast axial direction, but strongly resist deformation in the slow axial direction.

モデルと実験は一貫して、(S)HARCファイバ10、11が実質的に遅い軸のビーム品質に影響を及ぼさない一方で、ねじれは、レーザービームにさらなる発散を誘起させることで、ファイバ10,11は、遅い軸方向のみに影響を及ぼす実効的な負レンズとして機能することを示している。一の実施例では、実効的な負レンズの焦点長Fは、F=−ΔL/φで変化する。ここで、ΔLはねじれ長さで、かつ、φは長さΔLにわたって積分されたねじれ角である。ファイバ10,11の別個の領域内で生成されるねじれが誘起するレンズは、ねじれが同一方向であるのか否かにかかわらず、個々のレンズの総和である結合レンズを与えることができる。従って一の実施例では、リボンファイバ10,11が、ファイバの全長Lに沿って均一なねじれを受ける場合、積分されたねじれ角は、ファイバ長よりもはるかに長い焦点長(つまりF>>L)を維持するため、及び、レンズ効果に基づく信号ビームの焦点外しを抑制するため、約0.3ラジアン未満でなければならない。同一の表式は、大きい全体的なねじれに適合するようにファイバの短い部分にわたってねじれを局在化すること、ΔL<<L、は、強い負の平板レンズを生成するため、望ましくないことを示している。 The model and experiment are consistently that (S) HARC fibers 10,11 do not affect the beam quality of the substantially slow axis, while twisting induces further divergence in the laser beam, thereby causing the fibers 10, 11 shows that it functions as an effective negative lens that affects only the slow axis direction. In one embodiment, the effective negative lens focal length F varies with F = −ΔL / φ 2 . Here, ΔL is the twist length, and φ is the twist angle integrated over the length ΔL. A twist-induced lens generated in separate regions of the fibers 10, 11 can provide a coupled lens that is the sum of the individual lenses, regardless of whether the twist is in the same direction. Thus, in one embodiment, if the ribbon fibers 10, 11 undergo a uniform twist along the entire length L of the fiber, the integrated twist angle is much longer than the fiber length (ie F >> L). ) And to suppress defocusing of the signal beam based on the lens effect, it must be less than about 0.3 radians. The same expression is to localize the twist over a short portion of the fiber to fit a large overall twist, ΔL << L is undesirable because it produces a strong negative flat lens. Show.

従って、高品質のレーザービームの伝送を保証する他の方法は、ビーム供給が欠陥を有するまっすぐではない経路を介してなされる場合に、ファイバ10,11の軌跡とねじれを最適化することである。すべての用途について普遍的に最適なファイバの軌跡を定めることはできない。なぜなら軌跡は、特定の経路の形状と入力マウントと出力マウントの位置に依存するからである。最適化の目的は、軌跡が一連の曲がりを含むようにファイバ10,11を調節することによって局所的なねじれを緩和するように、ファイバ10,11に沿って変形を分配することである。ファイバ10,11に沿って変形を分配することによって、全体的なねじれは抑制され、かつ、ねじれ率は可能な限り滑らかになるようにファイバ10,11に沿って分配され得る。   Thus, another way to ensure the transmission of a high quality laser beam is to optimize the trajectory and twist of the fibers 10, 11 when the beam delivery is made through a non-straight path with defects. . A universally optimal fiber trajectory cannot be defined for all applications. This is because the trajectory depends on the shape of a specific path and the positions of the input mount and output mount. The goal of optimization is to distribute the deformation along the fibers 10 and 11 so as to alleviate local twists by adjusting the fibers 10 and 11 so that the trajectory includes a series of bends. By distributing the deformation along the fibers 10, 11, the overall twist can be suppressed and the twist rate can be distributed along the fibers 10, 11 to be as smooth as possible.

さらに他の方法が、ねじれ誘起レンズに対処するように特別に用いられて良い。供給ファイバのねじれが不可避である場合、設計は、ファイバのねじれた部分が、ファイバの出力端付近のファイバ長δLにわたって生じるように改良されて良い。続いてこの長さは、ねじれ誘起焦点長Fに関連づけられる固有歪み長さLdistよりも短くなるように指定される。具体的には、δL<Ldist〜wcore/δθである。ここで、δθ=(w/2F)はねじれ誘起発散角で、wcoreとwはコアの幅とビームの幅を表し、かつ、F=δL/φは、ねじれ角φに係る負レンズの焦点距離である。δLに関する後者の条件は、コアがビームサイズと比較して十分広い場合、wcore>wφ、に満たされる。これは、ねじれ角φが0.5ラジアン未満で小さい場合には容易に満たされるが、ねじれ角が45°を超える場合には、拡張されたコアの幅、wcore>wb、を必要とする。係る幾何学形状の出力ビームは歪められないが、曲率を有する波面を伝える。よって、ビームのコリメーションを保持するさらなる光学系が必要となる。(静的な供給ファイバ経路用の)位置が固定された又は(動的な供給ファイバ経路用の)位置が調節可能な外部の円筒形を有する遅い軸のレンズが、ねじれレンズの残留効果を除去するためにファイバ出力で加えられて良い。 Still other methods may be used specifically to deal with twist-inducing lenses. If twisting of the supply fiber is unavoidable, the design may be improved so that the twisted portion of the fiber occurs over the fiber length δL near the output end of the fiber. This length is then specified to be shorter than the intrinsic distortion length L dist associated with the twist-induced focal length F. Specifically, it is δL <L dist ~w core / δθ F. Where δθ F = (w b / 2F) is the twist-induced divergence angle, w core and w b are the core width and beam width, and F = δL / φ 2 is related to the twist angle φ. The focal length of the negative lens. The latter condition for δL is satisfied if w core > w b φ 2 if the core is sufficiently wide compared to the beam size. This is easily met if the twist angle φ is less than 0.5 radians, but if the twist angle exceeds 45 °, it requires an expanded core width, w core > w b To do. Such geometrically shaped output beams are not distorted but carry a wavefront with curvature. Therefore, an additional optical system that maintains beam collimation is required. Slow axis lens with fixed cylindrical position (for static feed fiber path) or adjustable position (for dynamic feed fiber path) eliminates residual effects of twisted lens Can be added at the fiber output to do this.

前段落において、(S)HARCビーム供給ファイバ10,11が、入力信号に匹敵するビーム品質を有する出力ビームを与えるように構成される様々な方法が説明された。しかしSHARCファイバの選択肢については、これらの方法の一部は、信号又は放射線出力の一部の損失を引き起こす恐れがある。これらの放射線損失は単純に、コア内部よりもむしろクラッド内部に残る出力を表す。これらの放射線損失は、放散されなければならないファイバ内部の熱を表さない。従ってクラッド内部で「失われる」光学出力はファイバから取り出されて良い。   In the previous paragraph, various methods have been described in which (S) HARC beam delivery fibers 10, 11 are configured to provide an output beam having a beam quality comparable to the input signal. However, for SHARC fiber options, some of these methods can cause some loss of signal or radiation output. These radiation losses simply represent the power remaining inside the cladding rather than inside the core. These radiation losses do not represent the heat inside the fiber that must be dissipated. Thus, optical power “lost” inside the cladding may be extracted from the fiber.

クラッドから信号出力を除去する複数の方法が存在する。一の実施例ではたとえば、外側表面でのクラッド16の開口数NAは低く設計される。それによりコアから失われる出力のほとんどは、完全にファイバ10を飛び出すことが可能となる。あるいはその代わりに、他の実施例では、シリカ製の継ぎ輪が、ファイバ10の長さに沿って周期的にファイバ10の周りに取り付けられ、又は、ファイバ10に結合されて良い。一の実施例では、継ぎ輪は、クラッド16から出力を取り出し、かつ、その出力を適切な吸収体へ案内するため、SHARCファイバ10のクラッド16に対して屈折率整合して良い。換言すると、継ぎ輪の屈折率は、クラッド16の屈折率と実質的に等しい。   There are several ways to remove the signal output from the cladding. In one embodiment, for example, the numerical aperture NA of the cladding 16 at the outer surface is designed low. As a result, most of the power lost from the core can be completely ejected from the fiber 10. Alternatively, in other embodiments, a silica splice can be periodically attached around or coupled to the fiber 10 along the length of the fiber 10. In one embodiment, the splice ring may be index-matched to the clad 16 of the SHARC fiber 10 to extract the output from the clad 16 and to guide the output to a suitable absorber. In other words, the refractive index of the joint ring is substantially equal to the refractive index of the clad 16.

高出力の応用では、クラッド16内の光学出力を取り出す一の方法は以下である。第一には、SHARCファイバ10は、ガラスファイバ表面を保護するコーティング18(たとえばポリマーコーティング)を有する。一の実施例では、ポリマーコーティングは、信号波長で高い透過率となるように選ばれて良い。その結果、クラッド16内での出力は、コーティング18によって吸収されることなくファイバ10を飛び出すことが可能となる。   For high power applications, one way to extract the optical output in the cladding 16 is as follows. First, the SHARC fiber 10 has a coating 18 (eg, a polymer coating) that protects the glass fiber surface. In one embodiment, the polymer coating may be chosen for high transmission at the signal wavelength. As a result, the output in the cladding 16 can jump out of the fiber 10 without being absorbed by the coating 18.

第二の方法は、対流によって出力を除去するように構成され得る水冷被筒内部にファイバ10を含めることである。上述の方法が、たとえば0.016m−1のような高い損失率の場合にも適切であることを保証するために解析が実行された。ファイバコア12から失われる光学出力は、ファイバから冷却被筒を介して対流によって輸送される出力qcoolantと等しくなるように設定された。ファイバコア12から失われる光学出力は式(4)によって与えられる。冷却被筒を介してファイバ10から対流によって輸送される出力は式(5)によって与えられる。 The second method is to include the fiber 10 inside a water-cooled jacket that can be configured to remove power by convection. An analysis was performed to ensure that the method described above was appropriate even for high loss rates, such as 0.016 m −1 . The optical power lost from the fiber core 12 was set to be equal to the output q colant transported from the fiber by convection through the cooled cylinder. The optical power lost from the fiber core 12 is given by equation (4). The power transported by convection from the fiber 10 through the cooling sleeve is given by equation (5).

Figure 2016509698
ここで、Pinは入力放射出力に対応し、Poutは出力放射出力に対応し、αはファイバ10の放散率で、Lはファイバ10の長さで、Cはファイバ10の周辺の流体の熱容量で、dm/dtは流体の質量流で、ΔTは入力での流体と出力での流体との温度差に対応し、ρは冷却流体の密度で、Aは流体流の断面積で、かつ、Uは流体の流速である。
Figure 2016509698
Here, P in corresponds to the input radiation output, P out corresponds to the output radiation output, α is the dissipation factor of the fiber 10, L is the length of the fiber 10, and C p is the fluid around the fiber 10. Dm / dt is the mass flow of the fluid, ΔT corresponds to the temperature difference between the fluid at the input and the fluid at the output, ρ is the density of the cooling fluid, A is the cross-sectional area of the fluid flow, U is the flow rate of the fluid.

従って一の実施例においては、約0.016m−1のコア損失率を有する約10mのファイバ長では、コア12から失われる光学出力qopticalは約1.5kWと計算される。1cmの水流断面積を備えるファイバ10の周りで冷却被筒を用い、かつ、入力マニホールドと出力マニホールドとの間で10℃の許容可能な温度上昇ΔTを用いることによって、必要とされる水の質量流は約37.4g/sと計算される。ただし水の熱容量Cは4.186J/(g・℃)であることがわかっている。水の密度ρは1g/cmなので、この質量流は流速U=9.36cm/s及び体積流2.25l/minにも等しい。これは中程度の水ポンプによって容易に維持できる。この例では水が用いられているが、任意の他の適切な冷却材が用いられても良い。 Thus, in one embodiment, for a fiber length of about 10 m with a core loss rate of about 0.016 m −1 , the optical power q optical lost from the core 12 is calculated to be about 1.5 kW. By using a cooled cylinder around the fiber 10 with a water cross section of 1 cm 2 and using an allowable temperature rise ΔT of 10 ° C. between the input and output manifolds, the required water The mass flow is calculated to be about 37.4 g / s. However, it is known that the heat capacity C p of water is 4.186 J / (g · ° C.). Since the density ρ of water is 1 g / cm 3 , this mass flow is equal to the flow rate U = 9.36 cm / s and the volume flow 2.25 l / min. This can be easily maintained by a moderate water pump. Although water is used in this example, any other suitable coolant may be used.

レーザー源からの高出力レーザービームを使用地点へ供給するための(S)HARCファイバ10、11の一体化は、以下のようにして実施されて良い。(S)HARCファイバ10、11の入力端部は、レーザー源に接続されて良い。レーザー源はたとえば、図3を参照する以降の段落で説明される光カプラ20を介するLMAファイバレーザー(たとえば10kWのLMAファイバレーザー)だが、これに限定されない。   The integration of the (S) HARC fibers 10 and 11 for supplying the high-power laser beam from the laser source to the point of use may be performed as follows. (S) The input ends of the HARC fibers 10 and 11 may be connected to a laser source. The laser source is, for example, but not limited to, an LMA fiber laser (eg, a 10 kW LMA fiber laser) via an optical coupler 20 described in the following paragraphs referring to FIG.

図5は、一の実施例による光カプラ20を概略的に示している。一の実施例では、光カプラ20は、レーザーエネルギーを所望の使用地点へ供給するため、ファイバレーザー(図示されていない)の出力を(S)HARCファイバ10、11に結合するように構成される。一の実施例では、ファイバレーザー(信号ファイバ)と(S)HARCファイバ(供給ファイバ)10、11のいずれも、自由空間光通信を必要とすることなく、レーザー信号24を(S)HARCファイバ10、11へ伝えるモノリシックデバイスを構成するように、光カプラ20の対向する端部21と22に溶融接続される。(S)HARCファイバ10、11の出力端は、図7に図示されている端部キャップに溶融接続されて良い。端部キャップによって、(S)HARCファイバ10、11による高出力ビーム出力は、自由空間光通信を用いることなく拡張及び再整形することが可能となる。一旦出力ビームが端部キャップを飛び出すと、信号は、内側ジンバルでの任意の他の自由空間ビームと同様に処理されて良い。端部キャップの詳細な説明は、カプラについて説明した後で与えられる。   FIG. 5 schematically shows an optical coupler 20 according to one embodiment. In one embodiment, the optical coupler 20 is configured to couple the output of a fiber laser (not shown) to the (S) HARC fibers 10, 11 to provide laser energy to the desired point of use. . In one embodiment, neither the fiber laser (signal fiber) nor the (S) HARC fiber (supply fiber) 10, 11 can transmit the laser signal 24 to the (S) HARC fiber 10 without requiring free space optical communication. , 11 are fused and connected to opposite ends 21 and 22 of the optical coupler 20 so as to constitute a monolithic device. (S) The output ends of the HARC fibers 10, 11 may be fused and connected to the end caps shown in FIG. The end cap allows the high power beam output by the (S) HARC fibers 10, 11 to be expanded and reshaped without using free space optical communication. Once the output beam jumps out of the end cap, the signal may be processed in the same way as any other free space beam at the inner gimbal. A detailed description of the end cap will be given after describing the coupler.

光カプラ20は、(S)HARCファイバ10、11へ注入するため、(たとえば約20μm〜30μmの直径を有する)回折限界の環状入力レーザービーム24をコリメートされた高アスペクト比の楕円ビームに再整形する。再整形されたビームの狭い寸法は、初期ビーム24のサイズに匹敵したままである。しかしビームは、必要に応じて、直交する幅の寸法を最大2mm以上に拡張及びコリメートされる。一の実施例では、光カプラ20は一体化された部材として実装されて良い。一の実施例では、光カプラ20は、小さなサイズを有するように構成され、かつ、2つの非常に異なる光ファイバ(入力ファイバレーザーと(S)HARCファイバ10、11)を、端部21と22上で光カプラ20へ接続することを可能にするように構成される。一の実施例では、入力端部21は商用の環状コアファイバを受けるように構成され、かつ、出力端22は(S)HARCファイバ10、11を受けるように構成される。しかし、容易に理解できるように、入力端部21と出力端部22はそれぞれ、(S)HARCファイバ−たとえば入力端部21での(S)HARCファイバレーザーからの(S)HARCファイバ、及び、入力端部22での(S)HARCファイバレーザーからの(S)HARCビーム供給ファイバ10,11−を受けるように構成されても良い。ビーム供給ファイバが、(S)HARCファイバレーザーコアの寸法とは異なるコア寸法を有する状況で適用されるこの後者の場合、カプラ20は、2つの(S)HARCファイバのそれぞれのコア寸法と接続するように設計される。   The optical coupler 20 reshapes the diffraction-limited annular input laser beam 24 (eg, having a diameter of about 20-30 μm) into a collimated high aspect ratio elliptical beam for injection into the (S) HARC fibers 10, 11. To do. The narrow dimension of the reshaped beam remains comparable to the size of the initial beam 24. However, the beam is expanded and collimated as necessary with orthogonal width dimensions up to 2 mm or more. In one embodiment, the optical coupler 20 may be implemented as an integrated member. In one embodiment, the optical coupler 20 is configured to have a small size, and two very different optical fibers (input fiber laser and (S) HARC fiber 10, 11) are connected to the ends 21 and 22. It is configured to allow connection to the optical coupler 20 above. In one embodiment, input end 21 is configured to receive commercial annular core fiber and output end 22 is configured to receive (S) HARC fibers 10, 11. However, as can be readily understood, the input end 21 and the output end 22 are each (S) HARC fiber--for example (S) HARC fiber from (S) HARC fiber laser at input end 21; and The input end 22 may be configured to receive the (S) HARC beam supply fiber 10, 11- from the (S) HARC fiber laser. In this latter case, where the beam delivery fiber is applied in a situation where it has a different core dimension than the dimension of the (S) HARC fiber laser core, the coupler 20 connects with the respective core dimensions of the two (S) HARC fibers. Designed as such.

(図5の面に対して垂直な)速い軸方向では、光カプラ20は、一定の速い軸の寸法を維持するように通常の屈折率に基づく導波を利用する。ここで環状コア直径は長方形コアの薄い寸法と同一であると仮定する。用途が、速い軸の寸法が異なることを要求する場合、速い軸の屈折率に基づく導波は、環状ビームをコア12、42の長方形の薄い寸法に合わせる必要に応じて、光カプラ20の長さに沿って先細り又は拡張されて良い。   In the fast axis direction (perpendicular to the plane of FIG. 5), the optical coupler 20 utilizes a normal refractive index based waveguide to maintain a constant fast axis dimension. Here it is assumed that the annular core diameter is the same as the thin dimension of the rectangular core. If the application requires that the fast axis dimensions be different, waveguides based on the fast axis refractive index will cause the length of the optical coupler 20 to be as long as necessary to match the annular beam to the rectangular thin dimensions of the cores 12,42. It may taper or expand along the length.

遅い軸方向では、環状開口部を飛び出すビームは自由に回折することが許される。しかし一の実施例では、光カプラ21の媒体は、一次元(1D)屈折率分布(GRIN)レンズとして機能する傾斜屈折率プロファイルを有するように選ばれる。一の実施例では、遅い軸のGRINレンズが、環状コアの入力ファイバを飛び出す発散ビームを基本的にコリメートする1/4ピッチ長さとなるように、光カプラ20の長さは特定される。信号ビームの1/4ピッチ長さと最終的な遅い軸の寸法のいずれも、GRIN部分内の屈折率プロファイルを適切に特定することによって制御されて良い。   In the slow axis direction, the beam jumping out of the annular opening is allowed to diffract freely. However, in one embodiment, the medium of the optical coupler 21 is selected to have a gradient index profile that functions as a one-dimensional (1D) gradient index (GRIN) lens. In one embodiment, the length of the optical coupler 20 is specified so that the slow axis GRIN lens is ¼ pitch long that essentially collimates the diverging beam that emerges from the input fiber of the annular core. Both the 1/4 pitch length of the signal beam and the final slow axis dimension can be controlled by appropriately identifying the refractive index profile in the GRIN portion.

光カプラ20の性能を確認するため、LMA入力ファイバの相対的に小さなコア直径(たとえば20μm)から、たとえば20μm×1mmのコアを有する(S)HARCファイバ10,11への結合を示す3D伝播シミュレーションが実行された。図6は、一の実施例による3D伝播シミュレーションの結果をグレースケールで表している。縦軸(y)は、LMAファイバと光カプラ20の内部でレーザーが伝播する距離を表す。横軸(x)は、遅い軸方向に沿ったLMAファイバと光カプラ20の寸法を表す。図6に図示されているように、入力ファイバ(たとえばLMAファイバ)を飛び出す際、レーザービームは、白の矢印の方向に、平板GRINレンズを有する光カプラ20を介して伝播する。レーザービームがy軸に沿って伝播することで、レーザービームは、図4aと図4bの面に対して垂直な速い軸方向に案内されたままである。しかしレーザービームは、光カプラ20内の平板GRINレンズの影響下で遅い軸方向(図6に図示されているようにx軸方向)において伝播する際に回折し始める。図6に図示されているように、平板GRINレンズの影響は、ビームが光カプラ20内で1/4ピッチ長さ(たとえば20mm)伝播した後にコリメートされるまで、遅い軸でのビーム発散を系統的に変化させることである。1/4ピッチ長さの端部では、レーザービームは、光カプラ20の端部で(S)HARCファイバ10,11の幅(たとえば1mm)を満たすように拡張される。特定の寸法のレーザービームとファイバを参照しながら光カプラ20が説明されているが、光カプラ20は、他のサイズ入力ファイバ及び出力ファイバに適合するように設計及び構成されて良いことがわかるだろう。   To confirm the performance of the optical coupler 20, a 3D propagation simulation showing coupling from a relatively small core diameter of the LMA input fiber (eg 20 μm) to a (S) HARC fiber 10, 11 having a core of 20 μm × 1 mm, for example. Was executed. FIG. 6 shows the result of the 3D propagation simulation according to one embodiment in grayscale. The vertical axis (y) represents the distance that the laser propagates inside the LMA fiber and the optical coupler 20. The horizontal axis (x) represents the dimension of the LMA fiber and the optical coupler 20 along the slow axis direction. As shown in FIG. 6, when the input fiber (for example, LMA fiber) jumps out, the laser beam propagates through the optical coupler 20 having a flat GRIN lens in the direction of the white arrow. As the laser beam propagates along the y-axis, the laser beam remains guided in a fast axial direction perpendicular to the planes of FIGS. 4a and 4b. However, the laser beam begins to diffract as it propagates in the slow axis direction (x-axis direction as shown in FIG. 6) under the influence of the flat GRIN lens in the optical coupler 20. As shown in FIG. 6, the effect of the planar GRIN lens systematically causes beam divergence on the slow axis until the beam is collimated after propagating within a quarter pitch length (eg, 20 mm) within the optical coupler 20. To change it. At the end of the quarter pitch length, the laser beam is expanded to fill the width (for example, 1 mm) of the (S) HARC fibers 10 and 11 at the end of the optical coupler 20. While the optical coupler 20 is described with reference to a specific size laser beam and fiber, it will be appreciated that the optical coupler 20 may be designed and configured to fit other sized input and output fibers. Let's go.

図7は、一の実施例による出力端キャップ50の概略図である。端部キャップ50の機能は、(S)HARCファイバ10,11内の信号ビームが、速い軸方向においては大きく発散し、かつ、遅い軸方向においては小さく発散して出力端キャップ50へ入射するという事実に基づいている。一の実施例では、端部キャップ50はバルクの溶融シリカから作られる。この発散角の差異によって、速い軸方向でのビームサイズと遅い軸方向でのビームサイズが実質的に等しくなる伝播距離が端部キャップ50内に存在する。端部キャップ50はこの位置で終端する。この位置は、端部キャップ50の射出面52に対応する。射出面52は、一の実施例では、遅い軸方向の発散を変化させることなく、速い軸方向での発散を緩和して遅い軸方向の値に整合させるように成形される。従って射出ビームは、略1のアスペクト比を有し、かつ、2つの直交する横方向において本質的に同一の発散を有する。たとえば(S)HARCファイバ10,11のコア12、42が10μm×2mmのサイズを有する場合、解析結果は、速い軸での上述の発散制御を実現するため、端部キャップ50の長さは約30mmで、かつ、射出面52の曲率半径は約25mmであることを示している。容易に理解できるように、単純にビームのアスペクト比を減少させたいが、最終アスペクト比を1にすることを望んでいない場合、端部キャップの長さは、そのような所望の最終アスペクト比を与えるような長さに特定されて良い。   FIG. 7 is a schematic view of an output end cap 50 according to one embodiment. The function of the end cap 50 is that the signal beam in the (S) HARC fibers 10 and 11 diverges greatly in the fast axis direction and diverges small in the slow axis direction and enters the output end cap 50. Based on the facts. In one embodiment, end cap 50 is made from bulk fused silica. Due to this divergence angle difference, there is a propagation distance in the end cap 50 at which the beam size in the fast axis direction is substantially equal to the beam size in the slow axis direction. End cap 50 terminates at this position. This position corresponds to the exit surface 52 of the end cap 50. In one embodiment, the exit surface 52 is shaped to mitigate the divergence in the fast axial direction and match the slow axial value without changing the slow axial divergence. Thus, the exit beam has an aspect ratio of approximately 1 and has essentially the same divergence in two orthogonal lateral directions. For example, if the cores 12 and 42 of the (S) HARC fibers 10 and 11 have a size of 10 μm × 2 mm, the analysis results show that the end cap 50 length is about 30 mm and the radius of curvature of the exit surface 52 is about 25 mm. As can be readily appreciated, if one simply wants to reduce the beam aspect ratio but does not want the final aspect ratio to be 1, the end cap length is reduced to such a desired final aspect ratio. It may be specified to a length that gives.

一の実施例では、第2端部キャップが(S)HARCファイバ10,11に供されても良い。第2端部キャップは、(S)HARCファイバ10,11の入力端部に接続されて良い。第2端部キャップは、自由空間レーザービームを(S)HARCファイバ10,11へ入力させるように、固体レーザー又は他の種類のレーザーから自由空間レーザービームを受けるように構成されて良い。一の実施例では、第2端部キャップは上述の端部キャップ50と類似して良い。   In one embodiment, a second end cap may be provided for the (S) HARC fibers 10 and 11. The second end cap may be connected to the input end of the (S) HARC fibers 10 and 11. The second end cap may be configured to receive a free space laser beam from a solid state laser or other type of laser so that the free space laser beam is input to the (S) HARC fibers 10,11. In one embodiment, the second end cap may be similar to the end cap 50 described above.

前段落から理解できるように、高出力レーザービームをファイバ供給する方法は、ファイバ(ファイバ11)を供する段階を有する。前記ファイバ(ファイバ11)は、該ファイバ(ファイバ11)の遅い軸方向に沿って高アスペクト比となるように細長く延びた断面を有するコア(コア42)を有する。前記コア(コア42)は第1屈折率を有する。前記ファイバ(ファイバ11)は第2屈折率を有するクラッドを含む。当該方法は、レーザービーム(たとえば約10kW以上の出力を有するレーザービーム)を前記ファイバ(ファイバ11)へ放出する段階をさらに有する。前記レーザービームは、前記遅い軸方向に沿って前記コア(コア42)の幅wよりも小さい幅wを有する。当該方法は、SRS及び/又はSBSの発生を緩和しながら前記ファイバ(ファイバ11)を介して前記レーザービームを伝播させる段階をさらに有する。 As can be seen from the previous paragraph, the method of fiber feeding a high power laser beam comprises providing a fiber (fiber 11). The fiber (fiber 11) has a core (core 42) having an elongated cross section so as to have a high aspect ratio along the slow axis direction of the fiber (fiber 11). The core (core 42) has a first refractive index. The fiber (fiber 11) includes a cladding having a second refractive index. The method further includes emitting a laser beam (eg, a laser beam having an output of about 10 kW or greater) into the fiber (fiber 11). The laser beam has a width w b smaller than the width w of the core (core 42) along the slow axis direction. The method further comprises propagating the laser beam through the fiber (fiber 11) while mitigating the generation of SRS and / or SBS.

前段落から理解できるように、高出力レーザービームをファイバ供給する方法は、ファイバ(ファイバ10)を供する段階を有する。前記ファイバ(ファイバ10)は、該ファイバ(ファイバ10)の遅い軸方向に沿って高アスペクト比となるように細長く延びた断面を有して第1屈折率を有するコア(コア12)と、前記コア(コア12)と接触するように設けられて前記コア(コア12)を挟んで第2屈折率を有する第1信号クラッド及び第2信号クラッド(クラッド14)と、前記コア(コア12)の少なくとも側部端(端部13)を実質的に取り囲んで第3屈折率を有する第3クラッド(クラッド16)を有する。前記コア(コア12)の第1屈折率と前記第3クラッドの第3屈折率との差は小さい(たとえば500ppm未満(たとえば10―4))。当該方法は、レーザービーム(たとえば約10kW以上の出力を有するレーザービーム)を前記ファイバ(ファイバ10)へ放出する段階をさらに有する。前記レーザービームは、前記遅い軸方向に沿って前記コア(コア12)の幅wよりも小さい幅wを有する。当該方法は、SRS及び/又はSBSの発生を緩和しながら、前記ファイバ(ファイバ10)に沿って伝播する高次の横方向の遅い軸モードを実質的に除去するため、低次の横方向の遅い軸の電磁モードの損失よりも大きな高次の横方向の遅い軸の電磁モードの損失を供するように、前記ファイバ(ファイバ10)を介して前記レーザービームを伝播させる段階をさらに有する。 As can be seen from the previous paragraph, the method of fiber feeding a high power laser beam includes providing a fiber (fiber 10). The fiber (fiber 10) includes a core (core 12) having a first refractive index having a cross section elongated to have a high aspect ratio along a slow axis direction of the fiber (fiber 10); A first signal cladding and a second signal cladding (cladding 14) having a second refractive index provided in contact with the core (core 12) and sandwiching the core (core 12); and the core (core 12) A third cladding (cladding 16) having a third refractive index substantially surrounding at least the side end (end 13) is provided. The difference between the first refractive index of the core (core 12) and the third refractive index of the third cladding is small (for example, less than 500 ppm (for example, 10 −4 )). The method further includes emitting a laser beam (eg, a laser beam having an output of about 10 kW or greater) into the fiber (fiber 10). The laser beam has a width w b smaller than the width w of the core (core 12) along the slow axis direction. The method substantially eliminates the higher order lateral slow axis modes propagating along the fiber (fiber 10) while mitigating the generation of SRS and / or SBS, thereby reducing the lower order lateral direction. The method further includes propagating the laser beam through the fiber (fiber 10) to provide a higher order transverse slow axis electromagnetic mode loss that is greater than the slow axis electromagnetic mode loss.

本開示の実施例には様々な応用が存在する。たとえば、戦艦用レーザーシステムでは、(S)HARCファイバ10,11は、デッキ後方に(複数の)レーザー光源を設置することを可能にする。(複数の)レーザー光源からビームは、肘型に曲がった経路を必要とすることなく、(S)HARCファイバ10,11を介して、ビームディレクタ装置へ直接向かうように経路の再設定がなされ得る。たとえば航空機系のレーザー兵器システムでは、SHARCファイバ10,11は、航空機の重心と飛行特性を最適化することを可能にする乗物上の位置で(複数の)レーザー光源をパッケージングすることを可能にする。これらの位置から、レーザーは、(S)HARCファイバ10,11を用いることによって所望の地点へ供給され得る。   There are various applications for the embodiments of the present disclosure. For example, in a battleship laser system, the (S) HARC fibers 10 and 11 make it possible to install laser light source (s) behind the deck. The beam from the laser source (s) can be re-routed to go directly to the beam director device via the (S) HARC fibers 10, 11 without requiring an elbow-shaped path. . For example, in an aircraft-based laser weapon system, the SHARC fibers 10, 11 allow packaging of laser light source (s) at a location on the vehicle that allows the aircraft's center of gravity and flight characteristics to be optimized. To do. From these positions, the laser can be delivered to the desired point by using (S) HARC fibers 10,11.

従って本願で説明した(S)HARCファイバ10,11は、効率的なパッケージングを可能にしながら、所望の位置への任意のレーザービームの供給を含む広範な用途を有する。(S)HARCファイバ10,11によって与えられる複数の利点のうちの1つは、レーザー光源からの出力ファイバがわずか数メートルの長さとなるように構築されるときに生じる軍事プラットフォームでのパッケージングの困難を解決することである。(S)HARCファイバ10,11は、ファイバレーザー光源からビームディレクタータレット装置への(複数の)レーザービームの伝送を可能にする。ビームディレクタータレット装置では、(複数の)ファイバからの(複数の)ビームは自由空間へ放出されて結合して良い。   Thus, the (S) HARC fibers 10, 11 described herein have a wide range of applications including delivery of an arbitrary laser beam to a desired location while enabling efficient packaging. (S) One of the advantages provided by HARC fibers 10, 11 is that of packaging on military platforms that occurs when the output fiber from the laser source is constructed to be only a few meters long. It is to solve the difficulty. (S) HARC fibers 10, 11 enable transmission of the laser beam (s) from the fiber laser light source to the beam director turret device. In the beam director turret device, the beam (s) from the fiber (s) may be emitted into free space and combined.

ビーム供給中、ファイバ10,11はたとえば、レーザー発生装置からビーム制御システムの内側ジンバルへHELビームを伝播させるのに用いられて良い。それにより、より典型的な肘型に曲がった経路は置き換えられる。ファイバ10,11は、不規則な変形によって不規則な回数撓むことができなければならない。なぜならビームディレクタは、2つの角度の自由度で(ときには迅速に)動くことがあり得るからである。つまりファイバ10,11は、仮定された2軸のジンバル集合体のいずれの角度の自由度にも適合できなければならない。一の実施例では、ファイバ10,11が一貫して、一の方向にのみ曲がり、かつ、ファイバを90℃ねじることによって必要となるときにその方向を変化させるように、ファイバは2つの各対応する変位方向の各々に沿って位置合わせされて良い。この方法によって、ファイバ10,11は、2つの直交する方向に沿った角度方向の変位に適合することが可能となる。しかし上述したように、HARCファイバの長方形コアをねじることで、その長方形コアの遅い軸の面内で負の屈折率分布(GRIN)レンズが生成され得る。よってファイバ10,11を90°ねじることによる歪みが生じる恐れがある。   During beam delivery, the fibers 10, 11 can be used, for example, to propagate the HEL beam from the laser generator to the inner gimbal of the beam control system. This replaces the more typical elbow-shaped path. The fibers 10, 11 must be able to bend irregularly by irregular deformations. This is because the beam director can move (sometimes quickly) with two degrees of freedom. That is, the fibers 10 and 11 must be able to adapt to any angular freedom of the assumed biaxial gimbal assembly. In one embodiment, the fiber is in each of two correspondences so that the fibers 10, 11 are consistently bent only in one direction and change its direction when needed by twisting the fiber 90 ° C. It may be aligned along each of the displacement directions. This method allows the fibers 10, 11 to accommodate angular displacement along two orthogonal directions. However, as described above, twisting the rectangular core of the HARC fiber can produce a negative gradient index (GRIN) lens in the slow axis plane of the rectangular core. Therefore, there is a risk of distortion caused by twisting the fibers 10 and 11 by 90 °.

図8は、ねじり角の関数としてのねじりが誘起する焦点距離を表す理論モデルの計算結果と、0〜0.35ラジアンの範囲のねじり角の範囲にわたって測定されたねじりが誘起する焦点距離を示している。図8に図示されているように、約30cmのねじれ長さに沿って一定のねじれ率で、ねじれレンズは単調増加して0.35ラジアンで0.4ジオプターに到達した。少なくとも0〜0.35ラジアンのねじれ角の範囲では、モデルはデータと一致する。モデルは以下の式に基づいている。

=L/φ (6)

ここで、ねじれレンズの焦点長Fは、ねじれ角φとねじれが課されるファイバ長Lの関数である。
FIG. 8 shows the calculation results of a theoretical model representing the focal length induced by torsion as a function of torsion angle, and the focal length induced by torsion measured over a range of torsion angles ranging from 0 to 0.35 radians. ing. As shown in FIG. 8, with a constant twist rate along a twist length of about 30 cm, the twist lens monotonically increased to reach 0.4 diopters at 0.35 radians. In the range of torsion angles of at least 0-0.35 radians, the model is consistent with the data. The model is based on the following formula:

F T = L T / φ 2 (6)

Here, the focal length F T twist lens is a function of the fiber length L T of twist angle φ and twist is imposed.

供給ファイバの長さが約10m以上であって良いので、ねじれレンズは、単純にビーム供給ファイバ10,11のいずれかの端部に補正光学系を用いることによっては十分に補償できないほどに強くなる恐れがある。よって一部の実施例では、ビーム供給ファイバ中でのねじれは、全体のファイバ長に沿った所定の一でしか起こらなくて良い。たとえばこれは、ビーム供給ファイバ10,11に沿った適切な位置でビーム供給ファイバ10,11に接続され得る光ファイバねじれモジュール100を用いて実現され得る。   Since the length of the supply fiber can be about 10 m or more, the twisted lens is so strong that it cannot be adequately compensated by simply using the correction optics at either end of the beam supply fiber 10,11. There is a fear. Thus, in some embodiments, twisting in the beam delivery fiber may only occur at a predetermined one along the entire fiber length. For example, this can be accomplished using a fiber optic twist module 100 that can be connected to the beam delivery fibers 10, 11 at appropriate locations along the beam delivery fibers 10, 11.

図9に図示された実施例では、光学ねじれモジュール100は、第1端部102、第2端部104、及び、第1端部102と第2端部104との間のねじれ部分106を有する光ファイバ101を有する。ねじれ部分106は歪み効果を生じさせる。光学ねじれモジュール100は、歪み効果を補償する補償装置108を有し、さらにねじれ部分106を含む光ファイバ101の少なくとも一部を格納するように構成される筐体110を有する。一の実施例では、筐体110は密閉封止された筐体である。ファイバ101の第1端部102は、動作するように入力ファイバ112へ接続するように構成される。第2端部104は、動作するように出力ファイバ114へ接続するように構成される。一部の実施例では、入力ファイバ112と出力ファイバ114はファイバ101と一体化されて良い。他の実施例では、入力ファイバ112と出力ファイバ114とファイバ101は、互いに動作するように接続される別個の部品であって良い。ファイバ101、102及び/又は114はHARCファイバ又はSHARCファイバのいずれかであり得ることが予想される。   In the embodiment illustrated in FIG. 9, the optical twist module 100 has a first end 102, a second end 104, and a twisted portion 106 between the first end 102 and the second end 104. An optical fiber 101 is included. The twisted portion 106 creates a distortion effect. The optical twist module 100 includes a compensator 108 that compensates for distortion effects, and further includes a housing 110 configured to store at least a portion of the optical fiber 101 including the twisted portion 106. In one embodiment, the housing 110 is a hermetically sealed housing. The first end 102 of the fiber 101 is configured to connect to the input fiber 112 to operate. Second end 104 is configured to connect to output fiber 114 for operation. In some embodiments, input fiber 112 and output fiber 114 may be integrated with fiber 101. In other embodiments, input fiber 112, output fiber 114, and fiber 101 may be separate components that are operatively connected to each other. It is anticipated that the fibers 101, 102 and / or 114 may be either HARC fibers or SHARC fibers.

図9の実施例では、歪み補償装置108は、ねじれ部分106から生じる歪み効果を補償するように構成されたレンズ装置を含む。図8と式(6)によると、約90°のねじれ角では、ねじれレンズの焦点長は、ファイバのねじれ領域の長さの約半分でなければならない。従ってねじれレンズの補償は、1つ以上の自由空間シリンドリカルレンズを用いることによって実現されて良い。シリンドリカルレンズは、レンズの画像平面の焦点に位置する平板導波路へ入射する環状ビームを自由空間結合させるのに用いられて良い。   In the embodiment of FIG. 9, the distortion compensator 108 includes a lens arrangement configured to compensate for distortion effects arising from the twisted portion 106. According to FIG. 8 and equation (6), at a twist angle of about 90 °, the focal length of the twisted lens should be about half the length of the twisted region of the fiber. Accordingly, torsional lens compensation may be achieved by using one or more free space cylindrical lenses. Cylindrical lenses may be used for free-space coupling of an annular beam incident on a planar waveguide located at the focal point of the lens image plane.

一の実施例では、ねじれモジュール100は、複数のシリンドリカルレンズ116a−116fが直列に結合したものを含む歪み補償装置108と、任意で入力端部及び/又は出力端部に設けられた少なくとも1つの偏光部材(図示されていない)をも有する。レンズ116a−116fは従来の屈折レンズであって良い。とはいえ他の種類のレンズ−たとえば平板GRINレンズ−が用いられても良い。レンズ116a−116f及びファイバ101は、各々の端部に入力ファイバ112と出力ファイバ114を有する筐体110内に含まれて良い。モジュール100は、様々な遠隔通信部品−たとえばアイソレータ又は誘電フィルタ−と似たような方法で実装されて良い。たとえばアイソレータと誘電フィルタはすべて、モジュールをファイバ系システムへ単純に結合することを可能にするファイバピグテイルを有するモジュール内に含まれる自由空間部品を具現化する。具体的にはモジュール100は、これらの部品がファイバ系システムへ結合することを可能にするそれぞれの端部に入力ファイバ112と出力ファイバ114を有する。モジュール100は、ある範囲の環境の条件にわたって光学素子間での光学的位置合わせを維持するように設計されて良い。   In one embodiment, the torsion module 100 includes a distortion compensator 108 that includes a plurality of cylindrical lenses 116a-116f coupled in series, and optionally at least one provided at the input and / or output ends. It also has a polarizing member (not shown). Lenses 116a-116f may be conventional refractive lenses. However, other types of lenses, such as flat GRIN lenses, may be used. Lenses 116a-116f and fiber 101 may be included in a housing 110 having an input fiber 112 and an output fiber 114 at each end. Module 100 may be implemented in a manner similar to various telecommunications components, such as isolators or dielectric filters. For example, isolators and dielectric filters all embody free space components contained within a module having a fiber pigtail that allows the module to be simply coupled to a fiber-based system. Specifically, the module 100 has an input fiber 112 and an output fiber 114 at each end that allow these components to be coupled to a fiber-based system. Module 100 may be designed to maintain optical alignment between optical elements over a range of environmental conditions.

入力ファイバ112の入力端部は、入り込むHARCファイバ又はSHARCファイバ(図9には図示されていない)に結合されて良い。出力ファイバ114の出力端部は、出て行くHARCファイバ又はSHARCファイバ(図9には図示されていない)に結合されて良い。シリンドリカルレンズ116a、116bは、ビームをコリメートして、そのビームをファイバ101のねじれ部分106へ案内するように構成されて良い。ファイバの広い寸法は、基本的に回折広がりがこの寸法において起こらないように十分広くて良い。しかしさらなるレンズが、遅い軸方向におけるビームをコリメートするように供され得ることも予想される。レンズ116cは、ファイバ101のねじれ部分106から生じる平板状の負のねじれレンズを少なくとも部分的に補償する「事前の歪み(pre−distortion)」として遅い軸方向のビームを収束させるように構成されて良い。図9に図示されているように、ねじれ部分106において90°ねじれた後のファイバ101の遅い軸方向は、ねじれ部分106の前のファイバ101の遅い軸方向に対して垂直である。レンズ116dは、遅い軸方向のビームを出力ファイバ114へ結像することによってねじれレンズの補償を完了させるように構成されて良い。レンズ116e、116fは、速い軸方向のビームをコリメートし、かつ、そのビームを出力ファイバ114へ向かうように案内するように構成されて良い。出力ファイバ114は続いて、他のHARC供給ファイバ(図9には図示されていない)に結合されて良い。上述したように、レンズ116a−116f、ねじれ部分106を有するファイバ101、及び入力ファイバ112と出力ファイバ114の一部は筐体110内に含まれて良い。   The input end of the input fiber 112 may be coupled to an incoming HARC fiber or SHARC fiber (not shown in FIG. 9). The output end of the output fiber 114 may be coupled to an outgoing HARC fiber or SHARC fiber (not shown in FIG. 9). The cylindrical lenses 116 a, 116 b may be configured to collimate the beam and guide the beam to the twisted portion 106 of the fiber 101. The wide dimensions of the fiber may be sufficiently wide so that essentially no diffraction spread occurs at this dimension. However, it is also anticipated that additional lenses can be provided to collimate the beam in the slow axis direction. The lens 116c is configured to focus the slow axial beam as a “pre-distortion” that at least partially compensates for the flat negative torsion lens arising from the twisted portion 106 of the fiber 101. good. As shown in FIG. 9, the slow axis direction of the fiber 101 after 90 ° twisting in the twisted portion 106 is perpendicular to the slow axis direction of the fiber 101 in front of the twisted portion 106. Lens 116d may be configured to complete torsional lens compensation by imaging a slow axial beam onto output fiber 114. The lenses 116e, 116f may be configured to collimate the fast axial beam and guide the beam toward the output fiber 114. The output fiber 114 may then be coupled to another HARC supply fiber (not shown in FIG. 9). As described above, the lenses 116 a-116 f, the fiber 101 having the twisted portion 106, and the input fiber 112 and a part of the output fiber 114 may be included in the housing 110.

他の実施例では、光ファイバねじれモジュール100(図10参照)は、光ビームがファイバ114の出力端部に到達するまでファイバ媒体を飛び出さない全ファイバモジュール又は全ガラスモジュール(図10には図示されていない)を用いて良い。ここでファイバ114の出力端部は、自由空間へ遷移するか、又は、他のファイバに結合される。他のファイバはHARCファイバ又はSHARCファイバであって良い。ファイバ101とファイバの入力端部112と出力端部114は図10には図示されていないが、モジュール100が筐体110内に含まれるそのような特徴部を有することには留意して欲しい。係る実施例では、ファイバ101と入力端部112と出力端部114のすべては、単一のファイバの一体となった長さであって良い。係る実施例では、上述の自由空間レンズ装置を用いるのではなく、モジュール100は、他の形態の歪み補償装置を有して良い。補償装置又は方法は、ねじれレンズが、焦点距離がねじれ領域の長さとねじれ角の両方に依存する、実効的な負の1D屈折率分布(GRIN)レンズとして光学的には動作するという事実に基づく。よって一の実施例では、歪み補償装置は、ねじれ部分106から生じる負のGRINレンズ効果のパワーとは反対でかつ実質的には等しいレンズパワーを有する正のレンズ効果を有する。つまり補償装置は、ファイバのねじれ部分を起源とする負のレンズのパワーに等しくて反対のレンズパワーを有する正のGRINレンズをねじれ領域のコア内に構築する段階を有して良い。一の実施例では、正のレンズ効果は、市販の2DGRINレンズを生成するのに通常行われているように、コア内に遅い軸の屈折率変化を生成することによって発生する。あるいはその代わりに又はそれに加えて、正のレンズ効果は、遅い軸方向に沿ってファイバ101のコアの厚さプロファイルを形成することによって発生し得る。   In other embodiments, the fiber optic twist module 100 (see FIG. 10) is an all fiber module or all glass module (not shown in FIG. 10) that does not jump out of the fiber medium until the light beam reaches the output end of the fiber 114. Not used). Here, the output end of the fiber 114 transitions to free space or is coupled to another fiber. The other fiber may be a HARC fiber or a SHARC fiber. Note that fiber 101 and fiber input end 112 and output end 114 are not shown in FIG. 10, but module 100 has such features included within housing 110. In such an embodiment, all of the fiber 101, input end 112, and output end 114 may be the combined length of a single fiber. In such an embodiment, instead of using the above-described free space lens device, the module 100 may include another form of distortion compensation device. The compensation device or method is based on the fact that the twisted lens operates optically as an effective negative 1D gradient index (GRIN) lens, the focal length of which depends on both the length of the twisted region and the twist angle. . Thus, in one embodiment, the distortion compensator has a positive lens effect that has a lens power that is opposite and substantially equal to the power of the negative GRIN lens effect arising from the twisted portion 106. That is, the compensator may comprise building a positive GRIN lens in the core of the twisted region that has a lens power equal to and opposite to the power of the negative lens originating from the twisted portion of the fiber. In one embodiment, the positive lens effect is generated by creating a slow axis refractive index change in the core, as is usually done to produce commercially available 2DGRIN lenses. Alternatively, or in addition, a positive lens effect can be generated by forming a core 101 thickness profile along the slow axis.

上述の組み込みGRINレンズ補償装置のいずれか一が用いられて良い。一の実施例では、モジュール100は、ねじれ部分106の長さを調節するのに用いられ得る端部マウント120,122を含む端部マウント装置をも有して良い。端部マウント120,122は、ねじれレンズの補償を微調整することで、モジュール100内で用いられているねじれ部分106又は補償装置のいずれかから任意の残留レンズパワーを軽減又は除去するのに用いられて良い。式(6)に示されているように、所与のねじれ角では、ねじれレンズは、ねじれ長さを変化させることによって調節されて良い。よって、長さLにわたって90°のねじれ部分を含むモジュール100を有する実施例では、任意の正味の光学歪みを除去するように、組立中にモジュール100は調節されて良い。   Any one of the built-in GRIN lens compensators described above may be used. In one embodiment, the module 100 may also include an end mount device that includes end mounts 120, 122 that may be used to adjust the length of the torsional portion 106. The end mounts 120, 122 are used to reduce or remove any residual lens power from either the torsion 106 or the compensator used in the module 100 by fine-tuning torsional lens compensation. It ’s good. As shown in equation (6), for a given twist angle, the twist lens may be adjusted by changing the twist length. Thus, in embodiments having a module 100 that includes a 90 ° twisted portion over length L, the module 100 may be adjusted during assembly to remove any net optical distortion.

図10に図示された実施例では、端部マウント120,122の各々には、ファイバ101の薄い寸法と同程度の厚さと幅を有するように構築及び配置されたスロット124が供される。ファイバ101の少なくとも一部はスロット124内に含まれる。筐体110−この実施例では管の形態をとる−は、内部に供された長手方向スロット126と127を有する。一の実施例では、スロット126は筐体の全長に及ぶ。スロット126の一の機能は、ファイバを側部から筐体へ挿入可能にすることである。スロット127(この斜視図では一部が図示されていない)は、端部マウント120,122の長さよりも数倍長い。スロット126と127は、端部マウント120,122が筐体110に接続されるときに端部マウント120,122のフランジ128を受けるように構築及び配置される。一の実施例では、端部マウント120,122は相互に90°をなすように回転し、それぞれ筐体110の第1端部130と第2端部132上でスロット126内に入り込むように設けられる。スロット126と127は、端部マウント120,122の長さよりも長くなるように構築及び配置されて良い。それにより端部マウント120,122は、筐体110に沿って長手方向にスライドし、その結果端部マウント120と122との間の間隔を変化させることが可能となる。端部マウント120と122との間の間隔を変化させることによって、ねじれ長さつまりはねじれレンズの強度は、一定のねじれ角を維持しながら調節されて良い。参照光ビームはモジュール100へ放出されて良い。伝送されたビームの品質は、ねじれレンズの証拠が残っているのか否かを判断するためにモニタリングされて良い。歪みが検出される場合、ねじれ長さは、端部マウント120と122との間の間隔を調節することによって調節されて良い。端部マウント120,122が、参照ビーム中での任意の正味の光学歪みを除去又は緩和するように、ねじれ長さを調節するように調節される間、伝送されたビームの品質は、連続的にモニタリングされて良い。   In the embodiment illustrated in FIG. 10, each end mount 120, 122 is provided with a slot 124 constructed and arranged to have a thickness and width comparable to the thin dimensions of the fiber 101. At least a portion of the fiber 101 is contained within the slot 124. The housing 110, which in this embodiment takes the form of a tube, has longitudinal slots 126 and 127 provided therein. In one embodiment, slot 126 extends the entire length of the housing. One function of slot 126 is to allow the fiber to be inserted into the housing from the side. The slot 127 (some of which are not shown in this perspective view) is several times longer than the length of the end mounts 120,122. The slots 126 and 127 are constructed and arranged to receive the flanges 128 of the end mounts 120, 122 when the end mounts 120, 122 are connected to the housing 110. In one embodiment, the end mounts 120 and 122 are rotated 90 degrees relative to each other and are provided to enter the slots 126 on the first end 130 and the second end 132 of the housing 110, respectively. It is done. Slots 126 and 127 may be constructed and arranged to be longer than the length of end mounts 120 and 122. As a result, the end mounts 120 and 122 slide in the longitudinal direction along the housing 110, and as a result, the distance between the end mounts 120 and 122 can be changed. By changing the spacing between the end mounts 120 and 122, the twist length, or strength of the twist lens, may be adjusted while maintaining a constant twist angle. A reference light beam may be emitted to the module 100. The quality of the transmitted beam may be monitored to determine if evidence of torsional lenses remains. If distortion is detected, the twist length may be adjusted by adjusting the spacing between the end mounts 120 and 122. While the end mounts 120, 122 are adjusted to adjust the twist length so as to remove or mitigate any net optical distortion in the reference beam, the quality of the transmitted beam is continuous. Can be monitored.

他の実施例では、モジュール100は、その場での長さ調節を可能にするように構築及び配置されて良い。係る実施例では、ビーム供給ファイバシステムの最終システム一体化後に、端部間試験中に最終の最適調節が可能となるように、通り抜ける部位又はスライドする部位が、筐体110と端部マウント120,122に加えられて良い。一の実施例は、スロット126による筐体110内に固有な適合性の利点を利用し、かつ、機械ショップで見かける標準的なコレットクランプに似た端部マウント120と122に筐体110を圧搾するように小さなバンドクランプを用いることである。これにより、設置後の微細な位置合わせが可能となり、かつ、永続的又は繰り返し調節のために、位置を固定する相対的に単純な方法が供される。   In other embodiments, module 100 may be constructed and arranged to allow in-situ length adjustment. In such an embodiment, after the final system integration of the beam delivery fiber system, the part to be passed or slid through is the housing 110 and the end mount 120, so that the final optimum adjustment is possible during the end-to-end test. 122 may be added. One embodiment takes advantage of the inherent fit within the housing 110 due to the slot 126 and squeezes the housing 110 into end mounts 120 and 122 similar to standard collet clamps found in machine shops. To use a small band clamp. This allows for fine alignment after installation and provides a relatively simple method of fixing the position for permanent or repetitive adjustment.

さらに他の実施例では、光ファイバモジュールは、それぞれ長さL、L、及びLを有する3つの部分(第1部分、第2部分、及び第3部分)に分割されて良い。第1部分と第3部分はそれぞれファイバの45°ねじれ部分を有して良い。45°ねじれ部分は一緒になると、90°ねじれ部分に等しい。係る実施例では、歪み補償装置は、上述の2つの全ガラス歪み補償方法及び装置のうちの一を有して良い。しかし製造許容度のため、補償は十分ではなく、歪みが残る恐れがある。ねじれ長さLとLを調節することによって、ねじれ角が一定のままである一方、2つの端部でのねじれ長さは変化して良い。よって参照レーザービームはモジュールへ放出されて良い。伝送ビームの品質は、残留ねじれレンズ効果が存在するのか否かを判断するためにモニタリングされて良い。歪みが検出される場合、参照ビームにおける正味の光学歪みを緩和又は除去することのできるねじれ長さとLの値を判断するため、ビーム品質が連続的にモニタリングされている間に、ねじれ長さLとLが調節されて良い。 In yet another embodiment, the fiber optic module may be divided into three parts (first part, second part, and third part) having lengths L 1 , L 2 , and L 3 , respectively. The first and third portions may each have a 45 ° twisted portion of the fiber. Together, the 45 ° twisted portions are equivalent to the 90 ° twisted portions. In such embodiments, the distortion compensation device may include one of the two all-glass strain compensation methods and devices described above. However, due to manufacturing tolerances, compensation is not sufficient and distortion may remain. By adjusting the twist lengths L 1 and L 3 , the twist angle at the two ends may vary while the twist angle remains constant. Thus, the reference laser beam may be emitted to the module. The quality of the transmitted beam may be monitored to determine if there is a residual twist lens effect. If the distortion is detected, for determining the value of the twist length and L 3 which may be alleviated or removed optical distortion net in the reference beam, while the beam quality is continuously monitored, twist length L 1 and L 3 may be adjusted.

さらに他の実施例では、光ファイバねじれモジュールは、それぞれ長さL、L、及びLを有する3つの部分(第1部分、第2部分、及び第3部分)に分割されて良い。第1部分と第3部分はそれぞれ、最初はファイバの45°ねじれ部分を有して良い。45°ねじれ部分は一緒になると、90°ねじれ部分に等しい。しかしこの実施例では、歪み補償装置は、ねじれ部分から生じる歪みを補償するように構成されて良い。この過補償は、第2部分にさらなるねじれを与えて、そのねじれを45°よりも増大させることによって排除されて良い。選ばれた角を有するねじれが第2部分に供されている間、参照ビームはモジュールへ放出されて良く、かつ、伝送ビームの品質はモニタリングされて良い。よって正味の歪みを除去又は緩和する第2部分での十分なねじれを判断するために伝送ビームの品質をモニタリングする間に、第2部分でのねじれは調節されて良い。第2部分のファイバがねじられることで、ファイバ光学モジュールの対向する端部は、第3部分でのねじれ角が、45°未満で、かつ、第1部分でのねじれ角に対して相補的であることを保証するように確実に保持すなわち固定されなければならないことに留意して欲しい。 In yet another embodiment, the fiber optic twist module may be divided into three parts (first part, second part, and third part) having lengths L 1 , L 2 , and L 3 , respectively. Each of the first and third portions may initially have a 45 ° twisted portion of the fiber. Together, the 45 ° twisted portions are equivalent to the 90 ° twisted portions. However, in this embodiment, the distortion compensator may be configured to compensate for distortion resulting from the twisted portion. This overcompensation can be eliminated by giving further twist to the second part and increasing the twist above 45 °. While a twist with a selected angle is being provided to the second part, the reference beam can be emitted to the module and the quality of the transmitted beam can be monitored. Thus, the twist in the second part may be adjusted while monitoring the quality of the transmitted beam to determine a sufficient twist in the second part to remove or mitigate the net distortion. As the second part of the fiber is twisted, the opposite ends of the fiber optic module have a twist angle at the third part of less than 45 ° and are complementary to the twist angle at the first part. Note that it must be securely held or fixed to ensure that it is.

上述の実施例では、一旦、正味の歪みが緩和又は除去されるようにねじれモジュールが調節されると、機械的構造物は、補償がモジュールの使用中に変化しないように、すべての長さとねじれの値を固定するように永続的に保持するのに用いられて良い。一の実施例では、端部マウント120と122はたとえば、最適位置合わせ状態への補償を永続的に固定するように、筐体100に結合されて良い。従ってモジュールは、ファイバ系システムで必要とされるときにすぐに用いることができる。   In the embodiment described above, once the torsion module is adjusted so that the net strain is relieved or eliminated, the mechanical structure is twisted to all lengths and to prevent compensation from changing during module use. Can be used to permanently hold the value of. In one embodiment, end mounts 120 and 122 may be coupled to housing 100, for example, to permanently fix the compensation for optimal alignment. Thus, the module can be used immediately when needed in a fiber-based system.

図8でプロットされたデータとモデルは、ねじれ部分の影響下でのコア端部の線形伸張以外の歪みを説明しない。よって図8でプロットされたデータを生じさせた実験において印加されたねじれ角では、単純なGRINレンズ以外の歪みは存在しなかった。しかし少なくとも一部の実施例、及び、少なくとも一部の状況では、大きなねじれ角から生じるねじれレンズは、単純な平板GRINレンズだけではなく、偏光ゆがみをも含み得る。そのような偏光歪みが生成される場合、そのような偏光歪みは、少なくとも1つの偏光素子を用いて、ねじれモジュールを飛び出すビームの偏光状態を入力ビームの偏光状態と実質的に同一だが、ねじれ角によって回転するように調整することによって補償されて良い。たとえば、直線偏光ビームの向きは、光学軸が初期の偏光に対して角度θをなす半波長板にビームを通過させることによって、角度2θだけ回転されて良いことが、当技術分野において周知である。それに加えて、分数波長板が、直線偏光を楕円偏光へ又はその逆に変更して良い。   The data and model plotted in FIG. 8 do not account for distortions other than the linear extension of the core end under the influence of the torsion. Thus, at the twist angle applied in the experiment that produced the data plotted in FIG. 8, there was no distortion other than a simple GRIN lens. However, in at least some embodiments, and in at least some situations, a twisted lens resulting from a large twist angle can include not only a simple flat GRIN lens, but also polarization distortion. When such polarization distortion is generated, such polarization distortion is substantially the same as the polarization state of the input beam with the polarization state of the beam exiting the twist module, but with the twist angle using at least one polarization element. May be compensated by adjusting to rotate. For example, it is well known in the art that the orientation of a linearly polarized beam may be rotated by an angle 2θ by passing the beam through a half-wave plate whose optical axis makes an angle θ with respect to the initial polarization. . In addition, a fractional wave plate may change linearly polarized light to elliptically polarized light or vice versa.

一部の実施例及び一部の状況では、大きなねじれ角から生じるねじれレンズはさらなる高次歪みをも含み得る。そのような歪みが生成される場合、ねじれ長さは、高次歪みが緩和又は除去されるねじれ率を生成するように増大されて良い。しかしねじれ長さがモジュールの許容可能な長さを超える場合、ねじれの全長は、合計の必要とされるねじれに加えられる一連の小さなねじれに分割され、かつ、ファイバは、より小型のモジュールサイズを供するようにねじれ間で折り曲げられて良い。たとえば20°のねじれがさらなる歪みなしで実現され得る場合、90°のねじれは、4回の20°のねじれと1回の10°のねじれで構成されて良い。代替例には、5回の18°のねじれ又は6回の15°のねじれが含まれて良い。従ってモジュールは多数の部分に分割されて良く、かつ、各部分は合計の必要とされるねじれに加えられるねじれ部分を含んで良い。   In some embodiments and in some situations, a torsional lens resulting from a large torsion angle may also include additional higher order distortions. When such a strain is generated, the twist length may be increased to produce a twist rate in which higher order strains are relaxed or eliminated. However, if the twist length exceeds the allowable length of the module, the total length of twist is divided into a series of small twists added to the total required twist, and the fiber has a smaller module size. It can be folded between twists to provide. For example, if a 20 ° twist can be achieved without further distortion, a 90 ° twist may consist of four 20 ° twists and one 10 ° twist. Alternatives may include 5 18 ° twists or 6 15 ° twists. Thus, the module may be divided into a number of parts, and each part may include a twisted part added to the total required twist.

ねじれモードのさらに別な実施例は、ねじれファイバ101の代わりに、図13に示されているように、ねじれた中空コア導波路を含む。この方法は、ガラス又は他の固体材料で構成される長方形コアにおいて生じる恐れのある高次歪みを回避する。中空導波路は、間を伝播する光を反射させる2つの薄い平行な可撓性の板151,153で作られて良い。薄い板151,153は、金属、未加工(bare)のガラス、コーティングされていないガラス、金属でコーティングされたガラス、又は、わずかな光学損失で光を透過させる他の材料で作られて良い。この実施例は複数の利点を供する。まず第1に、中空導波路はレーザー損失に対して高い耐性を有する。板間の空間を満たす空気又は真空は非常に高い損傷閾値を有する。光放射線は大きな入射角で反射面へ入射することで、それらの面の損傷閾値も高くなる。第2に、板は、伝播するビーム自身よりもはるかに広くなるように特定されて良い。それにより導波路の遅い軸の端部からのビームの反射が回避される。第3に、薄い板151,153は、遅い軸方向で成形され得る。その結果、中空コアの断面形状は凹型又は凸型のいずれかに修正される。この設計の自由度は、ねじれレンズを補償する正のレンズ効果を微調整するのに利用され得る。補正器108は、ねじれモジュール入力でビームサイズの伸張及びコリメーションを行い、かつ、モジュール出力で光ファイバの遅い軸の幅と一致するように再度ビームを収縮させるのに用いられて良い。一の実施例では、中空コアの寸法は、HARCの入力及び出力ファイバのそれぞれのコア寸法と略一致して良い。この構成では、倍率が〜1の相対的に単純なインターフェース光学系の利用が可能となる。しかし中空コアの伝播損失が許容可能な値よりも大きい場合、導波路の伝播損失が導波路の寸法の3乗に反比例するという利点を生かすため、ビームは中空コアへ入射する前に伸張されて良い。たとえば速い軸の寸法が2倍になることで、伝播損失は8倍減少する。   Yet another embodiment of the torsional mode includes a twisted hollow core waveguide, as shown in FIG. This method avoids higher order distortions that can occur in rectangular cores composed of glass or other solid materials. The hollow waveguide may be made of two thin parallel flexible plates 151, 153 that reflect light propagating between them. The thin plates 151, 153 may be made of metal, bare glass, uncoated glass, glass coated with metal, or other materials that transmit light with little optical loss. This embodiment offers several advantages. First, the hollow waveguide is highly resistant to laser loss. Air or vacuum that fills the space between the plates has a very high damage threshold. When light radiation is incident on the reflecting surface at a large incident angle, the damage threshold of those surfaces also increases. Second, the plate may be specified to be much wider than the propagating beam itself. This avoids reflection of the beam from the slow axis end of the waveguide. Third, the thin plates 151 and 153 can be formed with a slow axial direction. As a result, the cross-sectional shape of the hollow core is corrected to either a concave shape or a convex shape. This design freedom can be used to fine tune the positive lens effect that compensates for torsional lenses. The corrector 108 can be used to stretch and collimate the beam size at the torsion module input, and again shrink the beam to match the slow axis width of the optical fiber at the module output. In one embodiment, the dimensions of the hollow core may substantially match the respective core dimensions of the HARC input and output fibers. With this configuration, it is possible to use a relatively simple interface optical system having a magnification of ˜1. However, if the hollow core propagation loss is greater than acceptable, the beam is stretched before entering the hollow core to take advantage of the waveguide propagation loss being inversely proportional to the third power of the waveguide dimension. good. For example, by doubling the fast shaft dimensions, the propagation loss is reduced by a factor of eight.

一部のビーム供給システムは、静止した底部に対して回転可能な部分を有する。つまりファイバ10,11は、静止物体と回転物体の両方に接続されて良い。そのような状況では、ビーム供給ファイバ10,11は、ビーム供給ファイバ10,11をねじることなく、静止物体から回転物体へ遷移可能でなければならない。ファイバ10,11のねじれを防止するため、ファイバ10,11は、たとえば図12aに図示されているような光ファイバ装置又は構造134を構成するように平坦なテープ状構造上にまとめられて良い。図12aの実施例では、6つのファイバが、2層のポリイミドの間にまとめられ、又は、配置されている(図12b参照)。さらなる層が、ファイバ構造134を強化するために追加されて良い。少ない層がファイバ構造134内に供されても良いことにも留意して欲しい。たとえば一部の実施例では、光ファイバ装置構造134は、1層のファイバ10を有して良い。中心のファイバは、曲がり応力を抑制するように構成されて良い。ファイバ構造134は、「回転ループ(rolling loop)」を供するように十分な可撓性を有して良い。回転ループについては以降で詳述する。このファイバ構造134はまた、長方形ファイバの速い軸についてのみ曲がることで、ファイバ内での意図しないねじれを防止することをも可能にする。   Some beam delivery systems have a portion that is rotatable relative to a stationary bottom. That is, the fibers 10 and 11 may be connected to both a stationary object and a rotating object. In such a situation, the beam delivery fibers 10, 11 must be able to transition from a stationary object to a rotating object without twisting the beam delivery fibers 10, 11. In order to prevent twisting of the fibers 10, 11, the fibers 10, 11 may be grouped on a flat tape-like structure, for example to form an optical fiber device or structure 134 as illustrated in FIG. 12a. In the embodiment of FIG. 12a, six fibers are grouped or placed between two layers of polyimide (see FIG. 12b). Additional layers may be added to strengthen the fiber structure 134. Note also that fewer layers may be provided in the fiber structure 134. For example, in some embodiments, the fiber optic device structure 134 may include a single layer of fiber 10. The central fiber may be configured to suppress bending stresses. The fiber structure 134 may be sufficiently flexible to provide a “rolling loop”. The rotation loop will be described in detail later. This fiber structure 134 also makes it possible to prevent unintentional twists in the fiber by bending only about the fast axis of the rectangular fiber.

図11a−図11cは、ファイバ構造134又は(S)HARCファイバ10,11を用いる「回転ループ」方法の実施例を示している。たとえば図11aに図示されているようなファイバ構造134の場合では、回転する曲率を有する内側部分が、ビームディレクターハードウエアの固定された曲率を有する外側部分と同心円をなすように供される。図11aの実施例では、内側部分の半径は6インチで、かつ、外側部分の半径は12インチである。これらの半径は、特定の実施例を支持するように変化して良い。これらの半径は、結果として生じる曲がり応力がファイバ内において損失及び/又はモード結合を誘起する曲がりの大きさによってのみ制限される。そのような曲がりが誘起する損失及びモード結合に対する許容度は、内側筐体と外側筐体との間及び内側ハブ自身の「回転ループ」部分での最小の許容可能な曲がりを設定する。ファイバ構造134は、2つの同心円部分138と140の間で機械的に制約される。ファイバ構造134は、地点Aで内側部分138に接続され、かつ、地点Bで外側ループに接続されて良い。ファイバ構造134は、地点AとBとの間に形成されるループ142を有して良い。ループ142の位置は、内側部分138の回転中、地点AとBとの間でファイバ構造134の長さを一定に維持するように変化して良い。一の実施例では、ファイバ構造134は、地点AとBとの間で1mの長さを有する。一の実施例では、システムは、視線の中心(線C)に対して約±150°の方位方向の範囲を有する。図11aは、反時計回りの方向に内側部分138の方位を+150°回転させるファイバ構造134によって構成される「回転ループ」を示している。図11aに図示されているように、ループ142の位置は、ビームディレクタの回転を供するように図11bに示された位置から約50°移動した。図11cは、図11bに示された位置から時計回りに内側部分138を−150°方位方向に回転させるように、図11bに図示された位置から−50°移動した。ファイバ構造134とファイバ構造134を用いた「回転ループ」法は、ファイバ10をねじることなく、ファイバ10に、ファイバの回転自由度を供することを可能にする。   FIGS. 11 a-c show an example of a “rotating loop” method using fiber structure 134 or (S) HARC fibers 10, 11. For example, in the case of a fiber structure 134 as illustrated in FIG. 11a, the inner portion with rotating curvature is provided to be concentric with the outer portion with fixed curvature of the beam director hardware. In the embodiment of FIG. 11a, the radius of the inner portion is 6 inches and the radius of the outer portion is 12 inches. These radii may vary to support a particular embodiment. These radii are limited only by the amount of bending that the resulting bending stress induces loss and / or mode coupling in the fiber. The tolerance to loss and mode coupling induced by such bending sets the minimum allowable bending between the inner and outer housings and in the “rotating loop” portion of the inner hub itself. The fiber structure 134 is mechanically constrained between two concentric portions 138 and 140. The fiber structure 134 may be connected to the inner portion 138 at point A and connected to the outer loop at point B. The fiber structure 134 may have a loop 142 formed between points A and B. The position of the loop 142 may change to maintain the length of the fiber structure 134 between points A and B during rotation of the inner portion 138. In one embodiment, the fiber structure 134 has a length of 1 m between points A and B. In one embodiment, the system has an azimuthal range of about ± 150 ° relative to the center of line of sight (line C). FIG. 11 a shows a “rotating loop” constituted by a fiber structure 134 that rotates the orientation of the inner portion 138 in the counterclockwise direction by + 150 °. As illustrated in FIG. 11a, the position of the loop 142 has moved approximately 50 ° from the position illustrated in FIG. 11b to provide rotation of the beam director. FIG. 11c has been moved −50 ° from the position shown in FIG. 11b to rotate the inner portion 138 in the −150 ° azimuth direction clockwise from the position shown in FIG. 11b. The fiber structure 134 and the “rotating loop” method using the fiber structure 134 allow the fiber 10 to be provided with a degree of freedom of fiber rotation without twisting the fiber 10.

ファイバ構造134は、上述の第1回転自由度によるファイバの遷移を可能にする。「回転ループ」法を用いた遷移の後、光ファイバねじれモジュール100は、ビーム供給ファイバに結合されて良い。これにより、ビーム供給ファイバは、第2自由度において要求される任意の曲がりを供することが可能となる。さらなる光ファイバモジュール100及び/又はファイバ構造134を用いた回転ループの構成は、さらなる回転及び/又は曲がりを供するようにファイバの他の部分に供されて良い。上述の実施例はファイバ構造134を参照しながら説明されているが、(S)HARCファイバ10,11について同様の実施例が供されても良い。   The fiber structure 134 allows the transition of the fiber with the first rotational degree of freedom described above. After a transition using the “rotating loop” method, the fiber optic twist module 100 may be coupled to a beam delivery fiber. Thereby, the beam supply fiber can provide an arbitrary bending required in the second degree of freedom. The configuration of a rotating loop using additional fiber optic modules 100 and / or fiber structures 134 may be provided to other portions of the fiber to provide further rotation and / or bending. Although the above embodiments have been described with reference to the fiber structure 134, similar embodiments may be provided for (S) HARC fibers 10,11.

本開示では、「光ファイバ」という用語は、可視、紫外、及び赤外を含む任意の波長範囲の放射線を伝送又は運搬することの可能な任意のファイバを含むものとして広義に用いられる。たとえばファイバは溶融シリカで作られて良いが、所望の可撓性及び所望の伝送特性を与える他のファイバ材料で作られても良い。たとえばファイバは、中赤外範囲で所望の伝送特性を有するカルコゲナイド材料で作られて良い。   In this disclosure, the term “optical fiber” is used broadly to include any fiber capable of transmitting or carrying radiation in any wavelength range, including visible, ultraviolet, and infrared. For example, the fiber may be made of fused silica, but may be made of other fiber materials that provide the desired flexibility and desired transmission characteristics. For example, the fiber may be made of a chalcogenide material that has the desired transmission characteristics in the mid-infrared range.

上記の説明は、現時点で最も実用的な実施例と考えられるものに基づいた例示目的で与えられた。しかし、係る詳細は単にその目的のためであり、かつ、本発明の基本概念は開示された実施例に限定されず、対照的に、特許請求の範囲に記載された発明の思想及び範囲に属する修正型及び均等な構成を網羅することを意図していることに留意して欲しい。たとえば本開示は、可能である限り、任意の実施例の1つ以上の特徴が他の実施例の1つ以上の特徴と組み合わせられて良いことに留意して欲しい。   The above description has been given for purposes of illustration based on what is currently considered to be the most practical embodiment. However, such details are merely for that purpose, and the basic concept of the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, in contrast, belongs to the spirit and scope of the claimed invention. Note that it is intended to cover modified and equivalent configurations. For example, it is noted that this disclosure allows one or more features of any embodiment to be combined with one or more features of other embodiments, where possible.

さらに多数の修正型及び変化型が、当業者には容易に思いつくので、本発明の基本概念を、本願明細書で説明された厳密な構成及び動作に限定することは望ましくない。従って全ての適切な修正型及び均等型は、本発明の基本概念の思想及び範囲に属するものとして考慮されなければならない。   In addition, since many modifications and variations will readily occur to those skilled in the art, it is not desirable to limit the basic concept of the invention to the exact configuration and operation described herein. Accordingly, all suitable modifications and equivalents must be considered as belonging to the spirit and scope of the basic concept of the invention.

Claims (52)

誘導ラマン散乱若しくは誘導ブリルアン散乱又は両方の閾値を上昇させるように選ばれた相対的に広い面積を有するコアを有する光ファイバであって、
前記コアは、高いアスペクト比で伸張する断面を有し、かつ、第1屈折率を有し、
前記コアは、速い軸方向では狭く、かつ、遅い軸方向では広く、その結果、前記ファイバは、前記速い軸方向では機械的に可撓性を有し、かつ、前記遅い軸方向では機械的に剛性を有する、
光ファイバ。
An optical fiber having a core with a relatively large area selected to increase the threshold for stimulated Raman scattering or stimulated Brillouin scattering, or both,
The core has a cross section extending at a high aspect ratio and has a first refractive index;
The core is narrow in the fast axis direction and wide in the slow axis direction, so that the fiber is mechanically flexible in the fast axis direction and mechanically in the slow axis direction. Having rigidity,
Optical fiber.
前記コアと接触するように設けられて前記コアを挟んで第2屈折率を有する第1信号クラッド及び第2信号クラッド;並びに、
前記コアの少なくとも遅い軸の端部を実質的に取り囲んで第3屈折率を有する第3クラッド、をさらに有する請求項1に記載の光ファイバであって、
前記ファイバ内部において前記遅い軸方向に沿って伝播する高次の横モードを実質的に除去するために低次の横電磁モードの損失よりも大きな高次の横電磁モードの損失を供するように、前記コアの第1屈折率と前記第3クラッドの第3屈折率との差は約500ppm未満である、
光ファイバ。
A first signal clad and a second signal clad provided in contact with the core and having a second refractive index across the core; and
The optical fiber of claim 1, further comprising a third cladding having a third refractive index substantially surrounding at least a slow axis end of the core.
To provide a higher order transverse electromagnetic mode loss greater than a lower order transverse electromagnetic mode loss to substantially eliminate higher order transverse modes propagating along the slow axis within the fiber, The difference between the first refractive index of the core and the third refractive index of the third cladding is less than about 500 ppm;
Optical fiber.
前記遅い軸と前記速い軸に沿った前記コアの幅が、前記ファイバへ入力されるレーザービームの幅よりも大きくなるように選ばれる、請求項1に記載の光ファイバ。   The optical fiber of claim 1, wherein the width of the core along the slow axis and the fast axis is chosen to be greater than the width of the laser beam input to the fiber. 前記コアの幅が、前記ファイバの出力端部での回折レーザービームの幅を超える、請求項3に記載の光ファイバ。   The optical fiber of claim 3, wherein the width of the core exceeds the width of the diffracted laser beam at the output end of the fiber. 前記レーザービームの幅wは、w n/λに比例するフレネル長さLFrがファイバ長さLを超えるような値で、
nは前記コアの第1屈折率で、かつ、
λは前記ファイバへ入力される前記レーザービームの波長である、
請求項3に記載の光ファイバ。
The width w b of the laser beam is such that the Fresnel length L Fr proportional to w b 2 n / λ exceeds the fiber length L,
n is the first refractive index of the core, and
λ is the wavelength of the laser beam input to the fiber,
The optical fiber according to claim 3.
前記第3クラッドの屈折率は、前記第3クラッドへ漏れるレーザー放射線が、前記第3クラッドへ漏出することを可能にするように、外側境界面での前記第3クラッドの開口数が0.06未満となるように選ばれる、請求項2に記載の光ファイバ。   The refractive index of the third cladding is such that the numerical aperture of the third cladding at the outer interface is 0.06 so as to allow laser radiation leaking into the third cladding to leak into the third cladding. The optical fiber according to claim 2, wherein the optical fiber is selected to be less. 前記第3クラッドに取り付けられた継ぎ輪をさらに有する請求項2に記載の光ファイバであって、前記継ぎ輪の屈折率は前記第3クラッドの屈折率に本質的に等しい、光ファイバ。   The optical fiber of claim 2, further comprising a splice attached to the third cladding, wherein the refractive index of the splice is essentially equal to the refractive index of the third cladding. 前記第3クラッドを覆うコーティングをさらに有する請求項2に記載の光ファイバであって、前記コーティングは、前記第3クラッドへ漏れるレーザー放射線に対して透明となるように構成される、光ファイバ。   The optical fiber of claim 2, further comprising a coating covering the third cladding, wherein the coating is configured to be transparent to laser radiation that leaks into the third cladding. 前記第3クラッドが、前記コアと前記第1信号クラッド及び第2信号クラッドを実質的に取り囲む、請求項2に記載の光ファイバ。   The optical fiber according to claim 2, wherein the third cladding substantially surrounds the core and the first signal cladding and the second signal cladding. 前記ファイバが、約10kW以上の出力を有するレーザービームを伝送するように構成される、請求項1に記載の光ファイバ。   The optical fiber of claim 1, wherein the fiber is configured to transmit a laser beam having an output of about 10 kW or greater. 前記コアが、前記遅い軸方向に延びた実質的に長方形形状を有する、請求項1に記載の光ファイバ。   The optical fiber of claim 1, wherein the core has a substantially rectangular shape extending in the slow axial direction. 前記ファイバが、前記速い軸方向において機械的な撓みを可能にし、かつ、前記遅い軸方向において機械的な撓みに抵抗するように、前記遅い軸方向に延びた実質的に長方形の外部形状を有する、請求項10に記載の光ファイバ。   The fiber has a substantially rectangular outer shape extending in the slow axis so as to allow mechanical deflection in the fast axis and resist mechanical deflection in the slow axis. The optical fiber according to claim 10. 前記ファイバの出力端部付近のファイバ長さにわたって生じるねじれ部分をさらに有する請求項1に記載の光ファイバであって、
前記ファイバの出力端部付近のファイバ長さは、ねじれ誘起焦点長に関連づけられる固有歪み長さよりも短くなるように特定される、
光ファイバ。
The optical fiber of claim 1, further comprising a twisted portion that occurs over a fiber length near the output end of the fiber,
The fiber length near the output end of the fiber is specified to be shorter than the inherent strain length associated with the twist-induced focal length.
Optical fiber.
前記固有歪み長さLdistがwcore/δθに比例し、
δθ=(w/2F)はねじれ誘起発散角で、wcoreは前記コアの幅で、wは入力レーザービームで、かつ、F=δL/φは、ねじれ角φに係るねじれ誘起焦点長である、
請求項13に記載の光ファイバ。
The inherent strain length L dist is proportional to w core / δθ F ,
δθ F = (w b / 2F) is a torsion-induced divergence angle, w core is the width of the core, w b is an input laser beam, and F = δL / φ 2 is a torsion-induction associated with the torsion angle φ The focal length,
The optical fiber according to claim 13.
前記ファイバの入力端部から出力端部へのビームの発散は保存される、請求項1に記載の光ファイバ。   The optical fiber of claim 1, wherein the divergence of the beam from the input end to the output end of the fiber is preserved. 前記速い軸方向において曲がった曲がり部分、若しくはねじれ部分、又は前記曲がり部分と前記ねじれ部分の両方をさらに有する、請求項1に記載の光ファイバ。   The optical fiber according to claim 1, further comprising a bent portion or a twisted portion bent in the fast axial direction, or both the bent portion and the twisted portion. 前記ねじれ部分が、前記ファイバ全体を通じて実質的に同一のビーム品質を維持するように、前記曲がり部分とは異なる、請求項16に記載の光ファイバ。   17. The optical fiber of claim 16, wherein the twisted portion is different from the bent portion so that the twisted portion maintains substantially the same beam quality throughout the fiber. 前記ファイバのねじれ部分が、前記ファイバ内部で光学歪みを誘起し、
前記光学歪みは、前記ねじれ部分のコア内に、前記光学歪みを補償する手段を構築することによって補償され、
その結果、前記ねじれ部分通過後には正味の光学歪みが残らない伝送ビームが得られる、
請求項16に記載の光ファイバ。
The twisted portion of the fiber induces optical distortion inside the fiber;
The optical distortion is compensated by constructing means for compensating the optical distortion in the core of the twisted portion;
As a result, a transmission beam is obtained in which no net optical distortion remains after passing through the twisted part.
The optical fiber according to claim 16.
前記光学歪みが前記ファイバ内部での負のレンズで、かつ、
前記負のレンズは、前記ねじれ部分のコア内に、前記負のレンズのパワーとは反対で、かつ、実質的に等しいレンズパワーを有する正のレンズを構築することによって補償される、
請求項18に記載の光ファイバ。
The optical distortion is a negative lens inside the fiber, and
The negative lens is compensated by constructing a positive lens in the core of the twisted portion opposite to the negative lens power and having a lens power that is substantially equal;
The optical fiber according to claim 18.
前記光学歪みが前記ファイバ内部での偏光歪みで、かつ、
前記偏光歪みは、少なくとも1つの偏光部材の手段によって補償される、
請求項18に記載の光ファイバ。
The optical distortion is a polarization distortion inside the fiber, and
The polarization distortion is compensated by means of at least one polarizing member;
The optical fiber according to claim 18.
前記正のレンズが、前記コア内に遅い軸の屈折率変化を生成することによって、又は、前記ファイバの軸に沿って中間部では前記コアを厚くして、前記コアの端部付近では狭くするように、前記遅い軸方向に沿って前記コアの厚さプロファイルを形成することによって、生成される、請求項19に記載の光ファイバ。   The positive lens creates a slow axis refractive index change in the core, or thickens the core in the middle along the fiber axis and narrows near the end of the core 20. The optical fiber of claim 19, wherein the optical fiber is generated by forming a thickness profile of the core along the slow axis. 前記のねじれが誘起する負のレンズの大きさが、前記正のレンズを打ち消すように調節され、
その結果、前記ねじれ部分の通過後には正味のビーム品質歪みが残らない伝送ビームが得られる、
請求項19に記載の光ファイバ。
The size of the negative lens induced by the twist is adjusted to counteract the positive lens;
As a result, a transmission beam is obtained in which no net beam quality distortion remains after passing through the twisted portion
The optical fiber according to claim 19.
前記のねじれが誘起する負のレンズが、前記ねじれ部分の長さを変化させることによって調節される、請求項22に記載の光ファイバ。   23. The optical fiber of claim 22, wherein the twist-induced negative lens is adjusted by changing the length of the twisted portion. 誘導ラマン散乱の発生及び誘導ブリルアン散乱の発生が、前記ファイバの長さ、前記ファイバのコアの面積、前記ファイバ内を伝播するレーザー放射線の出力、若しくは媒質に依存するラマン利得、又はこれらの組み合わせを選択することによって制御される、請求項1に記載の光ファイバ。   The generation of stimulated Raman scattering and stimulated Brillouin scattering is dependent on the length of the fiber, the area of the core of the fiber, the output of laser radiation propagating in the fiber, or the medium dependent Raman gain, or a combination thereof. The optical fiber of claim 1, controlled by selection. 前記レーザー放射線の所与の出力及び所与のラマン利得では、前記コアは、前記誘導ラマン散乱若しくは誘導ブリルアン散乱又はその両方が約2mを超えるファイバ長さで起こることを防止するのに十分な大きさの面積を備えるように構成される、請求項24に記載の光ファイバ。   For a given output of the laser radiation and a given Raman gain, the core is large enough to prevent the stimulated Raman scattering or stimulated Brillouin scattering or both from occurring at fiber lengths greater than about 2 m. 25. The optical fiber of claim 24, configured to have a surface area. レーザー;
入力端部と出力端部を有する光ファイバ;及び、
前記レーザーから前記光ファイバの入力端部を介して放射線を入力するように構成される光カプラ;
を有する光学装置であって、
前記光ファイバは、誘導ラマン散乱若しくは誘導ブリルアン散乱又は両方の閾値を上昇させるように選ばれた相対的に広い面積を有するコアを有し、
前記コアは、高いアスペクト比で伸張する断面を有し、かつ、第1屈折率を有し、
前記コアは、速い軸方向では狭く、かつ、遅い軸方向では広く、その結果、前記ファイバは、前記速い軸方向では機械的に可撓性を有し、かつ、前記遅い軸方向では機械的に剛性を有する、
光学装置。
laser;
An optical fiber having an input end and an output end; and
An optical coupler configured to input radiation from the laser through an input end of the optical fiber;
An optical device comprising:
The optical fiber has a core with a relatively large area selected to increase the threshold of stimulated Raman scattering or stimulated Brillouin scattering or both,
The core has a cross section extending at a high aspect ratio and has a first refractive index;
The core is narrow in the fast axis direction and wide in the slow axis direction, so that the fiber is mechanically flexible in the fast axis direction and mechanically in the slow axis direction. Having rigidity,
Optical device.
前記コアと接触するように設けられて前記コアを挟んで第2屈折率を有する第1信号クラッド及び第2信号クラッド;並びに、
前記コアの少なくとも遅い軸の端部を実質的に取り囲んで第3屈折率を有する第3クラッド、をさらに有する請求項26に記載の光学装置であって、
前記ファイバ内部において前記遅い軸方向に沿って伝播する高次の横モードを実質的に除去するために低次の横電磁モードの損失よりも大きな高次の横電磁モードの損失を供するように、前記コアの第1屈折率と前記第3クラッドの第3屈折率との差は約500ppm未満である、
光学装置。
A first signal clad and a second signal clad provided in contact with the core and having a second refractive index across the core; and
27. The optical device of claim 26, further comprising a third cladding that substantially surrounds at least a slow axis end of the core and has a third refractive index.
To provide a higher order transverse electromagnetic mode loss greater than a lower order transverse electromagnetic mode loss to substantially eliminate higher order transverse modes propagating along the slow axis within the fiber, The difference between the first refractive index of the core and the third refractive index of the third cladding is less than about 500 ppm;
Optical device.
前記レーザーがファイバレーザーを有し、かつ、
前記光カプラは平板屈折率分布(GRIN)レンズを有し、
前記屈折率分布の平面は、前記ファイバの遅い軸方向に対して実質的に平行で、かつ、
前記光カプラは、前記ファイバレーザーを前記光ファイバの入力端部へ結合するように構成される、
請求項26に記載の光学装置。
The laser comprises a fiber laser, and
The optical coupler has a flat refractive index profile (GRIN) lens;
The plane of the refractive index profile is substantially parallel to the slow axis of the fiber, and
The optical coupler is configured to couple the fiber laser to an input end of the optical fiber;
27. The optical device according to claim 26.
前記光カプラの長さが、前記平板GRINレンズの1/4ピッチ長さと略等しくなるように選ばれる、請求項28に記載の光学装置。   29. The optical device according to claim 28, wherein the length of the optical coupler is selected to be substantially equal to a quarter pitch length of the flat GRIN lens. 前記レーザーと前記光ファイバが、モノリシックデバイスを形成するように、前記光カプラの対向する端部に取り付けられる、請求項26に記載の光学装置。   27. The optical apparatus of claim 26, wherein the laser and the optical fiber are attached to opposing ends of the optical coupler so as to form a monolithic device. 前記レーザーと前記光ファイバが、溶融結合を用いることによって、前記光カプラの対向する端部に取り付けられる、請求項26に記載の光学装置。   27. The optical device of claim 26, wherein the laser and the optical fiber are attached to opposite ends of the optical coupler by using melt bonding. 前記光カプラが、前記光ファイバへの入力用に、前記レーザーのビームを、コリメートされた高アスペクト比の楕円ビームへ再整形するように構成される、請求項26に記載の光学装置。   27. The optical apparatus of claim 26, wherein the optical coupler is configured to reshape the laser beam into a collimated high aspect ratio elliptical beam for input to the optical fiber. 前記光カプラが、前記レーザーからの放射線を前記光ファイバへ案内するように構成される少なくとも1つの自由空間レンズを有する、請求項26に記載の光学装置。   27. The optical device of claim 26, wherein the optical coupler comprises at least one free space lens configured to guide radiation from the laser to the optical fiber. 入力端部と出力端部を有する光ファイバ;及び、
前記光ファイバの出力端部に接続される第1端部キャップ;
を有する光学装置であって、
前記光ファイバは、誘導ラマン散乱若しくは誘導ブリルアン散乱又は両方の閾値を上昇させるように選ばれた相対的に広い面積を有するコアを有し、
前記コアは、高いアスペクト比で伸張する断面を有し、かつ、第1屈折率を有し、
前記コアは、速い軸方向では狭く、かつ、遅い軸方向では広く、その結果、前記ファイバは、前記速い軸方向では機械的に可撓性を有し、かつ、前記遅い軸方向では機械的に剛性を有する、
光学装置。
An optical fiber having an input end and an output end; and
A first end cap connected to the output end of the optical fiber;
An optical device comprising:
The optical fiber has a core with a relatively large area selected to increase the threshold of stimulated Raman scattering or stimulated Brillouin scattering or both,
The core has a cross section extending at a high aspect ratio and has a first refractive index;
The core is narrow in the fast axis direction and wide in the slow axis direction, so that the fiber is mechanically flexible in the fast axis direction and mechanically in the slow axis direction. Having rigidity,
Optical device.
前記第1端部キャップが射出面を有し、
前記入力端部を介して入力されるレーザービームは、前記射出面を介して、前記第1端部キャップを飛び出し、
前記射出面は、前記光ファイバの出力端部に係るある位置に設けられ、
前記ある位置では、前記速い軸方向でのレーザービームのサイズが前記遅い軸方向でのレーザービームのサイズと実質的に等しい、
請求項34に記載の光学装置。
The first end cap has an exit surface;
The laser beam input through the input end protrudes from the first end cap through the emission surface,
The exit surface is provided at a position related to the output end of the optical fiber,
In the certain position, the size of the laser beam in the fast axis direction is substantially equal to the size of the laser beam in the slow axis direction,
35. The optical device according to claim 34.
前記第1端部キャップの射出面が、前記遅い軸方向に沿った前記レーザービームの発散を変化させることなく、前記速い軸方向に沿った前記レーザービームの発散を前記遅い軸方向に沿った前記レーザービームの発散へ減少させるように成形される、請求項35に記載の光学装置。   The exit surface of the first end cap changes the divergence of the laser beam along the fast axis direction without changing the divergence of the laser beam along the slow axis direction. 36. The optical device of claim 35, shaped to reduce to laser beam divergence. 前記速い軸方向に沿った前記レーザービームの発散が、前記遅い軸方向に沿った前記レーザービームの発散と実質的に等しい、請求項36に記載の光学装置。   37. The optical apparatus of claim 36, wherein the divergence of the laser beam along the fast axis is substantially equal to the divergence of the laser beam along the slow axis. 前記光ファイバの入力端部に接続される第2端部キャップをさらに有する請求項34に記載の光学装置であって、前記第2端部キャップはレーザービームを受けるように構成される、光学装置。   35. The optical apparatus of claim 34, further comprising a second end cap connected to the input end of the optical fiber, wherein the second end cap is configured to receive a laser beam. . 誘導ラマン散乱若しくは誘導ブリルアン散乱又は両方の閾値を上昇させるように選ばれた相対的に広い面積を有するコアを含むファイバを供する段階であって、前記コアは、高いアスペクト比で伸張する断面を有し、かつ、第1屈折率を有し、かつ、前記コアは、速い軸方向では狭く、かつ、遅い軸方向では広い結果、前記ファイバは、前記速い軸方向では機械的に可撓性を有し、かつ、前記遅い軸方向では機械的に剛性を有する、段階;
前記ファイバへレーザービームを放出する段階であって、前記レーザービームは、前記遅い軸方向と前記速い軸方向に沿って前記コアの幅よりも狭い幅を有する、段階;及び、
誘導ラマン散乱若しくは誘導ブリルアン散乱又は両方の発生を回避しながら、前記ファイバを介して前記レーザービームを伝播させる段階、
を有する高出力レーザービームのファイバ供給方法。
Providing a fiber comprising a core having a relatively large area selected to increase the threshold of stimulated Raman scattering or stimulated Brillouin scattering, or both, wherein the core has a cross section extending at a high aspect ratio. The core is narrow in the fast axis direction and wide in the slow axis direction, so that the fiber is mechanically flexible in the fast axis direction. And mechanically rigid in the slow axis direction;
Emitting a laser beam into the fiber, the laser beam having a width that is narrower than a width of the core along the slow axis direction and the fast axis direction; and
Propagating the laser beam through the fiber while avoiding the generation of stimulated Raman scattering or stimulated Brillouin scattering or both;
A method of supplying a fiber with a high-power laser beam.
前記ファイバを該ファイバの少なくとも一部に沿って曲げ若しくはねじり又は曲げとねじりの両方を行うことによって、前記レーザービームを所望の位置へ供給する段階をさらに有する、請求項39に記載の方法。   40. The method of claim 39, further comprising providing the laser beam to a desired location by bending or twisting or both bending and twisting the fiber along at least a portion of the fiber. 前記ファイバを曲げてねじることは、前記ファイバ全体にわたって実質的に同一のビーム品質を維持するように、前記ファイバの第1部分を曲げ、かつ、前記第1部分とは異なる前記ファイバの第2部分をねじることを含む、請求項40に記載の方法。   Bending and twisting the fiber bends the first portion of the fiber and maintains a second portion of the fiber different from the first portion so as to maintain substantially the same beam quality throughout the fiber. 41. The method of claim 40, comprising twisting. 前記ファイバの前記第2部分をねじることによって誘起される前記ファイバの前記第2部分内での光学歪みを、前記光学歪みを補償する手段を前記第2部分のコアに供することによって補償する段階であって、その結果、前記ねじれ部分の通過後正味の光学歪みが残らない伝送ビームを得る段階をさらに有する、請求項41に記載の方法。   Compensating optical distortion in the second portion of the fiber induced by twisting the second portion of the fiber by providing means for compensating the optical distortion to the core of the second portion. 42. The method of claim 41, further comprising obtaining a transmission beam that results in no net optical distortion remaining after passing through the twisted portion. 前記光学歪みを補償する段階が、前記ファイバ内での負のレンズを、前記負のレンズのレンズパワーとは反対でかつ実質的に等しいレンズパワーを有する正のレンズを前記ねじれ部分のコアに構築することによって補償する段階をさらに有する、請求項42に記載の方法。   Compensating the optical distortion constructs a negative lens in the fiber with a positive lens having a lens power opposite and substantially equal to the lens power of the negative lens in the core of the twisted portion. 43. The method of claim 42, further comprising: compensating. 前記の負のねじれ誘起レンズの大きさを調節することで前記正のレンズを打ち消す段階であって、その結果、前記のねじれた第2部分の通過後本質的に正味のビーム品質歪みが残らない伝送ビームを得る段階をさらに有する、請求項43に記載の方法。   Adjusting the size of the negative twist-inducing lens to counteract the positive lens, so that essentially no net beam quality distortion remains after passing the twisted second portion. 44. The method of claim 43, further comprising obtaining a transmission beam. 前記のねじれた第2部分の長さを変化させることによって前記の負のねじれ誘起レンズを調節する段階をさらに有する、請求項44に記載の方法。   45. The method of claim 44, further comprising adjusting the negative twist-inducing lens by changing a length of the twisted second portion. 誘導ラマン散乱若しくは誘導ブリルアン散乱又は両方の閾値を上昇させるように選ばれた相対的に広い面積を有するコアを含むファイバを供する段階であって、前記コアは、高いアスペクト比で伸張する断面を有し、かつ、第1屈折率を有し、かつ、前記コアは、速い軸方向では狭く、かつ、遅い軸方向では広い結果、前記ファイバは、前記速い軸方向では機械的に可撓性を有し、かつ、前記遅い軸方向では機械的に剛性を有する、段階;
前記ファイバへレーザービームを放出する段階であって、前記レーザービームは、前記遅い軸方向と前記速い軸方向に沿って前記コアの幅よりも狭い幅を有する、段階;及び、
前記ファイバを介して前記レーザービームを伝播させることで、誘導ラマン散乱若しくは誘導ブリルアン散乱又は両方の発生を緩和しながら、低次横電磁モードの損失よりも大きな任意の高次横電磁モードの損失を供することで、前記ファイバ内で前記遅い軸方向に沿って前記高次横電磁モードを実質的に除去する段階、
を有する高出力レーザービームのファイバ供給方法。
Providing a fiber comprising a core having a relatively large area selected to increase the threshold of stimulated Raman scattering or stimulated Brillouin scattering, or both, wherein the core has a cross section extending at a high aspect ratio. The core is narrow in the fast axis direction and wide in the slow axis direction, so that the fiber is mechanically flexible in the fast axis direction. And mechanically rigid in the slow axis direction;
Emitting a laser beam into the fiber, the laser beam having a width that is narrower than a width of the core along the slow axis direction and the fast axis direction; and
Propagating the laser beam through the fiber reduces any higher order transverse electromagnetic mode losses that are greater than the lower order transverse electromagnetic mode losses while mitigating the occurrence of stimulated Raman scattering or stimulated Brillouin scattering or both. Providing, substantially removing the higher order transverse electromagnetic mode along the slow axial direction in the fiber;
A method of supplying a fiber with a high-power laser beam.
前記ファイバを該ファイバの少なくとも一部に沿って曲げ若しくはねじり、又は曲げとねじりの両方を行うことによって、レーザービームを所望の位置へ供給する段階をさらに有する、請求項46に記載の方法。   47. The method of claim 46, further comprising providing a laser beam to a desired location by bending or twisting the fiber along at least a portion of the fiber, or both bending and twisting. 前記ファイバを曲げてねじることは、前記ファイバ全体にわたって実質的に同一のビーム品質を維持するように、前記ファイバの第1部分を曲げ、かつ、前記第1部分とは異なる前記ファイバの第2部分をねじることを含む、請求項47に記載の方法。   Bending and twisting the fiber bends the first portion of the fiber and maintains a second portion of the fiber different from the first portion so as to maintain substantially the same beam quality throughout the fiber. 48. The method of claim 47, comprising twisting. 前記ファイバの前記第2部分をねじることによって誘起される前記ファイバの前記第2部分内での光学歪みを、前記光学歪みを補償する手段を前記第2部分のコアに供することによって補償する段階であって、その結果前記ねじれ部分の通過後正味の光学歪みが残らない伝送ビームを得る段階をさらに有する、請求項48に記載の方法。   Compensating optical distortion in the second portion of the fiber induced by twisting the second portion of the fiber by providing means for compensating the optical distortion to the core of the second portion. 49. The method of claim 48, further comprising obtaining a transmission beam that results in no net optical distortion remaining after passing through the twisted portion. 前記光学歪みを補償する段階が、前記ファイバ内での負のレンズを、前記負のレンズのレンズパワーとは反対でかつ実質的に等しいレンズパワーを有する正のレンズを前記ねじれ部分のコアに構築することによって補償する段階をさらに有する、請求項49に記載の方法。   Compensating the optical distortion constructs a negative lens in the fiber with a positive lens having a lens power opposite and substantially equal to the lens power of the negative lens in the core of the twisted portion. 50. The method of claim 49, further comprising: compensating. 前記の負のねじれ誘起レンズの大きさを調節することで前記正のレンズを打ち消す段階であって、その結果、前記のねじれた第2部分の通過後本質的に正味のビーム品質歪みが残らない伝送ビームを得る段階をさらに有する、請求項50に記載の方法。   Adjusting the size of the negative twist-inducing lens to counteract the positive lens, so that essentially no net beam quality distortion remains after passing the twisted second portion. 51. The method of claim 50, further comprising obtaining a transmission beam. 前記のねじれた第2部分の長さを変化させることによって前記の負のねじれ誘起レンズを調節する段階をさらに有する、請求項47に記載の方法。   48. The method of claim 47, further comprising adjusting the negative twist-inducing lens by changing a length of the twisted second portion.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2019077852A1 (en) * 2017-10-20 2019-04-25 株式会社フジクラ Optical device, fiber laser system, and method for producing fiber laser system

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114284850B (en) * 2022-02-18 2022-06-21 中国工程物理研究院激光聚变研究中心 Polarization maintaining optical fiber amplifier

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004078076A (en) * 2002-08-22 2004-03-11 Mitsubishi Electric Corp Optical waveguide and laser amplifier
JP2005107319A (en) * 2003-09-30 2005-04-21 Toshiba Corp Optical module, optical fiber laser apparatus, and video display device
JP2008020743A (en) * 2006-07-13 2008-01-31 Fujitsu Ltd Method for measuring nonlinear optical characteristics and optical amplifier and optical transmission system using the same
US20090041061A1 (en) * 2007-08-09 2009-02-12 Raytheon Company Method and apparatus for generation and amplification of light in a semi-guiding high aspect ratio core fiber
US20100189401A1 (en) * 2009-01-23 2010-07-29 Raytheon Company Apparatus and method for mode control in a semi-guiding amplifier medium
JP2012098556A (en) * 2010-11-02 2012-05-24 Fujikura Ltd Optical coupling unit and light source device
JP2012515949A (en) * 2009-01-23 2012-07-12 レイセオン カンパニー Monolithic signal coupler for high aspect ratio solid gain media

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6611369B2 (en) * 1999-09-06 2003-08-26 Furukawa Electric Co., Ltd. Optical signal amplifier
US6751241B2 (en) * 2001-09-27 2004-06-15 Corning Incorporated Multimode fiber laser gratings
US7099543B2 (en) * 2003-11-26 2006-08-29 Corning Incorporated High SBS threshold NZDS optical fiber
CN102187046B (en) * 2008-08-20 2015-04-29 福罗能源股份有限公司 Method, system and assembly for advancement of a borehole using a high power laser
EP2470955A1 (en) * 2009-08-28 2012-07-04 NKT Photonics A/S Pulsed fiber laser
CN101852655B (en) * 2010-04-13 2012-04-18 中国计量学院 Distributed fiber Raman/Brillouin scattering sensor

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004078076A (en) * 2002-08-22 2004-03-11 Mitsubishi Electric Corp Optical waveguide and laser amplifier
JP2005107319A (en) * 2003-09-30 2005-04-21 Toshiba Corp Optical module, optical fiber laser apparatus, and video display device
JP2008020743A (en) * 2006-07-13 2008-01-31 Fujitsu Ltd Method for measuring nonlinear optical characteristics and optical amplifier and optical transmission system using the same
US20090041061A1 (en) * 2007-08-09 2009-02-12 Raytheon Company Method and apparatus for generation and amplification of light in a semi-guiding high aspect ratio core fiber
US20100189401A1 (en) * 2009-01-23 2010-07-29 Raytheon Company Apparatus and method for mode control in a semi-guiding amplifier medium
JP2012515949A (en) * 2009-01-23 2012-07-12 レイセオン カンパニー Monolithic signal coupler for high aspect ratio solid gain media
JP2012098556A (en) * 2010-11-02 2012-05-24 Fujikura Ltd Optical coupling unit and light source device

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2019077852A1 (en) * 2017-10-20 2019-04-25 株式会社フジクラ Optical device, fiber laser system, and method for producing fiber laser system

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