JP2016513295A - マルチモード−マルチモードファイバ結合器を備えた超高パワーファイバレーザシステム - Google Patents

Abstract

超高パワーファイバレーザシステムは、ともに束ねられた複数の低モードファイバで構成され、その下流端部に向かって先細になっている、マルチモード結合器を含む。このシステムはさらに、結合器の、先細にされた下流端部に沿って延び、かつ、結合器の出力ファイバの一部にわたって延びている、クラッドモードアブソーバを含む。このアブソーバは、それぞれ屈折率を与えられた連続して位置するゾーンで構成される。光信号の前方伝搬方向では、上流ゾーンが、結合器端部ファイバのクラッドよりも高い屈折率を有する重合体材料を含んでいる。このゾーンは、結合器端部と出力ファイバとの間の接合部を介して結合器のクラッドへ漏出した、後方反射しコアによってガイドされた光、を除去するように構成される。中間ゾーンは、結合器出力ファイバのクラッドよりも低い屈折率で構成された重合体材料を含んでいるので、これは、クラッドによってガイドされた信号光が、この材料の下でクラッドから離脱することを阻止し得る。下流ゾーンは、結合器出力ファイバのクラッドよりも低い屈折率を有する重合体材料で構成される。下流ゾーンの重合体材料は、クラッドによってガイドされた信号光の高開口数光線を散乱する複数の光ディフューザで満たされている。

Description

（関連出願の相互参照）
この出願は、この出願と同時に出願された米国仮出願第61/770,599号に関連しており、その全体が参照によって本明細書に完全に組み込まれている。

本開示は、超高パワーファイバレーザシステムに関する。特に、本開示は、数10kWの超高パワーマルチモード(「MM」)レーザ出力を放出し、所望されない前方伝搬および後方反射されたクラッド光を効率的に除去するように動作可能なメカニズムで構成された超高パワーMMファイバシステムに関する。

マルチkWファイバレーザシステムは、ますます多くの用途に使用される。ファイバレーザが商用展開に向けて成長すると、そのパワーにおける強い集束性、品質および信頼性、また、その部品の品質および信頼性が要求される。所望のパワーレベルを可能にするために、マルチ低モード(「LM」)ファイバレーザシステムが、光学的および機械的に、LM-MM結合器内でともに結合される。高kWパワーレベルにおいて効率的に実行するために、結合器は、前方方向および後方反射方向におけるパワー損失およびファイバの機械的な結合のように、いくつかがここで特に興味のある少数の構造的困難に正しく対処する必要がある。

一般に、高パワー結合器を製造するプロセスは、それぞれのファイバレーザ/増幅器の揃えられた出力ファイバを束ねるステップと、束を先細にするステップと、先細にされた束を、裂いて、システム出力伝送ファイバに接合するステップとを含む。胴部がさらに半分に切断されたボウタイ構成を最初に仮定する結合器の製造は、結果的に、外部クラッドの構造的な欠陥(バリ)に至り得る。これはさらに、結合器の配置中に、出力レーザビームの品質およびそのパワーに決定的な影響を与え得る。

数10kWに達するファイバレーザシステムの出力では、前方伝搬と後方反射伝搬との両方において、コアによってガイドされた光は、システム内を伝搬すると、種々のファイバ間の接合部および空気-石英界面において隣接するクラッドへ漏出する傾向がある。一旦クラッドに入ると、高パワー信号光は、クラッドの周囲の重合体コーティングに、熱的な負荷をもたらす。このコーティングは、ファイバが、ファイバに加えられた外的な機械的負荷の結果として経験し得る構造的な損傷を最小化するように構成される。前方伝搬信号光と、特に、後方反射光のように、レーザ処理されるべき表面から反射した光との両方が、クラッド内に漏出し得る。これは、結合器自身と、後方反射光に曝された場合に特に脆弱である、そこから上流にあるシステム構成要素との両方に対して損傷を与える。したがって、前方伝搬および後方伝搬の両クラッド光が、導波管から除去される必要がある。

要約すると、LM導波管の出力において最大数10kWの光学パワーを達成するために、結合器は、以下を可能にする特別な構成を必要とする。
(1)出力ビームの品質を下げることなく、また、光パワーを下げることなく、入力ファイバをともに確実に固定する。
(2)前方および後方の伝搬光のパワー損失を効率的に分散し利用する。
(3)熱誘導変形の結果としての環境的な不純物からファイバを保護する。

米国仮出願第61/770,599号

したがって、上記で記載された条件を満たす超高パワーMMファイバレーザシステムに対するニーズがある。

本開示の1つの態様に従って、それぞれの個々の低モードファイバレーザシステムの、ファイバによってガイドされる出力は、出力ファイバ間の確実な結合を改善し、かつ、LM-MM結合器の製造中におけるそれぞれのコアの損傷の可能性を最小化するような、マルチレイヤ構成を有する。入力ファイバとさらに称される、各々の二重クラッドファイバのマルチレイヤ構成は、内部レイヤおよび外部レイヤを含む。内部レイヤは、二酸化珪素(SiO₂)を含む一方、外部レイヤは、フッ素(「F」)のイオンをドープされたSiO₂から形成され、比較的低い融点を有している。外部レイヤが存在することで、結合器の製造プロセス中、個々のファイバ構成要素への損傷を実質的に最小化する。

本開示の別の態様に従って、LM/MM結合器は、開示されたシステムのクラッド領域に沿ってガイドされた、所望されない前方伝搬および後方反射された光を効率的に除去することができるアブソーバで構成される。このアブソーバは、2つの起点のソースを有する所望されない光の除去を担当する、上流、中間、および下流の連続するゾーンで構成される。1つのソースは、ファイバ間の接合部領域を介してガイドされた前方伝搬信号光の損失を含む。他方のソースは、ワークピースから反伝搬方向に跳ね返ると、フィードファイバのクラッドおよびコアへ結合される後方反射光に関する。

信号光の前方伝搬方向に沿って見ると、上流ゾーンは、後方反射光が、個々のLMファイバレーザシステムに達することを支配的に阻止するように構成されている。このゾーンは、石英よりも高い屈折率を有する高分子によって規定される。

中間ゾーンは、上流の接合部において喪失され、前方伝搬方向においてクラッドに沿ってガイドされた信号光の高開口光線が、結合器から漏出することを阻止するように構成される。このゾーンを構成する高分子は、石英と実質的に等しい、または石英よりも低い屈折率で構成されている。そして最終的には、下流ゾーンは、上流ゾーンに類似して構成されているが、中間ゾーンで処理されなかった前方伝搬信号光を除去するように動作可能である。

さらなる態様は、開示された結合器を含むMM高パワーファイバレーザシステムを取り扱う。このシステムは、このシステムの出力ファイバのクラッドに結合される後方反射光を最小化および除去するように動作可能なクラッドモードアブソーバで構成される。

開示された構成の前述およびその他の特徴および利点は、以下の図面が伴う具体的な記載からより容易に明らかになる。

開示された高パワーファイバレーザシステムの正面図である。 図1のシステムのLM/MM-MM結合器構成要素の概略図である。 図2における各線に沿った断面図である。 図2における各線に沿った断面図である。 図2における各線に沿った断面図である。 図2における各線に沿った断面図である。 図1のシステムのクラッドモードアブソーバの概略図である。

本開示の好適な実施形態に対する参照が詳細になされるであろう。可能な場合には常に、同一または同様な部品またはステップを参照するために、図面および説明において、同じまたは類似の参照番号が使用される。図面は、非常に簡素化された形態であり、正確なスケールではない。

図1は、最大で約50kWの高品質ビームを放出することが可能な高パワーファイバレーザシステム10の概略図を例示する。システム10は、各々が低モードまたはマルチ横モードのシステム出力で放射光を放出するように動作可能な複数の低モード(「SM-LM/MM」)ファイバ結合器12で構成される。SM-LM/MM結合器の構成は、同時に出願され、その全体が参照によって本明細書に組み込まれている米国仮出願に開示されている。SM-LM/MMレーザ結合器12には、それぞれLM/MM出力パッシブファイバ16が提供されている。これらの各々は、直接、または、中間パッシブファイバを介して、入力MMパッシブファイバ19に接合されている。束ねられた領域によって、接合部フィルタ20で囲まれた上流接合部を形成する。LM入力ファイバ19は、その後、揃えられ、さらに、LM/MM-MM結合器22において互いに機械的および光学的に結合される。システム10は、下流システムクラッドモードアブソーバ80で終了する。

図2および図2aを参照すると、LM-MM結合器22は、図2aに図示されるように、束の大径入力端部を規定するために、各々が大径MMコア32(図2a)および外部クラッド34で構成されている複数のLM/MMパッシブ入力ファイバ19を先ず、互いに揃えることによって形成される。その後、揃えられたLM/MM入力ファイバ19が、同時に束ねられ、先細にされた束の小径下流端部24へと延ばされる。束の下流端部24は、個々の入力ファイバ19を束ねて延ばすことによって形成された単一のコアを含む。MM結合器出力パッシブファイバ26と、束ねられた下流端部24の直径が各々、理想的ではないが、互いに実質的に一致するように、延ばされる。その結果、光が接合部領域30を通って伝搬すると、接合部での光の損失が少なくなるように、これら要素を束ねることで、接合部領域30を形成する。

結合されたビーム出力は、LM/MM入力ファイバ19の数に応じて、最大で約50kWに達することがあり、たとえば20未満および10と同じくらい低いBPPを有し得る。先細にされた束の下流端部24と、結合器の出力ファイバ26の上流部分とが、ハウジング23内に配置される。ハウジング23は、ここで図示されていないヒートシンクに結合される。

ハウジング23内に入る入力ファイバ19は、任意の適切な接着剤によって互いに固定される。高パワーおよびそれによって高められる温度によって、接着剤は、たとえばUV-15-TKであり得る耐熱成分を含む。

結合器22のスケールは、結合器に沿って反対方向に伝搬する、所望されない、クラッドによってガイドされた光が、どのようにして効率的に利用されるのかに大きく依存する。典型的には、導波管のクラッドからの光除去を取り扱うメカニズムは、光ストリッパまたはクラッドモードアブソーバ(「CMA」)と呼ばれる。

CMAは、先細にされた束の一部と、結合器の出力ファイバ26の一部とを含む長さにわたって提供される。CMAは、3つの連続した、上流ゾーン38、中間ゾーン40、および下流ゾーン42で構成され、クラッド光の量を最小化するように動作可能である。クラッド光は、反伝搬方向および逆伝搬方向に伝搬し、ファイバレーザ技術分野における当業者に知られているように、ファイバ、および、レーザシステム10のその他の光学構成要素にネガティブな影響を与える。開示されたシステムにおいて容易にkWに達し得る、100ワットの、後方反射したクラッド光でさえも、結合器22に対して損傷を与え得るが、この光を、それぞれのファイバ19を介して、および、結合器22から上流にあるその他の導波管を介して受け取り得る個々のSMシステムに対しては、さらにいっそう損傷を与え得る。

先細にされた束の一部24に沿って延び、かつ、接合部30からの近距離において終了する上流ゾーン38は、この光が、個々のLMレーザシステム18(図1)およびそこから上流にあるその他の構成要素に達する前に、後方反射光の伝搬を少なくとも最小化するように構成される。

後方反射光は、起源のいくつかの領域を有する。たとえば、ワークピース21は、結合器出力ファイバ26へ束ねられたフィードファイバ82(図1)のコアとクラッドとの両方へ結合される信号光を部分的に反射する。ゾーン38は、最初に、フィードファイバ82のコアへ、さらには、後方反射光を接合部領域30へガイドする出力ファイバ26のコア44'(図2d)へと結合される後方反射光を取り扱うように構成される。領域30を規定する出力ファイバ26と下流端部24それぞれの断面領域間のオーバラップは理想的ではないので、後方反射光は、コア44よりも大きな束の下流端部の領域を満たす(図2)。したがって、先細にされた束の下流端部のコアに閉じ込められない光が漏出する。この光を除去するために、各ファイバ19のクラッド34が、保護重合体レイヤ36と置き換えられる。したがって、保護重合体レイヤ36は、先細にされた束の下流端部24のコアと直接接触し、コア32と保護コーティング34との両方よりも高い屈折率を有する。

具体的に図2aを参照すると、高分子36は先ず、ハウジング23と、それぞれが保護コーティング34を有するファイバ19間の隙間とを埋める(図2a)。ゾーン38内では、高分子36は先ず、下流端部24のコア44からの直接の、さらには、それぞれの個々のファイバ19の保護コーティング34からの、後方反射光を除去する。ここでは、ファイバ19は、損傷を受けない。高分子36は、束の下流端部24と出力ファイバ26の上流端部との間の接合部30からの近距離において終了する。

図2および図2bを参照すると、開示されたCMAの中間ゾーン40(図2)は、先細にされた束の下流端部24の上流ゾーン38の端部から、その後接合部30を通って延びており、出力ファイバ26の下流端部領域から上流のある距離において終了する。後者は、中間ゾーン40に沿って保護コーティングからストリップされる。その代わりに、重合体レイヤ39の屈折率に少なくとも等しいかまたはそれよりも高い屈折率を有する出力ファイバ26の内部クラッド43をカバーするのは重合体レイヤ39(図2b)である。したがって、レイヤ39は、クラッド43から前方伝搬信号光が離脱することを阻止することによって、前方伝搬信号光の損失を最小化するように構成される。

図2、図2c、および図2dを参照すると、アブソーバの下流ゾーン42は、出力ファイバ26のクラッド43に沿ってガイドされる前方伝搬信号光の量を最小化するように構成された重合体レイヤ46で構成される。下流ゾーン42は、保護コーティングからストリップされる出力ファイバ26の大部分にわたって延び、未だに保護コーティング50を有しているこのファイバの下流端部と部分的に重なり合う(図2d)。後者は、ハウジング23への結合を改善するために、出力ファイバ26の端部領域に沿ってそのまま残される(図2)。

中間ゾーン40のレイヤ39と同様に、重合体レイヤ46は、シリコーンゲルのように、石英と実質的に等しい屈折係数を有するホスト材料で構成される。ホスト材料は、たとえばAl₂O₃の粒子を含む複数のディフューザをドープされる。ディフューザは、入射光を吸収せず、ファイバ26の外部に向けられた散乱光の一部と全方向に散乱する。したがって、ディフューザに入射した場合、高NAの、前方伝搬する、クラッドにガイドされた光は、ハウジング23内のアブソーバをカバーするポッティング材料へ、さらにはハウジングを介して、本明細書では図示されていないヒートシンクへと部分的にガイドされ得る。ディフューザの濃度および分布は、高NA信号を実質的に一様に除去するように選択される。

吸収された光は、前方反射された伝搬光、または後方反射された伝搬光に拘わらず、ヒートシンクへ効率的に伝送されねばならないが、そうではない場合には、結合器22の構造的な完全性が、取り返しのつかないほど損なわれ得る。ハウジング23、収納結合器22、および、アブソーバによって保護されている出力ファイバ26の一部は、結合器22を受け取る半球状のグローブ25(図2および図2a)を提供され、これによって、レーザシステム全体の機械的および熱的な安定に寄与している。ハウジング23の材料は、開示されたファイバレーザシステムの動作中に高められた温度におけるハウジング23の変形の程度を最小化するように、高い耐熱性および低い熱膨張係数で選択される。そうではない場合には、ハウジングの伸長が、ファイバに損傷を与え、および/または、光学パラメータにネガティブな影響を与え得る。好適には、この材料は、金の一片で被覆された銅、または、タングステン銅(CuW)偽合金を含む。ハウジング23内にCMAが配置されると、U形状のグローブ25、および、ハウジング23内の他の自由空間は、開示された構造の機械的および熱的な完全性に寄与する高分子36で満たされる。

図1に手短に戻ると、システム10は、いくつかのフォトダイオード検出器を含む信頼性の高いモニタリングシステムを有し得る。たとえば、センサ100は、コア44に沿って伝搬する後方反射光を検出するために、結合器22の上流の近傍に配置される(図2a)。フォトダイオード104は、システムアブソーバ80によって除去されない残りの後方反射光を検出するように配置される。信号光のパワー損失は、導波管に沿った任意の便利な場所においてモニタされ、たとえば、センサが、結合器22の出力において信号光のパワーを測定するために配置され得る。

図3は、上流MMパッシブファイバ90および下流伝送ファイバ82で構成されるフィードファイバアセンブリとシステム出力ファイバ26の下流端部領域にわたって提供されたクラッドガイド光ストリッパ(「CLS」)80を例示する。ファイバ26、90、および82のすべては、実質的に一様に寸法決めされたクラッドとそれぞれのコアで一様に構成されている。CLS80は、それぞれのファイバ26、90、および82のクラッド、すなわち3つのゾーンで構成されたクラッド上に直接コートされた高分子を含む。

CLS80の上流ゾーン86は、出力ファイバ26の下流端部の保護コーティングからストリップされた領域をカバーする。ゾーン86に沿った高分子の屈折率は、伝搬方向においてクラッドに沿ってガイドされた信号光の光部分を除去することを可能にする内部クラッドよりも高い。

CLS80の中間ゾーン92は、クラッドによってガイドされた信号光をファイバ90に閉じ込める比較的低い屈折率で構成されている。最終的には、下流ゾーン88は、隣接するクラッドよりも高い屈折率の重合体レイヤ94を含む。その結果、システム出力ファイバ82のクラッドへ結合された後方反射光は、後者の外部の周囲のヒートシンクへとガイドされる。

開示された構成のさまざまな変形が、その精神および本質的な特性から逸脱することなくなされ得る。したがって、前述した記載に含まれるすべての内容は、例示のみとして、かつ、限定された意味で、解釈されるべきであり、本開示の範囲は、添付の特許請求の範囲によって定義されることが意図されている。

12 低モードファイバレーザ結合器
16 LM/MM出力パッシブファイバ
18 結合器
19 ファイバ
20 接合部フィルタ
21 ワークピース
22 収納結合器
23 ハウジング
24 小径下流端部
25 グローブ
26 上流MMパッシブフィルタ
30 接合部領域
32 コア
34 保護コーティング
36 保護重合体レイヤ
38 上流ゾーン
39 重合体レイヤ
40 中間ゾーン
42 下流ゾーン
43 クラッド
44 コア
44' コア
46 重合体レイヤ
50 保護コーティング
80 システムアブソーバ
82 ファイバ
86 上流ゾーン
88 下流ゾーン
90 ファイバ
92 中間ゾーン
100 センサ
104 フォトダイオード

Claims (10)

1. マルチモード(「MM」)高パワー結合器であって、
   それぞれの出力をガイドする、複数のパッシブ低モード(「LM」)ファイバであって、前記パッシブLMファイバは、束の先細にされた下流端部を規定するために、ともに束ねられ、前記下流端部は、結合されたマルチモード(「MM」)信号光を伝搬方向においてガイドするコアと、少なくとも1つのクラッドとを有する、複数のパッシブLMファイバと、
   接合部を規定するために、前記下流端部に接続されたMM結合器出力ファイバであって、前記MM結合器出力ファイバは、前記MM信号光をガイドするコアを囲むクラッドを有し、前記MM信号光は、ワークピースに入射し、前記ワークピースは、前記入射したMM信号光を部分的に反射させ、これによって、前記反射したMM信号光が、反伝搬方向において、前記MM結合器出力ファイバのコアおよびクラッドに結合される、MM結合器出力ファイバと、
   前記束の下流端部を囲み、前記MM結合器出力ファイバの一部にわたって延びているクラッドモードアブソーバ(「CMA」)と、
   を備え、
   前記CMAは、
   前記MM結合器出力ファイバにわたって延びており、その下流端部からある距離において終了している下流ゾーンであって、前記MM結合器出力ファイバから上流にある前記クラッドへ漏出した前記MM信号光を散乱するように構成された下流ゾーンと、
   前記接合部に接する出力ファイバ、各端部の領域、および前記接合部にわたって延びており、前記MM信号光の離脱を阻止するように構成された中間ゾーンと、
   前記束の下流端部に沿って延びている上流ゾーンであって、前記MM結合器出力ファイバのコアに結合され、前記接合部を介して端部ファイバのクラッドへ漏出した、前記反射したMM信号光をストリップするように構成された上流ゾーンとで構成される、MM高パワー結合器。
2. 前記CMAは、
   前記上流ゾーンに沿った前記束の端部の1つのクラッドよりも高い第1の屈折率と、
   前記接合部に接するそれぞれのファイバ領域のクラッドの屈折率に最大でも等しく、前記中間ゾーンを規定している、第2の屈折率と、
   前記下流ゾーンに沿った前記MM結合器出力ファイバのクラッドの屈折率に最大でも等しい第3の屈折率と、
   で構成された高分子を含み、
   前記下流ゾーンの高分子は、前記MM信号光の一部を散乱するように構成された複数のディフューザをドープされた、請求項1に記載のMM高パワー結合器。
3. 前記ディフューザは、酸化アルミニウムAL₂O₃の粒子を含む、請求項2に記載のMM高パワー結合器。
4. 前記MM信号光は、約40kW乃至約60kWの出力パワー範囲において、約10乃至約20の範囲のビームプロダクトパラメータで、前記端部ファイバから放出される、請求項1に記載のMM高パワー結合器。
5. MMコアは二酸化珪素(SiO₂)からなり、前記クラッドはSiO₂からなり、フッ素(F)イオンをドープされる、請求項1に記載のMM高パワー結合器。
6. 前記クラッドモードアブソーバを収納するハウジングをさらに備え、システム出力ファイバの外部レイヤは、前記下流ゾーンの大部分と前記中間ゾーンに沿った保護コーティングからストリップされる、請求項1に記載のMM高パワー結合器。
7. 後方反射し、コアによってガイドされた光を検出するように動作可能な上流光検出器をさらに備える、請求項1に記載のMM高パワー結合器。
8. 請求項1から7の何れか一項に記載のMM高パワー結合器と、
   MMフィードファイバアセンブリと、
   を備え、
   前記MMフィードファイバアセンブリは、
   前記MM結合器出力ファイバの下流端部に結合された上流マルチモード(「MM」)パッシブファイバと、
   前記上流MMパッシブファイバに接続された下流システム出力MMパッシブファイバと、を含み、
   前記MM結合器出力ファイバ、上流MMパッシブファイバ、および下流システム出力MMパッシブファイバは一様に構成される、超高パワーファイバレーザシステム。
9. それぞれの結合器出力およびフィードファイバアセンブリの隣接領域を囲み、上流ゾーン、中間ゾーン、および下流ゾーンで構成されたクラッド光ストリッパ(「CLS」)をさらに備え、
   前記上流ゾーンは、結合器出力ファイバのクラッドよりも高い屈折率を有し、伝搬方向において前記クラッド内をガイドされたMM信号光を除去するように動作可能な高分子を含み、
   前記中間ゾーンは、基礎となるクラッドよりも低い屈折率で構成された高分子を含み、
   前記下流ゾーンは、前記結合器出力ファイバのクラッドに結合された、前記反射したMM信号光を除去するために、前記下流システム出力MMパッシブファイバのクラッドよりも高い屈折率を有する高分子を提供される、請求項8に記載の超高パワーファイバレーザシステム。
10. 前記MM結合器出力ファイバ、上流MMパッシブファイバ、および下流システム出力MMパッシブファイバそれぞれの隣接領域は、それぞれ保護レイヤからストリップされる、請求項9に記載の超高パワーファイバレーザシステム。

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