JP2017502531A - 連続波方式および疑似連続波方式で動作する超高出力の単一モード緑色ファイバレーザ - Google Patents

Abstract

単一モード（ＳＭ）緑色ファイバレーザは、緑色スペクトル範囲において連続波（ＣＷ）または疑似連続波（ＱＣＷ）モードで動作するように構成される。緑色レーザは、１マイクロメートルのスペクトル範囲内の基本波長における狭い線幅のポンプ光を出力するポンプ光源と、ポンプ光の周波数を２倍にして信号の波長において緑色光を出力する非線形のＬＢＯ結晶など単一パスの２次高調波発生器（ＳＨＧ）とを用いて構成される。ポンプ光源は、０．２ｎｍよりも狭い線幅を有するＳＭポンプ光を放射するＳＭ種光源と、基本波長のＳＭポンプ光を受け取って増幅する一方で０．２ｎｍよりも狭い線幅を維持する少なくとも１つのイッテルビウム（「Ｙｂ」）ファイバ増幅器とを備えたＭＯＰＦＡ構成を有するように構成される。このＳＭ緑色ファイバレーザは、１５％と３０％の間の壁コンセント効率で、５１０〜５４０ｎｍの信号波長範囲において約５０ＷとｋＷレベルの間の出力範囲で動作する。

Description

本開示は、非線形結晶の基本周波数におけるポンプ信号の２倍の単一パス周波数に基づく、紫外線スペクトル範囲および可視スペクトル範囲の波長で動作する高出力ファイバレーザに関するものである。詳細には、本開示は、リチウムトリボラート（「ＬＢＯ」）結晶における狭い線幅のイッテルビウム（「Ｙｂ」）ファイバレーザの２倍の単一パス周波数に基づく、連続波（「ＣＷ」）方式および高い繰返し率の疑似連続波（「ＱＣＷ」）方式を含む様々な方式で動作するように構成された単一モード（「ＳＭ」）緑色レーザシステムに関するものである。より詳細には、本開示は、２５％までの壁コンセント効率で、ＱＣＷ方式における５５０Ｗを上回る平均パワーを有する出力およびＣＷ方式における３５０Ｗを上回る平均パワーを有する出力を生成するように働くＳＭファイバ緑色レーザシステムに関するものである。

［用語解説］
種レーザすなわち種光源とブースタ増幅器との間の増幅段は、本明細書では一般に前置増幅器と称される。

本明細書で使用される「ブースタ」は、増幅されたビームをターゲットまたは波長変換器へ送出する前の最終段の光増幅器を指す。

「連続波（ＣＷ）レーザ」は、放射を、パルスレーザのようなショートバーストではなく連続的に放射するレーザを指す。

「変換効率」は、光パワーの、ある波長から別の波長への変換を指す。

「デューティサイクル（Ｄ）」は、一定間隔で生じるパルスに関して、パルス持続時間τとパルス繰返し周波数（ＰＲＦ）の積を指す。デューティサイクルは、たとえば０．０１といった比として表現され得、または同様な意味合いで、１００％のデューティサイクルがＣＷモードで動作するレーザを記述する状態で１％と１００％の間の範囲の百分率として表現され得る。

「ダイオードレーザ」は、コヒーレント光出力を生成するために誘導放出を使用するように設計された発光ダイオードを指す。ダイオードレーザは、レーザダイオードまたは半導体レーザとしても知られている。

「ダイオード励起レーザ」は、ダイオードレーザによってポンピングされる利得媒体を有するレーザを指す。

「利得」は、増幅器による、あるポイントから別のポイントへ伝送される信号の強度、パワー、またはパルスエネルギーの増加を指す。

「利得媒体」は、レーザに対して以下で記述されるような光学利得を生成することができる材料を指す。

「レーザ」は、放射の誘導放出による光増幅の頭字語である。

「非線形光学結晶」は、リチウムトリボラート非線形光学結晶（ＬＢＯ）を指す。

光について本明細書で使用される「光」という用語は、一般に赤外線から紫外線までの範囲の周波数の電磁放射を指す。

「非臨界位相整合」は、非線形プロセスの位相整合を得るための技術である。この場合、ビームは非線形結晶の軸のうちの１つを下って伝搬し、結晶の温度が調節される。伝搬方向は、複屈折非線形結晶の光学軸に対して通常は９０°である。この技術は、励起ビームと生成されるビームとの間の完全なアラインメントを必要とせず、変換効率を低下させることが知られている空間的ウォークオフ現象を伴わない。

「非線形効果」は、一般的には、レーザによって生成されたものなど、光のほぼ単色の指向性ビームの状態でのみ観察され得る光学現象のクラスを指す。高調波発生（たとえば２次高調波発生、３次高調波発生、および４次高調波発生）、光パラメトリック発振、和周波発生、差周波発生、光パラメトリック増幅、および誘導ラマン散乱は、非線形効果の例である。

「非線形の光波長変換プロセス」は、それによって、非線形媒体を通り抜ける所与の真空波長λ０の入力光が、媒体および／または媒体を通り抜ける他の光に対して、入力光とは異なる真空波長を有する出力光を出力するように相互作用する非線形の光学的プロセスである。「非線形の波長変換」は、波長と周波数が真空の光速によって関連付けられるので、非線形の周波数変換と等価である。両方の用語は区別なく使用され得る。「非線形の光波長変換」は、たとえば２次高調波発生（ＳＨＧ）、３次高調波発生（ＴＨＧ）、４次高調波発生（ＦＨＧ）などの高調波発生（ＨＨＧ）を含む。

「非線形材料」は、非線形効果を起こすことができる、光学的放射に対するゼロでない非線形の誘電応答を有する材料を指す。非線形材料の例には、リチウムトリボラート（ＬＢＯ）などの結晶が含まれる。

「光増幅器」は、入力光信号のパワーを増幅する装置を指す。光増幅器は、ポンピング放射によって駆動される利得媒体を使用するが、一般にフィードバック（すなわち空洞）がなく、その結果、利得を有するが発振しないという点でレーザに類似している。

「ピークパワー」は、時間領域における最高の光パワーを指し、パルスレーザシステムでは、一般に、パルスのエネルギーをパルス持続時間で割ったもので近似され得る。

「位相整合」は、各波動の間のコヒーレントなエネルギー伝達が可能な距離を増すために多重波の非線形の光学的プロセスにおいて使用される技術を指す。たとえば、プロセスに関与するｉ番目の波動の波動ベクトルをｋとすると、３つの波動のプロセスは、ｋ１＋ｋ２＝ｋ３のとき位相整合しているとされる。周波数倍増では、たとえば基本波の位相速度と２次高調波の位相速度が一致するとき、プロセスは最も効率的である。一般的には、位相整合条件は、非線形材料において光波長、偏光状態、および伝搬方向を注意深く選択することによって達成される。

「偏光消光比（ＰＥＲ）」は垂直偏光の光パワーの比である。ＰＥＲは、レーザの偏光度を特徴付けるために使用される。

「パルス持続時間（τ）」は、たとえばパルスの立上りエッジ上のパワー半値点と立下りエッジ上のパワー半値点との間の時間間隔といった、繰返し信号の時間的期間または寿命を指す。パルス持続時間は「パルス幅」と称されることもある。

「パルスエネルギー」は、パルスのエネルギー量を指す。パルスエネルギーは、瞬間のパルスパワーをパルス持続時間にわたって積分することによって計算され得る。

「パルス時間（Ｔ）」は、２つ以上のパルスの列における連続パルスの当量点間の時間を指す。

「パルス繰返し周波数（ＰＲＦ）」は、単位時間当りのパルスの繰返しの割合を指す。ＰＲＦは、周期Ｔの逆数に関係しており、たとえばＰＲＦ＝１／Ｔである。

「疑似ＣＷ」は、十分に高い繰返し率で連続的に見える一連のパルスを発生することを指す。

「ラマンの非線形効果」は、強いレーザ光が光ファイバに結合されて、誘導ラマン散乱により、２次の、より長い波長を発生するときに観察される現象を指す。このラマン散乱光は、それ自体がラマン散乱を経験することがある。ファイバが十分に長ければ、プロセスは、縦続接続して、いくつかの波長またはストークス次数（Ｓｔｏｋｅｓ ｏｒｄｅｒｓ）を生成する。

「単一周波数レーザ」は、放射を単一の縦モードで放射するレーザを指す。

「単一横モードレーザすなわち単一モード（ＳＭ）レーザ」は、単一の横モードで動作するレーザを指す。横モードは、放射されたビームの断面上の強度分布を決定する。ＳＭビームは、ここで、全出力におけるレーザのビーム品質パラメータＭ２≦１．１５であることによって特徴付けられる。Ｍ２因子は、レーザ光線のビーム品質の一般的な指標である。

「スペックルノイズ」は、スペックルの、観察可能でランダムな強度パターンを指す。「誘導ブリュアン散乱（ＳＢＳ）」は、入射波のパワーの損失によって表される非線形現象である。

「ラマンスペクトルのストークス次数（ストーク）」は、ラマン散乱による標準的なラインに加えて、単色光のスペクトルに現れる様々な放射バンドまたはラマン線を指す。

疑似位相整合（ｑｐｍ）材料について疑似位相整合材料では、基本周波数放射と高調波放射は、材料の非線形係数の符号を周期的に変化させることによってほぼ位相整合される。

「紫外線（ＵＶ）放射」は、可視領域よりも短いが軟Ｘ線よりも長い真空波長によって特徴付けられる電磁放射を指す。紫外線放射は、約３８０ｎｍから約２００ｎｍまでの近紫外線と、約２００ｎｍから約１０ｎｍまでの遠紫外線（ＦＵＶ）または真空紫外線（ＶＵＶ）と、約１ｎｍから約３１ｎｍまでの極端紫外線（ＥＵＶまたはＸＵＶ）との波長範囲に細分され得る。

「壁コンセント効率（ＷＰＥ）」は、システムが電力を光パワーに変換するエネルギー変換効率を指す。ＷＰＥは、光出力パワーの合計と入力電力の比として定義される。

高出力緑色レーザの進化により、およそ４９５〜５７０ｎｍの特定の波長範囲と、この波長範囲における緑色光のパワーレベルの最近の急上昇とから利益を得ることができる様々な緑色レーザ用途向けに新しい産業上の可能性が開かれた。より普及している赤外線（ＩＲ）源と比較して、緑色波長源は２つの別個の利点を提供する。利点のうちの一方は、より少ない発散およびより小さい焦点を本質的にもたらす短波長に由来するものである。他方の利点は、短波長における金属（特に銅、金および銀などの高反射性金属）の比較的低い反射率であり、これによって、パワーのより高い割合がターゲットに結合され得る。したがって、高出力緑色レーザは、要求が厳しい付加的な製造用途ばかりでなく、電気自動車に動力を供給するのに使用される燃料電池を製造する主要なプロセスである銅溶接おいても特に有利であると判明している。半導体産業においても、ウェーハアニーリング、低温ポリシリコン（「ＬＴＰＳ」）ディスプレイアニーリングおよび太陽電池生産など、様々な緑色レーザ用途が見つかる。さらに別の広範な応用分野には、高出力緑色レーザをレーザショーおよびレーザプロジェクタに使用する娯楽産業がある。

理想的には、上記で開示された用途向けの緑色レーザ源は、単一横モード（「ＳＭ」）、優れた効率および高出力を有するべきである。この目標に向かって競っている複数のレーザ技術を、以下で簡潔に論じる。

［ダイオード励起固体レーザ（「ＤＰＳＳ」）］
従来、最初の高出力緑色レーザは、大規模な冷却を必要として維持費が高くつく、大型で、かさばる、非常に効率の悪い構成で知られているアルゴンイオンレーザであった。これらのレーザの出力パワーは、一般に数１０ワットに制限されている。ＤＰＳＳレーザ技術の進歩により、アルゴンイオンレーザは、より強力で効率的かつコンパクトな周波数倍増ＤＰＳＳレーザによって徐々に置き換えられている。

ＤＰＳＳ緑色レーザ源は、空洞内または空洞外の周波数倍増機構と組み合わせた、一般に入手可能なＮｄ：ＹＡＧレーザシステムおよびＮｄ：ＹＶＯ_４レーザシステムを使用する。周波数変換には、リチウムトリボラート（ＬＢＯ）、カリウムチタニルリン酸塩（ＫＴＰ）および周期的に分極されたタンタル酸リチウム（ＰＰＬＴ）のような非線形結晶が広範囲に使用されている。

ＤＰＳＳ技術からの広範囲な利益にもかかわらず、空洞内周波数倍増ＳＭのＤＰＳＳレーザからの緑色出力パワーの、約１００ワット以下のパワーレベルを超えるスケーリングは、レーザ結晶内の熱によるビーム中心軸の偏により、難易度の高いものである。緑色発生用の非線形結晶を組み込む外部共振器空洞の設計が、１３０Ｗの緑色出力パワーを出力することができるスタンドアロンのＳＭのＤＰＳＳレーザとともに使用されている。基本のＩＲパワーによって制限された基本的な横モードで、より大きいパワーが報告されている。

［半導体レーザ］
半導体ベースのレーザシステムには、直接電気的にポンピングされるシステムと、より最近開発された間接的な光学的手法でポンピングされるシステムとの２つのタイプがある。直接ポンピングされるＳＭの緑色半導体レーザは、現在、一般的には１００ｍＷ未満の大変低いパワーに制限されている。このタイプのレーザのパワーをさらにスケーリングするには、開発的な研究が必要とされる。

対照的に、利得媒体に隣接した高反射性（「ＨＲ」）ミラー層を一般に組み込む利得媒体として薄い半導体多層膜を使用する、光学的にポンピングされる半導体レーザ（「ＯＰＳＬ」）を用いて、大幅に高められた出力パワーを得ることができる。この構造体は、通常、ヒートシンク上に取り付けられた大きい表面領域を用いて成長される。ＯＰＳＬ利得媒体は共振空洞で囲まれ、通常、ダイオードレーザを用いてポンピングされる。ＯＰＳＬは、通常は近赤外線の範囲において放射するので、緑色光を発生するために、空洞内周波数倍増結晶を組み込む。

基本モードのビーム品質を維持している２０ＷのＣＷの緑色放射が報告されている。単一空洞の中に複数のＯＰＳチップを配置することによってＯＰＳＬのさらなるスケーリングが可能であるが、ビーム品質が犠牲になる。したがって、この技術は、現在、単一モード方式で動作する５０Ｗ未満のレーザシステムに制限されている。

［薄型ディスクレーザ］
緑色の高出力パワーを達成するための別の技術には、薄型ディスクレーザシステムの周波数倍増がある。薄型ディスクレーザシステムは、ヒートシンク上に取り付けたミラーに埋め込まれた厚さ数百ミクロンのＹｂドープ利得媒体を備える。熱レンズ効果が小さく、かつ大きいモード領域は、マルチｋＷの赤外線出力パワーレベルをもたらす主要な品質である。これらのシステムの主要な不利益には、共振器設計の大きい形状係数（すなわちかさばって厄介な構造体）および複雑さが含まれる。パワースケーリングに加えて優れたビーム品質を維持することも、かなり難易度が高いままである。共振器空洞に開口を使用することによって基本モードのビーム品質を得ることができるが、システムの効率に悪影響がある。本出願人の知る限りでは、空洞内周波数倍増Ｙｂ：ＹＡＧ薄型ディスクレーザは、ＣＷのＳＭ緑色光を２５５Ｗしか送出することができない。

［ファイバレーザ］
本発明の主題であるファイバレーザは、近赤外領域において達成される最大出力の急速な伸びを経験している。ファイバレーザは、本来、温度管理が効率的であり、ビーム品質が優れている。ファイバレーザは、他の技術と比較して、低コストで優れた壁コンセント効率と、非常にコンパクトな形状係数と、大きいパワースケーラビリティの可能性とを有する。高出力のＳＭファイバレーザ技術の進歩により、ファイバレーザは、周波数倍増によって高出力のＳＭ緑色放射を発生するための光源の選択肢になっている。

［緑色ファイバレーザ技術の概要］
ファイバレーザは、ちょうどＤＰＳＳ緑色レーザのように、空洞内構成において緑色光を発生することができる。この手法を使用して、１９ＷのＣＷの緑色放射の発生が、約１．２のＭ^２とともに報告されている。しかしながら、ファイバレーザの空洞内周波数倍増は、現在、この設計に不可欠なファイバと大容量の空洞要素間の効率的なビーム結合に関連した難点のために、いくぶん風変わりな技術のままである。このため、ファイバベースのレーザ源から高出力の緑色光を発生するのに使用される２つの主要な手法は、単一パスのＳＨＧおよび共振的に励起されるＳＨＧである。

図１が示す単一パスの緑色ファイバレーザに含まれるパルス状の主発振器のパワーファイバ増幅器（ＭＯＰＦＡ）レーザシステム１０は、ここに示されるように１０６４ｎｍの基本波長において、合焦光学部品１２を通して、連続したＩＲ光パルスを出力する。図１のレーザがさらに有する非常に簡単な周波数変換器の主要な構成要素は、ＳＨＧのための非線形結晶１４と、変換されていないＩＲ光から５３２ｎｍの波長の緑色光を分離するためのスペクトルフィルタ１６との２つだけである。工業用の高出力緑色レーザにおいて最もよく使用されているＬＢＯ非線形結晶１４の比較的小さい非線形係数のために、この手法は、効率的な２次高調波発生（ＳＨＧ）のための大きいピークパワーを必要とする。大きいピークパワーの要件は、この手法が、約０．１％以下のデューティサイクルを有するパルス状のレーザにおいて利用される理由の１つである。

図２は、外部共振空洞を用いて構成された、低レベル／中レベルの出力パワーのＣＷ緑色ファイバレーザの例示的概略図を示す。具体的には、示された構成は、高効率のＳＨＧを達成するために大きい空洞内パワーを供給する、共振的に励起されるＳＨＧに基づくものである。この手法を使用して、ＣＷ緑色レーザは、２３％を上回る壁コンセント効率を有する一方で優れたビーム品質を維持し、１７０Ｗを上回るパワーを出力することができる。この結果を得るために、ＭＯＰＦＡ構成を有する単一周波数（約１４０ｋＨｚ以下の線幅）ファイバレーザ２０の出力は、１０６４ｎｍにおいて２３０ＷのＣＷを発生するように構成されており、この出力が、緑色光を発生するために、図に示されるようなＬＢＯなどの非線形結晶１４を囲む外部のボウタイＳＨＧ共振器２４に結合される。この例における共振器の共振周波数は、レーザ技術の当業者に周知のＰｏｕｎｄ−Ｄｒｅｖｅｒ−Ｈａｌｌ技術を使用して共振器ミラー２２のうち１つの位置を調節することにより、ファイバレーザの周波数に対してアクティブにロックされる。

共振的に励起されるＳＨＧ手法に基づく緑色レーザには、本来の単一周波数（ＳＦ）動作など多くの利点があり、それによってホログラフィならびに原子冷却およびトラッピングに最適な光源になる。これらのレーザの緑色出力は、光学的ノイズが非常に小さい真の連続波である。加えて、ファイバ光源と外部空洞との適切な最適化により、比較的低パワー（１０Ｗ以下）においてさえ、９０％までのＳＨＧ効率および３０％までの壁コンセント効率が達成され得る。

他方では、この手法に関連したいくつかの不都合もある。まず第一に、この手法は、狭い線幅の外部空洞へ光を結合するために単一周波数（ＳＦ）のファイバレーザを必要とする。このことは、この技術のパワースケーラビリティに対して、この構成で構築された緑色ファイバレーザの最大出力には、通常、ファイバ増幅器における誘導ブリュアン散乱（ＳＢＳ）の閾値による限界がある、という制限を与える。共振的に励起されるＳＨＧ変換器は、単一パスの周波数変換器と比較して、かなり複雑なシステムである。高出力レベルにおいて、ＮＬ結晶は、高い光学的強度に対する長期被曝のために劣化の徴候を示すことがある。これらの場合、ＮＬ結晶転移の一般に展開されている技術が、システムの寿命を延長するのを支援することができる。しかしながら、いくぶん厳密な空洞アラインメント公差のために、外部共振器設計においてこの転移を実現するのは困難である。共振的に励起されるＳＨＧの別の不都合には、激しい振動、特に高周波振動に対する共振器感度がある。

単一パスのＳＨＧ構成は、上記で論じられた不都合のすべてと無縁である。しかしながら、前述のように、その実際の使用法は、主としてパルスレーザに制限されている。ＣＷレーザ用に合理的なＳＨＧ効率（３０％以上）でこの技術を利用するためには、ＩＲファイバレーザの出力パワーがキロワットの範囲にある必要がある。マルチｋＷレベルのＩＲ出力パワーを有するファブリペローの単一モードのファイバレーザが数年前に開発された。しかしながら、ＳＨＧ結晶のスペクトルの受け入れと比較して、そのようなレーザは帯域幅が比較的広いため、ＳＨＧ用に使用するのは非実用的であり、変換効率の低下をもたらす。他方では、単一周波数のファイバレーザは増幅中に狭い線幅を維持するが、ｋＷレベルのパワーは、ＳＢＳの制限のために難易度が高い。

したがって、上記で開示された制限を克服する、単一パスのＳＨＧ方式を採用する緑色ファイバレーザに対する必要性が存在する。

５１０〜５４０ｎｍの波長範囲における最大３０％以上の壁コンセント効率とｋＷレベルまでの出力範囲とにおいて、連続波（ＣＷ）モードまたは疑似連続波（ＱＣＷ）モードの緑色スペクトル範囲で動作するＳＭファイバレーザに対する別の必要性が存在する。

上記の必要性は、約５０ＷとｋＷレベルの間の範囲で変化する全出力において、線幅＜０．１ｎｍおよびＭ^２＜１．１５の状態で、直線偏光された狭い線幅の緑色放射をｋＷレベルまで出力するように構成された本発明の１０６４ｎｍのファイバレーザシステムによって満たされる。開示される高出力の単一横モード（「ＳＭ」）ファイバレーザは、緑色スペクトル範囲において連続波（ＣＷ）と疑似連続波（ＱＣＷ）の両方の方式またはモードで動作し、緑色ファイバレーザとさらに称される。

本発明の緑色ファイバレーザは、１マイクロメートルのスペクトル範囲の基本波長の光を出力する光源と、光源から光を受け取って、変換された５ｘｘ ｎｍの波長において緑色光を出力するように働く単一パスの２次高調波発生器（ＳＨＧ）とを用いて構成される。本開示では、光源は、ＳＨＧ用のポンプまたはポンプ光源とさらに称される。したがって、ＳＨＧに結合される基本波長の光は、さらにポンプ光と称される。

ポンプ光源は、単一横モード（ＳＭ）の単一周波数（ＳＦ）の直線偏光された（ＬＰ）種レーザと、１つまたは複数のファイバ増幅器と、任意選択の線幅拡大システムと、合焦光学部品とを含む。種レーザとファイバ増幅器は、一緒に、主発振器パワーファイバ増幅器（ＭＯＰＦＡ）構造を表す。

構造上、ＳＦのＬＰ種レーザは、基本波長の０．２倍未満の線幅を有するＳＭのＳＦＬＰ光を放射するように働く。ＳＭのＳＦのＬＰ種レーザは、分散形フィードバック（ＤＢＦ）半導体レーザまたはファイバレーザから選択されてよい。ファイバ増幅器は、任意選択の単一または複数の前置増幅段と、ブースタ増幅器とを含み得る。ファイバ増幅器はすべてイッテルビウム（Ｙｂ）イオンでドープされたアクティブファイバを用いて構成され、Ｙｂ増幅器とさらに称される。Ｙｂファイバ増幅器は、受け取ったＳＭ光を増幅する一方で０．２ｎｍよりも狭い線幅を維持するように働く。上記で開示された基本的なプラットホームを用いて、本発明のＳＭ緑色ファイバレーザは、１５％と３０％の間の壁コンセント効率で、５１０〜５４０ｎｍの波長範囲において約５０ＷとｋＷレベルの間の出力範囲で動作する。

高出力であり、したがって高変換効率であることの制限の１つには、望ましくない非線形現象である誘導ブリュアン散乱（ＳＢＳ）として知られているものがある。したがって、狭い線幅は拡大されるべきである。ＳＢＳの影響を緩和すると知られている主要な手法の１つには、種レーザの線幅を拡大するものがある。これは、ＣＷ方式で動作する開示されたポンプ光源に組み込まれた線幅拡大システムにより、いくつかの実施形態ではＱＣＷ方式で動作する開示されたポンプ光源に組み込まれた線幅拡大システムによって行われる。使用されたとき、線幅拡大システムは、ファイバ増幅器のＳＢＳの閾値をマルチｋＷレベルに増加させるように働く。その結果、ＳＭビームのより大きいパワーによって、非線形結晶におけるより効率的な変換が可能になる。単一周波数の種光源用の線幅拡大システムは、ノイズ源、ＲＦ増幅器および位相変調器を用いて構成され得る。位相変調器は振幅変調器で置換され得る。使用される変調器のタイプにかかわらず、線幅拡大システムは、種光源からの光の単一周波数の線幅を１０〜４０ＧＨｚの間の線幅まで均一的に拡大するように構成される。

開示されたＣＷおよびＱＣＷのＳＭ緑色ファイバレーザのＳＨＧ方式は、リチウムトリボラート（「ＬＢＯ」）非線形結晶に基づくものである。ＬＢＯは、少なくとも２センチメートルから約６センチメートルの間で変化する長さを伴って構成される。開示されたポンプ光源の実施形態のいくつかでは、ファイバは偏光維持型に製作される。ポンプ光源の代替実施形態は、非偏光型に製作されたファイバ構成要素を特徴とするものである。後者では、開示されたポンプ光源は、種光源とＹｂファイバ増幅器との間に配置された偏光制御器と、Ｙｂファイバ増幅器と非線形結晶との間の偏光分析器と、偏光分析器と偏光制御器との間のフィードバックループとを有する。全体の偏光方式の機能は、ＬＢＯの入力における直線偏光を維持することである。任意選択で、開示された緑色レーザは、緑色光をより低い周波数またはより高い周波数に変換するための追加の非線形の光周波数変換器を用いてさらに構成され得る。

本開示の上記の特徴および他の特徴が、以下の図面を伴う具体的な説明から、より容易に明白になるであろう。

単一パスのＳＨＧを利用する既知のファイバレーザの概略図である。 共振的に励起されるＳＨＧ方式が備わっている既知のファイバレーザの概略図である。 本発明の超高出力のＳＭ緑色レーザの斜視図である。 線幅拡大システムが備わっている図３の本発明の高出力のＣＷ緑色レーザの光学的概略図である。 図４ＡのＳＭ緑色ファイバレーザの、出力緑色パワーおよびＳＨＧ変換効率を示す図である。 本発明のＣＷモードで動作する緑色ファイバレーザと、本発明のＱＣＷモードで動作する緑色レーザのいくつかの実施形態とにおいて利用される狭い線幅のＳＦのＳＭのＬＰポンプ光源の光学的概略図である。 線幅拡大機構を示す図である。 開示されたレーザのすべてのＣＷおよびＱＣＷの構造において利用されるブースタ活性（ｂｏｏｓｔｅｒ ａｃｔｉｖｅ）ファイバの線図である。 線幅拡大システムを有する本発明の高出力のＱＣＷ緑色レーザの光学的概略図である。 ＱＣＷモードで動作している図６ＡのＳＭ緑色ファイバレーザの、出力の緑色パワーおよびＳＨＧ変換効率を示す図である。 線幅拡大システムなしで動作している本発明の高出力のＱＣＷ緑色レーザの光学的概略図である。 線幅拡大システムなしのＱＣＷモードで動作している図７ＡのＳＭ緑色ファイバレーザの、出力の緑色パワーおよびＳＨＧ変換効率を示す図である。 非偏光維持型に構成された構成要素を有し、図４Ａ、図６Ａおよび図７Ａで使用されている、開示されたＣＷ／ＱＣＷの単一パスＳＨＧプラットホームの光学的概略図である。 ラマンレーザを利用する本発明の緑色レーザの構造を示す図である。 ラマンレーザを利用する本発明の緑色レーザの構造を示す図である。 図４Ａ、図６Ａ、図７Ａおよび図８の緑色レーザに基づく周波数３倍方式を示す図である。 図４Ａ、図６Ａ、図７Ａおよび図８の緑色レーザに基づく周波数４倍方式を示す図である。 図４Ａ、図６Ａ、図７Ａおよび図８の緑色レーザに基づく周波数４倍方式を示す図である。 図４Ａ、図６Ａ、図７Ａ、図８および図９Ａのうちいずれかに示された本発明のファイバレーザの複数を実施する、高出力の緑色ファイバレーザシステムの例示的概略図である。

開示されたファイバレーザベースの単一モードの単一周波数緑色光源は、ＣＷから高い繰返し率のＱＣＷまで広範囲の方式で動作し、直線偏光された狭い線幅の放射の高出力レーザを供給することにより、ｋＷレベルまでの平均パワーを発生する一方で、全出力において、０．１ｎｍ未満の線幅およびＭ^２＜１．１５をなお維持することができる。

図３を参照して、本発明のＳＭファイバ緑色レーザ３０は、信号発生器を収容する主コンソール３２、（必要に応じて）前置増幅段、ブースタ増幅器、電子回路などを含む。本発明のレーザ３０にさらに含まれるレーザヘッド３４は、主コンソール３２から間隔を置いて配置されており、２次高調波方式および（必要に応じて）より高次の高調波方式用の高調波発生器と、合焦光学部品とを収容する。コンソール３２とレーザヘッド３４との間に可撓ケーブル３６が延在する。一般的には、緑色レーザ３０は主発振器と電力増幅器（ＭＯＰＦＡ）の構成を採用しており、電力増幅器は、１つまたは複数のファイバ前置増幅器と、最終段の最も強力な増幅器であるブースタとを有する。ファイバ（前置）増幅器は、イッテルビウム（Ｙｂ）など希土類元素のイオンでドープされた利得媒体としての光ファイバを用いて構成されている。

図４Ａは、ＣＷモードで動作する開示された緑色ファイバレーザの概略図を示す。レーザシステム３０は、単一周波数（ＳＦ）単一モード（ＳＭ）の偏光された（ＬＰ）種光源すなわちレーザ３８を用いて構成された、ポンプ光を発生するＣＷポンプ光源と、線幅拡大システム４０と、前置増幅器４２およびブースタ増幅器４４を有し得る単一モードの多段ファイバ増幅器と、合焦光学部品４６とを含む。種光源３８は、好ましくは直線偏光された光を出力するＤＢＦのＳＦレーザとして構成されるが、円偏光されたポンプ光を出力するようにも構成され得る。レーザ３０は、ポンプ光を緑色光に変換するＬＢＯ非線形結晶４８を含んでいる単一パスのＳＨＧ、およびポンプ光を反射するが緑色光は透過するダイクロイックミラー５０も有する。

図４Ｂを参照して、ポンプ光のパワーが増加するのにつれて、緑色光のパワーも増加する傾向がある。ＳＨＧ方式の光学効率も、ポンプ光のパワーが増大するのにつれて向上する。

図５Ａおよび図５Ｂを参照して、ポンプ光源（主プラットホームとも称される）は、本発明のすべてのＣＷ構造およびいくつかのＱＣＷ構造において動作するように構成されている。ポンプ光源は、１０６４ｎｍの波長など１ミクロンの基本波長範囲で動作して、狭い線幅の放射ポンプ光を出力する。好ましくは、ファイバ増幅器４２および４４のファイバ構成要素はすべて直線偏光される。あるいは、後に詳細に論じられるように、本発明のポンプ光源のファイバ構成要素は非偏光維持型に構成されてよい。

ＣＷポンプ光源は、ＳＦのＳＭのＬＰレーザダイオードまたはＳＭのＳＦファイバレーザ３８と、位相変調器５０を用いて構成されている線幅拡大システム４０と、増幅されたＲＦノイズの発生源５２と、単一モードの偏光維持多段ファイバ増幅器４２、４４とを含む。

ポンプ光源は、本発明のあらゆる点から単一の横モードビームであると考えられる、全出力において線幅＜０．２ｎｍかつビーム品質パラメータＭ^２＜１．１５のポンプ光を放射するように構成されている。ファイバ増幅器内のＳＢＳの閾値をマルチｋＷレベルまで増加させるために、種レーザ３８の線幅が１ＭＨｚ未満から約２０〜２５ＧＨｚまで拡大される。位相変調器５０の後の、スペクトルの線幅拡大の一例が図５Ｂに示されている。

最大出力において、増幅器の光学的ノイズはピークツーピークで約１％以下であり、また、偏光消光比（ＰＥＲ）は５０：１（＞１７ｄＢ）よりも優れており、ＰＥＲが大きいことは周波数倍増用途にとって有利である。大きい出力パワーにもかかわらず、増幅器は、すべての構成要素（ポンプダイオード、アイソレータ、利得ブロック、制御盤など）を備え付けて、わずか５３２ｘ３３２ｘ５２ｍｍの寸法および１２ｋｇ未満の総重量を有する非常にコンパクトで軽量のモジュールにパッケージ化される。

図５Ｃを参照して、図４Ａおよび図５Ａのブースタ４４は、ブースタの両端間に延在して複数の横モードに対応するモノリシック（一体型）のマルチモード（ＭＭ）コア５４と、少なくとも１つのクラッディング６０とを用いて構成されている。しかしながら、コア５４は、所望の基本波長において単一の基本モードだけに対応するように構成されている。これは、ＭＭコア５４のモードフィールド径（ＭＦＤ）を、図４Ａおよび図５Ａの種光源３８からのＳＭポンプ光をそのコア６４に沿って出力ＳＭファイバ５９まで導くＳＭパッシブファイバ６２のモードフィールド径に整合させることによって実現される。アクティブな入出力ファイバとパッシブな入出力ファイバを組み合わせたものがハウジングに囲まれて、ファイバブロックと称される。

ＳＢＳの閾値をさらに増加させるために、コア５４は２個所がボトルネック状の断面を有する。具体的には、コア５４は、パッシブファイバ６２のＳＭコア６４の幾何学的直径と等しい幾何学的直径を有しても有しなくてもよい均一な寸法の入力コア端５６を伴って構成されている。種レーザ３８からの基本波長のＳＭポンプ光がＭＭコア５４のコア入力端５６に結合されるとき、励起されるのは、強度プロファイルが純粋なＳＭのガウス強度プロファイルと実質的に一致する基本モードだけである。

コア５４にさらに含まれる、直径が大きく均一な寸法のモード変換コア部分５８は、断熱的に拡大するモード変換コア領域６６を通って導かれた基本モードを受け取る。中央のコア領域５８の大きい直径により、より大きい増幅器ポンプパワーを受け取ることが可能になるが、この部分の内部で出力密度が増加することはなく、ＳＢＳに対する閾値を高める。出力モード変換コア領域５７は、基本周波数において増幅されたポンプ光のモードフィールド径を断熱的に縮小するために、コア５４のコア部分６６と同一に構成され得る。後者は、次いで、実質的に結合損失なしで増幅されたＳＭポンプ光を受け取る、出力のＳＭパッシブファイバ５９に結合される。

実験的に、基本波長の約１ｋＷ以下のポンプ光（ｐｕｍｐ）から、ＣＷモードの動作における約３５％以下のＳＨＧ効率で、５３２ｎｍにおいて３５０Ｗを大幅に上回る緑色パワーが観測された。図５Ｃのブースタ４４を有する２ｋＷの狭い線幅のＳＭのＹｂファイバ増幅器は、ＳＨＧ効率を６０〜７０％まで改善して、緑色パワーを１ｋＷ以上に増加させる。

図１および図２に示された先行技術の構造の緑色パワーは、原理的に、ポンプ光源のパワーと、このパワーに耐えるための結晶の許容範囲との２つの要因によって制限される。ブースタ増幅器４４の構成は、ｋＷレベルまでのＳＦのＳＭのＬＰポンプ光を放射することを許容するものである。そのような高出力レベルは、既知の緑色システムにおいて利用された出願人が知っているポンプ光源のどれよりも大幅に高いと考えられる。

図６Ａを参照して、ＱＣＷ方式は、ＳＢＳの閾値未満で動作する限りいかなる変更もせずに利用される図５Ｃのブースタ増幅器４４を有する図４Ａの真のＣＷ緑色光源と同一の主プラットホーム上で実現される。ＱＣＷ方式は、種レーザ３８の入力における電流を２〜１００％のデューティサイクルで直接変調するように働くパルス変調器７０を追加することによって実現される。Ｙｂドープ光源の出力が、単一パスのＳＨＧ変換用のＣＷ方式のものと同一に構成され得る高品質のＬＢＯ結晶４８に合焦される。

図６Ａの本発明のＱＣＷの高出力の緑色レーザシステムは、大きい平均パワーのポンプ光源と、高い繰返し率と、大きいデューティサイクルとを有するように構成されている。多数の実験のうちの１つにおいて、ＳＭのＳＦのＬＰ種光源３８のポンプ電流は、４ＭＨｚの繰返し率および５０％のデューティサイクルで直接変調され、約１ｋＷ以下の平均パワーにおいて約２ｋＷ以下の増幅されたポンプ光のピークパワーをもたらし、このピークパワーは、約２０ＧＨｚ以下の線幅の状態で、利用された増幅器のＳＢＳの閾値を大幅に下回るものである。増加したピークパワーは、結果的に、ＣＷの場合と比較して、より高いＳＨＧ効率をもたらす。ブースタ４４用のポンプ（図示せず）は、単一または複数のＭＭダイオードレーザを含み得、ＣＷモードで動作することに注意することが重要である。また、１２５ｎｓのパルスは、高い繰返し率のために、全出力への増幅中の利得減損による深刻な形状歪みは示さなかった。２ｋＷのポンプ光のピークパワー出力を用いた実験では、ＳＨＧ効率は、図４ＡのＣＷ構成と比較して、同一の平均パワーにおいて、３５％未満から、５０％を大幅に上回るところまで改善する。図６Ｂに、得られた緑色平均パワーおよび対応する変換効率が平均ポンプパワーに対してプロットされている。

たとえば、図６Ａの緑色レーザは５５０Ｗを上回る緑色の光平均パワーを発生する。これは、約５２％以下のＳＨＧ変換効率と、１６％を上回る全体の緑色レーザシステムの壁コンセント効率とに相当する。実験中、緑色パワーはロールオフの徴候を示さなかった。５５０Ｗを上回る最大の緑色パワーまで、ビーム品質劣化の徴候は観測されず、緑色ビームはほぼ回折限界のままであった。５５０Ｗ以上の最大の緑色パワーは、ＱＣＷのＳＭのＳＦ緑色ファイバシステム向けに比類なく高く、増加したポンプ光ピークパワーを用いてｋＷレベルまで増加することができる唯一のものと考えられる。

図７Ａに移って、本発明のＱＣＷ緑色レーザシステムは、線幅拡大構成要素を有しないことにより、図６Ａのものとは異なる。しかしながら、図７Ａの本発明のＱＣＷ緑色レーザの単一パスのＳＨＧ効率は、純粋なパルス緑色レーザに関して一般的な６０〜７０％の範囲まで改善されている。改善されたＳＨＧ効率は、ＳＭ光の、基本波長において大幅により大きいポンプピークパワーによるものである。たとえば、現在、図７Ａの構造で、ポンプ光源の４〜５ｋＷのレベルのピークパワーが使用されている。これらの大きいピークパワーに対して、図４Ａおよび図６Ａの線幅拡大とは異なる技術が必要とされる。具体的には、この技術はパルス持続時間の短縮を必要とする。レーザから、位相変調器と、それに伴う電子回路とを除去することにより、図７ＡのＱＣＷ緑色レーザシステムは、図４Ａおよび図６Ａの構造と比較して、より簡単でコスト効率がより優れたものになる。しかしながら、デューティサイクルの同一の減少が、もちろん図６Ａの構造でも実現され得、図７Ａの出力光と同一の特性をもたらすはずである。

図７Ａの構造に対する多数の実験が、ＳＢＳの発現なしで、約５．５ｋＷ以下のポンプ光ピークパワーが３８４Ｗの平均パワーにおいて達成されることを示す。ＳＨＧ変換器を通った後に、約６３％以下のＳＨＧ効率で２４１Ｗの緑色平均出力パワーが発生され、これが図７Ｂに示されている。この実験的な構成では、緑色レーザシステムの全体的な壁コンセント効率が２０％に到達した。約６３％以下のＳＨＧ効率は、低デューティサイクルの単一パスのパルス緑色レーザを用いて達成可能な効率、および共振的に励起されるＣＷ緑色レーザを用いて達成可能な効率に匹敵するものである。実験は、この緑色パワーが、増加したポンプ光のピークパワーに応じて増加され得る一方で、ＳＨＧ効率が６０％以上になお保たれていることも示した。

要約すると、上記で開示された構成および結果は、本出願人の知る限りでは、既知のＣＷおよびＱＣＷのＳＦのＳＭ緑色レーザ光源向けに比類なきものである。実験は、非線形結晶４８に悪影響がないことも示す。前述のように、図４Ａ、図６Ａおよび図７Ａのそれぞれで開示された構造の出力緑色パワーは、利用されるポンプ光源によってのみ制限され、このことにより、図５Ｃのブースタ４４の構成は、その出力パワーが大きいために非常に有利である。図６ＡのＱＣＷの種レーザと図７ＡのＱＣＷの種レーザのどちらも、デューティサイクルを調節することによって実験的に達成された、５０〜１００Ｗと小さい値から数キロワットもの大きい値まで広範囲の緑色出力パワーのための６０％のＳＨＧ変換効率が、上限から程遠いものであることが明白である。たとえば、図５Ｃに従って構成されたマルチｋＷの狭い線幅のＳＭのＹｂファイバブースタ４４を採用すると、ＣＷ方式では数キロワットまで、ＱＣＷ方式ではさらに大きい平均の緑色出力パワーを得ることができる。

図８が示すＳＭの高出力の緑色システム３０は、図４ＡのＣＷ構造ならびに図６ＡのＱＣＷ構造と図７ＡのＱＣＷ構造の両方の非偏光維持型で実現されたファイバ構成要素を用いて構成されている。この構造に追加されている、偏光を制御するための手段は、偏光された種光源３８とＹｂファイバ（前置）増幅器４２との間に配置された偏光制御器７２と、ブースタ４４とＬＢＯ ４８との間の偏光分析器７４とを含む。偏光分析器７４と偏光制御器７２との間にフィードバックループ７８を設けると、非線形結晶の入力における基本周波数のポンプ光の所望の偏光が、連続的に監視され、かつ維持される。

図９Ａを参照して、緑色光は工業用途のかなりの市場占有率を有する。現在、緑色光源には、たとえば光の三原色（ＲＧＢ）デジタル表示または娯楽産業といった表示器産業において最も広範な用途がある。しかしながら、緑色の狭いスペクトルは、図４〜図８に開示されているように増加されたとしても、画面上のスペックルノイズに対して効率が悪い。開示された構成のすべてにおいてもたらされる緑色光の線幅をいくぶん拡大するために、本発明の構成に対して、ＬＢＯ ４８を含むＳＨＧ方式の後に、ラマン変換器、つまり、ある長さのパッシブファイバ８０が追加される。もとの緑色波長よりもますます長い波長における１つまたは複数のストークスは、スペックルノイズを低減する、より広い線幅によって特徴付けられる。あるいは、ラマン変換器の代わりに、当業者に周知の光パラメトリック発振器が、開示された概略図のすべてにおいて使用され得る。図９Ａの概略図はスペックルノイズを最小化するのに有効であり、こうしなければ、出力の緑色光によって照光された画面上にスペックルノイズが見える可能性がある。

図９Ｂは、スペックルノイズを低減するように構成された代替概略図を示す。図９Ａに似て、緑色レーザ３０は図６〜図７の主プラットホームに基づくものである。縦続接続された増幅器とブースタのそれぞれ（Ｔｈｅ ａｍｐｌｉｆｙｉｎｇ ａｎｄ ｂｏｏｓｔｅｒ ｃａｓｃａｄｅｓ ｅａｃｈ）が、ＣＷ方式で動作するレーザダイオードポンプ（図示せず）によってポンピングされるＹｂドープファイバを用いて構成されている。各増幅器によってパワーを順次に増大されたパルスポンプ光がラマン変換器８０にさらに結合され、そこで、より広いスペクトル線幅を有する順次のストークス次数へと効率よく変換されて、ラマンシフトされた所望の波長において広範なスペクトル受容を有するＳＨＧ ４８に結合される。

ラマンシフトされた波長範囲は、それでも過度に広く、ＬＢＯの広帯域のスペクトル受容範囲にもかかわらず、変換効率に悪影響を及ぼす恐れがある。この場合、所望のストークス次数が、ＣＷ方式で動作する広帯域のラマン種光源４１からの光によってＬＢＯ ４８をポンピングすることによって狭められる。基本波長のＳＭポンプ光およびラマン種光は、ＷＤＭ ４３に結合されてからブースタ４４において増幅される。この概略図では、ＳＭ種光源３８によって時間的特性が決定され、一方、ラマンシフトされた波長におけるポンプ光のスペクトル特性はＣＷのラマン種光源４１によって決定され、ラマン変換器において線幅を拡大される。したがって、ラマン種光源の出力の波長および線幅は、所望のポンプ光の波長の範囲内の特定の線幅に調整され得る。図９Ｂの概略図は、図９Ａに似て、画面上に入射する出力緑色光によって発生するスペックルノイズを最小化するように働く。

図１０、図１１Ａおよび図１１Ｂを参照して、すべてに関連する上記で開示された図４Ａの本発明の緑色レーザシステム３０が、３次高調波発生（ＴＨＧ）および４次高調波発生（ＦＨＧ）による大きい平均パワーの単一モードのＵＶレーザを出力するのに使用され得る。

特に図１０を参照すると、主プラットホームおよびＳＨＧ方式に対して、示された周波数３倍方式を加えたものが、ＬＢＯ ４９などの第２の非線形結晶をさらに含み、第２の非線形結晶においてポンピング光と緑色光が混合され、約３５５ｎｍの波長のＵＶ光を発生する（１０６４ｎｍの波長の３次高調波発生）。ＣＷ方式で動作する図４Ａの構造ばかりでなく、図６Ａ、図７Ａおよび図８のＱＣＷ方式で動作する周波数３倍方式も使用する可能性を示すために、パルス駆動回路７０が破線で示されている。ＱＣＷ方式の場合には、示された周波数３倍方式は、もちろん図８、図６Ａおよび図７Ａの構造において効率よく動作し、後者は線幅拡大システムを必要としない。上記で開示された概略図を用いた実験において、約３５５ｎｍの波長で２００ＷまでのＵＶ光パワーが生成された。

図１１Ａは、図５Ａおよび図５Ｃの主プラットホームと、ＬＢＯ ４８を含んでいるＳＨＧ発生器と、２つの追加のＬＢＯ結晶４９とを利用する周波数４倍方式を示す。第１のＬＢＯ結晶４９において、基本の１０６４ｎｍの波長の残留ポンプ光が約５３２ｎｍの波長の緑色光と混合されて３５５ｎｍの波長のＵＶ光を発生する。残りのポンプ光と発生された約３５５ｎｍのＵＶ光とが、続くＬＢＯ ４９においてさらに混合されて、２６６ｎｍの波長のディープＵＶ光を生成する。破線で示された構成要素の存在は、示された概略図が、上記で詳細に論じられた若干の明白な改変を伴って、図４ＡのＣＷ方式と、図６Ａ、図７Ａおよび図８のＱＣＷ方式との両方で使用される可能性を指摘するものである。

図１１Ｂは、２つの追加のＬＢＯ結晶が単一のバリウムホウ酸塩（ＢＢＯ）結晶４９’によって置換されている周波数４倍方式の代替概略図を示す。示された構造は、図４Ａ、図６Ａ、図７Ａおよび図８の概略図のすべてにおいて利用され得るものである。

図１２を参照して、複数の緑色ファイバレーザ３０が互いに結合されて、超高パワーの緑色光を出力するシステムを構成する。示されるように、システムは、それぞれの図４〜図８の構成のうちいずれかによって構成された、少なくとも２つの高出力の単一モード（「ＳＭ」）緑色レーザ３０を含む。それぞれの緑色レーザの出力ファイバ９０が、緑色光ビームをＭＭ結合器７５に送出する。

図１２の変更されたシステムの応用のうちの１つが、緑色光の線幅を増加させるのに使用され得る。知られているように、スペックルノイズはレーザ放射の高度にコヒーレントな性質の結果である。したがって、図１２の変更されたシステムに含まれ得る複数の緑色レーザ３０は、両端の極端な波長の間で、１０ｎｍから約２０ｎｍの波長の範囲で変化する間隔を伴う異なる波長のそれぞれの緑色光を出力する。出力ファイバ９０は、それぞれの緑色光ビームをＭＭ結合器７５に送出し、それらの出力が、ＭＭ結合器７５において、増加した線幅を有する単一のＭＭシステムの緑色光出力に結合される。

ファイバのフルアパーチャを満たすためにモード混在を強めることが可能であり、圧電振動子７６など複数の外部アクチュエータが使用され得る。図１２に示されるように、振動子７６は、それぞれＭＭ出力ファイバ９０と連携して使用され得る。あるいは、振動子７６は、結合器７５の直前または直後に配置されてよい。

本発明は、それらの正確な実施形態に限定されるものではなく、当業者によって、添付の特許請求の範囲で定義されるような本発明の範囲または精神から逸脱することなく、その中に、様々な変更、修正、および改造が行われ得ることを理解されたい。

１０ 主発振器のパワーファイバ増幅器（ＭＯＰＦＡ）レーザシステム
１２ 合焦光学部品
１４ 非線形結晶
１６ スペクトルフィルタ
２０ ファイバレーザ
２２ 共振器ミラー
２４ ボウタイＳＨＧ共振器
３０ ＳＭファイバ緑色レーザ
３２ 主コンソール
３４ レーザヘッド
３６ 可撓ケーブル
３８ 種光源
４０ 線幅拡大システム
４２ 前置増幅器
４４ ブースタ増幅器
４６ 合焦光学部品
４８ ＬＢＯ非線形結晶
４９ ＬＢＯ
４９’ バリウムホウ酸塩（ＢＢＯ）結晶
５０ 位相変調器
５２ ＲＦノイズの発生源
５４ マルチモード（ＭＭ）コア
５６ 入力コア端
５７ 出力モード変換コア領域
５８ 中央のコア領域
５９ 出力ＳＭファイバ
６０ クラッディング
６２ パッシブファイバ
６４ ＳＭコア
６６ モード変換コア領域
７０ パルス変調器
７２ 偏光制御器
７４ 偏光分析器
７５ ＭＭ結合器
７８ フィードバックループ
８０ 出力ファイバ
９０ ファイバ

Claims (14)

1. 緑色スペクトル範囲において連続波（ＣＷ）モードで動作する高出力の単一モード（「ＳＭ」）のファイバレーザであって、
   １マイクロメートルのスペクトル範囲内の基本波長において０．２ｎｍよりも狭い線幅を有するＳＭポンプ光を放射するように働く単一周波数（ＳＦ）の単一モード（ＳＭ）の偏光された種光源と、
   前記単一周波数（ＳＦ）の単一モード（ＳＭ）の偏光された前記基本波長のポンプ光を受け取って増幅する一方で０．２ｎｍよりも狭い線幅を維持する、少なくとも１つの、イッテルビウム（「Ｙｂ」）ドープファイバ増幅器と、
   単一パスの２次高調波発生（ＳＨＧ）方式における前記増幅された単一周波数（ＳＦ）の単一モード（ＳＭ）の偏光された前記基本波長のポンプ光を、信号波長のＳＭ出力の緑色光へと変換するように構成された非線形の光周波数変換器と、
   を備え、
   前記単一モード（ＳＭ）のファイバレーザが１５％と３５％の間の壁コンセント効率で５１０〜５４０ｎｍの波長範囲において約５０ＷとｋＷレベルの間の出力範囲で動作する、高出力の単一モード（「ＳＭ」）のファイバレーザ。
2. 緑色スペクトル範囲において疑似連続波（ＱＣＷ）モードで動作する高出力の単一モード（「ＳＭ」）のファイバレーザであって、
   １マイクロメートルのスペクトル範囲内の基本波長において０．２ｎｍよりも狭い線幅を有するＳＭポンプ光を放射するように働く単一周波数（ＳＦ）の単一モード（ＳＭ）の偏光された種光源と、
   前記種光源の入力における電流を変調して、それぞれが３００ピコセカンドを上回るパルス幅と、約１ＭＨｚから約５００ＭＨｚの繰返し率と、約２％と１００％未満の間のデューティサイクルとを有する前記ＳＭポンプ光のパルスを生成するように働くパルス駆動回路と、
   前記単一周波数（ＳＦ）の単一モード（ＳＭ）の偏光された前記基本波長のポンプ光の前記パルスを受け取って増幅する一方で０．２ｎｍよりも狭い線幅を維持する、少なくとも１つの、イッテルビウム（「Ｙｂ」）ドープファイバ増幅器と、
   単一パスの２次高調波発生（ＳＨＧ）方式における前記増幅された単一周波数（ＳＦ）の単一モード（ＳＭ）の偏光された前記基本波長のポンプ光を、信号波長のＳＭ出力緑色光へと変換するように構成された非線形の光周波数変換器と、
   を備え、
   前記単一モード（ＳＭ）のファイバレーザが１５％と３５％の間の壁コンセント効率で５１０〜５４０ｎｍの波長範囲において約５０ＷとｋＷレベルの間のパワー範囲で動作する、高出力の単一モード（「ＳＭ」）のファイバレーザ。
3. 前記種光源が、直線偏光されたＳＦのＳＭポンプ光を放射する、分布帰還型レーザのＳＦのＳＭダイオードレーザである請求項１または２に記載の高出力の単一モード（「ＳＭ」）のファイバレーザ。
4. 前記種光源と１つのＹｂファイバ増幅器との間の少なくとも１つのＳＭのＹｂファイバ前置増幅器と、
   前記１つのＹｂ増幅器と前記２次高調波発生（ＳＨＧ）方式との間に結合された合焦光学部品と、
   前記種光源と前記１つのＹｂ増幅器との間に結合された線幅拡大システムであって、前記ＳＭポンプ光の前記単一周波数の線幅を１０〜４０ＧＨｚの間の線幅へと均一的に拡大するように働き、音響変調器または振幅変調器を用いて構成されている線幅拡大システムと、
   をさらに備える請求項１に記載の高出力の単一モード（「ＳＭ」）のファイバレーザ。
5. 前記Ｙｂファイバ増幅器の前記入力コア領域に結合され、前記種光源からの前記ＳＭポンプ光を導く、ＳＭ入力のパッシブファイバ（「ＬＰ」）と、
   前記増幅されたＳＭポンプ光を導くように前記Ｙｂファイバ増幅器に結合された、出力のＳＭパッシブファイバと、
   をさらに備える高出力の単一モード（「ＳＭ」）のファイバレーザであって、
   前記Ｙｂファイバ増幅器が、少なくとも１つのクラッディングに囲まれたモノリシックのマルチモード（ＭＭ）コアを備え、前記マルチモード（ＭＭ）コアが、前記基本波長において単一の基本モードに対応するように構成されており、前記マルチモード（ＭＭ）コアが、
   入力のＳＭパッシブファイバに結合された入力コア領域と、前記入力コア領域の反対側にあって前記入力コア領域と均一な寸法を有し、出力のＳＭパッシブファイバに結合された出力コア領域と、
   前記入力コア領域の直径および前記出力コア領域の直径よりも大きい直径を有する均一な寸法の中央のコア領域と、
   前記入力コア領域および前記出力コア領域を前記中央のコア領域のそれぞれの端に橋絡する１対のモード変換領域であって、前記入力のＳＭパッシブファイバおよび前記出力のＳＭパッシブファイバと前記Ｙｂドープ増幅器の前記入力コア領域および前記出力コア領域とが、互いに整合するそれぞれのモードフィールド径を伴って構成されている１対のモード変換領域と、
   を含む、請求項１または２に記載の高出力の単一モード（「ＳＭ」）のファイバレーザ。
6. 前記２次高調波発生（ＳＨＧ）方式が、少なくとも２センチメートルと約６センチメートルの間で変化する長さを有するリチウムトリボラート非線形結晶（「ＬＢＯ」）を用いて構成されている請求項１または２に記載の高出力の単一モード（「ＳＭ」）のファイバレーザ。
7. 前記イッテルビウム（「Ｙｂ」）ドープファイバ増幅器が、偏光維持（「ＰＭ」）型に構成されたファイバ構成要素を含む請求項１または２に記載の高出力の単一モード（「ＳＭ」）のファイバレーザ。
8. 前記種光源と前記Ｙｂファイバ増幅器との間に配置された偏光制御器と、
   前記Ｙｂファイバ増幅器と前記非線形結晶との間の偏光分析器と、
   前記偏光分析器と前記偏光制御器との間のフィードバックループであって、前記イッテルビウム（「Ｙｂ」）ドープファイバ増幅器が非偏光維持型に構成されているとき、前記非線形結晶の入力における前記直線偏光を維持するように構成されているフィードバックループと、
   をさらに備える請求項１または２に記載の高出力の単一モード（「ＳＭ」）のファイバレーザ。
9. 信号の波長における前記出力緑色光を受け取るラマン変換器であって、画面上に入射する緑色出力光のスペックルが見えるのを解消するために、ラマンシフトされた緑色光を１次または高次のストークス波長において出力するように構成されたラマン変換器をさらに備える請求項１または２に記載の高出力の単一モード（「ＳＭ」）のファイバレーザ。
10. 前記ＳＭポンプ光の前記基本波長を前記ＳＭポンプ光のラマンシフトされた波長に変換するように前記ファイバ増幅器に結合されたラマン変換器と、
    前記Ｙｂファイバ増幅器に結合される前記ラマンシフトされた波長の光を出力する、広帯域の連続波（ＣＷ）ラマン種ポンプ光源であって、画面上に入射する前記ラマンシフトされた波長の緑色出力光のスペックルが見えるのを最小限にするように構成されている広帯域の連続波（ＣＷ）ラマン種ポンプ光源と、
    をさらに備える請求項２に記載の高出力の単一モード（「ＳＭ」）のファイバレーザ。
11. 前記信号周波数の前記出力緑色光を受け取って前記ＳＭポンプ光の４次高調波を発生するように働く追加のＬＢＯをさらに備える請求項１または２に記載の高出力の単一モード（「ＳＭ」）のファイバレーザ。
12. 約５０ＭＨｚのパルス繰返しおよび５０％のデューティサイクルのパルスを放射する前記種光源とＹｂファイバ増幅器との間に結合され、前記ＳＭポンプ光の前記単一周波数の線幅を１０〜４０ＧＨｚの間の線幅へと均一的に拡大するように働く線幅拡大システムであって、前記線幅拡大システムが、音響変調器または振幅変調器を用いて構成されており、前記ＳＭポンプ光の１ｋＷの平均パワーおよび２ｋＷのピークパワーにおいて前記２次高調波発生（ＳＨＧ）方式の変換効率が約５２％の状態で、前記出力緑色光のパワーが５５０Ｗを上回る線幅拡大システムをさらに備える請求項２に記載の高出力の単一モード（「ＳＭ」）のファイバレーザ。
13. 前記パルス駆動回路が、５０ＭＨｚの繰返し率および７％のデューティサイクルのパルスを、前記パルスの各パルスのピークパワーを４〜５ｋＷの範囲へと増幅する前記Ｙｂファイバ増幅器に結合するために、前記種光源の前記入力電流を変調するように働き、一方、前記２次高調波発生（ＳＨＧ）方式の変換効率が６０％〜７０％の間で変化する請求項２に記載の高出力の単一モード（「ＳＭ」）のファイバレーザ。
14. それぞれが請求項１または２に従って構成され、出力のマルチモード（ＭＭ）パッシブファイバを有する少なくとも２つの高出力単一モード（「ＳＭ」）ファイバレーザであって、それぞれのＳＭ緑色光を、少なくとも１０ｎｍと約２０ｎｍの間の距離だけ互いに離れた異なる信号の波長で出力するように構成された少なくとも２つの高出力単一モード（「ＳＭ」）ファイバレーザと、
    それぞれの出力ＭＭファイバに結合され、緑色出力光を単一システムのＭＭ緑色光出力ビームに結合するように構成されたマルチモード結合器と、
    を備えるレーザシステム。

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