JP2775185B2 - 面ポンプ型の、ループ状ファイバー束によるフェイズドアレイレーザ発振器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は、２つの光学的に研摩された端面が互いに積
層されて１つの出力開口をなしているループ状ファイバ
ーレーザからなるフェイズドアレイレーザの発振／増幅
システムであって、レーザ発振器を構成する場合にはそ
の開口の近くに単一のレーザミラーが配置され、あるい
はレーザ増幅器を構成する場合には、出力開口との間で
インデックス整合がとられている光学的な窓が、その開
口の近くに配置され、上記ファイバーを束ねたレーザ媒
質が上記単一の開口を構成しているファイバーの両先端
を介して光学的に励起されるものに関する。本発明をレ
ーザ発振器として構成した場合には、単一のレーザミラ
ーが、個別のファイバーレーザの先端の出力のすべてを
加重された位相同期されたビームとして、部分的に伝搬
せしめてレーザビームの出力とする。本発明をレーザ増
幅器として構成する場合には、外側の表面に非反射剤が
塗布されるとともに反対側で出力開口との間でインデッ
クス整合された光学的な窓を介して、そこで増幅される
入力ビームが増幅器の中に入って偏光ビームとしてそこ
を通過する。

本発明は、工業、医療および防衛の分野で、計数可能
なレーザビームを生成するものとして利用される。

従来技術の概要 従来技術では、ファイバー束を基礎にしたフェイズド
アレイレーザ装置は、ドープされた光ファイバーレーザ
発振器を相互に積層して構成されており、これにより各
ファイバーレーザ発振器が全体にわたって励起され、あ
るいは励起された光によって部分的に励起されるように
光結合装置によってその特定の部分で励起された光と結
合するようにし、あるいは、いわゆる側面励起法として
知られているレーザ発振の技術である直接的な励起させ
るようにしていた。

こうした従来技術のフェイズドアレイ、つまりファイ
バー束を基礎にしたレーザ装置における出力開口を経て
励起させる技術では、効率良く励起させることができな
い。それは、ファイバー端面ではその外装材（クラッデ
ィング）が大部分の断面面積を占め、ドープされたファ
イバーの占める面積の割合が小さくなるからである。従
来の装置でファイバーレーザの端面に励起された光を効
率良く入射するための結合手段とするフェイズドアレイ
レーザには、複雑で高価なマイクロレンズを端面毎に並
べたものが使用され、これによって励起された光を対応
するファイバー芯と一致するように収束させている。従
来のフェイズドアレイレーザ装置は、また多重的にその
出力ビームが撹乱されることによって散乱され、半導体
レーザダイオードが一体に積層されて構成される従来装
置の場合には、入力される電気エネルギーの60％以上が
アレイ本体で消費されるために、出力開口での加熱の条
件が厳しくなってしまう。

本発明ではこうした欠点や操作上の課題を、ファイバ
ーの芯の直径がその外装材の厚みに略々等しいか、それ
以上のファイバーを使用することによって克服した。理
想的には、光ファイバーとしては、その外装材の中に複
数の芯を含んでおり、その芯の直径がそれらを互いに分
離している距離より大きく構成されたものであることが
好ましい。なお好ましい実施例にあっては、本発明はレ
ーザ光を発するイオンがドープされた多重の芯からなる
ファイバーが使用される。かかる構成により、こうした
ファイバーの光学的に研摩された端面により形成される
開口面に投射されたレーザ光の大部分が、そのファイバ
ー芯線を通過可能になる。例えば、良く視準された狭い
可視帯域での励起された光は、それが温度制御により位
相同期されている積層されたレーザダイオードから放射
されれば、本発明装置の端面から高い効率でもって注入
することが可能になる。

本発明では、同様に上記ファイバーの中のレーザ光
を、その偏光平面を磁気的に回転させながら伝搬させる
こともできる。

発明の背景 ファイバー束レーザの先駆的な研究は、1963年の英国
の王立レーダ研究所における研究者によってなされ、そ
の時点で商業的な有用性を持つ光ファイバー束がレーザ
光を伝搬することが明らかにされた。初期の目標は、初
期のレーザレーダシステムでのレーザ棒の媒体から可撓
性のある被膜まで、コヒーレントに結合された光ファイ
バー群をファイバー束にして開口と接続させることにあ
った。しかし、こうした実験によれば、初期の光ファイ
バーがレーザ光の伝達に利用されるには全く適切なもの
でないことが示された。1970年代になされた単一モード
の光ファイバー技術の出現によって、それは見直される
ことになり、1979年にはいくつかの研究の詳細が出版
（ヒューズ アンド ガッタク アブライド オプティ
ックス、USA18巻13号、2098、1979年７月発行）され、
その後1984年には、英国と合衆国の特許庁でキー要素が
付けられて分類された。ファイバー束を基礎にしたフェ
イズドアレイレーザ装置を開発するための開拓的な努力
に基づいて、販売することを目指した最初の発明品が、
特許文献の形式で記述された（ヒューズ、合衆国特許第
4,682,335号1987年７月21日）。

この発明は、位相同期されたファイバーレーザ束の開
発の重要な側面を包摂するものであって、その中でレー
ザ発振システムの端面を経由する励起された光の入口を
モジュール化することで、ループ状のレーザファイバー
束を切替えるレーザ発振器が実現され、これによりレー
ザ発振のしきい値での側面励起を可能にするレーザ発振
システムである。この発明がレーザパルスの増幅器とし
て使用される場合には、その端面でのパルスの励起は、
上記増幅器の自己発振を防止するための進行波の形式で
なされ、それは、増幅されるレーザパルスの通過に先立
って励起された増幅器に蓄積されたエネルギーを消費す
る過程でもある。

この発明は基本的にはガラスレーザであって、そこで
解決されていることは、固体の棒や平板状のガラスレー
ザ媒体を用いるときに直面する厳しい操作上の問題であ
る。すなわち第１に、熱伝導率の低いガラスを、容易に
冷却するために極めて薄いガラス繊維（ファイバー）が
使用され、しかも使用されるガラス繊維が相対的に長く
なるために、全体のゲインの通路についての熱負荷が最
小にされる。第２に、レーザ媒体中で生じるレーザビー
ムの自己崩壊に伴なう放射によって引き起される自己焦
点化の問題は、ファイバーの芯の厚さがレーザ光の増幅
される波長と略々等しいことにより、避けることができ
る。

増幅器として使用する際には、この発明は、ファラデ
ィ効果に基づいて、ファイバーの芯を透過するレーザ光
の偏光面の回転を可能にしており、そのために、全体と
して、あるいは部分的に磁場の中に置くことを可能にし
ている。このファラディ回転効果は、常に同一回転方向
に作用するから、本発明では、偏光面を回転させる有効
な技術となる。入力されたレーザビームの偏光面をこの
ように回転させているため、この発明の増幅器を直列に
接続して、光学的に結合すれば、多段の増幅器として構
成することが可能になる。本発明を発振器として、かつ
増幅器として構成する場合では、それは連続してかつ平
均した出力レベルまで計数可能（スケーラブル）にな
る。

発明の目的 本発明の目的は、ループ状のファイバー束のレーザを
その端面から光学的に励起する手段を提供することであ
る。又、端面に入射されるパルス状に励起された光によ
って光学的に切換えられるループ状のファイバー束の発
振器を提供することも、１つの目的である。

本発明の他の目的は、ファイバーレーザの側面励起に
よってこの発明装置のファイバー束本体をしきい値でレ
ーザ発振させることである。

本発明の他の目的は、単位面積／体積当りの熱負荷を
最小にするレーザ構造を提供することである。

さらに他の目的は、レーザゲイン媒体の中での自己焦
点化の機会を最小にするレーザ媒体の構成を提供するこ
とである。

本発明の目的は、その直径が相互の分離距離より大き
く、クラッディング媒質の共有された力によって保護さ
れたファイバーレーザの芯を提供することである。

伝搬するレーザ光の偏光面を回転させるための磁場形
成手段を提供することも、同様に、本発明の目的であ
る。

この発明によれば、ダイオードレーザアレイの光出力
により、その動作しきい値まで側面励起され、その後に
ダイオードレーザアレイの光出力によってその出力開口
から速やかにしきい値を越えたギガヘルツ（毎秒10¹⁰−
10¹²パルス）の範囲に至る高い繰り換えし周期のパルス
とする。この発明では、ファイバーレーザの元の束に対
して多数のファイバーレーザを単に加えるだけで、高い
出力レベルに到達し、それらを励起することができる。
特定のファイバーレーザの芯におけるレーザビームの強
度を高めることにより、周波数の同調についての非線形
の光学的な効果であるしきい値を越えられる。

個々の複数のファイバーレーザのループの長さは、全
体としてこの発明の出力用の開口での位相同期の動作を
確保するためには、同一でなくても良い。出力開口での
位相同期は、特定のファイバーループの長さがレーザ出
力ビームの波長よりも大きいことを条件として実現され
る。実際問題としては、これによりファイバーループの
長さが数メートル、レーザ光の波長が10^-4cms.とされよ
う。出力ミラーでインデックス整合することにより、こ
のミラーが光学的に10番目の波動あるいはそれ以上に研
摩されているとき、インデックス整合のための媒質を経
由し、いずれかのファイバーループを通ってミラーの表
面に至るミラーからの光の経路長は、いずれのループ経
路で位相が変動するにしても、そのループ経路の範囲内
で、正確に波長と一致する。こうした条件に加えて、ド
ープされたガラスのファイバーは、本発明において相対
的に広いゲイン曲線を持つから、ピークの波長の周辺で
広い波長の領域が維持される。この状況は、ピーク波長
が等しくならないという事実、即ち、レーザの波長はフ
ァイバーレーザの媒質が有するゲイン曲線のピークに一
致するにもかかわらず、スーパーモードの波長を抑制す
ることを可能にする。同様に、次の点にも注意するべき
である。すなわち、スーパーモードはこの発明ではファ
イバーの全長について持続されている必要はないが、そ
れは単位断面面積（cm^-2）当り数キロメートルに達する
もので、上記レーザファイバーの個々のループの長さを
越えていれば、つまり同時に数メートル程度であれば十
分である。

図面の簡単な説明 本発明は、図面に関連する以下の説明によって、より
良い理解が得られるであろうが、これら図面がいかなる
意味でも本発明の範囲を限定するものではない。

第１図は、ループ状のファイバーレーザの束がレーザ
ダイオードアレイの出力により端面励起される発振器の
構成において、本発明の位置を模式的に示している。

第２図は、その芯が上記ファイバーの束の同部分の断
面領域をなす、薄い壁で仕切られた光ファイバーの束を
示している。

第３図は、上記ファイバーの大部分の断面領域をなす
複数の芯を有している、ループ状のファイバーレーザの
束の中の１つのファイバーの断面を示している。

第４図は、本発明のループ状のファイバー束の基本的
な構成ブロックである。光ファイバーの積層された直交
断面を示している。

第５図は、第４図に示す基本的な構成ブロックを、そ
の位相同期された出力のそれぞれが、全体としてもまた
位相同期されるように積層された状態を示している。

第６図は、本発明装置が複数結合された増幅器チェイ
ンの構成を示している。ファラディ回転は、上記束をな
すファイバーレーザの内部でレーザビームの偏光面を90
゜にわたり回転せしめ、これによってそれぞれが偏光さ
れたビームの反射鏡を突き抜けて出力ビームとなって伝
搬可能になる。

発明の詳細な説明 第１図において、１はイオンドープされたループ状の
レーザの束であって、ファイバーの芯の径がそれらの分
離距離より大きい、単一モードの複数の光ファイバーか
らなる。２は、それぞれの先端が光学的に研磨されてい
るループ状のレーザファイバ群を示し、これらが集合し
て本発明の単一の出力開口部を構成する。３は、インデ
ックスを整合させるための媒質を示し、光学的に研摩さ
れた鏡４から上記ループ状のレーザファイバ群のいずれ
かを通って鏡４に戻ってくるまでの光学的な距離を調整
するために設けられており、この鏡４は光で励起される
色素を含み、この発明のレーザ発振器の構成におけるＱ
スイッチをなしている。

第１図において、５は発光ダイオードアレイであっ
て、これは、束１のファイバーレーザの芯に添加された
レーザ発光イオンの光学的な吸収帯域と一致する狭い光
学的な帯域の光を開口２を介してファイバーレーザの束
１に照射するべく設けられたものである。ダイオードア
レイ５にエネルギーを与えるための電源は、番号６で示
されており、他方、７はアレイ５の光の出力を示し、こ
の光７は、番号８により示されている傾けて配置された
反射鏡によって反射して曲げられており、この反射鏡８
は、レーザビームの波長に対しては透過可能に構成さ
れ、番号９により示されるこの発明装置からの位相同期
された出力ビームが出力されることを可能にしている。

第２図において、番号10はファイバーレーザの束１の
断面を示し、ここで番号11によって、その外被（クラッ
ディング）の厚さより大きな直径を有するレーザファイ
バーの芯が示されている。

第３図において、番号12は多重の芯をもつ光ファイバ
ーであり、ここで番号13によって示されている芯は、共
通の外被12により包まれ、それぞれの芯13は共通の外被
12の中で互いに分離されている距離より大きな直径をな
している。

第４図では、番号14はファイバーの束の直交断面を示
し、ここには番号15で示される複数のファイバーの芯が
あって、それらは互いに分離されている距離より大きな
直径を有する。直交断面14は、こうしたファイバーモジ
ュールを近接して密に束ねることを可能にしている。

第５図では、番号16はユニット14により構成された積
層されたファイバーの束を示している。各ユニット14は
コヒーレントなレーザビームを発射するために位相同期
され、またこのユニット14の積層されたそれぞれは、最
終出力ビーム９を位相同期されたレーザビームの群に形
成するために、位相同期された出力ビームをそれぞれに
発射する。

第６図は、本発明装置を増幅器チェインとして、その
前段の装置より大きな装置を順次に結合して１つの系に
結合したシステムの断面を示している。

第６図において、番号17は増幅されるレーザ入力ビー
ムを示し、他方、番号18は、開口２を介して束１の中に
照射されたレーザビームの所与の偏光状態を反射するた
めに、傾けて配置された反射鏡を示している。番号19は
磁場を示しており、この磁場19は、90゜の偏光シフトが
入出力ビーム間で発生して、これにより出力ビームが反
射鏡18によって伝達されるようにするために、増幅され
るレーザビームがそこを通過する毎に45゜づつ各ファイ
バーの中でレーザビームの偏光面を回転させるものであ
る。番号20はレーザビームを拡張する拡大レンズ系であ
って、これは拡張されたレーザビーム21を次の段の増幅
モジュールの直径に一致させるものである。この拡大さ
れたレーザビームは、まず番号22により示される偏光ビ
ームのスプリッタを通過して、番号23で示されている偏
光ビームのスプリッタをも通過し、このスプリッタ23で
は番号25により示される電源で駆動されるダイオードア
レイ24からの励起された光７を反射する。番号26は、番
号28によって示されている拡張されたファイバーレーザ
の増幅用の束との間で、媒質27を介してインデックス調
整されている非反射剤を塗布した窓である。番号29は、
レーザビーム21の偏光面を回転するために使用される磁
場を示す。番号30は、ファイバーレーザを操作するしき
い値までもちあげ、本発明の増幅器の中に横向きに照射
される励起された光を示しており、一方で番号31は、連
がれている次段の増幅器に、この増幅器28から送り込ま
れる増幅された出力を示している。

この発明は、連続波、およびパルス状のレーザビーム
のいずれについても、単一のモジュールあるいはひとつ
ながりの複数のモジュールを使用して、高い出力レベル
まで高めることができるレーザビームの生成、増幅に使
用することができる。本発明は、工業、医療および防衛
の分野で、強力で、かつ高品位のレーザビームを必要と
する場合に有用である。

本発明で実現可能な出力レベルは、出力開口の面積が
小さいときに位相同期させるために必要な条件と、出力
開口が極めて大きな領域に及ぶときの位相同期に要求さ
れるそれとが一致するために、実際上、どこまでも高く
することができる。

本発明装置は、励起された光が結合効率の良い単一の
開口から入って、ドープされたファイバーにより十分に
吸収されてから再度出力されるために、効率が良い。

本発明装置は、連続波の出力モードと、高い繰り返し
周期でのパルスモードのいずれでも動作させることがで
きる。

本発明の個別のファイバーの中でレーザビームが高い
強度となるときには、非線形のしきい値を越える本発明
の励起のレベル、および基本となるレベル波長を全反射
するミラーから必要な波長の出力を取り出す出力開口面
２での塗布の状態に応じて、種々の異なる波長でレーザ
出力を発生させる非線形の光学的プロセスが生じること
に注意しなくてはならない。

本発明は、気相での選択的な励起による同位体の分離
に利用するために、その構成を変更することが可能であ
る。

本発明の精神とその要旨の範囲内で上述した主題に種
々の変形を加えることは可能である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H01S 3/07 H01S 3/092 - 3/093 H01S 3/0941

Claims (8)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】先端で励起されるループ状のファィバレー
   ザを束ねたレーザ発振システムは、次を含む： （ａ）計数可能なファイバーレーザ束であって、そのフ
   ァイバーの芯の直径は、それら芯と芯との間の距離より
   も大きく、それぞれのループ状のファイバーの長さは、
   レーザビームの出力の波長よりも複数桁以上の単位で長
   く、光学的に研摩された上記ループ状のファイバーレー
   ザの両方の先端が一体になって積重ねられて単一の開口
   をなし、この開口が、単一の、部分的にレーザビームを
   伝搬する出力用の鏡とインデックス調整されて結合され
   ているもの。 （ｂ）狭い光学的な帯域幅で光学的に励起する光の供給
   源であって、その出力波長が上記ファイバーの束を構成
   するファイバーレーザの吸収帯とマッチングされ、この
   光の供給源が電源と接続された半導体ダイオードのアレ
   イによって構成されており、さらに励起された波長を反
   射してそれ以外のレーザ発振された波長は反射しない反
   射鏡が、励起された光がファイバーレーザの束の内部に
   その束のひとつの端面から進入できるように、かつ位相
   同期されたレーザビームの出力としてこの反射鏡を介し
   て取り出される光の出力ビームが直進するように、ファ
   イバーレーザの束の出力面に関連して傾けて配置された
   もの。
2. 【請求項２】個別のファイバーレーザは、その芯を互い
   に分離している間隔より大きな直径の複数の芯を有する
   ことを特徴とする請求の範囲第１項記載のシステム。
3. 【請求項３】ファイバーレーザ束は、より小さい束を集
   めた系列からなり、それぞれの小さい束が位相同期され
   たレーザビームを発射し、全体として位相同期された単
   一のビームをその出力用の開口から発射していることを
   特徴とする請求の範囲第１項記載のレーザシステム。
4. 【請求項４】励起光の供給源がレーザダイオードの位相
   同期されたアレイからなることを特徴とする請求の範囲
   第１項記載のレーザシステム。
5. 【請求項５】ファイバーレーザ束は、側面から励起され
   て、しきい値までレーザ発振されることを特徴とする請
   求の範囲第１項記載のシステム。
6. 【請求項６】先端で励起されるループ状のファイバレー
   ザを束ねたレーザ増幅システムは、次を含む： （ａ）計数可能なファイバーレーザ束であって、そのフ
   ァイバーの芯の直径は、それら芯と芯との間の距離より
   も大きく、それぞれのループ状のファイバーの長さは、
   レーザビームの出力の波長よりも複数桁以上の単位で長
   く、上記ループ状のファイバーレーザの両方の先端は光
   学的にみがかれており、それらの先端が一体になって積
   重ねられて単一の開口をなし、この開口は、ひとつの、
   伝搬効率の良い光学的に研摩された窓であって、その窓
   の出力面にレーザ光と励起光の両波長分だけ非反射剤が
   塗布されているものとインデックス調整されて結合され
   ているもの。 （ｂ）狭い光学的な帯域幅で光学的に励起する光の供給
   源であって、その出力波長が上記増幅用のファイバーの
   束を構成するファイバーレーザの吸収帯とマッチングさ
   れ、この光の供給源が切替可能な電源と接続された半導
   体ダイオードのアレイによって構成されており、さらに
   励起された光の波長を反射してそれ以外のレーザの波長
   は反射しない反射鏡が、励起された光がファイバーレー
   ザの束の内部にその束のひとつの端面から進入できるよ
   うに、かつ位相同期されたレーザビームの出力としてこ
   の回転反射鏡を介して取り出される光の出力ビームが直
   進するように、ファイバーレーザの束の出力面に関連し
   て傾けて配置されたもの。 （ｃ）上記増幅器の入力側の先端に被せられ、伝送され
   るレーザビームの偏光面を90゜にわたり回転せしめる磁
   場形成用のコイル。 （ｄ）上記増幅器であるファイバー束の本体の周囲にお
   いてそれをそのレーザ発振するしきい値まで励起する光
   源。
7. 【請求項７】ビーム拡大用のレンズ系により互いに結合
   された増幅器チェインを構成し、更に断面面積が増大す
   る他の増幅器モジュールに対して増幅されたレーザビー
   ムを照射する偏光レーザビーム反射鏡を含むことを特徴
   とする請求の範囲第６項記載のシステム。
8. 【請求項８】光ファイバーは、希土類イオンがドープさ
   れたものであることを特徴とする請求の範囲第１項およ
   び第６項記載のシステム。