JP5487213B2 - ファイバレーザ及び増幅器に用いる高度に希土類ドープされた光ファイバ - Google Patents

Description

関連出願に対する相互参照
この出願は、２００８年１２月４日に出願され、「ファイバレーザ及び増幅器に用いる高度に希土類ドープされた光ファイバ」と称する米国予備出願第６１／１２０，０２２の米国特許法第１１９条（ｅ）の利益を主張し、参照によりその全体が組み込まれるものとする。

この出願は、２００７年３月２９に出願され、「ファイバレーザ及び増幅器に用いる希土類ドープされた大有効領域の光ファイバ」と称する米国特許出願第１１／６９３，６３３、現在、米国特許第７，４５０，８１３号となったものにも関連する。この出願は、２００８年８月２８に出願され、「ガラス大コア光ファイバ」と称する国際出願ＰＣＴ／ＵＳ２００８／０７４６６８、国際公開ＷＯ２００９／０４２３４７号として公開されたもの、２００７年３月２７日に出願され、「極高開口数光ファイバ」と称する米国出願第１１／６９１，９８６号、現在、米国特許第７，４９６，２６０号となったものにも関連している。上記の特許出願、公開及び特許のそれぞれの開示は、ここで参照によりその全体が組み込まれるものとする。

背景
技術分野
この出願は、一般に、光ファイバ及び増幅器装置に関する。特に、この出願は、高度に希土類ドープされた光ファイバを含むレーザ及び増幅器装置に用いる光ファイバに関する。

関連技術の説明
数十ワットから数百ワットの出力を有するイッテルビウムファイバレーザは、多年にわたり商業ベースで利用されている。最近、単一横モードで動作する数ｋＷのイッテルビウムファイバレーザも、利用できるようになった。３低位エネルギーレベル及び４上位レベルの集合を有するイッテルビウムの単純な２レベルエネルギーシステムによって、レーザ又は増幅器の構成においてポンプから信号への効率的な光エネルギー変換が可能になる。

高いピークとＣＷパワー、高い繰り返し率、増加した安定性と信頼性を有するファイバレーザは、様々な応用において有用である。しかしながら、このようなレーザは、現在の技術では開発することが困難である。

ここで説明する様々な実施形態は、リンケイ酸ガラス中にイッテルビウムイオンを有するドープ利得ファイバを含むレーザ又は増幅器装置を含む。利得ファイバは、約０．９μｍから約１μｍのポンプ波長範囲において単位長さ当たりのポンプ吸収がシリカファイバのそれを実質的に越えるように構成される。ここで説明する様々な実施形態は、ポンプ吸収を少なくとも約１０００ｄＢ／ｍに、又はこれより高く増加させる。いくつかの実施形態において、ポンプ吸収は、約３０００ｄＢ／ｍから９０００ｄＢ／ｍである。様々の実施形態において、これらの利得ファイバを使用することにより、増加したピークパワー及び／又はパルスエネルギーがもたらされる。リンケイ酸ガラス中にイッテルビウムイオンを有するドープ利得ファイバの様々な実施形態において、光黒化（photo-darkening）レベルも、イッテルビウムドープシリカファイバの同等のドープレベルで得られる光黒化レベルと比較して減少する。ここで説明するドープ利得ファイバのいくつかの実施形態において、コア及びクラッド間の比較的低い有効屈折率が得られ、一般にはクラッド（例えばシリカ）を含む材料の屈折率の約±０．００６以内であるか又はこれより小さい。いくつかの実施形態において、コアとクラッド間の有効屈折率の差は、約±０．００３以内である。

ここで説明する様々な実施形態は、光ファイバであって、シリカを含む希土類ドープガラス、希土類ドーパント、リン、及びアルミニウムを含み、希土類ドーパントの濃度は、少なくとも約０．５モル％である。光ファイバの様々な実施形態は、ポンプ波長において約３０００ｄＢ／ｍより大きいピーク吸収を有し、放出波長において約０．５ｄＢ／ｍより大きい利得を有するように構成される。様々な実施形態において、希土類ドープガラス中のリンは、光ファイバの光黒化損失の飽和値が放出波長において約１０ｄＢ／ｍより小さいような濃度を有する。様々な実施形態において、ポンプ波長は、約０．９μｍから１．０μｍの範囲にある。いくつかの実施形態において、放出波長は、約０．９５μｍから約１．２μｍの範囲にある。いくつかの実施形態において、ポンプ波長は、約０．９１μｍから０．９９μｍの範囲にある。いくつかの実施形態において、ポンプ波長は、約１．０μｍから１．１μｍの範囲にある。

ここで開示される様々な実施形態は、増幅器材料を含むファイバ増幅器と、ピークポンプ波長を有する波長範囲において放射を生成するように構成されたレーザ材料を含むファイバポンプレーザを含み、ファイバポンプレーザはファイバ増幅器のコアをポンプするように構成された、装置を説明する。様々な実施形態において、ポンプ波長においてポンプレーザ材料の放出断面積は、ポンプ波長における増幅器材料の放出断面積より約１０％大きい。

ここで開示される様々な実施形態は、光増幅器であって、ポンプソースと、利得ファイバとを含むものを説明する。利得ファイバの様々な実施形態は、シリカを含むクラッドと、希土類ドーパント、リン、及びアルミニウムを含むコアとを含む。様々な実施形態において、希土類ドーパントの濃度は、少なくとも０．５モル％である。様々な実施形態において、利得ファイバは、ポンプ波長において約３０００ｄＢ／ｍより大きいピーク吸収を有し、放出波長において約０．５ｄＢ／ｍより大きい利得を有する様々な実施形態において、利得ファイバ中のリンは、光ファイバの光黒化損失の飽和値が放出波長において約１０ｄＢ／ｍより小さいような濃度を有する。

ここで開示される様々な実施形態は、コア径ρを有する希土類ドープコアと、前記コアの周囲に設けられる第１クラッドと、前記第１クラッドの周囲に設けられる第２クラッドとを含む光ファイバを説明する。様々な実施形態において、第１クラッドは外形ρ１を有し、コア及び第１クラッドは屈折率の差Δｎを有し、第１クラッド及び第２クラッドは屈折率の差Δｎ１を有する。いくつかの実施形態において、１０未満のモードがコアにおいてサポートされる。いくつかの実施形態において、第１クラッド及び第２クラッドの屈折率の差であるΔｎ１は、１．５Δ１より大きく、５０Δｎより小さい。いくつかの実施形態において、光ファイバは、シリカ、希土類ドーパント、リン及びアルミニウムを含み、希土類ドーパントの濃度は少なくとも０．５モル％である。様々な実施形態において、光ファイバは、ポンプ波長において約３０００ｄＢ／ｍから９０００ｄＢ／ｍを越えるピーク吸収を有する。いくつかの実施形態において、希土類ドープコア中のリンは、光ファイバの光黒化損失の飽和値が放出波長において約１０ｄＢ／ｍより小さくなるような濃度を有する。

ここで開示される様々な実施形態は、利得ファイバをポンプするポンプソースと、利得ファイバの第１出力端に光学的に接続された反射体と、利得ファイバの第２出力端に光学的に接続され、利得ファイバの第２出力端から放出されるエネルギーを受け取るように構成された無ドープファイバと、高度に反射的な空洞終端鏡として構成された飽和吸収体と、利得ファイバ及び無ドープファイバに光学的に接続された内部空洞偏光子とを含むファイバ発振器を説明する。様々な実施形態において、利得ファイバは、シリカ、希土類ドーパント、リン及びアルミニウムを含み、希土類ドーパントの濃度が少なくとも０．５モル％である希土類ドープガラスを含む光ファイバを含む。光ファイバの様々な実施形態は、ポンプ波長において約３０００ｄＢ／ｍより大きいピーク吸収、放出波長において０．５ｄＢ／ｍより大きい利得を有するように構成される。様々な実施形態において、希土類ドープガラス中のリンは、光ファイバにおける光黒化損失の飽和値が放出波長において約１０ｄＢ／ｍより低いような濃度を有する。様々な実施形態において、反射体は、空洞内分散を制御するように構成される。様々な実施形態において、反射体は、少なくとも約４０％の反射率を有する。いくつかの実施形態において、飽和吸収体は、少なくとも約４０％の反射率を有し、ファイバ発振器にモードロックして動作することができる。いくつかの実施形態において、飽和吸収体は、利得ファイバの第２の出力端から放出されるエネルギーを受け取って反射するように構成されている。様々な実施形態において、内部空洞偏光子は、第１の出力結合器として、出力パルスの第１のセットを放出するように構成される。様々な実施形態において、利得ファイバは第１の長さを有し、無ドープファイバは第２の長さを有する。いくつかの実施形態において、第２の長さは第１の長さより大きい。

ここで開示される様々な実施形態は、レーザに基づく装置であって、光パルスのソースと、ファイバ増幅器と、ファイバ増幅器から放出されたパルスをスペクトル的に広げる非線形ファイバとを含む。様々な実施形態において、非線形ファイバは、応力光効果による屈折率変化を用いてファイバ内でモードを導くように構成された応力案内ファイバ（stress-guided fiber）を含む。様々な実施形態において、ファイバ増幅器は、シリカ、希土類ドーパント、リン及びアルミニウムを含む希土類ドープファラスを含む光ファイバであって、希土類ドーパントの濃度は少なくとも約０．５モル％であるものを含む。光ファイバの様々な実施形態は、ポンプ波長において約３０００ｄＢ／ｍより大きいピーク吸収、放出波長において約０．５ｄＢ／ｍより大きい利得を有するように構成される。様々な実施形態において、希土類ドープガラス中のリンは、光ファイバにおける光黒化損失の飽和値が放出波長において１０ｄＢ／ｍより小さいような濃度を有する。

ここで開示される様々な実施形態は、ポンプと、利得ファイバと、分散を有する１以上のファイバを含む分散補償器とを含む高繰返し率ファイバを説明する。様々な実施形態において、利得ファイバは、シリカ、希土類ドーパント、リン及びアルミニウムを含み、希土類ドーパントの濃度は少なくとも約０．５モル％である希土類ドープガラスを含む光ファイバを含む。光ファイバの様々な実施形態は、ポンプ波長において約３０００ｄＢ／ｍより大きいピーク吸収、放出波長において約０．５ｄＢ／ｍより大きい利得を有するように構成される。様々な実施形態において、希土類ドープガラス中のリンは、光ファイバにおける光黒化損失の飽和値が放出波長において１０ｄＢ／ｍより小さいような濃度を有する。いくつかの実施形態において、利得ファイバ及び分散を有する１以上のファイバは、約１００ＭＨｚから１０ＧＨｚの範囲において繰り返し率を提供するのに十分短い全長を有する。いくつかの実施形態において、分散補償器は、サブピコ秒パルスの生成を提供する。ここで開示される様々な実施形態は、高繰り返し率ファイバレーザ発振器と、利得ファイバから放出されたパルスをスペクトル的に広げる非線形ファイバとを含む周波数コムを説明する。

ここで開示する様々な実施形態は、少なくとも１つの多モードポンプダイオードと、ポンプダイオードからエネルギーを受けとり単一又は数モードを有するポンプ出力を増幅する大コアファイバと、ポンプ出力を受け取る光装置を含む高繰り返し率ファイバレーザ発振器を説明する。いくつかの実施形態において、大コアファイバ又は光装置の少なくとも１つは、シリカ、希土類ドーパント、リン及びアルミニウムを含み、希土類ドーパントの濃度は少なくとも約０．５モル％である希土類ドープガラスを含む。 光ファイバの様々な実施形態は、ポンプ波長において約３０００ｄＢ／ｍより大きいピーク吸収、放出波長において約０．５ｄＢ／ｍより大きい利得を有するように構成される。様々な実施形態において、希土類ドープガラス中のリンは、光ファイバにおける光黒化損失の飽和値が放出波長において１０ｄＢ／ｍより小さいような濃度を有する。

図１は、イッテルビウムエネルギーレベルシステムを示す。 図２は、アルミノケイ酸塩（alumino-silicate）ファイバにおけるイッテルビウム吸収及び放出を示す。 図３Ａ及び３Ｂは、２つの異なる温度でのアルミノケイ酸塩ファイバにおけるイッテルビウム吸収及び放出を示す。 図４は、リン及びフッ素ドープシリカファイバにおけるイッテルビウム吸収及び放出を示す。 図５Ａ及び５Ｂは、２つの異なる温度でのリン及びフッ素ドープシリカファイバにおけるイッテルビウム吸収及び放出を示すグラフである。 図６は、リンドープシリカファイバにおけるイッテルビウム吸収及び放出を示す。 図７Ａ及び７Ｂは、２つの異なる温度でのリンドープファイバにおけるイッテルビウム吸収及び放出を示すグラフである。 図８は、フッ素ドープシリカファイバ、リン及びフッ素ドープシリカファイバ及びリンドープシリカファイバの寿命測定を示すグラフである。 図９は、アルミナ、リン、ホウ素及びフッ素を含む高ドープイッテルビウムファイバの吸収スペクトルを示すグラフである。 図１０は、様々な組成のイッテルビウムドープファイバにおける光黒化測定の例を示すグラフである。 図１１は、母材から様々な引き出し条件によるイッテルビウムドープファイバにおける光黒化測定の例を示すグラフである。 図１２は、様々な温度でのイッテルビウムドープファイバにおける光黒化測定の例を示すグラフである。 図１３は、吸収に誘導される光黒化に関連したスペクトルの例を示すグラフである。 図１４は、ねじれ空洞受動モードロックファイバレーザの実施形態を概略的に示す。 図１４Ａは、二重ねじれ空洞受動モードロックファイバレーザの実施形態を概略的に示す。 図１５は、高エネルギーピコ秒（ｐｓ）ファイバレーザ装置の実施形態を概略的に示す。 図１６は、ｐｓ光ファイバ増幅器装置の実施形態におけるバンド幅広がりを示すグラフである。 図１７は、１以上の応力案内ファイバに接続されたｐｓレーザシードソースを用いて高エネルギー短パルスファイバレーザ装置の実施形態を概略的に説明し、この例の構成は、非線形周波数拡がり及びパルス保証を提供する。 図１７Ａは、応力光効果を用いてモードを導くように構成される漏れチャネルファイバ（ＬＣＦ）の実施形態を概略的に示す。 図１８は、高エネルギーファイバレーザ空洞の他の実施例を表す。 図１９は、超高繰返し率発振器を示す実施形態の実施例を表す。 図２０は、超高繰返し率発振器を示す実施形態の他の実施例を表す。 図２１は、超高繰り返し率ファイバ周波数コムレーザの実施例を示す。 図２２は、９７６ｎｍファイバレーザによってポンプされ、ＡＳＥをイッテルビウムファイバ増幅器から隔離するように構成されたカウンターポンプＹｂ増幅器の実施形態を示す。 図２３Ａは、ファイバ増幅器装置であって、大コア増幅器は増幅器利得断を構成するようになされた実施形態を概略的に示す。 図２３Ｂ−２３Ｆは、図２３Ａの大コアポンプファイバの実施形態に適する大コアファイバの様々な例を示す。 図２４−２７は、モードが応力光効果を用いて導かれるように構成された製造された全ガラス漏れチャネルファイバの例の性能を示す。 図２４は、図２６のファイバの例の測定した２次元屈折率プロファイルを示し、低屈折率特徴の近くで屈折率が増加することを示す。 図２５Ａ−２５Ｃは、３層を有する製造された全ガラス漏れチャネルファイバ（ＬＣＦ）の例のいくつかの特性を示す。図２５Ａは、ファイバの断面を示し、図２５Ｂは、測定した２次元屈折率プロファイルを示し、図２５Ｃは、７８０ｎｍから１１０ｎｍの範囲における様々な波長において測定したいくつかのモードプロファイルを示す。 図２６は、図２５ＡのＬＣＦと同じ母材から引き出して製造したファイバを用いたいくつかの波長で得られたモード場測定を示す。 図２７は、図２５の２次元反射率プロファイルの断面を示すグラフである。

光ファイバにおける高パワーＣＷからバンド幅近くに限定されたナノ秒長パルスの生成は、例えば、刺激されたブリルアン散乱、光黒化等のいくつかの効果によって制限される。ブリルアン散乱を抑制する様々な方法は、文献において示唆されてきた。これらの方法は、一般に、入射した光信号のバンド幅を、半導体レーザの周波数ディザー（dither）、周波数変調の実装、又は線に狭められ増幅された自発放出ソースの使用のいずれかによって増加させる。または、ファイバパラメータの変化は、ブリルアン散乱閾値を増加するために利用することができる。ケーブルでファイバに応力を適用することによって刺激されたブリルアン散乱を抑制することは、他の可能な方法である。いくつかの装置において、短い高度に非線形のファイバにおけるＳＢＳ閾値は、温度分布を適用することによって増加することがある。しかしながら、コア径＞≒３０μｍの大モードファイバについて、光場と音響場の重複は音響モードの限定された伝播長（≒３０μｍ）によって支配され、この場合にブリルアン散乱の発現は光場の強度によって決定され、光モード領域と、ファイバ長によってスケールする非線形相互作用長とによってスケールする。

１以上の次数で光ファイバの非線形閾値を増加させる、光ファイバの設計、組成及び製造の改良は、刺激されたブリルアン散乱を抑制する点で有利であることができる。好ましくは、これらの改良は、信号のバンド幅、光ファイバの温度又は歪み制御を増加させることなく非線形閾値を増加させることができ、大コア領域を有する光ファイバを含むファイバレーザに適用することができる。

ファイバレーザ及び増幅器のパワースケーリングについての他のあり得る限定は、光黒化に由来する。光黒化は、ファイバにおける背景損失が、ファイバにおいて大容量の光パワーが存在する結果、色中心が生成されることによって永続的に増加するという現象である。この効果は、暴露の期間後に飽和することがあるが（例えば、図１０から１２を参照）、ファイバレーザ及び増幅器における出力パワーの損失と効率の低減に寄与し得る。光黒化は、高パワーレベルでより深刻であり、適切に対処しなければ、高パワーファイバレーザ装置における顕著なパワー損失に寄与し得る。

ここで説明する様々な実施形態は、単一モードファイバ、多モード大モードファイバ、フォトニック結晶ファイバ（ＰＣＦ）、漏れチャネルファイバ（ＬＣＦ）及び二重クラッドファイバ構造を含む他のファイバ構造で用いられる高濃度のイッテルビウムを含む低光黒化ガラスを含む。このようなガラスを使用することにより、短い装置長と、その結果高い非線形閾値を提供することができる。様々な実施形態において、高マルチモードポンプガイドによって囲まれたドープコアを有する二重クラッド構造を用い、イッテルビウムドープファイバによって、様々な応用において多モード高パワーポンプダイオードから約１μｍの波長の高パワー単一モードビームへの効率的な光エネルギー変換が可能になる。

様々な実施形態は、高レベルのＹｂドープ、及び一定量のホウ素及び／又はリンドーパントを有するシリカ光ファイバを含む。いくつかの実施形態において、高レベルＹｂドープ、一定量のホウ素及び／又はリンドーパントを含むシリカ光ファイバは、大コアを有することができる。このようなファイバは、同時に、ポンプ光の高吸収、低い光黒化、コア及びクラッド間の比較的低い有効屈折率差、及び高利得を提供することができる。

実験結果は、驚異的に高いＹｂドープレベルを達成することができることを示した。ポンプ波長における結果としての吸収の増加は、増幅のためにファイバの低減された長さにわたって高いエネルギー及び／又はピークパワーを提供する。非線形効果についての閾値は、したがって、顕著に増加する。また、低い光黒化も観察され、高い反転レベルで起こることが知られている従来のトレードオフを顕著に低減した。

いくつかの実施形態において、望ましいホストガラスは大部分はシリカであり、十分大きな数のイッテルビウムイオンがドープされ、高いドープレベルを提供する。ガラスの組成は、他のドーパント、例えばホウ素及び／又はリンを含む。リンを含むシリカガラスホストは、ここではしばしばリンケイ酸ガラスと称される。

様々な実施形態は、大コア、殆ど回折が制限された出力を生成する低い開口数を含む。高度に希土類ドープされたコアは、単位長さあたりの増加した利得（ｄＢ／ｍ）、数ｃｍのファイバ長の高い利得、及び低減した磁化率（susceptibility）に非線形効果を提供する。

様々な実施形態は、イッテルビウムドープファイバ、ファイバレーザ及び増幅器についてのリンを含むシリカガラスホストを含む。シリカガラスホストはリンを含むことができ、いくつかの実施形態においてはガラスホストはホウ素とリンの両方を含むこともある。

このような比較的短い長さ（イッテルビウムドープファイバと比較して）を有するリンケイ酸利得ファイバは、パルスレーザ及び増幅器において非線形効果を低減することができ、高いピークパワーは装置長さにわたって積分される非線形効果を誘導する。低減された非線形性は高いピークパワーに提供され、例えば、極短パルス幅における高エネルギーパルス増幅に有益であることができ、非線形効果は、マイクロマシン応用に望ましいであろう高いパルスエネルギーを制限する要因の１つである。

発明者は、様々な実施形態において、シリカファイバと比べてイッテルビウムドープレベルの等価量を有する製造したリンケイ酸ファイバにおける光黒化効果が、実質的に低下することを発見した。このことにより、信頼できて効率的な高パワーファイバレーザ及び増幅器が得られる。

様々な実施形態において、イッテルビウムドープシリカファイバは、リン酸ホストという有利な点を有し、化学気相堆積に基づく十分に開発されたファイバ製造技術を用いて製造することができる。このように製造されたファイバは、非常に低い背景損失及び低減した光黒化を提供することができる。また、リン酸ファイバは、通信等級の様々な望ましい物理特性も有している。このように、ファイバを製造する工程は、従来のシリカファイバを製造するのに使用されるものと同様又は同等であり、少なくともいくつかの実施形態においては、シリカファイバ製造及び使用のために開発された技術及び装置を広範囲に利用できるという有利な点を活用することができる。

リンケイ酸利得ファイバは、高繰り返し率ファイバレーザ及び増幅器装置（例えば、１００ＭＨｚから１００ＧＨｚ率）、フェムト秒からナノ秒パルス増幅器、高ピークパワーソースによってシードが与えら得るパワー増幅器として、バルク増幅器についてのシードソースとして、高ピーク出力パワー又は高エネルギーを生成するバルク増幅器のシードソースとして、高平均パワーアプリケーションにおいて低光黒化を示すＣＷソースとして、高ピークパワー／短波長アプリケーションにおけるパルスソースとして、連続生成において、ファイバを基礎とするコヒーレントビーム結合器の利得要素として、単一周波数ファイバレーザとして、材料処理又はレーザレーダアプリケーションにおける利得要素として、通信増幅器として、及び他の多くのアプリケーションにおいて使用することができる。

ここで説明する様々な実施形態は、大ファイバコア及び／又は高ドープを有するガラスを説明する。様々な実施形態は、大コアファイバ及びロッドで使用される希土類ドープガラス組成を開示する。様々な実施形態は、高度に希土類ドープされたホストガラスを含み、ファイバの短波長の使用を提供し、非線形効果の低減に対応している。

様々な実施形態において、シリカガラスは、ファイバレーザ及び増幅器においてイッテルビウムについてのホストとして用いられる。いくつかの実施形態において、イッテルビウムはシリカガラスにＹｂ３＋として含有されるので、イッテルビウムをしばしばＹＢ３＋として参照する。イッテルビウムドープシリカファイバにおいて、一定量のアルミニウムは、高ドープレベルにおけるイッテルビウムクラスタを低減するためにしばしば添加される。イッテルビウムクラスタは、イッテルビウムイオン間の相互作用が多光子アップコンバージョンとその結果としてレーザ又は増幅器におけるエネルギー損失を招くことがあるので望ましくない。アルミニウムドープも、屈折率を増加させる。いくつかの実施形態において、ファイバには、望む場合には、屈折率を増加させるために少量のゲルマニウムがドープされる。フッ素は、屈折率を低下させるためにしばしば添加される。

光黒化は、一般に、高イッテルビウムドープレベルにおけるイッテルビウムクラスタに関係するとされ、多数のイオンは光子を生成するため、光黒化を発生し得る非常に高エネルギーレベルと相互作用する。ここで説明する様々な実施形態は、例えばイッテルビウムクラスタを低減することによって、光黒化を低減することができる。様々な実施形態において、イッテルビウムクラスタは、アルミ、リン、ホウ素等の材料を添加することによって低減することができる。

この出願は、米国特許出願第１１／６９３，６３３号、「希土類ドープ及び大有効領域のファイバレーザ及び増幅器に用いる光ファイバ」という名称のものを参照により組み込み、対応する米国公開第２００８／００６９５０８（以下では、‘９５０８と称する。）、及び対応する米国特許第７，４５０，８１３号のそれぞれをここで参照によりその全体を組み込むものとする。

いくつかの実施形態において、大モード領域、コアとクラッド間の低有効屈折率を有する希土類ドープコアを有するファイバを使用することが有利であり得る。したがって、コアとクラッド間の有効屈折率差を低減するため、ドープコアにおける比較的低い屈折率を達成することが有利であり得る。

いくつかの実施形態において、比較的高いアルミニウムドープは、ホウ素又はリンを使用することなく光黒化を低減するために使用される。しかしながら、イッテルビウムクラスタを低減するためにアルミニウム又はリンを添加することは、屈折率を増加させる。いくつかの実施形態において、少量のゲルマニウムドープも屈折率を増加させることが観察された。屈折率を低下させるため、いくつかの実施形態においてフッ素を添加することができる。シリカファイバ製造技術の現在の技術によってシリカガラスに組み込まれるフッ素の限られた量のため、希土類ドープコアは、シリカのそれよりも高い屈折率を有することができる。このことは、高度に希土類ドープされたコアに特に該当するが、これは、アルミニウム又はリンの望ましいドープレベルが、いくつかの場合、合理的に低レベルのクラスタを達成するのには高すぎるからである。したがって、一定の大コアファイバ構造においてファイバレーザのパワースケーリングに用いられる、シリカの屈折率に近い屈折率を有する高度に希土類ドープされたコアガラスを製造することは、困難であり得る。

ここで説明する様々な実施形態は、シリカのそれに比較的近い屈折率を有する高度に希土類ドープされたガラス組成を含む。例えば、様々な実施形態において、屈折率は、シリカの約±０．０１内、シリカの±０．００６内、シリカの±０．００３内、シリカの±０．００１内であり得る。他の実施形態において、シリカに対する屈折率は、異なる値を取り得る。このようなガラスは、他のロッド及び光ファイバを製造するように利用できるロッドに製造することができる。さらに、このようなガラスは、通信業の光ファイバの製造で使用される成熟した技術によって製造することができる。

リン、ホウ素、アルミニウム及び／又はフッ素を含有するイッテルビウムドープシリカファイバの製造工程の実施形態は、‘９５０８に記載されている。製造工程のいくつかの実施形態において、ホウ素はＢＣｌ_３を流さないことによって焼結工程間に取り除き、及び／又はアルミニウムは溶液から除くことによって取り除くことができる。

ここで説明する様々な実施形態は、光ファイバ及び大コアサイズを有するロッドにおいて使用される希土類ドープガラス組成を含む。ガラスの屈折率は、実質的に一様であり得、いくつかの実施形態においてはシリカのそれに近くてもよい。このこのような形態の有利となり得る点は、コア径が大きくなると次第に問題となる、コア内における追加の導波路の形成を低減することを含む。

ここで説明する様々な実施形態は、一定の屈折率を有するシリカ、シリカ中の少なくとも約１０モル％のリン、シリカ中の少なくとも約１０モル％のホウ素、シリカ中の希土類イオンを含む。希土類イオンは、シリカ中で少なくとも約１００モルｐｐｍの濃度を有する。リン、ホウ素及び希土類イオンを有するシリカを含む光ファイバは、シリカの屈折率の約±０．００３以下の屈折率を有する。

様々な実施形態は、希土類イオンドープガラスの製造方法を含む。この方法は、希土類イオンドープガラスを含む多数のロッドを積み重ね、積み重ねたロッドから引き出して第１のロッドを形成する。いくつかの実施形態において、第１のロッドは、重ねられ、引き出されて第２のロッドを形成する短い部分に切断することができる。この第２のロッドは、空間分解能０．１μｍの屈折率プロファイラで測定すると約５×１０^−４の最大ピークトゥピーク変化より小さい有効屈折率の一様性を有することができる。

いくつかの実施形態は、希土類イオンでドープされたコアとクラッドを含むロッドを含む。コアは、空間分解能が０．１から０．５μｍ間の屈折率プロファイラで測定すると約５×１０^−４より低い有効屈折率の一様性を有する。

様々な実施形態は、希土類イオンでドープされたコアとクラッドを含むロッドを含み、コアは、少なくとも２００ミクロン平方（μｍ^２）において、シリカの屈折率の約±０．００３以下の範囲内の平均屈折率を有するドープ領域を有する。

ここで説明する様々な実施形態は、コア径ρを有するコア、コアの周囲に配置された第１のクラッド、第１のクラッドの周囲に配置された第２のクラッドを含むステップ屈折率光ファイバを含む。第１のクラッドは、外径ρ_１を有する。コア及び第１のクラッドは屈折率に差Δｎを有し、第１のクラッド及び第２のクラッドは屈折率に差Δｎ_１を有する。このステップ屈折率光ファイバは、（ｉ）１０未満のモードがコアにおいて支持され、（ｉｉ）第１のクラッドの径ρ１は約１．１ρより大きく約２ρより小さく、（ｉｉｉ）第１のクラッド及び第２のクラッドの屈折率の差Δｎ_１は約１．５Δｎより大きく約５０Δｎより小さい。

ここで説明するいくつかの実施形態は、光増幅に用いられる光ファイバ装置を含む。光ファイバ装置は、１以上のタイプの希土類イオンでドープされた光ファイバを含む。光ファイバは、テーパー状の入力とそこから延長する長さを有する。光ファイバ装置は、光ファイバに光学的に結合された光ポンプと、光ファイバのテーパー上の入力に光学的に接続された光ソースを含む。テーパー状の入力端は、テーパー状の入力から延長する長さよりも低い数の光モードをサポートする。

ここで説明するいくつかの実施形態は、ガラスを製造する方法を含む。この方法は、気相堆積によってホウ素を導入し、気相堆積によってリンを導入することを含み、ホウ素とリンは、異なる時点に導入される。異なる時点にホウ素とリンを導入することによって、気相におけるホウ素とリンとの反応が防止される。

ここで説明するいくつかの実施形態は、光黒化を低減し、安定的で効率的な高パワーレーザ及び増幅器を提供する高度に希土類ドープされたガラス組成、及び製造方法を含む。例えば、少なくとも段落［００６３］〜［００７４］及び対応する‘９５０８の図面は、ここで参照する主題及び開示する他のすべての主題についてその全体を参照により組み込むものとするが、このような組成、ファイバ及び製造技術の例を記載している。

いくつかの実施形態において、シリカホストに比べてリン酸ホストにより多くのイッテルビウムイオンがクラスタなしで組み込まれることができる。イッテルビウムドープリンケイ酸ファイバは、潜在的に、より多くのイッテルビウムを低レベルのクラスタで組み込むことができる。リンケイ酸ガラスにおけるイッテルビウムイオンは、１から１．１μｍ間の波長範囲にわたってシリカホストにおけるよりも高いポンプ吸収及び放出を提供することができる。高いイッテルビウム含有量及び高い放出断面積は、短い装置長、より効率的なレーザ及び増幅器を提供することができる。このことは、より小型の装置とともに、短い空洞を利用する単一イッテルビウムレーザの容易な実現を可能にすることができる。

いくつかの実施形態において、リン酸ガラス、Ｐ_２Ｏ_５含有量が５０％を越えるガラスは、シリカを基礎とするガラスより希土類ドープによりよいホストとなり得る。リン酸ガラスの例は、６０〜６５モル％のＰ_２Ｏ_５、５〜３０モル％のＢａＯ、５〜１０％のＡｌ_２Ｏ_３，及び０〜２％のＬａ_２Ｏ_３を含む。例えばＹｂ_２Ｏ_３又はＥｒ_２Ｏ_３のような希土類酸化物の最大１０モル％をガラスに添加することができる。さらに高いドープレベルが、より低いクラスタレベルで可能である。さらに、リン酸ガラスは、光ファイバに用いる光学材料として使用するための良好な物理及び光学特性も有する。

このタイプのガラスを製造する１つの方法は、加熱し、坩堝内で混合することを含む。より高い背景損失が、この処理で製造したガラスに起きるが、これは、不純物を低減することが困難だからである。１つの実施形態において、リン酸ガラス光ファイバを作成するため、コアガラスは望ましい量の希土類イオンを有して作成される。クラッドガラスは、別々に作成され、コアガラスより少し低い屈折率を有するように変更することができる。コアガラスは、ロッド形状に、クラッドガラスは対応する管状に作成される。ファイバは、そして、母材から引き出される。二重クラッド構造については、低い屈折率を有する追加のガラスが更に外側に加えられる。

この製造工程は、シリカを基礎とするガラスについて成長される気相堆積工程より面倒であり得る。気相堆積工程は、他のガラスより不純物レベルがかなり低いシリカガラスも可能にし、その結果低い損失が実現される。気相堆積工程において、コア及びクラッドガラスは、単一工程において作成される。

このような要因は、リン酸ガラスによって提供される利益のいくつかを有する希土類ドープコアガラスを作成するために気相堆積を基礎とする技術を開発することをとても魅力的にしている。このような気相堆積工程の例は、図２Ａ〜６及び対応する‘９５０８に示され、ここで参照する主題及び開示する他のすべての主題についてその全体を参照により組み込むものとする。いくつかの実施形態において、シリカを基礎とする光ファイバについて開発された大量の技術を活用するために、シリカファイバを容易に接合することも望ましい。ボロンは、これらのガラスの屈折率を低下させ、シリカガラスのそれに非常に近く作成されるように、さらに添加される。このことは、イッテルビウムドープガラスがシリカガラスに非常に近い又は同等の屈折率を有することが利益となる第コアファイバの有利な点である。

例として、発明者は、リン含有量が約０．５モル％のように低いリンドープシリカガラスのリンサイトにおいて顕著な量のイッテルビウムイオンが保持されていることを見出した。例えば、吸収及び放出断面積、高い状態の受領等のリン酸ガラスのいくつかの望ましい特徴は、５０モル％より大きいリン含有量により得ることができる。いくつかの実施形態において、大部分のイッテルビウムがリンサイトに保持されるように、ガラスは十分なリン含有量を有しなければならない。いくつかの実施形態において、高い望ましいイッテルビウムドープレベルを達成するため、リン含有量の増加が提供され、イッテルビウムイオンからリン酸ガラスの特徴を達成する。いくつかの実施形態において、光黒化は、このような組成によって低減することができる。いくつかの実施形態において、このように高い希土類ドープファイバの使用は、エネルギー、パワー、及び／又は繰り返し率のスケーリングを提供することができる。例えば、ファイバ長を低減して高ピークパワーを実現することは、高い繰り返し率の使用について小型の構成を有利に作成することができる。非線形効果、特にラマン散乱についての増加した閾値は、様々な実施形態において同時に提供される。

ここで説明する様々な例のファイバレーザ及び増幅器の実施形態は、少なくとも１つのイッテルビウムドープリンケイ酸利得ファイバを含む。レーザ又は増幅器装置において、リンケイ酸利得ファイバは、それだけで、又は他のドープファイバと組み合わせて使用される。例えば、リンケイ酸を基礎とする利得ファイバは、１以上の前置増幅器またはパワー増幅器によって生成されたパルスを増幅するパワー増幅器として使用される。

例えば、近年、大コアファイバ技術が進み、例えば、記録有効モード領域を提供する漏れチャネルファイバ（ＬＣＦ）の実装は、２００８年８月２８日に出願され、「ガラス大コア光ファイバ」と称され、国際公開ＷＯ２００９／０４２３４７号として公開されたＰＣＴ国際出願ＰＣＴ／ＵＳ２００８／０７４６６８に記載され、ここで特に参照する主題及び開示する他のすべての主題についてその全体を参照により組み込むものとする。このような大コアファイバは、増幅器として又は空洞内で使用されるとき、高ピークパワーの単一モード出力を提供する。ここで説明する様々な実施形態は、大コアファイバ、例えば少なくとも約３５μｍ、５０μｍ、７０μｍ、１００μｍ又はこれより大きいコア径を有する漏れチャネルファイバ（ＬＣＦ）が、増幅器長を短くし、非線形閾値を増加させ、及び／又は光黒化を低減するように構成された高希度土ドープコアとともに使用される。

いくつかの実施形態は、ｐｓ領域におけるバンド幅限界パルスに近い高ピークパワーの実際的なソースを提供する。このソースは、ファイバ発振器ファイバ増幅器概念に基づいている。それは、ねじれ最適化空洞構成を利用して、ファイバ共振器からバンド幅限界に近い高エネルギー又はわずかに負のチャープパルスを生成する。最適化ファイバ前置増幅器及びパワー増幅器は、そして、バンド幅限界パルスに近い高エネルギーを生成するようになされ、他の波長に変換されるのに効率的な周波数であり得る。

様々な実施形態は、真に単一モードの光ファイバ又はほとんど単一モードの光ファイバにおけるｐｓパルスの非線形の周波数的な広がりと、これによるパルス圧縮とともにマイクロマシンにおけるこのようなソースの使用を提供する。

いくつかの実施形態は、高エネルギーのモードロック光ファイバ発振器を提供する。ここでは、大コア漏れチャネルファイバは、分散保証レーザ空洞に組み込まれ、発振パルスのエネルギーを最大化する。

いくつかの実施形態は、高エネルギーのモードロック光ファイバ発振器を提供する。いくつかの実施形態は、高繰り返し率のモードロック発振器と、周波数コム計測学におけるその使用を提供する。

様々な実施形態は、高ピークパワーの単一周波数ファイバ増幅器装置を提供する。いくつかの実施形態は、９８０ｎｍＹｂファイバを基礎とするレーザの構築と、Ｙｂファイバ増幅器のコアポンピンクへの応用を提供する。

リンケイ酸ファイバ転移及び光学的性質
図１〜７Ａは、単独又は他のドーパント、例えばアルミニウム、リン及び／又はフッ素とともに組み合わせて使用される、イッテルビウムを利用するレーザ又は増幅器媒体の関連するエネルギーレベル及び転移を説明する。製造されたファイバで得られた結果は、寿命、ポンプ吸収、寿命及び光黒化の様々な測定を含めて説明する。特に興味のあるのは、アルミニウム、リン、フッ素及びホウ素の性能の効果である。

図１は、イッテルビウムのエネルギーレベル図である。エネルギーレベルの上の集合^２Ｆ_５／２は、参照番号１００によって示される、参照番号１０８、１０７及び１０６によってそれぞれ表される３つのサブレベルｇ、ｆ及びｅを有し、エネルギーレベルの下の集合^２／Ｆ_７／２は、参照番号１０１によって示され、参照番号１０２、１０３、１０４及び１０５によって表される４つのサブレベルａ、ｂ、ｄ及びｄを有する。吸収は、矢印及び実線を用いて示されるが、放出は矢印及び破線を用いて示される。

図２は、アルミニウムドープシリカ光ファイバにおけるイッテルビウム吸収の曲線１１０及び放出の曲線１１１を示す。

図３Ａは、アルミニウムドープシリカ光ファイバにおける、摂氏０度での吸収の曲線１２０、摂氏１００℃での吸収の曲線１２１を示す。図３Ｂは、アルミニウムドープシリカ光ファイバにおける摂氏０度での放出の曲線１２２、摂氏１００℃での放出の曲線１２３を示す。

図４は、リン及びフッ素ドープシリカ光ファイバにおけるイッテルビウム吸収の曲線１３１及び放出の曲線１３０を示す。

図５Ａは、リン及びフッ素ドープシリカ光ファイバにおける摂氏０度での吸収の曲線１４０、摂氏１００℃での吸収の曲線１４１を示す。

図５Ｂは、リン及びフッ素ドープシリカ光ファイバにおける摂氏０度での放出の曲線１４２、摂氏１００℃での放出の曲線１４３を示す。

図６は、リンドープシリカ光ファイバにおけるイッテルビウム吸収の曲線１５１及び放出の曲線１５０を示す。

図７Ａは、リンドープシリカ光ファイバにおける摂氏０度での吸収の曲線１８０、摂氏１００℃での吸収の曲線１８１を示す。図７Ｂは、リンドープシリカ光ファイバにおける摂氏０度での放出の曲線１８２、摂氏１００℃での放出の曲線１８３を示す。

図８は、３つの製造したファイバの寿命測定を示す。曲線２００はリンンドープシリカファイバについてものであり、曲線２０１はリン及びフッ素ドープシリカファイバについてのものであり、２０２はフッ素ソープシリカファイバについてものである。３つのファイバについて上の上体の寿命は、それぞれ１．２４ｍｓ、０．９６ｍｓ、０．６６ｍｓであり、リンドープによる寿命の顕著な増加を示している。

図９は、リンケイ酸利得ファイバで得られる、高ピークイッテルビウム吸収の曲線２０３を示す。この場合、イッテルビウムドープシリカファイバは、リン、フッ素、アルミニウム及びホウ素も含む。いくつかの実施形態において、９７６ｎｍピークにおける吸収は、リン酸ガラスにおいて５０００ｄＢ／ｍを超える。例えば約９０００ｄＢ／ｍに近づく高い吸収レベルは、いくつかの実施形態のいて達成することができる。この例では、ファイバの開口数ＮＡは〜０．１３である。

表１〜３は、ドープ構成の様々な例に関連するエネルギーレベルの測定を提供する。アルミニウムドープシリカファイバの測定されたイッテルビウムエネルギーレベルは、図１に３つの異なる単位で示されている。第１欄は、図１に示すようなエネルギーサブレベルに対応する。第２欄はｃｍ^−１単位での波数（ｋ）であり、第３欄はＧＨｚ単位でのピーク周波数であり、第４欄はＪ単位での遷移エネルギー（ｈν）を表す。

表２は、第１欄の各遷移、第２欄の各遷移の中心ピーク、第３欄の各遷移の強度、第４欄の各遷移の線幅を説明する。これらの結果は、リン及びフッ素ドープシリカファイバに対応する。

リンドープシリカファイバの測定されたイッテルビウムエネルギーレベルは、表３に示されている。第１欄は、図１に示すようなエネルギーサブレベルに対応する。第２欄はｃｍ^−１単位での波数であり、第３欄はＧＨｚ単位でのピーク周波数であり、第４欄はＪ単位での遷移エネルギーを表す。イッテルビウムイオンの高い濃度が提供され、低い光黒化が達成される。これらの結果は、リンケイ酸ホストが、長い上の状態の寿命、低いレーザ及び利得閾値についての利益、潜在的に高い利得についての高い放出断面積、短い利得ピーク波長、低い量子欠陥についての可能性、及び９１０nm及び９７０ｎｍ間の平坦な吸収も提供し、追加のポンプ波長の可能性を示している。

図９に示すように、ピークのイッテルビウム吸収は、いくつかの場合においては約５０００ｄＢ／ｍを越えることがある。いくつかの実施形態においては、ドープシリカファイバの吸収は約１０００ｄＢ／ｍより低く、図９に示すように少なくともピークのイッテルビウムの吸収よりオーダー低い（ｄＢ／ｍ単位で）ことがある。非常に低い光黒化を有するＹｂドープの高いレベルは、驚異的な利益と予期できない結果であった。

少なくとも１つの実施形態において、リンケイ酸ファイバは、好ましくは、ポンプ波長において少なくとも約１０００ｄＢ／ｍポンプ吸収を提供することができ、いくつかの実施形態においては、少なくとも約１５００ｄＢ／ｍを吸収し、約４０００〜５０００ｄＢ／ｍを越えることがある。吸収は、約３０００ｄＢ／ｍ〜５０００ｄＢ／ｍの範囲にあり、最大約９０００ｄＢ／ｍである。リンケイ酸利得ファイバを利用するファイバレーザ又は増幅器は、ピークパワー、ＣＷパワー及び繰り返し率の１以上において実質的な改良を提供することができる。低い光黒化レベルは、同時に達成可能である。

したがって、少なくとも１つのリンケイ酸ゲインファイバを含むファイバレーザ又は増幅器は、高いスケーラビリティの利点の形態を提供し、従来のＹｂ（例えば、非リンケイ酸ガラスにおけるＹｂドープ）ファイバレーザ及び／又は増幅器の信頼性及び寿命仕様に合致するか又は超えている。

製造されたファイバの例 ポンプ吸収及び光黒化測定
いくつかの実施形態において、光黒化への効果を特定するため、ファイバは、ホウ素及びアルミニウムの異なる濃度を有するように製造される。これらのファイバの特性は、下記の表４にまとめられている。表４の第１欄は、異なるファイバの識別を提供している。第２欄は、異なるファイバの単一モードカットオフ波長を提供している。第３欄は、異なるファイバのＶナンバーを提供している。ホウ素流速及びアルミニウム濃度は、それぞれ第４欄及び第５欄に提供されている。第５欄は、異なるファイバのクラッド径を提供している。第６欄は、異なるファイバについての母材供給速度Ｖ_ｆ及び引き出し速度Ｖ_ｄを提供している。第７欄は、ファイバが引き出される温度を提供している。

いくつかの実施形態において、すべてのファイバは、１００ｍｌの蒸留水に３．６ｇ ＹｂＣｌ_３・６Ｈ_２Ｏという溶媒における同じイッテルビウム濃度、摂氏１２００度という同じ硬化温度で作成される。４０ｓｃｃｍ（立法センチメートル毎秒）というホウ素のフローは、ファイバ３０１及び３０２についてオンにされ、ファイバ３０３、３０４及び３０５についてオフにされる。アルミニウム濃度は、ファイバ３０１については１００ｍｌの水において１２ｇのＡｌＣｌ_３であり、ファイバ３０２については１８ｇであり、ファイバ３０３については２４ｇであり、ファイバ３０４については１２ｇであり、ファイバ１０５については１８ｇである。９７６ｎｍにおいて測定されたイッテルビウム吸収は、すべてのファイバについて〜１６００ｄＢ／ｍである。〜３ｃｍという短い長さのイッテルビウムドープファイバは、〜９７６ｎｍにおいて１００ｍＷを越えるパワーで連続的にポンプされる。

この例において、ポンプパワーの選択は、このポンプ波長（約９７６ｎｍ）における〜５０％の最大反転を提供した。いくつかの実施形態において、ポンプパワーは望ましい反転レベルを提供するように選択されるが、これは、様々な実施形態において光黒化は反転に依存することがあるからである。いくつかの実施形態において、６７４ｎｍが中心で、８ｎｍのＦＷＨＭであるＬＥＤは、ファイバ伝達を連続的に監視し、光黒化損失を決定するためのプローブとして使用される。様々なバンドパスフィルタは、各パワー検出における隔離を提供するため、プローブ及びポンプのビーム経路において使用される。

図１０は、表４に列挙されたすべてのファイバ３０１から３０５についてプローブ波長において測定された光黒化損失を説明するものである。曲線３０１は、低いアルミニウム濃度及びいくらかのホウ素が最低の光黒化を与えるファイバ３０１に対応している。ファイバ３０２におけるアルミニウムレベルの増加は、曲線３０２に示すように光黒化の少し高いレベルを与えている。ホウ素を有しないファイバ３０３、３０４及び３０５は、曲線３０３、３０４及び３０５に示すように同様であるが少し高い光黒化を有している。すべての引き出しパラメータについて、母材供給速度を含み、Ｖ_ｆ及びＶ_ｄも、表４に与えられている。

図１０は、光黒化損失は、最初は累積ポンプ時間にわたって増加し、そして、累積ポンプ時間の大きな値についての飽和値においてレベルが低下する傾向がある。例えば、曲線３０５についての光黒化の飽和値は、約７ｄＢ／ｍである。光黒化損失の飽和値は、例えば図１０（図１１〜１２も参照）に示されたような曲線から、累積された本法時間の関数としての光黒化損失の漸近値として推定することができる。図１０（例えば曲線３０１）示すいくつかの場合において、ファイバの光黒化損失は、測定の終わりまでに飽和値に明らかに達しなかった（例えば、累積ポンプ時間６００００秒まで）。このような場合、飽和値は、データの漸近又は停滞値を決定するための数値及び／又は解析手法を用いて実験値（例えば、図１０〜１２に示す曲線のような）から推定することができる。いくつかの場合において、光黒化損失の飽和値は、プローブ波長（例えば６５７ｎｍ）において又はプローブ波長範囲にわたって測定（又は推定）され、他の波長（又は波長範囲）における光黒化損失は、測定された光黒化データ（例えば、外挿手法を用いて）に少なくとも部分的に基づいて決定される。いくつかの場合において、ファイバの放出波長（例えば約１．０５μｍ）における光黒化損失の飽和値は、プローブ波長データを用いて推定される。

光黒化への様々な引き出し条件の効果を決定するため、様々な引き出し条件において母材はファイバに引き出される。様々な引き出し条件と異なるファイバの特性は、下記の表５にまとめられ、テスト結果は図１１に示されている。図１１に示された曲線３１０から３１４は、表５に列挙された曲線３１０から３１４に対応している。

表５及び図１１から、いくつかの実施形態において、低い引き出し速度と高い引き出し温度が低いレベルの光黒化に好ましいことが見られる。いくつかの場合において、引き出し条件を制御することによって、強度の次数にわたる光黒化の顕著な低減が達成される。

様々なファイバ温度における光黒化は、表５に記載されるファイバ３１３も用いて調べられた。その結果は、図１２に示されている。曲線３２０及び３２１は、それぞれ摂氏１１３及び２２度についてのものである。高い温度においていくらか低い光黒化を有する弱い温度依存性が存在する。このことは、コア温度が環境温度より高くなると予期される高平均パワーレーザについて有利である。光黒化損失のスペクトルも測定され、図１３に示されている。このスペクトルは、温度摂氏２２度においてファイバ３１３について測定された。この例においては、〜１μｍにおける損失は、プローブ波長においてより実質的に小さい。

例として、様々な実施形態において、光黒化によって生じた損失は、放出波長（例えば１．０５μｍ）において約１０ｄＢ／ｍより小さく、ポンプ波長（例えば０．９７６μｍ）において少なくとも約１０００ｄＢ／ｍのピーク吸収を有することがある。いくつかの例において、低い光黒化は、高いポンプパワー、及び高い反転レベルにおいて動作している間に得られる。いくつかの実施形態は、シリカ、リン及びアルミニウムを含む高度に希土類ドープされたガラスを有する光ファイバを含む。様々な実施形態において、ポンプ波長は、約０．９μｍから約１．０μ間の範囲にあることがある。いくつかの実施形態において、ポンプ波長は、約０．９１μｍから約０．９９μ間の範囲にあることがある。いくつかの実施形態において、ポンプ波長は、約０．９７μｍから約１．０３μ間の範囲にあることがある。いくつかの実施形態において、ポンプ波長は、約０．９５μｍから約１．２μ間の範囲にあることがある。いくつかの実施形態において、ポンプ波長は、約１．０μｍから約１．１μ間の範囲にあることがある。他の実施形態において、放出波長における光黒化損失の飽和値は、約１ｄＢ／ｍより小さく、約５ｄＢ／ｍより小さく、約１５ｄＢ／ｍより小さく、約２０ｄＢ／ｍより小さく、約３０ｄＢ／ｍより小さいことがある。飽和した光黒化損失の他の値は、ファイバの他の実施形態において可能である。

低減した光黒化を提供する様々な実施形態において、光ファイバは、約０．５〜１５モル％のアルミニウム濃度、約３０モル％のホウ素を含むことがある。いくつかの実施形態のいて、ホウ素は除外され、又は例えば０．０１モル％から１モル％のような非常に小さい濃度のホウ素が利用される。いくつかの実施の形態において、光ファイバは、１〜１０モル％のアルミニウム、５〜２５モル％のホウ素、、好ましくは５〜１５モル％のアルミニウム及び５〜１５モル％のホウ素を含むことができる。引き出し条件は約摂氏１９００から２２００度の範囲にあり、引き出し速度は約５０ｍ／分より小さい。様々な実施形態において、引き出し温度の好ましい範囲は約摂氏２０００〜２１５０度であり、引き出し速度は約１０ｍ／分より小さい。

ここでは、１０〜３０モル％のリン、約２０モル％より低いリン、０．５〜１５モルのアルミニウムを含み、さらに約０．０１から１５モル％のイッテルビウムを含むことがあるリンケイ酸ファイバの様々な実施形態が開示される。

開示するいくつかの実施形態において、高度に希土類ドープされたファイバは、リンケイ酸ガラスを含み、リンケイ酸ガラスは少なくとも約１０モル％のＰ_２Ｏ_５を含むことがある。

開示される様々な実施形態は、シリカと、少なくとも約０．５モル％の濃度の希土類ドーパントと、リンを含む光ファイバであって、ファイバが高いポンプパワー及び高い反転レベルにおいて動作している間、光黒化損失が放出波長において約１０ｄＢ／ｍ以下となる光ファイバを含むことがある。

上記例は、高度に希土類ドープされたイッテルビウムファイバを説明している。いくつかの実施形態において、他の希土類ドーパントが利用され、他の放出波長について提供される。いくつかの例は、約０．０１から１５モル％のイッテルビウム、約０．００１〜２モル％のエルビウム、約０．０１から１５モル％のイッテルビウム及び約０．００１〜１モル％のエルビウム、約０．０１から１５モル％のツリウムを有するファイバを含む。

レーザ及び増幅器の実施例
リンケイ酸利得ファイバは、レーザ増幅器、ファイバレーザ、及びこれらの組み合わせに利用することがある。利得ファイバは、利得スイッチ、Ｑスイッチ、又はモードロックレーザ構成の何れかの組み合わせを組み込む装置に使用することもある。例えば、高いピークパワーのレーザ装置の一部は、バルク増幅器についてのシードソースの部分として高度に希土類ドープされたリンケイ酸利得ファイバを有する実施形態を含むことがあり、シードソースエネルギーは、少なくとも１０μＪ、又は少なくとも１００μＪである。様々な実施形態において、利得ファイバは、約１００ｆｓ〜約１００ｐｓ、１００ｆｓからナノ秒、１０ｐｓから数ナノ秒、１０ｐｓから１００ｎｓの範囲、又は他の範囲におけるパルス幅を有する出力パルスを生成するファイバ増幅器装置において利用されることがある。利得ファイバは、多色ファイバレーザ構成であって、単独又はラマンシフタを含む他のタイプの周波数と組み合わせて構成される、例えば周波数逓倍器、３倍器、４倍器、５倍器のような周波数変換器を有する装置において利用することができる。

従来のイッテルビウムファイバ（例えば、非リンケイ酸ガラスにおけるＹｂドープ）に対して低減した長さを有する高度にドープしたファイバに従う例としての実施例は、一般に好ましい。例えば、様々な実施形態は、少なくとも１つのリンケイ酸ファイバにおいて利用することがある。増加したピークパワー及び／又はパルスエネルギーが、このようなファイバにおいて得ることができる。しかしながら、ファイバレーザ及び増幅器の様々な応用において、このような増加は、常に望まれるものではないことがあり、提言したドープ、又は通常のイッテルビウムファイバ（例えば、リンケイ酸ファイバにおけるＹｂドープ）は、以下のような実施のいくつかを少なくとも有する適切な実現を達成するのに好ましい。

以下の一定の実施形態は、大コアリンケイ酸ファイバを利得媒体として利用することがあり、例えば上述した組成と、数ｃｍから数メートルまで、例えば約５ｃｍから１０ｍまでの範囲を長さを有するＬＣＦがある。ファイバの長さは、ピークパワー、平均パワー、パルスエネルギー、及び繰り返し率の好ましい組み合わせを提供するために選択することがある。例えば、非常に短い長さのファイバは、シリカ利得ファイバの使用で得られるより高いパルスエネルギーを低要する多ＧＨｚファイバ発振器を形成するために使用される。

図１４は、ファブリペローファイバレーザ空洞１４００を示す実施形態を表している。ファイバレーザは、波長分割多重化結合器１４０２を介して空洞に結合されたレーザポンプ１４０１（例えば、単一モードダイオードレーザポンプ）によってポンプされる。チャープ回折格子１４０３（例えば、チャープファイバブラッグ回折格子）は、ファブリペロー空洞の第１の終端鏡として動作する。いくつかの実施形態において、ファイバ回折格子１４０３は、負の分散を生成する。いくつかの実施形態において、回折格子の分散は、好ましくは、空洞内でソリトンパルスの振動を提供するため、他の空洞構成要素の分散と比較して大きく選択されることが好ましく、このことは、フェルマン他（Fermann et al.）に付与された米国特許第５，４５０，４２７号に記載され、ここで特に言及した主題と、その開示する他のすべての手段の全体が参照により組み込まれる。ドープファイバ１４０４（例えば、リンケイ酸Ｙｂドープファイバ）は、例えば、ポンプレーザダイオードピーク波長（例えば９７６ｎｍ）におけるピーク吸収が少なくとも約６００ｄＢ／ｍ、１８００ｄＢ／ｍ、又はさらに高いような、高いポンプ吸収を提供する十分高いＹｂドープレベルを有する利得媒体として提供される。様々な実施形態において、ファイバ回折格子１４０３及びドープファイバ１４０４は、非偏光保持である。空洞は、１／４波長板１４０５、空洞内偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）１４０６及び一定長の偏光保持（ＰＭ）無ドープファイバ１４０７によって完成することができる。様々な実施形態において、無ドープファイバは、大コアファイバまたな空気などを含む空孔又は空間を有するファイバを含むが、これらに限定されない標準ＰＭファイバ、低非線形ＰＭファイバであることができる。ファイバの他のタイプも、使用することができる。第２の空洞ミラーは、半導体可飽和吸収鏡（ＳＡ）１４０８を含み、例えば、フェルマン他（Fermann et al.）に付与された米国特許第７，０８８，７５６号に記載され、ここで特に言及した主題と、その開示する他のすべての手段の全体が参照により組み込まれる。

いくつかの実施形態において、光偏光子（図示せず）は、ＳＡ１４０８の前に挿入し、偏光保持ファイバ１４０７の軸の１つにそろえることができる。図１４はＳＡ鏡が無ドープファイバ１４０７に付き合わせて接続されているが、ＳＡ１４０８上のスポットサイズを調整するため、視準及び集束レンズも無ドープファイバ１４０７及びＳＡ１４０８間に含めることができる。図１４に示すように、この実施形態のレーザについて、２つの可能な出力、例えば、出力１及び出力２がある。いくつかの実施形態において、出力２が好ましい。出力２からの出力は、１／４波長板で調整することができる。出力１は、チャープファイバ回折格子１４０３の反射率によって決定される。いくつかの実施形態において、出力１は、高い反射率のファイバ回折格子を実装することにより最小化することができる。多くの他の構成が可能であり、バルク光偏光又は非偏光構成要素を有しない集積構成を含み、例えば、フェルマン他（Fermann et al.）に付与された米国特許第６，０７２，８１１号に記載され、ここで特に言及した主題と、その開示する他のすべての手段の全体が参照により組み込まれる。様々な実施形態において、出力１は、出力１を光ファイバに接続することによってファイバの形状で得ることができる。様々な実施形態において、このような構成は、標準全ファイバ波長分割多重化結合器を用いて実現することができる。

図１４に示す空洞構造は、ねじれ空洞と称することができる。左からＰＢＳ１４０６を透過する光は、線形に偏光し、１／４波長板が、チャープ回折格子１４０３から反射された後で偏光状態を楕円偏光状態に変換し、チャープ回折格子は、出力にＰＢＳ１４０４において結合し、出力２を生成することを可能にする。全構成の環境安定性が提供されるが、これは、ドープ非ＰＭファイバ１４０４及び非ＰＭファイバ回折格子１４０３の結合長が、高度にドープされたＹｂファイバに適した数ｃｍのように短くすることができるからである。ここで記載したねじれ空洞は、少なくとも好適な特徴を有している。例えば、第１の有利な点は、大レベルの出力結合（例えば＞５０％）を生成するために１／４波長板１４０５を調整することによって、高エネルギーパルスの振動が可能になるような比較的長い空洞を構築することができる。これにしたがい、高エネルギーパルスはドープファイバの短い長さにのみ存在し、これに対して長い非ドープファイバにおいては、パルスエネルギーは低い。捻じれ空洞構造の他の有利な点は、ＰＭからＰＭへの接合が、この装置においては完全に除外され、無ドープファイバ１４０７の２つの偏光軸間のコヒーレント相互作用を最小にすることがあり、例えば、２つの偏光軸間の群速度ウォークオフ（walk off）長さがパルス幅と同等になり、レーザ出力パワーにおいてコヒーレント偏光相互作用が変動を生成し、例えば、フェルマン他（Fermann et al.）に付与された米国特許第７，０８８，７５６号に記載され、ここで特に言及した主題と、その開示する他のすべての手段の全体が参照により組み込まれる。ねじれ空洞構造の第３の有利な点は、空洞内のドープファイバに短い長さを選択することによって、パルスと他のドープファイバ間の非線形相互作用を最小にすることができることである。この結果、ほぼバンド幅限界パルス又はわずかに負のチャープパルスは、出力２において偏光ビームスプリッタから抽出される。これに対して、ファイバ回折格子を透過し、出力１として抽出されるパルスは、正にチャープし、バンド幅限界から約２の係数離れているが、さらに以下で説明する。

ねじれ空洞の１つの実施形態において、チャープファイバ回折格子１４０３は、−２０ｐｓ^２の分散、１０３７ｎｍの中心波長、０．２０ｎｍのバンド幅を有することができ、ドープファイバピーク吸収は約３６００ｄＢ／ｍであることができ、利得ファイバは約１０ｃｍの長さであることができる。非ドープファイバ長さ１４０７は、約１０ｍであることができる。すべてのファイバは単一モードであることができ、コア径は６〜７μｍであることができる。様々な実施形態において、ファイバの他の長さ及びタイプも使用することができる。１０ＭＨｚの繰り返し率において、発振器は最大３ｎＪのパルスエネルギーを有する１０ｐｓバンド幅限界パルスを生成することができる。いくつかの実施形態において、大パルスエネルギーは、例えば、大コア径を有するファイバのような、低い非線形ファイバを組み込むことによって得ることができる。例えば、いくつかの実施形態において、約３０ｎＪのパルスエネルギーを有するパルスは、非ドープファイバ１４０７が約３０ｍの長さの非ドープＰＭ漏れチャネルファイバによって、１４０４に代わって約１５００μｍ^２のモード領域で置き換えられたとき、約３０ｍＭＨｚの繰り返し率における約１０ｐｓのほぼバンド幅限界パルスについて得ることができる。ねじれ空洞構造の様々な実施形態は、約１００ｍ〜約５ｍ間の長さを有する非ドープファイバに対応する約１ＭＨｚ〜２０ＭＨｚ間の繰り返し率におけるピコ秒パルス生成を提供することができる。様々な実施形態において、低い繰り返し率におけるパルスは、非ドープファイバ１４０７の長い長さを用いることによって生成することができる。

図１４Ａは、ファブリペローファイバレーザ空洞の他の実施形態を示す。図１４Ａに示される実施形態は、非ドープファイバ１４０７の一端に接続される偏光回転子（例えばファラデー回転子鏡）１４０９を含む。偏光回転子１４０９は、偏光状態を逆反射において９０度回転させる。この結果、偏光回転子から反射された振動光は、ＰＢＳ１４０６に結合された飽和吸収体１４０８に向けられる。飽和吸収体１４０８からの反射の後、光は無ドープファイバ１４０７を通って偏光回転子１４０９に向って進み、偏光回転子１４０９から２回目の反射の後で非ドープファイバ１４０７を通ってドープファイバ１４０４に向って進む。したがって、光は、空洞を通る往復ごとに、非ドープファイバ１４０７を４回通る。このような空洞構造は、例えば、１００ｋＨｚから１０ＭＨｚ間、好ましくは５００ｋＨｚから５Ｍｈｚの範囲における繰り返し率において動作する共振器のような低い繰り返し率のモードロック発振器の構築において有利であり得る。光は、空洞を往復する度に無ドープファイバを4回通るので、短い長さの無ドープファイバ１４０７を使用することができる。例えば、１ＭＨｚの繰り返し率で動作している空洞について、非ドープファイバ１４０７の長さは、約５０ｍであることができる。様々な実施形態において、ドープファイバ１４０７は、できるだけ高いパルスエネルギーを得るため、大コアファイバ、フォトニック結晶又は漏れチャネルファイバ、空気を含む空洞又は空間を有するファイバ等を含むがこれらに限定されない低非線形ファイバから構築することができる。二重空洞ねじれ構造は、短い長さの非ドープファイバ１４０７を利用するので、無ドープファイバ１４０７が上述した低非線形ファイバを含む実施形態における二重空洞ねじれ構造を使用するという利益がある。様々な実施形態において、偏光回転子１４０９は、偏光ドリフトを低減するか実質的に防止し、したがって空洞内の非偏光保持フィルタを使用することを可能にする。したがって、ＰＢＳ１４０６の４つのポートに接続されるファイバ１４１０ａ〜１４１０ｄは、単一モードファイバを含むことができ、したがって、製造を容易にすることを可能にする。様々な実施形態において、単一モードファイバ１４１０ａ及び無ドープファイバ１４０７は、ファイバレーザ空洞が小型で、及び／又は容易に製造できるように接合又はテーパー技術を用いて結合される。

ここで説明する発振器は、図１５に示すように高パワーｐｓ増幅器の前端として組み込むことができる。例えば、発振器１５００は、図１４に関して記載される発振器と同様であることができる。図１５に示す実施形態において、アイソレータ１５０１によって利得ファイバ１５０２Ｙｂドープ利得ファイバから隔離される。いくつかの実施形態において、利得ファイバ１５０２は、イッテルビウムドープリンケイ酸ファイバを含むことがある。いくつかの実施形態において、利得ファイバ１５０２は、漏れチャネルファイバのような大コアファイバを含むことがある。実施形態の１つの実装において、利得ファイバ１５０２は、約５ｍの長さを有し、約１２００ｄＢ／ｍのピーク吸収を提供される。様々な実施形態において、多要素周波数変換段１５０４は、周波数３倍、４倍及び５倍について、Ｙｂファイバ１５０２における増幅後に提供することができる。いくつかの実施形態において、周波数変換段１５０４は、ポンプソース１５０３からのポンプ信号を受け取る。増幅器ファイバにおける非線形位相遅延の関数としてのファイバ増幅器における単一パルスについての周波数広がりの量は、図１６に示されている。ここで、最上部の曲線３２２は、出力１における発振器出力を適用したとき、それによって広がる量を表し、最下部の曲線３２３は、出力２における発振器出力を適用したとき、それによって広がる量を表している。いくつかの実施形態においては、πより小さいファイバ内の非線形位相遅延が引き起こされる。出力２における出力は、出力１における出力を採用するのに比べ、３〜４倍狭いパルススペクトルを生成することができる。ほぼバンド幅限界パルスには周波数３倍が最も効果的であるので、ファイバ増幅器内の非線形位相増幅をπより小さく低減することはさらに利益をもたらす。支配的な分散はファイバ回折格子から寄与を受けるソリトンファイバレーザのいくつかの実施形態においては、信号パルスが回折格子から反射される点と信号パルスが出力結合器から抽出される点との間の空洞内伝播長を最小化するのに最適である。いくつかの実施形態においては、この長さは、抽出長と称される。いくつかの実施形態では、パルス品質は、抽出長が空洞内往復長に対応するとき劣化し得る。いくつかの実施形態において、抽出長は、空洞内往復長の半分より小さく、好ましくは空洞内往復長の１／４より小さい。

図１７は、ファイバｐｓ増幅システムを示す例示的実施形態１７００を表す。ここで応力案内ファイバ（ＳＧＦ）１７０１及び後続の分散補償（Ｄ．Ｃ．）１７０２における非線形スペクトル拡大は、パルス圧縮に使用される。図１７に示される実施形態は、シードソース１７０３及び１つ又は複数のポンプソース１７０４ａ及び１７０４ｂを更に備える。シードソース１７０３及び１つ又は複数のポンプソース１７０４ａ及び１７０４ｂからの出力は、利得ファイバ１７０５へ結合される。幾つかの実施形態において、利得ファイバ１７０５は、イッテルビウムドープリンケイ酸塩ファイバを備える。幾つかの実施形態において、偏光制御器（Ｐ．Ｃ．）１７０６がシステムへ提供される。

応力案内ファイバ及び様々な例は、２００８年８月２８日に出願された「ガラス大コア光ファイバ」と称するＰＣＴ国際出願第ＰＣＴ／ＵＳ２００８／０７４６６８号の中で、少なくとも段落［０２０５］〜［０２２１］及び対応する図２８〜図３０に説明されている。この国際出願は、本明細書の中で具体的に参照される主題及びそれが開示する全ての他の主題について、参照によりその全体が本明細書の中に組み入れられる。応力案内は、一般的に、異なる熱特性の結果として屈折率の局所変動から生じる。漏れチャネルファイバの端面は図１７Ａ図で示される。例えば、漏れチャネルファイバにおいて、特徴１７５２及び第１のクラッド材料１７５３の屈折率変動が起こる。幾つかの実施形態において、屈折率変調は、様々なクラッド特徴のサイズ及び／又は間隔及び材料の熱膨張係数の関数として調整される。屈折率変調を用いて、モードはコア領域１７５１の一部分の中で案内され、モードサイズを有する出力ビームが放出される。このモードサイズは、コア寸法２ρよりも略小さい寸法を有する。応力案内ファイバ及び例の更なる説明は、下記に含められる。

図１７の増幅システムは、図１５に関して説明されるように構築される。図１７で示された実施形態１７００において、ポンプ及び信号光をファイバ増幅器の中へ配達するためスター結合器１７０７が使用され得る。スター結合器及び他の結合器の使用は、例えばドング他への米国特許第７，０１６，５７３号で説明されている。この米国特許は、本明細書の中で具体的に参照される主題及びそれが開示する全ての他の主題について、参照によりその全体が本明細書の中に組み入れられる。漏れチャネルファイバと共にスター結合器を使用することは、幾つかの実装で有利である。というのは、スター結合器の信号アーム内のモードサイズを漏れチャネルファイバ内のモードサイズへマッチすることなく、近回折制約出力が取得されるからである。スター結合器の使用は、全ファイバポンプ配列を許容する。幾つかの実施形態において、他のタイプの結合器が使用され得る。

幾つかの実施形態において、増幅器システム内で生成されたｐｓパルスのスペクトルを拡大するため、真単一モードファイバ又は近単一モードファイバ（例えば、数モードファイバ）が更に提供される。この例において、単一モードファイバは無ドープである。自己位相変調を介して著しいスペクトル拡大を許容するため、単一モードファイバの長さが選択される。１×πから５０×πまでの自己位相変調値が選択され得る。大きいパルスエネルギーに順応するため、大コア区域を有する単一モードファイバが好ましい。１つ又は複数の応力案内ファイバにおける周波数拡大の後、格子対がパルス圧縮に使用され得る。代替として、プリズム対、グリズム対、又はチャープ鏡が分散補償に提供され得る。ここで分散補償要素の適切な組み合わせも、より高次の分散補償を許容する。他の大コアファイバ構造とは対照的に、応力案内ファイバは、５０００μｍ^２以上までのモード区域を用いて真単一モード動作を提供するように設計され得る。これは、モード伝搬が整列に敏感でなく非常にロバストであることを意味する。幾つかの実施形態において、非線形スペクトル拡大は整列に敏感であり、従って真単一モード大コアファイバなしに実装するのは困難である。そのような応力案内ファイバを用いて、１０〜２０ｐｓパルスはサブｐｓパルスへ容易に圧縮され得る。

ｐｓファイバ・フロント・エンドに加えて、ソリッドステート・レーザに基づくｐｓソースも、応力案内ファイバ内で非線形パルス圧縮され得る。例えば、薄円板ソリッドステート発振器は、適切な分散補償要素を有する応力案内ファイバ内の非線形スペクトル拡大を使用して、約１ｐｓから約１０ｆｓへパルス圧縮され得る。非線形パルス圧縮のために応力案内ファイバを使用することは、高平均パワーｆｓレーザの構築を簡単にし、マイクロマシン、例えば半導体及びウェーハ処理の応用に理想的であり得る。

上記の例において、無ドープ応力案内ファイバは、有利には、スペクトル拡大の非線形レジームで使用された。幾つかの実施形態において、応力案内ファイバの少なくとも一部分は、活性高度ドープリンケイ酸塩ガラスを利得媒質として含み、短縮ファイバ長を選択的に提供し、非線形閾値を増加する。例えば、近回折制約モードを有するが、コア径の約８０％よりもはるかに小さい１／ｅ^２径を有する短高ピークパワーパルス（例えば、ｐｓパルス）の線形パルス伝搬は、活性部分内で実施される。

図１８は、高エネルギーファイバレーザ空洞１８００を示す他の例示的実施形態を表す。実施形態１８００は、空洞の一端を形成する飽和可能吸収体１８０１及び空洞の他端を形成するチャープ鏡対１８０２を備える。幾つかの実施形態において、チャープ鏡対１８０２は、分散補償に使用され得る。図１８に示された実施形態は、ポンプソース１８０４によってポンプされる利得ファイバ１８０３を更に備える。幾つかの実施形態において、利得ファイバ１８０３は、イッテルビウムドープリンケイ酸塩ファイバを備える。幾つかの実施形態において、ポンプソースは或る長さの単一モードファイバ１８０５によって利得ファイバ１８０３へ結合される。幾つかの実施形態は、偏光制御器１８０６を追加的に含み得る。図１４で示されたセットアップと比較して、図１８で示されたセットアップの１つの利点は、チャープ鏡のグループ遅延及び振幅リプルが、チャープファイバ格子よりも小さく、従って図１４からのセットアップと比較すると、図１８からのセットアップを用いて、より滑らかなパルススペクトルが取得され得ることである。幾つかの実施形態において、鏡内のグループ遅延リプルは、分散補償のために２つのマッチされたチャープ鏡を使用することによって最小化され得る。更に、可能なパルスエネルギーを増加し得る高度Ｙｂドープファイバが提供され得る。高ピーク吸収、例えば１０００ｄＢ／ｍ、２５００ｄＢ／ｍ、５０００ｄＢ／ｍ、又は約９０００ｄＢ／ｍまでを提供するＹｂドープレベルを用いると、非常に短いＹｂファイバがレーザ空洞内で使用され得る。こうして、空洞内Ｙｂファイバ長は、約３ｃｍ以下になる。幾つかの実施形態において、高度ドープファイバは、利得ファイバとして利用されるリンケイ酸塩ファイバを備える。幾つかの実施形態において、レーザ出力はＹｂファイバの右側にある直線劈開を介して抽出され、９６％の出力結合を提供する。通常の単一モードＹｂファイバ並びに大モードＹｂファイバ、例えば漏れチャネルファイバが空洞内で使用され得る。単一モードＹｂファイバを使用しているとき、結合器を介して空洞へ結合される９７６ｎｍで放出するダイオードレーザから、ポンプが配達され得る。代替として、９７６ｎｍで放出する単一モードファイバレーザ（以下に説明）も、ポンプソースとして使用され得る。追加的に、幾つかの実施形態において、光バンド・パス・フィルタＦ、並びに偏光子及び四分の一及び二分の一波長板から成る偏光制御器（Ｐ．Ｃ．）も提供され得る。幾つかの実施形態において、空洞の分散はチャープ鏡対１８０２の跳ね返りの数を介して調整され得る。

幾つかの実施形態において、漏れチャネルファイバを使用するとき、Ｙｂファイバの右側を通るクラッドポンピングも使用され得る。

漏れチャネルファイバは多モードであるから、モードフィルタリングのために真単一モードファイバを漏れチャネルファイバへ接合することが有利である。多モードファイバのそのようなモードフィルタリングは、例えばフェルマン他への米国特許第６，２７５，５１２号で説明されている。この米国特許は、本明細書で具体的に参照される主題及びそれが開示する全ての他の主題について、参照によりその全てを本明細書の中に組み入れられる。追加的に、高効率システムの実施形態は、ＰＣＴ公開ＷＯ２００９／０４２３４７号として公開された「ガラス大コア光ファイバ」と称するＰＣＴ国際出願ＰＣＴ／ＵＳ２００８／０７４６６８号で説明されている。この国際出願において、溶融結合を用いて４０μｍコアＬＣＦへ結合された市販の単一モードファイバは、基本モードエネルギーで約３ｄＢよりも小さい損失を生じる。漏れチャネルファイバは、（１５００μｍ^２以上のオーダの）大モード区域を有し得るので、大モード区域を有する適切な単一モードファイバ、例えば応力案内ファイバは、モードフィルタリングに選択され得る。例示的実施形態において、５０００μｍ^２のモード区域を有する０．３ｍ長の応力案内ファイバが、０．７０ｍ長の二重クラッドＹｂ漏れチャネルファイバへ接合される。１０３０ｎｍにおける全体的往復ファイバ分散は、４０，０００ｆｓ^２として計算される。各々が−２，５００ｆｓ^２の分散を有する鏡から成るチャープ鏡対を用いると、−５０，０００ｆｓ^２の分散を産出するために１０の鏡パスが使用され、これは分散補償に十分である。レーザは、８０ＭＨｚで４Ｗの平均パワーに対応する５０ｎＪまでのパルスエネルギーを有するガウス形パルスを生成し得る。チャープ鏡上の跳ね返りの数を低減し、空洞の内部で正の分散を許容することによって、更に高いパルスエネルギーが達成され得る。例えば、ヘリオット多パスセルを使用する発振器の繰り返し率を低減することによっても、より高いパルスエネルギーが達成され得る。前記セルは、チャープ鏡と飽和可能吸収体の焦点レンズとの間に含められ得る。例えば、チョー他への「多パス空洞を有する低繰り返し率高ピーク・パワー・カー・レンズ・モード・ロックＴｉ：Ａｌ_２Ｏ_３レーザ」（“Ｌｏｗ ｒｅｐｅｔｉｔｉｏｎ ｒａｔｅ ｈｉｇｈ ｐｅａｋ ｐｏｗｅｒ Ｋｅｒｒ−ｌｅｎｓ ｍｏｄｅ−ｌｏｃｋｅｄ Ｔｉ：Ａｌ_２Ｏ_３ ｌａｓｅｒ ｗｉｔｈ ａ ｍｕｌｔｉｐｌｅ−ｐａｓｓ ｃａｖｉｔｙ”， Ｏｐｔ． Ｌｅｔｔ． ｖｏｌ．２４， ｐｐ．４１７−４１９ （１９９９））を参照。ヘリオットセルの代わりに、他のタイプの多パスも使用され得る。ヘリオットセルを追加することによって、レーザの繰り返し率を同じに保ちながら、空洞内ファイバ長を低減し得る。転じて、これは空洞内の非線形相互作用長を低減し、可能なパルスエネルギーを最大化する。

図１９は、超高繰り返し率発振器を示す例示的実施形態１９００を表す。幾つかの実施形態において、発振器は、５００ＭＨｚと１００ＧＨｚとの間の繰り返し率、及び好ましくは、およそ１０ＧＨｚの繰り返し率で動作するように構成される。ファブリ・ペロー空洞が使用され、空洞の一端は飽和可能吸収体鏡（ＳＡ）１９０１で終端し、他端は回転スプライス１９０２で終端する。飽和可能吸収体鏡１９０１は、半導体、カーボンナノチューブ、又はグラフェンを基礎とし得る。ギレスツルノワ（Ｇｉｒｅｓ Ｔｏｕｒｎｏｉｓ）鏡又は他の分散鏡１９０３が、分散補償のために回転スプライス１９０２の内部で空洞内ファイバ端の上に直接コーティングされ得る。代替として、分散飽和可能鏡も提供され得る。幾つかの実施形態において、発振器の繰り返し率を安定化するためにファイバ伸長器１９０４が使用される。幾つかの実施形態において、任意的な偏光制御器１９０５が発振器１９００の中に含められる。レーザ発振器１９００は、単一モードファイバ１９０７によって空洞へ接続されるポンプソース１９０６を更に備え得る。

幾つかの実施形態において、飽和可能吸収体鏡１９０１へ結合されるファイバの一端は、飽和可能吸収体鏡とファイバ端との間のファブリ・ペロー効果からの反射変調を低減するため、反射防止コーティングされ得る。代替として、ウェッジドファイバ端、又はウェッジドファイバ端と反射防止コーティングとの組み合わせを実装することによっても、ファブリ・ペロー効果が低減され得る。様々な実施形態において、飽和可能吸収体鏡１９０１とファイバ端との間の距離の迅速な変調を許すため、飽和可能吸収体鏡１９０１を圧電要素の上に取り付けて、繰り返し率を制御し得る。様々な実施形態において、飽和可能吸収体鏡１９０１は、ファイバ端へ近づくように、又はファイバ端から離れるように、約０．５μｍと約５μｍとの間の距離を移動され得る。例えば、或る一定の実施形態において（例えば、温度制御環境において）、繰り返し率を制御するためには、約１〜２μｍの鏡移動で十分である。様々な実施形態において、飽和可能吸収体鏡１９０１とファイバ端との間の距離は、モードロックに悪影響を及ぼすことなく変動され得る。様々な実施形態において、本明細書で説明される手法の代わりに、又はこれらの手法と組み合わせて、繰り返し率を制御する他の手法が使用され得る。例えば、ハートル他（Ｈａｒｔｌ ｅｔ ａｌ．） への「レーザベース周波数標準及び応用」と称する米国特許公開第２００７／００８６７１３Ａ１及びフェルマン他への「パルス・レーザ・ソース」と称する米国特許第７１９０７０５号で説明される発振器繰り返し率の電子制御の手法も、本明細書で説明される様々な実施形態の中で使用され得る。これらの米国公開及び米国特許の各々は、本明細書で具体的に参照される主題及び各々が開示する全ての他の主題について、参照によりその全体が本明細書の中に組み入れられる。

図２０は、超高繰り返し率発振器を示す他の例示的実施形態２０００を表す。ここで、分散補償にマイクロ構造ファイバ２００５が使用される。そのようなマイクロ構造ファイバは、２００７年３月２７日に出願されて米国特許公開第２００８／０２４０６６３号として公開され、現在では米国特許第７，４９６，２６０号である「極高開口数光ファイバ」と称する米国特許出願第１１／６９１，９８６号（‘９８６出願）で説明されている。これらの米国公開及び特許の各々は、本明細書で具体的に参照される主題及び各々が開示する全ての他の主題について、参照によりその全体が本明細書の中に組み入れられる。マイクロ構造ファイバ２００５は、１０００ｆｓ^２／ｃｍの大きさの異常分散を有し得る。こうして、短い長さのそのようなファイバが、正常分散ファイバの分散を補償するために使用され得る。ここで、ポンプソース２００７からのポンプ光は、単一モードファイバ２００１及び回転スプライス２００２を介して空洞へ配達される。回転スプライス２００２はファイバ２００３へ接続され、ファイバ２００３は好ましくは利得ファイバを構成し、希土類ドーパントで高度にドープされる。低分散２色性鏡は、回転スプライス２００２の内部で単一モードファイバ側又はドープファイバ側のいずれかの上に直接コーティングされ、ポンプ光を透過して信号光に高反射率を提供し得る。ポンプ光の２色性鏡の反射率は、例えば５０〜９９％の範囲になるように選択され得る。ファイバ２００３は正常分散を有し得る。正常分散はマイクロ構造ファイバ２００５の負分散によって補償され、マイクロ構造ファイバ２００５は’９８６出願で説明されているような設計である。ファイバ２００５とファイバ２００３との間のスプライス損失を最小にするため、またマイクロ構造ファイバ２００５の端部を密閉するため、ファイバ２００４が使用され得る。ファイバ２００４は、ファイバ２００３とファイバ２００５との間、更にファイバ２００５の他端に接合される。次いで、ファイバ２００４は飽和可能吸収体鏡２００６へ突き合わせて接続され得る。好ましくは、ファイバ２００４の長さは、高繰り返し率での動作を可能にするため非常に短い。ファイバ２００４も正常分散を有し得る。ファイバ２００３、２００４、及び２００５の他の配列も可能であり、３つを超える異なるファイバが提供され得る。幾つかの実施形態において、ファイバ２００３は５ｍｍの長さを有し、ファイバ２００５は３ｍｍの長さを有し、ファイバ２００４は１ｍｍの長さを有し得る。こうして、空洞の基本往復時間は、およそ１００ｐｓであり、１０ＧＨｚの繰り返し率に対応する。幾つかの実施形態において、ファイバ２００３及び２００４からの分散は、約４００ｆｓ^２であり、ファイバ２００５は、約−６００ｆｓ^２の分散に貢献し得る。空洞の全体的な負分散は、１００〜３００ｆｓパルスの安定発振を許容し得る。様々な実施形態において、空洞内損失は主としてスプライス損失によって支配され、スプライス損失はスプライス当たり０．５ｄＢの低さであり得る。単位長当たりの大きな利得に起因して、２ｄＢの空洞内損失でも、濃密に希土類ドープされたリンケイ酸塩ファイバの５ｍｍ長によって補償され得る。下記で詳細に説明されるように、濃密にＹｂドープされたリンケイ酸塩ファイバの５ｍｍ長は、１０２７ｎｍで少なくとも約０．５ｄＢ／ｃｍの利得を有し、約５〜１０ｄＢ／ｃｍまでの利得を有し得る。

正常分散希土類ドープ及び無ドープマイクロ構造ファイバを有する空洞内配列の代わりに、希土類ドープマイクロ構造ファイバが提供され得る。しかしながら、そのようなドープマイクロ構造ファイバでも、好ましくは、長期信頼性動作を提供するため端部で密閉される。幾つかの実施形態において、迅速な繰り返し率制御のために、短い長さのファイバが電気又は磁気厳密要素へ接着され得る。幾つかの実施形態において、繰り返し率を安定させるため、図１９に関しても説明されるようなファイバ伸長器が提供され得る。

分散補償の他の代替として、チャープファイバ格子が提供され得る。チャープファイバ格子は、およそ１％の反射率と共に、およそ５，０００〜１５，０００ｆｓ^２の分散を有するように製造され得る。これは数ＧＨｚの繰り返し率で動作するファイバレーザの構築を許容する。ファイバは、単一モードポンプダイオードを用いて、ファイバ結合器及び単一モードファイバを介し９７６ｎｍの波長でポンプされる。前記単一モードファイバは空洞内ファイバへ突き合わせて接続される。発振器出力は、ファイバ結合器の後で抽出され得る。様々な実施形態において、空洞内ファイバは、繰り返し率の制御を許容するため２点でファイバ伸長器へ接着される。ファイバ伸長器は、電気厳密又は磁気厳密材料に基礎を有し得る。ファイバレーザが単一偏光状態で動作することを可能にするため、ファイバ偏光が１往復の後に再生されるならば有利である。そうでなければ、偏光不安定が起こり、これは偏光状態が１つの往復から次の往復へ変化する結果を生じ得る。それ故に、数センチメートルの空洞長について、偏光制御器が更に提供され得る。幾つかの実施形態において、偏光制御器は、１つ、２つ、又は３つの圧電トランスデューサから構成され、圧電トランスデューサは異なる角度からファイバの側面へ圧力を印加し得る。

ＧＨｚ繰り返し率Ｙｂファイバレーザの１つの実装において、約３６００ｄＢ／ｍのピーク吸収を有するＹｂファイバが使用された。Ｙｂファイバは約４００ｆｓ^２／ｃｍの分散を有した。Ｙｂファイバ長は６ｃｍであり、４％の反射率と共に−１３，０００ｆｓ^２の分散を有するチャープファイバ格子が、分散補償に使用された。こうして、全空洞分散は、およそ−８０００ｆｓ^２であった。１つの単一偏光状態を選択するため、空洞内ポーラコル（ｐｏｌａｒｃｏｒ）膜偏光子（図１９には示されない）がＳＡ鏡の前に更に挿入された。更に、ＳＡ鏡（同様に図示されない）へのＹｂファイバ出力を撮像するため、２レンズ光学撮像システムが提供された。空洞の外側でファイバ出力ファイバを捩じることによって、偏光は更に制御可能であった。ファイバ組立体の剛性を理由として、ファイバの捩じれは空洞内ファイバへ伝達され、更に例証されるように、空洞内偏光状態を整列させて空洞内偏光子の必要性を低減し得る。１００ｍＷの出力パワーを用いて、レーザは１ＧＨｚの繰り返し率で、およそ２５０ｆｓパルスを生成した。

１０ＧＨｚの繰り返し率で動作するレーザの場合、約１ｃｍの空洞内ファイバ長が使用され得る。例として、高度ドープファイバ、例えば本明細書で説明されるようなＹｂドープリンケイ酸塩ファイバは、少なくとも約０．５〜１０ｄＢ／ｃｍの１０２５〜１０３０ｎｍ波長領域で単一パス利得を有し、二重パスで１〜２０ｄＢ／ｃｍまでの利得を有し得る。こうして、空洞長が単に１ｍｍでも、１〜２ｄＢの往復利得が達成され得る。これは約０．３ｄＢよりも小さい往復空洞損失と共に１００ＧＨｚ繰り返し率での受動モードロック動作を許容する。Ｅｒ−Ｙｂドープリンケイ酸塩ファイバの場合、往復利得は１５３０ｎｍで１０ｄＢ／ｃｍの高さであり得る。これも、達成可能な空洞内損失と共に５０〜１００ＧＨｚ繰り返し率での受動モードロック動作を許容する。空洞内分散及び飽和可能吸収体特性に依存して、１００ｆｓから数ｐｓまでのオーダーのパルス幅が、そのような発振器から取得され得る。

図２１は、高繰り返し率ファイバ周波数コムレーザを示す例示的実施形態２１００を表す。システムは、図１９に関して説明される発振器と同様な発振器２１０１を使用する。パルスは、増幅器２１０３の前、又は増幅器２１０３の後、又は増幅器２１０３の内部に配置された高度非線形ファイバ２１０２の中でスペクトル的に拡大される。増幅器２１０３は或る長さの利得ファイバを備える。幾つかの実施形態において、利得ファイバはイッテルビウムドープリンケイ酸塩ファイバを備える。増幅器内での増幅の後、パルスは高度非線形超連続体ファイバ２１０４への注入前に圧縮される。その場合、近オクターブ超連続体スペクトルが生成される。発振器パルスの繰り返し率は、ファイバ長又は発振器ファイバ温度を制御することによって制御され、キャリア・エンベロープ・オフセット周波数は、発振器ポンプダイオードのポンプ電流及び飽和可能吸収体温度を制御することによって制御される。発振器繰り返し率及びキャリア・エンベロープ・オフセット周波数の電子制御手法は、ハートル他への「レーザベース周波数標準及び応用」と称する米国特許出願公開第２００７／００８６７１３Ａ１、及びフェルマン他への「パルス・レーザ・ソース」と称する米国特許第７１９０７０５号で更に説明されている。これらの米国出願及び米国特許の各々は、本明細書で具体的に参照される主題及び各々が開示する全ての他の主題について、参照によりその全体が本明細書の中へ組み入れられる。そのような多ＧＨｚ繰り返し率ファイバ周波数コムソースは、周波数計測学、分光学、特にフーリエ変換分光分析、及び波長分割多重化における多くの応用で理想的である。というのは、ファイバ周波数コムレーザの出力は、光ファイバ通信のＩＴＵ格子の上にあるように選択され得るからである。幾つかの実施形態は偏光制御器２１０５及び／又は分散制御器２１０６を備える。

様々な実施形態において、濃密にドープされたイッテルビウムシリカファイバ、例えばリンケイ酸塩ファイバによって可能にされた短空洞長は、単一周波数レーザを可能にし得る。そのようなレーザは、２つの反射体の間にあって数センチメートルであり得る短い長さの活性ファイバを用いて作られ得る。少なくとも１つの反射体は、狭いスペクトル幅の上だけで反射する。１つの実施形態において、例えば、そのようなレーザは、２つのファイバブラッグ格子の間で活性ファイバを接合することによって体現され得る。２つの格子は重複スペクトル特性を有し、１つの格子は低い反射を有し、他の格子は高い反射率を有し得る。低い反射を有する格子は、出力結合器の目的に奉仕し得る。この構成は分散ブラッグレーザ（ＤＢＲ）と呼ばれる。ポンプは、格子の任意の１つを通るように結合され得る。代替の設計は、分散フィードバック（ＤＦＢ）設計である。この場合、ファイバブラッグ格子は活性ファイバの中に直接書き込まれ、π位相シフトも格子の中に作られる。幾つかの実施形態において、この位相シフトは中央の近くにあり得るが、必ずしもそうである必要はない。

濃密ドープファイバを使用することから生じる短い増幅器長は、非線形閾値の増加に起因して高ピークパワーパルスの生成に強い利点を提供し得る。幾つかの実施形態において、二重クラッドファイバは、高パワー多モードポンプレーザの使用を許すために増幅器の中で使用され得る。しかしながら、クラッドポンピングは、より小さいポンプ及びドープガラスの重複に起因してポンプ吸収長を増加し得る。これは、ファイバ増幅器長の増加を導き得る。濃密ドープファイバ及び〜９７６ｎｍでの高パワー単一モードポンプの使用と組み合わせたコアポンピングは、より短い増幅器長、従って増幅器からの、はるかに高いピークパワー生成を可能にし得る。９７６ｎｍで動作する高パワー単一モードファイバレーザは、例えばＲｏｅｓｅｒ ｅｌ ａｔ， “９４Ｗ ９８０ｎｍ ｈｉｇｈ ｂｒｉｇｈｔｎｅｓｓ Ｙｂ−ｄｏｐｅｄ ｆｉｂｅｒ ｌａｓｅｒ”， Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ， ｖｏｌ．１６， ｐｐ．１７３１０−１７３１８， ２００８で説明されている。そのようなポンプソースは、高パワー光アイソレータを介してコアポンプ増幅器から隔離され得る。代替として、２色性ビームスプリッタが使用され、光隔離を提供し得る。例えば、幾つかの実施形態において、〜１０３０ｎｍ（ＨＲ１０３０）でＡＳＥを反射し、〜９８０ｎｍ（ＨＴ９８０）で透過する２色性鏡は、９８０ｎｍのポンプファイバレーザとイッテルビウムファイバ増幅器との間で、９８０ｎｍビームに垂直でない角度に置かれ、イッテルビウムファイバ増幅器からＡＳＥを隔離し得る。そのような実装は図２２で示される。ここで、ポンプレーザ２２０１（例えば、９７６ｎｍ Ｙｂファイバｃｗ発振器）によってポンプされるカウンタポンプＹｂ増幅器が示される。信号（例えば、１０３０ｎｍ信号）は、一端で増幅器２２０３へ注入され、他端で２色性ビームスプリッタ２２０２を介して抽出される。幾つかの実施形態において、２色性ビームスプリッタ２２０２は、信号波長（例えば１０３０ｎｍ）で高度に反射性（ＨＲ）であり、ポンプ波長（例えば９７６ｎｍ）で高度に透過性（ＨＴ）であり得る。同じビームスプリッタ２２０２を介して、ポンプが更に増幅器へ供給され得る。信号光によって飽和され得るポンプレーザの中へ信号光が漏れないようにするため、１つを超える２色性ビームスプリッタ２２０２がファイバポンプレーザ２２０１とファイバ増幅器２２０３との間に挿入され得る。

幾つかの実施形態において、増幅器２２０３を十分に長くし、ポンプ光の大部分を吸収し、全システムがポンプ波長でレーザしないようにし得る。幾つかの実施形態において、２色性ビームスプリッタを使用してポンプと信号との間に高レベルの隔離を提供するとき、ファイバポンプレーザとファイバ増幅器との間のアイソレータは削除され得る。幾つかの実施形態において、例えばポンプレーザは、約１０３０ｎｍよりも小さい波長範囲、例えば、幾つかの実施形態において、約９７０ｎｍ〜約１０３０ｎｍの範囲で動作し得る。幾つかの実施形態において、増幅器は、約１０３０ｎｍよりも大きい波長範囲、例えば、幾つかの実施形態において、約１０３０ｎｍ〜約１１５０ｎｍの範囲の信号を増幅し得る。ポンプレーザ及び増幅器が動作する波長範囲が重複しない幾つかの実施形態において、ビームスプリッタ２２０２は、ポンプ及び信号波長を分離するように修正され得る。

様々な実施形態において、ガルバノースカス他（Ｇａｌｖａｎａｕｓｋａｓ ｅｔ ａｌ．）への米国特許第５，８４７，８６３号で開示されるように、単一モードファイバ増幅器をポンプするため単一モード・ファイバポンプレーザを使用することが有利である。この米国特許は、本明細書で具体的に参照される主題及びそれが開示する全ての他の主題について、参照によりその全体が本明細書の中に組み入れられる。様々な実施形態において、Ｙｂアルミノケイ酸塩ファイバ増幅器をポンプするため単一モードリンケイ酸塩Ｙｂファイバポンプレーザを使用することが有利である。なぜなら、約１０３０ｎｍよりも小さい波長では、アルミノケイ酸塩ファイバと比較してリンケイ酸塩Ｙｂファイバの利得断面が高いからである。フェルマンへの米国特許第５，８１８，６３０号の幾つかの実施形態で開示されているように、様々な実施形態では、利得案内を介して増幅ビームのモード品質を改善するため大コアファイバのコアポンピングが有利である。この米国特許は、本明細書で具体的に参照される主題及びそれが開示する全ての他の主題について、参照によりその全体が本明細書の中に組み入れられる。

幾つかの実施形態において、大コアファイバ、例えば高度希土類ドープファイバは、高パワーパルス又はＣＷポンプソースを提供するように構成される。ソースは、リンケイ酸塩利得段又は他のファイバ利得段へポンプエネルギーを提供する。様々な実施形態において、リンケイ酸塩ファイバの高吸収効率は、１つ又は複数のポンピング及び信号増幅に利用される。そのようなコアポンプ構成は、下記で説明されるように、リンケイ酸塩ベース構成又はシリカ利得ファイバと共に使用される。

高パワーファイバレーザの様々な実施形態において、多モードポンプダイオードによる二重クラッド希土類ドープファイバのクラッドポンピングが使用され得る。クラッドポンピングは、高パワー多モードポンプダイオードの使用を許す。しかしながら、前述したように、ポンプ光と希土類ドープコアとの間の低減された重複から、ポンプ吸収の低減が生じる。それ故に、高ピークパワーを取得するため、はるかに長いファイバが使用される。

他方、ほぼ１桁から２桁短くし得るファイバを用いて、直接コアポンピングを実行し得る。短くされたファイバ長は、１桁から２桁だけ非線形閾値を増加する。しかしながら、効率を最大にするため、直接コアポンピングは、好ましくは数モード、最も好ましくは単一横モードで動作するポンプソースを用いて実行される。現在、市販の単一モードポンプダイオードは、ほぼ１Ｗへ制限され、従って直接コアポンピングから入手可能な出力パワーを制限する。

もし、単一横モードでの一層高いポンプパワーが、直接コアポンピングのために提供されるならば、直接増幅によって高ピークパワー光パルスが生成され、チャープパルス増幅（ＣＰＡ）、及び一時的パルス伸長及び／又はパルス圧縮のための関連コンポーネントの必要性を低減又は除去する。代替として、ＣＰＡを利用する様々な実施形態では、特に、ファイバ増幅器を用いて増幅された伸長パルスを圧縮するバルク圧縮器を使用して、ファイバ増幅器を備えるシステムによって提供されるピークパワーが更に増加される。様々な実施形態において、例えばリンケイ酸塩ファイバが利用される実施形態において、ファイバ出力におけるピークパワーは、比較的短い長さの光ファイバを用いて増加される。

図２３Ａは、増幅された単一横モード・ポンプ・ビームを約９７６ｎｍのポンプ波長で取得する配列を概略的に示す。この配列を用いると、ポンプはＣＷで作動又はパルスされ、数ワットから数ｋＷの範囲のポンプパワーが取得可能である。この例において、増幅されたポンプソースは高度希土類ドープファイバへ注入され、シードによって産出された信号に対して逆伝搬（ｃｏｕｎｔｅｒ−ｐｒｏｐａｇａｔｅ）する。ポンピング配列は、高パワーファイバ発振器、又は共伝搬（ｃｏ−ｐｒｏｐａｇａｔｉｎｇ）シードソース、又はこれらの組み合わせを含む様々なファイバレーザ及び増幅器と共に利用され得る。

この例において、二重クラッドファイバ（ＤＣファイバ）２３０２をポンプするため、約９７６ｎｍの波長での多モードポンプダイオード（ＭＭポンプ）２３０１が使用される。幾つかの実施形態において、ポンプ２３０１は、約９１５ｎｍでポンプ出力を放出するように構成され得る。２つのファイバブラッグ格子（ＦＢＧ）２３０３ａ及び２３０３ｂは、希土類ドープＤＣファイバ２３０２へ直接書き込まれる。格子２３０３ａは〜９７６ｎｍで高反射率（ＨＲ）を提供し、格子２３０３ｂは出力結合器（ＯＣ）として構成される。反射を低減するため、傾斜劈開がファイバの両端で使用される。

〜９７６ｎｍの３レベル利得ピークで動作するポンプレーザの２つの要素は高反転である。この高反転は、十分な利得及び一層長い波長（＞１０１０ｎｍ）での低減又は最小化反射を提供し、一層効率的な４レベルシステムのレーザを抑圧する。内部ファイバブラッグ格子は、４レベルシステムのために反射を低減又は最小化するが、外部誘電体鏡を使用する構成と比較して、好ましい小型構成を提供する（例えば、ブレット他（Ｂｏｕｌｌｅｔ ｅｔ ａｌ）（Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ， ｖｏｌ．１６， １７８９１−１７９０２， ２００８）及びローセル他（Ｒｏｅｓｅｒ ｅｔ ａｌ）（Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ， ｖｏｌ．１６， １７３１０−１７３１８， ２００８）によって説明されている）。幾つかの実施形態において、外部誘電体鏡２３０４が利用される。誘電体鏡２３０４は範囲９７６ｎｍ〜９８０ｎｍの波長を透過し、範囲１０２０ｎｍ〜１１００ｎｍの波長を反射するように構成される。短い増幅器ファイバ２３０５をコアポンプするため、数ワットから数ｋＷのレベルで単一横モードを用いるポンプレーザの出力が使用され得る。増幅器ファイバ２３０５は、約１ｃｍから数十センチメートルの長さである。数ワットから数ｋＷの平均パワーを有する高ピークパワー光ポンプパルスが生成され得る。

ＤＣファイバ２３０２の中で好ましい高反転レベルを達成するため、小さいポンプ案内が含められて高ポンプ強度を取得する。少なくとも１つの実施形態において、例えば２００８年８月２８日に出願され、ＰＣＴ公開ＷＯ２００９／０４２３４７として公開されたドング他への「ガラス大コア光ファイバ」と称するＰＣＴ国際出願ＵＳ２００８／０７４６６８号で説明されるように、小さいポンプ案内は全ガラス二重クラッドファイバ又は空気クラッド二重クラッドファイバを備える。この国際出願は、本明細書の中で具体的に参照される主題及びそれが開示する全ての他の主題について、参照によりその全体が本明細書の中に組み入れられる。

製造された全ガラス二重クラッド漏れチャネルファイバは図２３Ｂで示され、製造された空気クラッド漏れチャネルファイバは図２３Ｃで示される。双方のファイバは、範囲１００〜４００μｍ外のり寸法のポンプ案内を有し得る。図２３Ｄは、図２３Ｃで示された空気クラッド漏れチャネルファイバと類似したファイバの走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）断面を示す。図２３Ｅは大コアファイバの他のＳＥＭ図であり、大コア有孔ファイバのクモの巣サイズを示す。図２３Ｆは、空気クラッド漏れチャネルファイバの実施形態で伝搬するモードのプロファイルを示す。

図２３Ａを参照すると、ファイバ２３０５は希土類ドープファイバ又は大コアファイバを備える。少なくとも１つの実施形態において、利得ファイバは、少なくとも約１５００ｄＢ／ｍの高ポンプ吸収及び数十センチメートルよりも多くない長さを提供する大コアリンケイ酸塩ファイバを備える。コアポンプファイバは、パルス伸長を使用することなく、少なくとも数百マイクロジュールのパルスエネルギーを有するピコ秒範囲の出力パルスを産出するように動作可能である。従来のＹｂ（例えば、非リンケイ酸塩ガラス内でドープされたＹｂ）ドープファイバレーザ及び／又は増幅器に対してパワー及び繰り返し率で上方スケールされたバージョンを含む多くの他のバリエーションが可能である。

リンケイ酸塩ファイバのイッテルビウム・ドープ・コアは、ゲルマニウム非含有ガラスのために開発された公知の手法、例えば格子の書き込みに先行する室温又は上昇温度での高圧水素負荷によって感光性にされ得る。

応力案内ファイバの例
２００８年８月２８日に出願され、ＰＣＴ公開ＷＯ２００９／０４２３４７号として公開された「ガラス大コア光ファイバ」と称するＰＣＴ国際出願第ＰＣＴ／ＵＳ２００８／０７４６６８号で説明されているように、幾つかの実施形態におけるＬＣＦ及び他のファイバが説明されている。この国際出願は、本明細書の中で具体的に参照される主題及びそれが開示する全ての他の主題について、参照によりその全体が本明細書の中に組み入れられる。ＬＣＦ屈折率変動の測定が行われ、その結果は、例えばクラッド特徴のサイズ及び／又は間隔、クラッドの熱膨張係数、及び／又はクラッド特徴、その他を含むＬＣＦファイバの様々な特性から屈折率変調が生じることを示した。

図２４は、ＬＣＦの屈折率２４００の測定された２次元プロットを示し、ドープ中心部分２４０３を有するコア２４０２及び低屈折率特徴２４０１を示す。低屈折率特徴２４０１の周りの区域２４０４は、増加された屈折率を有する。屈折率の増加は、シリカ及びフッ素ドープシリカの異なる材料特性、特に、異なる熱膨張係数δＴから引き起こされる。ファイバが高温で引き出されるにつれて、より高い熱膨張係数を有するフッ素ドープシリカは、周囲のシリカガラスよりも一層収縮しようとする。しかしながら、この収縮は、周囲のシリカによって制限される。フッ素ドープシリカはファイバ内で引っ張られ、周囲のシリカは室温で圧縮される。この応力は、応力光学効果に起因して、明らかに応力屈折率・屈折率変動を起こす。

特徴及び第１のクラッド材料の異なる熱特性の結果として、幾つかのファイバ実施形態では、局所化された屈折率変動が起こり得る。しかしながら、ＬＣＦファイバを用いる幾つかの例示的実験において、ＬＣＦ案内メカニズムが観察された。幾つかの場合、特徴の比較的大きい特徴サイズ、配列、及び数は、優越メカニズムとしてＬＣＦ案内を提供する。

幾つかの実施形態において、特徴のサイズ及び配列は、コア領域（又は他のファイバ領域）の屈折率プロファイルに影響し、例えば、屈折率の相対変化を増加し得る。特徴サイズ及び間隔の増加（例えば、全体的寸法のスケーリング）は、一般的に、より大きな相対屈折率変化（例えば、より大きい最大屈折率変調）を生じる。応力光学効果によって引き起こされる純屈折率変動は、近くの特徴からの貢献を補償することを含み、幾つかの場合、純結果は特徴間隔に依存する。例えば、特徴が小さくなって間隔が密になると、一般的に、低減された屈折率変調を産出する。様々な実施形態において、クラッド及び／又はコア領域の屈折率プロファイルを調整するため、特徴サイズ及び／又は間隔が前もって選択される。幾つかの実施形態では、クラッド及び／又はコア領域の屈折率プロファイルを調整するため、クラッドおよびクラッド特徴を備える材料は、前もって選択される。例えば、幾つかの実施形態では、熱膨張係数の値に少なくとも部分的に基づいて材料が選択される。幾つかの実施形態において、クラッド特徴はフッ素ドープシリカを備え、クラッドはシリカを備える。他の材料、例えばドープ及び／又は無ドープガラスは、他の実施形態で使用される。

図１７Ａで示されるように、クラッド特徴が単一の層（例えば、リング）の中に配置される様々な実施形態において、ｄ／Λの値は約０．６５〜０．９、０．７〜０．９、又は０．７５〜０．８５の範囲にある。幾つかの実施形態において、特徴の少なくとも第２の層（Ｎ≧２）は、クラッド特徴１７５２を越えて配置され、幾つかの場合、ｄ／Λの範囲は約０．３〜０．９、０．４〜０．８、０．５〜０．７、又は０．５〜０．８の範囲にある。クラッド特徴の層の任意のものについて、ｄ／Λの他の範囲が使用される。もし１つを超えるクラッド特徴の層が使用されるならば、クラッド特徴の各層について比ｄ／Λが異なってもよい（しかし、異なる必要もない）。

前述したように、特徴サイズ及び配列、材料の熱特性、及び他の要因の１つ又は複数は、（単独又は様々な組み合わせで）コア領域（又は他のファイバ領域）の屈折率プロファイルに影響し、例えば相対変化を増加し得る。局所化された変動は、屈折率（非ＰＣＦ）案内を引き起こす。幾つかの実装において、もしこの驚くべき案内メカニズムが適正に考慮されなければ、結果の出力モードは、所望又は期待される形状から逸脱し得る。適正に考慮されたとき、屈折率案内はＰＣＦと共に使用される新規で興味ある案内メカニズムを提供する。後続の例は、ＰＣＦファイバの実施形態における案内及びモードプロファイルへの屈折率変調の効果を示す。

全ガラスＰＣＦは、ｄ／Λ＝０．３５及びコア径４７μｍを有するように製造された。ファイバの断面２５００は図２５Ａに示され、その屈折率プロファイル２５０１は図２５Ｂに示される。低屈折率特徴２５０２は、熱特性における不一致に起因して、各低屈折率特徴２８０２の周りで上昇屈折率リング２５０４に沿って示される。上昇屈折率リング２５０４はコア２５０３の中に高屈折率部分を更に作り出す。このファイバの長さは直線に維持され、出力モードは様々な波長で測定された。波長７８０ｎｍ、８００ｎｍ、９１０ｎｍ、９８０ｎｍ、１０００ｎｍ、及び１１００ｎｍでのモード２５１０、２５１１、２５１２、２５１３、２５１４、及び２５１５はそれぞれ図２８Ｃに示される。より低い波長のカットオフが存在するため、波長が短くなるとＰＣＦ案内は弱くなる。例示的ファイバ実施形態は、７８０ｎｍよりも下で良好に案内されず、最大正規化コア径２ρ／λ≒６０を与える。

図２５Ａで示されるファイバの母材の一部分は、〜７００μｍの直径及び〜１３０μｍのコア径を有するファイバへ引き出された。ファイバの中心における〜８０μｍ径の上昇屈折率部分は、図２６で示される単一モードを案内し始める。モード２６０１、２６０２、２６０３、２６０４、２６０５、及び２６０６は、７８０ｎｍ、８００ｎｍ、８５０ｎｍ、９１０ｎｍ、１０００ｎｍ、及び１０５０ｎｍの波長で測定された。基本モード動作は１μｍで非常にロバストであり、より高次のモード内容は８５０ｎｍよりも下で見られる。モード２６１１、２６１２、２６１３、２６１４、２６１５、及び２６１６は、着手条件を１μｍ波長で調整しながら捕捉されたモードである。この例において、他のモードはこの調整範囲で案内され得ない。とにかく、モードは正規ＰＣＦ案内によって案内されないことが画像２６２０から最も明らかである。画像２６２０は、ファイバ断面を照明して取られた。図２６において、モード２６２１は低屈折率特徴２６２２へ延長しないことを明瞭に看取され得る。更に、モード２６２１は、ファイバのコア領域（例えば、低屈折率特徴２６２２の内部層によって境界を定められた領域）の内部で略良好な中心にある。モードの形状はクラッド特徴の特性を顕示しない。例えば、図２５Ｃのモードプロファイル２５１４で示されるように、クラッド特徴の形状は、クラッド特徴を用いて案内されるモードを表示する。

ファイバの中心及び多数のフッ素ドープロッドを横断する線に沿ったファイバの断面内の屈折率変動が測定され、図２７に示される。上昇屈折率コア２７０１は２ρの径を有する。フッ素ドープガラスからの屈折率低下２７０２も、応力効果からのその周りの上昇屈折率リング２７０３と共に示される。幾つかの実施形態において、コアの一部分内の屈折率変動は近似的に放物線である。屈折率変動は、基本モードが非均一屈折率を有するコア部分内で案内されることを許す。例えば、モード径はコア径の分数、例えば約５０％である。

非ＰＣＦ案内は実験の驚異的結果であった。それは、大コアファイバ内のＰＣＦ案内が、第１のクラッド領域で小さい空気孔のみが形成されるファイバ実施形態、ガラス以外の材料が使用される構成、又は可能性として孔が気体で充填される構成へ限定されることを示唆する。結果は、全ガラス、大コアファイバについて、幾つかの可能なＰＣＦ設計が好ましくないことを更に示唆する。幾つかの大コア実施形態において、良好にマッチした熱膨張係数を有するガラスが利用される。例えば５０μｍへコアサイズを減少すると、幾つかの場合、一般的に性能が改善される。

様々なＬＣＦ実施形態とは対照的に、このＰＣＦの例について選択された配列及び比較的小さい特徴サイズは、局所化屈折率変動を増加した。局所化変動は、非ＰＣＦ案内について使用される。

少なくとも１つの実施形態において、全ガラスファイバは、第１の熱膨張係数を有する第１のクラッド材料を備える。クラッド特徴の追加の層、Ｎ≧２は、第１のクラッド材料の中に配置され、これらの特徴は、ＬＣＦクラッド特徴サイズと比較してサイズを低減される。クラッド特徴は、第２の熱膨張係数を有する第２のクラッド材料を備えうる。クラッド特徴に隣接した屈折率の局所化された増加が存在する。更に、コア領域は、クラッド特徴の第１の内部層によって境界を定められる。コア領域の一部分は、図２７で示されるような非均一屈折率プロファイルを顕示し、屈折率勾配を形成する。図２７を参照すると、上昇屈折率コア領域２７０１のピークから極小２７０５まで測定された例示的相対屈折率差は、約５×１０^−４よりも小さく、約１×１０^−３よりも小さい。各極小２７０５を超える増加局所屈折率は、低屈折率クラッド特徴への遷移に対応する。ピークから極小までの局所勾配は十分に大きく、コア領域の少なくとも一部分の内部で基本モードの屈折率案内を引き起こす。相対屈折率差は、応力光学効果によって引き起こされる。

様々な実施形態において、大コアファイバの直径は約３０μｍ〜２００μｍの範囲にある。そのようなファイバの応用は、例えば高パワー・チャープ・パルス増幅システム、非線形増幅器、及び連続体生成器において見出され、入力パルスのスペクトルを拡大する。そのような高ピークパワーパルスは、ファイバ媒質の非線形閾値を超過するための十分に高い強度を有し得る。幾つかの実施形態において、前置増幅器又はパワー増幅器は、コアをドープすることによって形成される。

例示的実施形態
下記で更に説明されるように、これらのファイバを備える希土類ドープ光ファイバ及びシステムの他の実施形態が可能である。

様々な実施形態において、シリカ、希土類ドーパント、及びリンを備える高度希土類ドープガラスを備える光ファイバが開示される。様々な実施形態において、光ファイバはアルミニウムを更に備える。様々な実施形態において、光黒化損失の飽和値が放出波長で約１０ｄＢ／ｍよりも大きくないように、光ファイバが構成される。

幾つかの実施形態において、光ファイバはリンケイ酸塩ガラスを備える。幾つかの実施形態において、光ファイバは少なくとも約１０モル％のＰ_２Ｏ_５を含む。幾つかの実施形態において、光ファイバは約１０〜３０モル％のリン、約２５モル％より少ないホウ素、及び約０．５〜１５モル％のアルミニウムを備える。幾つかの実施形態において、光ファイバは約０．０１〜１５モル％のイッテルビウムを備える。様々な実施形態において、光ファイバは約０．０１〜１５モル％のイッテルビウム及び約０．００１〜１モル％のエルビウムを備える。様々な実施形態において、光ファイバは約０．０１〜１５モル％のツリウムを備える。様々な実施形態において、光ファイバは約０．００１〜１モル％のエルビウムを備える。幾つかの実施形態において、光ファイバは約０．５〜１５モル％のアルミニウム又は約１〜１０モル％のアルミニウム又は５〜１０モル％のアルミニウムを備える。幾つかの実施形態において、希土類ドーパントは少なくとも約０．５モル％の濃度を有し得る。

幾つかの実施形態において、光黒化損失の飽和値は、最大ポンプパワーの約５０％よりも少なくとも大きいポンプパワーでのファイバの動作中に、放出波長で約１０ｄＢ／ｍよりも大きくない。幾つかの実施形態において、光黒化損失の飽和値は大部分の放出波長で約１０ｄＢ／ｍよりも大きくない。幾つかの実施形態において、光黒化損失の飽和値は略全ての放出波長で約１０ｄＢ／ｍよりも大きくない。幾つかの実施形態において、光黒化損失は放出波長で約１０ｄＢ／ｍよりも大きくない。

幾つかの実施形態において、光黒化損失の飽和値は、約５０％よりも大きい反転レベルでのファイバの動作中に、放出波長での約１０ｄＢ／ｍよりも大きくない。幾つかの実施形態において、光黒化損失の飽和値は、放出波長範囲における少なくとも幾つかの波長について、約１０ｄＢ／ｍよりも小さい。幾つかの実施形態において、光黒化損失の飽和値は、放出波長範囲における大部分又は略全ての波長について、約１０ｄＢ／ｍよりも小さい。幾つかの実施形態において、放出波長範囲は約１．０μｍ〜約１．１μｍ、約０．９５μｍ〜約１．２μｍ、又は或る他の適切な範囲にある。様々な実施形態において、光黒化損失の飽和値がポンプ波長で約１０ｄＢ／ｍよりも大きくないように、光ファイバが構成される。幾つかの実施形態において、ポンプ波長は約０．９μｍ〜約１．０μｍの範囲にある。様々な実施形態において、光黒化損失の飽和値が、プローブ波長で測定された約１０ｄＢ／ｍよりも大きくないように、光ファイバが構成される。幾つかの実施形態において、光黒化損失の飽和値は、ファイバがポンプ波長（例えば約９７６ｎｍ）でポンプされるとき、プローブ波長（例えば約６７５ｎｍ）で決定される。他の実施形態において、プローブ波長は放出波長を備える。他の実施形態において、プローブ波長は約０．６μｍ〜約１．１μｍの範囲、約０．９５μｍ〜約１．２μｍの範囲、約１μｍ〜約１．１μｍの範囲、又は或る他の適切な範囲にある。他のプローブ、放出、及びポンプ波長が使用されてもよい。

本明細書で開示された様々な実施形態において、ポンプ波長は、約０．９μｍ〜約１．０μｍの範囲にある。幾つかの実施形態において、ポンプ波長は、約０．９１μｍ〜約０．９９μｍの範囲にある。幾つかの実施形態において、ポンプ波長は約０．９７μｍ〜約１．０３μｍの範囲にある。幾つかの実施形態において、放出波長は、約０．９５μｍ〜約１．２μｍの範囲にある。本明細書で開示されたファイバの様々な実施形態において、放出波長は、約１．０μｍ〜約１．１μｍの範囲にある。本明細書で開示された光ファイバの他の実施形態において、放出波長、ポンプ波長、及び／又はプローブ波長での光黒化損失の飽和値は、約１ｄＢ／ｍよりも小さく、約５ｄＢ／ｍよりも小さく、約１５ｄＢ／ｍよりも小さく、約２０ｄＢ／ｍよりも小さく、又は約３０ｄＢ／ｍよりも小さい。ファイバの他の実施形態において、飽和光黒化損失の他の値が可能である。

様々な実施形態において、光ファイバはコア及びクラッドを備え、コアとクラッドとの間で低い有効屈折率差を顕示する。様々な実施形態において、高度希土類ドープガラスの有効屈折率は、±０．００３内であるか、シリカの屈折率よりも小さい。様々な実施形態において、光ファイバはポンプ波長で少なくとも約１０００ｄＢ／ｍのピーク吸収を有する。幾つかの実施形態において、光ファイバは少なくとも約３０００ｄＢ／ｍのポンプ波長でピークポンプ光吸収を有する。

様々な実施形態において、シリカ、希土類ドーパント、リン、及びポンプソースを備える高度希土類ドープガラスを備える光ファイバを備える利得ファイバを備える光増幅器が開示される。幾つかの実施形態において、利得ファイバはアルミニウムを更に含む。幾つかの実施形態において、利得ファイバが高ポンプパワーを用いてポンプされ、高反転レベルで作動されるとき、利得ファイバは放出波長で約１０ｄＢ／ｍよりも小さい飽和値を有する光黒化損失を顕示する。幾つかの実施形態において、利得ファイバは少なくとも約０．５モル％の希土類ドーパント濃度を備える。様々な実施形態において、利得ファイバはコアポンプされ、ポンプソースは大コアファイバ増幅器を備える。様々な実施形態において、利得ファイバはクラッドポンプされる。幾つかの実施形態において、ポンプソースは複数のファイバを備える。幾つかの実施形態において、利得ファイバは大コアファイバを備える。様々な実施形態において、ポンプソース及び利得ファイバは、バルク光コンポーネントを使用することなく、利得ファイバへポンプエネルギーを結合するように構成される。様々な実施形態において、増幅器は数センチメートルから数メートルの範囲の利得媒質長、及び少なくとも約０．５ｄＢ／ｃｍ〜約１０ｄＢ／ｃｍの単位長当たりの利得を有する。幾つかの実施形態において、単位長当たりの利得は、約２ｄＢ／ｃｍ〜約１０ｄＢ／ｃｍの範囲であり得る。様々な実施形態において、増幅器は大コア増幅器として構成される。この大コア増幅器は、約１００ｆｓ〜数ｎｓ（例えば２０ｎｓ）の範囲のパルス持続時間と共に約１００μＪ〜１０ｍＪの範囲のパルスエネルギーを有する出力パルスを生成するように動作可能である。様々な実施形態は、シリカ、希土類ドーパント、リン、及びアルミニウムを備える高度希土類ドープガラス及びポンプソースを備える光ファイバを備える利得ファイバを備える光増幅器を備えるファイバレーザを含む。幾つかの実施形態において、増幅器は光共振器の内部にある利得媒質として構成される。幾つかの実施形態において、光増幅器は約１ｍｍ〜約２０ｃｍの長さを有する。

様々な実施形態において、シリカ、希土類ドーパント、リン、及びアルミニウムを備える高度希土類ドープガラスを備える高度希土類ドープファイバ増幅器、例えば光ファイバを備えるシステムが開示される。ファイバ増幅器は、高繰り返し率・ファイバレーザ（例えば約１００ＭＨｚ〜約１０ＧＨｚの範囲の繰り返し率）、高繰り返し率増幅器、フェムト秒〜ナノ秒パルス増幅器、パルスソースによってシードされるパワー増幅器、高ピーク出力パワー又は高エネルギー（例えば約１００マイクロジュール〜１ミリジュール）を産出するバルク増幅器のシードソース、キロワット平均パワー応用で低光黒化を顕示するポンプソース及びＣＷソース、短波長パルス生成のために周波数変換器へ入力を提供するパルスソース、連続体生成器、ファイバ・ベース・コヒーレント・ビーム結合器の利得要素、周波数コムソース、単一周波数ファイバレーザ、材料処理応用における利得要素、レーザレーダ応用における利得要素、及び電気通信増幅器の少なくとも１つにおける要素として構成される。様々な実施形態において、ファイバ増幅器はリンケイ酸塩利得ファイバを備える。

様々な実施形態において、高度希土類ドープファイバ、ファイバ増幅器、ファイバレーザ、又はシリカ、希土類ドーパント、リン、及びアルミニウムを備える高度希土類ドープガラスを有する光ファイバを備えるシステムが開示される。様々な実施形態において、高度ドープ希土類ファイバは、高ポンプ吸収、高利得（例えば、約０．５ｄＢ／ｃｍ〜約５００ｄＢ／ｍ）、低光黒化損失、コアとクラッドとの間の比較的低い屈折率差、及び希土類ドーピングの同じ近似レベルを有するシリカファイバに相対して高い非線形閾値を同時に提供するように構成される。

様々な実施形態は、屈折率を有するシリカ、シリカ内の少なくとも約１０モル％のリン、シリカ内の希土類イオン、該希土類イオンが少なくとも約１０００モルｐｐｍのシリカ内濃度を有することを備えるドープガラスを有する光ファイバを開示する。ここでリン及び希土類イオンを有するシリカは、約±０．００３内の屈折率又はシリカの屈折率より小さい屈折率を有し、ファイバのピーク吸収はポンプ波長で少なくとも約３０００ｄＢ／ｍから約９０００ｄＢ／ｍである。様々な実施形態において、光ファイバのピーク吸収はポンプダイオード波長で約３０００ｄＢ／ｍ〜約９０００ｄＢ／ｍの範囲にある。

様々な実施形態はステップ屈折率光ファイバを開示する。このステップ屈折率光ファイバは、コア半径ρを有する希土類ドープコア、コアの周りに配置された第１のクラッド、第１のクラッドの周りに配置された第２のクラッド、第１のクラッドは外半径ρ１を有すること、コア及び第１のクラッドは屈折率差Δｎを有すること、及び第１のクラッドと第２のクラッドは屈折率差Δｎ_１を有することを備える。ここで、（ｉ）１０より少ないモードがコア内でサポートされ、（ｉｉ）第１のクラッド半径ρ１は約１．１ρよりも大きく、約２ρよりも小さく、（ｉｉｉ）第１のクラッドと第２のクラッドとの屈折率差Δｎ１は、約１．５Δｎよりも大きく、約５０Δｎよりも小さい。ここでファイバのピーク吸収は、少なくとも約３００ｄＢ／ｍである。様々な実施形態において、ファイバのピーク吸収はポンプ波長で約３０００ｄＢ／ｍ〜約９０００ｄＢ／ｍの範囲にある。幾つかの実施形態において、光ファイバのピーク吸収は、ポンプダイオード波長で約３０００ｄＢ／ｍ〜約９０００ｄＢ／ｍの範囲にある。

様々な実施形態において、高度希土類ドープ利得ファイバ（例えばシリカ、希土類ドーパント、リン、及びアルミニウムを備える光ファイバ）を備えるファイバレーザ発振器が開示される。幾つかの実施形態において、発振器は複数の出力で出力パルスを産出するように構成され得る。ここで、少なくとも１つの出力から放出されたパルスは近バンド幅制限パルスを備える。

様々な実施形態は、高度希土類ドープ利得ファイバ（例えばシリカ、希土類ドーパント、リン、及びアルミニウムを備える光ファイバ）、利得ファイバをポンプするポンプソース、利得ファイバの第１の出力端から放出されたエネルギーを受け取る第１の反射体、該反射体は高反射（ＨＲ）空洞端鏡又は第１の出力パルスを放出する第１の出力結合器（ＯＣ）として構成されること、前記反射体は空洞内分散を制御するように更に構成されること、ドープ利得ファイバへ光学的に接続され、利得ファイバの第２の出力端から放出されたエネルギーを受け取る無ドープファイバ、高反射（ＨＲ）空洞端鏡として構成され、ファイバ発振器をモードロックするように動作可能な飽和可能吸収体を備えるファイバレーザ発振器を開示する。ここで飽和可能吸収体は、利得ファイバの第２の出力端及び無ドープファイバの端部から放出されたエネルギーを受け取って反射するように構成され、空洞内偏光制御器が利得ファイバ及び無ドープファイバへ光学的に接続され、制御器の出力は第２の出力パルスを放出する。ここで第２の出力パルスは、近似的にバンド幅を制限されたパルス又は僅少にチャープされたパルスを備え、第１の出力パルスは第２の出力パルスに対してスペクトル的に拡大される。幾つかの実施形態において、第１の反射体はチャープブラッグ格子を備え得る。幾つかの実施形態において、偏光制御器は偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）及び四分の一波長板を備え、四分の一波長板は第２の出力パルスの出力結合を制御するように調整され得る。幾つかの実施形態において、第１の反射体は高反射性であり、偏光制御器は高出力結合用に構成され得る。様々な実施形態において、高度希土類ドープ利得ファイバの長さは十分に短く、ファイバ内の非線形相互作用は十分に低く、第２の出力パルスは近似的にバンド幅を制限される。幾つかの実施形態において、ファイバ発振器はソリトンをサポートする。

様々な実施形態は、光パルスのソースを備えるレーザ・ベース・システムを開示する。ソースは、前述したようにファイバ発振器を備える。幾つかの実施形態において、光パルスは空洞内偏光制御器を介して第２の出力から取得される。幾つかの実施形態において、レーザ・ベース・システムは、高度希土類ドープ大コアファイバを含むファイバ増幅器を備える。この増幅器は、高ピークパワーの近バンド幅制限出力パルスを提供するように構成される。幾つかの実施形態において、レーザ・ベース・システムは、ファイバ増幅器から出力パルスを受け取る周波数変換器を更に備える。幾つかの実施形態において、レーザ・ベース・システムへ提供されたファイバ増幅器は、高ピークパワー出力パルスの非線形位相を＜πへ制限するように構成される。

様々な実施形態はレーザ・ベース・システムを説明する。このレーザ・ベース・システムは、光パルスのソース、光ファイバ（例えばシリカ、希土類ドーパント、リン、及びアルミニウムを備える光ファイバ）を備えるファイバ増幅器、ファイバ増幅器から放出されたパルスをスペクトル的に拡大するように構成された非線形ファイバ、及び該非線形ファイバは、モードが応力光学効果によってファイバ内で案内されるように構成された応力案内ファイバを備えることを備える。幾つかの実施形態において、レーザ・ベース・システムは、高度非線形ファイバからパルスを受け取り、約１０ｆｓ〜１ｐｓの範囲のパルス幅へパルスを圧縮するパルス圧縮器を更に備える。

様々な実施形態は超高繰り返し率・ファイバレーザ発振器を開示する。この発振器は、ポンプ、高度希土類ドープ利得ファイバ（例えばシリカ、希土類ドーパント、リン、及びアルミニウムを備える光ファイバ）、及び分散を有する１つ又は複数のファイバを備える分散補償器を備える。ここで利得ファイバ及び１つ又は複数のファイバは十分短い全長を有して、約１００ＭＨｚ〜１０ＧＨｚの範囲の繰り返し率を提供し、分散補償器は、サブピコ秒の出力パルスを生成する。幾つかの実施形態において、サブピコ秒パルスの幅は約１００ｆｓ〜約３００ｆｓの範囲にある。幾つかの実施形態において、分散補償器はファイバブラッグ格子を備える。

本明細書で開示された様々な実施形態は周波数コムソースを説明する。この周波数コムソースは、本明細書で説明された高繰り返し率発振器の実施形態を含む光パルスソース、及び利得ファイバから放出されたパルスをスペクトル的に拡大するように構成された非線形ファイバを備える。

本明細書で開示された様々な実施形態はレーザ・ベース・システムを説明する。このシステムは、少なくとも１つの多モードポンプダイオード、ポンプダイオードからエネルギーを受け取って単一又は数モードを備えるポンプ出力を放出する大コアファイバ、ポンプ出力を受け取るレーザ又は光増幅器を備える。ここで大コアファイバ又はレーザ又は光増幅器の少なくとも１つは、高度希土類ドープファイバ（例えばシリカ、希土類ドーパント、リン、及びアルミニウムを備える光ファイバ）を備える。幾つかの実施形態において、ポンプダイオードはパルスされる。幾つかの実施形態において、大コアファイバは、ポンプされた高度希土類ドープファイバ（例えばシリカ、希土類ドーパント、リン、及びアルミニウムを備える光ファイバ）であり、ポンプ出力は増幅された出力である。

本明細書で開示された様々な実施形態は単一周波数短空洞ファイバレーザを説明する。この単一周波数短空洞ファイバレーザは、ＤＢＲ又はＤＦＢレーザとして構成される高度希土類ドープ利得ファイバ（例えばシリカ、希土類ドーパント、リン、及びアルミニウムを備える光ファイバ）を備える。

様々な実施形態は、シリカ、少なくとも約０．５モル％の希土類ドーパント濃度、及びリンを備える光ファイバを説明する。幾つかの実施形態において、ファイバはポンプ波長で約３０００ｄＢ／ｍ〜９０００ｄＢ／ｍの範囲にあるピーク吸収を有する。幾つかの実施形態において、ファイバは放出波長で約０．５ｄＢ／ｃｍ〜１０００ｄＢ／ｍの範囲にある利得を有する。幾つかの実施形態において、ファイバは放出波長で約０．５ｄＢ／ｃｍ〜５００ｄＢ／ｍの範囲にある利得を有する。幾つかの実施形態において、ファイバは、約１０ｄＢ／ｍよりも大きいか、約２０ｄＢ／ｍよりも大きいか、約５０ｄＢ／ｍよりも大きいか、約１００ｄＢ／ｍよりも大きいか、約５００ｄＢ／ｍよりも大きいか、約１０００ｄＢ／ｍよりも大きい利得、又は幾つかの他の利得値を有する。幾つかの実施形態において、ファイバは放出波長で約１０ｄＢ／ｍよりも大きくない飽和光黒化損失を顕示する。幾つかの実施形態において、光黒化損失は、高ポンプパワー及び高反転レベルでのファイバの動作中に、放出波長で約１０ｄＢ／ｍよりも大きくない。幾つかの実施形態において、光黒化損失は、最大ポンプパワーの約５０％よりも少なくとも大きいポンプパワーでの前述したファイバの動作中に、放出波長で約１０ｄＢ／ｍよりも大きくない。幾つかの実施形態において、光ファイバはリンケイ酸塩ガラスを備える。幾つかの実施形態において、ファイバは少なくとも約１０モル％のＰ_２Ｏ_５を備える。幾つかの実施形態において、ファイバは、約１０〜３０モル％のリン、約２５モル％よりも少ないホウ素、及び約０．５〜１５モル％のアルミニウムを有する。幾つかの実施形態において、ファイバは約０．５〜１５モル％のイッテルビウムを備える。幾つかの実施形態において、ファイバは約０．５〜１５モル％のイッテルビウム及び約０．００１〜１モル％のエルビウムを備える。幾つかの実施形態において、ファイバは約０．５〜１５モル％のツリウムを備える。幾つかの実施形態において、ファイバは約０．５〜１モル％のエルビウムを備える。幾つかの実施形態において、ファイバは約０．５〜１５モル％のアルミニウムを有する。幾つかの実施形態において、ファイバは約１〜１０モル％のアルミニウムを有する。幾つかの実施形態において、ファイバは約５〜１０モル％のアルミニウムを有する。幾つかの実施形態において、ファイバは、コア及びクラッド、及びコアとクラッドとの間の低有効屈折率差を有する。幾つかの実施形態において、高度希土類ドープガラスの有効屈折率は±０．００３内であるか、シリカの屈折率よりも小さい。

本明細書で開示された様々な実施形態は光増幅器を説明する。この光増幅器はシリカ、少なくとも約０．５モル％の希土類ドーパント濃度、及びリン、及びポンプソースを備える利得ファイバを備える。幾つかの実施形態において、利得ファイバはコアポンプされ、ポンプソースは大コアファイバ増幅器を備える。幾つかの実施形態において、利得ファイバはクラッドポンプされる。幾つかの実施形態において、ポンプソースは複数のファイバを備える。幾つかの実施形態において、利得ファイバは大コアファイバ及びポンプソースを備え、利得ファイバはバルク光コンポーネントを使用することなく、ポンプエネルギーを利得ファイバへ結合するように構成される。幾つかの実施形態において、増幅器は数センチメートルから数メートルの範囲の利得媒質長を有する。幾つかの実施形態において、単位長当たりの利得は約２ｄＢ／ｃｍ〜約１０ｄＢ／ｃｍの範囲にある。幾つかの実施形態において、光増幅器は大コア増幅器として構成される。この大コア増幅器は、約１００ｆｓ〜数ｎｓの範囲のパルス持続時間と共に約１００μＪ〜１０ｍＪの範囲のパルスエネルギーを有する出力パルスを生成するように動作可能である。幾つかの実施形態はファイバレーザを説明する。このレーザは前述した光増幅器を備える。ここで増幅器は、光共振器の内部にある利得媒質として構成され得る。幾つかの実施形態において、ファイバ増幅器は約１ｍｍ〜２０ｃｍの長さを有する。

本明細書で開示された様々な実施形態は、高度希土類ドープファイバ増幅器（例えばシリカ、少なくとも約０．５モル％の希土類ドーパント濃度、及びリンを備えるファイバ）を備えるシステムを説明する。幾つかの実施形態において、ファイバ増幅器は、高繰り返し率・ファイバレーザ（例えば約１００ＭＨｚ〜約１００ＧＨｚの範囲の繰り返し率を有するファイバレーザ）、高繰り返し率増幅器、フェムト秒〜ナノ秒パルス増幅器、パルスソースによってシードされるパワー増幅器、高ピーク出力パワー又は高エネルギー（例えば約１００マイクロジュール〜１ミリジュール）を産出するバルク増幅器用のシードソース、ポンプソース、キロワット平均パワー応用で低光黒化を顕示するＣＷソース、短波長パルス生成で周波数変換器へ入力を提供するパルスソース、連続体生成器、ファイバ・ベース・コヒーレント・ビーム結合器の利得要素、周波数コムソース、単一周波数ファイバレーザ、材料処理応用における利得要素、レーザレーダ応用における利得要素、及び電気通信増幅器の少なくとも１つにおける要素として構成される。幾つかの実施形態において、ファイバ増幅器はリンケイ酸塩利得ファイバを備える。

本明細書で開示された様々な実施形態は、増幅器材料を備えるファイバ増幅器、及びポンプ波長を有する波長範囲で放射を産出するように構成されたレーザ材料を備えるファイバポンプレーザを備えるシステムを説明する。ファイバポンプレーザは、ファイバ増幅器をコアポンプするように構成される。様々な実施形態において、ポンプ波長でのポンプレーザ材料の放出断面は、ポンプ波長での増幅器材料の放出断面よりも約１０％〜約５０％だけ大きい。様々な実施形態において、ポンプ波長でのポンプレーザ材料の放出断面は、ポンプ波長での増幅器材料の放出断面よりも約２５％〜約５０％だけ大きい。幾つかの実施形態において、ファイバ増幅器はＹｂファイバ増幅器を備える。幾つかの実施形態において、ファイバ増幅器はＹｂアルミノケイ酸塩ファイバを備える。幾つかの実施形態において、ファイバ増幅器は単一モードＹｂファイバポンプレーザを備える。様々な実施形態において、ファイバポンプレーザはＹｂリンケイ酸塩ファイバを備える。幾つかの実施形態において、ポンプ波長は、約１０３０ｎｍよりも小であり得る。様々な実施形態において、ポンプ波長でのポンプレーザ材料の放出断面は、ポンプ波長での増幅器材料の放出断面よりも約２０％、２５％、３０％、３５％、４０％、４５％、又は５０％だけ大であり得る。

本明細書で使用される条件付き言語、例えば、特に、「ｃａｎ」、「ｃｏｕｌｄ」、「ｍｉｇｈｔ」、「ｍａｙ」、「ｅ．ｇ．」などは、他の意味であることを特に記述されないかぎり、又は使用された文脈の中で他の意味に理解されない限り、或る一定の実施形態は或る一定の特徴、要素、及び／又はステップを含むが、他の実施形態はそれらを含まないことを伝達する意図を一般的に有する。こうして、そのような条件付き言語は、特徴、要素、及び／又はステップが、とにかく１つ又は複数の実施形態で必要とされること、又は著作者の入力又はプロンプトの有る無しに関わらず、これらの特徴、要素、及び／又はステップが特定の実施形態の中に含められるか遂行されるべきかを決定する論理を１つ又は複数の実施形態が含む必要があることを暗示する意図を一般的に有しない。「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ」、「ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ」、「ｈａｖｉｎｇ」などの語句は同義であり、制限の無い様式で、包含的に使用され、追加の要素、特徴、行為、動作、その他を排除しない。更に、「ｏｒ」の語句は包含的意味で使用され（排他的意味では使用されない）、従って、例えば列挙の要素を接続するために使用されたとき、「ｏｒ」の語句は列挙中の要素の１つ、いくつか、又は全てを意味する。

開示の態様を要約する目的で、特定の実施形態の或る一定の目的及び利点が説明される。そのような目的又は利点の全てが、任意の特定の実施形態に従って必ずしも達成されるのではないことを理解すべきである。こうして、例えば、本明細書で教示又は示唆される他の目的又は利点を必ずしも達成することなく、本明細書で教示される１つの利点又は利点の群を達成又は最適化するやり方で、実施形態が提供又は実施されることを当業者は認識するであろう。

開示の或る一定の実施形態が説明されたが、これらの実施形態は単なる例として提示され、開示の範囲を限定する意図を有しない。単一の特徴又は特徴の群が、任意の特定の実施形態に必要とされるわけではなく、実施形態の中に含められることを要求されない。この開示の全体を通して、「幾つかの実施形態」、「１つの実施形態」などへの参照は、実施形態と関連して説明された特定の特徴、構造、ステップ、工程、又は特性が、少なくとも１つの実施形態の中に含まれることを意味する。こうして、「幾つかの実施形態において」、「１つの実施形態において」などの語句の出現は、この開示の全体を通して、必ずしも全て同じ実施形態を指すものではなく、１つ又は複数の同じ又は異なる実施形態を指す。実際、本明細書で説明された新規な方法及びシステムは、多様な他の形式で体現される。更に、本明細書で説明された発明の趣旨から逸脱することなく、本明細書で説明された実施形態の形式における様々な省略、追加、置換、均等、再配列、及び変更が行われてもよい。

Claims (20)

1. シリカ、イッテルビウム、リン及びアルミニウムを含む希土類ドープガラスを備える光ファイバであって、
   前記希土類ドープガラス中の前記イッテルビウムの濃度を０．５〜１５モル％とすることにより、ポンプ波長において３０００ｄＢ／ｍより高いピーク吸収を有し、放出波長において０．５ｄＢ／ｍより高い利得を有するように構成し、
   前記希土類ドープガラス中のリンの濃度を少なくとも５０モル％のＰ _２ Ｏ _５ を含むようにして、前記光ファイバにおける光黒化損失の飽和値が前記放出波長において１０ｄＢ／ｍより低くするように構成し、
   前記希土類ドープガラス中の前記アルミニウムの濃度が０．５〜１５モル％であり、
   前記希土類ドープガラス中の前記ホウ素の濃度が０〜２５モル％である、
   ことを特徴とする光ファイバ。
2. 前記光ファイバが、コア径３０μｍ以上の大コア光ファイバであることを特徴とする請求項１記載の光ファイバ。
3. 前記希土類ドープガラスは、０．５〜１モル％のエルビウムを更に含む請求項１記載の光ファイバ。
4. 前記希土類ドープガラス中の前記アルミニウムの濃度が１〜１０モル％であることを特徴とする請求項１記載の光ファイバ。
5. 前記希土類ドープガラス中の前記アルミニウムの濃度が５〜１０モル％であることを特徴とする請求項１記載の光ファイバ。
6. 前記光ファイバは、１００ｄＢ／ｍより高い利得を有するように構成された請求項１記載の光ファイバ。
7. 前記光ファイバは、５００ｄＢ／ｍより高い利得を有するように構成された請求項１記載の光ファイバ。
8. 前記ポンプ波長は、０．９μｍから１．０μｍの範囲にある請求項１記載の光ファイバ。
9. 前記放出波長は、１．０μｍから１．１μｍの範囲にある請求項１記載の光ファイバ。
10. ポンプソースと、利得ファイバと、サブピコ秒のパルスの生成を提供する分散補償器とを備え、前記利得ファイバが、
    シリカを含むクラッドと、
    シリカ、イッテルビウム、リン及びアルミニウムを含むコアとを含み、
    前記コア中の前記イッテルビウムの濃度を０．５〜１５モル％とすることにより、前記利得ファイバが、ポンプ波長において３０００ｄＢ／ｍより大きいピーク吸収、及び放出波長において０．５ｄＢ／ｍより大きい利得を有するように構成し、
    前記コア中のリンの濃度を少なくとも５０モル％のＰ _２ Ｏ _５ を含むようにして、前記利得ファイバの光黒化損失の飽和値が前記放出波長において１０ｄＢ／ｍより低くするように構成し、
    前記コア中の前記アルミニウムの濃度が０．５〜１５モル％であり、
    前記コア中の前記ホウ素の濃度が０〜２５モル％である、
    ことを特徴とする光増幅器。
11. 前記利得ファイバが、コア径３０μｍ以上の大コア光ファイバであることを特徴とする請求項１０記載の光増幅器。
12. 前記利得ファイバが、１００ＭＨｚから１０ＧＨｚの範囲の繰り返し率を提供するのに十分短い全長を有することを特徴とする請求項１０記載の光増幅器。
13. 前記ポンプソースは、前記利得ファイバのコアポンプをするように構成され、前記ポンプソースは大コアファイバ増幅器を含む請求項１０記載の光増幅器。
14. 前記ポンプソースは、前記利得ファイバのクラッドをポンプ（cladding pomping）するように構成された請求項１０記載の光増幅器。
15. 前記増幅器は、数センチメートルから数メートルの範囲の長さを有し、単位長さ当たりのゲインは０．５ｄＢ／ｍから１０ｄＢ／ｍの範囲にある請求項１０記載の光増幅器。
16. 前記単位長さ当たりの利得は、２ｄＢ／ｍから１０ｄＢ／ｍの範囲にある請求項１２記載の光増幅器。
17. 前記ポンプ波長は、０．９μｍから１．０μｍの範囲にある請求項１０記載の光ファイバ。
18. 前記放出波長は、１．０μｍから１．１μｍの範囲にある請求項１０記載の光ファイバ。
19. 請求項１０の光増幅器を含み、前記増幅器は光共振器内の利得媒体として構成されたファイバレーザ。
20. 前記ファイバ増幅器は、１ｍｍから２０ｃｍのファイバ長を有する請求項１９に記載のファイバレーザ。

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