JP5616714B2 - All-fiber combined high-power coherent beam combining - Google Patents

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    • H01S3/1307Stabilisation of the phase

Description

[0001]本開示は、一般に高出力ファイバレーザ増幅器に関し、より具体的には、改善された曲線因子(フィルファクタ、fill factor)を備えたビームを結合するためにファイバ増幅器の端部を先細の(tapered)ファイバ束へと結合する高出力ファイバレーザ増幅器に関する。   [0001] The present disclosure relates generally to high power fiber laser amplifiers, and more specifically, tapered ends of fiber amplifiers for combining beams with improved fill factors. A high power fiber laser amplifier that couples into a fiber bundle.

[0002]高出力レーザ増幅器には、産業用、商用、軍事用などを含む多くの応用がある。レーザ増幅器の設計者は、これらの応用のためにレーザ増幅器の出力を高めるための方法を継続的に調査している。1つの既知の種類のレーザ増幅器は、レーザビームを生成するためにドープファイバとポンプビーム(pump beam)を使用するファイバレーザ増幅器である。通常、高出力ファイバレーザ増幅器は、約10−20μm又はより大きな直径の活性コアを有するファイバを使用する。現在のファイバレーザ増幅器設計は、5kWまでの単一ファイバ出力レベルを達成している。いくつかのファイバレーザシステムは複数のファイバレーザ増幅器を使用し、何らかの方法でより高出力のものへとそれらを結合する。   [0002] High power laser amplifiers have many applications including industrial, commercial, military and the like. Laser amplifier designers are continually investigating ways to increase the power of laser amplifiers for these applications. One known type of laser amplifier is a fiber laser amplifier that uses a doped fiber and a pump beam to generate a laser beam. Typically, high power fiber laser amplifiers use fibers with an active core of about 10-20 μm or larger diameter. Current fiber laser amplifier designs achieve single fiber power levels up to 5 kW. Some fiber laser systems use multiple fiber laser amplifiers and somehow combine them into higher power ones.

[0003]ファイバレーザ増幅器の設計の課題は、ビームを小さな焦点へ集中することができるようビーム直径にわたって均一の位相を有する単一ビーム出力をビームが提供するように、コヒーレントな(可干渉性の)方法で各ファイバからのビームを結合することである。   [0003] The challenge of fiber laser amplifier design is to provide coherent (coherent) coherent (coherent) so that the beam provides a single beam output with a uniform phase across the beam diameter so that the beam can be focused to a small focal point. ) Method to combine the beams from each fiber.

結合されたビームを長距離(遠距離場)において小さなスポットへ集中させることにより、ビームのビーム品質が規定され、個々のファイバビームがよりコヒーレントになるほど、結合された位相はより均一になり、ビーム品質はより良いものとなる。ファイバレーザ増幅器設計における改善により、レーザシステムの理論的出力限界及び理論的ビーム品質限界に近付くようにファイバビームの出力パワー及び可干渉性(コヒーレンシー、coherency)が高まる。   By concentrating the combined beam into a small spot at long distance (far field), the beam quality of the beam is defined and the more coherent the individual fiber beams, the more uniform the combined phase, Quality will be better. Improvements in fiber laser amplifier design increase the output power and coherency of the fiber beam to approach the theoretical power limit and theoretical beam quality limit of the laser system.

[0004]ファイバレンズアレイを含む既知のファイバレーザ増幅器の概略平面図である。[0004] FIG. 1 is a schematic plan view of a known fiber laser amplifier including a fiber lens array. [0005]図1に示されるファイバ増幅器において使用されるファイバレンズアレイの断面図である。[0005] FIG. 2 is a cross-sectional view of a fiber lens array used in the fiber amplifier shown in FIG. [0006]DOE結合器を含む既知のファイバレーザ増幅器の概略平面図である、[0006] FIG. 1 is a schematic plan view of a known fiber laser amplifier including a DOE coupler; [0007]先細のファイバ束(tapered fiber bundle)及びビーム位相検出器を含むファイバレーザ増幅器の概略平面図である。[0007] FIG. 1 is a schematic plan view of a fiber laser amplifier including a tapered fiber bundle and a beam phase detector. [0008]先細のファイバ束及び端部キャップ(end cap)の図である。[0008] FIG. 2 is a view of a tapered fiber bundle and an end cap. [0009]図5に示される先細のファイバ束の入力端部の断面図である。[0009] FIG. 6 is a cross-sectional view of the input end of the tapered fiber bundle shown in FIG. [0010]図5に示される先細のファイバ束の出力端部の断面図である。[0010] FIG. 6 is a cross-sectional view of the output end of the tapered fiber bundle shown in FIG. [0011]図5に示される先細のファイバ束からの出力ビームの近接場ビーム強度のプロファイルである。[0011] FIG. 6 is a near-field beam intensity profile of the output beam from the tapered fiber bundle shown in FIG. [0012]ステップインデックスファイバのモードの有効径を示す水平軸上のコア径及び垂直軸上の有効モード径を備えたグラフである。[0012] FIG. 6 is a graph with a core diameter on the horizontal axis and an effective mode diameter on the vertical axis showing the effective diameter of the mode of the step index fiber. [0013]先細りとなる前の密接にパックされた7つのファイバ束の近接場ビーム強度分布のプロファイルである。[0013] FIG. 6 is a profile of the near-field beam intensity distribution of seven closely packed fiber bundles before tapering. [0014]先細りとなった後の図10に示される7つのファイバ束の近接場ビーム強度分布のプロファイルである。[0014] FIG. 11 is a profile of the near-field beam intensity distribution of the seven fiber bundles shown in FIG. 10 after tapering. [0015]密接にパックされた19のファイバ束の近接場ビーム強度分布のプロファイルである。[0015] FIG. 6 is a profile of the near-field beam intensity distribution of 19 closely packed fiber bundles. [0016]低屈折率ガラスクラッドを含む先細のファイバ束の入力端部の断面図である。[0016] FIG. 6 is a cross-sectional view of the input end of a tapered fiber bundle including a low index glass cladding. [0017]低屈折率ガラスクラッドを含む図13に示される先細のファイバ束の出力端部の断面図である。[0017] FIG. 14 is a cross-sectional view of the output end of the tapered fiber bundle shown in FIG. 13 including a low index glass cladding. [0018]負のGRINレンズを含む先細のファイバ束のための端部キャップの斜視図である。[0018] FIG. 5 is a perspective view of an end cap for a tapered fiber bundle including a negative GRIN lens. [0019]先細のファイバ束のためのセグメント化された端部キャップの斜視図である。[0019] FIG. 5 is a perspective view of a segmented end cap for a tapered fiber bundle. [0020]先細のファイバ束のための先細の端部キャップの斜視図である。[0020] FIG. 5 is a perspective view of a tapered end cap for a tapered fiber bundle. [0021]正のGRINレンズを含む先細のファイバ束のためのセグメント化された端部キャップの斜視図である。[0021] FIG. 7 is a perspective view of a segmented end cap for a tapered fiber bundle including a positive GRIN lens. [0022]先細のファイバ束、位相検出器及びファイバ偏波制御部を含むファイバレーザ増幅器の概略平面図である。[0022] FIG. 6 is a schematic plan view of a fiber laser amplifier including a tapered fiber bundle, a phase detector, and a fiber polarization controller. [0023]マルチコアファイバの断面図である。[0023] FIG. 3 is a cross-sectional view of a multi-core fiber. [0024]図20に示されるマルチコアファイバの実例である。[0024] FIG. 21 is an illustration of the multi-core fiber shown in FIG. [0025]複数の主発振器、先細のファイバ束及び位相検出器を含むファイバレーザ増幅器の概略平面図である。[0025] FIG. 2 is a schematic plan view of a fiber laser amplifier including a plurality of master oscillators, a tapered fiber bundle and a phase detector. [0026]複数の主発振器、SBCグレーティング(grating)及び複数の位相検出器を含むファイバレーザ増幅器の概略平面図である。[0026] FIG. 2 is a schematic plan view of a fiber laser amplifier including a plurality of master oscillators, an SBC grating and a plurality of phase detectors. [0027]複数の主発振器、SBCグレーティング、位相検出器及びファイバ偏波制御部を含むファイバレーザ増幅器の概略平面図である。[0027] FIG. 2 is a schematic plan view of a fiber laser amplifier including a plurality of master oscillators, an SBC grating, a phase detector, and a fiber polarization controller. [0028]複数の主発振器、複数の前分散(pre-dispersion)グレーティング及びSBCグレーティングを含むファイバレーザ増幅器の概略平面図である。[0028] FIG. 6 is a schematic plan view of a fiber laser amplifier including a plurality of master oscillators, a plurality of pre-dispersion gratings and an SBC grating. [0029]複数の主発振器、SBCグレーティング及び階段ミラー(staircase mirror)を含むファイバレーザ増幅器の概略平面図である。[0029] FIG. 6 is a schematic plan view of a fiber laser amplifier including a plurality of master oscillators, SBC gratings and staircase mirrors. [0030]フィードバックシングルモードファイバ及び前置増幅器を含む既知のファイバレーザ増幅器の概略平面図である。[0030] FIG. 1 is a schematic plan view of a known fiber laser amplifier including a feedback single mode fiber and a preamplifier. [0031]先細のファイバ束、フィードバックシングルモードファイバ、前置増幅器及びビームサンプラ(beam sampler)を含むファイバレーザ増幅器の概略平面図である。[0031] FIG. 6 is a schematic plan view of a fiber laser amplifier including a tapered fiber bundle, a feedback single mode fiber, a preamplifier and a beam sampler. [0032]先細のファイバ束、フィードバックシングルモードファイバ、前置増幅器及びファイバ偏波制御部を含むファイバレーザ増幅器の概略平面図である。[0032] FIG. 6 is a schematic plan view of a fiber laser amplifier including a tapered fiber bundle, a feedback single mode fiber, a preamplifier, and a fiber polarization controller. [0033]先細のファイバ束、フィードバックシングルモードファイバ、前置増幅器及びサンプリンググレーティングを含むファイバレーザ増幅器の概略平面図である。[0033] FIG. 6 is a schematic plan view of a fiber laser amplifier including a tapered fiber bundle, a feedback single mode fiber, a preamplifier, and a sampling grating.

[0034]先細のファイバ束を含むファイバレーザ増幅器を対象とする本開示の実施例についての以下の説明は、本来例示的なものにすぎず、本発明又はその応用もしくは使用を限定するように意図されない。   [0034] The following description of embodiments of the present disclosure directed to a fiber laser amplifier including a tapered fiber bundle is merely exemplary in nature and is intended to limit the invention or its application or use. Not.

[0035]図1は、光ファイバ14上に信号ビームを生成する主発振器(MO)12を含む、既知のファイバレーザ増幅器システム10の概略平面図である。図1に示される種類のファイバレーザ増幅器システムは、正確な位相及び振幅制御を利用する光エネルギー伝送システムなるタイトルの、2004年3月16日にWickhamらに対して発行され本出願の譲受人に譲渡された米国特許6,708,003号に見ることができ、参照により本明細書に組込まれる。信号ビームはスプリッタ及び位相変調器16によってある数のスプリットビーム(分割されたビーム)へと分割され、別個の位相変調器16が各分割されたビームに提供される。スプリッタ及び位相変調器は実際には2つの別個のデバイスであるが、単一チップ上でそれらを実施することができるので、ここに示すのは単一の物体である。さらに詳細に以下に議論されるように、すべてのビームが結合された出力ビーム26において互いに同相であるように、位相変調器16は、各分割されたビームの位相を調節する。その後、位相変調器16からの分割されたビームはファイバ増幅器18に送られ、増幅器20は、光ポンプビーム(図示せず)を受け取るファイバ増幅器18のドープされた増幅部を表す。その後、ファイバ増幅器18からの増幅されたファイバビームは、各ファイバ増幅器18の円筒状のファイバレンズ24を含むファイバレンズアレイ22に送られ、すべてのファイバビームが結合された出力ビーム26としてともに結合されるよう、レンズ24の各々がアレイ22としてともに結合される。ファイバレンズアレイ22は、平行ビーム(collimated beams)のタイル状アレイ(tiled array)を形成するためにファイバビームの各々を平行にし(コリメートし)、正確に相互に整列させる。結合された出力ビーム26はビーム26を分割するビームサンプラ28に送られ、ビーム強度の大部分はシステム10の出力ビームとして提供される。   FIG. 1 is a schematic plan view of a known fiber laser amplifier system 10 that includes a master oscillator (MO) 12 that generates a signal beam on an optical fiber 14. A fiber laser amplifier system of the type shown in FIG. 1 was issued to Wickham et al. On March 16, 2004, entitled Optical Energy Transmission System utilizing precise phase and amplitude control, and assigned to the assignee of the present application. See assigned US Pat. No. 6,708,003, which is incorporated herein by reference. The signal beam is split into a number of split beams (split beams) by a splitter and phase modulator 16 and a separate phase modulator 16 is provided for each split beam. The splitter and the phase modulator are actually two separate devices, but since they can be implemented on a single chip, here is a single object. As discussed in more detail below, the phase modulator 16 adjusts the phase of each split beam so that all the beams are in phase with each other in the combined output beam 26. The split beam from phase modulator 16 is then sent to fiber amplifier 18 and amplifier 20 represents the doped amplifier portion of fiber amplifier 18 that receives the optical pump beam (not shown). Thereafter, the amplified fiber beams from the fiber amplifiers 18 are sent to a fiber lens array 22 including a cylindrical fiber lens 24 of each fiber amplifier 18 where all the fiber beams are combined together as an output beam 26 combined. Thus, each of the lenses 24 are coupled together as an array 22. The fiber lens array 22 collimates each of the fiber beams to form a tiled array of collimated beams and accurately aligns them with each other. The combined output beam 26 is sent to a beam sampler 28 that splits the beam 26 and the majority of the beam intensity is provided as the output beam of the system 10.

[0036]ΜO12はまた、ファイバ増幅器32によって増幅されレンズ34によって平行にされるファイバ30上の参照ビームを提供する。レンズ34からの平行にされた参照ビームはビームサンプラ28に送られ、参照ビームは結合されたビーム26におけるファイバビームの各々と干渉して、参照ビームと各々の別個のファイバビームとの間の干渉パターンをもたらす。干渉ビームは位相検出器のアレイ38へレンズ36によって導かれ、別個の位相検出器38が各々の別個のファイバビームに提供される。検出器38からのビーム間の干渉パターンを規定する電気信号は、位相プロセッサと、位相変調器16の各々に位相訂正信号を提供する制御部40とへ送られて、分割されたビームがすべて互いと同相であり且つ出力ビーム26が遠距離場でしっかりと集中されることができる1つの可干渉性ビームであるように、MO12からの分割されたビームの位相を調節する。   [0036] ΜO12 also provides a reference beam on fiber 30 that is amplified by fiber amplifier 32 and collimated by lens 34. The collimated reference beam from lens 34 is sent to beam sampler 28, where the reference beam interferes with each of the fiber beams in the combined beam 26, and interference between the reference beam and each separate fiber beam. Bring a pattern. The interference beam is directed by lens 36 to an array 38 of phase detectors, and a separate phase detector 38 is provided for each separate fiber beam. The electrical signal defining the interference pattern between the beams from the detector 38 is sent to the phase processor and the controller 40 that provides a phase correction signal to each of the phase modulators 16 so that all of the split beams are mutually connected. And the phase of the split beam from MO 12 is adjusted so that the output beam 26 is one coherent beam that can be tightly focused in the far field.

[0037]図2は、個々のレンズ24を含むレンズアレイ22の断面図である。この構成から明らかなように、円筒形状のレンズ24は、レンズ24間のデッドスペース42を作成し、これは高パワービームによって占められる結合ビーム領域の断片として規定される、低減されたフィルファクタに帰着する。本明細書にて使用されるように、改善されたフィルファクタはより小さな回折限界スポットに対してより大きなフィルファクタ及びよりよいビーム品質又は集中可能性(focusability)を意味する。ビームを互いに同相にし且つ連続的にすることによって、出力ビーム26のビーム品質は改善され、小さなスポットへ集中することができる。したがって、できる限りしっかりと一緒にパックされるようにレンズ24を作ることが望ましい。さらに、各ファイバにおいてコアを通じて伝播する実際のビームは、より高い中心強度及び低減された周辺強度を備えたベル形状のビームプロファイルを有するガウシアンビームである。ガウシアンビームの密接なパックされたアレイが集中すると、中心の焦点のローブ(lobe)は、通常、ガウス形状及びビーム間に介在するデッドスペースの結果として、結合されたビーム出力のわずか約60%しか含んでいない。したがって、結合されたビームアレイの低減されたフィルファクタは、個々のビームのガウシアン形状及び介在するデッドスペース42の両方の組み合わせに起因し、中心の遠距離場の焦点のローブに集中している結合した出力パワーはフィルファクタによって与えられ、それは全ビームパワーの約60%である。   FIG. 2 is a cross-sectional view of a lens array 22 that includes individual lenses 24. As is apparent from this configuration, the cylindrical lens 24 creates a dead space 42 between the lenses 24 that has a reduced fill factor, defined as a fraction of the combined beam area occupied by the high power beam. Come back. As used herein, improved fill factor means greater fill factor and better beam quality or focusability for smaller diffraction limited spots. By making the beams in phase with each other and continuous, the beam quality of the output beam 26 is improved and can be concentrated in a small spot. Therefore, it is desirable to make the lens 24 so that it is packed together as tightly as possible. Further, the actual beam propagating through the core in each fiber is a Gaussian beam having a bell-shaped beam profile with higher center intensity and reduced peripheral intensity. When a closely packed array of Gaussian beams is concentrated, the central focus lobe is typically only about 60% of the combined beam output as a result of the Gaussian shape and the dead space interposed between the beams. Does not include. Thus, the reduced fill factor of the combined beam array is due to the combination of both the Gaussian shape of the individual beams and the intervening dead space 42, and the coupling concentrated in the central far-field focus lobe. The output power given is given by the fill factor, which is about 60% of the total beam power.

[0038]図3は、上述のフィルファクタを排除する既知のファイバレーザ増幅器システム50の概略平面図であり、システム10と同様の要素は同じ参照番号によって識別される。この種類のファイバ増幅器は、Riceらに対して2008年10月21日に発行され、本出願の譲受人に譲渡された、可干渉性のファイバ回折光要素ビーム結合器なるタイトルの米国特許7,440,174号に見ることができ、参照によって本明細書に組込まれる。この実施例では、密接して間隔を置かれた出力ビーム54のアレイを生成するために、ファイバ増幅器18は単一ファイバアレイ52へ接合(スプライス)される。出力ビーム54は光学系56により平行にされ、次に、ビームが正確に整列され調整される場合、ビームを結合する回折光学要素(DOE)58に送られる。同じ角度で提供されるDOE58からの回折ビームはビームを分割するビームサンプラ60に導かれ、結合されたビームの大部分がシステム50からの出力ビームである。   [0038] FIG. 3 is a schematic plan view of a known fiber laser amplifier system 50 that eliminates the fill factor described above, and elements similar to system 10 are identified by the same reference numerals. This type of fiber amplifier is a U.S. Pat. No. 7, issued to Oct. 21, 2008 issued to Rice et al. And assigned to the assignee of the present application, entitled coherent fiber diffractive optical element beam combiner. 440,174, which is incorporated herein by reference. In this embodiment, the fiber amplifier 18 is spliced into a single fiber array 52 to produce an array of closely spaced output beams 54. The output beam 54 is collimated by an optical system 56 and then sent to a diffractive optical element (DOE) 58 that combines the beams when the beam is accurately aligned and adjusted. The diffracted beam from DOE 58 provided at the same angle is directed to a beam sampler 60 that splits the beam, with the majority of the combined beam being the output beam from system 50.

[0039]DOE58からの結合されたビームの分割された部分は、集束光学系52により集められ、位相検出器64へ送られる。位相検出器64は、結合されたビームの位相を測定し、同期位相プロセッサ66へ測定信号を送る。このように結合されたビームの位相を検出することによって、参照ビームを除去することができ、単一の位相検出器を使用することができる。構成ビーム(constituent beam)の位相は、周波数変調(FM)又は振幅変調(AM)用の異なる周波数、符号分割多元接続(CDMA)又は時分割多元接続(TDΜMA)用の異なる符号など、構成ファイバビームを位相又は振幅について独自にディザリング又は符号化することにより、単一の出力位相検出器64において区別することができ、その結果、同期検出器スキームは、結合されたビーム中の各ファイバビームについて構成する位相信号(constituent phase signals)を区別することができる。そのような技術は、2008年3月18日にRothenbergらに発行され本出願の譲受人に譲渡された、コヒーレント回折ビーム結合のための多段方法及びシステムなるタイトルの米国特許7,346,085号に開示され、参照によって本明細書に組み込まれる。同期位相プロセッサ66は、位相検出器64からの測定信号中の異なる構成位相をデコードし、ファイバ増幅器18中の個々のファイバビームの位相に対する調節により出力ビーム中の構成ファイバビームのすべてが同位相にロックされるように、対応する位相変調器16に送られる各ファイバビームについての位相エラー訂正信号を生成する。ファイバビームのアレイ52は単一の出力ビームへ結合されるので、フィルファクタの問題は排除され、出力ビームはほぼ回折限界のスポットに集中することができて、ビームの全結合パワーによって提供される輝度の理論限界にほぼ達する。   [0039] The split portion of the combined beam from DOE 58 is collected by focusing optics 52 and sent to phase detector 64. The phase detector 64 measures the phase of the combined beam and sends a measurement signal to the synchronous phase processor 66. By detecting the phase of the beams thus combined, the reference beam can be removed and a single phase detector can be used. The phase of the constituent beam is a different frequency for frequency modulation (FM) or amplitude modulation (AM), different codes for code division multiple access (CDMA) or time division multiple access (TDTMA), etc. Can be distinguished in a single output phase detector 64 by independently dithering or encoding for phase or amplitude so that a synchronous detector scheme can be used for each fiber beam in the combined beam. The constituent phase signals can be distinguished. Such a technique is described in US Pat. No. 7,346,085 entitled Multistage Method and System for Coherent Diffraction Beam Coupling, issued to Rothenberg et al. On Mar. 18, 2008 and assigned to the assignee of the present application. And is incorporated herein by reference. Synchronous phase processor 66 decodes the different constituent phases in the measurement signal from phase detector 64 and adjusts to the phase of the individual fiber beams in fiber amplifier 18 so that all of the constituent fiber beams in the output beam are in phase. A phase error correction signal is generated for each fiber beam sent to the corresponding phase modulator 16 to be locked. Since the array of fiber beams 52 is combined into a single output beam, the fill factor problem is eliminated, and the output beam can be concentrated in a nearly diffraction limited spot, provided by the total combined power of the beam. The theoretical limit of brightness is almost reached.

[0040]結合した出力ビーム以外のDOE58からの回折ビーム68は、角度の分離を制限しており、したがって、回折された出力ビームを十分に分離するためにかなり大きな経路長を必要とし、したがって、システム50をそれほどコンパクトでないものとする。さらに、出力ファイバのアレイは、高いビーム結合効率を達成するために、互いに及びシステム50の出力光学系に対して非常に高精度に整列しなければならない。そのような正確な整列は、マルチkWレーザビームの存在を伴う不可避の熱散逸の存在下ではより一層困難である。したがって、優れたビーム品質を有するファイバ増幅器システムを提供することが望ましいが、ファイバアレイが大きな自由空間光学要素に対して正確に整列される必要性を回避する。さらに、全ファイバ・フォーマットでビームを結合する手法は、単一ファイバ開口内の高出力でのパワースケーリングのための理想的なパッケージング解決策を提供することができ、それはその後望遠鏡に直接注入することができ、又はさらなるビーム結合のための構成要素として使用することができる。    [0040] Diffracted beams 68 from DOE 58 other than the combined output beam limit angular separation, and therefore require a fairly large path length to adequately separate the diffracted output beam, and therefore Let system 50 be less compact. In addition, the array of output fibers must be very accurately aligned with each other and the output optics of the system 50 in order to achieve high beam coupling efficiency. Such accurate alignment is even more difficult in the presence of inevitable heat dissipation with the presence of multi-kW laser beams. Thus, while it would be desirable to provide a fiber amplifier system with excellent beam quality, it avoids the need for the fiber array to be accurately aligned with a large free space optical element. In addition, combining beams in all-fiber format can provide an ideal packaging solution for power scaling at high power within a single fiber aperture, which is then injected directly into the telescope Or can be used as a component for further beam combining.

[0041]図4は、ファイバ材料自体においてより高いフィルファクタ及びビーム品質を備えたビーム結合の提供により上述のシステム10及び50に対する改良を提供するファイバレーザ増幅器システム70の概略平面図である。システム70において、システム10及び50と同様の要素は同じ参照番号によって識別される。この実施例では、ファイバ増幅器18の端部は、単一ファイバマス(fiber mass)へとファイバ増幅器18を結合する、先細のファイバ束72の入力端部につながれる。その後、端部キャップ74は先細のファイバ束72の出力端部に取り付けられる。端部キャップ74からの出力ビームは、受信光学系78及び平行光学系80を含む望遠鏡76によって集められ集中される。望遠鏡76からのビームはビームサンプラ82によってサンプリングされ、大部分のビームが出力ビームとしてシステム70から導かれる。上述のような方法において、ビームサンプラ82からの結合されたビームのサンプリングされた部分は、結合されたビームの位相を測定し同期N−ビーム位相プロセッサ88へ位相測定の電気信号を送る位相検出器86上に光学系84を集中させることにより集中される。その後、結合した出力ビーム中のすべての構成ファイバビームが上述のような方法で同じ位相で一緒にロックされるように、ファイバ増幅器18においてビームの位相を制御するために、プロセッサ88は、位相変調器16に位相エラー訂正信号を送る。レーザシステム50において述べられた方法と同様に、スプリッタ16によって分割される個々のビームについて適切な位相制御信号を決定することができるように、位相変調器16は、システム70の出力における結合されたビームに存在する各分割されたビームにおいて、FMもしくはAMのための異なるディザリング周波数又はCDMAもしくはTDMAのための異なる符号を適用する。位相検出器86は異なるディザリング周波数又はコードを検出することができ、プロセッサ88は、各分割されたビームの位相エラーを決定するためにその情報を使用し、それぞれの分割されたビームの各々について対応する位相変調器16へ誤り訂正信号を提供して、結合された出力においてすべての構成ビームを適切に位相ロックすることができる。   [0041] FIG. 4 is a schematic plan view of a fiber laser amplifier system 70 that provides an improvement over the systems 10 and 50 described above by providing beam combining with higher fill factor and beam quality in the fiber material itself. In system 70, elements similar to systems 10 and 50 are identified by the same reference numbers. In this embodiment, the end of the fiber amplifier 18 is connected to the input end of a tapered fiber bundle 72 that couples the fiber amplifier 18 into a single fiber mass. Thereafter, the end cap 74 is attached to the output end of the tapered fiber bundle 72. The output beam from the end cap 74 is collected and concentrated by a telescope 76 that includes a receiving optical system 78 and a parallel optical system 80. The beam from the telescope 76 is sampled by the beam sampler 82 and most of the beam is directed from the system 70 as an output beam. In the manner as described above, the sampled portion of the combined beam from the beam sampler 82 measures the phase of the combined beam and sends a phase measurement electrical signal to the synchronous N-beam phase processor 88. It is concentrated by concentrating the optical system 84 on 86. Thereafter, in order to control the phase of the beam at the fiber amplifier 18 so that all constituent fiber beams in the combined output beam are locked together at the same phase in the manner described above, the processor 88 performs phase modulation. A phase error correction signal is sent to the device 16. Similar to the method described in laser system 50, phase modulator 16 is coupled at the output of system 70 so that an appropriate phase control signal can be determined for the individual beams split by splitter 16. In each split beam present in the beam, a different dithering frequency for FM or AM or a different code for CDMA or TDMA is applied. The phase detector 86 can detect different dithering frequencies or codes, and the processor 88 uses that information to determine the phase error of each split beam and for each of the split beams. An error correction signal can be provided to the corresponding phase modulator 16 to properly phase lock all constituent beams at the combined output.

[0042]図5は、各々が、外部クラッド層102と、ビームが伝播する内部コア104とを有し、上で言及した種類の先細のファイバ束106に結合された7つのファイバ100の例を示す。図6は、束106の内側部分において7つのファイバ100を備えた先細のファイバ束106の入力端部及びファイバ100の束の周りに形成された複数のクラッドファイバ108の断面図を示す。図7は、ファイバ100及びクラッドファイバ108の組み合わせが単一ファイバマス110へと形成されたことを示す、先細のファイバ束106の出力端部の断面図であり、点112はファイバ100のコア104を表す。図8は、端部キャップ114から出力されるビームの近接場のビームプロファイル116の断面図である。    [0042] FIG. 5 shows an example of seven fibers 100 each having an outer cladding layer 102 and an inner core 104 through which the beam propagates, coupled to a tapered fiber bundle 106 of the type referred to above. Show. FIG. 6 shows a cross-sectional view of a plurality of clad fibers 108 formed around the input end of a tapered fiber bundle 106 with seven fibers 100 in the inner portion of the bundle 106 and around the bundle of fibers 100. FIG. 7 is a cross-sectional view of the output end of the tapered fiber bundle 106 showing that the combination of fiber 100 and clad fiber 108 has been formed into a single fiber mass 110, with point 112 being the core 104 of the fiber 100. Represents. FIG. 8 is a cross-sectional view of the near-field beam profile 116 of the beam output from the end cap 114.

[0043]先細のファイバ束106は、先細のファイバ束を製造するための任意の周知の技術によって作ることができ、ファイバ100及び108は束へ集められ、束は注意深く制御された高温溶融プロセスで径を減少しつつ引き出される。最終的な結果は最初の密接にパックされたファイバ増幅器の束の縮小版であり、最終的なコア径2a及び間隔bは結合されたビームの最終的な出力フィルファクタを決定する。これらのビームは非常に高強度であるので、先細のファイバ束106の出口表面における損傷を回避するために、先細のファイバ束106の出力端部へ端部キャップ114を接合する必要がある。結合されたビームは、表面の損傷が回避されるように、ピーク強度が十分に減少するまで、端部キャップ114において回折によって拡大する。負の焦点距離を備えた屈折率分布型(gradient index、GRIN)レンズは、以下に述べるように、出力ビームの発散を増加させるために端部キャップ114に組み入れることができる。    [0043] The tapered fiber bundle 106 can be made by any known technique for producing a tapered fiber bundle, where the fibers 100 and 108 are collected into a bundle, and the bundle is a carefully controlled hot melt process. It is pulled out with decreasing diameter. The final result is a reduced version of the first closely packed fiber amplifier bundle, with the final core diameter 2a and spacing b determining the final output fill factor of the combined beam. Because these beams are so intense, it is necessary to join the end cap 114 to the output end of the tapered fiber bundle 106 to avoid damage at the exit surface of the tapered fiber bundle 106. The combined beam expands by diffraction at the end cap 114 until the peak intensity is sufficiently reduced so that surface damage is avoided. A gradient index (GRIN) lens with negative focal length can be incorporated into the end cap 114 to increase the divergence of the output beam, as described below.

[0044]一旦出力ビームが端部キャップ114を出ると、出力ビームは、単一のレンズ又は曲面鏡によって、望遠鏡76による所望のビームサイズ及びコリメーション(視準、collimation)に対して平行にされ及び/又は画像化される(imaged)。レンズアレイ又は他の正確なファイバ対ファイバの整列の必要はない。外部光学系は所望のサイズへビームを拡大するのに使用されるコリメーション及び/又は望遠鏡光学系にすぎず、それは多くの高出力レーザシステム及びビーム導波器(beam directors)において通常使用される。これは、個々のファイバの各々の外部自由空間光学系に対する非常に正確な整列を双方ともが要求するシステム10及び50とは対照的である。最終的な望遠鏡における全単一ビームについての通常の整列要求を超えるような必要性はシステム70にはない。さらに、先細のファイバ束72内でのファイバコアの正確な間隔空けについては、それらをできる限り密接に間隔を空けて配置すること以外に要求はなく、各々の個々のファイバの発散は10数mrad(10’s of mrad)であるので、コアの共同整列(co-alignment)はかなり緩和される。したがって、この手法は結合した出力ビームに単一ファイバ開口及び最低限の自由空間光学系からN倍のビームパワーを結合した出力ビームに提供し、ここでNは結合したファイバビームの数である。レーザシステム70は、それによって、システム10及び50と比較して集積化、簡潔さ及び耐久性において飛躍的進歩を提供する。   [0044] Once the output beam exits end cap 114, the output beam is collimated to the desired beam size and collimation by telescope 76 by a single lens or curved mirror and / Or imaged. There is no need for a lens array or other precise fiber-to-fiber alignment. External optics are just collimation and / or telescope optics used to expand the beam to the desired size, which is commonly used in many high power laser systems and beam directors. This is in contrast to systems 10 and 50, which both require a very precise alignment of each individual fiber with respect to each external free space optical system. There is no need in the system 70 to exceed the normal alignment requirements for all single beams in the final telescope. Furthermore, there is no requirement for the exact spacing of the fiber cores within the tapered fiber bundle 72 other than that they be spaced as closely as possible, and the divergence of each individual fiber is a few ten mrad. Since (10's of mrad), the co-alignment of the core is considerably relaxed. Thus, this approach provides an output beam that combines a combined output beam with N times the beam power from a single fiber aperture and minimal free space optics, where N is the number of combined fiber beams. The laser system 70 thereby provides a breakthrough in integration, simplicity and durability compared to the systems 10 and 50.

[0045]先細のファイバ束106は、個々のファイバモードが重なり合う(オーバーラップする)ように、ファイバコアをともに接近させることにより、フィルファクタを最大化する。一旦モードが重なり合えば、ファイバモード間のクロスカップリング及び干渉が存在する。ファイバの位相を一緒にロックすることによって、上述のように、同相スーパーモード(in-phase super-mode)の形成を保証することができ、それはすべてのファイバ間の強め合う干渉を示し、ビーム間のギャップの強度を大きく向上させる。このように、連続的な強度プロファイルを備え且つ介在するデッドスペースがほとんど又は全くない結合されたビームを得ることができる。課題は、束内の損失が無視できることを保証するように先細のファイバ束を作ることである。したがって、パワーがクラッド表面においてほとんど現れないように、先細のファイバ束106への入力ファイバは十分に大きな直径のクラッドを有していなければならない。一般に、これは、クラッド径bがコア径2aの約2−3倍であることを要求し、関心のある大きなモード領域のファイバについて、クラッド表面におけるパワーを合計で1PPMに制限する。コアがクラッド径bによって分離されるので、この比率はあらかじめ先細にされたフィルファクタを主に決定する。フィルファクタはb/2a=3の比率に対してかなり低くなり得、パワーのわずか約20%が25μmのコアを備え且つNA=0.06である中心ローブへ集中し、ここでNAは開口数である。束は先細になっていくので、コア径に対するクラッド径のこの比率がテーパーによってほぼ維持されるように、コアとクラッドの両方の直径は一般にファイバが一緒に溶融するときに比例して減少し、従って、フィルファクタは不変であるように見える。さらに、コア径を先細りにすることは、ピーク強度が増加するようにモード径を縮小するように見え、それは非常に高出力の増幅器に制限してもよい。しかし、驚くべき結果は、コア径がテーパー中に減少するとき、モード領域の減少が最小値に制限され且つモードフィールド分布のテール(tails)が著しく広がるようにモードの形状が変化することである。この振る舞いは、先細のファイバ束72内のピーク強度を限定すること及びモードのよりよいオーバーラップを保証することに役立ち、したがって、テーパーによって一定のままであるためになおさら、フィルファクタは著しく増加することがあり得る。   [0045] The tapered fiber bundle 106 maximizes the fill factor by bringing the fiber cores close together so that the individual fiber modes overlap. Once the modes overlap, there is cross coupling and interference between fiber modes. By locking the fiber phases together, as described above, the formation of an in-phase super-mode can be ensured, which shows constructive interference between all the fibers and between the beams The strength of the gap is greatly improved. In this way, a combined beam with a continuous intensity profile and little or no intervening dead space can be obtained. The challenge is to make a tapered fiber bundle to ensure that the loss in the bundle is negligible. Therefore, the input fiber to the tapered fiber bundle 106 must have a sufficiently large diameter cladding so that little power appears at the cladding surface. In general, this requires the cladding diameter b to be about 2-3 times the core diameter 2a, limiting the power at the cladding surface to a total of 1 PPM for large mode region fibers of interest. Since the core is separated by the cladding diameter b, this ratio mainly determines the pre-tapered fill factor. The fill factor can be quite low for the ratio b / 2a = 3, where only about 20% of the power is concentrated in the central lobe with a 25 μm core and NA = 0.06, where NA is the numerical aperture It is. As the bundle tapers, both the core and cladding diameters generally decrease proportionally as the fiber melts together, so that this ratio of cladding diameter to core diameter is approximately maintained by the taper, Thus, the fill factor appears to be unchanged. In addition, tapering the core diameter appears to reduce the mode diameter so that the peak intensity increases, which may be limited to very high power amplifiers. However, the surprising result is that when the core diameter decreases during the taper, the mode shape changes so that the reduction of the mode region is limited to a minimum and the tails of the mode field distribution are significantly broadened. . This behavior helps to limit the peak intensity in the tapered fiber bundle 72 and ensure a better overlap of the modes, and therefore the fill factor increases significantly even more because it remains constant due to the taper. It can happen.

[0046]図9は、コア径の機能としてNA=0.06を備えたステップインデックスファイバのモードの有効径を示す、水平軸上のコア径及び垂直軸上の有効モード径を備えたグラフである。このプロットにおける有効径は、ファイバモードと同じピーク強度を有するガウシアンの1/e強度直径として定義される。コア径が減少するとともに、モード径が最小のおよそ13μmに達し、その後急速に増加することが理解される。コア径が約14μm未満である(λ=1080nmに対してV#=NA×2πa/λ<2.4)場合、ファイバが厳密に単一モードであることが注目されるべきである。より小さなコアについてのモード径のこの急激な増加は、モードのテールの増加の結果である。初期の25μmのコア径から始まって、モードはおよそ2.5倍のコア径を超えて無視できるパワー内によく制限されるが、コア径及びしたがってV#が減少するにつれて、モードのテールの減少した制限は有効モード径を増加させ、したがって、先細のファイバ束72におけるモードのオーバーラップを増加させることが示される。コア径のさらなる減少により、V#がおよそ1に接近するので、テールは非常に限定された制限に接近し、したがって、任意に大きなモード・オーバーラップを可能にするが、クラッド層からの増加した損失に対してもそのようになる。個々のビームの位相がスーパーモードの形成における同相(強め合う)干渉を保証するためにロックされる場合、フィルファクタのペナルティーは大幅に低減することができる。先細のファイバ束72の出力においてコアサイズを最適化することによって、400μm径など合理的な大きさにされた束の今のより大きなクラッド内での優れた制限をなお可能にする一方、よいオーバーラップを達成することができる。 [0046] FIG. 9 is a graph with core diameter on the horizontal axis and effective mode diameter on the vertical axis showing the effective diameter of the mode of the step index fiber with NA = 0.06 as a function of core diameter. is there. The effective diameter in this plot is defined as the 1 / e 2 intensity diameter of Gaussian with the same peak intensity as the fiber mode. It can be seen that as the core diameter decreases, the mode diameter reaches a minimum of approximately 13 μm and then increases rapidly. It should be noted that if the core diameter is less than about 14 μm (V # = NA × 2πa / λ <2.4 for λ = 1080 nm), the fiber is strictly single mode. This sharp increase in mode diameter for smaller cores is the result of an increase in mode tail. Starting with an initial 25 μm core diameter, the mode is well confined to negligible power beyond approximately 2.5 times the core diameter, but as the core diameter and thus V # decreases, the mode tail decreases. This limitation is shown to increase the effective mode diameter and thus increase the mode overlap in the tapered fiber bundle 72. With further reduction of the core diameter, the tail approaches a very limited limit as V # approaches approximately 1, thus allowing arbitrarily large mode overlap, but increased from the cladding layer This is also true for losses. If the phase of the individual beams is locked to ensure in-phase (constructive) interference in the formation of the supermode, the fill factor penalty can be greatly reduced. By optimizing the core size at the output of the tapered fiber bundle 72, while still allowing excellent limits within the now larger cladding of reasonably sized bundles such as 400 μm diameter, the A lap can be achieved.

[0047]プロセスは、コアサイズ及び間隔の両方が釣り合って減少する単純な先細(テーパ−)プロセスを越えて改善できることに注目すべきである。先細プロセスにおいて注意深く適合させた温度を使用することは、コアの周りのドーパントの改善された拡散につながり、したがって、有効なコアサイズは、コア対コアの間隔の比例した変化に対する拡散によって増加することができる。このプロセスの効果は、さらに、先細のファイバ束出力モードフィルファクタを向上させることができる。   [0047] It should be noted that the process can be improved over a simple tapered process in which both core size and spacing are reduced commensurately. Using carefully adapted temperatures in the tapering process leads to improved diffusion of dopants around the core, and thus the effective core size is increased by diffusion for a proportional change in core-to-core spacing. Can do. The effect of this process can further improve the tapered fiber bundle output mode fill factor.

[0048]端部キャップ74から得られる結合した出力ビームの例として、入力として25μm/62.5μmのコア/クラッド径を備えた7つのファイバをとる六角形状に密接にパックされた先細のファイバ束を考える。ここで、初期のコア対コアの間隔もまた約62.5μmである。入力は約3.6倍の6.9μmへと先細りにされ、V#は約1.2、コア対コアの間隔は17.2μmまで減少する。入力ファイバモードは、先細りでないクラッドインターフェースにおいてファイバ出力の無視できる一部分(近似信号1PPΜM)を有するが、一旦それらがともに融合され先細りにされると、モードは隣接するコアとの大きな重なり合いを有する。伝播シミュレーションは、コアの適切な断熱の先細り(adiabatic tapering)が各コアにおいて最低次のモードからの外部結合(out-coupling)を10数PPMに制限することを示す。すべてのモードフィールドはそれらがコヒーレントに加わり、したがってフィルファクタを十分に最大化するように位相化されると仮定される。   [0048] As an example of a combined output beam obtained from end cap 74, a tapered fiber bundle closely packed in a hexagonal shape that takes 7 fibers with a core / cladding diameter of 25 μm / 62.5 μm as input think of. Here, the initial core-to-core spacing is also about 62.5 μm. The input is tapered by about 3.6 times to 6.9 μm, V # is reduced to about 1.2, and the core-to-core spacing is reduced to 17.2 μm. The input fiber mode has a negligible portion of the fiber output (approximate signal 1PPΜM) at the non-tapered cladding interface, but once they are fused and tapered together, the mode has a large overlap with the adjacent core. Propagation simulations show that proper adiabatic tapering of the core limits the out-coupling from the lowest order mode to 10-thousand PPM in each core. It is assumed that all mode fields are phased so that they join coherently and thus sufficiently maximize the fill factor.

[0049]先細にされる前の25μm/62.5μmのコア/クラッド径を備えた密接にパックされた7つのファイバ束の近接場強度分布120が図10に示され、リング122は約190μmの仮定された参照開口径Drefであり、遠距離場の回折限界の半径λ/Drefを定義するために使用される。LMAモードがよく制限され且つ重ならないことを示すことができ、入力コア間の大きな間隔のために、フィルファクタはかなり低い。この配置(geometry)に基づいた結合されたビームの計算されたバケツ中のパワー(power in the bucket、PIB)が角半径1.2λ/Drefの回折限界の遠視野(far-view)内のわずか約17%であることがさらに示され得る。それに比べて、完全に参照開口を満たす回折限界のフラットトップ・ビームは、この回折限界の角度のバケツ中の約84%を達成する。 [0049] A near-field intensity distribution 120 of seven closely packed fiber bundles with a core / cladding diameter of 25 μm / 62.5 μm before tapering is shown in FIG. 10 and the ring 122 is about 190 μm. An assumed reference aperture diameter D ref , used to define the far field diffraction limited radius λ / D ref . It can be shown that the LMA mode is well limited and does not overlap, and due to the large spacing between the input cores, the fill factor is quite low. The calculated power in the bucket (PIB) of the combined beam based on this geometry is within a diffraction-limited far-view with an angular radius of 1.2λ / D ref It can be further shown that it is only about 17%. In comparison, a diffraction-limited flattop beam that completely fills the reference aperture achieves about 84% in this diffraction-limited angle bucket.

[0050]この7つのファイバ入力束を、17.2μmのコア対コア間隔において想定される6.9μmのコア径まで先細りにすることで、図11における近接場強度分布124によって示されるような非常に異なる結合した出力ビームが生まれ、ここでリング126は想定する参照径である。この場合の近接場の参照開口径は69μmであるように選ばれ、結合したパワーの99%より多くを含む。大幅に増加したモード・オーバーラップ及びフィルファクタのため、結合した先細のファイバ束出力は、ここで、回折限界の遠距離場のバケツの中への非常に高効率の集中を有する。7つの理想的に位相化されたビームのPIBが回折限界の角半径1.2λ/Drefへの約92%であることが示されてもよい。このPIBが、回折限界であり且つ十分に満たされたフラットトップ・ビームによって達成された84%を超えることに注目されたい。1.5λ/Drefの半径内の約95%まで7つの結合されたビームのFIBが増加する。したがって、先細のファイバ束72の効果が入力ファイバ束と比較してフィルファクタ及びPIBを劇的に増加させることであることが示されてもよい。 [0050] By tapering the seven fiber input bundles to a core diameter of 6.9 μm assumed at a core-to-core spacing of 17.2 μm, an emergency as shown by the near-field intensity distribution 124 in FIG. Resulting in different combined output beams, where ring 126 is the assumed reference diameter. The reference aperture diameter of the near field in this case is chosen to be 69 μm and contains more than 99% of the combined power. Due to the greatly increased mode overlap and fill factor, the combined tapered fiber bundle output now has a very efficient concentration into the diffraction-limited far-field bucket. It can be shown that the PIB of the seven ideally phased beams is about 92% to a diffraction-limited angular radius of 1.2λ / D ref . Note that this PIB exceeds the 84% achieved by a flat top beam that is diffraction limited and fully filled. The FIB of the seven combined beams increases to about 95% within a radius of 1.5λ / D ref . Thus, it may be shown that the effect of the tapered fiber bundle 72 is to dramatically increase the fill factor and PIB compared to the input fiber bundle.

[0051]所与のコア形状について、結合されたビームの実効面積はピーク強度に基づいて定義することができ、強度により引き起こされる損失が問題になる前の最大パワーを定義するために使用することができ、ここでパワーPの結合されたビームのピーク強度はIpeak=P/Aeffとして定義される。上述の先細のファイバ束を備えた7つのビーム結合について、Aeff=630μmであり、先細のファイバ束出力における単一の構成ビームは80μmの実効面積を有し、従って、実効面積は単一ビームに対して7.8倍増加される。 [0051] For a given core shape, the effective area of the combined beam can be defined based on the peak intensity, and used to define the maximum power before the loss caused by the intensity becomes a problem. Where the peak intensity of the combined beam of power P is defined as I peak = P / A eff . For the seven beams coupled with the fiber bundle of tapered above, but A eff = 630μm 2, single component beam at the tapered fiber bundle output has an effective area of 80 [mu] m 2, therefore, the effective area single Increased by 7.8 times for one beam.

[0052]より高い出力のために、より多くの数の入力ファイバを使用することができる。六角形の密接なパッキングについて、追加のファイバのリングを備えた次のマジック数は19であり、上記の間隔のコア径に基づいて、約1860μmの実効面積を生み、したがって、入力ビーム当たり約3kWと仮定すれば、単一の先細のファイバ束出力において60kWより多くを可能にする。リング開口132を備えた先細のファイバ束の出力の近接場強度分布130は図12に示され、ここで開口参照径は96μmである。 [0052] A higher number of input fibers can be used for higher power. For a hexagonal close packing, the next magic number with an additional fiber ring is 19, yielding an effective area of about 1860 μm 2 based on the core diameter of the above spacing, and thus about Assuming 3 kW allows more than 60 kW at a single tapered fiber bundle output. The near-field intensity distribution 130 of the output of the tapered fiber bundle with the ring aperture 132 is shown in FIG. 12, where the aperture reference diameter is 96 μm.

[0053]上述のように、単に個々のファイバモードの可干渉性の同相の重ね合わせにおいてスーパーモードが生じたと仮定された。対称性から、6つの外部ビームがロックされた同一の位相を有する場合、2つの関心のあるモードのみが存在し、中央ビームは同相又は位相がずれており、これはそれぞれ同相I+>及び位相ずれI−>スーパーモードと表される。したがって、上記の結果は入力ビームの適切な位相整合による位相ずれI−>スーパーモードの抑制に依存する。位相ロッキングシステムの使用により、出力における中央ビームが外部ビームに関して適切な相対位相を有することを確かに保証することができる。しかし、構成ファイバ間の大きなモード重なりと先細のファイバ束72とのために、コア間で相当なパワーの交換がある。シミュレーションにより、テーパーの端部における上記の例のコア径については、中央コアにおいて開始されたパワーが中央ビームから外部ビームまで約2.5mmの伝播距離において結合することが示される。したがって、入力フィールドの適切な位相整合に加えて、ビームの所望の均一なパワーを保証するために、先細ファイバ束72の長さ及びテーパーを調整しなければならない。実際、想定する出力ビーム中の中心ピークはビームの外部のピークより約30%高いパワーを有する。従って、コア間のパワー結合が中央コアパワーをいくらか低減するように先細のファイバ束72の長さを設計することによって、ピークは均等にすることができ、所与の合計のアレイ出力についてのピーク強度の低減をもたらすことができ、それによって、所与の損傷したしきい値についての合計パワー制限を増加させることができる。数パーセントのパワーバランスのための必要な設計精度は、シミュレートされた2.5mmのカップリング距離に基づいて、数百ミクロンであり、容易に達成されるものである。   [0053] As described above, it was assumed that supermodes simply occurred in coherent in-phase superposition of individual fiber modes. Due to symmetry, if the six external beams have the same phase locked, there are only two modes of interest and the central beam is in phase or out of phase, which is in phase I +> and out of phase respectively. I-> Super mode. Therefore, the above results depend on the suppression of the phase shift I-> super mode by proper phase matching of the input beam. The use of a phase locking system can ensure that the central beam at the output has the appropriate relative phase with respect to the external beam. However, due to the large mode overlap between the constituent fibers and the tapered fiber bundle 72, there is considerable power exchange between the cores. Simulation shows that for the above example core diameter at the end of the taper, the power initiated at the central core couples from the central beam to the external beam at a propagation distance of about 2.5 mm. Thus, in addition to proper phase matching of the input field, the length and taper of the tapered fiber bundle 72 must be adjusted to ensure the desired uniform power of the beam. In fact, the central peak in the assumed output beam has about 30% higher power than the peak outside the beam. Thus, by designing the length of the tapered fiber bundle 72 so that the power coupling between the cores reduces some of the central core power, the peaks can be made uniform and the peaks for a given total array output. A reduction in intensity can be provided, thereby increasing the total power limit for a given damaged threshold. The required design accuracy for a few percent power balance, based on a simulated 2.5 mm coupling distance, is a few hundred microns and is easily achieved.

[0054]現在の商用の高出力の先細ファイバ束パッケージは約100Wの散逸能力を有し、これはこれらのデバイスの開発が進むにつれて成長するであろう。1kWを超えるパワーを結合するファイバ増幅器に使用されるマルチモード・ポンプ・カプラについての報告は、98%より大きな値で達成されたポンプ・スループットにとって当然のものである。これらの商用デバイスは、一般に、入力の有効な累積的受け取りよりほんのわずかに大きな角度の受け取りによって出力ファイバに先細のファイバ束を結合することにより、ポンプ輝度を最大化することを試みる。したがって、これらのデバイスは、一般に、かなりの、すなわち、1%より大きな結合損失を有する。本願において提案される種類の先細のファイバ束においては、端部キャップのみが使用されるので、出力ファイバに結合されることによる損失はない。先細のファイバ束において使用される高品質の伝送ファイバの固有の吸収損失は非常に低く、すなわち10PPΜM/cm未満であり、したがって制限要因になるとは考えられない。   [0054] Current commercial high power tapered fiber bundle packages have a dissipation capability of about 100 W, which will grow as the development of these devices progresses. Reports on multimode pump couplers used in fiber amplifiers that combine powers in excess of 1 kW are reasonable for pump throughput achieved at values greater than 98%. These commercial devices generally attempt to maximize pump brightness by coupling a tapered fiber bundle to the output fiber by receiving an angle that is only slightly larger than the effective cumulative reception of the input. Therefore, these devices generally have significant, i.e. greater than 1% coupling loss. In a tapered fiber bundle of the type proposed in this application, only end caps are used, so there is no loss due to coupling to the output fiber. The inherent absorption loss of high quality transmission fibers used in tapered fiber bundles is very low, i.e. less than 10 PPΜM / cm and is therefore not considered to be a limiting factor.

[0055]残りの損失は、伝播中に又は先細のファイバ束のテーパーの端部の近くで、大きな角度モード変換及び散乱から生じる。これはもちろん先細のファイバ束の製造の設計及び品質に依存する。しかし、関心のあるLΜA入力ファイバは、かなり低い、すなわちほぼ0.06のNAを有し、この入力光の角度の発散はモード翼(mode wings)における残余パワーを含めても制限される。例えば、25μm/0.06NAのLMAファイバモードは、±10mradよりも大きな角度で伝播する100PPM未満の残余パワーを有する。上述の先細のファイバ束の端部における小さな6.9μmのコアモードでさえ、±0.2radの角度の外に100PPM未満の残余パワーを有する。先細のファイバ束パッケージ内での加熱は、先細のファイバ束クラッド材料によって吸収される大きな角度の外部結合された光によって支配される可能性が高い。したがって、先細のファイバ束における適度なNAガラスクラッド材料の使用は、事実上吸収性でなく、先細のファイバ束内に分散した非常に大きな角度以外のすべてからの加熱を大きく緩和するであろう。例えば、フッ素ドープしたガラスは、およそ0.3のNA制限を備えたクラッド材料として使用することができ、したがって、先細のファイバ束パッケージへの吸収を防ぎ且つ端部キャップによる回避を可能にするために任意のより低い角度散乱光を制限することができる。   [0055] The remaining loss results from large angular mode conversion and scattering during propagation or near the tapered end of the tapered fiber bundle. This of course depends on the design and quality of the production of the tapered fiber bundle. However, the LΜA input fiber of interest has a fairly low, i.e., approximately 0.06 NA, and the angular divergence of this input light is limited, including the residual power in mode wings. For example, an LMA fiber mode of 25 μm / 0.06 NA has a residual power of less than 100 PPM propagating at an angle greater than ± 10 mrad. Even the small 6.9 μm core mode at the end of the tapered fiber bundle described above has a residual power of less than 100 PPM outside an angle of ± 0.2 rad. Heating in a tapered fiber bundle package is likely to be dominated by large angles of externally coupled light absorbed by the tapered fiber bundle cladding material. Thus, the use of a modest NA glass cladding material in a tapered fiber bundle is virtually not absorbing and will greatly mitigate heating from all but a very large angle dispersed within the tapered fiber bundle. For example, fluorine-doped glass can be used as a cladding material with an NA limit of approximately 0.3, thus preventing absorption into a tapered fiber bundle package and allowing avoidance by end caps. Can limit any lower angle scattered light.

[0056]図13は、外部の低屈折率の屈折ガラス管142を含む、先細のファイバ束140の入力端部の断面図であり、上述のように、図14は、ガラス管142を示す先細のファイバ束140の出力端部の断面図である。   [0056] FIG. 13 is a cross-sectional view of the input end of a tapered fiber bundle 140 including an external low index refractive glass tube 142, and as described above, FIG. 14 shows a tapered tube tube 142. It is sectional drawing of the output edge part of the fiber bundle 140 of.

[0057]上述のように、端部キャップ74はビーム品質の損傷又は低下のないガラスから結合した高出力ビームを得るために使用される。説明されるように、端部キャップ74の目的は、出口表面における強度が損傷したしきい値を下回るように、ビームが十分に拡大することを可能にすることである。第2に、その表面から反射されたパワーがファイバ増幅器性能に悪影響を及ぼさないことが保証されなければならない。したがって、反射を最小化するために端部キャップ74の出力面上に反射防止(AR)コーティングを提供することが通常は望ましい。ここに述べられている小さなビームについては、約1MW/cmより大きな損傷しきい値が達成可能であることが報告された。20kWの出力ビームについては、これは、ビームが約2mmの実効面積へ拡大しなければならないことを示唆する。上述の7つのビーム結合については、結合されたビームの有効な1/e直径は、それが端部キャップ74に入るとき約45μmであり、総計の発散角度はしたがってかなり小さい、すなわち、当該角度はガラスの1/eにおいてほぼ±0.01であり、その結果、ピーク強度を低減するために長い伝播距離が要求される。計算により、ビームがほぼ1.3mmのFWHMを備えたおおよそのガウシアンであるような約11cmの伝播の後、20kWの7つのビーム出力についてピーク強度が約1MW/cmに低減されることが示される。したがって、以下に述べるように、出力ファセットにおける拡大するビームを提供するために、レンズキャップ径は、先細の方法又はセグメントのいずれかにおいて約5mmまで増加する必要がある。 [0057] As described above, the end cap 74 is used to obtain a high power beam combined from glass without beam quality damage or degradation. As described, the purpose of the end cap 74 is to allow the beam to expand sufficiently so that the strength at the exit surface is below the damaged threshold. Second, it must be ensured that the power reflected from its surface does not adversely affect the fiber amplifier performance. Therefore, it is usually desirable to provide an anti-reflective (AR) coating on the output surface of end cap 74 to minimize reflection. For the small beams described here, it has been reported that damage thresholds greater than about 1 MW / cm 2 can be achieved. For a 20 kW output beam, this suggests that the beam must expand to an effective area of about 2 mm 2 . For the seven beam combinations described above, the effective 1 / e 2 diameter of the combined beam is about 45 μm when it enters the end cap 74, and the total divergence angle is therefore quite small, ie the angle Is approximately ± 0.01 at 1 / e 2 of glass, and as a result, a long propagation distance is required to reduce peak intensity. Calculations show that after about 11 cm of propagation such that the beam is an approximate Gaussian with a FWHM of approximately 1.3 mm, the peak intensity is reduced to about 1 MW / cm 2 for seven beam outputs of 20 kW. It is. Therefore, as described below, the lens cap diameter needs to be increased to about 5 mm in either the tapered method or segment to provide a diverging beam at the output facet.

[0058]吸収の非常に低い端部キャップを備えた場合でさえ、ガラス中の長い伝播距離は、蓄積された熱的光学パス歪み(OPD)からの困難を引き起こす。しかし、ビームは約1mmにおいて最大となるので、これは端部キャップ74の高アスペクト比によって緩和される。端部キャップ74の表面冷却は適切にすべきであるが、端部キャップ74における固有の吸収のために、不可避の二次の温度変化がなお存在する。ビームの範囲にわたって熱堆積(heat deposition)が均一であると見積もると、ビーム幅にわたる吸収によって引き起こされる温度差はほぼΔT=Pα/4πk=Pα/180℃であり、ここでPはkW単位の全ビーム出力であり、αはPPM/cm単位の固有のガラス吸収であり、ガラス導電率はκ=1.4W/m−℃である。ガラス中のOPDは、長さcm及び温度差℃当たり約1.3個の波であり、したがって、20kWのビーム及び10cmの経路長については、最大のOPDは約α/7波である。極めて低い吸収の溶融シリカはα<1PPM/cmであると報告され、したがって、OPDは圧倒的なものではなく、ほとんど球状であるが、しかし、この問題は、この方法を備えたパワースケーリングにとって重大な制限を提示し得る。これは、10+kWのパワーレベルで動作するファイバ・スキームのための端部キャップ74の熱管理がOPDを最小化するためにかなり重要であることを示す。   [0058] Even with end caps that have very low absorption, long propagation distances in glass cause difficulties from accumulated thermal optical path distortion (OPD). However, since the beam is maximum at about 1 mm, this is mitigated by the high aspect ratio of the end cap 74. Although surface cooling of the end cap 74 should be adequate, due to the inherent absorption in the end cap 74, there are still inevitable secondary temperature changes. Estimating that heat deposition is uniform over the range of the beam, the temperature difference caused by absorption across the beam width is approximately ΔT = Pα / 4πk = Pα / 180 ° C., where P is the total kW Is the beam power, α is the intrinsic glass absorption in PPM / cm, and the glass conductivity is κ = 1.4 W / m- ° C. The OPD in the glass is about 1.3 waves per cm in length and a temperature difference of 0 ° C., so for a 20 kW beam and 10 cm path length, the maximum OPD is about α / 7 waves. Very low absorption fused silica is reported to be α <1 PPM / cm, therefore OPD is not overwhelming and almost spherical, but this problem is critical for power scaling with this method Limitations may be presented. This shows that thermal management of the end cap 74 for fiber schemes operating at 10+ kW power levels is quite important to minimize OPD.

[0059]ビームの数が拡大するにつれて、結合されたビームがより大きな有効径、すなわち約70μmを有し、したがってさらに小さな発散を有するので、この問題は深刻になる。上述の19のビーム結合については、1/eにおいて計算された発散角度はガラスにおいて約±7.2mradであり、より大きな60kWの全パワーと結合して、出口強度を約lMW/cmに低減するために約27cmの長さの端部キャップを要するだろう。支配的な問題は結合されたビームの非常に小さな発散である。 [0059] As the number of beams expands, this problem becomes more serious as the combined beams have a larger effective diameter, i.e., about 70 [mu] m, and thus have a smaller divergence. For the 19 beam combinations described above, the divergence angle calculated at 1 / e 2 is about ± 7.2 mrad in the glass, combined with a larger total power of 60 kW, resulting in an exit intensity of about 1 MW / cm 2 . An end cap about 27 cm long would be required to reduce. The dominant problem is the very small divergence of the combined beam.

[0060]この問題を緩和する1つの手法は、先細のファイバ束接合に近い負の屈折率分布型(GRIN)レンズを含む端部キャップを製造することである。図15は、先細のファイバ束に結合される負のGRINレンズ152を含む端部キャップ150の斜視図である。端部キャップ150の残りの部分は均一のガラスロッド154であり、GRINレンズ152及びガラスロッド154は適切な接合156によって光学的に結合される。負の焦点距離レンズは結合されたビームの発散を著しく増加させる場合があり、したがって、必要な端部キャップ長を数cmに低減し、それによって、端部キャップ150における蓄積されたOPDを大幅に低減することができる。例えば、−0.8mmの焦点距離を備えたGRINレンズは、7つのビームの先細のファイバ束出力の発散をおおよそ3倍に増加させ、したがって、20kWの出力ビームに対してOPDを比例して約α/20波へと低減する。そのような手法により、100kWにせまる単一開口パワーに対するこのスキームのスケーリングを手の届くものとすることができる。   [0060] One approach to alleviating this problem is to produce an end cap that includes a negative gradient index (GRIN) lens close to a tapered fiber bundle junction. FIG. 15 is a perspective view of an end cap 150 that includes a negative GRIN lens 152 coupled to a tapered fiber bundle. The remaining portion of the end cap 150 is a uniform glass rod 154, and the GRIN lens 152 and glass rod 154 are optically coupled by a suitable joint 156. A negative focal length lens can significantly increase the divergence of the combined beam, thus reducing the required end cap length to a few centimeters, thereby greatly reducing the accumulated OPD in the end cap 150. Can be reduced. For example, a GRIN lens with a focal length of −0.8 mm approximately increases the divergence of the 7-fiber tapered fiber bundle output by approximately 3 times, thus approximately proportional to OPD for a 20 kW output beam. Reduce to α / 20 waves. With such an approach, the scaling of this scheme for a single aperture power down to 100 kW can be made accessible.

[0061]端部キャップ74の直径は拡大するビームを提供するために、セグメントの中で又はテーパーによって増加され得る。図16は、段のあるセグメントを含む端部キャップ160の斜視図であり、負のGRINレンズ162は、接合168によって、先細のファイバ束及びほぼ同じ直径の均一のガラスロッド164に結合される。ガラスロッド164の対向する端部はより大きな径のガラスロッド166に接合され、それは今度はビーム拡大のためにセグメントを供給するためにさらにより大きな径のガラスロッド170に接合される。反射防止コーティング172は、GRINレンズ162の反対のガラスロッド170の出力表面上で提供することができる。   [0061] The diameter of the end cap 74 can be increased in the segment or by a taper to provide an expanding beam. FIG. 16 is a perspective view of an end cap 160 that includes a stepped segment, in which a negative GRIN lens 162 is coupled by a joint 168 to a tapered fiber bundle and a uniform glass rod 164 of approximately the same diameter. Opposing ends of the glass rod 164 are joined to a larger diameter glass rod 166, which in turn is joined to an even larger diameter glass rod 170 to provide a segment for beam expansion. An anti-reflective coating 172 can be provided on the output surface of the glass rod 170 opposite the GRIN lens 162.

[0062]図17は、一端において先細のファイバ束に結合され且つ対向する端部において接合186によってほぼ同じ直径の均一なガラスロッド184に結合される、負のGRINレンズ182を含む端部キャップ180の斜視図である。その後、先細のガラスロッド188は均一のガラスロッド184に結合され、先細のガラスロッド188の広い端部は反射防止コーティング190を含む。   [0062] FIG. 17 shows an end cap 180 including a negative GRIN lens 182 coupled to a tapered fiber bundle at one end and coupled to a uniform glass rod 184 of approximately the same diameter by a junction 186 at the opposite end. FIG. Thereafter, the tapered glass rod 188 is bonded to the uniform glass rod 184 and the wide end of the tapered glass rod 188 includes an anti-reflective coating 190.

[0063]0.2%の標準的なARコーティング反射率によれば、20kWの反射パワーは拡張されたビームにおいては40Wにすぎず、したがって、小さな先細のファイバ束出力ファイバに再び入るこの反射の一部は、小さく安全なパワーに容易に制限されるべきである。   [0063] According to the standard AR coating reflectivity of 0.2%, the reflected power of 20 kW is only 40 W in the expanded beam, and therefore this reflection reenters the small tapered fiber bundle output fiber. Some should be easily limited to small and safe power.

[0064]大きな開口ビーム導波器にとって、先細のファイバ束の近接場の拡大された画像(image)がビーム導波器の開口に中継されることは望ましい。これは望遠鏡76によって達成され、レンズ78は焦点距離fを有し、レンズ80は焦点距離fを有し、レンズ78及び80はf+fによって分離され、長さf/fによって画像を拡大する。 [0064] For large aperture beam directors, it is desirable that the near field magnified image of the tapered fiber bundle be relayed to the aperture of the beam director. This is achieved by the telescope 76, the lens 78 has a focal length f 1, the lens 80 has a focal length f 2, the lens 78 and 80 are separated by f 1 + f 2, the length f 2 / f 1 To enlarge the image.

[0065]端部キャップ74上で球状の出口表面を使用することにより、又は端部キャップ出力において集束GRINレンズを接合することにより、端部キャップ74へレンズ78を統合することは可能である。図18は端部キャップ160に類似の端部キャップ192の斜視図であり、同様の要素は同じ参照番号によって識別される。端部キャップ192は、レンズ78として動作する反射防止コーティング172に取り付けられた正のGRINレンズ194を含む。そのような光学的配置は、同様にビーム導波器望遠鏡へ直接的に統合することができる。正及び負のレンズの両方を使用する高倍率のための標準設計のよりコンパクトな望遠鏡もまた、拡大光学系の設置面積(フットプリント、footprint)を最適化するために実施することができる。   [0065] It is possible to integrate the lens 78 into the end cap 74 by using a spherical exit surface on the end cap 74 or by joining a focusing GRIN lens at the end cap output. FIG. 18 is a perspective view of an end cap 192 similar to the end cap 160, where like elements are identified by the same reference numbers. End cap 192 includes a positive GRIN lens 194 attached to an anti-reflective coating 172 that operates as lens 78. Such an optical arrangement can be integrated directly into the beam director telescope as well. A more compact telescope with a standard design for high magnification using both positive and negative lenses can also be implemented to optimize the footprint of the magnifying optics.

[0066]適切なビーム品質を維持するために、ファイバ増幅器18の各々におけるファイバビームの偏波が同じ方向を有することが必要である。システム70については、すべてのファイバ中のすべてのビームが同じ偏波方向を有するように、ファイバ増幅器18において使用されるファイバは偏波保持ファイバである。高出力用途などのある応用においては、偏波保持ファイバを使用することは適していないかもしれず、したがって、ファイバ増幅器18中のファイバビームの各々の偏波を整列させることが必要になる。   [0066] In order to maintain proper beam quality, it is necessary that the polarization of the fiber beam in each of the fiber amplifiers 18 has the same direction. For system 70, the fiber used in fiber amplifier 18 is a polarization maintaining fiber so that all beams in all fibers have the same polarization direction. In some applications, such as high power applications, it may not be appropriate to use polarization maintaining fibers, and thus it is necessary to align the polarization of each of the fiber beams in the fiber amplifier 18.

[0067]図19は、偏波保持ファイバを使用しないファイバレーザ増幅器システム200の概略平面図であり、システム70と同様の要素は同じ参照番号によって識別される。システム200は、サンプラ82からのサンプリングされたビーム中のファイバビームの偏波を決定するのに偏光子202を使用する。ファイバ中の偏波は互いに対して変化するので、偏光子202は多かれ少なかれ光を偏波検出器204へと向けさせる。出力ビーム中の各ビームの偏波を決定するために、偏波検出器204は個々のビームにおいて異なる周波数ディザリング又はタグを使用する。偏波の測定は、ビーム中の偏波の相対的な方向を決定する同期N−ビーム偏波プロセッサ206に提供される。プロセッサ206は、すべての測定された偏波の変化についてファイバを識別するために異なるディザリング周波数又はタグを使用し、各ファイバ中の偏波方向を制御するために、それらが同じであるように、対応するファイバ増幅器18について偏波制御部208に信号を提供する。そのような偏波制御システムは、2001年11月13日にUptonらに発行され本出願の譲受人に譲渡された、偏波ロック光学出力のための技術なるタイトルの米国特許6,317,257号において提案されており、参照によって本明細書に組み込まれる。   [0067] FIG. 19 is a schematic plan view of a fiber laser amplifier system 200 that does not use polarization maintaining fibers, where elements similar to system 70 are identified by the same reference numbers. System 200 uses polarizer 202 to determine the polarization of the fiber beam in the sampled beam from sampler 82. Because the polarizations in the fiber change relative to each other, the polarizer 202 directs more or less light to the polarization detector 204. In order to determine the polarization of each beam in the output beam, the polarization detector 204 uses different frequency dithering or tags in the individual beams. The polarization measurement is provided to a synchronous N-beam polarization processor 206 that determines the relative direction of the polarization in the beam. The processor 206 uses different dithering frequencies or tags to identify the fibers for all measured polarization changes, so that they are the same to control the polarization direction in each fiber. The signal is provided to the polarization controller 208 for the corresponding fiber amplifier 18. Such a polarization control system is disclosed in U.S. Pat. No. 6,317,257 entitled “Technology for Polarization Locked Optical Output” issued to Upton et al. On Nov. 13, 2001 and assigned to the assignee of the present application. And is hereby incorporated by reference.

[0068]ファイバ増幅器18を先細のファイバ束72へと形成することは多くの課題を提供する。ファイバ径に対するファイバコアのある比率を提供し、ファイバコアをできるだけ密接に間隔を置かれるように提供することが望ましい。さらに、本明細書に述べられている直径のファイバについては、ファイバの柔軟性はファイバの取り扱い能力を制限する。当技術分野において、共通のクラッド層に囲まれた束に一緒に結合された複数のコアを含むマルチコアファイバが知られている。そのようなマルチコアファイバは、取り扱うこと及び上述のように先細のファイバ束へと形成することがより簡単である。しかし、その際マルチファイバコア内で個々のコアにファイバビームを入れることが必要である。さらに、各コアの周りのクラッド内で高いNA制限のポンプ光を提供するためにマルチコアファイバ中の個々のコアの周りに外側の空気クラッド(air cladding)を提供することは当技術分野において知られている。   [0068] Forming the fiber amplifier 18 into a tapered fiber bundle 72 provides many challenges. It is desirable to provide a certain ratio of fiber core to fiber diameter and provide the fiber cores as closely spaced as possible. Further, for the diameter fibers described herein, fiber flexibility limits fiber handling capabilities. Multi-core fibers are known in the art that include a plurality of cores coupled together in a bundle surrounded by a common cladding layer. Such multi-core fibers are easier to handle and form into a tapered fiber bundle as described above. However, it is necessary to put fiber beams into the individual cores in the multi-fiber core. Furthermore, it is known in the art to provide an outer air cladding around individual cores in a multi-core fiber to provide high NA limited pump light within the cladding around each core. ing.

[0069]図20は上述の種類のマルチコアファイバ210の断面図である。マルチコアファイバ210は、コア214及び内側クラッド層216を各々が含む複数の個々のファイバ212を有効に含む。さらに、各々の個々のコア214及び内側クラッド層216は、当業者によく理解される方法で空気クラッドを有効にすべて空気にする多くの小さなガラス・エア・ブリッジ226によって形成される外側の空気クラッド222により囲まれる。個々のコア214の周りに空気クラッド222を提供することによって、個々のファイバ212は、マルチコアファイバ本体224において空気クラッド222及びガラス内でエアブリッジ226を化学的にエッチングすることにより、マルチコアファイバ本体224から分離することができる。   [0069] FIG. 20 is a cross-sectional view of a multi-core fiber 210 of the type described above. Multi-core fiber 210 effectively includes a plurality of individual fibers 212 each including a core 214 and an inner cladding layer 216. In addition, each individual core 214 and inner cladding layer 216 has an outer air cladding formed by a number of small glass air bridges 226 that effectively make the air cladding all air in a manner well understood by those skilled in the art. Surrounded by 222. By providing an air cladding 222 around the individual cores 214, the individual fibers 212 are multi-core fiber bodies 224 by chemically etching the air cladding 222 and the air bridges 226 in the glass in the multi-core fiber bodies 224. Can be separated from

[0070]図21はマルチコアファイバ210の平面図であり、個々のファイバ212は、マルチコアファイバ部分218から延在するピグテールを形成するために分離されたものである。1つの実施例において、マルチコアファイバ本体224及び空気クラッド222は、フッ化水素酸、又は別の適切な化学剤を使用してエッチングされ、ここで、個々のファイバ212をファイバ増幅器18に結合することができるように、部分218から個々のファイバ212を分離する。マルチコアファイバ部分218は個々のファイバ212より著しく大きな径を有するので、上述の種類の先細のファイバ束を形成するためにより容易に扱うことができる。テーパープロセスでは、ファイバクラッド層216がコアとマルチコアファイバ本体224との間で連続的であるように空気クラッド222中のブリッジが崩壊するよう、適切に高い温度とおそらくは真空が適用されなければならないことが注目される。これにより、各コア214における制限されたモードが広がり、マルチコアファイバ210の先細の領域において他のモードと重なり合うことが可能になる。   [0070] FIG. 21 is a top view of multi-core fiber 210, with individual fibers 212 separated to form a pigtail extending from multi-core fiber portion 218. FIG. In one embodiment, the multi-core fiber body 224 and the air cladding 222 are etched using hydrofluoric acid or another suitable chemical agent, where the individual fibers 212 are coupled to the fiber amplifier 18. The individual fibers 212 are separated from the portion 218 so that Because the multi-core fiber portion 218 has a significantly larger diameter than the individual fibers 212, it can be more easily handled to form a tapered fiber bundle of the type described above. In the taper process, a suitably high temperature and possibly a vacuum must be applied so that the bridge in the air cladding 222 collapses so that the fiber cladding layer 216 is continuous between the core and the multi-core fiber body 224. Is noticed. This widens the restricted mode in each core 214 and allows it to overlap with other modes in the tapered region of the multi-core fiber 210.

[0071]上述の実施例は、システムの出力パワーをさらに高めるために他の種類のファイバレーザ増幅器システムへ拡張することができる。図22は、ビームパワーを高めるためにスペクトルビーム結合(SBC)を使用して複数のビームを組み合わせるファイバレーザ増幅器システム230の概略平面図である。システム230において、複数のN個の主発振器232は、異なる波長(λ、λ、・・・λ)にあるファイバ234上のビームを個々に提供する。その後、各主発振器波長は上述のような方法でΜ個のスプリッタ及び位相変調器236によってM個のファイバへ分割される。各スプリッタ及び位相変調器236からの別個のファイバはその後増幅器240によって表されるファイバ増幅器238に結合される。その後、ファイバ増幅器238は先細のファイバ束242に結合され、それは上述のような方法で端部キャップ244に結合される。先細のファイバ束242及び端部キャップ244は、上述の先細のファイバ束及び/又は端部キャップのうち任意のものであってもよい。 [0071] The embodiments described above can be extended to other types of fiber laser amplifier systems to further increase the output power of the system. FIG. 22 is a schematic plan view of a fiber laser amplifier system 230 that combines multiple beams using spectral beam combining (SBC) to increase beam power. In system 230, a plurality of N master oscillators 232 individually provide beams on fiber 234 at different wavelengths (λ 1 , λ 2 ,... Λ N ). Each master oscillator wavelength is then split into M fibers by a number of splitters and phase modulators 236 in the manner described above. A separate fiber from each splitter and phase modulator 236 is then coupled to a fiber amplifier 238 represented by amplifier 240. The fiber amplifier 238 is then coupled to the tapered fiber bundle 242, which is coupled to the end cap 244 in the manner described above. The tapered fiber bundle 242 and the end cap 244 may be any of the above-described tapered fiber bundles and / or end caps.

[0072]N個の先細のファイバ束は線形アレイに配置され、線形アレイは共通の平行光学系248の後焦点面(back focal plane)に配置される。各端部キャップ244からの出力は望遠鏡レンズ246によって集中され、すべての主発振器波長についての結合されたビームは平行光学系248によって平行にされる。その後、平行光学系248からの平行ビームはビームサンプラ250によってサンプリングされ、ほとんどのビームがSBCグレーティング252に送られる。SBCグレーティング252は平行光学系248の反対側の焦点面に配置され、主発振器波長に伴うその分散、隣接した先細のファイバ束間の間隔及び平行光学系の焦点距離は、各ビームがSBCグレーティング252による回折の後にすべての他のビームとともに正確にともに伝播しているように選択される。したがって、各主発振器波長のビームはすべて、他の主発振器ビーム波長のすべてと同じスポットへ集中される。   [0072] The N tapered fiber bundles are arranged in a linear array, which is arranged in the back focal plane of a common parallel optical system 248. The output from each end cap 244 is concentrated by the telescope lens 246 and the combined beam for all master oscillator wavelengths is collimated by the parallel optics 248. Thereafter, the parallel beam from the parallel optics 248 is sampled by the beam sampler 250 and most of the beam is sent to the SBC grating 252. The SBC grating 252 is disposed on the opposite focal plane of the parallel optical system 248, and its dispersion with the master oscillator wavelength, the spacing between adjacent tapered fiber bundles, and the focal length of the parallel optical system are determined by the SBC grating 252 for each beam. Are chosen so that they propagate exactly together with all other beams after diffraction by. Thus, all the beams of each master oscillator wavelength are concentrated in the same spot as all of the other master oscillator beam wavelengths.

[0073]ビームサンプラ250は、グレーティング252に入射する一群のN個のビームの小標本(small sample)を提供し、その各々はわずかに異なる角度で伝播している。集束光学系254は結合されたビームをN個の別個の位相検出器上に集中させ、各検出器256は各々の別個の主発振器波長におけるM個のビーム間の位相関係を測定する。上記のように、周波数タグは、検出器256からの測定信号が上述のように各波長群において位相変調器236を調節する同期位相プロセッサ258によって受信されるように、各々の別個の主発振器波長について各々の個々のファイバビームに配置される。したがって、N個の位相検出器256の各々からの信号は、N個のそれぞれの波長の各々において先細のファイバ束242によって結合されるM個のビームの各グループを位相ロックするのに使用される。位相信号は、グループ内のM個のファイバのどれが位相エラーを起こすかを識別するために同期的に処理され、各波長群内のビームが最適に位相ロックされるように、適切な変調器236へ訂正信号を提供する。この実施例では、ファイバ増幅器238は、可干渉性であり偏光した出力ビームを確保するための偏波保持ファイバであり、したがって、SBCグレーティング252からの最大の回折を効率的に得ることができ、これは、通常、1つの偏波状態にとって他方よりはるかに効率的である。   [0073] The beam sampler 250 provides a small sample of a group of N beams incident on the grating 252, each of which propagates at a slightly different angle. Focusing optics 254 focuses the combined beams onto N separate phase detectors, and each detector 256 measures the phase relationship between the M beams at each distinct master oscillator wavelength. As described above, the frequency tag may receive each distinct master oscillator wavelength such that the measurement signal from detector 256 is received by a synchronous phase processor 258 that adjusts phase modulator 236 in each wavelength group as described above. For each individual fiber beam. Thus, the signal from each of the N phase detectors 256 is used to phase lock each group of M beams combined by the tapered fiber bundle 242 at each of the N respective wavelengths. . The phase signal is processed synchronously to identify which of the M fibers in the group cause the phase error, and an appropriate modulator is used so that the beam in each wavelength group is optimally phase locked. A correction signal is provided to 236. In this embodiment, the fiber amplifier 238 is a polarization maintaining fiber to ensure a coherent and polarized output beam, and therefore can efficiently obtain maximum diffraction from the SBC grating 252; This is usually much more efficient for one polarization state than the other.

[0074]図23はシステム230と同様のファイバレーザ増幅器システム260の概略平面図であり、同様の要素は同じ参照番号によって識別される。システム260は、SBCグレーティング252からのゼロ次反射を利用するシステム230に関する単純化された設計である。SBCグレーティング252からの一次反射は所望の場所へ集中される主ビームであり、ビームの部分的な部分はゼロ次としてSBCグレーティング252から反射される。各々の別個の波長群についてSBCグレーティング252からのゼロ次の反射がわずかに異なるので、上述のように、集束光学系254は特定の検出器256上に別個のビームを集中させることができる。したがって、システム260はビームサンプラ250を必要としない。   [0074] FIG. 23 is a schematic plan view of a fiber laser amplifier system 260 similar to system 230, where like elements are identified by the same reference numerals. System 260 is a simplified design for system 230 that utilizes zero order reflection from SBC grating 252. The primary reflection from the SBC grating 252 is the main beam focused to the desired location, and a partial portion of the beam is reflected from the SBC grating 252 as the zero order. Since the zero order reflection from the SBC grating 252 is slightly different for each distinct wavelength group, the focusing optics 254 can focus a distinct beam on a particular detector 256 as described above. Thus, the system 260 does not require the beam sampler 250.

[0075]図24はシステム260に類似したファイバレーザ増幅器システム270の概略平面図であり、同様の要素は同じ参照番号によって識別される。システム260は偏波保持ファイバを使用しており、これは高出力において実現可能かもしれず、実現可能ではないかもしれないものである。システム270はファイバ増幅器256において偏波保持ファイバを使用せず、したがって、各々の別個の主発振器波長群中のファイバビーム間で偏波方向を提供するための技術を使用する必要がある。これを行うために、システム270は、集束光学系254と、各々の別個の波長群の偏波を測定するN個の偏波検出器274にビームの一部を向ける検出器256との間に偏光子272を使用する。サンプリングされたビームは、システム270に示されるゼロ次グレーティング反射によって提供されてもよいし、又はシステム230に示されるように別個のサンプリング光学系によって提供されてもよい。検出器274からの測定された信号は、N個の波長群の各々におけるM個のファイバビーム間の相対的な偏波方向を決定するN個の偏波プロセッサ276に提供され、M個のファイバ増幅器238の各々の低パワー側においてM個の偏波制御部278に適切な信号を提供する。   [0075] FIG. 24 is a schematic plan view of a fiber laser amplifier system 270 similar to system 260, where like elements are identified by the same reference numerals. System 260 uses polarization maintaining fiber, which may or may not be feasible at high power. The system 270 does not use polarization maintaining fiber in the fiber amplifier 256, and therefore needs to use techniques to provide a polarization direction between the fiber beams in each distinct master oscillator wavelength group. To do this, the system 270 is between the focusing optics 254 and a detector 256 that directs a portion of the beam to N polarization detectors 274 that measure the polarization of each distinct wavelength group. A polarizer 272 is used. The sampled beam may be provided by a zero order grating reflection as shown in system 270, or may be provided by a separate sampling optics as shown in system 230. The measured signal from detector 274 is provided to N polarization processors 276 that determine the relative polarization direction between the M fiber beams in each of the N wavelength groups, and the M fibers An appropriate signal is provided to the M polarization controllers 278 on the low power side of each of the amplifiers 238.

[0076]主発振器232からのビームが非常に狭いビーム帯域幅を有する場合、SBCグレーティング252はよりよいビーム品質及びより少ない発散をもたらす。しかし、主発振器232から狭いビーム帯域幅を提供することによって、様々なファイバ及び他の光学コンポーネント内の音響の影響は、光学コンポーネントを損傷する傾向がある誘導ブリユアン散乱(SBS)を引き起こす。したがって、述べたような低いビーム品質に帰着するSBSを防ぐために主発振器信号のビーム帯域幅を増加させることが望ましい。   [0076] If the beam from the master oscillator 232 has a very narrow beam bandwidth, the SBC grating 252 provides better beam quality and less divergence. However, by providing a narrow beam bandwidth from the main oscillator 232, acoustic effects in various fibers and other optical components cause stimulated Brillouin scattering (SBS) that tends to damage the optical components. Therefore, it is desirable to increase the beam bandwidth of the master oscillator signal to prevent SBS resulting in the low beam quality as described.

[0077]図25は、より広いビーム帯域幅の主発振器を可能にするがSBCグレーティング25においてより狭いビーム帯域幅を提供する、ファイバレーザ増幅器システム280の概略平面図であり、同様の要素は同じ参照番号によって識別される。この特徴を提供するために、システム280はN個の前分散(pre-dispersion)グレーティング282を各波長群について1つ含んでいる。分散グレーティング282は、SBCグレーティング252と実質的に同じ分散を有するが各波長群ビームの正味の分散を相殺するように反対に方向付けられた分散補償を提供する。ビームがSBCグレーティング252上で重なり、回折ビームの共同伝播を提供するために正確な角度で入射するように、分散グレーティング282は方向付けられる。分散グレーティング282からのビームが画像中継望遠鏡(image relay telescope)284を使用してSBCグレーティング252上に画像化される場合、ビーム品質は最適化される。中継望遠鏡光学系は、グレーティング表面上の強度が光損傷しきい値未満に維持されるように、分散方向に対して直角の方向において大きなビーム幅を可能にするために円筒状であってもよい。   [0077] FIG. 25 is a schematic plan view of a fiber laser amplifier system 280 that allows a wider beam bandwidth master oscillator but provides a narrower beam bandwidth in the SBC grating 25, with similar elements the same Identified by reference number. To provide this feature, system 280 includes N pre-dispersion gratings 282, one for each wavelength group. The dispersion grating 282 provides dispersion compensation that has substantially the same dispersion as the SBC grating 252 but is oriented in the opposite direction to cancel the net dispersion of each wavelength group beam. The dispersion grating 282 is oriented so that the beams overlap on the SBC grating 252 and are incident at the correct angle to provide co-propagation of the diffracted beam. When the beam from the distributed grating 282 is imaged on the SBC grating 252 using an image relay telescope 284, the beam quality is optimized. The relay telescope optics may be cylindrical to allow a large beam width in a direction perpendicular to the dispersion direction so that the intensity on the grating surface is maintained below the optical damage threshold. .

[0078]システム280において、分散グレーティング282は、上述の方法でSBCグレーティング252と個々に正確に整列させなければならず、これは面倒で複雑となりうる。図26はこの問題に役立つファイバレーザ増幅器システム290の代替的な実施例を示し、システム280と同様の要素は同じ参照番号によって識別される。システム290において、個々の分散グレーティング282は、同じ方法で動作する単一の前分散グレーティング292で置き換えられる。個々のビーム波長群は異なる角度で前分散グレーティング292から反射され、それらは、SBCグレーティング252に衝突する前に、すべてのビームがビームスポットに向けられるように、修正される必要がある。階段ミラー294は各ビーム波長群の個々の段ステップを有するように提供され、すべてのビームがSBCグレーティング252からの回折の後にともに整列されるように、ビームが適切な角度を持つことを可能にするためのステップ高さ及び幅を有するようにステップは適切に選択される。高出力の応用のため、円筒状の光学系296及び298は、ピーク強度を光学系損傷しきい値未満に制限するために階段ミラー294の異なるステップにおいて線焦点又は短焦点へビームの各々のパワー密度を拡大するために、前分散グレーティング292とSBCグレーティング252との間のビームパスにおいて提供される。前分散グレーティングの特性及び入射角はSBCグレーティング252の分散を相殺するように選択される。実質的に正味の分散を持たない1つの設計は、反対の方向を備えた同一のグレーティングを前分散グレーティングとSBCグレーティングとに使用することである。   [0078] In the system 280, the distributed grating 282 must be accurately and individually aligned with the SBC grating 252 in the manner described above, which can be cumbersome and complex. FIG. 26 shows an alternative embodiment of a fiber laser amplifier system 290 that serves this problem, where elements similar to system 280 are identified by the same reference numerals. In system 290, each distributed grating 282 is replaced with a single pre-dispersed grating 292 that operates in the same manner. Individual beam wavelengths are reflected from the pre-dispersion grating 292 at different angles, and they need to be modified so that all beams are directed to the beam spot before impacting the SBC grating 252. A stair mirror 294 is provided with individual step steps for each beam wavelength group, allowing the beams to have the proper angle so that all beams are aligned together after diffraction from the SBC grating 252. The steps are appropriately selected to have step heights and widths to do. For high power applications, the cylindrical optics 296 and 298 are used to power each beam to a line focus or short focus at different steps of the step mirror 294 to limit the peak intensity below the optics damage threshold. In order to increase the density, it is provided in the beam path between the pre-dispersion grating 292 and the SBC grating 252. The characteristics and incidence angle of the pre-dispersion grating are selected to offset the dispersion of the SBC grating 252. One design that has substantially no net dispersion is to use the same grating with opposite directions for the pre-dispersion grating and the SBC grating.

[0079]図27は、2006年10月31日にShakirらに発行され本出願の譲受人に譲渡された、ファイバ増幅器の受動的調整なるタイトルの米国特許第7,130,113号に開示され参照により本明細書に組み込まれる種類などの既知のファイバレーザ増幅器システム300の概略平面図である。システム300は、主発振器を使用せず、代わりに光フィードバックループを使用するので、上述の増幅器システム10及びその他のものとは異なる。増幅器システム300は、光増幅を生成するためにポンプビーム(図示せず)によってポンプされる増幅器304によって表されるファイバ増幅器302を含む。その後、ファイバ増幅器302からの増幅信号は、ファイバビームを平行にする上述の種類のレンズアレイ306に送られる。すべてのファイバビームが同じ方向でともに伝播しているようにするために、レンズアレイ306中の個々のレンズは正確に整列されなければならない。レンズアレイ306からの共同伝播するビームはビームサンプラ308によってサンプリングされ、ほとんどのビームはシステム出力ビームとしてビームサンプラ308を通過する。ビームサンプラ308からのビームのサンプリングされた部分は、ビームフィードバックを提供するシングルモードファイバ314を介して送られるために、結合レンズ310によって集中され且つ収集器(collector)312によって集められる。ファイバ314は単一モードであるので、上述の位相変調器への電気的フィードバックによって提供されるアクティブ制御とは対照的に、ファイバ増幅器302中のファイバビームの位相整列を受動的に提供する。光が単にフィードバック方向に伝播するように、光アイソレータ16がシングルモードファイバ314において提供される。フィードバックビームは前置増幅器318により増幅され、いくつかのファイバ増幅器302にファイバビームを提供するためにビームスプリッタによって分割される。この技術はファイバ増幅器302の位相を受動的にロックする際に有効であることが示されたが、システム10に関して上述のフィルファクタ問題になお悩まされる。   [0079] FIG. 27 is disclosed in US Pat. No. 7,130,113 entitled Passive Tuning of Fiber Amplifiers, issued to Shakir et al. On Oct. 31, 2006 and assigned to the assignee of the present application. FIG. 2 is a schematic plan view of a known fiber laser amplifier system 300, such as the type incorporated herein by reference. The system 300 differs from the amplifier system 10 described above and others because it does not use a master oscillator but instead uses an optical feedback loop. The amplifier system 300 includes a fiber amplifier 302 represented by an amplifier 304 that is pumped by a pump beam (not shown) to produce optical amplification. The amplified signal from the fiber amplifier 302 is then sent to a lens array 306 of the type described above that collimates the fiber beam. In order for all fiber beams to propagate together in the same direction, the individual lenses in lens array 306 must be accurately aligned. Co-propagating beams from lens array 306 are sampled by beam sampler 308, with most beams passing through beam sampler 308 as the system output beam. The sampled portion of the beam from the beam sampler 308 is concentrated by the coupling lens 310 and collected by the collector 312 for transmission through a single mode fiber 314 that provides beam feedback. Because fiber 314 is single mode, it passively provides phase alignment of the fiber beam in fiber amplifier 302 as opposed to active control provided by electrical feedback to the phase modulator described above. An optical isolator 16 is provided in the single mode fiber 314 so that the light simply propagates in the feedback direction. The feedback beam is amplified by a preamplifier 318 and split by a beam splitter to provide a fiber beam to several fiber amplifiers 302. Although this technique has been shown to be effective in passively locking the phase of the fiber amplifier 302, it still suffers from the fill factor problem described above with respect to the system 10.

[0080]システム300はまた、設計においてよりコンパクトであり、且つ、上述のものと同じ方法で先細のファイバ束を使用することにより整列を要求する光学コンポーネントを低減するように改善することができる。図28はこの実施例を示すファイバレーザ増幅器システム330の概略平面図であり、システム300と同様の要素は同じ参照番号によって識別される。システム330は、先細のファイバ束332の出力においてビーム重なりを提供するために上述の方法でファイバ増幅器302を結合する先細のファイバ束332を含む。端部キャップ334は先細のファイバ束332に結合され、上述の様々な端部キャップの実施例のうち任意のものであってよい。端部キャップ334からの出力ビームは、集束光学系338及び平行光学系340を含む、平行にし拡大する望遠鏡(collimating and magnifying telescope)336によって集められる。したがって、システム330は、コンパクトな設計でシステム300のフィルファクタ問題を解決する。上記のように、集束光学系338は、正のGRINレンズなどの端部キャップ334の一部であってもよい。   [0080] The system 300 is also more compact in design and can be improved to reduce optical components requiring alignment by using tapered fiber bundles in the same manner as described above. FIG. 28 is a schematic plan view of a fiber laser amplifier system 330 illustrating this embodiment, where elements similar to system 300 are identified by the same reference numbers. The system 330 includes a tapered fiber bundle 332 that couples the fiber amplifier 302 in the manner described above to provide beam overlap at the output of the tapered fiber bundle 332. The end cap 334 is coupled to the tapered fiber bundle 332 and may be any of the various end cap embodiments described above. The output beam from the end cap 334 is collected by a collimating and magnifying telescope 336 that includes focusing optics 338 and parallel optics 340. Thus, the system 330 solves the fill factor problem of the system 300 with a compact design. As described above, the focusing optical system 338 may be part of an end cap 334 such as a positive GRIN lens.

[0081]システム300及び330が受動的に自己偏波している(self-polarizing)ことは可能であり、これは、すべてのファイバビームが同じ偏波状態を有することを意味し、可干渉性ビーム結合に必要である。これは受動的にシングルモードファイバ314を使用して行うことができ、又は、ファイバ増幅器302の偏波を、偏波保持ファイバを含むことによりすべてが同じ偏波を有するように強制することができる。代替的に、偏波制御部は上述のような方法でファイバ増幅器302において偏波方向を維持するためにシステムにおいて提供することができる。図29は偏波制御を提供するファイバレーザ増幅器システム350の概略平面図であり、システム300及び330と同様の要素が同じ参照番号によって識別される。この実施例において、偏光子352は、結合レンズ310と、先細のファイバ束332の出力ビームからの結合されたビームにおける偏波の差を測定する偏波検出器354にビームの一部を向ける収集器312との間に提供される。同期するN個のビーム偏波プロセッサ356は、偏波検出器354から測定された偏波信号を受信し、各ファイバ増幅器302における偏波方向が維持されるように、各ファイバ増幅器302において偏波制御部358を制御する。N個のビームのうちのどれが訂正を要するかを偏波プロセッサ356が識別するために、偏波制御部358の各々は、以前の実施例において位相制御について述べた方法と同様に、独自のディザリング周波数又は符号を提供しなければならない。   [0081] It is possible for the systems 300 and 330 to be passively self-polarizing, which means that all fiber beams have the same polarization state and are coherent. Necessary for beam combining. This can be done passively using the single mode fiber 314 or the polarization of the fiber amplifier 302 can be forced to have all the same polarization by including a polarization maintaining fiber. . Alternatively, a polarization controller can be provided in the system to maintain the polarization direction in the fiber amplifier 302 in the manner described above. FIG. 29 is a schematic plan view of a fiber laser amplifier system 350 that provides polarization control, where elements similar to systems 300 and 330 are identified by the same reference numerals. In this embodiment, the polarizer 352 collects a portion of the beam toward the coupling lens 310 and a polarization detector 354 that measures the polarization difference in the combined beam from the output beam of the tapered fiber bundle 332. Provided to the device 312. The synchronized N beam polarization processors 356 receive the polarization signal measured from the polarization detector 354 and maintain the polarization direction in each fiber amplifier 302 such that the polarization direction in each fiber amplifier 302 is maintained. The control unit 358 is controlled. In order for the polarization processor 356 to identify which of the N beams needs correction, each of the polarization controllers 358 has its own, similar to the method described for phase control in the previous embodiment. A dithering frequency or code must be provided.

[0082]図30はシステム300、330及び350に類似するファイバレーザ増幅器システム360の概略平面図であり、同様の要素は同じ参照番号によって識別される。この実施例において、平行にし拡大する望遠鏡は、組み合わされたレンズ並びにレンズ364及びサンプリンググレーティング366を含むサンプリンググレーティングアセンブリ362を含む。レンズ364は端部キャップ334からの出力ビームを平行にし、サンプリンググレーティング366は、結合レンズ310上に出力ビームの小さな部分をリダイレクトする。サンプリンググレーティング366は、追加の別個の光学系を導入することなく出力の任意の小標本を提供することができる。拡大する望遠鏡はまた、レンズの代わりにミラーを使用することができる。   [0082] FIG. 30 is a schematic plan view of a fiber laser amplifier system 360 similar to systems 300, 330 and 350, where like elements are identified by the same reference numerals. In this embodiment, the collimating and expanding telescope includes a combined lens and a sampling grating assembly 362 that includes a lens 364 and a sampling grating 366. Lens 364 collimates the output beam from end cap 334, and sampling grating 366 redirects a small portion of the output beam onto coupling lens 310. The sampling grating 366 can provide any small sample of output without introducing additional separate optics. Magnifying telescopes can also use mirrors instead of lenses.

[0083]上記の議論は例示的な実施例を開示し説明するにすぎない。当業者であれば、そのような議論から、及び添付の図面及び特許請求の範囲から、以下の特許請求の範囲において規定されるような本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく様々な変更、修正及び変化を行うことができることを容易に認識するであろう。   [0083] The above discussion merely discloses and describes exemplary embodiments. Those skilled in the art will recognize from such discussion and various modifications, without departing from the spirit and scope of the present invention, as defined in the following claims, from the accompanying drawings and claims. It will be readily appreciated that modifications and changes can be made.

Claims (21)

信号ビームを生成する主発振器と、
前記信号ビームを複数のファイバビームへと分割するスプリッタと、
前記ファイバビームのうちの1つを各々が受け取り、位相変調を提供する、複数の位相変調器と、
前記位相変調器のうちの1つからのファイバビームを各々が受け取る複数のファイバ増幅器であって、前記ファイバビームを増幅し、各々が出力端部を含む、複数のファイバ増幅器と、
入力端部及び出力端部を含む先細のファイバ束であって、前記入力端部はすべての前記ファイバ増幅器の前記出力端部に結合され、前記先細のファイバ束の前記出力端部は単一のファイバマスにおいてファイバコアを備えたすべてのファイバ増幅器の部分を含む組み合わされたファイバであり、前記先細のファイバ束は結合された出力ビームを出力前記先細のファイバ束は、各ファイバ増幅器を伝播する個々のファイバモードが前記先細のファイバ束においてコヒーレントに組み合わさって前記結合された出力ビーム内の単一の結合されたファイバモードとなるように、形成されて構成される、先細のファイバ束と、
前記先細のファイバ束の前記出力端部に光学的に結合され、前記先細のファイバ束からの前記出力ビームを拡張する端部キャップと、
前記端部キャップからの前記出力ビームの一部をサンプリングし、サンプルビームを提供するビームサンプラと
を具備するファイバ増幅器システム。
A main oscillator that generates a signal beam;
A splitter for splitting the signal beam into a plurality of fiber beams;
A plurality of phase modulators each receiving one of said fiber beams and providing phase modulation;
A plurality of fiber amplifiers each receiving a fiber beam from one of said phase modulators, amplifying said fiber beam, each including an output end;
A tapered fiber bundle including an input end and an output end, wherein the input end is coupled to the output end of all the fiber amplifiers, and the output end of the tapered fiber bundle is a single A combined fiber that includes all fiber amplifier portions with fiber cores in a fiber mass, wherein the tapered fiber bundle outputs a combined output beam, and the tapered fiber bundle propagates through each fiber amplifier. A tapered fiber bundle formed and configured such that individual fiber modes to be combined coherently in the tapered fiber bundle into a single combined fiber mode in the combined output beam ; ,
An end cap optically coupled to the output end of the tapered fiber bundle and extending the output beam from the tapered fiber bundle;
A fiber amplifier system comprising a beam sampler that samples a portion of the output beam from the end cap and provides a sample beam.
位相検出器及び同期位相プロセッサをさらに具備し、前記位相検出器は前記サンプルビーム中の前記ファイバビームの位相を検出し且つ位相測定信号を前記位相プロセッサに提供し、前記位相プロセッサは前記位相測定信号に応答して前記ファイバ増幅器中の前記ファイバビームの光位相を制御するために前記位相変調器を制御する請求項1に記載のシステム。   A phase detector and a synchronous phase processor, wherein the phase detector detects a phase of the fiber beam in the sample beam and provides a phase measurement signal to the phase processor; The system of claim 1, wherein the phase modulator is controlled to control an optical phase of the fiber beam in the fiber amplifier in response to. 前記位相検出器は、周波数変調もしくは振幅変調のための異なる周波数又は符号分割多元接続もしくは時分割多元接続のための異なる符号を使用して前記ファイバビームについて位相又は振幅における独自のディザリングを検出することにより、前記ファイバビームの位相を検出する請求項2に記載のシステム。 The phase detector detects the own dithering the phase or amplitude for said fiber beam using different codes for different frequency or code division multiple access or time division multiple access for frequency modulation or amplitude modulation The system of claim 2, wherein the phase of the fiber beam is detected. 偏波検出器、同期偏波プロセッサ、及び各々が前記ファイバビームのうちの1つを受け取る複数の偏波制御部をさらに具備し、前記偏波検出器は前記サンプルビーム中の前記ファイバビームの偏波を検出して偏波測定エラー信号を前記偏波プロセッサに提供し、前記偏波プロセッサは前記偏波測定エラー信号に応答して前記ファイバ増幅器中の前記ファイバビームの偏波を制御するように前記偏波制御部を制御して前記ファイバビームの偏波の方向を同一にする請求項1に記載のシステム。   A polarization detector, a synchronous polarization processor, and a plurality of polarization controllers each receiving one of the fiber beams, the polarization detector comprising a polarization of the fiber beam in the sample beam. Detecting a wave and providing a polarization measurement error signal to the polarization processor, wherein the polarization processor controls the polarization of the fiber beam in the fiber amplifier in response to the polarization measurement error signal. The system according to claim 1, wherein the polarization control unit is controlled to make the polarization directions of the fiber beams the same. 前記偏波検出器は、周波数変調もしくは振幅変調のための異なる周波数又は符号分割多元接続もしくは時分割多元接続のための異なる符号を使用して前記ファイバビームについて位相又は振幅における独自のディザリングを検出することにより、前記ファイバビームの偏波を検出する請求項4に記載のシステム。   The polarization detector detects unique dithering in phase or amplitude for the fiber beam using different frequencies for frequency modulation or amplitude modulation or different codes for code division multiple access or time division multiple access The system according to claim 4, wherein the polarization of the fiber beam is detected. 前記ビームサンプラの前に前記端部キャップからの前記出力ビームを受け取り、前記出力ビームを拡張し平行にする、平行にし拡大する望遠鏡をさらに具備する請求項1に記載のシステム。   The system of claim 1, further comprising a telescope that receives the output beam from the end cap before the beam sampler, expands and collimates the output beam, and collimates. 前記先細のファイバ束は前記ファイバ増幅器の周りに配置された複数のコアのないクラッドファイバを含む請求項1に記載のシステム。   The system of claim 1, wherein the tapered fiber bundle includes a plurality of coreless clad fibers disposed around the fiber amplifier. 前記先細のファイバ束は前記ファイバ増幅器の周りに提供される低屈折率の屈折ガラス管を含む請求項1に記載のシステム。   The system of claim 1, wherein the tapered fiber bundle includes a low index refractive glass tube provided around the fiber amplifier. 前記ファイバ増幅器はマルチコアファイバへと一緒に結合され、前記マルチコアファイバ中の各ファイバは空気クラッド層を含み、前記マルチコアファイバは別個の構成ファイバに1つの端部において化学的にエッチングされ、前記個々のファイバ増幅器は前記構成ファイバへの接合によって前記マルチコアファイバに結合され、前記マルチコアファイバの他方の端部は前記先細のファイバ束を形成するために先細りにされる請求項1に記載のシステム。   The fiber amplifier is coupled together into a multicore fiber, each fiber in the multicore fiber includes an air cladding layer, the multicore fiber is chemically etched at one end into a separate constituent fiber, and the individual core The system of claim 1, wherein a fiber amplifier is coupled to the multi-core fiber by bonding to the constituent fiber, and the other end of the multi-core fiber is tapered to form the tapered fiber bundle. 前記端部キャップは一緒に光学的に結合された負の屈折率分布型レンズ及び均一のガラスロッドを含み、前記負の屈折率分布型レンズは前記先細のファイバ束の前記出力端部に結合される請求項1に記載のシステム。   The end cap includes a negative gradient index lens and a uniform glass rod that are optically coupled together, and the negative gradient index lens is coupled to the output end of the tapered fiber bundle. The system according to claim 1. 前記端部キャップは、前記端部キャップの出力端部において提供される反射防止コーティングと、前記端部キャップの出力端部に結合されたつながれた正の屈折率分布型レンズ又は前記端部キャップの出力端部において湾曲面によって形成された正のレンズとを含む請求項1に記載のシステム。   The end cap includes an anti-reflective coating provided at the output end of the end cap and a positive gradient index lens coupled to the output end of the end cap or the end cap. The system of claim 1 including a positive lens formed by a curved surface at the output end. 前記正のレンズは平行にし拡大する望遠鏡の一部である請求項11に記載のシステム。   The system of claim 11, wherein the positive lens is part of a collimating and expanding telescope. 前記端部キャップの面は表面レンズを形成するために湾曲される請求項1に記載のシステム。   The system of claim 1, wherein the end cap surface is curved to form a surface lens. 各々が異なる波長で信号ビームを生成する複数の主発振器と、
各々が前記信号ビームのうちの1つを受け取り且つ前記信号ビームを複数のファイバビームへと分割する複数のスプリッタと、
各スプリッタによって分割された各ファイバビームについて別個の位相変調器を含み、各々が前記ファイバビームのうちの1つを受け取って位相変調を提供する、複数の位相変調器と、
複数のファイバ増幅器であって、別個のファイバ増幅器が各ファイバビームに対して提供され、各ファイバ増幅器は前記位相変調器のうちの1つからファイバビームを受け取り、前記ファイバ増幅器は前記ファイバビームを増幅し、前記ファイバ増幅器は各々が出力端部を含む、複数のファイバ増幅器と、
複数の先細のファイバ束であって、別個の先細のファイバ束が各主発振器波長群に提供され、各先細のファイバ束は入力端部及び出力端部を含み、各先細のファイバ束の前記入力端部は同じ波長信号ビームを受け取るすべての前記ファイバ増幅器の前記出力端部に結合され、各先細のファイバ束の前記出力端部は単一のファイバマスにおいてファイバコアと同じ波長信号ビームを受け取るすべての前記ファイバ増幅器の一部を含む組み合わされたファイバであり、各先細のファイバ束は前記ファイバ増幅器によって受け取られた波長で結合されたビームを出力各先細のファイバ束は、各ファイバ増幅器を伝播する個々のファイバモードが前記先細のファイバ束においてコヒーレントに組み合わさって前記結合された出力ビーム内の単一の結合されたファイバモードとなるように、形成されて構成される、複数の先細のファイバ束と、
複数の端部キャップであって、別個の端部キャップは各先細のファイバ束の前記出力端部に光学的に結合され、前記端部キャップは前記先細のファイバ束からの前記結合されたビームを拡張する、複数の端部キャップと、
記先細のファイバ束から前記結合されたビームを受け取り、前記結合されたビームを同一の方向に向けられた単一のビームとして出力する、スペクトルビーム結合(SBC)グレーティングと
を具備するファイバ増幅器システム。
A plurality of master oscillators each generating a signal beam at a different wavelength;
A plurality of splitters each receiving one of the signal beams and splitting the signal beam into a plurality of fiber beams;
A plurality of phase modulators, each including a separate phase modulator for each fiber beam split by each splitter, each receiving one of said fiber beams and providing phase modulation;
A plurality of fiber amplifiers, wherein a separate fiber amplifier is provided for each fiber beam, each fiber amplifier receiving a fiber beam from one of the phase modulators, and the fiber amplifier amplifying the fiber beam A plurality of fiber amplifiers, each including an output end; and
A plurality of tapered fiber bundles, wherein separate tapered fiber bundles are provided for each master oscillator wavelength group, each tapered fiber bundle including an input end and an output end, wherein the input of each tapered fiber bundle The ends are coupled to the output ends of all the fiber amplifiers that receive the same wavelength signal beam, and the output ends of each tapered fiber bundle all receive the same wavelength signal beam as the fiber core in a single fiber mass It said a combined fiber comprises a portion of a fiber amplifier, a fiber bundle of each tapered outputs a beam that is coupled at a wavelength received by said fiber amplifier, a fiber bundle of each tapered, each fiber amplifier Propagating individual fiber modes are coherently combined in the tapered fiber bundle to form a single in the combined output beam. As will be engaged fiber mode, and is formed, a plurality of tapered fiber bundle,
A plurality of end caps, wherein a separate end cap is optically coupled to the output end of each tapered fiber bundle, and the end cap is configured to couple the combined beam from the tapered fiber bundle. Multiple end caps to expand;
Before SL tapered takes accept the combined beam from the fiber bundle, and outputs the pre-Symbol combined beam as a single beam directed in the same direction, and a spectral beam combining (SBC) Grating Fiber amplifier system.
複数の位相検出器をさらに具備し、別個の位相検出器が各別個の信号ビーム波長に対して提供され、複数の同期位相プロセッサをさらに具備し、別個の位相プロセッサが各別個の信号ビーム波長に対して提供され、各位相検出器は各信号ビーム波長について前記ファイバビームの位相を検出して位相測定信号を前記位相プロセッサの1つに提供し、前記位相プロセッサは、前記位相測定信号に応答して、前記ファイバ増幅器において各信号ビーム波長に対して前記ファイバビームの光位相を制御するように前記位相変調器を制御する請求項14に記載のシステム。   A plurality of phase detectors, wherein a separate phase detector is provided for each distinct signal beam wavelength, further comprising a plurality of synchronous phase processors, and a separate phase processor for each distinct signal beam wavelength. And each phase detector detects a phase of the fiber beam for each signal beam wavelength and provides a phase measurement signal to one of the phase processors, the phase processor responsive to the phase measurement signal. 15. The system of claim 14, wherein the phase modulator is controlled to control the optical phase of the fiber beam for each signal beam wavelength in the fiber amplifier. 複数の偏波検出器をさらに具備し、別個の偏波検出器が各別個の信号ビーム波長に対して提供され、複数の同期偏波プロセッサをさらに具備し、別個の偏波プロセッサが各別個の信号ビーム波長に対して提供され、複数の偏波制御部をさらに具備し、前記偏波検出器は前記結合されたビームの一部を受け取って偏波測定エラー信号を提供し、前記複数の偏波プロセッサの各々は前記偏波検出器から前記測定エラー信号を受け取り、各偏波プロセッサは1つのファイバビームに対して偏波制御部を制御する請求項14に記載のシステム。   A plurality of polarization detectors, wherein a separate polarization detector is provided for each distinct signal beam wavelength, further comprising a plurality of synchronous polarization processors, each comprising a separate polarization processor; A polarization controller provided for a signal beam wavelength, wherein the polarization detector receives a portion of the combined beam and provides a polarization measurement error signal; 15. The system of claim 14, wherein each wave processor receives the measurement error signal from the polarization detector, and each polarization processor controls a polarization controller for one fiber beam. 複数の前分散グレーティングをさらに具備し、別個の前分散グレーティングは単一の主発振器波長に対して前記結合されたビームのうちの1つを受け取り、前記前分散グレーティングは前記SBCグレーティングに対して分散補償を提供し、前記前分散グレーティングの各々は前記分散補償された結合されたビームを前記SBCグレーティングへ向ける請求項14に記載のシステム。   And further comprising a plurality of pre-dispersion gratings, wherein the separate pre-dispersion grating receives one of the combined beams for a single master oscillator wavelength, the pre-dispersion grating being dispersed with respect to the SBC grating The system of claim 14, wherein compensation is provided, each of the pre-dispersion gratings directs the dispersion-compensated combined beam to the SBC grating. 前記先細のファイバ束からすべての前記結合されたビームを受け取り、前記結合されたビームの分散補償を提供する単一の前分散グレーティングをさらに具備する請求項14に記載のシステム。   The system of claim 14, further comprising a single pre-dispersion grating that receives all the combined beams from the tapered fiber bundle and provides dispersion compensation for the combined beams. フィードバックビームを複数のファイバビームへと分割するスプリッタと、
各々がファイバビームを受け取って増幅する複数のファイバ増幅器であって、各々が出力端部を含む、複数のファイバ増幅器と、
入力端部及び出力端部を含む先細のファイバ束であって、前記入力端部はすべての前記ファイバ増幅器の前記出力端部に結合され、前記先細のファイバ束の前記出力端部は単一のファイバマスにおいてファイバコアを備えたすべての前記ファイバ増幅器の一部を含む組み合わされたファイバであり、前記先細のファイバ束は結合された出力ビームを出力前記先細のファイバ束は、各ファイバ増幅器を伝播する個々のファイバモードが前記先細のファイバ束においてコヒーレントに組み合わさって前記結合された出力ビーム内の単一の結合されたファイバモードとなるように、形成されて構成される、先細のファイバ束と、
前記先細のファイバ束の前記出力端部に光学的に結合され、前記先細のファイバ束からの前記出力ビームを拡張する端部キャップと、
前記端部キャップからの前記出力ビームの一部をサンプリングし、集中されたサンプルビームを提供するビームサンプラと、
前記ビームサンプラからの前記集中されたサンプルビームを受け取って前記フィードバックビームを提供するシングルモードファイバと
を具備するファイバ増幅器システム。
A splitter that splits the feedback beam into multiple fiber beams;
A plurality of fiber amplifiers each receiving and amplifying a fiber beam, each including an output end;
A tapered fiber bundle including an input end and an output end, wherein the input end is coupled to the output end of all the fiber amplifiers, and the output end of the tapered fiber bundle is a single A combined fiber comprising a portion of all the fiber amplifiers with fiber cores in a fiber mass, wherein the tapered fiber bundles output a combined output beam, and the tapered fiber bundles are each fiber amplifier Tapered fiber formed and configured such that individual fiber modes propagating through the fiber are coherently combined in the tapered fiber bundle into a single combined fiber mode in the combined output beam A bunch,
An end cap optically coupled to the output end of the tapered fiber bundle and extending the output beam from the tapered fiber bundle;
A beam sampler that samples a portion of the output beam from the end cap and provides a focused sample beam;
A fiber amplifier system comprising a single mode fiber that receives the focused sample beam from the beam sampler and provides the feedback beam.
偏波検出器、同期偏波プロセッサ及び各々が前記ファイバビームのうちの1つを受け取る複数の偏波制御部をさらに具備し、前記偏波検出器は前記サンプルビーム中の前記ファイバビームの偏波を検出して偏波測定エラー信号を前記偏波プロセッサに提供し、前記偏波プロセッサは前記偏波測定エラー信号に応答して前記ファイバ増幅器中の前記ファイバビームの偏波を制御するよう前記偏波制御部を制御して前記ファイバビームの偏波の方向を同一にする請求項19に記載のシステム。   A polarization detector; a synchronous polarization processor; and a plurality of polarization controllers each receiving one of the fiber beams, wherein the polarization detector is a polarization of the fiber beam in the sample beam. And detecting a polarization measurement error signal to the polarization processor, wherein the polarization processor controls the polarization of the fiber beam in the fiber amplifier in response to the polarization measurement error signal. The system according to claim 19, wherein the direction of polarization of the fiber beam is made the same by controlling a wave control unit. 前記シングルモードファイバ中の前記フィードバックビームを受け取り、前記スプリッタに送られる前に前記フィードバックビームを増幅する前置増幅器をさらに具備する請求項19に記載のシステム。   20. The system of claim 19, further comprising a preamplifier that receives the feedback beam in the single mode fiber and amplifies the feedback beam before being sent to the splitter.
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