JP5822850B2 - レーザ装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ装置に関する。本発明は、クラッド励起されるファイバレーザの効率を向上して、消費されるエネルギーを少なくさせることができるので、環境により良い。

ファイバレーザは、マーキング、切断、溶接及びろう付け等の多くの工業工程の広い商業的応用を見つけている。ダイオード励起のファイバレーザは、回折限界に近いビームで１０Ｗ〜２ｋＷのレーザ光を放射でき、商業的に利用可能に成っている。これらのレーザは、基本モードを放射する希土類がドープされた光ファイバに基づいている。光ファイバは、米国特許第６，６１４，９７５号に記載されているような、通常、大モード面積ファイバに基づいている。大モード面積は、従来の単一モードファイバが使用されるならば、出力パワーレベルがレーザ内の光学系及び光ファイバに対して光学的ダメージを生じさせるであろうレベルに増加することを許容し、本当に単一モードコアが用いられるならば、誘導ラマン散乱及び誘導ブリルアン散乱のような非線形効果を生じるだろう。

出力パワーの更なる増加が、ファイバレーザが回折限界に近いビームを放射するという要求を緩和することによって、達成され得る。少数モードファイバレーザ（２〜約２０までの範囲のビーム品質Ｍ）は、コアの直径を増加することによって設計され得る。これは、競合技術よりも優れたビーム品質を維持したまま、出力パワーを増加できる。いくつかの希土類ドープされたファイバからの単一モード又は少数モードレーザ光を組み合わせることにより、更にパワーの増加を達成し得る。優秀な品質を有し１ｋＷ〜５０ｋＷまでのレーザ光を放射できる希土類ドープされたファイバレーザが、商業的に利用可能である。

通常、ファイバレーザは、励起光が、希土類がドープされたコア及び内部クラッド及び外部クラッドを有する光ファイバにおける内部クラッド内に結合するクラッド励起を用いる。励起光は、内側クラッドに沿って導かれて、次第にコアによって吸収される。クラッド励起は、低コスト且つ高出力且つ多モードレーザダイオードによって励起光が供給され得るという点において大きな長所を有する。内部クラッドの面積とコアの面積との比とほぼ等しいファクタだけ、励起光を吸収するために要するファイバの長さが、コア励起ファイバレーザよりも長いという点が短所である。この長さの増加は、ファイバレーザ又は増幅器の効率を低下し且つ望ましくない光学非線形効果を増加するので、望ましくない。

一般に、増幅された光信号が、最適な材質加工能力のために高いビーム品質及び高いピーク出力を有することが望ましい。光ファイバでは、高いビーム品質は、コアの寸法に対して所定の制限を設けて、単一モード又は少数モードの伝搬を維持する。コア寸法におけるこれらの制約は、高出力の光放射の増幅中にコア内の高い光強度を導く。高い光強度は、望ましくない光学非線形性を導く。この光学非線形性は、短いファイバ長によって相互作用長が最小化されて軽減されることが必要とされる。例えば、１０Ｗ〜５０Ｗの平均出力を有するパルスファイバレーザは、通常、５ｋＷを超えるピーク出力を有する。ファイバ長を低減することは、誘導ブリルアン散乱及び誘導ラマン散乱を回避するために重要である。前者は、ファイバのコア内で関連する音響フォノン散乱による望ましくないパルス及び破滅的な不具合を導き得る。後者は、望ましくない波長シフトを導き得る。また、同様の非線形効果が、高出力連続波レーザにおいて見られる。この高出力連続波レーザでは、１００Ｗを超える出力レベルが誘導ラマン散乱によって誘発される波長シフトを導き得る。問題は、単一モードレーザにおける約４００Ｗ〜２ｋＷの間及び少数モード又は多モードレーザにおける約４ｋＷ〜５０ｋＷの間で明らかに更により重大となる。

光ファイバの長さを最小化し、それによって損失及び非線形効果を最小化するために、コア内の利得ドーパントの最大吸収ピークに良く一致した励起波長を用いることが好ましい。良く使用される希土類ドーパントはイッテルビウムであり、９７６±３ｎｍに吸収ピークを有する。この吸収ピークは、９１０ｎｍと９７０ｎｍとの間の吸収よりも、約２〜３倍の単位長さあたりの吸収を有する。しかし、多モード励起レーザダイオードは、装置間の良くない波長再現性（通常、±１０ｎｍ）、波長の強い温度依存性（通常、０．３ｎｍ／Ｋ）、及び出力パワーへの強い波長依存性（通常、１ｎｍ／Ｗ）を有する。工業用レーザに対する通常の動作温度範囲（０〜６０℃）において、励起ダイオードによって放射される波長は、３０ｎｍも変化し得る。例えレーザダイオードが温度的に安定していても、波長の出力依存性（１０Ｗ放射に対して１０ｎｍ）は、特に励起ダイオードが繰り返しオンオフ切り替えされるパルス適用において、イッテルビウムの最大吸収ピークを直接励起することを困難にする。励起ダイオードを繰り返しオンオフに切り替えることは、励起ダイオードが作動する毎に温度的に安定する間の励起波長変化及び励起ダイオードの平均温度が温度的に安定する時の励起波長変化を導く。他の希土類ドーパント、及び、例えば、９７６ｎｍにおいて最適に励起されて１５５０ｎｍ〜１５６０ｎｍあたりで放射するエルビウム−イッテルビウムファイバのような、２つ以上の希土類ドーパントを含むファイバに対しても同様の制約が生じる。希土類ドーパントの最大吸収ピークを安く且つ確実に直接励起することの困難性が、低コストの希土類ドープされたファイバレーザ及び増幅器、特に希土類ドープされたパルスファイバレーザ及び増幅器において、ピーク出力能力への制約をもたらす。大部分の高出力のイッテルビウムがドープされたファイバレーザ及び増幅器が、イッテルビウムの吸収が９７６ｎｍにおける吸収よりも約２〜３倍小さい９１０ｎｍ〜９５０ｎｍの範囲の波長内で、励起光を放射する多モードレーザダイオードを使用するのは、これらの理由による。

励起波長を安定化する最近のアプローチは、体積ブラッグ回折格子を用いて多モードレーザダイオードへフィードバックを提供して、ある程度の波長同期をもたらす。体積ブラッグ回折格子は、高価であり、ファイバレーザにおいて良く使用される単一の放射レーザダイオードとは対照的に、高電流レーザダイオードバー（ｄｉｏｄｅ ｂａｒ）において通常使用される。通常の温度及び動作出力範囲における波長同期能力には疑問がある。

従って、レーザ光が利得媒体のピーク吸収と一致し得るレーザ装置が必要とされている。環境的（即ち、環境に優しい）考慮に対して重要である関連する要求は、レーザ及び増幅器の効率を向上することである。更なる要求は、望ましくない非線形効果を被ることなくファイバレーザ及び増幅器からの光出力の増加を許容することである。

本発明の目的は、上述した問題を低減するレーザ装置を提供することである。

本発明の制限のない実施形態によれば、基準光源と、基準ファイバと、少なくとも１つのレーザダイオードとを有するレーザ装置であって、上記基準ファイバは、屈折率ｎ１を有するコア及び屈折率ｎ２を有する第１クラッドを備え、上記第１クラッドは屈折率ｎ３を有する第２クラッドにより囲まれており、屈折率ｎ１は屈折率ｎ２よりも大きく、屈折率ｎ２は屈折率ｎ３よりも大きく、上記レーザダイオードは、上記基準ファイバの上記第１クラッドの中を通って導かれるレーザ光を放射し、上記基準光源は、所定の波長を有する基準光を放射し、上記基準光は、上記基準ファイバの上記コアの中を通って上記レーザダイオードへ導かれ、上記基準ファイバの上記コアの中を通って上記レーザダイオードへ導かれる上記基準光は、上記レーザダイオードの注入同期閾値よりも大きい上記所定の波長における出力（ｐｏｗｅｒ:パワー）を有しており、それによって上記レーザダイオードを注入同期する、レーザ装置が提供される。

注入同期は、第１発振器の出力周波数が、通常、より安定した第２発振器から第１発振器の中への結合光によって制御されるプロセスである。一般に、レーザダイオードは、温度依存性であり、レーザダイオードのスイッチが入る時に変化する不明確な波長を有する。基準光源からの基準光をレーザダイオードの中に結合させることによって、その出力波長が基準光の波長と実質的に等しくなることが強いられるようにレーザダイオードを注入同期することができる。これは、レーザダイオードの波長が、所定の波長で放射する基準光源を選択することによって決定されることを可能とする。また、それは、レーザダイオードの波長が、レーザダイオードが作動した後直ぐに熱平衡を確立した時に、安定することを可能とする。

所定の波長は、ユーザによって事前に選択された波長である。所定の波長は、増幅器又はレーザが、最大の効率、最小のノイズ、最大の出力、最も短い長さ、最低の非線形位相、又はユーザにとって重要である他のパラメータで、レーザダイオードによって励起され得る波長であり得る。

有利には、本発明は、基準光源の所定の波長の選択によって決定される注入同期波長の広い選択幅を有するレーザ出力において高いレベルの出力パワー（レーザダイオードによって放射される出力の６０％よりも大きい、好ましくは約９０％よりも大きく、更に好ましくは９５％よりも大きい）を提供して、レーザダイオードを、特に多モードレーザダイオードを、迅速に且つ簡単に注入同期する手段を提供する。適切な所定の波長は、希土類がドープされたファイバレーザ、ロッドレーザ又はディスクレーザのピーク吸収波長と、ファイバレーザ、ロッドレーザ又はディスクレーザにおける熱散逸が低減するか又は好ましくは最小化される波長と、ファイバレーザ、ロッドレーザ又はディスクレーザ内の効率を最適化する波長とを含む。これらの特徴は、ファイバレーザ、ロッドレーザ又はディスクレーザにおける波長同期した励起光の高速な変調速度を達成することと調和し、このことは、マーキング、切断、溶接及びろう付けの応用において高速なプロセス制御に対して必要である。更に、それは、向上した効率及び低減される増幅器のファイバ長と共に達成される高速な変調速度を許容し、これらの組み合わせは、増幅器及びレーザから取得可能なより低い非線形効果（自己位相変調のような）及び／又はより高いピーク出力を導く。本発明は、多モードレーザ励起ダイオードの良くない波長制御及び再現性、即ち、装置間の良くない波長再現性±１０ｎｍ、波長の強い温度依存性（０．３ｎｍ／Ｋ）、及び波長への強い出力依存性（１ｎｍ／Ｗ）の問題を解決する。本発明は、最適な材料加工能力のために、増幅された光信号が、高出力の光放射の増幅中に、コア内で高い光強度を必要とすることなく、高いビーム品質及び高いピーク出力を有することを許容する。それは、短いファイバ長を許容して、望ましくない光非線形性を回避するために使用される。それは、１０Ｗ〜５０Ｗの平均出力及び５ｋＷを超えるピーク出力を有するパルスファイバレーザにおいて、自己位相変調及び誘導ブリルアン散乱によるパルス歪みを低減するために特に役立つ。また、それは、１００Ｗ、４００Ｗ、１ｋＷを超えるか又は好ましくは４ｋＷを超えるそれ以上の出力レベルを有する高出力の単一又は少数モード（２〜約２０の範囲のビーム品質Ｍ２）の連続波レーザにおける誘導ラマン散乱のような非線形効果を低減するために役立つ。

基準光源は、外部キャビティを有する半導体レーザか又はエタロン若しくは回折格子によって安定化される半導体レーザであり得る。また、基準光源は、ガスレーザ又は個体レーザのような異なるタイプのレーザでもあり得る。

上記基準光源は、上記所定の波長におけるその出力と、上記基準光源から上記レーザダイオードまでの伝搬において上記基準光によって経験される第１損失との積が、上記レーザダイオードによって放射される上記レーザ光の出力の少なくとも０．５％であるというものであり得る。これは、レーザダイオードに入射する十分な基準光があるので、レーザダイオードを確実に且つ繰り返して注入同期することを確保するためである。好ましくは、レーザ装置は、第１損失を最小化してレーザダイオードによって受け取られる基準光を最大化するように設計される。

レーザ装置は、上記レーザダイオードから上記基準光源までの伝搬においてレーザ光によって経験される第２損失が、上記第２損失と、上記レーザダイオードによって放射される出力との積が、上記基準光源によって放射される出力の１０％よりも低いというものである。これは、レーザ光が基準光源にダメージを与えないことを確保するためである。好ましくは、レーザ装置は、第２損失を増加又は最大化して、基準光源によって受け取られるレーザ光を最小化するように設計される。

上記レーザ装置は、上記基準光を上記コアから上記基準ファイバの上記第１クラッドへ結合するカプラ（ｃｏｕｐｌｅｒ：結合器）を有し得る。上記結合器は、ブレーズド・ファイバ・ブラッグ回折格子であり得る。

上記レーザ装置は、波長分割多重化器を有し得る。

上記レーザ装置は、増幅手段を有し得る。上記増幅手段は、ファイバ増幅器であり得る。

上記基準ファイバ及び上記ファイバ増幅器は、上記基準ファイバの上記第１クラッドによって導かれた上記レーザ光が上記ファイバ増幅器の中に結合し且つ上記ファイバ増幅器を励起できるように、それらの長さの一部に沿って光学的に接触し得る。

上記ファイバ増幅器は、ペデスタル（pedestal：台座）を有し得る。

上記ファイバ増幅器は、少なくとも１つの希土類ドーパントを有し得る。

上記レーザダイオードは、上記ファイバ増幅器を逆方向励起（ｃｏｕｎｔｅｒｐｕｍｐ）するように配置され得る。

上記基準ファイバは、単一モードファイバであり得る。

上記レーザダイオードは、マルチモードのレーザダイオードであり得る。マルチモードのレーザダイオードは、単一放射レーザダイオード、ダイオードバー又はダイオードスタック（ｄｉｏｄｅ ｓｔａｃｋ）であり得る。

上記レーザ装置は、複数の上記レーザダイオードを有しており、複数の上記レーザダイオードは、結合器（ｃｏｍｂｉｎｅｒ：コンバイナ）によって結合されている。

本発明の実施形態が、添付の図面を参照して、もっぱら例示として説明される。

図１は、本発明に係るレーザ装置を示す。 図２は、カプラを有するレーザ装置を示す。 図３は、波長分割多重化器を有するレーザ装置を示す。 図４は、基準光からレーザ光を分離する複合ファイバを有するレーザ装置を示す。 図５は、２つの複合ファイバを有するレーザ装置を示す。 図６は、基準ファイバと光学的に接触するファイバ増幅器を備えた複合ファイバを有するレーザ装置を示す。 図７は、ファイバ増幅器の断面を示す。 図８は、ペデスタルを含むファイバ増幅器の断面を示す。 図９は、共通のクラッドによって囲まれた基準ファイバ及びファイバ増幅器を含む複合ファイバの断面を示す。 図１０は、複合ファイバの屈折率プロファイルを示す。 図１１は、レーザダイオード及び反射器を有する基準光源を示す。 図１２は、３つのレーザダイオードを有するレーザダイオード源を示す。 図１３は、ファイバ増幅器の吸収スペクトルを示す。 図１４は、３つの励起光源及び半導体レーザを有するレーザ装置を示す。 図１５は、波長安定化光源及び増幅手段を有するレーザ装置を示す。

図１を参照して、基準光源２と、基準ファイバ３と、少なくとも１つのレーザダイオード４とを有し、基準ファイバ３は、屈折率ｎ１を有するコア５及び屈折率ｎ２を有する第１クラッド６を備え、第１クラッド６は屈折率ｎ３を有する第２クラッド７により囲まれているレーザ装置１が示される。屈折率ｎ１は屈折率ｎ２よりも大きく、屈折率ｎ２は屈折率ｎ３よりも大きい。レーザダイオード４は、基準ファイバ３の第１クラッド６の中を通って導かれるレーザ光８を放射する。基準光源２は、所定の波長λＲ１０を有する基準光９を放射する。基準光９は、基準ファイバ３のコア５の中を通ってレーザダイオード４へ導かれる。基準ファイバ３のコア５の中を通ってレーザダイオード４へ導かれる基準光９は、所定の波長λＲ１０における出力１１を有しており、出力１１はレーザダイオード４の注入同期閾値Ｐｔｈ１８０よりも大きい。

出力１１が注入同期閾値Ｐｔｈ１８０よりも大きくなるように構成することは、レーザダイオード４が基準光源２に注入同期されることを確保する。注入同期は、レーザダイオードの波長λＬＤ１８１を、所定の波長λＲ１０と実質的に等しくさせる。特定の応用に対する出力１１の最適量は、実験によって決定され得る。一般に、出力１１が注入同期閾値Ｐｔｈ１８０よりも高い程、レーザダイオード４がより速く注入同期するだろう。注入同期閾値Ｐｔｈ１８０を低減し且つレーザダイオード４が注入同期するのに要する時間を低減する効果を有するので、レーザダイオード４のスイッチが入るよりも前か又は同時に、基準光９がレーザダイオード４によって受け取られていることが好ましい。

レーザ光８及び基準光９は、第１レンズ１２及び第２レンズ１３によって、基準ファイバ３の中に結合されていることが示される。

基準光源２及びレーザダイオード４は、互いに独立してレーザ用として使える。レーザダイオード４を注入同期するために、レーザダイオード４によって受け取られる出力１１は、レーザダイオード４によって放射されるレーザ光８の出力の少なくとも０．５％であることが好ましい。基準光９は、基準光源２からレーザダイオード４までの伝搬において、第１損失１５を経験する。基準光源２は、第１損失１５と、所定の波長λＲ１０で基準光源２によって放射される出力との積が、レーザダイオード４によって放射されるレーザ光８の出力の少なくとも０．５％であるべきというものである。多くのレーザダイオード４では、基準光源２が、上記積が少なくとも１％であるというものであることが好ましい。あるレーザダイオード４では、基準光源２が、上記積が少なくとも５％であるというものであることが好ましい。これらの値は、レーザダイオード４に入射してレーザダイオード４を確実に且つ繰り返して注入同期する十分な基準光９があるということを確保する。好ましくは、レーザ装置１は、第１損失１５を最小化してレーザダイオード４によって受け取られる基準光９を最大にするように設計される。

第２損失１６が、レーザダイオード４から基準光源２までの伝搬において、レーザ光８によって経験される損失として定義され得る。レーザ装置１は、第２損失１６と、レーザダイオード４によって放射されるレーザ光８の出力との積が、基準光源２によって放射される基準光９の出力の高々１０％であるというものであり得る。好ましくは、レーザ装置１は、上記積が高々５％、より好ましくは高々１％であるというものである。これらの値は、レーザ光８が基準光源２にダメージを与えないことを確保する。好ましくは、レーザ装置１は、第２損失１６を増加又は最大化して基準光源２によって受け取られるレーザ光８を最小化するように設計される。

レーザ出力１７は、分離手段１４を用いて基準光９からレーザ光８を分離することによって供給される。分離手段１４は、レーザ光８が基準光源２にダメージを与えることを防止する。分離手段１４は、カプラ、反射器、回折格子、空間フィルタ、光学スイッチ、光変調器、音響光学変調器、アイソレータ及び吸収器の内の少なくとも１つを有し得る。好ましくは、分離手段１４は、レーザ出力１７が、レーザダイオード４によって放射されるレーザ光８の出力の内の少なくとも６０％であるというものである。より好ましくは、分離手段１４は、レーザ出力１７が、レーザ光８の出力の内の少なくとも９０％又は少なくとも９５％であるというものである。これは、大部分のレーザ光８を励起増幅器及びレーザに対して利用可能とするので、有利である。

図１に示される分離手段１４は、基準光９が通過し得るアパーチャ（ａｐｅｒｔｕｒｅ：開口部）１９を有する空間フィルタ１８である。空間フィルタ１８は、アパーチャ１９を通過しないレーザ光８を反射するというものである。大きなアパーチャ１９は、中を通過するレーザ光８及び基準光９の量を増加して、レーザ出力１７におけるレーザ光８の量を減少する。十分な基準光９がアパーチャ１９の中を通過することを許容してレーザダイオード４を注入同期するのに応じて、アパーチャ１９の寸法を低減してレーザ出力１７におけるレーザ光８の量を増加することが望ましい。

図２は、レーザ装置２０を示しており、レーザ装置２０では、分離手段１４が、基準光９をコア５から基準ファイバ３の第１クラッド６に結合するカプラ２１である。カプラ２１は、コア５内を伝搬して前方に進む波を、第１クラッド６内を伝搬して後方に進む波と結合するブレーズド・ファイバ・ブラッグ回折格子（ｂｌａｚｅｄ ｆｉｂｒｅ Ｂｒａｇｇ ｇｒａｔｉｎｇ）２８であり得る。ブレーズド・ファイバ・ブラッグ回折格子２８は、コア５に沿って伝搬する基準光９を第１クラッド６内を伝搬する基準光２９に反射する反射器と考えることができる。図２のギザギザに示すように、ブレーズド・ファイバ・ブラッグ回折格子２８は、光ファイバ３のコア５内又は近傍に位置する個々の回折格子線（ｇｒａｔｉｎｇ ｌｉｎｅ）２７を有し得る。ブレーズド・ファイバ・ブラッグ回折格子２８は、所定の波長λＲ１０を有する基準光９を反射するように設計され得る。ブレーズド・ファイバ・ブラッグ回折格子は、感光性ファイバを、紫外光を用いて得られた干渉パターンの中に角度をつけて配置することによって製造され得る。

また、図２は、レーザダイオード４からのレーザ光８と、基準光源２からの基準光９とを合成するカプラ２２を示す。レーザ光８は、レーザダイオード４から光ファイバ２４を介してカプラ２２まで導かれていることが示される。光ファイバ２４は、好ましくは多モードファイバであり、低屈折率のコーティング（ｃｏａｔｉｎｇ：被覆）を有する純シリカコアファイバであり得る。そのようなファイバは、ファイバレーザ及び固体レーザにおいて励起光を導くために良く使用される。基準ファイバ３は、カプラ２１からカプラ２２を通って基準光源２まで延出し得る。より都合の良いことは、基準ファイバ３はカプラ２２内又は近傍において終端し、基準光９は、単一モード又は多モードファイバであり得る光ファイバ２３を介してカプラ２２へ導かれる。クラッドモードストリッパ（ｃｌａｄｄｉｎｇ ｍｏｄｅ ｓｔｒｉｐｐｅｒ）２６が、光ファイバ２３のクラッド内を伝搬し得るレーザ光８を除去するために配置され得る。代わりに又は追加して、光ファイバ２３は、クラッドモードを除去する高屈折率のコーティングを有する標準の単一モード又は多モード光ファイバであり得る。光ファイバ２３のクラッド内を伝搬し得るレーザ光８を除去することは、第２損失（図１参照）を増加するので有益であり、それによって、レーザダイオード４が、基準光源２にダメージを与えるか又は基準光源２を不安定にするリスクを低減する。カプラ２２は出力結合器（Ｐｏｗｅｒ ｃｏｍｂｉｎｅｒ）であり得る。３，７又は１９本のファイバからの光を結合する出力結合器は、ファイバレーザ及び光増幅器での使用のために、ＵＳＡ、ニュージャージ州サマセットの古河電工北アメリカ社のＯＦＳ特殊フォトニクス部によって販売されている。そのような出力結合器は、入力ファイバ（例えばファイバ２３）の１つとしての単一モード導波路と、出力ファイバ（例えば、基準ファイバ３）としての単一モード導波路を含む１つの２重クラッドファイバとを有し得る。そのような出力結合器は、１個と１８個との間のレーザダイオード４、又は、好ましくは２個，６個又は１８個のレーザダイオード４からのレーザ光８と、基準光源２からの基準光２とを合成するために使用され得る。基準ファイバ３の遠方端２５は、レーザ出力１７を供給する。遠方端２５は、後方に反射する光を低減するために劈開された角度を有するか、又は、他の光ファイバに対して接続又は溶融接合され得る。

図３は、波長分割多重化器３４を有するレーザ装置３０を示す。波長分割多重化器３４は、基準光９と波長λｓ３２を有する信号３１とを合成する。信号３１は、光ファイバ３３を介して、波長分割多重化器３４に入力する。信号３１及び基準光９は、カプラ２２においてレーザ光８と合成される。カプラ２１は、基準光９を基準ファイバ３のコア５から基準ファイバ３の第１クラッド６へ結合するというものであり、基準光９は第１クラッド６からレーザダイオード４へ導かれる。カプラ２１は、信号３１及びレーザ光８をファイバ増幅器３５へ通過させる。ファイバ増幅器３５は、レーザ光８によって励起されて、信号３１を増幅して、増幅された信号３６を放射する。ファイバ増幅器３５は、接合部３７で基準ファイバ３と溶融接合されて示されている。

図４は、レーザ装置４０を示しており、レーザ装置４０では、分離手段１４が、それらの長さの少なくとも一部に沿って互いに光学的に接触している基準ファイバ３及び第２ファイバ４２を有する複合ファイバ４１である。光学的接触によって、基準ファイバ３の第１クラッド６によって導かれたレーザ光８が第２ファイバ４２へ結合できることが意味される。基準ファイバ３及び第２ファイバ４２は、低屈折率のポリマであり得る同じ第２クラッド７を共有する。基準光９は、基準ファイバ３のコア５に沿ってレーザダイオード４まで導かれ、それによって、レーザダイオード４を注入同期する。レーザ光８は、基準ファイバ３の第１クラッド６に沿って導かれて、第２ファイバ４２と結合する。そして、レーザ光８は、第２ファイバ４２沿って導かれてレーザ出力１７を形成する。第２ファイバ４２に交わって結合するレーザ光８の比率は、第２ファイバ４２の断面積と、第２ファイバ４２及び基準ファイバ３の断面積の和との比にほぼ等しいだろう。そして、第２ファイバ４２が基準ファイバ３と同じ断面積を有するならば、ほぼ半分のレーザ光８が交わって結合するだろう。レーザ光８が基準光源２に到ることを防止するために、ファイバ２３のコーティング内に交わって結合しないレーザ光８を吸収するか、又は、より好ましくは、クラッドモードストリッパ２６を用いてレーザ光８を除去することが望ましい。基準ファイバ３から第２ファイバ４２へより多くの割合のレーザ光８を結合するために、第２ファイバ４２の断面積を基準ファイバ３の断面積よりも大きくすることが望ましい。しかし、これは、第２ファイバ４２内を伝搬するレーザ光８の輝度を低下する。代わりに又は追加して、図５に示すように、２つ以上の分離手段１４が用いられ、それらの相対的長さが調整されて、それぞれから放射される相対的なレーザ光１７を調整し得る。

図６は、分離手段１４が複合ファイバ６１であるレーザ装置６０を示す。複合ファイバ６１は、互いに光学的に接触している基準ファイバ３及びファイバ増幅器３５を有する。ファイバ増幅器３５及び基準ファイバ３は第２クラッド７を共有し、第２クラッド７は、好ましくは製造中に複合ファイバ６１を引き出す際に塗布されるポリマコーティングであり得る。ファイバ増幅器３５に交わって結合するレーザ光８は、ファイバ増幅器３５を励起するために使用され得る。ファイバ増幅器３５によるレーザ光８の吸収は、複合ファイバ６１に沿って伝搬するレーザ光８の量を低減する。複合ファイバ６１の長さを選択することによって（例えば、計算又は縮小実験によって）、レーザ光８の少なくとも９０％、好ましくは９５％を吸収することが可能である。基準ファイバ３内に残っているレーザ光８は、クラッドモードストリッパ２６によって吸収されるか又は散乱されることが好ましい。代わりに又は追加して、残っているレーザ光８は、ファイバ２３における高屈折率ポリマコーティングのようなクラッドによって吸収されるか又は散乱され得る。

複合ファイバ４１及び６１を製造する装置及び方法は、ＵＳ特許第６，８２６，３３５号に記載されており、この特許は参照して本明細書に組み込まれる。

ファイバ増幅器３５は、図７に描かれるファイバ増幅器７０であり得る。ファイバ増幅器７０は、コア７１、少なくとも１つのクラッド７２、及び少なくとも１つの希土類ドーパント７３を有する。コア７１は、クラッド７２の中央に位置しているか、又は、オフセットされ得る。クラッド７２は、円形又は非円形であり得る。希土類ドーパント７３は、コア７１内に存在するように示されている。代わりに又は追加して、希土類ドーパント７３は、クラッド７２内に位置し得る。希土類ドーパント７３は、イッテルビウム、エルビウム、ネオジウム、プラセオジウム、ツリウム、サマリウム、ホルミウム、テルビウム及びジスプロシウムを有する群から選択され得る。ファイバ増幅器７０は、図６を参照して示される第２クラッド７のようなポリマコーティングを用いて被覆されることが好ましい。コア７１の屈折率は、クラッド７２の屈折率よりも高く、クラッド７２の屈折率は、ポリマコーティングの屈折率よりも高い。クラッド７２の目的は、レーザ光８が希土類ドーパント７３によって吸収されるように、レーザ光８を導くことにある。ファイバ増幅器７０は、図１〜６に示される装置と共に使用され得る。ファイバ増幅器７０は、同方向励起又は逆方向励起され得る。

ファイバ増幅器３５は、図８を参照して示されるファイバ増幅器８０であり得る。ファイバ増幅器８０は、ペデスタル８１を有し得る。ペデスタルは、コア７１を囲み、コア７１の屈折率よりも低い屈折率を有し、クラッド７２の屈折率よりも高い屈折率を有する。ペデスタル８１の目的は、例えば曲げ又は後方反射の結果として、コア７１から逃げる光放射を導くことにあり、それによって、レーザダイオード４又は基準光源２へ伝搬し得る光の量を低減する。

ファイバ増幅器３５は、固体のコア７１及び固体のクラッド７２（図７及び８を参照して示されるように）、又は、クラッド７２内で長手方向に延びる孔によって規定されるコアを含む、いわゆるホーリーファイバ（ｈｏｌｅｙ ｆｉｂｒｅ）を有し得る。ファイバ増幅器３５は、単一モードファイバ、大モード面積ファイバ又は多モードファイバであり得る。代わりに又は追加して、ファイバ増幅器３５は、偏波保持ファイバであり得る。

複合ファイバ６１は、図９を参照して示される複合ファイバ９１であり得る。複合ファイバ９１は、第２クラッド７によって囲まれる基準ファイバ３及びファイバ増幅器８０を有する。

図１０は、図９に示す断面の水平軸にわたる複合ファイバ９１の屈折率プロファイル１００を示す。基準ファイバ３及びファイバ増幅器８０は、鎖線１０１によって接触しているように示されている。コア５は屈折率ｎ_１１０３を有し、第１クラッド６は屈折率ｎ_２１０４を有し、第２クラッド７は屈折率ｎ_３１０５を有する。図では、ファイバ増幅器８０のクラッド７２の屈折率は、基準ファイバ３の第１クラッド６の屈折率と、実質的に同じであると仮定される。これは、基準ファイバ３からファイバ増幅器８０へのレーザ光８の移行を支援する。ペデスタル８１は、クラッド７２の屈折率よりも大きい屈折率ｎｐｅｄ１０７を有する。コア７１は、ペデスタル８１の屈折率ｎｐｅｄ１０７よりも大きい屈折率ｎｃｏ１０６を有する。ファイバ増幅器８０の直径は、基準ファイバ３の直径よりも小さくして、出来るだけレーザ光８の輝度を維持することが好ましい。より高い輝度は、同じ吸収に対してより短いファイバ増幅器を許容するので、自己位相変調、誘導ブリルアン散乱及び誘導ラマン散乱のような非線形効果の低減を導く。

レーザ光８がファイバ増幅器３５に沿って信号３１（左から右へ）と同じ方向に伝搬する図３を参照して示すように、レーザダイオード４は、ファイバ増幅器３５を同方向励起するように配置され得る。代わりに又は追加して、レーザ光８がファイバ増幅器３５に沿って信号３１とは逆方向に伝搬する図６を参照して示すように、レーザダイオード４は、ファイバ増幅器３５を逆方向励起するように配置され得る。

図１〜６に示される基準光源２は、図１１を参照して示すように、半導体レーザ１１０であり得る。半導体レーザ１１０によって放射される基準光９は、図１１を参照して示すように、反射器１１１によって安定化する。反射器１１１は、所定の波長λＲ１０と好ましくは等しい波長λＢ１１２で光を反射する。反射器１１１は、好ましくはファイバ・ブラッグ回折格子である。好ましくは、基準光源２は、ファイバ２３と結合する単一横モードにおいて基準光９を放射する。ファイバ２３は、単一モードファイバであることが好ましい。基準ファイバ３は、単一モードファイバであることが好ましい。

基準光源２は、偏波多重されて単一の出力を供給する２つの半導体レーザであり得る。これは、特に、１つの半導体レーザのみを用いた注入同期が達成されないか又は信頼できないならば、レーザダイオード４によって受け取られる基準光９の量を増加するために有用である。代わりに又は追加して、基準光源２は、基準光９を増幅するための光増幅器を含み得る。これは、多くのレーザダイオード４が注入同期される必要がある時に有用である。

基準光源２は、分布帰還型半導体レーザ又は分布帰還型ファイバレーザであり得る。基準光源２は、外部キャビティを有する半導体レーザか又はエタロン若しくは回折格子によって安定化する半導体レーザであり得る。また、基準光源２は、ガスレーザ又は固体レーザのような異なるタイプのレーザであり得る。

図１２は、その出力が出力結合器１２２によって一緒に合成される３つのレーザダイオード４を有するレーザダイオード光源１２１を示す。レーザダイオード４は、波長λＬＤ１２４を有する多モードレーザ光８をファイバ１２３中へ放射する半導体レーザダイオードであることが好ましい。多モードレーザ光８は、出力結合器１２２を用いて一緒に合成されて、光ファイバ２４を介して出力される。３、７又は１９本のファイバからの光を合成する出力結合器は、ファイバレーザ及び光増幅器での使用のために、ＵＳＡ、ニュージャージ州サマセットの古河電工北アメリカ社のＯＦＳ特殊フォトニクス部によって販売されている。代わりに又は追加して、レーザダイオード４は、ダイオードバー又はダイオードスタックであり得る。

図１３は、図７を参照して示される希土類ドーパント７３が添加された代表的なファイバ増幅器７０に対する吸収１３０の波長による変化を示す。ピーク吸収波長１３２を有する吸収ピーク１３３がある。イッテルビウムが添加されたファイバに対しては、ピーク吸収波長１３２は、約９７６ｎｍであり、吸収ピーク１３３は、約５ｎｍの幅であり、９１５ｎｍあたりの広い吸収ピーク１３４よりも著しく狭い。所定の波長λＲ１０を吸収ピーク１３３と一致させることにより、レーザダイオード４によって放射されるレーザ光８が吸収ピーク１３３と一致する出力波長１２４を有するようにレーザダイオード４を注入同期することができる。これは、ピーク吸収波長１３２と等しい反射波長１１２を有するファイバ・ブラッグ回折格子を選択することによって、図１１に示す装置において達成され得る。

所定の波長λＲ１０は、ファイバ増幅器３５における熱散逸を低減するように選択され得る。これは、所定の波長λＲ１０と信号の波長λｓ３２との間の波長分離を低減することによって達成され得る。例えば、イッテルビウムが添加されたファイバでは、所定の波長λＲ１０が１０３０ｎｍであるように選択され、信号の波長λｓ３２が１０６０ｎｍであるように選択され得る。そのような選択は、ファイバ増幅器３５において、９７６ｎｍで励起することよりも少ない熱散逸をもたらす。これは、所定の波長λＲ１０と等しいブラッグ反射波長λＢ１１２を有するファイバ・ブラッグ回折格子を選択することによって、図１１に示す装置において達成され得る。そして、装置１１０は、図１〜６を参照して示される装置の内の１つにおける基準光２として使用され得る。

レーザダイオード４のスイッチが１回又は繰り返してオンオフされる装置に対して、基準光源２は連続したままであり、レーザダイオード４のスイッチが入る度に基準光９が存在していることを確保し得る。代わりに、基準光源２は、レーザダイオード４のスイッチを入れる前に、スイッチを入れるか又は好ましくは安定化され得る。どちらのソリューションも、レーザ光８（レーザダイオード４を注入同期する）を速やかに安定化する利点がある。

図１４は、光増幅器１４０の形のレーザ装置を示す。ファイバ増幅器３５は、イッテルビウムが添加されたファイバである。ピーク吸収波長１３２は、約９７６ｎｍである。所定の波長λＲ１０は約９７６ｎｍとして、ファイバ増幅器３５においてイッテルビウムを添加することによって、レーザ光８の最大吸収を確保することが好ましい。

基準光源は、半導体レーザ１１０であり、反射器１１１によって波長が安定化される単一モードレーザである。反射器１１１は、ファイバ・ブラッグ回折格子であり、この例では９７６ｎｍである所定の波長λＲ１０におけるピーク反射率、約０．１ｎｍ〜５ｎｍの範囲の帯域幅、及び２％〜２０％の範囲の反射率を有し得る。半導体レーザ１１０は、反射器１１１によって波長が同期されて、約９７６ｎｍで基準光９を放射する。好ましくは、半導体レーザ１１０は、熱電冷却器（しばしば、半導体レーザ１１０のパッケージ内に含まれる）を用いて温度が安定化される。半導体レーザ１１０は、出力モニタとしてのフォトダイオード（しばしば、半導体レーザ１１０のパッケージ内に含まれる）を用いて、その出力パワーが安定化されることが好ましい。半導体レーザ１１０は、約１００ｍＷ〜１Ｗの出力パワーをファイバ２３の中へ放射する。通常、ファイバ２３は、約６μｍのモードフィールド径、約０．１４の開口数、及び約９００ｎｍの第２モードカットオフを有する単一モードファイバである。ファイバ２３は、偏波保持ファイバであり得る。

ファイバ２３は、複合ファイバ６１の一部を形成する基準ファイバ３と接合する。基準ファイバ３は、基準光９をファイバ２４に導くコア５を有する。コア５は、ファイバ２３と同じモードフィールド径を有して、接合損失を最小化することが好ましい。基準ファイバ３内のコア５のおかげで、基準光９は、ファイバ増幅器３５内の希土類ドーパント７３によって吸収されることなく、複合ファイバ３に沿って導かれ得る。

複数のレーザダイオード４は、それぞれが約１０Ｗのレーザ光８をファイバ１２３の中へ放射する多モード励起ダイオードである。ファイバ１２３は、１０５μｍの直径及び０．１６〜０．２２の範囲の開口数のシリカコアを有する。好ましくは、レーザダイオード４は、温度制御される。

出力結合器１２２は、３つの多モードファイバ１２３に沿って伝搬する出力がファイバ２４の中へ合成される３対１の出力結合器である。ファイバ２４は、シリカ又はドープされたシリカコア及び約０．２２の開口数を有する多モードファイバであることが好ましい。

好ましくは、多モードファイバ２４は、大きなシリカコア内に単一モード又は少数モードコアを含まない。その結果として、基準ファイバ３から多モードファイバ２４の中に結合した基準光９は、ほぼ等しい出力でそれぞれのレーザダイオード４へ伝搬する。接合損失の注意深い管理によって、約１００ｍＷ〜２００ｍＷの基準光９をそれぞれのレーザダイオード４へ結合することができる。これは、それぞれによって放射される１０Ｗのレーザ光８の内の約１％〜２％である。そのような出力は、複数のレーザダイオード４が、ファイバ増幅器３５のピーク吸収波長１３２に設定され得る所定の波長λＲ１０におけるレーザ光８を放射するように、レーザダイオード４を注入同期するのに十分である。

レーザ光８は、基準ファイバ３の第１クラッド６の中に結合し、基準ファイバ３において、ファイバ増幅器３５に結合して、イッテルビウムドーパントによって吸収される。レーザ光８からの吸収されない出力は、クラッドモードストリッパ２６及び／又はファイバ２３上のポリマコーティングによって除去され得る。このコーティングは、シリカの屈折率よりも高い屈折率を有することが好ましい。いくらかのレーザ光８は、ファイバ２４から基準ファイバ３のコア５の中に結合するという点に留意されたい。その比率は、コア５内を伝搬できる導波モードの数とファイバ２４内を伝搬しているモードの数との比にほぼ等しいだろう。その比率は小さい数であり、レーザダイオード４がレーザ１１０にダメージを与える可能性は非常に小さいだろう。

ファイバ増幅器３５のコア７１の中へ結合する光信号３１は増幅されて、増幅された出力信号３６を生成する。

好ましくは、パルスレーザのような、高いピーク出力の増幅器（ピーク出力が約１００Ｗよりも大きく、好ましくは５ｋＷよりも大きい）に対して、増幅器１４０は、図１４に示すように、逆方向励起される。逆方向励起は、自己位相変調のような非線形効果を最小化し、また、信号３１又はコア５から逃れる増幅された信号３６（例えば、後方反射）が、基準光源２又はレーザダイオード４の内の一方にダメージを与えるリスクを低減する。より好ましくは、ファイバ増幅器３５は、図８を参照して示されるようなペデスタル８１を含んでいて、信号３１又は増幅された信号３６が基準光源２又はレーザダイオード４に向かって伝搬して、それらの内の一方にダメージを与える可能性を更に低減する。

追加の励起ダイオード４が、より高い平均出力を有する増幅器に対して使用され得る。入力ファイバ１２３と出力ファイバ２４（コア無し）との比が３：１、７：１、１２：１、１９：１を有する多モードファイバ出力結合器１２２が、ＵＳＡ、ニュージャージ州サマセットの古河電工北アメリカ社のＯＦＳ特殊フォトニクス部のような供給者から入手可能である。レーザダイオード４の数又は出力が増加するにつれて、比例して少ない基準光９が、それらに注入されるだろう。偏波合成を用いて２つの半導体レーザ１１０からの出力パワーを合成するか、又は光増幅器を用いることによって、出力増加が達成され得る。

そして、図１４に示される増幅器１４０は、多モードレーザ励起ダイオードの良くない波長の制御性及び再現性の問題、即ち、装置間の良くない波長再現性±１０ｎｍ、波長の強い温度依存性（０．３ｎｍ／Ｋ）及び波長の強い出力依存性（ｌｎｍ／Ｗ）を解決する。

光増幅器の形のレーザ装置が、例示のみを目的として、図１４を参照して上述された。図１〜５に示されるレーザ装置を用いて、等価の配置が設計され得る。

本発明は、希土類ドーパント７３の励起を、そのピーク吸収波長１３２において可能とする。これは、高出力の光放射中にコア内で高い光強度を必要とすることなく、増幅された光信号３６が、最適な材料加工能力のために高いビーム品質及び高いピーク出力を有することを許容する。それは、短いファイバ長が使用されることを許容して、望ましくない光非線形性を回避する。それは、１０Ｗ〜５０Ｗの平均出力及び５ｋＷを超えるピーク出力を有するパルスファイバレーザにおける自己位相変調及び誘導ブリルアン散乱によるパルスの歪みを低減するために有用である。また、それは、高出力の単一モード又は少数モード（１０より小さいＶ値、又は、２〜約２０の範囲のビーム品質Ｍ）の１００Ｗ、４００Ｗ、１ｋＷ又は好ましくは４ｋＷを超える出力レベルを有する連続波レーザにおける誘導ラマン散乱のような非線形効果を低減するためにも有用である。

図１５を参照して、レーザ装置１５０が示される。レーザ装置１５０は、レーザ出力１７を有する波長安定化光源１５１を備える。レーザ出力１７は、ファイバ増幅器３５であり得る増幅手段１５２を励起できる。代わりに、増幅手段１５２は、ロッドレーザにおいて用いられるような増幅ロッド又は、ディスクレーザにおいて用いられるような増幅ディスク、増幅器、ファイバレーザ、ロッドレーザ、ディスクレーザ、又はレーザであり得る。波長安定化光源１５１は、基準光源２、レーザダイオード４及び分離手段４を含む。本発明は、多モードレーザダイオードに注入するために特に適用される。波長安定化光源１５１の例は、図１〜６及び１４に示されている。

本発明のある長所は、基準光９が高い安定性のファイバ・ブラッグ回折格子を用いて波長が同期される単一モード放射から生じていることであり、レーザダイオード４のスイッチが入る時に基準光９が存在するように構成されて、低コストで信頼できるシングル放射の多モード励起ダイオードが使用され得る。そして、本発明は、基準光源２の所定の波長１０の選択によって決定される注入同期波長の広い選択幅を有する高出力（レーザ光８の出力の６０％よりも大きい、より好ましくは約９０％又は９５％よりも大きい）を備えたレーザ出力１７を提供して、多モードレーザダイオードを迅速に且つ簡単に注入同期する手段を提供する。適切な所定の波長１０は、希土類がドープされたファイバレーザ、ロッドレーザ又はディスクレーザのピーク吸収波長、ファイバレーザ、ロッドレーザ又はディスクレーザにおいて熱散逸が低減されるか又は好ましくは最小化された波長、及び、ファイバレーザ、ロッドレーザ内での効率を最適化する波長を含む。これらの特徴は、ファイバレーザ、ロッドレーザ又はディスクレーザにおいて迅速な処理制御に対して必要とされる、波長が同期される励起光の高速な変調速度を達成することと調和する。更に、それは、そのような高速な変調速度が、向上した効率及び低減されたファイバ増幅器の長さと共に達成されることを許容し、これらの組み合わせは、ファイバ増幅器から得られるより低い非線形効果（自己位相変調のような）及び／又はより高いピーク出力を導く。

添付の図面を参照して上述した本発明の実施形態は、例示のみを目的として与えられており、変更及び追加の構成要素が提供されて性能が向上することを認識されたい。本発明は、単独又は任意の組み合わせにおいて上述した特徴にまで及ぶ。

Claims (15)

1. 基準光源と、基準ファイバと、少なくとも１つのレーザダイオードとを有するレーザ装置であって、
   前記基準ファイバは、屈折率ｎ１を有するコア及び屈折率ｎ２を有する第１クラッドを備え、屈折率ｎ１は屈折率ｎ２よりも大きく、
   前記基準光源は、所定の波長を有する基準光を放射し、前記基準光は、前記基準ファイバの前記コアの中を通って前記レーザダイオードへ導かれ、
   前記レーザダイオードは、前記所定の波長における注入同期閾値を有しており、
   前記基準光源は、前記基準ファイバの前記コアの中を通って前記レーザダイオードへ導かれる前記基準光が、前記注入同期閾値よりも大きい出力を有するように選択されており、
   前記第１クラッドは、屈折率ｎ３を有する第２クラッドにより囲まれており、屈折率ｎ２は屈折率ｎ３よりも大きく、
   前記レーザダイオードはレーザ光を放射し、前記レーザ光は、前記基準ファイバの前記第１クラッドの中を通って導かれることを特徴とするレーザ装置。
2. 前記基準光源は、前記所定の波長におけるその出力と、前記基準光源から前記レーザダイオードまでの伝搬において前記基準光によって経験される第１損失との積が、前記レーザダイオードによって放射される前記レーザ光の出力の少なくとも０．５％である請求項１に記載のレーザ装置。
3. 前記レーザダイオードから前記基準光源までの伝搬において前記レーザ光によって経験される第２損失は、前記第２損失と、前記レーザダイオードによって放射される前記レーザ光の出力との積が、前記基準光源によって放射される前記基準光の出力の１０％よりも小さい請求項１又は２に記載のレーザ装置。
4. 前記基準光を前記コアから前記基準ファイバの前記第１クラッドへ結合するように配置されるカプラを有する請求項１〜３の何れか一項に記載のレーザ装置。
5. 前記カプラは、ブレーズド・ファイバ・ブラッグ回折格子である請求項４に記載のレーザ装置。
6. 前記基準光と信号とを合成するように配置される波長分割多重化器を有する請求項１〜５の何れか一項に記載のレーザ装置。
7. 前記レーザダイオードからの前記レーザ光を受け取るように配置される増幅手段を有する請求項１〜６の何れか一項に記載のレーザ装置。
8. 前記増幅手段は、ファイバ増幅器である請求項７に記載のレーザ装置。
9. 前記基準ファイバ及び前記ファイバ増幅器は、前記基準ファイバの前記第１クラッドによって導かれた前記レーザ光が前記ファイバ増幅器の中に結合し且つ前記ファイバ増幅器を励起できるように、それらの長さの一部に沿って光学的に接触している請求項８に記載のレーザ装置。
10. 前記ファイバ増幅器は、第２コアと、ペデスタルと、第３クラッドを有し、前記ペデスタルは前記コアを囲み、前記ペデスタルは、前記第２コアの屈折率よりも低く且つ前記第３クラッドの屈折率よりも高い屈折率を有する請求項８又は９に記載のレーザ装置。
11. 前記ファイバ増幅器は、少なくとも１つの希土類ドーパントを有する請求項８〜１０の何れか一項に記載のレーザ装置。
12. 前記レーザダイオードは、前記ファイバ増幅器を逆方向励起するように配置される請求項８〜１１の何れか一項に記載のレーザ装置。
13. 前記基準ファイバは、単一モードファイバである請求項１〜１２の何れか一項に記載のレーザ装置。
14. 前記レーザダイオードは、マルチモードのレーザダイオードである請求項１〜１３の何れか一項に記載のレーザ装置。
15. 複数の前記レーザダイオードを有しており、複数の前記レーザダイオードは、結合器によって結合されている請求項１〜１４の何れか一項に記載のレーザ装置。

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