JP5952740B2 - シングルモード・高出力・ファイバ・レーザ・システム - Google Patents

Description

関連出願の相互参照
本特許出願は、２００９年９月１４日に米国特許商標局に出願され且つ参照により完全に組み込まれる米国特許出願第１２／５５９，２８４号の一部継続出願である。

発明の分野
本開示は、実質的に基本モードで導光可能なマルチモードファイバによって構成されたシングルモード・高出力・ファイバ・レーザ・システムに関する。

ファイバ・レーザ・システムの多数のアプリケーションが、高出力、高品質ビームを必要としている。ＳＭアクティブファイバを利用したファイバレーザは、光学非線形性の発現に起因して出力が制限される。１つの一般的な解決策は、いくつかの高次モード（ＨＯＭ）をサポート可能であるがこれらのＨＯＭの励起及び増幅を防止するように構成されたＭＭアクティブファイバの使用である。

それにもかかわらず、そのようなＭＭファイバを有するシングルモード・高出力（ＳＭＨＰ）・ファイバ・レーザ・システムの出力スケーリングはまた、これに限定されないが誘導ラマン散乱（ＳＲＳ）を含む非線形性の存在によって若干制限される。おそらく、比較的高い光学非線形性閾値をもたらす最も効率的な実践的アプローチの１つは、コア径を大きくし、開口数を小さくし、さらに非線形相互作用の実効長を小さくすることによってＭＭファイバのコア内部の出力密度を減少させることである。あいにく、この形状は、以下の理由のために容易に達成できるものではない。第１に、コア径の増加は、出力ビームの品質に有害に影響を及ぼす、容易に励起されることができるＨＯＭ数の増加をもたらす。第２に、真に極小のΔｎを有する高品質ファイバの製造は、非常に困難である。第３に、この種のファイバは、曲げ荷重に敏感である。

したがって、公知の従来システムに付随する問題が実質的にない少なくとも１つのアクティブＭＭファイバが備わっているＳＭＨＰシステムについてのニーズが存在する。

公知のＳＭＨＰシステムのものと比較した場合に、励起された基本モードの増加した有効面積と非線形性についてのより高い閾値とを有するコア屈折率を有するＭＭアクティブファイバが備わっているＳＭＨＰシステムについての他のニーズが存在する。

実質的に基本モードのみを増幅しながら周辺及び中央対称高次モードに対するその結合の可能性を最小化可能なドーパント分布を有して構成されたアクティブマルチモードＭＭファイバを有するＳＭＨＰシステムについてのさらに他のニーズが存在する。

上記で特定したものの全て及び他のニーズは、実質的に基本モードのみをサポートし、アクティブ及びパッシブ溶融ファイバ間において一致するモードを提供する形状を有し、非線形性についての高い閾値を有する高出力で動作するように構成されたＭＭアクティブファイバを含むＳＭＨＰファイバ・レーザ・システムによって満たされる。

１つの態様によれば、開示されたＳＭＨＰファイバ・レーザ・システムは、ガウシアン電界分布を有するシングルモードの入力ファイバから放射された光が実質的な結合損失なしでＭＭファイバに送り出されるように、直接ＭＭアクティブファイバに対して接合された入力ＳＭパッシブファイバを有して構成される。特定の構造上の実施形態において、ＭＭアクティブファイバは、比較的狭い入力端部領域と、段階的に拡大する截頭錐状の変換領域と、比較的広い一様に寸法決めされた増幅領域とによって画定されるボトルネック状の断面を有する。

ＭＭコアの入力端部領域は、パッシブＳＭファイバコアの出力端部と実質的に同一に構成されている。結果として、送り出されたＳＭは、ＭＭファイバの端部領域において、送り出されたＳＭのものと実質的に一致するモードフィールド径（ＭＦＤ）を有する基本モードのみを実質的に励起させる。変換及び増幅領域は、励起された基本モードの伝搬を維持するとともに、その高次モード（ＨＯＭ）との結合を最小化するように構成されている。

本開示のさらなる態様によれば、ＭＭアクティブファイバは、中央コア領域内に延在し且つ励起された基本モードのガウシアン電界分布をこのモードのリング分布に制御可能に変換するように構成された窪みが備わっているステップ屈折率分布を有する。リング分布は、ガウシアン分布よりも実質的に大きい有効面積を有する。基本モードのより大きい有効面積は、基本モードにおける全体的な光エネルギー／出力のかなりの部分を主に維持する特定のＨＯＭの増幅を最小化する。基本モードにおける出力損失が少ないほど、高出力・ＳＭレーザ・システムがより効率的となる。

窪みは、ＭＭコアの入力端部領域と比較した場合に窪みなしでさえも比較的低い出力密度を有するＭＭファイバの増幅コア領域に沿って、比較的大きい幾何学的寸法を有する。密度が低いほど、非線形性についての閾値がより高く、ファイバレーザの出力処理能力がより良好となる。窪みの形成は、電界強度Ｉが増加するモードエリアＡとともに下がる傾向があることから（Ｉ〜Ｐ／Ａ、Ｐは出力）、より高い閾値さえも許容する。

さらなる態様によれば、ＭＭファイバの出力端部領域及び出力ＳＭパッシブファイバの間に画定される接合領域における結合損失は、ＭＭファイバコアの入力及び出力端部領域の双方に沿って窪みを明確に構築することによってさらに最小化される。入力及び出力ＳＭパッシブファイバは、それぞれ、ガウシアン電界分布を有するＳＭ放射の伝搬をサポートするように構成されているので、変化しないままだと、リング状の分布がガウシアン分布と不一致となる。実際面で、この不一致は、出力接合部における出力損失及び入力接合部におけるＨＯＭの励起をもたらすであろう。電界強度差に起因する出力損失を回避するために、ＭＭファイバは、二重のボトルネック状に構成される。すなわち、それは、ＭＭファイバの入力端部及び変換コア領域と実質的に同一に構成された追加の段階的に狭くなっている出力変換及び出力端部領域を有する。窪みは、しかしながら、双方の端部領域に沿って非常に小さく、ガウシアンモードが阻害されない。したがって、窪みは、入力領域に沿って小さく、入力変換領域に沿って段階的に拡大し、増幅領域に沿ってその最大且つ一様寸法に到達し、出力端部領域に沿って段階的に狭くなり、出力変換領域に沿って小さいサイズとなる。入力及び出力変換領域に沿った窪みの形状の段階的な変形は、これらの領域に沿ったＨＯＭ励起の可能性を実質的に防止する。

さらなる態様によれば、開示されたＭＭアクティブファイバは、基本モードに対する実質的な利得を提供するが、ＬＰ₀₂等の中央対称モードの増幅を最小化するように、ドーパントリング分布を有して構成されたステップ屈折率分布構成を有する。ドーパントリング分布は、ＨＯＭの増幅を最小化しながらも、大幅に基本モードを、特に基本モードのリング電界分布のピークを増幅するように構成されている。

本発明のこれらの及び他の特徴、態様、及び、利点は、以下の説明、添付された特許請求の範囲、及び、添付図面を参照することによってより良好に理解されることになるはずである。

図１は、ボトルネック状の断面を有して構成され且つエンドポンプ技術にしたがって励起されたアクティブＭＭファイバを有するシングルモード・高出力ファイバ・レーザ・システムの１つの実施形態の概略図である。 図２は、図１のＭＭファイバの屈折率分布を示している。 図３は、開示ＭＭファイバの端部領域に沿った中央対称及び基本モードの屈折率及び電界強度分布をそれぞれ示している。 図４は、ＭＭファイバの中央領域に沿った中央対称及び基本モードの屈折率及び電界強度分布をそれぞれ示している。 図５は、リング状のドーパント分布が備わっているそのコアを有する開示ＭＭファイバのステップ屈折率を示している。 図６は、図１のシステムにおいて利用されるポンプの正面図である。 図７は、エンドポンプ構造を利用する開示システムのさらなる実施形態を示している。 図８は、サイドポンプ構造を利用する開示システムの他の実施形態を示している。 図９は、サイドポンプ構造を有して構成された開示システムのさらに他の実施形態を示している。

詳細な説明
ここで、ＳＭ高出力・ファイバ・レーザ・システムの開示された実施形態に対して詳細に参照が行われる。可能な限り、同一又は類似する符号が同一又は同様の部分に対して言及するために図面及び説明において使用される。図面は、簡略化した形態であって決して正確な縮尺ではない。

図１は、特に、増幅器１２と、エンドポンプ技術にしたがってポンプ光を増幅器１２の出力端部２０に送り出すポンプユニット１８とを含むシングルモード・高出力（ＳＭＨＰ）・ファイバ・レーザ・システム１０を示している。ＳＭＨＰファイバ・レーザ・システム１０は、パッシブファイバ２４によって増幅器１２の入力端部２２にＳＭ放射を結合すると、実質的に基本モードのみが増幅器の入力において出させられるように動作する。

増幅器１２は、１つ以上の希土類イオンによってドープされたＭＭコア１４と、ＭＭコアと同じ広さに延在して囲んでいる１つ以上のクラッド１６（１つのみが示されている）とを有して構成されている。ＭＭコア１４及びクラッド１６は、それぞれが狭く一様に寸法決めされた入力端部領域２６と、入力領域よりも広い一様に寸法決めされた増幅領域２８と、端部及び増幅コア領域をつなぐ截頭錐状の入力変換領域３０とを含むボトルネック状の断面をそれぞれ有する。

ＭＭコア１４の入力端部領域２２における実質的に基本モードのみの励起は、入力パッシブファイバ２４及び増幅器１２のＭＭアクティブファイバのそれぞれの出力及び入力コア領域の形状の結果として生じる。特に、各ファイバの溶融出力及び入力コア領域は、パッシブファイバ２４のコアから放射される入力ＳＭ放射のモードフィールド径（ＭＦＤ）が実質的にＭＭコア１４の入力端部領域２６によってサポートされる基本モードのＭＦＤと一致するように構成されている。さらにまた、パッシブファイバ２４及び増幅器１２の溶融コア端部は、それぞれ、入力ＳＭ及び出させられる基本モードがガウシアン電界分布をそれぞれ有するように構成されている。

実質的に一致するパッシブ及びアクティブファイバのそれぞれのＭＦＤ及び形状の組み合わせは、ＭＭコア１４内へのＳＭ放射の実質的に損失がない結合を許容する。さらにまた、送り出されて励起されたモードの実質的な一様性は、ＭＭコア１４の入力におけるＨＯＭ励起の可能性を最小化する。

ＳＭＨＰシステム１０は、数十ｋＷにも到達可能な広い範囲の出力内で動作するように設計されている。それゆえに、増幅器１２に沿って伝搬する光の出力密度もまた高い。高い出力密度は、レーザ技術における当業者にとって公知であるように、ファイバ・レーザ・システムの特性に有害に影響を及ぼす非線形性についての閾値を低下させる傾向がある。光出力密度を低減するために、ＭＭコア１４の増幅コア領域３２は、入力端部コア領域２６のものよりも大きい径を有する。したがって、増幅領域３２の拡大コアは、より良好な出力操作特性を許容する。しかしながら、増加したコア径は、通常、ＨＯＭの励起の、増加して且つ非常に望ましくない可能性をともなう。したがって、ＨＯＭ励起の可能性を最小化する基本モードＬＰ₀₁のＭＦＤを大きくすることが望ましい。

図１とともに述べられ本開示の全ての実施形態を図示する図２に示されるように、増加したＭＦＤは、コア１４の屈折率分布において中央窪み３８を設けることによって実現される。窪み３８は、入力コア領域２６において励起された基本モードのガウシアン電界分布を、ガウシアン電界分布が変換されなかった場合に、増幅領域３２に沿ったガウシアン電界分布よりも大きいコア領域に重なるリング状の分布に変換するために構築される。しかしながら、リングのものへの電界分布の瞬間的な変換は、ＨＯＭ励起の可能性に起因して問題があることがある。したがって、直後に述べるように、窪み３８は、増幅器１２に沿って可変構成を有する。

図１の文脈において述べられ且つさらに以下に開示される全ての実施形態に適用可能な図３は、励起された基本モードＬＰ₀₁のガウシアンモードを最小限に変形させるために構成された、一様に寸法決めされた窪み３８が備わっている入力端部領域２６に沿ったコア１４の開示されたステップ屈折率を示している。好ましくは、端部領域２６に沿った窪み３８の幅は、約１λから約５λの間の範囲内で変化する。ここで、λは、アクティブコア１４が実質的に基本モードのみをサポート可能な所定波長である。増幅器１２の開示された構成は、実質的に理想的な構成を有すると考えられる。しかしながら、そのような構成でさえも、中央高次モードＬＰ₀₂等の特定のＨＯＭの励起を許容することがある。

基本モードが入力変換領域３０に沿って伝搬し続ける際、ガウシアン電界分布は、窪み３８の段階的な拡大に起因して段階的にリング電界分布に変換する。窪みが大きくなるほど、後述するように、よりリング状の基本モードになる。

図４は、本開示の全ての実施形態に関し、基本モードがＭＭアクティブコア１４の中央領域３２に入るときに生じる基本モードの明瞭なリング分布をともなう窪み３８の最大寸法を示している。基本モードＬＰ₀₁のリング分布は、２つのエネルギーピーク４０及び４２をそれぞれ含み、ピーク領域をつなぐ中央に位置する谷３３を含む。それゆえに、リング分布は、ガウシアン分布よりも大きな面積のコア１４を占有するように広がる。窪み３８は、好ましくはフッ化物のイオンを用いてコア１４の中央領域に制御可能にドープすることによって実現されてもよい。あるいは、ホウ素のイオンが使用されてもよい。さらに他の可能性は、コア１４の周辺領域におけるものとは異なるリン酸塩濃度によって中央コア領域に制御可能にドープすることである。増幅領域３２に沿った窪み３８の存在が中央インデックス領域におけるＬＰ₀₂のピーク強度を最小化することが容易に観察されることができる。さらにまた、基本モードＬＰ₀₁のウィングは、中央ＨＯＭ ＬＰ₀₂のウィングを実際に利得なしにしてポンプ出力の最大の割り当てを抜き出す。

図３及び図４と組み合わせて述べられ且つ図１及び図７〜図９に適用可能な図５を参照する。窪み３８及び完全にドープされたＭＭコア１４の組み合わせが、所望の結果−基本モードＬＰ₀₁の実質的に変形されていない伝搬及び増幅−をもたらすことがある一方で、増幅器１２は、同一結果を達成可能な異なる構成を有してもよい。例えば、ＭＭコア１４は、全てのコア領域を覆わないリング状のドーパント分布４５を有してもよい。特に、利得領域又はドーパント分布４５は、屈折率の中央領域を囲み、その周辺から離隔されて終わっている。利得領域は、基本モードのリング電界分布の２つの出力ピーク領域４０及び４２（図４）をそれぞれ含むように構成されている。結果として、出力ピーク４０、４２の増幅は、基本モードに対して有意な利得を提供する一方で、ＬＰ₀₂等の中央ＨＯＭは、利得なし又は有意でない利得を経験する。

図１とともに述べられる図６に変わると、ポンプユニット１８は、ＭＭコア４８が備わっているパッシブ中央ファイバ４６と、それぞれが光源からの光を運ぶ複数の周辺供給ファイバ５０とを含む。周辺及び中央ファイバ５０及び４６は、それぞれ、互いに動作可能に接続されており、結合器を形成している。結合器の出力端部３６は、増幅器１２の出力端部２０においてＭＭアクティブコア１４の出力端部に対して実質的に同一に中央ファイバ４６のＭＭコア４８の端部を成形するために機械的に処理される。さらにまた、ポンプの端部３６の処理後の周辺ファイバ５０は、増幅器の出力端部２０においてクラッド１６のものと実質的に一致するその外径を有するボディーを形成する。アクティブＭＭ及び中央パッシブファイバのそれぞれのコア１４及び４８間の実質的な一致は、ＨＯＭの顕著な励起なしで中央ファイバ４８へのリング電界分布を有する基本モードの実質的に損失がない結合を提供する。

図１に戻ると、パッシブ中央ＭＭファイバ４６はまた、図４に示された窪み３８と実質的に同一に構成された窪みを備えている。結果として、中央パッシブファイバ４６のＭＭコア４８は、リング電界分布を有する基本モードをサポートし続ける。しかしながら、実際には、実質的にガウシアン電界分布を有する基本モードの出力放射を有することが望ましい。したがって、中央ファイバ４６の下流側端部は、各ファイバ１２及び４６と同様に、リング電界分布をガウシアンのものに変えるように構成された窪みを有するＭＭコアを有するパッシブＭＭ放出ファイバ５２に対して溶融される。特に、放出ファイバのコアの窪みは出力５４まで段階的に狭くなり、ガウシアンのものへのリング分布の段階的な成形を生じさせる。ファイバ５２のクラッド５３は、ファイバ４６及び出力截頭錐端部の外径よりも大きい外径を有する入力端部を有する。クラッド５３は、出力ファイバ４６のクラッドに沿って伝搬する光を受光し、したがって、この光がシステム１０の最も感度が高い区域に沿って周囲を損傷するのを防止する。放出ファイバ５２の截頭錐端部は、受光されたクラッドがシステム１０の出力においてコアによってサポートされた光を乱す前に、それが所望の地点でファイバ５２の外部に結合するのを許容する。放出ファイバ５２の出力端部５４は、コアによってサポートされた光の密度を若干低下させ且つ高出力ＳＭ出力ビームによってもたらされる環境危険を最小化するように構成された石英ビームエキスパンダ５６に対して動作可能に接続されている。特に、エキスパンダ５６は、出力領域が有利にはエキスパンダの入力端部のものよりも大きい断面を有する多角形状の断面又は他の任意の断面を有する。

図７は、本開示のエンドポンプ構成の変形例を示している。図１に示される増幅器１２とは対照的に、増幅器５６は、二重のボトルネック状の断面を有する。したがって、入力端部、変換及び増幅領域２６、３０及び３２のそれぞれに加え、ＭＭコア５８は、さらに、入力端部２６及び入力変換領域３０に対して実質的に同一に構成された出力変換領域６０及び出力端部領域６２を有する。

二重のボトルネック状の増幅器５６の形状は、開示の目的、すなわち、入力ＳＭ放射の実質的に損失がない結合、ＨＯＭの最小の励起又は励起なし、及び、非線形性についての比較的高い閾値を満たす。実質的に損失がない光結合及び最小のＨＯＭ励起は、図１を参照して詳細に説明されるように、端部入力領域２６の形状を、それに対して溶融されたＳＭパッシブファイバ２４の出力領域と一致させることによって実現される。さらに、増幅器５６のコア５８は、コア５８の屈折率において形成され且つ図２及び図４のそれぞれに示された形状及び寸法にしたがって構成された窪みを含む。特に、入力端部領域２６に沿って延在している窪みは、励起された基本モードのガウシアン電界分布を阻害しないのに十分なほど小さい。窪みは、さらに、ガウシアン電界分布を、ガウシアン分布のものよりも大きい基本モードの有効面積を提供するリングのものに段階的に変えるように、入力変換領域３０に沿って拡大し、増幅領域３２に沿ってその最大寸法を有する。

出力遷移及び端部領域６０及び６２の追加は、それぞれ、段階的にリング電界分布をガウシアンのものに変える出力変換領域に沿って段階的に縮小する窪みの寸法を提供する。コア５８の出力端部領域６２は、結合器の中央ファイバ４６のＭＭコアに結合された基本モードのガウシアン分布に影響を及ぼさない小さい窪みを有して構成されている。結合器は、図１に関して開示された構造にしたがって構成されている。

ＭＭアクティブ、中央及び供給ファイバ図１及び図７のＳＭＨＰファイバ・レーザ・システムの構成要素−は、好ましくは、必須ではないが、全てステップ屈折率分布を有する。入力ＳＭファイバ２４は、好ましくは、Ｗ分布を有して構成される。

開示されたＳＭＨＰファイバ・レーザ・システムのさらなる実施形態は、サイドポンプ技術にしたがって構成される。上記で開示された構成と同様に、サイドポンプ技術に基づく開示されたＳＭＨＰファイバ・レーザ・システムは、後述するように、実質的に基本モードのみをサポートし且つ非線形性についての高い閾値を有する実質的に損失がない光の結合を許容する。

図８は、ＳＭ放射をサポートする導波管と、サイドポンプ技術にしたがってポンプ光を導波管に送り出すポンプユニット６６とを含むＳＭＨＰファイバ・レーザ・システム６４を示している。導波管は、図１の増幅器１２と同様に構成された増幅器６８を含む。特に、増幅器６８は、実質的に基本モードのみをサポート可能なＭＭコア７０と、１つ以上のクラッドとを含む。それゆえに、コア７０は、実質的にガウシアン電界分布を有する基本モードのみが励起されるように、ＳＭパッシブ入力ファイバ７８からのＳＭ放射を受光するように構成された一様に寸法決めされた入力端部領域７２を有する。截頭錐状の入力変換領域７４に到達すると、基本モードは、ＨＯＭに対する結合なしでそれに沿って伝搬し、さらに、一様に寸法決めされた増幅領域７９に沿ってサポートされて増幅される。非線形性についての閾値を上げるために、ＭＭコア７６は、図３にかかる入力端部領域７２に沿って且つ図４にかかる増幅領域７８に沿って構成された窪みを備えている。したがって、ガウシアン電界分布を有する基本モードが入力遷移領域７４に沿って伝搬するのにともない、その形状は、ガウシアン電界分布からリング電界分布に変換される。

増幅器６８の出力における結合損失を防止するために、信号出力ＭＭパッシブファイバ８０は、実質的に結合された基本モードのみがコア８２によってサポートされるように、幾何学的且つ光学的（ＭＦＤ）にＭＭコア７６の出力端部と一致するように構成された入力端部を有するコア８２を有する。基本モードのリング形状はまた、図４にかかるドープされたＭＭコア７６の増幅領域７８に設けられた窪みと同様に構成された信号ファイバ８０における窪みに起因して乱されないままである。ＭＭファイバ６８及び８０のそれぞれの外径は、同様に互いに実質的に一致される。パッシブ放出ファイバ８４はまた、実質的に基本モードのみを受光してサポートするように寸法決めされたＭＭコア８６を備えている。放出ファイバ８４のクラッド８８の外径は、好ましくは、図１を参照して説明する理由のために信号ファイバ８６のものよりも大きい。ＭＭコア８６の出力端部は、屈折率の窪みが最終的に且つ段階的にリング電界分布を基本モードのガウシアン電界分布に再成形するように内側に先細りしている。放出ファイバ８８の先細りした出力端部は、コネクタ９２の範囲内に位置している石英ブロック９０に対して動作可能に接続されている。

ポンプユニット６６は、レーザダイオード等の複数の光源、又は、好ましくはＭＭポンプ光送り出しファイバ９６を有する結合器９４に一体結合された複数のＳＭファイバ・レーザを有して構成されている。送り出しファイバ９６は、それがＭＭコア７６の増幅領域７９に沿って増幅器又はアクティブファイバ６８に沿って延在し且つ好ましくは必須ではないが増幅器又はアクティブファイバ６８に対して溶融されるのにともない、段階的に先細りしている（開示された送り出しファイバの詳細は、本特許出願の譲受人によって共有され且つ参照により完全に組み込まれる米国特許第５，９９９，６７３号明細書においてよく説明されている。）。ファイバ９６及び６８の間の溶融領域は、実質的に送り出しファイバ９６の全ての先細り領域と一致する。先細り領域の長さ及び形状は、希土類又は遷移金属イオンによってドープされた増幅器６４のコア７６の増幅領域に沿ってポンプ光の最大吸収を提供するように選択される。ＭＭアクティブ及び信号ファイバ６８及び８０並びにＭＭパッシブファイバとして構成された結合器９４のそれぞれの溶融端部は、カプラ・ファイバ・クラッドの範囲内で囲まれたものよりも小さい屈折率を有する材料から形成されたカプラ９５によって一体結合される。カプラ９５は、周囲へのクラッドによってサポートされたモードの結合を防止するように構成されている。

ＳＭＨＰファイバ・レーザ・システム６４は、ＳＭポンプ・ファイバ・レーザ９３の構成及びアクティブＭＭファイバ１０の活性媒質に応じて様々な波長で動作してもよい。例えば、システム６４の出力ビームは、コア７６がＥｒイオンによってドープされるラマン構成をＳＭポンプレーザがそれぞれ有する場合には約１５３０ｎｍを超える波長で放射されてもよい。さらなる例において、ＳＭポンプレーザ９２は、ＳＭＨＰシステム６４、１０のＥｒドープされたファイバ６８内に約１５３０ｎｍから約１５４０ｎｍの間の波長でポンプ光を送り出すＹｂ／Ｅｒレーザとして構成されてもよく、約１５６０〜１６００ｎｍの波長でＳＭ放射を出力する。さらに、Ｙｂ／Ｅｒ共ドープされたＳＭポンプレーザ９２は、それぞれ、約１５５０〜１６００ｎｍの間の波長で光を放射してもよい一方で、コア７６はＴｍによってドープされ、約１７５０〜２１００μｍの間で変動する波長で出力ＳＭ放射ビームを出力する。高出力システム６４のさらに他の可能な変形例において、ＳＭポンプレーザ９２は、それぞれ、Ｙｂドープされたファイバ６８内に９２０〜９４５ｎｍの範囲内でポンプ光を送り出すＮｄドープされたファイバとして構成され、約９７４ｎｍから約１μｍまでの波長で実質的にＳＭ出力ビームを生成する。最後に、ＹｂドープされたＳＭポンプ・ファイバ・レーザ９２は、ＹｂイオンによってドープされたＭＭアクティブファイバ６８内に送り出される約１０００〜１０３０ｎｍの波長でポンプ出力を生成してもよく、それゆえに、約１０５０から約１０８０ｎｍまで変動する波長で増幅されたＳＭ放射を出力する（本特許出願とともに共有され且つ参照により完全に組み込まれる米国特許を参照）。

図９は、直前に述べられたポンプユニット６６と実質的に同一に構成されたポンプユニット９８と組み合わせてサイドポンプ構成を有する開示されたＳＭＨＰファイバ・レーザ・システム１００のさらなる変形例を示している。一方で、ＳＭＨＰシステム１００の導波管は、図７の増幅器５６と同様に構成され且つそれゆえに二重のボトルネック状の断面及び図２〜図４を参照して開示された屈折率において窪みを有する増幅器１０２を有する。好ましくは、必須ではないが、増幅器１０２のコアは、図５を参照して詳細に述べられたリングドーパント分布を有するようにドープされる。

信号パッシブＳＭファイバ１０４は、増幅器１０２のコア及びクラッドのそれぞれと同様に寸法決めされたそのコア及びクラッドを有するように構成されている。結果として、信号ファイバ１０５の反対側の端部に対して溶融された増幅器１０２の出力端部から放射されたガウシアン分布を有するＳＭ放射は、顕著な損失及びＨＯＭの実質的な励起なしで信号ＳＭパッシブファイバ１０４内に結合される。好ましくはＷ屈折率分布を有して構成されるＭＭ放出パッシブファイバ１０６は、これらのファイバの溶融された端部の実質的に同一の形状のために、顕著な損失及びＨＯＭ励起なしで信号ファイバ１０７の出力端部に対して溶融される。高出力密度を若干軽減するために、放出ファイバ１０６は、そのコア及びクラッドの双方とも、ボトルネック状の断面１０８をそれぞれ有してもよい。

開示された高出力・ＳＭファイバ・レーザ・システムは、パルス及びＣＷ構成の双方において組み込まれてもよい。したがって、狭いラインについてのＳＢＳ及び広いラインＣＷシステムについての４光波混合とともに、自己位相変調、４光波混合、及び、さらにはパルスファイバ・レーザ・システムについてのＳＢＳ等の他の非線形効果についての閾値は、上げられてもよい。

上記で開示されたアクティブファイバ又は増幅器の全てのＭＭコア１２の母材は、シリカを含んでもよいが、好ましくは、コアの母材はリン酸塩を含む。リン酸塩におけるドーパントの濃度は、導波管の劣化をもたらすクラスタを生成することのないシリカにおけるよりも実質的に高くてもよいことから、リン酸塩は有利である。通常、Ｙｂ等のイオンの濃度が約１０００〜２０００ｐｐｍに到達するときに、Ｓｉにおけるクラスタの生成が観察される。対照的に、リン酸塩母材は、最高で約５０００ｐｐｍまでであってより高い希土類イオン濃度を許容する。上述したように、ドーパントイオンは、希土類及び遷移金属から選択されてもよい。

ここで開示されたレーザ強力システムにおいて様々な変形及び変更が行われることができることは、当業者にとって明らかなはずである。それゆえに、この開示の変形及び変更が添付された特許請求の範囲及びそれらの均等の範囲内で生じるならば、本開示がそれらをカバーすることが意図される。

Claims (19)

1. ボトルネック状の断面を有するコアのマルチモード（ＭＭ）アクティブファイバと、
   実質的に増幅された基本モードにおいて放射を出力するＭＭアクティブファイバに結合されるポンプビームを生成するように動作するポンプユニットとを備え、
   所望の波長で実質的に基本モードのみをサポートし且つ基本波がコアに沿って伝搬するのにともない基本モードのガウシアン電界分布をリング電界分布に成形するように前記コアが構成され、
   前記ＭＭアクティブファイバは、さらに、前記コアを囲んで存在する少なくとも１つのクラッドを含み、前記コアは、
   前記ガウシアン電界分布を有する基本モードを案内する一定の直径を有する入力端部領域と、
   前記入力端部領域のものよりも大きい径を有し且つ前記リング電界分布を有する前記基本モードを増幅するように動作する一定の直径を有する増幅領域と、
   前記入力端部及び増幅領域のそれぞれの対向する端部をつなぎ且つ段階的に前記基本モードのガウシアン電界分布をそのリング電界分布に変えるように構成された截頭錐状の入力変換領域とを備え、
   前記ＭＭアクティブファイバのコアは、ＭＭアクティブファイバの対向する端部間に延在する中央窪みを有するステップ屈折率分布を有して構成されている、シングルモード・高出力（ＳＭＨＰ）・ファイバ・レーザ・システム。
2. 前記ポンプユニットは、
   そこから前記リング電界分布を有する前記基本モードを実質的に損失なしに受光し且つ高次モード（ＨＯＭ）に対する実質的な結合なしで案内するように、前記ＭＭアクティブファイバの増幅領域のコアに対してモード一致されたＭＭコアを有する中央パッシブファイバと、
   前記ポンプビームを前記ＭＭアクティブファイバの出力端部領域のクラッドに送り出すように、前記中央パッシブファイバを囲み且つ互いに動作可能に接続されている複数の周辺ファイバとを有して構成されている、請求項１記載のＳＭＨＰファイバ・レーザ・シス
   テム。
3. 前記中央パッシブファイバのコアは、前記リング電界分布を有する前記基本モードの伝搬をサポートするように、前記ＭＭアクティブファイバと中央パッシブファイバ間における接合部において前記ＭＭアクティブファイバの増幅領域の窪みと同様に構成されて配列された中央窪みが備わっているステップ屈折率分布を有して構成されている、請求項２記載のＳＭＨＰファイバ・レーザ・システム。
4. さらに、前記中央パッシブファイバのコアと実質的に同一に構成されたコアを有するパッシブＭＭ放出ファイバを備え、前記中央パッシブファイバの外径は、前記パッシブＭＭ放出ファイバの外径よりも大きい、請求項３記載のＳＭＨＰファイバ・レーザ・システム。
5. 前記パッシブＭＭ放出ファイバは、先細りした出力端部を有し、前記パッシブＭＭ放出ファイバのコアは、基本モードのリング電界分布をそのガウシアン電界分布に再成形するように、前記パッシブＭＭ放出ファイバの該出力端部に沿って狭くなる窪みを有するステップ屈折率分布を有して構成されている、請求項４記載のＳＭＨＰファイバ・レーザ・システム。
6. さらに、前記パッシブＭＭ放出ファイバから受光した前記ガウシアン電界分布を有する前記基本モードを拡大するように構成された石英ビームエキスパンダを備える、請求項５記載のＳＭＨＰファイバ・レーザ・システム。
7. 前記ＭＭアクティブファイバのコアは、利得媒質が備わっているステップ屈折率分布を有し、前記利得媒質は、前記コアの全ての領域にわたって、又は、前記コアの中央及び周辺領域の間に位置するそのリング状領域にわたってドープされ、且つ実質的に前記基本モードのみを増幅するように構成されている、請求項１記載のＳＭＨＰファイバ・レーザ・システム。
8. さらに、ＳＭにおける入力放射を前記ＭＭアクティブファイバの入力端部に送り出すＳＭパッシブ入力ファイバを備え、前記ＭＭアクティブファイバの入力領域に沿って延在している前記コアと、前記ＳＭパッシブ入力ファイバのコアは、シングル及び基本モードのそれぞれのモードフィールド径が実質的に互いに一致するように構成されている、請求項１記載のＳＭＨＰファイバ・レーザ・システム。
9. 前記ＭＭアクティブファイバのコアは、さらに、
   前記増幅領域から狭くなっている截頭錐状の出力変換領域と、
   前記入力端部領域と実質的に同一に構成され且つ前記出力変換領域から伸びている出力端部領域とを有して構成されており、
   前記出力変換領域に沿って伸びている窪みは、段階的に前記基本モードの前記リング電界分布を、さらに前記出力端部領域に沿って伝搬するそのガウシアン分布に変えるように構成されているステップ屈折率分布を有する、請求項１記載のＳＭＨＰファイバ・レーザ・システム。
10. 前記ポンプユニットは、
    前記ガウシアン分布を有する前記基本モードを損失なしで受光して案内するように前記ＭＭアクティブファイバの出力端部コア領域とモード一致するように構成されたコアを有する中央パッシブファイバと、
    前記中央パッシブファイバを囲み、且つ、前記ＭＭアクティブファイバのコアの出力端部領域を囲む前記ＭＭアクティブファイバのクラッドに前記ポンプビームを放出する複数の周辺ファイバとを有して構成されている、請求項９記載のＳＭＨＰファイバ・レーザ・システム。
11. 前記入力端部及び出力端部領域に沿って延在している前記中央窪みは、ガウシアン電界分布の変形を実質的に防止するように比較的小さく、前記増幅領域を介して延在している窪みは、前記端部領域に沿ったものよりも大きく且つ前記基本モードの前記リング電界分布をサポートするように構成されるステップ屈折率分布を有する、請求項１０記載のＳＭＨＰファイバ・レーザ・システム。
12. 前記ポンプユニットは、
    前記ポンプビームのソースと、
    前記ポンプビームを受光し、且つ、実質的に前記コアの増幅領域に沿って前記ＭＭアクティブファイバの区域に沿って延在し且つそれに対して動作可能に接続されている部分を有する供給ＭＭパッシブファイバとを有して構成されている、請求項１記載のＳＭＨＰファイバ・レーザ・システム。
13. さらに、中央パッシブファイバのコアへの前記基本モードの実質的に損失なしの結合を提供するように、前記ＭＭアクティブファイバの出力端部コア領域と実質的に同一の直径を有するコアを有して構成されたその一端を有する中央パッシブファイバを備える、請求項１２記載のＳＭＨＰファイバ・レーザ・システム。
14. さらに、前記基本モードが実質的に損失なしに且つＨＯＭに対するその結合なしでパッシブＭＭ放出ファイバのコアに結合されるようにパッシブＭＭ放出ファイバを備え、前記ＭＭアクティブファイバ、中央パッシブファイバ及びパッシブＭＭ放出ファイバのそれぞれのコアは、それぞれ、中央窪みが備わっているステップ屈折率分布を有する、請求項１３記載のＳＭＨＰファイバ・レーザ・システム。
15. 前記パッシブＭＭ放出ファイバのコアは、一定の直径を有する出力領域へと狭くなっている截頭錐状の出力変換領域を有し、前記窪みは、
    前記ＭＭアクティブファイバ及びパッシブＭＭ放出ファイバのそれぞれの対向する入力端部及び出力端部領域に沿って前記基本モードの前記ガウシアン電界分布を維持するように選択された比較的小さい幅と、
    前記ＭＭアクティブファイバ及びパッシブＭＭ放出ファイバのそれぞれの入力変換及び出力変換領域間において前記基本モードの前記リング分布を維持するように選択された比較的大きい幅と、
    それぞれ、前記ＭＭアクティブファイバ及びパッシブＭＭ放出ファイバの入力変換及び出力変換領域のそれぞれに沿って前記基本モードの前記ガウシアン分布を前記リング分布に及びその逆に成形するように選択された段階的に拡大及び縮小する幅とを有して構成されているステップ屈折率分布である、請求項１２記載のＳＭＨＰファイバ・レーザ・システム。
16. さらに、石英ビームエキスパンドブロックを備える、請求項１５記載のＳＭＨＰファイバ・レーザ・システム。
17. 前記ポンプユニットは、
    前記ポンプビームのソースと、
    前記ポンプビームを受光し、且つ、前記コアの増幅領域に沿って前記ＭＭアクティブファイバに沿って延在し且つそれに対して動作可能に接続されている先細り部を有する供給ＭＭパッシブファイバとを有して構成されている、請求項９記載のＳＭＨＰファイバ・レーザ・システム。
18. さらに、
    前記ガウシアン電界分布を有する前記基本モードが実質的な損失及びＨＯＭの励起なしでＳＭ出力ファイバに結合されるように、それと実質的に同一に構成されたＳＭ出力ファイバと、
    前記ガウシアン分布を有する前記基本モードが実質的な損失及びＨＯＭの励起なしでパッシブＭＭ放出ファイバのコアの入力領域に結合されるように、それと実質的に同一に構成された入力端部を有するパッシブＭＭ放出ファイバとを備える、請求項１７記載のＳＭＨＰファイバ・レーザ・システム。
19. 前記パッシブＭＭ放出ファイバのコアは、その入力領域から拡大した截頭錐状の領域と、前記パッシブＭＭ放出ファイバの入力領域よりも大きい中央領域とを有する、請求項１８記載のＳＭＨＰファイバ・レーザ・システム。
    

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