JP5984813B2 - 低雑音を示すレーザ・キャビティ - Google Patents

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関連出願の相互参照
本出願は、米国特許法第１１９条第ｅ項（３５Ｕ．Ｓ．Ｃ．§１１９（ｅ））の下で、２０１０年９月２日に出願された米国仮特許出願第６１／３７９，５８７号の優先権の利益を主張するものであり、その開示はその全体が参照により本明細書に援用される。

本出願は、反射回折格子と、１ｎｍから２ｎｍの範囲の帯域幅をもつ出力カプラとを有するレーザ・キャビティに関する。

ファイバ増幅器を含むレーザ・システムは、一般に、電気通信用途やハイパワー軍事用および工業用光ファイバ用途を含む多くの用途で使用される。動作に際して、レーザ源からの伝搬光信号は、光ファイバの断面のコア領域に導入され、光「ポンプ」信号を使用することにより増幅される。ポンプ信号は、ファイバ増幅器のコア領域に含まれる特定のドーパント（典型的には、エルビウム、イッテルビウムなどの希土類材料）と相互作用して、伝搬光信号を増幅することになる所定の波長のものである。

ハイパワー・ファイバ・レーザの信号出力は非線形効果によって制限されることがある。これらの非線形効果には、誘導ラマン散乱（ＳＲＳ）、誘導ブリルアン散乱（ＳＢＳ）などが含まれる。ＳＲＳは連続波ハイパワー・レーザに特有の問題である。ハイパワー・ファイバ・レーザの信号パワーが閾値パワーレベル、典型的には従来の光ファイバでは数百ワット以上を超えて増加すると、信号のエネルギーはより高い波長に移送される。この時点で、信号出力パワーをさらに増加させることは困難である。

一般通念では、非線形効果の開始の閾値は、連続波レーザの平均光強度によって、またはパルス・レーザのピーク強度によって左右される。ＳＲＳを低減させるために、より大きいコア直径を有する利得ファイバを使用することができる。これにより、所与の平均パワーでの光強度を低下させ、非線形効果の閾値を増加させることができる。さらに、より短い長さの利得ファイバを使用すると、非線形信号の成長を低下させることができる。しかし、これらの手法は、ハイパワー・ファイバ・レーザの効率を低下させ、多くの場合、信号モードの品質を劣化させる。

したがって、生成されるパワー出力へのＳＲＳの効果を低減させるハイパワー・ファイバ・レーザを提供する新規で改善された方法および装置が必要とされる。

本発明の第１の実施形態は、ハイパワー・ファイバ・レーザ・システムで使用するための単一レーザ・キャビティに関し、このキャビティは、高反射回折格子と、利得ファイバと、１ｎｍから２ｎｍの範囲の帯域幅を有する出力カプラと、単一キャビティ・レーザに接続されて単一キャビティからのパワーを供給する出力ファイバとを備える。第２の実施形態では、レーザはポンプ・ダイオードをさらに備えることができる。さらなる特定の実施形態では、出力カプラの帯域幅は、１．２ｎｍから２ｎｍの範囲、より具体的には、１．４ｎｍから２ｎｍの範囲、さらにより具体的には、１．６ｎｍから２ｎｍの範囲である。

上述の実施形態のいずれでも、高反射回折格子および出力回折格子、ならびに出力カプラはファイバ・ブラッグ回折格子を含むことができる。上記の実施形態のいずれでも、出力ファイバは多モード・ファイバとすることができる。上記の実施形態のいずれもポンプ光を利得ファイバに導入するためにポンプ源を含むことができ、ポンプ源は、ポンプ結合器を通して単一キャビティに接続される複数のポンプ・ダイオードを含む。ポンプ・ダイオードの波長は９００ｎｍから９９０ｎｍの範囲とすることができる。

１つまたは複数の実施形態によれば、レーザ・キャビティの縦モードの数は、１ｎｍよりも低い帯域幅を有する出力カプラを使用するシステムと比較して増加される。いくつかの実施形態では、ＳＲＳによって引き起こされる非線形効果は、より低い帯域幅を有する出力カプラを使用する単一キャビティ・レーザと比較して低減される。特定の実施形態では、キャビティのスロープ効率は６５％から７０％の範囲にある。

上述の実施形態のいずれでも、利得ファイバは、希土類ドープ・ファイバとすることができる。利得ファイバは、任意の好適な長さを有することができ、特定の実施形態では、２５メートル以上の長さを有する。特定の実施形態では、利得ファイバは１２ミクロン未満のモード・フィールド直径（ＭＦＤ）を有する。

特定の実施形態では、ポンプ源は、キャビティの出力パワーが２５０ワットを超えるようにパワーを供給する。他の特定の実施形態では、ポンプ源は９００ｎｍから１０００ｎｍの範囲のポンプ波長を有する。

本発明の一態様は、上述の実施形態のうちのいずれかによる単一キャビティ・レーザを備え、かつ増幅器をさら備えるファイバ・レーザ・システムに関する。増幅器は、単一キャビティ・レーザによってシーディングされる下流増幅器とすることができる。

本発明の別の態様は、上述の実施形態のうちのいずれかの単一キャビティ・レーザを備えた、材料の溶接、切断、ろう付け、またはドリル加工のためのデバイスに関する。

本発明のさらなる別の態様は、２５０ワットを超える出力パワーを有するハイパワー単一キャビティ・ファイバ・レーザの誘導ラマン散乱（ＳＲＳ）を低減させる方法に関し、この方法は、レーザ・キャビティの縦モードの数を増加させるように、１ｎｍから２ｎｍの範囲の帯域幅を有する出力カプラにファイバ増幅器を結合させるステップを含み、それによって、１ｎｍ未満の帯域幅を有する単一キャビティ・ファイバ・レーザと比較してレーザのＳＲＳを低減させる。

本発明のさらなる別の態様は、対象物を処理する方法に関し、この方法は、高反射回折格子と、利得ファイバと、１ｎｍから２ｎｍの範囲の帯域幅を有する出力カプラと、単一キャビティ・レーザに接続されて単一キャビティ・レーザからの少なくとも２５０ワットのパワーを供給する出力ファイバとを有する単一キャビティ・レーザを動作させるステップと、単一キャビティ・レーザからの少なくとも２５０ワットのパワーを対象物に当てるステップとを含む。この態様による１つまたは複数の実施形態では、対象物は、単一キャビティ・レーザによって切断、溶接、ろう付け、および／またはドリル加工される。

本発明の１つの態様によるハイパワー連続波レーザを示す図である。 狭帯域幅を有する出力カプラを使用するハイパワー・レーザ・システムからの正規化電圧出力の時間トレースを示すグラフである。 狭帯域幅を有する出力カプラを使用するハイパワー・レーザ・システムのキャビティからの出力信号スペクトルを示すグラフである。 本発明の一態様による広帯域幅を有する出力カプラを使用するハイパワー・レーザ・システムからの正規化電圧出力の時間トレースを示すグラフである。 広帯域幅を有する任意の出力カプラを使用するハイパワー・レーザ・システムのキャビティからの出力信号スペクトルを示すグラフである。 様々な帯域幅を有する任意の出力カプラを使用するハイパワー・レーザ・システムのキャビティからの出力信号スペクトルを示すグラフである。 ０．６ｎｍおよび１．５ｎｍの出力カプラでの透過スペクトルを示すグラフである。

本発明のいくつかの例示の実施形態を説明する前に、本発明は以下の説明に記載される構造またはプロセス・ステップの詳細に限定されないことが理解されるべきである。本発明は、他の実施形態でも可能であり、さらに様々な方法で実施または実行することができる。

本発明の実施形態は、ハイパワー・ファイバ・レーザ・システムで使用するための単一レーザ・キャビティに関し、このキャビティは、例えば、高反射回折格子と、利得ファイバと、１ｎｍと２ｎｍとの間の帯域幅を有する出力カプラと、単一キャビティに接続されて単一キャビティからのパワーを供給する出力ファイバとを備える。

次に、図１を参照すると、単一レーザ・キャビティ１０の一例が示される。単一キャビティ１０は、反射回折格子１２と、利得ファイバ１４と、１ｎｍから２ｎｍの範囲の帯域幅を有する出力カプラ１６とを含む。反射回折格子は高反射回折格子とすることができる。図１に示した単一レーザ・キャビティ１０は、ポンプ結合器１８を含むポンプ源１７を含む。当業者なら理解されるように、ポンプ源は様々なポンプ源を含むことができる。図１に示されるように、ポンプ源１７は、ポンプ結合器１８と、複数のポンプ・ポート・ファイバ２０と連通するポンプ・ダイオード２２およびポンプ・ダイオード２４とを含み、さらにモニタ・ポート・ファイバ１９を含むことができる。ポンプ結合器１８の出力部は、高反射回折格子１２に結合される出力ポート・ファイバ２６を含む。出力カプラ１６は出力ファイバ２８に結合される。図１に示したレーザ・キャビティ１０は、第２の出力ファイバ３２に結合される第２のポンプ結合器３０をさらに含むことができる。

ファイバ・レーザ・システムに関して本明細書で使用される「ハイパワー」とは、２５０Ｗ以上、３００Ｗ以上、４００Ｗ以上、および１０００Ｗ以上のパワーを指す。１つまたは複数の実施形態による高反射回折格子は、１．１ｎｍを超える、例えば、１．１ｎｍから３ｎｍの範囲の帯域幅を有する。１つまたは複数の実施形態によれば、出力カプラは、１ｎｍから２ｎｍの範囲の帯域幅を有し、特定の実施形態では、１．２ｎｍから２ｎｍの範囲、１．４ｎｍから２ｎｍの範囲、１．６ｎｍから２ｎｍの範囲、および１．８ｎｍから２ｎｍの範囲の帯域幅を有する。特定の実施形態では、出力カプラおよび高反射回折格子はファイバ・ブラッグ回折格子を含む。本発明のレーザ・キャビティを形成するには、高反射器および出力カプラの波長領域は重なるべきである。

１つまたは複数の実施形態による利得ファイバは、ファイバ増幅器、例えば、エルビウム、Ｙｂ、または他の希土類元素、およびそれらの組合せをドープした希土類ドープ・ファイバ増幅器を含む。特定の実施形態では、ファイバ増幅器の長さは２５ｍを超える。上記で述べたように、ＳＲＳなどの非線形効果を低減させるには、より短い長さのファイバ増幅器が必要とされると以前には考えられていた。本発明の実施形態によれば、より長い利得ファイバ長が可能である。より長い利得ファイバ長を使用すると、残留ポンプ光が減少する傾向がある。１つまたは複数の実施形態によれば、利得ファイバは、本質的に、信号波長で単一モードであり、そのため、一般に、約１２ミクロン未満のモード・フィールド直径を有する。特定の実施形態では、利得ファイバは、２５メートルの長さと、９１５ｎｍで約２００ｄＢ／メートルのコア吸収とを有するＹｂドープ・ファイバを含む。

本発明のさらなる特定の実施形態では、単一レーザ・キャビティは、ポンプ光を利得ファイバに導入するためにポンプ源をさらに含む。ポンプ源は、ポンプ結合器を通して単一キャビティに接続される複数のポンプ・ダイオードを含む。ポンプ結合器は、いくつかのポンプ入力部と、例示の数である１９個の前方ポンプ入力部と、高反射回折格子に接続される出力ポート・ファイバとを含むことができる。ポンプ・パワー源は、複数のポンプ・ダイオード、例えば、ポンプ入力部に接続される１０Ｗから１００Ｗの範囲のパワーを個々に有する複数のポンプ・ダイオードを含むことができる。特定の実施形態では、結合器は複数のポンプ・ポート・ファイバを含む。さらなる特定の実施形態では、ポンプ・ポート・ファイバはアクリレート被覆ファイバとすることができる。特定の実施形態では、ポンプ・ダイオードの波長は９００ｎｍから１０００ｎｍの範囲にある。例示の波長は９１５ｎｍ、９４０ｎｍ、および９７５ｎｍを含む。直ぐ上で説明した特定の実施形態は単に例示の実施形態であり、個々の構成要素のパラメータの各々について多数の変形が本発明の範囲に従って行われ得ることが理解されよう。

単一キャビティ・レーザの試験
狭帯域幅出力カプラをもつ単一レーザ・キャビティの雑音は、図２および図３に示されるようにＳＲＳが高くなることが確認された。図２は、狭帯域幅を有する出力カプラを使用するハイパワー・レーザ・システムからの正規化電圧出力の時間トレースを示す。図３は、狭帯域幅を有する出力カプラを使用するハイパワー・レーザ・システムのキャビティのスペクトルを示す。２２０Ｗの平均出力信号パワーをもつファイバ・レーザが狭帯域幅（０．１ｎｍ）出力カプラを用いて構成された。雑音は光検出器およびオシロスコープを使用して測定された。図３の出力波長スペクトルは、１１４０ｎｍの辺りでＳＲＳのかなり大きい成長を示し、それにより、驚くべきことに、この利得ファイバにおける比較的低い平均パワーおよび信号モード・フィールド直径がもたらされる。この挙動の示すところによれば、レーザの非線形閾値は、平均光強度によってではなく、雑音スパイクのピーク強度によって左右される。したがって、発明者等は、より良好なキャビティ設計を使用することによって非線形閾値を上昇させ、レーザの雑音を低減させることができることを確認した。雑音はレーザ・キャビティの縦モードの数に関連することが見出された。レーザ・キャビティの雑音を低減させるために、より広い帯域幅の出力カプラ（ＯＣ回折格子）が本明細書で説明するように使用された。より広い帯域幅のＯＣを使用すると、縦モードの数が増加する。出力カプラは、本明細書で指定する帯域幅を利用する回折格子または他の形態の出力カプラとすることができる。

図４を参照すると、図２に示したデータを取得するために使用したものよりも広い帯域幅を有する出力カプラを使用する本発明の一態様によるキャビティを使用するハイパワー・レーザ・システムからの正規化電圧出力の時間トレースが示される。図４と図２とを比較すると、より広い帯域幅の出力カプラにより、キャビティの雑音が大幅に低減されることが分かる。

図５は、広帯域幅を有する出力カプラを使用するハイパワー・レーザ・システムの本発明のキャビティのスペクトルを図３からのデータと一緒に示す。より広い帯域幅の出力カプラはＳＲＳを大幅に４０ｄＢ低減させることが分かる。これが意味するところによれば、より広い帯域幅の出力カプラをもつキャビティはＳＲＳレベルを著しく低下させることができる。図４および図５のデータは０．６ｎｍの帯域幅を有する出力カプラを使用して生成されたが、広帯域出力カプラの概念は、帯域幅が１ｎｍから２ｎｍの範囲にあるようにハイパワー・ファイバ・レーザ向けに拡大させることができる。２５０Ｗを超えるものなどのより高いパワーのファイバ・レーザのＳＲＳは１〜２ｎｍ帯域幅のＯＣを使用して低減されると推測される。

このように、単一キャビティ・レーザの縦モードの数は出力カプラの帯域幅によって決まることが分かる。より広い帯域幅の出力カプラをもつキャビティは、より多くの数の縦モードを有する。縦モードはキャビティの雑音に関連し、キャビティの縦モードが増加する場合、雑音は減少することが確認された。これらの縦モードは異なる位相を有するので、それらは互いに干渉を引き起こし、時間的に平均化される。

図６を参照すると、０．５ｎｍおよび１．５ｎｍのＯＣを有する単一キャビティ・レーザに関する４４０Ｗ出力パワー・レーザの結果が示される。その結果の示すところによれば、１．５ｎｍ帯域幅のＯＣを使用するキャビティのＳＲＳは０．５ｎｍ帯域幅のＯＣのものよりも低い。次に図７を参照すると、２つのＯＣの損失プロファイルが０．５ｎｍおよび１．５ｎｍについて示される。

本発明の実施形態による単一キャビティを組み込んだレージング・システムは、電気通信用途およびハイパワー軍事および工業用光ファイバ用途を含む様々な用途で使用することができる。特定の実施形態では、単一キャビティ・レーザは工業用機械加工用途で使用することができ、単一キャビティ・レーザの出力ファイバは、レーザの出力を対象物または加工品に合焦するためにビーム・エキスパンダなどの好適な要素に結合することができる。ビーム・エキスパンダは、円柱状、円錐形、または多段円柱状円錐形に整形された、コアがない石英ガラス片とすることができる。ビーム・エキスパンダは出力ファセットをさらに含むことができ、出力ファセットは所望に応じて平坦またはレンズ状とすることができる。さらに、出力ファセットを反射防止被覆で被覆して、放射の後方反射を防止または低減させ、それによって、ファイバ・レーザ源へのあり得る損傷を防止することができる。そのようなデバイスは、材料の溶接、切断、ろう付け、ドリル加工などの様々な用途で使用することができる。

本発明の１つまたは複数の実施形態による単一キャビティは、下流増幅器アセンブリをシーディングするためのファイバ・レーザで使用するように組み込むこともできる。

本明細書の全体にわたる「１つの実施形態」、「いくつかの実施形態」、「１つまたは複数の実施形態」、または「一実施形態」という参照は、実施形態に関連して記載された特定の特徴、構造、材料、または特性が本発明の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。したがって、本明細書の全体にわたる様々な箇所において「１つまたは複数の実施形態において」、「いくつかの実施形態において」、「１つの実施形態において」、または「一実施形態において」などの句が現れるが、必ずしも本発明の同じ実施形態を示していない。さらに、特定の特徴、構造、材料、または特性は、１つまたは複数の実施形態において任意の好適な方法で組み合わせることができる。

本発明が本明細書で特定の実施形態を参照して説明されたが、これらの実施形態は本発明の原理および用途の単なる例示であることが理解されるべきである。本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく本発明の方法および装置に様々な変更および変形を行うことができることが当業者には明らかであろう。したがって、本発明は、添付の特許請求の範囲およびそれらの均等物の範囲内にある変更形態および変形形態を含むことが意図される。

Claims (12)

1. ハイパワー・ファイバ・レーザ・システムで使用するキャビティであって、
   高反射回折格子と、
   希土類ドープ利得ファイバと、
   １ｎｍから２ｎｍの範囲にあり、レーザ・システムの非線形閾値を上昇させ、誘導ラマン散乱（ＳＲＳ）を低減させるのに十分な帯域幅を有する出力カプラと、
   前記単一キャビティ・レーザに接続されて前記単一キャビティからの２５０ワットを超えるハイパワーを供給する出力ファイバとを備える、キャビティ。
2. ポンプ・ダイオードをさらに備える、請求項１に記載のキャビティ。
3. 前記出力カプラの前記帯域幅が１．２ｎｍから２ｎｍの範囲にある、請求項１に記載のキャビティ。
4. 前記高反射回折格子および前記出力カプラの各々がブラッグ回折格子を含む、請求項１に記載のキャビティ。
5. 前記出力ファイバが多モード・ファイバである、請求項１に記載のキャビティ。
6. ポンプ光を前記希土類ドープ利得ファイバに導入するためにポンプ源をさらに備え、前記ポンプ源が、ポンプ結合器を通して前記単一キャビティに接続される複数のポンプ・ダイオードを備える、請求項１に記載のキャビティ。
7. 前記レーザ・キャビティの縦モードの数が、より狭い帯域幅を有する出力カプラを使用するシステムと比較して増加される、請求項６に記載のキャビティ。
8. 誘導ラマン散乱によって引き起こされる非線形効果が、より狭い帯域幅を有する出力カプラを使用する単一キャビティ・レーザと比較して低減される、請求項７に記載のキャビティ。
9. 前記キャビティのスロープ効率が６５％から７０％の範囲にある、請求項１に記載のキャビティ。
10. 前記希土類ドープ利得ファイバが１２ミクロン未満のモード・フィールド直径を有する、請求項１に記載のキャビティ。
11. 請求項１に記載の前記単一キャビティ・レーザと、前記単一キャビティによってシーディングされる下流増幅器とを含むファイバ・レーザ・システム。
12. 請求項１に記載の前記単一キャビティを含む、材料の溶接、切断、ろう付け、ドリル加工を行うためのデバイス。

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