JP6294486B2 - 超高出力単一モードファイバーレーザーシステム - Google Patents

Description

本開示は、実質的に基本モードにおいてＭＷレベルのピーク及びｋＷレベルの平均出力で放射する単一モード（ＳＭ，ｓｉｎｇｌｅ ｍｏｄｅ）超高出力ファイバーレーザーシステムに関する。特に、本開示のＳＭファイバーシステムは、ポンプ源及びシード源を備えた据え置き型筐体と、筐体から離隔されたレーザーヘッドと、筐体とヘッドとの間の拘束されていない伝達ケーブルと、伝達ケーブルを通って少なくとも部分的に延在し且つレーザーヘッドに直接接続された下流端を有するブースターとを含む。

ダブルクラッドファイバーを用いることによって、希土類ドープファイバー源からの出力が過去十年間において劇的に上昇しており、出力、ビーム品質、全体的な効率、及び波長柔軟性に関して顕著な性能を有する多様なファイバーレーザーシステムがもたらされている。しかしながら依然として、現代の高出力ファイバーレーザーシステムの出力のスケーリングは、増え続ける産業の需要を満たすには程遠い。

現状では、当該分野における進展は、抽出可能な最大エネルギーの限界と、非線形効果の発現とにおいて主に制限されている。利得媒体の飽和エネルギーは、どれだけ多くのエネルギーを増幅器に蓄えることができるのかを決定するための重要なパラメータであり、
Ｅ_ｓａｔ＝ｈν_ｓＡ_ｅｆｆ／｛（σ_ｅｓ＋σ_ａｓ）Γ_ｓ｝ （１）
によって与えられる。ここで、σ_ｅｓ、σ_ａｓはそれぞれ、信号波長での放出断面積、吸収断面積であり、ｈν_ｓは、周波数ν_ｓにおける信号エネルギーであり、Ａ_ｅｆｆはアクティブドープ領域の面積であり、Γは、アクティブ領域との信号の重なりである。

非線形効果の悪影響、特に誘導ブリルアン散乱（ＳＢＳ，ｓｔｉｍｕｌａｔｅｄ Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ）及び誘導ラマン散乱（ＳＲＳ，ｓｔｉｍｕｌａｔｅｄ Ｒａｍａｎ ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ）が、信号からパワーを奪い、致命的な損傷を生じさせ得る。当業者に知られているように、モード面積の増大と、ファイバー長さの減少とによってその軽減が可能である。より大きなコアはファイバー断面積全体のより大きな部分を占めて、より大きなポンプ吸収を有するので、最適なファイバー長さは、Ａ_ｅｆｆと反比例する。従って、当然に、コア面積の増大は、より短い長さにつながる。

しかしながら、コアを無制限に増大させることはできない。単一モード動作では、コア直径を増大させるほど、コアとクラッドとの間の屈折率差ｎを減少させなければならず、特定の閾値を超えると、曲げの影響を受け易くなる。ｎが最小値に固定されている場合、コア直径の更なる増大は、マルチモード動作をもたらす。これは許容可能なものではあるが、モード間における不可避で望ましくないエネルギー移動によって、コアサイズが制限される。マルチモードファイバーにおけるモード間のモード結合効率は、
η≒（λ^２ｋ^２）／Δｎ_ｅｆｆ ^２ｐ （２）
によって与えられる。ここで、ｋは、屈折率及びマイクロベンドの変動による摂動振幅であり、ｎ_ｅｆｆは、異なるモード間における有効屈折率の差であり、ｐは、ファイバーに対する機械的摂動を記述するフィッティングパラメータ（その値は＞０）である。従って、小さなモード結合のためには、大きなｎｅｆｆが望ましい。残念ながら、Ａ_ｅｆｆが増大すると、ｎ_ｅｆｆが減少し、特定の点において、モード結合を減少させることができなくなる。

高出力レーザー及び増幅器の全ての応用において、大きなＡ_ｅｆｆの更なる問題として、デバイス出力を空間的に変換及び集束させることが挙げられる。これは、ガウスビームによって最良に達成される。従って、高出力デバイスに対する重要な基準は、完全なガウス空間プロファイルからの逸脱の大きさＭ^２である（Ｍ^２＝１が完全なガウスモードである）。

現状の好ましいレーザー設計は、低いＭ^２を有する基本モードでの動作を提供する手段に注力しているが、それでも、ファイバーは複数のモードを誘導し得る。これを達成するために開示されている一手段は、互いに接合された複数の別々のファイバーを含む増幅システムを設計することである。特に、そのシステムは、テーパー部にＳＭ信号光を誘導する均一寸法のＳＭパッシブファイバーを備えて構成され、そのテーパー部は、テーパー部の出力部に接合された均一寸法のＭＭ（マルチモード）増幅ファイバーの基本モードのサイズに実質的に一致するサイズへと、ＳＭのＭＦＤ（モードフィールド径）を断熱的に広げるように構成される。多数のファイバー部品に起因して、スプライス損失が許容不能に高くなり得る。更に、上述のような多部品システムの製造は時間的に非効率であり、コストがかかる。更に、ＮＬＥ（非線形効果）及び曲げ損失の問題の低い閾値が更に問題になる。

最近、ファイバーレーザー産業は、ファイバー増幅器のスケーラビリティ（拡張性）に対処するために増幅鎖の出力段において典型的に使用されている結晶ファイバーロッドに目を向けている。空気孔クラッド技術に基づいて、結晶ファイバーロッドは、実質的に基本モードのみをサポートすることができる大直径のコアを取り囲むダブルクラッド構造を含む。

ロッドファイバーのドープコアは、非常に小さなＮＡ（開口数）を有し、典型的には低いドーパント濃度を有する溶融シリカ／石英製である。上述の三つの特性全てが、ファイバーロッドに基づいたレーザーシステムのスケーラビリティに悪影響を与え得る。

低い開口数（典型的には略０．０２を超えない）は、レーザーシステムがＣＷ（連続波）又はパルス方式で動作するかに依存してｋＷ〜ＭＷ範囲の超高出力に達するのに必要な量でドープコアに結合し得る高出力ポンプ光の量を制限する。従って、十分な量のポンプ光は、ダブルクラッドファイバーの内側クラッドのみに結合することができる。当業者に知られているように、クラッド結合ポンプ光の吸収は、コア結合光の吸収よりも実質的に低い。従って、クラッド結合ポンプ光を完全に利用するためには、ファイバーロッドが、典型には５０ｃｍを超え、数メートルに達することも多い長さを有することが望ましい。従って、最も短いファイバーロッドであっても、ＮＬＥによって悪影響を受ける。勿論、これは、レーザー出力のスケーラビリティを致命的に制限する。

イッテルビウム（Ｙｂ）等のイオンの低濃度とは、典型的に略７００ｐｐｍである。このような低いドーパント濃度では、ポンプ光の吸収も低い。適切な吸収を提供するためにも、ファイバーロッドの全長を伸ばすことが望ましいが、これは、ＮＬＥの低い閾値に起因して増幅器の出力のスケーラビリティを制限する。

ファイバーロッドの開口端（オープンエンド）構造も関心のある分野である。典型的には、空隙全体にわたる入力信号の入射は、マイクロ光学系によってのみ実現可能である。これは、当然に、システム全体の構成を複雑にして、システムを扱い難くて高価なものにする。空隙又は空気孔の存在は、熱伝導特性を低下させる。特に、空気孔は、熱の散逸を遅くして、これは、ロッド自体を損傷させ得て、環境を害し得る。

以上まとめると、高出力ファイバーシステムの設計は、以下の要因によって困難な課題に直面している：一般的にはファイバー、特にファイバーロッドにおける非線形効果； 高次モード（ＨＯＭ，ｈｉｇｈ ｏｒｄｅｒ ｍｏｄｅ）に対する基本モードパワーの損失； ポンプ輝度； そして勿論、過度の発熱。各要因は独立して出力のスケーリングを制限するものであるが、ブースター増幅段（最終利得段）において、これらは相互に関係もする。

従って、既知のシステムの上述の欠点を実質的に解消する超高出力ファイバーレーザーシステムが必要とされている。

この必要性は、本開示の超高出力ＳＭファイバーレーザーシステムによって満たされる。本開示のシステムは、実質的に基本モードにおいてＭＷレベルのピーク出力及び数十ｋＷの平均出力で放出を行うことができる。

一態様によると、本開示のシステムは、柔軟で均一な寸法の入力ファイバーと、入力ファイバーから離れる方向に広がる真っ直ぐな円錐台形のファイバーロッドという二つの異なる形状の部分を備えて構成されたブースター増幅器を含む。増幅器は、コアの全断面にわたって略１０００ｐｐｍから略５０００ｐｐｍまでの高濃度の希土類元素のイオンでドープされたリン酸塩コアを含む。入力ファイバー部分に沿って延伸するコアの入力部分は、基本モード（ＦＭ，ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌ ｍｏｄｅ）又は少数の高次モード（ＨＯＭ，ｈｉｇｈ ｏｒｄｅｒ ｍｏｄｅ）のみを誘導するように構成される。ファイバーロッドに沿って広がるコアの出力部分は、後述のように増幅が実質的に抑制される多重モードをサポートすることができる出力端部を有する。

本開示の構造的態様の一つは、ＦＭの領域とコアの領域との間で可能な最大の重なりを含む。特に、ＦＭの領域（Ａ_ｆｍ）は、コアの全長にわたってコアの領域（Ａ_ｃ）の０．６５^２を超える。このような大きな重なりは、どのＨＯＭの増幅よりも顕著に大きなＦＭの増幅を与える。

本開示の更なる態様は、ファイバーロッドの直径の大きなコア端部内に高出力ＭＭポンプ光をポンピングすることを含む。ポンプ光は、略０．１以上であるコアの開口数ＮＡ_ｃよりも低い開口数ＮＡ_ｐを特徴とする。対向する伝播方向、上記ポンプ光のＮＡ、及びＦＭの大きなモードフィールド直径が、テーパー状のコア部分の非常に小さな軸方向長さに沿ったポンプ光の効果的な吸収にとって好適な条件を与える。その軸方向長さは略３０ｃｍを超えず、好ましくは略１０ｃｍの長さである。このような限られた長さでは、ＮＬＥ（非線形効果）に対する閾値が非常に高いので、出力のスケーリングが、単一の基本モード又は非常に少数のＨＯＭにおいて最大ＭＷレベルのピーク出力にまで顕著に改善可能である。

本開示の更なる態様は、基本モードと重ならないコアの縁領域に関する。コアの全断面が、希土類イオンや発光活性剤でドープされるので、コアの縁領域における自然放出及び／又はＨＯＭの増幅が特に懸念される。

しかしながら、本開示のポンプ源は、コアの縁領域における発光体の吸収をブリーチするのに必要な密度よりもはるかに高い出力密度を有するポンプ光を放出するように構成される。言い換えると、ポンプ光は、対向する伝播方向においてコアの出力領域内に結合され、ポンプ光の出力密度が、信号の基本モードと重なるコア領域の希土類イオンを反転ささせることができる。同時に、このようなポンプ光は、重ならない領域内の発光体を反転させるには不十分であり、ＨＯＭ及び／又は自然放出の増幅と比較してはるかに大きいＦＭの増幅をもたらす。
ポンプ源は、
波長λ _ｐ の低ノイズポンプ光信号を発生させる少なくとも一つのポンプシード源と、
サブポンプ波長λ _ｓｐ のサブポンプ放射を放出するように互いに組み合わせられた複数の高出力半導体レーザーダイオードと、
サブポンプ波長λ _ｓｐ のサブポンプ放射を波長λ _ｐ のポンプ信号に変換するＹｂドープ多重モードファイバー波長変換器とを備えて構成されていて、
波長変換器によって放出されるポンプ信号が、
低ノイズポンプ光信号のノイズレベルと実質的に同じノイズレベルと、
ｎを高出力半導体レーザーダイオードの数、Ｂを各高出力半導体レーザーダイオードの輝度として、ｎ×Ｂに実質的に等しい輝度と、
Ｐ _ｄ を各高出力半導体レーザーダイオードの出力、ｎを高出力半導体レーザーダイオードの数として、ｎＰ _ｄ に実質的に等しい出力とを有する。

本開示の構造の上記及び他の態様、特徴及び利点は、図面と共に以下の具体的な説明から容易に明らかになる。

本開示の超高出力ファイバーレーザーシステムの極めて概略的な図である。 図１のシステムの一実施形態の概略図である。 ＨＯＭを抑制する機構を説明するための本開示で構成された構造の概略図である。 高出力ＭＭファイバーポンプ源の概略図である。

以下、本発明の実施形態を詳細に説明する。可能な限り、同一又は同様の番号が図面において用いられていて、同一又は同様の部分やステップを指称する。図面は単純化されていて、正確な縮尺ではない。特に断らない限り、明細書及び特許請求の範囲における用語は、ファイバーレーザーの分野において当業者にとって一般的で慣用されている意味を有するものである。“結合”との用語及び同様の用語は、必ずしも直接的な接続を意味するものではなく、自由空間や中間要素を介した機械的光学的接続も含む。

図１は、例えば、主発振器／出力増幅器（又はブースター）（ＭＯＰＡ，ｍａｓｔｅｒ ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ／ｐｏｗｅｒ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）構成を有する超高出力レーザーシステム１０の極めて概念的な図を示し、特に、発振器／シード１２と、ブースター増幅器１５とを有する。二つの増幅カスケードのみが図示されているが、シードとブースターとの間に追加の中間増幅カスケードを容易に用いることができることは当業者に容易に理解される。

シード１２は、所定のシステムにおけるファイバーコンポーネントにドープされた希土類元素のイオンに応じて略９６０ｎｍから略２０００ｎｍまで等の広範な波長範囲内の所望の波長λ_ｓにおいてＳＭ信号光を放出するように動作可能である。例えば、イッテルビウム（Ｙｂ）、エルビウム（Ｅｒ）、ネオジム（Ｎｄ）、ツリウム（Ｔｍ）が単に例として挙げられる。高出力を要する産業及び軍事レーザーの応用ではＹｂイオンが最も広く用いられており、以下の説明はこの特定の種類のドーパントに集中するが、ファイバーレーザー分野の当業者には、あらゆる可能な希土類元素に対する普遍的な教示を与えるものである。イオン濃度は、発光体の具体的な種類に応じて略１０００ｐｐｍから略５０００ｐｐｍまでの間で異なる。ブースター１５は、好ましくは偏波保持（ＰＭ，ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ｍａｉｎｔａｉｎｉｎｇ）リン酸塩ファイバーで構成されるが、通常の非ＰＭリン酸塩アクティブファイバーも本開示の範囲内において使用可能である。

図２を参照すると、ブースター増幅器１５は、ファイバー部分２５及びファイバーロッド部分１４を含む一体のファイバーからファイバーロッドまでの利得媒体で構成され、ファイバーロッド部分１４は数センチメートルから数十センチメートルまでの範囲の長さを有する。例えば、ファイバーロッド部分１４は略１０ｃｍから略３０ｃｍまでの長さとなり得る。代わりに、部分２５と部分１４を、互いに接合された別々の部品として構成し得る。ファイバーロッド部分１４は、所望の波長λ_ｓにおけるファイバー部分２５からのＳＭ又は少数の高次モードの信号光を受光する直径の小さな入力端部２２と、多重モードをサポートする直径の大きな出力端部２４とを備えた略円錐台形の形状を有する。ＭＭポンプ源１６は、対向する伝播方向においてブースター１５のコア出力端部２４内に結合されるポンプ光λ_ｐｃｄを放出する。反対側のブースター１５の入力端部では、他のポンプ源１８が、同じ伝播方向においてファイバー部分２５の入力端部２２内に結合されるＭＭポンプ光を放出する。

レーザー媒体の利得は、利得媒体中のポンプ光強度と、入力レーザー放射と媒体との相互作用長（例えば、吸収長）との積である。ｋＷレベルに達する極めて高いポンプ出力及びＮＬＥ（非線形効果）に対する高い閾値のため、システム１０は、以下で説明するように、ブースター１５の直径の大きな端部２４を通して実質的に基本モードにおいて、略５ｋＷの平均出力、又は最大ＭＷレベルのピーク出力で放出を行うように動作可能である。

システム１０は、好ましくはパルス方式で動作するが、場合によっては、連続波（ＣＷ，ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｗａｖｅ）動作でも利用可能である。従って、ブースター１５は、入力端部２２と出力端部２４との間に延伸して、例えばＹｂイオンでドープされたコア２６と、コア２６を取り囲むクラッド２８とを含む。コア２６の入力端部２２から延伸する入力領域は、均一な直径を有して構成され、コア２６に結合されたシード１２からのＳＭ信号光に応答して励起される単一の基本モードと、又はＨＯＭのうち極めて少数のモードとのいずれかのみを誘導するような寸法にされる。これは、ブースター１５及び伝達ファイバーそれぞれのコアを整列させることによって達成される。また、入力端部２２は、基本モード（ＦＭ，ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌ ｍｏｄｅ）のモードフィールド直径（ＭＦＤ，ｍｏｄｅ ｆｉｅｌｄ ｄｉａｍｅｔｅｒ）を有するように構成され得て、そのＭＦＤは、シード１２から放出されてＳＭフィードファイバー２３に沿って伝達されるＳＭ信号光のＭＦＤに実質的に一致する。

コア２６の入力領域は、多重モードをサポートする出力端部に向けてファイバーロッド部分１４に沿って断熱的に広がるモード移行領域３０に達する。任意の均一に構成された下流領域２９においてファイバーロッド部分１４の構造が終わる。円筒状又は円錐状の断面を有する石英ブロック２７が、出力信号の高出力密度を低下させるように構成される。ブースター１５及びポンプ源１６は、以下で説明するように、出力領域２４に沿ったＨＯＭ及び／又は自然放出の増幅を抑制するように構成される。

図３は、ブースター１５のファイバーロッド部分１４に沿ったＨＯＭ及び／又は望ましくない自然放出の増幅を抑制するための本開示の機構を示す。ブースターのコア２６は、一種以上の希土類元素でその全断面にわたってドープされて、実質的に０．１以上のＮＡを有するように構成される。更に、コア２６の全長は、中心領域Ａ_ｏの略０．６５^２がＦＭ（基本モード）４２と重なるように構造化され、つまり、ＦＭと重ならずＨＯＭ及び／又は自然放出が増幅可能な領域である、コア２６の周辺領域Ａ_ｎｏ５２は小さく残される。

周辺領域Ａ_ｎｏ５２におけるこの増幅は、コア２６の開口数ＮＡ_ｃにほぼ一致し、好ましくはＮＡ_ｃよりも小さなＮＡ_Ｌｐ（つまり、ＮＡ_Ｌｐ＜ＮＡ_ｃ）でポンプ光５０を放出するようにポンプ源１６を構成することによって大幅に抑制される。結果として、ＦＭは、コア２６の全長にわたって基本モードのサイズと少なくとも同じ大きさのサイズを有するポンプ光の中に閉じ込められる。言い換えると、ポンプ光の出力密度は、重ならないコア領域Ａ_ｎｏをブリーチするのに必要な出力密度よりもはるかに高い。従って、コア２６のＡ_ｎｏ領域は、基底準位及び高エネルギー準位において実質的に等しい数のイオンによって特徴付けられ、つまり、ポンプ光の更なる注入は光の増幅をもたらさない。同時に、コア２６の重なる領域Ａ_ｏでは、高エネルギー準位におけるイオンの数が、基底準位における数よりも連続的に高くなり、ＦＭの増幅が続き、コア２６の重ならない領域Ａ_ｎｏにおけるＨＯＭ及びＳＥ（自然放出）の増幅よりもはるかに高いＦＭの増幅がもたらされる。

ファイバーロッド部分１４の円錐の開口角は、少なくとも一部の吸収されなかったポンプ光Ｌｐが、ヒートシンクに取り囲まれ得るファイバー部分２５に入射する前に分離されるように制御可能に選択される。ポンプ光は、多様な角度でブースター１５内に結合される。比較的大きな角度を有する光線は、比較的容易に外に漏れ出す。小さな角度を有する光線、つまりブースター１５の軸にほぼ平行に伝播する光線は、クラッドに入射すると、表面に達した後において反射光線の分離を提供するのに十分大きな角度でクラッドから反射する。

図３及び図４を参照すると、ポンプ源１６は、ＭＭファイバーレーザーシステムとして構成され、例えば９８０ｎｍ範囲でシード光を発生させる一つ以上の組み合わせのシード３２と、ポンプ光を受光及び増幅して、ブースター１５内に結合される高出力高輝度のポンプ光を出力するＭＭ波長変換器３４とを含む。ポンプ光は、図３に関して上述したように、ブースター１５の大きなコア端部２４内に結合される。

波長変換器３４は、Ｙｂイオンでドープされた多重モードコアを有するアクティブファイバーを含み、複数の半導体レーザーダイオードの組み合わせを含むサブポンプシステム３６によってサイドポンピングされる。サブポンプシステム３６は、サブポンプ波長λ_ｓｐで変換器３４内に結合されるサブポンプ光を発生させ、λ_ｓｐは、Δλ＝λ_ｐ−λ_ｓｐ＜０／１λ_ｓｐとなるように選択され、ここでλ_ｐはポンプ出力波長（信号光の波長と同じ）である。波長が近いことが、高い量子効率、つまりは、低い熱関連損失に寄与する。上述のように、波長変換器３４は、λ_ｓｐの波長のサブポンプ放出を、可能な限り信号光長λ_ｓに近い１マイクロメートル範囲のポンプ波長λ_ｐｃｄに変換する。例えば、ポンプ源１６が略１０１６μｍのポンプ光を発生させるように構成される一方、信号光は略１０３０μｍで放出される。

ポンプシード３２は、例えば、単一の又は複数の組み合わせの強力なピッグテールＭＭレーザーダイオード又はファイバーベースのシードとして構成され、９８０ｎｍの波長範囲の滑らかでスパイクの無い信号光を少なくとも略０．１ｒｍｓの二乗平均平方根（ｒｍｓ，ｒｏｏｔ ｍｅａｎ ｓｑｕａｒｅ）値に対応するノイズレベルで発生させる。ダイオードは、略０．１から０．１３までの範囲のＮＡも有する。ポンプシード３２からの光は、数十ワットから数百ワットの間で異なる出力を有し得る。ポンプ源１６の出力の具体的な波長λ_ｐｃｄは、吸収ピークに最も近い波長において変換器３４をポンピングするように選択される。

波長変換器３４のＭＭ Ｙｂドープアクティブファイバーは、ダブルクラッド又は通常の構成を有し得て、例えば略５０から１５０マイクロメートル（又はこれ以上）の範囲内で異なり得るコア直径を有し得る。更に、変換器３４のＹｂドープファイバーは、略０．０５から０．１までの間で異なるＮＡを有するように構成される。

波長変換器３４からのポンプ光の出力は、非常に高くなることができ、サブポンプアセンブリ（例えばサイドポンピング変換器３４）において組み合わせられたＨＰ（高出力）半導体レーザーダイオード３６の数、そして勿論変換器３４の数に依存する。従って、ポンプ光の出力はＰ≒Ｎ×Ｐ_ｌｄとなり、ここでＮはＨＰレーザーダイオードの数であり、Ｐ_ｌｄは、個々のダイオードの出力である。勿論、ポンプ光の出力Ｐは、ＨＰレーザーダイオードの組み合わせの出力に加えられ得るシード光の出力にも依存する。ポンプ光は、例えば９２０ｎｍの波長で放出されて、信号光の伝播方向と同じ方向及び対向する方向の両方に沿って伝播し得る。レーザーダイオードの数として、互いに組み合わせられた最大９０個のダイオードが挙げられる。各ダイオードは、例えば１００ワットのポンプ光を出力し得る。従って、ポンプ源１６は、所望のポンプ波長において数ｋＷのポンプ光を出力することができる。サブポンプアセンブリがサイドポンピング波長変換器３４に関して示されているが、複数のレーザーダイオード３６を含むエンドポンピング構成も当業者にとって容易に実現可能である点に留意されたい。

ポンプ光の高出力レベルＰ_ｐｌは、シード光と比較してポンプ光の輝度（Ｂ，ｂｒｉｇｈｔｎｅｓｓ）の改善に大きく寄与する。輝度Ｂは、Ｐｏ／ＢＰＰに略等しくなり得て、ここでＢＰＰは、１／２Ｄ_ｃ×ＮＡとして決定可能なビームパラメータの積であり、Ｄ_ｃはコア直径、ＮＡは開口数である。このＮＡは、実際的には信号光のＮＡ以下であるので、出力が実質的に均一であるとすると、ポンプ出力の輝度は、従来技術の最も強力なＭＭコンバイナの輝度の１０倍以上となり得る。
ポンプ源は、
波長λ _ｐ の低ノイズポンプ光信号を発生させる少なくとも一つのポンプシード源と、
サブポンプ波長λ _ｓｐ のサブポンプ放射を放出するように互いに組み合わせられた複数の高出力半導体レーザーダイオードと、
サブポンプ波長λ _ｓｐ のサブポンプ放射を波長λ _ｐ のポンプ信号に変換するＹｂドープ多重モードファイバー波長変換器とを備えて構成されていて、
波長変換器によって放出されるポンプ信号が、
低ノイズポンプ光信号のノイズレベルと実質的に同じノイズレベルと、
ｎを高出力半導体レーザーダイオードの数、Ｂを各高出力半導体レーザーダイオードの輝度として、ｎ×Ｂに実質的に等しい輝度と、
Ｐ _ｄ を各高出力半導体レーザーダイオードの出力、ｎを高出力半導体レーザーダイオードの数として、ｎＰ _ｄ に実質的に等しい出力とを有する。

コア中のＹｂ^３＋ドーパントの濃度は有利には比較的低い。本開示によると、好ましくは、Ｙｂイオンの濃度は５０ｐｐｍから１００ｐｐｍまでの間で異なる。しかしながら、この範囲は略１０〜２００ｐｐｍの範囲まで拡張可能である。

代わりに、ポンプ源１６は、複数の高出力ＭＭレーザーダイオードを備えて構成され得る。しかしながら、この構成のポンプの輝度は、上記ファイバーレーザー構成の輝度に匹敵するものではない。コア２６の出力端部２４内へのポンプ光の結合は、ミラー又はレンズ４２（図２）を用いて実現され得る。

図２に戻ると、ＳＭ信号光の結合でコア２６の入力領域２２に励起されるＦＭは、例えば９２０ｎｍの波長でポンプ光を放出するポンプ源１８によって更に増幅される。可能なポンピング方法の一つは、信号光も受光するＷＤＭ（波長分割マルチプレクサ）２０を用いた複数のダイオードを含み得る。ＷＤＭ２０からの出力信号は、コア２６の入力端部２２にどちらも結合される二つの異なる周波数を有する。代わりに、破線で示されるように、双方向サイドポンピング方法を用いることもできる。この方法によると、複数のレーザーダイオードによって放出されるポンプ光は、ブースター１５の入力領域に沿って同じ伝播方向及び対向する伝播方向においてクラッド２８に結合される。

添付図面を参照して本発明の一以上の好ましい実施形態について説明してきたが、本発明はそれらの詳細な実施形態に限られないことを理解されたい。例えば、本開示のシステムは、ＣＷ方式でも動作可能である。多様な波長、ファイバーパラメータ、希土類ドーパント等の多様な変更、修正、適応が、上述の発明の範囲又は要旨を逸脱することなく、当業者によって行われ得る。

項１
単一モード又は少数モード超高出力ファイバーレーザーシステムであって、
筐体と、
筐体内に収容されて、ポンプ光を放出するポンプ源と、
筐体に取り付けられ、伝播方向に単一モード（ＳＭ）信号光を放出するように動作可能なシード源と、
筐体内部に少なくとも部分的に延伸し、シード源からの経路に沿ってＳＭ信号光を誘導するＳＭシード出力ファイバーと、
筐体から或る距離で離隔されたレーザーヘッドと、
筐体とレーザーヘッドとの間に延伸する伝達ケーブルと、
細長の入力ファイバー部分と出力ファイバーロッド部分とを含む、拘束されていない一体のファイバーからファイバーロッドまでのブースター（増幅器）であって、増幅器が多重モード（ＭＭ）コアと、ブースターの両端の間においてコアを取り囲む少なくとも一つのクラッドとを備えて構成されていて、コアが、
入力ファイバー部分に沿って延伸する均一な寸法の入力コア領域であって、高次モード（ＨＯＭ）の励起せずに、ＳＭを受光及び誘導するようにシードファイバーのモードフィールド直径（ＭＦＤ）に実質的に一致するＭＦＤを備えて構成された均一な寸法の入力コア領域、
入力コア領域から広がるモード変換コア領域であって、ＨＯＭの励起を抑制しながら、ＳＭのＭＥＤを広げるするように構成されたモード変換コア領域、及び、
モード変換コア領域からブースターの出力ファイバーロッド部分に沿って延伸する均一な寸法の増幅コア領域であって、入力コア領域よりも短く、入力コア領域の直径よりも大きな直径を有する増幅コア領域、
を含む、ブースター増幅器と、
レーザーヘッドに取り付けられた反射体であって、ブースターをエンドポンピングするため、ポンプ光が反射体の表面に入射して、対向する伝播方向に反射体から反射されるようにポンプ源に動作可能に結合された反射体と、を備え、
拘束されていない一体のブースターが、
少なくとも部分的に伝達ケーブルの内部に配置されていて、且つ、
伝達ケーブルの下流端部に突出し、且つレーザーヘッド内部に収容されるブースターのファイバーロッド部分を有する、
ファイバーレーザーシステム。

項２
入力コア領域及びモード変換コア領域が伝達ケーブルの内部に配置されている、項１に記載のファイバーレーザーシステム。

項３
伝達ケーブルの内側表面とブースターとの間に冷却剤を更に備える項１に記載のファイバーレーザーシステム。

項４
少なくとも一つのポンプ光伝達ファイバーを更に備える項１に記載のファイバーレーザーシステム。

項５
ポンプ光伝達ファイバーが、伝達ケーブルの内部に延伸していて、レーザーヘッドに結合された放出端部を有する、項４に記載のファイバーレーザーシステム。

項６
伝達ケーブルを間隔を空けて取り囲む複数のレーザー光伝達ファイバーを更に備える項４に記載のファイバーレーザーシステム。

１０ 超高出力レーザーシステム
１２ 発振器／シード
１５ ブースター増幅器
１６ 多重モードポンプ源
１８ ポンプ源
２０ 波長分割マルチプレクサ
２２ 入力端部
２４ 出力端部

Claims (21)

1. 細長の入力ファイバー部分及び出力ファイバーロッド部分を含む一体のファイバーからファイバーロッドまでのブースター増幅器と、
   多重モードポンプ源と、を備える超高出力単一モードファイバーレーザーシステムであって、
   前記増幅器が、コアと、増幅器の両端の間において前記コアを取り囲むクラッドとを備えて構成されていて、前記コアが、
   前記入力ファイバー部分の長さ方向に沿って延伸していて、伝播方向に単一モードを導波するように構成された柔軟で均一な寸法の入力コア領域と、
   前記入力コア領域から前記ファイバーロッド部分の長さ方向に沿って前記コアの出力コア端部に向けて延伸していて、前記コアの断面の中心領域と重なる基本モードの領域で基本モード及び高次モードをサポートする真っ直ぐな出力コア領域と、を含み、
   前記ファイバーロッド部分が、略１０ｃｍから略３０ｃｍまでの間の長さと、少なくとも略０．１の開口数とを有して構成されていて、
   前記多重モードポンプ源が、前記コアの開口数よりも低い開口数を有し且つ対向する伝播方向で前記出力コア端部に結合されるポンプ光を放出するように動作し、前記ポンプ光の出力密度が、基本モードと重ならない前記コアの領域をブリーチするのに必要とされる密度よりも高く、
   前記増幅器が、略５ｋＷを超える平均出力、又はＭＷレベルに達するピーク出力で単一モードの出力を放出する、超高出力単一モードファイバーレーザーシステム。
2. 前記増幅器の出力端部に接合されていて、円筒断面又は略円錐断面を有するコアレスシリカガラスロッドを更に備える請求項１に記載の超高出力単一モードファイバーレーザーシステム。
3. 前記出力コア領域が、円錐台形状のモード変換部分を備えて構成されている、請求項１に記載の超高出力単一モードファイバーレーザーシステム。
4. 前記出力コア領域が、前記円錐台形状のモード変換部分から延伸していて且つ前記出力コア端部を含む均一に構成された部分を更に有する、請求項３に記載の超高出力単一モードファイバーレーザーシステム。
5. 前記ポンプ源が、
   波長λ_ｐの低ノイズポンプ光信号を発生させる少なくとも一つのポンプシード源と、
   サブポンプ波長λ_ｓｐのサブポンプ放射を放出するように互いに組み合わせられた複数の高出力半導体レーザーダイオードと、
   前記サブポンプ波長λ_ｓｐのサブポンプ放射を前記波長λ_ｐのポンプ信号に変換するＹｂドープ多重モードファイバー波長変換器とを備えて構成されていて、
   前記波長変換器によって放出されるポンプ信号が、
   前記低ノイズポンプ光信号のノイズレベルと実質的に同じノイズレベルと、
   ｎを高出力半導体レーザーダイオードの数、Ｂを各高出力半導体レーザーダイオードの輝度として、ｎ×Ｂに実質的に等しい輝度と、
   Ｐ_ｄを各高出力半導体レーザーダイオードの出力、ｎを高出力半導体レーザーダイオードの数として、ｎＰ_ｄに実質的に等しい出力とを有する、請求項１に記載の超高出力単一モードファイバーレーザーシステム。
6. 前記入力コア領域内に結合される単一モードの信号光を放出するシードと、
   前記シードと入力コア端部との間に配置された波長分割マルチプレクサと、
   前記信号光と前記入力コア端部内に結合される追加のポンプ光とを組み合わせるように構成された前記波長分割マルチプレクサに結合される多重モードポンプ光を放出する追加のポンプ源とを更に備える請求項１に記載の超高出力単一モードファイバーレーザーシステム。
7. 前記入力コア領域を双方向サイドポンピングするように動作する追加のポンプ源を更に備える請求項６に記載の超高出力単一モードファイバーレーザーシステム。
8. 前記シードが、略９６０ｎｍから約２μｍまでの波長において前記信号光を放出する、請求項６に記載の超高出力単一モードファイバーレーザーシステム。
9. 前記基本モードが、前記コアの全長にわたって前記コアの断面に少なくとも０．６５^２の割合で重なる、請求項１に記載の超高出力単一モードファイバーレーザーシステム。
10. 前記ブースター増幅器が、発光体でドープされた偏波保持リン酸塩アクティブファイバーを含み、ドープされた発光体の濃度が略１０００ｐｐｍから略５０００ｐｐｍまでの間である、請求項１に記載の超高出力単一モードファイバーレーザーシステム。
11. コアと前記コアを取り囲む少なくとも一つのクラッドとを有する細長の均一な構造のファイバー部分及びファイバーロッド部分を備えて構成されたブースター増幅器と、
    多重モードポンプ源と、を備えるファイバーモジュールであって、
    前記コアが、
    前記ファイバー部分に沿った伝播方向で誘導される単一モード又は少数の高次モードをサポートする均一な構造の入力コア領域と
    前記ファイバーロッド部分に沿って延伸していて、基本モード及び高次モードをサポートする寸法の出力コア端部に向けて広がる出力コア領域と、を有し、
    前記コアが、前記基本モードが前記コアの全長にわたって前記コアの断面の中心領域と重なるように構成されていて、
    前記多重モードポンプ源が、前記コアの全長にわたって前記基本モードを閉じ込めるように前記コアの開口数よりも低い開口数を有し且つ対向する伝播方向において前記出力コア端部内に結合されるポンプ光を放出するように動作し、
    前記増幅器が略５ｋＷを超える平均出力又はＭＷレベルに達するピーク出力で実質的に基本モードの出力を放出する、ファイバーモジュール。
12. 前記ファイバーロッド部分が、略１０ｃｍから略３０ｃｍまでの長さと、少なくとも０．１の開口数とを備えて構成されていて、基本モードと重なる前記コアの中心領域が、前記コアの断面の少なくとも０．６５^２に等しく、前記ポンプ光の出力密度が、基本モードと重ならない前記コアの領域をブリーチするのに必要な密度よりも高い、請求項１１に記載のファイバーモジュール。
13. 前記増幅器の出力端部に接合されていて、円筒断面又は略円錐断面を有するコアレスシリカガラスロッドを更に備える請求項１１に記載のファイバーモジュール。
14. 前記コアがリン酸塩及び希土類発光体でドープされていて、前記希土類発光体が最大５００ｐｐｍの濃度でドープされている、請求項１１に記載のファイバーモジュール。
15. 前記出力コア領域が、前記均一な構造の入力コア領域から延伸する円錐台形状のモード移行領域と、前記入力コア領域の直径よりも大きな直径を有する均一に構成された下流領域とを含む、請求項１１に記載のファイバーモジュール。
16. 前記ポンプ源が、
    波長λ_ｐの低ノイズポンプ光信号を発生させる少なくとも一つのポンプシード源と、
    サブポンプ波長λ_ｓｐのサブポンプ放射を放出するように互いに組み合わせられた複数の高出力半導体レーザーダイオードと、
    前記サブポンプ波長λ_ｓｐのサブポンプ放射を前記波長λ_ｐのポンプ信号に変換するＹｂドープ多重モードファイバー波長変換器と、を備えて構成されていて、
    前記波長変換器によって放出されるポンプ信号が、
    前記低ノイズポンプ光信号のノイズレベルと実質的に同じノイズレベルと、
    ｎを高出力半導体レーザーダイオードの数、Ｂを各高出力半導体レーザーダイオードの輝度として、ｎ×Ｂに実質的に等しい輝度と、
    Ｐ_ｄを各高出力半導体レーザーダイオードの出力、ｎを高出力半導体レーザーダイオードの数として、ｎＰ_ｄに実質的に等しい出力とを有する、請求項１１に記載のファイバーモジュール。
17. 前記入力コア領域の上流端部に結合される多重モードポンプ光を放出する追加のポンプ源を更に備える請求項１１に記載のファイバーモジュール。
18. 前記増幅器の出力が、略９６０ｎｍから略２０００ｎｍまでの間の波長で放出される、請求項１１に記載のファイバーモジュール。
19. 前記ブースター増幅器が、一体構造、又は前記ファイバー部分及び前記ファイバーロッド部分が互いに接合されている二体構造を有する、請求項１１に記載のファイバーモジュール。
20. 光を増幅するためのシステムであって、
    コアと前記コアを取り囲む少なくとも一つのクラッドとを有する細長の均一な構造のファイバー部分及びファイバーロッド部分を有する光ファイバー増幅器と、
    多重モードポンプ源とを備え、
    前記コアが、
    前記ファイバー部分に沿って伝播方向に誘導される単一モード又は少数の高次モードをサポートする均一な構造の入力コア領域と、
    前記ファイバーロッド部分に沿って延伸していて、前記コアの断面の中心サブ領域と重なる基本モードの領域で基本モード及び高次モードをサポートする寸法にされた出力コア端部に受けて広がる出力コア領域と、を含み、
    前記多重モードポンプ源が、前記コアの開口数よりも低い開口数を有し且つ対向する伝播方向で前記出力コア端部に結合されるポンプ光を放出するように動作し、前記基本モードが前記コアの全長にわたって前記基本モードと少なくとも同じ大きさのサイズを有するポンプ光の内部に閉じ込められ、
    前記増幅器が、略５ｋＷを超える平均出力又はＭＷレベルに達するピーク出力で実質的に基本モードの出力を放出する、システム。
21. 前記コアが、少なくとも０．１の開口数を有して構成されていて、前記ファイバーロッド部分が略１０ｃｍから略３０ｃｍまでの長さで延伸していて、前記ポンプ光が前記コアの開口数よりも低い開口数を有する、請求項２０に記載のシステム。

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