JP6377923B2 - 高パワー光学システムからの望ましくない光の除去 - Google Patents

Description

関連出願の相互参照
本出願は、「Ｇｌａｓｓ Ｂｕｆｆｅｒｓ」という名称を有する、ＨｏｌｌａｎｄおよびＳｕｌｌｉｖａｎにより２０１３年３月１５日に出願した米国仮特許出願第６１／７８７，８５４号、ならびに、「Ｇｌａｓｓ Ｂｕｆｆｅｒｓ」という名称を有する、ＨｏｌｌａｎｄおよびＳｕｌｌｉｖａｎにより本出願と同時に出願した２０１４年３月１２日に出願した米国特許出願第１４／２０６，６４１号を、その全体を参照により組み込むものである。

本開示は、一般には光学機器に、およびより詳細には高パワー光学システムに関する。

ファイバ・レーザおよび光学増幅器は、高パワー光学応用物において使用されることが多い。これらの応用物で用いられる高パワーレベルが、傷付きやすい様々な個所で昇温状態をもたらす場合がある。その結果、高パワー光学システム内部での潜在的な過熱を緩和するための取り組みが進行中である。

本開示は、光ファイバ・ベースの高パワーシステム内の望ましくないクラッド光を除去することを対象とするものである。一部の実施形態は、ファイバ・クラッドの屈折率より大きい屈折率を有するガラス・ブロックと、ガラス・ブロックの外部に配置された金属ハウジングとを備える。ガラス・ブロックおよび金属ハウジングは、協同して望ましくないクラッド光を除去する。

本開示の多くの態様を、以下の図面を参照してより良く理解することが可能である。図面内の構成要素は、必ずしも一定の縮尺ではなく、代わりに本開示の原理を明確に例示することが重要視されている。さらに図面では類似する参照番号が、いくつかの視図の全体を通して対応する部分を指定する。

望ましくないクラッド光を除去するための装置とともに光ファイバの一実施形態を示す図である。 機械加工された溝部（ｔｒｏｕｇｈ）を有するガラス・ブロックの上面視図を示す図である。 図２Ａのガラス・ブロックの正面視図を示す図である。

何キロワット（ｋＷ）もの光学パワーを給送するファイバ・レーザまたはファイバ増幅器などの高パワー光学応用物を、多くのｋＷクラスのデバイス（例えばレーザまたは増幅器）を一体に多重化することにより実現することが可能である。このスケーラブルな構造を、コヒーレント結合、スペクトル結合、またはハイブリッド結合の体系により実現することが可能である。各々の段階ではこれらのｋＷクラスのデバイスは、数ｋＷのポンプ光を用い、おおよそ８０パーセント（８０％）の光−光効率で動作していることが知られている。この効率を仮定すると、数百ワット（Ｗ）の使用されない残留ポンプ・パワーを出力におけるクラッド内で伝搬させることが起こり得る。高パワー信号光が湾曲部またはスプライスなどでコアから散乱させられ、そのことによって望ましくない信号光がクラッド内で伝搬するということもまた起こり得る。

例えば、７０％の光−光効率を伴い９７６ナノメートル（ｎｍ）のポンプ光を用いる、１０８３ｎｍ、２．０ｋＷ、１０デシベル（ｄＢ）の増幅器は、典型的にはおおよそ２．５ｋＷのポンプ・パワーを要することになる。したがっておおよそ９０％の効率では、増幅器出力で７５０Ｗほども多量の残留ポンプが存在する場合がある。この残留ポンプ・パワーは、非線形性を最小限に抑えるために通常必要とされる増幅器の有限の長さ、および、ファイバの長さに沿った不完全なポンプ・モード・スクランブルに起因するものである。

より短い波長（例えば１０６０ｎｍ未満）で動作する増幅器は、過大な単光路利得およびスプリアス・レーザ発振（ｓｐｕｒｉｏｕｓ ｌａｓｉｎｇ）を防止するために、より短いファイバの長さを要することが多い。しかしながらこれらのより短いファイバによって、吸収されるポンプ・パワーの量が低減し、そのことにより、使用されないポンプ・パワーが過剰になる結果になる。この使用されないポンプ・パワーは、出力でのスペクトル純度を乱し、そのことにより、これらのｋＷクラスのデバイスを多重化する能力を損なう。さらに、吸収されないポンプ光（および他のクラッド光）は、望ましくない加熱を生成する。したがって、ポンプ波長でのこの使用されないポンプ・パワー（および他のクラッド光）を、増幅器出力のスペクトル純度を保つために除去することが望ましく、そうしないとその使用されないポンプ・パワー（および他のクラッド光）は、多重化体系を妨げ、望ましくない加熱を生み出す場合がある。

本開示は、過剰なポンプ光などのクラッド内の望ましくない光のこの問題に対処するためのシステムおよび方法を提供する。詳細には開示する手法は、適切な屈折率を伴うガラス・ブロック内に光ファイバを埋め込むことにより、望ましくないクラッド光を除去するための機構を提供する。例えば光ファイバが、ｎ_１の屈折率を有するクラッドを有するならば、関心の温度範囲にわたってｎ_３≧ｎ_１であるｎ_３の屈折率を有するガラス・ブロックによって、クラッド内の過剰な光が屈折率の違いに起因して除去される結果となる。好ましくは設計および材料が、熱流束をおおよそ２００ワット毎平方インチ（Ｗ／ｉｎ^２）未満に低減するように選定される。

概要を提供したので、次に、図面に例示するような実施形態の説明を詳細に参照する。いくつかの実施形態をこれらの図面に関して説明するが、本明細書で開示する実施形態または複数の実施形態に本開示を限定する意図はない。それとは反対に意図は、すべての代替物、修正、および等価物を網羅することである。

図１は、光ファイバ増幅器または光ファイバ・レーザなどの高パワー光学システムから望ましくないクラッド光を除去するための装置とともに光ファイバの一実施形態を示す図である。具体的には図１の実施形態は、ガラス・ブロック１１０内に配置された光ファイバ１４０を示す。光ファイバ１４０は、コア１５０、クラッド１６０、および低屈折率被覆１９０を備える。クラッド１６０はｎ_１の屈折率を有する。

流体１８０が、ガラス・ブロック１１０と光ファイバ１４０との間に挿置され、そのことにより、ガラス・ブロック１１０内の経路内部に存する光ファイバ１４０を包囲する。好ましくは、経路は、光ファイバ１４０の外径よりおおよそ２０パーセント（％）大きい寸法を有するべきである。したがって例えば、おおよそ３３０μｍの外径を有する光ファイバに対しては、経路はおおよそ４００μｍ未満の幅を有するべきであり、そのことにより、おおよそ３５μｍの平均ギャップ距離が残る。だれでも認識可能であるように経路は、ガラス・ブロック１１０内に中ぐりされた孔である場合があり、または代替的には、ガラス・ブロック１１０内に機械加工される溝部である場合がある。

流体１８０は、ｎ_２≧ｎ_１であるようなｎ_２の屈折率を有し、おおよそ１００マイクロメートル（μｍ）の距離にわたってτ_{ｆｌｕｉｄ}≧０．９９９であるようなτ_{ｆｌｕｉｄ}の内部透過率を有する。したがって屈折率の違いによって光が、クラッド１６０から流体１８０に脱出することが可能になる。さらに流体１８０の高い透過率に起因して、流体１８０に脱出するどの光も、多量の吸収もなく流体１８０を通って伝搬することになる。したがって（たとえあるとしても）非常にわずかな熱が、流体１８０内で生成されることになる。一部の実施形態に関しては、流体１８０は、光学流体、または、何らかのタイプの透過性の光学的なセメント、ペースト、もしくはゲルであり得る。

図１に示すようにガラス・ブロック１１０は、ｎ_３≧ｎ_２であるようなｎ_３の屈折率を有し、そのことにより光が、流体１８０からガラス・ブロック１１０に脱出することが可能になる。一部の実施形態に関しては、ガラス・ブロック１１０の屈折率はおおよそ１．７である。加えてガラス・ブロック１１０は、おおよそ１センチメートル（ｃｍ）の距離にわたってτ_{ｇｌａｓｓ}≧０．９９９であるようなτ_{ｇｌａｓｓ}の透過率を有する。やはりガラス・ブロック１１０の高い透過率によって、ほとんど吸収されることなく、ガラス・ブロック１１０を光が伝搬することが可能になる。好ましくは、ガラス・ブロック１１０は、光が集中される領域がないように十分に大きい寸法を有するべきである。例としてガラス・ブロック１１０は、おおよそ５ｃｍ×２ｃｍ×２ｃｍであり得る。

図１の実施形態は、ガラス・ブロック１１０の外部に配置された金属ハウジング１７０、および、ガラス・ブロック１１０と金属ハウジング１７０との間のガラス−金属境界面で光を吸収するサーマル・コンパウンド１３０をさらに備える。好ましくは、金属ハウジング１７０は、おおよそ２００ワット毎メートル−摂氏度（Ｗ／ｍ−℃）より大きい熱伝導率を有し、このことによって、ガラス−金属境界面での熱流束がおおよそ２００ワット毎平方インチ（Ｗ／ｉｎ^２）未満になる結果となる。一部の実施形態に関しては、金属ハウジング１７０は、高い伝導率を有し、吸収を増大するための黒色被覆を備える。例の金属には、おおよそ４０１Ｗ／ｍ−℃の熱伝導率を有する銅、または２０５Ｗ／ｍ−℃の熱伝導率を有する黒色陽極処理アルミニウムがあり、それらの金属により、金属ハウジング１７０に接触している場合がある冷却板（図示せず）などの冷却用要素への効率的な熱流が可能になる。おおよそ０．１５℃−ｉｎ^２／Ｗ未満である熱抵抗を有する冷却板を使用することにより、ガラス−金属境界面で生成される熱の大部分を、システムから効率的に取り出すことが可能である。一部の実施形態に関しては、冷却板は、ガラス−金属境界面でおおよそ５０℃未満である動作温度を維持するための十分な熱取り出し潜在能力をもつ水冷式の冷却板である。したがって例えば、おおよそ５００Ｗのポンプ・パワーを用いる光ファイバ・レーザは、ガラス−金属境界面でおおよそ２５Ｗ／ｃｍ^２の熱流束をもたらすことになる。

図１を続けると、動作中、（図１の左側から入射するように示す）クラッド光がクラッド１６０を通って伝搬する。クラッド光がガラス・ブロック１１０に達するとき、クラッド光は、流体１８０およびガラス・ブロック１１０を通って取り出される。取り出されるクラッド光がガラス−金属境界面に達する際、そのクラッド光は、金属ハウジング１７０の内部表面により散乱および吸収され、そのことにより、ガラス−金属境界面で熱を生成し、熱の一部はサーマル・コンパウンド１３０により吸収される。熱の残りは、金属ハウジング１７０を通って、システムから熱を除去する冷却用板まで伝達される。だれでも認識可能であるように、ファイバ・クラッド１６０より高い屈折率を有するガラス・ブロック１１０を設けることにより、望ましくないクラッド光を、システムから取り出し除去することが可能である。

図２Ａは、機械加工された溝部２２０ａ、２２０ｂ、２２０ｃ（集合的に２２０）を有するガラス・ブロック２１０の上面視図を示す図であり、一方で図２Ｂは、ガラス・ブロック２１０の正面視図を示す図である。図２Ａおよび図２Ｂの個別の実施形態に関しては、３つの溝部２２０が、中に光ファイバが最終的に位置させられることになる経路を形成するように、おおよそ１．７の屈折率を伴う透過性の高屈折率ガラス・ブロック２１０内に機械加工される。図２Ａおよび図２Ｂのガラス・ブロック２１０の個別の寸法は、おおよそ５５ミリメートル（ｍｍ）×１６ｍｍ×４ｍｍである。溝部２２０の幅および深さは、おおよそ５００μｍである。光ファイバが溝部２２０の１つの内部に配設されると、別のガラス・ブロック（図示せず）が図２Ａおよび図２Ｂのガラス・ブロック２１０の上に配設され、そのことにより、高屈折率ガラス・ブロック２１０内部に光ファイバを効果的に収納する。

例として、サーマル・コンパウンドを使用して１５℃の水冷式の冷却板上にガラス・ブロック２１０を装着し、９７６ｎｍでの８０Ｗのパワーを、溝部２２０内部に位置させられている裸のコアレスの３３０μｍの光ファイバに注入することが、コアレス・ファイバ内を伝搬しているクラッド光のおおよそ１２デシベル（ｄＢ）の吸光度をもたらす。この個別の例に関しては、光学パワーの関数としての表面温度が、０．３℃／Ｗ未満の上昇を示す。したがって１００Ｗでは、温度がおおよそ４２℃に達するであろうと予測される。この温度上昇を、ガラス・ブロック２１０の寸法を増大することにより低減することが可能である。加えてより多くの熱を、すべての側部において装置を冷却板で包囲することにより、または、ガラス・ブロック２１０内に埋め込まれる光ファイバの長さを増大することにより、システムから除去することが可能である。

このタイプの熱取り出し機構を提供することにより、高パワー光学システム内の過剰なクラッド光に関連する問題を改善することが可能である。加えて、装置に関する寸法および材料を慎重に制御することによって、多数のｋＷクラスのデバイスが一体に多重化される非常に高いパワーのシステムにおいての使用が可能になる。したがって開示した実施形態を、数百ｋＷの、およびメガワット（ＭＷ）の範囲までものパワーレベルを受け入れるシステムにおいて使用することが可能である。

例示的な実施形態を示し説明したが、説明したような開示に対していくつかの変更、修正、または代替を行うことが可能であることは当業者には明らかであろう。したがってすべてのそのような変更、修正、および代替は、本開示の範囲内であるとみなされるべきである。

Claims (8)

1. 高パワー光学システムから望ましくないクラッド光を除去するための装置であって、前記光学システムが光ファイバを備え、前記光ファイバがファイバ・クラッドを備え、前記ファイバ・クラッドがｎ_１の屈折率を有し、前記装置が、
   前記ファイバを包囲するための流体であって、ｎ_２≧ｎ_１であるようなｎ_２の屈折率を有し、おおよそ１００マイクロメートル（μｍ）の距離にわたってτ_{ｆｌｕｉｄ}≧０．９９９であるようなτ_{ｆｌｕｉｄ}の内部透過率を有する流体と、
   前記光ファイバのための経路を備えるガラス・ブロックであって、前記流体が、前記ガラス・ブロックと前記ファイバ・クラッドとの間に挿置され、前記ガラス・ブロックが、ｎ_３≧ｎ_２であるようなｎ_３の屈折率を有し、おおよそ１センチメートル（ｃｍ）の距離にわたってτ_{ｇｌａｓｓ}≧０．９９９であるようなτ_{ｇｌａｓｓ}の透過率を有するガラス・ブロックと、
   前記ガラス・ブロックに接触した、光を吸収するためのサーマル・コンパウンドと、
   前記装置から熱を除去するための冷却板であって、おおよそ０．１５℃−ｉｎ^２／Ｗ未満である熱抵抗を呈する冷却板と、
   おおよそ２００ワット毎メートル−摂氏度（Ｗ／ｍ−℃）より大きい熱伝導率を有する金属ハウジングであって、前記ガラス・ブロックの外部に配置され、前記ガラス・ブロックと前記金属ハウジングとの間のガラス−金属境界面の全体で前記サーマル・コンパウンドにより前記金属ハウジングが前記ガラス・ブロックと熱的に結合される金属ハウジングと
   を備える装置。
   
2. 前記ガラス・ブロック内の前記経路が、前記ガラス・ブロック内で中ぐりされた孔である、請求項１に記載の装置。
   
3. 光ファイバのための経路を備えるガラス・ブロックであって、前記光ファイバがクラッドを有し、前記クラッドがｎ_１の屈折率を有し、前記ガラス・ブロックがｎ_３≧ｎ_１であるようなｎ_３の屈折率を有するガラス・ブロックと、
   前記ガラス・ブロックに接触しているサーマル・コンパウンドと、
   おおよそ２００ワット毎メートル−摂氏度（Ｗ／ｍ−℃）より大きい熱伝導率を有する金属ハウジングであって、前記ガラス・ブロックの外部に配置され、前記ガラス・ブロックと前記金属ハウジングとの間のガラス−金属境界面の全体で前記サーマル・コンパウンドにより前記金属ハウジングが前記ガラス・ブロックと熱的に結合される金属ハウジングと
   を備える装置。
   
4. 前記金属ハウジングに接触し、前記装置から熱を除去する冷却板
   をさらに備える、請求項３に記載の装置。
   
5. 前記冷却板が、おおよそ０．１５摂氏度−平方インチ毎ワット（℃−ｉｎ^２／Ｗ）未満である熱抵抗を呈する、請求項４に記載の装置。
   
6. 前記ファイバを包囲するための流体であって、おおよそ１００マイクロメートル（μｍ）の距離にわたってτ_{ｆｌｕｉｄ}≧０．９９９であるようなτ_{ｆｌｕｉｄ}の内部透過率を有する流体
   をさらに備える、請求項３に記載の装置。
   
7. 前記ファイバを包囲するための流体であって、ｎ_３≧ｎ_２≧ｎ_１であるようなｎ_２の屈折率を有する流体
   をさらに備える、請求項３に記載の装置。
   
8. 前記ガラス・ブロック内の前記経路が、前記ガラス・ブロック内で中ぐりされた孔である、請求項３に記載の装置。