JP7177090B2 - 高パワークラッディングポンプ単一モードファイバーラマンレーザー - Google Patents

Description

本開示は、数キロワット（ｋＷ）から数十ｋＷの範囲のパワーで、単一モード（Ｓｉｎｇｌｅ Ｍｏｄｅ，ＳＭ）レーザービームを出力するように動作可能な、高パワー連続波（Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｗａｖｅ，ＣＷ）ラマンファイバーレーザーシステムに関する。具体的に、本発明は、Ｍ^２≦１．１でｋＷレベルのＳＭ信号光を出力することができる、マルチモード（Ｍｕｌｔｉｍｏｄｅ，ＭＭ）ラマンファイバーのクラッディングに終端結合されたマルチモード（ＭＭ）ポンプ光を出力する高パワーファイバーレーザーポンプを開示する。

ファイバーレーザーは、マルチモードレーザーダイオード（Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ，ＬＤ）によって送達された品質の低いポンプ放射の、高品質なレーザービームへの効率的な変換を提供する。高パワーファイバーレーザーでは、いくつかの強力なマルチモードＬＤが、通常、イッテルビウム（Ｙｂ）、エルビウム（Ｅｒ）などの希土類元素でドープされたコアを有する二重クラッドアクティブファイバーのシリカクラッディングに結合される（例えば、ポンプ結合器を介して）。ファイバークラッディングによって案内されたポンプ放射は、コア内のドーパントを励起し、そのため、ほぼガウシアンビームプロファイルを有する基本横モード放射で放出されるコアガイド光についての増幅を提供し、提供される特定の条件は、ファイバーの幾何形状によって適合される。既知のすべてのファイバーレーザー構成は、幅広い範囲の出力パワーにおいて高品質のレーザービームの発生によって区別される。

知られているように、レーザーの発生は、シフトされ散乱された光の増幅をもたらすポンプ放射の非弾性ラマン散乱によってパッシブファイバー内で可能である。それぞれ異なる波長で２つのレーザービーム（ポンプ及び信号）が、ラマン活性媒体を通って一緒に伝搬すると、より長い波長、すなわちストークス波が、より短い波長のポンプビームを犠牲にして光学増幅を受けることができ、この現象は、誘導ラマン放射（ＳＲＳ）として知られている。ＳＲＳの特徴的な特性の１つは、ビームクリーンアップ、すなわちＭＭファイバー内のＳＲＳを通じた輝度の向上及び、ポンプとラマン信号光との間の高速エネルギー伝達を含む。そのため、ＳＲＳは、ＣＷ及びパルス方式の両方において、ＭＭ光をＳＭレーザー出力に変換するという好ましい解決手段を提供する。

ファイバーラマンレーザー／増幅器（Ｆｉｂｅｒ Ｒａｍａｎ Ｌａｓｅｒ，ＦＲＬ及びＦｉｂｅｒ Ｒａｍａｎ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ，ＦＲＡ）はそれぞれ、パッシブファイバー内のポンプ誘導されたラマン増幅に基づいているため、これらのデバイスは、希土類ドープファイバーと比較してレーザー特性に基本的な相違点を有し、特に短波長においてドープアクティブファイバーで問題である光黒化効果が存在しないだけでなく、第１ストークスに対する小さな量子欠陥、ポンプ変動における増幅の高速応答、低バックグラウンド自発発光を特徴とする。

従来のコアポンプＳＭラマンファイバーレーザーの出力パワーは、高パワーＳＭダイオードレーザー（Ｄｉｏｄｅ Ｌａｓｅｒ，ＤＬ）の利用可能性によって制限される。パワーのレベルは、増幅媒体としてのＭＭマルチクラッドラマンファイバー及び、ラマンファイバーの内側クラッディング内に終端ポンプされる高パワーＭＭポンプ光を使用することによって劇的に増大する。クラッディングポンプラマンファイバーを利用する複数の構成のうちの１つは、Ｃｏｄｅｍａｒｄらによって、非特許文献１に報告されている。ＭＭファイバーレーザーポンプを使用することで、この文献には、ＲＦＬが、所望のストーク波長の基本モード（Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌ Ｍｏｄｅ，ＦＭ）のみをサポートするＭＭコア、ゲルマニウムドープ内側クラッディング及びシリカ外側クラッディングを有する二重クラッドラマンファイバーを特徴とすることが開示されている。ラマン増幅は、ＭＭコア及び内側クラッディングを通して発生する。ＦＭ選択は、ＦＭの有効屈折率に対してピッチを調整されたファイバーブラッグ格子（Ｆｉｂｅｒ Ｂｒａｇｇ Ｇｒａｔｉｎｇ，ＦＢＧ）によって達成される。本技術の慣習として、コアは、ラマンプロセスを増大させることが知られているゲルマニウムのような高濃度のドーパントによる増大した屈折率を有する。

本文献には、ＲＦＬがＳＭにおいて数ワットを出力することができることが開示されている。単一モダリティは、ラマンファイバーの端部に接合された真のＳＭ出力ファイバーの使用によって達成される。各ラマン及び出力ファイバーのコアは、単一モード及び基本モードの各モード場直径（Ｍｏｄｅ Ｆｉｅｌｄ Ｄｉａｍｅｔｅｒ、ＭＦＤ）が、実質的に互いに適合するように構成される。ラマン共振キャビティは、強いＦＢＧと弱いＦＢＧとの間で画定され、１次ストークス波長において実質的に基本モードのみに対する増幅を提供する。しかし、ＳＭ出力は、ラマンファイバーの出力において存在する望ましくない高次モードをフィルター除去するＳＭ出力ファイバーを使用することによって得られる。

報告された高濃度レベルで、上記開示されたラマンファイバーのＭＭコア全体をドープする必要性は、ファイバー製造プロセスを複雑にし、コストを増加させる。報告された信号パワーは、現在の産業的な需要を満足させるには程遠い。しかし、出願人は、連続方式（ＣＷ）で動作する１．３ｋＷラマンレーザーの存在に気付いた。さらに、出願人の知識の限りにおいて、このレーザーは、所望の品質の出力のそれよりも実質的に高いＭ^２因子で光を出力する。

したがって、ビーム品質Ｍ^２≦１．１である数ｋＷパワー範囲のＳＭ高輝度信号光を出力するように動作可能なＭＭラマンクラッドポンプファイバーレーザー光源の要求が依然として存在する。

"High power CW cladding pumped Raman fiber laser" Optics Letters / Vol. 31, No. 15, 8/1/2006

本発明のレーザー光源は、ＭＭラマンファイバーのクラッディングに端部結合されたＭＭポンプ光を出力する高パワーファイバーレーザーベースポンプを利用することにより、この要求を達成する。

本開示の１つの態様によれば、本開示の高パワー単一モード（ＳＭ）ラマンレーザー光源は、波長λｐｕｍｐで経路に沿って伝搬するマルチモード（ＭＭ）ポンプ放射を受け取る内側クラッディングと、中央コア領域を有して提供されたＭＭコアと、を有する終端ポンプマルチクラッドラマンファイバーを有して構成される。ポンプ放射は、波長λｐｕｍｐよりも長いラマンシフトまたは信号波長λｒａｍでポンプ放射を信号放射に変換するラマン散乱を生成するのに十分なパワーを有する。

開示されるラマンレーザー光源はさらに、間に信号放射のための共振器を画定する、ファイバーブラッグ格子（ＦＢＧ）などの間隔をあけられた波長選択反射体を有する。識別部及び中央コアチャンネルが、数十キロワット（ｋＷ）に達するパワーでＭ^２≦１．１（好適には≦１．０５）のラマンファイバーから出力される信号放射のＦＭと整合するように光学的に位置合わせされ、寸法を決定される。

ＳＭラマンレーザー光源はさらに、ラマンファイバーの上流に配置され、ラマンファイバーにポンプ放射を送達するＭＭフィーディングファイバーを有して構成される。フィーディングファイバー及びラマンファイバーは、互いに対して直接スプライスされ、または互いに対して間隔を開けられうる。

間隔を開けられたフィーディングファイバー及びＭＭファイバーによって特徴づけられる構成において、開示されたレーザー光源はさらに、ラマンファイバーの内側クラッディングに結合されるように、ポンプ放射を成形するバルク光学系を含む。さらに、傾斜反射体が、ポンプレーザーを保護するために、信号波長λｒａｍの後方反射された放射を経路外に偏向するためにレンズ間に配置されうる。

前述の、及びその他の特徴及び利点は、以下の図面とともに、後述する具体的な説明からより容易に明らかになるであろう。

１つの構造的改善に従う、本発明の全てのファイバーラマン光源の概略図である。 フィーディングとラマンファイバーとの間を連通する自由空間を利用する本発明のラマン光源である。 本発明のラマンファイバーの屈折率プロファイルを示す。 図１及び２の例示的な本発明の構造における基本モードの場及び強度プロファイルを示す。 図１及び２の例示的な本発明の構造における基本モードの場及び強度プロファイルを示す。 ファイバーラマン増幅器を特徴とする本発明のファイバーレーザー光源を示す。

これから、本発明の実施形態を詳細に説明する。本発明の特徴は、本発明のラマン光源の開示された構成のそれぞれにおいて、個別に、または、選択されたもしくは全てのその他の発明の特徴とともに組み合わせて使用可能である。可能な場合にはいつでも、同じまたは類似する部分または段階を指すために、同じまたは類似する参照符号が図面及び説明において使用される。図は簡略化された形態であり、正確なスケールではない。「結合する」及び類似する用語は、必ずしも直接かつ緊密な接続を指すのではなく、中間要素またはデバイスを通した接続も含む。

図１は、好適には、しかし必ずしもそうではないが、キロワット（ｋＷ）レベルに達するパワーを有するＳＭポンプの高輝度光を出力することがそれぞれ可能なファイバーレーザーに基づく、複数のＳＭまたはＭＭレーザーポンプ２を有して構成されたラマンファイバーレーザー光源１０を示している。例えば、個別のＳＭファイバーレーザーポンプ２はそれぞれ、１ｋＷのＳＭポンプ光を出力するように動作可能である。ＳＭファイバーレーザーポンプは、任意選択的に、主発振器パワーファイバー増幅器（Ｍａｓｔｅｒ Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ Ｐｏｗｅｒ Ｆｉｂｅｒ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ，ＭＯＰＦＡ）構成を有しうる。

各レーザーポンプ２の出力パッシブファイバー４は、周知の方法で、フィーディングファイバーとさらに呼ばれる出力ファイバー６を有するファイバー結合器によって１つに結合される。複数のポンプ出力の組合せは、合理的な数のポンプ２及びそれらの個別の出力パワーにのみ依存する１ｋＷ以上の蓄積ポンプ光となる。例えば、ＣＷ方式で５から１００ｋＷの間のパワー範囲が、今日では容易に達成可能である。蓄積ポンプ光のビーム品質はこれらのパワーではとても良好であるが、産業上の要求の絶え間ない増大とともに、さらに改善されうる。低出力またはＭＭ出力を発生させるために複数の出力ファイバーを結合する結合器は、個別のポンプのモダリティ及び蓄積ポンプビームのＭ^２因子に応じて、ＳＭ－ＬＭまたはＬＭ－／ＭＭ結合器と呼ばれる。

フィーディングファイバー６は、蓄積ポンプ光を、終端がフィーディングファイバーの出力端にスプライスされたＭＭラマンファイバー１４の方へ案内するＭＭコア１２を取り囲むクラッディング８を有して構成される。ＭＭファイバーラマンレーザー（Ｆｉｂｅｒ Ｒａｍａｎ Ｌａｓｅｒ，ＦＲＬ）は、マルチモードファイバーのＳＲＳのビームクリーンアップ効果を通して、実質的に単一のＦＭのみの伝搬をサポートするように構成される。高ポンプ光パワーは、フィーディングファイバー６が、二重クラッドＭＭラマンファイバー１４の導波内側クラッディング１６に整合する、５０から１００μｍなどの相対的に大きな直径を有するＭＭコア１２を有することを必要とする。

ＭＭラマンコア１８及びクラッディング１６の直径は、ＭＭラマンコアの可能な限り最も短い長さにわたって、ポンプ光の効果的な吸収を確実にするように選択される。これは、好適には１次ストークス波長である所望の信号光波長において、基本モードでｋＷの信号光を出力する。

１次ストークス波などの所望の信号波長において近回折限界信号光を確実に得るために、ラマン光源１０は、ラマンファイバー１４内の中央コア領域３０と、ＦＭの有効屈折率について調整されたピッチをそれぞれ有する強ＦＢＧ２６及び弱ＦＢＧ２８との組み合わせを含む。間隔を開けられたＦＢＧ２６及びＦＢＧ２８は、所望の１次ストークス波長についてラマン共振キャビティを画定するために、ＭＭラマンコア１８内に直接書き込まれる。中央コア領域３０は、共振キャビティ内に組み込まれ、ホウ素、ゲルマニウム、リンまたはこれらの組合せから選択される不純物でドープされる。中央領域３０は、実質的にＦＭによって占められるコア領域である、コア領域全体の７０％以下を占め、一方、ＨＯＭはコア領域１８の周縁部を占める傾向にありうる。中央コア領域３０は、ＦＭのモード場直径と実質的に整合するような寸法とされるため、ラマンファイバー１４の出力において、バックグラウンドノイズまで低減されたＨＯＭの大部分とは比較にならないほど大きく増幅される。したがって、前述の構造は、ラマンファイバー１４から放出された信号放射が、確実にＦＭ内にあるようにする。

任意選択的に、図示されない中間ＭＭパッシブファイバーが、フィーディングファイバー及びラマンファイバーそれぞれの対向する端部にスプライスされうる。ＭＭコアを有する代わりに、中間ファイバーは、ラマンコア１８内にサポートされたＦＭのそれと実質的に整合するＭＦＤを有するＦＭのみの伝搬をサポートするように構成されうる。この改良において、強ＦＢＧ２６は、中間ファイバー内に書き込まれうる。純粋なＳＭが必要とされる場合、図示された構造は、ラマンファイバー１４の出力端に結合されるＳＭ出力ファイバー２４を有しうる。弱ＦＢＧ２８は、出力ファイバー２２のＳＭコア２４内に書き込まれうる。両ＦＢＧが中間ファイバー及び出力パッシブファイバーのそれぞれに形成される場合、ラマンファイバー１４の中央コア領域３０はドープされないままでありうる。

図２は、開示されたラマン光源１０の代替的な構成を示す。ＭＭフィーディングファイバー６からの蓄積ポンプ光は、自由空間を超えて伝搬するが、離隔されたコリメート及び集束レンズ２５、３５をそれぞれ含む、案内光学系アセンブリーに入射する。結果的に、ポンプ光は、ＳＭパッシブファイバー２０のクラッディングに集束される。レンズ２５とレンズ３５との間には、上流に向かってＳＭレーザー光源２へ後方反射されたラマン光の伝搬を防ぐ傾斜反射体４５が配置される。残りの構造は、図１のものと類似している。

図３は、３０μｍのＭＭコア１８を、約２０μｍである中央コア領域３０とともに有する図１及び２のラマンファイバー１４の例を示す。ラマンファイバー１４のこの屈折率プロファイルで行われた試験は、基本モードＬＰｏに関する場及び強度プロファイルを示す図４及び５に示されるように、良好な結果を示す。試験で使用された構成は、１０７０ｎｍで動作するＳＭファイバーレーザーポンプを含み、その一方、ＳＭラマン信号光は、１１２０ｎｍで発生した。図１及び２に示されるファイバーの上述の範囲の全ては例示的なものであり、本発明の範囲から逸脱しない限り代替されうる。図示されるように、内側クラッディング１６の屈折率プロファイルは、フッ素ドープされた内側領域に起因して低下された部分を有する。そうでなければ、クラッディング１６及びラマンコア１８の持ち上げられた領域は純粋なシリカから形成されてもよく、そのため、実質的に同じ屈折率を有してもよい。

図６は、ファイバーラマン光源５０が、ＭＭファイバーラマン増幅器（Ｆｉｂｅｒ Ｒａｍａｎ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ，ＦＲＡ）３２を有して構成される、本開示の別の態様を示す。この実現は、ＳＭファイバーレーザーまたはピグテールＳＭダイオードレーザーとして構成されたＳＭシードレーザー光源３４を必要とする。シード３４は、ＳＭファイバー３６内を案内される、１１２０ｎｍなどの所望のラマン波長λｒａｍでＳＭ信号ビームを出力する。ポンプの波長範囲及びしたがって信号波長は、１～２ミクロン間隔に限定されず、それを超えて良好に延在する。

シード３４は、ＳＭ ＤＬまたはＳＭファイバーレーザーを含みうる。ＳＭファイバー３６は、ＳＭ－ＭＭ結合器４８の中央ファイバーに、または、図示されるように、弱ＦＢＧ４６とともに中央ＳＭファイバーレーザーポンプ４２の一部である強ＦＢＧ３８に直接スプライスされうる。ここで、図１及び２の概略図と同様に、ＳＭ－ＭＭ結合器は、入力端においてそれぞれ中央及び複数のＳＭファイバーレーザーポンプ４２、４４に結合され、出力端においてフィーディングファイバー５２に結合される。フィーディングファイバー５２は、ＳＭ信号ビームをサポートするコアと、所望のラマン波長よりも短い、例えば１０７０ｎｍでありうる波長λｐｕｍｐで蓄積ポンプビームを案内するクラッディングと、を有して構成される。二重クラッドＦＲＡ３２に終端スプライスされ、蓄積ＭＭポンプビームは、ＦＲＡのクラッディングに結合され、その一方信号ビームはＦＲＡのＭＭコアに結合される。

代替的に、図６の要素４２は、１１２０ｎｍなどの１次ストークス波長で光を出力するシードレーザーとして構成されうる。残りの構成は、構成要素３４を除いて前述のものと同じままである。

蓄積ポンプビームはＦＲＡ３２のＭＭコアと連続的に交差するため、そのエネルギーは１次ストークス波に伝達される。高次ストークス波の抑制は、ラマンファイバーの蓄積長さ及びＭＭコアとクラッディングの直径の比によって実現される。高次横モードを犠牲にした基本モードの増幅は、フィーディングファイバー及びラマンファイバーのそれぞれの整合されたＭＦＤ及びそれらの位置合わせの結果である。ＭＭラマンコアは、図１Ａ、１Ｂ及び２の実施形態のように、標準ラマンドーパントのイオンでドープされ、基本モードのＭＦＤに対応する寸法とされた中央領域を有して提供されうる。残余の、吸収されなかったポンプ光が依然としてラマンファイバーのクラッディングを通って伝搬する場合、モードストリッパーが、図１、２及び６のそれぞれの実施形態のいずれかにおいて、一連のファイバーの下流ストレッチに沿って配置されうる。

本開示は開示された例に関して説明されたが、前述の実施形態に対する多数の改善及び／または追加が、以下の特許請求の範囲及びその技術的思想から逸脱することなくレーザー分野の当業者には容易に明らかになるであろう。

２ ＳＭファイバーレーザーポンプ
４ 出力パッシブファイバー
６ フィーディングファイバー
８ クラッディング
１０ ラマンファイバーレーザー光源
１２ ＭＭコア
１４ ＭＭラマンファイバー
１６ 導波内側クラッディング
１８ ＭＭラマンコア
２２ 出力ファイバー
２４ ＳＭコア
２５ 集束レンズ
２６ 強ＦＢＧ
２８ 弱ＦＢＧ
３０ 中央コア領域
３２ ＭＭファイバーラマン増幅器（ＦＲＡ）
３４ ＳＭシードレーザー光源
３５ 集束レンズ
３６ ＳＭファイバー
３８ 強ＦＢＧ
４２中央のＳＭファイバーレーザーポンプ
４４ 複数のＳＭファイバーレーザーポンプ
４６ 弱ＦＢＧ
４８ ＳＭ－ＭＭ結合器
５２ フィーディングファイバー

Claims (6)

1. 終端ポンプマルチクラッドラマンファイバーであって、
   波長λｐｕｍｐで経路に沿って伝搬するマルチモード（ＭＭ）ポンプ放射を受け取る内側クラッディングと、
   前記内側クラッディングによって取り囲まれ、中央コア領域を有して設けられたＭＭコアと、を有し、前記ポンプ放射が、波長λｐｕｍｐよりも長いラマンシフト波長λｒａｍで前記ポンプ放射の信号放射への変換を誘導するラマン散乱を生成し、前記中央コア領域が、前記信号放射の基本モード（ＦＭ）のみを実質的に閉じ込めるような寸法とされ、前記ラマン散乱を増強する不純物でドープされた、終端ポンプマルチクラッドラマンファイバーと、
   前記中央コア領域を少なくとも部分的に含む前記波長λｒａｍにおける前記ＦＭのための共振器を間に画定する、間隔を開けられた波長選択反射体と、
   前記ラマンファイバーの上流に配置され、前記ポンプ放射を前記ラマンファイバーの上流端部に送達するＭＭフィーディングファイバーと、
   前記ＭＭフィーディングファイバー及び前記ラマンファイバーのそれぞれの対向する端部にスプライスされたＭＭ中間パッシブファイバーと、
   前記ラマンファイバーの下流端部にスプライスされたＳＭ出力パッシブファイバーと、を含み、
   前記波長選択反射体が、前記信号放射の前記ＦＭと整合するような寸法とされ、前記ラマンファイバーが、前記信号放射を前記ＦＭ内にＭ^２≦１．１で、数キロワット（ｋＷ）から数十ｋＷのパワー範囲で出力し、
   前記波長選択反射体がそれぞれ、前記ＭＭ中間パッシブファイバー及び前記ＳＭ出力パッシブファイバーのコアに書き込まれ、光学的に前記中央コア領域と位置合わせされたファイバーブラッグ格子である、高パワー単一モード（ＳＭ）ラマンレーザー光源。
2. 前記ＭＭ中間パッシブファイバーが、誘導ラマン放射のビームクリーンアップ効果を通して、前記ＭＭ中間パッシブファイバーの実質的にＦＭのみの伝搬をサポートするＭＭコアを有して構成され、それぞれあるモード場直径を有する前記ＭＭ中間パッシブファイバー及び前記ラマンファイバーのＦＭが、互いに整合する、請求項１に記載のＳＭラマンレーザー光源。
3. 間隔を開けられたフィーディングファイバーとラマンファイバーとの間の、コリメートレンズ及び集束レンズと、前記経路で後方反射された光を偏向する、前記レンズの間の傾斜ミラーと、をさらに含む、請求項１に記載のＳＭラマンレーザー光源。
4. 各ファイバーレーザーポンプの出力が、前記ポンプ波長λｐｕｍｐで高パワーＭＭポンプ放射を生成するように、結合器内で１つに結合された各出力ファイバーを有する複数のファイバーレーザーポンプをさらに含む、請求項１から３のいずれか一項に記載のＳＭラマンレーザー光源。
5. 前記ポンプ波長λｐｕｍｐが約１０７０ｎｍであり、前記ラマンシフト波長λｒａｍが約１１２０ｎｍである、請求項１から４のいずれか一項に記載のＳＭラマンレーザー光源。
6. 前記ラマンファイバーの前記内側クラッディング及び前記ＭＭコアが、互いに整合する屈折率をそれぞれ有する純粋なシリカで形成され、内側クラッディング領域が、デプレッションを提供するようにフッ素でドープされた、請求項１から５のいずれか一項に記載のＳＭラマンレーザー光源。

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