KR102472018B1 - 고전력 클래딩 펌핑되는 단일 모드 섬유 라만 레이저 - Google Patents

고전력 클래딩 펌핑되는 단일 모드 섬유 라만 레이저 Download PDF

Info

Publication number
KR102472018B1
KR102472018B1 KR1020197033772A KR20197033772A KR102472018B1 KR 102472018 B1 KR102472018 B1 KR 102472018B1 KR 1020197033772 A KR1020197033772 A KR 1020197033772A KR 20197033772 A KR20197033772 A KR 20197033772A KR 102472018 B1 KR102472018 B1 KR 102472018B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
raman
fiber
wavelength
pump
laser source
Prior art date
Application number
KR1020197033772A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20200006979A (ko
Inventor
발렌틴 가폰트세브
이고르 사마르트세브
니콜라이 플라타노브
Original Assignee
아이피지 포토닉스 코포레이션
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 아이피지 포토닉스 코포레이션 filed Critical 아이피지 포토닉스 코포레이션
Publication of KR20200006979A publication Critical patent/KR20200006979A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102472018B1 publication Critical patent/KR102472018B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/30—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range using scattering effects, e.g. stimulated Brillouin or Raman effects
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/30—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range using scattering effects, e.g. stimulated Brillouin or Raman effects
    • H01S3/302—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range using scattering effects, e.g. stimulated Brillouin or Raman effects in an optical fibre
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/05—Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
    • H01S3/06—Construction or shape of active medium
    • H01S3/063—Waveguide lasers, i.e. whereby the dimensions of the waveguide are of the order of the light wavelength
    • H01S3/067—Fibre lasers
    • H01S3/06708—Constructional details of the fibre, e.g. compositions, cross-section, shape or tapering
    • H01S3/06729—Peculiar transverse fibre profile
    • H01S3/06733—Fibre having more than one cladding
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/05—Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
    • H01S3/06—Construction or shape of active medium
    • H01S3/063—Waveguide lasers, i.e. whereby the dimensions of the waveguide are of the order of the light wavelength
    • H01S3/067—Fibre lasers
    • H01S3/0675—Resonators including a grating structure, e.g. distributed Bragg reflectors [DBR] or distributed feedback [DFB] fibre lasers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/05—Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
    • H01S3/08—Construction or shape of optical resonators or components thereof
    • H01S3/08018—Mode suppression
    • H01S3/0804—Transverse or lateral modes
    • H01S3/08045—Single-mode emission
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/09—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping
    • H01S3/091—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping
    • H01S3/094—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping by coherent light
    • H01S3/094003—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping by coherent light the pumped medium being a fibre
    • H01S3/094007—Cladding pumping, i.e. pump light propagating in a clad surrounding the active core
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/09—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping
    • H01S3/091—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping
    • H01S3/094—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping by coherent light
    • H01S3/094038—End pumping
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/09—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping
    • H01S3/091—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping
    • H01S3/094—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping by coherent light
    • H01S3/094042—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping by coherent light of a fibre laser
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/09—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping
    • H01S3/091—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping
    • H01S3/094—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping by coherent light
    • H01S3/094049—Guiding of the pump light
    • H01S3/094053—Fibre coupled pump, e.g. delivering pump light using a fibre or a fibre bundle
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/09—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping
    • H01S3/091—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping
    • H01S3/094—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping by coherent light
    • H01S3/094069—Multi-mode pumping
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/14—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range characterised by the material used as the active medium
    • H01S3/16—Solid materials
    • H01S3/17—Solid materials amorphous, e.g. glass
    • H01S3/176—Solid materials amorphous, e.g. glass silica or silicate glass
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/05—Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
    • H01S3/06—Construction or shape of active medium
    • H01S3/063—Waveguide lasers, i.e. whereby the dimensions of the waveguide are of the order of the light wavelength
    • H01S3/067—Fibre lasers
    • H01S3/06754—Fibre amplifiers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/09—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping
    • H01S3/091—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping
    • H01S3/094—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping by coherent light
    • H01S3/09408—Pump redundancy

Abstract

라만 섬유 레이저 소스는 MM 펌프 복사선을 이중-클래드 MM 라만 섬유 레이저의 내부 클래딩으로 전달하는 공급 섬유로 구성된다. MM 펌프 빔 복사선은 펌프 복사선을 펌프 복사선의 파장 λpump보다 더 긴 라만-천이된 파장 λram의 MM 신호 복사선으로 전환시키는, MM 라만 섬유 내의 라만 산란을 생성하기에 충분한 전력을 갖는다. 라만 레이저 소스는 그 사이에 제1 스톡스 파장의 신호 복사선에 대한 공명기를 형성하고, 라만 프로세스를 향상시키기 위해 불순물로 도핑되는 중심 코어 영역이 제공되는 라만 섬유의 MM 코어의 적어도 일부를 플랭킹하는(flanking) 한 쌍의 이격된 반사기를 추가로 갖는다. 반사기 및 중심 코어 영역은, M2가 1.1 이하이며 수 kW 내지 수십 kW의 전력 범위이고, 라만 섬유로부터의 출력인 MM 신호 복사선의 기본 모드에 대응하도록 치수 설정된다.

Description

고전력 클래딩 펌핑되는 단일 모드 섬유 라만 레이저
본 개시내용은 수 킬로와트(kW) 내지 수십 kW 전력 범위에서 단일 모드(SM) 레이저 빔을 출력하도록 작동하는 고전력 연속파(CW) 라만 섬유 레이저 시스템(Raman fiber laser system)에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 M2가 1.1 이하인 kW 수준의 SM 신호 광을 출력할 수 있는 다중모드(MM) 라만 섬유의 클래딩 내로 말단-결합되는(end-coupled) 다중모드(MM) 펌프 광을 출력하는 고전력 섬유 레이저 펌프(high power fiber laser pump)를 개시한다.
섬유 레이저는 다중모드 레이저 다이오드(LD)에 의해 전달되는 불량한 펌프 복사선의 고품질 레이저 빔으로의 효율적인 전환을 제공한다. 고전력 섬유 레이저에서, 여러 강력한 다중모드 LD는 일반적으로, 이테르븀(Yb), 에르븀(Er) 등과 같은 희토류 원소로 도핑된 코어를 갖는 이중-클래드 능동 섬유(double-clad active fiber)의 실리카 클래딩에 (예를 들면, 펌프 결합기를 통해) 결합된다. 섬유 클래딩에 의해 안내되는 펌프 복사선은 코어 내의 도펀트(dopant)를 여기시키고 따라서, 섬유의 기하구조에 의해 특정 조건이 충족되는 경우, 준 가우시안(Gaussian) 빔 프로파일을 갖는 기본 횡방향 모드 복사선(fundamental transverse mode radiation)으로 방사되는 코어-안내된 광에 대한 증폭을 제공한다. 공지된 모든 섬유 레이저 구성은 광범위한 출력 전력의 고품질 레이저 빔의 생성에 의해 구별된다.
공지된 바와 같이, 레이저 생성은 천이된 산란광이 증폭되는 결과를 갖는 산란광 펌프 복사선의 비탄성 라만 산란으로 인해 수동 섬유(passive fiber)에서 가능하다. 2개의 레이저 빔 - 펌프 및 신호 - 이 각각 상이한 파장으로 라만-능동 매질을 통해 함께 전파될 때, 더 긴 파장, 즉, 스톡스 파는 더 짧은 파장 펌프 빔의 희생으로 광학 증폭을 경험할 수 있다 - 이 현상은 유도 라만 방사(SRS)로 공지되어 있다. SRS의 독특한 특성 중 하나는 MM 섬유에서 SRS를 통한 빔 클린-업, 즉, 향상된 휘도, 및 펌프와 라만 신호 광 사이의 빠른 에너지 전달을 포함한다. 따라서, SRS는 CW 및 펄스 방식 모두에서 MM 광을 SM 레이저 출력으로 변환시키는 매력적인 솔루션을 제공한다.
섬유 라만 레이저/증폭기(FRL 및 FRA)는 각각 수동 섬유에서 펌프-유도된 라만 이득에 기초하기 때문에, 이들 장치는 희토류 도핑된 섬유와 비교했을 때 레이징 특성에서 기본적인 차이를 갖는데, 즉, 이는 제1 스톡스에 대한 작은 퀀텀 결함, 펌프 변동 시 이득의 빠른 반응, 낮은 배경 자연 방사뿐만 아니라 특히 짧은 파장에서 도핑된 능동 섬유의 문제인 광암 효과(photo-darkening effect)의 부재를 특징으로 한다.
종래의 코어-펌핑되는 SM 라만 섬유 레이저의 출력 전력은 고전력 SM 다이오드 레이저(DL)의 가용성에 의해 제한된다. 전력의 수준은 이득 매질로 MM 다중-클래드 라만 섬유를 사용하고 라만 섬유의 내부 클래딩 내로 말단-펌핑되는 고전력 MM 펌프 광을 사용함으로써 급격하게 증가된다. 클래딩 펌핑되는 라만 섬유를 사용하는 다수의 구성 중 하나는 2006년 1월 8일에 출판된 Optics Letters / Vol. 31, No. 15의 "고전력 CW 클래딩 펌핑되는 라만 섬유 레이저"에서 Codemard 등에 의해 보고된다. MM 섬유 레이저 펌프를 사용하여, 본원에서 개시되는 RFL은, 요구되는 스톡스 파장, 게르마늄 도핑된 내부 및 외부 실리카 클래딩의 기본 모드(FM)만을 지지하는 MM 코어를 갖는 이중 클래드 라만 섬유를 특징으로 한다. 라만 이득은 MM 코어 및 내부 클래딩 전체에 걸쳐 발생한다. FM-선택은 FM의 유효 굴절률(effective index)에 대해 조정되는 피치를 갖는 섬유 브래그 격자(FBG)에 의해 달성된다. 관련 기술분야에서 통상적인 바와 같이, 코어는 라만 프로세스를 향상시키는 것으로 공지된 도펀트, 예컨대 게르마늄의 높은 농도로 인해 상승된 굴절률을 갖는다.
본원에서 개시되는 RFL은 SM에서 수 와트를 출력할 수 있다. 단일 모달리티는 라만 섬유의 말단으로 접합되는 실제 SM 출력 섬유의 사용에 의해 달성된다. 각각의 라만 섬유 및 출력 섬유의 코어는 단일 모드 및 기본 모드 각각의 모드 필드 직경(MFD)이 실질적으로 서로 일치하도록 구성된다. 라만 공명 공동은 강한 FBG와 약한 FBG 사이에서 형성되고 실질적으로 제1 스톡스 파장의 기본 모드에만 이득을 제공한다. 그러나, SM 출력은 라만 섬유의 출력에 존재하는 바람직하지 않은 고차 모드를 필터링하는 SM 출력 섬유를 사용함으로써 획득된다.
상술된 라만 섬유의 MM 코어 전체를 보고된 높은 농도 수준으로 도핑해야 하는 필요성은 섬유 제작 프로세스에 복잡성과 비용을 추가한다. 보고된 신호 전력은 현재 산업적 필요를 전혀 만족시키지 못한다. 그러나, 출원인은 연속 방식(CW)에서 작동하는 1.3 kW 라만 레이저의 존재를 알고 있다. 하지만, 출원인이 알고 있는 바로는, 이 레이저는 요구되는 품질 출력의 광보다 상당히 더 높은 M2 팩터를 갖는 광을 출력한다.
따라서, 수 kW 전력 범위 내에서 빔 품질 M2가 1.1 이하인 SM, 밝은 신호 광을 출력하도록 작동하는 MM 라만 클래드-펌핑되는 섬유 레이저 소스에 대한 필요가 여전히 존재한다.
본 발명의 레이저 소스는 MM 라만 섬유의 클래딩 내로 말단-결합되는 MM 펌프 광을 출력하는 고전력 섬유 레이저-기반 펌프를 사용함으로써 이 필요를 충족시킨다.
본 개시내용의 일 양태에 따르면, 본 개시내용의 고전력 단일 모드(SM) 라만 레이저 소스는 파장 λpump로 경로를 따라 전파되는 다중모드(MM) 펌프 복사선을 수용하는 내부 클래딩, 및 중심 코어 영역이 제공되는 MM 코어를 갖는 말단 펌핑되는 다중-클래드 라만 섬유(end pumped multi-clad Raman fiber)로 구성된다. 펌프 복사선은 펌프 복사선을 파장 λpump보다 더 긴 라만-천이된 파장 또는 신호 파장 λram의 신호 복사선으로 전환시키는 라만 산란을 생성하기에 충분히 강력하다.
개시되는 라만 레이저 소스는, 신호 복사선에 대한 공명기를 그 사이에 형성하며 이격된 파장 선택적 반사기, 예컨대 섬유 브래그 격자(FBG)를 추가로 갖는다. 판별기 및 중심 코어 채널은, 라만 섬유로부터 M2는 1.1 이하(바람직하게는 1.05 이하)이고 전력은 수십 킬로와트(kW)에 달하는 출력인 신호 복사선의 FM과 일치하도록 광학적으로 정렬되고 치수 설정된다.
SM 라만 레이저 소스는 라만 섬유로부터 상류에 위치되어 펌프 복사선을 라만 섬유로 전달하는 MM 공급 섬유로 추가적으로 구성된다. 공급 섬유 및 라만 섬유는 서로 직접적으로 접합될 수 있거나 서로로부터 이격될 수 있다.
공급 섬유 및 MM 섬유가 이격되어 떨어져 있는 것을 특징으로 하는 구성에서, 개시되는 레이저 소스는 펌프 복사선을 정형하여 후자가 라만 섬유의 내부 클래딩 내로 결합되게 하는 벌크 광학계를 추가로 포함한다. 추가적으로, 경사진 반사기가 펌프 레이저를 보호하기 위해, 신호 파장 λram에서 역반사되는 복사선을 경로로부터 편향시키도록 렌즈 사이에 위치될 수 있다.
상기 및 다른 특징과 이점은 하기 도면을 동반하는 후속의 특정한 설명으로부터 더 쉽게 명백해질 것이다.
도 1은 하나의 구조적 수정에 따른 본 발명의 모든 섬유 라만 소스의 개략도이다.
도 2는 공급 섬유와 라만 섬유 사이에서 자유 공간 통신을 사용하는 본 발명의 라만 소스이다.
도 3은 본 발명의 라만 섬유의 굴절률 프로파일을 도시한다.
도 4 및 도 5는 도 1 및 도 2의 본 발명의 예시적 구조에서 기본 모드의 필드 및 강도 프로파일 각각을 도시한다.
도 6은 섬유 라만 증폭기를 특징으로 하는 본 발명의 섬유 레이저 소스를 도시한다.
이제 본 발명의 실시예에 대한 참조가 상세히 이루어질 것이다. 본 발명의 특징은 개별적으로 사용될 수 있거나 본 발명의 라만 소스의 개시된 각각의 구성에서 선택된 또는 모든 다른 발명의 특징과 조합하여 사용될 수 있다. 가능한 모든 경우에, 동일 또는 유사 부분 또는 단계를 지칭하기 위해 도면 및 설명에서 동일 또는 유사한 참조 번호가 사용된다. 도면은 단순화된 형태이고 정밀한 축척을 가지지는 않는다. "결합" 및 유사한 용어는 반드시 직접적 및 즉각적 연결을 나타내는 것이 아니고, 중간 요소 또는 장치를 통한 연결도 포함한다.
도 1은 반드시는 아니지만 바람직하게 킬로와트(kW) 수준에 달하는 전력을 갖는 밝은 SM 펌프 광을 각각 출력할 수 있는 섬유 레이저에 기초하는 다중 SM 또는 MM 레이저 펌프(2)로 구성된 라만 섬유 레이저 소스(10)를 도시한다. 예를 들어, 개별 SM 섬유 레이저 펌프(2) 각각은 1 kW SM 펌프 광을 출력하도록 작동한다. SM 섬유 레이저 펌프는 마스터 발진기 전력 섬유 증폭기(master oscillator power fiber amplifier)(MOPFA) 구성을 선택적으로 가질 수 있다.
각각의 레이저 펌프(2)의 출력 수동 섬유(4)는 공급 섬유로 또한 지칭되는 출력 섬유(6)를 갖는 섬유 결합기에 의해 널리 공지된 방식으로 함께 결합된다. 다수의 펌프 출력의 조합은 합리적인 수의 펌프(2) 및 그 개별적인 출력 전력에만 의존하는 수 kW의 누적 펌프 광을 초래한다. 예를 들어, CW 방식에서 5 내지 100 kW의 전력 범위는 오늘날 쉽게 접근 가능하다. 누적 펌프 광의 빔 품질은 이 전력에서 매우 양호하지만, 끊임없이 증가하는 산업 요구에 따라 이는 더 개선될 수 있다. 낮은 출력 또는 MM 출력을 생성하기 위해 다수의 출력 섬유를 결합시키는 결합기는 개별 펌프의 모달리티 및 누적 펌프 빔의 M2 팩터에 따라 SM-LM 결합기 또는 LM 결합기/MM 결합기로 지칭된다.
공급 섬유(6)는 누적 펌프 광을 공급 섬유(6)의 출력 말단에 맞댐 접합되는(butt spliced) MM 라만 섬유(14)를 향해 안내하는 MM 코어(12)를 둘러싸는 클래딩(8)으로 구성된다. MM 섬유 라만 레이저(FRL)는 다중모드 섬유에서 SRS의 빔 클린업 효과를 통해 실질적으로 단지 하나의 FM의 전파를 지지하도록 구성된다. 높은 펌프 광 전력은 공급 섬유(6)가 상대적으로 큰 직경, 예컨대 이중 클래드 MM 라만 섬유(14)의 도파 내부 클래딩(16)과 일치하는 50 내지 100 μm를 갖는 MM 코어(12)를 갖는 것을 요구한다.
MM 라만 코어(18) 및 클래딩(16)의 직경은 펌프 광의 효과적인 흡수가 MM 라만 코어의 가능한 가장 짧은 길이에 걸쳐 보장되도록 선택된다. 후자는 바람직하게는 제1 스톡스 파장인 요구되는 신호 광 파장의 기본 모드로 kW 신호 광을 출력한다.
요구되는 신호 파장, 예컨대 제1 스톡스 파에서 회절이 거의 제한된 신호 광을 보장하기 위해, 라만 소스(10)는, 개별적으로, FM의 유효 굴절률에 대해 조정되는 각각의 피치를 갖는 강한 FBG 및 약한 FBG(26 및 28)와 라만 섬유(14) 내의 중심 코어 영역(30)의 조합을 포함한다. 이격된 FBG(26 및 28)는 요구되는 제1 스톡스 파장에 대한 라만 공명 공동을 형성하도록 MM 라만 코어(18)에 직접적으로 기록된다. 중심 코어 영역(30)은 공명 공동 내에 통합되고 보론, 게르마늄, 인 또는 그들의 조합으로부터 선택된 불순물로 도핑된다. 중심 영역(30)은 실질적으로 FM에 의해 점유되는 코어 영역인, 전체 코어 면적의 70% 이하를 점유할 수 있는 반면, HOM은 코어 면적(18)의 주연부를 점유하는 경향이 있다. 중심 코어 영역(30)은 FM의 모드 필드 직경과 실질적으로 일치하도록 치수 설정되기 때문에, 대다수의 HOM보다 비교할 수 없이 더 크게 증폭되고, 대다수의 HOM은 따라서 라만 섬유(14)의 출력에서 배경 잡음으로 감소된다. 따라서, 상술된 구조는 라만 섬유(14)로부터 방사되는 신호 복사선이 FM인 것이 보장된다.
선택적으로, 도시되지 않은 중간 MM 수동 섬유가 공급 섬유 및 라만 섬유 각각의 대향 말단에 접합될 수 있다. MM 코어를 가짐에도 불구하고, 중간 섬유는 라만 코어(18) 내에서 지지되는 FM의 것과 실질적으로 일치하는 MFD를 갖는 FM만의 전파를 지지하도록 구성될 수 있다. 이 수정에서, 강한 FBG(26)는 중간 섬유에 기록될 수 있다. 순수한 SM이 요구되는 경우, 도시된 구조는 라만 섬유(14)의 출력 말단에 결합되는 SM 출력 섬유(24)를 가질 수 있다. 약한 FBG(28)는 출력 섬유(22)의 SM 코어(24)에 기록될 수 있다. 양 FBG가 각각의 중간 수동 섬유 및 출력 수동 섬유 상으로 형성되는 경우, 라만 섬유(14)의 중심 코어 영역(30)은 도핑되지 않은 상태로 유지될 수 있다.
도 2는 개시된 라만 소스(10)의 대안적 구조체를 도시한다. MM 공급 섬유(6)로부터의 누적 펌프 광은 자유 공간을 가로질러 전파되면서, 이격되어 떨어진 시준 렌즈 및 집속 렌즈(각각 25, 35)를 포함하는 안내 광학 조립체 상에 입사된다. 그 결과, 펌프 광은 SM 수동 섬유(20)의 클래딩 상에 집속된다. 상류를 향해 SM 레이저 펌프(2)로 역반사된 라만 광의 전파를 방지하는 경사진 반사기(45)가 렌즈(25 및 35) 사이에 위치된다. 나머지 구조는 도 1의 것과 유사하다.
도 3은 중심 코어 영역(30)은 대략 20 μm이고 30 μm의 MM 코어(18)를 갖는 도 1 및 도 2의 라만 섬유(14)의 예를 도시한다. 라만 섬유(14)의 이 굴절률 프로파일로 수행된 시험은 기본 모드 LPo에 대한 필드 프로파일 및 강도 프로파일을 도시하는 도 4 및 도 5에서 볼 수 있는 바와 같이 양호한 결과를 보인다. 시험에서 사용된 구성은 1070 nm에서 작동되는 SM 섬유 레이저 펌프를 포함하지만, SM 라만 신호 광은 1120 nm으로 생성되었다. 도 1 및 도 2에 도시된 상기 모든 범위의 섬유는 예시적인 것이고 본 발명의 범주로부터 어떤 방식으로든 벗어나지 않고 변경될 수 있다. 도시된 바와 같이, 내부 클래딩(16)의 굴절률 프로파일은 불소 도핑된 내부 영역으로 인해 오목한 부분을 갖는다. 그렇지 않은 경우, 클래딩(16)의 상승된 영역 및 라만 코어(18)는 순수한 실리카로 이루어질 수 있고 따라서 실질적으로 동일한 굴절률을 가질 수 있다.
도 6은 섬유 라만 소스(50)가 MM 섬유 라만 증폭기(FRA)(32)와 구성된, 본 개시내용의 또 다른 양태를 도시한다. 이의 실현은 SM 섬유 레이저 또는 피그테일형(pigtailed) SM 다이오드 레이저로서 구성되는 SM 시드 레이저 소스(seed laser source)(34)를 요구한다. 시드(34)는 요구되는 라만 파장 λram, 예컨대 1120 nm의 SM 신호 빔을 출력하고, 이는 SM 섬유(36) 내에서 안내된다. 펌프의 파장 범위 및 이에 따른 신호 파장은 1 내지 2 마이크론 간격으로 제한되지 않고 이를 훨씬 넘어서 확장된다.
시드(34)는 SM DL 또는 SM 섬유 레이저를 포함할 수 있다. SM 섬유(36)는 SM-MM 결합기(48)의 중심 섬유에 직접적으로 접합될 수 있거나, 도시된 바와 같이, 약한 FBG(46)와 함께 중심 SM 섬유 레이저 펌프(42)의 부분인 강한 FBG(38)에 접합될 수 있다. 도 1 및 도 2의 개략도와 같이, 여기서 SM-MM 결합기는 입력 말단 상에서 중심 SM 섬유 레이저 펌프 및 다수의 SM 섬유 레이저 펌프(42 및 44)에 각각 결합되고, 출력 말단 상에서는 공급 섬유(52)에 결합된다. 공급 섬유(52)는 SM 신호 빔을 지지하는 코어, 및 요구되는 라만 파장보다 더 짧은, 예를 들어, 1070 nm일 수 있는 파장 λpump의 누적 펌프 빔을 안내하는 클래딩으로 구성된다. 누적 MM 펌프 빔은, 이중-클래드 FRA(32)에 말단-접합되어, FRA의 클래딩 내로 결합되고, 신호 빔은 FRA의 MM 코어 내로 결합된다.
대안적으로, 도 6의 요소(42)는 1120 nm와 같은 제1 스톡스 파장의 광을 출력하는 시드 레이저로 구성될 수 있다. 구성의 나머지는 구성요소(34)를 제외하고 상술된 바와 동일하게 유지된다.
누적 펌프 빔이 FRA(32)의 MM 코어를 연속적으로 교차함에 따라, 그 에너지가 제1 스톡스 파로 전달된다. 고차 스톡스 파의 억제는 라만 섬유의 계산된 길이 및 MM 코어 직경과 클래딩 직경 사이의 비율에 의해 실현된다. 고차 횡방향 모드의 희생으로 인한 기본 모드의 증폭은 공급 섬유 및 라만 섬유 각각의 일치된 MFD와 그 정렬의 결과이다. MM 라만 코어에는 표준 라만 도펀트의 이온으로 도핑되고, 도 1a, 도 1b 및 도 2의 실시예에서와 같이, 기본 모드의 MFD에 대응하도록 치수 설정되는 중심 영역이 제공될 수 있다. 흡수되지 않은 잔류 펌프 광이 라만 섬유의 클래딩을 통해 여전히 전파되는 경우, 도 1, 도 2 및 도 6 각각의 임의의 실시예에서, 모드 스트리퍼(mode stripper)가 섬유 열의 하류 스트레치(stretch)를 따라 배열될 수 있다.
본 개시내용이 개시된 예의 관점에서 설명되었지만, 상술된 실시예에 대한 다수의 수정 및/또는 추가는 하기 청구항의 범주 및 사상으로부터 어떤 방식으로든 벗어나지 않고 레이저 기술분야의 통상의 기술자에게 쉽게 명백할 것이다.

Claims (9)

  1. 고전력 단일 모드(SM) 라만 레이저 소스이며,
    말단 펌핑되는 다중-클래드 라만 섬유로서,
    파장 λpump로 경로를 따라 전파되는 다중모드(MM) 펌프 복사선을 수용하는 내부 클래딩, 및
    내부 클래딩에 의해 둘러싸이고 중심 코어 영역이 제공되는 MM 코어를 갖고, 펌프 복사선은 펌프 복사선을 파장 λpump보다 더 긴 라만-천이된 파장 λram의 신호 복사선으로의 전환을 유도하는 라만 산란을 생성하며, 중심 코어 영역은 실질적으로 기본 모드(FM)만을 구속하도록 치수 설정 되고 라만 산란을 향상시키는 불순물로 도핑되는, 말단 펌핑되는 다중-클래드 라만 섬유; 및
    이격된 파장-선택적 반사기로서, 적어도 부분적으로 중심 코어 영역을 포함하는, 파장 λram의 FM에 대한 공명기를 상기 반사기 사이에 형성하며, 파장-선택적 반사기는 신호 복사선의 FM과 일치하도록 치수 설정되고, 라만 섬유는 수 킬로와트(kW) 내지 수십 kW의 전력 범위에서, M2가 1.1 이하인 FM으로 신호 복사선을 출력하는, 파장-선택적 반사기를 포함하는, 고전력 단일 모드(SM) 라만 레이저 소스.
  2. 제1항에 있어서, 라만 섬유로부터 상류에 위치되어 펌프 복사선을 라만 섬유의 상류 말단으로 전달하는 MM 공급 섬유를 추가로 포함하는, 고전력 단일 모드(SM) 라만 레이저 소스.
  3. 제2항에 있어서, MM 공급 섬유 및 라만 섬유는 서로 직접적으로 접합되고, 파장-선택적 반사기는 중심 코어 영역 내에 형성되는 섬유 브래그 격자(FBG)인, 고전력 단일 모드(SM) 라만 레이저 소스.
  4. 제2항에 있어서, 공급 섬유 및 라만 섬유 각각의 대향 말단에 접합되고 실질적으로 중간 섬유의 FM만의 전파를 지지하는 MM 코어로 구성되는 MM 중간 수동 섬유를 추가로 포함하고, 중간 섬유의 FM 및 라만 섬유의 FM은 서로 일치하는 모드 필드 직경을 각각 갖는, 고전력 단일 모드(SM) 라만 레이저 소스.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 라만 섬유의 하류 말단에 접합되는 SM 출력 수동 섬유를 추가로 포함하고, 파장 반사기는, SM 입력 및 출력 수동 섬유 각각의 코어에 기록되고 중심 코어 영역과 광학적으로 정렬되는 각각의 섬유 브래그 격자인, 고전력 단일 모드(SM) 라만 레이저 소스.
  6. 제2항에 있어서, 이격된 공급 섬유와 라만 섬유 사이에 시준 렌즈 및 집속 렌즈, 및 상기 렌즈 사이에 역반사되는 광을 경로로부터 편향시키는 경사진 반사기를 추가로 포함하는, 고전력 단일 모드(SM) 라만 레이저 소스.
  7. 제1항 내지 제4항, 및 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 각각의 섬유 레이저 펌프의 출력이 펌프 파장 λpump의 고전력 MM 펌프 복사선을 생성하기 위해 서로 구조적으로 간섭하도록 결합기 내에서 함께 결합되는 각각의 출력 섬유를 갖는 다수의 섬유 레이저 펌프를 추가로 포함하는, 고전력 단일 모드(SM) 라만 레이저 소스.
  8. 제1항 내지 제4항, 및 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 펌프 파장 λpump는 1070 nm이고 신호 파장 λram은 1120 nm인, 고전력 단일 모드(SM) 라만 레이저 소스.
  9. 제1항 내지 제4항, 및 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 라만 섬유의 내부 클래딩 및 MM 코어는 각각의 굴절률이 서로 일치하는 순수한 실리카로 이루어지고, 내부 클래딩 영역은 오목부를 제공하기 위해 불소로 도핑되는, 고전력 단일 모드(SM) 라만 레이저 소스.
KR1020197033772A 2017-05-15 2018-05-14 고전력 클래딩 펌핑되는 단일 모드 섬유 라만 레이저 KR102472018B1 (ko)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201762506278P 2017-05-15 2017-05-15
US62/506,278 2017-05-15
PCT/US2018/032539 WO2019013862A2 (en) 2017-05-15 2018-05-14 RAMAN LASER FIBER MONOMODE PUMP WITH HIGH POWER SENSING

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20200006979A KR20200006979A (ko) 2020-01-21
KR102472018B1 true KR102472018B1 (ko) 2022-11-28

Family

ID=65001751

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020197033772A KR102472018B1 (ko) 2017-05-15 2018-05-14 고전력 클래딩 펌핑되는 단일 모드 섬유 라만 레이저

Country Status (6)

Country Link
US (1) US11862926B2 (ko)
EP (1) EP3613113B1 (ko)
JP (1) JP7177090B2 (ko)
KR (1) KR102472018B1 (ko)
CN (1) CN110663146B (ko)
WO (1) WO2019013862A2 (ko)

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2013002787A1 (en) * 2011-06-29 2013-01-03 Ipg Photonics Corporation High power raman-based fiber laser system and method of operating the same
WO2015057482A1 (en) * 2013-10-14 2015-04-23 Ram Photonics, LLC Method and apparatus for generating high power laser light

Family Cites Families (29)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5818630A (en) * 1997-06-25 1998-10-06 Imra America, Inc. Single-mode amplifiers and compressors based on multi-mode fibers
US7724422B2 (en) * 2004-01-30 2010-05-25 Nufern Method and apparatus for providing light having a selected polarization with an optical fiber
JP4886269B2 (ja) 2005-10-28 2012-02-29 株式会社ニデック 医療用レーザ装置
US20090103874A1 (en) * 2006-03-17 2009-04-23 Crystal Fibre A/S Optical fiber, a fiber laser, a fiber amplifier and articles comprising such elements
US9450373B2 (en) * 2009-03-05 2016-09-20 Lawrence Livermore National Security, Llc Apparatus and method for enabling quantum-defect-limited conversion efficiency in cladding-pumped Raman fiber lasers
KR20120023651A (ko) * 2009-05-11 2012-03-13 오에프에스 피텔 엘엘씨 고?전력 직렬 라만 섬유 레이저들에서 백워드 레이징을 억제하는 시스템들 및 기법들
US8655133B2 (en) 2010-02-26 2014-02-18 Sumitomo Electric Industries, Ltd. Optical fiber and optical communication system including same
US8582608B2 (en) * 2010-05-27 2013-11-12 Ipg Photonics Corporation High power fiber laser system with side-pumping arrangement
US9083140B2 (en) * 2011-03-10 2015-07-14 Coherent, Inc. High-power CW fiber-laser
WO2013025218A1 (en) * 2011-08-18 2013-02-21 Ipg Photonics Corporation High power fiber pump source with high brightness low noise output in about 974 - 1030 nm wavelength range
WO2013096368A1 (en) * 2011-12-19 2013-06-27 Ipg Photonics Corporation HIGH POWER SINGLE MODE FIBER PUMP LASER SYSTEM AT 980 nm.
CN102761048B (zh) * 2012-05-16 2014-04-09 中国科学院上海光学精密机械研究所 可调谐拉曼光纤激光器
JP6037711B2 (ja) * 2012-08-08 2016-12-07 株式会社フジクラ ファイバレーザ装置
US9366810B2 (en) 2012-08-29 2016-06-14 Ofs Fitel, Llc Double-clad, gain-producing fibers with increased cladding absoroption while maintaining single-mode operation
US9366806B2 (en) * 2012-08-29 2016-06-14 Ofs Fitel, Llc Gain-producing fibers with increased cladding absorption while maintaining single-mode operation
JP5694266B2 (ja) * 2012-10-02 2015-04-01 株式会社フジクラ 光ファイバ及びそれを用いたファイバレーザ装置
JP5771586B2 (ja) 2012-10-16 2015-09-02 株式会社フジクラ 光ファイバ及びそれを用いたファイバレーザ装置
CN103151682B (zh) * 2013-01-30 2015-04-08 中国人民解放军国防科学技术大学 实现多波长输出的反斯托克斯拉曼光纤激光器
CN105189021B (zh) 2013-04-29 2018-05-15 努布鲁有限公司 用于三维打印的设备、系统和方法
US9293888B2 (en) * 2013-10-30 2016-03-22 Raytheon Company Method and apparatus for high-power raman beam-combining in a multimode optical fiber
US20160372884A9 (en) * 2013-12-27 2016-12-22 Ipg Photonics Corporation High Power Raman-Based Fiber Laser System and Method of Operating the Same
KR102259827B1 (ko) * 2014-01-06 2021-06-02 아이피지 포토닉스 코포레이션 연속파 및 준-연속파 체제에서 구동되는 초고출력 싱글 모드 녹색 광섬유 레이저
CN103746283A (zh) * 2014-01-29 2014-04-23 广东高聚激光有限公司 一种增强光纤激光器泵浦效率的方法及其光纤激光器
US9231365B1 (en) * 2014-06-12 2016-01-05 Ofs Fitel, Llc Discrete raman amplifier
JP6511235B2 (ja) * 2014-09-01 2019-05-15 株式会社フジクラ ファイバレーザ装置
US10008819B2 (en) * 2014-09-16 2018-06-26 Ipg Photonics Corporation Broadband red light generator for RGB display
CN105098590A (zh) * 2015-04-01 2015-11-25 中国计量学院 基于弱光纤光栅串和拉曼散射相结合的双波长拉曼光纤激光器
CN104882772B (zh) * 2015-06-04 2018-01-09 电子科技大学 一种双波长泵浦中红外拉曼光纤激光器
US10746933B2 (en) * 2016-09-22 2020-08-18 Lumentum Operations Llc Fiber coupled laser source pump with wavelength division multiplexer, isolator, tap filter, and photodetector

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2013002787A1 (en) * 2011-06-29 2013-01-03 Ipg Photonics Corporation High power raman-based fiber laser system and method of operating the same
WO2015057482A1 (en) * 2013-10-14 2015-04-23 Ram Photonics, LLC Method and apparatus for generating high power laser light

Also Published As

Publication number Publication date
CN110663146B (zh) 2021-09-21
JP7177090B2 (ja) 2022-11-22
JP2020519963A (ja) 2020-07-02
EP3613113A2 (en) 2020-02-26
US11862926B2 (en) 2024-01-02
WO2019013862A3 (en) 2019-03-28
CN110663146A (zh) 2020-01-07
US20210159662A1 (en) 2021-05-27
EP3613113B1 (en) 2022-10-05
WO2019013862A2 (en) 2019-01-17
EP3613113A4 (en) 2021-01-13
KR20200006979A (ko) 2020-01-21

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8498044B2 (en) Amplification optical fiber, and optical fiber amplifier and resonator using the same
US7916386B2 (en) High power optical apparatus employing large-mode-area, multimode, gain-producing optical fibers
US7649914B2 (en) Optical fibre laser
US9431787B2 (en) Amplification optical fiber and fiber laser device using the same
JP6144705B2 (ja) シングルモードのネオジムファイバ源を用いた高パワーシングルモードのイッテルビウムファイバレーザシステム
JP6058669B2 (ja) 約９７４〜１０３０ｎｍの波長範囲において高輝度ローノイズ出力を備えたハイパワーファイバーポンプ光源
US20160372884A9 (en) High Power Raman-Based Fiber Laser System and Method of Operating the Same
JP2015506109A (ja) ９８０ｎｍ高出力シングルモードファイバポンプレーザシステム
WO2016035414A1 (ja) ファイバレーザ装置
US9306364B2 (en) Ultra high power single mode fiber laser system
US8982452B2 (en) All-in-one raman fiber laser
EP2625753B1 (en) High power neodymium fiber lasers and amplifiers
KR102078144B1 (ko) 초고출력 싱글모드 광섬유 레이저 시스템
US9716365B2 (en) High power neodymium fiber lasers and amplifiers
WO2021045074A1 (ja) 光増幅装置
KR102472018B1 (ko) 고전력 클래딩 펌핑되는 단일 모드 섬유 라만 레이저
WO2013002787A1 (en) High power raman-based fiber laser system and method of operating the same

Legal Events

Date Code Title Description
E902 Notification of reason for refusal
GRNT Written decision to grant