(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
信号ビームを生成する主発振器と、
前記信号ビームを複数のファイバビームへと分割するスプリッタと、
前記ファイバビームのうちの１つを各々が受け取り、位相変調を提供する、複数の位相変調器と、
前記位相変調器のうちの１つからのファイバビームを各々が受け取る複数のファイバ増幅器であって、前記ファイバビームを増幅し、各々が出力端部を含む、複数のファイバ増幅器と、
入力端部及び出力端部を含む先細のファイバ束であって、前記入力端部はすべての前記ファイバ増幅器の前記出力端部に結合され、前記先細のファイバ束の前記出力端部は単一のファイバマスにおいてファイバコアを備えたすべてのファイバ増幅器の部分を含む組み合わされたファイバであり、前記先細のファイバ束は結合された出力ビームを出力し、前記先細のファイバ束は、各ファイバ増幅器を伝播する個々のファイバモードが前記先細のファイバ束においてコヒーレントに組み合わさって前記結合された出力ビーム内の単一の結合されたファイバモードとなるように、形成されて構成される、先細のファイバ束と、
前記先細のファイバ束の前記出力端部に光学的に結合され、前記先細のファイバ束からの前記出力ビームを拡張する端部キャップと、
前記端部キャップからの前記出力ビームの一部をサンプリングし、サンプルビームを提供するビームサンプラと
を具備するファイバ増幅器システム。
【請求項２】
位相検出器及び同期位相プロセッサをさらに具備し、前記位相検出器は前記サンプルビーム中の前記ファイバビームの位相を検出し且つ位相測定信号を前記位相プロセッサに提供し、前記位相プロセッサは前記位相測定信号に応答して前記ファイバ増幅器中の前記ファイバビームの光位相を制御するために前記位相変調器を制御する請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記位相検出器は、周波数変調もしくは振幅変調のための異なる周波数又は符号分割多元接続もしくは時分割多元接続のための異なる符号を使用して前記ファイバビームについて位相又は振幅における独自のディザリングを検出することにより、前記ファイバビームの位相を検出する請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
偏波検出器、同期偏波プロセッサ、及び各々が前記ファイバビームのうちの１つを受け取る複数の偏波制御部をさらに具備し、前記偏波検出器は前記サンプルビーム中の前記ファイバビームの偏波を検出して偏波測定エラー信号を前記偏波プロセッサに提供し、前記偏波プロセッサは前記偏波測定エラー信号に応答して前記ファイバ増幅器中の前記ファイバビームの偏波を制御するように前記偏波制御部を制御して前記ファイバビームの偏波の方向を同一にする請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記偏波検出器は、周波数変調もしくは振幅変調のための異なる周波数又は符号分割多元接続もしくは時分割多元接続のための異なる符号を使用して前記ファイバビームについて位相又は振幅における独自のディザリングを検出することにより、前記ファイバビームの偏波を検出する請求項４に記載のシステム。
【請求項６】
前記ビームサンプラの前に前記端部キャップからの前記出力ビームを受け取り、前記出力ビームを拡張し平行にする、平行にし拡大する望遠鏡をさらに具備する請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
前記先細のファイバ束は前記ファイバ増幅器の周りに配置された複数のコアのないクラッドファイバを含む請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
前記先細のファイバ束は前記ファイバ増幅器の周りに提供される低屈折率の屈折ガラス管を含む請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
前記ファイバ増幅器はマルチコアファイバへと一緒に結合され、前記マルチコアファイバ中の各ファイバは空気クラッド層を含み、前記マルチコアファイバは別個の構成ファイバに１つの端部において化学的にエッチングされ、前記個々のファイバ増幅器は前記構成ファイバへの接合によって前記マルチコアファイバに結合され、前記マルチコアファイバの他方の端部は前記先細のファイバ束を形成するために先細りにされる請求項１に記載のシステム。
【請求項１０】
前記端部キャップは一緒に光学的に結合された負の屈折率分布型レンズ及び均一のガラスロッドを含み、前記負の屈折率分布型レンズは前記先細のファイバ束の前記出力端部に結合される請求項１に記載のシステム。
【請求項１１】
前記端部キャップは、前記端部キャップの出力端部において提供される反射防止コーティングと、前記端部キャップの出力端部に結合されたつながれた正の屈折率分布型レンズ又は前記端部キャップの出力端部において湾曲面によって形成された正のレンズとを含む請求項１に記載のシステム。
【請求項１２】
前記正のレンズは平行にし拡大する望遠鏡の一部である請求項１１に記載のシステム。
【請求項１３】
前記端部キャップの面は表面レンズを形成するために湾曲される請求項１に記載のシステム。
【請求項１４】
各々が異なる波長で信号ビームを生成する複数の主発振器と、
各々が前記信号ビームのうちの１つを受け取り且つ前記信号ビームを複数のファイバビームへと分割する複数のスプリッタと、
各スプリッタによって分割された各ファイバビームについて別個の位相変調器を含み、各々が前記ファイバビームのうちの１つを受け取って位相変調を提供する、複数の位相変調器と、
複数のファイバ増幅器であって、別個のファイバ増幅器が各ファイバビームに対して提供され、各ファイバ増幅器は前記位相変調器のうちの１つからファイバビームを受け取り、前記ファイバ増幅器は前記ファイバビームを増幅し、前記ファイバ増幅器は各々が出力端部を含む、複数のファイバ増幅器と、
複数の先細のファイバ束であって、別個の先細のファイバ束が各主発振器波長群に提供され、各先細のファイバ束は入力端部及び出力端部を含み、各先細のファイバ束の前記入力端部は同じ波長信号ビームを受け取るすべての前記ファイバ増幅器の前記出力端部に結合され、各先細のファイバ束の前記出力端部は単一のファイバマスにおいてファイバコアと同じ波長信号ビームを受け取るすべての前記ファイバ増幅器の一部を含む組み合わされたファイバであり、各先細のファイバ束は前記ファイバ増幅器によって受け取られた波長で結合されたビームを出力し、各先細のファイバ束は、各ファイバ増幅器を伝播する個々のファイバモードが前記先細のファイバ束においてコヒーレントに組み合わさって前記結合された出力ビーム内の単一の結合されたファイバモードとなるように、形成されて構成される、複数の先細のファイバ束と、
複数の端部キャップであって、別個の端部キャップは各先細のファイバ束の前記出力端部に光学的に結合され、前記端部キャップは前記先細のファイバ束からの前記結合されたビームを拡張する、複数の端部キャップと、
前記先細のファイバ束から前記結合されたビームを受け取り、前記結合されたビームを同一の方向に向けられた単一のビームとして出力する、スペクトルビーム結合（ＳＢＣ）グレーティングと
を具備するファイバ増幅器システム。
【請求項１５】
複数の位相検出器をさらに具備し、別個の位相検出器が各別個の信号ビーム波長に対して提供され、複数の同期位相プロセッサをさらに具備し、別個の位相プロセッサが各別個の信号ビーム波長に対して提供され、各位相検出器は各信号ビーム波長について前記ファイバビームの位相を検出して位相測定信号を前記位相プロセッサの１つに提供し、前記位相プロセッサは、前記位相測定信号に応答して、前記ファイバ増幅器において各信号ビーム波長に対して前記ファイバビームの光位相を制御するように前記位相変調器を制御する請求項１４に記載のシステム。
【請求項１６】
複数の偏波検出器をさらに具備し、別個の偏波検出器が各別個の信号ビーム波長に対して提供され、複数の同期偏波プロセッサをさらに具備し、別個の偏波プロセッサが各別個の信号ビーム波長に対して提供され、複数の偏波制御部をさらに具備し、前記偏波検出器は前記結合されたビームの一部を受け取って偏波測定エラー信号を提供し、前記複数の偏波プロセッサの各々は前記偏波検出器から前記測定エラー信号を受け取り、各偏波プロセッサは１つのファイバビームに対して偏波制御部を制御する請求項１４に記載のシステム。
【請求項１７】
複数の前分散グレーティングをさらに具備し、別個の前分散グレーティングは単一の主発振器波長に対して前記結合されたビームのうちの１つを受け取り、前記前分散グレーティングは前記ＳＢＣグレーティングに対して分散補償を提供し、前記前分散グレーティングの各々は前記分散補償された結合されたビームを前記ＳＢＣグレーティングへ向ける請求項１４に記載のシステム。
【請求項１８】
前記先細のファイバ束からすべての前記結合されたビームを受け取り、前記結合されたビームの分散補償を提供する単一の前分散グレーティングをさらに具備する請求項１４に記載のシステム。
【請求項１９】
フィードバックビームを複数のファイバビームへと分割するスプリッタと、
各々がファイバビームを受け取って増幅する複数のファイバ増幅器であって、各々が出力端部を含む、複数のファイバ増幅器と、
入力端部及び出力端部を含む先細のファイバ束であって、前記入力端部はすべての前記ファイバ増幅器の前記出力端部に結合され、前記先細のファイバ束の前記出力端部は単一のファイバマスにおいてファイバコアを備えたすべての前記ファイバ増幅器の一部を含む組み合わされたファイバであり、前記先細のファイバ束は結合された出力ビームを出力し、前記先細のファイバ束は、各ファイバ増幅器を伝播する個々のファイバモードが前記先細のファイバ束においてコヒーレントに組み合わさって前記結合された出力ビーム内の単一の結合されたファイバモードとなるように、形成されて構成される、先細のファイバ束と、
前記先細のファイバ束の前記出力端部に光学的に結合され、前記先細のファイバ束からの前記出力ビームを拡張する端部キャップと、
前記端部キャップからの前記出力ビームの一部をサンプリングし、集中されたサンプルビームを提供するビームサンプラと、
前記ビームサンプラからの前記集中されたサンプルビームを受け取って前記フィードバックビームを提供するシングルモードファイバと
を具備するファイバ増幅器システム。
【請求項２０】
偏波検出器、同期偏波プロセッサ及び各々が前記ファイバビームのうちの１つを受け取る複数の偏波制御部をさらに具備し、前記偏波検出器は前記サンプルビーム中の前記ファイバビームの偏波を検出して偏波測定エラー信号を前記偏波プロセッサに提供し、前記偏波プロセッサは前記偏波測定エラー信号に応答して前記ファイバ増幅器中の前記ファイバビームの偏波を制御するよう前記偏波制御部を制御して前記ファイバビームの偏波の方向を同一にする請求項１９に記載のシステム。
【請求項２１】
前記シングルモードファイバ中の前記フィードバックビームを受け取り、前記スプリッタに送られる前に前記フィードバックビームを増幅する前置増幅器をさらに具備する請求項１９に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
[0001]本開示は、一般に高出力ファイバレーザ増幅器に関し、より具体的には、改善された曲線因子（フィルファクタ、fill factor）を備えたビームを結合するためにファイバ増幅器の端部を先細の（tapered）ファイバ束へと結合する高出力ファイバレーザ増幅器に関する。
【背景技術】
【０００２】
[0002]高出力レーザ増幅器には、産業用、商用、軍事用などを含む多くの応用がある。レーザ増幅器の設計者は、これらの応用のためにレーザ増幅器の出力を高めるための方法を継続的に調査している。１つの既知の種類のレーザ増幅器は、レーザビームを生成するためにドープファイバとポンプビーム（pump beam）を使用するファイバレーザ増幅器である。通常、高出力ファイバレーザ増幅器は、約１０−２０μｍ又はより大きな直径の活性コアを有するファイバを使用する。現在のファイバレーザ増幅器設計は、５ｋＷまでの単一ファイバ出力レベルを達成している。いくつかのファイバレーザシステムは複数のファイバレーザ増幅器を使用し、何らかの方法でより高出力のものへとそれらを結合する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
[0003]ファイバレーザ増幅器の設計の課題は、ビームを小さな焦点へ集中することができるようビーム直径にわたって均一の位相を有する単一ビーム出力をビームが提供するように、コヒーレントな（可干渉性の）方法で各ファイバからのビームを結合することである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
結合されたビームを長距離（遠距離場）において小さなスポットへ集中させることにより、ビームのビーム品質が規定され、個々のファイバビームがよりコヒーレントになるほど、結合された位相はより均一になり、ビーム品質はより良いものとなる。ファイバレーザ増幅器設計における改善により、レーザシステムの理論的出力限界及び理論的ビーム品質限界に近付くようにファイバビームの出力パワー及び可干渉性（コヒーレンシー、coherency）が高まる。
【図面の簡単な説明】
【０００５】
【図１】[0004]ファイバレンズアレイを含む既知のファイバレーザ増幅器の概略平面図である。
【図２】[0005]図１に示されるファイバ増幅器において使用されるファイバレンズアレイの断面図である。
【図３】[0006]ＤＯＥ結合器を含む既知のファイバレーザ増幅器の概略平面図である、
【図４】[0007]先細のファイバ束（tapered fiber bundle）及びビーム位相検出器を含むファイバレーザ増幅器の概略平面図である。
【図５】[0008]先細のファイバ束及び端部キャップ（end cap）の図である。
【図６】[0009]図５に示される先細のファイバ束の入力端部の断面図である。
【図７】[0010]図５に示される先細のファイバ束の出力端部の断面図である。
【図８】[0011]図５に示される先細のファイバ束からの出力ビームの近接場ビーム強度のプロファイルである。
【図９】[0012]ステップインデックスファイバのモードの有効径を示す水平軸上のコア径及び垂直軸上の有効モード径を備えたグラフである。
【図１０】[0013]先細りとなる前の密接にパックされた７つのファイバ束の近接場ビーム強度分布のプロファイルである。
【図１１】[0014]先細りとなった後の図１０に示される７つのファイバ束の近接場ビーム強度分布のプロファイルである。
【図１２】[0015]密接にパックされた１９のファイバ束の近接場ビーム強度分布のプロファイルである。
【図１３】[0016]低屈折率ガラスクラッドを含む先細のファイバ束の入力端部の断面図である。
【図１４】[0017]低屈折率ガラスクラッドを含む図１３に示される先細のファイバ束の出力端部の断面図である。
【図１５】[0018]負のＧＲＩＮレンズを含む先細のファイバ束のための端部キャップの斜視図である。
【図１６】[0019]先細のファイバ束のためのセグメント化された端部キャップの斜視図である。
【図１７】[0020]先細のファイバ束のための先細の端部キャップの斜視図である。
【図１８】[0021]正のＧＲＩＮレンズを含む先細のファイバ束のためのセグメント化された端部キャップの斜視図である。
【図１９】[0022]先細のファイバ束、位相検出器及びファイバ偏波制御部を含むファイバレーザ増幅器の概略平面図である。
【図２０】[0023]マルチコアファイバの断面図である。
【図２１】[0024]図２０に示されるマルチコアファイバの実例である。
【図２２】[0025]複数の主発振器、先細のファイバ束及び位相検出器を含むファイバレーザ増幅器の概略平面図である。
【図２３】[0026]複数の主発振器、ＳＢＣグレーティング（grating）及び複数の位相検出器を含むファイバレーザ増幅器の概略平面図である。
【図２４】[0027]複数の主発振器、ＳＢＣグレーティング、位相検出器及びファイバ偏波制御部を含むファイバレーザ増幅器の概略平面図である。
【図２５】[0028]複数の主発振器、複数の前分散（pre-dispersion）グレーティング及びＳＢＣグレーティングを含むファイバレーザ増幅器の概略平面図である。
【図２６】[0029]複数の主発振器、ＳＢＣグレーティング及び階段ミラー（staircase mirror）を含むファイバレーザ増幅器の概略平面図である。
【図２７】[0030]フィードバックシングルモードファイバ及び前置増幅器を含む既知のファイバレーザ増幅器の概略平面図である。
【図２８】[0031]先細のファイバ束、フィードバックシングルモードファイバ、前置増幅器及びビームサンプラ（beam sampler）を含むファイバレーザ増幅器の概略平面図である。
【図２９】[0032]先細のファイバ束、フィードバックシングルモードファイバ、前置増幅器及びファイバ偏波制御部を含むファイバレーザ増幅器の概略平面図である。
【図３０】[0033]先細のファイバ束、フィードバックシングルモードファイバ、前置増幅器及びサンプリンググレーティングを含むファイバレーザ増幅器の概略平面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００６】
[0034]先細のファイバ束を含むファイバレーザ増幅器を対象とする本開示の実施例についての以下の説明は、本来例示的なものにすぎず、本発明又はその応用もしくは使用を限定するように意図されない。
【０００７】
[0035]図１は、光ファイバ１４上に信号ビームを生成する主発振器（ＭＯ）１２を含む、既知のファイバレーザ増幅器システム１０の概略平面図である。図１に示される種類のファイバレーザ増幅器システムは、正確な位相及び振幅制御を利用する光エネルギー伝送システムなるタイトルの、２００４年３月１６日にＷｉｃｋｈａｍらに対して発行され本出願の譲受人に譲渡された米国特許６，７０８，００３号に見ることができ、参照により本明細書に組込まれる。信号ビームはスプリッタ及び位相変調器１６によってある数のスプリットビーム（分割されたビーム）へと分割され、別個の位相変調器１６が各分割されたビームに提供される。スプリッタ及び位相変調器は実際には２つの別個のデバイスであるが、単一チップ上でそれらを実施することができるので、ここに示すのは単一の物体である。さらに詳細に以下に議論されるように、すべてのビームが結合された出力ビーム２６において互いに同相であるように、位相変調器１６は、各分割されたビームの位相を調節する。その後、位相変調器１６からの分割されたビームはファイバ増幅器１８に送られ、増幅器２０は、光ポンプビーム（図示せず）を受け取るファイバ増幅器１８のドープされた増幅部を表す。その後、ファイバ増幅器１８からの増幅されたファイバビームは、各ファイバ増幅器１８の円筒状のファイバレンズ２４を含むファイバレンズアレイ２２に送られ、すべてのファイバビームが結合された出力ビーム２６としてともに結合されるよう、レンズ２４の各々がアレイ２２としてともに結合される。ファイバレンズアレイ２２は、平行ビーム（collimated beams）のタイル状アレイ（tiled array）を形成するためにファイバビームの各々を平行にし（コリメートし）、正確に相互に整列させる。結合された出力ビーム２６はビーム２６を分割するビームサンプラ２８に送られ、ビーム強度の大部分はシステム１０の出力ビームとして提供される。
【０００８】
[0036]ΜＯ１２はまた、ファイバ増幅器３２によって増幅されレンズ３４によって平行にされるファイバ３０上の参照ビームを提供する。レンズ３４からの平行にされた参照ビームはビームサンプラ２８に送られ、参照ビームは結合されたビーム２６におけるファイバビームの各々と干渉して、参照ビームと各々の別個のファイバビームとの間の干渉パターンをもたらす。干渉ビームは位相検出器のアレイ３８へレンズ３６によって導かれ、別個の位相検出器３８が各々の別個のファイバビームに提供される。検出器３８からのビーム間の干渉パターンを規定する電気信号は、位相プロセッサと、位相変調器１６の各々に位相訂正信号を提供する制御部４０とへ送られて、分割されたビームがすべて互いと同相であり且つ出力ビーム２６が遠距離場でしっかりと集中されることができる１つの可干渉性ビームであるように、ＭＯ１２からの分割されたビームの位相を調節する。
【０００９】
[0037]図２は、個々のレンズ２４を含むレンズアレイ２２の断面図である。この構成から明らかなように、円筒形状のレンズ２４は、レンズ２４間のデッドスペース４２を作成し、これは高パワービームによって占められる結合ビーム領域の断片として規定される、低減されたフィルファクタに帰着する。本明細書にて使用されるように、改善されたフィルファクタはより小さな回折限界スポットに対してより大きなフィルファクタ及びよりよいビーム品質又は集中可能性（focusability）を意味する。ビームを互いに同相にし且つ連続的にすることによって、出力ビーム２６のビーム品質は改善され、小さなスポットへ集中することができる。したがって、できる限りしっかりと一緒にパックされるようにレンズ２４を作ることが望ましい。さらに、各ファイバにおいてコアを通じて伝播する実際のビームは、より高い中心強度及び低減された周辺強度を備えたベル形状のビームプロファイルを有するガウシアンビームである。ガウシアンビームの密接なパックされたアレイが集中すると、中心の焦点のローブ（lobe）は、通常、ガウス形状及びビーム間に介在するデッドスペースの結果として、結合されたビーム出力のわずか約６０％しか含んでいない。したがって、結合されたビームアレイの低減されたフィルファクタは、個々のビームのガウシアン形状及び介在するデッドスペース４２の両方の組み合わせに起因し、中心の遠距離場の焦点のローブに集中している結合した出力パワーはフィルファクタによって与えられ、それは全ビームパワーの約６０％である。
【００１０】
[0038]図３は、上述のフィルファクタを排除する既知のファイバレーザ増幅器システム５０の概略平面図であり、システム１０と同様の要素は同じ参照番号によって識別される。この種類のファイバ増幅器は、Ｒｉｃｅらに対して２００８年１０月２１日に発行され、本出願の譲受人に譲渡された、可干渉性のファイバ回折光要素ビーム結合器なるタイトルの米国特許７，４４０，１７４号に見ることができ、参照によって本明細書に組込まれる。この実施例では、密接して間隔を置かれた出力ビーム５４のアレイを生成するために、ファイバ増幅器１８は単一ファイバアレイ５２へ接合（スプライス）される。出力ビーム５４は光学系５６により平行にされ、次に、ビームが正確に整列され調整される場合、ビームを結合する回折光学要素（ＤＯＥ）５８に送られる。同じ角度で提供されるＤＯＥ５８からの回折ビームはビームを分割するビームサンプラ６０に導かれ、結合されたビームの大部分がシステム５０からの出力ビームである。
【００１１】
[0039]ＤＯＥ５８からの結合されたビームの分割された部分は、集束光学系５２により集められ、位相検出器６４へ送られる。位相検出器６４は、結合されたビームの位相を測定し、同期位相プロセッサ６６へ測定信号を送る。このように結合されたビームの位相を検出することによって、参照ビームを除去することができ、単一の位相検出器を使用することができる。構成ビーム（constituent beam）の位相は、周波数変調（ＦＭ）又は振幅変調（ＡＭ）用の異なる周波数、符号分割多元接続（ＣＤＭＡ）又は時分割多元接続（ＴＤΜＭＡ）用の異なる符号など、構成ファイバビームを位相又は振幅について独自にディザリング又は符号化することにより、単一の出力位相検出器６４において区別することができ、その結果、同期検出器スキームは、結合されたビーム中の各ファイバビームについて構成する位相信号（constituent phase signals）を区別することができる。そのような技術は、２００８年３月１８日にＲｏｔｈｅｎｂｅｒｇらに発行され本出願の譲受人に譲渡された、コヒーレント回折ビーム結合のための多段方法及びシステムなるタイトルの米国特許７，３４６，０８５号に開示され、参照によって本明細書に組み込まれる。同期位相プロセッサ６６は、位相検出器６４からの測定信号中の異なる構成位相をデコードし、ファイバ増幅器１８中の個々のファイバビームの位相に対する調節により出力ビーム中の構成ファイバビームのすべてが同位相にロックされるように、対応する位相変調器１６に送られる各ファイバビームについての位相エラー訂正信号を生成する。ファイバビームのアレイ５２は単一の出力ビームへ結合されるので、フィルファクタの問題は排除され、出力ビームはほぼ回折限界のスポットに集中することができて、ビームの全結合パワーによって提供される輝度の理論限界にほぼ達する。
【００１２】
[0040]結合した出力ビーム以外のＤＯＥ５８からの回折ビーム６８は、角度の分離を制限しており、したがって、回折された出力ビームを十分に分離するためにかなり大きな経路長を必要とし、したがって、システム５０をそれほどコンパクトでないものとする。さらに、出力ファイバのアレイは、高いビーム結合効率を達成するために、互いに及びシステム５０の出力光学系に対して非常に高精度に整列しなければならない。そのような正確な整列は、マルチｋＷレーザビームの存在を伴う不可避の熱散逸の存在下ではより一層困難である。したがって、優れたビーム品質を有するファイバ増幅器システムを提供することが望ましいが、ファイバアレイが大きな自由空間光学要素に対して正確に整列される必要性を回避する。さらに、全ファイバ・フォーマットでビームを結合する手法は、単一ファイバ開口内の高出力でのパワースケーリングのための理想的なパッケージング解決策を提供することができ、それはその後望遠鏡に直接注入することができ、又はさらなるビーム結合のための構成要素として使用することができる。
【００１３】
[0041]図４は、ファイバ材料自体においてより高いフィルファクタ及びビーム品質を備えたビーム結合の提供により上述のシステム１０及び５０に対する改良を提供するファイバレーザ増幅器システム７０の概略平面図である。システム７０において、システム１０及び５０と同様の要素は同じ参照番号によって識別される。この実施例では、ファイバ増幅器１８の端部は、単一ファイバマス（fiber mass）へとファイバ増幅器１８を結合する、先細のファイバ束７２の入力端部につながれる。その後、端部キャップ７４は先細のファイバ束７２の出力端部に取り付けられる。端部キャップ７４からの出力ビームは、受信光学系７８及び平行光学系８０を含む望遠鏡７６によって集められ集中される。望遠鏡７６からのビームはビームサンプラ８２によってサンプリングされ、大部分のビームが出力ビームとしてシステム７０から導かれる。上述のような方法において、ビームサンプラ８２からの結合されたビームのサンプリングされた部分は、結合されたビームの位相を測定し同期Ｎ−ビーム位相プロセッサ８８へ位相測定の電気信号を送る位相検出器８６上に光学系８４を集中させることにより集中される。その後、結合した出力ビーム中のすべての構成ファイバビームが上述のような方法で同じ位相で一緒にロックされるように、ファイバ増幅器１８においてビームの位相を制御するために、プロセッサ８８は、位相変調器１６に位相エラー訂正信号を送る。レーザシステム５０において述べられた方法と同様に、スプリッタ１６によって分割される個々のビームについて適切な位相制御信号を決定することができるように、位相変調器１６は、システム７０の出力における結合されたビームに存在する各分割されたビームにおいて、ＦＭもしくはＡＭのための異なるディザリング周波数又はＣＤＭＡもしくはＴＤＭＡのための異なる符号を適用する。位相検出器８６は異なるディザリング周波数又はコードを検出することができ、プロセッサ８８は、各分割されたビームの位相エラーを決定するためにその情報を使用し、それぞれの分割されたビームの各々について対応する位相変調器１６へ誤り訂正信号を提供して、結合された出力においてすべての構成ビームを適切に位相ロックすることができる。
【００１４】
[0042]図５は、各々が、外部クラッド層１０２と、ビームが伝播する内部コア１０４とを有し、上で言及した種類の先細のファイバ束１０６に結合された７つのファイバ１００の例を示す。図６は、束１０６の内側部分において７つのファイバ１００を備えた先細のファイバ束１０６の入力端部及びファイバ１００の束の周りに形成された複数のクラッドファイバ１０８の断面図を示す。図７は、ファイバ１００及びクラッドファイバ１０８の組み合わせが単一ファイバマス１１０へと形成されたことを示す、先細のファイバ束１０６の出力端部の断面図であり、点１１２はファイバ１００のコア１０４を表す。図８は、端部キャップ１１４から出力されるビームの近接場のビームプロファイル１１６の断面図である。
【００１５】
[0043]先細のファイバ束１０６は、先細のファイバ束を製造するための任意の周知の技術によって作ることができ、ファイバ１００及び１０８は束へ集められ、束は注意深く制御された高温溶融プロセスで径を減少しつつ引き出される。最終的な結果は最初の密接にパックされたファイバ増幅器の束の縮小版であり、最終的なコア径２ａ及び間隔ｂは結合されたビームの最終的な出力フィルファクタを決定する。これらのビームは非常に高強度であるので、先細のファイバ束１０６の出口表面における損傷を回避するために、先細のファイバ束１０６の出力端部へ端部キャップ１１４を接合する必要がある。結合されたビームは、表面の損傷が回避されるように、ピーク強度が十分に減少するまで、端部キャップ１１４において回折によって拡大する。負の焦点距離を備えた屈折率分布型（gradient index、ＧＲＩＮ）レンズは、以下に述べるように、出力ビームの発散を増加させるために端部キャップ１１４に組み入れることができる。
【００１６】
[0044]一旦出力ビームが端部キャップ１１４を出ると、出力ビームは、単一のレンズ又は曲面鏡によって、望遠鏡７６による所望のビームサイズ及びコリメーション（視準、collimation）に対して平行にされ及び／又は画像化される（imaged）。レンズアレイ又は他の正確なファイバ対ファイバの整列の必要はない。外部光学系は所望のサイズへビームを拡大するのに使用されるコリメーション及び／又は望遠鏡光学系にすぎず、それは多くの高出力レーザシステム及びビーム導波器（beam directors）において通常使用される。これは、個々のファイバの各々の外部自由空間光学系に対する非常に正確な整列を双方ともが要求するシステム１０及び５０とは対照的である。最終的な望遠鏡における全単一ビームについての通常の整列要求を超えるような必要性はシステム７０にはない。さらに、先細のファイバ束７２内でのファイバコアの正確な間隔空けについては、それらをできる限り密接に間隔を空けて配置すること以外に要求はなく、各々の個々のファイバの発散は１０数ｍｒａｄ（１０’ｓ  ｏｆ  ｍｒａｄ）であるので、コアの共同整列（co-alignment）はかなり緩和される。したがって、この手法は結合した出力ビームに単一ファイバ開口及び最低限の自由空間光学系からＮ倍のビームパワーを結合した出力ビームに提供し、ここでＮは結合したファイバビームの数である。レーザシステム７０は、それによって、システム１０及び５０と比較して集積化、簡潔さ及び耐久性において飛躍的進歩を提供する。
【００１７】
[0045]先細のファイバ束１０６は、個々のファイバモードが重なり合う（オーバーラップする）ように、ファイバコアをともに接近させることにより、フィルファクタを最大化する。一旦モードが重なり合えば、ファイバモード間のクロスカップリング及び干渉が存在する。ファイバの位相を一緒にロックすることによって、上述のように、同相スーパーモード（in-phase super-ｍode）の形成を保証することができ、それはすべてのファイバ間の強め合う干渉を示し、ビーム間のギャップの強度を大きく向上させる。このように、連続的な強度プロファイルを備え且つ介在するデッドスペースがほとんど又は全くない結合されたビームを得ることができる。課題は、束内の損失が無視できることを保証するように先細のファイバ束を作ることである。したがって、パワーがクラッド表面においてほとんど現れないように、先細のファイバ束１０６への入力ファイバは十分に大きな直径のクラッドを有していなければならない。一般に、これは、クラッド径ｂがコア径２ａの約２−３倍であることを要求し、関心のある大きなモード領域のファイバについて、クラッド表面におけるパワーを合計で１ＰＰＭに制限する。コアがクラッド径ｂによって分離されるので、この比率はあらかじめ先細にされたフィルファクタを主に決定する。フィルファクタはｂ／２ａ＝３の比率に対してかなり低くなり得、パワーのわずか約２０％が２５μｍのコアを備え且つＮＡ＝０．０６である中心ローブへ集中し、ここでＮＡは開口数である。束は先細になっていくので、コア径に対するクラッド径のこの比率がテーパーによってほぼ維持されるように、コアとクラッドの両方の直径は一般にファイバが一緒に溶融するときに比例して減少し、従って、フィルファクタは不変であるように見える。さらに、コア径を先細りにすることは、ピーク強度が増加するようにモード径を縮小するように見え、それは非常に高出力の増幅器に制限してもよい。しかし、驚くべき結果は、コア径がテーパー中に減少するとき、モード領域の減少が最小値に制限され且つモードフィールド分布のテール（tails）が著しく広がるようにモードの形状が変化することである。この振る舞いは、先細のファイバ束７２内のピーク強度を限定すること及びモードのよりよいオーバーラップを保証することに役立ち、したがって、テーパーによって一定のままであるためになおさら、フィルファクタは著しく増加することがあり得る。
【００１８】
[0046]図９は、コア径の機能としてＮＡ＝０．０６を備えたステップインデックスファイバのモードの有効径を示す、水平軸上のコア径及び垂直軸上の有効モード径を備えたグラフである。このプロットにおける有効径は、ファイバモードと同じピーク強度を有するガウシアンの１／ｅ２強度直径として定義される。コア径が減少するとともに、モード径が最小のおよそ１３μｍに達し、その後急速に増加することが理解される。コア径が約１４μｍ未満である（λ＝１０８０ｎｍに対してＶ＃＝ＮＡ×２πａ／λ＜２．４）場合、ファイバが厳密に単一モードであることが注目されるべきである。より小さなコアについてのモード径のこの急激な増加は、モードのテールの増加の結果である。初期の２５μｍのコア径から始まって、モードはおよそ２．５倍のコア径を超えて無視できるパワー内によく制限されるが、コア径及びしたがってＶ＃が減少するにつれて、モードのテールの減少した制限は有効モード径を増加させ、したがって、先細のファイバ束７２におけるモードのオーバーラップを増加させることが示される。コア径のさらなる減少により、Ｖ＃がおよそ１に接近するので、テールは非常に限定された制限に接近し、したがって、任意に大きなモード・オーバーラップを可能にするが、クラッド層からの増加した損失に対してもそのようになる。個々のビームの位相がスーパーモードの形成における同相（強め合う）干渉を保証するためにロックされる場合、フィルファクタのペナルティーは大幅に低減することができる。先細のファイバ束７２の出力においてコアサイズを最適化することによって、４００μｍ径など合理的な大きさにされた束の今のより大きなクラッド内での優れた制限をなお可能にする一方、よいオーバーラップを達成することができる。
【００１９】
[0047]プロセスは、コアサイズ及び間隔の両方が釣り合って減少する単純な先細（テーパ−）プロセスを越えて改善できることに注目すべきである。先細プロセスにおいて注意深く適合させた温度を使用することは、コアの周りのドーパントの改善された拡散につながり、したがって、有効なコアサイズは、コア対コアの間隔の比例した変化に対する拡散によって増加することができる。このプロセスの効果は、さらに、先細のファイバ束出力モードフィルファクタを向上させることができる。
【００２０】
[0048]端部キャップ７４から得られる結合した出力ビームの例として、入力として２５μｍ／６２．５μｍのコア／クラッド径を備えた７つのファイバをとる六角形状に密接にパックされた先細のファイバ束を考える。ここで、初期のコア対コアの間隔もまた約６２．５μｍである。入力は約３．６倍の６．９μｍへと先細りにされ、Ｖ＃は約１．２、コア対コアの間隔は１７．２μｍまで減少する。入力ファイバモードは、先細りでないクラッドインターフェースにおいてファイバ出力の無視できる一部分（近似信号１ＰＰΜＭ）を有するが、一旦それらがともに融合され先細りにされると、モードは隣接するコアとの大きな重なり合いを有する。伝播シミュレーションは、コアの適切な断熱の先細り（adiabatic tapering）が各コアにおいて最低次のモードからの外部結合（out-coupling）を１０数ＰＰＭに制限することを示す。すべてのモードフィールドはそれらがコヒーレントに加わり、したがってフィルファクタを十分に最大化するように位相化されると仮定される。
【００２１】
[0049]先細にされる前の２５μｍ／６２．５μｍのコア／クラッド径を備えた密接にパックされた７つのファイバ束の近接場強度分布１２０が図１０に示され、リング１２２は約１９０μｍの仮定された参照開口径Ｄｒｅｆであり、遠距離場の回折限界の半径λ／Ｄｒｅｆを定義するために使用される。ＬＭＡモードがよく制限され且つ重ならないことを示すことができ、入力コア間の大きな間隔のために、フィルファクタはかなり低い。この配置（geometry）に基づいた結合されたビームの計算されたバケツ中のパワー（power in the bucket、ＰＩＢ）が角半径１．２λ／Ｄｒｅｆの回折限界の遠視野（far-view）内のわずか約１７％であることがさらに示され得る。それに比べて、完全に参照開口を満たす回折限界のフラットトップ・ビームは、この回折限界の角度のバケツ中の約８４％を達成する。
【００２２】
[0050]この７つのファイバ入力束を、１７．２μｍのコア対コア間隔において想定される６．９μｍのコア径まで先細りにすることで、図１１における近接場強度分布１２４によって示されるような非常に異なる結合した出力ビームが生まれ、ここでリング１２６は想定する参照径である。この場合の近接場の参照開口径は６９μｍであるように選ばれ、結合したパワーの９９％より多くを含む。大幅に増加したモード・オーバーラップ及びフィルファクタのため、結合した先細のファイバ束出力は、ここで、回折限界の遠距離場のバケツの中への非常に高効率の集中を有する。７つの理想的に位相化されたビームのＰＩＢが回折限界の角半径１．２λ／Ｄｒｅｆへの約９２％であることが示されてもよい。このＰＩＢが、回折限界であり且つ十分に満たされたフラットトップ・ビームによって達成された８４％を超えることに注目されたい。１．５λ／Ｄｒｅｆの半径内の約９５％まで７つの結合されたビームのＦＩＢが増加する。したがって、先細のファイバ束７２の効果が入力ファイバ束と比較してフィルファクタ及びＰＩＢを劇的に増加させることであることが示されてもよい。
【００２３】
[0051]所与のコア形状について、結合されたビームの実効面積はピーク強度に基づいて定義することができ、強度により引き起こされる損失が問題になる前の最大パワーを定義するために使用することができ、ここでパワーＰの結合されたビームのピーク強度はＩｐｅａｋ＝Ｐ／Ａｅｆｆとして定義される。上述の先細のファイバ束を備えた７つのビーム結合について、Ａｅｆｆ＝６３０μｍ２であり、先細のファイバ束出力における単一の構成ビームは８０μｍ２の実効面積を有し、従って、実効面積は単一ビームに対して７．８倍増加される。
【００２４】
[0052]より高い出力のために、より多くの数の入力ファイバを使用することができる。六角形の密接なパッキングについて、追加のファイバのリングを備えた次のマジック数は１９であり、上記の間隔のコア径に基づいて、約１８６０μｍ２の実効面積を生み、したがって、入力ビーム当たり約３ｋＷと仮定すれば、単一の先細のファイバ束出力において６０ｋＷより多くを可能にする。リング開口１３２を備えた先細のファイバ束の出力の近接場強度分布１３０は図１２に示され、ここで開口参照径は９６μｍである。
【００２５】
[0053]上述のように、単に個々のファイバモードの可干渉性の同相の重ね合わせにおいてスーパーモードが生じたと仮定された。対称性から、６つの外部ビームがロックされた同一の位相を有する場合、２つの関心のあるモードのみが存在し、中央ビームは同相又は位相がずれており、これはそれぞれ同相Ｉ＋＞及び位相ずれＩ−＞スーパーモードと表される。したがって、上記の結果は入力ビームの適切な位相整合による位相ずれＩ−＞スーパーモードの抑制に依存する。位相ロッキングシステムの使用により、出力における中央ビームが外部ビームに関して適切な相対位相を有することを確かに保証することができる。しかし、構成ファイバ間の大きなモード重なりと先細のファイバ束７２とのために、コア間で相当なパワーの交換がある。シミュレーションにより、テーパーの端部における上記の例のコア径については、中央コアにおいて開始されたパワーが中央ビームから外部ビームまで約２．５ｍｍの伝播距離において結合することが示される。したがって、入力フィールドの適切な位相整合に加えて、ビームの所望の均一なパワーを保証するために、先細ファイバ束７２の長さ及びテーパーを調整しなければならない。実際、想定する出力ビーム中の中心ピークはビームの外部のピークより約３０％高いパワーを有する。従って、コア間のパワー結合が中央コアパワーをいくらか低減するように先細のファイバ束７２の長さを設計することによって、ピークは均等にすることができ、所与の合計のアレイ出力についてのピーク強度の低減をもたらすことができ、それによって、所与の損傷したしきい値についての合計パワー制限を増加させることができる。数パーセントのパワーバランスのための必要な設計精度は、シミュレートされた２．５ｍｍのカップリング距離に基づいて、数百ミクロンであり、容易に達成されるものである。
【００２６】
[0054]現在の商用の高出力の先細ファイバ束パッケージは約１００Ｗの散逸能力を有し、これはこれらのデバイスの開発が進むにつれて成長するであろう。１ｋＷを超えるパワーを結合するファイバ増幅器に使用されるマルチモード・ポンプ・カプラについての報告は、９８％より大きな値で達成されたポンプ・スループットにとって当然のものである。これらの商用デバイスは、一般に、入力の有効な累積的受け取りよりほんのわずかに大きな角度の受け取りによって出力ファイバに先細のファイバ束を結合することにより、ポンプ輝度を最大化することを試みる。したがって、これらのデバイスは、一般に、かなりの、すなわち、１％より大きな結合損失を有する。本願において提案される種類の先細のファイバ束においては、端部キャップのみが使用されるので、出力ファイバに結合されることによる損失はない。先細のファイバ束において使用される高品質の伝送ファイバの固有の吸収損失は非常に低く、すなわち１０ＰＰΜＭ／ｃｍ未満であり、したがって制限要因になるとは考えられない。
【００２７】
[0055]残りの損失は、伝播中に又は先細のファイバ束のテーパーの端部の近くで、大きな角度モード変換及び散乱から生じる。これはもちろん先細のファイバ束の製造の設計及び品質に依存する。しかし、関心のあるＬΜＡ入力ファイバは、かなり低い、すなわちほぼ０．０６のＮＡを有し、この入力光の角度の発散はモード翼（mode wings）における残余パワーを含めても制限される。例えば、２５μｍ／０．０６ＮＡのＬＭＡファイバモードは、±１０ｍｒａｄよりも大きな角度で伝播する１００ＰＰＭ未満の残余パワーを有する。上述の先細のファイバ束の端部における小さな６．９μｍのコアモードでさえ、±０．２ｒａｄの角度の外に１００ＰＰＭ未満の残余パワーを有する。先細のファイバ束パッケージ内での加熱は、先細のファイバ束クラッド材料によって吸収される大きな角度の外部結合された光によって支配される可能性が高い。したがって、先細のファイバ束における適度なＮＡガラスクラッド材料の使用は、事実上吸収性でなく、先細のファイバ束内に分散した非常に大きな角度以外のすべてからの加熱を大きく緩和するであろう。例えば、フッ素ドープしたガラスは、およそ０．３のＮＡ制限を備えたクラッド材料として使用することができ、したがって、先細のファイバ束パッケージへの吸収を防ぎ且つ端部キャップによる回避を可能にするために任意のより低い角度散乱光を制限することができる。
【００２８】
[0056]図１３は、外部の低屈折率の屈折ガラス管１４２を含む、先細のファイバ束１４０の入力端部の断面図であり、上述のように、図１４は、ガラス管１４２を示す先細のファイバ束１４０の出力端部の断面図である。
【００２９】
[0057]上述のように、端部キャップ７４はビーム品質の損傷又は低下のないガラスから結合した高出力ビームを得るために使用される。説明されるように、端部キャップ７４の目的は、出口表面における強度が損傷したしきい値を下回るように、ビームが十分に拡大することを可能にすることである。第２に、その表面から反射されたパワーがファイバ増幅器性能に悪影響を及ぼさないことが保証されなければならない。したがって、反射を最小化するために端部キャップ７４の出力面上に反射防止（ＡＲ）コーティングを提供することが通常は望ましい。ここに述べられている小さなビームについては、約１ＭＷ／ｃｍ２より大きな損傷しきい値が達成可能であることが報告された。２０ｋＷの出力ビームについては、これは、ビームが約２ｍｍ２の実効面積へ拡大しなければならないことを示唆する。上述の７つのビーム結合については、結合されたビームの有効な１／ｅ２直径は、それが端部キャップ７４に入るとき約４５μｍであり、総計の発散角度はしたがってかなり小さい、すなわち、当該角度はガラスの１／ｅ２においてほぼ±０．０１であり、その結果、ピーク強度を低減するために長い伝播距離が要求される。計算により、ビームがほぼ１．３ｍｍのＦＷＨＭを備えたおおよそのガウシアンであるような約１１ｃｍの伝播の後、２０ｋＷの７つのビーム出力についてピーク強度が約１ＭＷ／ｃｍ２に低減されることが示される。したがって、以下に述べるように、出力ファセットにおける拡大するビームを提供するために、レンズキャップ径は、先細の方法又はセグメントのいずれかにおいて約５ｍｍまで増加する必要がある。
【００３０】
[0058]吸収の非常に低い端部キャップを備えた場合でさえ、ガラス中の長い伝播距離は、蓄積された熱的光学パス歪み（ＯＰＤ）からの困難を引き起こす。しかし、ビームは約１ｍｍにおいて最大となるので、これは端部キャップ７４の高アスペクト比によって緩和される。端部キャップ７４の表面冷却は適切にすべきであるが、端部キャップ７４における固有の吸収のために、不可避の二次の温度変化がなお存在する。ビームの範囲にわたって熱堆積（heat deposition）が均一であると見積もると、ビーム幅にわたる吸収によって引き起こされる温度差はほぼΔＴ＝Ｐα／４πｋ＝Ｐα／１８０℃であり、ここでＰはｋＷ単位の全ビーム出力であり、αはＰＰＭ／ｃｍ単位の固有のガラス吸収であり、ガラス導電率はκ＝１．４Ｗ／ｍ−℃である。ガラス中のＯＰＤは、長さｃｍ及び温度差℃当たり約１．３個の波であり、したがって、２０ｋＷのビーム及び１０ｃｍの経路長については、最大のＯＰＤは約α／７波である。極めて低い吸収の溶融シリカはα＜１ＰＰＭ／ｃｍであると報告され、したがって、ＯＰＤは圧倒的なものではなく、ほとんど球状であるが、しかし、この問題は、この方法を備えたパワースケーリングにとって重大な制限を提示し得る。これは、１０＋ｋＷのパワーレベルで動作するファイバ・スキームのための端部キャップ７４の熱管理がＯＰＤを最小化するためにかなり重要であることを示す。
【００３１】
[0059]ビームの数が拡大するにつれて、結合されたビームがより大きな有効径、すなわち約７０μｍを有し、したがってさらに小さな発散を有するので、この問題は深刻になる。上述の１９のビーム結合については、１／ｅ２において計算された発散角度はガラスにおいて約±７．２ｍｒａｄであり、より大きな６０ｋＷの全パワーと結合して、出口強度を約ｌＭＷ／ｃｍ２に低減するために約２７ｃｍの長さの端部キャップを要するだろう。支配的な問題は結合されたビームの非常に小さな発散である。
【００３２】
[0060]この問題を緩和する１つの手法は、先細のファイバ束接合に近い負の屈折率分布型（ＧＲＩＮ）レンズを含む端部キャップを製造することである。図１５は、先細のファイバ束に結合される負のＧＲＩＮレンズ１５２を含む端部キャップ１５０の斜視図である。端部キャップ１５０の残りの部分は均一のガラスロッド１５４であり、ＧＲＩＮレンズ１５２及びガラスロッド１５４は適切な接合１５６によって光学的に結合される。負の焦点距離レンズは結合されたビームの発散を著しく増加させる場合があり、したがって、必要な端部キャップ長を数ｃｍに低減し、それによって、端部キャップ１５０における蓄積されたＯＰＤを大幅に低減することができる。例えば、−０．８ｍｍの焦点距離を備えたＧＲＩＮレンズは、７つのビームの先細のファイバ束出力の発散をおおよそ３倍に増加させ、したがって、２０ｋＷの出力ビームに対してＯＰＤを比例して約α／２０波へと低減する。そのような手法により、１００ｋＷにせまる単一開口パワーに対するこのスキームのスケーリングを手の届くものとすることができる。
【００３３】
[0061]端部キャップ７４の直径は拡大するビームを提供するために、セグメントの中で又はテーパーによって増加され得る。図１６は、段のあるセグメントを含む端部キャップ１６０の斜視図であり、負のＧＲＩＮレンズ１６２は、接合１６８によって、先細のファイバ束及びほぼ同じ直径の均一のガラスロッド１６４に結合される。ガラスロッド１６４の対向する端部はより大きな径のガラスロッド１６６に接合され、それは今度はビーム拡大のためにセグメントを供給するためにさらにより大きな径のガラスロッド１７０に接合される。反射防止コーティング１７２は、ＧＲＩＮレンズ１６２の反対のガラスロッド１７０の出力表面上で提供することができる。
【００３４】
[0062]図１７は、一端において先細のファイバ束に結合され且つ対向する端部において接合１８６によってほぼ同じ直径の均一なガラスロッド１８４に結合される、負のＧＲＩＮレンズ１８２を含む端部キャップ１８０の斜視図である。その後、先細のガラスロッド１８８は均一のガラスロッド１８４に結合され、先細のガラスロッド１８８の広い端部は反射防止コーティング１９０を含む。
【００３５】
[0063]０．２％の標準的なＡＲコーティング反射率によれば、２０ｋＷの反射パワーは拡張されたビームにおいては４０Ｗにすぎず、したがって、小さな先細のファイバ束出力ファイバに再び入るこの反射の一部は、小さく安全なパワーに容易に制限されるべきである。
【００３６】
[0064]大きな開口ビーム導波器にとって、先細のファイバ束の近接場の拡大された画像（image）がビーム導波器の開口に中継されることは望ましい。これは望遠鏡７６によって達成され、レンズ７８は焦点距離ｆ１を有し、レンズ８０は焦点距離ｆ２を有し、レンズ７８及び８０はｆ１＋ｆ２によって分離され、長さｆ２／ｆ１によって画像を拡大する。
【００３７】
[0065]端部キャップ７４上で球状の出口表面を使用することにより、又は端部キャップ出力において集束ＧＲＩＮレンズを接合することにより、端部キャップ７４へレンズ７８を統合することは可能である。図１８は端部キャップ１６０に類似の端部キャップ１９２の斜視図であり、同様の要素は同じ参照番号によって識別される。端部キャップ１９２は、レンズ７８として動作する反射防止コーティング１７２に取り付けられた正のＧＲＩＮレンズ１９４を含む。そのような光学的配置は、同様にビーム導波器望遠鏡へ直接的に統合することができる。正及び負のレンズの両方を使用する高倍率のための標準設計のよりコンパクトな望遠鏡もまた、拡大光学系の設置面積（フットプリント、footprint）を最適化するために実施することができる。
【００３８】
[0066]適切なビーム品質を維持するために、ファイバ増幅器１８の各々におけるファイバビームの偏波が同じ方向を有することが必要である。システム７０については、すべてのファイバ中のすべてのビームが同じ偏波方向を有するように、ファイバ増幅器１８において使用されるファイバは偏波保持ファイバである。高出力用途などのある応用においては、偏波保持ファイバを使用することは適していないかもしれず、したがって、ファイバ増幅器１８中のファイバビームの各々の偏波を整列させることが必要になる。
【００３９】
[0067]図１９は、偏波保持ファイバを使用しないファイバレーザ増幅器システム２００の概略平面図であり、システム７０と同様の要素は同じ参照番号によって識別される。システム２００は、サンプラ８２からのサンプリングされたビーム中のファイバビームの偏波を決定するのに偏光子２０２を使用する。ファイバ中の偏波は互いに対して変化するので、偏光子２０２は多かれ少なかれ光を偏波検出器２０４へと向けさせる。出力ビーム中の各ビームの偏波を決定するために、偏波検出器２０４は個々のビームにおいて異なる周波数ディザリング又はタグを使用する。偏波の測定は、ビーム中の偏波の相対的な方向を決定する同期Ｎ−ビーム偏波プロセッサ２０６に提供される。プロセッサ２０６は、すべての測定された偏波の変化についてファイバを識別するために異なるディザリング周波数又はタグを使用し、各ファイバ中の偏波方向を制御するために、それらが同じであるように、対応するファイバ増幅器１８について偏波制御部２０８に信号を提供する。そのような偏波制御システムは、２００１年１１月１３日にＵｐｔｏｎらに発行され本出願の譲受人に譲渡された、偏波ロック光学出力のための技術なるタイトルの米国特許６，３１７，２５７号において提案されており、参照によって本明細書に組み込まれる。
【００４０】
[0068]ファイバ増幅器１８を先細のファイバ束７２へと形成することは多くの課題を提供する。ファイバ径に対するファイバコアのある比率を提供し、ファイバコアをできるだけ密接に間隔を置かれるように提供することが望ましい。さらに、本明細書に述べられている直径のファイバについては、ファイバの柔軟性はファイバの取り扱い能力を制限する。当技術分野において、共通のクラッド層に囲まれた束に一緒に結合された複数のコアを含むマルチコアファイバが知られている。そのようなマルチコアファイバは、取り扱うこと及び上述のように先細のファイバ束へと形成することがより簡単である。しかし、その際マルチファイバコア内で個々のコアにファイバビームを入れることが必要である。さらに、各コアの周りのクラッド内で高いＮＡ制限のポンプ光を提供するためにマルチコアファイバ中の個々のコアの周りに外側の空気クラッド（air cladding）を提供することは当技術分野において知られている。
【００４１】
[0069]図２０は上述の種類のマルチコアファイバ２１０の断面図である。マルチコアファイバ２１０は、コア２１４及び内側クラッド層２１６を各々が含む複数の個々のファイバ２１２を有効に含む。さらに、各々の個々のコア２１４及び内側クラッド層２１６は、当業者によく理解される方法で空気クラッドを有効にすべて空気にする多くの小さなガラス・エア・ブリッジ２２６によって形成される外側の空気クラッド２２２により囲まれる。個々のコア２１４の周りに空気クラッド２２２を提供することによって、個々のファイバ２１２は、マルチコアファイバ本体２２４において空気クラッド２２２及びガラス内でエアブリッジ２２６を化学的にエッチングすることにより、マルチコアファイバ本体２２４から分離することができる。
【００４２】
[0070]図２１はマルチコアファイバ２１０の平面図であり、個々のファイバ２１２は、マルチコアファイバ部分２１８から延在するピグテールを形成するために分離されたものである。１つの実施例において、マルチコアファイバ本体２２４及び空気クラッド２２２は、フッ化水素酸、又は別の適切な化学剤を使用してエッチングされ、ここで、個々のファイバ２１２をファイバ増幅器１８に結合することができるように、部分２１８から個々のファイバ２１２を分離する。マルチコアファイバ部分２１８は個々のファイバ２１２より著しく大きな径を有するので、上述の種類の先細のファイバ束を形成するためにより容易に扱うことができる。テーパープロセスでは、ファイバクラッド層２１６がコアとマルチコアファイバ本体２２４との間で連続的であるように空気クラッド２２２中のブリッジが崩壊するよう、適切に高い温度とおそらくは真空が適用されなければならないことが注目される。これにより、各コア２１４における制限されたモードが広がり、マルチコアファイバ２１０の先細の領域において他のモードと重なり合うことが可能になる。
【００４３】
[0071]上述の実施例は、システムの出力パワーをさらに高めるために他の種類のファイバレーザ増幅器システムへ拡張することができる。図２２は、ビームパワーを高めるためにスペクトルビーム結合（ＳＢＣ）を使用して複数のビームを組み合わせるファイバレーザ増幅器システム２３０の概略平面図である。システム２３０において、複数のＮ個の主発振器２３２は、異なる波長（λ１、λ２、・・・λＮ）にあるファイバ２３４上のビームを個々に提供する。その後、各主発振器波長は上述のような方法でΜ個のスプリッタ及び位相変調器２３６によってＭ個のファイバへ分割される。各スプリッタ及び位相変調器２３６からの別個のファイバはその後増幅器２４０によって表されるファイバ増幅器２３８に結合される。その後、ファイバ増幅器２３８は先細のファイバ束２４２に結合され、それは上述のような方法で端部キャップ２４４に結合される。先細のファイバ束２４２及び端部キャップ２４４は、上述の先細のファイバ束及び／又は端部キャップのうち任意のものであってもよい。
【００４４】
[0072]Ｎ個の先細のファイバ束は線形アレイに配置され、線形アレイは共通の平行光学系２４８の後焦点面（back focal plane）に配置される。各端部キャップ２４４からの出力は望遠鏡レンズ２４６によって集中され、すべての主発振器波長についての結合されたビームは平行光学系２４８によって平行にされる。その後、平行光学系２４８からの平行ビームはビームサンプラ２５０によってサンプリングされ、ほとんどのビームがＳＢＣグレーティング２５２に送られる。ＳＢＣグレーティング２５２は平行光学系２４８の反対側の焦点面に配置され、主発振器波長に伴うその分散、隣接した先細のファイバ束間の間隔及び平行光学系の焦点距離は、各ビームがＳＢＣグレーティング２５２による回折の後にすべての他のビームとともに正確にともに伝播しているように選択される。したがって、各主発振器波長のビームはすべて、他の主発振器ビーム波長のすべてと同じスポットへ集中される。
【００４５】
[0073]ビームサンプラ２５０は、グレーティング２５２に入射する一群のＮ個のビームの小標本（small sample）を提供し、その各々はわずかに異なる角度で伝播している。集束光学系２５４は結合されたビームをＮ個の別個の位相検出器上に集中させ、各検出器２５６は各々の別個の主発振器波長におけるＭ個のビーム間の位相関係を測定する。上記のように、周波数タグは、検出器２５６からの測定信号が上述のように各波長群において位相変調器２３６を調節する同期位相プロセッサ２５８によって受信されるように、各々の別個の主発振器波長について各々の個々のファイバビームに配置される。したがって、Ｎ個の位相検出器２５６の各々からの信号は、Ｎ個のそれぞれの波長の各々において先細のファイバ束２４２によって結合されるＭ個のビームの各グループを位相ロックするのに使用される。位相信号は、グループ内のＭ個のファイバのどれが位相エラーを起こすかを識別するために同期的に処理され、各波長群内のビームが最適に位相ロックされるように、適切な変調器２３６へ訂正信号を提供する。この実施例では、ファイバ増幅器２３８は、可干渉性であり偏光した出力ビームを確保するための偏波保持ファイバであり、したがって、ＳＢＣグレーティング２５２からの最大の回折を効率的に得ることができ、これは、通常、１つの偏波状態にとって他方よりはるかに効率的である。
【００４６】
[0074]図２３はシステム２３０と同様のファイバレーザ増幅器システム２６０の概略平面図であり、同様の要素は同じ参照番号によって識別される。システム２６０は、ＳＢＣグレーティング２５２からのゼロ次反射を利用するシステム２３０に関する単純化された設計である。ＳＢＣグレーティング２５２からの一次反射は所望の場所へ集中される主ビームであり、ビームの部分的な部分はゼロ次としてＳＢＣグレーティング２５２から反射される。各々の別個の波長群についてＳＢＣグレーティング２５２からのゼロ次の反射がわずかに異なるので、上述のように、集束光学系２５４は特定の検出器２５６上に別個のビームを集中させることができる。したがって、システム２６０はビームサンプラ２５０を必要としない。
【００４７】
[0075]図２４はシステム２６０に類似したファイバレーザ増幅器システム２７０の概略平面図であり、同様の要素は同じ参照番号によって識別される。システム２６０は偏波保持ファイバを使用しており、これは高出力において実現可能かもしれず、実現可能ではないかもしれないものである。システム２７０はファイバ増幅器２５６において偏波保持ファイバを使用せず、したがって、各々の別個の主発振器波長群中のファイバビーム間で偏波方向を提供するための技術を使用する必要がある。これを行うために、システム２７０は、集束光学系２５４と、各々の別個の波長群の偏波を測定するＮ個の偏波検出器２７４にビームの一部を向ける検出器２５６との間に偏光子２７２を使用する。サンプリングされたビームは、システム２７０に示されるゼロ次グレーティング反射によって提供されてもよいし、又はシステム２３０に示されるように別個のサンプリング光学系によって提供されてもよい。検出器２７４からの測定された信号は、Ｎ個の波長群の各々におけるＭ個のファイバビーム間の相対的な偏波方向を決定するＮ個の偏波プロセッサ２７６に提供され、Ｍ個のファイバ増幅器２３８の各々の低パワー側においてＭ個の偏波制御部２７８に適切な信号を提供する。
【００４８】
[0076]主発振器２３２からのビームが非常に狭いビーム帯域幅を有する場合、ＳＢＣグレーティング２５２はよりよいビーム品質及びより少ない発散をもたらす。しかし、主発振器２３２から狭いビーム帯域幅を提供することによって、様々なファイバ及び他の光学コンポーネント内の音響の影響は、光学コンポーネントを損傷する傾向がある誘導ブリユアン散乱（ＳＢＳ）を引き起こす。したがって、述べたような低いビーム品質に帰着するＳＢＳを防ぐために主発振器信号のビーム帯域幅を増加させることが望ましい。
【００４９】
[0077]図２５は、より広いビーム帯域幅の主発振器を可能にするがＳＢＣグレーティング２５においてより狭いビーム帯域幅を提供する、ファイバレーザ増幅器システム２８０の概略平面図であり、同様の要素は同じ参照番号によって識別される。この特徴を提供するために、システム２８０はＮ個の前分散（pre-dispersion）グレーティング２８２を各波長群について１つ含んでいる。分散グレーティング２８２は、ＳＢＣグレーティング２５２と実質的に同じ分散を有するが各波長群ビームの正味の分散を相殺するように反対に方向付けられた分散補償を提供する。ビームがＳＢＣグレーティング２５２上で重なり、回折ビームの共同伝播を提供するために正確な角度で入射するように、分散グレーティング２８２は方向付けられる。分散グレーティング２８２からのビームが画像中継望遠鏡（image relay telescope）２８４を使用してＳＢＣグレーティング２５２上に画像化される場合、ビーム品質は最適化される。中継望遠鏡光学系は、グレーティング表面上の強度が光損傷しきい値未満に維持されるように、分散方向に対して直角の方向において大きなビーム幅を可能にするために円筒状であってもよい。
【００５０】
[0078]システム２８０において、分散グレーティング２８２は、上述の方法でＳＢＣグレーティング２５２と個々に正確に整列させなければならず、これは面倒で複雑となりうる。図２６はこの問題に役立つファイバレーザ増幅器システム２９０の代替的な実施例を示し、システム２８０と同様の要素は同じ参照番号によって識別される。システム２９０において、個々の分散グレーティング２８２は、同じ方法で動作する単一の前分散グレーティング２９２で置き換えられる。個々のビーム波長群は異なる角度で前分散グレーティング２９２から反射され、それらは、ＳＢＣグレーティング２５２に衝突する前に、すべてのビームがビームスポットに向けられるように、修正される必要がある。階段ミラー２９４は各ビーム波長群の個々の段ステップを有するように提供され、すべてのビームがＳＢＣグレーティング２５２からの回折の後にともに整列されるように、ビームが適切な角度を持つことを可能にするためのステップ高さ及び幅を有するようにステップは適切に選択される。高出力の応用のため、円筒状の光学系２９６及び２９８は、ピーク強度を光学系損傷しきい値未満に制限するために階段ミラー２９４の異なるステップにおいて線焦点又は短焦点へビームの各々のパワー密度を拡大するために、前分散グレーティング２９２とＳＢＣグレーティング２５２との間のビームパスにおいて提供される。前分散グレーティングの特性及び入射角はＳＢＣグレーティング２５２の分散を相殺するように選択される。実質的に正味の分散を持たない１つの設計は、反対の方向を備えた同一のグレーティングを前分散グレーティングとＳＢＣグレーティングとに使用することである。
【００５１】
[0079]図２７は、２００６年１０月３１日にＳｈａｋｉｒらに発行され本出願の譲受人に譲渡された、ファイバ増幅器の受動的調整なるタイトルの米国特許第７，１３０，１１３号に開示され参照により本明細書に組み込まれる種類などの既知のファイバレーザ増幅器システム３００の概略平面図である。システム３００は、主発振器を使用せず、代わりに光フィードバックループを使用するので、上述の増幅器システム１０及びその他のものとは異なる。増幅器システム３００は、光増幅を生成するためにポンプビーム（図示せず）によってポンプされる増幅器３０４によって表されるファイバ増幅器３０２を含む。その後、ファイバ増幅器３０２からの増幅信号は、ファイバビームを平行にする上述の種類のレンズアレイ３０６に送られる。すべてのファイバビームが同じ方向でともに伝播しているようにするために、レンズアレイ３０６中の個々のレンズは正確に整列されなければならない。レンズアレイ３０６からの共同伝播するビームはビームサンプラ３０８によってサンプリングされ、ほとんどのビームはシステム出力ビームとしてビームサンプラ３０８を通過する。ビームサンプラ３０８からのビームのサンプリングされた部分は、ビームフィードバックを提供するシングルモードファイバ３１４を介して送られるために、結合レンズ３１０によって集中され且つ収集器（collector）３１２によって集められる。ファイバ３１４は単一モードであるので、上述の位相変調器への電気的フィードバックによって提供されるアクティブ制御とは対照的に、ファイバ増幅器３０２中のファイバビームの位相整列を受動的に提供する。光が単にフィードバック方向に伝播するように、光アイソレータ１６がシングルモードファイバ３１４において提供される。フィードバックビームは前置増幅器３１８により増幅され、いくつかのファイバ増幅器３０２にファイバビームを提供するためにビームスプリッタによって分割される。この技術はファイバ増幅器３０２の位相を受動的にロックする際に有効であることが示されたが、システム１０に関して上述のフィルファクタ問題になお悩まされる。
【００５２】
[0080]システム３００はまた、設計においてよりコンパクトであり、且つ、上述のものと同じ方法で先細のファイバ束を使用することにより整列を要求する光学コンポーネントを低減するように改善することができる。図２８はこの実施例を示すファイバレーザ増幅器システム３３０の概略平面図であり、システム３００と同様の要素は同じ参照番号によって識別される。システム３３０は、先細のファイバ束３３２の出力においてビーム重なりを提供するために上述の方法でファイバ増幅器３０２を結合する先細のファイバ束３３２を含む。端部キャップ３３４は先細のファイバ束３３２に結合され、上述の様々な端部キャップの実施例のうち任意のものであってよい。端部キャップ３３４からの出力ビームは、集束光学系３３８及び平行光学系３４０を含む、平行にし拡大する望遠鏡（collimating and magnifying telescope）３３６によって集められる。したがって、システム３３０は、コンパクトな設計でシステム３００のフィルファクタ問題を解決する。上記のように、集束光学系３３８は、正のＧＲＩＮレンズなどの端部キャップ３３４の一部であってもよい。
【００５３】
[0081]システム３００及び３３０が受動的に自己偏波している（self-polarizing）ことは可能であり、これは、すべてのファイバビームが同じ偏波状態を有することを意味し、可干渉性ビーム結合に必要である。これは受動的にシングルモードファイバ３１４を使用して行うことができ、又は、ファイバ増幅器３０２の偏波を、偏波保持ファイバを含むことによりすべてが同じ偏波を有するように強制することができる。代替的に、偏波制御部は上述のような方法でファイバ増幅器３０２において偏波方向を維持するためにシステムにおいて提供することができる。図２９は偏波制御を提供するファイバレーザ増幅器システム３５０の概略平面図であり、システム３００及び３３０と同様の要素が同じ参照番号によって識別される。この実施例において、偏光子３５２は、結合レンズ３１０と、先細のファイバ束３３２の出力ビームからの結合されたビームにおける偏波の差を測定する偏波検出器３５４にビームの一部を向ける収集器３１２との間に提供される。同期するＮ個のビーム偏波プロセッサ３５６は、偏波検出器３５４から測定された偏波信号を受信し、各ファイバ増幅器３０２における偏波方向が維持されるように、各ファイバ増幅器３０２において偏波制御部３５８を制御する。Ｎ個のビームのうちのどれが訂正を要するかを偏波プロセッサ３５６が識別するために、偏波制御部３５８の各々は、以前の実施例において位相制御について述べた方法と同様に、独自のディザリング周波数又は符号を提供しなければならない。
【００５４】
[0082]図３０はシステム３００、３３０及び３５０に類似するファイバレーザ増幅器システム３６０の概略平面図であり、同様の要素は同じ参照番号によって識別される。この実施例において、平行にし拡大する望遠鏡は、組み合わされたレンズ並びにレンズ３６４及びサンプリンググレーティング３６６を含むサンプリンググレーティングアセンブリ３６２を含む。レンズ３６４は端部キャップ３３４からの出力ビームを平行にし、サンプリンググレーティング３６６は、結合レンズ３１０上に出力ビームの小さな部分をリダイレクトする。サンプリンググレーティング３６６は、追加の別個の光学系を導入することなく出力の任意の小標本を提供することができる。拡大する望遠鏡はまた、レンズの代わりにミラーを使用することができる。
【００５５】
[0083]上記の議論は例示的な実施例を開示し説明するにすぎない。当業者であれば、そのような議論から、及び添付の図面及び特許請求の範囲から、以下の特許請求の範囲において規定されるような本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく様々な変更、修正及び変化を行うことができることを容易に認識するであろう。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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