(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも一つの導波管を含むファイバレーザシステムであって、
該導波管は、相互に光学的に結合され、実質的に並行な軸に沿って伸びる、Ｎｄをドープしたアクティブファイバとパッシブポンプ送達ファイバとを有して構成され、アクティブファイバは、同じ広さに広がるコアと、該コアの周囲に少なくとも一つのクラッディングとを有しており、
軸方向に伸びる中央領域を有するアクティブファイバとパッシブファイバのそれぞれのクラッディングは、それぞれ、
二重のボトルネック形状の軸方向断面でそれぞれ構成されているコアとクラッディングとが備えられたアクティブファイバと、円筒形状の軸方向断面を有するパッシブファイバであり、二重のボトルネック形状の断面は、対向する径の小さい入力および出力末端領域の橋渡しをする径の大きい中央領域を含む、アクティブファイバとパッシブファイバ、
円筒形状の軸方向断面を有するクラッディングと二重のボトルネック形状の軸方向断面を有するコアとで構成されているアクティブファイバと、ダンベル形状の軸方向断面を有するパッシブファイバであり、ダンベル形状の断面は、対向する径の大きい末端領域の橋渡しをする径の小さい中央領域を含む、アクティブファイバとパッシブファイバ、
二重のボトルネックの軸方向断面をそれぞれ有するコアとクラッディングとを伴うアクティブファイバと、ダンベル形状の断面を有するパッシブファイバ
のうちの一つから選択される構造を画定するために相互に連結され、
アクティブファイバおよびポンプ送達ファイバそれぞれの中央領域を包囲し中央領域に連結された保護ファイバコーティングを含み、該コーティングは中央領域の総面積の範囲を定め、
それぞれの中央領域の総面積は、それぞれのファイバの入力末端領域の総面積に実質的に等しく、
アクティブファイバの中央領域に沿って延びるコアの一部におけるポンプ光吸収率は、アクティブファイバが、発光ドーパントの所与の濃度での、動作波長での信号光の望ましい利得と、寄生波長での該信号光の利得の設定閾値とに対する最も短い可能な長さを有するようなものである、ファイバレーザシステム。
【請求項２】
Ｎｄイオンが、アクティブファイバに動作波長で望ましい利得を提供し、寄生波長で設定利得を提供するように選択される所与の濃度でコアに導入される、請求項１に記載のファイバレーザシステム。
【請求項３】
ポンプ送達ファイバの出力末端領域は、アクティブファイバの出力末端領域のＮ倍を超える非吸収ポンプ光を含むように構成され、Ｎはポンプ送達ファイバの出力末端領域の面積の、アクティブファイバの出力末端領域のクラッド面積に対する比率である、請求項１に記載のファイバレーザシステム。
【請求項４】
ポンプ送達ファイバの出力末端領域に連結された反射コンポーネント、およびポンプ送達ファイバの入力末端に連結された前記ポンプ光を放射するポンプ装置をさらに備え、
これにおいて反射コンポーネントは、ポンプ光を反射して戻し、アクティブファイバの最も短い可能な長さに沿って、ポンプ送達ファイバの入力末端領域に向かって吸収されないようにし、吸収されないポンプ光をアクティブファイバの中央領域に再放射するように構成される、請求項３に記載のファイバレーザシステム。
【請求項５】
中央領域のクラッドの総面積ならびにアクティブファイバおよびポンプ送達ファイバそれぞれの入力末端領域の総面積は、相互に実質的に等しい、請求項２に記載のファイバレーザシステム。
【請求項６】
各アクティブファイバおよびポンプ送達ファイバの中央領域のクラッドの総面積は、係数Ｋ＝［ＮＡａｆ／ＮＡｐｕｍｐ］2の低減の結果であり、これにおいて、ＮＡａｆ＝［√ｎclad2−ｎcoat2］2はアクティブファイバの開口数であり、ここでｎｃｌａｄとｎｃｏａｔは、それぞれアクティブファイバのクラッディングとコーティングの屈折率であり、そしてＮＡｐｕｍｐはポンプ送達の開口数である、請求項２に記載のファイバレーザシステム。
【請求項７】
ダンベル形状の別のポンプ送達ファイバをさらに備えるファイバレーザシステムであり、ダンベル形状の別のポンプ送達ファイバは、一つのポンプ送達ファイバと実質的に同一に構成され、そして一つおよび別の、それぞれのポンプ送達ファイバの中央の減少した面積が、アクティブファイバの中央コア領域と軸方向に広がり、そして対称軸に対して横方向に広がる平面に中央領域と並ぶように配置されることを特徴とする、請求項１に記載のファイバレーザシステム。
【請求項８】
ポンプ送達ファイバの入力端部に連結されたポンプ光を放射するポンプ光源をさらに含み、各ポンプ送達ファイバの出力領域は、一つのポンプ送達ファイバの入力端部から軸方向に離間された中央コア領域の一端に近接して相互に結合し、これにおいて結合したポンプ送達ファイバはＵ字形の構成を画定する、請求項７に記載のファイバレーザシステム。
【請求項９】
ポンプ光源は、それぞれがポンプ光を放射する２つのポンプ装置を有し、放射されたポンプ光は、反対方向に伝播するようにＵ字形のポンプ送達ファイバのそれぞれの入力領域に連結される、請求項７に記載のファイバレーザシステム。
【請求項１０】
ダンベル形状の別のポンプ送達ファイバをさらに備えるファイバレーザシステムであり、ダンベル形状の別のポンプ送達ファイバは、一つのポンプ送達ファイバと実質的に同一に構成され、そして、それぞれのポンプ送達ファイバの中央小面積の中央領域が、アクティブファイバの拡大された面積の中央コア領域と軸方向に広がって配置され、それぞれのアクティブファイバおよびポンプ送達ファイバは、軸に対して横方向に広がる平面に三角形の構成を画定する、請求項１に記載のファイバレーザシステム。
【請求項１１】
一つの導波管に類似して構成される別の導波管をさらに含み、一つおよび別の導波管のそれぞれのアクティブファイバの出力および入力末端領域は相互に光学的に結合され、一つの導波管のポンプ送達ファイバの出力領域に残った非吸収ポンプ光が、受けた非吸収ポンプ光を別の導波管のアクティブファイバの拡大された面積の中央コア領域に放射する、別の導波管のポンプ送達ファイバの入力末端領域に誘導されるように、それぞれのポンプ送達ファイバの出力末端領域が相互に光学的に結合される、請求項１に記載のファイバレーザシステム。
【請求項１２】
一つの導波管のポンプ送達ファイバに連結されたポンプ光を生成する光源と、
別の導波管のポンプ送達ファイバの出力末端領域に配置され、別の導波管のポンプ送達ファイバの出力領域に残る非吸収ポンプ光を背面反射する働きをする反射コンポーネントと、
をさらに含む、請求項１１に記載のファイバレーザシステム。
【請求項１３】
一つまたは別の導波管のそれぞれのポンプ送達ファイバに連結された、それぞれのポンプ光を生成する２つの光源をさらに含み、これにおいて導波管の一つの出力領域に残る非吸収ポンプ光は、受けた非吸収ポンプ光を別の導波管のアクティブファイバに放射するために、別の導波管のポンプ送達ファイバの入力端部に作動可能に連結される、請求項１１に記載のファイバレーザシステム。
【請求項１４】
一つおよび別の導波管のそれぞれのアクティブファイバの出力と入力末端領域との間に配置された光学フィルタと、
導波管の間で信号光を動作波長で送信し、寄生波長での信号光のさらなる伝播を実質的に遮断するように構成された光学フィルタを介して、それぞれのアクティブファイバの出力と入力末端領域との間の信号光を誘導する光学導波管とをさらに備える、
請求項１３に記載のファイバレーザシステム。
【請求項１５】
光学フィルタは、長周期ファイバ格子、スラント型ファイバ格子、サマリウム（Ｓｍ3+）濃度が増加したファイバ，Ｗ型屈折率分布およびバルク光学品を有するファイバならびにこれらの組み合わせからなる群から選択される、請求項１４のファイバレーザシステム。
【請求項１６】
Ｙｂドープされたアクティブファイバを伴う利得ブロックをさらに備え、これにおいて導波管のアクティブファイバから放射された信号光が利得ブロックのＹｂドープされたアクティブファイバをポンプするのに用いられる、請求項１に記載のファイバレーザシステム。
【請求項１７】
信号光を導波管のアクティブファイバから受け、光を主に４５０〜４７０ｎｍの範囲で出力するようにその周波数を２倍にする働きをする非線形結晶をさらに含む、請求項１に記載のファイバレーザシステム。
【請求項１８】
ファイバレーザシステムを構成する方法であり、該方法は、
（ａ）Ｎｄイオン濃度でドープされたコアであって、径の大きい中央コア領域と、中央コア領域の側面に位置する径の小さい入力および出力末端コア領域とで構成されている二重のボトルネックの断面を有するコアと、該コアと同じ広さに広がり該コアを包囲するクラッディングを有するアクティブファイバを引き抜くことと、
（ｂ）（ａ）と同時に、ポンプ光送達ファイバを引き抜くことと、
（ｃ）アクティブファイバおよびポンプ送達ファイバそれぞれの中央領域を包囲する保護ファイバコーティングを提供することと、
（ｄ）それぞれのアクティブならびにポンプ送達ファイバの中央ストレッチを、（ａ）から（ｃ）と同時に、選択的に互いにカップリングすることにより、以下から成る構成、すなわち、
・二重のボトルネック形状の軸方向断面でそれぞれ構成されるコアとクラッディングとを伴うアクティブファイバおよび、円筒形状の軸方向断面を伴うパッシブファイバであり、二重のボトルネック形状の断面はコア末端領域の側面にあるコア中央領域を有しており、これにおいて、コア中央領域の面積は、コア末端領域の面積よりも大きい、アクティブファイバおよびパッシブファイバ、
・円筒形状の軸方向断面を有するクラッディングと前記コアとを伴うアクティブファイバおよびダンベル形状の軸方向断面を有するパッシブファイバであり、これにおいて、ダンベル形状の軸方向断面は中央領域と、中央領域の側面にある離間末端領域を有しており、ポンプ光送達ファイバの中央領域は、ポンプ光送達ファイバの離間末端領域の面積よりも小さな面積で構成される、アクティブファイバおよびパッシブファイバ、または、
・二重のボトルネックの軸方向断面を有するクラッディングと前記コアとを伴うアクティブファイバおよびダンベルの断面を伴うパッシブファイバ、
から成る構成から選択された構成を画定することと、
（ｅ）（ａ）から（ｄ）と同時に、それぞれのファイバの低減された中央領域のクラッドの総面積がファイバの入力領域の総面積に実質的に等しくなるように、それぞれのファイバの中央領域のクラッドの総面積を、係数ｋ＝［ＮＡａｆ／ＮＡｐｕｍｐ］2に等しい係数で低減することであって、これにおいてＮＡａｆはアクティブファイバの開口数であり、ＮＡｐｕｍｐはパッシブファイバの開口数である、それぞれのファイバの中央領域のクラッドの総面積を低減することを含み、
これにおいて、中央コア領域の面積と、それぞれのファイバの中央領域の低減されたクラッドの総面積との間の比率は、Ｎｄイオン濃度について、アクティブファイバのコアに注入されたドーパントの所与の濃度について、動作波長で信号光の望ましい利得を提供し、寄生波長で信号光の利得を設定閾値に制限する、アクティブファイバの最も短い可能な長さでアクティブファイバを提供するものである、
ファイバレーザシステムを構成する方法。
【請求項１９】
アクティブファイバおよびポンプ送達ファイバのそれぞれのクラッディングで、保護ファイバスリーブを、少なくとも連結されたストレッチに沿って提供することをさらに含み、これにおいて、ＮＡａｆ＝［√ｎclad2−ｎcoat2］2がアクティブファイバの開口数であり、ｎｃｌａｄとｎｃｏａｔはそれぞれ、アクティブファイバのクラッディングとコーティングの屈折率であり、そしてＮＡｐｕｍｐはポンプ送達の開口数である、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記ファイバを引き抜くことは、さらに、
アクティブファイバの末端領域と同じ広さに広がる面積より大きい面積のポンプ光送達ファイバの対向する末端領域の一つを提供し、それによって中央コア領域で吸収されないポンプ送達ファイバの一つの末端領域内のポンプ光のより大きい部分を収集することおよび、
反射コンポーネントをポンプ光送達ファイバの一つの末端領域に連結し、それによってポンプ光の非吸収の大部分を前記中央コア領域に再ポンプするように、ポンプ送達ファイバの別の末端領域に誘導して戻すこと、あるいは、
ポンプ光の非吸収の大部分を、一つのポンプ送達ファイバから離され、そして該一つのポンプ送達ファイバと同じように構成された追加のポンプ送達ファイバの入力末端領域に向かって誘導し、これにおいて追加のポンプ送達ファイバは、非吸収のポンプ光を、該一つのアクティブファイバと同じように構成される追加のアクティブファイバの中央コア領域に放射することを含む、請求項１８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主波長（ｍａｉｎ  ｗａｖｅｌｅｎｇｈｔｈｓ）および寄生波長（ｐａｒａｓｉｔｉｃ  ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ）で放射線を放出する働きをする、高出力ファイバレーザシステム（「ＨＰＦＬＳ」）に関する。より詳細には、本開示は、第一に、寄生波長で利得を制限する一方で、望ましい波長で放射線を発生／増幅する働きをする、Ｎｄをドープしたファイバを有する利得ブロックと、第二に、該利得ブロックの応用に関する。
【背景技術】
【０００２】
８８０〜９６０ｎｍの発光領域内（ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ  ｒａｎｇｅ）の光を放出するファイバレーザシステムの開発およびパワースケーリングは、これらのシステムによって様々な産業上の応用が見出されるため、近年強化されてきた。たとえば、こうしたシステムはＹｂをドープしたファイバレーザに対する強力なポンプ（ｐｕｍｐ）として機能し得る。あるいは、これらのファイバレーザシステムは、第二ハーモニック発生の実現、すなわち逓倍周波数の発生に関連した非線形光学過程に使用されるものであり、したがって半波長は、すなわち４５０〜４７０ｎｍである。この領域で作動するレーザシステムは、「青色」レーザとして知られている。
【０００３】
８８０〜９６０ｎｍの発光スペクトル領域に対応するネオジムイオンの4Ｆ3/2〜4Ｉ9/2の遷移が、基底状態で終結することは周知である。したがって、このスペクトル領域内の信号は、基底状態の吸収を受け、その結果、高い反転分布が、１０６０ｎｍ周辺の寄生波長で著しい高利得をもたらすこのスペクトル領域内で妥当な利得を達成させるために必要とされる。２つの最も一般的な手法が、この問題を解決するために伝統的に使用されている。
【０００４】
公知の手法の一つは、ファイバ内のアクティブイオンの濃度およびアクティブファイバの長さを低減することに基づく。この手法の実現には、通常、ポンプ放射（ｐｕｍｐ  ｒａｄｉａｔｉｏｎ）の効果的な吸収のために非常に大きいコア径を有するファイバの使用が必要とされる。次に、これにはより高い高次モードの利得における実質的な増加が課せられる。１０６０ｎｍの領域内で高い寄生利得（ｐａｒａｓｉｔｉｃ  ｇａｉｎ）およびより高い高次モードの増幅の効果は、相互に重ね合わされ、１０６０ｎｍでより高い高次モードに対する利得のとてつもない成長を引き起こすことは、留意されるべきである。この限界は、コア／クラッディング屈折率差を低減し、そして、より高い高次モードおよびさらに長波長スペクトル領域内の基本モードに対して曲げ損失を誘導することによって打開され得る。
【０００５】
広く実際に使用された別の手法は、ダブルプロファイル・アクティブファイバの使用を介する、長波長領域内のアクティブファイバの基本モードの抑制に基づく。通常、この手法は、アクティブファイバの極めて小さいコア径の使用を必要とする。これには、妥当なポンプ吸収を有する必要があるアクティブイオンの高濃度の使用が課せられ、結果として、数百ｄＢに達することが可能な１０６０ｎｍのスペクトル領域内で高い寄生利得の使用が課せられる。これは、ダブルプロファイル・アクティブファイバ内の抑制が、数百ｄＢを超えるべきであることを意味し、このことは実施または監視が非常に困難である。その上、このような高濃度のネオジムイオンは、ポンプの変換効率の減少を引き起こすはずである。これに加えて、小さいコア径に対応するモードフィールド径の圧縮は、非線形現象の閾値をより低くするはずである。上記に述べた理由のすべてが、高性能の実現および９００ｎｍの領域内で高出力のネオジム・ファイバレーザを妨げる。
【０００６】
要約すると、Ｎｄをドープしたファイバに基づく利得ブロックは、信号および寄生波長それぞれでの増幅によって特徴づけられる。９００ｎｍの領域内の信号波長で望ましい値の利得における１０６０ｎｍの領域内の寄生波長での利得は、Ｎｄをドープしたファイバの全長およびアクティブイオンの濃度の関数である。通常、ファイバの長さおよび濃度の増加にともない、寄生領域内の利得は増加し、動作波長領域内の利得は減少する。
【０００７】
Ｎｄをドープしたファイバ内の利得ブロックのポンプ吸収はまた、Ｎｄをドープしたファイバの長さおよびアクティブイオンの濃度に比例する。したがって、より長くより高濃度のＮｄイオンを有することによりポンプ吸収が増加すると、寄生増幅の成長が必然的にもたらされ、動作波長における利得が減少する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
したがって、Ｎｄをドープしたファイバに基づく利得ブロック、ならびにポンプ光吸収が、ドーパント濃度の増加およびアクティブファイバの長さの増加を必要とせずに改善されるブロックの製造方法が必要とされている。
【０００９】
さらに、ネオジムファイバ利得ブロックを伴って提供された高性能および高出力のファイバレーザシステムが必要とされている。
【００１０】
さらにまた、利得ブロック放射の第二ハーモニックまたはより高いハーモニックを発生するためのネオジムをドープしたファイバ利得ブロックに基づくファイバレーザシステムが必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
開示したＮｄをドープした利得ブロックの構成および様々な発明の光学方式におけるブロックの適用がこれらの必要を満たす。開示された利得ブロックは、Ｎｄをドープしたアクティブファイバの固定された長さ、およびそれぞれの対向する側面に沿って互いに光学的に結合されたパッシブポンプ送達ファイバを含む側面ポンプ構成（ｓｉｄｅ  ｐｕｍｐｉｎｇ  ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ）（「ＳＰ」）で構成される。ＳＰ構成（ＳＰ  ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ）は、アクティブファイバのコア断面積Ａｃの、全ポンプが誘導する吸収領域のクラッド断面積Ａｃｌａｄに対する比率が高い構造である。公知のように、その比率が大きいほど、ポンプ光の吸収が高い。したがって、アクティブファイバおよび送達ファイバのそれぞれの構成は、ポンプ光の高効率の吸収および９００ｎｍの領域内の望ましい波長での高利得を提供する。同時に、１０６０ｎｍの領域内の寄生利得は、妥当な閾値を超えない。
【００１２】
具体的には、ポンプ送達ファイバおよびアクティブファイバの少なくとも一つは、可変直径を有する軸方向断面で構成される。開示したブロックのうちの一つの構成は、２つの離間した小面積の末端領域および大面積の中央領域によって画定された二重のボトルネック形状を有するアクティブファイバを含むが、送達ファイバは、対向する大面積の末端領域間に延在する小面積の中央領域を備えたダンベル形状を有する。他の構成は、他のファイバが円筒形状の断面を伴ったままであるのに対して、軸に沿って可変直径を有するアクティブファイバまたはポンプ送達ファイバを含む。開示された全ての構成の共通点は、各ファイバの中央領域が、増加したポンプ光吸収率が可能になるように選択された、コア断面積とクラッドの総面積との比率で構成されるという構造を含む。同時にアクティブファイバは、寄生波長での利得を適切な設定値で制限するような最も短い可能な長さで構成される。したがって、開示された利得ブロックおよびそれを製作する方法は、上述の技法とは異なり、ポンプ光吸収を改善するためにより長いファイバ長およびより高い濃度を必要としない。
【００１３】
しかし、コア領域とクラッドの総面積の比率が増加しても、ポンプ光の一部は、通常非吸収のままであり、したがって利用されない。後者は当然ながら、利得ブロックの効率を低下させる。したがって、開示されたポンプの配列は、非吸収ポンプ光がコア中央吸収領域のその最初の通過後に利用されるように構成される。開示されたポンプの配列の一つは、非吸収光を同じ吸収領域だが最初の領域と反対方向に戻すように構成されている。他方の構成は、ポンプに使用される場合、非吸収ポンプ光を隣接する利得ブロックに誘導することを提供する。
【００１４】
上記および他の特徴ならびに利点は、添付の図面とともに以下の具体的な説明からより容易に明らかになる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】開示されたファイバブロックの概略図である。
【図２】図１のファイバブロックのＳＰ法の一つの構成を示す図である。
【図３】図１のファイバブロックのアクティブファイバの修正した構成を示す図である。
【図４】図１のブロックのＳＰ法のさらなる構成を示す図である。
【図４Ａ】図４のファイバブロックの別の構成の概略図である。
【図４Ｂ】図４のファイバブロックのさらに別の構成の図である。
【図５】図１のファイバ利得ブロックを有して構成された開示されたインラインのファイバレーザシステムの概略図である。
【図６】図１のファイバブロックを有して構成された開示された高出力のレーザシステムの別の構成の概略図である。
【図７】図５および６のレーザシステムの出力信号のスペクトルを示す図である。
【図８】図１〜４の開示されたファイバブロックを有して構成された青色レーザの概略図である。
【図９】図１〜４のファイバブロックを有して構成されたポンプを有する高出力のファイバレーザシステムの線図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
次に、添付の図面に示された本発明のいくつかの実施形態の詳細について説明する。可能な限り、同じまたは同様の参照番号は、同じまたは類似の部分もしくはステップを参照するために、図面および説明に使用されている。図面は簡易化した形であり、正確な縮尺ではない。用語「連結」、「作動可能に結合」および同様の用語は、直接および直に結合することを表すとは限らないばかりでなく、仲介の要素または装置の結合も含む。
【００１７】
図１は、ファイバ増幅器またはファイバレーザとして構成され、複合導波路を含むファイバブロック１０を概略的に示す。導波管は、例えば、マルチモード（ＭＭ）、マルチクラッド・アクティブファイバ２４で構成される。ファイバブロック１０は、更に、アクティブファイバ２４のそれぞれの対向する端部に突合せ接続された入力および出力パッシブシングルモード（ＳＭ）ファイバ１４、１６を含む。一つまたは複数の光源を有して構成されたポンプ２５は、連結されたストレッチが複合導波路の連結領域を画定するように、アクティブファイバ２４のストレッチに熱機械的に（ｔｈｅｒｍｏ−ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｌｙ）作動可能に結合されたストレッチを有する、コアレスＭＭポンプ光送達パッシブファイバ２８内に連結されたポンプ光を放射する働きをする。ポンプ光は、アクティブファイバ２４内に放射され、連結領域に沿ってファイバのドープしたコアの利得媒体によって少なくとも部分的に吸収される。必要に応じて、つながれたファイバは、それに加えられた外力に応答して相互に引き離され得る。Ｎｄイオンは、９００ｎｍの波長領域で望ましい利得および１０６０ｎｍの波長領域で妥当な利得を提供する所与の濃度で、アクティブファイバ・コア内に導入される。
【００１８】
ポリマースリーブ２６は、ファイバ２４および２８を包囲し、実質的に全連結領域に沿ってそれに作動可能につながれる。それぞれスリーブ２６と組み合わせたファイバ２４および２８は、ＳＰ法の必要不可欠な構成要素である。
【００１９】
図２は、ファイバブロック１０のアクティブファイバ２４およびポンプ光を送達するパッシブファイバ２８それぞれの開示された形状の一態様を示す。アクティブファイバ２４のコア１２は、コアと同じ広さに広がる複数のクラッディング４２（一つのみ示されている）によって包囲され得る。アクティブファイバ２４の形状、すなわち長手ファイバ軸に沿ってコア１２およびクラッディング４２それぞれの断面は、二重のボトルネック形状の断面を有する。後者は、狭い均一な寸法にされた入力末端領域３６、均一な寸法にされた吸収の中央領域または入力領域の面積より大きい面積Ａｃｏｒｅを有する中間領域３８、ならびに末端コア領域および中間コア領域の橋渡しをする円錐台の（ｆｒｕｓｔｏｃｏｎｉｃａｌ）入力変換器領域４６を含む。二重のボトルネック部分を完成させるために、コア１２はさらに、出力円錐台の変換器および末端領域を有する。コア１２は、シングル横モードまたはマルチモードを担持し得る。
【００２０】
コアの吸収領域３８のコア面積Ａｃｏｒｅは増加するが、送達の中央領域または中間領域４４の面積、コアレスファイバ２８、およびその結果としてクラッドの総面積Ａｃｌａｄは減少する。概して、送達ファイバ２８の断面は、さらに、比較的小面積の中央領域および比較的大面積の末端領域によって特徴づけられたあらゆる形状を示すダンベル形状の断面を指す。それぞれのファイバの増加する係数および減少する係数は、恣意的ではない。該係数は、中央領域のクラッドの総面積が、図２のＳＰ構造全体の入力端部のクラッドの総面積と同じであるように選択されることが好ましい。後者は、ポンプ光の出力密度を可能にし、したがって後者の開口数は変わらない。そうでなければ構成がポンプ光の損失を増加させたはずである。
【００２１】
概して、後者が比較的小さい開口を維持することを提供した送達ファイバ２８の減少する係数の決定は、このファイバの開口数ＮＡａｆの増加を引き起こすファイバのクラッドの面積が減少するという要因に基づく。たとえば、送達ファイバ２８がＮＡｐｕｍｐ、すなわち、ポンプ送達ファイバに連結されたレーザダイオードまたはレーザダイオードコンバイナによるポンプ放出のＮＡを０．１に維持し、また、ファイバ２４は、ＮＡ＝［√ｎclad2−ｎcoat2］2＝０．４であり、該式において、ｎcladならびにｎcoatはそれぞれ、クラッディングとコーティング指数であると仮定する。その時、クラッドの総面積が、実質的なポンプ光の損失なしに減少し得る最大係数ｋは、ｋ＝［Ｎａｆ／Ｎｄｅｌ］2＝［０．４／０．１］2＝１６である。
【００２２】
状況によっては、利得またはファイバブロック１０が、１０６０ｎｍの領域において利得を制限しつつ、９００ｎｍの望ましい領域において強力な放射を放出するだけでなく、望ましい数のモードをほぼ有し得る放射も出力するはずであることが望ましい。ファイバレーザシステムによって放射された高品質の光は、非常に少ないか、またはさらには、実質的にシングルモード、好ましくは基本モードを必要とすることがしばしばある。実質的にシングルの基本モードまたは非常に少ないモードのポンプが生じるのは、各ＳＭパッシブファイバ１４、１６のモードフィールド径（ＭＦＤ）、およびこの場合はＭＭ構成を有するコア１２によって支持された基本モードが、大方において相互に整合する場合である。したがって、アクティブファイバ２４の対向する端部は、入力ファイバ１４によってサポートされたＳＭモードが、ＳＭがこれらのファイバ間の結合領域を通って伝播すると、実質的にＭＭコア１２内の基本モードまたは非常に少ないモードをポンプすることが可能になるように構成されている。
【００２３】
図３は、９００ｎｍの波長領域内の動作波長で望ましい利得を有する放射を放出するが、１０６０ｎｍ周辺の寄生波長で許容されない利得を制限するように、単位長さ当たりのポンプ光の高められた吸収を提供する図２のＳＰ構成の修正形態を示す。アクティブファイバ５０は均一で拡大されないクラッディング径４２で構成されているが、コア１２は一つのボトルネックまたは二重のボトルネック形状の断面を有する。ポンプ光送達コアレスＭＭパッシブファイバは、連結領域に沿って減少された面積で示されている。したがって、コア１２の面積Ａｃｏｒｅと、アクティブファイバ、パッシブファイバおよびスリーブファイバのそれぞれのクラッディング面積の合計であるクラッディングの総面積Ａｃｌａｄとの比率は比較的高く、望ましい波長で吸収が高められる。
【００２４】
上記に開示された導波管の構造を簡単に要約すると、構造的結合は、
二重のボトルネック形状の軸方向断面で構成されているコアが提供されたアクティブファイバと円筒形状の軸方向断面を有するパッシブファイバ、
または円筒形状の軸方向断面を有するコアを備えるアクティブファイバとダンベル形状の軸方向断面を有するパッシブファイバ、または二重のボトルネック形状の軸方向断面を有するコアを備えるアクティブファイバとダンベル形状の断面を有するパッシブファイバ
とから選択することができる。上記の構造的結合は、いずれも、アクティブファイバならびに送達ファイバの中央領域のそれぞれが、このような中央コア領域におけるポンプ光吸収率を提供するように構成されることに従って発明概念を実現し、これにおいて、アクティブファイバは、動作波長で望ましい利得が可能だが寄生波長で利得を設定閾値に制限することを可能にする、最も短い可能な長さをもつ。
【００２５】
通常、すべてのポンプ光がアクティブファイバのコアの利得媒体によって吸収されるわけではない。ポンプ光が最初にアクティブファイバ２４の入力末端領域に連結される構成では、パッシブ送達ファイバ２８の出力末端領域の面積は、アクティブファイバ２４の出力領域の面積よりＮ倍大きいように構成される。アクティブファイバとパッシブファイバそれぞれの面積の上記に開示された関係によって、連結領域の端部で非吸収光がアクティブとパッシブとの間に分配されることが可能になる。パッシブ送達ファイバ２８は、したがってアクティブファイバ２４の出力端部よりＮ倍を超える非吸収ポンプ光を有するはずである。好ましくは、送達ファイバ２８の出力末端領域の面積は、ファイバ２４の出力末端領域の面積より約７から約１０倍大きい。構造的に、送達ファイバの対向する入力端部および出力端部は、均一の形状および寸法であっても、または均一でなくてもよい。同様に、アクティブファイバの対向する小面積の末端領域は、均一の構成であっても均一の構成でなくてもよい。
【００２６】
パッシブファイバ２８に連結された非吸収ポンプ光は、以下に開示するように、隣の利得ブロックをポンプするために再利用される可能性がある。あるいは、残余のポンプ光は、アクティブファイバ２４を反対側の方向にポンプするために反射鏡２７によって反射して戻されることが可能である。反射鏡２７は、ファイバミラー、バルクミラーなどとして構成され得る。
【００２７】
図４は、アクティブファイバ５４の側面に位置する２つのパッシブファイバ５２、５６で構成された利得ブロック１０のＳＰ構成のさらなる修正形態を示す。アクティブファイバ５４は、望ましい波長および寄生波長で放射を発生／増幅できるＮｄドーパントなどの利得媒体をドープしたＭＭコアを有する。ポンプ光は、パッシブファイバ５２および５６両方にそれぞれ同じ方向、好ましくは信号光（ｓｉｇｎａｌ  ｌｉｇｈｔ）の前方に伝播する方向と反対に連結され得る。図２の送達パッシブファイバ２８の形状に対応するパッシブファイバ５２、５６の形状は、したがってダンベル形状の断面を有する。あるいは、Ｕ字形に配列されたシングルパッシブファイバは、アクティブファイバ５４の中央領域に沿って延在する多重空間の小面積の中央領域とともに使用され得る。アクティブファイバ５４の構成は、図２および３に示された構成の一つであり得る。図４のＳＰ構成の構造は、図４Ａに示されたように、それぞれのファイバの長手軸方向断面内に整列された３つのファイバすべてを有する。あるいは、それらのファイバは、断面内の図４Ｂの三角形状を画定するように配置され得る。それらのファイバは、相互に連結されたそれぞれ同じ広さに広がる長手中央領域を有する。
【００２８】
パッシブ送達ファイバ５２、５６はそれぞれ、各ポンプから一緒に離間され、たとえばパッシブファイバ５２からパッシブファイバ５６にこの光の最初の通過中、ポンプ光の非吸収を可能にし、さらに反対方向にファイバ５６からファイバ５２に通過中、吸収を可能にする結合された、それらの遠位端を有する。したがって、ポンプ光の吸収は、示された構成で大幅に高められる。好ましくは、各パッシブファイバの遠位端は、それぞれの送達ファイバの入力末端領域から離間したコア末端領域の近位に結合される。
【００２９】
要約すると、上記に開示された実施形態のすべては、以下の例によって示されることが可能である。利得ブロックは、Ｎｄイオンと一定の濃度ＰＰＭｘでドープされたコアを有するファイバで構成されていると仮定する。利得ブロックは、５ｄＢ利得を９２０ｎｍの波長で生成するために必要だが、３０ｄＢより高い寄生波長で利得を有さない。動作波長および寄生波長でのドーパント濃度および目標利得を認識すると、Ｎｄファイバの全最小可能長さが３０／ＰＰＭｘを超えるべきではない。寄生波長で設定利得を制限するＮＤをドープしたファイバの最小可能長さを決定すると、次に５ｄＢ利得を９２０ｎｍの波長で有するために、最大吸収率を決定された長さに沿って提供する必要がある。
【００３０】
図５は、典型的なＭＯＰＡ構成を有する高出力のインラインのファイバレーザシステム６５を示す。システム６５は、望ましい波長λ１、たとえばこの光をＮｄをドープしたアクティブファイバ６２に送達するパッシブファイバ６４に連結された９１８ｎｍの波長で、信号を出力するシードソース（ｓｅｅｄ  ｓｏｕｒｃｅ）を含む。ポンプ２５は、ブースター利得ブロック６３のアクティブファイバ６２に連結されたたとえば８０８ｎｍの波長でポンプ光を発生する、一つまたは複数のレーザダイオードを含み得る。
【００３１】
上記に開示された実施形態の一つに従って構成された前置増幅器６２は、９１８ｎｍの望ましい波長および１０６０ｎｍの寄生波長で信号光に対する利得を提供する。信号光は、寄生周波数をフィルタリングすることにより、寄生周波数と主周波数（ｍａｉｎ  ｆｒｅｑｕｅｎｃｉｅｓ）との間で判別する働きをするフィルタコンポーネント６６に連結される。フィルタ６６は、長周期格子（ｌｏｎｇ−ｐｅｒｉｏｄ  ｇｒａｔｉｎｇ）もしくはスラント型ファイバ格子（ｓｌａｎｔｅｄ  ｆｉｂｅｒ  ｇｒａｔｉｎｇ）を備えたパッシブファイバ、サマリウム濃度の増加（Ｓｍ3+）または当業者には公知の他の同様の機能のドーパント、Ｗ型屈折率分布を有するパッシブファイバまたはバルク光学品から選択され得る。フィルタリングされた光は、さらに反射された放射が上流の光学部品に伝播して戻ることを防止するように構成されたアイソレータ６８に連結される。
【００３２】
最後に、光は、これもまたＳＰ構造の上記に開示された修正形態に従って構成された利得ブロック６３を含むブースターステージ（ｂｏｏｓｔｅｒ  ｓｔａｇｅ）に連結される。ブースターステージはレーザダイオードによってポンプされる。すべてのパッシブファイバおよびアクティブファイバは、相互に突合せ接続され、実質的に相互に整合する各ＭＦＤで構成される。システム６５は試験され、１８１ＷのポンプパワーレベルでＭ2〜１．０５の９００ｎｍの領域内で１０２Ｗを超える最大出力パワーを示した。図８は、望ましい波長内で実質的に増幅された光および寄生波長範囲内で信号光の制限された増幅を明確に示すレーザシステム６５の出力スペクトルを示す。
【００３３】
図６は、上記に開示された利得ブロックが提供された高出力ファイバレーザシステム７０の複数のカスケードのそれぞれの構成が示される。システム７０の構成は、次の増幅段のアクティブファイバのさらなるポンプに対する、一つの増幅段のパッシブポンプ送達ファイバに残るポンプ光の有効利用を示す。
【００３４】
ＳＭパッシブファイバ７８は、望ましい波長λ1で信号の伝播を支持し、光をダブルクラッド、すなわち二重のボトルネック形状を有する上流利得ブロック７５のＭＭのＮｄをドープしたファイバ７４に送達する。寄生周波数での信号光は、増幅された信号光が図５のフィルタ６６と同様に構成されたフィルタ９０を通ってパッシブＳＭファイバ７８に沿って伝播するとき、さらにフィルタリングされる。最後に望ましい周波数で増幅された光は、別のＳＭパッシブファイバ７８を通って伝播され、隣接する利得ブロック８５のダブルクラッド、ＭＭのＮｄをドープしたファイバ８０に連結され、該利得ブロックにて、ｋＰ入力で望ましい波長領域内の放射を放出するようにさらに増幅され、これにおいてｋは利得係数である。
【００３５】
ポンプアセンブリ（ｐｕｍｐｉｎｇ  ａｓｓｅｍｂｌｙ）は、信号のものとは反対方向へのポンプ光の伝播を支持するＭＭコアレスポンプ光送達ファイバ７６の一端に結合されたカプラ８２に組み合わせられたそれぞれの出力を有する複数の光源を含む。ポンプ光は、ＳＰ構成の片面のみに連結され、送達ファイバ７２に残るこの光の部分は、ＭＭパッシブファイバ８４にさらに連結される。最終的に、残るポンプ光は、下流利得ブロック８５のＭＭポンプ光コアレス送達ファイバ８６に連結される。
【００３６】
利得ブロック８５は、ポンプ光送達ファイバ８６に連結されるカプラ８８に組み合わせられる、それぞれが出力を有する一つまたは複数のレーザダイオードを伴う独自のポンプ構成を有する。結果として、ポンプ光は、利得ブロック７５から送達されるポンプ光の方向と反対方向にブロック８５のアクティブファイバ８０のクラッディングに連結される。ポンプ光送達ファイバ８６内に残るポンプ光は、上流利得ブロック７５に向かってさらに誘導され、アクティブファイバ７２のクラッディングに送り出され、吸収されるようにアクティブファイバ７２のコアをさらに通る。したがって、このポンプ光構成によって、ポンプ光を送達する各ファイバの出力で残るポンプ光を、アクティブファイバのさらなるポンプに対して他方の送達ファイバに向かって伝播することが可能になる。
【００３７】
図７は、「青色」ファイバレーザシステムを示す。図示されるように、システムは、本開示に従って構成された利得ブロック９４を含み、Ｎｄをドープしたクラッディングポンプされた（ｃｌａｄｄｉｎｇ−ｐｕｍｐｅｄ）アクティブファイバおよびＭＭポンプ光送達ファイバを含む。上記に開示されたすべての修正形態と同様に、利得ブロック９４は、９００ｎｍの領域内の望ましい波長でレーザ光を出力する働きをする、レーザまたは増幅器として構成され得る。出力光は、連結された光の周波数を２倍にし、約４５０ｎｍ〜約４７０ｎｍの波長で出力放射を放出する働きをする、第二ハーモニックまたは高次ハーモニックジェネレーター９６に連結される。
【００３８】
図９は、各々がマルチモードのマルチクラッドファイバ１１０、１１２に基づく、複数の利得ブロックを提供された強力なファイバレーザシステム１１５を示し、さらに複数のポンプアセンブリ１２５を有する。各ポンプアセンブリ１２５は、好ましくはレーザダイオード１２０のそれぞれの配列によってポンプされるＳＭのＮｄファイバレーザ１２３でそれぞれが構成された複数のチャネル１２５1〜nを有する。Ｎｄファイバレーザ１２３は、図２〜６の光学方式に従って構成される。好ましくは複数のＳＭのＮｄレーザ１２３は、ＳＭ−ＭＭコンバイナ１２７によって組み合わされる。Ｎｄファイバレーザ１２３は、光出力を約９００〜９４０ｎｍの波長でそれぞれ発生させる。ＳＭ−ＭＭコンバイナ１２７の出力は、利得ブロックを受ける共振空洞（ｒｅｓｏｎａｎｔ  ｃａｖｉｔｙ）を画定する、それぞれのパッシブファイバに記載される格子に依存する、約９７０〜１０００ｎｍ以上の波長で光出力Ｉｏを発振するＹｂファイバレーザ・ブロック１２２、１２４の入力それぞれに連結される。望ましい９００ｎｍの領域内のＮｄレーザのポンプ放出波長のＹｂ出力の波長との近さによって、実質的に減少した発熱が引き起こされる。
【００３９】
図２のアクティブファイバ２４および送達ファイバ２８それぞれの製作過程は、それぞれのプリフォームからファイバを同時に引き抜くことを含む。ファイバがそれぞれ引き抜かれる速度は、ファイバ２４、２８の中央領域それぞれの望ましい面積の拡大および低減を受けるために厳密に制御され、均一ではない。さらに、引き抜かれるファイバ２４、２８のそれぞれの速度は、同じではない。ファイバ２４、２８のそれぞれが修正されるとき、各ファイバの拡大および低減された面積の中央領域の各対は、相互に取り外し可能に取り付けられるので、わずかな力を加えることによって容易に分離される。
【００４０】
添付の図面を参照に本発明の好ましい実施形態の少なくとも一つを説明したが、本発明はこれらの正確な実施形態に限定されず、様々な変更、修正、および適応が、添付の特許請求の範囲に定義された本発明の範囲または精神から逸脱することなく、当業者によってその中にもたらされ得ることが理解されるべきである。
【符号の説明】
【００４１】
１０    ファイバブロック
１２    コア
１４、１６    パッシブシングルモード（ＳＭ）ファイバ
２４    アクティブファイバ
２５    ポンプ
２６    ポリマースリーブ
２７    反射鏡
２８    コアレスＭＭポンプ光送達パッシブファイバ
３６    入力末端領域
３８    中間領域
４２    クラッディング
４４    中間領域の面積
４６    入力変換器領域
５０、５４    アクティブファイバ
５２、５６    パッシブファイバ
６２    アクティブファイバ
６３    ブースター利得ブロック
６４    パッシブファイバ
６５、７０    ファイバレーザシステム
６６    フィルタ
６８    アイソレータ
７２    アクティブファイバ
７４、７６、８０    ファイバ
７５    利得ブロック
７８    ＳＭパッシブファイバ
８２、８８    カプラ
８４    ＭＭパッシブファイバ
８５    利得ブロック
８６    ＭＭポンプ光コアレス送達ファイバ
９０    フィルタ
９４    利得ブロック
９６    ハーモニックジェネレーター
１１０、１１２    マルチクラッドファイバ
１１５    ファイバレーザシステム
１２０    レーザダイオード
１２３    ファイバレーザ
１２５    ポンプアセンブリ
１２５1〜n    チャネル
１２７    ＳＭ−ＭＭコンバイナ
【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４Ａ】
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【図４Ｂ】
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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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