(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
単一横モードファイバーレーザーであって、
ウェーブガイドファイバリボンを形成するために相互に結合された複数のウェーブガイドであって、各ウェーブガイドが細長いコアを含んでおり、同コアは、対向している頂面及び底面と、対向している第１及び第２の側面と、を含んでおり、前記対向している頂面と底面とは、前記対向している第１及び第２の側面同士よりも互いに近接しており、当該ウェーブガイドは更に、前記頂面に当接して配置された第１の段階状の屈折率のクラッド層と前記底面に当接して配置された第２の段階状の屈折率のクラッド層とを含んでおり、前記第１及び第２のクラッド層は、単一の低次横モードを前記コア内に捕獲し、当該ウェーブガイドの各々は更に、前記第１の側面に当接して配置された第１の横モードフィルタと前記第２の側面に当接して配置された第２の横モードフィルタとを更に含んでおり、同第１及び第２の横モードフィルタは、前記単一の低次横モードを前記コア内に導き且つ他の光伝搬横モードを同コアから離れるように導くようになされ、前記コアと反対側の前記第１の横モードフィルタに隣接して配置された第１の吸収層と、前記コアと反対側の前記第２の横モードフィルタに隣接して配置された第２の吸収層とを更に含み、同第１の吸収層と第２の吸収層とは、前記コアから離れるように導かれる伝搬モードを減衰させ、当該複数のウェーブガイドは、同複数のウェーブガイドの前記コアが実質的に平面状となるように一つのウェーブガイドの吸収層を隣接するウェーブガイドの吸収層に当接させることによって互いに平行に結合されている、複数のウェーブガイドと、
前記ウェーブガイドファイバリボンを被覆する外側被覆と、
を含むファイバーレーザー。
【請求項２】
請求項１に記載のファイバーレーザーであって、
少なくとも一つのダイオードアレイと透過格子とを更に含み、同透過格子は前記外側被覆内に位置決めされており、前記ダイオードは、前記透過格子及び前記第１のクラッド層の中を通り前記ウェーブガイドへと伝導されるレーザー励起光を、同励起光を内側全反射によって前記ウェーブガイド内に捕獲するような角度で発生する、ようになされたファイバーレーザー。
【請求項３】
請求項２に記載のファイバーレーザーであって、
前記励起光が前記透過格子を通過する前に、同励起光を平行光にする少なくとも一つのコリメーターレンズを更に含む、ファイバーレーザー。
【請求項４】
請求項２に記載のファイバーレーザーであって、
前記レーザー励起光が前記ウェーブガイド内に捕獲されるように同レーザー励起光が前記コアに対して鋭角で前記透過格子の中を通るように、前記少なくとも一つのダイオードアレイが前記ウェーブガイドに対して角度が付けられている、ファイバーレーザー。
【請求項５】
請求項２に記載のファイバーレーザーであって、
前記透過格子と反対側の前記被覆内に配置された反射格子を更に含み、同反射格子は、前記励起光が前記ウェーブガイド内で捕獲されるように同励起光を反射する、ファイバーレーザー。
【請求項６】
請求項１に記載のファイバーレーザーであって、
円筒形の心棒を更に含み、前記ウェーブガイドファイバリボンが、同心棒の周りに複数回巻き付けられ、冷却液が前記心棒内を圧送されることによって前記ウェーブガイドファイバリボンが冷却されるようになされた、ファイバーレーザー。
【請求項７】
請求項１に記載のファイバーレーザーであって、
前記コアが矩形形状である、ファイバーレーザー。
【請求項８】
請求項７に記載のファイバーレーザーであって、
前記対向している頂面と底面との間の距離が５乃至１０ミクロンである、ファイバーレーザー。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、概して、単一の空間モードレーザーに関し、より特定すると、コアからより高次の伝搬モードを排除するためにレーザーのレーザー導波管がモードフィルタを採用している、矩形形状のコアを有する高出力で単一モードのダイオード励起ファイバリボンレーザーに関する。
【０００２】
【従来の技術】
高い平均出力を有するけれども、化学レーザー燃料（ｌａｓｅｒ  ｆｕｅｌ）又は排出物（ｅｆｆｌｕｅｎｔ）を採用しない電気駆動レーザーの必要性が当技術分野において存在する。このタイプのレーザーは、弾道ミサイル、巡航ミサイル及び戦闘機のような種々の空挺のおそれ（ａｉｒｂｏｒｎｅ  ｔｈｒｅａｔｓ）に対する軍事用途を含む多くの用途を有している。ファイバレーザーウェーブガイドのアレイを採用しているダイオード励起固体レーザーは、このような必要性を満足する一つの公知のものである。有用で且つ手頃なレーザーシステムを作るために、複雑な光学系を使用しないでファイバレーザーを丈夫な素子にするためには実際的な技術が必要である。
【０００３】
典型的には、このタイプの用途のためには、レーザーシステムは、単一モードのレーザービームを発するファイバ又はコアを採用しなければならない。なぜならば、単一モードのレーザービームは、集光されたときに単位面積当たり最大の強度及び出力を発するからである。レーザービームの横モードの数が増加すると、ビームの回折の結果として、集光され得るビームスポットのサイズもまた大きくなる。このことにより、単位面積当たりのビーム出力が低下してビームの強度が低下する。
【０００４】
当技術においては、５０ワット未満の出力を有する単一モードのレーザービームを発生させるために、ダイオード励起二重被覆のイッテルビウムをドープしたガラスファイバが使用されてきた。これらのレーザーにおけるファイバは、単一モードのレーザービームを発生させるために、典型的には、５ないし８ミクロン程度の直径を有する丸いコアを採用している。コアの周囲の内側被覆層は、コア内に単一ビームを捕獲し、外側被覆層は、励起光を吸収されるべきコアを横切るように反射する。このタイプのファイバレーザーに対する議論は、１９９９年２月３日発行のＦｉｂｅｒｓ  ａｎｄ  Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ  ＤｅｖｉｃｅｓにおけるＤｉＧｉｏｖａｎｎｉ，  Ｄａｖｉｄ  Ｊ．による”Ｈｉｇｈ  ＰｏｗｅｒＦｉｂｅｒ  Ｌａｓｅｒｓ  ａｎｄ  Ａｍｐｌｉｆｉｅｒｓ”の第２８２ないし２８４頁及び１９９９年２月３日発行のＦｉｂｅｒｓ  ａｎｄ  Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ  ＤｅｖｉｃｅｓにおけるＮｉｌｓｓｏｎ，Ｊ．ｅｔ  ａｌ．による”Ｗｉｄｅｌｙ”  ｔｕｒｎａｂｌｅ  ｈｉｇｈ−ｐｏｗｅｒ  ｄｉｏｄｅ−ｐｕｍｐｅｄ  ｄｏｕｂｌｅ−ｃｌａｄ  Ｙｂ３＋−ｄｏｐｅｄ  ｆｉｂｅｒ  ｌａｓｅｒ”の第２８５ないし２８７頁を含む、先進固体レーザーについての会議の会報に見出すことができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
当技術においては、確かな用途のためには、単一モードのファイバレーザーの出力を増すことが望ましい。レーザーの出力は、コアの長さを増してより多くの励起光を提供することによって増加させることができる。しかしながら、コアの材料は、超過した場合にコア材料を損傷させるかもしれない出力の限度を有している。コアの直径をより大きくすることによって、より大きい光出力が提供され得る。しかしながら、コアの直径が増すと、より高次のモードの発生が起こり始め、ビームを単一モードに限定することが益々難しくなる。一度あるコアサイズに達すると、伝搬モードを単一モードに制限することは実際上不可能である。更に、コアの大きさ及び出力が増加すると、コア内に熱も発生する。この熱を下げるための冷却装置が知られているが、コアの直径が大きくなると、コアの中心から熱を取り除くことがより難しい。従って、コアを横切る方向に熱の勾配が存在し、これによってレーザーはファイバの性能を低下させる。
【０００６】
二重被覆のファイバレーザーのコアは、５０ｍ程度の長さを有する傾向がある。従って、レーザーシステムを小さくさせ且つコアに構造的な堅牢性を付与するために、典型的には、コアは心棒の周りを被覆される。コア及びコアに関連する被覆の大きさが増すと、心棒の周りでコアを曲げること及びモードの制御を依然として維持することがより難しくなり、従って、心棒をより大きくなければならなくさせる。更に、コアの大きさは、応力が光の漏れによって生じるモード制御を低下させるか又は無くする前に、コアが心棒にどの程度きつく被覆されることができるかを決定する。
【０００７】
必要とされているのは、モードの制御を喪失することなく従来技術において知られているファイバレーザーよりも大きい出力を有し且つ効率の良い冷却を可能にする単一モードのファイバレーザーである。従って、本発明は、このような高出力の単一モードのファイバレーザーを提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の教示に従って、高い出力を提供する単一モードのファイバレーザーが開示される。このファイバレーザーは、一枚のシート状の光を発する複数の平行なウェーブガイドを有するリボンを含んでいる。各ウェーブガイドは、一つの方向に比較的薄い寸法を有し且つこれと直角の方向に比較的広い寸法を有する矩形状のコアを含んでいる。コア内での光の伝搬をその伝搬方向における単一モードに限定する薄い段階状の屈折率のクラッド層が設けられている。寸法が広い方向には、コアの端部に隣接してモードフィルタが設けられ、コア内の種々の伝搬モードがこのモードフィルタ内に入る。モードフィルタは、所望の単一モードが最小量の損失でコア内に入り、一方、より高次のモードがより大きい損失を受けるのを可能にする。望ましくない光の伝搬モードを吸収するために、モードフィルタに隣接し且つコアと反対側に光吸収層が設けられる。従って、コア内の主たる伝搬モードは、単一の低次モードであるが、コアの断面積は増加せしめられてより大きい出力を提供する。
【０００９】
リボン内の各コアは、ウェーブガイドに対してリボンの全長に沿った重要な位置に配置された棒状のダイオードアレイによって、側方から光学的に励起される。励起光を、同励起光がコアを多数回横切るときに光を内側で全反射させて同励起光がウェーブガイド内に捕獲されるようなやり方でウェーブガイド上へと投射させるために、リボン内に種々の透過格子及び／又は反射格子を設けることができる。このリボンは心棒の周りに巻き付けることができ、且つレーザー動作中に伝導によってリボンを冷却するために、心棒の中に冷却液を導入することができる。多数のリボンを提供して得られるレーザービームの断面積を増すために、多数の心棒を結合することができる。
【００１０】
本発明のこの他の目的、利点及び特徴は、添付図面と組み合わせられた以下の詳細な説明及び特許請求の範囲から明らかとなるであろう。
【００１１】
【発明の実施の形態】
ダイオード励起ファイバリボンレーザーの好ましい実施形態の以下の説明は、単なる例示的な性質のものであり、決して本発明又は本発明の用途若しくは使用方法を限定することを意図したものではない。
【００１２】
図１（ａ）は、以下に説明するように本発明のダイオード励起の単一モードのファイバレーザーシステムにおいて使用することができる光のウェーブガイド１０の端面図である。レーザービームは、矩形形状のコア１２又はレーザー発生媒体内で増幅される。一つの実施形態においては、コア１２はイッテルビウムをドープしたガラスであるが、当技術において公知のあらゆる適当な光増幅媒体とすることができる。コア１２の矩形形状は、コア１２の頂部から底部までの薄い厚みが５ないし１０ミクロン程度であり、単一モードのビームのみが厚み方向に伝搬することができるようになされている。コア１２は、上面及び下面が段階状の屈折率のクラッド層１４及び１６と結合されていて、単一の光伝搬モードの伝搬を提供するようになされている。一つの実施形態においては、クラッド層１４及び１６は、コア１２内を進むビームをコア１２内へと屈折させ且つ反射されて戻らせるように、コア１２と異なる屈折率を有するドープされたガラスによって形成されている。コア１２は、レーザービームの出力を増すために、コア１２の断面積が公知の単一モードのファイバレーザーにおけるコアよりも大きくなるように、幅が極めて広くなされている。単一モードのビームの伝搬を幅方向に限定するための技術を以下に説明する。
【００１３】
厚みに亘って、コア１２の一方の側面に沿って第１のモードフィルタ１８が設けられており、コア１２の反対側の側面に沿って第２のモードフィルタ２０が設けられている。コア１２の中を進みつつあるかもしれない種々の伝搬モードが、幅に亘ってコア１２から延び且つモードフィルタ１８及び２０に入る。モードフィルタ１８及び２０は、コア１２内の種々の光の伝搬モードと相互作用して所望の伝搬モードに最少の損失を受けさせ且つ望ましくない即ちより高次の伝搬モードにより大きい損失を受けさせるように最適化された一連のドープしたガラスの層を含むことができる。モードフィルタ１８及び２０内の種々の層は、この機能を提供するための格子層を形成するために、より高い屈折率とより低い屈折率とが交互に変わる領域を含んでいる。モードフィルタ１８及び２０内の屈折率は、種々のドーパントイオンによって制御することができる。モードフィルタ１８及び２０は、ブラッグ（Ｂｒａｇｇ）の格子又は光子バンドギャップ物質のようなここで説明した動作を行うことができるあらゆる適切なガイド構造とすることができる。当技術において知られているように、光子バンドギャップ物質は、種々の屈折率の相互作用を提供して散乱せしめられた光ビームをそれらの位相の相対関係に依存して破壊的に或いは建設的に結合させる。
【００１４】
コア１２と反対側でモードフィルタ１８に隣接して第１の吸収層２２が配置されており、コア１２の反対側でモードフィルタ２０に隣接して第２の吸収層２４が配置されている。吸収層２２及び２４もまた、ドーパントイオンがレーザー光のいくつかの波長を吸収するドープされたシリカ又はガラスによって作られる。吸収層２２及び２４は、反射角の区別は提供しないが、全てのレーザー波長を吸収する。吸収層２２及び２４は、ここに説明した目的に適したあらゆる光学ガラスの吸収材料とすることができる。ウェーブガイド１０の動作によって、所望の最低次モードがコア１２上へと伝搬することができ、より高次のモードは吸収層２２及び２４によって吸収される。
【００１５】
ウェーブガイド１０は、本発明のファイバリボンレーザーの基本的な構造部材である。図２（ａ）は、互いに平行に結合された複数のウェーブガイド１０を含んでいるファイバリボン３０の上面図であり、図２（ｂ）はその端面図である。他の平行なウェーブガイド１０も同じ構成部品を有しているという条件で、ウェーブガイド１０のうちの一つに図１に関して上記した参照番号が付されている。図示されているように、吸収層２２及び２４は、隣接するウェーブガイド１０の各々の吸収層２２又は２４に当接している。コア１２間の吸収層２２及び２４は、拒否されたモードを減衰させ且つそれらの結合を制御する。この実施形態においては、６個の別個のウェーブガイド１０が平行に結合されている。当業者によって理解されるであろうように、この実施形態は非限定的な例であり、他の設計ではこれより多いか又は少ないウェーブガイドを組み込んでも良い。ファイバリボン３０を形成するためのウェーブガイド１０の形状は、各レーザービームが同一の単一モードビームを含んでいる一枚のシート状の平行なレーザービームがリボン３０の端部から伝搬するようになされている。レーザービームの組織化されたシートは、効率良く結合することができ且つ従来技術において使用されていた雑然とした丸いファイバレーザーウェーブガイドよりも遙かに効率的な方法で、レーザーシステムの出力光学系と整合せしめることができる。
【００１６】
リボン３０を形成するために、外側被覆３２がウェーブガイド１０を覆っている。図２（ａ）においては、下にあるウェーブガイド１０を露出させるために被覆３２の頂部の層は示されていない。以下の説明において明らかとなるレーザーの励起光を閉じ込めるのを助けるために、外側被覆３２に端縁リフレクタ３４及び３６が設けられている。端縁リフレクタ３４及び３６は、被覆３２の両側に形成された金属層のようなあらゆる適切な反射層とすることができる。
【００１７】
当技術において知られているように、これらのタイプの固体レーザーにおいては、コア１２内の原子を励起してレーザー光を増幅するために、励起光が必要とされる。これらの装置においては、ときどき、同じ位置からの励起光とレーザー光との両方の結合をさせるために複雑な光学系が必要される。本発明によれば、レーザーを励起するために、励起光がリボン３０の側方位置から提供される。図３ないし５は、励起光源と関連付けたリボン３０のウェーブガイド１０のうちの一つの断面図である。図３ないし５に示されたリボン３０内に励起光を導入するための種々の実施形態は、特定の設計条件に従って種々の設計において励起光を導入するための種々の用途を使用することができることを示すことを意図している。図３ないし５においては、ウェーブガイド１０の種々の層に、上記した方法と同じやり方で符号が付されている。
【００１８】
図３においては、各ダイオードアレイ４２が複数のダイオードエミッタ４４を含んでいるいくつかのダイオードアレイ４２を含んでいる棒状のダイオード４０が設けられている。各ダイオードアレイ４２は、アレイ４２内の各エミッタ４４が特定のウェーブガイド１０のコア１２と整合するようにリボン３０を横切って延びている。この例においては、各ウェーブガイド１０が特定の用途のために必要な光学的励起を提供するための４つのエミッタ４４から励起光を受け取るように、棒状のダイオード４０内に４つのダイオードアレイ４２が設けられている。各ダイオードエミッタ４４は、コリメーターレンズ４６に向かって導かれる励起光のビームを発生する。この実施形態においては、各コリメーターレンズ４６は、各ダイオードアレイ４２に対してリボン３０を横切って延びている。
【００１９】
ダイオードアレイ４２からの励起光は、平行光にされて且つ外側被覆３２の一部分に設けられた均一な透過格子４８に当たる。透過格子４８は、励起光を特定のウェーブガイド１０にある角度で入射させるようにダイオードアレイ４２で屈折させる。透過格子４８は、励起光を回折させるあらゆる適当な光学材料とすることができる。例えば、透過格子４８は、エッチングされた格子線を含む研磨されたガラスとすることができる。ウェーブガイド１０を横切って伝搬する励起光の角度、被覆３２の屈折率の違い並びにクラッド層１４及び１６は、内側全反射を提供して、励起光が図示するように何回も絶えずコア１２を横切るように励起光が前後に反射せしめられてウェーブガイド１０へと向かうようにさせる。ダイオードアレイ４２からの励起光の波長は、コア１２内の原子を励起させて殆どの励起光が最終的にはコア１２に吸収されてレーザー励起を提供するような波長である。端縁リフレクタ３４及び３６は、リボン３０の側部から出て行くかもしれないリボン３０内の励起光を閉じ込める助けとなる。
【００２０】
図４の実施形態においては、ダイオードアレイ４２からなる棒４０が設けられているけれども、コリメーターレンズ４６は省かれている。透過格子４８の他に、ウェーブガイド１０内で励起光を反射するために被覆３２の反対側の壁に反射格子５０が設けられている。コリメーターレンズ４６は省かれているので、透過格子４８は、励起光をウェーブガイド１０内へと集光させるように励起光の波長と関係付けられた格子周期を有している。言い換えると、励起光は透過格子４８内で屈折され、透過格子は励起光をウェーブガイド１０へと送る。反射格子５０は伝導面に代わる反射面であり、格子５０内のエッチング線は、励起光が、内側全反射によってウェーブガイド１０の内部に捕獲されるのに望ましい角度で反射させるようになされている。
【００２１】
図５においては、ダイオードアレイ４２の棒４０が、エミッタ５６を含むダイオードアレイ５４の棒５２に置き換えられている。この実施形態においては、コリメーターレンズ４６は省かれており、ダイオードアレイ５４は、励起光がコア１２の光学的励起を提供するのに望ましい方法で透過格子５８を通ってウェーブガイド１０に入るように、ウェーブガイド１０に対して角度が付けられている。この実施形態は、励起光がウェーブガイド１０内に捕獲されるように励起光をウェーブガイド１０へと送り出すための区画化された透過格子用途を提供している。
【００２２】
図６は、ファイバリボン３０が円筒形の心棒６８の周りに巻き付けられているレーザーシステム６６の斜視図である。ファイバリボン３０は厚さが比較的薄いので、心棒６８の周りに比較的きつく巻き付けてシステムの大きさを小さくすることができる。管７０が心棒６８の中を貫通して延びており、心棒６８は、レーザー動作中にファイバ３０を冷却するために冷却液がその中を圧送されるヒートシンクの役目を果たす。心棒６８は広い表面積を有し、ファイバリボン３０は比較的薄いので、冷却液と心棒６８とによってリボン３０の適切な冷却が提供され、熱勾配を除去して適切な装置の性能を得ることができる。
【００２３】
ファイバリボン３０の入力端部には、ファイバリボン３０によって増幅されるべき入力されたレーザービームを結合するために、結合光学系７２が設けられている。ファイバ３０の出力端部には、増幅されたレーザービームをレーザーシステム６６の出力光学系に結合するために、結合光学系７４が設けられている。ダイオードの棒７８の列７６によって光学的励起が提供される。各ダイオードの棒７８は、上記したタイプの複数のダイオードアレイを含んでおり、これらのダイオードアレイは、ダイオードエミッタが各コア１２と整合せしめられるようにリボン３０を横切る方向に延びている。この実施形態においては、ダイオードの棒７８が一つ置きの被覆位置に心棒６８に沿って列状に設けられて、ファイバリボン３０に沿ってある所定の距離毎に光学的励起が提供されるようになされている。他の実施形態においては、ダイオードの棒７８は、異なる励起及び異なる用途のために、心棒６８の周囲の種々の位置に設けることができる。冷却管８２を含む冷却装置８０が、ダイオードアレイ７８を冷却するために冷却液を導入している。
【００２４】
上記したレーザーシステム６６の構造は、心棒６８の周りにきつく巻き付けて従来技術よりも高い出力でコンパクトなレーザーアセンブリを提供することができる適切な長さのファイバリボン３０を提供する。ファイバを積層して出力を更に増すために、複数のレーザーアセンブリ６６を設けることができる。図７には、レーザーシステム６６のアレイの斜視図が示されており、このシステムにおいては、図示されているように、光学系７４が複数のリボン３０（ここでは６個のリボン３０）からの出力を結合して単一のビームにしている。
【００２５】
上記の説明は、本発明の例示的な実施形態を単に開示し且つ説明している。当業者は、このような説明並びに添付図面及び特許請求の範囲から、特許請求の範囲に規定された本発明の精神及び範囲から逸脱することなく種々の変化、変形及び変更を施すことができることを容易に認識するであろう。結合光学系７４からの出力ビームを所望のビーム形状に成形するために、付加的な光学系（図示せず）を設けることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】１（ａ）は、本発明の一実施形態による矩形状のコアを含む単一モードのファイバウェーブガイドの上面図であり、１（ｂ）は端面図である。
【図２】２（ａ）は、ファイバリボンを形成するために相互に結合された図１に示した複数のファイバウェーブガイドの上面図であり、２（ｂ）は端面図である。
【図３】図１及び２に示したウェーブガイドをダイオードアレイによって側方から励起するための方法を示す断面図である。
【図４】図１及び２に示したウェーブガイドをダイオードアレイによって側方から励起するための方法を示す断面図である。
【図５】図１及び２に示したウェーブガイドをダイオードアレイによって側方から励起するための方法を示す断面図である。
【図６】図２に示したファイバリボンを採用しているレーザーアセンブリの斜視図である。
【図７】レーザービームの大きさを増すために相互に結合された図６に示した複数のレーザーアセンブリの斜視図である。
【符号の説明】
１０  ウェーブガイド、    １２  コア、
１４，１６  クラッド層、    １８，２０  モードフィルタ、
２２，２４  吸収層、    ３０  リボン、
３２  外側被覆、    ３４，３６  端縁リフレクタ、
４０  ダイオードの棒、    ４２  ダイオードアレイ、
４４  エミッタ、    ４６  コリメーターレンズ、
４８  透過格子、    ５０  反射格子、
５２  ダイオードの棒、    ５４  ダイオードアレイ、
５６  エミッタ、    ７０  管、
７２，７４  結合光学系、    ７８  ダイオードの棒、
８０  冷却装置、    ８２  冷却管、
【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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