(57)【要約】  レーザは、コアを規定するクラッディングを有する光ファイバと、この光ファイバのコア内にあるレーザアクティブ媒体と、光ファイバの少なくとも一部でキャビティを規定する第１反射器および第２反射器と、励起システムとを有する。この励起システムはレーザアクティブ媒体と結合されており、光ファイバのコア内でレーザ活動を励起する。前記レーザアクティブ媒体はガス、液体、または固体を含む。
2009540553.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
中空コアを規定するクラッディングを有する光ファイバと、
前記光ファイバのコア内にあるレーザアクティブ媒体と、
前記光ファイバの少なくとも一部分にキャビティを規定する第１反射器および第２反射器と、
前記レーザアクティブ媒体に結合され、前記光ファイバのコア内にレーザ活動を刺激する励起システムとを有するレーザであって、
前記レーザアクティブ媒体はガス、液体、または固体粒子を含むレーザ。
【請求項２】
請求項１記載のレーザであって、
前記励起システムは、
電力源と、
前記電力源からの電気エネルギーを、クラッディングを通して前記レーザアクティブ媒体に入力結合するように構成された少なくとも１つの電極とを有するレーザ。
【請求項３】
請求項２記載のレーザであって、
前記少なくとも１つの電極は、前記光ファイバの周囲に巻回されたコイルを有し、
該コイルは、電磁エネルギーをレーザアクティブ媒体に誘導的に入力結合するよう構成されているレーザ。
【請求項４】
請求項２記載のレーザであって、
前記少なくとも１つの電極は、前記光ファイバの周囲に配置されたプレートのペアを有し、
該プレートは、電磁エネルギーをレーザアクティブ媒体に容量的に入力結合するよう構成されているレーザ。
【請求項５】
請求項２記載のレーザであって、
前記電力源は発振器を有し、
該発振器は発振電磁信号を形成するように構成されているレーザ。
【請求項６】
請求項５記載のレーザであって、
前記発振器により形成される電磁信号は約１ｋＨｚから約１００ＧＨｚの間の周波数を有するレーザ。
【請求項７】
請求項１記載のレーザであって、
前記反射器の少なくとも１つはミラーであるレーザ。
【請求項８】
請求項１記載のレーザであって、
少なくとも１つの反射器は、分散されたブラッグ反射器であるレーザ。
【請求項９】
請求項１記載のレーザであって、
前記レーザアクティブ媒体は二酸化炭素を含有するレーザ。
【請求項１０】
請求項１記載のレーザであって、
前記レーザアクティブ媒体はレーザアクティブ染料を含有するレーザ。
【請求項１１】
請求項１記載のレーザであって、
光学ファイバの少なくとも一部を包囲する冷却ジャケットを有し、
冷却液が前記冷却ジャケットを通流するレーザ。
【請求項１２】
請求項１記載のレーザであって、
磁界を前記光ファイバの少なくとも一部に対して近似的に平行の方向に形成する手段を有するレーザ。
【請求項１３】
請求項１記載のレーザであって、
磁界を前記光ファイバの少なくとも一部に対して近似的に平行の方向に形成するように配置された永久磁石を有するレーザ。
【請求項１４】
請求項１記載のレーザであって、
磁界を前記光ファイバの少なくとも一部に対して近似的に平行の方向に形成するように配置された電磁石を有するレーザ。
【請求項１５】
請求項１記載のレーザであって、
前記光ファイバはループに配置されているレーザ。
【請求項１６】
請求項１記載のレーザであって、
前記コアは、レーザから放射される光の波長の１００倍より小さい直径を有するレーザ。
【請求項１７】
請求項１記載のレーザであって、
前記クラッディングは、高屈折率の材料と低屈折率の材料が半径方向に交番する層を有するレーザ。
【請求項１８】
請求項１８記載のレーザであって、
前記クラッディングは、高屈折率材料と低屈折率材料が少なくとも１０回交番する層を有するレーザ。
【請求項１９】
請求項１記載のレーザであって、
前記光学ファイバは、光のエネルギー禁制帯ファイバであるレーザ。
【請求項２０】
請求項１記載のレーザであって、
前記クラッディングは、金属層を有するレーザ。
【請求項２１】
レーザ放射を発生する方法であって、
ガス、液体または固体粒子のレーザアクティブ媒体をファイバのコア内に有する光ファイバを準備し、
第１反射器と第２反射器を、光ファイバの少なくとも第１の部分が配置されている間に設け、
前記第１反射器、第２反射器および光ファイバの第１の部分は、レーザキャビティを規定し、
十分なエネルギーを、光ファイバを通して入力結合し、前記レーザキャビティ内にレーザ放射を発生する方法。
【請求項２２】
請求項２１記載の方法であって、
十分なエネルギー入力結合は、前記光ファイバのクラッディングを通して十分な電磁エネルギーを入力結合することを含む方法。
【請求項２３】
請求項２１記載の方法であって、
前記レーザアクティブ媒体を、光ファイバのコアを通して通流する方法。
【請求項２４】
請求項２１記載の方法であって、
冷却液を前記光ファイバの少なくとも第２の部分の周囲に通流し、
エネルギーを前記冷却液を通してレーザアクティブ媒体に入力結合する方法。
【請求項２５】
請求項２１記載の方法であって、
磁界を前記光ファイバの少なくとも一部に対して近似的に平行の方向に形成する方法。
【請求項２６】
請求項２１記載の方法であって、
十分なエネルギーを入力結合することは、前記光ファイバのレーザアクティブ媒体に電磁エネルギーを誘導的に入力結合すること含む方法。
【請求項２７】
請求項２１記載の方法であって、
十分なエネルギーを入力結合することは、前記光ファイバのレーザアクティブ媒体に電磁エネルギーを容量的に入力結合すること含む方法。
【請求項２８】
レーザの作製方法であって、
中空プリフォームを準備し、
前記中空プリフォームを、コアを規定する中空ファイバクラッディングに引き込み、
前記コアにレーザアクティブ媒体を充填し、
反射器を前記中空ファイバクラッディングに結合して、中空コア光ファイバを形成し、
励起システムを前記レーザアクティブ媒体に結合し、前記中空コア光ファイバ内でのレーザ活動を可能にする作製方法。
【請求項２９】
請求項２８記載の方法であって、
前記コアにレーザアクティブ媒体を充填することは、前記コアにガスレーザアクティブ媒体を充填することを含む方法。
【請求項３０】
請求項２８記載の方法であって、
前記コアにレーザアクティブ媒体を充填することは、前記コアに液体レーザアクティブ媒体を充填することを含む方法。
【請求項３１】
請求項２８記載の方法であって、
前記コアにレーザアクティブ媒体を充填することは、前記コアに固体レーザアクティブ媒体を充填することを含む方法。
【請求項３２】
請求項３１記載の方法であって、
前記固体レーザアクティブ媒体は固体粒子を含む方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はレーザ、とりわけ中空コアファイバレーザに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的にレーザからの出力パワーは、レーザのレーザアクティブ媒体への入力電力に比例する。しかし高出力レーザに対してはこの関係は当てはまらないことがある。なぜなら、レーザアクティブ媒体から熱を放熱するのが困難だからである。高出力レーザにとって、レ―ザアクティブ媒体を冷却することは難しい課題であり、レーザアクティブ媒体からの放熱率は全出力パワーを制限し、また工業レーザシステムでの重要なレーザ特性（例えばビーム品質）を制限する。
【０００３】
拡散冷却ガスレーザ（例えばＣＯ2レーザ）では、レーザ光がガス放電内で発生され、廃熱は一般的に、レーザ放電容器の冷却壁に拡散プロセスによって搬送される。商用のシリンダ型拡散冷却レーザは放射温度勾配を特徴とし、連続波（ｃｗ）で数百Ｗのレーザ出力を発生することができる。このようなレーザの出力パワーは、レーザ共振器内のガス放電の長さにより調整される。一方、ガス放電内で発生する熱は放電電極の表面エリアを介して放散する。
【０００４】
別の形式のレーザは固体コアファイバレーザである。ここでは光ファイバが、一体的に成型されたファイバの反射性端部区間の間にある固体ファイバコアにレーザアクティブドーパントを含んでいる。レーザアクティブドーパントはポンピングされ（典型的にはポンプ電流により）、ファイバの固体コア内にレーザ活動を形成し、光ファイバ内に発生されたレーザ光がファイバの長手方向に沿って案内される。
【０００５】
要約
一般的に、中空コアファイバレーザは、中空コアを規定するクラッディングを含む光ファイバと、光ファイバのコア内にあるレーザアクティブ媒体と、光ファイバの少なくとも一部でキャビティを規定する第１反射器および第２反射器と、励起システムとを有する。この励起システムはレーザアクティブ媒体と結合されており、光ファイバのコア内にレーザ活動を励起する。このようにして、レーザキャビティが、中空コア光ファイバにレーザアクティブ媒体を充填することにより形成され、反射器は光ファイバの両端部に配置される。レーザアクティブ媒体はガス、液体、または固体粒子のような固体とすることができる。レーザアクティブ媒体の長手方向に沿った光の利得は、レーザ活動により生じる損失よりも大きい。
【０００６】
実現例は、１つまたは複数の次のフューチャを含む。例えば励起システムは電力源を有することができ、少なくとも１つの電極は電力源からの電気エネルギーを、クラッディングを通してレーザアクティブ媒体に入力結合するよう構成されている。この電極は光ファイバの周囲に巻回されたコイルを有することができる。このコイルは、電磁エネルギーをレーザアクティブ媒体に誘導的に入力結合するよう構成されている。この電極は光ファイバの周囲にプレートのペアを有することができる。このプレートは、電磁エネルギーをレーザアクティブ媒体に容量的に入力結合するよう構成されている。電力源は発振器を有することができ、この発振器は発振電磁信号を形成するように構成されている。発振器により形成される電磁信号は約１ｋＨｚから約１００ＧＨｚの間の周波数を有することができる。
【０００７】
反射器はミラーとすることができる。少なくとも１つの反射器は、分散されたブラッグ反射器とすることができる。
【０００８】
レーザアクティブ媒体は、例えば二酸化炭素ガスとすることができる。レーザアクティブ媒体は、例えばレーザアクティブ染料とすることができる。
【０００９】
レーザは冷却ジャケットを有することができ、この冷却ジャケットは光ファイバの少なくとも一部を包囲し、冷却液がこの冷却ジャケットを通流する。
【００１０】
このレーザは、磁界を光ファイバの少なくとも一部に対して近似的に平行の方向に形成するための手段を有することができる。このレーザは、磁界を光ファイバの少なくとも一部に対して近似的に平行の方向に形成するように配置された永久磁石を有することができる。このレーザは、磁界を光ファイバの少なくとも一部に対して近似的に平行の方向に形成するように配置された電磁石を有することができる。
【００１１】
光ファイバはループに配置することができる。ファイバのコアはレーザから放射される光の波長の１００倍より小さい直径を有することができる。ファイバのクラッディングは、高屈折率の材料と低屈折率の材料が半径方向に交番する層を含むことができる。ファイバのクラッディングは、高屈折率材料と低屈折率材料が少なくとも１０回交番する層を含むことができる。光ファイバは光のエネルギー禁制帯ファイバとすることができる。ファイバのクラッディングは金属層を含むことができる。
【００１２】
別の一般的側面で、レーザ放射を発生するための方法では、ファイバのコア内にレーザアクティブ媒体を有する光ファイバを準備し、第１反射器および第２反射器を光ファイバの少なくとも第１の部分に配置し、前記第１反射器および第２反射器と前記光ファイバの第１の部分とはレーザキャビティを規定し、十分なエネルギーを光ファイバを通して、レーザキャビティ内にレーザ放射を発生させるために入力結合する。
【００１３】
実現例は、１つまたは複数の次のフューチャを含む。例えば十分なエネルギー入力結合は、光ファイバのクラッディングを通して十分な電磁エネルギーを入力結合することを含むことができる。この方法は、レーザアクティブ媒体を光ファイバのコアを通して通流すること含むことができる。
【００１４】
この方法は、冷却液を光ファイバの少なくとも第２の部分の周囲に通流し、エネルギーを冷却液を通してレーザアクティブ媒体に入力結合することを含むことができる。
【００１５】
この方法は、磁界を光ファイバの少なくとも一部に対して近似的に平行の方向に形成することを含むことができる。
【００１６】
別の一般的側面で、レーザを形成する方法では、中空プリフォームを準備し、中空プリフォームを、コアを規定する中空ファイバクラッディングに引き込み、コアをレーザアクティブ媒体により充填し、反射器を中空ファイバクラッディングに結合して、中空コア光ファイバを形成し、励起システムをレーザアクティブ媒体に結合して、中空コア光ファイバ内にレーザ活動を励起する。
【００１７】
実現例は、１つまたは複数の次のフューチャを含む。コアは、例えばガスレーザアクティブ媒体であるレーザアクティブ媒体により充填することができる。コアは、例えば液体レーザアクティブ媒体であるレーザアクティブ媒体により充填することができる。コアは、例えば固体レーザアクティブ媒体である媒体レーザアクティブ媒体により充填することができる。
【００１８】
十分なエネルギーを入力結合することは、光ファイバのレーザアクティブ媒体に電磁エネルギーを誘導的に入力結合すること含むことができる。十分なエネルギーを入力結合することは、光ファイバのレーザアクティブ媒体に電磁エネルギーを容量的に入力結合すること含むことができる。
【００１９】
中空コアファイバは比較的高いレーザ出力と、比較的高い熱放散を示す。そしてレーザ共振器を光学的に畳み込む必要はなく、複雑なレーザ共振器設計を使用せず、レーザダイオードポンピングメカニズムも使用しない。中空コアファイバレーザの非線形性は低減されているが、この非線形性は中実ファイバを使用する場合にはしばしば増大する。付加的に中空コアファイバレーザは、種々異なる波長で伝送損失が低く、したがって中空コアファイバレーザは特定の波長に制限されない。
【００２０】
他に定義しない限り、ここに使用されるすべての技術用語および科学用語は、本発明の属する技術分野の当業者により共通に理解されるのと同じ意味を有する。ここに記載されるのと類似または等価の方法と材料は、下に説明する本発明、適切な方法、および材料での実施または試験に使用することができる。ここに言及するすべての刊行物、特許出願、特許、および他の文献は、参照として本願に取り入れる。争いの場合、本明細書は定義も含めて、調整する。さらに材料、方法、および実施例は説明のためのものであり、これに制限されるものではない。
【００２１】
本発明のさらなる側面および利点は、以下の詳細な説明および特許請求の範囲から明らかとなる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】図１は、中空コア光ファイバを有する中空コアファイバレーザの概略的側面図であり、この中空コア光ファイバは誘導コイルを備えるレーザ励起システムによりポンピングされる。
【図２】図２は、図１の中空コアファイバレーザの製作手順のフローチャートである。
【図３】図３は、中空コア光ファイバを有する中空コアファイバレーザの概略的側面図であり、この中空コア光ファイバは容量性励起を行うレーザ励起システムによりポンピングされる。
【図４】図４は、多層クラッディングを有する中空コア光ファイバの概略的断面図である。
【図５】図５は、多層クラッディングを有する中空コア光ファイバの概略的断面図である。
【図６】図６は、均一の材料クラッディングを有する中空コア光ファイバの概略的断面図である。
【図７】図７は、水冷却システムとアクティブ媒体循環システムを有する中空コアファイバレーザの概略的側面図である。
【図８】図８Ａから８Ｃは、種々のレーザ励起システムによりポンピングされるコイル中空コア光ファイバを有する中空コアファイバレーザの概略図である。
【図９】図９Ａから９Ｃは、種々の共振反射器を有する中空コア光ファイバの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
図面において同様の参照符合は同様のエレメントを表わす。
【００２４】
図１に示されているように、中空コアファイバレーザ１００は中空コア光ファイバ１５０を有し、この中空コア光ファイバはレーザ励起システム１６０によりポンピングされる。中空コア光ファイバ１５０はクラッディング１０４とレーザアクティブ媒体１０６を含む。クラッディングは中空コア１０２を規定し、レーザアクティブ媒体はこの中空コア１０２内に含有されている。下でより詳細に説明するように中空コア光ファイバ１５０は、特定の波長の電磁放射を、非常に低損失（例えば０．１ｄＢ／ｍ以下）のファイバ１５０を通して伝送するように設計され、製造されている。レーザ励起システム１６０は、エネルギーをレーザアクティブ媒体１０６に入力結合し、レーザアクティブ媒体１０６を励起し、レーザアクティブ媒体１０６内に自然放射を引き起こす。
【００２５】
例えばレーザアクティブ媒体１０６は流体（例えば液体またはガス）とすることができる。例えばレーザアクティブ媒体１０６は、励起することのできるレーザアクティブ染料のような液体とすることができ、このレーザアクティブ染料はレーザ励起システム１６０により励起されて、自然放射する。別の実施例でレーザアクティブ媒体１０６は、励起することのできるガスとすることができ、このガスはレーザ励起システム１６０により励起されて、自然放射する。特別の実施例でレーザアクティブガス１０６は、二酸化炭素、ヘリウム、および窒素の混合ガスであり、約９〜１１μｍの波長の光を放射する。別の実施例で、レーザアクティブ媒体１０６は固体とすることができる。例えばレーザアクティブ媒体１０６は、固体キャリアまたは固体粒子内にドーパントを含むことができる。この固体キャリアまたは固体粒子は光ファイバ１５０のコア１０２内に埋め込まれている。別の実施例としてレーザアクティブ媒体１０６は、ナノ粒子のような固体粒子を含むことができる。またはナノパウダーの形態とすることができる。
【００２６】
例えば図１に示されているように、レーザ励起システム１６０は発振器１０８を有する。この発振器１０８は発振する電磁界を形成することができ、この電磁界は増幅器１１０により増幅され、レーザアクティブ媒体１０６に１つまたは複数のコイル１１２を通して誘導的に入力結合される。発振器１０８は、約１００ｋＨｚから約１０ＧＨｚの間の周波数で発振する電気信号を形成することができ、増幅器１１０はこの信号を増幅して、数Ｗから数千Ｗの電力の発振電流をコイル１１２に形成することができる。コイル１１２内の発振電流は発振電磁界を、ファイバ１５０の中空コア１０２内にあるレーザアクティブ媒体１０６に形成する。レーザ励起システム１６０は、増幅器１１０とコイル１１２との間に挿入されたマッチング回路網１１３を有することができる。このマッチング回路網はコイル１１２のインピーダンスを、発振器１０８および増幅器１１０を有する駆動回路のインピーダンスにマッチングする。
【００２７】
増幅器１１０からレーザアクティブ媒体１０６にコイル１１２を通して入力結合されたエネルギーは、レーザアクティブ媒体１０６を励起し、刺激されたレーザアクティブ媒体は放射し、レーザ活動が媒体１０６内で発生することができる。例えばコイル１１２によりガスレーザアクティブ媒体１０６内に形成された発振電磁界は、媒体内でガスを部分的にイオン化することができ、プラズマを形成する。プラズマからの電子がガス分子と衝突すると、ガス分子はより高い振動状態に励起される。ガス分子が低エネルギー状態に崩壊すると、ガス分子はその分子に特徴的波長の光を放射する。放射された光が別の励起分子により吸収され、再放射されると、この別の分子が励起され、同じ波長であるが、刺激放射の位相の光を付加的に放射する。プラズマ電子を光ファイバ１００の長手方向に沿って、静的磁界または変化磁界により案内することができる。この磁界は光ファイバ１００の軸に沿って配向される。例えばＤＣ電流が電源１２０により形成され、光ファイバに巻回されたコイル１２２に流れると、このＤＣ電流はコイルの軸に沿って磁界を形成することができ、ローレンツの法則にしたがい電子を案内する。磁界はまた光ファイバ１５０の軸に沿って、永久磁石によって形成することもできる。
【００２８】
中空コア光ファイバ１００はまた後方反射器１１４と前方反射器１１６を有することができ、これらの反射器は中空コア光ファイバ１５０の両端部にそれぞれ配置されている。そしてレーザアクティブ媒体１０６内の放射は、後方反射器１１４と前方反射器１１６との間で発振し、付加的な刺激放射を形成する。レーザアクティブ媒体１０６を通る放射の利得が、媒体１０６を通る放射の損失よりも大きければ、後方反射器１１４と前方反射器１１６により形成されるキャビティ内の放射全体の密度が、後方反射器１１４と前方反射器１１６との間の放射発振として増幅される。前方反射器１１６は部分的に反射性であり、部分的に透過性とすることができる。これによりキャビティ内の放射発振の一部がキャビティから出力放射ビーム１１８に放射される。
【００２９】
図２を参照すると、中空コアファイバレーザ１００はプロシージャ２００によって製作される。最初に、中空プリフォームが準備される（ステップ２０５）。この中空プリフォームは、クラッディング材料のシートを準備し、クラッディング材料を中空体に巻回することにより作製される。クラッディング材料は、チューブ状の心棒の回りにクラッディング材料を巻き付けることによって巻回される。この心棒は、完全な中空体を形成すべき場合には、巻回されたクラッディング材料の中心からエッチングにより除去することができる。次にこの中空体は、中空プリフォームを形成するためにさらに処理される。中空体の処理は、中空体を熱処理または焼成すること、中空体に他の層をクラッディングすること、そして中空体の冷却を含むことができる。クラッディング材料は、ポリ（エーテルスルフォン）（ＰＥＳ）、または他の適切な材料とすることができる。いくつかの実現例で、クラッディング材料は下で説明するように多層構造とすることができる。中空プリフォームが準備されると（ステップ２０５）、この中空プリフォームはファイバクラッディングの中に引き込まれる。このファイバクラッディングは中空プリフォームよりも長く、薄い（ステップ２１０）。中空プリフォームが引き込まれるとき、ファイバクラッディングの外径をレーザによりモニタし、最終外径とクラッディング１０４の厚さをコントロールすることができる。さらに中空プリフォームの初期の厚さと長さは、クラッディング１０４の種々の長さと厚さ考慮して調整することができる。
【００３０】
次に、中空クラッディング１０４、とりわけクラッディング１０４のコア１０２には、レーザアクティブ媒体１０６が満たされる（ステップ２１５）。１つの実施例で中空クラッディング１０４は、レーザアクティブ媒体１０６を、クラッディング１０４のコア１０２を通して送ることにより充填することができる。例えばレーザアクティブ媒体１０６が固体であれば、パウダーのような微粒子形状または結晶形状で固体材料をコア１０２に送出することができる。次に反射器１１４，１１６がクラッディング１０４に、気密または液体密のシーラントにより固定される。このシーラントは例えばエポキシ、Ｏリング、ガスケットであり、クラッディング１０４内にレーザアクティブ媒体１０６を密閉することにより、中空コア光ファイバを形成する（ステップ２２０）。最後にレーザ励起システム１６０が中空コア光ファイバ１５０に接続される（ステップ２２５）。図３に示すように別の実施例では、レーザ励起システム１６０がエネルギーをレーザアクティブ媒体１０６に入力結合し、発振器１２８を有する。この発振器１２８は発振する電磁界を形成することができる。この電磁界は増幅器１３０により増幅され、レーザアクティブ媒体１０６に容量プレート１３２ａ、１３２ｂを介して容量的に入力結合される。容量プレート１３２ａ、１３２ｂは部分的にシリンダ形状に成形することができ（例えばハーフシリンダ）、これによりプレート内面上の点は中空コア光ファイバ１５０の中心から等間隔である。発振電圧を一方のプレート１３２ａに入力し、他方のプレート１３２ｂはアース電位に保持することができる。荷電されたプレート１３２ａとアースされたプレート１３２ｂとの間で発振する電位差は、発振電磁界を、ファイバ１５０の中空コア１０２内にあるレーザアクティブ媒体１０６に形成する。これによりレーザアクティブ媒体１０６が励起され、放射とレーザ活動が媒体１０６内に発生する。
【００３１】
電磁放射が、光ファイバ内にあるガス状のレーザアクティブ媒体１０６に入力結合されている間、ガス内のプラズマの燃焼を、刺激エネルギーをガスに短時間バーストすることにより引き起こすことができる。例えば紫外線光、α波、または電気スパークをガスに適用して、プラズマを点火することができる。
【００３２】
図４を参照すると、中空コア光ファイバ１５０の実施例でクラッディング１０４は、比較的に屈折率の高い材料と比較的に屈折率の低い材料が交番する多層構造を有している。したがい１つの層４１２は比較的高い屈折率を有し、別の層４１４は比較的低い屈折率を有する。またはその反対である。例えば層４１２の材料は、セレン化ヒ素（Ａｒ2Ｓｅ3）とすることができ、約２．８の屈折率を有する。また層４１４の材料はＰＥＳとすることができ、約１．５５の屈折率を有する。Temelkuran et al.による"Wavelength-scalable hollow optical fibers with large photonic bandgaps for C02 laser transmission," Nature, Vol. 420,12 December 2002, pp. 650- 653（この文献の全内容をここに取り入れる）に説明されているように、高屈折率材料と低屈折率材料が交番する層は、光のエネルギー禁制帯構造を形成するために配置され、これは光ファイバ１５０の中空コア１０２内を伝播する光を反射する。例えば２７０ｎｍ厚のＡｒ2Ｓｅ3層４１２と、９００ｎｍ厚のＰＥＳ層４１４を交互に有するクラッディング２７０は、３．５５μｍの波長の超長波長光を低吸収（例えば０．１ｄＢ／ｍ以下）で伝送する。
【００３３】
図４に示す断面を有する中空コア光ファイバは、５−１０μｍ厚のＡｒ2Ｓｅ3層を、２５−５０μｍ厚のＰＥＳフィルム４１４に熱蒸着し、コーティングされたフィルムを巻き込み、４−１００の交番層を有する中空多層プリフォームを形成することによって作製される。また、コーティングされたフィルムはガラス心棒に巻き付けることができ、この心棒はプリフォームチューブの中心からエッチングで除去される。中空プリフォームの層は、中空プリフォームを真空中で熱によって焼成され、合体され、そしてこのプリフォームはＰＥＳの保護外層によりクラッディングすることができる。次にこのプリフォームは光ファイバに引き込まれる。この光ファイバは元のプリフォームよりも長く薄い。このプリフォームをファイバに引き込む間、生じるファイバの外径はレーザによりモニタされ、このプリフォームの最終外径がコントロールされる。このようにして、所望の直径と厚さの約±１％以内で、交番するクラッディング層の厚さが得られる。プリフォームの初期層は上記所望の厚さよりも厚くすることができ、プリフォームがファイバに引き込まれるときに最終中空コア光ファイバの長さは長くなる。
【００３４】
上に説明したように、２７０ｎｍ厚のＡｒ2Ｓｅ3層４１２と、９００ｎｍ厚のＰＥＳ層４１４を交互に有する中空コア光ファイバは３．５５μｍ波長の光を非常に低損失で伝送する。プリフォームが比較的小さい直径に縮小され、２４０ｎｍ厚のＡｒ2Ｓｅ3層と８０７ｎｍ厚のＰＥＳ層が交番するようなファイバは、３．１μｍ波長の光を非常に低損失で伝送する。
【００３５】
付加的に、より厚いクラッディング層を有する中空コア光ファイバを、ＣＯ2レーザから出力された光を伝送するために製造することができる。例えば５００〜７５０μｍのコア直径と、１３００〜１５００μｍの外径を有するファイバは、約１０〜１１μｍの波長に対して非常に低損失（例えば約０．１ｄＢ／ｍ以下）である。
【００３６】
中空コア光ファイバはまた別の設計パラメータにより作製することもできる。例えばIbanescu, et al.著、"Analysis of mode structure in hollow dielectric waveguide fibers," Phys. Rev. E, vol. 67, 046608 (2003)（この文献は本願の参照として取り入れる）に説明されているように、ｎ＝４．６とｎ＝１．６の材料を厚さ０．３３ａと０．６７ａで交番する層によりファイバを作製することができる。ここでａは２つの隣接する層の全体厚である。ファイバコアの内径は約２ａから約２０ａまで変化することができる。近似的に１０．６μｍの波長光を伝送するためのファイバが OmniGuide Communications, Inc. of Boston, MAにより製造され、販売されている。中空コア光ファイバにおいて、伝送波長（１０．６μｍ）以外の波長の伝送損失および放射損失を最小にするためには、クラッディング内の交番層の屈折率の値と厚さを適切に選択する。
【００３７】
図５を参照すると別の実現例が示されている。この中空コア光ファイバ５５０は中空シリカチューブ５０２を有し、この中空シリカチューブの内面に沿って層５０４と薄いヨウ化銀層５０６がコーティングされている。層５０４と５０６の厚さは、特定の波長または波長レンジで高い反射性を呈するように選択されている。このようなファイバは、Abel, et al.著、"Hollow glass waveguides for broadband infrared transmission," Opt. Lett., vol. 19, pp. 1034-1036 (1994) に記載されており、この文献を本願の参照として取り入れる。シリカチューブ５０２の外面は、ＵＶアクリレートまたはポリイミド５０８のポリマ層によりコーティングすることができ、ファイバ５５０の機械的強さが形成される。層５０４は、銀または他の適切な金属、例えば金、銅、またはニッケルから作製される。
【００３８】
図６に示すように、別の実現例では、中空コア光ファイバ６５０を均一の材料クラッディング６０２から作製することができ、この材料クラッディングは、コア６０４の屈折率よりも低い屈折率を有する。特定の波長に対して、所定の材料は空気または真空の屈折率よりも低い屈折率を有することができる。例えばJ.A. HarringtonとC.C. Gregory著、 "Hollow sapphire fibers for the delivery of C02 laser energy," Opt. Lett., vol. 15, pp. 541-543 (1990)（この文献を本願の参照として取り入れる）に記載のように、クラッディング６０２が、１０．６μｍ波長の光に対して約０．６７の屈折率を有する単結晶サファイヤから作製されれば、光はファイバ６５０の中空コア６０４内だけを伝播するように制限される。
【００３９】
図７には中空コアファイバレーザの別の実現例が示されている。この中空コアファイバレーザは、中空コア光ファイバ７５０を有し、レーザアクティブ媒体１０６はレーザの動作中にファイバ７５０のコア１０２を通って循環することができ、レーザ光１１８がファイバレーザから放射される。レーザアクティブ媒体１０６は、ポンプ７０２により第１チューブ７０４を通流され、入口ホール７０６を通ってファイバ７５０のクラッディング１０４内に入り、コア１０２の長手方向に沿って通流される。このクラッディング内でアクティブ媒体１０６はレーザ光を発生するために使用される。アクティブ媒体１０６はファイバ７５０のコア１０２を、出口ホール７０８を通って流出し、第２チューブ７０９に流入する。そしてアクティブ媒体１０６は第２チューブ７０９により熱交換器７１０に導かれる。入口ホール７０６と出口ホール７０８は、ファイバ７５０の壁を高出力レーザによるドリルによって穿孔することで形成することができる。第１チューブ７０４と第２チューブ７０９は、ファイバ７５０に気密な密閉剤（例えばエポキシ樹脂、Ｏリング、または他の気密シール）により取り付けることができる。
【００４０】
再生器７１０は、アクティブ媒体１０６を再生するための触媒剤を含む。例えばアクティブ媒体がＣＯ2レーザガス混合体であれば、再生器７１０はガス中のＣＯ転換に触媒作用することができ、ファイバ７５０にＣＯ2を供給する。再生器７１０から出たレーザアクティブ媒体１０６は、ポンプ７０２に供給することができる。
【００４１】
図７を参照すると、冷却液ジャケット７２０がファイバ７５０のクラッディング１０４を包囲することができ、冷却液（例えば水）７２２はポンプ７２４により冷却ジャケット７２０を通してポンピングすることができる。これにより冷却液は、中空コアファイバ７５０が図１に示すようにレーザとして運転されるときに発生する熱をファイバ７５０から奪うことができる。冷却液７２２は冷却ジャケット７２０に、ジャケットの外壁にあるインテークホール７２６を通して通流され、ジャケットにある出口ホール７２８を通って冷却ジャケット７２０から流出する。冷却ジャケットから流出する液体７２２は熱交換器７３０を通過する。この熱交換器は液体から熱を除去し、それから液体はポンプ７２４を通過し、冷却ジャケット７２０にポンピングされ戻される。エネルギーは、光ファイバ７５０のコア１０２内にあるアクティブ媒体１０６に誘導的に入力結合することができるから、エネルギーをアクティブ媒体１０６に、冷却液７２２を通して非常に低損失で入力結合することができる。エネルギーを搬送する発振フィールドの周波数が冷却液中の分子の共振周波数に一致している場合（例えば水に対しては２．４５ＧＨｚ）、エネルギーを冷却液を通して入力結合することは困難である。したがって、光学的にポンピングされるファイバレーザとは異なり、エネルギーが誘導的にアクティブ媒体１０６にポンピングされる場合には、不透明のクラッディングとジャケットをファイバ７５０上に使用することができ、ポンピングエネルギーはこの冷却ジャケットを非常に低損失で通過することができる。冷却ジャケット７２０はガラス製とすることができる。しかしフレキシブルおよび／または不透明な材料、例えばゴムホースまたはＴｙｇｏｎ(TM)チューブにより作製することもできる。
【００４２】
図８Ａには別の実現例が示されている。この中空コア光ファイバ１５０は線形ではなく、湾曲しており、および／またはコイル８０２に配置されている。このコイルは、レーザ励起システム８６０に接続されている。レーザ励起システム８６０は誘導コイル８１２を有する。この誘導コイルは、ファイバコイル８０２を包囲するか、またはその周囲に多重ループで巻き付けられている。これにより誘導コイル８１２はポンピングエネルギーを、ファイバ１５０の多重ループに同時に供給することができる。ファイバ１５０の湾曲は伝送損失を増大するが、高利得デバイス（例えばＣＯ2レーザ）については、このデバイスの利得は、光ファイバが曲げられているか、または巻回されていても、一方の端部ミラー１１４から他方の端部ミラー１１６へ往復運動するときの損失よりもなお大きい。ファイバを巻回することにより、中空コア光ファイバの構成がコンパクトになり、光を非直線の経路に導くための複雑な光学素子を必要としない。
【００４３】
図８Ａに示されるように、レーザ励起システム８６０はエネルギーを、中空コア光ファイバ１５０のコア１０２内にあるアクティブ媒体１０６に誘導的または容量的に、または誘導的かつ容量的に入力結合する。例えばレーザ励起システム８６０は発振器１０８を有する。この発振器は交流を形成し、この交流は増幅器１１０により増幅され、コイル８１２に供給される。コイル８１２は電磁エネルギーをアクティブ媒体１０６に誘導的に入力結合する。別の実施例として、レーザ励起システム８６０は発振器１２８を有する。この発振器は交流電圧を形成し、この交流電圧は増幅器１３０により増幅され、アースプレート１３２ｂに対向するプレート１３２ａに供給される。ここで、ファイバコイル８１２はプレート１３２ａと１３２ｂとの間に伸長しており、プレートは電磁エネルギーをアクティブ媒体１０６に容量的に入力結合する。
【００４４】
図８Ｂに示されるように別の実現例では、レーザ励起システム８６０が２つまたはそれ以上のコイル８１２を有する。これらのコイルは発振器１０８および増幅器１１０、または多重発振器と増幅器により駆動することができる。誘導コイル８１２は中空コア光ファイバ１５０の１つまたは複数のループの周囲に配置することができ、エネルギーをファイバ１５０内にあるアクティブ媒体１０６に誘導的に入力結合し、アクティブ媒体を励起する。これによりファイバ１５０内にレーザ活動が発生することができる。誘導コイル８１２は独立して駆動することができる。または相互に並列または直列に接続することができる。
【００４５】
図８Ｃに示されるように別の実現例では、レーザ励起システム８６０が２つまたはそれ以上の容量プレート１３２ａと１３２ｂを有する。これらのプレートは発振器１２８および増幅器１３０、または多重発振器と増幅器により駆動することができる。プレート１３２ａと１３２ｂのペアは、中空コア光ファイバ１５０の１つまたは複数のループの周囲に配置することができ、エネルギーをファイバ１５０内にあるアクティブ媒体１０６に容量的に入力結合し、アクティブ媒体を励起する。これによりファイバ１５０内にレーザ活動が発生することができる。プレート１３２ａ、１３２ｂは独立して駆動することができる。または相互に並列または直列に接続することができる。
【００４６】
図９Ａ、９Ｂおよび９Ｃを参照すると、中空コアファイバレーザ１００に対する択一的な反射器構成が示されている。図９Ａに示されるように、レーザ１００は反射器９１４と９１６を有する。これらの反射器は、全反射または部分反射する光学素子とすることができる。例えば、全反射またはほぼ全反射する光学素子９１４は、反射性金属面を有する第１の表面反射ミラーとすることができる。部分反射する光学素子９１６は、光を部分的に反射してファイバ１５０の中空コア１０２ｂに戻し、光１１８を部分的に透過してファイバ１５０から放射するガラスまたは水晶とすることができる。適切な材料を部分反射性の光学素子９１６に対して、出力光の波長、レーザ活動の出力、およびレーザキャビティの幾何形状に依存して選択することができる。例えば、アクティブ媒体が二酸化炭素であり、近似的に１０．６μｍ波長の光が約１〜１５００Ｗでファイバ１５０から出力される場合、ＺｎＳｅ結晶を使用することができる。
【００４７】
択一的に図９Ｂに示されるように、部分反射性の光学素子９１６は、中空コア光ファイバ１５０の端部から間隔ｄをおいて配置することができる。そして光ファイバ１５０は透明光学素子９１６ａによりシールすることができる。部分反射性光学素子９１６と透明素子９１６ａとの間の間隔ｄは、光学素子９１６からファイバ１５０の中空コア１０２にフィードバックされる量を調整するために（例えば１つまたは複数の調整ねじ９２０により）調整することができる。
【００４８】
択一的に図９Ｃに示されるように、中空コアファイバレーザ１００はブラッグ格子９３０を、光ファイバ１５０のクラッディング１０４に有することができる。これにより光の特定波長を選択的に反射することができる。ブラッグ格子９３０はクラッディング１０４に、クラッディング１０４内の感光性材料を露光することにより次のように描画することができる。すなわち、ＵＶ光の周期的パターンが、光のパターンに相当するパターン中にある材料の屈折率を変化させるように描画する。ブラッグ格子９３０の反射率は、ブラッグ格子９３０の長さと屈折率を調整することによりコントロールすることができる。ブラッグ格子９３０は光ファイバ１５０のクラッディング１０４内に描画されているから、アクティブ媒体１０６を光ファイバ１５０のコア１０２内に、反射性光学素子９４０と透明光学素子９４２により封印することができる。
【００４９】
別の実現例
複数の実現例を記述した。しかし種々異なる変形も可能である。相応に別の実現例が、請求項の範囲内である。
【００５０】
例えば、光ファイバ１５０は、CorActive High-Tech Inc. of Quebec Canadaから入手できる中空コア光ファイバとすることができる。別の実施例で光ファイバ１５０は、光のエネルギー禁制帯−中空ファイバとすることができ、このファイバは光を内部全反射により導くのではなく、ファイバのクラッディング内を光のエネルギー禁制帯に基づいて導く。このような光のエネルギー禁制帯−中空ファイバは、Corning of Corning, NYまたはCrystal Fibre of Blokken 84, 3460 Birkerod, Denmarkから入手できる。
【００５１】
別の実現例で、中空コアファイバレーザ１００は固体ブロック内に取り付けることができる。この固体ブロックは土台として作用し、中空コア１０２の端部をシールするデバイスである。このようにして反射器１１４，１１６をブロックに取り付けることができる。さらにブロックには開口部を設けることができ、この開口部はレーザアクティブ媒体に対するインレットまたはアウトレットになる。１つの実現例で、固体ブロックはアルミニウム製である。
【００５２】
したがい例えば、入口ホール７０６と出口ホール７０８は、ブロックを高出力レーザによるドリルによって穿孔することで形成することができる。この場合、第１チューブ７０４と第２チューブ７０９はブロック内に形成され、ホール７０６，７０８はクラッディング１０４の端部と反射器との間に個所でコア１０２にアクセスする。したがいアセンブリ全体はブロックにより封鎖され、反射器がクラッディング１０４を直接封鎖するのではない。
【００５３】
別の実現例では、小さな穴をクラッディング１０４に穿孔することができ、これによりレーザアクティブ媒体をクラッディング１０４の中空コア１０２に導入することができる（図２、ステップ２１５）。したがい中空コア１０２を充填した後、このクラッディング１０４にある穴は気密または液密な密閉剤により封鎖される。
【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８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【国際調査報告】
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