(57)【要約】  簡潔に言うと、本発明は、複数の半導体レーザダイオードの出力光ビームを合成するシステム、例えば、輝度が増した合成光ビームを形成するシステムに関する。半導体レーザダイオードからの出力光ビームは、ファイバ結合ダイオードアレイを形成する複数の光ファイバに結合される。ファイバ結合ダイオードアレイを形成する光ファイバは、中心コアを有するデュアルクラッド光ファイバに結合される。ファイバ結合ダイオードアレイからの光ファイバからの出力光ビームは、デュアルクラッド光ファイバの内側クラッドに結合される。ストークス種源を中心コアに適用し、内側クラッドのダイオード光がポンプ源として働き、誘導ラマン散乱によりストークスビームを増幅する。それによって、内側クラッドから中心コア内のストークスビームにパワーを移す。本発明による構成により、複数の半導体ダイオードからの出力光ビームを単に合成しただけの既知の技法より輝度レベルが比較的高いストークス出力光ビームが提供され、既知のシステムに求められる比較的精密な位置合わせの必要性がなくなり、レンズにかかるコストが削減される。
2007508699.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）複数の光ファイバを有するファイバ結合ダイオードアレイを設けるステップと、
（ｂ）コア、内側クラッドおよび外側クラッドから形成されたデュアルクラッドファイバを設けるステップと、
（ｃ）ストークス種源を設けるステップと、
（ｄ）前記複数の光ファイバを前記内側クラッドに結合するステップと、
（ｅ）前記ストークス種源を前記コアに結合するステップと
を備えたことを特徴とする半導体レーザダイオードアレイの輝度を増す方法。
【請求項２】
ステップ（ｂ）は、ガラス材料から形成されたデュアルクラッドファイバを設けるステップを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
ステップ（ｂ）は、溶融シリカから形成されたデュアルクラッドファイバを設けるステップを含むことを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項４】
ステップ（ｂ）は、テルライトから形成されたデュアルクラッドファイバを設けるステップを含むことを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項５】
ステップ（ｂ）は、コア、内側クラッドおよび外側クラッドから形成されたデュアルクラッドファイバを設けるステップを含み、前記内側クラッドの屈折率は、前記コアの屈折率より小さいことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項６】
ステップ（ｂ）は、コア、内側クラッドおよび外側クラッドから形成されたデュアルクラッドファイバを設けるステップを含み、前記内側クラッドは、非円形形状であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項７】
ステップ（ｂ）は、コア、内側クラッドおよび外側クラッドを有するデュアルクラッドファイバを設けるステップを含み、前記内側クラッドは、六角形断面であることを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項８】
ステップ（ｂ）は、コア、内側クラッドおよび外側クラッドを有するデュアルクラッドファイバを設けるステップを含み、前記内側クラッドは、矩形断面であることを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項９】
ステップ（ｂ）は、コア、内側クラッドおよび外側クラッドから形成されたデュアルクラッドファイバを設けるステップを含み、前記外側クラッドの屈折率は、前記内側クラッドの屈折率よりも小さいことを特徴とする請求項５に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体ダイオードレーザに関し、より詳細には、誘導ラマン散乱を利用する半導体レーザダイオードの輝度強化に関する。
【背景技術】
【０００２】
当技術分野において、半導体レーザダイオードは周知である。固体レーザの光ポンピングを含む各種の用途にこのような半導体レーザダイオードが用いられている。各種の用途に用いられる半導体ダイオードレーザの例が同一の出願人が所有する特許文献１、特許文献２、特許文献３、および特許文献４に開示されている。このような半導体レーザダイオードを用いて、Ｎｄ：ＹＡＧスラブを光学的に励起し、エネルギーが比較的高いメタステーブル状態にする。
【０００３】
このような半導体レーザダイオードの出力パワーおよび出力輝度あるいは出力強度を増す技法は周知である。例えば、半導体ダイオードレーザアレイからの熱除去を最適化することによって出力パワーを最適化する半導体ダイオードレーザアレイが特許文献５に開示されている。特許文献５は特に、熱交換器に熱的に接続されたダイオードレーザバーを含むダイオードレーザアレイを開示する。このような構成にすると、廃熱除去が最適化され、半導体ダイオードの輝度を増すことができる。
【０００４】
このような半導体レーザダイオードの輝度をさらに増すために、半導体ダイオードからの出力光ビームの結合効率が向上してきている。例えば、半導体レーザアレイから複数の光ファイバへの出力光ビームを光結合し、各光ファイバは、アレイ内にある個々の半導体ダイオードレーザに結合されるシステムが特許文献６に開示されている。複数のミラーおよびレンズを用いて、各半導体ダイオードからの出力光ビームを光結合し、アレイを各々の光ファイバに形成する。
【０００５】
このような半導体ダイオードレーザの輝度レベルや強度レベルは、個々の半導体ダイオードレーザのいずれかの出力光ビームの輝度よりも高い輝度を有する単一の複合ビームに半導体レーザダイオードアレイからの個々の出力光ビームを合成することによってさらに増している。特に、特許文献７、特許文献８、および特許文献９に、複数の半導体ダイオードレーザの出力光ビームを比較的高い輝度を有する複合光ビームに合成する各種技法が開示されている。特に、特許文献７には、各半導体ダイオードレーザの出力を円形断面を有した光ファイバに集光するための複数のレンズを含む半導体ダイオードアレイが開示されている。複数の光ファイバは、光学コンバイナに順に結合される。光学コンバイナは、それに光結合される全光ファイバの個々の断面を囲むのに十分な断面を有する光導波路から形成されている。その任意のファイバの出力は、半導体レーザダイオードの個々の出力光ビームのいずれよりも高い輝度を有する単一の出力光ビームである。また、特許文献７にはそのほか、光学コンバイナの出力の下流装置に対する結合効率をさらに向上するように特別に形成された光導波路が開示されている。
【０００６】
特許文献８には、半導体レーザダイオードの輝度を強化するさらに別の方法が開示されている。特に、特許文献８には、半導体ダイオードレーザアレイにある各半導体レーザダイオードからの個々の出力光ビームを単一の光スポットに集光する光システムにおいて半導体レーザダイオードアレイを含むシステムが開示されている。この光サブシステムは、半導体レーザダイオードアレイの長さと同じ長さに構成された円筒形のレンズを含む。円筒形のレンズを用いて横発散を減らすことで、各半導体レーザダイオードからの光を特定の方向にコリメートする。円筒形のアレイレンズの下流にレンズアレイを設ける。レンズアレイは、アレイにある各半導体ダイオード用に単一のレンズレットを含む。レンズアレイは、光ビームの発散をさらに減らす。集光レンズ１９を用いて、レンズアレイ内の個々のレンズレットそれぞれからの出力光ビームを比較的輝度が増した単一の光スポットに収束する。
【０００７】
また、特許文献９には、半導体ダイオードのアレイの出力ビームを合成し、輝度およびパワーの密度が増した合成ビームを提供することによって、半導体ダイオードの出力ビームの輝度を増す技法が開示されている。特許文献９は、特許文献８に類似しており、半導体ダイオードのアレイからの出力光ビームを単一の光スポットに集光レンズを用いて集光するために、円筒形のレンズおよびレンズアレイを利用する。
【０００８】
【特許文献１】米国特許第５，５５５，２５４号明細書
【特許文献２】米国特許第５，６４６，７７３号明細書
【特許文献３】米国特許第６，０９４，２９７号明細書
【特許文献４】米国特許第６，１７８，０４０号明細書
【特許文献５】米国特許第５，７６４，６７５号明細書
【特許文献６】米国特許第５，２９９，２２２号明細書
【特許文献７】米国特許第５，６６８，９０３号明細書
【特許文献８】米国特許第５，７９３，７８３号明細書
【特許文献９】米国特許第６，００５，７１７号明細書
【特許文献１０】米国特許第６，２２９，９３９号明細書
【特許文献１１】米国特許第５，６７５，６８５号明細書
【特許文献１２】米国特許第６，３７７，４１０号明細書
【非特許文献１】Lina Lee著、「Coupling of High Power Diode Lasers and Fibers」、ＳＰＩＥ学会誌、２０００年１０月、４２２５巻、Ｐ．２０１−２０３
【非特許文献２】Skutnik他著、「fiber coupling of diode arrays for high brightness; planning considerations」、ＳＰＩＥ学会誌、２００２年６月、４６２９巻、ｐｐ．８６‐９３
【非特許文献３】R. Stegeman他著、「Tellurite Glasses With Peak Absolute Raman Gain Coefficients Up to 30 Times That of Fused Silica」、Optics Letters、２００３年７月１日、２８巻、No.１３
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上に論じたシステムは、輝度が増した半導体ダイオードアレイを提供するが、輝度が増した出力ビームを発生させるために、光学的な位置合わせをかなり正確にする必要がある。さらに、このような先行技術のシステムには、多数のレンズが必要であり、システムのコストが増加する。このため、安価で、比較的位置合わせが精密でなくてもよい半導体ダイオードの輝度を増す方法が必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、複数の半導体レーザダイオードの出力光ビームを合成するシステム、例えば、輝度が増した合成光ビームを形成するシステムに関する。半導体レーザダイオードからの出力光ビームは、ファイバ結合ダイオードアレイを形成する複数の光ファイバに結合される。ファイバ結合ダイオードアレイを形成する光ファイバは、中心コア、内側クラッドおよび外側クラッドを有するデュアルクラッド光ファイバに結合される。ファイバ結合ダイオードアレイからの光ファイバからの出力光ビームは、デュアルクラッド光ファイバの内側クラッドにポンプ光として結合される。ストークス種源が中心コアに適用され、誘導ラマン散乱によってポンプ光により増幅される。本発明による構成により、複数の半導体ダイオードからの出力光ビームを単に合成しただけの既知の技法より輝度レベルが比較的高い出力ストークス光ビームが中心コアから提供され、既知のシステムに求められる比較的精密な位置合わせの必要性がなくなり、レンズにかかるコストが削減される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
下記の詳述および添付図面を参照すると、本発明のここにあげた利点や他の利点が容易に理解されよう。
【００１２】
本発明は、１つまたは複数の半導体ダイオードレーザの輝度を強化する技法に関する。既知のシステムとは違い、本発明によるシステムにより、半導体ダイオード出力ビームの輝度を強化するのと同時に、精密な位置合わせおよび複数のレンズが不要となる。後により詳細に論ずるように、本発明によるシステムは、ダイオードアレイを形成する複数の半導体ダイオードからの出力光ビームを、中心コアを有するデュアルクラッド光ファイバ内で合成光ビームに合成する。光ファイバの内側コアにストークス種光源を閉じこめ、ファイバ結合ダイオードアレイからの出力光ビームを、内側クラッドに閉じこめる。ファイバ結合光ビームは、ポンプ源として動作し、周波数でシフトされアレイを形成する半導体レーザの合成光ビームの輝度を超える輝度を有する出力ストークスビームを提供するために、誘導ラマン散乱を用いて中心コア内でストークス種ビームを増幅する。
【００１３】
図１を参照すると、本発明によるシステムは、参照番号２０で一様に識別され、ファイバ結合ダイオードアレイ２２、ラマン増幅器２４、およびストークス種光源２６を含む。ラマン増幅器２４の出力を、何らかの用途に直接用いても、さらに輝度を増すために別のラマン増幅器に結合してもよく、あるいは高出力のデュアルクラッドファイバレーザまたは増幅器をポンプするために利用してもよい。
【００１４】
ファイバ結合ダイオードアレイについては当技術分野において公知である。このようなファイバ結合ダイオードアレイの例は、同一の出願人が所有する特許文献１０と同様に、特許文献１１、特許文献５および特許文献１２に開示されている。このようなファイバ結合ダイオードアレイの例はそのほか、非特許文献１や、非特許文献２に開示されている。ファイバ結合ダイオードアレイの具体的な種類は重要ではない。本発明に適するファイバ結合ダイオードアレイの一例はＬａｓｅｒｌｉｎｅ  ＧｍｂＨ（www.laserline.de）製の型番ＬＤＦ−４００である。
【００１５】
図１に示すように、ファイバ結合ダイオードアレイ２２は、ファイババンドル２８に結合される。ファイババンドル２８は、複数の周辺ファイバ３０、３２、３４、３６、３８、４０、とコアファイバ４２を含む。各種半導体ダイオード５２、５４、５６、５８、６０からの各光ファイバ４４、４６、４８および５０は、周辺光ファイバ３０−４０に結合されている。ストークス種源２６は、ファイババンドル２８のコア４２に結合されている。ファイババンドル２８は、デュアルクラッド溶融シリカファイバ６２から形成されるラマン増幅器２４に光結合される。図１に示すように、デュアルクラッド溶融シリカファイバは、コア６４、内側クラッド６６、および外側クラッド６８を含む。デュアルクラッド溶融シリカファイバ６２のコア６６は、ファイババンドルのコア４２に光結合されている。このように、ストークス種源２６は、デュアルクラッド溶融シリカファイバ６２の内側コア６４に閉じ込められる。
【００１６】
ストークス種源は、デュアルクラッドラマンファイバの中心コア内で誘導ラマン散乱によって効率良い増幅およびポンプ光からストークス放射にパワー変換を行うのに適切な波長およびスペクトル幅の特性を有するレーザ、好ましくは半導体レーザであってもよい。特に、ストークス種の光周波数は、ラマン周波数シフトに等しい量までポンプ光周波数より低くなるように選択してもよい。このラマンシフトは、典型的な溶融シリカファイバでは概ね１３ＴＨｚであるが、概ね２２ＴＨｚのラマンシフトを有するテルライトガラスなど異なる成分を有する他の材料においては異なることもある。ストークス種のスペクトル幅は、ラマン増幅およびポンプからストークスへのパワー変換の効率が最大のときのポンプ光スペクトルの幅よりも狭いことが好ましい。ストークススペクトル幅がより狭いと、比較的精密な波長要件を有するレーザ媒体の光ポンピングなど、スペクトルパワー密度がより高いことが有利になる用途においても有用である。
【００１７】
上記のレーザ源からのストークス種放射はまず、ダイオード光をポンプ光ファイバの中に集めるために用いる手段に類似した手段を用いて光ファイバに結合される。次に、ストークス種ファイバは、ラマンファイバの内側クラッド内でファイバ結合ポンプ光によって入力が増幅されると、ラマンファイバの中心コアに結合される。
【００１８】
デュアルクラッド溶融シリカファイバ６２の内側クラッド６６は、ファイババンドル２８の光ファイバ３０−４０と結合するために十分な面積を有して形成されている。つまり、内側クラッド６６の断面積は、ファイババンドル２８内の複数の光ファイバ３０−４０の断面積以上でなくてはならない。例えば、図１に示すように構成された周辺ファイバ３０−４０を６本有するファイババンドル２８に対しては、内側クラッド６６は、光結合効率を最適にするために六角形に形成される。内側クラッド６６は、外側クラッド６８によって囲まれている。クラッドの形状は異なる可能性もある。
【００１９】
デュアルクラッドファイバは、例えば、非特許文献３に開示されているように、各種ドーパントを加えた溶融シリカおよびテルライトガラスなどのガラス材料から作製することができる。ファイバ構造は、ストークス波長での低次モード伝播を維持するだけの大きさがある小さな中心コアからなる。コア材料は、上記の参考文献に述べられている利得係数の値が２０から３０倍大きいテルライトガラスなど、純粋な溶融シリカと比較して大きなラマン利得係数を有するガラスが好ましい。コアの直径は、一般的に約１０から２０マイクロメートルであり、コア材料のストークス波長における屈折率よりもわずかに小さい屈折率である内側クラッド材料によって囲まれている。屈折率の差は、コアの開口数（ＮＡ）を約０．１５以下の値に制限するように選択される。
【００２０】
内側クラッドは、内側クラッド内における不要な誘導ラマン散乱を防止するために、ラマン利得係数がはるかに小さいガラスを用いる。内側クラッドは一般的に、六角形断面または矩形断面など非円形形状であり、対角寸法は約数百マイクロメートルである。また、内側クラッドは外側クラッドによって囲まれており、外側クラッドのダイオード波長における屈折率は、約０．４よりも大きなＮＡ値でマルチモード伝播を閉じ込めるために内側クラッドの屈折率より十分小さい。非円形形状によって、内側クラッドによる反射を繰り返し、内側クラッド内の光がコア領域を確実に横断する。それにより、ダイオード光のパワーをストークスビームに変換しつつ、ダイオード光がコア内でのストークス放射を誘導ラマン散乱により増幅する手段が提供される。より大きな内側クラッド内のダイオード光パワーをはるかに小さいコア内のストークスビームパワーに移すことは、ビームがそれ相応に小さく、より発散が少ない出力ビームに導く重要なプロセスである。輝度は、パワーに比例し、ビームのサイズと発散量には反比例し、ラマン増幅器内での輝度強化要素は、内側クラッド対コアのサイズ比が大きいことと、各ＮＡ値の比から生じる。例えば、コアが１０ミクロン（ＮＡ＝０．１）である４００ミクロンの内側クラッド（ＮＡ＝０．４）であれば、ストークスパワー変換へと効率よくポンプすることによって、輝度を約４０×４＝１６０倍まで強化する要素に理論的にはなり得る。
【００２１】
ファイババンドルは、その合成された直径とＮＡ値がラマン増幅器ファイバの内側クラッドのそれよりも小さいマルチモードファイバからなり、それにより効率よく結合するために内側クラッド内部にダイオード光がすべて確実に閉じ込められる。ファイババンドル内の中心ファイバは、ストークス種ビームを運ぶシングルモードファイバであり、その中心ファイバはラマン増幅器ファイバの中心コアへ融着接続される。
【００２２】
上述したように、デュアルクラッド溶融シリカファイバ２０の内側コア６４にストークス種源２６を閉じ込めることにより、ファイバに沿って誘導ラマン散乱すると、内側クラッド６６内のダイオードレーザ光は、シフトした波長を有するストークス放射に変換される。合成ダイオード光は、ポンプ源として働き、中心コア内のストークス種を増幅する。したがって、増幅したストークスビームは、ポンプ光からパワーを得て、そのパワーをより小さな中心コアに閉じ込め、複数の半導体ダイオードの出力光ビームを単に合成しただけである既知のシステムより輝度レベルが比較的高くなる。
【００２３】
上記を考慮した上で、本発明に修正および変形を多数加えることができるのは言うまでもない。したがって、当然のことながら、添付請求項の範囲内で、上述したのとは他のやり方で本発明を実施することができる。
【００２４】
特許請求の範囲および特許証による保護が望まれることは下記のとおりである。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】半導体ダイオードレーザの輝度を強化する本発明によるシステムのブロック図である。
【図１】
2007508699.tif 000003
【国際調査報告】
2007508699.tif 000004