(57)【要約】      （修正有）【課題】比較的短いファイバ長に沿った数kWのマルチモード(「MM」)ポンプ光の約90%超を吸収し、ほぼ基本モードの数kWの出力を放射するように構成された増幅ファイバを提供する。【解決手段】ハイパワーファイバレーザシステムが、自由空間にわたって延びるファイバ増幅器として構成されるブースタ１４と、ポンプ源と、ポンプ光を受け、ブースタ１４の出力端部に向かって逆信号伝播方向に反射する反射素子３０を含むレーザヘッドとを含む。ブースタは、同心および共に延びる円錐台形状マルチモード(「MM」)コア３８ならびにコアの周りのクラッディングと共に構成される。コアは、小直径SM入力コア端部と大直径MM出力コア端部との間に拡がり、単一モード(「SM」)信号光が入力コア端部から出力コア端部に伝播するとき、高次モードの増幅がほぼ抑制されるように構成されたモード遷移領域を含む。【選択図】図５
2019033262.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
それぞれのkWパワーMMポンプ光を放射する1つまたは複数のポンプ源と、入力受動ファイバに沿って案内される単一モード（SM）信号光を放射するSM発振器と、を収容する1つまたは複数のキャビネットと共に構成されたコンソールと、
縦軸に沿って中心が置かれ、前記コンソールとレーザヘッドとの間の自由空間に亘って延在する開放された送達ケーブルと、
送達ケーブルを通じて延び、同心および共に延びるマルチモード(「MM」)コアならびにMMコアの周りの少なくとも1つのクラッディングと共に構築された、細長いファイバブースタであって、前記入力受動ファイバは、前記ファイバブースタの入力端部にスプライスされており、前記MMコアが非一様な形状であり、小直径入力一様形成MMコア領域と大直径出力一様成形MMコア領域との間に拡がり、SM信号光がMMコアに沿って伝播方向に誘導されるとき、高次モードの増幅がほぼ抑制されるように構成されるモード遷移領域を含み、前記ファイバブースタの出力端部は前記レーザヘッドによって直接的に受容される、ファイバブースタと、
前記コンソールとレーザヘッドとの間の自由空間に亘って延在し、互いに、および送達ケーブルと間隔を置いて配置された複数の開放されたポンプ光出力ファイバであって、各出力ファイバが、MMポンプ光を前記伝播方向に誘導する、複数の開放されたポンプ光出力ファイバと、
前記レーザヘッドの端部に取り付けられ、前記ポンプ光を前記ファイバブースタの前記出力端部に逆伝播方向に向け直すように構成されたミラーであって、前記ファイバブースタが、ほぼ単一モード（SM）でkWからMW範囲の信号光を放射するミラーと、
を備える、単一モード(「SM」)超ハイパワーファイバレーザシステム。
【請求項２】
前記ポンプ光が、前記MMコアの出力端部に結合される、請求項1に記載のファイバレーザシステム。
【請求項３】
前記ファイバブースタの前記クラッディングが、
前記コアの前記モード遷移領域と共に延びるテーパー領域と、
少なくとも前記テーパー領域および大直径出力領域に沿って延びる、細長い内部リングであって、前記細長い内部リングが、前記クラッディングよりも低い屈折率と共に構築され、前記クラッディングを内部サブクラッディングおよび外部サブクラッディングに分割し、前記内部サブクラッディングが、前記MMコアに隣接し、前記ポンプ光を受けるように構成され、ポンプ光出力ファイバの各々の開口数(「NA」)が、最大でも前記ファイバブースタの前記内部サブクラッディングと同じ大きさである、細長い内部リングと共に構築される、請求項1に記載のファイバレーザシステム。
【請求項４】
前記内部サブクラッディングが、その大部分の長さに沿って、結合されたMMポンプ光を導波し、前記クラッディングの前記テーパー領域が、前記ポンプ光の少なくとも約90%が前記コアの前記モード遷移領域に沿って吸収されるときまたはその後に、前記内部サブクラッディングから前記外部サブクラッディングに分離される前記結合されたポンプ光のそれぞれの対称モードおよび非対称モードの反射角を増大させるように選択された開口角で構築される、請求項3に記載のファイバレーザシステム。
【請求項５】
向け直されたポンプ光が前記ファイバブースタの前記出力端部に結合されるように、前記レーザヘッドにそれぞれ取り付けられ、前記ミラー上に前記ポンプ光を集束させるように動作可能である複数の光集束アセンブリをさらに備える、請求項1に記載のファイバレーザシステム。
【請求項６】
前記光集束アセンブリが、それぞれの出力ポンプ光ファイバを受け、それぞれX-Y-Z座標系でそれぞれのポンプ光の出力を調節するように構成される、請求項5に記載のファイバレーザシステム。
【請求項７】
前記ミラーが、前記ファイバブースタの縦軸を中心に置かれ、それぞれのポンプ源からの前記MMポンプ光を前記ファイバブースタの前記出力端部に結合するように、前記縦軸に垂直に延びるそれぞれの軸の周りに互いに変位するように動作可能な複数のセグメントを含む、請求項1に記載のファイバレーザシステム。
【請求項８】
前記ミラーの前記セグメントが、前記ファイバブースタに向かって狭まる円錐台形状で構成される、請求項7に記載のファイバレーザシステム。
【請求項９】
それぞれの送達ケーブルおよびブースタの対向する表面が、それらの間のスペースを画定する、請求項1に記載のファイバレーザシステム。
【請求項１０】
前記スペース内に配置された冷却システムをさらに備える、請求項9に記載のファイバレーザシステム。
【請求項１１】
前記冷却システムが、冷却剤によって横切られる少なくとも1つのパイプを含む、請求項10に記載のファイバレーザシステム。
【請求項１２】
前記冷却システムが、前記ブースタの外面に結合された高分子被覆を含み、
前記高分子被覆が、
約1.33より下の屈折率、
最大約数百℃の動作温度、および
約6から約50umの間の範囲の厚さ
と共に構成される、請求項10に記載のファイバレーザシステム。
【請求項１３】
前記レーザヘッドが、前記ポンプ光出力ファイバおよびファイバブースタのそれぞれの出力端部を受ける複数のコネクタと共に構成される、請求項1に記載のファイバレーザシステム。
【請求項１４】
制御電子システムをさらに備える、請求項1に記載のファイバレーザシステム。
【請求項１５】
前記内部サブクラッディングが、少なくとも0.22のNAで構築される、請求項3に記載のファイバレーザシステム。
【請求項１６】
前記コア、内部クラッディング、および細長い内部リングの各々のテーパリング比が少なくとも2となるように前記開口角が選択される、請求項4に記載のファイバレーザシステム。
【請求項１７】
それぞれの内部サブクラッディングおよびコアの直径間の比が、少なくとも約5に対応し、それぞれの外部サブクラッディングおよびコアの直径間の比が約10である、請求項4に記載のファイバレーザシステム。
【請求項１８】
前記細長い内部リングの領域がフッ化物のイオンでドープされる、請求項3に記載のファイバレーザシステム。
【請求項１９】
前記細長い内部リングの対向する端部が、それぞれ約15μmおよび約30μmの厚さである、請求項3に記載のファイバレーザシステム。
【請求項２０】
前記クラッディングのテーパー領域のそれぞれの小さい端部および大きい端部の外径が、それぞれ約200μmおよび約400μm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２１】
前記コアが、約100ppmから約10000ppmの間で変動する濃度でドープされる希土類イオンのグループから選択された光活性剤でドープされる、請求項1に記載のファイバレーザシステム。
【請求項２２】
前記ファイバブースタが、屈折ステップインデックスプロファイルと共に構成され、前記コアの屈折率プロファイルが、平坦な頂部で終了する概して円錐台形状を有する比較的高い屈折率領域に達する、比較的低い屈折率領域を含むように、前記コアがゲルマニウムのイオンでさらにドープされる、請求項21に記載のファイバレーザシステム。
【請求項２３】
前記クラッディングを取り囲み、約20μmから約40μmの間で変動する厚さを有する外部被覆をさらに備える、請求項1に記載のファイバレーザシステム。
【請求項２４】
前記モード遷移領域の長さが約4メートルであり、前記コアの全長が、約20kWの増幅されたSM信号光のパワーで、約5メートルから約7メートルの間である、請求項1に記載のファイバレーザシステム。
【請求項２５】
前記ファイバブースタおよびポンプ光送達ファイバの前記出力端部にそれぞれスプライスされ、円筒形の断面または概して円錐形状の断面を有する、無心石英ガラスロッドをさらに備える、請求項1に記載のファイバレーザシステム。
【請求項２６】
前記ファイバブースタが、一体構造で構成され、互いに融合された複数の部品を含む、
請求項1に記載のファイバレーザシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、ほぼ基本モードで、それぞれ数十kWレベルの平均パワー出力およびmWレベルのピークパワー出力を放射するように動作可能なハイパワーファイバレーザシステムに関する。詳細には、本開示は、ポンプ光を増幅器の出力端部に逆伝播方向に向け直すリモートレーザヘッドにすべて直接的に結合された、複数の開放された、間隔を置いて配置された増幅器およびポンプ光出力ファイバと共に構成されたコンパクトな単一モード(「SM」)ハイパワーファイバレーザシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
過去10年間にわたる、希土類ドープされたファイバソースからの出力パワーの劇的な上昇により、出力パワー、ビーム品質、総合効率、コンパクトさ、および波長柔軟性の点で優れた性能を有する様々なファイバレーザシステムが生み出された。一般に、出力パワーの急増は、とりわけ、ラージモード直径2重クラッド(large mode diameter double clad)(「LMADC」)ファイバの開発と、以下で簡潔に論じる半導体ダイオードポンプのパワーおよび輝度の増大とを含むいくつかの要素により可能となった。
【０００３】
能動DCファイバの発展は、コアサイズの増大に関連付けられ、コアサイズの増大により、ラージモードエリアによる非線形効果(「NLE」)に対する感受性が低下し、コア−クラッディングエリア比が改善され、ポンプ吸収が高まる。しかし、ほぼSMのみをサポートする大直径コアは、ステップインデックスファイバで著しい制限も課す。ファイバレーザ技術の技術者には周知のように、SMファイバは、正規化された約2.405に等しい周波数パラメータ
【０００４】
【数１】
2019033262.tif 000003
【０００５】
によって特徴付けられ、ただしRco=コア半径、Δn=ncore2-Nclad2である。したがって、DCファイバでの高次モードの生成を防止するために、ファイバのNAがかなり低減されるべきであり、それにより、コア内のガイディングが弱くなり、曲げ損失に対してファイバが過度に敏感になる。
【０００６】
現代のレーザダイオードポンプの発展はまた、ダイオードポンプがLMADCファイバと共に使用されるときは特に、連続的パワー増大および輝度にも非常に寄与する。しかし、以下で論じるように、ファイバデバイスのスケーラビリティを制限するファイバ増幅器の既知の幾何形状を含む多くの要素のために、ポンプパワーのレベルは無制限ではない。
【０００７】
ポンプ/DC構成を含むファイバシステムを参照すると、ポンプ吸収は、増幅ファイバのコア/クラッド直径比に依存する。励起された場合に、出力光の品質が受け入れられるレベルより下に直ちに低下する高次モード(「HOM」)の励起および増幅のために、コアサイズを一定値より上に拡大することはできない。限定されたコア寸法もクラッドのサイズを制限する。そうでない場合、コア/クラッド直径比が受け入れられないほど低下し、ポンプ光の輝度および吸収を低減するからである。結果として、クラッド直径およびコア直径の制限は、ポンプ光量に影響を及ぼし、それにより、ファイバ増幅器のパワーが制限される。
【０００８】
最近、ファイバレーザ業界は、ファイバ増幅器のスケーラビリティに対処するために、増幅器チェーンの出力ステージで一般に使用される結晶ファイバロッドに注目している。空気孔クラッド技術に基づいて、結晶ファイバロッドは、増大する直径ポンプコアを画定する内部クラッディングを有する2重クラッド構造を含む。
【０００９】
ファイバロッドのドープされたコアは、非常に小さいNAを有し、低ドーパント濃度を一般にホストする融解石英/水晶から作成される。前述の特性は、以下で説明するように、ファイバロッドに基づくレーザシステムのスケーラビリティに有害に影響を及ぼし得る。
【００１０】
約0.02を通常は超えない低い開口数は、レーザシステムがCWで動作するか、それともパルスレジームで動作するかに応じてkW-MW範囲の超ハイパワーに達するのに必要な量でコア内に結合され得るハイパワーポンプ光量を制限する。したがって、十分なポンプ光量が、ポンプコア/内部クラッディング内だけに結合され得る。クラッド結合されたポンプ光の吸収がコア結合された光の約8分の1であることをファイバレーザ技術の技術者は周知である。したがって、クラッド結合されたポンプ光を十分に利用するために、ファイバロッドは、数十(通常は50超)センチメートルから数十メートルの間で変化する長さを有するべきである。したがって、入手可能な最短のファイバロッドでさえも、NLEの存在によって有害に影響を受ける。もちろん、後者はレーザのパワースケーラビリティを重大に制限する。
【００１１】
イッテルビウム(「Yb」)などの低濃度のイオンは、通常は約700ppmである。そのような低いドーパント濃度では、ポンプ光の吸収も低い。たとえば、いくつかの適用例では、920nmのNdドープされたファイバレーザポンプの使用が非常に望ましい。しかし、低濃度のYbドーパントによる920nmでの吸収は特に低い。十分な吸収を実現するために、ファイバロッドの全長が増大されるべきである。上記で論じたように、全長の増大により、NLEに対するしきい値が低下し、それにより、増幅器のパワースケーラビリティが限定される。
【００１２】
ファイバロッドのオープンエンド構造も問題である。通常、エアギャップ全体を通じて入力信号を発射することは、マイクロオプティクスのみによって実現され得る。もちろん、後者はレーザ構成全体を複雑にし、厄介で費用のかかるものにする。ギャップ内または孔内の空気の存在により、熱伝導率特性が低下する。具体的には、空気孔により熱の放散が低速になり、それにより、ロッド自体が損傷し、環境災害が引き起こされ得る。
【００１３】
周知のハイパワーファイバレーザシステムは、これらのシステムが配置されるスペースが通常は制限されるために非常に望ましい、コンパクトであることからは程遠い。ファイバ導波路の実質的な長さに加えて、一般に、周知のシステムは、レーザ処理されるべきワークピースまたは表面に、増幅された信号光を誘導する、長い送達受動ファイバを含む。局所的要件に従って、送達ケーブルの長さは実際には無制限であり、数十メートル以上に達し得る。コンパクトさの他に、受動ファイバ送達ケーブルの使用もパワー損失に影響を及ぼす。送達ケーブルは、増幅器ファイバの出力に直接的または間接的にスプライスされるべきであり、その結果、信号光のスプライスパワー損失が生じ得る。低パワー損失であっても、ハイパワーファイバレーザシステムの非常に競争的な世界では望ましくない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
したがって、比較的短いファイバ長に沿った数kWのマルチモード(「MM」)ポンプ光の約90%超を吸収し、ほぼ基本モードの数kWの出力を放射するように構成された増幅ファイバが求められている。
【００１５】
通常のLMADCファイバよりもかなり高いNAと共に構成される前述の増幅ファイバも求められている。
【００１６】
増幅されたポンプ光をレーザヘッドに直接的に送達する、前述の増幅器ファイバを備える超ハイパワーファイバレーザシステムがさらに求められている。
【００１７】
増幅ファイバの内部クラッディングの所望の領域に制御可能に結合されるポンプ光を放射する数kWポンプシステムと共に構成される超ハイパワーファイバレーザシステムがさらに求められている。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本開示によれば、開示されるハイパワーファイバレーザシステムは、ほぼ基本モードの約20kW以上などの数kWの信号光を放射するように動作可能である。システムは、ポンプ源、任意選択の予備増幅カスケード、エレクトロニクス、冷却システム、およびハイパワーSMの出力を放射するのに必要なすべての他のデバイスをそれぞれ含む1つまたは複数のキャビネットを含む静止コンソールと共に構成される。ポータブルレーザヘッドは、ビーム誘導オプティクスを備え、コンソールから間隔を置いて配置される。ファイバ増幅器またはブースタが横切る送達ケーブルが、コンソールとレーザヘッドとの間に延びる。複数のポンプ光送達ファイバが自由空間にわたって延び、ポンプ光をレーザヘッドに直接的に送達し、レーザヘッドは、ヘッドにやはり直接的に結合されるブースタの出力端部にポンプ光を逆伝播方向に向け直すように構築されたバルクオプティクスと共に構成される。
【００１９】
ブースタの幾何形状は、ボトルネック形状の断面を共に画定するファイバ部分およびファイバロッド部分と共に構築された、開放された2重クラッド(「DC」)増幅MMファイバを含む。したがって、ファイバ部分の幾何形状は、上流側SM受動ファイバから受信されるSMをサポートするような寸法に作られる、一様な寸法の小直径入力端部コア領域を含む。ファイバロッド部分は、ファイバロッド部分に沿って拡がり、複数の高次モード(「HOM」)をサポートすることのできる複数の一様な寸法の出力端部を有するコア領域と共に構成される。入力コア部分と出力コア部分との間に位置するモード変換テーパー部分と共に、この構成は、非線形効果についてのしきい値を引き上げるように、HOMの意味のある増幅なしに増幅ファイバ内の退出したSMのMFDを増大させ、ポンプパワーを上昇させ、ファイバ長さを低減するように構築される。
【００２０】
開示されるポンピング方式の一実施形態によれば、クラッディングは、ファイバロッドの出力端部に結合されたポンプ光を受信する。クラッディングは、具体的には、クラッディングを、コア/クラッディング比を増加させることによってポンプ光の吸収を最大にする内部サブクラッディングおよび外部サブクラッディングに分割する、ドープされたリング領域を備え得る。後者は、リング領域がポンプ光を内部サブクラッディングに閉じ込めるように設計されるので可能となる。
【００２１】
本開示の別の態様は、ハイパワーMMポンプ光をファイバロッドの大直径コア端部にポンピングすることを含む。ポンプ光は、内部サブクラッディングよりも低く、さらにより好ましくはほぼ0.1以上のコア部分よりも低いNAによって特徴付けられる。それと共に、ポンプ光の上記のNAおよびFMのラージモードフィールド直径で指定される逆伝播方向が、テーパーコア部分の非常に小さい軸方向長さに沿ったポンプ光の効果的な吸収のための好ましい条件を実現する。後者は、約30cmを超えないが、好ましくは約10cmの長さである。そのような限定された長さでは、NLEについてのしきい値は極めて高く、したがってパワースケーリングが、単一基本モードまたは非常に少数のHOMでMWレベルピークパワーまで大幅に改善され得る。
【００２２】
ブースタが横切る送達ケーブルは、冷却媒体を受ける十分なスペースを提供するような寸法に作られる。後者は、水冷システムを含み得、あるいは、ブースタの外面に沿って被覆される追加の高分子層として形成され得る。
【００２３】
ブースタの増幅ファイバは、それぞれのポンプ源の柔軟な開放されたMM出力受動ファイバから間隔を置いて配置される。ファイバは、開示されるシステムの動作中に、開示されるシステムの所望の柔軟性を実現するように、互いに間隔を置いて配置される。それぞれのMM受動ファイバの下流端はそれぞれ、コネクタアセンブリによってレーザヘッドに取外し可能に結合される。後者は、集束レンズと、X-Y-Z座標系でレンズを変位させるように動作可能なレンズ位置決め機構と共に構成される。受動ファイバのそれぞれの下流端を受ける周辺コネクタが、レーザヘッド上に間隔を置いて取り付けられ、能動ファイバの下流端を受ける中央コネクタを取り囲む。レーザヘッドはセグメントミラーを格納し、セグメントミラーは、調節可能レンズと共に、ポンプ光ビームがミラーのそれぞれのセグメント上に入射するように、逆伝播方向にポンプ光ビームを制御可能に向け直す。コネクタの構成により、損傷を受けたファイバおよび/またはレンズの容易な交換が可能となるのに対して、レーザヘッドは、ミラーに容易にアクセスできるように構成され、したがって必要な場合にミラーを交換することができる。したがって、システムはモジュラ構造を有する。
【００２４】
開示されるブースタステージは、従来技術の周知の同様に強力なファイバレーザシステムと比較して、非常にコンパクトである。そのコンパクトさはとりわけ、増幅された信号光をレーザヘッドに直接的に誘導する送達ファイバとしても機能する増幅ファイバの結果である。結果として、システム全体の寸法が削減されるだけでなく、システムが受けるパワー損失が小さくなり、それにより、ほぼ基本モードでのハイパワー出力が可能となる。
【００２５】
図面が添付される以下の特定の実施形態から、開示されるシステムの上記および他の特徴および利点がより容易に明らかとなるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明のハイパワーSMファイバレーザシステムを示す図である。
【図２】本発明のハイパワーSMファイバレーザシステムを示す図である。
【図３】図1および図2のシステムの光学的略図である。
【図４】開示されるブースタの実施形態のうちの1つの断面図である。
【図５】開示されるブースタの代替実施形態の断面図である。
【図６】図1の本発明のシステムのポンプおよび信号チャネルの正面図である。
【図７Ａ】冷却アセンブリについての代替構成を示す、図3の直線VII-VIIに沿った図である。
【図７Ｂ】冷却アセンブリについての代替構成を示す、図3の直線VII-VIIに沿った図である。
【図８】図5のブースタのMM能動ファイバの屈折率プロファイルである。
【図９Ａ】ポンプ光を、開示されるブースタの大直径出力端部の所望の領域に逆伝播方向に結合するように構成された開示される反射素子の等角図である。
【図９Ｂ】ポンプ光を、開示されるブースタの大直径出力端部の所望の領域に逆伝播方向に結合するように構成された開示される反射素子の底面図である。
【図９Ｃ】ポンプ光を、開示されるブースタの大直径出力端部の所望の領域に逆伝播方向に結合するように構成された開示される反射素子の側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
次に、本発明の実施形態を詳細に参照する。可能な場合はいつでも、同一または同様の部分またはステップを参照するために、図面および説明では同一または類似の番号が使用される。図面は簡略化した形のものであり、原寸に厳密に比例しない。具体的には明記されない限り、本明細書および特許請求の範囲での語および句には、ファイバレーザ技術の技術者にとって、通常の、慣例となっている意味が与えられるものとする。「結合」という語および類似の用語は、必ずしも直接的接続および隣接する接続ではなく、自由空間または中間素子を介する機械的光学的接続をも含む。
【００２８】
図1は、CWレジームで約20kW以上などの数kWのほぼSMの信号光を放射することができ、パルスレジームでMWピークパワーを放射することのできる例示的ハイパワーファイバレーザシステム10を示す。システム10は、ポンプ源、シードレーザ11を含む1つまたは複数のキャビネット12、任意選択の前置増幅カスケード、エレクトロニクス、冷却システム、およびハイパワーSM出力を放射するのに必要なすべての他のデバイスと共に構成され得る。シードレーザによって放射されるSM信号光はさらに、コンソールとレーザヘッド16との間の自由空間にわたって延びる柔軟な送達ケーブル50内に格納されたファイバブースタ14に沿って誘導され、ファイバブースタ14によって増幅される。ブースタ14は、希土類元素などの発光体でドープされたMMコアを有する能動2重クラッドファイバとして構成される。やはり自由空間にわたって延びる複数のポンプ光送達/出力ファイバ18(図2)と、ポンプ光を増幅器ファイバに逆伝播方向に結合するように構築された必要なバルクオプティクスが、レーザヘッド16に取り付けられる。ブースタ14ならびにポンプおよびレーザヘッド16の構造的特徴により、システム10は、超ハイパワーの、ほぼ回折が限定された出力ビームを信号光伝播方向に放射するように動作可能である。
【００２９】
図2は、マスタ発振器/電力増幅器(「MOPA」)構成と共に構成されたシステム10を示す。マスタ発振器20がキャビネット12内に配置され、所望の波長の単一モード(「SM」)信号光を信号光伝播方向に放射するように動作可能である。発振器20は、たとえば、好ましくはキャビネット12内の、ブースタ14の入力端部にスプライスされた入力受動ファイバ22に沿って誘導される、約1012〜1060nmの範囲内の波長の信号光を放射するように動作可能な、Ybドープされたファイバ発振器を含む様々な構成を有し得る。ブースタ14の出力端部は、コネクタ24によってレーザヘッド16に取り付けられる。システム10は、キャビネット12内に位置し、たとえば約975から約1018nm間で変動する波長範囲内のMMポンプ光を出力する複数のポンプアセンブリ26をさらに含む。ポンプアセンブリ26は、以下でより詳細に論じるように、ポンプ光送達ファイバ18内に結合される出力ポンプ光に互いに並列に組み合わされる。
【００３０】
図3を参照すると、例示的ポンプアセンブリ26は、複数のダイオードをそれぞれ含み得る複数のモジュールとして通常は構成される複数のピグテール接続されたレーザダイオード28を含み得る。それぞれのレーザダイオードモジュール28からの出力ファイバが、出力MM受動ファイバポンプ光出力/送達ファイバ18を有するMM-MMファイバコンバイナ19で互いに組み合わされる。一例を挙げると、MMポンプ光をそれぞれ放射する19個の組み合わされたレーザダイオードモジュール28が、MMポンプファイバ18で互いに組み合わされ得る。それぞれのポンプアセンブリ26の出力ポンプファイバ18が、レーザヘッド16に取外し可能に取り付けられるそれぞれのコネクタ24で受けられる。開示されるシステム10は、20kW超に達するポンプ光の組合せパワーを有し得る。レーザヘッド16で受け取られ、複数のポンプ光が、レーザヘッド内に取り付けられ、以下で開示されるようにポンプ光をブースタ14の出力端部内に逆伝播方向に結合するように動作可能なセグメントミラー30から反射する。
【００３１】
図2および図3と共に図4を参照すると、ブースタ14は、キャビネット12内の受動入力ファイバ22にスプライスされたその入力端部を有し、たとえば約5メートルの長さである。ブースタ14の構成は一般に、ファイバ部分15と、数センチメートルから数メートルの範囲の長さを有するファイバロッド部分17とを含むファイバ−ファイバロッド導波路と呼ばれ得る。たとえば、ファイバロッド部分17は、約10cmの長さほどの短い長さから変動し得る。あるいは、ブースタ14は、互いにスプライスされた別々の部分と共に構成され得る。いずれの場合でも、ブースタ14は、ほぼ基本モード(「FM」)で放射を放射するように構成される。ファイバ部分15は、ファイバ部分15から所望の波長λsのSMまたは低い高次モード信号光を受け取る小直径下流端と、複数のモードをサポートする大直径出力端部とを有する、概して円錐台形状を有する遠方端と共に構成される。
【００３２】
ブースタ14は、たとえば、一様な断面32、円錐台形断面34、および大直径の一様に形成された出力部分35を有するリン酸MMコア38を含み得る。あるいは、MMコア38は、入力区間32および円錐台形区間34のみと共に構成され得る。入力コア領域32は、実質的に単一モードまたは非常に少数の低HOMのみをサポートするような寸法に作られ、以下で詳細に開示されるように、HOMの励起を最小限に抑え、望ましくは抑制するように、断熱的にモード遷移テーパーコア領域に沿って大直径出力コア領域35まで拡がる。コア38はさらに、出力信号光のパワー密度を低減するように構築された円筒形または円錐台形水晶ブロック39と共に構成される。単一または複数の被覆41がクラッディング42を取り囲み、被覆よりも漸進的に低い屈折率をそれぞれ有し、被覆の屈折率はクラッディングよりも低い。内部被覆は、約20μmから約約40μmの間で変動する厚さを有し得、外部被覆の厚さは約20μmから約35μmの間で変動し得る。
【００３３】
入力コア領域32は、モード遷移コア領域34に沿ってさらに拡がるSM信号を受信およびサポートするように構成される。単一モードは、後者の全長に沿ってコア38の横断面積の約0.652超をカバーする。SMのそのようなラージモードエリアにより、増幅コア領域35内に存在するすべての可能なHOMが実際的には背景雑音まで低減される程度まで、ポンプ光の大部分をSM/FMのみの増幅のために使用することが可能となる。
【００３４】
開示されるブースタ14のポンピング方式は、出力端部逆ポンピング技法に従って構成される。ポンピング方式の一実施形態では、ミラー30(図3)が、以下で詳細に開示されるように、ポンプ光をブースタ14のクラッディング42(図4)内に反射するように構成される。この実施形態によれば、クラッディング42は、クラッディングを内部サブクラッディング46および外部サブクラッディング48に分割するリング領域40を含む。
【００３５】
ブースタ14のリング領域40は、輝度を増大させ、ポンプ光の吸収を高める助けとなる。リング領域40は、クラッディング42よりも低い屈折率によって特徴付けられるフッ化物でドープされ、したがってポンプ光が横切るクラッディングエリアの直径を、0.22を超えるNAを有する内部サブクラッディング46に実質的に低減する。低減されたクラッディングエリアは、その吸収を改善するようにコア38を通るポンプ光の光路を増大させる。
【００３６】
光がブースタ14の徐々に狭まる断面に沿って伝播するとき、そのNAは増加する傾向があり、その結果、光が導波路からのデカップリングを開始する。デカップリングされた光は、所望の増幅のために失われ、ファイバ構成要素の保護被覆に対して損傷を与える。そのようなデカップリングは、わずかなパワー損失であってもシステムの性能が深刻に低下し得るkW〜MWレベルで動作するハイパワーシステムで拡大される。したがって、リング領域40を介する外部サブクラッディング48へのブリードを開始するほどにポンプ光のNAが拡大される前に、増幅領域35およびモード遷移領域34に沿ってポンプ光を最大に吸収することが非常に望ましい。
【００３７】
この点で、ファイバレーザ技術の技術者には周知のように、MMポンプ光のすべてのモードが、DCファイバ内に一様に吸収されるわけではなく、一部は全く吸収されることなく伝播し、当業者は容易に理解するように、それは所与のモードとコアエリアとの間の重複に依存する。LP01およびそれ以上などの吸収可能モード、すなわちファイバ短対称軸に沿って中心が置かれ輝度分布を有する対称モードが、ファイバの縦軸に対してそれぞれの大きい角度で伝播する。他のより低い吸収可能モード、または少しも吸収可能ではないモードが、LP11およびそれ以上などの非対称モードを含み、ポンプパワーのかなりの部分を搬送するが、光線光学から周知のように、良くても、ドープされたコアエリアとの不十分な重複を与える螺旋軌道を有する。
【００３８】
リング40を介するブリーディングを開始する前のポンプ光の大部分の吸収が、ブースタ14のテーパー領域の開口角Φを構成することによって実現される。開口角は、リング40に入射するポンプ光線の各々が漸進的に増加する反射角で反射するように選択される。その結果、ポンプ光がモード遷移コア領域34を横切る頻度が増加し、それによってその吸収が増大する。
【００３９】
ポンプ光はマルチモードである。周知のように、対称モードは非対称モードの角度よりも大きい角度で導波路に沿って伝播し、すなわち非対称的モードは、対称モードよりも小さいMMコア38のドープされたエリアと重複する。したがって、テーパー領域の開口角Φは、リング40に入射するポンプ光線の反射角を増加させるように選択され、その結果、対称モードだけではなく、非対称モードもMMコア38でドープされた発光体と実質的に相互作用する。具体的には、開口角Φは、所望の長さのコアモード遷移領域34に沿って所望のポンプ光量が吸収されるような角度である。所望の長さは、ブースタに沿って伝播するポンプ光がそれに沿ってリング44によって閉じ込められる、すなわち光が外部サブクラッディング48へのブリーディングを開始するようにポンプ光のNAが増加する前の、モード遷移領域34の長さである。吸収されるポンプ光についてのしきい値は、モード遷移コア領域約4メートルで、たとえば5メートルを超えないコア長さに沿って少なくとも90%であるべきである。
【００４０】
開示されるブースタ14は、少なくとも約2のテーパリング比、すなわちテーパー領域の小直径端部と大直径端部との間の比で構成され得る。後者に基づいて、リングの両端は、それぞれ約15μmの厚さおよび30μmの厚さであり得る。それぞれの内部サブクラッディングとコアとの直径間の比は、少なくとも約5であり得、一方、それぞれの外部サブクラッディングとコアとの直径間の比は、約10である。たとえば、入力コア端部の直径は少なくとも約20μmの厚さであり得、一方、出力コア端部の直径は、少なくとも40μmであるのに対して、クラッディングのそれぞれの小端部および大端部の外径は、それぞれ約200μmおよび約400μmである。
【００４１】
好ましくは、出力ポンプ光送達ファイバ18はそれぞれ、内部サブクラッディング46のNAicとほぼ同一のNApで構成される。あるいは、レーザシステムがそのようなハイパワーレベルで動作すると、1〜2%のパワー損失は所望の結果に影響を及ぼさないので、NApは内部クラッディングよりも大きいことがあり得る。最後に、NAicよりも低いポンプNApを有する可能性も可能である。
【００４２】
図5は、MMコア38内に結合されるようにポンプ光Lpをブースタ14の出力端部に反射することを含む、開示されるポンピング方式の代替実施形態を示す。これは、ほぼ0.1以上であるコア38よりも低いNApをポンプ光に与えることによって実現される。それと共に、逆伝播方向、上記で指定されるNAのポンプ光、およびFMのラージモードフィールド直径が、テーパーコア部分の非常に短い軸長さに沿ったポンプ光の効果的な吸収のための好ましい条件を提供する。
【００４３】
図6は、それぞれポンプ出力ファイバおよびファイバブースタをレーザヘッド16に結合するためのコネクタアセンブリ24および24'を示す。コネクタの部品の一方が、ファイバの下流端を受けるのに対して、他方の部品がレーザヘッド16に固定される。コネクタは、たとえば損傷したファイバの交換を含む様々な理由で、それぞれのファイバのレーザヘッド16への容易な結合およびレーザヘッド16からの分離を実現するように設計される。
【００４４】
それぞれのMM受動ファイバおよびDC能動ファイバの下流端はそれぞれ、コネクタのオス部品で受けられる。結果として、すべてのファイバの下流端は、互いに半径方向に間隔を置いて配置される。さらに、パワーセンサ66が、それぞれのポンプ光および信号光の出力パワーを監視するように、それぞれのオスコネクタ部品に取り付けられる。所与のポンプおよび増幅チャネルでの光の測定パワーが所望の基準値に対応しない場合、光パワーを増大させるようにポンプ入力での電流が調節される。
【００４５】
メス部品がレーザヘッド16に取外し可能に取り付けられ、ポンプ光に関連付けられるコネクタアセンブリ24のメス部品はそれぞれ、レンズ68などの集束構成要素を受ける。レンズ68は、ポンプ光をミラー30の所望のセグメント上に集束させるように構成され、ミラー30は、集束したビームを逆伝播方向に反射する。反射したポンプ光が所望の領域に入射しない場合、レンズ68が、所望の平面内でレンズ68を変位させるようにそれぞれ動作可能である3つのアクチュエータ72を含む調節機構70により、X-Y-Z方向に沿って変位され得る。その結果、コネクタアセンブリ24、24'および調節機構70の構成により、各レンズを個々に調節することが可能となる。さらに、上記に基づいて、必要が生じた場合、上記で開示される構成要素の各々が交換可能である。
【００４６】
図7Aおよび図7Bを図4と共に参照すると、送達ケーブル50、周囲のブースタ14が、それぞれのケーブルおよびブースタの対向する表面間のスペース内に冷却システムを収容するような寸法に作られる。冷却システムは、ブースタ14を通じて誘導される超ハイパワー光の結果として生じる熱力学的負荷の望ましくない結果を最小限に抑えるように構成される。図7Aに示される一実施形態では、ガイド52が、コンソールからブースタ14のほぼ全長を通じて延びる1つのパイプまたはパイプの組合せを含む。パイプ52は、水などの加圧冷却媒体を誘導する。
【００４７】
あるいは、図7Bは、ハイパワー光の有害な熱的効果を最小限に抑える厚い高分子層54を示す。層54は、ブースタ1の全長またはその一部に沿って被覆され得る。層54を製造するために使用される材料は、1.33より下の屈折率、最大約数百℃の動作温度、および約6から約50umの間の厚さを有するフルオロポリマーを含み得る。
【００４８】
図8は、図4のブースタ14の屈折ステップインデックスプロファイルを示す。コア38は、約3000ppmから約5000ppmの間で変動する濃度の、Yb、Er、Tm、Ndなどの1つまたは複数の希土類元素のイオンでドープされる。コア38は、コアインデックスプロファイルが、平坦な頂部で終了する概して円錐台形状を有する比較的高い屈折率領域60に達する、比較的低い一様に形成された屈折率領域44を含むように、ゲルマニウムのイオンでさらにドープされる。基本モードのモードフィールド直径の増加のために、そのような構成が有利であることが判明した。
【００４９】
図9A〜9Cを参照すると、ミラー30は球面または非球面であり、セグメント化され、セグメント化されないことがある。好ましい構成では、ミラー30は、開示されるブースタの縦軸56を中心とした、ミラー30の取付け位置でブースタと同軸の開口58を画定するそれぞれの内面と共に構成される複数のセグメント60と共に構成される。セグメント60は、開示されるブースタの出力端部に向かって狭まる、概して円錐台形状の反射面を画定するように互いに集束するそれぞれの傾斜反射面62と共に構築される。開示されるブースタ14の内部サブクラッディング内のポンプ光を正確に結合するためにセグメント60は、縦軸56に対して垂直である対称軸64の周りにそれぞれ旋回し得る。
【００５０】
添付の図面を参照しながら本発明の好ましい実施形態のうちの少なくとも1つを説明したが、本発明はそれらの厳密な実施形態に限定されないことを理解されたい。異なる波長、ファイバパラメータ、および希土類ドーパントを含む様々な変更、修正、および適合が、上記で開示される本発明の範囲または精神から逸脱することなく本発明で当業者によって実施され得る。
【符号の説明】
【００５１】
10  例示的ハイパワーファイバレーザシステム
11  シードレーザ
12  キャビネット
14  ファイバブースタ
15  ファイバ部分
16  レーザヘッド
17  ファイバロッド部分
18  ポンプ光送達/出力ファイバ、ポンプ光送達ファイバ、出力MM受動ファイバポンプ光出力/送達ファイバ、MMポンプファイバ、出力ポンプファイバ、出力ポンプ光送達ファイバ
19  MM-MMファイバコンバイナ
20  発振器、マスタ発振器
22  入力受動ファイバ、受動入力ファイバ
24  コネクタ、コネクタアセンブリ
26  ポンプアセンブリ
28  レーザダイオード、レーザダイオードモジュール
30  セグメントミラー、ミラー
34  モード遷移領域、円錐台形断面、円錐台形区間、モード遷移コア領域、コアモード遷移領域
35  出力部分、大直径出力コア領域、増幅領域、増幅コア領域
38  リン酸MMコア、MMコア、コア
39  円筒形または円錐台形水晶ブロック
40  リング領域、リング
41  被覆
42  クラッディング
44  リング、屈折率領域
46  内部サブクラッディング
48  外部サブクラッディング
50  送達ケーブル
52  ガイド、パイプ
54  高分子層、層
58  開口
60  セグメント、屈折率領域
62  傾斜反射面
66  パワーセンサ
68  レンズ
70  調節機構
72  アクチュエータ
【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７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【外国語明細書】
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