(57)【要約】モノリシック・ファイバは、所与の波長での実質的に基本モードのみをサポートすることができ、且つ両側の端領域、それぞれの端領域から内向きに走る円錐台形に形状設定された変換部領域、及び変換部領域にブリッジをかける中央の一様な寸法にされた領域を有する、二重のボトルネックをもつ形状にされたマルチモード（ＭＭ）コアを備えるように構成される。ＭＭコアは、ファイバの長さに沿って変化する幅を有する中央に位置決めされた凹部を備えるように構成される、ステップ型屈折率プロフィールを有する。凹部の幅は、ガウス・プロフィールをもつ基本モードのみをサポートするようにＭＭコアの端領域では比較的小さい。凹部は、入力変換部領域に沿って大きくなっていくのに伴って、徐々に形状がガウス・プロフィールから基本モードのリング・プロフィールになり、これはＭＭコアの中央領域に沿ってガイドされる。凹部は、形状がリング・プロフィールからＭＭコアの出力端領域から放射される基本モードの実質的にガウス・プロフィールに戻るように、出力遷移領域に沿って徐々に小さくなる。屈折率プロフィールは、１つ又は複数のレアアース元素がドープされ且つ実質的に基本モードのみを増幅するように構成されたリング領域を有する。
2013504786.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
長手方向のファイバ軸に沿って延びる光ファイバであって、
前記ファイバ軸に沿って集中した少なくとも１つのクラッディングと、
前記１つのクラッディングと同軸であり且つ前記１つのクラッディングによって包囲される細長いマルチモード（ＭＭ）コアと、
を備え、前記ＭＭコアが、実質的に基本モードのみの励起及び歪みのないガイダンスを提供するように二重のボトルネックをもつ形状にされた断面をもつように構成される、
光ファイバ。
【請求項２】
前記ＭＭの前記二重のボトルネックをもつ形状にされた断面が、
入力及び出力モード変換部領域であって、前記変換部領域が比較的小さい端と比較的大きい端を各々有するように、互いから軸方向に離間され且つ円錐台形に形状設定された断面を各々有する、入力及び出力モード変換部領域と、
前記入力及び出力変換部領域のそれぞれの大きい端にブリッジをかける一様な寸法にされた中央領域と、
前記入力変換部領域の小さい端の中に走る一様な寸法にされた入力端領域であって、前記入力端領域に打ち出される単一モード（ＳＭ）入力ビームに応答して、その中で実質的に基本モードのみが励起されるように構成される、入力端領域と、
実質的に前記基本モードで放射を出力するように、前記出力変換部から延び、且つ前記出力変換部から前記基本モードを受信する、一様な寸法にされた出力端領域と、
を含む、請求項１に記載の光ファイバ。
【請求項３】
前記入力及び出力端領域が、λは前記ＭＭコアが実質的に基本モードのみをサポートする所与の波長である、約１λから約５λまでの間で変化する長さを各々有する、請求項２に記載のファイバ。
【請求項４】
前記ＭＭコアが、中央に位置付けられた凹部を有するステップ型屈折率プロフィールをもつように構成され、前記入力端領域における前記ＳＭ入力ビーム及び前記基本モードが、それぞれのモード・フィールド直径（ＭＦＤ）が互いに実質的に整合するように形状設定されるそれぞれの実質的にガウス強度プロフィールを有する、請求項２に記載のファイバ。
【請求項５】
前記凹部が徐々に、
前記ガウス・プロフィールが前記コアの中央領域に結合される前記基本モードのリング・プロフィールに変換されるように、入力変換部領域に沿って拡大し、
前記基本モードのリング・プロフィールがその前記実質的にガウス・プロフィールに変換されるように、前記出力変換部領域に沿って前記コアの前記出力端領域に向けて細くなる、
請求項４に記載のファイバ。
【請求項６】
前記中央領域に沿って延びる前記凹部が、一様な幅をもつように構成される、請求項４に記載のファイバ。
【請求項７】
前記基本モードのリング・プロフィールが、前記コアの前記ステップ型屈折率の対称軸から等距離に離間された２つのピークパワー領域と、対称軸を中心とし且つピークパワー領域にブリッジをかける谷とを備えるように形状設定される、請求項６に記載のファイバ。
【請求項８】
前記コアが、前記対称軸から離間され且つ前記ステップ型屈折率の周辺から或る距離で終端するドープされたリングの形状にされた領域を備えるように構成され、前記ドープされた領域が、中央のＨＯＭ及び周辺のＨＯＭの増幅なしに前記基本モードのピークパワー領域へのゲインを提供する、請求項７に記載のファイバ。
【請求項９】
前記ＭＭコアが、ドーパント集中領域を備える又は前記ドーパント集中領域を備えないように構成される、請求項１に記載のファイバ。
【請求項１０】
所与の波長での実質的に単一の基本モードをサポートすることができるＭＭコアを備えるファイバであって、前記コアが、凹部を備えた屈折率プロフィールをもつように構成され、前記凹部が、前記基本モードがコアに沿って伝搬する際に前記基本モードの強度プロフィールをガウス強度プロフィールとリング強度プロフィールとの間で変換するように構成される、ファイバ。
【請求項１１】
前記凹部が、前記コアの長さに沿って変化する構成を有する、請求項１０に記載のファイバ。
【請求項１２】
前記コアが、
単一モード入力を受信し且つ前記受信したＳＭ入力に応答して励起した前記基本モードをサポートするように構成された入力端領域と、
それぞれ前記入力端領域から離間され且つ前期基本モードにおいて放射を出力するように構成された出力端領域と、
それぞれの入力及び出力端領域から内向きに走る入力及び出力変換部領域であって、離間された小直径の端と大直径の端とを各々有する、入力及び出力変換部領域と、
それぞれの入力及び出力変換部領域の前記大直径の端の間に延びる中央領域と、
を備えるように構成され、前記端、前記変換部、及び前記中央領域が、前記基本モードを前記コアに沿って歪みなしにガイドするように構成される、
請求項１１に記載のファイバ。
【請求項１３】
前記凹部が、
前記コアの前記入力及び出力端領域での小さい幅と、
前記小さい幅よりも大きい、前記中央領域に沿った大きい幅と、
それぞれの入力及び出力変換部領域に沿って徐々に広がる及び細くなる幅と、
を有する、請求項１１に記載のファイバ。
【請求項１４】
前記コアの前記入力端領域が、それぞれの前記ＳＭ入力及び前記基本モードのモード・フィールド直径が互いに実質的に整合するように構成される、請求項１３に記載のファイバ。
【請求項１５】
前記凹部が、前記基本モードの前記強度リング・プロフィールが前記ガウス・プロフィールによって覆われることになる前記中央領域の面積よりも大きく前記コアの中央領域の面積に重なるように構成される、請求項１３に記載のファイバ。
【請求項１６】
前記コアが、前記コアの前記中央領域に沿った前記基本モードの前記強度リング・プロフィールの実質的にピークパワー領域にのみゲインを提供するように構成された、リングの形状を備えたドーパント濃度プロフィールを有する、請求項１４に記載のファイバ。
【請求項１７】
ハイパワーＳＭファイバ・レーザ・システムであって、
ＭＭコアを備えた能動型ファイバであって、前記ＭＭコアが、ＨＯＭを励起することなく実質的に基本モードのみをガイドするように構成された二重のボトルネックをもつ形状にされた断面を有し、前記コアが、実質的にガウス形状をもつ前記基本モードを受信するように構成され、さらに、前記ガウス・モードの形状を基本モードのリングの形状にし、及び前記ガウス形状に戻す、ＭＭコアを備えた能動型ファイバと、
前記能動型ファイバから前記実質的にガウス形状をもつ前記基本モードを受信する細い一様な寸法にされた入力端領域と、前記基本モードを前記受動型ファイバの中央領域にガイドする円錐台形の領域とを備えるように構成された、ＳＭコアを備えた受動型送達ファイバと、
を備えるハイパワーＳＭファイバ・レーザ・システム。
【請求項１８】
前記ＭＭコアが、中央の凹部を有する屈折率プロフィールをもつように構成され、前記凹部が、前記基本モードの前記形状の変換を可能にするように、その中間領域に沿ってよりも前記能動型ファイバの対向するＭＭコアの端領域で実質的により小さい、請求項１７に記載のハイパワーＳＭファイバ・レーザ・システム。
【請求項１９】
前記能動型ファイバの前記ＭＭコアの前記屈折率が、実質的に基本モードのみがゲインを経験するように構成されるリングの形状にされたドーパント・プロフィールを備える、請求項１８に記載のハイパワーＳＭファイバ・レーザ・システム。
【請求項２０】
前記受動型ファイバが、前記受動型ファイバの前記中央領域から走る徐々に細くなる領域をさらに有する、請求項１７に記載のハイパワーＳＭ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、マルチモード（ｍｕｌｔｉｍｏｄｅ）（ＭＭ）ファイバの入力での実質的に基本モードの励起を可能にし、且つそれを高次モードと結合することなく励起した基本モードをガイドすることを可能にする幾何学的形状をもつように構成された、ＭＭファイバに関する。
【背景技術】
【０００２】
ファイバ・レーザの多くの用途は、ハイパワーの高品質ビームを必要としている。ＳＭ能動型ファイバを使用するファイバ・レーザは、光学非線形性の発現に起因してパワーに限りがある。１つの一般的な解決策は、幾つかの高次モード（ｈｉｇｈ−ｏｒｄｅｒ  ｍｏｄｅ）（ＨＯＭ）をサポートすることができるがこれらのＨＯＭの励起及び増幅を防ぐように構成された、ＭＭ能動型ファイバを用いるものである。
【０００３】
さらに、こうしたＭＭファイバのパワー・スケーリングはまた、限定はされないが、誘導ラマン散乱（Ｓｔｉｍｕｌａｔｅｄ  Ｒａｍａｎ  Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ）（ＳＲＳ）を含む非線形性の存在によって若干制限される。比較的高い光学非線形性閾値につながる、おそらく１つの最も効率的な実用的手法は、コア直径を増加させること、開口数を減少させること、且つまた非線形相互作用の有効長さを減少させることによって、ＭＭファイバのコア内部の出力密度を減少させることである。残念なことに、この幾何学的形状は、以下の理由のために容易に達成することはできない。第１に、コア直径の増加は、結果として、出力ビームの品質に悪影響を及ぼす、容易に励起される可能性がある、増加した数のＨＯＭをもたらす。第２に、真に非常に低いΔｎをもつ高品質ファイバの製造は、非常に困難である。第３に、こうしたファイバは、曲げ負荷に対して敏感である。
【０００４】
ファイバ・レーザの分野の当業者には公知の技術の１つは、以下で解説されるように、コアの中央領域を占めるドーパント・プロフィールをもつＭＭファイバのコアを構成することを含む。中心的に（ｃｅｎｔｒａｌｌｙ）ドープされる領域は、伝統的に、ＭＭファイバの入力で又はモード結合の結果としてのいずれかで生じると考えられる、ＬＰ１１のような周辺の非ゼロの方位数（ａｚｉｍｕｔｈａｌ  ｎｕｍｂｅｒ）のＨＯＭの励起を効果的に最小にする。しかしながら、中心的にドープされる領域は、ＭＭファイバの入力端でＬＰ０２のようなゼロの方位数をもつ中心対称のＨＯＭの励起を刺激する。あらゆる他の励起したＨＯＭのような励起した中央モードは、基本モードからパワーを引抜く傾向があり、したがって、深刻な問題を呈する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
したがって、実質的に基本モードのみを励起するのに最も好ましい条件を提供する軸方向断面をもつように構成されたＭＭファイバに対する必要性が存在する。
【０００６】
励起した基本モードの増加した有効面積を提供する屈折率と、ＭＭファイバが実質的に基本モードに集中した数十ｋＷのオーダーの放射を出力することを可能にする非線形性に対するより高い閾値とをもつように構成されたコアを備えたＭＭファイバに対する別の必要性が存在する。
【０００７】
それをＬＰ０２のような中心対称モードと結合することなく実質的に基本モードＬＰ０１をゲイン・ガイドするように構成されたドーパント・プロフィールをもつＭＭファイバ・コアに対するさらに別の必要性が存在する。
【０００８】
基本モードと高次モードとの間の実質的なゲイン差を提供するように構成される上記で説明されたＭＭファイバ増幅部をもつように構成されたハイパワー・ファイバ・レーザ・システムに対するさらにまた別の必要性が存在する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記で指定された必要性のすべては、ファイバの長手方向の軸線を中心とするコアを有し且つ二重のボトルネック（ｄｏｕｂｌｅ  ｂｏｔｔｌｅｎｅｃｋ）をもつ形状にされた軸方向断面と、長手方向の軸線に対して横方向に延びるコアの軸線に沿って集中される屈折率の制御可能に陥没された領域とを備えるように構成されたＭＭファイバによって満たされる。開示されたＭＭファイバ増幅部の特徴の各々は、公知の従来技術の上述の特徴のうちのそれぞれ１つに対処し、且つ増幅部の実質的に単一モード（ｓｉｎｇｌｅ−ｍｏｄｅ）（ＳＭ）作動の特徴を改善する。
【００１０】
本開示の一態様によれば、ファイバ・システムのＭＭ能動型ファイバは、ファイバの対向する細い両側の端での結合損失を最小にするように構成された二重のボトルネックをもつ形状を有する。典型的に、ハイパワー・ファイバ・システムにおいて、入力ＳＭビームは、ＭＭ能動型ファイバの入力端にスプライスされたＳＭ受動型ファイバによって送達される。それぞれのファイバの屈折率及びコアの幾何学的形状が異なる、すなわち、それぞれの単一モード及び基本モードのモード・フィールド直径（ｍｏｄｅ  ｆｉｅｌｄ  ｄｉａｍｅｔｅｒ）（ＭＦＤ）及び形状又はプロフィールが互いに整合しない場合、ＨＯＭ励起の確率は高い。したがって、コアの比較的細いボトルネックの形状にされた入力端は、それぞれの入力ＳＭ及び励起した基本モードのＭＦＤ及び形状が実質的に整合するように構成される。
【００１１】
数十ｋＷのオーダーのハイパワーを考えると、標準の一様に構成されたコアに沿って伝搬する光の出力密度は高く、非線形性に対する閾値は低い。非線形効果の存在は、ハイパワー・ファイバ・レーザ又は増幅部上の制限因子である。したがって、開示されたＭＭファイバの小さい端領域は、非線形性が生じるのに十分なだけ短く、一方、ファイバの中央領域は、したがって、低減された出力密度、ゆえに、非線形性に対する上昇した閾値を可能にする、拡大された一様な直径を有する。
【００１２】
ＭＭファイバ増幅部のそれぞれの両側の端と中央領域のそれぞれの端とを接続する変換部領域は、円錐台形（ｆｒｕｓｔｏｃｏｎｉｃａｌ）の断面を各々有する。したがって、変換部領域は、光路に沿ってそれぞれ徐々に広がる及び徐々に細くなる。変換部領域の幾何学的形状は、したがって、光路に沿った基本とＨＯＭとの間の結合を最小にする励起した基本モードの拡張及び圧縮を可能にする。したがって、主として基本モードのみが入力端で励起されるので、ＭＭファイバの開示された形状は、実質的に基本モードにおける強力な出力を有するようにこのモードの維持及び増幅を提供する。
【００１３】
本開示のさらなる態様は、二重のボトルネックをもつ断面に加えて、非線形性に対する高い閾値に寄与する、ファイバ構成に関する。特に、開示されたＭＭファイバは、励起した基本モードのモード・フィールド直径を増加させ、したがって、非線形性に対する閾値をより一層上昇させるように構成される。
【００１４】
ＭＭファイバの両側の端での励起した基本モードは、それぞれの入力及び送達ＳＭ受動型ファイバのそれぞれのガウス・プロフィールに対応する実質的にガウス・プロフィールを有する。ガウス形状にされた基本モードのＭＦＤの増加は、ガウス・プロフィールからＭＭ能動型ファイバの中央の厚い領域によってサポートされるリング・プロフィールへの変換を提供する屈折率プロフィールをもつ開示されたファイバによって実現される。構造的に、これは、屈折率プロフィールの中央領域内に凹部を提供することによって達成される。
【００１５】
基本モードのガウス・プロフィールとリング・プロフィールとの間の不整合は、開示されたＭＭファイバの全長に沿った凹部の幾何学的形状によって対処される。それぞれ、ＳＭファイバ及びＭＭファイバのそれぞれの単一モード及び基本モードのMFD 及びプロフィールの間の所望の整合を保つために、凹部の構成は、モード・プロフィールの歪みを防ぐのに十分なだけ小さい。したがって、それぞれのＳＭファイバ及び能動型ＭＭのスプライスした端のすべてが実質的にガウス・プロフィールを有する。
【００１６】
凹部の幅（米国特許第７，４００，８０７号及び第６，０１８，５３３号、一様な寸法にされた凹部を各々開示する）は、ＭＭファイバの広がる入力変換領域に沿って徐々に増加し、且つ中央領域の入力で基本のリング・プロフィールに対応するその最大サイズに達する。モードの有効面積がより大きくなると、非線形性に対する閾値がより高くなる。出力変換部領域は、リング・プロフィールのガウス・プロフィールへの逆変換に役立つ凹部の徐々に減少する幅をもつように構成される。後者は、ＳＭ送達ファイバのガウス・プロフィールのうちの１つのＭＦＤとの整合を有する。要約すれば、上記で開示された能動型ＭＭファイバ増幅部は、スプライス領域におけるＨＯＭの励起及び増幅の可能性を最小にする。
【００１７】
本開示のさらなる態様において、開示されたファイバＭＭファイバ増幅部は、基本モードへの実質的なゲインを提供するように構成されるがＬＰ０２のような中心対称モードの増幅を防ぐ構造を有する。これは、リングの形状にされた断面を有するドーパント・プロフィールを提供することによって実現され、すなわち、リングの形状にされたドーパント・プロフィールは、屈折率の中央領域及び周辺領域内のあらゆるゲインを提供しない。しかしながら、リングの形状にされたドーパント・プロフィールは、基本モードの強度プロフィールがコアの中央領域と周辺領域との間に位置するそのピークを有する場所である、コアの領域に、該ドーパント・プロフィールが顕著なゲインを提供するように構成される。
【００１８】
本発明のこれらの及び他の特徴、態様、及び利点は、以下の説明、付属の請求項、及び添付の図面を参照すると、より良く理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本開示に従って構成される二重のボトルネックをもつ形状にされた断面を有するＭＭ能動型ファイバを例証する図である。
【図２】図１のＭＭファイバの屈折率プロフィールを例証する図である。
【図３】開示されたＭＭファイバの端領域に沿ったそれぞれ中心対称モード及び基本モードの屈折率プロフィール及び強度フィールド・プロフィールを例証する図である。
【図４】ＭＭファイバの中央領域に沿ったそれぞれの中心対称モード及び基本モードの屈折率プロフィール及び強度フィールド・プロフィールを例証する図である。
【図５】公知の従来技術のハイパワー・ファイバ・システムにおいて観測される屈折率プロフィール及びモード・プロフィールを例証する図である。
【図６】主として基本モードのゲイン・ガイディングを提供することができるドーパント・リング・プロフィールをもつように構成される屈折率プロフィールを備えた図１のＭＭファイバを例証する図である。
【図７】ファイバ増幅部として及び受動型送達ファイバとしてＳＭハイパワー・ファイバ・レーザ・システムに組み入れられた開示されたＭＭファイバの線図である。
【図８Ａ】特にＭＭファイバの端領域に沿って延びるポンピング配置の一部を示す、図１のＭＭファイバを組み入れるＳＭファイバ・システムのサイドポンピング配置を例証する図である。
【図８Ａ】図１のＭＭファイバの中央領域に沿ったサイドポンピング配置の一実施形態を例証する図である。
【図８Ｃ】図１のＭＭファイバの中央領域に沿ったサイドポンピング配置の別の実施形態を例証する図である。
【図９Ａ】図１のＭＭファイバのエンドポンピング技術を例証する図である。
【図９Ｂ】図１のＭＭファイバのエンドポンピング技術を例証する図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
特殊ファイバ、特殊ファイバ自体、及び開示された特殊ファイバを組み入れるハイパワー・ファイバ・レーザ・システムの開示された製造方法への参照をここで詳細に行う。可能ならば、同じ又は同様の部分を言及するために図面及び説明において同じ又は類似の参照番号が用いられる。図面は簡略化された形態であり、正確に原寸に比例してはいない。
【００２１】
本開示の一態様によれば、モノリシックＭＭファイバは、所与の波長での主として基本モードの励起を提供するように構成される。コアの入力端で実質的に基本モードのみを励起するのに好ましい条件を生み出すＭＭファイバの開示された構成と、コアに沿ったその歪みのない伝搬が、以下で開示される。
【００２２】
図１は、ＭＭコア１２と少なくとも１つのクラッディング１４とを含むＭＭファイバ１０を例証する。クラッディング１４は、種々の構成を有してもよく、示されたものは単に例示的な断面である。Ｍコア１２は、長手方向の軸線Ａ−Ａ’に沿って見た場合の、二重のボトルネックをもつ形状にされた断面に関係する本開示の態様のうちの１つに従って構成される。したがって、ＭＭコア１２は、対向する一様な寸法にされた入力及び出力端領域３６、端領域３６の直径よりも大きい直径をもつ中央領域又は増幅部３８、及びそれぞれ端領域３６と中央領域３８との間に各々位置付けられる２つの円錐台形のモード変換部３９を含む幾つかの領域と共に構造化される。
【００２３】
端領域３６の各々は、中央領域３８よりも実質的に短く、非線形効果が現れるのを防ぐように寸法設定される。コア１２の入力端領域３６は、打ち出されたＳＭ入力によって励起される、基本モードのＭＦＤ及びフィールド・プロフィールが、ＳＭで打ち出される入力のそれぞれのＭＦＤ及びプロフィールと実質的に整合するように構成される。特に、基本モードとＳＭモードとの両方は、実質的に整合したＭＦＤをもつそれぞれの実質的にガウス・フィールド・プロフィールを有する。同様に、ＭＭファイバ１０の出力端３６は、そのＭＦＤ及び形状がファイバ１０の出力端にスプライスされる送達ＳＭファイバのそれぞれのＭＦＤ及び形状と実質的に整合する基本モードにおいて出力ビームを打ち出すように構成される。
【００２４】
それぞれ基本モード及び単一モードの実質的に整合したＭＦＤ及びプロフィールは、入力端領域でのＨＯＭの励起を防ぐ。したがって、ファイバ１０が能動型増幅ファイバとして構成される、すなわち、コア１２がレアアース元素をドープされる場合、励起したモードがコア１２を通るその光路に沿って増幅される。対照的に、ＨＯＭは、入力端領域３６で励起されない場合、ファイバ１０に沿って増幅されない可能性がある。そうでなければ、ＨＯＭが実質的に基本モードの増幅の度合いまで増幅される場合、ＨＯＭは、所謂モード結合に起因するパワー損失を経験するであろう。ファイバ１０は、もちろん、上記で開示されたものと同じであるがしかしながら増幅機能をもたない機構を有する受動型ファイバとして構成されてもよい。
【００２５】
中央増幅部３８の拡大されたコア直径は、増加したコア直径が減少した出力密度を提供し、したがって、ＳＲＳのような非線形性に対する閾値を上昇させるので、より良好なパワーハンドリング特徴を可能にする。しかしながら、増加したコア直径は、典型的に、ＨＯＭの励起の可能性の非常に望ましくない増加と関連付けられる。したがって、ＨＯＭの励起の可能性を最小にしながら非線形性に対する比較的高い閾値を提供するであろう基本モードＬＰ０１のＭＦＤを増加させることが望ましい。
【００２６】
図１と併せて解説される図２に示すように、増加したＭＦＤは、コア１２の屈折率プロフィールにおける中央の凹部１８を提供することによって実現される。一般に、製作プロセスのためにＭＭファイバでは或る程度典型的な構成である凹部は、伝統的に、ＨＯＭモードの励起と、その基本モードＬＰ０１との結合の原因であると考えられていた。公知の従来技術とは対照的に、開示された凹部１８は、以下の理由のために中央領域３８に沿って故意に且つ制御可能に拡大される。
【００２７】
凹部１８は、入力領域３６で励起した基本モードの実質的にガウス・プロフィールを、拡がったガウス・プロフィールよりも中央領域３８に沿ってより大きくコア領域に重なるより大きいリングの形状にされたプロフィールに変換するように構造化される。基本モードのＭＦＤが大きくなると、非線形性に対する閾値が高くなる。しかしながら、ガウス・プロフィールとリング・プロフィールは、明らかに不整合であり、これは、典型的に、これらの端領域がそれぞれのＳＭ入力及び送達ファイバにスプライスされるので、ＭＭファイバ１０の両側の端領域３６では特に厄介である。
【００２８】
ＳＭファイバは、典型的には実質的にガウス・プロフィールを有する単一モードをサポートするように構成される。ＭＭファイバ１０の端領域３６が基本モードのリング・プロフィールをサポートするように構成された場合、光パワーの結合損失は大きなものとなる可能性がある。したがって、本開示によれば、凹部１８は、以下で開示されるようにＭＭファイバ１０に沿って制御可能に変化する構成をもつように構成される。
【００２９】
図１との関連で解説される図３は、励起した基本モードのガウス・モードを最小限に歪めるように構成される凹部１８を備えた端領域３６に沿ったコア１２の開示されたステップ型屈折率を例証する。言い換えれば、凹部１８は、端領域３６に沿って、基本モードのガウス・プロフィールを乱さないように寸法設定される。好ましくは、凹部１８の幅は、端領域３６に沿って、約１λから約５λまでの間の範囲内で変化し、ここでλは、コア１２が実質的に基本モードのみをサポートすることができる所与の波長である。基本モードが入力変換部領域３９に沿って伝搬し続けるのに伴って、凹部１８の緩やかな拡大によりガウス・プロフィールが徐々にリング・プロフィールに変換される。凹部が大きくなると、基本モードがよりリング状になる。
【００３０】
図４は、基本モードＬＰ０１がＭＭファイバ１０の中央領域３８に入るときに生じる基本モードＬＰ０１の連接した（ａｒｔｉｃｕｌａｔｅｄ）リング・プロフィールと関連付けられる凹部１８の最大寸法を例証する。基本モードＬＰ０１のリング・プロフィールは、それぞれ２つのエネルギー・ピーク２０及び２２と、ピーク領域にブリッジをかけ、且つガウス・プロフィールよりもコア１２のより大きい面積を占めるように広がる中央に位置付けられた谷とを含む。凹部１８は、コア１２の中央領域に、好ましくは、フッ化物のイオンを制御可能にドープすることによって実現されてもよい。代替的に、ホウ素のイオンが用いられてもよいが、ホウ素は、ここでは考慮されないが制御された濃度のフッ化物よりもこの元素をあまり有利ではないものにする小さな影響を有する場合がある。さらに別の可能性は、コア１２の周辺領域における濃度とは異なる濃度のリン酸塩を中央領域３２に制御可能にドープすることである。
【００３１】
能動型ファイバ１０の事例において、コア１２は、Ｙｂ、Ｅｒ、Ｎｄ、Ｔｍ、Ｐｒ、Ｃｅ及び／又はＨｏイオン、及びそれらの組合せからなる群から選択された１つ又は複数のレアアース・イオンを十分にドープされる。コア１２の母材は、シリカを含んでもよいが、好ましくは、コアの母材は、リン酸塩を含む。後者は、リン酸塩中のドーパントの濃度が、導波管の劣化につながるクラスタを生成することなく、シリカ中よりも実質的により高い場合があるため、有利である。典型的に、Ｓｉ中のクラスタの生成は、Ｙｂのようなイオンの濃度が約１０００〜２０００ｐｐｍに達するときに観測される。対照的に、リン酸塩母材は、約５０００ｐｐｍまで及びそれ以上のレアアース・イオン濃度を可能にする。
【００３２】
図３、図４、及び図５を参照すると、それぞれ、図５に示された公知の従来技術の例示的な標準ＭＭファイバを上回る図３及び図４に示された開示されたファイバの利点を容易に見分けることができる。
【００３３】
図５は、一様な寸法にされたＭＭファイバ１００の屈折率プロフィール及び強度プロフィールを例証する。長年にわたり、ＭＭファイバ１００のようなＭＭファイバは、乏しいコア−クラッド同心度及びコア真円度のような不完全な構成で製造されていた。したがって、ファイバ１０とあらゆるＳＭファイバとの融合は、典型的に、結果としてそれぞれＨＯＭ  ＬＰ１１及びＬＰ０２の励起をもたらす場合があり、これは、他のＨＯＭの中でも、スプライス領域において最も励起する可能性が高かった。コア周辺領域を占めることにより、ファイバが不完全なものである場合に、ＬＰ１１０は容易に励起される。したがって、公知の技術の大部分は、ほとんどがこのモードの励起を防ぐ又は最小にすることに集中している（米国特許第５，８１８，６３０号）。ＬＰ０２を含む中心対称モードの励起はあまり検討されず、中心的にドープされる領域（Ｉｄ．）をもつもののような多くの能動型ファイバ構成でさえも、中央のＨＯＭを増幅する。
【００３４】
ファイバ製作方法の出現で、ＭＭファイバ、特に能動型ファイバの構成は、コア−クラッドの同心度＜０．５μｍ及びコア真円度＞０．９９を含む「理想」特徴に近づく傾向がある。そのうえ、ファイバの間のスプライスもまた絶えず改善される。したがって、これらの「理想」ファイバにおいて、非対称モード、最も顕著にはＬＰ１１モードは、対称性原理によりスプライス領域において、したがって、「理想」ＭＭファイバの入力端領域で励起されない場合がある。同様に、受動型の「理想」ファイバはまた、互いに融合されるときに、全般的に、ＬＰ０２のような中心対称高次モードのみの励起によって特徴付けられる。
【００３５】
図３に戻ると、実質的に理想構成を有すると考えられるＭＭファイバ１０の開示された構成は、ＭＭファイバ１０の入力端で励起したＨＯＭを例証する。図で見られるように、実質的に中央の高次モードＬＰ０２のみが基本モードＬＰ０１と共に励起される。したがって、中央領域３８に沿った開示されたファイバ１０の構成は、この中央のＨＯＭの強度のさらなる増加が防止されるだけでなく、望ましくは、その強度が若干減少されるようなものであるべきである。
【００３６】
図４を参照すると、ファイバの領域２８に沿った凹部１８の存在が中央コアの屈折率領域３２におけるＬＰ０２のピーク強度を最小にすることを容易に観測することができる。そのうえ、基本モードＬＰ０１の袖（ｗｉｎｇ）は、非常に大きなポンプ・パワーを引抜き、中央のＨＯＭ  ＬＰ０２の袖は実際的にゲインのないまま残る。しかしながら、ここで留意すべきは、或る凹部の幾何学的形状が、ＬＰ０２の強度プロフィールに、基本モードＬＰ０１のうちの１つに類似したリングの形状をとらせるので、凹部１８の拡大が無限ではないことである。ＨＯＭ  ＬＰ０２のこうした変換が生じる場合、結果として基本モードのみの増加した有効面積をもたらし、次に、非線形性に対するより一層高い閾値に寄与する、凹部１８の開示された構成が、開示された利点を提供するのを止める。
【００３７】
図３及び図４と組み合わせて解説される図６を参照すると、凹部１８と十分にドープされたコア１２との組合せは、所望の結果−基本モードＬＰ０１の実質的に歪みのない伝搬及び増幅−につながる場合があるが、能動型ファイバは、同じ結果を達成することができる異なる構成を有してもよい。最近のファイバ設計は、ゲイン・ドーパントの横方向のプロフィールを、モード識別を提供するように適合させることを中心としている。例えば、前述のように、１つの設計（米国特許第５，８１８，６３０号）は、コアの中心的にドープされる領域を含む。この技術は、ＭＭファイバの出力端での基本モードにおけるエネルギー損失につながる、基本モードＬＰ０１によって経験されるゲインと実質的に等しい中央ＨＯＭ  ＬＰ０２の増幅を提供する。
【００３８】
したがって、コア１２は、コア領域全体を覆わないリング−ドープされた領域１６を備えるように構成されてもよい。特に、ゲイン領域又はドーパント・プロフィール１６は、コア１２の中央領域３２を取り囲み、且つコア１２の周辺から或る距離で終端する。ゲイン領域１６は、領域２０及び２２、すなわち図４で見られる基本モードのピークパワー領域を含むように構成される。結果として、これらのピークパワー領域の増幅は、基本モードへの顕著なゲインを提供し、一方、ＬＰ０２のような中央のＨＯＭは、ゲインなし又は微々たるゲインを経験する。
【００３９】
ここで図６の屈折率プロフィールの中央領域３２に注目すると、ＬＰ０２のようなそれぞれ中央のＨＯＭの強度ピークは、リングの形状にされたドープされた領域１６の存在に関係なく中央に残る。しかしながら、これらのピークはあらゆるゲインを経験しない。したがって、図４で見られるＬＰ０２のピークは増幅されず、これはＭＭファイバ１０の出力端でこのモードの低い強度に移り変わる。したがって、ＭＭファイバ１０の二重のボトルネックをもつ断面と制御可能に寸法設定された凹部１８との組合せに加えて、リングの形状にされたゲイン領域１６は、基本モードの出力パワーをさらに改善する可能性がある。
【００４０】
ファイバ１０は、パルス化構成とＣＷ構成との両方に組み入れられてもよい。したがって、自己位相変調、四光波混合、ＳＲＳ、及びＳＢＳのような他の非線形効果に対する閾値が上昇する場合がある。
【００４１】
図７は、１つ又は複数のゲイン・ブロックを含む例示的なハイパワー・ファイバ・レーザ・システム５０を図式的に例証する。各ゲイン・ブロック５０は、両側の端３６でそれぞれＳＭ受動型ファイバ４２と融合される開示されたＭＭ能動型ファイバ１０を備えるように構成される。その各々がファイバ１０の端３６に結合される、受動型ファイバ４２の出力及び入力領域のそれぞれの幾何学的形状は、ＳＭファイバによってサポートされるＳＭ光のＭＦＤ及びプロフィールがＭＭファイバ１０の基本モードのＭＦＤ及びプロフィールと実質的に整合するように構成される。結果として、凹部１８（図３、図４）及び二重のボトルネックをもつ形状をもつＭＭ能動型ファイバ１０を構成することは、組合せにおいて、結合パワー損失を最小にするだけでなく、基本モードを増幅する。レーザ・システム５０は、ｋＷのオーダーのハイパワーを取り扱う可能性があるので、ＳＭ受動型ファイバ４２の各々はまた、大直径領域内の比較的低い出力密度に起因して受動型送達ファイバ４２における非線形効果の発生を最小にする二重のボトルネックをもつ形状を有してもよい。
【００４２】
システム５０の例示的なバージョンは、各々１２５μｍの両端３６のそれぞれの外径、約１５０〜２５０μｍの中央部又は増幅部３８の外径、及び約１８μｍの端３６でのコア１２の直径を有するように描かれた、ＹｂドープＭＭ能動型ファイバ１０を含んでもよい。約１２５μｍの端と所望のモード・フィールド直径をもつ受動型ファイバ４２を構成することにより、ＭＭファイバ１０と受動型ファイバ４２との間の融合が、実際的に損失なしに提供されてもよい。
【００４３】
図８Ａ〜図８Ｃは、能動型ＭＭファイバ１０を含むＨＰファイバ・レーザ・システムにおいて用いられるサイドポンピング配置をそれぞれ例証する。好ましくは、ポンプ送達ファイバ５５は、能動型ＭＭファイバ１０のクラッディング１４に後者の実質的な長さに沿って作動関係で接続される。したがって、図８Ａは、それに沿ってＭＭファイバ１０の端領域３６が延びる、サイドポンピング配置の端部を例証する。取り付けられたファイバ１０及び５５は、ファイバ１０及び５５の外にポンプされた光の結合を防ぐように、クラッディング１４よりも低い屈折率をもつ材料で作成されたスリーブ６０の中にそれぞれ包まれる。結合されたファイバ１０及び５５は、図８Ａの端領域に沿って実質的に同じ外径を有することに注目されたい。図８Ｂは、図８Ａの入力端の直径よりも大きい、実質的に同じ直径を有するファイバ１０及び５５によって特徴付けられる、サイド配置の中央部を例証する。図８Ｃはまた、ポンプ送達ファイバ５５の外径がＭＭファイバ１０のうちの１つの外径よりも実質的に小さい配置の中央領域に沿った結合を表す。図８Ｃに示された構成は、ポンプ放射の実質的な部分がＭＭファイバ１０のコア１２に吸収されるので特に有利である。図８Ｄ及び図８Ｅは、エンドポンピング技術の構成をそれぞれ例証する。図８Ｄの構成は、ポンプ放射を端領域３６に結合することを含み、一方、図８Ｅは、継続中の出願Ｎｏ．において解説されるように中央領域３８のポンピングの可能性を例証する。
【００４４】
現在開示された有力なレーザ・システムに種々の修正及び変形を加えることができることが当業者には明らかであろう。したがって、本開示は、それらが付属の請求項及びそれらの均等物の範囲内に入るという条件で、本開示の修正及び変形を包含することを意図される。
【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８Ｄ】
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【図８Ｅ】
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【国際調査報告】
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