(57)【要約】ハイパワーポンプ高輝度ローノイズ光源が、マルチモード（ＭＭ）の円滑なローノイズ信号光を９７４〜１０３０ｎｍの波長範囲において所望の波長で出力するマルチモード（ＭＭ）シード光源と、サブポンプ波長λｓｐでの複数のハイパワー（ＨＰ）半導体レーザダイオードの発光を、所望の波長λｓのポンプ出力に変換するように動作するマルチモード（ＭＭ）Ｙｂファイバ波長変換器（Δλ＝λｐ−λｓｐ  ＜  ０／１λｓｐ）とで構成される。ＹｂドープＭＭファイバ波長変換器は、ローノイズ信号光とほぼ同じノイズレベルで構成され、輝度（Ｂ）はｎ×Ｂとほぼ等しく（ｎはＨＰレーザダイオードの数、Ｂは各ＨＰレーザダイオードの輝度）、出力（Ｐ）はｎＰｄとほぼ等しい（Ｐｄは各ＨＰレーザダイオードの出力、ｎはその数）。
2014533428.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハイパワー高輝度ポンプローノイズ光源（ＨＰＵＢＬＮＳ）であって、
波長λｐのローノイズ信号光を発生する少なくとも１つのシード光源と、
サブポンプ波長λｓｐのサブポンプ発光を放射するように、共に組み合わせた複数のハイパワー（ＨＰ）半導体レーザダイオードと、
サブポンプ波長λｓｐのサブポンプ発光から波長λｐのポンプ出力へ、波長λｐのポンプ出力を放出するように構成されたＹｂドープマルチモード（ＭＭ）ファイバ波長変換器とを備え、
Ｙｂドープマルチモードファイバ波長変換器は、
ローノイズ信号光とほぼ同じノイズレベル、
ｎ×Ｂとほぼ等しい輝度（Ｂ）（ｎはＨＰレーザダイオードの数、Ｂは各ＨＰレーザダイオードの輝度）、および
ｎＰｄとほぼ等しい出力（Ｐｏ）（Ｐｄは各ＨＰレーザダイオードの出力、ｎはその数）、を有するＨＰＵＢＬＮＳ。
【請求項２】
増幅されたローノイズポンプ出力を受信し案内するコアを備えた伝送ファイバをさらに備え、
伝送ファイバのコアは、ＭＭ結合器ポンプ光源の１つより小さなコア直径で構成され、
ＭＭ結合器ポンプ光源がポンプ出力とほぼ等しいパワーを持つ出力光を放出する場合、ポンプ出力の輝度は、ＭＭ結合器の出力光の輝度より少なくとも１０倍以上大きい、請求項１記載のＨＰＵＢＬＮＳ。
【請求項３】
波長変換器は、増幅されたローノイズポンプ出力が多くても０．１ＲＭＳの二乗平均平方根（ＲＭＳ）値を有するように構成される請求項１記載のＨＰＵＢＬＮＳ。
【請求項４】
シード光源は、１つ又はそれ以上の組合せによるＭＭピグテール式レーザダイオード、および１つ又はそれ以上のＳＭファイバ発振器からなるグループから選択された構成を有する請求項２記載のＨＰＵＢＬＮＳ。
【請求項５】
サブポンプ光波長λｓｐは、約９１０〜９７５ｎｍの波長範囲で変化する請求項１記載のＨＰＵＢＬＮＳ。
【請求項６】
波長変換器は、ＭＭ  Ｙｂドープファイバと、Ｙｂドープファイバの各対向端部に接合され、出力パッシブファイバに接合された伝送ファイバのコア直径とほぼ等しい均一なコア直径を有する入力および出力パッシブＭＭファイバとで構成され、
Ｙｂドープファイバ、入力パッシブファイバは、ピグテール式レーザダイオードの出力ファイバと接合される請求項４記載のＨＰＵＢＬＮＳ。
【請求項７】
半導体レーザダイオードは、波長ファイバ変換器をエンドポンプ式またはサイドポンプ式でポンピングするように構成される請求項１記載のＨＰＵＢＬＮＳ。
【請求項８】
Ｙｂ波長変換器の開口数が約０．０５〜約０．１３の範囲で変化し、一方、ＭＭシード光源の開口数が、約０．１〜約０．１３の範囲で変化する請求項１記載のＨＰＵＢＬＮＳ。
【請求項９】
増幅されたローノイズポンプ光を受信し、ポンプ出力波長λｐより大きい波長でＳＭ光出力を発生するように動作するＳＭ  Ｙｂドープ光ファイバ発振器をさらに備える請求項１記載のＨＰＵＢＬＮＳ。
【請求項１０】
ＳＭ  Ｙｂ光ファイバ発振器は、
所望の波長範囲でシングル基本モードを実質的にサポートするように構成されたＭＭコアを備えたダブルクラッドＹｂドープファイバと、
Ｙｂドープファイバの各対向端部に接合され、シングルモードのコアをそれぞれ有する、離隔したダブルクラッド入力および出力パッシブファイバと、
Ｙｂレーザが約１０１５〜１０３０ｎｍの波長範囲で基本モードでＳＭポンプ光を出力するように、パッシブファイバのＳＭコアにそれぞれ設けられた、一対のファイバブラッググレーティングと、を含む請求項９記載のＨＰＵＢＬＮＳ。
【請求項１１】
ＭＭ波長変換器のＹｂドープファイバのコアは、約３００μｍまでのコア直径を有する請求項６記載のＨＰＵＢＬＮＳ。
【請求項１２】
少なくとも１つの追加ＨＰＰＳをさらに備え、
複数のＨＰＵＢＬＮＳが、Ｙｂゲインブロックをエンドポンプ式でポンピングするように光学的に組み合わせられる請求項１記載のＨＰＵＢＬＮＳ。
【請求項１３】
少なくとも１つの追加ＨＰＰＳをさらに備え、
複数のＨＰＵＢＬＮＳが、Ｙｂゲインブロックをサイドポンプ式でポンピングするように光学的に組み合わせられる請求項１記載のＨＰＵＢＬＮＳ。
【請求項１４】
波長変換器は、約１０〜２００ｐｐｍの範囲のＹｂイオン濃度で構成されたＹｂドープＭＭファイバを有する請求項１記載のＨＰＵＢＬＮＳ。
【請求項１５】
伝送ファイバのコアは、少なくとも５０ミクロンである請求項２記載のＨＰＵＢＬＮＳ。
【請求項１６】
Δλ＝λｐ−λｓｐ  ＜  ０．１λｓｐ（λｐはポンプ出力の波長、λｓｐはサブポンプ波長）を満たす請求項１記載のＨＰＵＢＬＮＳ。
【請求項１７】
ハイパワー高輝度ローノイズポンプ光源（ＨＰＵＢＬＮＳ）であって、
スパイク無しローノイズ信号光を発生する少なくとも１つのシード光源と、
サブポンプ波長λｓｐの複数のポンプレーザダイオードの発光から波長λｐ（λｓｐ≠λｐ）のポンプ出力へ変換するＹｂドープマルチモード（ＭＭ）ファイバ波長変換器とを備え、
ＭＭ波長変換器は、ポンプ出力がローノイズ信号光の輝度をほぼ超える輝度、およびローノイズ信号光と多くとも等しいノイズレベルを有するように、信号光を増幅するように構成されるＨＰＵＢＬＮＳ。
【請求項１８】
増幅されたポンプ出力を受信し、ポンプ出力波長λｐより大きい波長でＳＭ光源出力を発生するように動作するＳＭ  Ｙｂドープ光ファイバ発振器をさらに備える請求項１７記載のＨＰＵＢＬＮＳ。
【請求項１９】
ＳＭ  Ｙｂ光ファイバ発振器は、
所望の波長範囲でシングル基本モードを実質的にサポートするように構成されたＭＭコアを備えたダブルクラッドＹｂドープファイバと、
Ｙｂドープファイバの各対向端部に接合され、シングルモードのコアをそれぞれ有する、離隔したダブルクラッド入力および出力パッシブファイバと、
Ｙｂレーザが約１０１５〜１０３０ｎｍの波長範囲で基本モードでＳＭポンプ光を出力するように、パッシブファイバのＳＭコアにそれぞれ設けられた、一対のファイバブラッググレーティングと、を含む請求項１８記載のＨＰＵＢＬＮＳ。
【請求項２０】
シード光源は、ピグテール式レーザダイオード、または１つ又はそれ以上のＳＭファイバ発振器から選択された構成を有する請求項１８記載のＨＰＵＢＬＮＳ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ファイバーポンプ光源に関するものであり、円滑なローノイズ信号光を放射するマルチモード（ＭＭ）シード光源で構成され、該光源は、半導体レーザダイオードの発光を、約９７４〜１０３０ｎｍの波長帯で増幅された高輝度でローノイズポンプ出力に変換するＹｂ  ＭＭ波長変換器と接続される。
【背景技術】
【０００２】
Ｙｂドープ利得ファイバーを含むファイバーレーザは、高効率で、費用効率が高く、コンパクトかつ頑丈な光発生装置および光増幅装置である。イッテルビウムベースのファイバーレーザは、その優れた効率および長期信頼性に主に起因して、工業用ファイバーレーザの市場を支配している。
【０００３】
Ｙｂドープ媒体での最も高いピーク吸収は、コア材料に添加されるドーパントに依存して約９７４〜９７６ｎｍで生ずる。従って、ピーク吸収波長に可能な限り接近した波長、例えば、９７５ｎｍでＹｂドープ媒体をポンピングすることは、他のポンプ波長に対して２つの明確な利点、即ち、Ｙｂファイバーゲインブロックのより短いファイバー長およびより高い効率という利点を有する。ポンプされたＹｂゲインブロックのより短いファイバー長はそのパワースケーリングに影響を及ぼす有害な非線形効果を制限するキーポイントであるため、前者は特に重要である。非線形効果および後述する他の障害は、高いビーム品質、即ち、高い輝度を備えたハイパワーＹｂファイバーレーザ機構のパワースケーリングを妨害することがある。
【０００４】
これらの障害の少なくとも幾つかをうまく克服するには、ハイパワー（ＨＰ）Ｙｂゲインブロックのためのポンプ光源が、ピーク吸収波長において、可能な最大ポンプパワーを有するだけでなく、最高の輝度およびパワー密度、および可能な最小ノイズレベルを有するポンプ光を放出するように構成する必要がある。
【０００５】
ポンプパワー増加の実行可能な手法がビーム結合の原理でもよく、これは、基本的にマルチモード（ＭＭ）結合器において複数のレーザダイオードの出力を結合して、ポンプされたＹｂゲインブロックと直接に結合される単一の出力ビームを得ることを意味する。この原理に基づくポンプ光源は、ＭＭ結合器ポンプ光源とも称される。ＭＭポンプ光源によるパワー出力は極めて高いが、たとえそうであっても典型的には輝度もパワー密度もノイズレベルも著しくは改善されていない。
【０００６】
ポンプ光の輝度を改善するには、ポンプ光のマルチモード（ＭＭ）放射においてモード当りのエネルギーの増加を通じて、その発散を低減すべき、及び／又はビームサイズを低減すべきである。しかしながら、ＭＭ結合器ポンプ光源における複数のレーザダイオードの輝度は保存されて改善されない。半導体レーザによって放出されるポンプ光の追加の増幅が存在しないからである。
【０００７】
レーザダイオードの数を増加させることは、ＭＭ結合器ポンプ出力のパワーを増加させるのに必要であるが、ある望ましくない結果なしでは実現しない。結合器の出力をゲインブロックへ案内する伝送ファイバーのコア直径は、増加したパワーとともに拡大すべきである。そうでなければポンプ光を伝送ファイバーに結合させることは、極めて高いパワー損失を生じさせる。コア直径を増加させると、たとえ大きなポンプパワーであっても、パワー密度は、パワーを増加させる前とほぼ同じままである。これは、せいぜい同じポンプ吸収をもたらし、即ち、ポンプされたＹｂ利得ファイバー（ゲインブロックとも称する）においてポンプ光および活性コアのオーバーラップがほぼ同じままである。Ｙｂドープ活性ファイバーの長さを減少させなければ、利得およびビーム品質を制限する非線形効果の閾値が上昇しない。
【０００８】
前述に基づいて、ＭＭ結合ポンプ光源が高くかつ極めて高いポンプ光パワーを提供する。しかしながら、ポンプ光の輝度およびパワー密度が、増加したポンプ光パワーの受益者ではない。従って、ハイパワー光を、９７４〜１０３０ｎｍの範囲において大きな輝度、高いパワー密度で出力する改善されたファイバーポンプ光源が、Ｙｂゲインブロックにおいて更なるパワースケーリングおよび高いビーム品質を提供するために必要である。
【０００９】
代替として、所望の波長でハイパワーポンプ光を発生することが可能であるハイパワーマルチモードファイバーレーザを含むポンプ光源を構成する可能性が常にある。しかしながら、共振器内で発生するパワースパイクは、幾つかの出射モードが相互のいわゆるスペックル効果と干渉するため、望ましくないが、レーザを破壊するのに充分な強力なものになりえる。たとえレーザが損傷を受けなくても、その出力は変動し、明らかに望ましくない高いノイズレベルを有することになる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
こうして、安定したハイパワー高輝度ポンプ光を９７４〜１０３０ｎｍの範囲、特に９７５ｎｍの波長で出力するファイバーポンプ光源を提供するニーズが存在する。
【００１１】
ハイパワーポンプ光源が、公知のＭＭ結合ポンプ光源と比較してかなり改善した輝度で、ハイパワーで安定したポンプ光を９７４〜１０３０ｎｍの範囲で出力するように動作するという他のニーズも存在する。
【００１２】
９７４〜１０３０ｎｍの範囲のポンプ光を出力するハイパワー高輝度ファイバーポンプ光源を提供する更なるニーズが存在し、これは、最も強力なＭＭ結合ポンプ光源で利用でき、現在入手可能なパワー密度より少なくとも１０倍高いポンプ伝送ファイバー内のパワー密度および、現在入手可能なパワーレベルを超えるポンプ光パワーレベルによって特徴付けられる。
【００１３】
円滑なローノイズ信号光を出力するマルチモードシード光源を備えたハイパワーファイバーポンプ光源と、光信号のノイズレベルを超えないノイズレベルおよび、光信号の輝度を超えない輝度を備えたポンプ光を出力するように信号光を増幅するように構成されたＹｂドープ波長変換器について、さらに他のニーズが存在する。
【００１４】
シード光源と、波長λｓｐでの複数のハイパワー半導体サブポンプレーザダイオードの発光を、波長λｐのポンプ信号に変換するように動作する波長変換器（Δλ＝λｐ−λｓｐ  ＜  ０／１λｓｐ）とで構成されたハイパワー高輝度ポンプ光源について、さらに他のニーズが存在する。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
これらのニーズは、ここで開示したような、円滑な（スパイク無し）ローノイズ信号光を増幅し、ハイパワー高輝度ローノイズ高密度ポンプ光を出力するように構成されたハイパワー高輝度ポンプ光源によって満たされる。特に、開示したポンプ光源は、ハイパワー高輝度ローノイズ高密度ポンプ光を、９７４〜１０３０ｎｍの波長範囲で、最も好ましくは９７５ｎｍの波長で出力するように動作する。
【００１６】
開示したマルチモード（ＭＭ）ハイパワー高輝度ポンプ光源は、円滑な信号光λｐを、好ましくは９７５ｎｍの波長または、９７４〜１０３０ｎｍ範囲内の任意の他の所望の波長で出力する１つ又はそれ以上の組合せマルチモード（ＭＭ）シード光源で構成される。ＭＭシード光源は、ファイバコンポーネントまたはＭＭレーザダイオードとして構成でき、数百ワットに到達する信号光を出力する。
【００１７】
ＭＭポンプ光源はさらに、複数のマルチモード（ＭＭ）半導体レーザダイオードからの波長λｓｐのサブポンプ発光を、ポンプ光λｐに変換するように（Δλ＝λｐ−λｓｐ  ＜  ０／１λｓｐ）動作するＹｂドープマルチモード（ＭＭ）波長ファイバ変換器を有する。
【００１８】
ＭＭ波長変換器はまた、ｋＷレベルに到達でき、ほぼ１に等しい雑音指数を有する信号光波長λｐの明るいポンプ光を出力するように、ローノイズＭＭ信号光を受信し増幅するように構成される。換言すると、マルチモード（ＭＭ）Ｙｂ要素は、追加のノイズを信号光に追加しない。こうしてＹｂドープマルチモード（ＭＭ）波長変換器は、シード信号光のノイズレベルに利得指数(gain figure)を追加しないが、その輝度をかなり改善するＹｂドープＭＭファイバ増幅器として構成される。
【００１９】
波長λｓｐでサブポンプ光を放出するポンプ・サブアセンブリを規定するように組み合わせた、マルチモード（ＭＭ）Ｙｂ半導体レーザダイオードの数は、これらの数十個のダイオード程度になる。各半導体サブポンプダイオードは、数百ワットに達するサブポンプ光を出力することが可能である。こうしてサブポンプは、極めて強力なサブポンプ光を、高輝度ローノイズポンプ光を極めて高いパワーレベルで出力することが可能であるマルチモード（ＭＭ）Ｙｂ波長変換器に伝送するように構成される。
【００２０】
マルチモード（ＭＭ）Ｙｂ波長変換器からのポンプ信号は、ポンプ光パワーが均一である場合、公知技術のマルチモード（ＭＭ）レーザダイオード結合器の伝送ファイバのコア直径より小さい断面を有する伝送ファイバの中に結合される。従って、Ｙｂゲインブロックへ伝送されるポンプ光は、同じ条件下で、公知の先行技術のＭＭ結合器ベースのポンプ光源に伝送されるものより十数倍大きい高いパワー密度を有する。その結果、現在開示するポンプ光源のＭＭポンプ光は、極めて強力、高輝度でローノイズであるだけでなく、高い密度を有する。
【００２１】
開示したポンプ光源はまた、ハイパワー高輝度シングルモード（ＳＭ）ポンプ光を出力するように構成できる。この構成はまた、上記光源および、Ｙｂドープファイバを備えたシングルモード（ＳＭ）ファイバレーザに従って構成された第１カスケード(cascade)を含む。こうしてポンプ光源は、ハイパワー高輝度シングルモード（ＳＭ）ポンプ光を出力する。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
開示した装置の上記および他の特徴は、図面とともに下記の詳細な説明から容易に明らかになるであろう。
【００２３】
【図１】ハイパワー高輝度ＭＭポンプ光を９７４〜１０３０ｎｍの波長範囲で出力する開示したＭＭポンプ光源の光学的概略を示す。
【図２Ａ】図１の開示したポンプ光源を示し、シングルモードＹｂレーザと組み合わせて、ハイパワー高輝度ＳＭポンプ光を９７４〜１０３０ｎｍの波長範囲で出力する。
【図２Ｂ】図２ＡのＹｂファイバレーザの詳細な構成を示す。
【図３】エンドポンプ式で互いに結合した、図１または図２Ａの複数のポンプシステムを含むハイパワーファイバレーザシステムを示す。
【図４】サイドポンプ手法に従って配列した、図１または図２の開示したファイバポンプシステムを含むハイパワーファイバレーザシステムを示す。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
図１を参照して、ファイバポンプ光源１０が、約９７４〜１０３０ｎｍの間の信号光を発生する少なくとも１つまたはそれ以上の組合せシード光源１２と、信号光を受信し増幅して、ハイパワー高輝度ポンプ光を出力するマルチモード（ＭＭ）波長変換器１４とを含む。波長変換器１４は、Ｙｂイオンでドープされ、複数の組合せ半導体レーザダイオード１８を含むサブポンプシステム１６によってサイドポンプが行われるマルチモードコアを有するアクティブファイバを含む。組合せ半導体レーザダイオードは、サブポンプ波長λｓｐで変換器１４の中に結合されるサブポンプ光を発生し、Δλ＝λｐ−λｓｐ  ＜  ０／１λｓｐ（但し、λｐはポンプ出力波長（信号光の波長と同じ））となるように選択される。波長の近接性は、高い量子効率に関与し、これは、低い熱に関連した、ポンプされたＹｂファイバブロックの損失および高い利得として説明される。開示したように、波長変換器１４は、波長λｓｐのサブポンプ光をポンプ波長λｐに変換するように動作する。
【００２５】
シード光源１２は、例えば、単一または複数の組合せによる強力なピグテール式ＭＭレーザダイオードまたはファイバ型シード光源として構成され、９７４〜１０３０ｎｍの波長範囲で、好ましくは９７５ｎｍの波長で、少なくとも約０．１ＲＭＳの二乗平均平方根（ＲＭＳ）値のノイズレベルで、円滑なスパイク無し信号光を発生する。ダイオードはまた、約０．１〜０．１３の範囲のＮＡを有する。信号光は、数十〜数百ワットの範囲で変化する出力パワーを有することができる。パッシブＭＭファイバ２０は、発生した信号光を受信し、マルチモード（ＭＭ）Ｙｂ波長変換器１４へ案内する。パッシブファイバ２０は、例えば、１００ミクロンまたはそれ以上のマルチモード（ＭＭ）コア直径で構成される。信号光の特定波長が、光源１０のポンプ出力の波長であり、Ｙｂゲインブロック１００を増幅器１００の吸収ピークに最も近い波長でポンプするように選択される。増幅器は、１０３０〜１０７０ｎｍの範囲で動作し得る。代替として、シード光源１２が、１つまたはそれ以上の組合せＳＭファイバレーザを含んでもよい。
【００２６】
波長変換器１４のマルチモード（ＭＭ）Ｙｂアクティブファイバは、ダブルクラッドまたは通常の構成および、例えば、約５０〜１５０ミクロン（またはこれより大きい）範囲で変化し得るコア直径を有してもよい。ファイバ全ての外側直径は、均一でもよく、約１１０〜約３００ミクロンの範囲で変化してもよい。変換器１４のＹｂドープファイバはさらに、約０．０５〜０．１３の範囲で変化する小さなＮＡで構成してもよい。
【００２７】
波長変換器１４からのポンプ光の出力パワーＰｏは、極めて高くすることができ、サブポンプアセンブリにおいて組合せのＨＰ半導体レーザダイオード１８の数に依存し、例えば、前記サイドポンプ式変換器１４では、その数に依存する。こうしてポンプ光のパワーＰｏ≒Ｎ×Ｐｌｄ  となり、ＮはＨＰレーザダイオードの数であり、Ｐｌｄは個々のダイオードの出力である。当然ながら、ポンプ光の出力パワーＰｏは、信号光のパワーから依存し、これはＨＯレーザダイオードの組合せパワーに追加できる。ポンプ光は、例えば、９２０ｎｍ波長で放出され、信号光の伝搬に沿っておよびその反対に伝搬してもよい。レーザダイオードの数は、一緒に組合せた９０個までのダイオードを含んでもよい。各ダイオードは、例えば、１００ワットのポンプ光を出力してもよい。従って、ポンプ光源１０は、約９７４〜１０３０ｎｍの範囲で変化する波長でマルチＫＷポンプ光を出力できる。サブポンプアセンブリはサイドポンプ式波長変換器１４について示したが、当業者は、複数のレーザダイオード１８を含むエンドポンプ式を容易に実現できることに留意する。
【００２８】
ポンプ光のハイパワーレベルＰｏは、ＨＰレーザダイオードおよび信号光と比べて、ポンプ光の改善した輝度（Ｂ）に劇的に貢献する。輝度Ｂは、おおよそＰｏ／ＢＰＰに等しくなり、ここでＢＰＰはビームパラメータ積(product)であり、１／２Ｄｃ×ＮＡとして決定できる。Ｄｃはコア直径、ＮＡは開口数である。ＮＡは、実際には信号光のＮＡと同じか、これより小さいため、出力パワーがほぼ均一であれば、ポンプ出力の輝度は、公知の最も強力なＭＭ結合器よりも少なくとも１０倍大きくすることができる。
【００２９】
コア中のＹｂ３＋ドーパント濃度は、好都合には比較的低い。本開示によれば、好ましくは、Ｙｂ濃度は５０〜１００ｐｐｍの範囲で変化する。しかし、この範囲は１０〜２００ｐｐｍの範囲に拡大してもよい。
【００３０】
波長変換器１４はまた、Ｙｂドープファイバの各端部と結合した入力および出力パッシブファイバ（不図示）と、ポンプ光をゲインブロック１００へ案内する伝送ファイバ１５とを有する。伝送ファイバは、典型的には変換器１４の出力パッシブファイバと同様なコアサイズで構成され、不要な損失を防止している。ファイバレーザ技術の当業者は、ポンプパワーがほぼ同じであれば、開示したシステムにおいてポンプ光を案内するコアは、公知のＭＭ結合器ポンプ光源の伝送ファイバよりかなり小さいことをすぐに認識する。このことは、ゲインブロック１００へ伝送される極めて高いパワー密度のポンプ光をもたらすものであり、これは出願人に知られている最も進んだ現在のポンプ光源に関連した公知のパワー密度より少なくとも１０倍かそれ以上大きい。ポンプ光の所望の周波数および高い密度は、Ｙｂブロック１００におけるアクティブファイバの長さをかなり低減でき、これはその利得および出力ビームの品質に好ましい影響を与える。
【００３１】
ＭＭ波長変換器１４は、ＭＭファイバ増幅器として構成される。変換器１４の増幅されたポンプ信号のノイズレベルは、シード光源１２のものと同程度であって低い。こうした低ノイズポンプ信号もまた、改善したゲインブロック１００に寄与する。
【００３２】
ポンプ出力の９７６ｎｍ波長は、可能な波長だけではない。９７６ｎｍ波長より長い他の波長も容易に実現できる。しかしながら、９７６ｎｍでのポンピングがより短い長さのＹｂブロック１００を可能にし、これは非線形効果を制限し、より高い効率とするキーポイントである。
【００３３】
複数の光源１０を一緒に組み合わせて、スタンドアローン装置として使用してもよい。しかしながら、開示した光源１０の利点は、以下に開示するように、異なるポンピング構成でのポンプとして光源１０を組み込んだファイバレーザシステムの状況において特に重要になる。
【００３４】
図２Ａと図２Ｂは、２つ又はそれ以上のカスケード(cascade)を組み込んだハイパワーＳＭポンプ光源２５の構成を示す。第１カスケードは、図１のポンプ光源１０に従って構成され、追加のカスケードにはＹｂドープＳＭファイバレーザ２４が設けられる。カスケードは、例えば、約１０３０ｎｍのシングルモードポンプ光を出力するように、互いに光学的に接続される。レーザ２４は、約１０〜２０ミクロンのコア直径および５０〜１００ミクロンの直径を持つクラッドを有するアクティブシリカファイバ３０を用いて構成される。ファイバ３０のコア３０ｃはＹｂイオンでドープされ、好ましくは、所望の波長範囲、例えば、１ミクロン範囲での基本モードを実質的にサポートできるＭＭコアを有する。レーザ２４は、一対のダブルクラッドパッシブファイバ２６，２８をさらに有し、それぞれがアクティブファイバ３０の端部に接合される。均等に構成された入力および出力パッシブファイバ２６，２８は、シングルモード（ＳＭ）コアおよび導波クラッドをそれぞれ有する。波長選択は、レーザ２４のパッシブファイバ２６，２８の個々のコア中に書き込まれた２〜３個のファイバブラッググレーティング４６によって提供される。
【００３５】
ポンプ光源２５は、下記の手法で動作する。変換器１４からの９７４〜９７６ｎｍの波長範囲のハイパワー高輝度信号光は、出力パッシブファイバ３２の大きなＭＭコア３２ｃ（図２Ｂ）内でさらに案内され、ファイバ３２はこの光をレーザ２４の入力パッシブファイバ２６に伝送する。ファイバ２６の導波クラッドは、パッシブファイバ３２のコアサイズ、例えば、１００ミクロンとほぼ等しい直径を有する。一方、ＳＭコア２６ｃにはコア３２ｃより小さい直径が設けられる。従って、ポンプ光源１０からの９７４〜９７６ｎｍの出力信号光はさらに、入力ファイバ２６のクラッドおよびコア２６ｃの両方に沿って伝搬する。そして、案内された光は、アクティブダブルクラッドＹｂドープファイバ３０と結合される。ファイバ３０は、典型的にはコアサイズ２６ｃより大きい直径を持つＭＭコア３０ｃ、および入力ファイバ２６の導波クラッドとほぼ同じ寸法を持つ導波インナークラッド３０ｃｌを有する。アクティブＹｂドープファイバ３０の長さは、クラッド３０ｃｌに沿って伝搬する光がコア３０ｃ内で実質的に吸収されるように構成される。こうしてハイパワーファイバポンプ光源２５は、ＳＭハイパワー高輝度ポンプ光を所望の波長、例えば、１０３０ｎｍで発生できる。
【００３６】
入力パッシブＳＭファイバ２６およびアクティブＹｂドープＭＭファイバ３０それぞののコア２６ｃ，３０ｃは、互いに実質的に整合するモードフィールド径（ＭＦＤ）で構成される。コア２６ｃによって案内される光がコア３０ｃの中に結合した場合、米国特許第５４２２８９７号、米国特許第５７７４４８４号に開示されているように、基本モードだけを励起する。これらの米国特許は、本開示とともに同じ譲受人によって共有され、参照によりここに組み込まれる。
【００３７】
ＭＭ出力ファイバ３２のコア３２ｃおよびＳＭ入力ファイバ２６のコア２６ｃの直径に依存して、上記の構成の代わりに、通常の光ファイバを使用して、ＳＭ高輝度ハイパワーポンプ光を発生することが可能である。これを実現するためには、パッシブファイバ３２の端部をテーパー状にする必要があり、その結果、テーパー状端部がＳＭパッシブ入力ファイバ２６とほぼ整合する幾何学的直径を有する。そして、当然ながら、真のＳＭコアを有するアクティブファイバ３０を利用することが可能である。上記のようなレーザ２４の１０３０波長は例示に過ぎず、ＦＢＧ（ファイバブラッググレーティング）のフィルタパラメータに依存する。
【００３８】
図３は、改良したＹｂドープ増幅器４０が設けられた超ハイパワーファイバレーザシステム３５において、図１のポンプ光源１０または図２Ａのポンプ光源２５の可能性ある応用の１つを示す。特に、ハイパワーファイバレーザシステム３５は、束状になった複数のポンプ光源１０を含む。中央のＳＭ信号伝送ファイバ３８が、１０１５〜１０７０ｎｍの波長範囲の信号を案内するものであり、束を通過し延在しており、周囲のポンプシステムと光学的に接続される。組み合あわせたポンプ光源および中央の信号ファイバの出力ファイバ４２は、信号光を、エンドポンプ手法に従って改良Ｙｂファイバ増幅器４０に伝送する。改良Ｙｂファイバ増幅器４０は、所望の１０１５〜１０７０ｎｍの波長範囲で実質的に基本モードでハイパワービームを出力するように構成される。必要であれば、図示したシステムにおいて偏光保持ファイバが使用できる。
【００３９】
図４は、ハイパワーファイバレーザシステム４５において、開示したポンプシステム１０の他の構成を示す。ここで、複数の図１のハイパワー高輝度ファイバレーザポンプシステム１０または図２Ａのシステム２５、および改良Ｙｂファイバ増幅器４４をそれぞれ含む複数のポンプグループが、サイドポンプ配置を規定する。例えば、各グループのポンプシステム１０は、所望の波長で結合器からのポンプ光を、改良Ｙｂファイバ増幅器４４へ案内する単一の出力ファイバを有するように、一緒に組み合わされる。改良Ｙｂファイバ増幅器は、１０１５〜１０７０ｎｍの範囲で実質的に基本モードまたはローモードの出力でハイパワー光を出力するように構成できる。図３および図４に個々に示した両方の例が、所定の吸収ピークとほぼ一致する発光波長を持つハイパワー高輝度ポンプ信号を用いてポンプされた改良ハイパワー増幅器を採用する。このため、レーザ分野の当業者が容易に理解するように、図３および図４にそれぞれ示した機構において、改良増幅器のアクティブファイバの長さは実質的に低減し、一方、非線形効果の閾値が上昇する。
【００４０】
添付図面を参照して、本発明の好ましい実施形態の少なくとも１つを記載したが、本発明はこれらの精密な実施形態に限定されないことは理解すべきである。例えば、開示したポンプ光源は、ＣＷおよびパルスレーザシステムの一体部分とすることができる。種々の波長、ファイバーパラメータ、希土類ドーパントを含む種々の変化、変更および適応が、上記で開示したように、本発明の範囲または精神から逸脱することなく、当業者によって実施するようにしてもよい。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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