(57)【要約】ファイバベースの光源は、ポンプ光源としてハイパワーレーザーダイオードスタックを備え、該スタックの出力は、フォーカスと光集束要素とを使用することによって細長断面の強烈なビームへ形作られる。ビームは、高効率にポンピングするために、細長断面の内部クラッドを有するファイバをクラッドポンプするために用いられる。優れたモード品質を有する高出力パワーを達成するために、全体の大きなコア領域は、活性イオンでドープされ、かつ線形アレイで内部クラッド内に配置された個々の複数のコアを有するようファイバを配置することによって提供される。個々の各コアはシングルモード操作用に配置され、その結果複数のシングルモードレーザの出力が生成され、これにより一つのシングルモードハイパワー出力を生成するよう結合され得る。光源はまた、レーザ又は増幅器として配置することもできる。
2004527101.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一つ又は複数のレーザーダイオードバーを含みかつポンプ放射を放出することのできるレーザーダイオードスタックと、
前記ポンプ放射を細長断面を有するビームにフォーカスすることのできるビーム形成光学素子と、
細長断面の内部クラッドを有し、かつ端部のうちの少なくとも一つにポンプ光のビームが接続されるよう構成された光ファイバと、
活性イオンでドープされ、前記内部クラッドの前記細長断面と平行に配置された全細長断面を有し、かつ前記内部クラッドを介して前記ポンプ放射を吸収して誘導放出によって出力放射を発生して放出するよう構成された一つ又は複数の光ファイバコアと、
を備えていることを特徴とする光放射源。
【請求項２】
請求項１記載の光放射源において、
前記誘導放出はレーザ発振を発生し、前記一つ又は複数の光ファイバコアは、前記出力放射の光フィードバックを提供することのできる光キャビティー内に配置されていることを特徴とする光放射源。
【請求項３】
請求項１記載の光放射源において、
前記誘導放出は光増幅を発生し、前記一つ又は複数の光ファイバコアは、前記ポンプ放射の吸収から発生したゲインによって増幅されるべき信号放射を受けるよう構成されていることを特徴とする光放射源。
【請求項４】
請求項１から３のうちいずれか一項に記載の光放射源において、
前記一つ又は複数の光ファイバコアは、前記光ファイバの前記内部クラッド内に位置していることを特徴とする光放射源。
【請求項５】
請求項４記載の光放射源において、
前記第１光ファイバと並んで配置された一つ又は複数の付加的な光ファイバをさらに備え、ポンプ光が前記一つ又は複数の付加的なファイバの内部クラッドに付加的に接続されていることを特徴とする光放射源。
【請求項６】
請求項１から３のうちいずれか一項に記載の光放射源において、
前記一つ又は複数の光ファイバコアは、前記第１光ファイバの内部クラッドと光通信するよう構成された第２光ファイバの内部クラッド内に位置していることを特徴とする光放射源。
【請求項７】
請求項６記載の光放射源において、
関連付けられた複数のビーム形成光学素子及び複数の光ファイバを有する一つ又は複数の付加的なレーザーダイオードスタックをさらに備え、
各光ファイバは、前記第２光ファイバの前記内部クラッドと光通信するよう構成された内部クラッドを有することを特徴とする光放射源。
【請求項８】
請求項１から７のうちいずれか一項に記載の光放射源において、
前記一つ又は複数の光ファイバコアは、線形アレイに配置された複数のコアを備えていることを特徴とする光放射源。
【請求項９】
請求項８記載の光放射源において、
前記複数のコアは、前記線形アレイに沿って実質的に等間隔に隔離されていることを特徴とする光放射源。
【請求項１０】
請求項８記載の光放射源において、
前記複数のコアは、前記線形アレイに沿って不規則に隔離されていることを特徴とする光放射源。
【請求項１１】
請求項８から１０のうちいずれか一項に記載の光放射源において、
前記複数のコアのそれぞれは、単一空間モードを有するビームの出力放射を放出するよう配置されていることを特徴とする光放射源。
【請求項１２】
請求項８から１１のうちいずれか一項に記載の光放射源において、
前記複数のコアのそれぞれによって放出された前記出力放射を単一出力ビームへ結合することのできるビームコンバイナーをさらに備えていることを特徴とする光放射源。
【請求項１３】
請求項１２記載の光放射源において、
前記複数のコアのそれぞれは、異なる波長で動作し、前記ビームコンバイナーは、単一出力ビームを形成する共通の角度で各コアの出力が回折されるよう構成された回折格子とコリメータレンズとを備えていることを特徴とする光放射源。
【請求項１４】
請求項１から７のうちいずれか一項に記載の光放射源において、
前記一つ又は複数の光ファイバコアは、細長断面を有する単一コアを備えていることを特徴とする光放射源。
【請求項１５】
請求項１から１５のうちいずれか一項に記載の光放射源において、
前記光ファイバは、実質的に平らな長側面を有する細長断面を有することを特徴とする光放射源。
【請求項１６】
請求項１５記載の光放射源において、
前記一つ又は複数の光ファイバコアは、前記ポンプ放射の吸収によって発生した熱の除去を容易にするために、前記ファイバの長側面に対して非対称に位置していることを特徴とする光放射源。
【請求項１７】
請求項１から１６のうちいずれか一項に記載の光放射源において、
前記一つ又は複数の光ファイバコア内の前記活性イオンは、ネオジム、イッテルビウム、エルビウム、ツリウム、又は他の希土類元素のうちの少なくとも一つを含むことを特徴とする光放射源。
【請求項１８】
請求項１から１７のうちいずれか一項に記載の光放射源において、
前記ビーム形成光学素子は、前記レーザーダイオードスタックから前記ポンプ放射を受けることができ、かつ減少された寸法のビームを生成するために前記ポンプ放射を複数回反射することができる光コンセントレータを含むことを特徴とする光放射源。
【請求項１９】
請求項１８記載の光放射源は、
前記複数の反射は、一つ又は複数の鏡面を使用することによって達成されることを特徴とする光放射源。
【請求項２０】
請求項１８記載の光放射源において、
前記複数の反射は、プリズム内の内部反射によって達成されることを特徴とする光放射源。
【請求項２１】
請求項１８から２０のうちいずれか一項に記載の光放射源において、
前記ビーム形成光学素子は、前記光コンセントレータの前面に位置しかつ複数反射の量を減少させるために前記ポンプ放射をフォーカスすることのできる円柱レンズをさらに備えていることを特徴とする光放射源。
【請求項２２】
請求項１８から２１のうちいずれか一項に記載の光放射源において、
前記光コンセントレータは、ポンプ放射のビームが実質的にあらゆる方向に等しいビーム発散角度で発生するように配置されていることを特徴とする光放射源。
【請求項２３】
請求項１から２２のうちいずれか一項に記載の光放射源を２つ以上備え、かつ、前記光ファイバコアの位置する前記内部クラッドが前記出力放射の放出される箇所と並んで位置するよう配置された光学装置。
【請求項２４】
一つ又は複数のレーザーダイオードバーを備えたレーザーダイオードスタックからポンプ放射を発生させる段階と、
前記ポンプ放射を細長断面を有するビームへフォーカスする段階と、
前記ポンプ放射を細長断面の内部クラッドを有する光ファイバの少なくとも一端部へ接続する段階と、を備え、ポンプ放射を光ファイバの少なくとも一端部へ接続する前記段階によって、前記ポンプ放射が、前記内部クラッドを通過するとともに、活性イオンでドープされかつ前記内部クラッドの細長断面と平行に配置された全細長断面を有する一つ又は複数の光ファイバコアによって吸収され、誘導放出によって出力放射が発生しかつ放出されることを特徴とする光放射の発生方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザに関し、より特にはレーザービームのパワーを増加させる技術に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
優れたビーム特性を有する高平均出力レーザービームが必要とされるところでは、レーザに多くの用途がある。そのような用途には、溶接、穿孔、精密加工、けがき、切断、材料処理、並びに薬及び防衛における応用が含まれる。例えば、約１０μｍの波長で動作する二酸化炭素レーザ、及び約１μｍのより短い波長で動作する、アーク灯でポンプされた又はダイオードレーザでポンプされた固体結晶レーザ（例えばＮｄ：ＹＡＧ）を含む、高出力レーザービームを発生させるためには多くの異なるアプローチがある。どちらの場合でも、１ｋＷを超える出力パワーを有するレーザが説明されてきた（例えば非特許文献１）。二酸化炭素レーザは、ずっとより長い動作波長を有する固体レーザと比べて不利である。このように、厳格にフォーカスされたとき、短い波長の固体レーザは、同一の出力パワーを有する二酸化炭素レーザよりもずっと高いレーザ強度を生み出すことができる。不運にも、高出力固体レーザは、レーザポンピングサイクルのために、レーザ媒体で発生した熱がレーザ効率及びビーム特性を劣化させる強力な熱効果（非特許文献２）を生み出し、さらには応力により誘起されたレーザロッドの破壊のためにレーザを故障させる可能性があるという問題に苦しんでいる。レーザ媒体における熱の発生と関連した問題のいくつかを緩和するための多くの案が報告されてきた（例えば非特許文献１）が、キロワット及びそれ以上の出力レベルで動作する固体レーザに対する満足な解決策は、いまだに確立されていない。最終的な結果は、高平均出力固体レーザがしばしば、Ｍ２ビーム伝搬率＞＞１（多くの場合キロワットクラスのレーザに対してＭ２は約１０〜１００である）であり、かつより低い出力で動作するレーザと比べて低効率である、というようにビーム特性に劣ることである。このことが、特に高出力と優れたビーム特性（つまり高明度）との組み合わせを必要とする区域での適応性を制限してきた。
【０００３】
高出力ダイオードレーザでポンプされたクラッドを有するダブルクラッドファイバーレーザは、優れたビーム特性及び高い効率を維持する一方で、レーザー出力をスケーリングする他の手段を提供する（例えば非特許文献３，４）。このレーザ配置では、レーザポンピングサイクルのために発生した熱をファイバの長い範囲に亘って分配することができ、損傷を受ける可能性が減少する。その上、出力ビーム特性はいまや、単一空間モード出力ビームを選択するよう適応させることができる、活性レーザイオンでドープされたコアの導波路特性によって決定される。従来の「バルク」レーザ結晶と比べて、熱レンズは一般にファイバレーザのビーム特性にほとんど影響を与えない。このように、クラッドポンプファイバーレーザーは、従来の「バルク」固体レーザの性能にとって非常に不利益な、熱によって誘起された問題に大きく影響を受けない。これらの魅力にもかかわらず、従来のクラッドポンプファイバーレーザーが有するのは、複数のダイオードレーザからより高いポンプ出力を内部結合する際の困難と、単一空間モードのビーム特性を維持しつつレーザ強度によって誘起される損傷を回避するようにコア領域をスケーリングしなければならないといった制限と、の組み合わせによる制限された出力スケーリング能力のみである。クラッドポンプファイバーレーザーに関して報告されている最大出力パワーは１１０Ｗである（非特許文献４）。
【０００４】
さらなる出力スケーリングに対して鍵となる要求は、不利益な非線形効果と高い内部キャビティ・レーザ強度による損傷とを回避するためにコア領域を増加させる能力である。Ｃｏｏｋらによって報告された（非特許文献５）、この要求を達成するための一つの方法は、それぞれが単一のコアを有する複数のファイバレーザを使用し、これらレーザのビームを、コリメータレンズと回折格子と半透ミラーとからなり出力カプラーとして用いられるレーザキャビティと共通の断面で、単一のレーザービームに結合することである。個々のファイバは、ファイバの端部（ポンプ内部結合端部と反対の）が線形アレイの極近くに位置するよう構成されており、この線形アレイは、ファイバ端面からコリメータレンズの焦点距離とほぼ等しい距離に位置するコリメータレンズと、ファイバ端面からコリメータレンズの焦点距離の２倍の距離に位置する回折格子と、を有する。このように、回折格子の動作は、ファイバレーザが回折格子で単一のビームに結合されるように、各ファイバレーザの波長を自動的に選択することである。ファイバコアが各ファイバレーザのシングルモード動作を保証するよう選択されるならば、結果としてスペクトル結合されたビームもまたシングルモードである。このように、出力スケーリングに対するアプローチは、ビーム特性を劣化させることなく有効コア領域（すなわち結合されたコア領域）の増加を可能とするために、ガラスホストでは典型的な、広いゲインの線幅を利用することである。ビーム結合に対する同様のアプローチは、広いストライプの線形ダイオードレーザアレイにおいて構成要素の出力を結合するために用いられてきた（非特許文献６）。
【０００５】
しかしながら、出力スケーリングに対するアプローチは、多くの重大な欠点を有している。第一に、各ファイバは、適切な内部結合光学素子を有する一つ又は複数のレーザダイオードアレイによってポンプされねばならない。商業的に利用可能なダイオードレーザーバーから利用できる最大ポンプ出力は現在のところ、４０〜６０Ｗの範囲（レーザ配置及び製造業者に依存する）であり、ファイバ当たりの最大出力パワーを約４０Ｗ又はそれよりも小さい値まで制限する。このように、結合された出力を非常に高い出力レベルまでスケーリングするには、それぞれが独自のダイオードレーザポンプ光源と一連のポンプ内部結合光学素子とを備えた多くのダイオードポンプファイバを必要とする。例えば、１キロワット以上の結合出力は、２５よりも多くのダイオードポンプファイバを必要とする。最終的に結果として、極度に複雑かつ高価なレーザシステムとなり、適応性を制限することになる。このアプローチのさらなる欠点は、隣接するファイバにおけるコアの最小間隔は、ファイバの内部クラッドの直径（又は外部寸法）と同様である可能性があるということである。この最小間隔は通常、ダイオードポンプレーザの効率的な内部結合を保証するために選択され、したがって使用されたレーザダイオードの種類と内部結合光学素子の構成とに依存する。現在の世代の高出力ダイオードバーポンプ光源と最適に構成されたポンプビーム条件及び焦点光学とに対して、必要とされる内部クラッドのサイズは通常＞２００μｍであり、これは典型的なシングルモードコアの直径よりもずっと大きい。このようにして結合され得るファイバレーザの数に対する上限、したがって結合されたシングルモード出力が設定される。というのも、コアからコアまでの間隔は、隣接するファイバの動作波長の間隔にほぼ比例し、レーザ媒体は有限のゲイン・バンド幅を有するのみだからである。このアプローチのさらなる欠点は、各ファイバが、ポンプと内部結合するこれらファイバの端部に位置する別体の高反射体（例えば誘電ミラー又は内部ファイバブラッグ格子（ｉｎ−ｆｉｂｒｅ Ｂｒａｇｇ ｇｒａｔｉｎｇ））を必要とし、該反射体は、効率的なレーザ動作にフィードバックするために、ポンプ波長において高い透過性をもち、かつレージング波長において高い反射率をもたねばならないことである。高出力レーザシステムにおいては、これによって多くのミラー、追加の複雑性、及びレーザに対する余分なコストが必要となる。この従来技術のアプローチのさらなる欠点は、アレイにおけるファイバのそれぞれが、各ファイバ端面がコリメータレンズの焦平面に存在するように、かつコア位置が、コア径よりもずっと小さいコア位置において、あらゆる偏差を有して直線上に置かれるように、独立かつ正確に整列されねばならないということである。これらの整列条件は、結合された出力ビームに対して優れたビーム特性を保証するのに必要とされるが、整列方法にかなり余分な複雑さを追加し、達成する上では多大な費用を要することがある。これらの特徴を組み合わせたものは、従来技術で述べたように、制限された実用値での出力スケーリングのための技術を実現する。
【０００６】
高出力を達成するためのさらなるファイバベースのアプローチは、特許文献１に開示されている。ファイバレーザは、リボンファイバ内に配置された多くの平行な導波路を含む。シングルモード動作を達成するために、各導波路は、ハイオーダーモードを抑制するために一方向には狭いが、より広いコア領域を与えてパワーを増加させるために直交方向に広い、コアを有する。この方向のハイオーダーモードは、モードフィルターとファイバに形成された吸収体とを用いることによって除去される。ファイバは、レーザーダイオードバーと一緒にサイドポンプされ、一のバーからのポンプ光が隣のバーからの光が導入される前に完全に吸収されるように、ファイバの長手方向に沿って配置されている。いくつかのバーは、出力を適切にスケーリングする必要があり、このためにファイバの長さが非実用的に長くなることがある。また、サイドポンピング構成は、ファイバに沿ってポンプ光を導くために、ファイバ内に透過格子を必要とする。全体的にみれば、リボンファイバの構造は複雑なので、製造コストが高くなる。
【０００７】
【非特許文献１】
Ｃ． Ｓｔｅｗｅｎ， Ｍ． Ｌａｒｉｏｎｏｖ， Ａ． Ｇｉｅｓｅｎ ａｎｄ Ｋ． Ｃｏｎｔａｇ， “Ｙｂ：ＹＡＧ ｔｈｉｎ ｄｉｓｋ ｌａｓｅｒ ｗｉｔｈ １ｋＷ ｏｕｔｐｕｔ ｐｏｗｅｒ，”ｉｎ Ｔｒｅｎｄｓ ｉｎ Ｏｐｔｉｃｓ ａｎｄ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ， ｖｏｌ．３４， （Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａ， Ｗａｓｈｉｎｇｔｏｎ， Ｄ．Ｃ．） （２０００）， ｐ．３５−４１．
【非特許文献２】
Ａ． Ｋ． Ｃｏｕｓｉｎｓ， “Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ ｔｈｅｒｍａｌ ｓｔｒｅｓｓ ｓｃａｌｉｎｇ ｉｎ ｆｉｎｉｔｅ−ｌｅｎｇｔｈ ｅｎｄｐｕｍｐｅｄ ｓｏｌｉｄ−ｓｔａｔｅ ｌａｓｅｒ ｒｏｄｓ，”ＩＥＥＥ Ｊ． Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．， ｖｏｌ．２８， （１９９２）， ｐ．１０５７−１０６９．
【非特許文献３】
Ｒ． Ａ． Ｈａｙｗａｒｄ， Ｗ． Ａ． Ｃｌａｒｋｓｏｎ， Ｐ． Ｗ． Ｔｕｒｎｅｒ， Ｊ． Ｎｉｌｓｓｏｎ， Ａ． Ｂ． Ｇｒｕｄｉｎｉｎ ａｎｄ Ｄ． Ｃ． Ｈａｎｎａ， “Ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｃｌａｄｄｉｎｇ−ｐｕｍｐｅｄ Ｔｍ−ｄｏｐｅｄ ｓｉｌｉｃａ ｆｉｂｒｅ ｌａｓｅｒ ｗｉｔｈ ｈｉｇｈ ｐｏｗｅｒ ｓｉｎｇｌｅ−ｍｏｄｅ ｏｕｔｐｕｔ ａｔ ２μｍ，” Ｅｌｅｃｔｒｏｎ． Ｌｅｔｔ．， ｖｏｌ．３６， （２０００）， ７１１−７１２．
【非特許文献４】
Ｖ． Ｄｏｍｉｎｉｃ， Ｓ． ＭａｃＣｏｒｍａｃｋ， Ｒ．Ｗａａｒｔｓ， Ｓ． Ｓａｎｄｅｒｓ， Ｓ． Ｂｉｃｋｎｅｓｅ， Ｒ． Ｄｏｈｌｅ， Ｅ，． Ｗｏｌａｋ， Ｐ． Ｓ． Ｙｅｈ ａｎｄ Ｅ． Ｚｕｃｋｅｒ， “１１０Ｗ ｆｉｂｒｅ ｌａｓｅｒ，” Ｅｌｅｃｔｒｏｎ． Ｌｅｔｔ．， ｖｏｌ．３５， （１９９９）， ｐ．１１５８−１１６０．
【非特許文献５】
Ｃ． Ｃ． Ｃｏｏｋ ａｎｄ Ｔ． Ｙ． Ｆａｎ， “Ｓｐｅｃｔｒａｌ ｂｅａｍ ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ ｏｆ Ｙｂ−ｄｏｐｅｄ ｆｉｂｅｒ ｌａｓｅｒｓ ｉｎ ａｎ ｅｘｔｅｒｎａｌ ｃａｖｉｔｙ，” ｉｎ Ｔｒｅｎｄｓ ｉｎ Ｏｐｔｉｃｓ ａｎｄ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ， ｖｏｌ．２６， （Ｏｐｔｉｃａｌ ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａ， Ｗａｓｈｉｎｇｔｏｎ， Ｄ．Ｃ．）， （１９９９）， ｐ．１６３−１６６．
【非特許文献６】
Ｖ． Ｄａｎｅｕ， Ａ． Ｓａｎｃｈｅｚ， Ｔ．Ｙ． Ｆａｎ， Ｈ．Ｋ． Ｃｈｏｉ， Ｇ．Ｗ． Ｔｕｒｎｅｒ ａｎｄ Ｃ．Ｃ． Ｃｏｏｋ， “Ｓｐｅｃｔｒａｌ ｂｅａｍ ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ ｏｆ ａ ｂｒｏａｄ−ｓｔｒｉｐｅ ｄｉｏｄｅ ｌａｓｅｒ ａｒｒａｙ ｉｎ ａｎ ｅｘｔｅｒｎａｌ ｃａｖｉｔｙ”， Ｏｐｔ． Ｌｅｔｔ．， ｖｏｌ． ２５， （２０００）， ｐ．４０５−４０７．
【特許文献１】
欧州特許第１０５９７０７号明細書
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る出力スケーリングのためのアプローチは、従来技術の限界を克服するために新奇なレーザ構成を使用し、ファイバレーザの実際的な、効率的な、かつ比較的低コストな出力スケーリングを、優れたレーザービーム特性を維持しつつ非常に高い平均出力レベルにすることを可能にし、かくして多くの応用要求に役立つ。
【０００９】
この発明の第１の態様は、一つ又は複数のレーザーダイオードバーを含みかつポンプ放射を放出することのできるレーザーダイオードスタックと、前記ポンプ放射を細長断面を有するビームにフォーカスすることのできるビーム形成光学要素と、細長断面の内部クラッドを有し、かつ端部のうちの少なくとも一つにポンプ光のビームが接続されるよう構成された光ファイバと、活性イオンでドープされ、前記内部クラッドの前記細長断面と平行に配置された全細長断面を有し、かつ前記内部クラッドを介して前記ポンプ放射を吸収して誘導放出によって出力放射を発生して放出するよう構成された一つ又は複数の光ファイバコアと、を備えていることを特徴とする光放射源に向けられている。
【００１０】
そのようなシステムは、ファイバベースの光源をポンプするためにレーザーダイオードスタックから利用できる高出力を利用する。レーザーダイオードスタックの出力は通常、比較的劣ったビーム特性を有するが、この論点は、出力を細長形状の高強度ビームへ形作ることによってこの発明において検討されている。これによって、より伝統的な円形ビームが試みられた場合よりもより高い強度のビームが与えられ、強度は効率的なポンピングを達成する上で重要である。細長ビーム形状から最大の利点を引き出すために、ビームは細長断面のファイバをクラッドポンプ（ｃｌａｄｄｉｎｇ−ｐｕｍｐ）するように用いられ、結合は、ポンプをファイバへ効率的に接続するだけでなく、一つ又は複数のコアを様々な配置で使用することを容易にできる。
【００１１】
一つ又は複数の光ファイバコアが、出力放射の光フィードバックを提供することのできる光キャビティー内に配置されている場合には、誘導放出がレーザ発振を発生することができる。あるいは、一つ又は複数の光ファイバコアが、ポンプ放射の吸収から発生したゲインによって増幅されるべき信号放射を受けるよう構成されている場合には、誘導放出が光増幅を発生することができる。このように、本発明は、レージング及び増幅の両方に適切であり、したがって広い形態の応用に利用することができる。
【００１２】
一つ又は複数の光ファイバコアは、光ファイバの前記内部クラッド内に位置することができる。この配置は、単一のファイバのみが必要とされ、その結果光源は比較的単純であるということを意味する。その上、光源はさらに第１光ファイバと並んで配置された一つ又は複数の付加的な光ファイバを備えてよく、ポンプ光が一つ又は複数の付加的なファイバの内部クラッドに付加的に接続されている。これにより、ファイバは基本的には一つのより大きなファイバを形成するために隣接して配置されるので、製造され得るファイバのサイズに制限がある場合にはシステムをスケールアップすることができる。
【００１３】
あるいは、一つ又は複数の光ファイバコアは、第１光ファイバの内部クラッドと光通信するよう構成された第２光ファイバの内部クラッド内に位置してもよい。ポンプレシービングファイバ（ｐｕｍｐ−ｒｅｃｅｉｖｉｎｇ ｆｉｂｒｅ）からドープされたコアまでの間隔は、システム構成により柔軟性を提供し、したがってある状況においてより適切なものとすることができる。例えば、この構成は、増幅器を用いるのに適合している。というのも、一つ又は複数のコアは自由端部を有するファイバ内に収容されており、該一つ又は複数のコアには、ポンプ放射が第１ファイバへ接続されるのとは異なり、増幅されるべき光信号を容易に接続することができるからである。また、光源は、関連付けられた複数のビーム形成光学要素及び複数の光ファイバを有する一つ又は複数の付加的なレーザーダイオードスタックをさらに備えてよく、各光ファイバは、第２光ファイバの内部クラッドと光通信するよう構成された内部クラッドを有する。このように、多くのレーザーダイオードスタックからのポンプ放射は、単一のコアを含むファイバへ都合よく接続することができ、かくして利用できるポンプ出力を増加させることができる。
【００１４】
一つ又は複数の光ファイバコアは、線形アレイに配置された複数のコアを備えてよい。複数のコアは、単一の大面積コアに固有のマルチモード・ビームの問題なしに全体の大きなコア領域を提供するので、出力スケーリングの問題に優れた解決策を提供する。また、複数の小さなコアを使用することで大方解決される単一の大面積コアを使用することと関連した熱レンズのような熱に関する問題もある。
【００１５】
複数のコアは、線形アレイに沿って実質的に等間隔に隔離されていてよく、あるいは、線形アレイに沿って不規則に隔離されていてよい。これらの配置は、光源の出力の波長プロファイルを適応させるための範囲を与える。光源と共に使用され得るあるビーム結合構成は、各コアが作動する波長を線形アレイの位置に応じて異ならせる回折格子を使用する。かくしてコアは、所望の出力波長結合を与えるためにファイバ内に位置させることができる。
【００１６】
複数のコアのそれぞれは、単一空間モードを有するビームの出力放射を放出するよう配置されてよい。ビームを単一の出力へ結合する必要がある場合には、この構成によってシングルモードの単一出力ビームを容易に達成することができる。
【００１７】
複数のコアを有する光源は、複数のコアのそれぞれによって放出された出力放射を単一出力ビームへ結合することのできるビームコンバイナーをさらに備えてよい。そのような光源においては、複数のコアのそれぞれは、異なる波長で動作することができ、ビームコンバイナーは、単一出力ビームを形成する共通の角度で各コアの出力が回折されるよう構成された回折格子とコリメータレンズとを備えている。この種のビームコンバイナーは、光源の線形アレイから放射された結合ビームに適合する。これらビームコンバイナーはまた、個々のビームのビーム特性を維持することができ、その結果複数のシングルモードビームを結合している出力は近回折限界（ｎｅａｒ−ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ ｌｉｍｉｔｅｄ）となり得る。
【００１８】
他の実施形態では、一つ又は複数の光ファイバコアは、細長断面を有する単一コアを備えている。この種のコアは、シングルモード出力を与えないが、一つの等価なコア領域を複数のコアが可能とするよりも小さな物理的領域に与えることができ、その結果出力スケーリングをいっそう効果的とし、同一サイズの複数のコアファイバが可能とするよりも大きくすることができる。
【００１９】
光ファイバは、実質的に平らな長側面を有する細長断面を有する。この形状のファイバは、一つ又は複数のコアをファイバの外面の比較的近くにすることができ、これにより改善された熱除去が提供される。表面が平らであることによって、ファイバとヒートシンクとの間の接触をよくすることができ、その結果熱除去が効率的になる。熱を巧みに消失させることは、効率的な性能を達成しかつ熱によって誘起された損傷を制限する上で重要である。
【００２０】
一つ又は複数の光ファイバコアは、ポンプ放射の吸収によって発生した熱の除去を容易にするために、ファイバの長側面に対して非対称に位置させることができる。熱がファイバの表面付近で発生する場合には、そのような熱はどのようなものであっても、ヒートシンクによってより直ちに吸収され得る。
【００２１】
一つ又は複数の光ファイバコア内の活性イオンは、ネオジム、イッテルビウム、エルビウム、ツリウム、又は他の希土類元素のうちの少なくとも一つを含み得る。例えば、ネオジム又はイッテルビウムは、約１μｍの波長を有する出力を発生することができ、エルビウム及びイッテルビウムは共に、約１．５μｍの波長を与え、ツリウムは約１．８〜２．１μｍの波長を与える。希土類ドーパントを有するファイバは、回折格子に基づくビームコンバイナーを用いることで利用することができる広いゲイン・バンド幅を有し、複数のコアを異なる波長で振動させる。その上、複数コアの場合には、様々なコアは、多波長の出力を与えるために、異なる活性イオン又は複数の活性イオンの組み合わせでドープすることができる。
【００２２】
ビーム形成光学要素は、レーザーダイオードスタックからポンプ放射を受けることができ、かつ減少された寸法のビームを生成するためにポンプ放射を複数回反射することができる光コンセントレータを備えることができる。これは所望の細長ビーム形状を達成する簡単な方法である。
【００２３】
複数の反射は、一つ又は複数の鏡面を使用することによって達成することができるか、あるいは、プリズム内の全内部反射によって達成することができる。後者のアプローチは潜在的に低損失である。
【００２４】
ビーム形成光学要素は、光コンセントレータの前面に位置しかつ複数反射の量を減少させるためにポンプ放射をフォーカスすることのできる円柱レンズをさらに備えている。この構成はまた、光コンセントレータ内で起こる反射量の減少のために、損失を減少させる。
【００２５】
その上、光コンセントレータは、ポンプ放射のビームが実質的にあらゆる方向に等しいビーム発散角度で発生するように配置されてよい。
【００２６】
この発明の第２の態様は、請求項１から２２のうちいずれか一項に記載の光放射源を２つ以上備え、かつ、光ファイバコアの位置する内部クラッドが出力放射の放出される箇所と並んで位置するよう配置された光学装置に向けられている。この光学装置は、単一システム内で達成可能な全出力をさらにスケーリングする方法を提供する。
【００２７】
この発明の第３の態様は、一つ又は複数のレーザーダイオードバーを備えたレーザーダイオードスタックからポンプ放射を発生させる段階と、前記ポンプ放射を細長断面を有するビームへフォーカスする段階と、前記ポンプ放射を細長断面の内部クラッドを有する光ファイバの少なくとも一端部へ接続する段階と、を備え、ポンプ放射を光ファイバの少なくとも一端部へ接続する前記段階によって、前記ポンプ放射が、前記内部クラッドを通過するとともに、活性イオンでドープされかつ前記内部クラッドの細長断面と平行に配置された全細長断面を有する一つ又は複数の光ファイバコアによって吸収され、誘導放出によって出力放射が発生しかつ放出されることを特徴とする光放射の発生方法に向けられている。
【００２８】
ファイバレーザにおいて優れたビーム特性を維持しかつ出力スケーリングするためにキーとなる要件は、
（ａ）高出力ダイオードバースタックからポンプ出力を内部結合するための効率的な手段；及び／又は
（ｂ）高出力ダイオードバースタックからポンプ出力を効率的に内部結合することができ、かつ効率的に熱を除去することができるファイバ内部クラッド幾何学（ｆｉｂｒｅ ｉｎｎｅｒ ｃｌａｄｄｉｎｇ ｇｅｏｍｅｔｒｙ）；及び／又は
（ｃ）ポンプ光を効率的に吸収することができかつレーザ放射のための導波路として作用し、かつ好ましくは、優れたビーム特性を有し好ましくは回折制限された単一空間モードの出力ビームを有する結合された出力レーザービームを選択することができる、内部クラッド内における活性イオンでドープされた複数のコアの配置；
である。
【００２９】
この発明の実施形態に係る出力スケーリングのアプローチは、従来技術の限界を克服するために上述の特徴に組み入れられる。
【００３０】
この発明の実施形態は、高出力ポンプ放射を生成するための一つ又は複数のダイオードバースタックと、第１方向のビームサイズが第２（直交）方向のビームサイズよりもずっと小さくなるようにポンプビームの横方向のビーム寸法を減少させるためのポンプビーム収集及びビーム形成手段と、前記ポンプ光源からポンプ放射を効率的に内部結合することができる第２方向のサイズよりも小さい第１方向のサイズを有する、細長断面形状のファイバと、効率的な熱除去を可能とする、実質的に平らな第２方向の周囲面と、を備え、前記ファイバは、レーザ放出を発生するための、ドーパントイオンを含む円形断面の複数の導波路コアと、前記コアから放出された結果レーザービームを優れたビーム特性の単一ビームへ結合するための手段と、をさらに備えた高出力ダイオードポンプ光源を提供する。
【００３１】
このポンプ光源及び他の実施形態は、非常に簡単な構成とすることができ、かつ単純な熱処理で、高品質ビームのレーザ出力をスケーリングすることができるという点で、上述の従来技術を上回る多くの利点を有している。ファイバレーザ出力をスケーリングするための従来の構成を上回るさらなる利点は、非常に高い出力のダイオードバースタックを、単純な内部結合光学素子を備えたポンプ光源として使用することで、複雑さを最小化し、高出力動作に必要なポンプ光源の数を著しく減少させることができるという点である。これにより、従来の出力スケーリングのアプローチと比べて効率的かつ低コストに出力スケーリングすることができる。加えて、ファイバコアの位置はファイバの粗製造段階の間に固定されるので、これらの位置は、直線からほんの僅かに逸脱した線形アレイを形成するように指定することができ、このために非常に単純かつ低コストの整列方法を用いることができる。この発明におけるレーザイオンでドープされたコアの線形アレイを使用すると、放たれたポンプ放射を効率的に吸収することができ、前記コアからのレーザービームを、単一の、高品質な、高出力のレーザービームへ結合することを容易にする。
【００３２】
この発明の実施形態は好ましくは、各コアからのレーザービームを単一の高品質ビームへ結合する手段を備える。好ましくは、この発明に係るレーザは、隣接するコアと比べて僅かに異なる波長で各コアのレーザ動作を実施するために回折格子を備え、該回折格子はまた、レーザキャビティ内の各コアからのビームを単一の高品質ビームへ結合する。これらコアは、様々な応用の要求に応じるために、希土類イオン：１μｍのスペクトル領域でレーザ放出を提供するためにネオジム又はイッテルビウム；１．５μｍのスペクトル領域でレーザ放出を提供するためにエルビウム及びイッテルビウムの共ドーピング；及び〜１．８μｍから２．１μｍのスペクトル領域でレーザ放出を提供するためにツリウム；でドープすることができる。加えて、これらコアは、もし必要ならば、非常にごく近く（個々の単一コアのファイバに対するよりもずっと近く）に位置させることができ、隣接するコアの小さな波長間隔を回折格子の所定のピッチに選択すること、したがってより多くのコアをさらなる出力スケーリングに対して使用することができる。好ましくはこれらコアは、それぞれがビーム伝播率（ｂｅａｍ ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ ｆａｃｔｏｒ）Ｍ２≒１を有する単一の高品質ビームへ結合された単一空間モードを発生するよう構成される。このように、この発明の実施形態に係るレーザ又は光源は、高輝度ビームにおいて高い平均出力を提供することができ、多くの応用のニーズに答える。
【００３３】
本発明をより良く理解するために、かついかにして本発明を実施するかを効果的に示すために、以下に例として与えられた添付の図面を参照する。
【００３４】
【発明の実施の形態】
図１（ａ）及び図１（ｂ）を参照すると、低出力ダイオードレーザ１２の一つ又は複数のダイオードレーザアレイ（ダイオードバー）１１を備えた高出力ダイオードバースタック（ｈｉｇｈ ｐｏｗｅｒ ｄｉｏｄｅ ｂａｒ ｓｔａｃｋ）１０からのダイオードレーザ放射は、各円柱レンズが隣接するダイオードバーからのレーザ放射を高速ビーム発散方向ｙ（ダイオードレーザ接合に垂直）へコリメートするように、好ましくはコリメートされた各ビームの高さが隣接する各ダイオードバーの間の距離とほぼ等しくなるように配置された円柱コリメータレンズ１３のアレイに入射する。次いでダイオードバースタックからのレーザ放射は、ｘ方向の幅がダイオードバースタックビームのｘ方向の幅よりも小さくなく、好ましくは等しく、かつｙ方向の幅がダイオードバースタックビームのｙ方向の幅よりも小さくなく、好ましくは等しい入口開口部２２を有する光コンセントレータ（ｌｉｇｈｔ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｏｒ）２０へ入射する。光コンセントレータはｘ−ｚ及びｙ−ｚ平面においてそれぞれ角度２３及び２４に傾斜した高反射率の表面２１を備え、該表面でレーザ放射は集信機を通過する間に複数回反射される（一条の光線３０の光路長は例としてのみ示されている）。またレーザ放射は、第１方向（ｘ方向）のサイズが第２方向（ｙ方向）のサイズよりもずっと大きい出口開口部２６で小さな面積を有する矩形断面の高強度ビームを生成することが望まれる。好ましい構成においては、光コンセントレータは、高反射率の金属コーティングを有する金属から製造され、角度２３及び２４、集信機の長さ、及び入口開口部の寸法は、ｘ及びｙ方向にほぼ等しいビーム発散角度を有する出口開口部において輝度の減少が最小の矩形ビームを製造するよう選択される。
【００３５】
例えば、１０個のダイオードバーを備え、それぞれが約１０ｍｍの長さを有し、〜１．７ｍｍだけ互いに隔離されている通常のダイオードバースタックは、２００〜４００Ｗの連続波力とよりいっそう高いパルス出力とを有するダイオードレーザ放射を生成することができる。円柱レンズアレイ１３の適切な構成に関して、約１．２ｍｍのビーム高Ｈは、クロストーク（すなわちコリメータレンズにおけるビームの重なり）のために際立った損失を招くことなく用いることができる。レンズアレイ１３の各レンズは好ましくは、非円柱状プロファイルを備えた一面又は両面を有し、光収集効率を最大化しつつレンズ収差によるｙ方向のダイオードレーザのビーム特性の劣化を最小化するよう注意深く整列されている。ｙ方向のビーム伝播率は、コリメートされた各ダイオードバーに対してＭｙ２＜５を容易に達成することができ、Ｍｙ２≒１はレンズ構成及び整列を注意深く最適化することで可能となる。ダイオードスタックからの結合された結果ビームは、Ｍｙｒ２≒ＮｓＭｙｒ２／Ｈによって大まかに与えられたｙ方向のビーム特性因子を有する。ここで、Ｎはスタックにおけるバーの数であり、ｓはｙ方向のダイオードバーの中心から中心までの間隔である。ｙ方向のコリメーションに対して円柱レンズアレイを有する通常の１０バーダイオードスタックでは、〜１４＜Ｍｙｒ２＜７０である。
【００３６】
各ダイオードバーアレイに平行な直交方向（ｘ方向）では、ダイオードスタックに対するビーム特性因子Ｍｘｒ２は、単一のダイオードバーに対するビーム特性因子Ｍｘ２にほぼ等しい。通常のダイオードスタックに対しては、Ｍｘｒ２≒２５００である。直交方向に対するビーム特性因子のこの大きなミスマッチは、ダイオードバースタックの出力を高強度円形ビームにフォーカスすることを非常に困難にする。直交面に対するビーム特性因子の大きな違いは、ビームを、円形ビームが有するよりもずっと高い強度を有する矩形ビームに転換することができる、ということを暗示する。ポンプ放射の低損失ガイドに要求されるように、最終ビームが、ｓｉｎ（θ）がファイバレーザの内部クラッドの開口数よりも小さくなるように選択されたビーム発散θ（半分の角度）を有する場合には、最高強度（すなわち最小領域）ビームは、アスペクト比がＷｘ／Ｗｙ≒Ｍｘｒ２／Ｍｙｒ２である矩形の断面を有する。ここで、Ｗｘ及びＷｙは、それぞれｘ及びｙ方向のビーム全幅である。
【００３７】
クラッドでポンプされたファイバレーザの性能は、ファイバ損失、放出されたポンプ出力、及びポンプ吸収効率を含む、多くの因子によって決定される。ポンプ放出効率を弱めることなく内部のコア領域に対するクラッド領域の比を最小化するファイバ構成を用いると、しばしばポンプをファイバの短い距離で効率的に吸収させることができるので重大であり、これによってキャビティ損失が減少し、自己パルス及びファイバへ損傷を引き起こし得る非線形効果が減少する。このように、ダイオードスタックポンプ光源の特性は、内部クラッド、或いはアスペクト比がｗ／ｔ≒Ｗｘ／Ｗｙ≒Ｍｘｒ２／Ｍｙｒ２である細長又は矩形断面のポンプガイド、を有するリボンファイバの使用を暗示する。このようにして、高出力ダイオードスタックポンプ光源の限界を克服することができ、適切な矩形内部クラッド構成とレーザイオンのドープされた複数のコアを有するファイバレーザの出力スケーリングとを理想的にする。例として、ｘ−ｚ平面及びｙ−ｚ平面の両方に開口数０．４の内部クラッドを有するファイバは、直交面のビーム発散角θｘ≒θｙ＜０．４６ｒａｄを有するポンプビームを必要とする。Ｍｙ２＝５の場合には、大雑把なガイドとして最小領域ポンプビームは、９１５ｎｍのポンプ波長λｐに対してほぼＷｘ≒２Ｍｘｒ２λｐ／πθｘ≒３ｍｍ及びＷｙ≒２Ｍｙｒ２λｐ／πθｙ≒６３μｍでほぼ与えられたビーム幅を有する。ポンプ放射を効率的に内部結合させるには、ファイバ内部クラッドは、ｘ方向にｗ＞Ｗｘの幅及びｙ方向にｔ＞Ｗｙの厚さを必要とする。より多くのバーを有するダイオードスタックでは、より大きな厚さｔの内部クラッドを有するファイバが必要とされるが、最も実際的な場面では内部クラッドの厚さｔは常に内部クラッドの幅ｗよりもずっと小さい。このように、このアプローチを用いると、ダイオードバースタックからの非常に高いポンプ出力は、効率的にファイバに放出され得る。全ての場合において、ポンプ光コンセントレータ２０は、コリメータレンズアレイ１３の極近くに配置され、かつコリメータレンズアレイ１３の後でポンプ放射を効率的に収集することができるように入口開口部の寸法に構成され、そしてコンセントレータの長さと内部反射面の傾斜角２３及び２４とは、出口開口部２６で細長矩形ビームを発生するために、ビーム特性因子Ｍｘｒ２／Ｍｙｒ２の変化及び損失を最小とするよう選択される。
【００３８】
ポンプビーム収集及びビーム形成光学素子の他の構成においては、他の点では図１（ａ）及び図１（ｂ）の構成と同一の図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すように、焦点距離が光コンセントレータ２０の長さとほぼ等しいか又は僅かに光コンセントレータ２０の長さよりも長い円柱レンズ１５が、ｙ方向にポンプビームをフォーカスするために、レンズアレイ１３の後段かつ光コンセントレータ２０の直前に配置されている。この配置は、反射面２１での反射損失を減少させるのを助け、かつ光コンセントレータから出現するビームに対するｙ方向のビーム特性の劣化を減少させる。
【００３９】
ポンプビーム収集及びビーム形成光学素子の他の構成においては、図３（ａ）及び図３（ｂ）に示すように、光コンセントレータ２０は、ｘ方向（ダイオード接合と平行）のポンプビームサイズとほぼ等しい入口開口部２２と、面２１での複合的な全内部反射の後にのみｘ方向のビームサイズを減少させるために作用する、ずっと小さい幅（典型的には１ｍｍから３ｍｍの幅）の出口開口部２６と、を有する透明材料（例えばシリカガラス）から作られたプリズムの形態に製造される。ｙ方向（ダイオード接合と垂直）のビームサイズは、出口開口部２６で又は出口開口部２６をちょうど過ぎたところでビームウェストを生成するよう構成された焦点距離の円柱レンズ１５を用いてフォーカスすることによって減少する。ダイオードポンプ光は全内部反射によって集信機２０の表面２１で反射されるので、ポンプビーム再形成及び送出素子の構成は、損失がより小さくなり得る図１（ａ）、図１（ｂ）、図２（ａ）、及び図２（ｂ）に示された配置を上回る魅力を有する。
【００４０】
あるいは、化合物レンズシステムが、ダイオードバースタックの出力を所望の細長断面を有するビームへ形作ると共に適切にフォーカスするために用いられ得る。
【００４１】
光コンセントレータから出現するポンプ光３０は、光コンセントレータの出口開口部２６の近く又は出口開口部２６のちょうど内部にファイバを位置させることによって、マルチコアリボンファイバ（図４Ａ、図４Ｂ、図４Ｃ、図４Ｄ、及び図４Ｅに示されている好ましい構成）の内部クラッド４０へ放出される。好ましい実施形態（図４Ａに示されている）では、内部クラッドは矩形の断面又はほぼ矩形（細長）の断面を有し、レーザイオン（例えば約１μｍの波長でレーザ振動を可能とするためにネオジム又はイッテルビウム、約１．５μｍの波長でレーザ振動を可能とするためにエルビウム及びイッテルビウム、又は約１．８〜２．１μｍの波長でレーザ振動を可能とするためにツリウム）でドープされた複数（２つ又はそれ以上）の導波路コア４１を含む。好ましい配置では、コア径及びコアの屈折率は、単一空間モードを選択することができるように選ばれる。これらコア４１は、ｘ方向（すなわちダイオードバーアレイ方向に平行かつ内部クラッドの細長断面に平行）の線形アレイに配置され、それ故にコアは共に全て細長断面を有する。図４Ａは矩形の断面を有するファイバを示すが、実際には、ファイバ延伸プロセスにおける表面の張力によって、図４Ｂに示すように、僅かに丸みのある端部を有するファイバとなりそうである。また、図４Ａ〜図４Ｅに示されているコアは円形の断面であるが、正方形又は矩形のような他の断面が用いられてよい。一の構成において、コアは、等しい隔離距離ｄを有し、内部クラッドの各長い面の間の途中に配置される（図４Ａ及び図４Ｂ）。他の構成において、コアは、熱除去を促進しかつダイオードスタックによってポンプされたときのコアの温度上昇を最小化するために、内部クラッドの２つの長い面のうちの一つのごく近くに位置している（図４Ｃ）。図４Ｄに示すように、さらなる構成において、各コアは、共にごく近くに位置しており、リボンファイバの全幅ｗには及ばない。この構成により、波長の結合されたコアに対するレージングバンド幅が減少すると同時に、ダイオードバースタックの効率的な内部結合が準備される。なおさらなる構成（図４Ｄに示す）において、コア４１は、線形アレイに配置されるが、レーザの出力波長スペクトルを複数の指定された波長を必要とする特定の応用に適合させることを可能にするために、異なる距離（ｄ１，ｄ２，ｄ３，等）で隔離される。全ての構成において、内部クラッド４０の幅ｗ及び厚さｔは、ポンプ光をリボンファイバへ効率的に放出することができるように、光コンセントレータの出力ビームの寸法とほぼ等しいか又は出力ビームの寸法よりも僅かに大きい。あるいは、光コンセントレータから現れるポンプ光は、レンズの配置によってファイバの端面に映されてよい。
【００４２】
ファイバはまた、内部クラッドにおけるダイオードポンプ放射の導波路を保証するために、内部クラッドよりも低い屈折率の外部クラッド（図５に示す）を備える。好ましい構成において、外部クラッド４２は、単一の材料から形成されており、図５（ａ）に示すように内部クラッド４０を取り囲んでいる。内部クラッド材料の選択は、内部クラッドが好ましくは０．４よりも大きな高い開口数を有するようにするべきである。一の構成において、図５（ｂ）に示すように、外部クラッドは、内部クラッドの表面と密着した又は接触して配置された異なる材料（それぞれは内部クラッドよりも屈折率が低い）から形成されている。好ましい構成において、内部クラッド４０は、内部クラッドの外面に適用された同一又は異なる低屈折率材料４４及び４５の付加的なコーティングを有する低屈折率材料４２の薄層で被覆されたヒートシンク４３上に配置されている。これら材料のうち一つ又は複数は、液体又は空気であってよい。
【００４３】
内部クラッドの幅を増加させるために、それぞれが矩形又は細長の内部クラッド内に活性レーザイオンでドープされたコアの線形アレイを備えた２つ又はそれ以上のリボンファイバ（図４Ａ、図４Ｂ、図４Ｃ、図４Ｄ、及び図４Ｅに示されたような）は、各ファイバの一端部又は両端部を他のファイバと接触して配置させることによって結合され得る。図６は、例としてのみ、このように配置された３つのファイバを示す。この構成は、レージングコアの数を増加させることによって結合されたファイバレーザのさらなる出力スケーリングを可能にし、付加的な又は高出力のダイオードバースタックをファイバの内部クラッドに放出することを可能にする。この構成はまた、製造限界のために単一のファイバに対するアスペクト比ｗ／ｔのいかなる制限も克服することを可能にする。
【００４４】
図７（ａ）及び図７（ｂ）はそれぞれ、レーザイオンのドープされたコアのそれぞれを同時にレーザ動作するためのこの発明の好ましい実施形態を示す概略側面図及び平面図である。高出力ダイオードバースタック１０からのポンプ放射は、収集されて既に述べたようにして極端に強い細長矩形ビームへ再形成され、マルチコアリボンファイバ４０の内部クラッドへ放出される。図７（ａ）及び図７（ｂ）において、ファイバは、例としてのみ５つのコアを有する。実際には、コア数の選択は、内部クラッド及びコアサイズ、レーザイオンのスペクトル特性、ダイオードバースタックの波長、及び意図されたファイバレーザの出力パワー、を含む多くの要因に依存する。ミラー５０は、レージング波長で高い反射率及びポンプ波長で高い透過率を有するよう選択され、効率的なレーザ動作に必要なフィードバックを提供するためにファイバの端部を内部結合するポンプに固定されている。あるいは、ミラー５０は、ファイバの端部を内部結合するポンプ上に直接配置された、レージング波長に対して高い反射率を有しかつポンプ波長に対して高い透過率を有する多層誘電コーティングによって、又はレージングにおける所望の反射特性とポンプ波長とを提供するためにファイバコアのそれぞれに書き込まれた内部ファイバブラッグ格子（ｉｎ−ｆｉｂｒｅ Ｂｒａｇｇ ｇｒａｔｉｎｇ）によって置き換えることができる。さらなる変形例は、図３（ａ）及び図３（ｂ）に対するプリズム光コンセントレータと共に用いるために、プリズムの端面に誘電コーティングのようなコーティングを提供すること、及びコーティングに対してファイバを隣接させることである。コーティングは、動作に必要なフィードバックを提供するために、ポンプ波長で高い透過率を有し、かつレージング波長で高い反射率を有する。このコーティングの利点は、コーティングが損傷した場合にプリズム表面の新しい部分へファイバを動かすことができるという点である。
【００４５】
ファイバはまた、レーザポンピングサイクルの間に生成された熱を除去するために、好ましくは液体で冷却され得るヒートシンク４３上に配置されている。ファイバの細長矩形の幾何学は、容易なヒートシンク、したがって効率的な熱の除去を見込んだもので、これは従来技術を上回るこの発明の他の利点である。ファイバの長さは好ましくは、ダイオードスタックからのポンプ放射を効率的に吸収すること、及び各レージングコア上で効率的にレーザを動作することを保証するよう選択される。ファイバのレーザ出力面４６は、レーザ振動に必要なさらなるフィードバックを提供するよう準備（例えばポリシングによって）される。必要な場合には、フィードバック（すなわちファイバ端部の反射率）の増加は、多層誘電コーティングを所望の反射特性を有する端面へ適用することによって、又はファイバのコアにブラッグ格子を書き込むことによって達成することができる。本発明のこの実施形態（図７（ａ）および図７（ｂ）に示された）は、複数のレーザービーム６０に高いレーザ出力パワーを生成するための手段を提供する。ｘ方向の結合された出力ビームのビーム特性因子Ｍｃｘ２は、ほぼＭｃｘ２≒ｑｄＭｆｘ２／φｆで与えられ、ここでｑはコアの数であり、ｄは各コアの中心間の間隔であり、φｆはコアの直径であり、Ｍｆｘ２は単一コアからのレーザービームのビーム特性因子である。直交平面（すなわちファイバアレイに直角）において、結合ビームに対するビーム特性因子Ｍｃｙ２は、単一ビームに対するビーム特性因子とほぼ同一である（すなわちＭｃｙ２≒Ｍｆｙ２）。好ましい実施形態において、各コアは、Ｍｆｘ２≒Ｍｆｙ２≒１となる単一空間モードビームを生成するよう構成されている。ｘ方向のビーム特性は、レージングコアのアレイから各ビームを同時にコリメートするためにファイバの直後に配置されたコリメータレンズのアレイを用いることによって、因子〜ｄ／φｆだけ改善することができる。
【００４６】
本発明の他の好ましい実施形態（図８（ａ）及び図８（ｂ）に示された）において、ファイバレーザはまた、個々のファイバレーザからのビームを単一の高品質ビームへ結合するための手段を含む。この手段は、単にコリメータレンズ５２と回折格子５３とレージング波長に対する部分透過性を有する出力結合ミラー５５とを含む外部キャビティを加えることによって達成される。コリメータレンズ５２は好ましくは、レージング波長でコーティングされた非反射性のものであり、ファイバの端面４６から焦点距離とほぼ等しい間隔に位置している。あるいは、コリメータレンズ５２は、複数のレンズを含む複合レンズのような代わりのコリメータ構成と置き換えることができる。この構成は、収差を減少させるために用いることができる。この回折格子５３は好ましくは、レージング波長の範囲に亘って第１次数の回折ビームに高い反射率を与えるためにブレーズされており、示されたようにレンズからコリメータレンズ５２の焦点距離とほぼ等しい距離に位置している。回折格子は好ましくは、各コアからのレーザ放射が、結合された回折レーザービームがレンズ５２とレンズのホルダとのそばを減衰することなく通過することができる、入射ビームと回折されたビームとの間の可能な限り最小の角度で、−１第１次ビームへ回折されるように整列されている。部分透過性ミラー５５は好ましくは、結合された第１次回折ビームを逆反射するよう整列されており、これにより各コアのレーザアクションに必要なフィードバックが提供される。
【００４７】
ファイバレーザの動作原理は、次の通りである。各レーザコアは、各コアのレーザ振動に対してフィードバックを提供するために拡張されたキャビティを用いて、他のコアとは独立して動作し、部分透過性ミラー５５からの出力を提供する。回折格子５３に関して出力カプラー５５の配向は、出力カプラーからフィードバックされた全てのレーザービームに対して、回折格子上に共通の入射角θｉを定義する。回折格子の作用は、出力カプラー５５によってフィードバックされたレーザービームのそれぞれが標準に対して僅かに異なる角度θｄｊで回折格子５３において回折され、したがってレンズ５５によって対応するコアへフォーカスされるように各レーザコアの波長を自動的に選択することであり、これによってレーザ動作に必要なフィードバック・ループが完成する。大雑把なガイドに従って、ｊ番目のコアのレージング波長λｊはλｊ＝Λ［ｓｉｎ（θｉ）＋ｓｉｎ（θｄｊ）］で与えられ、ここでΛは回折格子上の直線間隔である。このように、隣接するレージングコアの波長間隔Δλは、ほぼΔλ＝Λ（ｓｉｎ（θｄｊ）−ｓｉｎ（θｄ（ｊ＋１）））≒Λｄｃｏｓ（θｄ）／ｆ（ｄ／ｆ＜＜１という条件で）で与えられ、ここでｆはレンズ５２の焦点距離であり、θｄは平均回折角であり、ｄは隣接するレージングコアの中心間間隔である（例えば図４Ａ、図４Ｂ、及び図４Ｃに示すように）。このようにファイバ構成と、コア間隔と、コリメータレンズの直径及び焦点距離と、回折格子のサイズ及び直線間隔とを注意深く選択することによって、レーザ遷移ΔλＬに対するゲイン・バンド幅よりもずっと小さくするために隣接するコアの波長間隔を選択することが可能となる。ΔλＬｆ／Λｄｃｏｓ（θｄ）に係る大雑把なスケールを許容でき、かつ標準的な構成要素を有するコアの最大数は、必要な場合には１００よりも大きな数となるよう作ることができる。好ましい構成において、ファイバ端面４６は、フィードバックを抑制するよう用意され、別の状況では外部キャビティのためにフィードバックに対抗することができ、これによって外部キャビティがコアの波長を選択するように作用することができる有効線幅が制限される。これは例えば、レージング波長で非反射性コーティングを有するファイバ端面４６をコーティングすることによって、又は端面４６を角度研摩することによって、又はファイバの端面４６上にガラスブロック（好ましくはコアと同一の屈折率を有する）を光学的に接触させることによって達成することができる。コアの導波特性は好ましくは、各コアが単一空間モードビームのみを提供するように選択され、その結果として、結合された出力ビーム６１はほぼ、非常に優れたビーム特性を用いて制限された回折である。コアは、異なる波長でレーザ振動することができるように、異なる活性レーザイオンでドープすることができる。例えば、ネオジム又はイッテルビウムイオンが、〜１μｍでレージング波長を提供するために用いることができ、エルビウム及びイッテルビウムイオン両方を有する共ドーピングが１．５μｍでレージング波長を提供するために用いることができ、ツリウムイオンが、１．８〜２．１μｍでレージング波長を提供するために用いることができ、これにより多くの異なる応用に役立つ。加えて、既述したように、他の希土類イオンを、他の波長を与えるために、単独で又は共ドープされた化合物で用いることができる。実際は、多波長源を与えるために、ファイバ内に異なる個々のコアを、異なる活性イオンでドープすることができる。
【００４８】
他の配置において、コア間隔は、特定の用途に必要とされるように（例えば固体レーザのポンピング）、単一の高出力レーザービームへ結合された（例えば図４Ｅに概略的に示されたファイバ構成を用いて）多くの特定の波長でレーザ動作を選択するよう適合させることができる。要するに、ダイオードバースタックから高度に細長くされた矩形の内部クラッドを有するリボンファイバへ高いポンプ出力を内部結合する能力を、新しい線形マルチコアアレイ及び各コアからレーザービームを結合している内部波長のための手段と結び付け、結合されたコア領域を増加させるために典型的なガラスホストである広いゲイン線幅を利用する出力スケーリングのためのこのアプローチは、非常に高い出力パワー（１ｋＷ）を単一の高品質レーザービーム内で得ることを可能にする。その上、高度に細長くされた矩形ファイバ幾何学は、比較的容易なヒートシンクを用意し、したがってレージングポンピングサイクルの一部として生成された望まれない熱を効率的に除去する。
【００４９】
図９（ａ）及び図９（ｂ）に示された他の好ましい実施形態において、ファイバレーザは、Ｑスイッチ５８を回折格子５３と出力カプラー５５との間の外部キャビティへ挿入することによって高ピーク出力及び高平均出力の組み合わせを達成するために、パルス（Ｑスイッチ）モードで動作され得る。
【００５０】
図１０（ａ）及び図１０（ｂ）に示された他の好ましい実施形態において、複数のコアの出力ビームの波長結合は、レーザキャビティの外で達成される。この場合、各コアに対するレーザ振動のためのフィードバックは、ファイバの一端部又は両端部にあり、かつ所望の波長で波長に依存したフィードバックを生み出すよう選択された格子周期を有する、内部ファイバブラッグ格子によって達成される。（もし必要ならば）レーザ振動に対する付加的なフィードバックが、ミラー或いはコーティングされた又はコーティングされていない垂直に磨かれたファイバ端面４６によって提供される。個々のコアの動作波長は、レンズ５２からほぼｆに等しい距離に配置された線間隔Λの回折格子５３上に角度θｉｊで入射する、ファイバ出力端部からほぼｆに等しい距離に配置された焦点距離ｆのレンズ５２によってビームがコリメートされたときに、ビームが回折格子から共通の角度θｄで回折されて高品質の単一レーザービーム６１を形成するように、式λｊ＝Λ（ｓｉｎ（θｉｊ）＋ｓｉｎ（θｄ））に従って選択される。好ましくは、これらのコアはそれぞれ、単一空間モード出力ビームを生成するよう構成されており、結果として結合されたレーザービーム６１はほぼ回折限界である。
【００５１】
他のアプローチが、既に述べた方法を組み合わせたスペクトルビームの代わりとして、個々のコアによって放出されたビームを結合するために用いられ得る。例えば、コアは同一の波長でそれぞれが放出するように配置することができ、外部フェーズ・ロッキング構成は、これら単一周波数出力を単一コヒーレントビームへフェーズ・ロックするために提供され得る。これは達成するのが比較的困難だが、この方法で位相を制御するとビームを導くことができるという利点を提供する。
【００５２】
あるいは、ある量のクロストークを各ファイバコア間で起こさせることによって、フェーズ・ロッキングを内部で達成することができる。
【００５３】
図１，２，３，４Ａ〜４Ｅ，５，６，７，８，９，及び１０に述べたように、この発明の実施形態に係る出力スケーリングアプローチは、一つ以上のダイオードバースタックによってポンピングを可能とするように簡単に拡張することができる。一つの好ましい実施形態（図１１（ａ）及び図１１（ｂ）に示された）において、それぞれがビーム収集及び再形成手段２５を有する単一のダイオードスタックと、コア４０の線形アレイを含む細長矩形内部クラッドを有するリボンファイバと、を備えたダイオードスタックでポンプされた複数のファイバ（この実施例では３つ）は、これらコアが長い線形アレイ（例えば図６に示すように）を形成するようにファイバ端部４６を互いの近くに位置させることによって、単一のビーム６１へ結合されている。前記コアからの出力ビームは、コリメータレンズ５２と回折格子５３と部分透過性の出力カップリングミラー５５とを含む外部キャビティを使用することによって単一の高品質ビームへ結合され得る。以前のように、外部フィードバックキャビティの作用は、高品質の単一出力ビーム６１を形成するために結果ビームが回折格子で内部キャビティと結合されるように、活性イオンのゲイン・バンド幅内で僅かに異なる波長で動作することを各コアに強要することである。ファイバ端部４６からのフィードバックを抑制するために、かつしたがってこのように結合され得るファイバレーザの数を最大化するために、ファイバ端面は好ましくは、非反射性コーティングされ、角度ポリッシュされ又は磨かれたガラスブロックと光学的に接触して配置されるべきである。高ピーク出力でパルスされた、結合されたレーザ源の動作がまた、必要ならば回折格子５３と出力カップリングミラー５５との間の外部キャビティにＱスイッチを挿入することによって、達成され得る。
【００５４】
あるいは、複数のダイオードバースタックポンプ光源は、図１２に示すようなアプローチを介して単一のファイバへ結合させることができる。この場合、単一ダイオードバースタックは、図１（ａ）及び図１（ｂ）、又は図２（ａ）及び図２（ｂ）、又は図３（ａ）及び図３（ｂ）に示すような構成を介して、細長矩形ポンプガイドを有しかつコアをもたないリボンファイバ４８へ放出され、次いでこれらのファイバはレーザイオンでドープされたコアの線形アレイを含むリボンファイバ４０と光学的に接触して配置される。図１２に示された一つの好ましい実施形態において、コアを有するリボンファイバは、低屈折率のクラッド材料４２でコーティングされた金属ヒートシンクの周囲に包まれており、コアのないポンプ送出ファイバ（ｐｕｍｐ ｄｅｌｉｖｅｒｙ ｆｉｂｒｅ）４８は、コアを有するリボンファイバ４０の頂部の周囲に巻きつけられている。次いでさらなる保護低屈折率クラッド層４２が、ポンプ送出ファイバ４８の頂部の周囲に巻きつけられていよい。ファイバ４０の内部クラッドは好ましくは、屈折率ｎｃを有する材料から作られるべきであり、ポンプ送出ファイバ４８は、屈折率ｎｐを有する材料から作られるべきである。ここで、ｎｃ≧ｎｐである。好ましい構成において、ファイバ４０の内部クラッドとポンプファイバ４８との両方は、シリカから製造される。外部クラッド層４２は、ｎｃ及びｎｐよりも低い屈折率を有する材料から製造されるべきである。この構成において、ポンプ放射は、２つのファイバが光学的に接触している領域でポンプ送出ファイバ４８から複数コアリボンファイバ４０へ通過し、よってポンプ放射はコア内でレーザゲイン媒体によって吸収され得る。ファイバ４８及び４０の大きく平らな表面は、光学的な接触の大きな区域を用意し、かつしたがって複数コアリボンファイバ内で効率的にポンプ吸収が起こる。加えて、ファイバ４０の大きく平らな表面は、容易なヒートシンクを可能にし、かつしたがってコア内で生成された望まない熱を効率的に除去する。このアプローチによって複数のダイオードバースタックを複数コアリボンファイバへ内部結合することが可能となり、また外部キャビティを使用することによって（図８及び図９に示すように）、単一の高品質ビーム内で非常に高い連続的な波すなわちパルス出力を達成することができる。
【００５５】
上で述べられたレーザの様々な実施形態は、増幅器として用いるために適合させることができる。適合に必要なことは、ダイオードスタックからのポンプ光と増幅されるべき光信号との両方がリボンファイバへ結合される必要があるということである。付加的なコアレス・リボンファイバ４８を使用してダイオードスタックからポンプ光を受け取るために、活性イオンでドープされたコア４１を有するリボンファイバ４０の端部が自由になるので、図１２の実施形態はこれに適合している。したがって、増幅されるべき信号は、適切な結合光学を用いて、コア４１を有するリボンファイバ４９の端部へ直接放出され得る。
【００５６】
図７（ａ）及び図７（ｂ）の実施形態はまた、増幅器として用いることもできる。この場合、リボンファイバ４０の一端部はポンプ光を直接受けるので、信号はほとんど直ちに、レーザの実施形態においてレーザ出力を放出する端部であるファイバの他端部からファイバ４０へ放出される。
【００５７】
図１３は、そのような増幅器の簡易化された概略図を示す。細長断面を有するビーム形態のポンプ光１００は、上述のようにダイオードバースタックと光濃縮光学（ｌｉｇｈｔ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｎｇ ｏｐｔｉｃｓ）とを含むポンプ光源１０２から生成される。ポンプ光は、上述したように、一つ又は複数のコアを有するリボンファイバ４０へ放出される。
【００５８】
ポンプ波長で高い透過率を有し、かつ信号波長で高い反射率を有するミラー１０４が、ポンプ光源１０２とファイバ４０との間に設けられている。あるいはミラー１０４は、レーザの実施形態に対して上述されたように、ファイバ端部又はポンプ光を集結させるために用いられたいかなるプリズムの端面で誘電コーティングと、又はファイバへ書き込まれた格子と置き換えることができる。
【００５９】
信号は、信号ビーム１０８の一部をファイバへ導くビームスプリッター１０６を介してファイバ４０の遠い端部へ放出される。適切なビーム形成光学素子（図示せず）が、効率的な結合を達成するために信号ビームをフォーカスするよう用いられる。
【００６０】
動作中、信号はファイバ４０に沿って伝播し、ポンプ光によってファイバコアに生成されたゲインによって増幅される。ミラー１０２に達すると、増幅された信号は、ファイバ４０の下方へ反射され、最初に放出されるファイバ端部を介して抜け出る。最終的に増幅された信号１１０は、ビームスプリッター１０６を介して増幅システムの外で結合される。
【００６１】
増幅器の増幅された出力は、必要ならば単一ビームへ結合されてよい。各コアは同一の信号波長で動作されていそうなので、外部フェーズ・ロック構成を利用するビーム結合方法が適合している。
【００６２】
本発明のレーザ及び増幅器両方の実施形態に関して、リボンファイバ４０のさらなる実施形態を用いることができる。
【００６３】
図１４は、ファイバ４０の実施形態の断面図を示す。以前に述べた実施形態と共通して、内部クラッド１２０は、細長断面のビームへフォーカスされたダイオードバースタックからポンプ光を効率的に受けるよう構成された、実質的に矩形の細長断面を有する。しかしながら、このファイバは、細長断面の単一コア１２２を有する。
【００６４】
この形状のコアは、単一空間モード出力を発生しないであろう。しかしながら、より大きな寸法がマルチモードとなる一方で、コア寸法がシングルモードとなるべく出力ビームに対して十分小さくなるよう、より小さなコア寸法が選択され得る。したがって、この種のファイバは、上で述べたように、スペクトルビームコンバイナーと共に用いるのには適しておらず、シングルモード出力が必要とされる場合でも適切ではない。しかしながら、コア領域は複数の個々のコアの全コア領域と少なくとも同じ位大きくすることができるので、この種のファイバはなお、他の実施形態の出力スケーリングの利点を提供する。実際に、個々の各コアの間に必要な間隔は存在しないので、同一のコア領域が、より小さな物理的区域に提供され得る。このことは、全サイズのファイバ製造にかかるいかなる制限に対しても有利なものとなり得るものである。
【００６５】
要するに、この発明の態様は、一つ又は複数のダイオードバースタック・ポンプレーザと、前記ダイオードバースタックから高度に細長くされた矩形の内部クラッドを有するリボンファイバへポンプ放射を効率的に内部結合する手段と、を備えたレーザシステムを提供し、前記ファイバはさらに、レージング波長の範囲にゲインを与えるために、活性レーザイオンでドープされた２つ以上の導波コアの線形アレイを備え、前記レーザシステムはまた、各レージングコアから高出力かつ優れたビーム特性を有する信号出力へ、放出されたレーザービームを結合するための手段を備える。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）及び（ｂ）はそれぞれ、ビーム収集及びビーム形成光学素子の第１構成を備えた、この発明の実施形態で使用するためのダイオードレーザースタックを示す概略平面図及び側面図である。
【図２】（ａ）及び（ｂ）はそれぞれ、ビーム収集及びビーム形成光学素子の第２構成を備えたダイオードレーザーバースタックを示す概略平面図及び側面図である。
【図３】（ａ）及び（ｂ）はそれぞれ、ビーム収集及びビーム形成光学素子の第３構成を備えたダイオードレーザーバースタックを示す概略平面図及び側面図である。
【図４Ａ】この発明の他の実施形態に係るコアの他の構成を備えたマルチコアリボン光ファイバを示す概略断面図である。
【図４Ｂ】この発明の他の実施形態に係るコアの他の構成を備えたマルチコアリボン光ファイバを示す概略断面図である。
【図４Ｃ】この発明の他の実施形態に係るコアの他の構成を備えたマルチコアリボン光ファイバを示す概略断面図である。
【図４Ｄ】この発明の他の実施形態に係るコアの他の構成を備えたマルチコアリボン光ファイバを示す概略断面図である。
【図４Ｅ】この発明の他の実施形態に係るコアの他の構成を備えたマルチコアリボン光ファイバを示す概略断面図である。
【図５】（ａ）及び（ｂ）は、外部クラッド構成の他の実施例に関する光ファイバの概略断面図である。
【図６】より広い幅の結合ファイバを提供するために複数のファイバが一端部又は両端部で密接に接触して結合又は配置された光ファイバの概略断面図である。
【図７】（ａ）及び（ｂ）はそれぞれ、本発明の一実施形態を示す概略側面図及び平面図である。
【図８】（ａ）及び（ｂ）はそれぞれ、本発明の第２実施形態を示す概略側面図及び平面図である。
【図９】（ａ）及び（ｂ）はそれぞれ、本発明の第３実施形態を示す概略側面図及び平面図である。
【図１０】（ａ）及び（ｂ）はそれぞれ、本発明の第４実施形態を示す概略側面図及び平面図である。
【図１１】（ａ）及び（ｂ）はそれぞれ、本発明の第５実施形態を示す概略側面図及び平面図である。
【図１２】本発明の第６実施形態を示す概略断面図である。
【図１３】本発明の第７実施形態を示す概略図である。
【図１４】リボンファイバのさらなる実施形態を示す概略断面図である。
【符号の説明】
１２      ダイオードレーザ
１１      ダイオードレーザアレイ（ダイオードバー）
１０      ダイオードバースタック
１３      コリメータレンズ（レンズアレイ）
２２      入口開口部
【国際公開パンフレット】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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2004527101.tif 000052
【国際調査報告】
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2004527101.tif 000054
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