(57)【要約】      （修正有）【課題】高次モードの伝搬を制限し、低次モードを伝搬させる光ファイバを提供する。【解決手段】大コアマルチモード光ファイバのような光導波路を有する。このマルチモード光ファイバはコアとクラッド領域を有する。この光ファイバは複数の穴を持つマトリックス材料を含み、複数の穴はクラッド領域にあり、コア領域の境界を与える。前記マトリックスはシリカガラスを含み、穴は空気でもよい。穴あきロッドを含む。該ロッドと光ファイバは、光増幅システム、レーザ、短パルス発生器、Ｑスイッチレーザ等の多くの光システム使用される。【選択図】図１Ｂ
2007310135.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
波長λを持つ少なくとも一つの低次モードを伝搬し、前記波長λの前記少なくとも一つの低次モードより高い損失を高次モードに与えることで、波長λを持つ高次モードの伝搬を制限する光ファイバであって、
一つ或いはそれ以上のクラッド造作（features）を有する第一クラッド領域と、
前記第一クラッド領域で囲まれるコア領域と、を有し、前記クラッド造作は前記低次モードの伝搬を前記コア領域に実質上閉じ込めるために形成され、前記コア領域は少なくとも約２０マイクロメートルの幅を持ち、前記コア領域が少なくとも約０．５ｄＢの高次モードのために損失を与えるべく形成されている、光ファイバ。
【請求項２】
前記コア領域が少なくとも約１ｄＢの前記高次モードのために損失を与えるべく形成されている、請求項１の光ファイバ。
【請求項３】
前記コア領域の前記幅が少なくとも約４０マイクロメートルである請求項１の光ファイバ。
【請求項４】
前記造作は、少なくとも約１０である比ｄ／λを与える最小サイズｄを持つ請求項１の光ファイバ。
【請求項５】
前記比ｄ／λが少なくとも約２０である請求項４の光ファイバ。
【請求項６】
前記造作が一列に配列されている請求項１の光ファイバ。
【請求項７】
前記コアとクラッドは、前記光ファイバの事実上光学的に透明な主母体の中にあり、前記主母体は、前記波長λで事実上光学的に透明な材料を有し、前記主母体は前記低次モードの前記高次モードへの結合を減らすように少なくとも約２５０μｍの幅と厚さを持つ請求項１の光ファイバ。
【請求項８】
前記主母体の前記幅と厚さは少なくとも約５００μｍである請求項７の光ファイバ。
【請求項９】
請求項１に関する光ファイバを有する光増幅器であって、前記コア領域が光利得を与えるためにドープされている光増幅器。
【請求項１０】
請求項９の光増幅器を有するシステムであって、出力パルスエネルギが１μＪを超過するシステム。
【請求項１１】
請求項１の光ファイバを有する高パワーソリトン生成のための光システム。
【請求項１２】
請求項１の光ファイバを有するレーザシステムであって、前記光ファイバは前記光ファイバに利得を与えるドーパントでドープされ、前記光ファイバは光共振器を形成する反射要素に光学的に結合されているレーザシステム。
【請求項１３】
前記ファイバが約９００から９６０ｎｍの間でレーザ作用するべく形成されたＮｄドープファイバを有する請求項１２に関するファイバレーザ。
【請求項１４】
前記ファイバが約９００から１０００ｎｍの間でレーザ作用するべく形成されたイットリビウムドープファイバを有する請求項１２に関するファイバレーザ。
【請求項１５】
請求項９のファイバとパルス圧縮器とを有するピコ秒或いはフェムト秒パルス増幅用チャープパルス増幅システム。
【請求項１６】
請求項１５のチャープパルス増幅システムと位置決めシステムとを有するレーザ微細加工システム。
【請求項１７】
該コアとクラッド領域がポリマー材料を有する請求項１に関する光ファイバ。
【請求項１８】
波長λを持つ少なくとも一つの低次モードを伝搬し、前記波長λの前記少なくとも一つの低次モードより高い損失を高次モードに与えることで、波長λを持つ高次モードの伝搬を制限する光ファイバであって、
第一クラッド領域は部分的に取り囲まれた領域を形成するべく形成された一つ或いはそれ以上のクラッド造作及び前記第一クラッド領域で囲まれたコア領域を有し、
前記部分的に取り囲まれた領域は前記部分的に取り囲まれて領域に一つ或いはそれ以上のスペースで形成された少なくとも一つのオープニングを持ち、前記一つ或いはそれ以上の造作は最大造作サイズｄと最大ブリッジ幅ａとを持ち、前記最大ブリッジ幅は前記部分的に取り囲まれた領域の前記一つ或いはそれ以上のスペースのサイズを幾分決め、
前記クラッド造作は前記低次モードの伝播を前記コア領域に事実上閉じ込めるべく形成され、前記最大ブリッジ幅ａ及び前記最大造作サイズｄはそれぞれ少なくとも約５である比ａ／λ及び少なくとも約１０である比ｄ／λを与える値を持ち、それによって増大したコアサイズ、前記少なくとも一つの低次モードの制限、及び前記高次モードの減少を与える。
【請求項１９】
前記クラッド造作は前記コア領域より低い屈折率を持つ材料の領域を有する請求項１８の光ファイバ。
【請求項２０】
前記比ｄ／λが少なくとも約２０である請求項１８の光ファイバ。
【請求項２１】
前記比ｄ／λが少なくとも約４０である請求項１８の光ファイバ。
【請求項２２】
前記比ａ／λが少なくとも約１０である請求項１８の光ファイバ。
【請求項２３】
前記クラッド造作が事実上円形に配置されている請求項１８の光ファイバ。
【請求項２４】
前記クラッド造作が前記コアを囲む僅か二つのリングに事実上配置される請求項１８の光ファイバ。
【請求項２５】
前記クラッド造作が前記コアを囲む僅か一つのリングに事実上配置される請求項２４の光ファイバ。
【請求項２６】
前記クラッド造作は複屈折を与える二次元の非対称性を持つ請求項１８の光ファイバ。
【請求項２７】
二次元の非対称性を作り且つ複屈折を与える応力要素をさらに有する請求項１８の光ファイバ。
【請求項２８】
少なくとも一つの応力生成領域をさらに有する請求項１８の光ファイバ。
【請求項２９】
前記コア領域の直径が約２０μｍと３００μｍの間にある請求項１８の光ファイバ。
【請求項３０】
前記コア領域が利得を与える少なくとも一つの希土類イオンでドープされている請求項１８の光ファイバ。
【請求項３１】
前記コア領域がイットリビウムイオンでドープされている請求項３０の光ファイバ。
【請求項３２】
前記コア領域がエルビウムイオンでドープされている請求項３０の光ファイバ。
【請求項３３】
前記第一クラッド領域が第二クラッド領域で囲まれている請求項１８の光ファイバ。
【請求項３４】
前記第二クラッド領域が前記コア領域より低い屈折率をもつポリマーを有する請求項３３の光ファイバ。
【請求項３５】
前記第二クラッド領域が少なくとも一つのクラッド造作とブリッジとを有する請求項３３の光ファイバ。
【請求項３６】
前記ファイバが第二の非導波ファイバ１本に繋がれている請求項３３の光ファイバ。
【請求項３７】
前記ファイバは前記ファイバの第二クラッドに寸法が本質的にマッチした単一クラッドをもつ１本の第二ファイバに繋がれており、ポンプパワーが該第二ファイバに結合される請求項３３の光ファイバ。
【請求項３８】
さらにテーパー端を有する請求項１８の光ファイバ。
【請求項３９】
前記テーパー端は単一或いは数モードファイバに繋がれ且つモードマッチされている請求項３８の光ファイバ。
【請求項４０】
クラッド造作は空気穴を有し、前記空気穴は各端部で潰されており、それにより前記空気穴を密封し且つ事実上空気穴の無い端部を作る請求項１８の光ファイバ。
【請求項４１】
該光導波路はセラミック、結晶、ガラス、或いはプラスチック材料から作られる請求項１８の光ファイバ。
【請求項４２】
前記光ファイバに光学的結合された非導波路ファイバをさらに有する請求項３０の光ファイバ。
【請求項４３】
波長λを持つ少なくとも一つの低次モードを伝搬し、前記波長λの前記少なくとも一つの低次モードより高い損失を高次モードに与えることで、波長λを持つ高次モードの伝搬を制限する光ロッドであって、
一つ或いはそれ以上のクラッド造作（features）を有する第一クラッド領域と、
前記第一クラッド領域で囲まれるコア領域と、を有し、前記クラッド造作は前記低次モードの伝搬を前記コア領域に実質上閉じ込めるために形成され、前記コア領域は少なくとも約２０マイクロメートルの幅を持ち、前記コア領域が少なくとも約０．５ｄＢの高次モードのために損失を与えるべく形成されている、光ロッド。
【請求項４４】
前記コア領域は少なくとも約１ｄＢの前記高次モードのために損失を与えるべく形成されている、請求項４３の光ロッド。
【請求項４５】
前記コア領域の前記幅が少なくとも約４０マイクロメートルである請求項４３の光ロッド。
【請求項４６】
前記造作は、少なくとも約１０である比ｄ／λを与える最小造作サイズｄを持つ請求項４３の光ロッド。
【請求項４７】
前記コアとクラッドは、前記光ファイバの事実上光学的に透明な主母体の中にあり、前記主母体は、前記波長λで事実上光学的に透明な材料を有し、前記主母体は前記低次モードの前記高次モードへの結合を減らすように少なくとも約２５０μｍの幅と厚さを持つ請求項４３の光ロッド。
【請求項４８】
セラミック又は結晶性レーザ材料と、
前記セラミック又は結晶性レーザ材料の中の少なくとも一つのコア領域と、
前記セラミック又は結晶性レーザ材料の中の少なくとも一つのクラッド領域と、を有し、
前記コア領域は前記コア領域を囲む造作に接し、前記造作は前記クラッド領域の物理的な範囲内に配列されている穴あき導波路ロッド。
【請求項４９】
前記造作は空気穴を有する請求項４８の穴あき導波路ロッド。
【請求項５０】
前記セラミック又は結晶性導波路ロッドはTi：サファイア、Yb:Y2O3、Nd:YAG、Nd:YLF、Nd:YVO4、Nd:KGW、Yb:KGW、又はYb:KYWを有する請求項４８による穴あき導波路ロッド増幅器。
【請求項５１】
セラミック又は結晶性レーザ材料を準備するステップと、
前記セラミック又は結晶性レーザ材料中にコア領域を形成するために形成される少なくとも一つの空気穴を形成するステップと、を有し、
前記コア領域は前記少なくとも一つの空気穴に接し、前記少なくとも一つの空気穴は前記セラミック又は結晶性レーザ材料中にクラッド領域を有する穴あき導波路ロッド増幅器の製造方法。
【請求項５２】
波長λを持つ少なくとも一つの低次モードを伝搬し、前記波長λの前記少なくとも一つの低次モードより高い損失を高次モードに与えることで、波長λを持つ高次モードの伝搬を制限する光ファイバであって、
クラッドと、
コアと、を有し、
前記コア領域は少なくとも約２０マイクロメートルの幅を持ち、（１）少なくとも一つの低次モードが３０センチメートルの曲げ半径で僅か１．０ｄＢの損失をもち、且つ（２）前記高次モードが少なくとも０．５ｄＢの損失をもつように前記ファイバ形成される光ファイバ。
【請求項５３】
該低次モードの数は僅か１０である請求項５２の光ファイバ。
【請求項５４】
該低次モードの数は僅か５である請求項５３の光ファイバ。
【請求項５５】
該低次モードの数は僅か１である請求項５４の光ファイバ。
【請求項５６】
該基本モードは１０センチメートルの曲げ半径で僅か０．５ｄＢの損失をもつ請求項５５の光ファイバ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的に光ファイバと光学ロッドに関し、特に、シングルモード伝搬用の大きなコア寸法の光ファイバとロッド導波路及びそのようなファイバとロッドを使用するレーザと増幅器のようなデバイスとシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ファイバレーザは、特に高品質で回折限界近いビームが必要とされる応用のために、高パワーパルス及びｃｗレーザ光源としてのかなり沢山の潜在能力を証明した。そのような応用は、明確なビーム位置が重要である精密加工及び高度に集光されたビームが閾値パワーレベルを達成するための有効なツールである微細加工と導波路描画を、含む。いっそう高いピークパワーを持つファイバレーザの開発に対する大きな制限は、非線形効果である。主要な非線形制限は、ラマン散乱と自己位相変調からのであるが、ブリリアン散乱も狭線幅レーザシステムで役割を演じることがある。非線形係数は、通常の光ファイバに使用されるシリカガラスの場合低い。しかしながら、十分な長さの小さなファイバコア中での高いピーク強度と低い非線形係数との間の相互作用は、厳しいパルス歪とエネルギの損失を引き起こすことがある。ファイバ長を減らすことが、一つの可能なアプローチである。しかしながら、これは、ガラスホストへの希土類イオンの溶解性とマルチモードポンプレーザのM２値で制限される。したがって、非線形問題に対する鍵は、大きな有効モードエリアを持ちながら強固なシングルモード伝搬を維持する光ファイバである。そのようなファイバは、またシングルモードビームを離れた加工片まで供給することを要求される。
【０００３】
通常のシングルモードファイバは、理論では、非常に大きな有効モード面積を与えるべく適合され得る。実際、そのような導波路は、非常に弱いので該光ファイバはその環境、特に曲げ結果に非常に敏感になる。その後、モードを多少は持つファイバ中のシングルモード伝搬が提案された（たとえば、米国特許5,818,630参照）。この場合、特に、シングルモード入射、モード結合の最小化及び付加的なモードフィルタリングを確実にするために、注意が払われるとき、シングルモード伝搬のロバスト性が適当なレベルで維持され得る。これらの技術の組み合わせは、〜３０μｍのモードフィールド径（MFD）を持つシングルモード伝搬のデモに対してリードしている（A. Galvanauskas, “Mode-scalable fiber chirped pulse amplification systems”, IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron., 7,504(2001)）。過去数年間、繰り返される努力も、注目を引き始めたフォトニック結晶ファイバ技術を使って大きな有効面積解を与えようとした。典型的なフォトニック結晶ファイバは、固体コアの周りを囲んで６角形に配置された空気穴の規則的な配列を持つ。フォトニック結晶ファイバは、複合クラッドがコアの屈折より低い有効屈折率を持つガラス母材中に空気孔を持つようにすることで、固体コアに導波されたモードを維持する。フォトニック結晶ファイバ中のモード数を減らすために、最近のデザインは、孔径ｄとピッチΛの比が０．１未満の小さな空気孔を採用している。この場合、フォトニック結晶ファイバは、非常に弱く導波し、高い環境感受性をもたらす。フォトニック結晶ファイバ中のロバストなシングルモード伝搬は、通常のファイバと類似のレベルである〜２８μｍのモードフィールド分布（MFD）に制限される（High-power air-clad large-mode-area photonic crystal fiber laser in Optics Express, vol.11, pp.818-823, 2003）。これは、二つのアプローチの原理の類似性を考えることをさせない。したがって、ファイバレーザの大きな進展にもかかわらず、大きな有効面積を持つファイバに向けての進展は、過去５−７年間ほとんど無い。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
概要
本発明の一実施例は、波長λを持つ少なくとも一つの低次モードよりも高次モードに高い損失を与えることで、波長λを持つ高次モードの伝搬を制限し、該波長λを持つ該少なくとも一つの低次モードを伝搬させる光ファイバを有し、前記光ファイバは、一つ或いはそれ以上のクラッド造作（features）を持つ第一クラッド領域と、前記第一クラッド領域で囲まれるコア領域と、を有し、前記クラッド造作は、前記低次モードの伝搬を前記コア領域に事実上制限するように形成されており、前記コア領域は、少なくとも約２０マイクロメートルの幅を持ち、前記コア領域は少なくとも約０．５dＢの前記高次モードに損失を与えるように形成されている。
【０００５】
本発明の別の実施例は、波長λを持つ少なくとも一つの低次モードよりも高次モードに高い損失を与えることで、波長λを持つ高次モードの伝搬を制限し、該波長λを持つ該少なくとも一つの低次モードを伝搬させる光ファイバを有し、前記光ファイバは、部分的に囲まれた領域を作るように形成された一つ或いはそれ以上のクラッド造作（features）を持つ第一クラッド領域及び前記第一クラッド領域で囲まれたコア領域を有し、前記部分的に囲まれた領域は、該部分的に囲まれた領域に一つ或いはそれ以上の空間で形成された少なくとも一つの開口を持ち、前記一つ或いはそれ以上の造作は、最大造作サイズｄと最大ブリッジ幅aとを持ち、前記最大ブリッジ幅は前記部分的に囲まれた領域の前記一つ或いはそれ以上の空間のサイズを決め、前記クラッド造作は前記低次モードの伝搬を前記コア領域に制限するように形成されており、前記最大ブリッジ幅aと前記最大造作サイズｄとは比a/λが少なくとも約５となり、比ｄ/λが少なくとも約１０となる値をそれぞれ持ち、それによって、増大した有効コアサイズを与え、前記一つの低次モードの閉じ込め及び前記高次モードの低減を達成する。
【０００６】
本発明の別の実施例は、波長λを持つ少なくとも一つの低次モードよりも高次モードに高い損失を与えることで、波長λを持つ高次モードの伝搬を制限し、該波長λを持つ該少なくとも一つの低次モードを伝搬させる導波路ロッドを有し、前記ロッドは、前記波長を十分に透過させる材料を含むボディと、前記ボディ内の第一クラッド領域と、前記ボディ内のコア領域と、を有し、前記ボディは、約２５０μｍより大きな幅と厚さを持ち、前記第一クラッド領域は、部分的に囲まれた領域を作るように形成された一つ或いはそれ以上のクラッド造作（features）を含み、前記部分的に囲まれた領域は、該部分的に囲まれた領域に一つ或いはそれ以上の空間で形成された少なくとも一つの開口を持ち、前記一つ或いはそれ以上の造作は、最大造作サイズｄと最大ブリッジ幅aとを持ち、前記最大ブリッジ幅は前記部分的に囲まれた領域の前記一つ或いはそれ以上の空間のサイズを決め、前記クラッド造作は前記低次モードの伝搬を前記コア領域に制限するように形成されており、前記最大ブリッジ幅aと前記最大造作サイズｄとは比a/λが少なくとも約５となり、比ｄ/λが少なくとも約１０となる値をそれぞれ持ち、それによって、増大した有効コアサイズを与え、前記一つの低次モードの閉じ込め及び前記高次モードの低減を達成する。
【０００７】
本発明の別の実施例は、波長λを持つ少なくとも一つの低次モードよりも高次モードに高い損失を与えることで、波長λを持つ高次モードの伝搬を制限し、該波長λを持つ該少なくとも一つの低次モードを伝搬させる光ロッドを有し、前記光ロッドは、一つ或いはそれ以上のクラッド造作（features）を含む第一クラッド領域と、前記第一クラッド領域で囲まれたコア領域とを有し、前記クラッド造作は前記低次モードの伝搬を前記コア領域に制限するように形成されており、前記コア領域は少なくとも約２０マイクロメートルの幅を持ち、前記コア領域は少なくとも約０．５dＢの前記高次モードに損失を与えるように形成されている。
【０００８】
本発明の別の実施例は、少なくとも一つのコア領域と少なくとも一つのクラッド領域とを含む穴あき導波路ロッド部と、前記穴あき導波路ロッド部に接続された非導波部と、を有する複合ロッド構造を有し、前記コア領域は該コア領域を取り囲む空気穴で境を限られ、前記空気穴は前記クラッド領域の物理的範囲内に配置され、前記空気穴は該穴あき導波路の長さの大部分に沿って延び、且つ非導波ロッド部で終わっている。
【０００９】
本発明の別の実施例は、セラミック或いは結晶性レーザ材料と、前記セラミック或いは結晶性レーザ材料中の少なくとも一つのコア領域と、前記セラミック或いは結晶性レーザ材料中の少なくともクラッド領域と、を含む穴あき導波路ロッドを有し、前記コア領域は前記コア領域を取り囲む造作（features）で境を限られ、前記造作は前記クラッド領域の物理的範囲内に配置されている。
【００１０】
本発明の別の実施例は、穴あき導波路ロッド増幅器を作る方法を有し、セラミック或いは結晶性レーザ材料を供給することと、前記セラミック或いは結晶性材料にコア領域を形成するために形成される少なくとも一つの空気穴を形成することと、を有し、前記コア領域は前記少なくとも一つの空気穴で境を限られ、前記少なくとも一つの空気穴は前記セラミック或いは結晶性レーザ材料中にクラッド領域を有する。
【００１１】
本発明の別の実施例は、直径が少なくとも約２５０μｍの外形寸法を持つロッドと、少なくとも一つのクラッド領域と、約０．０４未満の開口数を持つ少なくとも一つのドープコア領域と、を有し、前記コア領域が回折限界近い入力信号を受けるべく形成され、増幅された回折限界近い出力ビームを出力する。
【００１２】
本発明の別の実施例は、波長λを持つ少なくとも一つの低次モードよりも高次モードに高い損失を与えることで、波長λを持つ高次モードの伝搬を制限し、該波長λを持つ該少なくとも一つの低次モードを伝搬させる光ファイバを有し、前記光ファイバは、クラッドとコアとを有し、前記コア領域は少なくとも２０マイクロメートルの幅を持ち、（１）少なくとも一つの低次モードが３０センチメートルの曲げ半径で１．０dＢの損失しか持たないように、及び（２）前記高次モードが少なくとも０．５dＢの損失を持つように、前記ファイバは形成される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明の様々な実施例は、大コアマルチモード光ファイバのような光導波路を有する。このマルチモード光ファイバは、コアとクラッド領域を有する。該ファイバは、その中に形成された複数の穴を持つマトリックス材料を含むことができる。図１A及び１B参照。該複数の穴は、クラッド領域にあり、コア領域の境界を与える。該マトリックス材料は、たとえばシリカガラスを含み、該穴は、空気穴でもよい。
【００１４】
該コアは、幅或いは直径のような横方向寸法を持つ。同様に、該光ファイバ自身も、幅或いは直径のような断面寸法を持つ。該穴は、横方向寸法、すなわち、断面サイズ或いは直径ｄ、及び平均中心間隔Λを持つ。さらに、該穴は、ブリッジ幅aを持つブリッジで隔てられる。これらのブリッジは、マトリックス材料或いは該クラッド領域の構成する材料である。
【００１５】
大きな空気穴は、該コア領域への光の制限を助け、該ファイバの曲げにより誘起される損失を減らすのに特に有益である。高コントラスト空気／ガラス境界の該大空気穴は、曲がりで基本モード或いは低次モードに限定する。したがって、曲げ損失は、より大きな穴を用いることで有効に減らされる。たとえば、幾つかの実施例において、低次モード（たとえば、１、３、５、１０モード）の曲げ損失は、３０センチメートル或いはそれ以上の曲げ半径で約１dＢしかない。このことは、以下のさらなる詳細で論じられるような曲げ損失の減少のために、少ない数の大きな穴を持つデザインをもたらす。
【００１６】
幾つかの実施例において、穴の径とピッチの比ｄ／Λが、三角形状に配置された穴を持つ構造では、０．４より大きい。他の実施例において、穴の径と波長の比ｄ／λ（ここで、λは、真空中の光の波長である）は、コア径が約１００μｍまでは約１０〜１００の間で変化する。ｄ／λの値は、大きなコアサイズ（少なくとも約１００μｍ）の場合、一層大きい（たとえば、少なくとも約１００）。しかしながら、これらの範囲を超える値も可能である。
【００１７】
様々な実施例は、ロバストなシングルモード伝搬を許すために、十分な組み込みモードフィルタリングを持つ大コアマルチモードファイバを有する。穴と穴の間の大きなギャップは、高次モードのために十分な漏れチャンネルを与え、このことは、シングルモード伝搬を維持するのに有益である。
【００１８】
特に、コアの境界を定める穴と穴の間のガラスブリッジの最大幅aは、安定なシングルモード伝搬を達成するためのデザインパラメータとして使用される。その値aは、動作波長に対して規格化され、比ａ／λは、一般的な測定及びデザインパラメータとして使用される。たとえば、六個の円形穴を持つ後述の一模範デザインでは、動作波長が〜１μｍで、コアサイズが約２５から１００μｍまで変化するとき、約５から４０まで変化する。たとえば、コア径が約１００μｍを超える大きなコアサイズの場合、高次モード用の大きな漏れチャンネルを作るために、大きなａ／λ（約１００より大きい）が使用される。
【００１９】
これらのデザインの特徴の結果が、数個の大きな空気穴で囲まれた固体コアを持つファイバである。大きなコアは、減少された非線形性と減少された損傷で高強度を扱えるようにする。曲げ損失は、大きな穴を使用することで有効に減らされる。大きなブリッジは、高次モードを抑制すべく漏れ損失を導入するために使用される。様々なデザインも高次モードの高い漏れ損失による相互モード結合を減らし、非常に改善されたシングルモード伝搬をもたらす。
【００２０】
様々な実施例において、穴径と波長の比は、約５超である。ある作製されたデザインでは、６０と同じｄ／λが非常に減らされた曲げ損失をもたらすために使用される。１４１７μｍ２の有効モード面積、〜４２．５μｍの等価モードフィールド分布（ＭＦＤ）が、デモされた。ロバストなシングルモード伝搬が、デモされた。この技術は、高パワーファイバレーザの開発で大きなインパクトを持つことが期待される。
【００２１】
該ファイバコアに面する該穴の寸法は、特に適切な寸法である。したがって、大きなアスペクト比を持つ造作（features）、たとえば該コアに面する大きな寸法を持つ長楕円が、円形構造の代わりに用いられる。該穴の形状を変えることは、幾つかのデザインに一層の柔軟性を与えることができる。
【００２２】
ブリッジ幅ａ／λを制御することも、特に他の制限を考慮する必要があるとき、デザイナーがファイバデザインを創造する際一層の柔軟性を与える。非円形穴、穴の数を変えること、不規則に分布した穴は、すべてデザインに用いられる。さらに、異なる材料も異なる構造も同様によく用いられる。
【００２３】
非対称幾何学図形、たとえば、穴の分布における或いは及び穴の形状における非対称は、偏光保持ファイバを作るのに用いられる。その上、偏光保持を作るために、応力誘導素子が非対称な穴に組み入れられる。
【００２４】
一般に、該穴は、任意の形状が可能である。さらに、該穴は、たとえば、残りのマトリックス材料（たとえば、ガラスを含む）より低い屈折率をもつ光学的に十分透明な材料で満たされていてもよい。該穴は、均一である必要がない。穴の数は、一つでもよい。
【００２５】
希土類イオン，たとえばイットリビウムとエルビウムが、活性媒質を作るために該コアに組み入れられる。したがって、適当なポンプ光源でポンプされるとファイバ中に利得が与えられる。
【００２６】
さらに、該コア領域及び該コアを限定するために用いられた該造作の回りにポンプガイドが組み入れられる。二重クラッドデザインが使用されてもよい。該ドープコアの活性イオンをポンプするために、該ポンプガイドにポンプエネルギが注入される。このポンプガイドは、該コア領域と該コアを限定するために用いられた該造作とを囲む付加的な層を含むこともできる。後で十分に議論される実施例において、たとえば低屈折率ポリマー或いは主体が空気でガラスを僅かに含む空気穴構造を使用することで、この付加的な層は、有効な低屈折率をもつこともできる。ポンプクラッドを形成するために、空気穴構造を使用する場合、該ポンプクラッドを囲む付加的なガラス層が、構造的な支持を与えるために使用される。ポリマーコーティングが、最外層をさらに保護するために使用される。
【００２７】
シングルモード或いは数モードもつファイバ端を与えるために、該大きなコアの一端部にテーパが形成される。この減少するサイズをもつ端部は、シングルモード或いは数モードファイバに繋ぐために或いは、該ファイバに光を入射させるために、使用される。該大きなコアファイバでの基本モードの安定な励起は、このタイプのテーパを使って容易に達成される。
【００２８】
該大きなコアファイバのモードフィールド分布は、最小パワー損失が起きる時でさえも曲げで修正される。この効果は、該大きなコアでの弱いガイダンスと該大きなコア全体での大きな応力誘導屈折率変化との組み合わせによる。該光導波路は、曲げで十分に修正され、モードフィールド分布の変化をもたらす。しかしながら、様々な好ましい実施例では、該大きなコアファイバが使用されるとき、基本モードのよりよい励起と望ましい出力モードプロフィールとを達成するために、該入射端及び出射端は直線である。
【００２９】
該大きなモード領域ファイバの一つの応用は、高パワーレーザ配送である。該大きなコアファイバで非線形効果を大幅に減らすことは、該ファイバで非常に高いパワーが運ばれることを可能にする。元のパルス幅に圧縮される前に、光パルスがチャープされ、増幅器でのピークパワーを減らす、高エネルギチャープパルス増幅システムで、該大きなモード面積のファイバは、圧縮器としても使用される。この圧縮器の機能は、増幅器及び或いは配送ファイバに統合される。該ファイバの低い非線形性は、この大きなコアファイバが非常に高いピークパワーをもつ低次のソリトンを支持することを可能にする。この特徴は、幾つかの応用で有益である。したがって、幾つかの実施例で、該ファイバは、ソリトンの光源に結びつけられる。
【００３０】
高次モードフィルタリングの他に、相互モード結合の減少も大きなコア導波路中のシングルモード伝搬のロバスト性を改善する。これにより、該基本モードから高次モードへのパワー移転を減らすか或いは最小化する。該ファイバ径を増やすことは、該モード結合を減らし、該ファイバの該コア径が次々に増えることを可能にする（たとえば、米国特許5,818,630参照）。極端な場合、ファイバロッドはそのように得られる。そのようなファイバロッドは、微小曲げの減少によりモード結合を減らすか或いは最小化する。そのようなロッドは、物理的な形状を保つために十分な剛性をもつ。ロッドは、直線状に、或いは固定された曲がり形状に、作られる。最近、そのようなファイバロッドが、N. Deguil他によって、“Rod-type fiber laser”Advanced Solid State Photonics,2005に記載された。該ファイバロッドコンセプトは、“High-power Q-switched ytterbium-doped photonic crystal fiber laser producing sub-10ns pulses”Conf. on Advanced Solid State Photonics ,paper PD-1, Vienna(2005)で、Limpert他によってさらに開発された。
【００３１】
最適化されたマルチモード超大コアファイバ構造のデザインは、回折限界近い出力を可能にする。高次モードの抑制は、回折限界近い出力生成に特に有益である。これらマルチモード超大コアファイバは、モード結合を減らす或いは最小化するために、たとえば、少なくとも約１５μｍのコア径と、少なくとも約２００μｍの外経を持つ。そのような超大コアファイバ構造は、どんな著しい曲げ或いは巻きつけ（前もっての曲げで無い限り）も許容しない十分に堅いロッド構造に似ている。穴あきファイバデザインも通常のステップインデックスに基づくファイバ構造も実施される。
【００３２】
さらに、穴あきファイバデザインもステップインデックスも光増幅器或いはレーザとして使用できるようにするため、ドープコア領域を組み入れることができる。該超大コアファイバ増幅器又はレーザに二重クラッドを組み入れることで、たとえば半導体レーザダイオードアレーでのクラッドポンプができる。また、ポンプ光が超大コアファイバ構造のコア領域に直接結合される。
【００３３】
さらに、そのような超大コアファイバ構造でのモード結合の減少は、増幅されたレーザモードに対して回折限界近い出力を維持しながら、マルチモードレーザビームで直接コアポンピングすることを可能にする。
【００３４】
特別のケースの高エネルギイットリビウム増幅器のために、Ｎｄに基づくマルチモードポンプ光源或いはＹｂファイバレーザも実施される。また、周波数倍化Ｔｍファイバレーザも超大コアＹｂファイバレーザのコアポンプに使用される。他の構成とデザインも可能である。
【００３５】
さらに、これらシステムからの出力ピークパワーを一層増大するために、超大コアファイバ構造が（たとえば、ポンプ端で）テーパ構造と結合される。該テーパ構造は、好ましくは回折限界近いポンプビームでポンプされるが、通常の低輝度ポンプ光源も実施される。また、テーパ構造は、これら大モードファイバへの入力結合を簡単にするためにも使用される。
【００３６】
超大モードファイバロッドは、そのような構造のため実際に蓄える場所を減らすか最小化するべく、曲線路に続くようにデザインされる。そのような曲線路は、該ファイバロッドの区間を徐々に加熱し且つそれを所望の形状に曲げることで得られる。曲線形状に作られたファイバロッドは、さらに基本と高次モード間の差分損失の導入を可能にする。
【００３７】
３準位遷移に基づくレーザシステムの構築は、超大コアに基づくマルチモード穴あき或いは通常のステップインデックスファイバの実施で促進される。イットリビウムドープファイバのような３及び４エネルギ準位システム間の競合がある場合、４準位システムが、低反転要求のため長波長で最初しばしばレーザ動作する。これは、長尺のイットリビウムドープファイバで特に本当であり、ここでは３エネルギ準位システムの短波長放射は、４準位システムをポンプするために吸収される。ポンプが短い長さで吸収される大きなコアを持つ二重クラッドファイバでは、短いイットリビウムドープファイバが使われ、３エネルギシステムからのレーザ動作を促進する。これらのレーザシステムは、たとえば、超大コアファイバ増幅器とファイバテーパのポンプ光源として使用される。
【００３８】
さらに、超大コアファイバとロッドは、チャープパルス増幅技術によって超短パルスの増幅を可能にする。超大コアファイバとロッドは、またＱスイッチ動作もＵＶとＩＲへの周波数変換も可能にする。そのようなパルス光源は、たとえば、少なくとも約１ＭＷのピークパワーと、たった約１ｎｓの幅の数ｍＪのパルスエネルギを発生することができる。
【００３９】
また、穴あき大モード導波路の作製はファイバ材料に限定されず、穴あき大モード導波路は、セラミックス、プラスチックス及び結晶材料で作られる。幾つかの実施例において、これらの構造は、均一にドープされ直接コアポンプされるかクラッドポンプされる。導波路ロッド或いはスラブは、標準的なレーザロッド技術に比べ、活性材料からより大きな利得を引き出すことを可能にする。セラミックス、プラスチックス及び結晶材料に基づく非ドープ導波路構造も予見される。
【００４０】
ここに使用されるように、シングルモードとマルチモードファイバは、伝統的な非穴あきファイバに使用される定義と矛盾無く定義される。伝統的なファイバの場合、シングルモードとマルチモードファイバは、ステップインデックスファイバの場合π（開口数）（コア径）／波長に等しいＶナンバーで一般的に定義される。非ステップインデックスファイバの場合、開口数とコア径は、ステップインデックスファイバの場合と等価な値で計算される（たとえば、Martinez, F., Husey, C.D.,”(E)ESI determination from mode-field diameter and refractive index profile measurements on single-mode fibers” IEEE Proceedings V135, pp. 202-210, (1988)参照）。Ｖ＜２．４の関係を満たすファイバの場合、基本モードのパワーは、次の高次モードの光パワーよりかなり大きい。また、Ｖ＞２．４のファイバの場合、少なくとも基本モードの次のモードは、基本モードに比べてかなりのパワーを持つことができる。したがって、シングルモードとマルチモードの伝統的ファイバは、Ｖ＜２．４とＶ＞２．４の関係でそれぞれ明確に定義される。Ｖ＝２．４は、最低次モードを除く任意モードの伝搬のカットオフである。
【００４１】
穴あきファイバでは、開口数は、コアとクラッドの屈折率差で決められる。しかしながら、ステップインデックスファイバに対して等価な値であるコア径が計算困難である。様々な文献（たとえば、(1) Knight et al, “ Properties of photonic crystal fiber and the effective index model “ J. Opt. Soc. Am. A, Vol. 15, pp.748-752, (1998), (2) Mortensen et al “ Modal cutoff and the V parameter in photonic crystal fibers “ Opt. Lett. V.28, pp. 1879-1881,(2003)参照）がコア径が穴間のピッチ又は距離Λに等しいなら、シングルモード以上の任意のモード伝搬のカットオフに対するＶは、２．５（たとえば、Knight他参照）とπ（ たとえばMortensen他参照）である。ここに記載の様々な実施例の場合、Ｖカットオフが２．４０５、２．５又はπであるかどうかは重要でない。ここに記載の穴あきファイバの様々な実施例は、シングル光モードの伝搬を支持する通常の光ファイバで可能な半径より大きなコア半径を持つ。したがって、マルチモードファイバがＶ＞πとして定義され、コア径がピッチ或いはファイバに対する平均ピッチに等しくされるこの技術領域に、我々は最近の研究を利用する。逆に言えば、シングルモードファイバは、ここではＶ＜πのファイバと定義される。
【００４２】
上述のように、穴あきファイバは、特定のモードに対して損失を導入するべくにデザインされる。たとえば、穴の寸法、ブリッジ、及び穴の数は、Ｖ＞πのマルチモードファイバでの高次モードの伝搬に損失を導入するべく選定される。穴の数の減少で、高次モードの光がコアに閉じ込められなくなり、ファイバから逃げ出す。たとえば高次モードの伝搬に損失を導入するためにファイバを曲げることで与えられるモードフィルタリングを含むπより大きなＶナンバーを持つ伝統的な非穴あきマルチモードファイバに、そのような損失が導入されたＶ＞πのマルチモードファイバは、類似している。（モードフィルタは、たとえば、タイトルが”Single-mode Amplifier and Compressors Based on Multi-mode Fibers”で、ここに参考文献で組み入れられた１９９８年１０月６日にFermann他に交付された米国特許5,818,630に記載されている。）基本モードより高い各モードに対して損失を導入するために、十分な曲げが与えられ、基本モードが曲げマルチモードファイバを伝搬する唯一のモードである。同様に、約πより大きなＶナンバーを持つマルチモード穴あきファイバは、高次モードの伝搬が減衰させられるように高次モードに損失を導入するデザインを持つ。タイトルが”Large Core Holey Fibers”でここに完全に組み入れられた２００４年５月１３日に出願された米国特許出願No.10/844,943（代理人包帯No.IMMRAA.024A）を参照。
【００４３】
したがって、以下で議論する様々なデザインでは、クラッド造作、たとえば空気穴の最大寸法、最大ブリッジ幅、層数（たとえば、１又は２）は、高次モードが大きな損失で伝搬する間に数個の（たとえば、３、５、１０）低次モードだけ、又はシングルモードだけが大きな損失なしに伝搬するように、設定される。
【００４４】
図１Ａと１Ｂは、一実施例の穴あきファイバ５００を模式的に図示する。図１Ａに示すファイバの断面が図１Ｂに与えられ、そこでは異なるパラメータが定義される。図示するように、ｄは穴径であり、Λは穴の中心から中心への間隔である。コア半径ρは、中心から最も近い穴の境界までの距離である。その値は、真空中の光の波長λで規格化される。
【００４５】
図１Ｃは、最大造作寸法に対する波長のプロットで、６角形配置の１、２層の穴を持つ図１Ａと１Ｂに示されたような穴あきファイバのために５０２、５０１が付されたシングルモード伝搬に対する異なる動作パラメータレジーム（regimes）の場合のシミュレーション結果を示す。図１Ｃの５０１と５０２の上側境界５０３と５０５は、基本モードの最大許容損失で決められ、下側境界５０４と５０６は、第２次モードの最小伝搬損失で決められる。図１Ｃのプロットは、２層から１層へ穴の数が減少すると、ｄ／Λが同じコア寸法の場合大きな値の方に動くということを示している。一定のコア径２ρの等高線は、コア径２５、５０、１００μｍの場合、それぞれ線５０７、５０８、５０９に示される。図１Ｃは、直線ファイバに対して計算される。実際のケースであるような曲がりファイバの場合、動作レジーム５０１と５０２は、大きなｄ／Λの方に動く。図１Ｃで、１０Ｍは、基本モードをさし、２０Ｍは、第２モードをさす。コア寸法は、コア径２ρをさし、図１Ｂに図示される５角形では２Λ−ｄに等しい。
【００４６】
図２Ａは、作製されテストされた模範的なファイバ５１０の写真である。特にこの図２Ｂで、５１１は、作製されたファイバ５１０の測定されたモードフィールド分布を示す。また、図２Ａに示すファイバ５１０のモデルから計算されたそれぞれのモードフィールド分布５１２も示されている。図２Ｂは、図２Ａに線で描かれたｙ、ｘ軸にそれぞれ沿ってのモード中心を通る測定されたフィールド分布を示すプロット５１３、曲線５１４も与えている。シングルモード動作がその分布で明確にデモされている。このファイバ５１０は、約１４００μｍ２の測定された有効モード面積を持つシングルモード伝搬を支持する。この１４００μｍ２は、５１１で測定されたモードフィールド分布を適切に積分することで得られる。
【００４７】
図３は、挿入図に示された２つの曲げ面に沿う曲げ半径に対する測定された損失を図示している。ファイバの曲げ損失は、直径が既知の心棒にファイバを巻きつけて測定された。ファイバの断面は、回転対称性が無いので、曲げ面の向きに対する曲げ損失の依存性が調べられた。特に、図３の挿入図に示すように、二つの小さい穴と交差する曲げ面ＡＡが定義される。同様に、二つの薄いガラスリッジと交差する曲げ面ＢＢも定義される。ファイバの出力は、非球面レンズを備えるビデオカメラで撮像される。出力ビームプロフィールをモニタすることで、シングルモード伝搬が測定のすべてにわたって保証される。メートル当たりのデシベルでの曲げ損失量が、センチメートルでの曲げ半径の関数として図３にプロットされている。AA面に沿っての曲げは、BB面に沿っての曲げに比べてファイバ損失が少ない。この事は、二つの小さな穴の存在がモードをよく閉じこめることで説明される。図３に示されているように、曲げ半径の関数としての単位長さ当たりの曲げ損失は、通常の光ファイバのために開発された同じ関数依存式［＝（α／√Ｒbend）exp（−βＲbend）］に従う。ここで、Ｒbendは、曲げ半径である。フィッティングパラメータは、AA面に沿う曲げの場合、α＝３７５５ｄＢ・ｃｍ０．５／ｍ、β＝１．２５８  １／ｃｍ、BB面に沿う曲げの場合α＝２．２６５×１０４ｄＢ・ｃｍ０．５／ｍ、β＝１．４６０  １／ｃｍである。
【００４８】
図４は、図１Ｃにプロットした同じシングルモード動作を示し、一定のブリッジ幅a／λの等高線を含む。動作１２１及び１２０は、境界１２４、１２５及び１２２、１２３で囲まれ、それぞれ１層の穴、２層の穴の場合である。一定のブリッジ幅の等高線１３０、１３１、１３２、１３３、１３４、１３５は、それぞれブリッジ幅a／λ＝１、２、４、１０、２０、４０の場合である。コア径が約２５から１００μｍの場合、ａ／λは、約５から４０まで変化する。
【００４９】
図５Ａと図５Ｂは、一般的なファイバ１４０を図示している。ファイバ１４０のコア１４１は、クラッド領域の造作１４２で区切られる。さらに領域１４３が、クラッド領域の造作１４２を取り囲む。ガラスブリッジ幅ａは、穴の間のガラス領域の最小幅として定義される。造作サイズｄは、造作の幅として定義される。
【００５０】
図６Ａ、６Ｂ、６Ｃ、６Ｄ、６Ｅ、６Ｆは、様々な配置の非円形造作を使った変形態様のデザインを図示している。図６Ａは、中心コア領域１５０を区切る円形配置の複数の楕円形穴１５１を図示している。図６Ｂは、中心コア領域１５４を区切る不規則配置の複数の異なる形状穴１５５を図示している。図６Ｃは、中心コア領域１５７を区切る非円形パターン配置の円形穴１５８を図示している。穴１５８は、マトリックス材料１５９の中に形成される。ここに使用されているように、造作は、空気を含む或いは空洞化された、よって真空を含む穴を有する。さらに、これらの穴は、別の材料、たとえば、造作を形成するマトリックス材料より異なる材料で満たされてもよい。さらに、図６Ｄ、６Ｅ、６Ｆは、ａとｄが異なるデザインでどのように定義されるかを示している。図６Ｄと６Ｅのファイバは、一対の穴をもち、図６Ｆのファイバは、単一穴を持つ。
【００５１】
図７Ａは、偏光保持ファイバのデザインを図示している。楕円形造作１６２は、一般的に楕円或いは矩形のコア１６１を取り囲む。長い楕円の使用は、複屈折の程度を高め、曲げ損失を減らす。造作は、造作を取り囲むマトリックス材料の中にある。図７Ｂにおいて、偏光保持ファイバを作るために、応力素子１６８がコア１６５の回りに使用される。コア１６５は、さらに付加的な造作１６６で区切られる。図７Ｃにおいて、応力素子１６８は、非対称コア１６７と楕円形造作１６９と組み合わせて使われる。図７Ｄは、円形造作をもつ偏光保持ファイバのデザインを図示している。面に沿って配置された二つの造作は、偏光を保持するために非対称にするべくサイズが減らされる。図７Ｅは、６角形配置の６個の円形造作４０３で区切られたコア４０１に応力素子４１４、４１５が導入されたファイバデザイン４００を図示している。ファイバデザイン４００は、ポンプガイド４０２を囲む低屈折率ポンプクラッド４０４を導入する二重クラッドデザインである。外層４０５も備えられる。
【００５２】
図８Ａ、８Ｂは、クラッドポンプ増幅器とレーザのための二重クラッド構造を図示している。図８Ａは、外側クラッド１７２で囲まれる内側クラッドを区切る造作１７１で区切られたコア１７０を図示している。ポンプクラッド１７３は、低屈折率の材料であり、たとえばポリマーコーティングである。しかしながら、低屈折率の第二ガラスも使われる。図８Ｂは、内側クラッドを区切る造作１７５で区切られるコア１７４と、取り囲む外側クラッド１７６とを有する別の二重クラッドファイバを図示している。図８Ｂにおいて、空気穴と薄いガラスブリッジ（図示せず）を有するポンプクラッド１７７が使用される。さらなるガラス領域１７８が、機械的な支持を与えるためにポンプクラッド１７７を取り囲む。また図示しないが、薄いガラスブリッジは、外側クラッド領域１７６とガラス領域１７８を連結している。図８Ｂに示してないガラス領域１７８を囲むポリマーコーティングもファイバに適用される。図８Ｃに、ポンプクラッド１７９が矩形で示されている。それどころか、このポンプクラッドは、ポンプガイドを囲む任意の形状をとることができる。したがって、他の形状が可能である。
【００５３】
図９は、大きなモード面積ファイバ１８０での基本モード励起のための二つの模範的な構造を図示している。最初の構造では、ファイバ１８０の一端部にそのコアサイズを減らすためにテーパが形成され、それによってシングルモード或いは数モードファイバ１８１とよくマッチする。もし、二つのファイバ間の良好なモードマッチングがテーパで達成されれば、シングルモード或いは数モードファイバ１８１から来る光は、大きなモード面積ファイバで実質的に基本モードのみを励振する。図９に示す第二の構造では、テーパ１８２を通してファイバ１８０に基本モードを入射させるためにレンズ１８３が、繋ぐ代わりに、使用されている。
【００５４】
図１０は、任意の不要な高次モードがコイルでさらに減衰されるように、ファイバがコイル１９０である模範的な構造を示している。直線区間１９１が、入力端に継続されている。直線区間１９２が、出力端にも継続されている。モードフィールド分布は、弱い導波と比較的強い応力誘導屈折率変化により、大きなモード面積ファイバの曲げ部で歪まされる。直線区間は、基本モードへの良好な結合を確実にし、したがって基本モードの良好な入射と良好な出力モードプロフィールを確実にする。レンズ１９３は、入力端のファイバの直線区間に光を結合する。コイル１９０は、ファイバに沿って偏光を保持するためにも使用される。複屈折は、曲げ誘起応力の非対称の結果としての応力光学効果による。この曲げ誘起応力は、大きなコアファイバでより大きい。
【００５５】
図１１は、マルチモードポンプ光源でポンプされるファイバ増幅器或いはレーザに使用された希土類イオンドープコアをもつ大きなモード面積ファイバ２００を示している。そのファイバは、直線の入力端と出力端２０１、２０２及びそれらの間のコイル区間をもっている。マルチモードポンプ２０５は、結合レンズ２０４を使って増幅器またはレーザをポンプするために使用される。入力ビーム２０６は、レンズ２０３を通してファイバ２００に入射される。出力２０７は、二色ミラー２０８で分離される。
【００５６】
図１２は、大きなモード面積ファイバの高エネルギパルス増幅システムへの使われ方の一例を図示している。種光源２１０からの光パルスは、パルス伸長器２１１で伸長される。パルス間引き器２１２は、パルス繰り返し周期を減らす。大きなモード面積ファイバを有する大コア増幅器２１３は、パルスを増幅し、次にそのパルスは、パルス圧縮器２１４を使って元の幅近くまで圧縮され出力ビーム２１５になる。
【００５７】
図１３は、ワークピース２２４に光ビーム２２２を移送するべく高パワーレーザシステム２２０のための供給ファイバ２２１としての大きなモード面積ファイバの一使用例を図示している。ローカルレンズ２２３は、ビーム２２２を集光するために使われる。位置決めシステムが、出力ビームをワークピースに位置あわせするために使われてもよい。この位置決めシステムは、たとえば、移動ステージを含み、その上にワークピースが配置される。移動可能ミラーまたはレンズのような移動可能光学系も使用される。他の構成、デザインも可能である。
【００５８】
図１４Ａで、ファイバ２４０は、クラッド２４１で形成されたコアを有する第一区間を有し、その後にコアのない区間が続く。ビーム２４２は、第一区間から第二区間へ伝搬し、ビームは、回折によるサイズに広がる。ビーム２４２は、ビームがファイバ端に達するとき十分に広がり、そこでの損傷閾値は低い。これは、パワーが最も高い増幅器の出力端の端面損傷を防止することができる。図１４Ａの構造は、大きなコアファイバと別のコアなしファイバを繋ぐことでも実施される。このやり方は、ビーム２４２を広げるための区間が長い（たとえば、数センチメートルから数十センチメートル長さ）とき特に有効である。
【００５９】
図１４Ｂ、１４Ｃ、１４Ｄは、図１４Ａのファイバ構造の実施を図示している。コアなし区間を形成するためにファイバの長さに沿って穴を潰すために融着器が使用された。図１４Ｂは、穴が存在する第一区間の断面を示し、図１４Ｄは、穴が潰れ、したがって穴が存在しない第二区間の断面を示している。
【００６０】
図１４Ｅの第一二重クラッドファイバ６００は、コアを区切る第一クラッド６０２と、ポンプガイドを区切る第二クラッド６０３とを有する。第一ファイバ６００は、次に第二ファイバ６０１に繋がれる．第二ファイバ６０１は、第一ファイバ６００の第二クラッド６０３に近い大きさをもつ単一クラッド６０４をもつ。第二ファイバ６０１は、ビーム６０５を広げるために使用され、第二ファイバ６０１に入射されるポンプパワー（図１４Ｅに示されない）のためにも使用される。
【００６１】
上述のように、様々な望ましい実施例において、ファイバのサイズは、ファイバが曲がらないロッドに事実上なるように、大きい。図１５Ａは、上で議論したような模範的な穴あきファイバデザイン２５０を有する。ファイバに関してここに記載された様々なデザインとコンセプトは、ロッドにも適用することができる。
【００６２】
図１５において、穴あきファイバ又はロッドは、望ましくはクラッド領域２５２に屈折率が適合されたコア領域２５１を有する。コア領域２５１は、クラッド領域２５２より低い屈折率のような他の屈折率をもつこともできる。様々な望ましい実施例において、コア領域２５１は、利得を与えるため、Ｙｂ、Ｎｄ、Ｅｒ、又はＴｍのような希土類イオンでドープされる。ドープされたコア領域の屈折率をクラッド領域２５２に適合させる（又は、に比べて低い屈折率をもつようにする）ために、Ｂ又はＦのような適当なガラス成形ドーパントが、ガラスに加えられる。クラッド２５２の内側に、一組の空気穴２５３がコア領域２５１を区切るように配置される。上で議論したように、空気穴の中心間隔Λは、空気穴の直径ｄに近づけられ、たとえば、基本モードに対して改善された又は最適なモード品質を得るため、ｄ／Λ＞０．４である。しかしながら、他の値、たとえば、比ｄ／Λ＜０．４も使われる。様々な望ましい実施例で、ファイバは、二つのコアモードより多く支持することができる。さらに、クラッド領域を減らすためにクラッド領域２５２に追加の穴を加えることが望ましい。空気穴間のガラスリッジは、少なくとも幅が数波長、すなわち５−１００μｍの範囲であり、このようにすることで、クラッド領域２５２からポンプ光をコア領域２５１に通すことができる。空気クラッド領域２５４が、クラッド領域２５２を取り囲んでいる。上で議論したように、その空気クラッド領域は、クラッド領域２５２の回りに配置され、外側クラッド領域２５５とつながる非常に薄いガラスリッジのアレーを有することができる。クラッド領域２５４は、クラッド領域２５２に結合されたポンプ光に対して、大きな許容角度（又は、開口数ＮＡ）を相応して作り出す低屈折率もつようにデザインされる。様々な実施例で、ファイバ２５０の外径は、モード結合を減らす又は最小化するために、少なくとも約２５０μｍである。
【００６３】
より一般的なファイバ幾何に基づく単純なファイバロッド構造２６０が、図１５Ｂに示されている。図１５Ｂのファイバロッド２６０は、標準的な希土類ドープステップインデックスコア利得領域２６１とクラッド領域２６２とを有する。ポンプ光をクラッド領域２６２に閉じ込めるために、低屈折率領域２６３がさらに加えられる。ファイバロッドは、一般的に真っ直ぐに保たれ、モード結合が大きなファイバ外径で十分に減らされるか最小化されるので、０．０１−０．０５の範囲のコアＮＡが本例では未だ有効に使用される。コア領域内での屈折率変化は、様々な望ましい実施例では、最小に保たれる。クラッド領域２６２と２６３の間の屈折率差を大きくするために、Ｔａ又はＳｂドープシリカガラスのような多成分ガラスが使用される。そのようなガラスは、Ｄｅｊｎｅｋａ他の米国特許Ｎｏ．６，８３６，６０７で議論されている。そのような多成分ガラスを使用することで、約０．４０又はそれ以上のポンプガイド領域の有効ＮＡが得られる。
【００６４】
図１５Ａと図１５Ｂに示すデザインのハイブリッド構造も超大モードファイバロッドに用いられる。例えば、通常の空気クラッドステップインデックスファイバの作製のために、空気クラッド２６５が、クラッド領域２６２に組み込まれる。
【００６５】
上で議論されたデザイン原理に従って作製されたファイバロッドの断面写真が、図１５Ｃに示されている。この模範的なファイバロッドは、５８μｍのコア径と２７０μｍのクラッド径をもつ。空気クラッド２５４は、組み込まれなかった。適当な入射条件で、モードフィールド径４２μｍの基本モードが、このファイバに結合された。このファイバは、積み重ねと引き延ばし技術で作られた。このロッドは、その構造にある程度の成形複屈折を導入するように、ファイバの２軸に沿って異なる径（すなわち、４０と４６μｍ）の穴を有することを注意して欲しい。偏光保持動作を考慮に入れるなら、コイルにすることで、ファイバに複屈折がさらに導入されることを注意して欲しい。
【００６６】
図１５Ａ−１５Ｃと結びつけて議論された様々なデザインは、以下で詳しく議論されるであろう図１６、１７、１９に示された増幅器とレーザシステムに使用されたロッド１０１に用いられる。
【００６７】
一例として、図１７に描かれた増幅器システム１００を考える。このシステム１００では、ファイバロッド増幅器１０１は、ロッド増幅器１０２に接続且つ好ましくは融着される。ファイバロッド１０１は、二重クラッド構造に作られ、外側クラッド１０３、内側クラッド１０４、希土類ドープコア領域１０５を有する。ドープクラッド構造も実施できるが、確実な実施例では内側と外側クラッドは、ドープされない。ロッド構造１０２は、非ポンプ領域１０６とポンプ領域１０７を有する。このロッド構造１０２は、通常のレーザロッドと同じように、利得媒質で均一にドープされる。増幅器ロッド１０１と１０２は、ポンプ光源１０８と１０９でそれぞれポンプされる。確実な好ましい実施例では、ポンプ光源１０８は、マルチモードであり、ポンプ光源１０９は、シングルモードである。しかしながら、効率のよい増幅器は、シングルモードポンプ光源１０８に基づいて作られてもよく、同様にポンプ光源１０９もマルチモードでもよい。
【００６８】
適当なポンプ光源は、回折限界近いか、又はマルチモードのファイバ又は固体レーザと、ビーム形状化された半導体レーザと、に基づく。そのようなビーム形状化された半導体レーザは、例えば、Fermann他に交付された米国特許No.6,778,732に記載されている。ロッド増幅器構造１０１と１０２にポンプ光源を結合するために二つのレンズが使用される。簡単のためだけに、単レンズが示されている。より一般的には、適当なレンズ系がポンプ結合のために使用される。それぞれ入力信号１１２、出力信号１１４でポンプ光源を結合／分離するために、二色ビームスプリッタ１１０と１１１が、使用される。入力信号１１２は、望ましくは回折限界に近く、ファイバロッド構造１０１に入射される。ポンプ光源１０９からのポンプ光の方向は、矢印１１３で指示されている。全増幅器システムからの出力１１４も、大きな矢印で指示されている。
【００６９】
図１５Ａに描かれたロッドと図１７に示されたロッドの造作で直接的な比較が行われる。例えば、コア領域２５１は、コア領域１０５に対応し、クラッド領域２５２は、クラッド領域１０４に対応し、クラッド領域２５４は、クラッド領域１０３に対応する。別の外側クラッド領域２５５は、図１７に示されてない。図１５Ｂに示す単純なデザインも、図１７に示すようなファイバロッド１０１のデザインと全く同等のものをもつ。
【００７０】
図１７（以下で詳しく議論される図１６と１９）のファイバ１０１は、ポリマージャケットで囲まれるか、メタライズされ、効率的な熱消失のためのヒートシンクに固定される。様々な好ましい実施例では、端面の汚れを避けるためと構造への損傷を減らす又は最小化するために、ファイバ１０１の内部の空気穴は、信号入力端で熱的に潰される。さらに、シングルモード伝搬を可能にし、且つ、ファイバロッド１０１で基本モードの励振を促進するために、ファイバロッド１０１の信号入力端は、小さな径にテーパダウンされる。
【００７１】
異なるファイバデザインとロッドデザインの幾つかの具体例が以下に与えられる。
ファイバデザイン例１
このデザインは、図１Ａに示されたように６角形に配置された６つの空気穴を含む。中心間隔Λは４０μｍであり、穴のサイズ３０μｍ、〜１μｍの波長で動作する場合、５０μｍのコア径２ρをもたらす。ブリッジ幅ａ／λは１０であり、規格化された穴サイズｄ／λは３０である。
ファイバデザイン例２
このデザインは、図１Ａに示されたように６角形に配置された６つの空気穴を含む。中心間隔Λは８０μｍであり、穴のサイズ６０μｍ、〜１μｍの波長で動作する場合、１００μｍのコア径２ρをもたらす。ブリッジ幅ａ／λは２０であり、規格化された穴サイズｄ／λは６０である。
ファイバデザイン例３
このデザインは、図１Ａに示されたように６角形に配置された６つの空気穴を含む。中心間隔Λは１６０μｍであり、穴のサイズ１２０μｍ、〜１μｍの波長で動作する場合、２００μｍのコア径２ρをもたらす。ブリッジ幅ａ／λは４０であり、規格化された穴サイズｄ／λは１２０である。
ファイバデザイン例４
このデザインは、図１Ａに示されたように６角形に配置された６つの空気穴を含む。中心間隔Λは４０μｍであり、穴のサイズ３０μｍ、〜１μｍの波長で動作する場合、５０μｍのコア径２ρをもたらす。ブリッジ幅ａ／λは１０であり、規格化された穴サイズｄ／λは３０である。偏光保持ファイバを作るために、ボロンドープシリカを有する二つの応力素子が、二つの対角線的に向かい合う空気穴に組み込まれる。
【００７２】
ここに記載される全てのデザイン例の場合、ファイバ引き延ばし工程中の粘性流により、実際のファイバ断面は、実行（performs）と異なる。ここで、実行は、デザインに従ってなされる。しばしば、ファイバ実行は、任意の実際的な束縛に従わせるためにデザインから僅かに修正される。例えば、溶融シリカ以外のガラス、例えば、リン酸塩、フッ化物、テルル化物、鉛ケイ酸塩、他が使用される。上で議論したように、全てのデザイン例において、空気穴は、一つ又はそれ以上の材料、例えば、低い有効屈折率をもつガラスで置き換えられる。イットリビウム、エルビウム、ツリウム、ネオジュウム、他のような希土類イオン又は希土類イオン組み合わせが、利得を与えるためにコア領域にドープされる。図８に描画されるような外側ポンプガイドを与えるために、二重クラッド構造も実施される。その他の大きさや構成も使用される。
ロッドデザイン例１
このデザインは、図１５Ａに示す構造に似た構造を有する。ロッドは、イットリビウムドープレベルが約１重量％に相当する波長９８０ｎｍで６００ｄＢ／ｍのコア吸収を与えるシリカガラスから作られる。空気穴は、４０μｍの径をもち、コア径（対向する空気穴間の最も近い間隔として定義される）は、５０μｍである。内径又は空気クラッド２５４は、１５０μｍの径をもつ。外径は、約２５０μｍから約１０ｍｍ或いはそれ以上までの範囲であればよい。空気クラッドのＮＡは、０．６である。従って、波長９８０ｎｍで６５ｄＢ／ｍの高い平均クラッド吸収が達成される。クラッド吸収における改善の主な理由は、構造の改善されたコアデザインである。
ロッドデザイン例２
このデザインは、図１５Ｂに示す構造に似た構造を有する。又、ロッドは、波長９８０ｎｍで６００ｄＢ／ｍのコア吸収を与えるシリカガラスから作られる。コア径は５０μｍで、内径又は空気クラッド２６４は、１５０μｍの径をもつ。コアのＮＡは、０．０４であり、空気クラッドのＮＡは、０．６である。又、波長９８０ｎｍで６５ｄＢ／ｍの平均クラッド吸収が達成される。約２５０μｍから約１０ｍｍ或いはそれ以上のファイバ外径が使用される。
【００７３】
最近の利用可能なポンプ光源で約１００Ｗまでのパワーが上記二つのファイバ構造に結合されるので、約５０ｃｍ未満の長さのファイバで少なくとも５０Ｗの平均増幅パワーを発生させることができる。約５０ｃｍ未満の長さのそのようなファイバ構造から約３０ｄＢ又はそれ以上の利得が得られる。
【００７４】
そのようなロッドを短パルス増幅システムに使用することで、有効モード径約５０μｍの場合、シリカのバルク損傷閾値で制限される２．５ｍＪまでのパルスエネルギをもつ１ｎｓパルスが発生される。
【００７５】
図１７のロッド部分１０２を使うことで、より高いパルスエネルギでも発生される。ロッド部分１０２でのモード広がりは、回折で支配される。モード径ωが約５０μｍの場合、レーリーレンジＲは、Ｒ＝ｎπω２／２λのように回折が√２倍のモード広がりをもたらすと定義される。ここで、ｎは屈折率、λは動作波長であり、ωはモードの強度がモード中心の強度に比べ１／ｅ減少する位置の点間の径と定義される。モード径ωが約５０μｍ、ｎ＝１．５（シリカガラスの場合）、波長λ＝１μｍの場合、レーリーレンジＲは、約６ｍｍである。ポンプ光源１０９とファイバロッド１０１からの出力との間の最適なモードオーバラップを確実にすると、長さ２４ｍｍのドープロッド１０２で４倍の（約５０から２００μｍへの）モードサイズ増加が達成される。ファイバロッド１０１のように同じコア材料から作られた十分に反転分布したロッド利得媒質１０２の場合、１０３０ｎｍのイットリビウム利得バンドのピークで２ｄＢ／ｃｍの利得が達成される。従って、２４ｍｍの長さのロッドは、約５ｄＢ最大パルスエネルギを増大させる。高パワーシングルモード（ＳＭ）ポンプ光源１０７が利用できるとき、同じポンプ光源がロッド１０２とファイバロッド１０１をポンプするために使われる。
【００７６】
１００μｍのコア径をもつファイバロッドを使用するとき一層よい状況が得られる。この場合、２００μｍのモードサイズを得るために４２ｍｍの長さのロッドが使われる。従って、８ｄＢの利得がロッド１０２で得られる。結局は、ロッド１０２で得られる利得は、熱レンズ作用で制限される。しかしながら、ファイバロッド１０１とロッド１０２の適当なデザインは、ロッド１０２の利得の値が高い場合でも、減少された又は最小のモード歪みを保証する。さらに、熱レンズは、ある程度の導波作用を与えるために使用される。さらに、Fermann他の‘６３０で議論されたような利得導波効果が、ファイバロッド１０２の出力端のモード品質を改善するために使用される。ロッド１０２の終端効果による熱歪みを最小化するために、付加的な非ドープロッド（図示せず）が、ロッド１０２の出力端に融着される。
【００７７】
ファイバロッド／ロッドの組み合わせは、効率的な熱対流又は熱伝導の利益を得る。伝導冷却は、より高い熱消失を与える。実行可能な冷却配置が図１８に示されている。ここで構造３００は、確実な実施例で金属ホルダ３０２に半田づけされるファイバロッド／ロッド組み合わせ３０１を有する。金属ホルダ３０２は、ロッド３０１の回りに中心対称に配置された４つの水路３０３、３０４、３０５、３０６で冷却される。より多い或いは少ない水路が使用され得る。均一な温度プロファイルが適当なデザインで得られる。他の構成も可能である。
【００７８】
得られるパルスエネルギを最大化するために、図１７のロッド１０２を使用することは、全く任意であり、以下で十分議論される図１６に示すようなファイバロッド１０１が、高パルスエネルギ発生のために使用される。ファイバロッド１０１（ロッド１０２のない）を使用するとき、そのような構造での寄生的な反射を避けるために、ファイバ端に小さな角度（図示せず）が導入される。モード広がりを可能にし、ファイバロッド端部の損傷閾値を増加させるか或いは最大化させるために、小さな非ドープロッドが端部キャップとしてファイバロッド１０１に融着される。
【００７９】
ガラスロッドに直接融着されるBi-又はリン酸塩ガラス、セラミック又はYb:Y2O3又はNd:YAGのような結晶性材料のような多成分ガラスの使用によって、ロッド１０２で得られる単位長さ当たりの利得は、さらに最適化される。ここでBi-とリン酸塩ガラス、Yb:Y2O3セラミック又はNd:YAGは、例としてのみ挙げられたもので、原理的にどんな活性利得媒質でもロッド１０２に使用される。Nd:YAG、Nd:YLF又はNd:YVO4、Nd:ガラス、Yb:ガラス、Nd:KGW、Yb:KGW、Yb:KYWのような利得媒質は、ファイバロッドに形作られる構造のさらなる例である。これらの利得媒質は、均一にドープされ得る。
【００８０】
より一般的には、均一にドープされたガラス、セラミック又はBi-とリン酸塩ガラスのような結晶性材料、Yb:Y2O3又はNd:YAG、PMMAのようなプラスチックスやTi:サファイアにも、そのような穴が直接組み込まれる。Biガラスとリン酸塩のような大部分のガラスもセラミック材料もファイバに引き延ばされ、図１５Ａに示す構造がよく知られた積み重ねと引き延ばし技術を使って簡単に引き延ばされる。また、適当な穴は、精密穴あけ加工、レーザアブレーションまたは超高速光パルスを使って、結晶に微細加工される。ファイバロッドの穴は、穴あきファイバに比べ非常に大きい。実際の穴構造の表面不規則性を減少させるか最小化するためとアブレーションレーザのレーリーレンジを増加させるか最大化するために、UVパルスが使用される。
【００８１】
ファイバロッド或いは一般的には導波路ロッドのような均一にドープされた材料を用いるとき、回折限界近いポンプ光源でコア構造を直接ポンプすることは、ポンプと信号ビームの間の良好な重ね合わせを達成するのに有効である。
【００８２】
ガラス、プラスチックス、セラミックス又は結晶性材料のような一般的な増幅媒質に穴をあけるとき、モノリシックデザインのハイブリッドバージョンである導波路ロッドが作られる。そのようなモノリシックハイブリッド導波路ロッド２２０の側面図が図１５Ｄに示されている。導波路ロッド２２０は、均一にドープされた利得材料２２１と伝搬領域２２２とを有する。伝搬領域２２２は、モード光制限のため、一方の側（図の左側）に対称配置された空気穴２２３と２２４（例えば、図１５Ａに示されるように、６つの大きなしっかり離間した穴が使用される）で区切られている。ここで、伝搬領域は、反対側（図の右側）に自由に回折することが許される。構造は、自由に伝搬する領域（図の右側）からポンプされる。信号は制限された伝搬領域（図の左側）に注入される。穴２２３と２２４は、機械的な穴あけであけられるか、或いはレーザアブレーションを使って形成される。そのような構造では、約１００μｍまで或いはそれ以上の基本モードサイズが得られる。空気穴２２３、２２４の汚染を避けるために、空気穴の導入の前に入力と出力の端面が研磨され反射防止（ＡＲ）コートされる。又、入力と出力の端面は、増幅器への寄生反射を避けるために傾けられるか或いは割り込まれる（図示せず）。
【００８３】
特に結晶性又はセラミック導波路ロッドは、製造上の制限により非常に短いので、或いはこれらの構造体のドープレベルが熱的、効率的理由により制限されるので、そのような導波路ロッドの信号は、得られる利得を増大させるためにマルチパスさせられる。図１５Ｄを振り返って参照すると、マルチパス構成で動作されるそのような導波路ロッドは、望ましくは自由回折領域なしで構築される。ファラデー回転子と偏光ビームスプリッタを組み入れる導波路を通してのマルチパスの標準的な方法は、導波路ロッドを２重パス又は４重パスするために実施される。
【００８４】
熱的な理由により、導波路ロッドの代わりに導波路スラブを構築することが有利である。導波路スラブ２３０の一般的な実施が図１５Ｅに示されている。このスラブは、厚さより幅広である。模範的な寸法は、幅が約２５０μｍから１０ｍｍまでの範囲である。ここで、コア領域２３１は、十分均一にドープされたガラス、セラミック又は結晶のような活性材料２３２で区切られている。引き延ばされたコア領域は、８つの空気穴で区切られている。この構造体は、好ましくは直接コアポンプされる。スラブ２３０の上面と下面にヒートシンクと適当な冷却機構を取り付けることで、主として１次元の熱流が得られる。また、楕円状出力ビームを多くの応用に必要な円形ビームに変換するために、適当なモード変換光学系が使用される。さらに、基板２３２より低い屈折率の材料で基板２３２を囲むことで、クラッドポンプが可能になる。空気穴に向けられたポンプ光による散乱損失を避けるために、スラブ構造の空気穴は、ポンプ結合端で潰される。
【００８５】
長い導波路ロッドを貯蔵するスペースを節約するためと、基本モードと任意の高次モード間の差分損失を誘起するため、硬い構造を硬いコイル又は曲線パスが続く他の構造体にコイル化することが有利である。大きなモード領域穴あき導波路の小さな曲げ損失のために、曲線パスが主要な性能を制限することなしに導入される。さらに、高次モードに対する曲げ損失の導入により、曲線パスは、導波路内でのモードの区別に有益である。曲線パスが続くガラス又はセラミック導波路ロッドの一例が図１５Ｆに示されている。１ｍｍまで（又はそれ以上）の外径の比較的硬い導波路ロッドでも徐々に加熱して所望の形状に曲げることで任意の形状にすることができる。
【００８６】
そのような導波路の動作の場合、デザイン例が十分円形化された空気穴をもつ導波路ロッドを主に有したこの点に挙げられたが、空気穴の実際の形状、数、配置は、変えられる。例えば、図５Ａ、５Ｂ、６Ａ−６Ｆ、７Ａ−７Ｅ、８Ａ−８Ｃに描かれたデザインは、ロッド構造として使用される。
【００８７】
導波路ロッドの偏光保持動作は、これらの構造を複屈折結晶性材料に作り、その結晶の主軸を励起することで、得られる。ファイバロッドの場合、偏光保持動作を可能にするために、応力領域がファイバに組み込まれる。偏光保持ファイバロッドのデザイン例が図７Ａ−７Ｅに示されている。
【００８８】
ファイバロッドのモード結合が大きく減少するので、増幅出力ビームのビーム品質に対して僅か又は最小の影響を伴って、マルチモード（ＭＭ）ポンプ光源が、ファイバロッドのコア領域に結合される。回折限界近いビーム出力が可能である。そのような配置が図１６に示されている。そのシステムは、図１７に描かれたものに非常に似ている。しかしながら、ロッド１０２は、削除され、離間する空気クラッドは、ロッド１０１に不必要である。ＳＭポンプ１０９がＭＭポンプ１１５に置き換えられる。ポンプ１１５は、数モードファイバレーザ又は高輝度半導体レーザを含むことができる。又、ファイバロッド１０１で基本モードの励振を促進するファイバテーパ１１６が示されている。モード結合のない（或いは、ファイバロッド１０１で非常に僅かにモード結合する）ことにより、ＭＭ構造にも拘わらず、基本モードがファイバロッド１０１を最小の歪みで伝搬することができる。しかしながら、ＭＭ構造はＭＭポンプビームを受け入れる。例えば、図１５Ａに描かれたようなコア径５０μｍファイバロッドの場合、５−２０モードを有するＭＭポンプビームが、ファイバロッド１０１のコア領域をポンプするために使用され得る。１００μｍのコア径のファイバロッドの場合、１００ポンプモードまでが許容される。従って、有効な輝度変換器が本構成で得られる。
【００８９】
図１６に描かれる構造が、図１５Ａ−１５Ｃに示されるような導波路ロッド及びスラブと共に用いられる。全ての導波路ロッドは、図１６に示されるようなテーパ１１６の組み込みを考慮に入れなくてもよい。従って、特に結晶性導波路ロッドとスラブの場合、非テーパ導波路１０１が実施される必要がある。
【００９０】
超大コア増幅ファイバとロッドは、約９２０ｎｍで動作するＮｄ−ファイバ或いは約９８０ｎｍで動作するイットリビウムファイバレーザのような３準位遷移で動作する効率のよいｃｗファイバレーザとして、使用される。約９２０−９４０ｎｍ波長範囲で動作する効率のよいＮｄファイバレーザの模範的なセットアップが、図１９に示されている。ファイバロッドは必要でなく、図１５Ａに示すような長尺の穴あきファイバが使用される。そのような長尺の穴あきファイバは、穴あきファイバ構造の基本モードでｃｗレーザ動作を容易にするため、又は少なくとも数低次モードでレーザ動作するため、モードフィルタを組み入れることができる。さらに、デバイスのパッケージ化を可能にするため、ファイバはドラムに巻き付けられる。数モードファイバレーザでも図１６に示されるようなファイバロッドのポンプ光源として使用され得る。図１９のシステムは、図１６に示すシステムと比べて僅かに修正されている。図１９のシステムは、モードフィルタとしてのテーパ１１６と、８００ｎｍの波長領域でポンプするときＮｄファイバの９４０ｎｍのレーザ遷移で優先的にレーザ作用を得るためのファイバ格子１１７と、を含む。（例えば、Fermann他の米国特許5,818,630参照）。さらに、二色ミラー１１８が、ファイバ１０１のポンプ結合端に随意的に直接堆積される。滑らかな端面を得るためと、ポンプ結合をよくする又は最適化するため、随意ミラ１１８の堆積を簡単にするため、ポンプ結合ファイバ端の穴は潰される。或いは、平面研磨ポンプ結合端は、反射構造として使用される。
【００９１】
模範的な実施例は、６０μｍのコアと２５０μｍのクラッド径をもつ穴あきファイバを有する。１から約３０ｍの間のファイバ長が、最適に用いられる。ポリマークラッドで達成されるようなＮＡ０．４５の標準のクラッドでさえも、約１００Ｗより大きなポンプパワーがファイバクラッドに結合される。ＮＡが０．６０のクラッドの場合、通常の高輝度ポンプ光源で約２００Ｗまでのポンプパワーがファイバクラッドに結合され、９４０ｎｍ近くで１００Ｗまでのパワーの発生を可能にする。非ドープクラッド領域を有しない、一般的にはイットリビウムファイバロッド及び、特には均一にイットリビウムがドープされたファイバロッドの直接コアポンプにとって、そのような回折限界近い高パワーｃｗ光源は理想的である。  
【００９２】
類似のデザイン思想は、イットリビウムファイバロッドの直接コアポンプの良好なポンプ光源でもある、９８０ｎｍで動作するイットリビウムファイバレーザのデザインにも有効である。一般に、ここで議論されたような超大コアファイバは、希土類ドープファイバの３準位遷移でのレーザ動作をデモするために使われる。
【００９３】
ここで議論された導波路ロッド増幅器は、ｎｓ、ｐｓ、ｆｓパルスの小型高エネルギ増幅システム用パワー増幅器として使用するのに都合が良い。チャープパルス増幅技術に基づくｐｓ又はｆｓパルス増幅のための一般的なシステムが、図２０Ａに示されている。システム３００は、種光源３０１、光ゲート３０２、導波路ロッド増幅器３０３、パルス圧縮器３０４を有する。システムからの出力と光の伝搬方向が矢印３０５で指示されている。幾つかの実施例において、種光源３０１は、フェムト秒又はピコ秒パルスを生成するレーザと、パルス伸長器と、幾つかの前置増幅ステージとを有する。そのようなシステムは、ここに文献で完全に編入されている２００４年１１月２２日に出願された米国特許出願Ｎｏ．１０／９９２，７６２  Fermann et al., “All-fiber chirped pulse amplification system”(包帯Ｎｏ．ＩＭ−１１４)に記載されている。種光源で発生した任意の増幅自然放出光が導波路ロッド増幅器３０３に結合することを減らすか、最小化するために、光ゲート３０２は、光アイソレータと音響光学変調器を有しても良い。システムからの出力端で最も短いパルスの生成を可能にするため、圧縮器３０４は、種光源内の圧縮器と分散が適合されている。伸長されたパルスの非線形パルス伝搬を利用するとき、特に、立方体パルスの生成を可能にするとき、伸長器と圧縮器との間のある程度の分散不適合は許容される。上で参照した米国特許１０／９９２，７６２を参照。このやり方は、フェムト秒パルスの生成に特に有益である。システムは、立方体パルスを既に種光源３０１で生成するためにデザインされるか、或いは導波路ロッド増幅器３０３で立方体パルスを生成するためにデザインされる。高度に伸長した光パルスを増幅器に注入し、パルスをかなりのレベルの自己位相変調にさらすピークパワーまでそれらを増幅するとき、立方体パルス生成が可能にされる。システム３０５の下流に随意の周波数変換ステージがさらに実施される。ｐｓパルスを増幅するとき、パルス伸長器も圧縮器３０４も省略され得る。さらに、ここに参考文献で編入されている２００４年８月２７日出願され、題名が“High-energy optical fiber amplifier for ps-ns pulses for advanced material processing applications”（包帯Ｎｏ．ＩＭ−１０５）の米国特許出願Ｎｏ．１０／９２７，３７４で、議論されたような非線形スペクトル圧縮が、出力端でバンド幅限界近いｐｓパルスを得るために用いられ得る。負チャープパルスを注入し、自己位相変調のかなりのレベルにそれらをさらすピークパワーまでパルスを増幅することで、非線形スペクトル圧縮が正分散導波路ロッド増幅器に誘起される。他の構成も可能である。
【００９４】
一般的なナノ秒（ｎｓ）パルス増幅器が、図２０Ｂに示されている。ナノ秒増幅器３０６は、図２０Ａに示すシステム３００に非常に類似しているが、伸長器と圧縮器が使用されていない。また、周波数を上昇又は下降変換するために用いられる非線形結晶又はアレー状非線形結晶を一般的に有する光周波数変換素子３０７も示されている。約５０ｆｓ未満及び約１０ｆｓ未満の幅を持つパルスの生成を可能にするなら、ナノ秒とピコ秒タイプファイバ（又はロッド）増幅器が光パラメトリック増幅器のためのポンプ光源として使用される。そのような光パラメトリック増幅システムは、ここに文献で完全に編入されている２００５年３月２５日に出願された題名が“Optical parametric amplification, optical parametric generation and optical pumping in optical fiber systems”の米国特許出願Ｎｏ．１１／０９１，０１５（代理人包帯Ｎｏ．ＩＭＲＡＡ．０２６Ａ）で議論されている。
【００９５】
ｎｓパルスを生成するとき、能動型又は受動型Ｑスイッチを用いることは、最もコスト効果がある。そのようなシステム構成が図２１に示されている。そのシステム１００は、図１６に関して既に記述されたシステムに非常に類似している。しかしながら、光変調器１１８が、一つの共振器ミラー（この場合、ファイバブラッグ格子１１７）の前に付加される。二つの付加的なレンズ１１９、１２０（又は、より一般的にはレンズシステム或いは結合システム）が、テーパファイバロッド出力端１１６からの光をモードフィルタ１１７に結合するために使用される。マルチモードファイバロッド１０１が、活性利得素子として使用される。ファイバブラッグ格子１１７と関連してテーパ１１６のモードフィルタ作用で、システムの回折限界近い動作が行われる。より一般的には、導波路ロッドもこのシステム構成で実施される。そのようなシステムで生成されたパルスエネルギは、数ｍＪを超えることができるので、空間フィルタに基づくモードフィルタが、共振器の一端に使用される。或いは、テーパ１１６が削除され、モードフィルタ作用を与えるために、ファイバ１１７がシングルモード空気穴ファイバで置き換えられる。モードフィルタ作用が、導波路ロッド１０１を曲線状に形作ることで得られる。共振器を構成する第２反射体を与えるために空気穴ファイバの一端部にミラーが組み入れられる。そのような共振器は、別々に示されてない。
【００９６】
上で議論したような超大モードファイバ及びロッドは、金属、セラミックス、ガラス、半導体、結晶、生物システム及び数例言及するだけのその他、の加工を含む加工とマーキングに特に適している。上のシステムは、平均パワー１０数Ｗで数ｍＪまでのエネルギを持つパルスを生成することを可能にするので、非常に高いスループットのレーザ加工が可能になる。その出力は、また回折限界近い。そのようなシステムは、試験片を移動させるための移動機械又は移動可能光学系（たとえば、移動可能ミラー又はレンズ、その他）のような位置あわせシステムを含むこともできる。その他の構成も可能である。
【００９７】
さらに、本発明の様々な実施例が上に記述された。この発明は、それら特定の実施例に関して記述されたが、その記載は、本発明を説明するつもりであり、限定するつもりではない。添付クレームに定義された本発明の精神と目的から逸脱することなく、様々な修正及び応用が、通常の技術を有するものに起こることができる。
【図面の簡単な説明】
【００９８】
【図１Ａ】６角形配置の空気穴を有する複数のクラッド造作（features）を有するクラッド領域で囲まれたコア領域を有するファイバを模式的に示す側面図と断面図である。
【図１Ｂ】６角形配置の空気穴を有する複数のクラッド造作（features）を有するクラッド領域で囲まれたコア領域を有するファイバを模式的に示す側面図と断面図である。
【図１Ｃ】波長と最大造作サイズ（穴の中心間隔で規格化された）との関係のプロットであり、６角形配置の１及び２層の穴を持つファイバ中をシングルモード伝搬する場合の異なるパラメータ動作をシミュレーションした結果を示している。
【図２Ａ】シングルモードを維持し高次モードの伝搬を抑制するように形成されたマルチモード穴あきファイバの断面写真である。
【図２Ｂ】図２Aに示す作製されたファイバの測定されたモードフィールド分布及びシミュレーションから得られたモードフィールド分布を示す。
【図３】測定された損失と挿入写真に示された二つの曲げ面に沿う曲げ半径との関係を示すプロットであり、その性能は通常の大きなモード面積ファイバと比べて非常に改善されている。
【図４】図１Aの波長と最大穴寸法（穴の中心間隔で規格化された）の関係のプロットであり、一定のブリッジ幅a/λの等高線でシングルモード動作を模式的に示している。
【図５Ａ】一般化されたファイバの模式図である。
【図５Ｂ】図５Aのファイバの断面図であり、造作１４２で境界が定められたファイバ１４０のコア１４１、１４２造作を取り囲む領域１４３、造作間のガラス領域の最小幅として定義されるガラスブリッジ幅a、及びコアに面する造作の幅として定義される造作サイズｄを模式的に図示する。
【図６Ａ】非円形造作形状と配置を用いての変形態様デザインを図示する。
【図６Ｂ】非円形造作形状と配置を用いての変形態様デザインを図示する。
【図６Ｃ】非円形造作形状と配置を用いての変形態様デザインを図示する。
【図６Ｄ】非円形造作形状と配置を用いての変形態様デザインを図示する。
【図６Ｅ】非円形造作形状と配置を用いての変形態様デザインを図示する。
【図６Ｆ】非円形造作形状と配置を用いての変形態様デザインを図示する。
【図７Ａ】非対称コアを有する偏光保持ファイバのデザインを模式的に図示する。
【図７Ｂ】偏光保持ファイバを作るためのコア周りへの応力素子の合体を模式的に図示する。
【図７Ｃ】非対称コアと楕円造作と組み合わせて用いられた応力素子を示す模式図である。
【図７Ｄ】サイズが変化する円形造作を用いる偏光保持ファイバデザインを模式的に図示する。
【図７Ｅ】コアに応力素子を持つ偏光保持ファイバデザインを模式的に図示する。
【図８Ａ】クラッドポンプ増幅器及びレーザのための二重クラッド構造を模式的に図示する。
【図８Ｂ】クラッドポンプ増幅器及びレーザのための二重クラッド構造を模式的に図示する。
【図８Ｃ】クラッドポンプ増幅器及びレーザのための二重クラッド構造を模式的に図示する。
【図９】ファイバが単一モード或いは数モードファイバと良くマッチするように、コアサイズを減少させるべくファイバの一端部にテーパを用いる大きなモード面積での基本モード励起を、模式的に図示する。（図示するように、レンズも代替スプライスとして使用される。）
【図１０】不必要な高次モードがコイルでさらに減衰されるようにファイバがコイル巻きにされている好ましい配置を模式的に図示する。（真直ぐな区間は、入力端と出力端で維持される。）
【図１１】マルチモードポンプ光源でポンプされるファイバ増幅器或いはレーザに使用される希土類イオンドープコアを有する大きなモード面積ファイバを模式的に図示する。
【図１２】大きなモード面積ファイバが高エネルギパルス増幅システムに用いられる一例を模式的に図示する。
【図１３】光ビームをワークピースに伝達する高パワーレーザシステムのための供給ファイバとして、大きなモード面積ファイバを使用する例を模式的に図示する。
【図１４Ａ】導波ビームがガラス−空気界面に達する前に回折効果で十分拡大するようにした、大きなコアファイバの後に非導波ファイバの区間が続く構成を模式的に図示する。
【図１４Ｂ】ファイバの区間を加熱して空気穴を入れ込むことでの図１４Aにおける実施可能なデザインを模式的に図示する。
【図１４Ｃ】ファイバの区間を加熱して空気穴を入れ込むことでの図１４Aにおける実施可能なデザインを模式的に図示する。
【図１４Ｄ】ファイバの区間を加熱して空気穴を入れ込むことでの図１４Aにおける実施可能なデザインを模式的に図示する。
【図１４Ｅ】単一クラッドを持つ第二ファイバに繋がれた第一二重クラッドファイバを模式的に図示する。
【図１５Ａ】空気クラッド穴あきロッドの断面を模式的に図示する。
【図１５Ｂ】二重クラッドステップインデックスロッドの断面を模式的に図示する。
【図１５Ｃ】単一クラッド穴あきロッドの写真である。
【図１５Ｄ】モノリシック導波路ロッドを模式的に図示する側面図である。
【図１５Ｅ】空気穴を有する導波路スラブの断面を模式的に図示する。
【図１５Ｆ】模範的な曲線式導波路を模式的に図示する。
【図１６】ファイバロッドとマルチモード（MM）ポンプ光源を有する高パワー増幅システムを模式的に図示する。
【図１７】ファイバロッドを使用する高パワー増幅システムを模式的に図示する。
【図１８】ロッド導波路のための冷却配置を模式的に図示する。
【図１９】超大モードロッドを使用する一般的なｃｗレーザ構成を模式的に図示する。
【図２０Ａ】超大モードロッドを使用するフェムト秒（ｆｓ）或いはピコ秒（ｐｓ）パルスのための一般的なチャープパルス増幅システムを模式的に図示する。
【図２０Ｂ】超大モードロッドを使用するナノ秒（ns）パルスのための一般的なチャープパルス増幅システムを模式的に図示する。
【図２１】は、一般的なQスイッチ導波路ロッドレーザを模式的に図示する。
【図１Ｃ】
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【図３】
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【図４】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１９】
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【図２０Ａ】
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【図２０Ｂ】
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【図２１】
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【手続補正書】
【提出日】平成18年8月2日(2006.8.2)
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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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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【図５Ａ】
2007310135.tif 000022
【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図６Ｄ】
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【図６Ｅ】
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【図６Ｆ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図７Ｄ】
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【図７Ｅ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１４Ｃ】
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【図１４Ｄ】
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【図１４Ｅ】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【図１５Ｃ】
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【図１５Ｄ】
2007310135.tif 000051
【図１５Ｅ】
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【図１５Ｆ】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０Ａ】
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【図２０Ｂ】
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【図２１】
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【外国語明細書】
１．Title of Invention
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２．Field of the Technology
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３．Brief Description of Drawings
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１．Abstract
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２．Representative Drawing
Ｆｉｇ．１
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