(57)【要約】コア；実質的にコアを取り囲んでいて、それによってコアと内側クラッドがポンプ放射を伝搬するように構成される領域を形成している内側クラッド；実質的に内側クラッドを取り囲んでおり、第２の屈折率よりも小さい第３の屈折率を少なくとも有する第３の材料を少なくとも含み、それによってポンプ放射をコア及び内側クラッドへ制限する外側クラッド；及び、実質的に外側クラッドを取り囲んでいる、熱伝導性材料を含む被覆；を含み；内側クラッドは、ポンプ放射がアクティブ光ファイバーを通って伝搬する際にポンプ放射の吸収に対する空間的ホールバーニングの影響を減少させるように構成されており；被覆の熱伝導性の材料によって、上記領域と被覆の外表面の間の温度上昇が減少するアクティブ光ファイバー。【選択図】図３
2018509779.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アクティブ光ファイバーであって：
少なくとも第１の屈折率を有する第１の材料を少なくとも含むコア；
実質的に前記コアを取り囲んでおり、少なくとも第２の屈折率を有する第２の材料を少なくとも含む内側クラッドであって、それによって前記コアと前記内側クラッドが、前記光ファイバーに接続されているポンプレーザーからのポンプ放射を伝搬するように構成される領域を形成している、前記内側クラッド；
実質的に前記内側クラッドを取り囲んでおり、前記第２の屈折率よりも小さい第３の屈折率を少なくとも有する第３の材料を少なくとも含む外側クラッドであって、それによって前記ポンプレーザーからのポンプ放射を前記コア及び前記内側クラッドへ制限する、前記外側クラッド；及び
実質的に前記外側クラッドを取り囲んでいる、熱伝導性の金属、グラファイト、又は他の材料を含む被覆；
を含み；
前記内側クラッドは、前記ポンプ放射が前記アクティブ光ファイバーの長さを伝搬する際に前記ポンプ放射の吸収に対する空間的ホールバーニングの影響を減少させるように構成されており；
前記被覆の前記熱伝導性の金属、グラファイト、又は他の材料によって、前記被覆及び前記外側クラッドを介する前記領域と前記被覆の外表面の間の温度上昇が減少する、
前記アクティブ光ファイバー。
【請求項２】
前記熱伝導性の金属材料は、アルミニウム、銅、金、スズ、又はこれらの合金を含む、請求項１に記載のアクティブ光ファイバー。
【請求項３】
前記熱伝導性のグラファイト材料は、グラファイト、又はグラファイトを含む複合材料を含む、請求項１に記載のアクティブ光ファイバー。
【請求項４】
前記内側クラッドは、前記ポンプ放射が前記アクティブ光ファイバーの長さを伝搬する際に前記ポンプ放射の吸収に対する空間的ホールバーニングの影響を減少させるように構成されている対称性を破る形状を有する、請求項１〜３のいずれかに記載のアクティブ光ファイバー。
【請求項５】
前記対称性を破る形状は更に、前記アクティブ光ファイバーの長さに沿って前記コア内の前記ポンプ放射の重なりを増加させるように構成されている、請求項４に記載のアクティブ光ファイバー。
【請求項６】
前記内側クラッドは、前記ポンプ放射が前記アクティブ光ファイバーの長さを伝搬する際に前記ポンプ放射の吸収に対する空間的ホールバーニングの影響を減少させるように構成されている内部構造を有する、請求項１〜３のいずれかに記載のアクティブ光ファイバー。
【請求項７】
前記内部構造は更に、前記アクティブ光ファイバーの長さに沿って前記コア内の前記ポンプ放射の重なりを増加させるように構成されている、請求項６に記載のアクティブ光ファイバー。
【請求項８】
前記対称性を破る形状は、Ｄ字形、凸多角形、花びら形、及び楕円形のいずれかを含む、請求項４又は５に記載のアクティブ光ファイバー。
【請求項９】
前記第１の材料は希土類ドープシリカを含む、請求項１〜８のいずれかに記載のアクティブ光ファイバー。
【請求項１０】
前記第２の材料は純シリカを含み、前記第３の材料はフッ素ドープ又はフッ素／ホウ素ドープシリカを含んでいて、前記第３の屈折率が前記第２の屈折率よりも小さくなっている、請求項１〜９のいずれかに記載のアクティブ光ファイバー。
【請求項１１】
前記第２の材料はゲルマニウムドープ又はアルミニウムドープシリカを含み、前記第３の材料は純シリカを含んでいて、前記第３の屈折率が前記第２の屈折率よりも小さくなっている、請求項１〜９のいずれかに記載のアクティブ光ファイバー。
【請求項１２】
前記被覆の前記熱伝導性の金属、グラファイト、又は他の材料によって更に、前記光ファイバーの運転温度が上昇し、及び／又は運転温度範囲が上昇する、請求項１〜１１のいずれかに記載のアクティブ光ファイバー。
【請求項１３】
前記運転温度は８０℃より高い、請求項１２に記載のアクティブ光ファイバー。
【請求項１４】
前記運転温度は約２００℃である、請求項１３に記載のアクティブ光ファイバー。
【請求項１５】
前記運転温度は前記被覆の融点よりも低い、請求項１２〜１４のいずれかに記載のアクティブ光ファイバー。
【請求項１６】
前記被覆の前記熱伝導性の金属、グラファイト、又は他の材料によって更に、前記レーザーからの熱負荷が増加する、請求項１２〜１５のいずれかに記載のアクティブ光ファイバー。
【請求項１７】
前記被覆の前記熱伝導性の金属、グラファイト、又は他の材料は０．１８Ｗ／ｍ／Ｋより高い熱伝導率を有する、請求項１〜１６のいずれかに記載のアクティブ光ファイバー。
【請求項１８】
前記被覆の前記熱伝導性の金属又はグラファイト材料は１０９Ｗ／ｍ／Ｋの熱伝導率を有する、請求項１７に記載のアクティブ光ファイバー。
【請求項１９】
前記第２の屈折率は前記第１の屈折率よりも小さい、請求項１〜１８のいずれかに記載のアクティブ光ファイバー。
【請求項２０】
前記被覆の前記熱伝導性の他の材料は、前記被覆の熱伝導性を増加させる金属、窒化物、酸化物、炭化物、又は他の材料が含侵されたポリマーを含む、請求項１〜１９のいずれかに記載のアクティブ光ファイバー。
【請求項２１】
前記熱伝導性の他の材料は０．５Ｗ／ｍ／Ｋより高い熱伝導率を有する、請求項２０に記載の熱伝導性材料。
【請求項２２】
レーザーシステムであって：
ポンプレーザー又はポンプレーザーアレイ；
前記ポンプレーザー又はポンプレーザーアレイに接続されているアクティブ光ファイバーであって：
少なくとも第１の屈折率を有する第１の材料を少なくとも含むコア；
実質的に前記コアを取り囲んでおり、少なくとも第２の屈折率を有する第２の材料を少なくとも含む内側クラッドであって、それによって前記コアと前記内側クラッドが、前記ポンプレーザー又はポンプレーザーアレイからのポンプ放射を伝搬するように構成される領域を形成している、前記内側クラッド；
実質的に前記内側クラッドを取り囲んでおり、前記第２の屈折率よりも小さい第３の屈折率を少なくとも有する第３の材料を少なくとも含む外側クラッドであって、それによって前記ポンプレーザー又はポンプレーザーアレイからのポンプ放射を前記コア及び前記内側クラッドへ制限する、前記外側クラッド；及び
実質的に前記外側クラッドを取り囲んでいる、熱伝導性の金属、グラファイト、又は他の材料を含む被覆；
を含み；
前記内側クラッドは、前記ポンプ放射が前記アクティブ光ファイバーの長さを伝搬する際に前記ポンプ放射の吸収に対する空間的ホールバーニングの影響を減少させるように構成されている、前記アクティブ光ファイバー；及び
前記アクティブ光ファイバーの前記被覆に接続されているヒートシンク；
を含み；
前記被覆の前記熱伝導性の金属、グラファイト、又は他の材料によって、前記被覆及び前記外側クラッドを介する前記領域と前記ヒートシンクの間の温度上昇が減少する、
前記レーザーシステム。
【請求項２３】
前記アクティブ光ファイバーと前記ポンプレーザー又はポンプレーザーアレイはパッシブ光ファイバーを介して遠隔接続されており、前記アクティブ光ファイバーは前記アクティブ光ファイバーの遠位端においてレーザー出力開口を含む、請求項２２に記載のレーザーシステム。
【請求項２４】
前記被覆の前記熱伝導性の金属、グラファイト、又は他の材料によって、前記パッシブ光ファイバーに接続されている前記アクティブ光ファイバーの近位端と前記レーザー出力開口の間の距離が最小になる、請求項２３に記載のレーザーシステム。
【請求項２５】
前記被覆の前記熱伝導性の金属、グラファイト、又は他の材料によって、前記パッシブ光ファイバーを介する前記アクティブ光ファイバーと前記ポンプレーザー又はポンプレーザーアレイの間の距離が最大になる、請求項２３又は２４に記載のレーザーシステム。
【請求項２６】
前記ポンプレーザー又はポンプレーザーアレイと前記アクティブ光ファイバーの間の距離は１〜１０メートルの間である、請求項２５に記載のレーザーシステム。
【請求項２７】
前記ポンプレーザー又はポンプレーザーアレイと前記アクティブ光ファイバーの間の距離は１０〜１００メートルの間である、請求項２５に記載のレーザーシステム。
【請求項２８】
前記ポンプレーザー又はポンプレーザーアレイと前記アクティブ光ファイバーの間の距離は１００〜１０，０００メートルの間である、請求項２５に記載のレーザーシステム。
【請求項２９】
前記ポンプレーザー又はポンプレーザーアレイを含むカスケード状のポンプモジュールを更に含み、１以上の前記ポンプモジュールは前記アクティブ光ファイバーを含む、請求項２２〜２８のいずれかに記載のレーザーシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
[0001]本発明は、コア、内側クラッド、外側クラッド、及び実質的に外側クラッドを取り囲んでいている、熱伝導性の金属、グラファイト、又は他の材料を含む被覆を含むアクティブ光ファイバーに関する。特に、しかしながら排他的ではないが、内側クラッドは、ポンプ放射がアクティブ光ファイバーの長さを伝搬する際にポンプ放射の吸収に対する空間的ホールバーニングの影響を減少するように構成されており、アルミニウムのような被覆の熱伝導性の金属、グラファイト、又は他の材料によって、被覆及び外側クラッドを介する光ファイバーのコア及び内側クラッドを含む領域と被覆の外表面の間の温度上昇が減少する。
【背景技術】
【０００２】
[0002]現在、殆どの既存のアクティブダブルクラッド光ファイバーは、光ファイバーを被覆するために低屈折率のポリマークラッドを用いている。これらの既存のダブルクラッドファイバーは、コア、及びコアを取り囲んでいる、光ファイバー中に接続されているポンプレーザーからの放射を伝搬するための内側クラッド、並びに内側クラッドを取り囲んでいる、ポンプ放射をコア及び内側クラッドに制限するための外側クラッドを有する。これらのダブルクラッドファイバーにおいて用いられるポリマークラッドは、入射するポンプ光の広い受光角を可能にするようにその光学特性に関して選択されるが、このポリマー材料は、一般に８０℃より高い温度のような高い温度に曝露されると分解し、約０．１８Ｗ／ｍ／Ｋのような非常に劣った熱伝導率を有する。したがって、レーザーのために好適な冷却システムを与えることなくかかるダブルクラッド光ファイバー中に接続することができるポンプ力のレベルに対する制限がある。例えば、上記の既存のアクティブダブルクラッド光ファイバーを用いる高出力ファイバー増幅器及びレーザーのような幾つかのより高出力の用途においては、アクティブ光ファイバー、特に熱に敏感なポリマークラッドに損傷を与えないようにレーザーを冷却するために、熱電冷却器、水循環装置、及び大きな熱質量を含む冷却システムが用いられている。
【０００３】
[0003]従来技術のアクティブダブルクラッド光ファイバーの例を図１に関連して示す。記載されているように、従来技術のアクティブダブルクラッド光ファイバーのコア及び内側クラッドはそれを通してポンプ放射を伝搬し、外側クラッドはポンプ放射をコア及び内側クラッドに制限する。アクティブ光ファイバーは、シングルモード又はマルチモード信号に関する刺激された放射の放出による光の増幅を導いてそれを可能にするコアを含むことが当業者によって認識されるであろう。外側クラッドは、内側クラッドよりも小さい屈折率を有することによってポンプ放射を制限する。図１は、代表的なダブルクラッド光ファイバーの構成要素の相対的な屈折率のグラフ表示１０を示している。具体的には、図１は、光ファイバーの中央コア１２、内側クラッド１４、及び外側クラッド１６のそれぞれの屈折率を示す線１１を、ファイバーにおけるそれらの位置に関連して示している。ここで、外側クラッド１６は、ポンプ放射の誘導を可能にするその光学特性のために、且つ光ファイバーに対して物理的保護被覆を与えるために用いられるポリマーから構成される。
【０００４】
[0004]コア１２は第１の屈折率ｎ１を有する材料から形成され、内側クラッド１４は第１の屈折率ｎ１よりも小さい第２の屈折率ｎ２を有する材料から形成され、外側クラッド１６はこれも第２の屈折率ｎ２よりも小さい第３の屈折率ｎ３を有するポリマー材料から形成されていることが図１から分かる。
【０００５】
[0005]光ファイバーの開口数又はＮＡは、等式：
【０００６】
【化１】
2018509779.tif 000003
【０００７】
（式中、ｎ１は第１の屈折率であり、ｎ２は第２の屈折率である）
によって与えられることが当業者によって認識されるであろう。また、開口数は、等式：ＮＡ＝ｎ・ｓｉｎ（θ）（式中、ｎは光がそれから放出される媒質の屈折率である）によって光ファイバーの受光角に関係することも認識されるであろう。通常は、媒質は１に等しい屈折率を有する空気である。
【０００８】
[0006]図１に戻り、光ファイバーに接続されているレーザーからのポンプ放射を受容する受光開口は、内側クラッド１４の第２の屈折率ｎ２と外側クラッド１６の第３の屈折率ｎ３の間の屈折率の差によって画定される。記載されているように、図１に示されている第２の屈折率ｎ２と第３の屈折率ｎ３の間の屈折率の差は比較的大きく、したがって受光開口も比較的大きい。例えば、内側クラッドは１．４５の屈折率を有する純シリカであり、外側クラッドは１．３７３の屈折率を有するポリマー被覆である。
【０００９】
[0007]また、いずれの波長の分散媒質に関しても、この媒質の屈折率は入射光の波長に依存することも当業者によって認識されるであろう。ここで、屈折率のいずれの参照も１．０６４マイクロメートルの光の波長における運転に関係する。しかしながら、参照波長は明確にする目的のために用いられるものであり、本発明においてこの波長を用いることに限定するものではないことも認識されるであろう。実際に、本発明の運転波長は光ファイバーが透明であるスペクトル全体をカバーすることができることが認識されるであろう。
【００１０】
[0008]図１に示される従来技術の例においては、光ファイバーの受光開口は、内側クラッド１４の第２の屈折率ｎ２と外側クラッド１６の第３の屈折率ｎ３の間の屈折率の差によって、０．４６ＮＡであると求められる。この０．４６ＮＡの比較的大きい受光開口によって、比較的低い輝度を有するレーザーを光ファイバーに接続することが可能になる。しかしながら、用いられるポリマークラッドは、一般に高い温度に曝露されると劣化して、非常に劣った熱伝導性を有する。
【発明の概要】
【００１１】
[0009]したがって、本発明の一形態は、少なくとも第１の屈折率を有する第１の材料を少なくとも含むコア；実質的にコアを取り囲んでいて、それによってコアと内側クラッドが光ファイバーに接続されているポンプレーザーからのポンプ放射を伝搬するように構成される領域を形成している、少なくとも第２の屈折率を有する第２の材料を少なくとも含む内側クラッド；実質的に内側クラッドを取り囲んでおり、第２の屈折率よりも小さい第３の屈折率を少なくとも有する第３の材料を少なくとも含み、それによってポンプレーザーからのポンプ放射をコア及び内側クラッドへ制限する外側クラッド；及び、実質的に外側クラッドを取り囲んでいる、熱伝導性の金属、グラファイト、又は他の材料を含む被覆；を含み；内側クラッドは、ポンプ放射がアクティブ光ファイバーの長さを伝搬する際にポンプ放射の吸収に対する空間的ホールバーニングの影響を減少させるように構成されており；被覆の熱伝導性の金属、グラファイト、又は他の材料によって、被覆及び外側クラッドを介する上記領域と被覆の外表面の間の温度上昇が減少するアクティブ光ファイバーを提供する。
【００１２】
[0010]本発明の他の形態は、ポンプレーザー又はポンプレーザーアレイ；ポンプレーザー又はポンプレーザーアレイに接続されており、少なくとも第１の屈折率を有する第１の材料を少なくとも含むコア；実質的にコアを取り囲んでいて、それによってコアと内側クラッドがポンプレーザー又はポンプレーザーアレイからのポンプ放射を伝搬するように構成される領域を形成している、少なくとも第２の屈折率を有する第２の材料を少なくとも含む内側クラッド；実質的に内側クラッドを取り囲んでおり、第２の屈折率よりも小さい第３の屈折率を少なくとも有する第３の材料を少なくとも含み、それによってポンプレーザー又はポンプレーザーアレイからのポンプ放射をコア及び内側クラッドへ制限する外側クラッド；及び、実質的に外側クラッドを取り囲んでいる、熱伝導性の金属、グラファイト、又は他の材料を含む被覆；を含み；内側クラッドは、ポンプ放射がアクティブ光ファイバーの長さを伝搬する際にポンプ放射の吸収に対する空間的ホールバーニングの影響を減少させるように構成されているアクティブ光ファイバー；及び、アクティブ光ファイバーの被覆に接続されているヒートシンク；を含み；被覆の熱伝導性の金属、グラファイト、又は他の材料によって、被覆及び外側クラッドを介する上記領域とヒートシンクの間の温度上昇が減少するレーザーシステムを提供する。
【００１３】
[0011]好ましくは、熱伝導性の金属材料としては、アルミニウム、銅、金、スズ、又はこれらの合金が挙げられるが、これらに限定されず；熱伝導性のグラファイト材料としては、グラファイト、又はグラファイトを含む複合材料が挙げられる。また、熱伝導性の金属、グラファイト、又は他の材料の複数の層を用いて被覆を形成することができることも想定される。実質的に外側クラッドを取り囲んでいるこれらの熱伝導性の金属、グラファイト、又は他の材料は小さい熱抵抗を有しており、したがって上記の領域と被覆の外表面の間の温度差を減少させる。また、被覆の熱伝導性の他の材料としては、被覆の熱伝導性を増加させる金属、窒化物、酸化物、炭化物、又は他の材料が含侵されたポリマーが挙げられる。即ち、熱伝導性を基ポリマーと比べて増加させるために、基ポリマーに金属、窒化物、酸化物、炭化物、又は他の材料を含侵させる。
【００１４】
[0012]更に、被覆が光ファイバーを冷却するためのヒートシンクに接続されている形態においては、熱伝導性の金属、グラファイト、又は他の材料によって、上記の領域とヒートシンクの間の温度差が減少する。したがって、本アクティブ光ファイバーは上昇した上部運転温度において運転することができ、光ファイバーの上記領域及びクラッド層は、高いレーザー出力で運転する際に損傷を受ける可能性が少ない。また、被覆の熱伝導性の金属、グラファイト、又は他の材料によって、光ファイバーの運転温度が上昇し、及び／又は運転温度範囲が上昇する。例えば幾つかの態様においては、運転温度は８０℃より高く、好ましくは約２００℃である。実際に幾つかの想定されている高出力レーザー用途においては、運転温度は３００℃より高く、被覆の熱伝導性の金属、グラファイト、又は他の材料は、光ファイバーのコア、内側クラッド、及び外側クラッドから熱を放散させるのに好適な熱伝導性を有する。例えば、被覆は０．１８Ｗ／ｍ／Ｋより高い熱伝導率を有し、例えばアルミニウムは約２３７Ｗ／ｍ／Ｋの伝導率を有し、有用な運転温度は４００℃以下の範囲である。他の例においては、被覆の熱伝導性の他の材料（例えばポリマー）は、０．５Ｗ／ｍ／Ｋより高い熱伝導率を有する。
【００１５】
[0013]一態様においては、内側クラッドは、ポンプ放射がアクティブ光ファイバーの長さを伝搬する際にポンプ放射の吸収に対する空間的ホールバーニングの影響を減少するように構成されている対称性を破る形状を有する。更に、対称性を破る形状は更に、アクティブ光ファイバーの長さに沿ってコア内のポンプ放射の重なりを増加させるように構成される。他の態様においては、内側クラッドは、ポンプ放射がアクティブ光ファイバーの長さを伝搬する際にポンプ放射の吸収に対する空間的ホールバーニングの影響を減少させるように構成されている内部構造を有する。更に、内部構造は更に、アクティブ光ファイバーの長さに沿ってコア内のポンプ放射の重なりを増加させるように構成される。
【００１６】
[0014]好ましくは、対称性を破る形状としては、Ｄ字形、凸多角形、花びら形、及び楕円形のいずれかが挙げられる。例えば、凸多角形は八角形である。或いは、内側クラッドは凸形状を形成する平坦側面と湾曲側面の任意の組合せを有していてよく、実際には幾つかの凹形状を形成して対称性を破る形状として用いることができる。コア内のポンプ放射の重なりを増加させるように構成されている内部構造の更なる例としては、内側クラッド中に穿孔された１以上の孔；偏心コア；螺旋形のコア；対掌形のコア；内側クラッド中に導入された他の材料の１つ又は複数の応力棒(stress rod)；及び微細構造形状；のいずれかが挙げられる。
【００１７】
[0015]一態様においては、第１の材料としては希土類ドープシリカガラスが挙げられる。例えば、コアは１．４５２の屈折率を有するイッテルビウムドープ材料を含む。また、一態様においては、第２の屈折率は第１の屈折率よりも小さい。
【００１８】
[0016]一態様においては、コア、内側クラッド、及び／又は外側クラッドは、次のガラス：純シリカ、ゲルマニウム、アルミニウム、フッ素、ホウ素、又はホスフェートがドープされたシリカ、任意の希土類の単一物質又は組合せ等、並びに任意の希土類元素と組み合わせたＩｎＦ、ＺＢＬＡＮ、ホスフェート、シリケート、ゲルマネート、カルコゲニド、テルル化物等のような所謂軟質ガラスのいずれかを含む材料を含む。更に、光放射線に対して透明である任意のガラス材料をアクティブ光ファイバー中に導入することができることも想定される。
【００１９】
[0017]例えば、第２の材料はゲルマニウム又はアルミニウムがドープされたシリカを含み、第３の材料は純シリカを含み、したがって第３の屈折率は第２の屈折率よりも小さい。他の例においては、第２の材料は純シリカを含み、第３の材料はフッ素ドープ又はフッ素／ホウ素ドープシリカを含み、したがって第３の屈折率は第２の屈折率よりも小さい。より具体的な例においては、第２の材料は１．４５の屈折率を有する純シリカであり、第３の材料は、１．４３の屈折率を有するようにダウンドープした(down-doped)ガラス構造体であるフッ素ドープシリカである。ゲルマニウム又はアルミニウムがドープされたシリカはアップドープ(up-doped)であり、純シリカよりも大きい屈折率を有することが当業者に認識されるであろう。
【００２０】
[0018]異なるタイプのドープシリカのような材料は、アクティブ光ファイバーのコア、内側クラッド、及び／又は外側クラッド中に層状に配置することができることも認識されるであろう。一態様においては、コアは複数の屈折率を有する複数の材料を含む。更に、又は別の形態においては、内側クラッドも複数の屈折率を有する複数の材料を含む。更に、又は別の形態においては、外側クラッドも複数の屈折率を有する複数の材料を含む。しかしながら、外側クラッドの任意の材料の第３の屈折率は、それでも内側クラッドの任意の材料の第２の屈折率よりも小さいので、外側クラッドは未だ、ポンプレーザーからのポンプ放射をコア及び内側クラッドに制限する。また、内側クラッドは未だ、アクティブ光ファイバーの長さにわたってコア内におけるポンプ放射の重なりを増加させるように構成される。
【００２１】
[0019]一態様においては、アクティブ光ファイバーは、外側クラッドと被覆の間に、例えばシリカガラスの１以上の更なるクラッド層を含む。この態様においては、１以上の更なるクラッド層によって、アクティブ光ファイバーに更なる機械強度が与えられ、被覆によるモードスクランブルが減少する。
【００２２】
[0020]更に、一態様においては、被覆の熱伝導性の金属、グラファイト、又は他の材料によって更に、レーザーからの熱負荷が増加する。一態様においては、被覆の熱伝導性の金属、グラファイト、又は他の材料により、与えられたヒートシンクの寸法又は重量及び大気温度に関して上昇した運転温度範囲、及びしたがって増加した冷却能力によって、レーザーシステムの全体的なシステム寸法、重量、及び体積が減少する。
【００２３】
[0021]一態様においては、被覆の熱伝導性の金属、グラファイト、又は他の材料により、全体的なレーザーシステムの寸法、重量、及び体積を減少させる目的で多数の高出力のレーザー又はファイバー増幅器を単一のヒートシンク構造体に取り付けることが可能になる。
【００２４】
[0022]本発明の一態様により、被覆の厚さをアクティブ光ファイバーの長さに沿って変化させ、これを用いて、この被覆の誘導又はジュール加熱を用いることによってアクティブ光ファイバーの長さを横切る温度勾配を与えることができる。また、他の態様においては、被覆の厚さの変動を更に用いて、この被覆の誘導又はジュール加熱を用いることによってアクティブ光ファイバーの長さを横切る応力勾配を与えることができる。
【００２５】
[0023]本発明の一態様により、熱質量を被覆又はアクティブ光ファイバーの巻き取られた長さに直接電鋳又は鋳造することによってヒートシンクが達成される。
[0024]一態様においては、被覆により、低融点の金属又は金属合金を用いることによって低い熱抵抗を有するヒートシンクにアクティブ光ファイバーを直接取り付けることが可能になる。
【００２６】
[0025]一態様においては、十分に厚い被覆を用いることによって、アクティブ光ファイバーと外部環境の間に大きな水素バリヤを与えて、より高い静疲労及び引張り強さを与えることが可能になる。また、十分に厚い被覆を用いることによって、アクティブ光ファイバーの長さを横切って分散モードスクランブルを起こすことが可能になる。更に、十分に厚い金属被覆を用いることによって、電離放射線に対するある程度の抵抗性が可能になる。
【００２７】
[0026]一態様においては、被覆の厚さは３０マイクロメートルに等しいか又はそれよりも大きく、他の態様においては、この厚さは１０〜３０マイクロメートルの間であり、より好ましい態様においては、この厚さは１〜１０マイクロメートルの間である。更に他の態様においては、被覆の厚さは０．１〜１マイクロメートルの間である。被覆の厚さは所望の機能によって決定されるので、他の厚さ範囲が想定されることが当業者によって認識されるであろう。例えば、アクティブ光ファイバーと外部環境の間の大きな水素バリヤを可能にするために必要な最小厚さは１００〜１０００ナノメートルの間であり、モードスクランブルのために必要な最小厚さは１〜１０マイクロメートルの間である。
【００２８】
[0027]一態様においては、十分に薄い被覆を用いることによって、アクティブ光ファイバーの長さを横切って起こる分散モードスクランブルが抑制される。
[0028]一態様においては、被覆の厚さは、アクティブ光ファイバーの長さを横切って分散モードスクランブルを起こすのを可能にするように半径方向又は縦方向で調節する。
【００２９】
[0029]一態様においては、本被覆及び被覆されたアクティブ光ファイバーは真空環境において用いるのに好適である。
[0030]レーザーシステムの一態様においては、パッシブ光ファイバーを介してアクティブ光ファイバーとポンプレーザー又はポンプレーザーアレイを遠隔接続しており、アクティブ光ファイバーは、アクティブ光ファイバーの遠位端にレーザー出力開口を含む。この態様においては、被覆の熱伝導性の金属、グラファイト、又は他の材料によって、パッシブ光ファイバーに接続されているアクティブ光ファイバーの近位端とレーザー出力開口の間の距離が最小になる。また、被覆の熱伝導性の金属、グラファイト、又は他の材料によって、パッシブ光ファイバーを介するアクティブ光ファイバーとポンプレーザー又はポンプレーザーの間の距離が最大になる。即ち、アクティブ光ファイバーとポンプレーザー又はポンプレーザーアレイは遠隔接続されており、上昇した運転温度及び被覆の増加した熱伝導性の両方によって、アクティブ光ファイバーを、ポンプレーザー又はポンプレーザーアレイから離隔した位置であって、且つレーザー出力開口に近接した位置に配置することが可能になる。このような状態は、同時に信号レーザー光がレーザーシステムの導波管内を伝搬しなければならない距離を最小にしながら、スペースに制約のある環境内にアクティブ光ファイバーを配置することが可能になるという利益を有する。通常は、導波管はパッシブ光ファイバーであるが、アクティブ光ファイバーであってもよい。一例においては、ポンプレーザー又はポンプレーザーアレイとアクティブ光ファイバーの間の距離は、１〜１０メートルの間である。他の例においては、この距離は１０〜１００メートルの間である。更に他の例においては、この距離は１００〜１０，０００メートルの間である。離隔した距離がポンプレーザー又はポンプレーザーアレイとアクティブ光ファイバーを熱的に離隔するのに十分であるように、アクティブ光ファイバーとポンプレーザー又はポンプレーザーアレイの間の任意の離隔距離をシステムによって用いることができることが当業者によって認識されるであろう。
【００３０】
[0031]記載したように、高い運転温度の熱伝導性の被覆（例えばアルミニウムは４００℃以下であってよい）を用いることによって、アクティブ光ファイバーの最小の冷却が可能になり、これによりレーザーシステムの重量及び寸法を分布させることが可能になる。また、高い運転温度の熱伝導性の被覆を用いることによって、優先的にレーザーシステムの重量及び寸法をポンプレーザー又はポンプレーザーアレイに集中させることが可能になり、これによりレーザー出力開口の付近に位置するアクティブ光ファイバーの重量及び寸法が最小になる。このレーザーシステムの第２の有利性は、一態様においては、アクティブ光ファイバーの後に位置するパッシブ光ファイバー中におけるレーザー光の伝搬が最小になり、これによりこのシステムがこのパッシブ光ファイバー内における伝搬によって引き起こされる不利な非線形効果の影響を最小にするように働くことである。
【００３１】
[0032]一態様においては、被覆の熱伝導性の金属、グラファイト、又は他の材料によって、アクティブ光ファイバーの寸法、重量、及び冷却が最小になる。また、ポンプレーザー又はポンプレーザーアレイ及びアクティブ光ファイバーには、独立した寸法、重量、及び冷却要件を有する２つの空間的に離隔しているモジュールを含めることができ、熱伝導性の被覆を用いることによって、アクティブ光ファイバーモジュールの寸法、重量、及び冷却を最小にすることができることが認識されるであろう。更に、被覆の熱伝導性の金属、グラファイト、又は他の材料は、アクティブ光ファイバーモジュールとポンプレーザー又はポンプレーザーアレイモジュールを空間的に分離して、この２つを独立した寸法、重量、及び冷却要件を有する２つの別のモジュールとみなすことができるようにする能力を与える。その結果、アクティブ光ファイバーモジュールの寸法を大きく減少させることができ、寸法、重量、及び冷却の大部分がポンプレーザーモジュールに配置される。このような構成によって、レーザー利得とレーザー出力開口の間の長さを最小にして、これにより伝搬する信号光に対する非線形効果を最小にし、またアクティブ光ファイバーモジュールを寸法、重量において最小にすることが可能になり、最小の冷却しか必要ない。
【００３２】
[0033]他の態様においては、本システムは更に、ポンプレーザー及びポンプレーザーアレイを含むカスケード状のポンプモジュールを含み、ここで１以上のポンプモジュールはアクティブ光ファイバーを含む。而して、ポンプモジュールのアクティブ光ファイバー中の被覆の熱伝導性の金属、グラファイト、又は他の材料によって、高い運転温度及び増加した熱負荷、並びにポンプモジュールの分散された寸法、重量、及び冷却要件が可能になる。
【００３３】
[0034]本発明をより明確に理解することができるように、ここで添付の図面を参照して本発明の複数の態様を記載する。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】[0035]図１は、従来技術のアクティブ光ファイバーの構成要素の相対的屈折率のグラフ表示である。
【図２】[0036]図２は、本発明の一態様によるアクティブ光ファイバーの相対的屈折率のグラフ表示である。
【図３】[0037]図３は、本発明に一態様によるアクティブ光ファイバーの断面図である。
【図４】[0038]図４は、使用中の従来技術のアクティブ光ファイバーの構成要素の測定された温度のグラフ表示である。
【図５】[0039]図５は、使用中の本発明の一態様によるアクティブ光ファイバーの構成要素の測定された温度のグラフ表示である。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
[0040]本発明の一態様によれば、図３に示すアクティブ光ファイバー３０が提供され、アクティブ光ファイバー３０の構成要素の相対的な屈折率は、アクティブ光ファイバー３０のグラフ表示２０において示されている。実際には、図２において、アクティブ光ファイバー３０は、光ファイバー３０中におけるそれらの位置に関連してライン２１によって示される異なる屈折率を有する構成要素を含む。
【００３６】
[0041]アクティブ光ファイバー３０は、第１の屈折率を有する第１の材料を含む中央のコア２２を含む。例えば一態様においては、第１の材料は１．４５２の屈折率を有するイッテルビウムドープシリカ材料である。第２の屈折率を有する第２の材料を含む内側クラッド２４が、コア２２に接してそれを取り囲んでいる。この態様においては、第２の材料は１．４５の屈折率を有する純シリカである。コア２２及び内側クラッド２４は、光ファイバー３０に接続されているポンプレーザー（図示せず）からのポンプ放射を伝搬するように構成される領域を形成する。記載したように、コア、内側クラッド、及び外側クラッドには、それぞれ、それらの主要機能をなお維持しながら複数の屈折率の１以上の層を含めることができることが当業者によって認識されるであろう。
【００３７】
[0042]図３から、内側クラッド２４はポンプ放射がそれを通って伝搬する際にポンプ放射を導く八角形に形作られていることが分かる。記載されているように、内側クラッド２４は、ポンプ放射がアクティブ光ファイバー３０の長さを伝搬する際にポンプ放射の吸収に対する空間的ホールバーニングの影響を減少させるように構成されている。また、記載されているように、ポンプ放射が光ファイバー３０の長さを伝搬する際にポンプ放射の吸収を増大させるために、内側クラッド２４の他の対称性を破る形状又は特徴を用いることが当業者によって認識されるであろう。実際には、伝搬するポンプ放射の対称性を破るために、円形以外の任意の形状を用いることができる。更に、伝搬するポンプ放射の対称性を破るために、環状の内側クラッド中において偏心コアを用いることもできる。この態様においては、内側クラッド２４は、アクティブ光ファイバー３０の長さに沿ってコア２２内のポンプ放射の重なりを増加させる形状の八角形である。
【００３８】
[0043]コア２２及び内側クラッド２４から形成される領域は、光ファイバー３０に接続されているレーザー（図示せず）からのポンプ放射を伝搬する。光ファイバー３０はまた、第３の屈折率を有する第３の材料を含み、実質的に内側クラッド２４を取り囲んでいる外側クラッド２６も含む。外側クラッド２６は、内側クラッド２４よりも小さいその屈折率のために、レーザーからのポンプ放射をコア２２及び内側クラッド２４又はその一部に制限する。例えば、一態様においては、外側クラッド２６は、１．４５の純シリカの第２の屈折率よりも小さい１．４３の屈折率を有するフッ素ドープシリカである。
【００３９】
[0044]また、第２の材料の第２の屈折率と第３の材料の第３の屈折率の間の屈折率の差によって、それに接続されているポンプレーザーからのポンプ放射を受容するための受光開口を有する光ファイバー３０の部分が画定される。ここでは、受光開口はポンプ源のものに等しいか又はそれよりも大きい。
【００４０】
[0045]更に、この態様のアクティブ光ファイバー３０は更に、実質的に外側クラッド２６を取り囲んでいるアルミニウムのような熱伝導性の金属、グラファイト、又は他の材料を含む被覆２８を含む。被覆２８の熱伝導性の金属、グラファイト、又は他の材料によって、被覆２８それ自体及び外側クラッド２６を介する、ポンプ放射を伝搬するように構成されている領域と被覆２８の外表面の間の温度上昇が減少する。即ち、一態様においては、被覆はアルミニウムであり、２３７Ｗ／ｍ／Ｋの熱伝導率及び４００℃以下の公称運転温度範囲を有する。３１８Ｗ／ｍ／Ｋの熱伝導率及び７００℃以下の運転温度を有する金のような他の熱伝導性の被覆材料が想定されることが当業者によって認識されるであろう。したがって、被覆２８の高い熱伝導性によって、ポンプ放射を伝搬するように構成されている領域と被覆２８の外表面の間の温度上昇が減少する。
【００４１】
[0046]記載されているように、一態様においては、アクティブ光ファイバー３０は、被覆２８を介してヒートシンク（図示せず）に接続される。この態様においては、アルミニウムのような被覆２８の熱伝導性の金属、グラファイト、又は他の材料によって、被覆２８及び外側クラッド２６を介する、ポンプ放射を伝搬するように構成されている領域とヒートシンクの間の温度上昇が減少する。
【００４２】
[0047]更に、図３は、アクティブ光ファイバー３０の構成要素の相対的寸法を示す。具体的には、図３に示す態様のイッテルビウムドープシリカコア２２は約２０マイクロメートル（０．０７５ＮＡ）の直径を有し、八角形の形状のシリカ内側クラッド２４は２００マイクロメートル（０．２３ＮＡ）の直径を有し、フッ素ドープされている環状の外側クラッドは２３０マイクロメートルの直径を有し、アルミニウム金属クラッドは３２０マイクロメートルの直径を有する。他の態様においては、アクティブ光ファイバー３０はそれぞれの直径に関して次の寸法を有する：コア−２０マイクロメートル；内側クラッド−４００マイクロメートル；外側クラッド−４４０マイクロメートル；被覆−４６０マイクロメートル。
【００４３】
[0048]図４及び５に示す他の例においては、それぞれ、使用中の従来技術のアクティブ光ファイバー及び本態様のアクティブ光ファイバー３０の構成要素の、有限要素モデルソフトウエアを用いて算出された温度のグラフ表示が示されている。図４は、光ファイバーのコア１２、内側クラッド１４とポリマー外側クラッド１６の間の境界、及びポリマー外側クラッド１６の外表面において算出された温度を示す。図５は、光ファイバー３０のコア２２、光ファイバー２０の外側クラッド２６と被覆２８の間の境界、及び被覆２８の外表面において算出された温度を示す。いずれの図面においても、光ファイバーに加えた１００、２００、及び３００Ｗ／ｍの熱負荷に関して温度プロファイルを算出している。加えた１００Ｗ／ｍの熱負荷に関しては、図４は従来技術のアクティブ光ファイバーのコア１２の温度が８８℃であることを示し、一方、図５はアクティブ光ファイバー３０のコア２２の温度が６１℃であることを示している。
【００４４】
[0049]したがって、熱伝導性の被覆２８は、アクティブ光ファイバー３０のコア２２及び内側クラッド２４（したがってアクティブ光ファイバー３０の上記領域）の運転温度を低下させるための低い熱抵抗性のヒートシンクとして機能し、したがって有害作用が目立つようになる前にアクティブ光ファイバー３０をより高い熱負荷で運転することが可能になる。更に、被覆２８はまた、ヒートシンク、及び上記領域とヒートシンク構造体の間の熱抵抗性を減少させるように働く間隙材料の両方として機能するので、ファイバー３０のコア２２、内側クラッド２４、及び外側クラッド２６の間の遷移部における遙かに低い温度差（ΔＴ）も可能にする。而して、この態様におけるアクティブ光ファイバー３０はより広い温度運転範囲を有する。最後に、被覆２８を有するアクティブ光ファイバー３０は、例えば重量の大きなヒートシンクを被覆２８と併せて用いる必要はないので、レーザーシステムに関して寸法、体積、及び重量の削減を与える。
【００４５】
[0050]本発明の範囲から逸脱することなく、上記に記載した部分に対して種々の変更、付加、及び／又は修正を行うことができることを理解すべきである。
[0051]本明細書において従来技術が参照されている場合には、かかる参照文献は、その従来技術が任意の国において当該技術における一般常識の一部を形成することを認めることを構成してはいない。
【００４６】
[0052]下記の特許請求の範囲において、及び本発明の上記の記載においては、用語又は必然的な含意を表すために他の記載が必要である場合を除いて、「含む」の用語、又は「包含する」若しくは「含み」のような変形は包含的な意味で用いられ、即ち言及されている特徴の存在を規定しているが、本発明の種々の態様における更なる特徴の存在又は付加を排除するものではない。
【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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【国際調査報告】
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