(57)【要約】  本開示は、例えば、所望のビーム積パラメータ及びビームプロファイルを有する光ファイバレーザ出力を提供する際に有用なモード混合光ファイバにより関する。一態様では、本開示は、波長を有する光放射を送達するためのモード混合光ファイバを提供し、モード混合光ファイバが、入力端、出力端、中心線、及び屈折率プロファイルを有し、モード混合光ファイバが、最内コアであって、屈折率プロファイルを有する、最内コアと、最内コアの周りに配置されたクラッドと、を備え、モード混合光ファイバが、該波長において少なくとも５つのモードを有し、モード混合光ファイバは、その入力端で光入力の一部をその低次モードからその高次モードに分配するように構成される。
2018528488.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
波長を有する光放射を送達するためのモード混合光ファイバであって、入力端と、出力端と、中心線と、屈折率プロファイルと、を有し、前記モード混合光ファイバは、
最内コアであって、屈折率プロファイルを有する、最内コアと、
前記最内コアの周りに配置されたクラッドと、を備え、
前記モード混合光ファイバが、前記波長において少なくとも５つのモードを有し、
前記モード混合光ファイバが、その入力端で光入力の一部をその低次モードからその高次モードに分配するように構成される、モード混合光ファイバ。
【請求項２】
前記最内コアが、前記光ファイバの前記中心線と実質的に非共線状に位置付けられている中心線を有する、請求項１に記載のモード混合光ファイバ。
【請求項３】
前記ファイバの前記中心線に対する前記最内コアの中心の横方向オフセットが、少なくとも５ミクロン、例えば少なくとも１０ミクロン、少なくとも２０ミクロン、または少なくとも３０ミクロンである、請求項２に記載のモード混合光ファイバ。
【請求項４】
前記最内コアが、実質的に円形の断面形状を有する、請求項１〜３のいずれか１項に記載のモード混合光ファイバ。
【請求項５】
前記最内コアが、実質的に非円形の断面形状、例えば、長方形状、正方形状、三角形状、五角形状、六角形状、もしくは八角形状などの多角形形状、または卵形状、楕円形状、もしくは半円形状などの丸みを帯びているが非円形の形状を有する、請求項１〜３のいずれか１項に記載のモード混合光ファイバ。
【請求項６】
前記最内コアが、１つ以上の実質的にダウンドープされた領域を含む、請求項１〜５のいずれか１項に記載のモード混合光ファイバ。
【請求項７】
前記実質的にダウンドープされた領域のうちの少なくとも１つが、前記最内コアの前記中心線の周りに対称的に配置される、請求項６に記載のモード混合光ファイバ。
【請求項８】
前記最内コアの前記中心線の周りに対称的に配置された前記実質的にダウンドープされた領域が、前記最内コアの前記中心線と実質的に共線状に配置された中心線を有する実質的にダウンドープされた領域である、請求項７に記載のモード混合光ファイバ。
【請求項９】
前記最内コアの前記中心線の周りに対称的に配置された実質的にダウンドープされた領域が、存在しない、請求項１〜５のいずれか１項に記載のモード混合光ファイバ。
【請求項１０】
前記１つ以上の実質的にダウンドープされた領域のうちの１つ以上が、前記最内コアの前記中心線の周りに非対称的に配置される、請求項６〜９のいずれか１項に記載のモード混合光ファイバ。
【請求項１１】
前記１つ以上の実質的にダウンドープされた領域の各々が、円形中実、非円形のバントの丸みを帯びた中実、多角形中実、円形のリング、非円環、及び多角形環から選択される形状を有する、請求項６〜１０のいずれか１項に記載のモード混合光ファイバ。
【請求項１２】
前記最内コアが、例えば円形リングの形状の、唯一の環形状のダウンドープされた領域を含む、請求項１〜５のいずれか１項に記載のモード混合光ファイバ。
【請求項１３】
前記環形状のダウンドープされた領域が、５ミクロン〜２０ミクロンの範囲の内径と、０．５ミクロン〜３ミクロンの範囲の環状の厚さとを有する、請求項１２に記載のモード混合光ファイバ。
【請求項１４】
前記ダウンドープされた領域の前記屈折率が、前記最内コアの残部に対する相対開口数値が０．０１〜０．１５の範囲内、例えば０．０１〜０．１０、０．０１〜０．０５、０．０２〜０．１０、または０．０２〜０．０５にあるようなものである、請求項１２または請求項１３に記載のモード混合光ファイバ。
【請求項１５】
前記１つ以上の実質的にダウンドープされた領域が、前記最内コアの残部の屈折率よりも少なくとも約０．００１、例えば、少なくとも約０．００２、少なくとも約０．００３、または少なくとも約０．００５下回る屈折率を有する、請求項６〜１３のいずれか１項に記載のモード混合光ファイバ。
【請求項１６】
前記１つ以上の実質的にダウンドープされた領域が、前記最内コアの残部の屈折率よりも少なくとも約０．０１、例えば、少なくとも約０．０２下回る屈折率を有する、請求項６〜１３のいずれか１項に記載のモード混合光ファイバ。
【請求項１７】
前記１つ以上のダウンドープされた領域の各々と前記最内コアの残部との間の絶対屈折率差が、最大約０．２、例えば、最大約０．１、または最大約０．０５である、請求項６〜１６のいずれか１項に記載のモード混合光ファイバ。
【請求項１８】
前記最内コアが、１つ以上の実質的にアップドープされた領域を含む、請求項１〜１７のいずれか１項に記載のモード混合光ファイバ。
【請求項１９】
前記１つ以上の実質的にアップドープされた領域のうちの１つ以上が、前記最内コアの前記中心線の周りに非対称的に配置される、請求項１８に記載のモード混合光ファイバ。
【請求項２０】
前記アップドープされた領域のうちの１つが、前記最内コアの中心の周りに対称的ではあるが（例えば、環状領域として）、前記最内コアの周囲に向かって実質的に配置されている（例えば、前記アップドープされた領域の面積の少なくとも１／２、２／３、またはさらには３／４が、前記最内コアの前記中心線から離れた前記最内コアの半径の少なくとも半分に配置されている）、請求項１８に記載のモード混合光ファイバ。
【請求項２１】
前記１つ以上の実質的にアップドープされた領域の各々が、円形中実、非円形のバントの丸みを帯びた中実、多角形中実、円形リング、非円環、及び多角形環から選択される形状を有する、請求項１８〜２０のいずれか１項に記載のモード混合光ファイバ。
【請求項２２】
前記１つ以上の実質的にダウンドープされた領域が、前記最内コアの残部の屈折率よりも少なくとも約０．００１、例えば、少なくとも約０．００２、少なくとも約０．００３、または少なくとも約０．００５下回る屈折率を有する、請求項１８〜２１のいずれか１項に記載のモード混合光ファイバ。
【請求項２３】
前記１つ以上の実質的にアップドープされた領域が、前記最内コアの前記残部の屈折率よりも少なくとも約０．０１、例えば、少なくとも約０．０２上回る屈折率を有する、請求項１８〜２１のいずれか１項に記載のモード混合光ファイバ。
【請求項２４】
前記１つ以上のアップドープされた領域のうちの各々と前記最内コアの前記残部との間の絶対屈折率差が、最大約０．２、例えば、最大約０．１、または最大約０．０５である、請求項１８〜２３のいずれか１項に記載のモード混合光ファイバ。
【請求項２５】
前記アップ及び／または前記ダウンドープされた領域の最内コアの領域の合計百分率が、約５％〜約９５％の範囲、例えば約５％〜約８５％、または約５％〜約７５％、または約５％〜約５０％、または約１０％〜約９５％、または約１０％〜約８５％、または約１０％〜約７５％、または約１０％〜約５０％の範囲にある、請求項１〜２４のいずれか１項に記載のモード混合光ファイバ、
【請求項２６】
前記アップ及び／または前記ダウンドープされた領域の最内コアの領域の合計百分率が、約１％〜約２５％、約５％〜約２５％、または約１０％〜約２５％、または約１％〜約１０％、または約１％〜約２０％の範囲にある、請求項１〜２４のいずれか１項に記載のモード混合光ファイバ。
【請求項２７】
前記モード混合光ファイバの前記断面プロファイルが、円形対称ではない、請求項１〜２６のいずれか１項に記載のモード混合光ファイバ。
【請求項２８】
前記モード混合光ファイバの前記断面プロファイルが、その長さに沿って螺旋のように形成される、請求項２７に記載のモード混合光ファイバ。
【請求項２９】
前記最内コアが、約５０μｍ〜約３０００μｍの範囲、例えば、約５０μｍ〜約２０００μｍ、または約５０μｍ〜約１０００μｍ、または約５０μｍ〜約６００μｍ、または約１００μｍ〜約３０００μｍ、または約１００μｍ〜約２０００μｍ、または約１００μｍ〜約１０００μｍ、または約１００μｍ〜約６００μｍ、または約２００μｍ〜約３０００μｍ、または約２００μｍ〜約２０００μｍ、または約２００μｍ〜約１０００μｍ、または約２００μｍ〜約６００μｍの範囲の直径を有する、請求項１〜２８のいずれか１項に記載のモード混合光ファイバ。
【請求項３０】
約１００μｍ〜約３６００μｍの範囲、例えば約１００μｍ〜約３０００μｍ、または約１００μｍ〜約２５００μｍ、または約１００μｍ〜約１５００μｍ、または約１００μｍ〜約１０００μｍ、または約１００μｍ〜約８００μｍ、または約１００μｍ〜約６００μｍ、または約２００μｍ〜約３６００μｍ、または約２００μｍ〜約３０００μｍ、または約２００μｍ〜約２５００μｍ、または約２００μｍ〜約１５００μｍ、または約２００μｍ〜約１０００μｍ、または約２００μｍ〜約８００μｍ、または約２００μｍ〜約６００μｍの範囲の外径を有する、請求項１〜２９のいずれか１項に記載のモード混合光ファイバ。
【請求項３１】
前記モード混合光ファイバの前記外径が、前記モード混合光ファイバの前記最内コアの前記外径の少なくとも約１．２倍であり、例えば、前記モード混合光ファイバの前記最内コアの前記外径の約１．２倍〜約５倍、または約１．２倍〜約３倍、または約１．２倍〜約２倍である、請求項１〜３０のいずれか１項に記載のモード混合光ファイバ。
【請求項３２】
前記光ファイバが、約１ｍ〜約１００ｍの範囲、例えば、約１ｍ〜約５０ｍ、または約１ｍ〜約４０ｍ、または約１ｍ〜約５０ｍ、または約１ｍ〜約２０ｍ、または約１ｍ〜約１０ｍ、または約１ｍ〜約５ｍ、または約５ｍ〜約１００ｍ、または約５ｍ〜約１００ｍの範囲、例えば、約５ｍ〜約５０ｍ、または約５ｍ〜約４０ｍ、または約５ｍ〜約５０ｍ、または約５ｍ〜約２０ｍ、または約１０ｍ〜約１００ｍ、または約１０ｍ〜約５０ｍ、または約１０ｍ〜約４０ｍの範囲の長さを有する、請求項１〜３１のいずれか１項に記載のモード混合光ファイバ。
【請求項３３】
前記モード混合光の前記発散が、前記最内コアの約４０ｍｒａｄ、６０ｍｒａｄまたは８０ｍｒａｄから前記開口数までの範囲、例えば、約４０ｍｒａｄ〜約６００ｍｒａｄ、または約４０ｍｒａｄ〜約３００ｍｒａｄ、または約４０ｍｒａｄ〜約１６０ｍｒａｄ、または約４０ｍｒａｄ〜約１４０ｍｒａｄ、または約４０ｍｒａｄ〜約１２０ｍｒａｄ、または約４０ｍｒａｄ〜約１００ｍｒａｄ、または約４０ｍｒａｄ〜約８０ｍｒａｄ、または約６０ｍｒａｄ〜約６００ｍｒａｄ、または約６０ｍｒａｄ〜約３００ｍｒａｄ、または約６０ｍｒａｄ〜約１６０ｍｒａｄ、または約６０ｍｒａｄ〜約１４０ｍｒａｄ、または約６０ｍｒａｄ〜約１２０ｍｒａｄ、または約６０ｍｒａｄ〜約１００ｍｒａｄ、または約８０ｍｒａｄ〜約６００ｍｒａｄ、または約８０ｍｒａｄ〜約３００ｍｒａｄ、または約８０ｍｒａｄ〜約１６０ｍｒａｄ、または約８０ｍｒａｄ〜約１４０ｍｒａｄ、または約８０ｍｒａｄ〜約１２０ｍｒａｄ、または約８０ｍｒａｄ〜約１００ｍｒａｄ、または約１００ｍｒａｄ〜約２００ｍｒａｄ、または約１００ｍｒａｄ〜約４００ｍｒａｄ、または約１００ｍｒａｄ〜約６００ｍｒａｄ、または約２００ｍｒａｄ〜約６００ｍｒａｄの範囲である、請求項１〜３２のいずれか１項に記載のモード混合光ファイバ。
【請求項３４】
その平均強度の約２０％以内、約１５％以内、またはさらには約１０％以内で、その断面積の少なくとも７０％、少なくとも８０％、さらには少なくとも９０％を有するビーム（すなわち、ピーク強度の５％の外周によって定義される）を出力するように構成される、請求項１〜３３のいずれか１項に記載のモード混合光ファイバ。
【請求項３５】
前記モード混合ファイバへの放射入力が、その平均強度（例えば、中心で最も高い強度を有する）の約２０％以内、約１５％以内、または約１０％以内で、その断面積の５０％以下、４０％以下、３０％以下、さらにまたは２０％以下を有するとき、その平均強度の約２０％以内、約１５％以内、または約１０％以内で、その断面積の少なくとも７０％、少なくとも８０％、さらには少なくとも９０％を有するビーム（すなわち、ピーク強度の５％の外周によって定義される）を出力するように構成される、請求項１〜３３のいずれか１項に記載のモード混合光ファイバ。
【請求項３６】
約０．１〜約０．６０の範囲、例えば約０．１０〜約０．４０、または約０．１０〜約０．３０、または約０．１０〜約０．２２、または約０．１５〜約０．６０、または約０．１５〜約０．４０、または約０．１５〜約０．３０の開口数を有する、請求項１〜３５のいずれか１項に記載のモード混合光ファイバ。
【請求項３７】
前記波長において、少なくとも７つのモード、少なくとも１０のモード、少なくとも２０のモード、少なくとも３０のモード、少なくとも４０のモードまたは少なくとも５０のモードを有する、請求項１〜３６のいずれか１項に記載のモード混合光ファイバ。
【請求項３８】
光学システムであって、
請求項１〜３７のいずれか１項に記載のモード混合光ファイバと、
前記モード混合光ファイバの前記入力端に直接光学的に結合された出力端を有する第１の光ファイバであって、前記波長を有する光放射を伝播するように構成される、第１の光ファイバと、を備える、光学システム。
【請求項３９】
前記第１の光ファイバが、前記波長においてシングルモードである、請求項３８に記載の光学システム。
【請求項４０】
前記第１の光ファイバが、前記波長において７以下、６以下、５以下または４以下のモードを有する、請求項３８に記載の光学システム。
【請求項４１】
前記第１の光ファイバが、前記波長においてマルチモードである、請求項３８に記載の光学システム。
【請求項４２】
前記第１の光ファイバの前記出力端が、前記モード混合光ファイバの前記入力端に融着接続される、請求項３８〜４１のいずれか１項に記載の光学システム。
【請求項４３】
前記第１の光ファイバが、ファイバレーザまたはファイバ増幅器のアクティブ光ファイバである、請求項３８〜４２のいずれか１項に記載の光学システム。
【請求項４４】
前記システムが、前記モード混合光ファイバの前記第２の端部から自由空間伝播ビームを発射するように構成される、請求項３８〜４３のいずれか１項に記載の光学システム。
【請求項４５】
第２の光ファイバをさらに備え、前記第２の光ファイバが、前記波長においてマルチモードであり、前記第２の光ファイバが、入力端と、出力端と、を有し、前記第２の光ファイバの前記入力端が、前記モード混合光ファイバの前記出力端に直接光学的に結合される、請求項３８〜４４のいずれか１項に記載の光学システム。
【請求項４６】
前記モード混合光ファイバの前記出力端が、前記第２の光ファイバの前記入力端に融着接続される、請求項４５に記載の光学システム。
【請求項４７】
前記第２の光ファイバが、前記モード混合光ファイバと実質的に同じ直径を有する、請求項４５または請求項４６に記載の光学システム。
【請求項４８】
前記システムが、前記第２の光ファイバの前記第２の端部から自由空間伝播ビームを発射するように構成される、請求項４５〜４７のいずれか１項に記載の光学システム。
【請求項４９】
前記第１の光ファイバが、前記モード混合光ファイバと実質的に同じ直径を有する、請求項３８〜４８のいずれか１項に記載の光学システム。
【請求項５０】
光学システムであって、
請求項１〜３７のいずれか１項に記載のモード混合光ファイバと、
前記第１のモード混合光ファイバの前記入力端に光学的に結合された光源（例えば、固体レーザ）と、を備える、光学システム。
【請求項５１】
前記光源が、自由空間光学系を介して前記モード混合光ファイバの前記入力端に光学的に結合される、請求項５０に記載の光学システム。
【請求項５２】
前記光ファイバの約４０ｍｒａｄ、６０ｍｒａｄまたは８０ｍｒａｄから前記開口数までの範囲、例えば、約４０ｍｒａｄ〜約６００ｍｒａｄ、または約４０ｍｒａｄ〜約３００ｍｒａｄ、または約４０ｍｒａｄ〜約１６０ｍｒａｄ、または約４０ｍｒａｄ〜約１４０ｍｒａｄ、または約４０ｍｒａｄ〜約１２０ｍｒａｄ、または約４０ｍｒａｄ〜約１００ｍｒａｄ、または約４０ｍｒａｄ〜約８０ｍｒａｄ、または約６０ｍｒａｄ〜約６００ｍｒａｄ、または約６０ｍｒａｄ〜約３００ｍｒａｄ、または約６０ｍｒａｄ〜約１６０ｍｒａｄ、または約６０ｍｒａｄ〜約１４０ｍｒａｄ、または約６０ｍｒａｄ〜約１２０ｍｒａｄ、または約６０ｍｒａｄ〜約１００ｍｒａｄ、または約８０ｍｒａｄ〜約６００ｍｒａｄ、または約８０ｍｒａｄ〜約３００ｍｒａｄ、または約８０ｍｒａｄ〜約１６０ｍｒａｄ、または約８０ｍｒａｄ〜約１４０ｍｒａｄ、または約８０ｍｒａｄ〜約１２０ｍｒａｄ、または約８０ｍｒａｄ〜約１００ｍｒａｄ、または約１００ｍｒａｄ〜約２００ｍｒａｄ、または約１００ｍｒａｄ〜約４００ｍｒａｄ、または約１００ｍｒａｄ〜約６００ｍｒａｄ、または約２００ｍｒａｄ〜約６００ｍｒａｄの範囲の発散を有する自由空間伝播ビームを提供するように構成される、請求項３８〜５１のいずれか１項に記載の光学システム。
【請求項５３】
その平均強度の約２０％以内、約１５％以内、またはさらには約１０％以内で、その断面積の少なくとも７０％、少なくとも８０％、さらには少なくとも９０％、を有するビーム（すなわち、ピーク強度の５％の外周によって定義される）を出力するように構成される、請求項３８〜５２のいずれか１項に記載の光学システム。
【請求項５４】
前記モード混合ファイバへの放射入力が、平均強度（例えば、中心で最も高い強度を有する）の約２０％以内、約１５％以内、またはさらには約１０％以内で、その断面積の約５０％以下、約４０％以下、約３０％以下、またはさらには約２０％以下を有するとき、その平均強度の約２０％以内、約１５％以内、またはさらには約１０％以内で、その断面積の少なくとも７０％、少なくとも８０％、またはさらには少なくとも９０％を有するビーム（すなわち、ピーク強度の５％の外周によって定義される）を出力するように構成される、請求項３８〜５２のいずれか１項に記載の光学システム。
【請求項５５】
自由空間伝播光ビームを提供するための方法であって、
請求項３８〜５４のいずれか１項に記載の光学システムを提供することと、
前記モード混合光ファイバに、前記波長の放射を伝播させることと、
前記自由空間伝播光ビームを、前記モード混合光ファイバの前記出力端から伝播させることと、を含む、方法。
【請求項５６】
前記自由空間伝播ビームが、前記光ファイバの約４０ｍｒａｄ、６０ｍｒａｄまたは８０ｍｒａｄから前記開口数までの範囲、例えば、約４０ｍｒａｄ〜約６００ｍｒａｄ、または約４０ｍｒａｄ〜約３００ｍｒａｄ、または約４０ｍｒａｄ〜約１６０ｍｒａｄ、または約４０ｍｒａｄ〜約１４０ｍｒａｄ、または約４０ｍｒａｄ〜約１２０ｍｒａｄ、または約４０ｍｒａｄ〜約１００ｍｒａｄ約、または４０ｍｒａｄ〜約８０ｍｒａｄ、または約６０ｍｒａｄ〜約６００ｍｒａｄ、または約６０ｍｒａｄ〜約３００ｍｒａｄ、または約６０ｍｒａｄ〜約１６０ｍｒａｄ、または約６０ｍｒａｄ〜約１４０ｍｒａｄ、または約６０ｍｒａｄ〜約１２０ｍｒａｄ、または約６０ｍｒａｄ〜約１００ｍｒａｄ、または約８０ｍｒａｄ〜約６００ｍｒａｄ、または約８０ｍｒａｄ〜約３００ｍｒａｄ、または約８０ｍｒａｄ〜約１６０ｍｒａｄ、または約８０ｍｒａｄ〜約１４０ｍｒａｄ、または約８０ｍｒａｄ〜約１２０ｍｒａｄ、または約８０ｍｒａｄ〜約１００ｍｒａｄ、または約１００ｍｒａｄ〜約２００ｍｒａｄ、または約１００ｍｒａｄ〜約４００ｍｒａｄ、または約１００ｍｒａｄ〜約６００ｍｒａｄ、または約２００ｍｒａｄ〜約６００ｍｒａｄの範囲の発散を有する、請求項５５項に記載の方法。
【請求項５７】
前記自由空間伝播ビーム（すなわち、ピーク強度の５％の外周によって定義される）が、その平均強度の約２０％以内、約１５％以内、またはさらには約１０％以内で、その断面積の少なくとも７０％、少なくとも８０％、またはさらには少なくとも９０％を有する、請求項５５また請求項５６に記載の方法。
【請求項５８】
所望の強度プロファイルを有する波長の誘導放射を提供するための方法であって、請求項１〜３７のいずれか１項に記載のモード混合ファイバの第１の端部に入力放射を結合することと、前記モード混合光ファイバに沿って前記放射を誘導して強度プロファイルを有する誘導放射を提供することと、を含む、方法。
【請求項５９】
前記強度プロファイルを有する前記誘導放射（すなわち、ピーク強度の５％の外周によって定義される）が、その平均強度の約２０％以内、約１５％以内、またはさらには約１０％以内で、その断面積の少なくとも７０％、少なくとも８０％、またはさらには少なくとも９０％を有する、請求項５８に記載の方法。
【請求項６０】
前記入力放射が、その平均強度（例えば、中心で最も高い強度を有する）の約２０％以内、約１５％以内、またはさらには１０％以内で、その断面積の約５０％以下、約４０％以下、約３０％以下、またはさらには約２０％以下を有する、請求項５９に記載の方法。
【請求項６１】
前記放射が、強度プロファイルを有する前記放射を提供するために、例えば、約１ｍ〜約１００ｍの範囲、例えば約１ｍ〜約５０ｍ、または約１ｍ〜約４０ｍ、または約１ｍ〜約５０ｍ、または約１ｍ〜約２０ｍ、または約１ｍ〜約１０ｍ、または約１ｍ〜約５ｍ、または約５ｍ〜約１００ｍ、または約５ｍ〜約１００ｍの範囲、例えば、約５ｍ〜約５０ｍ、または約５ｍ〜約４０ｍ、または約５ｍ〜約５０ｍ、または約５ｍ〜約２０ｍ、または約１０ｍ〜約１００ｍ、または約１０ｍ〜約５０ｍ、または約１０ｍ〜約４０ｍの範囲内の前記モード混合光ファイバの長さに沿って誘導される、請求項５８〜６０のいずれか１項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、概して、光ファイバ及び光ファイバレーザに関する。本開示は、より具体的には、例えば、所望のビーム積パラメータ及びビームプロファイルを有する光ファイバレーザ出力を提供する際に有用なモード混合光ファイバに関する。
【０００２】
関連出願の相互参照
本出願は、２０１５年８月１３日に出願された米国仮特許出願第６２／２０４，９００号の優先権の利益を主張するものであり、これはその全体が参照により本明細書に組み込まれる。
【背景技術】
【０００３】
高出力の光学式レーザ及び増幅器は、様々な材料のレーザ切断、溶接、及び機械加工などの様々な目的で様々な産業で広く使用されている。希土類ドープ型光ファイバの研究開発は、大モード面積（ＬＭＡ）ファイバのような特殊ファイバ設計の発見により、様々な高出力ファイバレーザ及び増幅器モジュールの導入を促した。マルチｋＷファイバレーザ及び増幅器は、非常に高い効率で実現され、レーザ材料処理の成長を促進している。当然のことながら、固体レーザのような他のタイプの高出力レーザも、材料処理用途に一般的に使用されている。
【０００４】
材料加工の分野で使用されるレーザ及び増幅器は、望ましくは出力パワー及びビームプロファイルに関して特有の要件を満たす。パワーに関して、レーザまたは増幅器システムは、望ましくは、典型的には約数キロワットの所望の材料を処理するのに十分高い波長及びエネルギーを有する放射を送達する。マルチモードとシングルモードの２種類のｋＷレベルのファイバレーザを区別することができる。シングルモードファイバレーザは、典型的には約１〜３ｋＷの光パワーを送達し、マルチモードファイバレーザは、典型的には数十ｋＷの出力パワーの範囲で動作する。材料加工用途では、シングルモードファイバとマルチモードファイバレーザの両方が使用される。マルチモードレーザは、例えば、マルチモードアクティブファイバを使用することによって、またはいくつかのシングルモードファイバレーザの出力をマルチモードの送達ファイバに組み合わせてワークピースに送達することによって構成することができる。同様に、マルチモード送達ファイバは、固体レーザからワークピースにパワーを送達するためにしばしば使用される。
【０００５】
ビームプロファイルの観点から、ユーザは、通常、送達されたビームが所望のビームパラメータ積（ＢＰＰ）を有することを望む。本明細書で使用されるＢＰＰは、ビーム半径Ｒとビームの発散角との積として定義され、ｍｍ・ｍｒａｄの単位で表される。ビーム半径Ｒ（ｍｍ）は、ビームが光ファイバから出てくるときの最大強度の１３．５％で測定されたビーム直径の半分として定義される。ｍｒａｄ単位での発散角θは、ビームがビーム送達光ファイバの端部から伝播するときに光軸に形成される半角として定義される。所望のＢＰＰ値は用途によって異なるが、ファイバ結合レーザのＢＰＰ値の３つの典型的な範囲を以下に示す。
●５０μｍコア直径のビーム送達ケーブルの場合、１．５〜２ｍｍ・ｍｒａｄ
●１００μｍコア直径のビーム送達ケーブルの場合、３〜４ｍｍ・ｍｒａｄ
●２００μｍコア直径のビーム送達ケーブルの場合、６〜８ｍｍ・ｍｒａｄ
【０００６】
さらに、多くの用途において、送達されるビームは、ビームに沿って実質的に均等に分配される強度プロファイルを有する。このような「フラットトップ（ｆｌａｔ−ｔｏｐ）」プロファイルは最大強度が中心のみにあり中心から離れて比較的先鋭なドロップオフ強度を有する、ガウスプロファイルとは異なる。「フラットトップ」プロファイルは、制御された正確な切断、溶接、または機械加工プロセスを可能にするのに役立つ。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
多くの用途において、実質的に円形のプロファイルを有するビームもまた（または代替的に）所望される。
【０００８】
必要なビームパラメータ積（ＢＰＰ）を満足させながら材料加工用途にこのようなレーザを使用するために、従来の光ファイバレーザ及び増幅器システムは、出力をワークピースに送信するためのビーム送達ケーブルに結合されたシングルモードもしくはマルチモードレーザまたは増幅器出力を有する。同様に、従来の固体レーザは、レーザ出力をワークピースに送達するためのビーム送達ケーブルに結合されている。一般に使用されるビーム供給ケーブルは、５０、１００、２００、４００及び６００ミクロンの典型的なコア直径及び０．１〜０．４（及びしばしば０．４を上回る）の開口数（ＮＡ）を有する高度にマルチモードステップインデックスファイバで作製される。シングルモードレーザ出力（発射ファイバ）とビーム送達ケーブルとの間のオフセット接続、成形コアを有するビーム送達光ファイバ、外部ビーム成形技術、機械的なファイバのマイクロベンディング、ファイバテーパ（断熱的及び／または急な）、長周期グレーティング、及びマルチモードファイバにおけるマルチモード干渉のような所望のＢＰＰ及び所望のフラットトッププロファイルの両方を提供するため、多数の技術が試みられてきた。しかしながら、これらの各々には多くの欠点がある。
【０００９】
したがって、例えば、所望のＢＰＰ値、所望の強度プロファイル（例えば、「フラットトップ」強度プロファイル）及び円形ビームプロファイルを１つ以上提供することができる改良された光ファイバ、システム及び方法の必要性が依然として存在する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
一態様では、本開示は、波長を有する光放射を送達するためのモード混合光ファイバを提供し、モード混合光ファイバは、入力端、出力端、中心線及び屈折率プロファイルを有する。モード混合光ファイバは、
最内コアであって、最内コアが屈折率プロファイルを有する最内コアと、
最内コアの周りに配置されたクラッドと、を備え、
モード混合光ファイバが、波長において少なくとも５つのモードを有し、
モード混合光ファイバが、その入力端でその光入力の一部をその低次モードからその高次モードに分配するように構成される。
【００１１】
別の態様では、本開示は、光学システムを提供し、
本明細書に記載のモード混合光ファイバと、
モード混合光ファイバの入力端に直接光学的に結合された出力端を有する第１の光ファイバであって、波長を有する光放射を伝播するように構成された第１の光ファイバと、を備える。
【００１２】
別の態様では、本開示は、光学システムを提供し、
本明細書に記載のモード混合光ファイバと、
第１のモード混合光ファイバの前記入力端に光学的に結合された光源（例えば、固体レーザ）と、を備える。
【００１３】
別の態様では、本開示は、所望の強度プロファイルを有する波長の誘導放射を提供する方法を提供する。この方法は、本明細書で説明するモード混合ファイバの第１の端部に入力放射を結合することと、モード混合光ファイバに沿って放射を誘導して、所望の強度プロファイル、例えば本明細書に記載されるような、フラットトップ強度プロファイルを提供することと、を含む。
【００１４】
別の態様では、本開示は、自由空間伝播光ビームを提供するための方法を提供し、この方法は、
本明細書に記載の光学システムを提供することと、
モード混合光ファイバに波長の放射を伝播させることと、
自由空間伝播光ビームをモード混合光ファイバの出力端から伝播させることと、を含む
【００１５】
これらの、ならびに他の態様、実施形態、利点、及び代替は、添付の図面を適宜参照して、以下の詳細な説明を読むことによって、当業者には明らかになるであろう。本明細書に記載された光ファイバ、システム及び方法の種々の実施形態は、レーザ加工用途ならびに例えばファイバビーム制御技術の恩恵を受ける様々な追加の用途において有用であり得る。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の一実施形態によるモード混合光ファイバの断面概略図である。
【図２】モード混合光ファイバの概略側面図である。
【図３】本発明の別の実施形態によるモード混合光ファイバの断面概略図である。
【図４】本発明の別の実施形態によるモード混合光ファイバの断面概略図である。
【図５】本発明の別の実施形態によるモード混合光ファイバの断面概略図である。
【図６】本発明の別の実施形態によるモード混合光ファイバの断面概略図である。
【図７】本発明の別の実施形態によるモード混合光ファイバの断面概略図である。
【図８】本発明の別の実施形態によるモード混合光ファイバの断面概略図である。
【図９】本発明の別の実施形態によるモード混合光ファイバの概略側面図である。
【図１０】本開示の一実施形態による光学システムの概略図である。
【図１１】本開示の別の実施形態による光学システムの概略図である。
【図１２】本開示の別の実施形態による光学システムの概略図である。
【図１３】実施例１の実験で用いたモード混合光ファイバの断面概略図である。
【図１４】実施例１の実験で用いたモード混合光ファイバの劈開されたファイバ端面の写真である。
【図１５】実施例１の実験において、モード混合ビーム送達ケーブルで励起されたモードのうち、計算されたパワー分布を示すグラフである。
【図１６】実施例１の実験におけるモード混合ビーム送達ケーブルによって送達された計算された全出力強度の２Ｄプロットである。
【図１７】実施例１の実験におけるモード混合ビーム送達ケーブルによって送達されたビームの計算されたプロファイルのプロットである。
【図１８】実施例１の実験における従来のビーム送達ケーブルで励起されたモード間のパワー分布の計算結果を示すグラフである。
【図１９】実施例１の実験において、従来のビーム送達ケーブルによって送達された計算された全出力強度の２Ｄプロットである。
【図２０】実施例１の実験における従来のビーム送達ケーブルによって送達されたビームの計算されたプロファイルのプロットである。
【図２１】実施例１の実験で説明したように、従来のシステムの概略図であり、これにより送達された全出力強度の２Ｄグラフである。
【図２２】実施例１の実験で説明したように、オフセットコアモード混合ファイバとそれによって送達される全出力強度の２Ｄグラフとを含む光学システムの概略図である。
【図２３】実施例２の実験で用いたモード混合光ファイバの設計を示す断面概略図である。
【図２４】図２２のファイバの劈開された端面の屈折率−コントラスト画像である。
【図２５】実施例２の実験において、モード混合ビーム送達ケーブルで励起されたモード間の計算されたパワー分布を示すグラフである。
【図２６】実施例２の実験におけるモード混合ビーム送達ケーブルによって送達された計算された全出力強度の計算値の２Ｄプロットである。
【図２７】実施例２の実験におけるモード混合ビーム送達ケーブルによって送達されたビームの計算されたプロファイルのプロットである。
【図２８】実施例２の実験で用いたオフセット低屈折率リングモード混合ファイバを含む光学システムの概略図である。
【図２９】実施例２の実験で説明したように、図２７のシステムによって送達された全出力強度の２Ｄグラフである。
【図３０】実施例２の実験で説明したように、図２７のシステムによって送達された出力の強度プロファイルである。
【図３１】実施例３の実験で送達された全出力強度の２Ｄグラフである。
【図３２】実施例３の実験で送達された出力の強度プロファイルである。
【図３３】実施例４に記載の第１の実験の結果を提供する１組の画像である。
【図３４】実施例４で説明した第２の実験の結果を提供する１組の画像である。
【図３５】実施例５に記載のモード混合ファイバのビーム発散対ファイバ長のプロットである
【図３６】実施例６に記載の実験結果を提供する１組の画像である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
当業者であれば理解するであろうように、図面は必ずしも縮尺通りに描かれておらず、図面の明瞭化のためにシステムの様々な要素が省略されている場合がある。
【００１８】
以下の説明では、読者が当業者によく知られている光ファイバの構造の基本的な知識を有すると仮定する。したがって、ファイバコア、クラッド、及びコーティングの概念は詳細には論じられていない。当業者にはよく知られているように、波長を有する放射は、一般にファイバのコア内を伝播し、その直径は典型的には数ミクロンから数百ミクロンの範囲にあり、いくつかの実施形態では、さらには最大１５００ミクロンである。コアとクラッドとの間の屈折率差は、一般にファイバのコア内の１つ以上の伝播モードで光を閉じ込めるように作用する（ただし、当業者は、コア付近の領域のクラッドに実際にあるエネルギーが存在することを理解するであろう）。
【００１９】
「光（ｌｉｇｈｔ）」または「光学的（ｏｐｔｉｃａｌ）」という用語は、光導波管の当業者によって理解されるように広く使用され、波長の可視範囲のみに限定されるものではない。本明細書に記載される屈折率は、放射の波長を参照して記載される。本明細書に記載の光ファイバ、システム及び方法の特定の実施形態では、波長は可視または近赤外（例えば、約０．５μｍ〜約３μｍの範囲内）である。
【００２０】
本発明者らは、マルチモードビーム送達ファイバにおいて、光が全ての利用可能なモード（すなわち利用可能な全ての横モード）に均一に分配されている場合、出力ビームは、比較的フラットトップ強度プロファイルを示し得ることを明示してきた。高次モードを設定することは出力ビームの発散角にも影響し（高次モードはより大きな発散角で伝播するため）、ＢＰＰが増加する。全てのモードが均等に設定されると、ビーム発散はファイバコアの開口数に等しい。
【００２１】
しかし、従来のシステムでは、全てのモードが均等に設定されていない。むしろ、マルチモードビーム送達ファイバで励起されるモードの数及び各々のモードで結合される相対的なパワーの量は、例えば、入射レーザ放射（例えば、アクティブファイバからの）とビーム送達ファイバのコアのモードとの間の空間的重複によって決定される。横モードは直交しているので、（例えば、アクティブファイバからの）入力レーザビームと非ゼロ空間的重複を有するモードのみが設定され得る。各々のモードによって運ばれるパワー量は、空間的重複の割合によって決定される。結果として、ビーム送達の出力で利用可能なビームプロファイル及びＢＰＰは、使用される特定のタイプのレーザまたは増幅器（すなわち、レーザ／増幅器出力のプロファイルに依存する）に基づいて変化する。例えば、シングルモードレーザまたは増幅器源を使用する場合、従来のビーム送達ケーブルにおけるマルチモードステップインデックスファイバとのサイズ及び形状係数の著しい違いは、モード混合のレベルの低下をもたらす（すなわち、通常はわずかな低次モードが設定される）。マルチモードレーザまたは増幅器ファイバの使用は、多少問題を助長する可能性があるが、そのようなマルチモードレーザまたは増幅器ファイバは、典型的には少数しかモード化されないという事実のため、ビーム送達ファイバは、依然として典型的にその低次モードのみで放射を伝播する。より低次のモードのみが設定されている場合、送達されるビームの強度は、通常、中心部の強度が周辺部よりもはるかに高い。例えば、自由空間光学系を介して固体レーザをビーム送達ファイバに結合する場合、ビーム送達ファイバは同様に、主にその低次モードで放射を送信することができ、同様に、より強い中心を有する送達ビームに導く。
【００２２】
本発明者らは、例えば、レーザ／増幅器放射（例えば、シングルモードもしくは少数モードのファイバから、または固体レーザから結合された）入力をその入力端（及びその出力端に向かって伝播する）でその高次モードに結合するように構成された光ファイバを提供することによって、先行技術の欠点に対処してきた。このような光ファイバは、光ファイバレーザまたは増幅器システムにおけるモード変換ファイバまたはビーム送達ファイバとして使用される場合、所望のＢＰＰ値、所望の強度プロファイル（例えば、「フラットトップ」な強度プロファイル）、及び円形ビーム形状のうちの１つ以上を有する出力を提供することができる。特定の実施形態では、このようなモード混合光ファイバは、入力光ファイバとモード混合光ファイバとの間のモード重複を撹乱し、それによってモード混合を増加させるために、コア内に非対称性を導入することによって提供することができる。
【００２３】
当業者であれば理解するであろうように、本明細書に記載の光ファイバ設計はスケーラブルであり、所望の強度プロファイル（例えば「フラットトップ」及び／または円形ビーム）を維持しながらＢＰＰに関してエンドユーザのニーズを満たす多くの自由度を提供する。本開示に基づいて、当業者は、従来の光学シミュレーション技術を使用して、本開示の範囲内でさらなる設計を提供することができる。
【００２４】
有利に、このようなシステムは、標準的な融着接続手順及び従来の商業的接続機器を使用して全ファイバモノリシック構成で提供することができる。このような全ファイバ方式は、簡単で単純なハンドリング、実装、及びメンテナンスを提供することができる。当業者であれば理解するであろうように、本明細書に記載された光ファイバ、方法及びシステムは、外部要素、空間フィルタリング、または特別な処理を必要とせず、モードアップコンバージョンを遂行することができる。本明細書に記載される光ファイバは、ビーム送達ケーブルにパッケージングされ、単にレーザの出力に接続されることができ、したがって既存の光ファイバレーザ及び増幅器システムと互換性がある。同様に、本明細書に記載の光ファイバは、例えば自由空間光学系を介して、固体レーザのような他のタイプのレーザの出力に結合することができる。
【００２５】
本開示の実施形態は、図１の断面概略図及び図２の概略側面図に示されている。モード混合光ファイバ１００は、入力端１０２と出力端１０３とを有する。モード混合光ファイバ１００はまた、中心線１０４（光ファイバの断面の幾何学的中心における点として定義される）及び屈折率プロファイル（光ファイバの断面の位置の関数としての屈折率として定義される）を有する。モード混合光ファイバ１００は、（光ファイバの最内コアの断面の位置の関数としての屈折率として定義されるそれ自身の屈折率プロファイルを有する）最内コア１１０と、最内コアの周りに配置されたクラッド１２０とを含む。モード混合光ファイバは、波長（すなわち、その入力端からその出力端まで）を有する光放射を送達するように構成される。特に、モード混合光ファイバは、波長において少なくとも５つのモード（すなわち、最内コアによって実質的に閉じ込められたモード）を有する。例えば、特定の実施形態において、モード混合光ファイバは、波長において少なくとも７つのモード、または波長において少なくとも１０のモードを有する。他の実施形態では、モード混合光ファイバは、波長において少なくとも２０、少なくとも３０、少なくとも４０、または少なくとも５０のモードを有する。
【００２６】
重要なことに、モード混合光ファイバは、その入力端で光入力の一部をその低次モードから高次モードに分配する（そしてその出力端に向かって伝播する）ように構成される。モード混合光ファイバの低次モードだけでなく高次モード間の光パワーの分布により、ビームは、例えば、実質的に「フラットトップ」プロファイルのような所望のＢＰＰ及び／またはビーム形状を有するモード混合光ファイバの出力端から出力され得る。本開示は、その入力端でその光入力の一部をその低次モードからその高次モードに分配するように、モード混合光ファイバを構成する多数の方法を特定する。例えば、本開示の特定の実施形態では、モード混合光ファイバの最内コアは、光ファイバの中心線と実質的に非線共線状に位置付けされる中心線（すなわち、上述のように定義されるが、ファイバ全体とは反対の最内コアを基準とする）を有する。換言すれば、特定の実施形態では、モード混合光ファイバの最内コアは、モード混合光ファイバ全体に対して偏心して配置される。図３は、最内コア３１０と、最内コアの周りに配置されたクラッド３２０とを有するモード混合ファイバ３００の断面概略図である。この実施形態では、最内コア３１０は、ファイバ３００全体に対して実質的に偏心して配置された中心線３１４を有する。すなわち、最内コア３１０の中心は、ファイバ３００全体の中心線３０４から横方向にオフセットしている。ファイバの中心線に対する最内コアの中心の横方向オフセットは、少なくとも５ミクロン、例えば少なくとも１０ミクロン、少なくとも２０ミクロン、または少なくとも３０ミクロンである。この実施形態では、モード混合光ファイバは、ステップインデックスプロファイルを有し、当業者は、他のインデックスプロファイルを使用することができることを理解するであろう。
【００２７】
当業者であれば、モード混合光ファイバの最内コアが様々な形状を取ることができることを理解するであろう。例えば、特定の実施形態では、図３に示すように、最内コアは、実質的に円形の断面形状を有する。モード混合光ファイバが、断面形状が実質的に円形の最内コアを有する場合、望ましくはモード間に所望の放射分布を提供することができる他のいくつかの特徴または特性を含む。例えば、上で説明したように、横方向にオフセットした最内コアを持つことができる。他の実施形態では、最内コアは、以下でより詳細に説明するように、モード間で放射を分配するように構成された屈折率プロファイルを有することができる。
【００２８】
他の実施形態では、モード混合光ファイバの最内コアは、実質的に非円形の断面形状を有する。例えば、図４の断面概略図に示されているモード混合光ファイバ４００は、実質的に長方形の形状（ここでは、正方形）を有する最内コア４１０を有する。特定の実施形態では、実質的に非円形の最内コアは、モード混合光ファイバの中心線に沿ってセンタリングされる（すなわち、最内コアは、光ファイバの中心線と実質的に共線状に位置付けられる中心線を有する）。しかし、他の実施形態では、実質的に非円形の最内コアは、例えば、図３に関して上述したような任意の形態で、光ファイバの中心線から横方向にオフセットしている。このような実施形態において、最内コアには、様々な他の実質的に非円形の形状を使用することができる。例えば、最内コアは、望ましい数の辺（例えば、三角形、長方形、五角形、六角形、八角形）を有する多角形形状（例えば、正多角形または不規則な多角形）を有することができる。多角形の頂点は、先鋭または多少丸みを帯びるようにすることができる。当然のことながら、実質的に非円形の最内コアは、多角形である必要はなく、丸みを帯びているが非円形の形状（例えば、楕円形、楕円形、半円形など）を有することができる。
【００２９】
特定の実施形態では、モード混合光ファイバの最内コアは、１つ以上の実質的にアップドープされた領域及び／または１つ以上の実質的にダウンドープされた領域を有し、伝播モードの間の放射の所望の分布を提供するように構成される。以下でより詳細に説明するように、１つ以上の実質的にアップドープされた領域及び／または１つ以上の実質的にダウンドープされた領域は、多くの方法で構成することができる。アップドープされた領域は、最内コアの残部よりも高い波長において屈折率を有する領域である。当業者であれば、これは、より高い屈折率のドープ剤を有するアップドープされた領域、または最内コアの残部よりも低い屈折率のドープ剤を有するためであり得ることを理解するであろう。ダウンドープされた領域は、最内コアの残部よりも波長において低い屈折率を有する領域である。当業者であれば、これは、より低い屈折率のドープ剤を有するアップドープされた領域、または最内コアの残部よりも低い屈折率のドープ剤を有するためであり得ることを理解するであろう。当業者であれば、アップドープまたはダウンドープされた領域は、任意のドープ剤をそもそも必要とする必要があり、例えば、最内材料の残部が異なる屈折率差を有する場合には、実質的に純粋なシリカであり得るということを理解するであろう。
【００３０】
特定の実施形態では、光ファイバの最内コアは、その中心線の周りに対称的に配置された１つ以上の実質的にダウンドープされた領域を含む。例えば、モード混合光ファイバの最内コアは、最内コアの中心線と実質的に共線状に配置された中心線を有する実質的にダウンドープされた領域を含むことができる。１つのそのような実施形態が、図５の断面概略図で示されている。モード混合光ファイバ５００は、クラッド５２０で囲まれた最内コア５１０を有する。最内コア５１０は、最内コア自体の中心線に沿って配置された中心線を有する実質的にダウンドープされた領域５１５を含む。当然のことながら、他の実施形態では、最内コアの中心線の周りに対称的に配置された実質的にダウンドープされた領域は存在しない。
【００３１】
特定の実施形態では、モード混合光ファイバの最内コアは、中心線の周りに非対称的に配置された１つ以上の実質的にダウンドープされた領域を含む。このような実質的にダウンドープされた領域は、例えば、上述のように最内コアの中心線に沿って設けられたダウンドープされた領域と組み合わせて提供されてもよく、または最内コアの中心線に沿って設けられたダウンドープされた領域がない場合に設けられてもよい。
【００３２】
例えば、図６の断面概略図に示される光ファイバ６００は、光ファイバの最内コアの中心線からオフセットして配置された実質的にダウンドープされた領域６１５を含む最内コア６１０を有する（この実施形態では、また光ファイバ自体の中心線からオフセットして配置されている）。別の実施形態として、図７は、モード混合光ファイバの断面概略図である。モード混合光ファイバ７００は、ダウンドープされたリング形状領域７１５を含む最内コア７１０を含み、ここでもまた、ダウンドープされた領域は、その中心が最内コアの中心（及びまたファイバの中心線）からオフセットされて配置される。図８は、本明細書に記載のモード混合光ファイバのさらに別の実施形態の断面概略図である。図８を参照すると、モード混合光ファイバ８００は、ダウンドープされた領域８１５ａ、８１５ｂ、８１５ｃ及び８１５ｄを含む最内コア８１０を含む。ここで、ダウンドープされた領域８１５ａ、８１５ｂ、８１５ｃ、８１５ｄは、その中心が光ファイバの中心線８０４から様々な距離に配置されている。複数のダウンドープされた領域が設けられている場合、それらはランダムに配置されていてもよいし、または代替的に、規則的な幾何学的配列（すなわち、バンドギャップ構造を形成せずに）に配列されていてもよい。
【００３３】
特定の実施形態では、モード混合光ファイバの最内コアは、１つ以上の実質的にアップドープされた領域を含む。例えば、１つ以上の実質的にアップドープされた領域は、例えば、ダウンドープされた領域に関して上述された方法のいずれかにおいて、最内コアの中心線の周りに非対称的に配置され得る。他の実施形態では、アップドープされた領域は、最内コアの中心（例えば、リング形状の領域）の周りに対称的に配置されるが、最内コアの周囲に向かって配置される（例えば、アップドープされた領域の面積の少なくとも１／２、２／３、またはさらには３／４が、最内コアの前記中心線から離れた最内コアの半径の少なくとも半分に配置されている）。存在する場合、１つ以上の高屈折率領域は、上記のような１つ以上の低屈折率領域と組み合わせて提供され得る。
【００３４】
当業者は、光ファイバの最内コアに任意の数の実質的にアップドープされた／ダウンドープされた領域を設けることができることを理解するであろう。例えば、図５、６、７、９及び２３に関連して本明細書に記載されるような特定の実施形態では、最内コアにシングルの実質的にアップドープされた／ダウンドープされた領域のみが存在する。他の実施形態では、例えば、図８に関して説明したように、複数のアップドープされた／ダウンドープされた領域が存在する。しかし、製造を簡単にするために、例えば、１２以下、８以下、５以下、４以下、またはさらに３以下である数の、アップドープされた／ダウンドープされた領域の数を限定することが望ましい場合がある。アップドープされた／ダウンドープされた領域が複数ある場合、それらは波長においてバンドギャップを有するいわゆるフォトニック結晶またはフォトニックバンドギャップ構造を形成しない。
【００３５】
モード混合光ファイバの最内コアは、様々なサイズで形成することができる。例えば、特定の実施形態では、光ファイバ最内コアは、約５０μｍ〜約３０００μｍの範囲、例えば約５０μｍ〜約２０００μｍ、または約５０μｍ〜約１０００μｍ、または約５０μｍ〜約６００μｍ、または約１００μｍ〜約３０００μｍ、または約１００μｍ〜約２０００μｍ、または約１００μｍ〜約１０００μｍ、または約１００μｍ〜約６００μｍ、または約２００μｍ〜約３０００μｍ、または約２００μｍ〜約２０００μｍ、または約２００μｍ〜約１０００μｍ、または約２００μｍ〜約６００μｍの範囲の直径（すなわち、最内コアを横切る半径方向平均距離）を有する。当業者は、所望の数のモードを提供し、入力光ファイバと重複するように最内コア直径を選択する。
【００３６】
同様に、全体モード混合光ファイバは、様々なサイズで形成することができる。特定の実施形態では、モード混合光学系は、約１００μｍ〜約３６００μｍ、例えば、約１００μｍ〜約３０００μｍ、または約１００μｍ〜約２５００μｍ、または約１００μｍ〜約１５００μｍ、または約１００μｍ〜約１０００μｍ、または約１００μｍ〜約８００μｍ、または約１００μｍ〜約６００μｍ、または約２００μｍ〜約３６００μｍ、または約２００μｍ〜約３０００μｍ、または約２００μｍ〜約２５００μｍ、または約２００μｍ〜約１５００μｍ、または約２００μｍ〜約１０００μｍ、または約２００μｍ〜約８００μｍ、または約２００μｍ〜約６００μｍの範囲の外径を有する。特定の実施形態では、モード混合光ファイバの外径は、最内コアの外径の少なくとも約１．０５倍、例えば、約１．０５〜約５倍、または約１．０５〜約３倍、またはモード混合光ファイバの最内コアの外径の約１．０５〜約２倍である。例えば、いくつかの実施形態では、モード混合光ファイバの外径は、モード混合光ファイバの最内コアの外径の少なくとも約１．２倍、例えば、モード混合光ファイバの最内コアの外径の約１．２〜約５倍、または約１．２〜約３倍、または約１．２〜約２倍の範囲である。
【００３７】
当業者が理解するように、様々なアップドープされた領域及びダウンドープされた領域は、様々な形状及び様々なサイズで提供されてもよい。特定の実施形態では、様々なアップドープされた及び／またはダウンドープされた領域は、円形、非円形ではあるが丸みを帯びている（例えば、卵形、楕円形、半円形）、多角形（例えば、三角形、六角形、正方形）から選択された中実の断面形状を有する。様々なアップドープされた領域及び／またはダウンドープされた領域は、環状形状（例えば、円形リング、環状非円形、丸みを帯びた形状、または環状多角形）として設けることもできる。様々なアップドープされた領域及び／またはダウンドープされた領域は、例えば、少なくとも波長のサイズ（すなわち、半径方向平均断面幅）であってもよい。特定の実施形態では、様々なアップドープされた領域及び／またはダウンドープされた領域は、サイズが、例えば、約１μｍ〜約２０００μｍの範囲、例えば約１μｍ〜約１５００μｍ、または約１μｍ〜約１０００μｍ、または約１μｍ〜約８００μｍ、または約１μｍ〜約６００μｍ、または約１μｍ〜約４００μｍ、または約１μｍ〜約２００μｍ、または約２μｍ〜約２０００μｍ、または約２μｍ〜約１５００μｍ、または約２μｍ〜約１０００μｍ、または約２μｍ〜約８００μｍ、または約２μｍ〜約６００μｍ、または約２μｍ〜約４００μｍ、または約２μｍ〜約２００μｍ、または約５μｍ〜約２０００μｍ、または約５μｍ〜約１５００μｍ、または約５μｍ〜約１０００μｍ、または約５μｍ〜約８００μｍ、または約５μｍ〜約６００μｍ、または約５μｍ〜約４００μｍ、または約５μｍ〜約２００μｍ、または約１５μｍ〜約２０００μｍ、または約１５μｍ〜約１５００μｍ、または約１５μｍ〜約１０００μｍ、または約１５μｍ〜約８００μｍ、または約１５μｍ〜約６００μｍ、または約１５μｍ〜約４００μｍ、または約１５μｍ〜約２００μｍの範囲である。特定の実施形態では、アップ及び／またはダウンドープされた領域の最内コア領域の全パーセンテージは、約５％〜約９５％の範囲内、例えば約５％〜約８５％、または約５％〜約７５％、または約５％〜約５０％、または約５％〜約２５％、または約１０％〜約９５％、または約１０％〜約８５％、または約１０％〜７５％、または約１０％約５０％、または約１０％〜約２５％、または約１％〜約１０％、または約１％〜約２０％、または約１％〜約２５％の範囲内である。
【００３８】
１つ以上の実質的にアップドープされた領域及び／またはダウンドープされた領域は、最内コアの残部の屈折率と実質的に異なる屈折率を有する。例えば、実質的にアップドープされた領域は、最内コアの残部の屈折率よりも、少なくとも約０．００１、少なくとも約０．００２、少なくとも約０．００３、またはさらには少なくとも約０．００５上回る、例えば最内コアの残部のコアを少なくとも約０．０１または少なくとも約０．０２上回る、屈折率（すなわち、波長において）を有することができる。同様に、実質的にダウンドープされた領域は、最内コアの残部の屈折率よりも、少なくとも約０．００１、少なくとも約０．００２、少なくとも約０．００３、またはさらには少なくとも約０．００５下回り、例えば、例えば最内コアの残部の屈折率よりも、少なくとも約０．０１、または少なくとも約０．０２下回る屈折率を有することができる。しかしながら、特定の実施形態では、各々のアップドープされた領域及び／またはダウンドープされた領域と最内コアの残部との間の絶対屈折率差（すなわち、波長において）は、最大約０．２、最大約０．１、または最大約０．０５である。このような材料は、最内コアの残部の残部と同様のガラスから製造することができ、したがって望ましくは最内コアの残部と同様の熱機械的特性を有することができ、製造を単純化することができる。特定の望ましい実施形態では、実質的にアップドープされた領域及び／またはダウンドープされた領域は、最内コア内の屈折率不連続の領域として形成される（すなわち、屈折率の変化が、最内コアの断面に沿って直線距離で約１μｍ以内で発生する）。
【００３９】
特定の実施形態では、モード混合光ファイバの最内コアは、例えば円形リングの形状の、シングルの環形状のダウンドープされた領域を含む。環状のダウンドープされた領域は、例えば、５ミクロン〜２０ミクロンの範囲の内径を有し、０．５ミクロン〜３ミクロンの範囲の環状の厚さを有することができる。ダウンドープされた領域の屈折率は、最内コアの残部に対する相対開口数値が、例えば０．０１〜０．１５の範囲、例えば０．０１〜０．１０、０．０１〜０．０５、０．０２〜０．１０または０．０２〜０．０５であるようにすることができる。本明細書で使用されるように、非円形形体の「直径」は、形体の幾何学的中心からの半径方向平均距離の２倍である。
【００４０】
モード混合光ファイバは、様々な長さで提供することができる。当業者は、放射の所望の分布を高次モードに提供するのに十分な長さを選択することができる。例えば、特定の実施形態では、モード混合光ファイバは、約１ｍ〜約１００ｍ、例えば、約１ｍ〜約５０ｍ、または約１ｍ〜約４０ｍ、または約１ｍ〜約５０ｍ、または約１ｍ〜約２０ｍ、または約１ｍ〜約１０ｍ、または約１ｍ〜約５ｍ、または約５ｍ〜約１００ｍ、または約５ｍ〜約１００ｍの範囲、例えば、約５ｍ〜約５０ｍ、または約５ｍ〜約４０ｍ、または約５ｍ〜約５０ｍ、または約５ｍ〜約２０ｍ、または約１０ｍ〜約１００ｍ、または約１０ｍ〜約５０ｍ、または約１０ｍ〜約４０ｍの範囲を有する。
【００４１】
特定の実施形態（上述の図３、４、６〜８の実施形態を含む）では、モード混合光ファイバは、円対称の断面プロファイルを有していない。特定のこのような実施形態では、モード混合光ファイバの断面プロファイルは、その長さに沿って螺旋として形成される。すなわち、何らかの外力によってねじられていない状態では、光ファイバの様々な要素が、例えば、約１ｍｍ〜約１００ｃｍの範囲、例えば、約１ｍｍ〜約５０ｃｍ、または約１ｍｍ〜約３０ｃｍ、または約１ｍｍ〜約２０ｃｍ、または約１ｍｍ〜約１０ｃｍ、または約１ｍｍ〜約５ｃｍ、または約２ｍｍ〜約１００ｃｍ、または約２ｍｍ〜約５０ｃｍ、または約２ｍｍ〜約３０ｃｍ、または約２ｍｍ〜約２０ｃｍ、または約２ｍｍ〜約１０ｃｍ、または約２ｍｍ〜約５ｃｍ、または約５ｍｍ〜約１００ｃｍ、または約５ｍｍ〜約５０ｃｍ、または約５ｍｍ〜約３０ｃｍ、または約５ｍｍ〜約２０ｃｍ、または約５ｍｍ〜約１０ｃｍ、または約５ｍｍ〜約５ｃｍ、または約１ｃｍ〜約１００ｃｍ、または約１ｃｍ〜約５０ｃｍ、または約１ｃｍ〜約３０ｃｍ、または約１ｃｍ〜約２０ｃｍ、または約１ｃｍ〜約１０ｃｍ、または約１ｃｍ〜約５ｃｍの範囲のピッチでファイバの長さに螺旋状の構成でねじれる。このような構成を図９の概略図に示す。偏心したコアを有する光ファイバ９００の部分が側面図で示されており、最内コアの中心線９１４は破線で示されている。位置Ａ、Ｂ、及びＣの各々における断面プロファイルが示されている。特に、偏心したコアは、ファイバ全体にわたって螺旋として形成される。モード混合プロセスの効率は、そのような螺旋構成を使用することによって大幅に増加させることができる。そのようなファイバは、従来の方法を用いて（例えば、光ファイバの引き出し中にプリフォームを回転させることによって）作製することができる。
【００４２】
モード混合光ファイバは、従来の方法を用いて従来の材料から作ることができる。例えば、光ファイバは、様々なシリカベースのガラス（例えば、ゲルマノケイ酸塩、ホウケイ酸塩、アルミノケイ酸塩、フルオロケイ酸塩及びそれらの組み合わせ）を用いて製造することができる。特定の実施形態では、クラッド（少なくとも最内コアを直に囲む領域）はフッ素ドープされたシリカを含むが、最内コア（例えば、任意のアップドープされたまたはダウンドープされた領域を除く）は実質的にドープされていないシリカから形成される。他の実施形態では、クラッド（少なくとも最内コアを直に囲む領域）はドープされていないシリカを含むが、最内コア（例えば、任意のダウンドープされた領域を除く）はゲルマニウムでドープされたシリカから形成される。従来のドープ剤を用いて、アップドープされた領域及び／またはダウンドープされた領域を提供することができる。光ファイバを製造する従来の方法（例えば、異なる屈折率の様々なロッド及びチューブを一緒に積み重ね、その後、プリフォームにそれらを折り畳んでプリフォームを引き伸ばす）を使用して、本明細書に記載のモード混合光ファイバを作製することができる。
【００４３】
本開示に基づいて、当業者は、多種多様なビームパラメータ積を提供するモード混合光ファイバを提供することができ、したがって広範な発散角を提供することができる。モード混合光のビーム発散が、約４０ｍｒａｄ、６０ｍｒａｄまたは８０ｍｒａｄから光ファイバの開口数までの範囲、例えば、約４０ｍｒａｄ〜約６００ｍｒａｄ、または約４０ｍｒａｄ〜約３００ｍｒａｄ、または約４０ｍｒａｄ〜約１６０ｍｒａｄ、または約４０ｍｒａｄ〜約１４０ｍｒａｄ、または約４０ｍｒａｄ〜約１２０ｍｒａｄ、または約４０ｍｒａｄ〜約１００ｍｒａｄ、または約４０ｍｒａｄ〜約８０ｍｒａｄ、または約６０ｍｒａｄ〜約６００ｍｒａｄ、または約６０ｍｒａｄ〜約３００ｍｒａｄ、または約６０ｍｒａｄ〜約１６０ｍｒａｄ、または約６０ｍｒａｄ〜約１４０ｍｒａｄ、または約６０ｍｒａｄ〜約１２０ｍｒａｄ、または約６０ｍｒａｄ〜約１００ｍｒａｄ、または約８０ｍｒａｄ〜約６００ｍｒａｄ、または約８０ｍｒａｄ〜約３００ｍｒａｄ、または約８０ｍｒａｄ〜約１６０ｍｒａｄ、または約８０ｍｒａｄ〜約１４０ｍｒａｄ、または約８０ｍｒａｄ〜約１２０ｍｒａｄ、または約８０ｍｒａｄ〜約１００ｍｒａｄ、または約１００ｍｒａｄ〜約２００ｍｒａｄ、または約１００ｍｒａｄ〜約４００ｍｒａｄ、または約１００ｍｒａｄ〜約６００ｍｒａｄ、または約２００ｍｒａｄ〜約６００ｍｒａｄの範囲である。当然のことながら、当業者であれば、異なる用途に異なる発散角を有するモード混合光ファイバを提供することができる。例えば、いくつかの実施形態では、当業者は、最内コアのＮＡと同じ高さのビーム発散角を有するモード混合光ファイバを提供することができる。
【００４４】
同様に、本開示に基づいて、当業者は、実質的なフラットトップ出力を提供するモード混合光ファイバを提供することができる。例えば、モード混合光ファイバは、その平均強度の約２０％以内、約１５％以内、または約１０％以内で、その断面積の少なくとも７０％、少なくとも８０％、さらには少なくとも９０％を有するビーム（すなわち、ピーク強度の５％の外周によって定義される）を出力するように構成される。例えば、モード混合ファイバは、モード混合ファイバへの放射入力が、平均強度（例えば、中心で最も高い強度を有する）の約２０％以内、約１５％以内、またはさらには約１０％以内に、約５０％以下、約４０％以下、約３０％以下、またはさらには約２０％以下の断面積を有するとき、その平均強度の約２０％以内、約１５％以内、またはさらには約１０％以内で、その断面積の少なくとも７０％、少なくとも８０％、またはさらには少なくとも９０％を有する放射（すなわち、ピーク強度の５％の外周によって定義される）を誘導または出力するように構成され得る。
【００４５】
モード混合光ファイバには、様々な開口数値を設けることができる。例えば、特定の実施形態では、モード混合光ファイバの開口数は、約０．１０〜約０．６０の範囲内、例えば、約０．１０〜約０．４０または約０．１０〜約０．３０、または約０．１０〜約０．２２、または約０．１５〜約０．６０、または約０．１５〜約０．４０、または約０．１５〜約０．３０の範囲内である。
【００４６】
最内コアの屈折率プロファイルの様々な領域は、例えば、散乱（または弱誘導）中心として作用し、光を反射（または誘導）し、最内コアのより高次のモードを接続することによって、その内部に放射の伝播を攪乱させることができる。本開示に基づいて当業者が理解するように、本明細書に記載のモード混合光ファイバの性能は、例えば、最内コアの横方向オフセット、最内コアの屈折プロファイル、開口数、モード混合ファイバの長さ、巻き取り条件（直径及び長さ）、及び最内コアの屈折率プロファイルの任意の螺旋性を含む複数の設計パラメータによって影響され得る。モード混合光ファイバの設計は、所望の最内コアサイズを提供するために（例えば、使用されるときに別個のビーム送達ファイバのサイズに適合するように）スケーリングされてもよい。
【００４７】
本開示の別の態様は、上述したようなモード混合光ファイバと、モード混合光ファイバの入力端に直接光学的に結合された出力端を有する第１の光ファイバとを含む光学システムであり、第１の光ファイバは、波長を有する光放射を伝播するように構成されている。そのような実施形態の１つが図１０の概略側面図に示されている。光学システム１０３０は、入力端１００２と出力端１００４とを有するモード混合光ファイバ１０００ならびに、出力端１０４４を有する第１の光ファイバ１０４０とを含む。第１の光ファイバの出力端１０４４は、モード混合光ファイバの入力端１００２に直接的に光学的に結合されている（すなわち、それらの間に実質的な光学構成要素はない）。例えば、第１の光ファイバの出力端をモード混合光ファイバの入力端に融着接続することができる。第１の光ファイバは、光放射をモード混合光ファイバの入力端に結合することができ、その結果、それらの中心線が互いに整列する（すなわち、モード混合光ファイバの最内コアがモード混合光ファイバの中心線からオフセットしていることがあるとしても）。
【００４８】
特に、モード混合光ファイバは、シングルまたは少数モードの光ファイバからの放射を受容し、高次モードへの放射の分布を通じて、（例えば、上述のような）所望の光学特性を有する出力ビームを提供することができる。したがって、特定の実施形態では、第１の光ファイバは波長においてシングルモードである。他の実施形態では、第１の光ファイバは、波長において７以下、６以下、５以下またはさらには４以下のモードを有する。当然のことながら、他の実施形態では、モード混合ファイバは、マルチモード光ファイバからの放射、または固体源からの放射（例えば、自由空間光学による結合を介して）を受け入れることができる。
【００４９】
ある有利な実施形態では、第１の光ファイバは、光ファイバレーザまたは光ファイバ増幅器からの放射を提供するように構成される。例えば、第１の光ファイバは、ファイバレーザのアクティブ光ファイバまたは希土類ドープ型ファイバのようなファイバ増幅器、またはある非線形プロセスを介して利得を提供するように構成されたファイバ（例えば、ラマン散乱、ブリルアン散乱）であり得る。
【００５０】
特定の実施形態では、第１の光ファイバは、モード混合光ファイバと実質的に同じ直径を有する。このような実施形態は、第１の光ファイバとモード混合光ファイバとの整列（すなわち、例えば融着接続を介した光結合）を単純化することができる点で特に有利であり得る。同様に、特定の実施形態では、第１の光ファイバの最内コアの直径は、モード混合光ファイバの最内コアの直径の１０％以内、またはさらには５％以内である。
【００５１】
特定の実施形態では、モード混合光ファイバは、その第２の端部から所望の光学特性を有するビームを提供することができる。例えば、特定の実施形態では、光学システムは、モード混合光ファイバの第２の端部から自由空間伝播ビームを（例えば、図１０の参照番号１０６０で識別されるように）発射するように構成される。このような実施形態では、モード混合光ファイバは、ビーム送達ファイバとして作用することができ、例えば、産業環境での取り扱いを可能にするように丈夫にされたビーム送達ケーブル内に構成することができる。必要に応じて、追加の光学系（例えば、コリメートレンズ及び／または他の回折素子もしくは屈折素子）をモード混合光ファイバの出力端に設けることができる。
【００５２】
他の実施形態では、光学システムは、第２の光ファイバをさらに含み、第２の光ファイバが、波長においてマルチモードであり、第２の光ファイバが、入力端と出力端とを有し、第２の光ファイバの入力端が、モード混合光ファイバの出力端に直接光学的に結合される。１つの特定の実施形態を図１１の概略図に示す。光学システム１１３０は、第１の光ファイバ１１４０と、上述のようにモード混合光ファイバの入力１１０２に直接光学的に結合された第１の光ファイバの出力１１４４モードを有する混合光ファイバ１１００とを含む。光学システム１１００は、入力端１１５２と出力端１１５４とを有する第２の光ファイバ１１５０をさらに含み、第２の光ファイバの入力端１１５２は、モード混合光ファイバの出力端１１０４に直接的に光学的に結合される（ここでは融着接続される）。そのような実施形態では、モード混合光ファイバは、第１の光ファイバの出力の光学特性（例えば、強度プロファイル）を、より望ましい状態（例えば、フラットトップな強度プロファイルを有する）に変換して第２の光ファイバに結合するように作用することができる。
【００５３】
システムは、第２の光ファイバの第２の端部から自由空間伝播ビーム（例えば、図１１の参照番号１１６０によって識別されるような）を発射するように構成することができる。このような実施形態では、第２の光ファイバは、ビーム送達ファイバとして作用することができ、例えば産業環境での取り扱いを可能にするように丈夫にされたビーム送達ケーブル内に構成することができる。必要に応じて、追加の光学系（例えば、コリメートレンズ及び／または他の回折素子もしくは屈折素子）を第２の光ファイバの出力端に設けることができる。
【００５４】
他の実施形態では、光学システムは、入力端が固体レーザなどの光源の出力に結合されたその出力を有するモード混合光ファイバを含む。自由空間光学系を使用して、例えば、光源をモード混合ファイバの入力端に結合することができる。そのような実施形態の一例を図１２に示す。光ファイバシステム１２３０は、自由空間光学系１２７５（例えば、１つ以上のレンズ）を介してモード混合光ファイバ１２００の入力端１２０２に結合されたその出力を有する光源１２７０（例えば、固体レーザ）を含む。モード混合光ファイバの第２の端部１２００から、自由空間伝播ビーム（例えば、図１２の参照番号１２６０によって識別されるようにされる）を放射することができる。
【００５５】
第２の光ファイバの最内コアの直径は、例えば、既存のシステムでの実装を可能にするために、エンドユーザのニーズに応じて変更することができる。第２の光ファイバの最内コアの直径は、モード混合光ファイバの最内コアの直径の約１０％以内、またはさらには約５％以内であってもよい。当然のことながら、他の実施形態では、第２の光ファイバの最内コアは、異なるサイズ、例えば、約５０μｍ〜約３０００μｍ、または約５０μｍ〜約２０００μｍ、または約５０μｍ〜約１０００μｍ、または約５０μｍ〜約６００μｍ、または約１００μｍ〜約３０００μｍ、または約１００μｍ〜約２０００μｍ、または約１００μｍ〜約１０００μｍ、または約１００μｍ〜約６００μｍ、または約２００μｍ〜約３０００μｍ、または約２００μｍ〜約２０００μｍ、または約２００μｍ〜約１０００μｍ、または約２００μｍ〜約６００μｍの範囲の直径であり得る。
【００５６】
本明細書に記載されたシステムは、モード混合ファイバへの放射入力が、平均強度（例えば、中心で最も高い強度を有する）の約２０％以内、約１５％以内、さらには約１０％以内で、その断面積の約５０％以下、約４０％以下、約３０％以下またはさらには約２０％以下を有するとき、その平均強度の約２０％以内、約１５％以内、または約１０％以内で、その断面積の少なくとも７０％、少なくとも８０％、さらには少なくとも９０％を有する放射（すなわち、ピーク強度の５％の外周によって定義される）を出力するように構成され得る。
【００５７】
本開示の別の態様は、所望の強度プロファイルを有する波長の誘導放射を提供する方法である。この方法は、本明細書で説明するモード混合ファイバの第１の端部に入力放射を結合することと、モード混合光ファイバに沿って放射を誘導して、所望の強度プロファイル、例えば、本明細書に記載されるような、フラットトップ強度プロファイルを提供することと、を含む。特定の実施形態では、所望の強度プロファイルを有する誘導放射（すなわち、ピーク強度の５％の外周によって定義される）は、その平均強度の約２０％以内、約１５％以内、またはさらには１０％以内で、その断面積の少なくとも７０％、少なくとも８０％、またはさらには少なくとも９０％を有する。放射は、所望の強度プロファイルを有する放射を提供するために、例えば、約１ｍ〜約１００ｍの範囲、例えば約１ｍ〜約５０ｍ、または約１ｍ〜約４０ｍ、または約１ｍ〜約５０ｍ、または約１ｍ〜約２０ｍ、または約１ｍ〜約１０ｍ、または約１ｍ〜約５ｍ、または約５ｍ〜約１００ｍ、または約５ｍ〜約１００ｍの範囲、例えば、約５ｍ〜約５０ｍ、または約５ｍ〜約４０ｍ、または約５ｍ〜約５０ｍ、または約５ｍ〜約２０ｍ、または約１０ｍ〜約１００ｍ、または約１０ｍ〜約５０ｍ、または約１０ｍ〜約４０ｍの範囲内のモード混合光ファイバの長さに沿って誘導され得る。特定の実施形態では、入力放射は、所望の強度プロファイルとは実質的に異なる強度プロファイルを有する。例えば、特定の実施形態では、入力放射は、平均強度（例えば、中心で最も高い強度を有する）の約２０％以内、約１５％以内、またはさらには１０％以内で、その断面積の約５０％以下、約４０％以下、約３０％以下または約２０％以下を有する。本方法は、本明細書に記載されているモード混合ファイバまたはシステムのいずれかと組み合わせて使用することができる。
【００５８】
本開示の別の態様は、本明細書に記載の光学システムを使用して自由空間伝播光ビームを提供する方法である。この方法は、第１の光ファイバからモード混合光ファイバに波長の放射を伝播させることと、モード混合光ファイバの出力端からの放射を伝播させることと、を含む。システムが上記のような第２の光ファイバを含む場合、本方法は、第２の光ファイバを通ってその出力端から放射を伝播させることをさらに含むことができる。発散、ＢＰＰ、及び／または平坦度が上記の任意の実施形態に記載されているようなものであるように、本方法を遂行することができる。例えば、特定の実施形態では、所望の強度プロファイルを有する誘導放射（すなわち、ピーク強度の５％の外周によって定義される）は、その平均強度の約２０％以内、約１５％以内、またはさらには１０％以内で、その断面積の少なくとも７０％、少なくとも８０％、またはさらには少なくとも９０％を有する。特定の実施形態では、入力放射は、所望の強度プロファイルとは実質的に異なる強度プロファイルを有する。例えば、特定の実施形態では、入力放射は、平均強度（例えば、中心で最も高い強度を有する）の約２０％以内、約１５％以内、またはさらには１０％以内で、その断面積の約５０％以下、約４０％以下、約３０％以下、または約２０％以下を有する。
【００５９】
本開示の様々な態様及び実施形態を、以下の非限定的な実施例を参照してさらに説明する。
【実施例】
【００６０】
本明細書に記載された特定のモード混合光ファイバのモード混合効果は、数値的及び実験的に実証された。
【実施例１】
【００６１】
実施例１において、全体的な試験構成は図１１に示されており、モード混合ファイバが、大モード領域シングルモードファイバからの放射出力をビーム送達ケーブルに変換するように構成されている。
【００６２】
モード混合光ファイバは、図１３の概略図に示され、劈開されたファイバ端面が図１４の写真に示されている。モード混合光ファイバは、ステップインデックスプロファイルを有する直径がゲルマニウムで被覆された直径が６０μｍのコアを有する。コアは、０．１１の開口数を有し、光ファイバ全体の中心線に対して２０μｍだけ横方向にオフセットされている。全体のファイバ直径は、３６０μｍである。
【００６３】
第１の光ファイバは、２０μｍの直径のコア、０．０６の開口数、及び全体の直径が４００μｍである従来の大モード領域シングルモードファイバである。第２の光ファイバ（すなわち、ビーム送達ケーブルの）は、商用の装置に適合し、１００μｍの直径のコアと、０．２２の開口数と、３６０μｍの全ファイバ直径と、２５ｍの長さを有する。
【００６４】
計算結果は、図１５〜１７に示される。ビーム送達ケーブルで励起されるモード間の出力分布は、図１５に示される。ビーム送達ケーブルによってされる全出力強度は、図１６に示され、対応するビームプロファイルは、図１７に示されている。出力ビームは、フラットトップ形状であり、ＢＰＰは、約３．４ｍｍ・ｍｒａｄと推定される。
【００６５】
図１８〜２０に示すモード混合ファイバを使用しない場合とこれらの結果を比較すると、モード混合ファイバによって誘導されるモード混合効果が明確に現れる。そうでなければ同じパラメータで、モード混合光ファイバなしで実行されたシミュレーションは、先鋭なピークの出力ビームを提供する、
【００６６】
実験結果も収集した。モード混合光ファイバがない場合（図１８〜２０に関して説明したように）、従来のビーム送達ケーブルから出てくるビームは、近接場強度プロファイル及びＢＰＰを記録することによって特徴付けられる。結果を図２１に示す。モード混合の度合いが低いため、ビームプロファイルは非常に不均一であり、測定されたＢＰＰは、特に所望される範囲である３〜４ｍｍ・ｍｒａｄのうちの２．５ｍｍ・ｍｒａｄである。対照的に、モード混合光ファイバを使用する場合、図１３〜１７に関して上述したように、近接場プロファイルは、３．５ｍｍ・ｍｒａｄ前後のＢＰＰ値を有する良好な均一性（図２２）を示す。
【実施例２】
【００６７】
この実施例では、システムは、光ファイバをビーム送達ファイバとして混合するモード（例えば、図１１に示すように）で構成されていた。ここでも、シミュレーションと実験の両方の結果が示される。ここで、モード混合光ファイバは、０．２２の開口数を提供するのに十分なダウンドープされたフッ素クラッド層で囲まれた直径１００μｍのシリカコアを有し、３６０μｍの全体のファイバ直径を提供するシリカ外側クラッドを有する。コアは、フッ素ドープシリカによって形成された低屈折率リングを含む。このリングは環状厚さ４μｍであり、その内径は３０μｍであり、その中心は光ファイバの中心線から１２μｍだけ横方向にオフセットしている。リングと最内コアの残部との間の屈折率コントラストは、０．１の開口数値を提供するのに十分である（すなわち、リングの材料と最内コアの残部の材料との間；リング自体は波長の光を誘導するには不十分である）。設計は、図２３の概略断面図に示される。第１の光ファイバは、実施例１で上述したような従来の大モード領域シングルモードファイバである。計算結果を図２５〜２７に要約し、モード混合光ファイバにおいて励起されるモード間のパワー分布を図２５に示し、モード混合光ファイバの第２の端部によって送達される全出力強度が図２６に示され、対応するビームプロファイルが図２７に示される。
【００６８】
上述したように、この実施例では、モード混合ファイバは、ビーム送達ケーブルとして構成されている。モードアップコンバージョンは、図２５のパワー分布を示すプロット（最初の１００モードのみを明確にするためにプロットしたもの）に実証される。これらの正確なパラメータでは、ＢＰＰは約４ｍｍ・ｍｒａｄと推定された。しかし、出力ビームは、（ガウスビームに比べて著しく平坦ではあるが）正確にフラットトップ形状であると計算されない。これは、ファイバの設計、コア要素のサイズ及び場所を適切に修正することによって、当業者によって変更され得る。
【００６９】
図２３及び図２４のモード混合ファイバを使用するアップコンバージョンビーム送達ケーブルによって生成されるモード混合の実験的実証を図２８〜３０に示す。図２８に、測定セットアップを概略図で示す。図２９及び図３０にそれぞれ示された測定された強度及びビームプロファイルは、３．９ｍｍ・ｍｒａｄで測定されたＢＰＰで良好な均一性を実証、ビーム送達ケーブルとして使用されるこのファイバでモードアップコンバージョンが発生することを実証する。これは、図２１に示す結果と比較することができ、従来のビーム送達ケーブルの使用に起因する。ここで、低屈折率リングは、最大強度と比較して５０％強度コントラストを有する出力強度プロファイルに現れる。このリングコントラストは、実施例３に関して以下に示すように、ファイバ設計を適切に修正することによって低減することができる。
【実施例３】
【００７０】
この実施例では、システムは実施例２の構成と実質的に同様に構成されているが、コア内の低屈折率リングの開口数値は０．０２（すなわち、実施例２のように０．１の代わりに）である。
【００７１】
本実施例のモード混合ファイバを使用するアップコンバージョンビーム送達ケーブルによって生成されるモード混合の実験的実証を図３１及び図３２に示す。図３１及び図３２にそれぞれ実証された測定強度及びビームプロファイルは良好な均一性を示す。これは、実施例２の結果と比較することができ、実際には、適切な設計が、ダウンドープされたリングによって引き起こされる強度コントラストを低減しながら、望ましくはフラットトッププロファイルを維持することができることを実証している。
【実施例４】
【００７２】
この実施例では、シングルモードの入力放射を用いて、異なるコア直径のモード混合光ファイバが使用され、５０μｍコア直径及び別の２５μｍコア直径のうちの１つが使用される。５０μｍコアモード混合ファイバを使用する第１の実験は、図３３に関して説明される。ここで、ＬＭＡ／ＧＤＦ２０／４００ファイバを、内側コア内にオフセット配置されたダウンドープされたリングを有する２５ｍ長モード混合光ファイバの入力端に接合し、詳細は図３３に示される。波長１．０６μｍのシングルモード放射をＬＭＡ−ＧＤＦ２０／４００ファイバからモード混合光ファイバに結合した。強度は、モード混合光ファイバの出力で劈開された端面で測定した。図３３に示すように、出力強度は実質的に均一であったが、リング状のダウンドープされた要素の位置ではある程度の強度コントラストがあった。ＢＰＰは、約１．３ｍｍ−ｍｒａｄであった。第２の実験では、モード混合光ファイバは、第１の実験と同様であったが、コア直径は２５μｍであり、寸法は図３３に示されている。モード混合ファイバは５ｍの長さであり、コイル直径が８ｍｍ旋回されていた。ここで、入力ファイバはシングルモードＳＭＦ−２８ファイバであり、放射の波長は１．５５ｍであった。シングルモード放射は、ＬＭＡ−ＧＤＦ２０／４００ファイバからモード混合光ファイバに結合された。ここでも、図３４に示すように、出力強度は実質的に均一であった。ＢＰＰは、約１．５ｍｍ−ｍｒａｄであった。
【実施例５】
【００７３】
この実施例は、螺旋プロファイルを有するモード混合光ファイバのビーム発散の望ましい増大を実証する。２つのモード混合光ファイバを作製したが、「紡糸」ファイバについては、プリフォームを引き出し中にスピンさせて５０回転／ｍの周期を有する螺旋状のプロファイルを提供した。ビームの発散は、カットバック法を用いてファイバ長さの関数として測定した。結果を図３５のグラフに示す。特に、ビームの発散は、紡糸ファイバに関して実質的に増加した。
【実施例６】
【００７４】
この実施例では、本明細書に記載されているように、様々なマルチモードファイバをモード混合ファイバに接続した。それぞれの場合において、モード混合ファイバは２５ｍの長さであり、さもなければ実施例３のモード混合ファイバに類似していたが、ダウンドープされたリングのＮＡ値は０．０５であった。入力マルチモードファイバの２Ｄビーム強度及びモード混合ファイバの出力が図３６に提供されており、入力マルチモードファイバの比較的不均一な強度がモード混合ファイバによって比較的フラットトップな強度に変換されたことを実証する。図３６のグラフは、ビーム輝度には相対的にほとんど影響がないことを実証している。
【００７５】
特許請求の範囲及び上記明細書において、「備えている（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含んでいる（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、「持っている（ｃａｒｒｙｉｎｇ）」、「有している（ｈａｖｉｎｇ）」、「含有している（ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ）」、「包含している（ｉｎｖｏｌｖｉｎｇ）」などの全ての過渡的な句は、制限がないと理解される。「〜からなる（ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ）」及び「基本的に〜からなる（ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ  ｅｓｓｅｎｔｉａｌｌｙ  ｏｆ）」という過渡的な句のみが、制限付き、または準制限付きの過渡的な句でなければならない。
【００７６】
特に定義されていない場合、添付の特許請求の範囲を含む用語「ａ」、「ａｎ」、または「ｏｎｅ」の使用は、制限がなく、「少なくとも１つの」または「１つ以上の」を意味すると理解される。明確さを改善し、「１つの（ｏｎｅ）」または類似の用語の制限のない性質を想起させるために、本明細書での「少なくとも１つの」または「１つ以上の」という用語の時折の使用は、本明細書の他の例における単独の用語「ａ」、「ａｎ」、または「ｏｎｅ」の使用が限定されており、したがって単数形に制限されていることを暗に意味するものではない。同様に、「一部の」、「少なくとも一部」、または類似の句（例えば、「少なくとも一部」）の使用は、他の場所でそのような句が存在しないことを何らかの形で限定することを意味するものではない。
【００７７】
次に、例えば、最初に言及された「少なくとも１つ」に対する限定の属性を指定するための、「前記少なくとも１つの」という句などの「少なくとも１つ」という句への言及は、さらなる仕様がそのように適用される請求項において具体的に列挙されていない限り、請求項が、物品、組成物、機械、またはプロセスに関して読まれるかどうかを決定する際に複数が検討下にある場合、本明細書が限定のあらゆる例に適用されなければならないことを必要とするとして解釈されないものとする。
【００７８】
「ＡまたはＢ」のような「または」の使用は、Ａ及びＢの組み合わせをその範囲から除外する「排他的または」の論理的な関係として解釈されないものとする。むしろ「または」は、制限がなく、例えば、ＢなしのＡ、ＡなしのＢ、ＡとＢを一緒にしたものと、他の制限のない列挙を含む全ての置換を含み、Ａ及びＢに加えて他の特徴も除外しない。
【００７９】
上述の任意の１つの観点に関連して上記で説明された特徴のいずれも、本発明の開示を研究する当業者に明らかであるように、上記の態様のいずれかによる本発明の実施と組み合わせることができる。
【００８０】
当業者は、本明細書に記載された本発明の具体的な実施形態に多くの等価物を慣用的な実験以上のものを用いることなく認識するか、または確認することができるであろう。したがって、前述の実施形態は単なる例示として提示され、添付の特許請求の範囲及びその等価物の範囲内で、本発明は具体的に記載される以外の方法で実施され得ることが理解されるべきである。本発明は、本明細書に記載の個々の特徴、システム、材料、及び／または方法に関する。加えて、そのような特徴、システム、材料、及び／または方法が相互に矛盾していると明示的に教示されていない場合、２つ以上のそのような特徴、システム、材料、及び／または方法の任意の組み合わせが本発明の範囲内に含まれる。
【００８１】
様々な態様及び実施形態が本明細書に開示されているが、他の態様及び実施形態は当業者には明らかであろう。本明細書で開示された様々な態様及び実施形態は、説明のためのものであり、本発明の範囲を限定するものではなく、真の範囲は、そのような請求範囲が権利を与えられている等価物の全範囲に沿って、特許請求の範囲によって示される。本明細書で使用する用語は、特定の実施形態のみを説明するためのものであり、限定することを意図するものではないことも理解されたい。
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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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１４】
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【図１５】
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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２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【国際調査報告】
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