(57)【要約】  本発明のレーザーは複数のピッグテール型マルチモード（ＭＭ）ダイオードレーザーを備えて構成され、各ダイオードレーザーは、レーザーの筐体内で２０〜２５℃に維持される室温で入力直流を受ける。各ダイオードレーザーは、ダイオードレーザーが６３％と７５％との間のＷＰＥ範囲で動作する最適動作範囲内において所望の波長で動作するように構成される。各ダイオードレーザーに入力される直流は、ダイオードレーザーの効率曲線の閾値未満であるように選択され、その閾値の後で、ダイオードレーザーの効率は減少し始める一方、ダイオードレーザーの出力パワーは増大し続ける。レーザーは、アクティブファイバー媒体を有するファイバー利得ブロックを更に備えて構成され、そのアクティブファイバー媒体は、累積ポンプ出力でポンピングされて、最適動作範囲内において所望の波長で数百ワットから数十更キロワットには数百キロワットのパワー範囲内のレーザー出力を放出するように動作可能である。各ＭＭダイオードレーザー及びファイバー利得ブロックの最適動作範囲は、最大５５％の全体的な最大システム効率を提供する各効率最大値の重ね合わせを達成するように調整される。
2017502504.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高ウォールプラグ効率ファイバーレーザーであって、
複数のピッグテール型のマルチモードのダイオードレーザーであって、各ダイオードレーザーが室温において入力直流を受けて、累積ポンプ出力で共に結合される各出力を放出するように動作し、各ダイオードレーザーが、前記ダイオードレーザーが６３％と７５％との間のＷＰＥ範囲内で動作する最適動作範囲内において所望の波長で動作するように構成されていて、前記入力直流が前記ダイオードレーザーの効率曲線の閾値未満であり、前記閾値の後において前記ダイオードレーザーの効率が減少し始める一方で前記ダイオードレーザーの出力パワーが増大し続ける、ダイオードレーザーと、
前記累積ポンプ出力でポンピングされ、最適動作範囲内において所望の波長において数百ワットと数十キロワットとの間のパワー範囲内におけるレーザー出力を放出するように動作する利得媒体を有するファイバー利得ブロックであって、光・光変換効率が８０％と９０％との間の範囲内にある最適動作範囲内において動作するファイバー利得ブロックと、を備え、
各マルチモードのダイオードレーザーの最適動作範囲及び前記ファイバー利得ブロックの最適動作範囲が、最大５５％の全体的な最大システム効率を提供する各効率最大値の重ね合わせを達成するように調整されている、高ウォールプラグ効率ファイバーレーザー。
【請求項２】
前記利得媒体がイッテルビウム（Ｙｂ）イオンでドープされていて、Ｙｂ利得ブロックを備えるファイバーレーザーの最大システム効率が４５％と５５％との間の範囲内にある、請求項１に記載の高ウォールプラグ効率ファイバーレーザー。
【請求項３】
各ダイオードレーザーが、２０℃と２５℃との間の室温範囲において６３％〜７５％の効率範囲内で動作する、請求項１に記載の高ウォールプラグ効率ファイバーレーザー。
【請求項４】
各ダイオードレーザーの入力内に結合される電流信号を出力するように互いに接続されている複数のデジタル部品を含むドライバーユニットを更に備え、前記ドライバーユニットが、所望の波長において最大システム効率を提供するようにダイオードレーザー及びファイバー利得ブロックのそれぞれの最大効率値と重ね合わされて９８％の効率最大値を有する最適効率範囲内において動作するように構成されている、請求項１に記載の高ウォールプラグ効率ファイバーレーザー。
【請求項５】
前記ドライバーユニットを駆動させ且つ複数のデジタル部品を含む電源ブロックを更に備え、前記複数のデジタル部品が、前記ダイオードレーザー、前記電源ブロック及び前記ドライバーユニットのそれぞれの最大効率と重ね合わせた際に最大システム効率を提供する略９５％の効率最大値を有する最適効率範囲内での前記電源ブロックの動作を提供するように構成されている、請求項４に記載の高ウォールプラグ効率ファイバーレーザー。
【請求項６】
前記ファイバー利得ブロックが、希土類元素のイオンでドープされたアクティブファイバーを備えて構成されていて、前記アクティブファイバーが、シングルモードコア又はマルチモードコアから選択されたコアを有し、前記コアがシングルモードのレーザー出力を放出するように構成されている、請求項１に記載の高ウォールプラグ効率ファイバーレーザー。
【請求項７】
前記ファイバー利得ブロックの出力に直接結合され且つシングルモードのレーザー出力を目的地に誘導する伝送ファイバーを更に備え、前記伝送ファイバーが、最大システム効率を提供するように所望の波長において０．１％未満の損失を有するように構成されている、請求項６に記載の高ウォールプラグ効率ファイバーレーザー。
【請求項８】
互いに並列に結合され且つ前記ファイバー利得ブロックを備えて構成された複数の高ウォールプラグ効率レーザーを更に備える請求項６に記載の高ウォールプラグ効率ファイバーレーザー。
【請求項９】
レーザー出力を目的地に誘導する伝送ファイバーと、シングルモード・マルチモードファイバー結合器とを更に備え、前記シングルモード・マルチモードファイバー結合器が各高ウォールプラグ効率レーザーのファイバー利得ブロックと前記伝送ファイバーとの間に結合されていて、最大システム効率を提供するために、前記ファイバー結合器が２％未満の損失を有するように構成されていて、前記伝送ファイバーが、所望の波長において０．１％未満の損失を有するように構成されている、請求項８に記載の高ウォールプラグ効率ファイバーレーザー。
【請求項１０】
主発振器パワー増幅器構成において前記ファイバー利得ブロックの入力に直列で結合された追加のファイバー利得ブロックを更に備える請求項１に記載の高ウォールプラグ効率ファイバーレーザー。
【請求項１１】
ファイバーレーザーのウォールプラグ効率を最適化するための方法であって、
ダイオードレーザーの効率曲線に沿った閾値未満で直流を発生させるステップであって、前記閾値の後において前記ダイオードレーザーの効率が減少し始める一方で前記ダイオードレーザーの出力パワーが増大し続ける、ステップと、
室温において複数のピッグテール型のマルチモードのダイオードレーザー内に前記直流を結合させることによって、所望の波長において６３％と７５％との間のウォールプラグ効率範囲内で各ダイオードレーザーを動作させるステップと、
累積ポンプ出力で各マルチモードのダイオードレーザーの出力を互いに結合させるステップと、
前記累積ポンプ出力をファイバー利得ブロックの利得媒体内に入力することによって、前記ファイバー利得ブロックの光・光変換効率が８０％と９０％との間の範囲内にある最適動作範囲内において所望の波長で数百ワットと数十キロワットとの間のパワー範囲内においてレーザー出力を放出するステップと、
最大５５％の全体的な最大システム効率を提供する各効率最大値の重ね合わせを達成するように各マルチモードダイオードレーザーの最適動作範囲及び前記ファイバー利得ブロックの最適動作範囲を調整するステップと、を備える方法。
【請求項１２】
前記利得媒体がイッテルビウム（Ｙｂ）のイオンであり、Ｙｂ利得ブロックを備えるファイバーレーザーのウォールプラグ効率が４５％と５５％との間の範囲内にある、請求項１１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、ウォールプラグ効率（ｗａｌｌ‐ｐｌｕｇ  ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ，ＷＰＥ）が４５％を超えるように向上した高パワーファイバーレーザーと、ＷＰＥが向上した高パワーファイバーレーザーを構成する方法とに関する。
【背景技術】
【０００２】
高パワーファイバーレーザーは、従来のレーザー源と比較して、高い信頼性、少ないメンテナンス、小さな設置面積、低いメンテナンスコスト等の利点のため多くの産業的応用において選択されるレーザーとなってきている。ファイバーレーザー及びファイバー結合レーザー市場の主な要求はコスト削減である。従って、ウォールプラグ効率、つまり、レーザーシステムの電力から光パワーへの全変換効率を増大させることが特に重要である。
【０００３】
一般的に、固体レーザーの効率は、以下の三つのキーパラメータによって決められる：ポンプ半導体レーザーダイオードの電気・光変換効率、アクティブ媒体中へのポンプ光の結合又は伝送効率、アクティブ利得媒体の光・光変換効率及びレーザー自体における後続のパワー損失。勿論、これらのパラメータはサブパラメータに更に分割可能である。
【０００４】
ポンプ半導体レーザーダイオードの効率は高く、５０％程度の電気・光変換効率を有する。研究室レベルでの結果は更に良く、７０％以上の電気的ポンプエネルギーが光に変換される。この出力の波長をファイバーレーザーの吸収ラインに注意深く一致させると、その結果は、ポンプファイバーレーザーのウォールプラグ効率（ＷＰＥ）の向上となる。
【０００５】
光・光変換効率は、小さな量子損失、高い励起及び抽出効率、そしてバックグラウンド損失に依存して、６０％から９０％程度となり得る。
【０００６】
勿論、ファイバーレーザーシステムの他の部品、レーザー部品及び電子機器の熱制御、ダイオードやＡＣ・ＤＣパワー変換効率等を監視するための補助的な制御電子機器等も追加的な損失をもたらす。しかしながら、これらの累積的寄与はシステムの全体的な非効率性に対して相対的に顕著ではない。レーザー分野の当業者には周知なように、半導体レーザーを除く既知の全ての他のタイプのレーザー（本出願人により製造されＹＬＳ‐ｘｘｘ‐Ｙ１３と命名されたファイバーレーザーを含む）は２５％から３５％の範囲内のＷＰＥで動作する。この範囲の上限は市場の要求に合致するように顕著に上昇させ続けなければならないものである。
【０００７】
従って、従来技術のものよりも高い全ＷＰＥを有する高パワーファイバーレーザーが必要とされている。Ｙｂ高パワーファイバーレーザーは、略４５％と５５％との間の効率範囲で動作することが好ましい。
【０００８】
ファイバーレーザーシステムの特定の部品に話を戻すと、全てのレーザー部品は、多様なパラメータに対する効率の依存性を有する。例えば、電源のＷＰＥは、出力電圧及び動作電流に依存する。ポンプレーザーダイオード（ｐｕｍｐ  ｌａｓｅｒ  ｄｉｏｄｅ，ＰＬＤ）のＷＰＥは、ＬＤ電流等に依存する。特に非効率的なのがレーザーダイオードである。レーザーダイオードが発光し始めるまでに消費される電力は単に無駄となる。同じ問題はファイバーブロックにもあるが、その損失はレーザーダイオードの損失よりも顕著に低い。モニタ、制御回路、ドライバー等の電子部品、他の部品も全損失に寄与するが、レーザーダイオードと比較すると、それらの寄与は、高出力パワーにおいてはあまり重要ではない。
【０００９】
従って、最大５５％の効率のファイバーレーザーの全体的効率に寄与する個々の最大効率範囲内で個々の部品が動作するように構成された高パワーファイバーレーザーシステムが更に必要とされている。
【００１０】
ウォールプラグの全体的非効率に主に寄与するＰＬＤに関しては、複数の損失メカニズムが作用している。その一つは、いわゆる閾値下メカニズムであり、レーザーの反転分布を得るために単に消費される或る量の駆動電流を含む。更に、電荷を消費する非放射性メカニズムが存在している。二つ目のメカニズムは、バンド整列を含み、レーザーダイオードは、多様なヘテロ構造界面のバンド構造の不整列に起因する電圧不足を克服しなければならない。この不足を克服するまでは、有用な光パワーを発生させることはできない。更に他のメカニズムである電荷漏れは、量子井戸に達して効果的に光子を生じさせることができないバイポーラ電荷に関する。散乱及び吸収として知られている更なるメカニズムは、発生した光子が、量子井戸、導波路又は不完全なミラー内で生じる散乱のために導波路内に留まることができないことに関する。また、導波路内の光子は自由電荷によって吸収され得る。最後に、ジュール加熱メカニズムは、ダイオードの有効直列抵抗（コンタクト抵抗や、ヘテロ構造自体のバルク抵抗を含む）に起因する。これら列挙した全ての損失メカニズムの中で、閾値下メカニズムがＰＬＤのＷＰＤにとって最も有害である。
【００１１】
従って、電流閾値（その閾値を超えるとＬＤの動作効率が減少する）において各々動作する一つ以上のＰＬＤを備えて構成された高パワーファイバーレーザーシステムが更に必要とされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】米国特許第７９５３４３５号明細書
【特許文献２】米国特許第７７７３６５５号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
上記必要性について、本開示の高パワーファイバーレーザー及びそのシステムを構成するための方法によって対処する。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本開示の高パワーファイバーレーザーシステムは、利得媒体内に結合されるマルチモード光を放出する一つ以上のＰＬＤを備えて構成される。高パワーファイバーレーザーシステム、つまり、数十、数百ｋＷに達し得る出力パワーの信号光を出力するように動作可能なシステムの設計における前提の一つは、極めて単純で、レーザー分野の当業者によって良く理解されているように、個々のレーザーダイオードのパワーの増大である。永久に追い求められる高パワーの結果として、レーザーダイオードの分野においては顕著なレベルのパワーが達成されてきた。当業者が容易に認識するように、利用可能な最大パワーに達することは、特定の最大レベルのダイオード電流において達成可能である。
【００１５】
本開示の発明のコンセプトは、むしろ直観に反した手法に基づいている。最大パワーをもたらす高い入力電流においてＰＬＤを動作させる代わりに、本発明は、特定の所定閾値（つまり、それ以上においてＰＬＤの効率が減少し始める電流レベル）よりも低い電流レベルを用いる。最適化されたレーザーダイオードの上昇したＷＰＥが、高パワーファイバーレーザーシステムの多様な部品の他の最適に選択されたパラメータと組み合わさって、略５５％に達することができるシステム全体の全体的効率に達する。本発明の目的のためには、ＷＰＥが、レーザーに冷却媒体（水等）を提供する冷却装置を動作させるのに必要なパワーを含まない点に留意されたい。
【００１６】
最大５５％のＷＰＥは画期的な数字である。本発明者等は、各人がファイバーレーザー産業において長年の経験を有し、レーザー物理の上級学位を有するものであるが、４０％にも達するＷＰＥを有する利用可能な単一のファイバーレーザー、特に高パワーＹｂファイバーレーザーを知らない。
【００１７】
更に、閾値未満の電流レベルで動作するレーザーダイオードの使用は、ダイオードの寿命を顕著に延ばす。個々のＰＬＤのパワーの減少は、典型的なＰＬＤに関するものよりも低くなる高温に関する熱力学的過程の悪影響の減少につながる。結果として、本開示のファイバーレーザーシステムの動作コストは顕著に低くなる。
【００１８】
ＰＬＤがもたらす損失は最高のものであるが、本開示の高パワーファイバーレーザーの他の多くの部品は、ＷＰＥの増大に寄与するように動作するように構成される。
【００１９】
上記に基づき、本発明のレーザーは、複数のピッグテール型マルチモード（ＭＭ）ダイオードレーザーを備えて構成され、各ダイオードレーザーは、レーザーの筐体内で２０〜２５℃内に維持される室温において入力直流を受ける。各ダイオードレーザーは、ダイオードレーザーが６３％と７５％との間のＷＰＥ範囲で動作する最適動作範囲内において所望の波長で動作するように構成される。各ダイオードレーザーに入力される直流は、レーザーダイオードの効率曲線の閾値未満となるように選択され、その閾値の後において、ダイオードレーザーの効率が減少し始める一方でダイオードレーザーの出力パワーが増大し続ける。レーザーは、累積ポンプ出力でポンピングされ、且つ最適動作範囲内において所望の波長で数百ワットから数十更には数百キロワットまでのパワー範囲内でレーザー出力を放出するように動作可能なアクティブファイバー媒体を有するファイバー利得ブロックを更に備えて構成される。アクティブファイバーは、好ましくは、ＳＭ（シングルモード）ファイバーにそれぞれ結合される両端を有し、ファイバー利得ブロック全体は、光・光変換効率が８０％と９０％との間の範囲内にある最適動作範囲内で動作するように構成される。
【００２０】
各レーザーダイオード又はポンプ及び利得ブロックの効率最大値は、全体的最大システム効率が最大５５％に達するように調整される。また、後続の全ての部品も、個別に、また互いに組み合わさって、５５％の全体的最大ＷＰＥに寄与するように構成される。Ｙｂ高パワーファイバーレーザーに関して、全体的ＷＰＥは４５〜５５％の範囲内にある。
【００２１】
例えば、複数のデジタル部品を含むドライバーユニットは、少なくとも９８％の最適効率範囲内で動作するように構成される。電源ブロックは、ドライバーユニットを駆動させて、複数の電子デジタル部品を含むものであるが、これら電子デジタル部品は、略９５％の効率最大値を有する最適効率範囲内での電源ブロックの動作を提供するように構成され、ダイオードレーザー、電源ブロック及びドライバーの各最大効率を積み重ねた際に、最大システム効率を提供する。
【００２２】
上記及び他の特徴、対象及び利点を以下の具体的な説明において詳細に説明する。
【００２３】
具体的な説明は、添付図面に基づいてより容易に理解されるものである。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本開示の高パワーファイバーレーザーシステムの光学的概略図である。
【図２】図１のファイバーレーザーシステムの全体的効率を示すグラフである。
【図３】ＰＬＤ効率・対・ＬＤ電流の典型的な依存性を示すグラフである。
【図４】特定の出力電圧についての電源ＷＰＥ・対・出力電流の典型的な依存性を示すグラフを示す。
【図５】所定の冷却水温度におけるＰＬＤ累積スペクトル・対・ＬＤ電流のグラフを示す。
【図６】所定の冷却水温度におけるＰＬＤ累積スペクトル・対・ＬＤ電流の中心波長の依存性を示す。
【図７】イッテルビウム（Ｙｂ）ファイバーブロック効率・対・ＬＤ電流の依存性を示す。
【図８】イッテルビウム（Ｙｂ）ファイバーブロック効率・対・ＬＤ電流の依存性を示す。
【図９】Ｙｂファイバーブロックの出力パワー・対・ポンプパワーの典型的な依存性を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
本開示の以下の部分はＹｂファイバーレーザーに関する。しかしながら、当業者は、本発明のコンセプトが全ての関連する希土類元素を含むあらゆるファイバー利得媒体に完全に適用可能であることを認識するものである。レーザー分野の当業者は、レーザーのＷＰＥが選択された希土類元素に依存することを容易に認識するものである。当業者は、エルビウム（Ｅｒ）及びツリウム（Ｔｍ）のＷＰＥが、Ｅｒ及びＴｍ固有の物理的特性のために、Ｙｂファイバーレーザーのものよりも幾分低いことを容易に理解するものである。以下の説明はＹｂ発振器（レーザー）に基づくものであるが、ファイバー増幅器は本開示の範囲内に本質的に含まれるものであり、本願で開示される方法はＹｂ希土類イオン以外に基づいたレーザー及び増幅器にも当てはまるものである。
【００２６】
ファイバーレーザーの各部品は、複数のパラメータの関数である最適効率で動作し得る。本発明のコンセプトは、システムの部品のうち少なくとも一つが、その部品の動作を特徴付ける選択パラメータが、部品の最大ＷＰＥを提供する特定の範囲内で変化するようにして構成されたファイバーシステム全体の効率の増大に関する。
【００２７】
図１を参照すると、例示的な高パワーファイバーレーザーシステム１００は複数の部品を備えて構成される。利得ブロックは、利得媒体、例えば、適切な希土類元素又はそうした元素の組み合わせでドープされた光ファイバー３を収容する筐体１を備えて構成される。例えば、アクティブファイバー３は二重クラッド構成を有し得て、Ｙｂ（レーザー分野の当業者には知られているように、多くの産業的ファイバーレーザー応用において選択される元素）のイオンでドープされ得る。典型的には、アクティブファイバー３は、所定の波長における実質的に基本モードのみの伝播をサポートすることができるマルチモードコアを備えて構成される。勿論、アクティブファイバーはシングルモードコアを有することもできる。従って、コアの構成にかかわらず、本発明のレーザーの出力はシングルモードで放出される。
【００２８】
アクティブファイバー３の両端にそれぞれ結合されるのは、単一モードの入力及び出力のパッシブファイバー６であり、接合領域４に沿ってアクティブファイバーの各端に接合される。入力側で強く、出力側で弱いブラッグ格子５がパッシブファイバー６にそれぞれ形成されて、それら間にアクティブファイバー３の全長を含む共鳴キャビティを画定する。図示されるように、レーザーシステム１００は、発振器を収容する単一利得ブロックを備えて構成されるが、当業者には容易に認識されるように、システム１００は、各々が増幅器として構成され、互いに結合された複数のファイバー利得ブロックを有し得る。増幅器を発振器と区別する唯一の構造的相違は、格子が存在しないことである。更に、例えば、特許文献１等に開示されるように、複数の利得ブロックが、図示されるブロックと同一にそれぞれ構成されて、ＳＭ・ＭＭ結合器８において互いに結合される出力ファイバー７をそれぞれ有し得て、単一の光を所望の目的地に伝送する単一の伝送ファイバー９を備える。
【００２９】
特許文献２等に従って構成されたポンプ１０２は、マルチモード（ＭＭ）でポンプ光を放出する複数の個別ＰＬＤ１１を含む。ＰＬＤからのポンプ光は、各ＭＭポンプ光伝送ファイバー１０内に結合され、伝送ファイバー１０は、ポンプ結合器２によって利得媒体３に結合される。図示されるように、ポンプ光は、利得媒体３に両側において結合されるが、前方励起方向又は後方励起方向の一方のみが用いられ得る。当業者には知られているように、電源ブロック１３はドライバー１２に結合される電流を出力する。
【００３０】
上述のような高パワーファイバーレーザーシステム１００は、むしろ典型的な構成を有する。このシステムの新しさは、本開示の部品の一つ以上を、選択された部品がそれぞれ最大ＷＰＥで動作して、システム１００が最大５５％のシステム全体のＷＰＥを有することを可能にするように構成することである。
【００３１】
全てのレーザー部品の効率は、そのパラメータの特定の範囲内におけるその最大値に達する。多様なレーザー部品の最適動作範囲は、効率最大値の重ね合わせが最大システム効率をもたらすように調整される。ポンプ及びファイバー利得ブロックと組み合わせられる各レーザー部品は、Ｙｂ高パワーレーザーにおいて４５〜５５％の効率範囲を向上させることができる。同様に、全ての部品、又は部品のあらゆる組み合わせは、利得ブロック及びポンプと一緒に、本発明の効率範囲をもたらす。
【００３２】
図２は、全電力消費、つまり、システム部品の累積的消費から、略１ｋＷのＳＭ出力を放出するように動作可能なシステム１００の出力パワーの典型的な依存性を示す。この依存性は、略２００Ｗの閾値を有する。これは、最初の２００Ｗが無駄になり、典型的には、望ましくない熱に変換され、全体的なシステムの非効率性に寄与する強力な冷却システムを必要とすることを意味する。閾値をゼロに向けてずらすことができれば、全体的なＷＰＥ、つまり、Ｐｏｕｔ／Ｐｉｎの比が徐々に均一になっていく。つまり、システムの全体的効率が出力パワーとは無関係になる。しかしながら、現実には、完全効率のレーザーシステムを構成することはほぼ不可能である。例えば、特定の量の駆動電流が、レーザーダイオードにおける反転分布を達成するためだけに消費されてしまう。同様のメカニズムが利得媒体において作用している。従って、本開示のシステムの目標は、自然が許す限り低い閾値で動作することである。これは、システム部品の少なくとも一つ、好ましくは全ての効率を最適化することによって達成される。
【００３３】
図１と組み合わせて、図３を参照すると、所定の電圧における駆動電流（ＬＤ電流）からＰＬＤ１１のＷＰＥの典型的な依存性が示されている。一般的に、ＬＤのＷＰＥ  ＝  有用な光出力パワー  ÷  （入力電流  ×  デバイスにわたって降下した電圧）。ＰＬＤの動作は、図１のシステム１００の全体的非効率性に寄与する最悪の要因の一つである。この要因の有意性を最少にするためには、各レーザーダイオードが最適電流範囲内で動作することが必須である。図３のグラフは、ＰＬＤ１１の最大ＷＰＥが略５ＡのＬＤ範囲に対応していることを明確に示している。しかしながら、典型的には、図１に示されるタイプの高パワーファイバーレーザーシステムで用いられるレーザーダイオードは、９から１３Ａの範囲内で動作して、ポンプ光のワット数を増大させる。結果として、次第に５Ａ以上の高レベルでＰＬＤ１１を動作させることが、所定の電圧におけるダイオードＷＰＥを徐々に減少させる。
【００３４】
ＰＬＤ１１の最大ＷＰＥを考慮すると、Ｙｂファイバーレーザーシステム１００のポンプ１０２は複数のＰＬＤ１１を備えて構成され、各ＰＬＤは、略６３％もの高さのダイオードのＷＰＥに対応する４から６Ａまでの駆動電流範囲内で動作する。ＰＬＤ１１は、５Ａ近くの駆動電流でポンプ光をレーザー放射することが好ましい。比較として、レーザーダイオードの既知の最高効率は６０％未満であり、稀に略７０％にも達し得るが、研究室レベルでのものに過ぎない。本開示のポンプ１０２を備えるシステム１００は、現場条件で動作するように構成され、大量生産の準備が整っている。ＰＬＤ１１は、ｋＷファイバーレーザーシステム（システム１００を含む）で使用されているものと同じレーザーダイオードである点に留意されたい。最適化された各ＰＬＤ１１は、１ｋＷのＹｂファイバーレーザーで典型的なように高アンペア数範囲内、特に１３Ａで動作可能であるが、このような高い電流は、効率の観点からは意味がない。
【００３５】
図１及び図４を参照すると、電源１３のＷＰＥは、出力電圧及び動作電流に依存する。図４は、特定の出力電圧について出力電流からの電源のＷＰＥの典型的な依存性を示す。電源１３について、図示されている最適電流範囲は１５〜２５Ａである。
【００３６】
図１及び図５〜図６を参照すると、Ｙｂファイバー３のポンプ変換効率は、ポンプ吸収率に依存していて、そのポンプ吸収率はポンプ放射の波長に厳密に依存している。イッテルビウムドープアクティブファイバーの最大ポンプ吸収はＰＬＤの波長９７５ｎｍに対応する。そして、ＰＬＤ放射の波長はＬＤ電流及び冷却条件に依存する。特に、ＬＤ電流及び高冷却水温度が上昇するにつれて、波長スペクトルは長波長にシフトする（図５及び図６）。
【００３７】
図１、図３〜図９を参照すると、システム１００の各部品の個々に最適化された多様な効率値を知った上で、最適値をシステム１００の最適効率を達成するように調整すべきである。例えば、図３に示されるＰＬＤの効率の最大値は、ＰＬＤ１１の波長９７５ｎｍに対応する。こうした構成が、通常の冷却条件下においてＬＤ電流５〜６Ａでの略９７５ｎｍの放射を保証し、ファイバー６とファイバー３との間のポンプ結合及び接合を含むＹｂファイバーブロック（ＹＦＢ）によるＬＤ電流５〜６Ａでのポンプ変換効率の最大値を可能にする。Ｙｂファイバーブロックの変換効率は、ＰＬＤ１１の最適な５Ａの動作電流及び１５℃、１８℃、２１℃の各温度において略８３％から略８７％まで、更には９０％に達する。レーザーの筐体内の最適温度範囲は、２０から２５℃までの室温となるように決定される。
【００３８】
上記部品の最適化に加えて、他のシステム部品も最適化可能である。４５％を超えるシステム１００の全体的効率のためには、各システム部品の個々の最適効率値が以下のように決定される：
Ａ．  ポンプレーザーダイオード（ＰＬＤ）１１は、ＬＤ電流６Ａ及び適切な冷却条件において＞６２％のウォールプラグ効率を有するべきである。
Ｂ．  ＰＬＤの駆動電子機器１２は、全ＬＤ電流範囲にわたって＜２％の損失を保証すべきである。
Ｃ．  電源（ＰＳ）の最大効率は＞９４％であるべきである。
Ｄ．  イッテルビウムファイバーブロック（ＹＦＢ）は、＞８７％のポンプ変換効率を有するべきである。この要求は以下の構成によって満たされる：
ｄ１．  アクティブファイバー３の事前選択。アクティブファイバーは低いポンプ損失、低い信号損失、及び高いポンプ吸収を有するべきである。
ｄ２．  アクティブファイバー３の基本モードを、低い接合損失を保証するためにパッシブファイバー６の基本モードと一致させるべきである。
ｄ３．  ファイバーブラッグ格子（ＦＢＧ）が各パッシブファイバー６に形成されるべきである。ＦＢＧは低い固有損失を有するべきである。
ｄ４．  ポンプ結合器２は＜２％の損失を有するべきである。
Ｅ．  必要であれば、複数のＹＦＢのシングルモード放射を、結合素子８によって出力マルチモードファイバー９に入射させることができる。この場合、結合素子は＜１．５％の損失を有するべきである。
上記の全てが、８７％を超えるＹＦＢのポンプ変換効率の最大値を達成することを可能にする。
【００３９】
より具体的には、直流を出力するドライバーユニットは、９８％の効率最大値を有する最適効率範囲内で動作するように構成されて、また、あらゆる場合において、ドライバーユニットは、ダイオードレーザーの最大効率範囲にわたって２％未満の損失で動作するように構成される。
【００４０】
電源ブロックは、ドライバーユニットを駆動させて、また、略９５％の効率最大値での電源ブロックの動作を提供するように構成された複数のデジタル部品を含む。伝送ファイバーは、ファイバー利得ブロックの出力に直接結合され、レーザー出力を目的地に誘導し、所望の波長において０．１％未満の損失を有するように構成される。本発明に従って構成されて並列に結合された複数のＳＭファイバーレーザーは、所望の波長において０．１％未満の損失を有するように構成されたＳＭ‐ＭＭ結合器で結合される個々のＳＭ出力を有する。各レーザーは、二つの利得ブロックを含むように構成され得て、ＭＯＰＡ（主発振器パワー増幅器）構成を形成する。
【００４１】
本開示の構造の＞４５％のＷＰＥを有するファイバーレーザーの多数の利点の中で、以下の利点が特に重要である：
低電力消費、低動作コスト。
エコロジー問題。エネルギー消費の減少は、二酸化炭素及び他の温室効果ガスの放出を減少させることができる。
低熱負荷。この場合、冷却システムは単純で安価になり得る。
レーザー設計が、長寿命を保証するようによりロバストで信頼できるものになる。
【００４２】
本開示の構造によって、本開示の効率範囲内で動作するレーザーダイオードは、効率曲線の最適点よりも低い最大アンペア数において動作する同じ数のレーザーダイオードが生じさせるポンプ出力に実質的に一致するポンプ出力を発生させる。最大アンペア数の典型的な範囲は、高パワーイッテルビウムファイバーレーザーでは１２から１３Ａの間で異なるが、同じレーザーに対して効率的な範囲は４から６Ａの間で異なり得る。
【００４３】
添付図面を参照して、本発明の好ましい実施形態を少なくとも一つ説明してきたが、本発明はそれらの正確な実施形態に限定されるものではないことを理解されたい。上述のように、他の希土類元素もファイバーをドーピングするのに使用可能である。異なる波長、ファイバーパラメータ、希土類ドーパント等の多様な変更、修正、適合が、上述の本発明の範囲又は要旨から逸脱せずに、当業者によって行われ得る。上記で参照した全ての特許文献は、その全体が本願に組み込まれて、本願の一体部分とみなされるものである。
【符号の説明】
【００４４】
１００  高パワーファイバーレーザーシステム
１０２  ポンプ
１  筐体
２  ポンプ結合器
３  アクティブファイバー
４  接合領域
５  ブラッグ格子
６  パッシブファイバー
７  出力ファイバー
８  シングルモード・マルチモード結合器
９  伝送ファイバー
１０  マルチモードポンプ伝送ファイバー
１１  ポンプレーザーダイオード
１２  ドライバー
１３  電源
【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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【国際調査報告】
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