(57)【要約】本発明は、二ステージ輝度変換装置（１００）を提供する。第一の輝度変換ステージ（１０２）にレーザキャビティがあり、そのレーザキャビティには、活性イオンを添加した第一の光導波管があって、それが、光吸収を有する第一の光波長帯域と、光吸収及び光利得を有する第二の光波長帯域と、光利得を有する第三の光波長帯域との範囲を限定している。第一のレーザキャビティを励起する励起パワー（Ａ）の波長は第一の光波長帯域にあり、それにより、第二の光波長帯域で中間光信号（Ｂ）を発生する。第一の輝度変換ステージとカスケード接続される第二の輝度変換ステージ（１０４）に、前記活性イオンを添加した第二の光導波管がある。第二の輝度変換ステージを、中間光信号（Ｂ）で励起することにより、第三の光波長帯域で高輝度光信号（Ｃ）が得られる。【選択図】図１
2012516040.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一の輝度変換ステージであって、レーザキャビティを備え、該レーザキャビティは、活性イオンを添加した第一のコアを含む第一の光導波管を備え、該第一の光導波管が、光吸収を有する第一の光波長帯域と、光吸収及び光利得を有する第二の光波長帯域と、光利得を有する第三の光波長帯域との範囲を規定しており、前記第一のレーザキャビティを励起する励起パワーの波長が前記第一の光波長帯域にあり、前記第二の光波長帯域で中間光信号を発生する、第一の輝度変換ステージと、
第二の輝度変換ステージであって、前記第一の輝度変換ステージとカスケード接続されるとともに前記活性イオンを添加した第二のコアを含む第二の光導波管を備え、該第二の輝度変換ステージを、前記中間光信号で励起することにより、前記第三の光波長帯域で高輝度光信号が得られる第二の輝度変換ステージとからなる、二ステージ輝度変換装置。
【請求項２】
前記第二の輝度変換ステージが、第二のレーザキャビティからなるものであることを特徴とする、請求項１に記載の輝度変換装置。
【請求項３】
前記活性イオンが、イッテルビウムであることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の輝度変換装置。
【請求項４】
前記第一の光波長帯域が、９１５ｎｍ〜９７６ｎｍまでの複数の波長からなることを特徴とする、請求項３に記載の輝度変換装置。
【請求項５】
前記第二の光波長帯域が、１０２０ｎｍ〜１０３０ｎｍまでの複数の波長からなることを特徴とする、請求項４に記載の輝度変換装置。
【請求項６】
前記第三の光波長帯域が、１０８０ｎｍの波長からなることを特徴とする、請求項５に記載の輝度変換装置。
【請求項７】
前記第一の光導波管と前記第二の光導波管とが、それぞれ、総ガラス仕立てのダブルクラッド光ファイバ（ＤＣＯＦ）からなることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一つに記載の輝度変換装置。
【請求項８】
前記第一の光導波管が、前記中間光信号を伝播させるための第一のコアと前記励起パワーを伝播させるための第一の内側クラッドとからなり、
前記第二の光導波管が、前記高輝度光信号を伝播させるための第二のコアと前記中間光信号を伝播させるための第二の内側クラッドとからなり、
前記第二の内側クラッドの直径が、前記第一のコアの直径と実質的に等しいことを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一つに記載の輝度変換装置。
【請求項９】
前記第一の光導波管が、前記中間光信号を伝播させる際にマルチモードであり、前記第二の光導波管が、前記高輝度光信号を伝播させる際にシングルモードであることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一つに記載の輝度変換装置。
【請求項１０】
前記第一のレーザキャビティが、前記第一の光導波管の入力に位置する反射率の高いファイバブラッグ格子と、前記第一の光導波管の出力に位置する反射率の低いファイバブラッグ格子とからなることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一つに記載の輝度変換装置。
【請求項１１】
前記励起パワーを発生させるために、前記第一のレーザキャビティに結合した低輝度励起源を備えることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか一つに記載の輝度変換装置。
【請求項１２】
二次励起パワー発生用の励起発生装置であって、
活性イオンを添加した光導波管を一本備え、該光導波管には、光吸収を有する第一の光波長帯域と、光吸収と光利得を有する第二の光波長帯域と、光利得を有する第三の光波長帯域とを備えるレーザキャビティと、
該第一の光波長帯域で一次励起パワーを発生させ、該レーザキャビティを励起することにより、該第二の光波長帯域で二次励起パワーを発生するために、該レーザキャビティに結合された励起源とを備え、
前記光導波管は、該二次励起パワーに対応する波長ではマルチモードになっていて、該二次励起パワーが、前記光導波管の中をマルチプルモードで伝播するようになっていることを特徴とする、励起発生装置。
【請求項１３】
前記光導波管が、総ガラス仕立てのダブルクラッド光ファイバ（ＤＣＯＦ）一本からなることを特徴とする、請求項１２に記載の励起発生装置。
【請求項１４】
前記活性イオンが、イッテルビウムであることを特徴とする、請求項１２または請求項１３に記載の励起発生装置。
【請求項１５】
前記第一の光波長帯域が、９１５ｎｍ〜９７６ｎｍの複数の波長からなることを特徴とする、請求項１２〜１４のいずれか一つに記載の励起発生装置。
【請求項１６】
前記第二の光波長帯域が、１０２０ｎｍ〜１０３０ｎｍの複数の波長からなることを特徴とする、請求項１５に記載の励起発生装置。
【請求項１７】
高輝度光信号発生方法であって、
第一の光導波管が、光吸収を有する第一の光波長帯域と、光吸収及び光利得を有する第二の光波長帯域と、光利得を有する第三の光波長帯域との範囲を限定していて、励起パワーが該第一の光波長帯域に波長を有し、活性イオンを添加した該第一の光導波管を備えるレーザキャビティを該励起パワーで励起する手順と、
該励起パワーによる励起の結果として、該レーザキャビティの中の前記第二の光波長帯域の中に中間光信号を発生させる手順と、
該活性イオンを添加した第二の光導波管を、該中間光信号で励起する手順と、
該中間光信号での該励起の結果として、該第二の光導波管の内部で、該第三の光波長帯域内に高輝度光信号を得る手順と、
該第二の光導波管から該高輝度光信号を出力するという手順とからなることを特徴とする、高輝度光信号発生方法。
【請求項１８】
前記第一の光導波管の内部をマルチプルモードで前記中間光信号を伝播させる手順を備えることを特徴とする、請求項１７に記載の高輝度光信号発生方法。
【請求項１９】
前記第二の光導波管の内部をシングルモードで前記高輝度光信号を伝播させる手順を備えることを特徴とする、請求項１７または請求項１８に記載の高輝度光信号発生方法。
【請求項２０】
請求項１７〜１９のいずれか一つに記載の高輝度光信号発生方法であって、前記第一の光導波管が、第一のコアと第一の内側クラッドと第一の外側クラッドとを有する総ガラス仕立てのダブルクラッド光ファイバ（ＤＣＯＦ）一本を備え、前記第二の光導波管が、第二第一のコアと第二の内側クラッドと第二の外側クラッドとを有する総ガラス仕立てのＤＣＯＦ一本を備え、かつ、該第一の内側クラッドの中を前記励起パワーを伝播させる手順と、該第一のコアの中を前記中間光信号を伝播させる手順と、該第二の内側クラッドの中を該中間光信号を伝播させる手順と、該第二のコアの中を前記高輝度光信号を伝播させる手順とを備えることを特徴とする、高輝度光信号発生方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願で主張する優先権は、２００９年１月２３日付け米国仮特許出願公開第６  １／１４６，８１２号明細書に基づくもので、その明細書は本文中に参照されて  、本出願と一体のものとなっている。
【０００２】
本明細書は、光信号の発生に関するものであり、さらに具体的には輝度変換に関するものである。
【背景技術】
【０００３】
ファイバレーザは、嵩張らず、信頼でき、操作効率がよく、出力パワーレベルも高いことから、最近、最も有力な固体レーザ技術として注目を浴びている。ファイバレーザは、単一ステージ輝度変換装置として見ることができる。
【０００４】
輝度変換装置の構想を目指す試みの一つに共振器であるレーザキャビティを用いるものがある（例えば、非特許文献１）。そのような輝度変換装置においては、多数のマルチモード励起ダイオードを結合して一個の希土類添加のダブルクラッド光ファイバ（ＤＣＯＦ）にまとめており、そこで用いるテーパファイバ束（ＴＦＢ）は、励起コンバイナとしても知られている。レーザキャビティを構成するのに用いられるファイバブラッグ格子（ＦＢＧ）はＤＣＯＦの端部それぞれにあって、レーザ効果を創りださせるものである。通常、反射率の高いＦＢＧはレーザキャビティの入力で用いて、反射率の低いＦＢＧはレーザキャビティの出力で用いることにより、信号の反射を部分的なものにとどめ、レーザキャビティから幾らかのパワー抽出が行なえるようにする。励起パワーをＤＣＯＦの添加済みのコアで吸収し、高輝度光信号を発生させる。理論的には、レーザの出力パワーは、励起パワーに正比例する。
【０００５】
輝度変換装置の構想のもう一つの試みでは、主発振器パワー増幅器（ＭＯＰＡ）が用いられる（例えば、非特許文献２）。そのＭＯＰＡの構成は、さらに多くの部品を必要とするので、さらに複雑な輝度変換装置となる。一個のＭＯＰＡを構成するのは、シードレーザとしても知られるレーザダイオード一個を任意の数の縦続接続、すなわちカスケード接続された光増幅器ステージに結合したものである。光アイソレータ一個を、典型的な仕方としては、そのレーザダイオードと第一の光増幅器ステージの間に挿入し、さらに複数の光増幅器ステージ相互の間にも挿入することにより、そのレーザダイオードと各光増幅器ステージとを、損傷を誘発しかねない後方反射一切から保護する。ＭＯＰＡの原理はレーザ効果に依存するものではない。レーザダイオードからの光信号は、所望の出力パワーが得られるまで、むしろ複数の光増幅器ステージのカスケードにより増幅される。光増幅器ステージそれぞれを構成するのは、典型的には、添加物付きの光導波管を、ＴＦＢを用いて光導波管に結合される複数の多重励起ダイオードを用いて励起したものである。
【０００６】
このような二つの構成が、ファイバレーザの製造に用いられてきており、最近では、出力パワーが数キロワットのファイバレーザが実際に用いられている。しかしながら、このような構成には、幾つかの限界がある。
【０００７】
レーザキャビティ主体の構成について言うと、この技法の一つの欠点は、そのシステム用に使用可能な最大励起パワーには実際には制約があるということに関するものであって、ハイパワーファイバレーザにおいては、これは決定的に重要である。この制約には、ＴＦＢと、単一のレーザ出射用の励起ダイオードが生じさせる最大輝度という、二つの原因がある。ＴＦＢは、励起アームとして知られる数本の光ファイバの内部へと伝播していく励起パワーを、信号ファイバとして知られる単一のファイバの中に結合させることを可能とする光学部品である。しかしながら、使用可能な励起アームの本数には理論的な制約がある。現行技術においてはこの値は３１に設定されている。二本のＴＦＢをカスケード接続することにより励起アームの本数を増やすことは可能ではあるが、その場合、使用可能な励起アームの最大本数は４９に限定される。励起アームの本数に、このような制約があることから、使用可能な最大励起パワーにも制約が生じ、それは現行技術の単一のレーザ出射用の励起ダイオードを考慮して、１キロワットに近いものである。ＴＦＢに関するもう一つの制約は、熱的制約である。ＴＦＢは、挿入の際に損失を生じさせる。失われた励起パワーは、そのとき、外装に吸収され、温度を上昇させて、その結果、部品を故障させることがある。通常、ＴＦＢを挿入する際の損失が約０．１ｄＢなら、安全操業のために使用可能な最大励起パワーは約１ｋＷである。最後に、最大励起パワーは、励起ダイオードの輝度によっても制限される。励起ダイオードの輝度を最初に設定する際には、システムを効率的で強力なものにするために、注意深くあるべきである。励起ダイオードには、多量のパワーを伝送できるものもあり、市販されているが、随分と大きな、つまり、６００μｍ以上のデリバリファイバでは、その輝度は低い。このことから、効率的で強力なファイバレーザの開発は、困難なものになっている。
【０００８】
レーザキャビティ主体の構成の、もう一つの欠点は、それによって達成可能なビームの品質である。ＤＣＯＦの内側クラッドの内部へと伝播していく励起パワーは、そのコアの面積と、その内側クラッドの面積との間の比率に比例して吸収される。低輝度励起ダイオードを使えるようにするために、内側クラッドの半径を大きくしなければならないが、それが結果として励起光の吸収を減退させることになる。この効果を相殺するため、ファイバの芯であるコアの半径を大きくしてもよい。残念ながら、この解決策では、光信号のビーム品質が劣化することになる。
【０００９】
最後に、レーザキャビティ主体の構成のもう一つの欠点は、熱管理に関するものである。実際上、ＤＣＯＦには伝播損失があり、それが熱を発生させる。レーザキャビティ輝度変換装置においては、ＤＣＯＦの外側クラッドに低屈折率ポリマーを用いるのが一般的で、それにより、開口数を適切なものにするのであるが、それはシリカでは達成できない。純粋なシリカは、１５００℃からさらに高温にも対応できるが、低屈折率ポリマーで扱えるのはたった約１２０℃までの温度である。それゆえ、励起パワーは、熱で生じる損傷をポリマーが受けないように、ある限度を越えて増大させることはできない。
【００１０】
レーザキャビティ主体の構成に関して上述した制約事項の全ては、ＭＯＰＡを主体とする輝度変換装置の構成にも当てはまる。その上、方式の複雑さから生じる制約事項がさらに幾つもある。第一に、ＭＯＰＡを構成するのは、複数の光増幅器ステージをカスケード接続にしたものなので、レーザキャビティの構成に比べると、さらに費用がかかるのが一般的である。第二に、最適で効率的な操業を行なうためには、光増幅器ステージそれぞれの利得を完全に制御するように特別な注意をしなければならない。第三に、光増幅器ステージそれぞれもまた、光アイソレータを用いて、互いに分離させておかなければならない。しかしながら、目下のところ、数十ワットを越える光パワーを扱えるアイソレータで市販されているものは存在しない。そのようなパワーレベルに届くと、ＭＯＰＡの動作は、アイソレータなしで行なわれ、それが結果的に深刻な故障を引き起こすことになりかねない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
以上に述べた先行技術の欠点、すなわち、使用可能な最大励起パワーの制約、光信号のビーム品質の劣化、熱管理の問題、方式の複雑さと費用の問題などを考慮して、ビーム品質の改善を達成するため、低輝度励起ダイオードが使うことが可能な輝度変換装置が必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の態様の一つとして、二ステージ輝度変換装置が提供される。まず、第一の輝度変換ステージを備え、その第一の輝度変換ステージには、共振器である第一のレーザキャビティが一つあり、その第一のレーザキャビティには、活性イオンを添加した第一の光導波管が一つあって、それが、光吸収を有する第一の光波長帯域と、光吸収及び光利得を有する第二の光波長帯域と、光利得を有する第三の光波長帯域との範囲を限定している。その第一のレーザキャビティを励起する励起パワーの波長は第一の光波長帯域にあり、それにより、第二の光波長帯域で中間光信号を発生する。つぎに、その第一の輝度変換ステージとカスケードを成す第二の輝度変換ステージを備え、その第二の輝度変換ステージには、同じ活性イオンを添加した第二の光導波管がある。その第二の輝度変換ステージを、その中間光信号で励起することにより、その第三の光波長帯域で高輝度光信号が得られる。
【００１３】
本発明のもう一つの態様として提供されるものは、効率を高め熱管理を改善して低輝度励起信号のビーム品質を高め中間光信号を供給するレーザキャビティのある第一の輝度変換ステージと、効率を高め熱管理を改善して、その中間光信号を高輝度光信号に変換する第二の輝度変換ステージとからなる輝度変換装置である。
【００１４】
その二ステージ輝度変換装置が提供されることにより、効率的な熱管理を維持しつつも、低輝度励起ダイオードを用いながらビーム品質の良好な光信号の発生を可能にすることができる。
【００１５】
一つの実施例では、その二ステージ輝度変換装置の第二の輝度変換ステージはレーザキャビティであり、別の実施例では、その二ステージ輝度変換装置の第二の輝度変換ステージで用いる構成は主発振器パワー増幅器（ＭＯＰＡ）を主体とするものである。
【００１６】
特定の例を一つ挙げると、その二ステージ輝度変換装置で総ガラス仕立てのダブルクラッド光ファイバ（ＤＣＯＦ）を用いるというのがある。それらダブルクラッド光ファイバでは、低屈折率ポリマーが用いられていないので、高温に耐えられる。
【００１７】
さらに、その二ステージ輝度変換装置が提供されることにより、非常に低輝度の励起ダイオードを用いることができる。したがって、先行技術の技法と比べると、二ステージ輝度変換装置を用いることで、使用可能な励起パワーの上限を上げることができる。
【００１８】
その輝度変換装置が提供されることにより、単一励起源も使用可能となるので、励起パワー用に必要な着手点は一箇所だけで済み、テーパファイバ束（ＴＦＢ）も、その他の励起コンバイナも一切、不要となる。
【００１９】
本発明のもう一つの態様として、二次励起パワー発生のための励起発生装置が提供される。その励起発生装置は、活性イオンを添加した光導波管が一本付いたレーザキャビティ一つからなるものである。その光導波管には、光吸収を有する第一の光波長帯域が一つ、光吸収と光利得を有する第二の光波長帯域が一つ、そして光利得を有する第三の光波長帯域が一つある。その励起発生器にはまた、第一の光波長帯域で一次励起パワーを発生させるための、レーザキャビティに結合させた励起源も一つあり、それにより、そのレーザキャビティを励起して、その第二の光波長帯域で二次励起パワーを発生するようになっている。その光導波管は、その二次励起パワーが、その光導波管の中をマルチプルモードで伝播するように、その二次励起パワーに対応する波長でマルチモードになっている。
【００２０】
本発明のさらにもう一つの態様として提供するものは、高輝度光信号発生方法である。その方法の手順は、
ｉ）  活性イオンを添加した第一の光導波管を備え、その第一の光導波管が、光吸収を有する第一の光波長帯域と、光吸収及び光利得を有する第二の光波長帯域と、光利得を有する第三の光波長帯域との範囲を限定しているレーザキャビティを励起パワーで励起すること。その励起パワーはその第一の光波長帯域に波長がある。
ｉｉ）  その励起の結果として、そのレーザキャビティの中のその第二の光波長帯域の中に中間光信号を発生させること。
ｉｉｉ）  その同じ活性イオンを添加した第二の光導波管を、その中間光信号で励起させること。
ｉｖ）  その中間光信号での励起の結果として、その第二の光導波管の内部で、その第三の光波長帯域内に高輝度光信号を得ること。
ｖ）  その第二の光導波管からその高輝度光信号を出力すること。
というものである。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】レーザキャビティ二つのカスケードを主体とする二ステージ輝度変換装置の図解である。
【図２】ダブルクラッド光ファイバ（ＤＣＯＦ）の一般的な一例の断面図である。
【図３】図１の輝度変換装置における、励起ダイオードのデリバリファイバ、第一の輝度変換ステージの光導波管、及び第二の輝度変換ステージの光導波管の相対的寸法を示す図解である。
【図４】希土類イオン・イッテルビウムの出射横断面と吸収横断面を示すグラフである。
【図５】一例としての輝度変換装置の第一の輝度変換ステージにおける添加済みの光導波管に沿ったパワー分布を示すグラフである。
【図６】一例としての輝度変換装置の第一の輝度変換ステージにおける添加済みの光導波管に沿った反転分布を示すグラフである。
【図７】一例としての輝度変換装置の第一の輝度変換ステージにおける添加済みの光導波管の真性利得スペクトル密度を示すグラフである。
【図８】一例としての輝度変換装置の第二の輝度変換ステージにおける添加済みの光導波管に沿ったパワー分布を示すグラフである。
【図９Ａ】モード・フィールド・アダプタ（ＭＦＡ）一つで分かたれたレーザキャビティ二つを一つのカスケードにしたものを主体とする二ステージ輝度変換装置を示す図解である。
【図９Ｂ】モード・フィールド・アダプタ（ＭＦＡ）の一例を示す図解である。
【図１０Ａ】カスケード接続した複数の光増幅器を用いるＭＯＰＡを主体とする輝度変換装置を示す図解である。
【図１０Ｂ】図１０Ａの輝度変換装置のカスケードの複数の光増幅器のうちの一つをさらに詳細に示す図解である。
【００２２】
添付図面全てにおいて、同様の特徴は同様の符号で示していることに留意されたい。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
具体的な実施例の説明をする前に、輝度の定義を思い出さねばならない。光源の輝度は、Ｗ／（ｓｒ．ｍ2）で表され、それは以下のように定義される。
【数１】
2012516040.tif 000003
ここに、Ｐは、大きさＡの領域からの出射パワーであり、ＮＡは開口数である。
【００２４】
現行技術の励起ダイオードは、２０Ｗ程度のパワーを、コア径が約１００μｍでＮＡが約０．１５の光ファイバの中に送り込むのが一般的である。これにより、現行技術の励起ダイオードには一般的な３．６×１０10Ｗ／（ｓｒ．ｍ2）の輝度Ｂが得られる。直径が約６００μｍでＮＡが約０．２２の光ファイバの中に約５００Ｗを送り込む低輝度励起ダイオードについては、輝度はむしろ１．１×１０10Ｗ／（ｓｒ．ｍ2）である。低輝度励起ダイオードは、一般に、送り込むパワーがもっと大きいが、輝度では妥協せざるを得ず、それが、単一ステージ輝度変換装置を使用する際の主な問題である。
【００２５】
図面に目を転ずると、図１で示す二ステージ輝度変換装置１００は、それぞれがレーザキャビティ一つからなる第一の輝度変換ステージ１０２と第二の輝度変換ステージ１０４とのカスケードを主体とするものである。図１のあちらこちらに現れる記号「ｘ」は、部品相互間の融着接続を示すものであることに留意されたい。
【００２６】
第一の輝度変換ステージ１０２の励起に用いられる低輝度の励起ダイオード１０６は、デリバリファイバ１０８で得られる励起パワーＡを発生するものである。第一の輝度変換ステージ１０２で利得媒質として用いられるのは、希土類添加のダブルクラッド光ファイバ（ＤＣＯＦ）１１０であり、より具体的にはイッテルビウム添加シリカのＤＣＯＦである。反射率の高いファイバブラッグ格子（ＦＢＧ）１１２を、ＤＣＯＦ１１０の入力に融着接続し、反射率の低いＦＢＧ１１４をＤＣＯＦ１１０の出力に融着接続することにより、レーザキャビティを一つ形成する。デリバリファイバ１０８をＦＢＧ１１２に融着接続して励起パワーＡを第一の輝度変換ステージ１０２に注入する。第一の輝度変換ステージ１０２で励起パワーＡを用いて中間光信号Ｂを発生する。中間光信号Ｂは、ＦＢＧ１１４の出力で得られる。
【００２７】
第二の輝度変換ステージ１０４は、中間光信号Ｂを第一の輝度変換ステージ１０２から受信し、それを励起するものとして用いて高輝度光信号Ｃを発生する。第一の輝度変換ステージ１０２と同様に、第二の輝度変換ステージ１０４には、利得媒質として用いられる希土類添加のＤＣＯＦ１２０がある。ＤＣＯＦ１２０で用いられる希土類イオンは、ＤＣＯＦ１１０で用いられるものと同じで、つまりイッテルビウムである。ＤＣＯＦ１２０もまたシリカを主体とするものである。反射率の高いＦＢＧ１２２をＤＣＯＦ１２０の入力に融着接続し、反射率の低いＦＢＧ１２４をＤＣＯＦ１２０の出力に融着接続することにより、レーザキャビティを一つ形成する。第二の輝度変換ステージ１０４を第一の輝度変換ステージ１０２に融着接続して、第一の輝度変換ステージ１０２から中間光信号Ｂを受信する。発生された高輝度光信号Ｃは、ＦＢＧ１２４の出力で得られる。
【００２８】
本明細書全体を通じて、利得媒質中の添加物であるドーパントとして用いられる希土類イオン・イッテルビウムに言及する。しかしながら、イッテルビウムはここでは一例として用いられること、そして、エルビウムのような他のイオンもしくは他の一切の活性イオンもまた用いてよいことに留意すべきである。
【００２９】
低輝度励起ダイオード１０６は、６００μｍもしくはそれ以上のコア径の大きい光ファイバの中で数百ワットの励起パワーＡを発生するのが一般的である。このような低輝度励起ダイオードを用いると、この二ステージ輝度変換装置１００で必要なのは励起ダイオード１０６が一つだけでよくなるのだから、テーパファイバ束（ＴＦＢ）も必要なくなる。これは、背景技術の説明で論じた、この部品につきまとう問題の少なくとも幾つかに同時に対処するものである。イッテルビウムを添加したシリカ・ファイバを考慮すると、励起ダイオード１０６の波長は、９１５〜９７６ｎｍの波長帯域にある。９１５〜９７６ｎｍの波長帯域で励起する方がより効率的ではあるが、イッテルビウム添加の光ファイバの中での励起吸収も、約８８０〜９８５ｎｍに及ぶ波長帯域にわたって可能であることに留意すべきである。
【００３０】
第一の輝度変換ステージ１０２は、波長λ1でレーザ出射を発生するように構想されており、これを中間光信号Ｂと呼ぶ。以下に説明するように、中間光信号Ｂの波長λ1の選択は、この場合、約１０２０〜１０３０ｎｍの中間光波長帯域で行なわれる。ＦＧＢ１１２とＦＢＧ１１４は、両方とも、λ1のところにピーク反射率があって、レーザキャビティがこの波長でレーザとして使えるようになっており、ＦＢＧ１１２及び１１４の構想には特別な注意をして、マルチモードＤＣＯＦ１１０が支える光モードすべてがＦＢＧ１１２と１１４により確実に反射されるようにする。
【００３１】
第一の輝度変換ステージ１０２は、第二の輝度変換ステージ１０４での励起として用いる光信号を発生するために用いられるので、励起発生器と呼ばれることもあることに留意すべきである。
【００３２】
第二の輝度変換ステージ１０４で受信する中間光信号は、第一の輝度変換ステージ１０２の出力で得られるもので、それを励起として用いる。第二の輝度変換ステージ１０４は、波長λ2でレーザ出射が行なわれるように構想される。このレーザ出射は高輝度でビーム品質も高く、以下、本文中では、高輝度光信号Ｃと呼ぶ。以下に説明するように、この場合、波長λ2は、１０８０ｎｍと選択される。ＦＧＢ１２２とＦＢＧ１２４は両方ともλ2にピーク反射率があり、それにより、レーザキャビティを形成し、λ2へのレーザの波長を安定させるようになっている。第一の輝度変換ステージ１０２と第二の輝度変換ステージ１０４は両方とも利得媒質としてイッテルビウム添加のシリカのＤＣＯＦを用いているが、ＤＣＯＦ１１０とＤＣＯＦ１２０は寸法と特性が互いに異なることに留意すべきである。
【００３３】
ＤＣＯＦ１１０とＤＣＯＦ１２０の具体的な寸法を論ずる前に、一般的なＤＣＯＦが図２に図解されている。ＤＣＯＦは、二本の光導波管、すなわち信号導波管とマルチモード励起導波管を重ね合わせたものと見てもよい。ＤＣＯＦを構成するのは、活性イオンを添加したコア２０２と、内側クラッド２０４と、外側クラッド２０６とジャケット２０８である。信号導波管は、コア２０２と、内側クラッド２０４とからなり、内側クラッド２０４を用いて信号がコア２０２の中に導き入れられるようになっている。マルチモード励起導波管は、内側クラッド２０４と外側クラッド２０６とからなっている。外側クラッド２０６を用いて、励起パワーが内側クラッド２０４の中に導き入れられるようになっている。ジャケット２０８は外側クラッド２０６を取り囲んでいる。そこで、ＤＣＯＦは、励起導波管の中を伝播する低輝度でビーム品質の劣悪なマルチモード励起パワーを、信号導波管の中へと伝播していく高輝度でビーム品質の高い信号に変換することができる。その励起パワーをその励起導波管に注入し、その伝播中に、その励起パワーが、その信号導波管と重なるところで、それがその活性イオンに吸収される。最後に、信号導波管の中に向かっての誘導出射がおきる。
【００３４】
図３は、励起ダイオード１０６（図３には示さず）のデリバリファイバ１０８と、第一の輝度変換ステージ１０２（図３には示さず）のＤＣＯＦ１１０と、第二の輝度変換ステージ１０４（図３には示さず）のＤＣＯＦ１２０の相対的寸法を示すものである。デリバリファイバ１０８には、コア３０２とクラッド３０４がある。ＤＣＯＦ１１０には、コア３１２と、内側クラッド３１４と、外側クラッド３１６がある。ＤＣＯＦ１２０には、コア３２２と、内側クラッド３２４と、外側クラッド３２６がある。ＦＢＧ１１２とＦＢＧ１１４の寸法は、ＤＣＯＦ１１０に適合するものであり、ＦＢＧ１２２とＦＢＧ１２４の寸法は、ＤＣＯＦ１２０に適合するものであることに留意すべきである。ＦＢＧ１１２、１１４、１２２及び１２４が図３に示されていないのは、その方が分かりやすいからである。
【００３５】
デリバリファイバ１０８で得られる励起パワーＡを、ＤＣＯＦ１１０の内側クラッド３１４に結合する。ＤＣＯＦ１１０は、内側クラッド３１４の直径がデリバリファイバ１０８のコア３０２の直径に適合し、最適な結合が実現されるように構想されている。一つの実施例において、この直径を６００μｍとする。コア３１２の直径は、およそ１００μｍ以上の大きさ程度のものである。それゆえ、ＤＣＯＦ１１０の動作はマルチモードで行なわれる。ＤＣＯＦ１１０のコア３１２の直径は、デリバリファイバ１０８のコア３０２の直径よりも小さいので、中間光信号Ｂの輝度は、励起パワーＡと比べると改善されている。
【００３６】
さらに、ＤＣＯＦ１２０の内側クラッド３２４の直径は、ＤＣＯＦ１１０のコア３１２の直径に適合するように構想されている。内側クラッド３２４の面積とコア３２２の面積との間の比率を数十％とすることで、コア３２２の直径を、ＤＣＯＦ１２０のシングルモード稼働が確実に行なえるようにできるだけの小ささに保つことができる。そのシングルモード稼働でもたらされる高輝度光信号Ｃは、回折が限定されたものである。むしろマルチモードＤＣＯＦ１２０の方を用いてもよいが、その出力で回折限界ビームが得られるようにするためには、シングルモード体制でＤＣＯＦ１２０を作動させる際に、特に幾らかの注意をする必要があることに留意すべきである。わずかではあるが、第二の輝度変換ステージのマルチモード動作もまた可能ではある。
【００３７】
以上に説明した実施例のＤＣＯＦ１１０とＤＣＯＦ１２０のパラメータにより、ＤＣＯＦ１１０とＤＣＯＦ１２０の両方に、総ガラス仕立ての光ファイバが使用可能となることに留意すべきである。しかしながら、低屈折率ポリマーかシリコンを用いたＤＣＯＦも依然として使ってよいことに留意すべきである。また、以上に説明した寸法は一例として示すものであり、他のいかなる応用にも適合させるために変化させてよいことに留意すべきである。
【００３８】
二ステージ輝度変換装置がこのように提供されたことで、そこで使用する光導波管の特性の選択に柔軟性をもたせることができる。複数のＤＣＯＦを使用する際には、第二の輝度変換ステージのＤＣＯＦ１２０の内側クラッド３２４が大きくなりすぎないようにしつつ、第二の輝度変換ステージのＤＣＯＦ１２０の中でのコア吸収を最大化するために、第一の輝度変換ステージのＤＣＯＦ１１０のコア３１２の開口数（ＮＡ）と直径の選択を注意深く行なうことが考えられる。その場合、第二の輝度変換ステージのＤＣＯＦ１２０のコア３２２が、第二の輝度変換ステージにおけるシングルモード稼働を行なうのに大きくなりすぎないようにして、回折の限定された出力ビームがもたらされることが考えられる。
【００３９】
図４は、希土類イオン・イッテルビウムの吸収横断面４１０と出射横断面４２０を示すものであり、図１の二ステージ輝度変換装置１００の動作を説明するのに用いる。吸収横断面４１０と出射横断面４２０は、光利得に関係しており、そのような横断面を調べることで、レーザキャビティ内部で信号がどのように増幅されるかにつき、洞察が得られる。図４は、また、第一の光波長帯域４３１と、第二の光波長帯域４３２と、第三の光波長帯域４３３とに対応する、後述する三つのスペクトル波長帯域を示すものでもある。第一の光波長帯域４３１は、約９１５〜９７６ｎｍの間の広がりをもち、光吸収波長帯域に対応するものである。第二の光波長帯域４３２は、約１０２０〜１０３０ｎｍの間の広がりをもち、そこでは吸収と利得の両方が起こりうる。第三の光波長帯域４３３は、おおよそ１０８０ｎｍぐらいの広がりをもち、光利得波長帯域に対応するものである。
【００４０】
単一ステージ輝度変換装置においては、吸収横断面が最高となる９１５〜９７６ｎｍの間に広がる第一の光波長帯域４３１で励起を行なうのが一般的である。そのレーザ波長は、その場合、第三の光波長帯域４３３、すなわち１０８０ｎｍ周辺に設定される。
【００４１】
しかしながら、１０８０ｎｍ周辺に広がる第三の光波長帯域がそうであるように、１０２０〜１０３０ｎｍの間に広がる第二の光波長帯域４３２で、その吸収横断面は無視できないことは覚えていてよい。第二の光波長帯域４３２においては、吸収と利得の両方が可能である。この知見は、この波長帯域を具体的に使用する二ステージ輝度変換装置１００のために重要である。第一の輝度変換ステージ１０２は、第一の光波長帯域４３１の波長、すなわち９１５〜９７６ｎｍの間で低輝度励起ダイオード１０６を用いて励起され、第二の光波長帯域４３２の波長、すなわち約１０２０〜１０３０ｎｍの間に波長のある中間光信号Ｂを発生するように構想されている。励起パワーＡは、添加済みＤＣＯＦ１１０の内側クラッド３１４の中を伝播する（図３参照）。第二の光波長帯域４３２で発生される中間光信号Ｂは、コア３１２の中を伝播する（図３参照）。第二の光波長帯域４３２にある中間光信号Ｂの輝度は、励起パワーＡに比べると、改善されている。第二の光波長帯域４３２における吸収は無視できないので、その第一の輝度変換ステージ１０２により発生される中間光信号Ｂを用いて第二の輝度変換ステージ１０４を励起し、第三の光波長帯域４３３において高輝度光信号Ｃを発生してもよい。さらに、第一の輝度変換ステージ１０２で輝度を改善すると、ＤＣＯＦ１２０のファイバコアの大きさを、第三の光波長帯域４３３でのシングルモード稼働に十分な程の小ささ、すなわち１０８０ｎｍに保つことができる。それゆえ、第二の輝度変換ステージ１０４では、ＤＣＯＦ１２０のシングルモード稼働のおかげで、回折限界ビームを伴うレーザ信号が１０８０ｎｍで発生される。
【００４２】
上記のとおり、９１５〜９７６ｎｍの波長帯域における励起がより効率的ではあるものの、約８８０〜９８５ｎｍにかけてのより大きな波長帯域にわたって、イッテルビウム添加の光ファイバでの励起吸収を行なうのも可能である。したがって、第一の光波長帯域４３１を、この範囲にまで広げてもよい。同様に、第二の光波長帯域４３２もまた、吸収と利得の両方が存在する約１０００〜１０５０ｎｍのところに広げてもよい。第三の光波長帯域４３３もまた、効率的な利得が生じうる約１０６０〜１１００ｎｍのところに広げてもよい。
【００４３】
二ステージ輝度変換装置１００は、ファイバレーザの熱管理に関する制約事項の少なくとも幾つかに対処するものである。第一に、ほとんどの場合、添加済みＤＣＯＦ１１０及び１２０を総ガラス仕立てにして、低屈折率ポリマーを一切不要にしてもよい。レーザキャビティを主体とする単一ステージ輝度変換装置では、添加済みＤＣＯＦでは低屈折率ポリマーを用いるのが一般的で、それにより、励起導波管のＮＡを増大させ、約０．４６のテーパファイバ束（ＴＦＢ）のデリバリファイバのＮＡに適合させている。しかしながら、市販されている低輝度励起ダイオードのほとんどは、デリバリファイバのＮＡが０．２２に近く、この実施例ではＴＦＢを使っていないので、０．２２というＮＡは、低屈性率のガラスを用いたＤＣＯＦ１１０で達成してよい。ＤＣＯＦ１１０及び１２０の構想において低屈折率ポリマーの使用を回避することにより、熱障害に関連する問題は取り除かれる。
【００４４】
さらに、二ステージ輝度変換装置１００によりもたらされた改善された熱管理は、上述した先行技術の構成に優るものである。単一ステージ輝度変換装置の量子効率は、８５％〜９０％の間で変化する。図１の二ステージ輝度変換装置１００について言うと、量子効率は、第一の輝度変換ステージ１０２については８８％〜９５％までの間、第二の輝度変換ステージ１０４については８８％〜９４％までの間で変化することになるのが一般的である。量子効率が高まれば、発生熱が低下するので、１０２と１０４の各輝度変換ステージで発生熱の低下が達成される。第一の輝度変換ステージ１０２で、発生熱のさらに一層の低下が達成されるのは、ＤＣＯＦ４１０のコア径が、一般に１００μｍに近いか、それ以上の大きさだからである。熱の発生は、コア半径の二乗に反比例するので、発生熱は第一の輝度変換ステージ１０２で低下が達成される。
【００４５】
ＦＢＧ１１２及び１１４の製造に用いられる光ファイバのコアの直径は、一般的には１００μｍ程度の大きさのＤＣＯＦ１１０のコアの直径に適合すべきものであることに留意すべきである。そのような大きなコアを通してＦＢＧの書き込みを均一に行なうのは難しくなることがあることには留意すべきではある。しかしながら、不均一な刻印が様々なモードの反射を不平等にすることになっても、その結果は、単にＦＢＧの効率が低下するだけなので、ＦＢＧの書き込みをコアを通して均一に行なうことは必須ではないことに留意すべきである。
【実施例】
【００４６】
図１により、二ステージ輝度変換装置の具体的な構想の一例を、これから説明する。以下に具体的に述べる輝度変換装置のパラメータは説明のためのものに過ぎず、そのような二ステージ輝度変換装置の構想は、他にも多く考えられることを理解されたい。
【００４７】
輝度変換装置の第一の輝度変換ステージ１０２の構想は、第二の光波長帯域の中で、つまり、１０２０〜１０３０ｎｍの間のレーザ出射を実現するために、注意して行なわなければならない。第一の輝度変換ステージ１０２の構想は、効率の高いレーザ出射を実現するため、第二の光波長帯域の中での利得スペクトル密度を最大にすることを目指して行なわなければならない。
【００４８】
第二の光波長帯域の中での、つまり、１０２０〜１０３０ｎｍの間での、それほど効率の高いレーザ出射は、第一の輝度変換ステージ１０２のＤＣＯＦ１０２の中での反転分布を強くすることで実現される。望ましい強度の反転分布を実現するため、キャビティを短くし、内側クラッド直径に対するコア径の比率を大きくして、励起パワーの吸収が強くなるようにする。
【００４９】
励起パワーの吸収を強くするために、ＤＣＯＦへの添加を強めたくなるかもしれない。しかしながら、ガラス基材に添加する希土類イオンを余り多くすると、ガラス基材を結晶化させてしまうことになり、その結果、背景損失を増大させかねないことに留意すべきである。イッテルビウムの場合には、３×１０26から６×１０26個のイオン／ｍ3の濃度が許容可能である。この例では、ファイバの長さが１メートルで、３×１０26個のイオン／ｍ3の濃度が用いられている。
【００５０】
つぎに、効率的なレーザキャビティが得られるようにするためには、励起パワーの波長の選択が重要である。図４に見られるように、イッテルビウム添加の光ファイバの典型的な励起帯域に対応する第一の光波長帯域の広がりは、９１５〜９７６ｎｍの間にある。励起の波長がレーザ出射の波長に近ければ近いほど、それだけ一層、レーザが効率的になることに留意すべきである。しかしながら、この波長では吸収帯域幅がとても狭いので、９７６ｎｍに近い励起波長ともなると、波長が極めて安定した励起レーザダイオードが必要となる。この理由で、むしろ９６５ｎｍという励起波長が選択される。
【００５１】
コア径が４００μｍ及びＮＡが０．２２のデリバリファイバの中を９６５ｎｍで１０００Ｗのパワーを搬送する低輝度励起ダイオードは、例えばドイツにあるＬａｓｅｒｌｉｎｅ  ＧｍｂＨという会社から入手可能であろう。そのような励起ダイオードの輝度は、５×１０10Ｗ／（ｓｒ．ｍ2）である。
【００５２】
そこで、典型的な低輝度レーザダイオードのデリバリファイバの直径に適合させるため、内側クラッドの直径は４００μｍとし、コアの直径は１００μｍとするものであり、これは、コアと内側クラッドとの直径の比が０．２５となる。
【００５３】
最後に、レーザ波長は１０２７ｎｍに設定する。
【００５４】
図５〜７は、上記に説明した構想による第一の輝度変換ステージ１０２のシミュレーションの結果を示すものである。そのシミュレーションを行なうにあたって、そのレート方程式の数理的モデル化を用いる（非特許文献３）。
【００５５】
．）．図５は第一の輝度変換ステージ１０２のＤＣＯＦ１１０に沿ったパワー分布を示し、図６はＤＣＯＦ１１０に沿った反転分布を示し、図７はＤＣＯＦ１１０の真性利得スペクトル密度を示す。図６に見えるように、その反転分布は５０％に近いが、それは１０８０ｎｍ周辺の波長で出射する従来のダブルクラッドファイバレーザに一般的に用いられる反転の二倍から三倍強力である。図７に示されているように、第一の輝度変換ステージ１０２の最大真性利得は、約１０２０ｎｍの波長で達成されるが、それは１０２７ｎｍのレーザ波長に近い。最大真性利得とそのレーザ波長の間が良好であれば、その結果、９３％という良好なレーザ効率が得られ、それは図５で見て取れる。
【００５６】
ここで、第二の輝度変換ステージ１０４は、中間光信号Ｂを１０２７ｎｍで高輝度光信号Ｃに変換する。第二の輝度変換ステージ１０４のＤＣＯＦ１２０の内側クラッドの直径は、第一の輝度変換ステージ１０２のＤＣＯＦ１１０のコアの直径に適合するように選択される。したがって、第二の輝度変換ステージ１０４の内側クラッドの直径は１００μｍである。回折が制限された高輝度光信号Ｃを得るために、ＤＣＯＦ１０４は、シングルモードとなるように構想される。コアの直径は１５μｍで開口数は０．０８なので、その結果、ｖ−ナンバは３．５となり、これはＤＣＯＦ１２０のシングルモード稼働用の２．４０５に十分に近い。イッテルビウム濃度を３×１０26個のイオン／ｍ3に等しくすれば、背景損失を許容可能なレベルにとどめつつ、良好なレーザ効率が得られる。
【００５７】
図８は、上記に説明した構想による第二の輝度変換ステージ１０４のシミュレーションの結果を示すものである。またしても、そのシミュレーションを行なうにあたって、そのレート方程式の数理的モデル化を用いる。それは、ＤＣＯＦ１２０に沿ったパワー分布を示す。第二の輝度変換ステージ１２０で８０％の効率が観察されるということは、全体的なレーザ効率は７５％ということになる。
【００５８】
この例での二ステージ輝度変換装置が発生するパワーは７５０Ｗであり、そこから得られる輝度はＮＡの値０．０８に対して２×１０14Ｗ／（ｓｒ．ｍ2）を越えるものである。これは、励起パワーＡから高輝度光信号Ｃに４０００倍を越える倍率で輝度が改善されているということに相当する。
【００５９】
図９Ａは、図１の二ステージ輝度変換装置１００からの変化を示す。図９Ａの二ステージ輝度変換装置９００は、図１の輝度変換装置１００とほとんど同じなので、似たような部品の説明は繰り返さない。二ステージ輝度変換装置９００を構成するのは、励起ダイオード９０６と、ＤＣＯＦ９１０が付いた第一の輝度変換ステージ９０２とＤＣＯＦ９２０が付いた第二の輝度変換ステージである。二ステージ輝度変換装置９００には、さらにもう一つの部品、すなわちモード・フィールド・アダプタ（ＭＦＡ）９３０が付いていて、それは、第一の輝度変換ステージ９０２と第二の輝度変換ステージ９０４との間に挿入されている。
【００６０】
幾つかの実施例では、励起ダイオード９０６の輝度が余りにも不十分で、第二の光波長帯域でのレーザ照射効果を最適にするためには、第一の輝度変換ステージ９０２のＤＣＯＦ９１０の内側クラッドの直径を大きくしなければならないことがある。このような場合に限っては、ＤＣＯＦ９１０の内側クラッドの面積とＤＣＯＦ９２０のコアの面積との間の比率を減少させ、均一になるよりは小さくして、ＤＣＯＦ９２０におけるパワーの吸収が減少するようにする。解決策として一つ考えられるのは、ＤＣＯＦ９２０のコアの直径を大きくすることであるが、その場合、結果としてＤＣＯＦ９２０が望ましくないマルチモード稼働をする恐れがある。この問題を克服するため、ステージ９０２と９０４の間にＭＦＡ９３０を挿入する。ＭＦＡ９３０を詳細に示す図９Ｂに見られるように、ＭＦＡは光ファイバの断面であり、その直径が次第に小さくなるものである。それは、直径の大きな光ファイバと、それよりは直径の小さい光ファイバとの間の緩衝域に匹敵しうるものである。通常は、二つの直径が十分に近ければ、このような調節をしても、挿入の際の損失もひどくはない。
【００６１】
直径の大きなデリバリファイバの付いた励起ダイオードの場合、励起ダイオードと第一の輝度変換ステージのＤＣＯＦとの間に、他の選択肢として、もしくは、追加的に、ＭＦＡを挿入してもよいことに留意すべきである。これにより、第一の輝度変換ステージのＤＣＯＦの内側クラッドの直径を小さいままにしておくことができる。
【００６２】
図１０Ａと１０Ｂは、輝度変換装置１０００のもう一つの実施例を示すものであり、複数のカスケード接続された主発振器パワー増幅器（ＭＯＰＡ）を主体とするものである。図１ＯＡの輝度変換装置では、１０８０ｎｍでのシードレーザ１００２を増幅するのは、複数の光アイソレータ１００８によって分離された光増幅器１００４、１００６を一つのカスケード接続にしたものである。光増幅器の数は変わることがあることに留意すべきである。輝度変換装置１０００は、主に、図１０Ｂに示された光増幅器１００４及び１００６のそれぞれに用いる構成により、現行技術のＭＯＰＡとは異なるものになる。光増幅器１００４及び１００６のそれぞれに第一の輝度変換ステージ１０１０と第二の輝度変換ステージ１０２０がある。第一の輝度変換ステージ１０１０は、第二の輝度変換ステージ１０２０を励起するのに用いられる１０２０〜１０３０ｎｍの帯域での波長で励起パワーを発生する。第二の輝度変換ステージ１０２０を構成するのは、第一の輝度変換ステージ１０１０で発生される励起パワーを用いてシードレーザ１００２を増幅する光増幅器一つである。
【００６３】
第一の輝度変換ステージ１０１０を構成するＤＣＯＦ１０１２には、活性イオン、この場合イッテルビウムが添加されており、これを低輝度の励起ダイオード１０１４を用いて励起する。反射率の高いＦＢＧ１０１６と低いＦＢＧ１０１８とを用いてレーザキャビティを形成し、レーザの出射波長を１０２０〜１０３０ｎｍ波長帯域にあるλ1で安定化する。波長λ1でのレーザ効果のおかげで、図１の輝度変換装置１００の第一の輝度変換ステージにおけるように、第一の輝度変換ステージ１０１０でビーム輝度が改善される。第一の輝度変換ステージ１０１０で発生された励起パワーを用いて第二の輝度変換ステージ１０２０を励起する。第二の輝度変換ステージ１０２０はＭＯＰＡであり、活性イオン、この場合イッテルビウムが添加されたＤＣＯＦ１０２２からなるものである。その励起パワーをＤＣＯＦ１０２２、励起コンバイナ１０２４に結合する。第一の輝度変換ステージ１０１０から得られるビーム輝度の改善のおかげで、ＤＣＯＦ１０２２をシングルモードで稼働させてもよく、その結果、シードレーザ１００２の増幅が最適となる。図１の実施例におけるように、図１０ＡのＭＯＰＡ構成で二ステージ輝度変換装置を用いることにより、励起パワーの制約を克服することができるのは、一般的に、励起ダイオードよりも大きなパワーをさらに輝度を向上させて搬送できる複数の低輝度励起ダイオードを用いるからである。さらに、図１の実施例におけるように、総ガラス仕立ての複数のＤＣＯＦを図１０Ａの輝度変換装置で用いることにより、先行技術の構成に比べて熱管理を改善させることも考えられる。最後に、図１０Ａの構成もまた、ＴＦＢを使う必要のないものである。むしろ単一の励起コンバイナを用いて、ＴＦＢを使うことに関連する制約事項の少なくとも幾つかに対処する。
【００６４】
ここに説明した実施例では、光ファイバを導波管として用いるが、平面光導波管等、他のどのようなタイプの光導波管も使ってよいことに留意すべきである。
【００６５】
ファイバブラッグ格子（ＦＢＧ）もまた、代わりに、例えば薄膜フィルタのような他の波長の特殊な反射鏡を使ってもよい。
【００６６】
ここではイッテルビウムを添加した光ファイバに言及しているが、他の活性イオンを添加物であるドーパントとして使ってもよいことに留意すべきである。例えばエルビウムは、９８０ｎｍもしくは１４８０ｎｍの周辺で吸収を有する第一の光波長帯域、１５２０〜１５５０ｎｍの間で吸収と利得の両方が起きる第二の光波長帯域、そして１５５０〜１６００ｎｍの間で利得を有する第三の光波長帯域を示すので、使ってよいイオンである。そこでエルビウムを第一の輝度変換ステージで使って９８０ｎｍでの低輝度励起ダイオードから１５２０〜１５５０ｎｍ波長帯域で中間励起を発生させ、その中間励起で励起される第二の輝度変換ステージで、１５５０〜１６００ｎｍ波長帯域で信号を発生させるために用いてもよい。
【００６７】
ここで説明した実施例では、単一ハイパワー低輝度励起ダイオードを励起源として用いている。しかしながら、その代わりに、複数の励起ダイオードを、それぞれもっと低い励起パワーで励起コンバイナを用いて組み合わせて使用することも依然として可能であることに留意すべきである。
以上に説明した実施例は、例示を意図したものに過ぎない。それゆえ、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によってのみ制限されることを意図している。
【符号の説明】
【００６８】
Ａ        励起パワー
Ｂ        中間光信号
Ｃ        高輝度光信号
ＴＦＢ    テーパファイバ束
１００    二ステージ輝度変換装置
１０２    第一の輝度変換ステージ
１０４    第二の輝度変換ステージ
１０６    励起ダイオード
１０８    デリバリファイバ
１１０    ダブルクラッド光ファイバ（ＤＣＯＦ）
１１２    ファイバブラッグ格子（ＦＢＧ）
１１４    ファイバブラッグ格子（ＦＢＧ）
１２０    ダブルクラッド光ファイバ（ＤＣＯＦ）
１２２    ファイバブラッグ格子（ＦＢＧ）
１２４    ファイバブラッグ格子（ＦＢＧ）
２０２    コア
２０４    内側クラッド
２０６    外側クラッド
２０８    ジャケット
３０２    コア
３０４    クラッド
３１２    コア
３１４    内側クラッド
３１６    外側クラッド
３２２    コア
３２４    内側クラッド
３２６    外側クラッド
４１０    吸収横断面
４２０    放射横断面
４３１    第一の光波長帯域
４３２    第二の光波長帯域
４３３    第三の光波長帯域
９００    二ステージ輝度変換装置
９０２    第一の輝度変換ステージ
９０４    第二の輝度変換ステージ
９０６    励起ダイオード
９１０    ダブルクラッド光ファイバ（ＤＣＯＦ）
９２０    ダブルクラッド光ファイバ（ＤＣＯＦ）
９３０    モード・フィールド・アダプタ（ＭＦＡ）
１０００  輝度変換装置
１００２  シードレーザ
１００４  光増幅器
１００６  光増幅器
１００８  光アイソレータ
１０１０  第一の輝度変換ステージ
１０１２  ダブルクラッド光ファイバ（ＤＣＯＦ）
１０１４  励起ダイオード
１０１６  ファイバブラッグ格子（ＦＢＧ）
１０１８  ファイバブラッグ格子（ＦＢＧ）
１０２０  第二の輝度変換ステージ
１０２２  ダブルクラッド光ファイバ（ＤＣＯＦ）
１０２４  励起コンバイナ
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００６９】
【非特許文献１】Ａ．Ｌｉｅｍ  ｅｔ  ａｌ．，“１．３ｋＷ  Ｙｂ−ｄｏｐｅｄ  ｆｉｂｅｒ  ｌａｓｅｒ  ｗｉｔｈ  ｅｘｃｅｌｌｅｎｔ  ｂｅａｍ  ｑｕａｌｉｔｙ”（「１．３ｋＷ  高品質ビームイッテルビウム添加ファイバレーザ」）Ｐｒｏｃ．  ｏｆ  ＣＬＥＯ  ２００４，ＣＰＤＤ２，Ｖｏｌ．２，ｐｐ．１０６７−１０６８，（２００４）
【非特許文献２】Ｙ．Ｊｅｏｎｇ，Ｊ．Ｋ．Ｓａｈｕ  ｅｔ  ａｌ，“Ｙｔｔｅｒｂｉｕｍ−ｄｏｐｅｄ  ｌａｒｇｅ−ｃｏｒｅ  ｆｉｂｅｒ  ｌａｓｅｒ  ｗｉｔｈ  １．３６ｋＷ  ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ−ｗａｖｅ  ｏｕｔｐｕｔ  ｐｏｗｅｒ”（「連続波出力パワーが１．３６ｋＷのイッテルビウム添加大口径ファイバレーザ」），Ｏｐｔｉｃｓ  Ｅｘｐｒｅｓｓ，Ｖ．１２  ｎｏ．２５，ｐｐ  ６０８８−６０９２、（２００４）
【非特許文献３】Ｍｉｃｈｅｌ  Ｊ．Ｆ．Ｄｉｇｏｎｎｅｔ，“Ｒａｒｅ−Ｅａｒｔｈ−Ｄｏｐｅｄ  Ｆｉｂｅｒ  Ｌａｓｅｒｓ  ａｎｄ  Ａｍｐｌｉｆｉｅｒｓ”（「希土類添加ファイバレーザと増幅器」）２ｎｄ  Ｅｄｉｔｉｏｎ，Ｍａｒｃｅｌ  Ｄｅｋｋｅｒ  Ｉｎｃ．，２００１，ｐ．３４１−３４４
【図１】
2012516040.tif 000004
【図２】
2012516040.tif 000005
【図３】
2012516040.tif 000006
【図９Ａ】
2012516040.tif 000007
【図９Ｂ】
2012516040.tif 000008
【図１０Ａ】
2012516040.tif 000009
【図１０Ｂ】
2012516040.tif 000010
【図４】
2012516040.tif 000011
【図５】
2012516040.tif 000012
【図６】
2012516040.tif 000013
【図７】
2012516040.tif 000014
【図８】
2012516040.tif 000015
【手続補正書】
【提出日】平成22年11月24日(2010.11.24)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５５】
図５は第一の輝度変換ステージ１０２のＤＣＯＦ１１０に沿ったパワー分布を示し、図６はＤＣＯＦ１１０に沿った反転分布を示し、図７はＤＣＯＦ１１０の真性利得スペクトル密度を示す。図６に見えるように、その反転分布は５０％に近いが、それは１０８０ｎｍ周辺の波長で出射する従来のダブルクラッドファイバレーザに一般的に用いられる反転の二倍から三倍強力である。図７に示されているように、第一の輝度変換ステージ１０２の最大真性利得は、約１０２０ｎｍの波長で達成されるが、それは１０２７ｎｍのレーザ波長に近い。最大真性利得とそのレーザ波長の間が良好であれば、その結果、９３％という良好なレーザ効率が得られ、それは図５で見て取れる。
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一の輝度変換ステージであって、第一のレーザキャビティを備え、該第一のレーザキャビティは、活性イオンを添加したマルチモードコアを含む第一のフレキシブル光ファイバを備え、該第一のフレキシブル光ファイバが、光吸収を有する第一の光波長帯域と、光吸収及び光利得を有する第二の光波長帯域と、光利得を有する第三の光波長帯域との範囲を規定しており、前記第一のレーザキャビティを励起する励起パワーのピーク波長が前記第一の光波長帯域にあり、前記第二の光波長帯域でマルチモード中間光信号を発生する、第一の輝度変換ステージと、
第二の輝度変換ステージであって、第二のレーザキャビティを備え、前記第一の輝度変換ステージとカスケード接続されるとともに前記活性イオンを添加したコアと該コアを取り囲むクラッドを含む第二のフレキシブル光ファイバを備え、該第二の輝度変換ステージが、第一のフレキシブル光ファイバのコアによって出射されるマルチモード中間光信号がクラッドと第二のフレキシブル光ファイバのコアとの中へと励起されるように、前記第一の輝度変換ステージに結合され、該第二のレーザキャビティが前記第三の光波長帯域で高輝度光信号を発生する、二ステージ輝度変換装置。
【請求項２】
前記活性イオンが、イッテルビウムであることを特徴とする、請求項１に記載の輝度変換装置。
【請求項３】
前記第一の光波長帯域が、９１５ｎｍ〜９７６ｎｍまでの複数の波長からなることを特徴とする、請求項２に記載の輝度変換装置。
【請求項４】
前記第二の光波長帯域が、１０２０ｎｍ〜１０３０ｎｍまでの複数の波長からなることを特徴とする、請求項３に記載の輝度変換装置。
【請求項５】
前記第三の光波長帯域が、１０８０ｎｍの波長からなることを特徴とする、請求項４に記載の輝度変換装置。
【請求項６】
前記第一のフレキシブル光ファイバと前記第二のフレキシブル光ファイバとが、それぞれ、総ガラス仕立てのダブルクラッド光ファイバ（ＤＣＯＦ）であることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一つに記載の輝度変換装置。
【請求項７】
前記第二のフレキシブル光ファイバのクラッドの直径が、第一のフレキシブル光ファイバのコアの直径に対応することを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一つに記載の輝度変換装置。
【請求項８】
前記第一の光導波管が、前記中間光信号を伝播させる際にマルチモードであり、前記第二の光導波管が、前記高輝度光信号を伝播させる際にシングルモードであることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一つに記載の輝度変換装置。
【請求項９】
前記第一のレーザキャビティが、前記第一の光導波管の入力に位置する反射率の高いファイバブラッグ格子と、前記第一の光導波管の出力に位置する反射率の低いファイバブラッグ格子とからなることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一つに記載の輝度変換装置。
【請求項１０】
前記励起パワーを発生させるために、前記第一のレーザキャビティに結合した低輝度励起源を備えることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一つに記載の輝度変換装置。
【請求項１１】
高輝度光信号発生方法であって、
第一のフレキシブル光ファイバが、光吸収を有する第一の光波長帯域と、光吸収及び光利得を有する第二の光波長帯域と、光利得を有する第三の光波長帯域との範囲を限定していて、励起パワーが該第一の光波長帯域にピーク波長を有し、活性イオンを添加した該第一のフレキシブル光ファイバを備えるレーザキャビティを該励起パワーで励起する手順と、
該励起パワーによる励起の結果として、該レーザキャビティの中の前記第二の光波長帯域の中にマルチモード中間光信号を発生させる手順と、
該活性イオンを添加した第二のフレキシブル光ファイバを備える第二のレーザキャビティを、該中間光信号で励起する手順と、
該中間光信号での該励起の結果として、該第二のフレキシブル光ファイバの内部で、該第三の光波長帯域内に高輝度光信号を得る手順と、
該第二のフレキシブル光ファイバから該高輝度光信号を出力するという手順とからなることを特徴とする、高輝度光信号発生方法。
【請求項１２】
前記第二のフレキシブル光ファイバの内部をシングルモードで前記高輝度光信号を伝播させる手順を備えることを特徴とする、請求項１１に記載の高輝度光信号発生方法。
【請求項１３】
請求項１１または請求項１２に記載の高輝度光信号発生方法であって、前記第一の光導波管が、第一のコアと第一の内側クラッドと第一の外側クラッドとを有する総ガラス仕立てのダブルクラッド光ファイバ（ＤＣＯＦ）一本であり、前記第二の光導波管が、第二第一のコアと第二の内側クラッドと第二の外側クラッドとを有する総ガラス仕立てのＤＣＯＦ一本であり、かつ、該第一の内側クラッドの中を前記励起パワーを伝播させる手順と、該第一のコアの中を前記中間光信号を伝播させる手順と、該第二の内側クラッドの中を該中間光信号を伝播させる手順と、該第二のコアの中を前記高輝度光信号を伝播させる手順とを備えることを特徴とする、高輝度光信号発生方法。
【国際調査報告】
2012516040.tif 000016
2012516040.tif 000017