(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
波長λ1のポンプ信号を送出する光源と；
波長λ1で光学的にポンプされたときに波長λ2で放出するレーザ作用が可能であり、かつ波長λ2で多モード性質を示す第１の導波路部分と；
波長λ2で実質的に単一モード性質を示し、かつ第１の導波路部分と光学的に結合している第２の導波路部分と；
第１及び第２の帰還手段によって規定され、該第１及び第２の導波路部分を含む光学的空洞と；で構成されるレーザ。
【請求項２】
前記第１及び第２の導波路部分が光ファイバで成る請求項１記載のレーザ。
【請求項３】
第２の帰還手段は導波選択性をもつ光グレーテングであり、第２の光ファイバ内に形成されている請求項２記載のレーザ。
【請求項４】
第１の帰還手段は第１の光ファイバ内に形成された光グレーテングであり、該グレーテングは波長λ1で高い伝搬性をもち、かつ波長λ2で高い反射性をもつ請求項２又は３記載のレーザ。
【請求項５】
さらに光源からのポンプ信号を第１の導波路部分へ接続するための接続手段でなる請求項１ないし４のいずれか１に記載のレーザ。
【請求項６】
前記接続手段は計算生成ホログラムである請求項５記載のレーザ。
【請求項７】
波長λ2での第１の導波路部分の基本モードスポット寸法が波長λ2での第２の導波路部分の基本モードスポット寸法と実質的に等しい請求項１ないし６のいずれか１に記載のレーザ。
【請求項８】
実質的に第１の導波路部分の基本モードだけが波長λ2で第２の導波路部分に接続されるようにされている請求項１ないし７のいずれか１に記載のレーザ。
【請求項９】
第２の導波路部分がシリカで成る請求項１ないし８のいずれか１に記載のレーザ。
【請求項１０】
前記第２の導波路部分はゲルマニアでドープされている請求項９記載のレーザ。
【請求項１１】
第１の導波路部分がシリカで成る請求項１ないし１０のいずれか１に記載のレーザ。
【請求項１２】
前記第１の導波路部分はアルミナとゲルマニアとで共用ドープされている請求項１１記載のレーザ。
【請求項１３】
光源が少なくとも１ワットの出力パワーをもつダイオードアレイである請求項１ないし１２のいずれか１に記載のレーザ。
【請求項１４】
レーザ作用波長よりも実質的に長い少なくとも１つのポンプ波長でポンプされたときはレーザ動作を示すアップコンバージョンファイバレーザであって、
該ポンプ波長でポンプ信号を提供するための少なくとも１つの光源と；
該ポンプ波長で光学的にポンプされたときは該レーザ作用波長で多モード性質を示す放出でレーザ作用をすることができる第１のファイバ導波路部分と；
該レーザ作用波長で実質的に単一モード性質を示し、かつ該第１のファイバ導波路部分と光学的に結合している第２のファイバ導波路部分と；
帰還手段によって規定され、かつ該第１及び第２の導波路部分とを含んだ光学的空洞とで構成されるアップコンバージョンファイバレーザ。
【請求項１５】
可視スペクトラムの青領域内にあるレーザ発振波長でレーザ出力を送出する請求項１４記載のアップコンバージョンレーザ。
【請求項１６】
第１のファイバ導波路部分がフッ化物のホストであり、かつツリウムでドープされている請求項１５記載のアップコンバージョンレーザ。
【請求項１７】
光ポンプが請求項１ないし１３のいずれか１に記載のレーザで成る請求項１４ないし１６のいずれか１に記載のアップコンバージョンレーザ。
【請求項１８】
ポンプの第１の導波路部分がレーザドーパントとしてネオジウムを含む請求項１７記載のアップコンバージョンレーザ。
【請求項１９】
第１のファイバ導波路部分が少なくとも１種類のドーパントでドープされ、前記レーザは２つのポンプ源を含み、第１のポンプ源は第１のレベルから第２のレベルにドーパントイオン励起を供給し、第２のポンプ源は第２のレベルから第３のレベルに、直接的又は非直接的にドーパントイオン励起を供給することを特徴とする請求項１４記載のアップコンバージョンレーザ。
【請求項２０】
少なくとも１種類のドーパントでドープされた第１の導波路部分で成り、単一のポンプ波長で光学的にポンプすることによってドーパント種の最初の１つのイオンを第１のレベルから第２のレベルへと励起し、かつ該ドーパント種の最初の１つのイオンのエネルギーが、実質的に第２のエネルギーレベルと等しい第３のエネルギーレベルでドーパント種の第２の１つのイオンに伝送され、さらに該イオンは第３のエネルギーレベルでエネルギーを吸収することによって第４のエネルギーレベルに励起されることを特徴とする請求項１４記載のアップコンバージョンレーザ。
【請求項２１】
１つのドーパント種がＰｒ3+で成る請求項１９記載のアップコンバージョンレーザ。
【請求項２２】
第２のドーパント種がＹｂ3+で成る請求項１９に従属し、かつ請求項２１記載のアップコンバージョンレーザ。
【請求項２３】
２つの光学的に結合された導波路部分で構成される光導波路であって、第１の導波路部分は１又は複数のドーパント種でドープされ、かつ少なくとも１つのレーザ作用遷移によって複数のモードで該導波路内で支持される放出を行うようにされており；第２の導波路部分は単一のモードだけで該放出を支持するようにされている光導波路。
【請求項２４】
１組の反射器で構成される光学的空洞であって、請求項２３記載の光導波路を該１組の反射器の間に位置する光学的空洞。
【請求項２５】
ポンプ源と請求項２４記載の光学的空洞とで成るレーザであって、該ポンプ源は、前記ドーパント種のイオンを１又はそれ以上高いエネルギーレベルにまで励起するための１又は複数の波長成分を有するレーザ。
【請求項２６】
さらにポンプ源からの光を光学的空洞の２つの波長の１つに接続するための手段を含む請求項２５記載のレーザ。
【請求項２７】
単一モードレーザ光を提供するための方法であって：
１又は複数の波長成分をもつポンプ光を光導波路内に結合させ、該導波路は少なくとも２つの導波路部分を有して、第１の導波路部分は少なくとも１つのレーザ作用遷移を提供する１又は複数のドーパント種でドープされており；かつ該導波路は一対の一部反射用反射器を有して該導波路について光学的空洞を規定しており；該ポンプ光は多モードで該第１の導波路部分内に支持され、かつ単一モードで該第２の導波路部分に支持されるレーザ遷移からの光の放出を生じさせ；
該光学的空洞は該反射器により提供される帰還によってレーザ作用を用意し、該レーザ作用は第２の導波路部分により規定される単一モードだけであることを特徴とする単一モードレーザ光を提供するための方法。
【発明の詳細な説明】
この発明は光学的にポンプしたレーザ、とくに必ずしもそれに限定されるわけではないが、実質的に単一な横モード出力を作り出すレーザに関する。
回折制限された、単一モード出力の、光学的にポンプされたレーザで、単純な単一のポンプ源装置を使用して、ほぼ１００ｍＷの単一モード出力を送出することができるものは、小信号又は低パワー応用に有用とされている。しかしこの種のレーザはワットのオーダーでより大きな単一モードパワーを送出するように簡単に適合できない。
ワットのオーダーでより大きなパワーの単一モード出力を送出することができる光学的にポンプされたレーザは、高いポンプパワーを用意するために、１つならず複数のポンプ源の複雑な組合わせを必要とするのが普通である。ポンプ源を組み合わせる方法には：異なる波長の単一横モードダイオードレーザをいくつか多重化する；２以上のこの種のダイオードをファイバ空洞内で多重化し、空洞の両端からファイバをポンプするようにする；ファイバレーザ空洞の長さに沿って複数のポンプ用ポートを使用する；ことが含まれる。
ワットのオーダーで光出力パワーを送出することができる高パワーレーザ用の単一の光ポンプ源として可能性のあるものはダイオードレーザアレイである。ダイオードレーザアレイは高い電気・光学変換効率をもって組立てることができ、非常に信頼性が高い。しかし、２つの欠点を受容しなければならない。すなわち、第１に、アレイ内のレーザは実質的に互いにコヒーレントでないことで、これは出力をフォーカスする能力が貧弱であることを意味する。第２にアレイの幾何学的形状が使用されることになる応用に対して整合しにくいことである。
高パワーの線形ダイオードレーザアレイ（ＬＤＡ）からの出力を操作して、２次元の、対称な仮想光源を形成し、Ｎｄ：ＹＡＧレーザを端部からポンプするようにする光結合用装置については論文“Geometrical Transformation of Linear Diode-Laser Arrays for Longitudinal Pumping of Solid-State Lasers”,IEEE J.Qunamtum Electronics,Vol.28,No.4,April 1992に記載されている。この装置では表面レリーフ２値光学系の２つの面が実現されて、線形アレイ出力を２次元スポット光源に変換し、ラジアンス定理に従って得られる最大値にラジアンスが近い値をもち、かつ対称な形状と発散とを備えるようにしている。
ダイオードレーザアレイの出力を変換してフォーカスされたスポットとする別な方法は、計算機が生成したホログラム（ＣＧＨ）を使用する。
レーザ空洞内部に向けてダイオードレーザアレイのような高パワーポンプ源からの光パワーの最大放出を可能とするためには、それが上述の結合方法を用いる場合であっても、大きなＮＡ値（ニューメリカル・アパーチャ）をもつようにすることが空洞にとって好ましいことである。このように大きなＮＡ値は、空洞がポンプ源波長で多モードとなるようにする。
ＬＤＡはこの発明で好ましいポンプ源であるが、他の光源も、必要とされる高パワーの光出力を供給できるものであれば使用することができる。
実質的に単一モード出力を送出するために多モードポンプ源を使用できる導波路装置の一形態は、“ポラロイド”型光ファイバでPolaroid社から入手できるものである。
この装置は楕円形の外部コアでドープされていないもので成り、そこへポンプ入力が放出され、さらに内部の円形のドープされたコアがある。しかし、この装置は非常に複雑な構造をもつから、組立てが非常に難しい。また、性能がファイバへ向けてのエネルギーの放出条件に大きく依存し、それがまた外側コアの形状により複雑なものとなっている。
この発明の第１の特徴によると、次の構成のレーザが提供される。すなわち、波長λ1でポンプ信号を送出する光源と；波長λ1で光学的にポンプされているときは波長λ2で放出するレーザ作用を呈することができ、かつ波長λ2では多モード性質を示す第１の導波路部分と；波長λ2では実質的に単一モードを示し、第１の導波路部分とは光学的に一体に結合されている第２の導波路部分と；帰還手段によって定義され、かつ第１及び第２の導波路部分を含む光学的空洞とで成るレーザが提供される。
好都合なのは、ダイオードレーザアレイがポンプ源として使用でき、それが比較的低コストで高ポンプパワーを送出できるものであることである。しかし、ダイオードレーザアレイが使われるときは、アレイからの出力を操作して、それを第１の導波路部分に効率よく結合させるようにする必要があろう。円筒状と球面状のレンズの組合わせと、計算機生成ホログラム（ＣＧＨ）又は表面レリーフ２値光学系、あるいは上記のいずれかのものの組合わせと共働する装置によって、光源を効率的に使用することができる。
レーザ空洞に対しては、本質的ではないにしても、２つの導波路部分が実質的に同じ基本モードスポット寸法をレーザ発振波長でもっているのが好ましい。その理由は、これにより２部分間で基本モードの効率的なエネルギーの転移が容易に行われることによる。
実施例では、光ファイバが光空洞内の光導波路に対する媒体であるのは、平面状導波路のような使用できる他の媒体と比較して相対的に安価ですぐに手に入るという利点があることによる。
ファイバ導波路はレーザにとって好都合な媒体であるが、他の形式の導波路を利用することも無論可能であり、例えば平面状（プレーナ）導波路や半導体導波路でもよい。ドープしたファイバとか平面上導波路を用いる他の利点は、これらの媒体がエネルギー貯蔵機能を示し、したがって高エネルギーの、パルス波への応用に適しており、半導体導波路はうんと少ないエネルギー貯蔵機能を示し（貯蔵能力は１０7のオーダーで小さい）、したがって、高エネルギーパルス波応用には向いていない。ファイバと平面状導波路のエネルギー貯蔵機能は、上側のエネルギー帯でのイオンの寿命がミリ秒のオーダーであり、１０ミリ秒となり得るし、半導体導波路の上側のエネルギーレベル内のイオンの寿命はナノ秒のオーダーである。
好都合なのは、ファイバ導波路部分の使用が溶融スプライス（接続）により導波路を接続することに機能する。しかし、他の方法も使用でき、例えば機械的なスプライスを用いて当接（バッテング）をしたり、光コネクタを用いて接続することもできる。しかし、溶融スプライス法はそれにより得られる接合の精度の点で好ましく、不整合による接続点でのエネルギーの損失と好ましくない反射とを減少させる。
光ファイバ導波路レーザ用として特に好ましいホストはシリカ（石英）であり、それに対する好ましいドーパントはイッテルビウムである。もっとも他のドーパントとして、例えばエルビウムやネオジウムも共用できる。シリカが好ましいホストである理由は、それが安価であり、他よりも簡単に溶融スプライスされ、加えて他の適切なホストよりも一層簡単に入手できることによる。イッテルビウムが好ましいドーパントである理由は、簡単な希土類元素の１つであり、唯一の励起エネルギーレベルを有し、利得を制限するクェンチ機構に影響されないからである。この意味するところは、非常に高いドーパント濃度が、クェンチ効果が問題とならずに達成できることである。このようなことは、例えばエルビウムやネオジウムをドーパントとしたときには生じない。その理由は、これらの元素が一層複雑なエネルギーレベル構造をもつことによる。
シリカ以外のファイバホストを使用することができ、例えば、フッ化物のファイバであり、当業者には必要とされるレーザ遷移がホストとドーパントとの選定に依存することに気付くことである。
実施例では、１次的な共用ドーパントとして多モードファイバ内でアルミナを用いており、アルミナは屈折率を高める性質を備えている。アルミナはまた装置の利得帯域幅を広める好ましい効果をもち、多モードファイバ内でのイットリウムイオン（又は他の希土類元素で使用されているもの）のクラスタ化を妨げ、ホスト内での１次ドーパントイオンの可溶性を、他の性能と著しく劣化させずに、改善することにより好ましい効果をもたらす。
別な実施例では、ゲルマニアがシリカのホスト内の１次共用ドーパントとして含まれており、ホストの屈折率内に光グレーテングを書込むようにしている。ゲルマニアはシリカファイバ内で屈折率を高める共用ドーパントとしても作用する。
典型的な場合として、アルミナを一緒にドープしたシリカの多モードファイバの屈折率プロフィールはアルミナの存在の故にベル（鐘）の形をしたものとなり、光ファイバ組立てに関する当業者によく知られているように、軸上での凹みを避けることによりアルミナはベル形状を作ることになる。
反射器は空洞に対して帰還手段として作用して、レーザ動作に必要とされる帰還を用意する。反射器はどんな形式のものでもよく、例えばミラーとかグレーテング（回析格子）でよい。
実施例では、空洞の入力側と出力側とを規定する反射器はグレーテングである。グレーテングを用いる利点は、その高い波長選択性にある。さらに、グレーテングは導波路又はファイバ内部に実際に形成することができ、それによって整列の問題と、個別部品の必要性とがなくなる。いずれのグレーテングも、例えばファイバコア内でも、導波路の屈折率の中にグレーテングの形成（書込み）をすることができる。
別な反射器装置として各グレーテングに代ってミラーを使うのがある。
この発明によるレーザは、既知のレーザに対する利点として効率的な単一モード出力が簡単なポンプ装置を利用して得られる点がある。
正常なレーザ発振条件の下で、レーザ発振波長はポンプ波長よりも長い。しかし、レーザの構成とポンプの条件に依存して、レーザ発振波長はポンプ波長よりも短くなることもできる。この可能性は、アップコンバージョンレーザ作用として知られている。
アップコンバージョンレーザは一般にそのポンプ源の波長よりも短い波長をもつ出力光ビームを送出する。アップコンバージョン機構のいくつかの形式が知られている。一番簡単なアップコンバージョンの形はイオン間相互作用もしくはＥＳＡ（励起状態吸収）のいずれかによる。前者の場合は２つのイオンが第１のエネルギーレベルに励起され、一方のイオンがそのエネルギーを他方のイオンに遷移させるものであり、第１のイオンはそれより低い状態に戻って第２のイオンが高い状態へ昇る。後者の場合はイオンが光のフォトン１個を吸収して励起状態に昇り、そこでさらにフォトンを吸収して、より高い励起状態へ昇る。
一番簡単な形式では、イオン間相互作用もＥＳＡアップコンバージョンも１のポンプビームのみに依り、３状態間の遷移は同じようなエネルギー吸収レベルを必要とする。しかし、アップコンバージョンのさらに複雑な形式でこの発明によるものも実現可能であり、それについて以下に述べる。
当業者は、光ファイバの遮断波長もしくは光ファイバが単一のモードだけを支持する波長を超えて行くと、ファイバが次第に非導波性を示し、したがって効率が低下することを知っているであろう。一般に、単一モードレーザ作用を用意するために、ドープしたファイバが設計され、レーザ作用が遮断波長もしくはそれをわずかに超えたところで発生している。しかし、アップコンバージョンレーザ作用に対しては、もしレーザ作用がドープしたファイバの遮断波長をわずかに超えたところで生ずるときは、長い波長のポンプがファイバによって不効率ながら支持される。そこで一般に、アップコンバージョンレーザは、ポンプビームは単一モードで支持されているとして、効率的な光使用を確保するために、ドープしたファイバの遮断波長もしくはその近傍でポンプする必要がある。
この結果、もしアップコンバージョンレーザ作用が生じたとすると、少なくともいくつかのモードでドープしたファイバ内でレーザ発振が支持されていることになる。単一モードのポンプは一般に最適なポンプの方式である。しかし、導波路によってで２〜３のモードとして支持されているポンプ波長を使用してもっと多数のモードでレーザ作用をさせるポンプ機構は、価値のある別物（オプション）かもしれないが最適なものとはいえない。
この発明の第２の特徴は、アップコンバージョン・ファイバレーザとして、レーザ発振波長よりも実質的に長い少なくとも１つのポンプ波長でポンプされたときに該レーザ発振波長でレーザ作用を示すものにあり、そのレーザは以下の構成をとる：ポンプ波長でポンプ信号を送出するための少なくとも１つの光源；第１のファイバ導波路部分であって、ポンプ波長で光学的にポンプされるときはレーザ発振波長で光放出をするレーザ作用を可能とするもの；第２のファイバ導波路部分であって、レーザ発振波長において実質的に単一モード性質を示し、かつ該第１のファイバ導波路部分と該第２のファイバ導波路部分とは光学的に一緒に接合されているもの；及び光学的空洞であって、帰還手段によって規定されておりかつ、該第１及び第２の導波路部分を含むもの。
好ましくは、アップコンバージョンレーザ用のポンプは単一モード光源がよい。また、第１のファイバ導波路部分は、少なくとも１つのポンプ波長において単一モード性質を示すように最適化されているのがよい。
この発明によるレーザはアップコンバージョン過程を支持するのに必要な単一モードポンプ光源の強度を提供できる点に特長がある。したがって、この発明のアップコンバージョンレーザでは、この発明による別のレーザによって、別のドーパント種又はやり方でポンプすることができる。
この発明の実施例によると、レーザはアップコンバージョンレーザであり、可視スペクトラムの青領域でレーザを発振する。これを可能とするために、第１のファイバ導波路部分はホストとしてフッ化物ファイバを用い、ツリウムでドープしてあり、ポンプはまたこの発明によるレーザであり、第１のファイバ導波路部分は１次ドーパントとしてネオジウムを用いて、レーザが実質的に１，１μｍでレーザ発振するようにしている。
代って、実質的に１．１μｍで高強度出力を作る別なポンプを用いることもできる。
別な実施例については次の記述と請求の範囲とよって明らかにされることになり、付属の図面によって例が記述されている。
図１はこの発明の装置の１つの構成を示す図面である；
図２は図１の別な構成である；
図３は可能とされる２段構成を図示したものであり、第１段としてこの発明の第１の形態が用いられて第２の段階に対するポンプ源を提供するように使用され、ポンプ源はこの発明の別な形をとっている。
図１及び２を見ると、レーザの構成は、第１の導波路部分（１）の一端が第２の導波路部分（２）の一端と光学的に接続されていて、手段（５，６）が導波路と一緒になって光学的空洞を規定しており、光源（３）は光ポンプパワーを提供し、結合手段（４）が光ポンプパワーを第１の導波路部分に接続させているものが示されている。
導波路部分は光ファイバで構成されている。第１のファイバ導波路部分（１）は、レーザ発振波長において多モードファイバであり、第２のファイバ導波路部分（２）に溶融スプライスされており、第２のファイバ導波路部分（２）は必要とされるレーザ発振波長で実質的に単一モードである。第１のファイバ導波路部分はレーザ発振波長で実質的に多モード性質を示し、第２のファイバ導波路部分はレーザ発振波長で実質的に単一モード性質を示すということは、記述を簡単にするというだけの目的で、今後はそれぞれ多モード及び単一モードファイバと呼ぶこととする。
レーザホストはシリカであり、その中にあるドーパントはイッテルビウムである。ゲルマニアはシリカホストの中に１次共用ドーパントとして含まれている。ゲルマニアは多モードファイバ内で屈折率を高める共用ドーパントとして作用し、これが後述の理由で望ましいとされる。ゲルマニアはまたファイバホスト内に光グレーテングを書込むことに機能し、その詳細と利点も後述する。
アルミナが多モードファイバ内で２次共用ドーパントとして作用し、そこでアルミナもまた屈折率を高める性質をもつ。アルミナはまた、多モードファイバ内でイッテルビウムイオン（又は使用された他の希土類元素）のクラスタ形成を妨げて装置の利得帯域幅を広げるという好ましい効果をもたらし、しかも他の点で著しく性能を劣化させることをしない。
一般に多モードファイバの屈折率プロフィールはアルミナの存在によりベルの形をし、光ファイバ組立て技術にいての当業者はアルミナが軸上の窪みを回避することによりベル形状をもたらすことを知るところである。
多モードファイバはできる限りΔｎの値を高くするように構成され、ポンプ源からの光が多モードファイバへ適切に結合できるものとする。上述のように、アルミナとゲルマニアとはともに屈折率を上昇させる性質を有し、かつ一般には、といっても必須のことではないが、ともにその理由のために共用ドーパントとして含まれている。一般にはΔｎの値は０．０４であり、シリカ又はフッ化物ガラスに対して得られる最大値は現状では約０．０６とされる。単一モードファイバはΔｎの値を低くとるように選ばれて、このファイバがレーザ発振波長で単一モードであることが確実となるようにし、Δｎの値は一般にはほぼ０．００４である。単一モードファイバに対するΔｎの下限はこのファイバで許容される曲げ損失がどの程度であるかによって決まる。その理由はΔｎが小さくなると曲げ損失が大きくなるからである。実用上は、単一モードファイバに対するΔｎの最小値は約０．００１であるべきで、これ以下となると、曲げ損失が大きくなりすぎる。上述のようなΔｎへの制限の故に、多モード及び単一モードファイバ間のΔｎ比は一般に約１０となる。
２つのファイバのコア寸法は多モードファイバの基本モードスポット寸法が実質的に単一モードファイバのそれと整合し、ファイバの基本モードの効率的な結合がファイバの接続時間で達成されるように選ばれる。基本モードスポット寸法間の不整合はレーザの効率を低減させるが、発明者によると、スポット寸法の６５％不整合はレーザの効率を１０％だけ低減させるにすぎないことが発見された。しかしながら、ファイバを選んで、基本モード信号の大部分が境界を通って進行し、大きな性能の低下を回避することが望ましい。
多モードファイバの屈折率プロフィールがベル形であるから、ファイバをスプライス接続する中心は必要とされるモードの効率的な結合を確かなものとする。しかしまた、同じように、スポット寸法の整合は本質的ではなく、ファイバの離心接続は基本モード信号の大部分が境界を通って進行する限りは許容される。不整合は重複積分解析（当業者に既知）を用いて簡単に計算することができる。
光源（３）はレーザダイオードアレイ（ＬＤＡ）であり、特定された波長で光パワーの数ワットを放出できる。ダイオードアレイのアレイ素子は一般には直線上に配置され、したがってその光出力は操作され（円形状とされ）て、多モードファイバ内にパワーを最適結合するようにされる。操作過程は計算機で生成したホログラム（ＣＧＨ）により行われ、それが置かれる位置は光源と多モードファイバの入力端との中間である。
実際には、ＬＤＡから多モードファイバ導波路部分への結合効率は約５０％である：特別注文で作ったアレイであり、Spectra-Diode社から入手した形式のものについての値。
結合効率が５０％と仮定して、ＬＤＡに対するパワー要求は簡単に見積もることができる。例えば現在のレーザ（ファイバレーザ増幅器で使用するのに適した高パワーポンプ源として使用できるもの）から０．５Ｗのレーザ出力を送出するためには、多モード導波路部分には１ないし１．５Ｗのパワーが必要と予測される。ＬＤＡから５０％結合効率ということは、ＬＤＡが少なくとも３Ｗの光パワーを送出する必要があることを意味する。
反射器はレーザ動作に必要とされる帰還を提供する。反射器はどんな形式のものでもよく、例えばミラーとかグレーテングである。望ましいのは、図１に示すように、反射器がグレーテングであって、ｇ1はグレーテングで空洞の入力側を規定しており、またｇ2はグレーテングであって、空洞の出力側を規定している。空洞は実際にはグレーテングによって規定され、ファイバと関係しており、ｇ1が空洞の多モードファイバ側の限界を規定し、ｇ2が単一モード側の空洞の限界を規定している。
グレーテングｇ1は光フィルタとして動作するもので、後述のように紫外線（ＵＶ）を用いて多モードファイバ内に書込まれており、レーザ発振波長で高い反射率を有し、ポンプ信号波長で高い透過率を有している。グレーテングｇ1はレーザ空洞の入力端を規定している。
グレーテングｇ2は波長選択性があり、部分反射形のグレーテングで後述の紫外線（ＵＶ）を用いて単一モードファイバに書込まれている。このグレーテングはレーザ空洞の出力端を規定する。当業者であれば必要とされるグレーテングの規格を用意するための設計上の配慮に気付くことであろう。
紫外線を用いる反射グレーテングの書込みに適した方法はKashyapらの論文、Electronics Letters,24th May 1990,Vol.26,No.11,pp.730-731に記載されており、ここではその参考文献を用いる。簡単に言えば、２つのビームからの紫外線を用いて周期的な干渉パターンをグレーテングを必要とするファイバ内に形成することである。干渉パターンは対応する周期的流儀にしたがってファイバの屈折率を変え、この屈折率の変動が光学的グレーテング（回析格子）を形成する。一般には、グレーテング形成に寄与するために、ファイバホストはシリカとし、それをゲルマニアでドープする。グレーテングの特別な性質はファイバ内のグレーテングの周期と長さにより、波長選択性はそれらを変えて制御される。
グレーテングｇ2は狭帯域で、レーザ発振波長で単一モードファイバの動作の基本モードの部分反射を作り、それが動作の基本モードにおいてレーザ発振を促進するために必要な帰還を用意している。
一般に、多モード光ファイバは数多くの伝搬モード、すなわち導波モードを有しており、このモードで光エネルギーがファイバ内を伝わる。導波モードで伝搬するとともに、あるモードの光信号はファイバ中を移動する間に他のモードに結合するから、ある時刻にある１つのモードで存在している光エネルギーの量を制御することは難しい。
もしファイバが名目上の直線状態であるときは、高次のモードに大きくパワーを結合させずに、多モードファイバの基本モードが最大１ｍの距離多モードファイバ中を伝播することができることを発明者は発見した。
この発明のシステムに対するパラメータ値は、システム設計に存在する多くの交換的条件（トレード・オフ）に依存している。例えば、レーザ空洞に特定の光利得が必要な場合には、利得に水準は例えばドーパントの種類、ドーパントのレベル、活性領域の長さ、及び反射器の反射率に依存し、単一モードファイバ導波路部分ではとりわけそれらに依存することになる。制限の範囲内で、ドーパントのレベルを増大することは、一般には活性領域の長さを減らすことができることである。しかし、ドーパントが希土類金属イオンの場合には、大きなドーパント密度は一般にクェンチ機構が原因して性能の損失の通じている。しかし、イッテルビウムは簡単な希土類の１つであって、1個の励起エネルギーレベルしかもたないから、こういったクェンチ機構に影響されない。それ故に、非常に大きなドーパント密度が問題となる影響を及ぼすことなく適用できる。こうしてドーパントとしてイッテルビウムを用いると、ドーパントレベルを１０重量パーセント以上にまで挙げることができる。例えばエルビウムやネオジウムドーパントでは、クェンチ効果がこんなに大きなドーパント濃度では問題となる。ドーパント濃度の下限は導波路におけるドープされた領域の長さに依存し、０．２５％よりも小さなドーパントレベルは一般には実行されていない。ある種の希土類ドーパント濃度で１０重量パーセントという高いものもあり得るが、イッテルビウムのドーピングレベルは一般にほぼ３．０重量パーセントである。
使用するドーパントの形式とドーパントのレベルとは必要とされるポンプとレーザ発振波長とレーザのパワーとに依存することは当業者の知るところである。一般に、ドーパントの分布は屈折率プロフィールに従うが、これはレーザの動作にとって本質的なことではない。
発明者は波長１．０２μｍでの効率的な単一モードレーザ発振が、ポンプ及びレーザ発振波長で多モード性質を示す多モードファイバに対して、ドーピングを施すことによって可能となることを発見した。ドーピングの一般例は、知りかホスト内にアルミナを最大４重量パーセント、及びイッテルビウムを最大３重量パーセントドープすることであり、また多モードファイバを実質的に９８０ｎｍでポンプすることによりこの発振が可能であった。ゲルマニアもまた屈折率を高める共用ドーパントとして含めてもよいが、イッテルビウムの濃度をこのように高めると屈折率は十分に高いレベルにまで昇り、イッテルビウムがレーザの主体であるときはゲルマニアはおよそ不用である。
単一モードファイバは通常の単一モード、恐らくは電気通信用標準のシリカファイバでゲルマニアを最大１０％以上のレベルまでドープして、ファイバの屈折率に対して光グレーテングを書込みできるようにしたものを用いることができる。
システムの利得に関係した別な変数は多モードファイバの許容長である。すでに述べたように、発明者は多モードファイバの基本モードは１ｍまでの長さにわたって高次モードと著しく結合することなく伝搬することができることを発見した。しかしこの距離はファイバの性質に大きく依存し重大な不完全性がモード間結合を生じさせる。そこで基本モードが高次モードと結合することなく伝搬できる距離は、たくさんの不完全性を備えた実用的なファイバよりも、非現実的な完全なファイバの方がはるかに長いことになる。
イッテルビウムのレベルが０．５ないし５．０重量パーセントの間では、多モードファイバの長さは一般に１ｍもの長さを必要としないので、ファイバ長はこの発明のシステムの性能劣化について重大な束縛条件とはならない。
単一モードファイバ導波路部分にある反射器の反射率もまた他のパラメータに対するトレードオフとなり得る。スプライス境界におけるファイバ間の不整合に起因する損失が少ないときは、グレーテングｇ2の反射率は高くなり得る。その理由は境界で光が反射して戻るつど、わずかな損失が生ずるにすぎないことによる。逆に、不整合損失が大きいと、反射率は小さく境界で反射される光の量が小さくなる。不整合は既知の重畳積分を用いて簡単に計算できる。
このレーザの動作は図１を参照して簡単に述べることができる。多モードファイバ導波路の基本モードはしきい値に達する第１番目のものとなろうが、ポンプがしきい値を十分超えていれば高次モードもまた発振を開始できる。そこで、現在のシステムでは基本モードでの発振を強制し、かつ高次モードでのレーザ作用を能動的に妨げるために次の方法をとる：基本モードだけの発振が単一モードファイバ導波路と単一モードファイバ導波路内に書込まれ、グレーテングｇ2とによって強制されるようにする。このグレーテングは基本モード信号を部分的に反射して多モードファイバ導波路内に戻す。多モードファイバ導波路は短く、反射した基本モード信号は高次モードに結合することがない。グレーテングｇ２で単一モードファイバ導波路内にあるものは、実質的に基本モードだけの部分反射を確実なものとし、それによって多モードファイバでの高次モードに対する弁別作用が強化される。
この弁別は他のモードが発振するのを困難とする。システム内に帰還を与えているのが部分反射でる。したがって、高い支配力をもつ基本モード発振により、放出が基本モードについてだけ刺激されるようにしている。この基本モードによる密度分布へのアクセス可能性（密度分布利用可能性）によって、このレーザシステムはほぼ１００％の量子効率に接近する可能性を備え、その限界は導波路の不完全性と導波路間の不整合と、ドープしたファイバの損失機構とにだけ基づいている。
別な反射器の構造として、グレーテングに代ってミラーＲ1，Ｒ2を一緒に使うものが図２に示されている。図１でグレーテングが空洞を定義していたのと同様に、ミラーＲ1，Ｒ2が結合されたファイバの自由端に置かれて空洞を規定し、ミラーは必要とされる反射率と透過率とを有してレーザ作用の条件を用意することはよく知られている。事実、どんな形のミラーでもよく、例えばファイバループミラー、又はミラーとグレーテングとの組合わせも同様の効果を生じさせるために使うことができる。
ミラーは光学的空洞を定義するために用いることができるが、グレーテングは利点があり、その利点は高度の波長選択性をグレーテング内に設計で組み込める点で、当業者は正しい波長選択性をグレーテングに設計することができる。
こうして必要とされる反射率が反射器装置のいずれかの形体の中に存在する限りは、それが導波路内に書込まれた内部反射器であろうと、外部反射器であろうと、あるいは内部と外部の反射器の組合わせであろうと、システムは上述のように動作することができる。
商用目的では、ＬＤＡとその操作装置とを組合わせることが可能で、そこではＣＧＨもしくはレンズ又はその両者の組合わせを１つのパッケージの中に含めるようにしてもよい。このパッケージはファイバテール（尾）を備えることができ、これはパッケージの一体部品で、接続するのに必要とされるもので、恐らくは溶融スプライスによってレーザ空洞の多モードファイバ導波路に接続される。パッケージのこのファイバテールは使用されることになるファイバと整合するように選ばれ、例えばモードスポット寸法などが整合し、レーザの多モードファイバと同一のものであるが、レーザドーパントのないものが使われる。溶融スプライス法を用いるということは、入力グレーテングのような帰還手段が空洞の入力端に用意される必要があることを意味し、例えばそれが多モードファイバ導波路部分に書込まれて空洞の入力端を規定する反射器として動作するようにすることである。
この発明のレーザの１つの応用は、高パワーで単一モードのポンプ源としてファイバレーザ増幅器のために使用するものがある。この応用はレーザの入力ファイバがポンプ及びレーザ作用波長の両方で多モードであることを要件とし、かつポンプ波長が実質的にレーザ作用波長より短いことを要件とする。
この発明によるレーザ用の特定のアップコンバージョン応用はアップコンバージョンポンプのツリウムドープしたフッ素ファイバレーザであり、可視スペクトルの青部分でレーザ作用をすることができる。
この発明による青のアップコンバージョンファイバレーザでは第１及び第２のファイバ部分をそれぞれ入力ポンプ波長と出力信号波長とに対して最適化することができる。最適化は第１のファイバ部分がポンプ波長で２〜３のモードではなく単一のモードとなることを求め、また、第２のファイバ部分がレーザ作用波長で単一モードとなることを要件とする。最適入力ポンプ信号波長はこのレーザに対してほぼ１．１２μｍである。他のポンプ源でも１．１２μｍ信号を送出するものは使用できる。青のアップコンバージョンレーザはツリウムをドープしたフッ素ファイバ入力導波路部分とゲルマニアをドープしたシリカ出力ファイバ導波路部分でそこに部分反射グレーテングが書込めるものとを一緒に使用している。非常に短い波長でのアップコンバージョンレーザ作用を促進させるのに必要とされる入力ポンプの強度を用意するために、入力ファイバ導波路部分を高強度の、望ましくは単一モードの光源でポンプするのが望ましい。これをするために、入力ファイバ導波路部分は入力ポンプ波長で単一モードであり、レーザ作用波長で多モードとなることは必要とされる。したがって、ファイバを用意して、入力はツリウムをドープしたフッ素ファイバとし、約１．１２μｍでポンプしたときは単一モードであり、アップコンバージョンによる約４８０ｎｍでは基本的なレーザ作用モードを有して、それが出力のゲルマニアをドープしたシリカファイバの基本モードと整合するようにする。
便宜上、この発明の一形態では、入力ファイバ導波路部分はネオジウムをドープしたシリカファイバであり、ゲルマニアもしくはアルミナ又はその両方を一緒にドープし、出力ファイバ導波路部分はゲルマニアをドープしたシリカファイバとして、約８００ｎｍでポンプしたときには約１．１μｍ領域で高い同調可能性を有する出力を作り、それをアップコンバージョンレーザ用のポンプ源として使用できるものとする。
図３はアップコンバージョンレーザ用として可能な構成を示し、そこでは第１及び第２のグレーテングｇ1，ｇ2で第１及び第２のファイバ導波路部分１ａ，２ａを備えたものがあって、第１の光学的空洞を規定している。光学的空洞はダイオードＬＤＡ３によりポンプされ、ホログラムＣＧＨ４によってフォーカスされた出力が第１のファイバ導波路部分の端に入るようにしている。第１の光学的空洞はレーザ出力を送出して直後に第３及び第４の導波路部分１ｂ，２ｂに送入する。第２の光学的空洞はグレーテングｇ3，ｇ2によって規定され、そこには第３及び第４のファイバ導波路部分が含まれている。グレーテングｇ3をシリカをホストとするファイバ導波路部分２ａ内に置き、フッ化物をホストとするファイバ導波路部分１ｂ内に置かない理由は、工学的に書込まれたグレーテングがフッ素ファイバよりもゲルマニアでドープしたシリカ内に形成しやすいことによる。
この発明によるアップコンバージョンレーザの別なものでは第１及び第２の導波路部分があって、そこでは第１の導波路部分がフッ素系ファイバをプラセオジミウムイオンＰｒ3+とイッテルビウムイオンＹｂ3+でドープしたものである。このアップコンバージョン過程の機構については次の文献に詳記されており、その内容はここで参照するものとする。“Red up-conversion Yb-sensitised Pr fluoride fibre laser pumped in 0.8μm region”,Electronics Letters,Vol.27,No.13,pp.1156-1157.この場合、Ｙｂ3+イオンとの間の極めた接近の高確率を確かなものとしている。この一緒のドーピングを採用することにより、エネルギー遷移機構が働き、それによってポンプビームがほぼ８１０〜８６０ｎｍで第１の導波路部分内に放出され、Ｙｂ3+イオンは８１０〜８６０ｎｍ光を基底状態では吸収しない。このＹｂ3+イオンの4Ｆ5/2エネルギーレベルは1Ｇ4Ｐｒ3+エネルギーレベルに十分近いから、Ｐｒ3+イオンの1Ｇ4レベルへの遷移が生ずる。このエネルギー遷移はこの場合のように直接でもいいし、例えば１又は複数の中間の非放射遷移を含んだ経路をとる間接ルートによるものであってもよい。ここから約８１０〜８６０ｎｍでの別のポンプフォトンの吸収が行われて、イオンが3Ｐ1エネルギーレベルに進む。非放射ディケイで3Ｐ0レベルに移り、寿命が3Ｆ2レベル以上での密度逆転を支持できるものとなると、レーザ発振が約６３５ｎｍで発生できる。
一般に、一緒にドープした（共用ドープの）アップコンバージョンファイバを採用するときは、共有ドープファイバは約０．０１のΔｎをもち、コア直径は約５．７μｍで、長さは７５ｃｍとなる。このシステムに適したポンプはチタン（Ｔｉ）：サファイヤレーザであり、８４９ｎｍで約２５０ｍＷのパワーを送出する。無論、ほぼこの波長でしかも同様かそれ以上のパワーをもつ半導体ダイオードの適切なアレイを代りに使用できる。そこで、ホログラムＣＧＨを使うことができることは上述のとおりで、アレイの出力を円形とし、ポンプ光を入力ファイバ導波路内に効率よく放出することができる。
上述のツリウムをドープしたアップコンバージョンシステムに対してと同様に、Ｙｂ3+／Ｐｒ3+システムに対しては第１の導波路部分は約８４９ｎｍのポンプ波長で単一モードとなるように最適化されるが、すでに述べたように、導波路が複数のポンプモードを支持している最適化されていない動作も可能である。第２の導波路部分は、ここでも一般にシリカを基調としたもので、約６３５ｎｍのレーザ作用波長で単一モードに最適化される。適切に光学的に書込まれた部分反射形グレーテング装置が第２の導波路部分のためにあり、約６３５ｎｍで約６０％の一部反射率を備えている。前述のように記述してきたすべての数値は特定の要件に対してトレードオフ（交換条件）となる。このアップ交換システムの場合は、ポンプとレーザ作用波長とが比較的近接している場合に有用なことである。したがって、両方の波長を第１の導波路部分遮断波長を超えたところに来るように設定することができ、こうして第２の導波路部分に対する要件なしに単一モードレーザ作用を提供する。しかしながら、最大ポンプ波長は光効率のためにシステムを完全に最適化するためには、ポンプ波長は第１の導波路部分の遮断波長となるように設定し、次にレーザ作用が複数モードで支持されるようにして、第２の導波路部分が第１モード動作をするように強制することが求められることになる。一般には、アップコンバージョンポンピング及びレーザ作用波長とは互いに近接しておらず、またこの発明のシステムが好ましいものとなる。
この発明による別なアップコンバージョンレーザは、レーザ作用のためのドーパントとしてＰｒ3+を採用し、二重のポンプ方式を実現してアップコンバージョンレーザを提供する。このアップコンバージョン過程の詳細は次の文献に記載されており、ここで参照に供するものとする。“CW room temperature up-conversion lasing at blue,green and red wavelengths in infrared-pumped Pr3+-doped fluoride fibre”,Electronics Letters,Vol.27,No.14,pp.1307-1309.
このシステムでは２つの波長のポンプが用意されて、イオンを２段階過程で上のエネルギーレベルに励起する。この過程は上述のＥＳＡ過程と似ているが、第１のポンプビームが１．０１μｍでＰｒ3+イオンを1Ｇ4エネルギーレベルにまで励起し、第２のポンプビームが８３５ｎｍ1Ｇ4エネルギーレベルにあるイオンを3Ｐ1レベルにまで励起する。3Ｐ1レベルから、放射性ディケイを生じて５２０ｎｍで光を放出する3Ｈ5レベルに進むか、非放出性ディケイによって3Ｐ1レベルから3Ｐ0レベルに進み、続いて3Ｈ4，3Ｈ5又は3Ｆ2の１つに進んで、それぞれ４９１ｎｍ，６０５ｎｍ、又は６３５ｎｍで光を放出する。
このシステムでは第１のファイバ導波路部分に適したホストはＺＢＬＡＮＰコアにＰｒ3+をドープし、そのレベルを約６５０ｐｐｍ（重畳濃度で）とし、ＺＢＬＡＮガラスのクラッド層をもつものである。第１のＴｉ：サファイヤレーザで１．０１μｍに同調したものが3Ｈ4基底状態から1Ｇ4マルチプレットヘイオンを励起するために使用される。第２のＴｉ：サファイヤレーザで８３５ｎｍに同調したものが1Ｇ4マルチプレットから熱的に結合された3Ｐ1，1Ｉ6，及び3Ｐ0レベルへの励起に用いられる。実際の光放出波長はレーザ空洞の出力にある波長選択性の反射器（例えば図１で例示したもの）に依存し、かつまた第１のファイバ導波路部分に加えられるポンプパワーにも依存する。
再び、波長選択性反射器として動作するために第２の導波路部分に光学的にグレーテングを書込めるようにするために、ファイバはゲルマニアをドープしたシリカとする。
レーザで青又は緑の可視スペクトル部分の光を放出するものは非常に広い応用があり、とくに狭いビーム幅をもつと利点をもつ分野があり、高度に集積された計算機のメモリの読み書きに使用できる。
青レーザの他の応用にはヒトの動物の細胞の医療診断のための走査装置や、高輝度の目視庸表示装置が挙げられる。
ここではレーザ構成について特定の例についてだけ記述してきたが、この発明は非常に広い応用分野を単一モードレーザの分野でもち、それがアップコンバージョンレーザであるか、非アップコンバージョンレーザであるかを問わないことは当業者が理解するところであろう。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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