JP2012527019A - 高出力カスケード型ラマン・ファイバ・レーザでの逆方向発振を抑制するためのシステムおよび技術 - Google Patents

Abstract

光増幅システムおよび技術では、励起光源は、励起パワーを光源波長で提供する。励起パワーは、カスケード型ラマン共振器への入力として送り出される。波長依存損失要素は、それがカスケード型ラマン共振器に先行するように接続される。波長依存損失要素は、光源波長での光パワーを低損失で伝送し、第１のストークス・シフトで高損失を提供するように構成される。波長依存損失要素は、励起光源とカスケード型ラマン共振器との間での光パワーの蓄積を防止し、それによって励起光源に戻る光パワーの後方伝播を防止する。

Description

関連出願の相互参照
本出願は、本出願の譲受人によって所有され、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる、２００９年５月１１日に出願された米国仮特許出願第６１／１７７，０５８号の優先権の利益を主張する。

本発明は一般に、光ファイバ・デバイスおよび方法に関し、詳細には、高出力カスケード型ラマン・ファイバ・レーザでの逆方向発振（ｂａｃｋｗａｒｄ ｌａｓｉｎｇ）を抑制するための改善されたシステムおよび技術に関する。

光ファイバでの誘導ラマン散乱は、希土類添加ファイバが動作しない波長領域で非線形利得を提供するために使用できる有用な効果である。クラッド励起Ｙｂ添加ファイバは、９１５ｎｍまたは９７５ｎｍでの高出力マルチモード・ダイオードを１．０から１．２マイクロメートルの領域の単一モード放射に変換するための輝度変換器としての機能を果たすことができる。これは次いで、多重ストークス・シフトを使用することによって、カスケード型ラマン共振器を励起してＹｂレーザ出力の波長を広範囲にわたってシフトさせるために使用できる。このようにして、高出力単一モード放射を、例えば１４８０ｎｍで生成することができ、次いでそれを使用し、高出力エルビウム添加ファイバ増幅器を基本モードで励起することができる。この技術は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる、Ｊ．Ｃ．Ｊａｓａｐａｒａ、Ｍ．Ｊ．Ａｎｄｒｅｊｃｏ、Ａ．Ｄ．Ｙａｂｌｏｎ、Ｊ．Ｗ．Ｎｉｃｈｏｌｓｏｎ、Ｃ．Ｈｅａｄｌｅｙ、およびＤ．ＤｉＧｉｏｖａｎｎｉ、「Ｐｉｃｏｓｅｃｏｎｄ Ｐｕｌｓｅ Ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｉｎ ａ Ｃｏｒｅ−Ｐｕｍｐｅｄ Ｌａｒｇｅ−Ｍｏｄｅ−Ａｒｅａ Ｅｒｂｉｕｍ Ｆｉｂｅｒ」、Ｏｐｔ．Ｌｅｔｔ．３２、２４２９〜２４３１頁（２００７年）で述べられている。

図１は、Ｙｂ添加ファイバ・レーザがカスケード型ラマン共振器を励起するために使用される、例となる４０Ｗ１４８０ｎｍシステム２０の図を示す。複数のマルチモード９１５または９７５ｎｍダイオード・レーザは、テーパー状ファイバ束（ＴＦＢ）を通じて混ぜ合わされ、二重クラッドＹｂ添加ファイバに送り出される。二重クラッドＹｂ添加ファイバは、信号光を単一モード・コアでおよび励起光を内部クラッドで案内する。ファイバ・ブラッグ回折格子は、Ｙｂファイバ・レーザ共振器内で高反射体（ＨＲ）および出力カプラ（ＯＣ）を形成する。

Ｙｂファイバ・レーザの出力は、ラマン・ファイバ共振器に送り出される。ラマン・ファイバは、正常分散を持つ小有効面積ファイバを備える。正常分散は、高出力でスーパーコンティニューム（ｓｕｐｅｒｃｏｎｔｉｎｕｕｍ）発生につながることになる変調不安定性を防止する。小有効面積は、高ラマン利得につながり、その結果複数のより高次のストークス・シフトを、複数の共振器がラマン・ストークス・シフトだけ波長で分離された複数のファイバ・ブラッグ回折格子で構成されているカスケード型ラマン共振器（ＣＲＲ）で生成することができる。最終的な所望のストークス・シフトでの出力カプラは、放射をファイバから外へ結合し、追加の励起反射体は、効率向上のために未使用のＹｂ放射を再循環させる。図１で与えられる波長は、例示のためだけのものであり、使用される正確な波長は、最終的な所望の波長に依存することになることに留意されたい。

図１の概略図でのさまざまな波長および位置での複数の反射体は、組み合わされて結合空胴を作り出す。例えば、ラマン入力回折格子（ＲＩＧ）セットは、１１１７ｎｍの第１のストークス・シフトである１１７５ｎｍでの高反射体を有することに留意されたい。この反射体は、ラマン・ファイバの内部で１１７５ｎｍ放射の循環を提供することが意図されているが、１１７５ｎｍ放射は、１１１７ｎｍ放射からのＹｂイオン利得およびラマン利得の両方の帯域幅内にあるので、１１１７ｎｍパワーが十分高くなる場合、それはまた、二重クラッドＹｂ添加ファイバで１１７５ｎｍでのレーザ発振を引き起こす可能性もある。この逆方向発振１１７５ｎｍはその結果、Ｙｂ添加ファイバ・レーザを不安定にする可能性がある。最終的に、それは、構成要素の故障につながる可能性があるレーザの脈動を引き起こす可能性がある。

Ｊ．Ｃ．Ｊａｓａｐａｒａ、Ｍ．Ｊ．Ａｎｄｒｅｊｃｏ、Ａ．Ｄ．Ｙａｂｌｏｎ、Ｊ．Ｗ．Ｎｉｃｈｏｌｓｏｎ、Ｃ．Ｈｅａｄｌｅｙ、およびＤ．ＤｉＧｉｏｖａｎｎｉ、「Ｐｉｃｏｓｅｃｏｎｄ Ｐｕｌｓｅ Ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｉｎ ａ Ｃｏｒｅ−Ｐｕｍｐｅｄ Ｌａｒｇｅ−Ｍｏｄｅ−Ａｒｅａ Ｅｒｂｉｕｍ Ｆｉｂｅｒ」、Ｏｐｔ．Ｌｅｔｔ．３２、２４２９〜２４３１頁（２００７年）

従来技術のこれらのおよび他の問題は、本発明によって対処され、その一態様は、逆方向発振が抑制される光増幅システムおよび技術を提供する。

本発明の一実施によると、励起光源（ｐｕｍｐ ｓｏｕｒｃｅ）は、励起パワーを光源波長で提供する。励起パワーは、カスケード型ラマン共振器への入力として送り出される。波長依存損失要素は、カスケード型ラマン共振器に先行するように接続される。波長依存損失要素は、光源波長での光パワーを低損失で伝送し、第１のストークス・シフトで高損失を提供するように構成される。波長依存損失要素は、励起光源とカスケード型ラマン共振器との間での光パワーの蓄積を防止し、それによって励起光源に戻る光パワーの後方伝播を防止する。

本発明のさらなる態様は、より大きなモード・フィールド直径を持つ増幅器ファイバ、およびより広い帯域幅を持つ波長依存損失要素の使用を通じてより高いパワーへのスケーリングのためのシステムおよび技術を対象にする。

従来技術によるカスケード型ラマン共振器の図である。 本発明の第１の態様によるシステムの一般的な図である。 図２で示されるシステムの全体構造を組み込む例となるシステムの図である。 図３で示されるシステムでのカスケード型ラマン共振器のより詳細な図である。 図３および４で示されるＭＯＰＡ構成に基づく試験セットアップを示す図である。 図３および４で示されるＭＯＰＡ構成に基づく試験セットアップを示す図である。 図５Ａ〜５Ｂで示される試験セットアップを使用して取得される測定結果の一連のグラフである。 図５Ａ〜５Ｂで示される試験セットアップを使用して取得される測定結果の一連のグラフである。 図５Ａ〜５Ｂで示される試験セットアップを使用して取得される測定結果の一連のグラフである。 図５Ａ〜５Ｂで示される試験セットアップを使用して取得される測定結果の一連のグラフである。 図５Ａ〜５Ｂで示される試験セットアップで使用される長周期回折格子の測定された挿入損失を例示するグラフである。 より高いパワーでの後方ストークス・レーザ発振および脈動を試験するための試験セットアップを示す図である。 より高いパワーでの後方ストークス・レーザ発振および脈動を試験するための試験セットアップを示す図である。 図８Ａ〜８Ｂで示される試験セットアップについて１４８０ｎｍ出力パワーの関数として後方伝播パワーを例示するグラフである。 図８Ａ〜８Ｂで示される試験セットアップについて異なる出力パワーに対する発振器時間トレースを示すグラフである。 図８Ａ〜８Ｂで示される試験セットアップのクラッド励起ファイバ・レーザおよびカスケード型ラマン共振器の出力パワーを示す図である。 図８Ａ〜８Ｂで示される試験セットアップのクラッド励起ファイバ・レーザおよびカスケード型ラマン共振器の出力パワーを示す図である。 ＬＰＧ挿入損失を７８Ｗの最大ラマン出力パワーでの後方伝播ストークス波長のスペクトルと比較するグラフである。 本発明のさまざまな述べられる態様による一般的技術の流れ図である。

本発明の態様は、高出力カスケード型ラマン・ファイバ・レーザでの逆方向発振を抑制するためのシステムおよび技術を提供する。本明細書で述べるように、逆方向発振の抑制は、逆方向発振の始まりを示す兆候を識別することによって行われる。これらの兆候の識別は、非常に強力な技術である。逆方向発振によって引き起こされる時間的な擾乱は、脈動につながる可能性があり、脈動は、より高いパワーで構成要素を破壊する可能性がある。

本発明のさらなる態様は、波長依存損失要素が、第１のストークス・シフトでの放射の蓄積を妨げることによって逆方向発振をカスケード型ラマン共振器から排除するために使用される、ラマン・レーザ発振システムを提供する。上で論じられた図１のシステムなどの従来技術によるシステムが、より高いパワーで動作するときは、この放射蓄積および逆方向発振は、例えば外部デバイスが接続されるとき励起レーザ高反射体（ＨＲ）の破損を結果的にもたらすこともある。本発明の態様によると、Ｙｂシステムとラマン・レーザとの間に接続される適切なファイバに基づく損失要素は、システム信頼性を大幅に改善するために使用される。

本発明のさらなる態様によると、大きなモード・フィールド直径（ＭＦＤ）のファイバは、ラマン閾値を増加させるためにラマン・レーザ発振システムで使用される。大きなＭＦＤのファイバは、潜在的帰還源を低減するために波長選択フィルタリングと組み合わされる。

逆方向発振に関する上述の問題は、他の方法で対処されてもよいことに留意されたい。１つの代替手法では、ディプレスト・クラッド（ｄｅｐｒｅｓｓｅｄ−ｃｌａｄ）Ｗ形屈折率プロファイルは、第１のストークス・シフトで高損失および増幅器出力で低損失を生じさせる基本モード・カットオフを達成するためにＹｂ増幅器ファイバと併せて使用される。この手法は、本出願の譲受人によって所有され、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる、２００９年５月１１日に出願された米国仮特許出願第６１／１７７，０５８号で述べられている。

図２は、本発明によるシステム１００の一般的な図を示し、励起パワー１２１を波長選択損失要素１４０を通じてカスケード型ラマン共振器（ＣＲＲ）１６０に送り出し、所望の波長でシステム出力１８０を生じさせるラマン励起光源１２０を含む。

励起光源１２０は、図１で示されるものなどの単一発振器構成、および以下で論じられる主発振器パワー増幅器（ＭＯＰＡ）構成を含む、多数の異なる構造を使用して実装されてもよい。励起光源１２０は、指定波長で励起パワー１２１を提供し、本例では、１１１７ｎｍである。

励起パワー１２１は、ＣＲＲ１６０への励起パワー入力として送り出される前に、損失要素１４０を通って進む。以下でより詳細に論じるように、波長選択損失要素１４０は、励起波長で低損失および第１のストークス・シフトで高損失を有する。

ＣＲＲ１６０は、１本のラマン活性ファイバ１６２、ラマン入力回折格子セットＲＩＧ１、およびラマン出力回折格子セットＲＯＧ１を備え、それらは一緒に、レーザ空胴の入れ子状並び１６４を形成する。光は、入れ子状レーザ空胴１６４を通って伝播するとき、所望の波長を有するシステム出力１８０を生じさせるように一連のストークス・シフトを受ける。ラマン共振器は、ＷＤＭループ・ミラーを構築するための溶融ファイバＷＤＭカプラまたは薄膜フィルタの使用などの、代替アーキテクチャおよび波長選択要素を使用して構築されてもよいことが当業者には周知である。ＣＲＲは、直線状空胴でまたは一方向性リング状空胴としてもしくは双方向性リング状空胴として構成されることがあり得ることもまた理解されよう。ＣＲＲは、レーザとして動作するように構成でき、または反射体の最終組を削除し、代わりに信号をＣＲＲに最終波長で注入することによって、ＣＲＲは、増幅器として動作するように構成できることもまた理解されよう。本議論は、例示のためだけのものにブラッグ回折格子反射体を使用して構築される直線状共振器に焦点を合わせるが、ＣＲＲ１６０から励起光源１２０への後方伝播光を抑制する基本的特徴は、不変である。

波長選択損失要素１４０は、励起入力光については低損失を維持しながら、一次のストークス光については高損失を有するように構成されている波長選択損失要素１４０を使用して、第１のストークス・シフトでの放射の蓄積を妨げることによって第１のストークス・シフトでの逆方向発振を実質的に排除する。このようにして、ラマン入力回折格子セットＲＩＧ１は、ラマン・レーザに対しては高反射性を提供しながら、Ｙｂ添加レーザ・システムには見えなくなる。

本例では、損失要素１４０は、長周期回折格子ＬＰＧ１によって提供される。長周期回折格子は、光をある波長で導波モードからより高次のクラッド・モードに結合する波長依存デバイスであり、そこで光は、吸収および散乱に起因して失われる。

この例では、ＬＰＧ１は、光を励起波長、すなわち１１１７ｎｍでほとんど、または、まったく損失なく伝送するように構成される。回折格子ＬＰＧ１はさらに、第１のストークス・シフト、すなわち１１７５ｎｍで高損失を提供するように構成される。

１１１７ｎｍ励起パワー入力は、ＣＲＲ１６０への入力として送り出されると、１つまたは複数のストークス・シフトを受け、その第１は、１１７５ｎｍである。励起光源１２０とＣＲＲ１６０との間を伝播するすべての光は、損失要素１４０を通ることが図２からわかる。損失要素１４０は、第１のストークス・シフト、すなわち１１７５ｎｍで高損失を提供するように構成されるので、１１７５ｎｍでの放射蓄積の著しい低減が、したがって励起パワー源１２０への後方伝播放射の著しい低減があることになるのがわかる。

長周期回折格子は、図２のシステムで例示されるが、傾斜ファイバ・ブラッグ回折格子、溶融ファイバ波長分割マルチプレクサ（ＷＤＭ）、一本の基本モード・カットオフ・ファイバ、または同様のものなどの、他の波長依存デバイスがまた、使用されることもあり得る。そのようなデバイスはどれも、高出力を扱う能力がなければならない。原理上は光アイソレータは、この応用で同様に有効に働くことになるが、しかし実際には、現行技術では、ＣＲＲからの高出力出力に達するのに必要とされる高励起パワー（＞１００Ｗ）を扱うことができるファイバ結合光アイソレータは、存在しない。

ＲＩＧでの反射体回折格子の波長に整合する中心波長を有する狭帯域幅ＬＰＧは、後方ストークス・レーザ発振の閾値を増加させるのに非常に有効に働くことが見いだされている。望ましくない帰還は、周知の特定波長応答、すなわちストークス・シフトを有するＣＲＲ１６０から来るので、波長依存損失要素１４０についての広帯域動作は、必要でない。

図３は、図２で示されるシステム１００の全体構造を組み込む例となるシステム２００の図を示す。システム２００は、励起パワー源２２０、波長感受性損失要素２４０、およびカスケード型ラマン共振器２６０を含む。システム２００は、所望の波長で高出力出力２８０を提供し、この場合は、１４８０ｎｍである。

励起パワー源２２０は、増幅器構成要素が発振器レーザから光学的に分離される、主発振器パワー増幅器（ＭＯＰＡ）構成を使用して実装される。そのような構成は、本出願の譲受人によって所有され、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる、２００９年５月１１日に出願された米国仮特許出願第６１／１７７，０５８号で述べられている。

システム２００では、励起光源２２０は、主発振器２２１およびパワー増幅器２３０を備え、それらは、発振器２２１を増幅器２３０またはＣＲＲ２６０からの後方伝播放射から分離する、波長分割マルチプレクサまたは類似のデバイスなどの、適切なカプラ２２５によって一緒に光学的に接続される。この分離は、主発振器２２１が低パワーで動作し、増幅器２３０が高出力で動作することを可能にし、それによって主発振器２２１の構成要素を損傷から保護する。

励起光源２２０からの励起パワーは次いで、波長依存損失要素２４０を通じてカスケード型ラマン共振器２６０に送り出される。ＣＲＲ２６０は、ラマン入力回折格子セットＲＩＧ２、一本のラマン活性ファイバ２６２、およびラマン出力回折格子セットＲＯＧ２によって形成されるラマン空胴の入れ子状並び２６４を備える。

図４は、カスケード型ラマン共振器２６０のより詳細な図を示す。図３で示されるように、ラマン入力回折格子セットＲＩＧ２は、高反射体ＨＲ２１〜ＨＲ２５を備え、ＲＯＧ２は、高反射体ＨＲ２６〜ＨＲ３０および出力カプラＯＣ２１を備える。ＲＩＧ２での回折格子ＨＲ２１〜ＨＲ２５ならびにＲＯＧ２での対応する回折格子ＨＲ２７〜ＨＲ３０およびＯＣ２１は、ストークス・シフトに対応する波長を持つレーザ空胴の入れ子状並びを作り出す波長整合回折格子対の入れ子状並びを形成し、励起パワー入力波長から所望の出力波長までの段階的推移を生成する。

図５Ａ〜５Ｂは、図３および４で示されるＭＯＰＡ構成に基づく試験セットアップ３００の図を示し、試験セットアップ３００は、ＲＩＧを高出力Ｙｂファイバ・レーザ・システムに追加する影響を測定するために使用された。試験セットアップ３００は、主発振器３２０（図５Ａ）およびパワー増幅器３４０（図５Ｂ）を備える。長周期回折格子ＬＰＧ３は、増幅器３４０の出力に接続される。

試験セットアップの性能を特徴づけるために、３組のパワー・メータおよび光学スペクトル分析器ＰＭ３１／ＯＳＡ３１、ＰＭ３２／ＯＳＡ３２、ＰＭ３３／ＯＳＡ３３が、試験セットアップ３００に接続される。第１の組ＰＭ３１／ＯＳＡ３１は、システム出力に接続される。第２および第３の組ＰＭ３２／ＯＳＡ３２およびＰＭ３３／ＯＳＡ３３は、１１１７／１４８０タップＷＤＭ３３０に接続されて、発振器３２０と増幅器３４０との間の前方および後方伝播をそれぞれ測定する。

図５Ａで示されるように、ＰＭ３２／ＯＳＡ３２は、入射光の１０％をＯＳＡ３２に、９０％をＰＭ３２に向けるカプラＣ３２を使用してタップＷＤＭ３３０に接続され、ＰＭ３３／ＯＳＡ３３は、入射光の１％をＯＳＡ３３に、９９％をＰＭ３３に向けるカプラＣ３３を使用してタップＷＤＭ３３０に接続される。

システム３００へのＲＩＧ３の影響を分析するために、測定結果は、最初にＲＩＧ３がシステムに接続されない状態で取得された。さらなる測定結果は、ＲＩＧ３がＬＰＧ３とＰＭ３１／ＯＳＡ３１との間に接続された状態で取得された。図６Ａ〜６Ｄは、これらの測定結果の一連のグラフ４１０〜４４０である。

図６Ａは、増幅器電流（Ａ）のレベルが増加するときに第３のパワー・メータＰＭ３３で取得されたパワー測定結果（ｍＷ）のグラフ４１０である。トレース４１１は、ＲＩＧ３がシステムに接続されない状態で取得された測定結果を示し、トレース４１２は、ＲＩＧ３がシステムに接続された状態で取得された測定結果を示す。

図６Ｂは、増幅器電流（Ａ）のレベルが増加するときに第１のパワー・メータＰＭ３１で取得されたパワー測定結果（ｍＷ）のグラフ４２０である。トレース４２１は、ＲＩＧ３がシステムに接続されない状態で取得された測定結果を示し、トレース４２２は、ＲＩＧ３がシステムに接続された状態で取得された測定結果を示す。

図６Ｃおよび６Ｄは、ＲＩＧ３がシステムに接続された状態で、第３および第２の光学スペクトル分析器ＯＳＡ３３およびＯＳＡ３２にそれぞれ発生するスペクトルのグラフ４３０および４４０であり、パワー（ｄＢ）と波長（ｎｍ）との間の関係を示す。スペクトル４３１および４４１は、０Ａの増幅器駆動電流で発生し、スペクトル４３２および４４２は、１０Ａで発生し、スペクトル４３３および４４３は、２０Ａで発生し、スペクトル４３４および４４４は、３０Ａで発生した。

図６Ａでのトレース４１１および６Ｂでのトレース４２１によって示されるように、ＲＩＧ３が適当な位置にない状態では、Ｙｂ増幅器の出力パワーは、利用可能な励起電流によって制限されるだけである。非常にわずかの後方伝播パワーしか、観測できず、増幅器電流を上げても、発振器スペクトルに測定できるほどの影響を有さない（図示されず）。したがって、ＲＩＧ３がない状態では、０Ａから約４５Ａに及ぶ増幅器電流について一般に途切れない出力パワーの増加がある。

しかしながら、ＲＩＧ３がシステム出力に追加されるときは、状況は、実質的に変わる。図６Ａでのトレース４１２によって示されるように、２５〜３０Ａの励起電流では、後方伝播パワーがスパイク（ｓｐｉｋｅ）し、３０Ａで約３００ｍＷに達する。図６Ｂでのトレース４２２によって示されるように、増幅器電流が３０Ａに達するときは、出力パワーの実質的な減少がある。

図６Ｃでのスペクトル４３１〜４３４から、図６Ａで示されるパワーのスパイク（ｓｐｉｋｅ）は、１１７５ｎｍ後方伝播成分の大きな増加に対応することがわかる。第２のストークス次数へのカスケード・レーザ発振がまた、図６Ｄで示される前方伝播発振器スペクトル４４１〜４４４で観察されることもあり得る。観察される他の効果は、３０℃より大きい増幅器テーパー状ファイバ束での大きな温度増加を含んでいた。

これらの結果から、ＲＩＧは、Ｙｂレーザからの１１１７ｎｍ光を直接反射しないが、１１７５ｎｍの第１のストークス・シフトでの光の逆方向発振は、高励起パワーで生じる可能性があると結論できる。この後方伝播１１７５光は本質的に、Ｙｂ発振器の安定動作をなお維持しながら増幅器から達成可能な出力パワーの量を制限する。

したがって、図２および３に関して上で述べたように、この制限を克服するために、波長依存損失要素、例えば図２でのフィルタ１４０および図３でのフィルタ２４０は、カスケード型ラマン共振器２６０に先行するようにシステムに接続される。本発明の態様によると、波長依存損失要素は、励起光源とカスケード型ラマン共振器との間に個別要素を備える。本発明のさらなる態様によると、波長依存損失要素は、他の種類の構造を備える。例えば、本発明の一実施では、波長依存損失要素は、第１のストークス・シフトで高損失のフィルタ・ファイバを備える。

図２および３では、長周期回折格子（ＬＰＧ）が、示されるが、傾斜ファイバ・ブラッグ回折格子、溶融ファイバＷＤＭ、適切に添加された減衰ファイバ、または同様のものなどの、他の波長依存フィルタがまた、使用されてもよい。理論上は、光アイソレータがまた、使用されることもあり得る。しかしながら、現在の市販アイソレータは、所要のパワー・レベルを扱うことができず、Ｙｂレーザ波長で容認できない損失を導入することもある。

上で述べたように、フィルタリングのための別の可能性は、長波長での基本モード・カットオフのために、Ｙｂ増幅器ファイバ２３２、または励起光源２２０をラマン共振器２６０に接続するファイバでディプレスト・クラッド屈折率プロファイルを使用することになる。例えば、Ｙｂ増幅器ファイバ２３２はその結果、１１７５ｎｍで高損失および１１１７ｎｍで低損失を有することになる。損失フィルタの重要な構成要素は、それが、ＲＩＧで使用される第１のストークス波長と同じ波長で高損失を有し、Ｙｂレーザ波長で低損失を有することである。

描写されるシステムでは、長周期回折格子（ＬＰＧ）は、融着接続機の電気アークを使用して製造されたが、他の技術がまた、使用されてもよい。ＬＰＧは、位相整合によってファイバの２つの異なるモード間の結合を提供するように設計された。

図７は、ＬＰＧの測定された挿入損失を例示するグラフ４５０である。トレース４５１によって示されるように、１１７５ｎｍで約２０ｄＢおよび１１１７ｎｍで０．１ｄＢ未満の損失があることがわかる。ＬＰＧが適当な位置にある状態では、増幅器がオフの状態で測定されるスペクトルと比較して、発振器スペクトルの変化が観察されない状態で、増幅器が、フル・パワーまで上げられてもよいことが観察された。その上、いったんＬＰＧがシステムに挿入されると、後方伝播パワーのスパイクは、観察されなかった。この実験は、システム安定性を高めるためにＲＩＧをＹｂファイバ・レーザ・システムから分離することの重要性を確かめる。

本発明のさらなる態様は、さらにより高い出力パワーへのスケーリングのための追加のシステムおよび技術を対象にする。ＲＩＧでの反射体に整合する狭帯域幅ＬＰＧは、後方ストークス・レーザ発振の閾値を増加させるのに非常に有効に働くことが見いだされている。しかしながら、ラマン・レーザの出力パワーが、あるレベルを超えて増加すると、狭帯域幅ＬＰＧは、もはや十分でなく、後方ストークス・レーザ発振が再び、観察される。

図８Ａ〜８Ｂは、より高出力での後方ストークス・レーザ発振および脈動を試験するための試験セットアップ５００を示す。セットアップ５００は、励起パワーをカスケード型ラマン共振器５６０に提供するクラッド励起ファイバ・レーザ（ＣＰＦＬ）５２０および増幅器５３０を含む。波長選択損失要素５４０は、増幅器５３０とＣＲＲ５６０との間に接続される。

測定結果は、（１）ＣＲＲ５６０の出力に接続される光学スペクトル分析器ＯＳＡ５１およびパワー・メータＰＭ５１、（２）前方伝播放射を測定するためにタップＷＤＭ５２５に結合される光学スペクトル分析器ＯＳＡ５２ならびに高速フォトダイオードおよびオシロスコープ５３１、（３）後方伝播放射を測定するためにタップＷＤＭ５２５に結合される光学スペクトル分析器ＯＳＡ５３およびパワー・メータＰＭ５２、ならびに（４）ＣＰＦＬ５２０の入力に接続されるパワー・メータＰＭ５３を使用して取得された。

最初の組の測定結果については、発振器および増幅器の両方は、６μｍモード・フィールド直径（ＭＦＤ）を持つＹｂ添加ファイバを使用して構築された。

図９Ａは、１４８０ｎｍ出力パワーの関数として後方伝播パワーを例示するグラフ６１０である。トレース６１１は、ＰＭ５２での、すなわちタップＷＤＭ５２５を通る後方伝播パワーを示し、トレース６１２は、ＰＭ５３での、すなわち主発振器５２０を通る後方伝播パワーを示し、トレース６１３は、全後方伝播パワーを示す。

図９Ｂは、異なるＣＰＦＬ出力パワーについて、高速フォトダイオードおよびオシロスコープ５３１で取得される発振器時間トレースを示すグラフ６２０である。時間トレース６２１は、４４Ｗで取得され、時間トレース６２２は、５５Ｗで取得され、時間トレース６２３は、５８Ｗで取得された。

図９Ａおよび９Ｂで示されるように、約５８Ｗの１４８０ｎｍ出力パワーで、後方ストークス・レーザ発振の２つの明確な兆候がわかる。第１に、図９Ａで示されるように、後方伝播パワーは、急速に増加し始める。第２に、図９Ｂで示されるように、Ｙｂ発振器は、時間トレースで脈動挙動を示し始める。したがって、逆方向発振は、比較的高いパワーに至るまで抑制されるが、ある点で、狭帯域幅ＬＰＧは、もはや十分でない。

したがって、本発明のさらなる態様は、より高いパワーへのスケーリングを可能にする設計変更を対象にする。１１７５ｎｍでＹｂからのある量のイオン利得があるので、Ｙｂレーザのモード・フィールド直径のスケーリングが、逆方向発振のための閾値を増加させることを可能にすることになるとは、すぐには明白ではない。実際には、しかしながら、Ｙｂパワー増幅器では１１７５ｎｍでのラマン利得およびイオン利得の組合せがある。従って、パワー増幅器は、１１μｍの増加したモード・フィールド直径（ＭＦＤ）を持つＹｂ添加二重クラッド・ファイバを使用して実装された。このＭＦＤは、Ｙｂ添加ファイバについては比較的大きいが、それはなお、単一モード動作を支援する。したがって、逆方向発振閾値は、基本モード伝播を維持しながら最大にされる。

図９Ｃおよび９Ｄは、クラッド励起ファイバ・レーザ（ＣＰＦＬ）およびカスケード型ラマン共振器（ＣＲＲ）の出力パワーを示し、ここでＭＯＰＡ励起光源は、１１μｍのＭＦＤを持つ２６ｍのＹｂ増幅器ファイバを使用して構築された。１４８０ｎｍ出力パワーは、後方ストークス・レーザ発振が観察される前に、７３Ｗまで増加された。この結果は、逆方向発振が観察される前に１４８０ｎｍで５８Ｗが達成された６μｍＭＦＤ直径増幅器ファイバを使用するシステムと比べて勝るとも劣らない。図９Ｃおよび９Ｄでは、出力パワーの関数としての後方伝播パワーのプロットはまた、約７０〜７５Ｗ出力パワーで後方伝播パワーの急速な増加も示すことに留意されたい。このパワーでは、発振器時間トレース（図示されず）はまた、時間的な脈動の兆候も示した。

さらにより高いパワーへのスケーリングは、後方ストークス・レーザ発振閾値のさらなる増加を必要とすることになる。大幅な改善は、より良好なＬＰＧフィルタから得ることができる。ラマン空胴でのレーザ発振線は、非線形プロセスによって著しく広げられ、実際に中間ストークス次数からの出力放射は、ＦＢＧ高反射体よりもはるかに広い。

図１０は、ＬＰＧ挿入損失（トレース６５１）を７８Ｗの最大ラマン出力パワーでの後方伝播ストークス波長のスペクトル（トレース６５２）と比較するグラフ６５０である。ＬＰＧの１０ｄＢ帯域幅は、２ｎｍだけであり、一方１１７５ｎｍピークの１０ｄＢ帯域幅は、１０ｎｍより大きい。実際には、後方伝播放射は、ＬＰＧ損失ピークから離れて、１１７６ｎｍでピークに達する。従って、狭いフィルタは、ＲＩＧ１１７５ｎｍＨＲからの反射を抑制するのには有効であるが、より広いフィルタは、ＨＲの近くで漏れるラマン空胴からの放射を抑制するために必要とされる。

図１１は、本明細書で述べられる本発明のさまざまな態様による全体技術７００の流れ図である。
ボックス７０１：励起光源を使用して励起パワーを光源波長で提供する。
ボックス７０２：励起パワーが入力として送り込まれるカスケード型ラマン共振器に励起パワーを送り出す。カスケード型ラマン共振器は、励起パワー入力に第１のストークス・シフトを生じさせ、その後に一連のより高次のストークス・シフトが続くラマン空胴の入れ子状並びを規定する入力および出力回折格子の組を備え、それによって光源波長から出力波長までの段階的推移を提供する。
ボックス７０３：励起光源とカスケード型ラマン共振器との間に波長依存損失要素を接続する。
ボックス７０４：光源波長での光パワーを低損失で伝送し、第１のストークス・シフトで高損失を提供するように波長依存損失要素を構成する。それによって波長依存損失要素は、励起光源とカスケード型ラマン共振器との間での光パワーの蓄積を防止し、それによって励起光源に戻る光パワーの後方伝播を防止する。

ラマン利得帯域幅は、かなり大きく、反射体は、必ずしも利得のピークにではなく、利得帯域幅内のどこにでも位置決めできることに留意されたい。

上述のシステムおよび技術は、直線状およびリング状ラマン共振器の両方、ラマン増幅器アーキテクチャ、ラマン空胴のいずれとも共振しないが、しかしなおラマン利得帯域幅内にある第２のポンプを含む二重ポンプ・システム、そのために狭帯域幅を持つ偏光出力が有益である、周波数倍増結晶への衝突、例えばパラメトリック・システムで使用されるようなパルス状または変調動作、ならびに同様のものを含むが限定されない、多数の他の文脈で適用可能である。

ラマン増幅器に関しては、それらのアーキテクチャは典型的には、増幅器ラマン空胴が最後のストークス・シフトおよび出力カプラなしで構築されることを除いては、ラマン・レーザのそれらと似ていることに留意されたい。また、シード・レーザも、最後のストークス・シフトでラマン空胴に結合される。シード光源からのシード入力は、いろいろな場所で増幅器に注入できる。シード・レーザは、偏光出力、狭帯域幅、同調性、および同様のものなどの、多数の増幅器特性を制御する。

前の記述は、当業者が本発明を実施することを可能にすることになる詳細を含むが、その記述は、本来説明に役立つものであり、その多くの変更および変形は、これらの教示の利益を有する当業者には明らかとなることを理解されたい。したがって、本明細書での本発明が、もっぱら本明細書に添付される特許請求の範囲によって規定され、特許請求の範囲が、従来技術によって容認されるのと同じほどに広く解釈されることが意図されている。

Claims (10)

1. 光増幅システムであって、
   励起パワーを光源波長で提供する励起光源と、
   前記励起パワーが入力として送り込まれるカスケード型ラマン共振器とを備え、前記カスケード型ラマン共振器は前記励起パワーに第１のストークス・シフトを生成する１つまたは複数の入れ子状ラマン空胴を備え、それによって前記光源波長から出力波長までの段階的推移を提供し、さらに、
   前記カスケード型ラマン共振器に先行する波長依存損失要素を備え、
   前記波長依存損失要素は、前記光源波長での光パワーを低損失で伝送し、前記ラマン共振器での前記第１のストークス・シフト反射体の波長にほぼ等しい波長で高損失を提供するように構成され、
   前記波長依存損失要素は、前記励起光源に戻る光パワーの後方伝播を低減する、光増幅システム。
2. 前記波長依存損失要素は、前記カスケード型ラマン共振器での第１の入力回折格子の波長に整合する中心波長と、前記励起波長で低損失を維持しながら、より高次のストークス・シフトでの放射を抑制するのに十分に広い帯域幅と有する、請求項１に記載の光増幅システム。
3. 前記波長依存損失要素は、前記第１のストークス・シフトで高損失のフィルタ・ファイバを備える、請求項１に記載の光増幅システム。
4. 前記励起光源は、主発振器パワー増幅器として構成される、請求項１に記載の光増幅システム。
5. 前記パワー増幅器は、１またはそれ以上のモードでの動作を支援しながら、逆方向発振閾値を最大にするモード・フィールド直径を有する二重クラッド・ファイバを備える、請求項４に記載の光増幅システム。
6. 光増幅方法であって、
   （ａ）励起光源を使用して励起パワーを光源波長で提供し、
   （ｂ）前記励起光パワーをカスケード型ラマン共振器に送り出すことを含み、前記カスケード型ラマン共振器は、前記励起パワーに第１のストークス・シフトを生成し、その後に一連のより高次のストークス・シフトが続くための１つまたは複数のラマン空胴を備え、それによって前記光源波長から出力波長までの段階的推移を提供し、前記方法はさらに、
   （ｃ）波長依存損失要素をそれが前記カスケード型ラマン共振器に先行するように接続し、および
   （ｄ）前記光源波長での光パワーを低損失で伝送し、前記第１のストークス・シフトで高損失を提供するように前記波長依存損失要素を構成することを含み、
   前記波長依存損失要素は、前記励起光源と前記カスケード型ラマン共振器との間での光パワーの蓄積を防止し、それによって前記励起光源に戻る光パワーの後方伝播を防止する、光増幅方法。
7. 前記波長依存損失要素は、前記カスケード型ラマン共振器での第１の入力回折格子の波長に整合する中心波長と、前記励起波長で低損失を維持しながら、より高次のストークス・シフトでの放射を抑制するのに十分に広い帯域幅と有する、請求項６に記載の方法。
8. 前記波長依存損失要素は、前記第１のストークス・シフトで高損失のフィルタ・ファイバを備える、請求項７に記載の方法。
9. 前記励起光源は、主発振器パワー増幅器として構成される、請求項８に記載の方法。
10. 前記パワー増幅器は、１またはそれ以上のモードでの動作を支援しながら、逆方向発振閾値を最大にするモード・フィールド直径を有する二重クラッド・ファイバを備える、請求項９に記載の方法。

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