JP2014517510A - ２μｍの範囲で動作する波長の高出力単一モードファイバーレーザーシステム - Google Patents

２μｍの範囲で動作する波長の高出力単一モードファイバーレーザーシステム Download PDF

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Abstract

高出力ファイバーレーザーシステムが、ポンプカスケード及びレーザーカスケードを有して構成される。ポンプカスケードは、ＥｒまたはＹｂ／Ｅｒのいずれかを含む希土類元素のイオンでドープされたＭＭコアを有して提供されるファイバー増幅器を含む。ファイバー増幅器のＭＭコアは、二重ボトルネック形状断面を有して構成される。レーザーカスケードはＴｍイオンでドープされたコアを有して構成されたファイバーレーザーを有する。増幅器によって発生したポンプライトは、Ｔｍレーザーの上流側端部内に結合される。

Description

本開示は高出力ファイバーレーザーに関する。特に、本開示は約２μｍの範囲で動作する高出力単一モードファイバーレーザーシステムに関する。
ツリウム（Ｔｍ）系ファイバーレーザーは約２０００ｎｍのスペクトル範囲の高出力、小型、高効率、波長選択可能性、単一モードＣＷ及びパルス源に関して工業、医療及びＲＤ市場の増加する要求に合致する。これらのレーザーはその低メンテナンス性、小型、高効率及び動作の容易さのために従来のバルクＨｏ：ＹＡＧレーザーに対して多くの利点を提供する。
より高い出力及び新しい選択肢が成長し続ける中、Ｔｍレーザーはユニークな壁プラグ効率を、回折が制限されたビーム、ターンキーメンテナンスフリー動作、単一モードファイバー伝送、小型、単純な空冷と結合して、研究、医療及び工業市場分野に対して理想的な解決手段を提供する。これらのレーザーシステムは様々な工業、ＲＤ、医療及び航空用途で試験され開発されている分野である。しかしながら、Ｔｍレーザーは常に所望の高出力で動作するとは限らない。それに加えて、存在するＴｍレーザーの小型化またはむしろその不足は非常にしばしば不安材料となりうる。
図１は周知の単一モード（ＳＭ）Ｔｍ系高出力ファイバーレーザーシステム１０の１つを示しており、結合器１２を画定する結合された複数のＳＭエルビウム（Ｅｒ）ドープファイバーレーザーを含む。そのため結合器１２はポンプライトをＳＭ Ｔｍレーザー１６に供給することが可能な出力ファイバー１４を有して構成される。共に結合されるＳＭ Ｅｒファイバーレーザーの数は制限されない。ＳＭ Ｅｒレーザーの数を増加させるとより複雑になり、システムが小型でなくなることになる。
米国特許第５４２２８９７号明細書 米国特許第５７７４４８４号明細書
そのため、効果的かつ効率的に高出力で動作するＴｍドープファイバーレーザーを含む高出力ファイバーレーザーの必要性が存在する。
さらに、Ｔｍ系ファイバーレーザーを含み小型の構造を有する高出力ファイバーレーザーシステムの必要性が存在する。
これらの必要性は、開示されたファイバーレーザーシステムによって満足される。具体的には、システムは、Ｔｈファイバーレーザー内に結合されたポンプライトを放射するマルチモード（ＭＭ）エルビウム（Ｅｒ）ドープまたはイッテルビウム（Ｙｂ）／Ｅｒドープ二重ボトルネック型ファイバー増幅器を有して構成される。
開示されたシステムの上述及びその他の特徴及び利点は、以下の図面と共に議論される以下の記載からより容易に理解されるであろう。
周知のＴｍ系高出力ファイバーレーザーシステムの一般的な光学概略図を示す。 開示されたシステムの一般的な光学概略図を示す。 本開示に従うＴｍファイバーレーザーの構造を概略的に示す。 開示されたシステムの導波路を概略的に示す。 開示されたファイバーレーザーシステム内で用いられるＭＭ Ｅｒドープ系増幅器の構成を示す。 図５の増幅器の二重ボトルネック形状能動ファイバーを示す。 図１のシステム及び現在開示されているシステムの効率の比較を示す。 開示されたシステムの出力の安定性を示す。
開示されるシステムについて、これから詳細に参照する。図は簡略化された形態であり、正確な縮尺比ではない。「結合」という用語及び類似した用語は必ずしも直接的かつ直近の接続を指すだけでなく、中間要素またはデバイスを介した接続も含む。
図２は、特にマルチモード（ＭＭ）Ｅｒファイバー増幅器２０に結合された単一モード（ＳＭ）Ｅｒ系レーザー１６を有して構成されるポンプを有して含む開示されたファイバーレーザーシステム２５を示している。ただ１つのＥｒ増幅器２０が示されているが、本開示の範囲はそれぞれ光学的に結合された出力を有する複数のそのようなファイバー増幅器の使用を含む。Ｅｒ ＭＭ増幅器２０（１つまたは複数）は、約２μｍの波長で出力光を放出するＴｍレーザー２２内に結合されたポンプライトを放射する。図に見られるように、システム２５は非常に小型である。
二重クラッドＴｍファイバー２２の使用は一連の利点を有する。例えば、高出力密度ポンプライトは、ファイバーレーザー２２の導波外部クラッディング内に結合されることが可能である。さらに、Ｔｍファイバーレーザー２２のクラッディング／コア比が比較的低いと、増幅媒体によってポンプライトの効果的な吸収が提供される。さらに、Ｔｍファイバーレーザー２２は非線形効果のための閾値を増大させることが可能な比較的短いファイバー長を有しうる。好適には、Ｔｍレーザー２２はＳＭ能動ファイバーに基づく。しかしながら、ＭＭ Ｔｍドープファイバーは本開示の範囲内で実施することが可能である。
図３はＴｍレーザー２２のみを参照してさらに議論されるように、それぞれシステム２５のＥｒ系発振器１８及びＴｍ系発振器２２の両方に共通な構成を示している。一般的に発振器はそれぞれ、鏡またはファイバーブラッグ格子のような波長選択性構成要素３２の間で画定される共振キャビティによって特徴づけられるファブリー−ペロー構造を有する。能動ファイバー３４はそれぞれ、入力ＳＭ受動ファイバー３６及び出力ＳＭ受動ファイバー３８に直接接合されたその両端を有する。上に開示されたレーザーの構成は特許文献１及び２により詳細に開示されており、これらはそれぞれ本開示と共有され参照によって本明細書に全体が組み込まれている。
図２及び３と共に議論される図４は、システム２５のファイバー導波路構成を示している。それぞれの発振器１８、２２の出力及び入力受動ファイバーは、ファイバー増幅器２０のそれぞれのファイバー端に直接接合されている。Ｔｍレーザー２２の能動及び受動ファイバーのコア２８の直径は均一であり、増幅器２０のコア２６のそれよりも小さいものとすることができる。従って、１つまたは複数の増幅器２０から放射されたＭＭ光は、Ｔｍドープ能動ファイバー３４のコア２８内に実質的に吸収されるクラッディング光と共にＴｍレーザー２２の入力ＳＭ受動ファイバー３６のコア及びクラッディングの両方に結合される。
可能性として、Ｔｍファイバーレーザー２２はＴｍドープ能動ファイバー３８のみを含みうる。この場合、入力及び出力受動ファイバーにおける必要性は存在しないものでありえ、ＦＢＧ３２はＴｍドープ能動ファイバー３８内に直接書き込むことができる。Ｔｍレーザー２２のクラッディング４０は点線で示されるように増幅器２０のクラッディングと等しい外径またはそれよりも小さい外径を有して構成されてもよい。
ポンプのシードレーザー１８はＥｒイオンでドープされたＳＭコア２４を有して構成される。シードレーザー１８の構成は、図３のＴｍレーザーの１つと同一である。レーザー１８の出力ＳＭ受動ファイバーは端部を増幅器２０の入力に接合される。上述の開示された構成に加えて、シードレーザー１８のその他の知られた構成が、本開示の範囲内で同様に用いられてもよい。
図５は増幅器２０の改良されたＭＭ ＥｒまたはＹｂ／Ｅｒドープコアを示す。Ｅｒ増幅器２０はＥｒまたはＹｂ／Ｅｒイオンでドープされマルチモードの伝搬を支持することが可能なＭＭコア２６を有する能動ファイバーを有する。入力受動ＳＭファイバー２９はＭＭコア２６の対向する端部領域と少なくとも等しい直径または好適にはそれより小さい直径を有しそれに接合されたコア２７を有して提供される。能動ファイバー２０の反対の端部は、ＭＭコア２６の対向する端部領域の直径と少なくとも等しいが好適にはそれより大きな直径のコア３３を有する出力ＭＭ受動ファイバー３１に接合される。ＭＭコア２６は約１００μｍのような比較的大きな直径を有し、その一方ファイバー増幅器２０のクラッディングは７００μｍに達する直径を有するものであってよい。
図６を参照すると、ＭＭコア２６は一般的に二重ボトルネック形状を有する。ＭＭコアの二重ボトルネック形状の断面は、それぞれ比較的小さく、好適には均一な端部領域５０及び５６を有して構成される。端部領域５０は、好適には入力ファイバー２９のコアよりも大きく、その一方端部領域５６は出力ファイバー３１のコアよりも小さい。Ｔｈレーザー２２の入力ファイバーはファイバー増幅器２０の出力ファイバーのコア直径よりも小さなコア直径を有する。コア端部領域の幾何形状は光がそれぞれ入力ファイバー２９及び出力ファイバー３１の間を伝搬する際の損失を最小化する。しかしながら、それぞれ結合されたファイバーのほぼ等しいコア直径を有するその他のコアの幾何形状も、本開示の範囲内で選択することが可能である。しかしながら、その他どのような幾何形状も、それぞれのファイバー間の結合において出力損失を最小化しまたは全くなくすことを目的としている。比較的大きく均一に構成されたＭＭコア２６の増幅領域５４は端部および増幅領域に結合する円錐台形遷移領域５２が側面に配置される。
図２から４に戻ると、システム２５はＥｒシードレーザー１８なく構成されるものであってもよい。この場合、マルチモードＥｒドープファイバー２０は強力なファブリー−ペロー発振器として構成することが可能であり、共振キャビティはそのコア２６の内部に形成される。
図７はポンプレーザーダイオードに結合された入力電流からのシステム２５の出力の間の関係を示す。本開示のシステム２５の効率４４は図１に示されたシステム１０の効率４６よりも高いことが容易にわかる。
図８はＣＷ形態システムにおける図４のＭＭ増幅器２０の出力４８が顕著に低下しないことを示している。図はさらに動作のＣＷモードにおける開示されたＴｍレーザーの出力５６の安定性を示している。問題となる低下は検出されなかった。システム２５はパルス形態でも動作しうる。
図４を参照すると、開示されたシステム２５はＴｍドープレーザーが発生させることができるよりも長い波長を必要とする用途で用いられるものであってもよい。従って、システム２５はＴｍレーザーの出力を２μｍを超えるようにシフトさせうる非線形ＺｎＳ結晶６０をさらに含むものであってもよい。Ｔｍドープレーザー２２からの出力光の結晶６０内への結合は、出力ビーム２２をレンズユニット（図示せず）及びコリメータ５８を介して導くことによって実現される。
上述の説明および例は単に開示を例示するために記述されたものであり、限定を意図されるものではない。従って、本開示は添付された特許請求の範囲内で全ての変形例を幅広く含むものとして解釈されるべきである。
１６ ＳＭ Ｅｒ系レーザー
１８ Ｔｍ系発振器
２０ ＭＭ Ｅｒファイバー増幅器
２２ Ｔｍレーザー
２５ ファイバーレーザーシステム
２６ 増幅器のコア
２７ コア
２８ 能動ファイバーのコア
２９ 入力ファイバー
３１ 出力ファイバー
３２ 波長選択性構成要素
３４ 能動ファイバー
３６ 入力ＳＭ受動ファイバー
３８ 出力ＳＭ受動ファイバー
４０ Ｔｍレーザーのクラッディング
４４ システム２５の効率
４６ システム１０の効率
４８ ＭＭ増幅器の出力
５０ 端部領域
５２ 円錐台形遷移領域
５４ 増幅領域
５６ 端部領域
５８ コリメータ
６０ 非線形ＺｎＳ結晶

Claims (12)

  1. ポンプライトを放射する少なくとも１つのファイバー増幅器を有し、Ｅｒ及びイッテルビウム／エルビウムからなる群から選択された希土類元素のイオンでドープされたマルチモードコアを有する能動ファイバーを有して提供されるポンプ、並びに
    Ｔｍイオンでドープされたコアを有するファイバーレーザーであって、前記ポンプライトを受け取って約２ミクロンの波長でシステム出力を放射するＴｍファイバーレーザーを含む単一モード（ＳＭ）高出力ファイバーレーザーシステム。
  2. 前記ポンプレーザー増幅器が、入力端領域、出力端領域、前記端部領域の間に前記端部領域よりも大きなコア直径を有する中央領域、及び前記端部領域と増幅領域との間に橋渡しする２つの円錐台形領域を含む二重ボトルネック形状断面を有して構成される、請求項１に記載のファイバーレーザーシステム。
  3. 前記ポンプレーザー増幅器がさらに、前記能動ポンプファイバーのそれぞれの端部にそれぞれ接合される端部を有する単一モード入力受動ファイバー及びマルチモード出力ファイバーを有する、請求項２に記載のファイバーレーザーシステム。
  4. 前記ポンプ増幅器の前記能動ファイバーの両端領域がそれぞれ前記入力受動ファイバー及び出力受動ファイバーのそれぞれ対向する端部に接合され、前記入力ファイバーが前記入力ファイバーに対向する前記能動ファイバーのコアの端部領域と少なくとも実質的に等しい、またはそれよりも小さい直径のコアを有し、前記出力ファイバーが前記能動ファイバーのコアの端部領域の直径以上の直径のコアを有する、請求項３に記載のファイバーレーザー。
  5. 前記ポンプが、前記ポンプ増幅器の前記入力受動ファイバー内に結合されるＳＭ放射を出力するように作動するシードＥｒ系ファイバーレーザーをさらに有する、請求項４に記載のファイバーレーザー。
  6. 前記ＴｍレーザーがＳＭ構成を有するＴｍドープ能動ファイバーを有して構成される、請求項３に記載のファイバーレーザーシステム。
  7. 前記ＴｍレーザーがＭＭ構成を有するＴｍドープ能動ファイバーを有して構成される、請求項３に記載のファイバーレーザーシステム。
  8. 前記ポンプの前記出力ファイバーのコアが、前記Ｔｍレーザーにポンプライトを供給する入力ファイバーと少なくとも等しいまたはそれより大きい、請求項４に記載のファイバーレーザー。
  9. 前記ポンプの前記レーザー増幅器が、均一なコア直径を有して提供されるコアを有し、前記Ｔｍレーザーが、それぞれ波長選択要素を有して提供されるＴｍドープ能動ファイバー並びに入力ＳＭ受動ファイバー及び出力ＳＭ受動ファイバーを有して構成され、前記能動ポンプファイバーのコアの直径が、前記Ｔｍレーザーの前記入力受動ファイバーのコア直径よりも大きい、請求項１に記載のファイバーレーザーシステム。
  10. 前記ポンプ増幅器のＴｍレーザー及び能動ファイバーのそれぞれのコアが、それぞれのクラッディングによって取り囲まれ、前記Ｔｍレーザーの外側のクラッディングが前記ポンプファイバー増幅器の前記能動ファイバーのそれよりも小さい、請求項１に記載のファイバーレーザー。
  11. 複数のポンプ増幅器をさらに含む、請求項１に記載のファイバーレーザー。
  12. 前記ポンプが発振器または増幅器から選択される構成を有する、請求項１に記載のファイバーレーザー。
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