JP2023085218A - 複光路方式ファイバ・レーザの励起アーキテクチャ - Google Patents

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Abstract

【課題】励起効率を犠牲にせず、ファイバ温度を高めず、出力におけるＰＳＣによる性能および統合の問題に屈せず、非線形障害を低減する。【解決手段】ファイバ・レーザ増幅システムは、信号ビームと励起ビームとを受信する第１デュアル・クラッド配信ファイバと、第１配信ファイバに連結され、信号ビームと励起ビームとを受信し、励起ビームを使用して信号ビームを増幅するドープ増幅ファイバと、増幅ファイバに連結され、増幅された信号ビームと励起ビームとを受信する第２デュアル・クラッド配信ファイバとを含む。システムは、入力ファセットと出力ファセットとを有するエンド・キャップも含む。入力ファセットは、第２配信ファイバに連結され、増幅された信号ビームと励起ビームとを受信し、出力ファセットは、増幅された信号ビームを通過させ、励起ビームをドープ増幅ファイバに向けて逆方向に射出するために、励起ビームを第２配信ファイバに反射する。【選択図】図１

Description

[0001] 本開示は、一般的には、非線形および熱障害の影響を低減するファイバ・レーザの励起アーキテクチャに関し、更に特定すれば、非線形および熱障害の影響を低減するように、励起光を二重通過(double-pass)させるダイクロイック・エンドキャップ(dichroic endcap)を含むファイバ・レーザの励起アーキテクチャに関する。
従来技術
[0002] 高パワー・レーザ増幅器は、工業、商業、軍事等を含む多くの応用分野を有する。レーザ増幅器の設計者は、これらの用途およびその他の用途のために、レーザ増幅器のパワーを増大させる方法を絶えず研究している。既知の形式のレーザ増幅器の１つに、ファイバ・レーザ増幅器がある。ファイバ・レーザ増幅器は、イッテルビウム（Ｙb）をドープしたファイバまたはツリウム（Ｔm）をドープしたファイバのような、ドープ・ファイバを採用し、シード・ビームと、このシード・ビームを増幅する励起ビームとを受信し、高パワー・レーザ・ビームを生成する。ファイバは、約１０～２０μm以上の有効コア径を有する。
[0003] 高エネルギ光ビームを標的に向けて射出する(direct)有向エネルギ（ＤＥ：directed energy）システムが、実世界の作戦環境において急速に実現されつつある。個々のマルチｋWクラス・レーザならびに高エネルギおよびピーク・パワー・パルス照射器の、離れたビーム・ディレクタおよびコンバイナへのビーム配信は、信頼性があり、ロバストで、しかも効率的であるので、ＤＥシステムにとって主要な推進要素となっている。ファイバ・レーザ増幅器は、その高い効率、高いパワー・スケーラビリティ、および卓越したビーム品質のために、ＤＥシステムのためのエネルギ源として望ましいことが証明されている。ファイバ・レーザ・システムは、複数のファイバ・レーザ増幅器を採用し、これらが、何らかの方法で増幅されたビームを結合して、更に高いパワーを生成する。この形式のファイバ・レーザ増幅システムの設計上の課題は、ビームがビーム直径全域にわたって均一な位相を有する１つのビーム出力を供給するように、複数のファイバ増幅器からのビームを結合し、ビームを小さな焦点スポットに合焦できるようにすることであり、結合ビーム(combined beam)を遠く離れた小さなスポットに合焦することにより、ビームの品質を定める（遠距離場）。
[0004] コヒーレント・ビーム結合（ＣＢＣ：coherent beam combining）と呼ばれる既知の多重ファイバ・レーザ増幅器の設計の１つでは、マスタ・オシレータ（ＭＯ：master oscillator）がシード・ビームを生成し、シード・ビームは、各々共通波長を有する複数のスプリット・シード・ビームに分割され、各シード・ビームが増幅される。増幅されたシード・ビームは、次に、回折光学素子（ＤＯＥ：diffractive optical element）、または他の光学系に誘導され、複数のコヒーレント増幅ビームを１つの出力ビームに結合する(combine)。ＤＯＥは、周期的構造が素子内に形成されているので、各々多少異なる角度方向を有する個々の増幅ビームが周期的構造によって方向転換させられると、ビームの全てがＤＯＥから同じ方向に回折する。
[0005] スペクトル・ビーム結合（ＳＢＣ：spectral beam combining）と呼ばれる他の既知の多重ファイバ・レーザ増幅器の設計では、複数のマスタ・オシレータ（ＭＯ）が複数の異なる波長において、複数のシード・ビームを生成し、各シード・ビームを増幅する。次いで、増幅したシード・ビームを回折格子または他の波長選択エレメントに向けて射出し、回折格子が異なる波長のファイバ・ビームを結合して１つの結合出力ビームにする。回折格子は、周期的構造が格子状に形成されているので、各々多少異なる波長および角度方向(angular direction)を有する個々の増幅ビームが、周期的構造によって方向転換させられると、ビームの全てが回折格子から同じ方向に回折する。
[0006] 典型的な既知のファイバ増幅器ステージでは、ファイバ利得媒体が二重クラッド・ファイバとして形成され、典型的な断面の直径が、Ｙｂドープ単一コアでは約２０μm、励起クラッディングでは約４００μm、そして外側のアクリレート・コーディングでは約５５０μmである。コア開口数（ＮＡ：numerical aperture）は、１回の横断モード動作で信号光に高いビーム品質を確保することを可能にするように選択され、通例、ＮＡ～０.０６である。低輝度ダイオード励起光の結合(coupling)を可能にするためには、クラッディングＮＡをできるだけ大きく与えるが、通例、ＮＡ～０.４６である。所望の低パワー・シード・ビーム光をファイバ・コアに注入し、ファイバの同じ端部において、ダイオード励起光をクラッディングに同時注入する。励起光がファイバ内を下流に向かって伝播するに連れて、コアを横断するときに吸収され、コア内においてシード・ビームが増幅され、出力においてマルチｋWレベルになる。通例、ファイバ長は、ダイオード励起光の９５％以上を吸収するように、十分に長く選択される。
[0007] パッケージ型狭線幅、マルチｋWファイバ・レーザ増幅器では、励起およびシード・ビーム光は、通例、自由空間を通過する間には結合されず、むしろ増幅器のマルチステージ・チェーンにおいて特殊全ファイバ・コンポーネント(specialized all-fiber components)を使用して注入される。具体的な設計の１つでは、シード・ビームは、二重クラッド利得ファイバのコアに注入される前に、マルチステージ事前増幅器において、１０Wクラスまで増幅されることが多い。ダイオード励起光は、テーパ型ファイバ・バンドル(tapered fiber bundle)励起信号コンバイナ（ＰＳＣ：pump-signal combiner）を使用して、利得ファイバのクラッディングに注入される。増幅の後、利得ファイバの出力端は、受動配信ファイバに継ぎ合わされる(splice)。残留する励起光は、クラッディング光ストリッパ（ＣＬＳ：cladding light stripper）を使用して、クラッディングから排除される(strip)。クラッディング光ストリッパによって、アクリレート・コーティングが窓型に剥ぎ取られ、残留する励起光を排出する(out-couple)ために、露出したクラッディング・ガラス面を粗面化するか、または屈折率が一致する接着剤に接触させる。楔形の反射防止（ＡＲ：antireflection）コーティングされたエンド・キャップが、配信ファイバの出力端に継ぎ合わされ、出力ファセットの損傷を回避し、信号光の後方反射を抑制するために、ファイバ・モードを拡張させる。通例、増幅器は２０ｄＢを超える飽和利得で動作し、戻り方向における不安定性または望ましくないパワー抽出を回避するためには、エンド・キャップからの－６０ｄBの反射損失(return loss)が必要となる。
[0008] 狭線幅Ｙｂドープ・ファイバ増幅器のパワー調整(power-scaling)は、現在、２つの別々の非線形光学的障害によって阻害されている(limited)。具体的には、誘導ブリュアン散乱（ＳＢＳ：stimulated Brillouin scattering）および自己位相変調（ＳＰＭ：self-phase modulation）であり、主要な非線形障害はＳＢＳである。ＳＢＳとは、レーザ電界がファイバ・コア内において電歪によって位相格子を生じ、順方向に伝播するビームの一部(some fraction)を反射するという、非線形効果である。格子の有効反射率が多くなり過ぎると、ファイバ増幅器からの出力パワーが減少し、失われたパワーが逆方向に、上流側の低パワー・コンポーネントに向かって反射され、最終的に破局的な損傷を起こす原因となる。ＳＢＳの閾値はスペクトル輝度（spectral brightness)に反比例するので（～パワー／線幅）、ＳＢＳは、単一周波数ファイバ・レーザから利用可能なパワーを数百ワットに抑えてしまう。ＳＢＳの閾値パワーを増大させるためには、位相変調を使用して、または等価的に周波数変調（ＦＭ）を使用して、ファイバ・レーザ入力シード・スペクトルを多ＧＨｚドメインに広げるのが一般的な方法である。これによって光コヒーレント長を短縮し、したがってＳＢＳ利得を低下させる。Yｂドープ・ファイバ増幅器のパワーがマルチｋWレベルに増大するに連れ、または配信ファイバ長が延長するに連れ、ＳＢＳを抑制するためには、より広いＦＭ線幅が必要になる。通例、線幅は、Yｂドープ・ファイバ増幅器については、～１０－２０ＧＨｚ／ｋW程度ではパワーとほぼ線形に増大する。ＳＢＳ抑制線幅を減らすと、即ち、ＳＢＳ抑制ファイバ・スペクトル輝度を高めると、ビーム結合ファイバ・レーザ・システムを更に高いパワーまで調整する(scaling)ことが可能になる。
[0009] 光学的障害ＳＰMは、Ｂ－積分(B - integral)、即ち、非線形位相偏移によってパラメータ化され、低レベルの制御されない振幅変調（ＡＭ）を位相ノイズに変換することによって、ビーム・コヒーレンスを劣化させる可能性がある。この非線形効果は、ＣＢＣの効率、即ち、ＳＢＣのビーム品質を抑え、したがって、ファイバ・レーザ・システムの性能を低下させる可能性がある。具体的には、スペクトル輝度の損失または光コヒーレンスの損失がある。これらの効果を回避または低減するためには、相対的強度ノイズ（ＲＩＮ：relative intensity noise）としても知られているＡＭが、ファイバ増幅器にシードするシード・ビーム内を伝播する量を制限することが、一般的に望ましい。振幅変調を行わず(provide)に周波数変調を行うためにシード・ビームのスペクトルを広げる技法を、ファイバ増幅器に実装することができ、シード・ビームが周波数変調されるだけであれば、ＳＰＭをもたらす(drive)カー非線形は問題の原因にならない。即ち、シード・ビームの時間に依存する非線形位相偏移を生じない。しかしながら、故意であれ不用意であれ、ＦＭ／ＡＭ変換によってＡMがシード・ビーム上に乗せられた場合、ＳＰＭが、ファイバ増幅器から放出されたビームの非線形スペクトル拡大を生ずる可能性があり、ＳＢＣの間ビーム品質を低下させる可能性がある。
[0010] これらの光学的障害のために、通例、出力ビームのスペクトル輝度、即ち、光学線幅の単位当たりのパワー、またはｋＷ／ＧＨｚに限界が生じる(limit)。これらの光学的障害は、ファイバ・パワーが増大する程、そしてファイバ長が長くなる程、厳しさを増す。ファイバ・パワーがマルチｋWレベルまで増加するに連れて、または配信ファイバ長が長くなるに連れて、ＳＢＳを抑制するためには増々広いＦＭ線幅が必要になる。共励起ファイバ増幅器(co-pumped fiber amplifier)では、障害の大きさは、通例、ファイバ長全体にわたる信号パワーの積分として増大する（口語的には有効パワー－長さの積として知られている）。したがって、狭スペクトル線幅を維持しつつファイバ・レーザを調整してパワーを高める１つの方針(path)は、ファイバの有効長を減少させることによって、非線形光学障害を低減することである。
[0011] 非線形な光学的障害を低減し、スペクトル輝度の調整を可能にするためには、ファイバ長が短い程有利であることはよく知られているが、他の設計上の考慮によっても、増幅器における実用上の最小ファイバ長の抑制(limit)が推し進められる(impose)。例えば、１つの設計上の制約は、高い光－光(optical-to-optical)変換効率を確保するために、励起光の殆どを吸収しなければならないことである。高パワー増幅器に適したＹｂドープ・ファイバは、通例、～１から１.５ｄＢ／ｍのクラッディング励起吸収効率を有する。このことから、全励起光の＞９５％、または１３dBを吸収するためには、約１０ｍの利得ファイバ長が必要となる。他の設計上の制約は、単位ファイバ長当たりの廃熱の発生を最小に抑えなければならないことである。同じ全励起吸収を維持しつつ、固定パワー・レベルを放出するファイバ増幅器の長さを半分に切断すると（例えば、その有効吸収特性を高めるために励起波長を変えることによって）、単位長当たりの廃熱は２倍になり、ファイバ温度を上昇させることになる。ファイバが熱くなり過ぎると、そのアクリレート・コーティングが燃えるおそれがあり、破局的な故障に至る。廃熱は、特に、２μｍ帯域において放出するＴｍドープ・ファイバには妨げとなる(limiting)。何故なら、これらの励起吸収効率（～６ｄＢ／ｍ）は、通例、同様の外形で１μmにおいて放出するＹｂドープ・ファイバよりも、～４から５倍高く、それらの量子欠陥（廃熱分率、～３５％）は３倍高いからである。したがって、共励起ファイバ増幅器の長さは、ＳＢＳ／ＳＰＭを抑制するという競合設計の必須事項と釣り合いを取り（ファイバは短い程よい）、高吸収効率および低温を維持する（ファイバは長い程よい）折衷案によって決定される。更に高いスペクトル輝度に調整するためにこの折衷案空間(tradeoff space)を広げるファイバ増幅器の励起アーキテクチャが求められている。
[0012] ＳＢＳおよびＳＰＭを軽減することによって高性能化を可能にする周知のファイバ増幅器アーキテクチャの１つでは、励起光の方向を、シード・ビームとの共伝搬からシード・ビームとの逆伝搬に切り替える。励起信号コンバイナは、多くの場合、増幅器の高パワー出力端に配置され、励起クラッディング光は、シード・ビームとは逆方向に、後方に射出される。このアーキテクチャには、増幅器におけるレーザ利得を出力端に向けて再分配するという利点があり、そのため、有効パワー－長さの積、即ち、ファイバ長全体におけるパワーの積分を減少させる。しかしながら、逆励起アーキテクチャには、周知の様々な欠点もあり、そのために、ビーム結合に通例使用されるファイバ・レーザ増幅器におけるその広い採用が阻まれてきた。
[0013] 逆励起の結果、ファイバの出力端付近において、非常に高いピーク熱負荷が生じ、励起およびシード・ビーム光の双方がそれらの最大強度となり、したがって、レーザ抽出(extraction)が著しく飽和され、ファイバに熱損傷を生じさせる可能性がある。出力におけるＰＳＣは、共励起と比較すると、高パワーのシード・ビームに余分な損失を負わせる。これは、追加の継ぎ合わせが必要なため、そしてテーパ・ファイバ・バンドル（ＴＦＢ：tapered fiber bundle）コンバイナ自体の挿入損失によるためである。利得ファイバとＰＳＣとの間における継ぎ合わせは難しい。何故なら、低励起損失（通常、外側のガラス・クラッディングを完全に溶融して滑らかな遷移にするためには「熱間」継ぎ合わせを必要とする）および低信号損失（通常、コア外部への材料拡散を防止するためには「冷間」継ぎ合わせを必要とする）の両方に対してその性能を同時に最適化しなければならないからである。この結果、一般的に、励起およびシード・ビームの継ぎ合わせを別個に最適化できる場合よりも、損失が多くなる。ＰＳＣは、継ぎ合わせおよび内部ＴＦＢ構造からの制御されない損失信号パワーを処理し適正に消滅させる(sink)ことができなければならない。これは、特に、Ｔｍ－ドープ・ファイバには難しく、散乱する２μｍシード・ビーム光が殆どのファイバ・アクリレート・コーティングによって吸収され、それらを燃焼させる可能性がある。ＰＳＣは、増幅器の出力において、かなりの（通例０．５～１ｍ）余分なファイバ長を必要とさせる(impose)ため、本来逆励起によってもたらされる非線形長の削減を一部相殺する可能性がある。
[0014] 双方向励起または二重励起(bi-pumping)によって、共励起および逆励起の双方を同時に実施することができる。この二重励起手法は、逆励起だけの場合程多くの有効パワー－長さの積の減少が得られないが、それでも共励起に対しては改善となる。ファイバの二端間で励起パワーを分割することによって、共励起または逆励起だけによる場合よりも均一に熱負荷を分割することができる。しかしながら、二重励起ですら、増幅器の高パワー出力端においてＰＳＣを有する場合には、統合およびパワー処理(handling)に課題をかかえている。したがって、励起効率を犠牲にせず、ファイバ温度を高めず、出力におけるＰＳＣによる性能および統合の問題に屈せず(suffer)、非線形障害を低減するように改良したファイバ励起アーキテクチャが求められている。
ダイクロイック・エンドキャップを有する復光路(double-pass)励起アーキテクチャを含むファイバ・レーザ増幅システムの模式ブロック図である。 図１に示すファイバ・レーザ増幅システムにおける利得ファイバの図である。 励起ビーム光を示す、ダイクロイック・エンドキャップの等幅図である。 信号ビーム光を示す、ダイクロイック・エンドキャップの等幅図である。 復光路励起アーキテクチャを含むＳＢＣファイバ・レーザ増幅システムの模式ブロック図である。 復光路励起アーキテクチャを含むＣＢＣファイバ・レーザ増幅システムの模式ブロック図である。
[0021] 本開示の実施形態についての以下の論述は、非線形および熱障害の影響を低減するように、励起光を二重通過させるダイクロイック・エンドキャップを含むファイバ・レーザ励起アーキテクチャを対象とするが、これは本質的に単なる例示に過ぎず、本開示を限定する意図も、その用途や使用も限定する意図も全くない。
[0022] 図１は、ファイバ・レーザ増幅システム１０の簡略ブロック図である。ファイバ・レーザ増幅システム１０は、シードまたは信号ビーム源１４を有する単一増幅チャネル１２を含み、ビーム源１４は、ファイバ１６上に中心波長λを有する低パワー信号ビームを生成する。ビーム源１４は、単一縦モード分布帰還型（ＤＦＢ：single-longitudinal mode distributed feedback）ダイオード・レーザ発振器のような、主発振器（ＭＯ）と、電光変調器（ＥＯＭ）のような、周波数変調器とを含むのでもよい。ＥＯＭは、周波数変調拡大(frequency modulation broadening)に備えるＲＦ源（図示せず）からの、ホワイト・ノイズまたは擬似ランダム・ビット・シーケンス（ＰＲＢＳ）のような、増幅無線周波数（ＲＦ）電気駆動信号によって供給される印加電圧を受けることができ、変調信号ビームが、実質的に拡大された線幅を有するようにして、下流側の高パワー・ファイバ増幅器における誘導ブリルアン散乱を抑制する。低パワー・プリアンプ(low power pre-amplifier)２２は、拡大信号ビームを受ける。プリアンプ２２は、単一ファイバ増幅器またはファイバ増幅器の直列チェーンとすることができ、高パワー・ファイバ増幅器にシードするのに適したレベル（通例、約１０Ｗ）まで、ビーム・パワーを昇圧する。プリアンプ２２の各側にある光アイソレータ２０および２４は、信号ビームを通過させるが、反射した増幅光が戻ってビーム源１４に入射するのを防止する。このようにしないと、損傷が生ずるおそれがある。
[0023] 信号ビームは、励起ダイオード２８からの複数の励起ビームと共に、適したテーパ・ファイバ・バンドルのような、励起－信号コンバイナ３０において結合され、励起光がファイバ・クラッディング内を伝搬し、信号光がファイバ・コア内を伝搬するように、デュアル・クラッド配信ファイバ３２に送られる。デュアル・クラッド配信ファイバ３２は、ドープ利得ファイバ３４に継ぎ合わされ、ドープ利得ファイバ３４は、励起ビームを使用して、共励起法で信号ビームを増幅する。図２は、２０μｍのコア５２、４００μｍの内部クラッディング層５４、およびポリマー・コーティング５６を示す、利得ファイバ３４の図である。デュアル・クラッド配信ファイバ３２のコアにはレーザ利得材料がドープされていないことを除いて、配信ファイバ３２は利得ファイバ３４と同じ構造エレメントを有する。
[0024] 利得ファイバ３４は、デュアル・クラッド配信ファイバ３６に継ぎ合わされ、配信ファイバ３６のコアにはレーザ利得材料がドープされていないことを除いて、デュアル・クラッド配信ファイバ３６も利得ファイバ３４と同じ構造エレメントを有する。配信ファイバ３６は、信号ビームがエア・インターフェースに到達したときに光パワー密度を低下させるように、増幅信号ビームの拡張(expansion)に対処するダイクロイック・エンドキャップ４０に連結されており、こうしないと、配信ファイバ３６を損傷するおそれがある。以下で詳しく論ずるが、エンド・キャップ４０の出力端には、ダイクロイックおよび反射防止コーティングまたは層４２が被覆されており、層４２は励起ビーム波長を反射し、信号ビーム波長を通過させる。ダイクロイック層４２は、既知のＡＲコーティングと同様である。ＡＲコーティングは、通例、できるだけ多くの信号ビームがエンド・キャップ４０に向けて逆方向に反射されるのを防止するために望まれる光学プロパティを有する、薄い誘電体層の積層体であるが、層４２の材料および厚さは、励起ビーム波長も反射するように設計されている。反射した励起ビームは、デュアル・クラッド配信ファイバ３６のクラッディングに向けて逆方向に射出されるので、反射した励起ビームは、利得ファイバ３４において、逆伝搬の態様で、追加の信号ビーム増幅を行う。これは、事実上、利得ファイバ３４のファイバ吸収長を倍増し、複雑さを追加することなく、性能上の影響もなく、逆励起カプラの開発コストをかけることもなく、双方向励起の効果(benefit)と同等に、ピーク・ファイバ熱負荷の減少を可能にする。加えて、レーザ利得および信号パワーを利得ファイバ３４の出力端に向けてずらすことによって、複光路の有効非線形相互作用長(interaction length)は、同等の長さの共励起ファイバのそれのわずか７０％になる。熱負荷の半減と併せると、非線形障害を低減する目的で複光路励起を実施することの最終的な効果は、共励起と比較すると、３倍になる。
[0025] 図３は、伝搬する励起光７２が通過するエンド・キャップ７０を示す等幅図であり、図４は、伝搬する信号光７４が通過するエンド・キャップ７０を示す等幅図である。励起光７２は、信号光７４よりも品質が低いビームであり、ビーム・パラメータ積が大きいので、励起光７２の方が信号光よりも多く発散する。エンド・キャップ７０は、システム１０においてエンド・キャップ４０として使用することができるエンド・キャップの非限定的な一例として示されており、本明細書における論述にしたがえば、他の構成のエンド・キャップ４０も用意することができる。エンド・キャップ７０は、テーパ部７８、入射ファセット８０、直線部８２、および半円状湾曲射出ファセット８４を有するガラス体７６を含む。以下で詳しく論ずるが、短い、例えば、数ミリメートルのコアレス・ファイバ８６を随意に入射ファセット８０の一端に連結し、配信ファイバ３６をコアレス・ファイバ８６の他端に継ぎ合わせる。コアレス・ファイバ８６は、コアを有さないことを除いて、利得ファイバ３４と同じ構造エレメントを有する。テーパ部７８は、ファイバ８６および入射ファセット８０が同時に溶融するように、コアレス・ファイバ８６を光学的に入射ファセット８０に溶接するときに加熱させなければならないガラスの量を低減する。ダイクロイック・コーティング８８を射出ファセット８４上に堆積し、励起光７２の大きな割合がファイバ８６に向かって逆方向に反射されて配信ファイバ３６に入り、次いで利得ファイバ３４に入るように、そして信号光７４の大きな割合が射出ファセット８４を通過するように構成する。つまり、コーティング８８は、信号光７４に対してＡＲコーティングとして作用する。
[0026] コアレス・ファイバ８６を使用する場合、その長さは重要ではない。しかしながら、その最大長は、その長さが長過ぎる場合、入射ファセット８０における信号光７４の発散によって制限される。通例、大きなクリッピングを回避するために、コアレス・ファイバ８６の長さは、ｎＤ／４*ＮＡ未満にしなければならない。ここで、ｎはファイバ・ガラスの屈折率、Ｄはコアレス・ファイバ８６の直径、ＮＡは信号ファイバ・モードの発散半角であり、２０μｍのファイバ・コア直径および１μｍの波長に対する典型的なＮＡは０．０３５である。組み立てプロセスでは、最初に、長いコアレス・ファイバ８６をコア有り(cored)配信ファイバ３６に継ぎ合わせ、次いでそれを継ぎ合わせ接合部から所望の長さに割る(cleave)作業を伴う。次いで、コアレス・ファイバを終端した組み立て体をエンド・キャップ７０に溶接する。デュアル・クラッド利得ファイバ３４のクラッディング層５４および配信ファイバ３６内を進行する励起光７２は、～０．４６の典型的なＮＡを有するので、励起光７２は、配信ファイバ３６とコアレス・ファイバ８６との間の溶接接合部において発散し始める。したがって、効率的な復光路方式のためには、励起光７２をファイバ・クラッディング層５４上に再現され(re-image)なければならない。これは、ダイクロイック・エンドキャップ７０に球状射出ファセット８４を形成する(configure)ことによって達成される。ファセット８４の曲率中心は、コアレス・ファイバとエンド・キャップとの溶接接合部に位置するので、残留するクラッディング励起光７２は、再帰反射され、配信ファイバ３６および利得ファイバ３４の双方を二重通過する。
[0027] 励起ＮＡ＝０．４６、ファイバ・クラッディング直径が４００μｍ、およびエンド・キャップ長が８ｍｍで、屈折率ｎ＝１．４５（溶融シリカ）のように完全に整合されたシステムでは、反射励起光７２の約９９．３％はクラッディング層５４内に再現される。反射率が９９％のコーティングと結合するとき、９８％の最終的な戻り結合効率(net return coupling efficiency)が達成可能である。高励起結合効率に対する臨界公差には、コアレス・ファイバの溶接接合面の変形が少ないことを確保し、更にコアレス・ファイバの先端が横方向に射出ファセット８８の曲率中心にできるだけ近い位置に溶接されることを確保することが含まれる。エンド・キャップ７０について、励起光７２の反射損失を最適値の１％以内に抑えるために必要とされる横方向許容度は、本明細書において論ずる特定の例では±５μｍであることが、光線追跡法によって示される。また、軸上の射出ファセットの厚さに対する溶接接合部は、正確に射出ファセット８４の１曲率半径でなければならない。光線追跡法は、厚さの許容度が、１％結合損失に対して、約±２０μｍの精度であることを示す。この許容度は、エンド・キャップの製造によって達成することができ、曲率半径に合わせるために、研磨によってステム長を短くする(polish down)。
[0028] また、エンド・キャップ７０は、信号光７４の望ましくない後方反射を制御するように構成されている。高利得（＞２０ｄＢ）増幅器にとって、信号光７４の反射損失を－６０ｄＢ程度に抑制することは、不安定性を防止するためには重要である。配信ファイバ３６をエンド・キャップ７０に直接、完全に整合して、継ぎ合わせした場合、反射信号光７４のほぼ１００％がコア５２内に再現される。コーディング８８だけでは、－３０ｄＢ程度の抑制が得られるに過ぎない。したがって、このような形状では使い物にならないであろう。しかしながら、コアレス・ファイバ８６内において継ぎ合わせると、信号光７４のコア５２への再現を防止することができる。信号光７４は、コアレス・ファイバ８６と配信ファイバ３６との間の継ぎ合わせ接合部の後には、もはやコア５２内に誘導されず、コアレス・ファイバ８６の長さに沿って自由に拡大する。したがって、信号光７４によって示されるように、コア５２のファセット８４からの反射イメージは、配信ファイバ３６とコアレス・ファイバ８６との間にある継ぎ合わせ接合部から数ミリメートル離れた、エンド・キャップ７０の本体７６内の地点９０にあり、したがって、コア５２に入射する反射信号光７４の量を低減する。単純な計算では、これが－３０ｄＢの形態的結合損失(geometric coupling loss)をコア５２にもたらすことを示し、コーティングからの－３０ｄＢ損失と総合すると、－６０ｄＢの最終的な反射損失となり、所望の要件を満たすことになる。
[0029] あるいは、同様の－３０ｄＢの形態的反射損失係数は、コアレス・ファイバを用いずに、配信ファイバ３６を直接エンド・キャップ７０に重ね繋ぎすることによって達成することができ、～１０から２０μｍ横方向にずれるので、反射した信号光７４は、クラッディング層５４上において直径～２０μｍのコア５２からずれたところに再現される。この場合、コア５２の反射イメージは、入射ファセット８０に位置する継ぎ合わせ接合部に直接形成されるが、コアの偏心の２倍だけ横方向にずれるので、コア５２ではなくクラッディング層５４に結合する。この場合、励起結合効率は、数パーセント落ちる。何故なら、これも横方向にずれて再現されるからであり、したがって、この構成は実現可能であるが、コアレス・ファイバ８６を使用する場合よりも不利になる場合もある。
[0030] 通例では、ファイバ増幅器を適用するには、低クラッディング光（通例、全パワーの＜１％）が必要となる。総励起吸収（１３ｄＢ）が９５％の観念的な複光路励起ファイバ増幅器では、シード端において射出される励起パワーは、エンド・キャップ７０において６．５ｄＢだけ減衰する。ダイクロイック・コーティング８８は、－２０ｄＢの余分な減衰を生じさせる(provide)ので、励起パワー比(pump power fraction)は、１００％量子効率レーザの境界状態(bounding case)に対する信号よりも－２６．５ｄＢだけ低いに過ぎない。これは、出力信号光の約０．２％である。このパワー・レベルが問題になる場合（通例ではそうではない）、ＡＲとＨＲとの間でコーティング性能を折衷する(trade)ことによって、更にパワー・レベルを下げることができ、また延長した利得ファイバからある長さだけ元に戻すこと(trade back)によって、更に下げることができる。
[0031] エンド・キャップ７０の寸法は、アレイにおける～４ｍｍのファイバ間の間隔またはピッチに対応する(support)。ピッチが小さい程、ＳＢＣにとって価値があると言ってよい。この場合、射出ファセット８４の横方向の４ｍｍの寸法を短くする必要がある。このためには、励起光７２のクリッピングを防止するために、エンド・キャップの厚さを比例的に薄くする必要があるが、そうすると、射出ファセット８４上における信号光７４のピーク強度を、損傷の危険性が生ずる可能性があるレベルまで高めてしまう。しかしながら、コアレス・ファイバ８６の長さを延長することによって、信号強度を下げ、励起拡散(pump spreading)に影響を及ぼすことなく、エンド・キャップ７０上において信号光７４の追加ビーム拡散に対応する(provide)ことができる。先に説明したように、コアレス・ファイバ８６の長さは、エンド・キャップの溶接接合部におけるコアレス・ファイバ８６の外径（ＯＤ）上における信号パワー・クリッピングによって制限される。
[0032] 具体的な例として、エンド・キャップ７０に基づくが、ピッチを半分にした（４ｍｍの代わりに２ｍｍ）エンド・キャップの構造(design)について検討する。典型的な２０μｍのコア直径を有するＬＭＡ Ｙｂドープ・ファイバでは、信号ＮＡは空中において０．０３５であり、ＳｉＯ２における２５ｍｒａｄの半角発散に対応する。システム１０が４＊ビーム半径において４００μｍＯＤコアレス・ファイバ上でクリッピングするように設計すると、コアレス・ファイバ８６の長さは、大きなクリッピングを生ずることなく、４００μｍ／（４＊２５ｍｒａｄ）＝４ｍｍにすることができる。また、エンド・キャップ７０の厚さは、全信号ビーム拡大長(total signal beam expansion length)が８ｍｍであるのに対して、４ｍｍになる。
[0033] 図５は、ＳＢＣファイバ・レーザ増幅システム９６の簡略ブロック図である。システム９６は、複数の増幅チャネル９８を含み、各増幅チャネル９８は信号ビームを生成するＭＯ１００を有し、異なるチャネル９８におけるＭＯ１００は、異なる波長において信号ビームを生成する。信号ビームはＥＯＭ１０２に送られ、ＥＯＭ１０２は、ＲＦドライバ１０４によって供給された印加電圧を受け、周波数変調の拡大(broadening)に対応する。次いで、信号ビームはファイバ増幅器１０６によって増幅され、増幅信号ビームは、先に論じた形式のエンド・キャップ１１０を有するビーム・ランチャ(launcher)１０８に送られる。エンド・キャップ１１０は、ファイバをチャネル９８の全てに収容するように構成され、エンド・キャップ７０の多くが一緒に接合されるように構成することもできる。あるいは、モノリシック・マイクロレンズ・アレイの平坦な入力面を、マルチファイバ・エンドキャップ・アレイの平坦な出力面に接合し、複数のファイバを溶接するのに適したマルチファセット・エンドキャップ(multi-faceted endcap)アレイを構成するようにしてもよい。増幅されたビームは、次に、自由空間を通ってＳＢＣ結合光学素子１１２に送られる。ＳＢＣ光学素子１１２は、格子に形成された周期的構造を有する格子（図示せず）を含むので、各々少々異なる波長および角度方向を有する個々の増幅ビームが周期的構造によって方向転換させられると、ビームの全てが異なる格子から、同じ方向に、結合出力ビームとして回折する。
[0034] 図６は、ＣＢＣファイバ・レーザ増幅システム１１６の簡略ブロック図であり、システム９６と同様のエレメントは、同じ参照番号によって識別する。システム１１６は、信号ビームを生成する単一ＭＯ１００を含む。信号ビームは、ビーム・スプリッタ１１８によって複数の信号ビームに分割され、複数の信号ビームは増幅器１０６によって増幅される。ビーム・ランチャ１０８からの増幅されたビームは、ＣＢＣ光学素子１２２に送られ、ＣＢＣ光学素子１２２は、増幅されたビームの全てを結合して、複合出力ビームにする。
[0035] 以上の論述は、本開示の例示的な実施形態を単に開示し説明したに過ぎない。このような論述から、そして添付図面および特許請求の範囲から、以下の請求項において定められる本開示の主旨および範囲から逸脱することなく、種々の変更、修正、および変形が可能であることは、当業者には容易に認められよう。

Claims (20)

  1. ファイバ・レーザ増幅システムであって、
    信号ビームを生成する少なくとも１つの信号ビーム源と、
    励起ビームを生成する少なくとも１つの励起ビーム源と、
    前記信号ビームおよび前記励起ビームを結合する(combine)ビーム・コンバイナと、
    前記ビーム・コンバイナに連結され(couple)、前記結合された励起ビームおよび信号ビームを受信する第１デュアル・クラッド配信ファイバと、
    前記第１配信ファイバに連結され、前記結合された励起ビームおよび信号ビームを受信するドープ増幅ファイバであって、前記励起ビームを使用して前記信号ビームを増幅する、ドープ増幅ファイバと、
    前記増幅ファイバに連結され、前記増幅された信号ビームと前記励起ビームとを受信する第２デュアル・クラッド配信ファイバと、
    入力ファセットと出力ファセットとを含むエンド・キャップであって、前記入力ファセットが、前記第２配信ファイバに連結され、前記増幅された信号ビームと前記励起ビームとを受信し、前記出力ファセットが、前記増幅された信号ビームを通過させ、前記励起ビームを第２配信ファイバに向けて反射して、前記励起ビームを前記ドープ増幅ファイバに向けて後ろに射出するように構成された、出力ファセットと、
    を備える、ファイバ・レーザ増幅システム。
  2. 請求項１記載のシステムにおいて、前記出力ファセットが、前記信号ビームの波長において反射防止性であり、前記励起ビームの波長において非常に反射性であるダイクロイック・コーティングを含む。
  3. 請求項１記載のシステムにおいて、前記出力ファセットが球状に湾曲する、システム。
  4. 請求項１記載のシステムにおいて、前記第２配信ファイバが直接前記入力ファセットに溶接される、システム。
  5. 請求項１記載のシステムであって、更に、前記第２配信ファイバと前記入力ファセットとの間に連結されたコアレス・ファイバを備える、システム。
  6. 請求項１記載のシステムにおいて、前記エンド・キャップが、前記出力ファセットによって反射された励起ビームが前記第２配信ファイバのクラッディング層上で再現されるように構成される、システム。
  7. 請求項１記載のシステムにおいて、前記エンド・キャップが、前記出力ファセトによって反射された信号光がいずれも、前記第２配信ファイバのコアからずれたクラッディング層上に再現されるように構成される、システム。
  8. 請求項１記載のシステムにおいて、前記エンド・キャップが、前記入力ファセットに近接するテーパ部と、前記出力ファセットに近接する直線部とを含む、システム。
  9. 請求項１記載のシステムにおいて、前記エンドキャプが、長さ約８mm、幅約４mmである、システム。
  10. 請求項１記載のシステムにおいて、前記ビーム・コンバイナがテーパ・ファイバ・バンドルである、システム。
  11. 請求項１記載のシステムにおいて、前記少なくとも１つの励起源が、複数の励起源である、システム。
  12. 請求項１記載のシステムにおいて、前記ファイバ・レーザ増幅システムが、コヒーレント・ビーム結合（ＣＢＣ）ファイバ・レーザ増幅システムであり、前記少なくとも１つの励起ビーム源、前記ビーム・コンバイナ、前記第１配信ファイバ、前記ドープ増幅ファイバ、および前記第２配信ファイバが、複数のファイバ・チャネルの中の１つのファイバ・チャネルの一部である、システム。
  13. 請求項１記載のシステムにおいて、前記ファイバ・レーザ増幅システムが、スペクトル・ビーム結合（ＳＢＣ）ファイバ・レーザ増幅システムであり、前記少なくとも１つの励起ビーム源、前記ビーム・コンバイナ、前記第１配信ファイバ、前記ドープ増幅ファイバ、および前記第２配信ファイバが、複数のファイバ・チャネルの中の１つのファイバ・チャネルの一部である、システム。
  14. ファイバ・レーザ増幅システムであって、
    信号ビームを生成する少なくとも１つの信号ビーム源と、
    励起ビームを生成する少なくとも１つの励起ビーム源と、
    前記信号ビームおよび前記励起ビームを結合するビーム・コンバイナと、
    前記ビーム・コンバイナに連結され、前記結合された励起ビームおよび信号ビームを受信する第１デュアル・クラッド配信ファイバと、
    前記第１配信ファイバに連結され、前記結合された励起ビームおよび信号ビームを受信するドープ増幅ファイバであって、前記励起ビームを使用して前記信号ビームを増幅する、ドープ増幅ファイバと、
    前記増幅ファイバに連結され、前記増幅された信号ビームと前記励起ビームとを受信する第２デュアル・クラッド配信ファイバと、
    前記第２配信ファイバに連結され、前記増幅された信号ビームと前記励起ビームとを受信するコアレス・ファイバと、
    入力ファセットと出力ファセットとを含むエンド・キャップであって、前記入力ファセットが前記コアレス・ファイバに連結され、前記増幅された信号ビームと前記励起ビームとを受信し、前記出力ファセットが、球状に湾曲し、前記増幅された信号ビームを通過させ、前記励起ビームを前記コアレス・ファイバに向けて反射して、前記励起ビームを前記第２配信ファイバおよび前記ドープ増幅ファイバに向けて後ろに射出する、ダイクロイック・コーティングを含み、前記反射した励起ビームが、前記コアレス・ファイバのクラッディング層上に再現され、前記出力ファセットから反射した信号光はいずれも前記エンド・キャップにおいて再現される、エンド・キャップと、
    を備える、ファイバ・レーザ増幅システム。
  15. 請求項１４記載のシステムにおいて、前記エンド・キャップが、前記入力ファセットに近接するテーパ部と、前記出力ファセットに近接する直線部とを含む、システム。
  16. 請求項１４記載のシステムにおいて、前記エンド・キャップが、長さ約８ｍｍ、および幅約４ｍｍである、システム。
  17. 請求項１４記載のシステムにおいて、前記ファイバ・レーザ増幅システムが、コヒーレント・ビーム結合（ＣＢＣ）ファイバ・レーザ増幅システムであり、前記少なくとも１つの励起ビーム源、前記ビーム・コンバイナ、前記第１配信ファイバ、前記ドープ増幅ファイバ、および前記第２配信ファイバが、複数のファイバ・チャネルの中の１つのファイバ・チャネルの一部である、システム。
  18. 請求項１４記載のシステムにおいて、前記ファイバ・レーザ増幅システムが、スペクトル・ビーム結合（ＳＢＣ）ファイバ・レーザ増幅システムであり、前記少なくとも１つの励起ビーム源、前記ビーム・コンバイナ、前記第１配信ファイバ、前記ドープ増幅ファイバ、および前記第２配信ファイバが、複数のファイバ・チャネルの中の１つのファイバ・チャネルの一部である、システム。
  19. 入力ファセットと出力ファセットとを含む光学エンド・キャップであって、前記入力ファセットが、デュアル・クラッド配信ファイバに連結され、増幅された信号ビームと励起ビームとを受信し、前記出力ファセットが、前記増幅された信号ビームを通過させ、前記励起ビームを前記配信ファイバに向けて反射して、前記励起ビームを前記ドープ増幅ファイバに向けて後ろに射出するように構成される、光学エンド・キャップ。
  20. 請求項１９記載のエンド・キャップであって、前記出力ファセットが球状に湾曲し、前記信号ビームの波長において反射防止性であり、前記励起ビームの波長において非常に反射性であるダイクロイック・コーティングを含む、エンド・キャップ。
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