JPH09508239A - レーザ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 この高パワー単一モードレーザ装置は高パワーレーザダイオードアレイのポンプ源（３）からの出力を、計算機で生成したホログラム（４）を用いて操作することができ、ポンプ源の光の大部分を入力反射器（６）を含む多モードファイバ部内へ放出するようにする。単一モードファイバ部（２）で多モードファイバ部（１）と同じ基本モードスポット寸法をもつものが多モードファイバ部に光学的に結合しており、反射器（５）を含み、多モード及び単一モードファイバ部により強制された基本モード反射は、基本モードだけで励起放出ができるようにする支配的な基本モード振動を生じさせるのに必要な帰還を生じさせるようにしている。

Description

【発明の詳細な説明】 レーザ 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 のレーザはワット順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。 ワット順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。 ワット順に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”，IE EE 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Ｅ ＳＡ（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△ｎの値を高くするように構成さわ，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△ｎ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△ｎ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、△ｎ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△ｎ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△ｎ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△ｎ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△ｎへの制限の故に、多モード及び単一モードファイバ間の△ｎ 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端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６ ５％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 上に配列され、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。捜査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、ここではこ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 イバ中を伝搬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、利得の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 上にまで上げることができる。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ピング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、シリカホ 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 不完全性と導波路缶の不整合と、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 にをドープし、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，２ ａ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接に第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、光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 fl- uoride 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⁴Ｆ_5/2エネルギーレベルは¹Ｇ₄Ｐｒ³⁺エネ ルギーレベルに十分に近いから、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よいし、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³ Ｐ₁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、共用ドープファイバは約０．０１の△ｎをもち、コア直径は約 ５．７μｍで、長さは約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。このアップ変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特有なことである。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 ーザ作用を提供できる。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、二重のポンプ寄港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-convers ion lasing at blue，green and red wavelengths in infrared-pumped Pr³⁺-do ped 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³ Ｐ₁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５２０ｎ ｍで光を放出する³Ｈ₅レベルに進むか、非放射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４９ １ｎｍ，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、ＺＢ ＬＡＮ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マルチプレットへイオンを 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や動物の細胞の医療診断のための走査装置や、高 輝度の目視用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。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 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。 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 。 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。 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。 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。 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。 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。 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 。 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。 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。 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。 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。 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。 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放出するレー 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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２ １記載のアップコンバージョンレーザ。 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。 ２４．１組の反射器で構成される光学的空洞であって、そこで請求項１３記載 の光導波路の間に位置する光学的空洞。 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。 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 めの手段で成るレーザ。 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。