特開 2024-147688 １．０２～１．０６μｍクラッド励起方式を用いる高出力イッテルビウム：エルビウム（Ｙｂ：Ｅｒ）ファイバーレーザーシステム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024147688

(43)【公開日】2024-10-16

(54)【発明の名称】１．０２～１．０６μｍクラッド励起方式を用いる高出力イッテルビウム：エルビウム（Ｙｂ：Ｅｒ）ファイバーレーザーシステム

(51)【国際特許分類】

   H01S 3/067 20060101AFI20241008BHJP

   H01S 3/10 20060101ALI20241008BHJP

   H01S 3/0941 20060101ALI20241008BHJP

   H01S 3/1055 20060101ALI20241008BHJP

【ＦＩ】

H01S3/067

H01S3/10 D

H01S3/0941

H01S3/1055

【審査請求】有

【請求項の数】20

【出願形態】ＯＬ

【外国語出願】

(21)【出願番号】P 2024113360

(22)【出願日】2024-07-16

(62)【分割の表示】P 2020571681の分割

【原出願日】2019-06-28

(31)【優先権主張番号】62/691,935

(32)【優先日】2018-06-29

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(71)【出願人】

【識別番号】501012517

【氏名又は名称】アイピージー フォトニクス コーポレーション

(74)【代理人】

【識別番号】100108453

【弁理士】

【氏名又は名称】村山 靖彦

(74)【代理人】

【識別番号】100110364

【弁理士】

【氏名又は名称】実広 信哉

(74)【代理人】

【識別番号】100133400

【弁理士】

【氏名又は名称】阿部 達彦

(72)【発明者】

【氏名】イリヤ・ザイツェフ

(72)【発明者】

【氏名】フェドール・シチェルビーナ

(72)【発明者】

【氏名】アンドレイ・マシュキン

(57)【要約】

【課題】１μｍ波長範囲での低利得を特徴とする高出力の効率的なＹｂ：Ｅｒレーザーおよび増幅器を提供する。
【解決手段】ファイバーレーザーが、エルビウム（Ｅｒ^＋３）およびイッテルビウム（Ｙｂ^＋３）のイオンを添加されたコアを有するダブルクラッドファイバーで構成される。少なくとも２つの離間した高低反射ミラーが、コアの側面に位置し、それらの間に共振空洞を定める。ファイバーレーザーは、Ｙｂ：Ｅｒ添加ダブルクラッドファイバーに結合される１．０２～１．０６μｍ波長範囲の光を出力する励起レーザーをさらに含む。
ファイバー増幅器が、エルビウム（Ｅｒ^＋３）およびイッテルビウム（Ｙｂ^＋３）のイオンを添加されたコアを有するダブルクラッドファイバーと、１．０２～１．０６μｍ波長範囲の励起波長で放射を発生させる励起レーザーであって、Ｙｂ：Ｅｒ添加ダブルクラッドファイバーに結合される１．０２～１．０６μｍ波長範囲の光を出力する、励起レーザーとを含む。
開示するファイバーレーザーおよびファイバー増幅器は各々、９ｘｘ ｎｍ励起波長で動作する既知の概略図のしきい値よりもかなり高い１μｍ波長範囲のレーザー発振しきい値を有する。
【選択図】なし

【特許請求の範囲】

【請求項1】

９２０～９８０ｎｍの波長範囲の出力を有する励起光を発生させる励起レーザーと、
前記励起光によって励起されるツリウム（Ｔｍ）レーザーシステムと、
前記励起光によって励起される少なくとも１つのエルビウムおよびイッテルビウム共添加（Ｅｒ：Ｙｂ）リン酸塩ファイバーであって、これにより、１つのＥｒ：Ｙｂ媒質が１μｍ波長範囲における寄生利得を有し、ある出力パワーで１．５μｍ波長範囲における信号を出力する、エルビウムおよびイッテルビウム共添加（Ｅｒ：Ｙｂ）リン酸塩ファイバーと、
と共に構成されるレーザーシステムであって、
励起レーザーが１．０２～１．０６μｍの波長範囲に出力で励起光を出力し、前記１つのＥｒ：Ｙｂ媒質を励起し、これにより、
前記１μｍ波長範囲における寄生利得は、９２０～９８０ｎｍの波長範囲における波長で励起された前記１つのＥｒ：Ｙｂ媒質の利得よりも２～３倍小さく、
前記１つのＥｒ：Ｙｂ媒質の前記出力パワーは、９２０～９８０ｎｍの波長領域において励起されたＥｒ：Ｙｂ媒質の出力パワーの２～３倍大きい、
ことを特徴とするレーザーシステム。

【請求項2】

前記励起レーザーは、複数の横モードをサポートするマルチモード（ＭＭ）コアを挟んでいる、一対の離隔されたマルチモード（ＭＭ）ファイバーブラッググレーティング（ＦＢＧ）を有するＹｂファイバーレーザーであることを特徴とする請求項１に記載のレーザーシステム。

【請求項3】

前記励起レーザーは、複数の横モードまたは単一の横モード（ＳＭ）をサポートし、離隔されたＳＭ ＦＢＧに挟まれたコアを有するＹｂファイバーレーザーであることを特徴とする請求項１に記載のレーザーシステム。

【請求項4】

前記１つのＥｒ：Ｙｂ媒質は、前記励起レーザーからの前記励起光を受容するＥｒ：Ｙｂダブルクラッドファイバー（Ｅｒ：Ｙｂファイバー）発振器を含むことを特徴とする請求項１に記載のレーザーシステム。

【請求項5】

前記Ｅｒ：Ｙｂファイバー発振器は、ＳＭまたはＭＭ Ｅｒ：Ｙｂファイバー発振器として構成されえおり、前記ＭＭ Ｅｒ：Ｙｂファイバー発振器は、隔離されたＭＭファイバブラッググレーティングと共に構成されていることを特徴とする請求項４に記載のレーザーシステム。

【請求項6】

前記Ｅｒ：Ｙｂ媒質は、Ｅｒ：Ｙｂダブルクラッドファイバー（Ｅｒ：ＹｂＤＣファイバー）増幅器であることを特徴とする請求項１に記載のレーザーシステム。

【請求項7】

前記Ｅｒ：ＹｂＤＣファイバー増幅器は、Ｅｒ：Ｙｂ ＳＭまたはＭＭファイバー増幅器として構成されることを特徴とする請求項６に記載のレーザーシステム。

【請求項8】

前記励起レーザーは、Ｎｄ：ＹＡＧ、Ｙｂ：ＹＡＧ、または、レーザーダイオードから選択されることを特徴とする請求項１に記載のレーザーシステム。

【請求項9】

前記Ｅｒ：Ｙｂファイバー発振器の出力に結合された追加的な利得媒質をさらに含むことを特徴とする請求項４に記載のレーザーシステム。

【請求項10】

前記追加的な利得媒質は、主発振器出力ファイバー増幅器（ＭＯＰＦＡ）構成の前記Ｅｒ：Ｙｂファイバー発振器に結合されたＥｒ：Ｙｂファイバー増幅器であることを特徴とする請求項９に記載のレーザーシステム。

【請求項11】

前記Ｅｒ：Ｙｂファイバー増幅器の出力に結合された別の利得媒質をさらに含み、この利得媒体はＴｍ添加利得媒質であることを特徴とする請求項１０に記載のレーザーシステム。

【請求項12】

前記ポンプは、前記Ｅｒ：Ｙｂファイバー発振器および前記Ｅｒ：Ｙｂファイバー増幅器の両方を励起することを特徴とする請求項１０に記載のレーザーシステム。

【請求項13】

さらに、１～１．０６μｍの励起光を出力する１つ以上の追加的なポンプを備え、主発振器および出力ファイバー増幅器それぞれに結合し、励起することを特徴とする請求項１０に記載のレーザーシステム。

【請求項14】

前記ポンプは、前記Ｅｒ：Ｙｂファイバー発振器および前記出力ファイバー増幅器それぞれに側面励起方式で結合され、前記Ｅｒ：Ｙｂファイバー発振器および前記出力ファイバー増幅器は一方向または双方向に励起されることを特徴とする請求項１３に記載のレーザーシステム。

【請求項15】

前記ポンプは、前記Ｅｒ：Ｙｂファイバー発振器および前記出力ファイバー増幅器に端面励起方式で結合されることを特徴とする請求項１２に記載のレーザーシステム。

【請求項16】

共添加エルビウムイッテルビウム利得媒質（Ｅｒ：Ｙｂ媒質）において出力パワーを増加させる方法であって、当該方法は：
１～１．０６μｍの波長範囲においてある出力で励起光を発生させるステップと、
前記励起光を前記Ｅｒ：Ｙｂ媒質に結合させるステップであって、これにより、
波長１μｍ範囲における前記Ｅｒ：Ｙｂ媒質の寄生利得を、波長９２０～９８０ｎｍの範囲における出力を有する励起光によって励起される前記Ｅｒ：Ｙｂ媒質の寄生利得と比較して、２～３倍に減少させ、
一方で、前記Ｅｒ：Ｙｂ媒質の出力パワーを、９２０～９８０ｎｍの波長範囲の励起光を受光する前記Ｅｒ：Ｙｂ媒質の出力パワーの２～３倍に増加させることを特徴とする方法。

【請求項17】

前記Ｅｒ：Ｙｂ媒質の出力を後続のＥｒ：Ｙｂ媒質に結合させるステップをさらに含み、
前記Ｅｒ：Ｙｂ媒質は、主発振器出力ファイバー増幅器（ＭＯＰＦＡ）方式で配置されたそれぞれのファイバー発振器およびファイバー増幅器であることを特徴とする請求項１６に記載の方法。

【請求項18】

前記Ｅｒ：Ｙｂ媒質の出力をツリウム（Ｔｍ）添加利得媒質に結合するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１６に記載の方法。

【請求項19】

前記Ｅｒ：Ｙｂ利得媒質の温度を通常の室温以上に制御可能に維持するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１６に記載の方法。

【請求項20】

前記励起光は、複数の横モードの伝搬をサポートするコアと、離隔されたＭＭ ＦＢＧと、を備えるＹｂまたはＮｄファイバーレーザーによって発生されることを特徴とする請求項１６に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、１ミクロンｎｍ波長範囲にＹｂレーザー発振の開始（ｏｎｓｅｔ）を抑制した高出力Ｙｂ：Ｅｒファイバーレーザーシステムに関する。詳細には、本開示は、１０２０～１０６０ｎｍ波長範囲でクラッド励起される（ｃｌａｄ ｐｕｍｐｅｄ）Ｙｂ：Ｅｒ添加ファイバーをベースとする高出力ファイバー発振器および増幅器に関する。

【背景技術】

【0002】

１．５～１．６μｍ波長範囲で動作する、高出力で実用的な低コストのエルビウム（Ｅｒ）添加ダブルクラッドファイバーレーザーシステムの需要がある。この波長範囲のレーザー動作は、いくつかの理由で魅力のあるものであり、それはツリウム（Ｔｍ）レーザーシステム、ｍｉｄ－ＩＲパラメトリック増幅器および発振器を励起するのに優れており、さらにそれはファイバー損失が少なく、多くの科学および工学応用において高出力Ｅｒレーザーを非常に有利にする。

【0003】

Ｅｒにおける最も一般的なレーザー遷移は、１５５０ｎｍあたりに集中している。Ｅｒベースのレーザーシステムの圧倒的に普及している励起構成は、９８０ｎｍ励起波長あたりで動作し、Ｅｒファイバーシステムにおいて広く利用される。しかしながら、９ｘｘ ｎｍ波長範囲で励起されるＥｒファイバーデバイスは、ますます増加している産業需要を満たす十分な出力がない場合がある。Ｅｒファイバーデバイスのパワースケーリングを制限する主な理由は、高出力シングルモード（ＳＭ）出力源がないことである。一般に、知られているＳＭ出力源は、ダイオードレーザーをベースとし、その出力は２～３Ｗを上回らない。別の制限は、Ｅｒイオン添加濃度が以下の理由で比較的低いものであることから生じる。第１に、高いＥｒ濃度では、発光は、ＥｒイオンとＯＨ^－との間の相互作用に起因してエネルギー移動過程によって消滅する場合がある。第２に、それは、静電双極子－双極子相互作用によりＥｒイオンを下方遷移させる、よく知られている「濃度消光」過程である。この現象は、効率および利得を下げる原因となる。その上、高い励起パワーが加えられる場合、別の協同アップコンバージョン（ｃｏｏｐｅｒａｔｉｖｅ ｕｐｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ）過程が発生し、ファイバー劣化を引き起こす、非常に望ましくないフォトダークニング（ｐｈｏｔｏｄａｒｋｅｎｉｎｇ）につながる。

【0004】

Ｅｒ^＋３を、増感剤として働くＹｂ^＋３と共添加することは、Ｅｒファイバーでの比較的低い励起吸収（ｐｕｍｐ ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ）を回避し、ＥｒレーザーおよびＥｒ増幅器のパワースケーリングを増大させるために使用されている。Ｙｂイオンは、基底状態の上に１つの準安定状態しかない単純な電子構造、広い吸収スペクトル、ならびにシリカファイバーについて図２に示すように、高い吸収および放出断面積を有する。Ｅｒとは異なり、Ｙｂは、高い添加濃度で使用されてもよく、高出力ＭＭダイオードレーザーによるクラッド励起方式の利用を可能にする。励起は、原則として、９１０ｎｍ～１０６４ｎｍの広い波長範囲で行われ得る。特に９７６ｎｍでの大きい吸収断面積は、高い励起吸収を可能にし、比較的短いファイバー長につながる。

【0005】

図３は、高低反射ミラー１５間に定められる光共振器内に配置された、Ｙｂ：Ｅｒ共添加ダブルクラッド（ＤＣ）ファイバー１２を有するＥｒレーザー１０で構成された高出力ファイバーシステムの一般的な概略図を示す。Ｙｂ：Ｅｒレーザーは、ダイオードレーザーベースのポンプ１４によって、９ｘｘ ｎｍ波長で双方向に側面励起される。動作中、励起光が放たれ、内側クラッディングに閉じ込められて、ファイバー１２のコアに空間的に重なる。Ｙｂ^＋３イオンは、ファイバー１２の長さ全体にわたって励起光子（ｐｕｍｐ ｐｈｏｔｏｎ）を吸収し、それのエネルギーをＥｒ^＋３イオンに共鳴的に移動させる。ファイバー１２は、それの高放出断面積によってＹｂ^３＋Ｅｒ^３＋共添加システムの優れたホストであると考えられているリンケイ酸塩ガラス（ｐｈｏｓｐｈｏｒ－ｓｉｌｉｃａｔｅ ｇｌａｓｓ）である。リン酸塩ホストのより大きいフォノンエネルギーは、Ｅｒ^＋３からＹｂ^＋３へのエネルギー移動を防ぐ望ましい緩和の遷移確率（ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ ｐｒｏｂａｂｉｌｉｔｙ）を増大させる。また、Ｙｂ発光スペクトルとＥｒ吸収スペクトルとの間の空間の重なりが大きく、リンケイ酸塩ファイバーにおけるＹｂ^３＋からＥｒ^３＋へのエネルギー移動効率は、９５％に達し得る。

【0006】

９ｘｘ ｎｍ波長範囲で動作する、図３の励起構成１４を持つレーザー１２のパワースケーリングを妨げるいくつかの制限要素がある。これらの制限の１つが、１μｍ波長範囲における寄生発振（ｐａｒａｓｉｔｉｃ）Ｙｂ放出であり、これは、この波長範囲での不要な高利得係数のためにＹｂ：Ｅｒファイバーレーザーのファイバー１２を修復不能なほど破損する可能性がある。図４は、１μｍ波長範囲において図２のＹｂ：Ｅｒファイバーレーザー１０で寄生発振が発生したことを示す。下のグラフ１は、１５７０ｎｍでのＥｒ出力パルスを示す。上のグラフ２は、１μｍ波長範囲にレーザー発振ピークがある、Ｙｂのスーパールミネッセンス信号（ｓｕｐｅｒｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ ｓｉｇｎａｌ）を示す。

【0007】

１μｍ波長範囲の不要な放出を説明する要素の１つは、Ｅｒイオンへのエネルギー移動に関与しない、ファイバーのコアにおいてＥｒイオンから分離した限られた量のＹｂイオンが存在することである。一般に、分離したＹｂイオンは、Ｙｂイオンの総量のわずか数パーセントを構成する。しかしながら、分離したＹｂイオンは、それぞれの図５および図６で利得スペクトルを比較することによってわかるように、９ｘｘ励起波長でエネルギー移動に関与するＹｂイオンとは比較にならないほど大きい全体的な不要な反転分布の一因となる。１μｍ波長範囲でのＹｂイオンの高利得は、Ｙｂ：Ｅｒファイバーレーザーシステムにおける一般的な不要な現象である。

【0008】

パワースケーリングに影響を及ぼすさらに別の要素は、１μｍ波長範囲での寄生発振発生である。アクティブファイバーの温度が上がるにつれて、この波長範囲での吸収係数およびＥｒイオンとＹｂイオンとの間の遷移速度も上がる。しかし後者の条件が満たされない場合、１μｍ波長範囲での寄生発振発生がより増大する。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

上記に基づいて、１μｍ波長範囲での低利得を特徴とする高出力の効率的なＹｂ：Ｅｒレーザーおよび増幅器が必要である。

【課題を解決するための手段】

【0010】

この必要は、１～１．０６μｍ励起波長範囲でＹｂ：Ｅｒ添加ファイバーを励起する少なくとも１つのＹｂファイバーレーザーを実装することによる本発明の高出力Ｙｂ：Ｅｒレーザー／増幅器によって満たされる。

【0011】

Ｙｂ：Ｅｒ添加ファイバーを１～１．０６μｍ励起波長範囲で励起すると、９ｘｘ ｎｍ励起波長での７０％の反転分布と比較して、分離したＹｂイオンの反転分布が約２～１５％に抑えられる。同時に、より長い励起波長は、Ｅｒ^＋３イオンへのエネルギー移動に加わるＹｂ^＋３イオンの反転分布に著しく影響を及ぼすことはない。分離したＹｂ^＋３イオンの小規模な反転分布では、１０２０～１０６０ｎｍ励起波長での１μｍ範囲の最大利得係数は、９ｘｘ ｎｍ励起波長でのそれよりもかなり低い。結果として、本発明のシステムは、９ｘｘ ｎｍ励起波長で動作する既知の概略図のしきい値よりも、１μｍ波長範囲でかなり高いレーザー発振しきい値（ｌａｓｉｎｇ ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ）を有する。

【0012】

より具体的には、本開示の一態様によれば、本発明のシステムは、Ｙｂ：Ｅｒファイバーレーザーで構成される。詳細には、ファイバーレーザーは、１～１．０６μｍ励起波長範囲で動作するレーザー源によって励起されるＥｒ：Ｙｂ共添加ダブルクラッド（ＤＣ）構成をベースとしている。励起光は、（信号光伝搬方向に対して）前方方向および後方方向の一方、または双方向のいずれかで、ＤＣファイバーの励起クラッディングに結合され得る。

【0013】

１５ｘｘ ｎｍ波長あたりで信号光を出力する、開示するＹｂ：Ｅｒ ＤＣファイバーは、シングルモード（ＳＭ）コア、５未満の、好ましくは２を下回るＭ^２を有する１５ｘｘ ｎｍ範囲の信号光を出力する低モード（ＬＭ）コア、またはマルチモード（ＭＭ）ファイバーで構成されてもよい。

【0014】

さらに別の態様によれば、開示する励起レーザーは、ＳＭまたはＭＭのいずれかであってよい。さらに、Ｙｂ：Ｅｒファイバーを励起する技法は、側面励起または端面励起のいずれかであってよい。具体的な励起技法は、当面のタスク次第であり、上述の態様のいずれかまたはあらゆる特徴、および開示するシステムの特徴と共に使用することができる。

【0015】

本開示の以下の態様によれば、Ｙｂ：Ｅｒシステムが、１０００～１０６０ｎｍ波長範囲で動作するＹｂレーザーポンプと、１５ｘｘ～１６ｘｘ ｎｍ波長で信号光を出力するシードと、１つまたは複数の増幅カスケードとで構成されてもよい。シードおよび増幅器の少なくとも一方または両方が、Ｙｂ：Ｅｒファイバーをベースとしている。組み合わせて、シードおよび増幅器は、主発振器出力ファイバー増幅器（ｍａｓｔｅｒ ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ ｐｏｗｅｒ ｆｉｂｅｒ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ：ＭＯＰＦＡ）アーキテクチャを構成する。

【0016】

上記の態様のすべてにおいて開示するＹｂ励起ファイバーレーザーは、上記で開示する励起技法のすべてに従って、シード源、またはファイバー増幅器、またはシード源と増幅器の両方を選択的に励起してもよい。さらに、開示するＹｂファイバー励起は、他の励起構成と組み合わせて使用することができる。たとえば、シードおよび増幅器の一方は、ダイオードレーザーベースのポンプと組み合わせて動作するが、他方は、Ｙｂファイバーレーザーポンプを使用する。

【0017】

開示する上記の個々のファイバーレーザーおよびＭＯＰＦＡ構成は、様々に添加される活性媒質にＹｂ：Ｅｒ励起として使用することができる。Ｙｂ：Ｅｒ励起の個々の応用の１つは、Ｙｂ：Ｅｒ励起光の波長よりも長い波長で動作するＥｒファイバーレーザーまたは増幅器を励起することを含む。Ｙｂ：Ｅｒ励起のさらに別の応用は、ツリウム添加（Ｔｍ）利得媒質に結合される励起光を出力することを含む。

【0018】

上記で開示するＹｂ：ＥｒレーザーおよびＭＯＰＦＡ構成は、異なる動作領域（ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｒｅｇｉｍｅ）で動作することができる。すなわち、それらは、連続波（ＣＷ）領域、準連続波（ＱＣＷ）領域、または純粋なパルス領域を動作させることができる。

【0019】

上記および他の特徴および利点は、以下の図面が付いた具体的な説明からより明らかとなるであろう。

【図面の簡単な説明】

【0020】

【図1】Ｙｂ：Ｅｒリン酸塩ガラスにおけるＥｒ^＋３イオンの知られている吸収および放出断面積の図である。

【図2】シリカガラスにおけるＹｂ^＋３イオンの知られている吸収および放出断面積の図である。

【図3】９ｘｘ ｎｍ励起波長で励起される知られているＹｂ：Ｅｒレーザーの光学的概略図である。

【図4】Ｙｂ：Ｅｒ ＱＣＷファイバーレーザーにおけるそれぞれの１．５μｍおよび１μｍ波長での信号および寄生発振発生の一例を示す図である。

【図5】図２の９ｘｘ ｎｍ励起波長でのＹｂ：ＥｒファイバーにおけるＥｒ^＋３へのエネルギー移動に関与するＹｂ^＋３イオンの利得を示す図である。

【図6】図２の概略図のＹｂ：Ｅｒファイバーにおける分離したＹｂ^＋３イオンの利得を示す図である。

【図7】図２の概略図の１μｍ寄生発振波長における寄生発振でのすべてのＹｂ^＋３イオンの総利得を示す図である。

【図8】開示するレーザーシステムの光学的概略図である。

【図9】図８の概略図の１μｍ寄生発振波長でのすべてのＹｂ^＋３イオンの総利得の図である。

【図10】主発振器出力ファイバー増幅器構成で動作する図８の本発明のファイバーレーザーシステムを示す光学的概略図である。

【図11】Ｔｍのイオンを添加された利得媒質を励起する図９の本発明のファイバーレーザーシステムの光学的概略図である。

【図12】レーザー発振しきい値の温度への依存性を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0021】

図８は、ＭＭ波長反射器２４間に定められる共振空洞に配置された、ダブルクラッドＹｂ：Ｅｒ添加ファイバー２２をベースとするＭＭ Ｅｒファイバーレーザーまたは増幅器２０の本発明の概略図を示す。知られている技術とは対照的に、Ｅｒファイバーレーザーは、１０２０～１０６０ｎｍ励起波長で動作するファブリペロー（Ｆａｂｒｙ－Ｐｅｒｒｏｔ）Ｙｂファイバーレーザー、または１０５０～１０６０ｎｍ励起波長でのネオジム（Ｎｄ）添加ファイバーレーザーなどの励起源（ｐｕｍｐ ｓｏｕｒｃｅ）によってクラッド励起されて、１５ｘｘ ｎｍ波長あたりの信号光を出力する。励起構成は、反対の光伝搬方向のどちらか一方での単方向励起、または図示のように双方向励起を可能にする、側面励起または端面励起技法に従って構成されてもよい。

【0022】

図８の例示的なファイバー２２は、１つまたは複数のＭＭ Ｙｂ励起ファイバーレーザー２６が１０２８ｎｍ励起波長でファイバー２２を側面励起することによって励起される。ファイバー２２は、Ｙｂ：Ｅｒイオンを添加された５０μｍ ＭＭコアを有し、約１０メートルの長さを有する。ＱＣＷ領域における１５７０ｎｍ信号波長での１ｋＷ出力は、１μｍ波長範囲でＹｂ^＋３イオンの寄生発振発生に達することなく得られる。対照的に、９６０～９７０ｎｍ励起で動作する、図３の構成の同じ例示的な概略図は、１５７０ｎｍ信号波長で最大３００～４００Ｗを出力し、その後、理論的には１μｍ波長範囲の寄生発振発生が決定される。理論的には、図３の構成を使用することによって、９６０ｎｍ励起波長での１ｋＷ出力が達成可能であった場合、すべてのＹｂ^＋３イオンの１μｍでの全体的な増幅は、図７に示すように、８０ｄＢを超えることになる。対照的に、理論的には、図８の本発明の構造は、上記で開示したように上記と共にファイバー２２について図９ではっきりとわかるように、同じ１ｋＷ出力に対して３２ｄＢの全体的な寄生発振の増幅しかない。

【0023】

図１０は、主発振器出力ファイバー増幅器（ＭＯＰＦＡ）構成において１０２０～１０６０ｎｍ励起波長範囲で本発明のＱＣＷ Ｙｂ：Ｅｒファイバーレーザーを利用する光学的概略図３０を示す。Ｙｂ：Ｅｒファイバーレーザー２０とＹｂ：Ｅｒファイバー増幅器またはブースター３０との間に、Ｙｂ添加ファイバーの長さとして構成されたフィルター３２が配置され、ファイバー２２の出力での１μｍ波長範囲の寄生発振信号をさらに処理する。Ｙｂファイバーレーザー３４を含む励起構成は、レーザー２０とブースター３０の両方を励起するように構成される。Ｙｂ：Ｅｒファイバーの励起は、２つの比較的弱い波長反射器３６および３８の間に、Ｙｂポンプ３４の共振空洞を設けることによって実現され、レーザー２０に結合される励起光を、ファイバーブースター３０に結合される励起光よりも実質的に弱くして、励起光がレーザー２０およびブースター３０に結合されるのを可能にする。１５ｘｘ ｎｍ波長での信号光がレーザー２０の空洞から不要に漏れるのを防ぐために、複数のＭＭの強い波長反射器４０の組合せが、Ｙｂ：Ｅｒファイバー２２の上流に沿って設置される。

【0024】

図１１を参照すると、本発明のＹｂ：Ｅｒファイバー構成は、Ｔｍファイバーレーザーシステム４２の励起ユニットとして利用されてもよい。Ｔｍファイバーレーザーシステム４２は、個々のＴｍファイバーレーザーとして、または図示のようにＭＯＰＦＡ構成で、または別個のＴｍファイバー増幅器として実装されてもよい。

【0025】

要約すれば、１０２０～１０６０ｎｍ励起波長範囲は、分離したＹｂ^＋３イオンの利得を下げること、および１μｍ波長での寄生発振発生のしきい値を、Ｙｂ：Ｅｒリン酸塩ファイバーでは２～３倍に上げることを可能にする。

【0026】

本開示の手法は、所与のタスクにＹｂ：Ｅｒファイバーの構成を最適化するのに役立つことができる。一般に、レーザーシステムの最大出力および光の質が、最初から設定される。アプリオリに知られるこれらのパラメータを用いて、１μｍ波長範囲における最大許容寄生発振利得が決定される。Ｙｂ：Ｅｒレーザーシステムの具体的な用途に応じて、許容寄生発振利得は変動し得る。たとえば、Ｙｂ：ＥｒファイバーレーザーがＴｍ添加ファイバーの励起として利用される場合、１μｍ波長範囲における最大許容利得は、反射面を有する熱処理材料に使用されるＹｂ：Ｅｒファイバーのそれよりも高いことがある。Ｙｂ：Ｅｒファイバーレーザーの出力での光信号の質については、それは主として利得媒質、すなわちＹｂ：Ｅｒファイバーのパラメータ、たとえばコア径、ファイバー長、コアＮＡ、およびレーザー技術の当業者によく知られている他のものなどによって決まる。

【0027】

１５ｘｘ μｍ波長のＹｂ：Ｅｒレーザーの所望の出力について、１μｍ波長で動作する、高出力励起が必要とされると仮定する。一般に、励起効率は、様々な光損失のために５０％であると仮定され、すなわち、たとえば１５５０ｎｍでの１ｋＷのシステム出力は、１μｍ波長範囲でのおおよそ２ｋＷの励起光を必要とする。

【0028】

上記によれば、Ｙｂ：Ｅｒ媒質にはＹｂイオンの２つのグループがある。第１のグループは、Ｙｂ^＋３イオンの総数の５％以下を構成し、１ｍｓ～１．４ｍｓの寿命を有する、分離したＹｂ^＋３イオンを含む。他のグループは、たとえば、数十マイクロ秒（μｓ）の寿命を有する、Ｅｒ^＋３イオンへのエネルギー移動に加わるＹｂ^＋３イオンの９５％を含む。Ｙｂ^＋３のイオンによる励起光の吸収は、後者が、第２のエネルギー移動するＹｂ^＋３イオンのイオンによって吸収されるにつれて、５％～９５％として分散される。

【0029】

上記に開示した仮定では、Ｙｂ^＋３イオングループの各々における反転分布のレベルは、所与のファイバー長に対してたとえば１０２０ｎｍ波長での２ｋＷ励起出力で決定される。その場合Ｙｂ^＋３イオンの両方のグループでの反転分布がわかると、両方のグループのＹｂ^＋３イオンのそれぞれの利得は決定され、合計される。最大寄生発振利得が最大許容レベルを超える場合、以下のステップを始めることができる。

【0030】

第１に、添加ファイバー長を変更し、上記で開示した手順に続いて、Ｙｂ^＋３イオンの結果として生じる利得を再計算することができる。しかしながら、ファイバー長は、耐えられない光損失およびレーザー効率の低下をもたらすことがあるので、無限に増やすことはできない。

【0031】

第２に、励起波長を増やす。たとえば、１０２０ｎｍ波長ではなく、１０３０ｎｍ波長を使用する。励起波長がより長くなると、分離したＹｂイオンの反転分布、したがって不要な波長範囲の利得は減る。結果として、同じ２ｋＷ励起パワーで、分離したＹｂイオンの反転分布は減少するが、エネルギー移動するＹｂ^＋３イオンの反転分布は変わらないままである。その結果、１μｍ波長範囲の不要な総Ｙｂ利得もまた減少する。

【0032】

励起波長がより長くなると、Ｙｂ：Ｅｒファイバーの構成もまた、再検討されるべきである。たとえば、クラッド径を、たとえば２００μから１５０μに縮小する必要がある場合がある。

【0033】

図１２は、１μｍでの寄生発振発生を最小限に抑えるのに役立つ別の重要な要素を示す。アクティブＥｒ：Ｙｂファイバーは、レーザー動作の初期段階で室温に近い温度を有する。レーザーが動作し続けるにつれて、利得媒質の温度は上昇する。１μ波長範囲の寄生発振発生は、いわゆるコールドスタート中に比較的低温で存在する。さらに、レーザーが動作し続け、温度が上がるにつれて、この発生は実際には消失する。したがって、１μ波長範囲の寄生発振発生をさらに最小限に抑えるために、図８に示す本発明のファイバーレーザーシステムは、ある温度範囲でまさに最初からＹｂ：Ｅｒファイバーの温度を維持するように制御可能なサーモスタットを含む。範囲の下限は、明らかに室温よりも高くなければならず、最高温度は、明らかにファイバーの完全性に有害なレベルに達してはならない。範囲は、各個々のレーザーについて分析的または実験的に決定することができる。

【0034】

開示する個々のファイバーレーザーの多くの異なる構成が、本発明の意図する範囲から逸脱することなく容易に実装できることは、レーザー技術の当業者には容易に了解されよう。本発明の構造の動作可能な領域はＱＣＷ構成に限定されず、ＣＷ領域とパルス領域の両方で正常に使用できることは明らかである。ＳＭまたは低モードレーザー、ポンプ、および増幅器はすべて、上記の開示したＭＭデバイスに取って代わることができる。励起構成は、ファイバーレーザーを含むことが好ましいが、代わりに他の好適なポンプを含んでもよい。開示した信号光出力は、例示にすぎず、励起パワーおよび冷却構成の最適化に伴って増加することがあり得る。

【0035】

したがって、本発明をそれの詳細な説明と共に説明したが、上記の説明は例示を目的とし、添付の特許請求の範囲によって定義される本発明の範囲を限定しないことを理解されたい。他の態様、利点、および変更形態が、以下の特許請求の範囲内に入る。

【符号の説明】

【0036】

１０ Ｅｒレーザー
１２ ファイバー
１４ ダイオードレーザーベースポンプ
１５ 高低反射ミラー
２０ Ｙｂ：Ｅｒレーザー／増幅器
２２ ファイバー
２４ 波長反射器
２６ Ｙｂ励起ファイバーレーザー
３０ Ｙｂ：Ｅｒファイバー増幅器／ブースター
３２ フィルター
３４ Ｙｂファイバーレーザー／ポンプ
３６ 波長反射器
３８ 波長反射器
４０ 波長反射器
４２ Ｔｍファイバーレーザーシステム

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【手続補正書】

【提出日】2024-08-19

【手続補正1】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２０

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0020】

【図1】Ｙｂ：Ｅｒリン酸塩ガラスにおけるＥｒ^＋３イオンの知られている吸収および放出断面積の図である。

【図2】シリカガラスにおけるＹｂ^＋３イオンの知られている吸収および放出断面積の図である。

【図3】９ｘｘ ｎｍ励起波長で励起される、知られているＹｂ：Ｅｒレーザーの光学的概略図である。

【図4】Ｙｂ：Ｅｒ ＱＣＷファイバーレーザーにおけるそれぞれの１．５μｍおよび１μｍ波長での信号および寄生発振発生の一例を示す図である。

【図5】図２の９ｘｘ ｎｍ励起波長でのＹｂ：ＥｒファイバーにおけるＥｒ^＋３へのエネルギー移動に関与するＹｂ^＋３イオンの利得を示す図である。

【図6】図２の概略図のＹｂ：Ｅｒファイバーにおける分離したＹｂ^＋３イオンの利得を示す図である。

【図7】図２の概略図の１μｍ寄生発振波長における寄生発振でのすべてのＹｂ^＋３イオンの総利得を示す図である。

【図8】開示するレーザーシステムの光学的概略図である。

【図9】図８の概略図の１μｍ寄生発振波長でのすべてのＹｂ^＋３イオンの総利得の図である。

【図10】主発振器出力ファイバー増幅器構成で動作する図８の本発明のファイバーレーザーシステムを示す光学的概略図である。

【図11】Ｔｍのイオンを添加された利得媒質を励起する図９の本発明のファイバーレーザーシステムの光学的概略図である。

【外国語明細書】