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(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】P2024015095
(43)【公開日】2024-02-01
(54)【発明の名称】高パワー高効率ＥＣＯレーザ用の能動導波路
(51)【国際特許分類】
H01S 3/067 20060101AFI20240125BHJP
H01S 3/091 20060101ALI20240125BHJP
H01S 3/10 20060101ALN20240125BHJP
【ＦＩ】
H01S3/067
H01S3/091
H01S3/10 D
【審査請求】有
【請求項の数】10
【出願形態】ＯＬ
【外国語出願】
(21)【出願番号】P 2023201488
(22)【出願日】2023-11-29
(62)【分割の表示】P 2020572741の分割
【原出願日】2019-06-28
(31)【優先権主張番号】62/691,992
(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】ユージーン・シチェルバコフ
(72)【発明者】
【氏名】ヴァレンティン・フォミン
(72)【発明者】
【氏名】アンドレイ・アブラモフ
(72)【発明者】
【氏名】アレクセイ・ドローンキン
(57)【要約】
【課題】側面励起方式を定義するように互いに対して機械的かつ光学的に結合されたそれぞれの重合体のクラッドを有する能動ロッドおよび受動ロッドを含む能動導波路を提供する。
【解決手段】能動ロッドおよび受動ロッドの一方または両方に埋め込まれた１つまたは複数の要素は、それぞれの能動ロッドおよび受動ロッドの最低の屈折率よりも少なくとも１＊１０－３低い屈折率を有する。能動ロッドのＭＭコアは同心の内側領域および外側領域を含み、外側領域の発光体濃度は内側領域の発光体濃度の５０％未満であり、内側領域の半径は外側領域の半径の高々９２％である。能動導波路の出力における非吸収励起光は配送された励起光の１％未満であることが、埋め込まれた要素の屈折率および選択的にドープされたコア領域と組み合わされて、少なくとも８６％のレーザ効率に寄与する。
【選択図】図６Ａ
【解決手段】能動ロッドおよび受動ロッドの一方または両方に埋め込まれた１つまたは複数の要素は、それぞれの能動ロッドおよび受動ロッドの最低の屈折率よりも少なくとも１＊１０－３低い屈折率を有する。能動ロッドのＭＭコアは同心の内側領域および外側領域を含み、外側領域の発光体濃度は内側領域の発光体濃度の５０％未満であり、内側領域の半径は外側領域の半径の高々９２％である。能動導波路の出力における非吸収励起光は配送された励起光の１％未満であることが、埋め込まれた要素の屈折率および選択的にドープされたコア領域と組み合わされて、少なくとも８６％のレーザ効率に寄与する。
【選択図】図６Ａ
【特許請求の範囲】
【請求項1】
側面励起方式で互いに対して光学的かつ機械的に結合された能動ロッドと受動ロッドとを含み、前記受動ロッドが前記能動ロッドに励起光を配送し、前記能動ロッドには、生成された信号放射を増幅するように構成されたマルチモード（ＭＭ）コアが備わっている、能動導波路であって、
前記能動ロッドまたは前記受動ロッドの一方または両方に埋め込まれた１つまたは複数の要素の屈折率が、前記要素を取り巻く前記ロッドの材料の屈折率よりも少なくとも１＊１０－３低く、
前記能動ロッドの前記ＭＭコアが、同心の内側領域および外側領域であって、前記外側領域の発光体濃度が前記内側領域の発光体濃度の５０％未満であり、
前記内側領域の半径が前記外側領域の半径の高々９２％である、内側領域および外側領域を含み、前記能動導波路の出力における非吸収励起光は前記配送された励起光の１％未満であることが、前記埋め込まれた要素の前記屈折率および選択的にドープされたコア領域と組み合わされて、少なくとも８６％のレーザ効率に寄与する、といった改善を含む能動導波路。
前記能動ロッドまたは前記受動ロッドの一方または両方に埋め込まれた１つまたは複数の要素の屈折率が、前記要素を取り巻く前記ロッドの材料の屈折率よりも少なくとも１＊１０－３低く、
前記能動ロッドの前記ＭＭコアが、同心の内側領域および外側領域であって、前記外側領域の発光体濃度が前記内側領域の発光体濃度の５０％未満であり、
前記内側領域の半径が前記外側領域の半径の高々９２％である、内側領域および外側領域を含み、前記能動導波路の出力における非吸収励起光は前記配送された励起光の１％未満であることが、前記埋め込まれた要素の前記屈折率および選択的にドープされたコア領域と組み合わされて、少なくとも８６％のレーザ効率に寄与する、といった改善を含む能動導波路。
【請求項2】
受動ロッドと能動ロッドとの機械的接触および光学的接触を維持するようにそれぞれの前記能動ロッドおよび前記受動ロッドを取り巻く少なくとも１つの外側クラッドをさらに備える能動導波路であって、前記１つの外側クラッドが、それぞれの能動ロッドおよび受動ロッドのクラッドの最低の屈折率よりも低い屈折率を有する、請求項１に記載の能動導波路。
【請求項3】
前記能動ロッドのクラッドに埋め込まれた複数の前記要素をさらに備える請求項１または２に記載の能動導波路。
【請求項4】
前記受動ロッドのクラッドに埋め込まれた複数の前記要素をさらに備える請求項１または２に記載の能動導波路。
【請求項5】
それぞれの能動ロッドおよび受動ロッドのクラッドに埋め込まれた複数の前記要素をさらに備える請求項１または２に記載の能動導波路。
【請求項6】
それぞれの能動ロッドおよび受動ロッドのクラッドが、前記励起光のための前記能動ロッドへの結合経路を画定するように互いに結合された中央部を有し、前記受動ロッドの前記中央部が、前記受動ロッドの両端のものよりも小さい直径を有する、請求項１から５のいずれか一項に記載の能動導波路。
【請求項7】
それぞれの能動ロッドおよび受動ロッドのクラッドが、前記励起光のための前記能動ロッドへの結合経路を画定するように互いに結合された中央部を有し、
前記能動ロッドの前記中央部が、前記能動ロッドの両端のものよりも大きい直径を有する、請求項１から６のいずれか一項に記載の能動導波路。
前記能動ロッドの前記中央部が、前記能動ロッドの両端のものよりも大きい直径を有する、請求項１から６のいずれか一項に記載の能動導波路。
【請求項8】
前記１つの外側クラッドを取り巻く保護クラッドをさらに備える請求項２に記載の能動導波路。
【請求項9】
それぞれの能動ロッドおよび励起ロッドのクラッドが、前記励起光のための前記能動ロッドへの結合経路を画定するように互いに結合された中央部を有し、
前記励起ロッドの前記中央部が、両端の直径よりも小さい直径を有する一方で、前記能動ロッドの前記中央部の直径が両端の直径よりも大きい、請求項１から８のいずれか一項に記載の能動導波路。
前記励起ロッドの前記中央部が、両端の直径よりも小さい直径を有する一方で、前記能動ロッドの前記中央部の直径が両端の直径よりも大きい、請求項１から８のいずれか一項に記載の能動導波路。
【請求項10】
前記ＭＭコアの前記外側コア領域には発光体がない、請求項１に記載の能動導波路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、ｋＷパワーのファイバレーザと、実質的に基本モードで信号光を出力する増幅器とに関する。詳細には、本開示は、側面励起構成を定義する能動ロッドおよび励起ロッドを含む能動導波路に関し、これらのロッドのうちの少なくとも１つは、能動ロッドの中心的にドープされたマルチモード（ＭＭ）コアにおける励起光吸収を向上させるように構成されてシリカクラッドに埋め込まれた１つまたは複数の要素を含む。開示されたレーザ源は、クラッド内の信号光を約２％に低減し、非吸収励起光を０．５％未満に低減することを示し、これらの組合せは、所望の波長において、少なくとも８６％のレーザ効率と、５０％を上回る壁プラグ効率とに寄与する。
【背景技術】
【0002】
エネルギーのコストの増加ばかりでなくエネルギー効率に対する規制のために、種々のレーザベースシステムのエネルギー効率因子を含む環境性能に産学の研究開発の関心が集まっている。工業用レーザベースのツールを考慮に入れて、環境性能を改善するための手法は、とりわけ、適切なプロセスおよびマシンツールの選択、最適化されたマシンツール設計、ならびに最適化されたプロセス制御といった３つの主要なカテゴリを含む。最初のカテゴリと最後のカテゴリは主としてプロセス計画者またはマシンツール操作員によって制御可能であるが、この発明の範囲内ではファイバレーザ源であるシステム設計に支配的影響を有するのはＯＥＭ供給会社である。
【0003】
図１は、入力信号の受動ファイバ３で書かれた高いファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）５と出力信号の受動ファイバ８で書かれた低いファイバブラッググレーティング６との間に定義される共振空胴で構成されたファイバレーザの一般的な概略図を示すものである。図１は、示されたＦＢＧがなければ、明らかにファイバ増幅器を表すことになる。以下の説明の本質的部分は、発振器と増幅器の両方に対して同様に適用可能である。
【0004】
図１のファイバレーザが含む能動ダブルクラッド信号ファイバすなわち能動ファイバ２は、信号波長λｓにおいて信号光を増幅する発光イオンでドープされたＭＭコアを有する。示された概略が利用する端面励起技術では、波長λｓ≠λｐの信号光および励起光は、マルチプレクサ１に結合された後、それぞれ能動ファイバ２のドープされたコアおよび内側クラッドへとさらに放たれる。デマルチプレクサ９から取り出された増幅信号光λｓは、次いで非吸収励起光λｐから信号出力受動ファイバ８に結合される。慣習的に、励起光配送ファイバ４および７で導かれた励起光は、信号ファイバ２のクラッドの両端へと放たれ、その結果両方向に伝播する。しかしながら、すべての放たれた励起光が吸収されるわけではない。
【0005】
図１のファイバレーザは、非吸収励起光があると、いくつかの理由で理論的閾値よりも効率が悪くなる。たとえば、非吸収励起光が信号光の生成に影響を及ぼし、利得が不十分になる。もう一つの理由は、たとえばそれぞれの能動ファイバ２と隣接したファイバとの対向端の間のスプライスからの励起光の後方反射によるマルチプレクサ／デマルチプレクサの被害である。また両方向に伝播する非吸収励起光により、励起光源、ＦＢＧ、およびファイバレーザ源１０からの増幅された光信号を導くための手段が被害を受ける。上記のことは、非吸収励起光の望ましくない多くの影響のうちのほんの一部に過ぎない。
【0006】
図２が示す、波長λｐの非吸収励起光のパワーは、図１のファイバレーザ源１０における総入力励起パワーの関数として、それぞれのマルチプレクサ１および９を通ってそれぞれの励起光ファイバ４および７に伝播する。見られるように非吸収励起光の一部は高いままであり、このことは、入力励起パワーが高パワーレベルに到達するとき特に問題になる。結果として、図１のファイバレーザ源の環境性能は改善されるべきである。
【0007】
励起光吸収は次式から推定され得、
【0008】
【数1】
【0009】
ただしαｃｏｒｅはコア吸収であり、ＡｃｏｒｅおよびＡｃｌａｄはそれぞれダブルクラッド（ＤＣ）能動ファイバ２のコアの面積および内側クラッドの面積である。上記から、コア吸収に伴って、すなわちドーピング濃度および／またはコア／クラッド比の増加に伴って励起光吸収が増加することが理解され得る。しかしながら、上記の選択肢のどちらにも制約がある。特に、光黒化効果および背景損失が、希土類イオン濃度の上方レベルを設定する。背景損失が大きければ、ファイバレーザ源の効率が低下することになる。これは、理論的限界値は９０％を上回るのに、図１のＤＣ能動ファイバ２における一般的な傾斜効率が７０～８０％未満であることを説明する理由の１つである。
【0010】
励起吸収向上のためのもう１つの選択肢であるコア面積／クラッド面積のスケーリングは、開口数（ＮＡ）の同時低減を伴うコア径の増加によって達成され得る。しかしながら、コアが複数のモードをサポートするように構成されているなら、コア径は、複数の高次モード（ＨＯＭ）の励起のために、無限に増加できるわけではない。ＨＯＭの励起により、多くの場合１．２未満の、実際には１．０５に近いＭ２係数の基本モードにあることを必要とされる出力信号光の品質が低下し、基本モード（ＦＭ）は実質的にガウス性形状の強度プロファイルを有する。
【0011】
図１の能動ファイバ２の内側クラッドにおける励起光は高度なＭＭ形態で伝播する。これらのモードを、「吸収率の高い」モードと「吸収率の低い」モードとの２つのカテゴリへと効果的にグループ化することができる。吸収率の高いカテゴリのモードは、軸方向に対称なフィールド分布を有し、能動ファイバ２のドープされたコアにおいて強度が最大になり、うまく吸収され、したがって効率よく利得に寄与する。吸収率の低いカテゴリのモードは、ドープされたコアに対するオーバラップが少なく、したがって励起吸収に特に寄与するわけではないが、これらの螺旋モードは励起パワーのかなりの部分を搬送するものであり、これらのモードが吸収される場合よりも、レーザ源が全体として効率が悪くなる。
【0012】
図３はＤＣファイバ２の一般的な屈折性ステップインデックスプロファイルの断面を示すものであり、コア１０は最高の屈折率を有し、イッテルビウム（Ｙｂ）、エルビウム（Ｅｒ）、ネオジム（Ｎｄ）、ツリウム（Ｔｍ）、ホルミウム（Ｈｏ）および他の知られている発光体などの希土類元素でドープされている。ＤＣファイバ２は、終端を通じて励起光を受け取る内側クラッドと、内側クラッドに励起光を導くように最低の屈折率を有する外側の保護クラッド１２とをさらに含む。
【0013】
ファイバ２の両側の終端を通ってロッド１１の内側クラッドに放たれる励起波長λｐの励起光は、メリディアン光線およびスキュー光線から成る。メリディアン光線（図示せず）はコア１０と交差し、効率よく吸収される。しかしながら、スキュー光線１３は、内側クラッドに沿って、コア１０と実質的に交差しない螺旋状の軌跡で、したがって、非吸収励起光部分にさらに寄与する意味のある吸収なしで、伝播する。
【0014】
スキューモードまたは螺旋モードにまつわる問題を是正してエネルギー変換効率を向上するために多くの試みがなされてきた。図４Ａを参照して、図１のＤＣファイバ２は、ロッドの内側クラッドと外側クラッドの間の界面の半径の非対称性を伴って示されている。この手法は、スキュー光線１３のうちのいくらかが交差してコア１０に吸収されるように、スキュー光線１３の散乱を支援する。図４Ｂは、能動ロッド１１のクラッド内に複数の領域１４が形成される別の手法を示すものである。領域１４は内側クラッド１１のものとは異なるそれぞれの屈折率を有し、その結果、スキュー光線１３は、これらの領域１４によって半径方向に散乱されてコア１０を通るが、少なくともいくらかがコア１０に吸収される。
【0015】
図４Ａおよび図４Ｂに示されたどちらの解決策もいくらか効果的である。しかしながら、端面励起技術による要求に応じて、共通の光学軸に沿って一緒に結合されるすべてのファイバを位置合わせすることは困難な作業であり、多くの場合、受け入れがたい信号光の損失や励起光の低信頼性の発射が付きものである。光損失を減少させるように機能する構造は、単に経済的に不当な、精巧かつ複雑な構成を必要とするものであり、したがって高パワーファイバレーザおよび増幅器の環境性能が改善されない。
【0016】
図５は、励起吸収を向上するためのもう一つの手法を示すものである。示された構造の基礎となる側面励起技術では、能動ファイバ２と励起光配送ファイバ１５とがそれぞれの周囲に沿って光学的（かつ機械的）に接触している。両方のロッド１１および１５に巻き付けられた外側クラッド１２は、内側クラッドからの光の減結合を防止する最低の屈折率を用いて構成されている。図５の構成では、図４Ａおよび図４Ｂの端面励起技術に基づく光損失および／またはデバイスの構造上の複雑さに関連した問題がより少ないことが、簡単に理解される。
【0017】
しかしなお、非吸収励起光に関する問題が存続する。たとえば、側面励起技術で使用される励起パワーは非常に大きくされ得るが、式１のクラッド面積Ａｃｌａｄも、それぞれのファイバ２および１５のクラッドの合計であるので増大する。端面励起技術の場合と同様に、図５における波長λｐの励起光のすべてが能動ファイバ２のクラッド１１に結合されて非吸収励起光の出力パワーの増大に寄与するわけではない。その上、能動ロッド１１に結合される励起放射の一部には、コア１０と部分的にしかオーバラップしない螺旋モード１３が含まれ、したがって十分に吸収されない。非吸収励起光はかなりなものになり得、したがって、示されたファイバレーザが所望の高レベルの効率で動作するのを妨げる。したがって、図５の構成は図４Ａ～図４Ｂのものよりも効率的ではあるが、波長λｓの信号光のエネルギーへのより効率的な励起光エネルギー収束から、なお利益が得られる。
【0018】
励起光吸収は、示されたファイバレーザの全体的非効率の原因となる主要因であるが、要因はこれだけではない。前述のように、大抵の場合、波長λｓの高品質の信号光すなわち実質的に単一の横モード（ＳＭ）を有する光が重要である。たとえば、波長λｓにおけるＶパラメータが次式に基づいて２．４０５未満であれば、図４および図５の能動ファイバ２のコア１０はＳＭであり、
【0019】
【数2】
【0020】
ただしｒはコア半径であり、ｎｃｏｒｅはコア１０の屈折率であって、ｎｃｌａｄはクラッド１１の屈折率である。
【0021】
実質的に基本モード（ＦＭ）で動作するように設計されたＭＭコアにおけるＨＯＭの励起を最小化する多くの技術革新には関係なく、それらの全体の抑制はほとんど実現不可能である。さらに、約１ｋＷからの出力範囲を伴う高パワーの単一モードレーザを放射するための多種多様なレーザ用途が必要とされている。
【0022】
高パワー要件はより大きいコア径を必要とする。ルールとして、能動ファイバは、一般的には曲げ損失が小さいことを必要とするファイバブロックＦＢにおいて巻かれる。小さい曲げ損失は、開口数Δｎ＝ｎｃｏｒｅ－ｎｃｌａｄが大きければ与えられ得る。たとえば、一般的なコア半径が１０μｍ、Δｎ＝２＊１０３、信号波長λｓ＝１０７０ｎｍにおいてｎｃｌａｄ＝１．４４９５のシリカファイバでは、Ｖパラメータは４．４７である。そのような大きいＶパラメータを有するファイバは、信号波長λｓにおいてＨＯＭが増幅されるＭＭである。ＭＭコアにおけるすべてのモードが同一の励起エネルギーを得るために争うので、ＦＭを生成して増幅するための励起エネルギーの効率が低減される。
【0023】
ＭＭファイバにおけるＨＯＭの励起を最小化するための知られている技術のうちの１つには、図４および図５のＭＭコア１０の中央部のみをドープすることが含まれる。もう一つの技術はファイバの形状寸法に関するものである。具体的には、ＨＯＭの増幅を低下させるためにボトルネック形のファイバが広範囲に使用されている。
【0024】
前述のことに基づき、発光体でドープされたＭＭコアを有する信号ファイバを含む能動導波路を有するファイバレーザまたは増幅器と、信号ファイバを側面励起するように構成された励起ファイバとが必要とされ、開示されたファイバレーザ／増幅器は、約９０％の効率の最大の理論的レベルのすぐ近くで動作するものである。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【0025】
ファイバレーザおよび／または増幅器用の開示された能動導波路は、この要求を満たすものである。この独創的な構成は、上記で開示された特徴および端面励起配置から分かっている他の特徴のすべてを含み、側面励起技術に組み込まれる。開示されたデバイスと異なり、出願者が知る、側面励起技術を用いるファイバレーザデバイスには、少なくとも８６％のレーザ効率および５０％を上回る壁プラグ効率で動作するものはない。
【0026】
開示されたファイバレーザデバイスの一態様によれば、能動導波路は、発光体でドープされたＭＭコアを有する能動ロッドと励起光配送ロッドとを含む。このように構成されたこれらのロッドが表す側面励起構成では、励起ロッドが波長λｐのＭＭ励起光を配送し、信号波長λｓで生成された信号光を能動ロッドが増幅して、増幅された信号光が実質的に基本モードで出力される。
【0027】
開示された導波路の特徴の１つには、これらのロッドのうちの少なくとも１つまたは両方が、シリカクラッドに埋め込まれた少なくとも１つの要素を用いて構成されていることがある。この要素の屈折係数は、配送ロッドの屈折係数よりも少なくとも１＊１０－３小さい。これらの要素によって効率よく反射されるＭＭ励起光の螺旋モードは、ＭＭコアとのオーバラップがない、またはオーバラップが最小の、ＤＣファイバの内側クラッドに沿って、オーバラップが増加するように伝播する。結果として、既知の先行技術と比較すると、ＭＭコアにおける励起光の吸収が増加する。
【0028】
開示された能動導波路のさらなる特徴によれば、能動ファイバのＭＭコアは内側領域および外側領域で構成されており、内側領域の半径は外側領域の半径の９２％以下である。内側領域における発光体の濃度は、外側コア領域の濃度よりも少なくとも５０％高い。この特徴により、信号波長におけるＨＯＭの増幅が、既知の側面励起方式のものよりも実質的に小さくなり得る。
【0029】
開示された、上記で論じられた特徴の両方を組み込んだ導波路は、８７％を上回るｋＷレベルパワーのＳＭ光生成の不十分な光効率の問題に対処するものであり、これによって、開示された能動導波路に基づくファイバレーザ／増幅器は、５０％を超える全体的な壁プラグ効率で動作することができる。
【0030】
開示された導波路がさらに含む外側クラッドが、両方のロッドを囲み、それらの光学的接触および機械的接触を確実にする。外側クラッドの屈折係数は、配送ロッドの屈折率よりも大きい能動ロッドの屈折率と実質的に同一かまたは異なるそれぞれの屈折率を有し得るロッドの屈折係数よりも小さい。最終的に、外側クラッドは、外側クラッドのものよりも高い屈折率の材料から作製された保護スリーブによって取り巻かれる。
【0031】
開示された能動導波路の修正形態の１つでは、１つまたは複数の要素が能動ロッドに挿入される。別の実施形態では、能動ロッドと配送ロッドのどちらにもそれぞれの要素が備わっている。もう１つの実施形態では、配送ロッドのみが、励起光のラジアルモードを能動ロッドのＭＭコアに向けて反射する要素を含む。
【0032】
開示された構造の上記の特徴および他の特徴ならびに利点が、以下の図面を伴う具体的な説明においてさらに論じられる。
【図面の簡単な説明】
【0033】
【図1】既知の先行技術のファイバレーザ源の標準的な概略図である。
【図3】既知の先行技術の一般的なＤＣファイバの断面を示す図である。
【図5】先行技術の一般的な側面励起配置を示す図である。
【図6A】独創的な能動導波路の修正形態を示す図である。
【図6B】独創的な能動導波路の修正形態を示す図である。
【図6C】独創的な能動導波路の修正形態を示す図である。
【図7A】本発明によって構成された能動ロッドのドーピングプロファイルを示す図である。
【図7B】本発明によって構成された能動ロッドのドーピングプロファイルを示す図である。
【図7C】本発明によって構成された能動ロッドのドーピングプロファイルを示す図である。
【図7D】本発明によって構成された能動ロッドのドーピングプロファイルを示す図である。
【図8A】信号光のそれぞれの出力パワーにおける独創的な能動導波路のレーザ効率および既知の能動導波路のレーザ効率を示す図である。
【図8B】既知の能動導波路のクラッドおよび独創的な能動導波路のそれぞれのクラッドにおける、非吸収励起光および信号光の所与の信号波長における百分率を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0034】
次に、開示されたシステムを詳細に参照する。図面および説明では、同一の部品もしくは類似の部品または同一のステップもしくは類似のステップを指すのに、可能なときは常に同一もしくは類似の参照番号を使用する。図面は簡素化された形式であり、縮尺は正確ではない。
【0035】
開示された構造は、側面励起配置が備わっていて実質的に基本モードでｋＷレベル信号光を出力するＭＭファイバレーザの効率に関する高まる要件を満たすように特に構成されている。開示された構造を既知の先行技術から区別する、既知の要素の新規の組合せにより、非吸収励起光が０．５％未満に、クラッドにおける信号光が約２％に低下し、したがってレーザ効率が８６～９０％に向上する。
【0036】
レーザ効率が向上すれば、ほんの少し利点を挙げるだけでも、常に電力消費が低下して環境破壊の影響が軽減され、保守要員の安全性が向上する。したがって、改良品は、わずかな量的改良を示せば、改良品の市場性が抜本的に変化するのは珍しいことではない。対象となる産業界の外部では改良品の特性の観点から些細なものと見なされかねないことが、この特定の産業界の通常技量の作業者や通常技量に満たない作業者によって先駆的なものと評価されることもある。
【0037】
開示された構成は、新規の構造に組み込まれた原理的に既知の要素によって、この構造が技術的最先端となる様子を示す好例である。実質的に単一の基本モード（ＦＭ）の信号光出力を伴う開示されたＭＭファイバレーザ／増幅器は、能動励起ロッドと受動励起ロッドが側側配置に配置された側面励起技術に基づくものある。能動ロッドおよび励起ロッドのうちの少なくとも１つには、励起モードの変換および吸収を向上するために、周囲のクラッドの屈折率よりも低い屈折率を有する要素が備わっている。しかしながら、端面励起方式から周知の要素の利用は、側面励起配置では分かり切ったことではない。非対称コアを有する能動ファイバにおいてモード変換が改善されることは、ファイバレーザ技術の当業者には周知である。開示されたタイプの側面励起配置では、ＭＭコアは非対称に設置される。そのため、出願者の知見および確信の限りでは、側面励起配置においてモード変換の機能強化のために能動ロッドに何らかの付加的手段を挿入する試みは報告されていない。開示された構造における受動ロッドに関しては、これも出願者の知見の限りでは、十分な理由から知られていない。一般的には、並んで結合された能動ロッドと励起ロッドとを含む能動導波路は、ファイバブロックにおいて巻かれている。巻かれたファイバにおける励起モードは歪み、励起モードの吸収が悪化すると考えられる。しかしながら、一般的には、ファイバブロックハウジングの出力において、ｋＷレベルの側面励起ファイバレーザ／増幅器の非吸収励起光は、能動ロッドに配送される励起光のわずかな割合でしかない。非吸収励起光のこの量は一般に許容できるものであり、さらなる改善は、レーザの総合効率にいくぶん否定的な影響を及ぼす恐れもある。対照的に、開示された構造はレーザ効率を向上するように構成されている。
【0038】
上記のことを念頭において、以下の説明は、レーザ効率を大幅に改善する独創的な構成を開示するものである。図６Ａは、図１の概略図の能動導波路２５が、一般的にはファイバブロックＦＢにおいて巻かれていることを示す。示された能動導波路２５は、既知の発光体のうち任意のものまたはそれらの組合せでドープされたＭＭコア３５を有する能動ファイバロッド１１を含む側面励起配置を表す。たとえば、発光体は、たとえば１０７０ｎｍの波長λｓの信号光を生成するイッテルビウム（Ｙｂ）のイオンでよい。
【0039】
能動導波路２５がさらに含む受動ロッド１５は、最大でも能動ロッド１１のものに等しい屈折率を有し、たとえば９７６ｎｍといった励起波長λｐのＭＭ励起光を配送する。ロッド１１および１５のものよりも低い屈折率を有する外側クラッド１２により、能動ロッド１１と受動ロッド１５が、それぞれのロッドの隣接した周囲に沿って機械的接触および光学的接触を保つ。能動導波路の結合された周囲は、励起光がＭＭコア３５に吸収されるようにロッド間の界面と交差し続ける長さにわたって結合範囲を画定する。上記で論じられたように、すべての励起光が能動ロッド１１に結合されるわけではなく、結合された励起光さえ、ＭＭコア３５の中央部と十分にオーバラップしない螺旋モード１３を有する。励起光のすべてのエネルギーが信号光のエネルギーに変換されるわけではなく、したがってレーザ効率および信号光の出力パワーに影響を及ぼす。
【0040】
発明概念の一態様によれば、１つまたは複数の要素１９が、能動ロッド１１のクラッド４５のシリカなどの母材に挿入される。要素１９は、クラッド４５のものよりも低い屈折率を有し、励起光の螺旋モード１３をコア３５へ方向転換してこれらのモードの吸収を改善するように構成されている。コア３５に対するいかなる望ましくない負荷も防止するために、要素１９はフッ化物（Ｆ）および場合によりホウ素（Ｂ）のイオンでドープされたシリカで作製されており、これによって要素１９の屈折率ｎｅがクラッド４５の屈折率ｎｃ１１よりも少なくとも１＊１０－３低くなる。後者の制限は、レーザ効率を向上させるための効果的なモード変換にとって重要である。対照的に、先行技術は、これらの係数間のこの差が１＊１０－３を超過するべきではなく、そうでないと、コアに導かれる光の偏光特性に悪影響があることを教示する。さらに、開示された能動導波路は、必要に応じて偏光維持ロッドで構成され得る。
【0041】
開示された導波路の環境性能を改善するさらなる特徴は、能動ロッド１１のＭＭコア３５を発光体で部分的にドープすることを含む。コア３５の別々の領域が、所望の横モードに依拠してある程度ドープされてよい。基本的な横モードに関する本開示に照らして、外側コア領域１６のものよりも高い希土類元素のイオン濃度を有するのは、比較的小さい中央部１７である。外側コア領域１６は、発光体によるドープが全くないか、発光体濃度が、中央コア領域１７の発光体濃度の５０％以下である。そのような選択ドーピングにより、コア３５の周囲のすぐ近くに伝播するＨＯＭを増幅するための励起エネルギーの使用が低減する。幾何学的に、中央コア領域１７の半径は、外側コア領域１６の半径の高々９２％である。上記で開示されたＭＭコアのパラメータの状態では、ＦＭの生成および増幅のためにより多くの励起エネルギーが機能する。
【0042】
図６Ｂは、発明概念に基づく能動導波路２５の別の実施形態を示すものである。図６Ａに似て、導波路２５は能動ロッド１１および受動ロッド１５を含む側面励起配置として実現される。図６Ａの実施形態とは対照的に、この実施形態は受動ロッド１５に挿入された１つまたは複数の要素１９を特徴とする。ロッド１１および１５のうち任意のものにおける要素１９の挿入は、事前に所望数のチャネルをロッドに穴あけし、後にこれらのチャネルがそれぞれの要素１９を受け入れることによって行われる。要素１９は、それぞれロッド１５の屈折率ｎｃ１５より少なくとも１＊１０３低い屈折率ｎｅで構成される。励起光および特にスキュー光線は、ロッド１１に結合される螺旋状の励起モード１３とＭＭコア３５との間のオーバラップを増加させるようなやり方で、能動ロッド１１に向けて導かれる。導波路２５のＭＭコアは図６Ａのものと類似の構成である。
【0043】
図６Ｃは、図６Ａおよび図６Ｂの独創的な特徴の組合せを含む発明概念のもう１つの実現を示すものである。詳細には、能動ロッド１１および受動ロッド１５のそれぞれに、上記で開示された要素１９が備わっている。ＭＭコア３５は、それぞれの図６Ａおよび図６Ｂに関連して上記で論じられたような２つ以上の環状領域を有する。
【0044】
図６Ａ～図６Ｃの能動導波路には、外部の機械的負荷からの遮蔽物として働く第３のクラッド１８（図６Ｂおよび図６Ｃに示されている）が備わっていてよい。しかしながら、第３のクラッド１８、物理的被害からの遮蔽クラッド１２は、それぞれの能動ロッドのクラッドや受動ロッドのクラッドのものよりも大きい屈折率を有し得る。
【0045】
要約すると、独創的な能動導波路を有する側面励起配置を含む図１の概略図のレーザ効率は、
要素１９が励起光吸収を増加させ、
能動ロッド１１の選択的にドープされたＭＭコアが信号波長における増幅されたＨＯＭを減少させる、
といった構造上の独自性のために、少なくとも８６％に向上する。
要素１９が励起光吸収を増加させ、
能動ロッド１１の選択的にドープされたＭＭコアが信号波長における増幅されたＨＯＭを減少させる、
といった構造上の独自性のために、少なくとも８６％に向上する。
【0046】
開示された能動導波路の側面励起配置における主要な構造上の技術革新に加えて、上記で開示された実施形態のうち任意のものにいくつかの追加の特徴が組み込まれて、側面励起ファイバレーザ／増幅器の先例のないほどの高効率に寄与する。能動ロッド１１の形状は、それぞれが中央部よりも小さい直径を有する一端または両端を有するこのロッドの光学軸に沿って、ボトルネック形の断面を有し得る。受動ロッド１５は、一端または両端よりも小さい半径を有する中央部を伴って構成され得る。ボトルネック形のロッド１１および１５は図６Ａ～図６Ｃの概略図の中に一緒に組み込まれてよく、または、いずれかが、他の均一に成形されたロッドと対になってもよい。
【0047】
図７Ａ～図７Ｄは、能動ロッドの屈折性ステップインデックスプロファイルのそれぞれの構成およびそのＭＭコアに与えられたドーパントプロファイルを示す。図７Ａおよび図７Ｄは、コアの均一に形成されかつドープされた中央コア領域１７およびドープされていない外側コア領域１６を示す。図７Ｂが示す中央コア領域のドーパント濃度は、外側コア領域１６のものよりも実質的に高い。図７Ｃは、コアとクラッドの間の界面からコアの中心に向かって狭くなる円錐台状のドーパントプロファイルを示す。
【0048】
上記で開示された能動導波路に対して、かなりの日数で多くの実験が行われており、継続されることになっている。要素１９の利点は、図８Ａおよび図８Ｂに明瞭に見られる。図１のファイバブロックＦＢの出力における非吸収励起パワーは、１２００Ｗの総投入励起パワーにおいて、先行技術の能動ロッドを用いた２１Ｗから、独創的な構造における約３．５Ｗまで急激に低減される。
【0049】
図８Ａを参照して、１０７０ｎｍの信号波長で９００ＷのＦＭ信号光の出力パワーおよび９７７ｎｍの励起波長において、既知の先行技術の構成を表す黒い曲線５２上の約８１％のレーザ効率と比較して、黒い曲線５０は独創的な構造における８７．２％の最大のレーザ効率を表す。
【0050】
図８Ａに示されるデータは、図８Ｂに示されるようなクラッドにおける低減された非吸収励起光および信号光を含む独創的な能動導波路の構造上の革新の直接的な結果である。曲線５６によって指示されるように、クラッドにおいて検知されるのは信号光のわずか約１．５％である（図８Ｂ）。対照的に、先行技術の構造は、曲線５４に見られるように、クラッドにおける少なくとも６％の望ましくない信号光を伴って動作する。同様に、図８Ｂの曲線５８によって示されるように、独創的な構造におけるファイバブロックＦＢの出力における非吸収励起光は０．１～０．３％であるが、先行技術のデバイスは、曲線６０によって示されるように、最大のレーザ効率において約２％以上の非吸収励起光を有する。
【0051】
それゆえに、本発明はその詳細な記述とともに説明されているが、前述の説明は例証することを意図するものであり、添付の特許請求の範囲によって定義された本発明の範囲を制限することを意図するものではないことを理解されたい。他の態様、利点、および修正形態は以下の特許請求の範囲の範囲内にある。
【符号の説明】
【0052】
１ マルチプレクサ
２ 能動ファイバ
３ 受動ファイバ
４ 励起光配送ファイバ
５ 高いファイバブラッググレーティング
６ 低いファイバブラッググレーティング
７ 励起光配送ファイバ
８ 受動ファイバ
９ デマルチプレクサ
１０ コア
１１ 能動ロッド
１２ 保護クラッド
１３ スキュー光線
１４ 領域
１５ 励起光配送ファイバ、受動ロッド
１６ 外側コア領域
１７ 中央コア領域
１８ 第３のクラッド
１９ 要素
２５ 能動導波路
３５ ＭＭコア
４５ クラッド
２ 能動ファイバ
３ 受動ファイバ
４ 励起光配送ファイバ
５ 高いファイバブラッググレーティング
６ 低いファイバブラッググレーティング
７ 励起光配送ファイバ
８ 受動ファイバ
９ デマルチプレクサ
１０ コア
１１ 能動ロッド
１２ 保護クラッド
１３ スキュー光線
１４ 領域
１５ 励起光配送ファイバ、受動ロッド
１６ 外側コア領域
１７ 中央コア領域
１８ 第３のクラッド
１９ 要素
２５ 能動導波路
３５ ＭＭコア
４５ クラッド
【図1】
【図2】
【図3】
【図4A】
【図4B】
【図5】
【図6A】
【図6B】
【図6C】
【図7A】
【図7B】
【図7C】
【図7D】
【図8A】
【図8B】
【手続補正書】
【提出日】2023-11-30
【手続補正1】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項1】
側面励起方式で互いに対して光学的かつ機械的に結合された能動ロッドと受動ロッドとを含み、前記受動ロッドの屈折率が前記能動ロッドの屈折率以下であり、前記受動ロッドが前記能動ロッドに励起光を配送し、前記能動ロッドには、生成された信号放射を増幅するように構成されたマルチモード（ＭＭ）コアが備わっている、能動導波路であって、
前記能動ロッドまたは前記受動ロッドの一方または両方に埋め込まれた１つまたは複数の要素の屈折率が、前記要素を取り巻く前記ロッドの材料の屈折率よりも少なくとも１＊１０－３低く、
前記能動ロッドの前記ＭＭコアが、同心の内側領域および外側領域であって、前記外側領域の発光体濃度が前記内側領域の発光体濃度の５０％未満であり、
前記内側領域の半径が前記外側領域の半径の高々９２％である、内側領域および外側領域を含み、前記能動導波路の出力における非吸収励起光は前記配送された励起光の１％未満であることが、前記埋め込まれた要素の前記屈折率および選択的にドープされたコア領域と組み合わされて、少なくとも８６％のレーザ効率に寄与する、といった改善を含む能動導波路。
前記能動ロッドまたは前記受動ロッドの一方または両方に埋め込まれた１つまたは複数の要素の屈折率が、前記要素を取り巻く前記ロッドの材料の屈折率よりも少なくとも１＊１０－３低く、
前記能動ロッドの前記ＭＭコアが、同心の内側領域および外側領域であって、前記外側領域の発光体濃度が前記内側領域の発光体濃度の５０％未満であり、
前記内側領域の半径が前記外側領域の半径の高々９２％である、内側領域および外側領域を含み、前記能動導波路の出力における非吸収励起光は前記配送された励起光の１％未満であることが、前記埋め込まれた要素の前記屈折率および選択的にドープされたコア領域と組み合わされて、少なくとも８６％のレーザ効率に寄与する、といった改善を含む能動導波路。
【請求項2】
受動ロッドと能動ロッドとの機械的接触および光学的接触を維持するようにそれぞれの前記能動ロッドおよび前記受動ロッドを取り巻く少なくとも１つの外側クラッドをさらに備える能動導波路であって、前記１つの外側クラッドが、それぞれの能動ロッドおよび受動ロッドのクラッドの最低の屈折率よりも低い屈折率を有する、請求項１に記載の能動導波路。
【請求項3】
前記能動ロッドのクラッドに埋め込まれた複数の前記要素をさらに備える請求項１または２に記載の能動導波路。
【請求項4】
前記受動ロッドのクラッドに埋め込まれた複数の前記要素をさらに備える請求項１または２に記載の能動導波路。
【請求項5】
それぞれの能動ロッドおよび受動ロッドのクラッドに埋め込まれた複数の前記要素をさらに備える請求項１または２に記載の能動導波路。
【請求項6】
それぞれの能動ロッドおよび受動ロッドのクラッドが、前記励起光のための前記能動ロッドへの結合経路を画定するように互いに結合された光学軸に沿った長手方向の中央部を有し、前記受動ロッドの前記光学軸に沿った長手方向の前記中央部が、前記受動ロッドの前記光学軸に沿った長手方向の両端の直径よりも小さい直径を有する、請求項１から５のいずれか一項に記載の能動導波路。
【請求項7】
それぞれの能動ロッドおよび受動ロッドのクラッドが、前記励起光のための前記能動ロッドへの結合経路を画定するように互いに結合された光学軸に沿った長手方向の中央部を有し、
前記能動ロッドの前記光学軸に沿った長手方向の前記中央部が、前記能動ロッドの前記光学軸に沿った長手方向の両端の直径よりも大きい直径を有する、請求項１から６のいずれか一項に記載の能動導波路。
前記能動ロッドの前記光学軸に沿った長手方向の前記中央部が、前記能動ロッドの前記光学軸に沿った長手方向の両端の直径よりも大きい直径を有する、請求項１から６のいずれか一項に記載の能動導波路。
【請求項8】
前記１つの外側クラッドを取り巻く保護クラッドをさらに備える請求項２に記載の能動導波路。
【請求項9】
それぞれの能動ロッドおよび受動ロッドのクラッドが、前記励起光のための前記能動ロッドへの結合経路を画定するように互いに結合された光学軸に沿った長手方向の中央部を有し、
前記受動ロッドの前記光学軸に沿った長手方向の前記中央部が、前記受動ロッドの前記光学軸に沿った長手方向の両端の直径よりも小さい直径を有する一方で、前記能動ロッドの前記光学軸に沿った長手方向の前記中央部の直径が前記能動ロッドの前記光学軸に沿った長手方向の両端の直径よりも大きい、請求項１から８のいずれか一項に記載の能動導波路。
前記受動ロッドの前記光学軸に沿った長手方向の前記中央部が、前記受動ロッドの前記光学軸に沿った長手方向の両端の直径よりも小さい直径を有する一方で、前記能動ロッドの前記光学軸に沿った長手方向の前記中央部の直径が前記能動ロッドの前記光学軸に沿った長手方向の両端の直径よりも大きい、請求項１から８のいずれか一項に記載の能動導波路。
【請求項10】
前記ＭＭコアの前記外側領域には発光体がない、請求項１に記載の能動導波路。
【外国語明細書】