▶ エスピーアイ レーザーズ ユーケー リミテッドの特許一覧
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2022-05-12
(54)【発明の名称】光放射を提供する装置
(51)【国際特許分類】
H01S 3/10 20060101AFI20220502BHJP
H01S 3/23 20060101ALI20220502BHJP
【ＦＩ】
H01S3/10 Z
H01S3/23
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2021555523
(86)(22)【出願日】2020-03-11
(85)【翻訳文提出日】2021-11-08
(86)【国際出願番号】 GB2020000028
(87)【国際公開番号】W WO2020188232
(87)【国際公開日】2020-09-24
(31)【優先権主張番号】1903633.4
(32)【優先日】2019-03-15
(33)【優先権主張国・地域又は機関】GB
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】503443773
【氏名又は名称】トルンプ レーザー ユーケー リミティド
(74)【代理人】
【識別番号】100099759
【弁理士】
【氏名又は名称】青木 篤
(74)【代理人】
【識別番号】100123582
【弁理士】
【氏名又は名称】三橋 真二
(74)【代理人】
【識別番号】100092624
【弁理士】
【氏名又は名称】鶴田 準一
(74)【代理人】
【識別番号】100114018
【弁理士】
【氏名又は名称】南山 知広
(74)【代理人】
【識別番号】100153729
【弁理士】
【氏名又は名称】森本 有一
(72)【発明者】
【氏名】セバスチャン ジョルジュ デムーラン
(72)【発明者】
【氏名】マイケル ケバン ダーキン
【テーマコード（参考）】
5F172
【Ｆターム（参考）】
5F172AL07
5F172AM08
5F172DD06
5F172NN05
5F172NN06
5F172NR30
5F172ZZ01
(57)【要約】
光放射（９）を提供する装置は、第１のシーディング放射（１１）を提供するための第１のシード源（１）と、第２のシーディング放射（１２）を提供するための第２のシード源（２）と、前記第１のシーディング放射（１１）及び前記第２のシーディング放射（１２）を連結するために前記第１のシード源（１）及び前記第２のシード源（２）に接続されたカプラ（３）と、前記第１のシーディング放射（１１）及び前記第２のシーディング放射（１２）を増幅するための少なくとも１つの増幅器（４）と、を備える。
【選択図】図１
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
第１のシーディング放射を提供する第１のシード源と、第２のシーディング放射を提供する第２のシード源と、
前記第１のシーディング放射及び前記第２のシーディング放射を連結するために前記第１のシード源及び前記第２のシード源に接続されたカプラと、
前記第１のシーディング放射及び前記第２のシーディング放射を増幅するための少なくとも１つの増幅器と、
を備える、光放射を提供するための装置。
【請求項2】
前記第１のシード源と、前記第２のシード源と、前記増幅器と、を制御する制御器を備え、前記第２のシーディング放射のピークパワーが減少すればランダムな光学パルスの周波数及び振幅を増加させる、請求項１に記載の装置。
【請求項3】
前記第１のシード源、前記第２のシード源、及び前記増幅器を制御するための制御器を備え、放出された前記光放射が、前記装置が前記第２のシード源を含まない場合に比べてより高いピークパワー、より高い平均パワー、及び／又はより高いパルスエネルギーを有するように構成される、請求項１又は２に記載の装置。
【請求項4】
前記第１のシード源、前記第２のシード源、及び前記増幅器を制御するための制御器を備え、放出された光放射が、前記装置が前記第２のシード源を含まない場合に比べて、前記装置の損傷閾値を超過する前により高いピークパワーを達成可能である、請求項１又は１に記載の装置。
【請求項5】
前記第１のシーディング放射は第１の波長により特徴付けられ、前記第２のシーディング放射は第２の波長により特徴付けられ、前記第１の波長は前記第２の波長と同じである、請求項１から４のうちのいずれか一項に記載の装置。
【請求項6】
前記カプラは偏波コンバイナーであり、前記第１のシーディング放射及び前記第２のシーディング放射が直交する偏波である、請求項１から５のいずれか一項に記載の装置。
【請求項7】
前記カプラ及び前記増幅器の間に偏光解消素子を備える、請求項１から６のいずれか一項に記載の装置。
【請求項8】
前記第１のシード源はファブリペロー半導体レーザであり、前記第２のシード源はファブリペロー半導体レーザである、請求項１から７のいずれか一項に記載の装置。
【請求項9】
前記第１のシード源はスーパールミネッセントダイオードであり前記第２のシード源はスーパールミネッセントダイオードである、請求項１から７のいずれか一項に記載の装置。
【請求項10】
前記第１のシーディング放射の一部分を前記第１のシード源へと反射する第１の反射器を備える、請求項１から９のいずれか一項に記載の装置。
【請求項11】
前記第２のシーディング放射の一部分を前記第２のシード源へと反射する第２の反射器を備える、請求項１０に記載の装置。
【請求項12】
前記第１のシード源と前記第１の反射器とは第１の距離だけ離れていて、前記第２のシード源と前記第２の反射器は第２の距離だけ離れていて、前記第１の距離と前記第２の距離は等しい、請求項１１に記載の装置。
【請求項13】
前記第１のシード源と前記第１の反射器とは第１の距離だけ離れていて、前記第２のシード源と前記第２の反射器は第２の距離だけ離れていて、前記第１の距離が前記第２の距離と異なる、請求項１１に記載の装置。
【請求項14】
前記第１の反射器及び前記第２の反射器が同じスペクトル特性を有する、請求項１１から１３のいずれか一項に記載の装置。
【請求項15】
前記第１の反射器及び前記第２の反射器が異なるスペクトル特性を有する、請求項１１から１３のいずれか一項に記載の装置。
【請求項16】
前記第１の反射器及び前記第２の反射器の前記スペクトル特性、並びに前記第１の距離及び前記第２の距離は前記光放射のピークパワー及びパルスエネルギーを最適化するように選択される、請求項１４又は１５に記載の装置。
【請求項17】
前記第１の反射器及び前記第２の反射器が光ファイバブラッグ回析格子である、請求項１１から１６のいずれか一項に記載の装置。
【請求項18】
前記制御器は前記第１のシード源を駆動する第１の制御信号及び前記第２のシード源を駆動する第２の制御信号を放出し、前記第１の制御信号は前記第２の制御信号と異なる、請求項１から１７のいずれか一項に記載の装置。
【請求項19】
前記第１のシード源と前記増幅器の間に、後進する光放射から前記第１のシード源を隔離するための第１の光アイソレータを備えた、請求項１から１８のいずれか一項に記載の装置。
【請求項20】
前記第２のシード源と前記増幅器の間に、後進する光放射から前記第２のシード源を隔離するための第２の光アイソレータを備えた、請求項１から１９のいずれか一項に記載の装置。
【請求項21】
前記カプラと前記増幅器の間に位置し、前記第１のシード源及び前記第２のシード源の双方を後進する光放射から隔離するための第３の光アイソレータを備えた、請求項１から２０のいずれか一項に記載の装置。
【請求項22】
少なくとも１つの前置増幅器及び第４の光アイソレータを含み、前記第４の光アイソレータは前記前置増幅器と前記増幅器との間に位置する、請求項１から２１のいずれか一項に記載の装置。
【請求項23】
可視光レーザダイオード及びカプラを備え、前記カプラは前記可視光レーザダイオード及び前記前置増幅器から放出された光放射を組み合わせ、前記組み合わされた光放射を前記増幅器へ受け渡す、請求項２２に記載の装置。
【請求項24】
前記カプラは前記第４の光アイソレータに組み込まれた、請求項２３に記載の装置。
【請求項25】
ビーム伝送ケーブル及び出力用光学素子を備え、前記ビーム伝送ケーブルは前記増幅器から放出された前記光放射を伝送する光ファイバを備える、請求項１から２４のいずれか一項に記載の装置。
【請求項26】
前記光ファイバは中空コアファイバである、請求項２５に記載の装置。
【請求項27】
前記出力用光学素子は光アイソレータを備える、請求項２５又は２６に記載の装置。
【請求項28】
第１のシード源による第１のシーディング放射を提供することと、第２のシード源による第２のシーディング放射を提供することと、
カプラにより前記第１のシーディング放射及び前記第２のシーディング放射を連結することと、
少なくとも１つの増幅器により前記第１のシーディング放射及び前記第２のシーディング放射を増幅することと、
を含む、光放射を提供する方法。
【請求項29】
前記第１のシード源、前記第２のシード源、及び前記増幅器を備え、前記第１のシード源、前記第２のシード源、及び前記増幅器は前記第２のシーディング放射のピークパワーが減少するとランダムな光学パルスの周波数及び振幅が増加する、請求項２８に記載の方法。
【請求項30】
前記第１のシード源、前記第２のシード源、及び前記増幅器を制御する制御器を備え、前記第１のシード源、前記第２のシード源、及び前記増幅器は、前記増幅器により放出された前記光放射が、前記第２のシーディング放射を提供する前記ステップを含まない場合よりもより高いピークパワー、より高い平均パワー、及び／又はより高いパルスエネルギーを有する、請求項２８に記載の方法。
【請求項31】
前記第１のシード源、前記第２のシード源、及び前記増幅器を制御する制御器を備え、前記第１のシード源、前記第２のシード源、及び前記増幅器は、前記第２のシーディング放射を提供する前記ステップを含まない場合に比べて、前記増幅器により放出された前記光放射が損傷閾値を超過する前により高いピークパワーを達成可能である、請求項２８に記載の方法。
【請求項32】
前記第１のシーディング放射は第１の波長により特徴付けられ、前記第２のシーディング放射は第２の波長により特徴付けられ、前記第１の波長は前記第２の波長と同じである、請求項２８から３１のうちのいずれか一項に記載の方法。
【請求項33】
前記カプラは偏波コンバイナーであり、前記第１のシーディング放射及び前記第２のシーディング放射が直交する偏波である、請求項２８から３２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項34】
前記カプラと前記増幅器との間に偏光解消素子を提供する前記ステップを含む、請求項３３に記載の方法。
【請求項35】
前記第１のシード源はファブリペロー半導体レーザであり、前記第２のシード源はファブリペロー半導体レーザである、請求項２８から３４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項36】
前記第１のシード源はスーパールミネッセントダイオードであり前記第２のシード源はスーパールミネッセントダイオードである、請求項２８から３４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項37】
前記第１のシーディング放射の一部分を前記第１のシード源へ反射する第１の反射器を提供するステップを含む、請求項２８から３６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項38】
前記第２のシーディング放射の一部分を前記第２のシード源へと反射する第２の反射器を提供するステップを含む、請求項３７に記載の方法。
【請求項39】
前記第１のシード源と前記第１の反射器とは第１の距離だけ離れていて、前記第２のシード源と前記第２の反射器は第２の距離だけ離れていて、前記第１の距離と前記第２の距離が等しい、請求項３８に記載の方法。
【請求項40】
前記第１のシード源と前記第１の反射器とは第１の距離だけ離れていて、前記第２のシード源と前記第２の反射器は第２の距離だけ離れていて、前記第１の距離が前記第２の距離と異なる、請求項３８に記載の方法。
【請求項41】
前記第１の反射器及び前記第２の反射器が同じスペクトル特性を有する、請求項３８から４０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項42】
前記第１の反射器及び前記第２の反射器が異なるスペクトル特性を有する、請求項３８から４０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項43】
前記第１の反射器及び前記第２の反射器の前記スペクトル特性、並びに前記第１の距離及び前記第２の距離は前記光放射のピークパワー及びパルスエネルギーを最適化するように選択される、請求項４１又は請求項４２に記載の方法。
【請求項44】
前記第１の反射器及び前記第２の反射器が光ファイバブラッグ回析格子である、請求項３８から４３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項45】
前記制御器は前記第１のシード源を駆動する第１の制御信号及び前記第２のシード源を駆動する第２の制御信号を放出する制御器を提供するステップを含み、前記第１の制御信号は前記第２の制御信号と異なる、請求項２８から４４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項46】
前記第１のシード源と前記増幅器の間に、後進する光放射から前記第１のシード源を隔離するための第１の光アイソレータを提供するステップを含む、請求項２８から４５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項47】
前記第２のシード源と前記増幅器の間に、後進する光放射から前記第２のシード源を隔離するための第２の光アイソレータを提供するステップを含む、請求項２８から４６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項48】
前記カプラと前記増幅器の間に位置し、前記第１のシード源及び前記第２のシード源を後進する光放射から隔離するための第３の光アイソレータを提供するステップを含む、請求項２８から４７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項49】
少なくとも１つの前置増幅器及び第４の光アイソレータを提供するステップを含み、前記第４の光アイソレータは前記前置増幅器及び前記増幅器の間に位置する、請求項４８に記載の方法。
【請求項50】
可視光レーザダイオード及びカプラを提供するステップを含み、前記カプラは前記可視光レーザダイオード及び前記前置増幅器から放出された光放射を組み合わせ、前記組み合わされた光放射を前記増幅器へ受け渡す、請求項４９に記載の方法。
【請求項51】
前記カプラは前記第４の光アイソレータに組み込まれた、請求項５０に記載の方法。
【請求項52】
ビーム伝送ケーブル及び出力用光学素子を提供するステップを含み、前記ビーム伝送ケーブルは前記増幅器から放出された前記光放射を伝送する光ファイバを備える、請求項２８から５１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項53】
前記光ファイバは中空コアファイバである、請求項５２に記載の方法。
【請求項54】
前記出力用光学素子は光アイソレータを備える、請求項５１又は請求項５２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は光放射を提供する装置に関する。本発明は半導体ダイオードレーザ及びファイバレーザを含む連続波及びパルスレーザ、並びにそのようなレーザを使用したマーキング、切断、スクライビング及び溶接に特に適している。本発明は、銅やダイヤモンド等の高反射材料を処理するために使用されるレーザ、及び一般的に付加製造又は３Ｄプリントと呼ばれるレーザを使用した金属粉の焼結にも適している。
【背景技術】
【0002】
ファイバレーザやディスクレーザ等の産業用レーザは、マーキング、切断、スクライビング、溶接、一般的に付加製造又は３Ｄプリントと呼ばれる手法によるレーザを使用した金属粉の焼結、及びその他の材料の生産加工における重要な用途を有する。レーザは家電、医療機器、自動車、航空宇宙等の様々な産業で使用されている。レーザはパルスであっても、連続波であってもよい。実現可能な典型的なパルス長は数ピコ秒から数ナノ秒、マイクロ秒、及びミリ秒に渡る。パルスの繰り返し率は電子的に制御され、幅広い範囲に渡ってもよい。
【0003】
ワーレベル及び強度が上がるにつれて、例えばスペクトルノイズ、時間ノイズ、スペックル、光放射の非線形波長変換、及びセルフＱスイッチのような、非線形効果に関連した問題も増加する。これらの非線形効果は、工程の再現性が必要とされる産業用加工システムにおいては望ましくないものである。
【0004】
例えば、波長変換により光合焦システムにエラーが引き起こされ、材料に到達する光学パワーが削減されるかもしれず、セルフＱスイッチによりレーザシステムの光増幅器及び光ファイバが破壊され得る。
【0005】
ファイバ増幅器内の局所的な反転分布状態は、パルスが増幅器の出力端に到達する前に相当増加する。パルスは伝播するに従い、反転分布状態を枯渇させ、強度が上昇する。増幅プロセスはまたパルスの著しい再整形及び再先鋭化に寄与する。これはパルス幅及びピークパワーを定義する際に非常に重要であり、結果として誘導ラマン散乱（ＳＲＳ）及び誘導ブリルアン散乱（ＳＢＳ）のような様々な非線形性の兆候を定義することになる。特定のエネルギーレベル以上であれば、全てのパルスは再整形（再先鋭化）され、パルス幅が減少する。これはパルスが増幅器の飽和を開始することに充分なエネルギーを獲得することに起因する。このような状況ではエネルギーは主にパルスの立ち上がりにて取り出されるため、パルスの変形や歪みが生じることが知られている。ファイバの設計やパルスの形状により、ピークパワーはパルスエネルギーと共に非線形に増加し、典型的に約５ｋＷから１０ｋＷであるＳＲＳ閾値を必ず超過する。
【0006】
パルス状のファイバレーザの出力パワーを制限するもう一つの重要な効果は、ジャイアントパルスの形成である。これらは不幸にもシステム中の光学要素を損傷し得る。この効果はレーザのピークパワー及びスペクトル特性に大きく依存し、誘導ブリルアン散乱（ＳＢＳ）により生じると考えられている。非線形閾値に達すると、前進パルスが反射される。ジャイアントパルスが観察され、それらは不幸にもパルスレーザシステム内の増幅器（及びその他の装置）を損傷し得る。不運にも、この効果の性質は確率的であり、それ自体は非常に予測不可能である。シード源レーザ（レーザダイオードのような）の線幅を狭めるようなスペクトル特性の瞬間的な変化により、ＳＢＳイベントが起こるかもしれず、ジャイアントパルスの形成が起こり、その後に続く壊滅的な損傷に繋がり得る。
【0007】
米国特許第７，９３６，７９６号明細書は、出力が光ファイバ増幅器により増幅される多縦モードファブリペロー半導体レーザを使用した主発振電力増幅器を開示する。ファイバブラッグ回析格子のような反射器が半導体レーザと増幅器の間に挿入されている。反射器は光ファイバ増幅器から放出されたレーザ放射の帯域幅を狭め、後進ランダムパルス、及びジャイアントパルスの形成のような誘導ブリルアン散乱の効果を削減した。より狭い帯域幅により、通常は誘導ブリルアン散乱の効果が悪化することが期待されるため、この結果は驚くべきものだった。しかしながら、要求されるピークパワー及び平均パワーが増加し続けるにつれ、誘導ブリルアン散乱及びその他の非線形効果は再度問題となるようになった。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
上に示した問題を回避又は削減する光放射を提供する装置が必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【0009】
本発明の非限定実施形態によれば、
第１のシーディング放射を提供する第１のシード源と、
第２のシーディング放射を提供する第２のシード源と、
第１のシーディング放射及び第２のシーディング放射を連結するために第１のシード源及び第２のシード源に接続されたカプラと、
第１のシーディング放射及び第２のシーディング放射を増幅するための少なくとも１つの増幅器と、
を備える、光放射を提供する装置が提供される。
第１のシーディング放射を提供する第１のシード源と、
第２のシーディング放射を提供する第２のシード源と、
第１のシーディング放射及び第２のシーディング放射を連結するために第１のシード源及び第２のシード源に接続されたカプラと、
第１のシーディング放射及び第２のシーディング放射を増幅するための少なくとも１つの増幅器と、
を備える、光放射を提供する装置が提供される。
【0010】
装置は、第１のシード源と、第２のシード源と、増幅器とを制御するための制御器を備えてもよく、第２のシーディング放射のピークパワーが減少すればランダムな光学パルスの周波数及び振幅を増加させる。
【0011】
装置は、第１のシード源、第２のシード源、及び増幅器を制御するための制御器を備えてもよく、装置により放出された光放射が、装置が第２のシード源を含まない場合に比べてより高いピークパワー、より高い平均パワー、及び／又はより高いパルスエネルギーを有する。
【0012】
装置は、第１のシード源、第２のシード源、及び増幅器を制御するための制御器を備えてもよく、装置により放出された光放射が、装置が第２のシード源を含まない場合に比べて、装置の損傷閾値を超過する前により高いピークパワーを達成可能である。
【0013】
驚くことに、第１のシード源と、第２のシード源と、増幅器とは、第２のシーディング放射のピークパワーが減少すればランダムな光学パルスの周波数及び振幅を増加させるように制御可能である。このようなランダムな光学パルスは装置への壊滅的な損傷を引き起こす誘導ブリルアン散乱の存在を示すと考えられている。第２のシーディング放射のピークパワーが増加した時にランダムな光学パルス及び関連する誘導ブリルアン散乱の存在が減少することにより、装置がより確実により高いピークパワーを提供することが可能になる。
【0014】
また、驚くことに、光学増幅器から放出された光学パルスが第２のシード源を含まない類似の装置よりもより高いピークパワー及びより高い平均パワーを有するように、第１のシード源、第２のシード源、及び増幅器を制御することが可能である。達成可能なピークパワーの制限は、誘導ブリルアン散乱により誘発されたと考えられるランダムな光学パルス及びジャイアント光学パルスの生成により起こる。
【0015】
第１のシーディング放射は第１の波長により特色付けられてもよい。第２のシーディング放射は第２の波長により特色付けられてもよい。第１の波長は第２の波長と同一であってもよい。
【0016】
カプラは好ましくは偏波コンバイナーである。装置は第１のシーディング放射及び第２のシーディング放射が直交して偏波されるように構成されてもよい。
【0017】
装置はカプラと増幅器との間に偏光解消素子を備えてもよい。
【0018】
第１のシード源はファブリペロー半導体レーザであってもよい。第２のシード源はファブリペロー半導体レーザであってもよい。
【0019】
第１のシード源はスーパ－ルミネッセントダイオードであってもよい。第２のシード源はスーパ－ルミネッセントダイオードであってもよい。
【0020】
装置は第１のシーディング放射の一部分を第１のシード源へと反射する第１の反射器を備えていてもよい。装置は第２のシーディング放射の一部分を第２のシード源へと反射する第２の反射器を備えていてもよい。
【0021】
第１のシード源及び第１の反射器は第１の距離だけ離れていてもよい。第２のシード源及び第２の反射器は第２の距離だけ離れていてもよい。第１の距離は第２の距離と同一であってもよい。これにより、もしも第１のシード源及び第２のシード源が同期してパルス発振した場合に、第１のシード源及び第２のシード源からのパルスをオーバーレイすることが可能になる。代わりに、第１の距離は第２の距離と異なってもよい。これにより第１のシード源からのパルス及び第２のシード源からのパルスの位相が互いにずれるようにすることができ、又は、互いに分波された状態にすることができる。
【0022】
第１及び第２の反射器は同一のスペクトル特性を有してもよく、又は異なるスペクトル特性を有してもよい。
【0023】
第１及び第２の反射器のスペクトル特性、並びに第１及び第２の距離は、光放射のピークパワー及びパルスエネルギーを最適化するように選択されてもよい。
【0024】
第１の反射器及び第２の反射器は光ファイバブラッグ回析格子であってもよい。
【0025】
制御器は第１のシード源を駆動する第１の制御信号、及び第２のシード源を駆動する第２の制御信号を放出してもよい。第１の制御信号は第２の制御信号と異なってもよい。異なる制御信号により第１のシード源及び第２のシード源を駆動することは第１のシード源及び第２のシード源のゲインダイナミクスが互いに異なることを保証することの補助になる。これにより誘導ブリルアン散乱の発生のリスクを抑えることができる。
【0026】
装置は、第１のシード源と増幅器の間に、後進する光放射から第１のシード源を隔離するための第１の光アイソレータを備えていてもよい。
【0027】
装置は、第２のシード源と増幅器の間に、後進する光放射から第２のシード源を隔離するための第２の光アイソレータを備えていてもよい。
【0028】
装置は、カプラと増幅器との間に第１のシード源、第２のシード源の双方を後進光放射から隔離するための第３の光アイソレータを備えていてもよい。
【0029】
装置は、少なくとも１つの前置増幅器及び第４の光アイソレータを含んでいてもよく、第４の光アイソレータは前置増幅器及び増幅器の間に位置する。装置は、可視光レーザダイオード及びカプラを備えていてもよく、カプラは可視光レーザダイオード及び前置増幅器から放出された光放射を組み合わせ、組み合わされた光放射を増幅器へ受け渡す。カプラは第４の光アイソレータに組み込まれていてもよい。
【0030】
装置はさらにビーム伝送ケーブル及び出力用光学素子を備えていてもよく、ビーム伝送ケーブルは増幅器から放出された光放射を伝送するための光ファイバを備える。光ファイバは中空コアファイバであってもよい。出力用光学素子は光アイソレータを備えてもよい。
【0031】
本発明はまた、
第１のシード源による第１のシーディング放射を提供することと、
第２のシード源による第２のシーディング放射を提供することと、
カプラにより第１のシーディング放射及び第２のシーディング放射を連結することと、
少なくとも１つの増幅器により第１のシーディング放射及び第２のシーディング放射を増幅することと、
を含む、光放射を提供する方法を提供する。
第１のシード源による第１のシーディング放射を提供することと、
第２のシード源による第２のシーディング放射を提供することと、
カプラにより第１のシーディング放射及び第２のシーディング放射を連結することと、
少なくとも１つの増幅器により第１のシーディング放射及び第２のシーディング放射を増幅することと、
を含む、光放射を提供する方法を提供する。
【0032】
本発明の方法は本発明の装置の上述した任意の態様を使用するために必要なステップを含んでいてもよい。
【図面の簡単な説明】
【0033】
本発明の実施形態は、単に例示を目的として、添付された図面を参照して以下に説明される。
【発明を実施するための形態】
【0034】
図１は本発明における、
第１のシーディング放射１１を提供する第１のシード源１と、
第２のシーディング放射１２を提供する第２のシード源２と、
前記第１のシーディング放射１１及び前記第２のシーディング放射１２を連結するために前記第１のシード源１及び前記第２のシード源２に接続されたカプラ３と、
前記第１のシーディング放射１１及び前記第２のシーディング放射１２を増幅するための少なくとも１つの増幅器４と、
を備える、光放射９を提供する装置を示す。
第１のシーディング放射１１を提供する第１のシード源１と、
第２のシーディング放射１２を提供する第２のシード源２と、
前記第１のシーディング放射１１及び前記第２のシーディング放射１２を連結するために前記第１のシード源１及び前記第２のシード源２に接続されたカプラ３と、
前記第１のシーディング放射１１及び前記第２のシーディング放射１２を増幅するための少なくとも１つの増幅器４と、
を備える、光放射９を提供する装置を示す。
【0035】
装置は第１のシード源１、第２のシード源２、及び増幅器４を制御するための制御器５を備えていてもよい。
【0036】
制御器５は、第１のシーディング放射１１のピークパワー３５が、第２のシード源２からの第２のシーディング放射１２が存在しないときに装置を損傷する充分な強度の誘導ブリルアン散乱をもたらすピークパワー閾値３６よりも大きくなるように第１のシード源１、第２のシード源２、及び増幅器４を制御してもよく、その結果装置により放出される光放射９のピークパワー３７を増加させることが可能になる。
【0037】
制御器５は、第２のシード源２による第２のシーディング放射１２がない時に光放射９のピークパワー３７が損傷閾値３８よりも大きくなるように第１のシード源１、第２のシード源２、及び増幅器４を制御してもよい。
【0038】
図１に示されるように、制御器５は第１のシード源１及び第２のシード源２が光学パルスを放出するように構成されてもよい。代わりに、又は加えて、図１に示されるように、制御器５は第１のシード源及び第２のシード源２が連続波光放射を放出するように構成されてもよい。
【0039】
米国特許第７，９３６，７９６号明細書にて説明されるように、図２は第１のシード源１から増幅器４を通って進む前進パルスの光学パワー２０１を示す。出力パワー２０１は増幅器４の出力側にて計測された。図２はまた通常の動作中に第１のシード源１へと進む後進パルスの出力パワー２０２を示す。計測は図１に示された装置と類似しているが第１のシード源レーザ１のみが存在する装置により行われた。出力パワー２０１が光学パワー２０２よりもはるかに高いパワーを有するため、光学パワー２０１及び２０２は異なるスケールにてプロットされた。出力パワー２０２は装置の異なるスプライスに起因する第１の反射２０３、第２の反射２０４を含む。図２に示されるパルス形状は、図１に示されるような装置で発生する大部分のパルスに典型的なものである。
【0040】
図３は第１のシード源１に向かって伝播する後進パルス２１１、２１２の２つの例を示す。パルス２１１及び２１２は前と同じ光学パワー２０３及び２０４を含むが、追加のスパイク２１３及び２１４も含む。これらの追加のスパイク２１３及び２１４は稀に発生し、発生と強度の双方においてランダムである。第１のシード源１の動作条件（温度、駆動電流及びパルス形状のような）を変更すれば発生頻度を変化させることができる。パルス繰り返し周波数２５ｋＨｚでは、追加のスパイクが、おおよそ４８時間以上の期間に１回から５分間に３０，０００回の間の頻度で観測された。加えて、発生頻度は、異なる又は同じ製造者から供給される、異なった第１のシード源１を使用することにより変更することができる。追加のスパイク２１３、２１４は後進方向に観測されたが、前進パルス形状２０１においては証拠が観察できない。スパイク２１３及び２１４が誘導ブリルアン散乱（ＳＢＳ）の証拠であると考えられている。スパイク２１３及び２１４はランダムな性質であり、概して望ましくなく、本明細書中のその他の箇所にてランダムパルスと称される。
【0041】
図４は前進方向に発生した通常の外見のパルス２０１に重畳されたジャイアントパルス２２１の例を示す。後方反射検知器により測定された関連パルス２２２は複雑な形状を有し、図２に示されるパルス２０２よりも数倍大きい。事実、光学パワー２０３及び２０４はこの縮尺では不可視である。パルス２２２はスパイク２２３、後縁２２４、及び窪み２２５を有する。後方スパイク２１３及び２１４が１００Ｈｚ周辺で起こるように装置をセットアップすることによりこれらのデータを取得した。この繰り返し周波数においては、ジャイアントパルス２２１及び関連パルス２２２が５分に１回起こることが観測された。言い換えれば、ジャイアントパルス２２１は後進パルス２１３及び２１４よりもはるかに頻度が低く、ランダムに起こる。
【0042】
窪み２２５はまたＳＢＳの証拠であると考えられる。後進パルス２２２はＳＢＳを介して前進パルスを励起するために充分なエネルギーを有する。これにより、前進するジャイアントパルス２２１が発生するため、後進パルス２２２からエネルギーが抽出され、窪み２２５が発生する。以上の全てのパルスは増幅器４中の能動利得媒体によりさらに増幅される。
【0043】
図４を参照し、図示されるジャイアントパルス２２１の振幅２２６はパルス２０１（ジャイアントパルス２２１を重畳しない場合）の振幅２２７の約２倍である。振幅２２６はランダムに変化し、パルス２０１の振幅２２７の数倍になり得る。ジャイアントパルス２２１の振幅は増幅器４内のファイバの光学損傷閾値を超えるに充分であると考えられ、恐らくこのことがＳＢＳ伝播と関連した音波により放出された追加エネルギーと共に、上述のランダムで予測不可能な壊滅的損傷を引き起こした。しかしながら本説明は単なる理論であり、考えられる損傷の仕組みを説明しようとする本明細書の試みは本発明の範囲を限定するものではない。
【0044】
再び図１を参照し、第２のシーディング放射１２のピークパワー１０が減少すればランダムな光学パルス２１３、２１４の周波数及び振幅が増加するように、第１のシード源１と、第２のシード源２と、増幅器４とは制御可能である。
【0045】
図５に示される光学増幅器４から放出された光学パルス４１が第２のシード源２を含まない類似の装置に比べてより高いピークパワー４２、より高い平均パワー４３、及びより高いパルスエネルギー４４を有するように、第１のシード源１、第２のシード源２、及び増幅器４は制御可能である。双方の場合において、達成可能なピークパワーの制限は、誘導ブリルアン散乱により誘発されたと考えられるランダムな光学パルス及びジャイアント光学パルスの生成により起こる。
【0046】
第１のシード源１を有し第２のシード源２を持たない装置（米国特許第７，９３６，７９６号明細書に説明されるような）は、非線形光学効果のためにそれ以上増やせないピークパワーにて動作すると考えられていたため、この結果は驚くべきものである。達成可能なピークパワー、パルスエネルギー、及び平均パワーを制限する非線形効果は、スペクトルノイズ、時間ノイズ、スペックル、光放射の非線形波長変換、誘導ブリルアン散乱、誘導ラマン散乱、及びセルフＱスイッチを含む。したがって第２のシード源２を導入し、第１のシーディング放射１１及び第２のシーディング放射１２をカプラ３にて結合し、第１のシーディング放射１１及び第２のシーディング放射１２を増幅器４で増幅させることにより、ピークパワー及び／又はパルスエネルギーを増加させることができることは驚くべきことである。
【0047】
第１のシーディング放射１１は第１の波長１３により特色付けられてもよい。第２のシーディング放射１２は第２の波長１４により特色付けられてもよい。第１の波長１３は第２の波長１４と同一であってもよい。
【0048】
カプラ３は好ましくは偏波コンバイナーである。装置は第１のシーディング放射１１及び第２のシーディング放射１２が偏波コンバイナーのそれぞれの入力１５，１６にて直交して偏波されるように構成されてもよい。
【0049】
装置はカプラ３と増幅器４との間に偏光解消素子１７を備えてもよい。偏光解消素子１７はライオット偏光解消素子であってもよい。ライオット偏光解消素子は一方の長さが他方の長さの２倍であり互いに接続された２つの長さの偏光保持光ファイバを備えていてもよい。１つのシード源を使用する場合は、偏光解消素子がシーディング放射の偏光を増幅器４に入射する前にスクランブルし、それにより誘導ブリルアン散乱のような非線形効果が問題となる前に光放射のピークパワーを増加させることが可能になる。
【0050】
第１のシード源１はファブリペロー半導体レーザであってもよい。第２のシード源２はファブリペロー半導体レーザであってもよい。
【0051】
第１のシード源１はスーパ－ルミネッセントダイオードであってもよい。第２のシード源２はスーパ－ルミネッセントダイオードであってもよい。
【0052】
装置は第１のシーディング放射１１の一部分を第１のシード源１へと反射する第１の反射器１７を備えていてもよい。装置は第２のシーディング放射１２の一部分を第２のシード源２へと反射する第２の反射器１８を備えていてもよい。
【0053】
第１のシード源１及び第１の反射器１７は第１の距離６だけ離れていてもよい。第２のシード源２及び第２の反射器１８は第２の距離７だけ離れていてもよい。第１の距離６は第２の距離７と同一であってもよい。これにより、もしも第１のシード源１及び第２のシード源２が同期してパルス発振を行った場合に、第１のシード源１及び第２のシード源２からのパルスをオーバーレイすることが可能になる。代わりに、第１の距離６は第２の距離７と異なってもよい。これにより第１のシード源１からのパルス及び第２のシード源２からのパルスの位相が互いにずれるようにすることができ、又は、互いに分波された状態にすることができる。パルスのディフェージング及びインターリービングは第１及び第２の制御信号４８及び４９を制御器５により調整することによっても達成可能である。
【0054】
第１及び第２の反射器１７、１８は同一のスペクトル特性を有してもよく、又は異なるスペクトル特性を有してもよい。スペクトル特性は中心波長、帯域幅、反射率、及びチャープを含む。
【0055】
第１及び第２の反射器１７、１８のスペクトル特性、並びに第１及び第２の距離６、７は、光放射のピークパワー及びパルスエネルギーを最適化するように選択されてもよい。第１のシード源１及び第２のシード源２がパルス発振を行った時のピークパワーは、第１のシード源１及び第２のシード源２のうち１つのみがパルス発振されたときのピークパワーより大きくなるかもしれず、ピークパワーの制限はランダムパルス２２３、２４４及びジャイアントパルス２２１である。ピークパワーは少なくとも２倍増加させることができ、好ましくは５倍以上増加する。
【0056】
第１の反射器１７及び第２の反射器１８は光ファイバブラッグ回析格子であってもよい。
【0057】
制御器５は第１のシード源１を駆動する第１の制御信号４８、及び第２のシード源２を駆動する第２の制御信号４９を放出してもよい。第１の制御信号４８は第２の制御信号４９と同一であってもよく、又は異なってもよい。異なる制御信号により第１のシード源１及び第２のシード源２を駆動することは第１のシード源１及び第２のシード源２のゲインダイナミクスが互いに異なることを保証することの補助になる。このことは、例えば複数の縦モードを有するファブリペロー半導体レーザをパルス発振する際に有用である。半導体レーザは、時には、パルス中にて単一の縦モードにてレーザを放出し、それにより図２から図５を参照して説明したランダムパルス又はジャイアントパルスといった誘導ブリルアン散乱イベントが引き起こされ得る。半導体レーザを異なる制御信号で駆動することにより、パルス内にて第１のシード源１及び第２のシード源２が同時に単一の縦モードにて放出される確率を低減させることができる。受動素子を使用して、又はコンデンサ又はインダクタンスが２つのシード源に対して異なることを保証するように回路配置を調整することにより、第１の駆動信号４８及び第２の駆動信号４９が互いに異なるようにすることができる。
【0058】
装置は第１のシード源１と増幅器４との間に、増幅器４から第１のシード源１へ向かって伝播する後進光放射９から第１のシード源１を隔離するための第１の光アイソレータ８を備えていてもよい。
【0059】
装置は第２のシード源２と増幅器４との間に、増幅器４から第２のシード源２へ向かって伝播する後進光放射９から第２のシード源４を隔離するための第２の光アイソレータ５２を備えていてもよい。
【0060】
装置は、カプラ３と増幅器４との間に、第１及び第２のシード源１、２の双方を後進光放射９から隔離するための第３の光アイソレータ５３を備えてもよい。
【0061】
装置は少なくとも１つの前置増幅器２１、及び第４の光アイソレータ２２を含んでいてもよい。第４の光アイソレータ２２は前置増幅器２１と増幅器４との間に位置する。装置は可視光レーザダイオード２４及びカプラ２５を備えていてもよく、カプラ２５は、可視光レーザダイオード２４から放出される可視光放射２６及び前置増幅器２１から放出される光放射２７を、増幅器４による増幅の前に結合する。カプラ２５は光アイソレータ２２に組み込まれていてもよい。カプラ２５は好ましくは波長分割マルチプレクサである。波長分割マルチプレクサは溶融ファイバカプラであってもよい。
【0062】
装置はさらにビーム伝送ケーブル３１及び出力用光学素子３２を備えてもよく、ビーム伝送ケーブル３１は増幅器４から放出された光放射を伝送するための光ファイバ３３を備える。出力用光学素子３２は第５の光アイソレータ３４を備えてもよい。
【0063】
光ファイバ３３はシングルモードであってもマルチモードであってもよい。光ファイバ３３はソリッドコアファイバ、微細構造ファイバ、又は中空コアファイバであってもよい。中空コアファイバはカゴメファイバ、フォトニック結晶ファイバ、又は反共振ファイバであってもよい。このような中空コアファイバは、光放射を、非線形光学効果を招くことなく、著しく長い距離を伝送することを可能にするために有利である。光ファイバ３３は偏波保持ファイバであってもよい。
【0064】
反共振ファイバの例を図６及び図７に示す。反共振ファイバ１６０及び１７０はキャピラリー１６１、及びキャピラリー１６１の内面１６２に沿って複数の反共振チューブ１６３を備える。有利なことに、反共振ファイバ１６０及び１７０は、ファイバの断面に２回対称な構成要素を提供するような反共振チューブ１６３を有する、偏波保持ファイバである。これは、図１６に示すように、第１の反共振チューブ１６４が第２の反共振チューブ１６３と比べて大きい、及び／又は異なる形状であるような、第１及び第２の反共振チューブ１６４及び１７１を組み入れることにより達成される。代わりに、又は加えて、図１７に示すように、第１の反共振チューブは入れ子状チューブ１７１であってもよい。入れ子状チューブ１７１は、ファイバ１７０に沿って伝播する光の他方の偏光と比較して、一方の偏光の損失を発生させるために、吸収材料又は散乱材料により製造されていてもよい。材料処理の性能は多くの場合、入射する光放射の偏光に依存するため、偏光保持ファイバを使用することは、マーキング、切断及び溶接のような材料処理用途にて有利に働く。偏光された光放射を加工中の製品に伝送する能力及び光ファイバ及び／又は１／２波長板のような偏光光学系を回転することにより偏光を微調整する能力は、材料処理が光放射の偏光に依存するような用途にて非常に有利である。
【0065】
図８は光放射９を提供する装置であり、第１及び第２のシード源が半導体レーザダイオードである例を示す。制御器５はレーザダイオードドライバ８１を介して第１及び第２のシード源１、２を制御する。レーザダイオードドライバ８１は好ましくは高速レーザダイオードドライバである。
【0066】
前置増幅器２１は少なくとも１つのポンプダイオード８３により流される電流を制御する電子ポンプダイオードドライバ８２を介して制御される。ポンプダイオード８３は好ましくは多重横モード半導体レーザダイオードである。ポンプダイオード８３は前置増幅器２１の一体部品であってもよく、図１には示されない。
【0067】
増幅器４は複数のポンプダイオード８３により伝導される電流を制御する電子ポンプダイオードドライバ８２を介して制御される。ポンプダイオード８３の出力は、好ましくはマルチモードからマルチモードへの光ファイバポンプコンバイナであるポンプコンバイナ８４により結合される。ポンプダイオード８３は、好ましくは、複数の多重横モード半導体レーザダイオードを備える多重横モード半導体レーザダイオードモジュールである。ポンプダイオード８３及びポンプコンバイナ８４は増幅器４の一体部品であってもよく、図１には示されない。
【0068】
出力用光学素子３２は、出力が制御器５にフィードバックされるような第１の温度センサ８５を備える。温度センサ８５は第５の光アイソレータ３４により適切な光分離が提供されているかどうかを保証するために使用される。温度センサ８５は熱電対又はサーミスタであってもよい。
【0069】
第２の温度センサ８６はポンプダイオード８３が接続された吸熱器（図示せず）の温度をモニタするために提供される。第２の温度センサ８６の出力は制御器５に接続される。制御器５は、出力放射９が外気温及び時間に対して安定することを保証する目的でポンプダイオード８３に流れ込む電流を調整するために、ポンプダイオード８３のパワーにおける既知の温度依存性を使用してもよい。代わりに、又は加えて、制御器５は装置を較正する際に得られた測定データを使用してもよい。
【0070】
ビーム伝送ケーブル３１は、光ファイバ３３が強く曲がることを防ぐために屈曲を抑制する頑丈なホース８７を備える。もしも光ファイバ３１の曲げ半径が小さすぎると、光放射９が光ファイバ３１のコアから逃げてしまい、光ファイバ３１の熱損傷を招くことになる。
【0071】
光ファイバ３１はシングルモード光ファイバであってもよい。代わりに、光ファイバ３１はマルチモード光ファイバであってもよく、その場合、出力放射９にて所望の光学パワー空間分布を提供する目的で光ファイバ３１によりガイドされる光学モードが適切に励起されているかどうかを保証するために、随意のモードアダプタ８８が提供されることができる。例えば、もしも所望の出力放射９がトップハット形状の分布を有する場合、光ファイバ３１によりガイドされる光学モードが均等に励起されることが望ましい。モードアダプタ８８は内部の光ファイバによりガイドされた光学モードをスクランブルするための少なくとも１つのベンドを備える光ファイバモードスクランブラであってもよい。
【0072】
図示されない追加機能は可視光レーザダイオード２４を制御するためのレーザダイオードドライバ、及び装置を冷却するためのファンを含む。
【0073】
添付の図面を参照して上に説明した本発明の実施形態は例示のみを目的とし、性能を向上させるために修正及び追加の構成要素が提供されてもよいことが理解されよう。
【0074】
図面に示された各構成要素は図中の用途に限定されるものではなく、その他の図及び本発明の全ての態様に使用されてもよい。本発明は上に説明した及び／又は図示した独立した構成要素の単体、又は任意の組み合わせ対しても及ぶ。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【国際調査報告】