JP2009543366A - 光ファイバパワーレーザ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ファイバ寿命を危惧せずに任意の大きい直径を有するマルチモードファイバから基本モードの安定したシングルモード放射を非常に良好な効率で生じるように意図されたパワーレーザ装置を提供すること。
【解決手段】 発明は、励起波を発するパワーレーザダイオード（１）と、完全反射端（６）及び部分反射端（９）、及び増幅用マルチモード光ファイバ（７）を備える光共振器（１２）と、マルチモード光ファイバ（７）内に前記励起波を結合する光学手段（３、１１）とを備えるパワーファイバレーザ装置に関する。発明によれば、光共振器（１２）は少なくとも一つのサブモジュール（２５、２６）を備え、サブモジュール（２５、２６）は空間フィルタリング手段と、レーザビームが光学サブモジュール内を往復した後に前記マルチモード光ファイバ（７）の入力又は出力面（２３、２４）上に前記マルチモード光ファイバ（７）の基本モードの振幅及び位相を再現できるようにして基本モードの損失を最小にするように、また光学サブモジュールが他のモードをフィルタリングして光共振器内の前記モードのさらなる損失を発生できるようにして光共振器内に伝播するレーザモード数を最小にするように、光学サブモジュール（２５、２６）内に明確な位置を有する光学手段（２、８）とを備える。
【選択図】 図１

Description

発明はマルチモード光ファイバから空間的にシングルモードの放射を生じるように動作するパワーファイバレーザ装置に関する。

シングルモード放射とは、その発散度が前記放射の強度分布の回折によって強いられる最小値に近い放射を意味する。

固体レーザは少なくとも一つの増幅媒体、及び一組のミラーにより形成された光共振器から成る。出力ビームの空間特性はこの共振器の特性により与えられる。

詳細には、共振器が安定であるとすれば、ビームの形状はエルミート−ガウス関数に従って分析し得ることを示すことができる。これらの関数は共振器モードと呼ばれる。

これらのモードの中で、基本モードはガウス型形状を有し、最小の発散度を有する。それは最小のフォーカスを可能にするのでユーザによりしばしば選り抜かれる。それにもかかわらず、増幅媒体内の被励起領域は、媒体中のエネルギー分布の仕方にのみ依存し、共振器に全く依存しない固有の大きさを有する。

この被励起領域が共振器のこの場所における基本モードの直径より広いときは、エネルギーの一部はより高い次数のモードに結合され、生じたビームはマルチモードになる。この現象はまた、何れかのモードが増幅媒体内で一定の利得を得、伝播による損失を被ることを考慮して説明できる。

その利得が損失を超えるモードのみがレーザ効果を生じ得る。モードの利得はこのモードと増幅媒体内の被励起領域の重なりに依存する。

概して、レーザを空間的にシングルモードにするために、基本モードの大きさと被励起領域の大きさの間に最良の整合を得るように共振器を設計することが推奨される。

これが例えば共振器長のために不可能であれば、その直径がそこにおける基本モードの直径に正確に整合するように計算された開口を設けることにより共振器のシングルモード動作を強制することができる。高次モードが穴を通過するときにそれらが被る損失は、高次モードをレーザ効果閾値以下にして基本モードに対してのみにレーザ効果を許すほど大きい。

ファイバレーザは、増幅媒体が、そこを通過するビームに対して何らかの空間特性を強いる導波構造を有する点において在来の固体レーザとは異なる。

従って、シングルモードの導波のみを許すファイバもあれば、いくつかのモードを許すファイバもある。光共振器内にそのようなファイバを含むことにより、その空間特性が概ねファイバにより強いられるファイバレーザが得られる。特に、ファイバがシングルモードであれば、レーザはシングルモードでしかあり得ない。

この特定の場合は非常に好都合であるが、常に実施できるわけではない。詳細には、ファイバにより維持されるモード数はファイバコア径とコアとシースの屈折率差の関数である。

コア径が増すときに伝播が純粋にシングルモードを保つために、コアとシースの屈折率段差は減少されなければならない。ファイバ製造技術は今のところ約２０マイクロメータより大きいコア径を有するシングルモードファイバを得ることを許さない。これらのファイバのコアを形成するシリカ又はガラスの損傷閾値が存在する限り、連続レーザの場合には所定の平均出力限界を、あるいはパルスレーザの場合には所定のピーク出力限界を超えることは不可能である。

到達可能な出力を増加するために、一定の空間的品質損失を受け入れ、マルチモードファイバを使用する必要がある。シースに空気で満たされた毛細管を導入することによりその実際の屈折率を変調できる、いわゆる「フォトニックファイバ」又は「フォトニック層ファイバ」又はＭＰＦ（「マルチクラッドフォトニックファイバ」）を使用する解決策が見出された。

そのようなファイバは非特許文献１の記事に述べられている。ＭＰＦレーザはドープされたコアと、生じた波を導波するように動作する少なくとも一つの周辺シースとで形成されたガラスファイバを有する光増幅器を備える。コアは希土類イオン、概してネオジウム又はイッテルビウムでドープされる。導波は空気路又は毛細管（穴）の幾何学的集合で形成されたフォトニック構造により保証される。この構造は生じた波が遭遇する屈折率を人工的に下げ、シングルモード伝播を可能にする。従って、６０マイクロメータより大きい直径を有するシングルモードファイバを得ることが可能である。

それにもかかわらず、これらのファイバは製造するのに複雑であり、完全に制御され、均一なコア屈折率を必要とする。これは強いドーピングに適合できず、コア径とドーピング均一性間の妥協をやはり受け入れねばならない。

詳細には、ファイバコア自身は完全に制御された平均屈折率を保証するように微細構造をもつことができる。このために、ガラス又は空気の非ドープ領域がコアに導入される。これらの領域の相対表面積はほとんど完全な屈折率制御を提供するが、増幅媒体を励起するのに十分な使用波長でのコア吸収を保証するために局部的に非常に高いドープを強いる。

徐々にこれらの過剰濃度は望ましくない副次効果を生じる。

特許文献１はファイバの入力面に入射するビームの特性を完全に調整することによりマルチモードファイバの基本モードを励起することが可能であることを示した。

この技術はマルチモードファイバの入力面への外部光源の注入を用いた増幅器に使用されてきた。この選択注入法は完全にガウス型のビームを有する外部信号を必要とし、その結果、それは発振器に適用されない。

ファイバの何れの曲がりや位置変化もこのモードからの放射の一部を高次モードに結合し、これがファイバの出力において放射をマルチモードにする傾向にあるが、それはまた、マルチモード放射の全て又は一部をシースに結合してこれらの高次モードにおける損失を導入し得ることも知られている。

特許文献２は光ファイバの強い曲がりがより高次のモードのフィルタリングに通じ得ることを示した。

それにもかかわらず、この方法は基本モードの損失を必然的に伴い、短いファイバでのその実施は、１ｍより大きいファイバ長に対応する５ないし１５ｃｍの直径を有する多重巻き線を必要とするので困難である。

その他に、ファイバから出る放射中のいくつかのモードの存在は偏光された放射を得ることを困難にし、不可能にさえしている。

大きい横サイズを有するシングルモードがファイバ寿命に対する危惧なしに得られるようにするファイバレーザに対する適当な解決策がさしあたりない。

米国特許出願公開第２００５／４３４０９号明細書 米国特許第６４９６３０１号明細書

J. Limpert，N. Deguil-Robin，I. Manek-Honninger，F. Salin，F. Roser，A. Liem，T. Schreiber，S. Nolte，H. Zellmer，A. Tunnermann，J. Broeng，A. Petersson，及びC. Jakobsen，「High-powerrod-type photonic crystal fibre laser」Opt. Express 13，1055-1058 (2005)

発明の目的は従って、ファイバ寿命を危惧せずに任意の大きい直径を有するマルチモードファイバから基本モードの安定したシングルモード放射を非常に良好な効率で生じるように意図されたパワーレーザ装置を提供することである。

そのために、発明は、
励起波を発するパワーレーザダイオードと、
完全反射端及び部分反射端、及び２０μｍより大きい直径を有するコアやその入力面及び出力面を有する増幅用マルチモード光ファイバを備える光共振器であって、前記マルチモードファイバの前記入力面と前記完全反射端の間、あるいは前記マルチモード光ファイバの前記出力面と前記部分反射端の間に形成される少なくとも一つのサブモジュールを備える光共振器と、
前記光共振器内にレーザビームを生じるように前記マルチモード光ファイバ内に前記励起波を結合する光学結合手段であって、前記レーザビームの一部が前記部分反射端を通って前記光共振器の外側に透過され、前記レーザビームのもう一つの部分が前記光共振器の内側に反射される光学結合手段と
を備えるパワーファイバレーザ装置
に関する。

発明によれば、光学サブモジュール２５、２６は、レーザビームが光学サブモジュール内を往復した後に光学サブモジュールが前記マルチモード光ファイバ７の入力又は出力面２３、２４上にマルチモード光ファイバ７の基本モードの振幅及び位相を再現できるようにして基本モードの損失を最小にするように、また光学サブモジュールが他のモードをフィルタリングして光共振器内の前記他のモードのさらなる損失を発生できるようにして光共振器内に伝播するレーザモード数を最小にするように、光学サブモジュール２５、２６内に明確な位置を有する光学手段２、８を備える空間フィルタリング手段である。

考え得る種々の実施例において、本発明はまた、以下の説明から分かるであろう特性に関連し、それらは個々に、あるいは技術的に考え得るそれらの組合せの何れかに従って採用することができる。即ち、
光共振器はマルチモード光ファイバの各端部に配置された二つのサブモジュールを備え、
光共振器はマルチモード光ファイバの一端に配置された光学サブモジュールを一つのみ備え、その他端において光学閉鎖手段により閉鎖され、
光学共振器を閉鎖する光学閉鎖手段はマルチモード光ファイバの入力又は出力面の一方から成り、前記入力又は出力面が平面であり、光ファイバの光軸に垂直であり、
光共振器を閉鎖する光学閉鎖手段は光波に対する収束特性と反射特性の両方を有する単一の光学要素から成り、
光学サブモジュールの光学手段は反射端の一方に関連する一つ以上のレンズを備え、
光学サブモジュールの光学手段はマルチモード光ファイバの入力又は出力面を備え、前記入力又は出力面はフィルタリング機能に加担する固有の収束性を有し、
光学サブモジュールの光学手段はマルチモードファイバの入力及び出力面の一方に接触するシングルモードファイバ先端を備え、レーザビームはレンズにより前記シングルモードファイバ先端にフォーカスされ、
マルチモード光ファイバのコアは基本モードの利得に好都合であるように不均一な径方向ドーピング分布を有し、
マルチモード光ファイバはわずかにマルチモードであるように固有のフィルタリング手段を備え、
マルチモード光ファイバは安定化手段により機械的に硬くされ、
マルチモード光ファイバの安定化手段は前記マルチモード光ファイバを囲む大きい直径の機械的シースから成り、
マルチモード光ファイバの安定化手段は円筒支持体から成り、その周辺にはらせん状に溝が掘られ、前記マルチモード光ファイバは張力固定されるように前記溝に挿入され、
マルチモード光ファイバの安定化手段は、縦軸に沿ってマルチモード光ファイバが挿入される掘られた溝を有する直線支持体から成り、前記マルチモード光ファイバは圧力固定されるように第２の部品で覆われ、
光共振器は、反射端の一方の近くに配置されかつ光共振器にレーザパルスを発生させる光学トリガを備え、
パワーファイバレーザ装置は一つ以上の偏光光学手段を備える。

発明はまた上記のようなパラーファイバレーザ装置を備えるパワーファイバレーザシステムに関する。

発明によれば、パワーファイバレーザシステムは二重シースの増幅用マルチモード光ファイバを備え、二重シースの増幅用マルチモード光ファイバの基本モードのみ、あるいはほとんどそれのみを励起するように光共振器の部分反射端により透過された光信号は増幅用マルチモード光ファイバの両面の一方に結合される。

発明は以下の添付図面を参照してより詳細に述べられる。

発明の実施例によるパワーファイバレーザ装置を示す。 光ファイバの自然モードの空間分布を示す。 それぞれがレンズと完全又は部分反射ミラーを備える二つの光学サブモジュールを備えるパワーファイバレーザ装置を示す。 フィルタリング条件を満たすような光学要素間の近似的距離を示す。 第２のモジュール２６が異なる大きさの値ｗに対して基本モードで共振する対Ｌ１−Ｌ２を示す。 発明のもう一つの実施例によるサブモジュールを一つのみを備えるパワーファイバレーザ装置を示す。 発明のもう一つの実施例による二つのシングルモードファイバ先端を備えるパワーファイバレーザ装置を示す。 発明のもう一つの実施例によるトリガを備えるパワーファイバレーザ装置を示す。 機械的シースにより囲まれたマルチモード光ファイバの断面を示す。 マルチモード光ファイバの円筒状安定化手段を示す。 マルチモード光ファイバを安定化するように動作する直線支持体を示す。

図１は発明の実施例の一つによるパワーファイバレーザ装置を示す。

この装置は少なくとも一つの励起波を発するパワーレーザダイオード１を備える。このパワーレーザダイオード１は場合によってはファイバ付きでもよい。

パワーファイバレーザ装置はまた、完全反射端６と部分反射端９を備える「キャビティ」とも呼ばれる光共振器１２を備える。

完全反射端６とは、完全又はほとんど完全に反射性の端部を意味する。

端部６及び９はミラーであっても、レーザ発光波長に同調する回折格子であってもよい。部分反射端９はレーザビームの一部を光共振器１２の外側に透過し、レーザビームのもう一つの部分を光共振器１２の内側に反射することができる。端部６及び９はレーザ発光波長のビームを反射する。

光共振器１２は増幅用マルチモード光ファイバ７を備える。このマルチモード光ファイバ７はイッテルビウム、ツリウム又はエルビウムのような希土類イオンでドープされたシリカ又はガラスで出来たコア２０から成る二重シースファイバである。

このコア２０の典型的な直径は２０ないし１００マイクロメータを有するが、もっと大きい直径もあり得る。

コア２０は、典型的には１００ないし８００マイクロメータの直径を有する「励起用シース」と呼ばれる第１のシース２１により囲まれる。

この第２の励起用シース２１は閉じ込め用シース２２により囲まれ、その屈折率は励起用シース２１のものより明確に低い。閉じ込め用シース２２は空気が満たされた一組の毛細管から成っていても、低屈折率のポリマから成っていても、他の何れかの非吸収材料から成っていてもよい。

この閉じ込め用シース２２はファイバの機械的保持をもたらす機械的シース１３により囲まれてもよい。マルチモード光ファイバ７は本質的に硬くても（直径＞１ｍｍ）、フレキシブルでもよい。

パワーレーザダイオード１はコア２０のドーピング剤の吸収帯に対応するように調整された波長を有する。それは励起波をマルチモードファイバ７のコア２０に注入する。

光学手段３、１１はマルチモード光ファイバ７内に励起波を結合するように動作し、これにより、基本モードを有し、また場合によってはより高次のモードを有するレーザビームをマルチモード光ファイバ内に生じる。

この励起放射はコア２０内に励起分布、従って光学利得を作り出す。

マルチモード光ファイバ７の長さは励起波の十分な吸収とレーザ発光を許す共振器利得を保証するように選択される。

マルチモード光ファイバ７はその両端に位置する入力面２３と出力面２４を有する。励起波はレーザダイオード１の近くに位置する入力面２３を介して注入される。出力面２４は部分反射端９の近くに位置する。

光共振器１２は少なくとも一つのサブモジュール２５、２６を備える。

発明の実施例において、光共振器１２は図１に描写されるように二つの光学サブモジュール２５、２６を備える。

それは完全反射端６とマルチモード光ファイバ７の入力面２３の間に形成される第１の光学サブモジュール２５と、部分反射端９とマルチモード光ファイバ７の出力面２４の間に形成される第２の光学サブモジュール２６とを備える。

屈折率段差ファイバは以下により与えられる「換算周波数」Ｖと呼ばれるパラメータにより特徴付けることができる。


ただし、
ａ：ファイバコアの半径
λ：レーザ波長
ＮＡ：ファイバコアの開口数であり


ただし、
ｎ_１：ファイバコアの屈折率
ｎ_２：励起シースの屈折率

マルチモードファイバにより維持されるモード数は以下により与えられる。


ただし、ｄ＝２ａ、ｄはファイバコアの直径である。

これは以下の表現となる。

ファイバ内を伝播し易いモード数はファイバコア径と共に非常に速やかに大きくなる。図２に示されるように多数ではあるが、これらのモードは周知の特性を有し、ラゲール・ガウスの多項式により完全に記述される。

図２は光ファイバの自然モードの空間分布を示す。ｙ軸４２は利得を示し、ｘ軸４３はファイバ中心に対する距離を示す。

ビームの形状は高次モード４１とゼロ次モード（又は基本モード）４０に分解される。

曲線４０により図に示されるゼロ次モードはガウス型形状を有し、その強度は以下の法則に従って径方向に減少する。

ファイバ内の「基本モード」と呼ばれるゼロ次モードの大きさｗは近似的に以下の式により与えられる。

これらの表現に基づけば、光ファイバに強制的に基本モードを導波させることが可能である。光ファイバの面２３、２４の一方の入力に入射する光強度がこのファイバ内の伝播の自然モードに相当すれば、エネルギーはこのモードに閉じ込められたままであり、何れのより高次モードも励起できない。

従って、光ファイバの出力での光強度分布は注入されたモードのそれに正確に等しい。

従って、難点は基本モードの光強度に正確に等しい光強度分布を光ファイバの面２３、２４の一方に注入することである。

光学サブモジュール２５、２６の光学的及び幾何学的特性がガウス光学の意味で安定な伝播に適合するという条件で、波の振幅及び位相分布のいくらかのみが変形することなく光学サブモジュール２５、２６を通って伝播できる。従って、前記光学サブモジュール２５、２６内を往復した後、最小の損失で、あるいは如何なる回折損失さえなしに再現する非常に特有の分布を見つけることが可能である。これらの分布は光学サブモジュール２５、２６の伝播の自然モードと看做すことができ、基本モードはガウス型強度分布を有する。光学サブモジュール２５、２６の自然モードに対応する光分布（振幅と位相の）が光学サブモジュール２５、２６の入力面に配置されるときは、この分布は光学サブモジュール２５、２６内を往復した後、何れの変化も損失もなく存在し続ける。

反対に、その特性が光学サブモジュール２５、２６の基本モードに対応しない波は一方では光学サブモジュール２５、２６における回折損失を受け、他方ではその振幅及び位相分布が光学サブモジュール２５、２６を通過することにより完全に変化することになる。

マルチモードファイバにおけるモードフィルタリングの問題を解決するために、各光学サブモジュール２５、２６は、その基本モードが光学サブモジュール２５、２６とマルチモード光ファイバ７の間の境界面においてマルチモード光ファイバ７の基本モードのものに等しい、あるいはほとんど等しい特性を有するように設計される。従って、光学サブモジュール２５、２６は、マルチモード光ファイバの基本モードのみ、あるいはほとんどそれのみを励起するようにマルチモード光ファイバ７の入力又は出力面２３、２４の一方から出る基本モードをそれ自身に再結像するように動作する。用語「結像」は本願では光線の意味ではなく、ガウス型ビームの意味に理解され、これは光学系内を往復した後にそれ自身に再結像したビームが入射波のものと同一の振幅及び位相分布を有することを意味する。

光学サブモジュール２５、２６はマルチモード光ファイバ７の入力又は出力面２３、２４の一方に入射するレーザビームの基本モードの大きさｗを適合させてマルチモード光ファイバ７の他方の入力又は出力面２３、２４の出力においてシングルモード又はほとんどシングルモードのレーザビームを生じるように動作する。

実際、各光学サブモジュール２５、２６は、利得閾値より小さい高次モードの利得を減少し、基本モードを前記利得閾値より大きくするように、入力又は出力面２３、２４に入射するレーザビームのエネルギーが空間的にフィルタリングされるようになっている空間フィルタリング手段である。

利得閾値はレーザ効果が得られるようにする閾値に対応する。

光学サブモジュール２５、２６により実施されるフィルタリング手段はマルチモード光ファイバ７の、それぞれ入力及び出力面２３、２４に対向して配置される。

光学サブモジュール２５、２６は増幅用マルチ７とは独立である。光学サブモジュール２５、２６は基本モードに好都合であり、その結果、増幅媒体がたとえいくつかのモードを維持できるとしてもシングルモード発光を強いることになる。

各光学サブモジュール２５、２６は、レーザビームが光学モジュール内を往復した後に光学モジュールが前記マルチモード光ファイバ７の入力又は出力面２３、２４に対してマルチモード光ファイバ７の基本モードの振幅及び位相を再現して基本モードにおける回折損失を最小にできるように光学サブモジュール２５、２６内の明確な位置を有する光学手段２、８を備える。

光学手段２、８の位置もまた、光学サブモジュールがさらなる回折損失を生じる他のモードをフィルタリングできるようにして光共振器内を伝播するレーザモード数を最小にするように光学サブモジュール２５、２６内に定められる。

好ましくは、マルチモード光ファイバ７の基本モードを再現し、このモードの回折損失を最小にすることが試みられる。

光学サブモジュール２５、２６が非基本モードの全てをフィルタリングしなくても、光共振器１２の出力におけるレーザビームのモード数はマルチモード光ファイバ７の固有モード数より非常に明確に少なくなる。

図３に示される実施例において、第１の光学サブモジュール２５は、この光学サブモジュール２５の基本モードの特性が入力面２３上のマルチモード光ファイバ７の基本モードに対応するように配置されたレンズ２ａ又はいくつかのレンズ及びミラー６から成る光学手段２、８を備える。

第２の光学サブモジュール２６もまた、この光学サブモジュール２６の基本モードの特性が出力面２４上のマルチモード光ファイバ７の基本モードに対応するように配置されたレンズ２ａ又はいくつかのレンズ及び部分反射ミラー９から成る光学手段２、８を備える。

サブモジュール２５、２６の光学手段２、８はマルチモード光ファイバ７の入力又は出力面２３、２４を備えてもよい。入力又は出力面２３、２４はそれ自身がフィルタリングしてもよく、あるいは光学サブモジュール２５、２６への光学出力取込み部を有してもよい。

次いでマルチモード光ファイバ７の入力又は出力面２３、２４は劈開、溶融、研摩又は他の光学製作技術により加工され、非ゼロ収束が得られるようにする。

今度はパワーファイバレーザ装置の動作モードが詳細に述べられる。

パワーレーザダイオード１は励起波を発生させ、これは励起波をダイクロイックミラー３にフォーカスするレンズ１１を介してマルチモード光ファイバ７に注入される。次いで励起波は第１の光学サブモジュール２５の光学手段２のレンズ２ａによりマルチモード光ファイバ７の入力面２３にフォーカスされる。パワーレーザダイオード１の放射はマルチモード光ファイバ７のコア２０内で吸収される。

次いでマルチモード光ファイバ７は波長λの第２の放射を発し、これはマルチモード光ファイバ７にずっと沿ってマルチモード光ファイバ７の出力面２４まで導波される。次いでこの放射は波長λで部分反射ミラー９に入射する前に第２の光学サブモジュール２６の光学手段８のレンズ８ａによりコリメートされる。

こうして、放射の一部はマルチモード光ファイバ７に戻される。マルチモード光ファイバ７の入力面２３の出力において、放射は第１の光学サブモジュール２５の光学手段２、８のレンズ２ａによりダイクロイックミラー３に対してコリメートされる。

完全反射ミラーから成る完全反射端６は光共振器１２を閉じ、マルチモード光ファイバ７に向かって放射をそれ自身に戻す。このミラーは平面的でも湾曲していてもよい。

このファイバレーザにおいて共振するモードのフィルタリング原理は二つの光学サブモジュール２５、２６の幾何学的特性に合わせることである。

そのために、種々の光学要素の距離、焦点距離及び曲率半径は、光学サブモジュール２５、２６内で共振できるガウス型ビームのくびれ領域が増幅用マルチモード光ファイバ７における基本モードのものと正確に対応するように調整される。

第１の光学サブモジュール２５の自然モードは例えばＡＢＣＤマトリックス法（Siegmann著「Laser」）により得られる。ファイバ７の入力面１３が平面であるので、ガウス型ビームは必ずこの場所でくびれ領域を呈する。この方法は自然モード、即ち第１の光学サブモジュール２５内を往復した後に振幅及び位相においてそれ自身に再結像され、この同じ場所にくびれ領域を自動的に有するモードの大きさを計算するために使用される。

この計算がガウス型ビームを使用し、従って、幾何光学の計算と等価でないことは言うまでもない。本願では用語の幾何学的意味での結像はないが、ガウス型モード、即ちエネルギー分布及び位相エッジの伝播はある。

同じ方法が第２の光サブモジュール２６のモードに適用できる。

この方法は従って、光学サブモジュール２５、２６のそれぞれの大きさｗが入力面２３及び出力面２４でのマルチモード光ファイバ７の基本モードの大きさに正確に、あるいはほとんど正確に対応するように二つの光学サブモジュール２５、２６のパラメータを調整することを可能にする。

これらの条件において、二つの光学サブモジュール２５、２６とマルチモード光ファイバ７の自然モード間の共振がある。そのとき、我々は光学サブモジュール２５、２６におけるのと同様にマルチモード光ファイバ７において最小の回折損失の条件にある。このように形成されたレーザは、光ファイバが他のモードを維持できるとしても当然この基本モードをレージングすることになる。

図４は計算に対して考慮に入れねばならない第２の光学サブモジュール２６の光学要素間の距離を示す。

距離Ｌ１はマルチモード光ファイバ７の出力面と第２の光学サブモジュール２６の光学手段８のレンズ８ａの間の距離に対応する。

距離Ｌ２は第２の光学サブモジュール２６の光学手段８のレンズ８ａと部分反射ミラー９の間の距離に対応する。

上記の方法は、基本モードが出力面２４において大きさｗを有するように距離Ｌ１とＬ２を計算できるようにする。この例では、第２の光学サブモジュール２６の光学手段のレンズ８ａの焦点距離はｆ２＝８ｍｍである。

図５は、第２のサブモジュール２６が異なる大きさ（又はモード直径）の値ｗに対して基本モードで共振する対Ｌ１−Ｌ２を示す。

図５は、ここでは１５ないし２５マイクロメータのｗの各値に対して、第２の光学サブモジュール２６がこのモードで共振する対Ｌ１−Ｌ２が存在することを示す。

この第１の光学サブモジュール２５をファイバの基本モードに同調するために同じ計算を第１の光学サブモジュール２５に対して行うことができる。

この実施例において、マルチモード光ファイバ７はイッテルビウムイオンがドープされた二重シースファイバである。そのサイズの値は以下の通りである。即ち、
コアの直径：５０μｍ、
励起用シースの直径：２００μｍ、
コアの開口数：０．０６。

このマルチモード光ファイバ７は１／ｅ^２の半径が約１８μｍの基本モードを有する。

第１と第２の光学サブモジュール２５、２６が同調されないときは、図３によるレーザ装置は空間的にマルチモードの放射を発する。

第１と第２の光学サブモジュール２５、２６が、その基本モードが光ファイバ７のものに対応するように作られるときは、空間的シングルモードビームがレーザ装置の出力において得られる。

数組のパラメータが上記の結果を与える。完全反射ミラー６及び部分反射ミラー９の曲率半径は、共振器１２の光学要素間の距離が付随して変更されることを条件として、適合させることができる。

完全反射ミラー６及び部分反射ミラー９は平面的でも湾曲していてもよい。好ましい実施例において、完全反射ミラー６は１００ないし２００ｍｍの曲率半径を有し、第１の光学サブモジュール２５の光学手段２のレンズ２ａは８ｍｍの焦点距離を有する非球面であり、第２の光学サブモジュール２６の光学手段８のレンズ８ａは８ｍｍの焦点距離を有する非球面であり、部分反射ミラー９は平面である。

部分反射ミラー９は以下の要素から選択してもよい。即ち、
４％ないし５０％の反射率を有する部分反射ミラー、
平面的なあるいは湾曲したガラスプレート、
４％ないし５０％の反射率を有する回折格子、
４％ないし５０％の反射率を有する大型ブラッグ回折格子。

好ましい実施例において、部分反射ミラー９は励起用シースから発する励起ビームが正確にそれ自身に戻されるように配置される。この位置は、ファイバの出力面２４が、１又は−１に等しい倍率と物体側開口数に等しい像側開口数を有する部分反射ミラー９上で反射された後にそれ自身の上に結像されるように幾何光学計算により最適化される。

もう一つの実施例において、光共振器１２はダイクロイックミラー３と完全反射端６の間に設けられたレンズ４を備える。

次いで光学要素間の距離がこのレンズ４を考慮に入れるために計算し直される。

図６は光共振器１２が第１の光学サブモジュール２５のみを備えるもう一つの実施例を示す。この第１の光学サブモジュール２５はレンズ２ａと完全反射ミラー６から成る光学手段２を備える。

光共振器１２はその他端において光学閉鎖手段により閉じられる。

光共振器１２を閉じる光学閉鎖手段は光波に対する収束及び反射特性を有する。

それは光波に対する収束及び反射特性の両方を有する単一の光学要素から成っていてもよい。

光共振器１２を閉じる光学閉鎖手段はマルチモード光ファイバの出力面２４でもよい。

マルチモード光ファイバの出力面２４は、ファイバのコアから出る基本モードに対する条件を満たしてそれ自身に再結像されるように、ほとんど完全な平面性や、マルチモード光ファイバの軸に対するほとんど完全な垂直性をもたねばならない。光共振器１２の他方の側がファイバの自然モードに同調された第１の光学サブモジュール２５を備えれば、基本モードのみが損失なしに共振できることになる。

出力面２４は曲面を呈してもよいが、この出力面と光ファイバ７内の導波領域の入力の間の距離と面の曲率が、ファイバのコアから出る基本モードがそれ自身に再結像されるという条件を満たすように選択されることが条件である。

光共振器１２に使用される空間フィルタリングは異なる発散度を有する放射の区別を可能にする何れのシステムを使用してもよい。

光共振器１２が第２の光学サブモジュール２６のみを備える実施例を実現することも可能である。この第２の光学サブモジュール２６はレンズ８ａと部分反射ミラー９から成る光学手段８を備える。光共振器１２を閉鎖する光学閉鎖手段はマルチモード光ファイバ７の入力面２３から成る。

完全反射端６はマルチモード光ファイバ７の入力面２３から成る。

図７に示されるもう一つの実施例によれば、二つのサブキャビティ２５、２６の光学手段２、８はそれぞれマルチモード光ファイバ７の入力及び出力面２３、２４の一方に接触するシングルモードファイバ先端３６を備える。レーザビームはレンズ２ｂ、８ｂによりシングルモードファイバ先端３６上にフォーカスされる。

シングルモードファイバ先端３６はマルチモード光ファイバ７のものに近いコア径を有する。

光共振器１２は好都合には、二つのシングルモードファイバ先端３６を備える。第１のシングルモードファイバ先端３６はマルチモード光ファイバ７の入力面２３に接触して配置され、第２のシングルモードファイバ先端３６はマルチモード光ファイバ７の出力面２４に接触して配置される。これらのシングルモードファイバ先端３６は微細構造ファイバで作られてもよい。

従って、モードのフィルタリングが一つ以上のシングルモードファイバ先端３６の増幅用マルチモード光ファイバ７との関連のおかげで実行される一体構造が作られる。この場合、異なる部分を形成するマルチモード７とシングルモード３６光ファイバの特性は、その基本モードが共に合い、シングルモード光ファイバ先端３６の基本モードとマルチモード光ファイバ７の基本モードの間に共振が存在するように計算される。シングルモードファイバ先端３６はレージングイオンでドープされないので、それらは作るのが非常に容易である。

ある実施例において、シングルモードファイバ先端３６はシングルモードフォトニックファイバであってもよく、増幅用マルチモード光ファイバ７はドープされたファイバであってもよい（フォトニックであってもそうでなくても）。

シングルモードファイバ先端３６は例えばドープされた増幅用マルチモード光ファイバ７上に溶着され、あるいは溶融、接着又は成膜によりファイバに結合される。

シングルモードファイバ先端３６は、一方ではシングルモードコア２０、他方では増幅器として使用されるドープされたマルチモード光ファイバ７と等価な特性（直径及び開口数）を有する励起シース２１を備えるいわゆる「二重クラッド」構造を含む。

光共振器１２は完全反射端６により閉じられ、この端部は球面ミラーであってもよく、その曲率半径と位置は、第１の端部２３に接触するシングルモードファイバ先端３６から出る基本モードが、球面ミラー６上で反射された後にこの第１の端部２３の面上にサイズ又は開口数の何れの変更もなしに結像されることを保証するように計算される。

空間モードフィルタリングは、その透過又は反射がそれへの入射に強く依存する何れかの要素、詳細にはボリュームブラッグミラーにより実行されてもよい。

フィルタリングは光共振器１２もミラーの特定の処理によっても得ることができる。

図８に示される実施例において、光共振器１２は完全反射端６の近くに配置された光学トリガ１０を備えてもよい。それは光共振器１２が、連続放射を発する励起源からジャイアント光パルスを発生できるようにする。

好ましくは、トリガ１０は完全反射端６とダイクロイックミラー３の間に配置される。

トリガ１０はナノ秒パルスを発生させる。

安定動作を保証するために、光共振器１２の残りの部分が基本モードのエネルギーの一部を他のモードに結合しないことが必要である。

このために、マルチモード光ファイバ７は、基本モードのより高次のモードとの結合を減少するようにマルチモード光ファイバ７の曲率半径を安定化する安定化手段により機械的に硬くされる。

発明の実施例によれば、マルチモード光ファイバ７の安定化手段はマルチモード光ファイバ７を硬くするように前記マルチモード光ファイバ７を囲む大きい直径の機械的シース１３（硬いロッドタイプの）から成る。シングルモード光ファイバに対して図９に示されるような機械的シース１３を使用することは知られている。

図９はコア２０を備えるマルチモード光ファイバ７の断面を示し、このコアは励起用シース２１により囲まれ、この励起用シース自身は閉じ込め用シース２２により囲まれ、これはガラスで出来ていてもよい機械的シース１３により囲まれる。

図１０に示されるもう一つの実施例によれば、マルチモード光ファイバ７の安定化手段は円筒支持体１４を備え、その周辺１７には溝１６が掘られる。溝１６は円筒支持体１４の周辺にらせん状に掘られる。マルチモード光ファイバ７はこの溝１６に張力又は圧力固定されるように挿入される。

円筒支持体１４は二つの入力２８及び出力２９支持体を備え、それを介してマルチモード光ファイバ７が円筒支持体１４に出入りする。光学サブモジュール２５、２６の光学手段２、８のレンズ２ａ、８ａはこれら二つの入力２８及び出力２９支持体の前及びマルチモード光ファイバ７の入力面２３及び出力面２４の前に配置されてもよい。これら二つの入力２８及び出力２９支持体は円筒支持体１４のものと類似の溝を備えてマルチモード光ファイバ７がそれに挿入される。

この実施例において、マルチモード光ファイバ７は好ましくはフレキシブルである。

図１１に示される発明のもう一つの実施例によれば、マルチモード光ファイバ７の安定化手段は掘られた溝を有する直線支持体１５を備え、その中に縦軸１９に沿ってマルチモード光ファイバ７が挿入される。第２の部品３３がマルチモード光ファイバ７を覆って後者を圧力固定する。

直線偏光に好都合なように、ファイバが平面内に維持されながら固定されることが好ましい。

これら二つの例において、溝はマルチモード光ファイバ７に対する熱効果を最小にするように固い、出来れば良好な熱伝導材料中に加工される。マルチモード光ファイバ７全体が固い支持体１４、１５と接触していることが重要である。

これら二つの例において、溝１６の大きさはマルチモード光ファイバ７がその中に挿入されるようになっている。

何れの場合にも、マルチモード光ファイバ７の曲率半径が空間モード間の結合を招かないことを保証することが必要である。

この実施例において、マルチモード光ファイバ７は半文硬くあるいはフレキシブルであり、その曲率半径は無限に大きくなり得る。

在来のファイバレーザにおいて、ファイバの微視的又は巨視的曲率は偏光状態間の結合を招く。従って、フレキシブルファイバにより安定した偏光状態を維持することは、ましてそれがマルチモードであれば、難しい。発明による安定化手段このファイバに対する安定した偏光状態を維持することを可能にする。

もう一つの実施例において、光共振器１２に音響光学又は電気光学トリガ素子を導入して偏光状態に従って利得又は損失を変化させることが可能である。マルチモード増幅媒体が偏光保存型でなくても偏光された放射をもつことは可能である。連続放射又は偏光されたパルス放射を得ることも可能である。

発明はまた上記のパワーファイバレーザ装置と二重シースの増幅用マルチモード光ファイバを備えるパワーファイバレーザシステムに関する。

光共振器１２の部分反射端９を通って透過された光信号は、透過レーザビームの基本モードの大きさを増幅用マルチモード光ファイバの面の大きさに合うように増幅用マルチモード光ファイバの面の一方に結合される。励起波により励起された誘導放射の最大部分は基本モードに結合される。

上記のように、屈折率段差型又は屈折率勾配型ファイバにおいて、１／ｅ２に等しい直径はドープされたコアの直径より実質的に小さい（示された場合は５０マイクロメータのファイバでは３６マイクロメータ）。そのコアが十分ドープされた屈折率段差型ファイバは基本モードでの励起エネルギー結合に最も適したファイバではない。従って、特定の実施例において、その導波コアが横方向に不均一なドーピング分布を有する光ファイバを用いてレーザ装置を最適化することが可能である。これは励起基本モード結合、従ってレーザ効率に好都合であり、上記のモードフィルタリングを容易にするという二重の利点を提供する。

このタイプの結合は導波コアの全て又は一部に可変屈折率を有する光ファイバを用いても可能である。

従って、パワーファイバレーザは、ファイバ寿命を危惧せずに、任意に大きい直径を有するマルチモードファイバから基本モードの安定したシングルモード放射を非常に良好な効率で生じるように動作する。

１ パワーレーザダイオード
２ 光学結合手段
３ 光学結合手段
６ 完全反射端
７ マルチモード光ファイバ
８ 光学手段
９ 部分反射端
１０ 光学トリガ
１１ レンズ
１２ 光共振器
１４ 円筒支持体
１５ 直線支持体
１６ 溝
１７ 周辺
１９ 縦軸
２０ コア
２１ 励起用シース
２２ 閉じ込め用シース
２３ マルチモード光ファイバの入力面
２４ マルチモード光ファイバの出力面
２５ サブモジュール
２６ サブモジュール
２８ 入力支持体
２９ 出力支持体
３４ 掘られた溝
４０ 基本モード
４１ 高次モード
４２ ｙ軸
４３ ｘ軸

Claims (17)

1. 励起波を発するパワーレーザダイオード（１）と、
   完全反射端（６）及び部分反射端（９）、２０μｍより大きい直径を有するコアやその入力面（２３）及び出力面（２４）を有する増幅用マルチモード光ファイバ（７）、及び前記マルチモードファイバの前記入力面（２３）と前記完全反射端（６）の間、あるいは前記マルチモード光ファイバの前記出力面（２４）と前記部分反射端（９）の間に形成される少なくとも一つのサブモジュール（２５、２６）を備える光共振器（１２）と、
   前記光共振器（１２）内にレーザビームを生じるように前記マルチモード光ファイバ（７）内に前記励起波を結合する光学結合手段（３、１１、２）であって、前記レーザビームの一部が前記部分反射端（９）を通って前記光共振器（１２）の外側に透過され、前記レーザビームのもう一つの部分が前記光共振器（１２）の内側に反射される光学結合手段（３、１１、２）と
   を備えるパワーファイバレーザ装置であって、
   前記光学サブモジュール（２５、２６）が、レーザビームが前記光学サブモジュール内を往復した後に前記光学サブモジュールが前記マルチモード光ファイバ（７）の前記入力又は出力面（２３、２４）上に前記マルチモード光ファイバ（７）の基本モードの振幅及び位相を再現できるようにして基本モードの損失を最小にするように、また前記光学サブモジュールが他のモードをフィルタリングして前記光共振器内の前記他のモードのさらなる損失を発生できるようにして前記光共振器内に伝播するレーザモード数を最小にするように、前記光学サブモジュール（２５、２６）内に明確な位置を有する光学手段（２、８）を備える空間フィルタリング手段である
   ことを特徴とするパワーファイバレーザ装置。
2. 前記光共振器（１２）が前記マルチモード光ファイバ（７）の各端部に配置された二つのサブモジュール（２５、２６）を備えることを特徴とする請求項１に記載のパワーファイバレーザレーザ装置。
3. 前記光共振器（１２）が前記マルチモード光ファイバ（７）の一端に配置された光学サブモジュール（２５、２６）を一つのみ備え、その他端において光学閉鎖手段により閉鎖されることを特徴とする請求項１に記載のパワーファイバレーザレーザ装置。
4. 前記光学共振器（１２）を閉鎖する前記光学閉鎖手段が前記マルチモード光ファイバの前記入力又は出力面（２３、２４）の一方から成り、前記入力又は出力面（２３、２４）が平面であり、前記光ファイバ（７）の光軸に垂直であることを特徴とする請求項３に記載のパワーファイバレーザ装置。
5. 前記光共振器（１２）を閉鎖する前記光学閉鎖手段が光波に対する収束特性と反射特性の両方を有する単一の光学要素から成ることを特徴とする請求項３に記載のパワーファイバレーザ装置。
6. 光学サブモジュール（２５、２６）の前記光学手段（２、８）が前記反射端（６、９）の一方に関連する一つ以上のレンズ（２ａ、２ｂ）を備えることを特徴とする請求項１ないし５の何れか一つに記載のパワーファイバレーザ装置。
7. 光学サブモジュール（２５、２６）の前記光学手段（２、８）が前記マルチモード光ファイバ（７）の前記入力又は出力面（２３、２４）を備え、前記入力又は出力面（２３、２４）がフィルタリング機能に加担する固有の収束性を有することを特徴とする請求項１ないし６の何れか一つに記載のパワーファイバレーザ装置。
8. 前記光学サブモジュール（２５、２６）の前記光学手段（２５、２６）が前記マルチモードファイバ（７）の前記入力及び出力面（２３、２４）の一方に接触するシングルモードファイバ先端（３６）を備え、レーザビームがレンズ（２ｂ、８ｂ）により前記シングルモードファイバ先端（３６）にフォーカスされることを特徴とする請求項６又は７に記載のパワーファイバレーザ装置。
9. 前記マルチモード光ファイバ（７）の前記コアが基本モードの利得に好都合であるように不均一な径方向ドーピング分布を有することを特徴とする請求項１ないし８の何れか一つに記載のパワーファイバレーザ装置。
10. 前記マルチモード光ファイバがわずかにマルチモードであるように固有のフィルタリング手段を備えることを特徴とする請求項１ないし９の何れか一つに記載のパワーファイバレーザ装置。
11. 前記マルチモード光ファイバ（７）が安定化手段により機械的に硬くされることを特徴とする請求項１ないし１０の何れか一つに記載のパワーファイバレーザ装置。
12. 前記マルチモード光ファイバ（７）の前記安定化手段が前記マルチモード光ファイバ（７）を囲む大きい直径の機械的シース（１３）から成ることを特徴とする請求項１１に記載のパワーファイバレーザ装置。
13. 前記マルチモード光ファイバ（７）の前記安定化手段が円筒支持体（１４）から成り、その周辺（１７）にはらせん状に溝（１６）が掘られ、前記マルチモード光ファイバ（７）が張力固定されるように前記溝（１６）に挿入されることを特徴とする請求項１１に記載のパワーファイバレーザ装置。
14. 前記マルチモード光ファイバ（７）の前記安定化手段が、縦軸（１９）に沿って前記マルチモード光ファイバ（７）が挿入される掘られた溝（３４）を有する直線支持体（１５）から成り、前記マルチモード光ファイバ（７）が圧力固定されるように第２の部品（３３）で覆われることを特徴とする請求項１１に記載のパワーファイバレーザ装置。
15. 前記光共振器（１２）が、前記反射端（６、９）の一方の近くに配置されかつ前記光共振器（１２）にレーザパルスを発生させる光学トリガ（１０）を備えることを特徴とする請求項１ないし１４の何れか一つに記載のパワーファイバレーザ装置。
16. 前記パワーファイバレーザ装置が一つ以上の偏光光学手段を備えることを特徴とする請求項１ないし１４の何れか一つに記載のパワーファイバレーザ装置。
17. 前の請求項１ないし１６に従って定義されるパワーファイバレーザ装置と、二重シースの増幅用マルチモード光ファイバとを備え、前記光共振器（１２）の前記部分反射端（９）により透過された光信号が、前記二重シースの増幅用マルチモード光ファイバの基本モードを励起するように前記増幅用マルチモード光ファイバの両面の一方に結合されることを特徴とするパワーファイバレーザシステム。