JPH03501431A - 面ポンプ型の、ループ状ファイバー束によるフェイズドアレイレーザ発振器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 発明の名称 面ポンプ型の、ループ状ファイバー束によるフェイズドアレイレーザ発振器 技術分野 本発明は、２つの光学的に研摩された端面が互いに積層されて１つの出力開口を なしているループ状ファイバーレーザかうなるフェイズドアレイレーザの発振／ 増幅システムであって、レーザ発振器を構成する場合にはその開口の近くに単一 のレーザミラーが配置され、あるいはレーザ増幅器を構成する場合には、出力開 口との間でインデックス整合がとられている光学的な窓が、その開口の近くに配 置され、上記ファイバーを束ねたレーザ媒質が上記阜−の開口を構成しているフ ァイバーの画先端を介して光学的に励起されるものに関する０本発明をレーザ発 振器として構成した場合には、単一のレーザミラーが、個別のファイバーレーザ の先端の出力のすべてを加重された位相同期されたビームとして、部分的に伝搬 せしめてレーザビームの出力とする。本発明をレーザ増幅器として構成する場合 には、外側の表面に非反射剤が塗布されるとともに反対側で出力開口との間でイ ンデックス整合された光学的な窓を介して、そこで増幅される入力ビームが増幅 器の中に入って偏光ビームとしてそこを通過する。

本発明は、工業、医療および防衛の分野で、ｇ１数可能なレーザビームを生成す るものとして利用される。

従来技術の概要 従来技術では、ファイバー束を基礎にしたフェイズドアレイレーザ装置は、ドー プされた光フアイバーレーザ発振器を相互に積層して構成されており、これによ り各ファイバーレーザ発振器が全体にわたって励起され、あるいは励起された光 によって部分的に励起されるように光結合装置によってその特定の部分で励起さ れた光と結合するようにし、あるいは、いわゆる側面励起法として知られている レーザ発振の技術である直接的な励起させるようにしていた。

こうした従来技術のフェイズドアレイ、つまりファイバー束を基礎にしたレーザ 装置における出力開口を経て励起させる技術では、効率良く励起させることがで きない。それは、ファイバ一端面ではその外装材（タラツディング）が大部分の 断面面積を占め、ドープされたファイバーの占める面積の割合が小さくなるから である。従来の装置でファイバーレーザの端面に励起された光を効率良く入射す るための結合手段とするフェイズドアレイレーザには、複雑で高価なマイクロレ ンズを端面毎に並べたものが使用され、これによって励起された光を対応するフ ァイバー芯と一致するように収束させている。従来のフェイズドアレイレーザ装 置は、また多重的にその出力ビームが撹乱されることによって散乱され、半導体 レーザダイオードが一体に積層されて構成される従来装置の場合には、入力され る電気エネルギーの６０％以上がアレイ本体で消費されるために、出力開口での 加熱の条件が厳しくなってしまう。

本発明ではこうした欠点や操作上の課題を、ファイバーの芯の直径がその外装材 の厚みに略々等しいか、それ以上のファイバーを使用することによって克服した 。

理想的には、光ファイバーとしては、その外装材の中に複数の芯を含んでおり、 その芯の直径がそれらを互いに分離している距離より大きく構成されたものであ ることが好ましい。なお好ましい実施例にあフては、本発明はレーザ光を発する イオンがドープされた多重の芯からなるファイバーが使用される。かかる構成に より、こうしたファイバーの光学的に研摩された端面により形成される開口面に 投射されたレーザ光の大部分が、そのファイバー芯線を通過可能になる。例えば 、良く規準された狭い可視帯域での励起された光は、それが温度制御により位相 同期されている積層されたレーザダイオードから放射されれば、本発明装置の端 面から高い効率でもって注入することが可能になる。

本発明では、同様に上記ファイバーの中のレーザ光を、その偏光平面を磁気的に 回転させながら伝搬させることもできる。

発明の背景 ファイバー束レーザの先駆的な研究は、１９６３年の英国の王立レーダ研究所に おける研究者によってなされ、その時点で商業的な有用性を持つ光フアイバー束 がレーザ光を伝搬することが明らかにされた。初期の目標は、初期のレーザレー ダシステムでのレーザ棒の媒体から可撓性のある被膜まで、コヒーレントに結合 された光ファイバー群をファイバー束にして開口と接続させることにあった。し かし、こうした実験によれば、初期の光ファイバーがレーザ光の伝達に利用され るには全く適切なものでないことが示された。１９７０年代になされた隼−モー ドの光フアイバー技術の出現によって、それは見直されることになり、１９７９ 年にはいくつかの研究の詳細が出版（ヒユーズ　アンド　ガラタフ　アプライド 　オプティックス、ＵＳＡ１８巻１３号、２０９８．１９７９年７月発行）され 、その後１９８４年には、英国と合衆国の特許庁でキー要素が付けられて分類さ れた。ファイバー束を基礎にしたフェイズドアレイレーザ装置を開発するための 開拓的な努力に基づいて、販売することを目指した最初の発明品が、特許文献の 形式で記述された（ヒユーズ、合衆国特許第４，６８２，３３５号　１９８７年 ７月２１日）。

この発明は、位相同期されたファイバーレーザ束の開発の重要な側面を包摂する ものであって、その中でレーザ発振システムの端面な経由する励起された光の入 口をモジュール化することで、ループ状のレーザファイバ束を切替えるレーザ発 振器が実現され、これによりレーザ発振のしきい値での側面励起を可能にするレ ーザ発振システムである。この発明がレーザパルスの増幅器として使用される場 合には、その端面でのパルスの励起は、上記増幅器の自己発振を防止するための 進行波の形式でなされ、それは、増幅されるレーザパルスの通過に先立って励起 された増幅器に蓄積されたエネルギーを消費する過程でもある。

この発明は基本的にはガラスレーザであって、そこで解決されていることは、固 体の締や平板状のガラスレーザ媒体を用いるときに直面する厳しい操作上の問題 である。すなわち第１に、熱伝導率の低いガラスを、容易に冷却するために極め て薄いガラス繊維（ファイバー）が使用され、しかも使用されるガラス繊維が相 対的に長くなるために、全体のゲインの通路についての熱負荷が最小にされる。

第２に、レーザ媒体中で生じるレーザビームの自己崩壊に伴なう放射によって引 き起される自己焦点化の問題は、ファイバーの芯の厚さがレーザ光の増幅される 波長と略々等しいことにより、避けることができる。

増幅器として使用する際には、この発明は、ファラディ効果に基づいて、ファイ バーの芯を透過するレーザ光の偏光面の回転を可能にしており、そのために、全 体として、あるいは部分的に磁場の中に置くことを可能にしている。このファラ デイ回転効果は、常に同一回転方向に作用するから、本発明では、偏光面を回転 させる有効な技術となる。入力されたレーザビームの偏光面をこのように回転さ せているため、この発明の増幅器を直列に接続して、光学的に結合すれば、多段 の増幅器として構成することが可能になる０本発明を発振器として、かつ増幅器 として構成する場合では、それは連続してかつ平均した出力レベルまで計数可能 （スケーラプル）になる。

発明の目的 本発明の目的は、ループ状のファイバー束のレーザをその端面から光学的に励起 する手段を提供することである。又、端面に入射されるパルス状に励起された光 によって光学的に切換えられるループ状のファイバー束の発振器を提供すること も、１つの目的である。

本発明の他の目的は、ファイバーレーザの側面励起によってこの発明装置のファ イバー束本体をしきい値でレーザ発振させることである。

本発明の他の目的は、単位面積／体積当りの熱負荷を最小にするレーザ構造を提 供することである。

さらに他の目的は、レーザゲイン媒体の中での自己焦点化の機会を最小にするレ ーザ媒体の構成を提供することである。

本発明の目的は、その直径が相互の分離距離より大きく、タラッディング媒質の 共有された力によって保護されたファイバーレーザの芯を提供することである。

伝搬するレーザ光の偏光面を回転させるための磁場形成手段を提供することも、 同様に、本発明の目的である。

この発明によれば、ダイオードレーザアレイの光出力により、その動作しきい値 まで側面励起され、その後にダイオードレーザアレイの光出力によってその出力 開口から速やかにしきい値を越えたギガヘルツ（毎秒１０１ｏ−１０”）＜　７ レス）の範囲に至る高い繰り換えし周期のパルスとする。この発明では、ファイ バーレーザの元の束に対して多数のファイバーレーザを単に加えるだけで、高い 出力レベルに到達し、それらを励起することができる。

特定のファイバーレーザの芯におけるレーザビームの強度を高めることにより、 周波数の同調についての非線形の光学的な効果であるしきい値を越えられる。

個々の複数のファイバーレーザのループの長さは、全体としてこの発明の出力用 の開口での位相同期の動作を確保するためには、同一でなくても良い。出力開口 での位相同期は、特定のファイバーループの長さがレーザ出力ビームの波長より も大きいごとを条件として実現される。実際問題としては、これによりファイバ ーループの長さが数メートル、レーザ光の波長が１０−’　ｃｍｓ、とされよう 。出力ミラーでインデックス整合することにより、このミラーが光学的に１０番 目の波動あるいはそれ以上に研摩されているとき、インデックス整合のための媒 質を経由し、いずれかのファイバーループを通ってミラーの表面に至るミラーか らの光の経路長は、いずれのループ経路で位相が変動するにしても、そのループ 経路の範囲内で、正確に波長と一致する。こうした条件に加えて、ドープされた ガラスのファイバーは、本発明において相対的に広いゲイン曲線を持つから、ピ ークの波長の周辺で広い波長の領域が維持される。この状況は、ピーク波長が等 しくならないという事実、即ち、レーザの波長はファイバーレーザの媒質が有す るゲイン曲線のピークに一致するにもかかわらず、スーパーモードの波長を抑制 することを可能にする。同様に、次の点にも注意するべきである。すなわち、ス ーパーモードはこの発明ではファイバーの全長について持続されている必要はな いが、それは単位断面面積（ｃｍ）当り数キロメートルに達するもので、上記レ ーザファイバーの個々のループの長さを越えていれば、つまり同時に数メートル 程度であれば十分である。

図面の簡単な説明 本発明は、図面に関連する以下の説明によって、より良い理解が得られるであろ うが、これら図面がいかなる意味でも本発明の範囲を限定するものではない。

第１図は、ループ状のファイバーレーザの束がレーザダイオードアレイの出力に より端面励起される発振器の構成において、本発明の配置を模式的に示している 。

第２図は、その芯が上記ファイバーの束の大部分の断面領域をなす、薄い壁で仕 切られた光ファイバーの束を示している。

第３図は、上記ファイバーの大部分の断面領域をなす複数の芯を有している、ル ープ状のファイバーレーザの束の中の１つのファイバーの断面を示している。

第４図は、本発明のループ状のファイバー束の基本的な構成ブロックである、光 ファイバーの積層された直交断面を示している。

第５図は、第４図に示す基本的構成ブロックを、その位相同期された出力のそれ ぞれが、全体としてもまた位相同期されるように積層された状態を示している。

第６図は、本発明装置が複数結合された増幅器チェインの構成を示している。フ ァラディ回転は、上記束をなすファイバーレーザの内部でレーザビームの偏光面 を９０°にわたり回転せしめ、これによってそれぞれが偏光されたビームの反射 鏡を突き抜けて出力ビームとなって伝搬可能になる。

発明の詳細な説明 第１図において、１はイオンドープされたループ状のレーザの束であって、ファ イバーの芯の径がそれらの分離距離より大きい、単一モードの複数の光ファイバ ーからなる。２は、それぞれの先端が光学的に研磨されているループ状のレーザ ファイバ群を示し、これらが集合して本発明の単一の出力開口部を構成する。３ は、インデックスを整合させるための媒質を示し、光学的に研摩された鏡４から 上記ループ状のレーザファイバ群のいずれかを通って鏡４に戻ってくるまでの光 学的な距離を調整するために設けられており、この鏡４は光で励起される色素を 含み、この発明のレーザ発振器の構成におけるＱスイッチをなしている。

第１図において、５は発光ダイオードアレイであって、これは、束１のファイバ ーレーザの芯に添加されたレーザ発光イオンの光学的な吸収ＩＦ域と一致する狭 い光学的なＩＦ域の光を開口２を介してファイバーレーザの束１に照射するべく 設けられたものである。ダイオードアレイ５にエネルギーを与えるための電源は 、番号６で示されており、他方、フはアレイ５の光の出力を示し、この光フは、 番号８により示されている傾けて配置された反射鏡によって反射して曲げられて おり、この反射鏡８は、レーザビームの波長に対しては透過可能に構成され、番 号９により示されるこの発明装置からの位相同期された出力ビームが出力される ことを可能にしている。

第２図において、番号１０はファイバーレーザの束１の断面を示し、ここで番号 １１によって、その外被（タラッディング）の厚さより大きな直径を有するレー ザファイバーの芯が示されている。

第３図において、番号１２は多重の芯をもつ光ファイバーであり、ここで番号１ ３によって示されている芯は、共通の外被１２により包まれ、それぞれの芯１３ は共通の外被１２の中で互いに分離されている距離より大きな直径をなしている 。

第４図では、番号１４はファイバーの束の直交断面を示し、そこには番号１５で 示される複数のファイバーの芯があって、それらは互いに分離されている距離よ り大きな直径を有する。直交断面１４は、こうしたファイバーモジュールを近接 して密に束ねることを可能にしている。

第５図では、番号１６はユニット１４により構成された積層されたファイバーの 束を示している。各ユニット１４はコヒーレントなレーザビームを発射するため に位相同期され、またこのユニット１＜の積層されたそわぞれは、最終出力ビー ム９を位相同期されたレーザビームの群に形成するために、位相同期された圧力 ビームをそれぞれに発射する。

第６図は、本発明装置を増幅器チェインとして、その前段の装置より大包な装置 を順次に結合して１つの系に結合したシステムの断面を示している。

第６図において、番号１フは増幅されるレーザ入力ビームを示し、他方、番号１ ８は、開口２を介して束１の中に照射されたレーザビームの所与の偏光状態を反 射するために、傾けて配置された反射鏡を示している。番号１９は磁場を示して おり、この磁場１９は、９０°の偏光シフトが入出力ビーム間で発生して、これ により出力ビームが反射鏡１８によって伝達されるようにするために、増幅され るレーザビームがそこを通過する毎に４５°づつ各ファイバーの中でレーザビー ムの偏光面を回転させるものである０番号２０はレーザビームを拡張する拡大レ ンズ系でありて、これは拡張されたレーザビーム２１を次の段の増幅モジュール の直径に一致させるものである。この拡大されたレーザビームは、まず番号２２ により示される偏光ビームのスプリッタを通通して、番号２３で示されている偏 光ビームのスプリッタをも通通し、このスプリッタ２３では番号２５により示さ れる電源で駆動されるダイオードアレイ２４からの励起された光７を反射する。

番号２６は、番号２８によりて示されている拡張されたファイバーレーザの増幅 用の束との間で、媒質２フを介してインデックス調整されている非反射剤を塗布 した窓である８番号２９は、レーザビーム２１の偏光面を回転するために使用さ れる磁場を示す。

番号３０は、ファイバーレーザを操作するしきい値までもちあげ、本発明の増幅 器の中に横向きに照射される励起された光を示しており、一方で番号３１は、連 がれている次段の増幅器に、この増幅器２８から送り込まれる増幅された出力を 示している。

この発明は、連続波、およびパルス状のレーザビームのいずれについても、単一 のモジュールあるいはひとつながりの複数のモジュールを使用して、高い出力レ ベルまで高めることがで診るレーザビームの生成、増幅に使用することがで包る 。本発明は、工業、医療および防衛の分野で、強力で、かつ高品位のレーザビー ムを必要とする場合に有用である。

本発明で実平可能な出力レベルは、出力開口の面積が小さいときに位相同期させ るために必要な条件と、出力開口が極めて大きな領域に及ぶときの位相同期に昇 水されるそれとが一致するために、実際上、どこまでも高くすることができる。

本発明装置は、励起された光が結合効率の良い阜−の開口から久って、ドープさ れたファイバーにより十分に吸収されてから再度出力されるために、効率が良い 。

本発明装置は、連続波の出力モードと、高い繰り返し周期でのパルスモードのい ずれでも動作させることができる。

本発明の個別のファイバーの中でレーザビームが高い強度となると鮒には、非線 形のしきい値を越える本発明の励起のレベル、および基本となるレーザ波長を全 反射するミラーから必要な波長の出力を取り出す出力開口面２での塗布の状態に 応じて、種々の異なる波長でレーザ出力を発生させる非線形の光学的プロセスが 生じることに注意しなくてはならない。

本発明は、気相での選択的な励起による同位体の分離に利用するために、その構 成を変更することが可能である。

本発明の精神とその要旨の範囲内で上述した主題に種々の変形を加えることは可 能である。

Ｆｉｇｕｒｅ　Ｉ Ｆｉｇｕｒｅ　２ Ｆｉｇｕｒｅ　５ 国際調査報告

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. １．先端で励起されるループ状のファイバレーザを束ねたレーザ発振システムは 、次を含む：（ａ）計数可能なファイバーレーザ束であって、そのファイバーの 芯の直径は、それら芯と芯との間の距離よりも大きく、それぞれのループ状のフ ァイバーの長さは、レーザビームの出力の波長よりも複数桁以上の単位で長く、 光学的に研摩された上記ループ状のファイバーレーザの両方の先端が一体になっ て積重ねられて単一の開口をなし、この開口が、単一の、部分的にレーザビーム を伝搬する出力用の鏡とインデックス調整されて結合されているもの。 （ｂ）狭い光学的な帯域幅で光学的に励起する光の供給源であって、その出力波 長が上記ファイバーの束を構成するファイバーレーザの吸収帯とマッチングされ 、この光の供給源が電源と接続された半導体ダイオードのアレイによって構成さ れており、さらに励起された波長を反射してそれ以外のレーザ発振された波長は 反射しない反射鏡が、励起された光がファイバーレーザの束の内部にその束のひ とつの端面から進入できるように、かつ位相同期されたレーザビームの出力とし てこの反射鏡を介して取り出される光の出力ビームが直進するように、ファイバ ーレーザの束の出力面に関連して傾けて配置されたもの。
2. ２．個別のファイバーレーザは、その芯を互いに分離している間隔より大きな直 径の複数の芯を有することを特徴とする請求の範囲第１項記載のシステム。
3. ３．ファイバーレーザ束は、より小さい束を集めた系列からなり、それぞれの小 さい東が位相同期されたレーザビームを発射し、全体として位相同期された単一 のビームをその出力用の開口から発射していることを特徴とする請求の範囲第１ 項記載のレーザシステム。
4. ４．励起光の供給源がレーザダイオードの位相同期されたアレイからなることを 特徴とする請求の範囲第１項記載のレーザシステム。
5. ５．ファイバーレーザ束は、側面から励起されて、しきい値までレーザ発振され ることを特徴とする請求の範囲第１項記載のシステム。
6. ６．先端で励起されるループ状のファイバレーザを束ねたレーザ増幅システムは 、次を含む：（ａ）計数可能なファイバーレーザ束であって、そのファイバーの 芯の直径は、それら芯と芯との間の距離よりも大きく、それぞれのループ状のフ ァイバーの長さは、レーザビームの出力の波長よりも複数桁以上の単位で長く、 上記ループ状のファイバーレーザの両方の先端は光学的にみがかれており、それ らの先端が一体になって積重ねられて単一の開口をなし、この開口は、ひとつの 、伝搬効率の良い光学的に研摩された窓であって、その窓の出力面にレーザ光と 励起光の両波長分だけ非反射剤が塗布されているものとインデックス調整されて 結合されているもの。 （ｂ）狭い光学的な帯域幅で光学的に励起する光の供給源であって、その出力波 長が上記増幅用のファイバーの束を構成するファイバーレーザの吸収帯とマッチ ングされ、この光の供給源が切替可能な電源と接続された半導体ダイオードのア レイによって構成されており、さらに励起された光の波長を反射してそれ以外の レーザの波長は反射しない反射鏡が、励起された光がファイバーレーザの束の内 部にその束のひとつの端面から進入できるように、かつ位相同期されたレーザビ ームの出力としてこの回転反射鏡を介して取り出される光の出力ビームが直進す るように、ファイバーレーザの束の出力面に関連して傾けて配置されたもの。 （ｃ）上記増幅器の入力側の先端に被せられ、伝送されるレーザビームの偏光面 を９０°にわたり回転せしめる磁場形成用のコイル。 （ｄ）上記増幅器であるファイバー束の本体の周囲においてそれをそのレーザ発 振するしきい値まで励起する光源。
7. ７．ビーム拡大用のレンズ系により互いに結合された増幅器チェインを構成し、 更に断面面積が増大する他の増幅器モジュールに対して増幅されたレーザビーム を照射する偏光レーザビーム反射鏡を含むことを特徴とする請求の範囲第６項記 載のシステム。
8. ８．光ファイバーは、希土類イオンがドープされたものであることを特徴とする 請求の範囲第１項および第６項記載のシステム。