ハイパワーファイバーレーザーとアンプ
リリース:ボコスオプトエレクトロニクス  時間:2022-08-29  ブラウズ:959
通常、高出力ファイバー レーザーと増幅器は、希土類をドープしたダブル クラッド ファイバーを使用し、ファイバー結合の高出力ダイオード バーまたは他のレーザー ダイオードによって励起されます。ポンプチューブはファイバーコアには入らず、内側クラッドに入り、内側クラッドでレーザー光も生成します。発生するレーザービームの品質は非常に良好で、回折限界のビーム品質も得られ、シングルモードファイバーが必要です。したがって、ファイバレーザの出力光の輝度は、ポンプ光よりも出力パワーが低いにもかかわらず、ポンプ光よりも数桁高い。 (通常、励起効率は 50% を超え、場合によっては 80% を超えます) したがって、このファイバー レーザーは、輝度変換器、つまり光の輝度を高めるデバイスとして使用できます。
特に高出力の場合、光強度が非常に高くなるため、コア領域を十分に大きくする必要があります。もう 1 つの理由は、ダブル クラッド ファイバのコア領域に対するクラッドの比率が大きく、ポンプ吸収が低くなることです。コア面積が数千平方マイクロメートル程度の場合、シングルモード ファイバ コアを使用できます。マルチモードファイバーを使用すると、モード領域が比較的大きい場合、高品質の出力ビームが得られ、光波は主に基本モードになります。 (高次モードの励起は、高出力での強いモード結合の場合を除いて、ファイバーを巻くことによってもある程度可能です) モード領域が大きくなるにつれて、ビーム品質は回折限界のままではなくなりますが、たとえば、同様の出力強度で動作するロッド レーザーの場合、得られるビーム品質は依然として非常に良好です。

非常に高出力のポンプ光を注入する方法には、いくつかのオプションがあります。最も簡単な方法は、ファイバ ポートでクラッドを直接ポンピングすることです。この方法では、特別なファイバー コンポーネントは必要ありませんが、高出力のポンプ光は空気中、特にほこりや位置ずれに非常に敏感な空気とガラスの境界面を伝播する必要があります。多くの場合、ポンプ光が常にファイバ内を伝送されるように、ファイバ結合ポンプ ダイオードを使用することが望ましいです。もう 1 つのオプションは、ポンプ光をパッシブ ファイバー (非ドープ) に供給し、パッシブ ファイバーをドープ ファイバーに巻き付けて、ポンプ光がドープ ファイバーに徐々に伝達されるようにすることです。特殊なポンプ結合デバイスを使用して、いくつかのポンプ ファイバーとドープされた信号ファイバーを融合する方法がいくつかあります。ポンプ光を注入できるように、サイド ポンプ ファイバー コイル (ファイバー ディスク レーザー)、またはポンプ クラッドの溝に基づく他の方法があります。後者の手法では、ポンプ光の多点注入が可能になるため、熱負荷がより適切に分散されます。

図 2: ポンプ光が自由空間を介してファイバー ポートに入る高出力ダブル クラッド ファイバー増幅器のセットアップの図。ガス ガラス インターフェースは、厳密に位置合わせしてきれいにする必要があります。
ポンプ光を注入するすべての方法の比較は、転送効率、輝度損失、処理の容易さ、柔軟な操作、後方反射の可能性、ファイバ コアからポンプ光源への光漏れなど、多くの側面が関係しているため複雑です。偏光などの
最近の高出力光ファイバー デバイスの開発は非常に急速に進んでいますが、さらなる開発を妨げるいくつかの制限がまだあります。
ハイパワー光ファイバーデバイスの光強度は大幅に改善されます。通常、物質的な損傷のしきい値に到達できるようになりました。そのため、モードエリア(ラージモードエリアファイバー)を大きくする必要がありますが、高いビーム品質が必要な場合、この方法には限界があります。
単位長さあたりの電力損失は 100W/m のオーダーに達しており、ファイバ内での熱影響が大きくなっています。水冷を使用すると、パワーが大幅に向上します。ドーピング濃度が低い長いファイバーは冷却が容易ですが、これにより非線形効果が増加します。
厳密にはシングルモード ファイバーではない場合、出力パワーが特定のしきい値 (通常は数百ワット) を超えると、モードが不安定になります。モードが不安定になると、ビーム品質が急激に低下します。これは、ファイバー内の熱グレーティング (空間で急速に振動する) の影響です。
ファイバーの非線形性は、多くの側面に影響を与えます。 CW セットアップでも、ラマン ゲインは非常に高く (デシベル単位でも)、パワーのかなりの部分が長波長のストークス波に転送され、増幅できません。単一周波数動作は、誘導ブリルアン散乱によって大幅に制限されます。もちろん、この影響をある程度相殺できる測定方法もあります。モード同期レーザーで生成される超短パルス、自己位相変調は、それらに強いスペクトル拡張効果をもたらします。さらに、非線形偏光回転を注入することには別の問題があります。
上記の制限により、高出力光ファイバー デバイスは一般に、厳密にはスケーラブルな出力デバイスとは見なされず、少なくとも達成可能な出力範囲外ではありません。 (以前の改善は、単一出力スケーリングでは達成されませんでしたが、改善されたファイバー設計とポンプ ダイオードによって達成されました。) これは、ファイバー レーザー技術を薄型ディスク レーザーと比較する際に重要な結果をもたらします。これについては、エントリ レーザー パワー キャリブレーションで詳しく説明しています。
実際の出力スケーリングがなくても、高出力レーザーのセットアップを改善するために多くの作業を行うことができます。一方では、通常はフォトニック結晶ファイバを使用して実現される大きなファイバ モード領域やシングル モード ガイドを使用するなど、ファイバ設計を改善する必要があります。特殊なポンプ カプラー、さまざまなモード サイズのファイバーを接続するためのファイバー テーパー、特殊なファイバー冷却装置など、多くのファイバー コンポーネントは非常に重要です。特定のファイバーの出力限界に達すると、複合ビームが別の選択肢となり、この技術を実装するための適切なファイバー設定が存在します。超短パルス増幅器システムの場合、スペクトルの広がりやその後のパルス圧縮など、光ファイバーの非線形効果を軽減したり、部分的に活用したりするための多くのアプローチがあります。
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