ファイバベースのレーザコンバイナ
全ファイバのコンバイナ装置がハイパワーのレーザ入力のような数多くのハイパワー入力を結合するために述べられる。装置は光信号の効果的なサイズ低減に備えるファイバから作られる第一の先細ファイバ部分を含む。第一の先細ファイバ部分のパワーはそれから結合されたパワービームの送り出しのためのマルチモードパワーファイバに結合されてよい。あるいは、第一の先細部分は第二のマルチモード先細部分に結合されることが出来、それはさらに最終のパワーファイバに接合し、主ファイバにクラッドを付け加えるためにコアのサイズ低減を提供する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、２００９年４月１４日に出願の仮出願番号第６１／１６８，９５２号の利益を主張する。
【０００２】
本発明の実施例は、一般にレーザコンバイナに関し、より詳しくは、レーザ、あるいは増幅器など多数の独立した光源からの光レーザパワーを結合する全ファイバ装置に関する。
【背景技術】
【０００３】
ハイパワーの工業用レーザを含む用途において、ファイバベースのシステムはますます魅力的である。一般に１０６０ｎｍ波長帯で発光するイッテルビウムをドープした利得ファイバで作られると、シングルモードビーム性質のファイバレーザは２００から数ｋＷの範囲のパワーに限定される。金属の切断、および溶接のような特定の用途に対しては、数ｋＷの範囲より高いレベルが必要とされる。現在、このハイパワーはいくつかの上述したレーザファイバからのパワーを単一のファイバに結合することによって得られ、それは独立の光源から導かれるインコヒーレンス性によって必然的にマルチモード特性を示す。しかし、この技術は１−１０ｋＷのパワーを０．２２ＮＡまたは、それ以下の開口数を有するコア径が５０−１００μｍのファイバに結合することに成功している。多くの材料処理の立場においては、マルチモードビームはより均一な空間強度特性を持つことができるので、シングルモードよりもマルチモードである方がビームとして望ましい。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ビームの結合を行うために、現在の技術はファイバへの入力を平行にするためのバルクの光学レンズ、および数多くのビームを共通のファイバコアに方向付けするための回転鏡に頼っている。予想されるように、被覆されたガラス構成要素を使おうとし、かつハイパワーの機械的なシステムを動かすときに問題が生じる。これらの細かいことが極めて高いコスト、および保守上の問題を生じ得る。
【０００５】
全ファイバ方式は内部に可動部分を持たない密閉されたユニット型の装置であり、調節、あるいは整列を必要としないので、これらの問題を軽減する。多数のファイバは一緒に束ね、大きな、マルチモードコアを有するパワーファイバに結合できるが、一般に束にしたコアの詰込密度は非常に低い。例えば、一般的なシングルモードファイバにおいて、コアは全ファイバ断面の１％よりも少ない。そのようなファイバを束ねることは、共通の出力ファイバに結合されると、結果として光源の輝度の極端な低下をもたらすであろう。ファイバ束を先細にすることはコア間の分離を低減し、詰込密度を増加させるであろうが、個々のコアの光パワーがコアから漏れ出す、あるいは隣接するコアの中に結合し始める前に使われてもよい先細の程度に制約がある。これが生じる前に約３だけの先細率が可能であり、先細部を経る輝度の僅かな改善だけを可能にする。ぎっしり詰まった空間、あるいは高密度の数多くのコアを備えることが可能な全ファイバ方式に対する技術の必要性がある。高詰込密度は希薄なコア配置では不可能な更なる用途を可能にする。
【０００６】
多数の独立したビームを結合することに加えて、単一のビームを多数のビームに分けることにより利する用途がある。これはハイパワーの固体レーザのような共通光源が多数の終端点で使われることを可能にする。そのような装置の一つの用途は癌の処置における医学的な治療のためなど、共通の光源を用いて多数の方向から一つの領域を照らすことである。再び、そのような状況においては、装置の先細の端部において単一のマルチモードコアから出来るだけ多くの光エネルギーを獲得するために、束の中の個々のコアは可能な限りぎっしり詰まった詰込密度を有するべきである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
従来技術によるコンバイナのいくつかの障害の少なくとも一部を克服する全ファイバレーザコンバイナが開発されている。ひとつの実施例において、二つの部分からなるコンバイナが採用されている。第一の先細の部分は入力ファイバ、好ましくはいっしょに束にされたシングル、あるいは少数モード ファイバの「束」からなる。別の実施例において、第一の部分の束はあらかじめ共に結合、あるいは溶着された一群のコアである。この実施例の他の観点は第一の先細部分に多数のコアを有するファイバを用いることを含む。この入力束は、第一の端部において複数のレーザ、あるいは結合されるべき光パワーを生成する他の光源に結合される。多数コアの適切な設計において、少なくとも３の先細率、好ましくは少なくとも１０の比率を達成することが可能でありながら、第一の先細部分の長さ方向に沿う低いＮＡを保持し、さらにモードとコアを取り巻くいずれのクラッドの外側境界との間の相互作用を阻止することと同様に、分離したコアのモード間の相互作用を阻止する。次いで、第一の先細部分の先細端は出力ファイバ、あるいはその代わりに増幅器、あるいは凝集されたハイパワー光に使われる何か他の要素と結合するであろう。
【０００８】
この実施例の他の観点は第一の部分の先細端を、同じく先細であってよく、伝播するビームの更なるサイズ低減を提供するためのマルチモードファイバ、あるいはコアの束からなる第二の束部分に結合することを含む。次いで、この第二の先細束のパワー端は出力ファイバに結合する。
【０００９】
本発明の更なる観点は、上に述べられた装置は第一の部分、あるいは第二の部分の単一の先細端に投射される光源により反対に動作させられるということである。この場合、光パワーは先細になっていない端部で多数の個々のコアの中に分割される。
【００１０】
さらに本発明の他の観点は多モードパワーよりも単一のスーパーモード出力を生成するためにコンバイナの高い光密度を利用する。その場合、入力モードが適当な位相関係を有するならば、それらは基底モードに変換できるパワー波長のシングルモードを形成、あるいは励起するように積極的に結合できる。
【００１１】
図面の助けによって発明がより容易に理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施例による全ファイバレーザコンバイナを描いている。
【図２】入力光ファイバの実用的な範囲を示すモードフィールド直径対コア直径のプロットである。
【図３】レーザコンバイナに好適に使われる台座型光ファイバのプロットであって、先細にする前後の屈折率プロファイル、および対応するモードフィールドを示す。
【図４】レーザコンバイナに好適に使われる台座型光ファイバのプロットであって、先細にする前後の屈折率プロファイル、および対応するモードフィールドを示す。
【図５】一般的なステップインデックス光ファイバ全体の中で台座型光ファイバの利点を示すモードフィールド直径対先細率のプロットである。
【図６】壁の厚み、および光ファイバの直径を先細率と関係付けるプロットである。
【図７】直径と発散との積を最小にする好ましい先細率を示すプロットである。
【図８】第２の先細部分がオーバークラッド管を用いて作られている実施例の図解である。
【図９】第１、および第２の先細段が単一の先細部を用いて結合されている実施例を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図１を参照すると、レーザ配列が１０で示される。ここに示される説明において、例として、７つのレーザが示され、レーザコンバイナはこれらの７つのレーザからの出力を単一のハイパワー光源に結合するように設計される。しかし、この実施例はこの発明の範囲の一実施例であるので、結合されるレーザ源の数は幅広く変わってよい。本発明によるレーザコンバイナは少なくとも２つの先細ファイバを用いて少なくとも２つのレーザ出力を結合するであろう。より好ましくは、光源、あるいはファイバの数は５−３０の間である。本発明のひとつの目的はハイパワー源を生成することであるので、レーザ１０は一般的にはハイパワーレーザである。全ファイバ方式において、レーザ１０は希土類をドープされた光利得ファイバ、例えば、イッテルビウムをドープされた利得ファイバであり得る。しかし、レーザ源のどのような適切な配列が使われてもよい。再び図１を参照すると、レーザ１０は送り出しファイバ１２の配列１１に結合されて模式的に示される。配列１１のそれぞれのファイバ１２はコア１３、およびクラッド１４を有する。それらは独立した光ファイバのピッグテール、あるいは図示されるように束にされた光ファイバの配列であってよい。別の実施例において、配列１１は単一のマルチコア光ファイバであり得る。配列１１の出力端はレーザの出力をコンバイナの入力第一段１５に結合する。配列１１は、レーザ配列のどのような適切な形態が本発明の光ファイバコンバイナを用いて結合されてよいという特徴を表すために、図１において分離した要素として示される。その代わりに、光源は光を導波路に結合できるどのような光源であってもよい。
【００１４】
レーザコンバイナの第一段１５は先細部分を含む。一次基底モードの光を伝送する光ファイバの配列は図示されるように束１５ａのように配される。ファイバはシングルモード、あるいは少数モードであってよい。その代わりに、ファイバの束は導波路の配列を包む単一のガラス基材で置き換えられてもよい。束１５ａ中のこれらの光ファイバのコアのそれぞれは配列１１のそれぞれのコアと一直線に並ぶ。したがって、図１において、束１５ａは７つの送り出しファイバ１２と関連するように７つのシングルモード、あるいは少数モードファイバからなる。光ファイバ１５ａは７つのファイバの束のために好都合な構成である、六角形の稠密構成に配置されて示される。しかし、どのような好適な束構成が使われてもよい。１５ｂで示されるように、入力ファイバの束１５ａは先細に線引きされる。これが束全体としての外径が著しく低減された部分１５ｃとなる。ここに述べられるように、適切なコア設計によって少なくとも３、好ましくは１０より大きい先細率を達成することが、低いＮＡを保持しながら第一の先細段１５の長さ方向に沿うコア内に光が導かれ続けることを可能にする。いかに述べられるように束１５ａに台座型ファイバを用いることが一般的なステップインデックスファイバに対して好ましい。光ファイバが先細にされるとき、クラッドの直径のコアの直径に対する比率はほぼ一定に保持される。第一の先細段１５において、先細１５を通過する光パワーは光モード間での相互結合がない７つの分離されたモードの包絡線として伝播する。さらに、光モードとクラッド境界の外側境界との間の相互作用は無視されるべきである。個々のコア内を伝播するモード間の分離を保持することは、不要なモードの相互作用を避ける。このことは個々の光ファイバのコアが実質的に低減される点、しかし個々のコアのモードが顕著な相互作用を生じる程度まで重畳する点より前まで束を先細にすることによって達成される。したがって、第一の先細段１５のパワー部で個々の光ファイバ１５ａのコアは分離され、互いに離れたままであり続ける。
【００１５】
第一の先細部分１５の出力はマルチモードファイバに直接結合され、レーザコンバイナ単体として使用可能な高輝度源を形成し得る、その場合において「高輝度」は個々のコア中を伝播するモードが低いＮＡを有し、コア間の物理的な空間が小さいということを表す。あるいはまた、図１に示されるように、第二の先細ファイバ部分がさらなるサイズ低減をもたらすように付加されることができる。
【００１６】
第一の先細部分１５は、それ自体、単独で有用なあるレベルの光ビームの集中を達成する。加工物の表面へのそのようなビームの送り出しは、例えば、切断、溶接およびマーキングに使用できる。高いビーム集中はマルチモードのパワーよりも単一のスーパーモードパワーの生成も可能にする。その場合、入力モードが適当な位相関係を有するならば、入力のいくつか、あるいはすべてが先細部分、あるいは先細部分に結合された導波路中のいずれかで基底モードに変換できるパワー導波路のシングルモードを形成、あるいは励起するように建設的に結合できる。これは出力ビームの特性を監視し、元となるレーザの位相を積極的に制御することにより達成される。他の実施例において、第一の先細部分は更なる機能性を備えるために他の手段との組み合わせで、例えば図１に示されるように第二の先細部分と組み合わされて使われる。第一の先細部分１５の出力１５ｃはマルチモードファイバ１６に結合され、それは引き続いて第二の先細部分１８の入力ファイバ１８ａに結合される。マルチモードファイバ１６は多数のコア１５ｃからの出力を取り込むために十分な大モード面積ファイバであり得る。
【００１７】
第二の先細部分１８は束１５ａに類似する構成で配置されて示される第二のファイバ束１８ｂを含む。ファイバ１８ｂは光を導くコアを有してもよいが、好ましくは含まなくてよい。図示されるように、ファイバ１８ｂは中心部の光ファイバ１８ａの周りに配され、それは光を導くコアを有するマルチモード光ファイバである。第一の先細部分１５からの出力は先に述べられた結合ファイバ１６を通って光ファイバ１８ａのコア内に導かれる。
【００１８】
マルチモードコア１７はレーザ配列、あるいは他の光源からの出力のすべてを本質的に含むということは明らかである。マルチモードコア１７の光エネルギーが小さなマルチモードコア１８ｅに閉じ込められるように、マルチモードコア１７はマルチモード先細１８ｃのサイズが著しく低減される。次いで、マルチモードファイバ１８ａが出力部１８ｄの最終直径まで線引きされるとき、クラッドの量はもはや送り出し光ファイバ１９に接合するために十分でないかもしれない。したがって、マルチモード先細部分１８の重要な機能は低減されたマルチモードコアの外側にクラッドを付け加えることである。先細部が線引きされ、ファイバのサイズが縮小されるにつれてクラッドが付け加えられる。こうしてマルチモード先細部分１８で、マルチモード先細部１８ｃの端部における比率がマルチモード先細部１８ｃの始まり部における比率よりも本質的に大きくなるようにクラッド直径のコア直径に対する比率が増加する。
【００１９】
ファイバ束１８ｂに加えられたガラス材料、つまりクラッドを加えるための機能を認識し、束１８ｂの光ファイバは必ずしもコアを有する必要はないということが今や明らかである。それは、束１８ｂのファイバは単純なドープされないシリカファイバであってよいということである。それらは所望するのであれば、より効果的なクラッドを生成するためにダウンドープ（例えば、フッ素ドープ）されてもよい。そのような追加のクラッドはいくつかの他の方法でもたらされてもよい。それらのひとつはオーバークラッド管を用いることであって、この場合のオーバークラッドガラス管は小さく、毛細管に似ているということを除いて光ファイバプリフォームを作るために使われる方式に似ている。この方式は以下により詳細に述べられるであろう。したがって、図１の束１８ｂはどのような形態が選択されるにせよ、追加されたガラスを表すということが理解されるべきである。追加されるガラスは「追加クラッド」と言われてよい。それは出力ファイバ１５ｃの端部を出力ファイバ１８ｄの端部と、あるいはファイバ１６の端部をファイバ１９の端部と比較するときにコア直径に対するクラッド直径の比率の顕著な増加によって確認が可能である。増加は、例えば、１０％より大きくてよく、かつ光ファイバを線引きする時、通常の場合クラッド対コアの比率は増加しないので容易に確認される。特定の実施例において、増加は３００％より大きい可能性が高い。
【００２０】
図１に示されるビームコンバイナのいくつかの特徴をまとめると、それらは以下のいずれかの組み合わせを含むことが好ましい。
（１）入力ファイバのモードサイズはシングル、あるいは少数モード動作、および高出力のために大面積の両方を備えるように選択される；
（２）第一の先細部分に使われるコア導波路は、大きな先細係数を可能にしながらコア内にモードの閉じ込めを保持する設計、例えば台座設計である；かつ、
（３）第一の先細部分のファイバの先細ファイバのクラッドサイズは、光エネルギーが第一の先細部分全体にわたってコアの導波路内に分離して保持されたままでいることを確実にするように選択される。
【００２１】
入力ファイバのモードサイズはシングル、あるいは少数モード動作、およびハイパワーのために大面積の両方を備えるように選択される。１０００＋／−２００ｎｍ形態の波長に対して、８から２０マイクロメータの範囲がこれを達成するために推奨される。図２は、１０６０ｎｍで動作し、開口数（ＮＡ）が０．０８である一般的なステップインデックスファイバについてミクロンで表したモードフィールド直径対マイクロメータで表したコア直径のプロットである。大面積でシングル、あるいは少モード動作に対して約１０ミクロンのコアサイズが一般的に使われる。図２のカーブを参照すると、これは約１１ミクロンで最適モードサイズを設定する。
【００２２】
第一弾の先細ファイバのコアは伝播する光が第一段の先細部分全体にわたって導かれ、かつ低次モードに限られたままにあるように設計されることが好ましい。結局、好ましいコアの設計はもっとも大きな先細度に対してさえもほぼ一定のモードフィールド直径を確実にするであろう。ステップインデックスコアのファイバなど、他のファイバが使えるが台座型の屈折率プロファイルの光ファイバがこの目的のために好ましい。例えば、少なくとも５倍のコア直径の台座直径、コア直径は先細率６が好ましい。図３、および４は屈折率プロファイル、および先細前（図３）、および後（図４）の台座型ファイバについて対応する基底モードフィールド（曲線）を示す。モードフィールドは著しく先細にした後でさえも光ファイバコア内にかなり良好に含まれる。図３と４の間に示される先細率は５の水準である。先に述べられたように、少なくとも３の先細率がコンバイナの高いエネルギー密度を生成するために求められる。
【００２３】
台座型光ファイバは、一般に、棚状の部分を含む屈折率プロファイルを有するコアを有するとして述べられてよい。コアおよび棚はアルファプロファイル、あるいはステッププロファイルの中に作られてよい。後者の場合、図３に示されるように、全体としての屈折率プロファイルは二つのステップを有する。
【００２４】
図５はモードフィールド直径を示し、先細率の関数として標準のステップインデックスファイバ（曲線５１）と台座型ファイバ（曲線５２）を比較する。ステップインデックスファイバが先細率２．５（係数０．４）にわたって比較的限定されたモードフィールドを保持するのに対して、台座型ファイバは先細率約１０（係数０．１）にわたって比較的限定されたモードフィールドを保持する。（先細率は（１／先細係数））。しかし、良好に設計された台座型ファイバを伝播する基底モードについてであっても、ファイバが先細になるにつれ、それぞれのファイバのモードサイズ（モードフィールド直径ＭＦＤ）は著しく大きくなり、束内の隣接するコア中を伝播するモードに融合し、かつ／あるいはその間にある結合したファイバの境界と相互作用するように結合するかもしれない。それを避けるために、先細ファイバの最初のクラッドサイズは先細の長さ全体にわたってモードの分離を提供するために十分に大きいように設計されてよい。それは隣接するファイバのモードを相互作用から防止するだけでなく、それは融合した境界における外的影響による導波路中の光の減衰を防止するであろう。こうして第一段の端部における先細状態のバッファされたクラッドの厚さに注目されるべきである。しかし、分離のために必要とされる以上の過剰なクラッドは、それがコアの間の間隔を増加させ、コンバイナのエネルギー密度を低減させ、目的の反対になるので、避けられるべきである。
【００２５】
図６はこれらの影響を例示する。曲線６１は壁の厚み（コア間の分離）を増やすことが多数のファイバのモードフィールドを分離するために必要である様子を示す。つまり、「分離のための壁の厚み」は先細にした後の入力ファイバ（例えば、図１に示される束１５ａのファイバ）のひとつのクラッドの半径である、ということである。結局、先細にした後の必要な壁の厚みが最初のファイバのサイズを決定する。これが曲線６２に示される。上述の実施例における多数のファイバの束の最大の先細について、光ファイバは約２００マイクロメータの初期直径を有するべきであるということを見ることができる。壁の厚みは８マイクロメータよりも大きくあるべきである。先細それ自体は低い開口数を生じるように設計されるべきであり、しばしば単位がｍｍ−ｍｒａｄのビームパラメータの積、あるいはＢＰＰとして捕らえられる。先細処理はことによるとコアからの光の漏れにつながり、この光が束にされたファイバ群のより大きな直径を満たすであろうから、集結される光を搬送する先細ファイバだけで第一段の先細を形成することが好ましく、つまり、加えられた非本質的なガラスは集結器に不必要で、かつ望ましくない断面積を加えるということである。
【００２６】
別の関心事は、大きな先細はシングルモードコアを出る光の小さなＮＡをもたらすであろうが、光を捉えるためにより大きな直径が出力ファイバに必要とされるであろうということである。図７に示されるように、直径と発散の積を最小にする最適な先細係数があるであろう。
【００２７】
シングル、あるいは少数モード先細部分に関して、シングル、あるいは少数モード先細の束のサイズ、および低減係数は好ましくは低いビームパラメータ積（ＢＰＰ）を保持するように選択される。
【００２８】
マルチモード先細部分はさらにコアサイズを低減しながら、著しくＢＰＰを変化させることなく、接合のためのガラス領域を加えるように設計される。熱管理の責任を負うために、好ましくはファイバ被覆、および容器は熱を低減するように設計される。
【００２９】
さらに、コンバイナの中に反射されて戻る、例えば照射された工作物の表面からの反射による大きなパワーの影響を最小にするために、後方へのパワーの処理が長さ、分布の特徴、および外側のファイバ束を設計することにより説明されてよい。ある場合には、装置をそのような逆の方法で動作させることが望ましく、その場合、単一の光源が装置の先細の、あるいはマルチモード端の中に光を投射するために使われ、そのような光は配列１１の個々のコアの中にほぼ一様に分配される。
【００３０】
光のパワーをあるレベルに厳密に保持することが要求される用途においては、レーザコンバイナは使える光源のすべてより少ないもので動作させられ、少なくともひとつの光源が予備として残されてよい。レーザ源の故障のとき、予備の光源が作動させられる。この急場の手段は、所望のパワーレベルが中断されることなく本質的に保持されるように容易に自動化される。
【００３１】
ここにシングル、および少数モードファイバ、およびマルチモードファイバが参照される。一般的に、シングルモード、および少数モードファイバは２０マイクロメータよりも小さいコアを有し、マルチモードファイバは５０マイクロメータよりも大きなコア直径を有するであろう。例外があってよい。光ファイバがシングル、あるいは少数モード、あるいはマルチモードであるかどうかは当業者により容易に確認される。定義の目的のために、用語「少数モード光ファイバ」は、本発明の文脈中で使われるとき、シングルモードを伝播する光ファイバを含む。シングルモードファイバは一般に基底モードで伝播する光エネルギーの５０％以上、および一般的には９０％以上を伝播する。
【００３２】
ここで光ファイバのクラッドになされる言及は、一般的な意味でのクラッド、つまり、光ファイバの案内領域の周囲に複合的に形成されるガラス材料を意味するように意図される。コアに導かれる光ファイバのコアに言及がなされるとき、その用語は一般に光エネルギーの９０％、あるいはそれ以上が閉じ込められる領域を意味するとして解釈される。
【００３３】
ここでクラッド／コア比になされる言及はクラッドの半径あるいは直径それぞれのコアの半径、あるいは直径に対する比を意味する。第一のクラッド／コア比を有する３、あるいはそれ以上の光ファイバのグループが先細にされ、かつ更なるクラッドがここに述べられる実施例のいずれかを用いて加えられるとき、先細部以降の光ファイバのクラッド／コア比は一般に第一のクラッド・コア比よりも大きいであろう。
【００３４】
上に述べられたように、本発明のレーザコンバイナは非常に強いハイパワー光源を生成するためにハイパワーレーザ源とともに使うことを主として意図されている。この種の製品において、出力光パワー密度は１００マイクロメータより小さいファイバ内で１００ＫＷ以上に適応するべく期待されている。
【００３５】
本発明は二つの光ファイバ先細部分を有して上述の実施例に図解されている。第二の光ファイバ先細部分は追加のクラッドとコア直径の低減を備える役を果たす。両方の部分の機能は単一の先細部分、あるいはひとつ以上の先細部分で達成されてよい。
【００３６】
まさに述べられたレーザコンバイナ組立体を製造するためにいろいろな方法が工夫されている。一般に、先細部分は別々の操作によって形成され、次いで適当な順序でシングル、あるいはモード数の少ないファイバの先細部分はレーザに結合され、マルチモードファイバの先細部分はシングルモードファイバの先細部分に結合される。
【００３７】
第一の先細部分を線引きすることにより得られるものの周囲に追加のガラスを備えるものとしての第二の光ファイバ束の機能に再び言及して、その目的に到達するための好ましい他の形態が図８に図解され、その場合に要素８４、および８５は図１の第一の先細部分の端部１５ｃに、あるいは図１のマルチモード結合部分１６に対応する。製造の容易さのために後者の選択がより好ましく見え、図８の説明に対する要素８４、８５として想定されよう。マルチモード光ファイバ８４は図１のファイバ束１８ｂに対応するクラッド管８３の中に挿入される。その組み合わせが第二の先細部分と合わせて先に延べられたように先細に線引きされる。ガラス管８３は加えられるべきクラッドの量に依存する適当な寸法を有してよい。クラッド、管８３は導波路を作るために使われるガラス管であってよい。共通の方法はフッ素でドープすること、ひとつ以上の気泡の輪を使うこと、あるいは空隙を含むガラスを含む。それは多数回ドープされた層、例えば、フッ素をドープした内側の層、およびシリカの外側層を有してよい。ここに実施例が述べられたが、本発明はシリカに限定されず、リン酸塩、カルコゲン化物、および類似のものなど他の種類のガラスを包含する。
【００３８】
他の実施例が図９に図解され、上に述べられた二つの先細の第二のファイバの機能が単一の先細を用いて実現される。図９において、光ファイバ９１は図１の光ファイバ１３に対応する。ガラスのオーバークラッド管は図１のファイバ束１８ｂに、あるいは図８のクラッド管８３に対応する。これらの要素の組み合わせが先細９３ａ、直径が低減された出力端９４、および結合されている七つの光ファイバコアに共通するコアであるコア９５を生成するために単一の先細操作により線引きされる。
【００３９】
あるいはまた、クラッド管８３により表される追加のクラッドは図１とともに記述される方法、つまり光ファイバ束１８ｂにより提供されてよい。どちらの場合においても、追加のクラッドは複数のモード数の少ない光ファイバを、クラッド管の形態、あるいは光ファイバの束の形態の中のいずれか、追加のクラッド材に包み込むことによって提供される。これらの組み合わせが使われてもよい。
【００４０】
ビームコンバイナを用いる用途は切断、溶接、およびマーキング用途のためのハイパワーレーザを形成することを含み、レーザ、あるいは増幅器を動作させるためのポンプパワーを提供し、個々の入力の位相は干渉性に結合されるパワービームを生成するように制御されるか、あるいは入力が多数の波長であろう。さらに、装置は長距離電気通信システムに適用されてよく、光源が信号源であり、多数の信号が短距離の伝送、例えばマイクロプロセッサチップ、あるいは電子基板の間、あるいは所内間配線、あるいは広帯域ファイバネットワークの一部のような長距離にわたる相互接続のために単一のマルチモードファイバに多重化される。
【００４１】
パワー分割器としての装置使用の用途は医療用用途を含み、共通の光源からの光が多くの方向から特定の部分を照らすために多数のファイバに送り出される。遠距離電気通信用途においては、結合された信号が分割され、多くの行き先、あるいは検知器に送り出される。さらに他の用途において、単一の共通光エネルギー源が分割され、光エネルギーが電気エネルギーに変換される多くの行き先に送り出されるために、パワー分割器の個々の線は光電池に結合される。
【００４２】
本発明のいろいろな追加的修正が当業者にあり得よう。技術が進歩させられる本理論、およびそれらに等しいものに基本的によってたつこの明細書の具体的な教えから逸脱するもののすべては記述され、かつ請求されるように本発明の範囲内であると適切に考えられるべきである。
【符号の説明】
【００４３】
１０ レーザの配列
１１ ファイバの配列
１２ ファイバ
１３、９５ コア
１４ クラッド
１５ レーザコンバイナの第一段目
１５ａ 入力ファイバの束
１５ｂ、９３ａ 先細部
１５ｃ 外径が著しく細くなった部分
１６、８４ マルチモードファイバ
１７ マルチモードコア
１８ 第二の先細部分
１８ａ 入力ファイバ
１８ｂ 第二のファイバ束
１８ｃ マルチモード先細部
１８ｄ 出力ファイバの端部
１９ ファイバの端部
５１ 標準のステップインデックスファイバのＭＦＤ曲線
５２ 台座形ファイバのＭＦＤ曲線
６１ ＭＦＤを分離するために必要なコア間の壁の厚み
６２ 先細にした後の必要な壁の厚み
８３、９３ クラッド管
９１ 光ファイバ
９４ 外径が低減された出力端
【技術分野】
【０００１】
本出願は、２００９年４月１４日に出願の仮出願番号第６１／１６８，９５２号の利益を主張する。
【０００２】
本発明の実施例は、一般にレーザコンバイナに関し、より詳しくは、レーザ、あるいは増幅器など多数の独立した光源からの光レーザパワーを結合する全ファイバ装置に関する。
【背景技術】
【０００３】
ハイパワーの工業用レーザを含む用途において、ファイバベースのシステムはますます魅力的である。一般に１０６０ｎｍ波長帯で発光するイッテルビウムをドープした利得ファイバで作られると、シングルモードビーム性質のファイバレーザは２００から数ｋＷの範囲のパワーに限定される。金属の切断、および溶接のような特定の用途に対しては、数ｋＷの範囲より高いレベルが必要とされる。現在、このハイパワーはいくつかの上述したレーザファイバからのパワーを単一のファイバに結合することによって得られ、それは独立の光源から導かれるインコヒーレンス性によって必然的にマルチモード特性を示す。しかし、この技術は１−１０ｋＷのパワーを０．２２ＮＡまたは、それ以下の開口数を有するコア径が５０−１００μｍのファイバに結合することに成功している。多くの材料処理の立場においては、マルチモードビームはより均一な空間強度特性を持つことができるので、シングルモードよりもマルチモードである方がビームとして望ましい。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ビームの結合を行うために、現在の技術はファイバへの入力を平行にするためのバルクの光学レンズ、および数多くのビームを共通のファイバコアに方向付けするための回転鏡に頼っている。予想されるように、被覆されたガラス構成要素を使おうとし、かつハイパワーの機械的なシステムを動かすときに問題が生じる。これらの細かいことが極めて高いコスト、および保守上の問題を生じ得る。
【０００５】
全ファイバ方式は内部に可動部分を持たない密閉されたユニット型の装置であり、調節、あるいは整列を必要としないので、これらの問題を軽減する。多数のファイバは一緒に束ね、大きな、マルチモードコアを有するパワーファイバに結合できるが、一般に束にしたコアの詰込密度は非常に低い。例えば、一般的なシングルモードファイバにおいて、コアは全ファイバ断面の１％よりも少ない。そのようなファイバを束ねることは、共通の出力ファイバに結合されると、結果として光源の輝度の極端な低下をもたらすであろう。ファイバ束を先細にすることはコア間の分離を低減し、詰込密度を増加させるであろうが、個々のコアの光パワーがコアから漏れ出す、あるいは隣接するコアの中に結合し始める前に使われてもよい先細の程度に制約がある。これが生じる前に約３だけの先細率が可能であり、先細部を経る輝度の僅かな改善だけを可能にする。ぎっしり詰まった空間、あるいは高密度の数多くのコアを備えることが可能な全ファイバ方式に対する技術の必要性がある。高詰込密度は希薄なコア配置では不可能な更なる用途を可能にする。
【０００６】
多数の独立したビームを結合することに加えて、単一のビームを多数のビームに分けることにより利する用途がある。これはハイパワーの固体レーザのような共通光源が多数の終端点で使われることを可能にする。そのような装置の一つの用途は癌の処置における医学的な治療のためなど、共通の光源を用いて多数の方向から一つの領域を照らすことである。再び、そのような状況においては、装置の先細の端部において単一のマルチモードコアから出来るだけ多くの光エネルギーを獲得するために、束の中の個々のコアは可能な限りぎっしり詰まった詰込密度を有するべきである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
従来技術によるコンバイナのいくつかの障害の少なくとも一部を克服する全ファイバレーザコンバイナが開発されている。ひとつの実施例において、二つの部分からなるコンバイナが採用されている。第一の先細の部分は入力ファイバ、好ましくはいっしょに束にされたシングル、あるいは少数モード ファイバの「束」からなる。別の実施例において、第一の部分の束はあらかじめ共に結合、あるいは溶着された一群のコアである。この実施例の他の観点は第一の先細部分に多数のコアを有するファイバを用いることを含む。この入力束は、第一の端部において複数のレーザ、あるいは結合されるべき光パワーを生成する他の光源に結合される。多数コアの適切な設計において、少なくとも３の先細率、好ましくは少なくとも１０の比率を達成することが可能でありながら、第一の先細部分の長さ方向に沿う低いＮＡを保持し、さらにモードとコアを取り巻くいずれのクラッドの外側境界との間の相互作用を阻止することと同様に、分離したコアのモード間の相互作用を阻止する。次いで、第一の先細部分の先細端は出力ファイバ、あるいはその代わりに増幅器、あるいは凝集されたハイパワー光に使われる何か他の要素と結合するであろう。
【０００８】
この実施例の他の観点は第一の部分の先細端を、同じく先細であってよく、伝播するビームの更なるサイズ低減を提供するためのマルチモードファイバ、あるいはコアの束からなる第二の束部分に結合することを含む。次いで、この第二の先細束のパワー端は出力ファイバに結合する。
【０００９】
本発明の更なる観点は、上に述べられた装置は第一の部分、あるいは第二の部分の単一の先細端に投射される光源により反対に動作させられるということである。この場合、光パワーは先細になっていない端部で多数の個々のコアの中に分割される。
【００１０】
さらに本発明の他の観点は多モードパワーよりも単一のスーパーモード出力を生成するためにコンバイナの高い光密度を利用する。その場合、入力モードが適当な位相関係を有するならば、それらは基底モードに変換できるパワー波長のシングルモードを形成、あるいは励起するように積極的に結合できる。
【００１１】
図面の助けによって発明がより容易に理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施例による全ファイバレーザコンバイナを描いている。
【図２】入力光ファイバの実用的な範囲を示すモードフィールド直径対コア直径のプロットである。
【図３】レーザコンバイナに好適に使われる台座型光ファイバのプロットであって、先細にする前後の屈折率プロファイル、および対応するモードフィールドを示す。
【図４】レーザコンバイナに好適に使われる台座型光ファイバのプロットであって、先細にする前後の屈折率プロファイル、および対応するモードフィールドを示す。
【図５】一般的なステップインデックス光ファイバ全体の中で台座型光ファイバの利点を示すモードフィールド直径対先細率のプロットである。
【図６】壁の厚み、および光ファイバの直径を先細率と関係付けるプロットである。
【図７】直径と発散との積を最小にする好ましい先細率を示すプロットである。
【図８】第２の先細部分がオーバークラッド管を用いて作られている実施例の図解である。
【図９】第１、および第２の先細段が単一の先細部を用いて結合されている実施例を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図１を参照すると、レーザ配列が１０で示される。ここに示される説明において、例として、７つのレーザが示され、レーザコンバイナはこれらの７つのレーザからの出力を単一のハイパワー光源に結合するように設計される。しかし、この実施例はこの発明の範囲の一実施例であるので、結合されるレーザ源の数は幅広く変わってよい。本発明によるレーザコンバイナは少なくとも２つの先細ファイバを用いて少なくとも２つのレーザ出力を結合するであろう。より好ましくは、光源、あるいはファイバの数は５−３０の間である。本発明のひとつの目的はハイパワー源を生成することであるので、レーザ１０は一般的にはハイパワーレーザである。全ファイバ方式において、レーザ１０は希土類をドープされた光利得ファイバ、例えば、イッテルビウムをドープされた利得ファイバであり得る。しかし、レーザ源のどのような適切な配列が使われてもよい。再び図１を参照すると、レーザ１０は送り出しファイバ１２の配列１１に結合されて模式的に示される。配列１１のそれぞれのファイバ１２はコア１３、およびクラッド１４を有する。それらは独立した光ファイバのピッグテール、あるいは図示されるように束にされた光ファイバの配列であってよい。別の実施例において、配列１１は単一のマルチコア光ファイバであり得る。配列１１の出力端はレーザの出力をコンバイナの入力第一段１５に結合する。配列１１は、レーザ配列のどのような適切な形態が本発明の光ファイバコンバイナを用いて結合されてよいという特徴を表すために、図１において分離した要素として示される。その代わりに、光源は光を導波路に結合できるどのような光源であってもよい。
【００１４】
レーザコンバイナの第一段１５は先細部分を含む。一次基底モードの光を伝送する光ファイバの配列は図示されるように束１５ａのように配される。ファイバはシングルモード、あるいは少数モードであってよい。その代わりに、ファイバの束は導波路の配列を包む単一のガラス基材で置き換えられてもよい。束１５ａ中のこれらの光ファイバのコアのそれぞれは配列１１のそれぞれのコアと一直線に並ぶ。したがって、図１において、束１５ａは７つの送り出しファイバ１２と関連するように７つのシングルモード、あるいは少数モードファイバからなる。光ファイバ１５ａは７つのファイバの束のために好都合な構成である、六角形の稠密構成に配置されて示される。しかし、どのような好適な束構成が使われてもよい。１５ｂで示されるように、入力ファイバの束１５ａは先細に線引きされる。これが束全体としての外径が著しく低減された部分１５ｃとなる。ここに述べられるように、適切なコア設計によって少なくとも３、好ましくは１０より大きい先細率を達成することが、低いＮＡを保持しながら第一の先細段１５の長さ方向に沿うコア内に光が導かれ続けることを可能にする。いかに述べられるように束１５ａに台座型ファイバを用いることが一般的なステップインデックスファイバに対して好ましい。光ファイバが先細にされるとき、クラッドの直径のコアの直径に対する比率はほぼ一定に保持される。第一の先細段１５において、先細１５を通過する光パワーは光モード間での相互結合がない７つの分離されたモードの包絡線として伝播する。さらに、光モードとクラッド境界の外側境界との間の相互作用は無視されるべきである。個々のコア内を伝播するモード間の分離を保持することは、不要なモードの相互作用を避ける。このことは個々の光ファイバのコアが実質的に低減される点、しかし個々のコアのモードが顕著な相互作用を生じる程度まで重畳する点より前まで束を先細にすることによって達成される。したがって、第一の先細段１５のパワー部で個々の光ファイバ１５ａのコアは分離され、互いに離れたままであり続ける。
【００１５】
第一の先細部分１５の出力はマルチモードファイバに直接結合され、レーザコンバイナ単体として使用可能な高輝度源を形成し得る、その場合において「高輝度」は個々のコア中を伝播するモードが低いＮＡを有し、コア間の物理的な空間が小さいということを表す。あるいはまた、図１に示されるように、第二の先細ファイバ部分がさらなるサイズ低減をもたらすように付加されることができる。
【００１６】
第一の先細部分１５は、それ自体、単独で有用なあるレベルの光ビームの集中を達成する。加工物の表面へのそのようなビームの送り出しは、例えば、切断、溶接およびマーキングに使用できる。高いビーム集中はマルチモードのパワーよりも単一のスーパーモードパワーの生成も可能にする。その場合、入力モードが適当な位相関係を有するならば、入力のいくつか、あるいはすべてが先細部分、あるいは先細部分に結合された導波路中のいずれかで基底モードに変換できるパワー導波路のシングルモードを形成、あるいは励起するように建設的に結合できる。これは出力ビームの特性を監視し、元となるレーザの位相を積極的に制御することにより達成される。他の実施例において、第一の先細部分は更なる機能性を備えるために他の手段との組み合わせで、例えば図１に示されるように第二の先細部分と組み合わされて使われる。第一の先細部分１５の出力１５ｃはマルチモードファイバ１６に結合され、それは引き続いて第二の先細部分１８の入力ファイバ１８ａに結合される。マルチモードファイバ１６は多数のコア１５ｃからの出力を取り込むために十分な大モード面積ファイバであり得る。
【００１７】
第二の先細部分１８は束１５ａに類似する構成で配置されて示される第二のファイバ束１８ｂを含む。ファイバ１８ｂは光を導くコアを有してもよいが、好ましくは含まなくてよい。図示されるように、ファイバ１８ｂは中心部の光ファイバ１８ａの周りに配され、それは光を導くコアを有するマルチモード光ファイバである。第一の先細部分１５からの出力は先に述べられた結合ファイバ１６を通って光ファイバ１８ａのコア内に導かれる。
【００１８】
マルチモードコア１７はレーザ配列、あるいは他の光源からの出力のすべてを本質的に含むということは明らかである。マルチモードコア１７の光エネルギーが小さなマルチモードコア１８ｅに閉じ込められるように、マルチモードコア１７はマルチモード先細１８ｃのサイズが著しく低減される。次いで、マルチモードファイバ１８ａが出力部１８ｄの最終直径まで線引きされるとき、クラッドの量はもはや送り出し光ファイバ１９に接合するために十分でないかもしれない。したがって、マルチモード先細部分１８の重要な機能は低減されたマルチモードコアの外側にクラッドを付け加えることである。先細部が線引きされ、ファイバのサイズが縮小されるにつれてクラッドが付け加えられる。こうしてマルチモード先細部分１８で、マルチモード先細部１８ｃの端部における比率がマルチモード先細部１８ｃの始まり部における比率よりも本質的に大きくなるようにクラッド直径のコア直径に対する比率が増加する。
【００１９】
ファイバ束１８ｂに加えられたガラス材料、つまりクラッドを加えるための機能を認識し、束１８ｂの光ファイバは必ずしもコアを有する必要はないということが今や明らかである。それは、束１８ｂのファイバは単純なドープされないシリカファイバであってよいということである。それらは所望するのであれば、より効果的なクラッドを生成するためにダウンドープ（例えば、フッ素ドープ）されてもよい。そのような追加のクラッドはいくつかの他の方法でもたらされてもよい。それらのひとつはオーバークラッド管を用いることであって、この場合のオーバークラッドガラス管は小さく、毛細管に似ているということを除いて光ファイバプリフォームを作るために使われる方式に似ている。この方式は以下により詳細に述べられるであろう。したがって、図１の束１８ｂはどのような形態が選択されるにせよ、追加されたガラスを表すということが理解されるべきである。追加されるガラスは「追加クラッド」と言われてよい。それは出力ファイバ１５ｃの端部を出力ファイバ１８ｄの端部と、あるいはファイバ１６の端部をファイバ１９の端部と比較するときにコア直径に対するクラッド直径の比率の顕著な増加によって確認が可能である。増加は、例えば、１０％より大きくてよく、かつ光ファイバを線引きする時、通常の場合クラッド対コアの比率は増加しないので容易に確認される。特定の実施例において、増加は３００％より大きい可能性が高い。
【００２０】
図１に示されるビームコンバイナのいくつかの特徴をまとめると、それらは以下のいずれかの組み合わせを含むことが好ましい。
（１）入力ファイバのモードサイズはシングル、あるいは少数モード動作、および高出力のために大面積の両方を備えるように選択される；
（２）第一の先細部分に使われるコア導波路は、大きな先細係数を可能にしながらコア内にモードの閉じ込めを保持する設計、例えば台座設計である；かつ、
（３）第一の先細部分のファイバの先細ファイバのクラッドサイズは、光エネルギーが第一の先細部分全体にわたってコアの導波路内に分離して保持されたままでいることを確実にするように選択される。
【００２１】
入力ファイバのモードサイズはシングル、あるいは少数モード動作、およびハイパワーのために大面積の両方を備えるように選択される。１０００＋／−２００ｎｍ形態の波長に対して、８から２０マイクロメータの範囲がこれを達成するために推奨される。図２は、１０６０ｎｍで動作し、開口数（ＮＡ）が０．０８である一般的なステップインデックスファイバについてミクロンで表したモードフィールド直径対マイクロメータで表したコア直径のプロットである。大面積でシングル、あるいは少モード動作に対して約１０ミクロンのコアサイズが一般的に使われる。図２のカーブを参照すると、これは約１１ミクロンで最適モードサイズを設定する。
【００２２】
第一弾の先細ファイバのコアは伝播する光が第一段の先細部分全体にわたって導かれ、かつ低次モードに限られたままにあるように設計されることが好ましい。結局、好ましいコアの設計はもっとも大きな先細度に対してさえもほぼ一定のモードフィールド直径を確実にするであろう。ステップインデックスコアのファイバなど、他のファイバが使えるが台座型の屈折率プロファイルの光ファイバがこの目的のために好ましい。例えば、少なくとも５倍のコア直径の台座直径、コア直径は先細率６が好ましい。図３、および４は屈折率プロファイル、および先細前（図３）、および後（図４）の台座型ファイバについて対応する基底モードフィールド（曲線）を示す。モードフィールドは著しく先細にした後でさえも光ファイバコア内にかなり良好に含まれる。図３と４の間に示される先細率は５の水準である。先に述べられたように、少なくとも３の先細率がコンバイナの高いエネルギー密度を生成するために求められる。
【００２３】
台座型光ファイバは、一般に、棚状の部分を含む屈折率プロファイルを有するコアを有するとして述べられてよい。コアおよび棚はアルファプロファイル、あるいはステッププロファイルの中に作られてよい。後者の場合、図３に示されるように、全体としての屈折率プロファイルは二つのステップを有する。
【００２４】
図５はモードフィールド直径を示し、先細率の関数として標準のステップインデックスファイバ（曲線５１）と台座型ファイバ（曲線５２）を比較する。ステップインデックスファイバが先細率２．５（係数０．４）にわたって比較的限定されたモードフィールドを保持するのに対して、台座型ファイバは先細率約１０（係数０．１）にわたって比較的限定されたモードフィールドを保持する。（先細率は（１／先細係数））。しかし、良好に設計された台座型ファイバを伝播する基底モードについてであっても、ファイバが先細になるにつれ、それぞれのファイバのモードサイズ（モードフィールド直径ＭＦＤ）は著しく大きくなり、束内の隣接するコア中を伝播するモードに融合し、かつ／あるいはその間にある結合したファイバの境界と相互作用するように結合するかもしれない。それを避けるために、先細ファイバの最初のクラッドサイズは先細の長さ全体にわたってモードの分離を提供するために十分に大きいように設計されてよい。それは隣接するファイバのモードを相互作用から防止するだけでなく、それは融合した境界における外的影響による導波路中の光の減衰を防止するであろう。こうして第一段の端部における先細状態のバッファされたクラッドの厚さに注目されるべきである。しかし、分離のために必要とされる以上の過剰なクラッドは、それがコアの間の間隔を増加させ、コンバイナのエネルギー密度を低減させ、目的の反対になるので、避けられるべきである。
【００２５】
図６はこれらの影響を例示する。曲線６１は壁の厚み（コア間の分離）を増やすことが多数のファイバのモードフィールドを分離するために必要である様子を示す。つまり、「分離のための壁の厚み」は先細にした後の入力ファイバ（例えば、図１に示される束１５ａのファイバ）のひとつのクラッドの半径である、ということである。結局、先細にした後の必要な壁の厚みが最初のファイバのサイズを決定する。これが曲線６２に示される。上述の実施例における多数のファイバの束の最大の先細について、光ファイバは約２００マイクロメータの初期直径を有するべきであるということを見ることができる。壁の厚みは８マイクロメータよりも大きくあるべきである。先細それ自体は低い開口数を生じるように設計されるべきであり、しばしば単位がｍｍ−ｍｒａｄのビームパラメータの積、あるいはＢＰＰとして捕らえられる。先細処理はことによるとコアからの光の漏れにつながり、この光が束にされたファイバ群のより大きな直径を満たすであろうから、集結される光を搬送する先細ファイバだけで第一段の先細を形成することが好ましく、つまり、加えられた非本質的なガラスは集結器に不必要で、かつ望ましくない断面積を加えるということである。
【００２６】
別の関心事は、大きな先細はシングルモードコアを出る光の小さなＮＡをもたらすであろうが、光を捉えるためにより大きな直径が出力ファイバに必要とされるであろうということである。図７に示されるように、直径と発散の積を最小にする最適な先細係数があるであろう。
【００２７】
シングル、あるいは少数モード先細部分に関して、シングル、あるいは少数モード先細の束のサイズ、および低減係数は好ましくは低いビームパラメータ積（ＢＰＰ）を保持するように選択される。
【００２８】
マルチモード先細部分はさらにコアサイズを低減しながら、著しくＢＰＰを変化させることなく、接合のためのガラス領域を加えるように設計される。熱管理の責任を負うために、好ましくはファイバ被覆、および容器は熱を低減するように設計される。
【００２９】
さらに、コンバイナの中に反射されて戻る、例えば照射された工作物の表面からの反射による大きなパワーの影響を最小にするために、後方へのパワーの処理が長さ、分布の特徴、および外側のファイバ束を設計することにより説明されてよい。ある場合には、装置をそのような逆の方法で動作させることが望ましく、その場合、単一の光源が装置の先細の、あるいはマルチモード端の中に光を投射するために使われ、そのような光は配列１１の個々のコアの中にほぼ一様に分配される。
【００３０】
光のパワーをあるレベルに厳密に保持することが要求される用途においては、レーザコンバイナは使える光源のすべてより少ないもので動作させられ、少なくともひとつの光源が予備として残されてよい。レーザ源の故障のとき、予備の光源が作動させられる。この急場の手段は、所望のパワーレベルが中断されることなく本質的に保持されるように容易に自動化される。
【００３１】
ここにシングル、および少数モードファイバ、およびマルチモードファイバが参照される。一般的に、シングルモード、および少数モードファイバは２０マイクロメータよりも小さいコアを有し、マルチモードファイバは５０マイクロメータよりも大きなコア直径を有するであろう。例外があってよい。光ファイバがシングル、あるいは少数モード、あるいはマルチモードであるかどうかは当業者により容易に確認される。定義の目的のために、用語「少数モード光ファイバ」は、本発明の文脈中で使われるとき、シングルモードを伝播する光ファイバを含む。シングルモードファイバは一般に基底モードで伝播する光エネルギーの５０％以上、および一般的には９０％以上を伝播する。
【００３２】
ここで光ファイバのクラッドになされる言及は、一般的な意味でのクラッド、つまり、光ファイバの案内領域の周囲に複合的に形成されるガラス材料を意味するように意図される。コアに導かれる光ファイバのコアに言及がなされるとき、その用語は一般に光エネルギーの９０％、あるいはそれ以上が閉じ込められる領域を意味するとして解釈される。
【００３３】
ここでクラッド／コア比になされる言及はクラッドの半径あるいは直径それぞれのコアの半径、あるいは直径に対する比を意味する。第一のクラッド／コア比を有する３、あるいはそれ以上の光ファイバのグループが先細にされ、かつ更なるクラッドがここに述べられる実施例のいずれかを用いて加えられるとき、先細部以降の光ファイバのクラッド／コア比は一般に第一のクラッド・コア比よりも大きいであろう。
【００３４】
上に述べられたように、本発明のレーザコンバイナは非常に強いハイパワー光源を生成するためにハイパワーレーザ源とともに使うことを主として意図されている。この種の製品において、出力光パワー密度は１００マイクロメータより小さいファイバ内で１００ＫＷ以上に適応するべく期待されている。
【００３５】
本発明は二つの光ファイバ先細部分を有して上述の実施例に図解されている。第二の光ファイバ先細部分は追加のクラッドとコア直径の低減を備える役を果たす。両方の部分の機能は単一の先細部分、あるいはひとつ以上の先細部分で達成されてよい。
【００３６】
まさに述べられたレーザコンバイナ組立体を製造するためにいろいろな方法が工夫されている。一般に、先細部分は別々の操作によって形成され、次いで適当な順序でシングル、あるいはモード数の少ないファイバの先細部分はレーザに結合され、マルチモードファイバの先細部分はシングルモードファイバの先細部分に結合される。
【００３７】
第一の先細部分を線引きすることにより得られるものの周囲に追加のガラスを備えるものとしての第二の光ファイバ束の機能に再び言及して、その目的に到達するための好ましい他の形態が図８に図解され、その場合に要素８４、および８５は図１の第一の先細部分の端部１５ｃに、あるいは図１のマルチモード結合部分１６に対応する。製造の容易さのために後者の選択がより好ましく見え、図８の説明に対する要素８４、８５として想定されよう。マルチモード光ファイバ８４は図１のファイバ束１８ｂに対応するクラッド管８３の中に挿入される。その組み合わせが第二の先細部分と合わせて先に延べられたように先細に線引きされる。ガラス管８３は加えられるべきクラッドの量に依存する適当な寸法を有してよい。クラッド、管８３は導波路を作るために使われるガラス管であってよい。共通の方法はフッ素でドープすること、ひとつ以上の気泡の輪を使うこと、あるいは空隙を含むガラスを含む。それは多数回ドープされた層、例えば、フッ素をドープした内側の層、およびシリカの外側層を有してよい。ここに実施例が述べられたが、本発明はシリカに限定されず、リン酸塩、カルコゲン化物、および類似のものなど他の種類のガラスを包含する。
【００３８】
他の実施例が図９に図解され、上に述べられた二つの先細の第二のファイバの機能が単一の先細を用いて実現される。図９において、光ファイバ９１は図１の光ファイバ１３に対応する。ガラスのオーバークラッド管は図１のファイバ束１８ｂに、あるいは図８のクラッド管８３に対応する。これらの要素の組み合わせが先細９３ａ、直径が低減された出力端９４、および結合されている七つの光ファイバコアに共通するコアであるコア９５を生成するために単一の先細操作により線引きされる。
【００３９】
あるいはまた、クラッド管８３により表される追加のクラッドは図１とともに記述される方法、つまり光ファイバ束１８ｂにより提供されてよい。どちらの場合においても、追加のクラッドは複数のモード数の少ない光ファイバを、クラッド管の形態、あるいは光ファイバの束の形態の中のいずれか、追加のクラッド材に包み込むことによって提供される。これらの組み合わせが使われてもよい。
【００４０】
ビームコンバイナを用いる用途は切断、溶接、およびマーキング用途のためのハイパワーレーザを形成することを含み、レーザ、あるいは増幅器を動作させるためのポンプパワーを提供し、個々の入力の位相は干渉性に結合されるパワービームを生成するように制御されるか、あるいは入力が多数の波長であろう。さらに、装置は長距離電気通信システムに適用されてよく、光源が信号源であり、多数の信号が短距離の伝送、例えばマイクロプロセッサチップ、あるいは電子基板の間、あるいは所内間配線、あるいは広帯域ファイバネットワークの一部のような長距離にわたる相互接続のために単一のマルチモードファイバに多重化される。
【００４１】
パワー分割器としての装置使用の用途は医療用用途を含み、共通の光源からの光が多くの方向から特定の部分を照らすために多数のファイバに送り出される。遠距離電気通信用途においては、結合された信号が分割され、多くの行き先、あるいは検知器に送り出される。さらに他の用途において、単一の共通光エネルギー源が分割され、光エネルギーが電気エネルギーに変換される多くの行き先に送り出されるために、パワー分割器の個々の線は光電池に結合される。
【００４２】
本発明のいろいろな追加的修正が当業者にあり得よう。技術が進歩させられる本理論、およびそれらに等しいものに基本的によってたつこの明細書の具体的な教えから逸脱するもののすべては記述され、かつ請求されるように本発明の範囲内であると適切に考えられるべきである。
【符号の説明】
【００４３】
１０ レーザの配列
１１ ファイバの配列
１２ ファイバ
１３、９５ コア
１４ クラッド
１５ レーザコンバイナの第一段目
１５ａ 入力ファイバの束
１５ｂ、９３ａ 先細部
１５ｃ 外径が著しく細くなった部分
１６、８４ マルチモードファイバ
１７ マルチモードコア
１８ 第二の先細部分
１８ａ 入力ファイバ
１８ｂ 第二のファイバ束
１８ｃ マルチモード先細部
１８ｄ 出力ファイバの端部
１９ ファイバの端部
５１ 標準のステップインデックスファイバのＭＦＤ曲線
５２ 台座形ファイバのＭＦＤ曲線
６１ ＭＦＤを分離するために必要なコア間の壁の厚み
６２ 先細にした後の必要な壁の厚み
８３、９３ クラッド管
９１ 光ファイバ
９４ 外径が低減された出力端
【特許請求の範囲】
【請求項１】
コンバイナ装置であって、
コアの配列を含む先細部分を備え、前記先細部分は、入力端に第一の外側直径と、出力端に第二の外側直径と、少なくとも先細率３とを有し、前記先細率は、前記第二の外側直径で除した前記第一の外側直径で定義され、そして、前記コアの少なくとも１つは、前記入力端から前記出力端へ光モードを伝播するよう構成された光導波路を備える、コンバイナ装置。
【請求項２】
前記入力端における前記光モードのモードフィールド直径は前記出力端におけるモードフィールド直径と実質的に同じである、請求項１に記載のコンバイナ装置。
【請求項３】
前記入力端における前記光モードの開口数は前記出力端における開口数と実質的に同じである、請求項１に記載のコンバイナ装置。
【請求項４】
前記コアの少なくとも一つは台座構造を備える、請求項１に記載のコンバイナ装置。
【請求項５】
前記コア配列のコアの各々が個々のファイバ内に含まれ、そして、前記先細部分が、前記配列を生成するよう前記個々のファイバを互いに融着することで形成される、請求項１に記載のコンバイナ装置。
【請求項６】
前記コアの配列がマルチコアのプリフォーム構造に組み立てられる、請求項１に記載のコンバイナ装置。
【請求項７】
複数の束ファイバから形成された第二の先細部分をさらに備える、請求項１に記載のコンバイナ装置。
【請求項８】
前記第一の先細部分の出力部に結合されるマルチモードファイバを取り囲む追加のクラッド層をさらに備える、請求項７に記載のコンバイナ装置。
【請求項９】
前記追加のクラッド層が、前記マルチモードファイバを取り囲む複数の低屈折率ファイバにより提供される、請求項８に記載のコンバイナ装置。
【請求項１０】
前記追加のクラッド層が、前記マルチモードファイバをクラッド管内に取り囲むことにより提供される、請求項７に記載のコンバイナ装置。
【請求項１】
コンバイナ装置であって、
コアの配列を含む先細部分を備え、前記先細部分は、入力端に第一の外側直径と、出力端に第二の外側直径と、少なくとも先細率３とを有し、前記先細率は、前記第二の外側直径で除した前記第一の外側直径で定義され、そして、前記コアの少なくとも１つは、前記入力端から前記出力端へ光モードを伝播するよう構成された光導波路を備える、コンバイナ装置。
【請求項２】
前記入力端における前記光モードのモードフィールド直径は前記出力端におけるモードフィールド直径と実質的に同じである、請求項１に記載のコンバイナ装置。
【請求項３】
前記入力端における前記光モードの開口数は前記出力端における開口数と実質的に同じである、請求項１に記載のコンバイナ装置。
【請求項４】
前記コアの少なくとも一つは台座構造を備える、請求項１に記載のコンバイナ装置。
【請求項５】
前記コア配列のコアの各々が個々のファイバ内に含まれ、そして、前記先細部分が、前記配列を生成するよう前記個々のファイバを互いに融着することで形成される、請求項１に記載のコンバイナ装置。
【請求項６】
前記コアの配列がマルチコアのプリフォーム構造に組み立てられる、請求項１に記載のコンバイナ装置。
【請求項７】
複数の束ファイバから形成された第二の先細部分をさらに備える、請求項１に記載のコンバイナ装置。
【請求項８】
前記第一の先細部分の出力部に結合されるマルチモードファイバを取り囲む追加のクラッド層をさらに備える、請求項７に記載のコンバイナ装置。
【請求項９】
前記追加のクラッド層が、前記マルチモードファイバを取り囲む複数の低屈折率ファイバにより提供される、請求項８に記載のコンバイナ装置。
【請求項１０】
前記追加のクラッド層が、前記マルチモードファイバをクラッド管内に取り囲むことにより提供される、請求項７に記載のコンバイナ装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公表番号】特表２０１２−５２４３０２（Ｐ２０１２−５２４３０２Ａ）
【公表日】平成２４年１０月１１日（２０１２．１０．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−５０６１９３（Ｐ２０１２−５０６１９３）
【出願日】平成２２年４月１４日（２０１０．４．１４）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２０１０／０３１１２９
【国際公開番号】ＷＯ２０１０／１２０９５８
【国際公開日】平成２２年１０月２１日（２０１０．１０．２１）
【出願人】（５０９０９４０３４）オーエフエス ファイテル，エルエルシー (44)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２４年１０月１１日（２０１２．１０．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年４月１４日（２０１０．４．１４）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２０１０／０３１１２９
【国際公開番号】ＷＯ２０１０／１２０９５８
【国際公開日】平成２２年１０月２１日（２０１０．１０．２１）
【出願人】（５０９０９４０３４）オーエフエス ファイテル，エルエルシー (44)
【Ｆターム（参考）】
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