高パワー・レベルにおけるカスケード・ラマン・レーザ発振（ｃａｓｃａｄｅｄＲａｍａｎｌａｓｉｎｇ）のためのシステムおよび方法
光増幅システムにおいて、ファイバ・ベースの発振器、増幅器およびカスケード・ラマン共振器が、共に直列に結合される。発振器出力が入力として増幅器に供給され、増幅器出力がポンピング入力としてカスケード・ラマン共振器に供給され、カスケード・ラマン共振器が、出力として目標波長におけるシングル・モード放射を供給する。損失素子が、発振器と増幅器との間に接続され、それにより、発振器が、増幅器およびカスケード・ラマン共振器から光学的に離隔される。フィルタが、カスケード・ラマン共振器内で発生された後方伝播ストークス波長をフィルタで取り除くために、アイソレータと増幅器との間に結合される。発振器は、第１のパワー・レベル範囲内で動作可能であり、増幅器およびカスケード・ラマン共振器は、第１のパワー・レベル範囲を超える第２のパワー・レベル範囲内で動作可能である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、本出願の譲受人によって所有され、参照によりその全体が本明細書に組み込まれた、２００９年５月１１日に出願した米国仮特許出願第６１／１７７，０５８号の優先権の利益を主張するものである。
【０００２】
本発明は、一般に、光ファイバのデバイスおよび方法に関し、詳細には、高パワー・レベルにおけるカスケード・ラマン・レーザ発振のための改良されたシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
通常、ファイバ・レーザおよびファイバ増幅器は、イッテルビウム（Ｙｂ）、エルビウム（Ｅｒ）、ネオジム（Ｎｄ）、他など、レーザ活性希土類イオンでドープされた光ファイバに基づく。光ファイバ内の誘導ラマン散乱（Ｓｔｉｍｕｌａｔｅｄ Ｒａｍａｎ ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ）は、これらのファイバが動作しない波長領域において非線形利得をもたらすために使用されうる有用な効果である。誘導ラマン散乱は、レーザ・ビームがラマン活性ファイバを通って伝播するときに発生し、「ストークス・シフト（Ｓｔｏｋｅｓ ｓｈｉｆｔ）」として知られる、波長の予測可能な増加を結果としてもたらす。ある長さのラマン活性ファイバの入力端および出力端において、一連の波長特定反射器格子を設けることによって、開始波長を選択された目標波長に変換するために、カスケードの一連のストークス・シフトを生成することができる。
【０００４】
図１は、従来技術による１つの例示的システム２０の図であり、誘導ラマン散乱が、エルビウム・ドープ・ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）をポンピングするための高パワー出力を発生するために使用される。図示のように、システム２０は、モノリシックＹｂファイバ・レーザ（ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃ Ｙｂ−ｆｉｂｅｒ ｌａｓｅｒ）４０と、カスケード・ラマン共振器（ｃａｓｃａｄｅｄ Ｒａｍａｎ ｒｅｓｏｎａｔｏｒ）（ＣＲＲ）６０との２段を含む。
【０００５】
レーザ４０では、活性媒体が、１０００ｎｍ〜１２００ｎｍの範囲内で動作する、ある長さの二重クラッドＹｂドープ・ファイバ４２によってもたらされる。高反射器格子４４が、ファイバ４２の入力端に設けられ、出力カプラ格子４６が、ファイバ４２の出力端に設けられる。本例では、格子４４および４６は、ファイバ４２に融合された受動ファイバ（ｐａｓｓｉｖｅ ｆｉｂｅｒ）の個々のセグメント（ｓｅｇｍｅｎｔ）に書き込まれる。また、格子４４および４６を、ファイバ４２の入力端および出力端に直接書き込むことも可能であろう。
【０００６】
高反射器４４、出力カプラ４６およびファイバ４２は、共に、レーザ空胴４８として機能する。テーパ化ファイバ束（ｔａｐｅｒｅｄ ｆｉｂｅｒ ｂｕｎｄｌｅ）（ＴＦＢ）５２によってファイバ４２に結合された複数のポンプ・ダイオード５０によって、ポンピング・エネルギーがファイバ４２に供給される。本例では、レーザ４０は、出力として波長１１１７ｎｍのシングル・モード放射を供給する。
【０００７】
レーザ出力は、入力としてＣＲＲ ６０に投入される。ＣＲＲ ６０は、その入力端に設けられた第１の複数の高反射器格子６４およびその出力端に設けられた第２の複数の高反射器格子６６を含む、ラマン活性ファイバ６２を備える。また、ラマン・ファイバ６２の出力端に、出力カプラ格子６８が設けられる。本例では、入力格子６４および出力格子６６は、ファイバ６２に融合された受動ファイバの個々のセグメントに書き込まれる。また、格子６４および６６を、ファイバ６２の入力端および出力端に直接書き込むことも可能であろう。
【０００８】
入力高反射器６４、出力高反射器６６、出力カプラ６８およびラマン・ファイバ６２は、広範囲にわたってカスケードの一連のストークス・シフトを生成し、１１１７ｎｍの入力波長を一連のステップで１４８０ｎｍの目標波長に増加させる、ネストされた一連のラマン空胴７０を提供する。出力カプラ６８は、１４８０ｎｍの目標波長におけるシステム出力７２を供給し、システム出力は、次いで、基本モード（ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌ ｍｏｄｅ）において高パワーのエルビウム−ドープ・ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）をポンピングするために使用されてよい。
【０００９】
システム２０は、１４８０ｎｍ以外の出力波長を必要とする他の用途に使用されてよく、シングル・ステップのみにおいて出力波長を発生するように構成されてよい。
【００１０】
図１は、格子６４、６６および６８を使用して構築された、カスケード・ラマン共振器を示すが、融合ファイバ（ｆｕｓｅｄ−ｆｉｂｅｒ）カプラ、薄膜フィルタ、およびＷＤＭループ・ミラーなどの他の構造など、他の波長選択素子を使用する類似の共振器がよく知られている。さらに、線形空胴、単方向リング（ｕｎｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ｒｉｎｇ）空胴または双方向リング（ｂｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ｒｉｎｇ）空胴の形状が、考慮されてよい。さらに、図１は、レーザとして動作するように構成された、カスケード・ラマン共振器を示すが、最終組の格子を省き、代わりにその波長の信号を注入することによって、増幅器として動作するように、同様に良好に、構成されうる。図１に示される構成と同様に、これらの付加的な構成が、１１１７ｎｍの入力波長を一連のステップで１４８０ｎｍの目標波長に増加させる。
【００１１】
従来技術のシステム２０は、知られている制約を受ける。例えば、システム２０において、種々の波長および位置における複数の反射器が、結合空胴（ｃｏｕｐｌｅｄ ｃａｖｉｔｙ）を生成するために結合するという事実によって、１つの問題が生じる。例えば、１１１７ｎｍのレーザ波長における３つの反射器、すなわち、反射器４４、４６および出力反射器群６６の最も左の要素が存在することが見られるであろう。一般に、このことが、比較的低パワーのシステム（例えば、１４８０ｎｍで５Ｗの出力）に対して問題を引き起こすことはないが、高パワー・システムに対して問題を引き起こす。最近、ラマン・ファイバ・レーザのパワー・スケーリング（ｐｏｗｅｒ ｓｃａｌｉｎｇ）に関する調査が実施されており、４１Ｗの高さのパワー・レベルが、ＣＲＲから実証されている。類似の状況が、他のよく知られている、ＷＤＭループ・ミラーを用いるなどの構造を使用して構築されたカスケード・ラマン共振器において生じている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
高パワーが、そのようなシステムから実証されてきたが、図１における設定（ｓｅｔｕｐ）の結合空胴の性質は、長期間信頼できる動作について重大な影響を有する。特に、結合空胴は、システムを不安定にさせ、構成要素を損傷させるのに十分な高い尖頭パワーを有するパルスを発生する可能性がある。特に、レーザ高反射器４４は、おそらくはそこを通して伝播する高パワーによって、システム内で弱連結（ｗｅａｋ ｌｉｎｋ）となることが発見されており、例えば、システム２０をエルビウム−ドープ・ファイバ増幅器または類似のデバイスをポンピングするために使用することを含む、種々の条件の下で故障することが観測されている。さらに、ラマン・レーザ内で発生された中間のストークス次数からの光がＹｂ増幅器の中、およびポンプ・ダイオードに戻って伝播して、それらの故障を引き起こす可能性がある。さらに、第１のストークス・シフトにおける光がＹｂの利得帯域幅の中にあり、ダイオードに衝突する前に増幅される。このこともまた、有害であることは、明らかであろう。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
従来技術の上記および他の問題が、本発明によって対処され、本発明の一態様は、ファイバ・ベースの発振器、増幅器、およびカスケード・ラマン共振器（ＣＲＲ）が共に直列に結合された光増幅システムに関する。発振器出力が入力として増幅器に供給され、増幅器出力が入力としてＣＲＲにポンピング供給され、ＣＲＲが、出力として目標波長におけるシングル・モード放射を供給する。波長依存損失素子（ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ−ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ ｌｏｓｓ ｅｌｅｍｅｎｔ）が、発振器への光の後方伝播（ｂａｃｋｗａｒｄ ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ）を防ぐために、発振器と増幅器との間に接続される。発振器は、第１のパワー・レベルの範囲内で動作可能であり、増幅器および発振器は、第１のパワー・レベルの範囲を超える第２のパワー・レベルの範囲内で動作可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】Ｙｂドープ・ファイバ・レーザが、カスケード・ラマン共振器をポンピングするために使用される、従来技術によるシステムの図である。
【図２】親発振器パワー増幅器構成が、カスケード・ラマン共振器をポンピングするために使用される、本発明の一態様によるシステムのブロック図である。
【図３】図２のシステムにおける例示的発振器段を示す図である。
【図４】図２のシステムにおける例示的増幅器段を示す図である。
【図５】図２のシステムにおける例示的カスケード・ラマン共振器段を示す図である。
【図６】半導体レーザ発振器が使用される、本発明の他の態様によるシステムのブロック図である。
【図７】本発明の他の態様による方法の流れ図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明の態様は、上で説明された従来技術の欠点に対する解決策をもたらす光増幅器システムに関する。
【００１６】
図１のシステム２０に戻ると、１つの可能性のある解決策は、Ｙｂファイバ・レーザ４０とＣＲＲ ６０との間に光アイソレータを設置することであることが明らかとなろう。図１の構造では、吟味されている高パワーが、重大な難題を引き起こす。というのは、ＣＲＲ ６０からの１４８０ｎｍで４１Ｗの出力パワーが、１１１７ｎｍで１００Ｗを超える入力パワーを必要とし、その入力パワーは、現在のファイバ結合アイソレータが耐えうるパワーをはるかに超えるからである。
【００１７】
本発明の一態様は、Ｙｂ−ファイバ・レーザ、および特にレーザの高反射器が、ラマン・レーザから離隔される、高信頼性を有する高パワー・ラマン・レーザを開発するための解決策を提供する。本発明のこの態様によれば、アイソレーションは、モノリシック高パワーＹｂ−ファイバ・レーザを親発振器パワー増幅器（ＭＯＰＡ）構成に分割することによって達成される。
【００１８】
ＭＯＰＡ構成は、他の状況において、十分に制御された光特性を有する高パワー・レーザ源を発生するために使用されてきた。Ｙｂ−ドープ・レーザでポンピングされたＣＲＲが、長年の間市販されてきたという事実にもかかわらず、ＭＯＰＡ構成は、カスケード・ラマン共振器（ＣＲＲ）をポンピングする状況においては、使用されてこなかった。カスケード・ラマン共振器（ＣＲＲ）をポンピングするためにＭＯＰＡ構成を使用することは、そのことが、信頼性を犠牲にすることなく、システムのパワー・スケーリングの著しい増加を可能にするので有利である。
【００１９】
伝統的に、ＭＯＰＡ構成は、発振器単独では得ることができない光特性を達成するために使用される。例えば、高パワー、狭線幅レーザを構築することは困難なので、発振器／増幅器の構成が、高パワー、狭線幅放射を発生させるために使用される。ラマン用途では、ＭＯＰＡは、単一レーザの光特性より優れた光特性を有する出力放射を発生しない。２００Ｗまたは３００Ｗの出力パワーにおいて適度な線幅を有するＹｂドープ・ファイバ・レーザは、重大な難題を提起しない。説明されたＭＯＰＡ構成は、Ｙｂ−レーザの波長と異なる波長で動作する付加的な光素子がシステムに接続されるときに、光構成要素を保護する。以下に説明するように、この保護は、発振器と増幅器との間に設置された波長依存光素子の使用を介して可能にされる。
【００２０】
図２は、この手法を示すシステム１００のブロック図である。図２に示されるように、システム１００は、選択された波長および輝度レベルを有する高パワー出力１８０を生成する３つの段、すなわち、発振器１２０と、増幅器１４０と、カスケード・ラマン共振器（ＣＲＲ）１６０とを備える。
【００２１】
レーザ高反射器は、発振器段１２０に置かれ、発振器段は、比較的低パワーで動作し、また、潜在的に有害な高パワー光が後方に発振器１２０まで伝播するのを防ぐ、１つまたは複数の適切な結合デバイスによって高パワー増幅器１４０およびＣＲＲ １６０から分離される。本説明の目的に対して、この種類のデバイスは、一般に、「波長依存損失素子」と呼ばれる。そのような波長依存損失素子は、例えば、融合ファイバもしくはフィルタ・ベースの波長分割多重装置（ＷＤＭ）、長周期格子、適切にドープされた光ファイバ、フィルタ・ファイバ、または傾斜ブラッグ格子（ｔｉｌｔｅｄ Ｂｒａｇｇ ｇｒａｔｉｎｇ）を含む。発振器からの放射を通す一方で、増幅器またはＣＲＲからの後方に伝播する波長シフト放射を取り除く、他の波長依存損失素子が、同様に使用されてよい。
【００２２】
ラマン散乱の性質によって、ＣＲＲ内の複数のストークス・シフトによる多くの異なる波長の光が、発振器に向かって後方に伝播する可能性がある。これらの波長は、レーザ発振器が動作する波長とは異なる。それゆえ、１つまたは複数の波長依存損失素子が、これらの波長の光を取り除くために使用されうる。さらに、レーザ発振器の波長と同じ波長の後方伝播光が存在する可能性がある。そのような光は、単純な波長依存損失素子で取り除くことはできない。したがって、前方に進んでいる所与の波長の光の通過を許容する一方で、後方に進んでいる同じ波長の光を取り除く光アイソレータが使用される。それゆえ、波長依存損失素子に加えて、光アイソレータもまた、発振器と増幅器との間に使用されてよい。
【００２３】
システム１００は、発振器１２０と増幅器１４０との間に接続された、ＷＤＭ１９２の形の波長依存損失素子を含む。さらに、光アイソレータ１９１が、発振器１２０と増幅器１４０との間に接続される。光アイソレータ１９１は、そこを通して一方向のみ、すなわち発振器１２０から増幅器１４０に、光が伝播するのを許容する。ＷＤＭ１９２は、共振器１６０内で発生された後方伝播ストークス波長をフィルタで取り除いて、これらの波長の光が発振器１２０に到達するのを防ぐように構成される。ＷＤＭ１９２は、例えば、融合ファイバ・カプラもしくは薄膜カプラ、格子型デバイス、または波長依存フィルタの機能をもたらす他のデバイスに基づいてよい。システム１００は、発振器１２０と増幅器１４０との間に接続された、波長依存損失素子１９２および光アイソレータ１９１の使用を示すが、これらの構成要素の一方だけを使用するか、または同様に、１つまたは複数の他の構成要素を単独に、もしくは組み合わせて使用して、本発明の態様を実施することが可能である。
【００２４】
したがって、説明された構成は、発振器１２０が比較的低パワー・レベルで動作される一方で、発振器１２０の構成要素が潜在的に有害な高パワー光に照射されるのを防がれながら、増幅器１４０およびＣＲＲ １６０が比較的高パワー・レベルで動作されうることを可能にする。
【００２５】
発振器１２０、増幅器１４０およびＣＲＲ １６０が、図３〜図５により詳細に示される。
【００２６】
図３に示されるように、発振器１２０は、入力端１２２および出力端１２３を有する適切なレーザ活性ファイバ１２１の第１のセグメントを備える。本例では、使用される光ファイバ１２１は、二重クラッドＹｂ−ドープ・ファイバである。本説明から、他の適切なファイバもまた使用されてよいことが明らかとなろう。例えば、パワー・レベルが十分に低いと、二重クラッド・ファイバを使用する必要はない。
【００２７】
高反射器（ＨＲ）１２４が、ファイバ入力端１２２に設けられ、出力カプラ（ＯＣ）１２５が、ファイバ出力端１２３に設けられる。高反射器１２４、出力カプラ１２５およびファイバ１２１が、レーザ空胴１２６として機能する。本例では、高反射器１２４および出力カプラ１２５が、ファイバ１２１に融合された受動ファイバの個々のセグメントに書き込まれる。また、格子１２４および１２５をファイバ１２１の入力端および出力端に直接書くことも可能であろう。
【００２８】
図３にさらに示されるように、ダイオード・レーザまたは他の適切なデバイスなど、ポンプ源１２７が、ファイバセグメント１２１へのポンピング・エネルギー入力を供給する。ポンプ１２７は、テーパ化ファイバ束（ＴＦＢ）１２８または他の適切なデバイスによってファイバ１２１に結合される。発振器１２０は比較的低パワーであるので、図３は、ファイバ１２１に結合された１つのポンプ１２７を示す。ポンピングデバイス１２７の数は、ポンピング・エネルギーの特定の量を達成するために増加されてよい。また、上述のように、ファイバ１２１は、二重クラッド・ファイバである必要はない。ファイバ１２１が二重クラッド・ファイバでないならば、テーパ化ファイバ束は、使用されないであろう。
【００２９】
次いで、発振器出力１３０が、入力として増幅器１４０に供給される。図２に示されるように、後方伝播防止デバイス１９０、すなわちアイソレータ１９１およびＷＤＭ １９２が、発振器１２０と増幅器１４０との間の通路内に結合される。上述のように、これらの構成要素のうちの１つだけを使用するか、あるいは、１つもしくは複数の他の類似の構成要素と共に使用するか、または他の類似の構成要素のうちのいくつかの組合せと共に使用して、本発明の態様を実施することが可能である
【００３０】
図４は、増幅器１４０を詳細に示す図である。図４に示されるように、パワー増幅器段１４０は、入力端１４２および出力端１４３を有する個別の第２のファイバセグメント１４１を含む。本例では、第２のファイバセグメント１４１を設けるために使用される増幅器ファイバは、レーザ活性の二重クラッドＹｂ−ドープ・ファイバである。複数のレーザ・ダイオード・ポンプ１４４を含む個々の第２のポンプ源が、第２のテーパ化ファイバ束（ＴＦＢ）１４５または類似のデバイスを使用して、第２の光ファイバセグメント１４１に結合される。ポンプ源は、親発振器のレーザ出力１３０を、所定のパワー・レベルまで増幅する。次いで、増幅器出力１５０が、入力としてＣＲＲ段１６０に投入される。
【００３１】
図５は、カスケード・ラマン共振器１６０の一種をより詳細に図示する図を示す。カスケード・ラマン共振器１６０は、入力端１６２および出力端１６３を有する第３の光ファイバセグメント１６１を含む。第３の光ファイバセグメント１６１は、適切なラマン活性ファイバである。以下に説明するように、ラマン・ファイバ１６１は、その出力端に出力カプラを有する共振空胴内に存在する。共振空胴および出力カプラは、カスケード・ラマン共振器入力の中に、カスケードの一連の１つまたは複数のストークス・シフトを生成し、それにより、その波長を、出力として出力カプラに供給される選択された目標波長まで増加させるように構成された波長応答を有する。
【００３２】
具体的には、ラマン・ファイバ１６１は、小さな有効面積および正常分散（すなわち、負分散）を有する。正常分散は、高パワー・レベルにおいて超連続体（ｓｕｐｅｒ−ｃｏｎｔｉｎｕｕｍ）の生成をもたらすであろう変調不安定性（ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｉｎｓｔａｂｉｌｉｔｙ）を防止する。小さな有効面積は、増幅器１５０によって供給されるパワー・レベルにおいて、高いラマン利得に導くように選択される一方で、非常に高い光強度によってもたらされる有害な高次の非線形効果を回避する。結果として、複数のストークス次数が、複数のラマン共振器は、ラマン・ストークス・シフトによって波長内で分離された複数のファイバ・ブラッグ格子で構成されている、カスケード・ラマン共振器の中で発生されてよい。
【００３３】
したがって、図５に示されるように、第１の一連の波長特定高反射器格子１６４（ＨＲ２、ＨＲ４、ＨＲ６、ＨＲ８、ＨＲ１０）が、ラマン・ファイバ１６１の入力端１６２に設けられ、第２の一連の波長特定高反射器格子１６５（ＨＲ１、ＨＲ３、ＨＲ５、ＨＲ７、ＨＲ９）が、ラマン・ファイバ１６１の出力端１６３に設けられる。さらに、出力カプラ（ＯＣ）１６６が、ラマン・ファイバ１６１の出力端１６３に設けられる。本例では、格子１６４、１６５および１６６が、ラマン・ファイバ１６１と融合された受動ファイバの個々のセグメント内に書き込まれる。また、格子１６４、１６５および１６６をラマン・ファイバ１６１の入力端および出力端に直接書くことも可能であろう。
【００３４】
入力格子１６４、出力格子１６５、１６６およびラマン・ファイバ１６１は、ネストされた一連のラマン空胴１６７を提供する。高反射器１６４、１６５は、カスケードの一連のストークス・シフトを生成して、増幅器出力（およびＣＲＲ入力）１５０の波長を目標波長まで引き上げるように構成され、目標波長は、出力カプラ１６６によってファイバの外と結合され、選択されたパワー・レベル、輝度レベル、および波長を有するシステム出力として供給される。付加的なポンプ反射器（図示せず）が、効率を高めるために、使用されなかったＹｂ放射をリサイクルするために使用されてよい。
【００３５】
本発明が、ＣＲＲ １６０内の格子の特定の構成に限定されず、格子のために選択された正確な波長が、選択された目標波長によって決まることが理解されよう。図１の従来技術のシステム２０は、１４８０ｎｍの目標波長を達成するために選択されたＣＲＲ格子のための波長の一例を提供する。ネストされた空胴が、周期的な融合ファイバ・カプラまたは薄膜反射器など、ブラッグ格子以外の方法を使用して生成されてよいこともまた理解されよう。ＣＲＲが、線形空胴かリング空胴のいずれかとして構成されてよいこともまた理解されよう。ＣＲＲが、レーザとして動作するように構成されてよいこと、または、最終組の反射器を省いて、代わりに最終波長においてＣＲＲに信号を注入することによって、ＣＲＲが、増幅器として動作するように構成されてよいこともまた理解されよう。
【００３６】
上述のように、上で説明したシステムの１つの利点は、発振器１２０の出力パワーが十分に低く保持されてよく、それにより、アイソレータ１９１などの構成要素が、発振器１２０と増幅器１４０との間に挿入されてよいことである。通常、ファイバ−ピグテイル・アイソレータ（ｆｉｂｅｒ−ｐｉｇｔａｉｌｅｄ ｉｓｏｌａｔｏｒ）などの構成要素は、発振器１２０からの出力パワーの上限に相当する、１０Ｗ〜２０Ｗ程度のパワー・レベルに制限される。
【００３７】
さらに、波長分割多重装置（ＷＤＭ）１９２など、他のデバイスが、ＣＲＲ １６０内で発生された後方伝播ストークス波長をフィルタで取り除くために使用されてよい。これは、第１のストークス・シフトの光が、Ｙｂ−ドープ・ファイバ内でイオン利得に遭遇し、その結果、発振器を不安定にさせる可能性があるからである。さらに、低パワー発振器１２０を有することが、影響されやすい高反射器から熱負荷を取り除く。
【００３８】
上で説明されたシステム１００は、例えば半導体レーザを含む他の種類の発振器を使用するように一般化されてよいことが理解されよう。図６は、低パワー半導体レーザ発振器２２０と、それに続く、最終のＹｂ−ドープ・パワー増幅器２４５への注入を発生する一連のファイバ増幅器２４０とを使用し、最終のＹｂ−ドープ増幅器２４５の出力がＣＲＲ ２６０に投入される、例示的システム２００を示す図である。図６では、増幅器チェーン２４０が、３つのファイバ増幅器２４１〜２４３を含むように描かれている。また、他の種類および数の増幅器が、本発明の態様の実施において使用されてよいことが理解されよう。
【００３９】
ＣＲＲ ２６０の出力が、システム出力２８０として供給される。システム１００におけるように、波長依存損失素子すなわちＷＤＭ２９２、および光アイソレータ２９１が、発振器２２０を他のシステムの構成要素から離隔するために使用される。
【００４０】
図７は、本発明の他の態様による光増幅法３００の流れ図を示す。方法３００は、以下のステップを含む：
３０１：ファイバ・ベース発振器、増幅器およびカスケード・ラマン共振器（ＣＲＲ）を共に直列に結合し、発振器出力が入力として増幅器に供給され、増幅器出力がＣＲＲへのポンピング入力として供給され、ＣＲＲが、出力として目標波長におけるシングル・モード放射を供給する、
３０２：発振器と増幅器との間に１つまたは複数の波長依存損失素子を結合し、発振器が増幅器およびＣＲＲから光学的に離隔される、
３０３：発振器を第１のパワー・レベル範囲内で動作させ、増幅器およびＣＲＲを、第１のパワー・レベル範囲を超える第２のパワー・レベル範囲内で動作させる。
【００４１】
ラマン利得帯域幅は極めて大きく、反射器は、必ずしも利得のピークである必要のない、利得帯域幅内の任意の場所に設置されてよいことに留意されたい。
【００４２】
上で説明されたシステムおよび技術は、線形ラマン共振器およびリング・ラマン共振器の両方；ラマン増幅器構造；ラマン空胴のいずれとも非共振であるが、やはりラマン利得帯域幅内にある第２のポンプを含む二重ポンプシステム；狭線幅を有する偏光出力が有利である周波数逓倍（ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ −ｄｏｕｂｌｉｎｇ）結晶を照射すること；例えばパラメトリック・システムにおいて使用されるようなパルス発振動作または変調動作、他を限定されることなく含む多くの他の状況において利用可能である。
【００４３】
ラマン増幅器に関して、それらの構造は、通常、増幅器ラマン空胴が、最終のストークス・シフトおよび出力カプラなしに構築されることを除いては、ラマン・レーザの構造に類似することに留意されたい。また、シード・レーザ（ｓｅｅｄ ｌａｓｅｒ）が、最終のストークス・シフトにおいてラマン空胴内に結合される。シード源からのシード入力が、異なる場所における増幅器に注入されてよい。シード・レーザは、偏光出力、狭線幅、同調性、他など、多くの増幅器特性を制御する。
【００４４】
上の説明は、当業者が本発明を実施することを可能にするであろう詳細を含むが、説明は、本来、例示的であり、本発明の多くの改変形態および変形形態が、これらの教示の利益を有する当業者には明らかであろうことを認識されたい。したがって、本明細書の発明は、本明細書に添付の特許請求の範囲によってのみ定義され、本特許請求の範囲は、従来技術で容認される限り広く解釈されることが意図される。
【技術分野】
【０００１】
本出願は、本出願の譲受人によって所有され、参照によりその全体が本明細書に組み込まれた、２００９年５月１１日に出願した米国仮特許出願第６１／１７７，０５８号の優先権の利益を主張するものである。
【０００２】
本発明は、一般に、光ファイバのデバイスおよび方法に関し、詳細には、高パワー・レベルにおけるカスケード・ラマン・レーザ発振のための改良されたシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
通常、ファイバ・レーザおよびファイバ増幅器は、イッテルビウム（Ｙｂ）、エルビウム（Ｅｒ）、ネオジム（Ｎｄ）、他など、レーザ活性希土類イオンでドープされた光ファイバに基づく。光ファイバ内の誘導ラマン散乱（Ｓｔｉｍｕｌａｔｅｄ Ｒａｍａｎ ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ）は、これらのファイバが動作しない波長領域において非線形利得をもたらすために使用されうる有用な効果である。誘導ラマン散乱は、レーザ・ビームがラマン活性ファイバを通って伝播するときに発生し、「ストークス・シフト（Ｓｔｏｋｅｓ ｓｈｉｆｔ）」として知られる、波長の予測可能な増加を結果としてもたらす。ある長さのラマン活性ファイバの入力端および出力端において、一連の波長特定反射器格子を設けることによって、開始波長を選択された目標波長に変換するために、カスケードの一連のストークス・シフトを生成することができる。
【０００４】
図１は、従来技術による１つの例示的システム２０の図であり、誘導ラマン散乱が、エルビウム・ドープ・ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）をポンピングするための高パワー出力を発生するために使用される。図示のように、システム２０は、モノリシックＹｂファイバ・レーザ（ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃ Ｙｂ−ｆｉｂｅｒ ｌａｓｅｒ）４０と、カスケード・ラマン共振器（ｃａｓｃａｄｅｄ Ｒａｍａｎ ｒｅｓｏｎａｔｏｒ）（ＣＲＲ）６０との２段を含む。
【０００５】
レーザ４０では、活性媒体が、１０００ｎｍ〜１２００ｎｍの範囲内で動作する、ある長さの二重クラッドＹｂドープ・ファイバ４２によってもたらされる。高反射器格子４４が、ファイバ４２の入力端に設けられ、出力カプラ格子４６が、ファイバ４２の出力端に設けられる。本例では、格子４４および４６は、ファイバ４２に融合された受動ファイバ（ｐａｓｓｉｖｅ ｆｉｂｅｒ）の個々のセグメント（ｓｅｇｍｅｎｔ）に書き込まれる。また、格子４４および４６を、ファイバ４２の入力端および出力端に直接書き込むことも可能であろう。
【０００６】
高反射器４４、出力カプラ４６およびファイバ４２は、共に、レーザ空胴４８として機能する。テーパ化ファイバ束（ｔａｐｅｒｅｄ ｆｉｂｅｒ ｂｕｎｄｌｅ）（ＴＦＢ）５２によってファイバ４２に結合された複数のポンプ・ダイオード５０によって、ポンピング・エネルギーがファイバ４２に供給される。本例では、レーザ４０は、出力として波長１１１７ｎｍのシングル・モード放射を供給する。
【０００７】
レーザ出力は、入力としてＣＲＲ ６０に投入される。ＣＲＲ ６０は、その入力端に設けられた第１の複数の高反射器格子６４およびその出力端に設けられた第２の複数の高反射器格子６６を含む、ラマン活性ファイバ６２を備える。また、ラマン・ファイバ６２の出力端に、出力カプラ格子６８が設けられる。本例では、入力格子６４および出力格子６６は、ファイバ６２に融合された受動ファイバの個々のセグメントに書き込まれる。また、格子６４および６６を、ファイバ６２の入力端および出力端に直接書き込むことも可能であろう。
【０００８】
入力高反射器６４、出力高反射器６６、出力カプラ６８およびラマン・ファイバ６２は、広範囲にわたってカスケードの一連のストークス・シフトを生成し、１１１７ｎｍの入力波長を一連のステップで１４８０ｎｍの目標波長に増加させる、ネストされた一連のラマン空胴７０を提供する。出力カプラ６８は、１４８０ｎｍの目標波長におけるシステム出力７２を供給し、システム出力は、次いで、基本モード（ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌ ｍｏｄｅ）において高パワーのエルビウム−ドープ・ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）をポンピングするために使用されてよい。
【０００９】
システム２０は、１４８０ｎｍ以外の出力波長を必要とする他の用途に使用されてよく、シングル・ステップのみにおいて出力波長を発生するように構成されてよい。
【００１０】
図１は、格子６４、６６および６８を使用して構築された、カスケード・ラマン共振器を示すが、融合ファイバ（ｆｕｓｅｄ−ｆｉｂｅｒ）カプラ、薄膜フィルタ、およびＷＤＭループ・ミラーなどの他の構造など、他の波長選択素子を使用する類似の共振器がよく知られている。さらに、線形空胴、単方向リング（ｕｎｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ｒｉｎｇ）空胴または双方向リング（ｂｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ｒｉｎｇ）空胴の形状が、考慮されてよい。さらに、図１は、レーザとして動作するように構成された、カスケード・ラマン共振器を示すが、最終組の格子を省き、代わりにその波長の信号を注入することによって、増幅器として動作するように、同様に良好に、構成されうる。図１に示される構成と同様に、これらの付加的な構成が、１１１７ｎｍの入力波長を一連のステップで１４８０ｎｍの目標波長に増加させる。
【００１１】
従来技術のシステム２０は、知られている制約を受ける。例えば、システム２０において、種々の波長および位置における複数の反射器が、結合空胴（ｃｏｕｐｌｅｄ ｃａｖｉｔｙ）を生成するために結合するという事実によって、１つの問題が生じる。例えば、１１１７ｎｍのレーザ波長における３つの反射器、すなわち、反射器４４、４６および出力反射器群６６の最も左の要素が存在することが見られるであろう。一般に、このことが、比較的低パワーのシステム（例えば、１４８０ｎｍで５Ｗの出力）に対して問題を引き起こすことはないが、高パワー・システムに対して問題を引き起こす。最近、ラマン・ファイバ・レーザのパワー・スケーリング（ｐｏｗｅｒ ｓｃａｌｉｎｇ）に関する調査が実施されており、４１Ｗの高さのパワー・レベルが、ＣＲＲから実証されている。類似の状況が、他のよく知られている、ＷＤＭループ・ミラーを用いるなどの構造を使用して構築されたカスケード・ラマン共振器において生じている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
高パワーが、そのようなシステムから実証されてきたが、図１における設定（ｓｅｔｕｐ）の結合空胴の性質は、長期間信頼できる動作について重大な影響を有する。特に、結合空胴は、システムを不安定にさせ、構成要素を損傷させるのに十分な高い尖頭パワーを有するパルスを発生する可能性がある。特に、レーザ高反射器４４は、おそらくはそこを通して伝播する高パワーによって、システム内で弱連結（ｗｅａｋ ｌｉｎｋ）となることが発見されており、例えば、システム２０をエルビウム−ドープ・ファイバ増幅器または類似のデバイスをポンピングするために使用することを含む、種々の条件の下で故障することが観測されている。さらに、ラマン・レーザ内で発生された中間のストークス次数からの光がＹｂ増幅器の中、およびポンプ・ダイオードに戻って伝播して、それらの故障を引き起こす可能性がある。さらに、第１のストークス・シフトにおける光がＹｂの利得帯域幅の中にあり、ダイオードに衝突する前に増幅される。このこともまた、有害であることは、明らかであろう。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
従来技術の上記および他の問題が、本発明によって対処され、本発明の一態様は、ファイバ・ベースの発振器、増幅器、およびカスケード・ラマン共振器（ＣＲＲ）が共に直列に結合された光増幅システムに関する。発振器出力が入力として増幅器に供給され、増幅器出力が入力としてＣＲＲにポンピング供給され、ＣＲＲが、出力として目標波長におけるシングル・モード放射を供給する。波長依存損失素子（ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ−ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ ｌｏｓｓ ｅｌｅｍｅｎｔ）が、発振器への光の後方伝播（ｂａｃｋｗａｒｄ ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ）を防ぐために、発振器と増幅器との間に接続される。発振器は、第１のパワー・レベルの範囲内で動作可能であり、増幅器および発振器は、第１のパワー・レベルの範囲を超える第２のパワー・レベルの範囲内で動作可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】Ｙｂドープ・ファイバ・レーザが、カスケード・ラマン共振器をポンピングするために使用される、従来技術によるシステムの図である。
【図２】親発振器パワー増幅器構成が、カスケード・ラマン共振器をポンピングするために使用される、本発明の一態様によるシステムのブロック図である。
【図３】図２のシステムにおける例示的発振器段を示す図である。
【図４】図２のシステムにおける例示的増幅器段を示す図である。
【図５】図２のシステムにおける例示的カスケード・ラマン共振器段を示す図である。
【図６】半導体レーザ発振器が使用される、本発明の他の態様によるシステムのブロック図である。
【図７】本発明の他の態様による方法の流れ図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明の態様は、上で説明された従来技術の欠点に対する解決策をもたらす光増幅器システムに関する。
【００１６】
図１のシステム２０に戻ると、１つの可能性のある解決策は、Ｙｂファイバ・レーザ４０とＣＲＲ ６０との間に光アイソレータを設置することであることが明らかとなろう。図１の構造では、吟味されている高パワーが、重大な難題を引き起こす。というのは、ＣＲＲ ６０からの１４８０ｎｍで４１Ｗの出力パワーが、１１１７ｎｍで１００Ｗを超える入力パワーを必要とし、その入力パワーは、現在のファイバ結合アイソレータが耐えうるパワーをはるかに超えるからである。
【００１７】
本発明の一態様は、Ｙｂ−ファイバ・レーザ、および特にレーザの高反射器が、ラマン・レーザから離隔される、高信頼性を有する高パワー・ラマン・レーザを開発するための解決策を提供する。本発明のこの態様によれば、アイソレーションは、モノリシック高パワーＹｂ−ファイバ・レーザを親発振器パワー増幅器（ＭＯＰＡ）構成に分割することによって達成される。
【００１８】
ＭＯＰＡ構成は、他の状況において、十分に制御された光特性を有する高パワー・レーザ源を発生するために使用されてきた。Ｙｂ−ドープ・レーザでポンピングされたＣＲＲが、長年の間市販されてきたという事実にもかかわらず、ＭＯＰＡ構成は、カスケード・ラマン共振器（ＣＲＲ）をポンピングする状況においては、使用されてこなかった。カスケード・ラマン共振器（ＣＲＲ）をポンピングするためにＭＯＰＡ構成を使用することは、そのことが、信頼性を犠牲にすることなく、システムのパワー・スケーリングの著しい増加を可能にするので有利である。
【００１９】
伝統的に、ＭＯＰＡ構成は、発振器単独では得ることができない光特性を達成するために使用される。例えば、高パワー、狭線幅レーザを構築することは困難なので、発振器／増幅器の構成が、高パワー、狭線幅放射を発生させるために使用される。ラマン用途では、ＭＯＰＡは、単一レーザの光特性より優れた光特性を有する出力放射を発生しない。２００Ｗまたは３００Ｗの出力パワーにおいて適度な線幅を有するＹｂドープ・ファイバ・レーザは、重大な難題を提起しない。説明されたＭＯＰＡ構成は、Ｙｂ−レーザの波長と異なる波長で動作する付加的な光素子がシステムに接続されるときに、光構成要素を保護する。以下に説明するように、この保護は、発振器と増幅器との間に設置された波長依存光素子の使用を介して可能にされる。
【００２０】
図２は、この手法を示すシステム１００のブロック図である。図２に示されるように、システム１００は、選択された波長および輝度レベルを有する高パワー出力１８０を生成する３つの段、すなわち、発振器１２０と、増幅器１４０と、カスケード・ラマン共振器（ＣＲＲ）１６０とを備える。
【００２１】
レーザ高反射器は、発振器段１２０に置かれ、発振器段は、比較的低パワーで動作し、また、潜在的に有害な高パワー光が後方に発振器１２０まで伝播するのを防ぐ、１つまたは複数の適切な結合デバイスによって高パワー増幅器１４０およびＣＲＲ １６０から分離される。本説明の目的に対して、この種類のデバイスは、一般に、「波長依存損失素子」と呼ばれる。そのような波長依存損失素子は、例えば、融合ファイバもしくはフィルタ・ベースの波長分割多重装置（ＷＤＭ）、長周期格子、適切にドープされた光ファイバ、フィルタ・ファイバ、または傾斜ブラッグ格子（ｔｉｌｔｅｄ Ｂｒａｇｇ ｇｒａｔｉｎｇ）を含む。発振器からの放射を通す一方で、増幅器またはＣＲＲからの後方に伝播する波長シフト放射を取り除く、他の波長依存損失素子が、同様に使用されてよい。
【００２２】
ラマン散乱の性質によって、ＣＲＲ内の複数のストークス・シフトによる多くの異なる波長の光が、発振器に向かって後方に伝播する可能性がある。これらの波長は、レーザ発振器が動作する波長とは異なる。それゆえ、１つまたは複数の波長依存損失素子が、これらの波長の光を取り除くために使用されうる。さらに、レーザ発振器の波長と同じ波長の後方伝播光が存在する可能性がある。そのような光は、単純な波長依存損失素子で取り除くことはできない。したがって、前方に進んでいる所与の波長の光の通過を許容する一方で、後方に進んでいる同じ波長の光を取り除く光アイソレータが使用される。それゆえ、波長依存損失素子に加えて、光アイソレータもまた、発振器と増幅器との間に使用されてよい。
【００２３】
システム１００は、発振器１２０と増幅器１４０との間に接続された、ＷＤＭ１９２の形の波長依存損失素子を含む。さらに、光アイソレータ１９１が、発振器１２０と増幅器１４０との間に接続される。光アイソレータ１９１は、そこを通して一方向のみ、すなわち発振器１２０から増幅器１４０に、光が伝播するのを許容する。ＷＤＭ１９２は、共振器１６０内で発生された後方伝播ストークス波長をフィルタで取り除いて、これらの波長の光が発振器１２０に到達するのを防ぐように構成される。ＷＤＭ１９２は、例えば、融合ファイバ・カプラもしくは薄膜カプラ、格子型デバイス、または波長依存フィルタの機能をもたらす他のデバイスに基づいてよい。システム１００は、発振器１２０と増幅器１４０との間に接続された、波長依存損失素子１９２および光アイソレータ１９１の使用を示すが、これらの構成要素の一方だけを使用するか、または同様に、１つまたは複数の他の構成要素を単独に、もしくは組み合わせて使用して、本発明の態様を実施することが可能である。
【００２４】
したがって、説明された構成は、発振器１２０が比較的低パワー・レベルで動作される一方で、発振器１２０の構成要素が潜在的に有害な高パワー光に照射されるのを防がれながら、増幅器１４０およびＣＲＲ １６０が比較的高パワー・レベルで動作されうることを可能にする。
【００２５】
発振器１２０、増幅器１４０およびＣＲＲ １６０が、図３〜図５により詳細に示される。
【００２６】
図３に示されるように、発振器１２０は、入力端１２２および出力端１２３を有する適切なレーザ活性ファイバ１２１の第１のセグメントを備える。本例では、使用される光ファイバ１２１は、二重クラッドＹｂ−ドープ・ファイバである。本説明から、他の適切なファイバもまた使用されてよいことが明らかとなろう。例えば、パワー・レベルが十分に低いと、二重クラッド・ファイバを使用する必要はない。
【００２７】
高反射器（ＨＲ）１２４が、ファイバ入力端１２２に設けられ、出力カプラ（ＯＣ）１２５が、ファイバ出力端１２３に設けられる。高反射器１２４、出力カプラ１２５およびファイバ１２１が、レーザ空胴１２６として機能する。本例では、高反射器１２４および出力カプラ１２５が、ファイバ１２１に融合された受動ファイバの個々のセグメントに書き込まれる。また、格子１２４および１２５をファイバ１２１の入力端および出力端に直接書くことも可能であろう。
【００２８】
図３にさらに示されるように、ダイオード・レーザまたは他の適切なデバイスなど、ポンプ源１２７が、ファイバセグメント１２１へのポンピング・エネルギー入力を供給する。ポンプ１２７は、テーパ化ファイバ束（ＴＦＢ）１２８または他の適切なデバイスによってファイバ１２１に結合される。発振器１２０は比較的低パワーであるので、図３は、ファイバ１２１に結合された１つのポンプ１２７を示す。ポンピングデバイス１２７の数は、ポンピング・エネルギーの特定の量を達成するために増加されてよい。また、上述のように、ファイバ１２１は、二重クラッド・ファイバである必要はない。ファイバ１２１が二重クラッド・ファイバでないならば、テーパ化ファイバ束は、使用されないであろう。
【００２９】
次いで、発振器出力１３０が、入力として増幅器１４０に供給される。図２に示されるように、後方伝播防止デバイス１９０、すなわちアイソレータ１９１およびＷＤＭ １９２が、発振器１２０と増幅器１４０との間の通路内に結合される。上述のように、これらの構成要素のうちの１つだけを使用するか、あるいは、１つもしくは複数の他の類似の構成要素と共に使用するか、または他の類似の構成要素のうちのいくつかの組合せと共に使用して、本発明の態様を実施することが可能である
【００３０】
図４は、増幅器１４０を詳細に示す図である。図４に示されるように、パワー増幅器段１４０は、入力端１４２および出力端１４３を有する個別の第２のファイバセグメント１４１を含む。本例では、第２のファイバセグメント１４１を設けるために使用される増幅器ファイバは、レーザ活性の二重クラッドＹｂ−ドープ・ファイバである。複数のレーザ・ダイオード・ポンプ１４４を含む個々の第２のポンプ源が、第２のテーパ化ファイバ束（ＴＦＢ）１４５または類似のデバイスを使用して、第２の光ファイバセグメント１４１に結合される。ポンプ源は、親発振器のレーザ出力１３０を、所定のパワー・レベルまで増幅する。次いで、増幅器出力１５０が、入力としてＣＲＲ段１６０に投入される。
【００３１】
図５は、カスケード・ラマン共振器１６０の一種をより詳細に図示する図を示す。カスケード・ラマン共振器１６０は、入力端１６２および出力端１６３を有する第３の光ファイバセグメント１６１を含む。第３の光ファイバセグメント１６１は、適切なラマン活性ファイバである。以下に説明するように、ラマン・ファイバ１６１は、その出力端に出力カプラを有する共振空胴内に存在する。共振空胴および出力カプラは、カスケード・ラマン共振器入力の中に、カスケードの一連の１つまたは複数のストークス・シフトを生成し、それにより、その波長を、出力として出力カプラに供給される選択された目標波長まで増加させるように構成された波長応答を有する。
【００３２】
具体的には、ラマン・ファイバ１６１は、小さな有効面積および正常分散（すなわち、負分散）を有する。正常分散は、高パワー・レベルにおいて超連続体（ｓｕｐｅｒ−ｃｏｎｔｉｎｕｕｍ）の生成をもたらすであろう変調不安定性（ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｉｎｓｔａｂｉｌｉｔｙ）を防止する。小さな有効面積は、増幅器１５０によって供給されるパワー・レベルにおいて、高いラマン利得に導くように選択される一方で、非常に高い光強度によってもたらされる有害な高次の非線形効果を回避する。結果として、複数のストークス次数が、複数のラマン共振器は、ラマン・ストークス・シフトによって波長内で分離された複数のファイバ・ブラッグ格子で構成されている、カスケード・ラマン共振器の中で発生されてよい。
【００３３】
したがって、図５に示されるように、第１の一連の波長特定高反射器格子１６４（ＨＲ２、ＨＲ４、ＨＲ６、ＨＲ８、ＨＲ１０）が、ラマン・ファイバ１６１の入力端１６２に設けられ、第２の一連の波長特定高反射器格子１６５（ＨＲ１、ＨＲ３、ＨＲ５、ＨＲ７、ＨＲ９）が、ラマン・ファイバ１６１の出力端１６３に設けられる。さらに、出力カプラ（ＯＣ）１６６が、ラマン・ファイバ１６１の出力端１６３に設けられる。本例では、格子１６４、１６５および１６６が、ラマン・ファイバ１６１と融合された受動ファイバの個々のセグメント内に書き込まれる。また、格子１６４、１６５および１６６をラマン・ファイバ１６１の入力端および出力端に直接書くことも可能であろう。
【００３４】
入力格子１６４、出力格子１６５、１６６およびラマン・ファイバ１６１は、ネストされた一連のラマン空胴１６７を提供する。高反射器１６４、１６５は、カスケードの一連のストークス・シフトを生成して、増幅器出力（およびＣＲＲ入力）１５０の波長を目標波長まで引き上げるように構成され、目標波長は、出力カプラ１６６によってファイバの外と結合され、選択されたパワー・レベル、輝度レベル、および波長を有するシステム出力として供給される。付加的なポンプ反射器（図示せず）が、効率を高めるために、使用されなかったＹｂ放射をリサイクルするために使用されてよい。
【００３５】
本発明が、ＣＲＲ １６０内の格子の特定の構成に限定されず、格子のために選択された正確な波長が、選択された目標波長によって決まることが理解されよう。図１の従来技術のシステム２０は、１４８０ｎｍの目標波長を達成するために選択されたＣＲＲ格子のための波長の一例を提供する。ネストされた空胴が、周期的な融合ファイバ・カプラまたは薄膜反射器など、ブラッグ格子以外の方法を使用して生成されてよいこともまた理解されよう。ＣＲＲが、線形空胴かリング空胴のいずれかとして構成されてよいこともまた理解されよう。ＣＲＲが、レーザとして動作するように構成されてよいこと、または、最終組の反射器を省いて、代わりに最終波長においてＣＲＲに信号を注入することによって、ＣＲＲが、増幅器として動作するように構成されてよいこともまた理解されよう。
【００３６】
上述のように、上で説明したシステムの１つの利点は、発振器１２０の出力パワーが十分に低く保持されてよく、それにより、アイソレータ１９１などの構成要素が、発振器１２０と増幅器１４０との間に挿入されてよいことである。通常、ファイバ−ピグテイル・アイソレータ（ｆｉｂｅｒ−ｐｉｇｔａｉｌｅｄ ｉｓｏｌａｔｏｒ）などの構成要素は、発振器１２０からの出力パワーの上限に相当する、１０Ｗ〜２０Ｗ程度のパワー・レベルに制限される。
【００３７】
さらに、波長分割多重装置（ＷＤＭ）１９２など、他のデバイスが、ＣＲＲ １６０内で発生された後方伝播ストークス波長をフィルタで取り除くために使用されてよい。これは、第１のストークス・シフトの光が、Ｙｂ−ドープ・ファイバ内でイオン利得に遭遇し、その結果、発振器を不安定にさせる可能性があるからである。さらに、低パワー発振器１２０を有することが、影響されやすい高反射器から熱負荷を取り除く。
【００３８】
上で説明されたシステム１００は、例えば半導体レーザを含む他の種類の発振器を使用するように一般化されてよいことが理解されよう。図６は、低パワー半導体レーザ発振器２２０と、それに続く、最終のＹｂ−ドープ・パワー増幅器２４５への注入を発生する一連のファイバ増幅器２４０とを使用し、最終のＹｂ−ドープ増幅器２４５の出力がＣＲＲ ２６０に投入される、例示的システム２００を示す図である。図６では、増幅器チェーン２４０が、３つのファイバ増幅器２４１〜２４３を含むように描かれている。また、他の種類および数の増幅器が、本発明の態様の実施において使用されてよいことが理解されよう。
【００３９】
ＣＲＲ ２６０の出力が、システム出力２８０として供給される。システム１００におけるように、波長依存損失素子すなわちＷＤＭ２９２、および光アイソレータ２９１が、発振器２２０を他のシステムの構成要素から離隔するために使用される。
【００４０】
図７は、本発明の他の態様による光増幅法３００の流れ図を示す。方法３００は、以下のステップを含む：
３０１：ファイバ・ベース発振器、増幅器およびカスケード・ラマン共振器（ＣＲＲ）を共に直列に結合し、発振器出力が入力として増幅器に供給され、増幅器出力がＣＲＲへのポンピング入力として供給され、ＣＲＲが、出力として目標波長におけるシングル・モード放射を供給する、
３０２：発振器と増幅器との間に１つまたは複数の波長依存損失素子を結合し、発振器が増幅器およびＣＲＲから光学的に離隔される、
３０３：発振器を第１のパワー・レベル範囲内で動作させ、増幅器およびＣＲＲを、第１のパワー・レベル範囲を超える第２のパワー・レベル範囲内で動作させる。
【００４１】
ラマン利得帯域幅は極めて大きく、反射器は、必ずしも利得のピークである必要のない、利得帯域幅内の任意の場所に設置されてよいことに留意されたい。
【００４２】
上で説明されたシステムおよび技術は、線形ラマン共振器およびリング・ラマン共振器の両方；ラマン増幅器構造；ラマン空胴のいずれとも非共振であるが、やはりラマン利得帯域幅内にある第２のポンプを含む二重ポンプシステム；狭線幅を有する偏光出力が有利である周波数逓倍（ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ −ｄｏｕｂｌｉｎｇ）結晶を照射すること；例えばパラメトリック・システムにおいて使用されるようなパルス発振動作または変調動作、他を限定されることなく含む多くの他の状況において利用可能である。
【００４３】
ラマン増幅器に関して、それらの構造は、通常、増幅器ラマン空胴が、最終のストークス・シフトおよび出力カプラなしに構築されることを除いては、ラマン・レーザの構造に類似することに留意されたい。また、シード・レーザ（ｓｅｅｄ ｌａｓｅｒ）が、最終のストークス・シフトにおいてラマン空胴内に結合される。シード源からのシード入力が、異なる場所における増幅器に注入されてよい。シード・レーザは、偏光出力、狭線幅、同調性、他など、多くの増幅器特性を制御する。
【００４４】
上の説明は、当業者が本発明を実施することを可能にするであろう詳細を含むが、説明は、本来、例示的であり、本発明の多くの改変形態および変形形態が、これらの教示の利益を有する当業者には明らかであろうことを認識されたい。したがって、本明細書の発明は、本明細書に添付の特許請求の範囲によってのみ定義され、本特許請求の範囲は、従来技術で容認される限り広く解釈されることが意図される。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
共に直列に結合されたファイバ・ベースの発振器、増幅器およびカスケード・ラマン共振器を備え、発振器出力が入力として前記増幅器に供給され、増幅器出力がポンピング入力として前記カスケード・ラマン共振器に供給され、前記カスケード・ラマン共振器が、出力として目標波長における放射を供給し、さらに、
前記増幅器および前記カスケード・ラマン共振器から前記発振器の中に光が後方伝播するのを防ぐ、前記発振器と前記増幅器との間に接続された波長依存損失素子を備え、それにより、前記発振器が第１のパワー・レベル範囲内で動作可能であり、前記増幅器および前記カスケード・ラマン共振器が、前記第１のパワー・レベル範囲を超える第２のパワー・レベル範囲内で動作可能である、光増幅システム。
【請求項２】
前記発振器と前記増幅器との間に接続された光アイソレータをさらに備える、請求項１に記載の光増幅システム。
【請求項３】
前記発振器が、
入力端および出力端を有するレーザ活性ファイバのセグメントと、
前記ファイバセグメントの入力端に設けられた高反射器および前記ファイバセグメントの出力端に設けられた出力カプラとを含み、前記高反射器、前記出力カプラおよび前記ファイバがレーザ空胴を提供し、さらに、
ポンピング入力を供給するために前記レーザ活性ファイバに結合されたポンプ源を含む、請求項１に記載の光増幅システム。
【請求項４】
前記レーザ活性ファイバが二重クラッド・ファイバであり、テーパ化ファイバ束が前記ポンプ源と前記二重クラッドとの間の結合を提供する、請求項３に記載の光増幅システム。
【請求項５】
前記増幅器が、
入力端および出力端を有するレーザ活性の二重クラッドの増幅器ファイバの個々のセグメントを含み、前記発振器出力が入力として前記増幅器ファイバの前記入力端に提供され、さらに、
前記増幅器入力を増幅するために前記増幅器ファイバに結合された個々のポンプ源を含み、
前記増幅器が、出力として前記増幅器の前記出力端に前記増幅された入力を提供する、請求項１に記載の光増幅システム。
【請求項６】
前記個々のポンプ源を前記増幅器ファイバに結合するテーパ化ファイバ束をさらに含む、請求項５に記載の光増幅システム。
【請求項７】
前記カスケード・ラマン共振器が、
入力端および出力端を有するラマン・ファイバのセグメントを含み、前記増幅器出力が、ポンピング入力として前記ラマン・ファイバの前記入力端に供給され、
前記ラマン・ファイバが、その出力端に出力カプラを有する共振空胴内に存在し、
前記共振空胴および前記出力カプラが、カスケード・ラマン共振器入力の中にカスケードの一連の１つまたは複数のストークス・シフトを生成して、その波長を、出力として前記出力カプラに供給される選択された目標波長まで増加させるように構成された波長応答を有する、請求項１に記載の光増幅システム。
【請求項８】
前記共振空胴が、前記ラマン・ファイバの前記入力端における第１の複数の高反射器と、前記ラマン・ファイバの前記出力端における第２の複数の高反射器および出力カプラとを含む、請求項７に記載の光増幅システム。
【請求項９】
ファイバ・ベースの発振器、増幅器およびカスケード・ラマン共振器を共に直列に結合することを含み、発振器出力が入力として前記増幅器に供給され、増幅器出力がポンピング入力として前記カスケード・ラマン共振器に供給され、前記カスケード・ラマン共振器が、出力として目標波長におけるシングル・モード放射を供給し、さらに、
前記発振器を前記増幅器および前記カスケード・ラマン共振器から離隔することを含み、
それにより、前記発振器が第１のパワー・レベル範囲内で動作可能であり、前記増幅器および前記カスケード・ラマン共振器が、前記第１のパワー・レベル範囲を超える第２のパワー・レベル範囲内で動作可能である、光増幅法。
【請求項１０】
前記発振器が、
入力端および出力端を有するレーザ活性の二重クラッド・ファイバの個々のセグメントを含み、前記発振器出力が入力として前記増幅器ファイバの前記入力端に供給され、さらに、
前記増幅器入力を増幅するために前記増幅器ファイバに結合された個々のポンプ源を含み、
前記増幅器が、出力として前記増幅器の前記出力端に前記増幅された入力を提供する、請求項９に記載の光増幅法。
【請求項１１】
前記カスケード・ラマン共振器が、
入力端および出力端を有するラマン・ファイバのセグメントを含み、前記増幅器出力が、ポンピング入力として前記ラマン・ファイバセグメントの前記入力端に提供され、
第１の複数の高反射器が前記ラマン・ファイバセグメントの前記入力端に提供され、第２の複数の高反射器および出力カプラが前記ラマン・ファイバセグメントの前記出力端に提供され、
前記高反射器および前記出力カプラが、前記カスケード・ラマン共振器入力の中にカスケードの一連の１つまたは複数のストークス・シフトを生成して、その波長を、出力として前記出力カプラに供給される選択された目標波長まで増加させるように構成された波長応答を有する、請求項１０に記載の光増幅法。
【請求項１】
共に直列に結合されたファイバ・ベースの発振器、増幅器およびカスケード・ラマン共振器を備え、発振器出力が入力として前記増幅器に供給され、増幅器出力がポンピング入力として前記カスケード・ラマン共振器に供給され、前記カスケード・ラマン共振器が、出力として目標波長における放射を供給し、さらに、
前記増幅器および前記カスケード・ラマン共振器から前記発振器の中に光が後方伝播するのを防ぐ、前記発振器と前記増幅器との間に接続された波長依存損失素子を備え、それにより、前記発振器が第１のパワー・レベル範囲内で動作可能であり、前記増幅器および前記カスケード・ラマン共振器が、前記第１のパワー・レベル範囲を超える第２のパワー・レベル範囲内で動作可能である、光増幅システム。
【請求項２】
前記発振器と前記増幅器との間に接続された光アイソレータをさらに備える、請求項１に記載の光増幅システム。
【請求項３】
前記発振器が、
入力端および出力端を有するレーザ活性ファイバのセグメントと、
前記ファイバセグメントの入力端に設けられた高反射器および前記ファイバセグメントの出力端に設けられた出力カプラとを含み、前記高反射器、前記出力カプラおよび前記ファイバがレーザ空胴を提供し、さらに、
ポンピング入力を供給するために前記レーザ活性ファイバに結合されたポンプ源を含む、請求項１に記載の光増幅システム。
【請求項４】
前記レーザ活性ファイバが二重クラッド・ファイバであり、テーパ化ファイバ束が前記ポンプ源と前記二重クラッドとの間の結合を提供する、請求項３に記載の光増幅システム。
【請求項５】
前記増幅器が、
入力端および出力端を有するレーザ活性の二重クラッドの増幅器ファイバの個々のセグメントを含み、前記発振器出力が入力として前記増幅器ファイバの前記入力端に提供され、さらに、
前記増幅器入力を増幅するために前記増幅器ファイバに結合された個々のポンプ源を含み、
前記増幅器が、出力として前記増幅器の前記出力端に前記増幅された入力を提供する、請求項１に記載の光増幅システム。
【請求項６】
前記個々のポンプ源を前記増幅器ファイバに結合するテーパ化ファイバ束をさらに含む、請求項５に記載の光増幅システム。
【請求項７】
前記カスケード・ラマン共振器が、
入力端および出力端を有するラマン・ファイバのセグメントを含み、前記増幅器出力が、ポンピング入力として前記ラマン・ファイバの前記入力端に供給され、
前記ラマン・ファイバが、その出力端に出力カプラを有する共振空胴内に存在し、
前記共振空胴および前記出力カプラが、カスケード・ラマン共振器入力の中にカスケードの一連の１つまたは複数のストークス・シフトを生成して、その波長を、出力として前記出力カプラに供給される選択された目標波長まで増加させるように構成された波長応答を有する、請求項１に記載の光増幅システム。
【請求項８】
前記共振空胴が、前記ラマン・ファイバの前記入力端における第１の複数の高反射器と、前記ラマン・ファイバの前記出力端における第２の複数の高反射器および出力カプラとを含む、請求項７に記載の光増幅システム。
【請求項９】
ファイバ・ベースの発振器、増幅器およびカスケード・ラマン共振器を共に直列に結合することを含み、発振器出力が入力として前記増幅器に供給され、増幅器出力がポンピング入力として前記カスケード・ラマン共振器に供給され、前記カスケード・ラマン共振器が、出力として目標波長におけるシングル・モード放射を供給し、さらに、
前記発振器を前記増幅器および前記カスケード・ラマン共振器から離隔することを含み、
それにより、前記発振器が第１のパワー・レベル範囲内で動作可能であり、前記増幅器および前記カスケード・ラマン共振器が、前記第１のパワー・レベル範囲を超える第２のパワー・レベル範囲内で動作可能である、光増幅法。
【請求項１０】
前記発振器が、
入力端および出力端を有するレーザ活性の二重クラッド・ファイバの個々のセグメントを含み、前記発振器出力が入力として前記増幅器ファイバの前記入力端に供給され、さらに、
前記増幅器入力を増幅するために前記増幅器ファイバに結合された個々のポンプ源を含み、
前記増幅器が、出力として前記増幅器の前記出力端に前記増幅された入力を提供する、請求項９に記載の光増幅法。
【請求項１１】
前記カスケード・ラマン共振器が、
入力端および出力端を有するラマン・ファイバのセグメントを含み、前記増幅器出力が、ポンピング入力として前記ラマン・ファイバセグメントの前記入力端に提供され、
第１の複数の高反射器が前記ラマン・ファイバセグメントの前記入力端に提供され、第２の複数の高反射器および出力カプラが前記ラマン・ファイバセグメントの前記出力端に提供され、
前記高反射器および前記出力カプラが、前記カスケード・ラマン共振器入力の中にカスケードの一連の１つまたは複数のストークス・シフトを生成して、その波長を、出力として前記出力カプラに供給される選択された目標波長まで増加させるように構成された波長応答を有する、請求項１０に記載の光増幅法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公表番号】特表２０１２−５２７０１７（Ｐ２０１２−５２７０１７Ａ）
【公表日】平成２４年１１月１日（２０１２．１１．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−５１０９４５（Ｐ２０１２−５１０９４５）
【出願日】平成２２年５月１１日（２０１０．５．１１）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２０１０／０３４４０６
【国際公開番号】ＷＯ２０１０／１３２４６６
【国際公開日】平成２２年１１月１８日（２０１０．１１．１８）
【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１１月１日（２０１２．１１．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年５月１１日（２０１０．５．１１）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２０１０／０３４４０６
【国際公開番号】ＷＯ２０１０／１３２４６６
【国際公開日】平成２２年１１月１８日（２０１０．１１．１８）
【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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