ファイバーレーザーとは何ですか?

光ファイバーは光ファイバーの略で、通常は光波を通すための円筒形の導波路です。全反射の原理を利用して光波をコアに閉じ込め、ファイバー軸の方向に導きます。銅線を石英ガラスに置き換えることで世界が変わりました。

光ファイバーは、光波を伝導する媒体として、その高い通信容量、高い干渉耐性、低い伝送損失、長い中継距離、良好な機密性、適応性、小型サイズのおかげで、チャールズ・カオによって1966年に導入されて以来、広く使用されてきました。、軽量で原料が豊富です。「光ファイバーの父」として知られる花王氏は、その功績により2009年にノーベル物理学賞を受賞した。光ファイバーの完成度と実用性が高まるにつれて、光ファイバーは電気通信業界に革命をもたらし、現代の通信の中核コンポーネントとして銅線に大きく取って代わりました。

光ファイバー通信システムは、情報担体として光を使用し、導波媒体として光ファイバーを使用する通信システムです。光ファイバーが情報を伝送する場合、電気信号は光信号に変換され、ファイバー内で伝送されます。新興通信技術として、光ファイバー通信は当初から比類のない優位性を示し、大きな関心と幅広い注目を集めています。通信における光ファイバーの普及は、同時に光ファイバー増幅器とファイバーレーザーの急速な発展にも貢献しました。光ファイバーシステムは通信のほか、医療、センシングなどの幅広い分野で利用されています。

光ファイバー

ファイバーレーザーの利得媒体はアクティブファイバーです。その構造により、シングルモードファイバ、ダブルクラッドファイバ、フォトニッククリスタルファイバの3つに分類できます。

シングルモード光ファイバシングルモードファイバは、コア、クラッド、およびコーティング層で構成され、入射光の入射角が角度よりも大きい場合、コア材料の屈折率 n1 がクラッド材料の屈折率 n2 より高くなります。臨界角の画像では、コア内の光ビームが完全に放射されるため、ファイバはコアの伝播内の光ビームに結合することができます。シングルモードファイバの内部クラッドはマルチモードポンプ光を抑制する役割を果たすことができず、コアの開口数が低いため、レーザ出力を得るためにコアに結合するシングルモードポンプ光のみを使用することができる。初期のファイバーレーザーはこのシングルモードファイバーを使用していたため、結合効率が低くなり、レーザーの出力はミリワット範囲になりました。

ダブルクラッドファイバー

従来のシングルモード、シングルクラッドのイッテルビウムドープ（Yb3プラス）ファイバの変換効率と出力の限界を克服するために、マウラー（R.マウラー）は1974年にダブルクラッドファイバの概念を初めて提案しました。それ以来、E. Snitzer らがクラッディング励起技術 [3] を提案した 1988 年になって初めて、高出力 Yb ドープファイバーレーザー/増幅器が急速に開発されました。

ダブルクラッドファイバは、従来のファイバに、被覆層、内部クラッド層、外部クラッド層、ドープファイバコアからなる内部クラッド層を追加した特殊な構造の光ファイバです。クラッドポンピング技術はダブルクラッドファイバに基づいており、そのコアはマルチモードポンプ光が内側クラッドで伝送され、レーザ光がコアで伝送されることを可能にし、ポンピング変換効率と出力パワーを可能にします。ファイバーレーザーは大幅に改善されます。この技術の鍵となるのは、ダブルクラッドファイバの構造、内部クラッドの形状、励起光の結合方法です。

ダブルクラッドファイバのコアは、希土類元素がドープされた二酸化ケイ素（SiO2）で構成されており、これはレーザ媒体であり、動作波長に対応するファイバレーザ内のレーザ信号の伝送チャネルでもあります。内側クラッドの横サイズ（従来のコアの直径の数十倍）と開口数はコアよりもはるかに大きく、屈折率はコアよりも小さいため、レーザー光の伝播が完全に制限されます。コアの中。これにより、コアと外側クラッドの間に大きな断面、大きな開口数の光導波路が形成され、大きな開口数、大きな断面積、マルチモードの高パワー励起光がファイバに結合され、内部の伝送に閉じ込められるようになります。拡散のない内部クラッドにより、高出力密度の光ポンピングの維持が容易になります。外側クラッドは、内側クラッドよりも屈折率が小さいポリマー材料で構成されています。最外層は有機材料からなる保護層です。ダブルクラッドファイバの励起光への結合面積は、コアだけで決まる従来のシングルモードファイバとは異なり、内側クラッドのサイズによって決まります。一方で、これによりヒューマンファイバーレーザーのパワー結合効率が向上し、ポンプ光が内部クラッドを数回通過して、レーザー発光用のドープイオンを励起できるようになります。一方、出力ビームの品質はファイバーコアの性質によって決まり、内部クラッドの導入によってファイバーレーザー出力のビーム品質が損なわれることはありません。

当初、ダブルクラッドファイバの内側クラッドは円筒対称で、製造が比較的簡単で、ポンプレーザーダイオード (LD) のピグテールに結合するのが簡単でしたが、その完全な対称性により、ポンプ光の多数の螺旋光線が発生しました。内部クラッドは、コアで吸収されるほどの反射があった後でもコア領域に到達しないため、ファイバが長くても依然として大量の光漏れが存在し、変換効率を向上させることが困難になります。このため、内側クラッドの円筒対称性を破る必要があります。

フォトニック結晶ファイバー

通常のダブルクラッドファイバでは、コアの形状によってレーザーの出力パワーが決まります。開口数は、出力レーザーのビーム品質を決定します。光ファイバにおける非線形効果、光損傷、およびその他の物理的メカニズムの制限により、コア直径を増大させる単一の手段では、ラージモードフィールドダブルクラッドファイバにおける高出力でのシングルモード動作の需要を満たすことができません。フォトニック結晶ファイバー (PCF) などの特殊なファイバーの出現により、この課題に対する効果的な技術的解決策が提供されます。

フォトニック結晶の概念は、1987 年に E. ヤブロノビッチによって初めて導入されました1。これは、光がフォトニック伝導帯で伝播することを可能にし、光がフォトニックバンドギャップで伝播することを禁止する、1 次元、2 次元、または 3 次元で異なる誘電率を持つ周期構造です ( PBG）。 PCF は二次元フォトニック結晶であり、微細構造ファイバーまたは多孔質ファイバーとしても知られており、1996 年に JC Knight et al. は、内部全反射を伴う従来のファイバーと同様の導光機構を備えた最初の PCF を製造しました。 2005 年以降、ラージモードフィールド PCF の設計と準備は多様化し始め、リーキーチャネル PCF、ロッド型 PCF、ラージピッチ PCF、マルチコア PCF などのさまざまな形状が登場しました。それに応じて、ファイバーのモードフィールド領域も増加し続けています。

外観上、PCF は従来のシングルモードファイバと非常に似ていますが、顕微鏡的には複雑なホールアレイ構造を示します。これらの構造上の特徴により、カットオフのないシングルモード伝送、広いモードフィールドエリア、調整可能な分散、低い制限損失など、従来のファイバに比べて PCF にユニークで比類のない利点が与えられ、従来のレーザーの課題の多くを克服できます。。たとえば、PCF は、ビーム品質を確保しながら、大きなモードフィールド領域でシングルモード動作を実現し、ファイバー内のレーザーパワー密度を大幅に低減し、ファイバー内の非線形効果を低減し、ファイバーの損傷閾値を増加させることができます。大きな開口数を達成できます。これは、より多くのポンプ光結合とより高い出力のレーザー出力を達成できることを意味します。これにより、これはファイバーレーザーにおける新たな研究のハイライトとなり、高出力ファイバーレーザーの応用においてますます重要な役割を果たしています。

ファイバーレーザーの発明

レーザー利得媒体として光ファイバーを使用するレーザーは、ファイバーレーザーとして知られています。他のタイプのレーザーと同様に、それは利得媒体、ポンプ源、共振空洞の 3 つの部分で構成されます。ファイバーレーザーは、利得媒体として希土類元素がドープされたコアを備えたアクティブファイバーを使用します。ポンプ光源としては、一般に半導体レーザーが使用されます。共振空洞は一般に、反射ミラー、ファイバー端面、ファイバーリングミラー、またはファイバーグレーティングで構成されます。

ファイバーレーザーの時間領域特性に応じて、連続ファイバーレーザーとパルスファイバーレーザーに分けることができます。共振空洞構造に応じて、リニアキャビティファイバーレーザー、分布帰還ファイバーレーザー、リングキャビティーファイバーレーザーに分けることができます。利得ファイバとさまざまなポンピング方法に応じて、シングルクラッドファイバレーザ（ファイバコアポンピング）とダブルクラッドファイバレーザ（クラッドポンピング）に分けることができます。

1961 年、スニッツァーはネオジム (Nd) をドープしたガラス導波管内でのレーザー放射を発見しました。 1966 年、花王は光ファイバーにおける光減衰の主な原因を詳細に研究し、通信における光ファイバーの実用化のために解決する必要がある主な技術的問題を指摘しました。 1970 年、米国のコーニング社が減衰 20 dB/km 未満の光ファイバーを開発し、光通信およびオプトエレクトロニクス産業の発展の基礎を築きました。これにより、光通信およびオプトエレクトロニクス産業の発展の基礎が築かれました。 1970 年代と 1980 年代、半導体レーザー技術の成熟と商品化により、ファイバーレーザーの開発に信頼性の高い多様なポンプ源が提供されました。同時に、化学蒸着法の開発により、光ファイバーの伝送損失は継続的に減少しています。ファイバーレーザーも多様化の方向に急速に発展しており、エルビウム（Er3プラス）、イッテルビウム（Yb3プラス）、ネオジム（Nd3プラス）、サマリウム（Sm3プラス）、ツリウム（Tm3プラス）、ホルミウム（Ho3プラス）、プラセオジム（Pr3プラス）、ジスプロシウム（Dy3プラス）、ビスマス（Bi3プラス）など。ドープされたイオンに応じて、さまざまな波長のレーザー出力を実現できます。さまざまなアプリケーションの要件を満たすため。

Raycus

高出力ファイバーレーザーの特徴

高出力ファイバーレーザーの利点は次のとおりです。

(1) 良好なビーム品質。光ファイバーの導波路構造により単一横モード出力が得られやすく、外的要因の影響が非常に少ないため、高輝度なレーザー出力が得られます。

(2) 高効率です。ファイバーレーザーは、励起光源となる半導体レーザーの発光波長とドープされた希土類元素の吸収特性を選択することにより、非常に高い光変換効率を実現できます。イッテルビウムをドープした高出力ファイバーレーザーの場合は、一般に915nmまたは975nmの半導体レーザーを選択します。Yb3プラスの単純なエネルギー準位構造のため、アップコンバージョン、励起状態の吸収および集中バーストが発生する可能性が低く、蛍光寿命が長く、エネルギーを効果的に蓄積できます。ハイパワー動作用。市販のファイバーレーザーの全体的な電気光学効率は 25% と高く、コスト削減、エネルギー節約、環境保護に貢献します。

(3) 放熱特性が良好です。ファイバーレーザーは、体積に対する表面積の比が非常に大きい、希土類元素をドープした薄いファイバーを使用したレーザー利得媒体として使用されます。固体ブロックレーザーの約1000倍、放熱能力の点で当然の利点があります。低出力および中出力の場合にはファイバーの特別な冷却は必要ありませんが、高出力の場合には水冷が使用されます。これにより、固体レーザーでよく見られる熱効果によるビーム品質と効率の低下も効果的に回避されます。

(4) コンパクトな構造で信頼性が高い。ファイバーレーザーはレーザー利得媒体として小さくて柔軟なファイバーを使用するため、体積の圧縮とコストの削減に役立ちます。ポンプ光源は、小型でモジュール化が容易な半導体レーザーでも使用されます。市販製品は、ファイバーブラッググレーティングや他の光ファイバーデバイスと組み合わせたピグテール出力を備えたものが一般的に入手可能ですが、これらのデバイスが相互に融合されてフルファイバーを実現している限り、環境障害に対する耐性があり、安定性が高いため、メンテナンスの時間とコストを節約できます。

高出力ファイバーレーザーには、克服が難しい欠点もあります。その 1 つは、非線形効果に対する脆弱性です。ファイバーレーザーは有効長が長く、導波路の形状によりさまざまな非線形効果に対する閾値が低くなります。励起ラマン散乱 (SRS) や自己位相変調 (SPM) などの一部の有害な非線形効果は、スペクトル上の位相変動やエネルギー移動を引き起こしたり、レーザーシステムに損傷を与えたりする可能性があり、高出力ファイバーの開発を制限する可能性があります。レーザー。 2 つ目はフォトンダークニング効果です。ポンピング時間の増加に伴い、フォトンダークニング効果により、希土類元素ドープファイバーの高ドーピング濃度が単調に不可逆的に低下し、高出力ファイバーレーザーの長期安定性と耐用年数が制限されることが特に明らかです。イッテルビウムをドープした高出力ファイバーレーザーで。

高輝度ファイバー結合半導体レーザーとダブルクラッドファイバー技術の進歩により、高出力ファイバーレーザーの出力、光から光への変換効率、ビーム品質が大幅に向上しました。産業加工、指向性エネルギー兵器、長距離テレメトリ、LIDAR およびその他のアプリケーションの巨大な需要を牽引し、主に米国の Apache Photonics (IPG Photonics)、Nufern (Nufern)、Nlight (Nlight) およびドイツの Tong Express Group に輸出されています。連続波、パルス波高出力ファイバーレーザーの研究開発に関する研究部門が、豊富な製品ラインを立ち上げました。清華大学、国立国防技術大学、中国科学院上海光学精密機械研究所、中国航空宇宙科学研究院第四研究院など、中国の多くの機関からも興味深い成果が報告されている。産業株式会社

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ファイバーレーザー出力強化技術

ファイバーレーザーの非線形効果、熱効果、および材料損傷のしきい値制限により、単一ファイバーレーザーの出力パワーはある程度制限されており、パワーが増加するにつれてビーム品質は徐々に低下するため、ファイバーレーザーを使用する必要があります。モード制御技術と新しいファイバーの特殊構造の設計により、ビーム品質を向上させます。 Dawson (JW Dawson) らは、単一ファイバの出力限界を理論的に分析し、広帯域ファイバレーザでは単一ファイバが回折限界レーザ出力に近い 36 kW の最大出力を得ることができるが、線幅の狭いファイバレーザでは最大出力が 36 kW であると計算しました。電力は2kWです。ファイバーレーザーやアンプの出力をさらに高めるためには、コヒーレント合成技術により複数のファイバーレーザーをパワー合成することが有効な方法です。近年、国際的な研究のホットスポットとなっています。

Laser source

コヒーレント合成は、各レーザービームの位相、周波数、偏光を一定の一貫性で制御することで実現され、コヒーレンス条件を満たし、均一な位相ロック出力が得られます。これにより、単純な非コヒーレントよりもはるかに高いピーク強度を得ることができます。重ね合わせて良好なビーム品質を維持します。コヒーレント合成技術の開発の歴史はレーザーそのものの歴史と同じくらい長く、ガスレーザー、化学レーザー、半導体レーザー、固体レーザーなどがありますが、各種デバイスの未熟さにより、初期の段階では、コヒーレント合成技術によって達成された実験結果は、当時の対応するシングルリンクレーザーの最大出力を超えるものではなかったため、その効果はあまり明らかではありませんでした。 1990 年代以降、ファイバーレーザーの出現により、コヒーレント合成技術が急速に発展しました。ファイバーレーザーの独自の利点と数百キロワットの戦術的使用の必要性に加えて、いくつかのデバイス (ファイバーコーンカプラー、マルチコアファイバー、ピグテール付き位相変調器、音響光学周波数シフターなど) が重要な役割を果たしてきました。光ファイバー通信の商業的展開において重要な役割を果たします。ファイバーコーンカプラーとマルチコアファイバーは、レーザーエネルギー注入結合と速波結合に基づいたパッシブ位相制御を容易にしますが、ピグテールと音響光学周波数シフターを備えた位相変調器は、メガヘルツ制御帯域幅でのアクティブ位相制御を可能にし、これを使用して位相変動を制御できます。高電力条件に対応し、位相ロック出力を実現します。研究者らは、数多くの独特のコヒーレント合成スキームを提案してきました。

Raycys laser source

スペクトル合成は、1 つ以上の回折格子を使用して複数のサブビームを同じアパーチャに回折し、結果として良好なビーム品質の単一アパーチャ出力を生成する非コヒーレント合成技術です。ファイバーレーザーのスペクトル合成では、Yb ドープファイバーレーザーの広い利得帯域幅を最大限に活用して、単一ファイバーレーザーの限られた出力パワーを補うことができます。