スペクトルビーム結合で、Tm添加ファイバーレーザの出力限界を打破

フラウンホーファー応用光学・精密機械工学研究所（IOF）は、フォトニクス、精密機械、光学技術の分野における先進的な研究と革新の最前線に立つ組織です。光科学の由緒あるハブとしてドイツのイエナに拠点を置くフラウンホーファーIOFは、産業、科学、社会の課題に対する先進的なソリューションの開発を専門としています。学際的協調を重視する同研究所は、効率、精度、拡張性の基準を定める、カスタム光学システム、レーザ技術、測定ソリューションの創出に長けています。著名なフラウンホーファー研究機構の傘下組織としてIOFは、学術研究と産業応用の橋渡しを行うことで、世界中の技術進歩を牽引し、経済成長を促進しています。

同研究所のレーザおよびファイバー技術（Laser and Fiber Technology）部門に所属する科学者であるフリードリッヒ・メラー氏は、高出力レーザシステムの出力拡大に取り組んでいます。同氏は同僚とともに、ツリウム（Tm）添加ファイバーに基づくレーザを開発しました。一般的に1850～2100 nmの波長範囲の光を照射できるこのレーザは、医療処置、ポリマー加工、自由空間通信など、さまざまな用途に多大なメリットをもたらしています。

課題

幅広い用途に多大なメリットをもたらすTm添加ファイバーレーザですが、根強い課題として残るのが、平均出力の高出力化です。

一般的に790 nmで励起されるTm添加ファイバーレーザは、動作中にかなりの熱負荷を生成します。この熱によってファイバーの導波特性が損なわれると、横モード不安定性（TMI）が生じ、ファイバーが損傷する恐れがあります。こうした問題を理由に10年近くもの間、回折限界に近いTmドープファイバーレーザの出力は、約1 kWまでに制限されてきました。ビーム品質と動作効率を維持しつつ、この出力の限界を打破することが、この技術の進歩に不可欠となる、重要な課題でした。

ソリューション

出力限界を打破するには、革新的な熱管理戦略と、新しい高性能な結合光学部品が必要で、優れたビーム品質を維持することを念頭に、そのすべてを設計する必要がありました。そのソリューションとして開発されたのが、複数の高性能Tm添加ファイバー増幅器の出力を統合できる、二重回折格子（デュアルグレーティング）を利用したスペクトルビーム結合（SBC）システムです。

このアプローチの中心にあるのは、カスタム設計された3つのkW級のTm添加ファイバー増幅器で、各増幅器は、大気透過率が高くなるように最適化された特定の波長で動作します。これらの増幅器には、高効率動作向けに設計されたCoherent NuTDFシリーズの「LMA-TDF-25P/400-M」ファイバーが採用されています。

ビーム結合に二重回折格子構造を利用することで、回折限界付近のビーム品質を確保するために必要なレーザ帯域幅が最小限に抑えられます。このSBCシステムの中核要素は、フラウンホーファーIOFが開発した、新しい反射型回折格子です。ランダム偏光入力用に設計されたこれらの回折格子は、94%を超える回折効率を備えます。これによって、90%の総合結合効率を達成する、正確なスペクトルビーム結合が可能になります。

成果

この先進的なSBCシステムの実装により、以下に示す画期的な成果が得られました。

• 記録を更新する出力：結合出力は1.91 kWに達し、Tm添加ファイバーレーザ性能の重要なマイルストーンを樹立しました。

• 高いビーム品質と効率：各増幅器は、700 Wを超えるTMIフリーのシングルモード出力を、約60％の増幅効率と115 pm未満のスペクトル線幅で達成しました。

• 拡張性：二重回折格子システムは、平均出力を20 kW以上にまで拡大できる潜在能力を備えることが実証されました。熱性能指標により、結合回折格子における熱勾配は6.8 K/kWと低いことが示されており、これは、要件の厳しい高出力用途にこのシステムが適していることを裏付けています。

この成果は、Tm添加ファイバーレーザ技術のさらなる進歩に向けた明確な道筋を確立し、高い出力と卓越したビーム品質を必要とする次世代の医療、産業、防衛システムに、これらのレーザを展開する可能性を解き放つものです。