希土類ドープファイバーがNIRレーザと増幅器を実現する

希土類元素をドープした特殊な光ファイバーを用いたレーザやレーザシステムは、電子自動車における難易度の高い金属の溶接、精密なレーザターゲット、医療機器の切断など、最近のフォトニック技術の中で最も成功したデュアル用途のひとつです。 このドキュメントでは、完全なファイバーレーザシステムにおいて重要な役割を果たす特殊ファイバーオプションのいくつかを説明します。

希土類で近赤外レーザの動作を実現

イッテルビウム（Yb）、ネオジム（Nd）、ホルミウム（Ho）、ツリウム（Tm）、エルビウム（Er）などの希土類元素の正イオンを含むドープ材料は、近赤外線（NIR）1～2ミクロンの波長領域で出力を提供します。 この領域は、多くの材料が強く吸収するため、ドリリング、切断、溶接、マーキングなどの材料加工を効率的に行うことができる有用な領域です。 さらに、波長1400 nm付近では、水による強い光吸収が始まるため、これより長い波長は医療用途（外科的アブレーションなど）に適しており、長距離のファイバー伝送にも対応できます。 この水による光吸収の特性から、一般には1400 nm がアイセーフレーザのカットオン波長とされています。これより長い波長は、眼球表面の水分に吸収されて網膜まで到達しないため、人間の目に安全です。 そのため、この目に見えない波長は、LIDARイメージングや測距などの用途に有効です。 また、非線形光学結晶を用いて、レーザの波長を可視光や紫外光にシフトさせることも可能です。

ファイバーレーザで熱対策の問題を回避

これらのイオンレーザは、さまざまな結晶材料やガラス材料にドープすることができますが、現在、そのレーザ用途の大部分は、石英ガラス光ファイバーにイオンをドープするファイバーレーザ形式を使用しています。 機械的な安定性に加え、自由空間光学系に比べ、ファイバーレーザはロッドやスラブなどのバルク形式のような放熱の問題がない。 これにより、ファイバーレーザの出力は、10キロワット以上にスケールアップされました。 その出力レンジの広さが、このレーザの多様な用途の重要な理由です。

図1は、増幅型ファイバーレーザシステムの主要な構成要素を模式的に示したものです。 利得媒体は、希土類元素、たとえば、Nd、Er、Yb、Tm、またはHoの正イオンをドープした活性ファイバーです。 これらは、半導体レーザで直接励起され、コンパクトで電気効率の良いレーザシステムを実現します。 その他の主要コンポーネントには、増幅段として機能するアクティブ（ドープ）ファイバーの追加長、有害な後方反射を防ぐ光アイソレータ、レーザ発振をサポートするキャビティミラーとして機能するファイバーブラッググレーティング、高調波やシフトした波長を生成する結晶、およびパッシブデリバリーファイバーなどがあります。

希土類ドーピングの選択肢

ガラス（シリカ）ファイバーには、数種類の希土類元素のイオンをドープすることができます。 Coherentは、波長、出力レベル、パルシングパラメーターによって最適な選択ができるよう、包括的なドーピングとオプションを提供しています。 図2は、一般的に使用されている5種類の希土類元素イオン（Nd、Er、Yb、Tm、Ho）の波長特性をまとめたものです。 発光波長と必要な励起波長の両方を確認することができます。 Ybは、発光帯域が比較的広く、50フェムト秒の短パルスのモードロックファイバーレーザや、数百フェムト秒（fs）のパルスを用いた増幅（高出力）システムに対応しているため、超短パルスレーザ（USP）で人気が高まっています。

CoherentではErとYbの両方を共添加した特殊光ファイバーも提供しています。 Erは励起媒体として作用し、ドーピング濃度に応じて1550 nm付近で発光します。 それに対して、Ybは光吸収体として作用し、1ミクロン付近での不要な自然放射増幅光を防ぎ、アイセーフなレーザシステムを実現します。

希土類ドープファイバーは、アルミニウム（Al）、ゲルマニウム（Ge）、リン（P）などの「修飾」元素を追加ドープすることもできます。 これらは主にファイバーの屈折率を操作するために使用され、ファイバーのコア径とは無関係に開口数（NA）を変更することができます。 NAは、ファイバーから放出される光の広がり角と、ファイバー内に光を集光できる角度範囲を定義します。 レーザが下流の光学系でどのように集光、投影されるかを制限する要因になることが多いので、重要です。

多様なファイバーの選択肢

希土類ドープアクティブファイバーも他の光ファイバーと同様に、コアとクラッディング（肉盛り）の光学的詳細によって決まる伝送モードによって分類されます。 

コア: コアの直径は10～200ミクロンで、その周囲をやや指数の低いガラスのクラッディング（肉盛り）が取り囲んでいます。 この配置は、全内部反射のため光をファイバーに閉じ込め、コアだけに希土類イオンをドープしています。 ほとんどのファイバーは、シングルモード（SM）、 マルチモード（MM）、ラージエリアモード（LMA）の3つのタイプのいずれかに振り分けることができます。 SMファイバーは、内径が最も小さいため、伝送モードが1つしかなく、その結果、最高の集光能力、すなわち最小のスポットへの出力ビームが得られるため、望ましい場合があります。 MMファイバーはその次に多いファイバータイプで、約1000種類の伝送モードをサポートしています。 これは、高出力に対応していますが、集光性が低く、主に半導体レーザからの励起光を処理するために使用されます。 LMAファイバーは、超高出力システムで使用するための重要なニッチタイプです。

クラッディング（肉盛り）: ドープファイバーには、2種類のクラッディング（肉盛り）オプションがあります。 最も単純な形式はシングルクラッドファイバーと呼ばれ、コアはクラッディング（肉盛り）よりわずかに高いインデックスを持ち、その周りをインデックスポリマーの保護膜で覆っています。 ダブルクラッドファイバーでは、内側のクラッディング（肉盛り）が低指数ポリマーのコーティングで囲まれています。 ダブルクラッドファイバーは、より高い入力励起出力を可能にし、励起光とコア内の活性希土類イオンとの相互作用を高めることで、コアの光吸収能力を向上させています。 また、Coherentは、ほとんどのファイバー相互接続システムとダイオードレーザ電力供給システムをサポートしており、宇宙ベースのアプリケーションで耐放射線性を提供するトリプルクラッドファイバーを提供しています。 

充実した特殊光ファイバーの選択肢

すべての選択肢をまとめると、希土類ドープファイバーは、Coherentの標準製品として、5種類の希土類イオンから選択することができます。Nd、Er、Yb、Tm、Hoの5種類の 希土類イオンを選択できます。ドープファイバーには、シングルモード（SM）、マルチモード（MM）、ラージモードエリア（LMA）ファイバーがあり、開口数（NA）とコア径を選択することができます。 また、シングルクラッド、ダブルクラッド、トリプルクラッドファイバーなどの充実した製品ラインを揃えています。 このように、標準のドープファイバーの種類は実にさまざまです。 また、OEMシステムビルダーは、Coherentと協力してカスタム用途向けのファイバー仕様を定義することができます。

要求の厳しい用途に対応する革新的なパフォーマンス 

Coherent希土類ドープファイバーは、広い出力レンジにわたってレーザおよびレーザ増幅器の両方の用途に最適です。 たとえば、当社の高品質ファイバーは、ファイバーアンプの出力スケーリングにおけるよく知られた2つの課題を解決します。 刺激ラマン散乱（SRS）と横モード不安定性（TMI）です。 これらは高いモード品質、高い励起光吸収能、長寿命、非常に低い光黒化を特長としています。 その結果、産業用、医療用、宇宙用、LIDAR用など、最も要求の厳しい用途においても、信頼性の高い長時間動作を実現します。