スペクトルビーム結合によるTmドープファイバーレーザの出力障壁の克服

フラウンホーファー光学・精密工学研究所（IOF）は、フォトニクス、精密機械、光学技術の分野において、最先端の研究とイノベーションの最前線に立っています。光学科学の歴史的な中心地である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、社会が直面する課題に対する高度なソリューションの開発を専門としています。学際的なコラボレーションに重点を置き、同研究所は、効率性、精度、拡張性のベンチマークとなるカスタム光学システム、レーザー技術、測定ソリューションの開発に卓越しています。著名なフラウンホーファー協会の構成機関として、IOFは学術研究と産業応用の間のギャップを埋め、技術の進歩を促進し、世界中の経済成長を後押ししています。

同研究所のレーザー・ファイバー技術部門の科学者であるフリードリヒ・メラー氏は、高出力レーザーシステムのスケールアップに注力しています。彼と彼の同僚は、一般的に1850～2100 nmの波長域で光を放射できるトリウム（Tm）ドープファイバーをベースにしたレーザーを開発しました。このレーザーは、ポリマー加工から自由空間通信に至るまで、医療処置のような多様な用途において重要な利点をもたらします。

課題

Tmドープファイバーレーザーは、さまざまな用途において大きな利点がありますが、これらのレーザーの平均出力のスケーリングは、依然として課題となっています。

通常790 nmで励起されるTmドープファイバーレーザーは、動作中にかなりの熱負荷を発生させます。この熱はファイバーの誘導特性を損ない、横モード不安定性（TMI）やファイバー損傷の可能性につながります。10年近くにわたり、これらの問題により、近回折限界を持つTmドープファイバーレーザーの出力は約1 kWに制限されてきました。ビーム品質と運用効率を維持しつつ、この出力上限を突破することは、技術の進歩にとって重要な課題でした。

ソリューション

出力スケーリングの限界に対処するには、熱管理と新しい高性能複合光学系を実現するための革新的な戦略が必要でした。これらはすべて、優れたビーム品質を維持するように設計されています。このソリューションには、複数の高性能Tmドープファイバー増幅器の出力を統合できるデュアルグレーティング・スペクトルビーム結合（SBC）システムの開発が含まれていました。

このアプローチは、3つのカスタム設計されたkWクラスのTmドープファイバー増幅器を中核としており、それぞれが高透過率を実現するため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、Coherent LMA-TDF-25P/400-Mファイバーが組み込まれています。

ビーム結合用のデュアルグレーティング構成により、レーザー帯域幅の要件を最小限に抑え、ほぼ回折限界に近いビーム品質を確保しました。SBCシステムの中核には、ドイツのイエナにあるフラウンホーファー光学・精密工学研究所（IOF）が開発した新しい反射格子が採用されました。これらの格子はランダムな入力偏光用に設計されており、94%以上の回折効率を達成し、全体結合効率90%で正確なスペクトルビームの結合を可能にします。

成果

この高度なSBCシステムの導入により、画期的な成果が得られました。

• 記録的な出力：合計出力は1.91 kWに達し、Tmドープファイバーレーザーの性能における重要なマイルストーンとなりました。

• 高いビーム品質と効率：各増幅器は、700 Wを超えるシングルモードでTMIフリーの出力を提供し、増幅効率は約60%、スペクトル線幅は115 pm未満でした。

• 拡張性：デュアルグレーティングシステムは、平均出力20 kWを超えるスケーラビリティの可能性を示しました。熱性能指標は、結合グレーティングにおいて6.8 K/kWという低い熱勾配を示しており、要求の厳しい高出力用途への適合性を強調しています。

この成果により、Tmドープファイバーレーザー技術のさらなる進歩に向けた明確な道筋が確立され、高出力と優れたビーム品質を必要とする次世代の医療、産業、防衛システムへの展開の機会が広がります。

参考文献：

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