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ーの出力電力限界の克服

フラウンホーファー光学・精密 研究所（IOF）は、フォトニクス、精密 、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。 学際的な連携を重視する当研究所は、効率性、精密、拡張性において業界の基準となる、カスタム光学システム、レーザー技術、および計測ソリューションの開発に卓越しています。名高い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との架け橋となり、世界的な技術進歩を推進し、経済成長を促進しています。

同研究所のレーザー・ファイバー技術部門に所属する科学者、フリードリヒ・メラー氏は、高出力レーザーシステムの大型化に注力している。同氏と研究チームは、ツリウム（Tm）をドープしたファイバーを基盤とするレーザーを開発した。このレーザーは、一般的に1850～2100 nmの波長域での発光が可能であり、医療処置からポリマー加工、自由空間通信に至るまで、多岐にわたる応用分野において大きな利点をもたらしている。

課題

Tmドープファイバーレーザーは、幅広い用途において大きな利点をもたらしますが、その平均出力電力を向上させることは、依然として解決すべき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、動作中に多大な熱負荷を発生させます。この熱はファイバーの導波特性を損ない、横モード不安定（TMI）やファイバーの損傷を引き起こす可能性があります。 ここ10年近く、これらの問題により、回折Tmドープファイバーレーザーの出力は約1 kWに制限されてきた。ビーム品質と動作効率を維持しつつ、この出力の上限を突破することは、技術の進歩にとって極めて重要な課題であった。

解決策

出力のスケーリングにおける制約に対処するには、優れたビーム品質を維持するために、熱管理のための革新的な戦略と、新しい高性能な複合光学系が必要でした。その解決策として、複数の高性能Tmドープ光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方式のスペクトルビーム結合（SBC）システムが開発されました。

このアプローチの中心となったのは、大気中での透過率が高いように最適化された特定の波長で動作する、3台の特注設計によるkWクラスのTmドープ光ファイバー増幅器でした。これらの増幅器には、高効率動作を実現するために設計 Coherent LMA-TDF-25P/400-Mファイバーが採用されていました。

ビーム結合用のデュアルグレーティング構成により、レーザーの帯域幅要件を最小限に抑えつつ、回折品質を確保した。このSBCシステムの核心となるのは、精密 （IOF）が開発した新しい反射型グレーティングである。ランダムな入力偏光に対応するように設計されたこれらのグレーティングは、回折 を達成し、全体結合効率90%での高精度なスペクトルビーム結合を可能にした。

結果

この先進的なSBCシステムの実装により、画期的な成果が得られました：

• 過去最高の出力：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いて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かつTMIフリーの出力を実現し、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を超える拡張性の可能性を示した。熱性能指標によると、結合グレーティングにおける熱勾配は6.8 K/kWと低く、要求の厳しい高出力用途への適性を裏付けている。

この成果は、レーザ技術さらなる進歩に向けた明確な道筋を確立するものであり、高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、防衛システムへの導入の可能性を切り拓くものである。

参考文献：

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