スペクトルビームの組み合わせによるTmドープ光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・精密工学研究所（IOF）は、フォトニクス、精密力学、光学技術の分野における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。フラウンホーファーIOFは、光学科学の歴史ある中心地であるドイツのイエナに位置し、産業、科学、社会が直面する課題に対して先進的なソリューションを開発しています。同研究所は学際的な連携に重点を置き、カスタマイズされた光学システム、レーザー技術、計測ソリューションの構築に長けており、効率性、精度、拡張性の面で業界の基準を確立しています。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との橋渡し役となり、技術の進歩を推進するとともに、世界的な経済成長に貢献しています。

同研究所のレーザー・光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拡張に注力している。彼と彼の同僚たちは、テルビウム（Tm）をドープした光ファイバーをベースとしたレーザーを開発した。これらの光ファイバーは通常、1850～2100 nmの波長域の光を放射することができ、医療処置からポリマー加工、さらには自由空間通信に至るまで、幅広い用途において大きな利点をもたらしている。

挑戦

Tmドープ光ファイバーレーザーは、さまざまな用途において顕著な利点を有しているが、これらのレーザーの平均出力向上は依然として継続的な課題となっている。

Tmドープ光ファイバーレーザーは通常、790 nmの波長で励起され、動作中に多量の熱負荷を発生させる。この熱は光ファイバーの導波特性を損ない、横モード不安定 （TMI）や、潜在的なファイバー損傷を引き起こす。過去10年間、これらの問題により、回折限界に近いTmドープファイバーレーザーの出力は1 kW前後にとどまっていた。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、技術の進展にとって重要な課題となっている。

ソリューション

出力の拡張における制約を解決するには、優れたビーム品質を維持することを目的とした、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部品が必要となります。このソリューションでは、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・スペクトルビームコンバイナー（SBC）システムの開発が含まれます。

この手法は、3つの特注設計によるキロワット級のTmドープ光ファイバー増幅器を中核としており、各増幅器は特定の波長で動作し、大気中での高い透過率を実現するように最適化されています。これらの増幅器には、高効率な動作を実現するためにCoherent LMA-TDF-25P/400-M光ファイバーが採用されています。

光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、回折限界に近い光ビーム品質を確保しています。SBCシステムの核心となるのは、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型回折格子である。これらはランダムな入力偏光用に特別に設計されており、94%を超える回折効率を実現し、全体的な結合効率90%で正確なスペクトルビーム結合を可能にする。

成果

この先進的なSBCシステムの導入により、画期的な成果が得られました：

• 過去最高の出力：総出力は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：各増幅器におけるTMIのないシングルモード出力は700 Wを超え、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、20 kWを超える平均出力への拡張可能性を示しています。熱性能指標によると、複合グレーティングの熱勾配は6.8 K/kWと低く、要求の厳しい高出力アプリケーションへの適用が可能であることを強調しています。

この成果は、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を切り開き、高出力と卓越したビーム品質が求められる次世代の医療、産業、防衛システムへの導入の可能性を広げました。

参考：

【1】 T. Ehrenreich、R. Leveille、I. Majid および K. Tankala、「1 kW、全ガラス Tm：ファイバーレーザー」、SPIE Photonics West にて発表：ファイバーレーザー VII：技術、システム、および応用（2010年）。

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【3】 R. Sims、C. Willis、P. Kadwani、T. McComb、L. Shah、V. Sudesh、Z. Roth、M. Poutous、E. Johnson および M. Richardson、「2μm Tm ファイバーレーザーシステムのスペクトルビーム結合」、Optics Communications、284（7）、1988-1991 （2011）。

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