高出力ファイバーレーザーと増幅器

特に高出力の場合、光強度が非常に高くなるため、コア面積は十分に大きい必要があります。また、もう 1 つの理由は、ダブルクラッド ファイバのコア面積に対するクラッドの比率が大きいため、ポンプ吸収が低くなることです。コア面積が数千平方マイクロメートル程度の場合、シングルモードファイバーコアの使用が可能です。マルチモードファイバを使用すると、モードエリアが比較的大きい場合、高品質の出力ビームが得られ、光波は主に基本モードになります。 （高次モードの励起も、高パワーでの強いモード結合の場合を除いて、ファイバを巻くことによってある程度可能です） モード領域が大きくなると、ビーム品質は回折限界を維持できなくなりますが、比較するとたとえば、同様の出力強度で動作するロッドレーザーの場合、得られるビーム品質は依然として非常に良好です。

非常に高出力のポンプ光を注入する方法にはいくつかのオプションがあります。最も簡単な方法は、ファイバ ポートでクラッドを直接ポンピングすることです。この方法には特別なファイバー コンポーネントは必要ありませんが、高出力ポンプ光は空気中、特に塵や位置ずれの影響を受けやすい空気とガラスの界面を伝播する必要があります。多くの場合、ポンプ光が常にファイバー内を伝送されるように、ファイバー結合ポンプダイオードを使用することが好ましい。別のオプションは、ポンプ光をパッシブ ファイバ（ドープされていない）に送り、ドープされたファイバの周りにパッシブ ファイバを巻き付けて、ポンプ光がドープされたファイバに徐々に転送されるようにすることです。特別なポンプ組み合わせデバイスを使用して、いくつかのポンプ ファイバとドープされた信号ファイバを融合する方法がいくつかあります。サイドポンプファイバーコイル（ファイバーディスクレーザー）や、ポンプ光を注入できるようにポンプクラッドの溝に基づく他の方法もあります。後者の技術では、ポンプ光のマルチポイント注入が可能になり、熱負荷をより適切に分散できます。

図 2: ポンプ光が自由空間を通ってファイバ ポートに入る高出力ダブル クラッド ファイバ アンプのセットアップの図。ガスガラスの境界面は厳密に位置合わせされ、清潔でなければなりません。

ポンプ光を注入するすべての方法の比較は、多くの側面が関係するため複雑です。転送効率、輝度損失、処理の容易さ、柔軟な操作、後方反射の可能性、ファイバーコアからポンプ光源への光漏れ、選択の継続などです。偏光など
高出力光ファイバーデバイスの最近の開発は非常に急速ですが、さらなる開発を妨げるいくつかの制限がまだあります。
高出力光ファイバーデバイスの光強度は大幅に向上しています。通常、物質的損傷のしきい値に達する可能性があります。したがって、モードエリア（大きなモードエリアのファイバ）を増やす必要がありますが、高いビーム品質が必要な場合、この方法には限界があります。
単位長さあたりの電力損失は 100W/m のオーダーに達し、ファイバー内で強い熱影響が生じます。水冷を使用すると出力が大幅に向上します。ドーピング濃度が低く、長いファイバは冷却しやすいですが、これにより非線形効果が増大します。
厳密にはシングルモード ファイバではない場合、出力電力が特定のしきい値（通常は数百ワット）を超えると、モードが不安定になります。モード不安定によりビーム品質が突然低下します。これは、ファイバー内の熱格子 (空間内で急速に振動する) の影響です。
ファイバーの非線形性は多くの側面に影響を与えます。 CW 設定でも、ラマン利得は（デシベル単位でも）非常に高いため、パワーのかなりの部分がより長い波長のストークス波に転送され、増幅できません。単一周波数動作は、誘導ブリルアン散乱によって大きく制限されます。もちろん、この影響をある程度相殺できる測定方法もいくつかあります。モードロックレーザーで生成される超短パルス、自己位相変調は、それらに強力なスペクトル拡大効果をもたらします。さらに、非線形偏光回転の注入には他にも問題があります。
上記の制限のため、高出力光ファイバ デバイスは一般に、少なくとも達成可能な出力範囲外では、厳密にはスケーラブルなパワー デバイスとはみなされません。 (これまでの改善は、単一のパワー スケーリングではなく、改良されたファイバー設計とポンプ ダイオードによって達成されました。)これは、ファイバー レーザー技術を薄型ディスク レーザーと比較するときに重要な結果をもたらします。これについては、「レーザーパワーキャリブレーション」のエントリーで詳しく説明されています。
実際の出力をスケーリングしなくても、高出力レーザーのセットアップを改善するために多くの作業を行うことができます。一方で、大きなファイバーモード領域やシングルモード導波を使用するなど、ファイバー設計を改善する必要がありますが、これは通常フォトニック結晶ファイバーを使用することで実現されます。特殊なポンプ カプラー、異なるモード サイズのファイバーを接続するためのファイバー テーパー、特殊なファイバー冷却装置など、多くのファイバー コンポーネントが非常に重要です。特定のファイバーの出力制限に達すると、複合ビームが別のオプションとなり、この技術を実装するための適切なファイバー設定が存在します。超短パルス増幅システムでは、スペクトルの拡大やその後のパルス圧縮など、光ファイバーの非線形効果を軽減したり部分的に利用したりするためのアプローチが数多くあります。