連続発振では単一モード2.5kW 以上、マルチモード出力50kW 以上が可能となり、モジュールの並列接続(バンドル化)により100kW級も夢ではなくなっている。

高出力化の歴史

2002 年から2003 年にかけてLMA (Large Mode Area)ファイバーの開発により劇的な出力増加が見られた。一方、2002 年頃からフォトニック結晶ファイバー(Photonic crystal fiber: PCF)の出現により機能性かつ高出力化が可能となり、今やファイバーレーザーは固体レーザーの代表選手である。

高出力化競争

ファイバーレーザー出力のトップデータを競っている組織

  • IPG Photonics
  • Friedrich-Schiller-Universität Jena (FSU-Jena大学)
  • University of Southampton

ファイバーレーザーの高出力化に必要な要素技術

ファイバーレーザーの高出力化に必要な技術を、レーザーの構成要素に分類して検討する。構成要素は以下の3つのカテゴリーに分ける。

  • 励起源
  • 増幅媒質であるファイバー
  • ファイバーからの発振出力

各方式ごとの検討

下の表は、ファイバーレーザー高出力化に必要な要素技術の対象、方式をまとめたものである。

ファイバーレーザー高出力化の要素技術
構成要素 高出力化の対象 高出力化の手法
方式 概要
励起源 LD素子 導波路、
コア径拡大
LD素子端面の低輝度化による光損傷閾出力の向上。DCH構造
LDモジュール バー出力結合 モジュール内の複数のLD 素子を結合し、単一ファイバー出力を高出力化
多重化 位相結合 波面制御により複数のLD 素子、モジュール出力を単一出力化
波長合波 波長の異なるモジュールまたは素子を合波し、単一ビーム化
偏波合波 LD の偏波消光比の高さを利用して、二個のLD出力を合波
コンバイナ 多数の入力ファイバーを単一の大口径ファイバーに結合し、増幅媒質に入射
増幅媒質 ファイバー構造 大口径 光の伝搬面積を拡大し、非線形効果と損傷を抑制し高出力化
ダブルクラッド 増幅媒質であるコアを囲むクラッドに大出力な励起光を入射し、発振出力を向上
フォトニック結晶 ダブルクラッドの励起光伝搬領域を高NA化し、大励起入力を入射
ドーパント Yb添加 Nd、Er と比較して、低い量子欠損と発熱。900nm 帯の高い電気/光変換効率LD の利用
新材料 高調波発生に依らない、可視域の基本波発振などによる高効率、高輝度化
希土類の高分散化 濃度消光、フォトダークニング対策による高輝度化
発振出力 バンドル化 バンドルファイバー 多数のファイバー出力を近接させ高出力化。高輝度化には不適
多重化 位相結合 複数出力を波面制御し、単一出力として輝度を向上。高安定なレーザーが必要
波長合波 異なる波長で発振するレーザーの波長差を利用し合波。単一出力として高輝度化可能
端面保護 エンドキャップ ファイバー端のMFD を拡大することで、高輝度化により生じる端面破壊を防止
レーザー保護 アイソレータ 高利得なファイバー増幅により増幅された戻り光によるLD や光学系の損傷を防止

 

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