ハイパワーレーザのためのLMAファイバ選定方法

ケビン・ファーレイ、ジョージ・ウランドセン、カニシカ・タンカラ

ハイパワーは、吸収を最大化する光ファイバを選定することでコストを下げながら達成できる。しかし、ハイパワーで優れたビーム品質、最高のコストパフォーマンスを実現するには、ラージモードエリア（LMA）ファイバの中から適切なファイバを選定する方法を理解していなければならない。

ファイバレーザ発振器と増幅器は過去10年の間に著しく改善されてきた。これはアクティブファイバやパッシブファイバ、励起用半導体レーザとファイバレーザを構成する各種ファイバおよび光部品の改善が技術基盤の成熟を推し進めた結果であると考えられる。回折限界のビーム品質を維持しながら高出力（ピーク出力と平均出力）が可能なファイバレーザは、ダブルクラッド（DC）ファイバ、特にLMA DCファイバの継続的な開発とエンジニアリングによって可能になった。シングルモードファイバ（SMF）は回折限界の出力を得ることはできるが、本質的にモード領域が小さいので高出力にまで増強することはできない。マルチモードファイバ（MMF）では、数十から数千のモードが伝搬できるのでハイパワーの出力には対応するが、そのビーム品質が悪くなってしまう。
　数個のモードを維持できるLMAファイバは出力を増強するための基本モード領域が大きく、ファイバの選定を適切に行えば、優れたビーム品質のファイバレーザ出力を得ることができる。特定の応用分野に適したファイバレーザを実現するためのLMAファイバは、ファイバパラメータ、所望のレーザ特性、製造コスト、製品の信頼度について熟慮する必要がある。ここでは、レーザメーカーがレーザの用途に依存する最適なレーザ特性を実現するために考慮すべきファイバの選択方法について述べる。
　レーザメーカーが利用できるLMAファイバの選択肢は複数ある。ファイバの特徴と特性のトレードオフ、パフォーマンスへの影響を理解することは、特定アプリケーションに最適なファイバを選ぶ上では重要である。ビーム品質は劣るが、最小コストで実力通りの出力を得るためにLMAファイバを選ぶことは、わずかに高いコストで優れたビーム品質の高出力を提供するLMAファイバとは同じではあり得ない。高吸収（最短ファイバデバイス長）のLMAファイバを選べば、全般的なレーザ製品のコストは下げられるが、このようなファイバは優れたビーム品質達成が難しい。一方、吸収が若干低いファイバを選ぶと最高パワーで優れたビーム品質が可能となるかもしれない。
　イッテルビウム（Yb）添加ファイバの吸収は、Yb濃度とファイバコアの組成の両方に依存する。図1は、2つのYb添加ファイバの波長915nmでのクラド吸収を示している。Yb濃度を最大化し、コア組成で妥協することで開口数（NA）0.07のファイバBは、0.065NAのファイバAよりも吸収を25〜30％高くすることができる。ファイバBを用いることでレーザメーカーは、短尺ファイバを使うことができ、潜在的には製造コストを下げられる。
　アプリケーションの所定の出力が回折限界に近いビーム品質を必要としないのであれば、これは理にかなった選定になるだろう。しかし、レーザがシングルモード的ビーム品質を必要とするなら、ファイバの選定は慎重にすべきである。考慮すべき点は、そのファイバがサポートする導波モードの数、優れたビーム品質の実現がどの程度容易であるかが基本になる。所定のコアサイズでは、モードの数はNAとともに増加する。導波モードの数が増えれば増えるほど、基本モード動作の実現はますます難しくなる。
　規格化周波数、V#は、標準式V=2πaNA/λによって定まる直線偏光モードの数を決める。ここではaはコアの半径、NAはコアの開口数、λは動作波長である。図2は、異なるコアサイズとNAを持つファイバがサポートするモード数を表している。コアのNAまたはコア径が増すにともない、V#およびファイバ内のモードも増える。所定のコアサイズおよびNAトレランスを持つ市販のLMAファイバがサポートするモード数は、図2で決めることができる。

モードとNAについて

一般に、ファイバのコアサイズは特定のアプリケーションに必要なレーザパワーによって決まる。NAが低いファイバを選ぶことによって、レーザメーカーは最高品質を達成するために扱わなければならないモード数を制限することができる。これは、わずかにNAが異なる２つのコア径20（±1.5）μmのLMAファイバ考察することで明らかになる。ファイバAはNA 0.065±0.005であり、ファイバBはNA 0.07±
0.005である。ファイバA（緑色枠）およびファイバB（青色枠）がサポートするモード数を図2に示した。

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出典元
https://ex-press.jp/wp-content/uploads/2014/03/FT2-LFWJ1405.pdf