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の出力障壁の克服

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、精密機械、光学技術の分野で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ハブであるドイツのジェナにあるフラウンホーファーIOFは、産業、科学、社会の課題のための高度なソリューションの開発を専門としています。学際的なコラボレーションに焦点を当て、同研究所は、効率、精密、スケーラビリティのベンチマークを設定するカスタム光学システム、レーザ技術、測定ソリューションの作成に秀でています。有名なフラウンホーファー協会の一環として、IOFは学術研究と産業応用のギャップを埋め、技術進歩を促進し、世界中の経済成長を促進します。

同研究所のレーザおよびファイバー技術部門の科学者であるフリードリヒ・メラー氏は、高出力レーザシステムのスケーリングに重点を置いています。彼と彼の同僚は、一般に1850-2100 nmのスペクトル範囲で光の放射を可能にするツリウム（Tm）ドープファイバーをベースにしたレーザを開発しました。このレーザは、ポリマー加工から自由空間通信まで、医療処置のような多様な用途に重要な利点を提供します。

課題

Tmドープファイバーレーザは、さまざまな用途で大きな利点があります が、これらのレーザの平均出力のスケーリングは、依然として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は、動作中にかなりの熱負荷を生成します。この熱はファイバーの誘導特性を損ない、横モード不安定性（TMI）とファイバー損傷の可能性につながります。10年近くにわたり、これらの問題により、近回折制限付きTmドープファイバーレーザの出力が約1 kWに制限されてきました。ビーム品質と運用効率を維持しながら、この出力上限を突破することは、技術の進歩にとって重要な課題でした。

ソリューション

出力スケーリングの限界に対処するには、熱と新しい高性能コンビネーション光学系を管理するための革新的な戦略が必要でした。これらはすべて、優れたビーム品質を維持するように設計されています。このソリューションには、複数の高性能Tmドープファイバー増幅器の出力を統合することができるデュアルグレーティングスペクトルビーム結合（SBC）システムの開発が含まれていました。

このアプローチは、3つのカスタム設計のkWクラスTmドープファイバー増幅器を中心としており、それぞれが高大気透過率のために最適化された特定の波長で動作します。これらの増幅器には、高効率動作のために設計されたCoherent NuTDF LMA-TDF-25P/400-Mファイバーが組み込まれています。

ビーム結合用のデュアルグレーティング構成により、レーザ帯域幅の要件を最小限に抑え、ほぼ回折制限されたビーム品質を確保しました。SBCシステムの中核には、ドイツのジェ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格子がありました。これらの格子は、ランダム入力偏光用に設計されており、94%以上の回折効率を達成し、全体の結合効率90%で正確なスペクトルビームの組み合わせを可能にします。

成果

この高度なSBCシステムの導入により、画期的な結果が得られました。

• 記録破断出力：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：各増幅器は、700 Wを超えるシングルモード、TMIフリーの出力を提供し、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、平均出力が20 kWを超えるスケーラビリティの可能性を示しました。熱性能指標は、結合格子で6.8 K/kWの低い熱勾配を示し、要求の厳しい高出力用途への適合性を強調しています。

この成果により、Tmドープファイバーレーザ技術のさらなる進歩への明確な道が確立され、高出力と優れたビーム品質を必要とする次世代の医療、産業、防衛システムへの展開の機会が広がります。

参考文献：

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