より高い出力、より短いパルス、より強い輝度がレーザー技術開発の絶え間ない追求です。パルスレーザーの産業応用では、短いパルスと高いピーク値が材料の加工効果に重要な影響を与えます。固体レーザーと比較して、ファイバーレーザーは平均出力においてより多くの利点がありますが、ピーク出力は大幅に制限されています。長い間、ファイバーパルスレーザーのパルス幅はns以上、ピーク値は15kW未満、標準は100ns 1mJに制限されてきました。
パルスのピークパワーを高める方法
図１に示すレーザパルスシーケンスでは、ピークパワーはパルスエネルギーをパルス幅で割ったものに等しい。したがって、同じエネルギー条件下では、パルス幅を短くすると、ピーク電力が大幅に増加する可能性があります。同じパルス幅条件下では、ピーク値を増やすとパルスエネルギーが増加します。
現在産業用市場の主流となっている固体パルスレーザーの中で、ナノ秒パルス幅レーザーのエネルギーはmJレベルに達することがあります。 1mJ のエネルギーと 10ns のパルス幅で計算すると、ピーク電力は 100kW に達します。ピコ秒パルスレーザーのエネルギーは約300μJです。 10ps で計算すると、ピーク電力は 30MW に達する可能性があります。フェムト秒パルスレーザーのエネルギーは100μJ、パルス幅は500fsなので、ピークパワーは200MWに達します。比較すると、従来のMOPAナノ秒パルスレーザーのピークパワーは約10kWであり、固体レーザーの指標よりもはるかに低いです。
ファイバーパルスのピークパワーを増加させる際の制限要因
主な制限要因には、制限された負荷容量、制限された B 積分、制限された抽出効率、制限されたビーム品質、および制限された偏光状態の 5 つの項目が含まれます。同時に、与えられたさまざまな物理メカニズムの解決策は、次のような異なる設計レベルに属します。マトリックス材料、増加モードフィールド、導波モード構造、および偏光構造は、ファイバー設計レベルに属します。エンドキャップビーム拡張、モード励起、モードフィルタリングはデバイス設計レベルに属します。ポンピングモード、分離フィルタリング、偏波制御はユニット設計レベルに属します。増加した帯域幅、パルス幅の選択、繰り返し周波数の選択、およびゲインの割り当ては、システム設計レベルに属します。
上記の 5 つの項目に加えて、連続高出力ファイバー レーザーで考慮する必要がある熱の影響は、ここには記載されていません。これは、私たちが追求するハイ ピーク パワー ファイバー アンプの平均パワーが、熱影響が考慮される範囲よりもはるかに低いためです。効果は重要な役割を果たす可能性があるため、ここでは説明しません。
耐荷重はレーザー強度によって制限されます。物理的メカニズムには、本体の損傷と表面の損傷が含まれます。このうち、表面損傷はエンドキャッピング技術によって回避でき、本体損傷は繊維マトリックス材料の特性によって制限され、これが限界制限要因となります。通常、光強度のしきい値は約 4.75kW/μm2 です。モードフィールド直径が 50μm の場合、対応する損傷パワーしきい値は 9.3MW に達します。これは、パルス ファイバー レーザー コアの現在のピーク パワー レベルよりもはるかに高く、自己集束しきい値パワーよりも高くなります。したがって、人体への損傷は現時点では考慮する必要がある問題ではありません。
抽出効率は主に、自然放出光増幅 (ASE)、多段増幅器のゲイン分布、および段内のパルスのデューティ サイクルによって制限されます。特にサブナノ秒の短パルス増幅の条件下では、ASE はパルスエネルギーとピークパワーの増加を直接制限します。しかし、ASEの制限は、多段アンプを合理的に設計し、段間の利得分布とポンピング方法を最適化し、スペクトルフィルタリングと音響光学フィルタリングによって後段に伝達されるASE成分を低減することによって抑制できます。合理的なステージ間ゲイン配分は、パルスゲインの飽和問題を抑制し、より完璧なパルス波形を取得するのにも役立ちます。
ビーム品質はビーム品質係数 M2 によって制限され、測定されます。基本モード出力を得るために重要なことは、光導波路モード構造の設計を通じてシングルモードまたは少数モード動作を保証することです。これに基づいて、異なるコア径のファイバの融着時のモード励起制御とファイバ巻き付けなどのモードフィルタリング手法を使用して、ビーム品質を向上させます。現在、高いビーム品質の出力を保証できる従来の光ファイバは30/250であり、フォトニック結晶などの特殊な光ファイバのコアは100μm程度まで拡張可能である。このモードフィールドサイズは、産業用固体レーザーのミリメートルレベルのスポットサイズと比較すると、まだ小さすぎます。後述する多くの非線形効果は、モード フィールド面積に反比例する B 積分に関連しています。
偏光状態は偏光度によって制限され、測定されます。物理的メカニズムは主に光ファイバー導波路の偏波特性です。通常のダブルクラッド光ファイバでは、直線偏光は偏光解消されますが、偏光解消の程度は曲げや環境パラメータの影響を受けやすいため、安定した偏光状態出力を維持することが困難になります。非偏光は 2 つの直交する非偏光成分に分解できるため、同じ条件下では、偏光のピーク パワーしきい値は一般に非偏光の半分になります。
光ファイバーにおける 3 次の非線形効果は 2 つのカテゴリに分類できます。1 つは光強度によって引き起こされる屈折率変調効果で、自己位相変調 (SPM)、相互位相変調 (XPM)、変調不安定性 (MI) が含まれます。 、四光波混合（FWM）および自己集束（SF）。もう 1 つは、誘導ブリルアン散乱 (SBS) や誘導ラマン散乱 (SRS) など、光子間のエネルギー交換とマトリックス材料の格子振動を伴う非弾性光散乱効果です。
このうち、上限は自己集束閾値に依存し、光ファイバー材料の場合は約 4MW となります。自己集束閾値以下では、基本周波数光と比較したラマン光のスペクトル周波数シフトが 60nm と高いため、誘導ラマン散乱が最も重要な制限となります。ラマン成分が多すぎると、アイソレータの磁気光学結晶の機能に重大な影響を及ぼし、またレンズに大きな色収差を引き起こす可能性があります。図は、光ファイバーのピークパワーが自己集束閾値を超えたときに生成される自己集束フィラメントの進化を示しています。
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