ファイバーレーザー

多くの高出力ファイバーレーザーは、ダブルクラッドファイバーに基づいています。利得媒体はファイバーのコアを形成し、その周囲を2層のクラッドが取り囲んでいます。レーザーモードはコア内を伝搬し、マルチモードポンプビームは内側のクラッド層を伝搬します。外側のクラッドはこのポンプ光を閉じ込めます。この構成により、コア内を伝搬できるよりもはるかに高出力のビームでコアを励起することができ、比較的低輝度のポンプ光をはるかに高輝度の信号に変換することができます。ダブルクラッドファイバーの形状には重要な問題があります。円対称のファイバーは最悪の設計であると思われます。^{[ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]}設計では、コアが数個（または1個）のモードのみをサポートするのに十分な小ささである必要があります。また、比較的短いファイバー部分でコアと光ポンプセクションを閉じ込めるのに十分なクラッドを提供する必要があります。

テーパー二重クラッドファイバー（T-DCF）は、コアとクラッドがテーパー状になっており、熱レンズモードの不安定性なしに増幅器やレーザーの出力スケーリングを可能にします。^{[ 12 ] [ 13 ]}

ファイバーレーザー技術の最近の発展により、ダイオード励起固体レーザーからの回折限界ビーム出力が急速かつ大幅に増加しました。大モード面積（LMA）ファイバーの導入と高出力・高輝度ダイオードの継続的な進歩により、 Yb添加ファイバーレーザーからの連続波単一横モード出力は、 2001年の100 Wから、2014年には複合ビームファイバーレーザーの実証出力30 kWに増加しました。^{[ 14 ]}  

高平均出力ファイバーレーザーは一般的に、比較的低出力のマスター発振器（シードレーザー）とパワーアンプ（MOPA）構成で構成されています。超短光パルス用のアンプでは、光ピーク強度が非常に高くなるため、有害な非線形パルス歪みや、利得媒体またはその他の光学素子の破壊が発生する場合があります。これは一般的に、チャープパルス増幅（CPA）を使用することで回避されます。ロッド型アンプを使用した最先端の高出力ファイバーレーザー技術は、 260 fsのパルス で1 kWに達しており^{[ 15 ]}、これらの問題のほとんどに対して目覚ましい進歩を遂げ、実用的な解決策を提供しています。 

しかし、ファイバーレーザーは魅力的な特性を備えているものの、出力の拡大に伴いいくつかの問題が生じる。最も重要な問題は、熱レンズ効果と材料抵抗、誘導ラマン散乱（SRS）、誘導ブリルアン散乱（SBS）などの非線形効果、モード不安定性、および出力ビーム品質の低下である。

パルス出力パワーの向上に関する問題を解決する主なアプローチは、光ファイバーのコア径を大きくすることであった。アクティブファイバーの表面積対活性体積比を高め、それによって放熱性を向上させ、出力スケーリングを可能にするために、モード数の多い特殊なアクティブファイバーが開発された。

さらに、内側クラッドとコア間のポンプ光の伝搬と吸収を制御することで、高出力ポンプダイオードの輝度要件を低減するために、特別に開発された二重クラッド構造が使用されている。

低開口コアの LMA ファイバー^{[ 16 ]} 、マイクロ構造ロッド型ファイバー[ ^{15 ] [ 17 ]、らせんコア [ 18 ]、}キラル^{結合ファイバー[ 19 ] 、テーパー二重クラッドファイバー (T-DCF) [ 12 ]}など、高出力スケーリング用に、大きな実効モード面積 (LMA)を持つアクティブファイバーがいくつか開発されている。これら^の低開口技術 [ 15 ] [ 16 ] [ 17 ] [ 18 ] [ 19 ] で達成されるモードフィールド径 (MFD) は^{通常20 ～ 30 μmを超えない。マイクロ構造ロッド型ファイバーは、}はるか^に大きな MFD (最大 65 μm ^{[ 20 ] ) と優れた性能を持つ。大ピッチファイバー (LPF )}を含むフェムト秒MOPA ^{[ 21 ]により、}印象的な 2.2 mJ のパルスエネルギーが実証された。しかし、LPF を使用した増幅システムの欠点は、比較的長い (最大 1.2 m) 曲げられない棒状のファイバーであるため、かなりかさばって扱いにくい光学系になることです。^{[ 21 ]} LPF の製造は非常に複雑で、ファイバープリフォームの精密な穴あけなどの高度な加工が必要です。LPF ファイバーは曲げに非常に敏感であるため、堅牢性と携帯性が損なわれます。    

他のレーザーで使用されるモード同期の種類に加えて、ファイバーレーザーはファイバー自体の複屈折を利用して受動的にモード同期することができます。 ^{[ 22 ]}非線形光学カー効果により、光の強度に応じて偏光が変化します。これにより、レーザー共振器内の偏光子が飽和吸収体として機能し、低強度の光を遮断しますが、高強度の光はほとんど減衰せずに通過させることができます。これにより、レーザーはモード同期パルスを生成し、ファイバーの非線形性によって各パルスがさらに超短光ソリトンパルスに整形されます。

半導体飽和吸収ミラー（SESAM）は、ファイバーレーザーのモード同期にも使用できます。SESAMが他の飽和吸収技術に比べて持つ大きな利点は、吸収パラメータを特定のレーザー設計のニーズに合わせて容易に調整できることです。たとえば、飽和フルエンスは上部反射鏡の反射率を変化させることで制御でき、変調深度と回復時間は吸収層の低温成長条件を変更することで調整できます。この設計の自由度により、SESAMの応用範囲は、自己始動と動作安定性を確保するために比較的高い変調深度が必要なファイバーレーザーのモード同期にまで拡大しました。1  μmと1.5  μmで動作するファイバーレーザーが実証されています。^{[ 23 ] [ 24 ] [ 25 ] [ 26 ]}

グラフェン飽和吸収体は、モード同期ファイバーレーザーにも使用されています。^{[ 27 ] [ 28 ] [ 29 ]}グラフェンの飽和吸収は波長にあまり敏感ではないため、モード同期チューナブルレーザーに有用です。

非モード同期モードでは、全正常分散エルビウム添加ファイバーレーザーとキャビティ内に偏光子を用いて、ダークソリトンファイバーレーザーが正常に生成された。実験結果によると、適切な条件下では、ファイバーレーザーは明るいパルスの発光に加えて、単一または複数のダークパルスも発光する可能性がある。数値シミュレーションに基づくと、レーザーにおけるダークパルスの形成は、ダークソリトン整形の結果である可能性がある。^{[ 30 ]}

ファイバーレーザーにおける多波長発光は、ZBLAN光ファイバーを使用して青色と緑色のコヒーレント光を同時に発生させた。エンドポンピングレーザーは、長波長半導体レーザーでPr3+/Yb3+ドープフッ化物ファイバーを励起するアップコンバージョン光利得媒体に基づいており、ファイバーの両端にコーティングされた誘電体ミラーを使用して共振器を形成した。^{[ 31 ]}