高出力パルス増幅用ゲルマニウム添加クラッド付き超低NAステップインデックス大モード領域Ybドープファイバ

Ultra-low NA step-index large mode area Yb-doped fiber with a germanium doped cladding for high power pulse amplification.

• Raghuraman Sidharthan
• Di Lin
• Kang Jie Lim
• Huizi Li
• Serene Huiting Lim
• Chen Jian Chang
• Yue Men Seng
• Song Liang Chua
• Yongmin Jung
• David J Richardson
• Seongwoo Yoo

抄録

高濃度希土類ドープ大モード領域(LMA)ステップインデックスファイバは、ポンプ波長での単位長さあたりのクラッド吸収が非常に高く、高効率で優れたビーム品質を特徴としており、高ピークパワー動作に伴う有害な非線形効果を低減するためには、大きな有効モード領域と短いデバイス長が重要である高出力パルスファイバレーザ/増幅器に最適である。このレターでは、コアに高濃度のイッテルビウム（Yb）を使用することに伴う高屈折率を相殺するために、純粋なシリカクラッドではなくゲルマニウム（Ge）をドープしたクラッドを採用するだけで、低数値開口数（NA）高吸収ファイバを実現しています。このアプローチにより、ステップインデックスファイバにおけるポンプ吸収とNAの2つの相互リンクファイバ設計パラメータを分離することが可能となった。従来の改質化学気相成長法と溶液ドーピングを組み合わせて、低NA(0.04)のLMA(475µ)シリカ繊維を作製したところ、20/以上のクラッド吸収値を示し、これはこれまでに報告されたLMAステップインデックス繊維の中で最も高い値であり、0.06未満であった。製作したYbドープファイバを高出力ピコ秒増幅器システムで試験したところ、平均出力150Wでパルスエネルギー101μJ、ピークパワー0.5MWの190psのレーザーパルスを発生させることができた。

High concentration rare earth doped, large mode area (LMA) step-index fibers, which feature a very high cladding absorption per unit length at the pump wavelength, high efficiency, and excellent beam quality, are ideal for high power pulsed fiber lasers/amplifiers where large effective mode areas and short device lengths are crucial in order to reduce detrimental nonlinear effects associated with high peak power operation. In this Letter, we realize low numerical aperture (NA) high absorption fibers, simply by employing a germanium (Ge)-doped cladding rather than a pure silica cladding to offset the high refractive index associated with using a high concentration of ytterbium (Yb) in the core. This approach allows us to separate the two inter-linked fiber design parameters of pump absorption and NA in a step-index fiber. Using a conventional modified chemical vapor deposition process combined with solution doping, a low NA (0.04), LMA (475µ) silica fiber is fabricated with a cladding absorption value of >20/, which is the highest value among LMA step-index fibers with <0.06 so far reported to the best of our knowledge. The fabricated Yb-doped fiber was tested in a high-power picosecond amplifier system and enabled the generation of 190 ps laser pulses with a 101 µJ pulse energy and 0.5 MW peak power at an average power of 150 W.