概要
ファイバポンプコンバイナ（Fiber Pump Combiner）とは、複数のポンプレーザ光を1本の光ファイバにまとめて導入するための光ファイバ部品です。
主に高出力ファイバレーザやファイバ増幅器（特に希土類添加ファイバ増幅器）において、励起光（ポンプ光）を効率よく活性ファイバへ注入する役割を担っています。
ファイバレーザは、
- 高効率
- 高ビーム品質
- 優れた放熱性
といった特長から、加工、医療、通信、研究分野で広く使われていますが、
その性能を支える中核部品の一つがファイバポンプコンバイナです。
特徴（長所・短所・他の手法との違い）
ファイバポンプコンバイナの長所
ファイバポンプコンバイナには、以下のような大きな利点があります。
- 高い結合効率
複数のポンプレーザ光を低損失で活性ファイバに導入できます。 - 高出力対応
多数のポンプレーザを組み合わせることで、kW級の出力にも対応可能です。 - 光軸調整が不要
ファイバ同士の接続で構成されるため、自由空間光学に比べて安定性が高いです。 - コンパクトで堅牢
振動や温度変化に強く、産業用途に適しています。
短所・課題
一方で、いくつかの課題もあります。
- 製造技術が難しい
高精度なファイバ加工・融着技術が必要です。 - 熱管理の問題
高出力動作では、損失による発熱が問題になる場合があります。 - 設計自由度の制限
対応できるファイバ径やNAに制限があります。
他の手法との違い
| 手法 | 特徴 | 安定性 |
|---|---|---|
| 自由空間結合 | レンズで集光 | 低い |
| 波長合波（WDM） | 波長で合流 | 中 |
| ファイバポンプコンバイナ | ファイバ内合流 | 高い |
原理（数式を交えて）
基本構造
ファイバポンプコンバイナは、一般に
- 複数のポンプファイバ
- 1本の出力ファイバ（クラッド励起用ファイバ）
から構成されます。
代表的な形式として、
- (N+1)×1 型
（N本のポンプファイバ + 1本の信号ファイバ）
があります。
クラッド励起の仕組み
高出力ファイバレーザでは、二重クラッドファイバが用いられます。
- コア：信号光が伝搬
- 内部クラッド：ポンプ光が伝搬
ポンプ光はクラッド内を多重反射しながら進み、希土類イオンを励起します。
ポンプ光の吸収は、簡略化すると次の式で表されます。
$$ \frac{dP_p(z)}{dz} = -\alpha_p P_p(z) $$
- P_p(z)：位置 ( z ) におけるポンプ光パワー
- α_p：吸収係数
ポンプコンバイナは、このポンプ光を効率よくクラッドへ注入する役割を果たします。
テーパー構造による合流
多くのポンプコンバイナでは、ファイバを束ねてテーパー加工し、断面積を徐々に変化させます。
- モードが断熱的に変換
- 反射や損失を最小化
することで、高効率なパワー合成が可能になります。
歴史
ファイバポンプコンバイナの発展は、高出力ファイバレーザの歴史と密接に関係しています。
- 1990年代：希土類添加ファイバレーザが実用化
- 2000年代初頭：クラッド励起方式が普及
- 2000年代中盤：多入力型ポンプコンバイナが登場
- 近年：kW～10kW級システム対応へ進化
ポンプレーザ（LD）の高出力化・低価格化も、技術発展を後押ししました。
応用例（具体例）
1. 産業用ファイバレーザ
- 金属切断
- 溶接
- 穴あけ
などの高出力加工用レーザでは、多数のLDをポンプコンバイナで合流させています。
2. ファイバ増幅器（EDFA、YDFA）
- 通信
- 研究用レーザシステム
において、安定した高出力励起を実現します。
3. 医療・研究用途
- 手術用レーザ
- 分光・非線形光学実験
など、信頼性が求められる場面で利用されています。
4. 軍事・宇宙分野
- 高出力・高信頼性
- 振動耐性
が求められる用途でも、ファイバポンプコンバイナは重要です。
今後の展望
今後のファイバポンプコンバイナ技術では、
- さらなる高出力対応
- 低損失・低発熱化
- 多ポート・高密度化
が求められます。
また、
- 新型クラッド構造
- 新材料ファイバ
- 自動製造・量産技術
の進展により、コスト低減と信頼性向上が期待されています。
高出力ファイバレーザの進化とともに、ファイバポンプコンバイナも今後ますます重要な存在になるでしょう。
まとめ
ファイバポンプコンバイナは、
- 複数のポンプレーザ光を1本のファイバに合流する部品
- 高出力・高効率ファイバレーザの要
- 安定性と信頼性に優れた光結合技術
です。
目立たない部品ではありますが、現代の高出力レーザ技術を陰で支える「縁の下の力持ち」と言えます。