JP2018502434A - 受動モードロックファイバーリング発生器 - Google Patents

Abstract

パルスファイバー発生器は、一連のパルスを放出するように構成された一方向リング導波路を有して構成される。リング導波路は、複数のファイバー増幅器と、第１及び第２のファイバー増幅器の各出力と結合されたチャープファイバー構成要素と、チャープ構成要素の各出力に結合された複数のスペクトルフィルターと、を含む。フィルターは、リングキャビティ内に導入された非線形プロセスに応じてリングキャビティに沿って光の漏洩を提供するように、異なる中心波長の周りに中心を有する各スペクトル通過帯域を有する。パルス発生器は、ピッチを信号に発達させるように構成された前段ステージ及び、信号の単一の周回ごとに最大で１回出力カプラーを通して一連のパルスを出力するように構成された安定ステージにおいて動作する。

Description

本発明は、短パルスファイバーリングレーザーシステムに関する。具体的には、本発明はナノ秒未満の巨大チャープパルスを発生するように構成された受動モードロックファイバーリングキャビティに関する。

用語について
物質の異常分散とは、波長が次第に増加するにつれて屈折率が増加する物質を指す。

帯域とは、入射エネルギーを通過させるスペクトルの特定の部分を示すのに用いられる波長範囲である。

ブロッキング範囲とは、フィルターによって減衰されるエネルギーのスペクトル領域を示すのに用いられる波長間隔である。

中心波長（ＣＷＬ）とは、長波長側及び短波長側の勾配における最大強度の半分の間の中間点である。

チャープパルスとは、瞬間中心波長（周波数）が時間領域においてパルスに渡って変化するパルスを指す。

所望のパルスとは、リングキャビティ内に発生した所望のスペクトル幅及び持続時間を有するパルスである。

分散とは、物質内を伝搬する光の速度（または屈折率）の波長に対する依存性を指す。

アイソレータとは、１つの方向のみに光を伝達させることができるデバイスを指す。

線形性は、通常の意味では、互いに正比例する２つの量において、直線としてグラフ的に表すことができる数学的関係を指す。

線形周波数チャープとは、周波数が時間領域においてパルスに渡って線形的に変化するパルスを指す。

非線形性とは、印加される電磁場に対する物質の反応がこの場の強度において非線形である、物体との光の相互作用である。

非線形位相捕捉とは、電場の強度に対する位相の非線形増幅を指し、非線形位相捕捉の兆候の１つは、自己位相変調非線形現象による光パルスのスペクトル成分が広がることである。

物質の通常の（正の）分散とは、波長が次第に増加するにつれて屈折率が減少する物質を指す。

光フィルターは、波長の特定の範囲における光を選択的に伝達し、残りの部分は遮断するように構成される。これらは通常長波長のみを通過させることができ（ロングパスフィルター）、短波長のみを通過させることができる（ショートパスフィルター）。

光学経路は、幾何学的経路と屈折率との積である。

発振子の周期性（境界）条件とは、リングキャビティに渡ってそれぞれ１回通過した後のパルスパラメータの再現性である。

位相は、元のものと比較して経過した波のサイクルの比である。

位相シフトとは、並ばない２つの複数の波を指す。位相シフトは、それぞれ同一の波の光学経路の差によって引き起こされうる。

ピッチとは、準備の間に、一周の周回から別の一周の周回までのリングキャビティの任意の所定点において異なる特性を有する、リングキャビティに沿って誘導される、発達する光のパルスを指す。

パルス持続時間τ_ｐは、出力がピーク出力の少なくとも半分である時間間隔の幅（ＦＷＨＭ）である。超短パルスは、ピコ秒からフェムト秒のパルス持続時間の範囲のパルスである。

パルスエネルギーとは、ピーク出力とパルス幅の積であり（これは、矩形パルス近似のときに正しいが、ＮＡＬＭの性能を説明するためにより高い瞬間強度を有するパルスの比について説明する際に、これを時間的パルス強度曲線の下の面積として言い換えるべきである）、本質的にパルス内の面積である。

Ｑ値は、一般に、周回の間に散逸するエネルギーに対する蓄積されたエネルギーの比である。

スペクトル領域は、瞬間周波数が一定であるパルス（すなわち、チャープのないパルス）においてであっても、有限なスペクトル幅（帯域）を示す光パルスの特性である。

自己位相変調（ＳＰＭ）は、光パルスの強度に対する媒質の屈折率の依存性に起因し、光パルスの広がりを含むスペクトル的及び時間的変調によって表される現象である。

自己類似パルス（シミラリトン）は、非線形プロセスにおいて取得された位相を線形周波数チャープに変換することが可能な放物線パルスを指す。

信号は、ピッチから発達し、１回の周回の間に連続的にパラメータを変化させることによって特徴づけられるが、連続した周回の間にリングキャビティの任意の所定の点において同じ特性を有する、光パルスを指す。

短パルスは、ナノ秒未満の範囲の持続時間を有するパルスを指す。

ソリトンは、リングキャビティを通って伝搬する間にその時間的及びスペクトル的形状を保つチャープパルスを指す。

時間領域は、光学出力Ｐ、すなわち短い時間間隔内でのみ相当量であり、その他全ての時間においてはほぼゼロである単位時間当たりのエネルギーに関する光パルスの特性である。

遷移パルスは、リングキャビティを周回して誘導され、所望のパルスとは異なるスペクトル幅及び持続時間（特に時間的に小さいか大きい可能性がある）を有する発達中のパルスである。

技術的背景
革新的アーキテクチャ及び、高いパルス周波数反復率と組み合わされ、より高いパルスピーク強度を提供する短パルスファイバーレーザーシステムにより、前例のない品質、精度及び速度で構成要素を製造することが可能になる。パルスの持続時間が短いため、レーザーエネルギーは熱が付与されるよりも短い時間で材料に入力可能であり、そのためその部分への熱損傷が防止される。驚くべきことではないが、産業用のナノ秒未満のレーザーシステムは、医療デバイス市場からその他多くの主要産業まで幅広い応用例がある。

パルスレーザーシステムは、必然的に、パルス発生器またはレーザーキャビティを有する発振子を有して構成される。キャビティ内を循環し、損失よりも大きな増幅を有する周波数は、縦モードと呼ばれ、独立した発振子の組み合わせとして考えることができる。キャビティ内を循環する間、縦モードは、本明細書において特に重要であるリングキャビティを有して構成されたファイバーレーザーについて、ΔＦ＝ｖ／Ｌで分離され、Ｌはキャビティ長であり、ｖは光速である。これらのモードが互いに対して独立に発振すると、レーザーは連続的に放出される。しかし、固定された位相シフトが様々なモードの間に存在すると、キャビティは一連のパルスを放出し、モードロック状態となる。

超短パルスを発生させるためのいくつかの方法が周知である。これらの方法の１つ（受動モードロック）は、開示される対象の一部である。受動モードロックの鍵となるのは、ピーク強度を増加させるための非線形応答を有する少なくとも１つの構成要素のリングキャビティ内の存在である。受動モードロック法を実行するためのいくつかのアーキテクチャが知られている。

これらのアーキテクチャの１つは、非線形偏光回転（ＮＬＰＲ）であり、図１に示されたリングキャビティを用いてより良好に理解することができる。２つの偏光制御器の間に配置された偏光アイソレータは、モードロック素子として働く。これは、アイソレータを離れる光が線形的に偏光するように、アイソレータ及び偏光器の２つの役割を果たす。アイソレータの後ろに配置された偏光制御器は、偏光状態を楕円状に変化させる。偏光状態は、直交偏光した成分に課された自己位相及び相互位相導入位相シフトのために、パルスの伝搬の間に非線形的に発達する。偏光の状態は、非線形位相シフトの強度依存性のために、パルスに渡って不均一である。第２の偏光制御器（アイソレータの手前側）は、偏光をパルスの中央部分において線形的にするように調整される。偏光アイソレータは、パルスの中央強度部分を通過させるが、低強度のパルスの裾部分を遮断（吸収）する。正味の結果は、パルスがリングキャビティ内を１周すると短くなる。そのため、偏光依存アイソレータは、複屈折ファイバーと共に働いて、強度依存損失を発生させることができる。

様々な超高エネルギーパルスは、ソリトン、通常は純粋に正常なキャビティ分散を有する増幅誘導ソリトン、及びシミラリトンを含むＮＬＰＲアーキテクチャを使用することによってうまく発生させることができる。しかし、偏光制御器は、精密な制御システムで複雑なフィードバックを必要とする。ＮＬＰＲプロセスは、環境変化及びパッケージング条件に敏感である。結果的に、周期性条件、すなわちレーザーキャビティの各周回後の一貫した場所におけるパルス特性の再現性を満足することが困難である。

干渉ファイバーアーキテクチャは、２つの一般的な種類を有する。図２Ａに示された非線形光学ループミラー（ＮＯＬＭ）及び図２Ｂに示された非線形増幅ループミラー（ＮＡＬＭ）である。これらのデバイスは共に、サニャック干渉器の動作に従って動作する。これは、出力ポートがともにつなぎ合わされてループを形成する融合ファイバーカプラーから構成され、反対方向の伝搬強度Ｉｃ（時計回り）及びＩｃｃ（反時計回り）は、５０％に等しくない分離をするカプラーによって（ＮＯＬＭ）、またはカプラーのポートの１つに近い直列ファイバー増幅器を含むことによって（ＮＡＬＭ）、等しくないものとされる。

強度が等しくない光学レプリカは、非線形屈折率のために差分位相シフトを取得する。例えば、図２Ａにおいて、カプラーは強度Ｉｃｃの反時計回りに伝搬するレプリカで搬送される（５０−ｎ）％（Ｉｃｃ）と、時計回りのレプリカの（５０＋ｎ）％（Ｉｃ）の間の信号の光強度を分離する。そのため、時計回りのレプリカのＩｃがファイバーの非線形反応のきっかけを作る、すなわち、ＳＰＭを導入するのに十分な強度があり、他のレプリカのＩｃｃが低い場合、十分な差分位相シフトが、異なる瞬間強度を有する反対方向に伝搬するレプリカの一部の間に蓄積することとなる。融合カプラーを通した伝搬で、レプリカは互いと干渉する。高強度パルス先端部に対応する、非整合位相を増幅するレプリカの一部のみが、ループに渡る伝搬の間、ＳＰＭプロセスの結果として強めあう干渉をし、そのため、既知のＮＡＬＭを形成する。

干渉モードロックアーキテクチャに従って構成されたレーザーは、むしろ困難なこの特定の手法の実用的な利点または欠点についての議論を与える、比較的新しく、あまり用いられていない構造を表す。しかし、ＮＬＰＲのようなＮＯＬＭ／ＮＡＬＭアーキテクチャは、所望の安定性を有さない可能性があり、すなわち、出力パルスが均一でない可能性がある。パルスの不均一性は、レーザーの性能の悪さにつながる。さらに、ＮＬＰＲなどのＮＯＬＭ／ＮＡＬＭアーキテクチャは、単純でも、特に低コストでもない。

従って、均一かつ高エネルギーであるナノ秒未満の光パルスを出力することが可能な単純かつ堅牢な構造を有するリングキャビティパルス発生器において、受動モードロックを実行するように動作可能な完全に新しいアーキテクチャの必要性が存在する。

チャープパルスを発生するために設計されたあらゆる既知のアーキテクチャとは対照的に、開示されるリングキャビティは、非線形応答を有する単一の個別の要素を有しない。換言すれば、パルスは各個別の要素を通って伝搬するため、スペクトル成分の強度は線形的にのみ変化する。

本発明の構造の非線形効果は、リングキャビティ内のパルス発達の間の新しいスペクトル成分の発生の結果である。２つのスペクトルフィルターを通過するパルスを作るのは、これらの新しいスペクトル成分であり、これらは異なる中心波長に中心があり、そのピーク強度を非線形的に変化させる。新しいスペクトル成分は、モードロックの低損失のために、ＣＷやＱスイッチングなどの他の種類の発生方法と比較して、モード同期のプロセスを高度に競争力あるものとする。

本発明の構造は、ソリトン、シミラリトン及びその他のものを含む様々な種類のパルスを発生しうるものであり、特に巨大チャープを有する超短パルスの発生に有益である。巨大チャープパルス発生について、２つの段階が、短パルス発生器の受動モードロック方式を確立するために重要である。（ａ）より広いパルスからスペクトルの狭いパルスをフィルタリングして除去すること、及び（ｂ）形成された狭いパルスを、長いファイバー内の光に影響を与える非線形効果のために、周波数及び時間領域の両方において広くすることである。これら２つの段階の結果は、図３の線形ポジティブチャープパルス、すなわち初期パルスと比較して、スペクトル及び時間領域の両方において広がり、パルスに渡って線形的に変化する搬送周波数を有するパルスである。そのため、搬送周波数の線形性は、引き伸ばされたパルスのさらなる圧縮のために重要である。

チャープパルスを出力する理由は、レーザーの技術分野における通常の知識を有するものにはよく知られている。レーザー（及び増幅器）から利用可能なパルスピーク強度をある程度低下させることは、そうでなければ有害な非線形効果及び光学的損傷が、パルス発生器（及び増幅器）の動作を劣化させるため、必要である。この問題の解決手段は、パルス持続時間を引き伸ばしまたはチャープし、安全なレベルにピーク出力を維持し、そして、後続の１つまたは複数の増幅段階の後で、出力パルスを元の持続時間に圧縮するすることによって発見された。

本発明の巨大チャープパルス発生器は、１つの方向に光を導くリングファイバー導波路またはキャビティを有して構成される。ファイバー導波路は、リングファイバー導波路内の光の伝搬の所望の方向性を提供するファイバーアイソレータを含む。全てリングファイバー導波路を構成する複数のファイバー構成要素は、それぞれが、必然的に１つの増幅器と、１つのファイバーコイルと、１つのスペクトルフィルターとを含む、複数のファイバーチェーンで全体的に構成される。本発明のパルス発生器の開始ステージにおいて、外部シード源から放出されたエタロンパルスに応じて、またはポンプによって人工的に導入されたノイズによって、同時放出が、連続波（ＣＷ）成分及びピッチ成分を特徴とする所望のスペクトル範囲内で第１のファイバー増幅器内で増幅される（ＡＳＥ）。第１のファイバーコイルを通って伝搬すると、ピッチはある程度スペクトル的及び時間的に拡張され、さらに第１のフィルターにおいてスペクトル的にフィルタリングされる。例えば、ピッチの長波長サブ領域が所望の方向におけるさらなる伝搬からフィルターによって除去される。

フィルタリングされたパルス成分は、第２のファイバーコイルを通って伝搬する間に、第２の増幅器で、自己位相変調（ＳＰＭ）非線形効果を導入するのに十分なピーク強度までさらに増幅される。ＳＰＭは、中心成分の周囲の新しい周波数成分またはモードの発生によってみられるパルス成分のスペクトル的及び時間的拡張によってみられる。新たに発生した周波数成分のいくつかは、第１のフィルターとは対照的に、ピッチの短波長サブ領域を遮断する第２のフィルターの周波数通過帯域と部分的に重複する。新しいスペクトル成分の発生は、ピッチの特定のピーク強度、すなわち、自己位相変調現象を導入するのに十分な同期モードを有するピッチにおいてのみ可能になる。

ピッチの循環は、再びそれぞれ発達するパルス成分を増幅し、スペクトル的及び時間的に拡張し、最終的にフィルターで除去するように構成された第１の増幅器、ファイバーコイル及びフィルターの組み合わせの第１のグループを通って連続してもよい。そのため、発達するピッチは、最終的に第２のフィルターの通過帯域を完全に覆うピッチの拡張を可能にする所望のピーク強度まで増幅される。この点において、ピッチは、第２のフィルター内で失われるが続く第１の増幅器で完全に補償されるある程度低減したピーク強度を有する所望の信号まで発達する。所定のパーセンテージの、第１のファイバーコイルにおいて連続するスペクトル的及び時間的に拡張された信号は、スペクトル的に圧縮される前に、少なくとも１つの増幅ステージにおいてさらに増幅される所望のスペクトル幅、強度及びエネルギーを有するパルスとしてリング導波路の外部に導かれる。

開示されたパルス発生器の起動は、増幅される際に、連続波の発生のスペクトルと比較して発達したパルスのスペクトル拡張を生成するように動作可能なノイズを生成するための外部源を必要とする。本発明の構造において、低周波数ノイズまたはＣＷ発生は、線通過帯域が狭いがパルス方式の安定状態のスペクトルと比較して異なる中心周波数を有する複数空間フィルターの動作のために、十分に増幅することができない。本発明のパルス発生器における起動方式の構成は、外部ノイズ発生源の種類に依存する。特に、複数のフィルター間のスペクトルの関係は、外部源の構成の直接的な結果である。

１つの起動方式において、ダイオードレーザーなどの外部源は、開示されたパルス発生器の動作波長とは異なる波長の光を出力するポンプとして動作する。この実施形態において、本発明のパルス発生器は、重複した通過帯域を有するスペクトルフィルターを有して構成される。フィルターのこの構成は、狭いＣＷライン発生の区別を提供し、これは同時に、量子もしくはその他の種類のノイズ及び／または極めて高いエネルギーを有するＱスイッチパルスから形成されうる。

しかし、ＣＷ成分は、レーザーモードロックの遷移ステージにおいて、開示されたパルス発生器の適切な機能において重要な役割を果たす。増幅器はそれぞれ、エネルギーの顕著な蓄積という特徴を有する。これらの増幅器を通過するピッチは、パルス発生器だけでなく、以下の増幅ステージも完全に破壊することができる増幅器の出力において、極端に高いピーク強度を有する可能性がある。この蓄積されたエネルギーをある程度低下させるために、増幅媒体内の反転分布を低減することが望ましい。これは、増幅器内で蓄積されたエネルギー全体を低下させるために、不十分な増幅を有して提供されうるＣＷ成分によって実現される。蓄積エネルギーの低下は、パルスピーク強度及びピッチのエネルギーの減少に寄与する。各フィルターの重複した通過帯域の間に形成されたフィルタリングされていないスペクトル領域を有することで、ＣＷ成分を、リング導波路に沿ってこの領域を通って導き、蓄積エネルギーの低下を達成することが可能になる。

ＣＷポンプを特徴とする実施形態のさらなる態様は、ピッチが、両フィルターの所定の（及び均一な）スペクトル幅を通過することを可能にする所望のスペクトル領域における自発放出の増幅に関する。所望のスペクトル領域におけるそのような増幅は、ポンプ光の特別な形態によって確認される。最初に、ポンプ出力が、必要なスペクトル領域内にノイズを導入する、数十ミリ秒からミリ秒の高出力短持続時間のポンププレパルスを放出するように制御される。そのため、プレパルスは、周波数領域及び時間領域においてノイズ分布の位相空間を分布させるために必要とされる。次いで、ポンプの入力における電流信号が遮断され、プレパルスに提供されたエネルギーが、両フィルターの帯域幅に対応する所望のスペクトル領域内の１つまたは複数の小さな強度ピークを増幅するのに十分である。その後、ポンプは、ピッチを所望の信号に発展させ、モードロック方式を確立することが可能な初期ポンプ信号よりも低い強度を有するＣＷ放射を出力する。

さらなる実施形態において、起動方式は、パルス発生器の動作波長における１つまたは複数のエタロンパルスを放出するシードを有して提供される。これらのパルスは、シード後のある時点でオンにされるポンプからのポンプ光に応じて、リング導波路内に発生したピッチと同じまたは異なるものとすることができる繰返し速度で、リング導波路にそって導かれる。シードがスイッチオフされると、これらのエタロンパルスは消滅するが、増幅器内に蓄積された過剰エネルギーは、Ｑスイッチパルスの発生を防ぐのに適した安全なレベルまで低減される。この実施形態において、フィルターは、それぞれ通過帯域重複を有しても有しなくてもよい。

消散的なソリトンまたはシミラリトンの発生の安定自己開始方式において、開示されたパルス発生器は、それぞれ個別の非線形要素を有するＮＯＬＭ／ＮＡＬＭ及びＮＬＰＲなどの他のリングアーキテクチャと同様に動作する。これは、安定方式において、そのような要素はパルスの発達に実質的に影響しないが、ノイズからのパルス形成のためにのみ必要であるためである。しかし、安定方式において、本発明のパルス発生器は、信号光が繰り返しキャビティを通過する線形キャビティとは対照的に、各一周ごとに最大で１回、所望のチャープパルスを出力するように動作する。そのような出力の実現は、いずれかのファイバーコイルのすぐ下流に位置する１つの出力カプラーか、各ファイバーコイルからすぐ下流に位置する２つの出力カプラーのいずれかを含む。２つの出力カプラーの場合、チャープパルスは、各半周ごとにリング導波路の外部に結合される。

本開示のパルス発生器の前述の、及びその他の特徴は、以下の図面と併せて以下の詳細な説明からより容易に明らかとなるであろう。

ＮＬＰＲアーキテクチャに基づくパルス発生器の周知の構成である。 ＮＯＬＭアーキテクチャの周知の構成である。 ＮＡＬＭアーキテクチャの周知の構成である。 周知の線形チャープパルスである。 本発明のパルス発生器の光学概略図である。 開始及び安定パルス発生方式のパルス発生器の動作の原理を示す。 開始及び安定パルス発生方式のパルス発生器の動作の原理を示す。 開始及び安定パルス発生方式のパルス発生器の動作の原理を示す。 図４及び５Ｃのパルス発生器のフィルターを通過するときの信号スペクトルを示す。 図４及び５Ｃのパルス発生器のフィルターを通過するときの信号スペクトルを示す。 図４及び５Ｃのパルス発生器のフィルターを通過するときの信号スペクトルを示す。 図４及び５Ｃのパルス発生器のフィルターを通過するときの信号スペクトルを示す。 本発明のパルス発生器の異なる開始方式における外部発生源の動作の原理を示す。 本発明のパルス発生器の異なる開始方式における外部発生源の動作の原理を示す。 図４の開示されたパルス発生器に組み込まれた増幅ブロックの概略図を示す。 図４のレーザーにおける代替的な増幅ブロックの概略図を示す。

初めに、開示される受動モードロックパルス発生器は、互いに組み合わせて、安定したモードロック動作を可能にする非線形応答を生じさせる複数の特殊なフィルターを含む新規なアーキテクチャを有して構成される。

図４は、複数のファイバー増幅器１２及び２０の一方の出力が他方のファイバー増幅器にシードするリング導波路またはリングキャビティ１０を有して構成された本発明のパルス発生器を示す。第１及び第２の増幅器１２、２０の間には、ファイバー要素の２つ以上の個別のグループまたはチェーンが１つに結合されてリングキャビティ１０を構成する。ファイバー増幅器に加えて、各チェーンはそれぞれ信号をスペクトル的及び時間的に広げるファイバーコイル１６、２２と、広げられた信号をスペクトル的にフィルタリングするように動作可能な狭ラインフィルター１８、２４と、を含む。フィルターの構成は当業者に周知であり、一般に、所望のスペクトル範囲のみを通過させ、必要であれば、以下に議論するように、通常分散または異常分散のいずれかを導入することが可能な複数の誘電体層を有する比較的厚いミラーを含む。フィルターは、実質的に同じ通過帯域を有してもよい。代替的に、フィルタの１つは、他のフィルタの通過帯域よりも最大で５倍広い通過帯域を有するように構成されてもよい。さらに、各フィルターの通過帯域は、出力パルス５５のそれよりも２から１０倍狭くすべきである。しかし、いくつかの場合には、所望のパルス幅は、フィルターの通過帯域よりも狭いものとすることができる。スペクトルの拡張及びフィルタリングのシーケンスは、所望のスペクトル幅、パルス持続時間及びエネルギーを有する巨大チャープを伴うパルスを発生させるために必要であり、これは、本発明の目的の１つである。リング導波路１０はさらに、導波路周囲の光の一方向の誘導を提供する１つまたは複数のアイソレータ２８と、各ファイバーコイル１６、２２からすぐ下流側に位置する１つまたは複数の出力カプラー３０と、を含む。出力カプラーはそれぞれ、リング導波路１０の外側にチャープパルス５５を導く。分離したパルス５５はさらに、１つまたは複数の増幅ステージで増幅されてもよい。増幅器の増幅媒体内で所望の反転分布を生成するために、すなわち、本発明のパルス発生器の動作を開始するために、１つまたは２つのＣＷポンプ２６が、光学的に各増幅器に結合される。前述の構成要素の全ては、単一横モード（ＳＭ）ファイバーによって相互接続される。開示されるパルス発生器の動作は以下で議論され、非飽和開始及び飽和安定状態のパルス発生（モードロック）フェーズを含む。

図４に加えて図５Ａ及び５Ｂを参照すると、開始フェーズは、シード注入（図５Ａ）及び遷移ステージ（図５Ｂ）を含む。開始フェーズは、スペクトル幅がＣＷ発生のそれよりも広くなるように、所望のスペクトル範囲内でピッチのスペクトル拡張を提供する。本発明は、開始アーキテクチャの２つの異なる構成を開示する。

開始構成の１つは、ＣＷダイオードレーザーまたはＣＷファイバーレーザーなどの２つのＣＷポンプ源２６（図４）を含む。ポンプ２６は、それぞれパルス発生器の安定状態フェーズの間において出力カプラー３０を通して出力される所望のチャープパルスの動作波長λｏよりも短い波長λｐで増幅器１２、２０の増幅媒体内に結合されるポンプ光を出力する。図５Ａ、５Ｂに示された開始フェーズにおけるピッチ発達の図による表示は正確ではなく、むしろ、リング導波路内のプロセスの理解を助けるための一般的な傾向を示すことを意図されている。

具体的に、図５Ａを参照すると、１つまたは両方の増幅器の増幅媒体がポンプ光を受け取ると、パルス発生器は連続的であるが、ＣＷ放射の所望のスペクトル領域においてレーザーノイズの顕著な変動を有して動作を開始する。これは、ステップ１−２において示されるように、それぞれ時間領域３４において引き伸ばされ、狭いスペクトル線幅３６を有する１つまたは複数の低強度ピッチ３８（１つのみが示されている）を特徴とするスペクトルを有する。所望のスペクトル領域内のノイズは、入力カプラー３２を通る（ステップ２）ため、ピッチ３８は、わずかにスペクトルが拡張されるのみである。複数のポンプ２６のために、２つの信号発達プロセス、すなわち、信号に対するピッチは、リング導波路内で実際上同時に、または非常に短い時間遅延の間に発生するが、明確にする目的のために、プロセスのうち１つのみが、さらに詳細に開示される。

シード注入ステージのステップ３において、第１の増幅器１２は、ピッチ３８のピーク強度を増加させるように動作可能である。さらに第１のコイル１６を通って伝搬し、ステップ４に示されるように、増加したピーク強度によって導入される比較的弱い自己位相変調非線形効果（ＳＰＭ）のために、ピッチ３８は時間領域において広がり、周波数領域においてスペクトルが拡張する。しかし、これは、実質的なスペクトル拡張には依然として十分ではない。そのため、増幅され、拡張されたピッチ３８（この時点で、出力カプラー３０における出力損失は、ステップ５に示されるように顕著ではない）は、さらに第１のフィルター１８に結合される。これは、例えば、所望の周波数範囲の長波長を区別するように構成され、すなわち、ステップ６に示されるように、長波長を遮断しつつ、短波長の副領域を通過させる。もちろん、フィルター１８は、長波長の副領域を通過させる一方で、短波長を遮断するように構成されてもよい。

第１のフィルター１８の出力における遷移パルスは、ステップ７に示されるように、ピッチのピーク強度を顕著に増大させる第２の増幅器２０においてさらにシードされる。これは、今度は、ステップ８に示されるように、第１のファイバーコイル１６におけるよりも強い、第２のファイバーコイル２２における位相変調を導入する。実際には、ピッチ３８の誘導エッジ（長波長）に沿った、新たに発生した周波数成分は、ステップ９に示されるように、この例示的な枠組みにおいて短波長を区別するように構成された第２のフィルター２４の通過帯域に入る。出力第２フィルター２４において、ピッチのモードは、固定された位相関係を有し、すなわち、モードは同期される。それでも、ピッチ３８のピーク強度及びスペクトル幅のいずれも、所望のしきい値にはまだ到達していない。

ここで図５Ｂを参照すると、遷移ステージは、先行する非飽和シード注入ステージが終了すると始まる。フィルター２４からのピッチは、第１の増幅器１２に結合され、ピーク強度が、第１のファイバーコイル１６内に新しい周波数を発生させることとなるＳＰＭ効果を導入するのに十分なレベルまで再び増加する。図５Ａ及び５Ｂそれぞれの個々のステップ４を比較すると、ピッチは、シード注入ステージと比較した場合に遷移ステージにおいてスペクトル領域において実質的に広げられ、時間領域において引き伸ばされていることが明らかに分かる。しかし、ピッチ３８のスペクトル幅は、依然として、通過する遷移パルスの長波長を再びカットする第１のフィルター１８の通過帯域を完全に覆うには不十分でありうる。第２の増幅器２２は、第２のファイバーコイル２２を通って伝搬するにつれて、ピッチのスペクトル幅及び持続時間を、それぞれ所望のスペクトル幅及び持続時間に広げるのに十分である所望のレベルまで、ピーク強度を最終的に増加させる。所望のスペクトル幅まで到達すると、ピッチは、第２のコイルの後に、フィルター２４の通過帯域を完全に覆うスペクトル幅を有する信号５０まで完全に発達する。前述のように、開始ステップは、所望の信号まで完全に発達する前にピッチ３８の１回またはそれ以上の周回を有するものとして開示される。原理的に、特定の条件において、この場合にはシード注入ステージにおいて完全に形成されることとなる所望の信号５０の形成には、半周で十分でありうる。

前述の説明はパルス発達に注目しているが、ＣＷ成分は、前述の開始アーキテクチャにおいて重要な役割を果たす。リングキャビティ１０は、ファイバー増幅器において高エネルギーの蓄積を意味する高い品質係数Ｑを有して構成される。このエネルギーが減少しない場合、本発明のリング導波路は、パルス発生器が容易に破壊されうるような高いレベルのエネルギーを有するＱスイッチパルスを発生させることとなる。エネルギー減少は、図４の２つのフィルター１８及び２４の特定の構成によって実現される。各フィルターの中心波長λｃ１、λｃ２は、フィルターの１つの通過帯域が、図４に示されるように、他のフィルターの通過帯域と重なるように選択される。２つのフィルター間の重複したスペクトル領域４０は、両方の増幅器において蓄積された過剰エネルギーを消費するＣＷ成分の伝搬を可能にする。しかし、ＣＷ成分の量は、主モードロックプロセスと競合しないように増幅されるべきである。重複領域は、フィルターが互いに異なる透過強度を有する場合、最も透過率の高いフィルターの最大フィルター透過率の１０％未満、好適には最も低い透過率を有するフィルターの０．１％超を通過する。しかし、フィルターは、同じ透過強度を有して構成されてもよい。まとめると、それぞれ互いに重複する通過帯域を有する２つのフィルター１８及び２４は、１）ＣＷ放射を抑制し、２）ピッチを安定モードロック方式で所望の信号まで発達させるように、ともに機能する。

図４と組み合わせて議論される図７Ａは、前述の開始アーキテクチャのさらなる特徴を示しており、所望の周波数領域における１つまたは複数のピッチの増幅に関する。実際には、フィルターの所望の波長範囲内で最終的に終わる広帯域低周波数ノイズ内の弱いピッチの増幅を何回開始する必要があるかは誰にもわからない。発達するピッチが所望の波長範囲に確実にあるようにするために、ポンプ２６はそれぞれ電流変調入力を有する。最初に、数分の１ミリ秒から数ミリ秒のポンプ光４２（図７Ａ）の、高い強度及び短い持続時間の開始プレパルスは、リング導波路１０（図４）内に結合され、次いでポンプ２６への入力は、初期ポンプ光の持続時間の間遮断される。そのようなスイッチオン／スイッチオフ動作は、瞬間的に蓄積されたエネルギーを、所望の周波数領域内の１つまたは複数の遷移パルスを必然的に増幅させる幅広い範囲の広帯域低周波数ノイズに渡って分布させることができる。次いで、ポンプ２６は再びスイッチオンされ、パルス発生器が動作する限り、プレパルスよりも低い強度を有するＣＷポンプ光４４を出力するＣＷ方式で遮断なく動作する。ＣＷポンプ強度は、出力信号のパラメータを調整するために変化しうる。

図４及び７Ｂを参照すると、開始ステージの代替的な構成は、ポンプ２６に加えて、ポンプ２６が動作を開始する前にオンにされ、ポンプ光４８の１つまたは複数の均一なエタロンパルス（図７Ａ）を出力する１つまたは複数のシード４６（図４）を含む。エタロンパルスは、ポンプがＣＷポンプ光を放出し始めた直後にシードがエネルギーを失うと、次第に減衰する。前述のように、この構成は、Ｑスイッチパルスの発生を防ぐために、ファイバーレーザー１２及び２０に蓄積されるエネルギーを低める助けとなる。エタロンパルスは、リングキャビティから分離する所望のパルスにおけるものとは異なるシードオン及びオフの切り替えの繰返し速度で、リング導波路１０を伝搬する。シード４６の使用はまた、リング導波路１０の構成を多少変更しうる。導波路１０の変更された構成は、それぞれが互いに重複しない通過帯域を有して構成されたフィルター１８及び２４を有してもよい。しかし、そのような改良は必須ではなく、図７Ａを参照して開示されたリング導波路１０の変更されていない構成も、この第２の実施形態を実施するのに適している。

図５Ｃ及び６Ａから６Ｄを参照すると、本明細書において示されるように、開示されたパルス発生器の安定ステージは、遷移ステージの終了時において所望のスペクトル幅を有する信号５０を形成するとすぐに開始する。各フィルターの通過帯域が重複する場合には、信号５０の所望のスペクトル幅は、発達した信号の一部が重複領域を伝搬するようになっている。通過帯域が重複していない場合には、信号の所望のスペクトル幅は、連続したフィルターの通過帯域が重なるようになっている。

特に、信号５０がフィルター１８を通過する場合（図６Ａ）、これは、図６Ｂに示されるように、中心波長λ１に中心を有する全ての長波長モード離脱信号５０をフィルターで除去する。さらに増幅及びスペクトル拡張をすると、信号５０は、フィルター２４の入射通過帯域と重なるのに十分な新しい周波数を得、フィルター２４は、フィルター１８とは対照的に、全ての短波長の伝搬をさらに遮断する（図６Ｃ）。結果的に、信号５０は第２の中心波長λ２に中心を有することとなる。さらなる増幅及びスペクトル拡張のプロセスは、リングキャビティ内の信号の半周ごとに繰り返す。

信号５０が発達すると、リングキャビティ１０を１回周回させる前に、出力カプラー３０（図４）がパルス５５をキャビティ外に導く。好適には、これは、図４の点線で示されるように、第２のファイバーコイル２２の出力に直接接続された追加的な出力カプラー３０を有してもよい。そのような構成によって、半周ごとに、パルス５５の分離が可能になる。

前述のパルス発生器は、増幅器１２及び２０の増幅媒体に使用される希土類材料のイオンに応じて、任意の所望の動作波長で動作しうる。単なる例として、これらの希土類材料は、イッテルビウム、エルビウム及びツリウムを含んでもよい。しかし、発光器として知られるその他全ての希土類材料も、前述の材料として十分に使用可能である。構造的に、２つのファイバーチェーンに加えて、分離した信号光パルスの均一なピークパワーを確保するために、追加的なファイバーチェーンを使用すると、利点がありうる。

リング導波路１０のファイバー構成要素は、正のネット分散を有するように構成されてもよい。これは、１ミクロンの波長範囲で特に有利であり、その場合、全ての成分が通常分散を有する。しかし、図４を参照すると、正のネット分散全体に影響を及ぼさない負の分散を有する図示された要素の１つを有する１ミクロン波長範囲内の開示されたパルス発生器を使用することが可能である。例えば、正のネット分散は、リング導波路１０の各構成要素を正の（通常）分散を有するように構成することによって得られうる。代替的に、１つまたは複数の構成要素は、異常（負の）分散を有してもよいが、これは、リングキャビティの正のネット分散全体を変更しない。例えば、フィルター１８及び２４のそれぞれ、または両方が、異常分散を有し、それでも１ミクロンの波長範囲で問題なく使用されるように構成されうる。導波路１０のネット分散は、異常分散を有するように構成された導波路構成要素の全てまたは大部分で異常であってもよい。最後に、リングキャビティ１０のネット分散はゼロであってもよい。

好適には、導波路１０のファイバー構成要素の全ては、偏光維持（ＰＭ）フォーマットで構成される。それでも、これらの構成要素のいくつかまたは全ての構成要素は、ＰＭ構成要素でなくてもよい。

図８及び９を参照すると、増幅器１２及び２０はそれぞれ、入出力受動ファイバー１３０にそれぞれ接合された対向端部を有する希土類イオンドープファイバー１２８の組み合わせを含む。ファイバー１２８は、単一横モードまたは複数横モード（ＭＭ）のみをサポートすることができるコア１３２を有する。しかし、所望の導波波長において、例えば１．０６ミクロンのＭＭファイバー１２８のコア１３２が、正しいドーパントプロファイルを選択することによって、１つの基本モードのみをサポートするように構成される。換言すれば、ＳＭ光がアクティブファイバー１２８のＭＭコア１３２に結合されると、これは、当業者に知られているように、ＳＭファイバーの場合と同様にガウシアン形状の強度プロファイルに近い基本横モードのみを励起する。そのため、発生したパルス５５（図４）は、単一横モードでパルス発生器から放出される。代替的に、ファイバー１２８は、側方ポンピング方式でＳＭコアを有してもよい。

ＭＭファイバーは、ＳＭアクティブファイバーとともに、必然的に終端ポンピング方式よりもある程度有利でありうる側方ポンピング方式を使用する条件を有する増幅器を提供する。まず、側方ポンピング方式は、限定された出力のみを許容することができる波長分割多重器（ＷＤＭ）の使用を必要としない。さらに、側方ポンピング方式の他の利点は、ＳＭアクティブファイバーの場合よりも高い出力を有するパルスの発生が可能であることであり、もちろんこれは、ＭＭアクティブファイバーと置き換えうる。しかし、当業者であれば、周知の終端ポンピング技術を容易に実現可能である。

図９は、二重ボトルネック形状の断面を有するＭＭアクティブファイバー１２８を示している。この改良は、コア端部１３４よりも大きな直径を有する中央が大きなコア部１３２を提供する。大きなコア部１３２は、より大きなポンプ出力を提供し、基本モードと高次モードとの間の結合の可能性を最小化するファイバーの長さを低減させる。コア端部１３４は、図７の端部と同様に構成され、それぞれがＳＭ受動ファイバーのそれと整合するＭＦＤを有する。

リング導波路１０を構成する要素は、正、負及びゼロ分散並びにそれらの組み合わせを有してもよい。例えば、係属中の米国特許出願から分かるように、１ミクロン波長範囲で使用することができるように、全体として正の分散を有するリングキャビティを構成する。リングキャビティは、全体として正の分散を有するリングキャビティを提供する様々な種類の分散を有する複数のファイバー構成要素を含む。

読者の注意は、本明細書とともに提出され、本明細書とともに一般に閲覧されるために公開されたすべての書面に向けられ、そのような書面の全ては参照により本明細書に組み込まれている。

１０ リングキャビティ
１２、２０ ファイバー増幅器
１６、２２ ファイバーコイル
１８、２４ 狭ラインフィルター
２６ ＣＷポンプ
２８ アイソレータ
３０ 出力カプラー
３２ 入力カプラー
３４ 時間領域
３６ スペクトル線幅
３８ ピッチ
４２ ポンプ光
４４ ＣＷポンプ光
４６ シード
４８ ポンプ光
５０ 信号
５５ チャープパルス
１２８ 希土類イオンドープファイバー
１３０ 入出力受動ファイバー
１３２ コア
１３４ コア端部

Claims (30)

1. 所望のスペクトル幅、持続時間及びエネルギーをそれぞれ有する一連のパルスを放出するためのファイバーパルス発生器であって、リングキャビティを画定する互いに接続された複数のファイバーチェーンを含み、前記リングキャビティが、それに沿って単一方向に信号を導き、ファイバーチェーンそれぞれが、
   前記信号の強度を所望の強度まで増加させるように動作可能であるファイバー増幅器と、
   前記信号のスペクトル幅を、光ファイバーの出力において所望のスペクトル幅まで拡張するのに十分な所望の強度を有する前記信号を受け取る光ファイバーと、
   前記光ファイバーの出力に結合され、ある通過帯域を有するスペクトルフィルターであって、前記ファイバーチェーンの各光ファイバーの通過帯域が、前記信号を各ファイバーの前記通過帯域に順に重なることができるように、互いにスペクトルの間隔を有する各周波数成分に中心を有する、スペクトルフィルターと、を有して構成され、
   前記ファイバーチェーンの少なくとも１つが、前記光ファイバーの出力に直接結合され、前記リングキャビティの外側に前記所望のスペクトル幅、持続時間及びエネルギーを有するパルスを案内するように構成された出力カプラーを含む、ファイバーパルス発生器。
2. 前記ファイバー増幅器に結合され、前記パルスと異なる波長を有するＣＷ放射をそれぞれ放出する複数のポンプと、
   前記ポンプをオンにする前に前記信号を初期化するために各エタロンパルスをそれぞれ出力する複数のシード源と、をさらに含み、
   前記シード源が、前記ポンプがオンになった後に動力源が停止され、前記エタロンパルスが、前記信号パルスの繰返し速度と異なる繰返し速度で前記リングキャビティを周回して伝搬し、前記ファイバー増幅器に結合されると、内部の蓄積エネルギーを、前記リングキャビティ内でＱスイッチパルスを発達させるのに不十分なエネルギーレベルに低下させる、請求項１に記載のファイバーパルス発生器。
3. 各光フィルターの前記中心周波数が、スペクトル的に互いに重複せず、連続波（「ＣＷ」）放射を前記リングキャビティを通過する伝搬から遮断し、または前記ＣＷ放射の０．１％未満を通過させるように重複させる、請求項２に記載のファイバーパルス発生器。
4. 前記所望のスペクトル幅及び強度を有する前記信号の前記ピッチを発達させるために、２つのファイバーチェーンのそれぞれの前記ファイバー増幅器、ファイバー及びフィルターを通過して伝搬する少なくとも１つのピッチを含む所望のスペクトル領域内のノイズを初期化するために十分なプレパルスをまず出力し、
   その後に、前記ＣＷ放射を出力するようにそれぞれ構成された複数のポンプをさらに含み、
   各光フィルターの前記中心周波数が、各光フィルターの前記通過帯域が互いに重なるようにスペクトル的に空間を有して配され、重複する通過帯域間のスペクトル領域が、前記ファイバー増幅器内の蓄積エネルギーを、Ｑスイッチパルスを発達させるのに不十分なレベルまで減少させるのに十分な、前記リングキャビティに沿った前記ＣＷ放射のフィルタリングされていない部分の循環を提供するように構成され、前記フィルターが、互いに等しい、または互いに異なる各透過強度を有するように構成された、請求項１に記載のファイバーパルス発生器。
5. 各フィルターの前記通過帯域が互いに重複して、その間に、最も高い透過率を有する前記フィルターの１つの最大透過率の１０％未満を通過させるように構成されたスペクトル領域を画定するように、各光フィルターの前記中心周波数が間隔をあけられた、請求項４に記載のファイバーパルス発生器。
6. 前記重複領域が、最も低い透過率を有する他のフィルターの最大透過率の最大０．１％を通過させるように構成された、請求項５に記載のファイバーパルス発生器。
7. 前記プレパルスが、数分の１ミリ秒から数ミリ秒まで変化可能なパルス持続時間及び前記ＣＷポンプ信号よりも高い出力を有する、請求項４に記載のファイバーパルス発生器。
8. 前記ファイバーチェーンがそれぞれ、通常ネット分散または異常ネット分散を有するように構成され、前記スペクトル的に拡張された信号パルスが、前記ファイバーチェーンを伝搬する間に時間的に引き伸ばされる、請求項１に記載のファイバーパルス発生器。
9. 前記リングキャビティを画定する前記ファイバーチェーンがそれぞれ、ゼロネット分散を有するように構成された、請求項１に記載のファイバーパルス発生器。
10. 前記スペクトル的に拡張された信号パルスが、線形チャープパルスである、請求項１に記載のファイバーパルス発生器。
11. 前記他の光ファイバーの出力に結合された追加的な出力カプラーをさらに含み、前記所望のスペクトル幅、強度及びエネルギーを有するパルスが、半周ごとに前記リングキャビティから出力される、請求項１に記載のファイバーパルス発生器。
12. 各スペクトルフィルターの前記通過帯域が、それぞれ同じ帯域幅もしくは同じ透過率強度を有し、または、同じ帯域幅及び透過率強度をを有する、請求項１に記載のファイバーパルス発生器。
13. 各スペクトルフィルターの前記通過帯域が、他のものより最大５倍大きな、異なる帯域幅を有する、請求項１に記載のファイバーパルス発生器。
14. 前記ファイバーチェーンがそれぞれ、偏光維持（ＰＭ）フォーマットまたは非ＰＭフォーマットで構成された、請求項１に記載のファイバーパルス発生器。
15. 順に放出されるエタロンパルスが、前記リングキャビティ内でＱスイッチパルスを発達させるのに不十分なレベルまで、前記ファイバー増幅器内に蓄積されるエネルギーを低下させるように、それぞれ徐々に低下する強度または均一な強度を有する、請求項７に記載のファイバーパルス発生器。
16. 前記ファイバー増幅器がそれぞれ、対向する比較的小さな均一な直径の端部領域及び、前記端部領域よりも大きな直径を有する均一に構成された中心領域を有して提供されるマルチモードコアを有するように構成され、前記マルチモードコアが、前記信号パルスの動作波長で基本モードのみをサポートするように構成された、請求項１に記載のファイバーパルス発生器。
17. 前記ファイバー増幅器がそれぞれ、単一横モードアクティブファイバーを有して構成された、請求項１に記載のパルス発生器。
18. 各増幅器の各対向端部に結合された単一横モード受動ファイバーをさらに含む、請求項１６または１７に記載のファイバーパルス発生器。
19. ２つのファイバーチェーン間に結合された少なくとも１つのアイソレータをさらに含む、請求項１に記載のファイバーパルス発生器。
20. 前記ポンプ及びシード源の出力を前記リングキャビティ内に導く入力カプラーをさらに含む、請求項５または７に記載のファイバーパルス発生器。
21. 前記ポンプが、側方ポンプ増幅器または端部ポンプ増幅器のそれぞれに構成された、請求項５または７に記載のファイバーパルス発生器。
22. 各フィルターの前記通過帯域がそれぞれ、前記パルスの所望のスペクトル幅よりも狭い、または広い、請求項１に記載のファイバーパルス発生器。
23. １つを他方に結合してリングキャビティを画定する複数のファイバーチェーンであって、各ファイバーチェーンがファイバー増幅器と、パルスチャープ構成要素と、前記パルスチャープ構成要素の出力に結合され、ある帯域を有する光フィルターと、を含む、複数のファイバーチェーンと、
    前記チャープ構成要素の前記出力に直接接続されて前記リングキャビティの外側にパルスを導くための出力カプラーと、を含み、
    前記ファイバーチェーンの各光フィルターの通過帯域が、互いにスペクトル的に間隔をあけた各周波数成分に中心を有する、超高速パルスを生成し、出力するためのリングキャビティファイバーレーザー。
24. 前記パルスチャープ構成要素が、光ファイバーの長さである、請求項２３に記載のリングキャビティファイバーレーザー。
25. それぞれ中心波長から間隔を有して中心を有するショートパススペクトルフィルター及びロングパススペクトルフィルターを通って順に信号を通過させ、それによって、前記信号のスペクトル領域の短波長サブ領域及び長波長サブ領域をそれぞれ順に通過させる段階と、
    前記リングキャビティから、前記信号の一周ごとに少なくとも１回超短パルスを分離する段階と、を含む、ファイバーリングキャビティレーザー内で一連の超短パルスを発生させる方法。
26. 各フィルタリングの前に前記信号を所望のピーク強度まで増幅する段階と、
    フィルタリングの前にフィルターチャープ構成要素内の増幅された信号をスペクトル拡張する段階と、をさらに含む、請求項２５に記載の方法。
27. 前記短波長フィルター及び前記長波長フィルターが、各フィルターの通過帯域が互いに重複しないように間隔をあけて配置された各中心波長を有する、請求項２６に記載の方法。
28. 前記短波長フィルター及び前記長波長フィルターが、各フィルターの通過帯域が互いに重複するように間隔をあけて配置された各中心波長を有する、請求項２６に記載の方法。
29. 第１の期間について、前記リングキャビティ内に１つまたは複数のエタロンパルスを注入する段階と、
    前記第１の期間の間に、前記リングキャビティ内のＣＷ及びピッチ成分を含むＣＷ放射を初期化する段階と、
    前記ピッチ成分を前記信号に発達させる段階と、
    前記ピッチ成分を発達させる間に、前記エタロンパルスの注入を停止させる段階と、をさらに含む、請求項２７に記載の方法。
30. ある期間について、前記リングキャビティ内にポンプのプレパルスを注入する段階と、
    その後に、前記リングキャビティ内にＣＷ放射を結合させる段階と、をさらに含む、請求項２８に記載の方法。

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