JPH10213827A - 高出力光パルスの発生装置および発生方法 - Google Patents

高出力光パルスの発生装置および発生方法

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 フェムト秒台の高出力光パルスを発生させる
手段を提供すること。 【解決手段】 本発明の高出力光パルスの発生装置は、
信号光を生成するファイバー発振器１０と、非線形位相
遅れをもち信号光を受光して増幅するとともに圧縮する
ソリトン・ラマン圧縮器（ＳＲＣ）を兼ねた増幅ファイ
バー１１と、増幅された光パルスを周波数変換して高出
力光パルスとする周波数変換器であるＰＰＬＮ（周期性
ポーリングＬｉＮｂＯ3 ）２０とを有する。分散補償フ
ァイバー１８により分散が補償される。また、ファラデ
ー回転鏡（ＦＲＭ）１９により光パルスが反射されてダ
ブルパス形態を取っている。ポンプ１６から注入される
ポンプ光からのエネルギーを得て、信号光は増幅される
とともに圧縮され、ＰＰＬＮ周波数変換器２０により周
波数変換された波長で、フェムト秒台の高出力光パルス
が得られる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、フェムト秒台の高
出力光パルスを発生する装置および方法に関し、特に、
発振器、増幅器、圧縮器および周波数変換器を採用して
フェムト秒台のパルスを発生するシステムに関する。す
なわち本発明は、高出力光パルスの発生技術の技術分野
に属する。
【０００２】
【従来の技術】光ファイバー内で短光パルスや超短光パ
ルスを発生させる技術は、すでに長年にわたり知られて
おり、最近では多くの分野に応用されている。たとえ
ば、クラークに付与された米国特許第５，５３０，５８
２号（以下クラークと称する）に開示されているよう
に、またＡ．ハリハランの文献（ A. Hariharan et al.
in"Alexandrite-pumped alexandrite generative ampl
ifier for femtosecond pulse amplification", Optic
Letters, Vol. 21, pp. 128 (1996) ＝以下ハリハラン
と称する）に報告されているように、超短光パルスは注
入源として使用されてきた。高出力増幅器の注入シーデ
ィングは、クラークおよびハリハランにより指摘されて
いるように、パルスの波長が１．２μｍ未満の範囲にお
いて大きな利点を有する。同様の制約は、その他の多く
の現在追求されている超短パルスの増幅においても存在
し、たとえば、ＴＨｚ（テラヘルツ）のパルス発生の分
野で存在する。ＴＨｚパルス発生の分野では、デンクの
文献（ W. Denk in "Two-Photonexitation in function
biological imaging", Journal of Biomedical Optic
s,Vol.1, pp.269(1996)）に報告されているように、こ
のような制約が存在する。このような波長は、超高速エ
ルビウムファイバー発振器からのパルス（たとえば、１
００フェムト秒台の発振器が発生するパルス、あるいは
ハリハランにより示唆されているようにファイバー発振
増幅システムからのパルス）を周波数ダブリングするこ
とにより、発生させることができる。このことは、クラ
ークおよびネルソン（ L.E. Nelson et al. in "Effici
ent frequency-doubling of a femtosecond fiber lase
r", Optics Letters, Vol.21, pp.1759(1996) ）により
示唆されている。しかしながら、これらの文献のいずれ
にも、ダブリング結晶の受光スペクトルの波長帯を制限
することにより、周波数ダブリングの効率が最適化され
るということは、教示されていない。
【０００３】そればかりではなく、これらの文献のいず
れにも、非線形増幅器を使用した発振器／増幅器の設計
を実施したり、あるいは非線形圧縮器を使用した発振器
／増幅器の設計を実施したりすることにより、卓越した
性能もまた得られるという記載はない。クラークおよび
ハリハランの上記文献でも前述されているように、パル
ス増幅器またはパルス圧縮器の前で使用されているパル
スは、ファイバー発振器から得られたものである必要は
ない。代わりに、バルク光学器またはダイオードレーザ
ーからのパルスが使用可能である。ここで、バルク光学
器については、イスラムの文献（ Islam et al. in "Br
oad-bandewidth from frequency-shifting sokiton in
fibers", Optic Letters, Vol.14, pp.379(1989)）を参
照されたい。また、ダイオードアレイ・レーザについて
は、ガルバナスカスの文献（ Galvanauskas et al. in
"Generation of femtosecond optical pulse with nan
ojule energy from a diode laser and fiber based sy
stem", Appl. Phys. Lett., Vol.63,pp.1742(1993)）お
よびオングの文献（ Ong et al. in "Subpicosecond so
liton compression of gain-switched diode laser pul
ses using an erbium-dopedfiber amplifier", IEEE Jo
urnal of Quantumn Electronics, Vol.29, pp.1701(199
3) ）を参照されたい。クラークおよびハリハランによ
って開示されたシステムは、線形増幅器を使用してお
り、非線形増幅器からパルスが供給されうることを示唆
してはいないことに注意すべきである。さらに、イスラ
ム、ガルバナスカスおよびオングによって開示された各
システムは、周波数ダブリングを使用してはいない。
【０００４】そればかりではなく、例えばクラークおよ
びネルソンにより開示された、発振器のみによる形式の
システムからの可能な限り短いパルスの発生は、比較的
高い光学損失を伴う複雑なキャビティー設計を通常は含
む。かようなキャビティー設計は、光学損失が比較的高
いので、与えられたポンプパワーに対して最大出力を生
成するにあたり、非常に効率がよいというものではな
い。
【０００５】超短光パルス発生システムにおける圧縮機
能の構成に関しては、次の二つの選択肢がある。第１の
選択肢は、カフカ（Kafka ）に付与された米国特許第
４，９１３，５２０号やタムラ等の文献（ Tamura et a
l. in "Pulse compression using nonlinear pulse evo
lution with reduced optical wave breaking in erbiu
m-doped fiber amplifiers with normal group-velocit
iy dispersion", OpticsLetters,(1996) ）に開示され
ているように、正の分散を持つファイバー（非ソリトン
支持）を使用することである。第２の選択肢は、イスラ
ムらにより開示されているように、負の分散を持つファ
イバー（ソリトン支持）を使用することである。カフカ
らの文献（ "Peak Power Fluctuations in Optical Pul
se Compression", Kafka et al., IEEE Journal of Qua
ntum Elec., Vol.24, pp.341(1988)）をも参照された
い。正分散ファイバーは、原理的には、１０フェムト秒
よりも短いパルスを発生させるのに使用することができ
る。このようなファイバーは、ローコスト設計にはとて
も使えない線形パルス圧縮器の付加を必要とする。それ
と同時に、正分散ファイバーを使用する圧縮機能の構成
には、ラマン変換の効果が有害であると考えられている
ので、通常はラマン効果を使用することができない（カ
フカを参照のこと）。
【０００６】それゆえ、発生するパルス幅が通常１０フ
ェムト秒よりも長いという事実にもかかわらず、負分散
ファイバー圧縮器は外部の線形パルス圧縮器に頼らない
で設計することができるので、負分散ファイバーに基づ
くパルス圧縮器が好まれる。そのうえ、このような圧縮
器は、圧縮されたパルスのスペクトルをさらに拡げる傾
向があり、光ファイバー内でのラマン自己周波数シフト
を利用するように設計することができる（イスラムらを
参照のこと）。
【０００７】しかしながらこれは、ソートアフター圧縮
パルスの低レベルのペデスタルの発生を招いてしまうの
で、超高速光学機器の多くの応用において有害である。
その一方で、ある程度のチューニングを可能とするの
で、ラマンパルスのスペクトル・エボルーションは利用
価値がある（イスラムらを参照のこと）。このようなパ
ルス圧縮器は、ここではソリトン・ラマン圧縮器（ＳＲ
Ｃ）と表現することにする。
【０００８】エルビウム増幅ファイバー内でのＳＲＣを
採用した初期のシステムが、クロカワの文献（ K. Krok
awa et al. in "Wavelength-dependent amplification
characteristics of femtosecond erbium-doped fiber
amplifiers", Appl. Phys. Lett., Vol.58, p.2871(199
1)）に記載されている。しかしながら、同文献に開示さ
れているシステムでは、ＳＲＣのための「種」パルスと
してダイオードレーザーが使用されている。
【０００９】非現実的なバルクレーザー信号およびポン
プ源に頼るエルビウム増幅ファイバー内でのＳＲＣを採
用したシステムがさらに、クルシチェフらの文献（ I.
Y. Khrushchev et al. in "Amplification of Femtosec
ond Pulses in Er3+-doped single-mode optical fiber
s", Electron. Lett., Vol.26, pp.456(1990) ）に報告
されている。
【００１０】種（光源）としてファイバーレーザーを使
用したエルビウム増幅器における最初のＳＲＣの実施
は、リチャードソンらの文献（ Richardson et al. in
"Passive all-fiber source of 30 fs pulses", Elect
ron., Lett., Vol.28, pp.778(1992) and in "Amplific
ation of femtosecond pulses in a passive all-fiber
soliton source", Optics Letters, Vol.17, pp.1596(1
992)）に記載されている。しかしながら、イスラムら、
ガルバナスら、オングら、カフカら、タムラら、クロカ
ワら、クルシチェフら、およびリチャードソンらによっ
て開示されたシステムは、ＦＤＷ（倍調波の波長）を形
成するために、非線形増幅システムを使用して何らかの
周波数変換を実施するものではなかった。
【００１１】さらに、イスラムら、ガルバナスら、オン
グら、カフカら、タムラら、クロカワら、クルシチェフ
ら、およびリチャードソンらの文献で開示されたシステ
ムでは、ＳＲＣにおける偏光を制御する手段は何ら提供
されていない。今のところ、ＳＲＣは、光ファイバー内
でのラマン効果を利用するものであるから、メニャクら
（ Menyak et al. in "Raman effect in birefringent
optical fobers", Optics Letters, Vol.16, pp.566(19
91) ）によって開示されているように、光ファイバー内
での光の偏光状態とファイバーの複屈折性とに依存する
ことになる。そればかりではなく、ファーマンら（ Fer
mann et al. in Optic Letters, Vol.19, pp.45(1994)
）によって報告されているように、高度に非線形なＳ
ＲＣでは、非線形偏光の成長（エボルーション）が起こ
る可能性がある。それゆえ、偏光を制御することなしに
は、再現性があり安定なＳＲＣは構成され得なかった。
【００１２】同様に、前述の各文献には、一般的にＳＲ
Ｃの効率を最大化する手段や、ＳＲＣによって発生する
圧縮されたパルスのパルスエネルギーを最大化する手段
は、教示されていない。周期性ポーリングＬｉＮｂＯ3
（ＰＰＬＮ）のような、非臨界的に位相同期（フェーズ
マッチング）されたダブリング結晶は、主にパルスエネ
ルギーに依存しており、（共焦点フォーカシングを使用
すると）パルス幅には臨界的に依存していないので、パ
ルスエネルギーの最大化は明らかに重要な課題である。
【００１３】前述のリチャードソンらの文献では、発振
ファイバーおよび増幅ファイバーのモードサイズの制御
が損なわれなければ、可能な限り短いパルスの発生に至
ることができることが示唆されている。しかしながら、
このようなシステムからのパルスエネルギーを最大化す
ることによれば、事実上ＦＤＷにおいてより大きなパワ
ーを生成する可能性がある。
【００１４】ＳＲＣの代替としては、断熱ソリトン増幅
が、パルス圧縮に関して議論されている。これに関して
は、ディアノフらの文献（ E. M. Dianov et al., Opti
cs Letters, Vol.14, pp.1008(1989) ）を参照された
い。通常、断熱状態にするには、ソリトン周期あたりの
利得係数αが１よりもずっと小さいことが必要である。
ここで、ソリトンのソリトン周期は、Ｌd ≒０．５｜β
2 ｜／τ2 として定義される。ただし、τは、ソリトン
のＦＷＨＭ（最大値の半分の全幅）パルス幅であり、β
2 は、ファイバーの群速度分散である。あるいは、断熱
ソリトン増幅においては、基本Ｎ＝１ソリトンが崩壊
（ブレークアップ）してＮ＝２ソリトンに変わること
は、防止されていなければならない。同じパルス幅であ
れば、Ｎ＝２ソリトンのエネルギーは、Ｎ＝１ソリトン
の４倍と高いから、ソリトン周期あたりの利得ｇは、約
２よりも小さくすべきである。その結果、通常は増幅器
（増幅ファイバー）の長さは、数十メートルからキロメ
ートルの長さにまで及ぶので、実際的ではない。あるい
は、ファイバー内の高次の非線形効果に起因して、この
ように長大なファイバー長を経た後のパルスエネルギー
は、短い増幅器によって達成可能なパルスエネルギーに
比べて低いものになってしまうであろう。
【００１５】ＳＲＣを代替するその他のものとしては、
ミネリーらの文献（ Minelly et al. in Optic Letter
s, Vol.20, pp.1797(1995) ）および米国特許第５，４
９９，１３４号に開示されているように、光ファイバー
内でのチャープパルス増幅（ＣＰＡ）によってフェムト
秒台のパルスが増幅されうる。しかしながら、通常は、
利得媒体とパルス圧縮およびパルス伸張に使用するため
に採用されている格子（グレーティング）との有限な帯
域幅に起因して、パルス短縮（ショートニング）は起こ
らず、むしろパルス拡張（ブロードニング）が起こる。
それゆえ、パルスエネルギーがおおよそ２〜３ｎＪに達
しない限り、このようなシステムはほとんど利用価値が
ない。
【００１６】ミネリーらによって記載されているシステ
ムでは、ダブルクラッドファイバー、たとえば二段階の
屈折率があるファイバーが、ファイバー増幅器として実
施されている。したがって、クラッディング・ポンピン
グ（カフカに付与された米国特許第４，８２９，５２９
号に開示されている）が、ポンプ光をファイバー増幅器
に供給するために使用されている。ミネリーらの文献が
教示しているように、高い屈折率の増大をもたらすドー
プ溶剤（ミネリーらではＡｌ2Ｏ3）の集中が維持されな
がら、基本単モードのモードサイズは、このようなファ
イバー内で増大させることができる。次に、ドープ溶剤
の高度な集中は、ドープ（ミネリーらではＥｒ3+）の溶
解性を増大させることになりうるので、このような増幅
器では高い量子効率を与えるに至る。
【００１７】しかしながら、クラッディング・ポンピン
グによるよりもむしろ、ポンプ光を直接コアに向けるこ
とによって、このようなファイバーの性能が最適化され
ることについては、ミネリーらは教示していない。ＣＰ
Ａの代わりとしては、短光パルスの線形増幅が考えられ
る。増幅器が、線形であると考えられるにしてもそうで
ないにしても、増幅器によって起こる非線形位相遅れΦ
nlに依存している。飽和増幅器の中でファイバー長に比
例して増大するパルスエネルギーと、断熱状態よりもず
っと速い増幅率とを仮定すれば、長さＬの増幅器の中で
の非線形位相遅れΦnlは、近似的に次の数１で与えられ
る。
【００１８】
【数１】 Φnl＝（２πｎ2／Ａλ）（Ｅ／τ）（Ｌ／
２） ただし、ｎ2 は非線形屈折率であり、シリカガラスでは
ｎ2 ＝３．２×１０-20Ｗ-1である。また、Ａはコアの
断面積であり、λは信号の波長であり、τはパルス幅で
ある。ここで、分散がない単経路（シングルパス）の増
幅を仮定したとすると、復経路（ダブルパス）の増幅で
のＬ／２はＬによって置換される。在来型のレーザー増
幅器は、普通、信号の波長で良いパルスの質を与えるよ
うに設計されており、非線形位相遅れΦnlが５未満で設
計される。
【００１９】ここで、非偏光維持ファイバーでの偏光制
御の問題は、ファラデー回転鏡（ＦＲＭ）を採用するこ
とにより最小化され得ることに注目されたい。しかしな
がら実際上のＦＲＭの使用は、デューリング（ Duling
et al.）らの米国特許第５，３０３，３１４号に開示さ
れているように、線形ファイバー増幅器に限定されてい
るか、または前述のファーマンらの文献に指摘されてい
るように、超高速フェムト秒ファイバーレーザーだけに
限定されている。
【００２０】前述の文献および特許は、参考文献として
以下で参照される。
【００２１】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、信号
の波長（ＳＷ）での短光パルスを、倍調波の波長（ＦＤ
Ｗ）での短光パルスに効率よく変換することである。
【００２２】
【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に、本発明のシステムは、短光パルス発振器、増幅器、
圧縮器および周波数変換器を有する。ここで、増幅器お
よび圧縮器は高度に非線形であり得、一つの光学ユニッ
トの中で増幅および圧縮の過程は一つに複合させられ得
る。周波数変換の過程の実施により、倍調波の波長（Ｆ
ＤＷ）でのパルスの質について妥協することなく、高度
に非線形な増幅器または圧縮器の信号の波長（ＳＷ）で
の使用が可能になる。
【００２３】本発明の発振器・増幅器・圧縮器の設計に
よれば、基本的な発振器だけの設計による場合よりも、
ずっとパワー効率を良くすることができる。なぜなら
ば、発振器から可能な限り短いパルスを発生させること
は、通常、光学的損失が比較的高い複雑なキャビティー
設計を含んでしまうからである。それゆえ、基本的な発
振器だけの設計は、出力パワーの可能な限りの最大値を
生成するにあたり、与えられたポンプパワーに対してあ
まり効率的ではない。そればかりではなく、非線形増幅
器／パルス圧縮器の実施によれば、最終的に課題である
超短パルス幅を得るにあたり、発振器だけの構成に比べ
て、非常に長いパルス幅をもつ発振器の種パルスを使用
することが可能になる。その結果、発振器の設計の簡素
化が可能になり、ひいてはシステムの本質的なコスト低
減になる。
【００２４】
【発明の実施の形態】実施される本システムは、具体的
には短パルスファイバー発振器、ファイバー増幅器、ソ
リトン・ラマン圧縮器（ＳＲＣ）および非線形結晶（Ｎ
Ｃ）を有し、非線形周波数変換は、主に非線形結晶（Ｎ
Ｃ）で行われる。ソリトン・ラマン圧縮器（ＳＲＣ）を
思慮深く設計し、非線形結晶（ＮＣ）を注意深く選択す
ることにより、変換過程での効率は最大化され、信号の
波長（ＳＷ）でのパルスが低質なものであっても、倍調
波の波長（ＦＤＷ）での近帯域に限定されたパルスが発
生する。
【００２５】ソリトン・ラマン圧縮器（ＳＲＣ）の最適
化は、その偏光状態および分散特性の制御により、モー
ドサイズが大きいファイバーを採用することにより、ま
た、同増幅器内でのラマンシフトの量を制御することに
よって行われる。本発明の一実施例では、ファイバー増
幅器はソリトン・ラマン圧縮器（ＳＲＣ）と組み合わさ
れており、二段階の屈折率プロフィールをもつファイバ
ーを採用することによって、増幅器の効率を最適化する
ことが可能になる。増幅器およびソリトン・ラマン圧縮
器（ＳＲＣ）にファラデー回転鏡（ＦＲＭ）を結合させ
て用いることにより、ファンクションジェネレータの偏
光状態の長期でのドリフトを回避することができる。あ
るいは、増幅器およびソリトン・ラマン圧縮器（ＳＲ
Ｃ）として、偏光維持エルビウムドープ・ファイバーを
使用しても良い。
【００２６】本発明は、非線形周波数変換過程では圧縮
されなかったパルスの部分は抑制されるにもかかわら
ず、ソリトン・ラマン圧縮器（ＳＲＣ）から出てくるパ
ルスの圧縮された部分の周波数変換だけが支配的である
ことを示すものである。さらに、ソリトン・ラマン圧縮
器（ＳＲＣ）から出てくるパルスの帯域幅よりも小さな
受光帯域幅をもつ非線形過程を選択することにより、非
線形周波数変換の効率が最適化される。
【００２７】本発明を別の観点から見れば、ソリトン・
ラマン圧縮器（ＳＲＣ）内でのラマンシフトと、非線形
周波数変換過程の採用とにより、倍調波の波長（ＦＤ
Ｗ）の限定されたチューニングが可能になる。本発明を
さらに別の観点から見れば、ダブルクラッドファイバー
のファイバーコアにポンプ光を直接ポンピングすること
により、クラッディングの吸収に比較して、ファイバー
のコアでのポンプ吸収のほうが、内側のクラッディング
の断面積をコアの断面積で割った比率に比例して高いと
いう事実を、利用することができる。この構成によれ
ば、クラッディング・ポンピングで可能なものよりも短
い増幅ファイバーの使用が可能になり、その結果、フェ
ムト秒台のパルスを増幅するにあたって、増幅器の非線
形性を最小化することができる。
【００２８】最後に、共焦点顕微鏡に適用する場合に
は、本発明のパルス源／ファイバー増幅器／周波数変換
器の構成は、比較的長いパルスを生成する近帯域幅限定
パルス源を適正に選択することにより、最適化されう
る。その結果、ファイバー増幅器においてほとんど線形
な増幅を行うことが可能になる。
【００２９】
【実施例】例示することだけを目的とし、本発明の三つ
の好ましい実施例について以下に説明する。実施例１の
システムの目標は、パルス幅の点で妥協することなし
に、倍調波の波長（ＦＤＷ）で平均パワーを最大化する
ことである。実施例２のシステムの目標は、共焦点顕微
鏡において倍調波の波長（ＦＤＷ）を使用するために、
倍調波の波長（ＦＤＷ）での平均パワーを最大化して効
率を最適化することである。実施例３のシステムの目標
は、同システムのファイバー増幅器への入力として必要
とされるポンプパワーを最小化することである。
【００３０】［実施例１］図１は、本発明の実施例１と
しての高出力光パルスの発生装置、すなわち、フェムト
秒台の高出力光パルスを生成するシステムの構成を示す
模式図である。図１に示すように、ファイバー発振器１
０が、種パルス（シードパルス）を供給する。ファイバ
ー発振器１０としては、たとえば、１．５μｍの波長で
作動する環境変動に対して安定なエルビウムファイバー
レーザーを採用することができる。このようなファイバ
ー発振器は、前述のファーマンらの文献に開示されてい
る。ファイバー発振器１０は、１〜５ｍＷの間で調節す
ることができる平均出力パワーをもって、５０ＭＨｚの
反復率で３００フェムト秒の帯域幅限定パルスを供給す
るだけの能力がある。同パルスは、線形偏光されている
ことが望ましい。
【００３１】上記種パルスは、必ずしもファイバー発振
器からもたらされるものである必要はなく、代わりにバ
ルク光学器やダイオードレーザーからのパルスを使用す
ることもできることに留意すべきである。コストの観点
からは、ダイオードレーザーまたはファイバーレーザー
発振器からのパルスであることが好ましい。通常は、効
率的な非線形パルス圧縮を起こすのに有利なように、フ
ァイバー発振器にはよりクリヤでより短いパルスを生成
することが期待される。その一方で、製造容易な光学設
計からできる限り沢山のパルスが得られるようにするこ
とが、超高速パルスの応用では要求されるので、パルス
増幅およびパルス圧縮の動作が組み合わされている増幅
器を使用すれることは、非常に効果的であり得る。
【００３２】実施例１のシステムでは、波長１．５μｍ
の信号光に対して、２ｍＷの平均パワーをもつパルス
が、アイソレーター１２を介してソリトン・ラマン圧縮
器（ＳＲＣ）エルビウム増幅ファイバー１１にカップリ
ングされる。続いて、偏光ビームスプリッター１３が配
設され、さらに二つの波長板１４，１５とが偏光ビーム
スプリッター１３の後に配設されており、増幅ファイバ
ー１１の中に発射された信号光の偏光状態を調節するこ
とができるようになっている。波長板２１（図１中の偏
光ビームスプリッター１３の左側にある）は、偏光ビー
ムスプリッター１３に入射する光パルスのスループット
を最適化する。また、波長板２２は、後述するＰＰＬＮ
（周期性ポーリングＬｉＮｂＯ3 ）２０に入射する光パ
ルスの偏光状態を最適化し、レンズ系２３は、信号光を
増幅ファイバー１１にカップリングさせる。ファイバー
発振器１０から増幅ファイバー１１までの全体の発射効
率（ローンチング・エフィシエンシー）は、モードマッ
チング・レンズを適正に使用することにより制御可能で
あって、７０％またはそれ以上（１００％近くまで）の
効率が達成されうる。
【００３３】実施例１の例では、増幅ファイバー１１
は、非偏光維持型であって、０．１モル％のＥｒ3+のド
ーピングレベルと二段階の屈折率プロフィールとをも
つ。増幅ファイバー１１の屈折率プロフィールは、図２
に示されている。増幅ファイバー１１の内側のコアは、
開口数（ＮＡ）が約０．１２で、直径が約８μｍであ
る。増幅ファイバー１１の外側のコアは、開口数（Ｎ
Ａ）が０．１８で、直径は約２５μｍである。ポンプ光
は、増幅ファイバー１１の内側のコアに直接向けられて
いることに留意されたい。再び図１に示すように、増幅
ファイバー１１は、波長１．４８μｍのポンプ１６によ
り、波長分割多重化カップラー（ＷＤＭ）１７を通じて
ポンピングされる。ここで、ポンプ光は、広域帯域幅ア
イソレーターを通過して、波長１．５μｍでの高出力信
号光の漏れによる損傷を回避している。波長分割多重化
カップラー（ＷＤＭ）１７の後には、１００ｍＷのポン
プパワーが増幅ファイバー１１の中へと供給される。こ
の実施例１では、増幅ファイバー１１の長さはおおよそ
２．５ｍであり、信号光の伝搬のために採用されている
ＷＤＭファイバーリードは０．５０ｍに限定されてい
る。図１には分散補償ファイバー１８が図示されている
が、これについては以下でもっと詳しく説明するが、実
施例１のシステムは必ずしも分散補償ファイバーの採用
を必要とするものではない。
【００３４】実施例１では、増幅ファイバー１１はＥｒ
3+ドープ・ファイバーである。しかしながら、増幅ファ
イバー１１は、ＥｒＹｂ+ 、Ｐｒ、Ｔｍ、Ｈｏでドーピ
ングされたファイバーであってもよく、適正な発振器を
組み合わされた何らかの希土類でドーピングされたファ
イバーでも良い。さらに、実施例１の増幅ファイバー１
１は、ソリトン・ラマン圧縮器（ＳＲＣ）としての作用
をも有するが、増幅器とＳＲＣとは別体になっていても
良い。
【００３５】図１に示すように、信号光の増幅のため
に、二重経路（ダブルパス）形態を使用することができ
る。二重経路形態では、増幅ファイバー１１の一端にフ
ァラデー回転鏡（ＦＲＭ）１９を装備すると有利であ
る。増幅ファイバー１１の出力光の偏光状態は、入力時
の偏光状態とは直交しており、そしてそれゆえに、前述
の偏光ビームスプリッター１３により１００％近い効率
で、同システムからの増幅光は出力カップリングされう
る。図１にはＦＲＭが示されているが、その代わりに何
らかのファイバー偏光制御器やλ／４波長板を使用して
も良い。
【００３６】ここで、増幅ファイバー１１の中で探され
た非線形周波数シフトが存在するものの、増幅ファイバ
ー１１の入力部での二つの波長板１４，１５を調整する
ことによって、増幅された光を非常に高い効率の出力カ
ップリングで取り出すことが可能になる。そのうえ、波
長板１４，１５の調整により、同ファイバー内で偏光状
態を制御し、増幅ファイバー１１の中での非線形偏光の
いかなる増大（エボルーション）をも制御して、ソリト
ン・ラマン圧縮器（ＳＲＣ）を最適化することが可能に
なる。
【００３７】実施例１のシステムを使用して行われた実
験では、増幅ファイバー１１を二回通過した後、３０ｍ
Ｗの平均出力（６００ｐＪのパルスエネルギー）が計測
された。種信号を同じ平均出力レベルのｃｗ（連続波）
信号で置き換えた場合には、増幅ファイバー１１から最
大３７ｍＷまでの平均出力を取り出すことができた。信
号の波長（ＳＷ）では、増幅されたパルスのラマンシフ
トから、パルス増幅の過程で２０％のエネルギー損失が
起きた。実施例１の例では、ラマンシフトは２０ｎｍで
あり、それゆえに信号パルスはエルビウムの利得帯域幅
から押し出されている。そればかりではなく、増幅され
たパルスが横切る光学素子（ＷＤＭ、その他）の限られ
た帯域幅に起因して、光学的な損失が生じている可能性
がある。
【００３８】図１に示すように、増幅され圧縮されたパ
ルスは、制御焦点（コントロール・フォーカシング）が
使用されている周期性ポーリングＬｉＮｂＯ3 （ＰＰＬ
Ｎ）２０の０．８ｍｍの長さの中で、倍調波に変換され
ている。この例では、ＰＰＬＮ（周期性ポーリングＬｉ
ＮｂＯ3 ）２０は、ＡＲコーティングされていない。Ｐ
ＰＬＮ２０のポーリング周期は、１９．２５μｍに設定
されており、ソリトン・ラマン圧縮器（ＳＲＣ）からの
圧縮されたパルスのスペクトルのピークにほぼ一致する
ように選ばれている。最適な倍調波の波長にぴったり同
調させるため、また、ＰＰＬＮ（周期性ポーリングＬｉ
ＮｂＯ3 ）２０の内部での光反射損傷を避けるために、
ＰＰＬＮ２０を５０℃〜１５０℃の温度に昇温すること
をしても良い。ＰＰＬＮ２０の長さは、倍調波の帯域幅
での大きさがソリトン・ラマン圧縮器（ＳＲＣ）からの
圧縮されたパルスの帯域幅と同等またはそれ以下になる
ように、選定されている。しかしながら、信号の波長
（ＳＷ）でのＰＰＬＮ２０のスペクトル受光帯域幅は、
全体のダブリング効率の観点でのペナルティーがないも
のとしても、信号の波長（ＳＷ）でのスペクトルの拡が
りよりもずっと小さいものである可能性があることに留
意されたい。信号の波長（ＳＷ）の正常な受光帯域幅の
外のスペクトルであっても、ＰＰＬＮ２０は効率的に周
波数変換を行う。これは、以下に述べるように、ＰＰＬ
Ｎ２０の中で起こる総和周波数生成（サム・フリーケン
シー・ジェネレーション）と同様の非線形過程に起因す
るものである。これは、前述のネルソンらの文献で特色
となっている周波数変換器とは対照的である。同文献で
は、周波数変換結晶の限定された受光帯域幅についての
事項は論議されていない。
【００３９】倍調波パルスは、正規分布形（ガウシア
ン）のパルス波形を仮定すれば、波長７６０ｎｍ、平均
出力６．３ｍＷ、パルス幅１２０フェムト秒、および時
間帯域幅積（タイム・バンドワイズ・プロダクト）０．
６６である。それゆえ、結果的に得られるパルスは、帯
域幅の制限因子が５０％以内になる。干渉計による自己
相関を図３に示す。同図は、パルスの質が良いことを示
している。再び図に１示すように、ＳＲＣ増幅ファイバ
ー１１の前で偏光状態を変えることにより、倍調波パワ
ーを計測すると０．１ｍＷと６．３ｍＷとの間で変動し
ていることが観測され、この高度に非線形な増幅器にお
いて偏光制御することが必要であることを示しているこ
とに留意すべきである。
【００４０】ポンプ光から倍調波の波長（ＦＤＷ）での
フェムト秒台のパルスに変換する変換効率は、結局６．
３％である。一方、信号光から倍調波光への変換効率
は、２１％である。それゆえ、ソリトン・ラマン圧縮器
（ＳＲＣ）の圧縮効率は約６０％であり、これは、前述
の米国特許第４，９１３，５２０号に開示されているよ
うな正分散ファイバー圧縮器によって達成される結果と
比較して、非常に好ましいものである。
【００４１】これらの実験結果は、ＳＲＣから得られる
圧縮されたパルスのエネルギーを最大化するために、大
きなコア直径をもつ増幅器を使用して得られた。固定さ
れたパルス幅τのパルスに対し、ソリトンエネルギーＷ
は、ファイバーコアの断面積Ａおよびファイバーの分散
βに比例して増減する。ＳＲＣはソリトン状のパルスを
生成するので、コアの断面積を最大化することにより、
同ＳＲＣから生成されるソリトンのパルスエネルギーは
最大化される。そのうえ、コアの直径が大きいと、ファ
イバーの導波分散をも最小化することができ、その結
果、トータルでのファイバー分散β2 が最大化される。
後者は二次的な効果であるとはいえ、パルスエネルギー
をさらに増大させる作用がある。
【００４２】増幅ファイバー１１内を二回通った（ダブ
ルパスした）後の信号は、一回通った（シングルパス）
の後の信号よりも実際に小さい。増幅ファイバー１１内
で起こる大きなラマンシフトに起因して起こるエネルギ
ー損失を別にしても、増幅ファイバー１１は長すぎる。
すなわち、ポンプ光の大半は、増幅ファイバー１１の発
射端部（ローンチ・エンド）に到着する時までに吸収さ
れてしまう。それゆえ、この端部においてこの増幅器は
完全に反転するわけではなく、信号の波長（ＳＷ）での
信号損失が起こってしまう。
【００４３】［実施例２］次に、本発明の実施例２につ
いて説明しよう。実施例２のシステムの設計基準は、二
光子共焦点結像システムの要求に合致することを第一に
して選定されている。倍調波の波長（ＦＤＷ）（これら
の例では８００ｎｍ付近）が、二光子励起のためのソー
ス（エネルギー源）として使用されている。多数の光子
Ｍが、所定のビーム直径に対して二光子励起により次の
数２に比例して生成される。
【００４４】
【数２】 Ｍ＝ｃｏｎｓｔ（Ｐ2／ｆτ） ここで、「ｃｏｎｓｔ」は定数を表し、Ｐ，ｆ，τはそ
れぞれ、励起源の平均出力、反復率およびＦＷＨＭパル
ス幅である。上記数２によれば、効果的な二光子共焦点
結像には、パルス幅を減少させることよりもむしろ、平
均出力を増大させることの方がずっと大事であることが
明らかである。しかしながら、実際の生物学用システム
において、パルス出力、パルスエネルギーおよびパルス
幅に関係して生物学的標本に起こる損傷閾値（ダメージ
・スレッショルド）や光子漂白（フォトブリーチング）
に関する考察は、上記数２では行われていないことに注
意すべきである。それでも、実施例２の説明において、
倍調波の波長（ＦＤＷ）での平均出力の最大化は、損傷
や光子漂白に関する事項を考察することなしに表記する
ことができる。
【００４５】図１に示す構成が実施例２でも取られてい
る。実施例２が実施例１と異なる点は、４ｍＷの発振器
出力が採用されている点である。増幅ファイバー１１
は、実施例１のものとほぼ同じであるが、内側のコアの
開口数（ＮＡ）はＮＡ＝０．１０に低減されており、内
側のコアのサイズはおおよそ１０μｍに増大している。
そればかりではなく、エルビウムのドーピング・レベル
が約２５％低減されて、おおよそ７５０ｐｐｍになって
いる。増幅ファイバー１１の長さは２．６ｍであり、
（４ｍＷの連続波信号を種信号として）同増幅器の線形
動作に対して最高の平均出力を与えるように選定されて
いる。ＰＰＬＮ（周期性ポーリングＬｉＮｂＯ3 ）２０
の長さは１．２ｍｍに延長されて、倍調波の波長（ＦＤ
Ｗ）でのパルスの長さを増大させるようにされている。
ＰＰＬＮ２０の周期は１８．７５μｍに低減されて、波
長１．５６μｍでの効率的な倍調波化（フリーケンシー
・ダブリング）を可能にしている。実施例２のシステム
で行われた実験では、種パルスは増幅ファイバー１１を
二回通過（ダブルパス）して、信号の波長（ＳＷ）にお
いて５４ｍＷを生成している。ここで、連続波信号の二
回通過により、信号の波長（ＳＷ）において５７ｍＷが
生成されているから、信号の損失はたったの５％であ
り、このような低損失が増幅ファイバー１１の非線形動
作により実現されている。ソリトン・ラマン圧縮器（Ｓ
ＲＣ）から得られるパルスのスペクトルは、図４に示す
ように、１．５６μｍに中心を持つことが分かった。ま
た、倍調波の波長（ＦＤＷ）でのパルスは、波長約７８
０ｎｍ、平均出力１２ｍＷ、帯域幅の制限内での５０％
以内のスペクトル幅のパルス幅１９０フェムト秒である
ことが分かった。ＳＲＣ増幅ファイバー１１以前での偏
光の変化は、７〜１２ｍＷの倍調波の波長（ＦＤＷ）で
の出力の変化をもたらした。その結果、倍調波の波長
（ＦＤＷ）への変換効率は、反射損失（リフレクティン
グ・ロス）を考慮しても、２２％である。実施例１のシ
ステムと比較すると、光子の数Ｍは２．２倍に増えてい
る。
【００４６】実施例２における倍調波の波長（ＦＤＷ）
での高出力は、線形増幅器の効率の最適化と、発振器の
パルスの波長に近い波長へのパルスのラマンシフトの限
定（たとえば約１０ｎｍ以内）の結果である。これは、
３０ｎｍのラマンシフトが使用されていた前述のリチャ
ードソンらの文献（ "Amplification of femtosecondpu
lses in passive all-fiber soliton source"）と対照
的である。実施例２におけるラマンソリトンのパルス幅
は、実施例１のそれよりも明らかに長い。実際に、増幅
器の非線形性が低減されていることに起因して、ラマン
ソリトンは完全には成長していないかのようであり、高
次のソリトン圧縮からかなりの程度までパルス圧縮が起
こっているようである。しかしながら、パルス幅に関し
てＭ（光子数）が比較的影響されないので、実施例２の
システムは、実施例１よりも高いＭを生成する。
【００４７】実施例１および実施例２の両方において得
られた高い周波数変換効率は、単に倍調波化（フリーケ
ンシー・ダブリング）によるよりも、むしろもっと一般
的な周波数変換過程の開発によって得られたものであ
る。このような非線形周波数変換過程が存在することを
確認するために、ＰＰＬＮ（周期性ポーリングＬｉＮｂ
Ｏ3 ）２０の温度を変えて、信号の波長（ＳＷ）および
倍調波の波長（ＦＤＷ）でのスペクトルを観測した。そ
の結果を図４に示す。高次のソリトン圧縮が存在するこ
とに起因して、信号の波長（ＳＷ）でのスペクトルは中
間部に凹部があって二つの部分に分かれている。このス
ペクトルの凹部は、注入された発振器のパルスのスペク
トルの位置と対応している。ＰＰＬＮ２０の温度Ｔ＝１
６２℃においては、周波数変換はラマンシフトされた波
長にて主に得られている。一方、Ｔ＝１００℃において
は、周波数変換は上記凹部において得られている。これ
に対し、Ｔ＝２５℃においては、周波数変換は主に信号
の波長（ＳＷ）スペクトルの短波長端（ブルーエンド）
で得られている。倍調波の波長（ＦＤＷ）への変換効率
は上記凹部にて観測されているが、このことは明らかに
単純な二次高調波の発生からだけでは説明がつかない。
むしろ、和周波発生のような過程により倍調波の波長
（ＦＤＷ）が生成されているとすべきである。しかしな
がら現時点では、この現象の正確な理学的な発生源は不
明である。解釈としてあり得るものは、 ・ＰＰＬＮにおける倍調波化過程の共振性 ・パルスチャープに起因する影響 ・結晶内での継続した二次非線形性の影響 ・ＰＰＬＮ２０の二次または三次の非線形性の虚数部に
起因する影響 ・ＰＰＬＮ２０内での高次の非線形性間での相互作用に
起因する影響 などである。これ以降では、この非線形過程は、単に
「和周波発生様の周波数変換（ＳＬＦ）」と呼ぶものと
する。
【００４８】和周波発生様の周波数変換（ＳＬＦ）によ
って、倍調波の波長（ＦＤＷ）への変換効率を低下させ
ることなく、ソリトン・ラマン圧縮器（ＳＲＣ）の帯域
幅よりもずっと小さな倍調波化帯域幅での非線形結晶
（ＮＣ）の使用が可能なることが、実施例２の例から実
験的に観測される。このことは利用価値が高い。なぜな
らば、倍調波の波長（ＦＤＷ）での出力を低下させるこ
となく、倍調波の波長（ＦＤＷ）のパルスのパルス幅の
制御が可能になるからである。言い換えるならば、信号
の波長（ＳＷ）でのパルスのスペクトルの大部分からエ
ネルギーを引き出すことにより、非線形結晶（ＮＣ）は
効率的に信号の波長（ＳＷ）を倍調波の波長（ＦＤＷ）
に変換することができるのである。ここで、信号の波長
（ＳＷ）でのパルスのスペクトルの大部分からエネルギ
ーを引き出すというのは、すなわち、非線形結晶（Ｎ
Ｃ）のスペクトル受光帯域幅よりも大きなスペクトルか
らエネルギーを引き出すことを意味している。それゆ
え、比較的低質の信号の波長（ＳＷ）でのパルスを採用
していても、効率的な周波数変換が可能になるであろ
う。これは、増幅器／周波数変換器の構成にとって価値
のある特性である。なぜならばこの特性により、図４に
示すように、単一の信号の波長（ＳＷ）においてばかり
ではなく、信号の波長（ＳＷ）の及ぶ限りの全スペクト
ル内で調整可能な（チューナブルな）波長の範囲におい
て、効率的な周波数変換が可能となるからである。
【００４９】上記増幅器の非線形を数１によって計算す
ると、得るところが大きい。パルス幅τが３００フェム
ト秒でパルスエネルギーがＥ＝１．２ｎＪの入力に対し
ては、非線形位相遅れΦnl＝１６．６が得られる。それ
ゆえ、たとえ高度に非線形な増幅器（圧縮器）であって
も、倍調波の波長（ＦＤＷ）が採用されるならば、非常
に高品質のパルスを生成することができる。このような
原理は、前述のクラークおよびネルソンらによっては示
唆されていない。
【００５０】そればかりではなく、線形増幅器と性能を
比較してみると得るところがある。線形増幅器と比較す
るために、増幅されたパルスのエネルギーが４００ｐＪ
になるようにポンプパワーを低減すると、その結果得ら
れる非線形位相遅れΦnlは、約５である。増幅器の自己
位相変調に起因して、図５に示すように、スペクトルの
幅は、発振器内での８．２ｎｍ（頂点）程度から、増幅
器内の５．７ｎｍ（底部）へと減少する。図５に示すよ
うに、予期した通り、「線形」の増幅器によっても増幅
されたパルスでも高い質のスペクトルが得られる。
【００５１】［実施例３］次に、実施例３のシステムに
ついて説明する。実施例３においてもまた、図１に示し
た構成が取られている。実施例３では、５０ＭＨｚの反
復率で５０ｐＪのパルスを供給する発振器が採用されて
いる。同パルスは、帯域幅２０ｎｍで正にチャープされ
ている。すなわち、このチャープは約８ｍの長さのソリ
トン支持ファイバー（たとえばコーニング社の商標ＳＭ
Ｆ２８）によって補正される。チャープ補正を実施した
後では、信号の波長（ＳＷ）の計測されたパルス幅は、
（ガウシアン型を仮定して）１９０フェムト秒と観測さ
れた。すなわち、この値は、チャープ補償が行われた後
におおむね帯域幅が制限されたパルスが得られることを
示している。
【００５２】実施例３の増幅システムは、以下の点を除
いて、前述の実施例１や実施例２のシステムと同様であ
る。増幅ファイバー１１は、開口数（ＮＡ）が約０．１
６であり、コアの直径が約６μｍである。この増幅器の
長さは、１．１ｍである。この増幅器は、波長９８０ｎ
ｍで出力９０ｍＷのポンプ光でポンピングされる。分散
補償ファイバー１８は、標準的な電話光ファイバー（た
とえばコーニング社の商標ＳＭＦ２８）の数ｍ程度の部
分でもよく、分散補償のために波長分割多重化カップラ
ー（ＷＤＭ）１７とファラデー回転鏡（ＦＲＭ）１９と
の間に挿置される。信号光が伝搬する増幅システムの入
力端から出力端までのファイバーの全長は、発振器から
出るパルスの分散補償が最適に行われるように調整され
る。この最適化は、増幅器から出てくるパルスのパルス
幅を計測することにより確認することができる。そし
て、挿置されている電話光ファイバーの長さを調整し
て、本システムから出てくるパルスのパルス幅が最小に
なるようにすれば、最適化がなされたとすることができ
る。分散調整をしている段階では、信号のラマンシフト
が観測されないように、増幅器のいかなる非線形過程も
最小化されるだけのレベルにまで、増幅器に入力される
ポンプパワーは低減されている。
【００５３】実施例３においては、倍調波化システムの
設計は前述の実施例１，２と同一であるが、ただし、た
った６００μｍの長さをもつＰＰＬＮ（周期性ポーリン
グＬｉＮｂＯ3 ）２０が採用されている。実施例３のシ
ステムは、増幅システムの分散をゼロに調節することが
でき容易に制御できるという利点をもち、この利点はソ
リトン・ラマン圧縮器（ＳＲＣ）から得られるパルスを
できる限り短くする上で有用である。さらに、増幅器の
全長を通ってパルスが強くチャープされるので、いかな
る非線形性も増幅器の最後の部分でしか起こらない。こ
のことは、ＳＲＣから出力パルスエネルギーの最高値を
得るうえで有利である。
【００５４】実施例３のシステムでは、信号パルスは４
ｍＷのパワー（パルスエネルギーでは８００ｐＪ／パル
ス）にまで増幅されている。倍調波化の後では、平均パ
ワー１ｍＷでパルス幅１００フェムト秒のパルスが、波
長７９０ｎｍで実験的に得られた。時間帯域幅積は、ガ
ウシアンパルスを仮定して約０．５０と見られている。
それゆえ、パルスは帯域幅の限定の１０〜２０％以内に
収まっている。これにより、このシステムで採用されて
いる分散調整の利用効果が実証された。この際の倍調波
化効率は２５％と見られ、この値は帯域幅が限定された
８００ｐＪの信号パルスに対して予想されていたものよ
りも低い。
【００５５】［その他の実施例］前述の実施例の全てに
おいて、もっとドーピングレベルが低いファイバーを使
用した場合に比べて、これらの形式の増幅器の量子効率
が減少するにもかかわらず、７００〜１５００ｐｐｍの
間という比較的高いエルビウムのドーピングレベルが採
用されている。このような高いドーピングレベルによ
り、採用されている増幅器の長さを最小化することが可
能になる。パルス幅１００フェムト秒でエネルギー１ｎ
Ｊのパルスは、１０ｋＷのピークパワーを持つので、コ
ア径の大きな増幅器を使用したとしても、たった２０〜
３０ｃｍの長さのファイバーで本質的な非線形性が実現
される。さらに、パルス幅１００フェムト秒のパルス
は、増幅ファイバー１１内で三次分散の影響を受ける。
したがって、パルスの質を最良にし、得られるパルス幅
を最小化することは、増幅システムの長さを最小化する
上で有用である。しかしながら、一般的に言って、増幅
システムの長さはあまり短すぎてもいけない。なぜなら
ば、本質的なパルスの短縮化が可能であるためには、少
なくともワンセットの高次のソリトン圧縮が起こること
が保証される必要があるからである。実際に、増幅器の
非線形性があまりに小さいと、図５に示すように、負分
散ファイバー内での自己位相変調がパルスの拡散につな
がってしまうのである。
【００５６】前述の各実施例に加えて、本発明の実施例
として他にいくつかが可能である。特に、実施例１，２
または他のどんな増幅システムにおいても、分散最適化
システムまたはゼロ分散システムを採用することが可能
である。分散最適化には、正分散ファイバーまたは負分
散ファイバーの組み合わせを使用することができる。実
施例１および実施例２においては、再び図１に示すよう
に、適正な長さの正の分散補償ファイバー１８を波長分
割多重化カップラー（ＷＤＭ）１７とファラデー回転鏡
（ＦＲＭ）１９との間に挿置することができる。
【００５７】さらに、ソリトン・ラマン圧縮器（ＳＲ
Ｃ）の中でシングルパス形態が実施可能である。このよ
うなシステムの実施例を図６に示す。全体的な偏光安定
性を可能にするために、偏光面保存増幅器（ＰＭＡ）を
使用することができる。そうすれば、ファイバー発振器
１０からの光の偏光性は、ＰＭＡの偏光軸の一つに合わ
せられる。出力での偏光状態は、倍調波化の変換効率が
最高になるように調整される。しかしながら、偏光面保
存ファイバーは、必ずしもシングルパス形態において必
須のものではない。なぜならば、倍調波化過程の効率を
最大化するために、図６に示すように、入力部分での波
長板１４，１５と出力部分でのソリトン・ラマン圧縮器
（ＳＲＣ）６０との組み合わせを、使用することができ
るからである。しかしながら、偏光面保存ファイバーに
よれば、長期にわたる安定性と環境に影響されない安定
性とがより良くなることが期待できる。さらに、異なる
種類の波長分割多重化カップラー（ＷＤＭ）６１（およ
び６２）を採用することもできる。図６に示すＷＤＭ６
１，６２においては、ダイクロイックミラー（二色鏡）
を組み込んだ超小型光学配置を介して、ポンプ光がファ
イバー増幅器１１の中へとカップリングされている。こ
のようなＷＤＭは実際には自由空間への出力をもち、増
幅システムにおいてカップラーリードと光学損失とを最
小化させるのに有用である。明らかに、全体的に偏光安
定なシステムは、増幅システム全体を通して偏光面保存
ファイバーを必要としている。偏光面保存ファイバーの
異なる部分の間を繋ぐスプライスは、同ファイバーの偏
光軸が合わせられていることを確実にすべきである。
【００５８】ＳＲＣのためには、できる限り高いポンプ
パワーを有することが有利であるから、複数のポンプダ
イオードを採用することも可能である。二つのポンプダ
イオード６３，６４をもつ配置も、図６に示されてい
る。同様の配置が、信号光のためのダブルパスについて
も使用可能である（図略）。そればかりではなく、ポン
プ光のための偏光ビームスプリッターをＷＤＭカップラ
ーに組み込んで、四つまでのポンプダイオードを使用す
ることを可能にすることもできる（図略）。
【００５９】高次のソリトン圧縮やラマンソリトンの生
成に加えて、断熱的パルス増幅器を使用しても、発振器
からのパルスのパルス幅を短くすることができる。増幅
を断熱状態に近くすることを確実にするためには、図７
に示すような、反転（コントラディレクショナリー）ポ
ンピングされる増幅システムが望ましい。反転ポンピン
グによれば、増幅器の飽和なしにパルス幅を短縮するの
に伴って、増幅器の単位長さあたりの利得が増大するよ
うにすることができ、断熱的であるのと同等になる。明
らかに、偏光面保存ファイバーの使用は、このようなシ
ステムでは有利である。
【００６０】二光子共焦点顕微鏡への応用のためには、
ダメージおよび光漂白の制限がない場合には、高い値の
Ｍ（光子の発生数）を得るために、線形に近い増幅シス
テムに頼ることも有用である。繰り返すが、この場合に
おいては、反転ポンピングされる増幅器が最も有用であ
る。なぜならば、同増幅器によれば、ダブルパス・シス
テムでも可能であるが、増幅器の非線形性を最小化する
ことができるからである。このようなシステムに期待で
きる性能を予測することは、実施例２のシステムの性能
と比較することによって可能である。最適に設計された
シングルパスの増幅器が、ダブルパスの増幅器よりも３
０％ほど長いものと仮定すると、約７５０ｐｐｍのエル
ビウム・ドーピングレベルをもつシングルパス増幅器の
ための最適な増幅器の長さは、おおよそＬ＝３．４ｍで
ある。約３ｍｍの長さのＰＰＬＮ結晶を使用すると、倍
調波の波長（ＦＤＷ）において約５００フェムト秒のパ
ルス幅のパルスが得られる。帯域幅が限定されたｓｅｃ
ｈ2 形状のパルスに対しては、小さい信号に対するＰＰ
ＬＮの倍調波化効率は約９５％／ｎＪであるから、この
ようなパルスに対しては、約４０％の全体としての倍調
波化効率が達成可能である。それゆえ、実施例２の変形
態様としての線形形態においては、倍調波の波長（ＦＤ
Ｗ）で２３ｍＷのパワーレベルのパルス生成が可能であ
り、実施例２でのＭよりも３０％高い値のＭが達成可能
である。しかしながら、この数字は、このようなシステ
ムに残留する小さな非線形性に起因する周波数変換効率
の減少と、「ほとんど線形な」増幅器に起こるパルス幅
の拡大作用とを、計算に入れていない。それにもかかわ
らず、実際の二光子共焦点計測システムにパルス幅の長
いパルスの使用が、ダメージおよび光漂白の制限と矛盾
しないものとすると、共焦点顕微鏡の内部での分散に関
する問題が軽減されることに起因して、計測システムを
単純化することができるので、長いパルス幅のパルスの
使用が好ましい。このようなシステムでの重要な要素
は、非常に効率がよいコア径が大きな増幅器および発振
器であって、同要素は超短パルスを生成するわけではな
く、むしろ２００〜３００フェムト秒のパルス幅のパル
スを生成する。もちろん、スペクトルフィルタリングを
導入することにより、広い帯域幅の発振器からの長いパ
ルス幅を任意に選択することが可能である。しかしなが
ら、こうするとパワーの損失につながる。よりよい代替
案としては、パルス幅が５００フェムト秒を超える種パ
ルス源を使用することができる。明らかに、このような
システムでは、偏光面保存ファイバーを使用することが
有用である。
【００６１】実施例１について論じたように、ソリトン
・ラマン圧縮器（ＳＲＣ）内で長すぎるファイバーを採
用して、最大の倍調波化効率を得ることができる。長す
ぎるファイバーの終端部では、ほとんど利得がないか
ら、図８に示すように、ドーピングされていないファイ
バー８０をＳＲＣの終端部に使用することができる。そ
して、増幅器の長さを調整して最適な信号利得を得るこ
とができ、その後、コア径の大きなドーピングされてい
ないファイバーを増幅ファイバーにスプライスして、Ｓ
ＲＣの作用を得るようにすることができる。シングルパ
ス増幅器のためのこのような構成は、図８に示されてい
る。ダブルパス形態（図略）もまた、実施可能である。
【００６２】システム全体の全体としての効率を最大化
するために、図８に示すように、互いに異なるドーピン
グレベルのファイバー増幅器８１，８２を採用すること
ができる。通常のファイバー増幅器の効率は、ドーピン
グレベルが低下するに従って増大するので、増幅の早期
段階では、増幅器に低いドーピングレベルを適用するこ
とができる。また、増幅器の最初の段階では信号レベル
が低いので、低いドーピングレベルの長さが長めの増幅
器の使用が許容され得る。
【００６３】ＳＲＣへの使用可能なポンプパワーを最大
化し、ポンプ源のコストを最小化するためには、図９に
示すように、ダブルクラッド・ファイバー９０を採用し
ても良い。ダブルクラッド・ファイバーによれば、広縞
（ブロード・ストライプ）ダイオードアレイ・レーザー
でシステムをポンピングすることが可能になる。話を単
純にするために、シングルパスだけが図９には示されて
いる。クラッディング・ポンピングを可能にするため
に、ＥｒドーピングまたはＥｒ／Ｙｂドーピングが施さ
れたファイバーを採用することができる。以上の説明か
ら、ダブルパスへの展開は明白である。図９では、ポン
プパワーは、エンド・カップリングを介し、ダイクロイ
ックミラー９２を通じてダイオードアレイ９１へ供給さ
れる。しかしながら、この機能を発揮させるためには、
マルチモード・ファイバー・カップラーを採用しても良
い。あるいは、ダブルクラッド・ファイバー内へのポン
プパワーのサイド・カップリングを実施しても良い。
【００６４】ソリトン・ラマン圧縮器（ＳＲＣ）は高度
に非線形なシステムであるから、増幅器の使用や、幾分
マルチモードなドーピングされていないコア径の大きな
ファイバーでも使用可能である。マルチモード・ファイ
バーを使用すれば、一般的には高次のモードも励起され
てしまうにもかかわらず、増幅ファイバーへのローンチ
コンディションは、基本モードを好ましく発射するのに
適正に選定される。他の全てのモードのパワーよりも基
本モードのパワーの方が大きいか同等である限り、ＳＲ
Ｃは先ず基本モードで作動する。倍調波器と接続すれ
ば、基本モードのラマンシフトを実施することにより、
分散による限定一杯近くまでの倍調波化された波長での
出力を得ることが可能になる。ここでも、ダブルクラッ
ド・ファイバーをこのようなシステムに採用することが
可能である。マルチモード・ファイバー１００を採用し
たシステムの一例を、図１０に示す。図１０はシングル
パス形態を示しているが、ダブルパス形態もまた可能で
ある。バルク状のダイクロイックミラー９２を、レーザ
ーダイオード９１からのポンプ光のカップリングのため
に使用することが可能である。しかしながら、マルチモ
ード全ファイバー・カップラーを使用して、この機能を
発揮させることも可能である。同様に、ポンプ光のサイ
ドカップリングを採用することもできる。
【００６５】さらに、以上に論じたように、周波数変換
過程の応用は、ファイバー増幅器や非線形ファイバー圧
縮器に限られるものではない。原理的には、どんなタイ
プの非線形増幅器でも、信号の波長（ＳＷ）で非線形で
（すでに計算したように）非線形位相遅れΦnl＞５であ
れば採用することができ、周波数変換によって、周波数
変換された波長での高品質パルスを生成することが可能
になる。このようなシステムの実施例を、一般的に図１
１に示す。また、増幅器、非線形圧縮器およびＰＰＬＮ
倍調波器を有するシステムを、図１２に示す。もちろ
ん、ファイバー増幅器および圧縮器は、単一の光学コン
ポーネントと組み合わせることができる。同様に、非線
形増幅器と線形または非線形の圧縮器とを採用すること
も可能である。
【００６６】以上で論じたように、ＰＰＬＮ（周期性ポ
ーリングＬｉＮｂＯ3 ）の使用は、このようなシステム
において特段の効果を挙げることができる。なぜなら
ば、ＰＰＬＮは、位相合わせ（フェーズマッチング）に
関してクリティカルではなく、非常に効率的な周波数変
換を可能とするからである。そこで、信号の波長（Ｓ
Ｗ）でのソース（源）の帯域幅よりもＳＷでの受光帯域
幅が小さいＰＰＬＮ結晶または周波数変換器を選定する
ことが、可能な限り高い変換効率で可能な限り高品質な
パルスを生成する上で有用である。
【００６７】そればかりではなく、ＳＷでの帯域幅より
もＳＷでの受光帯域幅が小さい周波数変換器を使用する
という考え方は、短パルスのいかなるソースの周波数変
換に対しても応用することができる。このようなシステ
ム構成を図１３に示す。以上で論じたように、このよう
なシステムにとってＰＰＬＮの使用はたいへん有利であ
る。なぜならば、位相合わせ（フェーズマッチング）に
関してクリティカルではなく、単に結晶の長さを制御す
るだけで受光帯域幅の制御が可能になるからである。異
なるポーリング周期のＰＰＬＮを選定することによって
か、あるいは、ＰＰＬＮの温度を変えることによって、
所定の可調整範囲（チューニング・レンジ）を達成する
ことができる。あるいは、周波数変換の機能を果たすた
めに、その他のタイプの周期性ポーリング非線形結晶を
使用しても良い。
【００６８】以上ではいくつかの実施例が例示されて説
明されたが、多様な変形態様やバリエーションが本発明
の思想および範囲を逸脱することなく実施可能であるこ
とは、当業者には理解できよう。それゆえ、本発明の権
利範囲は、前述の特許請求の範囲の項によって定まるこ
とを意図している。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の発生装置のダブルパス形態での構成
示す模式図
【図２】 実施例１での増幅器の屈折率プロフィールを
示すグラフ
【図３】 実施例１での倍調波光パルスの干渉自己相関
を示すグラフ
【図４】 実施例２での異なるＰＰＬＮ温度でのソリト
ン・ラマン圧縮器（ＳＲＣ）から出たパルスのスペクト
ルを示すグラフ
【図５】 ポンプパワーが減少したときの増幅器での自
己位相変調に起因する発振器内および増幅器内でのスペ
クトル幅の減少を示すグラフ
【図６】 本発明の発生装置のシングルパス形態の構成
を示す模式図
【図７】 反転ポンピングを採用した一実施例の構成を
示す模式図
【図８】 二つのドーピングレベルと非ドープ部とをも
つ増幅器を採用した一実施例の構成を示す模式図
【図９】 ダブルクラッド増幅ファイバーを採用した一
実施例の構成を示す模式図
【図１０】マルチモード増幅ファイバーを採用した一実
施例の構成を示す模式図
【図１１】本発明を概念的に示すブロック図
【図１２】線形増幅器および非線形圧縮器を採用した本
発明を概念的に示すブロック図
【図１３】本発明の他の形態を概念的に示すブロック図
【符号の説明】
１０：ファイバー発振器 １１：増幅ファイバー
１２：アイソレーター １３：偏光ビームスプリッター １４，１５：波長板
１６：ポンプ １７：波長分割多重化カップラー（ＷＤＭ） １８：分散補償ファイバー １９：ファラデー回転鏡
（ＦＲＭ） ２０：ＰＰＬＮ（周期性ポーリングＬｉＮｂＯ3 ）結晶 ２１，２２：波長板 ２３，Ｌ１，Ｌ２：レンズ系 ６０：ソリトン・ラマン圧縮器（ＳＲＣ） ６１，６２：波長分割多重化カップラー（ＷＤＭ）
６３，６４：ポンプ ８０：非ドープファイバー ８１，８２：増幅ファイバー（ドーピングレベルが互い
に異なる） ９０：ダブルクラッド・ファイバー ９１：ダイオー
ドアレイ ９２：ダイクロイックミラー（二色鏡） １００：マルチモード・ファイバー

Claims (48)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】信号光を発生させる光源と、 非線形位相遅れをもち、該光源により発生させられた該
    信号光を受光する非線形増幅器と、 該非線形増幅器の出力である光パルスを受光し、出力端
    から高出力光パルスを供給する周波数変換器と、を有す
    ることを特徴とする高出力光パルスの発生装置。
  2. 【請求項２】前記光源と前記非線形増幅器との間に配設
    され、該非線形増幅器によって受光された前記信号光の
    偏光状態を調整する偏光制御器をさらに有する、 請求項１記載の高出力光パルスの発生装置。
  3. 【請求項３】前記偏光制御器は、波長板を有する、 請求項２記載の高出力光パルスの発生装置。
  4. 【請求項４】前記光源は、ファイバー発振器を有する、 請求項１記載の高出力光パルスの発生装置。
  5. 【請求項５】前記非線形増幅器は、増幅ファイバーを有
    する、 請求項１記載の高出力光パルスの発生装置。
  6. 【請求項６】前記増幅ファイバーは、希土類でドーピン
    グされている、 請求項５記載の高出力光パルスの発生装置。
  7. 【請求項７】前記増幅ファイバーは、Ｅｒ3+、ＥｒＹｂ
    + 、ＰｒＴｍおよびＨｏのうち一つでドーピングされて
    いる、 請求項６記載の高出力光パルスの発生装置。
  8. 【請求項８】前記増幅ファイバーの開口数（ＮＡ）は、
    ０．１５未満である、 請求項５記載の高出力光パルスの発生装置。
  9. 【請求項９】前記増幅ファイバーのコアの断面積は、５
    ０μｍ2 より大きい、 請求項５記載の高出力光パルスの発生装置。
  10. 【請求項１０】前記増幅ファイバーは、パルス圧縮を行
    う、 請求項５記載の高出力光パルスの発生装置。
  11. 【請求項１１】前記増幅ファイバーは、ソリトン・ラマ
    ン圧縮器（ＳＲＣ）を有する、 請求項５記載の高出力光パルスの発生装置。
  12. 【請求項１２】前記非線形増幅器からの出力である前記
    光パルスを圧縮するために配設されたパルス圧縮器をさ
    らに有する、 請求項１記載の高出力光パルスの発生装置。
  13. 【請求項１３】前記パルス圧縮器は、ソリトン・ラマン
    圧縮器（ＳＲＣ）である、 請求項１２記載の高出力光パルスの発生装置。
  14. 【請求項１４】前記周波数変換器は、周期性ポーリング
    結晶である、 請求項１記載の高出力光パルスの発生装置。
  15. 【請求項１５】前記周期性ポーリング結晶は、周期性ポ
    ーリング・ニオブ酸リチウム（ＰＰＬＮ）を有する、 請求項１４記載の高出力光パルスの発生装置。
  16. 【請求項１６】前記非線形増幅器は、ダブルパス形態の
    中に配設されている、 請求項１記載の高出力光パルスの発生装置。
  17. 【請求項１７】ファラデー回転鏡、ファイバー偏光制御
    器およびλ／４波長板のうち一つが、前記非線形増幅器
    の一端に配設されている、 請求項１６記載の高出力光パルスの発生装置。
  18. 【請求項１８】前記光源と前記非線形増幅器との間に配
    設されたアイソレーターをさらに有する、 請求項１記載の高出力光パルスの発生装置。
  19. 【請求項１９】前記非線形増幅器の出力端に配設された
    偏光ビームスプリッターをさらに有する、 請求項１記載の高出力光パルスの発生装置。
  20. 【請求項２０】前記非線形増幅器は、シングルパス形態
    の中に配設されている、 請求項１記載の高出力光パルスの発生装置。
  21. 【請求項２１】前記非線形増幅器に第１波長分割多重化
    カップラーを介してカップリングされ、該非線形増幅器
    にポンプ光を供給する第１ポンプをさらに有する、 請求項１記載の高出力光パルスの発生装置。
  22. 【請求項２２】前記非線形増幅器に第２波長分割多重化
    カップラーを介してカップリングされ、該非線形増幅器
    にポンプ光を供給する第２ポンプをさらに有する、 請求項２１記載の高出力光パルスの発生装置。
  23. 【請求項２３】前記増幅器は、偏光面保存ファイバーで
    ある、 請求項１記載の高出力光パルスの発生装置。
  24. 【請求項２４】前記光源と前記非線形増幅器との間に配
    設された第１偏光制御器と、 該非線形増幅器の出力端に配設された第２偏光制御器と
    をさらに有する、 請求項１記載の高出力光パルスの発生装置。
  25. 【請求項２５】前記非線形増幅器は、反転（コントラ・
    ディレクショナリー）ポンピングされる増幅器を有す
    る、 請求項１記載の高出力光パルスの発生装置。
  26. 【請求項２６】前記非線形増幅器は、長すぎる（オーバ
    ーレンクス）増幅器であり、その出力端には非ドーピン
    グファイバーを有する、 請求項１記載の高出力光パルスの発生装置。
  27. 【請求項２７】前記非線形増幅器は、第１ドーピングを
    もつ第１増幅ファイバーと、第２ドーピングをもつ第２
    増幅ファイバーとを有する、 請求項１記載の高出力光パルスの発生装置。
  28. 【請求項２８】前記非線形増幅器は、ダイオードアレイ
    ・レーザーでポンピングされるダブルクラッド・ファイ
    バーを有する、 請求項１記載の高出力光パルスの発生装置。
  29. 【請求項２９】前記信号光およびポンプ光は、ダブルク
    ラッド・ファイバーの内側のコアの中に直接発射され
    る、 請求項１記載の高出力光パルスの発生装置。
  30. 【請求項３０】前記非線形増幅器は、マルチモード・フ
    ァイバー増幅器を有する、 請求項１記載の高出力光パルスの発生装置。
  31. 【請求項３１】前記非線形増幅器は、分散補償ファイバ
    ーを有する、 請求項１記載の高出力光パルスの発生装置。
  32. 【請求項３２】分散補償ファイバーをさらに有する、 請求項１記載の高出力光パルスの発生装置。
  33. 【請求項３３】前記周波数変換器のスペクトル受光帯域
    幅は、前記非線形増幅器からの出力である前記光パルス
    のスペクトルの拡がりよりも小さく、 前記周波数変換器は、該スペクトル受光帯域幅よりも広
    い該非線形増幅器からの出力である該光パルスの該スペ
    クトルの一部からのエネルギーを、該スペクトル受光帯
    域幅へと変換する、 請求項１記載の高出力光パルスの発生装置。
  34. 【請求項３４】非線形増幅器を含み高出力光パルスを発
    生させる光源と、 該非線形増幅器により発生させられた光パルスを受光し
    て周波数変換された波長で高出力光パルスを供給する周
    波数変換器とを有し、 該周波数変換器のスペクトル受光帯域幅は、該光源から
    の該光パルスのスペクトルの拡がりよりも小さく、 該周波数変換器は、該スペクトル受光帯域幅よりも広い
    該光源からの該光パルスのスペクトルの一部のエネルギ
    ーを、該スペクトル受光帯域幅へと変換する、ことを特
    徴とする高出力光パルスの発生装置。
  35. 【請求項３５】前記周波数変換器は、周期的にポーリン
    グされる、 請求項３４記載の高出力光パルスの発生装置。
  36. 【請求項３６】信号光を発生させる光源と、 該光源により発生させられた該信号光を受光する非線形
    増幅器と、 該非線形増幅器により生成された光パルスを受光する非
    線形圧縮器と、 該非線形圧縮器により圧縮された光パルスを受光し、周
    波数変換された波長で高出力光パルスを生成する周期性
    ポーリング周波数変換器と、を有することを特徴とする
    高出力光パルスの発生装置。
  37. 【請求項３７】信号光を発生させる信号光発生手段と、 該信号光を非線性をもって増幅する非線形増幅手段と、 該非線形増幅手段により生成された光パルスを周波数変
    換し、出力端において高出力光パルスを供給する周波数
    変換手段と、を有することを特徴とする高出力光パルス
    の発生装置。
  38. 【請求項３８】前記信号光の偏光状態を制御する偏光制
    御手段をさらに有する、 請求項３７記載の高出力光パルスの発生装置。
  39. 【請求項３９】前記非線形増幅手段により生成された前
    記光パルスを圧縮する圧縮手段をさらに有する、 請求項３７記載の高出力光パルスの発生装置。
  40. 【請求項４０】前記非線形増幅手段を通して光パルスを
    反射し、もってダブルパス形態を形成する反射手段をさ
    らに有する、 請求項３７記載の高出力光パルスの発生装置。
  41. 【請求項４１】前記非線形増幅手段へとポンプ光をポン
    ピングするポンピング手段をさらに有する、 請求項３７記載の高出力光パルスの発生装置。
  42. 【請求項４２】信号光を発生させる信号光発生ステップ
    と、 該信号光を非線形増幅して増幅された光パルスを生成す
    る非線形増幅ステップと、 該増幅された光パルスを周波数変換して高出力光パルス
    を生成する周波数変換ステップと、を有することを特徴
    とする高出力光パルスの発生方法。
  43. 【請求項４３】前記信号光の偏光状態を制御する偏光制
    御ステップをさらに有する、 請求項４２記載の高出力光パルスの発生方法。
  44. 【請求項４４】前記光パルスを圧縮する圧縮ステップを
    さらに有する、 請求項４２記載の高出力光パルスの発生方法。
  45. 【請求項４５】前記光パルスは、非線形増幅ステップの
    間に圧縮される、 請求項４２記載の高出力光パルスの発生方法。
  46. 【請求項４６】前記非線形増幅は、ダブルクラッド・フ
    ァイバーによって行われる、 請求項４２記載の高出力光パルスの発生方法。
  47. 【請求項４７】前記ダブルクラッド・ファイバーの内側
    のコアに前記信号光およびポンプ光を直接注入する注入
    ステップをさらに有する、 請求項４６記載の高出力光パルスの発生方法。
  48. 【請求項４８】前記光パルスを増幅ファイバーを通して
    反射し、もってダブルパス形態を形成する反射ステップ
    をさらに有する、 請求項４２記載の高出力光パルスの発生方法。
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