JP2004527001A - 光パルス光源および光パルスを生成するための方法 - Google Patents
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Abstract
光パルスの光源に、第１の波長の超短光パルスを発生させるように動作可能な光源と、光ファイバ増幅器とを設けた。光ファイバ増幅器には、光ファイバを設けて、該光ファイバが第１の波長における光利得を与えるためのドーパントを含有するコアならびに上記第１の波長と所定の第２の波長を含めた波長領域に亙る異常分散を有するようにした。この光ファイバを、超短光パルスを受光し、超短光パルスを増幅し、さらにソリトン自己周波数シフト効果によって該超短光パルスの波長を少なくとも上記第２の波長に変更するように設けた。必要な分散特性が得られるように、微細構造化および／またはテーパ加工されたファイバを用いることができる。パルスは、光パルスのエネルギーを調整することで、単色ソリトン、多色ソリトン、及び連続した広帯域スペクトルの３つの分光学的な形態のうちの一つで生成することができる。波長可変性は、増幅器に供給される励起光のパワーによって実現することができる。
Description
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ドープされたホーリ・ファイバ（孔のあいたファイバ）を用いた光増幅器内でのソリトン自己周波数シフト効果により、光パルス、それも特に波長可変パルスを生成するための方法、ならびに光パルスの光源に関する。
【背景技術】
【０００２】
波長可変超短（フェムト秒及びピコ秒の時間幅）光パルス光源は、超高速スペクトロスコピー、材料加工、光エレクトロニクス、非線形オプティクスおよび光化学（optical chemistry）など、多岐にわたる分野に用いられている。従来より、フェムト秒（ｆｓ）パルス光源は、バルク結晶材料（最も一般的なものがチタンサファイア）に基づくもので、高速のキャビティ内過飽和吸収体効果を用いるカーレンズモード同期といったような受動モード同期（パッシブモードロック）技術を採用してきた。優れた動作特性が実現されてきたし、商品や応用分野の開拓にも成功してきたが、その一方で、これら従来の光源では、直接利用可能な波長の範囲、特に１．１μｍ以上の連続的な広帯域のチューニング領域の幅が制限される。一般に、このフェムト秒技術を拡張して、より広い波長可変領域ならびにより長い波長を得ようとするには、バルク・フェムト秒レーザ（bulk femtosecond laser）で励起される光パラメトリック発振器（OPO；optical parametric oscillator）、光パラメトリック発生器（OPG；optical parametric generator）、あるいは光パラメトリック増幅器（OPA；optical parametric amplifier）といったようなバルク・パラメトリック非線形素子（bulk parametric nonlinear device）を用いる必要がある。このような素子は、複雑でコストがかかる上に、装置全体の物理的な寸法が大きくなってしまう。しかも、バルク結晶レーザは、高精度のアライメントが必要で、高価で保守整備のかかるガスレーザで励起されることが多い。広帯域波長可変性を得るための別のやり方は、先ず広帯域スーパーコンティニュームスペクトルを発生させて、所望の一波長（もしくは複数波長）において、（パルス化された）放射を分光学的にフィルタで選別するというものである。この技術は、一般にスペクトルスライスと呼ばれている。スーパーコンティニュームスペクトルそのもの（フィルタで選別されていない）にも、測定学や光干渉トモグラフィを含めた多くの用途があり、このような広帯域スペクトルを生成するための便利／実用的な手段が求められている。スーパーコンティニュームビームの空間モードの質は、多くの用途に対して重要な問題であり、一般に、高い質のモード（例えば単一横モード）が全波長に亙って要求される。
【０００３】
超短パルスシステムにより波長可変性を実現する一つの興味深い方法は、ソリトン自己周波数シフト（ＳＳＦＳ；soliton-self-frequency shift）効果を利用することである。光ファイバ内のＳＳＦＳ効果の発見は、１９８５〜１９８６年に報告されたが、これにより、ファイバを使った光源を含めて、様々な光源から幅広く波長可変なフェムト秒ソリトンパルスを得るエキサイティングな可能性が開かれた。適した光ファイバ内に放出されたフェムト秒パルスは、ソリトンとして伝播することになり、一つ一つのソリトンのスペクトル内におけるラマン周波数シフトが次第にパルスの波長を変化させる。この変化の量、すなわち波長可変量は、パルス出力（パルスパワー）、ファイバ材料、及びファイバ長さを含めた因子に左右される。
【０００４】
光ファイバには、ＳＳＦＳ効果を成り立たせるための所定の特性が求められる。ソリトンが成長して伝播することができるためには、十分な大きさの光非線形性が必要である。パルスが体験する非線形性は、パルス中のエネルギーの量に依存するので、ファイバ内でパルスが伝播するには、ソリトンを形成するに足る十分なエネルギーを有することが必要となる。また、自己周波数シフトを得るには、ファイバは、興味のある波長領域にわたって、つまり、最初に放出されるパルスの波長ならびに必要な波長可変領域にわたって異常分散を有していなければならない。
【０００５】
ＳＳＦＳ効果に関する様々な実験結果が報告されてきた。Nishizawa ならびに Goto らは、エルビウム添加ファイバレーザによるフェムト秒パルスを用いて、ＳＳＦＳが標準的な偏光を維持するファイバであることを報告している（特許文献１，非特許文献１）。
１．５６〜１．７８μｍにわたって波長可変なソリトン出力が得られた。エルビウム添加ファイバレーザによるｎＪパルスを用いたさらに他の素子（デバイス）と標準的なシリカファイバ内のＳＳＦＳが、Fermann らによって報告されている（非特許文献２）。Liu らによるこれに代わる構成（非特許文献３）は、チタンサファイア励起ＯＰＯからフェムト秒ｎＪパルスのＳＳＦＳを生じさせるのに、テーパ加工された、微細構造化されたシリカファイバを用いるというものである。興味のある波長領域１．３〜１．６５μｍで平坦なプロファイルを持つ大きな異常分散を得るのに、ファイバをテーパ加工し微細構造化することを使う。いずれの場合にも、波長は、ファイバに放出されるパルスの出力を変えることによって調整される。
【０００６】
しかしながら、ＳＳＦＳ用の従来のシリカファイバを使用すると、１．３μｍ以上の波長に対する異常分散しか得られないという限界がある。このため、利用することが望まれてはいるが、その利用が難しい１〜１．３μｍの範囲の波長での波長可変性を実現するために、ＳＳＦＳを使うことができない。また、利用できる異常分散と非線形性は、関心のある特定の波長可変領域に対して決して最適ではないと考えられる。
【０００７】
さらに、上述したように、ソリトンを伝播させるのに十分なファイバ非線形性を引き出すためには、比較的高いパルス・エネルギーが要求される。従来技術では、通常ｎＪパルスが用いられてきた。この要求のために、ＳＳＦＳ効果を発生させるのに使用できるレーザ光源に制限が加えられている。また、この事が、利用可能な波長調整（チューニング）に対して不利に働く可能性もある。というのも、チューニング（波長調整／変更）は、通常、パルス・エネルギー／パワーを変えることによって行われるからである。
【特許文献１】
欧州特許公開第１１１８９０４号明細書
【非特許文献１】
N. Nishizawa and T. Goto, "Compact system of wavelength-tunable femtosecond soliton pulse generation using optical fibers," IEEE Photonics Technology Letters 11, 325-327 (1999)
【非特許文献２】
M. E. Fermann, A. Galvanauskas, M. L. Stock, K. K. Wong, D. Harter and L. Goldberg, "Ultrawide tunable Er soliton fiber laser amplified in Yb-doped fiber," Optics Letters 24, 1428-1430 (1999)
【非特許文献３】
X. Liu, C. Xu, W. H. Knox, J. K. Chandalia, B. J. Eggleton, S. G. Kosinski and R. S. Windeler, "Soliton self-frequency shift in a short tapered air-silica microstructure fiber," Optics Letters 26, 358-360 (2001)
【非特許文献４】
J. K. Ranka, R. S. Windeler and A. J. Stentz, "Visible continuum generation in air-silica microstructure optical fibers with anomalous dispersion at 800 nm," Optics Letters 25, 25-27 (2000)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、ＳＳＦＳ効果に基づく、より汎用性のある波長可変超短光パルス光源を提供することにより、従来技術の限界に対処しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
これは、一実施形態において、ドープされたコアを有して増幅器として構成されたホーリ・ファイバ（holey fiber）（孔のあいたファイバ）をＳＳＦＳ媒体として用いることによって達成される。所望される事実上どの波長でも異常分散を持つファイバを実現するのに、ホーリ・ファイバの特異な特性、そしてまた、幾分はテーパ型ファイバの特異な特性、を活用することができ、これにより、１〜１．３μｍ及びこれを下回る波長を含めた、従来のファイバでは得られなかった波長領域を利用することができるようになる。また、このようなファイバは、従来のファイバよりも遥かに大きな非線形性を有するように調整して作製することができ、この結果、ソリトン的な動作を実現するのに、より低いパルス・エネルギーを用いることができるようになる。本発明は、ｐＪパルス・エネルギーを使って容易に利用することができる。
【００１０】
増幅器としてファイバを構成すれば、より低いパルス・エネルギーを使うことがさらにやりやすくなる。このように内部増幅を設けることで、低エネルギー・パルスを用いることができる。このとき、低エネルギー・パルスは、ファイバの非線形性を体験するに足る十分なエネルギーを持ち、ソリトンとして伝播し、さらにＳＳＦＳを受けるようになるまで、ファイバ内で増幅される。このように、本発明においては、広範囲のパルス光源が使用に適したものとなり、出力と波長に関して最小限度の制限しか受けない。例えば、簡易なダイオード励起ファイバ発振器からのそのままの比較的低いエネルギー・パルスを波長シフトさせることが可能である。さらに、増幅器を使うことで、パルス光源の出力パワーを変えるという従来技術による方法に代わって、増幅器励起光源のパワーを変えることでＳＳＦＳの調整を行えるようになる。このように、パルス光源を操作することから、波長を調整することを分けてしまうことは、基本的で最も重要なパルス光源を走らせたままにしてシステム出力の波長を変更するための該パルス光源の調整を行う必要が全くないため、実用上有利となり得る。さらに、分散された増幅処理により、従来技術の受動的なＳＳＦＳ素子によってこれまで可能であったものに比べて、より広い周波数領域に亙ってチューニングが行われる。本発明の実施形態により、１．０６μｍの波長を持つパルスから、１．５８μｍと同じ長さの波長のフェムト秒パルスが生成されたが、これは、入力パルスの周波数の３分の１である６９ＴＨｚの周波数シフトに相当する。上記光源の構成は、超広帯域の光スペクトルを持つパルス化された出力を生成するのにも用いることができる。この超広帯域な光スペクトルの生成は、高非線形ファイバ内でのスーパーコンティニューム生成効果に依拠している。
【００１１】
従って、本発明の第一の態様は、
第１の波長における超短光パルスを生成するように動作可能な光源と、
光ファイバ、ならびにポンプ放射／ポンプ光（pump radiation）を光ファイバに供給するように動作可能な励起光源を備えていて、このとき上記光ファイバが、第１の波長における光利得を与えるためのドーパントを含有するコアならびに上記第１の波長と所定の第２の波長を含めた波長領域に亙る異常分散を有し、かつ上記光ファイバが、上記超短光パルスを受け入れて該超短光パルスを増幅し、さらにソリトン自己周波数シフト効果によって該超短光パルスの波長を少なくとも上記第２の波長に変更するように設けられている光ファイバ増幅器と、
を備えている光パルスの光源を対象としている。
【００１２】
光ファイバは、ファイバの長さに沿って延在するエアホールの配列を有している微細構造ファイバとして、もしくはこれに代えて、テーパ型ファイバとして構成することができる。どちらの場合も、所望の波長領域に亙ってＳＳＦＳ効果が使えるようにファイバの分散特性を調整して適合させることができ、この結果、特定の波長を持つパルスを発生させることができるようになる。
【００１３】
一実施形態において、上記ドーパントは、略１μｍの波長において光利得が得られるようにイッテルビウム・イオンを含有している。斯かるファイバの分散特性のために、標準的な光ファイバを用いる受動素子内のＳＳＦＳを使うと、１ミクロン程度の波長を利用することができない。そのため、イッテルビウム・ドーピングによって、適したファイバ分散特性と一緒になってＳＳＦＳを通じてこれらの波長を生成するのに使うことのできる利得が、これらの波長において与えられる。
【００１４】
別構成として、ドーパントは、エルビウム、ネオジム、イッテルビウム、ホルミウム、ツリウム、プラセオジム、ゲルマニウム、アルミニウム、ホウ素、サマリウム、鉛、及び錫の一つもしくは複数のイオンを含有している。これらの他のドーパントは、様々な波長で、利得を与え／高め、次いで波長シフトを引き起こさせる。例えば、アルミニウムは、希土類ドーパントによって与えられる利得バンド幅を増大／拡張する。また、上記ドーパントの幾つかは、光利得を増加させる代わりに、もしくは光利得を増加させることに加えて、非線形係数を改善するのに、および／または、ラマン利得を増加させるのに用いることができる。
【００１５】
上記光源は、光ファイバの形態での光利得媒質を有するレーザを備えていることが好ましい。これにより、ポンプレーザを適切に選択すれば、安定性ならびに頑丈さといった斯かるシステムの良く知られた長所を有する専らファイバを用いた素子（ファイバベースの素子）（fiber-based device）が得られる。
【００１６】
さらに、上記レーザは、イッテルビウムのイオンがドープ（添加）されて略１μｍの波長で超短光パルスを生成するように動作可能な光ファイバを備えた光利得媒質を有することができる。上記波長での利得を得るために、イッテルビウムといったファイバ・ドーパントを適切に選択すれば、上記光源は、従来技術の素子を使うとなかなか得ることが難しいような１．１〜１．３μｍの範囲のパルスを生成することができる。
【００１７】
好ましい実施形態において、光ファイバ増幅器の光ファイバの異常分散の波長領域内における第２の波長を変えるために、光ファイバに供給されるポンプ放射のパワーを変えることができる。これにより、光源を何ら乱す必要もなく、波長可変な出力（tunable output）を作り出すための効果的な方法が与えられる。
【００１８】
一実施形態において、上記超短光パルスは、光ファイバ増幅器の光ファイバに供給される。この光ファイバ増幅器は、上記超短パルスの波長を、上記第２の波長、ならびに光ファイバ増幅器の光ファイバの異常分散の波長領域内における一つもしくは複数のさらに他の波長、に変えるためのソリトン自己周波数シフト効果のために十分なパワーを有している。このやり方で操作することにより、多色化されたソリトン（multicolored soliton）の出力が得られる。
【００１９】
さらなる実施形態において、超短光パルスは、超短パルスの波長を広帯域連続スペクトルに変えるためのソリトン自己周波数シフト効果に十分なパワーを有する光ファイバ増幅器の光ファイバに送られる。この種のスーパーコンティニュームスペクトルには、測定学、分光学、及び光干渉トモグラフィを含めて多くの用途がある。
【００２０】
光パルスの光源は、光プレアンプ（光前段増幅器）をさらに備えていてもよく、この光プレアンプは、超短光パルスを光源から受け取り、光ファイバ増幅器の光ファイバがこの超短光パルスを受け取るよりも前に当該超短光パルスを増幅するよう動作可能とされている。前段増幅は、例えば、広帯域仕様で動作させるため等、必要とあらば超短光パルスのエネルギーを増やすのに用いることができる。このプレアンプ（前段増幅器）は、光ファイバ増幅器もしくはバルク型光増幅器を備える事が出来る。
【００２１】
本発明の第二の態様は、
第１の波長における超短光パルスを発生させ、
この超短光パルスを光ファイバ増幅器内で増幅させ、
光ファイバ増幅器内部におけるソリトン自己周波数シフト効果によって、上記超短光パルスの波長を上記第１の波長から、少なくとも第２の波長へと変化させ、
このとき、上記光ファイバ増幅器に、第１の波長における光利得を与えるためのドーパントを含有するコアならびに上記第１の波長と第２の波長を含めた波長領域に亙る異常分散を有する光ファイバを設ける、
光パルスを生成する方法を対象としている。
【００２２】
この方法は、上記第２の波長を変えるために、光ファイバ増幅器に供給されるポンプ放射の量を変更することをさらに有していてもよい。これは、超短光パルスを発生させることには影響を与えなくても波長可変な出力を得るのに容易な方法である。
【００２３】
所望の分散特性は、光ファイバ増幅器の光ファイバを、ファイバの長さに沿って延在するエアホール配列を有する微細構造ファイバとして、あるいはこれとは異なり、テーパ加工されたファイバとして、構成することによって得ることができる。
【００２４】
超短光パルスは、光ファイバの形態の光利得媒質を有するレーザから発生させることができ、光ファイバは、イッテルビウムのイオンをドープ（添加）することができる。
【００２５】
一実施形態において、上記方法は、超短パルスの波長を上記第２の波長ならびに光ファイバ増幅器の光ファイバの異常分散の波長領域内における一つもしくは複数のさらに他の波長に変えるためのソリトン自己周波数シフト効果に十分なパワーを持つ光ファイバ増幅器へと、超短光パルスを送出することをさらに有している。
【００２６】
また別の実施形態において、上記方法は、超短パルスの波長を広帯域連続スペクトルに変えるためのソリトン自己周波数シフト効果に十分なパワーを持つ光ファイバ増幅器へと、超短光パルスを送出することをさらに有する。
【００２７】
上記方法は、光ファイバ増幅器内で超短光パルスを増幅して該超短光パルスの波長を変える前に、光プレアンプ内で超短光パルスを増幅することをさらに有していてもよい。この前段増幅器（プレアンプ）は、例えば、光ファイバ増幅器もしくはバルク型光増幅器を備えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
本発明のより良い理解のために、そして、本発明がどのように効果を奏することができるようになるかについて示すために、添付の図面を例として参照する。
【００２９】
本発明の実施形態について述べる前に、ソリトン自己周波数シフト（ＳＳＦＳ）効果とホーリ・ファイバに関して手短に論じておく。
【００３０】
〔ソリトン自己周波数シフト〕
ＳＳＦＳ効果は、適した特性の光ファイバ内を超短パルスが伝播する際に発生し、誘導ラマン散乱によって引き起こされる。シリカガラスは、結晶というよりアモルファス材料である。このことは、材料のラマン利得スペクトルが非常に広く、その結果、個々の超短パルスの広いスペクトル中にラマン散乱が生じ得るようになることを意味している。
【００３１】
このパルス内誘導ラマン散乱（intra-pulse stimulated Raman scattering）の効果は、パルススペクトルの高い周波数部分から低い周波数部分へとエネルギーを移行させる。もしパルスがソリトンであれば、このパルスは、上記効果によって不安定になり、最終的には、パルスがピークと台座部分とに分解（ブレークアップ）することになり、そして最も重要なこととして、ラマンソリトンを形成するに至る。このラマンソリトンパルスは、安定した存在であり、ＳＳＦＳ効果のために、増幅器に沿って移動するに従いその中心周波数が連続的にダウンシフトする（より長い波長に移る）。留意すべきことは、ＳＳＦＳ過程は、周波数シフト率がΔτ−４に比例するといったように、強くパルス長さ（時間的長さ）に依存するという点である（ここで、Δτは、パルス長さの半値波高幅（FWHM；full-width half-maximum）である）。ファイバの長さや、あるいはファイバ内に送出される際のパルスのパワーといった幾つかのパラメータを変更することによって、パルスがシフトしていく先の最終的な波長を変える事ができる。こうして、波長可変システムを実現することができる。
【００３２】
ＳＳＦＳ効果を得るには、所定のファイバ特性が必要とされる。ソリトンの形成には、十分な光非線形性が求められる。また、ファイバは、ファイバ内に放たれたパルスの初期波長を含みかつ周波数シフトさせたい最大波長にまで広がる波長領域に亙って異常分散を有していなければならない。従って、波長可変システムにおいて、上記波長領域は、所望のチューニング領域を含むことになる。
【００３３】
〔ホーリ・ファイバ〕
ホーリ（孔の空いた）ファイバ、言い換えれば微細構造ファイバは、実用上極めて重要である。これは、クラッド領域を画定するようにファイバの全長に沿って延在するエアホールを内部に設けることで、ファイバのパラメータの範囲を従来のファイバに比べて増やすことができるためである。特に、空気とガラスの間の屈折率差が大きいことによって、分散ならびに非線形の特性が他に例をみない範囲になる。一例として、ホーリ・ファイバの分散は、ホール（空孔）の配置にとりわけ敏感であることが判明しており、可視波長までの異常分散（非特許文献４）、広帯域の平坦化された分散、ないし大きな正常分散を含めて、広い範囲の分散特性が実証されている。従って、ホーリ・ファイバは、所望の波長領域における異常分散が得られるように調整して作製することができ、こうして、本発明のＳＳＦＳ素子に使用するのに適したものになる。また、ホーリ・ファイバ内の実効モード面積（effective mode area）は、横断面の屈折率分布のスケールを変更することによって、３桁まで調整して設定することができる。これにより、広く多様な用途の要求に合わせて、光非線形性が高くても低くてもどちらでも可能なファイバの可能性が開かれる。本発明においては、このため、ソリトンの形成に求められる大きな非線形性を容易に達成することができる。
【００３４】
言わば１．３μｍを下回る波長で異常分散を有するようにシリカから作製されたホーリ・ファイバは、コアが小さくなければならず（通常、直径２．５μｍ未満）、しかも、クラッド内で空気が満たす割合（air fill fraction）が大きくなければならない。このことは、分散に対する強い（異常な）導波寄与に帰結して、このため、これらの波長における（正常な）シリカの材料分散が補償されるようになる。コアが小さいということは、必然的にファイバが極端に高い実効非線型性（effective nonlinearlity）を有するということになり、これは、本発明において求められているようなソリトン形成には理想的である。ＳＳＦＳ素子にこの種の高非線型性ホーリ・ファイバを用いれば、ｐＪのパルスエネルギー（通常〜２００Ｗピークパワー）およびメートル長のファイバ長さが、ソリトンを形成するのに必要な全てである。斯かる出力高さとファイバ長さは、従来のファイバの種類を用いた先行技術の素子の場合に必要とされるものに比べて、少なくとも一桁小さい。
【００３５】
〔第一の実施形態〕
本発明の第一の実施形態は、ホーリ・ファイバ内のＳＳＦＳ技術を用いた、波長領域１．０６〜１．３３μｍに亙って動作可能な光ソリトンパルスの連続波長可変光源である。この光源は、Ｙｂ３＋が添加されたファイバベースのモードロックレーザ発振器からの１．０６μｍにおけるパルスがシード光として入れられる（シードされる）、イッテルビウム（Ｙｂ３＋）添加ホーリ・ファイバ増幅器を備えている。この１．０〜１．３μｍの波長領域は、実用上重要で、例えば、１．２４μｍ光源は、多くの３−フォトン・マイクロスコピーの用途に最適である。しかしながら、この波長領域における超高速パルスは、上述したようなもの以外に、研究段階のＯＰＯ（research-grade OPO）による、従来の方法によって得る事が難しい。
【００３６】
図１は、第一の実施形態の概略図を示す。光パルスの光源１０は、光源１２と、光ファイバ増幅器１４とを備えている。光源１２は、超短光（シード）パルスを発生させるように動作可能なＹｂ３＋添加ファイバレーザを備えており、光ファイバ増幅器１４は、Ｙｂ３＋添加ホーリ・ファイバ増幅器を備えている。光源１２は、正の線形チャープを持つ波長１．０６μｍにおける超短パルスを生成するように動作可能なモードロックレーザである。パルスは、増幅器１４の利得を制御するダイオードレーザ形態のポンプレーザ１６からの、分離されたポンプ放射ビームとともに、異常分散を持つＹｂ３＋添加ホーリ・ファイバ増幅器１４内に送出される。パルスが増幅器１４を通過する際に増幅ならびに非線形パルス成長する結果として、ラマンソリトンが形成し、ＳＳＦＳ効果によって連続的に波長がシフトされる。パルスの非線形成長は、パルスピークパワーに強く依存するので、増幅器１４の出力側におけるラマンソリトン形態のパルス１８の波長は、増幅器の利得を変えることで調整され変更される。この増幅器の利得は、ポンプレーザ１６からのポンプ放射のパワーを変えることで制御される。このようにして、単一波長（単色／モノカラー）ソリトン出力パルス１８は、１．０６〜１．３３μｍの範囲で波長を調整することができる。
【００３７】
図２は、光源１２をより詳しく示す概略図である。光源１２は、利得媒質として、１．０６μｍでレーザ発振するようにＹｂ３＋イオンが添加された光ファイバ２０を有するファイバレーザである。利得媒質ファイバ２０は、ファイバカプラ２２に継ぎ合されている。このカプラを通して、９７５ｎｍの励起光が利得媒質ファイバ２０内に結合される。励起光は、レーザ（不図示）によって生成される。
【００３８】
利得媒質ファイバは、ファブリ・ぺロー形のレーザキャビティ内に配置され、一端が高反射鏡２８によって、さらに、他端が半導体過飽和吸収ミラー（SESAM； semiconductor saturable absorber mirror）２６によって境界が定められている。様々な収束光学系２４、半波長板３８、及び１／４波長板４０が高反射鏡２８に隣接したバルク回折格子対３０とともにキャビティ内に配置されている。
【００３９】
光源１２の超短パルス動作は、ストレッチパルスモードロック（stretched pulse modelocking）を用いることにより実現される。このとき、高速過飽和吸収体として、利得媒質ファイバ２０内における非線形偏光回転を使用する。ＳＥＳＡＭ２６は、信頼性の高いセルフスタート・モードロックを補助する。
【００４０】
上記キャビティは、光源１２からの出力を供給するため、一対の偏光ビームスプリッタ（PBS；polarizing beam splitter）４２をさらに備えている。出力の形は、キャビティ内におけるＰＢＳの位置と向きとに依存する。高反射鏡２８に最隣接するＰＢＳ４２ａは、正のチャープを持つ超短光パルスの出力を供給し、その一方で、利得媒質ファイバ２０に最隣接するＰＢＳ４２ｂは、負のチャープを持つパルスを供給する。
【００４１】
図３（ａ）及び図３（ｂ）は、測定された光源１２からの典型的なパルスの特性を示す。
【００４２】
図３（ａ）は、ＰＢＳ４２ａを通してキャビティを後にする正にチャープしたパルス４３の第２高調自己相関トレース（遅延時間ｔに対する強度Ｉ）である。キャビティを離れる際、パルスは、２．４ｐｓ（トレース４４）の時間幅を有しているが、外部キャビティ回折格子対を用いて１０８ｆｓに圧縮することができる（トレース４６）。
【００４３】
図３（ｂ）は、正にチャープしたパルスのスペクトルのプロットであり（波長λに対するパワーＰ）、１．０６μｍのピークと１８．６ｎｍのバンド幅を示している。測定装置の広いダイナミックレンジに亙る滑らかなスペクトルが、非線形の分光学的歪みの観測を助けていることに留意されたい。
【００４４】
光源の平均出力パワーは、パルス繰り返し周波数５４ＭＨｚで３ｍＷであり、パルス・エネルギーが６０ｐＪであることを示している。レーザ出力は、安定しており、振幅のノイズは、０．０５％であることが観測されている。従って、上記レーザは、振幅ノイズに極めて敏感なラマンソリトンＳＳＦＳ素子のための非常に興味深い実用的なシードを代表するものである。
【００４５】
図４は、光ファイバ増幅器１４をより詳細に示す概略図である。増幅器１４は、ホーリ・ファイバ４８と、ポンプレーザ１６とを備えている。ポンプレーザは、ここでは、波長９６６ｎｍにおけるポンプ放射４９を生成するように動作可能な、最大パワー２５０ｍＷのダイオードベースのマスターオシレートパワー増幅器（MOPA；master oscillator power amplifier）とされている。上記ポンプ放射４９は、コリメーティングレンズ５０によりコリメートされ、半波長板５２を通される。半波長板５２は、ホーリ・ファイバ４８の主軸に、ポンプ放射４９の偏光を合わせるように用いることができるが、とはいえ、増幅器１４の動作は、ポンプ放射の偏光にはさほど敏感ではない。このセットアップでＭＯＰＡベースのポンプレーザを選ぶことは、少々珍しく、この装置が本発明者にとって容易に入手可能であることに由来するものである。このＭＯＰＡは、９１０ｎｍ〜９８５ｎｍの範囲かなにか、あるいは実際には、増幅器内に含有された希土類ドーパントのための他のあらゆる適した励起波長で動作する一般の単一モード半導体レーザダイオードで単に置き換えても構わない。このポンプレーザは、適した励起波長で動作するブロードストライプ（マルチモード）レーザダイオード、あるいはダイオード励起固体レーザとすることもできる。
【００４６】
ダイクロイック・ミラー５４が、ホーリ・ファイバ４８に光をカップリングするために設けられている。ポンプ放射４９は、ダイクロイック・ミラー５４を介して伝送され、レンズ５６によってホーリ・ファイバ４８内に集束される。
【００４７】
同じように、光源１２によって生成された正にチャープした超短光パルス４３のビームは、コリメーティングレンズ５８によってコリメートされ、半波長板６０を通される。半波長板６０は、ホーリ・ファイバの主軸に、パルス４３のビームの偏光を合わせるために用いることができる。このビームは、ダイクロイック・ミラー５４で反射され、ポンプ放射４９を集束させるのに用いられたのと同じレンズ５６によってホーリ・ファイバ内に集束される。このように、本実施形態において、増幅器１４は、正にチャープしたパルスによって、方向を同じくして励起される。しかしながら、本発明は、この配置に限定されるものではなく、例えば、増幅器１４の順方向励起（forward pumping）、および／または、チャープの無い（transform-limited）あるいは負にチャープしたパルスを用いる他の構成が可能である。
【００４８】
ダイクロイック・ミラー５４のカップリング（結合）の配置構成とレンズ５６とにより、超短パルス４３及びポンプ放射４９のどちらに対しても、ホーリ・ファイバへの略２０％のカップリング効率が得られる。こうして、ホーリ・ファイバ４８が受け取る超短パルス４３の最大エネルギーは１０ｐＪであり、ホーリ・ファイバ内へと向けられるポンプ放射は、５０ｍＷに達する。ポンプ放射を光ファイバのコアの内部へとカップリングする、例えば、溶解されたテーパ加工されたカプラ（fused tapered coupler）、フィルターベースカプラ（filter based coupler）、サイドカップリング・ファイバ・カプラ（side-coupling fiber coupler）、あるいは、格子により援助されたカプラ（grating assisted coupler）を用いた他の手段を考えることもできることに留意されたい。異常分散を持つファイバ増幅器として、クラッド励起ホーリ・ファイバ（cladding pumped holey fiber）を用い、さらに、活性ドーパントによりファイバコア内で吸収されるポンプ放射をファイバのクラッド領域内へと送出するためのブロードストライプダイオードを用いることも考えることができる。
【００４９】
ホーリ・ファイバ４８は、該ホーリ・ファイバ４８が受け取る１．０６μｍといった超短パルスの波長において光利得を与えるよう、Ｙｂ３＋イオンが添加されたコアを有している。このため、ホーリ・ファイバ４８は、超短パルス４３の増幅に適している。第一の実施形態において、このホーリ・ファイバは、普通、１．７ｍから９ｍの間の長さを有しているが、他の長さも本実施形態ならびに他の実施形態において用いることができる。こうして、光パルスの光源の全体的な性能が高められるとともに、波長といった所望の特性を有するパルスが供給されるようになる。
【００５０】
図５は、ホーリ・ファイバの横断面の走査電子顕微鏡写真（SEM；scanning electron micrograph）を示す。Ｙｂ３＋イオンが添加されたシリカを有してなるファイバコア６２は、ファイバ４８の長さに沿って延在するエアホール６４を有するシリカクラッド領域６３に囲まれている。
【００５１】
ホーリ・クラッド領域６３（孔の空いたクラッド領域）は、ホーリ・ファイバを作るための標準的なキャピラリ・スタッキング（capillary stacking）技術を用いて作製されている。Ｙｂ３＋添加固体シリカロッドがコア６２を形成するのに使われている。コア６２は、直径略２μｍとされ、周りのクラッド６３は、主として空気から構成されている。これらの因子が組み合わさって、ファイバコア６３に導かれるモードが密に閉じ込められるようになる。このため、ホーリ・ファイバ４８は、極めて高い実効非線形性係数γ＝ｎ２／Ａeffを有している。ここで、ｎ２は固有材料非線形性（ intrinsic material nonlinearity ）であり、Ａeffは実効モード面積である。この高い非線形性により、ＳＳＦＳに用いられるファイバ長さを短くすることができる。ホーリ・ファイバ４８は、ポンプ放射波長９６６ｎｍを含め、本第一の実施形態において今考慮されている全ての波長に対して厳密に単一モードであることが観測されている。
【００５２】
Ｙｂ３＋イオンは、コア６３を形成するために用いられるロッドを作製するのに使われる、エッチング処理されていないＹｂ３＋添加ファイバプリフォームから引き伸ばされたファイバの白色光測定から評価されているように、コア６３の中心１．７μｍにわたって２０００〜３０００ｐｐｍの濃度まで注入されている。
【００５３】
第一の実施形態に記載されているドーピングされたホーリ・ファイバ４８の分散特性及びモードフィールド径を予め知るために、数値的な手法を用いた。このアプローチは、ハイブリッド・モード法である。この方法では、導波モードが局所化されたエルミート・ガウス関数により、また、複素横方向屈折率の構造がフーリエ分解を用いて表される。ホーリ・ファイバ４８の特性を前もって知る目的のために、図５に示されるようなＳＥＭ写真を、数値モデルに使う屈折率分布を決めるのに用いた。このようにして、構造内のいかなる歪みの不規則性（それがなければ完全に周期的となる）の影響も、最終的に得られる予想結果に反映させる事ができる。空気で満たされた部分が大きいことから、正確な予測をするために完全なベクターモデルを用いる必要があり、偶数項ならびに奇数項のいずれもモード展開に用い、これにより、ファイバ断面形状のいかなる非対称性も正確にモデル化することが確実に可能となるようにした。シリカの材料分散は、これらの計算の中にあらわに組み込まれている。
【００５４】
コア非対称性、大きな屈折率コントラスト、及び小スケールの構造を組み合わせた結果として、ホーリ・ファイバ４８は、極端に複屈折性を有している（強く偏光を保持する）。この大きな複屈折性が、パルス４３のビームの偏光をホーリ・ファイバ４８の主軸に一致させるのに用いられる半波長板６０が何故必要とされるのかという理由である。
【００５５】
図６は、交差させたポーラライザと１．２ｍの長さのホーリ・ファイバとを通過した後の１５４０ｎｍにおける偏光した広帯域光の透過特性（パワーＰ対波長λ）をプロットしたものを示す。透過率のスペクトルの周期の測定から、１．５４μｍで複屈折ビート（うなり）長が０．３ｍｍであると推定される。これは、上述のモデルを用いて導き出された０．２７ｍｍの予言値と良く合っている。
知りうる限り、これは、これまで光ファイバで得られた最も短いビート長の一つである。
【００５６】
図７及び図８は、モデルから得られた幾つかの結果を示す。ファイバ非対称性の効果を実際に示すために、両方の偏光軸に関する結果が示されている（実線および破線）。
【００５７】
図７は、分散Ｄが波長λの関数として変化する様子をプロットしたものを示す。２つの偏光軸の分散特性は、際立って異なっている。これは、分散がファイバクラッド６３内のホール６４の配置に敏感であることを示している。別々の偏光軸に対するゼロ分散波長（これより上では分散が異常〔正〕）は、それぞれ７７０ｎｍ及び８３０ｎｍであり、波長１．０６μｍでは、上記２軸における分散は、約３５ｐｓ／（ｎｍ．ｋｍ）だけ異なっている。
【００５８】
図８は、モード面積Ａeffが波長λの関数として変化する様子をプロットしたものを示す。モード面積Ａeffは、別々の偏光軸でそれほど変わらない。これは、分散に比べて、Ａeffがホールの配置にさほど敏感ではないことを示す。Ａeffは、波長１．５５μｍで約２．５μｍ２である。これは、標準的な単一モードファイバ（例えばCorning SMF28）の場合よりも、略３０倍小さい。また、Ａeffは、波長が増加するにつれて増えるが、これは、より短い波長では、モードがより密（tight）にファイバコアに閉じ込められることを示している。ファイバの非線形特性を示すものとして、１．０６μｍにおいてファイバ内を伝播する２００ｆｓ（FWHM）パルスの場合、基本的なソリトンパワー及びソリトン周期は、それぞれ約５０Ｗと６０ｃｍである。前に述べたように、これらの値は、標準的なファイバ内のＳＳＦＳ（波長約１．５μｍ）に関する従来技術で報告されている対比可能な値に比べて充分低い。
【００５９】
とりわけ１．０〜１．３μｍの波長領域における比較的平坦な分散曲線によって（ファイバの高い実効非線形性と組み合わされて）、ＳＳＦＳ効果による良好な波長チューニングが容易になる。
【００６０】
ＳＳＦＳ効果による光パルスの光源１０の動作は以下のようになる：
【００６１】
超短光パルス４３が光源１２によって生成され、ポンプレーザ１６によって生成されたポンプ放射４９と一緒に、増幅器１４のホーリ・ファイバ４８内に結合される。第１の波長として考えることができるパルス波長は、この場合１．０６μｍである。
【００６２】
増幅器１４に入るパルス４３は、正の線形チャープと、ソリトン形成に必要とされるものよりかなり低いピークパワーとを有している。パルス４３は、２．４ｐｓの時間幅、５Ｗのピークパワー、及び０．１５ｐｓ／ｎｍのチャープを有し、回折格子対を用いて１１０ｆｓに圧縮することができる。
【００６３】
図９は、パルス４３の、ホーリ・ファイバ４８に沿って伝播する際の時間発展を示すための形象化した図である。図９（ａ）は、パルスが時間領域でどのように変化するかを示すために、パルスパワーＰ（パルス出力）の時間発展を伝播距離ｄを用いて示している。
図９（ｂ）は、この時間発展を、伝播距離ｄによるパルス波長λのプロットとしてスペクトル領域で示している。上側の曲線は、周波数シフトしたソリトンを表し、その一方で、下側の曲線は、第１の波長に残っている残存パワーを表している。図９（ｃ）は、ソリトン形成と周波数シフトの効果を示すために、ファイバに沿った地点で測定された一連の概略的なスペクトルを示す（波長λに対するスペクトル強度Ｉ）。
【００６４】
図９（ａ）から分かるように、時間領域では、パルス時間幅は、増幅器１４の最初の数１０ｃｍにわたる線形パルス圧縮により、初めのうち減少する。これは、ホーリ・ファイバ４８が、パルス４３の最初の正のチャープを補償する異常分散（１００ｐｓ／（ｎｍ．ｋｍ））を有しているためである。この段階では、初期の滑らかなスペクトルの非線形歪みはない。次に、パルスが次第に増幅され、圧縮されるにつれて、ピークパワーは急速に増加して、非線形相互作用ならびに基本ソリトン、そして（場合によっては）続いてより高次のソリトンを形成するための閾値をすぐに超える。より高次のソリトンパルスの時間発展は、パルスがソリトン圧縮を受ける時間領域の中にはっきり現れており、それで、ピークパワーをさらに増加させ、非線形パルスの時間発展を加速している。
【００６５】
パルス内誘導ラマン散乱の効果により、エネルギーが、パルススペクトルの高周波数部分から低周波数部分へと移り始める。このために、パルスが不安定になり、最終的に、パルスがピークと台座部分とに分裂する結果になり、さらに重要なことには、ラマンソリトンの形成に至る。このラマンソリトンパルスは、安定な存在であり、増幅器１４に沿って移動する際に、ＳＳＦＳ効果により連続的に自身の中心周波数をダウンシフトさせる（より長い波長に移る）。
【００６６】
増幅器出力側でのソリトンの最終的な波長は、増幅器利得の設定、つまり、利得分布、励起パワー、及び増幅器長さに影響されやすい。Ｙｂ３＋添加増幅器の利得ウィンド（gain window）は、略１．０３〜１．１２μｍに広がっており、このため、波長シフトしたソリトンは、増幅器利得が飽和するか、あるいは、パルス波長が利得ウィンドを超えて赤にシフトするまで形成後もさらにゲインを受ける。一旦ＳＳＦＳがパルスの波長を増幅器利得スペクトルの上限である１．１２μｍを超えてシフトさせたら、ソリトンはもはや増幅されないし、また、Ｙｂ３＋ドーピングによる吸収も被らず、さらに、受動的なホーリ・ファイバの中にいるかのように伝播する。とは言え、Ｙｂ３＋添加コアは、ラマンソリトンが生成された後に残された、非ストークスシフトした、最初のパルスの台座の部分にのみ作用し続けることになる。長さ過剰の増幅器を用いることで、過剰な（励起されない）長さが、シード光波長における残りの未シフトの放射に対する吸収体として作用し、その一方で、ＳＳＦＳの赤色シフトした成分は、Ｙｂ３＋吸収帯の外にあり、最小限の吸収で通過していく。これにより、スペクトル的にフィルタをかけられた（分光学的に選別された）、第２の波長に波長シフトしたラマンソリトン１８が増幅器出力側に残される。
【００６７】
後でより詳細に論じられる所定の条件下では、ソリトンは、図９の右手側方に表されているような、様々な波長の幾つかのばらばらのパルスに分裂することもある。
【００６８】
ラマンソリトンの最大波長シフトは、用いられるファイバの長さとともにどんどん増加し、それで、シリカファイバ内では、最大実現可能な波長は、基本的には、大体２．３μｍあたりにあるシリカの吸収により決まる限を有している。実際には、注目している波長領域にわたるファイバ分散の変化といった他の要因も最大波長を制限する可能性がある。従って、ホーリ・ファイバは、注目している少なくとも全ての波長領域、つまり、光源（第１の波長）によって生成された超短パルスの波長から、当該ファイバによってパルスをシフトさせたい最大波長（第２の波長）にわたって異常分散を有するように選択される。
【００６９】
上で述べて来たことは純粋に定性的なものであるが、留意すべきなのは、ファイバ増幅器内のラマンソリトンの形成を数値的に記述するための詳しいモデルが適用されたという点である。例えば、ローレンツ型線形状（Lorentzian line shape）の利得媒質を記述するための項を取り入れて、増幅器の長さに沿って利得飽和の効果を考慮した変更された非線形シュレーディンガー方程式に基づくアプローチを用いることができる。このモデルは、光学的に励振される分子振動モデルを用いて誘導ラマン散乱を取り扱う。他の可能なシュミレーションは、増幅器の帯域の逆数に近似的に等しい幅を有するパルスの伝播を考慮し、システムの正確で定量的な解析が必要なら、マクスウェル・ブロッホ方程式が必要であることを示唆する。このような理論的なアプローチは、増幅器長の関数として適切な利得スペクトルを含めることで、本発明をモデル化するために用いることができるであろう。もっとも、この点は、書いている時点では、まだなされていない。
【００７０】
〔結果〕
増幅器１４において４．７ｍの長さのホーリ・ファイバ４８を用いると、パルス化された出力（アウトプット）を得ることができる。この出力の以下の測定は、典型的な幾つかの例を代表するものである。
【００７１】
図１０は、増幅器１４から出てくるパルス１８の一連の重ね合わされたスペクトル（強度Ｉ対波長λ）を示す。連続したスペクトルのピーク（波長において増加している）は、ホーリ・ファイバ４８に供給されるポンプ放射４９のパワーが増やされる際の出力波長のチューニングを示している。図１０から分かるように、単独でスペクトル的にはっきりしている２０ｎｍ帯域幅のラマンソリトンが増幅器出力側で生成されている。これは、ポンプ放射パワーが、測定可能なはっきりしたＳＳＦＳ効果を得るために求められる最小閾値パワーを超えた場合（この場合、５０ｍＷを上回る入射ポンプ放射パワーとされている）に起きる。ポンプ放射パワーが増やされると、パルスの最終的な波長は、次第に増加する。元の第１の波長約１．０６μｍにおける余った放射は、いずれの場合でもそのまま残っている。
【００７２】
図１１は、入射ポンプ放射パワーＰに対する最終波長λの依存性をプロットしたものを示す。パルスの最終中心波長は、入射ポンプ放射パワーの大きさとともに殆ど直線的に変化していることが分かる。
【００７３】
励起パワーに伴うソリトン波長の増加は、より強い励起パワーでは、その結果生じる利得分布の変化によって、ラマンソリトンがホーリ・ファイバ内でより早く形成することになり、そのため、ソリトンがより長いファイバの長さに置かれて、この長さの中で、ソリトンがＳＳＦＳによってより長い波長にウォークオフ（walk-off）することになるという事実に起因している。励起パワーが増やされることに伴う図１０に見られるピークスペクトル強度のロールオフ（roll-off）は、この説明に合っている。というのも、パルスが増幅器利得バンド幅の外に早くシフトすればするほど、パルスが受ける全体の増幅がそれだけ小さくなり、赤色シフトが大きくなるからである。
【００７４】
図１２及び図１３は、様々な出力波長のパルスにおけるパルス自己相関測定を示す。この測定は、パルス特性が可変領域に渡っていかに変化するかを示している。
【００７５】
図１２（ａ）は、第１の波長における光源からのパルスと、１２４０ｎｍの第２の波長における増幅器からのパルス出力のスペクトル（強度Ｉ対波長λのプロットとして）を示す。図１２（ｂ）は、１．０６μｍパルスの自己相関（ＳＨＧ強度Ｉ対遅延時間ｔ）を示し、図１２（ｃ）は、１２４０ｎｍパルスの自己相関（ＳＨＧ強度Ｉ対遅延時間ｔ）を示す。これにより、シフトしたパルスの典型的なパルス特性が表されている。１２４０ｎｍでのパルス時間幅は、この例では１５０ｆｓであり、時間帯域幅積は、０．４８である。
【００７６】
図１３は、第２の波長λによるパルス時間幅Δτと時間帯域幅積ΔτΔνの変化を示す。これらの測定は、第２の波長が調整される際に、パルス時間幅が１８０ｆｓＦＷＨＭで略一定のままであり、さらに、時間帯域幅積によって規定されるパルス特性が全チューニング領域に渡って高いままであることを示している。
【００７７】
ポンプ放射パワーの関数として、光源１４からの超短パルスの時間的な圧縮（多重ソリトン効果による）を実現するのに、第一の実施形態の構成を用いることもできる。入力パルスのチャープならびに増幅器ホーリ・ファイバの長さの両方を変えることによって、パルス圧縮のための最適条件を探すことが出来る。入力パルスのチャープは、光源からの負にチャープしたパルスを引き出し、標準的なファイバの長さを通して伝播させることで、これらのパルスをわずかに正のチャープを有するように変換することによって最適化される。所望の時間幅のパルス、そしてそれゆえチャープを得るために、カットバック測定を行うことができる。同じようにして、増幅器ホーリ・ファイバ長さは、増幅器ホーリ・ファイバにおける一連のカットバック測定で出力パルスの時間幅を測定することにより、増幅器出力側での最小パルス時間幅に関して最適化される。２．８ｍ長のホーリ・ファイバ増幅器内に最適にチャープしたパルス（約０．０２ｐｓ／ｎｍ）を送出することで、６７ｆｓＦＷＨＭまで圧縮されたパルスを得ることができる。この動作モードでのソリトン形成過程は、上述したものに大雑把に似ていることが予想されるが、入力パルスのチャープがもっと小さいので、より短い長さの増幅器ホーリ・ファイバの中でより急速にチャープが補償される（ホーリ・ファイバの異常分散による）。時間的に圧縮された状態を超えて発展する前にパルスが増幅器を出てしまうので、多重ソリトンへの分裂は防止される。
【００７８】
図１４は、圧縮されたパルスに関してなされた測定を示す。図１４（ａ）は、パルスの自己相関（遅延時間ｔに対するＳＨＧ強度Ｉ）を示し、６７ｆｓパルス幅を表している。この結果は、光源からの直接の超短パルスの線形分散補償（回折格子対による）を使って得られる最小パルス時間幅１１０ｆｓに匹敵するものである。
【００７９】
図１４（ｂ）は、圧縮されたパルスのスペクトルを、比較のために破線で示された元の未圧縮のパルスとともに示している（パワーＰ対波長λ）。
【００８０】
〔さらに他の実施形態〕
〔逆方向型励起増幅の配置構成〕
増幅器１４が逆方向式に励起されるように、第一の実施形態の構成要素を再構築することで波長可変ソリトンパルスの出力を得ることができる。別の言い方をすれば、ポンプ放射４９は、光源からのパルスが向けられるのとは反対側の端部からホーリ・ファイバ４８内に指向される。
【００８１】
図１５は、このような逆方向式の励起の構成の概略図を示す。光源１２の出力ビームは、前と同様、コリメートされ、第１の端部６８を通ってホーリ・ファイバ４８に入る前に、半波長板を通される。ポンプレーザ１６からのポンプ放射４９もまたコリメートされ、前と同様半波長板を通され、さらに、ダイクロイック・ミラー６６を用いてホーリ・ファイバ４８の第２の端部７０に向けられる。
こうして、ポンプ放射４９ならびにパルス４３は、ホーリ・ファイバ４８内を対向しながら伝播する。第２の波長といった増幅器の最終出力は、第２の端部７０を通ってホーリ・ファイバ４８を後にし、ダイクロイック・ミラー６６を通って伝達される。
【００８２】
この構成の動作の一例として、モードロックレーザ１２からの直接の線形にチャープした２．４ｐｓのパルス４３を用い、さらにこのパルスを１．７ｍ長のホーリ・ファイバ４８内に送出すると、図１０及び図１１に示されるのと同様のＳＳＦＳチューニングを得ることができる。しかしながら、最大波長シフトは、たかだか１．１２μｍにすぎない。従って、順方向に励起する第一の実施形態の構成の場合に得られるものに比べると、波長チューニング範囲（波長可変領域）はより狭くなる。波長チューニング範囲が減るのは理解できる。というのも、この逆方向式に励起する構成では、増幅器１４の前方のいかなるＹｂ３＋添加ホーリ・ファイバ４８の無濾過の長さもパルス４３を吸収するので、ホーリ・ファイバ４８内でなかなか早くソリトンが形成しないからである。従って、ＳＳＦＳによる波長シフトで得られるファイバの実行長さは、順方向型の励起の構成に比べて低減される。
【００８３】
実際、第一の実施形態で述べられた様々な構成を用いると、増幅器１４内の略４ｍ長のホーリ・ファイバ４８を順方向に励起することが、単色の波長可変ソリトンを生成するための最適の構成であることが分かっている。
【００８４】
留意すべきことは、増幅器内での波長シフトとパルス分裂とを問題にすることとあいまって、本明細書で述べられた小形のコアファイバを使って作業するという実用上の難しさのために、所定の励起パワーと増幅器の構成において所定のパルスが受ける正確な利得を定量化することは現実的ではないという点である。しかしながら、ここで提示された結果に関してさらに、光パルスの光源による最大総合シングルパス利得が、略１７ｄＢより大きいのが普通であると言う事ができる。この評価は、４％フィードバックを与えるであろうホーリ・ファイバ入力側における平坦な碧開された面、及びホーリ・ファイバの出力端における碧開された角度（フィードバックを１％未満に減少させる）を有する増幅器の構成（送出されるパルスを最大化するため）を考慮している。どの増幅器の構成においても、光源からの（Ｙｂ３＋バンド幅内の或る波長における）レーザ動作が十分得られるように、ポンプ放射パワーを増加させることができる。上述したような端部反射の場合、これは少なくとも１７ｄＢの利得となる。ホーリ・ファイバのための終端技術が改善されるにつれて、さらに端部反射を抑える改良が期待される。
【００８５】
〔多重波長出力と広帯域連続スペクトルの生成〕
光パルス・エネルギー、増幅器長さ、及びポンプ放射パワーを変えることによって、パルスが増幅器出力側において多色化されたソリトンに分裂するというもっと複雑なパルス発展の状況を入れることができる。第一の実施形態の構成を用いれば、６個もの別々の多色化されたパルスを持つパルスバーストを形成することができ、場合によっては１．５８μｍに達する波長が観測される。ここで、光パルス（ないし前に形成されたラマンソリトン）が幾つかのラマンソリトンに分裂し、このラマンそりトンのそれぞれが、形成地点で幾分異なる特性を有するようになり、さらに伝播することで別々に発達するようになる。多色化されたソリトンのバーストが、こうして、増幅器の終端側で観測される。
【００８６】
第一の実施形態の構成を用いれば、放たれるパルス・エネルギーを（上述の単色ソリトン動作のための約９ｐＪに比べて）約１２ｐＪまで増加するために光源１２の出力パワーが最大化される場合、多色パルス（波長及び時間において分離状態とされている）の生成が観測される。ポンプ放射パワーが増やされると、パルスは数が増える。
【００８７】
図１６は、上記多色パルスのスペクトル（強度Ｉ対波長λ）の例を３つ示す。ポンプ放射パワーは、図１６（ａ）から図１６（ｃ）まで増加される。これらの図は、単色動作のために光源のチューニングによってカバーされる波長領域に亙って波長を変える際のパルスの数の増加を示す。
【００８８】
より長い（９ｍ）長さのホーリ・ファイバ４８を有する実施形態１の構成を用い、さらに、使用可能な最高のポンプ放射パワーで操作することによって、もっと複雑なスペクトルを有する出力を生成することができる。この出力は、数が増えた多色ソリトンと、広帯域に連続した（時間平均化された）光スペクトルを含んでいる。後者のスペクトルは、パッシブホーリ・ファイバ素子によるスーパーコンティニューム生成実験において実現することができたものに類似している。
【００８９】
図１７は、斯かる出力のスペクトルの例を強度Ｉ対波長λのプロットとして示す。図１７（ａ）は、単色ソリトン動作（最大赤色シフトを有するピークを測定）の条件下で得ることが出来るものに比べて、より大きな１．５８μｍまでの最大波長シフトを有する複雑な多色ソリトンスペクトルを示している。図１７（ｂ）は、１．０３μｍから１．６２μｍまで拡がる波長（１．４μｍにおける低下は、水による吸収によって引き起こされる）を有する広帯域連続スペクトルの典型的な例を示す。この種の広いスペクトルは、スーパーコンティニュームのスペクトル内に組み込まれた「周波数の櫛」のために、スペクトロスコピーならびに計測学における用途、光干渉トモグラフィといった用途を有している。現在、光源のこのモードの動作は、完全には理解されていない。
【００９０】
〔前段増幅〕
光パルスの光源の出力を適した方法で調整して作るために、光源１２により生成されるパルスのエネルギーを増加することが望ましいことがある。例えば、使用される特定の光源からそのまま利用できるパルス・エネルギーを用いることによっては得られないような広帯域出力の生成が必要とされることがある。また、より高いエネルギー・パルスを用いることによって、増幅器に用いられるホーリ・ファイバの長さをより短くすることができる。
【００９１】
従って、本発明のさらなる実施形態は、光源と増幅器との間に置かれた前段増幅器を備えており、この前段増幅器は、ホーリ・ファイバ内に導入される前に超短光パルスを増幅するように動作可能とされている。
【００９２】
図１８は、前段増幅器を有する実施形態の概略図である。ファイバ前段増幅器７１は、光源１２から生成される超短パルス４３を受けるように設けられている。光源がＹｂ３＋添加ファイバレーザとされている場合には、前段増幅器は、１．０６μｍにおける必要な利得を与えるように、自身の利得媒質として、Ｙｂ３＋イオンが添加されたファイバ７２を有している。この前段増幅器７１は、ダイクロイック・ミラー７６を介してパルス４３とともにファイバ７２内に向きを同じくして結合される励起光を生成するための単一モード半導体レーザといったポンプレーザ７４を有している。ファイバカプラのような他の結合構造も可能である。前段増幅器を出ると、増幅された超短パルス４３ａは、上述したようにホーリ・ファイバ内に結合される。
【００９３】
これとは異なり、前段増幅を設けるためにバルク型光増幅器を用いることができる。
【００９４】
〔他の波長〕
本発明は、第一の実施形態によって生成されるような１．０６〜１．３３μｍの間で波長可変なパルスを生成するものに限られない。ＳＳＦＳが発生するのに適した特性を有するファイバをベースにした増幅器と組み合わせれば、超短光パルスのいかなる光源も光源１２として用いることができる。ファイバは、光源によって生成されるパルスの波長において利得を有して、形成すべきソリトンのためのエネルギーレベルに到達するのに必要な増幅が得られるようになっていることが必要である。また、ファイバは、ＳＳＦＳが生じ得るように、パルス波長における異常分散、そしてまた所望の波長シフトの拡がりに亙る異常分散を有していなければならない。前に述べたように、本発明において用いられるようなホーリ・ファイバは、理想的にＳＳＦＳに適している。というのも、ホーリ・ファイバは、事実上いかなる所望の波長領域に亙る異常分散をも与えるよう、調整して作ることができるからである。従って、ホーリ・ファイバは、使用される光源の波長において利得を与えるよう、適したイオンを添加し、適切に調整して作製することができる。例えば、約１．５μｍにおける利得を与えるようにエルビウムイオンが添加されたコアを有し、かつ１．５μｍ〜２μｍまで波長可変とされたソリトンの出力が得られるように、例えば１．４μｍ〜２μｍにおいて異常分散を有するように調整して作製されたホーリ・ファイバとともに、モードロック式のエルビウムドープファイバレーザを光源として用いることができ、こうして約１．５μｍの波長のパルスが生成される。
【００９５】
適した波長における利得を与えるようなホーリ・ファイバ用の他の可能なドーパントには、エルビウム、ネオジム、イッテルビウム、ホルミウム、ツリウム、プラセオジム、ゲルマニウム、アルミニウム、ホウ素、サマリウム、鉛、及び錫が含まれる。光利得を増加ないし拡張することに加えて、ドーパントは、ラマン利得および／または非線形係数を増加させるのに用いることができる。しかも、例えば、アルミニウムは、希土類ドーパントによって与えられる光利得バンド幅を拡張するのに用いることができる。
【００９６】
〔ファイバタイプ〕
既に述べたように、ホーリ・ファイバは、極めて多方面に利用でき、しかも、所望の分散特性を含めて広い範囲の特性を有するように作製することができる。そのため、本発明は、図５に示されるような、標準的なキャピラリ・スタッキング技術によって作製される構造を有するホーリ・ファイバを使用することに限られない。押出加工、ミーリング、きりもみ、あるいは、鋳込みによる形成に基づいた方法といったような他の製造技術を用いても構わない。同じように、広い範囲のファイバ微細構造は、所望の利得、非線形ならびに分散特性が得られるように用いることができる。他のホーリ・ファイバ構造の例は、小形のコア、コアポンプ（core-pumped）ホーリ・ファイバ、及びエアークラッド、クラッドポンプ（cladding-pumped）ファイバを含んでいる。
【００９７】
図１９は、エアークラッド、クラッドポンプホーリ・ファイバの例の横断面の走査電子顕微鏡写真を示す。このファイバは、コア１００、内部クラッド１１２、外部クラッド１１４、及び外部ジャケット１１６を有する。
【００９８】
図２０は、小形コア、コアポンプホーリ・ファイバの例の横断面の要部の走査電子顕微鏡写真を示し、図中コア１１８を見ることができる。
【００９９】
さらに、所望の特性を実現するようにファイバを調整して作製することは、ホーリ・ファイバを用いることに限定されない。同じような特性は、付加的に微細構造化されようとされまいと、ファイバをテーパ加工することによっても得ることができる。こうして、本発明は、これまで述べてきたホーリ・ファイバの代わりにテーパ型ファイバを有するファイバ 増幅器によって実現してもよい。ファイバをテーパ加工することで、コアの断面積が大幅に減らされ、これが分散特性とモード面積に変化をもたらす。
【０１００】
また、シリカ以外の材料から作製されたファイバは、特定の用途に適していることがある。シリカをベースにしたガラス以外のガラスで作られるようなファイバも考えることができる。このような合成ガラスのタイプには、ＳＦ５７、ＳＦ５８、及びＳＦ５９（いずれも Schott Glass Ltd から購入可能）といったような鉛が添加されたガラス、ビスマスが添加されたガラス、カルコゲニド・ガラス、及びハロゲン化物をベースにしたガラスが含まれる。低レーザエネルギー遷移ΔＥを有する、あるいは、可視領域のスペクトル内で動作するアップコンバージョン増幅器のための、ファイバコア内のドーパントを使用することが望ましい場合には、例えば、フッ化物ファイバを用いてもよい。ホーリ・ファイバ構造を作るのに、ポリマーを使用することもできる。
【図面の簡単な説明】
【０１０１】
【図１】本発明の第一の実施形態による光パルスの光源の概略図である。
【図２】図１の光源の一部を形成する光源の概略図である。
【図３ａ】図２の光源により生成されたパルスのスペクトルと自己相関を示す図である。
【図３ｂ】図２の光源により生成されたパルスのスペクトルと自己相関を示す図である。
【図４】図１の光源の一部を形成する光ファイバ増幅器の概略図である。
【図５】図４の増幅器の一部を形成するホーリ・ファイバの横断面の走査電子顕微鏡写真を示す図である。
【図６】交差されたポーラライザと１．２ｍ長さの図５に示すホーリ・ファイバを通過する１５４０ｎｍにおける偏光された広帯域光の透過特性のプロットを示す図である。
【図７】モデル化によって導出された図５のホーリ・ファイバの分散のプロットを示す図である。
【図８】モデル化によって導出された図５のホーリ・ファイバのモード領域のプロットを示す図である。
【図９ａ】図５のホーリ・ファイバ内における、時間的ならびに空間的な領域でのパルスの発達を表す図である。
【図９ｂ】図５のホーリ・ファイバ内における、時間的ならびに空間的な領域でのパルスの発達を表す図である。
【図９ｃ】図５のホーリ・ファイバ内における、時間的ならびに空間的な領域でのパルスの発達を表す図である。
【図１０】図１の光源によって生成され、この光源をチューニングすることによって得られたパルスの複数回測定されたスペクトルを示す図である。
【図１１】図１０のスペクトルの中心波長対これらの波長を生成するために必要な増幅器の励起パワーを示すチューニング曲線を示す図である。
【図１２ａ】図２の光源と図１の光源とによって生成されたパルスの自己相関とスペクトルを示す図である。
【図１２ｂ】図２の光源と図１の光源とによって生成されたパルスの自己相関とスペクトルを示す図である。
【図１２ｃ】図２の光源と図１の光源とによって生成されたパルスの自己相関とスペクトルを示す図である。
【図１３】図１の光源によって生成されたパルスにおける波長対パルス特性のプロットを示す図である。
【図１４ａ】時間的に圧縮された、図１の光源によって生成されたパルスのスペクトルと自己相関を示す図である。
【図１４ｂ】時間的に圧縮された、図１の光源によって生成されたパルスのスペクトルと自己相関を示す図である。
【図１５】本発明のさらなる実施形態に係る光パルスの光源の概略図である。
【図１６ａ】本発明のまたさらに他の実施形態に係る光パルスの光源によって生成されたパルスのスペクトルを示す図である。
【図１６ｂ】本発明のまたさらに他の実施形態に係る光パルスの光源によって生成されたパルスのスペクトルを示す図である。
【図１６ｃ】本発明のまたさらに他の実施形態に係る光パルスの光源によって生成されたパルスのスペクトルを示す図である。
【図１７ａ】本発明のまださらに別の実施形態に係る光パルスの光源によって生成されたパルスのスペクトルを示す図である。
【図１７ｂ】本発明のまださらに別の実施形態に係る光パルスの光源によって生成されたパルスのスペクトルを示す図である。
【図１８】本発明のまださらに別の実施形態に係る光パルスの光源の概略図である。
【図１９】本発明において用いることができるホーリ・ファイバの別の種類の例の横断面の走査電子顕微鏡写真を示す図である。
【図２０】本発明において用いることができるホーリ・ファイバのさらに別の種類の例の横断面の走査電子顕微鏡写真を示す図である。
【符号の説明】
【０１０２】
１０・・・光パルスの光源
１２・・・光源
１４・・・光ファイバ増幅器
１６・・・ポンプレーザ
１８・・・パルス
２０・・・利得媒質ファイバ
２２・・・ファイバカプラ
４３・・・超短光パルス
４８・・・ホーリ・ファイバ
４９・・・ポンプ放射
６２・・・ファイバコア
６３・・・クラッド
６４・・・エアホール
【０００１】
本発明は、ドープされたホーリ・ファイバ（孔のあいたファイバ）を用いた光増幅器内でのソリトン自己周波数シフト効果により、光パルス、それも特に波長可変パルスを生成するための方法、ならびに光パルスの光源に関する。
【背景技術】
【０００２】
波長可変超短（フェムト秒及びピコ秒の時間幅）光パルス光源は、超高速スペクトロスコピー、材料加工、光エレクトロニクス、非線形オプティクスおよび光化学（optical chemistry）など、多岐にわたる分野に用いられている。従来より、フェムト秒（ｆｓ）パルス光源は、バルク結晶材料（最も一般的なものがチタンサファイア）に基づくもので、高速のキャビティ内過飽和吸収体効果を用いるカーレンズモード同期といったような受動モード同期（パッシブモードロック）技術を採用してきた。優れた動作特性が実現されてきたし、商品や応用分野の開拓にも成功してきたが、その一方で、これら従来の光源では、直接利用可能な波長の範囲、特に１．１μｍ以上の連続的な広帯域のチューニング領域の幅が制限される。一般に、このフェムト秒技術を拡張して、より広い波長可変領域ならびにより長い波長を得ようとするには、バルク・フェムト秒レーザ（bulk femtosecond laser）で励起される光パラメトリック発振器（OPO；optical parametric oscillator）、光パラメトリック発生器（OPG；optical parametric generator）、あるいは光パラメトリック増幅器（OPA；optical parametric amplifier）といったようなバルク・パラメトリック非線形素子（bulk parametric nonlinear device）を用いる必要がある。このような素子は、複雑でコストがかかる上に、装置全体の物理的な寸法が大きくなってしまう。しかも、バルク結晶レーザは、高精度のアライメントが必要で、高価で保守整備のかかるガスレーザで励起されることが多い。広帯域波長可変性を得るための別のやり方は、先ず広帯域スーパーコンティニュームスペクトルを発生させて、所望の一波長（もしくは複数波長）において、（パルス化された）放射を分光学的にフィルタで選別するというものである。この技術は、一般にスペクトルスライスと呼ばれている。スーパーコンティニュームスペクトルそのもの（フィルタで選別されていない）にも、測定学や光干渉トモグラフィを含めた多くの用途があり、このような広帯域スペクトルを生成するための便利／実用的な手段が求められている。スーパーコンティニュームビームの空間モードの質は、多くの用途に対して重要な問題であり、一般に、高い質のモード（例えば単一横モード）が全波長に亙って要求される。
【０００３】
超短パルスシステムにより波長可変性を実現する一つの興味深い方法は、ソリトン自己周波数シフト（ＳＳＦＳ；soliton-self-frequency shift）効果を利用することである。光ファイバ内のＳＳＦＳ効果の発見は、１９８５〜１９８６年に報告されたが、これにより、ファイバを使った光源を含めて、様々な光源から幅広く波長可変なフェムト秒ソリトンパルスを得るエキサイティングな可能性が開かれた。適した光ファイバ内に放出されたフェムト秒パルスは、ソリトンとして伝播することになり、一つ一つのソリトンのスペクトル内におけるラマン周波数シフトが次第にパルスの波長を変化させる。この変化の量、すなわち波長可変量は、パルス出力（パルスパワー）、ファイバ材料、及びファイバ長さを含めた因子に左右される。
【０００４】
光ファイバには、ＳＳＦＳ効果を成り立たせるための所定の特性が求められる。ソリトンが成長して伝播することができるためには、十分な大きさの光非線形性が必要である。パルスが体験する非線形性は、パルス中のエネルギーの量に依存するので、ファイバ内でパルスが伝播するには、ソリトンを形成するに足る十分なエネルギーを有することが必要となる。また、自己周波数シフトを得るには、ファイバは、興味のある波長領域にわたって、つまり、最初に放出されるパルスの波長ならびに必要な波長可変領域にわたって異常分散を有していなければならない。
【０００５】
ＳＳＦＳ効果に関する様々な実験結果が報告されてきた。Nishizawa ならびに Goto らは、エルビウム添加ファイバレーザによるフェムト秒パルスを用いて、ＳＳＦＳが標準的な偏光を維持するファイバであることを報告している（特許文献１，非特許文献１）。
１．５６〜１．７８μｍにわたって波長可変なソリトン出力が得られた。エルビウム添加ファイバレーザによるｎＪパルスを用いたさらに他の素子（デバイス）と標準的なシリカファイバ内のＳＳＦＳが、Fermann らによって報告されている（非特許文献２）。Liu らによるこれに代わる構成（非特許文献３）は、チタンサファイア励起ＯＰＯからフェムト秒ｎＪパルスのＳＳＦＳを生じさせるのに、テーパ加工された、微細構造化されたシリカファイバを用いるというものである。興味のある波長領域１．３〜１．６５μｍで平坦なプロファイルを持つ大きな異常分散を得るのに、ファイバをテーパ加工し微細構造化することを使う。いずれの場合にも、波長は、ファイバに放出されるパルスの出力を変えることによって調整される。
【０００６】
しかしながら、ＳＳＦＳ用の従来のシリカファイバを使用すると、１．３μｍ以上の波長に対する異常分散しか得られないという限界がある。このため、利用することが望まれてはいるが、その利用が難しい１〜１．３μｍの範囲の波長での波長可変性を実現するために、ＳＳＦＳを使うことができない。また、利用できる異常分散と非線形性は、関心のある特定の波長可変領域に対して決して最適ではないと考えられる。
【０００７】
さらに、上述したように、ソリトンを伝播させるのに十分なファイバ非線形性を引き出すためには、比較的高いパルス・エネルギーが要求される。従来技術では、通常ｎＪパルスが用いられてきた。この要求のために、ＳＳＦＳ効果を発生させるのに使用できるレーザ光源に制限が加えられている。また、この事が、利用可能な波長調整（チューニング）に対して不利に働く可能性もある。というのも、チューニング（波長調整／変更）は、通常、パルス・エネルギー／パワーを変えることによって行われるからである。
【特許文献１】
欧州特許公開第１１１８９０４号明細書
【非特許文献１】
N. Nishizawa and T. Goto, "Compact system of wavelength-tunable femtosecond soliton pulse generation using optical fibers," IEEE Photonics Technology Letters 11, 325-327 (1999)
【非特許文献２】
M. E. Fermann, A. Galvanauskas, M. L. Stock, K. K. Wong, D. Harter and L. Goldberg, "Ultrawide tunable Er soliton fiber laser amplified in Yb-doped fiber," Optics Letters 24, 1428-1430 (1999)
【非特許文献３】
X. Liu, C. Xu, W. H. Knox, J. K. Chandalia, B. J. Eggleton, S. G. Kosinski and R. S. Windeler, "Soliton self-frequency shift in a short tapered air-silica microstructure fiber," Optics Letters 26, 358-360 (2001)
【非特許文献４】
J. K. Ranka, R. S. Windeler and A. J. Stentz, "Visible continuum generation in air-silica microstructure optical fibers with anomalous dispersion at 800 nm," Optics Letters 25, 25-27 (2000)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、ＳＳＦＳ効果に基づく、より汎用性のある波長可変超短光パルス光源を提供することにより、従来技術の限界に対処しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
これは、一実施形態において、ドープされたコアを有して増幅器として構成されたホーリ・ファイバ（holey fiber）（孔のあいたファイバ）をＳＳＦＳ媒体として用いることによって達成される。所望される事実上どの波長でも異常分散を持つファイバを実現するのに、ホーリ・ファイバの特異な特性、そしてまた、幾分はテーパ型ファイバの特異な特性、を活用することができ、これにより、１〜１．３μｍ及びこれを下回る波長を含めた、従来のファイバでは得られなかった波長領域を利用することができるようになる。また、このようなファイバは、従来のファイバよりも遥かに大きな非線形性を有するように調整して作製することができ、この結果、ソリトン的な動作を実現するのに、より低いパルス・エネルギーを用いることができるようになる。本発明は、ｐＪパルス・エネルギーを使って容易に利用することができる。
【００１０】
増幅器としてファイバを構成すれば、より低いパルス・エネルギーを使うことがさらにやりやすくなる。このように内部増幅を設けることで、低エネルギー・パルスを用いることができる。このとき、低エネルギー・パルスは、ファイバの非線形性を体験するに足る十分なエネルギーを持ち、ソリトンとして伝播し、さらにＳＳＦＳを受けるようになるまで、ファイバ内で増幅される。このように、本発明においては、広範囲のパルス光源が使用に適したものとなり、出力と波長に関して最小限度の制限しか受けない。例えば、簡易なダイオード励起ファイバ発振器からのそのままの比較的低いエネルギー・パルスを波長シフトさせることが可能である。さらに、増幅器を使うことで、パルス光源の出力パワーを変えるという従来技術による方法に代わって、増幅器励起光源のパワーを変えることでＳＳＦＳの調整を行えるようになる。このように、パルス光源を操作することから、波長を調整することを分けてしまうことは、基本的で最も重要なパルス光源を走らせたままにしてシステム出力の波長を変更するための該パルス光源の調整を行う必要が全くないため、実用上有利となり得る。さらに、分散された増幅処理により、従来技術の受動的なＳＳＦＳ素子によってこれまで可能であったものに比べて、より広い周波数領域に亙ってチューニングが行われる。本発明の実施形態により、１．０６μｍの波長を持つパルスから、１．５８μｍと同じ長さの波長のフェムト秒パルスが生成されたが、これは、入力パルスの周波数の３分の１である６９ＴＨｚの周波数シフトに相当する。上記光源の構成は、超広帯域の光スペクトルを持つパルス化された出力を生成するのにも用いることができる。この超広帯域な光スペクトルの生成は、高非線形ファイバ内でのスーパーコンティニューム生成効果に依拠している。
【００１１】
従って、本発明の第一の態様は、
第１の波長における超短光パルスを生成するように動作可能な光源と、
光ファイバ、ならびにポンプ放射／ポンプ光（pump radiation）を光ファイバに供給するように動作可能な励起光源を備えていて、このとき上記光ファイバが、第１の波長における光利得を与えるためのドーパントを含有するコアならびに上記第１の波長と所定の第２の波長を含めた波長領域に亙る異常分散を有し、かつ上記光ファイバが、上記超短光パルスを受け入れて該超短光パルスを増幅し、さらにソリトン自己周波数シフト効果によって該超短光パルスの波長を少なくとも上記第２の波長に変更するように設けられている光ファイバ増幅器と、
を備えている光パルスの光源を対象としている。
【００１２】
光ファイバは、ファイバの長さに沿って延在するエアホールの配列を有している微細構造ファイバとして、もしくはこれに代えて、テーパ型ファイバとして構成することができる。どちらの場合も、所望の波長領域に亙ってＳＳＦＳ効果が使えるようにファイバの分散特性を調整して適合させることができ、この結果、特定の波長を持つパルスを発生させることができるようになる。
【００１３】
一実施形態において、上記ドーパントは、略１μｍの波長において光利得が得られるようにイッテルビウム・イオンを含有している。斯かるファイバの分散特性のために、標準的な光ファイバを用いる受動素子内のＳＳＦＳを使うと、１ミクロン程度の波長を利用することができない。そのため、イッテルビウム・ドーピングによって、適したファイバ分散特性と一緒になってＳＳＦＳを通じてこれらの波長を生成するのに使うことのできる利得が、これらの波長において与えられる。
【００１４】
別構成として、ドーパントは、エルビウム、ネオジム、イッテルビウム、ホルミウム、ツリウム、プラセオジム、ゲルマニウム、アルミニウム、ホウ素、サマリウム、鉛、及び錫の一つもしくは複数のイオンを含有している。これらの他のドーパントは、様々な波長で、利得を与え／高め、次いで波長シフトを引き起こさせる。例えば、アルミニウムは、希土類ドーパントによって与えられる利得バンド幅を増大／拡張する。また、上記ドーパントの幾つかは、光利得を増加させる代わりに、もしくは光利得を増加させることに加えて、非線形係数を改善するのに、および／または、ラマン利得を増加させるのに用いることができる。
【００１５】
上記光源は、光ファイバの形態での光利得媒質を有するレーザを備えていることが好ましい。これにより、ポンプレーザを適切に選択すれば、安定性ならびに頑丈さといった斯かるシステムの良く知られた長所を有する専らファイバを用いた素子（ファイバベースの素子）（fiber-based device）が得られる。
【００１６】
さらに、上記レーザは、イッテルビウムのイオンがドープ（添加）されて略１μｍの波長で超短光パルスを生成するように動作可能な光ファイバを備えた光利得媒質を有することができる。上記波長での利得を得るために、イッテルビウムといったファイバ・ドーパントを適切に選択すれば、上記光源は、従来技術の素子を使うとなかなか得ることが難しいような１．１〜１．３μｍの範囲のパルスを生成することができる。
【００１７】
好ましい実施形態において、光ファイバ増幅器の光ファイバの異常分散の波長領域内における第２の波長を変えるために、光ファイバに供給されるポンプ放射のパワーを変えることができる。これにより、光源を何ら乱す必要もなく、波長可変な出力（tunable output）を作り出すための効果的な方法が与えられる。
【００１８】
一実施形態において、上記超短光パルスは、光ファイバ増幅器の光ファイバに供給される。この光ファイバ増幅器は、上記超短パルスの波長を、上記第２の波長、ならびに光ファイバ増幅器の光ファイバの異常分散の波長領域内における一つもしくは複数のさらに他の波長、に変えるためのソリトン自己周波数シフト効果のために十分なパワーを有している。このやり方で操作することにより、多色化されたソリトン（multicolored soliton）の出力が得られる。
【００１９】
さらなる実施形態において、超短光パルスは、超短パルスの波長を広帯域連続スペクトルに変えるためのソリトン自己周波数シフト効果に十分なパワーを有する光ファイバ増幅器の光ファイバに送られる。この種のスーパーコンティニュームスペクトルには、測定学、分光学、及び光干渉トモグラフィを含めて多くの用途がある。
【００２０】
光パルスの光源は、光プレアンプ（光前段増幅器）をさらに備えていてもよく、この光プレアンプは、超短光パルスを光源から受け取り、光ファイバ増幅器の光ファイバがこの超短光パルスを受け取るよりも前に当該超短光パルスを増幅するよう動作可能とされている。前段増幅は、例えば、広帯域仕様で動作させるため等、必要とあらば超短光パルスのエネルギーを増やすのに用いることができる。このプレアンプ（前段増幅器）は、光ファイバ増幅器もしくはバルク型光増幅器を備える事が出来る。
【００２１】
本発明の第二の態様は、
第１の波長における超短光パルスを発生させ、
この超短光パルスを光ファイバ増幅器内で増幅させ、
光ファイバ増幅器内部におけるソリトン自己周波数シフト効果によって、上記超短光パルスの波長を上記第１の波長から、少なくとも第２の波長へと変化させ、
このとき、上記光ファイバ増幅器に、第１の波長における光利得を与えるためのドーパントを含有するコアならびに上記第１の波長と第２の波長を含めた波長領域に亙る異常分散を有する光ファイバを設ける、
光パルスを生成する方法を対象としている。
【００２２】
この方法は、上記第２の波長を変えるために、光ファイバ増幅器に供給されるポンプ放射の量を変更することをさらに有していてもよい。これは、超短光パルスを発生させることには影響を与えなくても波長可変な出力を得るのに容易な方法である。
【００２３】
所望の分散特性は、光ファイバ増幅器の光ファイバを、ファイバの長さに沿って延在するエアホール配列を有する微細構造ファイバとして、あるいはこれとは異なり、テーパ加工されたファイバとして、構成することによって得ることができる。
【００２４】
超短光パルスは、光ファイバの形態の光利得媒質を有するレーザから発生させることができ、光ファイバは、イッテルビウムのイオンをドープ（添加）することができる。
【００２５】
一実施形態において、上記方法は、超短パルスの波長を上記第２の波長ならびに光ファイバ増幅器の光ファイバの異常分散の波長領域内における一つもしくは複数のさらに他の波長に変えるためのソリトン自己周波数シフト効果に十分なパワーを持つ光ファイバ増幅器へと、超短光パルスを送出することをさらに有している。
【００２６】
また別の実施形態において、上記方法は、超短パルスの波長を広帯域連続スペクトルに変えるためのソリトン自己周波数シフト効果に十分なパワーを持つ光ファイバ増幅器へと、超短光パルスを送出することをさらに有する。
【００２７】
上記方法は、光ファイバ増幅器内で超短光パルスを増幅して該超短光パルスの波長を変える前に、光プレアンプ内で超短光パルスを増幅することをさらに有していてもよい。この前段増幅器（プレアンプ）は、例えば、光ファイバ増幅器もしくはバルク型光増幅器を備えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
本発明のより良い理解のために、そして、本発明がどのように効果を奏することができるようになるかについて示すために、添付の図面を例として参照する。
【００２９】
本発明の実施形態について述べる前に、ソリトン自己周波数シフト（ＳＳＦＳ）効果とホーリ・ファイバに関して手短に論じておく。
【００３０】
〔ソリトン自己周波数シフト〕
ＳＳＦＳ効果は、適した特性の光ファイバ内を超短パルスが伝播する際に発生し、誘導ラマン散乱によって引き起こされる。シリカガラスは、結晶というよりアモルファス材料である。このことは、材料のラマン利得スペクトルが非常に広く、その結果、個々の超短パルスの広いスペクトル中にラマン散乱が生じ得るようになることを意味している。
【００３１】
このパルス内誘導ラマン散乱（intra-pulse stimulated Raman scattering）の効果は、パルススペクトルの高い周波数部分から低い周波数部分へとエネルギーを移行させる。もしパルスがソリトンであれば、このパルスは、上記効果によって不安定になり、最終的には、パルスがピークと台座部分とに分解（ブレークアップ）することになり、そして最も重要なこととして、ラマンソリトンを形成するに至る。このラマンソリトンパルスは、安定した存在であり、ＳＳＦＳ効果のために、増幅器に沿って移動するに従いその中心周波数が連続的にダウンシフトする（より長い波長に移る）。留意すべきことは、ＳＳＦＳ過程は、周波数シフト率がΔτ−４に比例するといったように、強くパルス長さ（時間的長さ）に依存するという点である（ここで、Δτは、パルス長さの半値波高幅（FWHM；full-width half-maximum）である）。ファイバの長さや、あるいはファイバ内に送出される際のパルスのパワーといった幾つかのパラメータを変更することによって、パルスがシフトしていく先の最終的な波長を変える事ができる。こうして、波長可変システムを実現することができる。
【００３２】
ＳＳＦＳ効果を得るには、所定のファイバ特性が必要とされる。ソリトンの形成には、十分な光非線形性が求められる。また、ファイバは、ファイバ内に放たれたパルスの初期波長を含みかつ周波数シフトさせたい最大波長にまで広がる波長領域に亙って異常分散を有していなければならない。従って、波長可変システムにおいて、上記波長領域は、所望のチューニング領域を含むことになる。
【００３３】
〔ホーリ・ファイバ〕
ホーリ（孔の空いた）ファイバ、言い換えれば微細構造ファイバは、実用上極めて重要である。これは、クラッド領域を画定するようにファイバの全長に沿って延在するエアホールを内部に設けることで、ファイバのパラメータの範囲を従来のファイバに比べて増やすことができるためである。特に、空気とガラスの間の屈折率差が大きいことによって、分散ならびに非線形の特性が他に例をみない範囲になる。一例として、ホーリ・ファイバの分散は、ホール（空孔）の配置にとりわけ敏感であることが判明しており、可視波長までの異常分散（非特許文献４）、広帯域の平坦化された分散、ないし大きな正常分散を含めて、広い範囲の分散特性が実証されている。従って、ホーリ・ファイバは、所望の波長領域における異常分散が得られるように調整して作製することができ、こうして、本発明のＳＳＦＳ素子に使用するのに適したものになる。また、ホーリ・ファイバ内の実効モード面積（effective mode area）は、横断面の屈折率分布のスケールを変更することによって、３桁まで調整して設定することができる。これにより、広く多様な用途の要求に合わせて、光非線形性が高くても低くてもどちらでも可能なファイバの可能性が開かれる。本発明においては、このため、ソリトンの形成に求められる大きな非線形性を容易に達成することができる。
【００３４】
言わば１．３μｍを下回る波長で異常分散を有するようにシリカから作製されたホーリ・ファイバは、コアが小さくなければならず（通常、直径２．５μｍ未満）、しかも、クラッド内で空気が満たす割合（air fill fraction）が大きくなければならない。このことは、分散に対する強い（異常な）導波寄与に帰結して、このため、これらの波長における（正常な）シリカの材料分散が補償されるようになる。コアが小さいということは、必然的にファイバが極端に高い実効非線型性（effective nonlinearlity）を有するということになり、これは、本発明において求められているようなソリトン形成には理想的である。ＳＳＦＳ素子にこの種の高非線型性ホーリ・ファイバを用いれば、ｐＪのパルスエネルギー（通常〜２００Ｗピークパワー）およびメートル長のファイバ長さが、ソリトンを形成するのに必要な全てである。斯かる出力高さとファイバ長さは、従来のファイバの種類を用いた先行技術の素子の場合に必要とされるものに比べて、少なくとも一桁小さい。
【００３５】
〔第一の実施形態〕
本発明の第一の実施形態は、ホーリ・ファイバ内のＳＳＦＳ技術を用いた、波長領域１．０６〜１．３３μｍに亙って動作可能な光ソリトンパルスの連続波長可変光源である。この光源は、Ｙｂ３＋が添加されたファイバベースのモードロックレーザ発振器からの１．０６μｍにおけるパルスがシード光として入れられる（シードされる）、イッテルビウム（Ｙｂ３＋）添加ホーリ・ファイバ増幅器を備えている。この１．０〜１．３μｍの波長領域は、実用上重要で、例えば、１．２４μｍ光源は、多くの３−フォトン・マイクロスコピーの用途に最適である。しかしながら、この波長領域における超高速パルスは、上述したようなもの以外に、研究段階のＯＰＯ（research-grade OPO）による、従来の方法によって得る事が難しい。
【００３６】
図１は、第一の実施形態の概略図を示す。光パルスの光源１０は、光源１２と、光ファイバ増幅器１４とを備えている。光源１２は、超短光（シード）パルスを発生させるように動作可能なＹｂ３＋添加ファイバレーザを備えており、光ファイバ増幅器１４は、Ｙｂ３＋添加ホーリ・ファイバ増幅器を備えている。光源１２は、正の線形チャープを持つ波長１．０６μｍにおける超短パルスを生成するように動作可能なモードロックレーザである。パルスは、増幅器１４の利得を制御するダイオードレーザ形態のポンプレーザ１６からの、分離されたポンプ放射ビームとともに、異常分散を持つＹｂ３＋添加ホーリ・ファイバ増幅器１４内に送出される。パルスが増幅器１４を通過する際に増幅ならびに非線形パルス成長する結果として、ラマンソリトンが形成し、ＳＳＦＳ効果によって連続的に波長がシフトされる。パルスの非線形成長は、パルスピークパワーに強く依存するので、増幅器１４の出力側におけるラマンソリトン形態のパルス１８の波長は、増幅器の利得を変えることで調整され変更される。この増幅器の利得は、ポンプレーザ１６からのポンプ放射のパワーを変えることで制御される。このようにして、単一波長（単色／モノカラー）ソリトン出力パルス１８は、１．０６〜１．３３μｍの範囲で波長を調整することができる。
【００３７】
図２は、光源１２をより詳しく示す概略図である。光源１２は、利得媒質として、１．０６μｍでレーザ発振するようにＹｂ３＋イオンが添加された光ファイバ２０を有するファイバレーザである。利得媒質ファイバ２０は、ファイバカプラ２２に継ぎ合されている。このカプラを通して、９７５ｎｍの励起光が利得媒質ファイバ２０内に結合される。励起光は、レーザ（不図示）によって生成される。
【００３８】
利得媒質ファイバは、ファブリ・ぺロー形のレーザキャビティ内に配置され、一端が高反射鏡２８によって、さらに、他端が半導体過飽和吸収ミラー（SESAM； semiconductor saturable absorber mirror）２６によって境界が定められている。様々な収束光学系２４、半波長板３８、及び１／４波長板４０が高反射鏡２８に隣接したバルク回折格子対３０とともにキャビティ内に配置されている。
【００３９】
光源１２の超短パルス動作は、ストレッチパルスモードロック（stretched pulse modelocking）を用いることにより実現される。このとき、高速過飽和吸収体として、利得媒質ファイバ２０内における非線形偏光回転を使用する。ＳＥＳＡＭ２６は、信頼性の高いセルフスタート・モードロックを補助する。
【００４０】
上記キャビティは、光源１２からの出力を供給するため、一対の偏光ビームスプリッタ（PBS；polarizing beam splitter）４２をさらに備えている。出力の形は、キャビティ内におけるＰＢＳの位置と向きとに依存する。高反射鏡２８に最隣接するＰＢＳ４２ａは、正のチャープを持つ超短光パルスの出力を供給し、その一方で、利得媒質ファイバ２０に最隣接するＰＢＳ４２ｂは、負のチャープを持つパルスを供給する。
【００４１】
図３（ａ）及び図３（ｂ）は、測定された光源１２からの典型的なパルスの特性を示す。
【００４２】
図３（ａ）は、ＰＢＳ４２ａを通してキャビティを後にする正にチャープしたパルス４３の第２高調自己相関トレース（遅延時間ｔに対する強度Ｉ）である。キャビティを離れる際、パルスは、２．４ｐｓ（トレース４４）の時間幅を有しているが、外部キャビティ回折格子対を用いて１０８ｆｓに圧縮することができる（トレース４６）。
【００４３】
図３（ｂ）は、正にチャープしたパルスのスペクトルのプロットであり（波長λに対するパワーＰ）、１．０６μｍのピークと１８．６ｎｍのバンド幅を示している。測定装置の広いダイナミックレンジに亙る滑らかなスペクトルが、非線形の分光学的歪みの観測を助けていることに留意されたい。
【００４４】
光源の平均出力パワーは、パルス繰り返し周波数５４ＭＨｚで３ｍＷであり、パルス・エネルギーが６０ｐＪであることを示している。レーザ出力は、安定しており、振幅のノイズは、０．０５％であることが観測されている。従って、上記レーザは、振幅ノイズに極めて敏感なラマンソリトンＳＳＦＳ素子のための非常に興味深い実用的なシードを代表するものである。
【００４５】
図４は、光ファイバ増幅器１４をより詳細に示す概略図である。増幅器１４は、ホーリ・ファイバ４８と、ポンプレーザ１６とを備えている。ポンプレーザは、ここでは、波長９６６ｎｍにおけるポンプ放射４９を生成するように動作可能な、最大パワー２５０ｍＷのダイオードベースのマスターオシレートパワー増幅器（MOPA；master oscillator power amplifier）とされている。上記ポンプ放射４９は、コリメーティングレンズ５０によりコリメートされ、半波長板５２を通される。半波長板５２は、ホーリ・ファイバ４８の主軸に、ポンプ放射４９の偏光を合わせるように用いることができるが、とはいえ、増幅器１４の動作は、ポンプ放射の偏光にはさほど敏感ではない。このセットアップでＭＯＰＡベースのポンプレーザを選ぶことは、少々珍しく、この装置が本発明者にとって容易に入手可能であることに由来するものである。このＭＯＰＡは、９１０ｎｍ〜９８５ｎｍの範囲かなにか、あるいは実際には、増幅器内に含有された希土類ドーパントのための他のあらゆる適した励起波長で動作する一般の単一モード半導体レーザダイオードで単に置き換えても構わない。このポンプレーザは、適した励起波長で動作するブロードストライプ（マルチモード）レーザダイオード、あるいはダイオード励起固体レーザとすることもできる。
【００４６】
ダイクロイック・ミラー５４が、ホーリ・ファイバ４８に光をカップリングするために設けられている。ポンプ放射４９は、ダイクロイック・ミラー５４を介して伝送され、レンズ５６によってホーリ・ファイバ４８内に集束される。
【００４７】
同じように、光源１２によって生成された正にチャープした超短光パルス４３のビームは、コリメーティングレンズ５８によってコリメートされ、半波長板６０を通される。半波長板６０は、ホーリ・ファイバの主軸に、パルス４３のビームの偏光を合わせるために用いることができる。このビームは、ダイクロイック・ミラー５４で反射され、ポンプ放射４９を集束させるのに用いられたのと同じレンズ５６によってホーリ・ファイバ内に集束される。このように、本実施形態において、増幅器１４は、正にチャープしたパルスによって、方向を同じくして励起される。しかしながら、本発明は、この配置に限定されるものではなく、例えば、増幅器１４の順方向励起（forward pumping）、および／または、チャープの無い（transform-limited）あるいは負にチャープしたパルスを用いる他の構成が可能である。
【００４８】
ダイクロイック・ミラー５４のカップリング（結合）の配置構成とレンズ５６とにより、超短パルス４３及びポンプ放射４９のどちらに対しても、ホーリ・ファイバへの略２０％のカップリング効率が得られる。こうして、ホーリ・ファイバ４８が受け取る超短パルス４３の最大エネルギーは１０ｐＪであり、ホーリ・ファイバ内へと向けられるポンプ放射は、５０ｍＷに達する。ポンプ放射を光ファイバのコアの内部へとカップリングする、例えば、溶解されたテーパ加工されたカプラ（fused tapered coupler）、フィルターベースカプラ（filter based coupler）、サイドカップリング・ファイバ・カプラ（side-coupling fiber coupler）、あるいは、格子により援助されたカプラ（grating assisted coupler）を用いた他の手段を考えることもできることに留意されたい。異常分散を持つファイバ増幅器として、クラッド励起ホーリ・ファイバ（cladding pumped holey fiber）を用い、さらに、活性ドーパントによりファイバコア内で吸収されるポンプ放射をファイバのクラッド領域内へと送出するためのブロードストライプダイオードを用いることも考えることができる。
【００４９】
ホーリ・ファイバ４８は、該ホーリ・ファイバ４８が受け取る１．０６μｍといった超短パルスの波長において光利得を与えるよう、Ｙｂ３＋イオンが添加されたコアを有している。このため、ホーリ・ファイバ４８は、超短パルス４３の増幅に適している。第一の実施形態において、このホーリ・ファイバは、普通、１．７ｍから９ｍの間の長さを有しているが、他の長さも本実施形態ならびに他の実施形態において用いることができる。こうして、光パルスの光源の全体的な性能が高められるとともに、波長といった所望の特性を有するパルスが供給されるようになる。
【００５０】
図５は、ホーリ・ファイバの横断面の走査電子顕微鏡写真（SEM；scanning electron micrograph）を示す。Ｙｂ３＋イオンが添加されたシリカを有してなるファイバコア６２は、ファイバ４８の長さに沿って延在するエアホール６４を有するシリカクラッド領域６３に囲まれている。
【００５１】
ホーリ・クラッド領域６３（孔の空いたクラッド領域）は、ホーリ・ファイバを作るための標準的なキャピラリ・スタッキング（capillary stacking）技術を用いて作製されている。Ｙｂ３＋添加固体シリカロッドがコア６２を形成するのに使われている。コア６２は、直径略２μｍとされ、周りのクラッド６３は、主として空気から構成されている。これらの因子が組み合わさって、ファイバコア６３に導かれるモードが密に閉じ込められるようになる。このため、ホーリ・ファイバ４８は、極めて高い実効非線形性係数γ＝ｎ２／Ａeffを有している。ここで、ｎ２は固有材料非線形性（ intrinsic material nonlinearity ）であり、Ａeffは実効モード面積である。この高い非線形性により、ＳＳＦＳに用いられるファイバ長さを短くすることができる。ホーリ・ファイバ４８は、ポンプ放射波長９６６ｎｍを含め、本第一の実施形態において今考慮されている全ての波長に対して厳密に単一モードであることが観測されている。
【００５２】
Ｙｂ３＋イオンは、コア６３を形成するために用いられるロッドを作製するのに使われる、エッチング処理されていないＹｂ３＋添加ファイバプリフォームから引き伸ばされたファイバの白色光測定から評価されているように、コア６３の中心１．７μｍにわたって２０００〜３０００ｐｐｍの濃度まで注入されている。
【００５３】
第一の実施形態に記載されているドーピングされたホーリ・ファイバ４８の分散特性及びモードフィールド径を予め知るために、数値的な手法を用いた。このアプローチは、ハイブリッド・モード法である。この方法では、導波モードが局所化されたエルミート・ガウス関数により、また、複素横方向屈折率の構造がフーリエ分解を用いて表される。ホーリ・ファイバ４８の特性を前もって知る目的のために、図５に示されるようなＳＥＭ写真を、数値モデルに使う屈折率分布を決めるのに用いた。このようにして、構造内のいかなる歪みの不規則性（それがなければ完全に周期的となる）の影響も、最終的に得られる予想結果に反映させる事ができる。空気で満たされた部分が大きいことから、正確な予測をするために完全なベクターモデルを用いる必要があり、偶数項ならびに奇数項のいずれもモード展開に用い、これにより、ファイバ断面形状のいかなる非対称性も正確にモデル化することが確実に可能となるようにした。シリカの材料分散は、これらの計算の中にあらわに組み込まれている。
【００５４】
コア非対称性、大きな屈折率コントラスト、及び小スケールの構造を組み合わせた結果として、ホーリ・ファイバ４８は、極端に複屈折性を有している（強く偏光を保持する）。この大きな複屈折性が、パルス４３のビームの偏光をホーリ・ファイバ４８の主軸に一致させるのに用いられる半波長板６０が何故必要とされるのかという理由である。
【００５５】
図６は、交差させたポーラライザと１．２ｍの長さのホーリ・ファイバとを通過した後の１５４０ｎｍにおける偏光した広帯域光の透過特性（パワーＰ対波長λ）をプロットしたものを示す。透過率のスペクトルの周期の測定から、１．５４μｍで複屈折ビート（うなり）長が０．３ｍｍであると推定される。これは、上述のモデルを用いて導き出された０．２７ｍｍの予言値と良く合っている。
知りうる限り、これは、これまで光ファイバで得られた最も短いビート長の一つである。
【００５６】
図７及び図８は、モデルから得られた幾つかの結果を示す。ファイバ非対称性の効果を実際に示すために、両方の偏光軸に関する結果が示されている（実線および破線）。
【００５７】
図７は、分散Ｄが波長λの関数として変化する様子をプロットしたものを示す。２つの偏光軸の分散特性は、際立って異なっている。これは、分散がファイバクラッド６３内のホール６４の配置に敏感であることを示している。別々の偏光軸に対するゼロ分散波長（これより上では分散が異常〔正〕）は、それぞれ７７０ｎｍ及び８３０ｎｍであり、波長１．０６μｍでは、上記２軸における分散は、約３５ｐｓ／（ｎｍ．ｋｍ）だけ異なっている。
【００５８】
図８は、モード面積Ａeffが波長λの関数として変化する様子をプロットしたものを示す。モード面積Ａeffは、別々の偏光軸でそれほど変わらない。これは、分散に比べて、Ａeffがホールの配置にさほど敏感ではないことを示す。Ａeffは、波長１．５５μｍで約２．５μｍ２である。これは、標準的な単一モードファイバ（例えばCorning SMF28）の場合よりも、略３０倍小さい。また、Ａeffは、波長が増加するにつれて増えるが、これは、より短い波長では、モードがより密（tight）にファイバコアに閉じ込められることを示している。ファイバの非線形特性を示すものとして、１．０６μｍにおいてファイバ内を伝播する２００ｆｓ（FWHM）パルスの場合、基本的なソリトンパワー及びソリトン周期は、それぞれ約５０Ｗと６０ｃｍである。前に述べたように、これらの値は、標準的なファイバ内のＳＳＦＳ（波長約１．５μｍ）に関する従来技術で報告されている対比可能な値に比べて充分低い。
【００５９】
とりわけ１．０〜１．３μｍの波長領域における比較的平坦な分散曲線によって（ファイバの高い実効非線形性と組み合わされて）、ＳＳＦＳ効果による良好な波長チューニングが容易になる。
【００６０】
ＳＳＦＳ効果による光パルスの光源１０の動作は以下のようになる：
【００６１】
超短光パルス４３が光源１２によって生成され、ポンプレーザ１６によって生成されたポンプ放射４９と一緒に、増幅器１４のホーリ・ファイバ４８内に結合される。第１の波長として考えることができるパルス波長は、この場合１．０６μｍである。
【００６２】
増幅器１４に入るパルス４３は、正の線形チャープと、ソリトン形成に必要とされるものよりかなり低いピークパワーとを有している。パルス４３は、２．４ｐｓの時間幅、５Ｗのピークパワー、及び０．１５ｐｓ／ｎｍのチャープを有し、回折格子対を用いて１１０ｆｓに圧縮することができる。
【００６３】
図９は、パルス４３の、ホーリ・ファイバ４８に沿って伝播する際の時間発展を示すための形象化した図である。図９（ａ）は、パルスが時間領域でどのように変化するかを示すために、パルスパワーＰ（パルス出力）の時間発展を伝播距離ｄを用いて示している。
図９（ｂ）は、この時間発展を、伝播距離ｄによるパルス波長λのプロットとしてスペクトル領域で示している。上側の曲線は、周波数シフトしたソリトンを表し、その一方で、下側の曲線は、第１の波長に残っている残存パワーを表している。図９（ｃ）は、ソリトン形成と周波数シフトの効果を示すために、ファイバに沿った地点で測定された一連の概略的なスペクトルを示す（波長λに対するスペクトル強度Ｉ）。
【００６４】
図９（ａ）から分かるように、時間領域では、パルス時間幅は、増幅器１４の最初の数１０ｃｍにわたる線形パルス圧縮により、初めのうち減少する。これは、ホーリ・ファイバ４８が、パルス４３の最初の正のチャープを補償する異常分散（１００ｐｓ／（ｎｍ．ｋｍ））を有しているためである。この段階では、初期の滑らかなスペクトルの非線形歪みはない。次に、パルスが次第に増幅され、圧縮されるにつれて、ピークパワーは急速に増加して、非線形相互作用ならびに基本ソリトン、そして（場合によっては）続いてより高次のソリトンを形成するための閾値をすぐに超える。より高次のソリトンパルスの時間発展は、パルスがソリトン圧縮を受ける時間領域の中にはっきり現れており、それで、ピークパワーをさらに増加させ、非線形パルスの時間発展を加速している。
【００６５】
パルス内誘導ラマン散乱の効果により、エネルギーが、パルススペクトルの高周波数部分から低周波数部分へと移り始める。このために、パルスが不安定になり、最終的に、パルスがピークと台座部分とに分裂する結果になり、さらに重要なことには、ラマンソリトンの形成に至る。このラマンソリトンパルスは、安定な存在であり、増幅器１４に沿って移動する際に、ＳＳＦＳ効果により連続的に自身の中心周波数をダウンシフトさせる（より長い波長に移る）。
【００６６】
増幅器出力側でのソリトンの最終的な波長は、増幅器利得の設定、つまり、利得分布、励起パワー、及び増幅器長さに影響されやすい。Ｙｂ３＋添加増幅器の利得ウィンド（gain window）は、略１．０３〜１．１２μｍに広がっており、このため、波長シフトしたソリトンは、増幅器利得が飽和するか、あるいは、パルス波長が利得ウィンドを超えて赤にシフトするまで形成後もさらにゲインを受ける。一旦ＳＳＦＳがパルスの波長を増幅器利得スペクトルの上限である１．１２μｍを超えてシフトさせたら、ソリトンはもはや増幅されないし、また、Ｙｂ３＋ドーピングによる吸収も被らず、さらに、受動的なホーリ・ファイバの中にいるかのように伝播する。とは言え、Ｙｂ３＋添加コアは、ラマンソリトンが生成された後に残された、非ストークスシフトした、最初のパルスの台座の部分にのみ作用し続けることになる。長さ過剰の増幅器を用いることで、過剰な（励起されない）長さが、シード光波長における残りの未シフトの放射に対する吸収体として作用し、その一方で、ＳＳＦＳの赤色シフトした成分は、Ｙｂ３＋吸収帯の外にあり、最小限の吸収で通過していく。これにより、スペクトル的にフィルタをかけられた（分光学的に選別された）、第２の波長に波長シフトしたラマンソリトン１８が増幅器出力側に残される。
【００６７】
後でより詳細に論じられる所定の条件下では、ソリトンは、図９の右手側方に表されているような、様々な波長の幾つかのばらばらのパルスに分裂することもある。
【００６８】
ラマンソリトンの最大波長シフトは、用いられるファイバの長さとともにどんどん増加し、それで、シリカファイバ内では、最大実現可能な波長は、基本的には、大体２．３μｍあたりにあるシリカの吸収により決まる限を有している。実際には、注目している波長領域にわたるファイバ分散の変化といった他の要因も最大波長を制限する可能性がある。従って、ホーリ・ファイバは、注目している少なくとも全ての波長領域、つまり、光源（第１の波長）によって生成された超短パルスの波長から、当該ファイバによってパルスをシフトさせたい最大波長（第２の波長）にわたって異常分散を有するように選択される。
【００６９】
上で述べて来たことは純粋に定性的なものであるが、留意すべきなのは、ファイバ増幅器内のラマンソリトンの形成を数値的に記述するための詳しいモデルが適用されたという点である。例えば、ローレンツ型線形状（Lorentzian line shape）の利得媒質を記述するための項を取り入れて、増幅器の長さに沿って利得飽和の効果を考慮した変更された非線形シュレーディンガー方程式に基づくアプローチを用いることができる。このモデルは、光学的に励振される分子振動モデルを用いて誘導ラマン散乱を取り扱う。他の可能なシュミレーションは、増幅器の帯域の逆数に近似的に等しい幅を有するパルスの伝播を考慮し、システムの正確で定量的な解析が必要なら、マクスウェル・ブロッホ方程式が必要であることを示唆する。このような理論的なアプローチは、増幅器長の関数として適切な利得スペクトルを含めることで、本発明をモデル化するために用いることができるであろう。もっとも、この点は、書いている時点では、まだなされていない。
【００７０】
〔結果〕
増幅器１４において４．７ｍの長さのホーリ・ファイバ４８を用いると、パルス化された出力（アウトプット）を得ることができる。この出力の以下の測定は、典型的な幾つかの例を代表するものである。
【００７１】
図１０は、増幅器１４から出てくるパルス１８の一連の重ね合わされたスペクトル（強度Ｉ対波長λ）を示す。連続したスペクトルのピーク（波長において増加している）は、ホーリ・ファイバ４８に供給されるポンプ放射４９のパワーが増やされる際の出力波長のチューニングを示している。図１０から分かるように、単独でスペクトル的にはっきりしている２０ｎｍ帯域幅のラマンソリトンが増幅器出力側で生成されている。これは、ポンプ放射パワーが、測定可能なはっきりしたＳＳＦＳ効果を得るために求められる最小閾値パワーを超えた場合（この場合、５０ｍＷを上回る入射ポンプ放射パワーとされている）に起きる。ポンプ放射パワーが増やされると、パルスの最終的な波長は、次第に増加する。元の第１の波長約１．０６μｍにおける余った放射は、いずれの場合でもそのまま残っている。
【００７２】
図１１は、入射ポンプ放射パワーＰに対する最終波長λの依存性をプロットしたものを示す。パルスの最終中心波長は、入射ポンプ放射パワーの大きさとともに殆ど直線的に変化していることが分かる。
【００７３】
励起パワーに伴うソリトン波長の増加は、より強い励起パワーでは、その結果生じる利得分布の変化によって、ラマンソリトンがホーリ・ファイバ内でより早く形成することになり、そのため、ソリトンがより長いファイバの長さに置かれて、この長さの中で、ソリトンがＳＳＦＳによってより長い波長にウォークオフ（walk-off）することになるという事実に起因している。励起パワーが増やされることに伴う図１０に見られるピークスペクトル強度のロールオフ（roll-off）は、この説明に合っている。というのも、パルスが増幅器利得バンド幅の外に早くシフトすればするほど、パルスが受ける全体の増幅がそれだけ小さくなり、赤色シフトが大きくなるからである。
【００７４】
図１２及び図１３は、様々な出力波長のパルスにおけるパルス自己相関測定を示す。この測定は、パルス特性が可変領域に渡っていかに変化するかを示している。
【００７５】
図１２（ａ）は、第１の波長における光源からのパルスと、１２４０ｎｍの第２の波長における増幅器からのパルス出力のスペクトル（強度Ｉ対波長λのプロットとして）を示す。図１２（ｂ）は、１．０６μｍパルスの自己相関（ＳＨＧ強度Ｉ対遅延時間ｔ）を示し、図１２（ｃ）は、１２４０ｎｍパルスの自己相関（ＳＨＧ強度Ｉ対遅延時間ｔ）を示す。これにより、シフトしたパルスの典型的なパルス特性が表されている。１２４０ｎｍでのパルス時間幅は、この例では１５０ｆｓであり、時間帯域幅積は、０．４８である。
【００７６】
図１３は、第２の波長λによるパルス時間幅Δτと時間帯域幅積ΔτΔνの変化を示す。これらの測定は、第２の波長が調整される際に、パルス時間幅が１８０ｆｓＦＷＨＭで略一定のままであり、さらに、時間帯域幅積によって規定されるパルス特性が全チューニング領域に渡って高いままであることを示している。
【００７７】
ポンプ放射パワーの関数として、光源１４からの超短パルスの時間的な圧縮（多重ソリトン効果による）を実現するのに、第一の実施形態の構成を用いることもできる。入力パルスのチャープならびに増幅器ホーリ・ファイバの長さの両方を変えることによって、パルス圧縮のための最適条件を探すことが出来る。入力パルスのチャープは、光源からの負にチャープしたパルスを引き出し、標準的なファイバの長さを通して伝播させることで、これらのパルスをわずかに正のチャープを有するように変換することによって最適化される。所望の時間幅のパルス、そしてそれゆえチャープを得るために、カットバック測定を行うことができる。同じようにして、増幅器ホーリ・ファイバ長さは、増幅器ホーリ・ファイバにおける一連のカットバック測定で出力パルスの時間幅を測定することにより、増幅器出力側での最小パルス時間幅に関して最適化される。２．８ｍ長のホーリ・ファイバ増幅器内に最適にチャープしたパルス（約０．０２ｐｓ／ｎｍ）を送出することで、６７ｆｓＦＷＨＭまで圧縮されたパルスを得ることができる。この動作モードでのソリトン形成過程は、上述したものに大雑把に似ていることが予想されるが、入力パルスのチャープがもっと小さいので、より短い長さの増幅器ホーリ・ファイバの中でより急速にチャープが補償される（ホーリ・ファイバの異常分散による）。時間的に圧縮された状態を超えて発展する前にパルスが増幅器を出てしまうので、多重ソリトンへの分裂は防止される。
【００７８】
図１４は、圧縮されたパルスに関してなされた測定を示す。図１４（ａ）は、パルスの自己相関（遅延時間ｔに対するＳＨＧ強度Ｉ）を示し、６７ｆｓパルス幅を表している。この結果は、光源からの直接の超短パルスの線形分散補償（回折格子対による）を使って得られる最小パルス時間幅１１０ｆｓに匹敵するものである。
【００７９】
図１４（ｂ）は、圧縮されたパルスのスペクトルを、比較のために破線で示された元の未圧縮のパルスとともに示している（パワーＰ対波長λ）。
【００８０】
〔さらに他の実施形態〕
〔逆方向型励起増幅の配置構成〕
増幅器１４が逆方向式に励起されるように、第一の実施形態の構成要素を再構築することで波長可変ソリトンパルスの出力を得ることができる。別の言い方をすれば、ポンプ放射４９は、光源からのパルスが向けられるのとは反対側の端部からホーリ・ファイバ４８内に指向される。
【００８１】
図１５は、このような逆方向式の励起の構成の概略図を示す。光源１２の出力ビームは、前と同様、コリメートされ、第１の端部６８を通ってホーリ・ファイバ４８に入る前に、半波長板を通される。ポンプレーザ１６からのポンプ放射４９もまたコリメートされ、前と同様半波長板を通され、さらに、ダイクロイック・ミラー６６を用いてホーリ・ファイバ４８の第２の端部７０に向けられる。
こうして、ポンプ放射４９ならびにパルス４３は、ホーリ・ファイバ４８内を対向しながら伝播する。第２の波長といった増幅器の最終出力は、第２の端部７０を通ってホーリ・ファイバ４８を後にし、ダイクロイック・ミラー６６を通って伝達される。
【００８２】
この構成の動作の一例として、モードロックレーザ１２からの直接の線形にチャープした２．４ｐｓのパルス４３を用い、さらにこのパルスを１．７ｍ長のホーリ・ファイバ４８内に送出すると、図１０及び図１１に示されるのと同様のＳＳＦＳチューニングを得ることができる。しかしながら、最大波長シフトは、たかだか１．１２μｍにすぎない。従って、順方向に励起する第一の実施形態の構成の場合に得られるものに比べると、波長チューニング範囲（波長可変領域）はより狭くなる。波長チューニング範囲が減るのは理解できる。というのも、この逆方向式に励起する構成では、増幅器１４の前方のいかなるＹｂ３＋添加ホーリ・ファイバ４８の無濾過の長さもパルス４３を吸収するので、ホーリ・ファイバ４８内でなかなか早くソリトンが形成しないからである。従って、ＳＳＦＳによる波長シフトで得られるファイバの実行長さは、順方向型の励起の構成に比べて低減される。
【００８３】
実際、第一の実施形態で述べられた様々な構成を用いると、増幅器１４内の略４ｍ長のホーリ・ファイバ４８を順方向に励起することが、単色の波長可変ソリトンを生成するための最適の構成であることが分かっている。
【００８４】
留意すべきことは、増幅器内での波長シフトとパルス分裂とを問題にすることとあいまって、本明細書で述べられた小形のコアファイバを使って作業するという実用上の難しさのために、所定の励起パワーと増幅器の構成において所定のパルスが受ける正確な利得を定量化することは現実的ではないという点である。しかしながら、ここで提示された結果に関してさらに、光パルスの光源による最大総合シングルパス利得が、略１７ｄＢより大きいのが普通であると言う事ができる。この評価は、４％フィードバックを与えるであろうホーリ・ファイバ入力側における平坦な碧開された面、及びホーリ・ファイバの出力端における碧開された角度（フィードバックを１％未満に減少させる）を有する増幅器の構成（送出されるパルスを最大化するため）を考慮している。どの増幅器の構成においても、光源からの（Ｙｂ３＋バンド幅内の或る波長における）レーザ動作が十分得られるように、ポンプ放射パワーを増加させることができる。上述したような端部反射の場合、これは少なくとも１７ｄＢの利得となる。ホーリ・ファイバのための終端技術が改善されるにつれて、さらに端部反射を抑える改良が期待される。
【００８５】
〔多重波長出力と広帯域連続スペクトルの生成〕
光パルス・エネルギー、増幅器長さ、及びポンプ放射パワーを変えることによって、パルスが増幅器出力側において多色化されたソリトンに分裂するというもっと複雑なパルス発展の状況を入れることができる。第一の実施形態の構成を用いれば、６個もの別々の多色化されたパルスを持つパルスバーストを形成することができ、場合によっては１．５８μｍに達する波長が観測される。ここで、光パルス（ないし前に形成されたラマンソリトン）が幾つかのラマンソリトンに分裂し、このラマンそりトンのそれぞれが、形成地点で幾分異なる特性を有するようになり、さらに伝播することで別々に発達するようになる。多色化されたソリトンのバーストが、こうして、増幅器の終端側で観測される。
【００８６】
第一の実施形態の構成を用いれば、放たれるパルス・エネルギーを（上述の単色ソリトン動作のための約９ｐＪに比べて）約１２ｐＪまで増加するために光源１２の出力パワーが最大化される場合、多色パルス（波長及び時間において分離状態とされている）の生成が観測される。ポンプ放射パワーが増やされると、パルスは数が増える。
【００８７】
図１６は、上記多色パルスのスペクトル（強度Ｉ対波長λ）の例を３つ示す。ポンプ放射パワーは、図１６（ａ）から図１６（ｃ）まで増加される。これらの図は、単色動作のために光源のチューニングによってカバーされる波長領域に亙って波長を変える際のパルスの数の増加を示す。
【００８８】
より長い（９ｍ）長さのホーリ・ファイバ４８を有する実施形態１の構成を用い、さらに、使用可能な最高のポンプ放射パワーで操作することによって、もっと複雑なスペクトルを有する出力を生成することができる。この出力は、数が増えた多色ソリトンと、広帯域に連続した（時間平均化された）光スペクトルを含んでいる。後者のスペクトルは、パッシブホーリ・ファイバ素子によるスーパーコンティニューム生成実験において実現することができたものに類似している。
【００８９】
図１７は、斯かる出力のスペクトルの例を強度Ｉ対波長λのプロットとして示す。図１７（ａ）は、単色ソリトン動作（最大赤色シフトを有するピークを測定）の条件下で得ることが出来るものに比べて、より大きな１．５８μｍまでの最大波長シフトを有する複雑な多色ソリトンスペクトルを示している。図１７（ｂ）は、１．０３μｍから１．６２μｍまで拡がる波長（１．４μｍにおける低下は、水による吸収によって引き起こされる）を有する広帯域連続スペクトルの典型的な例を示す。この種の広いスペクトルは、スーパーコンティニュームのスペクトル内に組み込まれた「周波数の櫛」のために、スペクトロスコピーならびに計測学における用途、光干渉トモグラフィといった用途を有している。現在、光源のこのモードの動作は、完全には理解されていない。
【００９０】
〔前段増幅〕
光パルスの光源の出力を適した方法で調整して作るために、光源１２により生成されるパルスのエネルギーを増加することが望ましいことがある。例えば、使用される特定の光源からそのまま利用できるパルス・エネルギーを用いることによっては得られないような広帯域出力の生成が必要とされることがある。また、より高いエネルギー・パルスを用いることによって、増幅器に用いられるホーリ・ファイバの長さをより短くすることができる。
【００９１】
従って、本発明のさらなる実施形態は、光源と増幅器との間に置かれた前段増幅器を備えており、この前段増幅器は、ホーリ・ファイバ内に導入される前に超短光パルスを増幅するように動作可能とされている。
【００９２】
図１８は、前段増幅器を有する実施形態の概略図である。ファイバ前段増幅器７１は、光源１２から生成される超短パルス４３を受けるように設けられている。光源がＹｂ３＋添加ファイバレーザとされている場合には、前段増幅器は、１．０６μｍにおける必要な利得を与えるように、自身の利得媒質として、Ｙｂ３＋イオンが添加されたファイバ７２を有している。この前段増幅器７１は、ダイクロイック・ミラー７６を介してパルス４３とともにファイバ７２内に向きを同じくして結合される励起光を生成するための単一モード半導体レーザといったポンプレーザ７４を有している。ファイバカプラのような他の結合構造も可能である。前段増幅器を出ると、増幅された超短パルス４３ａは、上述したようにホーリ・ファイバ内に結合される。
【００９３】
これとは異なり、前段増幅を設けるためにバルク型光増幅器を用いることができる。
【００９４】
〔他の波長〕
本発明は、第一の実施形態によって生成されるような１．０６〜１．３３μｍの間で波長可変なパルスを生成するものに限られない。ＳＳＦＳが発生するのに適した特性を有するファイバをベースにした増幅器と組み合わせれば、超短光パルスのいかなる光源も光源１２として用いることができる。ファイバは、光源によって生成されるパルスの波長において利得を有して、形成すべきソリトンのためのエネルギーレベルに到達するのに必要な増幅が得られるようになっていることが必要である。また、ファイバは、ＳＳＦＳが生じ得るように、パルス波長における異常分散、そしてまた所望の波長シフトの拡がりに亙る異常分散を有していなければならない。前に述べたように、本発明において用いられるようなホーリ・ファイバは、理想的にＳＳＦＳに適している。というのも、ホーリ・ファイバは、事実上いかなる所望の波長領域に亙る異常分散をも与えるよう、調整して作ることができるからである。従って、ホーリ・ファイバは、使用される光源の波長において利得を与えるよう、適したイオンを添加し、適切に調整して作製することができる。例えば、約１．５μｍにおける利得を与えるようにエルビウムイオンが添加されたコアを有し、かつ１．５μｍ〜２μｍまで波長可変とされたソリトンの出力が得られるように、例えば１．４μｍ〜２μｍにおいて異常分散を有するように調整して作製されたホーリ・ファイバとともに、モードロック式のエルビウムドープファイバレーザを光源として用いることができ、こうして約１．５μｍの波長のパルスが生成される。
【００９５】
適した波長における利得を与えるようなホーリ・ファイバ用の他の可能なドーパントには、エルビウム、ネオジム、イッテルビウム、ホルミウム、ツリウム、プラセオジム、ゲルマニウム、アルミニウム、ホウ素、サマリウム、鉛、及び錫が含まれる。光利得を増加ないし拡張することに加えて、ドーパントは、ラマン利得および／または非線形係数を増加させるのに用いることができる。しかも、例えば、アルミニウムは、希土類ドーパントによって与えられる光利得バンド幅を拡張するのに用いることができる。
【００９６】
〔ファイバタイプ〕
既に述べたように、ホーリ・ファイバは、極めて多方面に利用でき、しかも、所望の分散特性を含めて広い範囲の特性を有するように作製することができる。そのため、本発明は、図５に示されるような、標準的なキャピラリ・スタッキング技術によって作製される構造を有するホーリ・ファイバを使用することに限られない。押出加工、ミーリング、きりもみ、あるいは、鋳込みによる形成に基づいた方法といったような他の製造技術を用いても構わない。同じように、広い範囲のファイバ微細構造は、所望の利得、非線形ならびに分散特性が得られるように用いることができる。他のホーリ・ファイバ構造の例は、小形のコア、コアポンプ（core-pumped）ホーリ・ファイバ、及びエアークラッド、クラッドポンプ（cladding-pumped）ファイバを含んでいる。
【００９７】
図１９は、エアークラッド、クラッドポンプホーリ・ファイバの例の横断面の走査電子顕微鏡写真を示す。このファイバは、コア１００、内部クラッド１１２、外部クラッド１１４、及び外部ジャケット１１６を有する。
【００９８】
図２０は、小形コア、コアポンプホーリ・ファイバの例の横断面の要部の走査電子顕微鏡写真を示し、図中コア１１８を見ることができる。
【００９９】
さらに、所望の特性を実現するようにファイバを調整して作製することは、ホーリ・ファイバを用いることに限定されない。同じような特性は、付加的に微細構造化されようとされまいと、ファイバをテーパ加工することによっても得ることができる。こうして、本発明は、これまで述べてきたホーリ・ファイバの代わりにテーパ型ファイバを有するファイバ 増幅器によって実現してもよい。ファイバをテーパ加工することで、コアの断面積が大幅に減らされ、これが分散特性とモード面積に変化をもたらす。
【０１００】
また、シリカ以外の材料から作製されたファイバは、特定の用途に適していることがある。シリカをベースにしたガラス以外のガラスで作られるようなファイバも考えることができる。このような合成ガラスのタイプには、ＳＦ５７、ＳＦ５８、及びＳＦ５９（いずれも Schott Glass Ltd から購入可能）といったような鉛が添加されたガラス、ビスマスが添加されたガラス、カルコゲニド・ガラス、及びハロゲン化物をベースにしたガラスが含まれる。低レーザエネルギー遷移ΔＥを有する、あるいは、可視領域のスペクトル内で動作するアップコンバージョン増幅器のための、ファイバコア内のドーパントを使用することが望ましい場合には、例えば、フッ化物ファイバを用いてもよい。ホーリ・ファイバ構造を作るのに、ポリマーを使用することもできる。
【図面の簡単な説明】
【０１０１】
【図１】本発明の第一の実施形態による光パルスの光源の概略図である。
【図２】図１の光源の一部を形成する光源の概略図である。
【図３ａ】図２の光源により生成されたパルスのスペクトルと自己相関を示す図である。
【図３ｂ】図２の光源により生成されたパルスのスペクトルと自己相関を示す図である。
【図４】図１の光源の一部を形成する光ファイバ増幅器の概略図である。
【図５】図４の増幅器の一部を形成するホーリ・ファイバの横断面の走査電子顕微鏡写真を示す図である。
【図６】交差されたポーラライザと１．２ｍ長さの図５に示すホーリ・ファイバを通過する１５４０ｎｍにおける偏光された広帯域光の透過特性のプロットを示す図である。
【図７】モデル化によって導出された図５のホーリ・ファイバの分散のプロットを示す図である。
【図８】モデル化によって導出された図５のホーリ・ファイバのモード領域のプロットを示す図である。
【図９ａ】図５のホーリ・ファイバ内における、時間的ならびに空間的な領域でのパルスの発達を表す図である。
【図９ｂ】図５のホーリ・ファイバ内における、時間的ならびに空間的な領域でのパルスの発達を表す図である。
【図９ｃ】図５のホーリ・ファイバ内における、時間的ならびに空間的な領域でのパルスの発達を表す図である。
【図１０】図１の光源によって生成され、この光源をチューニングすることによって得られたパルスの複数回測定されたスペクトルを示す図である。
【図１１】図１０のスペクトルの中心波長対これらの波長を生成するために必要な増幅器の励起パワーを示すチューニング曲線を示す図である。
【図１２ａ】図２の光源と図１の光源とによって生成されたパルスの自己相関とスペクトルを示す図である。
【図１２ｂ】図２の光源と図１の光源とによって生成されたパルスの自己相関とスペクトルを示す図である。
【図１２ｃ】図２の光源と図１の光源とによって生成されたパルスの自己相関とスペクトルを示す図である。
【図１３】図１の光源によって生成されたパルスにおける波長対パルス特性のプロットを示す図である。
【図１４ａ】時間的に圧縮された、図１の光源によって生成されたパルスのスペクトルと自己相関を示す図である。
【図１４ｂ】時間的に圧縮された、図１の光源によって生成されたパルスのスペクトルと自己相関を示す図である。
【図１５】本発明のさらなる実施形態に係る光パルスの光源の概略図である。
【図１６ａ】本発明のまたさらに他の実施形態に係る光パルスの光源によって生成されたパルスのスペクトルを示す図である。
【図１６ｂ】本発明のまたさらに他の実施形態に係る光パルスの光源によって生成されたパルスのスペクトルを示す図である。
【図１６ｃ】本発明のまたさらに他の実施形態に係る光パルスの光源によって生成されたパルスのスペクトルを示す図である。
【図１７ａ】本発明のまださらに別の実施形態に係る光パルスの光源によって生成されたパルスのスペクトルを示す図である。
【図１７ｂ】本発明のまださらに別の実施形態に係る光パルスの光源によって生成されたパルスのスペクトルを示す図である。
【図１８】本発明のまださらに別の実施形態に係る光パルスの光源の概略図である。
【図１９】本発明において用いることができるホーリ・ファイバの別の種類の例の横断面の走査電子顕微鏡写真を示す図である。
【図２０】本発明において用いることができるホーリ・ファイバのさらに別の種類の例の横断面の走査電子顕微鏡写真を示す図である。
【符号の説明】
【０１０２】
１０・・・光パルスの光源
１２・・・光源
１４・・・光ファイバ増幅器
１６・・・ポンプレーザ
１８・・・パルス
２０・・・利得媒質ファイバ
２２・・・ファイバカプラ
４３・・・超短光パルス
４８・・・ホーリ・ファイバ
４９・・・ポンプ放射
６２・・・ファイバコア
６３・・・クラッド
６４・・・エアホール
Claims (24)
- 光パルスの光源であって、
第１の波長における超短光パルスを発生させるように動作可能な光源と、
光ファイバ及び励起光源を有して、該励起光源が前記光ファイバにポンプ放射を供給するように動作可能とされるとともに、前記光ファイバが前記第１の波長における光利得を与えるためのドーパントを含有するコアならびに前記第１の波長と所定の第２の波長を含めた波長領域に亙る異常分散とを有し、前記超短光パルスを受け入れて該超短光パルスを増幅し、さらにソリトン自己周波数シフト効果によって該超短光パルスの波長を少なくとも前記第２の波長に変更するように設けられている光ファイバ増幅器と、
を備えている光パルスの光源。 - 請求項１に記載の光パルスの光源において、
前記光ファイバは、ファイバの長さに沿って延在するエアホールの配列を有している微細構造ファイバとして構成されていることを特徴とする光パルスの光源。 - 請求項１に記載の光パルスの光源において、
前記光ファイバは、テーパ型ファイバとして構成されていることを特徴とする光パルスの光源。 - 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の光パルスの光源において、
前記ドーパントは、約１μｍの波長で利得を与えるようにイッテルビウム・イオンを含んでいることを特徴とする光パルスの光源。 - 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の光パルスの光源において、
前記ドーパントは、エルビウム、ネオジム、イッテルビウム、ホルミウム、ツリウム、プラセオジム、ゲルマニウム、アルミニウム、ホウ素、サマリウム、鉛、及び錫の一つもしくは複数のイオンを含んでいることを特徴とする光パルスの光源。 - 請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の光パルスの光源において、
前記光源は、光ファイバ形態の光利得媒質を有するレーザを含んでいることを特徴とする光パルスの光源。 - 請求項６に記載の光パルスの光源において、
前記レーザは、イッテルビウムのイオンがドープされかつ約１μｍの波長の超短光パルスを発生させるように動作可能な光ファイバを備えた光利得媒質を有していることを特徴とする光パルスの光源。 - 請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の光パルスの光源において、
前記光ファイバに供給される前記ポンプ放射は、パワーの変更が可能とされ、これにより、前記光ファイバ増幅器の前記光ファイバの異常分散の波長領域内における前記第２の波長を変化させることができるように構成されていることを特徴とする光パルスの光源。 - 請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の光パルスの光源において、
前記超短光パルスは、前記超短パルスの波長を前記光ファイバ増幅器の前記光ファイバの異常分散の波長領域内における前記第２の波長ならびに一つもしくは複数のさらに他の波長に変えるためのソリトン自己周波数シフト効果に十分なパワーを有した状態で、前記光ファイバ増幅器の前記光ファイバに供給されるように構成されていることを特徴とする光パルスの光源。 - 請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の光パルスの光源において、
前記超短光パルスは、前記超短パルスの波長を広帯域連続スペクトルに変えるためのソリトン自己周波数シフト効果に十分なパワーを有した状態で、前記光ファイバ増幅器の前記光ファイバに供給されるように構成されていることを特徴とする光パルスの光源。 - 請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の光パルスの光源において、
光前段増幅器をさらに備え、該光前段増幅器は、前記超短光パルスが前記光ファイバ増幅器の前記光ファイバに受け入れられる前に、前記光源からの前記超短光パルスを受け入れて該超短光パルスを増幅するように動作可能とされていることを特徴とする光パルスの光源。 - 請求項１１に記載の光パルスの光源において、
前記光前段増幅器は、光ファイバ増幅器を備えていることを特徴とする光パルスの光源。 - 請求項１１に記載の光パルスの光源において、
前記光前段増幅器は、バルク型光増幅器を備えていることを特徴とする光パルスの光源。 - 光パルスを作る方法であって、
第１の波長における超短光パルスを発生させ、
前記超短光パルスを光ファイバ増幅器内で増幅し、
前記超短光パルスの波長を、光ファイバ増幅器内部におけるソリトン自己周波数シフト効果によって前記第１の波長から少なくとも所定の第２の波長に変更し、
前記光ファイバ増幅器には、光ファイバを設け、該光ファイバが前記第１の波長における光利得を与えるためのドーパントを含有するコアならびに前記第１の波長と所定の第２の波長を含めた波長領域に亙る異常分散を有するようにする、光パルスを作る方法。 - 請求項１４に記載の光パルスを作る方法において、
さらに、前記光ファイバ増幅器に供給されるポンプ放射の量を変更して、これにより、前記第２の波長を変更することを特徴とする光パルスを作る方法。 - 請求項１４または請求項１５に記載の光パルスを作る方法において、
前記光ファイバ増幅器の光ファイバを、ファイバの長さに沿って延在するエアホールの配列を有している微細構造ファイバとして形成することを特徴とする光パルスを作る方法。 - 請求項１４または請求項１５に記載の光パルスを作る方法において、
前記光ファイバ増幅器の光ファイバを、テーパ型ファイバとして形成することを特徴とする光パルスを作る方法。 - 請求項１４から請求項１７のいずれか１項に記載の光パルスを作る方法において、
前記超短光パルスを、光ファイバ形態の光利得媒質を有するレーザから発生させることを特徴とする光パルスを作る方法。 - 請求項１８に記載の光パルスを作る方法において、
前記超短パルスを、イッテルビウムのイオンがドープされた光ファイバの形態の光利得媒質を有するレーザから、約１μｍの波長で発生させることを特徴とする光パルスを作る方法。 - 請求項１４から請求項１９のいずれか１項に記載の光パルスを作る方法において、
さらに、前記超短パルスの波長を前記光ファイバ増幅器の前記光ファイバの異常分散の波長領域内における前記第２の波長ならびに一つもしくは複数のさらに他の波長に変えるためのソリトン自己周波数シフト効果に十分なパワーを持つ前記光ファイバ増幅器へと、前記超短光パルスを送出することを特徴とする光パルスを作る方法。 - 請求項１４から請求項１９のいずれか１項に記載の光パルスを作る方法において、
さらに、前記超短パルスの波長を広帯域連続スペクトルに変えるためのソリトン自己周波数シフト効果に十分なパワーを持つ前記光ファイバ増幅器へと、前記超短光パルスを送出することを特徴とする光パルスを作る方法。 - 請求項１４から請求項２１のいずれか１項に記載の光パルスを作る方法において、
さらに、前記超短光パルスを増幅する前に、光前段増幅器内で前記超短光パルスを増幅し、前記光ファイバ増幅器内で前記超短光パルスの波長を変えることを特徴とする光パルスを作る方法。 - 請求項２２に記載の光パルスを作る方法において、
前記光前段増幅器に、光ファイバ増幅器を設けることを特徴とする光パルスを作る方法。 - 請求項２２に記載の光パルスを作る方法において、
前記光前段増幅器にバルク型光増幅器を設けることを特徴とする光パルスを作る方法。
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