JP2008098676A - ファイバーレーザー安定化法、短パルスファイバーレーザー出力制御法、レーザー装置、短パルスファイバーレーザー出力制御法及び短パルスファイバーレーザー反復率安定化法 - Google Patents
ファイバーレーザー安定化法、短パルスファイバーレーザー出力制御法、レーザー装置、短パルスファイバーレーザー出力制御法及び短パルスファイバーレーザー反復率安定化法 Download PDFInfo
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Abstract
【解決手段】ファイバーレーザー210,220を外部環境から隔離する隔離ステップと、該ファイバーレーザー210,220をファイバースプール280に巻き付ける巻き付けステップと、該ファイバーレーザー210,220が該ファイバースプール280に巻き付けられたままで該ファイバーレーザー210,220を動作させる動作ステップとを有する。ファイバーレーザー210,220がファイバースプール280に巻き付けられ、外部環境から隔離されるので、環境条件の変動の影響を受けることがなく安定化される。
【選択図】図4
Description
D=c/2×ΔT 又は D(cm)=15×ΔT(ns)
この種の遅延は、ここでは「物理的遅延」と呼ぶことにする。同様に、走査というのは、ここでは二つの光パルスの間の到着時刻の差のシステマティックな変動を指すものとする。鏡の精密な位置決め及び走査のために、すでに様々な方法やデバイスが開発されている。例えば以下のようなものがある:
・ボイスコイル型デバイス(シェーカー)(例えば、非特許文献1参照)
・回転鏡対(例えば、非特許文献2参照)
・ステップモーターを採用しているリニアートランスレーター(多くのベンダーから商品化されている)
・ガルバノメーターを採用しているリニアートランスレーター(例えば、非特許文献3参照)
・可調整群遅延(アジャスタブル・グループ・ディレイ)を使用している他のタイプの物理的遅延には、以下のようなものがある。
・回転ガラスブロック
物理的遅延方法には数々の短所があるが、その最たるものは長い遅延が必要な場合には広い場所をとってしまうことである。例えば、10ns(ナノ秒)の遅延を得るためには、5フィートの鏡の移動が必要である。その他にもまた、物理的な制約や短所がある。
・分散要素として音響光学デフレクター(偏向器)を採用しているステップミラー遅延線(例えば、非特許文献10参照)
これらの非機械的な方法によれば、とりわけ高速走査が可能である。これらの自由走査レーザーでは、レーザーの反復周期全体にわたるスパン(幅)が得られる。例えば、図1に示す公知の自由走査レーザーシステムは、互いに異なるキャビティ長をもっているマスターレーザー10及びスレーブレーザー20を有し、両者10,20は互いに異なる反復周波数ν1 及びν2 でパルス列を生成する。その走査周波数は、周波数差Δν=ν1 −ν2 に等しいので、スレーブレーザー20のキャビティ長を所定の長さに調整することにより所望の値に設定される。相関器(コリレーター)40は、二つのレーザーの間の相互相関から信号を生成する。これからこの二つのレーザーの間のタイミングに関する情報が得られ、データ取得電子装置50にトリガー信号が与えられる。例えば、Kafka et al.によれば、二つの独立なモードロック・チタン:サファイア・レーザー、つまりマスターレーザー10及びスレーブレーザー20(それぞれの公称反復率は80MHz)が、(80MHz程度の)互いに異なる反復周波数をもつように設定された。反復周波数のオフセットに起因して、おおよそ100kHzのオフセット周波数Δνで、互いを通して走査しあった。このオフセット周波数は、ローカルRFオシレーターに対して安定化され得る。レーザー反復率が80MHz付近であったから、総走査範囲は約13nsであった。それゆえ、機械的に動く遅延線を全く使用することなく、時間走査が達成された。タイミングの較正は、非線形結晶(例えば相関器40)の中へ鏡30から反射された二つのレーザービームの相互相関により達成された。結果として得られた信号は、トリガーデータ取得ユニット50(例えばオシロスコープ)へ送られて使用された。レーザー10,20からのレーザービーム出力もまた、別の鏡60で反射され、レーザービームを使用した所望の計測や実験を行う計測装置70により受信される。
1.固定された走査範囲:走査範囲が、レーザーの反復周波数(すなわちラウンドトリップタイム)の逆数に固定されている。
R. F. Fork and F. A. Beiser, APPL Opt. 17, 3534(1978) Z. A. Yaza and N. M. Amer, Opt. Comm., 36, 406(1981) D. C. Edelstein, R. B. Romney, and M. Scheuermann, Rev. Sci, Instrum. 62, 579(1990) K. F. Kwong, D. Yankelevich, K. C. Chu, J. P. Heritage, and A. Denes; "400-Hz mechanical scanning optical delay line" Opt. Lett. 18, (7) 558(1993) K. C. Chu, K. Liu, J. P. Heritage, A. Denes, Conference on Laser and Electro-Optics, OSA Tech. Digest Series, Vol.8, 1994, paper CThI23. A.Black, R.B.Apte, and D.M.Bloom, Rev.Sci, Instrum. 63,3191(1992) K.S.Giboney, S.T.Allen, M.J.W.Redwell, and J.E.Bowers; "Picosecond Measurements by Free-Running Electro-Optic Sampling." IEEE Photon.Tech.Lett., pp.1353-5. Nov.1994 J.D.Kafka, J.W.Pieterse, and M.L.Watts; "Two-color subpicosecond optical sampling technique." Opt.Lett., 17, pp.1286-9, Sept.15, 1992 M.H.Ober, G.Sucha, and M.E.Fermann; "Controllable dual- wavelength operation of a Femtosecond neodium fiber laser." opt.Lett.20, p.195-7, Jan.15, 1995 R.payaket, S.Hunter, J.E.Ford, S.Esener; "Programmable ultrashort optical pulse delay using an acousto-optic deflector." Appl.Opt., 34, No.8, pp.1445-1453, Mar.10, 1995 J.M.Evans, D.E.Spence, D.Burns, and W.Sibbet; "Dual- wavelength selfmode-locked Ti:sapphire lasers." Opt.Lett., 13, pp.1074-7, Jul.1,1993 M.R.X.de Barros and P.C.Becker; "Two-color synchronously mode-locked femtosecond Ti:sapphire laser." Opt.Lett., 18, pp.631-3, Apr.15, 1993 D.R.Dykaar and S.B.Darak; "Stickly pulses:two-color cross-mode-locked femtosecond operation of a single Ti:sapphire laser." Opt.Lett., 18, pp.634-7, Apr.15, 1993 Z.Zhang and T.Yagi, "Dual-wavelength synchronous operation of a mode-locked Ti:sapphire laser based on self-spectrum splitting." Opt. Lett., 18, pp.2126-8, Dec.15, 1993 S.P.Dijaili, J.S.Smith, and A.Dienes, "Timing synchronization of a pasively mode-locked dye laser using a pulsed optical phase locked loop" Appl.Phisics.Lett., 55, pp.418-420, Jul.1989
振動や空気の乱れ、温度変化などの環境条件の変動により生じるタイミングジッターを、
最小限に低減することができる。
本発明は、自由走査レーザーシステムと同様に、例えば図2(a)に示すようにほとんど同一の反復率をもつマスターレーザー110及びスレーブレーザー120の二つのレーザーから構成されている。しかしながら自由走査レーザーシステムとは異なって、マスターレーザー110及びスレーブレーザー120からのパルス出力は、互いを通して完全に走査することはできないようになっている。むしろ、波長λ1をもつマスターレーザー110は、一定の反復率ν1 に保持されているか、自発的にドリフトするのが容認されている一方で、スレーブレーザー120の反復周波数ν2 は、マスターレーザー110の反復率の付近を動揺(ディザー)させられている。この反復率の動揺は、例えば30Hzから1kHzまでの範囲の「高」周波でスレーブレーザー120のキャビティ長(L2 )を変えることによって達成されている。その一方で、その「平均的」反復率は、走査周波数未満の帯域幅の「低速」位相同期ループ(PLL)回路を含む安定器ユニット130により、マスターレーザー110の反復率に合わせて追従ないし制御されている。マスターレーザー110とスレーブレーザー120との間の平均的な時間遅れは、スレーブレーザー120のキャビティ長を制御する安定器ユニット130により、一定に保持されている。一方、二つのレーザー間の瞬時の遅れを走査するために、信号発生器140からの高速動揺信号出力は、安定器ユニット130からの制御電圧出力と(合算器Σで)足し合わされている。反復周波数の追従及び動揺は、スレーブレーザー120のエンドミラーをピエゾ素子(PZT)121に取付け、周波数信号発生器140からの必須の電圧信号を(PZTに)印加することにより、実現することができる。PLL回路の帯域幅は動揺周波数未満であることが必要であり、さもないと、(スレーブレーザー120の周波数が)マスターレーザー110に追従しようとしてキャビティ長の走査を妨害してしまうであろう。
ΔL(t)= ΔL0・ Sq(fS,t) ……(1)
ここで、ΔL0 は矩形波の振幅であり、Sq(x)は矩形波関数である。これにより、走査サイクルの半分毎に正負の線形走査遅れが生じる(三角波)。安定している場合には、ΔLだけの一定のキャビティ長のミスマッチが、次の式(2)のオフセット周波数を生じる:
Δν= −cΔL/(2L2) ……(2a)
又は書き改めて、
Δν/ν= −ΔL/L ……(2b)
しかしながら、高速走査法においては、キャビティ長は十分に高い周波数で動揺させられるので、(両レーザーの)パルスは互いにすれ違う可能性はない。すなわち、走査周波数及び振幅は、次の式(3)の条件を満たす:
fS>>Δν ……(3a)
又は、
fS>> −cΔL/(2L2) ……(3b)
この場合には、時間変動する時間遅れTD(t)は、次の式(4)に示すように、キャビティ長のミスマッチの時間積分に比例するであろう:
TD(t)= (2/cT1)∫ΔL(t')dt' ……(4a)
又は、
TD(t)= (1/L)∫ΔL(t')dt' ……(4b)
ここで、cは真空中の光速であり、積分期間は走査サイクルのオーダーにある。図3(a)は矩形波変調の例を示しており、同図では1kHzの矩形波が二つのレーザーの内一つのPZTに印加されている。図3(a)〜(c)に示されている波形は、時間に依存しているキャビティ長のミスマッチΔL(t) 及びその結果として生じる瞬時の時間遅れTD(t)を、各種の動揺波形がスレーブレーザー120のPZTに印加される際の時間の関数として示している。瞬時の反復率ν2 は、ν1 の周辺を動揺しており、相対的な時間遅れは時間に関して線形に前後に走査している。合計走査範囲は基本反復率ν1 又は走査周波数fs に依存しており、走査範囲は次の式(5)に従う:
Tmax= (ΔL/2L)・(1/fS) ……(5a)
又はオフセット周波数で表現して、
Tmax= (Δν/2ν)・(1/fS) ……(5a)
走査率は、(ミリ秒/ミリ秒)の単位で次の式(6)により与えられる:
Rscan= 2ΔLν/c ……(6a)
又は、
Rscan= ΔL/L ……(6b)
或いは、研究室で使うのに便利な単位で、
Rscan= 109ΔL/L(ps/ms) ……(6c)
「サンプリンググリッド」は、次の式(7)のラウンドトリップあたりの時間的なパルス進みから与えられる:
δts= 2ΔL/c ……(7)
走査速度パラメーターを、1秒あたりの空間的なパルスの進みの総計として、次の式(8)に示すように定義することができる:
νscan= (2ΔL(t))/TR=(ΔL(t))/L・c……(8)
走査率、サンプリンググリッド、及び走査速度の概念は、自由走査(フリー・スキャン)レーザーにもまた適用可能であることに注意されたい。
ΔL(t)= ΔL0・cos(2πfSt) ……(9)
その際の遅れは、次の式(10)で与えられる:
TD(t)= (ΔL0/L)・(1/2πfS)・sin(2πfSt)……(10)
以上のようにして正弦波走査(の特性)が求まる。ただし、PZTの位置に対して時間遅れは90度になる。この場合、走査特性は線形ではなく、ある種のスケール補正が必要であることに注意されたい。
図4に、二つのファイバーレーザーすなわちマスターレーザー210及びスレーブレーザー220を採用している本発明の好ましい実施例を示す。
BSの二つの出力として図示されている。これら二つのレーザー出力は、互いに極めて異なった雑音特性をもっている。すなわち、一方はいくぶん雑音があり、他方はほとんど雑音がない。これは、この種のレーザーに起こることが知られている(NPEに起因する)光学限界効果の故である。安定化回路130への入力を生成するフォトダイオードPD−1,PD−2によって検出されのは、この静かな出力ビームである。安定化回路130への入力として静かな出力ビームを使うことは、タイミングジッターを最小限に抑制する助けになる。
PLL回路安定器130が相対的時間遅れの平均値を安定化していても、この位置は数ピコ秒だけ変動することがあり、それゆえ、例えば100フェムト秒程度の所望の精度をもつタイミング信号で、データ取得ユニット50が適正にトリガーされることが補償されていることが必要である。このような信号は、BBOのような非線形結晶内での非線形光学ミキシングを採用している相互干渉器から得られる。このようなことは、前述の実施例で行われており、Kafka et al.のようなその他の人によっても行われている。走査時間遅れのためにミラーシェーカーを使用する場合にも、この種のトリガリングは、度量衡計測において高精度を得るためにも必須であることが示されている。
時間スケールの較正で重要なキーポイントは、タイミング情報を発生させるのに使用するように、光学的方法を選択することである。好ましい実施例においては、図8(a)〜(b)に示すように、多数のパルスの列を時間的に一様に生成するよう、フィネスの高いファブリペロー(FP)エタロンから単パルスを反射することにより、パルス列を生成することができる。なぜならば、このFPエタロンは「ガタガタ板」として使用されており、その中ではFPエタロン(すなわちフィネスの高いエタロン)内でパルスが何度も内部反射されるからである。ここではむしろ共振特性が使用されており、透過率はむしろ低い。
Tmax=〜 (17パルス)×(6.7ピコ秒/パルス) ……(11)
図11(a)に示すデータは、予期されたように、走査特性が正確に線形ではないことを示している。線形性からの偏差を示すために、このデータは直線でフィッティングされ、そしてこのデータはこのベストフィット(の直線)から減算された。その結果を図11(b)に示すように、時間走査特性は線形性からの偏差を有する。
前述の方法によって生成されたパルス信号列は、ある種の非線形要素を使用して、別のレーザーパルスと相互相関を取ることができる。パルスの同時性や相対的なパルスタイミングを検出するためには、各種の非線形プロセスを使用することができる。使用可能なある種の非線形性としては、第2高調波発生(SHG)、和周波発生、利得飽和、吸収飽和、四波混合、及び光電流があるが、これらに限定されるものではない。非線形要素のありそうな選択としては、SHG結晶がある。しかしながら、SHG結晶を使用すると、レーザーパルス間にオーバーラップがあったときにしか信号が発生しないという短所がある。それゆえ、これは同時性の検出器としてしか使用できない。そういうわけで、前述のパルス列発生器、パルスシェーパー、エタロン、その他の各種を使用することが必要になる。ある状況においては、SHG結晶の使用によって得られる非常に高い精度は必要がない。ある場合には、非即時の応答をもつ故に「振幅」情報を介して時間遅れに関する情報が得られる要素を使用することが、より望ましいこともある。トラベリングウェーブ・レーザーダイオード増幅器(TWAs)や飽和吸収器や光検出器などの適切なデバイスや材料、或いはPINフォトダイオードやアバランシェ・フォトダイオード或いはSEEDデバイスなどのように飽和作用で中継するデバイスなどは、数多くある。例えば、TWAなどは、光通信の中で光学時計のリカバリーに使用されてきている。これら(TWA)は、十分に飽和状態に駆動されると、振幅の変動に比較的鈍感になる。ここで、その精度と範囲とは、そのデバイスの回復時間(リカバリータイム)によって決まる。TWAデバイスは、10-3ラジアン程度までの位相精度で計測ができることが分かっている。このような光電子デバイスでは、光学的吸収の非線形性だけがタイミング情報をもたらす唯一の方法ではない。そのデバイスを通ってパルスが伝搬していくにつれて変化するそのデバイスの光電流や電圧、電気容量などの電気的な特性を観測することによってもまた、パルスタイミング情報が得られる。光学的特性の変化を検出するに当たり、これは大きな単純化である。
如何にキャビティ長の誤差もレーザーキャビティのラウンドトリップ毎にコンスタントに蓄積されるので、非常に小さなキャビティ長の変動であっても大きなタイミング誤差を生じうる。それゆえ、サーボループを使って、「時間平均」反復率をν1 に、又は等価であるが「時間平均」キャビティ長ミスマッチΔLをゼロに保持することが必要になる。平均キャビティーミスマッチを制御するために使われるフィードバック信号は、図13に示すように、一対の光検出器PD−1,PD−2によって検知され、通常の位相同期ループ(PLL)回路に導入される。以前に説明したように、このようなPLL安定化システムの精度は、すでに計測されており、20ピコ秒までの最大タイミング移動で5ピコ秒以内のRMSに、二つのファイバーレーザーを同期させることができることが分かっている。ここに引用されている安定化の精度は現在の技術水準によるものであって、絶対的な達成可能限界を示すものでは全くない。本質的には、1ピコ秒未満まで精度を向上させることが可能なはずである。しかしながら、場合によっては1フェムト秒以下にまでなる所望の時間分解能に達するとまでは、期待されていない。この理由により、ここで説明したタイミング較正法は、依然として必要である。
1.飛行時間スケール修正:この技術では、タイミングパルスは時間スケールを形成する。例えば、もし正弦波走査が使われるなら、一様なパルスシーケンスであっても時間において非一様性を表す。高速プロセッサーであれば、信号平均化以前の正確な時間スケールで(補間法を用いて)適正に走査データを調整するために、この時間スケール情報を使用できるであろう。言い換えれば、タイミングパルスにより形成された時間スケールに基づいた高速プロセッサーによって、各走査点が修正されるのである。例えば、図11(a)は、図10に示してある走査の各ピークに対する走査特性を示しており、そして図11(b)は、これらの点の線形性からの偏差を示している。この時間スケール情報はこの偏差の修正に使用され、「飛行中」の各ピークを本質的に修正することができる。
さらに明確な応用の一例として、図15及び図16に示すように、通常の動ミラー法の代わりに本発明の高速レーザー走査技術を採用している表面計測システムの好ましい二つの実施例がある。
図17は、本発明の高速走査レーザー及びタイミングシステムを採用している光学時間領域反射率計(OTDR)システムの模式図である。走査レーザーシステムは、使用可能な明瞭な範囲が広くなるように、低い反復率のレーザー(ν〜5−10MHz)からなることが望ましい。マスターレーザー710からの短パルスは、ビームスプリッタBS 760により二つのビームに分割される。分割されたビームの内一方はタイミングユニット741に送られ、他方はファイバーなどの導波供試デバイス(DUT)790に送られる。DUT790内の表面や接続部、欠陥などから反射されたパルスは、約10フェムト秒すなわち約3ミクロンの精度での精密なタイミングないし距離の計測のために、相関器740に送られる。これは、次のような方法で実現される。
図18は、本発明の高速走査レーザー及びタイミングシステムを使用した、ジッターなしの電気光学サンプリング・オシロスコープの模式図である。本実施例では、十分に確立されている非接触EOサンプリング技術が、ここで説明された高速走査技術と組み合わされており、時間スケールの調整にかなり大きな柔軟性がもたらされている。
20,120,220,520,620,720,820:スレーブレーザー
30:ハーフミラー
40,640,740:相関器(コリレーター)
50:オシロスコープ
60:ミラー
70:計測装置
111,121:ピエゾ素子、ピエゾアクチュエータ(PZT)
130,630,830:安定器ユニット、駆動安定器、PLL回路安定器
131:タイミング弁別装置(TD)
133:位相検出器
134:フィルター、濾波器
135:信号発生器
136:オペアンプ
138:加算器(Σ)
140:低周波信号発生器
205:レーザーダイオード(LD)
206:スプリッター(SPL)
215:ファラデー回転子(旋光器)ミラー(FRM)
225:光学アセンプリ(PZT−FRM)
280:ファイバースプール
300:ファイバー
310,320,330:チャープ・ファイバー格子
340:偏光ビームスプリッタ(PBS)
350:四分の一波長板(QWP)
430,440:パルスアンプ(PA)
450:PZT制御装置
540:タイミングユニット、相互相関器
550,650,750,850:データ取得システム(DAQ)
641,741,841:タイミングユニット
660,670,760,770:ビームスプリッタ(BS)
780,880:パルスシェーパー
790:供試デバイス(DUT)
891:光導電(PC)スイッチ
892:電気光学(EO)プローブチップ
893:偏光光学素子
L1:集光レンズ
FP:FPエタロン
FR:ファラデー旋光器
PD−1,PD−2:フォトダイオード、光検出器
SA:過飽和吸収体
λ/2:半波長板
λ/4:四分の一波長板(QWP)
Claims (16)
- ファイバーレーザーを安定化する方法であって、
該ファイバーレーザーを外部環境から隔離する隔離ステップと、
環境条件の変化に応じて該ファイバーレーザーのキャビティ長を調節する調節ステップと、
を有することを特徴とするファイバーレーザー安定化法。 - さらに、ピエゾエレクトリック・トランスデューサーで前記レーザーの反復率を変更する反復率変更ステップを有し、前記レーザーが短パルスレーザーであることを特徴とする請求項1に記載のファイバーレーザー安定化法。
- さらに、前記ピエゾエレクトリック・トランスデューサーの駆動信号の前端或いは後端の急な電圧遷移を避けるために該駆動信号を整えるステップを有することを特徴とする
請求項2に記載のファイバーレーザー安定化法。 - さらに、前記ピエゾエレクトリック・トランスデューサーを正弦曲線の駆動信号で駆動するステップを有することを特徴とする請求項2に記載のファイバーレーザー安定化法。
- 短パルスファイバーレーザーの出力を制御する方法であって、
該ファイバーの温度を制御することで該レーザーの反復率を安定化させる安定化ステップを有することを特徴とする短パルスファイバーレーザー出力制御法。 - さらに、ピエゾエレクトリック・トランスデューサーを前記レーザーに連絡して供給する供給ステップと、
該ピエゾエレクトリック・トランスデューサーに電圧を供給する電圧供給ステップと、
を有し、該レーザーの反復率が該ピエゾエレクトリック・トランスデューサーの移動によって制御されることを特徴とする請求項5に記載の短パルスファイバーレーザー出力制御法。 - さらに、前記レーザーの平均反復率を制御するための位相ロックループ回路を供給するステップを有することを特徴とする請求項6に記載の短パルスファイバーレーザー出力制御法。
- 各々レーザーキャビティをもつ第1と第2短パルスレーザーと、
該第1と第2短パルスレーザーからそれぞれのパルスを受信して比例出力を発生することができる位相ロックループ回路と、
を有し、該第1と第2レーザーの内少なくとも一方はモードロックファイバーレーザーで、長さ変更ユニットを備え、該長さ変更ユニットは該位相ロックループ回路の該比例出力に基づいて該レーザーキャビティの長さを変えることができることを特徴とするレーザー装置。 - 前記第1と第2短パルスレーザーの一方又は両方は受動モードロックされることを特徴とする請求項8に記載のレーザー装置。
- 前記長さ変更ユニットはピエゾエレクトリック・トランスデューサー(PZT)を備えることを特徴とする請求項8に記載のレーザー装置。
- 前記長さ変更ユニットは該ファイバーの長さを伸ばすことができることを特徴とする請求項8に記載のレーザー装置。
- 前記位相ロックループ回路は安定器に含まれ、前記安定器がPZT制御器を備えることを特徴とする請求項8に記載のレーザー装置。
- 前記第1と第2短パルスレーザーは同期されており、前記比例出力で安定化されており、該比例出力は該第1と第2短パルスレーザーからのそれぞれのパルスの間の差の大きさであることを特徴とする請求項8に記載のレーザー装置。
- 前記位相ロックループ回路のバンド幅は前記ピエゾエレクトリック・トランスデューサーの移動周波数以下であることを特徴とする請求項7に記載の短パルスファイバーレーザー出力制御法。
- 前記短パルスファイバーレーザーはモードロックされていることを特徴とする請求項7に記載の短パルスファイバーレーザー出力制御法。
- 短パルスファイバーレーザーの反復率を安定化する方法であって、
該短パルスファイバーレーザーの反復率を安定化させることができる位相ロックループ回路を供給するステップと、
ピエゾエレクトリック・トランスデューサーを前記短パルスファイバーレーザーに接続する接続ステップと、
該ピエゾエレクトリック・トランスデューサーに電圧を供給する電圧供給ステップと、
を有し、該短パルスファイバーレーザーの反復率が該ピエゾエレクトリック・トランスデューサーの移動によって制御されることを特徴とする短パルスファイバーレーザー反復率安定化法。
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