JP2013187542A - 非線形オプティカルループミラーを備えたレーザ - Google Patents

Abstract

【課題】非線形オプティカルループミラーを備えたレーザを提供する。
【解決手段】レーザ共振器（１３）を備えたレーザ（１２、１８）において、レーザ共振器（１３）には、非線形オプティカルループミラー（１、１’）があって、反対方向に伝播するレーザパルス部分を案内するように、かつ反対方向に伝播するレーザパルス部分を非線形オプティカルループミラー（１、１’）の出口点（４）にて互いに干渉させるように構成されている。本発明は、非相反光学素子（７、７’）を含む非線形オプティカルループミラー（１、１’）を特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ共振器、すなわち非線形オプティカルループミラー（ＮＯＬＭ）を含むレーザ共振器を備えたレーザに関する。ＮＯＬＭは、反対方向に伝播するレーザパルス部分を案内するように、かつ反対方向に伝播するレーザパルス部分をＮＯＬＭの出口点において互いに干渉させるように適合される。本発明の文脈において、用語ＮＯＬＭは、ＮＡＬＭ、すなわち非線形増幅ループミラーを含むと解釈される。

一般に、超短パルスを生成するために、出力に寄与するレーザにおけるモード間の固定位相関係を有することが必要とされる。この位相関係は、レーザをモードロックすることによって固定される。レーザをモードロックする様々な方法が存在する。それらは全て、パルスの透過を支援する、すなわちパルス動作においてよりも時計回りの動作に対して一層高い損失を有する素子がレーザに組み込まれるという事実に依存する。

ファイバレーザにおける受動的モードロックのための最も一般的に用いられる方法は、
ａ）可飽和吸収体、
ｂ）非線形偏光回転または
ｃ）非線形ファイバループミラー
を用いる。

方法（ａ）は、それが、レーザにおいて周波数および振幅ノイズを増加させる比較的遅いプロセスに依存するので、厄介である。例えば半導体材料またはカーボンナノチューブから作製される可飽和吸収体は、光パワーのかけ過ぎによって容易に破壊され、かつ多くの場合に劣化を受けやすく、システムの寿命を制限する非常に繊細なデバイスである。

方法（ｂ）および（ｃ）は、より低いノイズ用途のために好まれる。なぜなら、それらは両方とも、光学的に高速なカー効果に依存するからである。それらは両方とも、付加的パルスモードロック（ＡＰＭ）の分野に入る。

他方で方法（ｂ）は、それが非偏光保持（非ＰＭ）ファイバを使用するので厄介である。したがって、偏光状態およびモードロック性能は、温度などの環境の影響およびまたファイバが湾曲される方法に依存する。これによって、長期間にわたり環境の変化と無関係にかかるレーザを動作させることが困難になる。

方法（ａ）および（ｂ）は、優れた自己起動をもたらす。これは、増幅なしにレーザ空洞における光の往復透過が、循環ピーク電力（Ｐ）にわたる透過（Ｔ）として図９に示す典型的な形状を非常に低いピーク電力において示すという事実による。特に、ゼロピーク電力Ｐにおいて、強度依存透過Ｔは、非ゼロ値を有し、より重要なことにはゼロにならないスロープを示し、それは、低電力においてノイズからのパルスの強化を容易にする。

過去において、方法（ｃ）は、レーザが自己起動形ではないか、または追加のアクティブ変調器を用いる大きな労力を伴ってのみ自己起動形だったため、厄介だった。レーザ共振器に組み込まれ、かつレーザがパルシングを始めた後でオフにする必要があるかかるアクティブ変調器が、特許文献１に開示されている。一般に、かかるレーザには、ＮＯＬＭだけでなく、第２のループと同様に２つのループのどちらか一方または両方におけるレーザ利得媒体が含まれる。

方法（ｃ）における従来の８の字形構成は、当然、ゼロ電力においてゼロにならないスロープを備えた強度依存透過を有しない。代わりに、透過関数は、図１０に示された形状を示す。透過は、ＮＯＬＭループにおける時計回り（ｃｗ）および反時計回り（ｃｃｗ）伝播パルス間の差動位相シフトΔφ_Ｋｅｒｒの振動関数である。この位相は、循環パルスのピーク電力に比例し、かつループの非対称性に強く依存する。ループ非対称性は、損失もしくは利得要素の非対称的挿入または非対称ループカプラによって引き起こすことができる。後者の場合に、部分的変調だけが達成される（図１０における破線）。

８の字形ファイバレーザの典型的なインプリメンテーションは、単一モードファイバを備え、２つの並行伝播モードを提供する。これは、非線形ループにおける偏光を適切に制御することによって、時計回り（ｃｗ）および反時計回り（ｃｃｗ）伝播パルス間の線形（すなわち強度非依存）位相シフトを引き起こす方法を提供する。８の字形レーザにおけるかかる偏光制御が、特許文献２および特許文献３に開示されている。

これらの文献は、モードロック機構としてＮＯＬＭ（非線形オプティカルループミラー）または特にＮＡＬＭ（非線形光増幅ループミラー）に依存するパルスレーザ光源が、典型的には８の字形ジオメトリに基づき、かつバルクインプリメンテーションおよび非偏光保持ファイバ用に良好に設置されることを示す。

ＵＳ ７，８１７，６８４ Ｂ２ ＵＳ ５，０５０，１８３ ＵＳ ７，９４０，８１６ Ｂ２

「A design for a non-reciprocal phase shifter」，Ｙ．Okamuraら，Optical and Quantum Electronics １７（１９８５年）１９５〜１９９頁

本発明の目的は、非線形オプティカルループミラーを備えたレーザの自己起動特性を改善することである。本発明のさらなる目的は、広範囲なレーザパラメータにわたって、環境的に安定したレーザ動作を提供することである。

これらの目的は、請求項１の特徴部で解決される。本発明の有利な実施形態は、従属請求項において参照される。

本発明によれば、非相反光学素子が、レーザ共振器に導入される。この文脈において、「非相反」は、通過する光に対する光学素子の効果が、この光の伝搬方向に依存することを意味する。この効果は、例えば、非相反光学素子を通過する光の振幅、位相、偏光、および／または周波数に影響を及ぼすことが可能である。より具体的には、本発明は、反対方向に伝播するレーザパルス部分を案内するように適合された非線形オプティカルループミラーＮＯＬＭに、この非相反光学素子を組み込むこと、および反対方向に伝播するレーザパルス部分をＮＯＬＭの出口点で互いに干渉させること、すなわち非相反光学素子を双方向ＮＯＬＭに配置することを教示する。これは、ＮＯＬＭに非相反素子を含まず、一方向ループにおけるアイソレータの形態のみである先行技術の８の字形レーザ構成と対照的である。

ＮＯＬＭにおける非相反光学素子の効果は、例えば、反対方向に伝播するレーザパルス部分のために非相反位相オフセットまたは非相反損失を導入することによって、図１０に示した従来の透過関数を修正することである。透過関数は、ＮＯＬＭの出口点における透過レーザパワーを示すが、それは、反対方向に伝播するレーザパルス部分間の干渉によって影響される。ＮＯＬＭにおける非相反光学素子によって、透過関数は、左（または右）へ適正量だけ意図的にシフトされ、その結果、ゼロ電力における透過関数の値は、非ゼロであり、ゼロにならないスロープを有する。したがって、図９に関連して説明するように、このレーザは、優れた自己起動特性を示す。

本発明は、モードロックファイバレーザまたは導波管レーザに特に有用であるが、かかるレーザに制限されない。

既に上記したように、非相反光学素子には、非相反損失素子および／または非相反位相シフト素子を含むのが好ましい。非相反位相シフト素子は、反対方向に伝播するレーザパルス部分間に非相反位相差を直接導入し、一方で非相反損失素子は、ＮＯＬＭの対称性を変化させることになり、それによって相対的位相シフトの対比および強度依存性を修正する。

好ましい実施形態において、ＮＯＬＭは、少なくとも１つの偏光保持光ファイバを含むか、または一般に偏光保持（ＰＭ）光ファイバまたは導波管から作製される。ＰＭファイバの使用は、環境パラメータと無関係な安定した動作を保証し、かつレーザ共振器から放射されたレーザ光のある一定の偏光を保証するという利点を有する。同じことは、例えばシリコンまたは窒化ケイ素技術に基づいた、シリカにおけるチップデバイス上の導波管レーザに当てはまる。

特に、ＮＯＬＭにおいてＰＭファイバを用いることに関連し、全体として非相反光学素子が偏光保持であることが好ましい。この文脈において、「全体として」は、非相反光学素子を出る光の偏光が、非相反光学素子に入る光の偏光と同じであることを意味する。しかしながら、内部的に、すなわち非相反光学素子内において、偏光は、一時的に修正可能である。

非相反位相シフト素子として機能するために、非相反光学素子には、ファラデー回転子および／または少なくとも１つの波長板、例えばｎ＝２、ｎ＝４もしくはｎ＝８のラムダ／ｎ波長板、すなわち半、４分の１、８分の１波長板、または波長板セットを含むことが可能である。かかる波長板は、通過する光の偏光および位相を修正し得る光学コンポーネントである。他方でファラデー回転子は、ファラデー効果によって光の偏光を回転させる光学装置である。ファラデー回転子は、非相反光学素子を構成する。なぜなら、偏光の回転は、光が反対方向に２回媒体を通過する場合に２倍になるからである（逆転されない）。代替として、非相反位相シフトは、ベルデ定数を有する適切な材料によって直接引き起こすことができる。この材料は、非特許文献１に説明されているように、導波管構成に配置することができる。

ＮＯＬＭの透過曲線の位置、特にゼロ電力における透過曲線に値およびスロープを調整できるために、非相反光学素子の少なくとも１つの光学特性が調整可能な場合には好都合である。レーザパスの反対方向に伝播する部分に課される差動位相シフトが調整可能な場合には最も好ましい。これによって、レーザの特性、特にその自己起動特性を最適化することが可能になろう。

本発明によるレーザの変形形態において、双方向ＮＯＬＭ、すなわち非相反光学素子を含むＮＯＬＭはまた増幅器を含み、それによってＮＡＬＭを構成する。これによって、ＮＯＬＭの非線形性を修正することが可能になる。この利得は、レーザの総利得を構成してもよいが、しかし構成する必要はない。

レーザから出力された光パルスの所望の波長特性に依存して、エルビウム、イッテルビウムもしくはツリウム、またはそれらの組み合わせでドープされたファイバ部分は、ＮＯＬＭ内の増幅器での使用に有利であることが分かった。半導体ベースの光増幅器（ＳＯＡ）またはラマン増幅もしくはブリルアン増幅などの他の利得媒体を用いることができる。追加または代替として、同じ増幅器または増幅媒体を、レーザ共振器の別の部分に、すなわちＮＯＬＭの外側に設けることが可能である。

特に好ましい実施形態において、増幅器は、増幅器を反対方向に光学的にポンピングするための２つの源を有する。この構成において、２つのポンプ源を同時にまたは別々に動作させることが可能であってもよい。特に、２つのポンプ源は、２つの反対方向におけるポンピング速度の調整を可能にするように構成してもよい。特に、双方向ＮＯＬＭにおける非相反素子に関連して、双方向ＮＯＬＭ構成は、反対方向に伝播するレーザパルス部分間における位相シフトの強度依存性、およびしたがってＮＯＬＭ透過の初期スロープを調整できるようにしてもよい。なぜなら、増幅器のポンピング速度が、増幅器におけるパルスの平均パルスエネルギ、およびしたがって光路長を決定するからである。

ある実施形態において、対称分割比（すなわち５０：５０）を備えたビームスプリッタをＮＯＬＭの入口点に有することが得策になり得る。他の実施形態において、非対称ビーム分割比（例えば６０：４０、７０：３０、７５：２５、または任意の他の所望の比率）を備えたビームスプリッタが好ましくなり得る。非対称ビームスプリッタは、透過曲線の変調度を変化させる。なぜなら、非対称分割比は、完全に破壊的な干渉をもはや可能にしないからである。類似の効果が、ループにおける非相反損失素子によって達成されてもよい。ビームスプリッタの（非）対称性と一緒に、これによって、変調度および強度依存性を互いに独立して調整することが可能になる。

本発明によるレーザは、双方向ＮＯＬＭに加えて第２のオプティカルループミラーを含むことによって、８の字形レーザとして構成してもよい。好ましくは、この第２のオプティカルループミラーは、第２のオプティカルループミラーを一方向ループミラーとし、かつそれによって追加の干渉現象を回避するために、光アイソレータを含む。かかる構成の利点は、その簡潔さおよび堅牢性である。

代替として、本発明によるレーザは、双方向ＮＯＬＭに加えて線形空洞部を含んでもよい。この実施形態において、レーザは、これまで知られていなかった９の字形構成を得る。８の字形構成と比較して、９の字形構成は、特にその適応性に関連する特有の利点を提供する。例えば、線形空洞部内の後方反射は、フィルタまたは分散補償器などの追加光学素子を選択的に導入または排除するために用いてもよい。これは、線形空洞部が自由空間部である場合には促進される。

さらにより重要なことに、線形空洞部は、可変長さを有するように構成してもよい。この趣旨で、例えば、線形空洞部の反射ミラーが、並進ステージに実装され、かつ／もしくは圧電アクチュエータを設けられるか、またはファイバ部分の長さが、ファイバを伸ばすことによって変更してもよい。空洞長さの調整または変更によって、レーザ共振器内におけるレーザパルスの往復時間を変更すること、およびそれによってレーザの繰り返し率を変更することが可能になる。これは、従来の８の字形レーザで取得可能な固定され制限された繰り返し率と比較して、レーザの使用における柔軟性を著しく増加させる。さらに、より高い繰り返し率（例えば２００ＭＨｚ超）であるが、しかしまた非常に低い繰り返し率（例えば１０ＭＨｚ未満）が、より短い空洞長さによって達成可能である。本発明の全ての実施形態において、空洞長さは、電気光学結晶によって、またはＮＯＬＭ内もしくは外のファイバ部分を適切に伸ばすことによって変更してもよい。

線形空洞部には、ミラー、出力結合ミラー、ファイバブラッグ格子、および／または自由空間格子を含むのが好ましい。ファイバブラッグ格子は、レーザ共振器内のレーザパルスの分散補償および／またはパルス圧縮用の高度に波長選択的な反射器として機能し、一方で自由空間格子は、波長選択的な反射器として適合させてもよい。さらに、格子、プリズム、および／またはミラーの組み合わせを分散補償用に用いてもよい。

本発明によるレーザ装置には、さらに、高速フィードバックを可能にするために、レーザ空洞のどこかに電気光学結晶または変調器を含んでもよい。かかる装置は、典型的には例えば圧電素子より高い帯域幅を用いて、例えば、レーザ空洞の長さを調整することができる。

本発明で説明するようなレーザ素子が、周波数コムの生成、ＴＨｚ放射線の生成、材料処理、二光子重合、パラメトリックプロセスのシーディング、またはポンププローブ分光法用に使用してもよい（しかしこれらに限定されない）。かかる用途のために、レーザ出力が、ファイバまたは自由空間光増幅器においてさらに増幅される場合には有用になり得る。恐らくは増幅される本発明によるレーザ出力は、第２高調波発生（ＳＨＧ）またはラマンシフティングなどの非線形プロセスの助けを借りて、さらに周波数変換することができる。かかる周波数変換された出力の用途には、Ｔｉ：Ｓａ増幅器のシーディング、または二光子顕微鏡法もしくは多重光子顕微鏡法および分光法が含まれる。

さらにかかるレーザ光源は、非同期光サンプリング方式（ＡＳＯＰＳ）または空洞同調（ＯＳＣＡＴ）ベースのセットアップによる光サンプリングにおいて使用することができる。

下記において、本発明の好ましい実施形態を添付の図面に関連して説明する。

本発明によるレーザにおいて使用するための非線形オプティカルループミラー（ＮＯＬＭ）の概略図である。 本発明によるレーザと共に使用するための非線形増幅ループミラー（ＮＡＬＭ）の概略図である。 ８の字形構成における本発明によるレーザの実施形態を示す。 従来の８の字形レーザと比較して本発明によるレーザの透過曲線を示す。 従来の８の字形レーザと比較して、非対称ビームスプリッタを備えた本発明によるレーザの透過曲線を示す。 ９の字形構成における本発明によるレーザの実施形態を示す。 非相反素子を備えた、および備えていない図４ａによるレーザの透過曲線を示す。 非相反素子を備えた、および備えていない非対称ビームスプリッタを伴う図４ａによる９の字形レーザの透過曲線を示す。 本発明によるレーザにおいて使用するためのビームスプリッタの概略図である。 ビームスプリッタの別の実施形態を示す。 図５ｂによるビームスプリッタにおいて使用するための非相反素子を示す。 非相反光学素子の別の実施形態を示す。 ９の字形構成を備えた本発明によるレーザの別の実施形態を示す。 ９の字形構成を備えた本発明によるレーザの第３の実施形態を示す。 ９の字形構成における本発明によるレーザの第４の実施形態を示す。 本発明によるレーザにおいて使用するための非相反光学素子の第１の実施形態の概略図を示す。 本発明によるレーザにおいて使用するための非相反光学素子の第２の実施形態の概略図を示す。 本発明によるレーザにおいて使用するための非相反光学素子の第３の実施形態の概略図を示す。 本発明によるレーザにおいて使用するための非相反光学素子の第４の実施形態の概略図を示す。 パルス動作の自己起動を可能にするための、受動モードロックレーザにおけるモード結合素子用に望ましい非線形透過曲線を示す。 ＮＯＬＭを備えた従来のレーザの透過曲線を示す。

図面の全体を通して、同様のコンポーネントは、同一または同様の参照数字で示される。

図１は、本発明によるレーザにおいて使用するための双方向非線形オプティカルループミラー１、ＮＯＬＭを概略的に示す。ＮＯＬＭ１は、湾曲されて実質的にループを形成する光ファイバ２、好ましくは偏光保持（ＰＭ）光ファイバ２から実質的に構成される。代替として、ＮＯＬＭは、自由空間光学系で構成してもよい。ビームスプリッタ３が、ＮＯＬＭの出入り口点４に設けられる。出入り口点４は、典型的には、ＮＯＬＭの光ファイバ２が閉じる点であり、レーザ光の入射ビームまたはパルスは、ビームスプリッタ３によって、ＮＯＬＭ１内を反対方向に伝播する２つの部分に分割される。

出入り口点４におけるビームスプリッタ３には、第１のポート５および第２のポート６が含まれる。レーザパルスは、第１のポート５を通して、かつ／または第２のポート６を通してＮＯＬＭに導入してもよい。各レーザパルスは、ビームスプリッタ３によって分割され、それによって、レーザパルスの２つの部分を生成する。ＮＯＬＭ１は、レーザパルスの２つの部分を反対方向に案内するように、およびそれらを出入り口点４において再び相互干渉させるように適合される。したがって、ＮＯＬＭは、双方向ＮＯＬＭとして構成される。

図１０は、従来のＮＯＬＭの透過曲線、すなわち２つのポート５、６（出力電力／入力電力）の１つにおける干渉透過Ｔ対互いに干渉する２つの反対方向に伝播するレーザパルス間の差動位相シフトΔφ_Ｋｅｒｒを示す。実線は、対称ビームスプリッタ３を用いた透過曲線である。Δφ＝０で、ＮＯＬＭ２は、反射率Ｒ＝１およびしたがって一ポート５からもう一方のポート６への透過Ｔ＝１−Ｒ＝０を有する。位相差Δφの増加と共に、透過Ｔは、０と１との間で振動する。他方で図１０における破線曲線は、非対称ビームスプリッタ３を用いた状況における透過Ｔを示す。ここで、干渉は、これ以上完全には破壊的になり得ない。したがって、本例において、ゼロ位相差における透過は、約０．１６の非ゼロ値を有する。しかしながら、最大透過Ｔは、やはりＴ＝１．０の値を有する。したがって、透過曲線の変調は、対称ビームスプリッタ３を用いた状況においてよりも小さい振幅を有する。

図１に戻ると、本発明によるレーザで使用するためのＮＯＬＭ１は、ＮＯＬＭ１に非相反光学素子７を含むことによって、従来のＮＯＬＭと異なる。非相反光学素子７は、レーザパルスの方向に依存する光学的影響を、ＮＯＬＭ内を伝播するレーザパルス部分に及ぼす。より重要なことには、非相反光学素子７のこの非相反性は、受動的であり（すなわち起動に依存しない）かつ瞬間的である。すなわち、それは、連続的に存在し、レーザパルス部分が非相反光学素子７を通って伝播する正確な時点に依存しない。これは、本発明の全ての実施形態に当てはまる。非相反光学素子７の例は、後で説明する。

図２は、本発明による非線形オプティカルループミラー１’ＮＯＬＭの第２の実施形態を示す。図２の実施形態において、ＮＯＬＭ１は、非線形増幅ループミラー１’ＮＡＬＭとして構成される。ＮＡＬＭ１’の基本構成は、図１に示すＮＯＬＭの構成と同じである。しかしながら、さらに、ＮＡＬＭ１’には、光増幅器８が含まれる。増幅器８には、ＮＯＬＭファイバ２に挿入されたアクティブファイバ部分９が含まれる。図２において、アクティブファイバ部分９は、ＮＡＬＭ１’の残り部分より太い曲線によって表される。さらに、光増幅器８には、アクティブファイバ部分９を光学的にポンプするためにポンプ源１０、特に光ポンプ源１０が含まれる。レーザの所望の波長特性および主な利得媒体に依存して、アクティブファイバ部分９は、エルビウム、イッテルビウム、またはツリウムでドープしたファイバによって構成してもよい。アクティブファイバ部分９はまた、レーザの利得媒体を構成してもよい。

図１に示すＮＯＬＭ１との別の差として、図２のＮＡＬＭ１’には、さらに損失素子１１が含まれる。この損失素子１１は、ＮＡＬＭ１’内の非対称位置に、すなわち２つの反対方向において出入り口点４に対して異なる距離で配置される。特に、それは、ここでは、非相反光学素子７とアクティブファイバ部分９との間に配置されるが、しかしそれは、ＮＯＬＭ１内の任意の位置にあってもよい。損失素子１１は、任意選択的に、必ずではないが、非相反損失効果を示すことによって、ＮＡＬＭ１’内で非相反性に寄与するように構成してもよい。これによって、反対方向に伝播するレーザパルス部分間の位相差の強度依存性が修正される。特に、損失素子１１は、調整可能であってもよい。損失素子１１は、アウトカプラであってもよい。さらに、反対方向に伝播するパルス部分間の位相差は、増幅器８の増幅特性を変化させることによって、特にポンプ源１０の出力を調整することによって調整することが可能である。

図３ａは、本発明によるレーザ１２の第１の実施形態を示す。レーザ１２は、受動モードロックパルスレーザとして構成される。レーザ１２には、本実施形態において８の字形ジオメトリで構成されたレーザ共振器１３が含まれる。より詳しくは、レーザ共振器１３には、第１のオプティカルループミラー１、１’が含まれる。図３ａに示す実施形態において、第１のオプティカルループミラーは、前に図２に示したＮＡＬＭ１’として構成されるが、しかし代替として図１に示すＮＯＬＭ１として構成することが可能である。特に、第１のオプティカルループミラー１、１’には、非相反光学素子７が含まれる。

さらに、レーザ共振器１３には、第２のオプティカルループ１４が含まれ、第２のオプティカルループ１４は、ループミラー１、１’および１４の入口ポート５および出口ポート６を、ビームスプリッタ３を介して互いに接続する。特に、第２のオプティカルループミラー１４は、ビームスプリッタ３の第１および第２のポート５、６間の光路を閉じる（図１および２を参照）。レーザの利得要素は、第２のオプティカルループミラー１４に配置してもよい。

前述のように、第１のオプティカルループミラー１、１’は、双方向非線形オプティカルループミラーとして構成され、これらのレーザパルス部分をビームスプリッタ３において互いに干渉させるために、レーザパルス部分の反対方向の伝播を可能にする。他方で第２のオプティカルループ１４は、光アイソレータ１５を含むことによって、一方向ループミラーとして構成される。光アイソレータ１５は、一方向においてのみレーザパルスの通過を可能にし、一方で反対方向の光をブロックする。さらに、第２のオプティカルループ１４には、出力カプラ１６が含まれる。出力カプラ１６は、レーザ１２において共振器１３から出力ポート１７へレーザパルスの一部を脱結合する光ファイバカプラである。

レーザ１２のレーザ共振器１３は、光ファイバ構成を有する。両方のオプティカルループミラー１、１’および１４は両方とも、導光光ファイバから、特に偏光保持（ＰＭ）ファイバから作製される。

第１のオプティカルループミラー１、１’に非相反光学素子７を挿入しているため、レーザ１２は、双方向ループミラー１、１’において反対方向に伝播するパルス間の線形位相オフセットを絶えず経験し、それによって、レーザ１２の自己起動能力を著しく向上させ、かつ広がった正常分散から広がった異常分散まで広範囲な正味分散においてレーザ１２を操作できるようにする。位相シフトは、動作中に固定さても調整可能であってもよく、他の手段と組み合わせて、偏光、出力電力または波長などのレーザの動作パラメータを修正してもよい。

図３ｂは、対称ビームスプリッタ３、すなわち５０：５０ビーム分割比を備えたビームスプリッタが使用される場合に、図３ａにおけるレーザ１２、特にその第１の非線形オプティカルループミラー１、１’の干渉透過Ｔを差動位相Δφ_Ｋｅｒｒの関数として実線で示す。ビームスプリッタ３の対称性は、０．０および１．０間の透過関数の変調度につながる。比較のために、図３ｂは、従来の非線形オプティカルループミラー（すなわち、非相反光学素子７のない）の透過関数を破線で示す。従来のオプティカルループミラーの透過関数がゼロになるスロープを有し、値が、ゼロ位相差でＴ＝０．０であることが分かる。しかしながら、本発明によるレーザ１２の透過関数Ｔは、従来の透過関数を７０°の値Δ_{ｓｈｉｆｔ}だけ左にシフトすることによって得られる。この値Δ_{ｓｈｉｆｔ}は、非相反位相シフト光学素子７によって導入される差動位相シフトである。

図３ｃは、従来のオプティカルループミラー（破線における）および本発明のＮＯＬＭ１またはＮＡＬＭ１’（実線における）の透過関数を、非対称ビームスプリッタ３が２つのループミラー１、１’および１４間にある状況において示す。特に、図３ｃは、ビームスプリッタ３が７０：３０の分割比を有する状況を示す。ビームスプリッタ３のこの非対称性の影響は、透過関数Ｔにおける変調度Ｍの減少である。透過Ｔは、対称ビームスプリッタ３を用いて、０．０および１．０間で振動した（図３ｂ）が、それは、ここでは、７０：３０ビームスプリッタ３を用いて単に０．１６および１．０間で振動する。したがって、変調度Ｍは、１．０から０．８４まで減少した。しかしながら、ここでもまた、図３ｃは、本発明によるレーザ１２の透過関数Ｔが、従来の透過関数をΔ_{ｓｈｉｆｔ}＝７０°だけ左にシフトすることによって得られることを示す。

図３ｂおよび３ｃに示す両方の状況において、Δφ＝０における透過関数Ｔが、非ゼロ値およびゼロにならないスロープを有することが理解されよう。これは、レーザ１２の効率的な自己起動、すなわちレーザ１２のパルス動作の自己起動を保証するために満たされる基準である。

図４ａは、本発明によるレーザ１８の第２の実施形態を示す。このレーザ１８は、ここでもまた、第１のオプティカルループミラーを含むレーザ共振器１３を有し、第１のオプティカルループミラーは、ＮＯＬＭ１として、または（図４ａに示すように）ＮＡＬＭ１’として構成してもよい。しかしながら、第２のオプティカルループミラー１４を有するのではなく、レーザ１８のレーザ共振器１３には、線形空洞部１９が含まれる。この線形空洞部１９は、ビームスプリッタ３と反射素子２０との間に延びる。オプティカルループミラー１、１’と線形空洞部１９の組み合わせゆえに、レーザ共振器１３は、９の字形ジオメトリまたは構成を有すると示してもよい。線形空洞部１９は、自由空間空洞部として、またはビームスプリッタ３と反射素子２０との間に光ファイバを備えた光ファイバ空洞部として構成してもよい。反射素子２０は、アウトカプラミラー、ミラー、格子、または分散補償器であってもよい。

以下で説明するように、図４ａに示す構成は、レーザ１８の基本構成だけである。アウトカプラ、利得媒体、波長フィルタ、偏光コントローラ、波長コンバータ、および／または分散コントローラなどのさらなる光学素子を、特に線形空洞部１９が自由空間空洞部１９である場合に、線形空洞部１９に導入してもよい。さらに、図４ａの実施形態および／または本発明によるレーザ１８の他の９の字形構成において、線形空洞部１９の長さは、調整可能であってもよい。本実施形態において、これは、線形空洞部１９の軸方向において、制御された方法で、反射ミラー２０を前後に移動させるように適合された並進ステージかボイスコイルかまたは圧電アクチュエータ２１に反射素子２０を実装することによって達成される。反射ミラー２０のこの移動は、図４ａにおいて両矢印によって表されている。より短い長さの線形空洞部１９は、レーザ共振器１３におけるレーザパルスの往復時間を短縮し、それに応じて繰り返し率を増加させ、逆もまた同様である。

図３ａに示す８の字形ジオメトリと比較して、図４ａにおけるレーザ共振器１３の９の字形ジオメトリは、より短い光ファイバ経路と、波長フィルタリング、分散補償等のためのレーザ共振器１３への容易なアクセスと、より高い達成可能な繰り返し率と、線形空洞部１９の長さの調整可能性を用いた、空洞長さ調整および繰り返し率調整の可能性と、を必要とするという利点を有する。

図４ｂは、レーザ１８の透過Ｔ、特に従来のループミラーの透過Ｔ（破線）と比較した、レーザ１８のオプティカルループミラー１’の透過Ｔ（実線）を位相差Δφ_Ｋｅｒｒの関数として示す。特に、図４ｂは、レーザ共振器１３に対称ビームスプリッタ３を備えた状況を示し、それは、０．０および１．０間の完全な変調度Ｍにつながる。図４ｂから明白なように、従来のループミラーの透過関数Ｔは、Δφ＝０において１．０の値を有するが、しかしゼロになるスロープを有する。他方で本発明による透過関数Ｔは、従来の透過関数から右へΔ_{ｓｈｉｆｔ}＝７０°のシフトによって得られる。これは、Δφ＝０において、透過関数Ｔの非ゼロ値およびゼロにならないスロープの両方につながる。透過関数Ｔのこのシフトは、オプティカルループミラー１’における非相反光学素子７によって達成される。

図４ｃは、図４ｂにおける同じ透過関数Ｔを示すが、しかし今回は、非対称７０：３０のビームスプリッタ３がレーザ共振器１３に取り付けられた状況においてである。図４ｃから明白なように、これは、１６％の全体的損失に相当し、透過関数の振幅を約０．８４の値に減らす。

図５ａは、レーザ１２、１８のレーザ共振器１３におけるビームスプリッタ３の概略図である。前に説明したように、ビームスプリッタ３は、光ファイバカプラ、すなわち、そこにおいて、第１の光ファイバ２２および第２の光ファイバ２３が、それぞれ、一ファイバ２２から他のファイバ２３へレーザ光の結合を可能にするために（逆も同様である）、光ファイバカプラを通過し、かつ十分に近い距離にされる光ファイバカプラとして構成してもよい。２つのファイバ２２、２３間の距離は、ビームスプリッタ３の結合またはビーム分割比に対称するために、調整可能でさえあってもよい。両方のファイバ２２、２３は、偏光保持ファイバであってもよい。図５ａから明白なように、ビームスプリッタ３は、第１のポート５および第２のポート６を有する。これらの２つのポート５、６は、図３に示すように、第２のオプティカルループミラー１４によって閉じてもよく、または２つのポート５、６の１つは、図４ａに示すように、線形空洞部１９用に使用してもよい。ビームスプリッタ３は、第１のオプティカルループミラー１、１’によって閉じられる２つのさらなるポート２４、２５を有する。

図５ｂは、本発明によるレーザ１２または１８のレーザ共振器１３において使用するためのビームスプリッタ３の別の実施形態を示す。この実施形態において、ビームスプリッタ３には、第１の偏光ビームスプリッタ２６が含まれる。第１および第２のポート５、６のそれぞれには光ファイバが含まれ、光ファイバの近位端（ビームスプリッタ３の視点から）は、光ファイバにおいて案内された光をコリメートされた自由空間ビームに変換し、逆の場合も同じであるコリメート光学系２７、２８にそれぞれ位置する。第１の偏光ビームスプリッタ２６は、第１のオプティカルループミラー１、１’の出入り口点４として定義してもよい。なぜなら、ここで、ＮＯＬＭ１、１’を通って反対方向に伝播するレーザパルス部分が干渉し合うからである。

図５ｂの実施形態において、ビームスプリッタ３には、第２の偏光ビームスプリッタ２９がさらに含まれる。第１のオプティカルループミラー１、１’に向けられたビームスプリッタ３のポート２４、２５は、ここでもまた、それぞれ、ＰＭファイバの一部によって構成され、ＰＭファイバ近位端は、コリメート光学系３０、３１を設けられる。２つの偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）２６、２９間において、ビームスプリッタ３は、それ自体、非相反光学素子７’を収容する。この非相反光学素子７’は、非線形オプティカルループミラー１、１’の光ファイバ部における非相反光学素子７に加えて設けてもよく、またはＮＯＬＭ／ＮＡＬＭ１、１’の光ファイバ部における非相反光学素子７に取って代わってもよい。非相反光学素子７’は、偏光感受性および／または方向感受性および／または偏光型であってもよい。例えば、それには、好ましくは調整可能な部分を含む１つもしくはいくつかの波長板、１つもしくはいくつかのファラデー回転子、またはそれらの組み合わせを含んでもよい。具体例は、以下で説明する。このビームスプリッタの４つのポートのいずれかを、ファイバ結合なしに自由空間光学系として動作させてもよく、さらには取り除いてもよいことを理解されたい。

図５ｃは、ＮＯＬＭ／ＮＡＬＭ１、１’に挿入された非相反素子７またはビームスプリッタ３内の非相反光学素子７’における内部コンポーネントの第１の例を示す。この実施形態において、非相反光学素子７、７’には、第１のファラデー回転子３２および第２のファラデー回転子３３と同様に、２つのファラデー回転子３２、３３間に配置された位相シフト素子３４が含まれる。この位相シフト素子３４は、レーザパルスの偏光状態に依存する位相シフトをレーザパルスの一部に対して引き起こす。今度は、この偏光は、レーザパルスが、位相シフト素子３４に到達する前に、第１のファラデー回転子３２を通過するか、または第２のファラデー回転子３３を通過するので、レーザパルスの方向に依存する。有利な実施形態において、位相シフト素子３４は、その位相シフト特性に関して調整可能である。例えば、位相シフト素子３４は、通過する光の偏光に対して位相シフト素子の影響を調整するために、好ましくは波長板または半波長板が回転可能な状態で、電気光学変調器（ＥＯＭ）であっても、波長板であっても、２つの４分の１波長板間における半波長板の組み合わせであってもよい。任意選択で、非相反光学素子７、７’には、通過する光の偏光を調整できるように、別個の半波長板３５をさらに含んでもよい。ある構成において、全体として非相反光学素子は、偏光保持である。すなわち、特定の偏光で非相反素子７、７’に入る光は、同じ偏光で非相反素子７、７’から出る。

図５ｄは、非相反光学素子７、７’の別の実施形態を示す。前の実施形態とは対照的に、図５ｄの非相反光学素子７、７’は、単に、単一のファラデー回転子３２と同様に位相シフト素子３４を有するが、しかし第２のファラデー回転子を有しない。ここでもまた、非相反光学素子７、７’には、偏光を調整できるように、任意選択で半波長板３５を含んでもよい。

図６は、９の字形構成における本発明のレーザ１８の別の実施形態を示す。レーザ１８には、共振器１３であって、今度は、ビームスプリッタ機構３によって組み合わされたＮＡＬＭ１’と同様に線形空洞部１９を含む共振器１３が含まれる。ＮＡＬＭ１’には、増幅器または利得要素８が含まれ、アクティブファイバ部分９が、ポンプ源１０によって一側からだけ光学的にポンピングされる。ＮＡＬＭ１’の光ファイバ２の２つの端部は、ビームスプリッタ３の一側にそれぞれ面しているコリメート光学系３０、３１にそれぞれ収容される。

この実施形態において、線形空洞部１９は、光ファイバを使用しない自由空間部として構成される。ビームスプリッタ機構３には、底部から上端へと、第１の偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）２６、任意選択的な要素としての半波長板３５、第１のファラデー回転子３３、位相シフト素子３４（ＥＯＭまたは波長板など）、第２のファラデー回転子３２、および第２の偏光ビームスプリッタ２９が含まれる。第１のＰＢＳ２６は、ＮＯＬＭループへの出入り口点４であり、２つの反対方向に伝播するパルスの干渉が発生する点を構成する。図６に示す実施形態において、ファラデー回転子３２、３３、位相シフト素子３４、および（任意選択の）波長板３５が、一緒に、非相反光学素子７’を構成する。非相反光学素子７’は、ビームスプリッタ機構３の一部であり、ビームスプリッタ機構３は、図５ｂ、５ｃに示すビームスプリッタ機構に似ている。ＮＯＬＭ１’を通って反対方向に伝播するレーザパルスの２つの部分は、第１のＰＢＳ２６において、互いに干渉する。したがって、このＰＢＳまたは出力カプラ２６は、ＮＯＬＭ１’の出入り口点４として定義することができる。線形空洞部１９は、ＰＢＳまたは出力カプラ２６と反射素子２０との間に延びる。他方でＮＯＬＭ１’には、第２のＰＢＳ２９の向こうのループ部と同様に、２つの偏光ビームスプリッタ２６および２９間の線形部の両方が含まれる。非相反光学素子７’が配置されるこの線形部において、ＮＯＬＭ１’のループ部を通って反対方向に伝播するレーザパルスの部分が、共線的に移動する。

図７ａは、図６に示すレーザ１８の変形形態を示す。特に、図７ａのレーザ１８は、非相反光学素子７における第２のファラデー回転子３３を省く点で、図６のレーザ１８と異なる。しかしながら、この修正は別として、レーザ１８の構成は、修正されなかった。

図７ｂは、９の字形構成における本発明によるレーザ１８の別の実施形態を示す。図７ｂの実施形態は、２つの格子３７ａ、３７ｂおよび反射ミラー３７ｃの組み合わせを含む分散補償器（パルス圧縮器）３７によって反射素子２０を置き換えた点で、図７ａにおけるレーザ１８の実施形態と異なる。

ＮＡＬＭ１’を備えたレーザ１２、１８の全ての前の実施形態と比較した別の違いとして、ＮＡＬＭ１’における増幅器８は、ここでは、２つのポンプ源１０、１０ａを有し、これらのポンプ源１０、１０ａは、増幅器８のアクティブファイバ９を反対方向にポンプするように構成される。さらに、制御部３８が設けられ、２つのポンプ源１０、１０ａに接続される。制御部３８は、２つの光ポンプ源１０、１０ａからのポンピング速度を調整することができる。ポンピング速度を変えることによって、ＮＡＬＭ１’を通って伝播するレーザパルス部分の位相差は調整できる。異なる実施形態間の他の修正のように、増幅器８の両側ポンピングはまた、ＮＡＬＭ１’を備えたレーザ１２、１８の前述の実施形態のそれぞれにおいて提供してもよい。

図８ａは、非相反位相シフタを非相反光学素子７の特定の実施形態として概略的に示す。この位相シフタ７は、光ファイバ方式で構成され、第１のポート３９および第２のポート４０を含む。ポート３９、４０をＮＯＬＭ／ＮＡＬＭ１、１’の光ファイバ２と適切に接続することによって、非相反位相シフタは、ＮＯＬＭ／ＮＡＬＭに挿入してもよい。

図８ｂは、光ファイバ構成における非相反光学素子７の別の実施形態を示す。この実施形態において、非相反光学素子７には、第１のファラデー回転子３２、第２のファラデー回転子３３と同様に、２つのファラデー回転子３２、３３間に挿入された偏光依存性の位相シフト素子３４が含まれる。非相反光学素子７は、第１のポート３９および第２のポート４０を有する。各ポート３９、４０は、コリメート光学系８０に通じている。ファラデー回転子３２、３３および位相シフト素子３４は、２つのコリメート光学系８０間に延びる自由空間部８１に位置している。

図８ｃは、非相反光学素子７の別の実施形態を示す。この実施形態において、非相反光学素子７には、２つの４分の１波長板４１、４２と同様に、２つの４分の１波長板４１、４２間に挿入された単一のファラデー回転子３２が含まれる。ここでもまた、非相反光学素子７の、偏光に影響を及ぼす全ての光学コンポーネント３２、４１、４２は、第１のポート３９と第２のポート４０との間の自由空間部８１に配置される。

最後に、図８ｄは、非相反光学素子７の別の実施形態を示す。この実施形態において、非相反光学素子７には、２つの４分の１波長板４１、４２、および２つの４分の１波長板４１、４２間に挿入された半波長板４３と同様に、波長板の挿入されたセットを囲む２つのファラデー回転子３２、３３が含まれる。ここでもまた、非相反光学素子７の、偏光に影響を及ぼす全ての光学コンポーネント３２、３３、および４１〜４３は、第１のポート３９と第２のポート４０との間に、特に２つのコリメート光学系８０間の自由空間部８１に配置される。

図５ｂのビームスプリッタ機構３および特にその非相反素子７、７’は、偶数または奇数のファラデー回転子を有してもよい。

１、１’ 非線形オプティカルループミラー
２ 光ファイバ
３ ビームスプリッタ
４ 出入り口点
５ 第１のポート
６ 第２のポート
７、７’ 非相反光学素子
８ 光増幅器
９ アクティブファイバ部分
１０、１０ａ ポンプ源
１１ 損失素子
１２ レーザ
１３ レーザ共振器
１４ 第２のオプティカルループミラー
１５ 光アイソレータ
１６ 出力カプラ
１７ 出力ポート
１８ レーザ
１９ 線形空洞部
２０ 反射素子
２１ 圧電アクチュエータ
２２ 第１の光ファイバ
２３ 第２の光ファイバ
２４、２５ ポート
２６ 第１の偏光ビームスプリッタ
２７、２８ コリメート光学系
２９ 第２の偏光ビームスプリッタ
３０、３１ コリメート光学系
３２ ファラデー回転子
３３ ファラデー回転子
３４ 位相シフト素子
３５ 半波長板
３７ 分散補償器
３７ａ、３７ｂ 格子
３７ｃ 反射ミラー
３８ 制御部
３９ 第１のポート
４０ 第２のポート
４１、４２ 波長板
４３ 半波長板
８０ コリメート光学系
８１ 自由空間部

Claims (15)

1. レーザ共振器（１３）を備えたレーザ（１２、１８）であって、前記レーザ共振器（１３）が非線形オプティカルループミラー（１、１’：ＮＯＬＭ）を備えて構成され、前記非線形オプティカルループミラー（１、１’）が反対方向に伝播するレーザパルス部分を案内するように、かつ前記反対方向に伝播するレーザパルス部分を前記非線形オプティカルループミラー（１、１’）の出口点（４）で互いに干渉させるようになっている、レーザ（１２、１８）において、
   前記非線形オプティカルループミラー（１、１’）が非相反光学素子（７、７’）を備えて構成されることを特徴とするレーザ（１２、１８）。
2. 前記非相反光学素子（７、７’）が、非相反損失素子および／または非相反位相シフト素子を備えて構成されることを特徴とする、請求項１に記載のレーザ。
3. 前記非線形オプティカルループミラー（１、１’）が、少なくとも１つの偏光保持光ファイバ（２）または導波管を備えて構成されることを特徴とする、請求項１または２に記載のレーザ。
4. 全体として前記非相反光学素子（７、７’）が偏光保持であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載のレーザ。
5. 前記非相反光学素子（７、７’）が、少なくとも１つのファラデー回転子（３２、３３）および／または少なくとも１つの波長板（３４、３５、４１、４２、４３）を備えて構成されることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載のレーザ。
6. 前記非相反光学素子（７、７’）の少なくとも１つの光学特性が、特に前記反対方向に伝播するレーザパルス部分に課される差動位相シフトが調整可能であることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載のレーザ。
7. 双方向の非線形オプティカルループミラー（１、１’）が、増幅器（８）および／または相反損失素子（１１）を備えて構成されることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載のレーザ。
8. 前記増幅器（８）が２つの反対方向から光学的にポンピングされることを特徴とする、請求項７に記載のレーザ。
9. 前記レーザ共振器（１３）における増幅器（８）が、エルビウム、イッテルビウムもしくはツリウムでドープされたファイバ（９）の一部、半導体ベースの増幅器、ラマン増幅媒体、もしくはブリルアン増幅媒体、またはそれらの任意の組み合わせを備えて構成されることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一項に記載のレーザ。
10. 対称ビーム分割比または非対称ビーム分割比を備えたビームスプリッタ（３）が、前記非線形オプティカルループミラー（１、１’）の入口点（４）に設けられることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一項に記載のレーザ。
11. 前記レーザ（１２）が、光アイソレータ（１５）を含む第２のオプティカルループミラー（１４）を備えて構成されることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか一項に記載のレーザ。
12. 前記非線形オプティカルループミラー（１、１’）に加えて、前記レーザ共振器（１３）が線形空洞部（１９）を備えて構成されることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか一項に記載のレーザ。
13. 前記線形空洞部（１９）が、反射素子（２０）、出力結合ミラー（２０）、ブラッグ格子、分散補償器（３７）および／または自由空間格子（３７ａ、３７ｂ）を備えて構成されることを特徴とする、請求項１２に記載のレーザ。
14. 前記レーザ（１８）の繰り返し率が、特に、伸縮自在のファイバ部分を前記レーザ共振器（１３）に設けることによって、および／または可変長さを備えた線形空洞部（１９）を設けることによって、調整可能であることを特徴とする、請求項１〜１３のいずれか一項に記載のレーザ。
15. 前記非線形オプティカルループミラー（１、１’）が、ループ部と同様に、前記ループ部を通って前記反対方向に伝播するレーザパルス部分が共線的に移動する線形部を備えて構成され、前記非相反光学素子（７、７’）が、前記非線形オプティカルループミラー（１、１’）の前記線形部に配置されることを特徴とする、請求項１〜１４のいずれか一項に記載のレーザ。
    

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