JP2014513411A - 高次モードファイバを用いる超短パルスのファイバデリバリーのための方法、およびシステム - Google Patents

高次モードファイバを用いる超短パルスのファイバデリバリーのための方法、およびシステム Download PDF

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Abstract

本発明の実施例は、高次モードファイバファイバ出力で、かつプリチャープをせずに光ファイバシステムを介して超短レーザパルスをデリバリーするためのシステム、および方法について述べる。本発明の一実施例において、全ファイバデリバリーシステムは、０．２μｍから１．３μｍの波長範囲でレーザパルスを生成するためのモードロックされた固体レーザあるいはファイバレーザ、正常分散を有するシングルモードファイバ、および長周期回折格子モード変換器、および異常分散を有する高次モードファイバを備える。全ファイバデリバリーシステムは、光バルク要素を必要とせず、かつパルスのプリチャープをすることなくレーザパルスを伝播する。全ファイバデリバリーシステムからの高次モード出力ビームは、約２００フェムト秒よりも短いパルスからなる。

Description

本出願は、２０１１年３月１日に出願された「プリチャープしない超短パルスの長距離ファイバデリバリーのための方法、およびシステム」と題される米国仮出願特許Ｎｏ．６１／４４７，８９５に対する優先権を主張し、その開示が参照のためにここに引用される。
本発明の実施例は、プリチャープしない高次モード（ＬＰ０２）ファイバ出力によるファイバデリバリーを用いる、例えば非線形顕微鏡、あるいはテラヘルツ（ＴＨｚ）放射を生成するための、ＮＩＲにおける２００ｆｓ以下のレーザパルスを用いる用途のためのシステム、および方法を述べる。
この文書の文脈中でプリチャープとは、ファイバデリバリーの出力の直後にできる限り最短のパルス幅を得る目的で、ファイバデリバリーに先立って光バルクによって異常分散を意図的に導入する方法をいう。さらに、回折格子、プリズム、グリズム、および分散鏡などの光バルク要素は、関連する光ファイバの分散を部分的に、あるいは完全に補償すると想定されるファイバデリバリーモジュールから分離された何らかの配置としてみなされる。
近赤外波長範囲における超短レーザパルスのデリバリーは、速度、品質、および解像度において従来の測定方法をより効率よくするために、非常に短い光パルスを利用する工業、および医学用途が増加の一途をたどっていること、およびフェムト秒の光源が、その寸法、安定性、および使いやすさにおいて十分に成熟してきているという事実により、ますます注目を集めている。しかし、すべての場合において、ファイバリンクの高い柔軟性が要求され、かつそのようなファイバリンクは商業的に入手可能な標準のファイバを用い、かつ光バルク要素によるプリチャープを用いずに作ることが困難である。一つの例はＴＨｚパルスの生成である。ＴＨｚパルスの生成はｆｓレーザパルスを用いるＮＩＲ波長範囲において非常に効率的である。光源からＴＨｚシステムにフェムト秒パルスのデリバリーを可能にするファイバデリバリーを備えることに商業的、かつ実際的な関心がある。工業用途におけるＴＨｚの生成は、一般に保安目的（爆発物、あるいは危険な液体の検出）、あるいは物質の検査のためである。
８００ｎｍ、および１０３０ｎｍの波長範囲における超短パルスのファイバデリバリーは、これまで標準的なシングルモードファイバなどの正常分散ファイバ、あるいはバルクの光分散要素と組み合わせたＬＭＡファイバを用いて行われている。分散要素はファイバの正常分散と整合する異常分散を備え、理想的には正味のゼロ群遅延分散を提供する。バルクの光分散要素はファイバ中への射出に先立ってパルスにチャープを導入し、それは正常分散ファイバに導入されるチャープを補償する；したがって用語”プリチャープ”と言われる。一般に、バルクの光異常分散要素は、回折格子、プリズム、回折格子とプリズムの組合せ、あるいはチャープ鏡からなり、コスト、寸法、および位置合わせという観点での実用性、およびファイバデリバリーシステムの安定性に顕著に寄与する。
光ファイバによるＮＩＲにおけるレーザパルスの伝送を容易にする多くの異なる技術的な取り組み方が報告されている。一つの例において、８００ｎｍにおける８２ｆｓの光パルスが、時間的、かつ空間的な圧縮の組合せの利用によって全長０．７５ｍのシングルモードファイバの出口で実際に示された。他の例において、回折格子圧縮器の助けにより、１４０ｆｓパルスが１．３ｍの微小構造ファイバを通して進行できる。他の例において、プリチャープすることなく、１７０ｆｓパルスが中空コアの光結晶ファイバ（ＰＣＦ）を通してデリバリーされた。他の例において、高次モードファイバの大きな分散を用いて、１５０ｆｓ以下のレーザパルスが２ｍ以上の光ファイバにわたって送られた。更に他の例において、プリチャープのために分散鏡、および回折格子を用いることにより、２５ｆｓの光パルスが１．６ｍの光ファイバの出口で得られた。同様の取り組み方が１６０ｆｓのレーザパルスが４０％までの伝送効率で４５ｍの光ファイバを通過することを容易にする。しかし、２００ｆｓよりも短いレーザパルスのファイバによるデリバリーは、スペースを浪費し、配置に敏感な光バルクによるプリチャープに頼らねばならない。
さらに、多数の光子を含む蛍光顕微鏡は、２倍の波長、あるいはより高倍率の波長の光源を用いて例えば生物学的な標本の非常に精細な画像を得るための技術である。その考え方は、狭い焦点、および２つ以上の光子が非常に明確に定められた位置、例えば焦点が合った光のまさに中心部、で標本を励起させるような短い光パルスを利用することである。この明確に定められた体積内の光だけが二つ以上の光子を有する標本を同時に励起し、蛍光を生成させるために十分な強度を備えるであろう。標本を励起するために一つだけの光子を用いて基本波長の光を用いると、面全体から蛍光が得られて、画像が不鮮明になるであろう。
したがって、光バルクによるプリチャープを必要とすることなく、光ファイバを通してＮＩＲにおいて２００ｆｓ以下のレーザパルスをデリバリーするためのシステム、および方法の必要性がある。
本発明の実施例は、プリチャープをすることなく高次モードファイバ出力を有する光ファイバを用いるフェムト秒レーザパルスをデリバリーするシステム、および方法を述べる。
本発明の一実施例において、全ファイバデリバリーシステムは正常分散、および異常分散を有する高次モードファイバを備え、全ファイバデリバリーシステムは光バルクがなく、パルスのプリチャープなしにレーザパルスを伝播する。
本発明の他の実施例において、全ファイバデリバリーシステムはレーザパルスを生成するためのモードロックされたＴｉ：サファイアレーザ、あるいは周波数２倍化エルビウムドープファイバレーザ、正常分散を有するシングルモードファイバ、および長周期回折格子（ＬＰＧ）モード変換器、および約１４．９μｍ２の有効断面積を有し、異常分散を有する高次モードファイバを備え、全ファイバデリバリーシステムは光バルクがなく、パルスのプリチャープなしに１から５０メータにわたって８００ｎｍの波長範囲でレーザパルスを伝播し、全ファイバデリバリーシステムからの出力パルスは約２００フェムト秒よりも小さいパルスからなり、約１ｐＪから約１０ｎＪの間のエネルギーを備える。
本発明の更に他の実施例において、テラヘルツ放射を生成し、検知する方法は、レーザパルスを生成するためのＴｉ：サファイアのモードロックされたレーザ、あるいは周波数2倍化されたモードロックされたエルビウムドープファイバレーザ、正常分散を有するシングルモードファイバ、および異常分散を有する高次モードファイバを備え、光バルクがない全ファイバデリバリーシステムを提供すること；中心が約８００ｎｍであるレーザから入力レーザパルスを生成すること；基底モードから高次モードへ入力レーザパルスを伝播すること；および約２００フェムト秒未満で出力パルスを出力することを含み、その方法は、入力レーザパルスの何らのプリチャープなしに動作する。
したがって、上に列挙された本発明の特徴が詳細に理解される方法、上に大まかにまとめられた本発明の実施例のより具体的な記述が、付属する図面に図解される実施例への参照によってなされてよい。しかし、付属する図面は、本発明の範囲内に網羅される実施例の単に一般的な例を図解し、したがって限定するものであると考えられるべきでなく、本発明に対して他の同じく有効な実施例に通じるものがあるということが注目されるべきであり、その場合において：
本発明の一実施例による、超短パルスのファイバデリバリーシステムを表す。 本発明の一実施例による、ＬＰ０２ＨＯＭ、ＬＰ０１基本モード、およびシングルモードファイバ（クリアライト（ＣｌｅａｒＬｉｔｅ）７８０−１１、ＯＦＳ製品）のファイバプリフォームの屈折率プロファイルから計算される分散曲線を表す。 本発明の一実施例による、非線形パルス圧縮、および線形分散補償によって示されるファイバモジュールによってデリバリーされる光パルスのフリンジ分解自己相関計測を表す。 本発明の一実施例による、図３の時間窓を３ｐｓまで拡張するグラフ、およびファイバモジュールの前後のパルスのスペクトルを表す。 本発明の実施例による、４０ｐＪ、および２１０ｐＪの間のパルスエネルギーでファイバモジュールを通して進行するパルスのスペクトル、および時間的形状を表す。 本発明の実施例による、Ｔｉ：サファイアレーザからのｆｓレーザパルスが如何にしてＴＨｚ時間領域の分光器までファイバデリバリーされるかを示す外略図を表す。 本発明の典型的な一実施例による、ＬＰ０２ｆｓレーザビームにより生成されて、空気中で測定されたＴＨｚパルス、および代表的な水による吸収曲線を表す。
ここで使用される標題は組織的な目的だけのものであり、記述の範囲、あるいは特許請求の範囲を制限するために使用されるべく意図されていない。この出願を通して使われるように、単語「してもよい」またはその同意語は、強制的な意味（すなわち、ねばならないという意味）よりも、許容の意味（すなわち、可能性を有するという意味）で使われる。同様に、「含む」またはその同意語は、書かれているものを含むが、書かれているものに限定されることがないことを意味する。理解を容易にするために、図に共通な同じ要素を述べるために可能なところでは、同じ参照番号が使われている。
本発明の実施例は、プリチャープをすることなく高次モードのファイバ出力によるファイバデリバリーを用いるフェムト秒レーザ利用のためのシステム、および方法を述べる。
ここで使われるように、用語「約」あるいは「おおよそ」、あるいはそれらの派生語は、数値を参照するときに、いずれかの方向にそのような数値の10パーセント以内を含むとみなされるべきである。さらに、そのような用語が独立した値（例えば、ゼロ）を記述するために使われるときには、通常、普通の当業者たちによって使われるように、その独立した値はいずれかの方向の妥当な測定の一単位内に含むとみなされるべきである。
正常ファイバ分散を前提とする超短レーザパルスのファイバデリバリーは、これまで三次、および高次の材料の分散をうまく処理できない分散補償装置の利用に起因して数メータ以下の距離に限定されている。しかし、本発明の実施例により、高次モードファイバに基づくファイバデリバリー概念の使用により、これらの超短レーザパルスは、パルスのプリチャープを必要とすることなしに任意の数十メータにわたって伝送される。
一実施例において、本発明の実施例により８００ｎｍ波長範囲の超短レーザパルスが、パルスのプリチャープを必要とすることなしに２０メータにわたって伝送される。そのように、本発明の実施例は、超短レーザパルスを用いる遠隔のＴＨｚ画像化、あるいは分光の可能性を明らかにするために利用されてよく、かつ、ファイバデリバリーの用途が、ファイバ出力部での広帯域ＴＨｚ放射を生成し、検出することによって実証されてよい。
一般的に、その基本形において、本発明の実施例は、異常分散を有する高次モード（ＨＯＭ）ファイバが後に続く正常分散を有する第一のファイバを備えるファイバデリバリーシステムからなる。ある実施例において、正常分散を有する第一のファイバは、シングルモードファイバ、微小構造ファイバ、あるいは同様の機能、すなわち正常分散を備える他のマルチモードファイバからなってよい。一実施例において、特別なマルチモードファイバは、光が基底モードで伝播するＨＯＭファイバそれ自身であってよい。この場合、ＨＯＭファイバは光を基底モードの中に結合し、回折格子に到達する前に正常分散である距離を伝播するように構成することが出来る。この点において、それからＨＯＭファイバは異常分散でＬＰ０２モード、あるいは他の高次モードで光を伝播するように構成される。
群遅延分散、すなわち蓄積されたβ２（より具体的にはΣ（β２・L）、ここで合計は異なるファイバ部分全体にわたり、Ｌはそれぞれの部分の長さである）、および二つのファイバ部分の比β３／β２は、それぞれ正味ゼロの群遅延分散、および最小の蓄積された高次分散（すなわち、三次分散（ＴＯＤ））を備えるように整合される。多くの実施例において、ファイバデリバリーシステムは発信器からｆｓレーザアプリケーションへ直接的にパルスデリバリーを提供し、その場合ファイバの出力はＬＰ０２モードである。
本発明の他の実施例は、ＴＨｚ生成、およびいろいろな技術を用いるＴＨｚパルスの電場の光学的ゲートを備えた検知方法を提供する。例えば、一実施例において、ＴＨｚの生成は、誘電体（例えば、ＧａＡｓ）の分極した隙間を用いること、あるいは（ＺｎＴｅ、あるいはＧａＰ）などの適当な結晶の光学的な整流作用を利用することを含んでよい。他の実施例において、検知は光学的に開かれた電気回路（すなわち、電極を備える半導体材料）を用いて、あるいは例えばＺｎＴｅを用いる電気光学的な反応を用いることによって行うことが出来、その場合、検知パルスの偏光はＴＨｚパルスによって変えられ、それは電気光学的標本として知られてもいる。
一般に、本発明の実施例は高次モードファイバを利用してよい。一般に、高次モードファイバ（ＨＯＭ）は特定の高次モードでの伝播を有効に使い、実用的でない、あるいは基底モードだけで伝播させるファイバ設計で禁止されている多種多様な新しいファイバの特性を可能にする。したがって、高分散のファイバ同様に、３２００μｍ２以下の高次モード有効断面積を有するＬＭＡ−ＨＯＭファイバは非線形性を低減するために利用されてよい。
さらに、シリカのゼロ分散波長以下の異常分散を有するＨＯＭファイバが、分散管理のために超短パルスレーザ発信器と接続して本発明の実施例で利用し、実装されてよい。８００ｎｍ、あるいは１０３０ｎｍの波長範囲で本発明の実施例は、追加の異常分散的な光バルクによるプリチャープを必要とすることなく、レーザから直接的に超短レーザパルスをデリバリーするためにＨＯＭファイバの異常分散を利用してよい。
図1は、本発明の一実施例による超短パルスファイバデリバリーシステムを表す。一般に、システム１００は入力１１０（例えば、レーザなどのパルス発生器）、第一のファイバ１２０、第二のファイバ１４０、出力１５０、およびオプションとして第一のファイバ１２０と第二のファイバ１４０との間のモード変換器１３０からなる。
入力１１０は本発明の実施例に適する、どのような形式であってもよいレーザなどのパルス信号発生器からなってよい。ある実施例において、入力１１０はモードロックされたレーザからなる。典型的な一実施例において、入力１１０は、繰り返し率が２６４ＭＨｚ、半値幅（ＦＷＨＭ）６ｎｍのスペクトル帯域幅、かつ平均の出力パワー２１０ｍＷであるＴｉ：サファイアのモードロックされたレーザからなる。そのような典型的な実施例において、レーザ光は中心が約７７０ｎｍであってよい。
オプションとして、入力１１０からのパルスは、パルス源への逆反射を防止するために光アイソレータ（例えば、ＥＯＴ ＢＢ８−５Ｘ）を通して送られる。しかし、多くの場合に、システム１００のファイバ端が角度をつけて研磨されているならば、アイソレータは省略されてよい。ファイバの第一の部分における非線形効果を低減するために、光がｆ＝７．５ｍｍレンズによってファイバ内に焦点を合わせられる前に、５ｃｍＳＦ５７ガラスブロックなどのガラスブロックがパルスを引き伸ばすために使われる。そのようなガラスブロックは、回折格子、プリズム、あるいは負の群遅延分散をもたらすチャープ鏡など、これまでのバルクの光構成要素のようなプリチャープ要素とは考えられていないことに注目すべきである。多くの実施例において、レンズの前でパルスの幅は３５０ｆｓであると見積もられ、それはまた光アイソレータから成ると考えてもよい。
多くの実施例において、第一のファイバ１２０はシングルモードファイバ（ＳＭＦ）からなる。ある実施例において、第一のファイバ１２０はコアの上にクラッド、および／あるいは被覆を備えるシリカコアファイバからなる。典型的な一実施例において、第一のファイバ１２０は、シリカクラッド、およびその上にアクリル被覆を備えるシリカコアファイバからなり、「クリアライト ７８０−１１（ClearLite 780-11）」の商標で、ジョージア州、ノークロス（Norcross, GA）のＯＦＳファイテル（OFS Fitel）から商業的に販売されている。別の実施例において、上に紹介されるように、第一のファイバは、微小構造のファイバ、他のマルチモードファイバ、上に記述されたようなＬＰ０１モードのＨＯＭファイバ、あるいは類似のものからなってもよい。
一般に、第二のファイバ１４０はＨＯＭファイバからなる。一実施例において、ＨＯＭファイバの有効断面積はプリフォームデータから７７０ｎｍにおいて１４．９μｍ２であると計算される。比較のために、近赤外において異常分散を有する屈折率導波型（index guiding）の微小構造ファイバの有効断面積は一般に２−５μｍ２のオーダーである。比較的大きな有効断面積は、本発明の実施例により記述されるＨＯＭファイバを用いることにより、非線形長さが３−８倍（類似の分散値であると仮定）まで増加することが出来るということを意味する。
一般に、モード変換器１３０は本発明の実施例に適するどのような形式のモード変換器であってもよく、しばしばシステムによって利用されるモードの性質に依存する。一実施例において、モード変換器１３０は、第一のファイバ１２０と第二のファイバ１４０との間に位置づけられる長周期回折格子（ＬＰＧ）モード変換器からなる。モード変換器はフェムト秒パルスの全スペクトルの容量に対応するために十分に広いスペクトル帯域幅からなる。一実施例において、そのような広帯域モード変換は、波長λＴＡＰで結合される二つのモードの群速度が等しいファイバに長周期回折格子を刻むことによって得られる。ここに用いられるように、λＴＡＰは位相整合曲線がその極値点に到達する波長である。
出力１５０は、ここに開示されるシステム、および方法から生成される出力パルスを受けるために適している何らかの構造、あるいは装置からなる。多くの実施例において、出力１５０は自由空間からなってよく、その場合において、光出力は、例えば高次モードの遠視野の自由空間に入ってよい。ある実施例において、出力１５０は、上に述べられるモード変換器に似た第二のモード変換器からなってよい。上に述べられるこれらのモード変換器に加えて、一実施例において、第二のモード変換器は高次モードファイバの出力端面内に書かれる、あるいは高次モードファイバの出力端面の上に直接取り付けられる位相板からなってよい。本発明の実施例の用途が実に広大であるが故に、出力１５０はどのような特別の構造、あるいは構成要素にも限定されるべきでない。
図に示されるように、第一のファイバ１２０は、第一のモード１２２からなり、その中を通してファイバ１２０が信号を伝播する。一実施例において、第一のモード１２２は基底モード（ＬＰ０１）からなる。しかし、他の実施例において、正常分散が達成できるのであれば、第一のモード１２２は高次モード、たとえばＬＰ０２、ＬＰ０３、あるいはＬＰ０４からなってよい。
第二のファイバ１４０は同様に第二のモード１４２からなってよい。多くの実施例において、第二のモード１４２は異常分散を有する高次モード、例えばＬＰ０２、ＬＰ０３、ＬＰ０４からなってよく、第二のファイバ１４０はその中を通して信号を伝播する。ある実施例において、システム１００の適切な運用のために、モード変換器１３０は、例えばＬＰ０１からＬＰ０２にモードを変換してよい。
図２は、本発明の典型的な一実施例による、ＬＰ０２ＨＯＭ、ＬＰ０１基底モード、およびシングルモードファイバのファイバプリフォームの屈折率プロファイルから計算される分散曲線を表す。図示される典型的な実施例において、ＬＰ０１、およびＬＰ０２モードの分散は、スカラーモード解法を用いて関連するプリフォーム部分の屈折率プロファイルから計算される。図示されるように、約７７０ｎｍにおけるＨＯＭのＬＰ０２分散は、分散勾配が約Ｓ＝−２．５４２ｐｓ（ｎｍ２ｋｍ）で約Ｄ＝＋１１２．７ｐｓ／（ｎｍ ｋｍ）であるとわかる。これは、それぞれ約β２＝−０．０３５５ｐｓ２／ｍ、およびβ３＝−０．０００２２２９ｐｓ３／ｍの第二、および第三次分散（ＴＯＤ）に対応する。
さらに、図に示されるように、基底ＬＰ０１モードは、高い材料分散、および高い正常波長分散の組合せに起因する（約β２＝＋０．１４４ｐｓ２／ｍに対応する）約Ｄ＝−４５６．９ｐｓ２／（ｎｍｋｍ）の高い正常分散を備える。比較のために、約７７０ｎｍにおけるＳＭＦの分散は（約β２＝＋０．０４２７ｐｓ２／ｍに対応する）Ｄ＝−１３５．７１ｐｓ２／（ｎｍ ｋｍ）として測定される。ＳＭＦの分散勾配、およびＴＯＤは、それぞれ約Ｓ＝＋０．５９１ｐｓ／（ｎｍ２ ｋｍ）、およびβ３＝＋０．００００２３６ｐｓ３／ｍである。典型的な実施例において、ＳＭＦは、シリカの材料分散によって特徴付けられる分散を有する整合クラッドファイバ型からなる。
この実施例において、ＬＰ０２、およびＳＭＦの二次分散は、符号が逆でおおよそ同じ大きさである（ＬＰ０２に対してβ２＝−０．０３５５ｐｓ２／ｍ、ＳＭＦに対してβ２＝＋０．０４２７ｐｓ２／ｍ）。さらに、ＬＰ０２、およびＳＭＦ部分に対する比β３／β２は、ＬＰ０２、およびＳＭＦのファイバ部分を結合するとき、高次の分散は部分的に補償されるので（ＬＰ０２に対してβ３／β２＝＋０．００６２８ｐｓ、ＳＭＦに対してβ３／β２＝＋０．０００５５３ｐｓ）おおよそ同じ大きさで符号が等しい。
典型的な実施例において、シングルモードのピッグテールファイバに相対的なＨＯＭファイバの長さは、特定用途の要求に適合する、群遅延分散としても知られる正味の分散を得るために変えることが出来る。典型的な実施例で利用されるファイバデリバリーの実演において、シングルモードファイバの長さが、正味の群遅延分散がほぼゼロで全体のデリバリー長さが約１９ｍであるように切り取られた。
典型的な実施例において、フェムト秒レーザからの光は、ファイバモジュールのシングルモード端に結合される。約９ｍのシングルモードファイバを進行した後、、信号がモード変換器によってＨＯＭファイバに結合され、ＬＰ０２モードでファイバモジュールを出る。一実施例において、２５倍の顕微鏡対物によって再視準が行われる。例において、パルス幅測定のために偏光状態を規定するために、手動式のファイバ偏光制御器がシングルモードファイバ部分に設置される。自己相関測定は、パルスのエネルギーが約１９０ｐＪ、すなわち、１．２ｋＷのオーダーのパルスのピークパワー、およびファイバモジュールからの５０ｍＷ平均パワーであると、パルス幅が急に短くなることを示す。この強度依存効果はソリトン圧縮として知られている。
パルスの伝播は、（１）パルスの幅はファイバの分散により伸張、および圧縮される、線形的（な伝播；あるいは（２）分散効果とともに強度依存効果がパルス幅、およびスペクトルを変化させるであろう（非線形伝播としても知られる）ソリトン伝播のいずれかに分割することが出来る。非線形の状況は、あるしきい値のピークパワーより上で到達する。一実施例において、ファイバデリバリーは線形的なパルス伝播を前提としていて、シングルモードファイバの群遅延分散、および高次分散は、理想的にフーリエ限界出力パルスを得るためにＨＯＭファイバのそれと整合するように選択される。他の実施例に対応して、長いファイバデリバリー長さにおいて、線形的な状況でのパルス幅は非補償型の高次分散の増加によって制限されてよい。この場合、パルス幅を低減するためにピークパワーを増加させ、ソリトン圧縮を有効に使うことが利点であってよい。ソリトンの形成は異常分散と共にファイバ中に生じ、その効果は超短パルスの場合にしばしばラマン散乱が伴う。線形的な伝播と、ソリトン伝播の両方が本発明の実施例において利用される。
図３は、本発明の一実施例による、ファイバモジュールによってデリバリーされる光パルスのフリンジ分解自己相関計測を表す。図３（上）に示されるように、ファイバデリバリーされた２１０ｐＪパルスに対して、７７ｆｓパルスがチャープの形跡もなく、すなわち非補償型の二次、および三次分散（ＴＯＤ）のままで、０．５ｐｓの時間枠内で測定される。それにひきかえ、図３（下）に示されるように、１５０ｐＪのパルスエネルギーにおける同じ事例は、トレースの比が過度なＴＯＤの代表的な特性で８：１から著しく外れて、顕著なチャープを示す。
本発明の実施例により、ファイバデリバリーによって基底モード、あるいはＬＰ０１モードのビーム出力を得るためにシングルモードファイバがＨＯＭファイバの出力端に取り付けられてよい。多くの実施例において、郡遅延分散（ＧＶＤ）補償された、あるいはフーリエ変換限界光パルスが、不要な追加的な非線形性を引き起こす可能性があるＨＯＭファイバの一部に生じる。したがって、デリバリーされるパワーは、ピークパワーに対する非線形効果のしきい値によって制限される。その一方、図１に表されるようなファイバデリバリーにおいては、光パルスがシングルモードファイバに沿って進行し、それらがＨＯＭファイバ部分に入るとき、より短くなり始めるにしたがい、光パルスはさらにチャープされる。本発明の実施例において、一般にファイバデリバリーの端部の方向に向かう以外にパルスが分散補償される部分はファイバデリバリー内にはない。したがって、より高いパルスエネルギーを有するパルスがデリバリーできる。さらに、ＨＯＭ、およびシングルモードファイバと比較して最小のモードフィールド径、例えばおおよそ３．６μｍ、を備えるＬＰＧが、チャープが最大になり、したがって非線形性のさらなる条件を回避する位置に配される。
他の実施例において、第二のＳＭＦ部分が、高次モードを基底モードに変換するための第二のモード変換器からなるファイバ線路の端部に加えられる。この実施例において、正味の群遅延分散は、約ゼロに制限されて全ファイバ線路に沿う分散マップとなり、パルスがフーリエ変換限界に近くなり、その最大のピークパワーを高次モードファイバ部分の中のある位置に到達させる。したがって、非線形性の条件は、非線形性のしきい値よりも低いエネルギーでパルスを伝送することにより回避される。
上に述べられた典型的な実施例において、ＳＭＦファイバとＬＰＧモード変換器とを合わせたものの群遅延分散がＨＯＭファイバの群遅延分散よりも小さい、すなわちパルスがＨＯＭファイバの端部に到達する前にＨＯＭファイバの中に短いパルスが形成されるなら、ＨＯＭファイバのラマンを誘起されたソリトンパルス伝播がしきい値パルスエネルギーより上で観察されてよい。典型的な実施例により、平均パワー５０ｍＷを上回るとき、シフトしたソリトンが生成され、残りのポンプレーザ、ソリトンの自己周波数のシフトとしても知られる効果と共存する。
一般に、ＨＯＭファイバが異常分散を備えるのに対して、非線形の周波数シフトによって生成されるチャープは、ファイバの分散によって補償される。したがって、光パルスは、パルスが広がることなく異常分散ファイバを通って進行するソリトンに似た挙動をする。基底のソリトン伝播に求められるピークパワーは、しばしば標準のシングルモードファイバについて１．３μｍより上の波長で広く用いられる効果である、分散長さ、および非線形長さを比較することによって見出される。
微小構造ファイバ、すなわちいわゆる「ホーリーファイバ」において、ソリトンパルスの形成は一般に１．０６μｍ、および８００ｎｍに対して示すことが出来る。典型的な実施例の場合において、しきい値のパルスエネルギー（１９０ｐＪ）に届かないとき、チャープのない光パルスは観察されない。しかし、パルスエネルギーが十分に高くなると、すぐにソリトンパルスの伝播の形成がＨＯＭファイバを発する７７ｆｓ光パルスにつながる。
本発明の実施例により、ここに確認されているように、ラマン散乱がソリトンの形成に主たるきっかけであってよいということを数値シミュレーションが示す。簡単にした説明は、異常分散ファイバ中で、より短い波長はより長い波長の構成要素よりも速く進行するということである。しかしながら、ラマン散乱の存在下で、より短い波長は時間的なパルス圧縮、およびより赤へずれるスペクトルをもたらす、より長い波長に変換されることにより減速される。結果として、一般に、ラマン散乱に加わるこれらのスペクトル成分だけがソリトンと共に進行、あるいはシフトするであろう。
図４（上）の測定された自己相関における離れたところのサイドローブによって観察されるように理論的には、他の部分すべては「コヒーレンス」ではなく、したがってソリトンからそれ自身を分離してより速く進行する。通常、非線形性、あるいはラマンのシフトが強いほど、時間による分離がより大きくなる。それに対して、パルスの形成、およびサイドローブの強度は、単独ではないにせよ、線形的なパルス圧縮に大きく依存する。したがって、より短いシングルモードファイバの場合、ソリトンの形成はＨＯＭファイバでより早く発生する。したがって、サイドローブは、不平衡な分散整合によりますますチャープされることとなり、ソリトンがＨＯＭファイバの端部に到達するとき、より不明確である。
しかし、典型的な実施例において、図４（上）の明白なサイドローブは、おそらくＨＯＭとシングルモードファイバとの間で整合する十分に良好な二次分散から始まる。
図５は、本発明の典型的な実施例により、パルスが４０ｐＪとおよび２１０ｐＪとの間のパルスエネルギーでファイバモジュールを経て進行しているとして、分割ステップ法を用いる一般化された非線形のシュレーディンガー方程式により計算されたパルスのスペクトル、および時間的な形状を表す。パルスエネルギー４０ｐＪ、および２１０ｐＪは、２６０ＭＨｚで動作するモードロックされたＴｉ：サファイアレーザからの１０ｍＷから５５ｍＷまでの出力パワーに対応する。
ここに述べられる試験的な実施例で得られた結果を定性的に再現するために、シングルモードファイバの長さが、正味の群遅延分散がわずかに負であり、かつソリトンがＨＯＭファイバの端部に向かって形成される、すなわち、シングルモードファイバの群遅延分散がＨＯＭファイバよりもさらに小さくないように選択される。そのような効果は、線形的な分散圧縮の場合を反映する図５（下）に示される１０ｍＷにおけるパルスの比較的低い時間的な広がりの妥当性を示すであろう。パワーが増加するにしたがい、図５（上）に示されるスペクトル強度の変化によって図解され、かつ、図４（下）に示される測定されたスペクトルによって反映されるように、エネルギーは線形的にチャープされるパルスから使い尽くされて、ラマンのシフトによってソリトンに移される。さらに、実験結果は、モデル化においてラマンのシフトを引き起こすことなく、ソリトンがファイバに形成されることはないということも示す。
図６は、本発明の実施例により、Ｔｉ：サファイアレーザからのｆｓレーザパルスがどのようにしてＴＨｚ時間領域の分光器にファイバデリバリーされるかを示す概略図を表す。図６に図的に示されるように、ファイバデリバリーモジュールは、フェムト秒Ｔｉ：サファイアレーザでの使用のために設計された標準のＴＨｚ−ＴＤＳシステムに取り付けられる。一実施例において、レーザの出力はＴＨｚ生成、およびＴＨｚ検出アームに分割されるが、しかしこれは、それぞれＴＨｚ生成、およびＴＨｚ検出のための二つの別々のファイバ配信を有するシステムである場合もある。しかし、本発明の実施例により、標準のＴＨｚ−ＴＤＳ構成で試験されるために光源からの十分な平均パワーがあるなら、２７０ｐＪパルスエネルギーに対応して、ファイバ出力は約７０ｍＷまで増加できる。
図７（上）は、放射体として、かつ検知のためとしても低温成長させたＧａＡｓ光導電スイッチを用いるＬＰ０２ｆｓレーザビームにより生成されたまさしく最初に測定されたＴＨｚパルスを示す。ＴＨｚパルスは周囲の空気中を伝播している。しかしながら、代表的な水の吸収線（図７、下）を示すＦＦＴスペクトルのＳＮＲは依然として低い。それにも拘らず、１９ｍ以上のファイバデリバリーのこの最初の結果は、衝撃、およびファイバの距離、簡単さ、効率、および簡潔さに関して新しい種類の技術の可能性を実証する。
図７は、本発明の典型的な一実施例によるＬＰ０２ｆｓレーザビーム、および代表的な水の吸収線によって生成される空気中で測定されたＴＨｚパルスを表す。図７（上）に示されるように、ＴＨｚ信号は（２７０ｐＪパルスエネルギーに対応する）ファイバ出力パワー７０ｍＷで測定される。図７(下）において、ＦＦＴ−ＴＨｚスペクトルがｌｏｇ目盛にはめ込まれて示され、かつ１ＴＨｚを越えるスペクトルの内容を示す。
ここに述べられる本発明の典型的な実施例は、ＴＨｚ時間領域の分光学に適当な可能性を備えるＴｉ：サファイアｆｓレーザのための長さ１９ｍのファイバデリバリーを提供する。上に述べられるように、入力パルスをプリチャープすることなく、Ｔｉ：サファイアレーザファイバからの１００ｆｓ以下のパルスをデリバリーするために、標準のシングルモードファイバとの組合せによりＨＯＭファイバにおけるソリトン伝播の効果が有効に使われる。
０．８μｍの波長範囲におけるソリトン伝播を研究する、あるいは容易にするためにＨＯＭファイバを利用することは、ホーリーファイバによる公知の手法を越える明確な利点を提供する。ホーリーファイバを越えるＨＯＭファイバのより大きなモードフィールド直径は、より強い光パルスへのその応用を容易にし、従来のシングルモードファイバとの可能な気味合わせが非常に柔軟な分散管理、および高い光の結合効率を可能にする。ｆｓレーザ用途の広い範囲にわたるこの技術の可能性が超短パルスファイバデリバリーを標準のＴＨｚＴＤＳシステムに適用することにより実証される。
本発明の実施例がＬＰ０２モードにデリバリーされる赤外レーザパルスによって生成され、検知されるＴＨｚ放射をもたらす。ここに開示される実施例は、分散の自己管理、および分散補償のために鋭敏な光学を整列させる必要性の省略を可能にする簡単で、コンパクトとした構造を示す。本発明の実施例は、５０ｍから１００ｍの範囲でＴＨｚＴＤＳ用途のための長距離ファイバデリバリーの力強い候補である可能性を備える。他の関連する実施例は、２光子重合、および多光子による内視鏡的な画像化を含んでよい。
本発明のさらなる実施例は、多光子蛍光顕微鏡システムへの２００ｆｓ以下のパルスのファイバデリバリーの方法を含む。多光子蛍光顕微鏡は、標本のきわめて一部に限定された体積から蛍光を得るために生物学的な標本の多光子励起のために長波長光を用いる技術である。蛍光が光学配列によって集光され、標本をラスタースキャンすることによって画像が生成出来る。多くの実施例において、多光子蛍光顕微鏡へのｆｓパルスのファイバデリバリーは、顕微鏡システムへのｆｓ光源の一体化を顕著に改善するであろう。さらに、ｆｓパルスのファイバデリバリーを用いることは、ファイバの出力が回折限界であるので、光システムの効率を高めるであろう。
さらに進んだシステムにおいて、ファイバデリバリーは、デリバリーファイバが生きている生物学的標本、すなわち生体の中に注入される内視鏡的な多光子蛍光顕微鏡を可能にしてよい。蛍光顕微鏡画像は、（生体内の）関心がある死んだ部分にわたってファイバデリバリーの先端をラスタースキャンさせ、ファイバを用いて蛍光を集光することによって生成することが出来る。
前に記述したことは、本発明の実施例に向けられているが、本発明のその他、および更なる実施例がその基本的な範囲から逸脱することなく考案されてよい。ここに述べられるいろいろな実施例は、ここに含まれる範囲から逸脱することなく、述べられる他の実施例のどのようなものとも組み合わせて利用されてよいということも理解される。さらに、特別の用途の必要に応じて、本発明の実施例はさらに拡張可能であってよい。
１００ システム
１１０ 入力
１２０ 第一のファイバ
１２２ 第一のモード
１３０ モード変換器
１４０ 第二のファイバ
１４２ 第二のモード
１５０ 出力

Claims (10)

  1. パルスのプリチャープをしないフェムト秒レーザパルスのための全ファイバデリバリーシステムであって、
    正常分散を有する第一のファイバ、および
    異常分散を有する高次モードファイバであって、前記第一のファイバの分散勾配に実質的に等しい相対的分散勾配を有する高次モードファイバを備え、
    前記全ファイバデリバリーシステムが、光バルクを必要とせず、かつ結果として生じる高次モードの光を自由空間の出力として作り出すために適している、全ファイバデリバリーシステム。
  2. 前記全ファイバデリバリーシステムからの出力パルスが約２００フェムト秒よりも短いパルスからなる、請求項１に記載の全ファイバデリバリーシステム。
  3. 前記出力パルスのエネルギーが約１ｐＪと約１０ｎＪとの間にある、請求項２に記載の全ファイバデリバリーシステム。
  4. 線形的なパルスの伝播が生じるときに、前記第一のファイバ、および前記高次モードファイバの両方の群遅延分散が、前記全ファイバデリバリーシステムの出力において２００ｆｓ未満のパルスを促進する、請求項１に記載の全ファイバデリバリーシステム。
  5. プリチャープをしない全ファイバデリバリーシステムであって、
    レーザパルスを生成するためのモードロックされたレーザ、
    正常分散を有するシングルモードファイバ、
    長周期回折格子モード変換器、および
    異常分散を有する高次モードファイバであって、前記第一のファイバの分散勾配に実質的に等しい相対的分散勾配を有する前記高次モードファイバを備え、
    前記全ファイバデリバリーシステムが、光バルクを必要とせず、結果として生じる高次モードの光を自由空間の出力として作り出すために適し、かつ０．１から１００メータにわたって２００から１３００ｎｍの波長でレーザパルスを伝播する、全ファイバデリバリーシステム。
  6. テラヘルツ放射を生成、あるいは検知するための方法であって、
    正常分散を有する第一のファイバ、および
    異常分散を有する高次モードファイバであって、前記第一のファイバの分散勾配に実質的に等しい相対的分散勾配を有する高次モードファイバを備え、
    光バルクを必要とせず、かつ結果として生じる高次モードの光を自由空間の出力として作り出すために適している、プリチャープをしない全ファイバデリバリーシステムを提供すること、
    レーザから入力レーザパルスを生成すること、
    前記入力レーザパルスを基底モードから高次モードへ伝播すること、および
    約２００フェムト秒よりも短い出力パルスを出力することを含み、
    前記方法が、前記入力レーザパルスの何らのプリチャープを必要とせず動作する、テラヘルツ放射を生成、あるいは検知するための方法。
  7. それぞれの出力パルスのエネルギーが約１ｐＪと約１０ｎＪとの間にある、請求項６に記載の方法。
  8. 線形的なパルスの伝播が生じるときに、前記第一のファイバ、および前記高次モードファイバの両方の群遅延分散が、前記全ファイバデリバリーシステムの出力において２００ｆｓ未満のパルスを促進する、請求項６に記載の方法。
  9. 短い光パルスをデリバリーするための方法であって、
    正常分散を有する第一のファイバ、および
    異常分散を有する高次モードファイバであって、前記第一のファイバの分散勾配に実質的に等しい相対的分散勾配を有する高次モードファイバを備え、
    光バルクを必要とせず、かつ結果として生じる高次モードの光を自由空間の出力として作り出すために適している、プリチャープをしない全ファイバデリバリーシステムを提供すること、
    レーザから入力レーザパルスを生成すること、
    前記入力レーザパルスを基底モードから高次モードへ伝播すること、および
    約２００フェムト秒よりも短い出力パルスを出力することを含み、
    前記方法が、前記入力レーザパルスの何らのプリチャープを必要とせず動作する、短い光パルスをデリバリーするための方法。
  10. 前記方法がテラヘルツの放射を生成、あるいは検知する、請求項９に記載の方法。
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