JP2014513422A - 光ファイバーレーザ発振器 - Google Patents

Abstract

本発明は、共振キャビティ内に挿入されて活性媒質としての役割を果たす増幅用光ファイバー（ＭＡ）と、上記増幅用光ファイバー内で反転分布を引き起こすポンピング手段（ＤＬ、ＣＰ）とを備えるレーザ発振器であって、上記増幅用光ファイバーは共通のクラッディング（Ｇ）内で互いに光学的に結合される少なくとも２つのコア（Ｃ１、Ｃ２）を備えることを特徴とするとともに、上記コアの形状、寸法、屈折率及び相対的配置は、スーパーモードがサポートされるように選択され、スーパーモードのうちの少なくとも１つ（ＳＭ１）は、上記レーザ発振器の放射スペクトル帯域において、正常色分散を示すことを特徴とする、レーザ発振器に関する。
【選択図】図２Ａ

Description

本発明は光ファイバーレーザ発振器に関する。より具体的には、本発明は、モード同期方式において動作し、超短、高エネルギーパルスを生成することができるレーザ発振器に関する。

「超短パルス」又は「超高速パルス」は、「ピコ秒」単位又は「フェムト秒」単位において測定されるパルスを意味するものと理解されたい。

ピコ秒（フェムト秒）パルスは、中間高において５００ｐｓ（フェムト秒パルスの場合は５００ｆｓ）以下の持続時間を示すパルスであると理解されたい。この持続時間は、発振器の出力において直接測定することができるか、又は分散手段によって周波数ドリフト（chirp：チャープ）を補償する動作後に測定することができる。

「高エネルギーパルス」は、キャビティ外で増幅する前に、発振器の出力において１００ｎＪ、更には１μＪ以上のエネルギーを示すパルスであると理解されたい。

超高速、高エネルギーレーザパルスは、数多くの科学、工業又は医療の応用形態において用いられる。限定しない例は、非線形顕微鏡、高次高調波の生成、時間分解撮像、高精度マイクロマシニング及び眼科手術を含む。

現在、Ｔｉ：サファイアに基づく大型のフェムト秒レーザを用いて、最も高い性能レベルが得られ、そのレーザによれば５ｆｓ程度の短いパルス持続時間を達成できるようになる。しかしながら、これらのレーザは数多くの欠点を有し、そのため、工業分野に応用するのに適していない。実際には、それらのレーザは相対的に大きくて扱いにくく、コストがかかり、エネルギーを消費し、長期安定性に関する問題を示す。それらのレーザは、周波数変換を伴うアルゴンイオンレーザ又は固体レーザによって一般的に放射される緑色光によって光学的にポンピングされなければならず、更にコストがかかる。さらに、熱光学効果がその電力及び周波数を制限する。さらに、発振器の出力におけるエネルギーは、一般的に、数十ナノジュール、又は更には数百ナノジュールを超えないので、数多くの応用形態の場合に、キャビティ外の増幅が必要であり、後にシステムのコストが上昇し、システムが大型になる。

最近になって導入された「薄型ディスクレーザ」（特許文献１を参照）は、少なくとも極短パルスを必要としない応用形態の場合に、興味深い代替形態を構成する。これらのレーザによって、６０ＭＨｚの周波数において、８００ｆｓ未満の持続時間からなり、発振器の出力において２μＪより高いエネルギーを有するパルスを生成できるようになった。これらのレーザは、半導体レーザ（レーザダイオード）によってポンピングすることができるという大きな利点をもたらす。しかしながら、薄型ディスクの形の活性媒質を使用することが、キャビティの形状及びポンピングを複雑にする。

その光学ゲイン媒体がドープされた光ファイバーからなるファイバーレーザは通常、希土類元素イオンをドープされ、経済的であり、コンパクトであり、丈夫であり、安定している。それらのレーザはレーザダイオードによって容易にポンピングすることができ、その高い表面／体積比が熱管理を簡単にする。それらのレーザは高いゲインを示し、それにより、高い周波数において大きな平均電力で動作できるようになる。さらに、それらのレーザは、高い空間品質を示すパルスを放射する。それにもかかわらず、発振器の出力におけるパルスのエネルギーは、光ファイバーを特徴付ける強い実効的な非線形性によって制限される。それゆえ、高エネルギーパルスを生成するには、一般的にキャビティ外の増幅を必要とするので、結果として、そのシステムは工業分野に応用にするにはあまりにも複雑になる。

光ファイバー内での伝搬中に、パルスは、その増幅又は減衰を最初に無視すると、その群速度の分散（２次の分散効果）及び光学的なカー効果（３次の非線形性）を受ける。その際、その包絡線の複素振幅Ａの傾向は、進行距離ｚ及び時間ｔの関数として、「非線形シュレーディンガー方程式」として既知である以下の式によって記述される。

ただし、
β_２は、群速度分散係数であり、

によって与えられ、ωは角周波数であり、βは光伝搬定数である。色分散パラメータＤ_ｃ＝−２πｃβ_２／λ^２がより一般的に用いられ、ｃは真空内の光の速度であり、λはω＝２πｃ／λによってωに結び付けられる波長である。パラメータＤ_ｃは一般的にｐｓ／（ｎｍ・ｋｍ）単位で表される。β_２＜０（Ｄ_ｃ＞０）であるとき、負の分散又は異常分散が当てはまる。β_２＞０（Ｄ_ｃ＜０）であるとき、正の分散又は正常分散が当てはまる。
γは、

によって与えられるファイバーの実効的な非線形性を表し、ｎ_２は非線形屈折率であり、ω_０はパルスの搬送波の角周波数であり、ｃは光の速度であり、Ａ_ｅｆｆは、以下の式によって定義される角周波数ω_０における光ファイバーのモードの有効表面（有効モード表面）である。

ただし、Ｅ（ｘ，ｙ）は光ファイバーの断面にわたって考えられるモードの電界分布を表す。

分散（dispersion）が異常であるとき、非線形効果及び分散効果が厳密に相殺するパルスプロファイル、すなわち、ソリトンが存在する。残念なことに、ソリトンは、限界値

未満のエネルギーの場合にのみ安定している。ただし、Ｔ_ｓはパルスの持続時間である（ソリトン面積定理）。物理的には、シリカから形成される従来の光ファイバーを用いるソリトンレーザ発振器は、約０．１ｎＪ未満のエネルギーを有するパルスしか生成することができない。「従来のファイバー」は、色分散、又は有効モード表面を特に管理しない単一モード光ファイバーであると理解されたい。

分散を管理しているファイバーレーザは、ソリトン面積定理によって課せられる限界を超えることを可能にする。これらのレーザのキャビティは、ソリトン発振器と同様に、異常分散を有する増幅用光ファイバーを備えるが、誘発された非線形性を制限するために、パルスを伸長する正常分散を示す部分も備える。例えば、特許文献２及び非特許文献１は、不均一なブラッグ回折格子によって正常（負の）分散が導入される分散管理を用いる発振器を記載している。このようにして、発振器の出力において数ナノジュールのエネルギーを達成することができるが、数多くの応用形態にとっては相変わらず不十分である。

特許文献３は、分散管理が光ファイバー内に完全に組み込まれているレーザ発振器を記載している。この発振器では、増幅用ファイバーが正常分散を示し、それは異常分散を有するパッシブファイバーによって補償される。増幅用ファイバーはエルビウムドープシリカから形成される。それゆえ、そのファイバーは、シリカが異常分散を示す波長（１．５５μｍ）において光学ゲインを示す。これらの条件において、正常分散を示すことができるようにするのに、ファイバーはオフセット分散を有するタイプからならなければならず、それゆえ、非常に小さなモード表面を有し、それがパルスの最大エネルギーを制限する。

異常分散を有する増幅用ファイバーを使用することに関連付けられる制約を回避するために、「シミラリトン」の概念を利用するレーザを作製することが提案された。「シミラリトン」は、放物線時間プロファイルを有するパルス（「放物線パルス」）であり、正常分散を有する媒体内を伝搬中に、変形されることなく広がる。放物線パルスレーザは、正常分散を有する増幅用ファイバーと、更なる非線形性を導入することなく、増幅用ファイバー内の広げられたパルスを圧縮する分散遅延線とを備える。そのようなレーザは、例えば、非特許文献２及び特許文献４において記載されている。発振器の出力におけるエネルギーは、数ナノジュールを超えない。

「全体として正常分散を有する」ファイバーレーザ（「全正常分散（All-Normal Dispersion）」を表すＡＮＤＩ、又は「全正常分散ファイバー」（All-Normal Dispersion Fiber）を表すＡＮＤＦ）も正常分散を有する増幅用ファイバーを備えるが、いかなる分散補償素子も設けない。パルスの広がりは、モード同期の役割を担う高速可飽和アブソーバ（テールを大きく減衰させることによってパルスを短くする）によって補償され、おそらくスペクトルフィルタリングによって助長される（それらのパルスは強い周波数ドリフトを示し、それは、フーリエ変換器によって制限されたパルスの場合に起こることとは異なり、スペクトルフィルタリングが持続時間を短縮することを意味する）。そのようなレーザ発振器の動作原理は、例えば、特許文献５において記載されている。

従来の増幅用光ファイバーが用いられるとき、全正常分散を有するレーザ発振器は、そのエネルギーが約２０ｎＪを超えないパルスを生成する（例えば、非特許文献３を参照）。しかしながら、この値は、フォトニック結晶タイプの、大きなモード表面を有する増幅用光ファイバーを用いることによって増加させることができる。例えば、イッテルビウムをドープされた、２８００μｍ^２（従来の光ファイバーの数平方マイクロメートルと比較されたい）の有効モード表面を有するフォトニック結晶ファイバー・バーが、１．０４μｍの波長において９２７ｎＪのエネルギー及び７１１ｆｓの持続時間（線形周波数ドリフトの補償後）を示すパルスを得られるようにした、非特許文献４を参照されたい。しかしながら、非特許文献４において記載されている発振器において用いられるファイバー・バーはマルチモードであり、したがって、基本モードを選択するのに空間フィルターの使用を必要とし、それゆえ、発振器のアーキテクチャを複雑にする。

クラッディング内に刻み込まれた２次元周期構造のピッチを大きくすることによって、１３２０μｍ^２の大きな有効面積を有する単一モードフォトニック結晶ファイバー・バーを得ることができた。モード同期発振器においてこの大きなピッチのファイバーを使用することによって、５３４ｎＪのエネルギー及び１００ｆｓの持続時間を示すパルスを得ることができる（非特許文献５）。

それにもかかわらず、フォトニック結晶ファイバー・バーを使用することは、或る特定の欠点を有する。

最初に、これらのファイバーは直線を成し、硬質である。それゆえ、光ファイバーレーザの主な利点のうちの１つ、すなわち、コンパクトであるという利点が失われる。また、そのファイバーは脆弱であり、製造するのにコストがかかる。

次に、導光に起因する分散が無視できるほどであるとき、分散の正負符号は材料の特性によって決まる。これは、１．２７μｍより長い波長において放射する発振器の場合にシリカファイバーを使用できないことを意味し、それは特に、エルビウムＥｒ^３＋（約１．５５μｍの放射）又はツリウムＴｍ^３＋（約２μｍの放射）によるドーピングを使用する可能性を排除する。シリカ以外の材料（フッ化物、カルコゲニド、テルル及び他のそのようなガラス）の使用は、従来のファイバー及びシリカファイバー構成要素と一体に構成できるかという問題を提起する。

さらに、許容可能な最大エネルギーは有効モード表面に線形に依存し、有効モード表面は、実際には、数千平方マイクロメートルを超えることはできない。それゆえ、これらのタイプのレーザは、エネルギー進行マージン（energy progression margin）に関してほとんど何も提供しない。

欧州特許第１２３６２４９号 米国特許第５，４５０，４２７号 米国特許第５，５１３，１９４号 米国特許第７，４３６，８６２号 国際公開第２００８／１０５８３３号

Lenz 1995 Ilday 2004 Chichkov 2010 Ortac 2009 Baumgartl 2011

本発明は、従来技術の上記の欠点を完全に又は部分的に改善することを目的とする。とりわけ、本発明は、従来技術から既知であるファイバーレーザ発振器よりも高いエネルギーの超短パルスを生成することができ、及び／又は例えば、「全ファイバー」システムの中に完全に組込み可能にすることによって、より簡単で、かつよりコンパクトな構造を有し、及び／又は従来技術から既知である全正常分散を有するレーザで到達不可能であるか若しくは到達するのが難しい波長においてレーザ放射を可能にする光ファイバーレーザを提供することを目的とする。

本発明の１つの主題は、共振キャビティ内に挿入されて活性媒質としての役割を果たす増幅用光ファイバーと、上記増幅用光ファイバーにおいて反転分布を引き起こすポンピング手段とを備えるレーザ発振器であり、上記増幅用光ファイバーは共通のクラッディング内で互いに光学的に結合される少なくとも２つのコアを備えることを特徴とするとともに、上記コアの形状、寸法、屈折率及び相対的配置はスーパーモードをサポートするように選択され、スーパーモードのうちの少なくとも１つは、上記レーザ発振器の放射スペクトル帯域において、正常色分散を示すことを特徴とする。

互いに光学的に結合される２つ（又はそれ以上）のコアを使用することは２つの点で有利である。一方では、それにより、ファイバーの中心に単一の円柱形のコアを備える従来の光ファイバーと比べて、有効モード表面を拡大できるようになる。他方では、非常に高い値を有する正常色分散を得るように、そのようなファイバーの物理的及び幾何学的パラメータを選択することができ、それにより、パルスを大きく伸長し、その結果、最大エネルギーを増加させることができるようになる。さらに、この色分散は実際には材料の分散から独立しており、全正常分散及び有効モード表面を有するレーザを達成する、放射波長に関する上記の制約を排除する。

本発明に従うレーザ発振器の様々な実施形態によれば、
−上記増幅用光ファイバーのコアの形状、寸法、屈折率及び相対的配置は、上記スーパーモードが、上記放射スペクトル帯域において、−１００ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以下、好ましくは−７００ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以下の正常色分散を示すように選択することができる。
−上記増幅用光ファイバーのコアの形状、寸法、屈折率及び相対的配置は、上記スーパーモードが、上記放射スペクトル帯域において、５０λ^２以上の有効モード表面を示すように選択することができる。ただし、λは上記放射スペクトル帯域の中心波長である。
−上記増幅用光ファイバーは、レーザ発振器の上記放射スペクトル帯域において正常色分散を示す上記スーパーモードの優先的な増幅が確保されるように選択された空間分布を有するドーピングを有することができる。
−上記増幅用ファイバーは、最大値の０．８倍において、１ｎｍ以上、好ましくは１０ｎｍ以上の幅を有する正常色分散帯域を示すことができる。
−上記増幅用光ファイバーは、とりわけ円柱形である中央コアと、その中央コアを包囲し、とりわけ中央コアと同軸をなす少なくとも１つの環状周辺コアとを備えることができる。詳細には、上記中央コアは上記放射スペクトル帯域において単一モードとすることができる。
−変形形態として、上記増幅用光ファイバーはバンドギャップ・ファイバーとすることができる。
−上記増幅用ファイバーは、シリカから作成することができる。
−上記増幅用光ファイバーは、増幅用光ファイバーが作成された材料の色分散が異常であるスペクトル領域において光学ゲインを示すようにドープすることができる。詳細には、増幅用光ファイバーは、エルビウムイオン又はツリウムイオンをドープされたシリカから作成することができる。
−発振器は、モード同期方式において動作を誘発する高速可飽和アブソーバも備えることができる。
−共振キャビティは、上記放射スペクトル帯域において全正常分散を示すことができる。
−上記共振キャビティは、リングの形をとることができ、単方向動作を可能にする光アイソレータを含むことができる。
−リングの形をとる上記共振キャビティは、光ファイバー内に完全に作製することができる。

本発明の他の特徴、詳細及び利点は、例として与えられる添付の図面を参照しながら、与えられた説明を読めば明らかになるであろう。

本発明の一実施形態によるレーザ発振器のブロック図である。 本発明の一実施形態による増幅用光ファイバーの構造を示す図である。 本発明の一実施形態による増幅用光ファイバーの特性を示す図である。 図１に示される構造を有し、活性媒質として図２Ａ及び図２Ｂによる増幅用光ファイバーを用いるレーザによって生成されたパルスのエネルギーの傾向をポンピング電力の関数として示すグラフである。 図１に示される構造を有し、活性媒質として図２Ａ及び図２Ｂによる増幅用光ファイバーを用いるレーザによって生成されたパルスの持続時間及びスペクトル幅の傾向をポンピング電力の関数として示すグラフである。 ２．５μＪのエネルギーの場合にそのレーザによって放射されたパルスの時間プロファイルを示すグラフである。 ２．５μＪのエネルギーの場合にそのレーザによって放射されたパルスのスペクトルプロファイルを示すグラフである。 レーザ発振器のキャビティ内のこれらのパルスの周波数ドリフト補償後に得られた時間プロファイルを示すグラフである。 レーザ発振器のキャビティ内のこれらのパルスのダイナミックレンジを示す図である。 本発明の他の実施形態による増幅用光ファイバーの屈折率プロファイルを示す図である。 本発明の他の実施形態による増幅用光ファイバーの屈折率プロファイルを示す図である。 本発明の更に別の実施形態による増幅用光ファイバーの屈折率プロファイルを示す図である。 ３０ｎＪのエネルギーの場合に、図１に示される構造を有し、活性媒質として図６による増幅用光ファイバーを用いるレーザによって放射されたパルスの計算された時間プロファイルを示す図である。 ３０ｎＪのエネルギーの場合に、図１に示される構造を有し、活性媒質として図６による増幅用光ファイバーを用いるレーザによって放射されたパルスの計算されたスペクトルプロファイルを示す図である。 ３０ｎＪのエネルギーの場合に、そのレーザによって放射されたパルスの測定された自己相関プロファイルを示す図である。 ３０ｎＪのエネルギーの場合に、そのレーザによって放射されたパルスの測定されたスペクトルプロファイルを示す図である。

図１は、本発明の一実施形態による、リング形共振キャビティＣＲＡを備えるレーザ発振器のブロック図を示す。そのようなレーザは、
−増幅用光ファイバーからなる活性媒質ＭＡであって、レーザダイオードＤＬによって生成されたポンピング光を注入するように結合器ＣＰが用いられる、活性媒質と、
−発振器によって生成されたレーザ放射の一部を抽出できるようにする出力結合器ＣＳと、
−レーザ発振器がモード同期方式において動作できるようにする高速可飽和アブソーバＡＳと、
−光が単一の方向（矢印によって示されるような時計回り）に伝搬できるようにする非可逆素子、すなわち、光アイソレータＥＮＲとを備える。

発振器の外部にあるのに適している、異常分散を示す分散システムＳＤＣが、出力結合器ＣＳによって抽出されたパルスを、理想的にはフーリエ限界まで圧縮する。

ポンピングシステム（結合器ＣＰ、レーザ源ＤＬ）、出力結合器ＣＳ、高速可飽和アブソーバＡＳ及び非可逆素子ＥＮＲは従来通りとすることができ、詳細に記述されない。完全に一体化された解決法では、それらの構成要素は正常分散を有する光ファイバーによって互いに、かつ増幅用媒質に連結される光ファイバーデバイスとすることができる。パルス圧縮分散システムＳＤＣも従来通りとすることができ、例えば、回折格子及び／又はプリズム及び／又は周波数ドリフトを有するミラー（「チャープトミラー」）によって作製することができる。実際には、図１の発振器を、例えば、上記の特許文献５において記述されるような全正常分散を有するタイプの光ファイバーレーザ源と区別するものは、主に増幅用光ファイバーＭＡの構造である。上記のように、そのようなファイバーは、共通のクラッディング内に少なくとも２つのコアを備える。それぞれ考慮される各コアは、少なくとも１つの伝搬モードを示す。しかしながら、コアが近接していることによって、それぞれのモード間に結合が誘発され、それにより「スーパーモード」が生じる。コアの形状、コアの屈折率及びコアの相対的配置が、有効モード表面、レーザ放射波長におけるこれらのスーパーモードの色分散、及びその分散が強く正常である帯域幅を最適化（この場合には、最大化）できるようにする自由度を構成する。

詳細には、増幅用光ファイバーＭＡは、２つの同心円状コア：従来の光ファイバーのコアに類似の円柱形中央コアと、その中央コアに同軸をなす環状周辺コアとを備えることができる。このタイプの光ファイバーはそれ自体既知であるが、今までレーザ用の活性媒質として提案されてこなかった。

例えば、論文［Thyagarajan 1996］、［August 2000］、［Fevrier 2002］及び［Gerome 2006］は同心円状の２つのコアを有するパッシブ光ファイバー（非増幅）の分散特性と、それらを分散補償モジュールとして使用することとを記載している。文献［Nielsen 2011］は、マルチモード中央コアと環状コアとを有する同心円状コアを備えるパッシブファイバーを記載している。中央コアの第２のモードを環状コアのモードと結合することによって得られる、「ＬＰ０２」と呼ばれるスーパーモードは、強いモード分散及び大きな有効モード面積の両方を示す。この技法の欠点は、標準的なファイバーの基本モードをＬＰ０２スーパーモードに変換するのに２つの長ピッチの回折格子の使用を伴うことである。このため、これらの回折格子において著しい非線形性が誘発されることになるので、そのファイバーの高エネルギーでの使用は除外される。

欧州特許第０９１０１４１号及び国際公開第０１／５０６３９号は、２つの同心円状コアを有する増幅用光ファイバーを記載している。これらのファイバーの屈折率プロファイルを利用して、ゲインのスペクトル依存性を制御する。信号送信向けのファイバーに関して言えば、それらのファイバーは、著しい分散、又は大きな有効モード面積を示すようには設計されない。国際公開第０１／５０６３９号は、ラマンレーザにおいてそのようなファイバーを使用するという問題にも対処している。しかしながら、そのようなレーザの動作原理は、本発明の場合のように、蛍光放射を用いる「従来の」レーザの動作原理とは全く異なる。さらに、同心円状コアを有するそのファイバーは、再び、そのスペクトルフィルタリング特性のゆえに使用されており、その分散特性を目的として使用されるのではない。

論文［Maury 2004］は、２つの同心円状コア、高い値の正常色分散、及び１．５５μｍ、すなわち、７λ^２において１７μｍ^２の実行モード面積を有する増幅用光ファイバーを記載している。このファイバーは、光通信システムにおいて色分散を補償するように使用されることが意図されている。

図２Ａにおいて、破線曲線は、本発明の実施態様の場合に適しており、シリカから作成され、１．５８μｍの上記の波長においてレーザ放射を得るためにエルビウムイオン（Ｅｒ^３＋）をドープすることによって増幅するように構成されるファイバーＭＡの屈折率プロファイルｎ（ｒ）を示す。

このファイバーは、３μｍの半径ｒ_１及び屈折率ｎ_１＝１．４６４を有する内側コアＣ１と、内径ｒ_２＝７μｍ、外径ｒ_３＝３０μｍ及び屈折率ｎ_２＝１．４５８を有する環状コアＣ２と、２つのコア間、及び環状コアの外側にある屈折率ｎ_３＝１．４５のクラッディングＧとを有する。従来から、屈折率プロファイルｎ（ｒ）は、二酸化ゲルマニウムをドープすることによって得られる。連続線は、１．５８μｍの波長において、中央コアの単一モードと環状コアの最も低い偶数次（０次）モードとを結合することによって得られた、これ以降「ＳＭ１」として与えられる、基本スーパーモードの振幅プロファイルＡ（ｒ）を示す。このスーパーモードは主に中央コアに集中するが、環状コアの中に延在する「翼部」も示す。これらの同じ基本モードを結合することによって、ここには示されないが、環状コア内により高く集中する別のスーパーモードも与えられ、これ以降「ＳＭ２」と呼ばれる。網掛け部分ＰＤによって示されるドーピングプロファイルは、スーパーモードＳＭ２よりも、スーパーモードＳＭ１との良好な重なりを示すように設計される。したがって、第１のものは優先的に増幅される。対象となる波長（１．５８μｍ）の場合、スーパーモードＳＭ１の重なり係数が最大化され、領域０＜ｒ＜（ｒ_２＋ｒ_３）／２における長方形ドーピングの場合に約０．７５の値を有する。これらの条件において、スーパーモードＳＭ２の重なり係数は約０．２５である。それゆえ、スーパーモードＳＭ１が非常に好都合である。

図２Ｂは、スーパーモードＳＭ１の場合に色分散Ｄ_ｃ（破線、左側目盛）及び有効モード面積Ａ_ｅｆｆ（連続線、右側目盛）がいかに波長λに依存するかを示す。レーザ波長（λ_ｌａｓ＝１．５８μｍ）では、分散は負であり、−８００ｐｓ／ｎｍ／ｋｍの値をとる。分散は、幅Δλが約１３ｎｍであるスペクトル帯域にわたって−６４０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ未満のままである。有効モード面積に関しては、レーザ波長において１５０μｍ^２、すなわち、約６０λ_ｌａｓ ^２の値をとる。約λ＞１．５９μｍの場合、スーパーモードＳＭ１は主に環状コア内に位置し、ドープされた領域との重なり係数は大きく減少する。それゆえ、このスペクトル領域では良好に機能することができない。

図３Ａ及び図３Ｂは、活性媒質として図２のファイバーＭＡを用いる図１の発振器によって生成されたレーザパルスの種々の特性（エネルギーＥ、持続時間Δｔ、スペクトル幅Δλ）が、ポンピング電力を表すと考えられる、材料の飽和エネルギーＥ_ｓａｔにいかに依存するかを示す。これらの図は、数μＪのエネルギー、及び２０ｐｓ〜９５ｐｓの持続時間を有するパルスを得ることが可能であることを示す。この持続時間は、ガウス時間プロファイルを仮定して、約１０ｎｍのスペクトル幅の場合に１．５８μｍにおいて３６６ｆｓである、フーリエ変換によって制限された持続時間と比較しなければならないので、これらのパルスは大きく伸長される。

図４Ａは、２．５μＪに等しいエネルギーのパルスの強度Ｉ（ｔ）（連続線曲線、左側目盛、任意の単位「ｕ．ａ．」）の時間プロファイル及び瞬時周波数δω（ｔ）（破線曲線、右側目盛、ＴＨｚ単位）の時間プロファイルを示す。このパルスの持続時間Ｔ（中間高における最大幅と定義される）は約９３ｐｓである。その伸長は、線形周波数ランプによって概ね説明することができる。この伸長化は、増幅用ファイバーによって導入される強い色分散と、異常分散を有する任意の補償素子が存在しないこととの必然的な結果である。実際には、この伸長化は、パルスごとのエネルギーの増加への鍵である。必要なら、従来の圧縮システムによってキャビティ外で補償することができる。さらに、発振器の出力において、既に伸長しているパルスを有するという事実は、キャビティ外増幅が必要である場合には好都合である。

図４Ｂは、図４ＡのパルスのスペクトルＩ_λ（λ）を示す。このスペクトルは、変調を用いることなく、及び／又は非線形効果によって誘発された非対称性を生じることなく、極めて均整が取れており、対称であることが図から明らかである。さらに、そのスペクトルは概ね放物線のような見かけを示し、シミラリトン伝搬を反映する。

図４Ｃは、図４Ａのパルスの周波数ドリフトの補償後に得られる強度Ｉ（ｔ）の時間プロファイルを示す。その際、パルスの持続時間は９５０ｆｓに短縮される。０位相を仮定すると、パルスの持続時間は図４Ｃのスペクトルのフーリエ変換を実行することによって得られる持続時間の１．３３倍であり、それは周波数ドリフトが概ね線形であることを示す。

図４Ｄは、キャビティ内の位置ｚの関数としての、パルスのスペクトル幅の傾向（右側目盛）及び持続時間の傾向（左側目盛）を示す。全正常分散を有するレーザ発振器の原理に従って、パルスの持続時間は増幅用ファイバー（ＭＡ）内で単調に増加し、出力結合器（ＣＳ）において安定化され、高速可飽和アブソーバ（ＡＳ）によって大きく低減されることが図から明らかである。

以下の表は、記述されたばかりの本発明の実施形態によるレーザ発振器と、上記の非特許文献５及び非特許文献３において記載されている、従来技術の２つの実施形態とを比較するのに用いることができる。レーザごとに、放射波長λ_０（μｍ単位）、光学ゲインを導入するようにドーパントとして用いられる希土類イオン、有効モード面積Ａ_ｅｆｆ（μｍ^２単位）、分散Ｄ_ｃ（ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ単位）、パルスの最大帯域幅Δλ（ｎｍ単位）及び得られたパルスのエネルギーＥ（μＪ単位）が示される。さらに、各レーザはＦＯＭ＝６πｃ［Ｄ_ｃ］^２・Δλ^３／（λ_０ ^２・γ・ｇ）によって定義される、μＪ単位で測定された「性能指数」ＦＯＭによって特徴付けられる。ただし、ｃは真空中の光の速さであり、ｇは、全ての構成の場合に一定であり、１．６ｍ^−１に等しいと仮定される低信号ゲインであり、γは、

である。パルスのスペクトル幅は、ゲイン帯域の幅Δλ_ｇによって、又は０．８Ｄ_ｃｍａｘにおいて定義される分散帯域の幅Δλ_ｄによって制限される（Ｄ_ｃｍａｘは、色分散パラメータＤｃの絶対値としての最大値である）：Δλ＝ｍｉｎ（Δλ_ｇ，Δλ_ｄ）。分散帯域幅Δλ_ｄは、高次分散、特に３次分散（β_３＝δβ_２／δω）の影響をなくすために、０．８Ｄ_ｃｍａｘにおいて定義される。性能指数は、放物線方式における増幅の場合、出力パルスの最大エネルギーに比例する（論文［Deng2009］を参照）。実際には、このエネルギーは、分散が増加し、スペクトル帯域が広がり、有効モード面積が大きくなるにつれてますます高くなる。

本発明による発振器から抽出されるエネルギーは、非特許文献５よりも有効モード面積が著しく小さく、性能指数がわずかに低いにもかかわらず、非特許文献５に従って得られたエネルギーの５倍である。実際には、モード面積差は、非特許文献５において、材料の特性によって決定されたはるかに高い分散値によって補償される差よりも大きい。この理由から厳密には、非特許文献５のレーザは、約１．５５μｍを放射するＥｒ^３＋ドーピング、又は約２μｍを放射するＴｍ^３＋ドーピングを使用できないことにも留意されたい。非特許文献３のレーザは１．５５μｍにおいて放射するが、そのレーザが達成できるようにするエネルギーは、本発明によって得られるエネルギーよりも２桁だけ小さい。

本発明は、図２Ａにおいて示されるタイプの屈折率プロファイルを示す増幅用光ファイバーを使用することには限定されない。図５Ａ及び図５Ｂは、本発明の実施態様に適している屈折率プロファイルの２つの他の例を示す。図５Ａの場合、クラッディングの外側部分（ｒ＞ｒ_３）は内側部分（ｒ_１＜ｒ＜ｒ_２）とは異なる屈折率（低い：ｎ_４＜ｎ_２）を示す。図５Ｂの場合、単一モードを考慮しながら、有効モード面積を最大化するために、中央コアは広く、弱い導光である（ｎ_１＜ｎ_３）。これらのプロファイルは、図２Ａのプロファイルと同様に、いわゆる「Ｗ」タイプからなる。しかしながら、フォトニックバンドギャップを有し、その屈折率プロファイルが図６に概略的に示される、「中実」ファイバー（ガラス及び空気からなるフォトニック結晶ファイバーとは異なり、完全にガラスからなる）のような更に異なる構造も使用することができる。そのようなファイバーでは、コアＣの屈折率は、クラッディングの屈折率と同じか、又はわずかに高くすることができ、導光は交互に高い屈折率及び低い屈折率からなる同心円状リングＡ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４、Ａ５の対によって生成されるバンドギャップによってのみ、又は主にそのバンドギャップによって確保される。本発明の実施態様の場合、最も内側のリング（Ａ１）は第２のコアとしての役割を果たす。利用されるスーパーモードは、中央コアの最低次数のモードとリングＡ１の奇数モードとを結合することによって得られる。本発明は、論文［Gerome 2007］において詳細に記載されているパッシブファイバーと同じ屈折率プロファイルを示すイッテルビウムドープファイバーを用いることによって実験的に試験された。分散は非常に高い（波長λ_０＝１．０４μｍにおいてＤｃ＝１５００ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ）が、性能レベルは相対的に狭い有用なスペクトル帯域Δλ_ｄ＝１ｎｍによって制限され、その結果、性能指数ＦＯＭ＝１０^−２になり、パルスは大きくても数十ナノジュールであるエネルギーを有する。この特定の応用形態の場合、ファイバーは最適ではなかったと言わざるを得ない。実際には、そのような狭い有用なスペクトル帯域の場合、モード同期方式における安定動作が得られることに注目すべきである。

図７Ａ及び図７Ｂは、３０ｎＪの出力エネルギーの場合に計算された、パルスの時間プロファイル及びスペクトルプロファイルを示す。計算されたパルスは、５６ｐｓの時間幅の場合に中間高において０．６９ｎｍ幅の狭いスペクトルを示す。それらのパルスは強い線形周波数ドリフトを示す。

図８Ａ及び図８Ｂは、同じく３０ｎＪのエネルギーを有するパルスの場合に発振器の出力において測定されたスペクトルＩ_λ（λ）及び自己相関のトレース（Ｉ_ＡＣ、遅延τの関数）を示す。自己相関トレースの中間高における幅は７０ｐｓであり、それはガウスプロファイルを仮定するとき、５０ｐｓ持続時間のパルスに相当する。この実験結果は、図７Ａ及び図７Ｂの数値予測と非常に厳密に一致する。

本発明の目的は上記の実施形態には限定されない。共通のクラッディング内で互いに光学的に結合される少なくとも２つのコアを備えるなら、異なる光ファイバー構造を用いることができる。これらのファイバーは、異なる材料において作製することができ、エルビウムイオン及びイッテルビウムイオン以外のドーピングを有することができる。これらのファイバーは、必ずしも図１のアーキテクチャを有しない発振器内に組み込むことができる（詳細には、キャビティは必ずしもリングの形状をとらなくてもよい）。任意のモード同期技法（高速アブソーバ、低速アブソーバ、変調器による能動同期等）を用いることができ、さらに、超短パルスを生成することが主に対象とされる応用形態であるが、本発明によるレーザオペレーター（laser operator）は必ずしもモード同期方式において動作しなくてもよい。

Claims (15)

1. 共振キャビティ内に挿入されて活性媒質としての役割を果たす増幅用光ファイバー（ＭＡ）と、該増幅用光ファイバー内で反転分布を引き起こすポンピング手段（ＤＬ、ＣＰ）とを備えるレーザ発振器であって、前記増幅用光ファイバーは共通のクラッディング（Ｇ）内で互いに光学的に結合される少なくとも２つのコア（Ｃ１、Ｃ２）を備えることを特徴とするとともに、前記コアの形状、寸法、屈折率及び相対的配置はスーパーモードをサポートするように選択され、前記スーパーモードのうちの少なくとも１つ（ＳＭ１）は、前記レーザ発振器の放射スペクトル帯域において、前記光ファイバーが作成された材料の分散から概ね独立した正常色分散を示すことを特徴とする、レーザ発振器。
2. 前記増幅用光ファイバーの前記コアの前記形状、前記寸法、前記屈折率及び前記相対的配置は、前記スーパーモードが前記放射スペクトル帯域において−１００ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以下、好ましくは−７００ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以下の正常色分散を示すように選択される、請求項１に記載のレーザ発振器。
3. 前記増幅用光ファイバーの前記コアの前記形状、前記寸法、前記屈折率及び前記相対的配置は、前記スーパーモードが前記放射スペクトル帯域において５０λ^２以上の有効モード表面を示すように選択され、λは前記放射スペクトル帯域の中心波長である、請求項１又は２に記載のレーザ発振器。
4. 前記増幅用光ファイバーは、前記レーザ発振器の前記放射スペクトル帯域において正常色分散を示す前記スーパーモードの優先的な増幅を確保するように選択された空間分布を有するドーピングを有する、請求項２又は３に記載のレーザ発振器。
5. 前記増幅用光ファイバーは、最大値の０．８倍において、１ｎｍ以上、好ましくは１０ｎｍ以上の幅を有する正常色分散帯域を示す、請求項１〜４のいずれか一項に記載のレーザ発振器。
6. 前記増幅用光ファイバーは、中央コア（Ｃ１）と、該中央コアを包囲する少なくとも１つの環状周辺コア（Ｃ２）とを備える、請求項１〜５のいずれか一項に記載のレーザ発振器。
7. 前記中央コアは前記放射スペクトル帯域において単一モードである、請求項６に記載のレーザ発振器。
8. 前記増幅用光ファイバーは、バンドギャップ・ファイバーである、請求項１〜５のいずれか一項に記載のレーザ発振器。
9. 前記増幅用光ファイバーは、シリカから作成される、請求項１〜８のいずれか一項に記載のレーザ発振器。
10. 前記増幅用光ファイバーは、該増幅用光ファイバーが作成された材料の分散が異常であるスペクトル領域において光学ゲインを示すようにドープされる、請求項１〜９のいずれか一項に記載のレーザ発振器。
11. 前記増幅用光ファイバーは、エルビウムイオン又はツリウムイオンをドープされたシリカから作成される、請求項１〜１０のいずれか一項に記載のレーザ発振器。
12. モード同期方式における動作を誘発する高速可飽和アブソーバ（ＡＳ）をさらに備える、請求項１〜１１のいずれか一項に記載のレーザ発振器。
13. 前記共振キャビティは前記放射スペクトル帯域において全正常分散を示す、請求項１２に記載のレーザ発振器。
14. 前記共振キャビティはリングの形をとり、単方向動作を可能にする光アイソレータ（ＥＮＲ）を含む、請求項１〜１３のいずれか一項に記載のレーザ発振器。
15. リングの形をとる前記共振キャビティは光ファイバー内に完全に作製される、請求項１４に記載のレーザ発振器。

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