JP2014515175A - 中赤外線および遠赤外線のための小型でコヒーレントで高輝度の光源 - Google Patents

Abstract

中赤外線および遠赤外線スペクトル領域のための小型高輝度光源、ならびに例となる適用例が、受動モード同期Ｔｍファイバー・コム・レーザーに基づいて開示される。少なくとも一実施形態では、コム光源のコヒーレンスは、Ｔｍファイバー・コム・レーザーを励起するために増幅された単一周波数レーザーを利用するシステムで増加する。受動モード同期Ｔｍファイバー・コム・レーザーによって発生する光学帯域幅は、分散補償のための適切なチャープ・ファイバー・ブラッグ格子か、または二次および三次分散の適切に選択された値をもつファイバーを使用する二次および三次分散の同時補償を使用することによってさらに減少する。三次分散の大きな異常値をもつファイバー、または大きな開口数をもつファイバー、例えば気孔がファイバー・クラッドに形成されたファイバーが利用されてもよい。

Description

本発明は、ファイバー・レーザーに基づくシステムを含む、中赤外線および遠赤外線スペクトル領域のための小型高輝度光源、ならびにそれの例となる適用例に関する。

高輝度中赤外線光源は、医学、分光学、測距、感知および計測学で多く適用されている。そのような光源は、非常に頑丈で、長期安定性を有する必要があり、また大量市場用途のために高度の光集積化とともに最小部品数を含む必要もある。半導体レーザーに基づく中赤外線光源は、非常に普及している。より具体的には、高度の集積化を可能にする量子カスケード・レーザーが、利用できるようになった。しかしながら、極低温冷却の要件は、一般に障害になり、多くの適用例にとって許容できない。

高度のスペクトル・コヒーレンスもまた、周波数コムの構築で特に重要である。近赤外線および中赤外線スペクトル領域で動作するレーザー光源は、容易に利用できるが、中赤外線波長領域で動作するそのような周波数コム光源についてはほとんど取り組まれていない。

実際、高スペクトル密度をもち、高度のスペクトル・コヒーレンスで動作する、大量生産可能なコヒーレント・ファイバーに基づく中赤外線光源または中赤外線コム光源は、現在まで生産されていない。

米国特許出願第６１／４２６，３２７号 米国特許第５，５１５，１９４号 米国特許第７，７８２，９１０号 米国特許第７，６４９，９１５号 米国特許出願第１２／３９９，４３５号 米国特許出願第１１／０９１，０１５号

Ｋ．ＫｉｅｕおよびＭ．Ｍａｎｓｕｒｉｐｕｒ、「Ｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄ ｐｕｌｓｅ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ａ ｆｉｂｅｒ ｔａｐｅｒ ｅｍｂｅｄｄｅｄ ｉｎ ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅ／ｐｏｌｙｍｅｒ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ」、Ｏｐｔ．Ｌｅｔｔ．、３２、２２４２〜２２４４頁（２００７） Ｃ．Ｇ．Ｄｕｒｆｅｅ他、「Ａ ｍｏｄｕｌａｒ ａｐｐｒｏａｃｈ ｔｏ ｔｈｅ ａｎａｌｙｔｉｃ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｐｅｃｔｒａｌ ｐｈａｓｅ ｆｏｒ ｇｒｉｓｍｓ ａｎｄ ｏｔｈｅｒ ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ／ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ」、Ｏｐｔ．Ｅｘｐｒｅｓｓ、Ｖｏｌ．１７、１８００４頁（２００８）

受動モード同期Ｔｍファイバー・コム・レーザーに基づく小型コヒーレント中赤外線および遠赤外線周波数コム・システムが、述べられる。本明細書で使用するように、中赤外線および遠赤外線スペクトル領域は、約１．７μｍから約数十ミクロンの範囲の波長を含む。例として、ファイバーに基づくレーザー・システムの出力は、分子分光学用途にとって大きな関心の範囲である、約１．８μｍから約２０μｍの波長範囲であってもよい。

コム光源のコヒーレンスを増加させるために、増幅された単一周波数レーザーが、Ｔｍファイバー・コム・レーザーを励起するために使用される。受動モード同期Ｔｍファイバー・コム・レーザーによって発生する光学帯域幅は、分散補償のための適切なチャープ・ファイバー・ブラッグ格子か、または二次および三次分散の適切に選択された値をもつファイバーを使用する二次および三次分散の同時補償を使用することによってさらに増加する。三次分散の大きな異常値をもつファイバーは、特に有用であり、高Ｇｅドープのファイバーまたは大きな開口数をもつファイバー、例えば気孔がファイバー・クラッドに形成されたファイバーから製造できる。

Ｔｍファイバー・コム・レーザーの光学帯域幅は、分散補償のために正分散ファイバーならびにファイバー・ブラッグ格子と併用して光リング共振器またはファブリ・ペロー共振器を使用することによってさらに増加する。

Ｔｍファイバー・コム・レーザーのキャリア・エンベロープ・オフセット周波数は、Ｔｍファイバー・コム・レーザー励起光の振幅の直接変調を使用して制御できる。別法として、電子的アドレス可能光学部品が、キャリア位相変調のために共振器内部に配置されてもよい。そのような電子的アドレス可能光学部品の例は、共振器損失変調を用いてキャリア・エンベロープ・オフセット周波数を変調することができる音響光学変調器である。なお別の代替案として、外部振幅変調器が、Ｔｍファイバー・コム・レーザーと励起源との間に挿入されてもよい。

Ｔｍファイバー・コム・レーザーの出力は、Ｔｍファイバー増幅器でさらに増幅でき、得ることができるパルス・エネルギーは、Ｔｍファイバー増幅器でチャープ・パルス増幅を使用して著しく増加できる。増幅されたパルスのパルス幅は、二次および三次分散の補償の実施によって減少する。非線形パルス圧縮は、Ｔｍ増幅器で直接かまたはＴｍ増幅器の下流の非ドープのファイバーで実施できる。例えば、より高次のソリトン圧縮またはラマン・ソリトン発生などの非線形パルス圧縮技術が、実施されてもよい。Ｔｍ増幅器でのパルス圧縮を直接使用するとき、コア励起Ｔｍ増幅器は、特に高いパルス・エネルギーの発生を可能にする。Ｔｍ増幅器との併用で、５０ｆｓより短いまたはさらに短いパルス幅を発生させることができる。非線形パルス圧縮技術は、非常に短いパルスの発生に特に有用である。シリカ・ファイバーでの２０００ｎｍにおける比較的高い自己集束しきいのため、非線形圧縮技術は、直接シリカ・ファイバーでピーク・パワー＞１０ＭＷをもつ短パルスを生成することができる。

オクターブに及ぶ（ｏｃｔａｖｅ ｓｐａｎｎｉｎｇ）スーパーコンティニウム・スペクトルは、高非線形ファイバーをＴｍファイバー増幅器またはパルス圧縮ファイバーの出力に直接接合することによって発生させることができる。Ｔｍファイバー・レーザーの出力は、非線形結晶または導波路でのスペクトル周波数移動を使用してさらに周波数を上方または下方に移動できる。別法として、周波数を下方に移動したスペクトルは、光パラメトリック発振器、光パラメトリック発生器、または増幅器を使って得ることができる。

高エネルギー短パルスＴｍファイバー増幅器はさらに、マイクロマシニング用途および特にシリコンなどの半導体での表面下機械加工に有用である。そのようなマイクロマシニング用途のために、高エネルギー・パルスは、チャープ・パルス増幅を使用して発生させることができる。

広いコヒーレント・パルス・スペクトルの発生に最適化された受動モード同期Ｔｍファイバー・レーザーを概略的に例示する図である。 正の二次分散および負の三次分散をもつＴｍドープのフォトニック結晶ファイバーの横断面を概略的に例示する図である。 コア励起Ｔｍ増幅器と併用されるモード同期Ｔｍファイバー・レーザーを概略的に例示する図である。 広いコヒーレント・パルス・スペクトルの発生に最適化された受動モード同期Ｔｍファイバー・レーザーの代替実施形態を概略的に例示する図である。 受動モード同期Ｔｍファイバー発振器およびＴｍファイバー増幅器を概略的に例示する図である。 ＴｍＦＣＰＡシステムに基づく例となる材料処理装置を概略的に例示する図である。 光パラメトリック発振器を励起するＴｍファイバー・レーザー・システムを概略的に例示する図である。 ｆ−２ｆ干渉計を使用して、低雑音Ｔｍファイバー・コム・レーザーから得られるＲＦスペクトルのグラフである。

フェムト秒パルスなどの非常に短いパルを生成するファイバーに基づく中赤外線源、またはモード同期ファイバー・レーザーを使って得ることができるような中赤外線源は、医学、分光学、測距、感知および計測学での用途に特に有用である。フェムト秒パルスは、中赤外線発生で多くの利点を有する。例えば、非線形結晶での自己周波数移動との併用で、中赤外線から遠赤外線スペクトル領域での周波数同調可能出力は、２０１０年１２月２２日に出願された、「Ｃｏｍｐａｃｔ， ｈｉｇｈ ｂｒｉｇｈｔｎｅｓｓ ｌｉｇｈｔ ｓｏｕｒｃｅｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｍｉｄ ａｎｄ ｆａｒ ＩＲ」と題する米国特許出願第６１／４２６，３２７号（’３２７）で最近開示されたようなフェムト秒パルスを使って得ることができる。別の例では、スーパーコンティニウム発生との併用で、フェムト秒パルスのピーク・パワーは、同じパルス・エネルギーについてピコ秒またはナノ秒パルスと比べてはるかに高いので、フェムト秒パルスは、ピコ秒またはナノ秒パルスと比べてより効率の良い周波数変換を可能にする。それ故に、中赤外線周波数発生は、高いパルス繰り返し率で行うことができる。高いパルス繰り返し率はまた、そのような光源の平均パワーまたはスペクトル密度を最大にすることもできる。モード同期発振器を使って発生するフェムト秒パルスの有用性の別の例は、そのようなフェムト秒パルスを高非線形ファイバーに結合するときのそれらのスペクトル・コヒーレンスの改善であり、それは、周波数計測学用途での重要な側面である。

短パルスおよび広いコヒーレント・スペクトルの発生に最適化された受動モード同期Ｔｍファイバー発振器のいくつかの部品は、図１で示される。Ｔｍ発振器共振器１１０は、励起源１２０を使って励起される。この例では、励起源１２０は、１５００〜１６５０ｎｍ波長領域でＴｍファイバー吸収帯と重なるためにこの領域で動作する低雑音単一周波数ファイバー・レーザーまたは単一周波数ダイオード・レーザーなどの単一モード・シード・レーザーを含む。超低雑音が必要とされないときは、この波長領域で動作するＥｒファイバー・レーザーがまた、励起源として使用されてもよい。単一周波数ファイバー・シード・レーザーは、Ｅｒファイバー増幅器でさらに増幅され、Ｔｍファイバー・レーザー共振器を励起するために使用される。Ｅｒファイバー前置増幅器励起光は、オプションの振幅変調器およびファイバー結合器Ｃ１を介してＴｍファイバー・レーザー共振器１１０に向けられる。

Ｔｍファイバー発振器の代わりに、Ｔｍ：Ｈｏファイバー発振器またはＨｏファイバー発振器がまた、実装されてもよい。励起源の適切な変更もまたその時、必要とされる。例えば、Ｈｏファイバーは、最新技術でよく知られているようにＹｂファイバー・レーザーを使って１１５０ｎｍで励起されてもよい。

Ｔｍファイバー・レーザー共振器１１０は、Ｔｍファイバー、励起光結合のための結合器Ｃ１および出力結合のための結合器Ｃ２を含む一方向性リング共振器として構成される。リング・レーザーはさらに、非線形偏光発生を使用して受動モード同期される。そのような受動モード同期一方向性ファイバー・リング共振器は、例えば米国特許第５，５１５，１９４号（’１９４）で述べられた。共振器はさらに、コリメーション・レンズＬ１、Ｌ２ならびに４分の１波長板または半波長板として構成された波長板Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３およびＷ４を含む。共振器はさらに、アイソレーターおよび偏光ビーム・スプリッターＰＢＳを含む。Ｔｍファイバー１０３は、最新技術でよく知られているように、一方の端部で例えばＣｏｒｎｉｎｇ ＳＭＦ−２８ファイバーのような標準的単一モード・ファイバー１２７−ｂに接合される。結合器Ｃ１およびＣ２はまた、ここではピグテール・ファイバーと呼ばれる標準的単一モード・ファイバーを使って構成もされ、励起光を共振器に結合し、出力をそこから引き出すために使用される。もう一方の端部では、Ｔｍファイバーは、ある長さの分散補償ファイバー１０１に接合され、それは、単一モード・ファイバー１２７−ａを使って結合器Ｃ２に接続される。共振器はさらに、繰り返し率コントローラ１０５を含み、そこではファイバー・コイルが、繰り返し率制御のために圧電変換器に巻き付けられたピグテール・ファイバーから作られる。繰り返し率制御のためのそのような要素は、よく知られている。

図１のレーザー・システムは、共振器１１０内部の全共振器分散が近似的にゼロであるとき最短パルスを生成する。より概括的には、最低量のキャリア位相雑音をもつ最短の可能性のあるパルスを発生させるためには、共振器の二次分散は、ゼロに近いまたは共振器内長さ１メートル当たり＋／−２０，０００ｆｓ^２の範囲にあるべきである。好ましくは、共振器内二次分散のそのような低い値は、二次および三次分散の異なる値をもつファイバーを使用して得られる。概して、標準的な非ドープの単一モード・ピグテール・ファイバーおよびＴｍファイバーは、二次および三次分散の似た値を有し、少なくとも二次および三次分散の符号は、２０００ｎｍ波長でまたはその近くで、例えば約１７００から約２５００ｎｍの波長範囲で動作するＴｍファイバー発振器について同じとなる。１つの理由は、失透を引き起こすことなくシリカ・ファイバーでのＡｌ_２Ｏ_３およびＰ_２Ｏ_５などのガラス形成ドーパントについて許容されるドーパント濃度に限界があるからである。Ａｌ_２Ｏ_３および／またはＰ_２Ｏ_５は、シリカ・ファイバーでのＴｍの高溶解度を提供するので、そのようなＴｍドープのファイバーの開口数は、典型的には約０．２５に制限され、それ故にそのようなファイバーに組み込むことができる波長分散の量を制限する。対照的に、希土類元素のない分散補償ファイバーについては、ＧｅＯ_２が、主ドーパントとして使用されてもよく、ファイバー開口数のはるかに大きな値（約０．４０に至るまで）および導波路分散の大きな値を可能にする。

従って非常に低く、ほとんど最小の共振器内分散を提供するために、Ｔｍファイバーの分散を補償するファイバー、または任意の標準的な非ドープの単一モード・ピグテール・ファイバーが、様々な実装形態で利用されてもよい。これらの分散補償ファイバーは、Ｔｍおよびピグテール・ファイバーでの対応する値と反対の符号を有する二次および三次分散値を考慮して設計できる。例えば、複数のファイバー区分が、利用されてもよく、各区分は、少なくとも１つの長さのファイバーを有し、
第１のファイバー区分は、正の分散値、Ｄ２_１を有し、
第２のファイバー区分は、負の分散値、Ｄ２_２を有し、
第１のファイバー区分は、負の三次分散値、Ｄ３_１を有し、
第２のファイバー区分は、正の三次分散値、Ｄ３_２を有する。
また、特定のファイバー区分は、上で示したように、正味の（または平均の）正または負の分散値を生成するために別の区分と同じ数のファイバーを含む必要はない。

加えて、理想的には、二次および三次分散の比は、次の関係式：
（Ｄ２_１／Ｄ３_１）／（Ｄ２_２／Ｄ３_２）〜１
を満たすべきであり、ただしＤ２_１、Ｄ３_１、Ｄ２_２、Ｄ３_２は、それぞれＴｍファイバーおよび分散補償ファイバーでの二次および三次分散の値である。いくつかの好ましい実施形態では、二次および三次分散の比はさらに、
好ましくは、
０．２＜（Ｄ２_１／Ｄ３_１）／（Ｄ２_２／Ｄ３_２）＜５、
より好ましくは、
０．５＜（Ｄ２_１／Ｄ３_１）／（Ｄ２_２／Ｄ３_２）＜２、
最も好ましくは、
０．７＜（Ｄ２_１／Ｄ３_１）／（Ｄ２_２／Ｄ３_２）＜１．３
を近似的に満たす。上記のように、最小のキャリア位相雑音をもつ最短パルスを発生させるためには、全二次分散値は、共振器内ファイバー長１メートル当たり約＋／−２０，０００ｆｓ^２の範囲にあるべきである。概して、ファイバー共振器は、３つ以上の異なるファイバー設計を含むこともある。そのような実装形態では、正の分散をもつファイバーおよび負の分散をもつファイバーを二次および三次分散の平均値をもつ２つの異なるファイバー区分にひとまとめにすることで十分である。

反対符号の二次分散だが、同様の二次／三次分散比をもつファイバーを得るための別の代替案は、フォトニック結晶ファイバーの実装で達成できる。例えば、Ｔｍドープのフォトニック結晶ファイバーは、図２で示すような中心のドープしたファイバー部分を取り囲む小さな気孔の追加およびコア径の適切な制御によって正の分散を備えて製造できる。Ｔｍドープのコア２２０が、より大きなシリカ・ファイバー・クラッド２０５に埋め込まれた６つの気孔２１０によって取り囲まれた状態のファイバーが、図示される。三次分散の負の値もまた、このようにして得ることができる。別法として、二次および三次分散の制御を同様に可能にする非ドープのフォトニック結晶ファイバーが、製造されてもよい。そのような非ドープのフォトニック結晶ファイバーは、シリカ・ガラス材料に基づいてもよい。

二次対三次分散の比が、厳密に整合され、共振器のアクティブ分散が、近似的にゼロに設定されるとき（適切なファイバー長を選択することによって）、発生するパルスは本質的に、共振器内部のどこかで帯域幅制限される。結合器Ｃ２のピグテール・ファイバーの分散が、共振器内分散補償ファイバー１０１の分散よりもはるかに小さいと仮定すると、正にチャープしたパルスが、結合器Ｃ２の出力に発生する。帯域幅限界に近いパルスがその時、ピグテール・ファイバー長の適切な選択によって結合器Ｃ２の出力で得られる。ここで結合器Ｃ２の結合器ピグテール・ファイバーは好ましくは、共振器内Ｔｍドープのファイバー１０３と同様の二次および三次分散の値を有するように選択される。その上、’１９４特許と対照的に、本レーザー・システムは、なお非常に短いパルスを生成しながら全アクティブ共振器分散をわずかに負であるように調整することによって最小の共振器内パルス幅変化をもつ本質的にソリトン・レーザーとして動作させることができる。

本レーザー・システムはまた、例えば米国特許第７，７８２，９１０号で論じられるような、シミラリトン・レーザーとして動作させることもでき、正の全共振器分散をもつレーザーを動作させるとき近似的に放物線状パルスを生成することができる。Ｔｍファイバーおよびファイバー・ピグテールは、分散補償ファイバーよりもはるかに大きなコア面積を有することができ、それ故にパルス整形は、放物線状パルス形成をもたらす分散補償ファイバーによって支配されるので、放物線状パルス形成が、促進される。より概括的には、このことは、従来の放物線状パルス発生技術と対照的に、正分散利得ファイバーよりもむしろ負分散利得ファイバーを使用するファイバー・レーザー共振器での放物線状パルス形成を可能にする。

大きな光学帯域幅および最少量のキャリア位相雑音での動作は別として、ゼロ分散点近くでの動作の別の利点は、帯域幅限界に近いパルスを結合器Ｃ２の出力ピグテールで容易に得ることができることである。理由は、あるファイバー・ピグテール長について、出力パルスの二次および三次分散の両方が、上で論じたように自動的に補償されるからである。二次および三次分散の同時補償は、複雑で高価なパルス整形要素が使用されない限り、受動モード同期発振器に接続された外部ファイバー・ピグテールでは困難である。

図１の例では、モード同期のために非線形偏光発生を使用するモード同期ファイバー・コム・リング・レーザーが、示された。しかしながら、モード同期が、パルス幅＜１５０ｆｓまたはスペクトル帯域幅＞６０ｎｍをもつパルスの生成に利用されるときは、共振器内ファイバーの二次および三次分散の値の選択についての同様の考察が、当てはまる。とりわけ、その考察はまた、任意のモード同期技術を使用するときにも当てはまる。例えば、低下した偏光感度をもつリング・レーザー・アーキテクチャは、共振器のどこかでグラフェンまたはカーボン・ナノチューブ可飽和吸収体を追加的に使って構築できる。そのような可飽和吸収体は例えばまた、最新技術でよく知られており、例えばＫ．ＫｉｅｕおよびＭ．Ｍａｎｓｕｒｉｐｕｒ、「Ｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄ ｌａｓｅｒ ｐｕｌｓｅ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ａ ｆｉｂｅｒ ｔａｐｅｒ ｅｍｂｅｄｄｅｄ ｉｎ ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅ／ｐｏｌｙｍｅｒ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ」、Ｏｐｔ．Ｌｅｔｔ．、３２、２２４２〜２２４４頁（２００７）で論じられるようなファイバー・テーパでのエバネセント場結合を用いて組み込まれてもよい。

追加のＴｍ増幅器（図示されず）がさらに、結合器Ｃ２の出力に接合されてもよい。Ｔｍ増幅器の二次および三次分散値は、増幅器の前に挿入された適切な長さの分散補償ファイバーで補償できる。ファイバーの最適選択により、またＴｍ増幅器内部での非線形圧縮も使用することで、数十ｎＪのパルス・エネルギーで５０ｆｓより短く、１０〜３０ｆｓと同じぐらい短いパルスを、そのようなシステムを使って発生させることができる。

追加のコア励起Ｔｍ増幅器３１０を備えるシステム構成が、図３で示される。ここでＴｍ発振器出力は、波長分割多重化結合器Ｃ１を介してＴｍ増幅器ファイバー３０３に注入される。結合器Ｃ１はまた、励起光をＴｍ増幅器ファイバー中に向けもする。追加の分散補償ファイバーがまた、結合器Ｃ１の上流に含まれてもよく、別個に図示されない。この分散補償ファイバーは、理想的にはＴｍ増幅器の二次および三次分散ならびに発振器の出力で得られるどんな残留パルス・チャープも補償し、それによってＴｍ増幅器の出力かまたはオプションの結合器Ｃ２の出力での短パルスの発生を確実にする。図１に関して論じたように、励起光は、１５００〜１６５０ｎｍ波長領域でのダイオードまたは別法としてファイバー・レーザーを使ってシーディングされたエルビウム増幅器から得られる。クラッド励起エルビウム増幅器は、便利に使用できる。Ｔｍ増幅器出力はその時、Ｔｍ増幅器の端部かまたはオプションの結合器Ｃ２で得られる。Ｔｍ増幅器の両端からのコア励起を可能にするために、Ｃ２はまた、波長分割多重化結合器として構成されてもよい。Ｔｍ増幅器または結合器Ｃ２のピグテールでの非線形パルス圧縮またはより高次のソリトン圧縮が、非常に小型の構成で非常に短いパルスを得るためにさらに使用されてもよい。また大モード面積ファイバーが、可能なパルス・エネルギーをさらに増加させるために結合器Ｃ２の下流で使用されてもよい。他の実装形態では、結合器Ｃ１は、省略でき、結合器Ｃ２だけが、Ｔｍ増幅器を励起するために使用されてもよい。

最短パルスが得られる増幅器出力の位置において、高非線形シリカ・ファイバーが、接合されてもよく、それは、広帯域コヒーレント・スーパーコンティニウムおよび周波数コムの発生を可能にする。キャリア位相は、高非線形ファイバーの出力の後に挿入されたｆ−２ｆ干渉計で測定できる（図示されず）。キャリア位相測定技術は、よく知られており、参照により全体としてこれによって組み込まれる、「Ｐｕｌｓｅｄ ｌａｓｅｒ ｓｏｕｒｃｅｓ」と題する米国特許第７，６４９，９１５号（’９１５）で開示される。例えば、’９１５特許の図８〜図１３および関連する本文は、発振器位相制御実装形態および高非線形ファイバーを使って構成される高度に統合された周波数コム光源を開示する。

システム全体のアセンブリを簡略化するために、好ましくはすべてのＴｍ増幅器および高非線形ファイバーは、シリカに基づいており、溶融ファイバー接合を用いてファイバー接続を可能にする。適切な高非線形ファイバーは、Ｔｍファイバー・システムの放射波長でゼロ近傍の分散またはわずかに負の分散を提供するように設計されたファイバーである。シリカ・ファイバー部品から作られたＴｍファイバーに基づくスーパーコンティニウム光源の便益は、図１に関して述べたような非常に短いパルスを生成するモード同期Ｔｍファイバー発振器からだけでなく、任意のＴｍファイバー・システムを使っても得ることができる。例えば、スーパーコンティニウム発生はまた、２０ｆｓ〜５０ｐｓの範囲ではるかに長いパルスを生成するモード同期Ｔｍファイバー発振器、またはナノ秒パルス幅をもつパルスを生成するＴｍ発振器を使用して得ることもできる。そのようなシステムでのシリカＴｍファイバー増幅器および高非線形シリカ・ファイバーの使用は、システム構築を簡略化するので有利である。

高非線形シリカ・ファイバーに対する代替案として、カルコゲナイドまたはテルル化物のファイバーなどの非シリカ高非線形ファイバーが、使用されてもよい。しかしながら、そのようなファイバーは、扱うのがより困難なこともあり、必ずしもシリカ・ファイバーに接合できるとは限らない。そのようなより異質なファイバー材料の高非線形性に起因して、オクターブに及ぶコヒーレント・スーパーコンティニウム・スペクトルがまた、Ｔｍファイバー増幅器を必要とすることなくＴｍ発振器の出力だけを使用して発生させることもできる。

図３を再び参照すると、周波数コム発生のために、Ｔｍファイバー・レーザーのキャリア位相が、例えば発振器ダイオード・シード・レーザーのための動作電流を変調することによってまたは発振器に向けられるＥｒ増幅器を使って発生する発振器励起パワーを変調することによって変調されてもよい。別法として、図１で示すような振幅増幅器は、キャリア位相変調のために発振器結合器Ｃ１の前に挿入されてもよい。他の代替案もまた、最新技術でよく知られている。例えば、米国特許第７，６４９，９１５号（’９１５）では、部品が、キャリア位相制御のために共振器内部の光学経路に組み込まれてもよく、これらの部品は好ましくは、電子的にアドレス可能であることが開示された。特に速い共振器内キャリア位相変調を可能にする共振器内部品の例は、２００９年３月６日に出願された、「Ｏｐｔｉｃａｌ ｓｃａｎｎｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｄｕａｌ ｐｕｌｓｅｄ ｌａｓｅｒ ｓｙｓｔｅｍｓ」と題する、Ｆｅｒｍａｎｎ他の米国特許出願第１２／３９９，４３５号の図６ｃに関して論じられており、音響光学変調器が、共振器内損失およびキャリア位相変調のために実装される。米国特許出願第１２／３９９，４３５号の内容は、参照により全体としてこれによって組み込まれる。

なお別の代替案として、Ｔｍファイバー・レーザーの出力は、発振器パワー制御なしにシステムのキャリア位相を安定させるために音響光学周波数シフターに供給されてもよい。そのような方式は、最新技術でよく知られており、さらなる説明を必要としない。ここで論じるようなキャリア位相制御のための様々な方法は、図１に関して述べるようなファイバー発振器にだけでなく、任意のモード同期ファイバー発振器にも適用でき、すなわち、音響光学変調器は、２０ｆｓ〜５０ｐｓの範囲でパルスを生成するＴｍファイバー発振器または任意の他の希土類ドーパントに基づくモード同期発振器を使ったキャリア位相制御に使用できる。

リング共振器の代わりにファブリ・ペロー共振器４１０を使用する受動モード同期Ｔｍファイバー発振器のための代替実装形態が、図４で示される。発振器はまた、追加の分散制御のためのファイバー・ブラッグ格子ならびにモード同期動作を開始するための可飽和吸収体（ＳＡ）も含む。ＳＡは、例えばＧａＳｂ基板に成長させたＩｎＡｓ／ＡｌＳｂ多重量子井戸に基づくことができるが、しかしながら、最新技術でよく知られているようなグラフェンまたはカーボン・ナノチューブに基づく吸収体などの他の可飽和吸収体がまた、実装されてもよい。発振器共振器設計は、リング設計１１０によく似ている。Ｔｍ発振器励起源４２０は、Ｅｒ増幅器を使って増幅されるシード・レーザーを含み、励起光は、オプションの変調器および波長分割多重化結合器Ｃ１を介してファイバー・ブラッグ格子およびＳＡによって境界をつけられるファイバー・レーザー共振器に向けられる。共振器はさらに、Ｔｍシリカ・ファイバー４０３および２０００ｎｍ近くに正常分散をもつ正常分散ファイバー４０１を含む。波長板Ｗ１およびＷ２ならびに偏光ビーム・スプリッターＰＢＳは、偏光制御のために使用される。レンズＬ１およびＬ２は、可飽和吸収体上のスポット・サイズを制御するために使用される。偏光操作のための部品は、共振器全体にわたってすべて偏光維持部品を使用することによって除去できる。

最短パルスおよび最も広いパルス・スペクトルを発生させるためには、高分散ファイバーを用いて共振器分散または非線形性の大部分を提供することが、有利である。高分散ファイバーの二次分散の絶対値は、Ｔｍファイバーの二次分散の絶対値よりも少なくとも約１．５倍大きくすべきである。別法として、正常分散ファイバーの長さは、Ｔｍファイバーの長さよりも少なくとも約１．５倍長くすべきである。ファイバー格子はその時、共振器内の二次および三次分散の残留値を補償する。図１に関して論じたリング・レーザー設計と同様に、放物線状またはシミラリトン・パルスは、正の全共振器分散および負分散Ｔｍファイバー増幅器を使って発生させることができる。最も広いパルス・スペクトルは、全共振器分散のわずかに正の値をもつ発振器を動作させることによって、または概して共振器内ファイバー長１メートル当たり±２０，０００ｆｓ^２の範囲の共振器分散を提供するときに得られる。広い帯域幅発生のために、正常分散ファイバーがまた、ファイバー格子に隣接して含まれてもよく、それはさらに、ファイバー格子を正常分散ファイバーに直接書き込むことを可能にする。

図４は、Ｔｍドープのファイバーを使用するファイバー発振器を示すけれども、他の希土類ドーパントがまた、上で論じたそのような共振器設計および放物線状パルス発生と併せて使用されてもよい。例えば、Ｔｍファイバーの代わりに、負分散のＥｒドープのファイバーがまた、正常分散ファイバーおよび負分散ファイバー格子と併せて実装されてもよい。さらに、ファイバー格子を使って促進される三次分散補償がまた、使用されてもよい。放物線状パルス発生はまた、負分散補償ファイバーまたは負分散チャープ・ファイバー・ブラッグ格子と併せて図２に関して述べたような正分散Ｔｍファイバーを使用するとき引き起こすこともできる。そのような方式は、例えば「Ｓｉｎｇｌｅ−ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ｈｉｇｈ ｐｏｗｅｒ ｆｉｂｅｒ ｌａｓｅｒｓ ａｎｄ ａｍｐｌｉｆｉｅｒｓ」と題する、Ｆｅｒｍａｎｎ他の米国特許第７，７８２，９１０号で論じられるような、正分散のＥｒまたはＹｂ発振器を使用する放物線状パルス発生に似ている。

いくつかの適用例については、非線形圧縮によって設定される限界を超えてＴｍファイバー増幅器からのパルス・エネルギーを増加させることが、有益である。そのような適用例については、最新技術でよく知られているようなチャープ・パルス増幅が、実施されてもよい。図５は、Ｔｍファイバー増幅器を含む、ファイバーに基づくチャープ・パルス増幅システム（ＦＣＰＡ）を例示する。以下でさらに論じることになる本システムは、Ｔｍ発振器、ストレッチャー構成、Ｔｍ増幅器、およびパルス圧縮器を含む。Ｔｍファイバーに基づくチャープ・パルス増幅システムはまた、参照により全体としてこれによって組み込まれる、２００５年３月２５日に出願された、「Ｏｐｔｉｃａｌ ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ， ｏｐｔｉｃａｌ ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ， ａｎｄ ｏｐｔｉｃａｌ ｐｕｍｐｉｎｇ ｉｎ ｏｐｔｉｃａｌ ｆｉｂｅｒｓ ｓｙｓｔｅｍｓ」と題する、Ｉｍｅｓｈｅｖ他の米国特許出願第１１／０９１，０１５号（’０１５）でも論じられた。チャープ・パルス増幅の実施は、約１〜１００Ｗの範囲でおよびより高くでさえ、非常に高い平均パワーを得ることができるという追加の利点を有する。そのような高パワー・レベルには、コアおよびクラッド励起構成の両方を使って達することができる。

好都合なことに、二次分散および異常三次分散の正値をもつストレッチャー・ファイバーは、そのようなチャープ・パルス増幅システムでパルス伸張のために使用できる。またそのようなストレッチャー・ファイバーは、より高次のモード伝搬を可能にするファイバーと組み合わせることもでき、負の二次分散ならびに異常三次分散の小さな値を生成する。そのようなストレッチャー・ファイバーの組合せは、ストレッチャー配置の三次／二次分散比をさらに増加させることができる。三次／二次分散の比較的大きな値は、’０１５で論じられるように、特にガラス板またはバルク格子対に基づくパルス圧縮器を使用するとき、後続のパルス圧縮器の三次分散を補償するためにストレッチャー構成で必要とされる。異常三次分散をもつストレッチャー・ファイバー構成の使用は、ガラス板の三次分散の補償を可能にする。例えば、１９５０ｎｍの波長で溶融シリカ・ガラス板を使用するとき、三次／二次分散の比Ｒは、Ｒ≒８．１×１０^−４０／９×１０^−２６ｓ≒９ｆｓである。

バルク圧縮器配置を使用するときは、グリズムがさらに、ストレッチャーおよび圧縮器配置でのより高次の分散の補償のために実装されてもよい。そのようなグリズム圧縮器は最近、Ｃ．Ｇ．Ｄｕｒｆｅｅ他、「Ａ ｍｏｄｕｌａｒ ａｐｐｒｏａｃｈ ｔｏ ｔｈｅ ａｎａｌｙｔｉｃ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｐｅｃｔｒａｌ ｐｈａｓｅ ｆｏｒ ｇｒｉｓｍｓ ａｎｄ ｏｔｈｅｒ ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ／ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ」、Ｏｐｔ．Ｅｘｐｒｅｓｓ、Ｖｏｌ．１７、１８００４頁（２００８）によって論じられた。これらのグリズムは、高分散材料としてシリコンに基づくプリズムを使用することができる。別法として、シリコン・プリズム対がまた、適切に選択されたストレッチャー・ファイバーを使った二次および三次分散補償を可能にする効率の良いパルス圧縮に使用されてもよい。

１９５０ｎｍ波長範囲での高分散シリカ・ファイバーの減衰は、約４ｄＢ／ｋｍから８ｄＢ／ｋｍまで変化することもあり、１９００ｎｍ、１９５０ｎｍおよび２０００ｎｍの波長では約１６ｄＢ／ｋｍに至るまで変化することもある。従って、１０００ｍに至るまでのストレッチャー・ファイバーが、ストレッチャー・ファイバー構成で使用されてもよい。そのようなストレッチャー・ファイバーは、約１００ｐｓ^２の分散を有することができる。従って、容易に示されるように、約１ｎｓの伸張パルス持続時間は、１９５０ｎｍにおいて帯域幅限界５００ｆｓパルスを使用して得ることができる。そのような１ｎｓ伸張パルスは、わずかに非線形の増幅器を仮定すると、４ｍの長さのクラッド励起５０μｍコア径Ｔｍファイバーで約５０μＪのパルス・エネルギーまで増幅することができる。さらに高いパルス・エネルギーでさえ、より短い増幅器長さまたはより大きなコア径を使って得ることができる。例えばより短い増幅器長さは、コア励起を使えば可能である。

概括的なＴｍファイバーに基づくチャープ・パルス増幅システムが、図５で示される。ここでモード同期Ｔｍ発振器出力は、最大３つ、またはさらにいくつかの異なるストレッチャー・ファイバー５１０−ａ、５１０−ｂ、および５１０−ｃ（Ｓ１、Ｓ２およびＳ３）を使用して伸張される。これらのストレッチャー・ファイバーによって発生する全分散は、正であるように選択される。最も概括的には、これらのストレッチャー・ファイバーはさらに、圧縮器での二次、三次および四次分散の補償を可能にするために二次、三次および四次分散の異なる値をもつように選択される。最新技術でよく知られているような、フォトニック結晶ファイバー、高Ｇｅ濃度をもつファイバーおよびより高次のモード伝搬を可能にするファイバーが、パルス伸張のために使用されてもよい。別法として、チャープ・ファイバー・ブラッグ格子がまた、パルス伸張のために使用されてもよい。少なくとも１つのオプションの変調器、例えばバルクまたは統合された形でのＡＯまたはＥＯ変調器が、Ｔｍファイバー・パワー増幅器への注入の前にパルスの繰り返し率を低減するために挿入されてもよい。Ｔｍパワー増幅器は、コアまたはクラッド励起とすることができる。追加のＴｍ増幅器がまた、使用されてもよく、ここで別個に示されない。パルス圧縮のために、バルク格子対、ガラス板、プリズム対ならびにグリズム対が、実装されてもよい。

そのようなＴｍファイバー・チャープ・パルス増幅システムは、増幅プロセスでほとんど最大のコヒーレンスを保つので、特にその増幅器システムでのＢ積分が線形であるように設計された増幅システムに対応する基準のπよりも小さく保持されるときは、有用である。特に、線形チャープ・パルス増幅システムは、著しい位相または振幅雑音を導入することなくクラッド励起Ｔｍファイバー増幅器を使って実施できる。従って、そのようなＴｍファイバー・チャープ・パルス増幅システムは、個々のコム・ラインの高度なコヒーレンスを必要とする分光学および測距などの周波数コム用途で実施できる。また線形チャープ・パルス増幅システムによって誘起される低位相雑音は、さらなる波長伸張のために後続のパラメトリック発振器を励起するときに有用でもある。

超低レベルの位相雑音が必要とされない実施形態では、さらなる非線形パルス圧縮段が、チャープ・パルス増幅システムの下流に実装されてもよい。いくつかの実施形態では、図５で示す圧縮器は、上で論じたような線形バルク圧縮器要素、および非線形圧縮のためのファイバー（複数可）を含んでもよい。例えば、増幅器システムの出力は、２５〜１００μｍ間のコア径（より大きなコア径でさえ可能である）をもつ大きなコアのファイバーに結合されてもよく、非線形パルス圧縮および２０００ｎｍ波長範囲でシリカ・ガラスの自己集束限界によってだけ制限される１５ＭＷよりも高いピーク・パワーの発生を可能にする。非線形パルス圧縮は特に、パルス幅＜１００ｆｓをもつパルスの発生に有用である。例えば、１５ＭＷのピーク・パワーをもつ１００ｆｓパルスは、マイクロマシニングでの多くの用途に関心のある１．５μＪのパルス・エネルギーを有する。

Ｔｍファイバー・チャープ・パルス増幅システムのための別の適用分野は、シリコンなどの材料の機械加工などのマイクロマシニング用途である。従って、２０００ｎｍ波長光の使用は、その光がシリコンおよび多くの他の材料のバンドギャップをはるかに下回り、材料の多光子励起を機械加工のために利用することを可能にするので有利である。多光子励起は、光学的破壊を機械加工すべき材料（複数可）の表面下で容易に引き起こすことができ、機械加工プロセスで材料の表面に最小限のデブリしか発生させないので、表面下機械加工との併用で特に有用である。図６は、ＴｍＦＣＰＡシステム６００に基づく例となる材料処理装置を概略的に例示する。短パルスを使うマイクロマシニングについては、Ｔｍファイバー・システムおよびサブピコ秒パルスの使用は、必ずしも必要とされるとは限らない。概して、パルス幅＜１００ｐｓをもつ高エネルギー・パルスは、周囲の材料への熱的結合を制限し、それ故に機械加工すべき材料への付随する損傷を最小限にするように実施できる。そのような考察は、他の波長（例えば、８００ｎｍおよび１０５０ｎｍ）で動作する短パルス・マイクロマシニング・システムからよく知られており、ここでさらに論じられない。

光パラメトリック発振器（ＯＰＯ）を励起するＴｍファイバー・システムが、さらに図７で例示される。ここでファイバー・システムは、図５に関して論じたようなＴｍファイバーに基づくチャープ・パルス増幅システムを含むことができる。しかしながら、Ｉｍｅｓｈｅｖ他の米国特許出願第１１／０９１，０１５号で開示されるようなＴｍファイバーに基づくラマン・ソリトン増幅器がまた、実装されてもよい。ＯＰＯは、非線形結晶または導波路を含むことができる。ＯＰＯのための適切な非線形結晶は、例えば周期的に分極されたＬｉＮｂＯ_３、ＧａＰ、ＯＰＧａＡｓ、ＯＰＧａＰまたはＺｎＧｅＰ_２を含むことができる。しかしながら、多くの他の非線形結晶がまた、使用されてもよい。他の例は、ＧａＳｅ、ＡｇＧａＳｅ_２、ＡｇＧａＳ_２またはＣｄＧｅＡｓ_２を含む。ＯＰＯは、単一共鳴または二重共鳴であるように設計されてもよく、そのようなＯＰＯ構成は、最新技術でよく知られている。線形チャープ・パルス増幅システムで得られる低雑音のために、最低雑音のＯＰＯ動作にとっては、πよりも小さいＢ積分をもつＴｍファイバー・チャープ・パルス増幅システムに基づくＯＰＯ励起源が、好ましい。さらなる雑音低減およびシステム小型化は、ＯＰＯ励起のためにＴｍファイバー発振器だけを使用するときに得ることができ、そのＴｍ発振器は、例えば放物線状パルスでの動作を使用することによって高パワー動作に最適化される。

ＯＰＯの代わりに、適切な非線形結晶での自己周波数移動がまた、周波数下方変換のために使用されてもよい。周波数下方変換を可能にする適切な結晶設計は、’３２７出願で論じられており、ここでさらに述べない。線形チャープ・パルス増幅システムと併用することで、特に低雑音の性能もまた、自己周波数移動を使って得ることができる。

周波数移動のための別の代替案は、’０１５出願でもまた論じられるような光パラメトリック発生器（ＯＰＧ）または増幅器（ＯＰＡ）の使用である。ＯＰＧａＡｓに基づく非線形結晶と併用することで、ＯＰＧまたはＯＰＡしきい＜１００ｎＪを得ることができ、そのような波長移動オプションを高繰り返し率レーザー動作と両立できるようにする。例えば、４０ＭＨｚの繰り返し率において、１００ｎＪのパルス・エネルギーは、たった４Ｗだけの平均パワーに対応し、それは、クラッド励起Ｔｍファイバー増幅器から容易に得ることができる。Ｔｍファイバーに基づくＯＰＡは、例えばＴｍファイバー・チャープ・パルス増幅システムを利用することができる。Ｔｍファイバー・システム出力の一部は、信号発生のための、高非線形ファイバーを含むコンティニウム・ファイバーでのスーパーコンティニウム発生のために利用される。Ｔｍシステム出力の第２の部分は、ＯＰＧａＡｓ結晶でのスーパーコンティニウム出力のパラメトリック増幅のための励起光として使用される。適切な分散補償段がまた、実装されてもよい。例えば、’０１５出願の図４および図１４〜図１５ならびに関連する本文は、高非線形コンティニウム・ファイバーを利用する例となるＯＰＡ構成を例示する。本発明の様々な実施形態では、非線形結晶がまた、実装されてもよい。また、高非線形導波路、例えば周期的に分極された導波路（例えば、ＰＰＬＮ）またはサファイア板に基づくスーパーコンティニウム発生のための他の方式が、また実装されてもよい。同様の方式は、’０１５ですでに論じられており、ここでさらに述べない。

上記の配置の多くの変形が、可能である。例えば、ファイバー・レーザーに基づく増幅システムは、２０００ｎｍの波長でまたはその近くで動作する受動モード同期ファイバー発振器を含んでもよく、異常三次分散を提供するパルス・ストレッチャーを下流に備える。ファイバー増幅器は、伸張されかつ増幅されたパルスをその出力に生成するために伸張されたパルスを増幅する。いくつかの実装形態では、増幅器は、非線形であってもよく、少なくとも２の自己位相変調の値を提供してもよい。いくつかの実施形態では、増幅器の出力でのスペクトルは、自己位相変調に起因して広げられる。増幅器の出力でのパルスはまた、自己位相変調の結果として非線形圧縮されてもよい。いくつかの構成では、高非線形ファイバーが、増幅器の出力に直接接合されてもよい。非ドープのファイバーが、いくつかの構成で前記増幅器の出力に直接接合されてもよく、追加のパルス圧縮を提供してもよい。ファイバーに基づく発振器および増幅器のシステムは、高度に統合されたシステムにおいて中赤外線〜遠赤外線範囲でスーパーコンティニウム発生を提供する。

Ｔｍファイバー・コム・システムのシステム実証は、次の通りに行われた。図１に関して述べたようなＴｍファイバー発振器は、３０ｃｍ長のＴｍ増幅器ファイバーで実施され、１５６３ｎｍにおいて１Ｗに至るまでの励起パワーでコア励起された。励起光は、９８０ｎｍにおいて１０Ｗに至るまでの励起パワーで励起されたクラッド励起Ｅｒ増幅器で増幅された単一周波数ダイオード・シード・レーザーを使って発生させた。従来のステップ型ファイバー（Ｃｏｒｎｉｎｇ ＳＭＦ−２８）から成る追加の非ドープの１ｍの長さのピグテールならびに正常二次および異常三次分散をもつ１．２ｍの分散補償ファイバーが、分散補償のために共振器に含まれた。共振器は、７５ＭＨｚで動作し、全共振器分散のわずかに負の値で動作するとき、１９４０ｎｍの中心波長で１０ｍＷの出力パワーを発生させた。発生したパルス・スペクトル幅は、５０ｎｍであって、約１００ｆｓのパルス幅をもつ帯域幅限界パルスに対応する。

発振器出力の増幅およびスーパーコンティニウム発生のために、我々は、結合器Ｃ２が省略され、３０ｃｍ長の高非線形ファイバーが約５０ｃｍの長さを有するＴｍ増幅器に直接接合された、図３に関して述べたような光学構成を使用した。Ｔｍ増幅器は、１５６３ｎｍの波長において３Ｗに至るまでの励起パワーで励起された。励起光は、９８０ｎｍにおいて約１０Ｗで励起されたクラッド励起Ｅｒ増幅器で増幅された単一周波数ダイオード・シード・レーザーを使って発生させた。正常二次および異常三次分散をもつ分散補償ファイバーの短い区分がさらに、Ｔｍ増幅器の出力での帯域幅限界に近いパルスの発生を確実にするために結合器Ｃ１の上流に挿入された。Ｔｍ増幅器は、約７０ｆｓのパルス幅および３００ｍＷの平均パワーをもつパルスをその出力に発生させ、Ｔｍファイバー増幅器での非線形パルス圧縮を可能にするために適度な値の自己位相変調（ＳＰＭ＜３π）で動作した。

オクターブに及ぶスペクトルが、高非線形ファイバーの出力で観察された。低雑音ｆ−２ｆビートが、１０６０ｎｍでのスペクトル・フィルターおよび２１２０ｎｍで高非線形ファイバーの出力を二倍にするために構成されたｆ−２ｆ干渉計を使用してＲＦ領域で観察された。ｆ−２ｆ干渉計で測定されたＲＦスペクトルは、図８でさらに示され、ｆ−２ｆビートに起因するビート周波数は、８および６８ＭＨｚで観察される。ｆ−２ｆビートと雑音背景との間の約４０ｄＢのＳ／Ｎ比が、観察される。ｆ−２ｆ干渉計の出力はそれ故に、上記の技術を使用する発振器のキャリア位相安定化に使用できる。最新技術でよく知られているような繰り返し制御のための追加の手段がさらに、Ｔｍファイバー・コムを正確に制御するためにＴｍ発振器に組み込まれてもよい。

このように、本発明は、いくつかの実施形態で述べられた。

少なくとも一実施形態は、ファイバー・レーザーに基づくシステムを含む。本システムは、２０００ｎｍの波長でまたはその近くで動作する受動モード同期ファイバー発振器を含み、その発振器は、複数のファイバー区分を含む。各区分は、少なくとも１つの長さのファイバーを含み、
第１のファイバー区分は、正の分散値、Ｄ２_１を有し、
第２のファイバー区分は、負の分散値、Ｄ２_２を有し、
第１のファイバー区分は、負の三次分散値、Ｄ３_１を有し、
第２のファイバー区分は、正の三次分散値、Ｄ３_２を有し、
分散値は、関係式：
０．２＜（Ｄ２_１／Ｄ３_１）／（Ｄ２_２／Ｄ３_２）＜５
を近似的に満たす。分散値は、共振器内ファイバー長１メートル当たり約±２０，０００ｆｓ^２の範囲の全共振器分散を提供する。本システムはまた、受動モード同期ファイバー発振器を励起するための励起源も含む。

少なくとも一実施形態は、ファイバー・レーザーに基づくシステムを含む。本システムは、負の分散値Ｄ２_１をもつ利得ファイバーを有する受動モード同期ファイバー発振器を含む。少なくとも１つのファイバー区分は、正の分散値Ｄ２_２を有する。Ｄ２_１の絶対値は、Ｄ２_２の絶対値よりも少なくとも１．５倍大きい。本システムはさらに、全共振器分散が共振器ファイバー長１メートル当たり約±２０，０００ｆｓ^２の範囲にあるように、発振器の残留分散値を補償するためのチャープ・ファイバー格子を含む。励起源は、受動モード同期ファイバー発振器を励起する。

いくつかの実施形態では、分散値は、関係式：０．５＜（Ｄ２_１／Ｄ３_１）／（Ｄ２_２／Ｄ３_２）＜２を近似的に満たしてもよい。

いくつかの実施形態では、分散値は、関係式：０．７＜（Ｄ２_１／Ｄ３_１）／（Ｄ２_２／Ｄ３_２）＜１．３を近似的に満たしてもよい。

いくつかの実施形態では、受動モード同期ファイバー発振器は、約１７００ｎｍから２５００ｎｍの波長範囲で動作してもよい。

いくつかの実施形態では、受動モード同期ファイバー発振器は、Ｔｍ、Ｔｍ：Ｈｏ、またはＨｏドープのファイバーを含んでもよい。

いくつかの実施形態では、ファイバーに基づくレーザー・システムは、スーパーコンティニウム発生のためのコンティニウム・ファイバーを含んでもよい。

いくつかの実施形態では、ファイバーに基づくレーザー・システムは、発振器とコンティニウム・ファイバーとの間に挿入されたファイバー増幅器を含んでもよい。

いくつかの実施形態では、ファイバー・レーザーに基づくシステムは、増幅器とコンティニウム・ファイバーとの間に挿入された非ドープのファイバーを含んでもよく、その非ドープのファイバーは、実質的な利得を生成しない。

いくつかの実施形態では、非ドープのファイバーは、より高次のソリトン圧縮、非線形圧縮またはラマン・ソリトン発生を提供してもよい。

いくつかの実施形態では、ファイバー・レーザーに基づくシステムは、非ドープのファイバーの出力に直接接合された高非線形シリカ・ファイバーを含んでもよい。

いくつかの実施形態では、ファイバー増幅器は、より高次のソリトン圧縮、非線形圧縮、ラマン・ソリトン発生またはチャープ・パルス増幅の能力があってもよい。

いくつかの実施形態では、ファイバー増幅器は、コア励起またはクラッド励起されてもよい。

いくつかの実施形態では、ファイバー増幅器は、Ｅｒファイバー増幅器でコア励起されてもよい。

いくつかの実施形態では、ファイバー・レーザーに基づくシステムは、発振器の出力に直接接合された高非線形シリカ・ファイバーを含んでもよい。

いくつかの実施形態では、ファイバー・レーザーに基づくシステムは、ファイバー増幅器の出力に直接接合された高非線形シリカ・ファイバーを含んでもよい。

いくつかの実施形態では、発振器は、コア励起されてもよく、その励起源は、単一周波数レーザー、および単一周波数レーザーの出力を増幅するＥｒファイバー増幅器を含んでもよい。

いくつかの実施形態では、ファイバー・レーザーに基づくシステムは、発振器内のキャリア・エンベロープ・オフセット周波数を制御するような方法で励起源の出力パワーを変えるための変調器を含んでもよい。

いくつかの実施形態では、発振器は、可飽和吸収体を含んでもよい。

いくつかの実施形態では、発振器は、リング発振器として構成されてもよい。

いくつかの実施形態では、ファイバー・レーザーに基づくシステムは、キャリア・エンベロープ位相制御のための共振器外音響光学周波数シフターを含んでもよい。

いくつかの実施形態では、ファイバー・レーザーに基づくシステムは、キャリア位相測定のためのｆ−２ｆ干渉計を含んでもよい。

いくつかの実施形態では、ｆ−２ｆ干渉計は、発振器のキャリア位相制御のために構成されてもよい。

いくつかの実施形態では、ファイバー・レーザーに基づくシステムは、キャリア位相制御のために共振器内ビーム経路に挿入された共振器内電子的アドレス可能光学部品を含んでもよい。

いくつかの実施形態では、共振器内電子的アドレス可能光学部品は、共振器内損失およびキャリア位相制御のために構成された音響光学変調器を含んでもよい。

いくつかの実施形態では、ファイバー格子は、発振器の残留三次分散を補償するように構成されてもよい。

少なくとも一実施形態は、約１７００から２５００ｎｍの波長範囲で、約１００ｐｓ未満のパルス幅を有するパルスを発生させるファイバー・レーザーに基づくシステムを有する光学的表面下マイクロマシニング装置を含む。

いくつかの実施形態では、マイクロマシニング装置は、シリコンの機械加工のために構成されてもよい。

少なくとも一実施形態は、ファイバー・レーザーに基づくチャープ・パルス増幅システム（ＦＣＰＡシステム）を含む。本システムは、２０００ｎｍの波長でまたはその近くで動作する受動モード同期ファイバー発振器を含む。パルス・ストレッチャーは、受動モード同期ファイバー発振器からパルスを受け取り、伸張されたパルスを生成する。ファイバー増幅器は、伸張されたパルスを増幅し、伸張されかつ増幅されたパルスを生成する。本システムは、伸張されかつ増幅されたパルスを圧縮するための線形パルス圧縮器を含む。大モード面積ファイバーは、パルスをさらに圧縮するために線形パルス圧縮器から出力されたパルスを非線形圧縮するように構成される。

いくつかの実施形態では、ＦＣＰＡシステムは、正の全分散および異常三次分散をもつストレッチャー・ファイバー配置を含んでもよい。

いくつかの実施形態では、ＦＣＰＡシステムは、バルクＧＲＩＳＭ、プリズム、格子およびガラス板の少なくとも１つを有するパルス圧縮器を含んでもよい。

いくつかの実施形態では、ＦＣＰＡシステムの出力は、光パラメトリック発振器、発生器または増幅器を励起してもよい。

いくつかの実施形態では、ＦＣＰＡシステムの出力は、非線形結晶または導波路で自己周波数移動を発生させる能力があってもよい。

いくつかの実施形態では、光変調器は、パルスがＦＣＰＡシステムのファイバー増幅器（複数可）で増幅されるパルス繰り返し率を低減するためにファイバー増幅器から上流に挿入されてもよい。

少なくとも一実施形態は、負分散の利得ファイバーおよび正分散の非ドープのファイバーを有するファイバー・レーザーに基づくシステムを含む。利得ファイバーのコア・サイズは、非ドープのファイバーのコア・サイズよりも大きい。本システムは、近似的に放物線状のパルス・スペクトルをもつパルスを生成する。

少なくとも一実施形態は、ファイバー・レーザーに基づく増幅システムを含む。本システムは、２０００ｎｍの波長でまたはその近くで動作する受動モード同期ファイバー発振器を含む。パルス・ストレッチャーは、受動モード同期ファイバー発振器からパルスを受け取り、伸張されたパルスを生成する。パルス・ストレッチャーは、異常三次分散を提供する。本システムは、伸張されかつ増幅されたパルスを出力に生成するために伸張されたパルスを増幅するファイバー増幅器を含む。

いくつかの実施形態では、増幅器は、非線形であってもよく、少なくとも２の自己位相変調の値を提供してもよい。

いくつかの実施形態では、増幅器の出力でのスペクトルは、自己位相変調に起因して広げられる。

いくつかの実施形態では、増幅器の出力でのパルスは、自己位相変調に起因して非線形圧縮される。

いくつかの実施形態では、高非線形ファイバーは、増幅器の出力に直接接合されてもよい。

いくつかの実施形態では、ファイバーに基づく増幅システムは、増幅器の出力に直接接合された非ドープのファイバーを含んでもよい。

少なくとも一実施形態は、ファイバー・レーザーに基づく増幅システムを含む。本システムは、２０００ｎｍでのまたはその近くでの波長で動作する受動モード同期ファイバー発振器を含む。パルス・ストレッチャーは、受動モード同期ファイバー発振器からパルスを受け取り、伸張されたパルスを生成する。ファイバー増幅器は、伸張されたパルスを増幅し、再圧縮されかつ増幅されたパルスをその出力に生成する。本システムは、増幅器の出力に直接接合された高非線形ファイバーを含む。高非線形ファイバーは、光学的コンティニウムを生成する。

いくつかの実施形態では、ファイバーに基づくシステムは、高非線形ファイバーから上流に挿入された非ドープのファイバーを含む。

このように、ある実施形態だけが、本明細書で具体的に述べられたが、多数の変更が、本発明の趣旨および範囲から逸脱することなくなされてもよいことは、明らかであろう。配置が相互排他的でないことは、理解されるべきである。要素は、所望の設計目標を達成するための適切な方法で実施形態の間で組み合わされてもよい。さらに、頭字語は、単に明細書および特許請求の範囲の読みやすさを促進するためにだけ使用される。これらの頭字語は、使用される用語の一般性を低下させることを意図していないことに留意すべきであり、それらは、特許請求の範囲をそこで述べた実施形態に限定すると解釈すべきでない。

Claims (39)

1. ２０００ｎｍの波長でまたはその近くで動作する受動モード同期ファイバー発振器であって、前記発振器は、複数のファイバー区分を含み、各区分は、少なくとも１つの長さのファイバーを有し、
   第１のファイバー区分は、正の分散値、Ｄ２_１を有し、
   第２のファイバー区分は、負の分散値、Ｄ２_２を有し、
   前記第１のファイバー区分は、負の三次分散値、Ｄ３_１を有し、
   前記第２のファイバー区分は、正の三次分散値、Ｄ３_２を有し、
   前記分散値は、関係式：
   ０．２＜（Ｄ２_１／Ｄ３_１）／（Ｄ２_２／Ｄ３_２）＜５
   を近似的に満たし、前記分散値は、共振器内ファイバー長１メートル当たり約±２０，０００ｆｓ^２の範囲の全共振器分散を提供する、受動モード同期ファイバー発振器と、
   前記受動モード同期ファイバー発振器を励起するための励起源と
   を備える、ファイバー・レーザーに基づくシステム。
2. 前記分散値は、関係式：
   ０．５＜（Ｄ２_１／Ｄ３_１）／（Ｄ２_２／Ｄ３_２）＜２
   を近似的に満たす、請求項１に記載のファイバー・レーザーに基づくシステム。
3. 前記分散値は、関係式：
   ０．７＜（Ｄ２_１／Ｄ３_１）／（Ｄ２_２／Ｄ３_２）＜１．３
   を近似的に満たす、請求項１に記載のファイバー・レーザーに基づくシステム。
4. 前記受動モード同期ファイバー発振器は、約１７００ｎｍから約２５００ｎｍの波長範囲で動作する、請求項１に記載のファイバー・レーザーに基づくシステム。
5. 前記受動モード同期ファイバー発振器は、Ｔｍ、Ｔｍ：Ｈｏ、またはＨｏドープのファイバーを含む、請求項１に記載のファイバー・レーザーに基づくシステム。
6. スーパーコンティニウム発生のためのコンティニウム・ファイバーをさらに備える、請求項１に記載のファイバー・レーザーに基づくシステム。
7. 前記発振器と前記コンティニウム・ファイバーとの間に挿入されたファイバー増幅器をさらに備える、請求項６に記載のファイバー・レーザーに基づくシステム。
8. 前記ファイバー増幅器は、より高次のソリトン圧縮、非線形圧縮、ラマン・ソリトン発生またはチャープ・パルス増幅の能力がある、請求項７に記載のファイバー・レーザーに基づくシステム。
9. 前記ファイバー増幅器は、コア励起またはクラッド励起される、請求項７に記載のファイバー・レーザーに基づくシステム。
10. 前記ファイバー増幅器は、Ｅｒファイバー増幅器でコア励起される、請求項９に記載のファイバー・レーザーに基づくシステム。
11. 前記発振器の出力に直接接合された高非線形シリカ・ファイバーをさらに備える、請求項７に記載のファイバー・レーザーに基づくシステム。
12. 前記ファイバー増幅器の出力に直接接合された高非線形シリカ・ファイバーをさらに備える、請求項７に記載のファイバー・レーザーに基づくシステム。
13. 前記発振器は、コア励起され、前記励起源は、単一周波数レーザー、および前記単一周波数レーザーの出力を増幅するＥｒファイバー増幅器を含む、請求項１に記載のファイバー・レーザーに基づくシステム。
14. 前記発振器内でキャリア・エンベロープ・オフセット周波数を制御するような方法で前記励起源の出力パワーを変えるための変調器をさらに備える、請求項１に記載のファイバー・レーザーに基づくシステム。
15. 前記発振器は、可飽和吸収体を含む、請求項１に記載のファイバー・レーザーに基づくシステム。
16. 前記発振器は、リング発振器として構成される、請求項１に記載のファイバー・レーザーに基づくシステム。
17. キャリア・エンベロープ位相制御のための共振器外音響光学周波数シフターをさらに備える、請求項１に記載のファイバー・レーザーに基づくシステム。
18. キャリア位相測定のためのｆ−２ｆ干渉計をさらに備える、請求項６に記載のファイバー・レーザーに基づくシステム。
19. 前記ｆ−２ｆ干渉計は、前記発振器のキャリア位相制御のために構成されている、請求項１８に記載のファイバー・レーザーに基づくシステム。
20. 約１７００から２５００ｎｍの波長範囲で、約１００ｐｓ未満のパルス幅を有するパルスを発生させるファイバー・レーザーに基づくシステムを備える光学的表面下マイクロマシニング装置。
21. シリコンの機械加工のために構成されている、請求項２０に記載の光学的表面下マイクロマシニング装置。
22. 負の分散値Ｄ２_１を有する利得ファイバーを含む受動モード同期ファイバー発振器と、
    正の分散値Ｄ２_２をもつ少なくとも１つのファイバー区分であって、Ｄ２_１の絶対値は、Ｄ２_２の絶対値よりも少なくとも１．５倍大きい、少なくとも１つのファイバー区分と、
    全共振器分散が共振器ファイバー長１メートル当たり約±２０，０００ｆｓ^２の範囲であるように、前記発振器の残留分散値を補償するためのチャープ・ファイバー格子と、
    前記受動モード同期ファイバー発振器を励起するための励起源と
    を備える、ファイバー・レーザーに基づくシステム。
23. ２０００ｎｍの波長でまたはその近くで動作する受動モード同期ファイバー発振器と、
    前記受動モード同期ファイバー発振器からパルスを受け取り、伸張されたパルスを生成するパルス・ストレッチャーと、
    前記伸張されたパルスを増幅し、伸張されかつ増幅されたパルスを生成するファイバー増幅器と、
    前記伸張されかつ増幅されたパルスを圧縮するための線形パルス圧縮器と、
    パルスをさらに圧縮するために前記線形パルス圧縮器から出力されたパルスを非線形圧縮するように構成された大モード面積ファイバーと
    を備える、ファイバー・レーザーに基づくチャープ・パルス増幅システム。
24. キャリア位相制御のために共振器内ビーム経路に挿入された共振器内電子的アドレス可能光学部品をさらに備える、請求項１に記載のファイバー・レーザーに基づくシステム。
25. 前記共振器内電子的アドレス可能光学部品は、共振器内損失およびキャリア位相制御のために構成された音響光学変調器を含む、請求項２４に記載のファイバー・レーザーに基づくシステム。
26. 前記増幅器と前記コンティニウム・ファイバーとの間に挿入された非ドープのファイバーをさらに備え、前記非ドープのファイバーは、実質的利得を生成しない、請求項７に記載のファイバー・レーザーに基づくシステム。
27. 前記非ドープのファイバーは、より高次のソリトン圧縮、非線形圧縮またはラマン・ソリトン発生の能力がある、請求項２６に記載のファイバー・レーザーに基づくシステム。
28. 前記非ドープのファイバーの出力に直接接合された高非線形シリカ・ファイバーをさらに備える、請求項２６に記載のファイバー・レーザーに基づくシステム。
29. 負分散の利得ファイバーおよび正分散の非ドープのファイバーを備えるファイバー・レーザーに基づくシステムであって、前記利得ファイバーのコア・サイズは、前記非ドープのファイバーのコア・サイズよりも大きく、前記システムは、近似的に放物線状のパルス・スペクトルをもつパルスを生成する、ファイバー・レーザーに基づくシステム。
30. ２０００ｎｍの波長でまたはその近くで動作する受動モード同期ファイバー発振器と、
    前記受動モード同期ファイバー発振器からパルスを受け取り、伸張されたパルスを生成するパルス・ストレッチャーであって、異常三次分散を提供する、パルス・ストレッチャーと、
    前記伸張されたパルスを増幅し、再圧縮されかつ増幅されたパルスを出力に生成するファイバー増幅器と
    を備える、ファイバー・レーザーに基づく増幅システム。
31. 前記増幅器は、非線形であり、少なくとも２の自己位相変調の値を提供する、請求項３０に記載のファイバー・レーザーに基づく増幅システム。
32. 前記増幅器の前記出力でのスペクトルは、前記自己位相変調に起因して広げられる、請求項３１に記載のファイバー・レーザーに基づく増幅システム。
33. 前記増幅器の前記出力でのパルスは、前記自己位相変調に起因して非線形圧縮される、請求項３１に記載のファイバー・レーザーに基づく増幅システム。
34. 前記増幅器の前記出力に直接接合された高非線形ファイバーをさらに備える、請求項３０に記載のファイバー・レーザーに基づく増幅システム。
35. 前記増幅器の前記出力に直接接合された非ドープのファイバーをさらに備える、請求項３０に記載のファイバー・レーザーに基づく増幅システム。
36. 前記増幅器の前記出力に直接接合された非ドープのファイバーをさらに備える、請求項３４に記載のファイバー・レーザーに基づく増幅システム。
37. 前記非ドープのファイバーは、非線形であり、少なくとも２の自己位相変調の値を提供する、請求項３５に記載のファイバー・レーザーに基づく増幅システム。
38. ２０００ｎｍでのまたはその近くでの波長で動作する受動モード同期ファイバー発振器と、
    前記受動モード同期ファイバー発振器からパルスを受け取り、伸張されたパルスを生成するパルス・ストレッチャーと、
    前記伸張されたパルスを増幅し、再圧縮されかつ増幅されたパルスを出力に生成するファイバー増幅器と、
    前記増幅器の前記出力に直接接合された高非線形ファイバーであって、光学的コンティニウムを生成する高非線形ファイバーと
    を備える、ファイバー・レーザーに基づく増幅システム。
39. 前記高非線形ファイバーの上流に挿入された非ドープのファイバーをさらに備える、請求項３８に記載のファイバー・レーザーに基づく増幅システム。

Images