JP2015505158A - 異常分散高次モードファイバを備える正味の正常分散Ｙｂファイバレーザによる高品位、高エネルギー超短パルス - Google Patents

Abstract

本発明の実施形態は、一般に異常分散高次モードファイバを備える正味正常分散イッテルビウムファイバレーザからの高エネルギー超短パルスに関する。より具体的には、本発明の実施形態は、高次分散、および空洞共振器内の非線形性の良好な補償を備える固体発振器と比べて遜色ないパルスパラメータを実現させる全ファイバ分散補償を有するファイバ発振器に関する。本発明の一実施形態において、発振器は一条のシングルモードファイバ、および一条の高次モードファイバからなり、高次モードファイバの群遅延分散（ＧＤＤ）はシングルモードファイバのＧＤＤの５０％、あるいはそれ以上に合致するように選択され、その場合において、発振器の三次分散は発振器の空洞共振器内の非線形の位相の積み重ねに合致し、非線形の位相の積み重ねは発振器のパルスエネルギーに依存する。

Description

＜関連出願の相互参照＞
本出願は、２０１１年１２月６日に出願された「Ｈｉｇｈ−Ｆｉｄｅｌｉｔｙ，Ｈｉｇｈ−Ｅｎｅｒｇｙ Ｕｌｔｒａｓｈｏｒｔ Ｐｕｌｓｅｓ ａｔ １０３５ ｎｍ ｆｒｏｍ ａ Ｎｅｔ Ｎｏｒｍａｌ−Ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ Ｙｂ−Ｆｉｂｅｒ Ｌａｓｅｒ ｗｉｔｈ Ａｎｏｍａｌｏｕｓ Ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ Ｈｉｇｈｅｒ−Ｏｒｄｅｒ−Ｍｏｄｅ Ｆｉｂｅｒ」と題される米国仮出願特許Ｎｏ．６１／５６７，５７０に対する優先権を主張し、その開示のすべてがここに参照のため引用される。

本発明の実施形態は、一般に異常分散高次モードファイバを備える正味正常分散イッテルビウムファイバレーザ（ｎｅｔ ｎｏｒｍａｌ ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ ｙｔｔｅｒｂｉｕｍ ｆｉｂｅｒ ｌａｓｅｒ）からの高エネルギー超短パルスに関する。より具体的には、本発明の実施形態は、高次分散、および空洞共振器内（ｉｎｔｒａｃａｖｉｔｙ）の非線形性の良好な補償を備える固体発振器と比べて遜色ないパルスパラメータを実現させる全ファイバ分散補償（ａｌｌ−ｆｉｂｅｒ ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ）を有するファイバ発振器に関する。

高品位パルスを実現させる集積化モードロック・イッテルビウム・ドープ・ファイバレーザ（ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｍｏｄｅ−ｌｏｃｋｅｄ Ｙｔｔｅｒｂｉｕｍ−ｄｏｐｅｄ ｆｉｂｅｒ ｌａｓｅｒ）、あるいはサブ２００ｆｓパルスを実現させるイッテルビウム固体レーザは、イッテルビウムファイバ増幅器システムのためのシード・ソース（ｓｅｅｄ ｓｏｕｒｃｅ）として非常に魅力的である。そのようなシステムのシード・ソースに対する主たる要求は良好なパルス品質、および圧縮性、および十分なシード・エネルギー（ｓｅｅｄ ｅｎｅｒｇｙ）である。パルスのエネルギー、およびパルスの圧縮性に対する要求は、位相安定化増幅器システムにたいしては、なおさらの要求となる。信頼性のある位相ロックを達成するために、数ｎJのパルスエネルギーを有するサブ１００ｆｓパルスが必要とされる。多くの用途において、これを達成するために固体発振器が用いられる一方、全ファイバ発振器の堅牢性、および安定性が興味深い選択肢を提供する。

最近、パルスの圧縮性、およびファイバ発振器のエネルギーを増進させる多くの異なる取組みが探求されてきている。一般には、（１）正味異常空洞共振器内分散を有するファイバ発振器、および（２）正味正常空洞共振器内分散を有するファイバ発振器という２つの異なる動作形態に区別することが出来る。第１の形態で動作するファイバ発振器は、３０ｆｓを切る極めて圧縮性の高いパルスを生成することが出来るが、しかし１ｎJよりももっと少ない非常に限定されたパルスエネルギーを有するに過ぎない。実際、正味の異常分散形態においては、Ｙｂドープされたファイバ発振器からの最も短いパルス幅は約３０ｆｓで達成され、それは非常に限定されたパルスエネルギーを有している。

正常空洞共振器内分散を有して動作するファイバ発振器は、より高いパルスエネルギー（すなわち、数ｎＪ）を有するパルスを生成できるが、そのような発振器からのパルスの品位はより低い。正味正常分散形態においては、より高いパルスエネルギーが達成できるが、一般にそのようなシステムは、正味異常空洞共振器内分散で動作する発振器に比較して低いパルス品位を生じる。正味正常分散形態で動作するＹｂをドープされたファイバ発振器からの最も短いパルス幅は５０ｆｓであって、５ｎＪのパルスエネルギーを有し、それは空洞共振器内分散補償を導入するために自由空間構成要素（ｆｒｅｅ ｓｐａｃｅ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ）（例えば、回折格子）を用いる。しかし、パルスの品位、およびパルス幅は二次自己相関によって測定されただけであり、それはパルス品位の信頼できる情報を提供することはない。

よりよいパルス品質を達成することにおける主たる制約の一つは貧弱な空洞共振器内分散制御である。空洞共振器内分散補償を有する多くのファイバ共振器は空洞共振器内回折格子を用いる。回折格子の使用はファイバ発振器の堅牢性、および安定性を犠牲にする一方、空洞共振器内回折格子（ｉｎｔｒａｃａｖｉｔｙ ｇｒａｔｉｎｇ）によってもたらされる主たる制約は、高次分散の補償が得られないということである。より安定した動作、およびより良いパルス品位のためには、高次分散、および空洞共振器内の非線形性の良好な補償を実現することが重要である。したがって、固体シード発振器（ｓｏｌｉｄ−ｓｔａｔｅ ｓｅｅｄ ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ）に対する本格的なファイバベースの代替物を開発するために、ファイバの分散補償が必要とされる。

ファイバベースの分散補償のための一つの取組みは、フォトニック結晶ファイバの導波路分散の設計に基づいている。しかし、要求される分散補償を達成するためには、非常に小さなコア直径を有するフォトニック結晶ファイバが必要とされ、それは空洞共振器内の非線形性の大きな増加につながる。さらに、今までファイバ発振器へのフォトニック結晶ファイバのモノリシックな集積化は問題があり、それは融着接続がファイバ構造を破壊するであろうことである。

したがって、固体シリカの異常分散高次モードファイバを有する正味正常分散イッテルビウムファイバレーザからの高エネルギー、超短パルスが求められている。

本発明の実施形態は、一般に固体シリカの異常分散高次モードファイバを備える正味正常分散イッテルビウムファイバレーザからの高エネルギー超短パルスに関する。より具体的には、本発明の実施形態は、高次分散、および共振器内の非線形性の良好な補償を備える固体発振器と比べて遜色ないパルスパラメータを実現させる全ファイバ分散補償を有するファイバ発振器に関する。

本発明の一実施形態において、発振器は一条のシングルモードファイバ（ａ ｌｅｎｇｔｈ ｏｆ ｓｉｎｇｌｅ ｍｏｄｅ ｆｉｂｅｒ）、および一条の高次モードファイバ（ａ ｌｅｎｇｔｈ ｏｆ ｈｉｇｈｅｒ−ｏｒｄｅｒ ｍｏｄｅ ｆｉｂｅｒ）を備え、高次モードファイバの群遅延分散（ｇｒｏｕｐ ｄｅｌａｙ ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ）はシングルモードファイバの群遅延分散の５０％、あるいはそれ以上に合致するように選択され、その場合において、発振器の三次分散は発振器の空洞共振器内の非線形の位相の積み重ね（ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｐｈａｓｅ ｂｕｉｌｄｕｐ）に合致し、非線形の位相の積み重ねは発振器のパルスエネルギーに依存する。

本発明の他の実施形態において、非線形の位相の積み重ねを補償するために高パルスエネルギーイッテルビウムファイバレーザ発振器の三次分散を合致させる方法は、高パルスエネルギーイッテルビウムファイバレーザ発振器を提供するステップ、正味の群遅延分散、および三次分散が発振器の空洞共振器内の非線形位相の積み重ねに合致する三次分散を保持するために一条の高次モードファイバを選択するステップ、およびイッテルビウムファイバレーザ発振器に高次モードファイバを加えるステップを含む。

本発明の更に他の一実施形態において、高パルスエネルギーイッテルビウムファイバレーザは、一条のシングルモードファイバ、および一条の高次モードファイバを備え、高次モードファイバの群遅延分散はシングルモードファイバの群遅延分散の５０％、あるいはそれ以上に合致するように選択され、その場合において、レーザの三次分散はレーザの空洞共振器内の非線形の位相の積み重ねに合致し、非線形の位相の積み重ねはレーザのパルスエネルギーに依存する。

したがって、上に列挙された本発明の特徴が詳細に理解できるように、上に大まかにまとめられた本発明の実施形態のより具体的な説明が、付属する図に図解される実施形態を参照することによりなされる。しかし、付属する図は本発明の範囲内に包含される実施形態の単に代表的な例を図解し、したがって限定的であると考えるべきでなく、本発明は他の同様に効果的な実施形態も認めることが注目されるべきである。

図１は、本発明の一実施形態によるファイバリング発振器の図式的説明を描いている。 図２は、本発明の実施形態による発振器に対して波長の関数として分散の例示的な試験結果を示すグラフを描いている。 図３は、本発明による発振器の圧縮後の性能の特徴を示す１組のグラフを描き、それぞれ図２の実線の分散曲線（左のグラフ）、全正常分散発振器との比較（中間のグラフ）、および時間領域の比較（右のグラフ）に対応する。 図４は、図２の点線に対応する一実施形態による発振器の圧縮後の性能の特徴を示す１組のグラフを描き、測定された第２高調波の周波数分解光ゲートの記録（ｓｅｃｏｎｄ−ｈａｒｍｏｎｉｃ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｒｅｓｏｌｖｅｄ ｏｐｔｉｃａｌ ｇａｔｉｎｇ−ｔｒａｃｅ）（左のグラフ）、スペクトル、およびスペクトルの位相（中間のグラフ）、および出力パルスの時間領域の表示（右のグラフ）を示す。 図５は、グラフである。

ここに用いられる表題は単に構成上の目的のためであって、説明、あるいは請求の範囲を限定するために使われることを意味しない。この出願を通して用いられるように、単語「してよい（ｍａｙ）」は、義務的な意味（すなわち、ねばならない（ｍｕｓｔ）を意味する）より、むしろ許容の意味（すなわち、可能性を有することを意味する）で使われる。同様に、単語「含む（ｉｎｃｌｕｄｅ、ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ、およびｉｎｃｌｕｄｅｓ）」は、含むが、それに限定されないことを意味する。理解を容易にするために、類似の参照番号が、可能な場合には、図に共通の類似の要素を指定するために用いられている。

本発明の実施形態は、一般に異常分散高次モードファイバを備える正味正常分散イッテルビウムファイバレーザからの高エネルギー超短パルスに関する。より具体的には、本発明の実施形態は、高次分散、および共振器内の非線形性の良好な補償を備える固体発振器と比べて遜色ないパルスパラメータを実現させる全ファイバ分散補償を有するファイバ発振器に関する。

ここに用いられるように、数値を参照するときに、用語「約（ａｂｏｕｔ）」、あるいは「おおよそ（ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅｌｙ）」、あるいはそれらの派生語は、数値を参照するとき、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見なされるべきである。さらに、そのような用語が記載された絶対値（ａｂｓｏｌｕｔｅ）（例えば、ゼロ）に対して用いられるとき、当該技術の当業者によって普通に用いられるように、その絶対値はいずれかの方向に妥当な測定値の一単位以内を含むと見なされるべきである。

本発明の多くの実施形態は、ここに説明するように高パルスエネルギーでの安定したモードロック動作を確実にするためにファイバ内の高次モード（ＨＯＭ、ｈｉｇｈ ｏｒｄｅｒ ｍｏｄｅ）の異常分散を利用することを追及する。モード変換が確実に達成され、かつそのようなＨＯＭファイバの集積がかなり容易であるので、ＨＯＭファイバは本発明の実施形態に適している。さらに、ＨＯＭのモード断面積がより大きいので、ＨＯＭモジュール内の非線形性は標準のシングルモードファイバ（ＳＭＦ、ｓｉｎｇｌｅ ｍｏｄｅ ｆｉｂｅｒ）のそれに比較して低減される。さらに、ＨＯＭファイバは空洞共振器内の高次分散の項を補償する可能性を提供し、空洞共振器内のパルスへの望ましくない非線形位相の集積を低減する。

しかし、多くの実施形態により、異常分散だけを導入することは高パルスエネルギーを有する安定したモードロック動作を確実なものとするには十分ではない。説明されるように、すべての空洞共振器内分散が異常であるとき、抽出できるパルスエネルギーは非常に限定される。それに対して、すべての空洞共振器内分散が正常であるとき、安定したモードロック形態でより高いパルスエネルギーを抽出することが可能であるが、しかしパルスの品位は著しく多い高次の分散の存在によって損なわれる。例えば、三次の分散はパルス化された動作を不安定化する傾向がある、すなわち、それはパルスのエネルギー、およびパルスの品位を制限し、かつ四次の分散は動作帯域幅、および圧縮されたパルス幅を制限する。したがって、本発明の実施形態は、アクティブな媒体の利得帯域幅によって設定される制限まで、あるいはそれ以上にまで最良の圧縮可能な出力パルスで最高のパルスエネルギーを引き出すために空洞共振器内の分散の改良された制御を提供することを追及する。

図１は、本発明の一実施形態によるファイバリング発振器の図式的説明を描いている。一般にファイバリング発振器は、レーザダイオードポンプ、イッテルビウムをドープしたファイバ、偏光制御器、第１の出力、任意選択の第２の出力、フィルタ、ファラデーアイソレータのようなアイソレータ、追加的な（複数の）偏光制御器、および高次モード（ＨＯＭ）ファイバを備える。ある実施形態において、自由空間構成要素はファイバベースの同等のものにすべて置き換えられることができる。

多くの実施形態において、第１の出力はパルスのクリーニングのための偏光ビームスプリッタを備え、非線形の偏光回転、およびシステムのモードロックされた動作を保持するためのスペクトルフィルタとともに作用する。任意選択の第２の出力は第１の出力のような類似の形式の装置を備えることができ、かつ第１と第２の出力の間の出力比率は、例えば２分の１波長板によって制御されてよい。多くの実施形態において、ファイバリング発振器は正味の正分散形式で作用する。

多くの実施形態において、レーザポンプに適用可能なパワーの範囲は、実施形態、および使われる動作中のファイバに依存して０ワット近くから数ワットの範囲におよぶ。本発明の一実施形態により、おおよそ５００−７００ｍＷのポンプパワーが提供される。イッテルビウムをドープしたファイバは一般に、光黒化に耐性のある濃くドープされたファイバを含む、濃くドープされたファイバを含むことができる。

一実施形態において、少なくとも一つの偏光ビームスプリッタがモードロックの機構を容易にするために用いられる。任意選択でよい第２の出力ポートは固定比率（ファイバ）のビームスプリッタを備えることができる。ある実施形態において、第２の出力ポートにおける最適な出力結合比は約７５パーセントであると見積もられるが、安定な動作は９０パーセントまで得られてよい。適用可能なより高いポンプパワーでこの数字は増加可能である。

スペクトルフィルタの役割は、ＷＤＭ、あるいは十分に狭い動作帯域幅を有するファイバアイソレータを選択することによって引き継がれてよい。フィルタは４０ｎｍまでの半値全幅伝送帯域幅（ｆｕｌｌ−ｗｉｄｔｈ−ａｔ−ｈａｌｆ−ｍａｘｉｍｕｍ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｂａｎｄｗｉｄｔｈ）を含むことができる。

多くの実施形態において、ＨＯＭファイバは、発振器で用いられるシングルモードファイバの群遅延分散、および三次分散の５０％、あるいはそれ以上を補償するように設計されるべきである。

本発明の実施形態により、図１に描かれるような発振器の形式が実験を行うために用いられた。（１）２４ＭＨｚの繰り返し率で空洞共振器内での分散補償をすることなく全正常分散発振器を用いること、（２）２４ＭＨｚの繰り返し率を備える空洞共振器内での分散補償のためのＨＯＭモジュールを用いる発振器、および（３）２０ＭＨｚの繰り返し率を備える空洞共振器内での分散補償のためのＨＯＭモジュールを用いる発振器という、３つの別々の例を実施した。第２、および第３の実験のために、ＨＯＭモジュールのファイバ長は、ＧＤＤが発振器の大半のＳＭＦ ＧＤＤに合致するように選択された。

図２は、本発明の実施形態による発振器について波長の関数としての分散の典型的な試験結果を示すグラフを描いている。具体的には、図２はＨＯＭファイバを用いる第２、および３番目の実験の空洞共振器内の分散を示す。図に示されるように、最上部の２本の線（実線、および点線）はＨＯＭファイバを用い、最下部の３本の線（実線、点線、および破線）はＳＭＦを用い、中間の点線、および実線は空洞共振器内全分散に対するものであって、両方の実験例について正常である。また、ＨＯＭファイバを用いないすべての正常分散発振器（ＡＮＤｉ）の分散曲線が図２に示される。

図に示されるように、実線は発振器の第１の実施形態の空洞共振器内分散を示し、それは２４ＭＨｚの繰り返し率を備えていた。最下部の実線は、その実施形態における正常分散構成要素の全分散を示し、主にシングルモードファイバ、およびイッテルビウムをドープされたアクティブファイバによって導入される。最上部の実線は、ＨＯＭモジュールによって導入される異常分散を示す。中間の実線は、２つの曲線の和の結果であり、それはリング空洞共振器を一周のときに見られる全分散を生じる。点線は、発振器の第２の実施形態の空洞共振器内分散を示し、それは２０ＭＨｚの繰り返し率を備えていた。最下部の点線は、第２の実施形態における全正常分散を示し、第１、および第２の実施形態の間の差は、用いられたシングルモードファイバの長さが異なることによる。

最上部の点線は第２の実施形態に用いられたＨＯＭモジュールにより導入される異常分散を示し、図２に見られるように、第１の実施形態に用いられたＨＯＭモジュールとはわずかに異なっていた。中間の点線は最上部、および最下部の点線の曲線の和を示し、第２の実施形態におけるリング空洞共振器を一周のときに見られる全分散を生じる。比較として、グラフの最下部の破線は、全正常分散発振器のシングルモードファイバ全体によって導入される分散を示し、その場合、全空洞共振器内分散でもある。また、実験中に注目されるように、大量の群遅延分散（ＧＤＤ）、および三次分散（ＴＯＤ）が全正常分散発振器に蓄積されることに対して、ＨＯＭモジュールを有する発振器の場合には限られた量のＧＤＤ、およびＴＯＤのみが空洞共振器周回あたり蓄積される。

実測から、発振器のモードロック動作はスペクトルフィルタリングとの組み合わせにおける非線形の偏光回転に基づくということが決定された。図１に示されるように、安定した動作はＨＯＭモジュールの前後にファイバの偏光制御器を用いることで確かなものとなる。一般にＨＯＭモジュールは偏光の影響を受けないように設計されるが、安定したモードロック動作は、入力、および出力において偏光状態の十分な制御を必要とし、したがって多くの実施形態において、図１に示されるように、インラインの偏光制御器（ｉｎｌｉｎｅ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）がＨＯＭファイバの前後に直接的に組み込まれる。ＨＯＭ内で基底のＬＰ０１モードをＬＰ０２モードに、およびその逆に変換する長周期回折格子（ＬＰＧ、ｌｏｎｇ ｐｅｒｉｏｄ ｇｒａｔｉｎｇ）はわずかに傾き、そのような制御器を必要とすると信じられている。しかし、ある実施形態において、改良されたＬＰＧを利用することにより、ＨＯＭの直前、直後への偏光制御器の使用は不要である。

実験にあっては、２．４ｎＪの出力エネルギーを有する全正常分散発振器、２．４ｎＪの出力エネルギーを有する第１のＨＯＭモジュールを備える発振器、および６ｎＪの出力エネルギーを有する第２のＨＯＭファイバを備える発振器について、発振器の出力パルスの完全な特徴付けがなされる。異なる発振器についての異なる出力エネルギーは安定したモードロック動作、および良好なパルス品質を保証するためのものであり、これは、全正常分散発振器、および第１のＨＯＭモジュールを備える発振器の場合には、より高い出力エネルギーでは不可能であることが知られていた。

高帯域幅オシロスコープ、および整合するフォトダイオード、および長距離の第２高調波発生（ＳＨＧ、Ｓｅｃｏｎｄ−Ｈａｒｍｏｎｉｃ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）周波数分解光ゲート（ＦＲＯＧ、Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ−Ｒｅｓｏｌｖｅｄ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｇａｔｉｎｇ）スキャンを用いて、発振器が単一のパルスモードで動作するということが判定された。伝送回折格子の対による圧縮の後のより高品位で短い範囲のＳＨＧ ＦＲＯＧ走査の結果が図３、および４に示される。図３は、左に第１のＨＯＭモジュールを備える発振器、中央部に全正常分散発振器について、発振器の圧縮の後のＦＲＯＧの特性を表示する。左、および中央部のグラフの両方で抽出されたスペクトルが実線として示され、かつ抽出されたスペクトルの位相が点線として示される。両方の発振器からのパルスの抽出された時間領域表示が図３の右のグラフに示され、第１のＨＯＭモジュール発振器の曲線が全正常分散発振器の曲線の左側により高い曲線として示される。

一般に、図４は第２のＨＯＭモジュールを備える発振器の圧縮後のＦＲＯＧの特性を描き、回折格子圧縮機の出力を示す。左側のイメージは実際に測定された結果を描いている。中央部のグラフの実線は、抽出されたスペクトルを示し、中央部のグラフの破線は抽出されたスペクトルの位相を示す。右側のグラフの実線はパルスの抽出された時間的なプロファイルを示す。優れた圧縮がパルスのフーリエ限界プロファイルとの比較によって図解され、それは右側のグラフに点線で示される。フーリエ限界パルス幅と比較してわずかにより長い抽出されたパルスの幅、および抽出されたパルスの上に見える小さな付随体（ｓａｔｅｌｌｉｔｅ）は、回折格子圧縮器の補償されない三次分散の結果である。抽出された時間的な位相が右側のグラフに破線として示される。

他の特徴付けの方法に勝るＦＲＯＧ特徴付けの利点は、クリーンな時間的なパルスプロファイルが得られるかどうかを確実に示す、あるいは長い範囲のペデスタル（ｐｅｄｅｓｔａｌ、台形部分）が示されるということである。多くのファイバ発振器の不利な点は、それらが大きな長い範囲のペデスタルを示し、例えば更なる増幅のためのそれらの有用性を制限するということである。長い範囲のペデスタルは外部に結合するエネルギー（ｏｕｔ−ｃｏｕｐｌｅｄ ｅｎｅｒｇｙ）の５０％くらいもの大きな部分を含むことが出来るので、短い圧縮されたパルスに含まれるパルスエネルギーが大きく過大評価される。したがって、ＦＲＯＧの特徴付けは超高速レーザのパルス品位の最も完全な評価を容易にする。

試験の結果として、空洞共振器内の分散補償がない発振器は最も長いパルス、および最も小さい帯域幅を生じ、第１のＨＯＭモジュールを備える発振器はより大きな帯域幅を有するパルスを生じ、それは結果として１５０ｆｓという短いパルス幅に圧縮することが出来、かつ第２のＨＯＭモジュールを備える発振器は最も広いスペクトルを生じ、パルスはほぼフーリエ変換限定パルス幅に圧縮することが出来た。６１ｆｓのフーリエ限定パルス幅と６２ｆｓの抽出されたパルス幅との間のわずかな差、およびフーリエ限定パルスに比較してより強い付随体は、回折格子圧縮器の後の残りのＴＯＤに起因すると思われる。

試験の結果として、本発明の実施形態は、全ファイバ分散補償を備えるファイバ発振器を備え、固体状態の発振器と比較可能なパルスパラメータ、およびそのようなファイバ発振器の性能をさらに改善するために向けられる正確な方法を実現する。ここに提示される実験結果によって支持されるように、発振器の空洞共振器内の改良された分散補償を用いることは、よりよいパルスの圧縮性、およびより高い達成可能な出力パルスエネルギーに直接的に導く。

上に述べられた発振器の安定したモードロック動作の根底にある物理的なメカニズムは、非線形の偏光の旋回（ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ）に基づくものであると理解されることが高く評価されるべきである。非線形の偏光の旋回は、偏光ビームスプリッタの出力カプラとともに人為的な可飽和吸収体として作動する一方、自己位相変調の作用、分散、およびスペクトルフィルタがパルスの時間的な特性がそれぞれの周回の後に再生されることを確実にする。分散補償がない、あるいは弱い発振器において、発振器の一周の間のパルスの分散的な伸張（ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ ｓｔｒｅｔｃｈｉｎｇ）と自己位相変調のバランスは、十分なパルスの台座の発生を犠牲にしてのみ達成される一方、ＨＯＭファイバによって達成されるように、良好に設計された分散補償は、分散的伸張、自己位相変調、および発振器の定常的な動作の間のスペクトルフィルタリングの作用のよりよいバランスを可能にする。

また、三次分散はパルスを非対称に、すなわち赤、および青ウイング（ｒｅｄ ａｎｄ ｂｌｕｅ ｗｉｎｇｓ）のスペクトルのように伸張する。それはパルスを非対称に広げ、レーザの出力部でパルスを圧縮不可能な台形にするので、三次分散の補償はこの意味において特に決定的に重要である。この影響は２つの出力カプラを用いることによって低減することが出来、その場合、第１の出力カプラはパルスのクリーナとして作用し、かつ第２の出力カプラでよりきれいなパルスが得られる一方、数値シミュレーションが、過剰な三次分散はパルスの安定性、動作帯域幅、および達成されるべきパルスのエネルギーを制限するという考えに導いている。

非線形の位相シフトを有する三次分散の補償は、レーザ発振器の範疇の外の他の光学システムで観察されている。本発明の実施形態に関連する一つの例はチャープされたパルス増幅である。三次分散を備える非線形の位相シフトの補正、あるいはその逆もいわゆる短パルスファイバレーザのチャープされたパルス増幅にはっきり示されている。チャープされたパルスの増幅は短いレーザパルスを増幅するためのよく知られた方式である。チャープされたパルスの増幅方式は、ピークパワー、増幅、および高いピークパワー、およびサブｐｓパルス幅を得るための再圧縮を低減するための時間領域におけるパルスの伸張を含む。増幅システムは正味の群遅延分散をゼロにする、好ましくは正味の高次の分散をゼロにするために、分散の注意深い管理を必要とする。いくつかのＣＰＡについて、ゼロでない正味の三次分散は、パルスが伸張器、増幅器、および圧縮器段階を経て伝播するにしたがい積み重ねられる十分な量の非線形の位相によって補償され得ることが観察される。

非線形のシュレーディンガー方程式を解くとき、および実証実験の両方で所与の三次分散に対して最適な非線形の位相シフトがあることが観察される。全位相シフトは波長の関数として平準化され、かつ起こり得る、あるいは時間領域における台座として時々言及される二次的な構造が顕著に低減される。その効果は三次分散と自己位相変調が組み合わされた作用による。さらに、文献における研究は、非線形の位相シフトを備える三次分散を補償することが三次分散の符号が反転しているとしても同じ結果を生じることを示す。ゼロである非線形の位相シフト、あるいは最適値から外れている非線形の位相シフトに対して、パルスは補償されていない三次分散から生じるパルス端に二次的な構造を示すであろう。

先に述べたことは本発明の実施形態に向けられているが、本発明の他の、およびさらなる実施形態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。ここに記述されるいろいろな実施形態は、この中に含まれる範囲から逸脱することなく、記述される他の任意の実施形態と組み合わせて利用されてよいことも理解されるべきである。さらに、特別な用途が必要とするとき、本発明の実施形態はさらに拡張可能であってよい。

Claims (20)

1. 一条のシングルモードファイバ、および一条の高次モードファイバを備える発振器であって、
   前記高次モードファイバの群遅延分散が前記シングルモードファイバの群遅延分散の５０％、あるいはそれ以上に合致するように選択され、
   その場合において、前記発振器の三次分散が前記発振器の空洞共振器内の非線形位相の積み重ねに合致し、かつ前記非線形位相の積み重ねが前記発振器の前記パルスエネルギーに依存する発振器。
2. 前記シングルモードファイバがイッテルビウムをドープしたファイバを含む、請求項１に記載の発振器。
3. さらに少なくとも第１の出力を備える、請求項１に記載の発振器。
4. 前記第１の出力がパルス・クリーニングのための偏光ビームスプリッタを備え、かつ前記発振器のモードロック動作を保持するための非線形偏光回転およびスペクトルフィルタと共に動作する、請求項３に記載の発振器。
5. さらに第２の出力を備える、請求項３に記載の発振器。
6. 前記第１の出力と前記第２の出力との間の出力の比率が２分の１波長板によって制御可能である、請求項５に記載の発振器。
7. 前記発振器がさらに２つのファイバ偏光制御器を備え、一方の前記ファイバ偏光制御器が前記高次モードファイバの入力に配され、他方の前記ファイバ偏光制御器が前記高次モードファイバの出力に配される、請求項１に記載の発振器。
8. 非線形の位相の積み重ねを補償するために高パルスエネルギーイッテルビウムファイバレーザ発振器内の三次分散を合致させる方法であって、
   高パルスエネルギーイッテルビウムファイバレーザ発振器を提供すること、
   正味の群遅延分散、および三次分散をあらかじめ定められた範囲内に保持するための一条の高次モードファイバを選択すること、および
   高次モードファイバをイッテルビウムファイバレーザ発振器に加えること
   を含む方法。
9. 前記イッテルビウムファイバレーザ発振器がさらに少なくとも第１の出力を備える、請求項８に記載の方法。
10. 前記第１の出力がパルス・クリーニングのための偏光ビームスプリッタを備え、かつ前記発振器のモードロック動作を保持するための非線形偏光回転およびスペクトルフィルタと共に動作する、請求項９に記載の方法。
11. 前記イッテルビウムファイバレーザ発振器がさらに第２の出力を備える、請求項９に記載の方法。
12. 前記第１の出力と前記第２の出力との間の出力の比率を２分の１波長板によって制御することを更に含む、請求項１１に記載の方法。
13. さらに２つのファイバ偏光制御器を備え、一方の前記ファイバ偏光制御器が前記高次モードファイバの入力に配され、かつ他方の前記ファイバ偏光制御器が前記高次モードファイバの出力に配される、請求項８に記載の方法。
14. 一条のシングルモードファイバ、および一条の高次モードファイバを備える高パルスエネルギーイッテルビウムファイバレーザであって、
    前記高次モードファイバの群遅延分散が前記シングルモードファイバの群遅延分散の５０％、あるいはそれ以上に合致するように選択され、
    その場合において、前記発振器の三次分散が前記発振器の空洞共振器内の非線形位相の積み重ねに合致し、かつ前記非線形位相の積み重ねが前記レーザの前記パルスエネルギーに依存する高パルスエネルギーイッテルビウムファイバレーザ。
15. 前記シングルモードファイバがイッテルビウムをドープしたファイバを含む、請求項１４に記載のレーザ。
16. さらに少なくとも第１の出力を備える、請求項１４に記載のレーザ。
17. 前記第１の出力がパルス・クリーニングのための偏光ビームスプリッタを備え、かつ前記レーザのモードロック動作を保持するための非線形偏光回転およびスペクトルフィルタと共に動作する、請求項１６に記載のレーザ。
18. さらに第２の出力を備える、請求項１６に記載のレーザ。
19. 前記第１の出力と前記第２の出力との間の出力の比率が２分の１波長板によって制御可能である、請求項１８に記載のレーザ。
20. 前記レーザがさらに２つのファイバ偏光制御器を備え、一方の前記ファイバ偏光制御器が前記高次モードファイバの入力に配され、他方の前記ファイバ偏光制御器が前記高次モードファイバの出力に配される、請求項１４に記載のレーザ。

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