JP2017501428A - フッ化物ガラス系の微細構造のフォトニック結晶ファイバーを備えたスーパーコンティニュームシステム - Google Patents

フッ化物ガラス系の微細構造のフォトニック結晶ファイバーを備えたスーパーコンティニュームシステム Download PDF

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Abstract

ファイバー系ス−パコンティニュームシステムは：励起レーザと；ＺＢＬＡＮまたは他のフッ化物系微細構造ガラスファイバーと；制御電子回路とを含み、前記制御電子回路は、前記励起レーザを制御して前記ＺＢＬＡＮ又は他のフッ化物系微細構造ガラスファイバー内にレーザパルスを生成する。サブミクロンという特徴と大きな空気の充填分率とを備えるＺＢＬＡＮフォトニック結晶ファイバーの製造、及び１０４２ｎｍにおける１４０フェムト秒１ｎＪパルスから安定したスーパーコンティニューム（２００ｎｍから２５００ｎｍ）を生成するファイバーの使用が開示されている。

Description

関連出願の相互参照
本出願は、２０１３年１０月３０日に出願された米国仮特許出願第６１／８９７６２４号の利益を主張する。米国仮特許出願第６１／８９７６２４号の開示は参照により本明細書に組み込まれる。
本発明は、スーパーコンティニュームシステムの分野に関し、特に、フッ化物ガラスに基づく微細構造のフォトニック結晶ファイバーを備えたスーパーコンティニュームシステムに関する。
固体のコアシリカ−空気フォトニック結晶ファイバー（ＰＣＦ）の群速度分散（ＧＶＤ）は、コアサイズ及び空気の充填分率を変えることにより、広いスペクトル範囲に亘って調整することができる［１］。特に、ＰＣＦは、多くの一般的なレーザの波長に近接して位置するゼロ分散点を有するように設計することができ、明るいスーパーコンティニューム（ＳＣ）光の生成を可能にする。フェムト秒パルスから連続波までの多くの異なるレーザは、このような方法で上手く効率的に拡大されてきた［２］。各ＰＣＦは、過去１０年間に亘って白色光源と周波数計測学にこのように革命をもたらし、そして様々な研究所や商用製品における使用において今や日常的になっている。しかしながら、現在の各ＰＣＦ系のＳＣ源の限界は、２μｍを越えた中赤外における強い物質吸収及び（波長＜３８０ｎｍから始まる）紫外光によって誘発されるソラリゼーションの影響を受けることであり、このことがこれら二つの限界内で生成されたＳＣを制限する。例えば、重金属酸化物、カルコゲン化物またはフッ化物系のガラスなどの他の材料は、シリカの有望な代替物であり、透過の拡張窓（例えば、ＺＢＬＡＮ用の〜２００ナノメートルから約７μｍ以上まで）を提供する。これらのガラスの中では、フッ化物系ガラスファミリー（例えば、ＺＢＬＡＮ（ＺｒＦ４−ＢａＦ２−ＬａＦ３−ＡｌＦ３−ＮａＦ）、ＩｎＦ３、ＢｅＦ２、等）は，紫外から中赤外において透明であり、かつ慎重に合成された場合、極めて低い吸水性を持っている。これは、マルチオクターブ幅のスーパーコンティニュームの生成にとって理想的となる。
本発明の一実施の形態は、励起レーザと、ＺＢＬＡＮまたは他のフッ化物系微細構造ガラスファイバーと、制御電子機器とを含み、前記制御電子機器は、前記励起レーザを制御して各レーザパルスを前記ＺＢＬＡＮもしくは他のフッ化物系微細構造ガラスファイバー内に生成させるファイバー系のスーパーコンティニュームシステムを提供する。
本発明の他の実施の形態は、近赤外もしくは赤外レーザによって励起される時、最適なスーパーコンティニューム生成のために設計されたコア径と空気充填分率を有するガラス−空気の微細構造を備えたＺＢＬＡＮまたは他のフッ化物系微細構造ガラスファイバーを提供する。
本発明の他の実施の形態は、紫外から赤外への高性能レーザ及び増幅器に適した希土類が添加されたまたは希土類が共添加されたコアを有するＺＢＬＡＮまたは他のフッ化物系微細構造のガラスファイバーを提供する。
本発明の他の実施の形態は、紫外から赤外までの高性能レーザと増幅器のために適切な希土類が添加されたまたは希土類が共添加されたコアを有すると共に、近赤外または赤外レーザによって励起される際に最適なスーパーコンティニューム生成のために設計されたコア径及び空気充填分率を有するガラス−空気の微細構造を備えたＺＢＬＡＮまたは他のフッ化物系微細構造ガラスファイバーを含む、空洞内スーパーコンティニュームファイバーレーザー光源を提供する。
図１は、高非線形ＺＢＬＡＮ ＰＣＦである。
図２は、３オクターブ幅のスペクトルを生成するためのＺＢＬＡＮ ＰＣＦである。
図３は、バルクＺＢＬＡＮガラスと、複屈折性コアと、クラッド内の２つの格子間の接合部の分散スケッチ図である。
図４は、ＺＢＬＡＮ ＰＣＦにおけるスーパーコンティニューム生成である。１ｎＪの下でスペクトルが３オクターブ（そのスペクトルエッジ間での２３周波数比）幅近くまで拡がっていた。
図５は、ＺＢＬＡＮ ＰＣＦにおけるスーパーコンティニューム生成である。８３０ｐＪの下では、スペクトルは３オクターブに及び、２００ｎｍから１７５０ｎｍまで広がっていた。
本発明の原理による例示的な各実施の形態の説明は、全体の明細書の一部とみなされるべき添付図面に関連して読まれることが意図されている。本明細書に開示された本発明の各実施の形態の説明では、方向または配向への任意の参照は、単に説明の便宜のために意図されたものであり、本発明の範囲を限定することを決して意図されていない。例えば、「下部」、「上部」、「水平」、「垂直」、「上方」、「下方」、「上」、「下」、「頂部」及び「底部」並びにその派生的用語（例えば、「水平に」、「下方に」、「上方に」等）の相対的用語は、次いで記載されるようにもしくは議論の下で図面において示されるように前記配向に言及するように解釈されるべきである。これらの相対的な用語は説明の便宜のためだけのものであり、そしてそれ自体明示的に示されない限り、装置が特定の配向において構成されるべきまたは操作されるべきであることを要求しない。例えば、「取り付けられた」、「添付された」、「接続された」、「結合された」、「相互接続された」及び類似表現等の用語は、各構造体が直接または介在する各構造体を介して間接的に互いに固着もしくは取り付けられている関係並びにさもなければ明確に記載されない限り双方の可動的もしくは剛体的な取り付け方もしくは関係に言及している。また、本発明の各特徴及び各利点は、例示される各実施の形態を参照して説明される。従って、本発明は単独にもしくは特徴の他の組合せにおいて存在する可能性がある各特徴のいくつかの可能な非限定的な各特徴の他の組み合わせを例示するそのような例示的な各実施の形態に明確に限定されるべきではない。本発明の範囲は、明細書に添付の特許請求の範囲によって定義される。
この開示は、現在考えられるように、本発明を実施する最良のモードまたは複数のモードについて説明する。この説明は、限定的な意味で理解されることを意図されるものではなく、本発明の利点および構成を当業者に助言するために添付の図面を参照して例示目的のためだけに提示される本発明の実施例を提供する。各図面の様々な図では、同様な参照符号は同様なもしくは類似の部分を指定する。
ＺＢＬＡＮガラスから複雑な微細構造ファイバーを線引きすることは、その粘度が適当となる温度の幅が狭い（＜１０℃、〜３００℃であるシリカと比較して狭い）ために、非常に困難である。アデレードグループによる微細構造ＺＢＬＡＮファイバーに関する最新の研究では、押出を利用して各中空チャンネルの１つのリングに囲まれた大きな（〜１００μＭ）コアを有する構造体を製造していた［３］。現在まで、ＳＣは〜７μｍコア径であり、固体のステップインデックスＺＢＬＡＮファイバー内に生成されてきた［４−６］。それらの結果は有望であるが、これらのファイバーは、その効果的でない非線形性と理想的ではない分散スケッチ図に起因して、μＪ［３］もしくはミリジュール範囲においてさえ［４］各パルスを用いた励起を必要とした。バルクＺＢＬＡＮガラスの分散は、図３内で波長に対してプロットされている。ここにおいてゼロ分散点をとるのは１．６２μｍにおいてであり（溶融シリカでは〜１．３μｍ）、より小さな各コアを有する各ファイバーを製造することによって、より短い波長にシフトすることができる。これはテーパリングを使用することにより最近達成され、赤外スペクトルが１５５０ｎｍで〜１００ｎＪのパルスエネルギーに対して〜１０ ｄＢでの平坦性を持ち、また１から３．５μｍまで拡大されるという実証結果が得られた［７］。
ここで、高度なスタック・アンド・ドロー技術を利用することにより、高い空気充填分率（図１、図２）を有するコアの小さいＺＢＬＡＮガラスＰＣＦの製造に成功した例をここに開示する。図２ｂの走査電子顕微鏡写真（ＳＥＭ）は、３．７１と３．０３μｍの最大及び最小直径を有するわずかに楕円形のコアを示している。これは、直径〜１μｍの三角状の各格子間導波路（図２ｃ）と共に、点在する4列の各中空クラッドチャンネルによって取り囲まれている。これらのクラッド導波路は、光学的に完全にお互いが絶縁されており、（少なくとも各モードフィールドがあまりに遠くまで広がらない程度の短波長で）独立した各ガイドコアとしてのそれらの使用を可能にする。
図３の各サークル３１０は、低コヒーレンス干渉法を用いた各偏光固有状態の１つに対して測定された、コアモードについての各分散値を表す。バルクＺＢＬＡＮガラスの分散もまた示されている。また、ＺＢＬＡＮガラスに埋め込まれ、そして完全に一致した層によって終端化された格子間の接合部ＡおよびＢのための、数値的に計算された分散曲線もプロットされている。各計算は、高解像度の各ＳＥＭとＪＣＭｗａｖｅの有限要素法ソフトウェアに基づいたものである。より長い波長で一層広がることになるであろうが、格子間モードは三角形状で、１μｍ波長（図４の差し込み図）でガラスストランドにうまく閉じ込められている。接合部Ａ（６７０および１３００ｎｍ）と接合部Ｂ（７００および１７２０ｎｍ）において分散波長はゼロの値をとる。最大の異常分散のポイントは、１０４２ ｎｍの励起波長に近接して存在する（図３）。〜８５０ｎｍでＺＤＷを持つコアモードとは異なり、格子間の各接合部は、ＳＣの生成にとって理想的である分散スケッチ図を提供する。その結果、それらを使用してＳＣを生成することに焦点が置かれる。
緊密にレーザ光を集光すると共に、１つずつ異なる格子間の各接合部を通るように、前記クラッド構造に亘ってそれを走査することにより、本発明の一実施の形態において４．３センチメートル長のファイバーサンプル内でほぼ３オクターブ幅のＳＣが生成された接合部を識別することができる。一実施の形態では、最大有効エネルギー（〜８％の測定された起動効率で〜１ｎＪのファイバー内エネルギーに相当する１１．８ｎＪ）における励起接合部Ｂに対し、スペクトルは１０ｄＢより良好な平坦性を有し、かつ３５０ｎｍから２．５μｍまでの範囲から３ｄＢよりも良好な平坦性を有し、かつ８００ｎｍから２．４μｍまでの範囲まで拡がっていた。平均スペクトルエネルギー密度はこの範囲に亘って〜０．５ｐＪ／ｎｍである。一実施の形態では、起動パルスエネルギーの８３０ｐＪを有する励起接合部Ａは、図５に示すように２００ナノメートルから１７５０ｎｍまで延びる、３オクターブ幅以上のＳＣの発生をもたらした。このような低パルスエネルギーでの極端なスペクトルの拡がりは、０．２５ｍ−１Ｗ−１の効果的なファイバー非線形性となる、適切な分散スケッチ図と小モード領域（１μｍ波長あたり〜１．４２μｍ２、各ＦＥＭ計算から推定）の結果である。
接合部Ａからの紫外発光は、２から３ヵ月の期間に亘って毎日５から６時間の間の稼働実験の後でさえ、光学的損傷の兆候を示さなかった。このことは２００〜４００ｎｍの出力スペクトルを、２４時間に亘って５分間隔で記録した各ライフタイム実験を行うことによって更に実証された。その結果は、劣化の兆候がないことを示している。
既存のシステムは、前記深紫外領域でのスーパーコンティニュームを生成することはできないことに注目されたい。例えば、シリカガラスファイバーを備えた既存のスーパーコンティニュームシステムでは、わずか３００ｎｍの光がその中に発生した場合でさえもシリカガラスファイバーはソラリゼーションに起因して損傷を受けるであろう。
一実施の形態では、計算された分散スケッチ図のための一般化された非線形シュレディンガー方程式の各数値解に基づく各予備的シミュレーションは、大筋でこれらの結果を確認した。ＳＣの生成はソリトンダイナミクスによって支配され、（自己位相変調によって駆動される）初期スペクトルの拡大は〜３８０ｎｍでの分散波放射を伴う。同時に、各ソリトンは前記励起パルスから発生して、そしてソリトン自己周波数シフトの結果として、より長い波長にシフトする。それらのソリトンが１７２０ｎｍで第２のＺＤＷに近づくにつれ、各分散波は１７２０ｎｍを超えて各波長において正常分散状態で放出される。
一実施の形態では、高い空気充填分率およびサブミクロンスケールの特徴を備えた良質な各フォトニック結晶ファイバーは、ＺＢＬＡＮガラスから引き出すことができる。ガラスの広い透過性ウィンドウは、分散スケッチ図を大きく変化させる能力と一緒に、すべての固体ステップインデックスＺＢＬＡＮファイバーに関する以前の研究成果に比べて重要な進歩を表し、超広帯域スーパーコンティニュームの生成のための顕著な可能性を広げた。スーパーコンティニュームシステムは、励起レーザと、ＺＢＬＡＮファイバーと、制御電子回路とを含み、前記制御電子回路は前記励起レーザを制御して前記ＺＢＬＡＮファイバー内に各レーザパルスを生成する。開示された技術は、将来的により小さいセントラルコアを有するファイバーを製造することが可能であると期待される。ＺＢＬＡＮガラスはまた、希土類イオンの優れたホストであり、ファイバレーザによる超広帯域空洞内ＳＣ−生成の可能性を示唆している。本発明の一実施の形態は、エネルギー〜１ｎＪの１４０フェムト秒パルスによって生成される、深紫外から中赤外まで拡がる、３オクターブ幅の安定したＳＣに亘って実証し、そして例えば分光法及び汚染監視などの分野で多くの適用性を有している。
［１］ Ｐ．セントＪ．ラッセル、「フォトニック結晶ファイバー」光波技術誌、２４、４７２９から４７４９（２００６）。
［２］ ＪＭダドリー、Ｇ．ジェンティ、およびＳ．コーエン、「フォトニック結晶ファイバーにおけるスーパーコンティニューム生成」、現代物理学レビュー、７８、１１３５から１１８４（２００６）。
［３］ Ｈ．Ｅｂｅｎｄｏｒｆｆ−Ｈｅｉｄｅｐｒｉｅｍ等、「大モード面積と中赤外透過率を有するフッ化物ガラス微細構造光ファイバー」、オプティクスレターズ、３３、２８６１から２８６３（２００８）。
［４］ Ｇ．Ｑｉｎ、等「フッ化物ファイバーにおける紫外から６．２８μｍまでの超広帯域のスーパーコンティニューム生成」、応用物理学レターズ、９５、１６１１０３（２００９）。
［５］ Ｃ．アッガー等、「ＺＢＬＡＮファイバーにおけるスーパーコンティニューム生成 − 測定とシミュレーションとの間の詳細な比較」、アメリカ光学学会誌、Ｂ２９、６３５−６４５（２０１２）。
［６］ Ｊ．Ｓｗｉｄｅｒｓｋｉ、Ｍ．ミカルスカ、およびＧ．Ｍａｚｅ、「利得スイッチモードロックＴｍ添加ファイバレーザと増幅器システムにより励起されるＺＢＬＡＮファイバー中の中赤外スーパーコンティニューム生成」、オプティクスエキスプレス、２１、７８５１から７８５７（２０１３）。
［７］ Ｉ．Ｋｕｂａｔ、ＣＳアッガー、ＰＭ Ｍｏｓｅｌｕｎｄ、およびＯ．バン、「１０６４または１５５０ ｎｍでの直接励起により、均一な及びテーパの付いたＺＢＬＡＮステップインデックスファイバー内への４．５μｍまでの中赤外スーパーコンティニューム生成」、アメリカ光学学会誌、Ｂ３０、２７４３から２７５７（２０１３年）。
本発明はいくつかの記載された実施形態について、いくつかの長さで、そしていくつかの詳細と共に説明されてきたが、それは本発明が、特殊性や実施形態、あるいは特定の実施形態に限定されるべきということを意図したものではない。本発明は従来技術の観点から特許請求の範囲の可能な限り広い解釈を提供し、それによって本発明の意図された範囲を効果的に包含するため、添付された特許請求の範囲を参照して構成されるべきである。加えて、前記は，先に予想されていない発明の実質的でない補正がそれと同等であるかにかかわらず、実施形態が発明者によって予測される、実施可能な明細書が入手可能である発明をあらわす。

Claims (14)

  1. 励起レーザと、
    ＺＢＬＡＮまたは他のフッ化物系微細構造ガラスファイバーと、
    制御電子回路とを備え、
    前記制御電子回路は、前記励起レーザを制御して、前記ＺＢＬＡＮ又は他のフッ化物系微細構造ガラスファイバー内にレーザパルスを生成する
    ファイバー系スーパコンティニュームシステム。
  2. 前記システムは、２０ｄＢよりも良好なスペクトル平坦性を持つ少なくとも２オクターブ幅のス−パコンティニュームを生成し、最低周波数に対する最高周波数の比が少なくとも４に等しい
    請求項１に記載のファイバー系のスーパコンティニュームシステム。
  3. 前記システムは、１日もしくはそれ以上前記ファイバーに対する劣化がない安定性で、３００ｎｍ未満の波長を有する紫外光を生成する
    請求項１に記載のファイバー系のスーパコンティニュームシステム。
  4. １０ｄＢよりも良好なスペクトル平坦性を持つ
    請求項２に記載のファイバー系のスーパコンティニュームシステム。
  5. ５ｄＢよりも良好なスペクトル平坦性を持つ
    請求項２に記載のファイバー系のスーパコンティニュームシステム。
  6. １ｎＪ以下の励起パルスエネルギーで、ス−パコンティニュームを生成する
    請求項２に記載のファイバー系のスーパコンティニュームシステム。
  7. １ｎＪ以下の励起パルスエネルギーで、ス−パコンティニュームを生成する
    請求項３に記載のファイバー系のスーパコンティニュームシステム。
  8. 前記ＺＢＬＡＮまたは他のフッ化物系微細構造ガラスファイバーは、近赤外または赤外レーザで励起されたとき、最適なスーパコンティニューム生成のために設計されたコア径及び空気充填分率を有するガラス−空気の微細構造を備えている
    請求項２に記載のファイバー系のスーパコンティニュームシステム。
  9. 前記ＺＢＬＡＮまたは他のフッ化物系微細構造ガラスファイバーは、近赤外または赤外レーザで励起されたとき、最適なスーパコンティニューム生成のために設計されたコア径および空気充填分率を有するガラス−空気の微細構造を備えている
    請求項３に記載のファイバー系のスーパコンティニュームシステム。
  10. 前記システムは、添加された（１μｍ）イッテルビウム（Ｙｂ）、添加された（１．５５μｍ）エルビウム（Ｅｒ）、若しくは添加された（２μｍ）ツリウム（Ｔｍ）、又は任意のドーパント、又はドーパントの組み合わせを備えた励起光源として、パルスファイバレーザを利用する
    請求項８に記載されたファイバー系スーパコンティニュームシステム。
  11. 前記システムは、添加された（１μｍ）イッテルビウム（Ｙｂ）、添加された（１．５５μｍ）エルビウム（Ｅｒ）、若しくは添加された（２μｍ）ツリウム（Ｔｍ）、又は任意のドーパント、又はドーパントの組み合わせを備えた励起光源として、パルスファイバレーザを利用する
    請求項９に記載されたファイバー系スーパコンティニュームシステム。
  12. 近赤外または赤外レーザで励起されたとき、最適なスーパコンティニューム生成のために設計されたコア径および空気充填分率を有するガラス−空気の微細構造を備えている
    ＺＢＬＡＮまたは他のフッ化物系の微細構造ガラスファイバー。
  13. 紫外から赤外までの高性能レーザ及び増幅器に適した希土類が添加されたまたは希土類が共添加されたコアを有する
    ＺＢＬＡＮまたは他のフッ化物系の微細構造のガラスファイバー。
  14. 紫外から赤外までの高性能レーザ及び増幅器に適した希土類が添加されたまたは希土類が共添加されたコアを有し、近赤外または赤外レーザーによって励起されたとき、最適なスーパコンティニューム生成のために設計されたコア径および空気充填分率を有するガラス−空気の微細構造を備えるＺＢＬＡＮ又は他のフッ化物系の微細構造のガラスファイバーを含む
    空洞内スーパコンティニュームファイバーレーザ光源。
JP2016525600A 2013-10-30 2014-10-29 フッ化物ガラス系の微細構造のフォトニック結晶ファイバーを備えたスーパーコンティニュームシステム Pending JP2017501428A (ja)

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