JP2019522232A - スペクトル狭小化モジュール、狭小化スペクトル線装置、及びそのための方法 - Google Patents

スペクトル狭小化モジュール、狭小化スペクトル線装置、及びそのための方法 Download PDF

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Abstract

多くの応用では、光学的なスペクトル線の幅が小さいレーザの使用を必要とする。しかし、現在、光源からの光線、特に半導体レーザからの光線を、満足のいくやり方で狭小化することを可能にするモジュールは存在しない。本発明は、スペクトル狭小化方法（５００）、少なくとも１つの光源（２１０）を備える狭小化スペクトル線装置（２００）、及びスペクトル狭小化モジュール（１００）に関する。スペクトル狭小化モジュール（１００）は、少なくとも１つの主カップラ（１１１）と、ブリルアン共振器（１２０）と、変調器（１３０）とを含む。【選択図】図１

Description

本発明の分野は、誘導放射によって、増幅された光ビームを生成する光源のうちの１つに関する。本発明は、特に、しかし限定はしないが、スペクトル狭小化モジュールに関する。より具体的には、本発明は、予めスペクトルが狭小化された光ビームを導入することによって光源のスペクトルを狭小化する方法に関する。
今日、多くの応用では、光学的なスペクトル線の幅が小さい光源の使用を必要とする。これらの応用は、一般に、光計測学、分光学、通信、レーダシステム、アトムマニピュレーション、及び原子時計である。しかしながら、現在市場にある光源は、かなり大きなスペクトル線幅を含む。もちろん、スペクトル線幅が小さい光源は存在するが、それらは、しばしば複雑で、出力が小さく、あまり調整ができず、特に高価である、という不利な点を有する。しかも、この本発明は、マスター光源及びスレーブ光源という２つの異なる光源を必然的に必要とする、従来のマスター・スレーブインジェクションではないという点で、現状の技術とは異なる。
本発明は、前述の不利な点の全部又は一部を、少なくとも１つの第１光源のためのスペクトル狭小化モジュールの形で解決することを目標とする。このスペクトル狭小化モジュールは、
前記少なくとも１つの第１光源から生じて前記スペクトル狭小化モジュールに導入される第１入射光ビームから、少なくとも１つの第１励起光ビームを導出するように構成された、少なくとも１つの第１カップラと、
前記第１励起光ビームの少なくとも一部から、少なくとも１つの第１共振光ビームを生成するように構成された、ブリルアン共振器と、
前記第１共振光ビームから、少なくとも１つの第１変調光ビームを生成するように構成された、変調器と、を備え、
前記スペクトル狭小化モジュールは、前記第１変調光ビームを、前記少なくとも１つの第１カップラに全体として又は部分的に導入するように構成され、前記少なくとも１つの第１カップラは、前記少なくとも１つの第１光源のスペクトル線を狭くするために、前記第１変調光ビームを、前記少なくとも１つの第１光源に全体として又は部分的に導入するように構成されている。
この発明の利点は非常に多い。本スペクトル線狭小化モジュールは、任意の光源及び任意の波長の光源に適用できる。好ましくは、ＤＦＢとしてよりよく知られており、スペクトル品質が不十分であるが非常に安価であり、非常にコンパクト、かつエネルギー効率のよい、電気通信分野における応用によく使用される「分散型フィードバック」レーザのために、本発明による狭小化モジュールは使用され得る。半導体光源は、例えば４００ｎｍから１２μｍまでのような、青から赤外までの波長範囲をカバーするという利点も有する。本発明の、このタイプの光源、特にこのタイプのレーザとの適合性は、セシウム又はルビジウム時計、これらは赤外線に非常に近く非常に正確な周波数で発振するスペクトルが非常に細いレーザを必要とするのであるが、のような多くの応用に、非常に簡単で安価な解決策を提供するので、大きな進歩である。ＤＦＢタイプのコンパクトな半導体レーザ及びファイバー技術を使用するので、本発明は航空及び宇宙環境を含む過酷な環境に適合する。
要約すると、本発明は、細いスペクトル線幅、高い調整可能性、非常に広い動作波長範囲、優れたコンパクトさ、優れた堅牢性、過酷な環境にあるプラットフォームへの適合性、低重量、適度なエネルギー消費、及び低コストを、同時にもたらす。
本スペクトル狭小化モジュールは、１つ以上の以下の特性を、単独で又は組み合わせて、更に有し得る。
非限定的な実施形態によると、前記少なくとも１つの第１カップラは、第１変調光ビームを前記少なくとも１つの第１光源に、そこに変調光のスペクトル線の狭さを与えるために、全体として又は部分的に導入するように構成されている。
非限定的な実施形態によると、変調器は、第１共振光ビームから、少なくとも１つの第１変調光ビームであって、そのスペクトル構成成分のうちの少なくとも１つが前記少なくとも１つの第１光源のスペクトル構成成分から大きくても５０ＧＨｚしか離れていない、少なくとも１つの第１変調光ビームを、生成するように構成されている。
有利なことに、この仕組みのおかげで、スペクトル狭小化モジュールは、さまざまな目的に使用され得る小さなスペクトル線幅を有する第１信号光ビームを生成する。
非限定的な実施形態によると、前記少なくとも１つの第１カップラは、前記少なくとも１つの第１光源から生じて前記スペクトル狭小化モジュールに導入される前記第１入射光ビームから、第１信号光ビームを導出するように構成されている。
有利なことに、この仕組みのおかげで、スペクトル狭小化モジュールは、さまざまな目的に使用され得る小さなスペクトル線幅を有する第１信号光ビームを生成する。
非限定的な実施形態によると、
前記少なくとも１つの第１カップラは、第２光源から生じて前記スペクトル狭小化モジュールに導入される第２入射光ビームから、少なくとも１つの第２励起光ビームを導出するように構成され、
前記ブリルアン共振器は、前記第２励起光ビームの少なくとも一部から、第２共振光ビームを生成するように構成され、
前記変調器は、前記第２共振光ビームから、少なくとも１つの第２変調光ビームを生成するように構成され、
前記スペクトル狭小化モジュールは、前記第２変調光ビームを、前記少なくとも１つの第１カップラに全体として又は部分的に導入するように構成され、前記少なくとも１つの第１カップラは、前記第２光源のスペクトル線を狭くするために、前記第２変調光ビームを、第２光源に全体として又は部分的に導入するように構成されている。
有利なことに、この仕組みのおかげで、スペクトル狭小化モジュールは、ことによると第１光源を用いて、第１光源とは異なるスペクトル特性持ちさまざまな目的に使用され得る小さなスペクトル線幅を有する、第２狭小化光ビームを生成する。
非限定的な実施形態によると、変調器は、第２共振光ビームから、少なくとも１つの第２変調光ビームであって、そのスペクトル構成成分のうちの少なくとも１つが第２光源のスペクトル構成成分から大きくても５０ＧＨｚしか離れていない、少なくとも１つの第２変調光ビームを、生成するように構成されている。
有利なことに、この仕組みのおかげで、変調器は、第２共振光ビームから、少なくとも１つの第２変調光ビームであって、そのスペクトル構成成分のうちの少なくとも１つが第２光源のスペクトル構成成分に近い、少なくとも１つの第２変調光ビームを、生成する。
非限定的な実施形態によると、前記少なくとも１つの第１カップラは、前記第２光源から生じて前記スペクトル狭小化モジュールに導入される前記第２入射光ビームから、第２信号光ビームを導出するように構成されている。
有利なことに、この仕組みのおかげで、スペクトル狭小化モジュールは、第１光源とは異なるスペクトル特性持ちさまざまな目的に使用され得る小さなスペクトル線幅を有する第２光源から、第２信号光ビームを生成する。
非限定的な実施形態によると、前記変調器は、前記第１共振光ビームから、第２光源のスペクトル線を狭小化することが可能な第２変調光ビームを生成するように構成されている。
非限定的な実施形態によると、第２変調光ビームは、第２光源のスペクトル線を狭小化することができる少なくとも１つのスペクトル構成成分を備える。
非限定的な実施形態によると、第２変調光ビームは、第２光源のスペクトル線を狭小化するように構成されたスペクトル構成成分を備える。
有利なことに、この仕組みのおかげで、スペクトル狭小化モジュールは、第１光源から、第１光源とは異なるスペクトル特性持ちさまざまな目的に使用され得る小さなスペクトル線幅を有する第２狭小化光ビームを生成する。
非限定的な実施形態によると、スペクトル狭小化モジュールは、第２カップラを備え、前記第２カップラは、前記第２光源のスペクトル線を狭くするために、前記変調器から生じた前記第２変調光ビームを前記第２光源に全体として又は部分的に導入するように構成されている。
有利なことに、この仕組みのおかげで、スペクトル狭小化モジュールは、さまざまな目的に使用され得る小さなスペクトル線幅を有する第２狭小化光ビームを生成する。
非限定的な実施形態によると、前記第２カップラは、前記第２光源から生じて前記スペクトル狭小化モジュールに導入される前記第２入射光ビームから、少なくとも１つの第２信号光ビームを導出するように構成されている。
有利なことに、この仕組みのおかげで、スペクトル狭小化モジュールは、小さなスペクトル線幅を有する第２信号光ビームを生成する。
非限定的な実施形態によると、スペクトル狭小化モジュールは、前記少なくとも１つの第１カップラから生じた前記第１信号光ビームと前記第２カップラから生じた前記第２信号光ビームとのうちの少なくとも１つの信号光ビームから、第３信号光ビームを生成するように構成された、第３カップラを備える。
有利なことに、この仕組みのおかげで、スペクトル狭小化モジュールは、第１信号光ビームと第２信号光ビームとのうちの少なくとも１つの小さなスペクトル線幅を備える、第３信号光ビームを生成する。
非限定的な実施形態によると、前記第３信号光ビームは、前記少なくとも１つの第１光源の前記第１信号光ビームと前記第２光源の前記第２信号光ビームとのうちの少なくとも１つの信号光ビームを全体として又は部分的に備え、前記第３信号光ビームは、前記少なくとも１つの第１カップラと前記第３カップラとのうちの少なくとも１つのカップラによって生成される。
非限定的な実施形態によると、スペクトル狭小化モジュールは、第１変調光ビームを第２カップラに、第２光源に全体として又は部分的に導入されるように、かつ、第２光源のスペクトル線を狭くするために、導入するように構成されている。
有利なことに、この仕組みのおかげで、第１光源のパワーの一部のみが、第２光源のパワーの部分を使用することなく、第２光源のスペクトル線を狭くするために使用される。
非限定的な実施形態によると、スペクトル狭小化モジュールは、第２変調光ビームを前記少なくとも１つの第１カップラに、第１光源に全体として又は部分的に導入されるように、かつ、第１光源のスペクトル線を狭くするために、導入するように構成されている。
有利なことに、この仕組みのおかげで、第２光源のパワーの一部のみが、第１光源のパワーの部分を使用することなく、第１光源のスペクトル線を狭くするために使用される。
非限定的な実施形態によると、第１カップラは、前記少なくとも１つの第１光源から生じてスペクトル狭小化モジュールに導入される第１入射光ビームから、少なくとも１つの第１信号光ビームを導出するように構成されている。
本発明は、狭小化スペクトル線装置に関し、この狭小化スペクトル線装置において、前記少なくとも１つの第１光源と前記第２光源とのうちの少なくとも１つの光源は、前記少なくとも１つの第１変調光ビームと前記第２変調光ビームとのうちの少なくとも１つの変調光ビームのスペクトル特性を全体として又は部分的に有する、前記少なくとも１つの第１入射光ビームと前記第２入射光ビームとのうちの少なくとも１つの入射光ビームの放射によって特徴付けられ、その結果、前記狭小化スペクトル線装置が、自立し、前記少なくとも１つの第１入射光ビームと前記少なくとも１つの第１変調光ビームとのうちの少なくとも１つの光ビームのスペクトル特性を全体として又は部分的に有する、前記第１入射光ビームと前記第２入射光ビームとのうちの少なくとも１つの信号光ビームを生成することが可能になる。
本発明は、本発明による少なくとも１つのスペクトル狭小化モジュールと、前記少なくとも１つのスペクトル狭小化モジュールに対応付けられた少なくとも１つの第１光源とを備える狭小化スペクトル線装置に関する。
本発明の有利な点は非常に多い。狭小化スペクトル線装置は、任意の光源、及び任意の波長の光源を使用し得る。好ましくは、本発明による狭小化スペクトル線装置は、スペクトル品質が不十分であるが非常に安価であり、非常にコンパクト、かつエネルギー効率のよいＤＦＢレーザを使用し得る。よって、狭小化スペクトル線装置によると、例えば４００ｎｍから１２μｍまでのような、青から赤外までの波長範囲をカバーすることが可能になる。その適合性のため、狭小化スペクトル線装置は、セシウム又はルビジウム時計のような多くの応用に、非常に簡単で安価な解決策を提供し、セシウム又はルビジウム時計は赤外線に非常に近く非常に正確な周波数で発振するスペクトルが非常に細いレーザを必要とする。ＤＦＢタイプのコンパクトな半導体レーザ及びファイバー技術を使用するので、本発明は航空及び宇宙環境を含む過酷な環境に適合する。
非限定的な実施形態によると、狭小化スペクトル線装置は、前記第１信号光ビーム又は前記第３信号光ビームを放射するように構成されている。
本発明は、第１入射光ビームを放射する少なくとも１つの第１光源のためのスペクトル狭小化方法に関し、前記スペクトル狭小化方法は、
第１励起光ビームと呼ばれる第１光ビームを生成するために、前記少なくとも１つの第１光源から生じる前記第１入射光ビームを導出するステップと、
第１共振光ビームを生成するために、第１励起光ビームと呼ばれる前記第１光ビームの少なくとも一部を共振させるステップと、
少なくとも１つの第１変調光ビームを生成するために、前記第１共振光ビームと呼ばれる光ビームの少なくとも１つの一部を変調するステップと、
前記少なくとも１つの第１光源のスペクトル線を狭くするために、前記少なくとも１つの第１変調光ビームを、前記少なくとも１つの第１光源に、全体として又は部分的に導入するステップと、を備える。
スペクトル狭小化方法は、１つ以上の以下の特性を、単独で又は組み合わせて、更に有し得る。
非限定的な実施形態によると、前記変調ステップの間、前記第１共振光ビームの少なくとも一部は、第２変調光ビームを生成するために変調される。
非限定的な実施形態によると、前記変調ステップの間、少なくとも１つの第１変調光ビームであって、そのスペクトル構成成分のうちの少なくとも１つが前記少なくとも１つの第１光源のスペクトル構成成分から大きくても５０ＧＨｚしか離れていない、少なくとも１つの第１変調光ビームを生成するために、第１共振光ビームの少なくとも一部が変調される。
有利なことに、この仕組みのおかげで、変調ステップは、第２共振光ビームから、少なくとも１つの第２変調光ビームであって、そのスペクトル構成成分のうちの少なくとも１つが第２光源のスペクトル構成成分に近い、少なくとも１つの第２変調光ビームを、生成する。
非限定的な実施形態によると、前記導入ステップの間、前記第２変調光ビームは、第２光源のスペクトル線を狭くするために、前記第２光源に全体として又は部分的に導入される。
非限定的な実施形態によると、前記スペクトル狭小化方法は、本発明によるスペクトル狭小化モジュール、又は本発明による狭小化スペクトル線装置を使用する。
本発明の他の特性及び有利な点は、非限定的な例を用いて与えられる本発明の実施形態の以下の説明を読むと、より明らかになる。
本発明は、図に関して以下に開示される詳細な説明を用いて、よりよく理解される。
図１は、通常のスペクトル線、及び狭小化スペクトル線の例を示す。 図２は、本発明による方法が実施される、狭小化スペクトル線装置２００及びスペクトル狭小化モジュール１００の例を示す。 図３は、本発明による方法が実施される非限定的な実施形態による、２つの光源を備える、狭小化スペクトル線装置２００及びスペクトル狭小化モジュール１００の例を図示する。 図４は、本発明による方法が実施される非限定的な実施形態による、２つの光源を備える、狭小化スペクトル線装置２００及びスペクトル狭小化モジュール１００の例を示す。 図５は、第１実施形態による、光源のスペクトル線の例を示す。 図６は、第１実施形態による、共振光ビームの例を示す。 図７は、第１実施形態による、変調された光ビームの例を示す。 図８は、第２実施形態による、２つの光源の２つのスペクトル線の例を図示する。 図９は、第２実施形態による、２つの共振光ビームの例を示す。 図１０は、第２実施形態による、２つの変調された光ビームの例を示す。 図１１は、第２実施形態による、２つの光源の２つのスペクトル線の例を示す。 図１２は、第３実施形態による、共振光ビーム３１２の例を示す。 図１３は、第３実施形態による、２つの変調周波数における変調された光ビームの例を図示する。 図１４は、第３実施形態による、光源のスペクトル線の例を示す。 図１５は、本発明による第１光源と第２光源との組合せを示す。 図１６は、本発明による、少なくとも１つの第１光源２１０のためのスペクトル狭小化方法５００の一般原理を図示する。 図１７は、第２及び第３実施形態による、少なくとも２つの光源のためのスペクトル狭小化方法５００のステップを示す。
以下では、上で規定された図の詳細な説明、同一の構成要素、又は同じ機能を満たす構成要素は、本発明の理解を簡単にするために、同じ参照符号を維持し得る。
-- 本発明の全般的な説明 --
-- 一般原理 --
本発明は、少なくとも１つの光源のスペクトル線を狭小化するための、共振器１２０、特にブリルアン共振器１２０と、変調器１３０との組合せ利用に関する。前記少なくとも１つの第１光源のパワーの一部は、有用な信号波として使用されるために、前記少なくとも１つの主カップラによって標本化される。前記パワーの他の部分は、レーザ線を狭くすることを可能にするブリルアン共振器１２０を励起するために使用される。
共振器１２０、特にブリルアン共振器１２０は、前記少なくとも１つの光源２１０を使用して励起されるように構成される。「励起する（pomper）」という用語は、当業者にはよく知られている。励起波と呼ばれる波３１１（周波数νｐ）は、考慮される媒質において存在する音波と相互作用する。この相互作用は、音波によって誘導される、インデックスネットワーク上の、励起波と呼ばれる波の非弾性拡散に対応し、その結果、ブリルアン効果により、ストークス波３１２（周波数νＳ）と呼ばれる光波が生成される。励起波３１１とのそれのうなりは、強度変調及び速度Ｃａで伝搬するインデックス回折格子をもたらし、これは、結果として生じる音波を増幅する傾向がある。このように生成された音波は、励起波をより散乱させ、それはストークス波を増強する。このように、両プロセスは互いに増強し合い、ストーク波の増幅を引き起こす。
共振器１２０は、また、ブリルアン効果によって生成されたストークス波３１２で共振するように構成されており、したがってストークス波３１２は、波長νｂの、ブリルアン波３１２と言うことができ、理想的には、前記少なくとも１つの第１光源の波長、より正確には励起波長νｐでは、共振しない。
光学共振の現象は、光波を光共振器内で数回転、回すことに本質がある。このメカニズムは、共振器から来る波に対してスペクトル線をより細くする。光共振器がゲイン（ここではブリルアン効果による励起によって得られる）を有するとき、生成される波（ここではストークス波）は、共振器の長さ、行われた回転の数、及びこの波の光パワーに反比例するスペクトル線幅を有する。
前記少なくとも１つの第１光源の波長は、例えば気体レーザとは反対に、ブリルアン効果のための役割を果たさない。正にこれが理由で、本発明は如何なる波長においても動作する。
よって、この光源のビームの一部は、ブリルアン共振器１２０を励起するために使用される。ブリルアン共振器１２０から来るストークス波３１２、つまり共振光ビームは、前記少なくとも１つの第１光源の、言い換えると、励起光ビームの、入射光ビームの延長による放射波長に対して、１から最大約５０ギガヘルツ、自然にシフトする。共振器１２０は、前記少なくとも１つの第１光源のいかなる周波数においても最適な動作ができるように、一般に前記少なくとも１つの第１光源に共振しない。生成されたブリルアン波３１２、すなわちストークス波３１２は、共振する。
前記少なくとも１つのカップラ１１１により、入射光ビーム３１０の一部を抽出し、励起波３１１を共振器１２０に向けて送ることが可能になる。ブリルアン波３１２は、変調器１３０に向けて送られる。これらの２つの波、すなわち、励起波と呼ばれる励起光ビームと、ブリルアン波３１２と呼ばれる共振光ビームとは、互いに周波数がずれている。共振器１２０は、簡単にかつ非常に容易に組み込みされるように、好ましくはファイバー共振器であり、ファイバーがコイルの周りに巻かれ得るので、ファイバー共振器のコストは低く、必要な空間は非常に小さい。ブリルアン効果は他の物質、気体又は液体において得られ得るので、もちろん、他の共振器構成も考えられ得る。
励起されると、ブリルアン共振器１２０は、ストークス波３１２の周波数で発振する光源のように振る舞う。
本実施形態によると、変調器１３０は、マッハ・ツェンダー型の強度変調器、位相変調器、単側波帯変調器、音響光学変調器、又は任意の光学非線形効果が生じる光変調器であり得る。変調器１３０は、レーザ源２１０と同じ周波数の、又は２０ＧＨｚに近い、少なくとも１つの光学スペクトル線を明らかにするために、ブリルアン波３１２と呼ばれる共振光ビームをシフト周波数で変調する。このスペクトル線は次に前記少なくとも１つの主カップラ（premier coupleur）１１１によってレーザ源２１０に導かれる。変調されたストークス波３１３を導くことによって、前記少なくとも１つの第１光源２１０のスペクトルを狭小化することが可能になる。
変調器の動作は、当業者に知られており、説明の必要はない。もっとも、この装置１３０は、搬送波振動という名の周期的な光振動を特徴付ける振幅の１つの変調周波数と呼ばれる周波数で、時間の関数として変動を生成する。この変動は、変調周波数からシフトした少なくとも１つの光学的スペクトル線の生成につながる。言い換えると、光変調器１３０は、電気信号によって一般に制御される光電子式の構成要素であり、入力に時間的に連続する光信号が入力されるとき、一般に強度が変調された光信号を供給する。
ブリルアン共振器１２０は、数十メーターのファイバーループで構成されている。このループはレーザ源２１０の周波数では共振しない。この特性は、レーザ源２１０の周波数にかかわらず当てはまる。ブリルアン共振器１２０は励起波３１１の伝搬方向では共振しないので、励起波３１１は共振しない。しかし、ブリルアン共振器１２０は、他の方向、すなわち、ストークス波３１２の伝搬方向では共振する。
そして次に、反対方向において生成された周波数νｂのブリルアン波３１２は、共振する。周波数νｂのブリルアン波３１２は、ブリルアン共振器１２０に組み込まれた一体型のカップラ（図示せず）を用いて抽出され、前記少なくとも１つの主カップラ１１１に送信される。
周波数νｂのブリルアン波３１２は、前記少なくとも１つの主カップラ１１１によって抽出される。周波数νｐのレーザ源２１０と周波数νｂのブリルアンレーザとの間の周波数偏差は、ブリルアンループの特性、ブリルアン共振器１２０で使用されるファイバーの属性、及びレーザ源の放射波長に依存する。ブリルアン波３１２の周波数は、
νｂ ＝ νｐ（１−２ｎｃａ／ｃ）
として規定される。
νｐは前記少なくとも１つの第１光源２１０の周波数、ｎはファイバーの光学指数、ｃは光の位相速度、ｃａは前記少なくとも１つの第１光源２１０の周波数が伝搬する媒質における音波の速度である。ブリルアンレーザから、より正確にはブリルアン共振器１２０から来る周波数波νｂは、次に光共振器１３０に送られる。共振器１３０は、周波数偏差がｍｆｏｌで与えられる周波数νｂの入射波の周波数のどちらの側にも、スペクトル線を生じさせ、ｆｏｌは変調周波数５３０であり、ｍは整数である。周波数ｆｏｌは、ブリルアンシフト周波数、すなわち、ｆｏｌ＝ Δν ＝ （｜νｐ−νｂ｜）に対応するように調整される。よって、レーザ源の光周波数に対応する周波数ν’ｐが生じ、それは適用される変調によると周波数νｐとは異なる周波数、すなわち、
ν’ｐ ＝ νｂ＋ｆｏｌ≡ νｐ
に対応し得る。
この生成された周波数ν’ｐ ＝ νｂ＋ｆｏｌの波は、次にレーザ源２１０に送られる。この生成された周波数ν’ｐの波は、レーザ源２１０と同じ周波数を有するが、生成された周波数ν’ｐの波は、ブリルアン共振器１２０のおかげでスペクトルが狭小化されている。したがって、前記少なくとも１つの第１光源２１０へのこの波の導入は、そのスペクトル線自身を狭小化する。このメカニズムは、自然に自己持続し、これによって前記少なくとも１つの第１光源２１０を安定させることが可能になる。実際、スペクトルが狭小化されると、励起レーザ２１０は、ブリルアン共振器１２０を再び励起して更に狭小化される最適なスペクトル属性を有する。典型的には、ピーク値から−３ｄＢで、又はピーク値の半分の高さすなわちピーク値の５０％で測定された初期スペクトル線幅は、二、三メガヘルツであるが（図１の曲線３１０を参照）、この光導入方法によって、二、三十ヘルツから二、三ヘルツまで、更には１ヘルツ未満までの範囲内になる（例えば図１の曲線３１５を参照）。本発明は電気的なサーボ制御を必要としない、ということに注目しなければならない。したがって、この技術は、位相同期ループの帯域幅によって限定されない。
したがって、この技術は電子的な反作用の帯域幅によって限定されず、それはこの技術を、レーザダイオード、ファブリ-ペロ、量子カスケードレーザ、拡張外部共振器を有するＶＣＳＥＬ等のタイプの半導体レーザの、又は、例えば、固体レーザ（Nd:YAG, Er:YAG, Er:Yb等）、量子箱又は量子細線レーザ（lasers a boites ou fils quantiques）、ラマンレーザ、ファイバレーザ、ガスレーザ、色素レーザ、化学レーザ、自由電子レーザ、ＬＥＤ及び有機ＬＥＤのような、電子的手段によってサーボ制御を行うには幅が広すぎるスペクトル線を有する他のレーザのスペクトル線のような、幅の広いスペクトル線を狭くすることに適合させる。
必要であれば、変調周波数５３０を低減させるために、レーザに、変調器１３０によって生成されたより高次の高調波を導入することが可能である。もしレーザ源によって出力される光パワーが十分でないのであれば、光増幅器（図示せず）を使用することが可能である。最後に、有用な信号３１５は、ここで説明されているように励起レーザ２１０から来る波、又はブリルアン共振器１２０から来るストークス波３１２であり得る。
更に、変調された光ビーム３１３が前記少なくとも１つの第１光源２１０に導入されるとき、ブリルアン共振器１２０のモードジャンプが避けられ、これにより時間的に安定したブリルアン共振器１２０を得ることが可能になる。
更に、前に示したように、ブリルアン共振器のパワーによって制限されないように、増幅器を有することが可能である。
この発明の有利な点は非常に多い。この技術は、如何なるタイプの光源にも、特にレーザに、かつ如何なる波長にも、適用可能である。スペクトルの質が不十分であるが非常に安価な半導体レーザを、非常に細いスペクトル線幅を生成するために使用することが、正に可能である。半導体レーザは、青から赤外までの波長範囲をカバーするという利点も有する。本発明は多数の応用に非常に簡単で安価な解決策を提供するので、このタイプのレーザへの本発明の適合性は、大きな進歩である。例えばセシウム又はルビジウム時計は、スペクトルが非常に細く、赤外線に非常に近く非常に正確な周波数で発振するレーザを必要とする。本発明は、このタイプの要求を満たす。コンパクトな半導体レーザ及びファイバー技術を使用することにより、航空宇宙及び／又は海洋の環境を含む厳しい条件の環境に、本発明は適合する。
要約すると、本発明は、細いスペクトル線幅、高い調整可能性、非常に広い動作波長範囲、優れたコンパクトさ、優れた堅牢性、過酷な環境にあるプラットフォームへの適合性、低重量、適度なエネルギー消費、及び低コストを、同時にもたらす。
-- 第１実施形態の全般的な説明 --
図２は、スペクトル狭小化モジュール１００を示す。スペクトル狭小化モジュール１００は、少なくとも１つの第１光源２１０のために、前記少なくとも１つの主カップラ１１１と、ブリルアン共振器１２０と、変調器１３０とを備える。
光源は、図５に示されているように、第１光ビームを放射する。簡素化するために、有用な波長３１５のピークのみが、本願及び／又は本特許の図のグラフにおいて示される。前記少なくとも１つの主カップラ１１１は、前記少なくとも１つの第１光源２１０から生じてスペクトル狭小化モジュール１００に導入される第１入射光ビーム３１０から、少なくとも１つの第１励起光ビーム３１１を導出するように構成される。第１励起光ビーム３１１は、ブリルアン共振器１２０に向けて送られる。
ブリルアン共振器１２０は、前記第１励起光ビーム３１１の少なくとも一部から、少なくとも１つの第１共振光ビーム３１２を生成するように構成される。共振光ビーム３１２は、図６に示されているように、二、三ギガヘルツから数十ギガヘルツ、周波数がシフトさせられている。この第１共振光ビーム３１２は、変調器１３０に送られる。
変調器１３０は、第１共振光ビーム３１２から、少なくとも１つの第１変調光ビーム３１３を生成するように構成される。実際には、変調光ビーム３１３は、１つ又はいくつかの高調波を伴っていてもよい。よって、第１変調光ビーム３１３は、前記少なくとも１つの第１光源２１０のスペクトル線を狭くするために、前記少なくとも１つの主カップラ１１１を経由して前記少なくとも１つの第１光源２１０に導入される。
第１の前記少なくとも１つの主カップラ１１１は、前記少なくとも１つの第１光源２１０から生じる第１入射光ビーム３１０から、第１信号光ビーム３１５を導出するように構成され、スペクトル狭小化モジュール１００に導入される。
-- 第２実施形態の全般的な説明 --
図３に示された第２実施形態は、第１実施形態におおよそ類似する。実際、第１光源２１０に加えて、第２実施形態は第２光源２２０を備える。第２光源２２０は、例えばガラス、気体、結晶のような媒体を介して、第１の前記少なくとも１つの主カップラ１１１に送信される。この装置の利点は、２つの光源、すなわち、第１光源２１０及び第２光源２２０を狭小化すること、又は第１光源２１０を用いて第２光源２２０のみを狭小化することである。
図８は、第１光源のスペクトル線３１０と、第２光源のスペクトル線３２０とを示す。これらの２つのスペクトル線は、スペクトル狭小化モジュール１００に注入される。第１実施形態におけるのと同様に、スペクトル狭小化モジュール１００は、第１の前記少なくとも１つの主カップラ１１１と、ブリルアン共振器１２０と、変調器１３０とを備える。
前述のように、第１光源２１０及び第２光源２２０は、第１の前記少なくとも１つの主カップラ１１１に入射する。２つの光源は、共振器１２０を励起し得る。第１実施形態におけるのと同様に、前記少なくとも１つの主カップラ１１１は、第１光源２１０から生じる第１入射光ビーム３１０から、第１励起光ビーム３１１を導出し、第２光源２２０から生じる第２入射光ビーム３２０から、第２励起光ビーム３２１を導出する。
共振器１２０は、第１励起光ビーム３１１から第１共振光ビーム３１２を生成し、第２励起光ビーム３２１から第２共振光ビーム３２２を生成する。第１実施形態におけるのと同様に、第１共振光ビーム３１２及び第２共振光ビーム３２２は、第１入射光ビーム３１０に対して、及び第２入射光ビーム３２０に対して、周波数がシフトさせられている。第１共振光ビーム３１２及び第２共振光ビーム３２２は、図９に示されているように、二、三ギガヘルツから数十ギガヘルツ、周波数がシフトさせられている。第１共振光ビーム３１２及び第２共振光ビーム３２２は、変調器１３０に送られる。
第１共振光ビーム３１２及び第２共振光ビーム３２２は、第１変調光ビーム３１３及び第２変調光ビーム３２３をそれぞれ生じさせる。
変調器１３０は、第１共振光ビーム３１２及び第２共振光ビーム３２２から、少なくとも１つの第１変調光ビーム３１３及び１つの第２変調光ビーム３２３を生成する。実際には、第１変調光ビーム３１３及び第２変調光ビーム３２３は、異なる高調波を伴っていてもよい。
第１光ビーム及び第２光ビームは、全体として又は部分的に、前記少なくとも１つの主カップラに再導入される。前記少なくとも１つの主カップラ１１１は、第２光源２２０のスペクトル線を狭くするために、第２変調光ビーム３２３を第２光源２２０に、全体として又は部分的に導入する。
この実施形態において、もし第１光源２１０のスペクトル線の特性が許すのであれば、第２光源２２０のスペクトル線を狭くするために、前記少なくとも１つの主カップラ１１１が、第１変調光ビーム３１３を第２光源２２０に、全体として又は部分的に導入する、と規定することも可能である。
-- 第３実施形態の全般的な説明 --
図４に示されたこの第３実施形態においては、第２光源２２０を狭小化するために第１光源２１０のみが使用される。実際には、この構成において、スペクトル狭小化モジュール１００は、第１の前記少なくとも１つの主カップラ１１１と、第２の前記少なくとも１つの主カップラ１１２と、第３の前記少なくとも１つの主カップラ１１３と、ブリルアン共振器１２０と、変調器１３０とを備える。
第１光源２１０は、第１光ビームを放射する。第１の前記少なくとも１つの主カップラ１１１は、前記少なくとも１つの第１光源２１０から生じてスペクトル狭小化モジュール１００に導入される第１入射光ビーム３１０から、少なくとも１つの第１励起光ビーム３１１を導出するように構成される。第１励起光ビーム３１１は、ブリルアン共振器１２０に向けて送られる。
このブリルアン共振器１２０は、前記第１励起光ビーム３１１の少なくとも一部から、少なくとも１つの第１共振光ビーム３１２を生成するように構成される。共振光ビームは、図６に示されているように、二、三ギガヘルツから二、三十ギガヘルツ、周波数がシフトさせられている。この第１共振光ビーム３１２は、変調器１３０に送られる。
変調器１３０は、第１共振光ビーム３１２から、第１変調光ビーム３１３及び第２変調光ビーム３２３を生成するように構成される。
実際には、第１共振光ビームから、第１共振光ビーム３１２は、第１入射光ビーム３１０及び第２入射光ビーム３２０にそれぞれ対応する異なる高調波を有する。
この実施形態によると、第１変調光ビーム３１３を用いて、第１光源２１０のみではなく第２光源２２０も狭小化することが可能になる。
実際に、光源の第２光ビームは、第２光源２２０のスペクトル線を狭くするために、第２の前記少なくとも１つの主カップラ１１２に向けて送られる。
狭小化された光ビームのスペクトル線は、第２の前記少なくとも１つの主カップラ１１２に導入される。この第２の前記少なくとも１つの主カップラ１１２は、第２光源２２０から生じる第２入射光ビーム３２０から、第２信号光ビーム３２５を導出し得る。
第１狭小化光ビーム３１５及び第２狭小化光ビーム３２５は、第１信号ビーム３１５及び第２信号光ビーム３２５のスペクトル特性を備える第３光ビームを生成するために、第３カップラ１１３に導入される。２つのビーム、すなわち、第１狭小化光ビーム３１５と第２狭小化光ビーム３２５とのうなりは、低周波で、すなわち、テラヘルツ及び／又はギガヘルツの範囲内で、第３狭小化光ビームを有するようにすることを可能にする。
-- 方法のステップの説明 --
上述された、スペクトル線狭小化モジュールだけではなく、狭小化スペクトル線装置２００も、スペクトル狭小化方法５００に従って動作し得る。このスペクトル狭小化方法５００は、光ビームを放射する少なくとも１つの第１光源２１０のために使用され得る。スペクトル狭小化方法５００は、第１入射光ビーム３１０の導出を含む。第１入射ビーム３１０は、第１励起光ビーム３１１と呼ばれる第１光ビーム３２０を生成するために、少なくとも１つの第１光源２１０から生じる。
この第１励起光ビーム３１１は、第１励起光ビーム３１１と呼ばれる前記第１ビームの少なくとも一部の共振５２０が共振器１２０で生じるように、共振器１２０に導入される。この共振は、第１共振光ビーム３１２を生成する。
この第１共振光ビーム３１２は、変調器１３０に向けて送られる。変調５３０が行われるのは、変調器１３０においてである。実際、第１共振光ビームと呼ばれる前記光ビームの一部は、少なくとも１つの第１変調光ビーム３１３を生成するために、変調される。
この変調光ビーム３１３は、少なくとも１つの高調波を含むのであるが、前記第１変調光ビーム３１３の前記少なくとも１つの第１光源２１０への全体的又は部分的な導入が、第１の前記少なくとも１つの主カップラ１１１によって起こるときに、変調光ビーム３１３により、第１光源２１０のスペクトル線を狭くすることが可能になる。
非常に速く、すなわち、２又は３回の繰り返しの後、第１光源２１０は安定し、狭小化される。よって、第１の前記少なくとも１つの主カップラ１１１を使用して、スペクトル線が狭小化された第１信号光ビーム３１５を導出することができる。
本発明によるスペクトル狭小化の実現可能性及び再現性は、出願人の研究室において実証されている。
この実証においては、波長ピークが１５５０ｎｍにあるアルカテル１９０５ＬＭＩ型の連続商用ＤＦＢレーザが、光源として、本発明によるスペクトル狭小化モジュール１００と結合して使用される。もちろん、この結合は、本発明による狭小化スペクトル線装置２００を形成する。
この光源は、周波数νｐ ＝ １５５０ｎｍの波を放射する。第１光ビームは、前記少なくとも１つの主カップラ１１１に入射する。この第１入射光ビーム３１０の一部は、少なくとも１つの第１励起光ビーム３１１を生成するために導出される。この光ビームは、ブリルアン共振器１２０に導入される。
実証において用いられたブリルアン共振器１２０は、長さが１００ｍより長いループを形成し、かつ、励起レーザ源３１１と呼ばれるレーザ源に共振しない特性を有する、光ファイバーを、備える。
励起光ビーム３１１は、入射光ビーム３１０の一部から生成されるのであるが、共振器１２０において旋回を行う。しかし、共振光ビーム３１２は、励起光ビーム３１１の一部から生成されるのであるが、この実施形態において共振光ビーム３１２は励起光ビーム３１１の反対の方向に伝搬するので、共振する。実際、共振光ビーム３１２がブリルアン共振器１２０から抽出されるのは、この特性のおかげである。
示されていない実施形態によると、共振光ビーム３１２は、励起光ビーム３１１とともに伝搬する。ブリルアン共振器１２０（図示せず）と一体化されたカップラにより、必要に応じて１％と５０％との間で光パワーをサンプリングすることが可能になる。ブリルアン共振器１２０（図示せず）と一体化されたカップラによって行われる光パワーのサンプリングレートにかかわらず、本発明は動作する、ということを明記することは重要である。
典型的には、２０ｄＢｍの励起光ビーム３１１のためには、抽出される共振光ビーム３１２のパワーは７ｄＢｍから１２ｄＢｍまでの範囲にある。共振光ビーム３１２は、励起光ビーム３１２に対して、周波数がΔν ＝ ｜νｐ−νｂ｜≒１１ＧＨｚシフトしている周波数νｂを放射する。このようにして生成された共振光ビーム３１２は、二、三十ヘルツの優れたスペクトル精細度を有する。
共振光ビーム３１２は、次に変調器１３０、この場合は強度変調器１３０に向けて送られる。従来から、変調器１３０は、シンセサイザーによって周波数ｆＯＬ≒ Δνで変調される。周波数νｂ±ｆＯＬにおける第１次の高調波が、このように生成される。
この変調された光ビームは、次に前記少なくとも１つの第１光源に光学的に導入される。スペクトルが狭小化され、周波数がシフトした、この変調された光ビームにより、前記少なくとも１つの第１光源、この場合はレーザ源の、周波数を安定させ、スペクトル線を狭小化することが可能になる。
フォトダイオードを用いて観測されるうなりΔνは、励起光ビームと共振光ビームとの間の周波数偏差に対応する。このうなりΔν ＝ ｜νｐ−νｂ｜≒１１ＧＨｚの実験に基づくスペクトルが、図１に示されている。
図１のこのグラフ上に、第１入射光ビーム３１０及び第１狭小化光ビームが示されている。第１入射光源３１０のスペクトル線幅は、２ＭＨｚ幅であるのに対して、第１変調光ビーム３１３が前記少なくとも１つの第１光源２１０に導入されるとき、第１狭小化光ビームのスペクトル線幅は非常に減少させられている。
本発明によるスペクトル狭小化方法５００が第２及び第３実施形態において実現されるとき、スペクトル狭小化方法５００は、第１光源２１０のスペクトル線と第２光源２２０のスペクトル線とを同時に狭小化するという利点を有する。
もちろん、限定しない実施形態によるスペクトル狭小化方法５００を使用することによって、第２変調光ビーム３２３は、第２光源２２０のスペクトル線を狭くするために、全体又は一部が第２光源２２０に導入される。

Claims (15)

  1. 少なくとも１つの第１光源（２１０）のためのスペクトル狭小化モジュール（１００）であって、前記スペクトル狭小化モジュール（１００）は、
    前記少なくとも１つの第１光源（２１０）から生じて前記スペクトル狭小化モジュール（１００）に導入される第１入射光ビーム（３１０）から、少なくとも１つの第１励起光ビーム（３１１）を導出するように構成された、少なくとも１つの第１カップラ（１１１）と、
    前記第１励起光ビーム（３１１）の少なくとも一部から、少なくとも１つの第１共振光ビーム（３１２）を生成するように構成された、ブリルアン共振器（１２０）と、
    前記第１共振光ビームから、少なくとも１つの第１変調光ビーム（３１３）を生成するように構成された、変調器（１３０）と、を備え、
    前記スペクトル狭小化モジュール（１００）は、前記第１変調光ビーム（３１３）を、前記少なくとも１つの第１カップラ（１１１）に全体として又は部分的に導入するように構成され、前記少なくとも１つの第１カップラ（１１１）は、前記少なくとも１つの第１光源（２１０）のスペクトル線を狭くするために、前記第１変調光ビーム（３１３）を、前記少なくとも１つの第１光源（２１０）に全体として又は部分的に導入するように構成されている、
    スペクトル狭小化モジュール（１００）。
  2. 前記少なくとも１つの第１カップラ（１１１）は、前記少なくとも１つの第１光源（２１０）から生じて前記スペクトル狭小化モジュール（１００）に導入される前記第１入射光ビーム（３１０）から、第１信号光ビーム（３１５）を導出するように構成されている、
    請求項１に記載のスペクトル狭小化モジュール（１００）。
  3. 前記少なくとも１つの第１カップラ（１１１）は、第２光源（２２０）から生じて前記スペクトル狭小化モジュール（１００）に導入される第２入射光ビーム（３２０）から、少なくとも１つの第２励起光ビーム（３２１）を導出するように構成され、
    前記ブリルアン共振器（１２０）は、前記第２励起光ビームの少なくとも一部から、第２共振光ビーム（３２２）を生成するように構成され、
    前記変調器（１３０）は、前記第２共振光ビーム（３２２）から、少なくとも１つの第２変調光ビーム（３２３）を生成するように構成され、
    前記スペクトル狭小化モジュール（１００）は、前記第２変調光ビーム（３２３）を、前記少なくとも１つの第１カップラ（１１１）に全体として又は部分的に導入するように構成され、前記少なくとも１つの第１カップラ（１１１）は、前記第２光源（２２０）のスペクトル線を狭くするために、前記第２変調光ビーム（３２３）を、第２光源（２２０）に全体として又は部分的に導入するように構成されている、
    請求項１又は２に記載のスペクトル狭小化モジュール（１００）。
  4. 前記少なくとも１つの第１カップラ（１１１）は、前記第２光源（２２０）から生じて前記スペクトル狭小化モジュール（１００）に導入される前記第２入射光ビーム（３２０）から、第２信号光ビーム（３２５）を導出するように構成されている、
    請求項３に記載のスペクトル狭小化モジュール（１００）。
  5. 前記変調器（１３０）は、前記第１共振光ビーム（３１２）から、第２光源（２２０）のスペクトル線を狭小化することが可能な第２変調光ビーム（３２３）を生成するように構成されている、
    請求項１又は２に記載のスペクトル狭小化モジュール（１００）。
  6. 第２カップラ（１１２）を備え、
    前記第２カップラ（１１２）は、前記第２光源（２２０）のスペクトル線を狭くするために、前記変調器（１３０）から生じた前記第２変調光ビーム（３２３）を前記第２光源（２２０）に全体として又は部分的に導入するように構成されている
    請求項５に記載のスペクトル狭小化モジュール（１００）。
  7. 前記第２カップラ（１１２）は、前記第２光源（２２０）から生じて前記スペクトル狭小化モジュール（１００）に導入される前記第２入射光ビーム（３２０）から、少なくとも１つの第２信号光ビーム（３２５）を導出するように構成されている、
    請求項６に記載のスペクトル狭小化モジュール（１００）。
  8. 前記少なくとも１つの第１カップラ（１１１）から生じた前記第１信号光ビーム（３１５）と前記第２カップラ（１１２）から生じた前記第２信号光ビーム（３２５）とのうちの少なくとも１つの信号光ビームから、第３信号光ビーム（３３５）を生成するように構成された、第３カップラ（１１３）を備える、
    請求項２〜７のうちのいずれか１項に記載のスペクトル狭小化モジュール（１００）。
  9. 前記第３信号光ビーム（３３５）は、前記少なくとも１つの第１光源（２１０）の前記第１信号光ビーム（３１５）と前記第２光源（２２０）の前記第２信号光ビーム（３２５）とのうちの少なくとも１つの信号光ビームを全体として又は部分的に備え、前記第３信号光ビーム（３３５）は、前記少なくとも１つの第１カップラ（１１１）と前記第３カップラ（１１３）とのうちの少なくとも１つのカップラによって生成される、
    請求項８に記載のスペクトル狭小化モジュール（１００）。
  10. 請求項１〜９のうちのいずれか１項による、少なくとも１つのスペクトル狭小化モジュール（１００）と、
    前記少なくとも１つのスペクトル狭小化モジュール（１００）に対応付けられた少なくとも１つの第１光源（２１０）とを備える、
    狭小化スペクトル線装置（２００）。
  11. 前記第１信号光ビーム（３１５）又は前記第３信号光ビーム（３３５）を放射するように構成された、
    請求項１０に記載の狭小化スペクトル線装置（２００）。
  12. 第１入射光ビーム（３１０）を放射する少なくとも１つの第１光源（２１０）のためのスペクトル狭小化方法（５００）であって、
    第１励起光ビーム（３１１）と呼ばれる光ビームを生成するために、前記少なくとも１つの第１光源（２１０）から生じる前記第１入射光ビーム（３１０）を導出すること（５００）と、
    第１共振光ビームを生成するために、第１励起光ビーム（３１１）と呼ばれる前記光ビームの少なくとも一部を共振させること（５２０）と、
    少なくとも１つの第１変調光ビーム（３１３）を生成するために、前記第１共振光ビームの少なくとも１つの一部を変調すること（５３０）と、
    前記少なくとも１つの第１変調光ビーム（３１３）を、前記少なくとも１つの第１光源（２１０）に、全体として又は部分的に導入することと、を備える、
    スペクトル狭小化方法（５００）。
  13. 前記変調することを行うステップ（５３０）の間、前記第１共振光ビーム（３１２）の少なくとも一部は、第２変調光ビーム（３２３）を生成するために変調される、
    請求項１２に記載のスペクトル狭小化方法（５００）。
  14. 前記導入することを行うステップの間、前記第２変調光ビーム（３２３）は、第２光源（２２０）のスペクトル線を狭くするために、前記第２光源（２２０）に全体として又は部分的に導入される、
    請求項１３に記載のスペクトル狭小化方法（５００）。
  15. 請求項１〜９のうちのいずれか１項に記載のスペクトル狭小化モジュール（１００）、又は請求項１０又は１１に記載の狭小化スペクトル線装置（２００）を用いる、
    請求項１２〜１４のうちのいずれか１項に記載のスペクトル狭小化方法（５００）。
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