JP2019522377A - 短又は超短光パルスを生成するシステム - Google Patents

Abstract

本発明は、短又は超短光パルスを生成するシステムに関する。本発明によれば、システムは、時間連続波光放射（２０）を発するように構成された光源（２）と、５ＧＨｚ〜１００ＧＨｚの通過帯域における調整可能な周波数において動作し、１０ｐｓ〜１００ｐｓの持続時間の少なくとも１つの電気パルスを含むアナログ変調電気信号（５０）を発するように構成された電力生成器（５）と、電極及びアナログ変調電気信号（５０）を受け取るのに適した電気通過帯域を有する電子光学変調器（４）であって、アナログ変調電気信号に応じて連続波光放射（４０）を光学的に振幅変調し、１０ｐｓ〜１００ｐｓの持続時間の少なくとも１つの光パルスを含む変調光放射を生成するように構成された電子光学変調器（４）とを備える。

Description

発明が関連する技術分野
本発明は、一般的には、光パルス生成システム及びレーザの分野に関する。

本発明は、より詳細には、短又は超短光パルスを生成するシステム及び方法に関し、これらの光パルスはレート又は繰り返し周波数において調整可能である。

本発明は、特に、持続時間及び／又は波長において更に調整可能な超短光パルスを生成するシステム及び方法に関する。

技術背景
短から超短の光パルスの使用は、科学、産業、又は医療の分野で多く応用される。本明細書では、短光パルスとは、数ピコ秒〜２、３ピコ秒の持続時間を有する光パルスを意味する。超短光パルスとは、約１フェムト秒（ｆｓ）〜約１０ピコ秒（ｐｓ）の持続時間を有する光パルスを意味する。本明細書では、繰り返し周波数及びレートなる用語は同義で使用される。

光ファイバレーザは現在、短〜超短光パルスの生成に一般的に使用されている。特に、希土類元素、特に、イッテルビウムがドープされた光ファイバは一般に、１μｍ前後（一般に９７６ｎｍから１２００ｎｍ）の赤外線範囲において広い利得帯域を有する。広利得帯域ドープファイバを能動又は受動モードロックデバイスと組み合わせると、短（ｐｓ）又は超短（ｆｓ）光パルスを生成することができるようになる。さらに、これらのドープファイバは一般に、高利得を有する。この高利得により、そのようなファイバレーザの動作を損なうことなくフィルタ等の光学要素を導入することができる。

光ファイバレーザシステムには、コンパクト性及び統合性という利点がある。さらに、ダブルクラッド及び大コア光ファイバの開発により、高平均電力及び／又は高エネルギー光パルスの生成が可能になった。光ファイバレーザシステムは現在、ダイオード励起固体状態レーザの手強い競争相手である。

実際に、塊状結晶に基づく光学発振器は、特に薄型円盤レーザ技術を用いて、高平均電力を示して、フェムト秒領域で数ジュールのパルスエネルギーに達することができた。

しかしながら、これらの固体状態レーザシステムのアーキテクチャは非常に複雑である。これらの結晶レーザシステムは、外部環境の変化の影響を受けやすいという欠点を有する。これらの欠点は、固体状態レーザを産業デバイスに統合することへの障害である。

ファイバレーザは、固体状態レーザと比較して特定の利点を有するが、それでもなお多くの欠点を有する。ファイバレーザでは、光パルスは、小容量の光ファイバに空間的に閉じ込められる。この閉じ込めに起因して、光パルスは、モードロックファイバレーザのエネルギー（又はピーク電力）を制限しがちである非線形光学効果の原因であることがある。他方、特に波長調整可能レーザの場合、光ファイバの色分散も機能障害を生じさせることがある。

それにも関わらず、ファイバレーザは、光パルス波長及び光パルス持続時間又はエネルギーの両方の視点から、非常に広範囲をカバーする。しかしながら、実際には、この多大な選択肢には、十分な数の異なるファイバレーザアーキテクチャを実装することによってのみ到達可能である。

一般に、共振レーザキャビティでのモードロックプロセスは、超短光パルス（ｆｓ又はｐｓ）を生成するために選ばれるメカニズムである。このモードロックプロセスは、キャビティ内で振動する十分な数の縦モードを位相整列させなければならないため、依然として複雑である。

そのために、異なる能動又は受動モードロック技法が存在している。

能動モードロックは、音響光学又は電子光学変調器をレーザキャビティに配置し、時間の関数としてキャビティの損失を能動的に変調することを含む。能動モードロックでは、光学変調器を制御するために、外部電源を使用する必要がある。さらに、能動モードロックにより生成されるパルスの持続時間は、約数十ピコ秒又は約数百ピコ秒である。

受動モードロックは、外部光学変調器を使用せずにパルスを生成するために、非線形光学効果を利用することに依拠する。例えば、非線形半導体ミラー（ＳＥＳＡＭ）、非線形光学ループミラー（ＮＯＬＭ）、非線形増幅ループミラー（ＮＡＬＭ）、又は非線形偏光回転（ＲＮＬＰ）のような、強度の関数としての損失変動（可飽和吸収効果）に基づく幾つかの方法が使用される。それらの非線形光学技法は精密な条件で動作する。

しかしながら、これらの非線形光学方法は、波長、パルス持続時間、及び／又は繰り返し周波数調整可能なレーザシステムでは使用が容易ではない。

実際には、ＳＥＳＡＭ技術により、動作がイッテルビウムイオンの放射スペクトルの各波長に個々に適合された多種多様な要素を設計し製作することが可能であるが、スペクトル帯域は本質的に、数十ｎｍのみに制限される。したがって、広波長調整可能範囲にわたり１つのみのＳＥＳＡＭを使用することはできない。

動作が利得及びキャビティの全分散に基づくＮＡＬＭ技法でも同じである。さらに、モードロックを得る自由度は極めて下がり、かつこの技術の高レベルの熟達が必要とされる。

最後に、ＲＮＬＰは、位相板等の自由空間光学構成要素を使用する。これらの光学構成要素はファイバ技術では利用できないため、その使用は、ビームをファイバ外の自由空間内で伝播させることを含む。したがって、この技術により全ファイバレーザ源を製作することはできない。さらに、熱又は機械的な影響によるファイバ複屈折の変動は、モードロックを低下させる。その結果、安定したパルス列を得るために、位相板の向きを頻繁に調整しなければならない。

さらに、これらにシステムは本質的に、送られるパルスの繰り返し率及び持続時間に関して固定されたままである。実際には、パルス持続時間及び繰り返し率は、レーザキャビティの特性、特にキャビティの長さにより課される。

したがって、広い周波数範囲にわたり繰り返し周波数を調整可能な短又は超短光パルスを生成するシステム及び方法が必要とされている。

広い時間範囲にわたり持続時間を調整可能であり、かつ／又は広いスペクトル範囲にわたり波長を調整可能な短又は超短光パルスを生成するシステム及び方法も必要とされている。

発明の目的
現行技術水準の上記欠点を修復するために、本発明は、短又は超短光パルスを生成するシステムを提案する。

より詳細には、本発明によれば、時間連続光放射を発するように構成された光源と、少なくとも１ＧＨｚまで広がる帯域幅にわたり調整可能な周波数において動作し、１ピコ秒〜数ナノ秒の持続時間の少なくとも１つの電気パルスを含むアナログ電気変調信号を発するように構成された電力生成器と、アナログ電気変調信号を受信するように適合された電気帯域幅を有する電気又は電子光学変調手段であって、アナログ電気変調信号の関数として光放射の振幅を変調し、１０ｐｓ〜数ナノ秒の持続時間の少なくとも１つの光パルスを含む変調光放射を生成するように構成された電気又は電子光学変調手段とを備えるシステムが提案される。

好ましくは、電力生成器の帯域幅は、連続から５ＧＨｚ又は更には１００ＧＨｚまで広がる。

本システムは、共振レーザキャビティもモードロックも使用しないため、短又は超短パルス光源の分野での技術革新を示す。この光パルス生成システムは、コンパクト性、使用しやすさ、及び動作範囲という多くの利点を有する。この光パルス生成システムは、光パルス持続時間、繰り返し率、及び／又は波長において容易に調整可能である。

個々に又は技術的に可能な全ての組合せに従って解釈される、本発明による短又は超短光パルスを生成するシステムの他の非限定的で有利な特徴は以下である：
−電力生成器は、１０ｐｓ〜数ナノ秒の持続時間の前記少なくとも１つの電気パルスを含むアナログ電気変調信号を発するように構成され、光源は、電極を有するレーザダイオードを含み、前記変調手段は、前記アナログ電気変調信号をレーザダイオードの電極に印加するように構成され、
−電力生成器は、少なくとも１０ＧＨｚまで広がる帯域幅にわたり調整可能な周波数において動作し、１０ｐｓ〜５０ｐｓの持続時間の前記少なくとも１つの電気パルスを含むアナログ電気変調信号を発するように構成され、レーザダイオードは利得切り替えされ、それにより、レーザダイオードは、少なくとも１０ＧＨｚまで広がるレートで１０ｐｓ〜５０ｐｓの持続時間の少なくとも１つの光パルスを含む変調光放射を生成する。

特定の有利な実施形態によれば、光源は、時間連続光放射を発するように適合され、電力生成器は、１ＧＨｚ〜１００ＧＨｚの帯域幅にわたり調整可能な周波数において動作し、１０ピコ秒〜１００ピコ秒の持続時間の前記少なくとも１つの電気パルスを含むアナログ電気変調信号を生成するように構成され、本システムは、電極と、アナログ電気変調信号を受信するように適合された電気帯域幅とを有する電子光学変調器を更に備え、電子光学変調器は、アナログ電気変調信号の関数として、連続光放射の振幅を光学的に変調し、１０ピコ秒〜１００ピコ秒の持続時間の少なくとも１つの光パルスを含む変調光放射を生成するように構成される。

他の特定の有利な態様によれば、電気パルス生成器は、１０ｋＨｚ〜２０ＧＨｚの周波数範囲にわたり調整可能なレートで１０ｐｓ〜１０ｎｓの持続時間の電気パルス列を含むアナログ電気変調信号を発するように構成され、電子光学変調器は、アナログ電気変調信号の関数として連続光放射を変調し、１０ｐｓ〜１０ｎｓの持続時間の光パルス列を含む変調光放射を生成するよう構成され、前記光パルスは前記調整可能なレートを有し、
−本システムは、１０ピコ秒〜１００ピコ秒の持続時間の前記少なくとも１つの光パルスを受信し、１ピコ秒以下の持続時間の圧縮光パルスを生成するように構成された光学パルス圧縮器を更に備え、
−本システムは、光源と圧縮器との間に配置された少なくとも１つの光学デバイスを更に備え、光学デバイスは、スペクトル分散光学デバイス、偏光光学デバイス、自己位相変調非線形光学デバイス、及び／又はカー効果非線形光学デバイスの中から選ばれ、
−光源は、単色又は多色性連続光放射を発するように構成され、
−本システムは、連続光放射の波長を調整するデバイスを備え、
−光源は、レーザダイオード、又はエルビウム、イッテルビウム、ツリウム、又はネオジムドープ光ファイバレーザ源の中から選ばれた希土類ドープ光ファイバレーザ源を含み、
−本システムは、変調光放射を受け取り、増幅パルス光放射を生成するように構成された光学増幅デバイスを備え、
−本システムは、電気又は電子光学変調手段の出口に配置され、変調光放射の一部を捕捉するように構成された光学結合器と、少なくとも１ＧＨｚまで、好ましくは５ＧＨｚまで、更には１００ＧＨｚまで広がる帯域幅の変調光放射の部分の強度を測定するように構成された検出システムと、測定された強度の関数として、変調信号にバイアス信号を印加するように構成された帰還ループとを備え、
−本システムは、変調光放射を受け取り、拡大された変調光ビームを分析されるゾーンに向けるように配置されたビーム拡大光学システムと、前記ゾーンの画像を形成するように構成された画像検出システムとを備える。

本発明は、以下のステップを含む、短又は超短光パルスを生成する方法も提案する：
−例えば時間的に連続した光放射を発すること、
−１０ｋＨｚ〜２０ＧＨｚのマイクロ波帯域幅の周波数を有するアナログ電気変調信号を生成することであって、アナログ電気変調信号は、１０ｐｓ〜１００ｐｓの持続時間の少なくとも１つの電気パルスを含む、生成すること、及び
−アナログ電気変調信号を電子光学変調器又はレーザダイオードの電極に印加することであって、電子光学変調器又はレーザダイオードは、アナログ電気変調信号の関数として連続光放射の振幅を光学的に変調し、１０ｐｓ〜１００ｐｓの持続時間の少なくとも１つの光パルスを含む変調光放射を生成するように構成される、印加すること。

本方法の有利な一変形では、レーザダイオードは利得切り替えされ、それにより、レーザダイオードは、少なくとも１０ＧＨｚまで広がるレートで１０ｐｓ〜５０ｐｓの持続時間の少なくとも１つの光パルスを含む変調光放射を生成する。

例示的な実施形態の詳細な説明
非限定的な例として与えられる、添付図面に関した以下の説明により、本発明の本質が何であるか及び本発明をいかに実施することができるかを良好に理解することができる。

一実施形態による短又は超短光パルスを生成するシステムを概略的に示す。 電力生成器により生成される、電気パルスを含むアナログ電気変調信号の一例を示す。 図２のアナログ電気変調信号が印加される電子光学変調器の出口において生成される変調光放射の一例を示す。 図３の変調光放射の圧縮後に得られる超短光パルスの一例を示す。 帰還ループを有する光パルス生成システムの一変形を概略的に示す。 １つ又は幾つかのパルス増幅、分散、及び／又は圧縮デバイスを使用する光パルス生成システムの異なる変形を概略的に示す。 非線形偏光回転デバイスを概略的に示す。 広いスペクトル範囲にわたり波長を調整可能な光パルスの生成の一例を示す。

デバイス
図１に、光源２、電力生成器５、制御ユニット６、及び電子光学変調器４を備える、光パルス１００を生成するシステム１を示す。一変形では、光パルス生成システム１は、光パルス分散モジュール７及び／又は圧縮モジュール８を更に含む。図１では、電気信号は単純な線で表され、光線は二重線で表されている。

光源２は、時間的に連続した光放射２０を発する。光源２は、例えば、好ましくは、ファイバ出口を有するレーザ源を含む。特に有利なことには、光源２は、波長調整可能な単色性光放射２０を発する。好ましくは、光源２は、単一横モードＴＭ₀０光放射を生成する。

例示的な一実施形態として、光源２は、レーザダイオードの温度の関数として、数ｎｍにわたり調整することができる、決定された波長における光放射２０を発するレーザダイオードを備える。別の例では、光源２は、例えば、光学発振器及び波長調整可能フィルタを含む。光源２は、例えば、希土類ドープファイバレーザ源を含む。したがって、例えば、イッテルビウムドープファイバレーザ源の波長は、９７４ｎｍから１２００ｎｍまで広がるイッテルビウムのスペクトル放射範囲にわたり連続調整可能であり得る。この調整可能性は、区別要素（例えば、フィルタ又は偏光要素等）をレーザキャビティに挿入して、非所望波長に損失を導入することにより得られ得る。別の例では、エルビウムドープファイバレーザ源が、１．５μｍ前後のエルビウムのスペクトル放射範囲にわたり連続調整可能であり得る。更に別の例によれば、ツリウムドープファイバレーザ源が、２マイクロメートル（μｍ）前後のツリウムのスペクトル放射範囲にわたり連続調整可能であり得る。同様に、ネオジムドープファイバレーザ源が、９００ｎｍの放射波長前後のスペクトル範囲にわたり連続して波長調整可能であり得る。希土類ドープファイバレーザ源は、数百ミリワットの電力を有し、可視領域及び／又は近赤外線領域において数十ｎｍ〜数百ｎｍの広いスペクトル範囲にわたり波長調整可能である時間連続光放射２０を発する。

代替として、光源２は、数百ｎｍにわたり広がるスペクトル範囲の幾つかの離散した波長を含む多色性光放射２０を発し、各離散波長は、約１０ｋＨｚ〜約３００ＧＨｚのスペクトル幅を有する。

時間連続光放射２０は、電子光学変調器４の入口において注入される。電子光学変調器４は、好ましくは、マッハ−ツェンダー型の振幅変調器である。１０ＧＨｚから２０ＧＨｚ又は５０ＧＨｚから１００ＧＨｚまで広がる電子帯域幅を有する電子光学変調器４が選ばれる。例えば、マッハ−ツェンダー電子光学変調器４は、光学集積回路変調器であり、光導波路及び電極を備える。有利なことに、電子光学変調器４は、少なくとも１つの光ファイバ入口及び１つの光ファイバ出口を含む。マッハ−ツェンダー電子光学変調器４の電極は、電力生成器５に接続される。

電力生成器５は、制御ユニットにより生成された外部アナログ制御信号６０を受信し、アナログ電気変調信号５０を電子光学変調器４の電極に印加する。より詳細に後述する一変形では、アナログ電気変調信号５０は、ソースレーザダイオード２の電極に直接印加される。

より正確には、電力生成器５は、１０ｐｓ〜１０ｎｓの持続時間の少なくとも１つの電気信号を含むアナログ電気変調信号５０を生成するように構成された高速電子基板を含む。有利なことに、この電気パルスは振幅を有し、電子光学変調器４を制御するように適合された２Ｖ〜４Ｖを含む。非限定的な例として、電子基板は、２８Ｇｂｐｓ〜３２Ｇｂｐｓ又は１００Ｇｂｐｓ領域で動作するデジタルマイクロ波電子構成要素を含む。そのようなマイクロ波電子構成要素は、低振幅高速電気通信信号の論理電子回路に使用されるが、アナログ信号を提供するように構成されない。非限定的な例として、互いに反転し、電子遅延線により接続された２つの論理ゲートを使用して、１０ｐｓ〜１０ｎｓの持続時間のアナログ電気パルスを生成する。電子遅延線は、アナログ電気パルスの持続時間を決める。有利な一実施形態では、１０ｐｓ〜１０ｎｓの可変持続時間のアナログ電気パルスを生成するために、電子遅延線は可変遅延型である。しかしながら、マイクロ波論理電子構成要素は、マッハ−ツェンダー型の電子光学変調器を直接制御することができない。実際には、そのような変調器は、数ボルトの切り替え電圧を必要とする。広帯域幅（約２０ＧＨｚ）のオペアンプシステムは、数ｋＨｚから、少なくとも５ＧＨｚ、好ましくは１０ＧＨｚ、２０ＧＨｚ、更には１００ＧＨｚまで広がる帯域幅にわたり、例えば約２Ｖ〜約４Ｖの振幅を有するアナログ電気変調信号を生成することができる。

有利なことには、アナログ電気変調信号５０は、５０ｋＨｚから少なくとも５ＧＨｚまで調整可能な繰り返し周波数を有する周期信号である。したがって、電力生成器５は、５０ｋＨｚから少なくとも５ＧＨｚまで調整可能なレートを有する電気パルス列を生成する。電気パルス列は、１０ｐｓ〜１０ｎｓの一定の持続時間又は可変持続時間の電気パルスを含み得る。

例えば、コンピュータ又はクロック６は、数ｋＨｚから数ＧＨｚ又は更には数十ＧＨｚまで広がる周波数領域で時間変調されるアナログ電気変調信号５０を生成することについて上述したように、アナログ制御信号６０をマイクロ波電子基板に送信する。

この電力生成器５により、５０ｋＨｚから少なくとも５ＧＨｚ、１０ＧＨｚ、２０ＧＨｚ、又は更には５０ＧＨｚまで調整可能なレートを有し、可変持続時間（１０ｐｓ〜１０ｎｓ）の、オンデマンドで生成されるアナログ電気パルス又はアナログ電気パルス（２Ｖ〜４Ｖ）の列を含むアナログ電気変調信号５０を有することができる。さらに、そのような電力生成器５は、低消費及び制御されたコストという利点を有する。

図２は、上述したように、電力生成器５の出口に配置された増幅器の出口におけるアナログ電気変調信号５０の一例を示す。電力生成器５は、２００ＭＨｚの周波数ｆ_iｎにおける制御信号６０を受信し、振幅がここでは−０．５Ｖ〜０Ｖで変化するアナログ電気信号を生成する。しかしながら、フォトニック用途では、アナログ電気変調信号５０の特性を精密に制御することが重要である。特に、アナログ電気変調信号５０のコントラスト、すなわち、電気パルスのピークレベルと外乱レベルとの比率は、優れていなければならない。図２における差し込み図として、対数尺度のアナログ電気変調信号５０を示す。はね返りの振幅が４％未満に留まることが観測され、これは、マッハ−ツェンダー型の電子光学変調器に非常に適する。

このアナログ電気変調信号５０は、１０ｋＨｚから少なくとも５ＧＨｚ、又は更には２０ＧＨｚ若しくは５０ＧＨｚまでの繰り返し周波数で１つのアナログ電気パルス及び／又はアナログ電気パルスの周期列を送出し得る。

光パルスの生成は、上述したように、１０ｐｓ〜１０ｎｓの持続時間の電気パルスを送出する電力生成器５及び広帯域電子光学変調器４により行われる。

アナログ電気変調信号５０は、電子光学変調器４の電極間に印加される。電子光学変調器４は、時間連続光放射２０を受信し、アナログ電気変調信号５０の関数としてこの光放射２０の振幅を変調して、変調光放射４０を生成する。電子光学変調器４は、少なくとも５ＧＨｚまで、例えば、１０ＧＨｚまで、２０ＧＨｚまで、又は１００ＧＨｚまで広がる電子帯域幅を有する。アナログ電気変調信号５０は、１０ｐｓ〜１０ｎｓの持続時間の少なくとも１つのアナログ電気パルスを含む。したがって、アナログ電気変調信号５０は、１０ｐｓ〜１０ｎｓの持続時間の少なくとも１つの光パルスを含む変調光放射４０を誘導する。換言すれば、電子光学変調器４は、１０ｐｓ〜１０ｎｓの持続時間の少なくとも１つの光パルスを含む変調光放射４０にアナログ電気変調信号５０を光学的に変換する。

図３は、図２のアナログ電気変調信号が印加された電子光学変調器４の出口における変調光放射４０の強度の測定値の一例を示す。高コントラスト及びここでは印加される電気パルスの持続時間に等しい約２５ｐｓの持続時間を有する光パルスを観測する。したがって、電子光学変調器４は、１００ｐｓ未満の持続時間の光パルスを直接生成する。

したがって、電子光学変調器４は、アナログ電気変調信号５０の関数として、１０ｐｓ〜１０ｎｓの持続時間の１つの光パルス又は１０ｋＨｚから５ＧＨｚ、２０ＧＨｚ、又は更には５０ＧＨｚまでに広がることができる繰り返し周波数で光パルス列を送出することができる。

したがって、上述したような光源２、電力生成器５、及び電子光学変調器４からなるシステムは、光パルス２の連続光放射を時間的に切断して、非常に高い信号対雑音比及び上手く制御された時間的形状を有するピコ秒光パルスを生成することができる。これらの光パルスは、安定した振幅を有しながら、調整可能なレートを有し得る。

まず、システムは、広範囲の持続時間にわたり光パルスの持続時間を容易に電子的に調整できるようにする。その後、そのようなシステムは、不安定性を生み出すことなく、広範囲の周波数にわたり光パルスの繰り返し周波数を容易に電子的に調整できるようにする。したがって、このシステムは、高繰り返し周波数領域に到達可能にする。さらに、このシステムはまた、低繰り返し周波数領域に到達可能にもし、低繰り返し周波数領域は、従来の光パルス選択デバイス（又はパルスピッカー）を用いては到達することが難しい。

特に有利なことには、光パルス生成システムは、圧縮器８、例えば、回折格子及び／又はプリズムに基づく従来のスペクトル圧縮器を更に含む。圧縮器８は、１０ｐｓ〜１００ｐｓの持続時間の先にチャープ又は整形された光パルスを時間的に圧縮して、フェムト秒持続時間、すなわち、１ｐｓ未満の持続時間の光パルスへの異なるスペクトル成分間の位相関係を有するスペクトルを生成できるようにする。したがって、フェムト秒ソースが生成され、これは、コンパクトであり、持続時間、レート、及び／又は波長において容易に調整可能である。

図４は、図１に概略的に示され、圧縮器８を備えるシステムの出口における時間連続光パルスの測定値を示す。圧縮器は、図３に示されるように、約５０ｐｓの持続時間の光パルスを受信し、超短光パルス１００を生成する。図４には、光パルス１００の時間プロファイルのガウス調整の曲線を示す。したがって、ここでは自己相関器持続時間での約４６０ｆｓに等しく、すなわち、実際の持続時間における約３２６ｆｓに等しい光パルスの持続時間が決定される。

一変形によれば、電力生成器５は、電気パルスを光源２の電極に直接印加し、光源２は、例えば、電流を供給する電極を有する信号レーザダイオードである。この変形では、電子光学変調器４は省かれる。その方法では、ダイオードは、５０ｐｓ〜数ｎｓの持続時間を有し、０ＧＨｚから１ＧＨｚの範囲に含まれるレートを有する光パルスを含む変調光放射４０を出力として直接生成する。パルス持続時間を低減するために、信号ダイオードは、電極への電極制御パルスの直接印加により利得切り替えして、０ＧＨｚ〜１０Ｇｈｚに含まれるレートで５ｐｓ〜５０ｐｓに含まれる持続時間の光パルスを取得し得る。代替として、レーザダイオードの電極に印加される電流の振幅は、０ＧＨｚ〜１０ＧＨＺに含まれるレートで５ｐｓ〜５０ｐｓに含まれる持続時間の光パルスを直接生成するように変調される。

図５に関連して説明される特定の態様によれば、システムは、変調光放射の信号対雑音比を制御するために、帰還ループを更に含む。光学結合器１９は、電子光学変調器の出口に配置され、変調光放射４０の小さな部分（例えば、１％）を捕捉するように構成される。検出システム９は、数十ギガヘルツまでの帯域幅の変調光放射の部分の強度を測定するように構成される。マイクロ波電子基板は、この測定値を分析し、変調光信号４０のコントラスト、信号対雑音比、又は消光レベル測定値の関数としてバイアス信号を生成できるようにする。したがって、アナログ電子帰還信号により、バイアス信号の関数として、バイアス電圧を電子光学変調器４に印加することができる。この帰還デバイスは、例えば、変調光線の消光の関数として、電子光学変調器に印加される電圧を適合できるようにする。この帰還デバイスは、全範囲のパルス持続時間及びレートにわたり電子光学変調器４の優れた信号対雑音比及び高コントラストを維持できるようにする。

図６に関連して説明される特定の実施形態では、短又は超短光パルスを生成するシステムは、電子光学変調器４の出口に配置される光学増幅デバイスを更に含む。光学増幅デバイスは、変調光放射４０を受信し、増幅パルス光放射を生成する１つの光学増幅器又は直列に配置された幾つかの光学増幅器を含む。例えば、光学増幅デバイスは、値の光学プリアンプ１０、別の光学プリアンプ１１、及び光学電力増幅器１２を含む。ドープ光ファイバ（Ｙｂ、Ｅｒ、Ｔｈ、及び／又はＮｄ）及び／又は結晶及び／又はドープガラス増幅器（例えば、Ｙｂ：ＹＬＦ、Ｙｂ：ＹＡＧ、Ｙｂ：ＣＡＬＧＯ、Ｙｂ：ＣａＦ２、Ｙｂ：ＬＵＡＧ、Ｎｄ：ＹＡＧ、Ｅｒ：ＹＡＧ、又はＨｏ：ＹＡＧ）に基づく光学増幅器が、例えば、使用される。有利なことには、異なる増幅段階間に、互い間で剛毅される、固定波長又は調整可能な波長の複数の光学フィルタが配置され、光学増幅器で生成された増幅自然放射をなくせるようにする。

時間圧縮技法により、１０ｐｓ未満、例えばピコ秒又はフェムト秒の持続時間を有する光パルスを生成する光源を生成することができる。

有利なことには、スペクトル拡大デバイスが、電力増幅段の前に使用されて、増幅前に光パルスのスペクトルを拡大する。したがって、光学増幅デバイスは、時間的にチャープされたスペクトルを有する増幅光パルスを生成し、これは次に、分散圧縮器により時間的に再圧縮し得る。それにより、既知のように、増幅後、増幅光パルスを時間的に再圧縮して、ピコ秒又はフェムト秒持続時間に達することができる。圧縮器８は、回折格子、プリズム、分散ミラー、及び／又は特定の分散を有する光ファイバに基づき得る。

第一の例示的な実施形態は、分散モジュール７の使用に依拠する。非限定的な例として、分散モジュール７は、長い（３０ｍ〜３００ｍ）定偏波ＰＭファイバ及び／又はフォトニック結晶ファイバ（ＰＣＦ）又はステップインデックス光ファイバを含む。自己位相変調（ＰＳＭ）等の非線形効果により、そのような光ファイバは、光パルスのスペクトル拡大を生み出す。実際には、光ファイバ内の光ファイバの伝播中にＳＰＭにより蓄積される位相変動は、振幅を変更せずにパルスの時間的エンベロープを変化させる。既知のように、周波数領域において、これらの位相変動はパルススペクトルの拡散に変換され、その理由は、パルススペクトルの拡散が非線形位相シフトから生じるためである。自己位相変調は、低周波数成分をパルス波面に向けてシフトさせ、高周波数成分をパルス波尾に向けてシフトさせる効果のためを有し、これは、約１μｍの波長での石英ファイバにより生成される変則領域での分散効果の逆である。

別の例示的な実施形態は、第２のプリアンプ段１１と電力増幅器１２との間に配置される非線形偏光回転（ＲＮＬＰ）モジュール１７の使用に依拠する。図７は、ＲＮＬＰモジュール１７の構造及び動作を示す。ＲＮＬＰモジュール１７は、ここでは、偏光要素１７１、受動（非ＰＭ）光ファイバ１７３、及び偏光コントローラ１７２を含む。光パルス４０の偏光は、カー効果により、光ファイバ１７３を伝搬中、非線形的に展開する。偏光子１７１（又はアイソレータ）後、入射パルス４０は、全成分が線形に偏光されて終わる。偏光コントローラ１７２は、線形偏光を楕円偏光に変更できるようにする。楕円偏光光パルスは、光ファイバ１７３の伝播中、偏光状態は非線形的に展開する。これは、自己位相変調とカー効果により偏光の２つの成分に誘導される相互位相変調とが組み合わせられた効果に起因する。光パルスの異なる時間成分は、ピーク強度に依存するため、同じ屈折率を認めず、ピーク強度は、偏光状態を変え、光パルスの異なる構成要素間に位相シフトを誘導する。その結果として、図７の太線で表されている光パルスの最も強度の高い部分は、電場強度の最大に依存する角度だけ偏光回転を受け、したがって、楕円軸の位置を変える。逆に、図７において細線で表されている光パルスの強度が低い部分は、偏光回転を受けない。したがって、偏光回転の角度は強度に比例する。光ファイバ１７３の出口において、別の偏光コントローラ１７４が、ファイバの線形複屈折を補償して、楕円偏光状態を線形偏光状態に変換するように向けられる。最後に、別の偏光子１７５が配置されて、偏光が回転した光パルスの最も強度の高い部分を通すことにより、偏光を分析する。この強度部分は、光パルスの低強度部分よりも小さな損失を受ける。したがって、得られた光パルス１００は、低減された持続時間を有する。この例示的な実施形態では、必ずしも圧縮器を使用する必要はない。例示的な実施形態は、使用しやすさ及び限られたコストという利点を有する。

実施態様の更に別の例は、最後の増幅段後の変性四波混合（ＦＷＭ）により操作される周波数変換モジュール２７の使用に依拠する。そのようなモジュール２７は、相互位相変調に起因したスペクトル拡大を用いて、好ましくは可視領域において新しい波長を生成できるようにする。ＦＷＭ及びスペクトル拡大により得られる数ｎｍのスペクトル帯域は、約数百フェムト秒の持続時間で、数ピコ秒の持続時間を有する光パルスを再圧縮できるようにする。実際には、変性ＦＷＭは、２つの同一のポンプ光子が全滅して、異なる波長及び同じ総エネルギーを有する２つの光子を生成する場合、現れる。波長の異なる幾つかの波が光ファイバを伝播するとき、そのうねりは、光学カー効果及び回折効果を介して屈折格子を生み出す。屈折のこの周期的な変調は、時間的回折により、新しい周波数を生成させる周波数間のエネルギー移動の物理的プロセスを誘導する。エネルギー保存状況に起因して、これらの新しい周波数は、初期周波数の特定の組合せである。同じ光ファイバ内のこれらの異なる波の同時伝播は、相互位相変調（ＸＰＭ）により、パルスのスペクトル拡大を生じさせる。この効果は、高強度電場の効果下での媒体の屈折率の変化により現される光学カー効果の直接的な結果である。実際には、２つの波が光ファイバ内の同時に伝播する場合、それらの一方は媒体上で最初の一方の効果を受け、そして相互に。したがって、パルスは、第２のパルスにより誘導される非線形位相シフトを受ける。したがって、これらの光パルスは、１ｐｓ未満の持続時間で圧縮し得る。この場合、圧縮された光パルスは、電子光学変調器４に印加される電気パルスよりも低い持続時間を有する。

図８は、１μｍ前後を発する赤外線光源２と、波長調整可能放射スペクトルを有する光パルスを生成するように構成されたＦＷＭデバイスとを備える、短又は超短光パルスを生成するシステムの使用の一例を示す。したがって、７５０ｎｍから約９００ｎｍまでの波長で連続調整可能な短又は超短光パルスを生成するシステムが生成される。

詳細に上述された実施形態に１つに記載された短又は超短光パルスを生成するシステムは、レーザ法の分野で新しい見通しを開く。例えば、ガルバノメトリックヘッド又はＦシータレンズの移動に基づくパルス光線変位システムでは、移動の加速及び減速はエネルギー付与の均一性を損なう。本開示のシステム目的は、光パルスのレートを光線変位システムとリアルタイムで同期させ、したがって、ビーム偏向システムの加速を考慮に入れて、エネルギーの一定付与を用いてレーザ処理を実行できるようにする。したがって、光パルスの持続時間及び／又はレート調整可能性の容易さにより、レーザ処理の精度及び規則性を改善することができる。さらに、このシステムは、レーザ法を複数のパラメータ範囲及び非常に広いダイナミクスにわたり利用できるようにし、その理由は、レーザ動作中、パルスの波長、レート、及び持続時間を同時に調整して、材料とのレーザの相互作用性を適合させることが可能であるためである。したがって、１つの光源を用いて、最適なレーザパラメータを維持しながら、不均質組成の要素を連続して処理することができる。

特定の実施形態では、短又は超短光パルスを生成するシステムは、生体細胞及び組織での生物学的研究に適合された多光子蛍光励起に基づく全視野撮像のシステム及び方法にも応用される。多光子撮像は、信号がパルス持続時間の二乗に反比例して変化する非線形現象に基づく。他方、短又は超短光パルスを生成するシステムは、数ｋＨｚから数ＧＨｚに広がる周波数範囲にわたり光パルスの放射レートを調整できるようにする。このレート範囲は、現在の技術では達成不可能であり、非破壊光パルスの範囲内に留まりながら、目標撮像の関数として信号対雑音比を微調整できるようにする。

特定の有利な実施形態によれば、短又は超短光パルスを生成するシステムは、イッテルビウムドープ光ファイバ技術を実施する。イッテルビウムドープ光ファイバは、従来の光学発振器により提供される数Ｗと比較して、５０Ｗを超える平均電力までの増幅に特に適合される。そして、イッテルビウムドープ光ファイバは、数ｃｍ²のゾーンを照明し、全視野画像を形成できるようにする。比較として、現在のレーザ撮像技術は一般に、５０μｍ²の点へのレーザビームの合焦、撮像表面のスキャン、及び画像の点毎の再構築に基づき、それにより、これらの技法は極めて長い。逆に、本明細書に提案される短又は超短光パルスを生成するシステムと組み合わせた撮像は、画像が１つの動作で得られるため、実際の技術的革新をなす。超高速カメラは、時間的力学に従う、例えば、以前、画像の点毎の再構築により達成不可能であった生体細胞の進化を辿れるようにする。

Claims (15)

1. 短又は超短光パルスを生成するシステム（１）であって、
   −光放射（２０）を発するように構成された光源（２）と、
   −少なくとも１ＧＨｚまで広がる帯域幅にわたり調整可能な周波数において動作し、１ピコ秒〜数ナノ秒の持続時間の少なくとも１つの電気パルスを含むアナログ電気変調信号（５０）を発するように構成された電力生成器（５）と、
   −前記アナログ電気変調信号（５０）を受信するように適合された電気帯域幅を有する電気又は電子光学変調手段であって、前記アナログ電気変調信号（５０）の関数として光放射（２０）の振幅を変調し、１０ｐｓ〜数ナノ秒の持続時間の少なくとも１つの光パルスを含む変調光放射（４０）を生成するように構成された電気又は電子光学変調手段と
   を備える、システム。
2. 前記電力生成器（５）は、１０ｐｓ〜数ナノ秒の持続時間の前記少なくとも１つの電気パルスを含む前記アナログ電気変調信号（５０）を発するように構成され、前記光源（２）は、電極を有するレーザダイオードを含み、前記変調手段は、前記アナログ電気変調信号（５０）を前記レーザダイオードの前記電極に印加するように構成される、請求項１に記載のシステム。
3. 前記電力生成器（５）は、少なくとも１０ＧＨｚまで広がる帯域幅にわたり調整可能な周波数において動作し、１０ｐｓ〜５０ｐｓの持続時間の前記少なくとも１つの電気パルスを含む前記アナログ電気変調信号（５０）を発するように構成され、前記レーザダイオードは利得切り替えされ、それにより、前記レーザダイオードは、少なくとも１０ＧＨｚまで広がるレートで１０ｐｓ〜５０ｐｓの持続時間の少なくとも１つの光パルスを含む前記変調光放射（４０）を生成する、請求項２に記載のシステム。
4. −前記光源（２）は、時間連続光放射（２０）を発するように構成され、
   −前記電力生成器（５）は、１ＧＨｚ〜１００ＧＨｚの帯域幅にわたり調整可能な周波数において動作し、１０ピコ秒〜１００ピコ秒の持続時間の前記少なくとも１つの電気パルスを含む前記アナログ電気変調信号（５０）を生成するように構成され、
   −前記システムは、電極と、前記アナログ電気変調信号（５０）を受信するように適合された電気帯域幅とを有する電子光学変調器（４）を更に備え、前記電子光学変調器は、前記アナログ電気変調信号（５０）の関数として、前記連続光放射（２０）の振幅を光学的に変調し、１０ピコ秒〜約１００ピコ秒の持続時間の前記少なくとも１つの光パルスを含む変調光放射（４０）を生成するように構成される、請求項１に記載のシステム。
5. 前記電力生成器は、１０ｋＨｚ〜２０ＧＨｚの周波数範囲にわたり調整可能なレートで１０ｐｓ〜１０ｎｓの持続時間の電気パルス列を含む前記アナログ電気変調信号（５０）を発するように構成され、前記電子光学変調器は、前記アナログ電気変調信号（５０）の関数として前記連続光放射を変調し、１０ｐｓ〜１０ｎｓの持続時間の光パルス列を含む変調光放射（４０）を生成するよう構成され、前記光パルスは前記調整可能なレートを有する、請求項４に記載のシステム。
6. １０ピコ秒〜１００ピコ秒の持続時間の前記少なくとも１つの光パルスを受信し、１ピコ秒以下の持続時間の圧縮光パルス（１００）を生成するように構成された圧縮器（８）を更に備える、請求項１〜５のいずれか一項に記載のシステム。
7. 前記光源（２）と前記圧縮器（８）との間に配置された少なくとも１つの光学デバイス（７、１７、２７）を更に備え、前記光学デバイス（７、１７、２７）は、スペクトル分散光学デバイス（７）、偏光光学デバイス（１７）、又は非線形光学デバイス（２７）の中から選ばれる、請求項６に記載のシステム。
8. 前記光源（２）は、単色又は多色性連続光放射を発するように構成される、請求項１〜７のいずれか一項に記載のシステム。
9. 前記光放射（２０）の波長を調整するデバイスを備える、請求項１〜８のいずれか一項に記載のシステム。
10. 前記光源は、エルビウム、イッテルビウム、ツリウム、又はネオジムドープ光ファイバレーザ源の中から選ばれた希土類ドープ光ファイバレーザダイオード又はレーザ源を含む、請求項１〜９のいずれか一項に記載のシステム。
11. 前記変調光放射（４０）を受け取り、増幅パルス光放射を生成するように構成された光学増幅デバイス（１０、１１、１２）を備える、請求項１〜１０のいずれか一項に記載のシステム。
12. 前記電気又は電子光学変調手段の出口に配置され、前記変調光放射の一部を捕捉するように構成された光学結合器と、少なくとも１ＧＨｚまで広がる帯域幅の前記変調光放射の部分の強度を測定するように構成された検出システムと、前記測定された強度の関数として、前記変調信号にバイアス信号を印加するように構成された帰還ループとを備える、請求項１〜１１のいずれか一項に記載のシステム。
13. 前記変調光放射を受け取り、拡大された変調光ビームを分析されるゾーンに向けるように構成されたビーム拡大光学システムと、前記ゾーンの画像を形成するように構成された画像検出システムとを備える、請求項１〜１２のいずれか一項に記載のシステム。
14. 短又は超短光パルスを生成する方法であって、
    −光放射（２０）を発することと、
    −１０ｋＨｚ〜２０ＧＨｚのマイクロ波帯域幅の周波数を有するアナログ電気変調信号（５０）を生成することであって、前記アナログ電気変調信号は、１ピコ秒〜数ナノ秒の持続時間の少なくとも１つの電気パルスを含む、生成することと、
    −前記アナログ電気変調信号を電子光学変調器又はレーザダイオードの電極に印加することであって、前記電子光学変調器又は前記レーザダイオードは、前記アナログ電気変調信号（５０）の関数として前記光放射（２０）の振幅を光学的に変調し、１０ｐｓ〜１００ｐｓの持続時間の少なくとも１つの光パルスを含む変調光放射（４０）を生成するように構成される、印加することと
    を含む、方法。
15. 前記レーザダイオードは利得切り替えされ、それにより、前記レーザダイオードは、少なくとも１０ＧＨｚまで広がるレートで１０ｐｓ〜５０ｐｓの持続時間の少なくとも１つの光パルスを含む前記変調光放射を生成する、請求項１４に記載の方法。

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