JP2019535131A - 短パルスレーザーシステム - Google Patents

Abstract

本発明は、第１の共振器及び第２の共振器を備えた短パルスレーザーシステムに関し、増幅手段は両第１の共振器及び第２の共振器電磁パルスを増幅させる。第１の共振器は、前記電磁パルスは第１の線形偏波状態を正確に支持するように構成され、第２の共振器は第２の線形偏波状態を正確に支持するように構成され、前記短パルスレーザーシステムは、第１の複屈折材料部分（１６）及び第２の複屈折材料部分（１７）を有し、前記第１の複屈折材料部分及び／又は前記第２の複屈折材料部分は、前記第１の複屈折材料部分内での前記第１の共振器のビーム経路の光路長と前記第２の複屈折材料部分内での前記第２の共振器のビーム経路の光路長との合計と、前記第１の複屈折材料部分内での前記第２の共振器の光路長と前記第２の複屈折材料部分内での前記第２の共振器の光路長との合計との間の差が、調節可能な態様で変えられ得るように設計されている。【選択図】図１ａ

Description

本発明は、第１のビーム経路を有する第１の共振器と、第２のビーム経路を有する第２の共振器と、増幅手段とによって、電磁パルスを生成するための短パルスレーザーシステムに関し、増幅手段は、短パルスレーザーシステムの作動中に第１の共振器内で電磁パルスを増幅させるような第１のビーム経路内、及び短パルスレーザーシステムの作動中に第２の共振器内で電磁パルスを増幅させるような第２のビーム経路内の両方に配列されており、第１のビーム経路と第２のビーム経路とは、増幅手段の少なくとも部分において空間的に重複しており、第１の共振器は、電磁パルスの第１の線形偏波状態を正確に支持するように構成され、第２の共振器は、第２の線形偏波状態を正確に支持するように構成され、第１の偏波状態と第２の偏波状態とは、互いに垂直である。

短及び超短電磁パルスの生成は、科学技術において絶えず重要性を増している。短電磁パルスは、例えば、材料加工に使用されてもよく、この場合、その使用は、パルスの全エネルギが典型的には１００フェムト秒付近の非常に短い時間間隔だけに分布させられ、その結果、パルス当たりの非常に高いパワーが達成され得るという事実からなされる。

とはいえ、短パルスレーザーシステムは、また、短電磁パルスを使用して時間分解ポンプ／プローブ実験を実装する場合に、分光法の分野で特に重要になっている。この場合、原理的には、物理システム、例えば半導体材料が、第１のパルスによって励起され、その時、物理システムの応答と比較して典型的には短い第２のパルスを用いてポンプパルスの効果がプローブされるという事実から使用がなされる。

かかるポンプ／プローブ実験の例は、半導体材料での電荷キャリアダイナミクスの測定である。材料は、第１のパルスによって励起される、すなわち、材料の反射率又は透過率を変更する電荷キャリアが材料内で生成される。第２の短電磁パルスがここで材料に衝突するならば、それは、材料内に存在する電荷キャリアの数に依存して、より強く又はより弱く反射される。ポンプパルスとプローブパルスとの間の時間遅延が調整され得るならば、半導体材料内での電荷キャリアダイナミクスは、時間分解態様で測定されてもよい。

更に、短パルスレーザーシステムは、テラヘルツ（ＴＨｚ）時間領域分光法に使用される。この場合、テラヘルツ放射を放出する放出器が、第１のパルスによって励起され、一方、第２の短パルスによってゲートで制御される検出器が、時間分解態様で放出器によって生成された電磁波をプローブ又は検出する。実際、放出器によって放出されるテラヘルツ放射の電界強度は、このようにして時間分解態様で検出されてもよいことが特に注目に値する。テラヘルツ時間領域分光法は、また、ポンプ／プローブ実験と解されてもよい。

ポンプ／プローブ実験及びテラヘルツ時間領域分光法の両方を実行するための必要条件は、短光パルスが利用可能であることであって、それぞれの場合での短光パルスのうちの第１のパルスが励起のために使用され、第１のパルスに対する時間遅延を有してもよい第２のパルスがプローブするのに利用可能であることである。

技術の現状において、かかるポンプ／プローブ実験が実装されるのは、例えば、短パルスレーザーシステムが、次にビームスプリッタによってポンプパルス及びプローブパルスに分割される短電磁パルスを放出し、プローブパルスが調節可能な遅延距離にわたってポンプパルスに対して適時にシフトされるからである。

かかる遅延距離は、ミラーが取り付けられた線形移動ステージによってしばしば実装され、これが長さ可変光路を示す。より高いプローブ速度を提供できるように、遅延距離がミラーを前後に急速に移動させるための機械振動システムを用いて追加的にしばしば実装される。しかし、かかる振動システムは、また、より高いプローブ速度に向かってそれらの（機械的）限界に達する。

更により高いプローブ速度を実装することを可能にするための、短パルスレーザーシステムが、特許文献１から公知であって、これは、部分において空間的に分離された２つの共振器による短パルスレーザに関連し、２つの共振器内の電磁放射の偏波が互いに直交している。１つの共振器の共振器長は、別の共振器の共振器長付近に調節可能である。短パルスレーザによって生成された２つの連続したパルスの間の繰返し周波数又は時間差は、共振器長に正比例し、このようにして、生成電磁パルスと検出電磁パルスとの間の時間オフセットが調整されてもよい。

しかし、かかる短パルスレーザーシステムは、機械的及び熱的影響に非常に敏感であることが示されてきた。レーザーシステムの機械的又は熱的特性は、複雑な態様で補償されなければならない。それに加えて、第１及び第２の共振器の２つのビーム経路の部分的な空間分離に対する必要が、必要とされるビームスプリッタでのパワー損失につながる。

独国特許出願公開第１０ ２０１２ １１３ ０２９号明細書

対照的に、本発明の目的は、熱的及び機械的に安定している光パルスを生成するための短パルスレーザーシステムを提供することである。本発明の別の目的は、短パルスレーザーシステムに増加した起動パワーを提供することである。

上記目的のうちの少なくとも１つが、第１のビーム経路を有する第１の共振器と、第２のビーム経路を有する第２の共振器と、増幅手段とによって電磁パルスを生成するための短パルスレーザーシステムによって達成されており、増幅手段は、増幅手段が短パルスレーザーシステムの作動中に第１の共振器内の電磁パルスを増幅させるように第１のビーム経路内、及び増幅手段が短パルスレーザーシステムの作動中に第２の共振器内の電磁パルスを増幅させるように第２のビーム経路内の両方に配列されており、第１のビーム経路と第２のビーム経路とは、増幅手段内で少なくとも部分において空間的に重なっており、第１の共振器は、第１の共振器が電磁パルスの１つの第１の線形偏波状態を正確に支持するように構成され、第２の共振器は、第２の共振器が電磁パルスの１つの第２の線形偏波状態を正確に支持するように構成されて、第１の偏波状態と第２の偏波状態とは、互いに垂直であり、短パルスレーザーシステムは、第１の複屈折材料部分及び第２の複屈折材料部分を有し、第１のビーム経路と第２のビーム経路とは、第１の複屈折材料部分内及び第２の複屈折材料部分内を共線的に通り、第１の複屈折材料部分及び第２の複屈折材料部分は、第１の複屈折材料部分及び第２の複屈折材料部分の１つの状態において、第１の複屈折材料部分内での第１のビーム経路の光路長と第２の複屈折材料部分内での第１のビーム経路の光路長との合計が、第１の複屈折材料部分内での第２のビーム経路の光路長と第２の複屈折材料部分内での第２のビーム経路の光路長との合計に等しいように設計及び構成されており、第１の複屈折材料部分及び／又は第２の複屈折材料部分は、第１の複屈折材料部分内での第１のビーム経路の光路長と第２の複屈折材料部分内での第１のビーム経路の光路長との合計と、第１の複屈折材料部分内での第２のビーム経路の光路長と第２の複屈折材料部分内での第２のビーム経路の光路長との合計との差が、調節可能な態様で変えられてもよいように設計されている。

かかる短パルスレーザーシステムの目的は、電磁パルスを実装することであり、電磁パルスのうち、第１のパルス列は、物理システムを励起するために使用されてもよく、第２のパルス列は、物理システムをプローブするために使用されてもよい。システムは、機械的及び熱的影響に対して安定している、第１のパルスと第２のパルスとの間の時間オフセットを急速に変更することを可能にする。システムは、可能な限り少ない構成要素によって追加的に機能する。

本発明に従う短パルスレーザーシステムについての基本的な考えは、増幅手段の同一の体積を２つの共振器において同時に使用して電磁パルスを生成することにより、２つの共振器が１つだけの増幅手段によって機能することである。更に、第１のビーム経路と第２のビーム経路とは、２つのパルス列の間の時間オフセットの要因である少なくとも複屈折材料部分を共線的に通っている。このようにして、２つの共振器の必須構成要素が、同一の熱的及び機械的影響を受け、それにより、特に、これらの影響に起因する長さ変動は、両方の共振器に生じ、２つのパルス列の間の時間オフセットに影響を及ぼさない。

一実施形態では、しかし、第１のビーム経路と第２のビーム経路とは、第１及び第２の共振器の全長にわたって互いに完全に共線的に通っている。特に、かかる実施形態では、第１の共振器及び第２の共振器のそれぞれの第１のビーム経路と第２のビーム経路とは、同一の機械的又は熱的影響を受ける。

同時に、２つの共振器が可能な限り互いに独立し、そして、パルスが増幅手段において特に互いに影響を及ぼさないように、２つの共振器は、互いに垂直な線形偏波状態を支持するように設計されている。一実施形態では、互いに垂直なかかる偏波状態は、増幅手段においてモード競合が少なくとも低減される。

本出願が意味する範囲での電磁パルスは、電磁スペクトル全体に由来するパルスであってもよいが、好ましくは、可視又は赤外線スペクトル範囲に由来してもよい。特に、１３１０ｎｍ付近又は１５５０ｎｍ付近の波長を有する電磁パルス、すなわちファイバレーザー用の光学構成要素が商業的に入手可能である遠隔通信ウインドウ内の電磁パルスが、有用であることが判明した。

本発明が意味する範囲で、短パルスレーザーシステム又は短電磁パルスに言及するとき、これは、特に、５００フェムト秒未満、好ましくは２００フェムト秒未満、特に好ましくは１００フェムト秒未満の継続時間を有するパルスを意味する。

更に、短パルスレーザーシステム自体は、２つの共振器の光共振器長が、互いに対して変えられてもよいように装備され、それにより、２つの共振器によって放出されるパルスの間の時間オフセットが調整されてもよい。

本発明に従うと、第１の共振器の第１のビーム経路の経路長と第２の共振器の第２のビーム経路の経路長との相対的変更は、光路長同士の間の差の変更に基づいている。

このため、短パルスレーザーシステムは、第１の及び第２の複屈折材料部分を有し、両者は、それらは、第１の複屈折材料部分内での第１のビーム経路の光路長と第２の複屈折材料部分内での第１のビーム経路の光路長との合計が、第１の複屈折材料部分内での第２のビーム経路の光路長と第２の複屈折材料部分内での第２のビーム経路の光路長との合計に等しい状態を有するように設計及び構成されている。

２つの複屈折材料部分の外側の２つの共振器が、それぞれの偏波を有する電磁放射のための同一の光路長を同じように有するならば、ゼロ状態とも呼ばれ得る共振器のこの状態において、第１のビーム経路の光路長と第２のビーム経路の光路長とは、同一である。両方の共振器は、それで、同一の繰返し又は反復周波数の電磁パルスがそれらの中で生成される。

第１及び第２の複屈折材料部分は、また、第１の複屈折材料部分内での第１のビーム経路の光路長と第２の複屈折材料部分内での第１のビーム経路の光路長との合計が、第１の複屈折材料部分内での第２のビーム経路の光路長と第２の複屈折材料部分内での第２のビーム経路の光路長との合計に等しいという状態に加えて、両者が、また、このことが正確には事実ではないような状態を有するか、又はその状態に導かれるように設計及び構成されることが一般に理解される。

２つの共振器の間の光路長の差を変更することによって、２つの共振器のパルスの繰返し周波数の間の差が変えられる。共振器内での光路長同士の間の差を変動させる間に、第１の共振器からのパルスの相対位相位置もまた、第２の共振器からのパルスに対してシフトする。２つの共振器の光路長の間の差の変更に起因した位相位置の変更が、試料に到着するパルス同士の間の時間オフセットの変動として試料において観察可能である。

本発明の一実施形態では、第１及び／又は第２の複屈折材料部分は、光共振器長同士の間の差が変えられるときに、ゼロ状態を横断させられるように正確に設計及び構成される。言い換えると、この実施形態では、第１及び／又は第２の複屈折材料部分は、光路長同士の差が変動させられるとき、第１の共振器は、最初に第２の共振器よりも小さい光路長を有し、次に両方の共振器は、同一の光学的長さを有し、その後に第１の共振器は、第２の共振器よりも大きい光学的長さを有するように設計されている。

本発明の一実施形態では、第１の複屈折材料部分と第２の複屈折材料部分とは、それぞれ速軸及び遅軸を有するが、第１の複屈折材料部分の速軸が、第２の複屈折材料部分の速軸と９０°の角度を形成する、すなわち、速軸が互いに垂直であるように互いに対して回転している。

本発明の一実施形態では、第１の偏波状態は、第１又は第２の複屈折材料部分の速軸に平行である。

一実施形態では、第１の複屈折材料部分及び／又は第２の複屈折材料部分の幾何学長が前述のゼロ状態と比較して変更される場合、互いに垂直な偏波を有する２つのビーム経路は、これらの材料部分の複屈折特性に起因してそれらの光路長の差を有する。

一実施形態では、共振器内での第１の複屈折材料部分及び／又は第２の複屈折材料部分は、そのため、それ自体の幾何学長が、調節可能な態様で変えられてもよいように設計されている。

複屈折を有する媒体の幾何学長の変更に起因した光路長同士の間の差に変更があるならば、光路長差の変更は、幾何学経路長変更と比較して「低減される」、すなわち、感度が低下させられる。延伸が、そのとき、現状技術から公知である様な、ビーム経路のうちの１つだけでの経路長変更の場合と異なり、もはやナノメートルスケールではなく、マイクロメートルスケールで達成される。

一実施形態では、第１及び／又は第２の複屈折材料部分は、幾何学長での差が変更されるときに、第１の材料部分が、最初に第２の材料部分よりも小さい幾何学長を有し、次に両方の材料部分が同一の幾何学長を有し、その後に第１の材料部分は、第２の材料部分よりも大きい幾何学長を有するように設計されている。

一実施形態では、例えば、このことは、第１の材料部分を選択することによって実装されてもよく、それにより、最初に、すなわち、延長されていないときに、第１の材料部分は、第２の材料部分よりも短い幾何学長を有し、このとき、第１の材料部分は、延伸によって第２の材料部分と同じ幾何学長にされ得るように、及びこれを越えて第２の材料部分の幾何学長よりも大きい幾何学長まで延伸され得るように延長可能である。

代替の実施形態では、両方の複屈折材料部分の幾何学長は、調節可能な態様で変えられてもよい。一実施形態では、両方の材料部分の幾何学長は、延長可能であり、このとき、初期状態において、すなわち、２つの材料部分のうちの１つが延長されていない状態において、両方の材料部分は、同一の幾何学長を有し、ゼロ状態にある。

本発明の一実施形態では、短パルスレーザーシステムは、第１及び／又は第２の複屈折材料部分の幾何学長を変更するための装置を有する。かかる装置は、例えば、第１及び／又は第２の複屈折材料部分を冷却又は加熱して、熱的長さ変更を達成する焼戻し装置であってもよい。

代替の実施形態では、第１及び／又は第２の複屈折材料部分の幾何学長を変更するための装置は、材料部分に圧縮又は引張力を及ぼすことにより、材料部分がそれ自体の幾何学長を変更する機械装置である。

本発明の更なる実施形態では、短パルスレーザーシステムは、第１のビーム経路の光路長と第２のビーム経路の光路長との間の差を変更するための装置であって、第１及び／又は第２のビーム経路の幾何学経路長の変更によらずに機能する装置を有する。このために、この装置は、第１及び／又は第２の複屈折材料部分の屈折率に直接作用して、速軸の屈折率と遅軸の屈折率との間の差を変更する。複屈折材料部分の屈折率同士の間の差のかかる変更は、例えば、伝搬方向から外れている方向に、特に複屈折ファイバ内の複屈折材料部分を圧搾することによって、又は複屈折材料部分を曲げることによって達成されてもよい。

本発明の一実施形態では、第１の複屈折材料部分及び第２の複屈折材料部分は、偏波保持光導波管である。

本出願の意味する範囲での光導波管とは、特に光ファイバ導波管を指し、好ましくはガラス製のものである。これらは、以下では、略して光ファイバと呼ばれる。

第１の複屈折材料部分及び／又は第２の複屈折材料部分の偏波保持光導波管の長さを変えるために１つの可能なものは、例えば、偏波保持光導波管を延伸する機械装置である。かかる装置は、典型的には、偏波保持光導波管の数回の巻きが巻き付けられた装置を有し、このとき、装置は、１つ又は複数の方向に巻きを自動的に延長することを可能にする。

偏波保持光導波管は、一実施形態では、偏波保持光ファイバとして実装される。偏波保持光ファイバは、線形偏光の偏波が、ファイバを通る電磁波の伝搬中に保存される、光ファイバである。したがって、別の偏波モードへの光パワーの損失がない。かかるファイバは、複屈折ファイバとも呼ばれる。

偏波保持光ファイバの作動原理は、典型的には、断面内の偏波保持ファイバのコアが、
等方性ではなく、むしろ顕著な応力軸を有するという事実に基づいている。この応力軸に平行な、又はこの応力軸に垂直な線形偏波を有する電磁放射がファイバの中に結合されるならば、この電磁放射は、ファイバ内を伝搬する間、それ自体の線形偏波状態を保持する。

かかる非等方性コアは、特に、ファイバのクラッドが、目標の態様で非回転対称に構成され、したがって、断面内のコアの等方性をもたらす引張又は圧縮応力がコアに作用させられるように実装されてもよい。偏波保持光ファイバの例は、いわゆるＰＡＮＤＡファイバ、ボウタイファイバ、及び楕円クラッドファイバである。

かかる偏波保持ファイバにおいては、互いに垂直に線形偏波された短パルスレーザーシステムの第１及び第２の共振器の２つのモードが、互いに独立して伝搬してもよい。

本出願の意味する範囲で、第１及び第２の共振器に言及するとき、これは、これらの２つの共振器が、互いに完全に共線的である、すなわち、互いから空間的に分離され得ないビーム経路を有するような実施形態を特に含む。しかし、２つの共振器は、それらが支持する電磁放射の偏波によって異なる。２つの共振器内の線形偏波状態が互いに垂直であるので、２つの共振器は、偏波によって規定されたこれらの２つのチャネルの間にクロストークがないという意味で、互いから独立している。そのため、完全に共線的な配列は、また、本出願の意味する範囲の２つの共振器を有する。

本発明の一実施形態では、能動又は受動モードカプラが、第１及び第２の共振器の第１及び第２のビーム経路内に提供されている。受動モードカプラの例は、可飽和吸収体である。かかる可飽和吸収体は、特に線形ファイバレーザーに対して適しており、このとき、可飽和吸収体は、高反射性ミラーの部分を形成する。

一実施形態において、短パルスレーザーシステムは、ファイバレーザーである。増幅手段が、ファイバレーザー内の光ファイバ自体によって形成される。

１つには、かかるファイバレーザーは、それ自体の構成要素が、光学遠距離通信技術の分野で普及しているので、市販されているという有利さを有する。また１つには、それでも、互いに直交する２つの共振器の２つの偏波状態が、光ファイバ内で容易に誘導されてもよく、それとともに、かかるファイバレーザーは、互いに直交する偏波状態によって形成された２つのチャネルの間にクロストークが生じることなく実装される。

本発明の一実施形態では、第１及び第２のビーム経路内にあるファイバ増幅器が、ビーム方向に、短パルスレーザーシステムの第１及び／又は第２の共振器の出力の後方に提供され、このとき、ファイバレーザーの出力は、好ましくはファイバ増幅器に接続される。このようにして、少なくとも短パルスレーザーシステムの共振器のうちの１つ内で生成された電磁パルスは、ブーストされ、したがって、それらのパワーが、実験を効果的に実行すること、又はテラヘルツ分光器を作動させることを可能にするレベルまで上昇させられる。

この場合、第１の共振器及び第２の共振器のパルスは、また、ファイバ増幅器内で空間的に重複しながら又は共線的に伝搬し、そして、それらの直交偏波状態のため、互いから独立してブーストされることが可能である。しかし、共振器のうちの１つに由来するパルスだけがブーストされる実施形態も、また考えられ得る。例えば、第１の共振器内で生成されたパルス、及びテラヘルツ周波数範囲内の電磁放射のための発生器まで導かれるパルスがブーストされる一方で、第２の共振器内で生成されたパルス及びテラヘルツ周波数範囲内の電磁放射のための検出器まで導かれるパルスがブーストされないならば、テラヘルツ時間領域分光器にとって好都合であり得る。

本発明の一実施形態では、偏波ビームスプリッタが、短パルスレーザーシステム後方、又はファイバ増幅器後方に提供され、それにより、２つの空間的に分離されたビーム経路が提供される。この場所、すなわち、短パルスレーザーシステムの出力後方、又はファイバ増幅器の出力後方において、偏波ビームスプリッタは、短パルスレーザーシステム内部、又は増幅器内部で、互いに垂直な２つの偏波状態を共線的な第１及び第２の共振器の第１及び第２のビーム経路に互いから空間的に分離するのに役立ち、それにより、一方のパルスが物理システムを励起するために使用されてもよく、他方のパルスが物理システムをプローブするために使用されてもよい。

更に、上記目的のうちの少なくとも１つが、また、上記で説明したような短パルスレーザーシステムによって配列された光ポンプ／プローブによって達成される。

本発明の一実施形態では、光ポンプ／プローブ配列は、第１の共振器内で生成されたパルスが物理システムまで導かれてこれを励起し、第２の共振器内で生成されたパルスが、物理システムまで導かれてこれをプローブするように構成されている。

本発明の一実施形態では、かかる光ポンプ／プローブ配列は、テラヘルツ時間領域分光器であって、この分光器は、第１の共振器内で生成されたパルスがテラヘルツ周波数範囲内の電磁放射ための発生器まで導かれ、第２の共振器内で生成されたパルスがテラヘルツ周波数範囲内の電磁放射のための検出器まで導かれるように構成されている。

テラヘルツ周波数範囲内の電磁放射のためのかかる発生器及び検出器は、光パルスによって作動されるか、又はゲートで制御されるものであり、特に非線形光学結晶、及び半導体構成要素に基づくいわゆる光導電性又は光導電スイッチである。

本発明の更なる利点、特徴、及び可能な用途は、それの実施形態についての以下の説明及び関連する図面に関連して明らかにされる。

図１ａ及び図１ｂは、線形共振器を有する、本発明に従う短パルスレーザーシステムの第１の実施形態についての略図である。 図２ａ乃至図２ｃは、偏波保持光ファイバの実施形態を示す。 リング共振器を有する、本発明に従う短パルスレーザーシステムの第２の実施形態の略図である。 リング共振器を有する、本発明に従う短パルスレーザーシステムの更なる実施形態の略図である。

図において、同一の要素は、同一の参照番号を与えられている。

図１、図３、及び図４に示す短パルスレーザーシステムは、１．５５μｍの波長で作動するように設計されている光ファイバに基づくファイバレーザーである。

使用される光ファイバは、コア４を有するいわゆる偏波保持ファイバ１、１’、1”であって、ファイバのクラッドについての特殊設計によって、コアに応力が１方向に向けられる態様で加えられる。このようにして、指定方向に平行又は垂直な線形偏波とともにこれらのファイバの中に結合された電磁放射は、ファイバを通って伝搬する間に、放射のうちの顕著な部分が１つの偏波状態から別の偏波状態へと移されることなく、伝搬する。言い換えると、かかる偏波保持ファイバ内では、互いに垂直な線形偏波状態によって形成された２つのチャネルの間にクロストークが存在しない。

図２ａ乃至図２ｃは、かかる偏波保持ファイバ１、１’、１”の例であって、図１、図３、及び図４に示すファイバレーザーシステムを構成するために代替的に使用されてもよいようなものを示す。図２ａは、いわゆるボウタイファイバ１を示し、このボウタイファイバにおいて、コア４と一緒になると断面図がボウタイに似ている２つの構造３が、ファイバクラッド２の中に導入されている。ファイバ１のクラッド２内の２つの構造３は、指定軸線を有する、クラッド２の中心に埋め込まれているコア４をもたらし、その中に、例えば線形偏波された電磁放射が偏波保持態様で結合されてもよい。

図２ｂは、かかる偏波保持光ファイバ１’の代替の実施形態を示し、それは、ＰＡＮＤＡファイバと呼ばれる。対応する応力をコア４に生じさせるために、図２ａに示すファイバ１のボウタイ構造３とほぼ同じ効果を有する２つのガラスストランド５が、光ファイバ１’のクラッド２内に通されている。

図２ｃは、偏波保持光ファイバ１”の第３の実施形態を示し、このファイバにおいて、クラッド２内部のコア４は、楕円構造６内に埋め込まれ、これが必要な異方応力をコア４に加える。かかる偏波保持光ファイバ１”は、楕円クラッドファイバとも呼ばれる。

図１、図３、及び図４に示す短パルスレーザーシステム１０、１０’、１０”の全てのファイバ構成要素を偏波保持ファイバ１として形成するために、短パルスレーザーシステム１０、１０’、１０”は、２つの完全に共線的なチャネル又は共振器を有し、これらは、互いに垂直な２つの線形偏波を支持する。これらの２つの共振器は、完全に共線的であるけれども、相互に分離されていることにより、可能な限り少ない相互の影響しか経験せず、そしてクロストークを全く経験しない。このことは、両方のチャネルが、単一システム内で互いに強く独立している共振器を形成することを意味する。特に、増幅手段１１内の２つのチャネルの間には、少なくとも低減されたモード競合が存在する。

増幅手段は、エルビウムドープファイバ部分１１によって形成されている。これが、光ポンプ１２を用いて励起されることにより、レーザー１０、１０’、１０”内で振動する放射についての必要な増幅を提供することができる。ポンプ放射１２が、波長分割多重ファイバカプラ１３を用いて増幅ファイバ部分１１に結合される。

レーザー１０、１０’、１０”の同一ファイバ内の第１及び第２の共振器の両偏波モードは、ファイバレーザー１０、１０’、１０”内部を共線的に伝搬するけれども、出力カプラ１４、２３後方の２つの偏波チャネルは、偏波ビームスプリッタ（図示せず）を用いて互いに空間的に分離されてもよい。

図１ａ及び図１ｂに示す線形ファイバレーザー１０、並びに図３及び図４に示すファイバレーザー１０’、１０”のリング共振器の両方における電磁放射は、完全に共線であるので、示している全ての実施形態では、第１及び第２の共振器の第１及び第２のビーム経路の幾何学的経路長は、正確に同一の長さである。それでも、光学的波長差を導入できるようにするために、全ての３つのレーザー１０、１０’、１０”は、２つの複屈折ファイバ部分１６、１７を有する。

全ての実施形態において、これらの２つのファイバ部分は、参照番号１６及び１７を与えられ、特に図１ｂに示す略図が本発明についての基本的考えの理解をより容易にするので、ここでは、図１ａ及び図１ｂに従う実施形態が最初に参照される。両方の偏波保持ファイバ部分１６、１７は、本出願の主旨において複屈折材料部分としてＰＡＮＤＡファイバによって実現される。しかし、それらを接続するスプライス１８でのファイバ部分は、図１ｂ、並びに図１ａ、図３、及び図４の挿入部に概略的に表されるように、それらの長手軸線周りに９０°だけ互いに回転している。

ファイバ部分１６内の線形偏波が、最初にファイバ１’の速軸に沿って伝搬する一方で、それは、速軸に対して９０°だけ回転した、ファイバ部分１７の遅軸に沿って伝搬する。１つのファイバ部分１６の幾何学長がここで変更されるならば、両方のチャネルに対して、幾何学長については同一の変更をもたらすけれども、ファイバ１’の複屈折特性に起因して光路長の間には差を生じさせる。しかし、光路長が共振器内でのパルスの繰返し周波数を決定するので、ファイバ部分１７に対するファイバ部分１６の延伸は、光路長同士の間の差の変更、したがって、２つの共振器内でのパルスの繰返し周波数の変更を生じさせる。

ファイバ部分１６の延伸を達成するために、このファイバ部分は、ファイバ延伸具１９を有する。このファイバ延伸具１９は、２つの支柱２０から構成され、それらの間隔が圧電性要素を用いて調整及び変更されてもよい。ファイバ部分１６のいくつかのファイバループが、２つの支柱２０の周りに置かれ、それにより、互いから離れる方への２つの支柱２０の移動が、ファイバ部分１６の顕著な長さ変更、したがって、２つの共振器の繰返し周波数の間の差の変更を生じさせる。

この場合、ファイバ部分１６、１７は、１つの状態において正確に同一の幾何学長を有し、したがって、２つの共振器又はチャネルにおける電磁放射の２つの線形偏波状態は、また、この状態において同一の光路長を有する。示している実施形態では、正確に同一の幾何学長の状態が、特に、ファイバ延伸具１９を用いたファイバ部分１６の延長がそれを達成するのに必要であるように選ばれる。ファイバ延伸具１９によるファイバ部分１６の延伸中に、ファイバ部分１６は、そのため、ファイバ部分１６がファイバ部分１７よりも短い幾何学長を有する状態から、ファイバ部分１７と同じ幾何学長を有し、そして、それを越えてファイバ部分１７より大きな幾何学長を有するように延長される。言い換えると、第１の共振器の繰返し周波数は、最初は、第２の共振器のそれよりも大きく、ファイバ部分１６の延伸の過程において、第１の共振器の繰返し周波数が第２の共振器の繰返し周波数よりも小さくなる前には、２つの共振器の繰返し周波数は互いに等しい。

繰返し周波数のこの変動は、２つの共振器由来のパルスの位相位置のシフト、したがって、第１の共振器由来のパルスと第２の共振器由来のパルスとの間の時間オフセットの変動をもたらす。

図１ａ及び図１ｂの共振器の線形設計において、共振器内で振動するレーザパルスのパワーの小さい部分が、出力ミラー１４によってファイバレーザー１０から外に結合される。パワーの大部分は、共振器内に残り、端部ミラー２１によって後ろに反射される。

この場合、端部ミラー２１は、また、可飽和吸収体として設計されているので、モードカプラとして作用する。可飽和吸収体２１は、受動的な光スイッチング要素として作用し、したがって、２つのレーザー共振器の受動的Ｑスイッチングとして機能する。可飽和吸収体は、強度依存の吸収係数を有する材料から構成される。示している実施形態では、可飽和吸収体２１は、半導体構成要素、すなわち、ＳＥＳＡＭ（半導体飽和性吸収体ミラー）であり、これは、可飽和吸収体及び端部ミラーの両方として作用する。可飽和吸収体は、共振器の境界条件をもたらし、これは、次に、レーザーが互いに位相結合されるモードを生成する効果を有する。

図３に示すリングレーザー１０’は、また、２つの偏波保持ファイバ部分１６、１７から構成され、これらは、２つのスプライス１８において互いに接続される。この場合でも、スプライス１８における２つのファイバ部分１６、１７の速軸は、９０°だけ互いに回転しており、それにより、ファイバ延伸具１９を用いた１つのファイバ部分１６の幾何学経路長の変更は、２つの共線的な共振器の間の光路長差を生じさせる。リングレーザー１０’が、２つの共線的な共振器のビーム経路内に光ダイオード２２を追加的に有することにより、共振器内での定常波の形成を防止する。リングレーザーから外への結合は、溶融ファイバカプラ２３を介して達成され、これが、リング共振器からのパワーの部分を結合する。可飽和吸収体２４は、リングレーザー１０’内でモードカプラとして機能する。

一方、図４に示すレーザー１０”は、リング構造を有する線形共振器構造を組み込む。
この場合も、２つの偏波保持ファイバ部分１６、１７は、スプライス１８において９０°だけ互いに回転したそれらの速軸によって互いに接続される。ファイバ部分１７は、２ｘ１溶融ファイバカプラ２５を用いてレーザー１０”の線形部分に接続される。リング２４内を伝搬するパワーがレーザーシステム１０”の線形部分の中に完全に戻ることを達成するために、非可逆要素２７が、リング２６内に提供される。

オリジナルな開示のために、本説明、図面、及びクレームから当業者に明らかにされるような全ての特徴は、たとえそれらが特定の更なる特徴との関連だけで具体的に説明されたとしても、これが明示的に排除されているか、又は技術的な状況がかかる組合せを不可能又は無意味にするのでなければ、個々に、及び本明細書で開示された特徴又は特徴の集まりのうちの別のものとの組合せで、組み合わされてもよいことが指摘される。全ての考え得る特徴の組合せについての包括的で明示的な表示は、ここでは、単に説明が簡潔で読み易いように省かれている。

本発明が、図面及び上記説明において詳細に表現及び説明されてきたけれども、この表現及び説明は、単に例としてなされ、そして、クレームによって規定されるような保護の範囲を限定することを意図されていない。本発明は、開示された実施形態に限定されない。

開示された実施形態についての修正は、図面、説明、及び添付の請求項から当業者には明らかである。クレームにおいて、「有する」という語は、別の要素又はステップを排除せず、そして、不定冠詞「ａ」又は「ａｎ」は、複数を排除しない。特定の特徴が異なるクレームにおいてクレームされているという単なる事実は、それらの組合せを排除するものではない。クレームにおける参照番号は、保護の範囲を限定することを意図していない。

１ 偏波保持ファイバ
１’ 偏波保持ファイバ
１” 偏波保持ファイバ
２ クラッド
３ 構造
４ コア
５ ガラスストランド
６ 楕円構造
１０ 短パルスレーザーシステム
１０’ 短パルスレーザーシステム
１０” 短パルスレーザーシステム
１１ 増幅手段
１２ ポンプ放射を案内するファイバ部分
１３ 波長分割多重ファイバカプラ
１４ 出力カプラ
１６ ファイバ部分
１７ ファイバ部分
１８ スプライス
１９ ファイバ延伸具
２０ 支柱
２１ 端部ミラー
２２ ダイオード
２３ 出力カプラ
２４ 可飽和吸収体
２５ ２ｘ１溶融カプラ
２６ リング
２７ 不可逆要素

Claims (12)

1. 第１のビーム経路を有する第１の共振器と、
   第２のビーム経路を有する第２の共振器と、
   増幅手段(１１)と、
   によって電磁パルスを生成するための短パルスレーザーシステム（１０、１０’、１０”）であって、
   前記増幅手段(１１)は、前記短パルスレーザーシステム（１０、１０’、１０”）の作動中に前記第１の共振器内の電磁パルスを増幅させるように前記第１のビーム経路内、及び前記短パルスレーザーシステム（１０、１０’、１０”）の作動中に前記第２の共振器内の電磁パルスを増幅させるように前記第２のビーム経路内の両方に配列されており、
   前記第１のビーム経路と前記第２のビーム経路とは、前記増幅手段(１１)内で少なくとも部分において空間的に重なっており、
   前記第１の共振器は、前記電磁パルスの１つの第１の線形偏波状態を正確に支持するように構成され、前記第２の共振器は、前記電磁パルスの１つの第２の線形偏波状態を正確に支持するように構成され、前記第１の偏波状態と前記第２の偏波状態とは、互いに垂直である、短パルスレーザーシステム（１０、１０’、１０”）において、
   前記短パルスレーザーシステム（１０、１０’、１０”）は、第１の複屈折材料部分(１６)及び第２の複屈折材料部分(１７)を有し、前記第１のビーム経路と前記第２のビーム経路とは、前記第１の複屈折材料部分(１６)内及び前記第２の複屈折材料部分(１７)内を共線的に通っており、
   前記第１の複屈折材料部分(１６)及び前記第２の複屈折材料部分(１７)は、前記第１の複屈折材料部分(１６)及び前記第２の複屈折材料部分(１７)の１つの状態において、前記第１の複屈折材料部分(１６)内での前記第１のビーム経路の光路長と前記第２の複屈折材料部分(１７)内での前記第１のビーム経路の光路長との合計が、前記第１の複屈折材料部分(１６)内での前記第２のビーム経路の光路長と前記第２の複屈折材料部分(１７)内での前記第２のビーム経路の光路長との合計に等しいように設計及び構成されており、
   前記第１の複屈折材料部分(１６)又は前記第２の複屈折材料部分(１７)は、前記第１の複屈折材料部分(１６)内での前記第１のビーム経路の光路長と前記第２の複屈折材料部分(１７)内での前記第１のビーム経路の光路長との合計と、前記第１の複屈折材料部分(１６)内での前記第２のビーム経路の光路長と前記第２の複屈折材料部分(１７)内での前記第２のビーム経路の光路長との合計との間の差が、調節可能な態様で変えられ得るように設計されていることを特徴とする、短パルスレーザーシステム（１０、１０’、１０”）。
2. 前記第１のビーム経路と前記第２のビーム経路とは、前記第１及び前記第２の共振器の全長にわたって共線的であることを特徴とする、請求項１に記載の短パルスレーザーシステム（１０、１０’、１０”）。
3. 前記第１の複屈折材料部分(１６)及び前記第２の複屈折材料部分(１７)は、それぞれ、速軸及び遅軸を有し、前記第１の複屈折材料部分(１６)の前記速軸は、前記第２の複屈折材料部分(１７)の前記速軸に対して９０°だけ回転していることを特徴とする、請求項１又は２に記載の短パルスレーザーシステム（１０、１０’、１０”）。
4. 前記第１の偏波状態は、前記第１又は前記第２の複屈折材料部分（１６、１７）の前記速軸に平行であることを特徴とする、請求項１乃至３のいずれかに記載の短パルスレーザーシステム（１０、１０’、１０”）。
5. 前記短パルスレーザーシステム（１０、１０’、１０”）は、前記第１及び／又は前記第２の複屈折材料部分の幾何学長(１９)を変更するための装置、並びに／或いは、前記第１及び／又は前記第２の複屈折材料部分の第１の屈折率と第２の屈折率との間の差を変更するための装置を有することを特徴とする、請求項１乃至４のいずれかに記載の短パルスレーザーシステム（１０、１０’、１０”）。
6. 前記第１の複屈折材料部分(１６)及び前記第２の複屈折材料部分(１７)は、偏波保持光ファイバ（１、１’、１”）であることを特徴とする、請求項１乃至５のいずれかに記載の短パルスレーザーシステム（１０、１０’、１０”）。
7. 前記短パルスレーザーシステム（１０、１０’、１０”）は、前記第１の複屈折材料部分(１６)又は前記第２の複屈折材料部分(１７)を機械的に延伸又は圧縮するための装置（１９）を有することを特徴とする、請求項１乃至６のいずれかに記載の短パルスレーザーシステム（１０、１０’、１０”）。
8. 前記短パルスレーザーシステム（１０、１０’、１０”）は、ファイバレーザー、好ましくは、線形ファイバレーザー又はリングファイバレーザーであることを特徴とする、請求項１乃至７のいずれかに記載の短パルスレーザーシステム（１０、１０’、１０”）。
9. 前記短パルスレーザーシステム（１０、１０’、１０”）は、モードカプラ、特に、可飽和吸収体（２１、２４）を有することを特徴とする、請求項１乃至８のいずれかに記載の短パルスレーザーシステム（１０、１０’、１０”）。
10. 請求項１乃至９のいずれかに記載の短パルスレーザーシステム（１０、１０’、１０”）を有する光ポンプ／プローブ配列。
11. 前記光ポンプ／プローブ配列は、前記第１の共振器内で生成されたパルスが、物理システムまで導かれてこれを励起し、前記第２の共振器内で生成されたパルスが、前記物理システムまで導かれてこれをプローブするように構成されていることを特徴とする、請求項１０に記載の光ポンプ／プローブ配列。
12. 前記光ポンプ／プローブ配列は、前記第１の共振器内で生成されたパルスが、テラヘルツ周波数範囲内の電磁放射のための発生器まで導かれ、前記第２の共振器内で生成されたパルスが、前記テラヘルツ周波数範囲内の電磁放射のための検出器まで導かれるように構成されていることを特徴とする、請求項１０又は１１に記載の光ポンプ／プローブ配列。

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