JP2020514785A - 広帯域光源装置及び広帯域光パルスを生成する方法 - Google Patents

Abstract

広帯域光パルス（１）を生成するための広帯域光源装置（１００）は、充填ガスを含みポンプレーザパルス（２）の光学非線形拡張によって広帯域光パルス（１）を生成するように配置された非バンドギャップ型の中空コアファイバ（１０）であって、導波光フィールドのコアモードをサポートする軸方向の中空導光ファイバコア（１１）と、このファイバコア（１１）を包囲し導波光フィールドの横壁モードをサポートする内部ファイバ構造（１２）とを有する中空コアファイバ（１０）と、中空コアファイバ（１０）の入力側（１３）でポンプレーザパルス（２）を生成及び提供するように配置されたポンプレーザ源装置（２０）と、を備えており、横壁モードは基本横壁モードと２次以上の横壁モードとを含み、広帯域光パルス（１）は、ファイバ長さ、ファイバコア直径、ポンプレーザパルス（２）の少なくとも１つのポンプパルスパラメータ及び／又はビームパラメータ、並びに充填ガスの少なくとも１つのガスパラメータによって決定されるコアモードスペクトルを有し、中空コアファイバ（１０）の内部ファイバ構造（１２）は、少なくとも２次以上の横壁モードとコアモードスペクトルとが互いに対してスペクトル変位を有するように構成される。また、広帯域光パルスの生成方法が説明される。【選択図】図１

Description

本発明は広帯域光パルスを生成するための広帯域光源装置に係り、特に、超短レーザパルスによってポンピングされる非バンドギャップ型のガス充填中空コアフォトニック結晶ファイバ（ＨＣ−ＡＲＦ）を含む広帯域光源装置に関する。また、本発明は広帯域光パルスを生成する方法に係り、これは特に、超短ポンプレーザパルスをＨＣ−ＡＲＦ内に結合してファイバ内でのポンプレーザパルスの光学非線形拡張により超短ポンプレーザパルスを生成することによって行われる。更に、本発明は、ファイバ内の充填ガス中での超短ポンプレーザパルスの光学非線形拡張によって広帯域光パルスを生成するように構成された中空コアフォトニック結晶ファイバに係る。本発明の適用は、特に紫外（ＵＶ）光ベースのメトロロジ、例えば半導体メトロロジ、及び検査において利用可能である。

本明細書においては、本発明の技術的背景を示す以下の従来技術が参照される。
［１］P. St. J. Russell et al., "Nature Photonics" 8, 278-286 (2014)
［２］米国特許第9160137号明細書
［３］F. Tani et al., "PRL" 111, 033902 (2013)
［４］F. Belli et al., "Optica" 2, 292-300 (2015)
［５］N. M. Litchinitser et al., "Opt. Lett." 27, 1592-1594 (2002)
［６］F. Gebert et al., "Opt. Exp." 22, 15388-15396 (2014)
［７］P. Uebel et al., "Opt. Lett." 41, 1961-1964 (2016)
［８］J. C. Travers et al., "J. Opt. Am." B 28 (2011), A11-A26

光学半導体メトロロジ又は材料検査システムは、典型的には真空又は深紫外（ＵＶ）から近赤外（ＩＲ）の広帯域放射を放出する明るい光源に依存することが一般に知られている。光源アーキテクチャは、ガス放電効果、すなわちイオン化ガス（プラズマ）中での放電の発生に基づいていることが多い。こうした光源の欠点は、放電アークの体積における非常に多数の光学モードに起因する、それらの光源に固有の空間的インコヒーレンスであろう。メトロロジ用途には明確に定義された照明経路が必要とされるが、これは比較的複雑な光学部品を要求するものであり、試料のアクセスを難しくする。また、回折限界スポットへの合焦には空間フィルタリングが必要であるが、その結果、スペクトルパワーの大部分が失われる。

代替案として、異なる波長の複数のレーザ又は白色光レーザ源が提案されている。後者の場合には、中空コア光ファイバ内の充填ガスを光学的にポンピングすることによって、深ＵＶから近ＩＲにわたる範囲内の広帯域パルス放射が生成される。超短ポンプレーザパルスから広帯域ファイバ出力へのスペクトル変換は、非線形プロセス、特に変調不安定性、ソリトン分裂、及び分散波生成の結果である（［１］、［２］、［３］、及び［４］を参照）。

中空コア光ファイバは、一般的には、物理的な誘導機構に応じて２種類に分類される。すなわち、中空コアフォトニックバンドギャップファイバ（ＨＣ−ＰＢＦ）、及び中空コア反共振反射ファイバ（ＨＣ−ＡＲＦ、非バンドギャップ型のファイバ）である。白色光レーザ源は、広帯域パルス放射を誘導するのに十分な広帯域透過窓（transmission window）を有するＨＣ−ＡＲＦの使用を必要とする。

図６及び７（従来技術であり、新たな周波数の生成は考慮していない）に示される、ＨＣ−ＡＲＦ、特にカゴメ型又は単一リング型のＨＣ−ＡＲＦにおける導光機構は、主に中空の中央コアを包囲する壁からの光の反共振反射に基づいている（例えば［５］を参照）。この二次元閉じ込めは横コアモードの形成につながり、反共振は比較的広帯域の導波窓（guiding window）を可能にする。

図６Ａは、［６］に記載されたカゴメ型のＨＣ−ＡＲＦの断面図を示しており、同文献では、コアモードの導波及び壁内を導かれる光の壁モードの生成が、約１９０ｎｍから２９５ｎｍのコア壁厚の範囲について調べられている。あるいは、［７］には図６Ｂに示されるような単一リング型のＨＣ−ＡＲＦが記載されており、同文献では、ファイバ伝送に対する単一リングの直径、内側コアの直径、及び壁厚ｔの影響が調べられている。

前述のＨＣ−ＡＲＦの結果の欠点は、図７及び３Ａ（曲線Ａ２）に例示的に示される、ＨＣ−ＡＲＦの伝送に対するコアモード及び壁モードの共振の影響に見られる。例えば、壁厚ｔ＝０．４４μｍの６０ｃｍの一片の単一リングファイバを介した伝送は、第１のコア壁共振（ｍ＝１、０．９２μｍのとき）及び第２のコア壁共振（ｍ＝２、０．４６μｍのとき）を示し、これらはファイバ伝送スペクトラムにおいて伝送ディップとして視認できる。

更なる欠点として、［６］ではＨＣ−ＡＲＦを介した狭帯域ＵＶ光（例えば２８０ｎｍの単一波長）の伝送が調べられており、数時間の動作の直後に（図３Ｂ（曲線Ｂ２）に示されるのと同様に）伝送劣化が発生し得ることがわかっている。［６］では、伝送損失は、製造に伴って生じるコアを包囲する壁の厚さの変動に起因し得ることが示唆されている。また、連続波光フィールドの伝送劣化は、約１９０ｎｍから約２９０ｎｍの範囲内の特定の壁厚が提供されて厚さの変動が回避されれば、抑えられることが示唆されている。

更に、伝送劣化は［６］においてはコア壁共振の結果であるとされており、コアモードが壁モードに位相整合する場合の波長は、次の式によって近似できる。

ただし、ｎ_ｍはモード指数（充填ガスの屈折率、約１）、ｎ_ｇはファイバ材料の屈折率、ｈ_ｃｗは単一リングの厚さであり、正の整数ｑはファイバ壁によってサポートされる横共振次数を定義する。［６］では、導かれる光の狭帯域波長を選択することによって伝送劣化が回避され得ることがわかっている。

例えば［１］又は［８］に従って、白色光の発生にＨＣ−ＡＲＦを適用すること、並びにポンプパルス及びビームパラメータ、ファイバ構造、充填ガスの種類及び圧力を適切に調整することによって、特にＵＶ域（典型的には３５０ｎｍを下回る波長）の広帯域出力パルス信号が生成され、ファイバ端へと導かれ得る。しかしながら、上述したＨＣ−ＡＲＦにおける伝送劣化により、ＵＶ生成のためのファイバの適用は制限され得る。

本発明の目的は、従来技術の欠点を回避又は低減することが可能な、改良された広帯域光源装置及び改良された広帯域光パルスの生成方法を提供することである。特に、効率が改善され、ファイバにおける伝送損失が低減され、及び／又は動作の長期安定性が高められた広帯域光が生成されるべきである。

これらの目的は、独立請求項に記載の特徴を備える広帯域光源装置、広帯域光パルスを生成する方法、又は中空コアファイバによって、それぞれ解決される。本発明の好適な実施形態及び適用は従属請求項において定義される。

本発明の第１の一般的態様によれば、上記の目的は、非バンドギャップ型の中空コアファイバ（中空コア反共振反射ファイバ）とポンプレーザ源装置とを備える、広帯域光パルスを生成するための広帯域光源装置によって解決される。

中空コアファイバは、充填ガスを収容するように、且つポンプレーザパルスの光学非線形拡張によって広帯域光パルスを生成するように適合された、任意の種類の非バンドギャップ中空導光ファイバ（ＨＣ−ＡＲＦ）である。中空コアファイバは、充填ガス、例えばＡｒ，Ｎｅ，Ｈｅ，Ｋｒ，Ｘｅのような希ガス、Ｈ_２，Ｄ_２，Ｎ_２のようなラマン活性ガス、又はガス混合物を含む中空導光ファイバコアと、内部ファイバ構造とを有する。中空導光ファイバコアは、導波光フィールドのコアモードをサポートする。内部ファイバ構造は、中空コアファイバの縦方向の延在に沿って延びファイバコアを包囲する内壁を有しており、導波光フィールド（guided light field）の横壁モードをサポートする。横壁モードは、基本横壁モードと、２次以上の横壁モードとを含む。ポンプレーザ源装置は、中空コアファイバの入力側で超短ポンプレーザパルス（１ピコ秒未満の持続時間を有するポンプレーザパルス）の周期シーケンスを生成及び提供するために配置される。

好適には、ポンプレーザ源装置は、例えば１００Ｈｚを上回る高い反復率のサブピコ秒パルスを提供するように適合されている。ポンプレーザ源装置の反復率は、ポンプ源の選択に応じて決まる。例えば、Ｔｉ：サファイアベースのポンプ源は典型的には１ｋＨｚで動作するが、ファイバベースのポンプ源はシングルショットから数十ＭＨｚで動作可能である。

ファイバにおいて生成される光パルスのシーケンスは、ファイバ長さ、ファイバコア直径、ポンプレーザパルスの少なくとも１つのポンプパルスパラメータ及び／又はビームパラメータ、並びに充填ガスの少なくとも１つのガスパラメータによって決定されるコアモードスペクトルを有する。特に、コアモードスペクトルによってカバーされるスペクトル範囲は、ファイバ長さ及びファイバコア直径によって決定される。ポンプパルスパラメータは、例えば、パルス長、パルスエネルギ、パルス形状、及びパルススペクトルのうち少なくとも１つを含む。ビームパラメータは、例えば、ポンプレーザパルスのシーケンスによって提供されるレーザビーム（光フィールド）のモード形状、ポインティング、及び安定性のうち少なくとも１つを含む。

本発明によれば、中空コアファイバの内部ファイバ構造は、横壁モードの少なくとも２次以上の横壁モードとコアモードスペクトルとが互いに対してスペクトル変位を有するように構成される。換言すれば、中空コアファイバの内部ファイバ構造を設計することによって、少なくとも２次以上の共振位置は、コアモードで閉じ込められた生成された光へスペクトル変位される。したがって、少なくとも２次以上の横壁モードとコアモードスペクトルによってカバーされるスペクトル範囲との間には、スペクトルギャップがある。横壁モードはコアモードのスペクトル分布と重複しない。

本発明の第２の一般的態様によれば、上記の目的は、広帯域光パルスを生成する方法によって解決され、ここで、ポンプレーザパルスは充填ガスを含む非バンドギャップ型の中空コアファイバ内に導かれ、広帯域光パルスは中空コアファイバ内でのポンプレーザパルスの光学非線形拡張によって生成される。中空コアファイバは横壁モード及びコアモードスペクトルをサポートし、コアモードスペクトルは、ファイバ長さ、ファイバコア直径、ポンプレーザパルスの少なくとも１つのポンプパルスパラメータ及び／又はビームパラメータ、並びに充填ガスの少なくとも１つのガスパラメータによって決定される。

本発明によれば、中空コアファイバの少なくとも２次以上の横壁モードは、中空コアファイバのコアモードスペクトルに対してスペクトル変位される。したがって、コアモードスペクトルに対する壁モードのスペクトル変位を提供するように設計されたＨＣ−ＡＲＦが用いられる。好適には、広帯域光レーザパルスは、本発明の第１の一般的態様による広帯域光源装置を用いて生成される。

有利なことには、本発明による広帯域光源装置及び方法は、広帯域の高輝度放射を合成することができる。特に、放出されるファイバ出力（広帯域光パルス、ＵＶ−ＩＲパルスとも称される）は、少なくともＵＶ波長範囲の一部をカバーするスペクトルを有する。好適には、放出されるスペクトルは、深紫外（ＵＶ）、例えば２５０ｎｍから近赤外（ＩＲ）、例えば１１００ｎｍの範囲に含まれる。放出されるスペクトルには、コアモードと壁モードとの共振によって決定されるスペクトル特徴がない。また、「広帯域光源装置」という用語は、この放出されるスペクトルに含まれるパルス状の出力を生成するように適合されたシステムを指す。広帯域光源装置は、卓上装置として構成されることが可能であり、例えば光学メトロロジ（特に半導体用途）、分光学、又は生命科学において適用されるツールとして使用され得る。本発明は、従来のシリカコア、ファイバベースのスーパーコンティニュームシステムと比較され得る広帯域光生成性能を提供するが、放出されるスペクトルを深ＵＶまで延ばす。従来の広帯域ランプと比べ、放出されるビームは空間的にコヒーレントであってスペクトル輝度の劇的な増大をもたらし、ファイバ出力は優れたビームポインティング安定性をもたらす。

特に、本発明は、発明者による以下の考慮に基づいている。第一に、コアモードと壁モードとがファイバ内で等しいか又は類似の伝搬パラメータを有する共振位置においては、ＵＶ放射はファイバコアから強く漏出していて、ファイバ端に到達する前に強く減衰される。したがって、強力なＵＶ信号をエンドユーザに提供するためには、共振と、比較的限られたコアモードと比較しての横磁場分布の増大とが回避されるべきである。第二に、広帯域光のＵＶ部が、内部ファイバ構造の一部であり典型的にはシリカからなる内壁と強く重複する場合、（ソラリゼーションに起因する）ファイバの段階的な劣化が起こりやすい。これは、壁内への漏出光を抑えることによって回避され得る。

よって、重要な利点としては、本発明によるコアモードと少なくとも２次以上の横壁モードとの分離によれば、コアモードから横壁モードへの光の共振結合が抑えられ、その結果、コアモードの閉じ込めの強化、全体的により平坦なスペクトルの生成、及びより長い寿命がもたらされる。

更に、ファイバの内部構造への光フィールド電力の漏出が低減される。発明者は、ファイバ壁材料の変更、特に吸光部の形成が、ファイバへの電力負荷を低減させることによって最小化され得るので、動作の長期安定性の向上が得られることを見出した。

したがって、紫外スペクトル範囲における広帯域光生成のための既存のＨＣ−ＡＲＦベースのスキームと比較して、本発明は、寿命を延長して紫外スペクトル領域の光の長期的且つ安定した生成を可能にするとともに、ファイバ劣化を強力に低減させる。また、生成されるスペクトルの範囲におけるファイバの共振を低減させた性質（resonance reduced nature）は、放出される広帯域信号のスペクトル平坦性を高めると同時に、均一な横モードプロファイルをもたらす。

以上の利点は、本発明によるコアモードと２次以上の横壁モードとの結合解除によって既に得られる。これは、発明者による以下の理論考察によるものである。基本共振は、高次共振よりも長い波長で発生する。その結果、多光子吸収が必要となるため、ソラリゼーションは発生しにくくなる。また、コアモードと基本壁モードとの間の重なり積分は、高次共振と比較して異なる。したがって、コアモードから壁モードへは、より少ないエネルギが伝達されるであろう。最後に、エネルギ伝達が発生するスペクトル帯域幅は異なり、コアモードに対する壁モードの実効屈折率の勾配差に依存する。基本共振については、勾配差はより浅く、潜在的により大きなスペクトル帯域幅をもたらす。

しかしながら、本発明の好適な一実施形態に従って、すべての横壁モードすなわち基本横壁モード及び２次以上の横壁モードとコアモードスペクトルとが互いに対してスペクトル変位を有するのであれば、コアモード及び壁モードの共振結合の完全な抑制が得られる。有利なことには、ファイバ構造は、第１のコア壁共振が、生成されるスペクトルの最も短い波長を下回るように、設計される。本発明に従って用いられるファイバ構造は、ＵＶにおける壁の材料、例えばガラスとのモードの重なりを最小化し、その結果ファイバの損傷を防止し、ひいてはシステムの寿命を更に延長する。

本発明の更なる好適な一実施形態によれば、中空コアファイバ、特にＨＣ−ＡＲＦの内部ファイバ構造をコアモードと壁モードとの結合解除のために設計することは、ファイバコアに対向する内部ファイバ構造のファイバ壁の壁厚を選択することによって得られる。壁厚は、少なくとも２次以上の横壁モード、好適にはすべての横壁モードがコアモードスペクトルと比較して短い波長にスペクトル的にシフトされるように、少なくともファイバの下流部に沿って、限界壁厚を下回るように選択される。有利なことには、壁厚はファイバパラメータであり、中空ファイバの製造時又は製造後に（例えばエッチングによって）容易に調整可能である。その驚くべき結果として、発明者は、中空コアが、ファイバの安定性又はファイバ内に導かれる光フィールド電力への感受性を損なうことなく、中空コアに隣接する十分に薄い壁厚の内部構造を備え得ることを見出した。

一例として、発明者による実用試験では、壁厚を例えば０．３２μｍ（従来の中空ファイバ）から約１２０ｎｍに減少させることで、伝送スペクトルにおける共振の数（コアモードと壁モードとの結合を表す）が、約０．２５μｍで３つから１つに減少可能であることが示されている。広帯域スペクトルの長波長部のこの残留共振によってでさえ、ファイバの動作継続時間の実質的な延長が得られ得る。

中空ファイバは、その長さに沿って、より厚い入力側から出力側に向かって限界壁厚未満の厚さへと変化する、壁厚の分布を有していてもよい。内部ファイバ構造のファイバ壁が、広帯域光パルスが生成され中空コアファイバを通じてその出力端へと伝送される中空コアファイバの縦方向部分においてのみ、限界壁厚未満の選択された壁厚を有する場合には、ファイバの上流部におけるファイバ安定性の点で、更なる利点が得られる。また、ポンプの閉じ込め損失を減少させるために、ファイバが入力側で比較的厚い壁を有していると、有利であろう。

本発明は、中空コアと中空コアに隣接する内部構造の規則配列とを含む任意の種類の前述の非バンドギャップ光子ファイバをもって実現可能である。好適には、内部ファイバ構造は、単一リング構造又はカゴメ構造を備えており、これらはその導光特性の延長調査を受けている。単一リング型又はカゴメ型のＨＣ−ＡＲＦによれば、ファイバコアに対向するファイバ壁は、好適には壁厚（ｔ）を有し、この壁厚は、

となるように選択される。ただし、λ_ｍｉｎはコアモードスペクトルの最短波長、ｎ_１は中空コアファイバの充填ガスの屈折率、ｎ_２は内部ファイバ構造の屈折率である。有利なことには、上記の方程式により、いくつかの既知のパラメータのみに依存して設定され得る限界壁厚が与えられる。

特に好適なことには、壁厚は、例えばガラス（シリカ）製の中空ファイバでは、７０ｎｍから３００ｎｍ、特に７０ｎｍから１５０ｎｍの範囲内で選択される。下限は、中空ファイバ及びその内部構造に十分な機構的安定性を提供することがわかっている。上限は、有利なことには、コアモードと壁モードとの共振の抑制を提供する。上限が１５０ｎｍであれば、すべての壁モードからのスペクトル分離が得られる。また、中空ファイバは、好適には、１７０ｎｍから２５０ｎｍの範囲内で最短波長λ_ｍｉｎを有するコアモードスペクトルをサポートするように適合されている。

本発明の更なる好適な一実施形態によれば、広帯域光源装置は更に、少なくとも１つのポンプパルスパラメータ及び／又はビームパラメータのうち少なくとも一方を調整するように適合された調整装置を含む。実用的な定型使用のためのシステムにおいては、ポンプレーザ源装置は、正しいパルスパラメータが設定されるように予め構成され得る。この場合、ビームパラメータの制御のみが提供される。有利なことには、調整装置は、例えば中空ファイバに注入されるポンプパルスのビームポインティング、すなわちファイバ中心に対するビーム中心を変更することができる。特に好適には、調整装置は更に、ガス圧及び／又はガスの種類など、任意選択的なガス供給装置から中空ファイバに供給される充填ガスの少なくとも１つのガスパラメータを調整するように適合された部分を含む。

本発明の別の好適な一実施形態によれば、広帯域光源装置は更に、中空コアファイバから出力される広帯域光パルスのコアモードスペクトルの少なくとも一部を監視するように適合された監視装置を含む。有利なことには、監視ステップは、生成される広帯域光パルスのオンラインでの測定及び試験を可能にする。特に好適には、監視装置及び調整装置を含む制御ループが提供される。制御ループは、横壁モード及びコアモードスペクトルのスペクトル変位が広帯域光パルスの生成の間維持されるように調整装置を制御するように適合されている。

本発明の第３の一般的態様によれば、上記の目的は、充填ガス中でのポンプレーザパルスの光学非線形拡張によって広帯域光パルスを生成するように適合された中空コアファイバ、特にＨＣ−ＡＲＦによって解決される。中空コアファイバは、充填ガスを充填された、広帯域光パルスの導波光フィールドのコアモードをサポートする軸方向の中空ファイバコアと、ファイバコアを包囲し、導波光フィールドの横壁モードをサポートする内部ファイバ構造と、を有する。横壁モードは、基本横壁モードと、２次以上の横壁モードとを含む。広帯域光パルスは、ポンプレーザパルスの少なくとも１つのポンプパルスパラメータと充填ガスの少なくとも１つのガスパラメータとによって決定されるコアモードスペクトルを有する。本発明によれば、中空コアファイバの内部ファイバ構造は、少なくとも２次以上の横壁モードとコアモードスペクトルとが互いに対してスペクトル変位を有するように構成される。広帯域光パルスを生成するために中空コアファイバを用いることは、本発明の更なる独立した主題を表す。

以下では、本発明の更なる詳細及び利点を、添付の図面を参照して説明する。

本発明による広帯域光源装置の一実施形態の概略図を示す。 ＨＣ−ＡＲＦの本発明による設計の概略図を示す。 ＨＣ−ＡＲＦの本発明による設計の概略図を示す。 本発明による広帯域光源装置の一実施形態の更なる詳細の概略図を示す。 本発明の方法によって生成される広帯域光パルスの出力スペクトルを示す。 従来のＨＣ−ＡＲＦ及びその伝送スペクトルの概略図を示す（従来技術）。 従来のＨＣ−ＡＲＦ及びその伝送スペクトルの概略図を示す（従来技術）。

以下では、本発明の特徴を、カゴメ型又は単一リング型のＨＣ−ＡＲＦと、とりわけポンプ源装置及びガス供給装置を調整するための制御ループとを含むＵＶ光源装置における広帯域光パルスの生成を特に参照して説明する。本発明はこれらの実施形態に限定されるものではなく、他の種類のＨＣ−ＡＲＦをもって及び／又は自動ループ制御なしに、実現可能である。中空ファイバ内でポンプパルスをスペクトル拡張するための光学非線形プロセスの詳細は、従来技術から公知であるため、説明しない。

図１は、本発明による広帯域ＵＶ光生成のための仕組みの概略的なスケッチを示す。広帯域光源装置１００は、中空コアファイバ１０と、ポンプレーザ源装置２０とを備えている。中空コアファイバ１０は、例えば単一リング型のＨＣ−ＡＲＦであって、拡大断面図及び図２で示されるように、中空コア１１と内部ファイバ構造１２とを有しており、中空コアファイバ１０の入力側１３から出力側１４まで、一直線の縦方向に沿って延びている。断面図によれば、内部ファイバ構造１２は、例えば６つの薄壁細管の規則的な配置を備えており、その細管の各々は、入力側１３と出力側１４との間にチューブ形状で延在する壁１５を有している。中空コアファイバ１０は、例えば５０ｃｍの長さと、例えば２５μｍのコア直径とを有する。壁１５は、例えば３００ｎｍの厚さｔを有する。

ポンプレーザ源装置２０は、例えば、５フェムト秒から１ピコ秒の範囲内の持続時間、２００から２０００ｎｍの範囲内の中心波長、及び０．００１ｋＨｚから１００ＭＨｚの範囲内の反復率をもってポンプパルス２のシーケンスを放出する固体型又はファイバレーザ型のパルス源を備える。

中空コアファイバ１０は、例えばＡｒのような充填ガスを収容するガスセルを備えたガス供給装置４０内に固定的に配置されている。ガスセルは、制御可能なバルブを介してガス源（図示しない）と接続可能であり、ポンプパルス２及び広帯域光パルス１をそれぞれ透過する（transmitting）入力窓４１及び出力窓４２を有する。入力窓４１及び出力窓４２は、光学品質のガラスで作製される。商業用の実用的なシステムにおいては、外部ガス源は不要であるかもしれない。例えば、ガスセルは、製造時に充填ガスを充填されて封止されてもよい。

広帯域光パルス１を生成するために、ポンプレーザパルス２のビームは、入力窓４１を介して中空ファイバ１０の入力側に導かれ、その中空ファイバコア１１内へと連結される。ポンプレーザパルス２は、中空ファイバ１０の縦軸と一致するビームパスに沿って注入される。中空ファイバ１０は、図５を参照して下記で例示的に説明するように、導波光フィールドのコアモードをサポートする。また、内部ファイバ構造１２は、導波光フィールドの横壁モードをサポートする。この中空ファイバ内で、広帯域光パルス１は、ポンプレーザパルス２の光学非線形拡張によって、例えば位置１６の辺りで生成される。広帯域光パルス１は、ポンプパルスパラメータ及びポンプビームパラメータと、充填ガスの種類と、その密度（圧力）とに依存する広帯域コアモードスペクトルを有している。横壁モードとコアモードスペクトルとが互いに対してスペクトル変位されるように、コアモードスペクトルが設定され、中空ファイバが構成される。

本発明によれば、ファイバ構造は、ファイバ壁厚ｔが上記の方程式（１）によって求められるように選択される。生成される最小の波長は、ファイバ構造及び長さ、ポンプパルスパラメータ及びポンプビームパラメータ、並びにガスの種類及び圧力（充填ガスの屈折率に影響する）の相互作用である。

図２は、走査電子顕微鏡画像で表された中空ファイバ１０の別の一例を示す。単一リング中空ファイバ１０は、３６０ｎｍの壁を有する従来の中空ファイバからＨＦエッチングによって得られた１５０ｎｍ（薄壁）の壁を有する。挿入図は壁１５のクローズアップを示す。

中空ファイバ１０に例えばＡｒのようなガスを充填するとともにポンプパラメータを調整することによって、ポンプパルスはスペクトル拡張され、測定された広帯域光パルスのスペクトルが図３Ａ（曲線Ａ１）に示されている。測定されたスペクトル（曲線Ａ１）は、信号における２つの明白なディップ（７６０ｎｍ辺りのｍ＝１及び３９０ｎｍ辺りのｍ＝２）を明らかに示す従来の厚壁ファイバの出力スペクトル（曲線Ａ２）とは対称的に、共振ディップを示さない。

システムが従来のファイバをもって数時間にわたり動作するときには、明らかに出力電力の減衰が視認できる（図３Ｂの曲線Ｂ２）。信号は、０．６Ｗｈで約２０％下がる。ファイバが本発明による薄壁を有する場合には、寿命試験（図３Ｂの曲線Ｂ１）は、劣化が３００倍以上改善されていることを示す。

図４は、広帯域光源装置１００の更なる詳細のブロック図を示す。広帯域光源装置は、広帯域光パルスが合成されてユーザに提供される光学ヘッド１１０と、電子機器、ポンプ源２０の制御、及びインターフェイスを含む制御ユニット１２０とに分けられる。

光学ヘッド１１０は、ポンプ源２０、前処理、合成、及び後処理のための別々のモジュール１１１から１１５を含む。すべてのモジュール１１１から１１５は、安定性を最適化するために、単一の筐体内の共通の頑丈な底板に集積される。実験室環境では、光学ヘッド１１０は典型的には光学テーブル上に設置され、広帯域光パルス１は後処理モジュール１１５から放出される。

ポンプ源モジュール１１１は、数十μＪのエネルギを有するサブピコ秒パルスを０．００数（several 0.001）ｋＨｚから数十ＭＨｚ（電子的に制御された変調器によって調整可能）の反復率で放出して最大で数十Ｗの平均電力をもたらすポンプ源装置２０を含む。ポンプ源装置２０は、典型的には、近ＩＲ又は対応する高調波（例えば緑又はＵＶ）の中心波長で動作するファイバ又は薄ディスクレーザである。

前処理モジュール１１２では、ポンプパルスパラメータ及びポンプビームパラメータが光電子手段によって監視される（入力チェック）。また、モジュール１１２は調整装置３０を備えており、これがビーム安定性、パルスエネルギ、平均電力、偏光又はビーム直径などの関連する特性を適合させる（ビーム制御）。任意選択的には、ポンプパルスが合成モジュール１１３に送給されるのを防止するために、電子的に制御されるシャッタが挿入される。

合成モジュール１１３は、前処理モジュール１１２によって操作されたポンプパルス２を中空コア光ファイバ（ＨＣ−ＡＲＦ）１０内に結合するために、ミラー、レンズ、及び／又は偏光光学部品などの光学要素を含んでいる。入力結合（incoupling）のための光学要素は、安定性及び結合効率を最適化するように選択されたホルダ及び機構に取り付けられる。中空ファイバ１０は、任意選択的に設けられる流体モジュール１１４に接続された１つ以上のガスセル（図１を参照）に組み込まれる。ガスセルは、中空ファイバ１０に流体（通常はＡｒ，Ｎｅ，Ｈｅ，Ｋｒ，Ｘｅのような希ガス、Ｈ_２のようなラマン活性ガス、又はガス混合物）が充填され得るように設計される。（例えば中空ファイバ１０の入力結合側及び出力結合（out-coupling）側で）いくつかのガスセルを用いることにより、ファイバに沿った一定の圧力分布が、又は、異なる圧力が設定される場合には圧力傾度がもたらされる。ガスセルの端部は、入力／出力パルスを透過する（transmit）のに適当な窓（図１を参照）又は追加的なセルを接続するための気密嵌め（pressure-tight fitting）を含む。

流体モジュール１１４は、低真空から数十バールの範囲の電子圧力調整器を備えた調整装置３０の一部を含んでいる。モジュール１１４は更に、ガス貯蔵器及び真空ポンプ（図示しない）を含むガス供給装置４０に高圧及び真空ライン１１６を介して接続するためのインターフェイスを備えていてもよい。

合成された広帯域光パルス１の関連するパラメータ、例えば、平均電力、ビームポインティング安定性、スペクトル、ビーム品質又はノイズなどは、後処理モジュール１１５に含まれる監視装置５０によって監視される。フィードバックが、中空ファイバ１０内への結合を最適化するために前処理モジュール１１２に（出力チェック）、及び流体モジュール１１４に与えられる。特に、合成されたスペクトルの一部又は全部が監視され、信号の不安定性が前処理モジュール１１２のビーム安定化システムによって補償され得る。そのような不安定性は、応力又は熱影響による機構的なずれの結果であろう。また、スペクトルは平坦化され、窓を通じてエンドユーザに提供される。

このシステムの重要な特徴は、後処理モジュール１１５に統合された動的フィードバック技術である。これは、ＵＶ合成処理を最適化するために、放出されたスペクトルの一部を監視し、制御ユニット１２０を含むシステム制御ループ６０を通じてビーム安定化部（beam stabilization）にフィードバック信号を提供する。

制御ユニット１２０は、ポンプ源装置２０用、ビーム安定化（調整装置３０の一部）用、ガス供給用（調整装置３０の別の一部）、及び全体的なシステム用の制御部１２１から１２３に分けられる。監視及び調整装置３０，５０との関連では、制御ユニット１２０は、装置の動作の自動調節のための制御ループ６０を提供する。制御ユニット１２０は１９インチのラックハウジング内に取り付けられる。ケーブルが十分に長いので、制御ユニットは、光学ヘッド１１０から数メートルまでは離隔して設置されることが可能である。

ポンプ源制御部１２１は、電子機器と、光学部品と、任意選択的にはポンプ源装置２０の動作を制御するためのチラーとを含む。ビーム安定化制御部１２２によって、これに含まれるマイクロコントローラが、前処理モジュール１１２のビーム安定化システムの性能を設定し、中空ファイバ１０内への結合を最適化する。システム制御部１２３は、様々なシステムパラメータを監視及び設定するために、いくつかのＡ／Ｄ変換器及びマイクロコントローラを含む。また、この制御部１２３は、ユーザがシステムと相互に作用することを可能にする（待機スイッチ及びオン／オフスイッチ）とともに、光学ヘッド１１０を制御ユニット１２０に接続するための色々なインターフェイス及び外部コンピュータ制御のためのインターフェイス（ＲＳ２３２及び／又はＵＳＢ）を提供する。

広帯域光源装置１００の動作時には、ポンプパルス２はポンプ源モジュール１１１によって生成される。ポンプパルスビームはその後、自由空間内を前処理モジュール１１２に向かって送給される。ここでは、市販の電子、光学、及び機械要素が入力チェック及びビーム制御に使用される。自由空間ビームは中空ファイバ１０のコア内に結合されて、横基本コアモードを励起する。ポンプパルスパラメータ（例えば数百フェムト秒のパルス長）により、変調不安定性の（ＭＩ）レジームが、パルスをスペクトル拡張するためにアクセスされる［８］。スペクトル拡張された出力ビームは、光学要素によって収集され、後処理モジュール１１５によって市販の電子、光学、及び機械要素を用いて成形され、広帯域光パルス１の自由空間コリメートビームとしてエンドユーザに提供される。

実用的な一例によれば、動作仕様は以下の通りである。広帯域コアモードスペクトルは、２５０ｎｍ以下から１１００ｎｍ以上までの波長範囲をカバーする。広帯域光パルス１の平均出力電力は１Ｗを上回り、スペクトル平坦性は１５ｄＢ未満である（３００から１０００ｎｍの間）。図５は、深ＵＶから近ＩＲに及ぶ、出力広帯域光パルス１の放出されるスペクトル（較正済み）の一例を示している。挿入図は、１．０３μｍでのビーム横断面を示す。

以上の説明、図面、及び特許請求の範囲に開示される本発明の特徴は、個々にも、組み合わせても、又は部分的に組み合わせても、異なる実施形態での本発明の実現のために重要であり得る。

Claims (21)

1. 広帯域光パルス（１）を生成するように構成された広帯域光源装置（１００）であって、
   充填ガスを含み、ポンプレーザパルス（２）の光学非線形拡張によって前記広帯域光パルス（１）を生成するように配置された、非バンドギャップ型の中空コアファイバ（１０）であって、導波光フィールドのコアモードをサポートする軸方向の中空導光ファイバコア（１１）と、前記ファイバコア（１１）を包囲し前記導波光フィールドの横壁モードをサポートする内部ファイバ構造（１２）と、を有する中空コアファイバ（１０）と、
   前記中空コアファイバ（１０）の入力側（１３）で前記ポンプレーザパルス（２）を生成及び提供するように配置されたポンプレーザ源装置（２０）と、
   を備えており、
   前記横壁モードは、基本横壁モードと、２次以上の横壁モードとを含み、
   前記広帯域光パルス（１）は、ファイバ長さ、ファイバコア直径、前記ポンプレーザパルス（２）の少なくとも１つのポンプパルスパラメータ及び／又はビームパラメータ、並びに前記充填ガスの少なくとも１つのガスパラメータによって決定されるコアモードスペクトルを有しており、
   前記中空コアファイバ（１０）の前記内部ファイバ構造（１２）は、少なくとも前記２次以上の横壁モードと前記コアモードスペクトルとが互いに対してスペクトル変位を有するように構成されることを特徴とする、広帯域光源装置。
2. 前記中空コアファイバ（１０）の前記内部ファイバ構造（１２）は、すべての横壁モードと前記コアモードスペクトルとが互いに対してスペクトル変位を有するように構成される、請求項１に記載の広帯域光源装置。
3. 前記ファイバコア（１１）に対向する前記内部ファイバ構造（１２）のファイバ壁（１５）は、少なくとも前記２次以上の横壁モードが前記コアモードスペクトルと比較して短い波長にスペクトル的にシフトされるように選択された壁厚を有する、請求項１又は２のうち一項に記載の広帯域光源装置。
4. 前記内部ファイバ構造（１２）の前記ファイバ壁（１５）は、前記ＵＶ光パルス（１）が生成され前記中空コアファイバ（１０）を通じて伝送される前記中空コアファイバ（１０）の縦方向部分においてのみ、前記選択された限界壁厚を有する、請求項３に記載の広帯域光源装置。
5. 前記内部ファイバ構造（１２）は、単一リング構造又はカゴメ構造を備えており、
   前記ファイバコア（１１）に対向する前記ファイバ壁（１５）は壁厚（ｔ）を有し、前記壁厚は、
   

   

   となるように選択される、請求項３又は４に記載の広帯域光源装置。ただし、λ_ｍｉｎは前記コアモードスペクトルの最短波長、ｎ_１は前記中空コアファイバ（１０）の前記充填ガスの屈折率、ｎ_２は前記内部ファイバ構造（１２）の屈折率である。
6. 前記壁厚は、７０ｎｍから３００ｎｍ、特に７０ｎｍから１５０ｎｍの範囲内であり、及び／又は
   前記コアモードスペクトルの前記最短波長λ_ｍｉｎは、１７０ｎｍから２５０ｎｍの範囲内である、請求項５に記載の広帯域光源装置。
7. 少なくとも１つのポンプパルスパラメータ、特にパルス長、パルスエネルギ、パルス形状、及び／又はパルススペクトルと、少なくとも１つのビームパラメータ、特にモード形状、ポインティング、及び／又は安定性とのうち少なくとも一方を調整するように配置された調整装置（３０）を更に含む、請求項１から６のうち一項に記載の広帯域光源装置。
8. 前記中空コアファイバ（１０）と接続され、前記中空コアファイバ（１０）に前記充填ガスを供給するように配置されたガス供給装置（４０）を更に含み、
   前記調整装置（３０）は、前記充填ガスの前記少なくとも１つのガスパラメータを調整するように前記ガス供給装置（４０）と接続されている、請求項７に記載の広帯域光源装置。
9. 前記中空コアファイバから出力される前記ＵＶ光パルス（１）の前記コアモードスペクトルの少なくとも一部を監視するように配置された監視装置（５０）を更に含む、請求項１から８のうち一項に記載の広帯域光源装置。
10. 前記監視装置（５０）及び前記調整装置（３０）を含む制御ループ（６０）を更に含み、
    前記制御ループ（６０）は、前記横壁モード及び前記コアモードスペクトルの前記スペクトル変位が前記ＵＶ光源装置（１００）の動作の間維持されるように前記調整装置（３０）を制御するように適合されている、請求項９に記載の広帯域光源装置。
11. 広帯域光パルス（１）の生成方法であって、
    中空コアファイバ（１０）が、導波光フィールドのコアモードをサポートする軸方向の中空導光ファイバコア（１１）と、前記ファイバコア（１１）を包囲し前記導波光フィールドの横壁モードをサポートする内部ファイバ構造（１２）とを有し、前記横壁モードは基本横壁モードと２次以上の横壁モードとを含むところ、充填ガスを含む非バンドギャップ型の前記中空コアファイバ（１０）内にポンプレーザパルス（２）を結合するステップと、
    前記中空コアファイバ（１０）内での前記ポンプレーザパルス（２）の光学非線形拡張によって前記広帯域光パルス（１）を生成するステップと、
    を備え、
    前記広帯域光パルス（１）は、ファイバ長さ、ファイバコア直径、前記ポンプレーザパルス（２）の少なくとも１つのポンプパルスパラメータ及び／又はビームパラメータ、並びに前記充填ガスの少なくとも１つのガスパラメータによって決定されるコアモードスペクトルを有しており、
    少なくとも前記２次以上の横壁モードと前記コアモードスペクトルとが互いに対してスペクトル変位されることを特徴とする、広帯域光パルスの生成方法。
12. すべての横壁モードと前記コアモードスペクトルとが互いに対してスペクトル変位される、請求項１１に記載の方法。
13. 前記ファイバコア（１１）に対向する前記内部ファイバ構造（１２）のファイバ壁（１５）は、少なくとも前記２次以上の横壁モードが前記コアモードスペクトルと比較して短い波長にスペクトル的にシフトされるように選択された壁厚を有する、請求項１１又は１２のうち一項に記載の方法。
14. 前記内部ファイバ構造（１２）の前記ファイバ壁（１５）は、前記広帯域光パルス（１）が生成され前記中空コアファイバ（１０）を通じて伝送される前記中空コアファイバ（１０）の縦方向部分においてのみ、前記選択された限界壁厚
    を有する、請求項１３に記載の方法。
15. 前記内部ファイバ構造（１２）は、単一リング構造又はカゴメ構造を備えており、
    前記ファイバコア（１１）に対向する前記ファイバ壁（１５）は壁厚（ｔ）を有し、前記壁厚は、
    

    

    となるように選択される、請求項１１から１４のうち一項に記載の方法。ただし、λ_ｍｉｎは前記コアモードスペクトルの最短波長、ｎ_１は前記中空コアファイバ（１０）の前記充填ガスの屈折率、ｎ_２は前記内部ファイバ構造（１２）の屈折率である。
16. 前記壁厚は、７０ｎｍから３００ｎｍ、特に７０ｎｍから１５０ｎｍの範囲内であり、及び／又は
    前記コアモードスペクトルの前記最短波長λ_ｍｉｎは、１７０ｎｍから２５０ｎｍの範囲内である、請求項１５に記載の方法。
17. 前記少なくとも１つのポンプパルスパラメータ及び／又はビームパラメータのうち少なくとも一方を調整するステップを更に備える、請求項１１から１６のうち一項に記載の方法。
18. 前記中空コアファイバ（１０）に前記充填ガスを供給するステップと、
    前記充填ガスの前記少なくとも１つのガスパラメータのうち少なくとも１つを調整するステップと、を更に備える、請求項１７に記載の方法。
19. 前記中空コアファイバから出力される前記広帯域光パルス（１）の前記コアモードスペクトルの少なくとも一部を監視するステップを更に含む、請求項１１から１８のうち一項に記載の方法。
20. 前記横壁モード及び前記コアモードスペクトルの前記スペクトル変位が前記広帯域光パルス（１）の生成の間維持されるように、制御ループ（６０）によって前記調整するステップを制御することを更に含む、請求項１９に記載の方法。
21. 充填ガス中でのポンプレーザパルス（２）の光学非線形拡張によって広帯域光パルス（１）を生成するように配置された中空コア反共振反射ファイバ（１０）において、
    前記中空コアファイバ（１０）は、前記充填ガスを充填された、前記広帯域光パルス（１）の導波光フィールドのコアモードをサポートする軸方向の中空ファイバコア（１１）と、前記ファイバコア（１１）を包囲し、前記導波光フィールドの横壁モードをサポートする内部ファイバ構造（１２）とを有しており、前記横壁モードは、基本横壁モードと２次以上の横壁モードとを含み、
    前記広帯域光パルス（１）は、ファイバ長さ、ファイバコア直径、前記ポンプレーザパルス（２）の少なくとも1つのポンプパルスパラメータ、及び前記充填ガスの少なくとも１つのガスパラメータによって決定されるコアモードスペクトルを有しており、
    前記中空コアファイバ（１０）の前記内部ファイバ構造（１２）は、少なくとも前記２次以上の横壁モードと前記コアモードスペクトルとが互いに対してスペクトル変位を有するように構成されることを特徴とする、中空コア反共振反射ファイバ。

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