JP2024502021A - バルク誘電体と半導体における低閾値スーパーコンティニウム発生 - Google Patents

Abstract

正の熱光学係数（ｄｎ／ｄＴ＞０Ｋ－１）を有するバルク非線形物質（ＢＮＬＭ）中の低閾値フェムト秒スーパーコンティニウム発生（ｆｓＳＣＧ）の制御が、フルパルス繰り返し率（ＰＲＲ）でｆｓオシレータによって出力される第一波長の光をＢＮＬＭ中に結合させることによって与えられる。光の結合は、ＢＮＬＭ中に結合されたビームの非線形レンズを生成するが、ｆｓＳＣＧの閾値に達するのに十分な光強度を与えるには不十分なものである。パルスエネルギーを上昇させて、ＳＣＧ閾値に達するため、第一波長とは異なる第二波長の光をＢＮＬＭ中に吸収させて、ＢＮＬＭ中に熱レンズを形成し、ＳＣＧを生成する際に非線形レンズを補助する。

Description

本開示は、フェムト秒スーパーコンティニウム発生（ＳＣＧ，ｓｕｐｅｒｃｏｎｔｉｎｕｕｍ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）とスーパーコンティニウムレーザー源に係る。特に、本開示は、非線形自己集束効果と共に熱レンズ効果を発生させることによって、バルク誘電体及び半導体の非線形物質（ＮＬＭ，ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｍａｔｅｒｉａｌ）中に低閾値ＳＣＧを発生させる方法とシステムに関する。

ＳＣＧは、非線形媒体を介した高パワーパルスの伝搬による広域連続スペクトルの形成である。特に、ｆｓパルスのＳＣＧ（ｆｓＳＣＧ）は、広域な高調波帯域幅を高い空間的及び時間的コヒーレンスと組み合わせた光学スペクトルをもたらすので、注目を集めている。従って、ｆｓＳＣＧは、多くの応用によって、特に、光周波数コム（櫛）、任意光波形合成、アト秒パルスの発生にとって重要である。光周波数コムは、ｆｓパルス列と等価なものであり、０．１Ｗ～１０Ｗのワットレベル平均パワーＰと、１０^７Ｈｚ～１０^１０Ｈｚの範囲の比較的高いパルス繰り返し率（ＰＲＲ，ｐｕｌｓｅ ｒｅｐｅｔｉｔｉｏｎ ｒａｔｅ）又は周波数ｆ_Ｒ、つまり、低パルスエネルギーＷ＝Ｐ_ａｖ／ｆ_Ｒ＝０．１ｎＪ～１００ｎＪを有し、分光法、検知、顕微鏡法、撮像にとって不可欠である。

特別に設計された非線形光ファイバや導波路（窒化シリコンＳｉ_３Ｎ_４等）におけるｆｓＳＣＧの技術は確立されている。しかしながら、制限された形状を特徴とするファイバや導波路の使用には、レーザーシステムの複雑性の増加と全体的効率の低下という代償がある。更に、非線形ファイバや導波路は、ＳＣＧのパワーとコヒーレンスに関する固有の制限を有し、正確な整列を要する。

バルク物質、例えば、透明アモルファス固体（例えば、シリケートや非シリケートの光学ガラス）、結晶（例えば、酸化物、フッ化物、リン化物）、半導体（シリコン、ゲルマニウム、他のＩＩＩ‐Ｖ族やＩＩ‐ＶＩ族の物質）もｆｓＳＣＧをサポートしている。こうした物質におけるｆｓＳＣＧの利点は、特に、比較的単純であり、つまりは低コストでフレキシブルであって、ピークパワーと平均パワーをスケーリングすることができることである。こうした物質におけるレーザー伝搬は、物質の断面形状によって制限されず、整列感度を緩和する。更に、一部のバルク物質におけるＳＣＧは、フェムト秒入力パルスを少ない光サイクルで更に短い出力パルスに圧縮することを特徴とする。例えば、本出願人による特許文献１、特許文献２、特許文献３（これら文献は全体が参照として本願に組み込まれる）では、Ｃｒ^２＋イオンでドープされた多結晶硫化亜鉛等のランダム疑似位相整合利得媒体におけるＳＣＧを教示している。

非線形媒体におけるフェムト秒ＳＣＧは、選択されたバルク物質の非線形性と非線形吸収と色分散との相互作用によって制御される。ｆｓＳＣＧの物理的イメージはフィラメンテーションの枠組み、つまり、自己集束と自己位相変調と多光子吸収／イオン化誘起自由電子プラズマとの相互作用において理解可能である。これら物理現象の相互作用が、フィラメント（外部ガイド機構の助けを必要とせずに狭いビームサイズを維持しながら典型的な回折長さよりもはるかに長い距離にわたって伝搬可能な強力なコアを有するダイナミック構造）を出現させる（非特許文献１）。フィラメント形成の重要な結果は、パルススペクトルの非常に強力な非線形広域化であり、つまり、出力スペクトルの帯域幅が入力スペクトルよりもはるかに大きくなる。図１ａ及び図１ｂは、バルク物質におけるｆｓＳＣＧ用の標準的な設定を示す。図１ａのフィラメンテーションの存在が強力な広域化をもたらすが、存在しない場合には、図１ｂに示されるように、出力スペクトルは広域化されない。

フィラメント形成の初期段階は、自己集束によって決められ、つまり、媒体のχ^（３）非線形性が強度依存屈折率（ｎ（Ｉ）＝ｎ_０＋ｎ_２Ｉ）を誘起する（式中、Ｉは強度であり、ｎ_０は線形屈折率であり、ｎ_２は非線形屈折率である）。局所的強度は、ビームの中心において高く、その縁において低い。従って、バルクのχ^（３）媒体は、ｎ_２＞０で、強度依存レンズのように機能する。自己集束閾値は臨界パワーＰ_Ｃｒｉｔによって定められ、その臨界パワーは、利得媒体のパラメータ（屈折率の非線形成分と線形成分、媒体に結合される波の波長等）によって定められる。利得媒体（バルク誘電体や半導体、非線形物質又は非線形媒体（ＮＬＭ）とも称される）のＰ_Ｃｒｉｔの値は、物質に応じて０．１ＭＷから数十ＭＷの範囲内である。

バルク利得媒体におけるｆｓＳＣＧは、入力パルスのピークパワー（Ｐ_Ｐｋ）がＰ_Ｃｒｉｔを大幅に（通常は一桁以上）超える場合に発生する。従って、上記に基づくと、利得ＮＬＭにおけるｆｓＳＣＧの標準的な実施はｆｓレーザーに基づいたものであり、比較的高い多ＭＷレベルピークパワー（最大１００ＭＷ）と、高μＪレベルパルスエネルギーを有し、典型的には低ｋＨｚ繰り返し率で動作する。

しかしながら、光周波数コム等のｆｓＳＣＧの多数の重要な応用は、高い多ＭＨｚレート、つまり、モードロックオシレータのフル繰り返し率ｆ_Ｒ＝１０^７Ｈｚ～１０^１０Ｈｚと低ｎＪレベルパルスエネルギーで動作するｆｓレーザーを要する。ｎＪｆｓパルスのピークパワーレベルは、通常はサブＭＷから１０ＭＷ未満であり（つまり、Ｐ_Ｐｋ≦Ｐ_Ｃｒｉｔ）、ＮＬＭにおいて自己集束を生じさせるには弱過ぎる。従って、ＳＣＧとスペクトル広域化が弱過ぎるか又は単純に発生しないものとなる。その様子は図１ｂに示されている。

バルクＮＬＭにおけるｆｓＳＣＧに関する実験データは、バルクＮＬＭにおける少サイクルパルスの伝搬に関する多数の問題を提起している。フルＰＲＲにおけるｆｓオシレータの動作では、ｆｓＳＣＧを生じさせるのに十分な所望のピークパワーにｆｓパルスが達しない。従来技術の方式では、既存のＰＲＲでｆｓＳＣＧに達することができない。従って、高ＰＲＲにおいてｆｓＳＣＧを誘起するように非線形集束を補助する追加機構を特定しなければならない。そうした機構とその制御方法が分かれば、フルＰＲＲ（上述のように比較的高い）でｆｓオシレータを動作させても対象のＮＬＭにおける低閾値ｆｓＳＣＧの普遍的な方法論が与えられる。

従って、既知の物理プロセスを利用して、対象のＮＬＭにおいてｎＪレベルパルスエネルギー（Ｐ_Ｐｋ≦Ｐ_Ｃｒｉｔ）と高い多ＭＨｚパルス繰り返し率で低閾値ｆｓＳＣＧを達成するための改善された方法を提供することが必要とされている。

改善されたプロセスを実行するように構成されたレーザーシステムも必要とされている。

米国特許出願公開第２０２１／０１２４２３６号明細書 米国特許第１０２１６０６３号明細書 米国特許第１０４８３７０９号明細書

A. Couairon and A. Mysyrowicz, Femtosecond filamentation in transparent media, Phys. Rep. 441, 47-190 (2007)

本発明のコンセプトは、光とＮＬＭとの相互作用の結果として対象のＮＬＭに形成される本開示の熱レンズと非線形自己集束効果によって生じる相乗効果に基づく。特に、熱レンズが、低閾値ｆｓＳＣＧを発生させる際に非線形集束現象を効果的に補助する。

本開示の方法は、正の値の熱光学係数（つまり、屈折率の温度微分ｄｎ／ｄＴ＞０Ｋ^－１）を有する複数の透明物質から所望のＮＬＭを選択し、選択したＮＬＭにｆｓパルス列が結合される波長を選択することを含む。ｆｓパルス列は、１０ＭＨｚ～１０ＧＨｚの範囲のフルＰＲＲにおいて動作するｆｓオシレータによって出力され、ＮＬＭに結合される際には、ＮＬＭにおける自己集束が弱過ぎるのでｆｓＳＣＧの閾値に達するのに十分なエネルギーを有さない。

そして、補助レーザー源のＮＬＭの結合によって、又はｆｓパルスとＮＬＭとの相互作用に因る非線形効果の結果によって、得られる追加波長が、ＮＬＭによって吸収される。その吸収は、ｆｓビーム断面に沿った熱散逸を伴い、熱レンズの形成に繋がる。熱レンズの追加が、非線形自己集束を補助して、ｆｓパルスの低ピークパワーにおいてフィラメントの形成をもたらす。

選択されるＮＬＭは利得媒体であってもなくてもよい。つまり、選択されるＮＬＭは光増幅器である必要は無い。適切なＮＬＭについての先進的基準は、結合されるｆｓパルス列の波長において少なくとも部分的に透明（透過性）であり、正の熱光学係数を有することを要する。選択されるＮＬＭは、当業者に周知の公衆に利用可能なソースにおいて見つけることができるものであるか、又は実験的に決められ得る。

本開示の方法の一つの特徴によると、選択されるＮＬＭは、高い二次非線形性と三次非線形性（χ^（２）≠０、χ^（３）≠０）を特徴とする。このような非線形効果の結果として、三波混合、光パラメトリック発生、光整流、多光子吸収で追加波長がＮＬＭに発生する。こうした新たな複数の波長のうち少なくとも一つの波長が、選択されたＮＬＭに吸収されて、熱レンズの形成をもたらす。追加波長を発生させる他の非線形効果としては、四波混合が挙げられ、これは、カー効果と同様に、三次非線形性（χ^（３）≠０）から生じる。新たに発生する波長に加えて、選択される物質の透明性ウィンドウ（範囲）を超えているスペクトル成分も吸収されて、熱レンズの形成に寄与する。

他の特徴によると、ｆｓパルスに加えて、連続波（ＣＷ，ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｗａｖｅ）ビームが、選択されたＮＬＭに結合される。ＣＷビームの波長は、ＮＬＭに吸収されて、熱散逸と熱レンズの形成とを生じさせるように選択され、熱レンズは、非線形集束と共に、ＳＣＧの低閾値に達するのに有用である。

本開示の方法の他の特徴によると、非線形物質の選択は、所与のシステムで用いられるｆｓオシレータの波長に基づく。逆に、非線形物質とその光学特性が分かっている場合には、ｆｓオシレータは、既知の物質と相互作用して、非線形集束と、熱レンズを与えるようにＮＬＭに吸収されることが知られている追加波長をもたらす他の非線形効果とを両方とも与える波長において動作するように選択される。吸収スペクトル等の多くの物質特性は多くの文献において周知である。

本開示の方法の他の特徴は、熱レンズの形成について決定することを含む。特に、入力ｆｓパルスのスペクトルは、選択された非線形物質の入力と出力において繰り返し測定される。最大出力スペクトル帯域幅は、入力スペクトル帯域幅を著しく超え、十分強力な熱レンズの形成を示し、また、ｆｓＳＣＧの閾値に達していることを示す。

本開示の方法の更に他の特徴は、閾値に達した後に選択された物質の出力においてｆｓパルスの最も広域なスペクトルを達成するのに必要なｆｓＳＣＧの最適化に関する。最適化は、入力ビームスポットの初期サイズ、及び／又は、結合ｆｓパルスの平均パワー、及び／又は、補助レーザー源の平均パワー、及び／又は、入力ｆｓパルスのプレチャーピングを制御して変化させることを含む。

上述の最適化法の選択肢の一部若しくは全部に代えて又は組み合わせて、本開示の方法は、選択された物質内部の自己集束点の位置を決定することと、その位置における結合ｆｓパルスの時間分布を特定することとを含み得る。好ましくは、ｆｓパルスがプレチャーピングされている場合、更に他の方法の特徴によると、最適化は、プレチャーピングされたパルスの圧縮に有用な分散を特徴とする物質を選択することを含む。最も効率的な最適化は、非線形自己集束の位置においてプレチャーピングされたパルスを可能な限り短いｆｓパルスに圧縮することによって生じる。

本開示の他の態様は、本開示の方法を実行するように構成された光学システムに関し、上記の特徴や他の特徴のいずれか又は組み合わせを含み得る。従って、本発明のシステムは、開示されている特徴のいずれか一つ、又は、選択肢の一部若しくは全部の組み合わせを含むことができる。

この態様によると、本開示のシステムは、ｆｓオシレータと、選択された非線形物質内で複数の出力ビームを重ね合わせる光ポンプと、を含み得る。光ポンプは熱レンズの形成を促進する。更に他のシステムは、追加光源を必要とせず、ｆｓオシレータと、選択されたＮＬＭとのみで構成される。本発明のコンセプトによると、ｆｓオシレータとＮＬＭとのパラメータは、ＮＬＭがｆｓレーザ放射を部分的に吸収し、熱導波路を与え、低閾値ＳＣＧを発生させる際に非線形集束を補助する熱レンズを形成するように選択される。

本開示の上記特徴と他の特徴は、添付図面から更に容易に明らかとなるものである。

図１ａは、バルクｆｓＳＣＧ用の標準的な設定を示し、Ｐ_Ｐｋ＞＞Ｐ_Ｃｒｉｔにおけるフィラメンテーションと強力な非線形広域化を特徴とし、式中Ｐ_Ｐｋはピークパワーであり、Ｐ_Ｃｒｉｔは臨界パワーである。図１ｂは、バルクｆｓＳＣＧ用の標準的な設定を示し、Ｐ_Ｐｋ≦Ｐ_Ｃｒｉｔにおいてフィラメンテーションが無いことと弱い非線形広域化を特徴としている。 低閾値ＳＣＧのスペクトル帯域幅のシミュレーションを、レーザー利得と、本開示の熱レンズによって課される屈折率変化との関数として示す。 図３ａは、本発明の方法を実行するように構成された例示的なシステムを示す。図３ｂは、本発明の方法を実行するように構成された他の例示的なシステムを示す。 図４ａは、実験的に測定されたＳＣＧ・対・本開示の熱効果がある場合と無い場合でシミュレーションで予測されたスペクトルを示す。図４ｂは、従来技術に係るｎＪパルスの横方向フルエンスプロファイルのシミュレーションを示す。図４ｃは、本開示に係るｎＪパルスの熱ガイドでの横方向分布を示す。 図５ａは、比較的低い平均パワーとピークパワーでの図３ａの選択されたＮＬＭの入力と出力におけるｆｓパルスの測定スペクトルを示し、出力スペクトルは基本バンド（ｆ）を含む。図５ｂは、図５ａのものよりも大きな平均パワーとピークパワーでの図３ａのＮＬＭの入力と出力におけるｆｓパルスの測定スペクトルを示し、出力バンドは、基本バンド（ｆ）と、光整流を介してＮＬＭに発生した長波ＩＲ（赤外線）バンド（０ｆ）を含む。図５ｃは、図５ｂのものよりも大きな平均パワーとピークパワーにおけるｆｓパルスの測定スペクトルを示し、出力スペクトルは、ｆバンドのスペクトル成分と０ｆバンドのスペクトル成分との間の三波混合チェーンを介してＮＬＭに発生した中間バンドを含む。

以下、一つ以上の実施形態の多様な態様を添付図面を参照して説明するが、図面は縮尺通りのものではない。図面は、多様な態様と実施形態の例示と更なる理解を与えるために含まれており、明細書に組み込まれて、明細書の一部を成すものであるが、特定の実施形態の限定を定めるものではない。図面は、明細書の残りの部分と共に、開示され特許請求される態様と実施形態の原理と動作を説明するためのものである。図面について、複数の図面中に示されている同一又はほぼ同一の構成要素は、同様の番号で表されている。明確にするため、全ての構成要素が全ての図面においてラベル付けされている訳ではない。

図１ａは、バルクｆｓＳＣＧ用の標準的な設定を示し、Ｐ_Ｐｋ＞＞Ｐ_Ｃｒｉｔにおけるフィラメンテーションと強力な非線形広域化を特徴とし、式中Ｐ_Ｐｋはピークパワーであり、Ｐ_Ｃｒｉｔは臨界パワーである。

図１ｂは、バルクｆｓＳＣＧ用の標準的な設定を示し、Ｐ_Ｐｋ≦Ｐ_Ｃｒｉｔにおいてフィラメンテーションが無いことと弱い非線形広域化を特徴としている。

図２は、低閾値ＳＣＧのスペクトル帯域幅のシミュレーションを、レーザー利得と、本開示の熱レンズによって課される屈折率変化との関数として示す。

図３ａは、本発明の方法を実行するように構成された例示的なシステムを示す。

図３ｂは、本発明の方法を実行するように構成された他の例示的なシステムを示す。

図４ａは、実験的に測定されたＳＣＧ・対・本開示の熱効果がある場合と無い場合でシミュレーションで予測されたスペクトルを示す。

図４ｂは、従来技術に係るｎＪパルスの横方向フルエンスプロファイルのシミュレーションを示す。

図４ｃは、本開示に係るｎＪパルスの熱ガイドでの横方向分布を示す。

図５ａは、比較的低い平均パワーとピークパワーでの図３ａの選択されたＮＬＭの入力と出力におけるｆｓパルスの測定スペクトルを示し、出力スペクトルは基本バンド（ｆ）を含む。

図５ｂは、図５ａのものよりも大きな平均パワーとピークパワーでの図３ａのＮＬＭの入力と出力におけるｆｓパルスの測定スペクトルを示し、出力バンドは、基本バンド（ｆ）と、光整流を介してＮＬＭに発生した長波ＩＲ（赤外線）バンド（０ｆ）を含む。

図５ｃは、図５ｂのものよりも大きな平均パワーとピークパワーにおけるｆｓパルスの測定スペクトルを示し、出力スペクトルは、ｆバンドのスペクトル成分と０ｆバンドのスペクトル成分との間の三波混合チェーンを介してＮＬＭに発生した中間バンドを含む。

本発明の主題は、非線形集束のみを用いたのでは得られないであろうｆｓＳＣＧの閾値に達することをｆｓパルスの非線形集束と共に可能にする追加の光機構に関する。不十分な非線形集束は、低パルスエネルギー、つまりは、ｆｓＳＣＧをもたらす強力な非線形効果を発生させるには不十分なピークパワーに起因する。特に、典型的には高ＰＲＲで動作するｆｓレーザーオシレータが出力するｆｓパルスは、そのパルスを受けるバルク非線形物質ＢＮＬＭにおいてＳＣＧ閾値に達するには不十分なパルスエネルギーとピークパワーを有する。この問題の解決策が、本願で開示されるように、ＢＮＬＭ中に熱レンズを生成することであり、これが非線形レンズと組み合わさってｆｓＳＣＧをもたらす。熱レンズは、ＢＮＬＭの長手方向に沿った不十分に非線形に集束したｆｓパルスの追加集束を提供し、１０ＭＨｚ～１０ＧＨｚの範囲のｆｓオシレータのフルＰＲＲにおいてｆｓＳＣＧの閾値に達するように非線形集束を補助する。本発明のコンセプトで達せられるＳＣＧ閾値は、非線形集束のみによって達することができるＳＣＧ閾値の２分の１以下に小さくなる傾向にある。

図２は、ＢＮＬＭ（ＮＬＭと図示されている）においてｆｓＳＣＧを発生させるための熱レンズの重要性を示す。図２は、低閾値ＳＣＧのスペクトル帯域幅（Δν（ＴＨｚ））のシミュレーションを、利得（Ｇ）と、熱レンズによって課せられる屈折率変化Δｎの関数として示す。下方の矢印、中央の矢印、上方の矢印は、それぞれ低レベル、中レベル、高レベルのＮＬＭ中のポンプレーザー吸収において利得とΔｎの達成可能な最大値に対するポンプパワーの増加とその影響の定性的な軌跡を示す。利得の増加に伴う出力スペクトルの広域化はそれほど顕著ではなく、レーザー利得単独（つまり、パルスエネルギーとピークパワーの略４倍の増加）では、ｆｓＳＣＧ閾値に達する（つまり、強力なスペクトル広域化を達する）のに不十分であることを示す。しかしながら、或る程度は、利得がスペクトル広域化に寄与している。対照的に、屈折率変化Δｎ（上方の矢印）は、媒体中に熱レンズを生成し、出力スペクトルの広域化に有用であり、つまりはｆｓＳＣＧ閾値に達するのに有用である。結論として、曲面の比較は、所望の低閾値ＳＣＧを顕著に可能にするのが、熱レンズ化に起因して形成される導波路であることを示している。また、図２は、選択されたＢＮＬＭが、ｆｓＳＣＧ閾値に達するために、レーザー利得媒体でなければならない訳ではないことを示しており、つまり、熱レンズ単独（つまり、定数Ｇ＝１におけるΔの増加）で十分となり得ることを示している。

従来のＢＮＬＭにおけるｆｓＳＣＧの不十分なパルスエネルギーとピークパワー、つまりはパルスエネルギーの制限を解消するため、本開示は、屈折率の温度依存性ｎ（Ｔ）に基づいて熱自己集束機構（熱レンズとしても知られている）をどのようにして生成するのかを教示する。熱レンズは、従来の非線形自己集束を補助するものであり、屈折率の強度依存性ｎ（Ｉ）＝ｎ_０＋ｎ_２Ｉ（式１）に起因するものである。以下、熱レンズの形成を詳しく説明する。

多数のＢＮＬＭは、正の値の屈折率温度微分ｄｎ／ｄＴ＞０Ｋ^－１を特徴とする。また、当業者に知られているように、吸収性媒体中を伝搬するレーザービームの軸における熱散逸が、ビーム断面にわたる温度分布を誘起し、以下のように近似可能である：
ｄ^２Ｔ（ｒ）／ｄｒ^２＋（１／ｒ）ｄＴ／ｄｒ＋Ｐ_ｈ／（κＶ）＝０ （式２）
式中、Ｐ_ｈは媒体中に散逸する熱パワーであり、κは媒体の熱伝導率であり、Ｖは、熱散逸領域の体積であり、ｒは、ビーム軸からの熱散逸の半径（放射）方向距離である。従って、熱散逸は、局所的な温度上昇ΔＴを生じさせ、これが、以下の屈折率の局所的変化を誘起する：
Δｎ＝（ｄｎ／ｄＴ）ΔＴ （式３）
従って、レーザービームの軸において熱を散逸させる媒体が、温度依存レンズ（熱レンズとしても知られている）として機能する。熱レンズの影響下においては、Δｎが屈折率ｎの分数である限り、ＢＮＬＭ中のビーム伝搬は、導波路中の光伝搬に類似するものとして考えることができる。従って、本開示のｆｓＳＣＧ方法は、バルク形状の利点と制限された形状の利点とを或る程度組み合わせ、導波路型の設定と同様に、ｎＪレベルのパルスエネルギーと高い繰り返し率において高調波（ｓｕｐｅｒｏｃｔａｖｅ）コヒーレントスペクトルの発生を可能にする。同時に、その空間的及び時間的な動力学は、バルク媒体におけるものに似ていて、追加の集束、イオン化（電離）等を含むことを特徴とし、本提案のｆｓＳＣＧ方式の好ましい特性にとって重要である。

上記が、本開示のコンセプトに係るＢＮＬＭにおけるＳＣＧの発生のロードマップ（指針）を与える。三次非線形性を特徴とするＢＮＬＭの広範な選択に起因して、非線形集束は、非線形レンズの形成が呈するカー自己集束効果に基づく。上述の詳細に基づくと、非線形レンズ単独は、広範な出力スペクトルの形成に十分なレベルにまでｆｓパルスの強度を上昇させるには不十分である（つまり、ｆｓＳＣＧ閾値に達しない）。ｆｓパルスの強度を上昇させるため、熱集束効果を生成して、非線形集束を補助する。その生成は、ｆｓパルスの波長、又は、線形及び／又は非線形の吸収機構を介してＢＮＬＭ中に吸収される他の適切な波長の光を吸収して、選択されたＢＮＬＭ中において式１に従って媒体中の熱レンズを生成することによるものであり得る。バルクの誘電体と半導体における線形吸収は周知の効果である。具体的な媒体における線形吸収に対応する波長は、入手可能な文献中に見つけることができるものであり、又は、入手可能な機器を用いて測定可能である。非線形吸収は、（１）多種多様なＢＮＬＭにとって典型的な多光子吸収や、（２）三波混合や、（３）ｆｓパルスの基本波長とは異なるが選択したＢＮＬＭによって吸収可能な新たな波長を発生させる四波混合等の非線形プロセスを利用することによって達成可能である。このように、本開示の方法論は、ｆｓオシレータの動作波長、ＢＮＬＭの線形性、吸収性、屈折性（式１）の選択を含むものである。三波混合について、選択されるＢＮＬＭは、三次の非線形性（χ^（３）≠０）に加えて、二次の非線形性（χ^（２）≠０）を有することが望ましい。吸収によって発生する熱は、ポンプビームにわたって散逸して、ポンプビームにわたる屈折率勾配Δｎ＝（ｄｎ／ｄＴ）ΔＴを生じさせ、これは、吸収されたパワーに略比例する。こうした条件下において、レーザービームの軸に沿った領域は、熱レンズを形成するビーム周辺よりも高い屈折率を有する。最終的には、主要な非線形レンズと熱レンズの両方が協働して、フィラメント形成の閾値に達して、ｆｓＳＣＧをもたらす。

図３ａと図３ｂは、本発明のコンセプトを実現するように構成された例示的な光学システムをそれぞれ示す。例示されている各システムは、１０ＭＨｚ～１０ＧＨｚの範囲のフルＰＲＲにおいて比較的狭い入力スペクトルを有するｆｓのｎＪパルス列を出力するｆｓレーザー又はオシレータを含む。上流のレンズＬ又は等価な光学素子（例えば、凹ミラー）は、ＮＬＭと付されているＢＮＬＭの本体中にｆｓ光を集束させる。ｎＪのｆｓパルスのパルスピークパワーは、サブＭＷから１０ＭＷの範囲内で、臨界パワー以下である（つまり、Ｐ_Ｐｋ≦Ｐ_Ｃｒｉｔ）。従って、既知のパルスピークパワーは、弱い非線形レンズを生成するのに十分なものに過ぎない。従って、選択されるＢＮＬＭにおいてｆｓＳＣＧ閾値に達しない。下流のレンズＬは、ＮＬＭの出力において光をコリメートする。

特に図３ａを参照すると、光学システムは、ｆｓパルスの波長とは異なる第二波長の光を出力するＣＷ方式又はパルス方式で動作することができる第二レーザー源又はポンプを更に含む。フェムト秒放射とＣＷ放射は、上流のレンズＬ又は等価な光学素子（例えば、凹ミラー）によって、ダイクロイックミラー（ＤＭ）上に重ね合わせられて、ＢＮＬＭ中に集束される。この場合、ｆｓＳＣＧの最適化は、以下で検討する方法の他に、ポンプのパワー及び／又は両レーザーのビームサイズを制御することによって実現可能である。これらパラメータは、一つ以上のレンズを含む光学装置（ＯＡ）を組み込むことによって制御可能である。ポンプのパワーは、当該分野において周知の多数の方法によって制御可能であるが、大多数のレーザー源は制御可能なパワーを有する。

例えば、第二波長は、ポンプでＢＮＬＭ中に吸収されるように選択される。ここで用いられるＢＮＬＭの光学特性（吸収スペクトル等）は多くの文献において周知である。典型的には、ポンプは、１．５μｍ～２μｍの第二波長を出力するが、この範囲は、ＢＮＬＭの多様性に起因して包括的なものではなく、逆のスペクトル方向に大々的ではなく或る程度シフトし得る。典型的には、第二波長は、ＢＮＬＭ中に結合されて、第一波長と同じ方向又は逆方向に伝搬し得る。

他の非線形プロセスを用いて、各レーザー源のｆｓ波長及び第二動作波長とは異なる新たな追加波長を発生させることができる。こうした第一波長でも第二波長でもない新たな波長は、ＢＮＬＭ中に吸収されることで、熱レンズの形成に寄与することができる。２次の非線形性（勿論、３次の非線形性も）を有する具体的に選択されたＢＮＬＭにおける新たな波長の発生は、概して三波混合と称されるが、以下で開示する多様なプロセスも含む。

３波混合の一つのプロセスは、ｆｓビームの基本周波数（これ自体はＮＬＭ中に吸収可能ではない）の第二高調波発生（ＳＨＧ，ｓｅｃｏｎｄ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）を含み、第二高調波は吸収可能である。その吸収は、熱散逸と、その後のフィラメンテーションを生じさせて、ｆｓＳＣＧの発生と、出力ｆｓパルスのスペクトル広域化をもたらす。

他のプロセスは、和周波発生や差周波発生として知られている。これら両種の周波数変換では、ｆｓレーザーとポンプレーザーの波長（どちらも吸収可能ではない）が互いにまたＢＮＬＭと相互作用して、選択されたＢＮＬＭの吸収スペクトル内の第三波長を発生させる。

他の種類の三波混合は光整流である。この効果は、差周波発生と或る程度似ていて、ｆｓレーザーとＢＮＬＭとの相互作用が、ｆｓレーザーの第一波長よりも長くてＢＮＬＭ中に吸収可能な新たな波長を発生させる。

三波混合の更に他のプロセスは、パラメトリック発生であり、ポンプ波長が、ＢＮＬＭと相互作用して、ｆｓレーザーの初期波長よりも長い新たな複数の波長を発生させるように選択されて、これら新たな波長のうちの少なくとも一つが吸収可能であり熱レンズを生成する。これら新たな波長のうちの一つは、選択されたＢＮＬＭにおいて吸収可能であり、熱レンズの形成に関与する。

上述のように、三次非線形性を有し、また二次の非線形性も特徴とするＢＮＬＭは多数存在している。一般的には、これら物質は、三次非線形性（χ^（３）≠０）を有する単結晶物質と多結晶物質（二次非線形性（χ^（２）≠０）を有するＢＮＬＭのサブグループを含む）から選択される。単結晶物質としては、酸化物（ＢＢＯ（ホウ酸バリウム））、リン化物（ＺＧＰ）等が挙げられる。また、複屈折位相整合物質や疑似位相整合物質やランダム疑似位相整合物質も挙げられ、ＰＰＬＮ（周期分極反転ニオブ酸リチウム）、ＰＰＳＬＴ（周期分極反転化学量論タンタル酸リチウム）、ＰＰＫＴＰ（周期分極反転リン酸チタニルカリウム）、ＯＰ‐ＧａＡｓ（配向パターン化ヒ化ガリウム）、ＯＰ‐ＧａＰ（配向パターン化リン化ガリウム）、多結晶ＺｎＳ、多結晶ＺｎＳｅのうち一つから選択される。

図４ａ～図４ｃは、図３ａのシステムにおける熱効果がある場合と無い場合でのシミュレーションで予測されたスペクトル・対・実験的に測定されたＳＣＧのｎＪレベルのパルスエネルギーを示す。図４ｂは、熱効果を含まない場合のパルスの横方向フルエンスプロファイルを示す（図４ａのＷＧ ｏｆｆに対応）。図４ｃは、弱い集束の熱導波路を有するフルエンス分布を示し、図４ａのＷＧ ｏｎに対応している。白線は、１／ｅ^２ビームウエストを示し、その初期値は８５μｍである。

図４ａ～図４ｃは、媒体中における熱導波路の有無が、伝搬方向に沿った全く異なる強度プロファイルをもたらすことを示す。熱導波路が無い場合（図４ｂ）、（ｉ）ｎＪレベルのエネルギーのｆｓパルスは、大体ガウスビームのように伝搬し、つまり、光カー効果による非常に低い非線形自己集束を有し、（ｉｉ）パルスのスペクトルは、極めて少量のスペクトル広域化（これも光カー効果による）を受ける。対照的に、図４ｃは、熱レンズの形成をもたらす熱導波路の存在と、そのＮＬＭ内部における非線形レンズに対する寄与を示す。これが、ＮＬＭ内部におけるレーザー強度の劇的な増加をもたらし、これに、スペクトル帯域幅の爆発的な増加、つまり、入力パルスのｎＪレベルのエネルギーでのスーパーコンティニウムの発生（低閾値ＳＣＧ）が続く。

図３ｂは、単一のｆｓオシレータ（レーザー）とバルク非線形媒体（ＮＬＭ）とを含むシステムを示す。ｆｓレーザーとＮＬＭのパラメータは、ＮＬＭが、線形又は非線形機構を介してｆｓレーザー放射を部分的に吸収するように選択される。これは、上述のように、ポンプビームの軸において屈折率変化Δｎ＝（ｄｎ／ｄＴ）ΔＴを有する熱導波路をＮＬＭ中に課す。本発明者は、この方式を自己熱導波路化（ｓｅｌｆ‐ｔｈｅｒｍａｌ‐ｗａｖｅｇｕｉｄｉｎｇ）と命名している。図３ａに関して開示されている実質的に全ての非線形プロセスが、図３ｂの自己熱導波路化に作用していて、ＢＮＬＭは、三波プロセスと四波プロセスの両方（例えば、四波混合多光子吸収等）をサポートし、勿論、選択されたＢＮＬＭにとって特に重要なカー非線形集束プロセスをサポートするように構成されている。図３ａとは対照的に、第一ｆｓ波長のみで、上述の全ての非線形プロセスを発生させて、新たな吸収可能波長を発生させている。

図３ｂの自己熱導波路化システムでの低閾値ｆｓＳＣＧの実験結果が図５ａ～図５ｃに示されている。実験は、ＰＲＲ（周波数）ｆ_Ｒ＝８１ＭＨｚのモードロックＣｒ：ＺｎＳ ｆｓレーザーと、ＢＮＬＭとしてのＺＧＰ結晶を用いて行われた。高い二次非線形性（χ^（２）≠０）を有する長さ３ｍｍのＺＧＰ（リン化亜鉛ゲルマニウム）結晶を、入力ｆｓパルスの光整流用に構成した。

ＺＧＰ結晶は、入力パルスの非線形周波数変換によって一部のスペクトル成分を吸収し、具体的には、１．２μｍの入力パルスのＳＧと、１２μｍを超える波長の出力パルスの長波ＩＲ（赤外線）成分を吸収する。これら非線形吸収が、ＺＧＰ媒体中に熱導波路を生成する。熱導波路中へのｆｓ放射の閉じ込めが、レーザー強度の増加をもたらす。そして、レーザー強度の増加が、非線形吸収の増加と、連続的でより強力な熱導波路化と、ｆｓ放射のより強力な閉じ込めを生じさせて、フィラメンテーションをもたらし、最終的にはＳＣＧに繋がる。ＺＧＰに加えて、ＢＮＬＭとして、高い三次非線形性（χ^（３）≠０）を有する、フッ化物（ＣａＦ_２）、硫化物やセレン化物（ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＧａＳｅ）、ＴＭ（遷移金属）：ＩＩ‐ＶＩ族半導体（例えば、単結晶や多結晶のＣｒ：ＺｎＳ、Ｃｒ：ＺｎＳｅ、Ｆｅ：ＺｎＳ、Ｆｅ：ＺｎＳｅ）が挙げられる。

特に、図５ａ～図５ｃは、ＮＬＭの入力（ｉｎ）と出力（ｏｕｔ）におけるｆｓパルスの測定スペクトルを示す。スペクトルは、パルスエネルギーとパルス列の平均パワーを徐々に増加させながら測定された。出力スペクトルは、基本バンド（ｆ）と、光整流によってＮＬＭ中に発生する長波ＩＲバンド（０ｆ）と、ｆバンドのスペクトル成分と０ｆバンドのスペクトル成分との間の三波混合チェーンを介してＮＬＭに発生した中間バンド（図５ｃに示される）で構成される。

図５ａは、基本周波数ｆにおける１４ｎＪのエネルギー（１．１Ｗの平均パワー）の入力パルスに対応している。見て取れるように、この方式では、出力パルスの非線形広域化は非常に低い。ＮＬＭにおける１６．７％の損失は、線形損失（例えば、線形吸収、サンプルの不完全なコーティング等）に起因するものと考えられる。図５ｂは、３２ｎＪに対応し、図５ａのものよりもある程度広い非線形広域化を生じさせている。１９．８％の損失は、線形損失及び非線形損失を示し、非線形損失は非線形集束に起因している。図５ｃは、４６ｎＪのエネルギー（３．８Ｗの平均パワー）の入力パルスに対応している。この方式では、出力パルスの非線形広域化は非常に強く、パルスは２３．５％の損失で伝搬し、これは線形損失と非線形損失を含み、ＮＬＭ中における追加の０．３Ｗの熱散逸に対応している。上記に基づくと、フィラメンテーション閾値に達しているとする信頼性のある指標は、ＢＮＬＭ中への追加の非線形吸収によって熱レンズが生成されることである。従って、入力パルスエネルギーの３．３倍の増加が、スペクトル広域化の劇的な増強と、低閾値ｆｓＳＣＧをもたらし、これは、ＢＮＬＭ中における非線形効果と熱光学効果によって同時に制御される。

本開示に従って得られる低閾値ＳＣＧは、（ｉ）ｆｓレーザーからの入力パルスの「正しい」プレチャーピング又はプレ整形、（ｉｉ）ＮＬＭ中の追加のレーザー利得、（ｉｉｉ）熱導波路のパラメータの最適化（つまり、ポンプビームの軸における屈折率変化Δｎの最適化）によって、更に改善可能である。（ｉ）の改善は、ｆｓオシレータとＢＮＬＭとの間に選択的に挿入される、ドーピングされていないＹＡＧ（イットリウムアルミニウムガーネット）プレート、ＺｎＳｅプレート、色分散を有するミラー、体積型ブラッグ格子（ＶＢＧ，ｖｏｌｕｍｅ Ｂｒａｇｇ ｇｒａｔｉｎｇ）、又は、他の構成要素によって達成可能である。これら全ての構成要素は、図３ａに示される光学装置ＯＡの部品であり得て、図３ｂのシステムでも同様に利用可能である。勿論、ＢＮＬＭの分散特性は、プレチャーピングをキャンセルして、ｆｓパルスをＢＮＬＭ内で可能な限り短いパルス幅に圧縮するように選択されることが望ましい。（ｉｉ）の改善としては、レーザー物質であるのと同時に非線形物質であるＢＮＬＭを利用することが挙げられる。追加のレーザー利得Ｇが、ＮＬＭ内での強度の追加上昇をもたらし、つまりは、図４ｂに示されるようにより広域な出力スペクトルを有する低閾値ＳＣＧをもたらす。（ｉｉｉ）の改善としては、ＮＬＭ内のポンプレーザー吸収を微調整して、更に広域な出力スペクトルを有する低閾値ＳＣＧもたらすことが挙げられる。低閾値ＳＣＧのパラメータに対するΔｎの微調整の重要性が、図４ｃに示されており、最も短いｆｓパルスが、ＮＬＭ内の熱ガイドの集束点の位置において得られている。本開示の最適化は、実験を介して、又はコンピュータシミュレーションを介して実現可能である。

本発明に係る本開示の態様は、上記説明で与えられ添付図面に示される構成要素の構成や配置の詳細に限定されるものではない。これらの態様は、他の実施形態も想定していて、多様な方法で実施又は実行可能である。特定の実施形態の例は、例示目的としてのみ与えられているものであって、限定的なものではない。特に、一つ以上の実施形態に関して説明されている作用、構成要素、要素、特徴は、他の実施形態における同様の役割から排除されるものではない。

本願で用いられている表現と用語は、説明目的のものであって、限定的なものではない。本開示のシステムと方法の例、実施形態、構成要素、要素、作用についての単数形での言及は、複数形の場合も含むものであり、また、本開示の実施形態、構成要素、要素、作用についての複数形での言及は、単数形のみの場合を含むものであり得る。単数形で言及しているか複数形で言及しているのかは、本開示のシステムや方法、それらの構成要素、作用、要素を限定するものではない。本願で用いられる「含む」、「備える」、「有する」、「含有する」等の用語の使用は、その用語に関して列挙されている事項、その等価物、追加の事項等を包含するものである。「又は」との用語は、包括的なものとして解釈可能であり、「又は」を用いて記載されている事項が、それら事項のうち一つ、複数、又は全部を示すものであり得る。また、本願の用語の使用と参照として本願に組み込まれる文献の用語の使用が一致しない場合、参照として本願に組み込まれる文献における用語の使用は、本願のものに対して補助的なものであり、矛盾する場合には、本願における用語の使用が優先する。

一つ以上の例の複数の態様について説明してきたが、多様な変更、修正、改良が当業者には容易に思い浮かぶことを理解されたい。例えば、本開示の例は他の文脈においても使用可能である。このような変更、修正、改良は、本開示の一部であり、本開示の例の範囲内にあるものである。従って、上記説明と図面は単に例である。

Claims (30)

1. 正の熱光学係数（ｄｎ／ｄＴ＞０Ｋ^－１）を有するバルク非線形物質（ＢＮＬＭ）中のフェムト秒スーパーコンティニウム発生（ｆｓＳＣＧ）を制御する方法であって、
   フルパルス繰り返し率（ＰＲＲ）で動作するｆｓオシレータから第一波長で放出された光をバルク非線形物質（ＢＮＬＭ）中に結合させることによって、前記バルク非線形物質（ＢＮＬＭ）中に結合されたｆｓパルスの非線形集束を生じさせることと、
   前記第一波長とは異なり前記バルク非線形物質（ＢＮＬＭ）によって吸収可能な第二波長の光を前記バルク非線形物質（ＢＮＬＭ）と相互作用させることによって、前記バルク非線形物質（ＢＮＬＭ）中に熱レンズを形成することと、を備え、
   前記ｆｓパルスの非線形集束と前記熱レンズが共に前記ｆｓオシレータのフルパルス繰り返し率（ＰＲＲ）でｆｓスーパーコンティニウムを発生させる、方法。
2. 前記バルク非線形物質（ＢＮＬＭ）が、前記第一波長と前記第二波長において線形吸収性を有するか、非線形吸収性を有するか、又は、線形吸収性及び非線形吸収性を有するように選択され、前記第一波長が、１μｍ～１０μｍの範囲の近赤外から中赤外スペクトルから選択される、請求項１に記載の方法。
3. 前記バルク非線形物質（ＢＮＬＭ）が、三次非線形性（χ^（３）≠０）を有し任意で二次非線形性（χ^（２）≠０）を有するアモルファス物質と単結晶物質と多結晶物質とから選択される、請求項１に記載の方法。
4. 前記バルク非線形物質（ＢＮＬＭ）が、二次非線形性（χ^（２）≠０）を有する単結晶物質と多結晶物質とから選択され、和周波混合と差周波混合と光パラメトリック発生と光整流とのうちのいずれか一つ又は組み合わせ用に構成される、請求項３に記載の方法。
5. 前記アモルファス物質がシリケートガラスと非シリケートガラスを含み、前記単結晶物質が酸化物（ＹＡＧ、ＢＢＯ）、リン化物（ＺＧＰ）、フッ化物（ＣａＦ_２）、硫化物やセレン化物（ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＧａＳｅ）を含む、請求項３に記載の方法。
6. 前記二次非線形性（χ^（２）≠０）を有するバルク非線形物質（ＢＮＬＭ）が、ＰＰＬＮ（周期分極反転ニオブ酸リチウム）、ＰＰＳＬＴ（周期分極反転化学量論タンタル酸リチウム）、ＰＰＫＴＰ（周期分極反転リン酸チタニルカリウム）、ＯＰ‐ＧａＡｓ（配向パターン化ヒ化ガリウム）、ＯＰ‐ＧａＰ（配向パターン化リン化ガリウム）、多結晶ＺｎＳ、及び多結晶ＺｎＳｅのうち一つから選択される疑似位相整合物質又はランダム疑似位相整合物質から選択される、請求項３に記載の方法。
7. 前記バルク非線形物質（ＢＮＬＭ）が、単結晶又は多結晶のＣｒ：ＺｎＳ、Ｃｒ：ＺｎＳｅ、Ｆｅ：ＺｎＳ、及びＦｅ：ＺｎＳｅを含む遷移金属（ＴＭ）：ＩＩ‐ＶＩ族半導体から選択される、請求項３に記載の方法。
8. 前記第二波長の吸収が、熱導波路として作用する光の断面に沿った放射状温度分布を誘起することによって前記熱レンズを形成する、請求項１に記載の方法。
9. 前記バルク非線形物質（ＢＮＬＭ）と前記第一波長との相互作用が、前記第一波長の多光子吸収、非線形三波混合、非線形四波混合、又はこれらの組み合わせで前記第一波長を一つ以上の追加波長に部分的に変換する、請求項２に記載の方法。
10. 前記バルク非線形物質（ＢＮＬＭ）と前記第一波長と前記第二波長との相互作用が、前記第一波長及び前記第二波長の非線形三波混合又は非線形四波混合で前記第一波長及び前記第二波長を一つ以上の追加波長に部分的に変換する、請求項１に記載の方法。
11. 前記第一波長と前記第二波長が前記バルク非線形物質（ＢＮＬＭ）中を同じ方向又は逆方向に伝搬する、請求項１０に記載の方法。
12. スーパーコンティニウム発生（ＳＣＧ）を最適化することによって、前記バルク非線形物質（ＢＮＬＭ）の入力においてｆｓパルスの可能な限り低いエネルギーとピークパワーで前記バルク非線形物質（ＢＮＬＭ）の出力においてｆｓパルスの広域スペクトルを達成することを更に備え、
    前記スーパーコンティニウム発生（ＳＣＧ）を最適化することが、
    （ａ）前記バルク非線形物質（ＢＮＬＭ）に入射する前記第一波長の光のビームサイズを調節すること、
    （ｂ）前記第二波長の光のビームサイズと平均パワーを調節すること、
    （ｃ）前記バルク非線形物質（ＢＮＬＭ）から上流においてｆｓパルスを正又は負にプレチャーピングすること、
    （ｄ）物質分散性のバルク非線形物質（ＢＮＬＭ）を選択することによって、プレチャーピングされたｆｓパルスを圧縮すること、
    （ｅ）前記バルク非線形物質（ＢＮＬＭ）内におけるプレチャーピングされたｆｓパルスの自己集束の位置を特定して、特定された位置で前記プレチャーピングされたｆｓパルスを可能な限り短いパルス幅に圧縮すること、又は、
    （ｆ）前記（ａ）から前記（ｅ）のうちの選択的組み合わせ、を含む、請求項１に記載の方法。
13. 前記プレチャーピングが、バルク光学物質（ＹＡＧ、ＺｎＳｅ）、又は体積型ブラッグ格子（ＶＢＧ）と分散ミラーとの組み合わせから選択された光学素子を挿入することによって、自己集束の位置におけるｆｓパルスの最適時間分布を特定することを含む、請求項１２に記載の方法。
14. 前記最適化が、実験的方法又はコンピュータシミュレーションを介して行われる、請求項１２に記載の方法。
15. 前記バルク非線形物質（ＢＮＬＭ）が、前記第一波長において利得媒体又は非利得媒体として構成される、請求項１に記載の方法。
16. 前記ｆｓオシレータが、１０ＭＨｚ～１０ＧＨｚの範囲のフルパルス繰り返し率（ＰＲＲ）で動作する、請求項１に記載の方法。
17. 前記熱レンズの存在下における自己集束の閾値が、前記熱レンズが存在しない場合の閾値の２分の１以下である、請求項１に記載の方法。
18. フェムト秒スーパーコンティニウム発生（ｆｓＳＣＧ）を制御するための光学システムであって、
    第一波長において１０ＭＨｚ～１０ＧＨｚの範囲のフルパルス繰り返し率（ＰＲＲ）でｆｓパルス列を有する光を出力するｆｓオシレータと、
    フェムト秒スーパーコンティニウム発生（ｆｓＳＣＧ）の閾値に達するには不十分な局所的非線形集束を誘起するパルスエネルギーのｆｓパルスを受けるバルク非線形物質（ＢＮＬＭ）と、を備え、
    前記バルク非線形物質（ＢＮＬＭ）が、正の熱光学係数（ｄｎ／ｄＴ＞０Ｋ^－１）を有し、前記第一波長とは異なる第二波長の光を吸収するように構成され、吸収された光が、前記第一波長の断面にわたる熱散逸を誘起して、前記バルク非線形物質（ＢＮＬＭ）の長手方向に沿って熱レンズを形成し、前記熱レンズが、前記第一波長の非線形集束されたｆｓパルスの強度を前記フェムト秒スーパーコンティニウム発生（ｆｓＳＣＧ）の閾値にまで増加させる、光学システム。
19. 前記バルク非線形物質（ＢＮＬＭ）が、前記第一波長と前記第二波長において線形吸収性を有するか、非線形吸収性を有するか、又は、線形吸収性及び非線形吸収性を有するように選択され、前記第一波長が、１００ｎｍ～１０μｍの範囲の近赤外から中赤外スペクトルから選択される、請求項１８に記載の光学システム。
20. 前記バルク非線形物質（ＢＮＬＭ）が、三次非線形性（χ^（３）≠０）を有するアモルファス物質と単結晶物質と多結晶物質とから選択され、選択される前記三次非線形性（χ^（３）≠０）を有するバルク非線形物質（ＢＮＬＭ）が、二次非線形性（χ^（２）≠０）を有するバルク非線形物質（ＢＮＬＭ）のサブグループを含む、請求項１８に記載の光学システム。
21. 前記二次非線形性（χ^（２）≠０）を有するバルク非線形物質（ＢＮＬＭ）のサブグループが、単結晶又は多結晶の複屈折位相整合物質、疑似位相整合物質、又はランダム疑似位相整合物質から選択され、前記複屈折位相整合物質がＬＮ（ニオブ酸リチウム）、ＬＢＯ（ホウ酸リチウム）、ＢＢＯ（ホウ酸バリウム）、ＫＴＰ（リン酸チタニルカリウム）、ＺＧＰ（リン化亜鉛ゲルマニウム）、ＧａＳｅのうち一つであり、前記疑似位相整合物質がＰＰＬＮ（周期分極反転ニオブ酸リチウム）、ＰＰＳＬＴ（周期分極反転化学量論タンタル酸リチウム）、ＰＰＫＴＰ（周期分極反転リン酸チタニルカリウム）、ＯＰ‐ＧａＡｓ（配向パターン化ヒ化ガリウム）、ＯＰ‐ＧａＰ（配向パターン化リン化ガリウム）のうち一つであり、前記ランダム疑似位相整合物質が多結晶ＺｎＳ、多結晶ＺｎＳｅのうち一つである、請求項２０に記載の光学システム。
22. 前記バルク非線形物質（ＢＮＬＭ）が、第二高調波発生（ＳＨＧ）と和周波発生と差周波発生と光整流とパラメトリック発生とのうちの一つ以上から選択された非線形プロセスを含む三波混合（ＴＷＭ）用に構成されている、請求項２１に記載の光学システム。
23. 前記アモルファス物質が、シリケートガラス、非シリケートガラスを含み、前記単結晶物質が酸化物（ＹＡＧ、ＢＢＯ）、リン化物（ＺＧＰ）、フッ化物（ＣａＦ_２）、硫化物やセレン化物（ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＧａＳｅ）を含む、請求項２０に記載の光学システム。
24. 前記バルク非線形物質（ＢＮＬＭ）が、単結晶又は多結晶のＣｒ：ＺｎＳ、Ｃｒ：ＺｎＳｅ、Ｆｅ：ＺｎＳ、Ｆｅ：ＺｎＳｅを含む遷移金属（ＴＭ）：ＩＩ‐ＶＩ族半導体から選択され、レーザー相互作用、三波混合、四波混合又は多光子吸収用に構成されている、請求項２０に記載の光学システム。
25. 前記バルク非線形物質（ＢＮＬＭ）が、前記第一波長と追加波長のレーザー相互作用、多光子吸収、非線形三波混合、又は非線形四波混合で前記第二波長を生成するように構成されている、請求項２４に記載の光学システム。
26. 前記バルク非線形物質（ＢＮＬＭ）中に結合される追加波長を出力する補助レーザー源を更に備え、
    前記追加波長と前記第一波長は同じ方向又は逆方向に伝搬し、前記追加波長は、前記バルク非線形物質（ＢＮＬＭ）中に吸収される前記第二波長であるか、又は、前記第一波長をポンピングするか若しくは前記バルク非線形物質（ＢＮＬＭ）及び前記第一波長と非線形相互作用して三波混合を生じさせて前記第二波長を発生させ、前記補助レーザー源が連続波方式又はパルス方式で動作する、請求項２５に記載の光学システム。
27. 前記補助レーザー源と前記バルク非線形物質（ＢＮＬＭ）との間に配置され前記追加波長の光のビームサイズを制御して変化させるように構成されたレンズ装置を更に備え、
    前記補助レーザー源が、前記追加波長の光の平均パワーを制御して調節するように構成されている、請求項２６に記載の光学システム。
28. 前記ｆｓオシレータと前記バルク非線形物質（ＢＮＬＭ）との間に配置され前記第一波長の光のビームサイズを変化させるように構成されたレンズ装置を更に備える請求項２７に記載の光学システム。
29. 記ｆｓオシレータと前記バルク非線形物質（ＢＮＬＭ）との間に配置される分散素子を更に備え、
    前記分散素子が、ドーピングされていないＹＡＧプレート、ＺｎＳｅプレート、色分散を有するミラー、体積型ブラッグ格子（ＶＢＧ）のうち一つ以上を含み、ｆｓパルスをチャーピングし、前記バルク非線形物質（ＢＮＬＭ）が、プレチャーピングされたｆｓパルスを圧縮する物質分散性を有するように構成されている、請求項１８に記載の光学システム。
30. 前記第一波長と前記第二波長とのビームサイズ、及び前記第二波長のパワーが、前記非線形集束と前記熱レンズが前記バルク非線形物質（ＢＮＬＭ）内の共通の集束位置を有するように制御される、請求項１８に記載の光学システム。