(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ゲートで制御されてパルスを出力するｃｗレーザダイオード、該ｃｗレーザダイオードの出力端に配置された変調器を有し、１ｋＨｚから１０ＭＨｚ未満までの範囲の繰り返し周期で約１０ｎｓ未満、或いはそれに等しいパルスを出力するパルス光源と、
前記パルス光源の出力を受光する増幅器と、
正の群速度分散（ＧＶＤ）と自己位相変調とを持ち、前記増幅器の出力を受光するファイバと、
を備える結合物。
【請求項２】
ゲートで制御されてパルスを出力するｃｗレーザダイオードを有する光源と、
前記光源の出力を受光するべく配置され、１ｋＨｚから１０ＭＨｚ未満までの範囲の繰り返し周期で約１０ｎｓ未満、或いはそれに等しいパルスを出力する変調器と、
前記変調器で出力されるパルスを増幅するべく配置された増幅器と、
正の群速度分散（ＧＶＤ）と自己位相変調とを持ち、前記増幅器の出力を受光するファイバと、
を備える結合物。
【請求項３】
ゲートで制御されてパルスを出力するｃｗレーザダイオードを有する光源と、
前記光源の出力を受光するべく配置され、１ｋＨｚから１０ＭＨｚ未満までの範囲の繰り返し周期で約１０ｎｓ未満、或いはそれに等しいパルスを出力する変調器と、
前記変調器で出力されるパルスを増幅するべく配置された増幅器と、
正の群速度分散（ＧＶＤ）と自己位相変調とを持ち、前記増幅器の出力を受光するファイバと、
正のＧＶＤを持つ前記ファイバの出力を受光するべく配置された２−ステージ圧縮器と、
を備える結合物。
【請求項４】
ゲートで制御されてパルスを出力するｃｗレーザダイオードを有し、約１０ｎｓ未満、或いはそれに等しいパルスを出力するパルス光源と、
前記パルス光源の出力を受光するべく配置された１ｋＨｚから１０ＭＨｚ未満までの範囲の繰り返し周期の変調器と、
前記変調器で変調されたパルスを増幅するべく配置された第１増幅器と、
正の群速度分散（ＧＶＤ）と自己位相変調とを持ち、前記増幅器の出力を受光するファイバと、
正のＧＶＤを持つ前記ファイバの出力を増幅するべく配置された第２増幅器と、
を備える結合物。
【請求項５】
ゲートで制御されてパルスを出力するｃｗレーザダイオード、該ｃｗレーザダイオードの出力端に配置された変調器を有し、１ｋＨｚから１０ＭＨｚ未満までの範囲の繰り返し周期で約１０ｎｓ未満、或いはそれに等しいパルスを出力するパルス光源と、
前記パルス光源の出力を増幅するべく配置された増幅器と、
正の群速度分散（ＧＶＤ）と自己位相変調とを持ち、前記増幅器の出力を受光するファイバと、
を備え、前記パルス光源が電子的手段によって時間領域でスペクトル的にチャープされる結合物。
【請求項６】
前記ファイバは、マルチモードファイバである請求項１に記載の結合物。
【請求項７】
前記マルチモードファイバは、シングルモード動作である請求項６に記載の結合物。
【請求項８】
パルスエネルギは、５００ｎＪ以上である請求項１に記載の結合物。
【請求項９】
前記２−ステージ圧縮器は、正のＧＶＤと自己位相変調とを持つ第２ファイバを備える請求項３に記載の結合物。
【請求項１０】
前記パルスは、１〜１００ｐｓの範囲である請求項１〜５のいずれか１項に記載の結合物。
【請求項１１】
１ｋＨｚから１０ＭＨｚ未満までの範囲の繰り返し周期で約１０ｎｓ未満、或いはそれに等しいパルスを受光する第１圧縮器をさらに備える請求項１，２，４又は５のいずれか１項に記載の結合物。
【請求項１２】
前記光源から出力された前記パルスがさらなる増幅を受け、前記パルスは、パルス圧縮なしでのチャープパルス増幅を受ける請求項１〜５のいずれか１項に記載の結合物。
【請求項１３】
前記増幅器は、ファイバ増幅器である請求項１〜５のいずれか１項に記載の結合物。
【請求項１４】
前記第１圧縮器は、前記パルスを受光する分散シフトファイバを備える請求項１１に記載の結合物。
【請求項１５】
チャープファイバ格子を備え、正のＧＶＤを持つ前記ファイバの出力を受光する第２圧縮器をさらに備える請求項１、２、４〜５のいずれか１項に記載の結合物。  
【請求項１６】
前記変調器は、前記ｃｗレーザダイオードの出力端に配置される請求項２〜４のいずれか１項に記載の結合物。
【請求項１７】
前記増幅器は、イットリビウムドープファイバ増幅器である請求項２〜４のいずれか１項に記載の結合物。
【請求項１８】
前記２―ステージ圧縮器は、４−ポートサーキュレータと二つのファイバ格子とを備える請求項３に記載の結合物。
【請求項１９】
前記増幅器と、正のＧＶＤ及び自己位相変調を持つ前記ファイバとは、２重パスされる請求項１〜５のいずれか１項に記載の結合物。
【請求項２０】
前記第２増幅器は、時間形状が放物線であるパルスを増幅する放物線パルス増幅器として動作する請求項４に記載の結合物。
【請求項２１】
前記結合物の出力の波長を変えるために変換結晶をさらに備える請求項２０に記載の結合物。
【請求項２２】
前記ｃｗレーザダイオードは、１ｐｓより大きなパルスを出力する請求項２１に記載の結合物。
【請求項２３】
前記ファイバは、自己位相変調のためにシングルモード動作するマルチモードファイバであり、パルスエネルギは、５００ｎＪより大きい請求項４又は５に記載の結合物。
【請求項２４】
前記ｃｗレーザダイオードは、５０ｐｓ〜１０ｎｓの範囲で出力する請求項２１に記載の結合物。
【請求項２５】
前記ファイバは、コアのないロッド状のエンドキャップを前記ファイバの端部に接合し、それによって前記パルスのビーム形状が前記端部の表面の前で広げられる請求項２３に記載の結合物。
【請求項２６】
前記増幅器は、マルチモードファイバ又は穴のあるファイバ増幅器のいずれかである請求項４に記載の結合物。
【請求項２７】
パルスエネルギは１μＪより大きく、前記ファイバはマルチモードファイバであり、前記パルスは伸張される請求項４に記載の結合物。
【請求項２８】
前記システムは、前記第１圧縮器の出力を受光すべく前記第１圧縮器の下流側に配置された第２圧縮器を、さらに備える請求項１１に記載のシステム。
【請求項２９】
前記第２圧縮器は、
（１）サーキュレータ、
（２）減衰器、それによって出力パルスがさらなる増幅のために伸張される、
（３）４ポートサーキュレータと２つのファイバ格子、前記第２圧縮器が２−ステージ圧縮器である、
（４）格子、
（５）スペクトルフィルタ、
の１つを含む請求項２８に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高エネルギ超高速レーザシステムへの応用に適したエネルギをもつ繰り返し周期可変超高速光源に関する。これらの光源は、高エネルギ応用のための短パルス発生用モードロックレーザに取って代わることができる。その光源は、安価な長パルス光源に基づき、高パルスエネルギで短パルスを得るために光ファイバ中でのパルス圧縮を用いる。
【背景技術】
【０００２】
本発明は、高エネルギ超高速レーザ用光源に関する。関連技術のほとんどは、通信用光源に集中している。現在、通信用ファイバで送信されるデータを増やすことができる技術を開発するべく後押しがある。データレートを増加させる二つの方法がある。一つは、異なる波長で動作するチャンネル数を増やすことによる方法（ＷＤＭ）である。他方は、データの周波数を増やすことによりチャンネル当たりのデータレートを増加させることによる方法（ＴＤＭ）である。現在実装されたシステムは、主に１０ギガビット−パー−秒（Ｇｂｉｔ／ｓ）及びそれ以下で動作する。しかしながら、４０Ｇｂｉｔ／ｓ及び１６０Ｇｂｉｔ／ｓで動作するシステムの開発には大きな進歩がある。現状技術は、１チャンネルで１．２８テラビット−パー−秒（Ｔｂｉｔ／ｓ）で動作する実験システムである（Nakazawa et al, ”Ultrahigh-speed OTDM Transmission beyond 1 Tera Bit-Per-Second Using a Femtosecond Pulse Train” IECE Trans. Electron. E38-C, pp.117-125,(2002)）。
【０００３】
通信システムの周波数の増加には多くの技術的挑戦がある。ここで適切である一つは、高周波数パルスの光源である。現在の光源は、リチウムナイオベート振幅変調器で変調された出力をもつｃｗレーザダイオードである。レーザダイオードは、直接変調されるが、ダイオードの直接変調は、主にファイバをある距離伝搬した後で信号を劣化させるスペクトルチャープをレーザダイオード出力に付加する。リチウムナイオベート変調器とそれに関連するエレクトロニクスとが、将来のシステムに必要な周波数とピコセコンド及びサブピコセコンドのパルス幅を達成できるかは不確かである。したがって、代わりとなる光源の研究が現在非常に活発である。代わりとなる光源は、３つの領域に分類される。最初の二つは、レーザダイオードベースのデバイスで、そこでの研究の攻撃は、発生されたパルスの忠実度を改善させることである。一つのカテゴリーのそのようなデバイスは、モードロックレーザダイオードで、そこでの周波数は、レーザ共振器の往復時間で決められる。別のカテゴリーのレーザダイオードベースのデバイスは、利得スイッチレーザダイオードで、そこでの周波数は、エレクトロニクスで決められる。利得スイッチダイオードから短パルスを得るためには、そのパルスがダイオードの後で圧縮される必要がある。これは、通常ファイバ中でのソリトン圧縮で達成される。
【０００４】
３番目のカテゴリーの光源は、モードロックファイバレーザである。モードロックファイバレーザは、通常高品質のパルスを与えるが、４０−１６０ＧＨｚより低い周波数で動作する。この低繰り返し周期の理由は、モードロックレーザの共振器中に通常１パルスだけが存在し、ファイバレーザの共振器が、ファイバからの十分な利得のために長くなければならないからである。モードロックファイバレーザ研究の攻撃は、より高い調和モードロック（harmonic mode locking）のような方法によりデバイスの周波数を増加させることである。
【０００５】
本発明に関する形状は、利得スイッチダイオードの後にソリトンパルス圧縮用のファイバが続いたものである。初期の例は、（Ahmed et al, “Generation of 185fs pedestal-free pulse using a 1.55μm distributed feedback  semiconductor laser” Electoronic Letters 31, pp195-196,(1995)）にある。外部パルス圧縮をもつ利得スイッチダイオードから可変低繰り返し周期を発生させるポテンシャルは、高エネルギシステムにこれらのデバイスを使用するのに有利な点である。通常使用されるソリトンパルス圧縮技術は、分散減少ファイバ中での断熱ソリトン圧縮である。分散減少ファイバは、コアが緩やかに減少するファイバである。減少する分散でソリトンのままとどまらせるためには、パルス幅が緩やかに減少しなければならない。分散減少ファイバでのパルス圧縮は、通常、良好なパルス品質と１６までのパルス圧縮ファクタとを与える。現在の通信用利得スイッチダイオードデザインの不利な点は、低パルスエネルギが、必要とされ、発生されることによる。このような条件下では、ファイバパルス圧縮のための非線形性が小さく、従ってファイバは、通常、非常に長く、特にファイバが分散減少ファイバとすると、高価である。また、しばしばレーザダイオードのチャープを補償するファイバが、分散減少ファイバの前に必要とされる。これは、しばしば長さがキロメータ近くである。さらに、また、しばしば、長いパルスペデスタルを除去するための非線形光学デバイスが、ファイバパルス圧縮器の後に必要とされる。そのようなデバイスは、（K. Tamura et al, “50 GHz repetition-rate, 280-fs pulse generation at 100mw average power from a mode-locked laser diode externally compressed in a pedestal-free pulse compressor” Optics Letters, 27 pp.1268-70(2002)）に記載されている。このダイオードに３つの要素圧縮器を加えることは、これらのシステムを高価にする。
【０００６】
本発明の光源に要求される特性は、強力な超高速パルスを作るためのさらなる応用に適するエネルギをもち、繰り返し周期可変のピコ秒及びサブピコ秒パルスを作り出す能力である。要求される別の特徴は、低コストである。これらの光源は、たくさんの応用をもつ超高速光源に使用される。現在追求されているいくつかの応用は、フェムト秒微細加工、光メモリとフォトニックデバイス、３次元光集積回路とフォトニック結晶用透明材の屈折率変更、眼の手術、歯の治療、皮膚の治療及び微細手術である。これらの応用のためのパルス特性は、通信システムのためとは全く異なる。ピコジュールのパルスエネルギと＞１ＧＨｚの繰り返し周期の代わりに、１ｋＨｚ〜１ＭＨｚの繰り返し周期をもつマイクロジュール〜ミリジュールの範囲のパルスエネルギが必要とされる。チャープパルス増幅は、高エネルギをファイバ増幅器に収容するために使われる。チャープパルス増幅でのパルスは、最初スペクトル的にチャープされ、従って増幅の間、ファイバ中でのピークパワを低く保つために時間的に長くされる。増幅後、パルスは、再圧縮される。ファイバ中でのチャープパルス増幅は、（Galvanauskas, “Method and Apparatus for generation high energy ultrashort pulse” U.S. Patent 5,400,350）に記載されている。この特許における光源は、増幅されて２ｐｓに圧縮される１ｎｓパルスを与えるべく電気的にチャープされるレーザダイオードである。より一層短いパルスを得ることができることは、非常に望ましい。チャープパルス増幅のためのパルス光源は、５０〜１００ＭＨｚで動作するフェムト秒モードロックファイバ、或いは固体レーザである。これらの光源は、主に、例えば１ｋＨｚ動作のために、周期低下させられ、５０，０００−１００，０００のうち１パルスが増幅される。可変且つ低周波数で動作できる光源がより適切である。
【０００７】
フェムト秒モードロックファイバレーザは、通常十分なパルスエネルギをもっていないし、そのパルスは、これら非通信光源に要求されるよりしばしば長い。ファイバ増幅器での増幅の間のソリトン圧縮（狭小化）と高次のソリトン圧縮とは、これらの光源で既に利用されてきた。増幅の間のソリトン狭小化は、ファイバの分散を減少させることと等価である。パルスのピークパワーが増加するにつれ、パルス幅は、ソリトンを維持するために減少する必要がある。そのような高エネルギパルス用のパルス圧縮は、（Fermann, Galvanauskas and Harter, “Apparatus and Method for the Generation of High-Power Femtosecond Pulse from a Fiber Amplifier” U.S. Patent 5,880,877）に記載されている。ファイバ増幅器は、メータ以下にでき、ソリトン圧縮がこの増幅器に組み込まれている。パルスがファイバ増幅器にシードされ、高次ソリトンのエネルギまで増幅される。高次ソリトンがファイバ中を伝播すると、そのパルス幅は、周期的（periodic）である。この周期的展開（periodic evolution）の間、パルスは、初め、ソリトンの次数に依存するファクタで短縮する。圧縮に使用されるのがこの現象である。圧縮ファクタ100がこの方法で得られるが、パルスエネルギと長さが敏感になるので、主により小さなファクタが使われる。ソリトン圧縮でより一層高いパルスエネルギを得るための方法は、米国特許5，880，877に記載されている。より高いエネルギは、シングル横モードを伝播させるマルチモードファイバを使うことで可能である。マルチモードファイバは、シングルモードファイバに比べ基本モードに対して大きなモードエリアを持つので、ファイバ中の強度は減少する。したがって、ソリトン効果が再び重要になる前に、より高いパルスエネルギが必要である。
【０００８】
負の群速度分散（ＧＶＤ）をもつファイバでのソリトン圧縮の代わりは、正のＧＶＤをもつファイバでのパルス圧縮である。丁度ソリトン圧縮にとってのように、ファイバでの自己位相変調にとって分散のバランスがある。分散で線形のスペクトルチャープを与えるためのパルスの時間的な伸張と同時に、自己位相変調によるパルスのスペクトル拡張がある。ファイバの後で、チャープパルスは、再圧縮される。光ファイバを用いての超短パルス圧縮の最初の実験は、このやり方で行われた。（Nakatsuka et al, “Nonlinear Picosecond-Pulse Propagation through Optical Fibers with Positive Group Velocity Dispersion”, Physical Review Letters 47, pp.910-913(1981)）による最初の実験で、モードロック色素レーザからの５．５ピコ秒パルスが、２．７５の圧縮ファクタを与える２ｐｓに圧縮された。その後の６年間で、パルスが長期記録である６フェムト秒に圧縮されるまで（Fork et al, “Compression of optical pulses to six femtoseconds by using cubic phase compensation” Optics Letters 12 pp.483-5(1987)）、この方法を使ってのパルス圧縮に大きな進歩があった。デモされた最大パルス圧縮は、１段圧縮で約１１０×である（Dianov, “Generation of high-contrast subpicopulses by single-stage 110-fold compression of YAG:Nd3+ laser pulse”, Soviet Journal of Quantum Electronics, 17, pp.415-416(1987)）。２段ファイバ格子圧縮器を用いての圧縮ファクタ４５０が（Zysst et al, “200-femtosecond pulses at 1.06μm generated with a double-stage fiber-grating compressor” Optics Letters 11 pp.156-8(1986)）に報告されている。この圧縮方法は、１．０６μｍで動作するｃｗモードロックNd:YAGレーザのパルス圧縮用に商業化された。このレーザからのパルス幅は、３０−１００ｐｓであり、パルスは通常ファクタ１００でサブピコ秒台に圧縮される。これらのシステムの詳細は、（Kafka et al, “Pulse compression” U.S. Patent 4,750,809, Kafka et al, “Peak power fluctuations in optical pulse compression” U.S. Patent 4,898,326 and Kafka et al, “Optical fiber for pulse compression” U.S. 4,913,520）に見られる。この圧縮方法は、通信システム用利得スイッチダイオードに適用されなかった。なぜなら、通信波長（〜１．５μｍ）でのファイバは、通常、正分散でなく、ソリトン圧縮が、振幅変動にほとんど敏感でなく、且つ圧縮のために追加の格子を必要としないからである。しかしながら、最も重要な因子は、必修のピークパワーである。この圧縮方法の場合、より高いパルスエネルギの桁は、ソリトン圧縮に比較される必要がある。
【０００９】
つい最近、正分散増幅ファイバを使ってのパルス圧縮が、非通信応用のためにナノジュール台のパルスエネルギを発生している。一つの方法が米国特願No.09/576,772に記載されている。この出願は、放物線パルス増幅の使用を基本的に記載している。それは、０．２−１ｐｓのパルス幅を持つ種パルスのための幾つかのパルス圧縮（２−１０×）を記載している。それは、レーザダイオード或いはマイクロチップレーザから発生されるような１ピコ秒以上の長さのパルスのパルス圧縮を記載していない。（M.E. Fermann, A. Galvanauskas and D. Harter, “Single-mode amplifiers and compressors based on multimode optical fibers”, U.S. patent 5,818,630）は、パルス圧縮に正のＧＶＤ  ＭＭ増幅器、或いは非ドープファイバを使用することも教えている。それは、どちらかといえば長いパルス用の初期光源である利得スイッチダイオード、或いはマイクロチップレーザからのパルスのための放物線パルス増幅、或いはパルス圧縮を教えていない。より高いエネルギのために、マルチモードである正のＧＶＤファイバを使うパルス圧縮器が使用されてきた。マルチモード、正のＧＶＤ分布屈折率ファイバを使用するパルス圧縮器が、２マイクロジュールと同じ初期パルスエネルギのために、（Damm et al, “Compression of picosecond pulse from a solid-state laser using self-phase modulation in graded-index fibers”, Optics Letters 10, pp.176-8,(1985)）で使用されている。しかしながら、この場合、出力は、マルチ横モードであった。シングルモード出力でマルチモード正ＧＶＤファイバを使うパルス圧縮器は、（Fermann and Harter, “Single-mode amplifiers and compressors based on Multi-mode fibers”, US Patent 5,818,630）に記載されている。シングルモード動作のマルチモードファイバでの圧縮に使われる最も高いパルスエネルギは、ナノジュールレジーム（regime）であった。
【００１０】
本発明における初期パルスの光源は、利得スイッチレーザダイオードとマイクロチップレーザである。利得スイッチレーザダイオードは、アーメドら（Ahmed et al）の以前説明したペーパに記載されている。マイクロチップレーザは、小さなダイオードポンプ固体レーザである。マイクロチップは、能動的にＱスイッチされるか、受動的にＱスイッチされるか、いずれかである。通常使用される受動的Ｑスイッチデザインは、（Zayhowski et al, “Diode-pumped passively Q-switched picosecond microchip lasers”, Optics Letters 19,pp.1427-29(1994)）に与えられている。本発明に使用されたマイクロチップレーザは、（Zayhowski et al, “Coupled-cavity electro-optically Q-switched NdYVO4 microchip lasers”, Optics Letters 20,pp.716-8(1995)）に記載されている。この能動的Ｑスイッチレーザで、１１５ｐｓのパルス幅がデモされた。（Braun et al, “56-ps passively Q-switched diode-pumped microchip laser”, Optics Letters,22pp.381-2(1997)）で、受動Ｑスイッチレーザから５６ｐｓパルスが得られた。
【発明の開示】
【００１１】
本発明の一つの目的は、繰り返し周期可変超高速光源からの比較的長いパルスを、高エネルギ超高速レーザの光源に適する短い高エネルギパルスに変換することである。本発明の別の目的は、そのような光源が費用効果の高いものとなるように低繰り返し周期で高パルスエネルギの要求を利用することである。
【００１２】
通信システムに使用されるような利得スイッチレーザダイオードは、パルスの初期光源として使用できる。この場合、ダイオードは非常に低い繰り返し周期で動作される。パルスは、まだファイバ増幅器で増幅される。ファイバ増幅器は、一定の出力パワーデバイスとして使用される。イットリビウムとエルビウムのような典型的なドープ増幅器ファイバ中の上部状態寿命は、ミリ秒台であるので、これらの増幅器は、繰り返し周期が１０ｋＨｚ〜１００ＧＨｚの範囲で、同じ効率でパルス列を増幅することができる。増幅器が１０ＧＨｚでより、むしろ１０ｋＨｚでパルスを増幅すれば、パルスエネルギは、６桁大きくなるだろう。さらに、そのような高ピークパワーでパルス圧縮する方法は、他と相違し、且つ独特である必要がある。第１実施形態は、正の群速度分散（GVD）を持つ光ファイバ中でパルスのスペクトルを広げ、回折格子で圧縮する通常の圧縮を使用している。このパルス圧縮の目的は、利得スイッチレーザダイオードからの３−２５ピコ秒パルスをサブピコ秒パルスに変換することである。
【００１３】
２番目の光源は、低コストQスイッチマイクロチップレーザからのパルスでスタートする。これらのレーザは、典型的には２５０ピコ秒から１．０ナノ秒であるが、５０ピコ秒の短いパルスを与える。パルスのピークパワーは、典型的に１−１０kＷであり、通信用レーザダイオードからより６桁大きいパルスエネルギを持つ。マイクロチップレーザは、適当なパルス圧縮法を持つ１０ピコ秒未満のパルスに対して、非常に費用対効果の優れた光源である。シングルモードファイバ圧縮は、１５０psより短く、ピークパワーが１kＷ未満のパルスに限定されていた。
【実施例】
【００１４】
例として、本発明の８つの好ましい実施形態がここに記載されている。最初の５つの実施形態は、これら超高速光源のための長いパルス光源として、レーザダイオードを使用している。残りの実施形態は、長いパルスの光源にマイクロチップレーザを使用しいている。
【００１５】
パルスの初期光源は、通信窓の１５５０ｎｍで動作する。このレーザダイオードは、通信のパルス光源として通常使用されるダイオードとすることができる。それは、内部変調、利得スイッチされるか、あるいはリチウムナイオベート又は電子吸収変調器を使用して外部変調される。パルスは、１−１００ピコ秒の範囲である必要がある。このレーザの動作での通信システムへの使用との差異は、繰り返し周期がＧＨｚよりむしろｋＨｚからＭＨｚの範囲であることである。
【００１６】
そのパルスは、次にファイバ増幅器で増幅される。この増幅器は、少なくともその増幅器の後段で正分散ファイバを使用する。その増幅器は、パルスが時間的にチャープしているとき、パルス圧縮がファイバでのスペクトル発生（spectral generation）の仕方で起きるようにデザインされる。ファイバの終端で、パルスは、回折格子、プリズム、あるいはファイバ格子のような回折素子で主に再圧縮される。チャープパルス増幅が使用されて光源がさらに増幅されるなら、この時点でのパルス圧縮は必要ないか、或いはパルスが増幅前に回折素子を使ってさらにチャープされる必要がある。
【００１７】
ファイバ圧縮器のデザインは、次の式でわかる。これらの式は、ゴヴィンド  ピー  アガーワル著「非線形ファイバ光学」アカデミックプレス社ボストン１９８９年第６節（Govind P. Agarwal, Nonlinear Fiber Optics, Academic Press Inc. Boston 1989 Chapter 6）に見られる。
【００１８】
Z0=πT20/２|β2|
N2=γP0T20/|β2|
Zopt/Z0〜1.6/N
γ＝2πn2/λAeff
1/Fc〜1.6/N
Z0は、ソリトン周期であり、或いはソリトンが伝播しない場合、それはβ2の群速度分散パラメータを持つファイバ中の伝播距離であり、そのファイバでは時間幅Ｔ0のパルスが時間幅で２倍になる。Ｎは、非線形係数γのファイバ中のピークパワーＰ0のパルスに対するソリトン次数である。γは、パルスの波長λ、ファイバ材料の非線形屈折率n2、及びファイバ中を伝播する光の有効面積Aeffの関数である。Ｆcは、圧縮ファクタである。
【００１９】
これらファイバ圧縮器のデザインでは、パルスがラマン発生によって他の周波数に変換されることを避ける必要がある。これは、実際パルス圧縮ファクタを約１００に制限する。いくらか高い圧縮ファクタ１３０がラマンレジューム（Raman regime）で得られた（Kuckkarrtz  他, “Operation of a fiber-grating compressor in the Raman regime” Journal of the Optical Society B,5,pp.1353-1359(1988)参照。）。誘導ラマンは、いくつかの点でパルスをより長い波長に変換したり、効率を下げたり、より高い圧縮ファクターを妨げたりする。シリカのラマン利得曲線が図１Ｂに示されている（Govind P. Agarwal, Nonlinear Fiber Optics, Academic Press Inc. Boston 1989 Figure 8.1）。誘導ラマンは、出力スペクトルを１２ＴＨｚシフトさせる。図１Ａは、１．０６４ｎｍマイクロチップレーザからの１マイクロジュール、２５０ｐｓパルスが、１００メータのシングルモードファイバを伝播した時のファイバ出力を示している。１．０６５μｍでスペクトルの広がりがある。多数のロブしたスペクトルが自己位相変調を示している。しかしながら、かなりのエネルギが１．１２μｍの第１ストークスラマン波長と、１．１８μｍの第２ストークスラマン波長に変換される。ピークパワーの限界が計算される。ラマン閾値は、ピークパワーの影響を受けやすく、
Pthresh=16Aeff/gramanLeff
で決定される。
【００２０】
誘導ラマンは、利得がexp(16)に等しく、ラマンに対する利得割合がgramanLeffPthresh/Aeffであるとき、ノイズから成長する。ここで、gramanはラマン利得に対する割合で、シリカガラスの場合３．５×１０-12ｃｍ/Wであり、Aeffはモード面積、Pthreshは閾値ピークパワー、Leffはファイバの有効長である。有効長は、高い利得増幅器で変更される。なぜなら、ピークパワーがファイバの終端部近くで高いだけだからである。その式は
Leff=1/g(1-exp(-gL))
である。ここで、ｇはファイバ増幅器の利得割合、Lは物理的なファイバ長である。向上した性能は、（Arbore他, “S-band Erbium-Doped Fiber Amplifiers for WDM Transmission Between 1488 and 1508nm” in OSA Trend in Optics and Photonics(TOPS) Vol.86, Optical Fiber Communication Conference, Postconference Edition (Optical Society of America, Washington, DC, 2003), pp.374-376）に報告されたようなより長い波長の伝播を阻止するべくデザインされたファイバを使うことで得られる。この文献に記載されたファイバは、動作波長以上をカットオフする基本モードを作るために“平たくされたクラッドデザイン”（”depressed-cladding design”）である。ラマン発生を阻止するための、より長い波長に損失を与えるべく別の解は、ファイバの長さに沿っての一連のフィルタである。（Etsuko Ishikawa 他, in Proceedings of ECOC 2001(2001), Post-Deadline paper）。これらのファイバは、より高いピークパワーを得るためにファイバ増幅器にも使用される。
【００２１】
図2に示す第1実施形態では、Ahmed 他に記載されているような利得スイッチレーザダイオードが、光源1として使用される。DFBレーザダイオードからの１５５０ｎｍ、２７ピコ秒チャープパルスは、分散シフトファイバ２で約３．３ｐｓに再圧縮される。これは、D=-26.6ps/nm/kmで約１ｋｍの長さである。パルスは、いま変換限界の約２×である。チャープ補償は、Mestadagh, D., ”Fiber-grating pulse compressor: performance with initially chirped pulse” Applied Optics 26,pp.5234-5240,(1987)に記載されているように、十分精密である。これらのパルスは、その後、約３０dbの利得を持つエルビウムファイバ増幅器（EDFA）３で、ピークパワー２ｋＷまで増幅される。増幅器は、自己位相変調が増幅器中でほとんど起きないようにデザインされている。これは、短いファイバ長（〜１０Ｍ）と大きなモード有効面積（〜１００μｍ2）で達成される。ファイバパルス圧縮器の残りの部分は、非ドープファイバ４からなる。このファイバへの主要な強制は、正のＧＶＤである。一例は、（Knudsen, S. ”Design and manufacture of dispersion compensating fibers and their performance in systems “, Proc. of OFC ’02, paper WU3,330-331(2002)）に記載されているようなルーセントウルトラウェーブ（Lucent Ultrawave） IDFである。非ドープファイバの最適な長さZoptは、圧縮ファクタが約５０でターゲットパルス幅が約１００ｆｓの場合、〜２０Ｍである。増幅されたパルスのエネルギは、６．６ナノジュールである。この光源の繰返し周期が１ＭＨｚであれば、この増幅器からの平均パワーは、控えめで６．６ｍＷである。
【００２２】
これらのデザインパラメータで、この方法が通信システムには現実的でないことを示すことは有益である。もしもこの非線形ファイバが１０ＧＨｚの通信源の一部であるとすると、出力は途方も無い６６ワットである。通信システムにふさわしい６．６ｍＷの同じ平均パワーでは、１０ＧＨｚの通信源の場合、ピークパワーが4桁低下する。このピークパワーでは、スペクトルの広がりがファイバで起こらないので、開示したパルス圧縮法は、動作しない。
【００２３】
本発明に戻って、スペクトル発生（spectral generation）は、ファイバでの自己位相変調で起きる。自己位相変調は、強度の変化率に比例する。正の分散はパルスを広げるので、パルスの先端部と立下りでスペクトルが生成される。スペクトルのブルーシフトは、パルスの後端で起こり、レッドシフト成分は、パルスの先端で起こる。パルスは、最後に時間的に矩形状になる。
【００２４】
広がったパルスは、次に、図2Ａに示すように、格子５で圧縮されるか、或いは伸長される。ファイバ格子にパルスを入れたり出したりするためにサーキュレータ6が使用される。パルスは、チャープパルス増幅システムで、その後増幅される場合は伸長されるし、その後の増幅ステージが無い場合は、出力のために圧縮される。
【００２５】
ファイバ圧縮システムの後では、圧縮のための格子は、バルク格子であった。一つのデザインが（Kafka  他, “Pulse Compression” US 4750809）に記載されている。しかしながら、バルク格子の線形群速度分散が伸長パルスの群速度分散と合わないという問題があった。（Tomlinson 他, “Limits of fiber-grating optical pulse compression” JOSAB 4 pp.1404-11,(1987)）。ファイバ格子がバルク格子よりよく合うことが（Williams 他, “The compression of optical pulses using self-phase modulation and linearly chirped Bragg-gratings in fibers “ IEEE Photonics Technology, pp.491-3,(1995)）に示されていた。ファイバ格子は、幾つか他の有利な点を持っていた。（Kafka 他, “Peak power fluctuations in optical pulse compression” US 4,896,326）に、振幅変動がパルス幅の変動をもたらすということが示されている。この特許は、これらの変動をなくすために入力レーザを制御するフィードバック回路を記載している。しかしながら、パルス幅の変動は、ファイバ格子のチャープを変えることでなくすことができる。この方法は、（Kwon 他, “Group-delay-tailored chirped fiber Bragg gratings using a tapered elastic plate” IEEE Photonics Technology Letters, 14, pp.1433-1435,(2002)）に記載されているように、通信システムでの分散変動をなくすために用いられている。この研究では、チャープがファイバ格子の応力を調節することで調整されている。チャープを調節する別の方法は、格子に沿っての温度を調節することで行われる。別の有利な点は、格子のバンド幅がフィルタとして働くようにデザインされることである。このパルス圧縮法において、スペクトルの両極端をカットすることで、パルスの品質が改善されることが示された。（Heritage, ”Spectral windowing of frequency-modulated optical pulses in a grating compressor”, Applied Physics Letters, 47, pp.8789(1985)）。
【００２６】
短パルスからペデスタルを除去するための様々な方法も本発明の本実施形態で用いられる。そのような方法は、周波数逓倍、非線形ループミラーの使用、及びファイバや希ガス入り中空導波路での非線形偏光回転を含む。
【００２７】
図3に示す第2実施形態では、レーザダイオードからの短パルスは、レーザダイオードを利得スイッチする以外の方法で発生される。ここで用いられた技術は、ｃｗレーザダイオードの後の外部リチウムナイオベート変調器32である。この方法の有利な点は、パルスにチャープがほとんど加えられないので、チャープ補償が必要ないことである。この方法は、通信分野で普通に用いられている。しかしながら、通信に対してより本応用に対して決定的である特性は、消光比である。リチウムナイオベート変調器の代表的な消光比は２０−３０ｄｂである。この特性は、JDSUモデルナンバ２１０１３１４２のデータシートから見つけられる。この変調器が、１０ｋＨｚのパルス周期で１００ｐｓのパルスを与えるために動作されると、ｃｗが０．１ｍｓに対してオンしている間パルスが１００ｐｓに対してオンする。 これは、ｃｗ成分がパルスより１０5長いことを意味する。ｃｗ振幅が丁度３０ｄｂでカットされれば、平均パワーは、未だこのｃｗ成分で占められる。より高い繰返し周期では、二つの変調器が使用され、且つ十分である。別のアプローチは、ｃｗレーザをオフすること、及びパルスの間の短い時間それをオンして持つことである。変調器が切り替えられている間、レーザダイオードが約３ｎｓゲートオンされると、消光比は決定的でなくなる。レーザダイオードから短パルスを作り出す任意の他の方法が考えられる。別の可能性は、ダイオードの後の電子吸収変調器（図示せず）である。
【００２８】
この実施形態（図３）では、パルスがイットリビウムドープファイバ増幅器（ＹＤＦＡ）３３で増幅される。圧縮器ファイバ３４は、第１実施形態と同じファイバであるが、長さが２０Ｍに比べ約２００Ｍと長い。ファイバは、二つの理由で第１実施形態より長い。第１は、初期のパルス幅が１桁長いことである。第２の理由は、ピークパワーが低いことである。初期のパルス幅が長いので、第２ステージの圧縮を持つことが必要である。これは、図３に示すファイバ格子／サーキュレータ３５構成で容易に実施される。サーキュレータからのファイバ出力は、第２圧縮ファイバとしてデザインされる。第１ステージは、約８０の圧縮ファクタにデザインされたので、約０．５ピコ秒のパルスが期待される。第２ステージは、１０×の追加圧縮のためにデザインされる。このデザインは、第１圧縮ステージに使用されたのと同じファイバを４０ｃｍ追加することで実施される。パルスの振幅は、制御可能で、おおよそファクタ４低下させられる必要がある。この終端のために、減衰器がサーキュレータに設置される。パルスは、更なる増幅のために伸長されるか、或いはこのファイバ圧縮器の後で外部バルク圧縮器で圧縮される。
【００２９】
２―ステージ圧縮器の別の構成が図４の第３実施形態に示されている。それは、追加のファイバ格子４７を備えた４−ポートサーキュレータ４５を利用する。第２ファイバ圧縮器は、第１ファイバ圧縮器の前に融着されている。余分な４０ｃｍのファイバの最初のパスは、パルスが伸長されるので、無視できる効果である。この圧縮器ファイバの２番目のパスの後、追加のスペクトルが生成され、パルスが第２チャープファイバ格子でさらに圧縮される。
【００３０】
本発明の第４実施形態（図５に示す）は、追加の増幅器５８を有する。その増幅器にとって、放物線パルス増幅器のように動作することが望ましい。放物線パルス増幅の使用は、パルス圧縮器ファイバ３４の後にユニークな利点を持つ。パルスエネルギが伝播と共に所定の率で増加するとき、スペクトルと時間の幅がその率の自乗平方根で増加するので、ピークパワーがその率の自乗平方根で増加するという事実からその有利な点は生じる。従って、ラマン発生の閾値以前に、より高いパルスエネルギが可能である。また、放物線パルス増幅器からのパルスは、さらにスペクトルが広げられ、圧縮可能であるので、更なる圧縮が圧縮ファイバの後で可能である。パルスの更なる圧縮のためにパルス圧縮ファイバの後でパルスを再圧縮することが通常必要と考えられている。これが第３実施形態における２ステージ圧縮器の理由である。放物線パルス増幅器は圧縮器の一つのステージと置き換えることができ、第２格子圧縮器の必要性を緩和する。これが別の有利な点である。
【００３１】
この実施形態での別の構成は、二つのイットリビウム増幅器と２００メートルの圧縮ファイバとを一つの増幅器とその増幅器に接続された１００メートルのパルス圧縮ファイバとで置き換えることである。この増幅器とパルス圧縮ファイバは、この変形態様でダブルパスされる。
【００３２】
システムに放物線パルス増幅器を含むためには、レーザダイオードからのパルス形状を放物線の時間形状と線形スペクトルチャープを持つパルスに変換することが必要である。このプロセスの第１ステップは、自己位相変調がファイバ中で起こるように、ドープファイバ中のパルスを十分なパルス振幅に増幅することである。パルスプロフィールが時間プロフィールに沿って同じスペクトルである状態から時間の関数であるスペクトルへ変換するように、自己位相変調は十分に強い必要がある。最後の変換は、初期パルスの時間プロフィールから放物線に近いプロフィールへの時間プロフィール変換である。これは、より多くのエネルギが蓄えられことによって引き起こされ、そこでは自己―位相整合が最も強い。このプロセスは、第１実施形態では非ドープファイバで行われ、この非ドープファイバからのパルス形状は、放物線パルス増幅器への入力であるべくチャープ、放物線パルスに十分近い。したがって、増幅器の最初の区間は、非線形効果の無い線形増幅器である。次の区間は、パルスを線形チャープを持つ放物線に近いパルス形状に変換するために、自己―位相変調と分散を利用する。この区間は、増幅器或いは非ドープファイバである。最後の区間が放物線パルス増幅器である。
【００３３】
本発明のこの実施形態は、標準的なＮｄ：ＹＡＧ、Ｎｄ：バナジン酸塩モードロックレーザ、或いは（Kafka 他,US 6,421,573, “Mode-locked laser and amplifier”）中のような新しいモードロックレーザを置き換えるように、１００ＭＨｚ近くで動作する。
【００３４】
異なる波長の出力周波数を得るために、このレーザの後に変換結晶が使われる。したがって、このレーザは、米国特許6,373,565“物品の表面欠陥を検出する方法および装置”にあるような表面欠陥を検出するためのＵＶ、米国特許6,436,602“電子デバイスの欠陥部を修復する方法”にあるような電子部品の欠陥を修復するためのＵＶ、或いは、米国特許6,421,573“擬−連続波リソグラフィ装置および方法”にあるようなフォトリソグラフィのためのＵＶに使用できる。したがって、レーザは、事象に同期できる利点を持つほとんどのタイプのモードロックレーザに置き換えて使用できる。たとえば、欠陥の修復では、ビームが右のスポットに位置合せされると、パルス或いはパルス列が発射される。
【００３５】
第５実施形態は、電子的にスペクトル的且つ時間的にチャープされたレーザダイオードを使用する。電子的方法で時間領域で時間的にチャープされるパルス光源は、米国特許5,400,350に記載されている。また、レーザダイオードの電子調整の最適化に関する詳細は、米国特許5,633,885に記載されている。このダイオードからのパルス形状は、放物線パルス形状に十分近いので、放物線パルス増幅器で増幅することができる。これは付加的スペクトルを生成するので、パルスは前もって得られた２ｐｓ以下に圧縮される。
【００３６】
本発明の第６実施形態は、図６Ａに示されており、パルス光源６１としてのＱスイッチマイクロチップレーザ６０（図６Ｂに示す）と、圧縮ファイバ６２とを有する。パルス幅が短い場合、レーザ材料は、Ｎｄ：バナジン酸塩であった。Ｎｄ：バナジン酸塩のレーザ波長は、１０６４ｎｍである。マイクロチップレーザは、モノリシック片であり、そこではレーザ材料がＱスイッチ機構に接合されている。その共振器長は、約１ミリメートルである。したがって、Ｑスイッチレーザは連続モードロックＮｄ：ＹＡＧレーザのような短いパルス幅を与えることができ、ファイバが圧縮に使用される光源用のモードロックレーザと置き換わることができる。マイクロチップレーザの利点の一つは、繰返し周期が変えられることである。それは低繰返し周期を持つことができるので、そのパルスエネルギは、モードロックレーザからのナノジュールに比べ１マイクロジュールである。このマイクロチップレーザの別の利点は、共振器がモノリシックであるので出射点の安定性がよく、且つシングルモードファイバへの調整がロバストであることである。これは連続モードロックレーザに基づくシステムで大きな問題であった。
【００３７】
本実施形態におけるマイクロチップレーザは、２５０ｐｓのパルス幅を持つ。このパルス幅では、ラマン発生を妨げるファイバが使用されないと、これまでの実施形態に類似のデザインは不可能である。ＧＶＤが無視できる長いパルスと短いファイバに対しては、異なるデザインポイントがある。これは、（Tomlinson 他,”Compression of optical pulses chirped by self-phase modulation in fibers” Journal of the Optical Society of America B, pp.139-149,(1984)）で理論的に研究された。成果はこのデザインに基づいていたし、（US 4,913,520, US 4,896,326 及びKafka 他, “Peak power fluctuations in optical pulse compression”, IEEE Journal of Quantum Electronics 24, pp.341-50(1988)）に記載されている。この圧縮ファイバのデザインは、（Govind P. Agarwal, Nonlinear Fiber Optics, Academic Press Inc. Boston 1989 Chapter 4）の中の式で容易になる。最大位相シフトは、ピークパワーＰ0を持つパルスのピークでΦ0である。
【００３８】
Φmax=γP0Leff
γとLeffは、上で定義されている。マイクロチップパルスの良い近似であるガウシアン形状パルスの場合、生成されたスペクトル幅、δωmaxの初期パルスのスペクトル幅Δωに対する比は、
δωmax／Δω＝0.86Φmax
である。
【００３９】
初期パルスがトランスフォーム制限であると、自己位相変調パルスがトランスフォーム制限近くまで圧縮され、この比が圧縮ファクタである。
【００４０】
したがって、第６実施形態（図６）では、マイクロチップレーザが滑らかな時間プロフィールを与える単一縦型Ｎｄ：バナジン酸塩光源である。パルス幅は、２５０ピコ秒である。圧縮ファイバ６２の一つの解は、モードフィールド径５．９μｍ、NA０．１２を持つ標準的なシングルモードファイバである。この圧縮ファイバの長さは、圧縮率約５０の場合、約２メータである。マイクロチップレーザからの出力エネルギは、１０マイクロジュールである。この場合、ファイバの表面での光強度が損傷閾値に近い。コアの無いエンドキャップ（図示せず）がファイバに使用されると、モードがファイバの表面の前で広げられる。或いは、シングルモードを伝搬させるマルチモードファイバ、又は、（Furusawa 他, “Cladding pumped Ytterbium-doped fiber laser with holey inner and outer cladding”, Optics Express 9, pp.714-720,(2001)）に使用された穴のあるファイバ増幅器、のような大きなモードフィールド径を持つ増幅器が使用される。１桁高いモード領域（モードフィールド径１９．５μｍ）を持つファイバが使用されれば、ファイバでのパラメータは、１マイクロジュール入力の場合と同じである。したがって、ファイバ長は、再び２メータである。
【００４１】
このデザインでは、分散と自己位相変調の間で相互作用が無いので、パルス圧縮が増幅器の中で単純に起こる。１マイクロジュールより遙かに大きなパルスエネルギの場合、シングルモードビームはマルチモードファイバでさらに圧縮されるべきである。さらなる増幅が必要なら、伸張されたパルスを保つことが好ましい。このチャープパルス光源は、チャープパルス増幅による超短パルスの増幅に申し分ない。パルスは、増幅の後、圧縮される。これが図７に示す第７実施形態である。ここでは、マイクロチップ７１が０．５μＪで動作し、６ｋＨｚで２５０ｐｓのパルスを発生した。増幅ファイバ７２は、１７μｍのモードフィールド径を持つシングルモードを増幅するマルチモード増幅ファイバであった。パルスは、ラマンが増幅を制限する３０マイクロジュールまで増幅された。出力端でのスペクトル出力が図８に示されている。入力スペクトル幅（０．００７ｎｍ）は、スペクトルアナライザの分解限界（０．１ｎｍ）以下である。このケースは、数値モデル化され、このパルスがバルク格子で図９Aと図９Bに示すように〜７ｐｓに圧縮されることがわかった。点線は、ペデスタルを減らすために出力をスペクトル的にフィルタリングした結果である。図７に示す本実施形態では、圧縮器７３は、やはり選択できるものとして用いられている。
図１０に示す第８実施形態は、第７実施形態と同じ増幅器ファイバ１０３であるが、二重パス配置で使用される。二重パス配置は、増幅器及び非ＰＭファイバの場合の単一偏向動作を保持するべくパルス圧縮ファイバのために使用される。また、増幅器は、より低い利得、より高いパワーモードで動作することができる。増幅器ファイバは、両方向でパルス圧縮ファイバとして使用され得る。これが事実なら、ファイバ格子がミラー１０４の代わりに必要になる。
そのファイバ格子は、パルスの時間形状を制御するために使用される。パルスは、今チャープしているので、ファイバ格子の反射率を波長の関数として変化させることは、パルスを形作る。したがって、パルスの形を変えることで、出力のチャープの線形性がバルク格子のそれと良く合うように変えられる。この方法は、バルク格子に振幅マスクを付加することで、（Thurston 他, “Analysis of picosecond pulse shape synthesis by spectral masking in a grating pulse compressor” IEEE Journal of Quantum Electronics, QE-22 pp.682-696(1986)）に記載されている。
マイクロチップレーザと増幅器を有する第７、第８実施形態は、５００ｎＪより大きな出力パワーを出す。
パルス圧縮マイクロチップレーザの一つの応用は、利得スイッチレーザをポンプすることである。（Harter 他, “Short pulse generation from Ti:doped Materials” Digest of Conference on Laser and Electro-Optics (Optical Society of America, Washington, D.C. 1988), p466-7）の中で、１００−２００ｐｓのパルスが利得スイッチTi：サファイアレーザから発生された。このレーザは、Ｑスイッチ周波数逓倍Nd:YAGレーザから５ｎｓパルスでポンプされた。この研究は、（Zayhowski 他,”Gain-switched pulsed operation of microchip lasers” Optics Letters, 14, pp.1318-20）に挿入され、記載されている。この研究の中で、８０ｐｓのパルスを発生する利得スイッチNd:YAGレーザは、Ｑスイッチ周波数逓倍Nd:YAGレーザでポンプされた利得スイッチTi:サファイアレーザでポンプされた。最近、（Zayhowski “Laser system including passively Q-switched laser and gain-switched laser”, U.S. Patent 6,400,495）で、受動Ｑスイッチ周波数逓倍Nd:YAGレーザでポンプされる利得スイッチTi:サファイアレーザが請求されている。実験結果が無いが、明細書は、ポンプパルスが利得スイッチレーザからのパルスの５×より短い必要があると指摘している。パルス幅のこの比の理由は、直感的に理解できる。利得スイッチ（Ｑスイッチ）レーザのビルドアップ時間は、パルス幅の約１０×である。したがって、ポンプレーザのパルス幅が利得スイッチパルスより５×長いと、全てのエネルギが単一パルスに行く。上に引用したHarterの論文では、ポンプパルスが利得スイッチパルスより２５×−５０×長かった。 この研究で、レーザが強くポンプされると、多重パルスが得られた。また、利得スイッチパルスがポンプパルスのピークで出てきたので、ポンプパルスエネルギの約半分が捨てられる。
１００ピコ秒より短いパルスを得るためには、より短いポンプパルスが大いに必要である。１０ｐｓより短いパルス、特にフェムト秒パルスにとって、通常のマイクロチップからのパルスは、ポンプレーザのためには明らかに長すぎる。１０ｐｓより短いパルスを得るためには、パルス圧縮マイクロチップレーザがポンプとして使用される。しかしながら、利得スイッチレーザからサブピコ秒パルスを得るためには、さらに短いポンプパルスを必要とする。レーザ共振器を光が行き来する時間は、必要なパルス幅より短くなければならない。したがって、１０ピコ秒未満のパルスを得るためには、共振器はｃ×２×Ｌ×ｎより短い必要がある。ここで、ｃは光速度であり、Ｌは共振器長、ｎは共振器内材料の屈折率である。したがって、Harterの論文のTi:サファイア利得スイッチレーザの場合、結晶の長さは、少なくとも５．５ｍｍより１桁短い必要があり、５００μｍ或いはそれ以下である必要がある。しかしながら、この厚さではポンプ光を吸収することが困難である。非常に薄いレーザ材料にポンプ光を吸収する問題は、（Brauch 他, “Laser Amplifying System” U.S. 5,553,088）で解決された。増幅器デザインは、良い吸収を持つ非常に薄い材料を使用する。しかしながら、非常に薄いディスクでは、多重パスポンプが必要である。米国特許5,553,088の表１は、適当な吸収ナンバーを持つ材料のリストを与える。Ti:サファイア（Ti:Al2O3）は、リストされた中の一つである。５００μｍのディスクを使用するためには、ポンプが材料中を８パスする必要がある。米国特許5,553,088の図２８に描かれた第８実施形態は、材料中を８パスする構成を示している。８パスは複雑なデバイスであり、より少ない二重パスがより好ましい。付加的な制約は、光路長を伝搬する時間がポンプパルス幅のオーダでなければならないということである。短い共振器では、大きな径のモードを得ることが困難である。繰り返し周期が低いので、全体の熱負荷が低く、熱レンズ作用は、大きな径のシングルモードを持続させることを援助しない。より長い共振器と、薄い半導体の中で大きなモードを持続させるための熱レンズ作用と、の使用が（Mooradian 他, “Optimized laser energy conversion through automatic mode matched pumping” US 5,627,853）に記載されている。しかしながら、この利得スイッチレーザの利得がｃｗレーザ発振の利得より遙かに高いので、利得誘導が起こり大きな径のシングルモードを持続させる。大きな横モードを持続させる利得誘導は、米国特許5,818,630でファイバ中で使用されている。
要約すると、本発明は以下の特性を持つ：
・利得スイッチレーザから１０ｐｓ未満の高エネルギパルスを得るためのポンプとしてパルス圧縮マイクロチップを使用。
・時間的パス長がポンプパルス幅のオーダであるところで吸収のための多重パスを使用。
・熱レンズ作用なしの薄い安定化平面共振器への利得誘導の使用。
本発明に関する高エネルギ超高速レーザのための繰り返し周期可変光源の様々な実施、が詳細に記述されたとしても、通常の技術者は、沢山の他の実施及びこれら実施の変形が本発明の精神を逸脱しないで可能であることを容易に認識するであろう。
例えば、パルスの光源は、大きな範囲のパルス幅を持つことができる。実際上の制限は、圧縮に用いられる格子である。１０ナノ秒パルスを圧縮できる長さ１メータのファイバ格子が作られた。したがって、本発明の幾つかの実施は、約１０ナノ秒までのパルスを使用することができる。一方、４ナノ秒パルスを圧縮できるバルク格子圧縮器が作られた。したがって、本発明の幾つかの有利な実施は、約４ナノ秒までのパルスを使用することができる。また、現在、１ナノ秒パルスを圧縮する１０ｃｍファイバ格子及びバルク圧縮器が容易に入手できる。したがって、本発明の特別有利な実施は、約１ナノ秒までのパルス幅を使用することができる。
【００４２】
本発明の範囲は、以下に示すクレームで定義される。ここに開示されたように、本発明は、様々な結合物に、或いは結合物として優位に使用される多数の新奇な概念を含む。本発明内でのキーエレメント、特徴、及び結合物は、制限なしで以下を含む。
【００４３】
１ｋＨｚから１０ＭＨｚ未満までの範囲の繰り返し周期で約１０ｎｓ
未満、或いはそれに等しいパルスを出力するパルス光源と、前記パルス光源の出力を受光する増幅器と、正の群速度分散（ＧＶＤ）と自己位相変調とを持ち、前記増幅器の出力を受光するファイバと、を備える結合物。
【００４４】
光源と、前記光源の出力を受光するべく配置され、１ｋＨｚから１０ＭＨｚ未満までの範囲の繰り返し周期で約１０ｎｓ未満、或いはそれに等しいパルスを出力する変調器と、前記変調器で出力されるパルスを増幅するべく配置された増幅器と、正の群速度分散（ＧＶＤ）と自己位相変調とを持ち、前記増幅器の出力を受光するファイバと、を備える結合物。
光源と、前記光源の出力を受光するべく配置され、１ｋＨｚから１０ＭＨｚ未満までの範囲の繰り返し周期で約１０ｎｓ未満、或いはそれに等しいパルスを出力する変調器と、前記変調器で出力されるパルスを増幅するべく配置された増幅器と、正の群速度分散（ＧＶＤ）と自己位相変調とを持ち、前記増幅器の出力を受光するファイバと、正のＧＶＤを持つ前記ファイバの出力を受光するべく配置された２−ステージ圧縮器と、を備える結合物。
【００４５】
約１０ｎｓ未満、或いはそれに等しいパルスを出力するパルス光源と、前記パルス光源の出力を受光するべく配置された１ｋＨｚから１０ＭＨｚ未満までの範囲の繰り返し周期の変調器と、前記変調器で変調されたパルスを増幅するべく配置された第１増幅器と、正の群速度分散（ＧＶＤ）と自己位相変調とを持ち、前記増幅器の出力を受光するファイバと、正のＧＶＤを持つ前記ファイバの出力を増幅するべく配置された第２増幅器と、を備える結合物。
１ｋＨｚから１０ＭＨｚ未満までの範囲の繰り返し周期で約１０ｎｓ未満、或いはそれに等しいパルスを出力するパルス光源と、前記パルス光源の出力を増幅するべく配置された増幅器と、正の群速度分散（ＧＶＤ）と自己位相変調とを持ち、前記増幅器の出力を受光するファイバと、を備え、前記パルス光源が電子的手段によって時間領域でスペクトル的にチャープされる結合物。
【００４６】
１ｋＨｚから１０ＭＨｚ未満までの範囲の可変繰り返し周期で約１０ｎｓ未満、或いはそれに等しいパルスを出力するパルス光源と、正の群速度分散（ＧＶＤ）と自己位相変調とを持ち、前記パルス光源の出力を受光するファイバと、を備える結合物。
１ｋＨｚから１０ＭＨｚ未満までの範囲の可変繰り返し周期で約１０ｎｓ未満、或いはそれに等しいパルスを出力するパルス光源と、正の群速度分散（ＧＶＤ）と自己位相変調とを持ち、前記パルス光源の出力を受光するファイバと、を備え、前記ファイバが前記パルスを増幅する結合物。
【００４７】
１ｋＨｚから１０ＭＨｚ未満までの範囲の可変繰り返し周期で約１０ｎｓ未満、或いはそれに等しいパルスを出力するパルス光源と、正の群速度分散（ＧＶＤ）と自己位相変調とを持ち、前記パルス光源の出力を受光するファイバと、を備え、前記ファイバが２重パス構成に配置される結合物。
【００４８】
これらの結合物の中に次のような特徴を適当に取り入れることができる。
【００４９】
そのファイバはマルチモードファイバで、シングルモード動作する。
【００５０】
そのパルスエネルギは、５００ｎＪ以上である。
【００５１】
その２−ステージ圧縮器は、正のＧＶＤと自己位相変調とを持つ第２ファイバを備える。
【００５２】
その光源は、レーザダイオードを備え、及び或いは内部或いは外部変調される。
【００５３】
そのパルスは、１〜１００ｐｓの範囲である。
【００５４】
１ｋＨｚから１０ＭＨｚ未満までの範囲の繰り返し周期で約１０ｎｓ未満、或いはそれに等しいパルスを受光する第１圧縮器。
【００５５】
その光源はさらなる増幅を受け、パルスはパルス圧縮なしでのチャープパルス増幅を受ける。
【００５６】
そのレーザダイオードは、利得スイッチレーザダイオードである。
【００５７】
その圧縮器は、パルスを受光する分散シフトファイバを備える。
【００５８】
その増幅器は、エルビウムファイバ増幅器である。
【００５９】
正のＧＶＤを持つそのファイバは、約２０ｍの長さを持つ。
【００６０】
チャープファイバ格子を備え、正のＧＶＤを持つそのファイバの出力を受光する第２圧縮器が使用される。
【００６１】
そのチャープファイバ格子は、スペクトルフィルタとして機能するべく形成される。
【００６２】
正のＧＶＤを持つそのファイバからのパルス出力からペデスタルを除去する手段を付加的に備えること。
【００６３】
その光源は、ｃｗレーザダイオードを備え、前記変調器が前記ｃｗレーザダイオードの出力端に配置される。
【００６４】
前記変調器と縦につないで配置される第２変調器。
【００６５】
前記ｃｗレーザダイオードの出力は、ゲートで制御される。
【００６６】
その変調器は、電子吸収変調器である。
【００６７】
その増幅器は、イットリビウムドープファイバ増幅器である。
【００６８】
正のＧＶＤを持つそのファイバは、約２００ｍの長さを持つ。
【００６９】
正のＧＶＤを持つそのファイバの出力を受光する付加的に備える第２圧縮器であって、前記圧縮器は、サーキュレータを備え、前記サーキュレータの出力端は、正のＧＶＤと自己位相変調とを持つ第２ファイバを備え、前記サーキュレータは、減衰器を備え、それによって出力パルスがさらなる増幅のために伸張される。
【００７０】
その２―ステージ圧縮器は、４−ポートサーキュレータと二つのファイバ格子を備える。
【００７１】
その増幅器と正のＧＶＤ及び自己位相変調を持つ前記ファイバとは、２重パスされる。
【００７２】
前記ダイオードからのパルス出力形状は、放物線パルス増幅器での増幅にとって十分放物線であり、その第２増幅器は、放物線パルス増幅器として動作する。
【００７３】
変換結晶は、その結合物の出力の波長を変えるために加えられる。
【００７４】
そのシステムは、物体の表面の欠陥を検出するＵＶスペクトルで動作でき、その結合物で発生される出力は、前記欠陥に位置した時にそれによって前記欠陥を修復するパルス、或いはパルス列を作るように準備される。
【００７５】
そのパルス光源は、１ｐｓより大きなパルスを出力するマイクロチップレーザを備える。
【００７６】
その結合物は、ラマン発生を制限する手段を含むことができる。
【００７７】
そのファイバは、自己位相変調のためにシングルモード動作するマルチモードファイバであり、パルスエネルギは、５００ｎＪより大きい。
【００７８】
そのマイクロチップレーザ出力は、５０ｐｓ〜１０ｎｓの範囲である。
【００７９】
そのファイバは、約５０の圧縮率のために約２メートルの長さを持つシングルモードファイバである。
【００８０】
そのファイバは、コアの無いエンドキャップを備え、それによってモードが前記ファイバの表面の前で広げられる。
【００８１】
大きなモードフィールド径を持つ付加的に含まれる増幅器。
【００８２】
その増幅器は、マルチモードファイバと穴のあるファイバ増幅器の一方である。
【００８３】
そのパルスエネルギは、１μＪより大きく、そのファイバは、マルチモードファイバであり、前記パルスは、伸張される。
【００８４】
そのマイクロチップレーザは、６ｋＨｚで０．５μＪ、２４０ｐｓを出力する。
【００８５】
そのファイバは、マルチモード増幅器ファイバである。
【００８６】
そのファイバは、１７μｍのモードフィールド径を持つシングルモードを増幅する。
【００８７】
その二重パス配置は、非―ＰＭファイバにとって単一偏光動作を維持する。
【００８８】
５０ｐｓ〜１０ｎｓの範囲のパルスを出力するマイクロチップレーザと、前記マイクロチップレーザの出力を受光する正の群速度分散（ＧＶＤ）と自己位相変調を持つファイバと、正のＧＶＤを持つ前記ファイバからの出力を受光する圧縮器と、前記圧縮器の出力でポンプされる出力が１０ｐｓ未満の利得スイッチレーザと、を備える結合物。
【００８９】
マイクロチップレーザと、前記マイクロチップレーザの出力を受光し且つ１０ｐｓ未満のパルスを出力する正の群速度分散（ＧＶＤ）と自己位相変調を持つファイバと、正のＧＶＤを持つ前記ファイバからの出力を受光する圧縮器と、前記圧縮器の出力でポンプされる利得スイッチレーザと、を備える結合物。
【００９０】
１５０ｐｓより大きなパルスを出力するマイクロチップレーザと、前記マイクロチップレーザの出力を受光する正の群速度分散（ＧＶＤ）と自己位相変調を持つシングルモード動作のファイバと、正のＧＶＤを持つ前記ファイバからの出力を受光する圧縮器と、前記圧縮器の出力でポンプされる利得スイッチレーザと、を備える結合物。
【００９１】
本発明は、また次のような重要な特徴を備える下記のような他の結合物も可能である。
【００９２】
光源を持ち、１ｋＨｚから１０ＭＨｚ未満までの範囲の繰り返し周期で約１０ｎｓ未満、或いはそれに等しいパルスを出力するパルス光源と、前記光源の出力を受光し、自己位相変調でスペクトル発生（generation）を起こす正の群速度分散（ＧＶＤ）ファイバと、を備える結合物であって、前記光源は、外部変調と内部変調の一方であり、前記正のＧＶＤファイバは、シングルモード動作のマルチモードファイバである。
【００９３】
その正のＧＶＤファイバは、約２０メータ、或いは約２００メータの長さを持つ。
【００９４】
前記正のＧＶＤファイバからのパルス出力からペデスタルを除去するための付加的に備える手段。
【００９５】
そのパルスは、１〜１００ｐｓの範囲である。
【００９６】
前記パルス光源の出力は増幅され、前記パルスはパルス圧縮なしでのチャープパルス増幅を受ける。
【００９７】
そのパルスエネルギは、５００ｎＪより大きい。
【００９８】
出力の波長を変えるための変換結晶を付加的に備えること。
【００９９】
ＵＶスペクトルで動作する結合物。
【０１００】
付加的に備える手段であって、それによって、ラマン発生が制限される。
【０１０１】
そのファイバは、約５０の圧縮率のために約２メータの長さを持つシングルモードファイバである。
【０１０２】
そのファイバは、コアなしのエンドキャップを備え、それによって、モードが前記ファイバの表面前で広げられる。
【０１０３】
そのパルスエネルギは１μＪより大きく、前記ファイバはマルチモードファイバであり、前記パルスは伸張される。
【０１０４】
そのファイバはマルチモードファイバであり、モードフィールド径１７μｍのシングルモードを増幅する。
【０１０５】
その光源は、ｃｗレーザダイオード、レーザダイオード、利得スイッチレーザダイオード、マイクロチップレーザ、Ｑスイッチマイクロチップレーザ、の一つである。
【０１０６】
そのマイクロチップレーザは、１ｐｓより大きなパルスを出力する。
【０１０７】
そのマイクロチップレーザは、５０ｐｓ〜１０ｎｓの範囲のパルスを出力し、０．５μＪのパルスを出力する。
【０１０８】
そのマイクロチップレーザは、６ｋＨｚで２４０ｐｓのパルスを出力する。
【０１０９】
そのパルス光源は、前記光源の出力を受光する変調器を備える。
【０１１０】
前記第１変調器に縦につないで配置された付加的に備える第２変調器。
【０１１１】
その変調器は、電子吸収変調器である。
【０１１２】
その光源は、ｃｗレーザダイオードであり、前記ｃｗレーザダイオードは、ゲートで制御される。
【０１１３】
そのパルス光源は、前記光源の出力を受光する第１圧縮器を備える。
【０１１４】
その第１圧縮器は、分散シフトファイバを備える。
【０１１５】
前記パルス光源の出力を受光する付加的に備える第１増幅器であって、前記正のＧＶＤファイバは、前記増幅器の出力を受光する。
【０１１６】
その第１増幅器は、イットリビウムドープファイバとエルビウムドープファイバの一方を備える。
【０１１７】
その増幅器と前記正のＧＶＤファイバは、二重パスされ、その二重パス配置は、非−ＰＭファイバに対して単一偏光動作を維持する。
【０１１８】
その増幅器は、大きなモードフィールド径を持つ。
【０１１９】
その増幅器は、マルチモードファイバと穴のある増幅器の一方である。
【０１２０】
前記正のＧＶＤファイバの出力を受光するべく配置された第２増幅器をさらに備えること。
【０１２１】
その第２増幅器は、イットリビウムドープファイバを備える。
【０１２２】
その第２増幅器は、放物線パルス増幅器として動作する。
【０１２３】
前記ファイバの出力を受光するべく配置された第２圧縮器を含むこと。
【０１２４】
前記第２増幅器の出力を受光するべく配置された第２圧縮器。
【０１２５】
その第２圧縮器は、サーキュレータ、或いは減衰器、４ポートサーキュレータ、２つのファイバ格子、格子、或いはスペクトルフィルタ、の一つを備え、出力パルスがさらなる増幅のために伸張され、前記第２圧縮器が２−ステージ圧縮器である。
【０１２６】
その格子は、チャープファイバ格子であり、前記チャープファイバ格子は、スペクトルフィルタとして機能する。
【０１２７】
前記サーキュレータの出力端は、自己位相変調を持つ第２の正のＧＶＤファイバを備える。
【０１２８】
その格子は、調整可能な分散を持つ圧縮格子であり、前記格子の反射率は、波長の関数として可変である。
【０１２９】
その格子は、ファイバ格子であり、チャープが前記ファイバ格子の応力の関数として調整可能である。
【０１３０】
その格子は、ファイバ格子であり、チャープが前記ファイバ格子の温度の関数として調整可能である。
【０１３１】
その格子は、波長の関数としてパルス振幅を変える。
【０１３２】
本発明は、また次のような重要な特徴を備える下記のような他の結合物も可能である。
【０１３３】
光源を有し、パルスを出力するパルス光源と、前記光源の出力を受光する正の群速度分散（ＧＶＤ）ファイバと、前記正のＧＶＤファイバの出力を受光する第２増幅器と、を備え、前記ファイバは該ファイバの自己位相変調でスペクトル発生（generation）を起こし、前記第２増幅器は放物線増幅器である結合物。
その光源は、外部変調されるものと内部変調されるものの一方である。
【０１３４】
その正のＧＶＤファイバは、シングルモード動作のマルチモードファイバである。
【０１３５】
その正のＧＶＤファイバは、約２０メートル、或いは約２００メートルの長さを持つ。
【０１３６】
前記正のＧＶＤファイバからの出力からペデスタルを除去するための手段を付加的に備えること。
【０１３７】
そのパルスは、１〜１００ｐｓの範囲である。
【０１３８】
前記パルス光源の出力は増幅され、前記パルスはパルス圧縮なしでのチャープパルス増幅を受ける。
【０１３９】
パルスエネルギは、５００ｎＪより大きい。
【０１４０】
変換結晶は、前記システムの出力の波長を変える。
【０１４１】
その結合物は、ＵＶスペクトルで動作する。ラマン発生は制限される。
【０１４２】
そのファイバは、約５０の圧縮率のために約２メータの長さを持つシングルモードファイバである。
【０１４３】
そのファイバは、コアなしのエンドキャップを備え、それによって、モードが前記ファイバの表面前で広げられる。
【０１４４】
パルスエネルギは１μＪより大きく、前記ファイバはマルチモードファイバであり、前記パルスは伸張される。
【０１４５】
そのファイバはマルチモードファイバであり、モードフィールド径１７μｍのシングルモードを増幅する。
【０１４６】
前記システムの出力周波数は、１００ＭＨｚの桁である。
【０１４７】
そのパルス光源は、１ｋＨｚから１０ＭＨｚ未満までの範囲の繰り返し周期で約１０ｎｓ未満、或いはそれに等しいパルスを出力する。
【０１４８】
その光源は、ｃｗレーザダイオード、レーザダイオード、利得スイッチレーザダイオード、マイクロチップレーザ、Ｑスイッチマイクロチップレーザ、の一つである。
【０１４９】
そのマイクロチップレーザは、１ｐｓより大きなパルスを出力する。
【０１５０】
そのマイクロチップレーザは、５０ｐｓ〜１０ｎｓの範囲のパルスを出力し、０．５μＪのパルスを出力する。
【０１５１】
そのマイクロチップレーザは、６ｋＨｚで２４０ｐｓのパルスを出力する。
【０１５２】
そのパルス光源は、前記光源の出力を受光する変調器を備える。
【０１５３】
その結合物が前記第１変調器に縦につないで配置された第２変調器をさらに備えること。
【０１５４】
その変調器は、電子吸収変調器である。
【０１５５】
その光源は、ｃｗレーザダイオードであり、そのダイオードはゲートで制御される。
【０１５６】
そのパルス光源は、前記光源の出力を受光する第１圧縮器を備える。その第１圧縮器は、分散シフトファイバを備える。
【０１５７】
その結合物は、前記パルス光源の出力を受光する第１増幅器をさらに備え、前記正のＧＶＤファイバが前記増幅器の出力を受光する。
【０１５８】
その第１増幅器は、イットリビウムドープファイバとエルビウムドープファイバの一方を備える。
【０１５９】
その増幅器と前記正のＧＶＤファイバは、二重パスされる。
【０１６０】
その二重パス配置は、非−ＰＭファイバに対して単一偏光動作を保持する。
その増幅器は、大きなモードフィールド径を持つ。
【０１６１】
その増幅器は、マルチモードファイバと穴のある増幅器の一方である。
【０１６２】
その第２増幅器は、イットリビウムドープファイバを備える。
【０１６３】
第２圧縮器は、前記ファイバの出力を受光するべく配置される。
【０１６４】
第２圧縮器は、前記第２増幅器の出力を受光するべく配置される。
【０１６５】
その第２圧縮器は、サーキュレータ、或いは減衰器、４ポートサーキュレータ、２つのファイバ格子、格子、或いはスペクトルフィルタ、の一つを備え、出力パルスがさらなる増幅のために伸張され、前記第２圧縮器が２−ステージ圧縮器である。
【０１６６】
その格子は、チャープファイバ格子であり、スペクトルフィルタとして機能する。
【０１６７】
前記サーキュレータの出力端は、自己位相変調を持つ第２の正のＧＶＤファイバを備える。
【０１６８】
その格子は、調整可能な分散を持つ圧縮格子である。
【０１６９】
前記格子の反射率は、波長の関数として可変である。
【０１７０】
その格子は、ファイバ格子であり、チャープが前記ファイバ格子の応力の関数として調整可能である。
【０１７１】
その格子は、ファイバ格子であり、チャープが前記ファイバ格子の温度の関数として調整可能である。
【０１７２】
その格子は、波長の関数としてパルス振幅を変える。
【０１７３】
ここに記載したどの結合物においても、パルス光源は、約４ｎｓ未満、或いはそれに等しい、好ましくは約１ｎｓ未満、或いはそれに等しい、パルスを出力することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１７４】
【図１Ａ】レーザパルスが伝播するシングルモードシリカファイバからの出力の例を示す。
【図１Ｂ】シリカ中のラマン利得曲線を示す。
【図２】本発明の第１実施形態の構成図である。
【図３】本発明の第２実施形態の構成図である。
【図４】本発明の第３実施形態の構成図である。
【図５】本発明の第４実施形態の構成図である。
【図６Ａ】本発明の第６実施形態の構成図である。
【図６Ｂ】本発明の第６実施形態の構成図である。
【図７】本発明の第７実施形態の構成図である。
【図８】図７中の増幅器の出力端でのスペクトル出力の例を示す。
【図９Ａ】バルク格子で圧縮された第７実施形態によるパルス例を示す。
【図９Ｂ】バルク格子で圧縮された第７実施形態によるパルス例を示す。
【図１０】本発明の第８実施形態の構成図である。
【図１Ａ】
0005449648.tif 000002
【図１Ｂ】
0005449648.tif 000003
【図２】
0005449648.tif 000004
【図３】
0005449648.tif 000005
【図４】
0005449648.tif 000006
【図５】
0005449648.tif 000007
【図６Ａ】
0005449648.tif 000008
【図６Ｂ】
0005449648.tif 000009
【図７】
0005449648.tif 000010
【図８】
0005449648.tif 000011
【図９Ａ】
0005449648.tif 000012
【図９Ｂ】
0005449648.tif 000013
【図１０】
0005449648.tif 000014