(57)【要約】      （修正有）【課題】非線形の光学特性を有する光導波路を用いてソリトン光パルスを生成する方法を提供する。【解決手段】ソリトン光パルス生成方法は、ポンプ・レーザ源１０でポンプ・レーザ・パルスを供給し、異常群速度分散とカー非線形性のあるパルス案内媒質２０中に該パルスを結合し、パルス案内媒質に沿って該パルスを伝播させ、パルス案内媒質内で該パルスからソリトン状の光パルスが形成され、ソリトン状の光パルスによるパルス案内媒質の光イオン化によりソリトン状の光パルスが高スペクトル・エネルギ方向に周波数シフトする。方法は、ソリトン状の光パルスがパルス案内媒質中を伝播し光イオン化誘導に充分な強度を有する基本ソリトン光パルス２となるよう、ポンプ・レーザ源とパルス案内媒質を設定する。【選択図】図１
2014219677.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光パルスを生成する方法であって、
ポンプ・レーザ源（１０）を用いてポンプ・レーザ・パルスを供給するステップと、
異常群速度分散およびカー非線形性を有するパルス案内媒質（２０）中に前記ポンプ・レーザ・パルスを結合するステップと、
前記パルス案内媒質（２０）に沿って前記ポンプ・レーザ・パルスを伝播させるステップと、
を含み、
前記パルス案内媒質（２０）内で前記ポンプ・レーザ・パルスからソリトン状の光パルスが形成され、
前記ソリトン状の光パルスによる前記パルス案内媒質（２０）の光イオン化の結果、前記ソリトン状の光パルスが、より高いスペクトル・エネルギに向かう周波数シフトを受け、
特徴として、さらに、
前記ソリトン状の光パルスが前記パルス案内媒質（２０）中を伝播する基本ソリトン光パルス（２）であり、前記基本ソリトン光パルス（２）が前記光イオン化を誘導するのに充分な強度を有するよう、前記ポンプ・レーザ源（１０）および前記パルス案内媒質（２０）を設定するステップを含み、
前記パルス案内媒質（２０）の群速度分散は、前記群速度分散と前記パワー依存性のカー非線形性（γ）の比が周波数の増大とともに減少し、前記基本ソリトン光パルス（２）が、圧縮されると同時に周波数シフトを受けるように、選択されるものである、
ことを特徴とする、方法。
【請求項２】
前記基本ソリトン光パルス（２）の出力中心周波数および持続時間の少なくとも一方を調整するステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記調整するステップは、
前記パルス案内媒質（２０）の伝播長さを設定すること、
ポンプ・レーザ・パルス・エネルギ、ポンプ・レーザ・パルス中心波長、およびポンプ・レーザ・パルス持続時間の中の少なくとも１つを調節すること、および
前記パルス案内媒質（２０）内の媒質密度プロファイルを調節すること、
の中の少なくとも１つを含むものである、
請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記パルス案内媒質（２０）の光出力（３）を監視するステップと、
前記パルス案内媒質（２０）の光出力に応じて制御信号を生成するステップと、
前記基本ソリトン光パルス（２）が前記パルス案内媒質（２０）中で形成されるように、前記制御信号に応じて前記ポンプ・レーザ源（１０）および前記パルス案内媒質（２０）の少なくとも一方を制御するステップと、
を含む、請求項１乃至３のいずれかに記載の方法。
【請求項５】
前記設定するステップは、
ポンプ・レーザ・パルス・エネルギ、ポンプ・レーザ・パルス中心波長、およびポンプ・レーザ・パルス持続時間の中の少なくとも１つを調節すること、および
所定の非線形性、所定の群速度分散、および所定のイオン化閾値の中の少なくとも１つを有する前記パルス案内媒質（２０）を選択すること、
のうちの少なくとも１つによって、前記基本ソリトン光パルス（２）を生成することを含むものである、請求項１乃至４のいずれかに記載の方法。
【請求項６】
前記パルス案内媒質（２０）は、
イオン化可能な導波路媒質を含む中空光導波路装置（２１）、
半導体導波路（２６）、または
バルク・ガス媒質（２７）
を含むものである、請求項１乃至５のいずれかに記載の方法。
【請求項７】
前記パルス案内媒質（２０）は前記中空光導波路装置（２１）を含み、前記中空光導波路装置（２１）は、次の特徴、
前記中空光導波路装置（２１）が、フォトニック結晶ファイバ（ＰＣＦ）、特に、カゴメ・ファイバ、内サイクロイド・ファイバまたは正方格子ファイバ、または毛細管を含むこと、および
前記導波路媒質が、ガス、蒸気または液体であること、
のうちの少なくとも１つの特徴を含むものである、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記パルス案内媒質（２０）は前記中空光導波路装置（２１）を含み、
前記設定するステップは、
導波路材料の所定の内部サイズおよび所定の分散のうちの少なくとも一方を有する前記中空光導波路装置（２１）を選択すること、
前記中空光導波路装置（２１）内の前記導波路媒質の動作媒質密度を調節すること、
前記中空光導波路装置（２１）内の媒質密度プロファイルを調節すること、および
前記中空光導波路装置（２１）内の前記導波路媒質の動作媒質密度で導波路媒質分散とバランスする所定の導波路媒質モード分散を有する前記中空光導波路装置（２１）を選択すること、
の中の少なくとも１つによって、前記基本ソリトン光パルス（２）を生成することを含むものである、請求項６または７に記載の方法。
【請求項９】
ポンプ・レーザ・パルスを供給するよう適合化されたポンプ・レーザ源（１０）と、
前記ポンプ・レーザ・パルスを伝播させることができるパルス案内媒質（２０）と、
を含むパルス光源（１００）であって、
前記ポンプ・レーザ源（１０）は、前記パルス案内媒質（２０）中に前記ポンプ・レーザ・パルスを結合するように配置され、
前記パルス案内媒質（２０）は、前記ポンプ・レーザ・パルスからソリトン状の光パルスを形成することができるような、異常群速度分散と、パワー依存性のカー非線形性（γ）とを有し、
前記ポンプ・レーザ源（１０）および前記パルス案内媒質（２０）は、前記ソリトン状の光パルスによる前記パルス案内媒質（２０）の光イオン化の結果として、前記ソリトン状の光パルスが、より高いスペクトル・エネルギに向かう周波数シフトを受けることができるよう、構成され、
特徴として、
前記ポンプ・レーザ源（１０）および前記パルス案内媒質（２０）は、前記ソリトン状の光パルスが前記パルス案内媒質中を伝播する基本ソリトン光パルス（２）であり、前記基本ソリトン光パルス（２）が前記光イオン化を誘導するのに充分な強度を有するよう、構成され、
前記パルス案内媒質（２０）の群速度分散は、前記群速度分散と前記カー非線形性の比が周波数の増大とともに減少し、前記基本ソリトン光パルス（２）が時間的に圧縮されると同時に前記周波数シフトを受けるように、選択されるものである、
パルス光源（１００）。
【請求項１０】
さらに、前記基本ソリトン光パルス（２）の出力中心周波数および持続時間のうちの少なくとも一方を調整するよう適合化された調整装置（４０）を含む、請求項９に記載のパルス光源装置。
【請求項１１】
前記調整装置（４０）は、
前記パルス案内媒質（２０）の伝播長さを設定すること、
ポンプ・レーザ・パルス・エネルギ、ポンプ・レーザ・パルス中心波長、およびポンプ・レーザ・パルス持続時間の中の少なくとも１つを調節すること、および
前記パルス案内媒質（２０）内の媒質密度プロファイルを調節すること、
の中の少なくとも１つのために構成されているものである、請求項１０に記載のパルス光源装置。
【請求項１２】
さらに、前記パルス案内媒質（２０）の光出力（３）を監視するよう配置された検出器装置（５０）と、
前記パルス案内媒質（２０）の光出力に応じて制御信号を生成するよう配置された制御装置（６０）と、
前記基本ソリトン光パルス（２）が前記パルス案内媒質（２０）内で形成されるよう、前記制御信号に応じて前記ポンプ・レーザ源（１０）および前記パルス案内媒質（２０）の少なくとも一方を調節するよう配置された調整装置（４０）と、
を含む、請求項１０または１１に記載のパルス光源装置。
【請求項１３】
前記パルス案内媒質（２０）は、
イオン化可能な導波路媒質を含む中空光導波路装置（２１）、
半導体導波路（２６）、または
バルク・ガス媒質（２７）
を含むものである、請求項９乃至１２のいずれかに記載のパルス光源装置。
【請求項１４】
前記パルス案内媒質（２０）は前記中空光導波路装置（２１）を含み、
前記中空光導波路装置（２１）は、次の特徴、
前記中空光導波路装置（２１）が、フォトニック結晶ファイバ（ＰＣＦ）、特に、カゴメ・ファイバ、内サイクロイド・ファイバまたは正方格子ファイバ、または毛細管を含むこと、および
前記導波路媒質が、ガス、蒸気または液体を含むこと、
のうちの少なくとも１つの特徴を含むものである、請求項１３に記載のパルス光源装置。
【請求項１５】
前記パルス案内媒質（２０）は前記中空光導波路装置（２１）を含み、
前記中空光導波路装置は、次の特徴、
前記中空光導波路装置（２１）は、前記ソリトン状の光パルスが、前記中空光導波路装置（２１）中を伝播する基本ソリトン光パルス（２）であるように選択された、導波路材料の所定の内部サイズおよび所定の分散のうちの少なくとも一方を有すること、
前記導波路媒質は、前記ソリトン状の光パルスが、前記中空光導波路装置（２１）中を伝播する基本ソリトン光パルス（２）であるように選択された、所定の非線形性、所定の群速度分散、および所定のイオン化閾値の中の少なくとも１つを有すること、
のうちの少なくとも１つの特徴を含むものである、請求項１３または１４に記載のパルス光源装置。
【請求項１６】
前記パルス案内媒質（２０）は前記中空光導波路装置（２１）を含み、
さらに、前記中空光導波路装置（２１）内に前記導波路媒質の所定の動作媒質密度を形成するよう配置された圧力発生器装置（７０）を含むものである、請求項１３乃至１５のいずれかに記載のパルス光源装置。
【請求項１７】
前記中空光導波路装置（２１）および前記圧力発生器装置（７０）は、前記中空光導波路装置（２１）内の導波路媒質密度プロファイルを調節するよう適合化されているものである、請求項１６に記載のパルス光源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ソリトン光パルスを生成する方法に関し、特に非線形の光学的特性を有する光導波路を用いてソリトン光パルスを生成する方法に関する。さらに、本発明は、ソリトン光パルスを生成するためのパルス光源装置に関し、特に、ポンプ（励起）レーザ源およびガス充填型の中空光導波路を含むパルス光源装置に関する。本発明の適用例は、例えば、生物医学（biomedical）画像撮影（撮像）、計測または測量学（metrology）、スペクトロスコピ（spectroscopy）、および材料加工またはプロセス（material processing）の分野において利用可能である。
【背景技術】
【０００２】
本明細書において、従来技術を例示するために引用する次の刊行物、特に、通常の、非線形光学系、およびソリトン光パルスを生成する技術を参照する。
［１］Franken et al., Phys. Rev. Lett. 7, 118 (1961),
［２］Nisoli et al., Appl. Phys. Lett. 68, 2793 (1996),
［３］Mamyshev et al., Phys. Rev. Lett. 71, 73 (1993),
［４］Hoelzer et al., Phys. Rev. Lett. 107, 203901 (2011),
［５］Saleh et al., Phys. Rev. Lett. 107, 203902 (2011),
［６］Russell, J. Lightwave Technol. 24, 4729 (2006),
［７］Kuehl, J. Opt. Soc. Am. B 5, 709 (1988),
［８］Chang et al., Opt. Express 19, 21018 (2011),
［９］Husko et al., Nature Scientific Reports (3 : 1100, DOI: 10.1038/srep01100),
［１０］Travers et al., J. Opt. Soc. AM. B 28, A11-A26 (2011), 
［１１］Joly et al., Phys. Rev. Lett. 106, 203901 (2011),
［１２］Nold et al., Opt. Lett. 35, 2922-2924 (2010),
［１３］Marcatili et al., Bell Syst. Tech. J. 43, 1783-1809 (1964),
［１４］Husakou et al., Phys. Rev. Lett. 87, 203901 (2001),
［１５］Kolesik et al., Phys. Rev. Lett. 89, 283902 (2002),
［１６］Kinsler, Phys. Rev. A 81, 013819 (2010),
［１７］Geissler et al., Phys. Rev. Lett. 83, 2930-2933 (1999),
［１８］Ammosov et al., Sov. Phys. JETP 64, 1191-1194 (1986), 
［１９］Yudin et al., Phys. Rev. A 64, 013409 (2001),
［２０］Wood et al., IEEE T. Plasma Sci. 21, 20-33 (1993),
［２１］Laegsgaard et al., Opt. Lett. 34, 3710-3712 (2009),
［２２］Nold, “Nonlinear femtosecond photonics in gas-filled hollow-core photonic crystal fibres,” Ph.D. thesis, Universitaet Erlangen-Nuernberg (2011),
［２３］Hoelzer, “Nonlinear fiber optics in gases and dilute plasma,” Ph.D. thesis, Universitaet Erlangen-Nurnberg (2012),
［２４］Couny et al., Opt. Lett. 31, 3574-3576 (2006), 
［２５］Wang et al., Opt. Lett. 36, 669-671 (2011), 
［２６］Couny et al., Opt. Express 16, 20626-20636 (2008), 
［２７］Saleh et al., Phys. Rev. A 84, 063838 (2011), 
［２８］Shim et al., Opt. Express 19, 9118 (2011),
［２９］Tajima, Opt. Lett. 12, 54-56 (1987), 
［３０］Chernikov et al. Opt. Lett. 18, 476-478 (1993), 
［３１］Iwatsuki et al., IEEE Photonics Technology Letters 3, 1074-1076 (1991), 
［３２］Travers et al. Opt. Express 15, 13203-13211 (2007), 
［３３］Gordon, Opt. Lett. 11, 662-664 (1986).
【０００３】
超短光パルス（ultrashort light pulses）が広く適用されるのは、正確な時間分解能または短時間で格納される高い（光）強度が必要とされる場合である。超短光パルスの周波数（または波長）は典型的には中心周波数によって特徴付けられる一方で、超短光パルスは広いスペクトルの周波数成分を有する。例えばレーザ共振器においてモード同期（ロック）機構を用いて光パルスが生成される、複数のタイプのレーザ・パルス源、が利用可能である。超短光パルスを得るために、パルス圧縮（compression）技術を適用することができる。さらに、パルス持続時間（duration）を短くするためには、より高い周波数がより好ましい。その理由は、中心周波数の１周期が、達成可能なパルス持続時間に対して基本的な制限（限界）を課すからである。従って、光パルスの周波数アップコンバージョン（up-conversion：高周波数への変換）に対する関心が生まれる。大部分の通常の技術では、周波数アップコンバージョンとパルス圧縮は、別々に行われ、各装置が単一の役割を果たすカスケード接続の複数の装置が必要となる。
【０００４】
周波数アップコンバージョンは、例えば非線形パラメータ処理に基づいて、例えば、非線形感受性（susceptibility）を有する結晶またはファイバにおいて行われる［１］。この技術の限界は、生成された波長（この波長は、通常、ポンプ・フィールド（励起領域）の波長によって決まる）の調整（チューニング）の困難さ、高エネルギ・パルスへの適用を阻止する低い損傷閾値、および位相整合を確立する必要性（要求）、である。これによって、変換（コンバージョン）効率が低くなり、出力スペクトルが狭くなる。代替的に、周波数アップコンバージョンは、制約された長さの媒質中でのプラズマ・ベースのブルー（青方）シフト、および正常分散によって得ることができる。伝播距離が短すぎるために、周波数アップシフトは、累積できず、従って低周波数区間（intervals）に制限される。さらに、正常分散は、周波数シフトされた光パルスの強度を制限する。
【０００５】
パルス圧縮は、例えば、スペクトル拡大とそれに続くチャープ補償の２段階：一般的に残留（residual）位相変調へと導く非線形スペクトル拡大の段階と、例えばチャープ・ミラー（鏡）、プリズムまたは格子（gratings）のような分散装置において位相が補償される圧縮の段階と、に基づくものである［２］。この技術の欠点は、設定の複雑さ、規則的なまたは定期的な再整列（調整）の必要性、および、時間領域においてサテライト・パルスを生じさせる強く変調されたスペクトル振幅である。
【０００６】
別の方法は、通常のコンパクトな（小型の）ファイバにおいてソリトン状またはソリトン形状の光パルスの時間的圧縮を利用する（断熱ソリトン圧縮）。ファイバ中の基本ソリトン・パルスについて、パルス持続時間（duration）は、ファイバに沿って群速度分散を減少させ、パワーに依存する非線形性を増大させ、またはパルス・エネルギを光学的利得で増強（増幅）することによって、短くすることができる。しかし、これには、例えば、テーパ形（tapered）ファイバ、またはレージング（lasing）利得物質（材料）がドープされたファイバが、必要である。さらに、ファイバ分散の変化、およびファイバの広帯域透過性（伝送性）に関する複数の条件が満たされなければならない。一般的に、通常の断熱ソリトン圧縮は、コンパクトなファイバ中で伝播可能な低いソリトン・エネルギに限定され、従って特定の適用例、例えば光通信に限定される。
【０００７】
より高次のソリトン（higher order soliton）は、時間的な包絡線（envelope：エンベロープ）が伝播に沿って（伝播と共に）周期的な発振を経験する（受ける、生じる）ソリトン・パルスである。幾つかの距離において、ソリトン・パルスは、入力パルスより短くなることができ、圧縮が生じる（高次ソリトン圧縮）。この技術は、非常に短いパルス持続時間を可能にはするが、低い品質ファクタ（係数、要素）（エネルギの大部分が半値全幅（ＦＷＨＭ）内に収容されないまたは封じ込められない）、強い長さ依存性、および僅かな摂動（変動）に対する敏感さ（過敏性）、の難点がある。
【０００８】
また、ソリトン状の光パルスは、中空コア・フォトニック結晶ファイバ（ＰＣＦｓ）において調査され、中空コア・フォトニック結晶ファイバ（ＰＣＦｓ）によって、ガス・ベースの（に基づく、基材とする）非線形光学系を、小コアの光ファイバへ移植する（transfer：編入する）ことが可能になった［１０］。ＰＣＦベースのシステムは、通常のファイバの利点、例えば、長い相互作用長さ（距離）にわたる機密なモード閉じ込め（tight mode confinement）、および分散（分散特性）プロファイル（外形、分布、曲線）に対する精密制御、のような利点を、材料破壊が永久損傷に達せず、透過性または透明性が極端波長領域においても達成可能なガスの利点と、を組み合わせるまたは結合させる。カゴメＰＣＦ［６］の場合、これらの特徴は、高効率の波長調整可能なＵＶ（紫外線）生成を観測するために利用または収容された［１１］。
【０００９】
Ｐ．ヘルツァー（Hoelzer）氏他およびサレー（Saleh）氏他は、イオン化ベースの（に基づく）非線形ファイバ光学系について記載した。ここで、ソリトン自己圧縮が、充填ガスを部分的にイオン化するのに充分な強度を生じさせることができ、その後のソリトン自己周波数ブルーシフトが、自由電子誘導の位相変調（free-electron induced phase-modulation）の結果として得られる（［４］、［５］、［２６］）。サレー氏他［２６］は、自己イオン化媒質におけるパルス用の近似的伝播数式、および理想事例に対する解析的表現を導き出した。さらに、光−プラズマ相互作用の幾つかの事例の物理学的な議論が為されている。さらに、その他の効果の敷衍および議論が、サレー氏およびビアンカラナ（Biancalana）氏の文献［６］において見出すことができる。この方法の欠点として、その結果の動力学（動力学的特性）は、初期の段階の高次ソリトン伝播および圧縮と、自己周波数ブルーシフトする複数ソリトンの放出とが、支配的である。特に、文献［２７］は、連続的圧縮がないことを示し、むしろ、放出されたソリトンはその初期の持続時間を維持する。
【００１０】
マミシェヴ氏（Mamyshev）他は、周波数変換（コンバージョン）とパルス圧縮の双方を組み合わる別の方式を記載した［３］。そのパルスは、ラマン励起ソリトン自己周波数ダウンシフトに起因する単一モード・シリカ・ファイバにおける分散の減少を感知し（の影響を受け）、その結果として断熱ソリトン圧縮が得られる。しかし、この技術は、周波数ダウンコンバージョンに限定され、周波数アップコンバージョンを可能にしない。別の制限として、非常に小さい圧縮ファクタ（係数）が、小さいラマン励起周波数シフト（１．５７μｍ〜１．６２μｍ）にのみ起因して観測され（９６ｆｓ〜５５ｆｓ）、および周波数ダウンシフトの結果として実効的な非線形性の減少が得られた。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】Franken et al., Phys. Rev. Lett. 7, 118 (1961)
【非特許文献２】Nisoli et al., Appl. Phys. Lett. 68, 2793 (1996)
【非特許文献３】Mamyshev et al., Phys. Rev. Lett. 71, 73 (1993)
【非特許文献４】Hoelzer et al., Phys. Rev. Lett. 107, 203901 (2011)
【非特許文献５】Saleh et al., Phys. Rev. Lett. 107, 203902 (2011)
【非特許文献６】Russell, J. Lightwave Technol. 24, 4729 (2006)
【非特許文献７】Kuehl, J. Opt. Soc. Am. B 5, 709 (1988)
【非特許文献８】Chang et al., Opt. Express 19, 21018 (2011)
【非特許文献９】Husko et al., Nature Scientific Reports (3 : 1100, DOI: 10.1038/srep01100)
【非特許文献１０】Travers et al., J. Opt. Soc. AM. B 28, A11-A26 (2011)
【非特許文献１１】Joly et al., Phys. Rev. Lett. 106, 203901 (2011)
【非特許文献１２】Nold et al., Opt. Lett. 35, 2922-2924 (2010)
【非特許文献１３】Marcatili et al., Bell Syst. Tech. J. 43, 1783-1809 (1964)
【非特許文献１４】Husakou et al., Phys. Rev. Lett. 87, 203901 (2001)
【非特許文献１５】Kolesik et al., Phys. Rev. Lett. 89, 283902 (2002)
【非特許文献１６】Kinsler, Phys. Rev. A 81, 013819 (2010)
【非特許文献１７】Geissler et al., Phys. Rev. Lett. 83, 2930-2933 (1999)
【非特許文献１８】Ammosov et al., Sov. Phys. JETP 64, 1191-1194 (1986)
【非特許文献１９】Yudin et al., Phys. Rev. A 64, 013409 (2001)
【非特許文献２０】Wood et al., IEEE T. Plasma Sci. 21, 20-33 (1993)
【非特許文献２１】Laegsgaard et al., Opt. Lett. 34, 3710-3712 (2009)
【非特許文献２２】Nold, “Nonlinear femtosecond photonics in gas-filled hollow-core photonic crystal fibres,” Ph.D. thesis, Universitat Erlangen-Nurnberg (2011)
【非特許文献２３】Hoelzer, “Nonlinear fiber optics in gases and dilute plasma,” Ph.D. thesis, Universitat Erlangen-Nurnberg (2012)
【非特許文献２４】Couny et al., Opt. Lett. 31, 3574-3576 (2006)
【非特許文献２５】Wang et al., Opt. Lett. 36, 669-671 (2011)
【非特許文献２６】Couny et al., Opt. Express 16, 20626-20636 (2008)
【非特許文献２７】Saleh et al., Phys. Rev. A 84, 063838 (2011)
【非特許文献２８】Shim et al., Opt. Express 19, 9118 (2011)
【非特許文献２９】Tajima, Opt. Lett. 12, 54-56 (1987)
【非特許文献３０】Chernikov et al. Opt. Lett. 18, 476-478 (1993)
【非特許文献３１】Iwatsuki et al., IEEE Photonics Technology Letters 3, 1074-1076 (1991)
【非特許文献３２】Travers et al. Opt. Express 15, 13203-13211 (2007)
【非特許文献３３】Gordon, Opt. Lett. 11, 662-664 (1986)
【発明の開示】
【００１２】
発明の目的
本発明の目的は、通常の技術の制限をなくすように、光パルスを生成する改良された方法を実現することである。特に、本発明の目的は、光パルスを圧縮する改良された方法を実現することである。さらに、本発明の目的は、光パルスのスペクトル・アップコンバージョンのための改良された方法を実現することである。さらに、本発明の目的は、通常の技術の制限をなくす、改良されたパルス光源装置を実現することである。
【００１３】
発明の概要
本発明の第１の一般的な観点によれば、上述の目的は、次のような、光パルスを生成する方法によって解決される。即ち、その方法では、ポンプ（励起）レーザ源からのポンプ・レーザ・パルスが、異常（anomalous）群速度分散（ＧＶＤ）およびカー（Kerr）非線形性を有するパルス案内（導光、導波）媒質（pulse guiding medium）中に結合（供給）される。そのポンプ・レーザ・パルスは、パルス案内媒質に沿って伝播し、複数のソリトン状の光パルスが、パルス案内媒質内の複数のポンプ・レーザ・パルスから形成される。光パルスのソリトン状は、パルス案内媒質の異常群速度分散およびカー非線形性（３次感受性（third-order susceptibility））によって決まる。さらに、パルス案内媒質（パルス誘導媒質、導パルス媒質）が光イオン化された（パルス案内媒質における自由電荷キャリアの生成、特に電子の生成の）結果として 高いスペクトル・エネルギに向かうソリトン状の光パルスの周波数シフト（プラズマ励起（plasma-induced）周波数アップコンバージョン）が生じるような、強度で、ソリトン状の光パルスは形成される。
【００１４】
本発明によれば、ポンプ・レーザ源およびパルス案内媒質の設定（調節および／または操作）は、ソリトン状の光パルスが、パルス案内媒質中を伝播する基本ソリトン光パルスとなるように、行われる。基本ソリトン光パルスは、光イオン化を誘導または誘起するのに充分な強度を有する。利点として、基本ソリトン光パルスを生成することによって、（そうでない場合に）伝播中に高次ソリトンで生じ得るパルス形状の変化が回避される。
【００１５】
さらに、本発明によれば、伝播するソリトン状の光パルスの周波数が増大するにしたがって、群速度分散と、パワー依存のカー非線形性（例えばガス等のパルス案内媒質の非線形屈折率、および例えば導波路構造体等のパルス案内媒質の有効横断面積、に依存するカー非線形性）との比が、減少するように、パルス案内媒質のパルス群速度分散が選択される。その結果、パルス案内媒質に沿って伝播する間に基本ソリトン光パルスの圧縮（パルス持続時間の減少、時間的な圧縮）が得られる。利点として、その圧縮は、パルス案内媒質中で、周波数シフトと同時に生じる。本発明による方法では、超短光パルスが生成され、即ち１００ｐｓ未満の持続時間を有するパルス、特に１ｐｓ未満、例えば１００ｆｓ未満の持続時間を有するパルスが形成される。
【００１６】
用語“ポンプ・レーザ源”は任意のパルス・レーザを表す。パルス・レーザは、パルス単位でまたは繰返しモードで動作し得る。好ましくは、パルス・レーザは、１００ｐｓ未満の持続時間を有するパルスを形成する。用語“パルス案内媒質”（またはパルス伝播媒質）は、光パルスを伝播させる光路を形成または提供する任意の媒質を表す。本発明によれば、異常群速度分散を有し、誘導周波数シフト機構に起因する永久損傷を受けない、任意の配置構成、を使用することができる。パルス案内媒質は、入力および出力パルスのスペクトル周波数範囲での透過性または伝達性がある。パルス案内媒質のタイプおよび設計に応じて、その異常群速度分散およびカー非線形性は、パルス案内媒質において光を導く（導光）材料の特性によって、または完全なパルス案内媒質の特性によって、即ち導光材料および包囲構造体によって、形成される。
【００１７】
基本光ソリトンは次のような光パルスである。即ち、その光パルスに対して、幾何学的形状（例えば、光導波路）と材料（即ち、充填ガス）の組合せ（または双方）によって生じる線形分散が、カー非線形性とバランスする（平衡を保つ、釣り合う）ものである。
【００１８】
本発明の第２の一般的な観点によれば、上述の目的は、次のような、パルス光源装置によって解決される。即ち、そのパルス光源装置は、ポンプ・レーザ・パルスを生成できるポンプ・レーザ源と、ポンプ・レーザ・パルスに対して透過性のあるパルス案内媒質とを含んでいる。ポンプ・レーザ源は、ポンプ・レーザ・パルスをパルス案内媒質中に結合させる（供給する）ように配置され、その結合は、例えば、光集束（focusing：集光）要素によって、またはポンプ・レーザ源からのポンプ・レーザ・パルス光照射野（像）（light field）をパルス案内媒質中に直接結合させ得る接触によって行われる。パルス案内媒質は、ポンプ・レーザ・パルスからソリトン状の光パルスを形成することができような、異常群速度分散（ＧＶＤ）およびカー（Ker）非線形性を有する。ポンプ・レーザ源およびパルス案内媒質は、ソリトン状の光パルスによるパルス案内媒質の光イオン化の結果として、ソリトン状の光パルスが、より高いスペクトル・エネルギに向かって周波数シフトされ得るように、構成される。
【００１９】
さらに、本発明によるパルス光源装置のポンプ・レーザ源およびパルス案内媒質は、ソリトン状の光パルスがパルス案内媒質中を伝播する基本ソリトン光パルスであり、かつ基本ソリトン光パルスが光イオン化を誘発する充分な強度を有するように、構成される。パルス案内媒質の群速度分散は、群速度分散とパワー依存のカー非線形性との比が、周波数が増大するに従って減少するように、選択される。従って、基本ソリトン光パルスは、パルス案内媒質に沿った伝播中に、周波数シフトと同時に、圧縮できる。圧縮され周波数アップシフトされた光パルスを生成するパルス光源は、好ましくは、本発明の上述の第１の観点による方法を実行するように構成される。
【００２０】
利点として、本発明は、例えばガス充填の中空導波路のようなパルス案内媒質におけるパルス圧縮とプラズマ誘導（plasma-induced）周波数アップコンバージョンとの組合せ（結合）、を形成する。光パルスは、ＧＶＤが異常でありかつその度合が周波数の関数として（に応じて）減少するようなパルス案内媒質中を伝播する。パルスは、基本ソリトン（即ち、非拡散波束（wavepackets））がパルス案内媒質中で形成されるようなパラメータで調整される。パルス案内媒質中の充分な強度のパルスは、パルス案内媒質中でプラズマ誘導自己周波数アップシフトを受ける。中心周波数の変化は、分散の減少および非線形性の増大を生じさせて、伝播するソリトンが、周波数アップシフト中に、それに応じてそのパルス持続時間を短くすることによってその変化する特性に適応するようになる。
【００２１】
従って、得られる断熱ソリトン圧縮（［７］）は、テーパ形ファイバにおける通常の圧縮とは違って、パルスの伝播方向に沿ったＧＶＤ変化を必要とせず、また、通常のラマン・ベースの圧縮とは違って、周波数アップシフトと組合わされるものである。本発明による圧縮に起因して維持されるピーク強度によって、媒質がイオン化され、それによって周波数アップシフトの延長が生じる。周波数アップシフトと圧縮の双方は、イオン化誘導損失（ionization-induced losses）がイオン化に不充分なレベルまで低下するピーク強度を生じさせるまで、その伝播に沿って同時に継続する。最も遅くても、この（低下の）時点で、例えばオクターブ分だけ周波数がアップシフトした数周期（サイクル）のパルスを得ることができる。従って、最も有利で驚くべき結果として、本発明による技術は、７より大きい圧縮率のオクターブ（８）の周波数アップシフトを実現する。
【００２２】
本発明を用いて、（上述の）Ｐ．ヘルツァー氏他およびサレー氏他によって記載された通常の方法に対して、大幅な進歩が達成された。通常の方法で説明される事例では、充分に高い強度が高次ソリトン圧縮によって達成されるが、本発明は初めて基本ソリトン解（solutions）の使用に依存するものである。本発明は、以前の方法には全くなかった断熱ソリトン圧縮によって基本ソリトンがブルーシフトするときに、基本ソリトンの連続圧縮が生じる可能性を、教示する。より高次の解は、通常、Ｎ＞１（Ｎ：ソリトン次数）のソリトン解における非線形パラメータおよび分散（分散と非線形パラメータ）を調節することによって、達成される。これ（解）は、摂動のない理想的システムにおいて、伝播に沿った発振動作を呈し、それによって、幾つかの点において、相当なまたは有意なパルス圧縮と、それと同時に増強された強度とを生じさせることができ、一方、基本ソリトン解は、形状変化のない伝播によって特徴付けられる。この基本的な相違から次の特徴または特質または相違が導き出される。
【００２３】
第１に、発明者たちは、基本ソリトン解が、例えばイオン化の発生のような摂動の存在下であっても、自己安定化するものであること、を見出した。基本ソリトンは、その周波数、持続時間およびエネルギを変化させることによって摂動に反応して、ソリトン要件（要求）に再適応する。これは、断熱ソリトン圧縮の核心（heart）に位置する。一方、より高次のソリトン解は、摂動に敏感で、むしろ複数のパルスに分裂することによって反応する。基本ソリトンのロバスト性（堅牢性）は、ブルーシフトおよび圧縮が生じるような持続された長さを確保するので、本発明にとって重要である。
【００２４】
第２に、基本ソリトンの使用によって、イオン化は、自己誘導され（self-induced）、従って強度が充分高い限り（の長さだけ）持続できる（例えば、実際の適用例では数十ｃｍ）。一方、より高次の解の事例では、イオン化は、持続（残存）するポンプ・パルスとの時間的な（一時的な）オーバラップ（重なり）（temporal overlap）がある限りにおいてのみ（の長さだけ）存在する（例えば、典型的には数ｃｍ）。上述の刊行物において報告されているように、ブルーシフトは、時間的なオーバラップがないときには、停止する。ブルーシフトされた部分そのものは、イオン化を生じさせるには弱すぎ、従って更なるブルーシフトも断熱ソリトン圧縮も生じない（経験しない）。
【００２５】
これらの相違の結果として、次のような本発明の利点が得られる。即ち、持続する光−プラズマ相互作用によってのみ、例えばオクターブより大きい広いスペクトル領域にわたるシフトおよび波長調整可能性が可能となり、断熱ソリトン圧縮の概念は、自己誘導イオン化との間に切り離せない関係がある。さらに、基本ソリトンの使用によって、より高い変換効率が保証され、不所望なスペクトル成分を濾波する必要性がなくなる。
【００２６】
本発明の好ましい実施形態によれば、パルス案内媒質から出力された基本ソリトン光パルスの出力中心周波数および／または持続時間が調整（調節）される。上述のパラメータの調整は、例えば、導波路ファイバを切断するなどして、例えばパルス案内媒質の伝播長さを設定することによって、得られる。利点として、例えば、パルス持続時間は、パルス案内媒質の設計によって調整できる。代替的にまたは追加的に、その調整は、ポンプ・パルス源の調節および／またはパルス案内媒質内における媒質密度プロファイル（曲線、分布）の設定によって、行える。利点として、その調整ステップ（工程）によって、例えば測定または結像装置において光パルスを供給するために、実際の実装の要件（要求）に対して本発明による設定を適応化することが、容易になる。本発明のこの実施形態では、パルス光源装置は調整装置を含み、その調整装置は、好ましくは、パルス案内媒質における伝播長さの設定のために適合化され、ポンプ・レーザ・パルス・エネルギ、ポンプ・レーザ・パルス中心波長およびポンプ・レーザ・パルス持続時間の中の少なくとも１つ要素の調節に適合化され、および／または、パルス案内媒質内の媒質密度プロファイルの調節に適合化される。従って、本発明によって実現される技術によれば、プラズマ誘導周波数アップシフトと断熱的ソリトン圧縮を組合せた上述のプロセスによって、単一の装置において波長調整可能な数周期（cycle）のパルスを得ることができる。
【００２７】
本発明の別の好ましい実施形態によれば、光パルス出力の制御が行える。パルス案内媒質の光出力の検出、例えば、パルス形状、またはパルスのスペクトル・パラメータもしくは時間的パラメータの検出は、パルス案内媒質の光出力に依存する制御信号を生成するのに使用でき、また、ポンプ・レーザ源および／またはパルス案内媒質は、基本ソリトン光パルスがパルス案内媒質中で形成されるように、制御信号に応じて制御することができる。この制御ループを実装するために、本発明による装置は、好ましくは、パルス案内媒質の光出力を監視する検出器装置、パルス案内媒質の光出力に応じて制御信号を生成する制御装置、および、制御信号に応じてポンプ・レーザ源および／またはパルス案内媒質を制御する調整装置、を含んでいる。
【００２８】
本発明の別の利点として、パルス案内媒質中で基本ソリトン光パルスを生成する複数の変形例が、別々のまたは組合せた形態で利用可能である。第１の変形例では、ポンプ・レーザ・パルス・エネルギ、ポンプ・レーザ・パルス中心波長、およびポンプ・レーザ・パルス持続時間の中の少なくとも１つの要素を調節することができる。第２の変形例では、所定の非線形性、所定の群速度分散および／または所定のイオン化閾値を有する、特定のパルス案内媒質が選択できる。
【００２９】
本発明の特に好ましい実施形態によれば、パルス案内媒質は、イオン化可能な、ガス状の、気化した（vaporized）または液体状の導波路媒質を含む中空光導波路装置を含んでいる。中空光導波路装置は、一般的に、光パルスを伝播させる縦方向の延長部を有する光導波路を含んでいる。導波路は、導波路媒質が充填されたコア（芯）を含んでいる。パルス案内媒質の光学的特徴は、そ（光導波路）のような導波路材料と導波路媒質の重ね合わせられた（多重の）光学的特徴によって規定される。導波路媒質は、次の特徴を有するガス、蒸気または液体とすることができる。導波路媒質の屈折率は、好ましくは、関心のある（関係する）スペクトル領域に複数の共鳴（共振）が組み入れられない。屈折率は、所与の周波数領域において周波数と共にスムーズに（円滑に）変化する（成長する）。さらに、所与の圧力における導波路媒質の群速度分散への寄与は、導波路（材料）の群速度分散へ寄与より小さくて（即ち、を上回ることがなくて）、合計（または組合せ）の分散が正常になるようになる。換言すれば、異常分散は、導波路媒質において保持される。最後に、導波路媒質は、周波数シフトに使用される光イオン化に起因する永久損傷を受けることはない。これらの特徴を実現するために、導波路媒質は、好ましくは、ガス、特に好ましくは希ガス、例えばＡｒ、ＮｅまたはＸｅ、またはその他のガス、例えばＨ２、Ｏ２、Ｎ２、またはガス状のＳＦ６、または蒸気、例えばＲｂまたはＣｓを含んでいる。代替形態として、低質量密度の液体、例えば液体アルゴンを用いることができる。
【００３０】
本発明の特に有利な実施形態では、中空光導波路装置は、フォトニック結晶ファイバ（ＰＣＦ）を含んでいる。基本ソリトン・パルスの同時的な圧縮および周波数アップコンバージョンに対するＰＣＦの使用は、本発明の独立の主題を表す。好ましくは、ＰＣＦは、カゴメ（Kagome）ファイバ、内サイクロイド（hypocyloid）ファイバ、または正方格子（square lattice）ファイバを含んでいる。ＰＣＦは、選択された導波路媒質を収容し、ＧＶＤおよびカー非線形性を調節し、および動作（作用）媒質密度を調節することに関して、特に有利である。ＰＣＦは、好ましくは１５０μｍ未満の直径を有する中空コアを有する。代替形態として、より大きい導波路直径を用いることができる。導波路直径を増大させると、導波路における動作媒質密度の可能性ある低下の結果として得られる利点が得られる可能性がある。従って、本発明の代替的な実施形態では、中空光導波路装置は、約７５μｍ〜２００μｍの直径を有する毛細管を含んでいてもよい。
【００３１】
例えば、カゴメ・ファイバ、内サイクロイド・ファイバ、または正方格子ファイバのようなＰＣＦが有する特別な利点は、円滑な分散を形成し、これ（分散）が、ソリトンが断熱的に低い分散を調節できるように支援し、それによって適度なガス圧での圧力調整が容易になること、である。ファイバ分散は、数ｂａｒ（例えば、１０ｂａｒ）でのガス分散の範囲内とすべきであり、広帯域の案内は、連続的な周波数シフトに関連する全ての周波数が、無視し得るまたは許容可能な損失で案内または誘導されるものである。さらに、ＰＣＦによって、イオン化領域（レジーム）において損傷なしの動作が可能になり、これには、例えば中空コア・ファイバ内のガスのような自己修復媒質を用い、および伝播光モード（propagating light mode）との（with）導波路構造の少ない（低い）オーバラップ（重なり）を用いることが、含まれる。
【００３２】
パルス案内媒質が中空光導波路装置（デバイス）を含む場合、その導波路装置を設定するステップを実現する複数の変形例が、基本ソリトン光パルスを生成するのに利用可能であり、従って、本発明によるパルス光源装置を設計する際の別の自由度が得られる。第１に、中空光導波路装置は、導波路材料の、所定の内部サイズおよび所定の分散の少なくとも一方を有するように選択できる。特に、中空光導波路装置は、中空光導波路装置内の導波路媒質の動作媒質密度で導波路媒質分散とバランス（平衡状態）を保つ導波路モード分散を有するように選択できる。さらに、中空光導波路装置によって、中空光導波路装置内の導波路媒質の動作媒質密度の調節が容易になる。特に、媒質密度プロファイルは、中空光導波路装置内で調節できる。用語“媒質密度”は、一般的に、中空光導波路装置における導波路媒質の原子または分子の密度を表す。一般的に、媒質密度は、導波路媒質の種（species）、物理的状態および圧力によって決まる。以下において、用語“圧力”は、“媒質密度”と同等のものとして用いられる。媒質密度は、例えば、圧力発生器装置を用いておよび／または導波路媒質を冷却または加熱することによって、調節することができる。
【００３３】
本発明の別の好ましい実施形態によれば、パルス光源装置は、さらに、中空光導波路装置内の導波路媒質の所定の動作媒質密度を形成する圧力発生器装置を含んでいる。圧力発生器装置は、例えばガスのような導波路媒質を含む少なくとも１つのタンク（reservoir：貯留槽、貯留容器）と、少なくとも１つの圧力導管とを含んでいる。少なくとも１つの圧力導管は、中空光導波路装置に直接、または中空光導波路装置を収容する圧力セル（室）に接続される。例えば導波路構造体において半径方向または放射状の開口または間隙を通して、光導波路装置のコアに接続された複数の圧力導管を、設けることができる。
【００３４】
利点として、中空光導波路装置および圧力発生器装置は、所定の導波路媒質密度プロファイルが中空光導波路装置内に形成されるように、調節することができる。用語“導波路媒質密度プロファイル”は、導波路における均一の（一定の）媒質密度、または（乃至）導波路に沿った媒質密度勾配の双方をカバーする（含む）、任意の密度分布（圧力分布）を表す。任意選択的に、ファイバの入力と出力の間の圧力は、導波路中に媒質密度勾配を生じさせるように、差異を有する（異なる）ことができる。媒質密度勾配は、媒質密度の複数の最大値／複数の最小値を含んでいてもよい。媒質密度勾配を形成することによって、断熱圧縮プロセスを調整しそれによって出力周波数を調整するための、余分なまたは追加的な自由度が得られる。
【００３５】
本発明の実現または実装形態は、中空光導波路装置の使用に限定されない。代替形態として、固体半導体媒質、特にコンパクトな半導体導波路をパルス案内媒質として用いることができる。この実施形態では、パルス案内媒質の光イオン化は、価電子帯（valence band）から導電帯（conduction band）へと電子を励起して（複数フォトン（光子）吸収）、その結果としてソリトン・パルスのより高いスペクトル・エネルギへの周波数シフトが生じること、を含んでいる。複数フォトン・プラズマ領域（レジーム）におけるソリトンの動力学が、フスコ氏（Husko）他によって文献［９］に記載されている。固体半導体媒質を用いると、本発明によるパルス光源装置のコンパクトな構造に関する利点が得られる可能性がある。
【００３６】
さらに別の代替形態として、パルス案内媒質は、ガス分散が異常である中赤外線領域（約３μｍ）において、例えば空気のようなバルク・ガス媒質を含んでもよい［２８］。この実施形態では、周波数スペクトル範囲は、バルク・ガス媒質において利用可能な共鳴（共振）に応じて制限され、例えば赤外線領域に制限される。
【００３７】
要約すると、本発明は、従来技術に対して、次の利点を有する。即ち、提案された本発明の主要な利点は、その単純さ、その周波数調整可能性、その高い損傷閾値、その設計の自由度、そのロバスト性（堅牢性）にある。単純さは、そう（単一構造設計）でなければ別々に実施されるであろう２つの異なる課題（圧縮、周波数シフト）を組み合わせた、全て一体化された単一構造設計を、実現できる性能から結果として得られる。周波数調整可能性が得られるのは、出力ソリトン・パルスの中心周波数が最大の達成可能な周波数アップシフトの範囲内で正確に調整できるからである。ブルーシフトは或る長さに沿って連続し、従って、長さおよび／またはポンプ（励起）エネルギおよび／またはファイバ内の媒質密度プロファイルを調整することによって、所望の中心周波数の超短パルスを得ることができる。高い損傷閾値は、非線形結晶または固体ファイバの損傷閾値によって設定される強度上限を取り払いさえする。
【００３８】
設計の自由度は、所与の入力光パルスに対して、本発明による装置の動作の条件が、種々の装置パラメータ、例えばガス種および密度（これは密度勾配をも導入し得る）並びに導波路の幾何学形状、特に長さを調整することによって、満たすことができる。例えば、相対的に低いエネルギ・パルスが使用されたとき、導波路におけるモード領域または面積が減少して、強度が増大され、従ってイオン化誘導位相シフトが増大される。また、ガス種を変更して、それによって、イオン化エネルギを変化させ、また、分散およびカー非線形性を変化させることができる。利点として、出力は、最大の達成可能な周波数シフトがいったん達成されると、長さ変化に対してロバスト（堅牢）であり、摂動（perturbations）に対してロバストである。
【００３９】
実際には、本発明は、特に、高パワー・ファイバ・レーザと組み合わせて用いられた場合に、超高速Ｔｉ：サファイア・レーザ系の潜在的な置換を提示する。それによって、数ＭＨｚの繰り返しレート（周波数）の数百ナノ・ジュール（ｎJ）のエネルギ、最良の発振器で達成可能なパルス持続時間より短いパルス持続時間、および無比のコンパクトさおよびロバスト性が提供される。
【００４０】
本発明の更なる詳細および他の利点を、図面を参照して以下で説明する。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】図１は、本発明によるパルス光源装置の第１の実施形態の概略図である。
【図２】図２は、本発明により使用されるＰＣＦの群速度および非線形性を表すグラフである。
【図３】図３〜５は、本発明により使用されるＰＣＦの群速度および非線形性を表すグラフである。
【図４】.
【図５】.
【図６】図６〜８は、本発明によるパルス光源装置の他の実施形態の概略図である。
【図７】.
【図８】.
【発明を実施するための形態】
【００４２】
発明の好ましい実施形態
本発明は、光学的なカー効果と高い強度でのイオン化の双方に起因する非線形位相シフトを実現できるパルス案内媒質を使用する。パルス案内媒質は、その動作の波長範囲内で異常分散および正の３次分散を有する。そのような条件は、例えば、カゴメ格子中空コアＰＣＦ［６］のようなガス充填の中空導波路において、達成することができる。本発明の好ましい実施形態を、以下で、ＰＣＦを使用する事例を例示的に参照して説明する。但し、本発明は、中赤外線において半導体装置またはバルク・ガスを用いても実現できる（図８参照）ことを強調しておく。さらに、本発明は、提示された例および動作パラメータまたは操作パラメータに限定されることなく、特に以下で提示する断熱ソリトン圧縮の説明を考慮して、修正または変更された条件で実現することができる。
【００４３】
第１の実施形態
本発明によるパルス光源装置１００の第１の実施形態が図１に概略的に示されている。パルス光源装置１００は、パルス・レーザ１１および集束光学系１２を有するポンプ・レーザ源１０と、少なくとも１つの光学的にアクセス可能なガス・セル（室）３１を含む加圧システム３０に配置されたＰＣＦ２１を含むパルス案内媒質２０と、を含んでいる。ポンプ・レーザ１１は、例えば、光パラメトリック増幅器（ＯＰＡ）またはファイバ・レーザである。ＰＣＦ２１は、文献［６］に記載された手順および設備を用いて作製されたカゴメ格子（Kagome-lattice）中空コアＰＣＦである。ＰＣＦ２１は、例えば１８μｍの直径を有する内部中空コア２５（図２、挿入物を参照）を有する。例えば２５ｃｍのような所要の長さの１個のＰＣＦ２１が、ガス・セル３１内に嵌め込まれ、ＰＣＦ２１の前端面または前部切断面（facet）２２および後端面または後部切断面２３が、例えば複数のＶ字状の溝を用いて所定位置に保持される。ガス・セル３１内のＰＣＦ２１の形状は、直線状であるかまたは僅かに湾曲したものとすることができる（図示の通り）。ガス・セル３１は、ＰＣＦ２１の両端面２２、２３から光学的にアクセス可能である。これは、例えばシリカ製の窓３２等を用いて行える。
【００４４】
ガス・セル３１、窓３２およびＰＣＦ２１を含んでなる構造体は、環境に対して（例えば、接着剤、ゴム・リング、プラスティシーン、等で）封止または密閉されて、ガス・セル３１およびＰＣＦ２１におけるガス圧およびガス種に対する完全な制御が確保される。ＰＣＦ２１は、ガス、例えば５ｂａｒのアルゴンが充填され、その充填は、加圧システムの助けによってガス・セル３１を加圧することによって行われ、その加圧システムは、図１に示されていないガス管および適切な圧力制御装置（例えば、ナノメータ）を含むものである。パルス光源装置１００の実際の適用期間において、ガス・セル３１は、封止されまたは密閉されて、加圧システムから分離される。代替形態として、ガス・セル３１は、圧力発生器装置に接続できてもよい（図６参照）。
【００４５】
ポンプ・レーザ源１０は、ポンプ・レーザ・パルス１のレーザ・ビームを生成し、このレーザ・ビームは、第１の窓３２を通してＰＣＦ２１の前端面２２へと方向付けられまたは誘導される。例えば、ポンプ・レーザ・パルス１は、半値全幅３０ｆｓの持続時間、１５００ｎｍの中心波長、および数μJ領域のパルス・エネルギを有する。例えば、１．７μJのエネルギは、ピーク・パワー５０ＭＷ（ピーク強度４１ＴＷ／ｃｍ２）に対応する。ポンプ・レーザ・パルス１は、集束光学系１２（例えば、少なくとも１つのレンズおよび／または少なくとも１つの湾曲ミラー）を用いて、ＰＣＦ２１中に結合されて、ポンプ・レーザ・パルス１のビームが、ＰＣＦ２１の許容角度と整合するような直径まで縮小される。適正な整列は、ｘｙｚ移動台を用いて、行うことができる（図示せず）。ＰＣＦ２１内で、伝播光パルスは、図２〜５を参照して以下で詳しく説明するように、非線形の分散的なイオン化に関連する効果の影響を受けて、そのスペクトル的および時間的特性を変換する（transform）。ソリトン状またはソリトン形状の光パルス２は、ＰＣＦ２１を出て第２の窓３２を通って、入力側に類似した形態で出る。光出力は、適用位置または部位に方向付けられ、例えば測定装置（図示せず）に方向付けられる。
【００４６】
パルス光源装置１００では、１５００ｎｍから８１５ｎｍへのソリトン自己周波数アップシフトが観測でき、一方、それと同時に４ｆｓ（約１．５周期に対応）へのパルスの圧縮が生じて、７より大きい圧縮率が達成される。変換効率は３０％である。周波数変換（コンバージョン）およびパルス圧縮は、ＰＣＦ２１中を約２０ｃｍ伝播した後で停止し、その結果得られる出力は変換（transform）が制限されたソリトンである。
【００４７】
図１のパルス光源１００の変形は、図６を参照して説明するように、例えば調整装置および／または制御装置を設けることによって、行える。
【００４８】
断熱ソリトン圧縮
パルス光源装置１００が特定の適用例の要件（要求）に適合化される場合、ポンプ・レーザ源１０の特徴、パルス案内媒質２０の非線形光学特性、および加圧システムの特徴は、利用可能な分析モデルまたは商業的シミュレーション手順および／または利用可能な材料データに基づいて計算することができ、または代替的に、同等な適用例または試験データに由来する参照データを用いることができる。さらに、動作パラメータは、以下のような断熱ソリトン圧縮の検討結果を考慮して選択することができる。
【００４９】
光パルス（光学的パルス）は、周波数に関する或る振幅および位相分布を有する共伝播平面波（co-propagating plane-waves）の集合体とみなすことができる。総和を取ると（即ち、時間領域へのフーリエ変換）、光パルスは、放射光の時間的パルスを構成する。相異なる平面波は、通過する材料の材料分散に起因して、および伝播上の幾何学的制約に起因して、相異なる速度を経るまたは形成する。これによって、構成要素の平面波相互間の位相関係が歪むに従って、パルスは時間的に広がる。また、材料の屈折率の強度依存性に起因する周波数依存の非線形位相シフトによって、パルスが歪んで時間点に分散し得る。
【００５０】
線形分散は、通常、周波数に関する伝播（伝搬）定数の２次微分係数（derivative：導関数）β２で表され、これは、周波数依存の群速度の逆数の１次微分係数（derivative：導関数）である。即ち、
【数１】
2014219677.tif 000003
ここで、ωは角周波数であり、ｖｇは、材料（即ちガス）屈折率および導波路幾何学的形状に依存する群速度である。異常分散に対して、β２は負である。
【００５１】
非線形位相シフトは、パルスのピーク・パワーＰ０、および幾何学的形状（即ち、導波路）の非線形係数γ（次式）から計算できる。
【数２】
2014219677.tif 000004
ここで、ｎ２は、充填材料（即ち、ガス）の非線形屈折率であり、ｃは光速であり、Ａｅｆｆは、導波路構造の有効横断面積である。例えば、カゴメＰＣＦ２１の場合、Ａｅｆｆは約１．５ｒ２であり、ここでｒはコア半径である。
【００５２】
線形分散と非線形位相シフトの間のバランス（平衡状態）は、次のソリトン次数（soliton number）Ｎによって表される。
【数３】
2014219677.tif 000005
ここで、τ０はパルス持続時間である。Ｎ＝１に対して、基本ソリトンが得られる。入力ソリトン次数Ｎ＜１．５の場合、パルスは、基本ソリトンに収束（converge）する。より大きい値のＮの場合、より高次のソリトンが得られる。
【００５３】
断熱圧縮について説明すると、ソリトンのピーク・パワーは、エネルギＥ、およびパルス持続時間τ０に関して、次の関係式で表される。
【数４】
2014219677.tif 000006
【００５４】
この式をＮの式に代入し、基本ソリトンに対するＮ＝１と設定し、再調整すると、分散、非線形性およびパルス・エネルギに関するソリトン持続時間の次の簡単な表現が得られる。
【数５】
2014219677.tif 000007
【００５５】
この式によれば、基本ソリトン持続時間は、分散の度合または大きさ（これは負である）に比例し、非線形性およびパルス・エネルギに反比例する。
【００５６】
そのようなソリトンがパルス案内媒質中を伝播して、これらのパラメータの中の１つ以上のパラメータが変化した場合、パルスは時間的に圧縮される（断熱ソリトン圧縮）。本発明によれば、基本ソリトンは自己周波数ブルーシフトを生じる。例えば、ガス充填のカゴメＰＣＦ２１において、異常分散度合は、より高い周波数に移動すると減少し、非線形性（γ）が増大する。従って、断熱ソリトン圧縮が達成される。
【００５７】
従って、パルス光源装置１００は、次のように、ファイバ、ガスおよびレーザ・パルスの各パラメータを適正に選択することによって、設計される。広帯域伝送が可能なパルス案内媒質２０、例えばファイバが利用可能である場合、次のような設計ガイドラインが同時に満たされる。
【００５８】
・  発射または開始の（launch）ソリトン次数は、後続の基本ソリトン伝播が確実に生じるように選択される。ソリトン次数は、例えば０．５乃至１．５の値であり、特にＮ＝１である。初期のパルス形状に応じて、ソリトン次数は上述の区間から外れることができる。
・  β３（３次分散）は、正でなければならず、即ち、分散の度合は、より短い波長に対して減少して、本発明による断熱ソリトン圧縮の構想が可能になるようにすべきである。
・  基本ソリトンの強度は、ブルーシフトが誘導されるように、有効なイオン化を生じるのに充分な強度でなければならない。生成された自由電子に起因する屈折率シフトは、カー非線形性によって生じる屈折率シフトと同じオーダ（程度）の大きさであるべきである。
【００５９】
分散は、パルス案内媒質の影響を受け、例えば媒質内のファイバおよびガスの影響を受ける。ＰＣＦについて、実際に使用される範囲では、分散は、主としてコア直径の関数である。分散に対するガスの寄与は、選択された種（species）および圧力の関数である（に応じて決まる）。実際に使用される波長波範囲では、分散に対するファイバの寄与はたいてい異常であり（異常分散）、一方、分散に対するガスの寄与は正常であり（正常分散）、これらの寄与によって、分散全体の注意深いまたは微妙なバランスをとることが可能になる。材料非線形性は、ガス種および圧力によって与えられる。
【００６０】
さらに、パルス特性は、分散の、非線形の、およびイオン化に関連する相互作用をスケール（scale：増減、縮小拡大）するように調節される。  分散：所与の分散状況（ガスおよびファイバの寄与、上述参照）について、パルスが受ける分散効果は、パルス持続時間に依存し、即ち、パルスが短ければ短いほど、分散効果が強くなる。  非線形性：材料非線形性は、ガス種および圧力によって与えられる。さらに、非線形の相互作用は、ファイバおよびパルスのパラメータに依存する。  例えば、コア・サイズは、光がどのくらい充分に閉じ込められる（封じ込められる）かを規定し、即ち、コアが小さければ小さいほど、強度はより強くなる。レーザ・パルス持続時間およびパルス・エネルギは、相互作用がどのくらい強いかを決定し、即ち、パルスが短ければ短いほど、およびエネルギが高ければ高いほど、非線形の相互作用がより強くなる。全てのレーザ、ファイバ、およびガスのパラメータは、基本ソリトンの上述の条件を満たすように調整される。さらに、充分なイオン化を確保するように、ガスのイオン化エネルギおよびレーザ・パルスの強度が選択される。そのイオン化エネルギは、ガス種のみに応じて決まり、その強度は、レーザ・パルス・エネルギおよび持続時間によって、およびファイバのコア・サイズによって決まる。
【００６１】
実際の例
以下では、パルス光源装置１００を用いた、ソリトン・パルス圧縮と、プラズマ関連の周波数アップコンバージョンとの組合せの実例を、図２〜５を参照して説明する。装置動作に重要なのは、ＰＣＦ２１の非線形の光学的特徴である。中空コア２５およびガラス製の導波路構造体２４を有するＰＣＦ２１の代表的例の断面構造が、図２中に示されている。そのようなＰＣＦ２１は、数周期のパルスを封じ込める（含ませる）のに充分な透過窓幅を有する［６］。さらに、ＰＣＦ２１は、ガラス製の導波路構造体２４との（with）少ない（低い）モードの（modal）オーバラップ（重なり）に起因して、高いパルス・エネルギを扱うことができる［１０］。
【００６２】
最も重要なこととして、真空引きされたＰＣＦ２１が、低いが異常な群速度分散（ＧＶＤ、β２）を広い波長範囲にわたって形成し、従ってソリトン・ダイナミックス（動力学）が容易になる。ガスが充填されたとき、システムのＧＶＤは、ガス圧力およびガス種の適正な選択によって正確に調整できる。文献［１２］に従って、分散に対するファイバの寄与は、毛細管ファイバに関して元々提案された表現で近似できる［１３］。
【００６３】
図２は、５ｂａｒのアルゴンが充填されたコア直径１８μｍを有するカゴメ型ＰＣＦ２１に対する、計算されたＧＶＤおよび非線形曲線を示している。ＧＶＤは、広帯域の異常分散を示している。同時に、非線形性γは、周波数が増大するに従って、増大する。
【００６４】
イオン化領域（レジーム）におけるソリトン動力学を数的に記述するために、次のような確立された一方向性の場伝播式が使用できる［１４〜１６、８］。
【数６】
2014219677.tif 000008
ここで、ｚはＰＣＦ２１における伝播距離であり、ｔは適した参照（基準）速度ｖで移動するフレームにおける時間であり、ωは単位ｒａｄ・ｓ−１での角振動数または角周波数であり、Ｅ（ｚ，ω）はスペクトル領域における場（電界）であり、これは、実部の電場強度のフーリエ変換、即ち、
【数７】
2014219677.tif 000009
を求めることによって与えられる。ＰＣＦ２１のモードの線形分散は、β（ω）によって与えられる。第２項は、３次の非線形性を表し、ここで、χ（３）は、３次の感受率（susceptibility）である。ε０およびμ０は、それぞれ自由空間の誘電率（permittivity）および透過性（permeability：透磁率）である。最後の項は、光イオン化の影響を表し［１７］、即ち、ｎ（ｚ，ｔ）は時間変化する自由電子密度であり、Ｉｐは、第１のイオン化エネルギであり、ｅおよびｍｅは、それぞれ電子の電荷および質量である。根底にあるイオン化レート（rate：速度、率）は、アモソヴ氏（Ammosov）他［１８］によって開発されたモデルを用いて計算され、代替的なユディン（Yudin）−イワノフ（Ivanov）モデル［１９］を用いて検証される。固体コア・ファイバの事例では、ソリトン動力学は、分散とカー・ベースの非線形性の間の相互作用に基づくものである。さらに、パルスは、パルス強度が充分高い場合に、イオン化効果を受ける。自由電子の瞬間的な生成は、屈折率を低下させ、位相変調を生じさせるが［４］、それは、再結合の逆プロセスがパルス持続時間より長い時間尺度（スケール）で生じるので、非対称である。スペクトル領域において、この位相変調は周波数アップシフトを生じさせる［２０］。
【００６５】
パルス光源装置１００は、一例では、１つのレーザ波長（１５００ｎｍ、広く使用される、Ｅｒドープのファイバ・レーザの放出）の光を、別の１つの波長（８００ｎｍ、広く使用される、Ｔｉ：サファイア・レーザの放出）の光に変換する。但し、この技術は、他の各波長に適合化することができる。以下のパラメータは、例えば光学的パラメトリック増幅器またはファイバ・レーザ・システムでの、実験的な実現の影響を完全に受けやすい。発射されたパルスは、次のソリトン次数を有する。
【数８】
2014219677.tif 000010
【００６６】
図３は、３０ｃｍのＰＣＦ２１に沿ったパルスのスペクトル的または時間的な変化を表している。パルス・エネルギの大部分は、波長１５００ｎｍからのコヒーレントなスペクトル・ブルーシフトを受け、最終的に変換効率３０％の中心波長８１５ｎｍに達する。このソリトンの自己周波数シフトは、より広く知られたラマン効果を想起させるが、符号が反対である［５］。残りのエネルギは、元のポンプ（励起）波長付近で線形モードに移行され（transferred）、またはイオン化プロセスにおいて失われる。周波数シフトは、パルスがガスをイオン化するのに充分な強度を獲得した約４ｃｍの距離において、効力を生じる。非整数のソリトン次数のパルスは、線形モードに対して過剰なエネルギを発散し、それと同時に、１つのソリトンに収束するようにそのピーク・パワーおよびパルス持続時間を調節する。Ｎ＞１で開始した結果として、パルスは、最初に、僅かな時間的圧縮を受け、従って、増強されたピーク強度に達する。この時点から、パルスは、時間変化する自由電子密度の存在の影響を受け、これ（自由電子密度）が次の２０ｃｍにわたって連続的なブルーシフトを生じさせる。時間的領域において、これは、パルス持続時間のかなりの短縮を伴う。ブルーシフトと圧縮の双方が停止するのは、イオン化誘導損失によって、ピーク強度がイオン化に不充分なレベルまで低下したときである。
【００６７】
周波数シフトおよびパルス圧縮に対する別の考察が、図４に示されたＸＦＲＯＧトレース（軌跡）のシーケンスにおいて観測できる。ほとんどチャープのない出力パルスは、エネルギ５４２μＪ、約１．５光周期に対応する半値全幅（ＦＷＨＭ）で持続時間４ｆｓを有する。
【００６８】
圧縮の背景にある物理学は、断熱パルス圧縮［７］に密接に関連するが、重要な相違点は、イオン化損失に起因して、パルス・エネルギが保存されないことである。中空コアＰＣＦにおける断熱ソリトン圧縮は、文献［２１］において理論的に調査され、その際、軸方向に変化するファイバ−ガス系が考慮され、これ（系）は、軸方向に減少する分散を形成する負の圧力勾配を用いて達成され得る。しかし、本発明によるシステムにおいて、圧力は、好ましくは、位置に対して不変であり、伝播媒質はファイバ長に沿って同じに維持される。その代わり、ソリトンは、中心周波数の増大に起因した非線形性の増大および分散の減少を感知する。その結果、それ（ソリトン）は、自己周波数ブルーシフトを受ける間に、圧縮される。１５００ｎｍから８１５ｎｍへのシフトに対して、度合β２は、ファクタ（係数）６．５４だけ減少し、非線形係数はファクタ１．８４だけ増大する。これは、無損失の場合、圧縮率（ファクタ）は１２であることを示唆している。伝播距離全体にわたる光イオン化誘導損失は、約７０％のエネルギ損失を生じさせ、この圧縮率を約７．５まで減少させる。
【００６９】
文献［４］で報告された結果との幾つかの相違点を説明することは価値がある。この文献ではプロセスが８００ｎｍで励起（ポンプ）される。その場合、充分な強度に達するためにはソリトン次数５乃至９が要求され、一方、ここでは、基本ソリトンのブルーシフト・ダイナミックス（動力学）が用いられる。図５Ａにおいて、イオン化の影響下でソリトンがＮ＝１付近でどのように発振するかが分かる。双方のシステム（系）におけるイオン化の正確なダイナミックスを比較すると、文献［４］では、周波数シフトが急激なプロセスとして生じる。反対に、本発明では、ブルーシフトはむしろ連続的であり長引く。初期のイオン化の時点で、自由電子密度は低く、それによって伝播の初期段階でのイオン化損失がより小さくなり、その助けによってそのプロセスがより長い距離にわたって持続する（図５Ｂ）。さらに、この場合、励起（ポンプ）波長は、ゼロ分散波長から遠く離れた位置にあり、それによって、ブルーに向かうより大きい周波数シフトが可能になる。
【００７０】
これらの結果は、数μＪのエネルギ範囲のｆｓ（フェムト秒）パルス用の、周波数アップシフト器／パルス圧縮器の組合せに役立つ。２次調波生成（ＳＨＧ）を用いるより一般的な通常の方法とは対照的に、この技術は、高強度の超短パルスに完全に適している。さらに、周波数シフトは、適切なファイバ長を選択することによって調整できる。実験的に実現される場合、提案されたシステムは、高パワーのファイバ・レーザと組合せて、超高速のＴｉ：サファイア・レーザ・システムと潜在的に置換可能であることを提示する。それによって、数ＭＨｚの繰り返しレートの数百ｎＪのエネルギ、最良の発振器で達成可能なパルス持続時間より短いパルス持続時間、および無比のコンパクト性およびロバスト性が提供される。
【００７１】
他の実施形態
図６は、本発明によるパルス光源装置１００の別の実施形態を概略的に示している。パルス光源装置１００は、図１に示されているような、パルス・レーザ１１および集束光学系１２を有するポンプ・レーザ源１０と、ＰＣＦ２１を含むパルス案内媒質２０とを含んでいる。第１の実施形態とは違って、加圧システム３０は、２つのガス・セル３１、３３を含み、各ガス・セルは、ＰＣＦ２１の前端面および後端面２２、２３の一方を収容する。ガス・セル３１、３３によって、ＰＣＦ２１内に圧力勾配が形成できる。加圧システム３０は圧力発生器装置７０に接続される。圧力発生器装置７０は、例えばアルゴン・ガスのような導波路媒質を含む２つの制御可能なガス・タンク７１を含むものである。ガス・タンク７１の各々は、ガス・セル３１、３３の中の１つに圧力導管７２を介して接続される。ガス・セル３１、３３における圧力は、各ガス・タンク７１における例えばバルブ（図示せず）によって制御され、各ナノメータ７３で測定される。実際の例では、ガス・セル３１、３３における圧力は、それぞれ５ｂａｒおよび７ｂａｒである。コンポーネント（構成要素）１０、２０、３０および７０は、文献［２２、２３］に記載されているように、設けることができる。
【００７２】
図６は、調整装置４０を概略的に示している。調整装置４０は、ガス・タンク７１およびパルス・レーザ１１に接続される。調整装置４０は、パルス光源１００の動作パラメータを調整し、特に、ガス・セル３１、３２中のガス圧力、および、ポンプ・パルス１のポンプ・レーザ・パルス・エネルギ、ポンプ・レーザ・パルス中心波長および／またはポンプ・レーザ・パルス持続時間を調整するように、配置される。本発明の適用例に応じて、調整装置４０は、動作パラメータを予め設定することができ、または手動調整用に構成することができ、または、制御ループが検出器装置５０および制御装置６０を用いて実現できる。
【００７３】
検出器装置５０は、パルス案内媒質の光出力を監視するように配置される。検出器装置５０は、例えば、感光性の光強度検出器またはより複雑な装置、例えば光出力のスペクトル的および／または時間的に分解された検出のための装置、を含んでいる。制御装置６０は、検出器５０からの検出器信号と、ガス・タンク７１およびパルス・レーザ１１からの動作信号とを受け取る。検出器信号は、基本ソリトンがＰＣＦ２１内で形成されるかどうかを示す。動作信号は、コンポーネント（構成要素）１０、７０の現在の動作状態（条件）を示す。検出器信号および動作信号に応じて、制御装置６０は制御信号を生成し、その制御信号は、コンポーネント１０、７０の動作パラメータを調整する調整装置４０に供給される。
【００７４】
本発明によるパルス光源装置１００は、例えば図６によれば、さらに、温度設定装置（図示せず）を設けることによって変形され、その温度設定装置は、パルス案内媒質の温度を、例えば一定温度または変化する温度のプロファイルに設定するよう配置される。温度設定装置は、例えばＰＣＦのようなパルス案内媒質に熱的に接触する、例えば抵抗ヒータのような加熱装置、および／または例えばＨｅ冷却器のような冷却装置を含んでいてもよい。例えば、液体アルゴンを、ＰＣＦにおいて、温度設定装置を用いて適切な動作温度で保存することができる。
【００７５】
図７は、他の実施形態の特徴との組合せで実現できる、本発明によるパルス光源装置１００の他の変形形態を示している。図１とは違って、図７の実施形態は、加圧システムを含んでいない。圧力発生器装置７０は、例えばＰＣＦ２１のようなパルス案内媒質２０に直接接続される。圧力導管７２は、例えばその導波路構造における放射状のまたは半径方向の開口で、ＰＣＦ２１に直接結合される。圧力発生器装置７０は、ＰＣＦ２１内に圧力プロファイルを形成するよう配置された複数のガス・タンク７１を含んでいる。圧力プロファイルは、調整装置で、および任意選択的に図６に示されているような制御装置で調節できる。
【００７６】
さらに、図７は、ポンプ・レーザ装置１０が、ポンプ・パルス１を生成するポンプ・レーザ１１とファイバ・レーザ１３の組合せを含んでいることを示している。ファイバ・レーザ１３の出力端部は、集束光学系が省略できるように、ＰＣＦ２１の前端面に直接結合される。
【００７７】
図８は、上述の複数の実施形態で用いられるＰＣＦが、半導体媒質またはバルク・ガス・ベースのパルス案内媒質２０によって置き換えることができることを、概略的に示している。好ましい変形例では、半導体媒質導波路２６は、ＧａＩｎＰ［９］で形成されるように設けることができるか、または、バルク・ガス容器２７は、空気を含むように設けることができる。半導体媒質導波路２６またはバルク・ガス容器２７は、上述の実施形態を参照して説明したように、調節することができる。
【００７８】
以上の説明、図面および特許請求の範囲に開示された発明の各特徴は、個々にもまたはその組合せた形でも、本発明をその種々の実施形態で実現するために、同様に重要であり得る。
【図１】
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【図２】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図３】
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【図４】
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【外国語明細書】
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2014219677000002.pdf
2014219677000003.pdf
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