(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力源からパルス入力ビームを受光し、該入力ビームを出力ビームに変換するように構成されるラマンファイバであって、該出力ビームは、第１周波数ν１と第２周波数ν２とを含む２つ以上の周波数において狭帯域出力を有する、前記ラマンファイバと、
前記ラマンファイバの出力が合焦される非線形物質と、
前記ラマンファイバに光学的に結合され、前記パルス入力ビームを供給するように構成されるパルスレーザ入力源と、
を備え、
前記パルス入力ビームにおけるパルスの立ち上がり時間と立ち下がり時間とパルス幅とは、パルスの性能指数（ＦＯＭ）が６０％よりも大きくなるように構成され、前記ＦＯＭは、前記第２周波数におけるパワーが前記入力ビームの入力パワーの２％である場合に、前記第１周波数に対する前記入力ビームの変換百分率によって与えられる、レーザシステム。
【請求項２】
前記非線形物質は、非線形結晶である、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記非線形結晶は、周期分極反転物質である、請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
前記周期分極反転物質は、周期分極反転ニオブ酸リチウム（ＰＰＬＮ）結晶である、請求項３に記載のシステム。
【請求項５】
前記ＰＰＬＮ結晶は、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）でドープ添加されている、請求項４に記載のシステム。
【請求項６】
前記周期分極反転物質は、並んで配置された２つ以上の分極反転領域を含み、各分極反転領域の非線形周波数変換が異なるように構成されている、請求項３に記載のシステム。
【請求項７】
前記２つ以上の分極反転領域が、第１周波数ν１の周波数倍増のために構成される第１分極反転領域と、第２周波数ν２の周波数倍増のために構成される第２分極反転領域と、第１周波数ν１及び第２周波数ν２の周波数加算のために構成される第３分極反転領域と
、を含む、請求項６に記載のシステム。
【請求項８】
並進ステージをさらに備え、前記周期分極反転物質が前記並進ステージに取り付けられており、同並進ステージは、前記出力ビームに対して周期分極反転物質を並進させて、前記出力ビームを所望の分極反転領域に整合させるように構成される、請求項６に記載のシステム。
【請求項９】
前記ラマンファイバの入力端に近接する第１格子と前記ラマンファイバの出力端に近接する第２格子とをさらに備え、第１格子と第２格子とは、第１周波数出力及び第２周波数出力を反射するとともに、前記入力ビームを透過させるように構成される、請求項１に記載のシステム。
【請求項１０】
第１格子と第２格子との間の距離は、第１格子と第２格子との間の往復時間が前記入力ビームのパルス間の時間の整数倍であるように構成される、請求項９に記載のシステム。
【請求項１１】
第１格子と第２格子とは、第１周波数ν１と第２周波数ν２とにおいて、１ｎｍ以下の帯域幅にわたって光を反射するように構成される、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１２】
第１格子が９５％よりも大きい反射率を有し、第２格子は、１％〜５％の間の反射率を有する、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１３】
第１格子と第２格子とが、前記ラマンファイバにより生成された２本以上のラマン線を反射するように構成される、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１４】
光学的な入力端と出力端とを有する受動光ファイバをさらに備え、前記出力端が前記ラマンファイバの入力に光学的に結合され、前記受動光ファイバが、励起光の少なくとも一部をラマン効果によって変換して、前記入力ビームを生成するように構成される、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１５】
前記パルス入力ビームでは、パルスは前記パルス幅未満の前記立ち上がり時間又は前記立ち下がり時間を有する、請求項１に記載のシステム。
【請求項１６】
パルス入力放射線源であって、パルス入力放射線におけるパルスは同パルスのパルス幅未満の立ち上がり時間又は立ち下がり時間を有する、前記パルス入力放射線源と、
前記パルス入力放射線源に光学的に結合されたラマンファイバであって、
前記ラマンファイバは、前記パルス入力放射線の少なくとも一部を、第１ラマン線及び第２ラマン線を含む出力ビームに変換するように構成され、第１ラマン線及び第２ラマン線は、それぞれ第１周波数ν１及び第２周波数ν２によって特徴付けられ、前記パルスの前記立ち上がり時間と前記立ち下がり時間と前記パルス幅とは、前記パルスの性能指数（ＦＯＭ）が６０％よりも大きくなるように構成され、前記ＦＯＭは、前記第２周波数に対応する第２ラマン波長のパワーが入力ビームの入力パワーの２％である場合に、前記第１周波数に対応する第１ラマン波長への前記入力ビームの変換百分率によって与えられ、
前記ラマンファイバは、同ラマンファイバの入力端に近接する第１格子と、前記ラマンファイバの出力端に近接する第２格子とを含み、第１格子及び第２格子が、第１ラマン線及び第２ラマン線を反射するが、前記入力放射線を透過させるように構成され、
第１格子と第２格子との間の往復時間は、前記入力ビームのパルス間の時間の整数倍であり、
第１格子と第２格子とが、第１周波数ν１及び第２周波数ν２において、１ｎｍ以下の帯域幅にわたって光を反射するように構成され、
第１格子は、第１ラマン線及び第２ラマン線に対して９５％よりも大きい反射率を有し、且つ第２格子は、第１ラマン線及び第２ラマン線に対して１％と５％との間の反射率を有する、前記ラマンファイバと、
前記ラマンファイバの出力に光学的に結合された周期分極反転非線形結晶であって、周期分極反転物質として、並んで配置された２つ以上の分極反転領域が含まれ、各分極反転領域は、第１ラマン線及び第２ラマン線の一方または両方を含む異なる非線形周波数変換のために構成される、前記周期分極反転非線形結晶と、
並進ステージであって、前記周期分極反転物質は、前記並進ステージに取り付けられ、前記並進ステージは、前記出力ビームに対して周期分極反転物質を並進させて、前記出力ビームを所望する分極反転領域に整合するように構成される、前記並進ステージと、
を備える、レーザシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、レーザに関し、特に、多波長ラマンレーザに関する。
【背景技術】
【０００２】
高出力光源には、高輝度光が基板や他の対象物に合焦される多くの用途がある。多くの高パワー光学系は、波長変換を利用して、所望の波長又はある範囲の波長を有する光を生成する。変換のプロセスには、レーザ等の光源からの入力光に対する何らかの非線形光波長変換の実行を伴うことが多い。しかしながら、非線形光波長変換によって生成し得る波長は、利用可能なレーザで生成し得る波長や非線形光波長変換プロセスによって制限される。例えば、波長変換レーザシステムは、１０６４ナノメートルの真空基本波長で光を生成する種レーザに基づくことが多い。１０６４ｎｍの赤外光は、非線形周波数倍増によって５３２ｎｍの可視光に変換し得る。
【０００３】
１０６４ｎｍのレーザ光に対する通常の非線形変換プロセスでは到達できない新しい波長で光を生成し得る光源を有することが望ましい。また、利用可能なレーザ光における幾つかの異なる波長から簡単に選択できることが望ましい。そのような光源の用途の例は、誘導放出抑制（ＳＴＥＤ）顕微鏡法等の高分解顕微鏡法である。ＳＴＥＤ法は、蛍光染料でタグ付けされたサンプルに作用し、抑制（depletion）レーザを用いて、極小領域にお
けるものを除き、染料分子を下方遷移（逆励起）させる。そして、引き続き起こる蛍光の光源は、数十ナノメートル以内まで特定することができる。最高解像度は、抑制レーザが連続駆動ではなくパルス駆動される場合に達成される。本発明の実施形態は、この文脈内にある。
【図面の簡単な説明】
【０００４】
【図１】本発明の一実施形態に基づくラマンレーザシステムを示す概略図。
【図２】受動ファイバにおけるラマンシフト光の生成を示すスペクトル分析器の写真。
【図３】光ファイバにおけるシングルパス・ラマン生成に対する無次元長ξの関数として相対パワーを示すグラフ。
【図４Ａ】本発明の他の選択肢の実施形態による同期励起ラマンレーザを示す概略図。
【図４Ｂ】本発明の他の選択肢の実施形態態によるラマンレーザ用のラマンファイバの可能な構成を示す概略図。
【図５】理想的なトップハットパルスについて、二重波長ラマンレーザのパワー出力に対するそのレーザの無次元の長さのモデルを示すグラフ。
【図６】本発明の一実施形態による光ファイバにおける実験的に求めたシングルパス・ラマン生成を示すグラフ。
【図７】本発明の実施形態に関連した用途に適する入力パルス波形を示すオシロスコープ線図。
【図８】本発明の更に他の選択肢の実施形態による同期励起ラマンレーザを示す概略図。
【図９】本発明の一実施形態に基づく二重波長ラマンレーザのスペクトルを示すスペクトル分析器の写真。
【発明を実施するための形態】
【０００５】
用語解説
本明細書では以下の用語を用いる。
「空胴」又は「光共振器」とは、２つ以上の反射面によって画成された光路であって、それに沿って光が往復運動又は循環し得る光路を意味する。その光路と交差する対象（物）は、共振器内にあると言う。
【０００６】
「チャーピング」とは、光源の射出波長の長期的なドリフトとは対照的な急速な変化を意味する。
「連続波（ＣＷ）レーザ」とは、パルスレーザのように短い連射ではなく連続的に発光するレーザを意味する。
【０００７】
「デューティサイクル（Ｄ）」とは、周期的に発生するパルスのパルス持続時間τとパルス繰り返し周波数（ＰＲＦ）との積を意味する。デューティサイクルは、例えば、０．０１のような比で表わすか、又は、等価的に、例えば、１％のような百分率で表わしてもよい。
【０００８】
「ダイオードレーザ」とは、誘導放出を用いて、コヒーレント光出力を生成するように構成された発光ダイオードを意味する。ダイオードレーザは、レーザダイオード又は半導体レーザとしても知られている。
【０００９】
「ダイオード励起レーザ」とは、ダイオードレーザによって励起される利得媒質を有するレーザを意味する。
「利得」とは、増幅器を通して１つの点から他の点に伝達される信号の強度、パワー、又はパルスエネルギの増加を意味する。用語「不飽和利得」とは、増幅器を通過する小信号の増加であって、増幅器の反転レベルを大幅に変えない増加を意味する。本明細書に用いる利得及び不飽和利得は、相互交換可能に用いる。
【００１０】
「利得媒質」とは、レーザについて後述するように光学利得を生成可能な物質を意味する。
「赤外線」とは、約７００ナノメートル（ｎｍ）と約１００，０００ｎｍとの間の真空波長によって特徴付けられる電磁波を意味する。
【００１１】
「レーザ（Ｌａｓｅｒ）」は、「Ｌｉｇｈｔ＿Ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ＿ｂｙ＿Ｓｔｉｍｕｌａｔｅｄ＿Ｅｍｉｓｓｉｏｎ＿ｏｆ＿Ｒａｄｉａｔｉｏｎ（放射の誘導放出による光増幅）」の頭字語である。レーザは、レーザ発振可能な物質、即ち、利得媒質を含む共振器である。これは、例えば、他の光又は放電によって励起されると、その原子が光を放出可能なあらゆる物質、例えば、結晶、ガラス、液体、半導体、染料又は気体である。光放出は、一時的な光子による存在によって誘導され、これにより、放出された光子は、誘導光子とほぼ同じ位相及び方向を有する。（本明細書において誘導放射と称する）光は、共振器内において発振し、一部が共振器から射出されて出力ビームを形成する。
【００１２】
光：本明細書に用いる用語「光」は、一般的に、赤外線から紫外線に至る周波数範囲の電磁波であって、大よそ約１ナノメートル（１０−９メートル）から約１００ミクロンの真空波長範囲に対応する電磁波を意味する。
【００１３】
「非線形効果」とは、通常、例えば、レーザによって生成されるものなどの、ほぼ単色で指向性のビームだけで見られる種類の光学現象を意味する。非線形効果の例は、高次の高調波生成（例えば、第２高調波生成、第３高調波生成、及び第４高調波生成）、光パラメトリック発振、和周波発生、差周波発生、光パラメトリック増幅、及び誘導ラマン効果である。
【００１４】
非線形光波長変換プロセスは、非線形光学プロセスであり、これによって、非線形媒質
を通過する与えられた真空波長λ０の入力光は、入力光とは異なる真空波長を有する出力光を生成するように、その媒質及び／又はその媒質を通過する他の光と相互作用を行う。非線形波長変換は、波長と周波数が光の真空中での速さによって関係付けられることから、非線形周波数変換と等価である。両方の用語は、相互交換可能に用い得る。非線形光波長変換には、以下のものが含まれる。
【００１５】
高次の高調波生成（ＨＨＧ）、例えば、第２高調波生成（ＳＨＧ）、第３高調波生成（ＴＨＧ）、第４高調波生成（ＦＨＧ）等：この場合、周波数ｆ０の入力光の２つ以上の光子が、周波数Ｎｆ０を有する出力光の光子を生成するように、相互作用を行う。ここで、Ｎは、相互作用する光子の数であり、例えば、ＳＨＧでは、Ｎ＝２である。
【００１６】
和周波発生（ＳＦＧ）：周波数ｆ１の入力光の光子が、周波数ｆ１＋ｆ２を有する出力光の光子を生成するように、周波数ｆ２の他の入力光の光子と相互作用する。
差周波発生（ＤＦＧ）：周波数ｆ１の入力光の光子が、周波数ｆ１−ｆ２を有する出力光の光子を生成するように、周波数ｆ２の他の入力光の光子と相互作用する。
【００１７】
「非線形物質」とは、非線形効果を誘発し得る光放射に対してゼロ以外の非線形誘電性応答を有する物質を意味する。非線形物質の例としては、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、三ホウ酸リチウム（ＬＢＯ）、ホウ酸ベータバリウム（ＢＢＯ）、ホウ酸セシウムリチウム（ＣＬＢＯ）、ＫＤＰ及びその同形体、ＬｉＩＯ３の結晶、並びに疑似位相整合物質、例えば、ＰＰＬＮ、ＰＰＳＬＴ、ＰＰＫＴＰ等が挙げられる。
【００１８】
「光増幅器」とは、入力光信号のパワーを増幅する装置を意味する。光増幅器は、励起光によって駆動される利得媒質を用いるという点において、レーザと同様である。増幅器は、一般的に、フィードバック（即ち、共振器）が無く、このため、利得は有するが、発振はしない。本明細書に用いる光パワー増幅器は、一般的に、増幅された光ビームを対象物に出力する直前の光増幅器、即ち、波長変換器を意味する。放射線源とパワー増幅器との間の増幅器段は、一般的に、本明細書では、前置増幅器と称する。
【００１９】
「位相整合」とは、波と波との間におけるエネルギのコヒーレントな伝達が可能な距離を増大する多波非線形光学プロセスに用いられる技法を意味する。例えば、三波プロセスは、ｋ１＋ｋ２＝ｋ３の場合、位相整合がとれていると言われるが、式中、ｋｉは、このプロセスに関係するｉ番目の波の波数ベクトルである。周波数倍増では、例えば、このプロセスは、基本波及び第２高調波の位相速度が整合している場合、最も効率的である。通常、位相整合条件は、非線形物質における光波長、偏光状態、及び伝搬方向の慎重な選択によって達成される。
【００２０】
「パルス持続時間（τ）」とは、反復信号の持続時間又は寿命、例えば、パルスの立ち上がり及び立ち下がりエッジにおける半値点間の時間間隔を意味する。パルス持続時間は、「パルス幅」と称することもある。
【００２１】
「パルスエネルギ」とは、パルスのエネルギ量を意味する。パルスエネルギは、パルス持続時間に渡って、瞬時パルスパワーを積分することによって算出し得る。
「パルス周期（Ｔ）」とは、２つ以上のパルスの列における連続パルスの等価な点の間の時間を意味する。
【００２２】
「パルス繰り返し周波数（ＰＲＦ）」とは、単位時間当りのパルスの繰り返しの割合を意味する。ＰＲＦは、周期Ｔと反比例の関係にあり、例えば、ＰＲＦ＝１／Ｔである。
「Ｑ」は、（２π）ｘ（共振器に蓄積された平均エネルギ）／（サイクル当りの消費エネルギ）と定義された共振器（空胴）の性能指数を意味する。光共振器の表面の反射率が
高い程、吸収損失は小さくなり、Ｑが大きい程、所望のモードからのエネルギ損失は小さくなる。
【００２３】
「擬似ＣＷ」とは、連続的と思える程十分に高い繰り返しレートでひと続きのパルスを生成することを意味する。
擬似位相整合（ＱＰＭ）物質：疑似位相整合物質では、基本波及び高次の高調波放射線が、物質の非線形係数の符号を周期的に変えることによって、ほぼ位相整合される。符号変化の期間（ｋＱＰＭ）は、位相整合式に新たな条件を追加し、ｋＱＰＭ＋ｋ１＋ｋ２＝ｋ３となる。ＱＰＭ物質では、基本波及び高次の高調波は、同じ偏光を有することができ、効率が改善されることが多い。疑似位相整合物質の例としては、周期分極反転リチウムタンタレート（ＰＰＬＴ）、周期分極反転ニオブ酸リチウム（ＰＰＬＮ）、周期分極反転化学量論リチウムタンタレート（ＰＰＳＬＴ）、周期分極反転砒素酸チタニルカリウム（ＰＰＫＴＰ）、又は周期分極反転微細構造ガラスファイバが挙げられる。
【００２４】
「ラマン散乱」とは、物質によって入射光を散乱させることを意味するが、この物質内では、散乱光は、入射光より低い周波数となる。入射光及び散乱光の周波数間の差異（ラマンシフトと称する）は、散乱物質の固有振動周波数に対応する。
【００２５】
「光増幅器の飽和」とは、或る遷移周波数付近の入射光のパワーが或る値を超過した時に、その周波数付近の媒質の利得係数の減少を意味する。利得係数が一定である場合には、媒質が放出するパワーは、入射パワーに比例する。しかしながら、通常、利得媒質がパワーを放出し得る割合には限界がある。この限界は、関係するエネルギレベルの寿命に依存する。この限界に達すると、誘導遷移は、上位準位エネルギレベルにある総数を大幅に低下させるのに充分な程急速になり、これによって利得係数が減少する。この結果、増幅パワーが入力パワーの関数として「平坦化」される。
【００２６】
「誘導ラマン散乱（ＳＲＳ）」は、高輝度の光ビームで起こり得るラマン散乱の一種である。ラマン散乱光は、利得を与えられ、そのパワーは、指数関数的に増大する。入射光のパワーがしきい値を超えると、入射光の大部分は、入射光より周波数が低いラマン散乱光に変換される。ＳＲＳは、誘導ラマン効果又はコヒーレントラマン効果としても知られている。
【００２７】
「紫外線（ＵＶ）」とは、可視領域より短いが軟Ｘ線より長い真空波長によって特徴付けられる電磁波を意味する。紫外線は、以下の波長範囲に細分化し得る。即ち、約３８０ｎｍから約２００ｎｍの近ＵＶ、約２００ｎｍから約１０ｎｍの遠ＵＶ又は真空ＵＶ（ＦＵＶ又はＶＵＶ）、及び約１ｎｍから約３１ｎｍの極ＵＶ（ＥＵＶ又はＸＵＶ）に細分化し得る。
【００２８】
真空波長：電磁波の波長は、一般的に、波が進行する媒質の関数である。真空波長は、放射線が真空を伝搬していれば、あらゆる周波数の電磁波が有する波長であり、光の真空中での速さをその周波数で除算することによって与えられる。
【００２９】
序論
本発明の実施形態の基本的な目標は、パルス赤外励起光からスタートして、様々な可視色のレーザビームを生成することである。一例として、励起光は、約１０６０ｎｍの波長を有し得る。本発明の実施形態は、２つの波長で同時に共振する同期励起式ラマンレーザを利用する。ラマンレーザは、励起光を主として２つの他の周波数ν１及びν２に変換する。これらの２つの周波数で、システムは、非線形物質を用いて、３つの異なる周波数２ν１、２ν２、及びν１＋ν２の出力光を生成できる。周波数ν１及びν２は、ファイバにおけるシングルパス・ラマン生成によってよりもラマンレーザにおいて生成され、それ
らの帯域幅が、非線形物質によって効率的に変換できる程充分に狭いことが保証される。
【００３０】
本発明の一実施形態に基づくシステムの基本波的なレイアウトを図１に示す。励起源からの励起光が、多波長ラマンレーザとして機能するように構成されているラマンファイバに結合される。ラマンファイバには、更に、後述するように、オプションのシングルパス・ラマン生成部を含み得る。そして、ラマンファイバの出力は、非線形結晶に合焦される。用い得る１つの可能な非線形結晶は、周期分極反転ニオブ酸リチウム（ＰＰＬＮ）結晶であり、これには、耐用寿命を延ばすために、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）をドープし得る。
【００３１】
原理的には、ＬＢＯ等の多くの他の非線形物質を非線形結晶に用い得る。しかしながら、ＰＰＬＮの利点は、その非線形性が極めて高く、従って、低パワー光でさえも効率的に変換することである。このことは、ラマンレーザから出て来るパルスのピークパワーが相対的に低く、例えば、１００Ｗのオーダーである場合、重要であり得る。このパワー範囲では、ＬＢＯの変換効率は、極めて低く、例えば、１％程度であると思われるが、これに対して、ＰＰＬＮは、５０％以上の変換効率を与えると予想される。
【００３２】
制限としてではなく一例として、ＰＰＬＮは、３つの分極反転領域を有し得る。即ち、１つは、第１周波数ν１の周波数倍増ための領域、１つは、第２周波数ν２の周波数倍増ための領域、１つは、２つの周波数ν１及びν２の周波数加算ための領域である。そのようなシステムは、非線形結晶を横方向に動かして、所望の周波数の光を生成する分極反転領域を選択することによって、３つの出力周波数の内のいずれか１つを生成するように構成し得る。
【００３３】
非線形結晶物質の周期的分極反転は、非線形相互作用の擬似位相整合を得るための技法である。それは、非線形結晶におけるドメイン方位の周期的反転を生成するプロセスを伴い、このため、非線形係数の符号も固有の周期で規則的に変化する。周期的分極反転ための一般的な技法は、強誘電体ドメイン・エンジニアリングであり、これには、結晶表面の電極パターンを介した強誘電性結晶への強電界の印加を伴う。電極パターンは、フォトリソグラフィプロセスで生成し得るが、通常、数ミクロンと数十ミクロンとの間の周期を有する。分極反転周期（即ち、電極パターンの周期）は、何らかの非線形プロセスが疑似位相整合され得る波長を決定する。ドメイン反転は、電界強度が非線形結晶固有の所謂保磁力より大きい場合、発生する。一例として、調和ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）の保磁力は、約２１キロボルト／ミリメートルである。
【００３４】
２つ以上の異なる分極反転領域を備えた非線形結晶は、並列構成で異なる固有周期の２つ以上の分極反転領域を備えた結晶上に、適切なパターンの分極反転電極を形成することによって生成し得る。そして、充分な電圧を電極に印加し得る。
【００３５】
ラマン効果
高輝度レーザ光は、光ファイバに結合されると、誘導ラマン散乱により、第２の長い波長を生成する。このラマン散乱光は、それ自体ラマン散乱を受け得る。ファイバが充分長い場合、そのプロセスは、連鎖的に発生し、幾つかの波長、即ち、図２に示すように、ストークス線を生成する。
【００３６】
上記図２のデータは、ニュージャージ州ニュートン（Ｎｅｗｔｏｎ）のソーラボ（ＴｈｏｒＬａｂｓ）から市販されている標準の偏波保持シングルモードファイバで取得した。ファイバに結合された１０６０ｎｍの励起光によって生成された波長は、約
１．１１１４ｎｍ
２．１１７０ｎｍ
３．１２３２ｎｍ
４．１３０１ｎｍ
である。便宜上、ラマンファイバ中でのラマンシフトによって生成された異なる帯域の放射線は、「ラマン線」と称する。図２に示すスペクトルの問題は、ラマン線の幅が大き過ぎることである。ＰＰＬＮ等の非線形結晶を用いて、ラマン線を可視波長に効率的に変換するためには、ラマン線の幅が、約１ｎｍより小さいことが望ましい。しかしながら、図２のピークの幅は、約１０ｎｍ以上である。
【００３７】
ラマンスペクトル幅の縮小
幅広のラマン線の問題に対する解決策は、同期励起ラマンレーザを生成することである。これがどのように奏功するかを理解するために、図４Ａに示すレーザ４００のような、第１ラマン波長、例えば、約１１１４ｎｍで共振するレーザについて考察する。格子４０４、４０６をファイバ４０２に挿入する。ファイバ４０２は、第１ラマン波長の光を反射するが、例えば、波長１０６０ｎｍの励起光を透過する。格子間の往復時間は、励起光のパルス間の時間の整数倍であり、このため、１つのパルスから生成されたラマン光の一部は、後続のパルスの種として用いられる。格子は、例えば、約１ｎｍ以下の狭帯域幅だけを反射し、このため、後続のラマンパルスは、狭いパルスが種となるため、狭いパルスとなる。
【００３８】
格子間の往復時間は、励起パルスが、好適には、パルス幅の１０％以内でラマンレーザ内を循環するパルスと重なり合うならば、充分な精度で励起パルス間の時間の整数倍にすることができる。一例として、１ｎｓｅｃのパルス幅の場合、パルス間のタイミングの不整合は、好適には、１００ｐｓｅｃ以下である。本例では、励起源の繰り返しレートが固定されている場合に、格子間の距離は、１ｃｍ以内に制御しなければならない。
【００３９】
好適には、ファイバの出口端側の格子４０４は、例えば、約１％と約５％との間の比較的低い反射率を有する。ファイバの入力端の格子４０６は、好適には、反射率が比較的高く、例えば、約９５％を超える。低反射率格子は、好適には、帯域幅が狭く、例えば、約０．２ｎｍである。高反射率格子の帯域幅は、あまり重要ではない。その帯域幅は、単に、励起光を透過させ、そして、それが低反射率格子から受ける全ての光を反射するのに充分なほど広ければよい。
【００４０】
レーザパワー及びパルス波形の考察
入力レーザ、即ち、励起光は、ファイバに沿う距離ｚにおける波長λ０及びパワーＰ０（ｚ）によって特徴付けることができる。励起光は、波長λ１及びパワーＰ１（ｚ）を有するラマン散乱光を生成する。そして、この光は、ラマン散乱し、波長λ２及びパワーＰ２の光を生成し、以下同様である。シリカファイバの場合、波長λｉは、シリカ中のストークスシフトによって求められ、
【００４１】
【数１】
0005878165.tif 000002
である。
ラマン散乱強度は、ラマン利得ｇＲ
【００４２】
【数２】
0005878165.tif 000003
ファイバのモード面積Ａ、及び自然放出パワーｆに依存する。
【００４３】
ある長さのファイバ中の１つのパスでのラマン連鎖の展開は、数学的に次のように記述される。
【００４４】
【数３】
0005878165.tif 000004
等。
【００４５】
自然放出パワーｆは、ラマン遷移の有効帯域幅を乗算した１つの光子のエネルギに等しい。典型的な一実施形態において、入力パワーＰ０（０）に対する自然放出パワーｆの比は、約ｅ−２１である。
【００４６】
式（１）を数値積分して、ファイバに沿う各点におけるパワーＰｉを得ることができ、その結果を図３に示す。パワーは、無次元長ξの関数としてグラフ化されており、下式
【００４７】
【数４】
0005878165.tif 000005
によって、ファイバに沿う距離ｚと入力励起パワーＰ０（０）とに関連付けられる。パラメータξは、レーザによって生成されるラマン放射線の量を特徴付ける。図３において、励起波長のパワー（実線）、第１ラマン波長（破線）、及び第２ラマン波長（点線）を示す。全てのパワーは、入力端における励起パワーＰ０（０）に対する相対値である。図３が依拠するモデルは、パルスが、時間及び空間の双方において、完全な「トップハット・プロファイル」を有すると仮定している。
【００４８】
多波長ラマンレーザ
しかしながら、ファイバにおいて単一パスで生成されたラマン光は、ラマンピークのスペクトル幅が大きいために、周波数変換には適さない。スペクトルを狭くするために、また、複数の波長を周波数変換に供するために、図４Ｂに示す、二重波長同期励起ラマンレーザ４００’を開発した。ラマンレーザ４００’には、その出力端に低反射率格子４０４１、４０４２を備え、その入力端に高反射率格子４０６１、４０６２を備えた光ファイバ４０２が含まれている。制限としてではなく一例として、低反射率格子４０４１、４０４２は、２つのストークス波長λ１、λ２の各々において、約１％から約５％の反射率（例えば、約５％反射率）と、狭帯域幅（例えば、約０．２ｎｍ）と、を有し、ファイバ４０２に入力される励起光から生成されたラマン光の一部を反射して戻し得る。２つのストークス波長λ１、λ２は、周波数ν１、ν２におけるラマン線に対応する。高反射率格子４
０６１、４０６２は、対応するストークス波長λ１、λ２において、約９５％以上の反射率を有し得る。入力端格子４０４１、４０４２と出力端格子４０６１、４０６２との間の距離は、レーザの往復時間がパルス間の時間の倍数になるように選択され、これにより、狭帯域の反射光は、後続の励起パルスの種になる。格子４０４１、４０４２、４０６１、４０６２は、縞模様の紫外光にファイバ４０２を曝すことによって作製し得る。ファイバがＵＶ光に曝されると、ファイバの屈折率が変わる。従って、縞模様のＵＶ光は、ファイバにおいて高屈折率と低屈折率が交互に繰り返す領域を生成する。この屈折率変調パターンが格子であり、格子の周期（縞模様間の距離）が、反射波長を決定する。そのような格子は、ブラッグ格子又はファイバブラッグ格子とも呼ばれる。原理的には、そのような２つの格子は、ファイバの同じ領域に、各所望の波長に対して１つの格子を刻み得る。もっと実用的な他の選択肢は、ファイバに２つの単一波長格子を次々に生成することである。この場合、入出力端において、格子の相対的な順番について慎重でなければならない。
【００４９】
両ストークス波長λ１、λ２の光は、ファイバの入力端で反射され戻される場合に、互いに、また、次の励起パルスと重なり合うことが望ましい。このことは、入力端格子４０６１、４０６２が出力端格子４０４１、４０４２でのように同じ間隔を有するようにすることによって、また、更に、遅れていた周波数ν２の光が最初に反射されるように格子を構成することによって、達成し得る。このやり方では、２つのパルスは、ファイバの出力端に戻る際に、重なり合う。
【００５０】
二重波長ラマンレーザの出力パワーは、式（１）を用いて、上述した境界条件を追加して、モデル化し得る。その結果を図５のグラフに示す。
図５のグラフは、理想的なトップハットパルスについて、第１ラマン波長（実線）及び第２ラマン波長（破線）の入力励起パワーに対する相対的なパワーを示す。
【００５１】
図５に示すように、二重波長レーザは、第１ラマン波長のしきい値に達する最小ξ値を有さなければならない。第２ラマン波長のしきい値に達するまで、ξが増加するにつれて、第１ラマン波長のパワーも増大する。２つのラマン波長は、ξ＝７．５付近において、パワーが等しい。そのようなレーザを構築するには、まず、近似的な入力ピークパワーＰ０（０）及びパルス繰り返しレートを選択し得る。そして、レーザの往復時間がパルス間の時間の整数倍であるように、また、同時に、レーザの長さｚが、所望のラマン変換を与えるξの値に対して、式（２）をほぼ満足するように、長さｚ（即ち、入力端格子４０４１、４０４２と出力端格子４０６１、４０６２との間の距離）を選択し得る。そして、ξの値は、入力励起パワーを変更することによって微調整し、これによって、２つの出力波長間のバランスを調整し得る。図３及び５を生成するために用いるモデルは、式（１）に基づいており、式（１）は、各波長におけるパワーに対して１つの値だけを用いる。これらのモデルは、パルスの立ち上がり時間及び立ち下がり時間並びにファイバモードの概略ガウス空間のプロファイルを無視している。従って、図３及び５は、時間及び空間双方においてトップハット・プロファイルを有する理想的なパルスのみに適用される。しかしながら、実際には、パルス波形は、パルスのピークが両翼より速くラマン変換されることから、重要である。従って、何らかの特定の動作理論に拘束されること無く、一般的に、ラマン変換プロセスの効率は、図３及び図５に示すものより（これらの図は良好な定性的イメージを与えるが）小さいことが予想される。
【００５２】
図６は、本発明の一実施形態において用いられるパルスについて、実験的に求めた光ファイバにおけるシングルパス・ラマン生成の例を示す。図６には、励起光（三角形）、第１ラマン波長（円）、及び第２ラマン波長（正方形）のパワーを示す。図６は、システムに用いられる実際のパルスのラマン変換用のデータを示す。ξの値は、パルスのピークパワーから算出したが、この場合、ピークパワーは、パルス持続時間で除算したパルスエネルギ（半値全幅）として定義した。尚、はっきり認められるほどの第１ラマン波長への変
換が起こるξの値は、約４０であり、図３に示す値の約２倍である。従って、当然、図５のξの値も現実世界のシステムの場合、概算として、係数２が乗算されると予想し得る
入力パルス波形性能指数
上述したように、入力パルス波形は、重要な問題点である。実験結果に基づき、入力パルスの性能指数（ＦＯＭ）を求めるための手順を、本発明の実施形態に関して用いるように確立した。本明細書に用いるパルスＦＯＭは、一般的に、第２ラマン波長が出現し始めた時に、第１ラマン波長に変換される入力光の割合を意味する。一例として、第２ラマン波長は、第２ラマン波長のパワーが第１ラマン波長、第２ラマン波長、及び入力光の合計パワーの約２％である時に、「出現し始める」と言うことができる。そして、ＦＯＭは、第２ラマン波長のパワーが入力パワーの約２％である時の第１ラマン波長への変換率であると定義し得る。
【００５３】
ＦＯＭは、以下のように、実験的に求めることができる。測定は、レーザではなくファイバにおける単一パスにおいて行う。入力パルスのデューティサイクルは、パルス繰り返しレートを変更することによって変化するが、パルス持続時間を固定値に維持すると、平均パワーは、固定されたままである。パルス持続時間が固定されたままであると、パルス繰り返しレートを小さくして、ピークパワーを増大できる。ラマン線が出現しないパルス繰り返しレートでスタートすると、パルス繰り返しレートは、第１ラマン線（Ｒ１）が出現するまで小さくできる。繰り返しレートは、第２ラマン線（Ｒ２）が出現するまで、更に小さくできる。この時点で、Ｒ２のパワーが、Ｒ１＋Ｒ２＋入力信号パワーの合計の２％である時に、Ｒ１のパワーを測定できる。
【００５４】
図６から分かるように、第２ラマン波長がξ＝６２付近で出現し始めると、この光の約７８％が、第１ラマン波長に変換される。厳密な変換量は、パルス波形に依存する。理想的なトップハット型パルスは、１００％の変換を与えると予想される。
【００５５】
性能指数、パルスのプロファイル（即ち、パワーに対する時間曲線）を改善するためには、例えば、パルス幅と比較して、パルスの立ち上がり時間及び／又は立下がり時間を小さくすることによって、パルスを更に正方形にすることが望ましい。４０％のＦＯＭは、恐らく、本発明が効率的に作用するには小さ過ぎる。７８％のＦＯＭは、良好に機能することが観察されている。従って、約６０％より大きいＦＯＭを有することは、好適であり、更に好適には、約７０％より大きくすることである。制限としてではなく一例として、図７は、７８％のＦＯＭになったパルスのオシロスコープ線図を示す。図７のパルスは、立ち上がり時間が５４７．８ピコ秒、パルス幅が１．２８４ナノ秒、立下がり時間が９００．６ピコ秒であった。
【００５６】
多波長レーザ源の例
上述した多波長ラマンレーザは、元の励起レーザによって１０６０ｎｍで励起される必要がない。図８は、本発明の他の選択肢の実施形態態による多波長レーザ光源８００を示す。この場合、励起レーザ光源８０２からの励起光８０１は、ラマンシフトでき、例えば、励起光８０１を上記列挙したラマン線の内の１つに変換し、そして、その結果生じるラマンシフト光を用いて、多波長同期励起ラマンレーザ８１４を励起し得る。励起レーザ光源８０２には、１つ又は複数の光増幅器８０６に光学的に結合されたダイオードレーザ種源８０４を含み得る。一例として、励起レーザ光源は、カリフォルニア州、マウンテンビューのモビウスフォトニクス社（Ｍｏｂｉｕｓ＿Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ）製のモデルＧ１＋レーザシステムであってよい。
【００５７】
ダイオードレーザ８０４は、パルス駆動して、約１．２ｎｓｅｃ長の種パルス８０５を波長１０６０ｎｍ及び繰り返しレート約２０ＭＨｚで生成し得る。ダイオードレーザの平均出力パワーは、約１ｍＷであり得る。種パルス８０５は、一連のファイバ増幅器８０６
によって増幅されて、励起光８０１を供する増幅出力を生成し得る。制限としてではなく一例として、増幅器８０６は、１ｍＷで１０６０ｎｍの種パルス８０５を約１０ワットのパワーに増幅して、１０６０ｎｍの増幅励起光８０１を生成し得るが、これは、例えば、レンズ８０８によってラマンファイバ系８１０に光学的に結合し得る。
【００５８】
ラマンファイバ系８１０には、オプションの単一パスファイバ８１２及びラマンレーザ８１４が含まれる。波長６００ｎｍ付近の光源を生成するために、ラマンレーザ８１４は、基本波長（即ち、種パルス８０５の波長）からの第１ラマンシフト及び第２ラマンシフトに基づくのではなく、第２ラマンシフト及び第３ラマンシフトに基づく。このことを達成するために、励起光８０１は、例えば、レンズ８０８によって単一パスファイバ８１２に、例えば、５０ｍ長のシングルモード偏光保持受動ファイバに結合し得る。単一パスファイバ８１２では、誘導ラマン散乱は、図６に示すように、１０６０ｎｍの励起光の大部分を１１１４ｎｍの第１ラマン波長に変換し得る。そして、その結果生じるラマンシフト光８１３は、ラマンレーザファイバ８１４を励起し得る。
【００５９】
ファイバ増幅器連鎖からの光の約６０％が、即ち、通常の条件下で、約６ワットの平均パワーが、受動ファイバに結合される。これは、受動ファイバ８１２の場合、約２５０ワットのピークパワーと、約３７のξ値と、に対応する。受動ファイバ８１３の出力８１３は、図４Ｂに示すように、シングルモードの偏光保持ファイバから作製した３０ｍ長の二重波長ラマンレーザに接合される。ラマンレーザ８１４の入力端では、２つの高反射率ブラッグ格子８１６１、８１６２が近接して刻まれる。２つの同様に構成された低反射率ブラッグ格子８１８１、８１８２は、ラマンレーザ８１４の出力端に刻まれ得る。入力端格子８１６１、８１６２は、励起光８０１を透過させるが、種パルス８０５の波長からの第２ストークスシフト及び第３ストークスシフトを中心とする狭波長帯域を反射して、多波長出力８１９を生成するように構成されている。一例として、１０６０ｎｍの励起光８０１の場合に、格子８１６１、８１８１は、１１７０ｎｍの第２ラマン波長を反射するように構成でき、また、格子８１６２、８１８２は、１２３２ｎｍの第３ラマン波長を反射するように構成し得る。出力端格子８１８１、８１８２は、同様に、励起光８０１を透過するが、第２ストークスシフト及び第３ストークスシフトを中心とする狭波長帯域を反射するように構成し得る。ラマンレーザファイバにおける往復時間は、ラマンレーザファイバ８１４中を循環しているパルスの数を選択するために、パルス間の周期の或る整数倍であるように選択される。例えば、往復時間がパルス間の周期の６倍である場合、ラマンレーザを循環しているパルスは、６つであり、各パルスが、第６番目の後続のパルスの種になる。
【００６０】
上述したように、格子間の往復時間は、励起パルスが、好適には、パルス幅の１０％以内でラマンレーザ内を循環するパルスと重なり合うならば、充分な精度で励起パルス間の時間の整数倍にすることができる。他の選択肢として、励起源の繰り返しレートは、調整して、格子間の距離に整合し得る。このことは、例えば、図８に示す実施形態において、適切な繰り返しレートで種ダイオードレーザ８０４をパルス駆動することによって、簡単に実施できる。パルス駆動電子回路には、外部関数発生器によってトリガをかけることができるが、この繰り返しレートは、正確に制御できる。我々の場合、繰り返しレートは、約２０ＭＨｚであり、必要とされる精度は、＋／−０．００１ＭＨｚである。例えば、必要な繰り返しレートは、２０．４５６ＭＨｚであるかも知れず、この場合、６は有効数字である。繰り返しレートのそのような精度は、例えば、カリフォルニア州、サン・ラファエルのバークリー核工学社（Ｂｅｒｋｅｌｅｙ＿Ｎｕｃｌｅｏｎｉｃｓ＿Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）製の関数発生器を用いて、簡単に達成される。
【００６１】
尚、例示のために、２つの入力端格子８１６１、８１６２及び２つの出力端格子８１８１、８１８２を図８に示すが、そのような構成は、本発明の如何なる実施形態に対しても
必要な制限として解釈すべきでない。例えば、他の選択肢の実施形態では、入力端格子８１６１、８１６２又は２つの出力端格子８１８１、８１８２格子は、同じ格子の２つの部分と見なすことができ、また、２つの波長を反射できる単一の格子を作製する（１つをもう１つに続けて作製する以外の）他の方法が存在し得る。従って、本発明の実施形態は、所望のラマン波長を反射するラマンレーザファイバ８１４の各端における１つ又は複数の格子で実現でき、また、これらの格子は、複合格子であってよい。
【００６２】
多波長出力８１９におけるこれらのラマンシフトした波長は、レンズ８２０によって光周波数変換器８２１に結合し得る。一例として、周波数変換器８２１には、該当する非線形光周波数変換プロセスに対して、例えば、２つ以上の波長の周波数加算又は個々の波長の周波数倍増に対して、位相整合されている（又は擬似位相整合されている）非線形結晶８２２を含み得る。周波数変換器８２１における非線形結晶８２２は、出力８１９の一方もしくは他方の波長の周波数倍増のために、又は２つの波長の周波数加算のために構成されている異なる分極反転領域８２４１、８２４２、８２４３を有し得る。非線形結晶８２２（例えば、周期分極反転ニオブ酸リチウム（ＰＰＬＮ））は、その結晶を動かして異なる領域の内の１つを選択し、所望の出力波長を提供できるように、並進ステージ８２６に取付け得る。単一パスファイバ及び多波長レーザに用いられるファイバは、ＰＰＬＮにおける周波数変換が効率的であるように、偏光保持ファイバであってよい。
【００６３】
図９は、図８に示すタイプの二重波長ファイバラマンレーザの出力の例を示す。この図は、１０６０ｎｍの残留レーザ光並びに受動ファイバにおいて生成された残留ラマン光による１１１４ｎｍの幅広で低いピークを示す。図９は、更に、図１と比較して、第２ラマン線及び第３ラマン線が、所望通り、かなり狭められ、約０．５ｎｍの幅になったことを示す。通常の条件下では、ラマンレーザのξ値は、約１４であり、図５と概略一致し、また、現実的なパルス波形に対する予想された係数２の調整と概略一致する。受動ファイバに射出された６ワットの励起パワーの場合に、ラマンレーザ出力は、２つのレーザ波長の各々において、約２．４ワットである。
【００６４】
本発明の実施形態について、その特定の好適なものを参照して、かなり詳細に述べてきたが、他のものも可能である。従って、添付の請求項の精神及び範囲は、本明細書に含まれる好適な実施形態の説明に限定すべきではない。その代わり、本発明の範囲は、添付の請求項を参照して、それらの等価物の全範囲と共に決定される。
【００６５】
本明細書に開示された全ての特徴（あらゆる添付の請求項、要約、及び図面を含む）は、明示的に別段の定めがある場合を除き、同一の、等価な又は同様な目的を果たす他の選択肢の特徴によって置き換え得る。従って、明示的に別段の定めがある場合を除き、開示された各特徴は、一般的な一連の等価な又は同様な特徴の単に１つの例である。好適かどうかに関わらず、あらゆる特徴は、いずれか他の特徴と、好適かどうかに関わらず組み合わせ得る。後述の請求項では、不定冠詞「Ａ」又は「Ａｎ」は、明示的に別段の定めがある場合を除き、その冠詞に続く１つ又は複数の項目のうちの一数量を意味する。指定された機能を実施する「ための手段」を明示的に表明しない請求項のあらゆる要素は、米国特許法第１１２条第６段落（３５ＵＳＣ§１１２，¶６）に記載されている「手段」又は「ステップ」句と解釈してはならない。特に、本明細書において、請求項における「のステップ」の用途は、米国特許法第１１２条第６段落（３５ＵＳＣ§１１２，¶６）の条項に訴えることを意図したものではない。
【００６６】
読者の注目は、本明細書と同時に提出され本明細書で公の検証に公開された全ての論文及び文書、及び本明細書に引用・参照する全てのそのような論文及び文書の内容に向けられたい。
【図１】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６】
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【図８】
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【図２】
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【図７】
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【図９】
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