(57)【要約】【課題】キャビティ内のパルス伝播を操作し、自己位相変調と分散誘起パルスの広がり／圧縮をバランスさせる、非線形偏光旋回と分散マネージファイバキャビティを提供すること。【解決手段】レーザポンプから光学入力投影を受け取るためのレーザ利得媒体を含むファイバレーザキャビティは、トランスフォームリミテッドパルス形状の出力レーザを生成するために、ファイバレーザキャビティ内において自己位相変調（ＳＰＭ）および分散誘起パルスの広がり−圧縮をバランスさせるため、正味の負の分散を生成するべく正の分散ファイバセグメントおよび負の分散ファイバセグメントを含み、レーザ利得媒体がレーザパルスの増幅と圧縮をさらに行う。利得媒体は、レーザパルスの増幅と圧縮を行うイッテルビウムドープファイバを含む。ファイバレーザキャビティは、出力レーザをさらに整形するために、偏光感受性を有するアイソレータおよび偏光コントローラをさらに含む。【選択図】図１
2006165563.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザポンプから光学入力投影を受けるレーザ利得媒体を備えるファイバレーザキャビティであって、
前記ファイバレーザキャビティ内において自己位相変調（ＳＰＭ）と分散誘起パルス広がり／圧縮とをバランスさせるための正味の負の分散を生成して、トランスフォームリミテッドパルス形状の出力レーザを生成する正の分散ファイバセグメントおよび負の分散ファイバセグメントを更に備え、前記レーザ利得媒体がレーザパルスの増幅と圧縮をさらに行う前記ファイバレーザキャビティ。
【請求項２】
異常分散を伴う光投影の伝達用の格子のペアにレーザパルスの一部を伝達して前記出力レーザをさらに整形する、偏光感受性を有するアイソレータとして機能するビームスプリッタを更に備える請求項１のファイバレーザキャビティ。
【請求項３】
前記格子のペアからのレーザの偏光を逆転するファラデー回転ミラーを更に備える請求項２のファイバレーザキャビティ。
【請求項４】
前記利得媒体はレーザパルスを増幅と圧縮するイッテルビウムドープファイバを備える請求項１のファイバレーザキャビティ。
【請求項５】
前記出力レーザをさらに整形する、偏光感受性を有するアイソレータおよび偏光コントローラを更に備える請求項１のファイバレーザキャビティ。
【請求項６】
前記利得媒体は、正の分散を有するイッテルビウムドープファイバを備える請求項１のファイバレーザキャビティ。
【請求項７】
前記レーザキャビティはリングレーザキャビティである請求項１のファイバレーザキャビティ。
【請求項８】
前記利得媒体は、約−５５ｐｓ／ｎｍ／ｋｍの分散を伴う正の分散ファイバセグメントを構成するイッテルビウムドープファイバを備える請求項１のファイバレーザキャビティ。
【請求項９】
前記ファイバレーザキャビティからの前記出力レーザとしてレーザの一部を伝達する出力カプラを更に備える請求項１のファイバレーザキャビティ。
【請求項１０】
前記利得媒体に接続される負の分散のファイバセグメントを構成するシングルモードファイバを更に備える請求項１のファイバレーザキャビティ。
【請求項１１】
前記出力レーザは、実質的に１フェムト秒以下のパルス幅を有するレーザを備える請求項１のファイバレーザキャビティ。
【請求項１２】
前記出力レーザは、実質的に１フェムト秒以下のパルス幅とガウスパルス形状を有するレーザ備える請求項１のファイバレーザキャビティ。
【請求項１３】
前記出力レーザは、実質的に１フェムト秒以下のパルス幅とソリトンパルス形状を有するレーザを備える請求項１のファイバレーザキャビティ。
【請求項１４】
前記出力レーザは、実質的に１フェムト秒以下のパルス幅と双曲線パルス形状を有するレーザを備える請求項１のファイバレーザキャビティ。
【請求項１５】
前記利得媒体は、イッテルビウムドープ二重クラッドファイバ（ＤＣＹＤＦ）を更に備える請求項１のファイバレーザキャビティ。
【請求項１６】
前記利得媒体はラージモードエリア（ＬＭＡ）を伴うイッテルビウムドープ二重クラッドファイバ（ＤＣＹＤＦ）を含む請求項１のファイバレーザキャビティ。
【請求項１７】
前記利得媒体は二重クラッド−イッテルビウムドープフォトニック結晶ファイバを含む請求項１のファイバレーザキャビティ。
【請求項１８】
ルーフミラーと異常分散を伴う光投影の伝達用の反射格子を有するミラーにレーザパルスの一部を伝達して前記出力レーザをさらに整形する、偏光感受性を有するアイソレータとして機能するビームスプリッタを更に備える請求項１のファイバレーザキャビティ。
【請求項１９】
レーザ利得媒体を備えるレーザキャビティからパルス形のトランスフォームリミテッド出力レーザを生成する方法であって、
正味の負の分散を生成する正の分散ファイバセグメントおよび負の分散ファイバセグメントを採用することによって前記レーザキャビティを形成する工程と、
レーザポンプから前記ファイバレーザキャビティへ入力レーザを投影する工程であって、前記利得媒体内においてレーザパルスの増幅と圧縮を行うために、前記ファイバレーザキャビティ内において分散誘起非線形性と自己位相変調（ＳＰＭ）とをバランスさせて、トランスフォームリミテッドパルス形状の出力レーザを生成する、前記投影する工程とを備える前記方法。
【請求項２０】
前記出力レーザをさらに整形するために、異常分散を伴う光投影の伝達用の格子のペアにレーザパルスの一部を伝達するための、偏光感受性を有するアイソレータとしてビームスプリッタを採用する工程を更に備える請求項１９の方法。
【請求項２１】
前記格子のペアからのレーザの偏光を逆転するファラデー回転ミラーを採用する工程を更に備える請求項２０の方法。
【請求項２２】
レーザパルスの増幅と圧縮を行う前記利得媒体としてイッテルビウムドープファイバを採用する工程を更に備える請求項１９の方法。
【請求項２３】
前記出力レーザをさらに整形するために、偏光感受性を有するアイソレータおよび偏光コントローラを採用する工程を更に備える請求項１９の方法。
【請求項２４】
レーザパルスの増幅と圧縮のための前記利得媒体として正の分散を有するイッテルビウムドープファイバを採用する工程を更に備える請求項１９の方法。
【請求項２５】
レーザパルスの増幅と圧縮のための前記利得媒体として約−５５ｐｓ／ｎｍ／ｋｍの分散を有する正の分散を伴うイッテルビウムドープファイバを採用する工程を更に備える請求項１９の方法。
【請求項２６】
前記ファイバレーザキャビティからの前記出力レーザとしてレーザの一部を伝達するための出力カプラ採用する工程を更に備える請求項１９の方法。
【請求項２７】
負の分散のファイバセグメントを構成するシングルモードファイバを前記利得媒体に接続する工程を更に備える請求項１９の方法。
【請求項２８】
前記出力レーザは、実質的に１フェムト秒以下のパルス幅を有するレーザを備える請求項１９の方法。
【請求項２９】
実質的に１フェムト秒以下のパルス幅とガウスパルス形状を有する前記出力レーザを生成する工程を更に備える請求項１９の方法。
【請求項３０】
実質的に１フェムト秒以下のパルス幅とソリトンパルス形状を有する前記出力レーザを生成する工程を更に備える請求項１９の方法。
【請求項３１】
実質的に１フェムト秒以下のパルス幅と双曲線パルス形状を有する前記出力レーザを生成する工程を更に備える請求項１９の方法。
【請求項３２】
前記利得媒体としてイッテルビウムドープ二重クラッドファイバ（ＤＣＹＤＦ）を採用する工程を更に備える請求項１９の方法。
【請求項３３】
前記利得媒体としてラージモードエリア（ＬＭＡ）を伴うイッテルビウムドープ二重クラッドファイバ（ＤＣＹＤＦ）を採用する工程を更に備える請求項１９の方法。
【請求項３４】
前記利得媒体として二重クラッド−イッテルビウムドープフォトニック結晶ファイバを採用する工程を更に備える請求項１９の方法。
【請求項３５】
前記出力レーザをさらに整形するために、ルーフミラーと異常分散を伴う光投影の伝達用の反射格子を有するミラーにレーザパルスの一部を伝達する、偏光感受性を有するアイソレータとして機能するビームスプリッタを採用する工程を更に備える請求項１９の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して短パルスモード同期ファイバレーザを提供するための装置と方法に関し、より詳細には、非線形偏光パルス整形モード同期ファイバレーザに、改善されたより良好に制御できるパルス形状を提供する新しい構成と方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
短パルスモード同期ファイバレーザを生成する従来技術は、超短パルス高出力レーザの実際的な応用が未だ容易に達成できないという技術的な困難と限界に直面している。特に、超短高出力レーザの実際的な有用性は、しばしばパルス形状のひずみによって妨げられる。さらに、その種のレーザシステムは大型となることも少なくなく、アライメント維持が困難であり、堅牢性にも欠ける。これらの困難は、すべて超短高出力レーザの実際的応用を妨げる。
【０００３】
歴史的に見ても、パルス幅がフェムト秒レベルに至るモード同期レーザの生成は、飽和吸収体のリソースが限られていること、およびファイバの異常分散に起因して難しい技術である。従来より、１．３μｍより短い波長において動作する短パルスモード同期ファイバレーザの有する特定の困難は、この波長レジームにおいて分散補償のための簡単な全ファイバベースの解決策は存在しないというものである。（１．３μｍを超える波長については、正常もしくは異常分散のいずれかを呈するいくつかのタイプのファイバが存在し、異なる長さのファイバをまとめてスプライスすることによって、調整可能な分散を伴うキャビティを得ることができる。）したがって、従来の研究者は、格子ペアおよびプリズムといったバルクデバイスを使用して、キャビティに分散の可調量を提供していた。残念なことに、これらのデバイスはバルクデバイスへのファイバの結合を必要とし、それによりレーザがアライメントにすなわち環境に極めて敏感となるという結果をもたらしている。
【０００４】
いくつかの従来技術は、超短高出力レーザシステムを構成するための種々の半導体飽和吸収体を開示している。しかしながら、その種の構成は、自由空間光学の具体化に起因して、しばしば大型であり堅牢性の低いシステムを開発するに至った。例えば非特許文献１，２参照。
【０００５】
それに続いて、短パルス高出力レーザの生成をさらに改善するストレッチモード同期ファイバレーザが開示されている。しかしながら、ストレッチモード同期ファイバレーザにおいてさえも、１／４波長リターダおよびスプリッタ等のコリメーティングおよび結合のための自由空間光学コンポーネントが具体化される。例えば非特許文献３、４参照。
【０００６】
従来のレーザは例えば非特許文献５，６に開示されている。分散制御の例が例えば非特許文献７に開示されている。
【非特許文献１】Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｂ，７０，３７５−３７８（２０００年）、Ｓ．Ｎ．バガイェフ、Ｓ．Ｖ．チェプロフ、Ｖ．Ｍ．クレメンチェフ、Ｓ．Ａ．クズネツォフ、Ｖ．Ｓ．ピブツォフ、Ｖ．Ｖ．ポカソフ、およびＶ．Ｆ．ザクハリャシュ、「Ａ  ｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄ  ｓｅｌｆ−ｍｏｄｅ−ｌｏｃｋｅｄ  Ｔｉ：ｓａｐｐｈｉｒｅ  ｌａｓｅｒ  ｗｉｔｈ  ｈｉｇｈ  ｓｔａｂｉｌｉｔｙ  ｏｆ  ｐｕｌｓｅｒｅｐｅｔｉｔｉｏｎ  ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  ａｎｄ  ｉｔｓ  ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ」
【非特許文献２】Ｓｃｉｅｎｃｅ  第２８８巻、ｐｐ．６３５−６３９（２０００年）、７０、３７５−３７８（２０００年）、ジョーンズＤ．Ｊ、ディッダムスＳ．Ａ．、ランカＪ．Ｋ．、ステンツＡ．、ウィンドラＲ．Ｓ．、ホールＪ．Ｌ．、およびクンディ（Ｒ）Ｓ．Ｔ．、「Ｃａｒｒｉｅｒｅｎｖｅｌｏｐｅ  ｐｈａｓｅ  ｃｏｎｔｒｏｌ  ｏｆ  ｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄ  ｍｏｄｅ−ｌｏｃｋｅｄ  ｌａｓｅｒ  ａｎｄ  ｄｉｒｅｃｔ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ」
【非特許文献３】ＩＥＥＥ  ＪＯＵＲＮＡＬ  ＯＦ  ＱＵＡＮＴＵＭ  ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ  第３７巻、第１２号、２００１年１２月、ジョンＬ．ホール、ジュン・イェ、スコットＡ．ディッダムス、ロンシェン・マ、スティーブＴ．クンディ（Ｒ）およびデイビッドＪ．ジョーンズ、「Ｕｌｔｒａｓｅｎｓｉｔｉｖｅ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ，  ｔｈｅ  Ｕｌｔｒａｓｔａｂｌｅ  Ｌａｓｅｒｓ，  ｔｈｅ  Ｕｌｔｒａｆａｓｔ  Ｌａｓｅｒｓ，  ａｎｄ  ｔｈｅ  Ｓｅｒｉｏｕｓｌｙ  Ｎｏｎｌｉｎｅａｒ  Ｆｉｂｅｒ：  Ａ  Ｎｅｗ  Ａｌｌｉａｎｃｅ  ｆｏｒ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  ａｎｄ  Ｍｅｔｒｏｌｏｇｙ」
【非特許文献４】ＩＥＥＥ  Ｊ．Ｑｕａｎｔ．Ｅｌｅｃｔｏｎ．第３７巻、１５０２（２００１年）、Ｌ．ホールバーグ、Ｃ．Ｗ．オーツ、Ｅ．Ａ．カーチス、Ｅ．Ｎ．イワノフ、Ｓ．Ａ．ディッダムス、Ｔｈ．ウデム、Ｈ．Ｇ．ロビンソン、Ｊ．Ｃ．バーグクイスト、Ｒ．Ｊ．ラファック、Ｗ．Ｍ．イタノ、Ｒ．Ｅ．ドルリンジャー、およびＤ．Ｊ．ワインランド、「Ｏｐｔｉｃａｌ  ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  ｓｔａｎｄａｒｄｓ  ａｎｄ  ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ」
【非特許文献５】Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．１９７５年、第７巻、ｐ７１、バガイェフＳ．Ｎ．、チェボタイエフＶ．Ｐ．、「Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  Ｓｔａｂｉｌｉｔｙ  ａｎｄ  Ｒｅｐｒｏｄｕｃｉｂｉｌｉｔｙ  ｏｆ  ｔｈｅ  ３．３９１ｍ  Ｈｅ−Ｎｅ  Ｌａｓｅｒ  Ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ  ｏｎ  ｔｈｅ  Ｍｅｔｈａｎｅ  Ｌｉｎｅ」
【非特許文献６】Ｓｐｒｉｎｇｅｒ  Ｓｅｒ．Ｏｐｔ．Ｓｃｉ．、１９７７年、第７巻、ｐ５６、エベンソンＫ．Ｍ．、ジェニングスＤ．Ａ．、ピーターソンＦ．Ｒ．、「Ｌａｓｅｒ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ：  Ａ  Ｒｅｖｉｅｗ，  Ｌｉｍｉｔａｔｉｏｎｓ，  Ｅｘｔｅｎｓｉｏｎ  ｔｏ  １９７  Ｔｈｚ」
【非特許文献７】ＳＰＩＥ  ４９７４，１４８（２００３年）、Ｖ．ライケルら、「Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ  ｏｆ  ｐｕｍｐ  ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｄ  Ｙｂ−ｄｏｐｅｄ  ｆｉｂｅｒ  ｌａｓｅｒｓ」
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
この種のレーザシステムの実際的応用に関する限界は、パルス幅がさらに縮小されるとき、高出力ファイバ増幅の要件を伴って一層悪くなるパルス形状のひずみに起因してより明白になる。パルス幅がフェムト秒レベルまで狭められると、ピーク出力が１０ｋＷを超えるところまで上昇し、自己位相変調（ＳＰＭ）およびＸＰＭ等の強い非線形効果が、より深刻なスペクトル的及び時間的な広がりをもたらすことになる。これらの非線形効果およびスペクトル的及び時間的な広がりは、さらに、より大きな程度のひずみをレーザパルスにもたらす。この技術的困難は、ラージモードエリア（ＬＭＡ）ファイバを使用してＳＢＳとＳＲＳを抑え、飽和出力を増加することができるとしても容易には解決できない。しかしながらラージモードエリアファイバもまた、それが具体化された場合には、ピーク出力の抑圧をもたらし、効率の低下に起因して望ましくない結果を招く。
【０００８】
短パルスモード同期のより広い応用と有用性が、超高速現象の測定、マイクロ機械加工、およびバイオメディカル応用について立証されていることから、これらの技術的困難の解決を求める切迫した要求が存在する。その種の困難の解決を試みる種々の技術が開示されている。この種の技術には、非線形偏光回転（ＮＬＰＲ）あるいは前述したストレッチモード同期ファイバレーザの応用が含まれる。ＮＬＰＲが時間ドメインの強度依存偏光回転を扱うことから、時間ドメインとスペクトルドメインの両方における偏光の旋回に起因して、パルス形状のひずみを防止することはできない。これらの理由から従来技術は、許容可能なパルス形状の高出力レーザパルスを生成するための効果的な超短パルス高出力レーザシステムを提供する効果的なシステム構成と方法を提供しない。
【０００９】
上記の困難に加えて、これらのレーザシステムは、分散制御のためにレーザキャビティ内に格子ペアを必要とする。その種のシステムにおけるアライメントの維持は、時間を要するタスクとなり、したがって自由空間光学素子と格子ペアを用いて具体化されるシステムの実際的応用を妨げる。また格子ペアは、レーザデバイスのサイズと重量をさらに増加し、その種のレーザソースを用いて具体化されるデバイスを小型化する努力も妨げる。
【００１０】
したがって、ファイバレーザ設計と製造の分野においては、前述した困難を解決することができるような、より良好に制御できるパルス形状を伴った超短高出力モード同期ファイバレーザを提供する、新しく、かつ改善された構成と方法の提供への要求が未だに存在している。
【００１１】
したがって本発明は、キャビティ内のパルス伝播を操作し、自己位相変調（ＳＰＭ）と分散誘起パルスの広がり／圧縮をバランスさせる、非線形偏光旋回（ＮＰＥ）と分散マネージファイバキャビティと、それを使用したトランスフォームリミテッド出力レーザを生成する方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
その偏光パルス整形の方法は、ファイバ長、非線形効果、および分散の組み合わせ効果を介してトランスフォームリミテッドパルス形状（transform-limited pulse shape）を生成し、その結果、従来技術が遭遇している困難を解決することができる。
【００１３】
簡単に述べれば、好ましい実施形態において本発明は、ファイバレーザキャビティを開示し、当該ファイバレーザキャビティは、レーザポンプから光学入力投影を受け取るためのレーザ利得媒体を含む。さらにこのファイバレーザキャビティは、トランスフォームリミテッドパルス形状の出力レーザを生成するために、ファイバレーザキャビティ内において自己位相変調（ＳＰＭ）および分散誘起パルスの広がり−圧縮をバランスさせるため、正味の負の分散を生成する正の分散ファイバセグメント（positive dispersion fiber segment）および負の分散ファイバセグメント（negative dispersion fiber segment）を含み、レーザ利得媒体がレーザパルスの増幅と圧縮をさらに行う。好ましい実施形態においては、さらにこのファイバレーザキャビティが、出力レーザをさらに整形するために、異常分散を伴う光投影の伝達用の格子のペアにレーザパルスの一部を伝達するための、偏光感受性を有するアイソレータとして機能するビームスプリッタを含む。別の好ましい実施形態においては、ファイバレーザキャビティが、格子のペアからのレーザの偏光を逆転するためにファラデー回転ミラーを含む。好ましい実施形態においては、さらに利得媒体が、レーザパルスの増幅と圧縮のためにイッテルビウムドープファイバを含む。別の好ましい実施形態においては、さらにこのファイバレーザキャビティが、出力レーザをさらに整形するために、偏光感受性を有するアイソレータおよび偏光コントローラを含む。
【００１４】
好ましい実施形態においては、さらに本発明が、パルス形のトランスフォームリミテッド出力レーザを、レーザ利得媒体を含むレーザキャビティから生成するための方法を開示する。この方法は、正味の負の分散を生成する正の分散ファイバセグメントおよび負の分散ファイバセグメントを採用することによってレーザキャビティを形成する工程を含む。またこの方法は、トランスフォームリミテッドパルス形状の出力レーザを生成するために、ファイバレーザキャビティ内において分散誘起非線形性と自己位相変調（ＳＰＭ）をバランスさせるべく利得媒体内においてレーザパルスの増幅と圧縮を行うため、レーザポンプからファイバレーザキャビティへ入力レーザを投影する工程をさらに含む。好ましい実施形態においては、さらにこの方法が、出力レーザをさらに整形するために、異常分散を伴う光投影の伝達用の格子のペアにレーザパルスの一部を伝達するための、偏光感受性を有するアイソレータとしてビームスプリッタを採用する工程を含む。好ましい実施形態においては、さらにこの方法が、格子のペアからのレーザの偏光を逆転するためにファラデー回転ミラーを採用する工程を含む。好ましい実施形態においては、さらにこの方法が、イッテルビウムドープファイバを、レーザパルスの増幅と圧縮のための利得媒体として採用する工程を含む。
【００１５】
これらのおよびこのほかの本発明の目的と利点は添付した図面に例示されている以下の好ましい実施形態の詳細な説明を読むことで当業者には明白である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
図１を参照すると、本発明の非線形偏光パルス整形モード同期ファイバレーザ１００の概略図が示されている。ファイバレーザはリング構造レーザであり、利得媒体としてのイッテルビウム（Ｙｂ）ドープファイバ（ＹＤＦ）１０５、第１および第２のコリメータ１３５−１、１３５−２、第１および第２の偏光コントローラ１４０−１、１４０−２、９８０／１５５０ＷＤＭカプラ１１０、および出力ビームスプリッタ１３０が含まれる。出力ビームスプリッタ１３０は、ファラデー回転体ミラー１５０に結合された格子１４５−１および１４５−２のペアと結合されている。ＹＤＦ１０５の０．５メートルは、ファイバレーザ内において、利得媒体として使用され、パルス幅の増幅及び圧縮に使用される。このファイバは、たとえば９７６ｎｍにおいて６００ｄＢ／ｍという高いドーピング濃度を有し、−５５ｐｓ／ｎｍ／ｋｍの分散を伴う。波長分割マルチプレクサ１１０を介して結合される９８０ｎｍの高出力ポンプレーザダイオード１０１が、ＹＤＦ１０５のポンピングに使用され、キャビティ内を循環するパルスを増幅する。このキャビティの残りの部分は、シングルモード（ＳＭ）ファイバ、たとえば約３メートルの長さを有する−２０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍのファイバ１１５、および約０．５メートルの長さを有し、１０６０ｎｍにおいて−２０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍの分散を伴う標準ファイバとしてコーニング社から市販されているＨＩ１０６０ファイバ１２０を包含する。偏光スプリッタ１３０は、アイソレータとしての機能を提供し、所定の偏光状態の光の部分をキャビティ外に結合するために使用される。利得媒体ＹＤＦ１０５は、正常分散ファイバ（β”＞０）を有し、このファイバの残りの部分は、負分散ファイバ（β”＜０）であり、キャビティ全体の平均分散は、異常分散（β”＜０）において動作するべく設計されている。本発明は、格子ペアもしくはＰＧＢファイバのいずれかを具体化し、安定したトランスフォームリミテッドパルスのための異常分散を達成する。キャビティ全体の平均分散は、異常分散（β”＜０）において動作するべく設計されている。
【００１７】
本発明のファイバレーザ１００は、１ミクロン領域において短パルスモード同期ファイバレーザを達成しているという点において、非特許文献５，６に開示されているような従来のレーザと異なる。特に、図１は、特殊なシグマ構成のレーザキャビティを開示している。シグマ構成は、キャビティ内におけるパルス伝播をマネージする一方、自己位相変調（ＳＰＭ）と分散をバランスさせて増幅領域における飽和効果を低減するという利点を提供する。それに対してＳＰＭの非線形位相変化によって誘起されるＮＰＥは、シングルパルス内の偏光を強度依存とする。パルスが偏光感受性を有するスプリッタを通るとき、スプリッタと整列する（偏光コントローラを調整することによって）もっとも高い強度が通過し、そのパルスのより低い部分がフィルタリングされて、その結果パルスが整形される。これが飽和吸収体（ＳＡ）として働き、パルス幅を縮小する。１ミクロン領域においては、ファイバが正の分散を伴ってのみ機能するという事実に起因して、格子１４５−１および１４５−２のペアを使用して負の分散を達成しており、その値は、２つの格子の離隔距離を変更することによって調整することができる。ファラデー回転体ミラー１５０を使用して、偏光状態を逆転して直交状態の偏光を伴う反射パルスを作り、その結果それが別の方向へ伝播されることになる。
【００１８】
図１に示されているように構成されるレーザシステムを、格子１４５−１および１４５−２のペアと結合される偏光感受性を有するビームスプリッタ１３０とともに用いれば、偏光の行われた出力レーザビームが生成される。結合比は、モード同期ファイバレーザについて約１０＋／−５％の間において調整可能である。さらに、分散整合および非線形偏光旋回を利用することによって、図示のレーザシステムがセルフ−スタート型となり、それによってオペレーションプロセスが相当に単純化される。
【００１９】
本発明に開示されているとおりの偏光整形モード同期技術は、前述したジョンＬ．ホールら、Ｌ．ホールバーグら、およびＳ．Ａ．ディッダムスらによって開示されたような非線形偏光回転（ＮＬＰＲ）あるいは引き伸ばしモードアプローチ等の従来アプローチと異なる。少なくともそこには、次の３つの主要な相違が存在する。
【００２０】
（１）従来のＮＬＰＲ技術は、時間ドメインの強度依存偏光回転だけを考慮している。本発明は、光学的な伝達の偏光旋回を応用し、時間ドメイン（強度依存）およびスペクトルドメイン（波長依存）の両方における変量を考慮する。これは、偏光子および１／４波長プレートと半波長プレート（ＱＷＲ／ＨＷＲ）を選択することによって達成される。基本的に、リターダの帯域幅は、複屈折材料の指数の差Δｎに比例し、位相＝ＮΔｎ／λとなり、それにおいてλは波長、Ｎはリターダもしくは複屈折材料、たとえばファイバの次数である。この式の微分において、帯域幅Δλが積ＮΔｎに逆比例することがわかる。このことは、本発明のレーザシステムが、低次のリターダ、たとえばＮ＝１、および低い複屈折材料を使用することによってより大きな帯域幅操作を達成できることを示す。したがって、リターダを調整し、より大きな帯域幅が偏光子もしくは偏光感受性を有するアイソレータを通過するようにする。
【００２１】
（２）従来技術は、分散整合のみを考慮するが、本発明のパルス整形機能は、分散整合だけでなく、分散勾配整合も考慮し、分散整合がより大きなスペクトル帯域幅にわたってマネージされることを保証する。これは、異なる分散と勾配を伴う２もしくはそれを超える数のファイバの組み合わせを使用することによって行うことが可能であり、たとえば、ファイバ１が異なる分散および分散勾配を有しており、それらを適正な長さの比において組み合わせることによって、図１Ａに示されるとおり、関心波長領域において大きな範囲にわたり合計の分散をゼロに到達させることが可能になる。したがって本発明は、利得帯域幅を最大限に使用し、かつ相応じて、帯域幅がパルス幅に逆比例することから、パルス幅を最小に押しやることが可能なレーザシステムを提供する。
【００２２】
（３）従来のレーザシステムは、分散補償もしくは偏光制御のいずれかのために、レーザシステム内にバルク自由空間光学系を伴って具体化されていた。図１に示し、さらに詳細を以下に説明するとおり、本発明は、全ファイバベースのコンポーネントを用いて具体化され、あらゆる自由空間コンポーネントを排除する。このように本発明に開示されているとおりのシステムは、ナノ−プロセッシングシステム応用のためのコンパクト化における究極の方法、および超短パルスレーザモジュールを提供する。
【００２３】
図２は、本発明の、超コンパクトかつ低コスト全ファイバベースの高出力フェムト秒ファイバレーザシステムを示した概略図である。このレーザシステムは、全ファイバベースのコンポーネントを用いて構成されている。このファイバレーザは、９８０もしくは１５５０ｎｍ  ＷＤＭ  １１０を介してレーザ入力を受け取るリング構成を有する。全ファイバベースのレーザ１００’は、図１に示されているものに類似の構造であり、Ｙｂドープファイバ１０５をパルス幅の増幅と圧縮を行う利得媒体として伴う。キャビティ内パルスの増幅のために、テレコムグレードの９８０ｎｍポンプレーザが使用されてＹｂイオンのポンピングを行う。ファイバレーザキャビティ内の分散と分散勾配の補償のために、格子ペアもしくはプリズムの使用に代えて、別のフォトニック結晶（ＰＣ）ファイバ１２５が採用されている。ＰＣファイバ１２５が、独特に構成されたプロパティを伴って１０６０ｎｍレンジにおいて正常及び異常分散をともに提供できること、およびそれらの分散勾配を操作できることから、ファイバレーザキャビティを、分散整合及び分散勾配整合の両方を伴って設計することが可能であり、それによりパルスを最大限に狭めることが可能になる。従来技術とは対照的に、図２に示されているシステムは、５０フェムト秒に満たない超短パルスの達成において、時間ドメイン（強度依存）およびスペクトルドメイン（波長依存）の両方における偏光旋回を考慮する。偏光フィルタリングは、分散と分散勾配の両方をマネージすることによって、さらにファイバ−ベースのインライン偏光アイソレータと偏光コントローラを使用することによって達成される。全ファイバベースレーザ１００’は、シングルモード（ＳＭ）ファイバピグテールを用いて具体化されるインラインの偏光感受性を有するアイソレータ１３５’の前後にインライン偏光コントローラ１４０−１’および１４０−２’を採用している。インラインの偏光感受性を有する制御は、ジェネラルフォトニクス社から市販されている製品、たとえばポーラライト（ＰｏｌａＲｉｔｅ）ファミリ製品の１つとすることができる。偏光アイソレータ１３５’は、高い消光比を有し、広いスペクトルにわたって１つの直線偏光の通過だけを可能にする。ＳＰＭの非線形効果に起因して、屈折率が出力強度に依存し、その結果、各個別のパルスにおいて、高い強度ピークが、低い強度のウイングが経験するものと異なる強度誘起複屈折を経験することになる。ピーク偏光と偏光アイソレータを整列させると、パルスのピーク部分だけが伝達可能となり、ウイング部分が遮断される。したがって、偏光整形及び分散マネジメントを組み合わせることによってパルスをフェムト秒レベルまでモード同期することが可能になる。
【００２４】
図１に示されているレーザと同様に、増幅は、図３に示されている、ラージモードエリア（ＬＭＡ）１０５を伴う高濃度Ｙｄドープ二重クラッドファイバ（ＤＣＹＤＦ）の小片を使用することによって達成される。短い長さを伴って組み合わされたＤＣＹＤＦのＬＭＡは、ＳＰＭおよびＸＰＭ等の非線形効果と分散のバランスを補助し、その結果、増幅の後にパルス幅が広がることがなくなる。ＤＣＹＤＦをＰＣファイバとすることも可能であり、同様に分散とＳＰＭのバランスが得られる。図２に示されているレーザシステムは、アライメントおよびメンテナンスから解放されるという利点を有する。従来のモード同期ソリッドステートおよび／またはファイバレーザより、全ファイバベースのファイバレーザと増幅器の取り扱いの方がはるかに容易である。これに関係するアライメントおよび再アライメントの問題はまったくない。ファイバ及びコンポーネントがともにスプライスされパッケージ化された後は、オペレーションおよびメンテナンスのために特別に訓練された技術員が必要なく、現場応用におけるコストとリスクを有意に削減する。またこれは、光学ファイバの柔軟性に起因して余分な光学的アライメント努力を伴うことなく、テレスコープ／焦点システム等の別のモジュールへの組み込みも容易である。さらにこのレーザシステムは、ＹＤＦの利得の完全スペクトルを利用し、ナノ材料の処理に適した高品質レーザを提供する。レーザシステムは、キャビティ内における利得媒体と伝送ファイバの両方のための全フォトニック結晶ファイバを用いて具体化され、分散と分散勾配の両方を補償する。図示のフォトニック結晶（ＰＣ）ファイバは、中空ラティス形状等のその構造の操作、および１３００ｎｍ未満のレンジにおける正常及び異常分散を得るための充填ファクタにおいて新しい特性を呈する。ＰＣファイバは、種々のＰＣファイバを選択することによってキャビティ内の分散と勾配の両方の補償に使用され、短パルスファイバレーザを作る。さらに、通常のシングルモードファイバより小さい有効エリアというその独特の特徴の１つに起因して、より強い非線形効果をファイバ内にもたらすことが可能であり、ＳＰＭに対するその影響を利用して、適切なＰＣファイバの選択によって、より短いキャビティを達成することが可能になる。他方、エアコアＰＣファイバの特徴を使用することによって、より大きなパルスエネルギを抽出することができる。
【００２５】
図３に示されているとおり、高出力増幅器ＹＤＦ１０５は、フェムト秒超短パルス増幅を伴って、ポンプ結合光学系１１０’を介して高出力ポンプ１０１から入力されるシードパルスを１０Ｗの平均出力までブートするために使用される。これはＣＷ（連続波）およびナノ秒（ＮＳ）パルスと異なる。ＳＰＭ、ＸＰＭ、およびＦＷＭの効果には、特別な考慮が必要である。分散が慎重に選択されて、すべての効果を整合させ、かつバランスさせて、非線形短パルスファイバ伝送モードにおけるパルスの広がり、およびひずみを回避しなければならない。
【００２６】
分散制御のパフォーマンスをさらに向上させるために、非特許文献７に開示されているとおり、エアホールの充填ファクタの操作によって特殊なファイバが具体化される。この構造は、シリカ毛管を六辺形の稠密な構造にスタックし、スタックの中心において毛管を中実シリカロッドに置き換え、中実ファイバコアを形成することによって作られた。エアコアは類似の方法で形成され、このようにフォトニックバンドギャップＰＢＧファイバとして一般に知られるファイバを形成する。図６Ａおよび６Ｂは、ＰＣＦのＳＥＭ写真および分散及び勾配の変化対ホールサイズを示している。これは、フォトニック結晶ファイバ（ＰＣＦ）構造を最適化すると、２００ｎｍを超えるスペクトルレンジにわたって分散をフラットにできることが明確に示している。従来のファイバがこの種のパフォーマンスを達成できる可能性は皆無である。
【００２７】
図２に示されているとおりのレーザシステムを用いると、１０ワットを超える高い出力が達成される。さらにポンプ出力変換効率は、市販されているＤＣＹＤＦを使用することによって、最小の非線形効果を伴って８５％という高さになる。ファイバレーザのビーム出力は、Ｍ２＝１となるシングルモード回折限定品質の性質を伴う優れた出力ビーム品質を有する。利得ファイバは、小さい寸法にコイル巻きが可能であり、コンパクトなサイズのほかのコンポーネントとともにパッケージングすることができる。図２に従って構成された１５Ｗファイバレーザの標準的な製品は、寸法が概略で１３０ｍｍ×７０ｍｍ×３５ｍｍの収容ハウジング内にすべてのコンポーネントがパッケージングされる。したがって、都合よくカスタム化することの可能なコンパクトなサイズのレーザシステムが提供される。
【００２８】
ファイバは、２つの直交偏光フィールド成分の局所的な強度に依存する非線形複屈折を呈する。その結果として、楕円偏光されたパルスが、２つの直交成分、すなわちｘ成分およびｙ成分を有することになる。これら２つの成分は、異なる位相シフトを受け、その結果、偏光楕円が回転する。この位相シフトが強度依存プロセスであることから、それが、パルスの局所的な強度に応じた異なる量でパルスの偏光を回転する。図４Ａおよび４Ｂは、パルスに対する偏光の物理的な効果を示している。非線形効果が無視できると仮定し、図４Ａが、等方性光ファイバ内に発射される一様に偏光されたパルスを表しているとすれば、図４Ｂに図示されているとおりの一様に偏光された出力パルスが得られる。したがって、自己位相変調（ＳＰＭ）および交差位相変調（ＸＰＭ）の効果を伴って具体化された同じファイバ内に同じパルスを発射することによって、図４Ｂと類似の出力を生成することができる。図４Ｂを調べると、低い強度のウイングが影響を受けてなく、パルスの強度が増加するに従って偏光楕円の回転が観察される。したがって、自己位相変調（ＳＰＭ）の非線形位相変化によって誘起される非線形位相旋回（ＮＰＥ）は、このときの偏光がパルス強度依存であることから、偏光の回転をもたらす。このように、モード同期メカニズムがＳＰＭ誘起ＮＰＥによってもたらされる。このパルスが、偏光コントローラによって制御され、調整される偏光感受性を有するアイソレータ内に通されると、そのアイソレータと整列するもっとも高い強度だけが通過することになる。そのパルスの強度のより低い部分は、フィルタアウトされる。その結果、パルスが良好に整形され、したがってパルス幅を縮小する飽和吸収体（ＳＡ）として作用する。偏光コントローラ１４０は、ファイバベース、またはバルク光学１／４波長／半波長リターダ、あるいはこれら両方の組み合わせとすることができる。「偏光感受性を有するアイソレータおよび偏光コントローラ」は、時間ドメインにおいて異なる偏光状態を有するパルスのために偏光を選択するべく作用する。
【００２９】
パルスがファイバレーザキャビティ内を循環するとき、レーザパルスは、高いピーク出力および短いパルス幅（＜ピコ秒）に起因して、負の異常シングルモードファイバおよび正の正常分散ファイバ領域の両方において自己位相変調（ＳＰＭ）により誘起されるパルスの広がり効果を経験する。さらに、ＹＤＦ１０５内の正の分散領域、すなわちβ”＞０の領域においては、ピーク出力が非常に高いことから（２００フェムト秒のパルスについて２００Ｗを超える）、ＹＤＦ１０５のセグメント内において、非線形長と分散長が同等に、すなわち約１ｍになる。パルスは、自己位相変調（ＳＰＭ）および分散の両方の効果を用いることによって圧縮が可能である。１０ミクロンのモードフィールド直径を伴うファイバ上における（ＳＰＭ）位相変化の非線形効果を定量化するために分析を行った。図５は、その分析の結果である。図５によれば、光の位相（偏光の状態に対応する）が、光の強度および波長にかなり依存している。所定の波長においては、３ｄＢの出力の変化が５０％の位相変化を作り出すことができる。所定の出力レベルにおいては、１０％の波長の変化が同じ量の位相変化を作り出すことができる。
【００３０】
Ｙｂドープファイバの利得が１０００ｎｍから１１００ｎｍまでの１００ｎｍにわたってカバーできることから、この利得媒体は、５０フェムト秒に満たない非常に短いパルスの生成を可能にする。しかしながら、偏光状態が波長の関数であるため（Δλ／λに比例し、Ｙｂファイバレーザにおいてはそれが１０％になる）、スペクトルドメインにおいては、異なる波長が異なる偏光状態を経験することになる。またこれは、パルス幅と品質に影響を及ぼす。さらに、特定の帯域幅において分散マネジメントを行うことが可能であるとしても、従来のファイバを使用することによってこの利得媒体の１００ｎｍの帯域幅全体をカバーすることは不可能である。超短レーザパルスを生成するという目的のためには、分散勾配補償を考慮に入れなければならない。結論を述べれば、ＹＤＦの最大利得スペクトルを利用するためには、スペクトルドメインにおける偏光補償とともに、分散勾配補償が確実に必要になる。１０ミクロンのモードフィールド直径を伴うファイバ上においてシミュレーション分析を実行し、（ＳＰＭ）位相変化に対する非線形効果の定量化を行った。図５は、偏光状態に対応する光の位相を伴ったシミュレーション結果であり、これは、光の強度と波長に対する強い関数的関係およびそれへの強い依存を有している。所定の波長においては、３ｄＢの出力の変化が５０％の位相変化を作り出すことができる。所定の出力レベルにおいては、波長の１０％の変化が同じ量の位相変化を作り出すことができる。
【００３１】
適切な分散を伴う高濃度ドープファイバを使用することによって、図１および２に示されているシステムは、１ｍＷ、１００フェムト秒のパルスを、パルスの広がり効果を抑えつつ１００ｍＷまで増幅することができる。図６は、増幅の前後について、自己相関器から取得したパルスのトレースを示している。ここには、ひずみもしくは広がり効果がほとんどないことが示されている。高濃度ドープ二重クラッドファイバを、適切に選択した分散を用いて具体化すれば、ファイバが、ファイバ内へのより多くのポンプ出力の発射を可能にすることから、さらに１Ｗまで出力を増幅することができる。
【００３２】
図７は、本発明の別の好ましい実施形態を示している。図８に示されているような格子ペアの使用に代えて、ルーフミラー１４５−１’を使用し、従来的なレーザシステムにおいて具体化されていた格子のペア構成を置き換える。このルーフミラーは、置き換えのため、および光を反射して格子上へ戻すために使用され、それにより１つの格子を用いてパルスの引き伸ばしおよび圧縮を達成することが可能になる。
【００３３】
以上、現在の好ましい実施形態を説明したが、本発明は上記の開示に限定されない。当業者であれば上記の開示が種々の変更や修正可能であることを理解できる。したがって、添付した特許請求の範囲は、本発明の真の技術的思想の範囲に含まれるあらゆる変形および修正をカバーするものとして解釈される。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の短パルスモード同期ファイバレーザについての機能ブロック図である。
【図２】本発明の全ファイバ短パルスモード同期ファイバレーザについての機能ブロック図である。
【図３】フェムト秒レーザパルスを提供するための高出力増幅器を示すための機能ブロック図である。
【図４】（Ａ）（Ｂ）は、レーザパルスがレーザキャビティにわたって伝達されるときの偏光の変化を示す波形図である。
【図５】光学出力の関数として示した位相変化の分析結果示すためのグラフである。
【図６】有意のひずみを伴わない高出力超短パルス増幅の波形図である。
【図７】本発明の格子構造を示す模式図である。
【図８】ペア構成の格子の使用例の概略図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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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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