(57)【要約】  超高速パルスファイバーレーザーシステムは、増減可能な出力を有して構成され、パルス強度の劣化を低減するように動作可能である。開示されたレーザーシステムは、主パルスと副パルスとの間の初期パルスコントラストの改善を通してパルスひずみを抑制するように構成され、改善されたパルス形状は、チャープパルス増幅及び、元の光信号から発生した修正電気信号による高速強度変調器ドライバを使用する。改善を提供する構造は、チャープ光学パルスを測定し、それを電気信号に変換するように動作可能なフォトダイオードと、電気信号を、副パルスを抑制するのに必要な信号に素早く変換するアナログ電子部品と、を含む。
2019513306.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｐｓからｎｓのパルス持続時間範囲の光信号の一連のチャープパルスを受け取り、各光信号を第１及び第２の部分に分割するように動作可能なビームスプリッターと、
前記光信号の第２の部分を受け取り、第１の高周波（ＲＦ）信号に変換する少なくとも１つの光電子変換器と、
各光信号の前記第１の部分を受け取る強度変調器と、
前記強度変調器の出力において、前記チャープパルスのスペクトル強度プロファイルを修正するように、前記強度変調器に印加される前記ＲＦ信号を受け取り、処理する少なくとも１つのチューニング可能な高周波（ＲＦ）発生器スキームと、を含む、ニアトランスフォーム制限パルスを出力するためのサブナノ秒（サブｎｓ）パルスレーザーシステム。
【請求項２】
光信号の一連のチャープサブｎｓパルスを出力する利得切り替えまたはモードロックレーザーとして構成された単一の横モード（ＳＭ）シードレーザーと、
前記ＳＭシードレーザーと前記ビームスプリッターとの間に配置され、サブｎｓパルスをｐｓからｎｓのパルス持続時間範囲にチャープするように構成されたパルス引延し器と、
前記光信号の第１の部分を受け取り、修正された前記スペクトル強度プロファイルで増幅するファイバー増幅器を有してそれぞれ提供された単一の、または複数の増幅ステージと、
修正された前記スペクトルプロファイルで各パルスの光信号の増幅された前記第１の部分を受け取り、一連のサブｎｓパルスを出力するように動作可能なパルス圧縮器と、をさらに含み、
前記チャープパルスがそれぞれ、前記ビームスプリッターの入力において、時間領域で一定な改善されたパルスと、周波数領域のスペクトルリップルと、を獲得する、請求項１に記載のサブｎｓパルスレーザーシステム。
【請求項３】
前記ビームスプリッターが、前記強度変調器に結合された光信号の前記第１の部分が前記光電子変換器にガイドされた前記光信号の前記第２の部分よりも大きく、または前記第２の部分よりも小さく、または前記第２の部分と等しくなるように、各光信号を分割するように構成されたファイバー結合器を含み、１つの前記光電子変換器が、最大数百ギガヘルツ（ＧＨｚ）の帯域で動作し、各チャープパルスの光信号の受け取った前記第２の部分を各チャープパルスの光の光強度に比例する１つのＲＦ信号に変換する高速光検出器である、請求項１または２に記載のサブｎｓパルスレーザーシステム。
【請求項４】
１つの前記ＲＦ発生器スキームが、
１つの前記光電子変換器の出力に結合され、第１の前記ＲＦ信号の所定の領域を通過させるように動作可能なＲＦフィルターと、
第１の前記ＲＦ信号のフィルターされた前記領域をフリップフロップするＲＦインバーターと、
光信号の前記第１の部分の前記スペクトルプロファイルを修正するために、前記強度変調器に印加された第１の前記ＲＦ信号のフリップフロップされた、フィルターされた前記領域を増幅するように動作可能なＲＦ増幅器と、を有して構成された、請求項１から３のいずれか一項に記載のサブｎｓパルスレーザーシステム。
【請求項５】
前記強度変調器が、それぞれ光信号の第１の複製をガイドする第１及び第２の導波路腕部を有して提供されたマッハ・ツェンダー干渉計であり、少なくとも第１の腕部が、前記第１の腕部内にガイドされた光信号の前記第１の部分の複製に位相シフトを導入する増幅された第１の前記ＲＦ信号を受け取る位相変調器を含み、前記第１及び第２の複製が、前記第１の複製と前記第２の複製との間の位相差を各チャープパルスの光信号の前記第１の部分の修正された強度プロファイルに変換するように、前記マッハ・ツェンダー干渉計の出力において干渉される、請求項１から４のいずれか一項に記載のサブｎｓパルスレーザーシステム。
【請求項６】
１つの前記ＲＦ発生器スキームと同一に構成され、前記光信号の前記第２の部分の一部を受け取って第２のＲＦ信号を発生させる第２のＲＦ発生器スキームをさらに含み、
前記強度変調器が、前記光信号の前記第１の部分の各複製をガイドする第１及び第２の導波路腕部を有して提供されたマッハ・ツェンダー干渉計であり、前記第１及び第２の腕部が、１つの、及び第２のＲＦ発生器スキームとはそれぞれ異なる強度を有する増幅された第１及び第２のＲＦ信号を受け取るそれぞれ１つの、及び第２の位相変調器を含み、前記１つの、及び第２のＲＦ信号が、前記第１の複製と前記第２の複製との間の位相差を各チャープパルスの光信号の前記第１の部分の修正強度プロファイルに変換するように、前記マッハ・ツェンダー干渉計の出力において干渉する光信号の前記第１の部分の両複製に位相シフトを導入する、請求項１から５のいずれか一項に記載のサブｎｓパルスレーザーシステム。
【請求項７】
第２のＲＦ信号を発生させるように動作可能な第２のＲＦ発生器スキームと、
１つの前記ＲＦ発生器スキームによって発生した前記ＲＦ信号とは異なる強度を有する前記第２のＲＦ信号を増幅するように動作可能な第２のチューニング可能なＲＦ増幅器と、をさらに含み、
前記強度変調器が、光信号の前記第１の部分の各複製をガイドする第１及び第２の導波路腕部を有して提供されたマッハ・ツェンダー干渉計であり、前記第１及び第２の腕部が、各増幅されたＲＦ信号を受け取る１つの、及び第２の位相変調器をそれぞれ含み、前記第１及び第２のＲＦ信号が、前記第１の複製と前記第２の複製との間の位相差を各チャープパルスの光信号の前記第１の部分の修正強度プロファイルに変換するように、前記マッハ・ツェンダー干渉計の出力において干渉される光信号の前記第１の部分の前記第１及び第２の複製に位相シフトを導入する、請求項１から５のいずれか一項に記載のサブｎｓパルスレーザーシステム。
【請求項８】
前記強度変調器が、前記ＲＦ信号を受け取って、半導体光増幅器の出力において修正強度プロファイルを得るように、光信号の前記第１の部分への利得を選択的に提供する半導体光増幅器である、請求項１から４のいずれか一項に記載のサブｎｓパルスレーザーシステム。
【請求項９】
前記ＲＦ発生器スキームが、
前記強度変調器の出力において信号光の前記第１の部分の強度リップルを修正するために５から５００ＧＨｚの範囲の比較的高い周波数で動作するか、または
時間領域及びスペクトル領域で放物線形状を有する信号光の変調された前記第１の部分の各パルスを提供するように、最大２ＧＨｚの比較的低い周波数で動作する、請求項１から８のいずれか一項に記載のサブｎｓパルスレーザーシステム。
【請求項１０】
前記ビームスプリッターと光電子変換器との間に光信号の前記第２の部分を案内して、増幅された前記ＲＦ信号及び前記強度変調器に結合された光信号の前記第１の部分を同期する少なくとも１つのファイバー遅延構成要素をさらに含む、請求項１から９のいずれか一項に記載のサブｎｓパルスレーザーシステム。
【請求項１１】
前記ビームスプリッターと１つの光電子構成要素との間の第１のファイバー遅延構成要素と、
前記第１のファイバー遅延構成要素と１つの光電子変換器との間に配置され、前記光信号の前記第２の部分を第１及び第２の部分に分割するように動作可能な追加的なファイバー結合器と、
追加的な前記結合器と前記第２のＲＦ信号発生器スキームとの間の追加的なファイバー遅延構成要素と、をさらに含み、
前記第１及び第２のファイバー遅延構成要素が、前記第１及び第２のＲＦ信号が各位相変調器にわたって、光信号の前記第１の部分の各複製と同期して印加されるような時間遅延で、光信号の前記第２の部分の各部分を提供するように構成された、請求項７に記載のサブｎｓパルスレーザーシステム。
【請求項１２】
前記時間遅延構成要素が、互いに対して制御可能に移動可能な複数の部分の周りに巻き付けられたファイバーを有する複数部分スプールを含む、請求項１０または１１に記載のサブｎｓパルスレーザーシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パルス強度の劣化を低減した増減可能な出力を有する超高速パルスファイバーレーザーシステムに関する。特に、本発明のファイバーレーザーシステムは、主パルスと副パルスとの間の初期パルスコントラストの改善、チャープパルス増幅及び元の光学信号から生成された修正された電気信号による高速強度変調器ドライバーを用いたパルス形状の改善を通して、パルスひずみを抑制するように構成される。
【背景技術】
【０００２】
超高速パルスレーザーは、２０ピコ秒よりも短く、５フェムト秒にもなるパルスを発生させる。これらのレーザーは、医薬品及び工業の分野で応用されている。超短パルスを用いたレーザー加工は、多光子吸収を介した冷アブレーションの原理に基づいて働く。これらの種類のパルスは、非常に小さな加熱影響領域を生じさせ、ほとんど切り口を発生させない。このため、加工におけるこれらの使用は、超精密な部品の加工や、非常に加熱の影響を受けやすい材料の加工を可能にする。多光子吸収のプロセスは、レーザーの波長を材料の吸収帯域に重ねる必要がないため、ほとんどすべての材料を、そのようなパルスを用いて加工可能である。
【０００３】
最大で１００μＪになるパルスエネルギーが微小加工用途において必要であり、眼科用途には最大で２０μＪが必要とされる。その他の科学的な用途は、さらにより高いパルスエネルギーを必要とする。パルスをひずませない状態に保つのに十分なエネルギーを取り出すことは、高ピーク出力パルスが材料を通って伝搬する際の自己位相変調（ＳＰＭ）の非線形光学効果のために、問題となる。この材料は、典型的にはパルスを増幅するための利得を提供する材料であり、そのため、この効果を避けることが困難である。より大きなパルスエネルギーを取り出すための１つの一般的な方法は、チャープパルス増幅（ＣＰＡ）と呼ばれる。この方法では、パルスは、スペクトルエンベロープ内の縦モードのそれぞれの位相を調整することによって、時間的に引き延ばされる。バルク格子、プリズム、ファイバー、チャープファイバーブラッグ格子、またはチャープボリュームブラッグ格子は、この分散を導入することによってパルスを引き延ばすために使用可能である。次いで、パルスは、ＳＰＭを誘導可能なピーク出力に到達する前に、増幅材料がより高いパルスエネルギーを達成することを通して増幅可能である。最後に、パルスは、分散素子を整合させて圧縮され、パルスをピコ秒またはフェムト秒パルス持続時間に再圧縮して必要なパルスエネルギー及び超短パルスを達成する。
【０００４】
ＣＰＡ法は顕著なパルスエネルギーを取り出すのに使用可能であるが、この方法は依然として限界がある。超高速パルスは、ＳＰＭなどの光学非線形性のために、ピーク出力が増加するとパルス持続時間が長くなる。超短光学パルスがゼロでない非線形屈折率を有する材料を通って伝搬すると、ＳＰＭプロセスを通して非線形位相シフトの蓄積が生じる。パルスは（図１から５に示すように）前方パルス及び後方パルスを形成して劣化を始め、時間的エンベロープの全持続時間を増加させる。これは、図２に示されるようにピーク出力が増加するにつれて、またはパルスが材料を通って十分な距離を伝搬するにつれて発生する。
【０００５】
図１の時間領域における副パルスの発生は、図３に示されるようなスペクトル領域における強度リップルの存在に対応する。リップルの強度は、図４に示されるように、ピーク出力が増大するにつれて増大する。そのため、副パルス／強度リップルの存在は、ピーク出力及びパルスエネルギーを低下させ、これは、多くの用途が高いピーク出力及び高いパルスエネルギーを有する超短パルスを必要とするため、問題となる。
【０００６】
ファイバーレーザーシステムにおける非線形性の低減及び性能の向上は、いくつかの方法によって達成可能である。例えば、非線形性は、非線形屈折率の低い材料を使用し、ビームの大きさ／モードの面積を増加させ、または非線形相互作用長さを低減することによって、ある程度抑制されうる。そのような最適化は、出力パルス性能を向上するために最初に実行される。残念なことに、より高次のモードの励起は、光ファイバー内の達成可能な最大モード面積を制限し、長さはアクティブファイバーのポンプ吸収に起因して制限される。
【０００７】
１つの方法において、放物線スペクトル形状を有する超高速パルスの発生に対する取り組みがなされている。図５を参照すると、他のパルス形状とは対照的に、放物線パルスのピーク出力は、ファイバーレーザーシステム内で、Ｂ−インテグラルによって図面に表されるように、非線形性の増加による影響を受けない。図６に示された別の方法において、増幅前の主パルスと副パルスとの間の初期パルスコントラストが高い、すなわち副パルスが最初はほぼ顕著なエネルギーを含まない場合に、チャープパルスは、非線形性による影響を実質的にさらに受けない。
【０００８】
良好なパルスコントラスト及び放物線スペクトル形状を達成することは、シードレーザーから直接発生させることは困難である。強度及び位相の事後パルス成形は、所望の結果を達成できる。時間領域における、また空間領域におけるこれらの技術を含む複数の技術が提案されている。空間領域技術は、空間光変調器の使用及び出力スペクトルの空間領域へのマッピングを含む。液晶位相変調器、ＭＥＭＳまたは音響−光学変調器などの素子は、空間的ビームプロファイルにわたって強度及び／または位相を制御する。この技術はかなりバルク的であり、モノリシックではない。
【０００９】
時間領域技術は、高速電子部品に対する限界のため、典型的には使用されない。パルス形状を直接合成するための電子部品は、高価であり、バルク的である。引き延ばされた光学パルスのＳＰＭを修正するために、測定されたフォトダイオードの信号によって駆動される位相変調器を使用することが提案されている。この方法は顕著に複雑さが低減し、より小型であり、高価でない。しかし、この技術は滑らかな放物線スペクトル形状を達成するために、スペクトル強度プロファイルを直接修正しない。
【００１０】
この技術は、高速な強度変調器及び、高速な光検出器を介して測定された光学信号を使用して、時間領域でスペクトル強度プロファイルを修正することによって、超高速レーザーシステムのパルスひずみの問題を解決する。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１１】
この必要性は、時間領域のパルス引き延ばしの後に、光学信号の線形チャープパルスのスペクトルプロファイルを修正するために強度変調器を利用する、開示された超高速マスター発振器出力ファイバー増幅器ＣＰＡレーザーシステムによって達成される。パルスのスペクトルプロファイルは、線形チャープパルス引延し器を使用することによって、時間領域にマップされる。マッハ・ツェンダー・ニオブ酸リチウム変調器、マッハ・ツェンダー・リン酸インジウム半導体変調器または高速半導体光学増幅器などの高速強度変調器は、時間領域におけるパルスのスペクトル形状を修正するために、高速電子部品と組み合わせて使用可能である。強度変調器は、スペクトルリップルを修正するために光学信号自体から生成された特定の、または任意の波形である。
【００１２】
本開示の態様の１つによれば、開示される、ニアトランスフォーム制限パルスを出力するためのＣＰＡレーザーシステムは、ｐｓ〜ｎｓパルス持続時間範囲の光信号の一連のチャープパルスを受け取り、各光信号を第１及び第２の部分に分割するように動作可能であるビームスプリッターを有して構成される。光信号の第２の部分は、光信号の受け取った第２の部分を高周波（ＲＦ）信号に変換する光電子変換器に結合される。光信号の第１の部分は、強度変調器の方へガイドされ、結合される。電気信号は、光電子変換器内で変換された光信号の第２の部分から生成される。電気信号は、強度変換器の出力におけるチャープパルスのスペクトル強度プロファイルを修正するように、強度変換器に印加される電気信号を処理する少なくとも１つの高周波（ＲＦ）発生器スキームに結合される。
【００１３】
前述の、及び以下の態様のいずれかと組み合わせて考慮される本開示の第２の態様によれば、ＣＰＡレーザーシステムは、光信号の一連のサブｎｓパルスを出力する利得切り替えまたはモードロックレーザーとして構成された単一横モード（ＳＭ）シードレーザーを含む。ＳＭシードレーザーは、利得切り替えまたはモードロックレーザーとして構成されうる。シード後すぐにチャープを獲得しうる、または獲得しない場合があるサブｎｓパルスは、さらにＳＭシードレーザーとビームスプリッターとの間に配置されたパルス引延し器に結合される。引延し器は、サブｎｓパルスを、光信号の出力密度を低減することができるｐｓ〜ｎｓパルス持続時間範囲にチャープするように構成される。引延し器の構成は、複数対の回折格子、ファイバーブラッグ格子、ボリュームブラッグ格子、プリズム、またはその他任意の適切な構成、及びこれらの組合せを含みうる。さらに、本態様の開示されたシステムの構造はまた、光信号の第１の部分を受け取り、増幅するファイバー増幅器をそれぞれ有して提供される単一のまたは複数の増幅ステージを含む。最後に、第２の態様の開示された構造はさらに、修正されたスペクトルプロファイルを有する各パルスの光信号の増幅された第１の部分を受け取り、一連のサブｎｓパルスを出力するように動作可能な１つまたは複数のパルス圧縮器を有して構成される。パルス圧縮器は、トレーシー格子圧縮器、プリズム圧縮器もしくはチャープボリュームブラッグ格子圧縮器、またはこれらの組合せを含む構成を有する。パルスピッカーなどのその他の構成要素が、より高いパルスエネルギー取り出しに関してパルス繰り返し率を低減するために使用可能である。
【００１４】
前述の、及び以下の態様の１つのＣＰＡレーザーシステムの第３の態様は、ビームスプリッター及び光電子変換器の仕様に関する。ビームスプリッターは、好適には強度変調器に結合された光信号の第１の部分が、光信号の第２の部分以上または以下であるように、各光信号を分割するように構成されたファイバー結合器を含む。光信号の第２の部分を処理する光電子変換器は、最大で数百ギガヘルツ（ＧＨｚ）の帯域で動作する高速光検出器を含む。光検出器は、チャープされた各パルスの光信号の受け取った第２の部分をＲＦ信号に変換する。ＲＦ信号の電気強度は、各チャープパルスの光の光学強度に対応する。
【００１５】
さらなる態様において、上記開示された態様のいずれか及び以下に開示される態様のいずれかのＲＦ発生器スキームは、０．５から５００ＧＨｚの範囲の高周波数で動作する、直列接続されたアナログ構成要素を有して構成される。光電子変換器からのＲＦ信号は、ＲＦフィルターに結合される。ＲＦフィルターは、ＲＦ信号のそれぞれの所定のスペクトル領域を通過させるように動作可能である。フィルタリングされたＲＦ信号はさらに、各ＲＦ信号のフィルタリングされた領域をフリップフロップするＲＦインバーターに結合される。最後に、ＲＦ増幅器は、インバーターの出力に結合され、各ＲＦ信号のフリップフロップされたフィルタリングされた領域を増幅するように動作可能であり、これは次いで光信号の第１の部分のスペクトル強度プロファイルを修正するために強度変調器に印加される。
【００１６】
前述の、または以下で議論される態様のいずれかにおいて開示されたＣＰＡレーザーシステムの構成要素は、高速であるべきである。少なくとも１００ｐｓであるチャープパルスについて、強度変調器は、強度スペクトルプロファイルを修正するのに十分高速でなければならない。そのようなパルスに関して、少なくとも２０ＧＨｚの強度変調器及び２０ＧＨｚの高速ＲＦ電子部品が必要とされる。チャープパルス持続時間が増大すると、スペクトル分解能も増大し、より精密なパルス成形が達成可能である。さらに、付属する電子部品とともに強度変調器技術が、例えば５００ＧＨｚまで向上すると、スペクトルパルス成形に関する分解能においてさらなる改善が達成可能である。例として、現在容易に利用可能であり、チャープパルスの持続時間が１．５ｎｓである１００ＧＨｚの強度変調器を使用すると、帯域の１％未満の分解能を有することが可能である。４０ＧＨｚ及び０．５ｎｓのチャープパルス持続時間でさえも、分解能は帯域の５％になり、光学スペクトルを修正するのに十分である。別の例として、１．５ｎｓのチャープパルスを発生させると、帯域の７％未満の分解能を達成するために１０ＧＨｚの強度変調器を使用することができる。
【００１７】
別の態様によれば、前述の、または以下で開示された態様のいずれかのサブｎｓＣＰＡレーザーシステムは、マッハ・ツェンダー干渉計構造を有する強度変調器を含む。これは、干渉計の入力において光信号の第１の部分の分割で形成される各複製をガイドする第１及び第２の腕部を有して構成される。腕部の１つは、第１の腕部内をガイドされた光信号の第１の部分の複製に位相シフトを導入する増幅されたＲＦ信号を受信する、位相変調器を含む。両複製は、第１の複製と第２の複製との間の位相差を各チャープパルスの光信号の第１の部分の修正強度プロファイルに変換するように、マッハ・ツェンダー干渉計の出力において干渉する。
【００１８】
本開示のさらなる態様は、前述の５つのいずれかの態様のサブｎｓＣＰＡレーザーシステムに関し、以下に開示される態様は、１つのＲＦ発生器スキームと同一に構成され、光電子変換器からのＲＦ信号を受け取る第２のＲＦ発生器スキームを含む。マッハ・ツェンダー干渉計である強度変調器は、光信号の第１の部分の各複製をガイドする第１及び第２の導波路腕部を有して提供される。腕部は、１つの、及び第２のＲＦ発生器スキームのそれぞれとは異なる強度を有する増幅されたＲＦ信号を受け取る、それぞれ１つの、及び第２の位相変調器を含む。両ＲＦ信号は、第１の複製と第２の複製との間の位相差を、光信号の第１の部分の修正強度プロファイルに変換するように、マッハ・ツェンダー干渉計の出力において干渉する光信号の第１の部分の複製に、それぞれ位相シフトを導入する。
【００１９】
本開示の第７の態様によれば、前述のいずれか及び以下の態様のいずれかの開示されたＣＰＡレーザーシステムは、第２のＲＦ発生器で増幅された第２のＲＦ信号を発生する第２のＲＦ信号発生器を含む。各ＲＦ信号発生器スキームによって発生したＲＦ信号は、異なる強度を有する。その後、これらの２つの増幅された電気信号は、光信号の第１の部分の各複製をガイドする第１及び第２の導波路腕部を有するマッハ・ツェンダー干渉計として構成された強度変調器に印加される。第１及び第２の腕部は、第１及び第２の複製に、それぞれ異なる位相シフトを加えるそれぞれの位相変調器を有して構成される。次いで、複製は、第１の複製と第２の複製との間の位相差を各チャープパルスの光信号の第１の部分の修正強度プロファイルに変換するように、マッハ・ツェンダー干渉計の出力において干渉する。
【００２０】
本開示の次の態様は、半導体光学増幅器として構成された強度変調器を有する１つから４つの態様のいずれかのＣＰＡレーザーシステムに関する。半導体増幅器は、この増幅器の出力において光信号の第１の部分の強度プロファイルの滑らかなエンベロープが得られる、利得増加原理に基づいて動作する。
【００２１】
別の態様によれば、前述の態様のいずれかのサブｎｓＣＰＡレーザーシステムは、増幅されたＲＦ信号を、強度変調器内の光信号の第１の部分と同期するように構成されたファイバー遅延線を含む。ファイバー遅延線は、ファイバーのループを含んでもよく、及び／またはスプールの複数部分の周りに巻き付けられたファイバーを有する複数部分スプールを使用してもよい。この部分は、同期プロセスを容易にする巻き付けられたファイバーにかかる張力を調整するように、互いに対して制御可能に移動可能である。
【００２２】
別の態様において、前述の態様のいずれかの超短パルスレーザーシステムは、増幅器ステージのすべてまたはいくつかの前の強度変調器の後に、スペクトルリップルを自己修正するために、光学信号自体から生成された特定の波形を有する強度変調器を使用する。自己修正は、タップされた入射光学信号に対応する電気信号を受け取り、それをスペクトルリップルを補償するために相補的波形を生成するように操作する、高速アナログ電子部品を使用して実行される。操作された電気信号の強度のチューニング可能性により、何らかの残留スペクトルリップル抑制の補助となる精密チューニングが可能になる。そのような構成の利点は、強度変調器後の出力が、シードレーザーまたはその他の構成要素のスペクトル形状に対する任意の変化で自動修正されることである。
【００２３】
さらなる態様は、前述の、及び後述の態様のいずれかの開示されたＣＰＡレーザーシステムの強度変調器に関する。具体的には、強度変調器は光学信号の第１の部分のスペクトルリップルが修正され、及び／または放物線スペクトル形状を生じるように選択された任意の波形を有する。これに伴う電子部品は、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）またはＡＳＩＣ（特定用途集積回路）もしくはその他の等価のＩＣのような類似するデジタル的方法を用いる、タップオフされた光学信号の電気信号を合成するために高速波形を生成することが可能である。
【００２４】
本開示の前述及びその他の態様は、以下の図面と併せて詳細に説明される。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１Ａ】異なる平均パルス出力に従って生成された副パルスを伴う線形チャープパルスの時間領域強度プロファイルを示す。
【図１Ｂ】異なる平均パルス出力に従って生成された副パルスを伴う線形チャープパルスの時間領域強度プロファイルを示す。
【図１Ｃ】異なる平均パルス出力に従って生成された副パルスを伴う線形チャープパルスの時間領域強度プロファイルを示す。
【図２】システムの異なる非線形性の程度における線形チャープパルスの時間領域ピーク出力プロファイルを示す。
【図３】図３Ａ及び３Ｂは、増幅前後の線形チャープパルスの周波数領域強度プロファイルを示す。
【図４Ａ】異なる平均パルス出力における線形チャープパルスの周波数領域強度プロファイルを示す。
【図４Ｂ】異なる平均パルス出力における線形チャープパルスの周波数領域強度プロファイルを示す。
【図４Ｃ】異なる平均パルス出力における線形チャープパルスの周波数領域強度プロファイルを示す。
【図５】パルスピーク出力の、引き延ばされたパルスの異なるスペクトル形状に対する依存性を示す。
【図６】副パルスに含まれるエネルギーの、システムの非線形性の程度に対する依存性を示す。
【図７】本発明のサブｎｓパルスレーザーシステムの１つの態様を示す。
【図８】図７の開示されたパルスレーザーシステムの詳細を示す。
【図９】開示されたサブｎｓレーザーシステムの別の態様を示す。
【図１０】開示されたサブｎｓパルスレーザーシステムのさらに別の態様を示す。
【図１１】開示されたサブｎｓパルスレーザーシステムのさらなる態様を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
本発明の実施形態を詳細に説明する。可能である場合には常に、同じ、または類似の参照符号が、同じまたは類似の部分もしくは段階を指すために図面及び説明の中で使用される。図面は簡略化された形態であり、正確なスケールになっていない。「結合する」という用語及び類似の用語は、必ずしも直接、密接した接続を意味するのではなく、中間要素またはデバイスを通した接続も含む。
【００２７】
図７から１１に示された本発明の超高速パルスファイバーレーザーシステム１０は、信号光の一連の超短サブｎｓパルス１４を発生する、モードロックまたは利得切り替えレーザーなどのパルス源１２を有して構成される。パルス源１２の直後に何らかのチャープを獲得しうる、または獲得しない場合があるパルス１４は、スペクトル形状１８を有するチャープパルスを出力する、パルス引延ばし器１６内で線形チャープを受ける。単に例として示すと、パルス持続時間は１ｐｓパルス１４からナノ秒範囲のパルス１８へ増大されうる。パルス引延ばし器１６は、中でも、バルク格子、プリズム、ファイバー、チャープファイバーブラッグ格子またはチャープボリュームブラッグ格子を含む様々な構成を有してもよく、これらはこの分散を導入することによってパルスを引き延ばすために使用可能である。好適には、引延ばし器１６はピグテール円に取り付けられる。
【００２８】
ビームスプリッターまたはタップ結合器２０を通って伝搬する光信号の引き延ばされたパルス１８は、２つの部分に分離され、これらは等しいか、またはこの部分の１つが別の部分に対して小さいか、もしくは大きいような等しくないものにされうる。この部分の一方は、強度変調器２２に直接結合される。別の部分は、光信号の受け取られたタップされた部分から電気的ＲＦ信号を生成するフォトダイオード２４の構成を有する光電子変換器によって受け取られるようにタップされる。電気信号は、チューニング可能なＲＦ発生器スキーム２５内でさらに合成される、チャープ光信号１８の時間的形状を模擬する。
【００２９】
少なくとも１００ｐｓであるチャープパルスについて、強度変調器２２は引伸ばされたパルス１８の強度スペクトルプロファイルを修正できる程度に十分高速でなければならない。そのようなパルス、少なくとも１０ギガヘルツ（ＧＨｚ）強度変調器について、ＲＦ発生器スキーム２５は、低ＧＨｚ範囲で高速であるべきである。チャープパルス持続時間が増加するにつれ、スペクトル分解能も向上し、より精密なパルス成形が達成可能である。さらに、付随する電子部品を有する強度変調器技術が１００ＧＨｚ及び２００ＧＨｚに改善するにつれて、スペクトルパルス成形の分解能においてさらなる改善を達成可能である。例として、現在容易に利用可能である１００ＧＨｚ変調器２２及び１．５ｎｓのチャープパルス持続時間を使用する場合、帯域の１％未満の分解能を有することが可能である。４０ＧＨｚ及び０．５ｎｓチャープパルス持続時間についてさえも、分解能は帯域の５％となり、光学スペクトルを修正するのに十分である。別の例として、１．５ｎｓチャープパルスを発生させる場合、帯域の７％未満の分解能を達成するために１０ＧＨｚの強度変調器を使用することができる。
【００３０】
合成されたＲＦ信号は、強度リップル２６を滑らかにし、及び／または変調器の出力において最大限可能な放物線形状を提供するために、強度変調器２２に結合される。図示されるように、変調器２２の出力において修正された光信号は、強度リップルのない時間領域強度プロファイル２８を有する。サブｎｓパルス１４が線形チャープを受けるため、強度変調器２２の出力における変調された光信号の周波数領域強度プロファイルは、時間領域のプロファイル２８と整合する。放物線パルス形状のみが強度変調器２２の出力において必要とされる場合、電子部品２５は強度リップルを補償するために必要とされる範囲よりも実質的に低い１桁ＧＨｚの範囲で動作可能であることは、レーザー分野の当業者であれば容易に理解する。変調器の出力において強度リップルが存在しないことは、副パルスの抑制を直接示している。
【００３１】
光信号の変調された第１の部分がさらに増幅される。増幅は、単一の増幅ステージまたは複数の増幅ステージ３２、３４でなされうる。増幅ステージの数にかかわらず、シードレーザー１２及び１つまたは複数の増幅ステージを含む光源は、マスター発振器出力ファイバー増幅器（Ｍａｓｔｅｒ  Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ  Ｐｏｗｅｒ  Ｆｉｂｅｒ  Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ、ＭＯＰＦＡ）構成を有する。
【００３２】
パルスエネルギーは調整されるべきであることが多い。典型的には、パルス反復率を低下させることによってなされることができるパルスエネルギーを増加させることが望ましい。これは、シードレーザーと増幅器との間のどこにパルスピッカー３６を配置しても達成可能である。このとき、増幅器は所望のパルスについてのみ働くこととなる。
【００３３】
任意のＣＰＡシステムと同様に、本発明のシステム１０は、チャープ増幅されたパルスを圧縮するように働くパルス圧縮器３８を含む。チャープ解除は、トレーシー格子圧縮器、プリズム圧縮器もしくはチャープボリュームブラッグ格子またはこれらのいずれかの組合せによって達成される。
【００３４】
まとめると、本発明の超高速パルスシステムは、光信号の元の部分（第２の部分）から生成された修正電気信号によって、高速強度変調器ドライバーを使用して、増大した初期パルスコントラストを通して、パルスひずみを抑制することが可能である。
【００３５】
具体的に図７を参照すると、強度変調器２２は光波の強度を制御するために使用されるマッハ・ツェンダー（ＭＺ）干渉計を有する。信号光の第１の部分は、各導波路腕部４０及び４２に沿ってガイドされる２つの複製に分離される。腕部の一方、例えば腕部４２は、位相変調器４４を有して提供される。電圧が位相変調器４４にわたって印加されると、位相シフトが腕部４２を通過する複製に対して導入される。複製がＭＺ干渉計の出力において再び結合されると、これらの間の位相差が、以下に説明されるように２つの複製の間の干渉によって強度変調に変換される。
【００３６】
ＲＦ発生器スキーム２５は、フォトダイオード２４から受け取られたＲＦ信号を処理し、位相変調器４４にわたって印加された相補性信号を、ＭＺ干渉計２２の出力において光信号の時間的形状が強度リップルを有さないように発生させる。光信号内の強度リップルを平らにするように、腕部４０及び４２の強度リップル２６が補償され、好適には互いに打ち消し合う。
【００３７】
これは、電気信号の所望の部分、すなわち高周波強度リップル２６を有する上部または中央部４８を分離するように動作可能であるＲＦフィルター４６を含むＲＦ発生器スキーム２５によって実現される。これは、電気信号の低周波副部分をフィルターで除去し、高周波上部部分４８をＲＦインバーター５０に通過させることによってなされる。これは、光信号の複製がＭＺ干渉計２２の出力において干渉する際に、各リップル２６が補償され、好適には互いに打ち消し合うように、受け取った上部を反転させる。電気信号の反転した中央部は、変調された複製のリップル２６の強度が変調器２２の腕部４０に沿ってガイドされた複製のそれと整合するように調整可能なＲＦ増幅器５２に印加される。
【００３８】
図８を参照すると、当業者には周知のように、位相変調器４４にわたって印加された相補性の信号はＤＣ及びＲＦ成分からなる。典型的に、図７のＲＦ増幅器５２は、この必要性を満たすように動作可能な構成を有する。しかし、ＲＦ増幅器５２がＤＣ成分を提供する能力を有しない場合、ＲＦ発生器２５は、ＲＦ及びＤＣ成分を結合するように動作可能なＤＣ源５６及びバイアスティー５４を追加的に有する。図８の図の残りは、図７のそれと同じである。
【００３９】
図７及び８の位相変調器４４に加えて図９を参照すると、追加的な位相変調器５８がＭＺ干渉計２２の腕部４０に提供される。同じ強度変調原理に基づいて、異なる強度を有する２つの電気信号が、各位相変調器４０及び５８に印加される。位相変調器５８に印加された第２の相補性信号が、別個のＲＦ発生器スキーム５５を含む外部電子部品によって発生可能である。これは、当業者には周知のように動作する任意の波形及びチューニング可能なＲＦ増幅器６２を有する信号発生器６０を有しうる。
【００４０】
図９の任意の波形を有する外部電子部品の代わりに、図１０では、追加的な位相変調器５８は光信号自体から発生した駆動電圧信号を受け取る。具体的に、システム２５は、光信号のタップオフされた部分を２つの副部分に分離する追加的な結合器６４を有し、副部分の一方はフォトダイオード２４に印加され、他方の副部分は追加的なフォトダイオード６６に導かれる。これは受け取った電気信号を増幅する第２のＲＦ発生器に印加される電気信号を発生し、これはさらに位相変調器５８にわたって印加される。各位相変調器４４、５８に印加される駆動電圧は互いに異なり、第１の部分の変調された複製をＭＺ干渉計２２の出力において干渉させることができる。干渉の結果として、ニアトランスフォーム制限パルス（Ｎｅａｒ  Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ  ｌｉｍｉｔｅｄ  Ｐｕｌｓｅ）は、時間及びスペクトル領域２８、３０のそれぞれの両方において所望の形状を獲得する。この図に示された図は、光信号の第１の複製の位相変調を制御しうるものであり、強度ではないことに注意すべきである。これは、各位相変調器４４、５８に印加される電圧の両方が等しいようにＲＦ増幅器を意図的にチューニングすることによって実現可能である。
【００４１】
図１１を参照すると、ＭＺ干渉計は、光信号の第１の部分の強度変調を提供する半導体光学増幅器６８と置き換えられる。当業者には周知のように、この種類の増幅器は、利得原理に基づいて動作する。換言すれば、隣接するリップル２６の間の谷部分は、前述の図に類似したリップルのないニアトランスフォーム制限パルス２８、３０の滑らかな放物線形状を提供するように増幅される。
【００４２】
図７から１１のシステム２５を参照すると、光信号の第１の部分の複製及び電気信号は、位相変調器に印加される際に同期されるべきである。これは、図７から９及び１１のフォトダイオード２４に当たる前に、光信号の第２の部分を取り扱うファイバー７０のループを提供することによってなされる。図１０の実施形態において、強度変調器２２が２つの位相変調器４４及び５８を有して提供される場合、追加的な時間遅延ループ７２が結合器６４とフォトダイオード６６との間に形成される。この特徴の実装は、具体的に選択されたファイバーの追加的な長さを含みうる。さらに、互いに対して制御可能に移動可能な２つの分離したスプール部分の周りに巻き付けられたファイバーを有するスプールは、精密なチューニングのために実装可能である。電気信号及び光信号が単一の位相変調器４４または図１０の両変調器４４及び５８に同期して印加可能であるファイバーに所望の張力を提供するように、２つのスプール部分を移動させるのに、作業者には単純なねじで十分でありうる。
【００４３】
そのため超短パルスレーザーシステム２５は、増幅器ステージのすべてまたはいくつかに先立って、強度変調器の後で、スペクトルリップルが修正され、または放物線スペクトル形状を形成するように、任意の波形を有する強度変調器２２、６８を使用することができる。付随する電子部品は、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）またはＡＳＩＣ（特定用途集積回路）もしくはその他の等価なＩＣなどの類似するデジタル的方法を用いて、高速波形を生成することができる。
【００４４】
強度変調器２２、６８は、増幅ステージのすべてまたはいくつかに先立って、強度変調器の後でスペクトルリップルを自己修正するように、光信号自体から生成された特定の波形を有する。自己修正は、高速アナログ電子部品を使用して実行される。高速フォトダイオード２４、６６は、増幅ステージのいくつかまたは全てに先立って、パルス引延し器１６の後で、タップされた入射光信号から電子信号を発生させる。電気信号は、印加されたＲＦ信号が強度変調器を通して伝搬する光学パルスと整合するように、フォトダイオードの前にファイバー７０、７２の長さを用いて時間的に遅延される。ＲＦ信号は、スペクトルリップルを補償するための相補的波形を生成するように操作されなければならない。信号強度のチューニング可能性により、いかなる残留スペクトルリップルも抑制する助けとなるような精密チューニングが可能になる。そのような構成の利点は、強度変調器の後の出力が、シードレーザーまたはその他の構成要素のスペクトル形状への任意の変化で自己修正されることである。
【００４５】
添付する図面を参照して本発明の実施形態が説明されたが、本発明はこれらの実施形態に正確に限定されるのではなく、様々な変更、改良および適合が、添付する特許請求の範囲において定義された本発明の範囲または思想から逸脱することなく、当業者によってなされうることは理解されるべきである。
【符号の説明】
【００４６】
１０  超高速パルスファイバーレーザーシステム
１２  パルス源
１４  超短サブｎｓパルス１４
１６  引延し器
１８  スペクトル形状
２０  タップ結合器
２２  強度変調器
２４、６６  フォトダイオード
２５  ＲＦ発生器スキーム
２６  リップル
２８  時間領域強度プロファイル
３２、３４  増幅ステージ
３６  パルスピッカー
３８  パルス圧縮器
４０、４２  導波路腕部
４４、５８  位相変調器
４６  ＲＦフィルター
４８  中央部
５２  ＲＦ増幅器
５４  バイアスティー
５６  ＤＣ源
６０  信号発生器
６４  結合器
７０  ファイバー
７２  時間遅延ループ
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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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９】
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【図１０】
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【図１１】
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【国際調査報告】
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