(57)【要約】  気体セル（２）および光ファイバ部（５）を含む光学アセンブリであって、気体セルが光ファイバ部に隣接して取り付けられる光学アセンブリ。この気体セルは、例えば、中空コアフォトニック結晶ファイバ（ＨＣ−ＰＣＦ）から製造することができる。
2008529049.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
気体セルおよび光ファイバ部を含む光学アセンブリであって、気体セルが光ファイバ部に隣接して取り付けられている光学アセンブリ。
【請求項２】
気体セルの両端がそれぞれ光ファイバ部に取り付けられる請求項１の光学アセンブリ。
【請求項３】
気体セルが光ファイバ部にスプライスされる請求項１もしくは２の光学アセンブリ。
【請求項４】
気体セルが気体を収容する請求項１から３のいずれか１項の光学アセンブリ。
【請求項５】
気体が、水素およびアセチレンを含む、気体の群の１以上であり得る請求項４の光学アセンブリ。
【請求項６】
気体セルが導波管である請求項１から５のいずれか１項の光学アセンブリ。
【請求項７】
光ファイバ部に隣接して取り付けられた気体セルを含む光学アセンブリの製造方法であって、以下の工程を任意の順序で含む方法：
気体セルの第１端部を光ファイバ部の一端にスプライスする工程；
気体セルの第２端部を光ファイバ部の一端にスプライスする工程；および
気体セルに気体を充填する工程。
【請求項８】
第１端部をスプライスし、次に気体チェンバを用いて気体セルを充填し、次に第２端部をスプライスする請求項７の方法。
【請求項９】
気体セルに気体を充填し、次に第１および第２端部を光ファイバ部にスプライスする請求項７の方法。
【請求項１０】
充填に先立ち、気体セルを第１および第２端部に隣接して固定する請求項９の方法。
【請求項１１】
気体セルを、熱クランプを用いて固定する請求項１０の方法。
【請求項１２】
気体セルに、水素、アセチレン、ヨウ素、ルビジウムおよび二酸化炭素を含む、気体の群の１以上を充填する請求項７から１１のいずれか１項の方法。
【請求項１３】
気体セルに気体を充填した後、および第２端部をスプライスする前に、気体セル内に流量制限を設ける工程を含む請求項８の方法。
【請求項１４】
請求項１から６のいずれか１項において請求される光学アセンブリを含む誘導ラマン散乱装置。
【請求項１５】
請求項１から６のいずれか１項において請求される光学アセンブリを用いて誘導ラマン散乱を実施する方法。
光ファイバグレーティングを含む全ファイバを用いてラマンレーザを実施する方法。
【請求項１６】
請求項１から６のいずれか１項において請求される光学アセンブリを含むレーザ周波数安定化装置。
【請求項１７】
請求項１から６のいずれか１項において請求される光学アセンブリを用いてレーザ周波数安定化を実施する方法。
【請求項１８】
請求項１から６のいずれか１項において請求される光学アセンブリを含む装置であって、原子タイマ、連続波／モード固定パルスフェムト秒レーザおよびレーザ色変換装置を含む群の１以上であり得る装置。
【請求項１９】
制御経路および参照経路を含むレーザ周波数安定化装置であって、制御経路が制御セルを含み、該制御セルが導波管として作用する気体セルを含む装置。
【請求項２０】
気体セルがＨＣ−ＰＣＦを含む、請求項１８において請求される装置。
【請求項２１】
気体セルが光ファイバ部に隣接して取り付けられる、請求項１９もしくは２０において請求される装置。
【請求項２２】
請求項１から６のいずれか１項において請求される光学アセンブリを含む、請求項１９から２１のいずれか１項において請求される装置。
【請求項２３】
請求項１から６のいずれか１項において請求される気体セルを含む光学アセンブリ。
【請求項２４】
請求項１から６のいずれか１項において請求される光学アセンブリを含む光学遅延構成要素。
【請求項２５】
気体セルが低圧で充填される、請求項２４において請求される光学遅延構成要素。
【請求項２６】
入射ビーム発生器および入射ビームスプリッタを含み、該入射ビームスプリッタは入射ビームの一部を、それが入射ビームの残りと再結合される遅延チャンネルに向けて分割する光学遅延回路であって、該遅延チャンネルが請求項２４もしくは２５において請求される光学遅延構成要素を含む光学遅延回路。
【請求項２７】
請求項１から６のいずれか１項において請求される光学アセンブリを含む電磁誘導透過構成要素。
【請求項２８】
制御ビーム発生器およびプローブビーム発生器、および請求項２７において請求される構成要素内に向けてビームを結合するためのビーム結合器を含む、電磁誘導透過回路。
【請求項２９】
請求項１から６のいずれか１項において請求される光学アセンブリを含む可飽和吸収構成要素。
【請求項３０】
請求項２９において請求される可飽和吸収構成要素を含む可飽和吸収回路。
【請求項３１】
気体セルに試料気体および緩衝気体を充填する、請求項７から１３のいずれか１項において請求される方法。
【請求項３２】
周囲気圧より高い圧力で、気体セルの第１端部のスプライシングに続いて、および気体セルの第２端部のスプライシングに先だって緩衝気体が導入される、請求項３１において請求される方法。
【請求項３３】
緩衝気体が２〜３バール、より好ましくは、約３バールの圧力で導入される、請求項３２において請求される方法。
【請求項３４】
緩衝気体が気体セルの壁を透過可能な、請求項３１から３３のいずれか１項において請求される方法。
【請求項３５】
緩衝気体がヘリウム、キセノン、アルゴンのうちの１種類を含む、請求項３１から３４のいずれか１項において請求される方法。
【請求項３６】
試料気体が原子蒸気を含む、請求項３１から３５のいずれか１項において請求される方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光学アセンブリおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
気相物質、例えば、気体および原子蒸気は、必要不可欠な多くのレーザ関連用途、例えば、高精度周波数測定、量子光学および非線形光学における用途を有する。今日まで、高度な統合性を実用的かつコンパクトな構成で提供しながら、相互作用長の長い（１０メートル台）シングル横モードの気体セルを生み出すに適した技術が存在しなかったことは、気相物質の潜在的可能性がほとんど実現できていなかったことを意味している。
【０００３】
この問題に対する見込みのある解決法の１つが、Ｓ．  Ｋｎａｐｐｅ，  Ｖ．  Ｖｅｌｉｃｈａｎｓｋｙ，  Ｈ．Ｇ．  Ｒｏｂｉｎｓｏｎ，＆  Ｌ．  Ｈｏｌｂｅｒｇ （Ｊｕｎｅ，  ２００３）“Ｃｏｍｐａｃｔ  ａｔｏｍｉｃ  ｖａｐｏｕｒ  ｃｅｌｌｓ  ｆａｂｒｉｃａｔｅｄ  ｂｙ  ｌａｓｅｒ−ｉｎｄｕｃｅｄ  ｈｅａｔｉｎｇ  ｏｆ  ｈｏｌｌｏｗ−ｃｏｒｅ  ｇｌａｓｓ  ｆｉｂｒｅｓ”，  Ｒｅｖｉｅｗ  ｏｆ  Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ，  ｖｏｌｕｍｅ  ７６，  ｎｕｍｂｅｒ  ６．に記載されている。著者らは、高度に小型化された原子時計および磁力計に応用するための原子蒸気セルの製造方法を記載している。これらの蒸気セルは比較的高い信号対雑音比を示し、周波数変調のような用途に用いることができる。しかしながら、これらのセルの内径は比較的大きく（１ｍｍ）、非常に短い長さ（５ｃｍ）のみが示されている。これらの原子蒸気セルからの単位長さあたりの光パワー損失もまた、それらを効果的な光学的導波管として用いるには大きすぎる。
【０００４】
Ｆ．  Ｂｅｎａｂｉｄ，  Ｊ．Ｃ．  Ｋｎｉｇｈｔ，  Ｇ．  Ａｎｔｏｎｏｐｏｕｌｏｓ  ＆  Ｐ．  Ｓｔ．  Ｊ．  Ｒｕｓｓｅｌｌ  （Ｂｅｎａｂｉｄ  ｅｔ  ａｌ）（１１  Ｏｃｔｏｂｅｒ，  ２００２），“Ｓｔｉｍｕｌａｔｅｄ  Ｒａｍａｎ  Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ  ｉｎ  Ｈｙｄｒｏｇｅｎ−Ｆｉｌｌｅｄ  Ｈｏｌｌｏｗ−Ｃｏｒｅ  Ｐｈｏｔｏｎｉｃ  Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｆｉｂｒｅ”，  Ｓｃｉｅｎｃｅ，  ｖｏｌｕｍｅ  ２９８．は、内径が１５μｍ以下のファイバに水素を充填できたことを示す。ここで用いたファイバの長さは約１ｍであり、単位長さあたりの光パワー損失が非常に低いことを示している。しかしながら、この実験は、扱い難い気体供給チェンバを各ファイバの端部で使用している。
【発明の開示】
【発明の効果】
【０００５】
本発明は請求の範囲に提示される。光ファイバ部へ気体セルを隣接して取り付けることにより、セルの十分な密封が保証され、また、ひとたび気体セルが充填されると、セル両端の扱い難い気体供給チェンバを維持する必要がなくなる。光ファイバ内での一体化は気体セルをコンパクトかつ携帯可能なものとする。本発明はまた、気体セルを、光ファイバの１部品として市販されているレーザ、位相変調器、出力減衰器、アイソレータ、ブラッグ・グレーティングおよびビームスプリッタのような装置内に容易に組み込むことを可能にする。
【０００６】
図面の詳細な説明
図１を参照すると、装置がより詳細に示されている。光学アセンブリ（１）は、統合され、かつ光学的に連続な光ファイバを提供するよう、第１（３）および第２（４）端部でそれぞれの光ファイバの一部（５）に隣接して取り付けた気体セル（２）を含む。
【０００７】
したがって、この配置は、光学挿入損失の少ない、密封され、安定で、携帯可能で、コンパクトで、かつ効率的な光ファイバ気体セルを提供する。
【０００８】
気体セル（２）は、目的とする用途に応じ、水素およびアセチレンを含む、気体もしくは原子蒸気の群の１以上を収容する。気相物質は、多くのレーザ関連用途を有し、以下でより詳細に説明されるように、本発明をラマン散乱およびレーザ周波数安定化のような工程において用いることを可能にする。気体セル（２）は光ファイバ部（５）に組み込まれることによりコンパクトな内蔵型となり、他のいかなる機器も必要とせず実用化され得る。
【０００９】
気体セル（２）は、図２に示される、熟練読者にはよく知られた任意適切な材料、例えばバンドギャップファイバとしても知られる中空コアフォトニック結晶ファイバ（ＨＣ−ＰＣＦ）、エアガイディング・バンドギャップファイバ、もしくは微細構造ファイバから製造してもよい。ＨＣ−ＰＣＦでは、中空コア（２１）はフォトニックバンドギャップ（ＰＢＧ）を作り出すシリカマイクロキャピラリのクラッド（２２）に囲まれ、光はコア内に捕捉され、それ故に空のコア内に光を導く独自の能力を有する特殊光ファイバ（導波管）として機能する。直径の上限は原理上存在しないものの、物理的には、外径が約１２５〜２００μｍであり、かつコア径が５μｍから２０μｍの範囲にあるファイバである。キャピラリのシリカウェブの厚さは、数百ｎｍ（典型的には３００ｎｍ〜５００ｎｍ）にすぎない。
【００１０】
光ファイバ部（５）は、シリカシングルモードファイバ（ＳＭＦ）のような任意適切な公知のタイプの光ファイバから形成できる。光ファイバおよび気体セルは、好ましくは、近似的に屈折率が一致し、かつほぼ同じモードフィールド径を有する。例えば、アセチレンセルは、１５５０ｎｍを中心とするガイダンスバンドを有し、かつ損失が１８ｄＢ／ｋｍのＨＣ−ＰＣＦから製造される。一態様において、水素セルは、１０６４ｎｍを中心とするガイダンスバンドを有し、かつ透過損失が６０〜７０ｄＢ／ｋｍであるＨＣ−ＰＣＦから製造される。いずれの場合も、スプライス損失は１〜２ｄＢである。
【００１１】
気体セル（２）はスプライシング技術を用いて光ファイバ部（５）に取り付けられる。この工程には、商業的に公知の任意適切なスプライシング装置、例えば、Ｖｙｔｒａｎ社の開発したＶｙｔｒａｎ  ＦＦＳ−２０００−ＰＭのような熱フィラメント融着装置、もしくは放電スプライサを用いてもよい。スプライシング装置は、いかなる損傷をも生じることなしに気体セル（２）を光ファイバ部（５）に封着でき、かつ８０バールの圧力までの封着が可能であるため、高圧気体のセル封入が可能となる。
【００１２】
気体セル（２）が１種類以上の気体、例えば、水素もしくはアセチレンで充填され、かつ光ファイバ内で一体化されている光学アセンブリ（１）を作成することが望ましい。このような工程の第１段階は、気体セル（２）の第１端部（３）を光ファイバ部（５）に融着スプライスすることである。スプライシング領域はアルゴンガスによって連続的にパージし、フィラメントの燃焼を停止させる。これは固体の沈着および水の凝結によるスプライスの汚染を防止し、かつ可燃性気体、例えば、水素およびアセチレン、の燃焼をも防止する。高充填圧に対しては、熱硬化性接着剤を用いることによりスプライスを強固にできる。図３に示されるように、気体セル（２）および光ファイバ部（５）はほぼ同じ外径（ｄ）のものであり、かつスプライシング工程の開始前に正しく並べることが好ましい。
【００１３】
気体セル（２）内に収容される気体が純粋であることが重要である用途については、ここで気体セル（２）の排気を行う。これは図４に示される装置を用いて成し遂げられる。気体セル（２）の第２端部（４）を気体チェンバ（４１）に接続し、次にそれを気体導入口（４３）を介して真空ポンプ（４２）に接続する。使用する気体導入口（４３）および真空ポンプ（４２）は、公知の任意適切な種類のものでよい。排気処理は約１０−２ｍトルの圧力で数時間にわたって行う。
【００１４】
気体セル（２）が望ましい真空レベルまで排気された後、気体チェンバ（４１）を介し、任意適切な公知の方法を用いて気体を充填する。気体セル（２）は、セル（２）内が望ましい気圧に到達するまで、例えば、アセチレンでは１０−２ミリバールから５００ミリバール、水素セルでは５バールから１０バールの範囲の（スプライシング前）気体充填圧で、気体チェンバ（４１）につないだままにする。圧力は任意適切な方法、例えば、ＨＣ−ＰＣＦコアと同じ直径の管に沿った理想気体の粘性流動モデルを用いた推論により決定する。充填工程完了後、例えば、モデルから導かれる予想充填時間経過後、気体セル（２）の第２端部（４）を気体チェンバ（４１）からはずし、上述したスプライシング装置を用いて光ファイバ部（５）に取り付ける。
【００１５】
図１０は、充填および排気のために、ＨＣ−ＰＣＦのようなファイバを保持するよう特別に作成した気体チェンバ（４１）を示す。気体チェンバ（４１）は、溝付きクランプナット（１１２）により気体チェンバ（４１）本体に固定したＴ型ファイバホルダ（１１０）を含む。図１１はそのＴ型ファイバホルダ（１１０）をより詳細に示す。これは、キャップ（１２２）およびファイバを所定の位置に保持するロッド（１２０）を含み、これらは小型のＯリングジョイント（１２４）を介して互いに取り付けられる。気体チェンバ（４１）は、さらに、ウィンドウ（１１４）、圧力測定用の導入口（１１６）、ならびに気体および／または真空負荷のための導入口（１１８）を含む。気体チェンバ（４１）は、周囲環境からのチェンバの密封を保持しながら、ファイバをそれに取り付け、もしくはそれから取り外すことができるよう設計される。
【００１６】
充填した気体セル（２）の気体チェンバ（４１）からの取り外しからスプライシング工程完了までに要する時間は約２〜５分である。この間、気体セル（２）と周囲雰囲気との間で気体交換が起こり得る。このプロセスは、気体セル（２）内に制限を設けることにより減速できる。この制限を生み出す可能な方法の１つが図５に示され、それにより、気体セル（２）はクランピング装置（５０）の溝（５１）の中に配置される。溝（５１）は気体セル（２）の壁を互いに押し付け合い、その断面積を減少させて出入りする気体の流量を制限する。
【００１７】
図６および図７を参照して、上述した光学アセンブリ（１）を作成するためのスプライシングおよび充填のまた別の配置を用いることができる。まず、気体セル（２）の第１端部（３）および第２端部（４）をいずれも気体チェンバ（４１）に接続する。次に、気体セル（２）を、公知の方法により適当な時間にわたって充填する。充填工程完了後、熱「クランプ」（７１）および（７２）を、それぞれ第１端部（３）および第２端部（４）に近い位置で、気体セル（２）に適用する。ここで、任意適当な方法により、クランプ（７１）を加熱し、かつクランプ（７２）を冷却する。これは、気体セル内のクランプ（７２）に近い位置に、局所的に圧力の高い領域を生み出す。ここで、気体セル（２）の第２端部（４）の気体チェンバ（４１）を取り外し、上述した方法で、第２端部（４）を光ファイバ部（５）にスプライスさせる。続いてこの工程を第１端部（３）のために逆に行うことができ、その後クランプを取り外す。各々の端部について、気体チェンバ（４１）からの取り外しからスプライシング工程完了までの間、気体セル（２）内部の圧力は気体セル（２）からの気体漏出を最小限に止めるものでなければならない。図４を参照して上述した態様における気体流量制御にも、これらの熱クランプを同様に使用できることは、理解されるであろう。
【００１８】
本発明からの光パワー損失は、装置内で用いられる中空コアＰＣＦに依存し、３ｄＢ／ｋｍ以下まで低下し得る。したがって、これを長距離にわたる導波管として用いることが可能である。理論上、開発可能な長さにも面積にも限度はない。加えて、その光学的安定性のため、長い光学アセンブリ（１）を巻いてチップとし、よりコンパクトかつ携帯可能なものとしてもよい。さらに、導波管で利用可能な、際立った長さおよび小さな直径により、操作効率の改善が達成される。
【００１９】
本発明は幾つかのレーザ関連装置に組み込むことが可能であり、例えば、誘導ラマン散乱（ＳＲＳ）装置において用いてもよい。ＳＲＳはこれに関連してＢｅｎａｂｉｄらに記載されており、これは参照によりここに組み込まれる。ＳＲＳは２光子非弾性光散乱プロセスであり、それによると入射光子（ポンプ）がラマン媒体のコヒーレント励起状態と相互作用し、結果として、周波数下方変換（ストークス）もしくは上方変換（反ストークス）光子が放射される。ＳＲＳは効率的なレーザ周波数変換および高解像度分光法を提供するための理想的な方法である。しかしながら、最近まで、合理的な周波数変換効率を達成するには高パワーレーザ（≧ＭＷ）が必要であり、非線形光学および技術におけるＳＲＳの潜在的用途が著しく制限されていた。従来、気体−ＳＲＳの閾値パワー（ストークスへの〜１−２％変換を達成するのに必要とされるポンプパワー）は、マルチパスセルもしくは共振高精細Ｆａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔ空洞を用いることにより低減されてきた。これらのアプローチの限界には、閾値の低下が制限され、装置が大きく、ストークスへの変換が乏しいままであることが含まれる。
【００２０】
これらの問題に対する可能性のある解決法として、Ｂｅｎａｂｉｄらは、ラマン活性気体を充填した中空コアフォトニック結晶ファイバを用いた、ＳＲＳを起こすための別のアプローチを提案している。これは、長年にわたるＳＲＳの強力なレーザへの依存を取り除き、それにより、このアプローチを効率的なＳＲＳ生成の理想的な方法としている。“Ｕｌｔｒａ−ｈｉｇｈ  ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ  ｌａｓｅｒ  ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ  ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ  ｉｎ  ｇａｓ−ｆｉｌｌｅｄ  ｈｏｌｌｏｗ  ｃｏｒｅ  ｐｈｏｔｏｎｉｃ  ｃｒｙｓｔａｌ  ｆｉｂｒｅ  ｂｙ  ｐｕｒｅ  ｓｔｉｍｕｌａｔｅｄ  ｒｏｔａｔｉｏｎａｌ  Ｒａｍａｎ  ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ  ｉｎ  ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  ｈｙｄｒｏｇｅｎ”，  ＰＲＬ，  ｖｏｌｕｍｅ  ９３，  ｉｓｓｕｅ  １２，  ｐａｇｅ  １２３９０３において、同じ著者らは、〜７μｍの内径を有する長さ３５ｍのファイバを用いることにより、誘導ラマン散乱（ＳＲＳ）生成に必要とされるパワーを１００万分の１に低下できることも示した。しかしながら、いずれの場合においても、ファイバの端部で扱い難い気体供給チェンバを用いることが必要であった。
【００２１】
本発明を含む、Ｂｅｎａｂｉｄらを越える改善されたＳＲＳ装置を図８に示す。気体セル（２）は１５μｍのコア径を有し、いずれの端部も光ファイバ（５）にスプライスされ、かつ上述の方法で水素ガスが充填されている。気体セル（２）は、波長１０４７ｎｍで作動し、パルス幅６ｎｓから５０ｎｓの範囲で同調可能であり、かつビーム（８０）を生じる、Ｑスイッチシングルモード周波数二倍化Ｎｄ：ＹＶＯ４レーザ（図示せず）でポンピングされる。コンパクト性、統合性および携帯性改善のため、選択するレーザ源はピッグテールレーザもしくはファイバレーザのいずれかであり得る。
【００２２】
カップリング効率最適化のため減光フィルタおよび望遠鏡（図示せず）を通過した後、レーザビーム（８０）は５０／５０ビームスプリッタ（８２）で２つに分割される。一方のビームは安定化／較正の目的でパワーメータ（８１）へ送られ、第２のビームは対物レンズ（８３）を用いて気体セル（２）の最低次空気誘導モードとカップリングされる。用いるレーザがピッグテールもしくはファイバレーザのいずれかである場合、対物レンズ（８３）をこの構成から省略できる。気体セル（２）から放射される光は第２対物レンズ（８３）を通過した後、２つのビームに分割される。一方は、合計透過出力を監視する光学スペクトルアナライザ（８４）もしくは高速光検出器（８５）のいずれかに送られる。他方は一組の較正済み高速光検出器（８６）に送られ、その手前には、ポンプ、ストークスおよび反ストークス信号を分離する、適当な１０ｎｍバンドパスカラーフィルタ（８７）が配置される。この構成により、生成したストークスおよび反ストークス信号を、ポンプパワー、相互作用長、および気体圧力の関数として迅速に特徴付けることができる。加えて、この装置により低いピークパワーで生成したスペクトルが豊富であることから、ＳＲＳ装置における本発明が、Ｂｅｎａｂｉｄらに記載されるものよりも顕著にかさばらない構成において、非常に効果的であることが示される。
【００２３】
本発明はまた、レーザ周波数測定もしくは安定化システムの一部としても試験されている。正確かつ安定なレーザ周波数は、様々な用途、例えば、高解像度分光法、基礎物理定数の測定、原子物理および量子光学に必要とされる。光遠距離通信はまた別の分野であるが、ここでは、波長分割多重化および逆多重化（ＷＤＭ）システムにおいてチャンネル数を充実させるため、波長の精度および安定性がより必要となってきている。自励半導体レーザシステム、例えば、拡張空洞共振器ダイオードレーザ（ＥＣＤＬ）、の線幅減少において進歩があったにもかかわらず、長期的に見た周波数の不安定性およびドリフトのような問題が依然として残る。自励レーザの精度と長期周波数安定をいずれも保証するため、レーザ周波数は、通常、光周波数基準に固定される。これは、シングル周波数レーザと周波数安定化用の基準として適当な吸収線を示す原子もしくは分子の集合との相互作用から構成される。レーザ周波数をその共振の全域に同調させるとき、そのパワーの一部がレーザ放射から吸収体に移り、吸収特性がレーザ周波数の関数として検出される。安定化回路はこの吸収信号をエラー信号に変換し、これは次にレーザ周波数を吸収線の所定の位置に保持するのに用いられる。基準線の性能はその基準周波数の安定性および再現性によって決定され、言い換えると、それらは（ａ）高品質因子；Ｑ＝ν／Δν（式中、νはキャリア周波数であり、Δνは基準線の線幅である）（ｂ）外部攪乱（例えば、温度、歪みおよび圧力）に対する弱い依存によって決定される。さらに、絶対的かつ信頼のおけるレーザ周波数安定化には、第２の独立した周波数標準が必要である。今日まで、そのようなシステムは非常に複雑であり、かつ多くの空間を必要としていた。
【００２４】
図９はレーザ周波数固定システムに組み込まれた本発明を示す。市販のチューナブルＥＣＤＬ（９１）からのレーザビームを、アイソレータ（９２）、２つのカプラ（９３）、および上述のタイプのアセチレン充填中空フォトニック結晶ファイバ（ＨＣ−ＰＣＦ）（９４）気体セルからなる全ファイバシステムとカップリングさせる。アイソレータ（９２）を通過した後、レーザ出力は２つのカプラ（９３）により３本のビームに分割される。第１の固定化ビーム（９５）は、アセチレン充填ＨＣ−ＰＣＦ（９４）を通過した後、光検出器（９６）で検出される。第２の参照ビーム（９７）は、同じ検出器（９８）で検出される。これらの固定化（９５）および参照（９７）ビームの信号は差動アンプ（９９）を通過してレーザ強度変動の影響を減少させた後、固定化回路ユニット（１０３）に送られる。固定化に先立ち、まず、光学スペクトルアナライザ（１０２）で波長値を観察し、かつ、例えば、オシロスコープ（１０４）もしくはＲＦスペクトルアナライザを用いて動作を監視しながら、レーザ回折グレーティングおよび圧電トランスデューサ（ＰＺＴ）もしくは他の任意適当なコレクタを調整することによりレーザの波長を望ましい吸収線に同調させる。その後、第２のＨＣ−ＰＣＦ系アセチレンセルからなる独立した周波数弁別器（１０１）に送られる第３のループ外ビーム（１００）により、レーザ周波数の絶対的安定性を独立に試験する。このように、レーザ安定化の制御および監視は完全ファイバベースシステムを用いて行われる。
【００２５】
図９のシステムは、レーザ周波数を別のアセチレン吸収線に固定するために利用できることが示されている。アセチレンは、光通信波長用の優れた周波数基準源を提供するため、充填気体として有用な選択肢である。しかしながら、このシステムで別の周波数を有する気体もしくは原子蒸気、例えば、ヨウ素、ルビジウムもしくは二酸化炭素等を容易に用いることができることは理解されるであろう。このようなシステムにおいてＨＣ−ＰＣＦを使用することにより、信号対雑音比がこれまでになく改善され、可視および近赤外における倍音吸収をレーザ周波数計測に利用しやすくしていることも示されているが、このようなシステムにおいては、導波管として作用する任意の気体セルを使用可能であることがさらに理解される。
【００２６】
さらなるアプローチにおいては、低圧用には、緩衝気体を用いることができる。この場合、最初に、気体セルの第１端部を光ファイバ部に融着スプライスし、かつ試料気体で充填している図４に関連して上述したような、充填工程が行われる。次の工程では、環境の排気を行い、活性気体もしくは試料気体を望ましい圧力にする。その後、緩衝気体を、例えば２〜３バールで、注入する。次に、環境を周囲圧力と同じにし、気体セルの自由端部を開放空気中でスプライスできる。その後、気体セルを再度真空中に置き、緩衝気体を除去できる。
【００２７】
高圧での緩衝気体の特殊な使用においては、毛管特性により、典型的には３〜５分間程度、緩衝気体が気体セル内に留まるため、最後のスプライシング工程を環境気圧下で行うことが可能となる。しかしながら、緩衝気体は気体セル壁に透過性であるよう選択されるため、完全にスプライスしたセルを真空中に置く最終工程は緩衝気体の透過を促進し、したがって、工程は加速され、活性気体もしくは試料気体のみがセル内に留まる。
【００２８】
好ましいアプローチの１つにおいて、活性気体との反応性がなく、かつシリカに高い透過性を有する任意適当な気体を選択できることは理解されるであろうが、緩衝気体は、例えば、ヘリウム、キセノンもしくはアルゴンを含む。例えば、この選択は特定のＨＣＦ材料に依存してもよい。活性気体は、例えば、アセチレンを含んでもよい。
【００２９】
このシステムの可能な実施の１つは、上で説明され、かつ以下でより詳細に説明するレーザ周波数安定化性にある。この場合、活性気体は、好ましくは、極端に狭いスペクトル線をもたらす非常に低圧の原子蒸気である。活性気体は、例えば、ルビジウムの金属気化によって得てもよい。この場合、緩衝気体の供給は、低圧操作を可能にすることに加えて高度な反応性を有する原子蒸気から保護し、かつ外へ透過して低圧原子蒸気のみを残す。
【００３０】
この配置のさらなる可能な実施は、図１２を参照してさらに理解することができるが、ここではいわゆる「スローライト」を用いて光学的分岐間に遅延を導入させる配置が示される。このシステムによると、入射光１２００は、例えば、半銀鏡１２０２によって非遅延成分１２０４および遅延成分１２０６に分割される。遅延成分は、例えばファイバ光チャンネルにより、極低圧の活性気体を含む、上述したタイプの気体セル、参照１２０８に搬送される。公知のように、適切なチューニングにより、気体セルはそれを通過する光に伝搬遅延を有効に導入できる。光は、例えば、後続の半銀鏡１２１０で再結合され、遅延部と非遅延部間の遅延の効果は適宜監視できる。
【００３１】
このような低圧構成の別の可能な実施において、電磁誘起透過（ＥＩＴ）を実現できる。ＥＩＴは量子光学における重要な発展を構成するが、密閉した気体の極低圧力／高真空範囲値を必要とする。
【００３２】
ＥＩＴは、制御レーザ、周波数が他の点で吸収転移に近いプローブレーザによって励振される媒体で、その吸収プロフィールの中心に透明な狭い窓が現れる効果を含む。この効果は、２つのレーザ場の組み合わせが、１つの３準位系を、よりエネルギー状態の低い２つのコヒーレントスーパーポジジョン状態に励起するコヒーレント・ポピュレーション・トラッピングに基づく。このような場合、量子系は両状態を位相固定方式で同時に占有でき、２つの考え得る光の経路が互いに干渉し打ち消し合う。この破壊的量子干渉の最終結果は、励起状態に移る原子もしくは分子がなく、それが無視できるほど小さい光吸収につながるというものである。加えて、この透過性は分散の非常に急峻な変化を伴う。この効果は、例えば、超スローライト、光保存、レーザ冷却、非線形光学および原子時計において利用可能である。
【００３３】
ＥＩＴを起こすための装置が図１３に示され、これはそれぞれのビームが第１および第２偏光子１３０４、１０３６を通過する制御レーザ１３００およびプローブレーザ１３０２を含む。これらのビームは鏡１３０８、１３１０によって再結合された後、アセチレン充填ＨＣ−ＰＣＦセル１３１２を通過する。その後、ビームはさらなる偏光子１３１４を通過し、任意適当な出力となる。
【００３４】
制御ビームは、約５００ｍＷで、例えば１Ｗエルビウムドープファイバ増幅器により増幅された、任意適当な市販のチューナブル外部空洞ダイオードレーザにより提供され、アセチレンの倍音帯のＰ分岐において吸収線Ｐ（Ｊ＋１）と共振する。プローブレーザ１３０２は、Ｒ分岐における吸収線Ｒ（Ｊ＋１）もしくはＲ（Ｊ−１）のいずれかの付近で同調する第２のチューナブル外部空洞ダイオードレーザにより、約２００μＷのプローブビームを搬送する。それぞれのビームは偏光子１３０４、１３０６により交差偏光され、ＨＣ−ＰＣＦ１３１２の出力において制御ビームは、偏光子１３１２もしくはプローブビームを透過させて検出されるままにする別の適当な干渉フィルタによりノイズ除去される。プローブ吸収線の透過プロフィールはプローブレーザの周波数を、例えば、約１ＧＨｚのスパンバンド幅を与える圧電トランスデューサを駆動し、掃引することにより生成する。セル１３１２において、ファイバは１５５０ｎｍを中心とするガイダンスバンドを有し、かつ２０μｍのコア径を有する。より大きなコアの選択は、気体がコア壁と衝突する率を減少させ、あらゆるディコヒーレンス源を減少させる必要性により動機付けられる。このアプローチにより、ＥＩＴを観察することができる。
【００３５】
図１４を参照すると、アセチレン充填ＨＣ−ＰＣＲを含む、ここで説明するタイプのセルを用いて、可飽和吸収も観察できることが理解されるであろう。この構成においては、制御およびプロービームはいずれも、上述のタイプの増幅外部空洞ダイオードレーザ、参照番号１４００により搬送される。レーザ１４００は、アセチレン倍音帯の吸収線付近で同調する。ビームは約１ワットであり、５０／５０スプリッタ、例えば、半銀鏡１４０２により分割され、気体セルを通して逆伝搬する２本のビームをもたらす。一方のビームは鏡１４０４に偏向され、偏光子１４０６を通過した後、第１方向のセル１４１２に進入する。非偏向ビームはスプリッタ１４０２および偏光子１４１４を通過して気体セルの他端に入る。さらなる偏光子およびサーキュレータ１４１６がセル１４１２の出力端で選択されたビーム用に用意され、第２のサーキュレータ１４１８が気体セル１４１２の出力端で非偏向ビーム用に用意される。プローブ信号出力は第１構成要素１４１６から、監視出力は第２構成要素１４１８から得られる。結果として、逆伝搬するビームの偏光はこれらの偏光子により制御され、気体セルの両端にサーキュレータ（１４１８、１４１６）を与えることにより、セル１４１２を通して逆伝搬するビームがサーキュレータの出力で検出され得ず、かつレーザシステムに戻ってカップリングされることがないことを保証する。気体セルスプライスの一方は、典型的には、他方よりも損失が大きく、これにより、逆伝搬するビームの一方が他方よりも確実に弱いことになる。高損失スプライスによりセルにカップリングされるビームは弱いプローブ場として用いられ、適宜検出できる。
【００３６】
本発明を用いることができる用途が上述のものに限定されないことは理解されるであろう。このような効率的な気体充填ファイバが小型の装置、例えば、原子タイマの開発を可能にすることが提示される。この技術は、小型レーザ色変換装置と同様、中心波長の位置に関する制限なしに、可変連続波／モード固定パルスフェムト秒レーザの開発を可能とするためにも使用できる。
【００３７】
気体セル材料は中空フォトニック結晶ファイバに限定されるものではなく、導波管として作用する任意適当な気体セルを使用してよい。光ファイバ部の材料はシングルモードファイバに限定されるものではなく、適切であれば、自由な空間配置と置き換えることができる。この配置はマイクロチップに組み込むことができる。気体セルは任意適当な気体（１種類以上）で、任意適当な手段により充填できる。スプライシングの手順は、任意の公知適当なスプライシング装置を用いて行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
本発明の態様を、例として、以下の図面を参照して説明する。
【図１】光学アセンブリの略側面図である。
【図２】中空コアフォトニック結晶ファイバの断面図である。
【図３】スプライシングのために並べた、気体セルおよび光ファイバの一部の略側面図である。
【図４】本発明の一態様による気体セルを排気するための構成の略側面図である。
【図５】クランプ装置内に配置された気体セルの斜視図である。
【図６】本発明の一態様による気体セルを充填するための構成の側面図である。
【図７】図６の気体セルをクランプするための構成の側面図である。
【図８】ＳＲＳ装置内に組み込まれた光学アセンブリを示すブロック図である。
【図９】レーザ周波数固定システム内に組み込まれた光学アセンブリを示すブロック図である。
【図１０】気体セルの充填および／または排気に用いる気体チェンバの略側面図である。
【図１１】図１０の気体チェンバ内に組み込まれたＴ型ホルダの分解側面図である。
【図１２】光学遅延回路の略図である。
【図１３】電磁誘導透過回路の略図である。
【図１４】可飽和吸収回路の略図である。
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【国際調査報告】
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