(57)【要約】  ラマン・システムにおいて、一次レーザ源が初期波長のレーザ光を放出し、シード源が多波長のシード・レーザ光を放出する。シード波長は、一次レーザ光のそれぞれのストークス次数に対応する。一次レーザ光およびシード・レーザ光は結合され、ラマン利得媒体に送り込まれる。誘導ラマン散乱（ＳＲＳ）により、一次レーザ光は選択された目標波長のレーザ光に変換される。一次光源のシーディングが変換プロセスを媒介する。変換効率の増加が、自発ラマン散乱に基づく手法と比較して、説明される手法のより低い利得条件および方向性から生じる。
2014532894.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ラマン利得媒体と、
初期波長の一次レーザ光を放出するための一次レーザ源と、
前記ラマン利得媒体中の前記一次レーザ光によって発生される一連のストークス次数に対応する複数のシード波長を含む多波長のシード・レーザ光を放出するためのシード源であって、前記一連のストークス次数が、１つまたは複数の中間ストークス次数と、選択された目標波長の最終ストークス次数とを含む、シード源と、
前記一次レーザ光と前記シード・レーザ光とを結合レーザ光に結合し、前記結合レーザ光を入力として前記ラマン利得媒体に供給するための結合手段であって、
前記結合レーザ光の前記一次レーザ光の成分および前記シード・レーザ光の成分が、主要な前記ラマン利得媒体内で、前記中間ストークス次数の各々および前記最終ストークス次数でカスケード誘導ラマン散乱を生成するのに十分な強度を有し、
それによって、前記初期波長の前記一次レーザ光が前記目標波長のシステム出力レーザ光に変換される、結合手段と
を含む、光発生および増幅システム。
【請求項２】
前記結合手段が、前記一次レーザ源、前記シード源、および前記ラマン利得媒体に接続された波長分割マルチプレクサを含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記結合手段が、前記一次レーザ源、前記シード源、および前記ラマン利得媒体に接続されたファイバ・カプラを含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記シード源が、ポンプ・レーザ光を入力として受け取り、前記シード波長に対応する一連のストークス次数を含むレーザ光出力を発生させるためのカスケード・ラマン共振器（ＣＲＲ）を含む補助ラマン・レーザを含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記ＣＲＲへの前記ポンプ・レーザ光入力が前記一次レーザ光の一部分を含む、請求項４に記載のシステム。
【請求項６】
前記主要なラマン利得媒体がラマン・ファイバである、請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
前記低パワー・レーザ光シード源および高パワー・ファイバ・レーザが偏波レーザであり、前記ラマン利得ファイバが偏波保持ラマン・ファイバであり、その結果、前記システムが出力として前記目標波長の偏波レーザ光を発生する、請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
前記シード源が、前記一次レーザ光のパルス増幅を行うようにパルス化される、請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
前記シード源が、狭線幅ポンプ・レーザとカスケード・ラマン共振器（ＣＲＲ）とを含むラマン・レーザを含み、前記システムが出力として前記目標波長の狭線幅レーザ光を供給す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】
前記シード源は、各々が１つまたは複数のそれぞれのシード波長を備える複数のレーザ源を含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項１１】
前記シード源がチューニング機能を備えるように構成され、それによって、１つまたは複数のシード波長がチューニング可能であり、
前記システムの出力波長が、１つまたは複数のシード波長をチューニングすることによってチューニング可能である、請求項１に記載のシステム。
【請求項１２】
前記シード源が、前記一次レーザ源の前記中間ストークス次数および前記最終ストークス次数のすべてよりも少数に対応する複数のシード波長を備え、それによって、１つまたは複数のシード波長の間隙をもたらすように構成され、
前記１つまたは複数のシード波長の間隙が、前記主要なラマン利得媒体内の自発ラマン散乱によって充填される、請求項１に記載のシステム。
【請求項１３】
１つまたは複数のシード波長が、前記シード源から前記一次レーザ源のレーザ・キャビティに直接注入され、それによって、結合器損失を低減する、請求項１に記載のシステム。
【請求項１４】
前記シード源が、多波長のシステム出力を可能にするように異なるそれぞれの組のシード波長を備える複数のシード・レーザを含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項１５】
前記シード・レーザが、前記システム出力の個々の波長に選択可能なパワー・レベルを与えるように個々に選択可能な出力を供給するように構成される、請求項１４に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、本出願の譲受人によって所有され、全体が参照により本明細書に組み込まれる、２０１１年１０月１９日に出願された米国仮特許出願第６１／５４８，９６９号の優先権の利益を主張する。
【０００２】
本発明は一般に光ファイバ・デバイスおよびシステムに関し、特に、改善されたカスケード・ラマン・レージング・システムに関する。
【背景技術】
【０００３】
ラマン・レージング・システムは、第１の波長のレーザ光を第２のより長い波長のレーザ光に変換するのに有用なデバイスである。ラマン・レーザの１つの重要な使用法は、希土類元素ファイバ・レーザのために波長変換を行うことである。例えば、典型的なイッテルビウム（Ｙｂ）ファイバ・レーザは１１１７ｎｍの光を放出することができる。しかし、赤外光通信は、通常、エルビウム・ドープ・ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）の増幅範囲に対応するＣバンド、すなわち、１５３０ｎｍ〜１５６５ｎｍで動作する。したがって、ラマン・レーザを使用して、１１１７ｎｍの波長を有するＹｂレーザ放出を、Ｃバンドで動作するＥＤＦＡをポンピングするのに使用することができる１４８０ｎｍの波長を有する高輝度レーザ光に変換することができる。
【０００４】
いくつかの理由のために、ラマン・レージング技術は、産業界でその真価をまだ発揮していない。対処されなければならない１つの重要な問題は効率である。先行技術の最も洗練されたラマン・レーザでさえ、理論的な量子限界よりはるかに低い効率でしか動作することができない。
【０００５】
ラマン・レーザの１つの使用法は、希土類元素イオン利得が利用できない波長、例えば近赤外（ＮＩＲ）波長のレーザ出力を発生させるためのものである。ラマン・レーザは、開始波長から、選択された目標波長への段階的な移行を行う。段階的移行は、好適なラマン利得媒質における１つまたは複数のラマン次数のカスケード・レージングにより生成される。
【０００６】
ラマン利得媒体中でカスケード・レージングを生じさせる１つの方法は、ラマン利得媒体の第１の端部に１組の入力グレーティングを設け、ラマン利得媒体の第２の端部に対応する１組の出力グレーティングを設けることである。個々の入力グレーティングは、入れ子の一連のインライン・グレーティング対を生成するように個々の出力グレーティングに波長整合される。グレーティング対は、入れ子の一連のラマン・キャビティを利得媒体に画定する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許出願第１２／７７７，４６５号
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００８】
これらおよび他の問題は本発明によって対処され、本発明の態様は、先行技術の構成と比較して変換効率が著しく増加するカスケード・ラマン・レージング・システムならびに関連する構造および技法に関する。
【０００９】
例示的なシステムにおいて、パワー源は初期波長の一次レーザ光を放出し、シード源は、各々が一次レーザ光のそれぞれのストークス次数に対応する複数のシード波長のシード・レーザ光を放出する。一次レーザ光およびシード・レーザ光は結合され、ラマン利得媒体に送り込まれる。誘導ラマン散乱（ＳＲＳ）により、一次レーザ光は、システム出力として供給される選択された目標波長のレーザ光に変換される。ＳＲＳは、各段が一次レーザ光のそれぞれのストークス次数に対応するカスケードされた一連の段で生じる。システム出力波長、すなわち、目標波長は、カスケードされた一連の段の最終ストークス次数に対応する。
【００１０】
シード入力は、以下のもの、すなわち、連続するストークス次数の各々に対する周波数選択性、一方向の散乱の選択性（自発ラマン散乱は双方向であり、それは、光の半分を後方方向に散乱させることがある）、ある次数から次の次数への完全な変換を達成するのに必要なラマン利得の量の低減（シード源の著しくより高いパワーの結果として、必要とされるラマン利得の量が、自発ラマン散乱におけるような雑音から始まるシステムと比較してより少ない）を含むいくつかの異なる目的に役立つ。これらの理由のため、説明するシステムでは、シード源は重要な構成要素であり、それなしでは変換は非常に困難であるかまたは不可能である。自発ラマン散乱自体は破壊的なプロセスでないが、単独で効率的な波長変換を達成することはできない。
【００１１】
本発明のさらなる態様によれば、シード源は、シード・レーザ光のそれぞれのシード波長成分を供給する一連のストークス次数のレーザ光を発生する補助カスケード・ラマン・レーザを含む。本発明の追加の態様は、いくつかの異なる実施態様およびシステム・トポロジーに関する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１Ａ】先行技術によるカスケード・ラマン・レーザの図である。
【図１Ｂ】図１Ａのラマン・レーザを使用するカスケード・ラマン共振器の図である。
【図２】本発明の一態様によるストークス次数の例示的な組とシード波長との間の対応を示す表である。
【図３】本発明の一態様によるカスケード・ラマン増幅器の構成の図である。
【図３Ａ】図３に示した構成のシード源の代替実施態様を示す図である。
【図３Ｂ】図３に示した構成のシード源の代替実施態様を示す図である。
【図３Ｃ】図３に示した構成のシード源の代替実施態様を示す図である。
【図４】図３の構成を使用するカスケード・ラマン増幅器の図である。
【図５】本発明のさらなる態様による例示的なカスケード・ラマン増幅器の図を示し、一次レーザ源は、主発振器・パワー増幅器（ＭＯＰＡ）構成を有するレーザによって実現される。
【図６】図５のラマン増幅器で行われた試験によって生じた出力スペクトルを示すグラフである。
【図７】図５のラマン増幅器で使用されるラマン・フィルタ・ファイバの損失曲線を例示するグラフである。
【図８】図５のラマン増幅器の目標波長成分の相対的サイズを決定するために行われた試験の結果を示すグラフである。
【図９】線形目盛および対数目盛（挿入図）で図５の出力スペクトルを示すグラフである。
【図１０】本発明および初期の従来の方式による例示的な１１７５ｎｍから１４８０ｎｍへのシステムの効率を比較する図１１と対をなすグラフである。
【図１１】本発明および初期の従来の方式による例示的な１１７５ｎｍから１４８０ｎｍへのシステムの効率を比較する図１０と対をなすグラフである。
【図１２】本発明のさらなる態様による例示的な構成の図であり、Ｙｂドープ・ファイバ・バンドで動作するレーザを使用して、外部信号源からのＣバンド伝送を増幅する。
【図１３】本発明のさらなる態様によるハイブリッド構成の図であり、初期波長から目標波長への変換が複数のシーディング段で行われる。
【図１４】本発明のさらなる態様による構成の図を示し、出力パワーのさらなるパワー拡大化が複数の段にわたって行われる。
【図１５】本発明のさらなる態様による一般的なラマン増幅技法を示す流れ図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明の態様は、「多波長媒介カスケード・ラマン増幅器」ならびに関連する構造および技法に関する。以下でおよび添付図面で説明するように、本発明は、パワー源からの一次レーザ光とシード源からの多波長シード・レーザ光とを含む結合光入力をラマン利得媒体に送り込むことによってラマン・レージング・システムの変換効率を増加させる。以下で論じるように、個々のシード波長は、一次レーザ光のそれぞれのストークス次数に対応し、ほとんどまたはまったく自発ラマン散乱なしに利得媒体内の一次レーザ光のカスケード誘導ラマン散乱をもたらすように構成される。以下でさらに論じるように、説明する構成は変換効率の著しい増加をもたらす。
【００１４】
本明細書で使用する「ラマン・システム」という用語は、ラマン増幅器、ラマン・レーザ、および共振媒体が、入力光の１つまたは複数のストークス次数での誘導ラマン散乱によって光パワーを入力波長の光からより長い目標波長の光に移すのに使用される他の光デバイスまたはシステムを総称的に参照する。
【００１５】
「ラマン利得媒体」という用語は、ラマン・ファイバ、ラマン・フィルタ・ファイバ、およびラマン・システムで使用するのに好適な他の媒体を総称的に参照する。
【００１６】
「ラマン・ファイバ」という用語は、効率的なラマン利得を与える光ファイバを総称的に参照する。一般に、ラマン・ファイバは高屈折率コアと小さい実効面積とを有する。
【００１７】
「ラマン・フィルタ・ファイバ」という用語は、特定のカットオフ波長よりも長い光の波長をフィルタ処理するように構成されたラマン・ファイバを総称的に参照する。ラマン・フィルタ・ファイバの１つの例は、本出願の譲受人によって所有され、全体が参照により本明細書に組み込まれる米国特許出願第１２／７７７，４６５号に記載されている。
【００１８】
「ラマン・ファイバ」および「ラマン・フィルタ・ファイバ」という用語は、損失低減、偏波の維持、ブリルアン散乱の抑制などのような追加の所望の機能または機能の組合せを備えるように構成されたラマン・ファイバおよびラマン・フィルタ・ファイバを含む。
【００１９】
以下の説明では、本発明の態様は、レーザ光を１１１７ｎｍの初期波長から１４８０ｎｍの目標波長に変換する状況で提示される。上記のように、レーザ光の１１１７ｎｍから１４８０ｎｍへの変換は、通常、１１１７ｎｍの出力波長を有するＹｂファイバ・レーザが、Ｃバンドで動作するエルビウム・ドープ・ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）のための１４８０ｎｍのポンプ光を供給できるようにするために使用される。本発明は、他のタイプの波長変換を行うような他の状況で実践することができることが理解されよう。
【００２０】
本記述は以下の節に分けられる。
１．従来のカスケード・ラマン・レーザの構成
２．新しい構成
２．１  一次レーザ源
２．２  シード源
２．３  結合器
２．４  ラマン利得媒体
３．実験的立証
３．１  実験セットアップ
３．２  結果
４．本発明のさらなる実践
５．一般的な技法
【００２１】
１．従来のカスケード・ラマン・レーザの構成
本記述の背景を提供するために、先行技術によるラマン構成が最初に説明される。
【００２２】
図１Ａは、連続波（ＣＷ）クラッド・ポンピングＹｂドープ高パワー・ファイバ・レーザ１１とカスケード・ラマン共振器（ＣＲＲ）１２とを含む従来のカスケード・ラマン・レーザ１０の概略図を示す。
【００２３】
Ｙｂドープ・ファイバ・レーザ１１は、９１５ｎｍまたは９７５ｎｍレーザダイオード（図示せず）でポンピングされ、入力としてＣＲＲ１２中に供給される１１００ｎｍ波長範囲の光を放出する。次に、ＣＲＲ１２は誘導ラマン散乱を利用して、約１１００ｎｍの入力光を、選択された目標波長の出力に変換する。この波長変換は、ＣＲＲ１２内で入力光のストークス次数に対応する一連の段で生じる。
【００２４】
ＣＲＲ１２は、好適なラマン利得を有するラマン活性光ファイバ１３の計算された長さを含む。入れ子の一連のラマン・キャビティが、１組のラマン入力グレーティング（ＲＩＧ）１４と、対応する１組のラマン出力グレーティング（ＲＯＧ）１５とを使用することによりファイバ中に構築される。
【００２５】
図１Ｂは、ＣＲＲ１２をさらに詳細に示す概略図を示す。ラマン入力グレーティング（ＲＩＧ）の組は５つのグレーティングＩＧ１〜ＩＧ５を含む。ラマン出力グレーティング（ＲＯＧ）の組は６つのグレーティングＯＧ０〜ＯＧ５を含む。入力グレーティングおよび出力グレーティングのすべては、比較的低い反射率を有する出力カプラ（ＯＣ）である出力グレーティングＯＧ５を除いて、高い反射器（ＨＲ）である。
【００２６】
出力グレーティングＯＧ０は、１１１７ｎｍの波長、すなわち、Ｙｂレーザ１１（図１）からの入力と同じ波長を有する。入力グレーティングＩＧ１〜ＩＧ５と出力グレーティングＯＧ１〜ＯＧ５とは、ＣＲＲ入力の最初の５つのストークス次数にそれぞれ対応する５つの波長整合された対の組を形成する。
【００２７】
入力グレーティングＩＧ１〜ＩＧ５と出力グレーティングＯＧ１〜ＯＧ５とは入れ子構成に配列され、第１のストークス次数のグレーティング対ＩＧ１／ＯＧ１（１１７５ｎｍ）は中心の方にあり、各々の連続するグレーティング対は、外の方に向かって、ＩＧ２／ＯＧ２（１２４０ｎｍ）、ＩＧ３／ＯＧ３（１３１０ｎｍ）、ＩＧ４／ＯＧ４（１３９０ｎｍ）、およびＩＧ５／ＯＧ５（１４８０ｎｍ）に続く。最終のグレーティング対ＩＧ５／ＯＧ５の１４８０ｎｍの波長は、最終のストークス次数、すなわち、目標波長に等しい。ラマン利得は広い帯域幅にわたって達成することができ、利得ピークで動作する必要がないので、ＲＩＧおよびＲＯＧの特定の波長を選ぶのに大きい許容範囲があることに留意されたい。
【００２８】
ラマン・ファイバ１３、入力グレーティングＩＧ１〜ＩＧ５、および出力グレーティングＯＧ１〜ＯＧ５は、一緒にして、入れ子の一連のラマン・キャビティを形成し、それらの各々は、直ぐ前のキャビティから波長単位でそれぞれのストークス・シフトだけ分離される。各キャビティは、入力波長から目標波長への光のカスケード変換の段に対応する。
【００２９】
動作時に、１１１７ｎｍ入力光により、自発ラマン散乱が第１のストークス・シフトで（すなわち、１１７５ｎｍで）生じる。出力グレーティングＯＧ０は、変換されない入力光の損失を防止する。（場合によっては、変換されない光の量が少ない場合、ＯＧ０は必要とされないことがある。）１１７５ｎｍの光は、誘導ラマン散乱を生じさせる強度に達する。１１１７ｎｍの光は、１１７５ｎｍの光をポンピングするために使用されるので消耗される。１１７５ｎｍの光は、自発ラマン散乱を１２４０ｎｍの第２のストークス次数で生じさせ、ついに誘導ラマン散乱が第２のストークス次数で生じうる。プロセスは、それ自体、より高いストークス次数を通って繰り返し、ついに目標波長が１４８０ｎｍの最終ストークス次数で達せられる。グレーティングＯＧ５は、１４８０ｎｍ目標波長の増幅された光がシステム出力としてＲＣＣ１２を出ていくことができるように出力カプラ（ＯＣ）として構成される。
【００３０】
高パワー用途では、ＳＲＳを阻止するために、ラマン・フィルタ・ファイバ（すなわち、選択したカットオフ波長をもつファイバ）を使用することができ、さもなければＳＲＳが目標波長よりも長い波長で生じることがある。「目標後（ｐｏｓｔ−ｔａｒｇｅｔ）」ＳＲＳは、目標波長光のかなり大きい消耗をもたらすことがある。
【００３１】
ＣＲＲ１２の出力は主として目標波長１４８０ｎｍの光を含み、それは一般に出力パワーの大部分（＞８０％）を搬送する。残りの出力パワーは、中間ストークス次数（すなわち、初期波長と目標波長との間のストークス次数）に分布する。
【００３２】
カスケード・ラマン変換の量子限界効率は出力波長と入力波長の比である。したがって、１１１７ｎｍから１４８０ｎｍへの変換の場合には、量子限界効率は約７５％である。しかし、実際には、１１１７ｎｍから１４８０ｎｍのラマン・レーザで達成された最も高い効率は５０％未満であった。他の波長範囲にわたって動作するラマン・レーザは、効率の同様の不足を実証している。
【００３３】
効率の減少を招く主要な原因には、ラマン入力グレーティングの組および出力グレーティングの組の伝送損失と、グレーティングの組を実現するのに使用された（おそらく異なる）小さい実効面積のファイバとラマン利得ファイバとの間のキャビティ内スプライスに起因するスプライス損失と、ラマン・ファイバの線形損失と、Ｙｂドープ・ファイバ・レーザ出力部とラマン・グレーティングの組の小さい実効面積のファイバとの間のスプライス損失とが含まれる。
【００３４】
２．新しい構成
本発明の態様は、以前の構成と比較して変換効率の大幅な増大を達成するラマン・レージング構成に関する。上述で提示したように、先行技術における最も効率的な１１１７ｎｍから１４８０ｎｍのラマン・レージング構成であっても、５０％未満の変換効率を実証しているにすぎない。本明細書で説明する本発明の態様に従って構成された１１１７ｎｍから１４８０ｎｍのラマン・レージング・システムは、５０％を超える変換効率を可能にし、以下で示すように、実際には約６５％の変換効率を生成している。したがって、本発明は、先行技術の構成と比べて著しい改善を示し、ラマン・レージング技術を７５％の量子限界効率の方に大いに近づける。
【００３５】
本発明の一態様によれば、ラマン・システムでの変換効率は、ラマン入力を多波長「シード」光に結合することによって増加される。上記のように、シード入力は、以下のものを含むいくつかの異なる目的に役立つ。
１．連続するストークス次数の各々に対する周波数選択性。
２．一方向の散乱の選択性。（自発ラマン散乱は双方向であり、それは光の半分を後方方向に散乱させることがある）。
３．ある次数から次の次数への完全な変換を達成するのに必要なラマン利得の量の低減。（シード源の著しく高いパワーの結果として、必要とされるラマン利得の量が、自発ラマン散乱におけるような雑音から始まるシステムと比較して少ない）。
【００３６】
上述の理由のため、説明するシステムでは、シード源は重要な構成要素であり、それなしでは変換は非常に困難であるかまたは不可能である。自発ラマン散乱自体はここで破壊的なプロセスでないが、単独で効率的な波長変換を達成することはできない。
【００３７】
図２は、例示的なラマン利得媒体を伝搬する１１１７ｎｍのレーザ光の最初の６つのストークス次数と、対応するシード波長との説明を記載したテーブルである。図２に示すように、一次光は１１１７ｎｍの初期波長を有し、最初の５つのストークス次数、すなわち、１１７５ｎｍ、１２４０ｎｍ、１３１０ｎｍ、１３９０ｎｍ、および１４８０ｎｍに対応する一連の段で１４８０ｎｍの目標波長に変換される。最初の４つのストークス次数は、本明細書では「中間」ストークス次数と呼ばれる。目標波長の第５のストークス次数は、本明細書では「最終」ストークス次数と呼ばれる。目標波長を超えるストークス次数（すなわち、１５９０ｎｍ以降）は、本明細書では「超過」または「目標後（ｐｏｓｔ−ｔａｒｇｅｔ）」ストークス次数と呼ばれる。
【００３８】
本発明の一態様によれば、ラマン利得媒体に送り込まれるシード波長は１組の個々の波長を含み、１組の個々の波長の各々は、それぞれの中間ストークス次数に等しいかもしくは実質的に等しく、または最終ストークス次数に等しいかもしくは実質的に等しい。一般的に言えば、シード波長の組と変換ストークス次数の組との間に一対一対応がある場合、効率のより大きい増加を達成することができる。しかし、以下で論じるように、１つまたは複数のストークス次数が省略されている１組のシード波長を使用するラマン・システムにおいて、効率の少なくとも若干の増加を達成することが可能である。その場合、各省略されたストークス次数は自発ラマン散乱により発生され、それに続いて、そのストークス次数の誘導ラマン散乱が発生される。
【００３９】
本発明のさらなる態様によれば、シード光は、選択された組の中間波長またはそれの好適な一部を含む波長バンドにわたる連続スペクトルを有する光を放出する不連続でないブロードバンド源によって供給される。連続スペクトルを使用すると、波長選択性の利点が提供されないことがあるが、所望の目標波長を達成するのに必要とされるラマン利得の量の著しい減少が可能になり、それによって、変換効率の著しい増加がもたらされる。
【００４０】
本明細書で説明するシステムおよび技法と、中間シード波長を使用する既知のラマン増幅器との間にいくつかの差があることに留意されたい。例えば、前の設計と異なり、本明細書で説明するシステムおよび技法は、すべての中間波長においてより高いパワーを費用効率の高い方法で供給するカスケード・ラマン・レーザを使用する。さらに、前の設計は、一般に、比較的低いパワー・レベルで動作しており、目標波長を通り越した次のストークス次数への変換を防止するのにより高いパワーのフィルタ・ファイバを使用することを教示または示唆してない。
【００４１】
図３は、本発明の一態様による例示的なラマン・レージング・システム構成３０の一般的な図を示し、図４は、構成３０を使用する例示的なシステム４０の図を示す。本説明では、例示的な構成３０は、Ｙｂドープ・ファイバ・レーザとＥｒドープ・ファイバ増幅器との間の波長変換を行うために石英ファイバを使用して実現される。構成３０は、さらに、他のタイプの光デバイスのために波長変換を行うのに、他のタイプのファイバ（例えば、非石英ファイバを含む）を使用して実現することができることが認識されよう。
【００４２】
構成３０は、一次レーザ源３１、シード源３２、結合器３３、およびラマン利得媒体３４を含む。放出された一次レーザ光３１０は、結合器３３で多波長シード光３２０と結合される。次に、結合光３３０はラマン利得媒体３４に送り込まれ、カスケード・ラマン・レージングを経て、選択された目標波長のシステム出力３４０をもたらす。所望であれば、システム出力３４０の波長を調節するために、チューニング機構（図示せず）を備えることができる。
【００４３】
図３Ａ〜３Ｃは、シード源３２の代替実施態様を示す一連の図である。
【００４４】
図３Ａでは、シード源３２Ａは、シード光結合器３２６Ａに送り込まれる不連続なシード光成分３２１Ａ〜３２５Ａのそれぞれの組を発生する単一波長のシード・レーザ１〜５のアレイを含む。次に、多波長結合光３２７Ａは一次光をシードする（ｓｅｅｄ）ために使用される。シード光結合器３２６Ａは、ＷＤＭ、ファイバ・カプラ、または他の好適なデバイスを使用して実現することができる。
【００４５】
図３Ｂにおいて、シード源３２Ｂは、ラマン・ポンプ３２１Ｂとカスケード・ラマン共振器（ＣＲＲ）３２２Ｂとを含むカスケード・ラマン・レーザを使用して実現される。以下で説明するように、ＣＲＲ３２２Ｂは、ラマン利得媒体３４（図３）のそれぞれの中間ストークス次数に対応する個々の波長成分を含む不連続な多波長出力３２３Ｂを供給する。
【００４６】
図３Ｃにおいて、シード源３２Ｃは、連続スペクトルを放出するブロードバンド・レーザ３２１Ｃを使用して実現される。ブロードバンド・レーザ３２１Ｃは、ラマン利得媒体の中間ストークス次数またはその選択されたサブセットにわたる帯域幅を有する不連続でない出力３２２Ｃを供給する。シード源３２Ｃは、ラマン利得媒体３４（図３）のそれぞれの中間ストークス次数に対応する個々の波長成分を供給し、さらに、中間ストークス次数間にある「余分な」波長を供給するものとして概念的に解釈することができる。ブロード帯域幅の連続スペクトル源の例には、限定はしないが、増幅自然放出（ＡＳＥ）源、発光ダイオード（ＬＥＤ）源、およびスーパーコンティニューム源が含まれる。
【００４７】
したがって、連続スペクトル・シード源３２Ｃを使用するレージング・システムは、波長選択性を除いて、不連続波長シード源３２Ｂを使用するラマン・デバイスと基本的に同様に動作する。それ故に、波長選択性を除いて、ＣＲＲシード源が使用される例示的なシステムの以下の説明は、同様に、ブロードバンド・シード源を使用するシステムに当てはまることが理解されよう。
【００４８】
連続ブロードバンド源３２１Ｃ源は、変換のために使用されない「余分な」波長を発生するので、効率に若干の損失があることに留意されたい。しかし、効率のこの損失は、ＣＲＲシード源３２２Ｂと比較して、連続ブロードバンド源３２１Ｃの相対的な簡易さおよびより低いコストによって少なくとも部分的に相殺されうる。
【００４９】
本明細書および特許請求の範囲のために、「多波長シード源」という用語は、複数の単一波長レーザを含むシード源３２Ａと区別するように、ＣＲＲベース・シード源（例えば、シード源３２Ｂ）およびブロードバンド・ベース・シード源（例えば、シード源３２Ｃ）を一般に含む。
【００５０】
構成３０は、所望に応じて拡大化または縮小化して、システム出力３４０について所望のパワー・レベルを達成することができる。ローエンドにおいて、構成３０を使用するシステムは、一般に、少なくとも５Ｗの出力を有するであろうことが予想される。ハイエンドにおいて、構成３０を使用するシステムは、１００Ｗを超える出力を有するように構成することができる。以下で論じるように、ハイエンドでのパワー拡大化は、複数の増幅段を利用することができる。
【００５１】
例示的なシステム４０（図４）において、一次レーザ源３１は高パワーＹｂレーザ４１によって用意され、シード源３２は補助カスケード・ラマン・レーザ４２によって用意され、結合器３３は波長分割マルチプレクサ４３によって用意され、ラマン利得媒体３４はラマン・ファイバ（またはラマン・フィルタ・ファイバ）４４によって用意される。
【００５２】
新しい構成３０を使用するシステムの背後にある動作原理は、各変換段がそれぞれのストークス・シフトに対応する複数の変換段で同時に動作するラマン増幅器を備えているとして構成３０を概念的に解釈することによって理解することができる。
【００５３】
したがって、ラマン利得媒体３４において、シード源３２によって供給される第１の（すなわち、最短の）シード波長が、ポンプ源としての一次レーザ入力３１０を使用して誘導ラマン散乱により最初に増幅される。次に、第１のシード波長での増幅された光（すなわち、第１のストークス次数で増幅された光）は、次のシード波長（すなわち、次のストークス次数）のポンプ源として働く。このカスケード・プロセスは、最終のストークス次数、すなわち、目標出力波長がパワーの大部分を獲得するまで続く。必要とされるラマン利得媒体の長さは、比較的短く、一般に、所望の出力パワーが増加するにつれて減少する。数ワットの動作パワーでは、数百メートルのラマン・ファイバが必要であることがある。１００Ｗ以上の高い動作パワーでは、１００ｍ未満のラマン・ファイバが必要である。
【００５４】
この方式では、多波長シード源３２は、この上なく重要であり、すべての中間波長の利得プロセスが自発ラマン散乱でなく誘導ラマン散乱であることを保証する。自発ラマン散乱の場合、雑音からストークス波長を成長させるのに必要な高い閾値とともに、石英ファイバ中のラマン利得のブロードバンドの性質に起因して、いくつかの波長シフトにわたる変換は高パワー・レベルでは実現できないかまたは非常に非実用的である。
【００５５】
少ない数のシフトの場合、多波長シード源なしの動作が、比較的高いパワー・レベルで可能性があることがある。しかし、ブロード・ラマン利得の波長選択性が無いため、連続する波長シフトが非常に幅広になり、その適用範囲が減少することがある。さらに、この場合、非常に長いファイバ長が必要であり、それは線形損失を増加させ、効率を減少させる。
【００５６】
シード源の使用は、誘導ラマン散乱を使用して、入力波長が出力波長に変換するための道筋を与えることによって変換プロセスを媒介する。これは、いくつかの重要な要求をシード源に提起する。それは、出力波長だけでなく中間ストークス波長の１つまたは複数もシードする必要がある。この要求は、当然、従来のカスケード・ラマン・レーザで製作されたシード源によって満たされる。
【００５７】
目標波長が達せられた後、目標後ストークス次数への出力波長のさらなる変換は、当初は、そのストークス次数のシード成分の欠如によって抑制される。シード成分の欠如は、さらなる変換に対して非常に高いパワー・レベル要求を引き起こす。状況によっては、必要なパワー・レベルが達されることがありうる。その場合、目標後波長の分布損失を増大させたラマン・フィルタ・ファイバを使用して、目標後波長変換を抑制することができる。
【００５８】
図３に示した個々の構成要素のいずれかまたはすべては複数のサブ構成要素または段を使用して実現することができ、または互いに結合させるかもしくはより大きい統一体に一体化させることができることに留意されたい。さらに、本発明による複数のシステムは互いに結合させることができる。代替として、本発明による１つまたは複数のシステムは、より複雑なシステムの１つまたは複数のサブシステムとして構成することができる。
【００５９】
次に、図３および４に示した個々の構成要素をさらに詳細に説明する。
【００６０】
２．１  一次レーザ源
一次レーザ源３１／４１の機能は、選択された波長（例えば、システム４０の１１１７ｎｍ）の一次レーザ光を供給することである。システム４０において、一次レーザ源３１は、高パワー（＞２００Ｗ）クラッド・ポンピングＹｂレーザ４１を使用して実現される。他の実施態様を一次レーザ源３１に使用することができる。例えば、以下で説明する図５において、主発振器・パワー増幅器構成を組み込んだレーザを使用して一次レーザ源３１が実現される例示的なシステム５０が示される。
【００６１】
本発明は、パワー・レベルが変換プロセスの全体を通して必要な強度閾値のすべてを確実に満たすかまたは超えるのに十分な高さである限り、より低いパワー・レベルの出力を供給する一次光源で実践することができることに留意されたい。
【００６２】
２．２  シード源
シード源３２／４２の機能は、十分なそれぞれの強度で送出される複数の波長成分を有するレーザ光を供給することであり、その結果、シード・レーザ光が一次レーザ光と結合され、ラマン利得媒体に送り込まれると、自発ラマン散乱がほとんどまたはまったくなく各変換段で誘導ラマン散乱が起こる。
【００６３】
本発明の例示的な実践では、シード波長の組と変換ストークス次数の組（すなわち、最終ストークス次数および中間ストークス次数のすべて）との間に一対一対応があり、各シード波長は、それぞれの許容範囲内でそれぞれのストークス次数に等しい。以下で論じるように、変換ストークス次数のうちの１つまたは複数が省略される１組のシード波長を使用して、許容できる結果を達成することも可能とすることができる。その場合、シードされていない各ストークス次数は自発ラマン散乱によって発生されることになる。
【００６４】
所望であれば、シード源はチューニング機構を含むように構成することができ、シード成分のうちの１つまたは複数は、変換効率を増加させるためにチューニング可能な波長を有する。さらに、以下で論じるように、シード波長の相対的重みは、特に低い入力パワーで、変換効率を増加させるように調節することができる。所望であれば、シード源は重み調節機構を含むように構成することができ、シード波長のうちの少なくともいくつかの相対的重みは設置場所で調節することができる。
【００６５】
システム４０（図４）において、シード源３２は、低パワーＹｂドープ・ファイバ・レーザ４２１と、シード源ＣＲＲ４２２とを含むカスケード・ラマン・シード・レーザ４２を使用して実現される。図３Ａに関して上述で論じたように、複数の単一の波長レーザを使用してシード源３２を実現することも可能である。他のタイプの多波長レーザ、または単一波長および多波長レーザのある組合せを使用してシード源３２を実現することも可能であろう。一般的に言えば、ストークス次数のすべてが同時にシードされることが望ましい。いくつかの用途において、選択されたストークス次数の複数のシード・レーザを使用するのは、同時シーディングに向けて寄与することができる。
【００６６】
一般的に言えば、シード・ラマン・レーザ４２または他のシード源３２は、低パワー・レーザ（すなわち、＜１０Ｗ）または低パワー・レーザの組合せを使用して実現することができる。例えば、以下で論じるシステム５０（図５）では、１４８０ｎｍ目標波長での約３Ｗ出力と、４Ｗ未満の全出力パワーとを有するカスケード・ラマン・レーザを使用して、約２２５Ｗの出力パワーを有するレーザによって放出された一次レーザ光をシードする。シード源３２へのパワー要求は比較的低いので、依然として全体的な変換効率の著しい増加を達成しながら比較的非効率的な従来のラマン・レーザを使用してシード源３２を実現することが可能である。
【００６７】
図３の破線矢印３１１で示すように、いくつかの構成では、一次レーザ源３１によって放出される光の一部は、シード源３２のためのポンプ光として使用するために流用することが可能であろう。したがって、システム４０（図４）では、流用された一次レーザ光が補助ラマン・レーザ・ポンプ４２１にとって代わることになる。
【００６８】
システム４０は、ラマン・シード・レーザ４２に好適な変更を行うことによっていくつかの方法で変更されうることにさらに留意されたい。そのような変更は、例えば、以下のもののうちの１つまたは複数を含むことができる。
【００６９】
狭線幅シードをＣＲＲに結合し、一緒に高パワー・ラマン増幅器に送り込むことによって、効率的で、高出力で、狭線幅の出力を達成することができる。以下で論じるように、誘導ブリルアン散乱は、そのようなシステムでは、狭線幅シードを好適に位相／振幅変調することによって抑制することができる。
【００７０】
パルス増幅は、パルス・シード源の使用によって達成することができる。
【００７１】
シード源３２は、リング・レーザを使用して実現されるカスケード・ラマン共振器を有するラマン・シード・レーザを使用して実現することができ、ＷＤＭが多波長フィードバックを行うことに留意されたい。
【００７２】
２．３  結合器
結合器３３は、一次入力レーザ３１およびシード源３２からそれぞれ受け取った光を結合し、次に、結合光を入力としてラマン利得媒体３４に供給するように構成される光デバイスである。
【００７３】
システム４０（図４）では、結合器３３は波長分割マルチプレクサ４３を使用して実現される。代替として、入力結合器はファイバ・カプラ、または他の好適な光デバイスを使用して実現することができる。
【００７４】
さらに、図３の破線矢印３２１で示すように、シード波長の一部またはすべてを一次レーザ源３１に直接送り込むことができる。システム４０（図４）において、それは、シード・ラマン・レーザによって放出される光の一部またはすべてをＹｂレーザ４１１のキャビティに送り込むようにし、それによって、ＷＤＭ４３によって導入される損失を減少させるような光接続を行うことを意味する。
【００７５】
シード光のすべてが一次レーザ源３１に直接送り込まれる場合、もはや結合器３３の必要がなく、それ故に、結合器３３は省略されることになる。その場合、一次レーザ源３１の結合光放出は、ラマン利得媒体３４に直接送り込まれることになる。
【００７６】
２．４  ラマン利得媒体
一般的に言えば、ラマン利得媒体３４は、カスケード・ラマン・レージングをサポートする任意の好適な媒体を使用して実現することができる。加えて、ラマン利得媒体３４は、図３では単体の構成要素として示されているが、複数の要素を含むことができる。したがって、例えば、ラマン利得媒体３４は、互いに接続された２つ以上のファイバを含むことができる。さらに、ラマン利得媒体３４は、カスケード・ラマン共振器、またはカスケード・ラマン・レージングをサポートする他の構造体を使用して実現することができる。
【００７７】
以下で説明する本発明の実践では、ラマン利得媒体３４は、ラマン・ファイバまたはラマン・フィルタ・ファイバを使用して実現される。上記のように、所与の用途のための好ましいファイバ・タイプは、システム・パワー・レベルによって決まる。より低いパワーでは、ラマン利得媒体３４は、従来のラマン・ファイバで適切に実現することができる。より高いパワーでは、目標波長光が、目標波長よりも長い波長の誘導ラマン散乱をもたらす強度に達することがありうる。そのような目標後ＳＲＳは、目標波長の光の消耗を引き起こし、それにより、変換効率を減少させる。好適なカットオフ波長をもつラマン・フィルタ・ファイバを使用することによって、目標波長を越える誘導ラマン散乱を阻止することが可能である。
【００７８】
特定の用途に応じて、比較的大きいモード面積を有するラマン・ファイバを使用してラマン利得源３４を実現し、それによって、できる限り純システム損失を減少させることが望ましいことがある。
【００７９】
加えて、所与の用途に応じて、ラマン・レージングに好適なことに加えて、さらに、１つまたは複数のさらなる所望の性質を有する光ファイバを使用してラマン利得媒体を実現することが望ましいことがある。例えば、偏波システム出力が望まれることがある。その場合に、ラマン利得媒体は、偏波保持ラマン・ファイバまたは偏波保持ラマン・フィルタ・ファイバを含むことができる。さらに、誘導ブリルアン散乱（ＳＢＳ）が問題である場合、ラマン利得媒体は、ＳＢＳ抑制ラマン・ファイバまたはＳＢＳ抑制ラマン・フィルタ・ファイバを含むことができる。
【００８０】
ＳＢＳを抑制するために他の実施態様および技法を使用することができることに留意されたい。例えば、シード源３２は、ＣＲＲが狭線幅ポンプ・レーザによってポンピングされ、システムが出力として目標波長の狭線幅レーザ光を供給するように構成されるラマン・レーザを使用して実現することができる。その場合、ＳＢＳは、シード源で放出される狭線幅シード光の好適な位相／振幅変調によって抑制することができる。
【００８１】
ラマン利得媒体３４はグレーティングなどの他の光デバイスまたは同様なものを含むように構成することができることにさらに留意されたい。したがって、例えば、ラマン利得媒体３４は、上述で論じた図１Ｂに示したタイプのカスケード・ラマン共振器を使用して実現することが可能であることになる。
【００８２】
３．実験的立証
本明細書で説明する本発明の態様により構築された例示的なシステムは、１１１７ｎｍの約２３０Ｗの全入力パワーを利用して１４８０ｎｍの出力パワーの記録的な１５０Ｗを発生し、約６５％の変換効率に対応する効率の増大を実証した。
【００８３】
３．１  実験セットアップ
図５は、変換効率の増加を実証するために使用された例示的なラマン・システム５０の図を示す。ラマン・システム５０は、一次レーザ光源５１、シード源５４、結合器５５、およびラマン利得媒体５６を含む。システムの出力は、パワー・モニタ５７および光スペクトル・アナライザ５８を使用して分析された。
【００８４】
次に、ラマン・システム５０の個々の構成要素をさらに詳細に説明する。
【００８５】
一次レーザ光源
システム５０において、一次レーザ源３１は、発振器段５２および増幅器段５３を含む主発振器パワー増幅器（ＭＯＰＡ）構成を有する高パワー１１１７ｎｍレーザ５１を含む。
【００８６】
ＭＯＰＡ発振器段５２は、６つの９７５ｎｍの公称２５Ｗレーザダイオードでポンピングされるクラッド・ポンピングＹｂドープ・ファイバ・レーザを含む。７対１ポンプ・テーパ・ファイバ束（ＴＦＢ）結合器がポンプ入力を結合させるために使用される。利得ファイバは、６μｍのコア直径および１２５μｍの外側クラッド直径を有する１５ｍのＹｂドープ・ファイバである。
【００８７】
ＭＯＰＡ増幅器段５３は、６つの９７５ｎｍの２５Ｗポンプ・ダイオードおよび１５ｍのＹｂドープ・ファイバを含む。増幅器ファイバの出力端部において、１１１７／１１７５ｎｍ波長分割マルチプレクサが接続され、それは、Ｙｂドープ・ファイバ中でやはり若干の利得を有する１１７５ｎｍの第１のストークス・シフト波長の後方伝搬パワーに起因する光源におけるあり得る不安定性を防止するために使用される。
【００８８】
最大ポンプ・パワーで、ＭＯＰＡ構成は１１１７ｎｍの波長で約２２５Ｗのパワーを送出する。９７５ｎｍポンプ・パワー入力から１１１７ｎｍ出力への間の変換効率は約６８％であった。変換効率を数パーセント・ポイントだけ増加させるのに当技術分野で知られている最適化技法を使用することができると考えられる。
【００８９】
シード源
システム５０において、シード源は、低パワー１４８０ｎｍラマン・レーザ５４を使用して実現され、低パワー１４８０ｎｍラマン・レーザ５４は、Ｙｂドープ・ファイバ発振器と、上述で論じた図１Ｂに示したタイプのカスケード・ラマン共振器段とを含む。補助ラマン・レーザの目標波長は１４８０ｎｍであり、それは３Ｗ未満のパワーを有する出力として供給される。全パワー出力（すなわち、１４８０ｎｍを含むすべてのストークス次数のパワー出力）は４Ｗ未満である。
【００９０】
補助ラマン・レーザの変換効率は５０％近くに最適化することができる。以下で論じるように、より高いパワー・レベルでは、ラマン・シード・レーザのパワー・レベルは、出力パワーに比べて入力パワーの割合が比較的小さい。したがって、これらのより高いパワー・レベル出力では、ラマン・シード・レーザ効率の全体的な効率への影響は容認できるほど小さい。
【００９１】
結合器
システム５０において、結合器３３は１１１７ｎｍ／１４８０ｎｍ波長分割マルチプレクサ（ＷＤＭ）５５を含む。
【００９２】
主要なラマン利得媒体
システム５０において、ラマン利得媒体３４は、約１５μｍ２のモード・フィールド面積と約１５００ｎｍの長波長カットオフとをもつ６０ｍ長のラマン・フィルタ・ファイバ５６を含む。ラマン・フィルタ・ファイバ（すなわち、従来のラマン・ファイバの代わりに）を使用する理由は、記録的に高いパワー・レベルのために問題となった１５９０ｎｍである次のストークス波長へのあり得る変換を抑制するためである。
【００９３】
３．２  結果
次に、新しいシステムで行われたいくつかの実験を説明し、例示的な従来のシステムと比較して効率の著しい増加を実証する。
【００９４】
ラマン・シード・レーザ出力スペクトル
１つの実験において、ラマン・シード入力のみがオンにされた。図６は、結果として生じた出力スペクトル６１を示すグラフ６０を示す。スペクトル６１は、カスケード・ラマン増幅にとって必要であるストークス次数６１１〜６１５の各々のパワー寄与を明確に示している。既に弱い１１１７ｎｍの成分６１１は、一次入力およびシード入力をラマン利得媒体５６に結合させるために使用されるＷＤＭ５５によってさらに抑制される。１１１７ｎｍの成分が弱いのは、シード入力が一次レーザ入力と結合されるときに入力波長のコヒーレント干渉に関して生じるいかなる問題も防止する傾向があるので有益である。
【００９５】
図７は、使用されるラマン・フィルタ・ファイバの損失曲線７１を示すグラフ７０を示し、約１５００ｎｍに長波長カットオフを明確に示している。
【００９６】
全システム出力のうちの目標波長成分
上述で論じたように、ラマン・レーザの出力は、一般に、目標波長の光ならびにストークス波長の各々の光を含むいくつかの波長成分を含む。一般的に言えば、目標波長成分が中間ストークス波長成分と比較してできるだけ大きいことが望ましい。
【００９７】
したがって、実験は、システム５０の出力の目標波長成分の相対的サイズを決定するために行われた。実験において、目標波長成分（すなわち、１４８０ｎｍの成分）のパワー寄与が、中間ストークス波長をすべて除去する誘電体帯域エッジ・フィルタを使用して測定された。
【００９８】
図８は、結果を示すグラフ８０を示す。上の方のプロット８１は、全出力パワー（すなわち、すべての波長の組合せ出力パワー）を示す。下の方のプロット８２は、全出力のうちの１４８０ｎｍの成分のパワー寄与を示す。
【００９９】
最初のうち、１４８０ｎｍのパワー成分は、入力パワーの増加により増大しないことが見て分かる。これは、これらのパワー・レベルでは、純ラマン利得が変換を１４８０ｎｍまでずっと推進するのに十分な高さでないからである。パワー・レベルが増加するにつれて、１４８０ｎｍの成分の急激な増加がある。約２３０Ｗの最大入力パワー（シード源のための入力パワーを含む）において、全出力パワーは約１５８Ｗであり、１４８０ｎｍ成分は約１５０Ｗである。このパワー・レベルは、１４８０ｎｍのカスケード・ラマン・ファイバ・レーザからの現在までに実証された最も高いパワー出力である。１４８０ｎｍ成分は、高度の波長変換を示す全出力パワーの約９５％の割合に対応する。１１１７ｎｍから１４８０ｎｍへの純変換効率は約６５％である。
【０１００】
図９は、線形目盛での出力スペクトル９１を示すグラフ９０を示す。挿入図９２は、対数目盛での出力スペクトル９２を示す。パワーのうちの大部分が１４８０ｎｍバンドにあることが図９から明らかである。さらに、より高い波長のストークス次数の欠如は、ラマン・フィルタ・ファイバによってサポートされた高品質の抑制を示している。
【０１０１】
１４８０ｎｍ成分が上昇し始める入力パワー・レベルは、より長いファイバ長を選ぶことによって容易に下げることができる。これにより、この技法は、より低いパワー・レベルで同等に十分に適用できるようになる。より長い長さはファイバの伝搬損によるわずかな追加損失を導入することがあるので、この実証では、最大入力パワーで変換効率を最大化するようにファイバ長が選ばれた。
【０１０２】
図１０に示すような出力パワー対入力パワー曲線を調節する別の可能性は、図６で見られる中間ストークス次数の相対強度を変更することによるものである。ラマン増幅器段への１１７５の入力パワーが非常に弱いことを観察することがあるが、それは、図８における１４８０ｎｍの利得を観察するのに高い入力パワーが必要とされることを可能性として説明することができる。中間ストークス次数の相対的重み付けは、調査されるべき追加の自由度である。
【０１０３】
新しいシステムおよび従来のシステムの変換効率の比較
図１０および１１は、本発明の態様を具体化した例示的な１１７５ｎｍから１４８０ｎｍのシステムと、１４８０ｎｍで１００Ｗを超える記録的な出力（その時点で）を発生させた初期の従来の方式との効率を比較する１対のグラフ１００、１１０である。
【０１０４】
グラフ１００（図１０）においては、２つのシステムに関して、出力パワーが入力パワーに対してプロットされている。プロット１０１は、従来のシステムの出力パワーを示し、プロット１０２は新しいシステムの出力パワーを示す。ライン１０３は、量子限界変換効率（約７５％）を示し、それは、理論的な最大達成可能効率を示し、参照および比較のために提供される。
【０１０５】
グラフ１００（図１０）と同じデータに基づくグラフ１１０（図１１）においては、２つのシステムに関して、変換効率（すなわち、変換比（ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ  ｒａｔｉｏ）、出力パワー÷入力パワー）が入力パワーの関数としてグラフ表示されている。プロット１１１は従来のシステムの変換比を示し、プロット１１２は新しいシステムの変換比を示し、ライン１１３は理論的な最大達成可能変換比を示す。
【０１０６】
図５Ｂに示すように、従来のシステムによって達成された最高効率は約４８％である。新しい構成では、入力パワーが増加するにつれて、当初は効率が減少し、次に急速に上昇し、約６５％で飽和する。量子限界変換効率は約７５％である。
【０１０７】
高いパワー出力レベルにおいて、新しい構成が従来のシステムよりも著しく効率的であることが明確に分かる。最大入力パワー・レベルの近くで、新しい構成は、同じ入力パワーに対してほとんど４０％多いパワーを供給し、したがって大幅な増大を示すことが見て分かる。
【０１０８】
例示的な新しいシステムにおいて、シード源は、図１１のプロット１１１によって示された変換効率と同様の変換効率を示す従来のカスケード・ラマン・レーザを含むことに留意されたい。より低いパワー・レベルでは、ラマン・レーザ・シード源は、パワー出力に対してパワー入力のより高い割合を示す。ラマン・レーザ・シード源の非効率性が、これらのより低い出力レベルでの新しいシステムの比較的低い変換効率の原因となっている。
【０１０９】
変換効率をさらに増大し、量子限界にさらに近づけるための可能な方法に関する指針を与えるいくつかの損失発生源が識別された。識別された損失発生源には以下のものが含まれる。
（ａ）一次レーザ入力とシード入力とを結合させるのに使用されるＷＤＭは、約４％の測定された損失を有する。
（ｂ）ＷＤＭ出力ファイバとラマン・ファイバとの間のスプライスは、約３％の測定された損失を有する。
（ｃ）残りの損失は、他のストークス次数に残るパワー（約４％、測定された）と、ファイバにおけるファイバ減衰（３％未満、計算された残りの成分）に起因する。
【０１１０】
４．本発明のさらなる実践
上述の例示的なシステムは追加の要素を組み込むように変更することができ、追加の要素の一部は上記されていることが理解されよう。加えて、本発明の態様は、他のタイプのシステム構成、またはシステム構成の組合せに組み込むことができる。
【０１１１】
例えば、図３の破線ボックス３５で示したように、構成３０は後方ポンピング機構を含むことができ、それによって、ポンプ・エネルギーは、入力端部および出力端部の両方で（すなわち、前方方向および後方方向の両方で）ラマン利得媒体３４に送り込むことができる。後方ポンピングは、例えば、一次レーザ源３１を実現するために使用されるタイプのレーザ光源をラマン利得媒体３４の出力端部に適切に接続することによって実現することができる。他の後方方向ポンピング方式を使用することもできる。
【０１１２】
図１２は、本発明のさらなる態様による例示的な構成１２０の図であり、Ｙｂドープ・ファイバ・バンドで動作するレーザを使用して、外部信号源１２１からのＣバンド伝送を増幅する。構成１２０は、外部信号源１２１に加えて、本発明によるラマン増幅器１２２とエルビウム・ドープ・ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）１２３とを含む。
【０１１３】
ラマン増幅器１２２において、一次レーザ源は、１１１７ｎｍでレーザ光を放出するＹｂドープ・ファイバ・レーザ１２４を使用して実現される。上述のように、ラマン増幅器１２２は１１１７ｎｍの一次レーザ光を、選択された目標波長、すなわち、１４８０ｎｍを有する出力に変換する。変換は、ラマン利得媒体１２５内のカスケード・ラマン増幅に先立って複数のストークス次数で一次レーザ光をシードすることによって媒介される。
【０１１４】
図１３は、本発明のさらなる態様によるハイブリッド構成１３０の図であり、初期波長から目標波長への変換が複数のシーディング段で行われる。構成１３０は２つのシーディング段１３１および１３２を使用するが、所望であれば、より多くの段を組み込むことができる。
【０１１５】
第１のシーディング段１３１において、変換ストークス次数のすべてではなくいくつかがシードされる。部分的にシードされた光は、第１段階のカスケード・ラマン増幅のために第１段のラマン利得媒体ＲＧＭ１に送り込まれる。次に、第１のシーディング段出力１３３は入力として第２のシーディング段１３２に供給され、それは追加の波長でさらにシードされる。
【０１１６】
第２のシーディング段１３２は、第１のシーディング段１３１から省略されたシード波長のすべて、またはそれの選択されたサブセットを補充するように構成することができる。追加的にシードされた光は、第２段階のカスケード・ラマン増幅のために第２段のラマン利得媒体ＲＧＭ２に送り込まれる。シーディング・プロセスは、第２のシーディング段１３２で終了することができ、または１つまたは複数の追加のシーディング段で継続することができる。
【０１１７】
図１４は、出力パワーのさらなるパワー拡大化が複数の段にわたり行われる構成１４０の図を示す。第１のパワー拡大化段１４１は、第１の高パワーＹｂドープ・ファイバ・レーザの出力に対してラマン増幅を行う。第１のパワー拡大化段１４１の出力は第２の高パワーＹｂドープ・ファイバ・レーザの出力と結合され、次に、その結合光は第２のラマン・ファイバまたはラマン・フィルタ・ファイバに送り込まれる。所望に応じて、追加のパワー拡大化段を追加することができる。
【０１１８】
５．一般的な技法
図１５は、ラマン・システムで高い変換効率を達成するための本発明のさらなる態様による一般的な技法１５０の流れ図を示す。
【０１１９】
図１５は、限定することではなく例示であることが意図されていることに留意されたい。本発明は、いくつかの異なる方法で、これらの図面に記載されている要素の一部またはすべての異なる組合せ、ならびにこれらの図面に明示的に記載されていない要素を含む組合せを使用して実践することができる。さらに、列挙するステップは異なる順序でまたは同時に行うことができる。
【０１２０】
一般的な技法１５０は以下のステップを含む。
１５１：ラマン利得媒体を用意する。
１５２：初期波長の一次レーザ光を放出するための一次レーザ源を用意する。
１５３：ラマン利得媒体中の一次レーザ光によって発生される一連のストークス次数に対応する複数のシード波長のシード・レーザ光を放出するためのシード源を用意する。ここで、一連のストークス次数は、１つまたは複数の中間ストークス次数と、選択された目標波長の最終ストークス次数とを含む。
１５４：一次レーザ光とシード・レーザ光とを結合レーザ光に結合する。
１５５：結合レーザ光を入力としてラマン利得媒体に供給する。ここで、結合レーザ光の一次レーザ光の成分およびシード・レーザ光の成分は、主要なラマン利得媒体内で、中間ストークス次数の各々および最終ストークス次数でカスケード誘導ラマン散乱を生成するのに十分な強度を有し、それによって、初期波長の一次レーザ光が目標波長のシステム出力レーザ光に変換される。
【０１２１】
結論
前述の説明は、当業者が本発明を実践できるようにする詳細を含んでいるが、説明は本質的に例示であり、本発明の多くの変更および変形が、これらの教示を利用できる当業者には明らかであろうことを認識されたい。したがって、本明細書の本発明は、本明細書に添付された特許請求の範囲によってもっぱら定義され、特許請求の範囲は先行技術によって許容されるように広く解釈されことが意図される。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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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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【図１５】
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【国際調査報告】
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