(57)【要約】  中赤外スペクトル領域のためのコヒーレントでコンパクトなスーパーコンティニューム光源と、その例示的な用途が開示される。スーパーコンティニューム発生は、高非線形ファイバまたは導波路の使用に基づく。少なくとも１つの実施形態では、スーパーコンティニューム光源のコヒーレンスは、低ノイズ・モード・ロック短パルス光源を使用して向上される。コンパクトなスーパーコンティニューム光源は、受動モード・ロック・ファイバまたはダイオード・レーザを使用することにより構成することができる。波長可変光源は、適切な光フィルタまたは周波数変換セクションを使用して構成することができる。高コヒーレント・スーパーコンティニューム光源は、コヒーレント検出方式をさらに容易にし、ロックイン検出方式の信号／雑音比を改善することができる。
2014512019.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
コヒーレント・スーパーコンティニューム光源であって、
高非線形材料と組み合わせて配置された低ノイズ・ファイバ・ベースのパルス化光源であり、前記低ノイズ・ファイバ・ベースの光源が、モード・ロック・ファイバ発振器を含み、前記ファイバ・ベースのパルス光源が、１７００ｎｍを超える中心波長で１ｐｓ未満のパルス幅を有する短光パルスを含む出力を発生させ、前記高非線形材料が、前記低ノイズ・ファイバ・ベースのパルス光源から前記出力を受け取り、２つの−３０ｄＢ点で測定可能な少なくとも１／２オクターブのスペクトル帯域幅を有するコヒーレント・スーパーコンティニュームを発生させる、低ノイズ・ファイバ・ベースのパルス化光源と、
前記低ノイズ・ファイバ・ベースのパルス化光源をポンピングするための低ノイズ・ポンプ光源とを備え、
前記スペクトル帯域幅内の２つの場所での少なくとも０．７の１次最近接コヒーレンス値が前記コヒーレント・スーパーコンティニューム光源で得られる、
コヒーレント・スーパーコンティニューム光源。
【請求項２】
前記コンティニュームが、２つの−３０ｄＢ点間で測定される１オクターブよりも大きいスペクトル帯域幅を有効範囲に含む、請求項１に記載のコヒーレント・スーパーコンティニューム光源。
【請求項３】
前記高非線形材料が、１０モル％を超えるゲルマニア濃度をもつコア領域を含む高非線形シリカ・ファイバを含む、請求項１に記載のコヒーレント・スーパーコンティニューム光源。
【請求項４】
前記高非線形シリカ・ファイバが、前記ファイバ・ベースのパルス化光源の中心波長の±１００ｎｍ内のスペクトル範囲で｜１０｜ｐｓ２／ｋｍ未満の分散値で分散平坦化されている、請求項３に記載のコヒーレント・スーパーコンティニューム光源。
【請求項５】
前記高非線形ファイバが、Ｗ屈折率プロファイルを有する、請求項３に記載のコヒーレント・スーパーコンティニューム光源。
【請求項６】
前記高非線形材料が、フォトニック結晶ファイバを含む、請求項１に記載のコヒーレント・スーパーコンティニューム光源。
【請求項７】
前記フォトニック結晶ファイバが、シリカ・ベースであり、１０モル％を超えるゲルマニア濃度をもつコア領域を含む、請求項６に記載のコヒーレント・スーパーコンティニューム光源。
【請求項８】
前記低ノイズ・ポンプ光源が、少なくとも１つの単一周波数シード光源を含む、請求項１に記載のコヒーレント・スーパーコンティニューム光源。
【請求項９】
前記低ノイズ・ポンプ光源が、縦モード構造のほとんどないシード光源を含む、請求項１に記載のコヒーレント・スーパーコンティニューム光源。
【請求項１０】
前記低ノイズ・ポンプ光源が、増幅された自然発光を発生させるシード光源を含む、請求項１に記載のコヒーレント・スーパーコンティニューム光源。
【請求項１１】
前記ポンプ光源の出力が、前記モード・ロック・ファイバ発振器内の利得ファイバのコアに注入される、請求項１に記載のコヒーレント・スーパーコンティニューム光源。
【請求項１２】
前記低ノイズ・ファイバ・ベースの光源が、Ｔｍ、Ｔｍ：Ｈｏ、またはＨｏドープ・ファイバに基づく受動モード・ロック・ファイバ発振器を含む、請求項１に記載のコヒーレント・スーパーコンティニューム光源。
【請求項１３】
前記高非線形材料が、ＳＦ６、ビスマス、鉛、テルライト、フッ化物、フルオロテルライト、またはカルコゲナイド・ガラス・ファイバから選択される、請求項１に記載のコヒーレント・スーパーコンティニューム光源。
【請求項１４】
前記高非線形材料が、軟質または重金属酸化物ガラス・ファイバを含む、請求項１に記載のコヒーレント・スーパーコンティニューム光源。
【請求項１５】
前記高非線形ファイバが、非シリカ・ファイバであり、前記レーザ光源の中心波長の±１００ｎｍ内のスペクトル範囲で｜１００｜ｐｓ２／ｋｍ未満の分散値で分散平坦化されている、請求項１４に記載のコヒーレント・スーパーコンティニューム光源。
【請求項１６】
前記低ノイズ・ファイバ・ベースの光源が、３００ｆｓ未満のパルス幅をもつパルスを生成する、請求項１に記載のコヒーレント・スーパーコンティニューム光源。
【請求項１７】
前記低ノイズ・ファイバ・ベースの光源が、１００ｆｓ未満のパルス幅をもつパルスを生成する、請求項１に記載のコヒーレント・スーパーコンティニューム光源。
【請求項１８】
前記高非線形材料が、周期分極非線形結晶導波路を含む、請求項１に記載のコヒーレント・スーパーコンティニューム光源。
【請求項１９】
前記スーパーコンティニューム光源が、前記コンティニューム内の少なくとも２つのスペクトル点で高位相コヒーレンスを示し、前記２つのスペクトル点が、少なくとも１／２オクターブだけ隔てられる、請求項１に記載のコヒーレント・スーパーコンティニューム光源。
【請求項２０】
前記高非線形材料が、コアと、前記コアを少なくとも部分的に囲む単層の空気孔とを有する高開口数フォトニック結晶ファイバ（ＰＣＦ）を含む、請求項１に記載のコヒーレント・スーパーコンティニューム光源。
【請求項２１】
前記コヒーレンスが、１００ｋＨｚ分解能でＲＦ周波数分析器により測定されるとき少なくとも１０ｄＢのＳ／Ｎ比をもつＲＦビート信号で測定可能であり、かつｆ−２ｆ干渉計で測定可能である、請求項１に記載のコヒーレント・スーパーコンティニューム光源。
【請求項２２】
前記スーパーコンティニュームのスペクトルが、多数のスペクトル線を含み、前記コヒーレンスが、単一周波数レーザ出力と、前記スーパーコンティニューム・スペクトル内で前記中心波長から少なくとも０．５のオクターブだけ隔てられた個々の周波数ラインとの間の検出可能なＲＦビート信号により特性決定することができ、前記ＲＦビート信号が、約１００ｋＨｚの分解能でＲＦ周波数分析器により測定可能な少なくとも約１０ｄＢのＳ／Ｎ比を有する、請求項１に記載のスーパーコンティニューム光源。
【請求項２３】
前記高非線形材料が、高非線形ファイバを含む、請求項１に記載のコヒーレント・スーパーコンティニューム光源。
【請求項２４】
前記高非線形材料が、前記ファイバ・ベースのパルス化光源の中心波長で正常分散値を有する、請求項２３に記載のコヒーレント・スーパーコンティニューム光源。
【請求項２５】
前記高非線形材料が、軟質または重金属酸化物ガラス・ファイバを含み、前記ファイバが、前記ファイバ・ベースのパルス化光源の中心波長で正常分散値を有する、請求項１に記載のコヒーレント・スーパーコンティニューム光源。
【請求項２６】
短光パルスを発生させるファイバ・ベースのレーザ光源であって、前記ファイバ・ベースの光源が、１７００ｎｍを超える中心波長の出力を発生させ、前記短光パルスが、１０ｐｓ未満のパルス幅を含む、ファイバ・ベースのレーザ光源と、
前記ファイバ・ベースの光源の出力を２２００ｎｍを超える周波数シフト出力波長まで自己周波数シフトさせるための非線形導波路と、
前記周波数シフト出力波長を有するパルスを受け取り、前記パルスによりコヒーレント・スーパーコンティニュームを発生させる高非線形材料と
を備えるコヒーレント・スーパーコンティニューム光源。
【請求項２７】
１７００ｎｍを超える中心放出波長をもつ短パルス光源を準備することと、
導波材料中でコヒーレント・スーパーコンティニュームを発生させることと、
前記短パルス光源の出力により試料を照射することによってコヒーレント信号放出を誘起することであって、前記信号放出が、信号放出スペクトル領域を有効範囲に含む、誘起することと、
前記信号放出スペクトル領域に対応する前記コヒーレント・スーパーコンティニューム内のスペクトル領域を選択することと、
前記信号放出スペクトル領域から、および前記スーパーコンティニュームからの前記対応する領域からの２つのスペクトル的に重なる信号を検出器上で干渉させることと、
前記信号放出からの検出信号を増幅することと
を含むコヒーレント検出の方法。
【請求項２８】
１７００ｎｍを超える中心放出波長をもつ短パルス光源を準備することと、
導波材料中でスーパーコンティニュームを発生させることと、
前記スーパーコンティニュームのビーム経路に試料を挿入し、前記スーパーコンティニュームの一部分により前記試料を変調周波数で照射することによって前記スーパーコンティニュームのスペクトルを変更することと、
前記変調周波数で前記スペクトルの変更を検出することと
を含むロックイン検出の方法。
【請求項２９】
試料の特性を確定する方法であって、
１７００ｎｍを超える中心放出波長をもつ短パルス光源を準備することと、
導波材料中で低ノイズ・スーパーコンティニュームを発生させることと、
前記スーパーコンティニュームの少なくとも一部により試料を照射することと、
前記試料によって生成された、前記照射するステップへの応答を検出することと、
前記応答に基づいて前記試料の特性を確定することと
を含む、方法。
【請求項３０】
前記スーパーコンティニュームが、コヒーレントであり、複数の単色スペクトル線を含む、請求項２９に記載の方法。
【請求項３１】
前記単色スペクトル線のうちの少なくとも１つが、外部周波数基準信号にロックされる、請求項３０に記載の方法。
【請求項３２】
前記スペクトル線の搬送波包絡線オフセット周波数が、外部基準信号にロックされる、請求項３０に記載の方法。
【請求項３３】
多重ヘテロダイン検波を使用して試料の特性を確定する方法であって、
１７００ｎｍを超える中心放出波長をもつ少なくとも１つの短パルス光源を準備することと、
２つのコヒーレント・スーパーコンティニューム・スペクトルを発生させることであって、前記２つのスーパーコンティニューム・スペクトルが、ある一定の周波数間隔をもつ個々の周波数ラインを含み、前記周波数間隔が、両方のスーパーコンティニューム・スペクトルで異なる、発生させることと、
前記２つのスーパーコンティニューム・スペクトルの少なくとも一部分により試料を照射することと、
前記試料によって生成された、前記照射するステップへの応答を検出することと、
前記応答に基づいて前記試料の特性を確定することと
を含む、方法。
【請求項３４】
１７００ｎｍを超える中心放出波長をもつ短パルス光源を準備することと、
導波材料中でスーパーコンティニュームを発生させることと、
前記スーパーコンティニュームのビーム経路に試料を挿入することによって前記スーパーコンティニュームのスペクトルを変更することと、
前記スーパーコンティニュームの一部分により前記試料を照射することと、
前記スペクトルの変更を検出することと
を含むスペクトル検出の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コンパクト、高輝度、広帯域、中赤外コヒーレント・ファイバ光源および例示的な用途に関する。
【背景技術】
【０００２】
高輝度広帯域コヒーレント光源は、医学、分光法、顕微鏡、測距、センシング、および計測学に多くの用途を有する。そのような光源は、非常に頑強であり、長期間安定性を有し、さらに、量販市場用途のために高度の光統合化による最小構成要素数からなる必要がある。高非線形ファイバ中の周波数拡幅またはスーパーコンティニューム発生に基づく広帯域光源は特に有用である。短パルス・ファイバ・レーザとともに使用される場合、全ファイバ・システム構成がスーパーコンティニューム発生のために可能であり、それにより、大幅に単純化された製造ルーチン、低コスト、および高レベルの熱機械安定性などの利益がもたらされる。
【０００３】
ファイバ・ベースのスーパーコンティニューム光源は、紫外から中赤外までのスペクトル出力を生成することができ、ここ数年、膨大な研究を呼んでおり、例えば、Ｊ．Ｍ．Ｄｕｄｌｅｙ等、「Ｓｕｐｅｒｃｏｎｔｉｎｕｕｍ  ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ  ｉｎ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｆｉｂｅｒｓ」、Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ  Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ  Ｐｒｅｓｓ（２０１０年）を参照されたい。中赤外、例えば、約２．５〜１０．０μｍの波長範囲に達するために、Ｊ．Ｍ．Ｄｕｄｌｅｙ等、「Ｓｕｐｅｒｃｏｎｔｉｎｕｕｍ  ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ  ｉｎ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｆｉｂｅｒｓ」、Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ  Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ  Ｐｒｅｓｓ（２０１０年）の６章のＪ．Ｈ．Ｖ．Ｐｒｉｃｅ等、「Ｓｕｐｅｒｃｏｎｔｉｎｕｕｍ  ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ  ａｎｄ  ｎｏｎｌｉｎｅａｒｉｔｙ  ｉｎ  ｓｏｆｔ  ｇｌａｓｓ  ｆｉｂｅｒｓ」によって最近概説されたように、軟質ガラスまたは重金属酸化物ガラスをスーパーコンティニューム発生のために実装することができる。中赤外で動作するそのようなファイバ・ベースの中赤外光源は、可能性として、より多くの既製の光パラメトリック発振器（ＯＰＯ）、増幅器（ＯＰＡ）、および発生器（ＯＰＧ）に取って代わることができ、したがって、かなりの関心事である。
【０００４】
石英ガラスに基づく高非線形ファイバは比較的高いレベルの成熟期に既に達している。スーパーコンティニューム発生のためのパルス・エネルギー要件を緩和するには、極めて小さいコアをもつ高非線形シリカ・ファイバが有用である。例えば、シリカ・ベースの高非線形ファイバ、特に、フォトニック結晶ファイバが、Ｄｏｎｇ等、「Ｕｌｔｒａ  ｈｉｇｈ  ｎｕｍｅｒｉｃａｌ  ａｐｅｒｔｕｒｅ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｆｉｂｅｒｓ」、米国特許第７，７１５，６７２号に最近記載されており、高度にゲルマニア（Ｇｅｒｍａｎｉａ）をドープした中心コア・セクションを追加使用すると、スーパーコンティニューム発生のためのパルス・エネルギー要件が下がることがさらに示唆された。実際、短パルス・ファイバ光源を使用するシリカ・ファイバ・ベースのスーパーコンティニューム光源が、例えば、Ｔ．Ｈｏｒｉ、「Ｓｔｕｄｉｅｓ  ｏｎ  Ｕｌｔｒａｗｉｄｅｂａｎｄ  Ｓｕｐｅｒｃｏｎｔｉｎｕｕｍ  Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ  ｂｙ  Ｕｓｅ  ｏｆ  Ｕｌｔｒａｓｈｏｒｔ  Ｐｕｌｓｅ  ａｎｄ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｆｉｂｅｒｓ」、博士論文、名古屋大学、日本（２００５年）に記載された。これらの全ファイバ・スーパーコンティニューム光源は、１５６０ｎｍ近くの波長で放出する短パルス・レーザを使用して動作されており、コアの内部に高レベルのゲルマニア濃度をもつ高非線形シリカ・ファイバを使用した。そのような全ファイバ光源は、Ｗ．Ｃ．Ｓｗａｎｎ等、「Ｆｉｂｅｒ−ｌａｓｅｒ  ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  ｃｏｍｂｓ  ｗｉｔｈ  ｓｕｂｈｅｒｔｚ  ｒｅｌａｔｉｖｅ  ｂａｎｄｗｉｄｔｈｓ」、Ｏｐｔ．Ｌｅｔｔ．、３１巻、３０４６〜３０４８頁（２００６年）において、高レベルのコヒーレンスをもつスーパーコンティニュームを生成することも示され、超低ノイズ周波数コム光源のデモンストレーションで使用された。１５５０ｎｍ近くで放出するレーザ光源で動作する低ノイズ周波数コム光源は、５０〜１０００ＭＨｚの範囲の繰返し率で動作することができる。上限は、一般に、実装されるレーザ光源の設計制約条件によって決定される。下限は機械的安定性の考慮事項によって決定される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第７，７１５，６７２号
【特許文献２】米国特許第７，５１９，２５３号
【特許文献３】米国特許出願第１２／３９９，４３５号
【特許文献４】米国特許出願公開第２０１０／０２２５８９７号
【特許文献５】米国特許出願第１３／０２６，７６２号
【特許文献６】米国特許第６，７７５，４４７号
【特許文献７】米国特許第５，５１５，１９４号
【特許文献８】米国特許第７，７８２，９１０号
【特許文献９】米国特許第７，７１５，６７２号
【特許文献１０】米国特許第７，８０９，２２２号
【特許文献１１】米国特許出願第６１／４２６，３２７号
【特許文献１２】米国特許出願第６１／３６４，５４５号
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Ｊ．Ｍ．Ｄｕｄｌｅｙ等、「Ｓｕｐｅｒｃｏｎｔｉｎｕｕｍ  ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ  ｉｎ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｆｉｂｅｒｓ」、Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ  Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ  Ｐｒｅｓｓ（２０１０年）
【非特許文献２】Ｊ．Ｍ．Ｄｕｄｌｅｙ等、「Ｓｕｐｅｒｃｏｎｔｉｎｕｕｍ  ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ  ｉｎ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｆｉｂｅｒｓ」、Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ  Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ  Ｐｒｅｓｓ（２０１０年）の６章のＪ．Ｈ．Ｖ．Ｐｒｉｃｅ等、「Ｓｕｐｅｒｃｏｎｔｉｎｕｕｍ  ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ  ａｎｄ  ｎｏｎｌｉｎｅａｒｉｔｙ  ｉｎ  ｓｏｆｔ  ｇｌａｓｓ  ｆｉｂｅｒｓ」
【非特許文献３】Ｔ．Ｈｏｒｉ、「Ｓｔｕｄｉｅｓ  ｏｎ  Ｕｌｔｒａｗｉｄｅｂａｎｄ  Ｓｕｐｅｒｃｏｎｔｉｎｕｕｍ  Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ  ｂｙ  Ｕｓｅ  ｏｆ  Ｕｌｔｒａｓｈｏｒｔ  Ｐｕｌｓｅ  ａｎｄ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｆｉｂｅｒｓ」、博士論文、名古屋大学、日本（２００５年）
【非特許文献４】Ｗ．Ｃ．Ｓｗａｎｎ等、「Ｆｉｂｅｒ−ｌａｓｅｒ  ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  ｃｏｍｂｓ  ｗｉｔｈ  ｓｕｂｈｅｒｔｚ  ｒｅｌａｔｉｖｅ  ｂａｎｄｗｉｄｔｈｓ」、Ｏｐｔ．Ｌｅｔｔ．、３１巻、３０４６〜３０４８頁（２００６年）
【非特許文献５】Ｗ．Ｑ．Ｚｈａｎｇ等、「Ａ  ｇｅｎｅｔｉｃ  ａｌｇｏｒｉｔｈｍ  ｂａｓｅｄ  ａｐｐｒｏａｃｈ  ｔｏ  ｆｉｂｅｒ  ｄｅｓｉｇｎ  ｆｏｒ  ｈｉｇｈ  ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ  ａｎｄ  ｌａｒｇｅ  ｂａｎｄｗｉｄｔｈ  ｓｕｐｅｒｃｏｎｔｉｎｕｕｍ  ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ」、Ｏｐｔ．Ｅｘｐｒ．、１７巻、１９３１１頁（２００９年）
【非特許文献６】Ｂｕｃｃｏｌｉｅｒｏ等、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．、９２巻、０６１１０６頁（２０１０年）
【非特許文献７】Ｆ．Ａ．Ｏｇｕａｍａ等、「Ｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓ  ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ｒａｍａｎ  ｇａｉｎ  ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ  ａｎｄ  ｔｈｅ  ｎｏｎｌｉｎｅａｒ  ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ  ｉｎｄｅｘ  ｏｆ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｆｉｂｅｒｓ：ｔｈｅｏｒｙ  ａｎｄ  ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ」、Ｊ．Ｏｐｔ．Ｓｏｃ．Ａｍ．Ｂ、２２巻、４２６頁（２００５年）
【非特許文献８】Ｋ．ＫｉｅｕおよびＭ．Ｍａｎｓｕｒｉｐｕｒ、「Ｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄ  ｌａｓｅｒ  ｐｕｌｓｅ  ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ  ｗｉｔｈ  ａ  ｆｉｂｅｒ  ｔａｐｅｒ  ｅｍｂｅｄｄｅｄ  ｉｎ  ｃａｒｂｏｎ  ｎａｎｏｔｕｂｅ／ｐｏｌｙｍｅｒ  ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ」、Ｏｐｔ．Ｌｅｔｔ．、３２巻、２２４２〜２２４４頁（２００７年）
【非特許文献９】Ｍ．Ｄ．Ｏ’Ｄｏｎｎｅｌｌ等、「Ｔｅｌｌｕｒｉｔｅ  ａｎｄ  Ｆｌｕｏｒｏｔｅｌｌｕｒｉｔｅ  Ｇｌａｓｓｅｓ  ｆｏｒ  Ｆｉｂｅｒｏｐｔｉｃ  Ｒａｍａｎ  Ａｍｐｌｉｆｉｅｒｓ：Ｇｌａｓｓ  Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ，Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ，Ｒａｍａｎ  Ｇａｉｎ，Ｐｒｅｌｉｍｉｎａｒｙ  Ｆｉｂｅｒｉｚａｔｉｏｎ，ａｎｄ  Ｆｉｂｅｒ  Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ」、Ｊ．Ａｍ．Ｃｅｒａｍ．Ｓｏｃ．、９０巻、１４４８頁（２００７年）
【非特許文献１０】Ｘ．Ｙａｎ等、「Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ  Ｒａｍａｎ  ｒｅｓｐｏｎｓｅ  ａｎｄ  ｓｏｌｉｔｏｎ  ｓｅｌｆ−ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  ｓｈｉｆｔ  ｉｎ  ｔｅｌｌｕｒｉｔｅ  ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ  ｆｉｂｅｒ」、Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ、１０８巻、１２３１１０頁（２０１０年）
【非特許文献１１】Ｈｕ等、「Ｍａｘｉｍｉｚｉｎｇ  ｔｈｅ  ｂａｎｄｗｉｄｔｈ  ｏｆ  ｓｕｐｅｒｃｏｎｔｉｎｕｕｍ  ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ  ｉｎ  Ａｓ２Ｓｅ３  ｃｈａｌｃｏｇｅｎｉｄｅ  ｆｉｂｅｒｓ」、Ｏｐｔ．Ｅｘｐｒ．、１８巻、６７２２頁（２０１０年）
【非特許文献１２】Ｍ．Ｒ．Ｅ．Ｌａｍｏｎｔ等、「Ｓｕｐｅｒｃｏｎｔｉｎｕｕｍ  ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ  ｉｎ  ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ  ｅｎｇｉｎｅｅｒｅｄ  ｈｉｇｈｌｙ  ｎｏｎｌｉｎｅａｒ（γ＝１０／Ｗ／ｍ）Ａｓ２Ｓ３  ｃｈａｌｃｏｇｅｎｉｄｅ  ｐｌａｎａｒ  ｗａｖｅｇｕｉｄｅ」、Ｏｐｔ．Ｅｘｐｒ．、１９巻、１４９３８頁（２００８年）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
１ＧＨｚを超える繰返し率で、特に１５５０ｎｍの近くの波長で動作することができる低ノイズ・スーパーコンティニューム光源の必要性が依然として残されている。さらに、１７００ｎｍを超える波長で動作する短パルス・レーザ光源で動作し、中赤外まで拡大された広いコヒーレント・スペクトル有効範囲を生成することができる低ノイズ・スーパーコンティニューム光源の必要性が依然として残されている。さらに、軟質ガラスまたは高非線形導波路に基づく低ノイズ高コヒーレント・スーパーコンティニューム光源の必要性が依然として残されている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
広いスペクトル有効範囲を可能にする低ノイズ・ファイバ・ベースのコヒーレント・スーパーコンティニューム光源が説明される。スーパーコンティニュームのコヒーレンスを向上させるために、高非線形ファイバが、１７００ｎｍを超える波長で放出する低ノイズ・パルス光源とともに実装される。そのような低ノイズ・パルス光源は、非線形コア・ポンプ型Ｔｍファイバ増幅器中で増幅されるコア・ポンプ型モードロックＴｍファイバ発振器を含むことができる。代替として、クラッド・ポンプ型線形Ｔｍファイバ増幅器が、コア・ポンプ型モードロックＴｍファイバ発振器とともに使用され得る。低ノイズ・コア・ポンプ型Ｔｍファイバ・レーザ光源、ならびに短パルスを生成する任意の好適な低ノイズ・レーザ光源を使用して、高コヒーレント低ノイズ・スーパーコンティニュームの発生が可能である。そのような低ノイズ・パルス・レーザ光源は、例えば、増幅自然放出光源など、単一周波数ポンプ・レーザ、またはポンプ・レーザを用いてポンピングすることができ、横または縦モード構造を無視できることを示している。これらの短パルス・レーザ光源は、好ましくは１ｐｓ未満のパルス幅、より好ましくは３００ｆｓ未満のパルス幅、最も好ましくは１００ｆｓ未満のパルス幅を発生させる。高非線形シリカ・ファイバは、ファイバ・コア内部の高レベルのゲルマニア・ドーピングを使用することによって生成することができる。１０モル％を超える、より好ましくは２０モル％超えるゲルマニア・ドーピング・レベルを実現することができる。ステップ・インデクス屈折率プロファイル、Ｗ形状屈折率プロファイル、またはより複雑な屈折率プロファイルを使用する高ゲルマニア・ドープ高非線形ファイバを容易に実装することができる。１７００ｎｍを超える波長で、高非線形ゲルマノ・シリケート・ファイバは、全ファイバ設計を実現しながら分散平坦化されるようにさらに設計することができる。
【０００９】
さらに、中心コア・セクションを囲む空気孔を組み込んだゲルマニア・ドープ・フォトニック結晶ファイバを、コヒーレント・スーパーコンティニューム発生に容易に使用することができる。そのようなゲルマニア・ドープ・フォトニック結晶ファイバは、従来のステップ・インデクス・ファイバによる分散管理の量が多少制限される１７００ｎｍを超える放出波長をもつレーザ光源を使用する場合に特に有用である。
【００１０】
代替として、特に、２０００ｎｍを超える波長のコヒーレント・スーパーコンティニューム発生では、多くの種類の軟質ガラスベース、または重金属酸化物ベースの高非線形ファイバに注入される低ノイズＴｍファイバ・パルス光源を利用することができる。そのような軟質または重金属酸化物ガラス高非線形ファイバは、例えば、フッ化物、鉛ガラス、ビスマス、カルコゲナイド、またはテルライト・ベースのファイバを含むことができる。これらのガラスから製作された対応するファイバは、好ましくは、分散平坦化プロファイルを有する。例えば、好ましくは、ファイバは、利用するレーザ光源の中心波長から±１００ｎｍまで広がった範囲において｜１００｜ｐｓ２／ｋｍ未満の分散の値を有し、より好ましくは、その範囲は±２００ｎｍであり、最も好ましくは、その範囲は±５００ｎｍであることになる。
【００１１】
軟質ガラスでのスーパーコンティニューム発生の代替として、例えば、シリコン、ビスマス、カルコゲナイド、ＧａＡｓ、ＬｉＮｂＯ３、またはＧａＰベースの導波路などの高非線形導波路を利用することができる。
【００１２】
高コヒーレント・スーパーコンティニューム・スペクトルは、単にいくつかの例を挙げると、周期分極ＬｉＮｂＯ３（ＰＰＬＮ）、光学的パターン化ＧａＡｓまたはＧａＰなどの疑似位相整合結晶材料で発生させることもできる。好ましくは、導波路構造が実装される。これらの導波路で発生するスーパーコンティニューム・スペクトルは、１オクターブを超える波長スパンで高コヒーレントとすることができる。疑似位相整合非線形結晶のゼロ分散波長の近くで動作するレーザ光源が実装されていることが好ましい。ＰＰＬＮ導波路では、２０００ｎｍ波長領域で放出するパルス光源をスーパーコンティニューム発生のために実装することができる。
【００１３】
導波路の自己周波数シフトを活用すると、中赤外のスペクトル有効範囲を拡張するための軟質ガラス高非線形ファイバに第１の高非線形導波路からの出力を注入することに基づくタンデム・スーパーコンティニューム光源の構成がさらに可能になる。
【００１４】
低ノイズ高コヒーレント・スーパーコンティニューム光源は多くの用途で利用することができる。それは、例えば、光パラメトリック発振器および増幅器の低コストの代替として役立つことができる。さらに、低ノイズ・スーパーコンティニューム光源は、フーリエ変換分光法または多重ヘテロダイン分光法などの分光法用途、ならびに線形光サンプリングで非常に有益である。実際に、局部発振器としてのスーパーコンティニューム・パルスによるいくつかの形態のコヒーレント検出方式を含むいかなる測定値技法も、低ノイズ特性から大きい利益を得ることができる。
【００１５】
例として、コヒーレント・スーパーコンティニューム光源は、１７００ｎｍを超える中心波長の出力を発生させる低ノイズ・ファイバ・ベースのパルス光源を含むことができ、その出力は、１ｐｓ未満のパルス幅を有する少なくとも１つのパルスを含む。そのようなパルス光源は、コア・ポンプ型モード・ロックＴｍファイバ・レーザに基づくことができる。高非線形材料は、光源からの出力を受け取り、コヒーレント・スーパーコンティニュームを発生させる。高レベルのコヒーレンスは、スーパーコンティニューム・スペクトルの要素を単一周波数レーザと光学的に干渉させ、高い信号／雑音比をもつ高周波領域のビート信号を観察することによって特性決定することができる。代替として、ｆ−２ｆ干渉計を使用して、コヒーレンスのレベルを検証することができる。
【００１６】
いくつかの実施形態では、ファイバ・ベースのパルス光源は少なくとも約１ＧＨｚの繰返し率で動作することができる。いくつかの実施形態では、スーパーコンティニューム帯域幅は１．１オクターブを超えることができる。いくつかの実施形態では、非線形導波路は、光源の出力を２２００ｎｍを超える波長まで自己周波数シフトさせ、それに続いて、高非線形材料でスーパーコンティニュームを発生させるために利用することができる。
【００１７】
低ノイズ高コヒーレント・スーパーコンティニューム光源は、さらに、撮像用途ならびにマイクロ分光法にとって非常に重要である。低ノイズ・スーパーコンティニューム光源の撮像用途には、光コヒーレンス断層撮影と、共焦点蛍光顕微鏡のあらゆる変形形態と、誘導放出抑制顕微鏡（ＳＴＥＤ）などの超解像顕微鏡とが含まれる。他の撮像用途には、例えば、２光子および３光子蛍光に基づく多光子顕微鏡などのあらゆる種類の多光子顕微鏡と、表面第二高調波発生と、第三高調波発生と、コヒーレント反ストークス・ラマン散乱ならびに誘導ラマン散乱とが含まれる。マイクロ分光用途は、例えば、中赤外吸収分光法ならびにチップ増強分光法を含むことができる。
【００１８】
本発明の１つの態様はコヒーレント検出の方法を特徴としており、コヒーレント・スーパーコンティニュームはコヒーレント信号放出を誘起し、コヒーレント信号放出は分析される。別の態様では、本発明は、スーパーコンティニュームが被試験試料によってスペクトル的に変更されるロックイン検出の方法を特徴としている。次に、変更されたスペクトルは、ロックイン検出システムの変調周波数で分析される。別の態様では、本発明は、コヒーレント・スーパーコンティニュームの少なくとも一部で試料を照明することと、試料によって生成された反応を検出することと、この応答に基づいて試料の特性を確定することとを含む、試料の特性を確定する方法を特徴としている。別の態様では、本発明は、２つのコヒーレント・スーパーコンティニューム・スペクトルが発生される多重ヘテロダイン検波を使用して試料の特性を確定する方法を特徴としている。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】１７００ｎｍを超える波長で放出する光源と高非線形ファイバとを実装する低ノイズ広帯域スーパーコンティニューム光源の包括的な実施形態を概略的に示す図である。
【図２ａ】２０００ｎｍ波長範囲の近くで動作する光源によるスーパーコンティニューム発生のための高非線形ゲルマニウム・ドープの従来の中実石英ガラス・ファイバの測定した屈折率プロファイルのグラフである。
【図２ｂ】高非線形ゲルマニア・ドープ・シリカ・フォトニック結晶ファイバの断面を示すＳＥＭ画像である。
【図３ａ】広帯域スーパーコンティニューム光源で使用するのに好適な例示のファイバ・ベースの低ノイズ・パルス発信器／増幅器配置を概略的に示す図である。
【図３ｂ】広帯域スーパーコンティニューム光源で使用するのに好適な例示のファイバ・ベースの低ノイズ・パルス発信器／増幅器配置を概略的に示す図である。
【図４ａ】Ｔｍファイバ・レーザにより高非線形シリカ・ファイバで発生したスーパーコンティニューム・スペクトルの近赤外部分を示すグラフである。
【図４ｂ】スーパーコンティニューム・スペクトルの要素と単一周波数レーザとの間で測定された高周波ビート信号の信号／雑音比を示すグラフである。
【図４ｃ】ｆ−２ｆ干渉計を実装したときのスーパーコンティニューム・スペクトルの要素間で測定された高周波ビート信号の信号／雑音比を示すグラフである。
【図５】高コヒーレント・スーパーコンティニューム・スペクトルを実現する低ノイズ波長可変光源の一実施形態を概略的に示す図である。
【図６】高コヒーレント・スーパーコンティニューム・スペクトルを実現する低ノイズ二重波長光源の一実施形態を概略的に示す図である。
【図７】高コヒーレント・スーパーコンティニューム・スペクトルを実現する低ノイズ二重波長可変光源の一実施形態を概略的に示す図である。
【図８】高コヒーレント・スーパーコンティニューム・スペクトルで被試験試料を分光分析するのに好適なコヒーレント検出方式の包括的な実施形態を概略的に示す図である。
【図９】低ノイズ高コヒーレント・スーパーコンティニューム・スペクトルで被試験試料を分光分析するのに好適なロックイン検出方式の包括的な実施形態を概略的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明は、コンパクトな高輝度広帯域中赤外コヒーレント・ファイバ光源および例示的な用途に関する。インコヒーレント中赤外スーパーコンティニューム発生が、Ｉｓｌａｍへの「Ｂｒｏａｄｂａｎｄ  ｏｒ  Ｍｉｄ−Ｉｎｆｒａｒｅｄ  Ｆｉｂｅｒ  Ｌｉｇｈｔ  Ｓｏｕｒｃｅｓ」という名称の米国特許第７，５１９，２５３号に記載された。軟質ガラス・ファイバへのサブ１００ｆｓパルスの注入に基づき、フッ化物、テルライト、ビスマス、またはカルコゲナイド・ファイバなどの軟質ガラス・ファイバ中で３〜２０μｍの波長まで広がる出力を供給するコヒーレント・スーパーコンティニューム発生が、現在は米国特許出願公開第２０１０／０２２５８９７号として公開されているＦｅｒｍａｎｎ等への「Ｏｐｔｉｃａｌ  ｓｃａｎｎｉｎｇ  ａｎｄ  ｉｍａｇｉｎｇ  ｓｙｓｔｅｍｓ  ｂａｓｅｄ  ｏｎ  ｄｕａｌ  ｐｕｌｓｅｄ  ｌａｓｅｒ  ｓｙｓｔｅｍｓ」という名称の米国特許出願第１２／３９９，４３５号で開示された。スーパーコンティニューム発生の詳細な理論的研究およびテルル化物フォトニック結晶ファイバ中のスーパーコンティニューム発生のコヒーレンスが、Ｗ．Ｑ．Ｚｈａｎｇ等、「Ａ  ｇｅｎｅｔｉｃ  ａｌｇｏｒｉｔｈｍ  ｂａｓｅｄ  ａｐｐｒｏａｃｈ  ｔｏ  ｆｉｂｅｒ  ｄｅｓｉｇｎ  ｆｏｒ  ｈｉｇｈ  ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ  ａｎｄ  ｌａｒｇｅ  ｂａｎｄｗｉｄｔｈ  ｓｕｐｅｒｃｏｎｔｉｎｕｕｍ  ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ」、Ｏｐｔ．Ｅｘｐｒ．、１７巻、１９３１１頁（２００９年）によって提示された。超平坦分散プロファイルが、広帯域コヒーレント・スーパーコンティニューム・スペクトルの発生に関して示唆された。しかし、開示されたファイバは、製造するのが非常に困難である。コヒーレント・コンティニューム発生のために１００ｆｓパルスを使用することが示唆されたが、そのような１００ｆｓパルスを供給する実際のパルス光源は開示されなかった。その上、スーパーコンティニューム発生のためのファイバ・レーザ光源は考慮されなかった。Ｂｕｃｃｏｌｉｅｒｏ等、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．、９２巻、０６１１０６頁（２０１０年）に提示された関連研究では、テルライト・フォトニック結晶ファイバ中のスーパーコンティニューム発生のために５ｐｓのパルスを発生させるＴｍファイバ・レーザを仮定した結果が説明されたが、５ｐｓのパルス幅をもつパルスしか考慮されなかった。コヒーレント・スーパーコンティニューム・スペクトルが、１７００ｎｍを超える波長で放出する低ノイズ・ファイバ・パルス光源により発生され、２０１１年２月１４日に出願された「Ｃｏｍｐａｃｔ，ｃｏｈｅｒｅｎｔ，ａｎｄ  ｈｉｇｈ  ｂｒｉｇｈｔｎｅｓｓ  ｌｉｇｈｔ  ｓｏｕｒｃｅｓ  ｆｏｒ  ｔｈｅ  ｍｉｄ  ａｎｄ  ｆａｒ  ＩＲ」という名称のＦｅｒｍａｎｎ等への米国特許出願第１３／０２６，７６２号（’７６２出願）に記載されており、その内容はその全体が参照により本明細書に組み込まれる。サブ１００ｆｓパルスを供給するＴｍファイバ・ベースのモード・ロック・パルス光源もその中に記載された。
【００２１】
図１は、２０００ｎｍの近くで動作する短パルス光源とともに高非線形ファイバを実装する低ノイズ広帯域高コヒーレント・スーパーコンティニューム光源１００の包括的な設計を示す。動作時に、短パルス光源のパルス特性は、非線形ファイバの属性と組み合わされて、高コヒーレント・スーパーコンティニュームを生成する。
【００２２】
短パルス光源は、１７００ｎｍを超える波長で動作し、かつ１ｐｓ未満のパルス幅、より好ましくは３００ｆｓ未満のパルス幅、最も好ましくは１００ｆｓ未満のパルス幅をもつパルスを生成する任意の低ノイズ・レーザ光源とすることができる。適切なパルス光源は、例えば、モード・ロック・ファイバ・レーザ、モード・ロック半導体または固体レーザを含むことができる。
【００２３】
パルス光源としてモード・ロック・ファイバまたは固体レーザを使用する場合、低ノイズ動作は、単一周波数ポンプ・レーザ、または増幅自然放出に基づくポンプ光源を実装することによって確実にすることができる。そのような低ノイズ・ポンプ光源は、例えば、ブロードストライプ多重横モード半導体レーザに基づくポンプ・レーザまたは多重モード化縦モード構造を示すファイバ・レーザなど、多重縦または多重横モード構造を示さない。そのような多重モード・ポンプ・レーザのモード・ビートのために、発生したコンティニュームのノイズ・レベルがスーパーコンティニューム・ファイバ中の振幅対位相ノイズ結合（ａｍｐｌｉｔｕｄｅ  ｔｏ  ｐｈａｓｅ  ｎｏｉｓｅ  ｃｏｕｐｌｉｎｇ）に起因して増加し、その結果として、コヒーレンスが低下する。
【００２４】
１つの実施形態では、Ｔｍファイバ・レーザ・ベースの短パルス光源を使用することができる。適切な短パルス光源が前述の’７６２出願に開示された。
【００２５】
少なくとも１つの実施形態では、短パルス光源からの単一モード出力ビームは、高非線形ファイバに結合され、モード整合用バルクおよび／または集積光学系、直接スプライス接続、またはファイバ・テーパを使用して非線形ファイバにモード整合される。高非線形ファイバをテーパ化して、光源への結合を簡単化および安定化させることができる。結合を簡単化するために、高非線形ファイバの上流方向にモード直径が増加している短いセクションの光ファイバに高非線形ファイバをスプライス接続することもできる。さらに、高非線形ファイバをテーパ化することができ、またはコンティニューム出力をさらに整形するために１つを超える高非線形ファイバを使用ことができる、すなわち、いくつかの高非線形ファイバを連結することができる。
【００２６】
９００〜２７００ｎｍのスペクトル範囲の高コヒーレント・スーパーコンティニュームを発生ための適切な高非線形ファイバの屈折率プロファイルの一例が図２ａに示される。ｙ軸目盛はクラッド・ガラスの屈折率からの屈折率差を表し、ｘ軸はμｍ目盛の半径方向位置を表す。ファイバは、比較的低いエネルギー・パルス、例えば、１００ｎＪ未満のパルス・エネルギーで、１７００〜２３００ｎｍの波長範囲で動作するレーザ光源を使用してスーパーコンティニュームを発生させるように設計される。屈折率プロファイルの形状は、最新技術ではＷプロファイルとして知られている。屈折率プロファイルは、高レベルのゲルマニアでコア・セクションを共ドープし、フッ素で周囲のディプレスト・クラッド・セクションを共ドープすることによって得られ、それは、分散平坦化屈折率プロファイルを得るのに有用である。１５００〜２５００ｎｍの範囲で｜１０｜ｐｓ２／ｋｍ未満の分散をもつそのようなファイバを設計することができる。それに比べて、この波長範囲の石英ガラスの分散変化は約２５倍大きい。
【００２７】
コヒーレント・スーパーコンティニューム発生のスペクトル範囲は、追加の高非線形ファイバの縦続接続ならびに実装される高非線形ファイバの適切なテーパ化によってさらに拡大させることができる。
【００２８】
コヒーレント・スーパーコンティニューム発生では、１ｐｓ未満のパルス幅をもつパルスを生成する低ノイズ短パルスＴｍファイバ光源が、上述のような技法を使用して高非線形ファイバに都合よく結合される。改善されたコヒーレンスを３００ｆｓ未満のパルス幅で得ることができ、さらに改善されたコヒーレンスを１００ｆｓ未満のパルス幅で得ることができる。そのようなＴｍ光源が’７６２出願の図３および図８ならびに関連する本文に開示された。そのような光源は、さらに、非常にコンパクトな構成を可能にする高非線形ファイバに直接スプライス接続することができる。
【００２９】
高レベルのコヒーレンスを保証するために、１００ｆｓパルスを生成するコア・ポンプ型Ｔｍファイバ発振器とコア・ポンプ型Ｔｍファイバ増幅器とを使用することができる。Ｔｍファイバ増幅器は、増幅器の内部で自己位相変調のレベルが１．５πを超える非線形とすることができ、増幅器出力部で約７０ｆｓまでの非線形パルス圧縮が可能である。
【００３０】
対照的に、本発明者等は、非線形クラッド・ポンプ型Ｔｍ増幅器を使用した場合、発生したスーパーコンティニュームのコヒーレンスのレベルが激しく劣化することを観測した。その理由は、クラッド・ポンピングで使用した多モード半導体ポンプ光源のモード・ビートに起因するスーパーコンティニューム・ファイバ中の振幅対位相ノイズ結合である。しかし、自己位相変調の最大レベルが１．５πに制限される場合、線形クラッド・ポンプ型Ｔｍファイバ増幅器を使用することによって許容レベルのスーパーコンティニューム・コヒーレンスを得ることができる。
【００３１】
Ｆ．Ａ．Ｏｇｕａｍａ等、「Ｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓ  ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ｒａｍａｎ  ｇａｉｎ  ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ  ａｎｄ  ｔｈｅ  ｎｏｎｌｉｎｅａｒ  ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ  ｉｎｄｅｘ  ｏｆ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｆｉｂｅｒｓ：ｔｈｅｏｒｙ  ａｎｄ  ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ」、Ｊ．Ｏｐｔ．Ｓｏｃ．Ａｍ．Ｂ、２２巻、４２６頁（２００５年）に示されているように、光ファイバの非線形屈折率Ｎ２は、ゲルマニア含有量とともに増加し、したがって、ＰＣＦのコアへのゲルマニアの組み込みがそのようなファイバの非線形屈折率を増加させ、スーパーコンティニューム発生のためのパルス・エネルギー要件を最小化する。
【００３２】
発生したスーパーコンティニュームのコヒーレンスは、スーパーコンティニューム・スペクトルの光周波数ωの関数としての１次コヒーレンスｇ（ω）によって近似的に記述でき、
【００３３】
【数１】
2014512019.tif 000003
として定義されることが最新技術でよく知られており、ここで、Ａｉ，ｊ（ω）は、ｉ番目のパルスおよびｊ番目のパルスによって発生されたスーパーコンティニューム・スペクトルの振幅であり、ここで、整数は、パルス列内でランダムに選択される。コヒーレンス関数ｇ（ω）またはｇ（λ）（ここで、λは光周波数ωでの対応する波長である）によるスーパーコンティニューム・スペクトルの特性評価は、例えば、Ｗ．Ｑ．Ｚｈａｎｇ等、「Ａ  ｇｅｎｅｔｉｃ  ａｌｇｏｒｉｔｈｍ  ｂａｓｅｄ  ａｐｐｒｏａｃｈ  ｔｏ  ｆｉｂｅｒ  ｄｅｓｉｇｎ  ｆｏｒ  ｈｉｇｈ  ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ  ａｎｄ  ｌａｒｇｅ  ｂａｎｄｗｉｄｔｈ  ｓｕｐｅｒｃｏｎｔｉｎｕｕｍ  ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ」、Ｏｐｔ．Ｅｘｐｒ．、１７巻、１９３１１頁（２００９年）で使用されており、ここでは、これ以上説明されない。しかし、Ｚｈａｎｇによって使用された式（１）は実際のパルス光源の過剰ノイズを明らかにしておらず、過剰ノイズは別々に特性評価を行う必要があり、パルス光源ごとに激しく異なることがある。パルス光源は、ショット・ノイズ限界とすることができるが、依然として非常に大きい位相ノイズを有する。実験的に、１次コヒーレンスは、マッハ・ツェンダ干渉計を使用して、パルス光源からの寄与を含めて、近似的に測定することができ、ここで、パルス光源からの２つの続いて生じるパルスが干渉し、発生したスペクトル・インターフェログラムの鮮明度が光周波数の関数として観察され、ここで、
【００３４】
【数２】
2014512019.tif 000004
である。この場合、Ｉｍａｘ，ｍｉｎ（ω）は、それぞれ、観察されたスペクトルのインターフェログラムの最大および最小スペクトル強度であり、Ｉ１，２（ω）は、それぞれ、マッハ・ツェンダ干渉計の２つのアームで得られたスペクトル強度である。この測定技法は、最新技術でよく知られおり、これ以上説明を必要とせず、例えば、それは、Ｎｉｃｈｏｌｓｏｎ等への米国特許第６，７７５，４４７号の図１０ａに関して説明された。以下の説明のためにｇｎ（ω）をｇ（ω）と区別するために、本発明者等はｇｎ（ω）を隣接コヒーレンス（ｎｅｘｔ  ｎｅｉｇｈｂｏｒ  ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ）と呼ぶ。
【００３５】
ここでの目的では、かつ特に指示がない限り、光スーパーコンティニューム帯域幅は、生成されたスペクトル密度がコンティニュームのピーク・スペクトル密度の少なくとも約０．１％である２つの最極端のスペクトル点の間で測定されたスペクトル帯域幅として理解されるべきである。代替として、これらの一番端のスペクトル点を−３０ｄＢ点と呼ぶ。
【００３６】
短パルスおよび広いコヒーレント・スペクトルを発生させるように最適化された受動モード・ロックＴｍファイバ発振器のいくつかの構成要素が図３ａに示され、構成が、’７６２出願にも開示されている。Ｔｍ発振器キャビティ３１０は、ポンプ光源３２０でポンピングされる。この例では、ポンプ光源３２０は、１５００〜１６５０ｎｍの波長領域のＴｍファイバ吸収帯と重ねるためにこの波長領域で動作する低ノイズ単一周波数ファイバ・レーザまたは単一周波数ダイオード・レーザなどの単一モード・シード・レーザを含む。超低ノイズが必要とされない場合、この波長領域で動作するＥｒファイバ・レーザをポンプ光源として使用することもできる。単一周波数ファイバ・シード・レーザは、Ｅｒファイバ増幅器中でさらに増幅され、Ｔｍファイバ・レーザ・キャビティをポンピングするために使用される。Ｅｒファイバ前置増幅器ポンプは、オプションの振幅変調器およびファイバ・カプラＣ１を介してＴｍファイバ・レーザ・キャビティ３１０に誘導される。
【００３７】
Ｔｍファイバ発振器の代わりに、Ｔｍ：Ｈｏファイバ発振器またはＨｏファイバ発振器を実装することもできる。そのとき、ポンプ光源の適切な変更も必要とされる。例えば、Ｈｏファイバは、最新技術でよく知られているようなＹｂファイバ・レーザにより１１５０ｎｍでポンピングすることができる。
【００３８】
Ｔｍファイバ・レーザ・キャビティ３１０は、Ｔｍファイバ、ポンプ結合用のカプラＣ１、および出力結合用のカプラＣ２を含む一方向リング・キャビティとして構成される。リング・レーザは、さらに、非線形偏光発生（ｎｏｎｌｉｎｅａｒ  ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ  ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ）を使用して受動モード・ロックされる。そのような受動モード・ロック一方向ファイバ・リング・キャビティは、例えば、米国特許第５，５１５，１９４号（’１９４）に記載された。キャビティは、コリメーション・レンズＬ１、Ｌ２と、１／４波長板または１／２波長板として構成された波長板Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３、およびＷ４とをさらに含む。キャビティは、アイソレータと、偏光ビームスプリッタＰＢＳとをさらに含む。Ｔｍファイバ３０３は、一方の端部で、最新技術でよく知られている、例えば、コーニングＳＭＦ−２８ファイバのような標準単一モード・ファイバ３２７−ｂにスプライス接続される。カプラＣ１およびＣ２は、さらに、ここではピグテイル・ファイバと呼ばれる標準単一モード・ファイバで構成され、ポンプ光をキャビティに結合し、出力をキャビティから引き出すために使用される。他方の端部で、Ｔｍファイバはある長さの分散補償ファイバ３０１にスプライス接続され、分散補償ファイバ３０１は単一モード・ファイバ３２７−ａによりカプラＣ２に接続される。キャビティは繰返し率コントローラ３０５をさらに含み、ファイバ・コイルが繰返し率制御のために圧電変換器に巻きつけられたピグテイル・ファイバから製作される。繰返し率制御のためのそのような要素はよく知られている。
【００３９】
図３ａのレーザ・システムは、キャビティ３１０の内部の総合キャビティ分散がほぼゼロである場合に最短パルスを生成する。より概括的には、最低量の搬送波位相ノイズをもつあり得る最短パルスを発生させるには、キャビティの２次分散はゼロに近いか、またはキャビティ内長さのメートル当たり±２００００ｆｓ２の範囲内にあるべきである。好ましくは、キャビティ内の２次分散のそのような低い値は、異なる値の２次および３次分散をもつファイバを使用して得られる。概して、標準単一モード・アンドープ・ピグテイル・ファイバおよびＴｍファイバは、同様の値の２次および３次分散を有し、少なくとも２次および３次分散の符号は、２０００ｎｍの波長またはその近くで、例えば、約１７００ｎｍから約２５００ｎｍの波長範囲で動作するＴｍファイバ発振器と同じであろう。１つの理由は、失透を引き起こすことなくシリカ・ファイバ中のＡｌ２Ｏ３およびＰ２Ｏ５などのガラス形成ドーパントに対して許容されるドーパント濃度に制限があることである。Ａｌ２Ｏ３および／またはＰ２Ｏ５はシリカ・ファイバ中のＴｍの高い溶解性を可能にするので、そのようなＴｍドープ・ファイバの開口数は、概して、約０．２５に制限され、それにより、そのようなファイバに組み込むことができる導波路分散の量が制限される。対照的に、希土類元素のない分散補償ファイバでは、ＧｅＯ２を主ドーパントとして使用することができ、それにより、非常に大きい値のファイバ開口数（最大約０．４０）と、大きい値の導波路分散とが可能になる。
【００４０】
したがって、非常に低く、ほとんど最小のキャビティ内分散を実現するために、Ｔｍファイバまたは任意の標準アンドープ単一モード・ピグテイル・ファイバの分散を補償するファイバを様々な実施態様で利用することができる。これらの分散補償ファイバは、Ｔｍファイバおよびピグテイル・ファイバの対応する値と反対の符号を有する２次および３次分散値で設計することができる。例えば、複数のファイバ・セクションを利用することができ、各セクションは少なくともある長さのファイバを有し、ここで、
第１のファイバ・セクションは正の分散値Ｄ２１を有し、
第２のファイバ・セクションは負の分散値Ｄ２２を有し、
第１のファイバ・セクションは負の３次分散値Ｄ３１を有し、
第２のファイバ・セクションは正の３次分散値Ｄ３２を有する。
【００４１】
さらに、上記のように、特定のファイバ・セクションは、正味の（または平均の）正分散値または負分散値を生成するのに別のセクションと同じ数のファイバを含む必要はない。
【００４２】
加えて、理想的には、２次分散と３次分散との比は以下の関係：
（Ｄ２１／Ｄ３１）／（Ｄ２２／Ｄ３２）≒１
を満たすべきである。
【００４３】
ここで、Ｄ２１、Ｄ３１、Ｄ２２、Ｄ３２は、それぞれ、Ｔｍファイバおよび分散補償ファイバの２次および３次分散の値である。いくつかの好ましい実施形態では、２次分散と３次分散との比はさらに近似的に以下を満たす。
【００４４】
好ましくは、
０．２＜（Ｄ２１／Ｄ３１）／（Ｄ２２／Ｄ３２）＜５
である。
【００４５】
より好ましくは、
０．５＜（Ｄ２１／Ｄ３１）／（Ｄ２２／Ｄ３２）＜２
である。
【００４６】
最も好ましくは、
０．７＜（Ｄ２１／Ｄ３１）／（Ｄ２２／Ｄ３２）＜１．３
である。
【００４７】
上で述べたように、最小搬送波位相ノイズをもつ最短パルスを発生させるには、２次分散の総合値はキャビティ内ファイバ長のメートル当たり約±２００００ｆｓ２の範囲内にあるべきである。概して、ファイバ・キャビティは２つを超える異なるファイバ設計を含むことができる。そのような実施態様では、正の分散をもつファイバと負の分散をもつファイバとを２次および３次分散の平均値をもつ２つの異なるファイバ・セクションにひとまとめにすることで十分である。
【００４８】
反対符号の２次分散であるが同様の２次／３次分散比をもつファイバを得る別の代替案は、フォトニック結晶ファイバの実装により達成することができる。例えば、’７６２の図２に示されるように中心ドープ・ファイバ・セクションを囲む小さい空気孔を追加し、コア径を適切に制御することによって正分散をもつＴｍドープ・フォトニック結晶ファイバを製造することができる。Ｔｍドープ・コアがより大きいシリカ・ファイバ・クラッドに埋め込まれた６つの空気孔で囲まれているファイバが’７６２に示されている。それにより、負値の３次分散も得ることができる。代替として、２次および３次分散の制御を同様に可能にするアンドープ・フォトニック結晶ファイバを製造することができる。そのようなアンドープ・フォトニック結晶ファイバは石英ガラス材料に基づくことができる。
【００４９】
３次分散に対する２次分散の比が厳密に整合され、キャビティの能動分散がほぼゼロに設定される（適切なファイバ長を選択することによって）場合、発生するパルスはキャビティ内のどこかで本質的に帯域幅制限される。カプラＣ２のピグテイル・ファイバの分散がキャビティ内分散補償ファイバ３０１の分散より非常に小さいと仮定すると、正のチャープ・パルスがカプラＣ２の出力部で発生する。そのとき、ピグテイル・ファイバ長を適切に選択することによって、帯域幅限界に近いパルスをカプラＣ２の出力部で得ることができる。ここで、カプラＣ２のカプラ・ピグテイル・ファイバは、好ましくは、キャビティ内Ｔｍドープ・ファイバ３０３と同様の値の２次および３次分散を有するように選択される。その上、’１９４特許と対照的に、レーザ・システムは、総合能動キャビティ分散がわずかに負となるように調整するとともに依然として非常に短パルスを生成することによって、本質的に、キャビティ内パルス幅変化が最小のソリトン・レーザとして動作することができる。
【００５０】
レーザ・システムは、例えば、米国特許第７，７８２，９１０号に記載されているようなシミラリトン・レーザとして動作することもでき、総合正キャビティ分散でレーザを動作させると近似的に放物線のパルスを生成することができる。Ｔｍファイバおよびファイバ・ピグテイルは分散補償ファイバよりも非常に大きいコア面積を有することができ、それにより、パルス整形は放物線パルス形成をもたらす分散補償ファイバによって支配されるので、放物線パルス形成が促進される。より概括的には、これにより、従来の放物線パルス発生技法と対照的に、正分散利得ファイバではなく負分散利得ファイバを使用してファイバ・レーザ・キャビティ中での放物線パルス形成が可能になる。
【００５１】
大きい光帯域幅および最低量の搬送波位相ノイズによる動作とは別に、ゼロ分散点の近くの動作の別の利点は、帯域幅限界に近いパルスをカプラＣ２の出力ピグテイルで容易に得ることができることである。理由は、あるファイバ・ピグテイル長さで、出力パルスの２次分散および３次分散の両方が前述のように自動的に補償されるからである。同時に２次分散および３次分散を補償するのは、複雑で高価なパルス整形要素を使用しない限り、受動モード・ロック発振器に接続された外部ファイバ・ピグテイルでは困難である。
【００５２】
図３ａの例では、モードロッキングのために非線形偏光発生を使用するモード・ロック・ファイバ・コム・リング・レーザが示される。しかし、モードロッキングが、１５０ｆｓ未満のパルス幅または６０ｎｍを超えるスペクトル帯域幅をもつパルスを発生させるのに利用される場合、キャビティ内ファイバの２次および３次分散の値を選択するための同様の考慮事項が当てはまる。特に、いかなるモードロッキング技法を使用する場合でもこの考慮事項は当てはまる。例えば、キャビティ内のどこへでもグラフェンまたはカーボンナノチューブ可飽和吸収体を追加して使用することにより、偏光感度を低減したリング・レーザ構造を構成することができる。そのような可飽和吸収体は、例えば、最新技術でよく知られているようなファイバ・テーパのエバネッセント場結合を介して組み込むこともでき、例えば、Ｋ．ＫｉｅｕおよびＭ．Ｍａｎｓｕｒｉｐｕｒ、「Ｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄ  ｌａｓｅｒ  ｐｕｌｓｅ  ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ  ｗｉｔｈ  ａ  ｆｉｂｅｒ  ｔａｐｅｒ  ｅｍｂｅｄｄｅｄ  ｉｎ  ｃａｒｂｏｎ  ｎａｎｏｔｕｂｅ／ｐｏｌｙｍｅｒ  ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ」、Ｏｐｔ．Ｌｅｔｔ．、３２巻、２２４２〜２２４４頁（２００７年）に記載されている。
【００５３】
追加のＴｍ増幅器（図示せず）を、さらに、カプラＣ２の出力部にスプライス接続することができる。Ｔｍ増幅器の２次および３次分散値は、増幅器の前に挿入された適切な長さの分散補償ファイバで補償することができる。ファイバを最適に選択し、さらに、Ｔｍ増幅器の内部の非線形圧縮を使用することにより、数十ｎＪのパルス・エネルギーで、５０ｆｓよりも短い、すなわち、１０〜３０ｆｓもの短パルスをそのようなシステムで発生させることができる。
【００５４】
超広帯域高コヒーレント・スーパーコンティニューム光源に好適なファイバ・ベースの発振器／増幅器の詳細な例が図３ｂに示される。それは、２つのエルビウム・ファイバ・ベースのポンプ光源、モード・ロックＴｍファイバ発振器、および非線形Ｔｍファイバ増幅器を含む。第１のエルビウム・ポンプ光源（ポンプ１）は、モード・ロックＴｍファイバ発振器をポンピングするために使用され、それは１５６３ｎｍの波長で動作する単一周波数半導体シード・レーザ（シード１）を含む。シード・レーザ出力および９８０ｎｍダイオード・ポンプ・レーザの出力が、波長分割多重カプラＣ１を介して組み合わされ、シード信号は、コア・ポンプ型エルビウム増幅器Ｅｒ１において引き続き増幅される。シード信号は、さらに、エルビウム増幅器ＤＣＥｒ１において約３Ｗの出力パワーまで増幅される。ここで、エルビウム増幅器は二重クラッド化されており、クラッド・ポンプ型を使用して高パワー・レベルが得られる。スター・カプラＳＣ１（最新技術でよく知られているような）を使用して、シード信号をＤＣＥｒ１用の多モード９８０ｎｍポンプ光と組み合わせる。クラッド・ポンプ型増幅器ＤＣＥｒ１の出力は、さらに、偏光多重カプラＰＳＣを介して第２のシード光源（シード２、やはり１５６３ｎｍで動作する）の出力と偏光多重化されて組み合わされ、シード光源（シード２）のパワーの変調を介してモード・ロックＴｍファイバ発振器への全ポンプ・パワーを高速変調することができる。ポンプ・パワーの高速変調はオプションであり、ここでは、単に、発振器の搬送波包絡線オフセット周波数を外部高周波信号または光周波数基準に精密にロックできるようにし、それによって、Ｔｍファイバ・ベースの周波数コム光源を構成できるようにするために含まれる。偏光多重カプラＰＳＣの代わりに、１６２０ｎｍなどの異なる波長で動作する波長分割多重カプラおよびシード光源（シード２）を、Ｔｍ発振器へのポンプ・パワーの高速変調のために使用することもできる。そのような実施態様は別個に示されない。しかし、周波数コム光源を構成するための他のシステム設計も、例えば、’７６２出願に記載されているように可能である。適切なアイソレータＩ１、Ｉ２、およびＩ３が様々な増幅段間で使用される。
【００５５】
モード・ロックＴｍファイバ発振器は、図３ａに関して既に説明した（かつ’７６２出願の図１に対応する）ように同様にセット・アップされる。Ｔｍファイバ発振器は、約７５ＭＨｚの繰返し率で動作するように設計され、１９５０ｎｍの中心波長および３０ｍＷまでの出力パワーをもつサブ１００ｆｓパルスを生成した。発振器は、３０ｃｍ長のＴｍファイバ（ＴＦ１）と、標準単一モード・ステップ・インデクス・ピグテイル・ファイバ（ＰＦ）と、発振器内の２次分散および３次分散の両方の分散補償のために使用される、ある長さの分散補償ファイバ（ＤＣＦ）とをさらに含んでいた。適切な波長板（Ｗ１は、１／４波長板および１／２波長板の両方を表す）および同様にＷ２が、偏光制御のため、および非線形偏光発生を介してモードロッキングを可能にするために使用された。ポンプ光は、波長分割多重カプラＣ２を介して発振器に注入され、発振器からの出力は、出力カプラＯＣ１を介して引き出された。
【００５６】
図３ｂの発振器は、ミラーＭ１で表されたオプションのシグマ・セクションと、偏光ビームスプリッタＰＢＳと、１／４波長板Ｗ３と、ミラーＭ１の空間的場所の長手方向変動を介して高速繰返し率制御を可能にするために使用された１／２波長板Ｗ４とをさらに含んでいた。ミラーＭ１の位置を変調できるようにするために、Ｍ１は圧電変換器にさらに取り付けられた。アイソレータＩ４は、モード・ロック・ファイバ・レーザ・キャビティの一方向の動作を確実にした。
【００５７】
本発振器設計は、単に一例として役立つものであり、かつ’７６２出願に記載されているものであるが、他の発振器設計を実施することもできる。
【００５８】
図３ｂの第２のエルビウム・ファイバ・ポンプ光源は、やはり１５６３ｎｍで動作し、コア・ポンプ型エルビウム増幅器Ｅｒ２で増幅される第３の半導体シード光源（シード３）と、上述のように同様の９８０ｎｍポンプ光源を使用するクラッド・ポンプ型・エルビウム増幅器ＤＣＥｒ２とを含んでいた。適切なアイソレータＩ５、Ｉ６、およびＩ７がシード光源分離を行う。発振器の出力と第２のエルビウム・ポンプは波長分割多重カプラＣ４を介して組み合わされ、ツリウム発振器は５０ｃｍの長さのコア・ポンプ型Ｔｍ増幅器ファイバＴＦ２において引き続いて増幅される。Ｔｍ発振器とＴｍ増幅器との間に追加のアイソレータ（図示せず）をさらに挿入することができる。そのとき、分散補償ファイバＤＣＦの長さ（キャビティ内ＤＣＦで使用される設計と同じ設計に基づく）は、（非線形）Ｔｍ増幅器ＴＦ２の出力部で確実に高次ソリトン圧縮をして平均パワー６００ｍＷをもつ７０ｆｓパルスを生成するように最適化された。Ｔｍ増幅器ファイバＴＦ２の出力は、さらに、コヒーレント・スーパーコンティニューム発生のために高非線形シリカ・ファイバ（例えば、図２ｂに示したような）に直接スプライス接続することができる。オクターブだけ隔てられた連続スペクトル内の２つの選択された波長間の群遅延を補償または調整するために、追加の長さの標準コーニングＳＭＦ−２８ファイバ（図示せず）をスーパーコンティニューム・ファイバの出力部にさらにスプライス接続することができる。そのような群遅延段は、例えば、ｆ−２ｆ干渉計の構成において有益である。
【００５９】
全体的なシステム設計は、任意のスーパーコンティニューム発生の際の振幅対位相ノイズ変換を最小化し、かつ高コヒーレント・スーパーコンティニューム出力を保証するように設計された以下のガイド・ラインに従う。この場合、一方では、モード・ロック発振器と信号増幅器（ＳＡ）とに由来する短パルスを構成する信号Ｓを区別する。他方では、モード・ロック発振器または信号増幅器を光学的にポンピングするポンプ・システムのフロントエンドで使用されるポンプ・シード光源またはポンプ・シード（ＰＳ）と、ポンプ・シードを増幅するために使用されるポンプ増幅器（ＰＡ）とを区別する。具体的には、
１）信号発生モード・ロック発振器はコア・ポンピングされる。
２）発振器ＰＳは、任意の形態の多モード構造に起因する不安定性が本質的にない（言い換えれば、いかなるそのような不安定性も無視できる）光源に由来する。
ａ）非線形ＳＡを使用する場合、
４ａ）ファイバＳＡはコア・ポンピングされる。ＳＡ  ＰＳは、任意の形態の多モード構造に起因する不安定性がないシード光源に由来する。
ｂ）線形ＳＡを使用する場合、
４ｂ）ファイバＳＡはコア・ポンピングまたはクラッド・ポンピングすることができる。ＳＡ  ＰＳは、好ましくは、必ずではないが、任意の形態の多モード構造に起因する不安定性がないシード光源に由来する。
やはり、すべてのシステムについて、発振器または増幅器ＰＡ内のいかなるクラッド・ポンプ型増幅段も線形である。ｃｗ  ＰＳを使用する場合、増幅の線形性は本質的に常に保証される。
【００６０】
いくつかの実施態様では、ＳＡがコヒーレント・スーパーコンティニューム発生に必要とされないことがあり、この場合、コヒーレント・スーパーコンティニューム発生のために発振器構成の設計基準しか順守する必要がない。
【００６１】
様々な実施形態では、スーパーコンティニューム光源は、高非線形材料と一緒に低ノイズ・ファイバ・ベースのパルス光源を含む。低ノイズ・ファイバ光源は、高コヒーレント・スーパーコンティニュームの発生を容易にする。例として、発振器ポンプ・システム用の好ましいシード光源は、任意の形態の多モード構造で現われることがあるモード・ノイズに起因する不安定性がない。単一周波数半導体シード・レーザまたは単一周波数ファイバ・レーザを様々な実施態様で使用することができる。さらに、好ましくは、そのような単一周波数ファイバ・レーザ中の緩和振動は、最新技術でよく知られているようないくつかのタイプの能動フィードバック・システム、例えば、ノイズ・イータを使用して抑制することができる。別の例は、縦または横モード構造がない増幅自然放出に基づく光源、例えば、ファイバ増幅自然放出光源などであろう。例として、そのような低ノイズ光源の二乗平均平方根強度ノイズ（ＲＩＮノイズ）は、１Ｈｚから１ＭＨｚまでの周波数範囲で約１％未満とすることができる。
【００６２】
図３のシステムと、非線形Ｔｍ増幅器の下流に配設された高非線形ファイバとにより１０００〜１７００ｎｍのスペクトル範囲で発生されたスーパーコンティニューム・スペクトルが図４ａに示される。異なる分光計を使用した他の測定の示すところによれば、スーパーコンティニューム・スペクトルは約２６００ｎｍの波長まで広がり、したがって、全連続スペクトルは約１．３オクターブのスペクトル範囲を含んでいた。
【００６３】
図２ａに示したようなＲＩＰを有し、図３に示したスーパーコンティニューム発振器／増幅器光源で利用される高非線形ゲルマニウム・ドープ中実石英ガラスＳＣＦで得られた高レベルのスーパーコンティニューム・コヒーレンスおよび低レベルの位相ノイズが、１０３３ｎｍで動作する単一周波数レーザを用いて個々のスペクトル成分のビートをとり、高周波（ＲＦ）分析器を用いてビート信号を測定することによってさらに実験的に確認された。振幅ノイズ寄与を最小化するために、単一周波数レーザと発生連続スペクトルとの間のビート信号の二重平衡検出をさらに実施することができる。この測定の結果が図４ｂに示され、ほぼ３０ｄＢのＳ／Ｎ比が得られた。
【００６４】
周波数計測学では、低レベルの位相ノイズは、スーパーコンティニューム・スペクトル内の単一周波数レーザによる測定ビート信号のＳ／Ｎ比が十分に高く、単一周波数レーザとスーパーコンティニューム・スペクトル内の個々の周波数コム・ラインとの間の位相ロッキングが可能になることを意味する。実際には、単一周波数レーザとスーパーコンティニューム・スペクトル内の個々のコム・ラインとの間のビート信号を測定する場合、２０ｄＢを超えるＳ／Ｎ比がＲＦ分析器によって１００ｋＨｚスペクトル分解能で得られるとき、標準エレクトロニクスを使用して位相ロッキングが可能である。したがって、以下では、本発明者等は、単一周波数レーザとスーパーコンティニューム・スペクトル内の個々のコム・ラインとの間のビート信号を測定する場合、スーパーコンティニューム内のスペクトル点における高い位相コヒーレンスとは１０ｄＢを超えるＳ／Ｎ比がＲＦ分析器によって１００ｋＨｚスペクトル分解能で得られることを意味するという定義を採用する。
【００６５】
図２ａに示したようなＲＩＰを有するＳＣＦファイバで得られる高レベルのスーパーコンティニューム・コヒーレンスは、パルス幅と、実装されるＴｍファイバ・システムのタイプに強く依存しており、最良の結果は、非常に短いパルスの注入とコア・ポンプ型Ｔｍ発振器およびコア・ポンプ型Ｔｍ増幅器とを用いて得られた。この例では、向上したコヒーレンス属性が１００ｆｓ未満のパルス幅で得られ、最適を下回るコヒーレンス特性が３００ｆｓ未満のパルス幅で得られ、さらに最適を下回るコヒーレンス属性が１ｐｓ未満のパルス幅で得られ、さらにより劣化したコヒーレンス属性が１ｐｓを超えるパルス幅で得られた。高レベルのコヒーレンスは、スーパーコンティニュームに基づく後続のスペクトル測定のＳ／Ｎ比を改善するのに重要になることがある。ショット・ノイズ限界光源がそのような測定値技法では非常に望ましい。１に近いコヒーレンス値（式（１）または式（２）に関して定義されたような）は、追加のノイズがスーパーコンティニューム発生のプロセスを介して短パルス・レーザ光源ノイズに加えられないことを保証する。したがって、ショット・ノイズ限界光源がスーパーコンティニュームを発生させるのであれば、発生したコンティニュームもショット・ノイズ限界であることになる。他方、スーパーコンティニューム発生がショット・ノイズより上の１０ｄＢの過剰振幅ノイズ・レベルを生成する場合、ショット・ノイズ限界光源が使用された場合と比較して、信号検出で同じＳ／Ｎ比を達成するには、１００倍長い信号平均化時間を満たす必要がありうる。しかし、ショット・ノイズ限界性能は低い位相ノイズを保証せず、したがって、特に高い位相コヒーレンスを保証することができない。
【００６６】
多くの短パルス光源は、過剰ノイズ・レベルを生成することがある。この場合、１の近くのコヒーレンスは、過剰ノイズ・レベルがスーパーコンティニューム発生のプロセスで増加しないことを保証し、それはやはり非常に望ましい。
【００６７】
図２ａに示したＲＩＰを有するシリカ・ファイバで得られる高レベルのスーパーコンティニューム・コヒーレンスは注目に値するものであり、分散平坦化ファイバ設計により得られる。そのようなファイバは、１７００〜２５００ｎｍの波長範囲の短パルス光源を実現する場合、高コヒーレント・スーパーコンティニューム・スペクトルを生成することができる。場合によっては、分散平坦化は必要とされないことがある。以下の説明のために、本発明者等は、隣接コヒーレンスｇｎ（ω）＞０．７が得られる場合の高レベルのコヒーレンスをもつスーパーコンティニューム・スペクトルを参照する。
【００６８】
１７００ｎｍを超える波長で動作する短パルス光源を使用する場合、大きいゲルマニア含有量をもつ高非線形シリカ・ファイバを使用すると、分散平坦化高非線形ファイバ設計の実施が可能になるので発生したスーパーコンティニュームのコヒーレンス属性がさらに大幅に向上する。様々な好ましい実施形態では、１０モル％を超えるゲルマニア濃度が望ましく、２０モル％を超えるゲルマニア濃度はより望ましく、３０モル％を超えるゲルマニア濃度は最も望ましい。分散平坦化ファイバ設計は、さらに、コア領域を画定するためのフォトニック結晶構造か、Ｗ屈折率プロファイルか、またはより複雑な屈折率プロファイルかを使用することによって可能になりうる。好ましくは、高非線形ファイバは、レーザ光源の中心波長から±１００ｎｍまで広がった範囲において｜１０｜ｐｓ２／ｋｍ未満の分散の値を有し、より好ましくは、その範囲は±２００ｎｍであり、最も好ましくは、その範囲は±５００ｎｍである。分散平坦化ファイバの使用により、コヒーレンス属性が最大化され、一方、同時にパルス・エネルギー要件が比較的低く、例えば、１００ｎＪ未満に保たれる。
【００６９】
１７００ｎｍを超える波長で動作する低ノイズ短パルス光源とともに使用することができる高非線形ファイバ用のフォトニック結晶ファイバ設計の一例が図２ｂに示される。例として、そのようなファイバの例示の断面を示すＳＥＭ画像がここに示されている。このファイバは、中心コアが６つの空気孔で囲まれた石英ガラスに基づいており、フォトニック結晶ファイバ（ＰＣＦ）構成の一例である。製造プロセス中に、高いゲルマニア濃度をもつゲルマノ・シリケート・ガラス・ロッドがスタック・アンド・ドロー技法を使用して中心コア領域に挿入される。そのようなファイバは、Ｄｏｎｇ等、「Ｕｌｔｒａ  ｈｉｇｈ  ｎｕｍｅｒｉｃａｌ  ａｐｅｒｔｕｒｅ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｆｉｂｅｒｓ」、米国特許第７，７１５，６７２号に開示されており、その内容は参照により本明細書に組み込まれる。コア境界内へのファイバ・モードの強い閉込めのために、ゲルマニア・ドープ中心コア領域はファイバ・モードとの非常に高い重なり合いを有する。したがって、フォトニック結晶ファイバの非線形は、ゲルマニア・ドープ中心コア領域の非線形によって支配的に決定される。
【００７０】
コヒーレント・スーパーコンティニューム発生のスペクトル有効範囲を２５００ｎｍを超える波長まで拡大するには、軟質ガラスベースの、もしくは重金属酸化物ガラスベースのファイバを使用すること、または高非線形導波路を使用することが望ましい。そのような中赤外透過ガラスは、例えば、テルライト、カルコゲナイド、ＳＦ６、鉛、またはフッ化物に基づくことができる。しかし、様々な実施形態では他のガラスを使用することもできる。これらの中赤外スーパーコンティニューム光源のコヒーレンスは、低ノイズ短パルス光源を選択することによってさらに最大化することができる。最新技術でよく知られているように、ガラス組成の詳細に応じて大きく異なる物理的、化学的、または光学的属性をもつ軟質ガラスを製作することができる。
【００７１】
例えば、テルライトおよびフルオロテルライト・ガラス・ベースのファイバの属性が、最近、Ｍ．Ｄ．Ｏ’Ｄｏｎｎｅｌｌ等、「Ｔｅｌｌｕｒｉｔｅ  ａｎｄ  Ｆｌｕｏｒｏｔｅｌｌｕｒｉｔｅ  Ｇｌａｓｓｅｓ  ｆｏｒ  Ｆｉｂｅｒｏｐｔｉｃ  Ｒａｍａｎ  Ａｍｐｌｉｆｉｅｒｓ：Ｇｌａｓｓ  Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ，Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ，Ｒａｍａｎ  Ｇａｉｎ，Ｐｒｅｌｉｍｉｎａｒｙ  Ｆｉｂｅｒｉｚａｔｉｏｎ，ａｎｄ  Ｆｉｂｅｒ  Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ」、Ｊ．Ａｍ．Ｃｅｒａｍ．Ｓｏｃ．、９０巻、１４４８頁（２００７年）、さらに、Ｊ．Ｍ．Ｄｕｄｌｅｙ等、「Ｓｕｐｅｒｃｏｎｔｉｎｕｕｍ  ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ  ｉｎ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｆｉｂｅｒｓ」、Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ  Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ  Ｐｒｅｓｓ（２０１０年）の６章のＪ．Ｈ．Ｖ．Ｐｒｉｃｅ等、「Ｓｕｐｅｒｃｏｎｔｉｎｕｕｍ  ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ  ａｎｄ  ｎｏｎｌｉｎｅａｒｉｔｙ  ｉｎ  ｓｏｆｔ  ｇｌａｓｓ  ｆｉｂｅｒｓ」の図６．２に概説された。具体的には、Ｍ．Ｄ．Ｏ’Ｄｏｎｅｌｌ等は、ＦＴ３ガラスのピーク・ラマン利得を８．５×１０−１３ｍ／Ｗとして説明しているが、一方、ＦＴ３ガラスの非線形屈折率は、Ｗ．Ｑ．Ｚｈａｎｇ等によって、Ｎ２＝５．９×１０−１９ｍ２／Ｗとして説明されている。
【００７２】
１７００を超える波長で動作する低ノイズ・ファイバ光源とともに、ＦＴ３ガラスに基づく高非線形ファイバは、コヒーレント・スーパーコンティニューム発生のふさわしい候補である。コヒーレント・スーパーコンティニューム発生用の適切な高非線形ファイバの別の具体的な例は、Ｘ．Ｙａｎ等、「Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ  Ｒａｍａｎ  ｒｅｓｐｏｎｓｅ  ａｎｄ  ｓｏｌｉｔｏｎ  ｓｅｌｆ−ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  ｓｈｉｆｔ  ｉｎ  ｔｅｌｌｕｒｉｔｅ  ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ  ｆｉｂｅｒ」、Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ、１０８巻、１２３１１０頁（２０１０年）に記載されているテルライトＴＢＺＮガラス・ファイバである。
【００７３】
代替として、カルコゲナイド・ファイバをコヒーレント・スーパーコンティニュームに使用することができる。カルコゲナイド・ファイバは、テルライト・ガラスと比較して中赤外においてさらに広がった光透過を有するので魅力的である。そのようなカルコゲナイド・ファイバは、例えば、Ｈｕ等、「Ｍａｘｉｍｉｚｉｎｇ  ｔｈｅ  ｂａｎｄｗｉｄｔｈ  ｏｆ  ｓｕｐｅｒｃｏｎｔｉｎｕｕｍ  ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ  ｉｎ  Ａｓ２Ｓｅ３  ｃｈａｌｃｏｇｅｎｉｄｅ  ｆｉｂｅｒｓ」、Ｏｐｔ．Ｅｘｐｒ．、１８巻、６７２２頁（２０１０年）に記載されている。
【００７４】
概して、中赤外のスーパーコンティニューム・スペクトルのコヒーレンスは、分散平坦化分散プロファイルを使用することによって、任意の軟質ガラスまたは重金属酸化物ガラス・ベースの高非線形ファイバで向上させることができるが、比例的な小さいパルス・エネルギーで低ノイズ注入光源を使用する場合には、中程度の量の分散平坦化しか実施することができない。例えば、このファイバは、利用するレーザ光源の中心波長から±１００ｎｍまで広がった範囲において｜５｜＜Ｄ２｜１００｜ｐｓ２／ｋｍの分散Ｄ２の値を有することができる。より好ましくは、その範囲は±２００ｎｍである。最も好ましくは、その範囲は±５００ｎｍである。対照的に、Ｚｈａｎｇ等は、分散が１０００ｎｍを超える波長スパンでＤ２＜｜５｜ｐｓ２／ｋｍのＤ２となるように選択された極限レベルの分散平坦化をもつファイバの使用を提案した。
【００７５】
１７００ｎｍを超える放出波長をもつ短パルス光源を利用すると、そのような材料の光黒化および多光子吸収からの有害な影響が最小化される。これらの短パルス・レーザ光源は、好ましくは１ｐｓ未満のパルス幅、より好ましくは３００ｆｓ未満のパルス幅、最も好ましくは１００ｆｓ未満のパルス幅を発生させる。そのような短パルス光源は、好都合には、例えば、上述のような、さらに’７６２出願に開示されたような低ノイズ・モード・ロックＴｍファイバ・レーザおよび増幅器に基づくことができる。しかし、１７００ｎｍを超える波長で動作する任意の他の好適な短パルス光源を使用することができる。
【００７６】
高非線形ファイバの代替として、高非線形導波路をスーパーコンティニューム発生に使用することもできる。例えば、スーパーコンティニューム発生は、Ｍ．Ｒ．Ｅ．Ｌａｍｏｎｔ等、「Ｓｕｐｅｒｃｏｎｔｉｎｕｕｍ  ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ  ｉｎ  ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ  ｅｎｇｉｎｅｅｒｅｄ  ｈｉｇｈｌｙ  ｎｏｎｌｉｎｅａｒ（γ＝１０／Ｗ／ｍ）Ａｓ２Ｓ３  ｃｈａｌｃｏｇｅｎｉｄｅ  ｐｌａｎａｒ  ｗａｖｅｇｕｉｄｅ」、Ｏｐｔ．Ｅｘｐｒ．、１９巻、１４９３８頁（２００８年）で例証された。概して、中赤外のスーパーコンティニューム・スペクトルのコヒーレンスは、分散平坦化分散プロファイルを選択することによっていかなる高非線形導波路内でも実質的に向上させることができる。導波路は、好ましくは、利用するレーザ光源の中心波長から±１００ｎｍまで広がった範囲において｜１００｜ｐｓ２／ｋｍ未満の分散の値を有する。より好ましくは、その範囲は±２００ｎｍとすることができ、最も好ましくは、その範囲は±５００ｎｍとすることができる。
【００７７】
高コヒーレント・スーパーコンティニューム・スペクトルの発生は、擬似位相整合非線形結晶および導波路によっても可能であり、光学材料（光ファイバ中のスーパーコンティニューム発生で使用されるような）の３次非線形感受率に基づく非線形プロセスの代わりに、２次非線形感受率がスペクトル拡幅に使用される。擬似位相整合高非線形導波路でのスーパーコンティニューム発生は、やはり、高コヒーレントであり、オクターブを超えることができる広いスーパーコンティニューム・スペクトルを生成することができる。その上、０．７を超えるコヒーレンス値ｇｎ、および１に近いｇｎをもつ高レベルのコヒーレンスが、発生したスーパーコンティニュームの広いセクションで、擬似位相整合材料を使用して、得ることができる。擬似位相整合非線形導波路中のスーパーコンティニューム発生は、最初に、Ｈａｒｔｌ等、「Ｌａｓｅｒ  ｂａｓｅｄ  ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  ｓｔａｎｄａｒｄｓ」という名称の米国特許第７，８０９，２２２号および彼らの出願で開示された。広いスペクトル有効範囲を得るために、スーパーコンティニューム発生は、好ましくは、擬似位相整合非線形結晶のゼロ分散波長の近くで動作する短パルス・レーザ光源で行われる。例えば、周期分極ニオブ酸リチウム（ＰＰＬＮ）に基づく非線形導波路を使用する場合、スペクトル拡幅およびスーパーコンティニューム発生は、好ましくは、２０００ｎｍの近くの波長領域で動作するレーザ光源を用いて、例えば、Ｔｍファイバ・レーザ・ベースのパルス光源を用いて行われる。その上、増大したスペクトル密度の領域が、Ｆｅｒｍａｎｎ等、「Ｃｏｍｐａｃｔ，ｈｉｇｈ  ｂｒｉｇｈｔｎｅｓｓ  ｌｉｇｈｔ  ｓｏｕｒｃｅｓ  ｆｏｒ  ｔｈｅ  ｍｉｄ  ａｎｄ  ｆａｒ  ＩＲ」、米国特許出願第６１／４２６，３２７号に開示されたように、そのような擬似位相整合導波路内の自己周波数シフト（ＳＦＳ）を利用することによって、スーパーコンティニュームの内部で発生されうる。擬似位相整合材料に基づくスーパーコンティニューム光源は、高いスペクトル密度をもつスペクトルを生成することができる。その上、そのような擬似位相整合導波路の製作技術、特にＰＰＬＮ導波路に関する製作技術は高レベルの成熟度に達している。したがって、そのような導波路は、信頼性のあるコヒーレントな中赤外光源の構成にとって非常に魅力的である。
【００７８】
さらに、ＳＦＳは、ファイバ・ベースのパルス光源からの波長を、軟質ガラスまたは重金属酸化物ガラスが異常分散を有する波長範囲内にシフトさせるために利用することができる、例えば、Ｐｒｉｃｅ等（図６．２ｂ）によるビスマス・ガラスのゼロ分散波長は約２３００ｎｍであり、典型的なテルライト・ガラスのゼロ分散波長は約２２００ｎｍである。したがって、例えば、ＰＰＬＮ導波路のＳＦＳを使用することによって可能であるような２２００〜２６００ｎｍの波長範囲にファイバ・レーザからの波長をシフトさせることによって、全中実ガラス・ビスマスまたはテルライト・ファイバをスーパーコンティニューム発生のために実装することができる。全中実ガラス・ファイバは空気孔がなく、したがって、ＰＣＦファイバ設計よりも頑強である。短パルス・ファイバ・レーザ、ＰＰＬＮ  ＳＦＳ段、および全ガラス・スーパーコンティニューム・ファイバを含むそのようなタンデム光源の実施態様は、ＰＰＬＮ結晶がレーザ光源と非線形ファイバとの間に挿入される図１に関して示したようなセットアップと同様である。そのような実施態様は別個に示されない。高非線形導波路のＳＦＳおよびスーパーコンティニューム発生を含むタンデム・スーパーコンティニューム光源は、１０ｐｓ未満のパルス光源を使用して好都合に構成することができる。
【００７９】
いくつかの構成では、ＴｍまたはＨｏファイバ・レーザからの出力を高非線形軟質ガラス・ファイバに直接注入して、そのようなファイバ中の自己周波数シフトまたはラマン・シフトを誘起することができる。高非線形ファイバをさらにわずかにテーパ化して、そのようなファイバのゼロ分散波長をブルーシフトさせることができる。自己周波数シフトの後、周波数２倍化波長の出力を発生させるために非線形２倍化結晶を組み込むことができる。その上、調整可能自己周波数シフトを使用することによって、波長可変光源を構成することができる。例えば、２光子顕微鏡用途では、Ｔｍファイバ・レーザからの出力と、軟質ガラス・ファイバで得られた周波数シフト出力とを周波数２倍化することによって達することができる９００〜１３００ｎｍの波長領域は魅力的である。
【００８０】
ＴｍもしくはＨｏファイバ・レーザまたは中赤外発生ファイバ・レーザの別の用途は、正常分散をもつ軟質ガラス・ファイバ中での高エネルギー低ノイズ・スーパーコンティニューム・スペクトルの発生である。正常分散ファイバを使用すると、比較的大きいコア径をもつ軟質ガラス・ファイバの使用が可能になり、それにより、発生したスーパーコンティニュームのスペクトル密度が最大化される。その上、正常分散ファイバを実装すると、コヒーレンス属性がさらに向上し、発生したスーパーコンティニュームのノイズが低減し、それにより、約１０ｎＪを超え、マイクロジュール・レベルまでの、例えば、約１０ｎＪから約１０μＪの範囲の低ノイズ・スーパーコンティニューム・パルス・エネルギーが可能になる。そのような高スペクトル密度スーパーコンティニューム光源は、例えば、リモート・センシング用途で有用である。
【００８１】
高非線形スーパーコンティニューム・スペクトルを利用できることにより、さらに、波長可変光源の代替の実施形態の構成が可能になる。そのような波長可変光源５００の例示的な実施形態が図５に示される。この実施形態は、短パルス光源と、高非線形ファイバまたは導波路を含む、高コヒーレント・スーパーコンティニューム・スペクトルを発生させる段と、その段の下流に配置された波長変換用の非線形結晶５１０とを含む。この例では、非線形結晶は、波長を選択的にシフトさせるために３つのセクション５００ａ、５００ｂ、および５００ｃで構成される。例えば、結晶は、３つの別個の分極周期をもつＰＰＬＮを含むことができる。波長選択は、図５に示すように、ビーム位置を基準にして結晶を平行移動させることによって実施することができる。いくつかの代替の実施形態では、調整可能光フィルタは、単独でまたは非線形結晶と組み合わせて実装することもできる。非線形結晶は、例えば、周期分極ＬｉＮｂＯ３結晶を含むことができるが、任意の他の好適な非線形結晶を使用することもできる。シリカ・ベースの高非線形ファイバとともに短パルスＴｍファイバ・ベースのシステムを使用し、非線形結晶中で周波数２倍化するとき、周波数２倍化により、約５００ｎｍから約１３００ｎｍまで調整可能な出力を生成することができる。追加の光フィルタ処理を用いて、５００〜２６００ｎｍの調整が可能な波長可変光源を構成することができる。スーパーコンティニューム発生段への注入パワーの適切な制御、ならびに非線形結晶の適切な分極周期の選択により、周波数２倍化または光フィルタ処理の後で得られるスペクトル密度をさらに最大化することができる。代替として、短パルス光源の出力と高非線形ファイバの出力との間の三波混合または差周波発生（ＤＦＧ）を使用し、適切なＤＦＧ非線形結晶の選択により中赤外から遠赤外のスペクトル出力を発生させることができる。そのような実施態様は別個に示されない。
【００８２】
二重波長光源６００の例示的な実施形態が図６に示される。そのような光源は、コヒーレント反ストークス・ラマン分光法、誘導ラマン分光法、またはスペクトル分解型ポンプ・プローブ測定法を含むいくつかの用途で有用である。この実施形態は、短パルス光源と、高コヒーレント・スーパーコンティニュームを生成する段とを含む。短パルス光源からの出力のある部分は第１のビームスプリッタ６１０−ａを介して分割され、一方、他の部分は、コヒーレント・スーパーコンティニューム発生のための光学段に誘導され、第２の出力を発生させる。次に、第２のビームスプリッタ６１０−ｂは２つの出力を組み合わせて、組合せ（第３の）出力を発生させる。追加の反射構成要素を介して挿入された適切な時間遅延により、組合せ出力の第１の２つの出力の時間重なりをさらに確実にすることができる。スペクトル的または時間的に整形されたスーパーコンティニューム・スペクトルを発生させるために、追加の光パルスまたはスペクトル整形要素を、第２の出力と第２のビームスプリッタ６１０−ｂとの間にさらに含めることができる。そのような実施態様は別個に示されない。
【００８３】
二重波長可変光源７００の例示的な実施形態が図７に示される。そのような光源は、コヒーレント反ストークス・ラマン分光法、誘導ラマン分光法、またはスペクトル分解型ポンプ・プローブ測定法を含むいくつかの用途で有用である。この実施形態は、図６に関して説明したものと同様に構成される。図５に関して説明したように、周波数変換用の非線形結晶をスーパーコンティニューム発生段の出力部の後に挿入して、波長可変出力を生成する。例えば、非線形結晶７１０は、図５に示したように選択可能部分７１０ａ、７１０ｂ、および７１０ｃを有する。
【００８４】
低ノイズ高コヒーレント・スーパーコンティニューム光源は、多くの用途で利用することができる。それらは、フーリエ変換分光法または多重ヘテロダイン分光法などの分光法用途、ならびに線形光サンプリングで非常に有益である。実際に、スーパーコンティニューム・パルスが局部発振器入力として供給されるいくつかの形態のコヒーレント検出を含むいかなる測定値技法も、低ノイズ特性、特に低位相ノイズから大きい利益を得る。そのようなコヒーレント検出の一例として、連続スペクトルの一部分が、被試験信号用の局部発振器として働くように転用される。そのとき、被試験信号は局部発振器によってコヒーレント的に増幅され、その後、検出器によって検出される。２つのコヒーレント周波数コム・レーザを含むヘテロダインまたは多重ヘテロダイン検出方式が、Ｆｅｒｍａｎｎ等、「Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｓｉｇｎａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  ｗｉｔｈ  Ｍｏｄｅｌｏｃｋｅｄ  Ｌａｓｅｒｓ」、米国特許出願第６１／３６４，５４５号に開示されており、ここでは、これ以上説明されない。大きい帯域幅にわたる多重ヘテロダイン検出では、説明したようなコヒーレント・オクターブスパン・スーパーコンティニューム光源は非常に有用である。いくつかの実施形態では、１つのスーパーコンティニューム・ファイバのみと、１つまたは２つの短パルス光源とを使用してコヒーレント・スーパーコンティニュームを発生させることで十分である。他の実施形態では、２つの短パルス光源で発生した２つのコヒーレント・スーパーコンティニューム・スペクトルを組み込むことができる。いくつかの実施形態では、１つまたは複数の光源の搬送波位相はフリーランニングであり、パルス光源の繰返し率は、フリーランニングであるか、または高周波基準信号を使用して位相もしくは周波数ロックされる。他の実施形態では、光源の搬送波位相および繰返し率は、高周波基準信号、光基準レーザ、またはｆ−２ｆ干渉計を使用して位相ロックされる。
【００８５】
多重ヘテロダイン検出は、試料の特性を確定するために実施することができる。特性には、例えば、吸収、反射率、ならびに試料の内部からの放出を含むことができる。そのとき、２つの短パルス光源を含む多重ヘテロダイン検出は、２つのスーパーコンティニューム・スペクトルを発生させることを含み、ここで、各スーパーコンティニュームは光周波数空間で均一に隔てられた個々のスペクトル線で構成され、光周波数間隔が２つのスーパーコンティニューム・スペクトルで異なる。２つの短パルス光源を含む多重ヘテロダイン検出は、２つのパルス光源で発生された２つのコンティニューム・スペクトルを光学的に組み合わせることと、コンティニュームのスペクトル・スパンの少なくとも１つの部分に試料を露出することと、選択したスペクトル・スパン中の２つのコヒーレント・スーパーコンティニューム・スペクトルのビートに対応する高周波スペクトルを分析することによって、露出するステップへの反応を検出することとをさらに含む。多重ヘテロダイン検出方式は本質的に光ビート周波数を測定するので、主として、スーパーコンティニューム光源の位相ノイズが制限因子である。振幅ノイズは、米国特許出願第６１／３６４，５４５号にも記載されているような二重平衡検出方式を使用して抑制することができる。
【００８６】
ただ１つのレーザ光源とコヒーレント・スーパーコンティニュームとを使用する包括的なコヒーレント光学検出機構８００が図８に示される。短パルス光源は第１のビームスプリッタによって２つの伝搬経路に分割される。第１の伝搬経路に沿って伝搬するパルスは、高コヒーレント・コンティニュームを発生させるために、高非線形ファイバまたは導波路を含むスーパーコンティニューム段に結合される。前記コンティニュームの下流の光フィルタは、対象のスペクトル領域をコンティニュームからフィルタ除去する（ｆｉｌｔｅｒ  ｏｕｔ）ことができる。第２の伝搬経路に沿って伝搬するパルスはオプションの周波数変換段に誘導され、周波数変換段は非線形周波数変換結晶または高コヒーレント・コンティニュームを発生させる別の段を含むことができる。次に、周波数変換段から結合されたパルスは試料８１０に誘導され、そこでコヒーレント非線形プロセスが引き起こされる。例えば、このコヒーレント非線形プロセスは、第１の伝搬経路に挿入された上述の光フィルタによって選択されたスペクトル成分と重なるスペクトル出力を発生させるコヒーレント反ストークス・ラマン散乱を含むことができる。次に、第２のビームスプリッタによって２つの伝搬経路を再結合させた後、検出器は２つの伝搬経路からのコヒーレント信号出力を測定する。ベースバンドから信号をオフセットするために、およびヘテロダイン検出を可能にするために、２つの伝搬経路間の位相遅延を変調することができ、または音響光学変調器などの周波数シフタを伝搬経路の一方に組み込むことができる。そのような方式は別個に示されない。さらに、２つの光伝搬経路間の群遅延を調整するために群遅延セクションを実装することができる（図示せず）。これにより、第１の伝搬経路中のスーパーコンティニューム段で発生したスペクトル出力を使用して、コヒーレント・プロセスで発生した弱信号を大幅に増幅することができる。
【００８７】
代替として、コヒーレント・プロセスを第１の伝搬アームで発生させることもでき、ヘテロダイン検出を実施することができる。そのような方式は別個に示されない。さらに、コヒーレント・プロセスまたはヘテロダイン検出信号を増強するために、スペクトルまたは時間パルス整形を各アームに挿入することができる。そのような実施態様は別個に示されない。
【００８８】
低ノイズ高コヒーレント・スーパーコンティニューム光源は、さらに、撮像用途ならびにマイクロ分光法において非常に重要である。低ノイズ・スーパーコンティニューム光源の撮像用途には、光コヒーレンス断層撮影と、あらゆる種類の共焦点蛍光顕微鏡と、例えば誘導放出抑制顕微鏡（ＳＴＥＤ）などの超解像顕微鏡とが挙げられる。ロックイン検出方式を使用して信号を検出する場合、低ノイズ・スーパーコンティニューム・スペクトルは特に有用である。そのとき、検出された信号の信号／雑音比はスーパーコンティニューム光源のノイズによって直接影響され、スーパーコンティニューム光源のノイズはロックイン増幅器の検出周波数でショット・ノイズ限界であることが好ましい。しかし、ロックイン検出方式は、非ショット・ノイズ限界光源で使用される場合も有用である。
【００８９】
低ノイズ・スーパーコンティニューム光源を含む包括的なロックイン検出機構９００が図９に示される。低ノイズ・スーパーコンティニューム光源は、高コヒーレントとすることができるが、代替として、インコヒーレントとし、少なくともロックイン検出周波数でショット・ノイズ限界の近くとすることもできる。短パルス光源を光要素に結合して、低ノイズ・スーパーコンティニュームを発生させる。パルス光源は、好ましくは、１００ｐｓ未満のパルス幅を有する。試料９１０はスーパーコンティニューム光源からの出力中に挿入され、スーパーコンティニューム出力はスーパーコンティニュームの位相または振幅の変更を引き起こす。その変更はスペクトル依存とすることができる。光フィルタまたはグレーティング（図示せず）を含むこともでき、それを使用して、試料からの出力をスペクトル的に選択または分散させることができる。次に、試料からのスペクトル出力または試料からのスペクトル的に分散された出力は、それぞれ、検出器９３０または検出器アレイによって検出される。スペクトル分解検出を可能にする追加の光要素を使用することもできる。例えば、フーリエ変換分光法を可能にするために、走査型マイケルソン干渉計を含むことができる。そのような変形は別個に示されない。試料は透過または反射のいずれかで探究することができる。
【００９０】
検出信号は、さらに、パルス光源の繰返し率か、またはロックイン検出のための適切に選択された変調周波数かのいずれかで電子的にフィルタ処理される。例えば、信号変調のために変調器９２０を検出器の上流に挿入することができる。様々な実施形態において、変調器は、スーパーコンティニューム光源の上流もしくは下流に、または試料と検出器との間に挿入することができる。図９は、スーパーコンティニューム光源と試料との間に挿入された変調器による実施態様を示す。しかし、適切な検出周波数で変調された信号を発生させる他の方法を実施することもできる。これらの方法は、短パルス光源の搬送波包絡線オフセット周波数の変調をさらに含むことができる。変調周波数での位相敏感検出を可能にするために、変調器の変調周波数は検出器にさらに送出される。局部発振器としてのパルス光源の繰返し率を使用する場合、パルスの繰返し率は第２の検出器（図示せず）で検出され、その後、第１の検出器に送出される。空間的分解情報を検出するための追加の光走査要素を含むこともできるが、ここには示されない。
【００９１】
他の撮像用途には、２光子および３光子蛍光に基づく多光子顕微鏡などのあらゆる種類の多光子顕微鏡と、表面第二高調波発生と、第三高調波発生と、コヒーレント反ストークス・ラマン散乱ならびに誘導ラマン散乱とが含まれる。マイクロ分光用途は、例えば、中赤外吸収分光法ならびにチップ増強分光法を含むことができる。
【００９２】
このように、本発明がいくつかの実施形態で説明された。実施形態は、互いに排他的ではなく、ある実施形態に関連して記載された要素は、所望の設計目的を達成するのに好適な方法で他の実施形態と組み合わせるか、または他の実施形態から除去することができることが理解されるべきである。
【００９３】
少なくとも１つの実施形態は、コヒーレント・スーパーコンティニューム光源を含む。コヒーレント・スーパーコンティニューム光源は、高非線形材料と組み合わせて配置された低ノイズ・ファイバ・ベースのパルス化光源を含む。低ノイズ・ファイバ・ベースの光源は、モード・ロック・ファイバ発振器を含む。ファイバ・ベースのパルス光源は、１ｐｓ未満のパルス幅および１７００ｎｍを超える中心波長を有する短光パルスを含む出力を発生させる。高非線形材料は、低ノイズ・ファイバ・ベースのパルス光源からの出力を受け取り、２つの−３０ｄＢ点で測定可能な少なくとも１／２オクターブのスペクトル帯域幅を有するコヒーレント・スーパーコンティニュームを発生させる。コヒーレント・スーパーコンティニューム光源は、低ノイズ・ファイバ・ベースのパルス化光源をポンピングするための低ノイズ・ポンプ光源を含む。スペクトル帯域幅内の２つの場所での少なくとも０．７の１次最近接コヒーレンス値が、コヒーレント・スーパーコンティニューム光源で得られる。
【００９４】
いずれかまたはすべての実施形態において、高非線形材料は、１０モル％を超えるゲルマニア濃度をもつコア領域を有する高非線形シリカ・ファイバを含むことができる。
【００９５】
いずれかまたはすべての実施形態において、スーパーコンティニュームは、２つの−３０ｄＢ点間で測定された１オクターブよりも大きいスペクトル帯域幅を有効範囲に含むことができる。
【００９６】
いずれかまたはすべての実施形態において、高非線形シリカ・ファイバは、ファイバ・ベースのパルス化光源の中心波長の±１００ｎｍ内のスペクトル範囲で｜１０｜ｐｓ２／ｋｍ未満の分散値で分散平坦化させることができる。
【００９７】
いずれかまたはすべての実施形態において、高非線形ファイバは、Ｗ屈折率プロファイルを有することができる。
【００９８】
いずれかまたはすべての実施形態において、高非線形材料は、フォトニック結晶ファイバを含むことができる。
【００９９】
いずれかまたはすべての実施形態において、フォトニック結晶ファイバは、シリカ・ベースであり、１０モル％を超えるゲルマニア濃度をもつコア領域を有することができる。
【０１００】
いずれかまたはすべての実施形態において、低ノイズ・ポンプ光源は、少なくとも１つの単一周波数シード光源を含むことができる。
【０１０１】
いずれかまたはすべての実施形態において、低ノイズ・ポンプ光源は、縦モード構造のほとんどないシード光源を含むことができる。
【０１０２】
いずれかまたはすべての実施形態において、低ノイズ・ポンプ光源は、増幅自然放出を発生させるシード光源を含むことができる。
【０１０３】
いずれかまたはすべての実施形態において、低ノイズ・ポンプ光源の出力は、コヒーレント・スーパーコンティニューム光源のモード・ロック・ファイバ発振器内の利得ファイバのコアに注入することができる。
【０１０４】
いずれかまたはすべての実施形態において、低ノイズ・ファイバ・ベースの光源は、Ｔｍ、Ｔｍ：Ｈｏ、またはＨｏドープ・ファイバに基づく受動モード・ロック・ファイバ発振器を含むことができる。
【０１０５】
いずれかまたはすべての実施形態において、高非線形材料は、軟質または重金属酸化物ガラス・ファイバを含むことができる。
【０１０６】
いずれかまたはすべての実施形態において、高非線形材料は、ＳＦ６、ビスマス、鉛、テルライト、フッ化物、フルオロテルライト、またはカルコゲナイド・ガラス・ファイバから選択することができる。
【０１０７】
いずれかまたはすべての実施形態において、高非線形ファイバは、非シリカ・ファイバとすることができ、レーザ光源の中心波長の±１００ｎｍ内のスペクトル範囲で｜１００｜ｐｓ２／ｋｍ未満の分散値で分散平坦化させることができる。
【０１０８】
いずれかまたはすべての実施形態において、低ノイズ・ファイバ・ベースの光源は、３００ｆｓ未満のパルス幅をもつパルスを生成することができる。
【０１０９】
いずれかまたはすべての実施形態において、低ノイズ・ファイバ・ベースの光源は、１００ｆｓ未満のパルス幅をもつパルスを生成することができる。
【０１１０】
いずれかまたはすべての実施形態において、高非線形材料は周期分極非線形結晶導波路を含むことができる。
【０１１１】
いずれかまたはすべての実施形態において、スーパーコンティニューム光源は、コンティニューム内の少なくとも２つのスペクトル点で高位相コヒーレンスを示すことができ、２つのスペクトル点は、少なくとも１／２オクターブだけ隔てられている。
【０１１２】
いずれかまたはすべての実施形態において、高非線形材料は、コアと、そのコアを少なくとも部分的に囲む単層の空気孔とを有する高開口数フォトニック結晶ファイバ（ＰＣＦ）を含むことができる。
【０１１３】
いずれかまたはすべての実施形態において、コヒーレンスは、約１００ｋＨｚの分解能でＲＦ周波数分析器により測定されるとき少なくとも１０ｄＢのＳ／Ｎ比をもつＲＦビート信号によって測定可能であり、かつｆ−２ｆ干渉計で測定可能でありうる。
【０１１４】
いずれかまたはすべての実施形態において、スーパーコンティニュームのスペクトルは、多数のスペクトル線を含むことができ、コヒーレンスは、単一周波数レーザ出力と、スーパーコンティニューム・スペクトル内で中心波長から少なくとも０．５のオクターブだけ隔てられた個々の周波数ラインとの間の検出可能なＲＦビート信号により特性決定することができ、このＲＦビートは、約１００ｋＨｚの分解能でＲＦ周波数分析器により測定可能な少なくとも約１０ｄＢのＳ／Ｎ比を有する。
【０１１５】
いずれかまたはすべての実施形態において、高非線形材料は、高非線形ファイバを含むことができる。
【０１１６】
いずれかまたはすべての実施形態において、高非線形材料は、ファイバ・ベースのパルス化光源の中心波長で正常分散値を有することができる。
【０１１７】
いずれかまたはすべての実施形態において、高非線形材料は、軟質または重金属酸化物ガラス・ファイバを含むことができ、ファイバは、ファイバ・ベースのパルス化光源の中心波長で正常分散値を有することができる。
【０１１８】
いずれかまたはすべての実施形態において、低ノイズ・ファイバ光源は、約１Ｈｚから約１ＭＨｚの周波数範囲で約１％未満の二乗平均平方根強度ノイズ（ＲＩＮノイズ）を示すことができる。
【０１１９】
少なくとも１つの実施形態は、コヒーレント・スーパーコンティニューム光源を含む。スーパーコンティニューム光源は、短光パルスを発生させるファイバ・ベースのレーザ光源を含む。ファイバ・ベースの光源は、１７００ｎｍを超える中心波長の出力を発生させる。短光パルスは、１０ｐｓ未満のパルス幅を含む。コヒーレント・スーパーコンティニューム光源は、ファイバ・ベースのレーザ光源の出力を２２００ｎｍを超える周波数シフト出力波長まで自己周波数シフトさせるための非線形導波路を含む。高非線形材料は、周波数シフト出力波長を有するパルスを受け取り、そのパルスによりコヒーレント・スーパーコンティニュームを発生させる。
【０１２０】
少なくとも１つの実施形態は、コヒーレント検出の方法を含む。この方法は、１７００ｎｍを超える中心放出波長をもつ短パルス光源を準備することを含む。コヒーレント・スーパーコンティニュームは、導波材料中で発生される。この方法は、短パルス光源の出力により試料を照射することによってコヒーレント信号放出を誘起することを含み、この信号放出は信号放出スペクトル領域を有効範囲に含む。この方法は、信号放出スペクトル領域に対応するコヒーレント・スーパーコンティニューム内のスペクトル領域を選択することをさらに含む。この方法は、信号放出スペクトル領域から、およびスーパーコンティニュームの対応する領域からの２つのスペクトル的に重なる信号を干渉させることと、検出した信号を増幅することとを含む。
【０１２１】
少なくとも１つの実施形態は、ロックイン検出の方法を含む。この方法は、１７００ｎｍを超える中心放出波長をもつ短パルス光源を準備することと、導波材料中でコヒーレント・スーパーコンティニュームを発生させることとを含む。この方法は、スーパーコンティニュームのビーム経路に試料を挿入することによって、スーパーコンティニュームのスペクトルを変更することを含む。試料は、スーパーコンティニュームの一部分により変調周波数で照射され、スペクトルの変更は変調周波数で検出される。
【０１２２】
少なくとも１つの実施形態は、試料の特性を確定する方法を含む。この方法は、１７００ｎｍを超える中心放出波長をもつ短パルス光源を準備することを含む。低ノイズ・スーパーコンティニュームは、導波材料中で発生される。この方法は、スーパーコンティニュームの少なくとも一部により試料を照射することと、試料によって生成された、照射するステップへの応答を検出することとを含む。試料の特性は、この応答に基づいて決定される。
【０１２３】
いずれかまたはすべての実施形態において、スーパーコンティニュームは、コヒーレントとすることができ、複数の単色スペクトル線を含むことができる。
【０１２４】
いずれかまたはすべての実施形態において、単色スペクトル線の少なくとも１つは、外部周波数基準信号にロックすることができる。
【０１２５】
いずれかまたはすべての実施形態において、スペクトル線の搬送波包絡線オフセット周波数は、外部基準信号にロックすることができる。
【０１２６】
少なくとも１つの実施形態は、多重ヘテロダイン検波を使用して試料の特性を確定する方法を含む。この方法は、１７００ｎｍを超える中心放出波長をもつ少なくとも１つの短パルス光源を準備することを含む。この方法は、２つのコヒーレント・スーパーコンティニューム・スペクトルを発生させることをさらに含み、ここで、２つのスーパーコンティニューム・スペクトルはある一定の周波数間隔をもつ個々の周波数ラインを含み、周波数間隔は、両方のスーパーコンティニューム・スペクトルで異なる。試料は、２つのスーパーコンティニューム・スペクトルの少なくとも一部分により照射される。この方法は、試料によって生成された、照射するステップへの応答を検出することと、この応答に基づいて試料の特性を確定することとを含む。
【０１２７】
少なくとも１つの実施形態は、スペクトル検出の方法を含む。この方法は、１７００ｎｍを超える中心放出波長をもつ短パルス光源を準備することと、導波材料中でスーパーコンティニュームを発生させることとを含む。スーパーコンティニュームのスペクトルは、スーパーコンティニュームのビーム経路に試料を挿入し、スーパーコンティニュームの一部分により試料を照射することによって変更される。このスペクトルの変更が検出される。
【０１２８】
このように、いくつかの実施形態のみが具体的に本明細書で説明されたが、本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、多数の変形をそれに加えることができることは明白である。さらに、頭字語は、明細書および特許請求の範囲の判読性を高めるために単に使用されているにすぎない。これらの頭字語は、使用された用語の一般性を減少させるものではなく、かつこれらの頭字語は、特許請求の範囲の範囲を本明細書に記載された実施形態に限定するように解釈されるべきでないことに留意されるべきである。
【０１２９】
本発明のいくつかの態様、利点、および新規な特徴が本明細書に記載されている。しかし、すべてのそのような利点が必ずしも任意の特定の実施形態に従って達成されるものではないことが理解されるべきである。したがって、本発明は、本明細書で教示または示唆されるような他の利点を必ずしも達成することなく、１つまたは複数の利点を達成するように具現化または実行することができる。
【図１】
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【図２ａ】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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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２ｂ】
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【国際調査報告】
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