(57)【要約】  光ファイバを通じて高ピーク出力光パルスを伝達するための方法およびシステムが開示される。伝達ファイバ内のパルスの特性を維持するためにラマン・ソリトン生成が利用される。装置は、ラマン・ソリトン生成をサポートする任意の高ピーク出力パルス源および伝達ファイバを備えることができる。
2014507682.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高ピーク出力光パルス源と、
前記パルス源から離れて配置された最終使用装置と、
前記パルス源と前記最終使用装置との間の光伝達ファイバと
を備え、前記光伝達ファイバおよび前記パルス源は、前記伝達ファイバ内のラマン・ソリトン（ＲＳ）生成のためのしきい値を超えるように構成されており、波長シフトされたパルスが、前記最終使用装置に送られる、
レーザ・ベースのシステム。
【請求項２】
前記伝達ファイバ内のソリトン・ラマン圧縮は、前記伝達ファイバの出力において、圧縮された光パルスを生成する請求項１に記載のレーザ・ベースのシステム。
【請求項３】
基本パルス部分からラマン・シフトされたパルス部分を分離するスペクトル・フィルタをさらに備え、それによって前記最終使用装置で受信されるパルスのペデスタルを減らす、請求項２に記載のレーザ・ベースのシステム。
【請求項４】
前記パルス源によって生成された前記光パルスは、約１０ｐｓ未満のパルス幅を含み、前記圧縮された光パルスは、約１００ｆｓから約１ｐｓの範囲のパルス幅を含む請求項２に記載のレーザ・ベースのシステム。
【請求項５】
前記伝達ファイバは、ドープされた部分およびドープされていない部分を含み、前記ソリトン・ラマン圧縮の一部は、前記伝達ファイバの前記ドープされていない部分に発生する請求項２に記載のレーザ・ベースのシステム。
【請求項６】
前記パルス源の光パルスと対照的に、前記最終使用装置で受信される光パルスは、実質的に拡張されないかまたは圧縮されない請求項１に記載のレーザ・ベースのシステム。
【請求項７】
前記最終使用装置は、レーザ材料加工、分光、またはイメージングのために構成されている請求項１に記載のレーザ・ベースのシステム。
【請求項８】
前記パルス源は、ナノ秒またはピコ秒のレーザ源を含み、前記ラマン生成は、誘導ラマン散乱を含む請求項１に記載のレーザ・ベースのシステム。
【請求項９】
前記伝達ファイバは、１本のドープされたファイバを含む請求項１に記載のレーザ・ベースのシステム。
【請求項１０】
前記伝達ファイバは、ドープされたファイバ部分およびドープされていないファイバ部分を含む請求項１に記載のレーザ・ベースのシステム。
【請求項１１】
前記伝達ファイバの複数の部分において、前記最終使用装置に光学的に結合された波長変換器をさらに含む請求項１に記載のレーザ・ベースのシステム。
【請求項１２】
前記伝達ファイバに結合された前記波長変換器は、前記最終使用装置の一体化された部分を含む請求項１１に記載のレーザ・ベースのシステム。
【請求項１３】
前記レーザ源は、モード・ロック・ファイバ・レーザを含む請求項１に記載のレーザ・ベースのシステム。
【請求項１４】
前記レーザ源は、モード・ロック・レーザ、ｑスイッチ・マイクロチップ・レーザ、または半導体レーザを含む請求項１に記載のレーザ・ベースのシステム。
【請求項１５】
前記レーザ源は、利得ファイバを含み、前記利得ファイバおよび前記伝達ファイバは、同じ光ファイバの部分を含む請求項１に記載のレーザ・ベースのシステム。
【請求項１６】
前記光伝達ファイバは、１本の大モード・エリア・ファイバを含む請求項１に記載のレーザ・ベースのシステム。
【請求項１７】
前記伝達ファイバは、ファイバ接続部につながれた１本の利得ファイバおよびドープされていないファイバを含む請求項１に記載のレーザ・ベースのシステム。
【請求項１８】
レーザ・パルスは、別々の長さの光ファイバ間に配置された自由空間オプティカル・カプラーに結合され、第１の長さの前記光ファイバは、前記レーザ源と前記カプラーとの間にあり、第２の長さの前記光ファイバは、前記最終使用装置と前記カプラーとの間にある請求項１に記載のレーザ・ベースのシステム。
【請求項１９】
前記伝達ファイバは、１本の偏波保持ファイバを含む請求項１に記載のレーザ・ベースのシステム。
【請求項２０】
周波数変換器が、前記光伝達ファイバの端部に結合される請求項１に記載のレーザ・ベースのシステム。
【請求項２１】
前記最終使用装置に送られる波長シフトされたパルスのパルス品質は、ＲＳ生成以外の非線形効果によって引き起こされた実質的なひずみを有するパルスの品質を超える請求項１に記載のレーザ・ベースのシステム。
【請求項２２】
光パルスを生成するパルス源と、
前記光パルスを受信する伝達ファイバであって、ラマン・ソリトン生成が前記伝達ファイバの少なくとも一部に発生するように、前記パルスは十分なピーク出力を有する、伝達ファイバと、
前記伝達ファイバから放射された光パルスを受信する最終使用装置と
を備えるレーザ・ベースのシステム。
【請求項２３】
前記パルス源は、ファイバ増幅器を含む請求項２２に記載のレーザ・ベースのシステム。
【請求項２４】
前記ファイバ増幅器は、前記伝達ファイバである請求項２３に記載のレーザ・ベースのシステム。
【請求項２５】
前記ファイバ増幅器および前記伝達ファイバは、同じ光ファイバの部分である請求項２３に記載のレーザ・ベースのシステム。
【請求項２６】
前記伝達ファイバの少なくとも一部は、大モード・エリア・ファイバを含む請求項２２に記載のレーザ・ベースのシステム。
【請求項２７】
ラマン・シフトされたスペクトルおよびソース・スペクトルを複数の波長帯域に分離するための、波長に敏感なバルク要素、統合された要素、または光ファイバ要素をさらに備える請求項２２に記載のレーザ・ベースのシステム。
【請求項２８】
前記最終使用装置に送られる前記パルスの少なくとも一部は、少なくとも約１μＪのパルス・エネルギーおよび約１ｐｓ未満のパルス幅を有する請求項２２に記載のレーザ・ベースのシステム。
【請求項２９】
前記最終使用装置に送られる前記パルスの少なくとも一部は、約１００ｐｓから１ｎｓの範囲のパルス幅を有する請求項２２に記載のレーザ・ベースのシステム。
【請求項３０】
１本の前記伝達ファイバは、数メートルから約１００ｍの範囲にある請求項２２に記載のレーザ・ベースのシステム。
【請求項３１】
１本の前記伝達ファイバは、約２０ｍから約１００ｍの範囲にある請求項２２に記載のレーザ・ベースのシステム。
【請求項３２】
前記伝達ファイバおよび前記パルス源は、前記最終使用装置に送られる波長シフトされたパルスのパルス品質が、ＲＳ生成以外の非線形効果によって引き起こされた実質的なひずみを有するパルスの品質を超えるように構成されている請求項２２に記載のレーザ・ベースのシステム。
【請求項３３】
高ピーク出力光パルスを生成するステップと、
少なくとも１つの伝達ファイバに前記高ピーク出力光パルスを結合するステップであって、前記パルスは、伝達ファイバ内のソリトン・ラマン生成および前記高ピーク出力光パルスの圧縮を引き起こすのに十分なピーク出力を有する、ステップと、
最終使用装置に前記圧縮されたパルスを送るステップと
を含む光パルスを伝達する方法。
【請求項３４】
前記圧縮されたパルスは、前記伝達ファイバ内で伝播する最小パルス幅であるパルス幅を有する請求項３３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ファイバを通じて高ピーク出力光パルスを伝達するための装置および方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
多くのレーザ・ベースの用途において、光ファイバを通じてパルス・レーザ源から最終使用装置に、高ピーク出力光パルスを伝達することは望ましい。例を挙げると、「Ａｐｐａｒａｔｕｓ  ａｎｄ  ｍｅｔｈｏｄ  ｆｏｒ  ｄｅｌｉｖｅｒｙ  ｏｆ  ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ−ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄ  ｕｌｔｒａｓｈｏｒｔ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｐｕｌｓｅｓ  ｗｉｔｈ  ｈｉｇｈ  ｐｅａｋ  ｐｏｗｅｒ」と題された米国特許第６，２４９，６３０号、および「Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ  ｐｒｅｃｏｍｐｅｎｓａｔｏｒ  ｆｏｒ  ｕｓｅ  ｉｎ  ａｎ  ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ  ｒａｄｉａｔｉｏｎ  ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ  ａｎｄ  ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ  ｓｙｓｔｅｍ」と題された米国特許第６，３２０，１９１号には、高出力の超短パルスおよびＴＨｚ放射のファイバ・ベースの伝達について、それぞれ開示されている。
【０００３】
連続波出力または長パルスの伝達とは対照的に、光ファイバでの高ピーク出力パルスの非線形相互作用により、パルス品質の劣化が引き起こされる場合がある。そのようなパルスが望ましくない非線形効果にさらされる場合、高ピーク強度の光パルスを伝達することが特に困難な場合がある。したがって、一般通念では、ファイバでは光パルスの非線形相互作用を回避することが提案されている。
【０００４】
Ｌ．Ｆ．Ｍｏｌｌｅｎａｕｅｒらによって、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．４５、１０９５〜１０９８（１９８０）に記述されているように、自己位相変調および異常分散が平衡を保っている場合、光ソリトンをファイバ内で展開（ｅｖｏｌｖｅ）することができる。ソリトンは、時間領域においてパルスを壊さずにファイバ内で伝播する。ソリトン形成の一般条件は知られている。光ソリトンは、自己位相変調および関連する非線形性と平衡を保つ、異常分散のある光ファイバで生成される。このソリトン形成に適用可能なパルス・エネルギーは、以下を満たしている：
【数１】
2014507682.tif 000003
ここで、β2は、ファイバの２次分散（ｓｅｃｏｎｄ  ｏｒｄｅｒ  ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ）であり、Δτは、レーザ・パルスのＦＷＨＭであり、また
【数２】
2014507682.tif 000004
ここで、Ａはモード・エリア（ｍｏｄｅ  ａｒｅａ）である（Ｇ．Ｐ．Ａｇｒａｗａｌ、「Ｎｏｎｌｉｎｅａｒ  ｆｉｂｅｒ  ｏｐｔｉｃｓ」、３ｒｄ  Ｅｄ、Ａｃａｄｅｍｉｃ  Ｐｒｅｓｓ、１５１頁を参照）。しかし、ソリトン・パルスの有効エネルギーは、従来の光ファイバでは数十ピコジュール（ｐＪ）以下に制限されることを示すことができる。
【０００５】
レーザ・パルスがより高いエネルギーを含んでいる場合、パルスは、パルスが分割する結果となる、より高次のソリトン（複数可）で圧縮することができる。反対に、レーザ・パルスがより少ないエネルギーを含んでいるか、伝播の間に減衰した場合、ソリトンは最終的に消滅することになる。パルスひずみは、いずれのケースでも発生する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第６，２４９，６３０号「Ａｐｐａｒａｔｕｓ  ａｎｄ  ｍｅｔｈｏｄ  ｆｏｒ  ｄｅｌｉｖｅｒｙ  ｏｆ  ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ−ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄ  ｕｌｔｒａｓｈｏｒｔ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｐｕｌｓｅｓ  ｗｉｔｈ  ｈｉｇｈ  ｐｅａｋ  ｐｏｗｅｒ」
【特許文献２】米国特許第６，３２０，１９１号「Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ  ｐｒｅｃｏｍｐｅｎｓａｔｏｒ  ｆｏｒ  ｕｓｅ  ｉｎ  ａｎ  ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ  ｒａｄｉａｔｉｏｎ  ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ  ａｎｄ  ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ  ｓｙｓｔｅｍ」
【特許文献３】米国特許第５，８８０，８７７号「Ａｐｐａｒａｔｕｓ  ａｎｄ  ｍｅｔｈｏｄ  ｆｏｒ  ｔｈｅ  ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｈｉｇｈ−ｐｏｗｅｒ  ｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄ  ｐｕｌｓｅｓ  ｆｒｏｍ  ａ  ｆｉｂｅｒ  ａｍｐｌｉｆｉｅｒ」
【特許文献４】米国特許出願第１０／８１３，１７３号「Ｍｅｔｈｏｄ  ａｎｄ  ａｐｐａｒａｔｕｓ  ｆｏｒ  ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ  ａｎｄ  ｐｒｏｔｅｃｔｉｎｇ  ｐｕｌｓｅｄ  ｈｉｇｈ  ｐｏｗｅｒ  ｆｉｂｅｒ  ａｍｐｌｉｆｉｅｒ  ｓｙｓｔｅｍｓ」、現在の米国特許第７，５０５，１９６号
【特許文献５】米国特許出願第１０／８１３，１６３号「Ｍｏｄｕｌａｒ，ｆｉｂｅｒ−ｂａｓｅｄ  ｃｈｉｒｐｅｄ  ｐｕｌｓｅ  ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ  ｓｙｓｔｅｍ」、現在の米国特許第７，７１１，０１３号
【特許文献６】米国特許出願第１１／７２７，５００号「Ｂｅａｍ  ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ  ｆｉｂｅｒ  ｌａｓｅｒ」
【特許文献７】米国特許出願第１２／６４１，２５６号「Ｌａｓｅｒ−ｂａｓｅｄ  ｍａｔｅｒｉａｌ  ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  ｍｅｔｈｏｄｓ  ａｎｄ  ｓｙｓｔｅｍｓ」
【特許文献８】米国特許第５，８１８，６３０号「Ｓｉｎｇｌｅ−ｍｏｄｅ  ａｍｐｌｉｆｉｅｒｓ  ａｎｄ  ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒｓ  ｂａｓｅｄ  ｏｎ  ｍｕｌｔｉ−ｍｏｄｅ  ｆｉｂｅｒｓ」
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Ｇ．Ｐ．Ａｇｒａｗａｌ、「Ｎｏｎｌｉｎｅａｒ  ｆｉｂｅｒ  ｏｐｔｉｃｓ」、３ｒｄ  Ｅｄ．、Ａｃａｄｅｍｉｃ  Ｐｒｅｓｓ、３０２頁
【非特許文献２】Ｇ．Ｐ．Ａｇｒａｗａｌ、「Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ  ｏｆ  ｎｏｎ−ｌｉｎｅａｒ  ｆｉｂｅｒ  ｏｐｔｉｃｓ」、Ａｃａｄｅｍｉｃ  Ｐｒｅｓｓ、２８０〜２８７頁、（２００１）
【非特許文献３】Ｈ．Ｈｏｆｅｒら、Ｏｐｔ．Ｌｅｔｔ．２３、１８４０（１９９８）
【非特許文献４】Ｌ．Ｆ．Ｍｏｌｌｅｎａｕｅｒら、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．４５、１０９５〜１０９８（１９８０）
【非特許文献５】Ｇ．Ｐ．Ａｇｒａｗａｌ、「Ｎｏｎｌｉｎｅａｒ  ｆｉｂｅｒ  ｏｐｔｉｃｓ」、３ｒｄ  Ｅｄ．、Ａｃａｄｅｍｉｃ  Ｐｒｅｓｓ、１５１頁
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
したがって、特にリモート・レーザ・ヘッドと最終使用装置との分離が望ましいレーザ処理環境において、パルス破壊による望ましくない影響なしに、短い高ピーク出力パルスを最終使用装置に送る必要性が存在する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
少なくとも１つの実施形態は、パルス源と最終使用装置との間に配置された伝達ファイバ内の誘導ラマン・ソリトン（ＲＳ）生成を含む。高ピーク出力パルスは、パルス源から受信されたパルスの形に深刻な劣化なく最終使用装置に送られる。さらに、最終使用装置に送られたパルスの品質は、分散または他の非線形効果にさらされたパルスの品質より優れている場合がある。
【００１０】
少なくとも１つの実施形態では、非線形効果を回避するためにパルスの伸張および圧縮の必要なく、リモート・レーザ源から最終使用装置に高ピーク出力パルスを伝達する。様々な実施形態において、最終使用装置のために高品質な圧縮されたパルスを提供するためにＲＳ生成が利用される。
【００１１】
ラマン・シフトがパルスに与えられ、かつラマン・ソリトン形成の条件が満たされた場合、元のパルスは、伝播の間にラマン・ソリトンへと展開する。ファイバ内の他の伝播は、波長シフトの増加の一因になる場合があるが、有効な動作範囲にわたってパルス波形はほぼ維持することができる。
【００１２】
たとえば、１００ｍ以下など、伝達ファイバに適した典型的な範囲内の信号損失は、ファイバがドープされていない場合は無視できる。重要なことには、ドープされた利得ファイバは、伝達ファイバには有利になる可能性がある、ＲＳ光パルスには必要ではない。
【００１３】
様々な実施形態において、パルス源および伝達ファイバは、高品質な圧縮されたパルスが事前に決定された長さの伝達ファイバの出力で受信されるように構成することができる。パルス源は、最終使用装置からリモートに配置することができる。伝達ファイバは、約数メートル（ｍ）から約１００ｍ、２０ｍから１００ｍの範囲の長さ、または他の同様の範囲を有することができる。いくつかの実施形態では、レーザ・パラメータおよび／またはファイバ長は、そこで取得されたＲＳへと基本パルスを実質的に転換することで、パルス品質がファイバの出力で実質的に最大限にされるように選択することができる。パルス品質改善の１つの指標は、ウィング（すなわち、ペデスタル）に無視できるまたは減じられたエネルギーを有する、より短いまたは同じパルス幅（たとえば、半値全幅、ＦＷＨＭ）である。パルス品質は、たとえば、比率として、次のように定義することができる：（全幅半値パルス幅）／（二乗平均平方根パルス幅）。これら２つの定義は両方、最新技術では知られている。たとえば、ｓｅｃｈ2またはガウス型など、望ましい一時的なパルス波形、パルスの平滑性、対称性、分解（ｂｒｅａｋｕｐ）の不在など、１つまたは複数の他の基準も利用することができる。
【００１４】
パルス源は、伝達ファイバでのＲＳ生成に適した範囲に出力波長を有する十分なパルス・エネルギー（または強度）を備えた任意のレーザまたは増幅システムを含むことができる。例を示すと、モード・ロック・レーザ発振器を利用することができる。いくつかの実施形態では、発振器／増幅器の組合せを利用することができ、増幅器には多段を有することが可能である。波長がＲＳ条件になる場合、Ｑスイッチ・レーザを利用することができる。Ｅｒドープされた導波路またはファイバ媒体を利得材料に利用することができる。たとえば、オプションの増幅器段（複数可）を備えたＥｒまたはＥｒ−Ｙｂドープされたファイバ発振器は、異常分散を提供することができる。いくつかの実施形態では、レーザ発光波長は、たとえば約１５６０ｎｍの電気通信ウィンドウにある場合があり、ＲＳファイバは、標準のグラス・ファイバでもよい。
【００１５】
１３００ｎｍより短い波長が必要な場合、より長い波長で伝達されたＲＳは、たとえば周波数を２倍、３倍、または４倍にすることで、より短い波長に変換することができる。いくつかの実施形態では、特殊ファイバ（たとえばホーリー・ファイバまたはフォトニック結晶ファイバ（ＰＣＦ））は、そのようなより短い波長で異常分散を生じさせるために分散設計（ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ  ｅｎｇｉｎｅｅｒ）することができる。
【００１６】
例を挙げると、一部の実装形態では、最終使用装置に送られるフェムト秒またはピコ秒のパルスのパルス・エネルギーは、約１ｎＪから１０ｎＪ、最大約１００ｎＪ、および／または１μＪ以上の範囲にあってもよい。圧縮されたパルス幅は、１ｐｓ未満でもよく、一部の実装形態では、約３００ｐｓ未満でもよい。パルス・エネルギーはまた、より高いレベルに上げる（ｓｃａｌｅ）ことができる。たとえば、伝達ファイバは、１０ｐｓから１００ｐｓの範囲で入力パルスを受信することができ、これは次に伝達ファイバでのＲＳ圧縮で圧縮され、一部の実装形態では、ピコ秒またはナノ秒体制のパルスをパルス・エネルギーの比例的な増加によって生成することができる。様々な実施形態において、大型コア光ファイバは、より高いピーク出力パルスで利用することができ、ステップ・インデックス・ファイバで構成することも、またはフォトニック結晶ファイバ構造に組み込むこともできる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】リモートに配置されたレーザ源から最終使用装置へと高ピーク出力光パルスを伝達するためのシステムの概括的な構成を概略的に示す図である。
【図１Ａ】本発明の実施形態での使用に適した例示的なファイバ・レーザ増幅器システムを概略的に示す図である。
【図１Ｂ】リモート・パルス・レーザ源に接続された例示的な最終使用装置を概略的に示す図である。
【図２】ドープされた光ファイバおよびドープされていない光ファイバの部分が伝達ファイバに使用される構成を概略的に示す図である。
【図３】伝達ファイバの単一部分が自由空間結合光学素子（ｆｒｅｅ−ｓｐａｃｅ  ｃｏｕｐｌｉｎｇ  ｏｐｔｉｃｓ）によってレーザ・ヘッド内で結合されている構成を概略的に示す図である。
【図４】伝達ファイバに使用されるドープされていないファイバの単一部分が、ファイバ接続部によってレーザ・ヘッド内で結合されている構成を概略的に示す図である。
【図５】ドープされていないファイバの複数の部分が伝達ファイバに使用される構成を概略的に示す図である。
【図６】波長変換器が伝達ファイバに結合されている構成を概略的に示す図である。
【図７】波長変換器が伝達ファイバの端部に結合され、最終使用装置の一体化された部分として構成されている構成を概略的に示す図である。
【図８】基本およびラマン・シフトされたパルスの部分を分離するためのスペクトル・フィルタを有する構成を概略的に示す図である。
【図９】伝達ファイバのパルス・スペクトルおよび形状の展開を概略的に示し、ソリトン・ラマン・レジームにおけるパルス伝播のいくつかの効果を示すグラフである。
【図１０】長さが４ｍである増幅器ファイバの出力でＲＳパルスの一時的な形状を示すグラフである。
【図１１】長さ１８．６ｍのドープされたファイバの出力でＲＳパルスの一時的な形状を示すグラフである。５ｍを越える部分は、無視できる量の励起光の結果としてパッシブ・ファイバとして機能する。
【図１２】およそ１．５ｕｍ波長での基本パルスおよびラマン・ソリトンのスペクトルを示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
基礎をなす動作機構を理解することが、開示されたシステムおよび方法の実施形態の実践に必要ではなく、いずれの特定の理論に賛成していなくても、ラマン生成、特にラマン・ソリトン（ＲＳ）に関連する様々な原理を見直すことは有用である。
【００１９】
フェムト秒のパルス圧縮における研究により、ラマン散乱がソリトン効果のコンプレッサで圧縮されたパルスの品質を改善することができることが明らかになった（Ｇ．Ｐ．Ａｇｒａｗａｌ、「Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ  ｏｆ  ｎｏｎ−ｌｉｎｅａｒ  ｆｉｂｅｒ  ｏｐｔｉｃｓ」、Ａｃａｄｅｍｉｃ  Ｐｒｅｓｓ、２８０〜２８７頁、（２００１）を参照。特定の光学条件下では、光ファイバでのＲＳの伝播特性は、非ラマン・ソリトンのものに類似している。ＲＳレジームに入るために、基本パルスは、最初に
【数３】
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によって得られる誘導ラマン散乱のしきい値強度に到達する必要がある。ここで、ｇRは、ラマン利得（約１０-13ｍ／Ｗ）であり、Ｐthはしきい値であり、Ｌeffは実効長であり、Ａeffはモード・エリアである（Ｇ．Ｐ．Ａｇｒａｗａｌ、「Ｎｏｎｌｉｎｅａｒ  ｆｉｂｅｒ  ｏｐｔｉｃｓ」、３ｒｄ  Ｅｄ．、Ａｃａｄｅｍｉｃ  Ｐｒｅｓｓ、３０２頁、およびＧ．Ｐ．Ａｇｒａｗａｌ、「Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ  ｏｆ  ｎｏｎ−ｌｉｎｅａｒ  ｆｉｂｅｒ  ｏｐｔｉｃｓ」、Ａｃａｄｅｍｉｃ  Ｐｒｅｓｓ、２８０〜２８７頁、（２００１）を参照）。基本パルスの強度が、ラマン散乱しきい値のものを超えると、自己位相変調によって提供される異常分散と正常なチャープとの間のバランスは、また、ＲＳ伝播に対して満たされる。比較のために、同様のファイバ・パラメータおよび波長領域を用いると、ＲＳパルス・エネルギーは、非ラマン・ソリトンのものより２桁大きい場合がある。
【００２０】
ＲＳ生成によって、たとえば、Ｈ．Ｈｏｆｅｒら、Ｏｐｔ．Ｌｅｔｔ．２３、１８４０（１９９８）および米国特許第５，８８０，８７７号「Ａｐｐａｒａｔｕｓ  ａｎｄ  ｍｅｔｈｏｄ  ｆｏｒ  ｔｈｅ  ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｈｉｇｈ−ｐｏｗｅｒ  ｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄ  ｐｕｌｓｅｓ  ｆｒｏｍ  ａ  ｆｉｂｅｒ  ａｍｐｌｉｆｉｅｒ」に記述されているように、ファイバにおいて高いエネルギーおよび強度のパルスが生成される。米国特許第５，８８０，８７７号の内容は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれている。’８７７号特許では、ファイバ増幅器および／またはドープされていないファイバでのソリトン・ラマン圧縮について教示している。ソリトン・ラマン・コンプレッサは、高度に非線形のシステムとして認識されており、増幅器またはわずかにマルチモードであるドープされていない大型コア・ファイバの使用を活用することができる。’８７７号特許は、単一の光学コンポーネントでファイバ増幅器およびコンプレッサを結合できることを教示している。あるいは、非線形増幅器および線形または非線形のコンプレッサを利用することができる。ファイバ・コンプレッサの少なくとも一部は、ドープされていないファイバを含むことができる。用途には、二光子共焦点顕微鏡での使用が含まれており、非線形のファイバ増幅器はパルス圧縮を提供した。
【００２１】
本発明のいくつかの実施形態では、誘導ラマン・ソリトン（ＲＳ）の形成および伝播は、高ピーク出力パルスのファイバ伝達に利用される。有利なことに、ラマンのしきい値を下回るピーク出力でも、最終使用装置に送られるラマン波長シフトされたパルスの入手可能なパルス品質は、他の非線形効果にさらされたパルスの品質を超えることができる。最終使用装置に送られる波長シフトされたパルスのパルス品質は、ＲＳ生成を除く非線形効果によって生じた実質的なひずみを有するパルスの品質を超えることができる。様々な実施形態によると、はるかに高いピーク出力には、ソリトン・ラマン・レジームの動作が提供され得る。
【００２２】
様々な好ましい実装形態において、ファイバ・レーザ／増幅器はパルス源として利用され、一部の実施形態においては、パルス源は「全ファイバ」の配置で構成することができる。次の米国特許および出願は、ファイバ・レーザ／増幅器システムおよび／または最終使用材料加工システムの様々な機能を開示している：２００４年３月３１日に出願した米国特許出願第１０／８１３，１７３号「Ｍｅｔｈｏｄ  ａｎｄ  ａｐｐａｒａｔｕｓ  ｆｏｒ  ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ  ａｎｄ  ｐｒｏｔｅｃｔｉｎｇ  ｐｕｌｓｅｄ  ｈｉｇｈ  ｐｏｗｅｒ  ｆｉｂｅｒ  ａｍｐｌｉｆｉｅｒ  ｓｙｓｔｅｍｓ」、現在の米国特許第７，５０５，１９６号；２００４年３月３１日に出願した米国特許出願第１０／８１３，１６３号「Ｍｏｄｕｌａｒ，ｆｉｂｅｒ−ｂａｓｅｄ  ｃｈｉｒｐｅｄ  ｐｕｌｓｅ  ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ  ｓｙｓｔｅｍ」、現在の米国特許第７，７１１，０１３号；２００７年３月２７日に出願した米国特許出願第１１／７２７，５００号「Ｂｅａｍ  ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ  ｆｉｂｅｒ  ｌａｓｅｒ」；および２００８年１２月１７日に出願した米国特許出願第１２／６４１，２５６号「Ｌａｓｅｒ−ｂａｓｅｄ  ｍａｔｅｒｉａｌ  ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  ｍｅｔｈｏｄｓ  ａｎｄ  ｓｙｓｔｅｍｓ」。上記の出願／特許のそれぞれの内容は、参照によってその全体が本明細書に組み込まれている。
【００２３】
図１〜図８は、本発明の一部の実施形態の様々なコンポーネントおよび構成を示している。この構成は相互に排他的ではなく、要素は、望ましい設計目標を達成するために適切な方法で実施形態内において組み合わせられることを理解されたい。
【００２４】
本発明の一実施形態に対応する構成を図１に示している。レーザ・ヘッド１００のパルス源１０５は、光パルスに、最終使用装置１５０で使用される高ピーク出力を提供する。たとえば、パルス源は、１００ｐｓ未満のパルス幅を有する超短レーザ・パルスを生成するモード・ロック・レーザを含むことができる。あるいは、光パルスは、Ｑスイッチングおよび／もしくは利得スイッチング、または上記の適切な組合せで生成することができる。パルス持続時間は、たとえば、ナノ秒のレジームなど他の範囲でもよい。パルス源は、パルス・エネルギーおよびピーク出力を増加させるために１つまたは複数の光増幅器を含むことができる。
【００２５】
適切な結合用構成体１１０は、高ピーク出力パルスを伝達ファイバ１２０に結合する。様々な好ましい実施形態では、パルス源１００および伝達ファイバ１２０は、ラマン生成がファイバ１２０で発生し、好ましくはラマン・ソリトンを生成するように構成される。概括的に、パルス源によって提供されるピーク出力は、伝達ファイバの長さにおいて、および動作（基本）波長でのラマン生成にとって十分に高い。
【００２６】
図１Ａは、例示的なパルス・レーザ源１０５−ａを概略的に示している。この例では、レーザ源は、発振器、オプションの前置増幅器、およびパルス・ストレッチャーを有するファイバ・レーザ増幅器システム、ならびにファイバ増幅器を含む。さらに、システムは、ファイバ増幅器の制御および保護のため、ならびにパルス特性の安定および制御のための機能を含む。システムは、ピコ秒（ｐｓ）またはフェムト秒（ｆｓ）の高ピーク出力パルスを生成するために、たとえばグレーティング・ペアなど、パルス・コンプレッサをさらに含むことができる。米国特許第７，５０５，１９６号に開示されている、そのようなシステムは、最終使用装置への伝送のために高ピーク出力パルスを生成するための適切なパルス源の一例である。
【００２７】
図１Ｂは、レーザ・ヘッド１００に配置されたパルス源１０５に光学的に接続された例示的な最終使用装置１５０を概略的に示している。リモートに配置されたレーザ・ヘッド１００と最終使用装置１５０との間の接続１２０−ａは、本発明の実施形態に対応する伝達ファイバを含むことができる。例示的な最終使用装置は、測位装置、ビーム・スキャナなどを含むことができる。一部の実施形態では、伝達ファイバ１２０−ａは、リモート・レーザ源から小型でモバイルの多軸最終使用装置に、高ピーク出力短パルスを提供するために利用することができる。一部の実施形態では、最終使用装置は、用途の要件に応じて、追加的な光増幅器、ビーム調整光学部（ｂｅａｍ  ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ  ｏｐｔｉｃｓ）などを含むことができる。
【００２８】
図１〜図８を参照すると、伝達ファイバ１２０は、ドープされたファイバ部分および／またはドープされていないファイバ部分を含むことができ、ドープされていないファイバ部分は、以下に記述するいくつかの利点を提供する。
【００２９】
一部の実施形態では、シングル・モード・ファイバは、必要な光学パラメータに応じて、伝達ファイバ１２０の一部に実装することができる。
【００３０】
伝達ファイバ１２０は、高いエネルギーおよび強度のパルス伝達に好ましい、大モード・エリア・ファイバ（ｌａｒｇｅ  ｍｏｄｅ  ａｒｅａ  ｆｉｂｅｒ）を含むことができる。たとえば、米国特許第５，８１８，６３０号「Ｓｉｎｇｌｅ−ｍｏｄｅ  ａｍｐｌｉｆｉｅｒｓ  ａｎｄ  ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒｓ  ｂａｓｅｄ  ｏｎ  ｍｕｌｔｉ−ｍｏｄｅ  ｆｉｂｅｒｓ」は、光ファイバ増幅器でエネルギー貯蔵電位を増加させる方法、および望ましくない非線形性および利得飽和が発生する前に、シングル・モード（ＳＭ）ファイバで達成可能なものより高いピーク出力およびパルス・エネルギーを生成する方法を教示している。これらの光増幅システムは、マルチモード・ファイバ増幅器を利用し、さらに実質的に基本モードで増幅された出力を提供する。米国特許第５，８１８，６３０号の内容は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれている。本発明の様々な好ましい実施形態において、大エリア・コア・ファイバでのＲＳ生成は、マルチモード・ファイバにおいて高ピーク強度分布、およびＲＳのガウス型モードのサポートを提供する。ガウス型モードのプロファイルは、多くの最終使用用途にとって好ましい。したがって、大エリア・コア・ファイバ（＞約４０μｍ）は、ＲＳ伝播によって、近似するガウス空間プロファイルを備えた高ピーク出力パルスを最終使用装置に送ることを可能にすることができる。そのような大モード・エリア・ファイバを使用する利点の１つは、ＲＳパルス・エネルギーの拡張性であり、その一方で、過度な非線形の相変化から生じるパルスの時間的および空間的な劣化が回避される。
【００３１】
特殊ファイバ（たとえば大型コア・ホーリー・ファイバ）は、単独またはステップ・インデックス・ファイバと組み合わせて使用することができる。たとえば、フォトニック・バンド・ギャップ・ファイバ（ＰＢＧ）、フォトニック結晶ファイバ（ＰＣＦ）、または望ましいモード・サイズを備えた同様の微細構造のファイバ（複数可）もＲＳ伝達ファイバに使用することができる。微細構造またはフォトニック結晶ファイバ（ＰＣＦ）は、特に１３００ｎｍより短い波長について、ＲＳのために異常分散条件を提供するように設計することができる。そのようなより短い波長は、標準的なステップ・インデックス・ファイバの正の分散レジームにある。
【００３２】
ファイバの直径は、深刻な損失またはビーム劣化なく、伝達ファイバを望ましい直径に曲げられるように、あらかじめ選択することができる。一部の実施形態では、伝達ファイバは、高偏光感度の用途に適した偏波保持（ＰＭ：ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ  ｍａｉｎｔａｉｎｉｎｇ）ファイバでもよい。そうでなければ、非ＰＭファイバが好ましい場合がある。伝達ファイバは、約数メートルから約１００ｍ、２０ｍから１００ｍの範囲の長さ、または他の同様の範囲を有することができる。
【００３３】
最終使用装置１５０の用途は、たとえば、レーザ切断、穴あけ、スクライビング、表面処理、パタニングおよび／またはマーキングなど、材料処理を含むことができる。最終使用装置１５０は、イメージング、パルス・レーザ堆積、レーザ分光、またはテラヘルツの生成もしくは検出のために利用することができる。
【００３４】
図１〜図８は、波長選択／制御のための伝達ファイバ、カプラー、およびコンポーネントの限定を目的としないいくつかの構成を概略的に示している。
【００３５】
伝達ファイバ１２０は、図１に示すようにファイバの単一部分でもよい。結合用構成体１１０は、自由空間結合光学素子またはファイバ接続部によってレーザ・ヘッド内に形成することができる。
【００３６】
図２を参照すると、一部の実施形態では、伝達ファイバについて、ドープされたファイバおよびドープされていないファイバの両方を組み合わせて利用することができる。ドープされたファイバとドープされていないファイバとの間の結合部２１０はまた、図３および図４の結合用構成体にそれぞれ示されるように、自由空間結合光学素子またはファイバ接続部を用いて実装することができる。図３に示すように、自由空間結合光学素子３１０は、１つのファイバ端末から他のファイバ端末に光を結合するためのレンズを含むことができる。一部の実施形態では、図４に示すように、ファイバ接続部は、ともに接続されるファイバの端部を融合させることによって、またはファイバ材料を溶かすことなく、端部ファセットを互いに光学的な近接に配置することによって形成することができる。ファイバ接続部または結合部に、先細りのファイバを使用することもできる。あるいは、自由空間コンポーネント、接続部、および／またはファイバ・テーパーの適切な組合せを実装することができる。一部の実施形態では、パルス源のドープされた利得ファイバは、ドープされていないファイバ部分を用いて延長できるため、コンポーネントの数を減らすことができる。
【００３７】
さらに他の例として、実際に伝達ファイバを配置する際のさらなる柔軟性のために、伝達ファイバは複数の部分を含むことができる。図５に示すように、ドープされていないファイバ５２０−ａ、５２０−ｂの部分は、ファイバ接続部または自由空間光学素子（ｆｒｅｅ−ｓｐａｃｅ  ｏｐｔｉｃｓ）のいずれかによってカプラー５１０に結合することができる。ファイバの部分はドープされていないファイバに限定されないが、ドープされていないファイバの少なくとも一部を含むことができる。
【００３８】
ソリトン伝播は、すべての波長で容易に達成することはできない。特定の実施形態では、この問題を排除し、信号の波長をＲＳの生成および伝播のためにより望ましい波長に変換するために、周波数変換器を使用することができる。周波数（波長）変換器は、概して、非線形の光学材料の入射パルスの光の強さの非線形の光学的な相互作用に基づいて、入射パルスの波長を異なる波長（複数可）に変換する非線形の光学材料を含む。強度が十分に高い場合、ファイバは、非線形の相互作用に基づいて波長を変換することができる。適切な市販の変換器は、非線形結晶、ラマン・シフター、パラメータ増幅器、および高度に非線形のファイバを含む。
【００３９】
一部の実施形態では、ＲＳレジームでの動作の場合でも、エンド・ユーザー装置への伝達の前に伝達ファイバの出力波長を変更するための波長転換および／またはフィルタリングが望ましい場合がある。
【００４０】
たとえば、図６は、出力が伝達ファイバ１２０の一部から受信され、波長が変換され、最終使用装置に送られる一構成を描写している。ファイバ１２０の一部は、波長変換されたパルスを伝達するために使用することができる。
【００４１】
図７は、波長変換器が最終使用装置の一体化された部分である代替の構成を示している。
【００４２】
図８は、基本およびラマン・シフトされたパルスを分離するためのスペクトル・フィルタを有する構成を概略的に示している。
【００４３】
図９（縮尺通りではない）を参照すると、パルス・スペクトルの展開および形状がファイバ長Ｌmaxに示されている。たとえばｆｓパルスなど、超短パルスでは、時間領域におけるパルス波形は、自己相関関数（ＡＣＦ）で推定される。ＲＳスペクトルの展開および一時的なパルス波形は、上部のグラフ９００−ａおよび９００−ｂにそれぞれ示されている。グラフ９１０−ａおよび９１０−ｂは、スペクトル・フィルタリングがどのように一時的なパルス波形を拡張できるかを示している。下部のグラフ９２０−ａおよび９２０−ｂは、ＲＳパルスより低いピーク出力でだが、高ピーク出力、非線形効果によって劣化したラマン・シフトされていないパルスを表すパフォーマンスを示している。
【００４４】
グラフ９００−ａおよび９００−ｂを参照すると、ＲＳを含む、ラマン・シフトによって、レーザ・パルス・スペクトルは、自己位相変調を用いる、第１の基本的な短い波長部分９０１、および第２の平滑なラマン・シフトされた部分９０３という２つの主な波長領域へ分割される。ＲＳレジームで動作する場合、ラマン・ソリトン・パルス圧縮が発生する。結果として生じる圧縮されたパルス９０５は、望ましくない可視の付随部（たとえば、ペデスタル）部分９０７を含む。
【００４５】
しかし、弱い付随部分９０７は、基本のシフトされていないパルスと、ラマン・シフトされたパルスとの波を混合した結果である。スペクトル９０１に対応するパルス部分のエネルギーを受け入れないために、シフトされていないパルス部分に関連する波長部分をスペクトル・フィルタすることで、付随部を取り除くことができる。９１０−ａおよび９１０−ｂを参照すると、そのようなフィルタリングは、たとえば、周波数領域においてバンドパス・フィルタ９１１またはローパス・フィルタを用いて実施することができる。この方策を実施することによって、ほぼペデスタルなしで、拡張されたものの高品質なパルス９１３が得られる。ラマン・ソリトン・レジームでのパルス伝播の優れた影響は明白である。
【００４６】
この例では、最適のファイバ長は、結果としてフィルタード・スペクトル９１１およびパルス波形９０３の長さに一致する。さらなる伝播の結果、追加的なラマン・シフト、ならびにスペクトル幅およびパルス幅の増加へとつながる。しかし、ファイバの最適化された伝達長は、入力パルスのエネルギーおよび強度、チャープ、伝達ファイバ・モード・エリア、ならびに他の適切なパラメータに基づいて推定することができる。また、利得ファイバの部分が伝達ファイバに含まれている場合、ファイバの利得プロファイルも考慮されることになる。一部の実施形態では、伝達ファイバの長さは、数メートル程度の短さであり、約数メートル（ｍ）から約１００ｍ、１０ｍから１００ｍ、２０ｍから１００ｍ、または他の同様の範囲でもよい。
【００４７】
ここで、９２０−ａおよび９２０−ｂを参照すると、レーザ・パルス・エネルギーおよび／またはピーク出力が十分に強い場合、非ラマン・レーザ・スペクトルは、自己位相変調など非線形過程のために変調される。いずれの場合にも、非線形効果および分散によりパルスが広がり、望ましくない強力なペデスタルが作り出され、９２０−ａおよび９２０−ｂに示すように、さらにスペクトルが広がる。追加のコンプレッサ装置が伝達ファイバに光学的に結合されていても、このようにパルス圧縮は存在せず、ペデスタルの減少は困難である。図示したように、パルス忠実度は、さらなる伝播とともに低下し続ける。したがって、ＲＳ伝播およびパルス圧縮の優れたパフォーマンスは明白である。
【００４８】
実験結果
例として、実験は、十分に長い伝達ファイバのＲＳ伝播を検証するために実行された。目的は、パルス波形の深刻な損失および劣化なく出力を生成することだった。
【００４９】
ファイバ結合されたポンプ・ダイオードによって励起（ｐｕｍｐ）された、モード・ロック・ファイバ・レーザ発振器が使用された。発振器は、Ｅｒドープされたファイバを含み、数ピコ秒のパルス持続時間でナノ・ジュール未満のエネルギー準位のパルスを生成した。
【００５０】
発振器の出力は、増幅段でさらに増幅された。増幅段は、ファイバ・ピグテイル型ダイオード・レーザによって励起された大モード・エリア・コアを備えたＥｒ−Ｙｂコドープされたファイバを含んでいた。実験に使用された利得ファイバは、９７６ｎｍの励起波長で約−６ｄＢ／ｍの励起光吸収であった。この実験のＲＳパルス・エネルギーは、直接的に測定されなかったが、スペクトル、および他の同様の測定から約２〜３ｎＪであると推定された。
【００５１】
ＲＳ圧縮により、ｐｓシード・パルスのパルス幅が減った。便宜上、実験は、増幅段でファイバを拡張することによって実行された。拡張された領域では、不十分な励起光のためにファイバはパルスを効果的に増幅しなかったため、拡張された領域でドーパントの波長に敏感な吸収特性を除き、パッシブ・ファイバをエミュレートした。
【００５２】
図１０に示すように、出力４ｍ長の増幅器ファイバで測定された自己相関関数（ＡＣＦ）で示されたパルス型は、本質的にＲＳ波長でペデスタルがない。この例では、スペクトルは、パルス源によって生成された、１５６０ｎｍの基本から１６１０ｎｍにレッドシフトされ、合計レッドシフトは約５０ｎｍであった。図１１を参照すると、ファイバ長が１８．６ｍに増加すると、４ｍの利得ファイバの１５０ｆｓと比較して、図１０に示されるパルス波形は３５０ｆｓに広げられた。しかし、パルス波形は、ごくわずかなペデスタルおよび変調を示し、圧縮された出力は、十分ｆｓ範囲内にある。
【００５３】
特に、５ｍの利得ファイバの励起光吸収の結果、−３０ｄＢの残余励起光となった。これは５ｍポイントでの５ｍＷ未満である。１０ｍでは、励起光は、ほんの数マイクロワットのレベルを維持するだろう。出力のＲＳパワーが数百ミリワットの範囲にあったことを考えると、５ｍを超える利得ファイバの部分は、ドープされていないファイバでもよいが、ＲＳ生成をさらに提供できる。しかし、ＲＳに変換されていないいかなる基本波長のパルス・エネルギーも、励起なく、ドーパントによって利得ファイバでさらに減衰することになる。
【００５４】
ドープされていないファイバにおいて、基本波長におけるこの減衰の欠如により、ＲＳ変換効率がさらに高まり、結果として、最終使用装置へのパルスのより効果的なファイバ伝達が実現する。したがって、特定の長さの伝達ファイバを通じてドープされていないファイバを使用することは有利であり、この例に示されたものより長距離の伝達ファイバを使用する実現可能性が確立する。そのようなパフォーマンスは、不可能ではないにしても、ドープされたファイバでは非常に困難だろう。
【００５５】
増幅段での利得ファイバ長は、レーザ・パルス特性に応じて、ドープされていないファイバに結合される前に調整することができる。場合によっては、変換されていない残余基本パルスが伝達ファイバの端部に存在することがある。基本およびＲＳの波長の一方または両方を使用して、スペクトル的に分離し、かつ／またはフィルタすることができる。そのような決定は、最終使用用途の装置の要件に基づいて行うことができる。
【００５６】
例として、ラマン・シフトされたスペクトルについて、よく分離された波長領域が図１２に示されている。たとえば約１μｍなど、正常分散波長のレジーム（複数可）では、ＲＳ生成は、従来のステップ・インデックス・ファイバでは発生しない。しかし、スペクトル域は、分光、イメージング、または任意の他のスペクトル的に敏感な用途にとって関心事になり得る。マルチスペクトルの情報を提供する構成は、波長に敏感な用途および／または波長結合器を備えた異なるレーザ・ヘッドからの出力を合成するのに有利である可能性がある。
【００５７】
上記の結果に基づいて、増幅器ファイバで発生したＲＳ生成および組み合わせられた基本およびＲＳ波長部分の増幅段のパルス・エネルギー出力は、５ｎＪを超えられると決定された。上に説明したように光の基本部分の吸収のために、特に基本パルス部分の出力は、短い（４ｍ）ファイバとより長い（１８．６ｍ）ファイバでは異なる。励起出力に応じて、組み合わせられた基本およびＲＳ部分を含めて、４ｍのファイバからのパルス・エネルギー出力は、典型的には５〜１０ｎＪである。１８．６ｍの利得ファイバ長では、基本の光は吸収されたので無視することができる。したがって、出力パワーはほぼすべてＲＳ部分にあったので、結果として、実験的な構成で約２ｎＪのパルス・エネルギーが得られた。
【００５８】
伝達ファイバのＲＳ生成は好ましいが、適切な代替案を利用することができる。正の分散レジームで１ｕｍ波長領域で動作するファイバ増幅器が一例である。１本の分散シフト・ファイバが伝達ファイバの一部として使用される場合、エンド・ユーザー装置に送られるパルスを最適化するために、ソリトン形成なしでＲＳおよびラマン・シフトを組み合わせることができる。微細構造のフォトニック結晶ファイバおよび／または他の適切な特殊ファイバを様々な実装形態で利用することができる。
【００５９】
少なくとも１つの実施形態は、レーザ・ベースのシステムを含む。システムは、高ピーク出力光パルス源、およびパルス源から離れて配置された最終使用装置を含む。システムは、パルス源と最終使用装置との間に光伝達ファイバを含み、光伝達ファイバおよびパルス源は、伝達ファイバのラマン・ソリトン（ＲＳ）生成のためのしきい値を超えるように構成されている。波長シフトされたパルスが、最終使用装置に送られる。
【００６０】
少なくとも１つの実施形態は、レーザ・システムを含む。システムは、光パルスを生成するためのパルス源を含む。伝達ファイバは光パルスを受信し、ラマン・ソリトン生成が伝達ファイバの少なくとも一部で発生するように、パルスは十分なピーク出力を有する。システムは、伝達ファイバから放射された光パルスを受信する最終使用装置を含む。
【００６１】
少なくとも１つの実施形態は、光パルスを伝達する方法を含む。方法は、高ピーク出力光パルスを生成するステップと、少なくとも１つの伝達ファイバに高ピーク出力光パルスを結合するステップとを含み、パルスは、伝達ファイバでソリトン・ラマン生成および高ピーク出力光パルスの圧縮を引き起こすのに十分なピーク出力を有する。方法は、最終使用装置に圧縮されたパルスを送るステップを含む。
【００６２】
１つまたは複数の実施形態では、最終使用装置に送られる波長シフトされたパルスのパルス品質は、ＲＳ生成以外の非線形効果によって引き起こされた実質的なひずみを有するパルスの品質を超える。
【００６３】
１つまたは複数の実施形態では、伝達ファイバのソリトン・ラマン圧縮は、伝達ファイバの出力で圧縮された光パルスを生成することができる。
【００６４】
１つまたは複数の実施形態では、スペクトル・フィルタは、基本パルス部分からラマン・シフトされたパルス部分を分離し、それによって最終使用装置で受信されるパルスのペデスタルを減らす。
【００６５】
１つまたは複数の実施形態では、パルス源によって生成された光パルスは、約１０ｐｓ未満のパルス幅を含み、圧縮された光パルスは、約１００ｆｓから約１ｐｓの範囲のパルス幅を含む。
【００６６】
１つまたは複数の実施形態では、伝達ファイバは、ドープされた部分およびドープされていない部分を含み、ソリトン・ラマン圧縮の少なくとも一部が伝達ファイバのドープされていない部分で発生する。
【００６７】
１つまたは複数の実施形態では、パルス源の光パルスと比較して、最終使用装置で受信される光パルスは、光伝達ファイバで、実質的に拡張されるかまたは圧縮される。
【００６８】
１つまたは複数の実施形態では、最終使用装置は、レーザ加工、分光、イメージング、またはそれらの組合せのために構成されている。
【００６９】
１つまたは複数の実施形態では、パルス源は、ナノ秒またはピコ秒のレーザ源を含み、ラマン生成は、誘導ラマン散乱を含む。
【００７０】
１つまたは複数の実施形態では、伝達ファイバは、１本のドープされたファイバを含む。
【００７１】
１つまたは複数の実施形態では、伝達ファイバは、ドープされたファイバおよびドープされていないファイバの部分（複数化）を含む。
【００７２】
１つまたは複数の実施形態では、システムは、伝達ファイバの複数の部分において、最終使用装置に光学的に結合された波長変換器を含む。
【００７３】
１つまたは複数の実施形態では、伝達ファイバに結合された波長変換器は、最終使用装置の一体化された部分を含む。
【００７４】
１つまたは複数の実施形態では、レーザ源は、モード・ロック・ファイバ・レーザを含む。
【００７５】
１つまたは複数の実施形態では、レーザ源は、モード・ロック・レーザ、ｑスイッチ・マイクロチップ・レーザ、半導体レーザ、またはそれらの組合せを含む。
【００７６】
１つまたは複数の実施形態では、レーザ源は、利得ファイバを含み、利得ファイバおよび伝達ファイバは、同じ光ファイバの部分である。
【００７７】
１つまたは複数の実施形態では、光伝達ファイバは、１本の大モード・エリア・ファイバを含む。
【００７８】
１つまたは複数の実施形態では、伝達ファイバは、ファイバ接続部につながれた１本の利得ファイバおよびドープされていないファイバを含む。
【００７９】
１つまたは複数の実施形態では、レーザ・パルスは、別々の長さの光ファイバ間に配置された自由空間オプティカル・カプラーに結合され、第１の長さの光ファイバは、レーザ源とカプラーとの間にあり、第２の長さの光ファイバは、最終使用装置とカプラーとの間にある。
【００８０】
１つまたは複数の実施形態では、ファイバは、１本の偏波保持ファイバ（ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ  ｍａｉｎｔａｉｎｉｎｇ  ｆｉｂｅｒ）を含む。
【００８１】
１つまたは複数の実施形態では、周波数変換器は、光伝達ファイバの端部に結合される。
【００８２】
１つまたは複数の実施形態では、パルス源は、ファイバ増幅器を含む。
【００８３】
１つまたは複数の実施形態では、ファイバ増幅器は、伝達ファイバである。
【００８４】
１つまたは複数の実施形態では、ファイバ増幅器および伝達ファイバは、同じ光ファイバの部分である。
【００８５】
１つまたは複数の実施形態では、伝達ファイバの少なくとも一部は、大モード・エリア・ファイバを含む。
【００８６】
１つまたは複数の実施形態では、レーザ・ベースのシステムは、ラマン・シフトされたスペクトルおよびソース・スペクトルを複数の波長帯域に分離するために、波長に敏感なバルク要素（ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ  ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ  ｂｕｌｋ  ｅｌｅｍｅｎｔ）、統合された要素、光ファイバ要素、またはそれらの組合せを含む。
【００８７】
１つまたは複数の実施形態では、最終使用装置に送られるパルスの少なくとも一部は、少なくとも約１μＪのパルス・エネルギーおよび約１ｐｓ未満のパルス幅を有する。
【００８８】
１つまたは複数の実施形態では、最終使用装置に送られるパルスの少なくとも一部は、約１００ｐｓから１ｎｓの範囲のパルス幅を有する。
【００８９】
１つまたは複数の実施形態では、１本の伝達ファイバは、数メートルから約１００ｍの範囲にある。
【００９０】
１つまたは複数の実施形態では、１本の伝達ファイバは、約２０ｍから約１００ｍの範囲にある。
【００９１】
１つまたは複数の実施形態では、伝達ファイバおよびパルス源は、高品質の圧縮されたパルスがファイバの端部で放射され、最終使用装置に送られるように構成される。
【００９２】
１つまたは複数の実施形態では、圧縮されたパルスは、伝達ファイバ内で伝播する最小パルス幅に本質的に対応するパルス幅を含む。
【００９３】
したがって、特定の実施形態だけを本明細書に特に記述しているが、本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、多数の変更がなされ得ることは明白であろう。さらに、頭文字は、単に明細書および特許請求の範囲の読みやすさを高めるために使用している。これらの頭文字は、使用する用語の一般性を減らすことを意図するものではなく、特許請求の範囲を本明細書に記述された実施形態に限定するものと解釈するべきでないことに注意されたい。
【図１】
2014507682.tif 000006
【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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【国際調査報告】
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