(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
赤外領域における第１波長と、可視領域における第２波長及び第３波長の少なくとも１つと、をそれぞれ含む少なくとも３つの連続する位相コヒーレントなレーザビームのための発生器であって、
前記第１波長を有する連続するレーザビームを発光するための基本光源（１１）と、
前記第１波長を有する前記連続するレーザビームを増幅するための光増幅器（１３）と、
前記光増幅器によって増幅されたレーザビームを、前記第１波長を有する第１の連続するレーザビーム（１１４）と、前記第１波長を有し、前記第１波長を有する前記第１の連続するレーザビームとは位相コヒーレントな第２の連続するレーザビーム（１１３）と、に分離させるビームスプリッタと、
前記第１波長を有する前記第１の連続するレーザビーム（１１４）が直接結合され、前記第１の連続するレーザビームに基づいて、前記第２波長を有し、前記第１波長を有する前記第１の連続するレーザビーム及び前記第２の連続するレーザビーム（１１３）とは位相コヒーレントな連続するレーザビーム（１１５）を発生させ、その下流側に前記第１波長を有する前記第１の連続するレーザビームの残存放射をカットオフする光学フィルタ（１９）が配置されている非線形周波数２逓倍化結晶（１５）と、
前記第１波長を有する第２の連続するレーザビーム（１１３）と、前記第２波長を有する前記連続するレーザビーム（１１５）と、に基づいて、第３波長を有し、前記第１波長を有する前記第２の連続するレーザビーム、及び、前記第２波長を有する前記連続するレーザビームとは位相コヒーレントな連続するレーザビーム（１１８）を発生させる非線形和周波発生結晶（１７）と、
を備え、
前記光学フィルタ（１９）は、前記第３波長を有する前記連続するレーザビームを発生させるために、前記第１波長を有する前記第１の連続するレーザビームの残存放射をカットオフし、
前記３つの連続する位相コヒーレントなレーザビームは、
それぞれ、前記第１波長を有する同一のレーザビームから発生する前記第１、第２、第３波長を有し、
それぞれ、
前記非線形和周波発生結晶から出力された前記第１波長を有する前記第２の連続するレーザビームの残余部分（１１６）、又は、前記光増幅器の出力から取り込まれたビームと、
前記非線形和周波発生結晶から出力された前記第２波長を有する前記連続するレーザビームの残余部分（１１７）、又は、前記非線形周波数２逓倍化結晶の出力から取り込まれたビームと、
前記第３波長を有する前記連続するレーザビーム（１１８）と、からなる
発生器。
【請求項２】
前記第３波長を有する前記連続するレーザビームを用いることによって、前記基本光源の発光周波数をヨウ素分子の吸収線に安定化させるための手段
をさらに備える請求項１に記載のレーザビームの発生器。
【請求項３】
前記第３波長を有する前記連続するレーザビームを用いることによって、前記非線形和周波発生結晶の入力において、前記第１波長を有する前記連続するレーザビームの光学パワーを制御するための手段
をさらに備える請求項１又は２に記載のレーザビームの発生器。
【請求項４】
前記基本光源（１１）は、波長がＳ、Ｃ、又はＬの光通信バンドの１つに含まれるビームを発光することができる
請求項１乃至３のいずれか１つに記載のレーザビームの発生器。
【請求項５】
前記基本光源（１１）から出射される前記第１波長を有する前記連続するレーザビームが通る偏波保持ファイバー（１２）
をさらに備える請求項１乃至４のいずれか１つに記載のレーザビームの発生器。
【請求項６】
前記第２波長を有する前記連続するレーザビーム又は前記第３波長を有する前記連続するレーザビームの少なくとも１つに基づいて、紫外線における第４波長での可干渉性のレーザビームを得るための周波数２逓倍化又は和周波発生手段
をさらに備える請求項１乃至５のいずれか１つに記載のレーザビームの発生器。
【請求項７】
フェムト秒レーザ光源の輝線の周波数を安定化させるためのモジュールであって、
請求項２乃至５の１つに記載のレーザビームの発生器と、
第１波長で光学的にフィルタリングされ、前記フェムト秒レーザ光源によって発光されるパルス列と、フィルタリングされた前記パルス列の波長と実質的に同じ波長で、レーザビームの前記発生器によって発生される第１基準レーザビームと、の間の光ビートを生成しようとする第１光ビートモジュール（６２０）と、
前記第１光ビートモジュールから発生する信号に基づいて、フィルタリングされた前記パルス列の周波数と、前記第１基準レーザビームの周波数と、の間の周波数差を制御することができる周波数制御モジュールと、
を備えるモジュール。
【請求項８】
第２波長で光学的にフィルタリングされ、前記フェムト秒レーザ光源によって発光されるパルス列と、フィルタリングされた前記パルス列の波長と実質的に同じ第２波長でレーザビームの前記発生器によって発生される第２基準レーザビームと、の間の光ビートを生成しようとする第２光ビートモジュール（６２２，６２４）と、
前記第１波長でフィルタリングされた前記パルス列の周波数と、前記第１基準レーザビームの周波数と、の間の第１周波数差と、
前記第２波長でフィルタリングされた前記パルス列の周波数と、前記第２基準レーザビームの周波数と、の間の第２周波数差と、
の間の差を得ることができる電子混合器を含む前記制御モジュールと、
を備える請求項７に記載のフェムト秒レーザ光源の輝線の周波数を安定化させるためのモジュール。
【請求項９】
フェムト秒パルス発光レーザ光源（６１０）と、
請求項７又は８のいずれか１つに記載の、前記フェムト秒パルス発光レーザ光源の輝線の周波数を安定化させるためのモジュールと、
を備える超安定フェムト秒レーザ光源。
【請求項１０】
赤外領域における第１波長と、可視領域における第２波長及び第３波長の少なくとも１つと、をそれぞれ含む少なくとも３つの連続する位相コヒーレントなレーザビームを発生する方法であって、
基本光源（１１）によって、前記第１波長を有する連続するレーザビームを発生すること、
光増幅器（１３）によって、前記第１波長を有する前記連続するレーザビームを増幅すること、
ビームスプリッタによって、前記光増幅器によって増幅されたレーザビームを、前記第１波長を有する第１の連続するレーザビーム（１１４）と、前記第１波長を有し、前記第１波長を有する前記第１の連続するレーザビームとは位相コヒーレントな第２の連続するレーザビーム（１１３）と、に分離すること、
前記第１波長を有する前記第１の連続するレーザビーム（１１４）が直接結合されるとともにその下流側に前記第１波長を有する前記第１の連続するレーザビームの残存放射をカットオフする光学フィルタ（１９）が配置される非線形周波数２逓倍化結晶（１５）によって、前記第１の連続するレーザビームに基づいて、前記第２波長を有し、前記第１波長を有する前記第１の連続するレーザビーム及び前記第２の連続するレーザビーム（１１３）とは位相コヒーレントな連続するレーザビーム（１１５）を発生すること、
非線形和周波発生結晶（１７）によって、前記第１波長を有する第２の連続するレーザビーム（１１３）と、前記第２波長を有する前記連続するレーザビーム（１１５）と、に基づいて、第３波長を有し、前記第１波長を有する前記第２の連続するレーザビーム、及び、前記第２波長を有する前記連続するレーザビームとは位相コヒーレントな連続するレーザビーム（１１８）を発生すること、を含み、
前記光学フィルタ（１９）は、前記第３波長を有する前記連続するレーザビームを発生させるために、前記第１波長を有する前記第１の連続するレーザビームの残存放射をカットオフし、
前記３つの連続する位相コヒーレントなレーザビームは、
それぞれ、前記第１波長を有する同一のレーザビームから発生する前記第１、第２、第３波長を有し、
それぞれ、
前記非線形和周波発生結晶から出力された前記第１波長を有する前記第２の連続するレーザビームの残余部分（１１６）、又は、前記光増幅器の出力から取り込まれたビームと、
前記非線形和周波発生結晶から出力された前記第２波長を有する前記連続するレーザビームの残余部分（１１７）、又は、前記非線形周波数２逓倍化結晶の出力から取り込まれたビームと、
前記第３波長を有する前記連続するレーザビーム（１１８）と、からなる
方法。
【請求項１１】
前記第３波長を有する前記連続するレーザビームを用いることによって、前記基本光源の発光周波数をヨウ素分子の吸収線に安定化させること
をさらに含む請求項１０に記載のレーザビームを発生する方法。
【請求項１２】
前記非線形和周波発生結晶の入力において、前記第３波長を有する前記連続するレーザビームを用いることによって、前記第１波長を有する前記連続するレーザビームの光学パワーを制御すること
をさらに含む請求項１０又は１１のいずれか１つに記載のレーザビームを発生する方法。
【請求項１３】
符号化信号の機能として、前記非線形和周波発生結晶における入射赤外波長で前記レーザビームを変調すること
をさらに含む請求項１１又は１２のいずれか１つに記載のレーザビームを発生する方法。
【請求項１４】
フェムト秒レーザ光源（６１０）の輝線の周波数を安定化させるための方法であって、
第１波長で光学的にフィルタリングされ、前記フェムト秒レーザ光源によって発光されるパルス列と、フィルタリングされた前記パルス列の波長と実質的に同じ波長で、請求項１１又は１２のいずれか１つに記載の前記方法に従って発生される第１基準レーザビームと、の間の光ビートを生成すること、
光ビートモジュールから発生する信号に基づいて、フィルタリングされた前記パルス列の周波数と、前記第１基準レーザビームの周波数と、の差を制御すること
を含む方法。
【請求項１５】
第２波長で光学的にフィルタリングされ、前記フェムト秒レーザ光源によって発光されるパルス列と、フィルタリングされた前記パルス列の波長と実質的に同じ第２波長で、請求項１１又は１２のいずれか１つに記載の前記方法に従って発生する第２基準レーザビームと、の間の光ビートを生成すること、
前記第１波長を有するフィルタリングされた前記パルス列の前記周波数と、前記第１基準レーザビームの周波数と、の間の第１周波数差と、
前記第２波長を有するフィルタリングされた前記パルス列の周波数と、前記第２基準レーザビームの周波数と、の間の第２周波数差と、
の間の差を制御すること
を含む請求項１４に記載のフェムト秒レーザ光源の輝線の周波数を安定化させるための方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、赤外線及び可視のコヒーレントな高出力レーザビームの発生器、及び、前記ビームを発生するためのプロセスに関する。本発明は、特に、レーザ遠隔計測用及び光遠隔通信用の光ビームの発生に適用される。
【背景技術】
【０００２】
光ファイバーによる情報の通信及び伝送の量の絶え間ない増加（過去３０年間に亘り年に７０％を上回る増加）は、１．５μｍの近傍にこれまで以上に多数の専用のチャネルを設けることを必要としている。従来のＣバンド（１５３０ｎｍ〜１５６５ｎｍの領域をカバーするバンド）は、このスペクトル領域においてシングルモード石英光ファイバーが低吸収を示すことから、主に使用されている。
【０００３】
国際的な規則によって決定され、光通信のために使用される通信チャネルは、スペクトル幅によって分割され、これは過去３０年間に亘って減少し続けている。９０年代初頭、商用システムであるＣＤＷＭ（Ｃｏａｒｓｅ  Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ−Ｄｉｖｉｓｉｏｎ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）タイプでは、全く同一の光ファイバー内で同時に結合されて使用されるのは僅かに数波長であった。使用されるチャネルは、２０ｎｍのオーダーで分割されていた。光ファイバーを手段として伝送される情報量が指数関数的に増加したので、チャネル数を増やせるようにするために、使用されているチャネル間の距離はかつてにないほど狭くなった。今日では、チャネル間の隙間を利用するＤＷＤＭ方式（Ｄｅｎｓｅ  Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ−Ｄｉｖｉｓｉｏｎ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）のシステムが提唱され、このシステムでは、０．８ｎｍ（１００ＧＨｚ）から０．１ｎｍ（１２．５ＧＨｚ）までの範囲の波長が伝搬し、単一の通信チャネル（ＩＴＵ−Ｔ規格Ｇ．６９２及びＧ６９４．１）に１６０近くの光学的波長を組み合わせることができる。同時に、近未来のシステムとして「ウルトラＤＷＤＭ」システムもすでに提唱されており、このシステムでは単一のチャネルで、同時に数百の波長が使用可能となる。
【０００４】
通信チャネル数の増加は、２つの対策によって対応が図られている。第１の対策は、他のスペクトル領域への拡張と、それに伴う新たな技術的手段（添加光ファイバー、光増幅器等）の開発である。この対策はコストが高く、加えて、Ｃバンドの外側では光ファイバーによる吸収が顕著であるため、超長距離通信においては信号をより頻繁に増幅する必要がある。第２の対策は、Ｃバンド内で利用されるチャネル同士の間隔をより大幅に縮小させることである。チャネル同士が重なること（妨害）を避けるため、（短期及び長期の）周波数安定性を大幅に増大させた赤外線レーザの使用が求められている。このようにした場合、データ伝送チャネルを狭くすることができる。
【０００５】
通信領域のＣバンドにおける連続モード（ＣＷモード）でのレーザの発光は、固有の高スペクトル純度を有する。短期又は長期又はその両方における周波数安定性を増大させてコヒーレンス長を長くするためには、「外部」の周波数弁別器を使う必要がある。この周波数弁別器により、レーザのパラメータのうちのレーザ発光周波数を決めるパラメータにフィードバックを与えることができる。膨大な数の解決手段が考案され又はすでに実用化されている。堅固且つ超安定な光学キャビティを使用すれば、短期周波数安定性に関しては、比類ない顕著な結果が得られる（通常は積分時間１秒〜１００秒において、相対値１０−１５又は実際の値として１０−１６の範囲）。それにもかかわらず、この方法は、実験室での利用にとどまっている。なぜなら、前記キャビティの温度環境及び機械的環境に非常に敏感な光学的長さを、厳密に安定化させる必要があるからである。別の解決手段では、赤外線レーザの周波数を、マイケルソン干渉計から発生するビート周波数と比較することを含む。なお、マイケルソン干渉計は、この干渉計の２つのアームをなす２本の光ファイバー（１本は非常に短く（＜１ｍ）、もう１本は長い（〜ｋｍ））により実現する。この解決手段において残存する、周波数の不安定度は、積分時間１ｍｓ〜１ｓにおける相対値１０−１４の範囲である。しかしながら、前述の手段と同様に、厳密な免震対策（除振テーブル）と、厳密な温度環境及び音響環境が必要である。第３の解決手段では、赤外線レーザの周波数を安定化するため、原子又は分子による赤外域又は赤色域の吸収線を用いている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
赤外レーザの発光周波数を安定させるために赤外域における分子による吸収線を用いることは、最も普遍的に（且つ最も古くから）使われている方法であり、特に、小型且つ携行可能な装置ではそうである。前述の吸収線は赤外域には非常に多く見られる（一酸化炭素ＣＯ、アセチレンＣ２Ｈ２、シアン化水素ＨＣＮ等）。しかし、残念なことに、いずれも吸収係数が低いか、又は、Ｑ値が低いか、又は、その両方に該当する。吸収線のＱ値（Ｑ）は、当該吸収線の中心周波数（Ｆ）と半値全幅（ΔＦ）の比として定義される。Ｑ＝Ｆ／ΔＦで求められるＱ値は、サーボレーザの短期的な周波数安定度を直接決定する。検出された吸収線の信号対雑音比をＳ／Ｎとした場合、このサーボレーザの周波数の残存する不安定度は、１／（Ｑ×Ｓ／Ｎ）に比例する。最近の文献（Ｊ．  Ｈａｌｄ  ｅｔ  ａｌ．，“Ｆｉｂｅｒ  ｌａｓｅｒ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  ｓｔａｎｄａｒｄ  ａｔ  １．５４  μｍ”，ＯＰＴＩＣＳ  ＥＸＰＲＥＳＳ，Ｖｏｌ．１９，Ｎｏ．３／２０１１年１月）によると、１３Ｃ２Ｈ２の吸収線上で制御され１５４２ｎｍで動作するファイバーレーザでは１秒当たり５×１０−１３の安定度を有するということが示唆されている。しかしながら、慎重に実験的に行われた実施であるので、携行しての使用との互換性は低く、長期周波数安定性を犠牲にして短期周波数安定性を優先している。また、この性能レベルでは、１５４２ｎｍ波長に限られており、従来のＣバンド全域に亘っては実現できない。
【０００７】
赤外レーザの周波数を安定化する別のアプローチとしては、下記の数種のアルカリの可視領域内の吸収線を利用するため、それらの２逓倍周波数を利用するものがある。ルビジウムＲｂ（７８０ｎｍで１光子吸収線、７７８ｎｍで２光子吸収線）、セシウムＣｓ（８５２ｎｍ）、カリウムＫ（７６７ｎｍ）等である。１５５６ｎｍレーザについては、商用化されているレーザにおいて、ルビジウム原子の７７８ｎｍでの２光子遷移を利用して安定化を行っている。このレーザは、ＡＬＭＡ（アタカマ大型ミリ波サブミリ波干渉計、Ａｔａｃａｍａ  Ｌａｒｇｅ  Ｍｉｌｌｉｍｅｔｅｒ  Ａｒｒａｙ）計画に係わるカナダ企業により開発されたものであり、Ｃ２Ｈ２の１．５μｍでの吸収線について、実験室環境で実現したレーザと同等の性能を示すものである（例として、以下の文献を参照のこと。Ｊ．  Ｆ．  Ｃｌｉｃｈｅ  ｅｔ  ａｌ．，“Ｔｕｒｎｋｅｙ  ｃｏｍｐａｃｔ  ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  ｓｔａｎｄａｒｄ  ａｔ  １５５６  ｎｍ  ｂａｓｅｄ  ｏｎ  Ｒｂ  ｔｗｏ−ｐｈｏｔｏｎ  ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎｓ，”  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  ｏｎ  Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ  Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ  （ＣＰＥＭ），Ｄｉｇｅｓｔ，Ｐ６７４−６７５（２００４））。
【０００８】
赤外レーザの基本周波数又はその第２の高調波の周波数を使用することで、赤外域又は赤色域に存在する吸収線を利用して引き出される周波数安定性に関する性能については、これらの文献では、限定的であることが示されている。さらに、これらの赤外レーザの周波数安定化は、吸収線の存在によって決まる数個の波長に限定されており、そのため、光通信への応用にはあまり適さない。
【０００９】
幾つかの文献では、赤外レーザの第３高調波の発生を利用した、緑色域におけるヨウ素（Ｉ２）の吸収線に基づく安定化の利点が教示されている。実際に、ヨウ素分子は、５００ｎｍ〜７５０ｎｍに広がるスペクトル領域に強い吸収帯域を持っている。このように、Ｍ．  Ｍａｒａｎｇｏｎｉ  ｅｔ  ａｌ．による記事（“Ｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓｌｙ  ｐｈａｓｅ−ｍａｔｃｈｅｄ  ｓｅｃｏｎｄ−  ａｎｄ  ｔｈｉｒｄ  ｈａｒｍｏｎｉｃ  ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ  ｆｒｏｍ  １．５５μｍ  ｒａｄｉａｔｉｏｎ  ｉｎ  ａｎｎｅａｌｅｄ  ｐｒｏｔｏｎ−ｅｘｃｈａｎｇｅｄ  ｐｅｒｉｏｄｉｃａｌｌｙ  ｐｏｌｅｄ  ｌｉｔｈｉｕｍ  ｎｉｏｂａｔｅ  ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ”，Ｏｐｔ．  Ｌｅｔｔ．  Ｖｏｌ．３１，Ｎｏ．１８（２００６））には、１．５μｍで動作するレーザの第３高調波を発生可能な過程が記載されており、ここでは単一の結晶で周波数２逓倍化及び和周波発生の両方を実現している。光導波路構造を持つプロトン交換型周期分極反転ニオブ酸リチウム  （又は（ＡＰＥ）ＰＰＬＮ（「Ａｎｎｅａｌｅｄ  Ｐｒｏｔｏｎ  Ｅｘｃｈａｎｇｅｄ  Ｐｅｒｉｏｄｉｃａｌｌｙ  Ｐｏｌｅｄ  Ｎｉｏｂａｔｅ  Ｌｉｔｈｉｕｍ」）の絶縁構造により、１５７０ｎｍで１６ｍＷのレーザ出力を用いて、５２３ｎｍで３４ｎＷの出力が得られた。このナノワットの出力レベルでは、有効な周波数による制御を実現できるようにヨウ素の吸収線を飽和させることができない。この出力は、ヨウ素の１ｍＷより大きい遷移を可能にするのに必要である。
【００１０】
本発明の目的は、光学的に高出力であり且つ位相コヒーレントな、赤外と可視のレーザビームを発生する発生器を提案することである（通常は、緑色域では数十ｍＷ超、同時に利用可能な赤色ビーム又は赤外ビームそれぞれでは数百ｍＷ超）。このような発生器では、例えば、ヨウ素分子の超微細吸収線上での光通信において、Ｃバンド及びＬバンドの全帯域で動作する赤外レーザの周波数を安定化することができる。実際には、これに加えてＳバンドの一部の帯域で動作する赤外レーザにも適用可能である。これは、レーザ遠隔計測目的の利用だけでなく、生物分野にも適用可能である。レーザ遠隔計測では、３つのコヒーレントな発光を利用することにより、大気伝搬条件を取得しなくても済むようにすることができる。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
第１の態様においては、本発明は、少なくとも１つの赤外領域のビームと少なくとも１つの可視領域のビームを含む、少なくとも３つのコヒーレントなレーザビームのための発生器であって、
赤外の第１波長で連続する第１レーザビームを発光する基本光源と、
前記第１波長を有する前記第１レーザビームからサンプリングされた第１ビームに基づいて、第２波長で第２レーザビームを発生させる非線形周波数２逓倍化結晶と、
前記第１波長を有する前記第１レーザビームからサンプリングされた第２ビーム、及び、前記第２波長を有する前記第２レーザビームに基づいて、第３波長で第３レーザビームを発生させる非線形和周波発生結晶と、
を備えている。
【００１２】
既知の態様においては、コヒーレントな複数のレーザビームとは、互いの間に定まった位相関係を有する複数のレーザビームである。
【００１３】
本出願人が示したのは、このような発生器では、構成要素を特定の配置にすることにより、赤外領域と可視領域（例、赤色と緑色）、つまり広いスペクトル帯で、３つのコヒーレントなビームの比類ない光学パワーを得ることが可能であるということである。ある実施形態におけるレーザビームの発生器であって、前記第３波長で発生された前記第３レーザビームを用いることにより、前記基本光源の発光周波数をヨウ素分子の吸収線に安定化させる手段をさらに備える。前記発生器からの出射時に、周波数が超安定且つ様々な用途に適用可能な３つのビームが得られる。可視領域においてヨウ素分子の吸収線が密となっているため、広いスペクトル帯に亘ってビームの安定性を得ることが可能である。このスペクトル帯は、特に、赤外領域の、光通信におけるＣバンド、Ｌバンド、及び、Ｓバンドの一部をカバーし、これは基本光源に依存する。
【００１４】
別の態様としては、レーザビームの発生器であって、前記非線形和周波発生結晶への入射時における前記第１波長を有する前記ビームの光学パワーを、前記第３波長で発生された前記第３レーザビームを用いることにより制御する手段をさらに備える。前記和周波発生結晶への入射時の光学パワーの制御ループにより、特に結合パラメーターをリアルタイムで最適化することと、前記結晶の動作を最適化することを可能とする。
【００１５】
別の態様としては、レーザビームの発生器であって、前記第１波長を有する前記第１レーザビームを増幅する光増幅器をさらに備えている。広域スペクトル帯対応の前記光増幅器により、様々な種類の基本レーザ光源において前記２逓倍化結晶の入力において必要とされるパワーを得ることができる。
【００１６】
小型化と性能向上のために、レーザビームの前記発生器は、全面的又は部分的にファイバー化した構成であってもよい。
【００１７】
別の態様としては、レーザビームの前記発生器であって、前記第２ビーム又は第３ビームのうち少なくとも１つに基づいて、第４波長を有する、コヒーレントな紫外の第４レーザビームを得るための、周波数２逓倍化又は周波数和発生手段をさらに備えている。これにより、ヨウ素分子の吸収線上に安定化させることが可能であり且つ高出力光学パワーを有する４つのコヒーレントなビームが得られる。
【００１８】
第１の態様におけるレーザビームの前記発生器は、これを、フェムト秒レーザ光源が発した輝線を安定化させるために使用することができる。第２の態様における本発明は、フェムト秒レーザ光源が発した輝線の周波数を安定化させるためのモジュールであって、
ビームをヨウ素分子の吸収線に安定化させる、第１の態様におけるレーザビームの発生器と、
第１波長で光学的にフィルタリングされた、前記フェムト秒レーザ光源が発光したパルス列と、フィルタリングされた前記パルス列の波長と実質的に同じ波長で、レーザビームの前記発生器が発生した第１基準レーザビームとの間の光ビートを発生させるための、第１光ビートモジュール（６２０）と、
前記第１光ビートモジュールから発生する信号に基づいて、フィルタリングされた前記パルス列の周波数と、前記第１基準レーザビームの周波数との差を制御することができる周波数制御モジュールとを
備えている。
【００１９】
このように、ヨウ素分子固有の吸収線によって、フェムト秒レーザが発した輝線を安定化することができ、その結果、（マイクロ波又はテラヘルツ領域の）２つの線同士間の周波数の差を安定化することができる。
【００２０】
ある実施形態においては、前記周波数安定化モジュールであって、
所定の第２波長で光学的にフィルタリングされた、前記フェムト秒レーザ光源が発光したパルス列と、フィルタリングされた前記パルス列の波長と実質的に同じ第２波長で、レーザビームの前記発生器が発生した第２基準レーザビームとの間の光ビートを発生させるための、第２光ビートモジュールと、
前記第１波長でフィルタリングされた前記パルス列の前記周波数と、前記第１基準レーザビームの周波数との第１周波数差と、
前記第２波長でフィルタリングされた前記パルス列の周波数と、前記第２基準レーザビームの周波数との第２周波数差と、
の間の差を得ることができる周波数混合器を有する前記制御モジュールと、
を備えている。
【００２１】
この場合、ビームの発生器からの周波数２逓倍化及び周波数３逓倍化の発光を利用することにより、自己参照を必要とせずに、フェムト秒レーザの周波数を安定化することができる。
【００２２】
第３の態様における本発明は、以下のような超安定なフェムト秒レーザ光源に関する。超安定なフェムト秒レーザ光源であって、フェムト秒パルス発光レーザ光源と、第２の態様におけるモジュールであって、前記フェムト秒パルス発光レーザ光源が発した輝線の周波数を安定化させるためのモジュールとを備えている。
【００２３】
第４の態様においては、本発明は、少なくとも１つの赤外領域のビームと少なくとも１つの可視領域のビームとを含む、少なくとも３つのコヒーレントなレーザビームを発生する方法であって、
赤外の第１波長を有して連続する第１レーザビームを発光すること、
前記第１レーザビームからサンプリングされた第１ビームに基づいて、非線形周波数２逓倍化結晶（１５）によって、第２波長を有する第２レーザビームを発生させること、
前記第１波長を有する前記第１レーザビームからサンプリングされた第２ビーム、及び、前記第２波長を有する前記第２レーザビームとに基づいて、第３波長を有する第３レーザビームを、非線形和周波発生結晶（１７）によって発生させること、
を含んでいる。
【００２４】
別の態様としては、レーザビームを発生する方法であって、前記第３波長で発生する前記第３ビームを用いることにより、基本光源の発光周波数をヨウ素分子の吸収線に安定化させることをさらに含んでいる。
【００２５】
別の態様としては、レーザビームを発生する方法であって、前記非線形和周波発生結晶への入射時における前記第１波長を有する前記ビームの光学パワーを、前記第３波長で発生された前記第３ビームを用いることにより制御することをさらに含んでいる。
【００２６】
別の態様としては、レーザビームを発生する方法であって、赤外波長を有する前記レーザビームであって、前記非線形和周波発生結晶に入射したレーザビームを、符号化信号を用いて変調することをさらに含んでいる。前記符号化信号は、光通信用の符号化信号であってもよく、又は、なくてもよい。さらに別の方法としては、レーザビームを発生する前記方法は、可視のレーザビームを非線形結晶からの出射時に変調することを含むことができる。
【００２７】
本発明はさらに、以下の方法に関する。フェムト秒レーザ光源の輝線の周波数を安定化する方法であって、
第１波長で光学的にフィルタリングされた、前記フェムト秒レーザ光源が発光したパルス列と、フィルタリングされた前記パルス列の波長と実質的に同じ波長で、第４の態様における方法に従って発生された第１基準レーザビームと、の間の光ビートを発生させること、
光ビートモジュールから発生する信号に基づいて、フィルタリングされた前記パルス列の周波数と、前記第１基準レーザビームとの周波数の差を制御すること
を含んでいる。
【００２８】
別の態様としては、周波数を安定化する方法であって、
第２波長で光学的にフィルタリングされた、前記フェムト秒レーザ光源が発光したパルス列と、第４の態様における方法に従って、フィルタリングされた前記パルス列の波長と実質的に同じ第２波長で発生された第２基準レーザビームと、の間の光ビートを発生させること、
前記第１波長を有するフィルタリングされた前記パルス列の前記周波数と、前記第１基準レーザビームの周波数と、の第１周波数差、
前記第２波長のフィルタリングされた前記パルス列の周波数と、前記第２基準レーザビームの周波数と、の第２周波数差、
これら前記第１周波数差と前記第２周波数差との間の差を制御すること、
をさらに含んでいる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
本発明のその他の利点と特徴は、本明細書の記述及び以下の図面により明らかになる。
【図１Ａ】図１Ａは、本明細書に記載の、赤外と可視のコヒーレントなレーザビームの発生器について、自由空間を伝搬するモードと光ファイバー内を伝搬するモードを示している。
【図１Ｂ】図１Ｂは、本明細書に記載の、赤外と可視のコヒーレントなレーザビームの発生器について、自由空間を伝搬するモードと光ファイバー内を伝搬するモードを示している。
【図２Ａ−２Ｂ】図２Ａは、ある実施形態におけるレーザビームの発生器の一例であって、ヨウ素分子の吸収線を用いて周波数安定化を行うものである。図２Ｂは、周波数を安定化するためにヨウ素観測モジュールが伝送した信号の例であり、この信号は、本出願に記載のビーム発生方法に従う周波数３逓倍化赤外レーザにより得られる。
【図３Ａ−３Ｄ】図３Ａ〜３Ｄは、ヨウ素分子の吸収線を示す図である。
【図４Ａ】図４Ａは、本明細書に記載の発生器であって、超安定且つコヒーレントな、赤外と可視のレーザビームを発生する発生器の別の態様を示す図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、本明細書に記載の発生器であって、超安定且つコヒーレントな、赤外と可視のレーザビームを発生する発生器の別の態様を示す図である。
【図４Ｃ】図４Ｃは、本明細書に記載の発生器であって、超安定且つコヒーレントな、赤外と可視のレーザビームを発生する発生器の別の態様を示す図である。
【図５】図５は、本明細書に記載の、超安定且つコヒーレントなビームを発生する過程によって利用可能な波長域を例示する図である。
【図６Ａ】図６Ａは、安定した周波数コムフェムト秒パルスを発生する発生器の例であり、本明細書に記載の、赤外と可視のビームを発生する発生器の別の態様を実施したものを示す。
【図６Ｂ】図６Ｂは、安定した周波数コムフェムト秒パルスを発生する発生器の例であり、本明細書に記載の、赤外と可視のビームを発生する発生器の別の態様を実施したものを示す。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
これらの図においては、同一の要素には同一の参照符号を付すものとする。
【００３１】
図１Ａ及び１Ｂは、本発明におけるコヒーレントなレーザビームの発生器を示し、２つの実施形態を挙げている。
【００３２】
図１Ａに記載のレーザビーム発生器１０Ａでは、ビームが自由空間を伝搬するモードで動作する、本発明における発生器の一例を示している。この発生器は、連続赤外レーザ光源１１と、光増幅器１３と、周波数２逓倍化結晶又はＳＨＧ（Ｓｅｃｏｎｄ  Ｈａｒｍｏｎｉｃ  ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）結晶１５と、周波数和発生結晶又はＳＦＧ（Ｓｕｍ−ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）結晶１７を有する。この光増幅器にはエルビウム添加光ファイバー増幅器等を用いることができ、レーザ光源から十分な出力が得られない場合に、この光増幅器により必要な光学パワーを与えることが可能となる。この光増幅器は広いスペクトル帯を有するという長所があり、そのため、例えば通信システムにおけるＣバンド又はＬバンドをカバーするためにレーザ光源を変える際でも、１つの機器で対応することができる。また、この光増幅器は光源に組み込むこともできる。光源の光学的出力が十分である場合は、光増幅器を設けなくてもよい。前述の赤外レーザ光源は波長可変レーザ発光光源などであり、エルビウム添加光ファイバーレーザやレーザダイオードが例として挙げられる。一般的なエルビウム添加光ファイバーレーザは、レーザダイオード（波長可変範囲は約５０ｐｍ）に比べ、非常に広い波長可変範囲（約１０００ｐｍ超）を有する。また、レーザダイオードは、小型且つ注入電流を介して制御可能という特長を有する。詳細については後述する。
【００３３】
周波数２逓倍化及び和周波発生のための結晶については、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）結晶が例として挙げられる。周期分極反転構造として用いられるチタン酸リン酸カリウム（又はＰＰＫＴＰ）などのような他の結晶は、既知の態様で用いることができる。本明細書に記載の発生過程によれば、赤外レーザ光源１１から放出されたレーザビーム１１１は、光増幅器１３により増幅され、２つのビーム１１３，１１４に分割される。このとき、各経路の光学パワーの割合を、発生器の下流側で必要となるパワーの関数として最適化することができる。第１ビーム（１１４）は第１のＬｉＮｂＯ３非線形結晶１５に直接結合し、レーザビーム１１５が発生される。このレーザビーム１１５は、第１ビーム１１４の赤色領域（例、波長７７２ｎｍ）における第２高調波である。この第１の非線形結晶１５から射出される残存赤外放射は、適切な光学フィルター１９によりカットオフすることができる。第１の非線形結晶１５を通過しなかった第２の赤外ビーム（１１３）は、前に発生されていた赤色ビーム１１５に重ね合わされる。この２つのビーム１１３，１１５は、赤色域の周波数と赤外域の周波数の和となるように第２の非線形結晶１７に結合し、可視波長（例、５１５ｎｍ）のビーム１１８となる。第２の非線形結晶１７から射出される残りのビーム１１６と１１７は、それぞれ赤外及び赤色の残存ビームとなる。第２の非線形結晶１７に結合することを見越して、第２の赤外ビーム１１３の結合パラメーターを制御モジュール１６により制御できるようにすることが望ましい。これらのパラメーターを、幾何パラメーター、分極パラメーター、出力パラメーターのいずれか又は全てとすることができる。これらの結晶の動作が確実に最適化されるように、非線形結晶の温度制御を行うことができる。後述するように、前述の制御モジュールは、和周波発生非線形結晶１７への入射時における赤外ビームの光学パワーを制御する手段を、特に備えることができる。この制御手段は、緑色域の光学的出力（ビーム１１８）を制御する。発生器は、赤外ビームの周波数を安定化させるために周波数を変調する手段を、さらに備えることができる。この詳細については後述する。
【００３４】
前述のように、この発生器は、（同一の赤外レーザビームから生じるので）位相がコヒーレントである３つの光学的な放射を発することが可能であり、赤外域と赤色域の放射と同時に可視スペクトルの緑色域での放射ができる。前述のレーザビーム発生器が、１５４１ｎｍと１５４４ｎｍの強力な光学的放射を、それぞれレーザダイオードとファイバーレーザを用いて発することが可能であることを、本出願人は既に実験的に示している。この方法は、特に、従来の帯域、Ｃバンド（１５３０ｎｍ〜１５６５ｎｍ）、Ｌバンド（１５６５ｎｍ〜１６２０ｎｍ）、Ｓバンド（〜１５３０ｎｍ）の、全体又は一部に拡張可能である。その理由は、第１の（周波数２逓倍化）非線形結晶への入射時における第１の赤外ビーム１１４の結合パラメーターとは独立に、第２の（和周波発生）非線形結晶への入射時における第２の赤外ビーム１１３の結合パラメーターを制御することができるからである。これにより、光増幅器１３からの出射時において、１．５４μｍで１Ｗの光学パワーが、第３高調波（５１５ｎｍ）では３０ｍＷの光学パワーが、また第２高調波（７７２ｎｍ）では１４０ｍＷの光学パワーが、非線形ニオブ酸リチウム結晶を用いてすでに得られている。緑色域においては、このパワーは、先行技術から知られる文献に公開されているものに対し、２万（２００００）倍に相当する。最適な非線形結晶を選べば、緑色域において１００ｍＷを超える光学パワーが期待できる。先行技術に対し、６０，０００倍を超える利得が実現可能となっている。
【００３５】
図１Ａの例では、ビーム１１６，１１７は、それぞれ、赤外と赤色の残存ビームである。また、赤外と赤色のコヒーレントなビームを得るために、第１のＬｉＮｂＯ３非線形結晶１５が発生するレーザビーム１１５を取り込むことと同様に、赤外レーザ光源１１が射出するレーザビーム１１１から射出されるビーム１１４を、光増幅器１３により増幅した後に取り込むことができる。この場合、取り込まれた赤色ビームと赤外ビームは、緑色（Ｖ）のビーム１１８との干渉性を保持する。図１Ｂに示すように、「完全にファイバー化」した技術として発生器を製造してもよい。これにより、特に、発生器の容積に比して利得を得ることができ、また、非線形結晶への入射時における結合パラメーター、特に幾何パラメーターと分極パラメーターを、より簡単に制御することができる。このように、図１Ｂに記載のレーザビーム発生器１０Ｂでは、全部又は一部の構成要素を光ファイバーに通す構成とすることができ、偏波保持ファイバー又はコネクタで接続することができる。特に、発生器は、レーザダイオード等の赤外レーザ光源１１を備え、その出力は偏波保持ファイバー１２によって光ファイバーを通る構成となっている。赤外光源が放出する波長に対応したカプラ１４（例、ＦＣ／ＡＰＣ型の偏波保持５０／５０カプラ）では、赤外ビーム１１１を、光増幅器からの出射時に２つのビーム１１３，１１４に分割することが可能となる。赤色波長と赤外波長に最適化されたカプラ１８により、周波数２逓倍化結晶１５から射出される赤色ビーム１１５と、赤外発光光源１１から射出されたままの赤外ビーム１１３との間で、第２の非線形結晶１７への入射時の結合が可能となる。このカプラ１８の例としては、偏波保持ＷＤＭカプラなどが挙げられる。あるいは、使用されている非線形結晶の特性によっては、結合を非線形和周波発生結晶内部で行ってもよい。非線形結晶１５，１７では、入射・出射がファイバーを通る構成とすることが望ましい。発生器は、利用状況による必要性に応じて、出射光がファイバーを通る構成又は出射光がファイバーを通らない構成をとる。別の態様としては、後述するように、ファイバーに通る出射を周波数安定化手段に接続することができる。図１０Ｂに記載した方式の完全ファイバー化発生器における制御モジュール１６によれば、入力される光学パワーを制御することができる。さらに、後述するように、周波数を変調する手段を設けることもできる。本明細書の記載の発生器が完全ファイバー化した態様では、発生器の容積を１又は２リットル未満とすることができる。これは産業界における埋め込み型の用途に適合する。
【００３６】
後述の発生器は、自由空間伝搬モード、ファイバー伝搬モード、又は、これらの混在モードで動作することが可能である。この点は、再度記載しないものとする。
【００３７】
図１Ａ及び１Ｂに示す発生器の第１の応用例は、レーザ遠隔計測に関するものである。大気が介在する状況で絶対的な距離の測定をするには、温度、圧力、相対湿度等の大気に関する様々なパラメーターの情報が必要となる。これらのパラメーターについて正確な情報がなければ、従来のレーザ遠隔計測装置で「計測される」距離について正確な情報を得るのに大きな制限がかかることとなる。１９９４年から提唱されている理論モデル（Ａ．Ｎ．Ｇｏｌｕｂｅｖ  ｅｔ  ａｌ．，“Ｔｈｒｅｅ−ｃｏｌｏｒ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｒａｎｇｅ  ｆｉｎｄｉｎｇ”，Ａｐｐｌ．  Ｏｐｔｉｃｓ，Ｖｏｌ．３３  Ｎｏ．３１，（１９９４））によれば、３つのコヒーレントな発光を使用する条件下では、この問題を回避することができる。本出願に記載されたレーザビーム発生器ならば、これらの放射を比類ない光学パワーを付与させて出射することができる。これにより、伝搬条件（環境における湿度、圧力、温度）の問題を回避することができる。本明細書に記載のレーザビームの発生器、特に、小型化を可能にする「完全ファイバー化」態様のレーザビーム発生器について、その喫緊の用途としては、航空機の訓練における飛行条件の向上や、大規模な公共事業工事における監視・監督に関するものがある。
【００３８】
第２の応用例は、周波数が超安定な、高出力のコヒーレントな発光を出力することに関し、例えば、通信チャネル数の増加を要する光通信分野での応用例に関する。コヒーレント長が最大となることが必要である超長距離（大陸間）光通信においては、高出力且つ周波数が超安定なコヒーレントな発光を出力することにより、さらなる高性能も実現することができる。レーザ周波数の不安定さを減少させることで直ちに線幅が小さくなり、これによりコヒーレント長が長くなる。
【００３９】
図２Ａは、本発明の一実施形態におけるコヒーレントなレーザビームｓの発生器２０の簡略化した図である。この実施形態によれば、この発生器は、既述の構成要素のほかに、赤外光源１１の発光周波数をヨウ素分子の吸収線に安定化させる手段を備える。この安定化は、緑色域で放出されたビーム１１８の分割部分２１８を用いて行われる。緑色域（数十ｍＷ）で発生された場合の光学パワーでは、５１０ｎｍ〜５２１ｎｍのスペクトル帯に亘る、ヨウ素分子の吸収線の拡大されたスペクトルを実際に利用することが可能である。このため、赤外域、特に従来のＣバンド（１５３０ｎｍ〜１５６５ｎｍ）で動作するレーザとしては、今日の時点では比類ない性能で赤外発光の周波数（ひいては赤色発光と緑色発光の周波数）を安定化することができる。より正確に言えば、この安定化手段は、ヨウ素観測モジュール２１と、赤外光源１１の周波数を制御するための周波数制御デバイス２３とを備えている。このヨウ素観測モジュールは、いわゆる既知の「飽和吸収」技術を利用しており、この技術はＰ．  Ｈ．  Ｌｅｅ  ｅｔ  ａｌ．による記事（“Ｓａｔｕｒａｔｅｄ  Ｎｅｏｎ  ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ  ｉｎｓｉｄｅ  ａ  ６３２８  Ａ  ｌａｓｅｒ”，Ａｐｐｌ．  Ｐｈｙｓ．  Ｌｅｔｔ．，Ｖｏｌ．１０，Ｎｏ．１１，１９６７年６月１日）等に記載されている。これは、計測学的に高品質な周波数弁別器を構成するために、２つの対向伝搬ビームを用いたヨウ素蒸気の観測に関するものである。ここでは、帯域幅が狭く、高い信号対雑音比と奇対称性を持つ誤差信号２２０（図２Ｂに示した例）が発生する。図２Ｂは、周波数に依存する電圧信号（Ｘ軸沿いの１マス当たり１ＭＨｚ）を示している。この誤差信号２２０は周波数制御デバイス２３に送られる。これについては、詳細な例は後述する。なお、ヨウ素観測のために必要な出力は数ｍＷにすぎず、発生器からの出射時における緑色ビーム２１９の出力は、ほぼ全てが使用に供されるように保持することができる。
【００４０】
図２Ａに示すような、赤外と可視のレーザビームを発生する発生器は、積分時間１秒〜１０００秒において相対値１０−１４を超える周波数安定度で１．５４μｍで発生することができる。５００ｎｍ〜７５０ｎｍ間のヨウ素分子の吸収帯域のスペクトル幅、及び、これらの吸収線（可視領域全域における１０６を超える極超微細吸収線）の強度、これらのおかげで、５１０ｎｍ〜５２１ｎｍ間のヨウ素の遷移を利用して、従来のＣバンドの全域に亘る帯域等で１０−１４を超える安定性が得られると予測される。これは、５２１ｎｍ〜５４０ｎｍ間のヨウ素の遷移を利用して、光通信におけるＬバンドに拡張可能である。
【００４１】
図３Ａ〜３Ｄにおいては、５００〜７５０ｎｍにあるヨウ素の吸収線（図３Ａ）、５１４．５ｎｍ近傍の約０．２ｎｍ（２００ＧＨｚ）幅のより微細なスペクトル帯（図３Ｂ）、５１４．５ｎｍ近傍の約１ＧＨｚ幅の帯域（図３Ｃ）、５１４．５８１ｎｍの約３００ｋＨｚ幅の帯域（図３Ｄ）が示されている。ヨウ素による吸収は、図３Ａに示される可視スペクトル全域をカバーする。５００ｎｍ近傍では、ヨウ素の極超微細吸収線は当該分子の解離限界に近づくにつれてより狭くなる。しかし、この値の近傍では、これらの吸収線の強度は低い。図３Ｂは、緑色域における、５１５ｎｍ近傍で０．２ｎｍのスペクトル幅上の（約２００ＧＨｚ幅のスペクトル帯に相当する）吸収スペクトルを示す。これは、ヨウ素分子の吸収線のＱ値（５１５ｎｍにおいてＱ〜２×１０９）と、利用可能なレーザ光源の特性及び固有の性質との間における妥協点について、良好な例を示している。図３Ｂに示された各吸収線は、極超微細線の約１ＧＨｚ幅のグループに分けられ、これは図３Ｃに示されている。図３Ｄは、５１４．５８１ｎｍでのヨウ素の狭い遷移を示す。
【００４２】
このように、５１０ｎｍ〜５２１ｎｍの範囲で、１０，０００本超のヨウ素の飽和吸収線が確認される。光通信におけるＣバンド全域（１５３０ｎｍ〜１５６５ｎｍ）で動作するレーザならばどのようなものでも、本明細書の記載のレーザビーム発生過程によってそのレーザの周波数を安定化させるように、超安定な真の周波数コムを利用できる。ヨウ素の非常に狭い吸収線（図３Ｄ）は、１ＧＨｚ未満の幅を持つ１５個又は２１個の部分（図３Ｃ）に分割された極超微細線のグループにグループ分けされる。このような方法は、光通信におけるＬバンド全域（１５６５ｎｍ〜１６２０ｎｍ）と、Ｓバンドの一部（１５００ｎｍ〜１５３０ｎｍ）に対しても可能である。当然のことながら、ヨウ素の吸収線はそれぞれ異なる強度とＱ値（前の記載にて定義）を持ち、レーザ安定化用の周波数弁別器として使用されるときのそれぞれの性能は同じにはならない。ヨウ素の各飽和吸収線は、その中心周波数が高い（青色域により近い）吸収線よりも狭くなり、吸収線のＱ値（＞１０９、５１５ｎｍ近傍で）が大きくなる。例えば、６３３ｎｍでのヨウ素の吸収線は、非常に普及しているＨｅ−Ｎｅレーザ（赤色域で発光）を制御するために使用されるが、Ｑ＝５×１０７のＱ値を有する。一方で、５１５ｎｍでの吸収線は、Ｑ値がＱ≒４×１０９となり、Ｑ値の利得は信号対雑音比相当で約１００となる。さらに、緑色域におけるヨウ素の吸収線は、より狭く且つ強度はより強くなっており、短期周波数安定性が増大する。
【００４３】
赤色域の６３３ｎｍで安定化されているＨｅ−Ｎｅレーザは、１秒に対し１０−１２のオーダーで、且つ、１００秒を超える時間に対し１０−１１のオーダーで、短期周波数安定性を有する。一方で、５３２ｎｍの遷移上で安定化されている周波数２逓倍化Ｎｄ：ＹＡＧレーザｓは、１秒で１．２×１０−１４、且つ、積分時間２００秒〜１００００秒において２×１０−１５という注目に値するレベルに達している。光通信における従来のＣバンド（１５３０ｎｍ〜１５６５ｎｍ）で動作するあらゆるレーザについて、本出願に記載された過程によって赤外レーザの周波数を３逓倍した後にヨウ素分子の吸収線（５１０ｎｍ〜５２１ｎｍ）を用いているレーザの赤外と可視のレーザビーム発生器に求められているのは、注目に値するこのレベルの性能である。規則的な通信チャネル間隔（今日では５０ＧＨｚ）での、ＩＴＵ−Ｔ規格Ｇ６４２の波長分割多重通信化（ＷＤＭ）は、１５４３．３８３ｎｍにおけるアセチレン１３Ｃ２Ｈ２  Ｐ（１６）の吸収線の遷移周波数に基づいている。本出願に記載の、超安定なレーザビームを発生する過程により、ヨウ素分子の極超微細遷移（チャネル２４及びチャネル２７それぞれと実質的に同じであるＲ４８（４２−０）及びＲ４２（４４−０）のいずれか又はその両方）を、現在有効なＷＤＭチャネルの同一グリッドの基準電位として利用することができる。このように、あらゆる既存の技術、特に赤外レーザに関する技術を利用し続けることができる。
【００４４】
図４Ａ、図４Ｂ及び図４Ｃは、超安定且つコヒーレントなレーザビームを発生する過程において実現されている、本明細書の記載したレーザビーム発生器（４０〜４２）の態様の図である。図４Ａはファイバーレーザ方式の連続赤外レーザ光源１１を使用した場合における周波数安定化を例示しており、図４Ｂはレーザダイオード方式の連続赤外レーザ光源１１を使用した場合における周波数安定化を例示しており、図４Ｃは図４Ｂに例示した方式の発生器を光通信に応用した例を示している。
【００４５】
図４Ａに図解するレーザビーム発生器４０は、図１Ａ、図１Ｂ、又は、図２に示す発生器と同じ構成要素を有する。より正確に言えば、この例では、赤外レーザ光源１１は、１５３０ｎｍ〜１５６５ｎｍのスペクトル帯で動作する市販のエルビウム添加光ファイバー赤外レーザ等である。このレーザは、所望の波長域で動作する超小型レーザダイオードで代用してもよい（図４Ｂ参照）。これらのレーザは１０〜２０ｍＷの光学パワーを供給する。使用しているレーザの出力が偏波保持ファイバー等のファイバーを通る構成としている。出力用のコネクタはＦＣ／ＡＰＣ型のものである。また、発生器４０は、赤外レーザ１１と光増幅器１３の間が偏波保持ファイバーで接続されており、ここに第１の音響光学変調器４３０をさらに有する。なお、光増幅器１３は１５３０ｎｍ〜１５６５ｎｍ帯域全体に亘って１ワットの出力を供給する。ＲＦ周波数はこの音響光学変調器を励起して＋／−１のオーダー（ブラッグ角）で光学的回折波を発生する。このＲＦ周波数は例えば４０ＭＨｚであり、電圧制御型ＲＦ発生器４３１又はＶＣＯ（電圧制御発生器，Ｖｏｌｔａｇｅ  ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ  ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ）により発生される。この第１の音響光学変調器は複数の機能を有してもよい。この音響光学変調器により、赤外レーザ１１と光増幅器１３を光学的に切り離すことが可能となる。また、後述するように、赤外レーザの高速な周波数変動を補正することが可能となる。この周波数変動を補正した赤外発光は、偏波保持光ファイバーとＦＣ／ＡＰＣコネクタ等を利用して、２つの部分１１４、１１３に分割される。前記増幅器の第１の出射光は、赤外周波数の第２高調波を発生するために、第１のニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）非線形結晶１５（入射はファイバーを通る）と結合する。同増幅器の第２の出射光は、第２の非線形結晶１７と結合する。この第２の非線形結晶１７は、緑色発光を出射するために和周波発生を行うものである。赤外周波数を２逓倍化するための用いられる非線形結晶１５は、光導波路構造を有する周期分極反転ニオブ酸リチウム（ＰＰＬＮ）結晶である。この結晶は、１ｍＫよりも良好な温度安定性を得るために炉等に入れる。このとき、ペルティエ効果モジュールや専用の電子機器（ＰＩＤ型のもの，Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ−Ｉｎｔｅｇｒａｌ−Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅ）を利用する。この第１の結晶は、例えば、１８μｍのオーダーの光学的な格子間隔を有し、温度約５０℃で動作する。結晶１５の下流に位置するダイクロイックフィルタ１９は、基本赤外放射（４１５）から生じる赤色放射（１１５）を分割する。基本赤外放射（４１５）は和周波発生結晶に入射せず、第３高調波に有害な振幅変調の発生を回避するようになっている。これとは逆に、ダイクロイックフィルタ（１９）を利用して、超安定な赤外周波数基準４１５を構成するようにさせてもよい。ここで、発生された第２高調波の出力（ビーム１１５）は全て第２の結晶と結合し、赤外レーザの第３高調波を得る。和周波発生（Ｆ及び２×Ｆ）に使用される非線形結晶１７も、光導波路構造を有する周期分極反転ニオブ酸リチウム（ＰＰＬＮ）結晶である。上記の周波数２逓倍化用の結晶の場合と同様に、その温度���、ＰＩＤ（Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ−Ｉｎｔｅｇｒａｌ−Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅ）型の制御デバイスを利用して、１ｍＫより良好となるように制御される。結晶１７は、例えば、６μｍのオーダーの格子間隔を有し、１９℃近傍で動作する。２つのダイクロイックフィルタ（不図示）により、赤外・赤色・緑色の３つの放射を空間的に分離することができる。これらの放射は、和周波発生結晶１７からの出射時において、超安定且つ位相コヒーレントな周波数コムを構成する。
【００４６】
自由空間で非線形和周波発生結晶１７を用いる場合、マイクロメカニカルな手段（図４Ａには不図示）を使用して、３本の空間軸に従ってレーザビームに対し前記結晶を正確に配置することができる。さらに、２つの波長に対応した（反射防止処理を施した）加工済みレンズ（不図示）を、赤外（第１の結晶の上流から伝搬される）と赤色（第１の結晶から伝搬される）の２つのビームの経路上で使用することができる。これらの機能は、第２の結晶１７内で和周波となった２つの放射の重なりを最大化することである。また、各波長（赤外と赤色）に対応した２つの位相板（半波、不図示）は、２つの分極状態（赤外と赤色）が確実に平行となるようにするために、各ビームの経路上で使用可能である。第１の周波数２逓倍化結晶１５からの出射に対応するダイクロイックプレート１９は、最大赤色出力（２×Ｆ）を伝送する一方で、基本周波数（ＩＲ）の残存伝送を完全に遮断する。そして、和周波発生結晶１７内の赤外と赤色の２つのビームを重ね合わせるために、第２のダイクロイックプレート（不図示）を用いることができる。ファイバー伝搬モードで非線形和周波発生結晶１７を用いる場合、この和周波発生結晶１７内で、カプラ（１８、図１Ｂ又は２Ａ）により、赤外ビーム１１３と赤色ビーム１１５の２つを結合することができる。これにより、第２のダイクロイックプレート又は類似の光学機器はもはや不要となる。つまり、モジュール１１５からの出射用の光ファイバーに適切な光学的処置を施せば、残存基本放射を遮断することができる。また、赤色域で動作するファイバーを用いて、より長い波長を持つ赤外放射を遮断することもできる。前記カプラは、例えば以下のような特徴を持つように最適化される。第１のポートを赤色域（例、７７２ｎｍ）に最適化された偏波保持ファイバーとし、第２及び第３のポートを赤外領域（例、１．５μｍ）に最適化されたものとする。また、７７２ｎｍにおける挿入損（入出力カプラ）を最大で１．２ｄＢとし、１．５μｍにおける挿入損（入出力カプラ）を最大で１．０ｄＢとする。偏波保持ファイバーに適切なものを選べば、位相板はもはや不要である。
【００４７】
図４Ａの例では、和周波発生結晶への入射時における赤外ビーム（１１３）の光学パワーの制御は、例えば、第２の音響光学変調器４６０を用いて行われている。この変調器は、光増幅器１３と和周波発生結晶１７の間にあり、２逓倍化されていない赤外ビーム１１３の経路上に位置する。このため、緑色の出力ビームの小分割部分４１８（＜０．１ｍＷ）が、フォトダイオード４６３等の手段によって検出時に動作するように無線周波数（ＲＦ，Ｒａｄｉｏ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）電流制御電子減衰器４６１に取り込まれる。この減衰器４６１は、音響光学変調器４６０と、前記減衰器に指令する無線周波数源４６２の間に位置する。和周波発生結晶１７への入射時における赤外ビームの光学パワーを制御することにより、例えば、非線形結晶の最適化された動作を損なう原因となるあらゆる温度ドリフトや結合ドリフトを補償することができる。
【００４８】
図４Ａの例では、第３高調波の出力の第２の部分（＜１０ｍＷ）はヨウ素分子蒸気の観測に利用され、赤外レーザの周波数を安定化するために使われる基準信号となる。光学パワーの残余の部分（赤外ビーム１１６及び赤色ビーム１１７の共線となっているビーム２１９）は利用可能な状態にある。前述のように、ヨウ素観測モジュール２１は、ヨウ素を入れた石英セル４１１と、検出器４１２と、ヨウ素の吸収線を検出するデバイスとを備え、周波数制御デバイス２３へ送信される誤差信号２２０を発生することができる。より正確に言えば、緑色ビームはｐｕｍｐとｐｒｏｂｅと呼ばれる２つのビームに分割される。ヨウ素を入れた石英セル４１１は、これら２つのｐｕｍｐビームとｐｒｏｂｅビームの経路上に配置される。なお、ｐｕｍｐビームとｐｒｏｂｅビームは対向伝搬する。このセルよりも下流に位置する検出器４１２は、セルが伝送したｐｒｏｂｅビームを集光して周波数変調を起こす。この周波数変調によりヨウ素飽和吸収線の奇数高調波を発生することが可能となる。検出器４１２からの出射時における電気信号は、同期検波器４１３により変調信号と比較され、いわゆる周波数補正（奇数）信号２２０を発生する。「ヨウ素観測」デバイス２１から出力されるこの奇数信号は、ＰＩ型（Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｏｒ，比例積分）安定化電子機器４３２に送信され、レーザ固有の素子に作用する。その機能は、出射された周波数（圧電セラミック、ダイオード電流、温度等）を制御することである。
【００４９】
図４Ａの（ファイバーレーザを使用）例では、レーザの外部にある素子（ＡＯＭ１）が、レーザの周波数（周波数変動の高速な補正）を制御するように動作した。このように、前述の周波数補正信号２２０は、赤外レーザ１１と光増幅器１３の間に位置する音響光学変調器４３０を介して、赤外レーザの高速な周波数変動を補正するために用いられる。
【００５０】
この場合、ＲＦ発生器４３１は音響光学変調器４３０を制御し且つ赤外レーザの周波数の安定性を決定するが、その周波数は制御される。第２の信号（前述の信号の第２の積分から生じる）は、より低速な周波数変動（ドリフト）を補償するために使用されるが、レーザがファイバーレーザ型である場合は、レーザの圧電セラミック（又はその温度）に作用することで使用される。レーザダイオードを赤外光源として使用する場合、レーザダイオードの注入電流及び温度それぞれに作用する。
【００５１】
図４Ａに示す発生器によれば、非線形結晶ｓへの入射時の赤外パワーの点では、製造者が許可した制限の範囲で、２×Ｆ及び３×Ｆで高調波の出力を得ることが可能である。同様に、第２の結晶内での赤色ビームとの重なりを最大化するように、赤外光学ビームの空間的形状を最適化することが可能である。また、赤色ビームと赤外ビームの分極状態は同一である必要があるが、そのように調整することが可能である。さらに、三倍周波数（３×Ｆ）でのパワーが最大となるように、赤外パワー（Ｆ）と赤色パワー（２×Ｆ）を独立に最適化することが可能であり、また、２つの波長同士で異なる波長分散を補償（最小化）するために、赤外波長と赤色波長のそれぞれに光学的に固有の、和周波発生結晶の上流を利用することが可能である。なお、この波長分散は、和周波発生結晶の高い屈折率により引き起こされる。ファイバー伝搬モードでは、複数の光学的ビームが同一ファイバー内を伝搬する場合は自然に調整され、その分極は、偏波保持ファイバーを使用することにより維持される。赤外パワーと赤色パワーは、ファイバー化された、それぞれに固有の音響光学変調器により調整される。これらの音響光学変調器は、赤外パワーと赤色パワーのそれぞれに対応するアームに位置する。
【００５２】
図４Ｂに図解したレーザビーム発生器４１は、図４Ａに示すものと実質的に同等であるが、音響光学変調器は１つしかない。この唯一の音響光学変調器４６０は、非線形和周波発生結晶１７への入射時における赤外ビームの出力を制御するためのものである。この例では、赤外レーザ光源１１はレーザダイオードなどである。そのため、高速な周波数変動の補正は、ダイオード注入電流を直接作用することで行うことができ、図４Ａに示す音響光学変調器４３０はなくてもよい。低速の変動の補正は、ダイオードの温度に適用される。発生器４１は、さらに小型化できるという利点を持つことになる。
【００５３】
図４Ｃは、図４Ｂに示す発生器を、通信用途への適用例を示している。別の態様として、１．５μｍのビームの周波数又は振幅に対して符号化／変調を重ね合わせることを望む場合は、音響光学変調器４６０と和周波発生結晶１７との間にさらに別の変調器４７０を挿入することができる。この変調により赤外ビームと緑色ビームが影響を受けるが、赤色ビームは影響されない。周波数変調を行う場合、ヨウ素の吸収線の安定化と両立させるために、ヨウ素の吸収線上で光源の周波数を制御するために行われる周波数変調よりも著しく大きな周波数変調でなければならない。２つの機能（ヨウ素安定化と符号化）を分けることを望む場合、ビーム発生器からの出射時における残存赤外ビーム経路１１６又は４１５上に変調器を挿入することができる。これは、図４Ｃに破線で示された変調器４７１のようになる。この場合、「超安定周波数の発生器」の機能と「符号化／情報伝送変調デバイス」の機能は分離される。さらに別の方法としては、ビーム発生器からの出射時における緑色（Ｖ）ビーム１１８の経路上に変調器を挿入することもできる。
【００５４】
本明細書に記載の、高出力光学パワーを有するコヒーレントなレーザビームを発生する発生器については、その他の応用例も考えられる。
【００５５】
例えば、コヒーレントなレーザビームｓを発生する発生器は、赤色ビームと緑色ビームのいずれか一方又は両方を周波数２逓倍化する手段、紫外域の第４のビーム（発生された他のビームとコヒーレントなビーム）を射出するように赤色ビームと緑色ビームの和周波発生を行う手段、これらのいずれか又は両方をさらに有することができる。図５は、赤外放射の波長域５０１、赤色放射の波長域５０２及び緑色放射の波長域５０３、紫外放射の波長域５０４・５０５の例を示している。赤色放射の波長域５０２及び緑色放射の波長域５０３は、本明細書に記載の発生過程に従う周波数２逓倍化及び和周波発生により得られ、紫外放射の波長域５０４・５０５はそれぞれ、これらの緑色放射及び赤色放射の周波数２逓倍化により得られる。前に述べたように、５００ｎｍと６００ｎｍの間のヨウ素吸収線が利用できるので、利用可能な波長次第では、Ｃバンド・Ｌバンド及びＳバンドの一部で（又は、赤外放射の場合はそれより広い範囲で）本出願に記載された過程で超安定なコヒーレントな放射を射出することが可能となる。周波数２逓倍化により、Ｓバンド、Ｃバンド、Ｌバンドの光通信帯域のいずれかで動作するレーザから、紫外域でコヒーレントな放射を射出することができる。この場合、通常は［２５０ｎｍ〜２７０ｎｍ］と［３７５ｎｍ〜４０５ｎｍ］の２つの帯域となる。また、５０３と５０２（図５）での和周波発生により、［３００ｎｍ〜３２４ｎｍ］の帯域に位置する紫外域での遷移を発生することができる。上記３つの紫外域の帯域は、スペクトル領域５００ｎｍ〜５４０ｎｍに位置するヨウ素吸収線に接続可能な波長領域に対応する帯域である。
【００５６】
本出願に記載されたレーザビーム発生器は、フェムト秒レーザの周波数安定化にも使用できる。いわゆる「自己参照」技術は、通常は、フェムト秒レーザの周波数コムの全体の位置を安定化するのに用いられる。フェムト秒レーザがスペクトルの低い周波数端で発せられた線の周波数を２逓倍化することにより、調波周波数を、同じスペクトルの別の（高い）周波数端で発した同一の周波数と比較することができる。そして、スペクトルの全体の位置を安定化することができる補正信号が発生する。これはフェムト秒レーザのｐｕｍｐ電流をフィードバックすることで得られる。しかしながら、前述の自己参照技術では、周波数コムを構成する各線の絶対周波数を知ることができない（正確性の欠如）。さらに、フェムト秒レーザが放射した各線が放出する光学パワーは非常に低く、通常は１マイクロワット（μＷ）未満である。
【００５７】
図６Ａ及び６Ｂは、超安定な周波数コムフェムト秒パルスｓを発生する発生器ｓ（６０Ａと６０Ｂ）の２つの例を示し、本明細書に記載する、赤外と可視のコヒーレントなビームｓを発生する発生器を実施したものである。
【００５８】
図６Ａの例は、パルス発生器６０Ａの第１の例を示しており、この発生器６０Ａはエルビウムファイバーレーザ型のフェムト秒放射光源６１０を備え、この放射光源６１０は、１μｍと２μｍ間に位置するスペクトル帯（スペクトル６０５）のパルスを放射する。図６Ｂの例では、フェムト秒放射光源は可視領域の光源であり、Ｔｉ：Ｓａレーザ光源などがありうる。これらの各例において、前述のパルス発生器は、例えば図２Ａで示すような、赤外と可視のコヒーレントな連続ビームを発生する発生器２０を備える。コヒーレントな連続ビームｓの発生器は、超安定な周波数基準を与え、これによりフェムト秒レーザの周波数を正確にしつつ周波数ドリフトを回避することができる。従って、フェムト秒パルス発生器は、この連続ビーム発生器により発生された超安定な連続ビームｓを用いて安定化を行うモジュールを備える。
【００５９】
図６Ａの例では、前述の安定化モジュールは光ビートモジュール６２０を備え、パルス列６１１と赤外ビーム６１５の間のビートを発生させることができる。パルス列６１１は、前記フェムト秒レーザ光源に放射され、所定の波長で光学的にフィルタリングされたものである。赤外ビーム６１５は、例えば、周波数２逓倍化結晶１５からの出射時に取り込まれたものであり、第１基準レーザビームをなし、ヨウ素の吸収線上で最初に安定化される。光学的なフィルタリングにより、前述のパルス列の周波数成分（又はモード）を分離することができる（パルス列は、周波数に関しては発生器から射出される放射に近い）。通常は、周波数コムの隣り合う２つの周波数成分（フェムト秒レーザの繰り返し周波数に相当）は、赤外のフェムト秒レーザ（エルビウム型）の場合は数百ＭＨｚ、可視のフェムト秒レーザ（ＴｉＳａ型）の場合は数ＧＨＺの間隔で（Ｆｒｅｐ、スペクトル６０５）離れている。このように、光学的なフィルタリングによってフォトダイオード（モジュール６２０）に接続される光学成分の数を減らすことができ、発生器の周波数に最も近い周波数成分のみが制御に使用される。光ビートモジュールから発生した信号は、（発生器とフェムト秒レーザそれぞれから発生する）２つの周波数成分の間の差周波数で変調された電気信号であり、通常は数百ＭＨｚから数ＧＨｚのオーダーである。より正確に言えば、光ビートモジュールは高速フォトダイオード（図６Ａには不図示）を備え、このフォトダイオード上でビーム６１１・６１５が適切なレンズを介して干渉を起こすように焦点を結ばせる。放射ｓが赤外領域に属する場合は、前述のフォトダイオードは、ＧａＡｓ（ガリウム砒素）型検波器等である。フェムト秒レーザの繰り返し周波数ｓは数十ＭＨｚから数ＧＨｚの範囲で変化し、その範囲は型番や製造者による。そのため、数ＧＨｚの帯域幅を持つフォトダイオードが使用可能である。この高速フォトダイオードは、周波数制御モジュール６３０へ送られるビート信号を検出することができる。この制御モジュールにより、周波数光ビートモジュールから発生する信号に基づいて、フィルタリングされた周波数（又はモード）と基準レーザビームの周波数との差を制御することができる。図６Ａの例の場合、赤外領域において単一の超安定な連続ビームが利用可能であり、レーザ６１０の自己参照を、フェムト秒レーザから発せられた周波数コム全体を安定化するために利用し続けることができる。このように、フェムト秒レーザが発した輝線と、フェムト秒レーザが発した輝線のいずれか２つ同士の周波数の差は、ヨウ素吸収線固有の性能によって安定化される。そして、このアプローチの利点は、マイクロ波領域及びテラヘルツ領域の両方において超安定な周波数の差を生じることが可能なことである。この態様では、例えば、テラヘルツ領域での強力なレーザ（例、量子カスケードダイオードｓ）の放射光の周波数をフェムト秒レーザの２つの線同士の周波数の差から発生する光学的信号と比較すると、フェムト秒レーザを介して、ヨウ素吸収線の特性に基づく周波数安定性を量子カスケードダイオードに与えることができる。さらに、このアプローチでは、同じフェムト秒レーザを介して、ヨウ素の同一の基準に基づいて、（テラヘルツ領域の異なる波長で動作する）数個の量子カスケードレーザを同時に安定化させることもできる。
【００６０】
例６Ｂは、可視の超安定なフェムト秒パルスを発生する発生器６０Ｂの、さらなる例示的な実施形態を示している。この発生器は、例えば５１５ｎｍと７７２ｎｍ（スペクトル６０５）間に位置するスペクトル帯のパルスｓを放出する、チタンサファイア型フェムト秒放射光源６１０等を備える。この場合、コヒーレントなビームｓの発生器２０の周波数２逓倍化放射（１１７）及び周波数３逓倍化放射（２１９）を利用することにより、発生したスペクトルを１オクターブを超えて広げる必要なしに、Ｔｉ：Ｓａ型フェムト秒レーザを安定化することができる。実際に、これらの２つの放射それぞれと、それぞれの周波数でフェムト秒レーザが放射したパルス列の間の光ビートにより、発生したスペクトルを完全に安定化することができる。より正確に言えば、本例では、安定化モジュールは２つの光ビートモジュール６２２・６２４を有することが可能であり、以下のような光ビートを発生させることができる。これらの光ビートは、赤色域における光学的なフィルタリングにより得られる第１のパルス列６１３と、連続ビームｓの発生器からの出射時にビーム１１７から取り込まれる連続ビーム６１７との間の光ビート、及び、緑色域における光学的なフィルタリングにより得られる第２のパルス列６１２と、連続ビームｓの発生器からの出射時にビーム２１９から取り込まれる連続ビーム６１５との間の光ビートである。各光ビートモジュールは、例えば、Ｓｉ（シリコン）型検波器などの高速フォトダイオードを有する。この例では、周波数制御モジュール６３０は周波数混合器を備え、この周波数混合器は２つのビートモジュールから発生するうねりの電気信号同士の間の電気ビートを発生する。制御モジュールは、フェムト秒光源を安定化するために、電気ビートから生じる信号の周波数を一定状態に維持することができる。
【００６１】
例示的な実施形態の詳細を幾つか記載したが、本発明に従うレーザ放射方法及びデバイスは、それとはさらに異なる態様、その改変及び改良を含む。このことは当業者にとって自明な形で明らかとなるものであり、これらの異なる態様、改変、改良が以下の請求項により定義される範囲の一部を成すものであることが理解される。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２Ａ−２Ｂ】
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【図３Ａ−３Ｄ】
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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６Ａ】
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【図６Ｂ】
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