(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の波長を有する光パルスの光源と、
前記光パルスの光源によって生成された前記光パルスを受けるために配設された光ファイバの第１の部分を備え、前記光ファイバの第１の部分は、所定の波長で異常分散特性を有し、そして、短波長縁部を含むと定義される最初のコンティニウム帯域幅に前記光パルスを拡大する最初のスペクトル拡大を生成するように構成されており、前記短波長縁部は、スペクトル密度でピーク値から４０ｄＢ降下した、前記コンティニウムに沿った位置であり、さらに、
前記光ファイバの第１の部分に結合された光ファイバの第２の部分を備え、前記光ファイバの第２の部分は、前記最初のコンティニウム帯域幅をスペクトルの可視部に拡大するスペクトル拡大を生成するように、前記光ファイバの第１の部分によって生成された前記最初のコンティニウムの前記短波長縁部の±２００ｎｍ内の波長で異常分散特性を有する、スーパーコンティニウム光源。
【請求項２】
前記光源がさらに、前記光パルスの光源と前記光ファイバの第１の部分の間に結合されたシングルモード・ファイバの部分を備え、前記シングルモードファイバは、前記光パルスの光源によって生成された光パルスの時間ベースの圧縮をもたらす、請求項１に記載のスーパーコンティニウム光源。
【請求項３】
前記光パルスの光源はファイバ・レーザ光源を備える請求項１に記載のスーパーコンティニウム光源。
【請求項４】
前記ファイバ・レーザ光源は、フェムト秒の光パルスを生成する、エルビウムがドープされたファイバ・レーザを備える請求項３に記載のスーパーコンティニウム光源。
【請求項５】
前記光ファイバの第１の部分が、所定の波長で約０．１〜１０ｐｓ／ｋｍ−ｎｍの範囲内の異常分散、約−０．０２〜＋０．０２ｐｓ／ｎｍ２−ｋｍの範囲内の分散勾配、および約１５μｍ２より小さい有効面積を示すよう形成された請求項１に記載のスーパーコンティニウム光源。
【請求項６】
前記光ファイバの第１の部分はフォトニック結晶ファイバの部分を備える請求項１に記載のスーパーコンティニウム光源。
【請求項７】
前記光ファイバの第２の部分はフォトニック結晶ファイバの部分を備える請求項１に記載のスーパーコンティニウム光源。
【請求項８】
前記フォトニック結晶ファイバの部分は、約３μｍ２の有効面積Ａｅｆｆ、約８４０ｎｍのゼロ分散波長、および１．９μｍのコア直径を備える請求項７に記載のスーパーコンティニウム光源。
【請求項９】
前記ファイバの第２の部分は高次モード（ＨＯＭ）ファイバの部分を備える請求項１に記載のスーパーコンティニウム光源。
【請求項１０】
前記ファイバの第１の部分は、連結された複数の別個のファイバ・セグメントを備え、前記ファイバ・セグメントの各々は前記光パルスの光源と関連する所定の波長で異なる分散値を有する請求項１に記載のスーパーコンティニウム光源。
【請求項１１】
前記光ファイバの第２の部分が、前記光ファイバの第１の部分によって生成された前記最初のコンティニウムの前記短波長縁部の約±２００ｎｍ内の波長で異常分散特性を示す請求項１に記載のスーパーコンティニウム光源。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スペクトルの可視部に十分入って放射を発生させることが可能であり、周波数測量学およびその他の適用例にとって有用であるスーパーコンティニウム光源に関する。
【背景技術】
【０００２】
非線形メディアを通る光放射の伝播は、ある条件の下で非常に著しい可能性があるスペクトル拡大（２オクターブまたはそれ以上に達する）を経験する。光ファイバを利用した初期の実験ではコンティニウムは、誘導ラマン効果（ＳＲＳ）および四波混合（ＦＷＭ）の結果として生成された別個のスペクトル線を拡大し、かつ統合することによって形成された。後者のための位相整合条件は、光がファイバを通ってマルチ・モード伝播する結果として満たされた。コンティニウム発生現象に対する関心が高まった結果、光ファイバ導波路内における高出力放射の発生に影響を与える異なる非線形プロセス間の相互作用に対する理解が着実に進んできた。
【０００３】
純粋に実際的な見地から理解の進捗は、印象的でもあり、例えば、微細構造でテーパーになっていて高非線形のファイバ（ＨＮＬＦ）内で数百ナノメートルを超えるスペクトル幅をもつスーパーコンティニウム放射（Ｓｕｐｅｒｃｏｎｔｉｎｕｕｍ  Ｒａｄｉａｔｉｏｎ）を生成することを可能にしてきた。２００４年８月１０日にＪ．Ｗ．Ｎｉｃｈｏｌｓｏｎ他に発行され本出願の譲受人に譲渡された米国特許第６，７７５，４４７号が、互いに接合されているいくつかの別個のＨＮＬＦの部分に基づく全ファイバ・スーパーコンティニウム光源について説明しているが、その各々の部分は、動作波長で異なる分散を有し、その分散がＨＮＬＦ部分の長さに沿って減少するように互いに接合されている。結果として得られるＮｉｃｈｏｌｓｏｎ他の全ファイバ光源は、したがって１オクターブを超える範囲に及ぶコンティニウムを生成することができる。この光源は、全ファイバ構成が好ましいシステムの全ての様相において有利であるが生成されるスーパーコンティニウム帯域は、多くの適用例で有用であると考えられているスペクトルの下端部（つまり可視領域）に広がっていない。
【０００４】
実際、周波数計量学に対して有用である周波数の多くは、スペクトルの可視部にあり光通信の適用例のために従来から使用されてきた範囲をはるかに下回っている。現在、６５７ｎｍ（「可視」波長）での周波数計量学のための光学標準は、今、さらなる信号経路および非線形光学装置を必要とする周波数倍増技術を使用する赤外線コムによってアクセスされる。この周波数標準には、周波数倍増を実行するために必要な追加の非線形光学部品を必要とせずに（スーパーコンティニウムを伴って）直接到達することが好ましい。しかし、１５５０ｎｍのポンプ・レーザによって生成される現行のスーパーコンティニウムは、８５０ｎｍよりずっと短い波長にまで広がっていないのが一般的である。
【特許文献１】米国特許第６，７７５，４４７号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
したがって、追加の非線形光学部品を必要とせずに可視域の放射を生成する能力があるスーパーコンティニウム光源に対する必要性が当技術分野に存続する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
当技術分野に存続するその必要性は、スペクトルの可視部で放射を生成する能力があり、周波数計量学およびその他の適用例に対して有用であるスーパーコンティニウム光源に関する本発明によって対処される。
【０００７】
本発明によれば、全ファイバ・スーパーコンティニウム光源は、少なくとも２つの連結されたファイバの部分のハイブリッド組合せとして生成され、第１の部分は、最初のコンティニウム・スペクトルを創り出し、光ピーク・パワーを高次ソリトン圧縮を通して増加させるのに使用され、第２の部分は、第１の部分で生成されたコンティニウムの短波長縁部の実質的に近傍（例えば、短波長縁部の約±２００ｎｍの範囲）で異常分散特性を提示する（つまり周波数に関する有効屈折率の２次導関数が負である）ように構成されている。この組合せは、生成されたコンティニウムの波長範囲をその短波長側で増加し、以前は実現が困難であった可視域に広げることが見出されている。
【０００８】
本発明の１つの実施形態では、ハイブリッド組合せは、最初のコンティニウムを生成するために使用される「第１」の部分として高非線形ファイバ（ＨＮＬＦ）の部分を備えることがある。ＨＮＬＦ部分はフォトニック結晶ファイバ（ＰＣＦ）の部分に連結され、そのＰＣＦは、可視域に広げられたコンティニウムをもたらすように構成されている。ある特定の構成ではＨＮＬＦは、フェムト秒パルス・レーザ光源の出力に応答し、ＰＣＦの部分がＨＮＬＦの部分の終端部に繋がれている。ＨＮＬＦに入る前にフェムト秒パルスを圧縮するためにシングルモード・ファイバ（ＳＭＦ）の部分がレーザ光源の出力とＨＮＬＦの間に挿入されるのが好ましい。ＨＮＬＦのＰＣＦとのハイブリッド組合せは、ＰＣＦに対して「ポンプ」光源として働くＨＮＬＦによってその短波長側でコンティニウムの拡大（スペクトルの可視部へ及ぶ）を可能にしていることが見出されてきた。
【０００９】
ＨＮＬＦの「部分」は、上記のＮｉｃｈｏｌｓｏｎ他の参考文献に説明されている通りそれ自体で異なる分散値を有する１本または複数本のＨＮＬＦを含み、ハイブリッド・コンティニウム光源の短波長端部がさらにもっと可視レジームに広げられるのを可能にしている。
【００１０】
違った構成のＰＣＦの部分をＨＮＬＦの代わりにファイバの「第１」の部分として使用し最初のコンティニウムを生成することができる。さらに「高次モード」（ＨＯＭ）ファイバの部分をＰＣＦファイバの代わりにファイバの「第２の部分」として使用することができる。一般的に、本発明のハイブリッド全ファイバ・コンティニウム光源で使用されるファイバの第１の部分は、０．１０と１０ｐｓ／ｎｍ−ｋｍの間の異常分散、−０．０２と＋０．０２ｐｓ／ｎｍ２−ｋｍの間の分散勾配、および（例えば）１５μｍ２より少ない比較的小さな実効面積（Ａｅｆｆ）を提示するように選択される。本発明の光源で利用されているファイバの第２の部分は、コンティニウムがさらに広げられて可視波長レジームに入り込むように第１の部分で生成されたコンティニウムの短波長縁部の実質的に近傍で異常分散特性を提示するように求められている（この短波長縁部は、例えば、８５０〜１２００ｎｍの範囲の任意の位置であることができる）。
【００１１】
本発明のその他のおよびさらなる光源および構成は下記を検討し添付図面を参照する過程で明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図１は、本発明によって形成される例示的な、ハイブリッド、全ファイバのコンティニウム発生源１０を図示している。「ハイブリッド」光源は、フェムト秒のパルスがそれを通って伝播するときコンティニウムを生成する能力がある光ファイバの第１の部分１２を備える。光ファイバの第２の部分１４は、第１の部分１２の終端部に繋がれて、連結された、ハイブリッドの全ファイバ装置を形成しており、第２の部分１４は、可視波長レジームに広げられているコンティニウムを生成させるために第１の部分１２によって生成されたコンティニウムの短波長縁部の近傍で異常分散特性を有するように選択される。
【００１３】
第１のファイバ部分１２は、光源波長の近傍で０．１〜１０．０ｐｓ／ｎｍ−ｋｍの範囲の異常分散、−０．０２〜＋０．０２ｐｓ／ｎｍ２−ｋｍの範囲の比較的低い分散勾配、および比較的小さな有効面積（１５μｍ２）を提示することが好ましい。ある実施形態では、高非線形ファイバ（ＨＮＬＦ）の部分がこの最初のコンティニウムを生成するために第１のファイバ部分１２として使用されることもある。さらにＨＮＬＦの光源波長近傍における異常分散は、高次ソリトン圧縮を通して送出パルスのピーク・パワーを増加させる。高非線形ファイバは、一般的に、上記の分散およびモード区域の特性をもつ屈折率プロファイルを創り出すためにゲルマニウムおよびフッ素をドープされた固体シリカ・ベースのファイバとして定義される。カルコゲニド（ｃｈａｌｃｏｇｅｎｉｄｅ）またはテルライト（ｔｅｌｌｕｒｉｔｅ）などその他の材料も所望の光学特性をもたらすために使用することができる。生成されたコンティニウムを可視波長範囲に広げるためにフォトニック結晶ファイバ（ＰＣＦ）の部分を第２のファイバ部分１４として使用することができる。フォトニック結晶ファイバは、一般的に、ファイバに沿って軸方向に走るようにクラッディング層内に形成された複数のエア・チャンネルを有するソリッド・コア・ファイバとして定義される。エア・チャンネル（ａｉｒ  ｃｈａｎｎｅｌ）は、クラッディングの屈折率を修正するように機能し、コアとクラッディングの間で非常に高い屈折率を得ることを可能にする。第２のファイバ部分１４を形成するために利用される材料は、シリカ・ベースの、または異なる非線形および材料分散特性をもつその他の材料に基づくこともある。
【００１４】
図１に戻ってもう一度参照すると本発明のコンティニウム発生光源１０は、極めて短い（例えばフェムト秒の長さ）光パルスの光源１６をさらに備えている。適切な出力を有するその他のパルス源を代替として使用することもできる。ファイバ・ベースのコンティニウム発生技術の分野で良く知られているようにファイバ内の非線形反応は、有効面積（Ａｅｆｆ）および分散のようなファイバの特性によって大いに作用される。ファイバの分散は、送出パルスが如何に速く時間領域で広がるかを支配し、その結果パルスがファイバに沿って伝播するにつれて如何に速くそのパルスのピーク・パワーが増加／減少するかを支配する（「増加」か「減少」かは分散の符号に依存する）。有効面積Ａｅｆｆは、ファイバそのもの内の非線形反応の大きさを決定し、小さなＡｅｆｆをもつファイバに対してパルスのピーク強度は大きくなる。第１のファイバ部分１２の分散が異常レジームにあり、Ａｅｆｆが与えられた入力パルスのピーク・パワーに対して十分に小さい場合には非線形反応が新たな光の波長で光の発生を引き起こし、最初のコンティニウムが出力終端部で生成される。したがってパルス源１６は、一連のパルスを第１のファイバ部分１２に注入し、所望のスペクトル拡大の最初の部分をもたらすために使用される。
【００１５】
ある例示的な実施形態で、光源１６は、フェムト秒持続の光パルスＰを生成するためにエルビウムをドープしたファイバ・レーザを備える。パルスＰは、次いで、増幅されたパルスＡＰを創り出すために、エルビウムをドープしたファイバ増幅器のような光増幅器１８に入力として与えられる。増幅されたパルスＡＰは、次いでシングルモード・ファイバ２０の部分に結合され、そのシングルモード・ファイバ２０は、パルス圧縮を（時間領域で）行うために利用される。パルス圧縮の使用が、生成されたコンティニウムの帯域幅の拡大をもたらすことが理解されてきた。増幅され、圧縮された光パルスは、次いで、第１のファイバ部分１２に注入される。上述のようにＨＮＬＦおよびＰＣＦのようなファイバは、これら所望のコンティニウム生成特性（異常分散、分散勾配および有効面積）を提示するように形成することができる。
【００１６】
本発明によれば、第１のファイバ部分１２内で展開された最初の「拡大」パルスはその後入力として第２のファイバ部分１４に与えられる。第２のファイバ部分１４は、例えば、生成されたコンティニウムの帯域幅を自己位相変調（ＳＰＭ）を介してさらに可視域に広げるために利用される。第２のファイバ部分１４は、比較的小さなモード・フィールド直径を有するように構成されているので自己位相変調（ＳＰＭ）およびその他の非線形反応が非常に大きい可能性があり、帯域幅は著しく広げられる。ある実施形態では、非線形ＰＣＦが分散および非線形反応の両方に対して非常に特殊な特性を示すので非線形ＰＣＦの部分を第２のファイバ部分１４として使用することができる。例えば、クラッディング内の軸方向エア・チャンネルを使用して比較的高いコア有効屈折率（固体ファイバで従来使用されたものに較べ、ＨＮＬＦに較べてさえ）を創り出すことができる。この大きなコア有効屈折率を使用して、インデックス・ガイディングによる伝播を堅調に保ちながらコアの物理的な直径を削減することができ、その結果が、非常に高い有効非線形性を生成する小さなモード・フィールド直径をもたらすことになる。さらに、小さな直径の高い有効屈折率コアは、非常に高い導波路分散を提示し、その導波路分散は、ゼロ分散波長をシフトし１．３μｍより著しく短くすることができる。これらの特徴は、ファイバのかなりの距離にわたって強い非線形相互作用を可能にさせる。
【００１７】
このような分散特性は、固体ファイバで基本モードよりむしろ高次モード（ＨＯＭ）を使用しても達成することができる。実際、ＨＯＭファイバは広範囲の分散特性を創り出すことができることが示されてきた。ＨＯＭファイバの有効面積はコンティニウム生成にとってやや大きいが、ＨＯＭの部分のＡｅｆｆを削減するようにファイバを設計することによって、または十分に高い出力をもつパルスを使用することによって適切な非線形反応を創り出すことができる。
【００１８】
図２で示されている第１の「従来技術」のプロット（プロットＩ）は、光源の「出力部」としてＨＮＬＦの部分だけを使用して生成されたコンティニウムに関連するが、ＨＮＬＦを使用してスペクトル拡大を生成することは従来技術から知られている。ＨＮＬＦの部分は、約８００ｎｍで短波長「縁部」をもつコンティニウムを生成するとして示されており、このコンティニウムは非常に弱く狭いピークＰをこの縁部の下側に１つだけ伴っている。本発明の目的に対して波長「縁部」という用語は、コンティニウムに沿った位置で、スペクトル密度がピーク・パワーのスペクトル密度の値から著しく降下する所（例えばピーク値の４０ｄＢ下）と定義されている。したがって、可視波長（例えば６５０ｎｍより低い）を生成するためにＨＮＬＦのみを使用することは、実行可能な解決策ではない。ＰＣＦはそれ自体非線形なのでこのタイプのファイバのみを使用してスペクトル拡大を形成することも可能である。しかしＨＮＬＦの代わりにＰＣＦを使用すると結果として図２のプロットＩＩに示すように比較的狭いコンティニウムを生成することになる。この場合ＰＣＦのみの使用は、１４００ｎｍより低い波長の、あるとしても非常に小さなエネルギをもつコンティニウムを生成する。
【００１９】
本発明により、これらの制約は、第１のファイバ部分１２と第２のファイバ部分１４の組合せを図１に示す方式で利用してコンティニウムの帯域を可視域に十分に広げることによって克服される。本発明のこの構成のためのコンティニウムのスペクトルは、図２の図表ＩＩＩに示されるが、この場合ＨＮＬＦの部分を第１の部分１２のために使用し、ＰＣＦの部分を第２の部分１４のために使用している。図示の通り、６００〜８００ｎｍの波長範囲で著しい量のパワーが、６００ｎｍより低い範囲で追加のパワーを伴って存在している。
【００２０】
これらの結果を生成するのに利用された特定の実施形態では、ＨＮＬＦ１２は、４ｃｍの長さおよび１４μｍ２のオーダーの有効面積Ａｅｆｆを有するように選択され、ＰＣＦ１４は、３０ｃｍの長さ、１．９ミクロンのコア寸法、約３μｍ２の有効面積Ａｅｆｆ、および約８４０ｎｍのゼロ分散波長（ＺＤＷ）を有するように構成された。ほかの実験的構成では１ミクロンのＺＤＷを有するＰＣＦの部分は、可視光も生成することが見出された（さらに約８００ｎｍの短波長縁部をもつＨＮＬＦの部分と共に使用された）。ＰＣＦ１４の利用は、ＨＮＬＦ１２で生成されたコンティニウムの短波長縁部がＰＣＦ１４のための有効なポンプ光源を形成し、その異常分散（例えば８４０ｎｍ、１ミクロン）は、実質上ＨＮＬＦコンティニウムの短波長縁部にある（例えば短波長縁部の±２００ｎｍまたはそれより下）ので著しいスペクトルの拡大を加えることが見出されてきた。
【００２１】
したがって、従来のＨＮＬＦベースの光源の短波長側におけるコンティニウムの生成を著しく改善することが、ＰＣＦの部分を装置の出力部に繋ぐことによって簡単に達成できる。実際、減少する分散値をもち、ＨＮＬＦの最後の部分に結合されているＰＣＦの部分を伴うＨＮＬＦの異なる部分の連結体を備える構成を利用することが可能である。
【００２２】
当業者にとって本発明の精神および適用範囲を逸脱することなく本発明の様々な修正形態および変形形態を実行することができることは明白であろう。したがって、本発明は、添付の特許請求の範囲およびその均等物の範囲に入る本発明の修正形態および変形形態を含むものとする。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明によって形成される例示的ハイブリッド全ファイバ・コンティニウム光源を示す図である。
【図２】２つの構成についてともに従来技術によって生成されたコンティニウムを、本発明のハイブリッド構成によって生成された可視波長に広げられているコンティニウムと比較して示す、生成されたコンティニウムを示す図表である。
【図１】
0004833263.tif 000002
【図２】
0004833263.tif 000003