(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光エネルギを共振器軸に沿って繰り返し通過させる共振器と、
利得媒質を添加され、該共振器軸に沿って配置された多モード光ファイバと、
該利得媒質を励起するためのポンプと、
該共振器軸に配置されたモードロッキング機構と、
該多モード光ファイバで増幅された光を該多モード光ファイバの基本モードに閉じ込める該共振器軸に配置された光ガイドとからなり、該光ガイドが単一モードモードフィルタファイバからなりモードロックの開始に十分なレベルに迷走反射を減少させている超短光パルス発生用レーザ。
【請求項２】
前記モードロッキング機構が可飽和吸収体からなり、前記共振器が相対するその端部で一対の反射体を含み、前記反射体の一方が該可飽和吸収体の面に形成されている請求項１に規定された超短光パルス発生用レーザ。
【請求項３】
前記モードロッキング機構がさらに前記可飽和吸収体を保護するためのパワー制限器を含み、該可飽和吸収体が前記反射体の一つに相対する該パワー制限器の一つの面に形成される請求項２に規定された超短光パルス発生用レーザ。
【請求項４】
前記パワー制限器が２光子吸収体からなる請求項３に規定された超短光パルス発生用レーザ。
【請求項５】
前記共振器軸上に線形位相ドリフト補償器をさらに含む請求項３に規定された超短光パルス発生用レーザ。
【請求項６】
前記モードロッキング機構が能動モードロッキング素子からなる請求項１に規定された超短光パルス発生用レーザ。
【請求項７】
前記能動モードロッキング素子が光振幅変調器からなる請求項６に規定された超短光パルス発生用レーザ。
【請求項８】
前記能動モードロッキング素子が光周波数変調器からなる請求項６に規定された超短光パルス発生用レーザ。
【請求項９】
前記多モード光ファイバの基本モードで優先して前記超短光パルスが５００ｐｓｅｃ以下のパルス幅をもつ請求項１に規定された超短光パルス発生用レーザ。
【請求項１０】
さらに前記共振器で発生されるパルスを圧縮するための周波数変換器を含む請求項１に規定された超短光パルス発生用レーザ。
【請求項１１】
前記周波数変換器が周波数逓倍器からなる請求項１０に規定された超短光パルス発生用レーザ。
【請求項１２】
前記周波数逓倍器がチャープ周期的ポールＬｉＮｂＯ３からなる請求項１１に規定された超短光パルス発生用レーザ。
【請求項１３】
前記多モードファイバがコアを含み、該多モード光ファイバ中の前記利得媒質が該多モードファイバのコア内の中心に集中される請求項１に規定された超短光パルス発生用レーザ。
【請求項１４】
前記多モード光ファイバが偏光保持である請求項１に規定された超短光パルス発生用レーザ。
【発明の詳細な説明】
【産業上の利用分野】
本発明は、多モードファイバ増幅器での単一モード光パルスの増幅に関し、特に、超短光パルスを発生するために使用されたモードロックレーザパルス光源でのピークパルスパワーを増大させるための、多モード増幅ファイバの使用に関する。
【従来の技術】
光増幅器に関する従来技術
単一モード希土類元素添加光ファイバ増幅器は、光パルスの回折限界光増幅を提供するために、１０年以上もの間広く使用されてきた。何故なら、単一モードファイバ増幅器は、非常に低いノイズレベルを発生し、モード分散を引き起こさず、かつ、電話通信応用にほとんど排他的に使われてきた単一モードファイバ光伝送ラインに合致するからである。
単一モード光ファイバ増幅器中の回折限界光ビームでの高ピークパワーパルスの増幅は、ファイバの単一モード動作を確実にするために使用される必要のある小さいファイバコアサイズで一般に制限される。一般に、自己−位相変調のような非線形性の始まりは、伝搬長をもつファイバ内に存在する積分パワーレベルがひとたびある限界値を越えると、厳しいパルス歪をもたらす。ファイバ内で一定ピークパワーＰの場合、許容できる自己−位相変調量Φnlは
Φnl＝（２πｎ2ＰＬ／λＡ）≦５
で与えられ、ここで、Ａはファイバ中の基本モードの面積、λは動作波長、Ｌはファイバ長、ｎ2＝３．２×１０-20ｍ2／Ｗはシリカ光ファイバ中の非線形屈折率である。
単一モード増幅器の代わりとして、多モード光ファイバ中での増幅が考えられてきた。しかしながら、一般に、多モード光ファイバ中での増幅実験は、非回折限界出力も、モード分散による許容できないパルス拡張ももたらしてしまった、何故なら、多モード光ファイバへの送出条件と多モードファイバ中でのモード結合が制御されなかったからである。
多モードファイバ中での増幅された自然放出は、ファイバコアの中心近くの活性イオンを選択的に励起するか、あるいはファイバコアの中心に活性イオンを閉じ込めることによって減少された。Ｕ．Ｓ．パテントＮｏ．５，１８７，７５９がここに参考文献で組み入れられた。多モード光ファイバ中での低次モードの重なりがファイバコアの中心に近い活性イオンで最も高いので、任意の増幅された自然放出も、多モードファイバの低次モードで主として発生される。結果として、増幅された自然放出が高次モードでは全然発生されないので、増幅された自然放出の総量は多モードファイバ中で減少される。
高パワーパルスを得るための他の取り得る方法として、チャープファイバブラッググレーティングをもつチャープパルス増幅器が使われてきた。この技術の限界の一つは、セットアップの相対的な複雑さである。
つい最近、１０ＫＷより高いピークパワーまでのパルス増幅が多モードファイバ増幅器で達成された。本発明の譲受人によって譲渡され、ここに参考文献で組み入れられたSingle-Mode Amplifiers and Compressors Based on Multi-Mode Fibersと題するＵ．Ｓ．パテントＮｏ．５，８１８，６３０を参照のこと。そこに記述されているように、単一モード光ファイバ増幅器に内在するピークパワーの制限は、多モードファイバ内で基本モードで満たされた増加領域を用いることで避けられる。この増加領域は光ファイバ増幅器のエネルギ貯蔵能の増大を許し、不必要な非線形性と利得飽和の始まる前に、より高いパルスエネルギを可能にする。これを達成するために、あの申請書は基本モードが優先的に増幅されるように多モードファイバの中心に利得媒質を集中させることの利点を記述している。この利得制限は、大きな断面積をもつファイバ中の基本モードを利得ガイドで安定させるために用いられる。
さらにその文献は、高パワー光パルスの線形パルス圧縮用のパワー限界値を増加させるために、減少したモード結合をもつ多モードファイバ上へのチャープブラッググレーティングの書き込みを記述している。そのシステムでは、二重クラッド多モードファイバ増幅器が、相対的に大きな面積の高パワー半導体レーザでポンプされる。さらに、多モードファイバ中の基本モードは、効率のよいモードフィルタを用いることで励起される。さらに、低いモード結合をもつ多モードファイバを使用することで、多モード増幅器中での基本モードの数メータの長さ以上の伝搬が確実になされ、数１０ミクロンのコア径をもつ添加された多モードファイバ増幅器中での高パワー光パルスの増幅を可能にするが、まだ、回折限界出力を提供するだけである。そのシステムは、多モードファイバ増幅器を都合よく励起するため、広い面積のダイオードアレイによるクラッドポンピングを用いた。
モードロックレーザに関する従来技術
能動モードロックレーザと受動モードロックレーザの両方がレーザ技術ではよく知られている。たとえば、小型モードロックレーザが単一モード希土類元素添加ファイバを使った超短パルス光源として作られた。一つの特に有効なファイバパルス光源は、カータイプ受動モードロッキングに基づいている。そのようなパルス光源は、ギガヘルツの繰り返し周期をもつ希土類ファイバレーザのバンド幅限界でパルスを供給するために、広く利用できる標準的なファイバ部品を使って組み立てられた。
半導体可飽和吸収体は最近、受動モードロック超短パルスレーザの分野への応用を見つけた。これらのデバイスは、小型で高価でなく、かつ広範囲のレーザ波長とパルス幅に適合されるので、魅力的である。量子井戸とバルク半導体可飽和吸収体もモードロックカラーセンターレーザに使用された。
可飽和吸収体は強度依存損失をもつ。厚さｄの可飽和吸収体を通しての強度Ｉの信号のシングルパス損失は
ｌ＝１−ｅｘｐ（−αｄ）
と表され、ここでαは
α（Ｉ）＝α0／（１＋Ｉ／ＩSAT）
で与えられる強度依存吸収係数である。ここで、α0は小信号吸収係数で、議論されている材料に依存する。ＩSATは飽和強度で、これは可飽和吸収体内の吸収種の寿命τAに逆比例する。
可飽和吸収体の損失は強度依存であるので、レーザパルスのパルス幅は、パルスが可飽和吸収体中を通過するにつれ短くなる。レーザパルスのパルス幅がどの程度急速に短くなるかは、｜ｄｑ0／ｄＩ｜に比例し、ここでｑ0は非線形損失：
ｑ0＝ｌ（Ｉ）−ｌ（Ｉ＝０）
であり、ｌ（Ｉ＝０）は一定（＝１−ｅｘｐ（α0ｄ））で、挿入損失と知られている。ここに定義されたように、可飽和吸収体の非線形損失ｑ0は、強度Ｉの増加と共に減少する（より負になる）。｜ｄｑ0／ｄＩ｜はＩがＩSATに達するまでは基本的に一定であり、漂白体制、すなわちＩ》ＩSATのとき基本的にゼロになる。
モードロッキング素子として満足に機能すべき可飽和吸収体にとって、寿命（すなわち、吸収種の上位準位の寿命）、挿入損失ｌ（Ｉ＝０）、およびレーザに適切な非線形損失、をもつべきである。理想的には、挿入損失はレーザの効率を高めるために低くあるべきであり、他方寿命と非線形損失ｑ0は自己−開始と、安定なｃｗモードロッキングとを、許容すべきである。可飽和吸収体の特性も、出力結合割合、残余の損失および利得媒質の寿命のようなレーザ共振器パラメータも、全てが開始からモードロッキングまでの展開の中で役割を演じる。
単一モードファイバ増幅器でのように、モードロック単一モードレーザからのパルスのピークパワーは、ファイバの単一モード動作を確実にするために用いられた小さいファイバコアサイズで制限されてきた。さらに、モードロック単一モードファイバレーザでは、往復非線形位相遅れも一般的に基底部（ペデスタル）と呼ぶ非常に大きな時間的に広がったバックグランドをもったパルスの発生を抑えるために、おおよそπに制限される必要がある。５０ＭＨｚのパルス繰り返し周期に相当する１０μｍのコア径と２ｍの往復共振器長をもち１．５５μｍで動作する標準的なモードロック単一モードエルビウムファイバレーザの場合、最大発振ピークパワーは約１ＫＷである。
モードロック単一モードファイバレーザの長期間動作は、本発明の譲受人に譲渡され、ここに参考文献で組み込まれたEnviromentally Stable Passively Modelocked Fiber Laser Pulse Souceと題するＵ．Ｓ．パテントＮｏ．５，６８９，５１９に記述されたような環境的に安定な共振器を用いることで、都合よく確実にされる。この文献に記述されているレーザは、単一モードファイバの出力での偏光状態の誘起変動を環境的に最小化している。記述されている実施例では、ファイバの偏光固有モード間の線形位相ドリフトを補償するためにレーザ共振器の相対する終端部に一対のファラデ回転子を導入することでこれが達成されている。
最近、可飽和吸収体で受動的にモードロックされた高パワー単一モードファイバレーザの信頼性が、共振器への適当な半導体２光子吸収体の挿入による非線形パワー制限器の実装で大きく改善され、この制限器はモードロッキングの動作中で共振器の誤調整のあるとき、しばしば観察される損傷を与えるＱスイッチパルスのピークパワーを最小化する。本発明の譲受人に譲渡され、ここに参考文献で組み込まれたResonant Fabry-Perot Semiconductor Saturable Absorber and Two-Photon Absorption Power Limitersと題する１９９８年９月８日に提出されたＵ．Ｓ．パテント申請Ｎｏ．０９／１４９，３６９を参照のこと。
モードロック単一モードファイバレーザから得られるパルスエネルギを増大させるため、レーザ共振器内でチャープパルス発振が用いられた。M. Hofer et al., Opt. Lett., vol.17, page 807-809.結果として、パルスは時間的に伸び、ファイバレーザ内で十分なピークパワー減少を起こす。しかしながら、パルスはレーザ共振器外で大略バンド幅限界以下まで時間的に圧縮される。結果としての高ピークパワーによって、バルク光学分散遅延線がパルス圧縮のために使用されなければならない。ネオジウムファイバレーザの場合、１００ｆｓのオーダのパルス幅が得られる。
モードロック単一モードファイバレーザからのパルスエネルギもチャープファイバグレーティングを用いることで増大された。チャープファイバグレーティングは共振器内のパルスを分散的に広げる沢山の負分散をもっており、したがってピークパワーを低下させ、単一モードファイバレーザ内の高エネルギパルスの発振を導く。
本発明の譲受人に譲渡され、ここに参考文献で組み込まれたTechnique for the Generation of Optical Pulses in Mode-Locked Lasers by Dispersive Control of the Oscillation Pulse Widthと題するＵ．Ｓ．パテントＮｏ．５，４５０，４２７および、Apparatus for Producing Femtosecond and Picosecond Pulses from Fiber Lasers Cladding Pumped with Broad Area DiodeLaser Arraysと題するＵ．Ｓ．パテントＮｏ．５，６２７，８４８を参照のこと。これらのシステムでは、典型的な発振パルス幅は２〜３ｐｓのオーダであるが、発生したパルスはバンド幅−限界である。
しかしながら、単一モードファイバレーザ共振器内で発振するパルス幅の分散的な広がりは、’標準的’ソリトンファイバレーザに比べ発振パルスエネルギを増大させるけれども、発振ピークパワーを増大させない。そのシステムでファイバレーザから直接発生される最大ピークパワーはまだ約１ＫＷに制限される。
モードロックレーザのピークパワーを増加させる別の高度に集積化可能な方法は、チャープ周期的ポールＬｉＮｂＯ3（チャープＰＰＬＮ）を使うことに基づいている。チャープＰＰＬＮは光学的チャープパルスのパルス圧縮と周波数逓倍を同時に許可する。本発明の譲受人に譲渡され、ここに参考文献で組み込まれたUse of Aperiodic Quasi-Phase-Matched Gratings in Ultrashort Pulse Soucesと題する１９９７年４月２５日に提出されたＵ．Ｓ．パテント申請Ｎｏ．０８／８４５，４１０を参照のこと。しかしながら、約３ｐｓ〜３００ｆｓからのパルス圧縮と、高変換効率での周波数逓倍を行うためのチャープＰＰＬＮの場合、一般的に数ＫＷのオーダのピークパワーが必要とされる。そのような高ピークパワーは、一般的にモードロック単一モードエルビウムファイバレーザの範囲外である。
広い面積のダイオードレーザアレイがモードロック単一モードファイバレーザのポンピングに使用されて、非常にコンパクトな共振器デザインが可能であった。ポンプ光は２重クラッドファイバの側方からＶ溝を通して注入され、その技術は一般的に側方−ポンピングと呼ばれた。しかしながら、そのような共振器デザインも、共振器ファイバの単一モード構造によるピークパワー制限に苦しんだ。
ファイバ長を１５ｍｍ以下にし、光ファイバの基本モードのための最大フィードバック量を選択的に与えると、回折限界近い出力ビームが多モードファイバレーザから得られるということも提案されてきた。ここに参考文献で組み込まれた"Efficient laser operation with nearly diffraction-limited output from a diode-pumped heavily Nd-doped multimode fiber", Optic Letters, vol.21, pp.266-268(1996)。この技術においては、しかしながら、用いられた多モードファイバが一般的に多数のモードを支えるので、厳密なモード結合が問題であった。また、多モードファイバの端面とレーザミラー間のエアギャップだけがモード選択に提案されてきた。したがって、非常に貧弱なモード識別だけが得られ、その結果貧弱なビーム質になる。
特に大きな種信号がある場合の光増幅器の動作が、疑似反射の存在に非常に敏感でないとしても、モードロックレーザの安定性は疑似反射の最小化に決定的に依存する。任意のそれた反射は発振器内に副共振器を作り、その結果レーザ共振器のｃｗ動作のための注入信号となり、モードロッキングの開始を妨げる。固体ファブリ−ペロ共振器の場合、内部共振器反射をレベル《１％（強度で）まで抑制することが、モードロッキングの開始を可能にするために必要であると、一般的に信じられている。
標準的なモードロックレーザに重要である内部共振器反射は、多モードファイバでのモード結合に概念的に等価であると考えられる。多モードファイバでの任意のモード結合も、モード結合量に比例するｃｗ注入信号で副共振器を作る。しかしながら、任意の多モードファイバの不連続性で、モード結合の抑制をレベル《１％まですることは、達成するのが非常に困難である。光学収差により、よく修正された光学系でも、一般に約９５％の最大効率だけ多モードファイバで基本モードの励起を許す。したがって、今日まで、多モードファイバのモードロッキングは不可能で、どんなモードロック多モードファイバレーザの安定な動作も、まだ実現されないと考えられてきた。
【発明の要旨】
本発明はピークパワー制限に関する前述の問題を克服し、かつ、モードロック多モードファイバレーザを提供する。
このレーザはモードロック多モードファイバレーザからの高ピークパワーパルスの安定な発生を許す共振器デザインを使用しており、これまでのモードロック単一モードファイバレーザのピークパワー限界を大きく広げる。モードロッキングは共振器内への可飽和吸収体の挿入と多モードファイバでの基本モードの発振を確実にするため一つあるいはそれ以上のモードフィルタを挿入することで誘起される。吸収体の損傷確率は付随的な半導体光パワー制限器を共振器内に挿入することで最小化される。最短パルスもファイバ内での非線形偏光展開の利点を利用することで発生される。広い面積のダイオードレーザからのポンプ光はクラッディングポンプ技術を用いることで多モードファイバに供給される。
この発明によって、モードロックファイバレーザは、たとえば繰り返し周期６６．７ＭＨｚ、平均パワー３００ｍＷの３６０ｆｓｅｃ近バンド幅限界パルスを得るために作られる。これらの模範的なパルスのピークパワーは約６ＫＷと見積もられる。
【実施例】
本発明の好適実施例の以下の記述は添付図に関連し、図中の同じ素子は終始同一の引用数字をつける。
図１Ａは共振器内で超短、高パワー光パルスを発生させるために多モード増幅ファイバ１本を用いる本発明のモードロックレーザ共振器を図示している。ここに使用されているとき、”超短”はパルス幅１００ｐｓ以下を意味する。ファイバ１３は、示された例では、長さ１．０ｍの非複屈折性Ｙｂ3+／Ｅｒ3+添加多モードファイバである。一般的に、ファイバはＶ値が２．４１を越えるとき、すなわち、基本モードの他にモードが光ファイバ内を伝搬できるとき、多モードと考えられる。１．５ｃｍ程度の小さな、あるいは、より小さい曲げ直径でさえ、モードロッキングを抑制することなく使用されるが、ファイバは直径５ｃｍのドラムに巻き付けられている。Ｅｒ3+添加により、この例でのファイバコアは１．５３μｍの波長で約４０ｄＢ／ｍの吸収をもつ。Ｙｂ3+相互添加は、クラッディング内部に９８０ｎｍの波長で４．３ｄＢ／ｍの平均吸収を作る。ファイバ１３は０．２０の開口数と１６μｍのコア径をもつ。ファイバ１３のクラッディングの外径は２００μｍである。ファイバ１３は、クラッディングにとって０．４０の開口数を形成する低屈折率ポリマでコートされる。長さ１０ｃｍの単一モードコーニング・リーフ・ファイバ１５は、モードフィルタとしての最適動作を確実にするために、約１４μｍのコア直径を作るため熱的にテーパ化され、この区間は多モードファイバ１３の第一端部１７に溶融スプライスされる。
この模範的な実施例では、共振器１１は第一ミラー１９と第二ミラー２１の間に形成されている。パルスを再循環させるための他の共振器構成がよく知られており、かつ使用されることは認められるべきであろう。この例では、ミラー１９、２１が共振器素子が配列される光軸２３を定義する。
共振器１１はファイバの偏光固有モード間の線形位相ドリフトを補償するために一対のファラデ回転子２５、２７をさらに含み、それによって共振器が環境的に安定になることを保証する。ここに引用されたように、語句”環境的な安定”は、温度ドリフトのような環境的な影響によるパルス発生の損失に十分免疫性があり、圧力変化にほんの僅かしか感じないパルス光源に関連する。環境的な安定性を保証するためのファラデ回転子の使用は、ここに参考文献で組み込まれたＵ．Ｓ．パテント５，６８９，５１９に詳しく説明されている。
共振器１１の軸２３上の偏光ビームスプリッタ２９は共振器１１の単一偏光動作を確実にし、共振器から出力３０を提供する。１／２波長板３１と１／４波長板３３は、共振器内に線形位相遅れを導入するために使用され、そのことはモードロッキング用の共振器１１内での偏光展開の最適化を許すために偏光制御を提供する。
モードロッキングを誘起するために、共振器１１はミラー１９に最も近い共振器の端部に可飽和吸収体３５を含むことで、ファブリ−ペロ共振器のように作られる。可飽和吸収体３５は好ましくは基板の一方の面に０．７５μｍ厚のＩｎＧａＡｓＰ層として成長させられる。ＩｎＧａＡｓＰ可飽和吸収体３９のバンドエッジは好ましくは１．５６μｍと選択され、キャリア寿命は典型的に５ｐｓであり、飽和エネルギ密度は１００ＭＷ／ｃｍ2である。
この例では、可飽和吸収体３５を支持する基板は、共振器１１の開放端に向いている反射防止コートされた面３９をもつ高品質の反射防止コートされたＩｎＰ３７からなる。ＩｎＰ基板は１．５６μｍの信号光の１光子吸収に透明であるが、２光子吸収が起こる。この２光子吸収体３９は可飽和吸収体３５を保護するための非線形パワー制限器として使用される。
この模範的な実施例中のミラー１９は、ＩｎＧａＡｓＰ可飽和吸収体３５の２光子吸収体３９に対向する面に金−フィルムを堆積させることで形成される。可飽和吸収体３５、２光子吸収体３７、およびミラー１９の結合構造は１．５６μｍで５０％の反射率を与える。金−フィルムミラー１９の可飽和吸収体３５に対向する面は結合された吸収体／ミラー組立部品をヒートシンクするためサファイア窓４１に取り付けられる。
ファイバ１５からのレーザビームはレンズ４３で平行にされ、ファラデ回転子２５による回転の後、レンズ４５で２光子吸収体３７の反射防止コートされた面３９の上に再集光される。可飽和吸収体３５上のレーザビームのスポットサイズはレンズ４５の位置を変えることによって、あるいは異なる焦点距離のレンズを用いることによって、調節される。共振器１１内の他の集光レンズ４７と４９は、レーザ信号を多モードファイバ１３に、よりよくイメージングするのに助けとなる。
９８０ｎｍ近くの波長と５Ｗの出力パワーをもつレーザ光源のようなポンプ光光源５１からの光が、外径３７５μｍのファイバ束５７を通して注入される。このポンプ光は単一モードファイバ１７に相対する多モードファイバ１３の端部５３に注入される。ポンプ光は９８０／１５５０ｎｍにとっての２色ビームスプリッタのようなポンプ信号注入器５５によって、共振器１１に結合される。レンズ４７と４８は、ファイバ束５７からのポンプパワーを多モードファイバのクラッディングに結合するために最適化される。
この模範的な実施例の出力３０でのビームのＭ2−値は、一般的に約１．２である。Ｍ2−値の低下が主に多モードファイバ１３と単一モードモードフィルタファイバ１５の間の不完全なスプライスによると仮定すると、単一モードフィルタファイバ１５が多モードファイバ１３の基本モードを約９０％の効率で励起すると見積もられる。
モードロッキングは、可飽和吸収体３５上へのレーザビームの集光を最適にすることと、ある程度の非線形偏光展開を許すために共振器内波長板３１、３３の方位を最適化することで、得られる。しかしながら、非線形偏光展開なしでの多モードファイバレーザシステムのモードロック動作も、多モードファイバ１３中のモード混合量を最小にすることと、可飽和吸収体３５の最適化によって達成される。
図１の模範的な実施例によって発生されるパルスは、１．５３５μｍの波長で３００ｍＷの平均出力パワーをもつ６６．７ＭＨｚの繰り返し周期を有しており、４．５ｎＪのパルスエネルギを与える。パルスの典型的な自己相関が図２に示されている。３６０ｆｓｅｃの典型的なＦＷＨＭパルス（ｓｅｃｈ2パルス形状を仮定して）が発生される。対応するパルススペクトルが図３に示されている。自己相関幅はパルススペクトル計算されるように、バンド幅限界の係数１．５以内であり、これはパルスの相対的な高い質を示す。
発振器の多モード構造により、パルススペクトルは強く変調され、したがって自己相関はパルス基底部にかなりの量のエネルギを表示する。基底部のエネルギ量は約５０％と見積もられ、これは次々に単一モードファイバで同じパルス繰り返し周期で一般に得られるものより約６倍大きい６ＫＷのパルスピークパワーを与える。
多モードファイバ１３中の第１パスでの自己位相変調とモードフィルタ１５中での任意の自己位相変調の量を無視し、第２パスでの多モードファイバ１３内のパルスパワーの線形増大を仮定し、さらに、多モードファイバ１３内の有効な基本モード領域を１３３μｍ2と仮定すると、多モード発振器内での非線形位相遅れはΦnl＝１．４５πのように、上述した第１式から計算され、それは受動モードロックレーザの期待される典型的な最大非線形遅れに近い。
発生した基底部と同様、得られたパルススペクトルの変調はミラー２１の調整に依存する。一般に、多モードファイバの基本モードへの光ビームの最適化されたモード整合は、最高のレーザ安定性および基底部とパルススペクトル変調の量の減少をもたらす。この理由で、最適化されたパルスの質は、単一モードフィルタファイバ１５と多モードファイバ１３のスプライスを改善することで得られる。簡単な重ね合わせ積分から、コーニングＳＭＦ−２８ファイバ１５の最適テーパ断面が多モードファイバ１３内での９９％の効率での基本モードの励起をもたらすことが計算される。このように、高次モードのどんな信号も最適化されたシステムでは約１％減少される。
本発明の別の実施例が図４に図示されている。同じ部品と引用数字で示されているように、この図の大部分の共振器構成は図１に示されているものと同じである。この実施例は、多モードファイバ１３へのポンプ光注入に側方ポンピング機構を採用することで、高度に集積化された共振器５９を提供する。一対のファイバ結合器６１、６３は、技術的によく知られているように、ファイバ束６５、６７のそれぞれの対からの光を多モードファイバ１３のクラッディングに注入する。ファイバ束は図１に示された束５７に類似しており、一対のポンプ光源６９と７１からの光をそれぞれ運ぶ。あるいは、ファイバ束６５、６７および結合器６１、６３は、技術的にもよく知られた方法で、多モードファイバクラッディングへのＶ溝光注入と変換される。可飽和吸収体７３は、高い損傷閾値を与えさえすれば、図１に示された素子３５、３７、３９、４１を含むか、あるいはどんな他のよく知られたデザインでもよい。
図５に示された本発明の別の実施例では、レーザ共振器７５は陽性分散素子を含む。図４でのように、図５中の類似引用数字は図１と関連して詳細に記述された素子と同一であると見なす。本実施例で、単一モード陽性分散ファイバ７７の一部分は第２ミラー２１とレンズ４９の間に組み付けられる。類似の方法で、陽性分散ファイバの一部分は多モードファイバ１３の端部５３あるいはレンズ４３に面する単一モードフィルタ１５の端部にスプライスされる。陽性分散ファイバは一般的に小さなコア領域をもっており、レーザから得られるパルスエネルギを制限している。図５に示された実施例は陽性分散ファイバ７７に注入されたピークパワーを減少させるのに役立ち、したがってパルスエネルギ出力を最大にする。これは偏光ビームスプリッタ２９で光エネルギのほとんど９０〜９９％を取り出すことで達成される。
図５の実施例で、共振器内部の全分散はより大きなバンド幅をもつ高パワーパルスを発生するために、零に調整される。あるいは、全共振器分散を陽性に調整することで、十分増大したパルスエネルギをもつチャープパルスがレーザで発生される。
二つの単一モードモードフィルタファイバ１５、７７の使用もレーザの調整を単純化するのに有利である。一般的に、モードスペックルを最小にするため、広いバンド幅の光信号が、モードフィルタファイバを多モードファイバに調節するのに、使われる必要がある。二つのモードフィルタファイバ１５、７７の使用は、両方のモードフィルタ１５、７７の反復調整のために多モードファイバ内で直接発生された増幅自然放出信号の使用を許す。
全体にわたって陽性分散をもつ共振器７５で発生されたチャープパルスは、技術的によく知られた方法で、和周波発生のためのチャープ周期的ポールＬｉＮｂＯ3７９を用いることで周波数逓倍波長の近似的にバンド幅限界以下まで圧縮される。チャープ周期的ポールＬｉＮｂＯ3７９は、光アイソレータ８１を通して偏光ビームスプリッタ２９からの共振器出力を受け取る。この場合、多モードファイバ発振器の高パワー特性により、単一モードファイバ発振器で経験されたものに比べ、より高い周波数逓倍変換効率が発生する。あるいは、チャープパルスをバンド幅限界以下まで圧縮するのに、バルク光学分散補償素子がチャープ周期的ポールＬｉＮｂＯ3７９の代わりに使われる。
一般的に、周波数逓倍、ラマン発生、４波混合、他のような任意の非線形光混合技術が、多モード発振器ファイバ１３の出力を異なる波長に周波数変換するためのチャープ周期的ポールＬｉＮｂＯ3７９の代わりに使われる。さらに、これら非線形光混合過程の変換効率は、一般的に光強度あるいは光強度の２乗に比例する。したがって、多モード発振器中に存在する小さな残りの基底部は、中央の主パルスに比べ、大きく低下した効率で変換され、より高い質のパルスが得られる。
図６の別の実施例に示すように、非常に高いエネルギの光パルスも、負性分散をもつブラッググレーティング８３のようなチャープファイバグレーティングを共振器８５に挿入することで得られる。そのようなシステムは一般的にｐｓ長さ、高エネルギ、近似的バンド幅限界のパルスを発生する。使用された多モードファイバにより、単一モードファイバ発振器に比べて非常に大きなピークパワーが発生される。ここで、ファイバグレーティング８３は、非偏光保持多モードファイバ１３の存在下でさえも環境的安定を得るため、偏光ビームスプリッタ２９の後に挿入される。
本発明の各実施例において、より高次モードで発生される増幅自然放出で多モードファイバ増幅器１３の飽和を最小にすることは有利である。これは希土類元素添加をコア径の何分の一か以内の中心に閉じ込めることで達成される。
偏光保持多モード光ファイバは楕円ファイバコアを使うか、多モードファイバクラッディングに応力生成領域を加えることで作られる。そのようなファイバ断面積の例が図７ａと図７ｂにそれぞれ示されている。偏光保持多モードファイバは、ファラデ回転子なしで環境的に安定な共振器の組立を許可する。そのようなデザインの一例が図８に示されており、この場合、共振器８７の出力は技術的によく知られた方法、共振器８７の一端部の部分反射ミラー８９を使って提供される。
本発明の各実施例で単一モードフィルタファイバ１５のモードに対する多モードファイバ１３の基本モードの最適結合を確実にするために、バルク光イメージングシステム、多モードファイバ１３と単一モードファイバ１５間のスプライス、あるいは多モードファイバ１３のテーパ部分のいずれかが使用される。たとえば、図７ａと図７ｂの一つに示された形、あるいは非偏光保持形のどちらかの多モードファイバ１３が外径７０μｍにテーパ化される。これは５．６μｍの内部コア径を作り、テーパ端で多モードファイバの単一モード動作を確実にする。断熱的なテーパをさらに採用することで、多モードファイバの単一モードが１００％に近い効率で励起される。単一モードファイバモードフィルタ１５をもつ多モードファイバ１３での基本モードの励起のための３つの論じた方法のグラフ表示が、図９ａ、９ｂ、９ｃにそれぞれ示されている。共振器デザインへの実施は別々に示されていないが、開示されたどの実施例にも示されている単一モードファイバ１５と多モードファイバ１５のスプライスは、これらの図に示された３つの選択肢のどれとでも作られる。
図１０は本発明の別の実施例を示す。ここで、これまでの実施例に使われたような単一モードフィルタファイバ１５の代わりに、多モードファイバ１３に直接書き込まれたブラッググレーティングのようなファイバグレーティングが、多モードファイバ１３の基本モードを優勢的に反射するために使われる。ポンプ５１からの光は、特に単純な共振器デザイン９９を容易にするため、ファイバグレーティング９７を通して注入される。非チャープグレーティングはもちろん、チャープグレーティング９７も実行される。狭バンド幅（チャープあるいは非チャープ）グレーティングは、グレーティングバンド幅より小さいバンド幅をもつパルスの発振を奨励する。
最後に、受動モードロッキングの代わりに、能動モードロッキングあるいは能動−受動モードロッキング技術が、多モードファイバをモードロックするために使われる。たとえば、能動−受動モードロッキングシステムは、可飽和吸収体なしで、固定された繰り返し周期の短い光パルスを発生するために、非線形偏光展開（受動モードロッキング機構のような）と共に光周波数あるいは振幅変調器（能動モードロッキング機構のような）を含むことができる。光モードロッキング機構１０１をもつモードロック多モードファイバ１３の図解が図１１に示されている。モードロックレーザ１０５の性能を高めるために使われる光フィルタ１０３も示されている。
一般的に、ここに記述された共振器デザインは本発明の好適実施例の模範である。他の変更は以前の議論から明かである。特に、光変調器、光フィルタ、可飽和吸収体、偏光制御素子は、どちらの共振器端にも都合よく挿入される。同様に、出力結合は光学ミラー、偏光ビームスプリッタで取り出され、あるいは単一モードファイバ１５に取り付けられた光ファイバ結合器からも取り出される。ポンプパワーも議論されたどの共振器構成での多モードファイバ１３から、あるいは多モードファイバ１３の側方を通して、多モードファイバ１３に結合される。同様に、全ての議論した共振器は任意の量の分散で動作される。チャープ、非チャープグレーティングは光学フィルタとして作用するためと、共振器の分散特性を修正するためにも、どの共振器端でも実行される。
【図面の簡単な説明】
【図１】は、多モードファイバへポンプ光を注入するために終端ポンピングを用いる本発明の好適実施例の構成を示す図式的なイラストである。
【図２】は、図１の本発明で発生されたパルスの典型的な自己相関を示すグラフである。
【図３】は、図１の本発明で発生された典型的なパルススペクトルを示すグラフである。
【図４】は、多モードファイバへのポンプ光を注入するのに側方ポンピング機構を用いる交替の好適実施例の構成を示す図式的イラストである。
【図５】は、共振器にチャープパルスを導入するために陽性分散ファイバ１本を使用する代替実施例の図式的なイラストである。
【図６】は、高エネルギのバンド幅限界近いパルスを発生するために、レーザ共振器に負性分散をもつチャープファイバグレーティングを用いる代替実施例の図式的イラストである。
【図７】（ａ）、（ｂ）は、ファラデ回転子なしで環境的に安定な共振器を作るために用いられる偏光保持多モードファイバの断面を図示している。
【図８】は、図７ａと７ｂに図示されたファイバの一つを用いる代替実施例の図式的なイラストである。
【図９】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、本発明の多モードファイバの基本モードが単一モードファイバのモードに適合される方法を示している。これらは、図９ａに示すようなバルクの光学イメージングシステム、図９ｂに示すような多モード対単一モードのスプライス、図９ｃに示すような多モードファイバのテーパ状断面、を含む。
【図１０】は、ファイバグレーティングが多モードファイバの基本モードを優勢に反射するために使われている代替実施例の図式的なイラストである。
【図１１】は、能動あるいは能動−受動モードロッキングが多モードレーザをモードロックするために使われている代替実施例の図式的なイラストである。
【符号の説明】
１１・・共振器、１３・・ファイバ（多モードファイバ）、１５・・単一モードファイバ（単一モードモードフィルタファイバ）、１７・・多モードファイバの第一端部、１９・・第一ミラー、２１・・第二ミラー、２３・・共振器軸、２５、２７・・ファラデ回転子、２９・・偏光ビームスプリッタ、３０・・出力、３１・・１／２波長板、３３・・１／４波長板、３５、７３・・可飽和吸収体、３７・・２光子吸収体、３９・・反射防止コート面、４１・・サファイア窓、４３、４５、４７、４８、４９、・・レンズ、５１、６９、７１・・ポンプ光光源、５３・・多モードファイバ端部、５５・・ポンプ信号注入器、５７、６５、６７・・ファイバ束、６１、６３・・ファイバ結合器、７７・・単一モード陽性分散ファイバ、７９・・チャープ周期的ポールＬｉＮｂＯ3、８１・・光アイソレータ、８３、９７・・チャープファイバグレーティング（負性分散ブラッググレーティング）、８９・・部分反射ミラー、１０３・・光フィルタ
【図１】
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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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