(57)【要約】  スーパー・コンティニューム・システムは、中心波長を有するパルスを出力するように構成されたファイバ・レーザ（１１０）と、ファイバ・レーザからのパルスの波長をシフトさせるように構成された第１の非線形導波路（１２０）と、第１の非線形導波路からの出力を増幅するように構成された少なくとも一段の第１のファイバ増幅器（１３０）と、第１のファイバ増幅器からの出力をスペクトル拡幅するように構成された第２の非線形導波路（１４０）とを含む。
2017504074.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
中心波長を有するパルスを出力するように構成されたファイバ・レーザ（１１０）と、
前記ファイバ・レーザからの前記パルスの前記波長をシフトさせるように構成された第１の非線形導波路（１２０）と、
前記第１の非線形導波路からの出力を増幅するように構成された少なくとも一段の第１のファイバ増幅器（１３０）と、
前記第１のファイバ増幅器からの出力をスペクトル拡幅するように構成された第２の非線形導波路（１４０）と
を備える、スーパー・コンティニューム・システム。
【請求項２】
前記ファイバ・レーザ（１１０）が、１ｐｓよりも短い変換限界のパルス幅をサポートしかつ１５００ｎｍと１６５０ｎｍとの間の中心波長を有するパルスを出力する、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記第１の非線形導波路（１２０）が、前記ファイバ・レーザ（１１０）からの前記出力波長を１７００ｎｍよりも長くかつ２８００ｎｍよりも短い波長へとシフトさせる、請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
前記第１のファイバ増幅器（１３０）が、１７００ｎｍと２８００ｎｍとの間の前記波長領域で動作する、請求項３に記載のシステム。
【請求項５】
前記第２の非線形導波路（１４０）が、前記中赤外領域においていくらか透過性を有する材料から製作される。請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記第２の非線形導波路（１４０）が、前記ファイバ増幅器を出る前記パルスの前記中心波長に近いほぼゼロ分散点を有する、請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
前記第２の非線形導波路（１４０）が、前記ファイバ増幅器を出る前記パルスの前記中心波長に異常分散を有する、請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
前記モード同期型ファイバ・レーザからの前記パワーをブーストし、かつ波長シフトの大きさを制御するように構成された第２のファイバ増幅器（２６０）をさらに備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
ラマン・ソリトン自己周波数シフト・プロセスを介して波長シフトの大きさを制御するための第１の偏波コントローラ（２５０）をさらに備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項１０】
前記第２のファイバ増幅器に入る前記パルスのチャープの所望の大きさを作り出すように構成された第１の分散素子（２７０）をさらに備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項１１】
前記第１のファイバ増幅器に入る前記パルスの偏波状態を調節するように構成された第２の偏波コントローラ（２９０）をさらに備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項１２】
前記第２の非線形導波路に入る前記パルスのチャープの大きさを調節するように構成された第２の分散素子（２８０）をさらに備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項１３】
前記第２の非線形導波路に入る前記パルスの前記偏波状態を調節する第３の偏波コントローラをさらに備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項１４】
前記第１のファイバ増幅器からの前記出力の前記波長をシフトさせるために、前記第１のファイバ増幅器と前記前記第２の非線形導波路との間に設置された第３の非線形導波路（４５０）をさらに備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項１５】
前記ファイバ・レーザの前記出力を第１の経路および第２の経路へと分割するために前記第２のファイバ増幅器の後にスプリッタをさらに備え、前記第１の経路上の前記出力が、前記第１の非線形導波路にカップリングされ、前記第１のファイバ増幅器からの光が、２つの異なる波長を用いて前記第２の非線形導波路にシードを与えるために、前記第２の経路の前記出力と統合され、かつ前記第２の非線形導波路にカップリングされる、請求項１に記載のシステム。
【請求項１６】
前記ファイバ・レーザの前記出力を第１の経路および第２の経路へと分割するために前記ファイバ・レーザの後にスプリッタ（５２０）をさらに備え、前記第１の経路上の前記出力が、前記第１の非線形導波路にカップリングされ、前記第１のファイバ増幅器からの光が、２つの異なる波長を用いて前記第２の非線形導波路にシードを与えるために、前記第２の経路の前記出力と統合され、かつ前記第２の非線形導波路にカップリングされる、請求項１に記載のシステム。
【請求項１７】
前記第１の経路上または前記第２の経路上に可変遅延回線（５５０、５７０）をさらに備える、請求項１６に記載のシステム。
【請求項１８】
前記第２の経路上に第３のファイバ増幅器（５８０）をさらに備える、請求項１６に記載のシステム。
【請求項１９】
前記出力パルス内のスペクトル帯域を選択するように構成されたバンド・パス・フィルタ（７５０）をさらに備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項２０】
中心波長を有するパルスを出力するように構成されたファイバ・レーザ（１１０）と、前記ファイバ・レーザからの前記パルスの前記波長をシフトさせるように構成された第１の非線形導波路（１２０）と、前記第１の非線形導波路からの出力を増幅するように構成された少なくとも一段を有する第１のファイバ増幅器（１３０）と、前記第１のファイバ増幅器からの出力をスペクトル拡幅するように構成された第２の非線形導波路（１４０）とを備える、スーパー・コンティニューム・システムを動作させるための方法であって、
前記第１のファイバ増幅器の前記出力または前記第２の非線形導波路の出力からのフィードバックを受信するステップと、
前記第２の非線形導波路に入る前記パルスのピーク・パワー、エネルギー、波長または偏波を調節するステップと
を含む、方法。
【請求項２１】
請求項１に記載の前記スーパー・コンティニューム・システムと、
サンプルを通過させるまたはサンプルから反射させるために前記スーパー・コンティニューム・システムから出力される光を向けるように構成されたサンプル処理ユニットと、
前記サンプルを通過する、前記サンプルから反射する、または前記サンプルによって散乱される前記光を解析するように構成された分光器または干渉計と
を備える、分光システム。
【請求項２２】
中心波長を有するパルスを出力するように構成されたファイバ・レーザと、前記ファイバ・レーザからの前記パルスの前記波長をシフトさせるように構成された第１の非線形導波路と、前記第１の非線形導波路からの出力を増幅するように構成された少なくとも一段の第１のファイバ増幅器と、前記第１のファイバ増幅器からの出力をスペクトル拡幅するように構成された第２の非線形導波路と、サンプルを通過させるまたはサンプルから反射させるためにスーパー・コンティニューム・システムから出力される光を向けるように構成されたサンプル処理ユニットと、前記サンプルを通過する、前記サンプルから反射する、または前記サンプルによって散乱される前記光を解析するように構成された分光器または干渉計とを備える分光システムのスペクトル・カバレッジを大きくするための方法であって、
スーパー・コンティニューム・スペクトルの１つまたは複数のパラメータを調節しながら多重スペクトル測定を実行するステップ
を含む、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本発明は、２０１４年１月７日出願の、米国特許仮出願番号第６１／９２４，６２９号の利益を主張し、その内容は、引用により本明細書中に取り込まれている。
【０００２】
本発明は、スーパー・コンティニューム・システムの分野に関し、特に、可変フェムト秒発振器を使用する中赤外スーパー・コンティニューム発生装置およびシステムに関する。
【背景技術】
【０００３】
中赤外（ＭＩＲ：ｍｉｄ−ｉｎｆｒａｒｅｄ）領域（２ｕｍから１０ｕｍ）の広帯域光源は、例えば、リモート・センシング、ＩＲ−カウンタ・メジャ、医療診断用途および分光用途において使用されている。インコヒーレント広帯域ＭＩＲ発生源は、長年にわたって利用可能であり、分光法において使用されている一方で、これらの発生源は、パワー・スペクトル密度が限られ、ビーム品質が悪い。スーパー・コンティニューム発生源として広く知られている非線形スペクトル拡幅に基づくコヒーレント広帯域光源が、光スペクトルの可視領域および近赤外（ＮＩＲ：ｎｅａｒ−ｉｎｆｒａｒｅｄ）領域において研究されている。近年、ＭＩＲ領域のこのようなスーパー・コンティニューム発生源を開発することが関心を集めている。このようなスーパー・コンティニューム発生源は、既存のインコヒーレントＭＩＲ発生源よりも著しい利点を提供するために、高いパワー密度、高いビーム品質および低雑音（高いコヒーレンス）を有するべきである。
【０００４】
ＭＩＲ領域におけるスーパー・コンティニューム発生源が実現されており、最新の出版物に報告されている。システムが使用する励起光源のタイプに主に関係して、このようなシステムを２つの一般的なカテゴリ、すなわち（ａ）励起光源としてナノ秒またはピコ秒パルス・レーザを使用するシステム、および（ｂ）励起光源としてフェムト秒パルス・レーザを使用するシステム、に分類することができる。カテゴリ（ａ）になるシステムが、低いショット間のコヒーレンスに悩まされることが、一般的に理解されている。このコヒーレンスがないことは、発生したスペクトルの雑音特性において特に明らかであり、ショット毎のスペクトル揺らぎおよび時間的な揺らぎにつながる。これらの低コヒーレンス・システムは、高いビーム品質を有する強力な広帯域光源として有用であるが、分光法におけるこれらの用途は、コヒーレンス問題のために大きく制限されている。カテゴリ（ｂ）になるシステムでは、フェムト秒励起パルスならびにスペクトルを拡幅するために使用する非線形媒体の特性を注意深く調節することによって、高いコヒーレンスを有するように設計することができる。このカテゴリの励起光源に関して、先行技術において使用されている多くのレーザ・システムがある。スーパー・コンティニュームが発生される波長領域に非常に近接するまたは領域内の励起波長を有することが望ましい。ＭＩＲスーパー・コンティニューム発生用に使用されている２つのタイプのフェムト秒光源は、ツリウムもしくはホルミウム・ドープ型のファイバに基づくモード同期型ファイバ・レーザ、および光パラメトリック発振器を含む。ファイバ・レーザは、２０００ｎｍ近くまでの、また可能性として３５００ｎｍまでの中心波長で高エネルギーを有するフェムト秒パルスを与える。先行技術においてこの用途に使用されているファイバ・レーザは、固定波長であった。加えて、これらのファイバ・レーザについてのモード同期機構は、未だ研究開発中であり、市販されている装置の数が限られている。光パラメトリック発振器（ＯＰＯ：ｏｐｔｉｃａｌ  ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ  ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ）は、可変中心波長を有するフェムト秒パルスを生成する。しかしながら、ＯＰＯは、大きな空間を占有する高価なシステムである。加えて、ＯＰＯから利用可能な平均パワーは、ファイバ系の発生源と比較して限られている。
【０００５】
したがって、中赤外スーパー・コンティニューム発生用のフェムト秒パルスを発生するための低価格であり小型のシステムに対する必要性がある。加えて、波長、ピーク・パワー、エネルギーおよび偏波などのパルス・パラメータを調節するための方法が、スーパー・コンティニュームのスペクトルの明るさ、帯域幅、スペクトルの平坦さ、およびコヒーレンスを最適化するために必要である。
【０００６】
１つの具体的な分光用途は、フーリエ変換分光器およびサンプル処理ユニットと協働して広帯域発生源を使用することである。ＭＩＲ領域のフーリエ変換分光器が最近開発され商品化されている。低雑音ＭＩＲ広帯域発生源を開発することによって、ＭＩＲ用の完全な分光システムを提供することができ、既存の分光システムよりも著しい利点を提供することになる。
【発明の概要】
【０００７】
発明の実施形態は、１５５０ｎｍ付近の電気通信帯域におけるフェムト秒ファイバ・レーザ、およびパルス波長をツリウムまたはホルミウム・ドープ型の光ファイバの増幅帯域（２０００ｎｍ付近）へと変換する可変波長シフト法を提供する。この手法は、２つの利点を提供する。すなわち、（ａ）１５５０ｎｍにおけるフェムト秒ファイバ・レーザが、近年信頼性があり安定なシステムへと開発されており、いくつかの会社から市販されており、（ｂ）システム内での波長シフトの大きさを、調整することができ、出力スーパー・コンティニューム・スペクトルを調節しかつ最適化する能力を提供する。出力平均パワーを、１８００ｎｍから２１００ｎｍの波長範囲のファイバ増幅器を使用して増大させることができる。
【０００８】
本発明の一実施形態は、スーパー・コンティニューム・システムを提供し：中心波長を有するパルスを出力するように構成されたファイバ・レーザと、ファイバ・レーザからのパルスの波長をシフトさせるように構成された第１の非線形導波路と、第１の非線形導波路からの出力を増幅するように構成された少なくとも一段の第１のファイバ増幅器と、第１のファイバ増幅器からの出力をスペクトル拡幅するように構成された第２の非線形導波路とを含む。
【０００９】
本発明の別の一実施形態は、スーパー・コンティニューム・システムを動作させるための方法を提供し、スーパー・コンティニューム・システムは、中心波長を有するパルスを出力するように構成されたファイバ・レーザと、ファイバ・レーザからのパルスの波長をシフトさせるように構成された第１の非線形導波路と、第１の非線形導波路からの出力を増幅するように構成された少なくとも一段を有するファイバ増幅器と、第１のファイバ増幅器からの出力をスペクトル拡幅するように構成された第２の非線形導波路とを含み、本方法は、第１のファイバ増幅器の出力または第２の非線形導波路の出力からのフィードバックを受信するステップと、第２の非線形導波路に入るパルスのピーク・パワー、エネルギー、波長または偏波を調節するステップとを含む。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】発明の実施形態によるスーパー・コンティニューム・システムのブロック図である。
【図２】発明の別の一実施形態によるスーパー・コンティニューム・システムのブロック図である。
【図３】発明の別の一実施形態によるスーパー・コンティニューム・システムのブロック図である。
【図４】発明の別の一実施形態によるスーパー・コンティニューム・システムのブロック図である。
【図５】発明の別の一実施形態によるスーパー・コンティニューム・システムのブロック図である。
【図６】発明の別の一実施形態によるスーパー・コンティニューム・システムのブロック図である。
【図７】発明の別の一実施形態によるスーパー・コンティニューム・システムのブロック図である。
【図８】発明の別の一実施形態によるスーパー・コンティニューム・システムのブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明の原理に従った例示的な実施形態の説明は、添付の図面と併せ読むことが意図されており、図面を、全体の明細書の一部と考えるべきである。本明細書に開示した発明の実施形態の説明では、方向または向きに対するいずれの参照も、単に説明の便宜のためのものであり、本発明の範囲を決して限定するものではない。「下部の（ｌｏｗｅｒ）」、「上部の（ｕｐｐｅｒ）」、「水平な（ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ）」、「垂直な（ｖｅｒｔｉｃａｌ）」、「上方の（ａｂｏｖｅ）」、「下方の（ｂｅｌｏｗ）」、「上へ（ｕｐ）」、「下へ（ｄｏｗｎ）」、「頂部（ｔｏｐ）」および「底部（ｂｏｔｔｏｍ）」ならびにこれらの派生語（例えば、「水平に（ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌｌｙ）」、「下方に（ｄｏｗｎｗａｒｄｌｙ）」、「上方に（ｕｐｗａｒｄｌｙ）」、等）などの相対的な用語は、そのときに、検討中の図面に説明されているまたは示されているような向きを指すと解釈すべきである。これらの相対的な用語は、単に説明の便宜のためであり、そのように明示的に示されない限り、装置を特定の向きに構成するまたは動作させることを必要としない。「取り付けられた（ａｔｔａｃｈｅｄ）」、「貼り付けられた（ａｆｆｉｘｅｄ）」、「接続された（ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ）」、「カップリングされた（ｃｏｕｐｌｅｄ）」、「相互接続された（ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｅｄ）」、等、などの用語は、別段明確に記載されない限り、構造体が、直接的にまたは介在する構造体を介して間接的に相互に固定されるまたは取り付けられる関係、ならびに可動または固定的な両者での取り付けまたは関係を指す。その上、発明の特徴および利点は、例示となる実施形態を参照することによって説明される。したがって、発明は、単独で存在することができる特徴のいくつかの可能な非限定的な組み合わせまたは特徴の他の組み合わせで説明されるこのような例示的な実施形態に明示的に限定されるべきではなく、発明の範囲は、別記の特許請求の範囲によって規定される。
【００１２】
この開示は、現在考えられるように発明を実行する１つまたは複数の最良の形態を説明する。この説明は、限定的な意味で理解すべきものではなく、発明の利点および構成を当業者に助言するために、添付の図面を参照して説明の目的で単に提示される発明の例を提供する。図面の様々な図では、同様の参照符号は、同様の部品または類似する部品を示す。
【００１３】
発明の１つの実施形態は、図１に示したように、４つの主要な構成要素を備えたシステムである。第１の構成要素は、１ｐｓよりも短い変換限界のパルス幅および１５００ｎｍと１６５０ｎｍとの間の中心波長をサポートするモード同期型ファイバ・レーザ（ＭＬＦＬ）（１１０）である。ＭＬＦＬ（１１０）は、利得媒体としてのドープ型の光ファイバおよびモード同期機構に基づいて作られる。ファイバ・レーザからの出力を、非線形導波路１（１２０）へとカップリングし、非線形導波路１は、ラマン・ソリトン自己周波数シフトとして知られているプロセスによって、出力の波長を１７００ｎｍよりも長く２８００ｎｍよりも短い波長へとシフトさせる。一実施形態では、非線形導波路１（１２０）は、入力パルス幅における異常分散および１Ｗ−１ｋｍ−１よりも大きい非線形係数を有する。第三段の、ファイバ増幅器１（１３０）は、１７００ｎｍと２８００ｎｍとの間の波長領域で動作するファイバ増幅器であり、例えば、ツリウムおよび／またはホルミウム・ドープ型のファイバに基づく増幅器システムである。いくつかの実施形態では、ファイバ増幅器１（１３０）は、デュアル増幅器または多段増幅器である。いくつかの実施形態では、ファイバ増幅器１（１３０）は、自己位相変調のような非線形プロセスによってさらなるスペクトル帯域幅を追加する、および／またはパルス・エネルギーを増幅することに加えてパルスを圧縮する。増幅器出力は、中赤外領域において透過性の材料から製作される非線形導波路２（１４０）へとカップリングされる。前記導波路は、限定しないが自己位相変調、変調不安定性およびラマン散乱などの非線形プロセスを介して入力パルスをスペクトル拡幅するように設計される。これは、非線形導波路２（１４０）が、ファイバ増幅器１（１３０）を出るパルスの中心波長に近いほぼゼロ分散点を有し、次いで発生源をゼロ分散波長に微調整しなければならない場合には、有利である。さらに、非線形導波路２が、ファイバ増幅器１（１３０）を出るパルスの中心波長において異常分散を有する場合には、有利である。
【００１４】
発明の他の実施形態では、図２に示したように、下記の構成要素のうちの１つまたは複数を、システム性能を向上させるためにシステムに追加することができる。
【００１５】
ファイバ増幅器２（２６０）：ファイバ増幅器を、ＭＬＦＬ（２１０）と非線形導波路１（２２０）との間に含むことができる。増幅器は、１５００ｎｍから１６５０ｎｍまでの波長領域の利得を有し、例えば、Ｅｒドープ型のファイバ増幅器である。増幅器は、３つの機能を有する。第１に、増幅器は、パワーを低パワーＭＬＦＬからラマン自己周波数シフト・プロセスに必要なレベルにまでブーストする。第２に、増幅器は、モード同期型発振器からのパルスをスペクトル拡幅し圧縮し、これが、周波数シフト・プロセスの効率を向上させ、周波数シフトしたパルスについてのパルス・エネルギーの増加またはパルス幅の減少をもたらす。第３に、増幅器利得を調節することによって、増幅器は、波長シフトの大きさを調節するための手段を与える。波長調節を、スペクトルの明るさ、帯域幅、スペクトルの平坦さ、およびコヒーレンスを含む出力スーパー・コンティニューム・パラメータの最適化のために使用する。
【００１６】
偏波コントローラ１（２５０）：この装置は、ＭＬＦＬ（２１０）と非線形導波路１（２２０）との間に挿入された手動または自動の偏波コントローラである。偏波コントローラを、自己周波数シフト・プロセスを介した波長シフトの大きさを制御するための第２の調節機構として使用する。安定性を追加するためにスペクトル内の所望の点に波長を絶えず調整するために、自動コントローラを使用することができる。
【００１７】
一実施形態では、モード同期型ファイバ・レーザ（２１０）の直後、またはファイバ増幅器２（２６０）と非線形導波路１（２２０）との間に、偏波コントローラ１（２５０）を設置することができることに留意されたい。
【００１８】
いくつかの実施形態では、ＭＬＦＬ（２１０）およびファイバ増幅器２（２６０）は、偏波維持ファイバを使用して作られる。これらの場合、波長シフトは、ファイバ増幅器２（２６０）の利得だけを使用して調節される。
【００１９】
分散素子１（２７０）：この構成要素は、ファイバ増幅器２（２６０）に入るパルスに所望の大きさのチャープを作り出すために、非線形導波路１（２２０）の後に含まれる。本構成要素は、限定しないが光導波路、チャープ型ブラッグ格子、プリズム対、および回折格子対を含む分散装置を備える。いくつかの実施形態では、分散と増幅器の非線形性との間の相互作用を介して最も短い持続時間へとファイバ増幅器１（２３０）からの出力パルスを圧縮するように、分散値を設計する。他の実施形態では、増幅器の非線形効果を減少させるためにパルス持続時間を増加させるように、分散素子１を設計する。このような場合、パルスは、分散素子２（下記参照）を使用して再圧縮される。分散値は、パラメータを最適化することを目標に、出力スーパー・コンティニュームの帯域幅、スペクトルの平坦さ、およびコヒーレンスをモニタすることによって選択される。
【００２０】
いくつかの実施形態では、波長選択素子を、非線形導波路１の後にまたは多段のファイバ増幅器１内に追加して、ファイバ増幅器１のための出力スペクトルを調節することが有利である。
【００２１】
偏波コントローラ２（２９０）：この構成要素は、ファイバ増幅器１に入る前のパルスの偏波状態を調節する。この偏波状態を制御することによって、ファイバ増幅器１における非線形パルス圧縮を最適化するために使用するファイバ増幅器１の実効非線形性を、調節することができる。
【００２２】
一実施形態では、偏波コントローラ２（２９０）を、非線形導波路１（２２０）の直後、または分散素子１（２７０）とファイバ増幅器１（２３０）との間に設置することができることに留意されたい。
【００２３】
いくつかの実施形態では、ファイバ増幅器１（２３０）は、偏波維持ファイバを使用して作られる。これらの場合、ファイバ増幅器１の非線形性を、ファイバ増幅器１（２３０）の利得を使用して調節する。
【００２４】
分散素子２（２８０）：この構成要素は、非線形導波路に入るパルスのチャープの大きさを調節するための手段として非線形導波路２（２４０）の前に含まれる。本構成要素は、限定しないが光導波路、チャープ・ブラッグ格子、プリズム対、および回折格子対を含む分散素子を備える。分散値は、パラメータを最適化することを目標に、下記のパラメータ、すなわち出力スーパー・コンティニュームのスペクトルの明るさ、帯域幅、スペクトルの平坦さ、およびコヒーレンスのうちの１つまたは複数をモニタすることによって選択される。
【００２５】
さらに別の一実施形態では、もう１つの偏波コントローラを、ファイバ増幅器１と非線形導波路２との間に使用することができる。非線形導波路２に入る光の偏波は、下記のパラメータ、すなわち出力スーパー・コンティニュームのスペクトルの明るさ、帯域幅、スペクトルの平坦さ、およびコヒーレンスのうちの１つまたは複数を最適化するために調節されるであろう。
【００２６】
発明の実施形態は、図３に示したように、ファイバ増幅器１もしくは２（３３０もしくは３６０）の利得または偏波コントローラ１もしくは２（３５０もしくは３９０）を調節することによって、励起波長およびパルス形状を安定化させかつ調整するため、また同時にスーパー・コンティニュームのパラメータを最適化するためのシステムおよび方法を提供する。上に論じたように、ＭＬＦＬ（３１０）、非線形導波路１（３２０）、ファイバ増幅器１（３３０）、および非線形導波路２（３４０）に加えて、構成要素、すなわち偏波コントローラ１（３５０）、ファイバ増幅器２（３６０）、分散素子１（３７０）、偏波コントローラ２（３９０）および分散素子２（３８０）のうちの１つまたは複数を、任意選択で含む。出力スーパー・コンティニューム・スペクトル、非線形導波路１（３２０）からの出力、またはファイバ増幅器１（３３０）からの出力からフィードバック・ループ・フィルタ（３９５）を介してフィードバックを受信することによって、変数（利得または偏波）を絶えず調節して、システムを所望の状態に安定化させる。出力スペクトルの平坦さ、帯域幅、およびコヒーレンスを最適化するために、パラメータを調整する。
【００２７】
第２のラマン自己周波数シフト
一実施形態では、図４に示したように、ＭＬＦＬ（４１０）、非線形導波路１（４２０）、ファイバ増幅器１（４３０）、および非線形導波路２（４４０）を備えるシステムに、第２のラマン自己周波数シフト・プロセスを追加して、励起パルス波長をＭＩＲ領域のより近くにさらに押し上げる。このラマン自己周波数シフト・プロセスは、ファイバ増幅器１（４３０）内で、またはファイバ増幅器１（４３０）と非線形導波路２（４４０）との間に設置されている中間セクション、非線形導波路３（４５０）において生じる。この構成では、パルスが非線形導波路２（４４０）に入る前に、パルス波長を、２１００ｎｍよりも長いが３０００ｎｍよりも短い波長にシフトする。システムへのこの修正は、２つの利点を与える。
【００２８】
（ａ）出力スペクトルを、ＭＩＲ領域へとさらに拡張することができる。励起パルス波長をより長い波長にシフトさせることによって、発生するスーパー・コンティニュームをより長い波長へとシフトさせることができることが、よく知られている。
【００２９】
（ｂ）ＭＩＲ用途のためのいくつかの非線形材料は、２１００ｎｍよりも長いゼロ分散波長を有する。２１００ｎｍよりも長い波長でスーパー・コンティニューム発生源を励起する能力は、これらの非線形導波路を使用してこれらのコンティニュームの効率的な発生を可能にする。
【００３０】
非線形導波路３（４５０）は、異常分散を有し、２１００ｎｍから３０００ｎｍまでの波長範囲内の光を透過する材料から作られる。
【００３１】
いくつかの実施形態では、ファイバ増幅器１（４３０）は、ラマン・シフト光を作り出す非線形導波路としてもやはり機能することに留意されたい。このような場合、非線形導波路３（４５０）を、システムから削除することができる。
【００３２】
発明の別の一実施形態は、図１に示したように、４つの主要な構成要素を備えるシステムである。第１の構成要素は、１ｐｓよりも短い変換限界のパルス幅および１９００ｎｍと２１００ｎｍとの間の中心波長をサポートするモード同期型ファイバ・レーザ（ＭＬＦＬ）（１１０）である。ＭＬＦＬ（１１０）は、利得媒体としてのドープ型の光ファイバおよびモード同期機構に基づいて作られる。ファイバ・レーザからの出力を、非線形導波路１（１２０）へとカップリングし、非線形導波路１は、ラマン・ソリトン自己周波数シフトとして知られているプロセスによって、出力の波長を２１００ｎｍよりも長く３５００ｎｍよりも短い波長へとシフトさせる。一実施形態では、非線形導波路１（１２０）は、入力パルス波長における異常分散および１Ｗ−１ｋｍ−１よりも大きい非線形係数を有する。第三段の、ファイバ増幅器１（１３０）は、２１００ｎｍと３５００ｎｍとの間の波長領域で動作するファイバ増幅器、例えば、ツリウムおよび／またはホルミウム・ドープ型のファイバに基づく増幅器システムである。いくつかの実施形態では、ファイバ増幅器１（１３０）は、デュアル増幅器または多段増幅器である。いくつかの実施形態では、ファイバ増幅器１（１３０）は、自己位相変調のような非線形プロセスによってさらなるスペクトル帯域幅を追加するおよび／またはパルス・エネルギーを増幅することに加えてパルスを圧縮する。増幅器出力を、中赤外領域において透過性の材料から製作される非線形導波路２（１４０）にカップリングする。前記導波路は、限定しないが自己位相変調、変調不安定性およびラマン散乱などの非線形プロセスを介して入力パルスをスペクトル拡幅するように設計される。非線形導波路２（１４０）が、ファイバ増幅器１（１３０）を出るパルスの中心波長に近いほぼゼロ分散点を有し、次いで発生源をゼロ分散波長に微調整しなければならない場合には有利である。さらに、非線形導波路２がファイバ増幅器１（１３０）を出るパルスの中心波長において異常分散を有する場合には、有利である。
【００３３】
発明の他の実施形態では、図２に示したように、下記の構成要素のうちの１つまたは複数を、システム性能を向上させるために追加することができる。
【００３４】
ファイバ増幅器２（２６０）：ファイバ増幅器を、ＭＬＦＬ（２１０）と非線形導波路１（２２０）との間に含むことができる。増幅器は、１９００ｎｍから２１００ｎｍまでの波長領域の利得を有し、例えば、ＴＭ−またはＴＭ／ＨＯ−ドープ型のファイバ増幅器を有する。増幅器は、３つの機能を有する。第１に、増幅器は、パワーを低パワーＭＬＦＬからラマン自己周波数シフト・プロセスに必要なレベルにまでブーストする。第２に、増幅器は、モード同期型発振器からのパルスを圧縮し、これは、周波数シフト・プロセスの効率を向上させ、周波数シフトしたパルスについてパルス・エネルギーの増加またはパルス幅の減少をもたらす。第３に、増幅器利得を調節することによって、波長シフトの大きさを調節するための手段を与える。波長調節を、そのスペクトルの明るさ、帯域幅、スペクトルの平坦さ、およびコヒーレンスを含む出力スーパー・コンティニューム・パラメータの最適化のために使用する。
【００３５】
偏波コントローラ１（２５０）：この装置は、ＭＬＦＬ（２１０）と非線形導波路１（２２０）との間に挿入された手動または自動の偏波コントローラである。偏波コントローラを、自己周波数シフト・プロセスを介して波長シフトの大きさを制御するための第２の調節機構として使用する。追加の安定性のためにスペクトル内の所望の点に絶えず調整するために、自動コントローラを使用することができる。
【００３６】
一実施形態では、偏波コントローラ１（２５０）を、モード同期型ファイバ・レーザ（２１０）の直後、またはファイバ増幅器２（２６０）と非線形導波路１（２２０）との間に設置することができることに留意されたい。
【００３７】
いくつかの実施形態では、ＭＬＦＬ（２１０）およびファイバ増幅器２（２６０）は、偏波維持ファイバを使用して作られる。これらの場合、波長シフトは、ファイバ増幅器２（２６０）の利得だけを使用して調節される。
【００３８】
分散素子１（２７０）：ファイバ増幅器２（２６０）に入るパルスに所望の大きさのチャープを作り出すために、この構成要素を非線形導波路１（２２０）の後に含む。本構成要素は、限定しないが光導波路、チャープ・ブラッグ格子、プリズム対、および回折格子対を含む分光装置を備える。いくつかの実施形態では、分散と増幅器の非線形性との間の相互作用を介して最も短い持続時間へとファイバ増幅器１（２３０）からの出力パルスを圧縮するように、分散値を設計する。他の実施形態では、増幅器の非線形効果を減少させるために、分散素子１を、パルス持続時間を増加させるように設計する。このような場合、分散素子２（下記参照）を使用して、パルスを再圧縮する。分散値は、パラメータを最適化することを目標に、出力スーパー・コンティニュームの帯域幅、スペクトルの平坦さ、およびコヒーレンスをモニタすることによって選択される。
【００３９】
偏波コントローラ２（２９０）：この構成要素は、ファイバ増幅器１に入る前のパルスの偏波状態を調節する。この偏波状態を制御することによって、ファイバ増幅器１における非線形パルス圧縮を最適化するために使用されるファイバ増幅器１の実効非線形性を、調節することができる。
【００４０】
いくつかの実施形態では、ファイバ増幅器１（２３０）は、偏波維持ファイバを使用して作られる。これらの場合、ファイバ増幅器１の非線形性を、ファイバ増幅器１（２３０）の利得を使用して調節する。
【００４１】
一実施形態では、偏波コントローラ２（２９０）を、非線形導波路１（２２０）の直後後、または分散素子１（２７０）とファイバ増幅器１（２３０）との間に設置することができることに留意されたい。
【００４２】
分散素子２（２８０）：この構成要素は、非線形導波路に入るパルスのチャープの大きさを調節するための手段として非線形導波路２（２４０）の前に含まれる。本構成要素は、限定しないが光導波路、チャープ・ブラッグ格子、プリズム対、および回折格子対を含む分散素子を備える。分散値は、パラメータを最適化することを目標に、下記のパラメータ、すなわち出力スーパー・コンティニュームのスペクトルの明るさ、帯域幅、スペクトルの平坦さ、およびコヒーレンスのうちの１つまたは複数をモニタすることによって選択される。
【００４３】
発明の実施形態は、図３に示したように、励起波長およびパルス形状を安定化させかつ同調させるため、また同時に、ファイバ増幅器１もしくは２（３３０もしくは３６０）の利得または偏波コントローラ１もしくは２（３５０もしくは３９０）を調節することによってスーパー・コンティニュームのパラメータを最適化するためのシステムおよび方法を提供する。上に論じたように、ＭＬＦＬ（３１０）、非線形導波路１（３２０）、ファイバ増幅器１（３３０）、および非線形導波路２（３４０）に加えて、構成要素、すなわち偏波コントローラ１（３５０）、ファイバ増幅器２（３６０）、分散素子１（３７０）、偏波コントローラ２（３９０）および分散素子２（３８０）のうちの１つまたは複数を、任意選択で含む。出力スーパー・コンティニューム・スペクトル、非線形導波路１（３２０）からの出力、またはファイバ増幅器１（３３０）からの出力からフィードバック・ループ・フィルタ（３９５）を介してフィードバックを受信することによって、システムを所望の状態に安定化させるために、変数（利得または偏波）を絶えず調節する。出力スペクトルの平坦さ、帯域幅、およびコヒーレンスを最適化するために、パラメータを調整する。
【００４４】
２つのシード波長を用いたＳＣ発生
場合によっては、図５に示したように、スプリッタ（５２０）を介して２つの異なる波長を用いて、上に論じた非線形導波路２（５６０）にシードを与えるためにＳＣを拡張するまたは平滑化することが、有益であり得る。１つの波長を直接ＭＬＦＬ（５１０）によって生成することができ、一方で第２のシード波長を、非線形導波路１（５３０）によって生成し、ファイバ増幅器１（５４０）によって増幅することになる。
【００４５】
いくつかの実施形態では、ＭＬＦＬから分割されたパワーをブーストするために、ファイバ増幅器３（５８０）を使用する。
【００４６】
いくつかの実施形態では、非線形導波路２に入る前に２つの経路の光を統合するために、コンバイナ（５９０）を使用する。
【００４７】
いくつかの実施形態では、可変遅延素子（５５０）が、第１の経路のパルスの遅延を調節する、または可変遅延素子（５７０）が、第２の経路のパルスの遅延を調節する。
【００４８】
一実施形態では、この手法を、第２のラマン自己周波数シフトの項で上に説明した実施形態と組み合わせることができることに留意されたい。この場合、１つの波長をＭＬＦＬによって生成し、一方で第２のシード波長を、非線形導波路３によって生成することになる。
【００４９】
光波混合によるフェムト秒ＭＩＲパルス発生
一実施形態では、図６に示したように、ＭＬＦＬ（６１０）からの光パワーの一部を、非線形導波路１（６３０）の前に設置されたスプリッタ（６２０）によって分割し、波長変換装置（６６０）においてファイバ増幅器１（６４０）からの出力と混合する。調節可能遅延回線（６５０）をビーム経路上に設置し、時間ドメインでパルスの位置を合わせる。いくつかの実施形態では、モード同期型ファイバ・レーザ（６１０）出力から分割されたパワーを増加させるために、ファイバ増幅器３（６８０）を使用する。この場合、追加の調節可能遅延回線（６７０）を、ファイバ増幅器３（６８０）の前に設置することができる。いくつかの実施形態では、波長変換装置に入る前に２つの経路からの光を統合するために、コンバイナ（６９０）を使用する。
【００５０】
波長変換のために使用する装置の２つのカテゴリがある。
【００５１】
（ａ）差周波数発生装置
波長変換装置は、２次光非線形性を有する材料から作られる。この場合、出力パルスは、ＭＬＦＬおよびファイバ増幅器１からの出力の中心周波数間の差である中心周波数を有する。発生したパルスは、３５００ｎｍと１１０００ｎｍとの間の中心波長を有する。
【００５２】
（ｂ）四光波混合装置
波長変換装置は、ファイバ増幅器１を出るパルスの波長に近いゼロ分散点を有する非線形導波路に基づいている。この場合、出力パルスは、ファイバ増幅器１出力パルスの中心周波数の２倍からモード同期型レーザ出力パルスの中心周波数を差し引くことによって計算される中心周波数を有する。発生したパルスは、２３００ｎｍと１１０００ｎｍとの間の中心周波数を有する。
【００５３】
ここで説明した周波数混合の概念を、第２のラマン自己周波数シフトの項で上に説明した実施形態と組み合わせることができることに留意されたい。混合は、非線形導波路３およびファイバ増幅器１の出力間で、または非線形導波路３およびファイバ増幅器３の出力間で生じることがある。
【００５４】
実施形態は、図７に示したように、第２のラマン自己周波数シフトの項で説明した構成に関係する。上に論じたように、ＭＬＦＬ（７１０）からの出力は、非線形導波路１（７２０）にカップリングされ、ファイバ増幅器１（７３０）によって増幅される。非線形導波路３（７４０）からバンド・パス・フィルタ（７５０）へとパルスを送ることによって、２１００ｎｍよりも長い中心波長にフェムト秒パルス・トレインを含むラマン・シフトした成分だけを選択する。このシステムは、２１００ｎｍと３０００ｎｍとの間のパルスを生成する。
【００５５】
第２のラマン自己周波数シフトの項で説明したように、いくつかの実施形態では、ファイバ増幅器１は、ラマン・シフトした光を作り出す非線形導波路としてもやはり機能することに留意されたい。そのような場合、非線形導波路３を、システムから削除することができる。
【００５６】
中赤外分光システム
一実施形態では、完全な分光システムを、上に説明したようなＳＣ発生源を使用して作ることができる。図８に示したように、このシステムは、３つの主なサブシステム、すなわちＳＣ発生源（８１０）、サンプル処理ユニット（８２０）、および分光器または干渉計（８３０）を含み、サンプルから伝送された、反射されたまたは散乱された光を解析する。いくつかの実施形態では、分光器は、フーリエ変換赤外分光器（ＦＴＩＲ）である。サンプル処理ユニット（８２０）は、ＳＣ発生源（８１０）からの光がサンプルを通過する、サンプルから反射する、またはサンプルによって散乱することを可能にする。サンプルは、液体、気体、または固体の形態の任意の物質であってもよい。ＳＣ出力スペクトルを調整しながら多重スペクトル・スキャンを実行することによってシステムのスペクトル・カバレッジを最大にするために、ＳＣスペクトル特性を調整するために説明した方法を使用することができる。
【００５７】
本発明を、いくつかの説明した実施形態に関してかなりの長さでかつある程度詳細に説明したが、いずれかのこのような詳細もしくは実施形態またはいずれかの特定の実施形態に限定すべきものではなく、別記の特許請求の範囲を参照して解釈すべきであり、その結果、先行技術の観点でこのような特許請求の範囲の最も広い可能な解釈を与え、したがって、発明の目的とする範囲を効果的に包含する。さらにその上、現在のところ予知されていない発明の実質的でない修正が、それでもなお発明の均等物を表わすことができるにも拘らず、上記は、発明者によって予知された実施形態に関して発明を説明し、実行可能にする説明がこの実施形態について利用可能であった。
【図１】
2017504074.tif 000003
【図２】
2017504074.tif 000004
【図３】
2017504074.tif 000005
【図４】
2017504074.tif 000006
【図５】
2017504074.tif 000007
【図６】
2017504074.tif 000008
【図７】
2017504074.tif 000009
【図８】
2017504074.tif 000010
【国際調査報告】
2017504074.tif 000011