(57)【要約】  本発明は、キャリアエンベロープオフセット周波数を検出するために、モードロックレーザーにおける自己発生光学高調波を有する光周波数コム発生のためのシステム及び方法を提供する。モードロックレーザーは、光周波数コム及び高調波出力を出力する。高調波出力は、検出可能なうなりをもたらす光学ヘテロダインを提供する。キャリアエンベロープオフセット周波数検出器はうなりを検出し、光周波数コム信号を発生する。信号は、光周波数コム出力を安定させるのに使用可能である。
2020514796.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基本光周波数コムスペクトル内で発振し、光周波数コム出力及びヘテロダイン出力を同時に発生するモードロックレーザーであって、前記ヘテロダイン出力が、第１の補助光周波数コムからの第１のスペクトル成分及び、第２の補助光周波数コムからの第２のスペクトル成分を含み、前記第１及び第２の補助光周波数コムの少なくとも１つが、基本光周波数コムの光学高調波を含み、前記光周波数コム出力が、キャリアエンベロープオフセット周波数で特徴づけられ、前記モードロックレーザーが、レーザーポンプ光源及びフェムト秒（ｆｓ）発振器を含む、モードロックレーザーと、
前記第１及び第２のスペクトル成分を受信して検出するように構成されたキャリアエンベロープオフセット周波数検出器であって、前記キャリアオフセット周波数検出器がさらに、キャリアエンベロープオフセット周波数に対応する信号を発生するように構成された、キャリアエンベロープオフセット周波数検出器と、を含む、
光周波数コム発生器システム。
【請求項２】
前記ｆｓ発振器が非線形レーザー媒体を有して構成され、前記モードロックレーザーが、前記光周波数コム出力を発生し、前記非線形レーザー媒体内で少なくとも１つの光学高調波を自己発生させる、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記レーザー出力がさらに前記キャリアエンベロープオフセット周波数に対応するうなり周波数を有する光学ヘテロダインを含むように、前記モードロックレーザーが動作し、前記キャリアエンベロープオフセット周波数検出器が、前記キャリアエンベロープオフセット周波数を検出する、請求項１または２に記載のシステム。
【請求項４】
前記第１及び第２の補助光周波数コムが、部分的に、スペクトル重複する、請求項１から３のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項５】
前記第１及び第２の補助光周波数コムが、基本波及びその他任意の高調波光周波数コムを含む、請求項１から４のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項６】
前記第１及び第２の補助光周波数コムが、任意の２つの異なる高調波光周波数コムを含む、請求項１から５のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項７】
前記第１及び第２の補助光周波数コムが重複するように、前記第１及び第２の補助光周波数コムの少なくとも１つを拡張するように動作可能である少なくとも１つのスペクトル拡張素子をさらに含み、前記スペクトル拡張素子が、前記ｆｓ発振器と前記キャリアエンベロープオフセット周波数検出器との間に配置された、請求項１から６のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項８】
前記モードロックレーザーがさらに、１つまたは複数の光学高調波において、増大した出力に適合した共振キャビティを含む、請求項１から７のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項９】
前記ヘテロダイン出力の前記スペクトル成分を変更するように構成された少なくとも１つのスペクトルフィルターをさらに含む、請求項１から８のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項１０】
前記キャリアエンベロープオフセット周波数検出器が、前記キャリアエンベロープオフセット周波数を制御するために使用される信号を提供し、それによって、前記光周波数コム出力を安定させるように構成された、請求項１から９のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項１１】
前記モードロックレーザーがさらに、高い２次及び３次非線形性を有し、多結晶構造を有するＴＭ：ＩＩ−ＶＩ型材料を有して構成されたカーレンズモードロック中赤外線ｆｓ発振器を含み、前記レーザー発振器が、ランダム準位相整合プロセスを介して、３波混合を提供する、請求項１に記載のシステム。
【請求項１２】
光周波数コム出力及びヘテロダイン出力を有するモードロックレーザーベースのシステムにおいて、前記光周波数コム出力がキャリアエンベロープオフセット周波数によって特徴づけられる、光周波数コムを提供する方法であって、
モードロックレーザーで、光周波数コム出力及びヘテロダイン出力を同時に発生させる段階と、
前記ヘテロダイン出力において第１及び第２の補助光周波数コムのそれぞれのスペクトル成分の間のうなりを検出する段階と、
検出された前記うなりに基づいて、前記キャリアエンベロープオフセット周波数に対応する信号を発生させる段階と、を含む、方法。
【請求項１３】
前記キャリアエンベロープオフセット周波数を測定する段階をさらに含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
キャリアエンベロープオフセット周波数検出器でうなりを検出する段階と、
前記キャリアエンベロープオフセット周波数を安定化させるために、キャリアエンベロープオフセット周波数信号をキャリアエンベロープオフセット周波数制御システムに提供する段階と、をさらに含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
自己発生高調波出力を有する、カーレンズモードロック中赤外線多結晶Ｃｒ：ＺｎＳ発振器ベースのレーザーシステムにおけるキャリアエンベロープオフセット周波数を検出する方法であって、
光周波数コム出力及び、Ｃｒ：ＺｎＳ材料内で１つまたは複数の光学高調波を直接同時に発生させる段階と、
前記１つまたは複数の光学高調波のうち少なくとも１つを含む第１及び第２の補助光周波数コムのそれぞれの第１のスペクトル成分と第２のスペクトル成分との間のヘテロダインうなりを検出する段階と、
検出された前記うなりに基づいて、前記キャリアエンベロープオフセット周波数に対応する信号を発生させる段階と、を含む、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、キャリアエンベロープオフセット周波数検出を有する新規の光周波数コム発生器に関する。より具体的には、実施形態は、高い非線形特性を有する多結晶レーザー材料を用いた光学高調波とともに、モードロックレーザー方式で光周波数コムの発生を同時にもたらしうる。非線形周波数変換結晶が排除され、単純化されたキャリアエンベロープオフセット周波数検出を得る結果となる。
【背景技術】
【０００２】
光周波数コムの最近の進歩は、分光分析、計測学、時間管理の分野に変革をもたらした（例えば、非特許文献１及び２を参照）。現在、大多数の光周波数コムは、モードロックフェムト秒レーザーに基づいている。モードロックフェムト秒レーザー（以下、「ｆｓ発振器」）の出力は、周期的な一連の短い光パルスからなる。本開示の目的に関して、ｆｓ発振器出力の基本周波数はｆと表され、２次周波数出力は２ｆと表され、３次周波数出力は３ｆと表されるなどしうる。
【０００３】
図１Ａに示されるように、モードロックフェムト秒レーザーによって放出された一連の光パルスは、キャリア光波（実線）が、パルス反復周波数ｆｒｅｐで周期的なパルスエンベロープ（破線）によって変調される。また、この例では、ΔφＣＥ＝π／２のパルス間キャリアエンベロープ位相スリップも示されている。図１Ｂを参照すると、等価周波数領域表示（図１Ａの信号のフーリエ変換）は、コムの共通オフセットｆＣＥＯ＝ｆｒｅｐ×（ΔφＣＥ／２π）を有する等間隔のスペクトル成分のコムを示している。ｆｓ発振器の時間平均周波数領域出力は、単純な方程式ｆｎ＝ｎ×ｆｒｅｐ＋ｆＣＥＯで表され、ｎは積分モードインデックスである。
【０００４】
ｆｓ発振器の光学出力は、パラメータｆｒｅｐ及びｆＣＥＯが測定され、制御される場合には、周波数コムとして分類される。ｆｒｅｐの測定及び制御のための技術は、現在十分に発展している。一方で、ｆｓ発振器のｆＣＥＯの測定及び制御のための信頼性のある方法が提案されたのは１９９９年に過ぎない。一般に、これらの技術は、基本コムｆの、２次高調波２ｆとのヘテロダイン（ｆ−２ｆ干渉法）もしくは異なる周波数発生とのヘテロダイン（０−ｆ干渉法）、または２つの隣接する光高調波のヘテロダイン（例えば２ｆ−３ｆ干渉法）に基づくため、非線形干渉法と呼ばれる。
【０００５】
ｆＣＥＯの測定のための重要な前提条件は、（ｉ）２つのコムのスペクトル重複、（ｉｉ）２つのコムの空間重複、及び（ｉｉｉ）２つのコムの時間重複である。一般的な方式の非線形干渉計は、ｆＣＥＯ検出についてこれらの前提条件を満足する。前提条件（ｉ）は、広帯域スペクトル基本周波数コムを有するｆｓ発振器の使用によって、または基本周波数コムの広帯域化（Ｓｐｅｃｔｒａｌ  Ｂｒｏａｄｅｎｉｎｇ，ＳＢ）のための追加的なデバイス（例えば特別に設計された光ファイバー）の使用によって満足される。
【０００６】
ｆ−２ｆ干渉法におけるスペクトル重複は、図２に示されている。上側のグラフは、スペクトル成分ｆｎ＝ｆＣＥＯ＋ｎｆｒｅｐを含む基本周波数コム及びそのオクターブであるｆ２ｎ＝ｆＣＥＯ＋２ｎｆｒｅｐを示している。下側のグラフは、スペクトル成分２ｆｎ＝２ｆＣＥＯ＋２ｎｆｒｅｐを含む２倍周波数コムを示している。測定可能なｆＣＥＯは、前提条件（ｉ）を満足するオクターブ周波数と２倍周波数との間の増加分として示されている。同様の考察が、非線形干渉法の他の場合についてもなされうる。
【０００７】
非線形干渉計は、図３に示されており、ｆｓ発振器は、ＳＢを用いて広げられうる基本周波数コムを発生する。次いで、基本周波数コムは、ビームスプリッターＢＳを有する２つの部分に分割され、非線形干渉計の２つの脚部を通って送られる。各脚部は、基本周波数コムｆを、１つの脚部において、そのｎ次光学高調波ｎｆに、またもう一方の脚部において、隣接する高調波（ｎ−１）ｆに非線形変換するためのデバイスを含むことができる。ｆ−２ｆ干渉法の最も単純な場合において、２次高調波への非線形変換器が１つであれば十分である。干渉計の２つの脚部は、次いで、第２のビームスプリッターＢＳを用いて再結合され、空間的重複の前提条件（ｉｉ）が満足される。時間的重複の前提条件（ｉｉｉ）は、相対光学経路長差をゼロに調整するのに必要である光学遅延ＯＤの使用によって満足される。
【０００８】
３つの前提条件が達成されると、２つのコムは重畳され、２つの重畳されたコムは、適切な光検出器ＰＤで、うなりとして検出可能である強度変調を結果的に得る（非特許文献３を参照）。任意選択的なスペクトルフィルターＦが、うなりの品質を改善するために採用されうる。
【０００９】
非線形干渉法を介したｆＣＥＯ検出のための技術は、（非特許文献４及び５においてレビューされているように）現在十分に確立されている。ｆＣＥＯ検出のための干渉法のセットアップは、多かれ少なかれ、通常、以下の、外部ノイズに対する感度（干渉計は、空気の流動、音響ノイズ、機械振動、熱ドリフトなどから遮蔽されなければならない）、光学アライメントに対する感度（干渉計は維持管理を必要としうる）、光学パワー消費（干渉計は、ｆｓ発振器の貴重な出力のかなりの部分を消費する）、高い複雑さ、高いコスト及び干渉法セットアップの大型化などの共通の欠点を共有する。
【００１０】
複数脚部干渉計における改善の試みは、同軸調和成分をもたらす非線形結晶を有するインライン周波数変換、全て非線形結晶を有する、差異周波数発生およびインライン差異周波数発生を含む。これらの構成の全て、複数脚部及びインライン構成は、少なくとも１つの余分なキャビティ非線形変換光学要素を使用し、必要な場合には、周波数変換の前に基本周波数コムのスペクトル拡張を使用する。
【００１１】
そのため、光周波数コムの多くの重要な変形は、実験室内にとどまっており、実際の生活への応用には限られた使用例しかない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】米国特許第９３６２７０７号明細書
【非特許文献】
【００１３】
【非特許文献１】T. W. Hansch, “Nobel lecture: Passion for precision,” Rev. Mod. Phys. 78, 1297 (2006),
【非特許文献２】J. L. Hall, “Nobel lecture: Defining and measuring optical frequencies,” Rev. Mod. Phys. 78, 1279 (2006)
【非特許文献３】H. R. Telle, G. Steinmeyer, A. E. Dunlop, J. Stenger, D. H. Sutter, and U. Keller, “Carrier-envelope offset phase control: A novel concept for absolute optical frequency measurement and ultrashort pulse generation,” Appl. Phys. B 69, 327 (1999)
【非特許文献４】B. Borchers, “Pushing Frontiers in Carrier-Envelope Phase Stabilization of Ultrashort Laser Pulses”, Ph.D thesis Humboldt-Universitat zu Berlin (2014) URL http://edoc.hu-berlin.de/dissertationen/borchers-bastian-2014-10-17/PDF/borchers.pdf
【非特許文献５】S. A. Diddams, “The evolving optical frequency comb [Invited],” J. Opt. Soc. Am. B, 27(11), B51 (2010)
【非特許文献６】S. Mirov, V. Fedorov, D. Martyshkin, I. Moskalev, M. Mirov, S. Vasilyev, “Progress in mid-IR lasers based on Cr and Fe doped II-VI chalcogenides”, IEEE J. Sel. Topics Quantum Electron., 21(1), 1601719 (2015), “MIROV”
【非特許文献７】I. T. Sorokina and E. Sorokin, “Femtosecond Cr2+-based lasers”, IEEE J. Sel. Topics Quantum Electron., 21(1), 1601519 (2015)
【非特許文献８】S. Vasilyev, M. Mirov, and V. Gapontsev, “Mid-IR Kerr-lens mode-locked polycrystalline Cr2+:ZnS laser with 0.5 MW peak power” in Advanced Solid State Lasers, OSA Technical Digest (online) (Optical Society of America, 2015), paper AW4A.3
【非特許文献９】S. Vasilyev, I. Moskalev, M. Mirov, S. Mirov, and V. Gapontsev, “Three optical cycle mid-IR Kerr-lens mode-locked polycrystalline Cr2+:ZnS laser” submitted to Opt. Lett. (2015)
【非特許文献１０】S. Vasilyev, I. Moskalev, M. Mirov, V. Smolski, S. Mirov, V. Gapontsev, “Mid-IR Kerr-lens mode-locked polycrystalline Cr:ZnS and Cr:ZnSe lasers with intracavity frequency conversion via random quasi-phase-matching,” Proc. SPIE 9731, 97310B (2016), “VASILYEV” for detailed review
【非特許文献１１】(MIROV), S. Vasilyev, I. Moskalev, M. Mirov, S. Mirov, and V. Gapontsev, “Three optical cycle mid-IR Kerr-lens mode-locked polycrystalline Cr2+:ZnS laser” Opt. Lett. 40(21), 5054-5057 (2015)
【非特許文献１２】A. Johnson in Vol. 41, No. 12 / June 15 2016 / Optics Letters
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、モードロックレーザー及びキャリアエンベロープオフセット周波数検出器を有する光周波数コム発生を提供する。モードロックレーザーは、基本周波数スペクトル内で発振し、同時に光周波数コム出力及び、補助光周波数コムからのスペクトル成分を含むヘテロダイン出力を発生させる。補助コムは、基本光周波数コムの高調波を含む。キャリアエンベロープオフセット周波数検出器は光学ヘテロダインを検出し、キャリアエンベロープオフセット周波数に対応する信号を発生させる。
【００１５】
少なくとも１つの実施形態において、キャリアエンベロープオフセット周波数検出器は、キャリアエンベロープオフセット周波数に対応するうなり周波数を検出し、光周波数コム出力を安定させる信号を提供する。補助光周波数コムのスペクトル重複はスペクトル拡張素子を有して提供されてもよく、スペクトルフィルタリングは、フィルター素子を有して提供されてもよい。
【００１６】
少なくとも１つの実施形態において、モードロックレーザーは、ポンプ光源及びフェムト秒（ｆｓ）発振器を利用し、レーザー媒体は、光周波数コム出力を発生させ、同時に少なくとも１つの光学高調波を自己発生させる非線形レーザー媒体である。ｆｓ発振器は、高い２次及び３次非線形性並びに多結晶構造を有するＴＭ：ＩＩ−ＶＩ型レーザー材料を利用する中赤外線カーレンズモードロックｆｓ発振器でありうる。ＴＭ：ＩＩ−ＶＩ型レーザー材料は、ランダム準位相整合プロセスを介して３波混合を提供しうる。ｆｓ発振器は、１つまたは複数の光学高調波において増加した出力に適合した共振器キャビティを含みうる。
【００１７】
本発明はまた、光周波数コム出力及びヘテロダイン出力をモードロックレーザーで同時に発生させ、ヘテロダイン出力内の補助光周波数コムのスペクトル成分間のうなりを検出し、検出されたうなりに基づくキャリアエンベロープオフセット周波数に対応する信号を発生させることによる、光周波数コム出力及びヘテロダイン出力を有するモードロックレーザーにおける光周波数コム方法を提供する。
【００１８】
本発明はさらに、基本光周波数コム出力及び１つまたは複数の光学高調波をＣｒ：ＺｎＳ材料内で直接同時に発生させ、これらの出力のいずれか１つとともに、基本周波数出力または光学高調波出力のいずれかがスペクトル成分であると考えられ、補助光周波数コムの第１及び第２のスペクトル成分間のヘテロダインうなりを検出し、検出されたうなりに基づくキャリアエンベロープオフセット周波数に対応する信号を発生することにより、自己発生高調波出力を有するカーレンズモードロック中赤外線多結晶Ｃｒ：ＺｎＳ発振器ベースのレーザーシステムにおけるキャリアエンベロープオフセット周波数を検出する方法を提供する。２つの出力のいずれかを選択する原理は、任意のそのような出力のセンサーの利用可能性とともに、信号の強度を含みうる。そのため、典型的には基本周波数出力及び高調波出力を選択してもよく、２次高調波が信号強度のために好適でありうるが、当業者であれば任意の２つの区別される高調波出力を選択することもできるが、２次及び３次がその信号強度に好適でありうる。
【００１９】
本開示の前述及び他の態様、特徴及び利点は、以下の図面を補助としてより容易に明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１Ａ】モードロックパルスの一連のシーケンスを示す。
【図１Ｂ】モードロックパルスの一連のスペクトルを示す。
【図２】オクターブ及び２倍周波数スペクトルのスペクトル重複を示す。
【図３】非線形干渉計の概略を示す。
【図４Ａ】出力パルスの自己相関を示す。
【図４Ｂ】出力パルスの測定スペクトルを示す。
【図４Ｃ】レーザー材料結晶粒の画像を示す。
【図４Ｄ】レーザー出力の画像を示す。
【図４Ｅ】測定されたレーザービームのプロファイルを示す。
【図５】ｆＣＥＯ検出の概略図を示す。
【図６Ａ】インラインスペクトル拡張の概略図を示す。
【図６Ｂ】インラインスペクトル拡張の概略図を示す。
【図７】分離経路スペクトル拡張の概略図を示す。
【図８】光周波数コム発生器の概略図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
これから、本発明の実施形態の詳細を参照する。可能な場合はいつでも、同じまたは類似の参照番号または記号が、同じまたは類似の部分または段階を指すために、図面及び説明で使用される。図面は簡略化された形態であり、正確なスケールではない。利便性及び明確性の目的のみのために、方向（上下など）または動き（前方／後方など）の用語が、図面に関して使用されうる。「結合する」という語及び類似の用語は、必ずしも直接的及び密着した接続を意味するのではなく、中間要素またはデバイスを介した接続も含む。
【００２２】
遷移金属ドープＩＩ−ＶＩ半導体（ＴＭ：ＩＩ−ＶＩ）に基づくＦｓ発振器は、ｆｓ光学パルスを、重要な中赤外線波長範囲で直接得ることを可能にし（非特許文献６、７）、そのため、標準的な近ＩＲ発振器の周波数ダウンコンバージョンのための複雑かつ大きなセットアップの必要性を避けることができる。さらに、多結晶Ｃｒ２＋：ＺｎＳ及びＣｒ２＋：ＺｎＳｅカーレンズモードロックレーザー技術における最近の進歩は、平均出力（２Ｗ）（ＭＩＲＯＶ）、パルスエネルギー（２４ｎＪ）（非特許文献８）、パルス持続時間（≦２９ｆｓ）（非特許文献９）の点で、中赤外線ｆｓ発振器の出力パラメータにおける顕著な改善をもたらしている。
【００２３】
中赤外線ｆｓ発振器に基づく光周波数コムの発展は、分光分析及び、いわゆる分子指紋領域におけるセンシングに関する多数の応用例に関して非常に重要である。中赤外線周波数コムはまた、高強度場物理及び非線形光学系、アト秒科学、高次高調波発生、粒子加速などに関する応用例においても重要である。
【００２４】
ＴＭ：ＩＩ−ＶＩ材料に基づくｆｓ発振器のパルス反復周波数の検出及び制御は、むしろ容易である（例えば、ＭＩＲＯＶを参照）。ＴＭ：ＩＩ−ＶＩ  ｆｓ発振器のキャリアエンベロープオフセット周波数ｆＣＥＯの検出は、前述のように非線形干渉法で実現可能であり、検出されるｆＣＥＯは、例えば位相ロックループを用いて、光周波数コムを安定化させるのに使用可能である。しかし、安定性、価格合理性及び小型化を提供する単純化され、改善された中赤外線周波数コムは、幅広い分野で、特により環境に対する感度が高く、複雑な干渉計システムが、静穏な研究室環境に制限される場合に望ましい。
【００２５】
単純かつ安定したｆＣＥＯ検出を有する、本発明の態様は、例えばＴＭ：ＩＩ−ＶＩ  ｆｓ発振器などのモードロックレーザーベースの光周波数コムのキャリアエンベロープオフセット周波数ｆＣＥＯの検出を提供する。このｆＣＥＯ検出により、非線形干渉計の使用及び、付随するキャビティ外非線形周波数変換を避けることができ、そのため中赤外線周波数コムの堅牢性を大きく改善する。
【００２６】
多結晶ＴＭ：ＩＩ−ＶＩレーザー媒体のパラメータの組合せ（非特許文献１０を参照）、すなわち、極超高速レーザー機能、高い２次及び３次非線形性、並びに多結晶構造は、ランダム準位相整合（Ｒａｎｄｏｍ  Ｑｕａｓｉ−Ｐｈａｓｅ−Ｍａｔｃｈｉｎｇ，ＲＱＰＭ）プロセスを介したｆｓ光学パルスの３波混合を可能にする。結果的に、多結晶ＴＭ：ＩＩ−ＶＩに基づくｆｓ発振器の重要な独特の特徴は、光学高調波の発生であり、これは、ＲＱＰＭプロセスを介してレーザー増幅媒体内で直接生じる。そのため、ｆＣＥＯ検出の使用に関して光学高調波を発生するために、キャビティ外非線形光学要素発生を使用するのとは対照的に、ＲＱＰＭを用いて、レーザーは、いかなる追加的な非線形光学要素を付加することもなく、レーザー共振器キャビティ内で、周波数光学高調波を自己発生することができる。
【００２７】
ここで図４Ａから４Ｅを参照すると、動作可能なカーレンズモードロック多結晶Ｃｒ：ＺｎＳ発振器のｆｒｅｐ＝８４ＭＨｚの反復率における様々なパラメータが示されている。図４Ａは自己相関を示し、図４Ｂは典型的なパルスのスペクトルを示し、図４Ｃは多結晶増幅素子の微細構造を示し、図４Ｄはモードロックレーザーの増幅素子の写真を示し、図４Ｅは出力ビームプロファイルを示している。スペクトル図４Ｂは、ｆ、０．５Ｗパワーの基本中赤外線帯域、２ｆ、０．１Ｗパワーの２次高調波、３ｆ、３次高調波、４ｆ、４次高調波、ｓｆｇ、ｆｓ中赤外線パルスとｃｗポンプ放射との間の合計周波数発生、及び残余のポンプに起因するスペクトルを含む対数スケールで表されている。２次高調波で得られたパワーはｆｒｅｐ〜１００ＭＨｚ反復率で約０．１−０．３Ｗであり、高いｆｒｅｐ〜１ＧＨｚ反復率で約１−１０ｍＷである。３次及び４次高調波の光学パワーは、既製品のフォトダイオードによる検出に対して十分高い（非特許文献１１）。この例示的なレーザーにおいて、４次高調波放出は、図４Ｄに示された可視スペクトルにおいて明確に見えるほど十分強い（詳細については（ＶＡＳＩＬＹＥＶ）を参照）。
【００２８】
図５は、多結晶ＴＭ：ＩＩ−ＶＩレーザー増幅材料に基づくモードロックレーザーにおけるｆＣＥＯ検出の態様を示している。少なくとも１つの実施形態において、第１及び第２の補助光周波数コムは、増幅媒体内で直接生成され、発振器出力の一部としてｆｓ発振器の外部に結合され、ダイクロイックミラーＤＭによって基本周波数コムから分離された２次及び３次光学高調波２ｆ及び３ｆである。光周波数コム出力（例えば基本周波数コムｆ）及び高調波出力（例えばｆ２及びｆ３）の、ＤＭを出る２つの出力光学経路が存在する。高調波出力に２ｆ及び３ｆの部分的なスペクトル重複が存在する場合、各スペクトル成分２ｆ２ｎ及び３ｆｎは、光学ヘテロダイン出力において第１及び第２の波長Ａ及びＢを含む。光学ヘテロダインはうなりを発生し、うなりの周波数は、キャリアエンベロープオフセット周波数に等しい。このうなりは、キャリアエンベロープオフセット周波数検出器で検出され、うなりに応じて、キャリアエンベロープオフセット周波数検出器は、ｆＣＥＯに対応する信号を発生する。このようにして、ｆＣＥＯは、キャビティ外非線形素子、周波数変換結晶または従来の非線形干渉計を使用することなく検出される。任意選択的に、レンズ、ミラーなどの組合せが、光検出器ＰＤ上にレーザービームをコリメートし、偏向し、集束するために使用されうる。
【００２９】
光学ヘテロダインが、うなりを発生するために少なくとも２つのレーザー波長（例えばスペクトル成分２ｆ２ｎ及び３ｆｎ）を必要とするのに対し、本発明は２つの波長に限定されないことは理解されるべきである。全ての重複スペクトル成分は、同じうなりを発生するので、ヘテロダイン出力は、２ｆ及び３ｆの重複からの多くのスペクトル成分を含みうる。２次及び３次光学高調波がこの例で使用されるのに対し、基本波長を含む、うなりを生成するのに適した自己発生波長の任意の組合せが、本発明の範囲内にあるものと考えられる。
【００３０】
光学成分は、使用される光学高調波に従って選択されるべきである。例えば、基本周波数コムが、光学ヘテロダインを発生するために２次光学高調波と共に使用される場合、ＤＭは排除されるか、または部分反射性ミラーと置き換えられうる。同様に、ｆｓ発振器の異なる構成が、例えば、基本周波数コム出力を発生するために、複数の出力結合器と共に使用されてもよく、１つまたは複数の高調波は、ｆｓ発振器から直接出力する。
【００３１】
カーレンズモードロック多結晶Ｃｒ：ＺｎＳ発振器において、多結晶増幅器の微細構造（すなわち、平均結晶粒サイズ）の制御が、特定の光学高調波（例えば２ｆ）を選択的に増強するものと予測される。
【００３２】
ｆｓ発振器の設計は、ヘテロダインうなりを増強し、ｆＣＥＯ検出を改善しうる。高調波成分間のスペクトル重複は、十分に広い光学スペクトルを有する発振器において提供されうる。２ｆよりも幅広いスペクトル（例えば３ｆ、４ｆ）を有するより高次の周波数光学高調波が、スペクトル重複を提供するために、補助光周波数コムとして使用されうる。しかし、多結晶Ｃｒ２＋：ＺｎＳ／ＺｍＳｅ／ＣｄＳｅにおけるスペクトル拡張は、スペクトル重複するために選択された高調波について十分に幅広い連続体の発生のためには十分でない場合がありうる。スペクトル拡張は、スペクトル重複を提供または増大し、追加的なスペクトル拡張デバイスＳＢ（非線形ファイバー、非線形導波路、バルク材料など）を使用して、スペクトル重複の必要性を満足するために使用可能である。ＳＢは、ｆｓ発振器とＰＤとの間に設けられ、スペクトル重畳した光周波数コムを提供する。
【００３３】
ＳＢデバイスは、適切な非線形光学特性を有する、ある長さのフォトニック結晶（ＰＣ）ファイバーでありうる。ＰＣ材料は、拡張される高調波周波数スペクトル（または複数のスペクトル）に従う透過波帯域及び、好適にはスペクトルの中央に対応するゼロ分散波長を有して選択される。ＰＣファイバー材料は、溶融シリカ、ＺＢＬＡＮ、窒化シリコン及びカルコゲナイドを含む。特許文献１は、スーパーコンティニウムを発生させるために使用され、Ｔｉ：サファイアレーザーと共に使用するためのＺＢＬＡＮ  ＰＣファイバーを開示しており、スーパーコンティニウムキットモデルＳＣＧ−８００は、カリフォルニア州アーバインのＮｅｗｐｏｒｔ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ社から入手可能である。非線形導波路は、短く直線的な導波路であってもよく、例えば１０ｍｍの長さの窒化シリコン導波路が、非特許文献１２に記載されている。
【００３４】
既存の現在のＰＣの設計及び非線形導波路のパラメータは、ＣＯＭＳＯＬなどの多体物理ソフトウェアでモデル化可能であり、モードロックレーザー光源の１つまたは複数の周波数スペクトルを有する使用について予測的に適合可能であることが予測される。
【００３５】
キャビティ外スペクトル拡張は、例えば図６Ａに示されるように、十分なスペクトル重複を提供するために複数の補助周波数コムを拡張することができ、または図６Ｂに示されるように、十分なスペクトル重複を提供するために１つの補助周波数コムを選択的に拡大することができる。
【００３６】
スペクトル拡張を有する単一の光学経路を使用することが望ましい一方で、第１及び第２の補助周波数コムは、図７に示されるように分離した光学経路に分離され、スペクトル拡大され、うなり検出のために再結合されてもよい。例えば、使用可能なスペクトル帯域またはＳＢ分散制限などの特定のスペクトル拡張デバイスの制限は、単一の補助周波数コム拡張を必要としうる。この場合、２つの高調波が拡張されることとなる場合には、これはそれぞれ高調波に対する、２つのＳＢデバイスで達成されうる。単純化されたＳＢを有する分離光学経路の複雑さは、より多くを要求するＳＢの必要性を有する単一経路よりも好適でありうる。
【００３７】
スペクトル拡張及び光学ヘテロダイン性能は、増大された出力パワーで好適な高調波を選択的に発生することで増強されうる。例えば、ｆｓ発振器キャビティミラーは、高調波発生を増強するために、スペクトル選択性を有するように設計されうる。同様に、使用されない高調波または対象外のその他の波長は抑制されうる。
【００３８】
そのため、ｆＣＥＯ検出、スペクトル的、空間的及び時間的重複のための前述の必要な条件は、重複スペクトル領域をもたらすための１つまたは複数の光学高調波で十分に幅広い光学スペクトルを有するモードロックレーザーで達成される。
【００３９】
モードロックレーザーは、多数の高調波出力スペクトルを導き、１つまたは複数の光学高調波の少なくとも一部は、光学ヘテロダイン出力に加えて単一のまたは複数の出力ビームにおいてキャビティ外で結合されうることが望ましいであろう。
【００４０】
レーザー増幅媒体の色分散は、光学高調波の顕著な時間的拡張及び、時間的なそれらの（少なくとも部分的な）重複を得る結果となる。そのため、任意選択的に、光周波数コム発生器は、分散制御構成要素ＤＣ（分散性ミラーの組合せ、プリズムまたは光子の組合せ、分散補償光ファイバー、分散補償導波路など）を備えることができる。少なくとも１つの実施形態において、ＤＣはＳＢの前に取り付けることができ、入力において２ｆ及び３ｆ光周波数コムを受容し、時間的に重畳された２ｆ及び３ｆ光周波数コムを提供する。
【００４１】
任意選択的に、スペクトルフィルタＦが、特定のスペクトル成分を抑制するために使用されてもよく、そのため、光検出器におけるうなりの品質を改善することができる。例えば、不要な高調波、残存基本波、残存ポンプまたはその他の光学エネルギーがフィルターされて、ヘテロダイン出力の検出を増強しうる。
【００４２】
中赤外線ｆｓ発振器の多結晶ＴＭ：ＩＩ−ＶＩ増幅媒体内に直接検出可能な光学高調波を発生させることは、キャリアエンベロープオフセット周波数ｆＣＥＯを検出するための扱いにくい非線形干渉計の使用を避ける単純な代替例をもたらす。図８を参照すると、本発明の少なくとも１つの実施形態によれば、非常に単純かつ堅牢な光周波数コム発生器は、安定した光周波数コム出力を発生するための、モードロックレーザー、自己発生ヘテロダインベースのｆＣＥＯ検出信号、及びｆＣＥＯ検出器を使用する。
【００４３】
ｆＣＥＯ検出器は、ｆｓ発振器の増幅媒体内に直接基本周波数コムｆから発生された、２ｆスペクトル成分と３ｆスペクトル成分または、その他の光学高調波スペクトル成分の間のうなりとして、ｆＣＥＯを検出するための十分に高感度で高速な光検出器ＰＤ（アバランシェフォトダイオード、光増倍管など）を利用しうる。ｆＣＥＯ検出器信号は、例えば位相ロックループ及びレーザー周波数制御デバイスで知られるように、ｆＣＥＯを安定するために使用されうる。安定したｆＣＥＯはある値に設定されうる。好適には、ポンプレーザーパワーは、レーザー周波数を制御するために使用される。音響光学変調及び電気光学変調のような減衰器技術は、ポンプレーザーパワー制御レーザーの周波数を変化させ、ｆＣＥＯを安定させうる。その他の周知のｆＣＥＯ安定化技術は、例えば格子またはその他の光学構成要素を傾けることにより、ｆｓ発振器を離調することを含む。
【００４４】
当業者であれば、実験を繰り返すことなく、本明細書に説明された発明の特定の実施形態の多数の等価物を使用することを理解し、または確認することができるであろう。開示された方法は、任意のシステムで使用可能であるが、ここで開示された構造への推進は、光周波数コム発生器にある。そのため、前述の実施形態は、単に例示として示されたものであり、添付された特許請求の範囲及びその等価物の範囲内で、本発明は具体的に説明された以外の形態でも実施されうることは理解されるべきである。本開示は、本明細書で説明された個々の特徴、システム、材料及び／または方法のそれぞれに向けられる。さらに、そのような特徴、システム、材料及び／または方法の２つまたはそれ以上の任意の組合せは、そのような特徴、システム、材料及び／または方法が相互に矛盾しなければ、本発明の範囲内に含まれる。
【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４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図４Ｅ】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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