JP2009031285A - 超短パルスにおける多重パルス状態の検出と回避のための方法と装置 - Google Patents

Abstract

【課題】信頼性のある識別表示を保証する簡易化された及び／又は改良された方法と、増加したロバスト性とコンパクトさに関して最適化された設計と所望のコンポーネント数を有する、ソリトンモードの超短パルスレーザーにおける単一、二重、又は多重パルス状態の検出と識別のための対応する装置とを提供すること
【解決手段】ソリトン状態で動作しフェムト秒又はピコ秒パルスを生成する超短パルスレーザーシステムにおける望ましくない二重又は多重パルス状態の検出方法は、レーザー発光の生成のための増幅用レーザー媒質と、少なくとも一つの共鳴器ミラーを有するレーザー共鳴器と、ポンプソースを備える。共鳴器サイクルにわたって平均化されたパルスパワーｐ（ｔ）又はパルスエネルギーに比例した第一信号μが、レーザー発光に対して測定される。共鳴器サイクルにわたって平均化されたパルスパワーＰ（ｔ）の二乗に比例する第二信号νが、レーザー発光に対して測定される。二重又は多重パルス状態の発生が、測定信号μとνの比較に基づいて検出される。
【選択図】図３

Description

本発明は、請求項１の特徴項前段に従う超短パルスレーザーシステムにおける二重及び多重パルス状態の検出方法と、前記超短パルスレーザーシステムにおける多重パルス状態の回避とレーザー動作点の最適化のための方法と、請求項９の特徴項前段に従う二重又は多重パルス状態を検出するための測定装置と、超短パルスレーザーシステムとに関する。

超短パルスレーザーシステム、即ち、フェムト秒又はピコ秒レンジのパルス幅を有するレーザーパルスを生成するためのレーザーシステムが、従来技術において長く知られてきた。対応するパルス特性を生成するアプローチは、ソリトン法におけるモード同期操作であって、共鳴サイクルあたり単一又は多重パルスを生成することが可能である。これら動作状態は、分散と自己位相変調の両方に依存し、従って共鳴装置における瞬間的パスル強度や、モード同期機構の変調の深さや、利用可能な利得帯域幅その他フィルタ効果に依存する。理論モデルにおけるこれらの効果の組み合わせが、少なくともマスター方程式アプローチとしての断熱的パスル発生を推定して、動作状態間の遷移を事前に求めることを可能にする。その条件の解説とモデリングは、例えばＪ．Ｏｐｔ．Ｓｏｃ．Ａｍ．１６（１９９９）の８９５〜９０４ページに表わされている。しかし上述のアプローチは、特に長い共鳴装置を有するレーザーに関して、貧弱な解説しかされていない。パルス整形上の上述の効果のアクションの離散的性質は、ここにおいてより明確になり、達成できるパルスパラメータ、例えばエネルギーとパルス幅、異なる状態間の遷移、即ち、単一又は多重パルス状態等に順番に作用する。

単一パルスから二重パルス動作に向かうソリトンレーザーの一般的な振る舞いは、例えば個々のパルスが共鳴サイクル以内の場合において、略半減されたエネルギーと略二倍になったパルス幅とに存する。パルス状態間の遷移は、一般的に図２や図３に示すヒステリシス特性を示す。

しかし、ここではパルスとエネルギーとパルス幅は最適化されているので、超短パルスレーザーのほとんどの用途には、単一パルス動作が要求される。一般的な非ソリトンレーザーとは対照的に、これらのレーザーは、理想的な動作点を有し、利得力学に関係する様相以外（品質切替モード同期等）にも要求される、せいぜい相対的に狭い動作範囲である。最大の可能なエネルギーと最小の可能なエネルギーパルス幅が一般的に応用において要求されるので、レーザーの動作点は、必然的に単一と多重パルス状態のヒステリシスに非常に接近して位置する必要がある。従って、レーザーの動作点は、工業的には一般的な千時間以上の実行時間の後に発生するレーザーパラメーターの僅かな変化によってさえ生じる単一多重パルスヒステリシスの範囲に移動可能である。これは、スイッチが入った後にレーザーが多重パルスを放射する有限の可能性に帰結する。

従って、超短パルスレーザーを工業的に適応させるためには、必要ならば二重又は多重パルス状態を回避又は除去するための適切な測定を開始するための、信頼性のある、複雑でないコンパクトな指示計を有することが非常に重要である。

従来技術は、二重パルスを直線状に検出するための二つの相対的に複雑なアプローチを開示している。第一に、１００ピコ秒以上の間隔を有するパルスを自己相関によって検出する。この目的のために必要な遅延を有する自己相関は、商業的に利用可能であるが、この自己相関法は複雑であり、装置に関する要求が厳しい。もう一つのアプローチは、より大きな間隔を有するパルスが、非常に高速なフォトダイオードとオシロスコープによって検出されるという事実に基づいている。この場合にも、複雑さと装置に対する要求は高度である。

二重パルスを検出するための自己相関とフォトダイオード測定は、例えば、Lai M. et al., "Multiple pulse operation of a femtosecond Ti:sapphire laser" Optics Communications, Vol.142, No. 1-3, 1 October 1997, pages 45 to 49に記載されている。実験では、二重パルス状態は、動作点を変化させることによって生み出される（ポンピング電流を増加し、カップリングアウトの程度を減少させる）。自己相関幅とスペクトル幅が、それによって著しく変化しないことが観察されている。実験は、選択された測定方法が非常に複雑である（時間分解された自己相関と高速フォトダイオードとオシロスコープによるパルス変動）ことを示すのに有益である。また、自己相関器によってもフォトダイオードによっても明確に決定されないパルス間隔があるので、パルス状態に関して明瞭な説明ができないことは明らかである。ピコ秒分解能を備えたフォトダイオードと長い遅延ケーブルを有する自己相関器の選択のみが、ここで改善策を提供できる。どちらも、信号の視覚的評価が必要なため、工業的使用に対しては非常に高価であり、調整に敏感であり、大がかりであり、信頼性が無い。

例えば、Buijserd A. N. et al.,"CPM laser with electronic feedback", Measurement Science and Technology, Vol. 1, No. 8, 1 August 1990 pages 751 to 753とUS6693927B1 とUS2003/0138006A1にそれぞれの場合で目的は異なるが、同様な検出方法が開示されている。

最初の文献には、フォトダイオードを用いた制御ループによる衝突パルスモード同期（CPM）レーザーの安定化が記載されている。そこでは、パルスの自己相関関数の半値全幅が観察され、安定化の質を評価するために出力とともに用いられる。しかし、示された配置は、ソリトンモード同期レーザーにおける二重又は多重パルス状態を検出するために適切なものではなく、これらの望ましくない状態に対する適切な対策を始めるために適切なものではない。

US6693927B1は、ソリトン発信器のモード同期動作の制御された始動のための方法を開示している。これは、発信器のモード同期状態を検出し、もしモード同期状態でない場合に、いわゆる「オーバードライブ回路」のポンピング電流によってパルスモードに移動させるフォトダイオードによって行われる。Ｑスイッチモード同期や二重パルスのように従来技術で十分に知られている効果も記載され、また他の検出器（ペクトロメータ、自己相関器、周波数逓倍器）もモード同期の検出のために利用可能であることが指摘されている。

これと対照的に、US2003/0138006A1には、レーザーシステムへの追加のアナログアクセスによる精密調整とレーザー出力パラメータ、特にパワーの調節を可能にするレーザー安定化法又は調整可能な量子化ステップが記載されている。

信頼性のある識別表示を保証する簡易化された及び／又は改良された方法と、増加したロバスト性とコンパクトさに関して最適化された設計と所望のコンポーネント数を有する、ソリトンモードの超短パルスレーザーにおける単一、二重、又は多重パルス状態の検出と識別のための対応する装置とを提供することが本発明の目的である。

別の目的は、多重パルス状態を避けるためとレーザー動作点を最適化するための方法を提供することである。

また別の目的は、動作点に関して最適化された超短パルスレーザーシステムを提供することである。

これらの目的は、請求項１、９、又は１５に記載の特徴又は従属請求項に記載の特徴を有する実施例によって達成される。

本発明は、レーザーの動作状態が結論付けられるところの二つの検出器の信号を用いることに基づいている。瞬間的なパルス出力Ｐ（ｔ）のカーブと、そのピーク値の両方が、単一と多重パルス状態に対して異なり、平均値

のソリトンに対して最大出力

とし、エネルギー

繰り返し周波数

と、パルス幅

を用いて、

が表わされる。このように、共鳴装置における全エネルギーに対する平均値が一つの検出器によって記録される。即ちパルス曲線に対する積分値である。その一方で、もう一方の検出器の信号は、ピーク強度又はピーク出力（最大値）に反応する。注目すべきは、両信号が平均化され、多数の共鳴装置サイクルの変動を表わす、即ち、フォトダイオードと自己相関を用いた測定と対照的に、共鳴装置のサイクルタイム又はそれ以下の範囲において、時間依存性が無いことである。信号比は、動作状態又は二重又は多重状態の発生に関する情報を提供する。

ソリトンレーザーにおいて、エネルギー

と分散

と、自己位相変調パラメータ

と、一次ソリトンのパルス幅と、非線形シュレーディンガー方程式

の解から導出されるパルス幅

との関係は、広い動作範囲において真であり、これは例えばG.P.Agrawal, "Nonlinear Fiber Optics", Academic Press, 1989, Page 114に記載されている。

従って、パルス幅とパルスエネルギーの間には、間接的な比例関係がある。注目すべきは、この関係が単一パルスでも多重パルスでも真であるということである。一定利得飽和、従ってサイクル当たり一定の総エネルギーの下で、単一パルス状態から二重パルス状態への遷移は、二重パルス状態の個々のコンポーネントが単一パルス状態の半分のエネルギーと二倍のパルス幅を有する原因となる。しかし、注目すべきは遷移の際の利得飽和が、共鳴装置の動的損失のシフトによって、容易に変化することであり、これはJ. Opt. Soc. Am. 16(1999), pages 895-904に記載されており、ヒステリシスの原因となり、二重パルス状態において抽出がより効率的になる。

本発明に係るソリトン状態での超短パルスレーザーシステムにおける二重又は多重状態の検出法と、関連する検出用配置は、以下に図面とともにより詳細に記述する。

図１に、ソリトンレーザーの単一と二重パルス状態の概略図を示す。フェムト秒とピコ秒パルスを生成するための超短パルスレーザーシステムは、レーザー発光のための増幅機能を有するレーザー媒質と、少なくとも一つの共振器鏡を有するレーザー共振器と、レーザー媒質をポンピングするための例えばレーザーダイオード配置のようなポンプ源とを有する。超短パルスレーザーシステムは、ソリトン状態で動作し、レーザー発光に対して、例えば一フォトン吸収状態において動作するフォトダイオードによって、一つ以上のパルスに対して、共鳴器サイクルに対する平均の（平均出力、エネルギー）パルスパワーＰ（ｔ）に比例した（２）式で定義される第一信号

を測定することが可能である。

ここで、Ｔ_Rは共鳴器サイクル時間であり、Ｐ（ｔ）は瞬間的パルスパワーである。

単一パルス状態ＳＰにおいて、単一パルスが共鳴装置内を巡回運動し、パルスは時間間隔T_Rを有する。二重又は多重パルス状態が発生した場合、単一パルスは時間的に分離した２つ以上のパルスに分解する。これらは、抽出時に単一パルスより低い強度と、一般的に単一パルスより幾分高い総エネルギーを有する。これは、共鳴装置サイクル内の単一パルスの場合、二重パルスの場合に較べてエネルギーがおよそ半分であり、パルス幅がおよそ２倍であるということになる。この特徴は、本発明によれば、強度に敏感な検出器と総エネルギーに敏感な検出器の組み合わせによって、二つの状態間を識別するために用いられる。強度と総エネルギー又はそれらの比の検出信号に基づいて、状態を識別することが可能である。

図２に第一信号

に対する単一パルスと二重パルス状態間の遷移のヒステリシスサイクルを示す。ここで、水平軸はポンプ源の電流値であり、従って間接的に増幅されたレーザー媒質に結合したパワーを示し、一方、垂直軸はアウトカップルドパワーを表わす。図示したヒステリシスカーブは、パワーメータ又はフォトダイオードを用いて測定することができる。従って本例での第一信号

は、共鳴器サイクル時間当たりで平均した一つのフォトン検出の結果である。点線のカーブは、単一パルス状態ＳＰから二重パルス状態ＤＰへ遷移する際のレーザーの上昇挙動１を示している。実線は二重パルス状態から単一パルス状態への遷移の際のレーザーの下降挙動２に対応している。等式（１）で表現した関係は、両方の状態に対して真であり、遷移に際して、共鳴装置内の動的損失のシフトによって、利得飽和が僅かに変化し、これがヒステリシスを生じさせることに留意する必要がある。超短パルスレーザーの可能な動作点ＡＰは、このヒステリシスの直下で選択可能である。

図３は、一つと二つのフォトン検出に対応したヒステリシスサイクルを有する単一と二重パルス状態の図である。本発明によれば、共鳴器サイクルに対して平均化したパルスパワーＰ（ｔ）の平方に比例した第二信号

が、検出された二重パルスに対して記録される。

これは、例えば一つのフォトン吸収でなく、二つのフォトン吸収を表現する第二フォトダイオードを用いて実現可能である。ピークパワー又はピーク強度は、信号に対する決定的な基準であるので、この第二信号

としての二つのフォトン信号４は、第一信号

としての一つのフォトン信号３とは異なる遷移状態をとる。実際上、二つのフォトン信号４に貢献するピークパワー又はピーク強度は、単一パルスから二重パルス状態に遷移する際に減少し、一方、一つのフォトンエネルギー又は一つのフォトンパワー、即ち、レーザーの平均パワーは増加する。この差異、即ち、一つのフォトン信号と二つのフォトン信号という二つの信号の評価は、測定した信号

と

との比較に基づいて、一義的にかつ瞬間的にレーザーの動作状態を検出することを可能にする。

検出器として用いることが出来るフォトダイオードは、一般に一つのフォトン形態で動作する。これは、ＰＮ遷移におけるバンドエッジよりも大きなエネルギーを有するフォトンが吸収されて、それによって電子正孔対が生成することを意味する。もしフォトダイオードが適切な抵抗によって終端されたなら、印加されたバイアス電圧又はＰＮ遷移の内臓ポテンシャルが、電流の流れをもたらす。この電流は、放射電力密度に直線的に依存する。もしフォトンエネルギーがバンドエッジのエネルギーよりも低い場合、線吸収はなく、光電流は生成しない。他方で、仮想準位以上の二つのフォトンのカスケード接続によって電子正孔対が生成される可能性がある。仮想準位の寿命が短いという性質のせいで、このプロセスはとても起こりにくいが、適切な高いパワー密度によって増幅することが可能である。いわゆる２フォトン吸収は、パワー密度の二乗に比例し、それは例えばR. L. Sutherland, "Handbook of Nonlinear Optics", Marcel Dekker, 1996, page 498で説明されている。

すでに説明したように、レーザーは二重パルス状態ＤＰ又は多重パルス状態ＭＰにおいて幾分より高いエネルギーを放出する。しかし、等式（１）に基づいて、２フォトン光電流に寄与する総ピークパワーは、単一パルス状態ＳＰの場合に較べて幾分低い。２フォトン検出は強度の二乗に依存するので、単一パルス状態ＳＰより低い信号が期待される。単一パルス状態ＳＰから二重ＤＰ又は多重パルス状態ＭＰへの遷移時に、１フォトン信号において正のジャンプが期待され、２フォトン信号において負のジャンプが期待され、それらは以下のように表わすことができる。

便宜上、パワーヒステリシスは無視し、レーザーはソリトンsech²（ｔ）としてパルス幅

でエネルギーＥの単一パルス、を放射すると仮定する。パラメータをわすがに変えることによって、例えばポンピング電流等を変えることによって、レーザーは二重パルス状態ＤＰに変化する。式（１）と（３）に基づいて、両方の場合の２フォトン信号は、次式になる。

一般的に、多重パルス状態の場合の２フォトン信号は次式になる。

実際には、遷移時のパワーの増加を考慮して、２フォトン信号の場合の予期された差異は、因子ｎ²より小さい。

一例として、high-Q laser社のfemtoTRAIN 2000 1040nm 20MHzでのヒステリシスサイクルを１フォトンと２フォトン検出で測定し、その結果を図３に示す。より高い強度を生成するために、出力パワーの約１％をHamamatsu G1116 GaAsP-フォトダイオード上に集めた。後者はレーザー波長1040nmのところで非線形吸収であったが、事実上この波長で十分に有益な２フォトン有効断面があった。エレクトロニクスは、図４に示すシンプルな増幅器から成る。

ヒステリシス測定結果は図３に示す。点線のラインは１フォトン信号３を表わし、実線のラインは２フォトン信号４を表わす。ここで、２フォトン信号４は、単一パルス状態ＳＰに対して対応する１フォトン信号と合致するようにスケーリングされている。カーブは、種々の領域に分割することができ、１フォトン信号３の下側のラインと２フォトン信号４の上側ラインとは、単一パルス状態ＳＰを表わしている。１フォトン信号３の上側ラインと２フォトン信号４の下側ラインは、二重パルス状態ＤＰに対応している。パルス状態を識別するための十分にシンプルかつ明白な基準として、

の比が単一パルス状態を示し、一方で

の条件式が二重パルス又は多重パルス状態ＤＰ／ＭＰを示すように定めることができる。シンプルなソフトウエアルーチンによって、二つの信号の評価が二つの状態（ＳＰ又はＤＰ／ＭＰ）間を識別可能にする。

一般に、ｎパルスを有するパルス状態から（ｎ＋１）パルスを有する次の最も高いパルス状態へのレーザーの遷移は、パワージャンプを用いて見ることが出来る。ｎパルスとｎ＋１パルスを有する多重パルス状態間で、平均パワーは増加し、パルス幅は長くなる。多重パルス状態ｎＭＰと（ｎ＋１）ＭＰ間の差別化は、ｎ＝１に対する上述の基準と同様の基準によって実行可能である。二つの状態に対する差分

の限界は、実験的に求められる。例えば、三重パルス状態は比

によって特徴付けられ、一方で二重パルス状態は条件式

で定義される。従って、すべての可能性のあるパルス状態は、ルーチンによって識別可能である。ここでまた注目すべきは、自動的にパルス状態を検出可能であり、例えば高速フォトダイオードと自己相関器を用いた測定の場合において、オペレータによる評価はまったく必要でない。

検出器に関して、ただ一つのフォトダイオードを用いて１フォトンと２フォトン吸収に連続して測定が成立するように、即ち、既知の方法で第一信号

が測定され、２フォトン又はマルチフォトン吸収によって第二信号

が測定されるように、フォトダイオードの異なる動作状態として、第一と第二レーザー検出器を形成することが可能である。

２フォトン又はマルチフォトン検出の別な可能性は、例えばＬＥＤ又はマルチフォトン効果を有する光伝導セル、又はシリコンアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）の使用に存する。基本的な取り組みは、例えば以下の文献に記載されている。Reid D.T. et al., "Light-emitting diodes as measurement devices for femtosecond laser pulses", Optics Letters, Vol. 22, No. 4, 15 February 1997, pages 233 to 235とKikuchi K., "Highly sensitive interferometric autocorrelator using Si avalanche photodiode as two-photon absorber", Electronics Letters, Vol. 34, No. 1, 8 January 1998, pages 123 to 125。

これらのコンポーネントの入力信号に対する応答は、ピーク強度に依存する。強度が高いほど、信号も大きくなる。レーザーパワーと比較すると、この信号の測定も、動作状態の決定を可能にする。

例えばＩｎＰを２フォトン吸収体として用いることによって、２フォトン又はマルチフォトン吸収の測定が送信においても同様に行われる。吸収がパルスのピークパワーに依存するので、送信した、即ちスイッチスルーしたパワーを測定すれば十分である。もしパワーが高い場合、レーザーは二重パルスＤＰ又は多重パルス状態ＭＰにある。

第二信号

を記録するための代替案は、周波数多重、特に周波数倍増又は３倍増の使用に存する。このような多重化法では、例えばＢＢＯ（ホウ酸バリウム）、ＬＢＯ（リチウムトリボレート）、ＰＰＬＮ（周期的に分極されたニオブ酸リチウム）又はＫＴＰ（チタンリン酸カリウム）といった結晶が用いられる。ＳＰとＤＰ／ＭＰ遷移の場合の信号比は、２フォトン吸収の場合の信号比に相当する。二重ＤＰ又は多重パルス状態ＭＰの場合、ピーク強度は低いので、多重化信号は単一パルス状態の場合より小さく、実行されるべき検出に対して、例えばパワーメータを用いることができる。単一パルス状態ＳＰと二重ＤＰ又は多重パルス状態ＭＰの比は、４分の１又は１／ｎ²である。

動作状態の検出は、多重パルス状態を避けるための方法やレーザー動作点の調整又は最適化の方法の提供を可能にする。

可能なキャリブレーション方法は、以下のようになる。
−レーザーを温度自動調節し、最適に調節する。
−単一パルス状態ＳＰから二重ＤＰ又は多重パルス状態ＭＰへの遷移を測定するために、レーザーを二重又は多重状態になるように変更する。この目的のために、ポンピングパワーを許容最大値にまで増加させる。
−二重ＤＰ又は多重パルス状態ＭＰの始まりから、例えば０．５Ａステップといった段階的にポンプソースの動作電流を減じることによって、パワー対動作電流曲線の切片を測定する。
−測定した信号の

を基にして、ＭＰ−ＤＰ−ＳＰ遷移を観測する。ＤＰ−ＳＰ遷移が確立された後に、この遷移に供給された動作電流を、動作点のための電流として定義することができる。この動作電流値又は測定されたパワーは、最初に測定される動作点ＡＰである。
−得られたＡＰの安定性は、数回スイッチのオンとオフを繰り返すことによって検証することができる。複数のスイッチオン／オフプロセスの間、（例えば５〜１０サイクル、各サイクル約１０秒）二重又は多重パルス状態ＤＰ／ＭＰは発生することが許容されない。

いくつかのソリトンレーザーの場合において、スイッチングオン時のレーザーがモード同期動作に入る動作パラメータは、種々の理由から、相対的にＳＰ−ＤＰ／ＭＰヒステリシスに近いか、又はその範囲内にある場合がある。この場合、例えば、レーザーをスイッチングオンする方法として、電流ランプを選択することができる。
−増加した電流と共に、レーザーがスイッチングオンされる。加えて、モード同期動作が、更なるパラメータの変更（分散、聴覚障害、等）によって励起される。これにより、レーザーがモード同期二重パルス又は多重パルス状態ＤＰ／ＭＰになる。増加した動作電流は、数秒間維持される。
−次に動作電流は、レーザーをモード同期単一パルス状態ＳＰにする、ＤＰ−ＳＰ遷移以下の値にまでゆっくり減少する。減少した動作電流は、数秒間維持される。
−次に動作電流は、ゆっくり正常値にまで戻り、一定の環境下でＳＰ−ＤＰ／ＭＰヒステリシス内に存在する。

図４に、２つの１００ｋΩ抵抗４と１ＭΩ抵抗５と３つの４７０ｐＦキャパシタ６と浜松Ｇ１１１６ＧａＡｓＰフォトダイオード７とオペアンプ８を備えた２フォトン検出用の単純な増幅回路の概要図を示す。Ｖｃｃは供給電圧を指す。

図５は、例えばソリトン状態において動作し、フェムト秒又はピコ秒パルスを生成するために用いられる超短パルスレーザーシステムにおいて使用可能な、二つのレーザー検出器を備えた本発明に係る第一実施例の詳細を説明している。このレーザーシステムは、少なくとも一つの共振器ミラーを備えたレーザー共振器としての発信器１０と、レーザー発光のための増幅用レーザー媒質と、調整されたポンプソース９、特にレーザー媒質をポンピングするためのレーザーダイオードソースを有する。レーザー光は、発信器１０又は空洞共振器の内側又は外側に設けられた偏向ミラー１１によって結合され、スプリッターミラー１２へ供給される。ここで、ＥＸはレーザーシステムの出口を示す。第一レーザー検出器１３と第二レーザー検出器１４は、スプリッターミラーの後ろに設けられており、第一レーザー検出器１３は一つ以上のパルスに対する平均パルスパワー又はパルスエネルギーを測定するためのものである。第一レーザー検出器１３は、１フォトン吸収状態で動作するフォトダイオードとすることができる。

第二レーザー検出器１４は、一つ以上のパルスに対するピークパルスパワー又はピークパルス強度を測定するようになっている。第一と第二レーザー検出器の測定信号の比較に基づき二重ＤＰ又は多重パルス状態ＭＰの発生を検出するための評価コンポーネントは、ここでは明瞭さのために図示していない。第二レーザー検出器１４は、２フォトン又はマルチフォトン吸収状態で動作するフォトダイオードを用いて実現することができる。

１フォトン又はマルチフォトン吸収状態の使用は、また異なるモードによる二つの別々のレーザー検出器の機能性の実現を可能にする。即ち、第一と第二レーザーダイオード１３、１４はフォトダイオードの異なる動作状態によって実現される。

第二レーザー検出器は、しかし、ＬＥＤ又は２フォトン又はマルチフォトン効果を有するフォトレジスターであってもよく、又は送信時に２フォトン吸収を行うＩｎＰを備えることもできる。

本発明に係る二つのレーザー検出器を備えた配置の第二実施例を図６に示す。偏向ミラー１１を介して発振器１０から出力した後、レーザー光はスプリッターミラー１２によって、第一検出器としてのパワーメータ１５と、第二検出器としての組み合わせである周波数二重化又は周波数多重化用コンポーネント１６ｂを備えたパワーメータ１６ａ上に供給される。第二レーザー検出器の特定の機能を実現するために、少なくとも一つのＢＢＯ，ＬＢＯ，ＰＰＬＮ，又はＫＴＰ結晶からなる追加の機能的コンポーネント１６ｂが、パワーメータ１６ａの前に接続されており、パワーメータ１６ａは、原理的に第一検出器としてのパワーメータ１５と同一又は同種類となるように設計することができる。

本発明によれば、二重又は多重パルス状態を検出するための別の検出器の概念を、二つの検出器からなるアプローチに組み合わせることができる。又は、それらを補完し、特定の環境下でそれらを置換することができる。これらは図７ないし図９（ａ）、９（ｂ）で説明されている。しかし、それらは原理的に本発明に係る二つの検出器を用いたアプローチから独立している。

図７に、適切な吸収体１８を備えた本発明に係る第一の代替的な、又は補足的な配置の実施例を示す。レーザー光がレーザーシステム１７から供給され、偏向ミラー２０を介して出口ＥＸへと向かう。ビームスプリッティング用に設計された偏向ミラーが、光の一部が可飽和吸収体１８を介してレーザー検出器１９に入射することを可能にする。これにより、高速可飽和吸収体１８を通る透過率が測定され、これに対し、例えば適切なエネルギーギャップを有するＧａＡｓ又は他の材料との間のＩｎＧａＡｓといった量子波吸収体を有することができる。これは強度依存飽和挙動を示し、異なるパルス状態間の区別が同様に実現可能です。可飽和材料は、入力エネルギーを吸収し、飽和時に、パルスが通過することを許容します。飽和は、パルス幅とパルス強度に依存します。可飽和吸収体の適切な選択は、単一パルス状態ＳＰのパルスの透過を許容し、二重ＤＰ又は多重パルス状態ＭＰのパルスをブロックするので、レーザーの動作状態は、透過することが許されたパワーに基づいて求めることができる。以下の計算で示されるように、可飽和材料の非飽和動作における二つの状態間の信号のコントラストは、飽和状態での動作時のものより大きい。

強度依存透過率は、以下のように記述できる。

ここで、Ｉ_satは飽和強度であり、Ａ₀は吸収力である。Ｉ=Ｉ_satでＡ₀＝１の飽和状態に対して、以下の式が成り立つ。

一方で、Ｉ＝０、１Ｉ_satでＡ₀＝１の非飽和状態に対して、比較的高い信号コントラストＴ（Ｉ_sp）／Ｔ（Ｉ_DP）は以下のようになる。

図８に一例として、吸収体の前の正規化された強度Ｉ／Ｉ_satの関数としての高速可飽和吸収体を通る透過率Ｔ（Ｉ）の曲線を示す。

スペクトラルパルス分析を備えた本発明に係る配置の第二の代替的な又は補足的な実施例を図９（ａ），９（ｂ）をもとに詳細に説明する。パルス状態を検出するための、この別の代替物は、パルスのスペクトル分解の使用に存する。二重又は多重状態ＤＰ／ＭＰにおいて、パルスはより長いパルス幅を有するが、他方で、そのスペクトルバンド幅は、単一パルス状態ＳＰのものより小さい。例えばスペクトロメータを用いたスペクトルバンド幅の比較によって、レーザーの状態を求めることができる。あいまいさを避けるために、レーザーパワーも測定して、両方の測定を評価することができる。例えば、発信器１０で発生してアウトカップリングミラー２１を経由したパルスが、後続の回折格子２２に供給され、そしてパルスを空間的に分解することが可能である。その後、例えばＣＭＯＳ又はＣＣＤカメラ２３又は他の光学的検出器が、結果として生じる斑点の記録を可能にする。斑点のサイズに基づいて、又はアパーチャーとパワーメーターとによって、ＳＰとＤＰ状態の区別が可能である。より拡がったスペクトラム又は斑点を備えた単一パルス状態ＳＰの場合を図９（ａ）に示し、比較的より狭いスペクトラム又は斑点を備えた二重ＤＰ又は多重状態ＭＰの場合を図９（ｂ）に示す。

もちろん、図示した配置は、単に例示のためのものであり、コンポーネントは他の位置に設けることができ、又は、特定の設計への依存は、例えばスプリッターミラー又はアウトカップリングミラーは省略可能である。また、図７ないし図９（ａ）、９（ｂ）に示した実施例は、第二検出器として、本発明に係る第一検出器を用いたアプローチに組合わせることができる。

ソリトンレーザーにおける単一と二重パルス型の概略図である。 単一と二重パルス型間の遷移におけるヒステリシスサイクルを示す図である。 一つと二つのフォトン検出それぞれに対するヒステリシス特性を有する単一と多重パルス状態の図である。 二つのフォトン検出に対する増幅回路の概略図である。 本発明に係る二つのレーザー検出器を備えた配置の第一実施例である。 本発明に係る二つのレーザー検出器を備えた配置の第二実施例である。 本発明に係る可飽和吸収器を備えた配置の第一の代替的な又は補足的な実施例である 高速可飽和吸収器による伝達を示す図である。 （ａ）、（ｂ）本発明に係るスペクトルパルス分析を用いた配置の第二の代替的な又は補足的な実施例である。

Claims (15)

1. 少なくとも、
   レーザー発光を生成するための増幅用レーザー媒質と、
   少なくとも一つの共振器ミラーを有するレーザー共振回路（１０）と、
   前記レーザー媒質をポンピングするためのポンプソース（９）、特にレーザーダイオードソースと、を備えたフェムト秒又はピコ秒パルスを生成するための超短パルスレーザーシステムにおける、望ましくない二重又は多重パルス状態（ＤＰ／ＭＰ）の検出方法であって、
   前記超短パルスレーザーシステムがソリトン状態で動作し、共振器サイクルにわたって平均化されたパルスパワーＰ（ｔ）又はパルスエネルギーに比例する第一信号μを、レーザー発光に対して測定し、
   共振器サイクルにわたって平均化されたパルスパワーＰ（ｔ）の二乗に比例する第二信号νを、レーザー発光に対して測定し、
   望ましくない二重又は多重パルス状態（ＤＰ／ＭＰ）の発生を、共振器サイクル期間の範囲で独立な測定された信号μとνの比較に基づいて検出することを特徴とする検出方法。
2. 前記第一信号μが１フォトン吸収によって測定されることを特徴とする請求項１に記載の検出方法。
3. 前記第二信号νが、２フォトン又はマルチフォトン吸収によって測定されることを特徴とする請求項１又は２に記載の検出方法。
4. 前記第二信号νが、周波数多重を用いて、特に周波数倍増又は３倍増を用いて測定されることを特徴とする請求項１又は２に記載の検出方法。
5. 

   の条件式が単一パルス状態（ＳＰ）を示し、
   二つの信号μとνが実質的に一致するように、定義された単一パルス特性の状態において較正することを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の検出方法。
6. 

   の条件式が二重又は多重パルス状態（ＤＰ／ＭＰ）を示し、
   二つの信号μとνが実質的に一致するように、定義された単一パルス特性の状態において較正することを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の検出方法。
7. 超短パルスレーザーシステムを二重又は多重パルス状態（ＤＰ／ＭＰ）に設定し、
   動作電流に対する信号μとνの依存性を引き出すために、ポンプソースに対する前記動作電流を削減し、
   二重又は多重パルス状態（ＤＰ／ＭＰ）から単一パルス状態（ＳＰ）への遷移に対する動作電流値を測定する、
   ことを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の検出方法によって、二重又は多重パルス状態（ＤＰ／ＭＰ）を回避し、レーザー動作点（ＡＰ）を最適化する方法。
8. 前記動作電流を減少させた後に、限界値まで増加させることを特徴とする請求項７に記載の最適化方法。
9. ソリトン状態で動作可能な、フェムト秒又はピコ秒パルスを生成するための超短パルスレーザーシステムにおいて、二重又は多重パルス状態（ＤＰ／ＭＰ）を検出するための測定装置であって、
   共鳴器サイクルにわたって平均化されたパルスパワーＰ（ｔ）又はパルスエネルギーに比例する信号が一つ以上のパルスに対して測定可能なように形成された第一レーザー検出器（１３、１５）と、
   共振器サイクルにわたって平均化されたパルスパワーＰ（ｔ）の二乗に比例する信号が一つ以上のパルスに対して測定可能なように形成された第二レーザー検出器（１４、１６）と、
   前記第一と第二レーザー検出器（１３，１４，１５，１６）の測定信号の比較に基づいて、
   二重又は多重パルス状態（ＤＰ／ＭＰ）の発生を検出するための評価コンポーネントと、
   を備えていることを特徴とする測定装置。
10. 前記第一レーザー検出器（１３、１５）が、１フォトン吸収状態で動作するフォトダイオードで構成されていることを特徴とする請求項９に記載の測定装置。
11. 前記第二レーザー検出器（１４、１６）が、２フォトン又はマルチフォトン吸収状態で動作するフォトダイオード（７）で構成されていることを特徴とする請求項９又は１０に記載の測定装置。
12. 前記第一と第二レーザー検出器が、異なる動作状態で働くフォトダイオードで構成されていることを特徴とする請求項１０又は１１に記載の測定装置。
13. 前記第二レーザー検出器（１４）が２フォトン又はマルチフォトン効果を有するＬＥＤ又はフォトレジスタで構成されているか、又は送信時に２フォトン吸収を行うＩｎＰを備えていることを特徴とする請求項９又は１０に記載の測定装置。
14. 前記第二レーザー検出器（１６）が周波数多重用の少なくとも一つのＢＢＯ、ＬＢＯ、ＰＰＬＮ、又はＫＴＰ結晶を有していることを特徴とする請求項９又は１０に記載の測定装置。
15. 少なくとも、
    レーザー発光の生成のための増幅用レーザー媒質と、
    少なくとも一つの共振器ミラーを有するレーザー共振器（１０）と、
    レーザー媒質をポンピングするためのポンプソース（９）、特にレーザーダイオードソースと、
    請求項１０ないし１４のいずれか１項に記載の測定装置と、
    を備えていることを特徴とするフェムト秒又はピコ秒パルスを生成するための超短パルスレーザーシステム。

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