(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の持続時間の励起（ポンプ）光パルスを生成する励起源と、
信号パルス発生器と、該信号パルス発生器によって生成された信号光パルスを受光して前記所定の持続時間に接近する持続時間に引き伸ばす伸張器と、を備える信号源と、
前記励起光パルスおよび前記信号光パルスを受光して両該光パルスを結合し、前記所定の持続時間の相当な部分で時間的に重なる結合光パルスを生成する結合手段と、
前記結合光パルスを受光し、前記励起光パルスのエネルギーを用いて前記信号光パルスを増幅する準位相整合結晶をもつパラメトリック増幅器と、
前記パラメトリック増幅器により増幅された前記信号光パルスを受光して圧縮する圧縮器と、
を有することを特徴とするパラメトリック・チャープパルス増幅装置。
【請求項２】
前記励起源は、少なくとも一つの励起ダイオードと、少なくとも一つのパルス源とを有する、
請求項１記載のパラメトリック・チャープパルス増幅装置。
【請求項３】
前記励起源は、ファイバー増幅器を有する、
請求項２記載のパラメトリック・チャープパルス増幅装置。
【請求項４】
前記パラメトリック増幅器は、少なくとも二つの準位相整合非線形結晶をもつ多段式の増幅装置を有する、
請求項１記載のパラメトリック・チャープパルス増幅装置。
【請求項５】
前記励起源は、アレキサンドライト再生増幅装置を有する、
請求項１記載のパラメトリック・チャープパルス増幅装置。
【請求項６】
前記信号パルス発生器は、増幅光ファイバーパルス源を有する、
請求項５記載のパラメトリック・チャープパルス増幅装置。
【請求項７】
前記励起源は、Ｑスイッチ・パルス源を有する、
請求項１記載のパラメトリック・チャープパルス増幅装置。
【請求項８】
前記励起光パルスのパルス幅（前記所定の持続時間）は、２００ピコ秒から５ナノ秒までの範囲にある、請求項１あるいは７記載のパラメトリック・チャープパルス増幅装置。
【請求項９】
前記結合手段は、前記励起光パルスの到着と前記信号光パルスの到着とを前記パラメトリック増幅器で同期させるトリガー電子回路を有する、
請求項７記載のパラメトリック・チャープパルス増幅装置。
【請求項１０】
前記トリガー電子回路は、前記信号源から受信した信号により前記Ｑスイッチ・パルス源を誘発（トリガー）する、
請求項９記載のパラメトリック・チャープパルス増幅装置。
【請求項１１】
前記Ｑスイッチ・パルス源は、能動的にＱスイッチングされるパルス源であり、前記信号源は、モード同期信号源である、
請求項１０記載のパラメトリック・チャープパルス増幅装置。
【請求項１２】
前記トリガー電子回路は、前記Ｑスイッチ・パルス源から受信した信号により前記信号源を誘発する、
請求項９記載のパラメトリック・チャープパルス増幅装置。
【請求項１３】
前記準位相整合結晶は、周期的にポーリングされる非線形結晶である、
請求項１記載のパラメトリック・チャープパルス増幅装置。
【請求項１４】
種パルス（シードパルス）を生成する種パルス発生器と、励起（ポンプ）エネルギーを生成する励起ダイオード（ポンプダイオード）と、該種パルスおよび該励起エネルギーを受け取り増幅された励起光パルス（ポンプ光パルス）を生成するファイバー増幅器とをもち、該増幅された所定の持続時間の励起光パルスを生成する励起源と、
信号パルス発生器と、該信号パルス発生器によって生成された信号光パルスを受光して前記所定の持続時間に接近する持続時間に引き伸ばす伸張器と、を備える信号源と、
前記増幅された励起光パルスと前記信号光パルスとを受光して結合し、前記所定の持続時間の相当な部分で時間的に重なる結合光パルスを生成する結合手段と、
前記結合光パルスを受光し前記増幅された励起光パルスのエネルギーを用いて前記信号光パルスを増幅する少なくとも一つの準位相整合結晶もつパラメトリック増幅器と、
前記パラメトリック増幅器により増幅された前記信号光パルスを受光して圧縮する圧縮器と、
を有することを特徴とするパラメトリック・チャープパルス増幅装置。
【請求項１５】
前記励起源はさらに、
前記ファイバー増幅器に直列に接続された少なくとも一つの付加的なファイバー増幅器と、
前記付加的なファイバー増幅器を励起（ポンプ）する少なくとも一つの付加的な励起ダイオードと、
各前記ファイバー増幅器の間に挿置された音響光学変調器とを有する、
請求項１４記載のパラメトリック・チャープパルス増幅装置。
【請求項１６】
前記ファイバー増幅器は、単モードファイバー増幅器であり、
前記付加的なファイバー増幅器は、マルチモード・ファイバー増幅器である、
請求項１５記載のパラメトリック・チャープパルス増幅装置。
【請求項１７】
前記励起源は、前記ファイバー増幅器の入出力が音響光学変調器によって制御されるマルチパス形態に形成されている、
請求項１４記載のパラメトリック・チャープパルス増幅装置。
【請求項１８】
付加的な音響光学変調器によって制御される付加的なファイバー増幅器をもち、マルチパス形態に形成されている付加的な励起源をさらに有する、
請求項１７記載のパラメトリック・チャープパルス増幅装置
【請求項１９】
前記ファイバー増幅器は、線形増幅器であってマルチパス増幅器に接続されており、該マルチパス増幅器は、ループファイバー増幅器と、該ループファイバー増幅器に接続されたポンプと、該ループファイバー増幅器の入出力を制御する音響光学変調器とをもつ、
請求項１４記載のパラメトリック・チャープパルス増幅装置。
【請求項２０】
前記励起源は、前記信号パルスの波長よりも短い波長をもつ励起エネルギーを生成する、
請求項１４記載のパラメトリック・チャープパルス増幅装置
【請求項２１】
前記励起源は、前記増幅された励起パルスを受光してその周波数を二倍にする倍調波器をさらに有する、
請求項１４記載のパラメトリック・チャープパルス増幅装置。
【請求項２２】
前記パラメトリック増幅器は、第１準位相整合結晶および第２準位相整合結晶をもつ二段増幅器であり、
前記励起源は、該励起源からの出力を一方と他方とに分割して該一方を前記第１準位相整合結晶に供給し該他方を前記第２準位相整合結晶に供給する偏光ビームスプリッターをさらに有する、
請求項１４記載のパラメトリック・チャープパルス増幅装置。
【請求項２３】
前記準位相整合結晶は、周期的にポーリングされる非線形結晶である、
請求項１４記載のパラメトリック・チャープパルス増幅装置。
【請求項２４】
種ダイオードと、励起用レーザーと、該種ダイオードおよび該励起用レーザーに応答して励起パルスを生成する再生増幅器とをもち、増幅された所定の持続時間の励起光パルスを生成する励起源と、
信号パルス発生器と、該信号パルス発生器によって生成された信号光パルスを受光して前記所定の持続時間に接近する持続時間に引き伸ばす伸張器と、を備える信号源と、
前記励起光パルスと前記信号光パルスとを受光して結合し、前記所定の持続時間の相当な部分で時間的に重なる結合光パルスを生成する結合手段と、
前記結合光パルスを受光し前記励起光パルスのエネルギーを用いて前記信号光パルスを増幅する少なくとも一つの準位相整合結晶をもつパラメトリック増幅器と、
前記パラメトリック増幅器により増幅された前記信号光パルスを受光して圧縮する圧縮器と、
を有することを特徴とするパラメトリック・チャープパルス増幅装置。
【請求項２５】
前記励起用レーザーは、アレキサンドライト励起用レーザーをもち、
前記再生増幅器は、アレキサンドライト再生増幅器をもつ、
請求項２４記載のパラメトリック・チャープパルス増幅装置。
【請求項２６】
前記種ダイオードを外部から誘発（トリガー）するトリガー電子回路をさらに有する、
請求項２４記載のパラメトリック・チャープパルス増幅装置。
【請求項２７】
前記準位相整合結晶は、周期的にポーリングされる非線形結晶である、
請求項２４記載のパラメトリック・チャープパルス増幅装置。
【請求項２８】
励起ダイオードおよびＱスイッチ・パルス源をもち、所定の持続時間の励起光パルスを生成する励起源と、
信号パルス発生器と、該信号パルス発生器によって生成された信号光パルスを受光して前記所定の持続時間に接近する持続時間に引き伸ばす伸張器と、を備える信号源と、
前記励起光パルスおよび前記信号光パルスを受光して結合し、前記所定の持続時間の相当な部分で時間的に重なる結合光パルスを生成する結合手段と、
前記結合光パルスを受光し、前記励起光パルスのエネルギーを用いて前記信号光パルスを増幅する準位相整合結晶をもつパラメトリック増幅器と、
前記パラメトリック増幅器により増幅された前記信号光パルスを受光して圧縮する圧縮器と、
を有することを特徴とするパラメトリック・チャープパルス増幅装置。
【請求項２９】
前記結合手段は、前記励起光パルスと前記信号光パルスの前記パラメトリック増幅器への到着を同期させる誘発手段を有する、
請求項２８記載のパラメトリック・チャープパルス増幅装置。
【請求項３０】
前記誘発手段は、前記信号源からの信号によって前記Ｑスイッチ・パルス源を誘発する、
請求項２９記載のパラメトリック・チャープパルス増幅装置。
【請求項３１】
前記Ｑスイッチ・パルス源は、能動的にＱスイッチングされるパルス源であり、前記信号源は、モード同期信号源である、
請求項３０記載のパラメトリック・チャープパルス増幅装置。
【請求項３２】
前記励起光パルス（励起パルス）のパルス幅は、２００ピコ秒から５ナノ秒までの範囲にある、
請求項２７記載のパラメトリック・チャープパルス増幅装置。
【請求項３３】
前記パラメトリック増幅器は、非線形結晶を有する、
請求項２８記載のパラメトリック・チャープパルス増幅装置。
【請求項３４】
所定の持続時間の励起光パルスを生成するファイバーに基づく励起源と、
信号パルス発生器と、該信号パルス発生器によって生成された信号光パルスを受光して前記所定の持続時間に接近する持続時間に引き伸ばす伸張器と、を備える信号源と、
前記励起光パルスを第１励起チャンネルと第２励起チャンネルとに分割する偏光ビームスプリッターと、
前記信号光パルスと前記第１励起チャンネルからの前記励起光パルスとを受光して結合し、前記所定の持続時間の相当な部分で時間的に重なる第１結合光パルスを供給する第１コンバイナーと、
前記第１結合光パルスを受光し、前記第１励起チャンネルからの前記励起光パルスのエネルギーを用いて前記信号光パルスを増幅する第１準位相整合結晶をもつ第１パラメトリック増幅器と、
前記第１パラメトリック増幅器で増幅された後の前記信号光パルスと前記第２励起チャンネルからの前記励起光パルスとを受光して結合し、前記所定の持続時間の相当な部分で時間的に重なる第２結合光パルスを供給する第２コンバイナーと、
前記第２結合光パルスを受光し、前記第２励起チャンネルからの前記励起光パルスのエネルギーを用いて前記信号光パルスをさらに増幅する第２準位相整合結晶をもつ第２パラメトリック増幅器と、
前記第２パラメトリック増幅器により増幅された前記信号光パルスを受光して圧縮する圧縮器と、
を有することを特徴とするパラメトリック・チャープパルス増幅装置。
【請求項３５】
前記励起源は、直列に結合された複数のファイバー増幅器と、少なくとも一つの音響光学変調器とを有する、
請求項３４記載のパラメトリック・チャープパルス増幅装置。
【請求項３６】
前記励起源は、ポンプに結合され音響光学変調器に制御される少なくとも一つのマルチパス・ファイバー増幅器を有する、
請求項３４記載のパラメトリック・チャープパルス増幅装置。
【請求項３７】
前記準位相整合結晶は、周期的にポーリングされる非線形結晶である、
請求項３４記載のパラメトリック・チャープパルス増幅装置。
【請求項３８】
前記準位相整合結晶は、周期的にポーリングされるニオブ酸リチウム（ＰＰＬＮ）である、
請求項１記載のパラメトリック・チャープパルス増幅装置。
【請求項３９】
前記Ｑスイッチ・パルスを増幅する固体増幅器をさらに有する、
請求項２８記載のパラメトリック・チャープパルス増幅装置。
【請求項４０】
前記誘発手段は、前記モード同期信号源からの前記信号パルスを検出して能動的にＱスイッチングされるパルス源に向けられた誘発信号を生成する光ダイオードを有する、
請求項３１記載のパラメトリック・チャープパルス増幅装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、準位相整合パラメトリック・チャープパルス増幅装置の技術分野に属する。より詳しくは、ダイオード、ファイバーまたは固体レーザーなどの小型で低密度長パルス励起源からの光パルスを、パラメトリック光増幅媒体の使用により、高エネルギー超短光パルスに変換する変換技術の技術分野に属する。
【０００２】
【従来の技術】
本明細書では、「高エネルギーパルス」との用語は、超短光パルス発振器から直接得られるものよりも高いエネルギーレベルをもつ光パルスを指すものとする。通常、小型のモード同期発振器は、１０ｎＪレベルの最大エネルギーをもつパルスを生成する。それゆえ、ここでは１０ｎＪを超えるエネルギーをもつパルスをもって高エネルギーパルスと定義する。
【０００３】
超短パルスのレーザーおよび増幅器は、結局のところ、フェムト秒［１０−１５  ｓ］からピコ秒［１０−１２  ｓ］の領域での持続時間をもつ（光学的な波長範囲での）短光パルスを生成するレーザーデバイスの特定のクラスに属する。このようなパルス（ないしパルス列）の潜在的な利用範囲は、同パルスのもつ特性によって定まる。同特性には、短い持続時間、高いピークパワー、および高い空間的時間的コヒーレンスが含まれる。
【０００４】
ダイオードレーザーは、次の二つの独特な技術的長所を有する小型のレーザー発振源である。第１に、ダイオードレーザーは、電気エネルギーを光学的エネルギーに直接かつ高効率で変換することができる。第２に、ダイオードレーザーは、小さな寸法（普通は１ｍｍ未満）のモノシリックな（＝固形一体物である）デバイスである。したがって、サイズ、ロバストネス（不感性）、信頼性、寿命、生産性およびコストなどの特性では、ダイオードレーザーの方が他のレーザー源（ガスレーザー、色素レーザーまたは固体レーザーなど）よりも優れている。これらの決定的に重要な特性が優れていることにより、ダイオードレーザーは、商業的に成立するレーザー源を開発するためには、理想的なレーザー源である。しかしながら、高エネルギーの超短パルスを生成する上で、ダイオードレーザーの直接的な使用は限定されている。この限定は特に、シングルモードのレーザーダイオードの断面積が小さいことによって定まる。ダイオードへの破壊的なダメージと、超短パルスの大きな非線形歪みとが起こるので、得られるエネルギーのピーク密度は制限される。そのうえ、断面積が小さいので、保存されるエネルギーや飽和フルーエンシーもまた、制限される。レーザーダイオードから直接得られる最大エネルギーは、約１００ｐＪまでである。１００ｐＪというのは、特定の意味のある超短パルスのエネルギーとしての最低限度である。マルチプル・トランスバーサル・モード構造やマルチプル・ストライプ構造に頼れば、レーザーダイオードの有効断面積を増大させることが可能であるとは言っても、このようなデバイスによっては、空間的および時間的なコヒーレンスの要求に応えられないので、超短パルスを直接発生させることができない。
【０００５】
それゆえ、レーザーダイオードを、他のクラスの超短パルスレーザーの発生装置および増幅装置のための励起源として使用せざるを得ない。希土類ドープ・ファイバーレーザーは、このようなクラスのデバイスの一つであり、小型であるという点で半導体利得媒体に最も近いものである。これは主に、上記ファイバーの断面寸法が小さいからである。ファイバー構造の直径は、通常、１ｍｍ未満である。半導体レーザーとは異なり、ファイバーレーザーは数メートルの長さをもちうるのであるが、ファイバーレーザーは断面寸法が小さいので巻くことにより小さな空間に収まる。効果の面では、ファイバーレーザーは一次元構造であり、ファイバーレーザーの横断方向の光学的フィールド（電場および磁場）は、長さ方向のどの位置でも同じである。希土類ドープファイバーは、ダイオードレーザーによって励起（ポンピング）されうる。たとえば、既知のＥｒドープ・ファイバーレーザー装置は、１４８０ｎｍまたは９８０ｎｍで発光する既存の高出力レーザーダイオードによって励起されている。
【０００６】
本明細書中で参照する「広域ダイオード励起１Ｗフェムト秒ファイバー装置」（  ”Ｂｒｏａｄ−ａｒｅａ  Ｄｉｏｄｅ−ｐｕｍｐｅｄ  １  Ｗ  Ｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄ  Ｆｉｂｅｒ  Ｓｙｓｔｅｍ”，  Ａ．Ｇａｌｖａｎａｕｓｋａｓ，  Ｍ．  Ｅ．  Ｆｅｒｍａｎ，  Ｄ．  Ｈａｒｔｅｒ，  Ｊ．  Ｄ．  Ｍｉｎｅｌｌｙ，  Ｇ．  Ｇ．  Ｖｉｅｎｎｅ，  Ｊ．  Ｅ．  Ｃａｐｌａｎ，  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  ｏｎ  Ｌａｓｅｒｓ  ａｎｄ  Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｏｐｔｉｃｓ，  ｖｏｌ．  ９  １９９６  ＯＳＡ  Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ  Ｄｉｇｅｓｔ  Ｓｅｒｉｅｓ  ／  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｓｏｃｉｅｔｙ  ｏｆ  Ａｍｅｒｉｃａ，  Ｗａｓｈｎｇｔｏｎ，  ＤＣ，  １９９６，  ｐｐ．４９５  ）に報告されているように、ファイバー・クラッディング−ポンピング技術とチャープパルス増幅とにより、高出力のマルチモード・ダイオード励起光は、ハイパワー超短パルス出力に効率的に変換される。一般的に言って、超短パルスの非線形歪みや光学コンポーネントまたは利得媒体への光学的損傷を起こすことなしに、得られうる最大のエネルギーを引き出すためには、チャープパルス増幅が必要である。通常は、飽和エネルギーと等価なエネルギーをもつ超短パルスのピーク密度は、媒体の飽和フルーエンシーよりも高い。
【０００７】
しかしながら、時間的空間的コヒーレンスを保ち、超短光パルスを保つためには、ファイバー出力はシングルモードでなければならない。それゆえ、ファイバーのコアサイズが制限を受け、その結果、えられうる最大パルスエネルギーおよびピーク密度も制限を受ける。その理由は、シングルモード半導体レーザーの場合と同様である。それでも、シングルモードファイバーによって得られうる最大のエネルギーは、半導体のよって得られるそれよりも本質的に大きい。飽和周波数限定された最大エネルギーは、ある種のダイオード励起されたエルビウムファイバー・チャープパルス増幅装置によって、すでに実験的に得られている。同装置によれば、増幅および再圧縮後に、１０μＪを超えるパルスエネルギーが得られている。
【０００８】
しかし、マイクロマシーニングやオプティカル・サージャリー（レーザー手術）、その他などの実際上の多様な応用のためには、（通常は１〜１０ｍＪの範囲の）もっとずっと高い超短パルスエネルギーが要求される。このようなパルスエネルギーを得るためには、従来からバルク量子増幅器が使用されている。バルク媒体の中では、光ファイバーや半導体構造の中のシングルモードの誘導されたビームに比べて、ビームサイズが十分に大きいので、高いピーク密度の問題は緩和される。さらに、ある種のソリッドステートの利得媒体は、小型のデバイスの構成を可能にする特性を有している。しかしながら、量子増幅器に共通する特性によって定まる数々の制約があるので、ハイパワーの超短パルスの直接増幅に使用するコンパクトなソリッドステート設計を実行するのは実際上困難である。このことは、量子増幅器に共通する一般的な特性について考察すれば明らかである。
【０００９】
量子増幅器は、光学遷移状態の高位のレベルに励起エネルギーを蓄積しておき、光学飽和発光の動作を通して信号を送ることによって蓄積された励起エネルギーを放出する。シングルパスまたはマルチパスの増幅器および再生増幅器を含む既知のソリッドステートの超短パルス増幅装置は、１μＪ〜１Ｊの範囲内でパルスエネルギーを発生させることができる。これらの装置には、チャープパルス増幅が必要である。
【００１０】
しかしながら、バルクなレーザー装置および増幅装置には、次のような気を付けるべき制限がある。
第１に、ソリッドステートのレーザー装置および増幅装置は、半導体によるものやファイバーによるものよりもずっと大きくかつずっと高価である。このサイズおよびコストの問題は、重くてかさばり扱いにくい励起源、すなわちハイパワーのアルゴンレーザーまたはアルゴンランプが必要とされることから起こる。このような装置には、ダイオードによる励起はまず無理である。特定の利得媒体の固定された吸収帯の中で量子増幅器を励起することが必要である。多くの媒体にとっては、このことによって、ダイオードレーザー励起は除外されるか、その使用を制限されることになる。なぜならば、信頼性があるハイパワーな励起ダイオードは、今のところほんの２〜３種類程度の波長でしか利用可能でないからである。たとえば、超短パルスを生成するための最も普及したソリッドステート媒体はチタン：サファイアであるが、これをダイオードレーザーで直接励起することはできない。
【００１１】
第２に、量子増幅器の利得帯域幅は、特定の利得媒体の中での光学遷移の幅によって定まる制限を受ける。すなわち、利得帯域幅が狭い幅しかないので、超短パルスの増幅に使用される物質はかなり制限を受ける。
第３に、励起された光学遷移の寿命と誘導放射断面積などのような、この種の利得媒体に固有の特性により、所定の量子増幅器から引き出しうる最大の平均パワーおよびパルスエネルギーは制限されてしまう。
【００１２】
第４に、ハイパワーレベルでは、バルク増幅器は温度変化の影響を受けやすく、利得媒体の光学特性が変わってしまう。それゆえ、このようなデバイスの作用は、環境変化に対して敏感になってしまう。
光学的増幅を達成するための代替アプローチとしては、非線形材料への光学的パラメトリック増幅（ＯＰＡ：ｏｐｔｉｃａｌ  ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ  ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ）を採用することである。ＯＰＡアプローチによれば、励起エネルギーは、非線形材料内に蓄積されることなく、励起源（ポンプ）から直接的に信号へと変換される。この際、非線形材料はこの過程を取り持つだけに過ぎない。（自己位相変調または相互位相変調に応じた）三次の非線形性よりも、二次の非線形性の方がずっと強いので、位相歪みを通じたパルスの歪みは、一般に避けることができる。得られ得る最大エネルギーは、所定の材料の損傷閾値（ダメージ・スレショルド）によってのみ制限される。要求される励起波長と利用可能な増幅帯域幅とは、既存の複屈折位相整合における干渉波長での屈折率楕円体の方向および大きさなど、所定の結晶の基礎的な光学特性によって決定される。これらの基礎的な光学特性は、利用可能な結晶の向きをも定めるとともに、その結果、利用可能な非線形性の大きさをも決定する。実際上は、このことにより、使用可能な非線形材料に到達可能な励起波長および励起帯域幅が制限され、それゆえ通常は、このような増幅器を励起するには高いエネルギーが必要とされる。このようないくつもの制限の結果として、現時点でのパラメトリックな干渉は、通常、光信号の波長を変換する手段として使用されており、エネルギー増幅の手段としては使用されていない。
【００１３】
本明細書で参照する「ＢＢＯ結晶中でのチャープされ伸張されたパルスのパラメトリック増幅による大出力フェムト秒パルスの生成」（”Ｐｏｗｅｒｆｕｌ  Ｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄ  Ｐｕｌｓｅ  ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ  Ｃｈｉｒｐｅｄ  ａｎｄ  Ｓｔｒｅｔｃｈｅｄ  Ｐｕｌｓｅ  Ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ  Ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ  ｉｎ  ＢＢＯ  Ｃｒｉｓｔａｌｓ”，  Ａ．  Ｄｕｂｉｅｔｉｓ，  Ｇ．  Ｊｏｎｕｓａｕｓｋａｓ，  ａｎｄ  Ａ．  Ｐｉｓｋａｒｓｋａｓ，  Ｏｐｔ．  Ｃｏｍｍ．  ８８，  ４７３（１９９２））には、在来の量子増幅器の代わりにパラメトリック光学増幅を使用して、高エネルギーの超短光パルスが得られるかもしれない旨が示唆されている。この記事によれば、励起源から信号に至るまでの効率的なエネルギー変換を行うためには、超短光パルスは、励起パルス（ポンプパルス）の持続時間に相当するように引き伸ばされなければならない。この業績では、（約５ｐｓの）短い引き伸ばされた励起パルスを使用して、波長０．５３μｍでの３ｍＪの励起パルスから波長１．０６μｍでの１００μＪの信号へと、１：３０の変換をして見せている。
【００１４】
しかしながら、上記文献での業績では、低い輝度から高い輝度へのエネルギー変換については分からず、また、ダイオード、ファイバーまたはマイクロチップのレーザーのような小型の励起源を使用して、高エネルギーの超短パルスを生成する小型発生源をどうやって作るべきかについても分からない。（当面するであろう問題の一つは、ナノ秒程度のもっと長い励起パルスをもって同程度の変換効率が得られるかどうかということであり、ジュール程度のエネルギーが得られるように、約１００倍の倍率でパルスエネルギーを増大させなければならなくなるかもしれないということである。現況では、小型パルス源からこんなに高いエネルギーを得ることは困難である。）同様に、この業績では、超短パルス増幅器の励起帯域幅および利得帯域幅に関する限界を取り去ることはできない。そのうえこの業績では、励起パルスと増幅されたパルスとの両方が、同一のレーザー源からのものである。すなわち、長パルス励起源と短パルス源との同期方法については、示唆されていない。モード同期源からの超短光パルスに対して、在来型のＱスイッチ励起用レーザーからのパルスを同期させることは、なかなかの難問である。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の主たる課題は、高エネルギーの超短光パルスの小型増幅器を提供することである。
本発明のさらなる課題は、励起波長と増幅帯域幅との制限を受けることなしに超短パルス増幅器を提供することである。
【００１６】
本発明の他の課題は、超短パルス増幅のためのパラメトリック光学増幅装置を効率的に励起するために、ダイオードレーザー、ファイバーレーザーまたは固体レーザーなどの連続波またはパルスの小型レーザー源を実用化することである。本発明のさらなる課題は、回折限界のシングルモードビームをパラメトリックに増幅するために、広域ダイオードまたはダイオード・アレイ、マルチモードのファイバーレーザーおよび増幅器、マイクロチップ・レーザーアレイまたはその他のマルチモード固体レーザーなど、空間的にマルチモードの小型レーザー源を実用化することである。
【００１７】
本発明のもう一つの課題は、励起光パルスと引き伸ばされた超短パルスとを、パラメトリック利得媒体の中で時間的に重ね合わせるために、両パルスのタイミングを適正に取るための方法および手段を提供することである。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
本発明の一面によれば、超短パルスのパラメトリック・チャープパルス増幅（ＰＣＰＡ）のためのパラメトリックな利得媒体として、準位相整合（ＱＰＭ：ｑｕａｓｉ−ｐｈａｓｅ−ｍａｔｃｈｅｄ  ）非線形材料が使用される。ＱＰＭ材料の位相整合特性は、製造過程で仕立て上げることができる。その結果、励起波長と達成可能な利得帯域幅とに関する制限を取り払うことが本質的に可能になる。そればかりではなく、位相整合特性を仕立て上げることができるということは、有利な結晶形状を選択することを可能にする。それゆえ、所定の光学材料の中で得られる最高の非線形係数の利用と、空間的なビームのウォークオフの除去とにより、干渉長を増大させることが可能になる。その結果、ＱＰＭパラメトリック増幅器の中で高い変換効率と高い利得とを達成するために必要とされる励起エネルギーを、在来型のパラメトリック増幅器と比較して十分に低減することができる。通常は、このことにより、比較的長いマルチモードの励起パルスを効率的に利用することが可能になる。ここで、比較的長いマルチモードの励起パルスは、各種の比較的単純で小型のダイオード励起されたレーザー源を使用して得られる。Ｄｕｂｉｅｔｉｓらによる上記文献に記載されている在来型の非線形結晶を使用しては、このようなことは不可能である。
【００１９】
本発明のより広い面によれば、シングルモードまたはマルチモードのレーザーダイオードの連続波またはパルスの出力を、増幅された超短光パルスのエネルギーに変換する一般的な方法が開示される。一般的に、この変換は、次の二つのステップによって実行される。第１に、ダイオードレーザーの出力が、直接的にまたは他のレーザー媒体を使用して、伸張された信号パルスの持続時間と整合する適正な持続時間の高エネルギー励起パルスへと変換される。伸張された信号パルスは、超短パルスからパルス伸張器を用いて生成される。第２に、伸張された信号は、励起信号パルスによって励起される非線形結晶の中で、パラメトリックに増幅される。所定の条件下においては、パラメトリック増幅器は、たとえ空間的にマルチモードである励起ビームに対してであっても、回折限界のシングルモードビームの歪みのない増幅を可能にする。増幅された信号は、最後にパルス圧縮器を使用して再圧縮され、持続時間が極めて短い超短パルスに変換される。
【００２０】
本発明はさらに、パラメトリック増幅器を励起するための小型装置の設計をも含んでいる。同装置には、マルチモードコア・ファイバーやマイクロチップ固体レーザーおよび同レーザーアレイが含まれている。
【００２１】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の光パルス増幅装置の実施の形態における一般的な構成を例示するブロック図である。図１に示すように、この増幅装置は、高エネルギーパルス源１２０を励起（ポンピング）するための励起ダイオード１１０をもつ励起源１００を含んでいる。信号源１３０は、超短パルスを生成する発振器１４０と、パルス伸張器１５０とを含んでいる。ビームスプリッター１６０は、高エネルギー励起パルスと伸張された超短パルスとを結合させるために使用されている。結合された信号はパラメトリック増幅器１７０に導入され、ここで増幅された信号はパルス圧縮器１８０に導入される。本装置を構成する他の構成要素としては、効率的な非線形干渉に必要な偏光状態を設定する複数の波長板１０５と、適正な合焦点光学装置１０６とがある。また、トリガー電子回路１９０が、励起パルスと超短パルスとを同期させるために装置されている。励起信号パルスと伸張された信号パルスとは、パラメトリック増幅器１７０の非線形結晶の中で、時間的空間的に重ね合わされる。
【００２２】
パラメトリック増幅を利用したことにより、次のようないくつかの重要な利点が得られる。
第１に、マルチモードの長いパルスの励起源の開発が可能になる。通常、このような励起源は、あまり複雑ではないにもかかわらず、直接的な超短パルスの生成および増幅のために、小型の励起源よりも十分に高いエネルギーを生成することができる。
【００２３】
第２に、準位相整合非線形材料の使用により、量子増幅器には固有の問題である利得帯域幅および励起波長に関する制限が、完全に取り除かれる。すなわち、チャープ周期準位相整合バルク材料の使用により、いかなる要求にも応じて適正な利得帯域幅を設定することができる。また、励起波長は、パラメトリック増幅器の適正な準位相整合周期の設定により、選定される。それが適当な場合には、二次高調波の生成により、励起波長を増幅された信号の波長よりも短く変換することも可能である。
【００２４】
第３に、パラメトリック増幅装置は、本来、簡素でありかつさらに小型である。単段（シングルステージ）でのパラメトリック増幅によれば、約９０ｄＢまでの高利得が得られる（利得の限界は、光学的パラメトリック生成（ＯＰＤ：ｏｐｔｉｃａｌ  ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ  ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ  ）の閾値によってのみ制限される）。したがって、どんなファイバー、レーザーダイオードまたはソリッドステート発振器からでも得られる最小エネルギーである約１０ｐＪからスタートしても、単段ないし二段の増幅段を使用するだけで、１ｍＪ〜１Ｊの範囲の高パルスエネルギーが達成される。その結果、再生増幅やマルチパス増幅は必要でなくなる。
【００２５】
このような増幅装置を実用化するためには、パラメトリックゲインと、励起源からパラメトリック増幅器内での信号への最大エネルギー変換率とは、十分に高く（後者についてはおおよそ１０〜５０％で）なければならない。この変換率は、励起源のピーク密度と非線形結晶の特性とによって定まる。複屈折位相整合結晶を使用する場合、このように高い変換率を達成するためには、非常に高いピーク密度が要求される。このような高いピーク密度は、小型のダイオード励起源からのマルチモードまたはシングルモードの持続時間がナノ秒台の励起パルス（１００ｍＪを超える程度）によって実用上実現可能なピーク密度よりも、ずっと高い。本発明によれば、周期性ポーリング・ニオブ酸リチウム＝ＬｉＮｂＯ３  （ＰＰＬＮ）などの新規な準位相整合（ＱＰＭ）材料を使用して、小型のダイオード励起源からの低密度かつ低輝度のナノ秒出力を、伸張された超短パルスの効率的なパラメトリック増幅のために、有効に使用することができる。
【００２６】
ＰＰＬＮおよび関連材料とそれらの特性とについてさらに考察するためには、次の参考文献を参照されたい。
（１）米国特許出願の第０８／７６３，３８１号および第０８／７８９，９９５号（いずれも本願出願人による先願であり、位相増幅装置でのＰＰＬＮ結晶の使用について開示）
（２）メイヤーズ、他「バルクＰＰＬＮ中での準位相整合パラメトリック光学発振器」（Ｍｙｅｒｓ  ｅｔ  ａｌ．，  ”Ｑｕａｓｉ−ｐｈａｓｅ−ｍａｔｃｈｅｄ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ  ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒｓ  ｉｎ  ｂｕｌｋ  ｐｅｒｉｏｄｉｃａｌｌｙ  ｐｏｌｅｄ  ｌｉｔｈｉｕｍ  ｎｉｏｂａｔｅ”，  Ｊ．  Ｏｐｔ．  Ｓｏｃ．  Ａｍ．  Ｂ，  ２２，  ２１０２  （１９９５））
非線形効果を除去するために超短パルスが引き伸ばされる伝統的なチャープパルス増幅機構とは対照的に、本発明のアプローチは、長い励起パルスから最大引き出し効率を得ることだけを目的として、超短パルスの引き伸ばしを必要としている。通常、使用される励起パルスおよび伸張パルスが長ければ長いほど、与えられた励起パルスのピーク密度に対して増幅されたパルスのエネルギーは、より高くなる。使用可能な励起パルスの最大持続時間は、非線形結晶の損傷閾値（ダメージ・スレショルド）と、増幅された種パルス（シードパルス）を再圧縮しうる最大パルス幅とによって定まる。たとえば、励起パルスのピーク密度をＰＰＬＮの損傷閾値より低く保つためには、持続時間が５００ピコ秒未満の励起パルスを使用することが望ましい。また、現存するパルス圧縮器およびパルス伸張器の設計では、伸張パルスの持続時間はナノ秒のスケールに制約される。それゆえ、利用可能な励起パルスの持続時間は、１００ピコ秒から２〜３ナノ秒までの範囲に限定される。このようなパルスは、レーザーダイオードに励起されるＮｄ：ＹＡＧ装置またはアレキサンドライト装置、小型のレーザーダイオードに励起されるマイクロレーザー装置、またはファイバー増幅装置などのような、受動Ｑスイッチまたは能動Ｑスイッチまたはマスター発振器パワー増幅器（ＭＯＰＡ：Ｍａｓｔｅｒ−Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ−Ｐｏｗｅｒ−Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ  ）の多種多様の装置から得ることができる。提供されうる励起エネルギーは、１μＪから１Ｊ超までの範囲にあり、同範囲で増幅された信号パルスに使用できる。
【００２７】
発振器１４０には、モード同期レーザー、ゲインスイッチド・レーザーまたは高速周波数変調半導体レーザーを使用することができる。後者の場合には、上記発振器は直接的に伸張パルスを生成することができるので、パルス伸張器を省略することが可能になる。
パルス伸張器１５０およびパルス圧縮器１８０には、既存技術で知られている多種多様なデバイスを適用することができる。たとえば、回折格子に基づくデバイスや、ハイブリッド・コンビネーション（たとえば、パルス伸張器としてのファイバーまたはファイバー格子と、パルス圧縮器としての回折格子対となど）を使用することができる。しかしながら通常、現存する実用化されたパルス伸張器からの伸張パルスの最大持続時間は、おおよそナノ秒の範囲に限定されている。パラメトリック増幅の効率を最大化し、結晶の損傷などのような有害な影響を最小限に抑制するためには、励起パルスの持続時間を信号パルスの持続時間と整合させるべきである。したがって、本発明においては、励起パルスの持続時間の最も適正な値は、ナノ秒およびサブナノ秒の範囲にある。
【００２８】
本発明の重要な点の一つは、この増幅機構の実際的な利点は、使用される励起源の有利な特性によって専ら定まるという点である。なぜならば、準位相整合パラメトリック媒体によれば、必要な励起エネルギーを低減することができ、パルスの長さを増すことができ、マルチモードの励起ビームを使用することができ、多種多様な実用的な励起源の適用が可能になるからである。それゆえ本発明は、以下のように異なったタイプの励起源を使用する所定の複数の実施例を含むものである。
【００２９】
【実施例】
［実施例１］
本発明の代表的な実施例としての実施例１は、図２に示すように、マルチファイバーに基づくパラメトリック・チャープパルス増幅装置（ＰＣＰＡ：ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ  ｃｈｉｒｐｅｄ  ｐｕｌｓｅ  ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ  ｓｙｓｔｅｍ）である。
【００３０】
パラメトリック・チャープパルス増幅装置中にファイバー利得媒体を使用することは、次のようなことを考慮してのことである。前述の考察のように、ファイバー利得媒体の小さな断面寸法は、パルスエネルギーの最大値に限界を生じる。信号がシングルモードである（ファイバーの出力側で空間的に正規分布している）ためには、ファイバーコアの断面の直径の最大値は約１５μｍである。シングルモードのコアの直径をもっと大きくすると、コアとクラッディングとの間の屈折率の差を非現実的なほど小さくしなくてはならなくなるであろうし、受け入れられないほど大きな曲げ損失を生じるようになるであろう。エルビウムドープ・ファイバー利得媒体においては、この制約によって得られるパルスエネルギーの最大値は、おおよそ１００μＪのレベルに限定される。
【００３１】
マルチモードのファイバー増幅器を採用すると、十分に大きな直径のコアを使用することが可能である。３０μｍ〜１００μｍの直径のコアをもつマルチモード増幅器では、１００μＪから１０ｍＪまでの範囲のパルスエネルギーを達成することが可能である。しかしながら、モード間の分散が（１〜１０ｐｓ／ｍ程度に）大きくなるので、フェムト秒パルスの在来通りのチャープパルス増幅へのマルチモード・ファイバー増幅器の使用は、実際上成り立たない。モード間の分散が大きいと、再圧縮されたパルスの時間的な歪みがひどくなるからである。マルチモード・ファイバーを使用した超短パルスの直接的な生成には、その他にも致命的な短所がある。それは、マルチモード・ビームの非正規プロフィールであって、本質的にビームの輝度および空間的なコヒーレンスが低減される。
【００３２】
直接的なチャープパルス増幅を励起するのではなく、むしろ伸張された超短パルスのパラメトリック増幅器を励起するために、マルチモード・ファイバーを使用すれば、前述のようなマルチモード・ファイバー増幅器の制約を乗り越えることができる。
本実施例のマルチモード・ファイバーに基づくパラメトリック・チャープパルス増幅（ＰＣＰＡ）装置は、図２に示すように、伸張された超短パルスを提供する信号源２００と、長い高エネルギーの励起パルスを提供する励起源２１０と、パラメトリック増幅器２２０と、パルス圧縮器２３０と、励起信号と増幅された信号とを同期させるトリガー電子回路２４０とを含んでいる。
【００３３】
信号源２００は、モード同期発振器２０２（たとえばモード同期ファイバー発振器）と、パルス伸張器２０４とを有する。あるいはこの信号源は、広帯域の伸張パルスを直接的に生成するファーストチューンド・レーザーダイオード（図略）から構成されていても良い。前述のように、多種多様な伸張器と圧縮器との組み合わせが可能である。
【００３４】
励起源２１０は、レーザーダイオード２１６により種（シード）パルスを供給されポンプダイオード２１８によって励起される多段式またはマルチパスのファイバー増幅器２１２，２１４を有する。たとえば標準的な電子パルス発生器であるトリガー電子回路２４０を使用して種ダイオード２１６が励起され、種光パルスの持続時間は、１００ｐｓから始まっていくらでも長く仕立て上げることができる。マスター発振器パワーアンプ機構（ＭＯＰＡ）によれば、要求に応じていかなる反復率のいかなる長さの励起パルスでも生成することができる。重要なことには、この機構によれば、ジッターが無視できるほど小さい伸張された超短パルスに、励起パルスを同期させることができる。たとえば、ナノ秒台の電子パルス発生器は、高速光ダイオードを通じて超短パルス列によって誘発（トリガー）されることができる。生成された励起パルスのタイミング・ジッターは、伸張されたパルスを考慮すると３０ｐｓ未満に過ぎなくすることができ、この値は励起パルスの持続時間に比べるとごくわずかにしか過ぎない。
【００３５】
マルチパスまたは多段のファイバー増幅器は、通常約１０ｐＪのレーザーダイオード２１６の出力から始めて、ｍＪオーダーのパルスに達するための９０ｄＢにも及ぶ利得（ゲイン）を得るために必要である。エルビウムドープ・ファイバーにおいて、通常のシングルパスの利得は２０〜３０ｄＢである。したがって、所望のエネルギーレベルに達するには、４〜５段の増幅段が必要である。直列に接続された複数の線形増幅器を使用した多段増幅器の概念的を、図３に例示する。増幅された自然放出（ＡＳＥ：ａｍｐｌｉｆｉｅｄ  ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ  ｅｍｉｓｓｉｏｎ）による各増幅段間での相互飽和を防ぐためには、音響光学変調器（ＡＯＭ：ａｃｏｕｓｔｏ−ｏｐｔｉｃ  ｍｏｄｕｒａｔｏｒ  ）３００が必要である。全体のチェーンは、マルチモード・ファイバーで構成可能である。あるいは、シングルモード・ファイバー増幅器をパルスエネルギーがまだ低い初段に使用し、マルチモード・ファイバー増幅器を最後の方の増幅段にだけ使用しても良い。最終段には、ファイバーコア内の非線形効果とファイバーの長さとを最小限に抑えるために、濃くドーピングされたファイバーを使用すると有利である。非線形効果は、増幅器の効率を低下させ、励起パルスのスペクトルを拡げてしまう。このスペクトルの拡がりは、非線形結晶を励起する上で好ましくない。
【００３６】
図３に示すようなファイバー増幅器を直列に連結する「線形」なやり方は、経済的ではなく、励起源の価格およびサイズは、増幅段の数に比例して増大する。もっと有利な代替案は、図４に示すように、マルチパス配置を使用することである。この場合には、単段か多くとも二段の増幅段で十分である。音響光学変調器３０１は、種パルスをファイバー増幅器２１２ｃへ注入し、同ファイバー内での数回のパスのあとで十分なエネルギーに達してからだけ、出力へと増幅されたパルスを振り向けるスイッチとして作用する。通常、変調器のスピード（ゲート幅）は、通常のファイバー増幅器２１２ｃを一周してくる時間（おおよそ２０〜５０ｎｓ）に整合するように、１００〜２００ｎｓであることが要求される。音響光学変調器は通常、偏光には不感であり、シングルモード・ファイバーでもマルチモード・ファイバーでも、このようなマルチパス設計に採用することができる。種信号の平均パワーが低いので、二段増幅段のうち一方は線形増幅器とし他方はマルチパス増幅器とした二段機構が有利である。
【００３７】
ファイバー増幅器は、レーザーダイオードＭＯＰＡのようなシングルモード・ダイオードにより励起されうる。しかし、シングルモード励起源は、かなり高価であるうえに、比較的低いパワーしか供給しない。それゆえ、マルチモード励起源かマルチプル・ダイオード励起源を使用することが望ましい。この励起源は、シングルモード・ファイバー増幅器およびマルチモード・ファイバー増幅器の両方のダブルクラッド・ジオメトリーを通して装置される。重要なことには、マルチモードコア・ファイバーのコア断面積が大きいので、ダブルクラッド・シングルモードコア・ファイバーに比べて、クラッディング励起における励起吸収が促進される。また、十分に大きなコアの直径（通常は１００μｍ超）をもつマルチモード・ファイバーでは、ブロードストライプ・ダイオードレーザーまたはマルチモード・ダイオードレーザーを直接インコア励起に使用することができる。通常、マルチモード・レーザーダイオードを使用すると、励起源を小型かつロバストに設計することが容易になり、その結果、装置全体を小型かつロバストに設計することが容易になるので有利である。
【００３８】
パラメトリック増幅器の励起波長は、信号の波長より短くなければならない。もし、励起源を構成するファイバー増幅器が、超短パルス源よりも短い波長で作動するならば、唯一必要なことは、適正な非線形材料を選ぶことによって（たとえば、周期性ポーリングＬｉＮｂＯ３  （ＰＰＬＮ）結晶内での準位相整合周期を適正に選ぶことによって）、パラメトリック結晶の位相整合を適正に行えるようにすることである。その一例としては、フェムト秒発振器に基づくエルビウムドープ・ファイバー（波長１５５０ｎｍで作動）とネオジムドープ・グラスファイバー（波長１０６０ｎｍで作動）を使用した励起源との組み合わせがある。仮に励起源と信号源とが同じタイプのドープファイバー（たとえば両方ともエルビウムドープ・ファイバー）を使用するとしたならば、ＱＰＭ（準位相整合）または他の既知の倍調波器２６０（図２参照）を使用して励起ビームの周波数を二倍にする必要がある。縮退準位において位相の影響を受けやすいパラメトリック増幅を避けるためには、信号の波長（たとえば１５３０ｎｍおよび約１５６０ｎｍ）よりもやや短い基本波長で励起源を作動させると有利である。
【００３９】
パラメトリック増幅器２２０（図２参照）は、一段または多段の増幅段からなる。すなわち、再び図２に示すように、二段増幅器を使用することが望ましい。単段ではなく二段の増幅器を使用すると、伸張されたパルスの９０ｄＢを超える（約１０ｐＪから約１０ｍＪまでの）増幅を達成することが容易になる。パラメトリック増幅器の最大利得は、パラメトリック生成の徴候によって制限される。パラメトリック生成は、単段増幅では約９０ｄＢの利得から起こり始める。約９０ｄＢの利得は、巨視的なレベルで自発的な真空変動を増幅するのに十分な値である。通常、マルチモード・ファイバーの出力は偏光していない。この場合、二段パラメトリック増幅を実施するために好ましい構成は、二つの励起チャンネルを生成するために、励起源２１０の出力側に偏光ビームスプリッター２５０を配設することである。ここで、二つの励起チャンネルとは、すなわち各パラメトリック増幅段２２０Ａ，２２０Ｂのことである。この構成によれば、励起パワーが最大限に使用されることが確実になる。
【００４０】
本実施例のその他の構成要素としては、励起ビームと信号ビームとを結合させる二枚のダイクロイックミラー２２１と、効率的な非線形干渉に必要な偏光状態を設定する二枚の波長板２２２と、複数の適正な集光光学系２２３とがある。フェムト秒の信号は、増幅に先立って励起パルスとおおよそ同程度の持続時間にまで伸張されるべきである。励起パルスと信号パルスとは、パラメトリック結晶増幅器２２４の中で、時間的にも空間的にも重なっていなくてはならない。結晶の損傷を避けるために、スポットサイズは十分に大きくなければならない。
【００４１】
パラメトリック結晶２２４は、損傷閾値未満のピーク密度に対して効率的な増幅を達成するために、たとえばＰＰＬＮ、ＰＰＬＴまたは他の準位相整合材料などのように、高い非線形性を持っていることが望ましい。スポットサイズが大きいということも、空間的にマルチモードな励起ビームを使用して高い効率でパラメトリック増幅を達成するために望ましいことである。ＰＰＬＮのような高効率の非線形結晶を使用することは、ファイバーに基づく増幅装置を実現するうえで不可欠である。通常使用されている既存の複屈折整合結晶を使用しては、コアが大きなマルチモード・ファイバーをもってしても、要求された高いピークパワーを受け入れることはできない。
【００４２】
以上の記述から明らかなように、伸張されたフェムト秒パルスを直接増幅する代わりに、ファイバー増幅器を励起源として使用すれば、モード間の分散の影響を取り除くことができる。そればかりではなく、高エネルギー・ファイバー増幅器からのマルチモード出力のビームの質の低下をも防止することができる。さらに、高いパルスエネルギーにおいて、シングルモードであり変換制限された（ｔｒａｎｓｆｏｒｍ−ｌｉｍｉｔｅｄ  ）出力を供給することも可能になる。
【００４３】
以上詳述したように、得られる最大エネルギーは、マルチモード・ファイバーのコアのサイズによって異なる。直径約１００μｍのコアのファイバーによれば、１０ｍＪを超える出力が得られる。倍調波化（ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ−ｄｏｕｂｌｉｎｇ）とパラメトリック増幅効率とを考慮すれば、１０ｍＪのパルスから１ｍＪを超える増幅されたパルスが十分に得られる。そのうえ、さらに大きなファイバーを使用すれば、エネルギーの調整も可能である。あるいは、出力パルスのエネルギーを、マルチプル励起源の出力と結合させることも可能である。
【００４４】
［実施例２］
本発明の実施例２およびその変形態様１として、受動型または能動型のＱスイッチ固体レーザー装置を使用したパラメトリック・パルス増幅装置を、それぞれ図５および図６に示す。
レーザーダイオードに励起される固体材料（ｓｏｌｉｄ  ｓｔａｔｅ  ｍａｔｅｒｉａｌｓ  ）としてはいくつかがあり、このような固体材料を使用することにより、伸張されたパルスのパラメトリック増幅器を励起するための小型でロバストな固体材料に基づく励起源を設計することが可能になる。
【００４５】
Ｑスイッチングは、高いピークパワーをもつパルスを発生させる技術として、すでに十分に確立された技術である。光学キャビティーのＱパラメーターは、一回の周回ごとに失われるエネルギーに対する光学キャビティーに保存されるエネルギーの比率として定義される。光学キャビティー内での損失を変化させることにより、Ｑパラメーターを変化させることができる。損失を制御するには、二通りの方法がある。すなわち、能動Ｑスイッチングと受動Ｑスイッチングとである。能動Ｑスイッチングは、キャビティー内である種の能動的な変調器（たとえばポッケルスセル）を必要とする。受動Ｑスイッチングは、飽和吸収器のような受動的なデバイスを使用して実施される。受動Ｑスイッチング・レーザーには不可避な短所がある。それは、その誘発を外部から調整できないということと、パルスからパルスへのジッター（ｐｕｌｓｅ−ｔｏ−ｐｕｌｓｅ  ｊｉｔｔｅｒ  ）が非常に大きいということである。後者のジッターの大きさは、パルス自体の持続時間を超えてしまうことがあるほどである。それゆえ、モード同期レーザーと受動Ｑスイッチング・レーザーとの同期は、非常に難しい問題である。しかしながら、本発明者らは、この問題を回避することが可能であり、パラメトリック増幅機構のために受動Ｑスイッチング・レーザーのエネルギーを使用することが可能であることを発見した。すなわち、上記パラメトリック増幅機構は、たとえばファーストチューンド・レーザーダイオードのような外部から同期可能なレーザーを、伸張された広帯域パルスのパルス源として使用することができる。このようなレーザーダイオードは、受動Ｑスイッチ・レーザーによっても能動Ｑスイッチ・レーザーによっても容易に誘発することが可能であり、無視できるほどの小さなタイミング・ジッターしか生じない。普通、ファーストチューンド・レーザーダイオードの代わりに、どのようなレーザーであっても外部から同期可能であれば（たとえば利得スイッチ・レーザーダイオードでも）、使用することができる。
【００４６】
Ｑスイッチングされた固体レーザーを使用した実施例（実施例２）を、図５に示す。励起源７１０は、レーザーダイオード７１６と、レーザーダイオード７１６によって励起される受動Ｑスイッチ・パルス源７１５とからなる。可変波長（ｔｕｎａｂｌｅ  ）レーザーダイオード７４０を制御する可変波長ダイオード電子回路７００は、Ｑスイッチ・パルス源７１５からの光学出力の小さな変動が高速光ダイオード７２０によって検知されて、誘発される。なお、上記変動は、高エネルギーパルスでは１％で十分である。
【００４７】
レーザーダイオード７４０を駆動する電子回路７００の時間遅れが許容できないほど大きく、時間遅れの補正が必要である場合には、励起パルスは遅延線に注入されてもよい。この遅延線は、本実施例ではマルチモード・ファイバー７３０として装置されている。マルチモード・ファイバー７３０のコアのサイズは、非線形歪みを避けることができ、良好なファイバー内のカップリング効率が得られるように、十分に大きくなければならない。このようなファイバーを使用すれば本実施例の実施が容易になるが、このようなファイバーの使用は不可欠というほどのことでもない。
【００４８】
本実施例の変形態様１として、能動Ｑスイッチング励起源を採用した実施例を図６に示す。このような励起源７１５’は、外部から誘発することができ、無視できるほどのジッターしか生じないので、モード同期信号源７０５の使用が可能になる。
図５および図６のいずれにおいても、励起パルスエネルギーを増大させるために、Ｑスイッチング励起パルスをさらに固体増幅器によってさらに増幅させても良い（図略）。
【００４９】
小型のＱスイッチング固体レーザーを製造することの特に魅力的なコンセプトは、半導体パッケージング技術を駆使したマイクロチップ・レーザーである。固体レーザーの材料ウエハーの一枚から、何千個ものマイクロチップ・レーザーを製造することが可能である。その際、上記ウエハーの両面が互いに平行な平面になるように磨き上げ、そのうえで両面を誘電体ミラーでコーティングして、標準的な半導体ダイシング技術をもってこのウエハーをダイシングすることにより、多数のマイクロチップ・レーザーが製造される。このような「チップレーザー」は、おおよそ１〜３ｍｍ３  程度の大きさであり、単モードまたはマルチモードのレーザーダイオードによっても、あるいはダイオードアレイによっても励起されうる。このようなマイクロチップ・レーザーの典型的な材料としては、ＹＡＧのような材料にＮｄドーピングが施されているものがあり、波長１０６４ｎｍおよび１３１９ｎｍで作動し、約８０９ｎｍでレーザーダイオードにより励起されて作動する。Ｑスイッチングは、電気光学素子（能動デバイス）または飽和吸収媒体（受動デバイス）のいずれかをＮｄ：ＹＡＧまたはＮｄ：ＶＯ４  のマイクロチップに接合して、複合キャビティーを形成することにより成し遂げられる。単一のマイクロチップ・レーザーのＱスイッチング出力では、数十μＪに及ぶエネルギーと、たとえば２００ｐｓ〜３ｎｓなどの数百ピコ秒から数ナノ秒までの持続時間とが得られる。マイクロチップ・レーザーの使用により、極めて安価で小型のマイクロジュール・フェムト秒パルス源が得られる。そればかりではなく、マイクロチップ・レーザーアレイを使用すれば、パワーもエネルギーも倍増され、約１００ｍＪの出力エネルギーの達成も可能になる。
【００５０】
本実施例にしたがって準位相整合（ＱＰＭ）パラメトリック結晶を使用すれば、マイクロチップ・レーザーのようにパラメトリック・チャープパルス増幅（ＰＣＰＡ）装置を励起する比較的低い出力エネルギーを生成するデバイスを、小型励起源として使用することが可能になる。これとは対照的に、在来型の非線形材料（たとえばＢＢＯなど）を使用した場合には、励起ビームの焦点をタイトに絞っても、効率的な出力変換に十分なパラメトリック利得を得ることはできない。
【００５１】
［実施例３］
本発明の実施例３としてのパラメトリック・チャープパルス増幅（ＰＣＰＡ）装置は、図７および図８に示すように、固体レーザーを基本にしたパルス増幅装置である。
前述のような在来の複屈折位相整合ＢＢＯ結晶を非線形形態で使用した旧来の技術によっては、３ｍＪのエネルギーで５ｐｓの持続時間の励起パルスによって１：３０のエネルギー変換効率が得られている。しかしながら、同程度のピークパワーが要求されながらナノ秒台の励起パルスをしようするものとすると、励起エネルギーを百倍から千倍に増大させなくてはならないであろう。ということは、ジュール台の出力エネルギーを出しうるパルス源を採用することが必要になるということである。現時点では、当業者には周知であるように、このような装置は、重くてかさばるうえに扱いにくく高価である。また、このようなパルス源のパルスエネルギーの密度は、普通、非線形媒体の破損閾値を越えている。ところが、本発明にしたがって準位相整合（ＱＰＭ）材料を使用すれば、励起エネルギーに対する要求をマイクロジュール台ないしミリジュール台へと低減することができ、それに伴って非線形結晶の損傷閾値未満の水準にパワー密度を低減することができる。このエネルギー水準では、パラメトリック・チャープパルス増幅（ＰＣＰＡ）装置に供給するのに必要とされる励起パルスを、各種の実用的な固体レーザー装置から得ることができる。
【００５２】
マスター発振器パワー増幅（ＭＯＰＡ）機構では、特に前述のファイバー増幅器を使用するものでは、バルクな固体材料を使用することもまた可能である。しかしながら、固体媒体ではシングルパス利得が低いので、マルチパス機構または再生機構を採用することが望ましい。
本実施例としてのマスター発振器パワー増幅（ＭＯＰＡ）型のアレキサンドライトに基づくパルス増幅装置の一般的な構成を図７に示す。
【００５３】
励起源４０１は、アレキサンドライト再生増幅器４１０と、励起ダイオード４２０と、種ダイオード４３０とを有する。ランプによって励起されるマルチモード・アレキサンドライト・レーザーは、励起用レーザー４２０として使用されている。励起用レーザー４２０は、図８に示すように、波長７８０ｎｍ〜８００ｎｍで作動しているアレキサンドライト再生増幅器４１０を励起するために使用されている。アレキサンドライト再生増幅器４１０は、標準的な半導体レーザー種ダイオード４３０の波長７８６ｎｍで持続時間が可変のパルスにより、シーディングされている。このダイオード・パルスの持続時間は、標準的なナノ秒パルス生成器であるトリガー電子回路４００（図７参照）からの電気パルスの持続時間によって定まる。アレキサンドライト装置の反復率は、１０Ｈｚである。増幅された出力は、（種パルスの持続時間によって定まる）持続時間が３５０ｐｓ〜１ｎｓのパルスであり、そのエネルギーは、８ｍＪにも達することが明らかになった。レーザーキャビティーは、所定の回数の周回の後、スイッチアウトされる。このことは、種ダイオードが外部から誘発される事実からして、信号パルスに対して励起パルスのタイミングを取ることを、大いに容易にしてくれる。
【００５４】
再び図７に示すように、信号源４４０は、約１５５０ｎｍの波長で作動するエルビウムドープ・ファイバー増幅装置である。受動的にモード同期されたエルビウムドープ・ファイバーレーザー源４４５から得られるフェムト秒パルスは、正の分散をもった回折格子伸張器４５０のより伸張され、ダイオードに励起されるエルビウムドープ・ファイバー増幅器の連鎖（図略）により増幅される。増幅後、（利得を狭めることによって決定される）帯域幅約７ｎｍで持続時間３００〜３５０ｐｓのパルスが得られる。この装置４４０は、１０μＪまでのエネルギーの種パルスを生成することができる。このような高エネルギーは、単段のパラメトリック増幅器と協調して作動するために使用するのに極めて都合がよい。発振器およびパルス伸張器からの出力の直接的な増幅によってミリジュールのエネルギーに達するためには、普通、二段のパラメトリック増幅段が必要であろう。量子増幅器と比較すると、パラメトリック増幅器のシーディングに必要なエネルギーは、かなり低い。なぜならば、パラメトリック結晶に注入された低エネルギーのパルスは、量子増幅器の自己発光とは対照的に、真空度の変動に対して競合することになるからである。
【００５５】
励起パルスおよび信号パルスは、ＩＲ（赤外線）ビームスプリッタ４６０によって結合され、共通の線上を伝搬するようになる。両ビームは、ＰＰＬＮ（周期性ポーリングニオブ酸リチウム）ＱＰＭ（準位相整合）結晶４７０に焦点を当てて注入される。同結晶の厚さは０．５ｍｍであり、３〜５ｍｍの範囲での長さが採用されている。なお、必要とされる励起エネルギーがさらに低くなり、結晶の損傷問題が緩和されるので、もっと長い結晶を使用しても良い。本実施例でのＰＰＬＮ結晶の準位相整合周期は、１９．７５μｍであった。一般的にいって、ＱＰＮ（準位相整合）周期Λは、与えられた干渉により次の数１に従って算出される。
【００５６】
【数１】１／Λ＝ｎｐ／λｐ−ｎｓ／λｓ−ｎｉ／λｉ
ここで、ｎｋ  およびλｋ  （ｋ＝ｐ，ｓ，ｉ）は、それぞれ励起波（ｐ）、信号波（ｓ）およびアイドラー波（ｉ）の屈折率（ｎ）および波長（λ）である。上記数１から明らかなように、パラメトリック増幅器のための適正な準位相整合周期を選ぶことにより、励起波長を選定することが可能である。同様に、光学的ビーム経路に沿ってＱＰＭ（準位相整合）周期をチャープさせるならば、与えられた非線形干渉のための位相整合帯域幅を拡げる効果がある。上記結晶の選定された形状により、非臨界的な位相整合が得られ、その結果、光線の空間的なウォークオフが除去される。励起パルスから信号パルスへの最適な変換効率は、上記結晶中での励起ビームと種ビームとの空間的な重なりの度合いと同軸性の度合いとに決定的に依存している。励起ビームおよび信号ビームのスポットサイズの直径は、たとえば、３００〜４００μｍの範囲にある。上記結晶で大きな直径のスポットを形成することは、結晶の損傷を防ぐためにも、励起ビームおよび信号ビームの単モードとマルチモードとの空間的な整合を取るためにも、不可欠なことである。上記結晶中では、励起ビームと信号ビームとの波頭の曲率を整合させるために特別な手当を必要とはしない。増幅されたパルスは、標準的な負の分散をもつ回折格子圧縮器４８０によって再圧縮される。
【００５７】
本実施例では、５ｍＪの励起パルスと１００ｎＪの信号パルスとの入力によって、実験的に１ｍＪの増幅信号出力の最大値が得られた。また、５ｎＪ以下のエネルギーの入力パルスに対し、小信号に対する利得としては１０４  もの利得が計測された。励起パルスから信号パルスへの変換効率は、３５％にも達することが明らかになった。本実施例の装置では励起ビームは単モードであるが、両ビームの波頭の曲率の差違において、また、パラメトリック結晶の中での両ビームの大きなサイズにおいて、マルチモード・ビームで励起しているのと同様である。すなわち、大きなスポットサイズと高いモード数とによって、単モードのビーム・プロフィールとマルチモードのビーム・プロフィールとの間に、空間的な差違はない。
【００５８】
ニオブ酸リチウムの材料特性により、上記結晶の損傷閾値未満の励起密度で効率的なパラメトリック変換が可能になる。３００〜５００ｐｓの持続時間の励起パルスで増幅した場合には、最大の励起エネルギーが８ｍＪに達しても何の損傷も見つけられなかった。しかしながら、励起パルスのパルス幅が１ｎｓよりも長くなると、パルス当たりのエネルギーが２ｍＪで、前述のパラメトリック結晶の入力側の小面に光学的損傷が発見された。この際のエネルギー密度は、３．８ＧＷ／ｃｍ２  に相当する。たとえば５ｎｓなどのより長いパルス幅では、パラメトリック利得がほとんど無視できる程度にしか生じない０．８ＧＷ／ｃｍ２  のかなり低いピークのエネルギー密度であっても、結晶表面に損傷を生じる。このように観測された励起パルスの持続時間に関する損傷閾値の従属性は、熱効果によるバルクＬｉＮｂＯ３  （ニオブ酸リチウム）の表面損傷と一致している。このことから、１ｎｓよりも短い励起パルスで励起することが、最も高いパラメトリック利得および変換効率を得るうえで、ＬｉＮｂＯ３  結晶には有利であることが分かる。
【００５９】
通常、与えられたパルスの持続時間に対して、使用可能な励起エネルギー（およびその結果として得られうる信号エネルギー）は、スポット面積を増減することにより同面積に比例して増減させることができる。これは、励起パルスのエネルギー密度を一定にするためである。実際上の得られうる最大エネルギーを制限するものは、パラメトリック結晶の最大断面寸法のみである。現在のところ、電場ポーリングの制限から定まる大きさとして、厚さ０．５ｍｍのＰＰＬＮ（周期性ポーリングニオブ酸リチウム）が標準的である。この制限を越えるスポットサイズのスケーリングは、制限されない結晶の幅を実現するために、非対称なビームの拡散を必要とする。しかしながら、ＱＰＭ（準位相整合）結晶の厚さは、たとえばＰＰＬＮプレートを拡散接合して垂直に積み上げるなどの技法により、要求に応じ必要に応じて増大させることができる。
【００６０】
励起パルスと信号パルスとの間で起こるパラメトリック干渉により、増幅された伸張パルスの位相歪みが誘発していないことを確認することは重要である。増幅された出力のチャーピング特性を調べるために、再視準された同出力が格子モノクロメーター内でスペクトル分光され、ストリークカメラで計測された。ストリークカメラにより撮像されたイメージによれば、未増幅の信号ビームは、図９に示すように線形チャープを示しており、このチャープは、図１０に示すように増幅された信号にも完全に移行しており、７ｎｍの帯域幅を形成している。一方、励起パルスの非線形チャープは、図１２に示すように、増幅された信号中に新たにチャープを生じることは全くなく、むしろ、図１１に示すように、そのままアイドラー波のチャープに移行している。
【００６１】
ここで、励起パルスからアイドラー波まで移行する間に位相の符号が逆転しており、インパルス保存則に合致していることに注意されたい。励起パルスおよび信号パルスで約１００ｐｓの一時的なジッターが観測されたが、同ジッターは増幅作用には影響しなかった。再圧縮された信号パルスは、シングルショット自己相関器により計測された。図１３には、増幅済みのパルスのシングルショット自己相関と未増幅のパルスのシングルショット自己相関とが示されている。未増幅のパルスおよび増幅済みのパルスはともに約６８０ｆｓに圧縮され、同一の線図を描いている。すなわち、４０ｄＢものパラメトリック増幅にもかかわらず、位相の歪みはほとんど起こっていないことが分かる。
【００６２】
前述のアレキサンドライト増幅器は、たとえば倍調波モード同期ファイバー発振器などからの伸張された超短パルスの直接的な増幅に使用することもできる。しかし、パラメトリック増幅機構を使用することによって得られる本質的な利点は、大きなパラメトリック増幅帯域幅によって起こる利得減少効果を取り除くことにある。
【００６３】
［付記］
本明細書の「発明の詳細な説明」の欄で複数の実施例によって開示された本発明は、「特許請求の範囲」の欄に定義された本発明の技術的思想から逸脱しない範囲で、当業者により形状や細部を変更されうるものと解されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態を一般的に示すブロック図
【図２】実施例１としてのパラメトリック・チャープパルス増幅装置の構成を示すブロック図
【図３】直列線形増幅を使用した励起源の一例の構成を示すブロック図
【図４】マルチパス増幅器を使用した励起源の一例の構成を示すブロック図
【図５】実施例２としての受動的Ｑスイッチ固体レーザーに基づく光パルス増幅装置の構成を示すブロック図
【図６】実施例２の変形態様１としての能動的Ｑスイッチ固体レーザーに基づく光パルス増幅装置の構成を示すブロック図
【図７】実施例３としてのＭＯＰＡ型アレキサンドライトに基づく光パルス増幅装置の構成を示すブロック図
【図８】実施例３のアレキサンドライト再生増幅器の構成を示すブロック図
【図９】実施例３の装置によって生成された伸張されていない信号ビームのストリークイメージを示すグラフ
【図１０】実施例３の装置によって生成された増幅された信号ビームのストリークイメージを示すグラフ
【図１１】実施例３の装置のアイドラーフェーズのストリークイメージを示すグラフ
【図１２】実施例３の装置の励起信号のストリークイメージを示すグラフ
【図１３】実施例３の装置の増幅されたパルスと未増幅のパルスとのシングルショット自己相関を示すグラフ
【符号の説明】
１００：励起源（ポンプソース）
１１０：励起ダイオード    １２０：高エネルギーパルス源
１３０：信号源（シグナルソース）
１４０：発振器    １５０：パルス伸張器
１６０：ビームスプリッター
１０５：波長板    １０６：合焦点光学装置（光学レンズ）
１７０：パラメトリック増幅器（非線形結晶である準位相整合結晶を含む）
１８０：パルス圧縮器
１９０：トリガー電子回路（誘発電子回路、誘発手段として）
２００：信号源
２０２：モード同期発振器    ２０４：パルス伸張器
２１０：励起源
２１２，２１４，２１２ｃ：多段式またはマルチパスのファイバー増幅器
２１６：レーザーダイオード（種ダイオード）
２１８：ポンプダイオード（励起ダイオード）
３００，３０１：音響光学変調器（ＡＯＭ）
２２０：多段式のパラメトリック増幅器
２０Ａ，２０Ｂ：パラメトリック増幅段
２２１：ダイクロイック・ミラー（二色鏡）
２２２：波長板    ２２３：合焦点光学系（光学レンズ系）
２２４：パラメトリック増幅器／結晶（準位相整合結晶）
２３０：パルス圧縮器
２４０：トリガー電子回路（誘発手段として）
２５０：偏光ビームスプリッター
２６０：準位相整合倍調波器（ＱＰＭダブラー）
４００：トリガー電子回路（誘発手段として）
４０１：励起源
４１０：アレキサンドライト再生増幅器
４２０：励起用レーザー（ポンプ）
４３０：半導体レーザー種ダイオード
４４０：信号源
４４５：受動モード同期エルビウムドープ・ファイバーレーザー源
４５０：回折格子伸張器
４６０：赤外線ビームスプリッター
４７０：ＰＰＬＮ準位相整合結晶
４８０：回折格子圧縮器
７００：電子回路    ７２０：光ダイオード（７００，７２０：誘発手段）
７０５，７１０：励起源
７１５：受動的にＱスイッチングされるパルス源
７１５’：能動的にＱスイッチングされるパルス源
７１６：レーザーダイオード（励起ダイオード）
７２０：高速光ダイオード
７３０：マルチモード・ファイバー（遅延線）
７４０：可変波長（チューナブル）レーザーダイオード
【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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【図１２】
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【図１３】
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