(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光パルスのスペクトルバンド幅を増大させるための装置であって、
入力端（１１）及び出力端（１３）を有するホローファイバー導波管（３Ａ）と、
前記ホローファイバー導波管へビーム（１）の焦点を合わせ、前記ホローファイバー導波管の前記出力端で前記ビームをリコリメートするための光学部品（５、６）と、を備え、
前記ホローファイバー導波管（３Ａ）は、所定の圧力でガスで満たされた気密チャンバー（３Ｂ）に収容され、
前記ホローファイバー導波管（３Ａ）の長さ（Ｌf）は、所定の入力パルスエネルギー及びガス圧力について、最小の伝播損失を有する光パルスの基本波の伝播モードＬＰ01に含まれるエネルギーが、前記ホローファイバー導波管（３Ａ）の全長にわたる周期振動を実質的に示し、且つ前記ホローファイバー導波管の前記出力端（１３）で極大に達するような長さであることを特徴とする装置。
【請求項２】
前記ホローファイバー導波管（３Ａ）の前記長さ（Ｌf）は、位相不整合距離ＬP12の偶数の整数倍に実質的に等しく、
ＬP12［ｍ］＝２×１０6［ｍ-1］×（ａ［ｍ］）2、ここで、
ａは、前記ホローファイバー導波管の半径である、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記ホローファイバー導波管（３Ａ）の前記長さ（Ｌf）は、群速度不整合距離Ｌv12より短く、
Ｌv12＝２τFWHMｃＬp12／λ0、ここで、
λ0は、圧縮されるパルスの搬送波波長であり、
Ｌp12は、位相不整合距離であり、
τFWHMは、圧縮される前記パルスの半値全幅期間であり、
ｃは、真空中の光の速さである、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記ホローファイバー導波管（３Ａ）の前記長さ（Ｌf）は、位相不整合距離ＬP12の偶数の整数倍に実質的に等しく、
ＬP12［ｍ］＝２×１０6［ｍ-1］×（ａ［ｍ］）2、ここで、
ａは、前記ホローファイバー導波管の半径である、請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記ホローファイバー導波管（３Ａ）は、石英ガラスで作られている、請求項１〜４の何れか一項に記載の装置。
【請求項６】
前記ホローファイバー導波管（３Ａ）は、ＢＫ７ガラスで作られている、請求項１〜４の何れか一項に記載の装置。
【請求項７】
前記ホローファイバー導波管（３Ａ）は、円筒形状の管である、請求項１〜６の何れか一項に記載の装置。
【請求項８】
前記ホローファイバー導波管（３Ａ）は、円筒形状部及び前記入力端（１１）において実質的に円錐形状部を有し、
前記光パルス（１）は、前記ホローファイバー導波管の前記円錐形状の入力端へ結合される、請求項１〜７の何れか一項に記載の装置。
【請求項９】
前記ホローファイバー導波管（３Ａ）は、対称軸（１２）を有し、且つ前記対称軸に対して９０°と異なる角度下で切断される、請求項１〜７の何れか一項に記載の装置。
【請求項１０】
前記ホローファイバー導波管（３Ａ）は、キセノン、クリプトン、アルゴン、ネオン、ヘリウム、窒素、空気又はその組合せを含むガスのグループのうちから選択されたガスで満たされる、請求項１〜９の何れか一項に記載の装置。
【請求項１１】
請求項１〜１０の何れか一項に従った、光パルスのバンド幅を増大させるための装置と、グループ遅延分散補償装置（７）と、を有する光パルスの持続時間を減少させるための構成。
【請求項１２】
前記グループ遅延分散補償装置（７）は、プリズムのペア（８’）／回折格子のペア、分散ミラー（８）及びその組合せを有するグループのうちの一つ以上の素子を有する、請求項１１に記載の構成。
【請求項１３】
前記グループ遅延分散補償装置（７）は、回折格子のペア及びプリズムのペアを有する、請求項１２に記載の構成。
【請求項１４】
前記グループ遅延分散補償装置（７）は、分散ミラー及び一つ以上のプリズムのペアを有する、請求項１２に記載の構成。
【請求項１５】
光パルスの持続時間を減少させるための方法であって、
光パルス（１）が、焦点調節光学素子（５）によって、入力端（１１）及び出力端（１３）を有するホローファイバー導波管（３Ａ）であって、ガスで満たされた気密チャンバーに収容されるホローファイバー導波管（３Ａ）へ結合されることを含み、
前記ホローファイバー導波管（３Ａ）の長さ（Ｌf）は、所定の入力パルスエネルギー及びガス圧力について、最小の伝播損失を有する光パルスの基本波の伝播モードＬＰ01に含まれるエネルギーが、前記ホローファイバー導波管（３Ａ）の全長にわたる周期振動を実質的に示し、且つ前記ホローファイバー導波管の前記出力端（１３）で極大に達するような長さであり、
前記光パルスのバンド幅は、前記ガスで満たされたホローファイバー導波管（３Ａ）における非線形伝播によって増大され、
前記光パルスは、前記ホローファイバー導波管の前記出力端及び前記気密チャンバーを出た後に、光学手段（６）により空間的にリコリメートされ、
スペクトル的に拡大された光パルスを、持続時間が低減されたグループ遅延分散補償装置（７）を通して伝播させる、方法。
【請求項１６】
前記ホローファイバー導波管（３Ａ）の前記長さ（Ｌf）は、位相不整合距離ＬP12の偶数の整数倍に実質的に等しくなるように決定され、
ＬP12［ｍ］＝２×１０6［ｍ-1］×（ａ［ｍ］）2、ここで、
ａは、前記ホローファイバー導波管の半径である、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記ホローファイバー導波管（３Ａ）の前記長さ（Ｌf）は、群速度不整合距離Ｌv12より短く、
Ｌv12＝２τFWHMｃＬp12／λ0、ここで、
λ0は、圧縮されるパルスの搬送波波長であり、
Ｌp12は、位相不整合距離であり、
τFWHMは、圧縮される前記パルスの半値全幅期間であり、
ｃは、真空中の光の速さである、請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
前記ホローファイバー導波管（３Ａ）は、石英ガラスで作られている、請求項１５〜１７の何れか一項に記載の方法。
【請求項１９】
前記ホローファイバー導波管（３Ａ）は、ＢＫ７で作られている、請求項１５〜１７の何れか一項に記載の方法。
【請求項２０】
前記ホローファイバー導波管（３Ａ）は、円筒形状の管である、請求項１５〜１９の何れか一項に記載の方法。
【請求項２１】
前記ホローファイバー導波管（３Ａ）は、円筒形状部（１６）を有し、且つ前記入力端（１１）に円錐形状部を有し、
前記光が、前記円錐形状の入力端へ結合される、請求項１５〜２０の何れか一項に記載の方法。
【請求項２２】
前記ホローファイバー導波管（３Ａ）への前記光パルスの結合は、前記ホローファイバー導波管の前記円筒形状部（１６）の半径の６０−８０パーセントに等しい半径へビーム（１）の焦点を合わせることによりもたらされる、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記ホローファイバー導波管（３Ａ）への前記光パルスの結合は、前記ホローファイバー導波管の前記円錐形状部の最大半径の６０−８０パーセントに等しい半径へビーム（１）の焦点を合わせることによりもたらされる、請求項２１に記載の方法。
【請求項２４】
前記ホローファイバー導波管（３Ａ）は、キセノン、クリプトン、アルゴン、ネオン、ヘリウム、窒素、空気又はその組合せを含むガスのグループのうちから選択されたガスで満たされる、請求項１５〜２３の何れか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般にエネルギーのフェムト秒パルスについてのホローファイバーの圧縮のスキームに関する。
【０００２】
より詳細には、本発明は、光パルスのスペクトルバンド幅を増大させるための装置に関し、その装置は、入力端及び出力端を有するホローファイバー導波管と、そのホローファイバー導波管へビームの焦点を合わせ、そのホローファイバー導波管のその出力端でそのビームをリコリメートするための光学部品と、を備え、そのホローファイバー導波管は、所定の圧力でガスで満たされた気密チャンバーに収容される。
【０００３】
さらに、本発明は、そのような装置が用いられる構成、及び対応する方法、すなわち光パルスの持続時間を低減させるための方法を対象とする。
【背景技術】
【０００４】
少サイクルの、強力なフェムト秒パルスは、時間分解された分光法の測定において、特にアト秒物理学において、重要且つ可能なツールである。しかしながら、チャープパルス増幅器（ＣＰＡ）の開発の本質的進歩にもかかわらず、そのようなソースから生成される最も短いパルスは、実際には１５フェムト秒（ｆｓ）にしか達していない。これは、基本波の制限、つまりスペクトルバンド幅の低減をもたらし、その結果としてパルス持続時間の増大をもたらす、レーザー結晶において増幅率が狭められることに由来される。ホローファイバーの圧縮（ＨＦＣ）により、フェムト秒増幅器を用いて生成されるパルスのスペクトラムを拡大することによって、この制限を打開することができる。スペクトル的に拡大されたパルスは、その後、負分散のディレイラインにおいて圧縮される。
【０００５】
ＨＦＣは、ガスで満たされた毛細管内の強力なフェムト秒パルスの非線形伝播に依存する。
【０００６】
図１に、標準的なＨＦＣの配置の構成に係る概略図が示される。図２に、そのような配置のより詳細な図が、部分断面図で与えられる。
【０００７】
これらの図１及び図２に従って、レーザー増幅器２で生成されたレーザービーム１は、フォールディングミラー４及び焦点調整ミラー５を介して、ファイバー導波管３、つまり気密ホローファイバーチャンバー３Ｂに配置されたホローファイバー３Ａ（図２）へ結合される。チャンバー３Ｂの出力では、ビームは、ミラー６でリコリメートされ、例えば負分散のディレイライン８を有するコンプレッサー７の中へ向けられる。
【０００８】
さらに、図３は、ガラスクラッディング９及びホローコア１０で構成され、且つ２ａに等しい内径を有するホローファイバー導波管３Ａの横断面を示す。
【０００９】
ホローファイバー導波管内の自己位相変調はスペクトルの広がりにつながり、一方、その導波管の空間フィルタリング特性は横方向への一様なスペクトルの広がりを確保し、優れたビームプロファイルをもたらす。最初に、サブｍＪパルスについて考案され（例えば、M.Nisoli等の「新しい種類の高エネルギーパルス圧縮システム、マルチギガワットのサブ５ｆｓパルスの生成」、Appl. Phys. B 65（1997）のp.189-196を参照）、その方法により、テーブルトップシステムからのＫＨｚ繰り返し周波数においてサブＴＷ少サイクルパルスの生成が可能となった。その後、ＨＦＣを備えるＣＰＡは、世界中の多くのフェムト秒物理学及びアト秒物理学の研究所のワーキングホース（working horse）となった。しかしながら、高光子収量の高次高調波発生、高光子エネルギーの高調波放射の発生、又は、相対論的レーザー場と物質の相互作用の調査を含む幾つかのアプリケーションは、１ｍＪを超過するエネルギーを持つ少サイクル駆動レーザーパルスを必要とする。３０−５０ｆｓの範囲で広範囲に有効な持続時間を持つマルチｍＪパルスを供給するＣＰＡを用いた、パルスコンプレッサーに係るエネルギーの拡大は、強場の物理学についてのレーザーソースの開発について極めて重要であった。しかしながら、例えば、伝播媒体のイオン化、ファイバーの入射に係る損傷、自己位相変調及びファイバー直前の自己焦点調節のように、パルスエネルギーが１ｍＪを超えて増大する場合、幾つかの現象がＨＦＣの性能に作用するので、ＨＦＣのエネルギーの拡大はささいなものではない。
【００１０】
ホローファイバー導波管における光伝播は、以下により与えられる横断線のモードプロファイルを持つ離散空間モードの光場を分解することにより記述することができる。
Ｖjp＝Ｊj（ｕjpｒ／ａ）、ここで、
Ｊj（ｊ＝０，１，…）は次数ｊのベッセル関数であり、
ｕjp（ｐ＝１，２，…）は等式Ｊj（ｕjp）＝０のｐ番目の根であり、
ｒは（ホローファイバーの対称軸と同一線上にある対称軸を有する円筒座標系の）半径方向の座標であり、
ａはファイバーの半径である（図３を参照）。
【００１１】
空間プロファイルＶjpを有する長手方向偏光（ＬＰ）モードはＬＰjpモードと呼ばれる。モードｊｐの複合伝播定数ｋjpは、以下により与えられる。
ｋjp（ω）＝βjp（ω）＋ｉαjp（ω）、
ωはレーザー光の角周波数であり、
βjp、αjpはそれぞれ、伝播定数の実数部分、虚数部分である。
【００１２】
したがって、そのモードは、異なる減衰定数
αjp（ω）＝２．８１４ｕjp／ａ3［λ／（２π）］2、
λ＝レーザー光の波長、
を有し、これはファイバーの空間フィルタリング特性を構成する。
【００１３】
モードＬＰ01は、最小の伝播損失を示し、基本波又は最低次モードと称される。このモードＬＰ01は、ファイバー壁においてゼロトランジション（zero-transitions）を有する、一次のベッセル関数により与えられるプロファイルを有し（図４の実線のグラフとも比較）、ガウス分布モードに非常に近い近似であり、それは標準的な光学素子を用いて効率良く焦点を合わせることができる。より高次のモードは、ガウス分布から著しく外れる、より複雑な横断線のプロファイルを有し、ビームの焦点を合わせる能力が低くなる。一次モードＬＰ02（図４の点線のグラフと比較）は、例えば、ファイバー壁において（ｒ＝ａ及びｒ＝−ａについて）ゼロトランジションを有し、且つさらにファイバコア内部に二つの極小値を有する一次のベッセル関数により与えられ、このモードは、二番目に小さい伝播損失を有する。したがって、ファイバーを通る伝播は、モード間で区別され、より高次のモードは、よりはるかに強い減衰を起こすので、十分に長い距離を伝播した後、そのエネルギーは、（良好に焦点を合わせることができる）基本波モードＬＰ01に実質的に包含されるであろう。
【００１４】
導波管内の伝播の間に生じる非線形効果（カー効果又はイオン化の何れか）の存在下で、エネルギーは、基本波モードＬＰ01から、ビームプロファイルの低減を導く可能性があるより高次のモードへ結合される（G.TempeaとT.Brabecの「Theory of self-focusing in a hollow waveguide」、Opt. Lett. 23 (10) (1998)のp.762-764と比較）。ｊ＞２であるモードの係数が、極めて高損失且つ低結合であることを考えると、この現象の分析について、モードＬＰ02へ結合することのみを考慮すれば十分である。モードＬＰ01とモードＬＰ02に係る伝播定数ｋjpのβ01（ω）の実数部分とβ02（ω）の実数部分の間の差と、（角周波数ωについての）それらの一次微分係数の間の差は、位相不整合（つまり、二つのモードの位相は、伝播の間、異なるレートで変化する）、又は、そのモードの間の群速度不整合（二つのモードは異なる速度で伝播する）にそれぞれつながる。これらの現象は、以下のパラメータを用いて定量化することができる。位相不整合距離Ｌp12は、
Ｌp12＝４π2ａ2／［λ0（ｕ022−ｕ012）］、
λ0＝圧縮されるパルスの搬送波波長、
と記述することができ（８００ｎｍの中心波長λ0についてＬp12は２×１０-6×ａ2と等しい）、モードＬＰ01とモードＬＰ02の位相の間で増大するように、位相差πについて要求される伝播距離である。群速度不整合距離Ｌv12は、
Ｌv12＝２τFWHMｃＬp12／λ0、
τFWHM＝パルスの半値期間、
ｃ＝真空中の光の速さ、
と記述することができ、モードＬＰ01とモードＬＰ02の間で増大するように、パルスの半値全幅期間τFWHMと同等の遅延について要求される伝播距離である。
【００１５】
これらの二つの量の物理的意味は以下である。エネルギーは、モードＬＰ01とモードＬＰ02の間の位相差がπより小さい限り、つまり伝播距離ｌ＜Ｌp12において、モードＬＰ01とモードＬＰ02から結合される。その後、エネルギーは、伝播距離Ｌp12＜ｌ＜２Ｌp12において、基本波モードＬＰ01へ再び結合され、二つの空間モードで伝播するパルスの間に大幅な時間的重複がまだ存在する限り、つまり伝播距離ｌ＜Ｌv12において、モードＬＰ01とモードＬＰ02の間の周期的エネルギーの伝達に係るこの処理が繰り返される。
【００１６】
モード結合される伝播を抑制する三つの現象に対応して（位相不整合、群速度不整合及びモード依存の損失）、伝播に係る三つのレジームＡ、Ｂ、Ｃを確認することができる。
【００１７】
（Ａ）位相不整合の周期的モード結合伝播
群速度不整合が有する影響は、無視できる（つまり、空間モードＬＰ01を有するパルスと、空間モードＬＰ02を有するパルスは、ほとんど同調して伝播する）。ＬＰ01とＬＰ02の間のエネルギー伝達は、位相不整合に起因して周期的になる。
【００１８】
（Ｂ）低結合伝播
群速度不整合は、パルスの間の時間的重複を著しく低減させる。さらに、パルス伸張及び損失は、非線形性の低減をもたらし、それとともに、モード結合の低減をもたらす。モードＬＰ02のパワーは、大きい伝播損失に起因して、予め低減される。
【００１９】
（Ｃ）分離伝播
二つの伝播モードにおいて伝わるパルスの間の遅延は、時間的重複が無視できるものになるパルスの持続時間と同程度になる。パルスの広がり及び損失は、非線形のモード結合を無視できるレベルに低減させる。二つのモードは、モード特有の伝播損失を示しつつ、実質的に独立して伝播する。十分に長い距離を伝播した後、ＬＰ02モードに含まれるエネルギーは、基本波モードに含まれるエネルギーと比較して無視できるものとなるであろう。
【００２０】
これまでに提案されたホローファイバーの圧縮のスキームは、損失に関連するモード識別メカニズムに依存している。ファイバー長は、モードＬＰ02の伝達がモードＬＰ01の伝達と比べて無視できるように選択される（米国特許第5,956,173A号, M.Nisoli等の「新しい種類の高エネルギーパルス圧縮システム、マルチギガワットのサブ５ｆｓパルスの生成」、Appl. Phys. B 65（1997）のp.189-196、特にp.190、図１ｂ及びセクション１の最後の対応する考察を参照）。この方法は、略１ｍＪのエネルギー及び略１ｍＪをわずかに超えるエネルギーを用いたパルスの圧縮へ良好に適用でき、そこでは２００μｍ−３００μｍまでの直径を持つファイバーを使用することができる。（１ｍＪをはるかに超えるエネルギーを持つ）より多くのエネルギーのパルスの圧縮は、過度の非線形性及び／又はファイバーの入射口の損傷を避けるように、より大きい直径を持つファイバーの使用を必要とする。しかしながら、ファイバーの損失に関連するモード識別は、次の式に従ったファイバー半径ａの増大とともに、急速に低下する。
（α01（ω）−α02（ω））＝２．８１４（ｕ01−ｕ02）／ａ3［λ／（２π）］2
【００２１】
その結果として、適切なモードフィルタリングを達成するためには、非常に長いファイバーを用いる必要がある。３０ｆｓ／５ｍＪのパルスを５ｆｓ／２．５ｍＪのパルスに圧縮するために、実地試験（S. Bohman等のOpt. Express 16 (2008)のp.10684）では、５００μｍの半径を持ち、且つ２．２ｍの長さを有するファイバーが用いられた。さらに、ファイバー直前で非線形の影響を低減し、それとともに、ファイバーの入射口（入力端）でより高次のモードＬＰ02へ結合されるエネルギーを低減するためには、（パルスが結合された先端において排出された）差動排気されるチャンバーが用いられなければならなかった。差動排気のスキームは、配置にかなりの複雑さをもたらし、その上、ＨＦＣチャンバーの長さは単独で略４ｍであり、そのため標準的なテーブルトップの配置のサイズを超えた。
【発明の概要】
【００２２】
ここで、本発明の目的は、上記したように、マルチｍＪ光パルスのスペクトルバンド幅を増大させることが可能なホローファイバー導波管装置を提供し、その装置に係るコンパクトな、テーブルトップの配置を有することによりこれを提供することである。
【００２３】
本発明のさらなる目的は、良好なビームプロファイルを持つマルチｍＪパルスを生成することができる光パルスの持続時間を低減させるための、ホローファイバーコンプレッサーの構成を提供することである。
【００２４】
さらに、本発明の目的は、効果的な、今までと同等に単純な方法で、さらに、良好なビームプロファイルを確保するように、光パルスの持続時間を低減させるための対応する方法を提供することである。
【００２５】
第１の側面に従って、本発明は、光パルスのスペクトルバンド幅を増大させるための装置を提供する。その装置は、入力端及び出力端を有するホローファイバー導波管と、そのホローファイバー導波管へビームの焦点を合わせ、そのホローファイバー導波管のその出力端でそのビームをリコリメートするための光学部品と、を備え、そのホローファイバー導波管は、所定の圧力でガスで満たされた気密チャンバーに収容され、そのホローファイバー導波管の長さは、所定の入力パルスエネルギー及びガス圧力について、最小の伝播損失を有する光パルスの基本波の伝播モードＬＰ01に含まれるエネルギーが、そのホローファイバー導波管の全長にわたる周期振動を実質的に示し、且つそのホローファイバー導波管のその出力端で極大に達するような長さである。
【００２６】
好ましくは、そのホローファイバー導波管のその長さは、位相不整合距離ＬP12の偶数の整数倍に実質的に等しく、
ＬP12＝２×１０-6×ａ2、ここで、
ａは、前記ホローファイバー導波管の半径である。
【００２７】
さらに好ましくは、そのホローファイバー導波管のその長さは、群速度不整合距離Ｌv12より短く、
Ｌv12＝２τFWHMｃＬp12／λ0＝４×１０-6τFWHMｃａ2／λ0、ここで、
ａは、そのホロー導波管の半径であり、
λ0は、圧縮されるパルスの搬送波波長であり、
τFWHMは、圧縮されるそのパルスの半値全幅期間であり、
ｃは、真空中の光の速さである。
【００２８】
そのホローファイバー導波管は、例えば、石英ガラス又はＢＫ７ガラスで作ることができる。
【００２９】
さらに、そのホローファイバー導波管は、単に円筒形状の管とすることができる。
【００３０】
ホローファイバー導波管のクラッディングにビームをぶつけさせる、ビームの指向のドリフトに起因する、ホローファイバー導波管の入力端への損傷を避けるために、好ましくは、そのホローファイバー導波管は、円筒形状部及びその入力端において実質的に円錐形状部を有し、その光パルスは、そのホローファイバー導波管のその円錐形状の入力端へ結合され、又はそのホローファイバー導波管は、対称軸を有し、その対称軸に対して９０°と異なる角度下で切断される。
【００３１】
好ましくは、そのホローファイバー導波管は、キセノン、クリプトン、アルゴン、ネオン、ヘリウム、窒素、空気の、ガスのうちの一つで満たされてもよい。
【００３２】
第２の側面に従って、本発明は、光インパルスの持続時間を減少させるための構成を提供する。その構成は、上記で規定されたような装置を有し、グループ遅延分散補償装置をさらに有する。
【００３３】
そのグループ遅延分散補償装置は、例えば、一つ以上のプリズムのペア、一つ以上の回折格子のペア、回折格子のペア及びプリズムのペア、最も好ましくは分散ミラー、又は分散ミラー及び一つ以上のプリズムのペアを有してもよい。
【００３４】
第３の側面に従って、本発明は、光パルスの持続時間を減少させるための方法を提供する。その方法は、光パルスが、焦点調節光学素子によって、入力端及び出力端を有するホローファイバー導波管であって、ガスで満たされた気密チャンバーに収容されるホローファイバー導波管へ結合されることを含み、ホローファイバー導波管の長さは、所定の入力パルスエネルギー及びガス圧力について、最小の伝播損失を有する光パルスの基本波の伝播モードＬＰ01に含まれるエネルギーが、そのホローファイバー導波管の全長にわたる周期振動を実質的に示し、且つそのホローファイバー導波管のその出力端で極大に達するような長さであり、その光パルスのバンド幅は、そのガスで満たされたホローファイバー導波管における非線形伝播によって増大され、その光パルスは、そのホローファイバー導波管のその出力端及びその気密チャンバーを出た後に、光学手段により空間的にリコリメートされ、スペクトル的に拡大された光パルスを、持続時間が低減されたグループ遅延分散補償装置を通して伝播させる。
【００３５】
既に述べたように、好ましくは、そのホローファイバー導波管は、円筒形状部を有し、且つ入力端に円錐形状部を有し、その光が、その円錐形状の入力端へ結合される。ここで、特に好ましくは、そのホローファイバー導波管へのその光パルスの結合は、そのホローファイバー導波管のその円筒形状部の半径の６０−８０パーセントに等しい半径へそのビームの焦点を合わせることによりもたらされる。または、そのホローファイバー導波管へのその光パルスの結合は、そのホローファイバー導波管のその円錐形状部の最大半径の６０−８０パーセントに等しい半径へそのビームの焦点を合わせることによりもたらされる。
【００３６】
本発明は、以下の添付図面に基づき、好ましい実施形態を参照してより詳細にここに記載されるが、本発明はこれに限定されるべきでない。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明に従って実行される、光パルスのスペクトルバンド幅を増大させるための装置を含むホローファイバーコンプレッサーの配置の原理を概略的に示す図である。
【図２】上記のホローファイバーコンプレッサーの配置の原理を再び、ここではホローファイバー導波管に関する限り、概略的に横断面で、分散ミラーを備える特定のコンプレッサーの実施形態とともに示す図である。
【図３】原理上それ自体が公知であるようなホローファイバーの横断面を示す図である。
【図４】長手方向偏光レーザーモードＬＰ01（基本波モード、実線）及びＬＰ02（一次モード、点線）のビーム強度のプロファイルに係るスキーム、つまり横断面を示す図である。
【図５】位相不整合距離ＬP12に対して正規化された伝播距離の関数として、任意単位における、基本波モードＬＰ01に含まれるパワーＰ（実線）と一次モードＬＰ02に含まれるパワーＰ（点線）の漸進的変化の定性的描写を図示するグラフを示す図である。
【図６】図６Ａの部分は、ホローファイバーへのレーザービームの入射口及びそれを通るその通路を示す図であり、図６Ｂの部分は、ファイバー長にわたって基本波モード（ＬＰ01）において伝播するパワーの周期的変化を概略的に示す図である。
【図７】テーパード、つまり円錐形状部及び連結する円筒形状部を有するホロー導波管（ホローファイバー）の入力端へ焦点が合わされ、ビームウエストがファイバーの円筒形状部へ最適に結合するように合わされる、レーザービームを概略的に示す図である。
【図８】図７と類似する図で、テーパード、つまり円錐形状部及び連結する円筒形状部を有するホローファイバー導波管へ焦点が合わされるレーザービームを示すが、ここでは、ビームウエストがファイバーの円錐形状部へ最適に結合するように合わされる図である。
【図９】再度、図７又は図８と類似する図で、円筒形状のホロー導波管の入力端へ焦点が合わされるレーザービームを示すが、ここでは、導波管の入射口表面が導波管の対称軸とともに鋭角βを規定するように切断された導波管の前端を用いた図である。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
まず、図１〜図４に関して、これらの図は本明細書の上記部分で既に参照された。しかしながら、図２に関して、コンプレッサー７を、図２に概略的に示されているように、分散ミラーコンプレッサー８の外側において、一つ以上のプリズムのペア８’とともに、一つ以上の回折格子のペアとともに、又は回折格子のペア及びプリズムのペアの組合せとともに、又は分散ミラーと一つ以上のプリズムのペアの組合せとともに構成することも可能であることが意図されるべきである。コンプレッサー７に係る全てのこれらの実施形態は、それ自体が公知であるように、ホローファイバー導波管３から出力されたパルスを再圧縮するように動作する。
【００３９】
図３に、導波管３のホローファイバー３Ａの横断面が概略的に図示され、この図から、このホローファイバー３Ａのホローコア１０の半径がａであり、内径全体が２ａに等しいことが理解される。
【００４０】
図４に関して、基本波モードＬＰ01及び一次モードＬＰ02のビーム強度のプロファイルの概略的な横断面を図示するように、ホローファイバーの半径ａに対して正規化されたビームの半径ｒに対する任意単位における強度が示される。
【００４１】
ここで、本発明の目的は、コンパクトな配置から、良好なビームプロファイルを持つマルチｍＪパルスを生成できるホローファイバーコンプレッサー手段を考案することであることが思い出される。さらに、上記で指摘されたように、モードＬＰ01とＬＰ02についてのファイバー３Ａに係る伝送における差に依存するアプローチと、差動排気されたチャンバーに依存するアプローチは、これらの要求を満たすことができない。
【００４２】
ここで提案されるソリューションは、損失によりモードＬＰ02を抑制するために必要な長さよりはるかに短い距離にわたって発生する、（伝播に係る上記のレジーム（Ａ）に相当する）モードＬＰ01とＬＰ02の間の周期的エネルギーの伝達を利用し、これにより、ファイバー長Ｌfが実質的に低減され、よりはるかにコンパクトな配置がもたらされる（図６Ｂ）。さらに、最初にファイバー３Ａの入射口で一次モードＬＰ02と結合されたエネルギーは、非線形伝播によって基本波モードＬＰ01に戻すことができるので、本アプローチでは、差動排気されたファイバーを使用する必要が取り除かれる。実際に、伝播距離は、位相不整合距離ＬP12の偶数の整数倍に等しく、一次モードＬＰ02に含まれるパルスエネルギーは、基本波モードＬＰ01へコヒーレントに再度結合され（図６Ａと組み合わせた図６Ｂを参照）、これにより優れたビームプロファイルがもたらされる。したがって、ファイバー長Ｌfは、以下の条件を満たすであろう。
Ｌf＝２＊Ｎ＊Ｌ P12，Ｌf＜Ｌv12
ここで、Ｎは正の整数である。
【００４３】
（G.TempeaとT.Brabecの「Theory of self-focusing in a hollow waveguide」、Opt. Lett. 23 (10) (1008)のp.762-764で近似分析モデルを用いて予測され、D.HomoelleとA.L.Gaeta,の「Nonlinear propagation dynamics of an ultrashort pulse in a hollow waveguide」、Opt. Lett. 25 (10) (2000)のp.761-763により徹底数値解析を用いて確認された）このタイプの動作が、図５に定性的に図示される。その図は、二つの上記した公開物の結論に基づいて、基本波モードＬＰ01に含まれるパワーＰと一次モードＬＰ02に含まれるパワーＰの漸進的変化を伝播距離ｌの関数として定性的に示す。この例の位相不整合距離ＬP12の８つ分の距離に、上記した位相不整合の周期的モード結合伝播のレジーム（Ａ）があり、略１０ＬＰ12の距離を有するレジーム（Ｂ）が続く。最終的に、１８ＬＰ12より長い距離について、二つのモードＬＰ01及びＬＰ02は、ほとんど分離され、異なる伝播損失の影響を受ける。ここで、図５に示されるような、二つのモードＬＰ01とＬＰ02の間の結合の強度（すなわち、周期的変調の振幅）と、上記の三つの伝播レジーム（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）に対応する間隔の長さとは、図示するために適宜選択され、本発明の範囲を制限しないことに注意すべきである。これらのパラメータは、ファイバーの半径２ａ、入力パワー及びチャンバー３Ｂ内のガス圧力に強く依存する。しかしながら、これらのパラメータの値に関わらず、伝播の大部分がレジーム（Ａ）で発生し、基本波モードに含まれるパワーがファイバー３Ａの出力端において最大に達するように、ファイバー３Ａの長さＬfを常に選択することができる。図２に示される例について、本発明に対応するコンプレッサーは、２Ｌp12、４Ｌp12、６Ｌp12又は８Ｌp12の何れかの長さを有するであろう。従来技術の状況に基づくコンプレッサー（米国特許第5,956,173A号, M.Nisoli等の「新しい種類の高エネルギーパルス圧縮システム、マルチギガワットのサブ５ｆｓパルスの生成」、Appl. Phys. B 65（1997）のp.189-196）は、（図５に図示される例において、１０Ｌp12より長いファイバー長について明確に観測される）伝播損失のモードの選択性を利用している。
【００４４】
ここで提案されるアプローチは、基本波モードＬＰ01についてのスループットの向上と、コンパクトさの向上につながるファイバー長Ｌ01の低減の両方をもたらす。
【００４５】
図６及び特に図６Ａを参照して、ホローファイバー導波管３Ａへレーザービーム１の焦点を合わせることが示される。図３に従って、ホローファイバー３Ａは、ガラスクラッディング９及びホローコア１０を有する。ホローファイバー３Ａの入射表面（入力端）１１は導波管３の対称軸に対して垂直である。そして、図６Ｂは、基本波モードＬＰ01において伝播するパワーＰがどのように周期的に変化するかを定性的に示す。本発明に従って、ファイバー３Ａの長さＬfは、モードＬＰ01におけるそのパワーＰ（又はエネルギーのそれぞれ）がファイバー３Ａの出力端１３において極大Ｍａｘに達するように合わされる。
【００４６】
そのような解決されるべきコンパクトさの問題で、入射口（入力端）で、ホローチューブ３Ａのクラッディング９にレーザービーム１を照射させる、わずかなビームの指向のドリフトによって起こり得る危険性がある損傷にさらに関心が抱かれる。（図６と比較して）従来の、円筒形状のホロー導波管の場合、偶然にホローコアから離れてドリフトしていく、強力な、焦点が合わせられたビーム１は、略垂直入射で、クラッディング９の前面１１を照射する。
【００４７】
入射口表面１１上のレーザー光フルエンス（それとともに偶然の損傷のリスク）は、図７及び図８に示すように、ファイバー３Ａの入射口に、テーパードの、つまり円錐型のファイバー部１４を用いることにより低減することができる。レーザービーム１のビームウエスト１５は、続くファイバー４Ａの円筒形状部１６へ最適に結合するように合わされるであろう（この目的を達成するために、ビームウエスト１５は、主に文献から公知であるように、ファイバーの円筒形状部の直径の好ましくは６０〜８０％、より好ましくは６０〜７０％とすべきである。）。この場合、もしドリフトしても、レーザービーム１は、ファイバー３Ａの前面１１を照射しないが、入射に係る大きい角度９０°−αで、クラッディング９の内側面１７を照射するであろう。ここでαは、そのファイバーの対称軸を持つファイバーのテーパード部内のクラッディング壁の内側面によりなされる角度である。このアプローチで、クラッディング９上のレーザーフルエンスは、標準（テーパードでなく、垂直角度下で切断された）ホローファイバーと比較して、
４＊ｔａｎ2α
だけ減少する。例として、テーパー角α＝５°について、フルエンスは０．０３１の倍数（a factor）だけ減少する。
【００４８】
また、図８に示されるように、ビームウエスト１５は、ファイバー３Ａの円錐形状部１４へ最適に結合するように合わせることができる。この場合、ファイバー入射口１１におけるレーザーフルエンスは、ビーム１の横断面より大きい横断面によって減少されるであろう。
【００４９】
あるいは、（ファイバーの軸１２に対して垂直な面をもたらす標準的な切断と対照的に）図９に示されるように、ホロー導波管３を斜めの角度β下で切断してもよい。ファイバー３Ａが角度β下で切断されると（図９を参照）、ビームのドリフトの場合のクラッディング９の側（前）表面１１上へのレーザーフルエンス入射は、ｓｉｎ2βだけ減少する。例えば、切断角β＝４５°について、フルエンスは、図６に示される垂直（９０°）入射に切断されたファイバーと比較して、ｓｉｎ2４５°＝０．５の倍数だけ減少するであろう。
【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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