(57)【要約】本発明は、光媒介型チャープパルス増幅装置に関するものであり、奇数次分散（主として３次分散）を用いてチャーピングされたレーザー光を出力するパルス伸張系（１００）と、ポンプレーザー光を出力するポンプレーザー（２００）と、前記ポンプレーザー光及びチャーピングされたレーザー光（信号光）を入力とし、前記ポンプレーザー光を用いて信号光を増幅させ、余剰光を発生させる光媒介増幅部（３００）と、前記光媒介増幅部の出力光を信号光と余剰光及びそれ以外の光（ポンプ光）に分離する光信号分離部（４００）と、前記パルス伸張系により与えられた奇数次分散によるパルスチャーピングを逆に補償して前記重なり合う信号光及び余剰光を同時に時間的に圧縮するパルス圧縮系（６００）と、を備えることを特徴とする。【選択図】図５
2009543114.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
奇数次分散を用いてチャーピングされたレーザー光を出力するパルス伸張系と、
ポンプレーザー光を出力するポンプレーザーと、
前記ポンプレーザー光及びチャーピングされたレーザー光（信号光）を入力とし、前記ポンプレーザー光を用いて信号光を増幅させ、余剰光を発生させる光媒介増幅部と、
前記光媒介増幅部の出力光を信号光と余剰光及びそれ以外の光（ポンプ光）に分離する光信号分離部と、
前記パルス伸張系により与えられた奇数次分散によるパルスチャーピングを逆に補償して前記重なり合う信号光及び余剰光を同時に時間的に圧縮するパルス圧縮系と、
を備え、
共線形位相整合時に下記の関係式
＜関係式＞
λｓ≒２λｐ≒λｉ
（ここで、λｓは信号光波長、λｐはポンプ光波長、λｉは余剰光波長を示す。）
を満足することを特徴とする光媒介型チャープパルス増幅装置。
【請求項２】
前記パルス伸張系及びパルス圧縮系は、２次分散（群速度分散）が打ち消され、３次分散が極大化されるように設計されることを特徴とする請求項１に記載の光媒介型チャープパルス増幅装置。
【請求項３】
前記パルス伸張系及びパルス圧縮系は、３次分散を用いたＵ字状のチャープ構造の半分を信号光として利用し、残りの半分は余剰光として利用することを特徴とする請求項１に記載の光媒介型チャープパルス増幅装置。
【請求項４】
前記パルス伸張系は、中心波長の進行を遅らせ、周辺波長を先行させるような方式のチャーピングを与えることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の光媒介型チャープパルス増幅装置。
【請求項５】
前記パルス伸張系は、中心波長を先行させ、周辺波長の進行を遅らせるような方式のチャーピングを与えることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の光媒介型チャープパルス増幅装置。
【請求項６】
残余の偶数次分散を除去するための手段をさらに備えることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の光媒介型チャープパルス増幅装置。  
【請求項７】
前記偶数次分散除去手段は、音響光学フィルターまたはチャープミラーのいずれか１種であることを特徴とする請求項６に記載の光媒介型チャープパルス増幅装置。
【請求項８】
前記偶数次分散除去手段は、光媒介増幅部（ＯＰＡ）手前の光経路上に位置付けることを特徴とする請求項６に記載の光媒介型チャープパルス増幅装置。
【請求項９】
前記パルス伸張系は、回折格子反平行構造と回折格子平行構造を直列に構成してパルスチャーピング時に２次分散（群速度分散）を除去することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の光媒介型チャープパルス増幅装置。
【請求項１０】
前記パルス圧縮系は、回折格子反平行構造と回折格子平行構造が直列に構成されたものであることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の光媒介型チャープパルス増幅装置。
【請求項１１】
前記回折格子反平行構造及び回折格子平行構造に適用される回折格子に関するパラメータを異ならせて適用することを特徴とする請求項９に記載の光媒介型チャープパルス増幅装置。
【請求項１２】
前記回折格子反平行構造及び回折格子平行構造に適用される回折格子に関するパラメータを異ならせて適用することを特徴とする請求項１０に記載の光媒介型チャープパルス増幅装置。
【請求項１３】
前記パルス伸張系及びパルス圧縮系は、設計される前記パルス伸張系の回折格子反平行構造と回折格子平行構造に適用される回折格子に関するパラメータがそれぞれ回折格子並行構造及び回折格子反並行構造で用いられる回折格子に関するパラメータと同じであることを特徴とする請求項１１または１２に記載の光媒介型チャープパルス増幅装置。
【請求項１４】
前記回折格子平行構造は、平行構図を有する２つの回折格子と、入射光の高さのみを変更して反射させる１つのミラーと、を備えてなることを特徴とする請求項９に記載の光媒介型チャープパルス増幅装置。
【請求項１５】
前記回折格子平行構造は、平行構図を有する２つの回折格子と、入射光の高さのみを変更して反射させる１つのミラーと、を備えてなることを特徴とする請求項１０に記載の光媒介型チャープパルス増幅装置。
【請求項１６】
前記光媒介増幅部は、非線形光学媒質を用いることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の光媒介型チャープパルス増幅装置。
【請求項１７】
前記非線形光学媒質は、ベータバリウムボレート、リチウムトリボレート、チタンリン酸カリウム及びリン酸二水素カリウムよりなる群から選ばれるいずれか１種であることを特徴とする請求項１６に記載の光媒介型チャープパルス増幅装置。
【請求項１８】
前記光信号分離部は、光媒介増幅部から出力された余剰光及び増幅された信号光は反射させ、それ以外の光（ポンプ光）は透過させて余剰光、増幅された信号光及びそれ以外の光に分離するポンプ光除去用の二色性ミラーであることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の光媒介型チャープパルス増幅装置。
【請求項１９】
前記光信号分離部において分離されたポンプ光を除去するビーム除去器をさらに備えることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の光媒介型チャープパルス増幅装置。
【請求項２０】
前記パルス伸張系及びポンプレーザーの出力光を入力されて光媒介増幅部に送るミラー（ポンプ光流入用の二色性ミラー）をさらに備えることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の光媒介型チャープパルス増幅装置。
【請求項２１】
前記パルス伸張系の後段に設けられて入射した光の経路をポンプ光流入用の二色性ミラーに切り換えるビーム経路切換え用のミラーをさらに備えることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の光媒介型チャープパルス増幅装置。
【請求項２２】
前記光信号分離部において分離された信号光と余剰光の経路をパルス圧縮系に切り換えるビーム経路切換え用のミラーをさらに備えることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の光媒介型チャープパルス増幅装置。
【請求項２３】
奇数次分散を用いてチャーピングされたレーザー光を出力するパルス伸張系と、
ポンプレーザー光を出力するポンプレーザーと、
前記ポンプレーザー光及びチャーピングされたレーザー光（信号光）を入力とし、前記ポンプレーザー光を用いて信号光を増幅させ、余剰光を発生させる光媒介増幅部と、
前記光媒介増幅部の出力光を信号光と余剰光及びそれ以外の光（ポンプ光）に分離する光信号分離部と、
前記パルス伸張系により与えられた奇数次分散によるパルスチャーピングを逆に補償して前記重なり合う信号光及び余剰光を同時に時間的に圧縮するパルス圧縮系と、
を備え、
前記パルス伸張系及びパルス圧縮系は、２次分散（群速度分散）が打ち消され、３次分散が極大化されるように設計され、共線形位相整合時に下記の関係式
＜関係式＞
λｓ≒２λｐ≒λｉ
（ここで、λｓは信号光波長、λｐはポンプ光波長、λｉは余剰光波長を示す。）
を満足することを特徴とする光媒介型チャープパルス増幅装置。
【請求項２４】
奇数次分散を用いてチャーピングされたレーザー光を出力するパルス伸張系と、
ポンプレーザー光を出力するポンプレーザーと、
前記ポンプレーザー光及びチャーピングされたレーザー光（信号光）を入力とし、前記ポンプレーザー光を用いて信号光を増幅させ、余剰光を発生させる光媒介増幅部と、
前記光媒介増幅部の出力光を信号光と余剰光及びそれ以外の光（ポンプ光）に分離する光信号分離部と、
前記パルス伸張系により与えられた奇数次分散によるパルスチャーピングを逆に補償して前記重なり合う信号光及び余剰光を同時に時間的に圧縮するパルス圧縮系と、
を備え、
前記パルス伸張系及びパルス圧縮系は、３次分散を用いたＵ字状のチャープ構造の半分を信号光として利用し、残りの半分は余剰光として利用し、
共線形位相整合時に下記の関係式
＜関係式＞
λｓ≒２λｐ≒λｉ
（ここで、λｓは信号光波長、λｐはポンプ光波長、λｉは余剰光波長を示す。）
を満足することを特徴とする光媒介型チャープパルス増幅装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光媒介型チャープパルス増幅装置（Optical Parametric Chirped Pulse Amplification；ＯＰＣＰＡ）に係り、さらに詳しくは、エネルギー増幅率だけではなく、波長帯域幅をも倍増し、これにより、スペクトル損失を補償することはもとより、原信号光に比べてさらに短いパルス幅を有するレーザー光を得ることのできる光媒介型チャープパルス増幅装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、光媒介型チャープパルス増幅装置（ＯＰＣＰＡ）は、数フェムト秒（ｆｓ；１０−１５秒）から数百フェムト秒までの領域のモードロックされた極超短レーザー光を増幅するのに用いられており、これは、既存のパルスチャーピング光増幅（Chirped Pulse Amplification；ＣＰＡ）技術と光媒介増幅（Optical Parametric Amplification；ＯＰＡ）の概念を結合した新規な光増幅方式であって、最近活発に研究され始めたレーザー増幅技術である。
【０００３】
従来の光媒介型チャープパルス増幅装置（ＯＰＣＰＡ）においては、長波長を先行させるような方式のチャーピングを与える回折格子反平行構造がパルス伸張系に先に適用され、増幅された後に短波長を先行させるチャーピングを与える回折格子平行構造がパルス圧縮系に適用されて、パルス伸張系において引き起こされたパルスの時間伸びを補償する。
【０００４】
これを図１から図４に基づいてより詳細に説明する。
【０００５】
図１Ａは、従来の技術による光媒介型チャープパルス増幅装置（ＯＰＣＰＡ）の概略図であり、図１Ｂは、図１Ａに示す光媒介型チャープパルス増幅装置の詳細構造図である。
【０００６】
図１Ａ及び図１Ｂを参照すると、従来の光媒介型チャープパルス増幅装置（ＯＰＣＰＡ）は、パルス伸張系１０と、ポンプ光流入用の二色性ミラー８０と、ポンプレーザー２０と、光媒介増幅部（ＯＰＡ）３０と、ポンプ光除去用の二色性ミラー４０と、ビーム除去装置５０及びパルス圧縮系６０を備えてなる。
【０００７】
パルス伸張系１０は、レーザー光を周波数ごとに光経路を異ならせて時間伸ばしを行う装置である。すなわち、パルス伸張系１０においては、極超短レーザー出力光のパルスの長さ（ｐｕｌｓｅ  ｄｕｒａｔｉｏｎ）を時間的に元の数フェムト秒（ｆｓ；１０−１５秒）／数十ピコ秒（ｐｓ；１０−１２秒）領域から数百ピコ秒（ｐｓ；１０−１２秒）／数ナノ秒（ｎｓ；１０−９秒）の領域に伸ばす（これについては、効率よい光増幅と光学部品の損傷限界を避けるために講じられた関連ＣＰＡ技術を参照すること）。
【０００８】
このときに使用する増幅段前部のパルス伸張系は波長による分散を与えて、その結果、パルスの時間的な長さを伸ばすことになるが、これをパルスチャーピングという。
【０００９】
この明細書においては、前記パルス伸張系１０の出力光を単に「信号光」と称する。
【００１０】
従来の光媒介型チャープパルス増幅装置（ＯＰＣＰＡ）においては、上記のようなパルス伸張系を通過することにより、図４に示すように時間的にチャーピングされた信号光（長波長を先行させる）が出力される。
【００１１】
ポンプレーザー２０は、ポンプレーザー光（単に、「ポンプ光」と称する。）を出力する装置である。
【００１２】
ポンプ光流入用の二色性ミラー８０は異なる特性を有するポンプ光と信号光を流入させて次段（光媒介増幅部）に送る装置である。
【００１３】
光媒介増幅部３０においては、前記ポンプ光を用いて信号光を増幅させ、余剰光を発生させる。これにより、ポンプ光そのものはその分減衰される。
【００１４】
すると、前記光媒介増幅部３０の出力光はポンプ光、増幅された信号光及び余剰光となる。
【００１５】
前記ポンプ光と信号光との位相整合方式によって、光媒介増幅は共線形位相整合と非共線形位相整合とに大別されるが、非共線形位相整合方式において設計条件を上手に選択する場合、共線形位相整合に比べて広い利得帯域幅を有することができ、一般に広帯域光媒介増幅（Broadband optical parametric amplification; Broadband ＯＰＡ）時に非共線形位相整合を利用することになる。この場合、余剰光は、今後、波長による角分散により活用困難になるため、ビーム除去器を用いてなくすことになる。
【００１６】
ポンプ光除去用の二色性ミラー４０においては、光媒介増幅部３０の出力光を信号光及びそれ以外の光（余剰光、ポンプ光）に分離して経路をそれぞれ異ならせる。
【００１７】
例えば、ポンプ光除去用の二色性ミラー４０においては、信号光を反射させ、余剰光及びポンプ光が透過されるようにして、前記透過された余剰光及びポンプ光をビーム除去装置５０を用いて除去する。
【００１８】
一般に、極超短レーザー発振器そのものからの出力光はかなり小さなパルス当たりのエネルギーを有しているため、複数段の増幅手段を介して増幅することになる。
【００１９】
ここで、増幅手段は、前記ポンプレーザー２１、２２、光媒介増幅部３１、３２、ポンプ光除去用の二色性ミラー４１、４２及びビーム除去装置５１、５２などを備え、前記増幅手段を複数配備することにより、所望の大きさの信号が得られる。
【００２０】
上記のように、所望の大きさだけ信号の増幅が行われると、最後にパルス圧縮系６０を用いてさらに時間的な圧縮が行われる。
【００２１】
図面符号７１から７４は、光（ビーム）の経路を切り換えるビーム経路切り換え用のミラーである。
【００２２】
図２Ａから図２Ｄは、従来の技術による光媒介型チャープパルス増幅装置のパルス伸張系の構成図であって、図２Ａは、回折格子反平行構造（屈折型）であり、図２Ｂは、回折格子反平行構造（反射型）であり、図２Ｃ及び図２Ｄは、回折格子反平行構造（オフナー−トリプレット型）の平面図及び側面図である。
【００２３】
先ず、図２Ａを参照すると、屈折型回折格子反平行構造は、２つの回折格子（それぞれ「第１の回折格子」、「第２の回折格子」と称する。）１１１、１１２と、２枚のレンズ１１３、１１４及び１つのミラー１１５よりなる。
【００２４】
前記ミラー１１５は、入射光の高さだけを変更して反射させる役割を果たす。
【００２５】
その光経路を調べてみると、光は第１の回折格子１１１に入射して反射された後、２枚のレンズ１１３、１１４を通過した後に第２の回折格子１１２に入射して再び反射される。前記反射された光はミラー１１５に入射するが、その光は前記ミラー１１５により高さのみが変更されて反射される。前記反射された光は、第２の回折格子１１２、２枚のレンズ１１４、１１３及び第１の回折格子１１１を介してビーム経路切り換え用のミラー７１に入射する。
【００２６】
ここで、対応する分離距離は２ｆ−ｓ１−ｓ２で表わされ、ｆはレンズ１１３、１１４の焦点距離、ｓ１及びｓ２は（つまり、平行格子構造における同じチャーピング力をもつ格子間の対応する分離距離）各レンズ１１３、１１４から回折格子１１１、１１２までの距離を示す。
【００２７】
図２Ａに示す屈折型回折格子反平行構造においては、下記の如き問題点が発生する。すなわち、レンズ１１３、１１４を有する屈折型回折格子反平行構造においては、レンズによる色収差などの問題が発生する。
【００２８】
前記レンズの色収差の問題を解決するために、図２Ｂに示す反射型回折格子反平行構造が提案されている。
【００２９】
図２Ｂを参照すると、反射型回折格子反平行構造は、２つの回折格子（それぞれ「第１の回折格子」、「第２の回折格子」と称する。）１２１、１２２、２つの筒状ミラー１２３、１２４及び１枚のプリズム１２５からなる。
【００３０】
上記において、プリズム１２５は、図２Ａに示すミラーと同じ役割を果たす。
【００３１】
その光経路を調べてみると、光は第１の回折格子１２１に入射して反射された後、２つの筒状ミラー１２３、１２４を介して第２の回折格子１２２に入射・反射される。前記反射された光はプリズム１２５に入射する。その光は前記プリズム１２５により高さのみが変更されて反射され、前記反射された光は第２の回折格子１２２、筒状ミラー１２４、１２３及び第１の回折格子１２１を通ってビーム経路切換え用のミラー７１に入射する。
【００３２】
ここで、対応する分離距離は２ｆ−ｓ１−ｓ２で表わされ、ｆは筒状ミラー１２３、１２４の焦点距離、ｓ１及びｓ２は筒状ミラー１２３、１２４から回折格子１２１、１２２までの距離を示す。
【００３３】
図２Ｂに示す反射型回折格子反平行構造においては、下記の如き問題点が発生する。すなわち、２つの筒状ミラーにおける光軸に対する傾斜により収差などの問題点が発生する。
【００３４】
これを解消するために、図２Ｃ（平面図）及び図２Ｄ（側面図）に示すオフナー−トリプレット構造が提案されている。
【００３５】
図２Ｃ及び図２Ｄを参照すると、オフナー−トリプレット構造は、１つの回折格子１３１と、サイズの異なる２つの球状ミラー（それぞれ「第１の球状ミラー」、「第２の球状ミラー」と称する）１３２、１３３及び１つのプリズム１３４よりなる。
【００３６】
上記のプリズム１３４は、図２Ａのミラーと同じ役割を果たす。
【００３７】
前記第２の球状ミラー１３３が第１の球状ミラー１３２よりも大きい。
【００３８】
その光経路を調べてみると、光は回折格子１３１に入射して反射された後、第２の球状ミラー１３３に入射・反射される。前記反射された光は第１の球状ミラー１３２に入射・反射された後、さらに第２の球状ミラー１３３に入射・反射される。前記反射された光は回折格子１３１に入射し、再び反射されてプリズム１３４に入射する。その光は前記プリズム１３４により高さのみが変更されて反射されるが、回折格子１３１、第２の球状ミラー１３３、第１の球状ミラー１３２を通過し、さらに第２の球状ミラー１３３、回折格子１３１を通って出光される。
【００３９】
ここで、対応する分離距離は２（Ｒ−ｓ）で表わされ、Ｒは第２の球状ミラー１３３の半径、ｓは第２の球状ミラー１３３から回折格子１３１までの距離を示す。
図２Ｅは、従来の技術によるパルス伸張系における回折格子反平行構造による信号光チャーピングを示すグラフである。
【００４０】
同図は、通常のパルス伸張系において発生する信号光チャープ構造の電算模写結果であって、図２Ｃ及び図２Ｄに示すオフナー−トリプレット構造において、回折格子に対するパラメータを下記のように設定している。すなわち、１次回折を利用しており、回折格子の溝数は１７４０ｌｉｎｅ／ｍｍ、入射角は６２．８°、回折角は７０．８°、対応する分離距離は５３０ｍｍに設定している。
【００４１】
その結果、１０５４ｎｍの波長を中心として８ｎｍ（１０５０ｎｍ−１０５８ｎｍ）のスペクトルを有する信号光が約８００ｐｓだけ伸びていた。この値（８００ｐｓ）は光経路差を光の速度で除算した値であって、光経路差は２４０ｍｍであり、光の速度は３０万ｋｍ／ｓである。
【００４２】
参考までに、前記パルス伸張系を通過したレーザー光は波長によって時間的に伸びたパルス構造の形態を有するが、このとき、波長によって時間的に光パルスが伸びる原因は、下記の通りである。すなわち、極超短レーザー光には種々の波長成分のレーザー光が含まれているが、それぞれの成分に対して回折格子構造を通過しながら、その光学的な進行距離が異なってきて、これによる各成分の時間遅延の差分により結果として光パルスが時間的に伸びることになる。
【００４３】
図３Ａは、従来の技術による光媒介型チャープパルス増幅装置のパルス圧縮系の構成図である。
【００４４】
図３Ａを参照すると、回折格子平行構造は、平行構図を有する２つの回折格子１４１、１４２と、入射光の高さのみを変更して反射させる１つのミラー１４３と、から構成される。
【００４５】
その光経路を調べてみると、光は第１の回折格子１４１に入射して反射された後、第２の回折格子１４２に入射して反射される。前記反射された光はミラー１４３に入射し、前記ミラー１４３により高さのみが変更されて再び反射される。前記反射された光は第２の回折格子１４２、第１の回折格子１４１を通って出光される。
【００４６】
ここで、対応する分離距離は両回折格子１４１、１４２間の距離で表わすことができる。
【００４７】
図３Ｂは、従来の技術によるパルス圧縮系において、回折格子平行構造による信号光チャーピングを示すグラフである。
【００４８】
同図は、通常のパルス圧縮系において発生する信号光チャープ構造の電算模写結果を示すものであって、図３Ｂに示す回折格子平行構造において、回折格子に対するパラメータを下記のように設定している。すなわち、−１次回折を利用しており、回折格子の溝数は８５０ｌｉｎｅ／ｍｍ、入射角は５．０°、回折角は７９．４°、対応する分離距離は６９２ｍｍに設定している。
【００４９】
その結果、１０５４ｎｍの波長を中心として８ｎｍのスペクトルを有する信号光が約８００ｐｓだけ伸びた。ここで、光経路差は、略２４０ｍｍである。
【００５０】
また、このパルス圧縮系は通常のパルス伸張系において約８００ｐｓだけ伸びた１０５４ｎｍの波長を中心として８ｎｍのスペクトルを有する信号光を再び元の状態に圧縮することができる。
【００５１】
次に、従来の技術による光媒介型チャープパルス増幅装置の動作及び作用について説明する。
【００５２】
先ず、元の信号光が図２Ａから図２Ｄに示す構造を有するパルス伸張系１０を通過するが、これにより、短波長に対して長波長が先行される、時間的に伸びた構造を有する波形（図４参照）が出力される。
【００５３】
前記パルス伸張系１０の出力光（信号光）はビーム経路切換え用のミラー７１、７２を介して第１のポンプ光流入用の二色性ミラー８１に流入され、また、第１のポンプレーザー２１から出力された光（ポンプ光）も第１のポンプ光流入用の二色性ミラー８１に流入される。
【００５４】
前記信号光及びポンプ光は再び第１の光媒介増幅部３１に流入される。ここでは、ポンプ光により信号光が増幅されながら余剰光が発生され、ポンプ光そのものは減衰される。
【００５５】
結果として、前記第１の光媒介増幅部３１の出力光はポンプ光、増幅された信号光及び余剰光となる。
【００５６】
前記出力光は、第１のポンプ光除去用の二色性ミラー４１に流入されて増幅された信号光及びそれ以外の光（ポンプ光、余剰光）に分離される。すなわち、減衰されたポンプ光及び余剰光は第１のポンプ光除去用の二色性ミラー４１に透過されて第１のビーム除去装置５１により除去され、増幅された信号光は第１のポンプ光除去用の二色性ミラー４１に反射される。
【００５７】
前記増幅された信号光が所定の大きさ以上に増幅された信号光であれば、直ちにパルス圧縮系６０に流入され、そうでない場合には前記過程（ポンプ光流入用の二色性ミラーからビーム除去装置まで）を再び経ることになる。
【００５８】
すなわち、第１のポンプ光除去用の二色性ミラー４１において反射された信号光（増幅された信号光）が所定の大きさ以上に増幅された信号光ではなければ、他のポンプ光流入用の二色性ミラー（第２のポンプ光流入用の二色性ミラー）８２に流入され、また、第２のポンプレーザー２２から発せられたポンプ光も前記第２のポンプ光流入用の二色性ミラー８２に流入される。その後、前記信号光および前記ポンプ光は、第２の光媒介増幅部３２、第２のポンプ光除去用の二色性ミラー４２及び第２のビーム除去装置５２を経る。前記過程は、ポンプ光除去用の二色性ミラーを通過した信号光が所定の大きさ以上に増幅された信号光となるまで繰り返し行われる。
【００５９】
上記のように、増幅された信号光はパルス圧縮系６０に流入され、パルス圧縮系６０においては前記増幅された信号光を再び時間的に圧縮させる。
しかしながら、上記の如き構造の光媒介型チャープパルス増幅装置には、下記の如き問題点がある。
【００６０】
すなわち、従来の光媒介型チャープパルス増幅装置においては、２次分散（群速度分散；Group Velocity Dispersion；ＧＶＤ）を用いて線形的なパルスチャーピング構造を作っていたが、これは、光媒介増幅部の出力光である信号光と余剰光において前記２次分散の大きさが同一であり、且つ、符号が反対であるために、パルス圧縮系における補償が困難であるという問題点がある。このため、一般的に増幅された信号光とほとんど同じ大きさのエネルギーを有する余剰光は活用できずに放棄することになる。
【００６１】
前記分散の詳細については、図７の説明部分を参照されたい。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００６２】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、パルス伸張系及びパルス圧縮系において奇数次分散である３次分散を利用し、光媒介増幅部の出力光のうち信号光と余剰光を同時に活用してエネルギー増幅率だけではなく、波長帯域幅も倍増することができ、これにより、スペクトル損失を補償することはもとより、元の信号光に比べてさらに時間的パルス幅が短いレーザー光を得ることのできる光媒介型チャープパルス増幅（ＯＰＣＰＡ）装置を提供するところにある。
【００６３】
以上において、奇数次分散を利用する目的は、下記の通りである。
すなわち、従来の２次分散（群速度分散）及び４次分散などの偶数次分散は、光媒介型チャープパルス増幅に当たって、信号光と余剰光において大きさのみが同じであり、且つ、反対の符号を有するため、パルス圧縮系において同時に保障することは困難であるが、本発明に適用される３次分散などの奇数次分散は大きさ及び符号が同じであるため、パルス圧縮系において補償が容易であるというメリットがある。
【００６４】
参考までに、従来の光媒介型チャープパルス増幅装置においては、増幅された信号光と余剰光を同時に活用することは困難である。その理由は、下記の通りである。
【００６５】
第一に、一般的に広帯域光媒介増幅時に用いられる非共線形構造の位相整合においては、余剰光の角分散が発生するため、今後ビームが進行するとき、波長によって空間的に異なる方向に進行することになり、これを補正する適当な手段を見つけることが困難である。
【００６６】
第二に、もし、余剰光を活用するために共線形位相整合を利用しながら、余剰光の偏光を正常光（ｏｒｄｉｎａｒｙ  ｗａｖｅ）に合わせることで余剰光の角分散の問題を解消することはできるが、一般的には極超短信号光に対応する広い信号光のスペクトルに対して均一な利得を与えるほどの十分に広い利得帯域を得ることは困難である。
【００６７】
第三に、特殊の場合、共線形位相整合方式にも拘らず、信号光のスペクトルをいずれも十分に増幅可能な広い利得帯域が得られる場合もあるが、増幅信号光と余剰光は互いに逆方向にチャーピングされたパルス(opposite chirp-state of the amplified signal and the idler)を有することになり、今後通常のパルス圧縮系を通じてはパルス幅が元の状態に戻らない。
【課題を解決するための手段】
【００６８】
上記の如き目的を達成するために、本発明による光媒介型チャープパルス増幅装置は、奇数次分散（主に３次分散）を用いてチャーピングされたレーザー光を出力するパルス伸張系と、ポンプレーザー光を出力するポンプレーザーと、前記ポンプレーザー光及びチャーピングされたレーザー光（信号光）を入力とし、前記ポンプレーザー光を用いて信号光を増幅させ、余剰光を発生させる光媒介増幅部と、前記光媒介増幅部の出力光を信号光と余剰光、及びそれ以外の光（ポンプ光）に分離する光信号分離部と、前記パルス伸張系により与えられた奇数次分散によるパルスチャーピングを逆に補償して前記重なり合う信号光及び余剰光を同時に時間的に圧縮させるパルス圧縮系と、を備え、
余剰光を活用するために、共線形位相整合時に下記の関係式
＜関係式＞
λｓ≒２λｐ≒λｉ
（ここで、λｓは信号光波長、λｐはポンプ光波長、λｉは余剰光波長を示す。）
を満足することを特徴とする。
【００６９】
前記パルス伸張系及びパルス圧縮系は、３次分散を用いたＵ字状のチャープ構造の半分を信号光として利用し、残りの半分は余剰光として利用することが好ましい。
前記パルス伸張系においては、中心波長の進行を遅らせ、周辺波長を先行させるような方式のチャーピングを与えることが好ましく、中心波長を先行させ、周辺波長の進行を遅らせるような方式のチャーピングを与えてもよい。
【００７０】
また、本発明は、残余の偶数次分散（すなわち、４次分散など）を除去するための手段をさらに備えることが好ましい。
前記偶数次分散を除去するための手段には、音響光学フィルター、チャープミラーなどが好ましい。
【００７１】
前記偶数次分散除去手段は、光媒介増幅部（ＯＰＡ）手前の光経路上に位置付けることが好ましい。
【００７２】
前記パルス伸張系は、回折格子反平行構造と回折格子平行構造を直列に構成してパルスチャーピング時に２次分散（群速度分散）が除去されるようにすることが好ましい。
【００７３】
また、前記パルス圧縮系も同様に、回折格子反平行構造と回折格子平行構造を直列に構成することが好ましい。
【００７４】
さらに、本発明は、前記回折格子反平行構造及び回折格子平行構造に適用される回折格子に関するパラメータを異ならせて適用することが好ましい。
【００７５】
前記パルス伸張系とパルス圧縮系は、回折格子反平行構造と回折格子平行構造に適用される回折格子に関するパラメータが互いに反対であることが好ましい。
【００７６】
前記回折格子平行構造は、平行構図を有する２つの回折格子と、入射光の高さのみを変更して反射させる１つのミラーと、を備えてなるのが好ましい。
【００７７】
前記光媒介増幅部は、非線形光学媒質を用いることが好ましく、前記非線形光学媒質にはベータバリウムボレート、リチウムトリボレート、チタンリン酸カリウム、リン酸二水素カリウムなどがある。
【００７８】
前記光信号分離部は、光媒介増幅部から出力された余剰光及び増幅された信号光は反射させ、それ以外の光（ポンプ光）は透過させて余剰光、増幅された信号光及びそれ以外の光に分離するポンプ光除去用の二色性ミラーであることが好ましい。
【００７９】
また、本発明は、前記光信号分離部において分離されたポンプ光を除去するビーム除去器をさらに備えることを特徴とするのが好ましい。
【００８０】
さらに、本発明は、前記パルス伸張系及びポンプレーザーの出力光を入力されて光媒介増幅部に送るミラー（ポンプ光流入用の二色性ミラー）をさらに備えることが好ましい。
【００８１】
さらにまた、本発明は、前記パルス伸張系の後段に設けられて入射した光の経路をポンプ光流入用の二色性ミラーに切り換えるビーム経路切換え用のミラーをさらに備えることが好ましい。
【００８２】
さらにまた、本発明は、前記光信号分離部において分離された信号光と余剰光の経路をパルス圧縮系に切り換えるビーム経路切換え用のミラーをさらに備えることが好ましい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００８３】
以下、添付図面に基づき、本発明による好適な実施形態を詳述する。
【００８４】
図５は、本発明による光媒介型チャープパルス増幅装置の詳細構造図である。
図５を参照すると、本発明による光媒介型チャープパルス増幅装置は、大きく、パルス伸張系１００と、ポンプレーザー２００と、光媒介増幅部３００と、光信号分離部４００と、ビーム除去部（ビーム除去装置）５００及びパルス圧縮系６００を備えてなる。
パルス伸張系１００は、レーザー光を、周波数ごとに光経路を異ならせて時間的に伸ばすが、短波長（または、長波長）を先行させるような方式のチャーピングを与える装置である（図９参照）。すなわち、パルス伸張系１００においては、極超短レーザー出力光のパルスの長さ（ｐｕｌｓｅ  ｄｕｒａｔｉｏｎ）を時間的に元の数フェムト秒（ｆｓ；１０−１５秒）／数十ピコ秒（ｐｓ；１０−１２秒）の領域から数百ピコ秒（ｐｓ；１０−１２秒）／数ナノ秒（ｎｓ；１０−９秒）までの領域に伸ばす。
【００８５】
本発明によるパルス伸張系１００は、光媒介型チャープパルス増幅装置（ＯＰＣＰＡ）と通常のチャープパルス増幅装置（ＣＰＡ）が混合されたハイブリッドチャープパルス増幅装置（ハイブリッドＣＰＡ）である場合、中心波長から近い波長よりも中心波長から遠い波長を先行させることが好ましい。しかしながら、本発明のみからみて、周辺波長部よりも中心波長部が先行するものと、中心波長から遠い周辺波長部が先行するものとの間に原理的な違いがほとんどない同じ構造であるといえる。
【００８６】
本発明のパルス伸張系１００は、従来のパルス伸張系とは異なり、奇数次分散を利用する。
【００８７】
また、本発明の光媒介型チャープパルス増幅装置においては、偶数次分散を除去する構成をさらに備えていてもよい。これについての詳細な説明は、図６のパルス伸張系及びパルス圧縮系構造の説明の部分で行われるため、ここでは省略する。
【００８８】
ポンプレーザー２００は、ポンプレーザー光（ポンプ光）を出力する装置である。
【００８９】
光媒介増幅部３００においては、前記ポンプ光を用いて信号光を増幅させ、余剰光を発生させる。これにより、ポンプ光そのものはその分減衰される。
【００９０】
詳述すると、光媒介増幅部３００への入力光は、ポンプレーザー２００から出力される光（ポンプ光）及びパルス伸張系１００から出力される光（信号光）であり、光媒介増幅部３００から出力される光は、減衰されたポンプ光、増幅された信号光及び余剰光となる。
【００９１】
光媒介増幅部３００は、非線形光学媒質を利用することが好ましく、前記非線形光学媒質としては、ＫＴＰ（Potassium Titanyl Phosphate,チタンリン酸カリウム)、ＫＤＰ（Potassium Dihydrogen Phosphate,リン酸二水素カリウム）、ＬＢＯ（Lithium Triborate,リチウムトリボレート)及びＢＢＯ（Beta-Barium Borate,ベータバリウムボレート）などがあり、前記非線形光学媒質には、ポンプ光、信号光及び余剰光の波長に対して無反射コーティングが行われる。ここで、ポンプ光と信号光の波長によって、非線形光学結晶の製作及び位相整合方式の設計構造が異なってくる。
【００９２】
前記光媒介増幅部３００において、ほとんど重なり合う信号光−ポンプ光の関係が成り立つが、従来には、λｓ＜２λｐ＜λｉまたはλｓ＞２λｐ＞λｉの関係が一般的であるが、本発明においては、λｓ≒２λｐ≒λｉを満足しなければならない。
【００９３】
ここで、λｓは信号光波長、λｐはポンプ光波長、λｉは余剰光波長を示す。
【００９４】
上記の如き関係式を満足すれば、ほとんどの光媒介増幅利得（ＯＰＡ利得）が共線形位相整合時にも広い利得帯域を有することができる（図８参照）。
【００９５】
光信号分離部４００においては、光媒介増幅部３００の出力光を除去しようとする光信号と次段（例えば、パルス圧縮系など）に送ろうとする光信号に分離し、ビーム除去装置５００においては、前記光信号分離部４００において分離された、除去しようとする光信号を除去する。
【００９６】
前記光信号分離部４００の一例としては、ポンプ光除去用の二色性ミラーなどがあり、前記ポンプ光除去用の二色性ミラーは、除去しようとする光を透過させ、次段に送ろうとする光を反射させる役割を果たす。
【００９７】
より詳述すると、ポンプ光除去用の二色性ミラー４００は、余剰光及び信号光波長に対しては広帯域高反射コーティングが、そして、ポンプ光波長に対しては無反射コーティングが施されている。これにより、ポンプ光除去用の二色性ミラー４００により余剰光及びそれ以外の光（信号光、減衰されたポンプ光）に分離することができる。
【００９８】
前記減衰されたポンプ光は、ビーム除去装置５００により除去される。
【００９９】
もちろん、本発明においては、原理的には、前記ポンプ光除去用の二色性ミラーの役割をその逆に行わせてもよい。すなわち、前記ポンプ光除去用の二色性ミラーは、除去しようとする光を反射させ、次段に送ろうとする光を透過させて、前記反射された光が除去されるようにその位置にビーム除去装置を配設しても構わない。しかしながら、実際の場合、次段に送るべき出力光への分散を避けるために、二色性ミラーは、通常、出力光に対して反射型に設計することがより好ましい。
【０１００】
上述したように、本発明においては、光媒介増幅部の出力光のうちポンプ光は除去され、増幅された信号光及び余剰光はパルス圧縮系６００に戻る。
【０１０１】
前記パルス圧縮系６００においては、前記パルス伸張系１００により与えられた奇数次分散によるパルスチャーピングを逆に補償して、前記重なり合う信号光及び余剰光を同時に時間的に圧縮させる。すると、本発明による光媒介型チャープパルス増幅装置（ＯＰＣＰＡ）は、従来の光媒介型チャープパルス増幅装置（ＯＰＣＰＡ）よりもエネルギー増幅率を約２倍増加させ、波長帯域幅も倍増することができる。
【０１０２】
本発明においては、光媒介増幅部３００の前段にポンプ光流入用の二色性ミラー８００を備えることが好ましい。
【０１０３】
前記ポンプ光流入用の二色性ミラー８００は異なる特性を有するポンプ光と信号光を流入させて次段（光媒介増幅部）に送る役割を果たす。
【０１０４】
すなわち、ポンプ光流入用の二色性ミラー８００は、ポンプ光波長に対しては無反射コーティングが、信号光波長に対しては広帯域高反射コーティングが施されている。そこで、ポンプ光流入用の二色性ミラー８００は、ビーム経路切換え用のミラーを通じて反射されたパルス伸張系の出力光（信号光）とポンプレーザーの出力光（ポンプ光）を同時に受け入れることができる。
【０１０５】
本発明の一実施形態においては、ビーム経路切換え用のミラー７３０〜７５０が多数設けられる。
【０１０６】
ビーム経路切換え用のミラー７３０〜７５０は、前段から出力された光が次段に正常に流入可能に光経路を切り換える装置であって、信号光の全体の波長領域に対して広帯域高反射コーティングが施されている。
【０１０７】
例えば、ビーム経路切換え用のミラー７３０、７４０は、パルス伸張系１００の後段に設けられて、パルス伸張系から出力された信号光がポンプ光流入用の二色性ミラー８００に流入するように光経路を切り換える。
【０１０８】
また、ビーム経路切換え用のミラー７５０は、ポンプ光除去用の二色性ミラー４００の後段に設けられて、ポンプ光除去用の二色性ミラー４００の出力光（信号光及び余剰光）がパルス圧縮系６００に流入するように光経路を切り換える。
【０１０９】
前記パルス伸張系及びパルス圧縮系は、３次分散を用いたＵ字状のチャープ構造を有し、本発明においては、Ｕ字状のチャープ構造のうち半分を信号光として用い、残りの半分は余剰光に相当する（図７Ａ及び図７Ｂ参照）。また、Ｕ字状のチャープ構造の頂点に相当する中心波長の１／２に相当するポンプ光を用いる。例えば、図７Ａ及び図７Ｂにおいて、１０５４ｎｍの中心波長をＵ字状のチャープ構造の頂点として利用する場合、本発明においては、５２７ｎｍのポンプ光を用いる。
【０１１０】
また、本発明においては、偶数次分散（４次分散など）を除去するための手段をさらに備えることが好ましい。参考までに、２次分散は、前記パルス伸張系及びパルス圧縮系の構造（すなわち、回折格子反平行構造と回折格子平行構造の直列構造である。）により除去される（図６参照）。
【０１１１】
前記偶数次分散除去手段は、パルス圧縮系によるパルス圧縮に当たって、残余偶数次分散（４次分散、６次分散など）によりパルス圧縮効率が低下することを防ぐために設けられる。
【０１１２】
前記偶数次分散除去手段としては、音響光学フィルター（ＡＯＰＤＦ Acousto‐Optic Programmable Dispersive Filter）やダズラーなどがある。またはチャープミラーなどがある。
【０１１３】
前記偶数次分散除去手段は、光媒介増幅部（ＯＰＡ）３００手前の光経路上に位置付けることが好ましい。
【０１１４】
図６Ａは、本発明による光媒介型チャープパルス増幅装置のパルス伸張系とパルス圧縮系の構成を示す概略ブロック図であり、図６Ｂ及び図６Ｃは、本発明の一実施形態によるパルス伸張系とパルス圧縮系の詳細構成図である。
先ず、図６Ａを参照すると、光媒介型チャープパルス増幅装置のパルス伸張系１００及びパルス圧縮系６００は、それぞれ回折格子反平行構造と回折格子平行構造の直列構成からなる。
【０１１５】
すなわち、本発明においては、入力信号が、まず、回折格子反平行構造を経て、その後、回折格子平行構造を経る。ここで、入力信号は、パルス伸張系においては元の信号光を、パルス圧縮系においては増幅された信号光及び余剰光を指し示す。
【０１１６】
上記のように、回折格子反平行構造と回折格子平行構造を直列に構成すると、パルスチャーピング時に２次分散（群速度分散）を除去することが可能になるだけではなく、３次分散を極大化させることができる（図７参照）。
【０１１７】
本発明においては、上記のように、パルス伸張系とパルス圧縮系の構成が回折格子反平行構造と回折格子平行構造の直列構造になっていてもよく、逆に、回折格子平行構造と回折格子反平行構造の直列構造になっていてもよい。しかしながら、本発明においては、パルス伸張系とパルス圧縮系の構成が、回折格子反平行構造と回折格子平行構造の直列構造になっていることがさらに好ましい。これは、これらの両方は原理的には同様であるが、実際の実現に際し、その構造が簡単な回折格子平行構造が回折格子反平行構造に対して後続した方が、２次分散除去時における光学系の調整が容易になるというメリットがあるためである。
【０１１８】
前記反平行構造は、図２Ａから図２Ｄに示す反平行構造がいずれも使用可能であるが、中でも、図２Ｃ及び図２Ｄに示す回折格子反平行構造（オフナー−トリプレット型）を用いることが最も好ましい。
【０１１９】
これを、図６Ｂ及び図６Ｃに基づいて詳述する。
【０１２０】
先ず、図６Ｂにおいては、パルス伸張系とパルス圧縮系の構成が、回折格子反平行構造（屈折型）と回折格子平行構造の直列構造になっている。
【０１２１】
その光経路を調べてみると、入力信号（光）は回折格子反平行構造（屈折型）の第１の回折格子１１１に入射して反射された後、２枚のレンズ１１３、１１４を通過した後に第２の回折格子１１２に入射して再び反射される。前記反射された光はミラー１１５に入射するが、その光は前記ミラー１１５により高さのみが変更されて反射される。前記反射された光は第２の回折格子１１２、２枚のレンズ１１４、１１３及び第１の回折格子１１１を介して反射される。前記反射された光はビーム経路切換え用のミラー７１０'、７２０'によりビーム経路が切り換えられて回折格子平行構造の第１の回折格子１４１に入射する。前記入射した光は第１回折格子１４１に反射されて第２の回折格子１４２に入射・反射される。前記反射された光はミラー１４３に入射し、前記ミラー１４３により高さのみが変更されて再び反射される。前記反射された光は第２の回折格子１４２、第１の回折格子１４１を通って出光される。
【０１２２】
また、図６Ｃにおいては、パルス伸張系とパルス圧縮系の構成が、回折格子反平行構造（オフナー−トリプレット型）と回折格子平行構造の直列構造になっている。
その光経路を調べてみると、入力信号（光）は、回折格子反平行構造（オフナー−トリプレット型）の回折格子１３１に入射して反射された後、第２の球状ミラー１３３に入射・反射される。前記反射された光は第１の球状ミラー１３２に入射・反射された後、さらに第２の球状ミラー１３３に入射・反射される。前記反射された光は回折格子１３１に入射し、再び反射されてプリズム１３４に入射する。その光は前記プリズム１３４により高さのみが変更されて反射されるが、回折格子１３１、第２の球状ミラー１３３、第１の球状ミラー１３２を通過し、さらに第２の球状ミラー１３３、回折格子１３１を通って出光される。
【０１２３】
すると、ビーム経路切換え用のミラー７１０"、７２０"によりビーム経路が切り換えられて回折格子平行構造の第１の回折格子１４１に入射する。前記入射した光は第１回折格子１４１に反射されて第２の回折格子１４２に入射・反射される。前記反射された光はミラー１４３に入射し、前記ミラー１４３により高さのみが変更されて再び反射される。前記反射された光は、第２の回折格子１４２、第１の回折格子１４１を通って出光される。
【０１２４】
図７Ａは、本発明による回折格子反平行構造と回折格子平行構造を直列に構成したチャープパルス発生器から発せられる信号光チャープ構造の電算模写結果を示すグラフであり、図７Ｂは、本発明による回折格子反平行構造と回折格子平行構造を直列に構成したチャープパルス発生器から発せられる信号光チャープ構造の電算模写結果を示すグラフである。また、図７Ｃは、図７Ａのグラフに示す値を導き出すためのグラフである。
【０１２５】
図７Ａ及び図７Ｂは、それぞれパルス圧縮系とパルス伸張系に、またはその逆に活用可能である。
【０１２６】
先ず、図７Ａにおいては、チャープパルス発生器を回折格子反平行構造（オフナー−トリプレット型）と回折格子平行構造の直列構成にしており、前記回折格子に対するパラメータを下記のように設定している。
すなわち、回折格子反平行構造において１次回折を利用しており、回折格子の溝数は１７４０ｌｉｎｅ／ｍｍ、入射角は６２．８°、回折角は７０．８°、対応する分離距離は５３０ｍｍに設定している。なお、回折格子平行構造において、−１次回折を利用しており、回折格子の溝数は８５０ｌｉｎｅ／ｍｍ、入射角は５．０°、回折角は７９．４°、対応する分離距離は６９２ｍｍに設定している。
その結果、１０５４ｎｍの波長を中心として２次分散は打ち消されながら３次分散は累積／強調されるようなＵ字状のチャーピング構造を有するチャープパルス発生器を設計することができる。
【０１２７】
図７Ｂにおいては、チャープパルス発生器を回折格子反平行構造（オフナー−トリプレット型）と回折格子平行構造の直列構成にしており、前記回折格子に対するパラメータを下記のように設定している。
【０１２８】
すなわち、回折格子反平行構造において、−１次回折を利用しており、回折格子の溝数は８５０ｌｉｎｅ／ｍｍ、入射角は５．０°、回折角は７９．４°、対応する分離距離は６９２ｍｍに設定している。また、回折格子平行構造において、１次回折を利用しており、回折格子の溝数は１７４０ｌｉｎｅ／ｍｍ、入射角は６２．８°、回折角は７０．８°、対応する分離距離は５３０ｍｍに設定している。
【０１２９】
その結果、１０５４ｎｍの波長を中心として２次分散は打ち消されながら３次分散は累積／強調されるような∩字状のチャーピング構造を有するチャープパルス発生器を設計することができる。
【０１３０】
本発明の一実施形態においては、波長１０５４ｎｍを基準として左部を信号光として用い、右部を余剰光として用いた。
【０１３１】
前記２種類のＵ字状のチャープパルス発生器を（すなわち、Ｕ字状チャーピングと∩チャーピング）パルス伸張系とパルス圧縮系のそれぞれに活用することができ、両方とも回折格子反平行構造と回折格子平行構造が直列に構成されるということは同様であるが、それぞれの構造に適用される回折格子に関するパラメータが互いに反対である。
【０１３２】
また、前記パルス伸張系（またはパルス圧縮系）において回折格子反平行構造と回折格子平行構造に適用される回折格子に対するパラメータは異なる。
【０１３３】
次に、図７Cに基づき、図７Ａに示すＵ字状のチャーピング構造を導き出すためのアルゴリズムについて説明する。
【０１３４】
全体光学系を通じての位相関数φ（ω）は、下記式の通りである。
2009543114.tif 000003
【０１３５】
前記角周波数に対する変化特性を分散とする。前式において、第１項は絶対位相値を示し、第２項の係数は群遅延、第３項の係数は群速度分散（ＧＶＤ；Group Velocity Dispersion）、第４項の係数は３次分散（ＴＯＤ；Third-Order Dispersion）、第５項の係数は４次分散（ＦＯＤ；Fourth-Order Dispersion）などのように呼ばれる。
【０１３６】
前記位相関数を角周波数で微分すれば、下記の通りである。
2009543114.tif 000004
【０１３７】
前式は、角周波数に対する群遅延の変化を示し、これは光学系によるその波長の光が表わす通過時間を示す。
【０１３８】
式中、第１項は中心波長の光が通過する時間、第２項のＧＶＤは時間上に線形チャーピングされる係数、第３項のＴＯＤは２次関数の形態（すなわち、放物線の形態）にチャーピングされる係数、第４項ＦＯＤは３次関数の形態にチャーピングされる係数を示す。
【０１３９】
前記群速度分散（ＧＶＤ）は位相における２次で表わされる分散であって、あるシステムにおいて周波数に対して線形的にチャープされる量を示す。従来のパルス伸張系やパルス圧縮系においては、２次分散の影響により線形的にチャーピングされたパルス構造を得る。これに対し、本発明においては、３次分散を主として利用する。
【０１４０】
一方、ある両光学系がそれぞれ異なる符号、同じ大きさの群速度分散を与える場合、一見してその連続配列を通じて残余３次分散（ＴＯＤ）だけが最終的にパルスのチャープ構造に影響するかのように見える。このとき、２次分散の影響は打ち消される。参考までに、４次分散及び５次分散などはパルスのチャープ構造に極めて微々な影響を及ぼす。
【０１４１】
この場合に対する図解と説明は下記の通りである。
【０１４２】
すなわち、ある両光学系の位相関数に対する微分（ａ）、（ｂ）がそれぞれ下記のように表わされ、
（ａ）；Ｃ１＋ａ１＊（ｗ−ｗ０）＋ａ２＊（ｗ−ｗ０）２＋．．．（図７Ｃにおけるグラフ（ａ）に相当する）
（ｂ）；Ｃ２＋ｂ１＊（ｗ−ｗ０）＋ｂ２＊（ｗ−ｗ０）２＋．．．（図７Ｃにおけるグラフ２（ｂ）に相当する）
（ただし、Ｃ１、Ｃ２、ａ１、ａ２、ｂ１、ｂ２などは定数である。）
式中、（ａ）式と（ｂ）式を合計すると、下記の通りである。
【０１４３】
すなわち、（ａ）＋（ｂ）＝（Ｃ１＋Ｃ２）＋（ａ２＋ｂ２）＊（ｗ−ｗ０）＋．．．となる。（ただし、ａ１＝−ｂ１）
前式は近似的にｗに対する２次関数の形態となり、元の位相関数の３次分散だけの影響によるＵ字状のチャープを有することになる。このため、上記の両光学系において、ａ１＝−ｂ１にするが、ａ２とｂ２は累積されて大きな値を有しうるように設計されるならば、両光学系の一連の配列はＵ字状のチャープパルス発生器として動作することができる。
【０１４４】
図８は、本発明において活用可能な共線形位相整合構造に設計された光媒介増幅装置のデザインの適用例である。
【０１４５】
図８Ａ及び図８Ｂは、ＯＰＡ増幅部に対する光媒介利得曲線を示すものである。
【０１４６】
図８Ａは、ポンプ光の強度を４００ＭＷ／ｃｍ２、ＢＢＯ結晶の長さを１５ｍｍ、ポンプ光波長を５３２ｎｍとしたときにおけるグラフを示し、中心波長１０４５ｎｍ〜１０８５ｎｍの信号光を増幅するのに活用可能である。図８Ｂは、ポンプ光の強度を４００ＭＷ／ｃｍ２、ＢＢＯ結晶の長さを１１ｍｍ、ポンプ光の波長を３９０ｎｍとしたときにおけるグラフを示し、中心波長７７０ｎｍ〜７９０ｎｍの信号光を増幅するのに活用可能である（上記の両ケースでは両方とも信号光と余剰光の偏光が正常光であるタイプＩ方式の位相整合を用いている）。
【０１４７】
より詳述すると、図８Ａおよび図８Ｂは光媒介増幅利得（パラメトリック利得）を示すものである。例えば、図８Ａにおける実線曲線はθ＝２２．８４°及びα＝０°に設計された増幅段による増幅利得曲線であって、１０３０ｎｍの波長の信号光に対しては約２５００倍の信号増幅利得を得、且つ、１０５０ｎｍ波長の信号光に対しては約１８００倍の利得を得ることを示している。
【０１４８】
参考までに、図８Ａにおける実線曲線はθ＝２２．８４°及びα＝０°であるとき、点線曲線はθ＝２２．８５°及びα＝０°であるとき、１点鎖線の曲線はθ＝２２．８６°及びα＝０°であるときをそれぞれ示す。
【０１４９】
また、図８Ｂにおける実線曲線はθ＝２９．９８°及びα＝０°であるとき、点線曲線はθ＝２９．９９°及びα＝０°であるとき、１点鎖線の曲線はθ＝２３．００°及びα＝０°であるときをそれぞれ示す。ここで、θはクリスタルの光学軸とポンプ光との間の角、αはポンプ光と信号光との間の角を示す。
【０１５０】
本発明においては、余剰光を活用するために共線形位相整合を利用するが、これは、上述したように、下記の条件（関係式）を満足しなければならない。
【０１５１】
＜条件＞
λｓ≒２λｐ≒λｉ
ここで、λｓは信号光波長、λｐはポンプ光波長、λｉは余剰光波長を示す。
【０１５２】
上記の如き条件を満足すると、光媒介増幅利得（ＯＰＡ利得）が共線形位相整合時であっても広い利得帯域を有することができる。
【０１５３】
図９は、本発明による光媒介型チャープパルス増幅装置のパルス伸張系（３次分散を用いる）により伸びた元の信号光のチャーピング状態を示すグラフであり、図１０Ａ及び図１０Ｂは、本発明による光媒介型チャープパルス増幅装置の光媒介増幅部の出力光である信号光及び余剰光のチャーピング状態を示すグラフである。
【０１５４】
図９及び図１０は、上述した図７Ｂのものをパルス伸張系として利用し、Ｕ字状のチャーピングの中心波長の左側（すなわち、短波長）部を信号光として利用する場合を例にとって説明している。
【０１５５】
同図を参照すると、一つのパルスがパルス伸張系１００を経由すると、図９に示すように、時間的に伸びた信号光となる。
【０１５６】
この信号は、従来のパルス伸張系１０を経由した信号光とは異なる形態を有する。すなわち、従来には回折格子反平行構造がパルス伸張系に使用されており、これにより、図４に示す形態の長波長を先行させるような方式の信号光が出力される。これに対し、本発明においては、回折格子反平行構造と回折格子平行構造が直列に接続されている形態をパルス伸張系に使用しており、これにより、図９に示す形態の短波長（または長波長）を先行させるような方式の信号光が出力される。このとき、３次分散を用いた特徴的なパルスのチャープ構造を有する。
【０１５７】
上記の如き形態の波形が光媒介増幅部３００を経由すると、増幅された信号光（図１０Ａ参照）と余剰光（図１０Ｂ参照）が発生される。
【０１５８】
前記余剰光は、長波長を先行したチャープ構造を有する。
【０１５９】
本発明においては、上述したように、光媒介増幅部３００の出力光からポンプ光が分離されて除去され、余剰光及び増幅された信号光は選択されて次段（パルス圧縮系）に送られる。
【０１６０】
この後、パルス圧縮系を通じて前記信号光及び余剰光が一緒に時間的に圧縮される。すると、エネルギー増幅率及び波長帯域幅が倍増され、これにより、スペクトル損失を補償すると共に、元の信号光に比べて短いレーザー光が得られる。
上記のように構成された本発明による光媒介型チャープパルス増幅装置の動作及び作用について説明する。
【０１６１】
図６Ｂまたは図６Ｃに示す構造を有するパルス伸張系１００を通過したレーザー光は２次分散（ＧＶＤ）が除去されたままで波長に応じて時間的に伸びたチャープ構造の形態を有する。
【０１６２】
前記パルス伸張系１００において、Ｕ字状のチャープ構造の中心波長に対して左側（すなわち、短波長）部を信号光として利用する場合、図９に示すような波形が出力される。
【０１６３】
前記パルス伸張系１００の出力光（信号光）は、ビーム経路切換え用のミラー７２０〜７４０を通ってポンプ光流入用の二色性ミラー８００に流入されると共に、ポンプレーザー２００から出力された光（ポンプ光）も前記ポンプ光流入用の二色性ミラー８００に流入される。
【０１６４】
前記信号光及びポンプ光は光媒介増幅部３００に同時に流入される。ここでは、ポンプ光により信号光が増幅されながら余剰光が発生され、ポンプ光そのものは減衰される。
要するに、前記光媒介増幅部の出力光は、減衰されたポンプ光、増幅された信号光及び余剰光となる。ここで、前記信号光及び余剰光は同じ大きさを有する。
【０１６５】
本発明においては、必要に応じて、光媒介増幅部の手前の光経路上に音響光学フィルターやチャープミラーなどを配備して偶数次分散（特に、残余４次分散）を除去する。すると、３次分散（ＴＯＤ）を含む奇数次分散だけが残留することになる。
【０１６６】
前記光媒介増幅部の出力光はポンプ光除去用の二色性ミラー４００に流入されて余剰光、信号光及びそれ以外の光（ポンプ光）に分離される。すなわち、ポンプ光除去用の二色性ミラー４００によりポンプ光は透過されてビーム除去装置５００により除去され、信号光及び余剰光は反射される。
【０１６７】
前記信号光及び余剰光はパルス圧縮系６００に流入され、パルス圧縮系６００においては、パルス伸張系により与えられたＵ字状の３次分散によるパルスチャーピングを逆に補償して前記信号光及び余剰光を再び時間的に圧縮させる。
【０１６８】
もし、以上において、パルス圧縮系を経由したレーザー光がユーザー所望の大きさ（所定以上の大きさ）に増幅されなかったならば、本発明においては、パルス伸張系からパルス圧縮系までの増幅プロセスを繰り返し経由する。このとき、光（信号光及び余剰光）をパルス圧縮系を用いて圧縮した後、パルス伸張系を用いて伸ばすような方式も採用可能であるが、パルス伸張系とパルス圧縮系の構造が同様であるという特性を用いて、当該回折格子のパラメータを適宜変更して前記パルス圧縮系及びパルス伸張系を一体化しても構わない。
【０１６９】
以上、本発明の好適な実施形態を参照として説明したが、当該技術分野における通常の知識を有した者であれば、特許請求の範囲に記載の本発明の思想及び領域から逸脱しない範囲内において本発明を種々に修正及び変更可能であることが理解できるであろう。
【産業上の利用可能性】
【０１７０】
本発明による光媒介型チャープパルス増幅装置（ＯＰＣＰＡ）においては、回折格子反平行構造及び回折格子平行構造の直列構造よりなるパルス伸張系及びパルス圧縮系を構成することにより、群速度分散を除去しながら奇数次分散である３次分散を強調させ、且つ、同じ大きさを有する信号光及び余剰光をパルス圧縮系に同時に（一緒に）流入させることにより、エネルギー増幅率だけではなく、波長帯域幅をも倍増することができる。
【０１７１】
これにより、本発明においては、スペクトル損失を補償すると共に、元の信号光に比べて短いレーザー光を得ることができる。
【０１７２】
また、本発明の方式によれば、Ｙｂ（イッテルビウム）などを用いた近赤外線領域の極超短レーザー（光繊維−レーザー光源など）光源に対して（１０２０〜１０６０ｎｍの波長を有する。）約４０−８０ｎｍまで信号光のスペクトルが倍増可能になる。特に、これは、現在多くの分野において最も活用されているＴｉ：サファイア極超短レーザー光源と比較しても大差ない波長帯域幅であって、５３２ｎｍ Ｎｄ：ＹＡＧ (ネオジム混イッテルビウムアルミガーネットレーザーロッド：neodymium-doped Yttrium aluminum garnet)倍増ポンプ光を活用した光媒介型チャープパルス増幅装置（ＯＰＣＰＡ）における１０００〜１１００ｎｍ波長帯域のＮｄ系とＹｂ系の極超短レーザー光源の波長帯域幅の増加に直ちに活用可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１７３】
【図１Ａ】従来の技術による光媒介型チャープパルス増幅装置（ＯＰＣＰＡ）の概略図である。
【図１Ｂ】図１Ａに示す光媒介型チャープパルス増幅装置の詳細構造図である。
【図２Ａ】従来の技術による光媒介型チャープパルス増幅装置におけるパルス伸張系の構成図である。
【図２Ｂ】従来の技術による光媒介型チャープパルス増幅装置におけるパルス伸張系の構成図である。
【図２Ｃ】従来の技術による光媒介型チャープパルス増幅装置におけるパルス伸張系の構成図である。
【図２Ｄ】従来の技術による光媒介型チャープパルス増幅装置におけるパルス伸張系の構成図である。
【図２Ｅ】従来の技術によるパルス伸張系において、回折格子反平行構造による信号光チャーピングを示すグラフである。
【図３Ａ】従来の技術による光媒介型チャープパルス増幅装置におけるパルス圧縮系の構成図である。
【図３Ｂ】従来の技術によるパルス圧縮系において、回折格子平行構造による信号光チャーピングを示すグラフである。
【図４】群速度分散（２次分散）を主として利用した、従来の技術による光媒介型チャープパルス増幅装置（ＯＰＣＰＡ）におけるパルス伸張系の出力光（信号光）を示す図である。
【図５】本発明による光媒介型チャープパルス増幅装置の詳細構造図である。
【図６Ａ】本発明による光媒介型チャープパルス増幅装置におけるパルス伸張系とパルス圧縮系の構成を示す概略ブロック図である。
【図６Ｂ】本発明の一実施形態によるパルス伸張系とパルス圧縮系の詳細構成図である。
【図６Ｃ】本発明の一実施形態によるパルス伸張系とパルス圧縮系の詳細構成図である。
【図７Ａ】本発明による回折格子反平行構造と回折格子平行構造を直列に構成したＵ字状チャープパルス発生器から発せられる信号光のチャープ構造の電算模写結果を示すグラフである。
【図７Ｂ】本発明による回折格子反平行構造と回折格子平行構造を直列に構成した他の種類のＵ字状のチャープパルス発生器から発せられる信号光のチャープ構造の電算模写結果を示すグラフである。
【図７Ｃ】図７Ａのグラフに示す値を導き出すためのグラフである。
【図８Ａ】本発明において活用可能な共線形位相整合構造に設計された光媒介増幅装置のデザインの適用例である。
【図８Ｂ】本発明において活用可能な共線形位相整合構造に設計された光媒介増幅装置のデザインの適用例である。
【図９】本発明による光媒介型チャープパルス増幅装置におけるパルス伸張系（３次分散を用いる）により伸びた元の信号光のチャーピング状態を示すグラフである。
【図１０Ａ】本発明による光媒介型チャープパルス増幅装置の光媒介増幅部の出力光である信号光及び余剰光のチャーピング状態を示すグラフである。
【図１０Ｂ】本発明による光媒介型チャープパルス増幅装置の光媒介増幅部の出力光である信号光及び余剰光のチャーピング状態を示すグラフである。
【符号の説明】
【０１７４】
１００：パルス伸張系、
２００：ポンプレーザー、
３００：光媒介増幅部（ＯＰＡ）、
４００：光信号分離部（ポンプ光除去用の二色性ミラー）、
５００：ビーム除去部、
６００：パルス圧縮系、
７１０〜７７０：ビーム経路切換え用のミラー、
８００：ポンプ光流入用の二色性ミラー、
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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【図２Ｅ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【国際調査報告】
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