(57)【要約】  チャープ・パルス増幅に基づいてレーザー・パルスを発生させるための技術および装置。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザー・パルスを増幅する方法であって、
周波数において線形チャープを持ち、各入力レーザー・パルスの持続時間より長いパルス持続時間を持つように引き伸ばされたレーザー・パルスを発生させるために入力レーザー・パルスを増幅する入力光増幅器を作動させることと、
各レーザー・パルスにおいて低減したピークパワーを持つ引き伸ばされたレーザー・パルスを発生させるために、レーザー・パルスの持続時間をさらに引き伸ばす初光増幅器の下流で光パルス・ストレッチャーを作動させることと、
増幅され引き伸ばされたレーザー・パルスを発生させるために、引き伸ばされたレーザー・パルスを、引き伸ばされたレーザー・パルスを増幅する光増幅器内に案内することと、
高ピークパワーを持つ増幅され圧縮された出力レーザー・パルスを発生させるために、増幅され引き伸ばされたレーザー・パルスの各々のパルス持続時間を圧縮することと、
を含むレーザー・パルスを増幅する方法。
【請求項２】
光増幅器による増幅に先立ち光パルス・ストレッチャーにより、引き伸ばされた各レーザー・パルス出力を増幅するために光パルス・ストレッチャーと光増幅器との間に存在する前段光増幅器を作動させることを含む請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前段光増幅器によりレーザー・パルス出力を光増幅器に案内する前にレーザー・パルスのパルス反復率を低下させることを含む請求項２に記載の方法。
【請求項４】
光増幅器の不安定性を低減するため又は光増幅器の自然放出増幅光を低減するために、低減したパルス反復率を閾パルス反復率より高く維持することを含む請求項３に記載の方法。
【請求項５】
レーザー・パルスの圧縮に先立ち、増幅され引き伸ばされたレーザー・パルスの低減パルス反復率をさらに低減させることと、
その後に、所望の出力パルス反復率にて増幅され圧縮された出力レーザー・パルスを発生させるために、各パルスの持続時間を圧縮することと、
を含む請求項２に記載の方法。
【請求項６】
レーザー・パルスの歪みを低減するために光パルス・ストレッチャーの下流と光増幅器の上流位置にてレーザー・パルスの光スペクトルをフィルターすることを含む請求項２に記載の方法。
【請求項７】
レーザー・パルスを光増幅器に案内する前にレーザー・パルスのパルス反復率を低減することを含む請求項１に記載の方法。
【請求項８】
光増幅器の不安定性を少なくするため、又は光増幅器の自然放出増幅光を低減するために、低減したパルス反復率をパルス反復閾率より高く維持することを含む請求項７に記載の方法。
【請求項９】
レーザー・パルス圧縮に先立ち、増幅され引き伸ばされたレーザー・パルスの低減したパルス反復率を所望の出力パルス反復率までさらに低減させることと、
その後に、所望の出力パルス反復率において、増幅され圧縮された出力レーザー・パルスを発生させるために、各パルスの持続時間を圧縮することと、
を含む請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
レーザー・パルスに歪みを生じさせるために光パルス・ストレッチャーの下流と光増幅器の上流位置にてレーザー・パルスの光スペクトルをフィルターすることを含む請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
１０ｄＢ未満のスペクトル歪みを持つように初光増幅器より前の位置にて入力レーザー・パルスを制御することを含む請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
引き伸ばされたレーザー・パルスを発生させるために、各パルスの持続時間を１０倍以上引き伸ばす光パルス・ストレッチャーを作動させることを含む請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
増幅され圧縮された出力レーザー・パルスが１０マイクロジュールより大きなパルス・エネルギーを持つ請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
増幅され圧縮された出力レーザー・パルスが１０ピコセカンドより長いパルス持続時間を持つ請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
光増幅器内の非線形歪みを低減させるに充分な短さとなる光増幅器としてファイバー増幅器のファイバー長さを保つことを含む請求項１に記載の方法。
【請求項１６】
３５ｄＢより大きな光ゲインを持つように光増幅器を構成することを含む請求項１に記載の方法。
【請求項１７】
初光増幅器がパラボラ光増幅器であり、初光増幅器によるレーザー・パルス出力が時間において放物線状パルス形状を持つ請求項１に記載の方法。
【請求項１８】
入力レーザー・パルスを発生するパルス・シード・レーザーと、
周波数における線形チャープと、各出力レーザー・パルスパルス持続時間より長いパルス持続時間と、を持つレーザー・パルスを発生させるために、受取った入力レーザー・パルスを増幅するため入力レーザー・パルスを受取る初光増幅器と、
低減されたピークパワーを持つ引き伸ばされたレーザー・パルスを発生させるためにレーザー・パルスの持続時間をさらに引き伸ばす初光増幅器の下流に設けた光パルス・ストレッチャーと、
増幅され引き伸ばされたレーザー・パルスを発生させるために、引き伸ばされたレーザー・パルスをさらに増幅する光増幅器と、
増幅され、圧縮され、高ピークパワーを持つ出力レーザー・パルスを発生させるために、増幅され引き伸ばされたレーザー・パルスの各パルスのパルス持続時間を圧縮するパルス圧縮器と、
を含むパルス・レーザー装置。
【請求項１９】
パルス・ストレッチャーがレーザー・パルスを引き伸ばすチャープ・ファイバー・ブラッグ・ゲーティングを含む請求項１８に記載の装置。
【請求項２０】
チャープ・ファイバー・ブラッグ・ゲーティングが、レーザー・パルスを引き伸ばすことに加えて、引き伸ばされたレーザー・パルスに歪みを発生させるためにレーザー・パルスの光スペクトルの光学的フィルタリングを行う構造を持つ請求項１９に記載の装置。
【請求項２１】
チャープ・ファイバー・ブラッグ・ゲーティングが、レーザー・パルスのスペクトル形状の端縁付近でスペクトル成分を除去する構造を持つ請求項２０に記載の装置。
【請求項２２】
光増幅器に入る前にレーザー・パルスでの歪みを低減させるためレーザー・パルスの光スペクトルをフィルターするために初光増幅器と光増幅器間のレーザー・パルスの光学通路に設けた光帯域フィルターを含む請求項１８に記載の装置。
【請求項２３】
引き伸ばされた光パルスのパルス反復率を低減させるために光増幅の上流に設けたパルス・ピッキング装置を含む請求項１８に記載の装置。
【請求項２４】
パルス・ピッキング装置によって低減された、引き伸ばされた光パルスの低減されたパルス反復率が、閾値を越えると光増幅器内の不安定性または自然放出増幅光が低減されるそのパルス反復率閾値より大きい請求項２３に記載の装置。
【請求項２５】
増幅され引き伸ばされたレーザー・パルスのパルス反復率を所望の出力パルス反復率までさらに低下させるために光増幅器とパルス圧縮器間に設けた第２パルス・ピッキング装置を含む請求項２３に記載の装置。
【請求項２６】
第２パルス・ピッキング装置が、入力光の方向とは異なる方向に回折ビームを発生させる入力光を受取る音響光学変調器と、出力光を発生させるため回折ビームを受取る位置に設けたプリズムと、を含む請求項２５に記載の装置。
【請求項２７】
光増幅器が、レーザー・パルスのレーザー波長とは異なるポンプ波長における光ポンプ光の光励起下でレーザー・パルス用の光ゲインを発生させるためのドーピングしたファイバー・ゲイン部と、ファイバー・ゲイン部内のレーザー・パルス伝搬方向にポンプ光をファイバー・ゲイン部に連結させるカプラーと、ファイバー・ゲイン部からの光を連結させるコリメータ・レンズと、ポンプ光をレーザー・パルスの光から分離させるためにファイバー・ゲイン部のコリメータ・レンズに近い片側に連結したポンプ・ダンプと、を含む請求項１８に記載の装置。
【請求項２８】
光増幅器が、レーザー・パルスのレーザー波長とは異なるポンプ波長における光ポンプ光の光励起下でレーザー・パルス用の光ゲインを発生させるためのドーピングしたファイバー・ゲイン部と、ファイバー・ゲイン部内のレーザー・パルス伝搬方向にポンプ光をファイバー・ゲイン部に連結させるカプラーと、ファイバー・ゲイン部からの光を連結させるコリメータ・レンズと、ポンプ光とレーザー・パルスの光とを分離する二色反射板と、を含む請求項１８に記載の装置。
【請求項２９】
光増幅器が、レーザー・パルスのレーザー波長とは異なるポンプ波長における光ポンプ光の光励起下でレーザー・パルス用の光ゲインを発生させるためのドーピングしたファイバー・ゲイン部と、ファイバー・ゲイン部内のレーザー・パルス伝搬方向とは反対の方向にポンプ光をファイバー・ゲイン部に連結させるカプラーと、ファイバー・ゲイン部からの残留ポンプ光を連結させるためにカプラーの反対側でファイバー・ゲイン部に連結されたポンプ・ダンプ・カプラーと、ファイバー・ゲイン部からのレーザー・パルスの光を連結しその光をパルス圧縮器の方へコリメーとするコリメータ・レンズと、を含む請求項１８に記載の装置。
【請求項３０】
光増幅器が、レーザー・パルスのレーザー波長とは異なるポンプ波長における光ポンプ光の光励起下でレーザー・パルス用の光ゲインを発生させるためのドーピングしたファイバー・ゲイン部と、その光ポンプ光を発生させるポンプ光源と、そのポンプ源から光ポンプ光を受取り、その光ポンプ光をファイバー・ゲイン部に向けて反射する二色反射板と、二色反射板から反射された光ポンプ光をファイバー・ゲイン部内のレーザー・パルスの伝搬方向とは反対の方向にファイバー・ゲイン部に連結するコリメータ・レンズと、ファイバー・ゲイン部からの残留ポンプ光を連結させるためにコリメータの反対側でファイバー・ゲイン部に連結されたポンプ・ダンプ・カプラーと、を含み、ファイバー・ゲイン部により増幅されたレーザー・パルスは二色反射板を通ってパルス圧縮器へと向かう請求項１８に記載の装置。
【請求項３１】
光パルス・ストレッチャーと光増幅器との間に設けた前段光増幅器を含む請求項１８に記載の装置。
【請求項３２】
入力レーザー・パルスを発生させるパルス・レーザー装置と、
低減されたピークパワーを持つ引き伸ばされたレーザー・パルスを発生させる入力レーザー・パルス起因のレーザー・パルスの持続時間を引き伸ばすシード・レーザー下流に設けた光パルス・ストレッチャーと、
増幅され引き伸ばされたレーザー・パルスを発生させるために、引き伸ばされたレーザー・パルスを受取り、引き伸ばされたレーザー・パルスを増幅するために光パルス・ストレッチャーの下流に設けた光増幅器と、
高ピークパワーを持つ圧縮されたレーザー・パルスを発生させるために光増幅器の下流に在って各受取レーザー・パルスのパルス持続時間を圧縮するパルス圧縮器と、
光パルス・ストレッチャーとパルス圧縮器間に在って、受け取ったレーザー・パルスのパルス反復率を低下させ入力光の方向とは異なる方向に回折光を発生させる音響光学変調器及び出力光を発生させるため回折ビームを受取る位置に設けたプリズムを含むパルス・ピッキング装置と、
を含むパルス・レーザー装置。
【請求項３３】
パルス・ピッキング装置が光増幅器とパルス圧縮器との間に存在する請求項３２に記載の装置。
【請求項３４】
パルス・ピッキング装置が光パルス・ストレッチャーと光増幅器との間に存在する請求項３２に記載の装置。
【請求項３５】
各レーザー・パルスの付加的増幅を与えるために光増幅器とパルス圧縮器との間に存在する第２光増幅器を含む請求項３２に記載の装置。
【請求項３６】
パルス・ピッキング装置が光増幅器と第２光増幅器との間に存在する請求項３５に記載の装置。
【請求項３７】
放物線状パルスとスペクトル形状を持ち、かつ、各入力レーザー・パルスのパルス持続時間より長いパルス持続時間を持つために引き伸ばされた放物線状レーザー・パルスを発生させるために入力レーザー・パルスを増幅するための、シード・レーザーと光パルス・ストレッチャー間の光パラボラ増幅器と、
光増幅器によって出力された各増幅され引き伸ばされたレーザー・パルスにおける歪みを減少させるためにレーザー・パルスの光スペクトルをフィルターしレーザー・パルスの放物線状スペクトル形状の端付近でスペクトル成分を除去するためにパラボラ光増幅器と光増幅器間のレーザー・パルス通路にある光帯域フィルターと、
を含む請求項３２に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書は、光パルス増幅器およびパルス・レーザーを含むレーザー・パルスの発生と制御とに関する。
【０００２】
関連出願の説明
本ＰＣＴ特許出願は２０１０年９月１３日出願の米国特許出願第１２／８８１，１４６号に対する優先権を主張するものである。上記特許出願の全内容を参照により本願の一部として組み入れる。
【背景技術】
【０００３】
パルス幅が１〜１０ピコ秒未満の超短パルス（ＵＳＰ）レーザーは材料処理、光学的感知、光学的病巣切除、眼科や生物医学等での精密外科技術、非線形の研究や分光学、などを初め広範囲の用途にとって魅力的である。これらの幾つかの用途や、その他の用途において、レーザー・パルスは充分なパルス・エネルギーを持つことが要求されよう。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
シード・レーザーで発生させたレーザー・パルスを増幅することにより高エネルギーのレーザー・パルスを発生させることができる。光増幅器の光ゲイン媒体を通過後の光がそのパワーとエネルギーを増幅されてその増幅された光が増幅前の元の光と同じ波長になるように、その増幅させるべき光と同じ波長で光ゲインを発生させることによって光を増幅させるための様々な光パルス増幅器が設計されている。光増幅器の光ゲインはＮｄやＹｂをドーピングしたファイバー増幅器などの光パルス媒体を光学的に励起させるポンプ光によって、或いは量子井戸やその他のゲイン機構に基づく半導体光増幅器などの電圧印加ゲイン媒体によって得ることができる。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本明細書は、チャープ・パルス増幅に基づく短レーザー・パルスを発生させる技術と装置とを記載する。
【０００６】
一態様において、周波数において線形チャープを持ち、各入力レーザー・パルスのパルス持続時間より長いパルス持続時間を持つように引き伸ばされたレーザー・パルスを発生させるために入力レーザー・パルスを増幅させる入力光増幅器を作動させることと、各レーザー・パルスにおいて低減したピークパワーを持つ引き伸ばしレーザー・パルスを発生させるレーザー・パルスの持続時間をさらに引き伸ばすために第１の光増幅器より下流の光パルス・ストレッチャーを作動することと、増幅され引き伸ばされたレーザー・パルスを発生させるために引き伸ばされたレーザー・パルスを増幅のために引き伸ばされたレーザー・パルスを光増幅器内に案内することと、高ピークパワーを持つ増幅され圧縮された出力レーザー・パルス発生させるために増幅され圧縮された各出力レーザー・パルスのパルス持続時間を圧縮することと、を含むレーザー・パルスを増幅する方法が提供される。
【０００７】
別の態様において、入力レーザー・パルスを発生させるパルス・シード・レーザーと、周波数において線形チャープを持ち各入力レーザー・パルスのパルス持続時間より長いパルス持続時間を持つレーザー・パルスを発生させるため受取った入力レーザー・パルスを増幅する入力レーザー・パルスを受取る初期光増幅器と、低減ピークパワーを持つ引き伸ばされたレーザー・パルスを発生させるためにレーザー・パルスの持続時間をさらに引き伸ばすため第１の光増幅器より下流にある光パルス・ストレッチャーと、増幅され引き伸ばされたレーザー・パルス発生させるために引き伸ばされたさらに増幅する光増幅器と、高ピークパワーを持つ増幅され圧縮された出力レーザー・パルス発生させるために増幅され圧縮されたレーザー・パルスの各パルスのパルス持続時間を圧縮するパルス圧縮器と、を含むパルス・レーザー装置が提供される。
【０００８】
別の態様において、入力レーザー・パルス発生させるパルス・シード・レーザーと、低減ピークパワーを持つ引き伸ばされたレーザー・パルスを発生させるために入力レーザー・パルス起因のレーザー・パルス持続時間を引き伸ばすためにシード・レーザーの下流にある光パルス・ストレッチャーと、増幅され引き伸ばされたレーザー・パルス発生させるために引き伸ばされたレーザー・パルスを受取り、かつ、増幅する光パルス・ストレッチャーの下流にある光増幅器と、この光増幅器の下流にあって、高ピークパワーを持つ圧縮されたレーザー・パルス発生させるために受取った各レーザー・パルスのパルス持続時間を圧縮するパルス圧縮器と、パルス・ストレッチャーとパルス圧縮器間にあって受取ったレーザー・パルスのパルス反復率を弱める一方、入力光の方向とは異なる方向に沿って回折光を発生させるための入力光を受取る音響光学変調器および回折光を受取って出力光を発生させる位置に配置したプリズムを含むピッキング装置と、を含むパルス・レーザー装置が提供される。
【０００９】
別の態様において、放物線状パルスとスペクトル形状を持ち各入力レーザー・パルスのパルス持続時間より長いパルス持続時間を持つように引き伸ばされたパラボラ・レーザー・パルスを発生させるために一定の入力パルス反復率にて入力レーザー・パルスを増幅させるパラボラ光増幅器を作動させることと、低減したピークパワーを持つ引き伸ばされたパラボラ・レーザー・パルスの持続時間をさらに引き伸ばすためにパラボラ光増幅器より下流の光パルス・ストレッチャーを作動することと、増幅され引き伸ばされた第１のレーザー・パルスを発生させるために引き伸ばされた放物線状レーザー・パルスを増幅するために引き伸ばされたレーザー・パルスを光増幅器内に案内することと、増幅され圧縮された第２のレーザー・パルス発生させるために増幅され圧縮された第１のレーザー・パルスを増幅され引き伸ばされた第１のレーザー・パルスを第２の光増幅器に案内することと、増幅され圧縮された高ピークパワーを持つ出力レーザー・パルスを発生させるために増幅され引き伸ばされた第２のレーザー・パルスにおいて各パルスのパルス持続時間を圧縮することと、を含むレーザー・パルスを増幅する方法が提供される。
【００１０】
なお又別の態様において、入力レーザー・パルスを発生させるパルス・シード・レーザーと、放物線状パルスとスペクトル形状を持ち各入力レーザー・パルスのパルス持続時間より長いパルス持続時間を持つパラボラ・レーザー・パルスを発生させるたに受取った入力レーザー・パルスを増幅するため入力レーザー・パルスを受取るパラボラ光増幅器と、低減ピークパワーを持つ引き伸ばされた放物線状レーザー・パルスを発生させるために放物線状レーザー・パルスの持続時間をさらに引き伸ばすためパラボラ光増幅器より下流にある光パルス・ストレッチャーと、増幅され引き伸ばされた第１のレーザー・パルス発生させるために引き伸ばされた放物線状レーザー・パルスを受取り、かつ、増幅する光パルス・ストレッチャーの下流にある第１の光増幅器と、増幅され引き伸ばされた第２のレーザー・パルスを発生させるために最初に増幅され引き伸ばされたレーザー・パルスをさらに増幅する第２の光増幅器と、高ピークパワーを持つ増幅され圧縮されたレーザー・パルス発生させるために２番目に増幅され引き伸ばされたレーザー・パルスにおいて各パルスのパルス持続時間を圧縮するパルス圧縮器と、を含むパルス・レーザー装置が提供される。
【００１１】
上記の態様や他の態様、その実装や他の特徴については、図面、本明細書、及び特許請求の範囲に詳述する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】チャープ・パルス増幅に基づくパルス・レーザーの一例を示す図である。
【図２】図１の設計に基づくパルス・レーザーの一例を示す図である。
【図３Ａ−１】入力パルスにおいて様々な歪みを持つ光パラボラ増幅器の出力のレーザースペクトル測定値例を示す図である。
【図３Ａ−２】入力パルスにおいて様々な歪みを持つ光パラボラ増幅器の出力のレーザースペクトル測定値例を示す図である。
【図３Ｂ−１】入力パルスにおいて様々な歪みを持つ光パラボラ増幅器の出力のレーザースペクトル測定値例を示す図である。
【図３Ｂ−２】入力パルスにおいて様々な歪みを持つ光パラボラ増幅器の出力のレーザースペクトル測定値例を示す図である。
【図４Ａ】入力パルスにおいて様々な歪みを持つ光パラボラ増幅器の出力のレーザースペクトル測定値例を示す図である。
【図４Ｂ】入力パルスにおいて様々な歪みを持つ光パラボラ増幅器の出力のレーザースペクトル測定値例を示す図である。
【図５Ａ】入力レーザー・パルスの質を向上させるため図２のパルス・レーザーに光帯域フィルター使用の一例を示す図である。
【図５Ｂ】光帯域フィルターの影響を示す典型的測定値を示す図である。
【図５Ｃ】光帯域フィルターの影響を示す典型的測定値を示す図である。
【図６】図２の光増幅器の設計例を示す図である。
【図７】図２の光増幅器の設計例を示す図である。
【図８Ａ】図２の光増幅器の設計例を示す図である。
【図８Ｂ】図２の光増幅器の設計例を示す図である。
【図９】図２のパルス・レーザーへの使用に適したパルス・ピッキング装置例を示す図である。
【図１０】図２のパルス・レーザーへの使用に適したパルス・ピッキング装置例を示す図である。
【図１１】図２のパルス・レーザーへの使用に適したパルス・ピッキング装置例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
レーザー・パルスのパルス・エネルギーはパルス幅とパルス・ピークパワーとの積により推定できる。所与のパルス・エネルギーにおける短パルスは高ピークパワーを持ち得る。例えば、パルス・エネルギーが１０−１００マイクロＪ、パルス幅が１ｐｓｅｃのパルス・エネルギーを持つパルスは１０−１００Ｍワットのピークパワーを持つ。短いパルス持続時間に起因するこの高ピークパワーは様々な用途に望ましいものとなり得る。高ピークパワーを持つパルスが微小な箇所に焦点を当てられると、その電界の強さはその材料内の電子に影響を与えるに充分なものとなりプラズマ効果を生み出す。このプラズマ効果は例えば熱影響を与えることなく材料を除去するという冷間切除と称される作用を可能にする。これに比べて長パルス幅のレーザーには、熱により材料を除去し、そのため、かなりの熱影響部をもたらして材料周辺部を歪ませるものがある。
【００１４】
ＵＳＰレーザーにおける高ピークパワーによる高電界は、レーザー・パルスがレーザーのゲイン材料やレーザーの他の要素と相互作用するにつれて除去効果がレーザーにダメージを与えたりレーザーに歪みを発生させたりすることがあるため、ＵＰＳレーザーの構成を困難にする。通常、光の歪みを引き起こすものの一つは非線形の光効果である。例えば、誘導ラマン散乱光（ＳＲＳ）は或る光波長における光度がＳＲＳ閾値を越える場合の材料内の光学フォノンと光との非線形光相互作用である。ＳＲＳが生起すると、ラマン周波数離調によって元の光の光周波数から偏移を受けたラマン周波数において、媒体内の非線形ＳＲＳプロセスによって元の光と同じ伝搬方向にラマン信号が発生する。このＳＲＳはファイバーやその他の光媒体中での光パルス増幅時に好ましからぬ影響につながり得る。例えば、光パルスの強さがＳＲＳの閾値レベルまで達するべく増すにつれて、光パルス中の光パワーは減少し、このためＳＲＳプロセスは光パルスの光パワーに上限を加えることになる。又、パルスが伝搬し、カー効果に基づく自己位相変調（ＳＰＭ）が常態的に新たなスペクトル成分を発生させるにつれて、ＳＰＭのような光学的非線形効果を蓄積させことができ、これによりレーザー材料の処理とか他のレーザー用途などの様々なパルス・レーザー用途において望ましい短パルスを得ることが困難になる。
【００１５】
したがって、本明細書に記載の光パルス増幅技術と装置は、光増幅プロセス中の（例えばＳＲＳ閾下の）パルス・ピークパワーを弱め、光学的非線形効果の蓄積のような歪みを軽減するために、先ず、時間領域内の光パルスを引き伸ばす。このパルスはピークパワーを任意の係数（例：１００以上）によって時間内に引き伸ばすことができ、それにより同じ係数でピークパワーを弱めることができる。引き伸ばされた光パルスの増幅後、増幅された光パルスは次に所望の光短パルス発生のため時間内に圧縮される。このパルス増幅プロセスはチャープ・パルス増幅（ＣＰＡ）として知られている。この引き伸ばしと圧縮は異なる時間量によりパルス内の異なる波長を遅延させることに基づいている。超短パルスはその性質により１−１０ｎｍ以上の広いスペクトルを持つ。ストレッチャー内では短波長パルスは長波長パルスに関して遅れることがあり、逆もまた真である。圧縮機内では、この効果は再び元に戻される。
【００１６】
放物線状パルス増幅は、線形にチャープする引き伸ばされた光パルスを発生させるため、ファイバー増幅器の正ゲインと組み合わせた光ファイバーの正規分散を用いる。無限のゲイン帯域幅と有限のファイバー長さを持つ理想的なパラボラ増幅器においては、出力パルス幅とスペクトルは、入力エネルギーと入力パルス形状に依存しない放物線形状を拡げ、パルスは該放物線形状を持つ。しかし、実用上のパラボラ増幅器にあっては、ゲイン帯域幅と有限ファイバー長さは有限で限りがあり、放物線状出力パルスは増幅器のゲイン媒体のスペクトルの歪み、入力パワー、拡げ量を初めとする多数の入力パルス条件に依存して得られよう。出力パルスの形状はほぼ放物線状である。したがって、パラボラ増幅器を本件のチャープ・パルス増幅に使用して、増幅され引き伸ばされた放物線状パルスを得ることができる。引き伸ばされた放物線状パルスをその後に圧縮して短く高パワーのパルスを発生することができる。
【００１７】
図１は、ＣＰＡとパラボラ増幅に基づくパルス・レーザーの一例を示す。このパルス・レーザー装置１００は入力レーザー・パルスを発生させるパルス・シード・レーザー１０１を含む。放物線状レーザー・パルスを発生するため受取った入力レーザー・パルスを増幅するため入力レーザー・パルスを受取るシード・レーザー１０１の下流に光パラボラ増幅器１１０を設けてある。放物線状パルスは放物線状パルスとスペクトル形状を持つ。このパラボラ増幅器１１０からの出力パルスは、実用上の装置制約のため、理想的な放物線状パルスとはならず、放物線状パルスに近い形状になるかもしれない。増幅器１１０は、出力レーザー・パルスのパルス持続時間が入力レーザー・パルスのパルス持続時間よりも長くなり出力レーザー・パルスが周波数又は位相において線状チャープを持つようにするためこの増幅プロセスによりパルスを拡げるべく設計された初期増幅器である。下記の諸例においてはこの増幅器１１０は便宜上「パラボラ増幅器」と称してあるが、実施時の実際の増幅器１１０は理想的なパラボラ増幅器とはならないかもしれない。そこで、初期増幅器１１０からの出力パルスは、理想的な放物線状パルスではないかもしれないが、該諸例では「放物線状パルス」としてある。
【００１８】
図１において、弱められたピークパワーを持つ引き伸ばされた放物線状レーザー・パルスを発生させるため放物線状レーザー・パルスをさらに引き伸ばすパラボラ光増幅器１１０の下流に放物線状パルス・ストレッチャー１２０を設けてある。これのパルス持続時間中における引き伸ばし量は、初期増幅器１１０により初期に引き伸ばされたパルス持続時間よりも１０か１０倍以上となる。この例では、増幅され引き伸ばされた第１の放物線状レーザー・パルスを発生させるため、引き伸ばされた放物線状レーザー・パルスを受取り、かつ、増幅する前段光増幅器１３０を設けてある。次に、第２の増幅され引き伸ばされた放物線状レーザー・パルスを発生させるために最初に増幅され引き伸ばされた放物線状レーザー・パルスをさらに増幅させる主増幅器として作用する第２の光増幅器１１４を設けてある。一部の実装では、前段光増幅器１１０を使用せず、引き伸ばされたレーザー・パルスは増幅のため光増幅器１４０に直接送られるということもあり得る。シード・レーザー・パルスにおいて元のパルス反復率を低下させるために主増幅器１４０の前にパルス・ピッキング機能を含めることができる。一部の実装では、パルス数あるいはパルス反復率を低減するために光パルス・ストレッチャー１２０と光増幅器１４０との間、例えば前段増幅器１３０と主増幅器１４０との間、にパルス・ピッカー装置を挿入する場合もあり得る。このパルス・ピッカーは前段光増幅器１３０を使用していない用途において設け得る。
【００１９】
該装置１００には、高ピークパワーを持つ増幅され圧縮された出力レーザー・パルスを発生させるため２番目に増幅され引き伸ばされた放物線状レーザー・パルスにおいて各パルスのパルス持続時間を圧縮させるパルス圧縮器１５０も含む。一部の実装では、この増幅され圧縮された出力レーザー・パルスは１０マイクロジュールを越えるパルス・エネルギー及び／又は１０ピコ秒未満のパルス持続時間を持つことが可能である。図１の装置により発生させたこれらや他の短く高パワーのパルスは広範な用途に使用できる。
【００２０】
パルス圧縮器１５０は様々な構成にて実施できる。パルス圧縮器１５０の一例は、パルス圧縮を行うためパルスを２枚の格子を通すように按排した１対の格子である。第１の格子が角分散を発生させ、第２の格子がそれを元通りに戻す。第１の格子により発生した、様々な回折スペクトル成分が２枚の格子間で様々な回折角度にて回折され、２枚の格子間で様々な伝搬長さで伝搬して強く分散する。適正なパルス圧縮には、ストレッチャーと圧縮器の分散特性を考慮するだけではなく、パルス歪みを少なくするためレーザー内の他の成分はもとより高次の分散条件を考慮することが重要である。
【００２１】
シード・レーザー１０１からのレーザー光の波長は、Ｅｒのスペクトル帯域内にあるもの、Ｅｒ／Ｙｂファイバー内の約１５５μｍ、Ｙｂファイバー内の約１μｍ、Ｈоファイバー内の約２μｍ、或いは希土元素をドーピングしたファイバー・ゲイン帯域内など様々であり得る。レーザー１０１のレーザーパワーは様々な範囲内にあり得る。パラボラ増幅器１１０は高エネルギーと線形チャープ出力の両方を実行させることに使用できる。パラボラファイバー増幅器１１０は入力パルスの諸パラメーターに無感応となり得るものであり、この特性は該装置１００の安定性を向上させることができる。
【００２２】
図２は、図１のレーザーの典型的実装を示す。本例におけるパラボラ増幅器１１０はポンプ光源２１２と、ポンプ光源２１２からのポンプ光をレーザー１００の主ファイバー路に連結するファイバー・カプラー２１４を含む。ファイバー・ゲイン部２１０はパラボラ増幅のための光ゲインを生むためポンプ光により光学的にポンピングされる。この例において、ポンプ光はシード・レーザー１０１からのレーザー・パルスと同じ伝搬方向にファイバー・ゲイン部２１０に連結される。パラボラ増幅器１１０を通って伝搬するレーザー・パルスが引き伸ばされ、そのスペクトルが広げられる。増幅器からの出力パルスはほぼ放物線状のパルスとスペクトル形状を持つ。その後、この出力はパルス・ストレッチャー１２０に送られる。
【００２３】
この例において、パルス・ストレッチャー１２０はチャープ・ファイバー・ブラッグ格子（ＣＦＢＧ）を含み、ＣＦＢＧではファイバー沿いの格子域が空間的にチャープする。ＣＦＢＧはさらにパルスを引き伸ばしてピークパワーレベルを下げ、放物線状のパルス形状を保持しながらＳＰＭによる歪みのないさらなる増幅を可能にする。入力光をパラボラ増幅器１１０からＣＦＢＧパルス・ストレッチャー２２０へと向かわせ、その反射光をレーザー１００の主ファイバー・ラインに向かわせるため、光サーキュレーター２２２が設けられる。この構成において、レーザー・パルスはＣＦＢＧストレッチャー２２０を２回通過する。光サーキュレーター２２２からの出力を、平均的パワーを主パワー増幅器１４０へ投入するに適したレベルまで高めるため、別のパラボラ増幅器１１０（ファイバー前段増幅器）２３２に投入することができる。必要に応じ、追加の増幅器を使用できる。
【００２４】
或る種の用途でのオプションとして、前段増幅器２３２と主増幅器１４０間にパルス・ピッカー２３４を置くことができる。パルス・ピッカー２３４は、より低いパルス反復率で修正したパルスを発生させるため、パルスをピッキングすることによりパルス反復率を修正したり低下させたりする。パルス・ピッカー２３４の一例が音響光（ＡＯ）変調器や電気光（ＥＯ）変調器である。この種の変調器はシード・レーザー１０１によって発生されたパルスをピックするために電気ゲーティング信号により駆動される。その場合、パルス・ピッカー２３４はさらなる増幅のためにパルス数を低減させる。それによりパルス当りのエネルギーを高めることが可能となる。パルス・ピッカー２３４はシード・レーザー１０１が望ましいパルス反復率でパルスを発生させる装置では使用されない。
【００２５】
パルスのパルス反復率を任意の率で調節するために主パワー増幅器１４０の前にパルス・ピッカー２３４を使用できる。しかし、その使用は主パワー増幅器１４０への平均入力信号を変化させ、主パワー増幅器１４０に大きな変化と不安定性とを起こさせる恐れがある。閾値未満の低反復率、例えば１０ｋＨｚ、ではパルス間の増幅器ゲインはかなりの自然放出増幅光（ＡＳＥ）を発生させて例えば残留反射による増幅器の自己レージングを起こさせる恐れがある。
【００２６】
そこで、レーザー１００のパルスのパルス反復率をより良く制御するために、パワー増幅器１４０の後に第２のパルス・ピッカー２６０を設けてある。この第２パルス・ピッカー２６０の作動は、主パワー増幅器１４０の作動に影響しないので、それぞれの用途の要求を満たす広範囲の率で反復率を設定することに使用できる。この２段階のパルス・ピッキングは様々なパルス反復率を提供する際に何らかの利点を持つ。
【００２７】
様々なタイプのパルス・ピッカーが使用できる。ファイバー連結にてパルス・ピッカーを連結すると高ピークパワーにて大きなひずみを生じさせるファイバー・ピグテールができる。電気光（ＥＯ）変調器か音響光（ＡＯ）変調器を使って、パルス数を減らすことによりパルスをピッキングするための光変調器を用意することができる。様々なＥＯ変調器は高電圧で作動するので適応性は少ない。ＡＯ変調器は低電圧で作動でき、ＡＯ結晶に当てたＲＦ信号に基づきビームを偏向させる。ＡＯ結晶からのゼロ・オーダーのビームはその出力を変調させることに使用できる。様々なＡＯ変調器においては、光の９０％ほどだけしかゼロ・オーダー・ビームで偏向されないので、ゼロ・オーダー・ビームを使用することは選択されたパルス近辺の一連の小パルスにつながることになり得る。そういった小パルスを充分ブロックできないからである。一次オーダーのビームを使用すればこの問題を切り抜けられる。
【００２８】
図２において、光パワー増幅器１４０は様々な構成で実施できる。幾つか例を挙げると、コア・ポンプ・ファイバー増幅器、ダブル・クラッド増幅器、コア・ポンプ増幅器とダブル・クラッド増幅器との組み合わせ、半導体レーザー増幅器などの他の増幅器の設計、などである。半導体レーザーゲイン媒体は例えばダイオードレーザーや懐中電灯ポンプにより光学的にポンピングできる。様々な増幅器の設計において、半導体レーザー増幅器を使って多段階増幅器の設計においてその大きな断面により最終段階の増幅を行わせることができる。半導体レーザー増幅器に使用される典型的材料はＮｄ：ＹＬＦ，Ｎｄ：ガラス、その他である。
【００２９】
シード・レーザー１０１のパルス幅は特に問題とはならないかもしれないが、パルス形状は充分制御する必要がある。理想的なパラボラ増幅器の場合は、増幅器からの出力はパルス・エネルギーのみに依存することが理論的に示されているので、パルス形状は問題とはならない。実際のパラボラ増幅器においては、ファイバー長さやゲイン帯域幅は限られている。そのような実際のパラボラ増幅器において、入力パルス内の歪みは出力パルス内に強い歪みを生じさせ得る。
【００３０】
図３Ａ−１と３Ａ−２はパラボラ増幅器の出力における歪みを示す。図３Ａ−１に示した入力スペクトルはそのピークの右近くに１０ｄＢの落ち込みがある。この種の落ち込みはポンプ・シード・レーザーで生じる可能性がある。例えば、ソリトン系のパルス・レーザーは、通常、主パルス近くに小パルスを発生させ得る分散波を持つ。このパルスは、主パルスに近接の場合、シード源にスペクトル上の歪みを生じさせる。レーザーに後続の他のタイプのレーザーや構成部品は他のタイプの歪みを生じさせることがある。図３Ａ−２に示したパラボラ増幅器にから測定した出力スペクトルはきれいで滑らかな出力スペクトルというよりは強いリップルを示している。実際のパラボラ増幅器からきれいで滑らかなスペクトルとパルスを生じさせるためには、二次パルスがスペクトル内に１０〜１５ｄＢ以下の歪みを生じさせると判断された。１０ｄＢを越える歪みを持つシード源からの測定入力スペクトルを図３Ｂ−１に示す。図３Ｂ−２に示したパラボラ増幅器の測定出力スペクトルは強いリップルを示してはいない。主パルスの帯域幅の外のスペクトル歪みについても、パラボラ増幅器からきれいな出力スペクトルが得られよう。
【００３１】
実際のパラボラ増幅器は入力パルス・エネルギーとピークパワーの影響を受けやすい。図４Ａと図４Ｂはピークパワーレベルについて３０ワットと４ワットでのそれぞれの入力パルススペクトルの測定値を示す。これら測定結果は３０ワット・ピークパワー・パルスの場合のかなりの歪みを示している反面、４ワット・ピークパワー・パルスの場合は歪みが小さいことを示している。パルス歪みは様々なメカニズムにより高パルス・ピークパワーによって引き起こされ得る。例えば、シード・レーザー源内の残留歪みは、大きな非線形性を発生させて残留歪みと信号パルスとの境界面を生じさせる高入力パワーにおいてパラボラ増幅器内にさらなる歪みを起こし得る。出力歪みを小さく保つには、スペクトル拡大を期待レベル以下に、例えば信号パルスと残留歪み間のスペクトル上の距離以下に制御する必要がある。ゲイン媒体のゲイン帯域幅に対比し得る幅にまでパルスのスペクトルを急速に広げさせる高ピークパワー・レベルにおいては、増幅器相互作用は、もはやゲイン、分散、及びシミラリトンを支える非線形相互作用、の三者間バランスを取ることができず、パルスは歪み始める。小さな歪みの場合、増幅器に沿うスペクトルはゲイン媒体の帯域幅未満であるべきである。実施用途においては、ファイバー内のゲインがファイバーの長さ沿いの諸位置でのパルスの帯域幅全域にわたって３ｄＢ未満に変化する用途もある。実際の入力歪みが１〜１０ｄＢであるパラボラ増幅器からきれいな出力パルスを得るためには、入力パワーは、スペクトル拡大を信号と歪み間距離（図３Ｂ−１で約６ｎｍ）未満に保つと共に帯域幅全幅を媒体の３ｄＢゲイン帯域幅未満に保つに充分な小ささに保つ必要がある。具体的な入力パワーレベルはファイバー・ドーパント、ポンプ条件、ファイバー設計（コアサイズとファイバー長）、レーザー波長に左右され得るものであり、ゲイン帯域幅とスペクトル拡大の同じ限定により限定される。ドーパント、ポンプ条件、信号波長が異なれば増幅器の帯域幅も変わり得る。コアサイズとファイバー長が異なれば、所与の入力パワーにおける拡大量に影響し得る。例えば、レーザー波長１０３０ｎｍ用に１０メートルの単モード６ミクロンＴｂドーピング処理ファイバーの場合は、入力パワーはピークパワー時で５ワット未満であるべきである。
【００３２】
１５５ミクロン前後の波長にはＥｒかＥｒ：Ｙｂ、１６ミクロン前後の波長にはＹｂかＮｄ，２ミクロン前後の波長にはＴｍかＨｏ、等を含めた異なる希土類のドーパントを利用することによって異なる出力波長をＰＡＣＰＡから得ることができる。パラボラ増幅器内の能動ファイバーを、ファイバーの長さにわたって分散が変わる受動ファイバーに置換することもできる。
【００３３】
レーザー・パルスの光スペクトルをフィルターしレーザー・パルスの放物線状スペクトル形状の端付近にてスペクトル成分を除去するために、パラボラ光増幅器１１０と前段光増幅器２３２間のレーザー・パルスの光経路に光帯域フィルターを設置可能であることが図２の試験で示唆されている。このフィルター作用は増幅され引き伸ばされた放物線状レーザー・パルス出力内の歪みを前段光増幅器２３２によって減少できる。
【００３４】
図５Ａはこの帯域フィルター設置場所として３つの異なる箇所５１０Ａ，５１０Ｂ，５１０Ｃを示す。このフィルターを実施する便利な一方法は、所要のフィルター帯域幅に等しい反射帯域幅を持つようにＣＦＢＧ２２０を設計することによりこのフィルターをＣＦＢＧ２２０と一体化することである。こうしたフィルターを使用することによりパラボラ増幅器からの信号の出力スペクトルの端付近に通常発生するスペクトル内の歪みをなくすことができる。多層電気フィルターやファイバー系のフィルターなどの他タイプの光ファイバーも同様に使用でき、ＣＦＢＧと光サーキュレーター間に設置できる。
【００３５】
フィルターを使用することの効果を図５Ｂと５Ｃに示す。図５Ｂは増幅器又はストレッチャーの後にフィルター無しパラボラ増幅器からの出力スペクトルを示す。図５Ｃはフィルター有りの出力スペクトルを示す。この出力スペクトルはスペクトル中心部のほとんどにわたって滑らかではあるが、スペクトルはスペクトルの端近くにピークを示している。このような振幅のピークは基本的にスペクトルのこの部分における位相歪みにも関係する。この位相歪みの結果、スペクトルの歪んだ端のエネルギーは正しく圧縮せず、圧縮後にパルス歪みを引き起こす。光帯域フィルターを通過したパラボラ増幅器からの出力は端部にて位相歪みを除去する。
【００３６】
ＣＦＢＧストレッチャーに加えて他のタイプのパルス・ストレッチャーも使用できる。例えば、パラボラ増幅器からの出力光は、なるべくファイバー・ストレッチャーに先立ち光を減衰させる減衰器の後に、ファイバー・ストレッチャーとしての分散性ファイバーの全長を通過させられる。この場合、ファイバーの末端に反射器が設けてあればファイバー・ストレッチャーをＣＦＢＧと類所の構成とすることはできるが、光サーキュレーターは不要である。ＣＦＢＧが有利なのは、非常に長いファイバーにおいてそれは大幅に短くなり、パルスのパルス歪みの問題が少ないことである。バルクグレーティング・ストレッチャーなどの他のタイプのストレッチャーも使用できよう。
【００３７】
実際のパラボラ増幅器へのシード・レーザー信号の入力パワーとスペクトル純度に適正な注意を払えば、パラボラ増幅器無しの構成全般にわたって幾つかの利点を実現するためにシード・レーザーとパラボラ増幅器とを組み合わせて使用できる。例えば、パラボラ増幅器において、線形チャープを加えながらスペクトルは広がる。その結果、入力パルスは圧縮された出力パルスよりも大幅に広くなる。これにより長いパルス持続時間を持つパルス・シード・レーザーが使用できるようになる。別の一例を挙げると、同じパルス長さに到達するにはスペクトル帯域パルスが広くなれば分散は少なくする必要があるので、パルス内のパラボラ増幅器による広いスペクトルはパルスを引き伸ばし易くなる。パルス引き伸ばしの引き伸ばし範囲に対する要求がこのように少なくなることは、使用すべきＣＦＢＧストレッチャーであれ他のストレッチャーであれ、より安価化、単純化を可能にする。又別の一例を挙げると、放物線状パルス形状は、標準的グレーティング圧縮器で修正できる後続パラボラ増幅器内にＳＰＭ歪みを作るという利点を持つ。さらに別の例を挙げると、図４Ａ、図４Ｂに示したように、このパラボラ増幅器はシード・レーザーからの多少の歪みを消去できる。実際のパラボラ増幅器からの出力はほぼ放物線状の輪郭を持つパルス輪郭を持ち、線形チャープを伴う拡がったスペクトルを持つ。本システムにフィルターを加えて、パラボラ増幅器が発生する出力パルスの端からの非線形チャープをスペクトルフィルタリングすることによるパルス横断線状チャープ以外の非放物線状出力形状を持つ実際のパラボラ増幅器の作動を実現することに使用できる。
【００３８】
図１と図２の主パワー増幅器１４０は様々な構成で実施できる。引き伸ばされた固定パルス長さが所与のとき、パワー増幅器内の非線形歪みは究極的にＰＡ  ＣＰＡからのパルス・エネルギーとピークパワーを限定する。パルスの放物線状の入力形状は圧縮器により補正可能な非線形ＳＰＭ歪みを起こす。しかしその補正はパワーに依存し、しかも実際にはパルスは近似的に放物線状であって、補正できない位相歪みを生じさせる。したがって、主パワー増幅器１４０はＳＰＭを通して最小限の歪みを示すものであることが望ましい。
【００３９】
実装において、多モードポンプ源の大きな配列によってポンピングされるのでパワー増幅器は容易にパワーを増加するため、最終パワー増幅器１４０にダブル・クラッド・ファイバーを使用できる。しかし、コア・ポンピング持つ非ダブル・クラッド・ファイバーも使用できよう。ポンプ源からのポンプビームの波長多重送信や偏波多重送信、及びファイバー両端からのポンピングは非ダブル・クラッド・ファイバー用のパワーを標尺できよう。ファイバー内のパルスの有効相互作用長さを最小化しモードフィールド域を最大化することでＳＰＭを有益に最小化できる。この点はファイバーの大ファイバーコアと高ドーピング密度のためには良い。ファイバーはコアサイズとドーピング濃度において様々な要因により制約がある。例えば、直径１５〜３０ミクロンの大きなコアサイズは、高次のモードを励起してビーム歪みを起こさせることにつながり、その影響はファイバーコアのサイズに制限を加える。ドーパント濃度は、その高濃度のときは希土類原子が結集して効率低下を招いたり、その他の影響によって制限される。
【００４０】
図６は主パワー増幅器１４０の一例を示す。この設計は、レーザー・パルスのレーザー波長とは異なるポンプ波長において光ポンプ光の光励起下においてレーザー・パルスのための光ゲインを発生させるべくドーピングされたファイバー・ゲイン部１６０と、その光ポンプ光を発生させるポンプ光源と、ポンプ光源６２０から光ポンプ光を受取り光ポンプ光をファイバー・ゲイン部６１０の方へ反射させる二色反射板６３０と、二色反射板６３０から反射した光ポンプ光を、ファイバー・ゲイン部６１０内のレーザー・パルスの伝搬方向とは反対方向にあるファイバー・ゲイン部に結合させるコリメータ・レンズ６４０と、ファイバー・ゲイン部６１０からの残留ポンプ光を結合させるためコリメータ・レンズ６４０の反対側にてファイバー・ゲイン部６１０と連結したポンプ・ダンプ・カプラー６５０とを含む。ポンプ・ダンプ・カプラー６５０は増幅器のファイバー・ゲイン部６１０の構造に応じて様々な構成で実施できる。例えば、ダブル・クラッド・ゲイン部については、ポンプ・ダンプ・カプラー６５０は、異種クラッド材料製の二種のファイバー・クラッドによる光波抑閉をなくすため外側のクラッドを内側のクラッドと同じ材料に換えてこの部位のファイバー・クラッド２層が同材料で形成されるよう造ることができる。ファイバー・ゲイン部６１０で増幅されたレーザー・パルスは二色反射板６３０を通ってパルス圧縮器１５０に向かう。
【００４１】
図７は主パワー増幅器１４０の別の一例を示すもので、これは１回目と２回目の光ポンプビームをそれぞれ発生させる二つのポンプ光源７１０と７２０を使用する。１回目と２回目の光ポンプビームをファイバー・ゲイン部６１０でのレーザー・パルスの伝搬方向と反対方向にファイバー・ゲイン部６１０内へ連結し組み合わせるために、ヒューズを取付けたファイバー・カプラー７３０を設けてある。ファイバー・ゲイン部６１０からの残留ポンプ光を連結するため、カプラー７３０の反対側でポンプ・ダンプ・カプラー６５０がファイバー・ゲイン部６１０に連結されている。コリメータ・レンズ６４０はファイバー・ゲイン部６１０からのレーザー・パルスの光を連結し光アイソレータ２０２を通してパルス圧縮器１５０の方向にコロメートする。
【００４２】
様々なファイバー制限条件が与えられている場合、光ポンプ、信号、ファイバー長さ条件はファイバー内の有効相互作用長さを短くすることによってファイバー増幅器の利用可能なパルス・エネルギーをかなりの程度に増すことができる。増幅器の末端ポンピングは、信号が最大となりゲイン飽和を最小にし、光ゲインを最適化し有効相互作用長さを最小にするファイバー末端近くで高ポンプパワーを生じさせる傾向がある。末端ポンピングの一つの短所は、ヒューズ付きコンバイナーでポンプしたときにポンプ光をファイバーからファイバーへの連結でファイバーに連結するにはファイバーに余分な長さが必要となることである（図７）。通常２０〜３０ｃｍ以上となるこの余分なファイバー長さは、増幅器からの大きなエネルギーを持つ出力パルスがこのファイバー・ピグテールを通る際にかなりのＳＰＭを生じさせる。これに代わる方法として、二色反射場のようなバルク光学器を使って、図６に示した後方ポンプ連結構成にてポンプを連結することができる。この場合の後方ポンピングファイバー増幅器の入力端付近に強いポンプパワーを生じさせ得る。このポンプパワーは（図６と図７に示したように）ファイバー入力端近くのダブル・クラッド・ファイバー周りのポンプ・ダンプで除去できる可能性がある。
【００４３】
図８Ａにおいて、二つのポンプ光７１０と７２０と、ファイバー・ゲイン部６１０内で第１と第２の光ポンプビームをレーザー・パルスの伝搬方向にファイバー・ゲイン部６１０と連結させ組み合わせるファイバー系のカプラー７３０と、ファイバー・ゲイン部からの光を連結するコリメータ・レンズ６４０と、を含めて主パワー増幅器を実施する。ポンプ光とレーザー・パルスの光を分離するため、又、図示例において、ポンプ光を反射しながらレーザー光を伝送するために、二色反射板６３０を使用している。前方向のポンピングには後方進行ポンプ光の問題はないが、ファイバーの出力端付近で充分なポンプパワーがあるように注意を要する。このように、ファイバー末端からポンプ光のかなりの部分（＞１０％）が漏れ出すようにファイバー長さを調節する必要がある。ファイバーの出力から放出されたポンプ光は増幅器の出力に後続するアイソレータやその他の構成品を総称する恐れがある。このポンプ出力パワーは後方ポンピングと比べて比較的除去できる。さらに、増幅器の出力端部にある光部品は、増幅器の入力端部にある部品に比べると、より高レベルのパワーに対処できる設計にすることができる。ポンプＮＡはレーザーＮＡと比べて通常は大幅に高いので、ポンプ光を遮るためにコリメーション・レンズの前に簡単な空間フィルターを使用することもできる。
【００４４】
図８Ｂは、二色反射板６３０を除去することにより、かつ、レンズ６４０の近くのファイバー・ゲイン部６１０の出力端にポンプ光カプラー６５０を加えることにより図８Ａの主パワー増幅器が修正できる前方向ポンプの設計の別の一例を示す。このポンプ光カプラー６５０又はポンプ・ダンプは、ファイバー・ゲイン部６１０からレンズ６４０によって連結される光が増幅されたレーザー・パルスの光となるように、ファイバーからのポンプ光を連結するために使われる。この構成において、堅固なヒューズ付きポンプ・カプラー７３０で前方向にポンプされ、その出力ポンプ光はファイバー終端近くのポンプ・ダンプ６５０で除去される。信号パワーは固定最大利用可能ポンプパワー内で３５ｄＢ以上のゲインを得るように調節できる。高ゲインは相互作用長さを減少できる。その上、この増幅器はゲインを支えるため最小長さに調節されている。増幅器をより長くすれば有効ファイバー長さを増し得る。単位長さ当たりのゲインはファイバーとポンプで制限されるため、ファイバーを短くすればもはや、＞３５ｄＢのゲインは許されない。例えば、コア直径が２５ミクロン、ポンプ吸収が１０ｄＢ／ｍ、１０３０ｎｍで使用のＹｂダブル・クラッド・ファイバーは約１メートルのファイバー長さを持つ。
【００４５】
このような増幅器で普通である低ゲイン（例えば２０ｄＢゲイン）に反して３５ｄＢゲインを超えるファイバーの使用は、いくつかの増幅器特徴を活用することにより可能となる。そのような高ゲインでは、自然放出増幅光（ＡＳＥ）はかなりのものとなり、後方向でそのピークに達し得、そこにおいてそれはアイソレータを損傷させたり、このＡＳＥを前段増幅器に注入してこの増幅器の不安定性を引き起こす恐れがある。入出力アイソレータは例えば３０ｄＢ以上などの高分離性を持つ必要がある。高ゲインは自己レージングをも起こし、空所の両端からの全反射の総和はゲイン以下となる。これらの反射には入力アイソレータ、ファイバー端面、出力光学器からの反射を含むこともある。ＡＳＥを少なくするために本レーザー装置をゲインピーク付近の波長で使用できる。例えばＹｂドーピングした増幅器において、高ポンプの短い増幅器でのゲインピークは１０３０ｎｍ近辺である。この波長で運転すればＡＳＥが信号より高いゲインと出会う恐れはなくなる。光学的設計上のこういった注意点に加えて、入力パワーとＡＳＥパワーをモニターで監視し、光学的不安定の場合にそれらのパワーを使って本レーザーを制御できる。
【００４６】
パルス・ピッキング装置、例えば図２の装置２３４か２６０を、様々な構成にて実施できる。図９、図１０、図１１はパルス・ピッキング装置２６０の３つの例を示す。
【００４７】
図９において、第２のパルス・ピッキング装置２６０は、入力光を受取り入力光の方向とは別方向の回折ビームを発生させる第１の音響光学変調器９１０と、１番目の音響光学変調器からの回折ビームを受取り第１と第２の音響光学変調器９１０と９２０間の回折ビームの方向とは異なる方向に出力回折ビームを発生させる第２の音響光学変調器９２０とを含む。この出力回折ビームは増幅され圧縮された出力レーザー・パルスを発生させるためパルス圧縮器１５０に案内される。
【００４８】
図１０において、第２のパルス・ピッキング装置２６０は主光増幅器１４０からの入力光を受取る偏波ビーム・スプリッター１０４０と、偏波ビーム・スプリッター１０４０からの入力光を受取ってその入力光の方向とは異なる方向に回折ビームを発生させる音響光学変調器１０１０と、その回折ビームをもう一度音響光学変調器１０１０を通過させるように設置した反射板１０２０と、偏波ビーム・スプリッター１０４０と音響光学変調器１０１０間に設けた四分の一波長板１０３０とを含む。反射した回折ビームは音響光学変調器１０１０と四分の一波長板１０３０とを通過した後、偏波ビーム・スプリッター１０４０によってパルス圧縮器１５０へ反射される。
【００４９】
図１１は別の設計を示すもので、この設計において音響光学変調器１０１０は入力光を受取って、入力光の方向とは異なる方向に回折ビームを発生させ、プリズム１１１０はその回折光を受取って、出力光を発生させるように設置される。ＡＯＭ１０１０の作用によって、出力光の増幅され引き伸ばされた放物線状レーザー・パルスのパルス反復率は、音響光学変調器１０１０が受取った入力光のパルス反復率よりも低い所望の出力パルス反復率となる。ＡＯＭ１０１０からの出力はプリズム１１１０を通過して、付加的な実質的損失を受けることなく角歪みを補正する。異なる波長間のビーム・ウォークオフによるビーム歪みを少なくするために、ＡＯＭ１０１０とプリズム１１１０間の距離はなるべく短くすべきである。プリズム１１１０内でのビーム歪みを少なくするためにはプリズム１１１０の頂角には注意してプリズム１１１０の方位はプリズム１１１０に関して光への回折角がプリズムの両端でほぼ同じとなるようにすべきである。
【００５０】
図９のパルス・ピッカーの設計とは違って図１１のパルス・ピッカーは、プリズム１１１０と共同して初期のパルス・ピッキング作用を果たすために、増幅され引き伸ばされたパルスを一度だけ光変調器１０１０内に通すべく１台の光変調器１０１０を使用する。図１１のこの１台の光変調器１０１０は図９の設計のものより安価で、図９の２台のＡＯ変調器に比べて光の損失が少ない。図１１の設計の物的サイズはその構造が簡単なため図９の設計よりも大幅に小さくできる。図１０の設計は２回目のために光を反射してＡＯ変調器に戻し、それにより図１１の設計における光の損失を倍増する。図１１のパルス・ピッカーの設計における１台の光変調器１０１０とプリズム１１１０との組み合わせは、多段処理段階後の増幅され引き伸ばされたレーザー・パルスの貴重な光エネルギーの光学的損失を少なくするため構造的に単純でコンパクトなパルス・ピッカー装置を提供する。
【００５１】
本明細書に具体的な内容を多く含めてはあるが、それらは記載の特許請求の範囲もしくは特許請求があり得る範囲に対する限定事項と解されるべきではなく、特定の実施形態についての具体的な特徴の説明と解されるべきである。個別の実施形態の文脈上本明細書に記載した幾つかの特徴は単独の実装と抱合せて実施することもできる。逆に、単独の実施形態の文脈上記載した様々な特徴は複数の実施形態にて個別に或いは適当なサブコンビネーションにおいても実施できる。なお又、諸特徴は特定の組み合わせにて作用すると上記され、そのようなものとして最初にクレームされていることもあるが、場合によってはクレームされた組み合わせからの一つ以上の特徴はその組合せから発揮されることを得、その請求された組み合わせはサブコンビネーションやサブコンビネーションの変種に向けられることもあり得る。
【００５２】
いくつかのの例や実装のみを説明した。記載した例および実装の他の実装、変形、変更、および改良を行うことができる。
【図１】
2013541201.tif 000003
【図２】
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【図３Ａ−１】
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【図３Ａ−２】
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【図３Ｂ−１】
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【図３Ｂ−２】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図６】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【国際調査報告】
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