(57)【要約】      （修正有）【課題】分散制御ミラーシステムを提供する。【解決手段】高屈折率層と低屈折率層を交互に重ねた積層体を備え、高屈折率層の光学的厚さの、後続の低屈折率層の光学的厚さに対する比が断熱曲線的に第一の値へと増加するインピーダンス整合領域が後に続く反射防止（ＡＲ）コーティングを含む前端部を有し、インピーダンス整合領域の後には、高屈折率層と低屈折率層の各対のブラッグ波長が全般的に増加又は低下するチャープミラー領域が続くチャープダイクロイックミラーに関し、チャープダイクロイックミラーは、後端領域における層が第二のインピーダンス整合領域を形成し、該第二のインピーダンス整合領域において、高屈折率層の光学的厚さの、後続の低屈折率層の光学的厚さに対する比が、隣接するチャープミラー領域における比を開始値とし、その後、透過スペクトル範囲に亘る周囲の媒質と整合されたインピーダンスを与えるように、断熱曲線的に減少する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高屈折率層及び低屈折率層を交互に重ねた積層体と、
インピーダンス整合領域が後に続く反射防止（ＡＲ）コーティングを含む前端部とを備え、
インピーダンス整合領域では、高屈折率層の光学的厚さの、後続の低屈折率層の光学的厚さに対する比が断熱曲線的に第一の値へと増加し、
インピーダンス整合領域の後には、高屈折率層と低屈折率層の各対のブラッグ波長が全般的に増加又は低下するチャープミラー領域が続くチャープダイクロイックミラーにおいて、
後端領域における前記層が第二のインピーダンス整合領域を形成し、該第二のインピーダンス整合領域において、高屈折率層の光学的厚さの、後続の低屈折率層の光学的厚さに対する比が、隣接する前記チャープミラー領域における前記比を開始値とし、その後、透過スペクトル範囲に亘る周囲の媒質と整合されたインピーダンスを与えるように、断熱曲線的に減少することを特徴とするチャープダイクロイックミラー。
【請求項２】
異なる波長スペクトルを有する少なくとも二つの広帯域レーザー光源と、
異なる前記広帯域レーザー光源からの光を一つのビームに合成する合成ユニットとを備えた広帯域光パルス源であって、
前記合成ユニットは、請求項１に記載のチャープダイクロイックミラー構造を備え、
前記チャープダイクロイックミラーは、請求項１に記載の前記チャープダイクロイックミラー上で一方の広帯域レーザー光源からの光ビームが第二の広帯域レーザー光源からの光ビームとある角度で交差するように前記二つの広帯域レーザー光源に対して配置され、前記チャープダイクロイックミラー構造がビームコンバイナ／スプリッタとして機能することによって前記第一及び第二の広帯域レーザー光源から二本の合成光ビームを発生させる広帯域光パルス源。
【請求項３】
請求項２に記載の広帯域光パルス源であって
前記広帯域レーザー光源のそれぞれは、レーザー光源と、前記レーザー光源の光が通過する光増幅器とを備えることを特徴とする広帯域光パルス源。
【請求項４】
請求項２又は３に記載の広帯域光パルス源であって
前記合成ユニットの前記チャープダイクロイックミラー構造は、前部の前記インピーダンス整合領域と後部の前記インピーダンス整合領域との間の領域において、低屈折率層及びそれに隣接する後続の高屈折率層の光学的厚さの総和を、層番号に応じて変化させることによって分散制御を実現し、負の分散を得るためには前記総和が単調に増加し、又は正の分散を得るためには前記総和が単調に減少するように配置されていることを特徴とする広帯域光パルス源。
【請求項５】
請求項２から４のいずれか一項に記載の広帯域光パルス源であって、
前記合成ユニットからの前記光ビームを入射ビームとして圧縮ユニットを通過させることによって短パルス長の光パルスを発生させるように配置され、
前記圧縮ユニットが少なくとも一対のダブルチャープミラーを備え、前記一対のダブルチャープミラーはその間を前記入射光を複数回反射させることによって圧縮光パルスを発生させるように配置されていることを特徴とする広帯域光パルス源。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高屈折率層及び低屈折率層を交互に重ねた積層体と、インピーダンス整合領域が後に続く反射防止（ＡＲ）コーティングを含む前端部とを備え、インピーダンス整合領域では、高屈折率層の光学的厚さの、後続の低屈折率層の光学的厚さに対する比が断熱曲線的に第一の値へと増加し、インピーダンス整合領域の後には、高屈折率層と低屈折率層の各対のブラッグ波長が全般的に増加又は低下するチャープミラー領域が続くチャープダイクロイックミラー、及びそのようなダイクロイックミラーを使用する広帯域光パルス源に関する。
【背景技術】
【０００２】
高強度超短パルスを発生させることで、超高速ダイナミクス及び強い場の物理の研究が可能となる。数サイクルパルスの光によって、高次高調波の発生等の極限非線形光学プロセスの効率を向上させることができる（非特許文献１）。また、数サイクル光パルスをキャリアエンベロープ位相安定化と共に用いることによって、アト秒科学の研究（非特許文献２、非特許文献３、非特許文献４、及び非特許文献５）や、光と物質との相互作用の正確な制御（非特許文献６、非特許文献７、非特許文献８）への道が開かれる。従って、時間ドメインにおいてより短い光のバーストを作り出すために、さらに広い光学帯域幅のパルスの生成及び分散制御が望まれている。
【０００３】
短パルス生成における最近の発展により、サブサイクル波形合成（非特許文献９、非特許文献１０）及びスーパーコンティニューム発生（非特許文献１１、非特許文献１２）によってマルチオクターブ帯域幅を有するコヒーレント光スペクトルを発生させることが可能となった。しかし、そのような超広帯域幅にわたる分散制御は非常に難しい。超短パルスレーザの発明以来、分散制御のための手法がいくつか発明されている。これらの手法としては、液晶変調器（非特許文献１３、非特許文献１４）、音響光学変調器（非特許文献１４）及び機械的に変形可能なミラー（非特許文献１６、非特許文献１７）に基づくアクティブな技術、並びに、プリズムペア（非特許文献１８）、回折格子対（非特許文献１９）及びチャープミラー（ＣＭ）（非特許文献２０、非特許文献２１、非特許文献２２、非特許文献２３、非特許文献２４、非特許文献２５、非特許文献２６、非特許文献２７）を用いたパッシブな技術がある。２オクターブまでの帯域幅を有する液晶装置（非特許文献１４）が開発されている。しかしながら、これらの装置は、透過率が低く、また、扱えるパルスエネルギーが限定的であることが足かせとなって、高強度光源に直接適用することができない。ＣＭデザインのような多層コーティングは、高い反射率と高い損傷閾値を有しつつ超広帯域幅に対応し、且つ、ロバストであるという優れた利点を有する。従って、多層コーティングの超広帯域デザイン及び製造は、特に、光学ビーム路において望ましくない非線形相互作用を低減しながら正確な分散制御を行う必要がある極めて強力なサブサイクルパルスの制御においては、非常に重要である。
【０００４】
原理上、ＣＭは、高屈折率層及び低屈折率層の対による分散光学干渉コーティングとして設計されている。対称な１／４波長積層体からは、特定の波長に対して強力なブラッグ反射が得られる。簡素なＣＭ（非特許文献２０）においては、個々の層の対のブラッグ波長は互いに異なるため、通常、短波長光よりも長波長光のほうが反射されるまでにより深くミラー構造に侵入する。このような簡素なチャープ構造を図１Ａに示す。しかし、これらのミラーの分散特性は、不可避的な強い群遅延（ＧＤ）リップルを有しており、広帯域分散制御には不適である場合がある。強いＧＤリップルの発生原因は以下の通りである。長波長光は、これらの波長の光に対して透過回折格子として機能するＣＭの最初の区間を通過しなければならない。前部区間における僅かな反射は、Ｇｉｒｅｓ-Ｔｏｕｒｎｏｉｓ干渉計（ＧＴＩ）において見られるように、より深い層からの強いブラッグ反射と干渉する。前部区間における僅かな反射は、周囲媒質（例えば、空気）とより深い層との間のミラー構造の波動インピーダンス不整合として解釈できる（非特許文献２１）。波動インピーダンス、即ち媒質中を通過する波動の特性は、電界及び磁界の横成分の比という点から定義される。波動インピーダンスは、前方に伝播する波と後方に伝播する波との結合に直接関連づけることができる。
【０００５】
ブラッグ波長のチャープに加え、高屈折率層の厚みにおけるチャープと同等と示される、前部の積層体における結合を作り出すために、ダブルチャープミラー（ＤＣＭ）が導入された（非特許文献２１）。典型的なダブルチャープ構造を図１Ｂに示す。最初にＡＲコーティングによって、そして続いて前部の対における断熱インピーダンス整合によって、周囲の媒質（ここでは多層積層体における低屈折率媒質であると仮定する）による回折格子インピーダンスをブラッグ積層体に整合させることで、望ましくない反射を大幅に低減し、それによりＧＤにおけるリップルを低減できる。図１Ａと図１Ｂに示すチャープ構造の反射率及びＧＤを、図１Ｃにプロットして示す。ここでは、構造体を低屈折率媒質（基板）に埋設し、光を垂直入射角で入射させている。しかし、従来の技術では、高度な光源の開発に必要な２オクターブを超える帯域幅をカバーする多層コーティング設計を実現しようとすると、コーティングにおける内部共振という問題にぶつかる。そのような２オクターブを超える帯域幅を有するミラーシステムは、相補的ペア設計（非特許文献２２、非特許文献２３、非特許文献２４）を利用してもなお、未だに実現できていない。
【０００６】
従って、光学合成器に関する従来の研究では、異なるスペクトル範囲に対してそれぞれ別体の分散制御ユニットを設けることが提案されている。（非特許文献１０、非特許文献１２）。そのうちの一種においては、図２Ａに示すように、異なるスペクトル範囲をカバーするパルスをそれぞれ、パルス合成を行う前に圧縮する。しかし、この場合、高いピーク強度を持つよう圧縮された合成高強度超短パルスは、ビーム品質を劣化させる望ましくない非線形光学干渉をビームコンバイナ基板内で引き起こすため、パルスエネルギーをさらに増加させることができない。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】P. B. Corkum, Phys. Rev. Lett. 71, 1994 (1993)
【非特許文献２】G. Sansone et al., Science 314, 443 (2006)
【非特許文献３】E. Goulielmakis et al., Science 320, 1614 (2008)
【非特許文献４】M. Paul, Science 292, 1689 (2001)
【非特許文献５】P. B. Corkum et al., Nature Phys. 3, 381 (2007)
【非特許文献６】E. Goulielmakis et al., Science 317, 769 (2007)
【非特許文献７】A. L. Cavalieri et al., "Attosecond spectroscopy in condensed matter," Nature 449, 1029 (2007)
【非特許文献８】M. Schultze et al., "Delay in photoemission," Science 328, 1658 (2010)
【非特許文献９】S. W. Huang et al., Nat. Photon. 5, 475 (2011)
【非特許文献１０】O. D. Muecke et al., CTh3H in the digest of CLEO, San Jose, CA (2013)
【非特許文献１１】S. Fang et al., IEEE Photon. Tech. Lett. 23, 688 (2011)
【非特許文献１２】M. Wirth et al., Science 334, 195 (2011)
【非特許文献１３】A. M. Weiner et al., Opt. Lett. 15 326-328 (1990)
【非特許文献１４】K. Hazu et al., Opt. Lett. 32, 3318 (2007)
【非特許文献１５】P. Tournois, Optics Comm. 140, 245 (1997)
【非特許文献１６】E. Zeek et al., Opt. Lett. 24, 493 (2000)
【非特許文献１７】A. Baltuska et al., Opt. Lett. 27, 306 (2002)
【非特許文献１８】R. L. Fork et al., Opt. Lett. 9, 150 (1984)
【非特許文献１９】E. B. Treacy, Phys. Lett. 28A, 34 (1968)
【非特許文献２０】R. Szipocs et al., Opt. Lett. 19, 201 (1994)
【非特許文献２１】F. X. Kartner et al., Opt. Lett. 22, 831 (1997)
【非特許文献２２】F. X. Kartner et al., J. Opt. Soc. Am. B 18, 882 (2001)
【非特許文献２３】V. Pervak et al., Opt. Lett. 32, 1183 (2007)
【非特許文献２４】V. Pervak et al., Appl. Phys. B. 87, 5 (2007)
【非特許文献２５】G. Steinmeyer, Opt. Express 11, 2385 (2003)
【非特許文献２６】N. Matuschek et al., Appl. Phys. B 71, 509 (2000)
【非特許文献２７】G. Tempea et al., J. Opt. Soc. Am. B 18, 1747 (2001)
【非特許文献２８】S.-H. Chia, T.-M. Liu, A. A. Ivanov, A. B. Fedotov, A. M. Zheltikov, M.-R. Tsai, M.-C. Chan, C.-H. Yu, and C.-K. Sun, Opt. Express 18, 24085 (2010)
【非特許文献２９】J. R. Birge and F. X. Kartner, Appl. Opt. 46, 2656 (2007)
【非特許文献３０】J. Kim et al., Opt. Lett. 30, 1569 (2005)
【非特許文献３１】T. R. Schibli et al., Opt. Lett. 28, 947 (2003)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
このため、非線形性の影響を減少させるためには、チャープパルスを合成し、そして超広帯域ＤＣＭを圧縮ユニットとして使用することが必要となる。また、異なるスペクトルを有する二つの広帯域光パルスを効率的に合成するためには、分散制御機能を有する広帯域ダイクロイックミラー（ＤＭ）が必要であるが、そのようなＤＭはこれまで開発されていない。
【０００９】
従って、上述の分散管理案を実現する広帯域ミラー設計は優先的事項であり、そのような設計によって、インピーダンス整合（即ち、ＡＲコーティング）に、ＧＤの変動を減少させる超オクターブ帯域幅が設けられ、広い帯域幅に亘って反射率を制御した分散管理が可能となる。
【００１０】
本発明の目的は、そのような改良された分散制御ミラーシステムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的は、請求項１の特徴を備える、我々が呼ぶところのチャープダイクロイックミラー（ＣＤＭ）という装置を適用することによって実現する。本発明の好ましい実施形態を従属項に提示する。
【００１２】
本発明に係るチャープダイクロイックミラーは、高屈折率層及び低屈折率層を交互に重ねた積層体を備え、高屈折率層の光学的厚さの、後続の低屈折率層の光学的厚さに対する比が断熱曲線的に第一の値へと増加するインピーダンス整合領域が後に続く反射防止（ＡＲ）コーティングを含む前端部を有する。このチャープミラー領域において、隣接する高屈折率層と低屈折率層の対のブラッグ波長が全般的に増加又は低下する。本発明では、チャープダイクロイックミラーは、第二のインピーダンス整合領域として形成されるブラッグエンド領域を有し、該第二のインピーダンス整合領域において、高屈折率層の光学的厚さの、後続の低屈折率層の光学的厚さに対する比が、隣接する前記チャープミラー領域における前記比を開始値とし、その後、透過スペクトル範囲に亘る周囲の媒質と整合されたインピーダンスを与えるように、断熱曲線的に減少する。
【００１３】
好適な実施形態においては、インピーダンス整合領域／層の対は、前の媒質／構造によるインピーダンスを続く媒質／構造に整合することを特徴としている。これは、高屈折率層の光学的厚さの、後続の低屈折率層の光学的厚さに対する比を変化させることで実現する（例えば、周囲の媒質によるインピーダンスを請求項１に記載のチャープミラー領域に整合させるためには、比を後に続くチャープミラー領域における値へと増加させる；チャープミラー領域によるインピーダンスを周囲の媒質に整合させるためには、比を前のチャープミラー領域における値から減少させる）。
【００１４】
好適な実施形態においては、インピーダンス整合領域／層の対は、滑らかに変化する高い透過率を実現し、これは（１）前にチャープミラー領域がある場合には、チャープミラー領域の高反射率範囲において高い反射率と滑らかに変化するＧＤ、（２）前に周囲の媒質（例えば、基板）がある場合には、高反射率範囲外においてサイドローブが抑制された高い透過率の実現へとつながる。
【００１５】
好適な実施形態においては、チャープダイクロイックミラーは、高屈折率層の光学的厚さの、後続の低屈折率層の光学的厚さに対する比がゼロから始まり、それから続くチャープミラー領域の最初の値に対応する第一の値へと断熱曲線的に増加する前部インピーダンス整合領域を有する後部インピーダンス整合層の対と共に用いられるダブルチャープミラーであってもよい。
【００１６】
本発明のさらなる態様では、異なる波長スペクトルを有する少なくとも二つの広帯域レーザー光源と、二つの異なる広帯域レーザー光源からの光を一つのビームに合成する合成ユニットとを備えた広帯域光パルス源を提供し、合成ユニットは、チャープダイクロイックミラー上で一方の広帯域レーザー光源からの光ビームが第二の広帯域レーザー光源からの光ビームとある角度で交差するように前記二つの広帯域レーザー光源に対して配置され、チャープダイクロイックミラーがビームコンバイナ／スプリッタとして機能することによって第一及び第二の広帯域レーザー光源からの光ビームから二本の合成光ビームを発生させる。
【００１７】
好適な実施形態においては、広帯域レーザー光源のそれぞれは、レーザー光源と、レーザー光源の光が通過する光増幅器とを備える。
【００１８】
好適な実施形態においては、合成ユニットのチャープダイクロイックミラーは、前部のインピーダンス整合領域と後部のインピーダンス整合領域との間のチャープミラー領域において、低屈折率層及びそれに隣接する後続の高屈折率層の光学的厚さの総和を、層番号に応じて主に変化させることによって分散制御を実現し、負の分散を得るためには総和が全般的に増加し、又は正の分散を得るためには総和が全般的に減少するように配置されている。
【００１９】
チャープダイクロイックミラーの好適な実施形態は、図５の実証にプロットされているように（１）ミラーの高反射率範囲において高い反射率と滑らかに変化するＧＤを、（２）高反射率範囲外においてサイドローブが抑制された高い透過率をそれぞれ実現する。
【００２０】
本発明のさらなる目的は、広帯域超短光パルス源を実現する改良された光学合成器を提供することである。上述のように、そのような光学合成器に、異なるスペクトル範囲用の別々の分散制御ユニットを設けることが提案された。そのような既知の光学合成器の一種においては、図２Ａに示すように、異なるスペクトル範囲を有する二つの光源からのパルスをそれぞれ、パルス合成を行う前に図示のように圧縮する。上述のように、この場合、合成高強度超短パルスの高いピーク強度はビーム品質を劣化させる望ましくない非線形光学干渉をビームコンバイナ基板又は続く材料内で引き起こすため、パルスエネルギーをさらに増加させることができない。従って、非線形性の影響を減少させるために、チャープパルスを合成してから最終段の圧縮器で圧縮する配置においてチャープダイクロイックミラーを使用することが考えられる。そのような最終段の圧縮器は、その間を合成ユニットからの入射光が複数回反射することによって圧縮される一対の超広帯域ダブルチャープミラーによって実現できる。そのような配置を図２Ｂに示す。
【００２１】
本好適な実施形態において、広帯域光パルス源は、合成ユニットからの光ビームを入射ビームとして圧縮ユニットへと導くことで短パルス長の光パルスが発生するように配置され、圧縮ユニットは、少なくとも一対の超広帯域ダブルチャープミラーを備え、一対のダブルチャープミラーはその間を入射光が複数回反射することによって圧縮光パルスを発生させるように配置されている。
【００２２】
本発明を、以下の図面と合わせてさらに説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１Ａ】図１Ａは、低屈折率材料（低、例えばＳｉＯ2）と高屈折率材料（高、例えばＴｉＯ2）の層を備える従来技術の簡素なチャープ（ＳＣ）ミラー構造を示す。
【図１Ｂ】図１Ｂは、低屈折率材料（低、例えばＳｉＯ2）と高屈折率材料（高、例えばＴｉＯ2）の層を備える従来技術のダブルチャープ（ＤＣ）ミラー構造を示す。
【図１Ｃ】図１Ｃは、図１Ａに示すような簡素なチャープ（ＳＣ）ミラーと図１Ｂに示すようなダブルチャープ（ＤＣ）ミラーの群遅延と反射率を示し、多層ミラー構造は低屈折率材料に埋設され、光は垂直入射角で入射する。
【図２Ａ】図２Ａは、異なる波長域に別々のチャープミラー（ＣＭ）を有する二つの広帯域数サイクル光源を含む従来技術の光学合成器を示す。
【図２Ｂ】図２Ｂは、チャープダイクロイックミラー（ＣＤＭ）、超広帯域ダブルチャープミラー（ＤＣＭ）、及びバランス光相互相関器（ＢＯＣ）において利用される、本発明の一態様に係る光路上の非線形相互作用が低下した広帯域光学合成器スキームを示す。
【図３】図３は、デュアル断熱整合（ＤＡＭ）構造を有する本発明に係るチャープダイクロイックミラーを示すと共に、図１Ａに示すような簡素なチャープ（ＳＣ）ミラー、図１Ｂに示すようなダブルチャープミラー、及び図３の上部に示すようなデュアル断熱整合（ＤＡＭ）を有するチャープダイクロイックミラーのそれぞれに対応する反射率と群遅延を示す。
【図４】図４は、摂動され数的に最適化されたチャープダイクロイックミラーの構造を示し、チャープダイクロイックミラーは、図３のＤＡＭ構造に似た初期分析的ＤＡＭ構造を用いて目標とする反射率と群遅延を実現するために請求項１の特徴を備えると共に、空気によるインピーダンスを低屈折率材料に整合させることを実現するために反射防止コーティングを最初の数層に備える。
【図５】図５は、０．４５μｍから１μｍの範囲の高反射率帯域と、１．１μｍから２．４μｍの範囲の高透過率帯域を有し、図４に示された最適化されたチャープダイクロイックミラーの反射率及び反射における群遅延を示しており、０．４５μｍから１．３μｍの反射における群遅延が石英ガラス（ＦＳ）における０．５２ｍｍ光路の分散を補正するよう設計されている。
【図６】図６は、本発明のチャープダイクロイックミラーを利用した合成ユニット用の分散整合システムの概略図を示す。
【図７】図７は、チャープダイクロイックミラーの透過群遅延と透過率を示す。
【図８】図８は、図６のポート４における反射ビームと透過ビームの群遅延を示す。
【図９】図９は、図２Ｂの合成器の圧縮ユニットとして利用される最適化された超広帯域ダブルチャープミラー対の第一のミラーの構造を上部に示し、カスケード又は周期的に繰り返すＤＡＭ状構造（矢印で示す）が空気からのインピーダンスを低屈折率材料に整合させることを実現するために最初数層に反射防止コーティングを有することが観察でき、より長い波長における反射防止特性を下部に示す。
【図１０】図１０は、最適化された超広帯域ダブルチャープミラー対の第二のミラーの構造を上部に示し、カスケード又は周期的に繰り返すＤＡＭ状構造（矢印で示す）が空気によるインピーダンスを低屈折率材料に整合させることを実現するために最初数層に反射防止コーティングを有することが観察でき、より長い波長における反射防止特性を下部に示す。
【図１１Ａ】図１１Ａは、図２Ｂの合成器の圧縮ユニットとして利用される最適化された超広帯域ダブルチャープミラー対の測定及び計算された反射率を示す。
【図１１Ｂ】図１１Ｂは、最適化された超広帯域ダブルチャープミラー対の第一のミラーの測定及び計算された群遅延を示す。
【図１１Ｃ】図１１Ｃは、最適化された超広帯域ダブルチャープミラー対の第二のミラーの測定及び計算された群遅延を示す。
【図１１Ｄ】図１１Ｄは、０．４９μｍから１．０５μｍまでのスペクトル範囲において０．７２ｍｍの石英ガラス（ＦＳ）を、１．０５μｍから２．２５μｍの範囲において０．１６ｍｍのＺｎＳｅを補完するよう設計された最適化された超広帯域ダブルチャープミラー対の平均測定群遅延を示す。
【図１２】図１２は、一対の超広帯域ダブルチャープミラーの間の反射後の周波数ドメインにおけるパルス特性を示し、入力テストスペクトルを点線で示し、反射スペクトルと位相を、測定された反射率とミラー対の残留位相を考慮しつつ、それぞれ実線で示す。
【図１３】図１３は、一対のＤＡＭダブルチャープミラーの間の反射後の時間ドメインにおけるパルス特性を示し、図１２の入力テストスペクトルの変換限界電界を点線で示し、図１２の出力スペクトルと位相を有するパルスの電界を実線で示し、正規化した入力／出力パルス継続時を差し込み図に示す（ＴＬ：変換限界パルス）。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
上述の分散管理を実現し、超オクターブ帯域の超短パルス幅を発生させるための広帯域ミラーシステムについて説明する。請求項１の特徴を備えるチャープダイクロイックミラーとしてさらに最適化させることが可能な分析的デュアル断熱整合（ＤＡＭ）構造は、ＧＤの変動を減少させるインピーダンス整合（即ち、ＡＲコーティング）を実現し、反射率を広い帯域幅にわたって制御しつつ分散管理を可能とする。装置及び方法の実施形態に基づく様々な適用例は、下記の要素、特徴、及びステップの一部又は全てを含むことができる。
【００２５】
請求項１の特徴を備えるチャープダイクロイックミラーとしてさらに最適化が可能な分析的デュアル断熱整合（ＤＡＭ）構造は、多層コーティング設計に適用される。提案する構造は、チャープダイクロイックミラーの初期設計として使用可能であり、さらに、ある設計目標が達成するために反射率とＧＤを最適化するような変更を施すことも可能である。この変更では、通常、いくつかの光学要素（例えば、材料又はミラー）によってＧＤを補正する。初期設計においては、図３に示すように、長波長においては、反射率は低く滑らかに変化し、短波長（即ち、高反射率帯域）においては、ＧＤ変動が減少している。これは、徐々に低屈折率材料のインピーダンスに整合させるよう、後部の層において前方に伝播する波と後方に伝播する波との間の結合を調整することで２オクターブを超える幅のインピーダンス整合が実現していることを示すと共に、典型的なＤＣＭの特徴が前部の層においては維持されていることを示している。ＤＡＭ構造においては、ミラー内でブラッグ波長を変化させていることに加え、前部の高屈折率層の厚みだけでなく、後部の高屈折率層の厚みもチャープされている。前部と後部のチャープされた高屈折率層はデュアル断熱インピーダンス整合を行い、（１）ミラーの高反射率範囲において高い反射率と滑らかに変化するＧＤを、（２）高反射率範囲外においてサイドローブが抑制された高い透過率をそれぞれ実現する。
【００２６】
簡素なＣＭ構造の場合と比べて、ＤＡＭ構造では、後部のチャープされた高屈折率層によって、高反射率帯域が縮小する。しかし、ＧＤが滑らかに変化する帯域幅は維持されたままで、反射帯域の端を超えても滑らかなＧＤ制御が実現される。そのため、ＤＡＭ構造は、光合成システム、スーパーコンティニューム光源などの広帯域光学システム／光源用、及び広帯域波長可変ラマンソリトン及び分散波用のビームコンバイナ／スプリッタ（非特許文献２８）として採用され、図４及び図５に示すように全反射帯域にわたって広帯域ＧＤ制御を行うチャープダイクロイックミラーの設計に適用できる。ＤＡＭ構造に基づき、請求項１の特徴を備えた様々な高／低屈折率層対と様々なチャープのブラッグ波長の層構造を用いることで、サイドローブが高度に抑制され、高透過率領域及び高反射率範囲が共に互いに異なる様々なコーティング設計を実現できる。
【００２７】
本実施形態の一適用例は、図６に示すような、分散整合スキームである。このスキームは、チャープダイクロイックミラーを用いて、入力ポートと出力ポートからの反射光及び透過光の両方に対し分散を整合するスキームである。スキームは、ロスレスコーティングを有し緩やかに変化する透過率を持つチャープダイクロイックミラーと、入力ポートに設置された誘電体板とを備える。誘電体板の厚みは、コーティングの分散及びミラー基板と整合させている。チャープダイクロイックミラーのコーティングは、整合された板とコーティングからの分散の合計がミラー基板からの分散と等しくなるよう設計されている。
【００２８】
本実施形態の別の適用例は、ＤＣＭの整合区間としてのカスケードＤＡＭ状構造である。また、カスケードＤＡＭ状構造は、超広域帯ＤＣＭの初期設計として、請求項５に記載の圧縮ユニットとして、さらには反射率とＧＤを最適化するために摂動されることによって図９及び図１０に示す層構造として使用できる。設計ＧＤは通常、いつくかの光学部品（例えば、材料又はミラー）のＧＤ特性によって補完される。カスケードＤＡＭ状構造によって、ＧＤ変動が減少した超オクターブ高反射率ミラーを実現できる。カスケードＤＡＭ状構造の各ＤＡＭユニットは、それに続くＧＴＩ効果が減少したチャープブラッグ層で反射される長波長用の高品質広帯域ＡＲコーティングを実現するだけでなく、高い反射率と滑らかなＧＤ特性をその高反射率範囲において実現する。その結果、超広帯域幅ＤＣＭは、現状の技術水準におけるチャープミラー設計と比べて、より広い高反射率帯域幅を持ちＧＤ制御が実現する。また、カスケードＤＡＭ状構造は、多層構造における内部共振の回避にも役立つ。
【００２９】
本発明のチャープダイクロイックミラーは、設計周波数範囲において電磁放射線に対して透明／部分的に透明な低屈折率誘電層／半導体層と高屈折率誘電体層／半導体層の対を用いる分散干渉構造を有するよう設計されている。分散干渉構造は、誘電体／半導体コーティングとすることが可能である。例えば、高屈折率誘電体材料としては、ＴｉＯ2、ＨｆＯ2、Ｎｂ2Ｏ5、Ｔａ2Ｏ5、ＺｒＯ、Ｙ2Ｏ2、ＡｌＯ2、又はＧｄ2Ｏ3を使用でき、低屈折率材料としては、ＳｉＯ2、ＭｇＦ2、又はＡｌ2Ｏ3を使用できる；高屈折率半導体材料としてはＧａＡｓを、低屈折率半導体材料としてはＡｌＡｓを使用できる。
【００３０】
発明の数的及び実験的実証
１．  ２オクターブを超える帯域幅を持つチャープダイクロイックミラー：
請求項１に記載の特徴を備えるチャープダイクロイックミラーの性能を数的及び実験的に実証するために、まず、０．４５μｍから１．２μｍのチャープブラッグ波長を持つ分析的ＤＡＭ構造を作成する。波長依存の屈折率は分析的設計の中に含まれる。前部の層においてＤＣＭ構造を維持することによって、設計ブラッグ波長内のＧＤ変動が減少する；後部の高屈折率層の厚みのダウンチャープは、１．２μｍを超える領域で高透過率コーティングを実現し、これはより長い波長のインピーダンス整合を示す。ＤＡＭ構造は、ブラッグ波長とより長い波長との間の反射率コントラストが高いため、分散か管理された、複数のオクターブにわたる帯域幅を持つチャープダイクロイックミラーをとして使用するのに魅力的な構造である。このアイデアを実験的に実現するために、０．４５μｍから１μｍまで範囲の反射ウィンドウと１．１μｍから２．５μｍまでの範囲の透過ウィンドウとを有する初期設計として、分析的ＤＡＭ構造を採用する。高速アルゴリズム（非特許文献２９）を利用した数的に最適な結果を図４に示す。空気によるインピーダンスから低屈折率コーティング材料に整合させることを実現するために、最初のいくつかの層にＡＲコーティングが設けられていることで、下記の構造は図３のようなＤＡＭ構造を確実に維持できる。図５に示すように、０．４５μｍから１．１μｍまでの高反射率ウィンドウよりもさらに広い０．４５μｍから１．３μｍのスペクトル範囲において、反射におけるＧＤが、０．５２ｍｍ厚の石英ガラス板の分散を補正するよう設計されている。この特徴は、チャープダイクロイックミラーを、高反射帯域の端においてスペクトルギャップのない広帯域合成器のビームスプリッタ／コンバイナーとして実現する際に有利である。このような装置は、ペリクルミラー、分散整合誘電体ミラー（非特許文献３０）、金属ビームスプリッタなどの薄膜中性ビームスプリッタとは異なり、パルスエネルギー及びピーク強度のスケーリング用の異なるスペクトル成分を効率的に分割又は合成できる：典型的なダイクロイックミラーを使用した場合、高反射率範囲から低反射率範囲への遷移帯域において群遅延の変動が大きくなり、合成されたパルスを圧縮できなくなってしまう。図５の実験曲線の１．２μｍから１．３μｍの範囲における大きなＧＤ変動は、設計ＤＡＭミラーの後部における薄膜の製造エラーによって発生する可能性がある。しかし、この場合の大きなＧＤ変動は高透過帯域におけるもので、分割／合成ビームに影響を与えない。本設計において、二つの合成ビームから安定したパルスを合成するためのバランス光相互相関器（ＢＯＣ）（非特許文献３１）に供給するために、０．８μｍ周辺に不完全な透過と１．１μｍを超える領域で５％の反射を意図的に発生させる。
【００３１】
２．  チャープダイクロイックミラーに基づく分散整合スキーム
上述のように、チャープダイクロイックミラーを、ビームコンバイナ／スプリッタとして使用してスペクトル重複が発生するようパルスを合成／分割できる。この場合、合成／分割ビームの分散をよりよく制御するためには、重複範囲における二つの合成／分割ビーム路の分散を、チャープダイクロイックミラー通過後も同じとするべきである。これは、分散整合中性ビームスプリッタに基づく従来のスキームに似ている（非特許文献３０）。ＤＡＭミラーとポート１に誘電体板を設けたスキーム案を図６に示す。反射光Ｒ１、透過光Ｔ１、反射光Ｒ２、及び透過光Ｔ２の基板との界面と空気との間のコーティングの群遅延分散（ＧＤＤ）をそれぞれＧＤＤR1、ＧＤＤT1、ＧＤＤR2、及びＧＤＤT2とする。さらに、チャープダイクロイックミラーの基板及び誘電体板を一回通過するごとのＧＤＤをそれぞれＧＤＤs及びＧＤＤpとする。この設計では、基板のＧＤＤを誘電体板のＧＤＤとＧＤＤR1との合計に一致させる（即ち、ＧＤＤs＝ＧＤＤR1＋ＧＤＤp）。それぞれの光路のＧＤＤは以下の様に算出される：ＧＤＤ（１→４）＝ＧＤＤp＋ＧＤＤR1＝ＧＤＤs、ＧＤＤ（２→４）＝ＧＤＤs＋ＧＤＤT2、ＧＤＤ（１→３）＝ＧＤＤp＋ＧＤＤT1＋ＧＤＤs、ＧＤＤ（２→３）＝２ＧＤＤs＋ＧＤＤR2。
【００３２】
チャープダイクロイックミラーのロスレスコーティングには以下の関係が一般的に有効である：ＧＤＤT1＝ＧＤＤT2及びＧＤＤR1＋ＧＤＤR2＝ＧＤＤT1＋ＧＤＤT2。チャープダイクロイックミラーの透過率が遷移領域で緩やかに変化する場合、クラマース・クローニッヒの関係式の対象となる対応するＧＤもまた緩やかに変化する。従って、遷移領域におけるチャープダイクロイックミラーの透過率が十分滑らかに変化していると仮定すると、対応するＧＤＤは無視できる：ＧＤＤT1≒０。設計チャープダイクロイックミラーでは、図７に示すように、高透過率帯域と高反射率帯域との間の１．０μｍから１．１μｍの遷移領域における透過率ＧＤの変動は１０ｆｓより小さい。クラマース・クローニッヒの関係式は、より滑らかな透過カーブとより広い遷移領域を持つミラーを使用することでさらに小さいＧＤ変動を実現することが可能であることを示唆している。
【００３３】
遷移領域における透過率を緩やかに変化させるロスレスコーティングのための上記の追加の条件によって、ポート４へのビーム路のＧＤＤがそれぞれ等しくなる：ＧＤＤ（１→４）＝ＧＤＤP＋ＧＤＤR1＝ＧＤＤs、ＧＤＤ（２→４）＝ＧＤＤS＋ＧＤＤT2＝ＧＤＤs；またポート３へのビーム路のＧＤＤもそれぞれ等しくなる：ＧＤＤ（１→３）＝ＧＤＤP＋ＧＤＤT1＋ＧＤＤS＝ＧＤＤP＋ＧＤＤS、ＧＤＤ（２→３）＝２ＧＤＤs＋ＧＤＤR2＝ＧＤＤP＋ＧＤＤS。また、ポート４に同じ板を追加、もしくはＧＤＤR1＝ＧＤSとなるコーティング設計を設けた場合、すべての入出力ポートのＧＤＤが整合される。本例の場合の透過帯域及び透過率ＧＤを図７に示す；ＧＤＤR1とＧＤＤSは、−０．５２ｍｍと３．２１ｍｍの石英ガラスの光路のＧＤＤと等しい。従って、石英ガラス板の整合光路は３．７３ｍｍで、ポート４の対応する分散は図８に示すものとなる。図８では、重複スペクトル範囲において、１０ｆｓ未満のＧＤ変動を有する。図２Ｂで示したスキームのような光合成器では、ポート３の合成光を、パルス合成のためのＢＯＣに供給する。等しいＧＤＤは、ＢＯＣ検出における高い信号コントラストに恩恵をもたらす可能性があり、光合成の能力が向上する。
【００３４】
３．超広帯域ＤＣＭ対
最終圧縮ユニットとしての超広帯域ＤＣＭ対の設計をさらに説明する。上記の分析から、ＤＡＭ構造は、反射率について若干妥協しなければならないものの、より広いインピーダンス整合帯域幅が得られる。従って、前部の層にＤＡＭ構造をカスケード状に配置することで、図９及び図１０に示すように超オクターブ帯域幅ＤＣＭの実現できる。超広帯域幅ＤＣＭ対は、実証されたＤＡＭ構造に基づき、０．４９μｍから１．０５μｍまでのスペクトル範囲、即ちチャープダイクロイックミラーの高反射率範囲において１．４６ｍｍ厚の石英ガラス板を、１．０５μｍから２．３μｍの範囲、即ちチャープダイクロイックミラーの透過範囲において０．３２ｍｍのＺｎＳｅを補正するよう設計及び最適化されている。カスケードＤＡＭ状構造の広帯域インピーダンス整合を実証するために、図９及び図１０は、周囲の媒質、即ち空気、から図９及び図１０の上側の図に示す特定の層への構造の反射率をそれぞれ示す。空気から始まって、前部の層の数が多くなるにつれ、高反射率帯域は層の対のブラッグ波長によって決まるより長い波長へと拡大する。図９及び図１０における矢印はそれぞれのＤＡＭ状構造の端の層を指しており、ＤＡＭ状構造は２．３μｍの設計波長に対する反射率が５％より小さくなるような広帯域ＡＲコーティング（インピーダンス整合）を実現する。超広帯域ＤＣＭ対の設計／測定反射率及びＧＤを図１１に示す。超広帯域ＤＣＭ対の平均反射率は９０％を超え、平均化された残留ＧＤリップルの計算されたピークピーク値は、２オクターブを超える帯域で、５ｆｓ未満となるよう制御されている。図１１において、自家製の白色光干渉計と分光器とを用いた分散と反射率の計測結果はそれぞれ、設計曲線との良好な一致を示している。
【００３５】
設計ミラーの性能をさらに実証するために、広帯域光合成器の基礎を成す測定光パラメトリック増幅（ＯＤＡ）のスペクトルの一例におけるパルスひずみについてテストを行う。図１２に示すように、図６における構成と同様に、１μｍ未満の黒スペクトルはチャープダイクロイックミラーによって反射され、１．１μｍを超えるスペクトルは透過する。半値全幅（ＦＷＨＭ）１．８ｆｓの変換限界パルス継続時を持つ合成パルスは、コンバイナー基板又はウィンドウを通過する際にピーク強度が低下するようチャープされ、合成パルスの分散は超広帯域ＤＣＭ対によって補正できる。計測されたミラーの反射率と残留ＧＤエラーを考慮しつつ、パルスひずみについて調べた。図１２及び図１３における点線は一対の超広帯域ＤＣＭの間の反射後のパルス特性を示す。ＤＣＭ対の残留位相誤差は、全帯域にわたって０．５ｒａｄ以下である。位相がフラットである前提の入力スペクトルから得られるフーリエ変換限界パルスと比べた場合、パルスの電界のウィングに僅かな違いが生じるだけで、１．９３ｆｓの短い圧縮パルスを発生させられる。
【００３６】
４．実証の要約
２オクターブを超える帯域にわたる分散制御を可能とするため、ＤＡＭ状構造を有する初期分析的設計により最適化されたチャープダイクロイックミラーを提案した。ＤＡＭ構造は、後部及び前部の層においてインピーダンスを断熱整合させることにより、前方への波動と後方への波動の結合を調整する。これにより、そのブラッグ波長における反射率が高くなるだけではなく、より長い波長において広帯域で高い透過率を実現できる。このＤＡＭ構造に基づき、広帯域で分散制御が行われる請求項１に記載のチャープダイクロイックミラーが考案された。また、広帯域パルスをコヒーレントに合成／分割するために、分散整合スキームがチャープダイクロイックミラーの適用例として提案され、どの入出力ポートからの反射光及び透過光でも、その分散を整合する。ＣＭの前部の層における広帯域ＡＲコーティングはＧＴＩ効果によって引き起こされるＧＤリップルを削減するためには必要なので、超広帯域ＤＣＭ対の前部の層のようなカスケードＤＡＭ状構造の実証を行い、結果的にかつてないほど広い帯域幅で効果が得られた。それから設計チャープダイクロイックミラーは、オプションで、合成ユニットとしての分散整合スキームと圧縮ユニットとしての超広帯域ＤＣＭ対と共に、１．９ｆｓ（ＦＷＨＭ）パルスを発生させるダブルオクターブパラメトリック合成器において使用された。実証で使われたミラーにおいて、電界における顕著な違いは観察されなかった。この結果は、高強度超広帯域パラメトリック合成器の開発やマルチオクターブ帯域コヒーレント光源の分散制御に役立つと共に、スーパーコンティニューム光源を有するその他の広帯域光学システム又は広帯域波長可変ラマンソリトンと分散波にも役立つ。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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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１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１１Ｃ】
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【図１１Ｄ】
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【図１２】
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【図１３】
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【外国語明細書】
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