(57)【要約】  レーザパルスのための、光パラメトリックチャープパルス増幅のシステムおよび方法が提供される。技術および構成部品には、パルス伸張器および／またはパルス圧縮器を、チャープ体積ブラッググレーティング（ＣＶＢＧ）に置き換えて、レーザシステムの大きさ、重量、コスト、および環境に対する感受性を低減することが含まれる。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
種レーザと、
励起レーザと、
入力側および出力側を有する増幅器であって、前記種レーザおよび前記励起レーザは前記増幅器の前記入力側に配設される、増幅器と、
前記種レーザと前記増幅器の前記入力側との間に配設された、チャープ体積ブラッググレーティング（ＣＶＢＧ）パルス伸張器と、
前記増幅器の前記出力側に配設された、グレーティング圧縮器と、を備える、チャープパルス増幅（ＣＰＡ）レーザシステム。
【請求項２】
前記種レーザは、２．９μｍ未満の波長を有する近赤外レーザである、請求項１に記載のＣＰＡレーザシステム。
【請求項３】
環境要因に起因する損傷、整合不良、および／または故障からシステム構成部品を保護する、高耐久化された筐体をさらに備える、請求項１または２に記載のＣＰＡレーザシステム。
【請求項４】
前記グレーティング圧縮器はまた、ＣＶＢＧでもある、請求項１〜３のいずれか一項に記載のＣＰＡレーザシステム。
【請求項５】
前記増幅器は、光パラメトリック増幅器（ＯＰＡ）を含む、請求項１〜４のいずれか一項に記載のＣＰＡレーザシステム。
【請求項６】
前記増幅器は、信号出力パルスおよびアイドラ出力パルスを生成するように構成される、請求項１〜５のいずれか一項に記載のＣＰＡレーザシステム。
【請求項７】
前記増幅器と前記グレーティング圧縮器との間の、前記増幅器の前記出力側に配設されたアイドラ抽出モジュールと、
前記アイドラ抽出モジュールによって抽出されたアイドラパルスを受信するように、前記増幅器の前記出力側に配設された、アイドラグレーティング圧縮器と、をさらに備える、請求項６または５に記載のＣＰＡレーザシステム。
【請求項８】
前記アイドラグレーティング圧縮器はまた、ＣＶＢＧでもある、請求項７に記載のＣＰＡレーザシステム。
【請求項９】
前記ＣＶＢＧグレーティング圧縮器は、前記ＣＶＢＧパルス伸張器と同一のチャープを有する、請求項５〜８のいずれか一項に記載のＣＰＡレーザシステム。
【請求項１０】
前記ＣＶＢＧアイドラグレーティング圧縮器は、前記ＣＶＢＧパルス伸張器と同一のチャープおよび同一の符号を有する、請求項９または９に記載のＣＰＡレーザシステム。
【請求項１１】
前記増幅器は、およそ２０億倍の増幅をもたらすＯＰＡチェーンを含む、請求項６〜１０のいずれか一項に記載のＣＰＡレーザシステム。
【請求項１２】
種レーザ光源から種レーザ信号を提供することと、
チャープ体積ブラッググレーティング（ＣＶＢＧ）パルス伸張器を提供することと、
前記ＣＶＢＧパルス伸張器を用いて、前記提供された種レーザ信号を伸張することと、
増幅器を用いて、前記伸張されたレーザ信号を増幅することであって、前記増幅することは、励起レーザ光源を用いて前記増幅器を励起することを含む、増幅することと、
グレーティング圧縮器を用いて、前記増幅されたレーザ信号を出力パルスに圧縮することと、を含む、チャープパルス増幅（ＣＰＡ）レーザシステムにおいて高エネルギーのレーザパルスを生成するための方法。
【請求項１３】
前記増幅することは、光パラメトリック増幅（ＯＰＡ）を行なうことを含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記増幅することは、アイドラパルスを生成することを含み、かつ前記方法は、
前記増幅器の出力側から、前記生成されたアイドラパルスを抽出することと、
アイドラグレーティング圧縮器を用いて、前記抽出されたアイドラパルスを出力パルスに圧縮することと、をさらに含む、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１５】
前記増幅されたレーザ信号を圧縮することは、
前記グレーティング圧縮器としてＣＶＢＧパルス圧縮器を提供することと、
前記ＣＶＢＧパルス圧縮器を用いて、前記増幅されたレーザ信号を圧縮することと、を含み、
前記ＣＶＢＧパルス圧縮器は、前記ＣＶＢＧパルス伸張器と同一のチャープを有する、請求項１〜１４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１６】
前記ＯＰＡを行なうことは、およそ２０億倍の増幅をもたらすＯＰＡチェーンを提供することを含む、請求項１３〜１５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１７】
中波の、赤外種レーザと、
励起レーザと、
入力側および出力側を有する光パラメトリック増幅器（ＯＰＡ）であって、前記種レーザおよび前記励起レーザは、前記ＯＰＡの前記入力側に配設される、光パラメトリック増幅器と、
前記種レーザと前記ＯＰＡの前記入力側との間に配設された、チャープ体積
ブラッググレーティング（ＣＶＢＧ）パルス伸張器と、
前記ＯＰＡの前記出力側に配設された、信号グレーティング圧縮器と、
前記ＯＰＡの前記出力側に配設された、アイドラグレーティング圧縮器と、
前記ＯＰＡの前記出力側と前記アイドラグレーティング圧縮器との間に配設された、アイドラ抽出モジュールと、
環境要因に起因する損傷、整合不良、および／または故障からシステム構成部品を保護する、高耐久化された筐体と、を備える、光パラメトリックチャープパルス増幅（ＯＰＣＰＡ）レーザシステム。
【請求項１８】
前記アイドラグレーティング圧縮器および信号グレーティング圧縮器は共に、前記パルス伸張器と同一のチャープを有するＣＶＢＧである、請求項１７に記載のＯＰＣＰＡレーザシステム。
【請求項１９】
前記ＯＰＡは、およそ２０億倍の増幅をもたらすＯＰＡチェーンを含み、前記システムは、最大５ジュールのエネルギーを有する出力パルスを生成するように構成される、請求項１〜１８のいずれか一項に記載のＯＰＣＰＡレーザシステム。
【請求項２０】
前記筐体は、４立方フィート未満の総体積を有する、請求項１〜１９のいずれか一項に記載のＯＰＣＰＡレーザシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本文書は、大きさの面で小型であり、低減された数の構成部品を有し、かつ損傷または整合不良のリスクを伴うことなく移動／移送することのできる、振動に対する耐性のある、レーザパルスの高エネルギー源に関する。これは十分に頑丈であり、移動するプラットフォームにおいて確実に使用することが可能である。
【０００２】
（優先権）
本出願は、米国特許法第１１９条（ｅ）の定めにより、２０１０年１２月３０日に出願された米国仮出願第６１／４２８，３６２号の優先権を主張するものであり、その内容全体が、参照により本明細書に組み込まれる。本発明はまた、２０１０年７月２９日に米国特許商標局に出願された、米国特許出願第１２／８４６，６０６号の一部継続でもあり、その内容全体が、参照により本明細書に組み込まれる。
【背景技術】
【０００３】
チャープパルス増幅は、エネルギー値の高いフェムト秒レーザパルスをもたらすための技術である。この技術において、パルスを伸張し、次いでパルスが増幅され、最終的には圧縮を通じて元のパルス幅が復元されることによってピーク電力は低減される。伸張／圧縮率は、５０００まで高くなり得、増幅のために、５０フェムト秒パルスを、２ナノ秒を超えて伸張する。チャープパルス増幅技術における１つの問題は、パルス伸張器および圧縮器の大きさである。
【０００４】
ピコ秒およびフェムト秒レーザパルスを生成することのできる超短パルスレーザ（ＵＳＰＬ）は、パルス伸張器および圧縮器を必要とする。当該分野において現在知られている伸張器および圧縮器は、組み立てることが困難であり、さらには整合することはより困難である。これらは、振動および微小な摂動に対して非常に敏感である。また、それらは一般に特注品であり、好適な民生品（ＣＯＴＳ）に代わるものがない。
【０００５】
近赤外および中波赤外で動作する短パルスレーザ（すなわち、およそ１ミクロンから８ミクロンの波長を有するレーザ）についての増幅は、通常、光パラメトリック増幅器（ＯＰＡ）における差周波数発生を用いて達成される。これにより、ＯＰＡは、マンリーロウの関係式に従って、出力パルスおよびアイドラパルスを生成し、マンリーロウの関係式は、ＯＰＡを励起するために使用される励起レーザ波長の逆数は、信号出力パルスおよびアイドラ出力パルスの波長の逆数の和に等しいことを提示する（１／λ励起＝１／λ信号＋１／λアイドラ）。
【０００６】
出力パルスを再圧縮することは過去にもなされてきたが、大きくて複雑なパルス伸張器および圧縮器を用いてなされた。典型的なパルス伸張器および圧縮器は大きく、多くの繊細な構成部品を有する。典型的なパルス伸張器の体積は、伸張量に関連する。小さいものは、およそ５立方フィートを占め得る。典型的なパルス伸張器における整合の許容誤差は非常に小さく、干渉計の許容誤差に類似する。臨界長さは一般に、ミリメートル未満である。大きな外形寸法、非常に緊密な整合および臨界長さの許容誤差のこの組み合わせは、そのような典型的なパルス伸張器を含むレーザを、振動、汚染、および温度の逸脱を耐えることから保護する。このタイプのレーザ（チャープパルス増幅すなわちＣＰＡ）は、移動する担体に載置できる可能性が皆無かそれに近い。
【０００７】
典型的なパルス圧縮器は、典型的なパルス伸張器のこれらの大きさおよび整合の許容誤差の限界を共有する。典型的な高出力（１パルスあたりのジュール数）のチャープパルス増幅（ＣＰＡ）レーザシステムにおいて、伸張器および圧縮器の構成部品は、通常、システムサイズの大部分を占める。典型的なパルス伸張器および典型的なパルス圧縮器を備えるＣＰＡレーザは、１５立方フィートを超える総体積を有し得、その大部分はパルス伸張器および圧縮器によって占められる。２つ以上の伸張器または圧縮器を有するＣＰＡシステムは、さらに大きくなり得る。さらに、上述したミリメートル未満の整合の許容誤差のために、そのようなＣＰＡシステムは、適切に整合することが困難であり、実験室環境の外で整合された状態が維持されず、それらを実際の用途には不適当なものにし、あらゆる種類の現場環境または移動環境において事実上使用不能なものにする。
【発明の概要】
【０００８】
本明細書において考察される技術およびシステムのいくつかの変形形態は、光パラメトリックチャープパルス増幅（ＯＰＣＰＡ）レーザシステムに関し得、このシステムは、種レーザと、励起レーザと、入力側および出力側を有する増幅器であり、種レーザおよび励起レーザがこの増幅器の入力側に配設される、増幅器と、種レーザと増幅器の入力側との間に配設されたチャープ体積ブラッググレーティング（ＣＶＢＧ）パルス伸張器と、増幅器の出力側に配設されたグレーティング圧縮器とを備える。
【０００９】
いくつかの変形形態において、種レーザは２．９μｍ未満の波長を有する。さらなる変形形態において、パルス伸張器は、４×４×２５ｍｍである。さらなる変形形態は、環境要因に起因する損傷、整合不良、および／または故障からシステム構成部品を保護する、高耐久化された筐体を含むことができる。さらなる変形形態において、グレーティング圧縮器はまた、ＣＶＢＧでもある。
【００１０】
いくつかの変形形態において、増幅器は、光パラメトリック増幅器（ＯＰＡ）を含む。さらなる変形形態において、増幅器は、信号出力パルスおよびアイドラ出力パルスを生成するように構成される。さらなる変形形態において、システムは、増幅器とグレーティング圧縮器との間の、増幅器の出力側に配設されたアイドラ抽出モジュールと、アイドラ抽出モジュールによって抽出されたアイドラパルスを受信するように増幅器の出力側に配設された、アイドラグレーティング圧縮器とを含むことができる。さらなる変形形態において、このアイドラグレーティング圧縮器はまた、ＣＶＢＧでもある。
【００１１】
いくつかの変形形態において、ＣＶＢＧグレーティング圧縮器は、ＣＶＢＧパルス伸張器と同一のチャープを有する。さらなる変形形態において、ＣＶＢＧアイドラグレーティング圧縮器は、ＣＶＢＧパルス伸張器と同一のチャープおよび同一の符号を有する。さらなる変形形態において、増幅器は、およそ２０億倍の増幅をもたらすＯＰＡチェーンを含む。
【００１２】
本明細書において考察される技術およびシステムの追加の変形形態は、光パラメトリックチャープパルス増幅（ＯＰＣＰＡ）レーザシステムにおいて高エネルギーレーザパルスを生成するための方法に関し得、この方法は、種レーザ光源から種レーザ信号を提供することと、チャープ体積ブラッググレーティング（ＣＶＢＧ）パルス伸張器を提供することと、ＣＶＢＧパルス伸張器を用いて、提供された種レーザ信号を伸張することと、増幅器を用いて、伸張されたレーザ信号を増幅することであり、上記の増幅することは、励起レーザ光源を用いて増幅器を励起することを含む、増幅することと、グレーティング圧縮器を用いて、増幅されたレーザ信号を出力パルスに圧縮することとを含む。
【００１３】
いくつかの方法の変形形態において、増幅することは、光パラメトリック増幅（ＯＰＡ）を行なうことを含む。さらなる方法の変形形態において、増幅することは、アイドラパルスを生成することを含み、この方法は、増幅器の出力側から、生成されたアイドラパルスを抽出することと、アイドラグレーティング圧縮器を用いて、抽出されたアイドラパルスを出力パルスに圧縮することとをさらに含む。
【００１４】
いくつかの方法の変形形態において、増幅されたレーザ信号を圧縮することは、ＣＶＢＧパルス圧縮器をグレーティング圧縮器として提供することと、ＣＶＢＧパルス圧縮器を用いて、増幅されたレーザ信号を圧縮することとを含み、このＣＶＢＧパルス圧縮器はＣＶＢＧパルス伸張器と同一のチャープを有する。さらなる方法の変形形態において、ＯＰＡを行なうことは、およそ２０億倍の増幅をもたらすＯＰＡチェーンを提供することを含む。
【００１５】
本明細書において考察される技術およびシステムのさらなる変形形態は、光パラメトリックチャープパルス増幅（ＯＰＣＰＡ）レーザシステムに関し得、このシステムは、中波の、赤外種レーザと、励起レーザと、入力側および出力側を有する光パラメトリック増幅器（ＯＰＡ）であり、種レーザおよび励起レーザは、ＯＰＡの入力側に配設される、光パラメトリック増幅器と、種レーザとＯＰＡの入力側との間に配設されたチャープ体積ブラッググレーティング（ＣＶＢＧ）パルス伸張器と、ＯＰＡの出力側に配設された信号グレーティング圧縮器と、ＯＰＡの出力側に配設されたアイドラグレーティング圧縮器と、ＯＰＡの出力側とアイドラグレーティング圧縮器との間に配設されたアイドラ抽出モジュールと、環境要因に起因する損傷、整合不良、および／または故障からシステム構成部品を保護する高耐久化された筐体とを備える。
【００１６】
いくつかのそのような変形形態において、アイドラグレーティング圧縮器および信号グレーティング圧縮器は共に、パルス伸張器と同一のチャープを有するＣＶＢＧである。さらなる変形形態において、ＯＰＡは、およそ２０億倍の増幅をもたらすＯＰＡチェーンを含み、システムは、最大５ジュールのエネルギーを有する出力パルスを生成するように構成される。さらなる変形形態において、筐体は、４立方フィート未満の総体積を有する。
【００１７】
本発明の適用性のさらなる範囲は、後段に記述される詳細な説明から明らかとなるであろう。しかしながら、この詳細な説明から、本発明の趣旨および範囲に含まれる様々な変更および修正が当業者には明らかとなるため、詳細な説明および特定の例は、本発明の好ましい実施形態を示すとともに、例示の目的でのみ与えられることが理解されるべきである。
【００１８】
本発明は、後段に記述される詳細な説明および添付の図面から、より完全に理解されることとなり、これらは例示の目的のみのために与えられ、したがって、本発明を制限するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明による、システム構成の実施形態を示す図である。
【図２ａ】本発明による、ＣＶＢＧパルス伸張器の実施形態を示す図である。
【図２ａ】本発明による、ＣＶＢＧパルス圧縮器の実施形態を示す図である。
【図３】本発明による、システム構成の代替実施形態を示す図である。
【００２０】
図面は、本発明の詳細な説明の過程で詳細に説明される。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下の本発明の詳細な説明は、添付の図面を参照する。異なる図面における同一の参照番号は、同一または類似の要素と見なされる。また、以下の詳細な説明は、本発明を制限しない。代わりに、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲およびそれらの等価物によって定義される。
【００２２】
本明細書において考察されるレーザシステムの一変形形態は、大きく、複雑で繊細なパルス伸張器を、小さなチャープ体積ブラッググレーティング（ＣＶＢＧ）と置き換える。本明細書において考察されるレーザシステムの実施形態は、種および励起として、標準的なレーザを使用する。本明細書において考察される実施形態の一変形形態は、増幅プロセスの副産物であるアイドラを抽出し、抽出されたアイドラを出力として使用する。いくつかの変形形態において、アイドラは、標準的なグレーティング対の圧縮器において再圧縮されてもよい。ＣＶＢＧは、グレーティング圧縮器に対して、調和した２次分散を用いるように構成することができる。他の変形形態において、アイドラは、別のＣＶＢＧを使用して再圧縮されてもよい。
【００２３】
本発明の教示による、レーザシステムの一実施形態は、図１に示されている。図に示されているように、種レーザ１０２０は、超短パルス（ＵＳＰ）を生成する。このＵＳＰは次に、ＣＶＢＧ１０３０を通過して、増幅器１０１０において増幅される前に信号を伸張する。いくつかの変形形態において、増幅器１０１０は、ＯＰＡであってもよい。他の変形形態において、増幅器１０１０は、すべてのうちのいくつかがＯＰＡであってもよい、複数の増幅器を含む、増幅チェーンとすることができる。さらなる他の変形形態において、増幅器１０１０は、１つ以上のマルチパスＯＰＡを含むことができる。
【００２４】
種レーザがＵＳＰを生成１０２０する変形形態において、ＵＳＰは伸張されることが好ましく、これはＵＳＰを増幅するのが困難であるためである。伸張されていない状態で増幅されると、ＵＳＰの強度は、レーザシステムの許容誤差または能力を非常に素早く超え得る。いくつかの場合において、望ましくない非線形効果が出現し始め、これは、パルスをさらに増幅するまたは制御することを困難にする。そのような望ましくない効果には、非線形位相、利得飽和、利得分散、時間的およびスペクトルのパルス形状の歪曲、自己収束、ならびに増幅自然放出が含まれ得るが、これらに限定されない。
【００２５】
ＵＳＰを一桁以上伸張すること（例として、１００フェムト秒から１０ピコ秒となる、１００倍等のように）は、相当する量だけ強度を低下させ（１００倍の伸張につき１００倍）、これにより、伸張されたパルスのエネルギーは、同じ強度の限界および付随する非線形効果ならびに関連する問題に達する前に、最大１００倍（場合によってはそれ以上）まで増加することが可能となる。
【００２６】
いくつかの変形形態において、増幅器１０１０は、増幅器の種類および所望される増幅の度合いに基づいて選択される励起レーザ１００１によってエネルギーが供給されてもよい。いくつかの変形形態において、励起波長の逆数は、信号波長の逆数とアイドラ波長の逆数との和に等しい。したがって、いくつかの場合において、励起波長は、所望のまたは期待されるアイドラ信号に依存して、選択あるいは構成されてもよい。複数の増幅器に関連するいくつかの変形形態において、１つ以上の増幅器は、それら自身の励起レーザを有することができる。他の変形形態において、共通の励起レーザが、複数の増幅器を励起するために使用されてもよい。
【００２７】
増幅器１０１０または増幅チェーンは、３つの出力を生成するように構成されることが好ましい。すなわち、信号出力１０９０、励起出力１０８０、およびアイドラ出力１０７０であり、アイドラ出力１０７０は増幅プロセスの副産物である。アイドラは、エネルギー節約のための信号増幅による副産物である。３つの波長の関係は、マンリーロウの関係式に基づいており、マンリーロウの関係式は、増幅器１０１０を励起するために使用される励起レーザ波長の逆数は、信号出力パルスおよびアイドラ出力パルスの波長の逆数の和に等しいことを提示する（１/λ励起＝１/λ信号＋１/λアイドラ）。特定のアイドラ出力１０７０が所望される変形形態では、増幅器１０１０または増幅チェーンは、少なくとも１つのＯＰＡを含んでもよく、ＯＰＡのための種レーザ１０２０および励起レーザ１００１の波長は、特定のアイドラ波長または波長範囲を念頭に置いた上で、マンリーロウの関係式に基づいて選択することができる。
【００２８】
多くの適用例において、広域スペクトルの信号増幅だけが考慮すべきことである。そのような場合、アイドラが混晶を残したら、アイドラは無視、破棄または抑制される。
【００２９】
多くの場合にアイドラ信号が抑制、無視または破棄される一方で、図１ａに示されているシステムは、増幅器１０１０の出力を、励起出力１０８０を抑制するアイドラ抽出部１０４０を介して送出し、アイドラ１０７０および信号１０９０の出力を残す。いくつかの変形形態において、アイドラ抽出部１０４０は、アイドラだけを反射する鏡、またはアイドラだけを通すフィルタが組み合わされた反射器を含んでもよい。次いでアイドラ１０７０および信号１０９０のパルスは、それぞれがグレーティング圧縮器１０５０、１０６０に送信されて、超短パルス出力が作り出される。
【００３０】
そのような増幅された超短パルスの使用は、しばしば波長によって定義される。２つの出力波長を作り出すことによって、より汎用性の高いシステムが可能となる。図１に示されているような、そのようなレーザシステムの他の変形形態は、アイドラ出力１０７０だけを使用して、信号１０９０および励起１０８０の出力は共に抑制、破棄または無視されてもよい。そのような変形形態では、単一のグレーティング圧縮器１０６０または圧縮操作が必要とされ得る。
【００３１】
いくつかの変形形態において、信号のためのグレーティング圧縮器１０５０は、ＣＶＢＧ伸張器１０３０と同一のチャープを有するが、符号は逆である。いくつかの変形形態において、ＣＶＢＧは、信号波長のための伸張器１０３０および圧縮器１０５０として使用することができる。そのような変形形態では、パルス伸張器１０３０に使用されるものと同一のタイプのＣＶＢＧが、パルス圧縮１０５０のために使用されてもよい。いくつかの変形形態において、約２．９μｍ未満の信号波長が、この方法で伸張および圧縮されてもよい。さらなる変形形態において、アイドラのためのグレーティング圧縮器１０６０は、伸張器１０３０と同一のチャープを有し、さらには同一の符号を有してもよい。また、対象とされる波長によって、ＣＶＢＧは、アイドラのための圧縮器１０６０として使用されてもよい。しかしながら、特定の波長は、ＣＶＢＧを用いた圧縮に適さない場合がある。これは、ＣＶＢＧを作るために使用される材料、ならびにそれらの伝送能力および限界に関する要因であり得る。
【００３２】
いくつかの変形形態において、種レーザ１０２０は、ＣＯＴＳの近赤外（ＮＩＲ）レーザであってもよく、パルス伸張器１０３０は、ＣＯＴＳのＣＶＢＧであってもよい。種出力は、光パラメトリック増幅器（ＯＰＡ）１０１０において増幅されてもよく、３ミクロンから５ミクロンの間の波長を有する中波のアイドラ１０７０を作り出す。次いで中波のアイドラ１０７０は、アイドラ１０４０だけを反射する鏡を用いて増幅器出力から抽出され、グレーティング圧縮器１０６０を使用して圧縮される。
【００３３】
いくつかの変形形態において、分離または破棄される代わりに、励起１０８０の信号は、抽出されてもよく、あるいは種１０９０およびアイドラ１０７０のパルスのうちの１つまたは両方と組み合わされてもよい。いくつかの変形形態において、単一パスもしくは多重パスＯＰＡを含む増幅器１０１０または増幅チェーン、または複数のＯＰＡが使用されてもよい。他の変形形態において、異なる増幅器のタイプが採用されてもよい。使用される増幅器または増幅器の組は、アイドラを生成することが好ましい。いくつかの変形形態において、上記で考察したタイプのシステムは、塵、水分、および他の環境汚染物質に対して密封された、携帯可能なまたは車載の筐体に配置されてもよい。そのような筐体には、望遠鏡、鏡、および他の構成部品の適切な整合を保つために、緩衝性の構成部品またはアセンブリが含まれ得る。
【００３４】
いくつかの変形形態において、システム全体は、汚染物から保護し、かつ／または遮光環境をもたらす筐体内に含まれてもよい。いくつかの変形形態において、筐体内の構成部品は、構成部品間のビームの経路だけが筐体内における開いた空間となるように、発泡材料または成形物にさらに封入されてもよい。他の変形形態において、筐体は、アセンブリの向きまたは転位にかかわらず、個々のシステム構成部品の整合を維持するジャイロ素子を含むことができる。
【００３５】
本開示において提示される解決策は、ＣＶＢＧを用いてパルス伸張器を除去し、ＣＶＢＧはわずかな整合不良に対して非常に耐性のある単一の光学部品であり、単一の構成部品であるために、典型的なパルス伸張器におけるある種の内部摂動または整合の問題の影響を受けない。これにより、レーザシステムは、移動するプラットフォームにおいて存在する種類の外的条件に対してより耐性のあるものとなる。これはまた、システムをより小さいものにする。典型的なパルス伸張器の体積は、伸張量に関連する。小さいものは３〜５立方フィートを占め得る。典型的なパルス伸張器における整合の許容誤差は非常に小さく、干渉計の許容誤差に類似する。臨界長さは一般に、ミリメートル未満である。
【００３６】
その一方で、ＣＶＢＧは、それ自体がミリメートルの単位であり得る。いくつかの変形形態において、パルスを約１００フェムト秒から約１５０ピコ秒まで伸張するために、４ｍｍ×４ｍｍ×２５ｍｍのＣＶＢＧを使用することができる。これに相当する典型的なパルス伸張器は、約４〜５立方フィートとなり得る。ＣＶＢＧパルス伸張器の実施形態は、図２ａに示されている。
【００３７】
図からわかるように、ＣＶＢＧ１２１は、光熱屈折ガラス、または適切な熱特性を有するプラスチックもしくは高分子を含む、様々な範囲の材料製のブロックまたは他の固体とすることができる。示されている例において、ＣＶＢＧ１２１は、４つのグレーティング１２１−１、１２１−２、１２１−３、１２１−４を有し、それぞれが同一の帯域幅を有する。ＣＶＢＧ１２１の変形形態は、予算、空間、および電力の要件が許す限りの数のグレーティングを有することができる。ＣＶＢＧを伸張器として使用して、挟パルス１４１−１は、ＣＶＢＧの前面内に伝送され、個々のグレーティングは、入力パルスの一部分を戻し、それにより全体的な出力は、戻されたパルスの部分で構成された、より長い、マルチスペクトルパルス１４１−２となる。ＣＶＢＧ伸張器の一例において、それぞれがおよそ１ナノメートルの反射帯域を有する、Ｎ個のグレーティングを有するＣＶＢＧは、ＮからＮ*１００ピコ秒の帯域幅を有する入力パルスを伸張することとなる。
【００３８】
図２ｂは、圧縮器として使用されるＣＶＢＧの実施形態を示しており、長い、マルチスペクトルパルス１３１−１は、ＣＶＢＧ１５１の反対側の面内に入力され、個々のグレーティング１５１−４、１５１−３、１５１−２、１５１−１は、入力パルスの一部分を戻し、それにより、すべての部分はＣＶＢＧ１５１から同時に進出して、より短く、より高い出力のパルス１３１−２を作り出す。
【００３９】
本明細書において考察されるレーザシステムのいくつかの変形形態では、パルス伸張器１０３０またはグレーティング圧縮器（複数可）１０６０、１０５０は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる、２０１０年７月２９日に米国特許商標局に出願された米国特許出願第１２／８４６，６０６号に開示されているタイプの、マルチプレート体積ブラッググレーティング（ＶＢＧ）とすることができる。さらなる変形形態において、ＣＶＢＧは、ＣＶＢＧのどちらの面が入力面として使用されるかによって、パルス伸張器１０３０およびグレーティング圧縮器１０６０、１０５０の両方として使用することができる。いくつかの変形形態では、本明細書において説明されるレーザシステムは、伸張されることとなる入力パルスを一方の入力面で受信し、圧縮されることとなる出力パルスを反対側の入力面で受信する単一のＣＶＢＧを備えてもよい。
【００４０】
図１ａに示されている配置構成は、ＣＶＢＧパルス伸張器を、グレーティング対の圧縮器と組み合わせて、高い出力強度に達することを可能にしている。典型的なパルス伸張器および圧縮器は環境影響を非常に受けやすく、大きく、かつ高価であるため、伸張器および圧縮器の両方をＣＶＢＧ技術と置き換えることにより、ＣＰＡレーザは、実に頑丈であり、かつ環境条件に対して耐性のあるものとなり得る。これらを除去することによって、それらの問題をシステムから排除し、構成部品の全体的な数および不具合に伴う問題点を低減する。
【００４１】
ＣＶＢＧベースのパルス伸張および圧縮の超短レーザパルスシステムの代替実施形態が、図１ｂに示されている。示されている実施形態において、１．５５ミクロンの信号レーザ１１０１は、パルスを伸張するために４×４×２５ｍｍのＣＶＢＧ１１２０内に供給される１．５５ミクロンの超短パルスを生成する。伸張されたパルスは次に、１．０６４ミクロンの励起１１１０によって励起される、光パラメトリック増幅器（ＯＰＡ）１１３０に供給される。ＯＰＡにおける励起波長の逆数は、信号波長およびアイドラ波長の逆数の和に等しいため、ＯＰＡは、増幅された１．５５ミクロンの励起信号に加えて、中波の赤外パルスである３．３９ミクロンの伸張されたアイドラパルスを作り出す。励起、信号、およびアイドラは、励起信号を除去して、増幅された信号パルスおよびアイドラパルスだけを残すフィルタ１１４０に供給される。これらのうちのそれぞれは次に、グレーティング圧縮器１１５０、１１６０に送出される。グレーティング圧縮器はまた、ＣＶＢＧデバイスでもあり、レーザシステムの複雑性をさらに低減する。グレーティング圧縮器は、１．５５ミクロンの信号および３．３９ミクロンのアイドラパルスを超短パルスに圧縮し戻す。それぞれの圧縮されたパルスは、伸張された状態で増幅されたために、ここで高出力を有している。いくつかの変形形態において、５ｎジュールのパルスエネルギーを有する種レーザおよびおよそ２０億倍の増幅をもたらすＯＰＡチェーンは、ＣＶＢＧパルスの増幅の前および後の伸張および圧縮により、最大５ジュールのエネルギーを有する出力パルスを生成することができる。大きな開口を有するＣＶＢＧおよび／またはパルス圧縮器の変形形態は、さらに高い度合いの増幅を可能にし得る。
【００４２】
本発明は上記のように説明され、同じことが多くの形に変化し得ることが明らかとなるであろう。そのような変形形態は、本発明の趣旨および範囲から逸脱していると見なされるべきではなく、当業者に明らかとなり得るすべてのそのような修正は、以下の特許請求の範囲の範囲に含まれることが意図される。
【図１】
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【図２ａ】
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【図２ｂ】
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【図３】
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【国際調査報告】
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