(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
差周波数発生（ＤＦＧ）によって差周波数（ＤＦ）レーザ・パルス（１）を生成する方法であって、
−  ２０ｆｓ未満のフーリエ限界に対応するスペクトル帯域幅を有し、かつ第１のスペクトル成分と、前記第１のスペクトル成分より高い周波数を有する第２のスペクトル成分とを同時に含む超短レーザ・パルス（２）を供給する工程と、
−  第１の光学的非線形結晶（１０）において前記超短レーザ・パルス（２）によって差周波数発生プロセスを駆動する工程であって、前記差周波数レーザ・パルス（１）が前記第１の光学的非線形結晶（１０）において前記第１と第２のスペクトル成分の間の差周波数によって形成され、前記差周波数が前記第１と第２のスペクトル成分の双方より低い周波数の第３のスペクトル成分を含むものである、工程と、
を含み、
特徴として、
−  第１のビーム経路（２２）にわたる複数の第１の共振器ミラー（Ｍ１１〜Ｍ１４）を有し前記超短レーザ・パルス（２）のコヒーレントな重ね合わせに適合化された第１のフェムト秒エンハンスメント・キャビティ（２０）を形成する工程であって、前記第１のフェムト秒エンハンスメント・キャビティ（２０）の前記第１のビーム経路（２２）に前記第１の光学的非線形結晶（１０）が配置される工程と、
−  前記第１のフェムト秒エンハンスメント・キャビティ（２０）において前記超短レーザ・パルス（２）を入力結合しコヒーレントに加える工程であって、少なくとも１つの循環超短レーザ・パルス（３）が、前記第１のフェムト秒エンハンスメント・キャビティ（２０）において形成され、前記差周波数レーザ・パルス（１）を生成するために前記第１の光学的非線形結晶（１０）において前記差周波数発生プロセスを駆動し、前記第１のフェムト秒エンハンスメント・キャビティ（２０）が前記第１の光学的非線形結晶（１０）中を通過する前記少なくとも１つの循環超短レーザ・パルス（３）を再循環させるよう適合化される工程と、
−  前記第１のフェムト秒エンハンスメント・キャビティ（２０）から前記差周波数レーザ・パルス（１）を出力結合する工程と、
を含み、
−  前記差周波数レーザ・パルス（１）は、４μｍ乃至２０μｍの範囲の中心波長および少なくとも５００ｎｍのスペクトル幅を有するものである、
方法。
【請求項２】
前記差周波数レーザ・パルス（１）を出力結合する前記工程は、
−  前記第１のビーム経路（２２）からの前記差周波数レーザ・パルス（１）を、前記第１の光学的非線形結晶（１０）の後側の反射ダイクロイック面（１２）と、前記第１の光学的非線形結晶（１０）の前側の反射防止被覆（１５）とで、反射する、
−  前記第１のビーム経路（２２）からの前記差周波数レーザ・パルス（１）を、前記第１の光学的非線形結晶（１０）のダウンストリームの前記第１の共振器ミラーのダイクロイック面を介して、伝達する、および
−  前記第１のビーム経路（２２）からの前記差周波数レーザ・パルス（１）を、前記第１のフェムト秒エンハンスメント・キャビティに配置されたダイクロイック・プレートの表面で反射する
という特徴の中の少なくとも１つの特徴を含むものである、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記差周波数レーザ・パルス（１）を出力結合する前記工程は、前記第１のフェムト秒エンハンスメント・キャビティ（２０）において前記循環超短レーザ・パルス（３）を伝達する開口（２３）を有する補助ミラー（２１）または前記第１の共振器ミラー（Ｍ１１〜Ｍ１４）の中の１つによって、前記差周波数レーザ・パルス（２１）の発散部分を中継することを含むものである、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記超短レーザ・パルス（２）を供給する前記工程は、
−  単一のレーザ源（４０）で前記超短レーザ・パルス（２）を生成する、および
−  前記差周波数発生プロセスに寄与しない前記超短レーザ・パルス（２）のスペクトル成分を抑圧する
という特徴の中の少なくとも１つの特徴を含むものである、請求項１乃至３のいずれかに記載の方法。
【請求項５】
前記第１および第２のスペクトル成分の偏光が互いに平行または垂直になるように、前記超短レーザ・パルス（２）の前記第２のスペクトル成分の偏光に対して第１のスペクトル成分の偏光を調整する工程を含む、請求項１乃至４のいずれかに記載の方法。
【請求項６】
前記第１のフェムト秒エンハンスメント・キャビティ（２０）において循環する光場の偏光の楕円率であって前記第１の光学的非線形結晶（１０）において生成される楕円率を補償するよう適合化された第２の光学的非線形結晶（３０）を、前記第１のフェムト秒エンハンスメント・キャビティ（２０）の前記ビーム経路（２２）に配置する工程を含む、請求項１乃至５のいずれかに記載の方法。
【請求項７】
前記第２の光学的非線形結晶（３０）は、さらに、差周波数発生によって前記第３のスペクトル成分内に他の差周波数を生成するよう適合化されるものである、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
−  １つ以上の他のビーム経路（５２）にわたる１つ以上の他のフェムト秒エンハンスメント・キャビティ（５０）を設ける工程であって、前記第１のフェムト秒エンハンスメント・キャビティおよび前記１つ以上の他のフェムト秒エンハンスメント・キャビティ（２０、５０）の前記第１のビーム経路および前記１つ以上の他のビーム経路（２２、５２）の全ての経路の交差部に前記第１の光学的非線形結晶（１０）が配置されるように、前記１つ以上の他のフェムト秒エンハンスメント・キャビティ（５０）の各々が前記第１のフェムト秒エンハンスメント・キャビティ（２０）に対して配置される、工程と、
−  前記超短レーザ・パルス（２）の波長選択分割によって２つ以上のパルス部分（２Ａ、２Ｂ）を形成する工程であって、前記第１および第２のスペクトル成分のスペクトル・コンテンツが前記２つ以上のパルス部分（２Ａ、２Ｂ）に分配される工程と、
−  前記第１のフェムト秒エンハンスメント・キャビティおよび前記１つ以上の他のフェムト秒エンハンスメント・キャビティ（２０、５０）の中の１つに、前記２つ以上のパルス部分（２Ａ、２Ｂ）の各々を入力結合し、前記第１のフェムト秒エンハンスメント・キャビティおよび前記１つ以上の他のフェムト秒エンハンスメント・キャビティ（２０、５０）の中の１つにおいてそれぞれが循環する少なくとも２つの循環超短レーザ・パルス（３Ａ、３Ｂ）に、前記２つ以上のパルス部分（２Ａ、２Ｂ）をコヒーレントに加える工程と、
をさらに含み、
−  前記第１のフェムト秒エンハンスメント・キャビティおよび前記１つ以上の他のフェムト秒エンハンスメント・キャビティ（２０、５０）における前記２つ以上の循環超短レーザ・パルス（３Ａ、３Ｂ）が、前記第１の光学的非線形結晶（１０）において異なる偏光を有するように、前記２つ以上のパルス部分（２Ａ、２Ｂ）の偏光が調整され、
−  前記差周波数発生プロセスは、前記第１の光学的非線形結晶（１０）において前記２つ以上の循環超短レーザ・パルス（３Ａ、３Ｂ）によって駆動されるものである、
請求項１乃至７のいずれかに記載の方法。
【請求項９】
２つ以上の他のフェムト秒エンハンスメント・キャビティ（５０）が設けられ、
前記第１のフェムト秒エンハンスメント・キャビティおよび前記２つ以上の他のフェムト秒エンハンスメント・キャビティ（２０、５０）の各々が、相異なるスペクトル・コンテンツおよび相異なる偏光を有する各パルス部分をコヒーレントに加えるよう配置されるものである、
請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記第１の光学的非線形結晶（１０）は、
−  前記第１の光学的非線形結晶（１０）が５μｍ乃至５ｍｍの範囲の厚さを有する、および
−  前記第１の光学的非線形結晶（１０）が前記第１の共振器ミラーの中の１つ（Ｍ１４）に直接接触する
という特徴の中の少なくとも１つの特徴を有するものである、請求項１乃至９のいずれかに記載の方法。
【請求項１１】
前記第１の光学的非線形結晶（１０）の温度が、前記第１の共振器ミラーの中の１つ（Ｍ１４）または温度制御支持段（１４）によって設定され、
前記第１の光学的非線形結晶（１０）が、前記第１の共振器ミラーの中の１つ（Ｍ１４）または前記温度制御支持段（１４）に光学的に接触させられまたは取り付けられる、
請求項１乃至１０のいずれかに記載の方法。
【請求項１２】
前記第１の光学的非線形結晶（１０）の調整支持段（１３）が、前記第１のフェムト秒エンハンスメント・キャビティ（２０）の前記第１のビーム経路（２２）に対して前記第１の光学的非線形結晶（１０）の配向を調整するよう制御される、請求項１乃至１１のいずれかに記載の方法。
【請求項１３】
差周波数発生（ＤＦＧ）によって差周波数（ＤＦ）レーザ・パルス（１）を生成するよう構成されたフォトニック・パルス源（１００）であって、
２０ｆｓ未満のフーリエ限界に対応するスペクトル帯域幅を有し、かつ第１のスペクトル成分と、前記第１のスペクトル成分より高い周波数を有する第２のスペクトル成分とを同時に含む超短レーザ・パルス（２）で駆動される差周波数発生プロセスによって前記差周波数レーザ・パルス（１）を生成することができる第１の光学的非線形結晶（１０）を含み、
前記差周波数レーザ・パルス（１）は、前記第１と第２のスペクトル成分の間の差周波数によって生成することができ、
前記差周波数は、前記第１と第２のスペクトル成分の双方より低い周波数の第３のスペクトル成分を含み、
特徴として、
第１のビーム経路（２２）にわたる複数の第１の共振器ミラー（Ｍ１１〜Ｍ１４）を有する第１のフェムト秒エンハンスメント・キャビティ（２０）を含み、
前記第１の光学的非線形結晶（１０）が前記第１のビーム経路（２２）に配置され、前記第１のフェムト秒エンハンスメント・キャビティ（２０）が前記超短レーザ・パルス（２）のコヒーレントな重ね合わせに適合化され、
前記第１の共振器ミラーの中の１つ（Ｍ１１）が、前記第１のフェムト秒エンハンスメント・キャビティ（２０）中に前記超短レーザ・パルス（２）を入力結合するよう配置され、
前記第１のフェムト秒エンハンスメント・キャビティ（２０）は、さらに、前記第１のフェムト秒エンハンスメント・キャビティ（２０）から前記差周波数レーザ・パルス（１）を出力結合するよう配置された出力結合部品を含むものであり、
前記フォトニック・パルス源（１００）は、４μｍ乃至２０μｍの範囲の中心波長および少なくとも５００ｎｍのスペクトル幅を有する前記差周波数レーザ・パルス（１）を生成するよう構成されたものである、
フォトニック・パルス源。
【請求項１４】
前記出力結合部品は、
−  前記第１のビーム経路（２２）からの前記差周波数レーザ・パルス（１）を反射するよう前記第１の光学的非線形結晶（１０）の後側に配置された反射ダイクロイック面（１１）、および前記第１の光学的非線形結晶（１０）の前側に配置された反射防止被覆（１５）、
−  前記第１の光学的非線形結晶（１０）のダウンストリームの前記第１の共振器ミラーの中の１つのミラーのダイクロイック面、または
−  前記第１のフェムト秒エンハンスメント・キャビティ（２０）に配置されたダイクロイック・プレートの表面
を含むものである、請求項１３に記載のフォトニック・パルス源。
【請求項１５】
さらに、
−  前記超短レーザ・パルス（２）を供給するよう配置された単一のレーザ源（４０）、
− 前記差周波数発生プロセスに寄与しない前記超短レーザ・パルス（２）のスペクトル成分を抑圧するよう構成されたスペクトル整形部品（４２）、
−  前記第１のフェムト秒エンハンスメント・キャビティ中に前記超短レーザ・パルスを入力結合する前に、前記第１および第２のスペクトル成分の偏光を調整するよう配置された外部の偏光器部品、および
−  前記第１のフェムト秒エンハンスメント・キャビティ（２０）の前記ビーム経路（２２）に配置され、前記第１のフェムト秒エンハンスメント・キャビティ（２０）において循環する光場の偏光の回転に適合化された、第２の光学的非線形結晶（３０）、
の中の少なくとも１つを含む、請求項１３または１４に記載されたフォトニック・パルス源。
【請求項１６】
−  １つ以上の他のビーム経路（５２）にわたる１つ以上の他のフェムト秒エンハンスメント・キャビティ（５０）であって、前記第１のフェムト秒エンハンスメント・キャビティおよび前記１つ以上の他のフェムト秒エンハンスメント・キャビティ（２０、５０）の前記第１のビーム経路および前記１つ以上の他のビーム経路（２２、５２）の全ての経路の交差部に前記第１の光学的非線形結晶（１０）が配置されるように、前記第１のフェムト秒エンハンスメント・キャビティ（２０）に対して配置される１つ以上の他のフェムト秒エンハンスメント・キャビティ（５０）と、
−  前記第１および第２のスペクトル成分のスペクトル・コンテンツが分配される２つ以上のパルス部分（２Ａ、２Ｂ）への前記超短レーザーパルス（２）の波長選択分割を形成するよう配置された少なくとも１つのダイクロイック・ビーム・スプリッタ（４３）と、
−  前記２つ以上のパルス部分（２Ａ、２Ｂ）の中の少なくとも１つの部分の偏光を調整するよう配置された少なくとも１つの偏光器部品（４５、４７）と、
をさらに含み、
−  前記第１のフェムト秒エンハンスメント・キャビティおよび前記１つ以上の他のフェムト秒エンハンスメント・キャビティ（２０、５０）は、前記２つ以上のパルス部分（２Ａ、２Ｂ）の各々を、前記第１のフェムト秒エンハンスメント・キャビティおよび前記１つ以上の他のフェムト秒エンハンスメント・キャビティ（２０、５０）の中の１つに入力結合し、前記第１のフェムト秒エンハンスメント・キャビティおよび前記１つ以上の他のフェムト秒エンハンスメント・キャビティ（２０、５０）の中の１つにおいてそれぞれが循環する２つ以上の循環超短レーザ・パルス（３Ａ、３Ｂ）に、前記２つ以上のパルス部分（２Ａ、２Ｂ）をコヒーレントに加えるよう、配置され、
−  前記少なくとも１つの偏光器部品（４５、４７）は、前記第１のフェムト秒エンハンスメント・キャビティおよび前記１つ以上の他のフェムト秒エンハンスメント・キャビティ（２０、５０）における前記２つ以上の循環超短レーザ・パルス（３Ａ、３Ｂ）が、前記第１の光学的非線形結晶（１０）において相異なる偏光を有するように、前記２つ以上のパルス部分（２Ａ、２Ｂ）の偏光を調整するよう適合化され、
−  第１の光学的非線形結晶（１０）は、内部で前記２つ以上の循環超短パルス（３Ａ、３Ｂ）によって前記差周波数発生プロセスが駆動され得るように配置されるものである、
請求項１３乃至１５のいずれかに記載のフォトニック・パルス源。
【請求項１７】
２つ以上の他のフェムト秒エンハンスメント・キャビティ（５０）を含み、
前記第１のフェムト秒エンハンスメント・キャビティおよび前記２つ以上の他のフェムト秒エンハンスメント・キャビティ（２０、５０）の各々は、相異なるスペクトル・コンテンツおよび相異なる偏光を有する各パルス部分をコヒーレントに加えるよう配置されたものである、
請求項１６に記載のフォトニック・パルス源。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、広帯域レーザ・パルス、特に差周波数発生（ＤＦＧ）による広帯域中赤外線パルス（ＭＩＲパルス）を生成する方法を含んでいる。さらに、本発明は、ＤＦＧによって広帯域レーザ・パルスを生成するよう構成されたフォトニック（光、光子）パルス源（供給源）を含んでいる。
【０００２】
本発明の適用例は、例えば、フェムト秒およびサブフェムト秒のレーザ・パルスを使用した、分光法、高レーザ光場（light field：光照射野）適用例、分析および測定において、利用可能である。
【背景技術】
【０００３】
差分周波数発生、フェムト秒（ｆｓ）レーザおよびエンハンスメント（増強）キャビティ（空洞、共振器）の分野における背景技術を説明するために、以下の従来技術文献を参照する。
【０００４】
［１］A. Schliesser et al.、"Nature Photonics" vol. 6, 2012, p.440、
［２］O. Pronin et al.、"Opt. Lett." vol. 36, 2011, p.4746、
［３］欧州特許出願公開第２５１１７５１号、
［４］欧州特許出願公開第２６６４２２０号、
［５］I. Pupeza et al.、CLEO 2014, Postdeadline Paper Digest, paper STh5C.7、
［６］K. L. Vodopyanov et al. in "Optics Express" vol. 22, 2014, p.4131、
［７］F. Adler et al.、"Opt. Lett." vol. 34, 2009, p.1330、
［８］N. Leindecker et al.、"Optics Express" vol. 20, 2012, p.7046、
［９］F. Keilmann et al.、"Journal of Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves" vol. 33, 2012, p.479、
［１０］A. Gambetta et al.、"Opt. Lett." vol. 38, 2013, p.1155、
［１１］A. Shiffrin et al.、"Nature" vol. 493, 2013, p.70、
［１２］M. Seidel et al.、"CLEO 2014" Postdeadline Paper Digest, paper STh5C.9、
［１３］V. Petrov、"Optical Materials" vol. 34, 2012, p.536、
［１４］E. B. Petersen、"Opt. Lett." vol. 35, no. 13, 2010, p.2170、
［１５］J. R. Paul et al.、"Opt. Lett." vol. 38, no. 18, 2013, p.3654、
［１６］R. A. Kaindl et al.、"Appl. Phys. Lett." 75, 1999, p.1060、
［１７］R. A. Kaindl et al.、"Opt. Lett." 23, 1998, p.861、
［１８］C. Erny et al.、"Opt. Lett." 32, 2007, p.1138、および
［１９］中国特許出願公開第１０２８７９９６９号。
【０００５】
広帯域中赤外線（ＭＩＲ）放射は、物理学および化学において、例えば測定目的または分析用の、複数の適用例を有する。一例として、広帯域中赤外線放射は、例えば光で透明誘電体の特性を制御するために、物理学における時間分解実験用の数サイクルのパルスを生成するのに役立つ（文献［１１］参照）。この場合、長波長の放射は、プロトタイプの高速スイッチを実現するのに重要な、充分分離された電極間（数μｍ）で電子を移動させることができる。広帯域中赤外線放射の別の使用例は、迅速な非侵襲的（non-invasive）健康診断を目的とする光呼吸分析である。それは、全てのガス分子が基本的な（即ち非常に強い）吸収線を有し、（最低）１兆（１０１２）分の１部までの小さい濃度であってもそれら（吸収線）を検出する裏付け（保証）を保持する、というものである。そのような方法の感度は、中赤外線パワー（出力）が増大するに従って、増大する。
【０００６】
光学的に非線形の結晶（クリスタル）における光パラメトリック増幅（ＯＰＡ）の非線形プロセス（処理、過程）を用いて、狭帯域のまたは広がった中赤外線放射を生成することは、一般的に知られている活動である。ＯＰＡは、より高い周波数のスペクトル成分（ポンプ（励起））を、結晶において交差するより低い周波数のスペクトル成分（信号）へとエネルギ転送することを可能にするコヒーレント（可干渉性の、位相の揃った）処理である。エネルギ保存によって、最初の２つ（の周波数）の差に対応する周波数を有する第３のスペクトル成分（idler：アイドラ）の生成が得られる。シグナル（信号）およびポンプ放射の両方をそのアイドラへとエネルギ転送することが興味の対象であるような特定の場合、この非線形プロセスは差周波数発生（ＤＦＧ）と称される。通常、ポンプ光は、シグナル（信号）光と比較して、より高いパワー（出力）を有する。シグナル光がポンプ光のパワーと近似的に等しいパワーを有する場合、他の用語を導入することができ、それにより、シグナル光、ポンプ光およびアイドラ光（ＯＰＡ参照）は、以下で第１、第２および第３のスペクトル成分と呼ばれる（ＤＦＧ参照）。
【０００７】
ＯＰＡ用の光学的非線形結晶がレーザ共振器内に配置される場合、この装置は光パラメトリック発振器（ＯＰＯ）と称される。一般的に知られているＯＰＯ方式の大部分は、以下のカテゴリに分類される。即ち、第１のカテゴリは、単一共振（singly resonant）ＯＰＯと称され、シグナル（信号）またはアイドラ波のいずれか用の高い反射率のミラー（鏡）を有する。第２のカテゴリは、二重共振（doubly resonant）ＯＰＯと称され、次の２つのバージョン：（ｉ）シグナルとアイドラの双方用の複数の高反射ミラーと、（ii）ポンプおよびアイドラ用の複数の高反射ミラーと、を有する。既存のＯＰＯシステムは、生成された狭帯域（１μｍ未満）のスペクトルを調整（チューニング）することによって、例えば４乃至１４μｍの間の興味の対象の範囲をカバーする［６］。そのような狭帯域動作モードでのパワー（出力）は、１．５Ｗに達することができる［７］。これまでに二重共振ＯＰＯで実現された最も広帯域（但し非常に構造化された）スーパーコンティニウムは、２．６乃至６．１μｍの範囲で、−３０ｄＢレベルで３７ｍＷに達した［８］。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】欧州特許出願公開第２５１１７５１号
【特許文献２】欧州特許出願公開第２６６４２２０号
【特許文献３】中国特許出願公開第１０２８７９９６９号
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】A. Schliesser et al.、 "Nature Photonics" vol. 6, 2012, p.440
【非特許文献２】O. Pronin et al. 、"Opt. Lett." vol. 36, 2011, p.4746
【非特許文献３】I. Pupeza et al.、CLEO 2014, Postdeadline Paper Digest, paper STh5C.7
【非特許文献４】K. L. Vodopyanov et al.、"Optics Express" vol. 22, 2014, p.4131
【非特許文献５】F. Adler et al.、"Opt. Lett." vol. 34, 2009, p.1330
【非特許文献６】N. Leindecker et al.、"Optics Express" vol. 20, 2012, p.7046
【非特許文献７】F. Keilmann et al.、"Journal of Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves" vol. 33, 2012, p.479
【非特許文献８】A. Gambetta et al.、"Opt. Lett." vol. 38, 2013, p.1155
【非特許文献９】A. Shiffrin et al.、"Nature" vol. 493, 2013, p.70
【非特許文献１０】M. Seidel et al. in "CLEO 2014" Postdeadline Paper Digest, paper STh5C.9
【非特許文献１１】V. Petrov、"Optical Materials" vol. 34, 2012, p.536
【非特許文献１２】E. B. Petersen、"Opt. Lett." vol. 35, no. 13, 2010, p.2170
【非特許文献１３】J. R. Paul et al.、"Opt. Lett." vol. 38, no. 18, 2013, p.3654
【非特許文献１４】R. A. Kaindl et al.、"Appl. Phys. Lett." 75, 1999, p.1060
【非特許文献１５】R. A. Kaindl et al.、"Opt. Lett." 23, 1998, p.861
【非特許文献１６】C. Erny et al.、"Opt. Lett." 32, 2007, p.1138
【発明の開示】
【００１０】
最大２０μｍまでのスペクトル範囲は幾つかのＯＰＯでカバーし得るであろうが、ＯＰＯによる手法自体でそれを同時に広帯域にしかつ強力にすることはできない。それは、特に、中赤外線で低損失の広帯域ミラーが存在しないという固有の問題から生じる。金属製ミラーは、広い中赤外線スペクトルを支援することができるが、１回のバウンス（反射）当り１％のオーダの損失を伴う。これは、高フィネス（finesse）二重共振ＯＰＯキャビティを構築し、ＯＰＯの手法を用いて高パワーの広帯域中赤外線を生成することは、非常に問題であること、を意味する。
【００１１】
例えば文献［１６］または［１］において、ＤＦＧ結晶と協働でフェムト秒型のファイバ・レーザおよび非線形ファイバから１オクターブ基本スペクトルを使用することによって、広帯域中赤外線（ＭＩＲ）放射を生成する直接的方法が提案された。位相安定な一列（train）の超短レーザ・パルス（フェムト秒レーザ・パルス）が、複数の周波数成分（櫛（コーム）の「歯」）からなる周波数コーム（frequency comb）として周波数空間において記述される。フェムト秒レーザ・パルスは、相異なる周波数範囲のスペクトル成分を同時に含んでいる。文献［１］によれば、複数のスペクトル成分（単一コームの複数の歯）の間で各差周波数を発生させることができる。この思想は、例えばＩプペツァ氏（I. Pupeza）他［５］によって実験的に示された。ここで、ＤＦＧ結晶中のＤＦＧプロセスを駆動するために２４ｆｓのレーザ・パルスを使用して、約６μｍ乃至１３μｍの範囲の約５０ｍＷ〜１００ｍＷのパワーを有する中赤外線放射が得られた。文献 [１５]によれば、ＤＦＧ結晶はエンハンスメント・キャビティ内に配置されない。他の実験によって、結果的に８乃至１８μｍのミリワット（ｍＷ）レベルのスペクトルが得られた［９、１０］。
【００１２】
フェムト秒レーザ・パルスでのＤＦＧを用いた広帯域中赤外線（ＭＩＲ）放射の通常の生成の実際の適用は、ミリワット（ｍＷ）範囲の中赤外線放射の相対的に低いパワーの結果として、制限される。この欠点は、高いパワーおよび広い帯域幅の２つの望ましい特性が、通常、相反する要件を非線形結晶に課す、という事実によって、生じる。高いパワーを得るためには、結晶中の異なる放射成分の相互作用の体積を最大化する必要がある。これによって、色分散（chromatic dispersion）（および複屈折（birefringence））に起因して、効率的な位相整合（マッチング）が達成できる光帯域幅が制限され、結果的に狭帯域のアイドラ・ビームが得られる。通例、所与のアイドラ周波数の高いパワーを得るために、ポンプ・ビームおよびシグナル・ビームに関して結晶の配向（方位）が調整される。この複雑さを克服し位相整合帯域幅を増大させるために、結晶の厚さを減少させることができる。しかし、これは、生成される中赤外線パワーが大幅に低減するという犠牲によって得られる。
【００１３】
増大したパワーでＤＦＧプロセスを駆動することが、文献［１４］で提案され、そこではＤＦＧ結晶が光キャビティ内に配置された。異なる出力波長を有する２つの別々のレーザ・パルス源からのナノ秒パルスが光キャビティ中に結合され、そこでＤＦＧプロセスが７倍の増強倍率で得られる。同様に、１．９ＴＨｚを放出する連続波単一周波数テラヘルツ（ＴＨｚ）源が文献［１５］で提案されており、そこでは別々の２つのレーザ源が光キャビティ内に位置する非線形結晶内でＤＦＧプロセスを駆動する。しかし、これらの技術は、狭帯域テラヘルツ放射のみ、即ち最大１ｍｍまでの範囲の狭帯域波長を形成する。別の欠点として、別々の２つのレーザ・パルス源を使用すると、結果的に、光学的設定（セットアップ、構成）の構造が複雑になる。
【００１４】
中赤外線光を生成する他の方式が、文献［１７］〜［１９］に記載されている。限界として、これらの技術は、また、中赤外線範囲の、例えば、相対的に低い効率とパワーを有する９乃至１８μｍ（文献［１７］）または３．２μｍ乃至４．８μｍ（文献［１８］）の範囲の、調整可能な狭帯域放射の生成に制限される。
【００１５】
発明の目的
本発明の目的（課題）は、特に、通常の技術の欠点を回避することができる、差周波発生によって広帯域レーザ・パルスを生成するための改善された方法、特にＤＦＧプロセスによって広帯域中赤外線（ＭＩＲ）パルスを生成するための改善された方法を実現することである。特に、その目的は、パワーが増大し、広帯域特性が改善され、および／または光学的設定の複雑さが低減された、広帯域レーザ・パルスを生成するための方法を実現することである。さらに、本発明の目的は、ＤＦＧプロセスによって広帯域レーザ・パルスを生成するよう構成され、通常のレーザ発振器の欠点を回避でき、特に広帯域レーザ・パルスを生成するための本発明による方法を実現するよう適合化された、改善されたフォトニック・パルス源を実現することである。
【００１６】
発明の概要
上述の目的（課題）は、それぞれ各独立請求項の特徴を含む方法およびフォトニック・パルス源によって達成（解決）される。本発明の有利な実施形態および適用例が、従属請求項に記載されている。
【００１７】
本発明の第１の一般的な態様または特徴によれば、上述の目的は、差周波数レーザ・パルス（以下、ＤＦレーザ・パルスと称する）を生成する方法、特にＤＦＧにより中赤外線（ＭＩＲ）レーザ・パルスを生成する方法によって達成（解決）される。超短レーザ・パルス（駆動レーザ・パルス）は、第１のスペクトル成分と、第１のスペクトル成分より高い（大きい）周波数を有する第２のスペクトル成分とを同時に含んでいる。超短レーザ・パルスは、５０ｆｓ未満、特に２０ｆｓ未満、またはさらには１０ｆｓ未満のフーリエ限界（Fourier limit）に対応するスペクトル帯域幅を有することが好ましい。超短レーザ・パルスは、ＤＦＧプロセスを駆動するための第１の光学的非線形結晶中に結合される。ＤＦレーザ・パルスは、第１と第２のスペクトル成分の間の差周波数（パルス内差周波数発生）によって第１の光学的非線形結晶において生成される。その差周波数の量は、第１と第２の周波数成分の双方より低い周波数を有する第３のスペクトル成分を形成する。通常の技術とは対照的に、ＤＦレーザ・パルスは、狭帯域放射を形成せず、広帯域パルスである。
【００１８】
本発明によれば、第１の光学的非線形結晶は、第１のエンハンスメント・キャビティに配置される。第１のエンハンスメント・キャビティは、ビーム経路を形成する複数の共振器ミラーを含んでいる。第１のエンハンスメント・キャビティの共振器長さは、超短レーザ・パルスの繰返しレート（率、周波数）またはその整数倍と整合される。各超短レーザ・パルスは、第１エンハンスメント・キャビティ中に結合されて第１エンハンスメント・キャビティにおいてコヒーレントに加えられ、その結果、１つ以上の循環超短レーザ・パルス、好ましくは単一の循環超短レーザ・パルスが得られる。循環超短レーザ・パルスは、最初に第１のエンハンスメント・キャビティ中に結合された超短レーザ・パルスの線形のコヒーレントな重ね合わせによって生成される。さらに、本発明によれば、ＤＦＧプロセスは、循環超短パルス・レーザによって駆動される。従って、複数の超短レーザ・パルスが最初に加えられて、増強された１つの循環超短レーザ・パルスが形成され、それが、第１の光学的非線形結晶を通過して、その結晶中を１回通過する毎に（１通過当り）１つのＤＦレーザ・パルスを生成する。第１のエンハンスメント・キャビティは、入力結合された各超短レーザ・パルスを加えて一列（一連）のＤＦレーザ・パルスが生成されるようにすることによって、第１の光学的非線形結晶中を通過する超短レーザ・パルスを再循環させるよう適合化される。最後に、それらのＤＦレーザ・パルスは、第１のエンハンスメント・キャビティから出力結合され、即ち、エンハンスメント・キャビティのビーム経路から外部へ放出される。
【００１９】
本発明の第２の一般的な態様または特徴によれば、上述の目的は、好ましくは本発明の上述の第１の態様による方法を用いて、ＤＦＧによってＤＦレーザ・パルスを生成するよう構成されたフォトニック・パルス源、特に中赤外線（ＭＩＲ）パルス源、によって達成（解決）される。フォトニック・パルス源は、第１のスペクトル成分と、第１のスペクトル成分より高い（大きい）周波数を有する第２のスペクトル成分とを同時に含む超短レーザ・パルスで駆動されるＤＦＧプロセスによってＤＦレーザ・パルスを生成することができる第１の光学的非線形結晶を含んでいる。ＤＦレーザ・パルスは、第１と第２のスペクトル成分の間の差周波数によって生成され、その差周波数は、第１と第２の周波数成分の双方より低い第３のスペクトル成分を含んでいる。本発明によれば、フォトニック・パルス源は、第１のビーム経路にわたる（亘って配置された、またがる）複数の第１の共振器ミラーを有する第１のエンハンスメント・キャビティを含み、第１の光学的非線形結晶が第１のビーム経路に配置される。複数の第１の共振器ミラーの中の１つのミラーは、超短レーザ・パルスを第１のエンハンスメント・キャビティ中に入力結合するように配置され、第１のエンハンスメント・キャビティは、さらに、第１のエンハンスメント・キャビティから、特にそのビーム経路から、ＤＦレーザ・パルスを出力結合するように配置される。
【００２０】
駆動超短レーザ・パルスの繰返しレート（反復率）に対するキャビティ（空洞）共振器長さの整合に応じて、単一の循環超短レーザ・パルス、または複数（例えば、２つ、３つまたはそれより多くの）循環超短レーザ・パルスは、駆動用の各超短レーザ・パルスをコヒーレントに加えることによってエンハンスメント・キャビティ内に供給される。本発明の本明細書では、単一の循環超短パルス・レーザの場合を参照する。本発明は、この場合に限定されるものではなく、むしろ複数の循環超短レーザ・パルスで同等に実現することができ、その際、複数の循環超短レーザ・パルスの各々が光学的非線形結晶においてＤＦＧプロセスを駆動する。
【００２１】
本発明の主な利点として、フェムト秒のエンハンスメント・キャビティのビーム経路に配置された結晶中でＤＦＧを駆動することによって広帯域および高パワーが同時に達成されるフォトニック源、特に中赤外線（ＭＩＲ）源が提案される。この設定または構成では、ポンプ放射成分およびシグナル放射成分は、キャビティ内の単一ビームに沿って伝播する超短レーザ・パルス（例えば、３０ｆｓ未満、好ましくは数サイクル）のスペクトル成分である。その結晶は広い中赤外線帯域幅の発生（スーパーコンティニウム発生）を支援する一方で、このプロセスは低いシグナル通過効率を呈する。これによって、循環パルス（ポンプおよびシグナルとして同時に作用するもの）を、キロワット（ｋＷ）規模の平均パワーへ、場合によってそれより高いパワーへと効率的に増強することができる。従って、低い単一通過変換効率にもかかわらず、生成された中赤外線アイドラ放射は、駆動シグナル／ポンプ・パルスの高い循環パワーに起因して、高い値に達することができる。
【００２２】
ＯＰＡプロセスは、典型的には、ポンプ光よりも基本的に低いパワーを有するシグナル光で行われる。逆に、本発明によるパルス内（イントラパルス）ＤＦＧは、より低いおよびより高いスペクトル範囲の、循環する超短レーザ・パルスを表す周波数コームの複数のスペクトル成分（複数の歯）を使用するので、（シグナル光に対応する）第１のスペクトル成分は、（ポンプ光に対応する）第２のスペクトル成分のパワーと近似的に等しいパワーを有する。発明者たちが見出したこととして、第１および第２のスペクトル成分のこの類似のパワーによって、エンハンスメント・キャビティにおける循環超短レーザ・パルスによるＤＦＧプロセスの駆動が容易になるという本発明の重要な利点が得られる。
【００２３】
別の利点として、本発明によって、位相整合およびウォークオフ効果（walk-off effects）に関する問題を回避する薄い結晶で広いスペクトル帯域幅にわたって周波数変換が可能になる。その結晶は、通常のＯＰＡプロセスと比較して、より低い変換効率を有し、それ（低い効率）はエンハンスメント・キャビティにおける駆動超短パルス・レーザの増強によって補償される。
【００２４】
“ＤＦレーザ・パルス”という用語は、第３のスペクトル成分の周波数からなる任意のレーザ・パルスを指す。ＤＦレーザ・パルスの中心波長（フォトニック・パルス源の出力波長）は、１μｍ以上の任意のスペクトル範囲に位置することができる。本発明の好ましい適用例では、ＤＦレーザ・パルスの中心波長は、中赤外線範囲にあり、即ち、中赤外線レーザ・パルスは、２μｍ乃至２０μｍの範囲の波長、特に少なくとも２μｍの波長、例えば少なくとも４μｍの波長および／または最大２０μｍの波長を有する。本発明に従って生成されたＤＦレーザ・パルスは広帯域スペクトルを有し、即ち、それらは、少なくとも５００ｎｍ、特に少なくとも１μｍ、例えば１５μｍ以上、のスペクトル幅を有する。
【００２５】
“エンハンスメント・キャビティ”という用語は、超短レーザ・パルス（フェムト秒エンハンスメント・キャビティ）のコヒーレントな重ね合わせに適合化された平面ミラーおよび／または曲面ミラーで形成された任意の受動型の共振器を指す。エンハンスメント・キャビティは、定在波または進行波（走行波）のいずれかのキャビティ構成のビーム経路を形成する少なくとも２つの共振器ミラーを含んでいる。エンハンスメント・キャビティは活性レーザ媒体を含まないことが好ましい。エンハンスメント・キャビティの増強係数（倍率）は、本発明の特定の適用例に応じて選択することができ、例えば少なくとも１０、特に１００、または５００またはそれより大きい。エンハンスメント・キャビティは、真空引き環境において、例えば１０−２ｍｂａｒ（バール）の真空、または、例えばヘリウムまたは窒素のような、最小の分散を有する無水ガス中で、作動される。
【００２６】
光学的非線形結晶（以下、単に“結晶”とも称する）は、駆動循環超短レーザ・パルスの興味の対象であるスペクトル範囲にわたって光学的非線形性および複屈折（birefringence）を有する任意の透明な結晶である。結晶は、高い損傷閾値および機械的安定性を示すことが好ましい。本発明の前、専門家たちは、これらの特性を有する結晶は入手できないであろうと予想していた。しかし、発明者たちは、例えばＩプペツァ氏（I. Pupeza）他［５］によって使用されたＬｉＧａＳ２のような、または、ワット（Ｗ）またはキロワット（ｋＷ）の範囲のパルス平均パワーを許容する文献［１３］に記載された他の結晶のような、適切な結晶材料が入手可能であることを見出した。少なくとも１μｍ、特に少なくとも５μｍおよび／または最大５ｍｍ、特に最大１０ｍｍ、の厚さを有する薄い結晶が使用されることが好ましい。別の好ましい特徴によれば、結晶は、その前側または前面（入射循環超短レーザ・パルスの方を向く表面）上に反射防止被覆（コーティング）を設けることができ、従ってキャビティにおいてフレネル反射を減少させることができる。さらに、循環超短レーザ・パルスの入射角がブリュースタ角（Brewster angle：偏向角）となるように、結晶を配置することができる。この特徴は、結晶におけるタイプIIの位相整合を備えることが好ましい。
【００２７】
本発明は、以下の他の利点を有する。現在の技術水準に基づいて、１５ｆｓのパルスを、約１００ＭＨｚ付近の繰返しレートで平均パワー約５ｋＷまで増強することによって、例えば約４μｍ乃至約２０μｍに広がる、ワット規模の広帯域中赤外線周波数コームの形成が可能になるであろう。これは、通常の中赤外線周波数コームにわたる劇的な改善を表し［１］、基礎科学から医学的診断までの範囲の諸適用例に重大な影響を与えるであろう。さらに、本発明による供給源（パルス源）はコンパクトであり、エンハンスメント・キャビティのフットプリント（専有面積、設置面積）は約０．５×１ｍ２のオーダ（桁）である。別の利点として、本発明は、駆動超短レーザ・パルス用のみの高反射率ミラーを必要とし、１μｍの高品質ミラー用の既存技術があるので、それは非常に魅力的なものになる。
【００２８】
文献［１４]および［１５］とは対照的に、本発明は、広帯域ポンプ放射（駆動超短レーザ・パルス）を使用し、特に中赤外線範囲の、広帯域ＤＦパルスを生成する。差周波数は、１つのレーザ・パルスに含まれるスペクトル成分から得られる（パルス内ＤＦＧ）。従って、１つのレーザ源のみが必要となるので、文献［１４］、［１５］と比較して光学的設定（構成）が改善される。さらに、ＤＦレーザ・パルスの生成された周波数コームは、無視し得るキャリア・エンベロープ（搬送波包絡線）オフセット周波数を有する。さらに文献［１４］および［１５］とは対照的に、本発明は、高分解能分光法において特別な利点を有する赤外線（ＩＲ）および中赤外線（ＭＩＲ）における新しいスペクトル範囲を提供する。
【００２９】
本発明の好ましい実施形態によれば、ＤＦレーザ・パルスの出力結合の工程（ステップ）は、波長依存性の反射率を有する反射ダイクロイック（２色性）面を使用して第１のビーム経路から（外へ）のＤＦレーザ・パルスを中継することを含む。循環超短レーザ・パルスは、ＤＦパルスが反射される間に、反射ダイクロイック面を通過することができ、またはその逆も可能である。ダイクロイック面を介してＤＦレーザ・パルスを中継するこの実施形態は、ＤＦレーザ・パルスの滑らかな外形（プロファイル）を得るという点で有利である。
【００３０】
反射ダイクロイック面は、第１の光学的非線形結晶の後側（背面）を含み、それ（面）は、その前側（前面上）に、第１、第２および第３のスペクトル成分の全てに対する反射防止特性を有する反射防止被覆をさらに有すること、が好ましい。この実施形態では、ＤＦレーザ・パルスは、結晶の、反射ダイクロイック面および反射防止被覆を使用して、第１のビーム経路から外へ反射することができる。
【００３１】
代替形態として、共振器ミラーの表面、好ましくは第１の光学的非線形結晶のダウンストリーム（下り）の第１の共振器ミラーの表面は、ＤＦレーザ・パルスの通過を可能にするダイクロイック特性を有することができ、一方、循環超短レーザ・パルスはキャビティ・ビーム経路に沿って反射される。
【００３２】
別のオプション（選択肢）として、第１のエンハンスメント・キャビティに配置されたダイクロイック・プレートの表面を用いて、ＤＦレーザ・パルスをキャビティ・ビーム経路から外へ反射することができる。
【００３３】
本発明の代替的な好ましい実施形態によれば、ＤＦレーザ・パルスの出力結合の工程は、ＤＦレーザ・パルスの発散部分を、第１のエンハンスメント・キャビティにおける循環超短レーザ・パルスを伝達（transmit：透過、伝送）する開口（穴）を有する補助ミラーまたは複数の共振器ミラーの中の１つのミラーによって（上で）中継することを含んでいる。ＤＦレーザ・パルスを中継するこの実施形態は、キャビティにおけるパルス増強に対する出力結合の影響（作用効果）を回避するという点で有利である。
【００３４】
本発明の別の有利な特徴によれば、第１の（および別の、以下参照）エンハンスメント・キャビティ中に結合される超短レーザ・パルスは、単一のレーザ源で生成される。利点として、駆動超短レーザ・パルスの好ましい供給源（パルス源）として、コンパクトな（０．６×１．５ｍ２）の薄ディスク発振器を、文献［２］に記載されているように、使用することができる。１μｍの波長で動作するそのようなシステムでは、２０Ｗの平均パワー・レベルで１５ｆｓのパルスを生じる。
【００３５】
本発明の別の好ましい特徴によれば、ＤＦＧプロセスに寄与しない超短レーザ・パルスのスペクトル成分が抑圧または抑制される。これによって、ＤＦＧプロセスの効率に関する利点が得られる。超短レーザ・パルスのスペクトルは、例えばフェムト秒レーザ内でのパルス圧縮（compression）によって、可能な限り広く形成される（文献［２］参照）。その結果得られる超短レーザ・パルスの周波数コームは、それぞれＤＦＧプロセス用の第１および第２のスペクトル成分を含んでいる。第１と第２のスペクトル成分の間の中心周波数範囲において、スペクトル成分は、非常に小さい周波数差しか有しないので、ＤＦＧを介して有用な中赤外線放射を生成することはない。従って、これらのスペクトル成分は、ＤＦＧプロセスに悪影響を与えることなく、抑圧することができる。その抑圧で、光学的非線形結晶への熱的影響が低減され、共振器ミラーの設計が容易になる。複数の中心スペクトル成分は、ノッチ・フィルタまたは２つのエッジ・フィルタのようなスペクトル整形部品（コンポーネント、要素）を用いて抑圧することができる。
【００３６】
本発明の別の好ましい実施形態によれば、超短レーザ・パルスの第２のスペクトル成分の偏光または偏波に対する第１のスペクトル成分の偏光は、互いに調整されて、第１および第２のスペクトル成分の偏光が互いに平行または垂直になるようにされる。従って、位相整合条件を最適化する利点が得られる。特に好ましい変形例では、第１および第２のスペクトル成分の偏光は、超短レーザ・パルスを第１のエンハンスメント・キャビティ中に入力結合する前に、調整される。
【００３７】
最も一般的なタイプの位相整合（タイプＩおよびタイプII）では、第１および第２のスペクトル成分は、結晶を通して、相異なる屈折率を示す平面（通常のおよび特別な平面）において伝播することが要求される。その結果、キャビティの光学的長さは、これらの２つの平面で異なり、その結果、２つの放射成分の間に、典型的には数フェムト秒の遅延（時間的ウォークオフ）が生じる。駆動パルスを１つの光学的長さだけに固定（ロック、同期化）するのに固有のキャビティ中でのスペクトル濾波（フィルタリング）を回避するために、追加の手段を施すことができる。第２の光学的非線形結晶は、第１のエンハンスメント・キャビティのビーム経路に配置され、第２の光学的非線形結晶は、第１のエンハンスメント・キャビティ中を循環する光場（照射野）の偏光の楕円率を補償するよう配置され、その楕円率は第１の光学的非線形結晶において生成されることが、好ましい。第２の光学的非線形結晶は、第１の光学的非線形結晶に対して充分な角度（例えば４５度）でビーム軸の周りに（を中心として）回転されることが、好ましい。別の利点として、第２の光学的非線形結晶は、差周波数発生によって第３のスペクトル成分内で別の差周波数を生成するよう適合化することができる。従って、ＤＦＧプロセスの全体的な効率が改善される。
【００３８】
本発明の特に好ましい実施形態によれば、少なくとも１つの別のエンハンスメント・キャビティ、例えば、第１の光学的非線形結晶が第１と第２のエンハンスメント・キャビティの双方に配置される形態で第１のエンハンスメント・キャビティに対して配置された、複数の第２の共振器ミラーを含む第２のエンハンスメント・キャビティ、が設けられる。両キャビティのビーム経路は互いに交差し、ＤＦＧプロセス用の第１の光学的非線形結晶は両ビーム経路の交差部または交点に配置される。相異なるスペクトル成分を含む超短レーザ・パルスの各パルス部分は、第１と第２のエンハンスメント・キャビティの双方に結合されてその双方においてコヒーレントに加えられ、その結果、１つのパルス部分が、第１および第２のエンハンスメント・キャビティの各々において超短レーザ・パルスとして循環する状態となる。第１および第２のエンハンスメント・キャビティ中に結合された各パルス部分の偏光の調整は、第１のエンハンスメント・キャビティにおける第１の循環超短レーザ・パルスが、第２のエンハンスメント・キャビティにおける第２の循環超短レーザ・パルスと比較して第１の光学的非線形結晶において別の偏光、例えば垂直の偏光、を有するように、行われる。
【００３９】
主な利点として、少なくとも２つの別々のキャビティを有するこの実施形態は、理想的に、タイプＩの位相整合のための直交偏光を形成するという課題を解決する。別の利点として、第３の放射成分が他の全ての放射成分と異なる角度で結晶から離れて行くので、複数キャビティの実施形態では、出力結合は課題でない。
【００４０】
後者の実施形態は、２つのエンハンスメント・キャビティだけに限定されない。２つ以上の他のエンハンスメント・キャビティを設けることができ、第１のおよび２以上の他のエンハンスメント・キャビティの各々は、相異なるスペクトル・コンテンツ（内容、成分）および相異なる偏光を有するパルス部分をコヒーレントに加えるよう配置構成される。例えば、結晶上での、僅かに異なるスペクトルを有する第２と第３のエンハンスメント・キャビティにおける複数のビームの入射角を調整して、相異なる周波数成分を、第１のエンハンスメント・キャビティにおけるビームと位相整合させることができるであろう。
【００４１】
複数のエンハンスメント・キャビティを有する複数の実施形態は、以下の他の利点を有する。第１に、光学的非線形結晶における位相整合を改善することができる。結晶上の個々のビームの入射角を調整することによって、位相整合のための追加的な自由度が与えられる。偏光は、残りのキャビティにおける偏光と関係なく、複数のエンハンスメント・キャビティの各々において回転させることができる。さらに、各キャビティの帯域幅に対する要件は、各共振器ミラーの帯域幅がその対応するスペクトル成分に整合できるので、容易になる。さらに、光学的非線形結晶上の各パルス部分の異なる入射角で、拡大された波長範囲において位相整合条件を満たすことができ、従って、ＤＦＧプロセスの変換効率および／または帯域幅が改善される。ＤＦレーザ・パルス、特に中赤外線放射は、増大したパワーおよび／または帯域幅で生成することができる。さらに、光学的非線形結晶の位置における各パルス部分の偏光は最適化することができる。それらのパルス部分の各々の複数のスペクトル成分は相異なる屈折率の影響下にあるが、光路長の対応する各差は、可動共振器ミラーによって補償することができる。従って、エンハンスメント・キャビティにおいて第２の光学的非線形結晶を設けることを、省略することができる。
【００４２】
利点として、光学的非線形結晶を調整するために複数の手段が利用可能である。第１に、第１の光学的非線形結晶の温度の設定は、複数の第１の共振器ミラーの中の１つのミラーとの接触によって、または温度制御支持段（温度制御手段取付け）との接触または連絡によって、行うことができ、第１の光学的非線形結晶は、複数の第１の共振器ミラーの中の１つのミラーまたは温度制御支持段に光学的に接触しまたは取り付けられる。また、結晶を共振器ミラーの表面に接触させることによって、上で示唆したようにダイクロイック出力結合器（カプラ）としてこの光学系を使用することもできる。従って、結晶はキロワット（ｋＷ）レベルの循環するパワーの影響下におくことができるので、関連する周波数での残留吸収によって発生した熱の効率的な輸送が得られる。第２に、第１のエンハンスメント・キャビティの第１のビーム経路に関して第１の光学的非線形結晶の配向を調整するために調整支持段を設けることができる。特に、調節支持段は、キャビティにおけるビーム経路に関して２つの配向角を設定するよう適合化することができる。
【００４３】
本発明の他の詳細および利点を、図面を参照して以下で説明する。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】図１は、単一のエンハンスメント・キャビティを含む、本発明によるフォトニック・パルス源の第１の実施形態の概略図である。を示している。
【図２】図２乃至５は、エンハンスメント・キャビティから外へと中赤外線パルスを出力結合するための種々の技術の概略図である。
【図３】.
【図４】.
【図５】.
【図６】図６は、エンハンスメント・キャビティの複数の共振器ミラーの中の１つのミラーと直接結合された光学的非線形結晶の概略図である。
【図７】図７は、２つのエンハンスメント・キャビティを含む、本発明によるフォトニック・パルス源の第２の実施形態の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００４５】
好ましい実施形態の説明
本発明の好ましい各実施形態を、特に、１つ以上のエンハンスメント・キャビティにおける少なくとも１つの光学的に非線形な結晶の配置または装置に関して以下に説明する。それ（配置）は、エンハンスメント・キャビティにおいてフェムト秒レーザ・パルスで差周波数発生（ＤＦＧ）プロセス（処理、過程）を駆動し、エンハンスメント・キャビティにおいて循環するフェムト秒レーザ・パルスの偏光または偏波を制御し、エンハンスメント・キャビティのビーム経路からその外へとその生成された差周波数（ＤＦ）レーザ・パルスを結合するものである。駆動用フェムト秒レーザ・パルスの生成および操作の詳細は、それらが従来技術で知られている限り説明しない（例えば、文献［２］、［４］および［１２］参照）。本発明の実際的な実現は、記載された例に限定されることなく、むしろ、エンハンスメント・キャビティの数、光学的非線形結晶の利用可能なタイプまたは種類（文献［１３］参照）、循環する超短レーザ・パルスの数、およびエンハンスメント・キャビティの設計に関して、変形が可能であることを、強調する。例示された複数の実施形態の大部分は、各共振器ミラーから或る距離を有する光学的非線形結晶を示す。代替形態として、光学的非線形結晶は、複数の共振器ミラーの中の１つのミラーと直接接触する状態に配置することができる（図６参照）。
【００４６】
図１は、第１の光学的非線形結晶１０と、エンハンスメント・キャビティ２０と、第２の光学的非線形結晶３０と、レーザ源４０とを含むフォトニック・パルス源１００の第１の実施形態を示している。さらに、フォトニック・パルス源１００は、制御装置（図示せず）と、少なくとも１つの光学センサを備えた監視装置（図示せず）とを備えており、それら（両装置）は、通常のエンハンスメント・キャビティ技術で知られており、例えば、繰り返し周波数駆動レーザ源と、駆動超短レーザ・パルスの入力結合と、各キャビティ・ミラーの配置とを制御し、各パルス・パラメータを監視するためのものである。
【００４７】
レーザ源４０は、フェムト秒レーザ４１、および任意にスペクトル整形部品（コンポーネント、要素）４２を含んでいる。フェムト秒レーザ４１は、例えば中心波長１０３０ｎｍ、平均パワー５０Ｗおよび繰り返し周波数１００ＭＨｚを有する、超短レーザ・パルス２を供給するよう適合化される。フェムト秒レーザ源４１は、例えば市販の装置を含んでいてもよく、その装置は、例えば、文献［２］または［１２］に記載されているような、カー（Kerr）レンズ・モードロック（固定）型のＹｂ：ＹＡＧ薄ディスク・レーザ、またはチャープパルス（chirped-pulse）増幅型のマスタ（主）発振器、または、薄ディスク発振器と１つまたは２つの拡張段の組合せを有する光学的設定（構成）のようなものである。
【００４８】
スペクトル整形部品４２は、超短レーザ・パルス２のスペクトルを整形するように配置構成される。光学的非線形結晶１０における第３のスペクトル成分の有用な放射の生成に寄与しないスペクトル成分は、減衰させるかまたは完全に抑圧または抑制されさえする。この目的のために、スペクトル整形部品４２は、例えば、抑圧されるスペクトル成分に応じた予め選択されたフィルタ特性を有するノッチ・フィルタ（反射または透過もしくは伝達におけるもの）を含んでいる。
【００４９】
エンハンスメント・キャビティ２０は、循環レーザ・パルス３用のビーム経路２２にわたる（span：亘って配置される、またがる）ように配置された４つの共振器ミラー（鏡）Ｍ１１〜Ｍ１４を含んでいる。ビーム経路２２は、描かれた平面に平行な平面内で伸びることが好ましい。ビーム経路２２の長さは、循環レーザ・パルス３の周期（period）がレーザ源４０の繰り返し周波数の逆数またはその整数倍に等しくなるように、選択される。レーザ源４０で生成された超短レーザ・パルス２は、エンハンスメント・キャビティ２０中に複数の共振器ミラーの中の１つのミラーＭ１３で結合され、そのミラーは残りの共振器ミラーと比較して僅かに減じられた反射率、例えば９９％、を有する。共振器ミラーＭ１１〜Ｍ１４は、通常のエンハンスメント・キャビティで知られているように、平面状のまたは湾曲した鏡面を有する。湾曲した鏡面を使用して、例えば、ビーム経路２２に沿って所定の各集束（焦点）位置に循環レーザ・パルス３を集束させるため、および／またはキャビティにおけるパルス増強の光学的安定性を改善するために、循環レーザ・パルス３の場分布（field distribution）を調整することができる。
【００５０】
第１の光学的非線形結晶１０は、２つの共振器ミラーＭ１３とＭ１４の間のビーム経路２２の第１の部分、好ましくはビーム経路２２の集束位置に配置される。実際の例では、光学的非線形結晶１０は、ビーム経路方向に沿った厚さ１００μｍを有するＬｉＧａＳ２で形成される。光学的非線形結晶１０は、光学的非線形結晶１０を幾何学的に調整しおよび／または冷却するよう適合化された調整および／または温度制御支持段１３、１４（図２、３参照）によって支持される。
【００５１】
さらに、第２の光学的非線形結晶３０が、ビーム経路２２の別の部分に、好ましくは２つの共振器ミラーＭ１１とＭ１２の間の位置にも配置され、そこで、循環レーザ・ビーム２２の横方向の強度外形（プロファイル、分布）が幅広くされて、非線形性および熱レンズ効果が軽減される。第２の光学的非線形結晶３０は、循環レーザ・パルス３と第１の光学的非線形結晶１０との相互作用によって導入される偏光の楕円率を補償するように配置される。第２の光学的非線形結晶３０は、第１の結晶１０のような厚さまたは異なる厚さ、例えば２００μｍ、を有することが好ましい。
【００５２】
ＤＦＧプロセスは、第１の光学的非線形結晶１０において循環レーザ・パルス３によって駆動される。ＤＦレーザ・パルス１は、循環レーザ・パルス３の第１のスペクトル成分と第２のスペクトル成分の間の差周波数によって生成された周波数成分（第３の周波数成分）を用いて生成される。ＤＦＧプロセスは、位相整合条件が、光学的非線形結晶１０において第１および第２の周波数成分によって満たされること、を必要とする。種々のタイプの位相整合条件が利用可能である。本発明の好ましい実施形態によれば、第１と第２の周波数成分は、互いに直交する偏光（タイプＩの位相整合）または互いに平行な偏光（タイプIIの位相整合）を有する。
【００５３】
タイプＩの位相整合を形成するための互いに直交する２つの偏光は、単一の循環レーザ・パルス３に同時に含まれている第１および第２の周波数成分を用いて、例えば、楕円偏光を使用することによって、または２つの部分パルスから循環レーザ・パルス３を組立てることによって、でも生成することができる（図７参照）。
【００５４】
第２の光学的非線形結晶３０は、タイプＩの位相整合を用いる実施形態で設けられることが好ましい。互いに直交する偏光を有する第１と第２のスペクトル成分の双方は、４分の１波長板（quarter wave plate）のような効果を有する光学的非線形結晶１０において相異なる屈折率の影響下にある。その結果、光学的非線形結晶１０中を通過した後で循環レーザ・パルス３の円偏光または回転偏光が得られる。この効果は、第２の光学的非線形結晶３０の効果によって、補償される。この目的のために、第２の光学的非線形結晶３０は、循環レーザ・パルス３の横方向強度外形（プロファイル、分布）が第１の結晶１０よりもかなり大きい直径を有するような配置に位置することが好ましい。従って、第２の光学的非線形結晶３０は、ＤＦＧがタイプIIの位相整合に基づくものである場合には、使用されない。
【００５５】
さらに、第２の光学的非線形結晶３０は、ＤＦＧプロセスによって他の差周波数を生成することができる。特に、第２の光学的非線形結晶３０の配向（方位）および材料の選択は、上述したような第１の光学的非線形結晶１０の偏光効果の補償が不完全であるが、別のＤＦＧプロセスのための位相整合条件が満たされるように、行うことができる。従って、第２のＤＦレーザ・パルスは、第２の光学的非線形結晶３０（図１に示さず）で発生させることができる。
【００５６】
第１および第２のスペクトル成分の偏光は、超短レーザ・パルス２をエンハンスメント・キャビティ２０中に入力結合する前に、調整することができ、それは、例えば、波長選択性のビーム・スプリッタを導入し、フェムト秒レーザ４１の出力を異なる２つのビーム経路に分配し、複数のビーム経路の中の少なくとも１つの経路において少なくとも１つの偏光部品（コンポーネント、要素）で偏光を回転させ、両部分を共通のフェムト秒レーザ・パルス２に再組み合せ（再結合）することによって、行える（図１に示さず）。代替形態として、フェムト秒レーザ４１の出力において、フェムト秒レーザ・パルス２は、フェムト秒レーザ・パルス２の完全な（全）スペクトルの偏光を中間角度へと回転させる単一の偏光部品で、偏光することができる。この実施形態では、第１および第２の光学的非線形結晶１０、３０をそれぞれ回転させることによって、タイプＩの位相整合を得ることができる。
【００５７】
第１の光学的非線形結晶１０において生成されたＤＦレーザ・パルス１は、エンハンスメント・キャビティ２０内でビーム経路２２の方向と同一線上に放出されるが、発散の増大を伴う。従って、図１に示されているような複数の共振器ミラーの中の１つのミラーＭ１４の周り（付近）での出力結合、または特に図２乃至５に示された複数の変形例の中の１つの変形例による出力結合を形成することができる。
【００５８】
図１の変形では、１つの光学的非線形結晶１０のみを設けることができる。ＤＦＧプロセスの或る程度の変換効率が本発明の特定の適用例に応じて許容できる場合、第２の光学的非線形結晶３０は厳密には必要ではない。
【００５９】
２つの高周波数の入力を有するＤＦＧプロセスにおいて生成される強度は、ｚ２ｓｉｎｃ２（ｚ／ｚｃｏｈ）に比例する。ここで、ｚおよびｚｃｏｈはそれぞれ結晶の厚さおよびコヒーレンス長である。コヒーレンス長は、ｚｃｏｈ＝２／Δｋで与えられる。ここで、Δｋ＝波数（波動）ベクトル不整合（wavevector mismatch）である。上述の式をｚｃｏｈ２ （ｚ／ｚｃｏｈ）２ｓｉｎｃ２（ｚ／ｚｃｏｈ）と書くと、その結果、短いコヒーレンス長に対してＤＦＧ効率が非常に低くなる。関数（ｚ／ｚｃｏｈ）２ｓｉｎｃ２（ｚ／ｚｃｏｈ）は、ｚ＝１．６ｚｃｏｈにおいて最大値１を有し、従って最適な結晶厚さはコヒーレンス長よりわずかに大きい。
【００６０】
単色または狭帯域の放射の場合、適切な位相整合角の選択によって、０（ゼロ）に近いΔｋが生成され、その結果、長いコヒーレンス長が生じる。しかし、広帯域放射では、固有の位相整合角が存在せず、ｚｃｏｈは、帯域幅の増大とともに、急速に減少する。結晶の最適長さは、多数のパラメータ、例えば、特定の結晶、帯域幅、および位相整合周波数の選択など、に応じて決まる。
【００６１】
図２は、複数の共振器ミラーの中の１つのミラーＭ１４と、第１の光学的非線形結晶１０のみとを有するエンハンスメント・キャビティ２０の一部を示している。共振器ミラーＭ１４はダイクロイック・ミラーであり、そのダイクロイック・ミラーは、特に中赤外線（ＭＩＲ）波長範囲内の、ＤＦレーザ・パルス１の第３のスペクトル成分を透過させ、循環レーザ・パルス３の第１および第２スペクトル成分をビーム経路２２に沿って反射する。従って、ＤＦレーザ・パルス１の出力結合は、それらを共振器ミラーの中の１つのミラー、例えばＭ１４を通って通過させることによって、得られる。
【００６２】
さらに、図２は、第１の光学的非線形結晶１０を収容する調整支持段１３を概略的に示している。調整支持段１２は、例えば、第１のビーム経路２２に対する第１の光学的非線形結晶１０の配向および位置を調整することができる圧電ｘ−ｙ−ｚ−およびチップ−チルト（先端傾斜）駆動部を含んでいる。
【００６３】
本発明の一般的な重要な特徴として、光学的非線形結晶１０の表面に対するビーム経路２２上の循環レーザ・パルス３の入射角が、位相整合に影響を与える。位相整合条件は光学的非線形結晶１０の結晶学的配向に応じて決まるので、ビーム経路２２に対する光学的非線形結晶１０の幾何学的配向および位置の調整が実現される。その調整は調節支持体１３で制御されることが好ましい。一例として、フィードバック制御を設けることができる。制御変数は、ＤＦレーザ・パルス１のスペクトル特性を監視する光学センサ（図示せず）で得ることができる。制御変数に応じて、或るスペクトル範囲の放出ＤＦパルス１が得られるように、結晶調整を制御することができる。代替形態として、より広いスペクトル範囲内の最適な発光（放出）スペクトルを選択することができる。狭い帯域幅のＤＦレーザ・パルス１を生成するより厚い光学的非線形結晶で、ＤＦレーザ・パルス１の波長範囲を調整支持体１３によって調整することができる。
【００６４】
図３によれば、ＤＦレーザ・パルス１は、（図１に示すように）循環光パルス３の横モード・サイズと比較して、ＤＦレーザ・パルス１のより大きい発散を使用することによって、エンハンスメント・キャビティ２０から外へと結合される。第１の光学的非線形結晶１０のダウンストリーム（下り）の複数のキャビティ・ミラーの中の１つのミラーＭ１４は、このミラーＭ１４における循環レーザ・パルス３の横モードの１／ｅ２強度直径（1/e2-intensity diameter）に匹敵する直径を有する。ＤＦレーザ・パルス１は、リング状の出力が形成されるように、ミラーＭ１４の外側を通過することができる。
【００６５】
さらに、図３は、例えばペルチエ素子または水で冷却するかまたは加熱コイルで加熱するなどして、第１の光学的非線形結晶１０の温度を調節するよう適合化された温度制御支持段１４を概略的に示している。本発明の別の変形例によれば、調整支持段１３（図２）と温度制御支持段１４（図３）の双方は、共通の制御可能な結晶保持器（ホルダ）によって設けることができる。
【００６６】
本発明の別の実施形態によれば、図４に概略的に示されるように、貫通孔２３を有する補助ミラー２１をエンハンスメント・キャビティ内に配置することができる。第１の光学的非線形結晶１０において或る発散を有するように生成されたＤＦレーザ・パルス１は、補助ミラー２１で反射され、一方、貫通孔２３は、循環レーザ・パルス３をビーム経路２２に沿って通過させるよう適合化される。反射されたＤＦレーザ・パルス１（反射された中赤外線放射）は、図３における実施形態と同様のリング形状または環形状を有する。
【００６７】
本発明の別の実施形態によれば、図５に示すように、ＤＦレーザ・パルス１は、循環レーザ・パルス３の進行方向に対して第１の光学的非線形結晶１０の後側（背面側）の反射ダイクロイック面１２と、第１の光学的非線形結晶１０の前側（前面側）の第１、第２および第３のスペクトル成分の全てに対する反射防止被覆１５とを使用することによって、エンハンスメント・キャビティから出力結合することができる。循環レーザ・パルス３は、第１、第２および第３のスペクトル成分の全成分を伝達または透過するよう適合化された反射防止被覆１５を備えた第１の光学的非線形結晶１０の前側（前面）１１に達する。光学的非線形結晶１０において、その第３の成分が生成され、それが結晶１０の後側のダイクロイック表面被覆１２で後方反射される。従って、ＤＦパルス１は、ビーム経路２２から外へ反射される。
【００６８】
図２および３は、調節および／または温度制御支持段１３、１４上に配置された第１の光学的非線形結晶１０を示している。本発明の別の実施形態によれば、結晶１０は、複数の共振器ミラーの中の１つのミラー、例えば図６に示された共振器ミラーＭ１４、に直接接触させることができる。結晶１０の平面または曲面は、その共振器ミラーの平面または曲面と接触する。その直接的接触は、結晶１０の、機械的支持および温度調節（tempering）、特に冷却、について、二重の機能を果たす。
【００６９】
図７は、レーザ源４０、第１のエンハンスメント・キャビティ２０と、第１の光学的非線形結晶１０と、さらに第２のエンハンスメント・キャビティ５０とを含む、本発明によるフォトニック・パルス源１００の第２の実施形態を概略的に示している。第１および第２のエンハンスメント・キャビティ２０、５０は、図７で平面共振器ミラーと共に示されているが、平面および／または曲面共振器ミラーの組合せを実際に使用することができる。
【００７０】
図７の実施形態では、第１および第２のエンハンスメント・キャビティ２０、５０の各々は、超短レーザ・パルスの第１および第２のスペクトル成分の中の１つの成分をコヒーレントに加えるよう適合化される。さらに、第１および第２のエンハンスメント・キャビティ２０、５０は、第１のエンハンスメント・キャビティ２０のビーム経路２２（破線）が第２のエンハンスメント・キャビティ５０のビーム経路５２（引出し線）と交差するように結合され、第１の非線形結晶１０は、両経路２２、５２の交差部に配置され、それ（結晶）はタイプＩの位相整合を用いるＤＦＧプロセスに適合化される。
【００７１】
フェムト秒レーザ４１で生成された超短レーザ・パルス２の第１と第２のスペクトル成分を分離するために、レーザ光源４０にはダイクロイック・ビーム・スプリッタ４３が設けられ、これ（スプリッタ）は、例えば第１のスペクトル成分（より低いエネルギ）を、超短レーザ・パルス２の第２のスペクトル成分（より高いエネルギ）から、分離する。第１のビーム経路４４上で、第１のスペクトル成分は、偏光部品４５、例えば偏光フィルタ、を通過し、これ（偏光部品）が第１の偏光方向（これは、例えば、第１のビーム経路４４に垂直でかつ図面の平面に平行な方向である）を生成する。超短レーザ・パルス２のこの第１のパルス部分２Ａは、複数の共振器ミラーの中の１つのミラーＭ１１を介して第１のエンハンスメント・キャビティ２０中に結合される。
【００７２】
ビーム・スプリッタ４３によって形成された第２のビーム経路４６において、例えば半波長板（half wave plate）の潜望鏡（periscope）のような第２の偏光部品４７が設けられる。それ（部品）は、第１のスペクトル成分の偏光方向に垂直な第２のスペクトル成分の偏光方向（例えば、第２のビーム経路４６に垂直でかつ図面の平面に対して垂直な偏光方向）を形成するものである。さらに、第２のビーム経路４６は、互いに相対的に移動可能な複数の平面遅延ミラーＤＬ１〜ＤＬ４を含む遅延部（装置、ユニット）４８を含んでいる。第２のスペクトル成分を含む超短レーザ・パルス２の第２のパルス部分２Ｂは、複数の反射ミラーの中の１つのミラーＭ２１を介して、第２のエンハンスメント・キャビティ５０中に結合される。遅延部４８で、超短パルス・レーザ２の第１のパルス部分２Ａと第２のパルス部分２Ｂの相互の時間的関係を調整することができる。第１および第２のビーム経路４４、４６は、第１および第２の偏光部品（コンポーネント、要素）４５、４７の中の１つの部品を省略することによって、変形することができる。フェムト秒レーザ４１によって生成された超短レーザ・パルス２が、直線偏光を有する場合、１つの偏光部品、例えば偏光部品４７だけ、を設ければ充分である。
【００７３】
超短レーザ・パルス２の第１と第２のパルス部分２Ａ、２Ｂの双方は、それぞれ第１および第２のエンハンスメント・キャビティ２０、５０においてそれぞれ第１および第２の循環パルス３Ａ、３Ｂにコヒーレントに加えられる。両循環パルス３Ａ、３Ｂの時間的関係は、それら（パルス）が、内部でＤＦＧプロセスを駆動するための第１の光学的非線形結晶１０においてコヒーレントに重ね合わされるように、遅延部４８で調整される。ＤＦレーザ・パルス１は、第１の光学的非線形結晶１０の表面に対して或る角度で、例えば複数の共振器ミラー相互間の空間（間隔）を通して、放出される。
【００７４】
図７の実施形態は、２つのエンハンスメント・キャビティだけでなく、３つまたはそれより多いエンハンスメント・キャビティを結合することによって、変形することができる。フェムト秒レーザ４１によって生成された超短レーザ・パルス２は、３つ以上のビーム経路に分割することができ、ここで、それら（パルス）は、特にその偏光およびスペクトル構成または組成に関して、具体的に操作される。例えば、３つのパルス部分を３つのエンハンスメント・キャビティ中にそれぞれ結合することができる（図示せず）。３つのパルス部分の各々は、駆動超短レーザ・パルスの異なるスペクトル成分を含んでいる。３つのエンハンスメント・キャビティは、各パルス部分が光学的非線形結晶上で異なる入射角を有するように、配置することができる。従って、第１エンハンスメント・キャビティにおけるパルス部分に対する相異なるスペクトル成分の位相整合を改善することができる。
【００７５】
以上の説明、図面および特許請求の範囲における本発明の各特徴は、個々にもまたは組合せまたは部分的組合せでも、本発明を種々の実施形態で実現のために、重要であり得る。
【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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