(57)【要約】【課題】短光パルスの増幅装置をして、その大きさを小さくし、強度を上げ、信頼性を増し、費用対効果に優れた性能を有するものにすること。【解決手段】短光パルスの増幅装置は大きさが縮小され、強度と信頼性とが増し、原価に対する性能が向上した。本発明は、パルスが伸張され、増幅され、そして再圧縮されるチャープパルスの増幅（ＣＰＡ）システムに特に有効である。ファイバーとバルク増幅器とをパルスの増幅のために使い、二つの増幅器の間のパルスの光路に二倍用結晶を挿入しても良い。レーザー増幅器と同じ材料のレーザーによる励起によりレーザー増幅器の励起ができるが、励起用レーザーと増幅用レーザーとは異なった条件で動作する。【選択図】　図４
2004048020.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の増幅帯域を持つ第１利得媒体と、
該第１利得媒体の該増幅帯域と重ならない所定の増幅帯域を持つ第２利得媒体と、
該第１利得媒体と該第２利得媒体との間で波長の整合を取るために、該第１利得媒体と該第２利得媒体との間の光路内に挿置される非線形光学結晶と、
を有することを特徴とする、ストレッチ（伸張）された超短パルスの増幅装置。
【請求項２】
所定の増幅帯域を持つ第１利得媒体と、
該第１利得媒体の該増幅帯域と重ならない所定の増幅帯域を持つ第２利得媒体と、
該第１利得媒体と該第２利得媒体との間で波長の整合を取るために、該第１利得媒体と該第２利得媒体との間の光路内に非線形光学結晶を挿置する方法と、
を有することを特徴とする、ストレッチ（伸張）された超短パルスの増幅装置。
【請求項３】
所定の第１条件下で作動するレーザー増幅器と、
該増幅器よりも短い波長の光を発射して該増幅器の吸収帯に整合するように、該第１作動条件とは異なる所定の第２作動条件下で作動する主として該増幅器と同一の材料からなる励起用レーザーと、
を有することを特徴とする、光学増幅装置。
【請求項４】
レーザー増幅器と主として該増幅器と同一の材料からなる励起用レーザーとを有する光学増幅装置の運転方法であって、
前記レーザー増幅器を所定の第１条件下で作動させることと、
前記励起用レーザーを該第１作動条件とは異なる所定の第２作動条件下で作動させ、該励起用レーザーをして該増幅器よりも短い波長で光を発射して該増幅器の吸収帯に整合させることと、
を有することを特徴とする、光学増幅装置の運転方法。
【請求項５】
前記レーザー増幅器は、第１温度で作動するアレキサンドライト再生増幅器であり、
前記励起用レーザーは、該第１温度よりも高い第２温度で作動する励起用アレキサンドライトレーザーである、
請求項３記載の光学増幅装置。
【請求項６】
前記レーザー増幅器は、アレキサンドライト再生増幅器であり、
前記励起用レーザーは、励起用アレキサンドライトレーザーであって、
前記第１作動条件は、該レーザー増幅器を室温より高い温度で作動させることであり、
前記第２作動条件は、該励起用レーザーを室温で作動させることである、
請求項４記載の光学増幅装置の運転方法。
【請求項７】
前記レーザー増幅器は、エルビウムドープ・ファイバー増幅器であり、
前記励起用レーザーは、励起用エルビウムドープ・ファイバーレーザーであって、
該ファイバー増幅器は、該励起用レーザーのレーザー波長で吸収クロスセクションを持ち、
該ファイバー増幅器は、該吸収クロスセクションよりも低い放射クロスセクションを生成する、
請求項３記載の光学増幅装置。
【請求項８】
前記利得媒体は、エルビウムドープ・ファイバー増幅器であり、
前記励起用レーザーは、励起されたファイバーであって、
該ファイバー増幅器は、該励起用レーザーのレーザー波長で吸収クロスセクションを持ち、該吸収クロスセクションよりも低い放射クロスセクションを生成するように、前記第１作動条件および前記第２作動条件は予め設定される、
請求項４記載の光学増幅装置の運転方法。
【請求項９】
前記第１作動条件は、前記ファイバー増幅器を第１ドーピングレベルまでドープすることを含み、
前記第２作動条件は、該第１ドーピングレベルとは異なる第２ドーピングレベルにまで前記励起用ファイバーをドープすることを含む、
請求項８記載の光学増幅装置の運転方法。
【請求項１０】
前記第１作動条件は、前記ファイバー増幅器を所定の第１ドーピング材を使用してドープすることを含み、
前記第２作動条件は、該第１ドーピング材とは異なる所定の第２ドーピング材を使用して前記励起用ファイバーをドープすることを含む、
請求項８記載の光学増幅装置の運転方法。
【請求項１１】
前記励起用ファイバーは、Ｑスイッチ・レーザーポンプである、
請求項７記載の光学増幅装置。
【請求項１２】
前記励起用ファイバーは、Ｑスイッチ・レーザーポンプである、
請求項８記載の光学増幅装置の運転方法。
【請求項１３】
光パルスを受信し該光パルスを増幅するスイッチングされた再生増幅器と、
該光パルスが該再生増幅器に入る前に該光パルスの周波数を二倍にする二倍用結晶と、
該光パルスが該再生増幅器に入る前に、該光パルスの主光束および二次光束を生成するように該二倍用結晶を該光信号が通過した後に該光信号を分割する分割手段と、
該二次光束を該スイッチされる再生増幅器のスイッチ動作に向かわせる手段と、
を有することを特徴とする、光学増幅装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はレーザー技術に関するものである。その中でも、特に光学的超短パルスの増幅に関する発明である。
【０００２】
【従来の技術】
超短パルスの増幅器は、増幅器の光学部品のパルス尖頭値からくる限界のため、通常、チャープ・パルス増幅法（ＣＰＡ）が採用されている（Ｄ．Ｓｔｒｉｃｋｌａｎｄ　ａｎｄ　Ｇ．Ｍｏｕｒｏｕ，”Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ　ｏｆ　Ａｍｐｌｉｆｉｅｄ　Ｃｈｉｒｐｅｄ　Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｐｕｌｓｅｓ”，Ｏｐｔ．Ｃｏｍｍｕｎ．５６，２１９（１９８５））。この方法では、初期の超短パルスは十分な時間幅（通常０．１〜１ｎｓ）に伸張され、増幅器内部で発生する好ましくないピークを除き、その後増幅し、再圧縮して初期の短い時間幅のパルスとして保存する。
【０００３】
現在、ＣＰＡは、異なったエネルギー、時間幅、波長をもつパルスを発生する種々のレーザー装置に一般的に採用されている技術である。高エネルギー、短時間幅を追求することこととは別に、これを商品として開発する幅広い努力がなされている。商業的に成り立つレーザー装置に対する要求は、小型簡潔で、かつ強固で信頼性があり、それに原価に見合った性能である。しかし、現在の高エネルギーＣＰＡ装置の欠点は複雑さと大きさである。いままでのそれらは高価で大型で、操作者の熟練度が要求され、保守費用も高額である。
【０００４】
大きさと、利得の様式に関して、ＣＰＡの中間増幅装置は主に二つの部分に分けられる。これらはファイバー（Ａ．Ｇａｌｖａｎａｕｓｋａｓ，Ｍ．Ｅ．Ｆｅｒｍａｎｎ，Ｐ．Ｂｌｉｘｔ，Ｊ．Ａ．Ｔｅｌｌｅｆｓｅｎ，Ｄ．Ｈａｒｔｅｒ，“Ｈｙｂｒｉｄ　ｄｉｏｄｅ−ｌａｓｅｒ　ｆｉｂｅｒ−ａｍｐｌｉｆｉｅｒ　ｓｏｕｒｃｅ　ｏｆ　ｈｉｇｈ　ｅｎｅｒｇｙ　ｕｌｔｒａｓｈｏｒｔ　ｐｕｌｓｅｓ，”Ｏｐｔ．Ｌｅｔｔ．１９，１０４３（１９９４））と固体増幅器（Ｐ．Ｍａｉｎｅ，Ｄ．Ｓｔｒｉｃｋｌａｎｄ，Ｐ．Ｂａｄｏ，Ｍ．Ｐｅｓｓｏｔ，ａｎｄ　Ｇ．Ｍｏｕｒｏｕ，“Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｕｌｔｒａｈｉｇｈ　Ｐｅａｋ　Ｐｏｗｅｒ　Ｐｕｌｓｅｓ　ｂｙ　Ｃｈｉｒｐｅｄ　Ｐｕｌｓｅ　Ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ，”ＩＥＥＥ　Ｊ，Ｑｕａｎｔ．Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．ＱＥ−２４，３９８（１９８８））である。ファイバー増幅器は固体増幅器よりコンパクトで強固であるが、これらの最大パルスエネルギーは、増幅媒体の断面積が小さいために限定される（通常、シングルモードのファイバーの芯はわずか５−１０μｍである。ファイバーシステムは１０〜１００μＪのエネルギーを射出することが出来る。一方、固体システムは〜１Ｊ以下である。
【０００５】
ＣＰＡ装置として、コンパクトな発生源と固体増幅器を組み合わせて、大きさを小さくする妥協策も試みられている。固体ＣＰＡ装置に入射するための超短パルスを発生するために、半導体ダイオードおよび倍周波ファイバーレーザーを用いることが出来る（Ａ．Ｈａｒｉｈａｒａｎ，Ｍ．Ｅ．Ｆｅｒｍａｎｎ，Ｍ．Ｌ．Ｓｔｏｃｋ，Ｄ．Ｈａｒｔｅｒ，ａｎｄ　Ｊ．Ｓｑｕｉｅｒ，”Ａｌｅｘａｎｄｒｉｔｅ−ｐｕｍｐｅｄ　ａｌｅｘａｎｄｒｉｔｅ　ｒｅｇｅｎｅｒａｔｉｖｅ　ａｍｐｌｉｆｉｅｒ　ｆｏｒ　ｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄｐｕｌｓｅ　ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ，”Ｏｐｔ．Ｌｅｔｔ．２１，１２８（１９９６）；Ｐ．Ｊ．Ｄｅｌｆｙｅｔｔ，Ｓ．Ｇｒａｎｔｈａｍ，Ｋ．Ｄａｂｅｌ，Ａ．Ｙｕｓｉｍ，Ｓ．Ｓｅｅ，Ｍ．Ｒｉｃｈａｒｄｓｏｎ，Ｇ．Ａｌｐｈｏｎｓｅ，Ｊ．Ｃｏｎｎｏｌｙ，”Ｕｌｔｒａｆａｓｔ　ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ−ｌａｓｅｒ−ｄｉｏｄｅ−ｓｅｅｄｅｄ　ＣＲ：ＬｉＳＡＦ　ｒｅｇｅｎｅｒａｔｉｖｅ　ａｍｐｌｉｆｉｅｒ　ｓｙｓｔｅｍ，”ｉｎ　ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ　ｏｎ　Ｌａｓｅｒｓ　ａｎｄ　Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｏｐｔｉｃｓ，１９９５　Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｄｉｇｅｓｔ　Ｓｅｒｉｅｓ，Ｖｏｌ．１５　（Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｓｏｃｉｅｔｙ　ｏｆ　Ａｍｅｒｉｃａ　Ｗａｓｈｉｎｇｔｏｎ，Ｄ．Ｃ．，１９９５），ｐａｐｅｒ　ＣＴｈＭ６）。この構想の主な欠点は、出射パルスのエネルギーが低いことで、その結果、コンパクトな半導体を使うことによりさらに大きさを縮小することや、ＣＰＡの初段の増幅にファイバー増幅器を使うことが出来ないばかりか、高度に増幅された増幅器からの自発放射がバックグラウンドになり、著しく利得幅を狭くすることになる。半導体を使うことの欠点は、半導体増幅器が実質的にパルスエネルギー（＜１００ｐＪ）を出せないことである。また、ファイバー増幅器は、固体増幅器の通常の波長（８００ｎｍ近辺）から遥かに離れた長波長（１．５５μｍ）で動作することである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、短光パルスの増幅装置をして、その大きさを小さくし、強度を上げ、信頼性を増し、費用対効果に優れた性能を有するものにすることである。
【０００７】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
本発明は、伸張器と圧縮器との両方を持つチャープパルスの増幅器と、高エネルギーで超短な光パルスを発生する光学的増幅器との混成方式を提供することを目的とする。後者の光学的増幅器は、光の強度が低い場合、光路にコンパクトな部品を使い、光の尖頭値の強度が大き過ぎてコンパクトな部品では耐えられない場合は、最終段に大型部品を使うものである。このような混成構造にすれば、本質的におおきさを小さく出来、装置の原価も低くでき、強度と信頼性が上がり、出力パルスの持続時間、バンド幅、エネルギーとコントラスト比などのような動作特性を改善することができる。
【０００８】
本発明は、単一の増幅器配列において、増幅器内部にパルス伸張器も圧縮器も必要無いように、異なった利得媒質を結合する手段である。本発明によって与えられる重要な一つの解は、異なった多段増幅器の間で長く延ばされた光学的パルスを効果的に周波数変換することである。このことにより、増幅装置の部品を減らすことができる。
【０００９】
本発明によれば、任意のある特殊なＣＰＡ装置は二つの部品のうちいずれか一つを含むか、または発明の両方の部品を結合することができる。これは模式的に図１および図２に示されている。図１はこの発明の第一の見地を示したもので、従来の非混成ＣＰＡ装置に使われているコンパクトな伸張器２０とバルク圧縮器４０から構成されている。特に図１に示したように、例示した装置はパルスＰを発生し、適当な時間信号をトリガー用電子回路５０に送る発振器１０を構成している。パルスＰはコンパクトな伸張器２０で引き伸ばされ、トリガー用電子回路からの信号とともに光学的増幅器３０に入る。増幅されたパルスＡＰはバルク圧縮器４０で圧縮されて、増幅された圧縮パルスＣＰとなる。
【００１０】
図２では、混成ＣＰＡ入射装置の構成が示されている。これは一般的に小型な入射源１と高エネルギーバルク増幅器２から成る。小型な（ファイバー）発振器５は、伸張器１５によって最初に引き伸ばされ、小型な（ファイバー）増幅器２５で増幅される信号パルスを発生する。最初に増幅された信号は光学的な周波数変換器４５に入り、ここで固体増幅器に適する波長となるように周波数が２倍に変換される。そして信号は高エネルギー（固体）増幅器５５に入り、最終的にバルク圧縮器６５で圧縮される。従来の装置では、トリガー用電子装置３５は、信号出力が小型増幅器２５と高エネルギー増幅器５５にも供給される以外は、図１に示したと同様な方法で使われていただろう。しかし後で示すように、本発明によれば高エネルギー増幅器５５のスイッチング動作をするトリガー用電子回路の必要性がなくなるので、このような装置はさらに小型でかつ強固に作ることが出来る。
【００１１】
この後者の構成では、回折格子のみを基にする従来の伸張器／圧縮器か、本発明の第一の見地で示した混成方式のいずれかの一つを用いることができる。上記のように、図１および図２の両装置には、増幅段における光学的ゲートと発振器との間の同期をとる電子回路が付加されている。そしてその電子回路は、それぞれの段階で必要なパルスの繰り返し数を選択するためのものでもある。
【００１２】
本発明の二つの見地の特徴とそれによりもたらされる利益とは、以下の実施例等によって明らかにする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
［１］ファイバーと固体素子の混成増幅器
シード源と増幅器とに種々のタイプの利得材料が使われるならば、入射パルスのスペクトルと増幅器の利得とが整合するように注意を払わねばならない。効率の良い周波数変換は、短パルスについては容易に行うことが出来る。何故なら、変換効率は、パルスピークパワーとともに増加するからである。周波数変換に対して超短パルスを使うには、図１に示すものに対して入射可能な機構に限られる。図１では、発振器の出力は、増幅器のスペクトルに合うよう周波数が２倍にされている。本発明の一つの対象は、図２に示されるように、シードと増幅器とのスペクトルを整合させる手段として、長く伸張されたパルスの周波数変換を用いることである。これは、現在、ファイバー増幅器源から得られる１００ｎＪ〜１００Ｐのパルスエネルギーのために（Ｍ．Ｅ．Ｆｅｒｍａｎｎ．　Ａ．Ｇａｌｖａｎａｕｓｋａｓ，　Ｄ．Ｈａｒｔｅｒ，“Ａｌｌ−ｆｉｂｅｒ　ｓｏｕｒｃｅ　ｏｆ　１００−ｎＪ　ｓｕｂｐｉｃｏｓｅｃｏｎｄ　ｐｕｌｓｅｓ，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．　６４、１３１５（１９９４）；Ａ．Ｇａｌｖａｎａｕｓｋａｓ，　Ｍ．Ｅ．Ｆｅｒｍａｎｎ，　Ｐ．Ｂｌｉｘｔ，　Ｊ．Ａ．Ｔｅｌｌｅｆｓｅｎ，　Ｄ．Ｈａｒｔｅｒ，”Ｈｙｂｒｉｄ　ｄｉｏｄｅ−ｌａｓｅｒ　ｆｉｂｅｒ−ａｍｐｌｉｆｉｅｒ　ｓｏｕｒｃｅ　ｏｆ　ｈｉｇｈ−ｅｎｅｒｇｙ　ｕｌｔｒａｓｈｏｒｔ　ｐｕｌｓｅｓ，　”　Ｏｐｔ．Ｌｅｔｔ．１９，１０４３（１９９４））、また、貴重な材料を活用することや光学的な非線形性を許容する高い技術（Ｍ．Ｍ．　Ｆｅｊｅｒ，　Ｇ．Ａ．Ｍａｇｅｌ，　Ｄ．Ｈ．Ｊｕｎｄｔ，，ａｎｄ　Ｒ．Ｌ．Ｂｙｅｒ“Ｑｕａｓｉ−Ｐｈａｓｅ−Ｍａｔｃｈｅｄ　Ｓｅｃｏｎｄ　Ｈａｒｍｏｎｉｃ　Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ　Ｔｕｎｉｎｇ　ａｎｄ　Ｔｏｌｅｒａｎｃｅｓ，”ＩＥＥＥＪ．Ｑｕａｎｔ．　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．ＱＥ−２８，２６３１（１９９２））　によって、実用的に可能となった。詳細例で説明したように、本発明者は伸張したパルスの変換効率は１０％以上であること示した。このことは図１（ｂ）の構成が実用的な利用に対して十分過ぎることを示している。それはまた、圧縮し、周波数を２倍にし、第二調波パルスを再び伸張する古い方法と比較して同程度の変換効率である。ここで、最終効率１０％は圧縮器の効率（〜５０％）、倍増器の効率（＜５０％）および伸張器の効率（〜５０％）とから得られる。明らかに古い方式には大きな不利な点がある。図２で入射機構を使うと、図１の構成に比較して本質的な利点が多い。
【００１４】
直接的な利点は、大きさを本質的に縮めることができ、強度上げることができ、全システムの原価を可成り下げることが出きることである。何よりも、それは固体システムの初段全てを置き換えたファイバー増幅システムのためである。付加的な伸張器も圧縮器も必要ではない。シード源は励起作用をする全固体システムのために、例えば旧式のアルゴンレーザーに必要な空間の一部しか占めない。このようなコンパクトなシード源は、応用は別としても、ＣＰＡシステムの前部の終段に於いて用いることは魅力的なことである。第二に、短波長で利用できるマイクロジュールのシードのエネルギーのために、最終段の固体高エネルギー増幅器は可成り小さく出来る。再生増幅器の大きさはポッケルスセルの大きさできまる。スイッチング窓の立ち上がりと立ち下がり時間は、パルスが増幅器内を回周する時間より短くなければならない。オン状態とオフ状態への切り替えを最も速くできるスイッチはポッケルスセルで、これは光学的パルスでトリガーされる高電圧光導電スイッチである。
【００１５】
材料の性質のために、現在利用できるスイッチは、短波長の光学的パルス（例えば８００ｎｍ）でトリガーされなければならない。２倍周波数の伸張された光学パルスは、高速スイッチングには理想的である。典型的な伸張されたパルスは１００〜４００ｐｓの立ち上がり時間である。オン・オフの切り替えに関して、立ち上がり時間を〜４００ｐｓにするには、１ｎｍの波長で、〜１μＪが必要とされる（米国特許第５，３８４，７９８号参照）。この速さで、再生増幅器の長さは、〜３０ｃｍ以上短く出来る。これは、従来の典型的なナノジュールパルス入射システムに比較して、少なくとも１／６に減少したことになる。再生増幅器は、スイッチングやその外にも利点がある。より短い時間窓は自然放射成分を増幅することが少ないため、出力がきれいである。また、より短いキャビティにおいては、長いキャビティにおけるよりも、熱レンズ効果を制御し易い。このことは、全体の強度を上げるのに効果があり、短い再生固体増幅器の煩雑な配列も簡単になる。
【００１６】
再生増幅器の速いスイッチングに対して、２倍周波数の伸張されたパルスを利用する構図が図２０に示されている。例えば、２倍周波数のパルスは、部分反射鏡により三つの部分に分かれ、これらのパルスは、パルス入射器とオン・オフスイッチとに使われる。他の方法は、伸張された基本波の非変換部分を使い、分離用結晶（または二つのスイッチそれぞれの分離用結晶）で、光導電スイッチのための光学的パルスを発生するため、それを第二調波に変換するものである。第１結晶を出た第二調波の全てのパワーは、入射に使うことができる。ポッケルス・セルの時間窓内に光学的パルスが確実に入射するよう、両パルス間に適当な時間遅れを導入しなければならない。
【００１７】
現存の入射システムに通常使われているピコジュール、ナノジュールのパルスに対して、マイクロジュールの第二調波は固体増幅器をシーディングする能力にすぐれ、システムのコントラストが著しく改善される。第一に、マイクロジュールの入射パルスでは増幅器に蓄積されたエネルギーをより効率的に引き出すことができ、実用的にはＡＳＥバックグランドが除去される。第二には、伸張された２倍周波数の結果として、再圧縮パルスの忠実度が増すことが期待できる。通常、光学的モードを固定した増幅器からの初期パルスは可成り強度の低い時間的な広がりと嵩上げ部を持っている。これは、スペクトル的には、スペクトルの広がり部に局在している。若し、伸張した後のパルスの持続時間がそのパルス幅の限界より大きければ、伸張パルスの形態はそのスペクトルの形態を持った形式を得る。したがって、これらの伸張パルスの周波数を２倍にする（その効率は強度の２倍に比例する）ことにより、スペクトルの点でも、時間的にも、効果的に低強度の広がりをすっきりさせる。そのあと、すっきりした２倍周波数のパルスを増幅すると、再圧縮パルスの嵩上げ部はより低くなる。
【００１８】
更に、伸張パルスを２倍の周波数にすることは、ソフトな開口部としての作用をし、スペクトルの形を滑らかにし、再圧縮パルスの時間的広がり部におけるエネルギー量を更に縮めることになる。これは商業的に生き残れるレーザープラズマ励起Ｘ線源や、他の高強度レーザーの応用としては重要なことである。これは、増幅されたパルスを集光することにより、１０１９〜１０２０Ｗ／ｃｍ２　の強度が得られるもので、さらにターゲットのイオン化の嵩上げを防ぐために１０１０以上のコントラストが必要とされるものである。今日、このコントラストの高さは、如何なる低エネルギー入射源でも実現していない。
【００１９】
再生増幅器の入力においては、ナノジュールのパルスより、むしろマイクロジュールパルスの方が、増幅されたパルスのスペクトルを制御し易い。第一に、高エネルギーに増幅するために必要な利得がより小さくて済むので、高エネルギー増幅器の利得幅を狭くする効果は著しく減少する。第二に、高エネルギーの入射が利用できるので、最終段増幅器における利得幅を狭くする効果を予め補償するために、予め整形したスペクトルを利用することが出来る。第三に、再圧縮後に非常に短いパルスを得るためには、入射の前にパルスのバンド幅を広げることが必要で、種々のスペクトルを広げる技術（例えば、自己位相変調を使う）には高エネルギーが必要である。
【００２０】
［２］本発明の実施例としてのＣＰＡシステムの構成例
図４は、本発明の見地にしたがって伸張パルスの周波数を二倍にするために、２倍用結晶を使った混成ＣＰＡシステムの実施例を示したものである。図４の特殊な例は、モードを固定したファイバー発振器１００から構成されており、その光パルスは、上に述べた任意のファイバー伸張器の配列に配備されたファイバー伸張器１１０によって伸張される。この伸張されたパルスは、三段階ファイバー増幅器１２０で増幅される。
【００２１】
上記の本発明の見地に従えば、二倍用結晶１３０は、増幅器１２０を出た後のパルスの光路に挿入される。さらに、図３による分割光学系配列１６５は、二倍になったパルスを分割（スプリット）するのに使われ、そして二倍になったパルスは、同期装置１６０に入力される。図４の例では、同期装置１６０は、Ｑ−スイッチに接続され、周波数を２倍にする源となっている。
【００２２】
しかし、現在、短波長パルスで光導電性高電圧スイッチをトリガーすることには利点はあるが、これからの材料処理技術の進展により、低い波長のパルス（例えば１．５μｍ）でトリガーできるスイッチを作り出すことができるだろう。このようなことになれば、スイッチングのために入射源の第２高調波を使う図４および図５の実施例は修正されることになる。この修正は、例えば、分割装置１６５を、増幅器１２０と二倍用結晶１３０との間に移動することによって達成できる。別法として、自己スイッチ結晶またはマッハ−ツェンダー・スイッチのような既知の部品を使うことにより、周波数変換後に基本波を取り出すことができる。かくして、Ｑ−スイッチ再生増幅器１４０に示されるように、増幅器１４０に電子−光スイッチが配備されている。
【００２３】
図４に示すように、分離されたパルスの他の部分は、再生増幅器１４０に入力される。この例では、再生増幅器はアレキサンドライトレーザであり、それは励起作用をするアレキサンドライトレーザ１４５によって励起される。詳細に述べれば次のようである。アレキサンドライトレーザが３００℃のような高温で動作するのに対して、再生増幅器１４０は約５０℃で動作する。
【００２４】
増幅されたパルスは、圧縮器１５０で再圧縮される。圧縮器１５０は、上で説明した本発明による望遠鏡１５５を含む配列である。この例は、種々の部品を含む特殊な例を示すが、種々の修正や変形により更に技術的に完成されたものになる。例えば、上に示した伸張器−圧縮器の配列例の任意のものを使うことができる。同様に、他の再生増幅器と励起用レーザー（ポンプレーザー、以下同様）、例えば、エルビウムをドープしたファイバー増幅器とエルビウムをドープしたファイバーを使うことができる。更に、前に述べたように、任意の電子−光スイッチの配列を使うこともできる。また、電子−光スイッチの代わりに、従来のスイッチング用電子装置を使うこともできる。
【００２５】
このような一つの修正例を図５に示す。ここでは本発明の伸張器は従来のマルチネズ・トレーシー方式の圧縮器で置き代えられている。特に、図４のファイバー伸張器１１０はマルチネズタイプの伸張器１１０Ａで置き代えられ、圧縮器１５０は望遠鏡１５５を取り除いたものに修正されている。
【００２６】
本発明にしたがって伸張されたパルスの周波数を二倍にするために二倍用結晶を使うことは、多くの面で利点がある。入力パルスのエネルギーが１００ｎＪ以上では、発生する第二高調波は１０〜１２％の変換効率のところで飽和する。このことは、従来の複屈折で位相整合する結晶が飽和するのに必要な値は、マイクロジュールの１０倍であるのに比較して、本質的に改善されていることを示している。圧縮パルスよりむしろ伸張パルスの周波数を二倍にすることは、第二高調波のスペクトルを広げるため、有利な点があり、その結果、より短い圧縮パルスとなる。このことは、サブピコ秒のパルスの周波数を二倍にするときに、基本パルスと第二高調波との間を一時的に消去することにより、発生する第二調波のスペクトルを狭くできることになる。伸張パルスは、通常、消去遅れ時間より長く、消去遅れ時間に影響されることはない。その結果第二高調波のスペクトルは広がる。３００ｐｓパルスの第二高調波は図６に示す通りである。これは圧縮されたフェムト秒パルスで得られる第二高調波のスペクトル（１．９ｎｍ）より２倍広い（４ｎｍ）ものである。
【００２７】
【実施例】
［１］ファイバーを基本とするマイクロジュールパルス・シード源とアレキサンドライトで励起されるアレキサンドライト再生増幅器とから成る混成チャープ・パルス増幅器
混成ファイバーとアレキサンドライトＣＰＡシステムとの実験装置を、図４および図５に示す。これは、励起作用を内蔵するモードロック・ファイバー発振器１００、回折格子伸張器１１０、三段ファイバー増幅器１２０、非線形の倍周波数用結晶１３０、アレキサンドライトで励起されるアレキサンドライト再生増幅器１４０、および回折格子圧縮器１５０から成っている。発振器は、広域の１Ｗダイオードレーザー（図示されず）で励起され、２０ＭＨｚ，１７０ｆｓのパルスを出す。広域のレーザーダイオードを使うことにより、システムの原価を可成り下げることができる。パルス伸張器１１０は、マルチネズタイプ構成内に配列されている。格子はホログラフィー技術で作られ、線間隔は１２００線／ｍｍ、最大回折効率は１５５０ｎｍにある。入力光束の入射角は、７１°に設定されている。初期パルスは、約７００ｐｓの時間幅に伸張される。伸張されたパルスは、多段ファイバー増幅器１２０に入力される。
【００２８】
三つの増幅段は、それぞれレーザーダイオードで励起される。励起パワーと波長とは、初段で１４８０ｎｍの波長において５０ｍＷ、二段目で９８０ｎｍにおいて２００ｍＷ、終段で９６０ｎｍにおいて４００ｍＷである。パルスの繰り返し率を制御し、次の増幅段が飽和することから発生する自己放射を防ぐために、三つの音響光学スイッチ（図示されていない）が、増幅器のそれぞれの入力端に使われている。音響光学ゲートは、ファイバー発振器の繰り返し率のサブ調波によって動作する。この手段によって、それぞれの増幅段から最大のパルスエネルギーを取り出すことができる。初段の入力のパルスエネルギーは１２ｐＪ、二段目は５ｎＪ、そして三段目は〜１μＪである。三段目の増幅段では、マイクロジュールパルスのエネルギーにおける非線形効果を減らし、圧縮可能な出力エネルギーを増すために、広域モードのファイバーが使われる。この特殊な構成では、〜２０μＪ以上のエネルギーが得られる。
【００２９】
増幅されたパルスのスペクトルは、モードロックファイバー発振器から得られる初期のバンド幅の約１／３ほど狭くなる。これは、多段のファイバー増幅器の利得〜６０ｄＢにおいて、利得を狭くした効果の結果である。この効果のため、伸張され増幅されたパルスの時間幅は、最終のスペクトルのバンド幅から推測される２００〜３００ｐｓに減少する。このスペクトルは、図７に示されている。
【００３０】
長いパルスの擬似位相が整合した周波数を効果的に２倍にするために、ＬｉＮｂ０３　結晶（ＰＰＬＮ）が使われる。擬似位相整合の非線形の中間体を使うことの一般的な利点は、結晶の透明な長さの範囲内で、動作温度にかかわらず、任意の波長で位相整合ができることであり、非線形磁化率テンソルの任意の成分を使うことができることである（Ｍ．Ｍ．Ｆｅｉｊｅｒ，　Ｇ．Ａ．Ｍａｇｅｌ，　Ｄ．Ｈ．Ｊｕｎｄｔ，　ａｎｄ　Ｒ．Ｌ．Ｂｙｅｒ，“Ｑｕａｓｉ−Ｐｈａｓｅ−Ｍａｔｃｈｅｄ　Ｓｅｃｏｎｄ　Ｈａｒｍｏｎｉｃ　Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ　Ｔｕｎｉｎｇ　ａｎｄ　Ｔｏｌｅｒａｎｃｅｓ，”ＩＥＥＥ　Ｊ．　Ｑｕａｎｔ．　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ，ＱＥ−２８，２６３１（１９９２））。これは最も大きい非線形係数を選び、基本波と第二高調波との間の空間的な消去（ウォークオフ、以下同様）が発生しないようにすることにより、周波数変換効率が著しく上がることを意味する。ＬｉＮｂ０３　の場合、位相擬似整合は非線形係数ｄ３３（＝２７ｐｍ／Ｖ）を使うことで達成できる。この係数は、複屈折位相整合（例えば、ＢＢＯのｄ２２は２．３ｐｍ／Ｖである）に利用できる通常の非線形係数より１０倍も大きい。基本波と第二高調波とを、光束が消去しないように、同じ偏光である（例えばｄ３３を使うためには、両波は異常な偏光成分でなければならない）ように選ぶことが出来、その結果、利用できる相互作用長さは最大になる。ＬｉＮｂ０３　結晶の擬似位相整合は、電気的極性によって誘起される非線形磁化率の符号が周期的に反転することを利用して行うことができる（Ｌ．Ｅ．Ｍａｙｅｒ，　Ｒ．Ｃ．Ｅｃｋａｒｄｔ，　Ｍ．Ｍ．Ｆｅｊｅｒ，　Ｒ．Ｌ．Ｂｙｅｒ，　Ｗ．Ｒ．Ｂｏｓｅｎｂｅｒｇ，　Ｊ．Ｗ．Ｐｉｅｒｃｅ，　“Ｑｕａｓｉ−ｐｈａｓｅ−ｍａｔｃｈｅｄ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ　ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒｓ　ｉｎ　ｂｕｌｋ　ｐｅｒｉｏｄｉｃａｌｌｙ　ｐｏｌｅｄ　ＬｉＮｂＯ３，”　Ｊ．　Ｏｐｔ．　Ｓｏｃ．　Ａｍ．Ｂ．１２，２１０２（１９９５））。ここで述べた実験では、周期的な極性を持ったリチウムナイオベート（ＰＰＬＮ）は、〜１５５０ｎｍにおける第一項の擬似整合に対して、〜１９ｎｍの変調周期で使った。結晶を必要な温度（調整率は〜０．１８３ｎｍ／℃）まで加熱することにより、厳密に位相整合する波長を選んだ。通常の動作温度は、２０℃〜７０℃の範囲である。４００、９２０それに１２５０μｍのＰＰＬＮ試料長さは、それぞれ３１．６、１３．８それに１０．１２ｎｍの二倍周波数のバンド幅になる。
【００３１】
１００ｎＪ以上の入力エネルギーでの第二高調波の発生量は、１０〜１２％の変換効率のところで飽和する。これは、従来の複屈折位相整合結晶が飽和に至るのに必要な値がマイクロジュールの１０倍であるのに比べ、本質的に進歩していることを示している。３００ｐｓのパルスの第二高調波スペクトルを図６に示す。圧縮されたフェムト秒パルスで得られる第二高調波スペクトル幅（１．９ｎｍ）よりも、２倍の広さ（４ｎｍ）になっていることが分かる。これは、ＰＰＬＮ結晶で一時的消去が起こることによる。ＧＶＤは、基本波と第二高調波とで異なっており、二つのパルスの間に〜３００ｆｓ／ｍｍの一時的な遅れが生ずる。この遅れの効果は、３００ｐｓの伸張パルスに対しては無視できるが、フェムト秒の圧縮パルスに対しては重要になる。すなわち、フェムト秒ＳＨパルスのスペクトルの持続時間が大きくなり、幅が小さくなる（Ｗ．Ｈ．　Ｇｌｅｎｎ，”Ｓｅｃｏｎｄ−Ｈａｒｍｏｎｉｃ　Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ　ｂｙ　Ｐｉｃｏｓｅｃｏｎｄ　Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｐｕｌｓｅｓ，”ＩＥＥＥ　Ｊ．　Ｑｕｎｔ．Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．ＱＥ−５，２８４（１９６９））。スペクトルの幅が最大になると、最終的に増幅され、再圧縮されたパルスは最も短い持続時間になるので、スペクトルの幅を最大に保持することは好ましいことである。
【００３２】
本発明の二倍用結晶１３０を使うことから得られる利点は多大である。勿論、全体を通しての特徴は、図２に示したように、コンパクトな入射源と高エネルギーバルク増幅器とを組み合わせることである。他の利点は、このようなシステムを本発明の二倍用結晶１３０を使うことなくして、如何にして構成できるかを考えると自ずと明らかになる。すなわち、周波数を二倍用結晶１３０がなければ、再生増幅器を働かせるため、図２に示すように、トリガー用電子回路を使わざるを得ない。図３の配列に二倍用結晶１３０を使うことにより、トリガー用電子回路は必要ではなくなる。
【００３３】
同様に、本発明の二倍用結晶１３０が無ければ、再生増幅器に入る前に三段階の増幅器１２０からの光束を圧縮器で圧縮し、周波数を二倍にしなければならない。このことは、勿論、さらにバルク部品を追加することになる。このような配列では、本発明の二倍用結晶１３０を使うことが必要である。
【００３４】
ファイバー増幅器で得られるパルスエネルギーは、シングルモードのファイバーに対しては本質的に上限値である。飽和フルエンスは可成り高い（２〜３Ｊ／ｃｍ２　）が、シングルモードファイバーの外殻の断面積が小さいため、実際のパルスエネルギーは１〜１００μＪに限定される。より高いパルスエネルギーに対しては、バルク増幅器を使わなければならない。使用可能なものとして、色中心を持つＣｒ：ＹＡＧ、エルビウムをドープしたガラス、アレキサンドライト、チタン：サファイアなどの増幅媒質である。これらのうちどれを選ぶかは、利得スペクトルの平均位置が、ファイバー源の基本波または第二高調波のいずれかにあることにより決定した。
【００３５】
ここで述べた実験で明らかになったので、発明者は、パルスエネルギーをミリジュールレベルまで押し上げるためにアレキサンドライト再生増幅器を使った。
【００３６】
アレキサンドライトの利得バンド幅は、７００から８５０ｎｍに広がっている。これは、エルビウムをドープしたファイバー源からの第二高調波の増幅には適している。
【００３７】
再生増幅器のこの設計では、アレキサンドライトの他の性質を利用した。すなわち、温度によりその吸収の性質が変わることである（Ｍ．Ｌ．Ｓｈａｎｄ，　Ｊ．Ｃ．Ｗａｌｌｉｎｇ，　ａｎｄ　Ｈ．Ｊｅｎｓｓｅｎ，”Ｇｒｏｕｎｄ，　Ｓｔａｔｅ　Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ　ｉｎ　ｔｈｅ　Ｌａｓｉｎｇ　Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ　Ｒｅｇｉｏｎ　ｏｆ　Ａｌｅｘａｎｄｒｉｔｅ　：　Ｔｈｅｏｒｙ　ａｎｄ　Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　”，　ＩＥＥＥ　Ｊ．　Ｑｕａｎｔ．　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．　ＱＥ−１８，　１６７（１９８２）　）。アレキサンドライト増幅器１４０は、種々の温度で操作する二つの利得媒質を持つ他のアレキサンドライト励起レーザー１４５で励起した。励起用レーザー１４５は室温付近（〜５０℃）に維持し、増幅器１４０は７３５ｎｍで励起光を吸収するため高温に保持した。　アレキサンドライトでアレキサンドライトのレーザーを励起することは、再生増幅器に対する励起光の輝度を増す利点がある。
【００３８】
再生増幅器は、横軸方向には励起できない。多モードの広領域レーザーダイオードの輝度は、良いモード整合をするには不十分である。よい結果を得るには、増幅器が縦軸方向にＴＭＯＯモードで励起されることである。ダイオードで縦軸方向に励起するためには、シングルモードのレーザーダイオードが必要である。これは高出力ではない。一方、多モードのダイオードは、複雑な光束を整形する光学系でのみ使うことができる。本発明の利点は、ダイオード（図示せず）で横軸方向に励起用アレキサンドライトレーザー１４５を励起することであり、再生増幅器１４０のための励起光束として励起用アレキサンドライトレーザー１４５の出力を使うことである。このダイオードで励起されるアレキサンドライトの出力が横方向の多モードであるときでさえ、〜１．５×１０８Ｗ／ｃｍ２−ｓｒの輝度は多モードレーザーダイオードで得られる輝度より数桁大きい。これは全体の効率を上げ、再生増幅器から単一で、回折が限定された横モードの出力を保持するために役立つ。端面励起の他の利点は、レーザー棒における熱レンズ効果を減らすことにある。
【００３９】
周波数を二倍にされたパルスを、アレキサンドライト再生増幅器１４０に入力した。ここで、〜６０パルスが通過した後、パルスエネルギーは１０ｍＪに達する。この特殊な実験の設定では、励起用アレキサンドライトレーザー１４５は、パルス当たり１００Ｊの閃光で励起した。しかし、この配列ではレーザーダイオードで十分に励起できる。この励起レーザー１４５は、１５０μｓのパルス時間幅、１０Ｈｚの繰り返し率で、パルス当たり１Ｊ以上を発生した。出力波長は、７３５ｎｍにおける最大エネルギーで、７２０〜７６０ｎｍの間に変えることが出来た。励起用レーザー１４５の空間出力は、光束の大きさが７から１０ｍｍの多モードであった。励起光を吸収するため、アレキサンドライト増幅器１４０を２３０−３５０℃に保持した。かくして、本発明で主張する有利な設定では、アレキサンドライト再生増幅器を励起するために励起用アレキサンドライトレーザーを使うことができる。
【００４０】
実験の興味ある特徴は、初期のフェムト秒パルスが１５５０ｎｍに伸張され、圧縮パルスが７７５ｎｍで得られたことである。伸張器１１０と圧縮器１５０との整合のために、圧縮器には２４００線／ｍｍの格子が付属している。これは、１５５０ｎｍにおける１２００線／ｍｍの伸張格子と同じλ／ｄ（ｄは格子間隔）を持つと考えられる。
【００４１】
最後に、再生増幅器１４０（アレキサンドライトで励起されるアレキサンドライト）に対する励起光輝度を増すために使った方法はファイバー増幅器のための励起にも用いることができる。ファイバー増幅器について、励起光輝度の変換問題を解決する旧い方法は二重の外殻のジオメトリーを使うことである。広域レーザーダイオードまたはダイオード・アレイからの多モード励起は励起殻（ポンプクラッディング）に伝播する。一方、信号はこの殻によって包まれた単一モードの殻に伝播する（Ｈ．Ｐｏ，　Ｊ．Ｄ．Ｃａｏ，Ｂ．Ｍ．Ｌａｌｉｂｅｒｔｅ，　Ｒ．Ａ．Ｍｉｎｎｓ，　Ｒ．Ｆ．Ｒｏｂｉｎｓｏｎ，　Ｂ．Ｈ．Ｒｏｃｋｎｅｙ，　Ｒ．Ｒ．Ｔｒｉｃｃａ　ａｎｄ　Ｙ．Ｈ．Ｚｈａｎｇ，　”Ｈｉｇｈ　Ｐｏｗｅｒ　Ｎｅｏｄｙｍｉｕｍ−Ｄｏｐｅｄ　Ｓｉｎｇｌｅ　Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ　Ｍｏｄｅ　Ｆｉｂｅｒ　Ｌａｓｅｒ，”　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．Ｌｅｔｔ．　２９，１５００（１９９３））　。励起されたエネルギーは、殻（クラッド、以下同様）の活性な利得媒質に吸収される。しかし、この吸収は、単一モード殻に直接励起光が伝播するより可成り効率が悪く、このような増幅器の実用上の効率を得るためには、かなりの協調伝播（コプロパゲーション）長さが必要である。マイクロジュールのパルスを発生するためには、最大のピーク出力での非線形効果を減少させることが必要で、このためにはファイバー増幅器はできるだけ短くしなければならない。このことは、殻による励起の形式（クラッディング・ポンプ・ジオメトリー）は、高エネルギー増幅器には不向きであること意味する。
【００４２】
本発明が提唱する一つの解決法は、他の外殻を有する励起用（クラッディングポンプ）ファイバーレーザを使うことである。これは、エルビウムをドープしたファイバーの利得特性を利用することである。標準的なエルビウム・ドープ・ファイバーで得られるスペクトルは、１５３０〜１５７０ｎｍの範囲にある。ドーピング量および濃度を変えることにより、１５３０ｎｍにおける吸収の断面積を放射断面積より大きくすることが出来、このようなファイバーは、他の１５２０ｎｍで動作するＥｒドープファイバーで励起することができる（Ｈ．Ｎａｋａｍｕｒａ，　Ａ．Ｆｕｊｉｓａｋａ，　Ｈ．Ｏｇｏｓｈｉ，　”Ｇａｉｎ　ａｎｄ　ｎｏｉｓｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｅｒｂｉｕｍ−ｄｏｐｅｄ　ｆｉｂｅｒ　ａｍｐｌｉｆｉｅｒ　ｐｕｍｐｅｄ　ａｔ　１５３０　ｎｍ，”　Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｆｉｂｅｒ　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ，　Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｄｉｇｅｓｔ　Ｐａｐｅｒ　ＷＫ９，　Ｆｅｂｒｕａｒｙ　−Ｍａｒｃｈ　１９９６，　Ｓａｎ　Ｊｏｓｅ，　Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ）。
【００４３】
本発明によれば、励起される外殻のあるＥｒレーザーは、高エネルギーファイバー増幅器の励起源として使われる。このような励起用レーザーは、連続波かパルスのいずれかである（例えば、Ｑ−スイッチ）。これは、高価なＭＯＰＡ単一モードダイオードを廉価で信頼性のあるレーザーダイオードまたはアレイで置き代えることが出来るので、マイクロジュールのファイバーＣＰＡシステムに対する励起源の原価を著しく下げることになる。
【００４４】
ここまで、発明の好ましい例と実験装置について記述または図示してきたが、このことは、添付した請求範囲に規定したような発明の精神と見通しを離れないで、形式と詳細を変形することが当業者によれば可能であるものと理解できるであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例としての非混成の装置の構成を示す模式図
【図２】本発明の一実施例としての混成装置の構成を示す模式図
【図３】再生増幅器の速いスイッチングのため周波数を２倍にされ伸張されたパルスを使った装置の配列を例示する模式図
【図４】混成ファイバー伸張器と二重結晶を持つアレキサンドライトＣＰＡシステムとを有する超短パルスの増幅装置の構成を示す模式図
【図５】混成ファイバー伸張器と二重結晶を持つ非混成ＣＰＡシステムとを有する超短パルスの増幅装置の構成を示す模式図
【図６】本発明の実施例による３００ピコ秒パルスにより得られる第二高調波を示すグラフ
【図７】圧縮されたフェムト秒パルスで得られる第二調波のスペクトルを示すグラフ
【符号の説明】
１：コンパクトな注入源　　２：高エネルギーバルク増幅器
５，１０：発振器（オシレーター）　　１５，２０：伸張器（ストレッチャー）２５，３０：光学的増幅器　　５０：トリガー用電子回路
４０：バルク圧縮器　　４５：光学的周波数変換器
５５：高エネルギー増幅器　　６５：バルク圧縮器（コンプレッサー）
１００：モードロック・ファイバー発振器
１１０：ファイバー回折格子伸張器
１１０Ａ：マルチネズタイプの伸張器
１２０：三段階ファイバー増幅器　　１３０：二倍用結晶
１４０：アレキサンドライト再生増幅器
１４５：アレキサンドライトレーザー
１５０：回折格子圧縮器　　１５５：望遠鏡
１６５：ビームスプリッタ　　１７０：Ｑスイッチ
【図１】
2004048020.tif 000003
【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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