(57)【要約】  本発明は、極短高パワーおよび／または高エネルギーパルスを有するＵＶ可視レーザシステムに関する。本発明によると、本レーザシステムは、２つの別個のレーザパルス源（１１、１２）によりそれぞれ発射される可視または赤外線領域内の２つの別個の極短レーザパルス（３１、３２）を受信するのに適した少なくとも１つの非線形光学結晶（１）と、前記２つの極短レーザパルス（３１、３２）が任意の位相シフトで前記非線形光学結晶（１）内において時間および空間的に重畳し、および２つの別個のレーザパルス（３１、３２）のそれぞれの光周波数の和に等しい光周波数を有する極短レーザパルス（１３１）を和周波数により生成するようにされた時間的同期手段（４１、４２）とを含む。【選択図】  図２
2017520806.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
極短高パワーおよび／または高エネルギーパルスを有するＵＶ可視レーザシステムにおいて、
−  複数のレーザパルス源（１１、１２、１３、２１１、２１２、２１３、３１１、３１２、３１３）であって、２〜５個の個別源を含み、それぞれの源（１１、１２、１３、２１１、２１２、２１３、３１１、３１２、３１３）が可視または赤外線領域内の少なくとも１つの極短レーザパルス（３１、３２）を発射するようにされる、複数のレーザパルス源（１１、１２、１３、２１１、２１２、２１３、３１１、３１２、３１３）と、
−  ２つの別個のレーザパルス源（１１、１２、２１１、２１２、３１１、３１２）によりそれぞれ発射される２つの極短レーザパルス（３１、３２）を受信するようにされた少なくとも１つの非線形光学結晶（１）と、
−  前記２つの極短レーザパルス（３１、３２）が任意の位相シフトで前記非線形光学結晶（１）内において時間および空間的に重畳されるように、前記非線形光学結晶（１）に入射する前記２つの極短レーザパルス（３１、３２）を時間的に同期させるようにされた同期手段（４１、４２、５０、５１、５２）と
を含み、
−  前記少なくとも１つの非線形光学結晶（１）は、前記非線形光学結晶（１）内で時間および空間的に重畳された前記２つの極短レーザパルス（３１、３２）のそれぞれの光周波数の和に等しい光周波数を有する周波数変換極短レーザパルス（１３１）を和周波数により生成するようにされることを特徴とする、ＵＶ可視レーザシステム。
【請求項２】
Ｎ個の非線形光学結晶（１、２）（ここで、Ｎは２以上の整数である）を含み、各非線形光学結晶（１、２）は、２つの別個のレーザパルス源によりそれぞれ発射されるか、または２つの極短レーザパルス源からの和周波数変換により生成される２つの別個のレーザパルスを受信するようにされ、非線形光学結晶に入射する前記２つのレーザパルスは時間的に同期され、および前記Ｎ個の非線形光学結晶（１、２）は、前記Ｎ個の非線形光学結晶（１、２）内の連続和周波数により周波数変換レーザパルス（１３２）を生成するように配置される、請求項１に記載の極短高パワーおよび／または高エネルギーパルスを有するＵＶ可視レーザシステム。
【請求項３】
−  ２つの別個のレーザパルス源（１１、１２、２１１、２１２、３１１、３１２）であって、それぞれのレーザパルス源（１１、１２、２１１、２１２、３１１、３１２）が前記可視または赤外線領域内の極短レーザパルス（３１、３２）を発射するようにされる、２つの別個のレーザパルス源（１１、１２、２１１、２１２、３１１、３１２）と、
−  前記２つの別個のレーザパルス源（１１、１２、２１１、２１２、３１１、３１２）のそれぞれから極短レーザパルス（２１、３２）を同時に受信するようにされた非線形光学結晶（１）と
を含み、
−  前記非線形光学結晶（１）は、前記２つの源（１１、２１１、１２、２１２、３１１、３１２）の光周波数の和に等しい光周波数を有する極短レーザパルス（１３１）を和周波数により生成するようにされる、請求項２に記載の極短高パワーおよび／または高エネルギーパルスを有するＵＶ可視レーザシステム。
【請求項４】
−  ３つの別個のレーザパルス源（１１、１２、１３、２１１、２１２、２１３、３１１、３１２、３１３）であって、それぞれのレーザパルス源（１１、１２、１３、２１１、２１２、２１３、３１１、３１２、３１３）が前記可視または赤外線領域内の極短レーザパルス（３１、３２、３３）を発射するようにされる、３つの別個のレーザパルス源（１１、１２、１３、２１１、２１２、２１３、３１１、３１２、３１３）と、
−  前記３つの別個のレーザパルス源（１１、１２、２１１、２１２、３１１、３１２）のうちの２つによりそれぞれ発射される２つの極短レーザパルス（３１、３２）を同時に受信するようにされた第１の非線形光学結晶（１）と、
−  前記時間的同期手段（４１、４２、５０、５１、５２）であって、前記２つの別個のレーザパルス（３１、３２）が任意の位相シフトで前記第１の非線形光学結晶（１）内において時間および空間的に重畳されるように、前記第１の非線形光学結晶（１）に入射する前記２つのレーザパルス（３１、３２）を時間的に同期させるようにされ、前記第１の非線形光学結晶（１）は、前記２つの源（１１、１２、２１１、２１２、３１１、３１２）の光周波数の和に等しい光周波数を有する周波数変換極短レーザパルス（１３１）を和周波数により生成するようにされる、前記時間的同期手段（４１、４２、５０、５１、５２）と、
−  前記周波数変換極短レーザパルス（１３１）と、前記３つのレーザパルス源のうちの他のレーザパルス源（１３、２１３、３１３）によりそれぞれ発射される別の極短レーザパルス（３３）とを同時に受信するようにされた第２の非線形光学結晶（２）と
を含み、
−  前記同期手段（４３、５０、５３）は、前記周波数変換レーザパルス（１３１）と前記第２の非線形光学結晶に入射する前記他のレーザパルス（３３）とを、前記極短レーザパルス（１３１、３３）が任意の位相シフトで前記第２の非線形光学結晶（２）内において時間および空間的に重畳されるように時間的に同期させるようにされ、前記第２の非線形光学結晶（２）は、前記３つの源（１１、１２、１３、２１１、２１２、２３１、３１１、３１２、３１３）の光周波数の和に等しい光周波数を有する極短レーザパルス（１３２）を和周波数により生成するようにされる、請求項２に記載の極短高パワーおよび／または高エネルギーパルスを有するＵＶ可視レーザシステム。
【請求項５】
各レーザパルス源（１１、１２、１３、２１１、２１２、２１３、３１１、３１２、３１３）は極短パルス（３１、３２、３３）を発射するようにされ、前記同期手段（４１、４２、４３、５１、５２、５３）は、非線形光学結晶（１、２）に入射する２つの別個のレーザパルス（３１、３２、３３）を、前記２つの別個のレーザパルス（３１、３２、３３）が前記極短パルスの期間の１０％ｒｍｓ以下、好適には前記極短パルスの前記期間の５％ｒｍｓ以下の時間的精度で前記非線形光学結晶（１、２）内において時間的に重畳されるように時間的に同期させるようにされる、請求項１〜４のいずれか一項に記載の極短高パワーおよび／または高エネルギーパルスを有するＵＶ可視レーザシステム。
【請求項６】
前記同期手段は、一方では前記光パルス源（１１、１２、２１１、２１２）のうちの１つと前記非線形光学結晶（１）との間に配置される少なくとも１つの光遅延線（４１、４２）を含み、前記光遅延線（４１、４２）は、前記非線形光学結晶（１）に入射する２つの光パルス（３１）間の時間遅延を低減するようにされる、請求項１〜５のいずれか一項に記載の極短高パワーおよび／または高エネルギーパルスを有するＵＶ可視レーザシステム。
【請求項７】
前記同期手段は、非線形光学結晶（１、２）内で２つの極短レーザパルス（３１、３２）を時間的に同期させるようにされた電子的同期手段（５０、５１、５２、５３）を含む、請求項１〜６のいずれか一項に記載の極短高パワーおよび／または高エネルギーパルスを有するＵＶ可視レーザシステム。
【請求項８】
前記複数の光パルス源は、複数のレーザ源（１１、１２、１３）であって、それぞれのレーザパルス源（１１、１２、１３）が少なくとも１つの極短レーザパルス（３１、３２、３３）を発射するようにされる、複数のレーザ源（１１、１２、１３）を含む、請求項１〜７のいずれか一項に記載の極短高パワーおよび／または高エネルギーパルスを有するＵＶ可視レーザシステム。
【請求項９】
前記複数の光パルス源は、
−  波長λ１の極短親光パルスを生成するようにされた共通光発振器（１０、８０）と、
−  複数の光学的増幅系（２１、２２、２３、８１、８２、８３）であって、それぞれの光学的増幅系（２１、２２、２３、８１、８２、８３）が波長λ１の極短親光パルス（２０）を受信し、かつ波長λ１の増幅された極短光パルス（３１、３２、３３）を生成するようにされる、複数の光学的増幅系（２１、２２、２３、８１、８２、８３）と
を含む、請求項１〜７のいずれか一項に記載の極短高パワーおよび／または高エネルギーパルスを有するＵＶ可視レーザシステム。
【請求項１０】
非線形光学結晶（１、２）に入射する２つの別個のレーザパルス（３１、３２、３３）間の時間遅延を測定するようにされた差動相互相関器を含む時間的フィードバック装置をさらに含む、請求項１〜９のいずれか一項に記載の極短高パワーおよび／または高エネルギーパルスを有するＵＶ可視レーザシステム。
【請求項１１】
前記非線形光学結晶（１、２）は、偏光多重化または角度多重化非線形光学結晶であり、前記非線形光学結晶（１、２）は、ベータ二硼酸バリウム結晶（β−ＢａＢ２Ｏ４）、または三硼酸リチウム結晶（ＬｉＢ３Ｏ５）、または準位相整合もしくはＰＰＬＮタイプのニオブ酸リチウム結晶（ＬｉＮｂＯ３）から選択される、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の極短高パワーおよび／または高エネルギーパルスを有するＵＶ可視レーザシステム。
【請求項１２】
前記複数の別個のレーザパルス源（１１、１２、１３、２１１、２１２、２１３、３１１、３１２、３１３）は、複数の高エネルギーの光ファイバレーザ源を含む、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の極短高パワーおよび／または高エネルギーパルスを有するＵＶ可視レーザシステム。
【請求項１３】
前記複数の別個のレーザパルス源（１１、１２、１３、２１１、２１２、２１３、３１１、３１２、３１３）は、複数の高パワー結晶レーザ源を含む、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の極短高パワーおよび／または高エネルギーパルスを有するＵＶ可視レーザシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、紫外線可視（ＵＶ可視）スペクトル領域内の極短高パワーおよび／または高エネルギーパルスを有するレーザシステムに関する。
【０００２】
より正確には、本発明は、出力レーザパルスの光周波数を制御するように光周波数を変換する非線形光学装置を使用して、極短ＵＶ可視レーザパルスを生成するレーザシステムに関する。本明細書では、用語「光周波数変換」は、和周波数を生成して複数の高調波を生成するための非線形光学的技術を包含する。
【背景技術】
【０００３】
本明細書では、極短パルスは、ピコ秒、サブピコ秒またはフェムト秒持続時間を有するパルスを意味する。より正確には、ピコ秒パルスは１ｐｓ〜２０ｐｓの持続時間を有する光パルスを意味し、フェムト秒パルスは１ｆｓ〜１ｐｓの持続時間を有する光パルスを意味する。極短パルスを有するレーザシステムは、通常５０ｋＨｚ〜１０ＭＨｚの高繰り返し率で通常発射する。したがって、それぞれがｐｓまたはｆｓの持続時間を有する１ＭＨｚの繰り返し率を有する極短パルスを有するレーザシステムは一連の極短パルスを発射し、連続パルス間で約１マイクロ秒の時間間隔を有する。高パワーパルスは１０Ｗ〜１ＭＷ（好適には１０Ｗ以上）の平均パワーを有する光パルスを意味し、高エネルギーパルスは１００μＪ〜１ｋＪ（好適には１ｍＪ以上）のエネルギーを有する光パルスを意味する。ここでは、紫外線（ＵＶ）スペクトル領域は２００ｎｍ〜４５０ｎｍ、可視領域は４５０ｎｍ〜７５０ｎｍ、赤外線領域は７５０ｎｍ〜１６００ｎｍの範囲に広がっていると考える。
【０００４】
光周波数νは光学的放射の波長λに反比例する変数を意味し、次式により定義される：ν＝ｃ／λ（ここで、ｃは真空の光速を表す）。
【０００５】
極短パルスレーザは、レーザマイクロマシニング、レーザマーキング、分析化学、極小手術（ｎａｎｏｓｕｒｇｅｒｙ）および眼科手術を含む多くの用途がある。
【０００６】
ＵＶ領域内のますます低い波長の、ますます高いパルスエネルギーの、および／またはますます高いパルスパワーを有するＵＶ可視領域内の極短パルスレーザを開発することが望まれる。
【０００７】
通常、ＵＶ可視レーザパルスシステムは、赤外線レーザ源と、例えば和周波数（高調波生成とも呼ばれる）により光周波数を変換するための非線形光学装置とに基づく。これは、十分に試行された産業技術の存在のために赤外線領域の高性能結晶または光ファイバ源および増幅器が利用可能であるからである。このような極短パルス赤外線レーザ源は、赤外線領域内の高パワーおよび／または高エネルギーレーザパルスを生成し増幅できるようにする。和周波数により光周波数を変換する非線形光学装置は赤外線レーザパルスを赤外線パルスの光周波数の２倍、３倍、４倍高調波に等しい光周波数を有するレーザパルスに変換できるようにする。このようにして極短ＵＶ可視レーザパルス源が得られる。
【０００８】
和周波数は実際には、次式により光周波数間でリンクされた光周波数ν１、ν２をそれぞれ有する２つの放射から光周波数ν３の光学的放射を生成することで構成される。
ν３＝ν１＋ν２
【０００９】
この式は、したがって、それぞれの波長間の次式と均等である。
１／λ３＝１／λ１＋１／λ２
【００１０】
例示として、図１は周波数変換のための従来のＵＶ可視極短パルスレーザ構成を示す。このＵＶ可視パルスレーザは、近赤外線パルスの源１１と、ここでは直列に配置された２つの非線形光学結晶１、２の使用に基づく周波数変換非線形光学装置とを含む。例えば、源１１はイッテルビウムドープファイバレーザ源である。赤外線レーザパルスの源１１は赤外線領域内の波長λ１の極短光パルス１１０を発射する。第１の非線形光学結晶１は赤外線光パルス１１０を受信する。特に光パルス１１０の強度および位相整合の特定条件下で、第１の非線形光学結晶１は波長λ１と異なる波長λ２の光パルス１１１を生成する。特に、非線形光学結晶が周波数２倍で動作する場合、波長λ２は波長λ１の半分と等しい。例えば、波長λ１が１０３０ｎｍに等しければ、波長λ２は５１５ｎｍに等しい。非線形光学結晶の波長λ１から波長λ２へのエネルギー転送は部分的であるため、第１の非線形光学結晶１の出力には波長λ２のパルス１１１と波長λ１のパルス１１０とが存在する。
【００１１】
図１の例では、別の非線形光学結晶２が第１の非線形光学結晶１の出力の光路上に配置される。他の非線形光学結晶２は、同じ源１１から来る波長λ１の光パルス１１０と波長λ２の光パルス１１１とを受信する。特定位相整合条件下で、他の非線形光学結晶２は波長λ２、λ１と異なる波長λ３の他の光パルス１１２を和周波数により生成する。したがって、他の光パルス１１２は２つの入射光パルス１１０、１１１の光周波数の和に等しい光周波数を有する。このような装置は源パルスの周波数の３倍または４倍である高調波周波数が得られるようにする。ここで光パルス１１２の波長λ３は赤外線パルス源１１により発射された光パルス１１０の波長λ１の３分の１または４分の１にそれぞれ等しい。したがって、例えば１０３０ｎｍの波長λ１に対し、３倍の場合は３４３．３ｎｍ、または４倍の場合は２５７．５ｎｍに等しい波長λ３のパルスを得ることが可能である。
【００１２】
周波数２倍による単一変換は、レーザ源１１が近赤外線領域内の光パルス１１０を生成する場合には紫外線領域の波長を実現できるようにはしない。３倍または４倍高調波の生成が通常、紫外線領域内のパルスを得るために必要である。
【００１３】
しかし、非線形光学結晶内の高調波発生による周波数変換の効率は高調波増倍係数が増加すると低下する。したがって、周波数変換の効率は、周波数２倍に対して５０％〜７０％に達し得るが、周波数３倍に対してはわずか２０％〜３０％、周波数４倍に対しては１０％〜２５％である。
【００１４】
長い長さの従来のファイバ光学素子を有する赤外線パルスの源（例えば、エルビウムドープまたはエルビウムイッテルビウム共ドープファイバ光学素子）の場合、光ファイバはエネルギーという意味で制限される。高エネルギー極短パルスがチャープパルス増幅（ＣＰＡ）タイプのシステムにおいて増幅される場合、これらの事前伸長（ｐｒｅｓｔｒｅｔｃｈｅｄ）パルスは増幅ファイバ内における増幅中に互いに加算される非線形歪みを経験する。周波数変換器の出力のＵＶ可視パルスは、この場合、光ファイバ赤外線パルス源の最大エネルギーによりエネルギーが制限される。
【００１５】
結晶固体レーザ源（例えば、Ｙｂ：ＹＡＧレーザ）の場合、結晶レーザは結晶内の熱効果のためにパワーが制限される。周波数変換器の出力のＵＶ可視パルスは、この場合、結晶固体レーザ源の最大パワーによりパワーが制限される。
【００１６】
大きいコア径と短い長さ（５０ｃｍ〜数メートル）とを有する大モードエリア（ＬＭＡ）ファイバタイプの増幅媒体の場合、これは従来のファイバレーザと固体レーザとの間の中間の場合であり、周波数変換器から出力されるＵＶ可視パルスは、大モードエリアファイバレーザ源の最大パワーおよび／またはエネルギーにより、パワーおよび／またはエネルギーが制限される。
【００１７】
一般論として、周波数変換により得られるピコ秒またはフェムト秒持続時間を有するレーザパルス１１１または１１２のパワーおよび／またはエネルギーは、したがって、使用されるレーザ源１１のパワーおよび／またはエネルギーにより、および使用される非線形光学結晶または結晶内の変換効率により制限される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
本発明の目的の１つは、特に源が光ファイバ技術に基づく場合のＵＶ可視領域内の極短パルス源のエネルギーおよび／またはパワーを増加することである。本発明の別の目的は、高エネルギーおよび／または高パワー極短パルス源において波長を紫外線方向に低減することである。本発明のさらに別の目的は、高エネルギーおよび／または高パワーＵＶ可視極短パルスレーザの経時安定性を改善することである。
【００１９】
さらに、周波数変換のための非線形光学装置を使用することにより高エネルギーおよび／または高パワー極短パルスＵＶ可視レーザの出力におけるレーザパルスのパワーおよび／またはエネルギーを増加するシステムおよび方法の必要性がある。
【００２０】
さらに、紫外線領域内の短波長を有し、かつ好適には光ファイバレーザ技術に基づく高エネルギーおよび／または高パワー極短パルスレーザの必要性がある。
【００２１】
本発明の目的は、従来技術の欠点を改善することであり、特には、高パワーおよび／または高エネルギー極短パルスＵＶ可視レーザシステムに関する。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
本発明によると、レーザシステムは、複数のレーザパルス源であって、２〜５個の個別源を含み、それぞれのレーザパルス源が可視または赤外線領域内の少なくとも１つの極短レーザパルスを発射するようにされる、複数のレーザパルス源と、２つの別個のレーザパルス源によりそれぞれ発射される２つの極短レーザパルスを受信するようにされた少なくとも１つの非線形光学結晶と、前記２つの極短レーザパルスが任意の位相シフトで前記非線形光学結晶内において時間および空間的に重畳されるように、前記非線形光学結晶に入射する前記２つの極短レーザパルスを時間的に同期させるようにされた同期手段とを含み、前記少なくとも１つの非線形光学結晶は、前記非線形光学結晶内で時間および空間的に重畳された２つの極短レーザパルスのそれぞれの光周波数の和に等しい周波数を有する周波数変換極短レーザパルスを和周波数により生成するようにされる。
【００２３】
任意の位相シフトにより、ここでは、２つの別個の源から発し非線形光学結晶内で重畳される２つの極短パルス間の位相シフトが任意の値を取り得ることを意味する。加えて、この任意の位相シフトは一対の極短パルスから同じ非線形光学結晶内で重畳される別の対の極短パルスへ時間の経過に伴って変化し得る。
【００２４】
ＵＶ可視レーザシステムは、周波数変換損失を増すことなく周波数変換極短パルスのパワーおよび／またはエネルギーを増加できるようにする。極短ＵＶ可視パルスのエネルギーおよび／またはパワーは、使用される源の数に従って増加する。
【００２５】
本発明のシステムは、所定の変換効率を有するパルスを生成できるようにする。レーザシステムが一定の繰り返し率を有する一連の極短パルスを生成する場合、本発明のシステムは、１つのパルスから次のパルスへの周波数変換の効率の安定性、したがってＵＶ可視極短パルスのパワーおよび／またはエネルギーの安定性を保証できるようにする。
【００２６】
本発明のシステムは、周波数変換非線形光学結晶内で重畳された極短パルスの各対間の光学的位相シフトを測定および制御する干渉計システムを必要としない。単純な時間的同期システムが、ナノ秒領域で動作するレーザ内で通常使用される干渉計システムを置換し、和周波数による周波数変換により非線形光学結晶内で重畳されたビーム間の位相整合条件を達成する。位相シフトは１つの極短パルスから次の極短パルスへと変動し得る。逆に、ナノ秒領域では、パルス列内のパルス対毎の位相整合を制御することが必要であり、非線形光学結晶内で周波数変換することが望まれる。これは、注入ナノ領域（ｉｎｊｅｃｔｅｄ  ｎａｎｏｓｅｃｏｎｄ  ｒｅｇｉｍｅ）では、レーザが通常複数の縦モードを発射し、１つのｎｓパルスから次のｎｓパルスまでの不安定性を生成するからである。特に有利な方法では、ｐｓまたはｆｓ領域において、極短パルス列は最大数分におよび得る期間にわたって大きい安定性を有する。
【００２７】
特定および有利な実施形態によると、レーザシステムはＮ個の非線形光学結晶を含む。ここで、Ｎは２以上の整数であり、各非線形光学結晶は、２つの別個のレーザパルス源によりそれぞれ発射される２つの別個のレーザパルス、または２つの極短レーザパルス源からの和周波数変換により生成される２つの別個のレーザパルスを受信するようにされ、非線形光学結晶に入射する前記２つのレーザパルスは時間的に同期され、および前記Ｎ個の非線形光学結晶は、前記Ｎ個の非線形光学結晶内の連続和周波数により周波数変換レーザパルスを生成するように配置される。
【００２８】
一実施形態によると、パルスレーザシステムは、２つの別個のレーザパルス源であって、それぞれのレーザパルス源が可視または赤外線領域内の極短レーザパルスを発射するようにされる、２つの別個のレーザパルス源と、２つの別個のレーザパルス源のそれぞれから極短レーザパルスを同時に受信するようにされ、かつその２つの源の光周波数の和に等しい光周波数を有する極短レーザパルスを和周波数により生成するようにされた非線形光学結晶とを含む。
【００２９】
別の実施形態によれば、数Ｎは３に等しく、パルスレーザシステムは、３つの別個のレーザパルス源であって、それぞれのレーザパルス源が可視または赤外線領域内の極短レーザパルスを発射するようにされる、３つの別個のレーザパルス源と、３つの別個のレーザパルス源のうちの２つによりそれぞれ発射される２つの極短レーザパルスを同時に受信するようにされた第１の非線形光学結晶と、同期手段であって、前記２つの入射レーザパルスが任意の位相シフトで前記第１の非線形光学結晶内において時間および空間的に重畳されるように、前記第１の光学結晶に入射する前記２つの極短レーザパルスを時間的に同期させるようにされ、第１の非線形光学結晶は、前記２つの源の光周波数の和に等しい光周波数を有する周波数変換極短レーザパルスを和周波数により生成するようにされる、同期手段と、前記周波数変換極短レーザパルスと、３つのレーザパルス源のうちの他のレーザパルス源によりそれぞれ発射される別の極短レーザパルスとを同時に受信するようにされた第２の非線形光学結晶とを含み、同期手段は、第２の非線形光学結晶に入射する前記周波数変換極短レーザパルスと前記他の極短レーザパルスとを、前記極短レーザパルスが任意の位相シフトで前記第２の非線形光学結晶内において時間および空間的に重畳されるように時間的に同期させるようにされ、第２の非線形光学結晶は、前記３つの源の光周波数の和に等しい光周波数を有する極短レーザパルスを和周波数により生成するようにされる。
【００３０】
本発明の特定で有利な態様によると、各レーザパルス源は極短パルスを発射するようにされ、同期手段は、非線形光学結晶に入射する２つの別個のレーザパルスを、前記２つの別個のレーザパルスが前記極短パルスの期間の１０％ｒｍｓ以下、好適には前記極短パルスの期間の５％ｒｍｓ以下の時間的精度で前記非線形光学結晶内において時間的に重畳されるように時間的に同期させるようにされる。
【００３１】
本発明の特定かつ有利な態様によると、同期手段は、一方では前記光パルス源のうちの１つと他方では前記非線形光学結晶との間に配置される少なくとも１つの光遅延線を含み、光遅延線は、前記非線形光学結晶に入射する２つの光パルス間の時間遅延を低減するようにされる。
【００３２】
本発明の特定かつ有利な態様によると、同期手段は、非線形光学結晶内で２つの極短レーザパルスを時間的に同期させるようにされた電子的同期手段を含む。
【００３３】
一実施形態では、複数の光パルス源は、複数のレーザ源であって、それぞれのレーザパルス源が少なくとも１つのレーザパルスを発射するようにされる、複数のレーザ源を含む。
【００３４】
別の実施形態では、複数の光パルス源は、波長λ１の極短親光パルス（ｕｌｔｒａｓｈｏｒｔ  ｐａｒｅｎｔ  ｌｉｇｈｔ  ｐｕｌｓｅ）を生成するようにされた共通光発振器と、複数の光学的増幅系であって、それぞれの複数の光学的増幅系が波長λ１の極短親光パルスを受信し、かつ波長λ１の増幅された極短光パルスを生成するようにされる、複数の光学的増幅系とを含む。
【００３５】
本発明の特定かつ有利な態様によると、レーザシステムは、非線形光学結晶に入射する２つの別個のレーザパルス間の時間遅延を測定するようにされた差分相互相関器を含む時間フィードバック装置をさらに含む。
【００３６】
有利には、非線形光学結晶は、偏光多重化または角度多重化非線形光学結晶であり、前記非線形光学結晶は、ベータ二硼酸バリウム結晶（β−ＢａＢ２Ｏ４）、または三硼酸リチウム結晶（ＬｉＢ３Ｏ５）、または準位相整合もしくはＰＰＬＮタイプのニオブ酸リチウム結晶（ＬｉＮｂＯ３）から選択される。
【００３７】
一実施形態では、複数の別個のレーザパルス源は、高エネルギー光ファイバを有する複数のレーザ源を含む。
【００３８】
別の実施形態では、複数の別個のレーザパルス源は、高パワー結晶を有する複数の固体レーザ源を含む。
【００３９】
本発明の第２の実施形態の特定かつ有利な態様によると、同期手段は、前記複数のレーザ源によりそれぞれ発射される複数のレーザパルスを時間的に同期させるようにされた電子的同期手段を含む。
【００４０】
本発明の別の特定かつ有利な態様によると、周波数変換のための非線形光学系はさらに、
−  ある波長において少なくとも１つの他の光パルスを発射するようにされた別のパルス源と、
−  一方では非線形光学結晶の出力において周波数変換により生成される波長λ２の光パルスと、他方では他の光源パルスにより発射される波長λ１の前記他の光パルスとを時間的に同期させるようにされた同期手段と、
−  波長λ２の前記光パルスと波長λ１の他の光パルスとを受信するようにされた別の非線形光学結晶であって、それぞれ波長λ２およびλ１の前記光パルスが時間的に同期され、他の非線形光学結晶は、前記同期光パルスの波長λ２、λ１と異なる波長λ３の少なくとも１つの他の光パルスを周波数変換により生成するようにされる、別の非線形光学結晶と
を含む。
【００４１】
特定の実施形態では、複数の別個のレーザ光源は、光ファイバを有する複数の高パワーレーザ源を含む。
【００４２】
特定の実施形態では、複数の別個のレーザパルス源は、高パワー結晶を有する複数の固体レーザ源を含む。
【００４３】
本発明はまた非線形光学周波数変換方法に関する。本方法は、
ａ）複数の光パルス源により複数の光パルスをそれぞれ発射する工程と、
ｂ）複数の同期光パルスを生成するために前記複数の光パルスを時間的に同期させる工程と、
ｃ）光パルス源からの前記光パルスの波長と異なる波長の少なくとも１つの出力光パルスを周波数変換により生成するようにされた非線形光学結晶上で複数の同期光パルスを受信する工程と
を含む。
【００４４】
優先的に、時間同期の工程ｂ）は、光パルス源と非線形光学結晶との間に配置された少なくとも１つの光遅延線上の光学的遅延を調整する工程を含む。
【００４５】
第１の実施形態によると、発射工程ａ）は、発振器による複数の光パルスの発射と、別の光増幅器による前記源パルスのそれぞれの増幅とを含む。
【００４６】
第２の実施形態によると、発射工程ａ）は、それぞれが少なくとも１つのレーザパルスを発射するようにされた複数のレーザ源による複数のレーザパルスの発射を含む。
【００４７】
有利には、第２の実施形態では、時間同期工程ｂ）は、前記複数のレーザ源のそれぞれにより発射される複数のレーザパルスを時間的に同期させるようにされた電子的同期工程を含む。
【００４８】
本発明は、極短レーザパルスシステムにおいて特に有利な用途がある。
【００４９】
本発明は有利には、複数の光源を組み合わせ、それらを光周波数に変換して光学的パワーを合算できるようにする。
【００５０】
本発明はまた、以下の説明中に現われる特徴と、それらの任意の技術的に可能な組み合せと分離してまたはそれらに従って考えられなければならない特徴とに関する。本説明は、非限定的例として示され、添付図面を参照して本発明がどのように実施され得るかに関してより良い理解を与える。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】従来技術による周波数変換非線形光学系を概略的に描写する。
【図２】本発明による周波数変換非線形光学系の原理を概略的に示す。
【図３】本発明の第１の実施形態を概略的に示す。
【図４】本発明の第２の実施形態を概略的に示す。
【図５】本発明の第３の実施形態を概略的に示す。
【図６】２つのレーザパルス間の光学的遅延を測定する差分相互相関器装置を概略的に示す。
【発明を実施するための形態】
【００５２】
図２は、和周波数により変換される高パワーおよび／または高エネルギー極短パルスのＵＶ可視レーザシステムを示す。提案されるＵＶ可視レーザシステムの構成は、図１に示す従来システムにおけるような単一源ではなく、複数の別個のレーザ源の使用に基づく。
【００５３】
一例として、図２のシステムは３つの別個のレーザ源、すなわちレーザ源１１、レーザ源１２およびレーザ源１３を含む。有利には、レーザ源１１、１２、１３はモードロックタイプの極短パルスレーザ源である。
【００５４】
一般論として、本発明のシステムは少なくとも２つの別個のレーザ源から最大５つの別個の極短パルスレーザ源までを含む。
【００５５】
図２のシステムでは、空間的に分離されたレーザ源である第１の源１１と第２の源１２とが最初に考察される。第１の源１１は波長λ１の極短パルス３１を発射し、第２の源１２は波長λ２の極短パルス３２を発射する。第１の源１１と第２の源１２とは互いにコヒーレントではない。第１の源１１と第２の源１２とは、第１の源１１からの極短パルス３１と、第１の周波数変換非線形結晶１内の第２の源１２からの別の極短パルス１２０とを結合するように配置される。この目的を達成するために、光学系が、第１の周波数変換非線形結晶１内の極短パルス３１と極短パルス３２とを空間的および時間的に重畳するように源１１、１２と非線形光学結晶１との間に配置され得る。
【００５６】
ナノ秒領域では、非線形光学結晶内で和周波数によりパルスを生成するには、時間に応じた周波数変換パルスのパワーおよび／またはエネルギーという意味で安定性を保証するために連続入射パルス間の光学的位相を制御することが必須である。光学的位相を制御することは、通常、ナノ秒持続時間の連続パルス間の光学的位相シフトを測定するための精密な干渉計システムの使用を必要とする。
【００５７】
逆に、本発明によると、非線形結晶内の位相整合条件を満たすことに加えて、非線形結晶１内の和周波数により極短パルス（最大２０ｐｓのピコ秒領域、またはフェムト秒領域内の）を生成するために必要かつ十分な条件は、極短パルス３１と別の極短パルス３２とが任意の時間的相関係で非線形結晶１内において時間的に重畳されることである。好適には、２つの源１１、１２は、同じレベルのエネルギーを有し同じパルス持続時間を有する極短パルス３１、３２であって、非線形光学結晶１内で空間的に重畳される極短パルス３１、３２を同じ繰り返し率で発射する。時間的制御は、１マイクロ秒から最大数分におよぶ時間間隔に入る一系列の極短パルスの周波数変換の効率の安定性を保証するのに十分である。時間的同期の制御は光学的位相の制御なしに行われるため、いなかる不安定性も、同じく周波数変換された同じパルス列内の１つの極短周波数変換パルスからそれに続く極短パルスまで観測されない。
【００５８】
したがって、これは、第１の周波数変換非線形光学結晶１内の２つの源１１、１２の極短パルス３１、３２間の時間的同期を極短パルスの期間よりも良好な時間的精度で保証する場合である。この時間的同期は、図３〜図５に関連して詳述されるように電子的または光学的に与えられ得る。
【００５９】
第１の源１１、第２の源１２および第１の非線形周波数変換結晶１は、極短パルス３１、３２の同期の影響を受けて、源１１、１２によりそれぞれ生成された極短源パルス３１、３２のそれぞれの光周波数の和に等しい光周波数を有する極短パルス１３１を生成できるようにする。
【００６０】
図２のシステムはまた、第３の源１３と第２の周波数変換非線形結晶２とを含む。第３の源１３は、第１の源１１および第２の源１２からそれぞれ空間的に分離される。第１の源１１、第２の源１２、および第３の源１３は互いにコヒーレントではない。第３の源１３は波長λ３の極短パルス３３を発射する。第２の周波数変換非線形光学結晶２は、第３の源１３からの極短パルス３３と第１の非線形光学結晶１内で和周波数により生成された極短パルス１３１とを受信するように第１の非線形光学結晶１の下流の光路上に配置される。この目的を達成するために、光学系（図示せず）が第３の源１３と第１および第２の非線形光学結晶１、２との間に配置される。
【００６１】
第３の源１３から発する極短パルス３３と第１の非線形光学結晶１内で和周波数により生成された極短パルス１３１とが第２の非線形光学結晶２内で空間的および時間的に重畳される条件下で、その光周波数が３つの源１１、１２および１３の光周波数の和に等しい新しい極短パルス１３２の生成が観測される。
【００６２】
ここでは、非線形光学結晶１、２内でそれぞれ組み合わせられる２つの極短パルス３１、３２および１３１、３３のそれぞれの期間は、ピコ秒領域内またはフェムト秒領域内であっても同一であると仮定する。
【００６３】
第２の周波数変換非線形光学結晶２内の極短パルス３３および１３１の同期は、これらのパルスの期間よりも良好な時間的精度で保証されなければならない。この同期は、図３〜図５に関連して詳述されるように電子的または光学的に活性な方法で実現され得る。
【００６４】
このように構成された極短パルスを有するＵＶ可視レーザシステムは、１パルス当たりで強い平均パワーおよび／または強いエネルギーを有する紫外線範囲内の極短パルスを生成するために、連続的に配置された非線形結晶において連続周波数を加算することにより様々な源からの極短パルスをペアで変換するために、互いに時間的に同期された複数の赤外線レーザ源１１、１２、１３からの極短レーザパルスを組み合わせ得るようにする。
【００６５】
例えば、３つの源１１、１２、１３が同じ波長の極短パルス３１、３２、３３を発射すれば、レーザシステムは３倍光周波数（すなわち、換言すれば源１１、１２、１３の波長の３分の１に等しい波長）の極短パルスを生成できるようにする。
【００６６】
複数の源１１、１２、１３または複数の増幅チャネル内の初期赤外線パワーの分布が、所与技術の制限において、紫外線領域内のパワーおよび／またはエネルギーの到達可能性能に近づけるようにする。周波数変換により得られる極短パルス１３２は、源パルス３１、３２、３３のエネルギーまたはパワーの和に従ってそれぞれ増加するエネルギーおよびパワーを有する。極短パルス１３２のエネルギーおよびパワーのそれぞれは、源パルス３１、３２、３３のうちの１つのエネルギーおよびパワーのそれぞれにより制限されないが、様々な源１１、１２、１３のエネルギーおよびパワー限界値の和により制限される。
【００６７】
図２に関連して開示されたこの原理は、基本放射から任意の高調波度まで拡張され得、高調波度は、組み合わせられ得る最大レーザ源の数に対応する。したがって、周波数２倍に関しては２つの別個のレーザ源が、３倍に関しては３つのレーザ源が、４倍に関しては２〜４つのレーザ源が利用可能になる。
【００６８】
補足的源の組み合わせは、必ずしも非線形光学結晶を追加する必要なく独立電源モジュールと同期とを追加することにより実現され得る。複数の源を組み合わせるレーザシステムは、本システムにより供給される周波数変換極短パルスのエネルギーおよび／またはパワー安定性を保証できるようにする。
【００６９】
図２に示す構成は、特に極短パルス源１１、１２、１３（特にモードロックレーザ源により注入される場合）に適応化される。
【００７０】
１つのパルスから次のパルスへの最良の変換効率および／または最良のパワー安定性を得るために、周波数変換非線形光学結晶内のパルスの時間同期は、図３〜図６に関連して詳述される様々な能動的同期戦略に従って対象パルスの期間に関して制御および最適化される。
【００７１】
図３は、能動的光学同期を有する第１の実施形態によるマルチビーム周波数変換レーザシステムを概略的に描写する。
【００７２】
第１の実施形態は、発振器１０と呼ばれる共通注入タイプレーザ源（ｃｏｍｍｏｎ  ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ  ｌａｓｅｒ  ｓｏｕｒｃｅ）の使用に基づく。発振器１０は極短親パルス２０を発射する。極短親パルス２０は、光学増幅器２１、２２、２３とも呼ばれる複数の増幅モジュール間で空間的に分散される。発振器１０と増幅器２１とは極短パルス３１の第１の源２１１を形成する。発振器１０と増幅器２２とは極短パルス３２の第２の源２１２を形成する。極短パルスの３つの源２１１、２１２、２１３は、このようにして空間的に分離される。発振器１０と増幅器２３とは極短パルス３３の第３の源２１３を形成する。図３のシステムは、第１の変換非線形光学結晶１と第２の変換非線形光学結晶２とを含む。
【００７３】
２つの光学増幅器２１、２２と第１の変換非線形光学結晶１とについて最初に考察する。光増幅器２１は極短パルス２０を受信し、極短増幅パルス３１を生成する。同様に、光増幅器２２は極短パルス２０を受信し、増幅極短パルス３２を生成する。増幅極短パルス３１、３２は、同じ光周波数または同じ波長λ１と、通常発振器１０の親パルス２０と同じ持続時間とを有する。図２に示さない（例えばミラーを有する）光学系が増幅極短パルス３１、３２を第１の変換非線形光学結晶１へ向ける。しかし、各増幅器２１、２２内の増幅極短パルス３１、３２のそれぞれは、１つの光増幅器２１から他の光増幅器２２へ異なり得る時間遅延を経験する。この時間遅延は、通常、数ピコ秒である。これは１つのパルスから次のパルスまで一定であるが、数分間にわたってゆっくり変化する。この時間遅延は特に、光学増幅器２１、２２によりそれぞれ関連付けられた光学チャンネル間の光路の長さの差から生じる。この時間遅延は、増幅技術（特に増幅時間と通過する材料）とこの増幅中のパルスの伝播距離に影響を与える温度変動とに依存する。
【００７４】
図３におけるマルチビーム周波数変換レーザシステムは、例えば光増幅器２１の出力および／または光増幅器２２の出力においてそれぞれ少なくとも１つのチャネル上に少なくとも１つの光遅延線４１、４２をそれぞれ配置するための措置を講じる。例えば、相互相関器により時間遅延を最小限にするために最小限にすることが望まれる誤り信号が検知される。１つまたは複数の光遅延線４１、４２は、光増幅器２１から発する増幅極短パルス３１と光増幅器２２から発する増幅極短パルス３２との間の時間遅延を補償できるようにする。したがって、相互相関器により生成される信号を使用することにより、増幅極短パルス３１、３２は変換非線形光学結晶１内で時間的に同期される。変換非線形光学結晶１の出力では、周波数が２倍になった極短パルス１３１が得られる。
【００７５】
次に、別の光増幅器２３と別の変換非線形光学結晶２とについて考察する。有利には、他の光増幅器２３も発振器１０から来る極短親パルス２０を受信する。光増幅器２３は極短親パルス２０を増幅し、増幅極短パルス３１、３２と同じ波長λ１を有する増幅極短パルス３３を生成する。
【００７６】
図３に示さない光学系が増幅極短パルス３３と周波数変換極短パルス１３１とを他の変換非線形光学結晶２へ向ける。
【００７７】
しかし、増幅極短パルス３３は、通常、第１の非線形光学結晶１から来る周波数変換極短パルス１３１に対して時間遅延を有する。この時間遅延は、通常、数ピコ秒であるが、１つのパルスから次のパルスまで一定であり、数分間にわたってゆっくり変化する。マルチビーム変換装置は、別の光遅延線４３を例えばこの光増幅器２３の出力における光増幅器２３のチャネル上に配置するための措置を講じる。光遅延線４３は、光増幅器２３から発する増幅極短パルス３３と第１の非線形光学結晶１から発する周波数変換極短パルス１３１との間の時間遅延を補償できるようにする。したがって、増幅極短パルス３３と周波数変換極短パルス１３１とは、変換非線形光学結晶２内で時間的に同期される。変換非線形光学結晶２の出力では、発振器１０の周波数に対して周波数が３倍の極短パルス１３２が得られる。
【００７８】
変換非線形光学結晶１、２内でパルスを組み合わせるためのいくつかの方法が採用され得る。特に、偏光多重化と角度多重化とについてここでは考察する。偏光多重化は、結晶内の各入射パルスが他方に対して直交する偏光を有するように２つのパルスを配置することから構成される。ここで相互作用のタイプは変換結晶内のタイプＩＩである。角度多重化は、２つのパルスがこの同じ変換結晶内で空間的に重畳されるという条件で、２つの入射パルスを結晶内で異なる入射角を形成するように配置することから構成される。角度多重化の場合、２つのパルスは同じ偏光（タイプＩ相互作用）を有してもよく、または直交偏光（タイプＩＩ相互作用）を有してもよい。
【００７９】
第１の変換非線形光学結晶１は、例えばタイプＩＩのベータ硼酸バリウム（またはＢＢＯ）結晶であり、第２の変換非線形光学結晶２も例えばタイプＩＩのＢＢＯ結晶である。有利には、非線形光学結晶は法線入射で配向され、結晶の切削角が結晶内で伝播する３つの波間の位相整合を実現できるようにする。パルスのエネルギーレベルに従って、準位相整合結晶（周期的分極反転ニオブ酸リチウム（ｐｅｒｉｏｄｉｃａｌｌｙ  ｐｏｌｅｄ  ｌｉｔｈｉｕｍ  ｎｉｏｂａｔｅ）またはＰＰＬＮなど）が共線形（ｃｏｌｉｎｅａｒ）構成内の低エネルギー（ｎＪ）のために好ましいことがあり得、一方、三硼酸リチウム（ＬＢＯ）は共線形タイプＩＩまたは非共線形タイプＩにおける高エネルギー（ｍＪ）という点で好ましいことがあり得る。
【００８０】
一例として、従来技術のフェムト秒イッテルビウムドープファイバを有するレーザ源１１について考察する。このような源１１は、通常、１０３０ｎｍの中心波長λ１と１ＭＨｚの速度で４００ｆｓのパルス持続時間とを有する１パルス当たり２０μＪエネルギーのパルス３１を発射する。このような源１１は、アクティブファイバ内で既に事前伸長されたパルスの増幅中に累積する光学的非線形性によりエネルギーが制限される。紫外線領域内の３４３ｎｍの波長と１ＭＨｚとにおいてエネルギー１８μＪのパルスを有するために、従来の手法は、増幅前に３倍広いパルスの伸張を必要とするか、または３倍大きい実効面積を有するファイバ設計を必要とする１ＭＨｚで少なくとも６０μＪを発射する源を開発することから構成されるであろう。いずれの場合も、この同じアクティブファイバ内の３倍大きい熱堆積を管理することも必要である。
【００８１】
逆に、図３に示す実施形態によると、例えば３つの増幅器２１、２２、２３が使用され、それぞれが同じフェムト秒発振器１０により注入される２０μＪのエネルギーを有するパルスを発射する。増幅パルス３１、３２、３３の同期は、例えば、非線形結晶１、２内で和周波数により連続的に組み合わせられる３つのパルス間の時間遅延を能動的に調整できるようにする差動光学的相互相関装置により制御される。
【００８２】
この第１の実施形態は、光ファイバ増幅器２１、２２、２３のそれぞれにおける熱堆積限度を越えることなく紫外線領域内の高エネルギーパルスを得られるようにする。
【００８３】
第２の実施形態は、パルス持続時間未満の時間的精度で互いに電子的に同期される複数の別個のレーザ源を使用する。
【００８４】
図４は、電子的同期を有する第２の実施形態によるマルチビーム周波数変換光学系を概略的に描写する。
【００８５】
２つのレーザ源１１、１２と変換非線形光学結晶１とについて最初に考察する。レーザ源１１は極短レーザパルス３１を発射する。レーザ源１２は極短レーザパルス３２を発射する。レーザ源１１、１２は空間的に分離される。この場合、レーザ源１１、１２は互いにコヒーレントではない。従来の電子的同期システム５０は、一方では電子的接続５１によりレーザ源１１へ、他方では電子的接続５２によりレーザ源１２へ接続される。レーザ源１１とレーザ源１２との発射間の電子的遅延は、従来のＲＦ技術により電子信号上で位相検出器により測定される。したがって、電子的同期システム５０は極短レーザパルス３１と極短レーザパルス３２とを時間的に同期できるようにする。
【００８６】
光学系（図示せず）が極短レーザパルス３１、３２を変換非線形光学結晶１へ向ける。
【００８７】
補足的に、図４に示すように、マルチビーム変換システムはまた、例えばレーザ源１１の出力および／またはレーザ源１２の出力のそれぞれにおける少なくとも１つのチャネル上に少なくとも１つの光遅延線４１および／または４２のそれぞれを含む。極短レーザパルス３１と極短レーザパルス３２との間の相対時間遅延は、例えば相互相関により測定される。１つまたは複数の遅延線４１、４２は、レーザ源１１から発する極短レーザパルス３１とレーザ源１２から発する極短レーザパルス３２との間の相対時間遅延を補償できるようにする。ここでは、異なる源１１、１２が同じ持続時間の極短パルスを同じ繰り返し率で生成すると仮定する。上に示すように、極短パルス領域内では、２つの源から来る極短パルス３１、３２間の時間遅延は、通常、約１ｐｓであるが、この遅延は１つのパルスから次のパルスまで一定であり、数分間にわたって極短パルスの期間だけゆっくり変化する。
【００８８】
電子的時間的同期システムのために、および任意選択的に遅延線４１、４２のために、極短レーザパルス３１、３２は変換非線形光学結晶１内で時間的に同期される。非線形光学結晶１の出力において２倍周波数極短パルス１３１が得られる。それに続くパルス３１、３２も同期される。
【００８９】
次に別のレーザ源１３と別の変換非線形光学結晶２とについて考察する。
【００９０】
他のレーザ源１３は別の極短レーザパルス３３を発射する。
【００９１】
光学系（図４に示さず）が極短レーザパルス３３と周波数変換極短パルス３１とを他の非線形光学結晶２へ向ける。
【００９２】
しかし、極短レーザパルス３３は、通常、変換非線形光学結晶１から来る周波数変換極短パルス１３１に対して時間遅延を有する。
【００９３】
有利には、電子的同期システム５０は、変換非線形光学結晶２内で極短レーザパルス３３と周波数変換極短パルス１３１とを同期できるようにする電子的接続５３によりレーザ源１３１へ接続される。
【００９４】
補足的に、光遅延線４３は、変換非線形結晶２内における極短レーザパルス３３と周波数変換極短パルス１３１との同期を精緻化するために、レーザ源１３と変換非線形光学結晶２との間に配置される。
【００９５】
変換非線形結晶２は、極短レーザパルス３３と、周波数変換極短パルス１３１から周波数変換により極短パルス１３２とを生成する。極短パルス１３２は、レーザパルス３３の光周波数と変換パルス１３１の光周波数との和に等しい光周波数を有する。極短パルス１３２は、極短レーザパルス３１、３２または３３と同じ持続時間および同じ空間的プロファイルを有し、非線形結晶１および／または２の通常変換効率（２次高調波生成（ＳＨＧ）に対して５０％〜７０％、３次高調波生成（ＴＨＧ）に対して２０％〜３０％、４次高調波生成（ＦＨＧ）に対して１５％〜２５％）に依存するエネルギーを有する。
【００９６】
図５は、本発明の第３の実施形態を概略的に示す。
【００９７】
同じ参照符号は図４と同じ要素を示す。
【００９８】
レーザシステムは、フェムト秒発振器と、それに続く同発振器により供給されるパルスを時間的に伸長する伸張器とを含む装置８０を含む。第１の増幅系８１は、第１の光増幅器とそれに続く増幅パルスを再圧縮する第１の圧縮器とを含む。同様に、第２の増幅系８２は、第２の光増幅器と、それに続く増幅パルスを再圧縮する第２の圧縮器とを含み、第３の増幅系８３は、第３の光増幅器と、それに続く増幅パルスを再圧縮する第３の圧縮器とを含む。有利には、各圧縮器は、パルス伝播時間を修正できるようにする並進板（ｔｒａｎｓｌａｔｉｏｎ  ｐｌａｔｅ）を含む。したがって、増幅系８１、８２、８３のそれぞれの各圧縮器は光遅延線機能だけでなく、伸長されたパルスを再圧縮する機能も含む。したがって、これらの圧縮器は様々な増幅パルス３１、３２、３３間の同期を調整できるようにする。
【００９９】
増幅系８１は、装置８０により極短パルス３１の第１の源３１１を形成する。同様に、増幅装置８２は、装置８０により極短パルス３２の第２の源３１２を形成する。最後に、増幅装置８３は、装置８０により極短パルス３３の第３の源３１３を形成する。
【０１００】
この第３の実施形態の変形形態では、光学的同期手段と電子的同期手段とは同じレーザシステム内で組み合わせられる。この組み合わせは、各技術に特有の同期動力学から恩恵を受け、したがってフィードバックループを逆相関できるようにする。
【０１０１】
図５のレーザシステムはまた、極短パルス３１と極短パルス３２との間の時間遅延を測定するために、第１の増幅装置８１の出力と第２の増幅装置８２の出力との間に配置された差動相互相関器６１を含む。図５のレーザシステムはまた、周波数変換極短パルス１３１と第３の増幅装置８３から発する極短パルス３３との間の時間遅延を測定するために、第１の変換非線形光学結晶１の出力と第３の増幅装置８３の出力との間に配置された別の差動相互相関器６２を含む。
【０１０２】
図６は、２つの極短レーザパルス間の光学的遅延を測定する差動相互相関器装置を概略的に示す。
【０１０３】
差動相互相関器は、直列の２つの非線形結晶を有する装置に、または時間同期される２つのパルスを通過させることが求められるダブルパス（ｄｏｕｂｌｅ  ｐａｓｓ）で使用される非線形光学結晶を含む装置に基づく。
【０１０４】
図６に示す例では、同期させるべき２つの極短パルス３１、３２は交差偏光を有し、第１のダイクロイックミラー７１を通過する。各極短パルス３１、３２の一部は、時間的に互いに重なり、和周波数非線形光学結晶７２内で和周波数により変換され、この周波数変換パルスの全エネルギーは第２のダイクロイックミラー７４を通して検出器７５上で測定される。第２のダイクロイックミラー７４上の基本波の反射により、各パルスは複屈折板７３を通る二重通路（ｄｏｕｂｌｅ  ｐａｓｓａｇｅ）のために全く異なる遅延を２回経験する。２つのパルスの重なり合う領域はもはや同じではなく、変換エネルギーは第１のダイクロイックミラー７１上の反射により第２の検知器７６上で測定される。検出器７５、７６により測定される２つの信号間の差７７は、２つのパルス３１、３２間の遅延の指標と遅延の方向の指標とを提供する。したがって、この誤り信号７７は、例えば、増幅装置８１、８２の２つの圧縮器のうちの１つの上の光遅延線へフィードバックループで直接送信され得る。
【０１０５】
代替的におよび／または補足的に、本発明のシステムは、周波数変換器非線形光学結晶内の様々な源から発する極短パルス間の時間同期を安定するようにされた受動同期手段を含む。これらの受動同期手段は、例えば、同じ非線形光学結晶に入射する極短パルス間の光学的遅延変動を低減するように振動を機械的に安定化させるための装置を含む。受動同期手段はまた、極短パルス間の熱的誘起光学的遅延変動を低減するための熱安定化手段を含み得、例えば、極短パルスの光路上のミラーの支持体は、熱ドリフトを制限するように好適にはインバールで作られる。
【０１０６】
本発明は、ここで説明した実施形態に決して限定されない。
【０１０７】
本発明は、４つの源の光周波数の４次高調波に等しい光周波数を有する極短パルスを形成するために、特に同じ光周波数を有する極短パルスの４つの源と３つの非線形光学結晶とを有する実施形態に適用される。
【０１０８】
この実施形態は、赤外線領域内で発射する源から、１つのパルスから別のパルスまで安定している変換効率を有する高パワーおよび／または高エネルギーのＵＶ領域の極短パルスを生成できるようにする。
【０１０９】
同様に、本発明は、５つの源の光周波数の５次高調波に等しい光周波数を有する極短パルスを形成するために、同じ光周波数の極短パルスの５つの源と４つの非線形光学結晶とを有する実施形態に適用される。
【０１１０】
本発明の第１の産業応用は、それぞれのエネルギーが制限された光ファイバレーザを使用するＵＶ領域内の高エネルギーを有する極短パルスのレーザ源の実施形態に関する。このようなシステムは、一連のパルス内の１つのパルスから次のパルスへの大きいエネルギー安定性を有するＵＶ領域内の高エネルギー極短パルスを送出する利点を提供する。
【０１１１】
本発明の別の産業応用は、それぞれのパワーが制限された結晶固体レーザを使用するＵＶ領域内の高パワーの極短パルスのレーザ源の実施形態に関する。このようなシステムは、一連のパルス内の１つのパルスから次のパルスへの大きいパワー安定性を有するＵＶ領域内の高パワー極短パルスを送出する利点を提供する。
【０１１２】
時間同期の調整は、干渉計システムを調整するよりも容易かつ頑強である。
【０１１３】
本発明のシステムは、モジュラ型でありかつ比較的安価であるという利点を有する。極短パルス出力のパワーまたはエネルギーを適合化するために１つの源モジュールを追加するか、または別の源モジュールで置換することは容易である。本システムはまた、本システムの残り部分とは独立にモジュールの置換によりメンテナンスを容易にするという利点を提供する。
【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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【国際調査報告】
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