(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
超短パルスを発生する超短パルス源と、
該超短パルスを受けて伸張し、周波数変換し、それにより伸張されたパルスを発生するチャープされた擬似位相同期格子と、
該伸張されたパルスを受けて増幅し、これにより増幅されたパルスを出力する光学的増幅器と、
増幅されたパルスを受けて圧縮し、それにより圧縮されたパルスを発生する圧縮器と、を有することを特徴とする超短パルス増幅装置。
【請求項２】
前記圧縮器は、分散遅延線である、
請求項１記載の超短パルス増幅装置。
【請求項３】
前記圧縮器は、他のチャープ擬似位相同期格子である、
請求項１記載の超短パルス増幅装置。
【請求項４】
前記超短パルスは、基本波波長のパルスであり、
前記圧縮されたパルスは、超短パルスに関して第四高調波パルスである、
請求項３記載の超短パルス増幅装置。
【請求項５】
前記超短パルスは、基本波波長のパルスであり、
前記伸張されたパルスは、超短パルスに関して第二高調波である、
請求項１記載の超短パルス増幅装置。
【請求項６】
前記チャープされた擬似位相同期格子は、ＫＴＰ等晶系であり周期的にポーリングされる結晶に形成されている、
請求項１記載の超短パルス増幅装置。
【請求項７】
前記チャープされた擬似位相同期格子は、非線形チャープを補償する、
請求項１記載の超短パルス増幅装置。
【請求項８】
超短パルスを発生する超短パルス源と、
該超短パルスを受けて伸張し、伸張されたパルスを発生する伸張器と、
該伸張されたパルスを受けて増幅し、そして増幅されたパルスを発生する光学的増幅器と、
該増幅されたパルスを受けて圧縮し、周波数変換するチャープされた擬似位相同期格子と、
を有することを特徴とする超短パルス増幅装置。
【請求項９】
前記伸張器は、分散遅延線である、
請求項８記載の超短パルス増幅装置。
【請求項１０】
前記伸張器は、他のチャープされた擬似位相同期格子である、
請求項８記載の超短パルス増幅装置。
【請求項１１】
前記超短パルスは、基本波波長のパルスであり、
前記圧縮されたパルスは、該超短パルスに関して第二高調波パルスである、
請求項８記載の超短パルス増幅装置。
【請求項１２】
前記チャープされた擬似位相同期格子は、ＫＴＰ等晶系で周期的に極性のある結晶に形成されている、
請求項８記載の超短パルス増幅装置。
【請求項１３】
前記チャープされた擬似位相同期格子は、非線形チャープ補償を行う、
請求項８記載の超短パルス増幅装置。
【請求項１４】
超短パルスを発生する超短パルス源と、
該超短パルスを受けて伸張し、周波数変換し、それにより周波数変換されたパルスを発生するチャープされた擬似位相同期格子と、
該周波数変換されたパルスを受けてさらに伸張し、それにより伸張されたパルスを発生する伸張器と、
該伸張されたパルスを受けて増幅し、それにより増幅されたパルスを発生する光学的増幅器と、
該増幅されたパルスを受けて圧縮し、それにより圧縮されたパルスを発生する圧縮器と、  を有することを特徴とする超短パルス増幅装置。
【請求項１５】
前記伸張器および前記圧縮器は、それぞれ分散遅延線である、
請求項１４記載の超短パルス増幅装置。
【請求項１６】
前記超短パルスは、基本波波長のパルスであり、
前記周波数変換されたパルスは、超短パルスに関して第二高調波パルスである、請求項１４記載の超短パルス増幅装置。
【請求項１７】
前記チャープされた擬似位相同期格子は、ＫＴＰの等晶系で周期的にポーリングされる結晶に形成されている、
請求項１４記載の超短パルス増幅装置。
【請求項１８】
前記チャープされた擬似位相同期格子は、非線形チャープを補償する、
請求項１４記載の超短パルス増幅装置。
【請求項１９】
チャープされた超短パルスを発生するパルス源と、
該超短パルスを受けて圧縮し、圧縮されたパルスを生成するとともに周波数変換するチャープされた擬似位相同期格子と、
を有することを特徴とする超短パルス圧縮装置。
【請求項２０】
前記チャープされた超短パルスは、基本波波長パルスであり、
前記圧縮されたパルスは、該超短パルスに関して第二高調波パルスである、
請求項１９記載の超短パルス圧縮装置。
【請求項２１】
前記超短パルス源は、モード同期発振器をもつ、
請求項１９記載の超短パルス圧縮装置。
【請求項２２】
前記チャープされた擬似位相同期格子は、非線形チャープを補償する、
請求項１９記載の超短パルス圧縮装置。
【請求項２３】
前記チャープされた擬似位相同期格子は、ＫＴＰの等晶系で周期的にポーリングされる結晶に形成された、
請求項１９記載の超短パルス圧縮装置。
【請求項２４】
超短パルスを発生する超短パルス発生源と、
該超短パルスを受けて、その第二高調波の波長において任意なパルス形状および位相を持つ超短光パルスを発生する非周期的な擬似位相同期格子と、
を有することを特徴とする超短パルス整形装置。
【請求項２５】
前記周期的な擬似位相同期格子を含むさらに多数の非周期的な擬似位相同期格子から成り、
該多数の非周期的な擬似位相同期格子のそれぞれは、種々の断面位置において、結晶の長手方向に沿って形成されている、
請求項２４記載の超短パルス整形装置。
【請求項２６】
少なくとも一つの非周期的な擬似位相同期格子がそれぞれに形成された多数の非線形結晶をさらに有する、
請求項２４記載の超短パルス整形装置。
【請求項２７】
前記非周期的な擬似位相同期格子は、ＫＴＰの等晶系で周期的にポーリングされる結晶に形成されている、
請求項２４記載の超短パルス整形装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超短パルスレーザー・システムにおける分散用構成要素として、（非周期性の）チャープされた擬似位相同期（ＱＰＭ）格子の利用に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
チャープされたパルスの増幅（ＣＰＡ）システムは超高速光学の分野では良く知られている。たとえば、Ｄ．Strickland et al.，Compression of Amplified Chirped Optical Pulses, Opt. Commn. Vol. 56、pp.219 (1985)を参照されたい。増幅器材料または光学素子の損傷を防ぐために、許容できない大きいパルスピーク強度を減少させることが必要なとき、ＣＰＡ技術は増幅する前の超短光パルスを伸張するために用いられる。超短パルスの持続時間はパルス圧縮器を使った増幅器のあとでも保存されなければならない。
【０００３】
パルスの伸張と圧縮は分散を導入することにより実行することが出来る。光パルスの群速度分散（ＧＶＤ）は、パルスを構成する種々のスペクトル要素に対する群速度の違いから生ずる。この分散を生ずる光学的要素は分散遅延線と呼ばれる。種々の分散遅延線は超短光学の分野と関連して、より重要な技術として知られている。種々の分散遅延線は通常、超短パルスの伸張器と圧縮器に使われる。光パルスは、その持続時間が約１０-15〜１０-10秒であるならば、一般的に超短パルスであると考えられている。従来の分散遅延線には、回折（回折格子を基本として）、反射（プリズム、または他の形状物を使って）、干渉（ギレス・トーノイスまたはファブリー・ペローのエタロンを使って）、ブラッグ反射（ファイバー格子、チャープ鏡）ＤＤＬｓなどが含まれる。既に知れれているＣＰＡシステム全ては、伸張と圧縮に従来の分散遅延線を使っており、従来の全てのＤＤＬｓは、入力パルスと同じ波長で、分散された出力パルスを発生する。
【０００４】
回折格子は、多量の伸張と圧縮ができ、広いスペクトルのバンド幅を有している。しかし、回折性のＤＤＬｓは、通常、寸法的に大きく、多くの部品からなり、また、複雑な調整を要する装置を必要とし、光パルスの分散に於いて可成り大きな損失を発生するなどの不利な点がある。さらに、回折性ＤＤＬｓは、ＧＶＤ特性の直線性制御に限界がある。
【０００５】
回折性ＤＤＬｓは低損失という利点があるが、少量の伸張／圧縮しか処理できず、比較的大型になり、分散特性の直線性の制御も限られる。
干渉性ＤＤＬｓは小型で、低損失である。しかし干渉性ＤＤＬｓを実際に使うとなると、小さなバンド幅と少ない分散量のため、使途が限られる。
ブラッグ反射ＤＤＬｓの利点は、ファイバー格子のように小型で、分散量が多く、分散特性を任意に制御できることにある。ファイバー格子の主たる欠点は、このようなＤＤＬｓの反射的配置が原因となる、再圧縮されたパルス・エネルギーの限界と挿入損失である。一方、パルスの乱れに対するエネルギー閾値は高いが、分散量は非常に少ない。
【０００６】
同期しない高次の分散項は、パルス伸張器とパルス圧縮器とが異なった形式のＤＤＬｓであるか、または、伝播パルスの光路にある材料によって誘導される多量の線形ＧＶＤが同タイプのパルス伸張器と圧縮器の間の分散の非同期が原因であるかによって生ずることは、今までの技術が示すところである。例えば、B.E.Lemoff et.al.,Quintic-phase-limited,spatially uniform expansion and recompression of ultrashort optical pulses,Opt. Lett.,Vol.18,pp.1651 (1993)およびS.Kane et al.,Grating Compression of Third-Order Material Dispersion in the Normal Dispersion Regime :Sub-100-fs Chirped-Pulse Amplification Using a Fiber Stretcher and Grating-Pair Compressor,IEEE J.of Quantum Electron. QE-31,pp.2052(1995)を参照されたい。
【０００７】
一般的に、市販の可変超短パルスレーザーや増幅器とパルス整形器にＤＤＬｓを使うためには、現在のＤＤＬｓの簡易性、生産性、原価、損失の量、分散特性の線形性の制御能力などの特性を改善することが必要である。一方では、大きな分散能力、大きなスペクトル・バンド幅、それに高いパルスエネルギーを維持するなどの重要な性質は保存されなければならない。上に述べた従来のＤＤＬｓの性質から解るように、一般的に、従来のＤＤＬｓの性質の間には背反関係がある。それ故、一つの素子で必要とする性質の全てを具備する新しいデバイスが得られれば利用価値は高い。
【０００８】
一般に、チャープされたパルス・モードで動作するモード同期の固体のレーザーは、高いパルス・エネルギーを出すことが出来る。チャープ出力のパルス・エネルギーが増加した固体レーザーの例は、C.Spielman et al. In Experimental study of additive-pulse mode-locking in an ND:glass laser,IEEE J.of Quantum Electron.,Vol. 27、pp.1207(1991)で明らかにされている。
【０００９】
超高速レーザー・システムで、分散遅延線を使った例は、L.E.Nelson et al. In Efficient frequency doubling of a femtosecond fiber laser, Opt. Lett.,Vol.21,pp.1759 (1996)に明らかにされている。ここでは、従来の二重反射性位相同期非線形結晶において圧縮されたパルスの周波数を二倍にする前に、伸張パルスからのチャープされたパルスを圧縮して、モード同期のファイバー・レーザーにパルスを入力するために、反射性プリズムを基礎とする圧縮器が使われている。このようなファイバー・レーザーは、バンド幅が限定されたパルスを直接発生する典型的なモード同期のファイバー・レーザーから得られるエネルギーの、一桁大きいエネルギーを持ったパルスを発生することが出来る。しかし、外部圧縮器が必要なため、レーザー・システムの複雑さと大型化とは避けられない。
【００１０】
超高速システムにおける分散遅延線はパルスの伸張と圧縮に使えるばかりではなく、しばしば化学の分野や光通信分野での種々な応用に必要となる、任意パルスの整形にも使うことが出来る。このような装置の例は、A.Weiner et al. In Programmable femtosecond pulse shaping by use of a multielement liquid-crystal phase modulator, Opt.Lett.,Vol.15,pp.326(1990)に明らかにされている。このような装置では、整形されたパルスは、例えば、一対の格子や一対のプリズムを使って、スペクトル的、空間的に分散される。スペクトラムはパルスの振幅と位相のスペクトル的なフィルターである特殊なマスクを通して伝播する。スペクトル成分は、第二格子、または再整形された光パルスを形成するための一対のプリズムにより、ビームに再収束される。原理的には、スペクトル・マスクを適当に選ぶことにより、任意の必要とする波形を発生することが出来る。この方法の主たる欠点は、比較的大きな寸法の複雑な装置になることである。
【００１１】
擬似位相同期の方法により、周波数変換デバイスの位相同期性の広い技術的な可能性が生まれるが、現在では、殆ど周期格子を使ったもののみに応用されている。例えば、M.Fejer et al.,Quasi-Phase-Matched Second Harmonic Generation :Tuning and Tolerances, IEEE J.of Quantum Electron.QE-28, 2631(1992).を参照されたい。このようは周期的ＱＰＭを使うことにより、波長範囲内での相互作用が許容され、また二重反射の位相同期には利用できない大きな非線形係数の使用が可能となる。非周期的ＱＰＭ格子に関しては、連続波的な第二高調波が発生するときのバンド幅を許容する波長を大きくすることに対する利点について、T.Suhara et al.in Theoretical Analysis of Waveguide Second-Harmonic Generation Phase Matched with Uniform and Chirped Gratings, IEEE J.of Quantum.Electron. QE-26, 1265(1990).で示唆されているが、このような非周期的なＱＰＭ構造の位相応答と超短パルスの周波数変換との重要な関係は知られていないし、実際にも使われていない。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の一般的な目的は、超短パルス・システムの動特性の変数を本質的に改善することである。要望される改善の目標は、超短パルス・システムに用いられている従来の分散遅延線と比較して、装置の小型化、設計の簡素化、低損失、高効率化、広いバンド幅、分散特性の制御性向上などである。
【００１３】
本発明のもう一つの目的は、分散遅延線と高調波発生器との機能を結合することにより一つのデバイスとしたパルス・レーザー光源で、十分な第二高調波を発生させる手段を実現することである。本発明の更なる目的は、非周期性をもったＱＰＭ格子を使って任意に整形された光パルスを発生する手段を実現することである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、超短パルス・システムに分散素子として非周期性の（チャープされた）ＱＰＭ格子を使うことにより、これらの目的を達成できる。本発明の一つの視点に立てば、チャープされたＱＰＭ格子は伸張器・圧縮器として、または伸張器あるいは圧縮器としてチャープされたパルスの増幅装置に使われる。この方法で、チャープされたＱＰＭ格子がＣＰＡシステムに使われると、部品が本質的に少なくなり、システムの大きさが減少し、システムの強度が増加する。この改善により、従来の分散遅延線を基にしたＣＰＡシステムに比較して、累積的に、原価の低減、デバイスの信頼性の向上、製造工程も簡略化などが達成できる。更に、ＣＰＡシステムにチャープＱＰＭ格子を使うことの利点は、一次と高次のＧＶＤ項を補正するためのＱＰＭ格子の分散特性を、任意に調整できることである。
【００１５】
本発明の他の視点は、チャープＱＰＭ格子がモード同期発振器のような超短パルス発生器から直接発生した光パルスの圧縮と、周波数の２倍伸張を同時に行うことに使われることにある。このような方法でチャープＱＰＭ格子を使うことにより、バルクの装置を使う必要が無くなり、パルス圧縮および周波数変換の効率が上がる。
【００１６】
本発明の他の視点は、非周期的ＱＰＭ格子が第二高調波の波長の超短光パルスを任意に整形するために用いることが出来ることである。パルス整形にチャープＱＰＭ格子を利用することは、小型で単一体に設計できる利点がある。
【００１７】
【発明の実施の形態】
非周期的ＱＰＭ格子における第二高調波（ＳＨＧ）の発生効果は、数学的に記述することが出来る。空ではないポンプに対しての平面波近似と、内部パルスの群速度分散（ＧＶＤ）が無視できると言う条件で、発生するＳＨパルスは、次の数１に示すように、周波数領域において単純な伝達関数関係で記述できる。
【００１８】
【数１】
Ａ2（Ω）＝Ｄ（Ω）・Ａ12（Ω）
ここで、Ω＝ω−ω0 はパルスのスペクトル中心から角周波数の偏移、Ａ2 （Ω）は第二高調波パルスのフーリエ変換、Ａ12（Ω）は基本パルスの二乗のフーリエ変換、Ｄ（Ω）は連続波ＳＨＧの変調曲線に関係するＱＰＭ格子の移相関数である。この関係で、基本パルスの二乗のフーリエ変換によって、第二高調波変換そのものによるパルスの形状と位相変化を記述できる。ＱＰＭ格子の性質による振幅と位相の変化は、ＱＰＭ格子の伝達関数によって記述できる。線形のチャープＱＰＭ格子に対してこの伝達関数は本質的に、Ｄ（Ω）∝ｅｘｐ（ｉΩ2δ2／４Ｄg2）の形式を持っている。このことは、このようなチャープＱＰＭ材料が発生した第二高調波信号の位相上で動作し、結果的に基本パルスに関係するの群速度分散（ＧＶＤ）と等しくなることを示す。ここで、δ＝１／Ｖg1−１／Ｖg2は、基本波と第二高調波間の群速度（ＧＶＤ）に対するパラメーターである（Ｖg1およびＶg2は、それぞれ基本波および第二高調波の波長）。Ｄg2はＱＰＭ格子のチャープ率を決定し、線形チャープに対しては、次の数２によりＱＰＭ周期Λ（ｚ）の変化と関係する。
【００１９】
【数２】
Ｄg2＝−｛π／Λ2（ｚ0）｝｛ｄΛ（ｚ）／ｄｚ｝｜z=z0
ここで、Ｚ0 はＱＰＭ格子の中心における縦座標である。ＱＰＭ格子それ自身は、基本波あるいは第二高調波のいずれかの実数ＧＶＤを直接には発生しない。効果的なＧＶＤが現れるのは、第二高調波の発生過程を通じてである。この効果的分散は二つの現象の相互作用、すなわち非線形材料には本質的な、基本波と第二高調波との間の群速度の不一致、そして特定な周波数の第二高調波の空間的局在、および非周期的ＱＰＭ格子の性質などの結果である。非周期性のＱＰＭ格子のこの特性については、それが擬似分散であると考えることが出来る。
【００２０】
線形チャープ格子の実験的に測定された分散特性は、図１に示されている。この図では、測定された第二高調波パルス出力（黒丸）の自己相関軌跡の持続時間と、入力基本波パルス（白丸）とが、従来型分散遅延線（回折格子伸張器）に基本パルスが入力することによって誘起される外部分散の関数として示されている。第二高調波パルスと基本波パルスに対する最小の持続時間の位置の移行はＱＰＭ格子の効果的なＧＶＤが原因である。７８０ｎｍの測定された実質的な分散は０.１４６ｐｓ２（１５６０ｎｍで０.２９３ｐｓ２）である。線形チャープＱＰＭ格子には、ＱＰＭ周期が試料に沿って１８.２から１９.８μｍまで変化した５ｃｍの長さの周期的にポーリングされるリチウムナイオベート（ＰＰＬＮ）結晶に使われている。チャープＰＰＬＮ結晶は、第二高調波の波長（基本波に対して約０.３２３ｐｓ2 ）において、約０.１６１ｐｓ2 の実質的分散を示すはずである。この二つの値は実験値に近い値である。第二高調波パルスは、最初、伸張基本波パルスの１５ｐｓであったものが、約１５０倍圧に縮されて１００ｆｓとなる。
【００２１】
本発明の一つの視点に立てば、チャープＱＰＭ格子は、パルスの伸張および圧縮、または伸張か或いは圧縮の素子として超短チャープパルス増幅装置に用いられる。
【００２２】
【実施例】
以下、本発明の超短パルス増幅装置および超短パルス整形装置の実施例を図面を参照して示し、具体的に説明する。
［実施例１］
図２は、本発明の実施例１にしたがったＣＰＡシステムを示したものである。図２に示すように、超短パルス・レーザー１０は、パルス伸張器として作動する擬似分散非周期性ＱＰＭ格子によって受けられる超短光パルスを発生する。チャープＱＰＭ格子１２によって伸張された光パルスは光増幅器１４で増幅され、それから従来の分散遅延線（ＤＤＬ）圧縮器１６で再圧縮される。チャープＱＰＭ格子１２は、上に述べたＰＰＬＮ結晶のような、ＫＴＰと等晶系の周期的極性の結晶に組み付けることが出来る。
【００２３】
［実施例２］
図３は本発明の実施例２であるＣＰＡシステムを示す。図３に示すように超短パルスレーザーは、従来のＤＤＬ伸張器２２で受けられ、伸張される超短光パルスを発生する。伸張された光パルスは、その後に光増幅器２４で増幅される。擬似分散非周期性ＱＰＭ格子２６はパルス圧縮器として動作し、増幅されたパルスを再圧縮する。チャープされたＱＰＭ格子１２（図２）と２６（図３）によって発生した第二高調波パルスは基本波の入力パルスとは異なった周波数を持っているので、図２および図３に示されているシステムは、周波数変換が許容されるか、或いは必要なときにのみ役に立つ。図２に示すＣＰＡシステムは、増幅器１４から得られるスペクトラムより長い波長で動作するパルス源１０を必要とする。すなわち、λpulse をパルス源の中心波長、λgainを増幅器出力の中心波長とすると、λpulse＝2・λgainである。図２に示すシステムに適する増幅器の例は、ファイバー発振器を挿置されたＴｉ：サファイアーまたはアレキサンドライトの再生増幅器または多重経路増幅器を抱合する。Ｅｒをドープしたモード同期ファイバー発振器は、波長が約１５５０ｎｍのフェムト秒パルスと、上の固体利得媒質のバンド幅内にある約７７７ｎｍの波長を持つ第二高調波を発生する。パルス源２０と増幅器２４との利得幅が重畳しなければならないときには、図３に示される構成を用いることが出来る。しかし、チャープＱＰＭ格子２６の働きのため、出力パルスは増幅された基本信号の二倍の周波数になる。
【００２４】
付加的な周波数変換をする従来のＣＰＡ構成と比較するとき、実施例１および実施例２は、全体に効率が上がっていることを示している。この効率増加によって、従来のパルス伸張器あるいは圧縮器の典型的な損失を除くことが出来る。基本出力をより良く活用することにより、二重素子における高次高調波の変換効率を上げることが出来る。この効率の増加は図３に示された実施例２に対して特に重要である。何故なら、圧縮段における損失が最終的で、増幅利得により補償されないからである。
【００２５】
［実施例３］
図４は本発明の実施例３によるＣＰＡシステムにおけるチャープＱＰＭ素子の他の装置を示したものである。図４に示すように、超短パルス・レーザー３０は超短光パルスを発生する。そして、それはパルス伸張器として動作する擬似位相分散非周期性ＱＰＭ格子３２によって受けられる。チャープＱＰＭ格子３２によって伸張された光パルスは光増幅器３４で増幅される。擬似位相分散非周期性ＱＰＭ格子３６はパルス圧縮器として動作し、増幅されたパルスを再圧縮する。かくして、パルスの伸張と圧縮とがチャープＱＰＭ格子で達成される。実施例３に従うシステムおいて、増幅され、再圧縮された出力は、発振器３０から得られる入力パルスの波長の第四高調波の波長に相当する。
【００２６】
チャープＱＰＭ格子を基礎としたこれらのＣＰＡ装置の利点は、次の通りである。すなわち、部品の数が本質的に減少する、システムの大きさが小さくなり強固になる、などである。このような改善を積み重ねることにより、従来の分散遅延線を基本とするＣＰＡシステムと比較して、可成り製造工程が簡略になり、原価の低減とこのデバイスの信頼性向上とが達成できる。
【００２７】
伸張パルスの持続時間により、ＣＰＡシステムで得られうる最大エネルギーが決まる。チャープＱＰＭ格子に対して、伸張パルスの持続時間ΔＴは格子の長さＬと、基本波と第二高調波パルスの間の群速度のウォークオフδによって決定される。ここで、ΔＴ＝Ｌδである。たとえば、周期的にポーリングされるリチウム・ナイオベート（ＰＰＬＮ）においては、１５６０ｎｍの基本波長に対してδ＝３００ｆｓ／ｍｍである。それ故、１００ｐｓとそれ以上の長さのΔＴを達成するには、数十ｃｍのチャープＰＰＬＮが必要である。それ故、ＰＰＬＮウエファーの大きさの技術的限界を超えるためには、数個のチャープＱＰＭ格子を直列にしなければならない。
【００２８】
［実施例４］
図５は本発明の実施例４に従ったＣＰＡシステムにチャープされたＱＰＭ格子を用いた装置を示したものである。図５に示したように、超短パルスレーザー源４０は、２倍周波数で、非周期性ＱＰＭ格子４８で部分的に伸張され、それからＤＤＬ伸張器４２で受けられて更に伸張される超短光パルスを発生する。パルス伸張器４２は従来の遅延分散線を構成し、伸張されたパルスの持続時間を長くする。以前の技術として知られているこのような伸張器は、ファイバーの長さ或いは回折格子伸張器を抱合している。
【００２９】
伸張された光パルスは、光パルス増幅器４４で増幅される。その増幅器は、例えば、多重経路、多段或いは再生増幅器である。増幅されたパルスは分散遅延線（ＤＤＬ）圧縮器４４によって再圧縮される。パルス圧縮器４６は、パルスエネルギーの限界を避けるために、回折格子のアレイでることが望ましい。この実施例の利点は、高次のみならず一次のＧＶＤ項を補正するため、ＱＰＭ格子の分散特性を好みの特性にする能力を利用できることである。上に説明したように、パルス伸張器と圧縮器とが異なった形式のものが使われるか、または伝播パルスの光学的経路における材料によって導入される多量の線形ＧＶＤが、同形式のパルス伸張器と圧縮器の間の分散の非同期の原因であるかのいずれかである場合に、非同期の高次分散項が現れる。また、光学材料中のピーク強度が非常に大きいときに発生する非線形光学効果のために、線形および非線形のＧＶＤ項とも補償する必要性が生ずる。非線形チャープを補正する同様な機能は、パルス圧縮器の後に非線形チャープ格子を置くことによっても実現できる。したがって、ＱＰＭ格子４８のチャープ・プロファイルは、必要とする非線形分散特性を実現するため要求通り作られなければならない。ビームの伝播方向に沿うＱＰＭ周期率の変化が、ＱＰＭ結晶を横断する位置の関数であるようにＱＰＭ格子を設計することは有利である。このことは、ＧＶＤにより誘起される基本波パルスのチャープに厳密に同期するために、光ビームに関して結晶を移動することにより、ＱＰＭ格子の分散を効果的にするための調整ができることを意味する。
【００３０】
［実施例５］
本発明の実施例５によれば、チャープＱＰＭ格子はモード同期発振器から直接出力される光パルスの、圧縮と二倍周波数への伸張（チャープした）とを同時に行うために使うことが出来る。
図６に示すように、モード同期発振器のような超短パルス発振器５０は、キャビティーにおける分散成分を適当に結合することにより、伸張された広いバンド幅の光パルスを発生するように設定できる。この方法でモード同期のレーザー５０を動作させることは有利である。何故なら、それはキャビティー内のより低いピーク強度の故に現れる高パルス・エネルギーでも許されるからである。上に説明したように、従来の伸張されたパルスを発生するレーザーの一つの欠点は、それらがバンド幅が限定された持続時間まで出力パルスを圧縮するために、付加的な外部分散補償を必要とすることである。通常、これは回折格子あるいは反射プリズム圧縮器を使って実現できる。パルスの圧縮にファイバーを使うことは、高いピーク強度でファイバー内で起こる非線形パルスの乱れのために限定される。
【００３１】
図６に示されるチャープＱＰＭ格子を使うことは、レーザーキャビティーの外部のバルク配列を省略し、パルスの圧縮と周波数変換の全体的な効率を本質的に上げるための解決法である。これはさらに、伸張パルスが動作するとき、キャビティーにおける非線形ＧＶＤと光学的非線形効果のため、モード同期の発振器出力中で発生するなんらかの非線形チャープ成分を補償できる可能性がある。非周期性ＱＰＭ格子は第二高調波出力が受容できるか、または必要とされるときにのみ役に立つ。
【００３２】
［実施例６］
図７に示す本発明の実施例６によれば、非周期性格子６０は第二高調波における任意形状の超短光パルスに用いられている。基本入力パルスの形状Ａ1 （ｔ）が与えられたとき、必要となる、パルス形状がＡ2 （ｔ）である第二高調波を出力する条件は、前述の数１を使って数学的に周波数空間で決定できる。ここでＡ12（Ω）＝Ｆ｛Ａ2 （ｔ）｝とＡ2（Ω）＝Ｆ｛Ａ12（ｔ）｝とは、それぞれ出力パルスの瞬時振幅形状と入力矩形波パルスとのフーリエ変換である。任意形状ＱＰＭ格子を形成するための技術的可能性はあるので、近似的に任意な第二高調波パルスを整形することができる。ＱＰＭ格子ｄ（ｚ）の必要な縦方向プロファイルは、次の数３により、Ｄ（Ω）と関係する。
【００３３】
[数３］
Ｄ（Ω）＝Γ∫（−∞〜＋∞）ｄ’（ｚ）exp（ｉ［Δｋ0＋Ωδ］ｚ）ｄｚ
ここで、Δｋ0 ＝４π（ｎ2−ｎ1）／λ0 はｋベクトルのミスマッチである。ただし、ｎ2 とｎ1 がそれぞれ第二高調波、基本波の屈折率であり、λ0 は入力パルスの中心波長である。非線形係数ｄ（ｚ）は規格化された非線形系ｄ’（ｚ）＝ｄ（ｚ）／ｄeff における縦座標の関数である。ここで、ｄeff は最大の実質的非線形性である。定数Γは、Γ＝−ｉπｄeff で定義される。
【００３４】
一般的に非周期性ＱＰＭ格子プロファイルは、第二高調波出力に関して、位相と振幅の変調をもたらす。既知の入力基本波パルスと出力する第二高調波パルスの必要とする形状に対して、非線形係数に必要とされる縦軸のＱＰＭプロファイルｄ（ｚ）は、次の数４の逆フーリエ変換をすることにより、明瞭に計算することができる。
【００３５】
【数４】
Ｄ（Ω）＝Ａ2（Ω）／Ａ12（Ω）
本発明の視点に立った任意の形状の第二高調波出力パルスを発生する例は、図７に示すように、必要とする出力パルス形状を得るための十分なバンド幅をもった基本波パルスを発生する光パルス源６０と、予め定めた効果的な非線形の縦軸プロファイルを持った非周期性ＱＰＭ格子６２とから成る。ＱＰＭ格子６２の二次元性のために、ＱＰＭプロファイルの変化を書き込むことが出来る。それで入力ビームに関して（横方向に）このＱＰＭ構造を移動することにより、単結晶で発生する波の波形を選択することが出来る。種類の異なった多数の結晶を使うことにより、非常に多種類の任意形状の波形を得ることができる。
【００３６】
前項で述べた従来のパルス整形と比較して、本発明の実施例６のシステムの有利な点はパルス形成ＱＰＭ格子が、小型で、単一体に設計することが出来ることである。
［付記］
以上のように本発明の好ましい実施例について記述し、図示したが、本明細書に規定したような発明の精神と視点から離れること無く各種変形態様を実施することが可能であることは、当業者には明らかであろう。
【００３７】
なお、この発明の一部は、許可番号ＭＤＡ972-94-1-0003のもとにＡＲＰＡによって援助され、また、許可番号ＯＮＲ−N00014-92-J-1903のもとに非線形光学センターを通じて、ＡＲＰＡにより援助された。
【図面の簡単な説明】
【図１】  図１は、線形にチャープしたＱＰＭ格子の分散特性を実験的に測定して、グラフに現わしたものである。
【図２】  図２は、チャープしたＱＰＭ格子から成る、パルス伸張器を抱合する超短チャープパルスの増幅装置を図解したものである。
【図３】  図３は、チャープしたＱＰＭ格子から成る、パルス圧縮器を抱合する超短チャープパルスの増幅装置を図解したものである。
【図４】  図４は、パルス伸張器の役目を果たす、第一のチャープされたＱＰＭ格子とパルス圧縮器の役目を果たす、第二のチャープされたＱＰＭ格子とを抱合する、超短チャープパルスの増幅装置を図解したものである。
【図５】  図５は、従来のパルス伸張器と、従来のパルス圧縮器と、周波数変換器と非線形分散補償器としての機能を持つ非線形チャープＱＰＭ格子とを抱合する超短チャープパルスの増幅装置を図解したものである。
【図６】  図６は、超短パルス発生器とチャープされたＱＰＭ格子を構成する超短パルス発生システムを図解したものである。
【図７】  図７は、超短パルス発生器と任意形状の超短パルスを形成する非周期的ＱＰＭ格子とを構成する超短パルス発生システムを図解したものである。
【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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