JP5933591B2

JP5933591B2 - 光学的にロックされた高エネルギーｏｐｏ−ｏｐａ

Info

Publication number: JP5933591B2
Application number: JP2013547645A
Authority: JP
Inventors: ミーサク，エドワード
Original assignee: ロッキード・マーチン・コーポレーション
Priority date: 2010-12-30
Filing date: 2011-12-28
Publication date: 2016-06-15
Anticipated expiration: 2031-12-28
Also published as: US20130279528A1; US9099837B2; WO2012092362A2; KR20140039145A; WO2012092362A3; CN103392273A; EP2659554A2; JP2014504746A

Description

概略
本文書は、レーザパルスの堅牢でコンパクトな高エネルギー源に関する。それは、十分に頑丈であるため、移動プラットフォーム上で確実に使用することができ、かつコンパクトに構築することができる。

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６１／４２８，３６８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。

エネルギー貯蔵材料が存在しない場合の波長における高エネルギーピコ秒クラスレーザは、一般的に、光学パラメトリック増幅（ＯＰＡ）に依存する。パラメトリック利得は、瞬時のプロセスであり、それは、ポンプパルスが存在する時にのみ存在する。これは、増幅されるべき信号パルスが、ポンプパルスと良好に同期されることを必要とする。信号とポンプとの間のいかなる時間ジッタも、振幅およびスペクトルシフト（ジッタ）に翻訳される。時間同期の困難を軽減するための１つの設計オプションは、信号パルスを、ナノ秒レジームに伸張し、ナノ秒クラスポンプレーザを使用することである。

しかしながら、パルス伸張器および圧縮器は、それら自身の特定の困難を伴う。従来のパルス伸張器および圧縮器は、サブミリメートルスケールの整合耐性を伴う多くの小さい構成要素を有する、非常に大きいデバイスである。小さいパルス伸張器は、最大８立方フィートの体積を必要とし得る。高エネルギーのピコ秒クラスのパルスに好適なパルス伸張器は、さらに大きいであろう。さらに、パルス伸張器に対する耐性は、干渉計に対するものに匹敵するため、かつ整合要件がデバイス全体にわたりサブミリメートルスケールであるため、パルス伸張器は、振動、塵埃、およびいかなる他の潜在的な外乱源にも極めて敏感である、大きく、取り扱いが煩雑で、高価なデバイスである。実験室状況において安定して構成および保持するのは困難であり、いずれの種類のフィールドまたはモバイル環境においても使用には全く適さない。

典型的なパルス圧縮器は、全体的な体積、構成要素、耐性、整合要件、高コスト、低効率、および実験室状況以外のいずれにおける使用に対する全般的な不適切性に関して、典型的なパルス伸張器と類似である。

光学パラメトリック増幅器（ＯＰＡ）の利得係数は、ポンプパルス強度に直接関連する。短いポンプパルスの使用は、強度の増加、ならびに混合結晶損傷閾値の増加（損傷閾値フラックスがおおよそパルス幅の平方根に従って増加する）の利点を有する。したがって、ポンプとしてピコ秒クラスのレーザを使用することが望ましい。しかしながら、先で記載されるように、かかるパルス幅において、システムジッタは、単一のレーザパルスの幅よりもはるかに大きいため、これは、時間同期を極度に困難な作業にする。

ＯＰＡをポンプするためのナノ秒レーザの使用における過去の取り組みは、光学的または電子的にマスタ発振器に、ナノ秒レーザを電子的に同期させることに依存した。混合結晶において、信号およびポンプパルスをオーバーラップするために、精密電子遅延ボックスが使用された。この技術は、レーザパルスが複数のナノ秒時間レジームである時に使用することができる。シードナノ秒レーザ自体は、およそ１ナノ秒のタイミングジッタを有する。しかしながら、ピコ秒クラスのレーザに関して、タイミングジッタは、約１００ｐｓ以下である。かかる耐性および持続期間において、電子遅延ボックスおよび同様のデバイスは、単純に、効果的であるように十分には高速ではない。

さらに、モバイルまたはフィールド適用を考慮して、パルス伸張器およびパルス圧縮器は、それらが、レーザシステムの信頼性または安定性に寄与しないため、好ましくは省略されるべきである。したがって、パルス伸張／圧縮または電子遅延構成要素の使用を伴わずに、同期させることが可能なレーザシステムを創出することが、当該技術分野において前進であろう。

本明細書において述べられるシステムおよび方法の一部の変形は、光学的にロックされた高エネルギー自己同期レーザ増幅システムに関し、システムは、モードロックされたレーザ源と、光学パラメトリック発振器（ＯＰＯ）であって、前記ポンプレーザ源からのパルスシーケンスによって駆動される、前記発振器と、光学パラメトリック増幅器（ＯＰＡ）と、を備え、前記パルスシーケンスのタイミングは、ＯＰＡ光学キャビティのサイズに基づき、ＯＰＡは、パルスシーケンスの少なくとも一部分によって駆動され、それにより、ＯＰＯおよびＯＰＡを自己同期させる。

一部の変形において、ＯＰＡは、第２のＯＰＡと直列に配置され、光学的に接続される、第１のＯＰＡを含む。さらなる変形において、ポンプレーザ源は、ピコ秒レーザである。なおさらなる変形において、ＯＰＡは、ダブルパスＯＰＡである。

一部の変形において、システムは、ポンプ源とＯＰＯとの間の光学経路に配置される、第１の光学アイソレータと、ＯＰＯと前記ＯＰＡとの間の光学経路に配置される、少なくとも１つの鏡と、前記鏡と前記第１の光学アイソレータとの間の光学経路に配置される第２の光学アイソレータと、前記第１の光学アイソレータと前記第２の光学アイソレータとの間の光学経路に配置される、第１のレーザ増幅器と、を含む、第１のフィードバックループをさらに備える。他の変形において、システムは、第１のＯＰＡと第２のＯＰＡとの間の光学経路に配置される、少なくとも１つの第２の鏡と、前記第２の鏡と第１の光学アイソレータとの間の光学経路に配置される、第３の光学アイソレータと、前記第１の光学アイソレータと前記第３の光学アイソレータとの間の光学経路に配置される、第２のレーザ増幅器と、を含む、第２のフィードバックループをさらに備える。

一部の変形において、システムは、レーザ源とＯＰＯとの間の光学経路に配置される、第１のパルスピッカと、第１のパルスピッカとＯＰＯとの間の光学経路に配置される、第１のビームスプリッタと、第１のビームスプリッタと光学通信する、第１のレーザ増幅器と、第１のレーザ増幅器とＯＰＡとの間の光学経路に配置される、第１の光学アイソレータと、をさらに備える。他の変形において、システムは、第１のビームスプリッタとＯＰＯとの間の光学経路に配置される、第２のパルスピッカと、第２のパルスピッカとＯＰＯとの間の光学経路に配置される、第２のビームスプリッタと、第２のビームスプリッタと光学通信する第２のレーザ増幅器と、第２のレーザ増幅器と第２のＯＰＡとの間の光学経路に配置される、第２の光学アイソレータと、をさらに備える。

一部の変形において、少なくとも１つの光学アイソレータは、ファラデーアイソレータを含む。他の変形において、少なくとも１つのパルスピッカは、ポッケルスセルを含む。なお他の変形において、ポンプレーザ源は、Ｎｄ：ＹＡＧピコ秒レーザである。さらなる変形において、ＯＰＯは、調節可能な同期的にポンプされたＯＰＯである。なおさらなる変形において、少なくとも１つのレーザ増幅器は、Ｎｄ：ＹＡＧ増幅器である。さらにさらなる変形において、システムは、光学構成要素を囲繞する高耐久化された筐体を含み、筐体は、不整合、振動、および外部汚染物質から光学構成要素を保護するように、ならびに車両での載置のために構成される。

本明細書において述べられる技術およびシステムの他の変形は、高エネルギー、中波、超短レーザパルスを生成する方法に関し得、方法は、モードロックされたポンプレーザ源からパルスシーケンスを提供することと、パルスシーケンスの第１の部分で、光学パラメトリック発振器（ＯＰＯ）を駆動することと、ＯＰＡおよびＯＰＡが自己同期するように、パルスシーケンスの第２の部分で、光学パラメトリック増幅器（ＯＰＡ）を駆動することと、駆動されたＯＰＡでパルスシーケンスからの少なくとも１つのパルスを、超短レーザ出力パルスに増幅することと、を含み、パルスシーケンスは、ＯＰＡの光学キャビティサイズに基づく。

一部の方法の変形において、ＯＰＯの駆動は、前記ポンプレーザ源と前記ＯＰＯとの間の光学経路に配置される第１のアイソレータで、パルスシーケンスを第１に隔離することと、前記ＯＰＯと前記ＯＰＡとの間の光学経路において、ＯＰＯの出力の少なくとも一部を第１に捕捉することと、前記第１の捕捉された出力を第２に隔離することと、前記第２の隔離された出力を第１に増幅することと、前記レーザ源と前記第１のアイソレータとの間の光学経路に、前記第１の増幅された出力を導入することと、を含む。

さらなる方法の変形において、ＯＰＡは、少なくとも２つの直列に接続されるダブルパスＯＰＡを含み、少なくとも１つのＯＰＡを駆動するステップは、第１のＯＰＡと第２のＯＰＡとの間の光学経路において、第１のＯＰＡの出力の少なくとも一部を第２に捕捉することと、第２の捕捉された出力を第３に隔離することと、前記第３の隔離された出力を第２に増幅することと、前記レーザ源と前記第１のファラデーアイソレータとの間の光学経路に、前記第２の増幅された出力を導入することと、を含む。

本明細書において述べられる技術およびシステムの他の変形は、光学的にロックされた高エネルギー自己同期レーザ増幅システムに関し得、システムは、モードロックされたレーザ源と、モードロックされたレーザ源と光学通信する、第１のポッケルスセルと、第１のポッケルスセルが、ビームスプリッタとモードロックされたレーザ源との間の光学経路に配置されるように、第１のポッケルスセルと光学通信する、第１のビームスプリッタと、第１のビームスプリッタが、第１および第２のポッケルスセル間の光学経路に配置されるように、第１のビームスプリッタと光学通信する、第２のポッケルスセルと、第２のポッケルスセルが、第１および第２のビームスプリッタ間の光学経路に配置されるように、第２のポッケルスセルと光学通信する、第２のビームスプリッタと、第２のビームスプリッタが、第２のポッケルスセルとＯＰＯとの間の光学経路に配置されるように、第２のビームスプリッタと光学通信する、調節可能な光学パラメトリック発振器（ＯＰＯ）と、第１のビームスプリッタが、第１のレーザ増幅器と第１のポッケルスセルとの間の光学経路に配置されるように、第１のビームスプリッタと光学通信する、第１のレーザ増幅器と、第１のレーザ増幅器が、第１のビームスプリッタと第１のファラデーアイソレータとの間の光学経路に配置されるように、第１のレーザ増幅器と光学通信する、第１のファラデーアイソレータと、第２のビームスプリッタが、第２のレーザ増幅器と第２のポッケルスセルとの間の光学経路に配置されるように、第２のビームスプリッタと光学通信する、第２のレーザ増幅器と、第２のレーザ増幅器が、第２のビームスプリッタと第２のファラデーアイソレータとの間の光学経路に配置されるように、第２のレーザ増幅器と光学通信する、第２のファラデーアイソレータと、ＯＰＯが、第２のビームスプリッタと第１のＯＰＡとの間の光学経路に配置され、かつ第１のファラデーアイソレータが、第１のＯＰＡと第１のレーザ増幅器との間の光学経路に配置されるように、ＯＰＯおよび第１のファラデーアイソレータと光学通信する、第１の光学パラメトリック増幅器（ＯＰＡ）と、第１のＯＰＡが、ＯＰＯと第２のＯＰＡとの間の光学経路に配置され、かつ第２のファラデーアイソレータが、第２のＯＰＡと第２のレーザ増幅器との間の光学経路に配置されるように、第１のＯＰＡおよび第２のファラデーアイソレータと光学通信する、第２のＯＰＡと、を備える。

一部のかかる変形において、少なくとも１つのＯＰＡは、マルチプルパスＯＰＡである。他の変形において、モードロックされたレーザ源は、５〜８ピコ秒の長さを有するパルスを生成する。なお他の変形において、ＯＰＯは、２．５から４ミクロンにわたり調節可能である。さらに他の変形において、第１および第２のレーザ増幅器は、Ｎｄ：ＹＡＧ増幅器である。

一部のかかる変形において、システムは、光学構成要素を囲繞する遮光筐体をさらに備え、筐体は、不整合、振動、塵埃、および外部汚染物質から光学構成要素を保護するように、ならびに車両上での載置のために構成される。

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。

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。
本発明の態様に従う、ピコ秒レーザによって生成されるパルスシーケンスを示す。本発明に従う、基本的なシステムアーキテクチャの実施例を示す。本発明に従う、基本的なシステムアーキテクチャの特定の変形を示す。本発明に従う、システムアーキテクチャの実施例を示す。本発明に従う、システムアーキテクチャの特定の変形を示す。

図面は、本発明の発明を実施するための形態の過程で詳細に説明される。

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。

本明細書において述べられるレーザシステムの一部の変形は、中波における、高エネルギーピコ秒およびサブピコ秒レーザパルスに関する。変形はまた、移動プラットフォームおよび他のフィールド環境から動作するように構築および構成することができる、堅牢なレーザに関する。かかるレーザシステムに対する懸念としては、重量、コスト、振動への感度、塵埃への感度、構成要素の信頼性、および信号同期が挙げられる。

本明細書において述べられるレーザシステムの一変形は、ポンプおよびシード／アイドラパルスの時間同期に関する。同期は、システムのパルス幅がシステムの時間ジッタに近付くにつれて、システムを同期させるために電子手段を使用とする時、より困難になる。同期されたレーザシステムの一部の変形は、サブ１０ｐｓのポンプパルスを使用し、これは、システムジッタは、ポンプパルス幅よりも１桁長いため、増幅器に電子的に同期することができない。これは、電子構成要素が、効果的であるために時間内にパルスを検出するおよびそれに応答するには、十分に高速でも敏感でもないということを意味する。

本明細書において説明されるシステムの変形は、ＯＰＡまたはＯＰＡ連鎖に送給するモード適合光学パラメトリック発振器（ＯＰＯ）にエネルギーを提供するように、および、それと同期できるように、モードロックされたレーザパルストレインを使用することによって、タイミングジッタを補うまたは排除する。モードロックされたパルストレインは、レーザキャビティの往復時間で離間するレーザ発振器を出るパルス群である。ポンプレーザのモードロックは、能動または受動モードロックを含む、いくつかの方法で達成することができる。

一部の変形において、所望のパルス持続期間が、電気信号でモジュレータを駆動することによって達成するには短すぎる場合があるため、受動モードロックが好ましい場合がある。受動モードロックは、一部の場合においては、色素セルといった可飽和吸収体で達成することができるが、一部の場合においては、ドープ結晶、半導体、および非線形光学効果（カーレンズモードロック等）を採用することができる。

パルス同期の一変形において、８０超のパルスが１つのトレインに存在する場合がある。最初の６０程度は、モード適合ＯＰＯを同期的に駆動するために使用することができる。次いで、その後のパルスは、１つ以上の後続のＯＰＡを駆動するために増幅および使用されてもよい。使用されるポンプパルスの全ては、同じパルストレインからもたらされるため、それらは、非常に同期される。したがって、このシステムに対するタイミングジッタは、問題にならない。

モードロックされたパルストレインの実施例を、図１に示す。示される実施例において、多くのパルスは、各々、レーザキャビティによって判断される正確な時間間隔で、レーザを出る。最初の６０程度のパルス１００１は、関心対象の波長において、短パルス１０１０（好ましくは、１ｐｓ以下）を生成するＯＰＯを駆動するために使用することができる。次いで、トレイン内のその後の１つ１０１０またはそれ以上のパルス１０２０は、ＯＰＯを追随する１つ以上のＯＰＡを駆動するように増幅および使用することができる。モードロックされたトレイン内の全てのパルスは、トレイン内の全ての他のパルスに関して、正確に計時されるため、ＯＰＡ（複数を含む）は、ＯＰＯの出力とともに正確に計時される。次いで、構成要素間の適切に選択された、または構成された光学遅延線（１つまたは複数）を、混合結晶の内側のパルスにオーバーラップするように適用することができる。一部の変形において、ポンプレーザジッタさえも、かかる手法によって取り消される。

他の変形において、より多くのまたはより少ないパルスが、関心対象の波長に依存して、ＯＰＯを駆動するために使用されてもよい。一部の変形において、パルストレインは、５０以下のみのパルスを有してもよい。かかる変形において、発振器に入るパルスの一部または全ては、再利用されてもよい。かかる変形において、パルストレインは、発振器に送給され、次いで、発振器を出る時に、シャッタを通過してもよい。次いで、ポッケルスセルであり得るシャッタは、所望の増幅連鎖を通じて送信するように、適切なパルスを選択するために使用されてもよい。他の変形において、さらにより長いパルストレインが、受動モードロックおよび出力パルス生成の作業を簡略化するために使用されてもよい。発振器が共振する回数が多いほど、それが生成する出力パルスの質はより良好となる。

高効率ＯＰＯ−ＯＰＡ動作のためのかかるパルス同期を具現化する基本的なアーキテクチャの実施例が、図２ａに示される。示される変形において、モードロックされた光学パルス源２００１は、発振器２０１０および増幅器連鎖２０２０に送給する。かかるアーキテクチャの他の変形は、図２ｂに示される。

図２ｂにおいて、モードロックされたピコ秒Ｎｄ：ＹＡＧパルスレーザ２１０１は、高強度パルスを生成し、次いで、着信パルスにおいて周波数変換を実施し、かつそれらを一連のダブルパスＯＰＡ２１２０、２１３０に送給する、同期的にポンプされたＯＰＯ２１１０に送給される。増幅連鎖における２つのＯＰＡは、図２ｂのシステムに、１３０ｍｊのパルスを生成させる。他の変形において、異なるタイプのＯＰＯまたはＯＰＡ、ならびにより多くのまたはより少ないＯＰＡが使用されてもよい。図２ｂに示される変形において、各ＯＰＡ２１２０、２１３０は、ダブルパスＯＰＡである。他の変形は、シングルパスまたはマルチプルパスＯＰＡを含むことができるか、または増幅連鎖において３つ以上のＯＰＡを含むことができる。

示される変形は、ＮＤ：ＹＡＧピコ秒レーザ２１０１を使用するが、様々なパルス幅および周波数を生成することができる、モードロックされたＴｉＳａｐｐｈｉｒｅまたはＣｒ３＋：ＬｉＳＡＦといった、他のレーザタイプも使用することができる。さらに、示される変形は、増幅器連鎖において、第１のダブルパスＯＰＡ２１２０および第２のダブルパスＯＰＡ２１３０を描写するが、他の変形は、Ｅｒ：ＧｌａｓｓまたはＥｒ：ＹＡＧといった、異なる増幅器タイプを使用することができ、より多くのまたはより少ない増幅器を採用することもできる。増幅器タイプは、所望の波長によって決定されてもよい。ＯＰＡは、３〜５□ｍといった波長に対して好ましい可能性がある。変形は、１０ＧＷ／ｃｍ２以上と高いパルス出力を生成することができる。

ピーク強度は、好ましくは、含まれる材料に対する損傷閾値を下回る。損傷閾値は、（おおよそ）パルス幅の平方根に従って増加する。したがって、１０ＧＷ／ｃｍ２のピーク強度において、１ｐｓｅｃ幅のパルスにおける出力パルスエネルギーは、０．８ジュールと高い可能性がある。

図２ａおよび２ｂに示されるシステムの１つの具体的な特性は、パルス生成／増幅プロセスに含まれるパルス伸張器または圧縮器が存在せず、システムの構築をより安価かつ容易にし、振動感度、不整合、および光学損傷の主な源を除去するということである。上に記載されるように、従来のパルス伸張器および圧縮器は、サブミリメートルスケールの整合耐性を伴う多くの小さい構成要素を有する、非常に大きいデバイスである。小さいパルス伸張器は、最大８立方フィートの体積を必要とし得る。高エネルギーのピコ秒クラスのパルスに好適なパルス伸張器は、さらに大きいであろう。さらに、パルス伸張器に対する耐性は、干渉計に対するものに匹敵するため、かつ整合要件がデバイス全体にわたりサブミリメートルスケールであるため、パルス伸張器は、振動、塵埃、およびいかなる他の潜在的な外乱源にも極めて敏感である、大きく、取り扱いが煩雑で、高価なデバイスである。実験室状況において安定して構成および保持するのは困難であり、いずれの種類のフィールドまたはモバイル環境においても使用には全く適さない。

さらに、図２ａおよび２ｂに示されるシステムにおいて必要とされるフェムト秒（ｆｓ）発振器は存在せず、振動感度のなお別の源を除去することによって、システム信頼性をさらに改善する。また、上で示される解決策は、より軽量で、安価で、かつよりコンパクトであり、それが、車両といった移動プラットフォーム上での載置のために構築および構成されることを可能にする。

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、筐体内の構成要素は、構成要素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要素の整合を維持するジャイロ素子を含むことができる。

図２ａおよび２ｂに示される解決策は、レーザシステム全体の同期が１ピコ秒未満であることを可能にし、それにより、増幅器連鎖において短いポンプパルスを使用することを可能にする。これは、システムの利得係数がポンプ強度に比例するため、有利である。短パルスは、非常に高い強度を提供することができる。したがって、パルスモードロックポンプレーザは、発振器および増幅器の両方を駆動するために使用することができる。ポンプレーザの出力は、ポンプレーザの往復キャビティ長さに従って正確に離間する一連のパルスである。

上に記載されるように、モードロックは、現在、当該技術分野において既知の任意の数の方法において達成することができる。モードロックされたパルストレインは、受動的にレーザ全体を同期させるマスタ発振器としての役割を果たすことができる。一部の変形において、システムをモードロックさせるレーザ発振器内部の構成要素は、色素セル、音響光学モジュレータ、もしくはカーレンズモードロッカといった、レーザ利得媒質、受動および／または能動モードロック構成要素である。他の変形において、他の構成要素もまた、モードロックのために使用することができる。モードロック周波数は、１０ＭＨｚ未満〜１ＧＨｚ超に及び得る。一部の変形において、レーザ材料の利得帯幅は、モードロックするためのその能力を定義する。

一部の変形において、振動は、レーザがモードロックするための能力に影響を及ぼし得る。単一のパルストレインの持続期間は、振動の持続期間未満であり得るため、パルスモードロックは、かかる振動に敏感な変形におけるＣＷモードロックよりも良好に作用し得る。

パルスモードロックされたポンプレーザ２０１０は、ＯＰＯ２１１０を駆動し、これは、ＯＰＡ２１２０、２１３０の両方をポンプするため、図２ｂに示されるタイプのシステムは、自己同期している（即ち、発振器および増幅器は、それらが、同じモードロックされたパルストレインによって送給されるため、ともに光学的にロックされる）。時間ジッタは、いずれのジッタも、遅延線または光学キャビティの不適切または不正確な測定から生じるため、問題ではない。したがって、システムは、一度適切に構成されると、そのタイミングを容易に阻害または改変させることはできない。また、自己同期態様は、フェムト秒発振器に対する必要性を排除し、システムコスト、複雑性、重量、およびサイズを低減する。さらに、パルス伸張器または圧縮器は必要とされないため、システムは、よりコンパクトであり、重量がより軽く、より低コスト、ならびに光学損傷または不整合を受けやすい部品がより少ないため、移動および振動により耐性があり、これは、システムを、コンパクトにし、したがって、車両といった移動プラットフォーム上での使用のためにより容易に高耐久化および構成されたものにする。

本明細書において述べられるタイプのコンパクトで車両載置可能な光学的にロックされたレーザシステム構成の実施例を、図３ａに示す。示される実施例において、ピコ秒レーザ源４００１は、モードロックされたパルストレインをモジュレータ４０１０またはパルスピッカに送給する。ピコ秒レーザの変形としては、受動的にモードロックされたＮｄ：ＹＡＧまたはバナジウム酸塩レーザといった、モードロックされたソリッドステートのバルクレーザ、またはモードロックされたファイバレーザが挙げられ得る。

モジュレータ４０１０またはパルスピッカは、レーザ源４００１によって生成されるモードロックされたパルストレインからパルスを取るために使用することができる。一部の変形において、モジュレータ４０１０は、薄膜偏光子といった偏光光学素子と組み合わされるポッケルスセルであってもよい。モジュレータ４０１０の速度は、レーザ源４００１のパルス反復率によって、および一部の場合において、パルス持続期間によっても判断することができる。示される変形において、ビームスプリッタ４１１０は、第１のモジュレータ４０１０からもたらされるパルストレインを、２つの部分に分離し、１つの部分は、その後のモジュレータ４０２０に進入し、別の部分は、レーザ増幅器４０３０に進入する。その後のモジュレータ４０２０は、第１のモジュレータ４０１０と同様に使用することができ、その出力もまた、ビームスプリッタ４１２０に送給することができる。

一部の変形において、ビームスプリッタ４１２０、４１１０は、モジュレータ４０１０、４０２０と併せて、構成可能であるか、または選択的に起動することができる。かかるスプリッタは、ＯＰＡにおける増幅のためにモジュレータ４０１０、４０２０によって選択されるパルスを、増幅器４０３０、４０４０に方向付けることができる一方で、レーザ源４００１によって提供されるモードロックされたパルストレインにおける他方のパルスが、発振器４０９０を駆動することを可能にする。一部の変形において、ビームスプリッタ４１１０、４１２０は、選択的なおよび／もしくは選択的に起動されたレフレクタに組み込むか、またはそれで置換することができる。かかるレフレクタは、モジュレータ４０１０によって識別されるような、選択されたパルスを、発振器４０９０または適切な増幅器４０４０、４０３０のいずれかに方向付けることができる。

レーザ増幅器４０３０は、半導体光学増幅器、Ｎｄ：ＹＡＧ増幅器、ファイバ増幅器、または利得媒質に基づき、任意の他のタイプの増幅器であってもよい。増幅器は、光学アイソレータ４０８０を介して、光学パラメトリック増幅器（ＯＰＡ）４０７０に接続することができる。光学アイソレータ４０８０は、ＯＰＡ４０７０からの光学フィードバックが、増幅器４０３０に戻るのを阻止するのに役立つ。

パルストレイン内の各パルスは、好ましくは、低エネルギーであり、一部の場合において、１ｍＪ未満である。多くのパルスがＯＰＯを共振させるために使用されるため、かかるレベルは、典型的に、ＯＰＡをポンプするには十分ではないが、ＯＰＯをポンプするには十分であり得る。シングルまたはダブルパスＯＰＡのポンピングは、好ましくは、パルストレインからのパルスをレーザ増幅器４０３０を通って渡すことによって生成され得る、エネルギーパルスで行われる。

第２のモジュレータ４０２０を出るパルスもまた、分割４１２０されるように選択するか、またはそうでなければ、次いで、増幅されたパルスを、別の光学アイソレータ４０５０を介して別のＯＰＡ４０６０に渡す、レーザ増幅器４０４０に送給することができる。一部の変形において、光学アイソレータ４０８０、４０５０は、ファラデーアイソレータまたは他の偏光ベースの光学アイソレータであってもよい。モジュレータ４０２０、４０１０によってレーザ増幅４０３０、４０４０に対して選択されていないパルスは、発振器４０９０に送給されてもよく、これは、ＯＰＡ４０７０、４０６０に対して効率的な位相整合を提供する。好ましくは、発振器４０９０は、ＯＰＯである。変形は、連続波ＯＰＯ、単共振ＯＰＯ、同期的にポンプされたＯＰＯ、およびファイバフィードバックＯＰＯを使用することができる。

上の配設の特定の変形を、図３ｂに描写する。図面から見ることができるように、調節可能な同期的にポンプされたＯＰＯ４２１０は、５〜８ピコ秒のＮｄ：ＹＡＧのモードロックされたパルスレーザ源４２４０に基づいて、２つのダブルパスＯＰＡ４２２０、４２３０に対する位相整合を提供するために使用される。ポッケルスセル４２７０、４２８０は、モードロックされたパルストレインから２つのパルスを選択し、かつそのそれぞれのパルスをＯＰＡ４２２０、４２３０のうちの１つに送給するＮｄ：ＹＡＧレーザ増幅器４２５０、４２６０に各々を送信するためのパルスピッカとして使用される。出力は、かかる配設において、１３０ｍＪ、１ピコ秒出力パルスである。図３ｂのシステムは、光学経路を創出するためにレフレクタを使用して示されるが、他の変形は、同様の光学経路創出および／または隔離を達成するために、プリズムまたは光ファイバを使用してもよい。

図３ａおよび３ｂから理解することができるように、システムは、パルス伸張または圧縮を使用することなく、かつ電子発振器を用いることもなく、高エネルギーのピコ秒パルス出力を達成する。かかるシステムは、小さいピックアップトラックの荷台に適合するほど十分に小さいか、または体積が約３立方フィート以下の高耐久化されたケーシング内部で組み立てることができる。一部の変形において、非常に小さい体積は、構成要素間の空隙の一部または全てを除去することによって実現することができる。対照的に、伸張器および圧縮器を使用するレーザシステムは、１０ｆｔ３超の体積を付加するであろう。それらはまた、システムを環境条件（塵埃、湿度、振動、温度）にとてつもなく敏感にするであろう。

本発明の例示的な実施形態のみが、本開示において図示および説明される。本発明は、種々の他の組み合わせおよび環境において使用することが可能であり、かつ本明細書において表現されるような本発明の概念の範囲内で、変更または修正が可能であるということが理解されるものとする。かかる変形は、本発明の精神および範囲からの逸脱として見なされないものとし、全てのかかる修正は、当業者には明らかであろうように、以下の請求項の範囲内に含まれることが意図される。

Claims

光学的にロックされた高エネルギー自己同期レーザ増幅システムであって、前記システムは、
光学経路に沿って複数のパルスを放射するように構成されたモードロックされたレーザ源と、
前記複数のパルスのうちのいくつかに応答して、出力パルスを生成するように構成された、前記光学経路中の光学パラメトリック発振器（ＯＰＯ）と、
前記モードロックされたレーザ源の下流の、かつ、前記ＯＰＯの上流の、前記光学経路に配置され、前記光学経路から、前記ＯＰＯをバイパスする第１のバイパス光学経路への切替えのために前記複数のパルスのうちの第１の選択されたパルスを選択するように構成された、第１のパルスピッカと、
前記第１の選択されたパルスを増幅して、増幅された第１の選択パルスを生成するように構成された、前記第１のバイパス光学経路中の第１のレーザ増幅器と、
第１のビーム結合器の方向に、前記増幅された第１の選択パルスを反射するように構成された第１のレフレクタと、
前記増幅された第１の選択パルスを前記出力パルスと結合して、第１の結合パルスを生成するように構成された前記第１のビーム結合器と、
前記第１の結合パルスを受け取り、増幅された第１の結合パルスを生成するように構成された第１の光学パラメトリック増幅器（ＯＰＡ）とを備える、システム。
前記ＯＰＯは、増幅されていない、前記モードロックされたレーザ源からの前記複数のパルスを受け取るように構成されている、請求項１に記載のシステム。
前記モードロックされたレーザ源は、ピコ秒レーザである、請求項１に記載のシステム。
前記第１のＯＰＡは、ダブルパスＯＰＡである、請求項１に記載のシステム。
前記モードロックされたレーザ源の下流の、かつ、前記ＯＰＯの上流の、前記光学経路に配置され、前記光学経路から、前記ＯＰＯをバイパスする第２のバイパス光学経路への切替えのために前記複数のパルスのうちの第２の選択されたパルスを選択するように構成された、第２のパルスピッカと、
前記第２の選択されたパルスを増幅して、増幅された第２の選択パルスを生成するように構成された、前記第２のバイパス光学経路中の第２のレーザ増幅器と、
第２のビーム結合器の方向に、前記増幅された第２の選択パルスを反射するように構成された第２のレフレクタと、
前記増幅された第２の選択パルスを前記増幅された第１の結合パルスと結合して、第２の結合パルスを生成するように構成された前記第２のビーム結合器と、
前記第２の結合パルスを受け取り、増幅された第２の結合パルスを生成するように構成された第２のＯＰＡとをさらに備える、請求項１に記載のシステム。
前記第１のレーザ増幅器と前記第１のレフレクタとの間に、第１の光学アイソレータをさらに備える、請求項５に記載のシステム。
前記第１のパルスピッカは、ポッケルスセルを含む、請求項５に記載のシステム。
前記モードロックされたレーザ源は、Ｎｄ：ＹＡＧピコ秒レーザである、請求項１に記載のシステム。
前記ＯＰＯは、調節可能な、同期的にポンプされたＯＰＯである、請求項１に記載のシステム。
前記第１のレーザ増幅器は、Ｎｄ：ＹＡＧ増幅器である、請求項９に記載のシステム。
前記システムは、前記ＯＰＯと、前記第１のパルスピッカと、前記第１のレーザ増幅器と、前記第１のレフレクタと、前記第１のビーム結合器と、前記第１のＯＰＡとを少なくとも囲繞する高耐久化された筐体をさらに備える、請求項１に記載のシステム。
高エネルギー、中波、超短レーザパルスを生成する方法であって、前記方法は、
光学経路に沿って、モードロックされたレーザ源から複数のパルスを含むパルスシーケンスを提供することと、
前記複数のパルスのうちのいくつかにより光学パラメトリック発振器（ＯＰＯ）を駆動して、前記複数のパルスのうちのいくつかに応答して、出力パルスを生成することと、
前記モードロックされたレーザ源の下流かつ前記ＯＰＯの上流で、前記光学経路から、前記ＯＰＯをバイパスする第１のバイパス光学経路へ、前記複数のパルスのうちの第１の選択されたパルスをそらすことと、
前記第１のバイパス光学経路において、前記第１の選択されたパルスを増幅して、増幅された第１の選択パルスを生成することと、
前記光学経路において、前記増幅された第１の選択パルスを前記出力パルスと結合して、第１の結合パルスを生成することと、
第１の光学パラメトリック増幅器（ＯＰＡ）により、前記第１の結合パルスを受け取り、増幅された第１の結合パルスを生成することとを含む、方法。
光学的にロックされた高エネルギー自己同期レーザ増幅システムであって、前記システムは、
モードロックされたレーザ源と、
前記モードロックされたレーザ源と光学的に接続された、第１のポッケルスセルと、
前記第１のポッケルスセルが、第１のビームスプリッタと前記モードロックされたレーザ源との間の光学経路に配置されるように、前記第１のポッケルスセルと光学的に接続された、前記第１のビームスプリッタと、
前記第１のビームスプリッタが、前記第１および第２のポッケルスセル間の光学経路に配置されるように、前記第１のビームスプリッタと光学的に接続された、前記第２のポッケルスセルと、
前記第２のポッケルスセルが、前記第１および第２のビームスプリッタ間の光学経路に配置されるように、前記第２のポッケルスセルと光学的に接続された、前記第２のビームスプリッタと、
前記第２のビームスプリッタが、前記第２のポッケルスセルと調節可能な光学パラメトリック発振器（ＯＰＯ）との間の光学経路に配置されるように、前記第２のビームスプリッタと光学的に接続された、前記ＯＰＯと、
前記第１のビームスプリッタが、第１のレーザ増幅器と前記第１のポッケルスセルとの間の光学経路に配置されるように、前記第１のビームスプリッタと光学的に接続された、前記第１のレーザ増幅器と、
前記第１のレーザ増幅器が、前記第１のビームスプリッタと第１のファラデーアイソレータとの間の光学経路に配置されるように、前記第１のレーザ増幅器と光学的に接続された、前記第１のファラデーアイソレータと、
前記第２のビームスプリッタが、第２のレーザ増幅器と前記第２のポッケルスセルとの間の光学経路に配置されるように、前記第２のビームスプリッタと光学的に接続された、前記第２のレーザ増幅器と、
前記第２のレーザ増幅器が、前記第２のビームスプリッタと第２のファラデーアイソレータとの間の光学経路に配置されるように、前記第２のレーザ増幅器と光学的に接続された、前記第２のファラデーアイソレータと、
前記ＯＰＯが、前記第２のビームスプリッタと第１の光学パラメトリック増幅器（ＯＰＡ）との間の光学経路に配置され、かつ前記第１のファラデーアイソレータが、前記第１のＯＰＡと前記第１のレーザ増幅器との間の光学経路に配置されるように、前記ＯＰＯおよび前記第１のファラデーアイソレータと光学的に接続された、前記第１のＯＰＡと、
前記第１のＯＰＡが、前記ＯＰＯと第２のＯＰＡとの間の光学経路に配置され、かつ前記第２のファラデーアイソレータが、前記第２のＯＰＡと前記第２のレーザ増幅器との間の光学経路に配置されるように、前記第１のＯＰＡおよび前記第２のファラデーアイソレータと光学的に接続された、前記第２のＯＰＡと、を備える、レーザ増幅システム。
少なくとも１つのＯＰＡは、マルチプルパスＯＰＡである、請求項１３に記載のレーザ増幅システム。
前記モードロックされたレーザ源は、５〜８ピコ秒の長さを有するパルスを生成し、
前記ＯＰＯは、２．５から４ミクロンにわたり調節可能であり、
前記第１および第２のレーザ増幅器は、Ｎｄ：ＹＡＧ増幅器であり、
前記レーザ増幅システムは、前記第１のポッケルスセルと、前記第１のビームスプリッタと、前記第２のポッケルスセルと、前記第２のビームスプリッタと、前記ＯＰＯと、前記第１のレーザ増幅器と、前記第１のファラデーアイソレータと、前記第２のレーザ増幅器と、前記第２のファラデーアイソレータと、前記第１のＯＰＡとを少なくとも囲繞する遮光筐体をさらに備える、請求項１３に記載のレーザ増幅システム。
前記モードロックされたレーザ源の下流かつ前記ＯＰＯの上流で、前記光学経路から、前記ＯＰＯをバイパスする第２のバイパス光学経路へ、前記複数のパルスのうちの第２の選択されたパルスをそらすことと、
前記第２のバイパス光学経路において、前記第２の選択されたパルスを増幅して、増幅された第２の選択パルスを生成することと、
前記光学経路において、前記増幅された第２の選択パルスを前記増幅された第１の結合パルスと結合して、第２の結合パルスを生成することと、
第２のＯＰＡにより、前記第２の結合パルスを受け取り、増幅された第２の結合パルスを生成することとをさらに含む、請求項１２に記載の方法。