JP2019527478A - コンパクトかつ高平均パワーの圧縮器 - Google Patents

Abstract

本発明は、所定の伸長比を有する周波数偏移システムのための折畳み圧縮器（３）であって、動的並進および回転調整のための装置（３１０）上に取り付けられている、圧縮器の入力パルス（Ｔ１）および出力パルス（Ｔ４）を受けるように配置された圧縮ネットワークと、折畳み二面体（４１）と、少なくとも１つの高さ調整二面体（４２）とを含み、圧縮ネットワークおよび二面体は、圧縮ネットワーク上で少なくとも２つの伸長されたパルス（Ｔ３、Ｔ４）を形成するように構成される、折畳み圧縮器（３）に関する。圧縮ネットワークは、前記調整装置（３１０）上に取り付けられている、同じ光学特性を有する２つの圧縮サブネットワーク（３１ａ、３１ｂ）：− 入力（Ｔ１）および出力（Ｔ４）パルスではなく、伸長されたパルス（Ｔ３、Ｔ４）を含むための、決定された長さＬの第１の圧縮サブネットワーク（３１ａ）、− 伸長されたパルス（Ｔ３、Ｔ４）ではなく、入力（Ｔ１）および出力（Ｔ４）パルスを含むための、長さＬ２（ここで、Ｌ２＜Ｌ１である）の第２の圧縮サブネットワーク（３１ｂ）に分割される。

Description

本発明の分野は、通常、１ｐｓ未満の超短パルス持続時間を有するレーザの分野である。

このようなレーザパルスは、図１に見られる、周波数偏移システム１００（またはＣＰＡ、表現「チャープパルス増幅器」に対する頭字語）とも呼ばれるパルス圧縮レーザ増幅装置を通して得られる。発生器０によって提供される、低いエネルギーおよび短い持続時間を有するレーザパルス１０は、
− 伸長器１によって時間的に伸長されて（最長波長は、最短波長の前に到着するが、空間的に一緒に残る）、低いピークエネルギーおよび長い持続時間を有するパルス１１にされ、伸長比は、伸長後のパルスの持続時間と伸長前のパルス持続時間との比率に与えられる名称であり、
− 伸長されたパルス１１は、次に、増幅器２によって長い持続時間の高エネルギーパルス１２に増幅され、この増幅器２は、通常、カスケード接続された一連の増幅器で形成され、
− 伸長および増幅されたパルス１２は、次に、圧縮器３により、高いピークエネルギーおよび短い持続時間を有するパルス１３に圧縮される。

ＣＰＡシステムの入力部および出力部におけるパルス持続時間は、フーリエ限界に近い（通常、数百〜数十ｆｓ）。

圧縮器３は、圧縮器の入力部において数ｎｓのパルス持続時間に到達し得るパルスを圧縮器の出力部において数百ｆｓ、さらには数十ｆｓに圧縮することを可能にする。圧縮器の光学部品（圧縮アレイ、二面体）は、圧縮後のレーザの平均パワーおよびピークパワーの全体に耐えなければならないため、圧縮器は、周波数偏移アーキテクチャにおける重要な構成部品である。圧縮アレイは、圧縮器で使用される回折アレイに与えられる名称である。さらに、いくつかのレーザでは、圧縮前のパルス持続時間と圧縮後のパルス持続時間との比率として定義される圧縮比は、非常に高くなる場合があり、最大で数万（例えば、１００，０００）に及ぶ。一般に、圧縮比は、伸長比と等しい。この圧縮比は、圧縮器のサイズを固定する。

高伸長比で伸長され、次いで増幅されたパルス１２を圧縮するために使用される現在の圧縮器アーキテクチャの中で、以下のものが挙げられる。
− 図２に示される、２つの圧縮アレイ３１、３２を有する「従来の」圧縮器アーキテクチャ３またはＴｒｅａｃｙ圧縮器。圧縮比が数万である場合、２つのアレイ３１、３２間の距離は、数メートルである。このコンパクトでないアーキテクチャは、パルスの圧縮を時間とともに不安定にする場合がある。加えて、このアーキテクチャの調整は、その独自の動的並進および回転調整装置３１０、３２０（２つの矢印で表される）上にそれぞれ設置された両方のアレイ３１、３２に対して行われ、それによってこの調整を行うことを難しくする。
− 圧縮器３のサイズを小さくし、その安定性を改善するために、図３ａに示されるように折畳みアーキテクチャを使用することが可能である。これは、光学要素間の距離をほぼ半減し、単一の動的並進および回転調整装置３１０（２つの矢印で表される）上に設置された単一圧縮アレイ３１を使用することで調整を容易にし、動的最適化調整を単一圧縮アレイに集中させるという利点を有する。

しかしながら、このアーキテクチャは、通常、５００ｍｍよりも大きい長さを有する大きいアレイ３１を取得することを必要とする。これらのアレイは、通常、製造業者によって提供されないため、それらのコストは高く、それらの供給時間は、かなり大きく、場合によりいわゆる「標準」アレイ（＝５００ｍｍよりも短い長さを有する）のものと比較して２倍長い。

加えて、アレイの長さＬを考えると、その厚さｅｐは、圧縮器の出力部において良好な波面品質を確実にするように同様にかなり大きく、通常、その長さの１０％である。この厚さは、特に圧縮器の入力部において３００Ｗよりも大きいものなどの高い平均パワーを有するパルスまたは圧縮器の出力部において１ＴＷよりも大きいものなどの高いピークパワーを有するパルスの場合、熱を管理するためのアレイの背面冷却の可能性を限定する。

結果として、大きさ、供給時間およびコスト、調整の容易さならびに平均および／またはピークパワーに関して、上記の要件のすべてを同時に満たすＣＰＡシステムのための圧縮器の必要性が今日に至るまで残っている。

提供される解決策は、単一の長い圧縮アレイを２つの圧縮サブアレイ：
− 伸長されたスペクトルでパルスを見る、ピークパワーまたは平均パワーに関してフラックスに耐えるのに問題がない大きいサブアレイ、
− 圧縮器入力および出力パルスを見る、したがってピークおよび平均パワーに耐える標準サイズのより小さいサブアレイ
に分割することにより、折畳みアーキテクチャを保ちながら、同時にそれを任意の高い平均パワーに適合させることを可能にする。

より正確には、本発明の１つの主題は、所定の伸長比を有する周波数偏移システムのための折畳み圧縮器であって、
− 動的並進および回転調整装置上に設置されている、圧縮器入力パルスおよび出力パルスを受けるように配置された圧縮アレイと、
− 折畳み二面体と、
− 少なくとも１つの高さ調整二面体と
を含み、圧縮アレイおよび二面体は、圧縮アレイ上で少なくとも２つの伸長されたパルスを形成するように構成される、折畳み圧縮器である。

それは、圧縮アレイが、前記調整装置上に設置されている、同じ光学特性を有する２つの圧縮サブアレイ：
− 入力パルスおよび出力パルスではなく、伸長されたパルスを完全に含むための、決定された長さＬ１の第１の圧縮サブアレイ、
− 伸長されたパルスではなく、入力パルスおよび出力パルスを完全に含むための、長さＬ２（ここで、Ｌ２＜Ｌ１である）の第２の圧縮サブアレイ
に分割されることを主に特徴とする。

２つの圧縮サブアレイは、単一の並進および回転調整装置上に並んで位置している。２つのサブアレイのマークは、それらが圧縮器の内部に設置される前に最終的に（互いに平行になるように）互いに整列される。それらが圧縮器に設置されると、２つのサブアレイは、共有の調整装置とともに単一アレイのように動作し、それによって調整を容易にし、折畳みアーキテクチャの動的調整の利点を保つことを可能にする。フラックスに耐える問題を標準部品（＝小さいサブアレイ）に移すことにより、これは、破損時の供給時間およびコストを削減することを可能にする。

本発明の１つの特徴によれば、第１の圧縮サブアレイは、厚さｅｐ１を有し、および第２の圧縮サブアレイは、厚さｅｐ２を有し、ｅｐ２＜ｅｐ１である。

高平均パワーに耐える圧縮サブアレイは、長さがより短いため、その厚さがより一層小さい。このより薄い厚さは、このサブアレイのより良好な冷却を可能にし、それにより、損傷に対するその感受性および圧縮器の出力部におけるレーザパルスの波面の変形を減少させる。

入力パルスは、通常、３００Ｗよりも大きい平均パワーを有する。

この技術的解決策は、高いピークパワーを有する折畳みアーキテクチャの場合に同様に適用される。供給速度およびより低いコストに関する議論は、依然として有効である。

本発明の別の主題は、伸長器と、増幅器と、説明されたような圧縮器とを含む周波数偏移システムである。

本発明の他の特徴および利点は、非限定的な例として添付図面を参照して与えられる以下の詳細な説明を読むことで明らかになるであろう。

すでに説明したように、従来技術による周波数偏移増幅システムを概略的に示し、その上にパルスに対する各要素の効果（時間の関数としてのエネルギー）が表示されている。 すでに説明したように、断面で見た、従来技術による２つの圧縮アレイを有する圧縮器の第１の実施例を概略的に示す。 すでに説明したように、断面で見た、従来技術による単一圧縮アレイを含む折畳み圧縮器の第２の実施例を概略的に示す。 単一アレイ上のパルスの空間的分布を示す。 断面で見た、本発明による２つの圧縮サブアレイを含む折畳み圧縮器の実施例を概略的に示す。 これらのサブアレイ上のパルスの空間的分布を示す。

１つの図から別の図まで同じ要素に同じ参照番号が付けられている。

説明の残りの部分では、表現「高い」、「低い」および「横」は、説明される図の方向付けを基準にして使用される。圧縮器が他の方向付けで配置され得る限りにおいて、方向を示す用語は、実例として表示されており、限定するものではない。

図３ｂは、圧縮器を通ってパルスが伝播する間の折畳み圧縮器３の単一アレイ３１上のパルスの空間的分布を示す。パルス１２は、長さＬ、高さｈおよび厚さｅｐの圧縮アレイ３１上に、
− 波長の関数として時間的に伸長されている、入力におけるスポットＴ１を形成し、
− スポットＴ１は、それをアレイ３１に返す折畳み二面体４１にアレイ３１によって返された後、空間領域でスペクトル的に伸長されるスポットＴ２を形成し、
− スポットＴ２は、それをアレイ３１に返す高さ調整二面体４２にアレイ３１によって返された後、空間領域でスペクトル的に伸長されかつ高さｈに沿ってＴ２の下に位置しているスポットＴ３を形成し、
− スポットＴ３は、それをアレイ３１に返す折畳み二面体４１にアレイ３１によって返された後、高さｈに沿ってＴ１の下に位置しかつ時間的に圧縮された出力パルス１３を表すスポットＴ４を形成する。

入力パルスＴ１および出力パルスＴ４が、アレイ３１によって空間領域でスペクトル的に伸長されるパルスＴ２、Ｔ３の横に（長さＬに沿って）位置していることを考えると、図３ｂに見られるように、単一アレイ３１の長さＬは、従来のアーキテクチャの各アレイ３１、３２の長さよりもはるかに長く、長さＬは、少なくともアレイ３１および３２の長さの合計と等しい。

本発明によれば、折畳み圧縮器のアーキテクチャは、特に高い平均パワーを有するパルスの場合にこのアーキテクチャに対する危険を減少させるために、高い圧縮（または伸長）比を有するシステムの場合により具体的に適合するように修正される。しかしながら、当然のことながら、それは、低い平均パワーを有するパルスの場合に同様に使用することが可能である。

圧縮器入力パルスＴ１および出力パルスＴ４は、それぞれアレイ３１上であまり空間的に伸長されないため、アレイのこの領域上の平均パワー密度およびピークパワー密度は、非常に高い。時間的に圧縮された出力パルスＴ４は、当然のことながら、時間的に伸長された入力パルスＴ１よりもはるかに強力である。したがって、フラックスに耐えることに関する構成部品の限界は、Ｔ１およびＴ４、実際にはとりわけＴ４を受けるこの領域に集中する。しかしながら、損傷した場合にはアレイ全体を交換しなければならない。

本発明による圧縮器の１つの実施例が図４ａおよび図４ｂを参照して説明され、図３ａの大きい単一アレイ３１は、同じ動的並進および回転調整装置３１０（２つの矢印で表される）上に並んで配置される２つの圧縮サブアレイ３１ａおよび３１ｂに分離される。並進および回転調整の観点から、このサブアレイの対は、したがって、対応する利点（調整の容易さ、安定性など）を伴って圧縮器内で単一アレイのように動作する。これらの２つのサブアレイは、当然のことながら、同じ光学特性（マーク３１１の経路（マークが過密にならないように少数のマークのみが図３ｂおよび図４ｂに示されている）、波長、波長に関する半値全幅など）を有する。図４ｂは、２つのサブアレイ上のパルスの位置の図を示す。
− Ｔ１またはＴ４ではなく、スペクトル的に伸長されたパルスＴ２およびＴ３を完全に含み、したがってたとえＬ１＜Ｌであるとしても長い長さＬ１を有し、それによって高いコストおよび長い供給時間をもたらす第１の圧縮サブアレイ３１ａ。Ｌ１＜Ｌであるため、それは、演繹的にｈと同一の高さｈ１と、演繹的にｅｐよりも小さい厚さｅｐ１とを有する。しかしながら、この長いサブアレイ３１ａ上の平均パワー密度は低く、サブアレイに対する損傷の危険および波面の変形の危険が限定される。
− Ｔ２またはＴ３ではなく、（完全な）圧縮器入力パルスＴ１および出力パルスＴ４に対して背面であり、したがってこれらのパルスの空間的寸法のためにより短い長さＬ２（Ｌ２＜Ｌ１）であり得る第２の圧縮サブアレイ３１ｂ。通常、（Ｌ１／Ｌ２）≧圧縮比が当てはまる。それは、ｈ１よりも短い場合がある高さｈ２と、厚さｅｐ２とを有する。このサブアレイ３１ｂは、したがって、はるかに高い平均パワー密度に耐え、したがって損傷の危険のすべてを集中させる。その長さＬ２は標準的であるため、その供給時間は短く、そのコストは低く、それにより任意の損傷に関連付けられる欠点を減少させる。

これらの２つのサブアレイは、圧縮器の大きさを増加させないように十分に小さい距離ｄで分離される。０．３〜３ｍｍの距離が妥当である。

加えて、Ｌ２＜Ｌ１であるため、ｅｐ２＜ｅｐ１であることが有利に可能であり、それにより、より良好な熱冷却が可能になる。このより良好な熱管理は、損傷の危険を限定し、波面の過度に大きい変形を防止する。

このような圧縮器は、コンパクト性、調整 − ２つのサブアレイ３１ａおよび３１ｂは、共用の並進および回転調整装置３１０上に位置している −、および安定性に関して折畳みアーキテクチャの利点を保つことを可能にする。

これらの利点は、さらなる二面体の追加を伴うより一層折り畳まれたアーキテクチャの場合に維持される。それぞれの新しい高さ二面体の追加は、アレイ３１ａ上のパルスの数を２倍にする。図４ｂに見られるように、伸長されたパルスのすべては、ｈ１に沿って重ねられる。伸長されたパルスのこの数がｈ１＞Ｌ１を意味する場合、厚さｅｐ１は、当然のことながら、最大寸法であるｈ１の関数として決定される。

Claims (4)

1. 所定の伸長比を有する周波数偏移システムのための折畳み圧縮器（３）であって、
   − 動的並進および回転調整装置（３１０）上に設置されている、圧縮器入力パルス（Ｔ１）および出力パルス（Ｔ４）を受けるように配置された圧縮アレイと、
   − 折畳み二面体（４１）と、
   − 少なくとも１つの高さ調整二面体（４２）と
   を含み、前記圧縮アレイおよび前記二面体は、前記圧縮アレイ上で少なくとも２つの伸長されたパルス（Ｔ３、Ｔ４）を形成するように構成される、折畳み圧縮器（３）において、
   前記圧縮アレイは、前記調整装置（３１０）上に設置されている、同じ光学特性を有する２つの圧縮サブアレイ（３１ａ、３１ｂ）：
   − 前記入力パルス（Ｔ１）および前記出力パルス（Ｔ４）ではなく、前記伸長されたパルス（Ｔ３、Ｔ４）を完全に含むための、決定された長さＬ１の第１の圧縮サブアレイ（３１ａ）、
   − 前記伸長されたパルス（Ｔ３、Ｔ４）ではなく、前記入力パルス（Ｔ１）および前記出力パルス（Ｔ４）を完全に含むための、長さＬ２（ここで、Ｌ２＜Ｌ１である）の第２の圧縮サブアレイ（３１ｂ）
   に分割されることを特徴とする、折畳み圧縮器（３）。
2. 前記第１の圧縮サブアレイ（３１ａ）は、厚さｅｐ１を有し、および前記第２の圧縮サブアレイ（３１ｂ）は、厚さｅｐ２を有し、ｅｐ２＜ｅｐ１であることを特徴とする、請求項１に記載の圧縮器。
3. 前記入力パルス（Ｔ１）は、３００Ｗよりも大きい平均パワーを有することを特徴とする、請求項１または２に記載の圧縮器。
4. 伸長器（１）と、増幅器（２）と、請求項１〜３のいずれか一項に記載の圧縮器（３）とを含む周波数偏移システム。

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