JP3973241B2 - チャープ・ブラッグ格子による光パルス増幅方法および増幅装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、チャープ・ブラッグ格子により超短光パルスを伸長した上で増幅し続いて増幅されたパルスを増幅歪みを避けて圧縮する光パルス増幅技術に関し、チャープ光パルス増幅の技術分野に属する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の超短光パルスの発生源としては、コンパクトな光ファイバとダイオードとからなる装置がある。ただし、この装置は、大型のソリッドステートの超短光パルスの発生源に比べ、十分に大きな出力を発揮することができなかった。すなわち、前述のダイオード・ファイバ・レーザの出力は、通常、パルスあたり数ピコジュール程度であり、最良でもナノジュールがせいぜいであった。この程度のエネルギでは、コンパクトな超短光パルス源の出現が渇望されている広範な実用分野への適用には不十分である。
【０００３】
ところで、理論的には希土類ドープの施された光ファイバ増幅器によれば、ずっと高いパルスエネルギが得られる可能性がある。たとえば、エルビウム・ドープ光ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）の単モードの飽和エネルギは、約１μＪである。しかしながら、このようなエネルギを出した場合には、増幅された超短光パルスのピークパワーは、単モード・ファイバには許容しがたいほど高くなってしまう（１ｐｓのパルスで１ＭＷ程度）。もし、このようにハイパワーな光が光ファイバの小さなコアに閉じ込められたなら、集中的に高いピーク密度により、必然的に強度の非線形性が表れて、パルスはブレイクアップ（消散）してしまう。
【０００４】
この問題を回避する唯一の方法は、上記増幅器の中で光パルスのピークパワーを十分に低く保つことである。すなわち、（時間軸上で）伸長されて比較的長くなったパルスを増幅することである。初期のパルスが広い帯域幅を持っていて適切にチャープされているものとすれば、増幅されたパルスを（回折格子等で）線形圧縮することにより、再び短いパルス持続時間の超短光パルスが得られる。
【０００５】
チャープ・パルス増幅方法は、主として、高エネルギ超短光パルスを生成するレーザシステムで使われている。
この十年間では、チャープ・パルス増幅システムは、バルク回折格子の伸長器および圧縮器により構成されてきた。そのチャープ・パルス増幅のアイディアは、超短光パルスを増幅に先立って伸長し、増幅が終了したのちに、再びもとのパルス幅に圧縮して戻そうというものである。こうすれば（パルスのピーク強度が増幅器の線形範囲に収まり）、超短光パルスの増幅器内での歪みが少なく抑えられて、パルス幅を短いままに高いパルスエネルギの超短光パルスが得られる。
【０００６】
近年では、増幅に先立って、チューナブル・レーザ・ソースからチャープされた長いパルスが直接得られるようになり、これを増幅したパルスを圧縮することによって高エネルギの超短光パルスが得られるようになった。この技術に関しては、ガルバナスカス等の文献（ Galvanauskas et al., "Hybrid diode-laser fiber-amplifier source of high energy ultrashort pulses", 19 Optics Letters 1043(1994)）に詳細が記されている。この方法では、格子伸長器の必要性が無くなるものの、依然として回折格子圧縮器を必要としている。
【０００７】
さて、従来のシステムでは、回折格子による伸長器および圧縮器は、実際のチャープ・パルス増幅システムに適した分散遅延ライン式のもののみであった。異なる形態をとれば、正負いずれにも分散をとることができる。分散の大きさは、数十回や数百回の光パルスの伸長圧縮に十分なだけあり、パルス幅をフェムト秒から数十〜数百ピコ秒に伸ばすことができた。このような回折格子の組み合わせによれば、非線形光学効果によるパルスの歪みを起こすことなく、極めて高いエネルギのパルスを扱うことができている。
【０００８】
しかしながら、このような分散遅延ラインは、幾つかの大きな不都合を有していた。すなわち、回折格子の組み合わせは、分極に敏感であり、サイズの大きい（数ｍにも及ぶ）のが普通であるがゆえに、ロバストネス（頑強さ＝影響を受けない鈍感さ）およびエネルギ・スループット（出力）に限界があった。同じ理由で、その出力ビームのプロファイルは歪んでしまっていた。このような特性は、コンパクトなファイバおよびレーザ・ダイオードからなるチャープ・パルス増幅システムにおいては、特に好ましくない。
【０００９】
一方、ブラッグ格子は、光信号処理において他の様々な目的に使用されてきた。例えば、音響光フィルタや分散要素として使用されており、前者については、タミールの文献（ Tamir, "Integrated Optics", Springer-Verlag New York, 1979）に記載されている。ブラッグ格子は、光ファイバ、インテグレートされた光導波路構造、またはバルク材により構成されうる。このそれぞれについて、以下に簡単に説明する。
【００１０】
ゲルマニウム珪素ファイバのブラッグ格子は、光により誘導される周期的な屈折率の変化を介して（同ファイバの）コア内に形成される。この格子（グレーティング）の形成は、ファイバの側方から紫外線を照射して直接パターンを刻むことにより可能であり、この形成方法については、メルツの文献（ Meltz, "Formation of Bragg gratingus in optical fibers by transverse holographic method", Optics Letters, Vol.14, No.15, Augusut 1, 1989, p.823）に記載されている。感光特性強化技術により、格子の書き込みはいかなるゲルマニウム珪素ファイバにも可能であり、標準的な通信用ファイバにも適用可能である。
【００１１】
光導波路格子は、半導体材料から直接成長させることも可能であり、この種の格子は、半導体レーザ構造の集積素子として最も多用されている。たとえば、分布型ブラッグ・レフレクタ（ＤＢＲ）や、分布帰還型（ＤＦＢ）レーザ・ダイオードなどもまた、様々な格子構造を内蔵している集積導波路構造に使用されている。他にも、ＬｉＴａＯ3 やＬｉＮｂＯ3 などが、様々な格子構造を内蔵している集積導波路構造に使用されている。
【００１２】
バルクのブラッグ格子としては、一例に音響光学ファイバが挙げられる。ＦＲ変調している電気波形をチャーピングすることにより、チャープ・ブラッグ格子を得ることができる。
最近では、チャープ・ブラッグ格子は、図１に示すように、光導波路の分散を補正する目的でも使用されている。その詳細は、オーレットの文献（ F. Oullette, "Dispersion cancellation using linearity chirped Bragg grating filters in optical waveguides", Optics Letters, Vol.12, No.10, Oct. 1987, p.847）に記載されている。導波路の中を伝播する光の波動の速度はその波長（周波数）に左右される。それゆえ、周波数の異なる波動は所定の目的地に時間差をもって到達するので、分散による不都合が引き起こされる。そこで、上記導波路中にブラッグ格子を挿置すれば、この分散問題は大いに軽減される。
【００１３】
前述のオーレットの文献では、周期的なブラッグ構造からの反射光の波長λB は、λB ＝２ｎΛで与えられる。ここで、Λは周期、ｎはブラッグ構造の屈折率である。もし、上記ブラッグ格子に沿って構造の周期が変化していれば、異なる波長の光の波動は、それぞれ異なる場所で反射される。これから、遅延時間τを次の式に従って求めることができる。
【００１４】
τ＝２Ｌ／νg
ここで、νg は上記構造内の光の群速度であり、Ｌはブラッグ格子に入射した波長λの光線の入射距離である。したがって、ブラッグ格子の長さによって二つの異なる波長の間に起こる遅延時間の差が決まり、格子周期の変化（格子チャープ）の大きさによって上記構造の反射帯域が決まる。例えば、２〜３ｃｍの長さの構造で得られる最大のτ（遅延時間）は数百ピコ秒程度であり、帯域は数十ｎｍにも達する。
【００１５】
ファイバ・ブラッグ格子は光学フィルタとして使用されており、チャープ・ファイバ・ブラッグ格子は分散要素の分散を補正するコンポーネントとして使用されてきた（したがって小型軽量・高効率である）。しかし、超短光パルスの増幅には、大きくて非効率的な（すなわち不都合な）回折格子による伸長器および圧縮器だけが使用されてきた。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、チャープ・ブラッグ反射格子をチャープ・パルス増幅システムに適用することにより、回折格子装置のもつ前述の不都合を解消することを目的とする。すなわち、チャープ・パルス増幅システムを小型化し、ロバスト（堅牢または不感）性、信頼性および費用対効果の良好なものとすることを主たる目的（課題）としている。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
（装置発明）
本発明の第１構成は、光パルスを生成する生成手段と、該生成手段に光学的に接続され、該光パルスの持続時間を増大させて該光パルスのピーク振幅を低減する伸長手段と、該伸長手段に光学的に接続され、該光パルスが該伸長手段から出力された後に該光パルスの振幅を増加せしめる増幅手段と、該増幅手段の出力に光学的に接続され、該光パルスが該増幅手段から出力された後に該光パルスの持続時間を短くする再圧縮手段とからなる光パルス増幅装置において、前記伸長手段および前記再圧縮手段のうち少なくとも一つは、チャープ・ブラッグ格子で構成されており、当該ブラッグ格子は、容積ブラッグ格子であることを特徴とするチャープ・ブラッグ格子による光パルス増幅装置である。
【００１８】
本発明の第２構成は、上記第１構成において、前記伸長手段および前記再圧縮手段は、同一のチャープ・ブラッグ格子で構成されていることを特徴とする。
本発明の第３構成は、上記第１構成において、前記伸長手段は伸長用チャープ・ブラッグ格子で構成されており、前記再圧縮手段は再圧縮用チャープ・ブラッグ格子で構成されていることを特徴とする。
【００１９】
本発明の第４構成は、上記第１構成において、前記光パルス中に含まれる光波の分散の残留分を低減する分散補正手段を有することを特徴とする。
本発明の第５構成は、上記第２構成において、前記光パルス中に含まれる光波の分散の残留分を低減する分散補正手段を有することを特徴とする。
本発明の第６構成は、上記第３構成において、前記光パルス中に含まれる光波の分散の残留分を低減する分散補正手段を有することを特徴とする。
【００２０】
本発明の第７構成は、上記第１構成において、前記チャープ・ブラッグ格子のうち少なくとも一つに光学的に接続されており、該チャープ・ブラッグ格子から反射される光パルスから該チャープ・ブラッグ格子に入射する光パルスを分離する光線分割手段を備えていることを特徴とする。
本発明の第８構成は、上記第２構成において、前記チャープ・ブラッグ格子のうち少なくとも一つに光学的に接続されており、該チャープ・ブラッグ格子から反射される光パルスから該チャープ・ブラッグ格子に入射する光パルスを分離する光線分割手段を備えていることを特徴とする。
【００２１】
本発明の第９構成は、上記第３構成において、前記チャープ・ブラッグ格子のうち少なくとも一つに光学的に接続されており、該チャープ・ブラッグ格子から反射される光パルスから該チャープ・ブラッグ格子に入射する光パルスを分離する光線分割手段を備えていることを特徴とする。
（方法発明）
本発明の第１０構成は、光パルスを生成する生成過程と、該光パルスの持続時間を伸長して該光パルスのもとの持続時間より長時間にすることにより、該光パルスのピーク振幅を低減して伸長光パルスを生成する伸長過程と、該伸長光パルスを増幅して増幅伸長光パルスを生成する増幅過程と、該増幅伸長光パルスを再圧縮して該光パルスのもとの波形にもどす再圧縮過程との各過程からなる光パルス増幅方法において、前記伸長過程および前記再圧縮過程のうち少なくとも一つは、チャープ・ブラッグ格子を使うことにより実行され、当該チャープ・ブラッグ格子は、容積ブラッグ格子であることを特徴とするチャープ・ブラッグ格子による光パルス増幅方法である。
【００２２】
本発明の第１１構成は、上記第１０構成において、前記伸長過程および前記再圧縮過程の両方が、同一のチャープ・ブラッグ格子を使用して実行されることを特徴とする。
本発明の第１２構成は、上記第１０構成において、前記伸長過程および前記再圧縮過程は、別個のチャープ・ブラッグ格子を使用して実行されることを特徴とする。
【００２３】
本発明の第１３構成は、上記第１０構成において、前記光パルスの光波の分散の残留分を低減する分散補正過程を有することを特徴とする。
本発明の第１４構成は、上記第１１構成において、前記光パルスの光波の分散の残留分を低減する分散補正過程を有することを特徴とする。
本発明の第１５構成は、上記第１２構成において、前記光パルスの光波の分散の残留分を低減する分散補正過程を有することを特徴とする。
【００２４】
本発明の第１６構成は、上記第１０構成において、前記チャープ・ブラッグ格子から反射される光パルスから該チャープ・ブラッグ格子に入射する光パルスを分離する光線分割過程を備えていることを特徴とする。
本発明の第１７構成は、上記第１１構成において、前記チャープ・ブラッグ格子から反射される光パルスから該チャープ・ブラッグ格子に入射する光パルスを分離する光線分割過程を備えていることを特徴とする。
【００２５】
本発明の第１８構成は、上記第１２構成において、前記チャープ・ブラッグ格子から反射される光パルスから該チャープ・ブラッグ格子に入射する光パルスを分離する光線分割過程を備えていることを特徴とする。
【００２６】
【作用および発明の効果】
本発明によれば、小型軽量のチャープ・ブラッグ反射格子をチャープ・パルス増幅システムに適用することにより、従来技術としての回折格子装置のもつ前述の不都合を解消することができる。すなわち、チャープ・パルス増幅システムを小型化し、ロバスト（堅牢または不感）性、信頼性および費用対効果の良好なものとすることができることが、主たる効果である。
【００２７】
また、ファイバ内にチャープ・ブラッグ格子を分散コンポーネントとして挿置することにより、パルスの質と形状を大きく失うことなく、フェムト秒のパルスを伸長および圧縮することが可能になるという効果もある。
さらに、ブラッグ格子を採用することにより、最大のエネルギ・スループット（出力）を達成するとともに、パルスの質と持続時間の損失を最小に抑えることが可能になるという効果もある。
【００２８】
またさらに、チャープ・パルス増幅システムにおいて、チャープ・ブラッグ格子の逆伝搬方向を使うことにより、超短光パルスの伸長および圧縮を行うことをが可能になるという効果をも生じる。
【００２９】
【発明の実施の形態および実施例】
前述の目的（課題）は、本発明について以下の実施例の数々により当業者に実施されうるよう詳細かつ十分に説明されるので、今や達成可能である。いずれの実施例においても、少なくとも一つはチャープ・ブラッグ格子が採用されており、超短光パルスの伸長およびまたは再圧縮に使われている。実運用に当たっては、パルスは時間に関して引き伸ばされ、それゆえピーク・エネルギが増幅に先立って低下し、そして（増幅後に）再圧縮されて、（短い）元の波形の増幅された超短光パルスに復元される。
【００３０】
〔実施例１〕
（ブラッグ格子のチャーピング作用）
チャープ・ブラッグ格子１は、図１に示すように、その一端から他端へと進行する光パルス２，３を引き伸ばし（伸長し）、続いて反射して光パルス２，３の入射端からそれぞれ射出する。ブラッグ格子１は、逆に、引き伸ばされたパルス４，５を再圧縮する作用も有する。すなわち、パルス４，５がもう一度反射されてブラッグ格子１に再入射すると、パルス４，５は（もとのパルス１，２に近い超短光パルスに）再圧縮される。したがって、同一のブラッグ格子１によるパルスの伸長および圧縮は、可逆な過程である。
【００３１】
（実施例１の構成と作用効果）
本発明の実施例１としてのチャープ・ブラッグ格子による光パルス増幅装置の構成と作用について、図２を参照して説明する。
本光パルス増幅装置では、分割比率５０：５０の二つのビームスプリッタ６ａ，６ｂが、入射ビームおよび反射ビームを分割するためにブラッグ格子１の両端に設けられている。そして、伸長されたパルス１０ｂが、光増幅器９で増幅される。その際、光パルスは伸長されているので、光増幅器９内での光パルスのピークパワーは比較的低く保たれており、光増幅器９内での非線形効果および飽和効果によるパルスの歪みは回避される。それゆえ、（出力パルスでは）初期のパルス・エネルギよりもずっと高いエネルギを持ちながら、初期の（入力）パルスの波形および持続時間が取り戻される。
【００３２】
本実施例（図１および図２参照）の長所は、同一の格子１が伸長と再圧縮との両方に使われ得ることである。もちろん、格子１の不完全さは、反射されたパルスの質に影響する。ここで不完全さとは、例えば格子周期の不均一性や格子に沿った屈折率の変動などを指す。しかしながら、同一の格子１が伸長にも再圧縮にも共用されている場合には、長手方向の不均一性の影響は相殺されてしまい、再圧縮されたパルスの歪みは最小限にとどまるであろう。
【００３３】
〔実施例２〕
本実施例のチャープ・ブラッグ格子による光パルス増幅装置では、図３に示すように、二つのブラッグ格子１ａ，１ｂがそれぞれパルス伸長とパルス再圧縮に使用されている。本実施例では、二つのブラッグ格子１ａ，１ｂが同じ特性をもつようにすべきである。しかしながら実際には、製造工程においてなにがしかの違いが二つのブラッグ格子１ａ，１ｂの間に生じてしまう。であるから、再圧縮されたパルスの波形１０ｄに、いくらかの歪みが余計に生じる。初期の（入力）パルスの持続時間が短くなり、伸長されたパルス１０ｃの持続時間が長くなるにつれて、再圧縮されたパルス１０ｄの持続時間と波形は、さらに二つの格子１ａ，１ｂの間の差異の影響を受けやすくなる。
【００３４】
実施例１の単一のブラッグ格子１を用いたシステム（図２参照）には、光増幅器９やその他の光線の径路上にあるコンポーネントが有する分散を補正するために、分散補正器７が含まれていた。本実施例の二つのブラッグ格子１ａ，１ｂを有するシステム（図３参照）では、（光経路中に）分散補正器７を介在させることにより、二つの格子１ａ，１ｂの分散の相違をも補正することができる。このような分散の補正は、例えば、適正な器具、導波路構造、または正負いずれかの分散（どちらかは個々のシステムで異なる）をもつ光ファイバなどによって実現される。分散補正器７を用いれば、フェムト秒の光パルスに対してでさえも、出力パルスの帯域が限定された光パルス増幅システムを実現することができる。
【００３５】
（ビームスプリッタについて）
実施例１（図２参照）や実施例２（図３参照）において、５０：５０のビームスプリッタ６ａ，６ｂは、入射波（光）とブラッグ格子１ａ，１ｂ（実施例１では１のみ）からの反射波（光）とを分割する手段として使用されている。本実施例は、ハーフミラーや四ポートファイバを使用することにより容易に実現されるが、その場合、パルス伸長再圧縮後に残るパルスエネルギは、たかだか２５％にしか過ぎない。エネルギ・スループット（効率）を最大にするためには、その外の手段もある。例えば、光サーキュレータ１１（図４参照）を使用すれば、最大１００％までのパルス・エネルギを透過させることが可能である。
【００３６】
図４に示す装置では、１００％近い透過性を得るために、偏光ビームスプリッタ１２と四半波長（λ／４）プレート１４とを組み合わせている。この装置では、偏光方向が平行な平面内にある直線偏光（平面偏光）光線１５が、偏光ビームスプリッタ１２を大きな損失なしに透過する。四半波長プレート１４を二度通過した格子１からの反射光１６は、入射光線１５（の偏光方向）に対して直交した偏光方向を持ち、ビームスプリッタ１２により反射される。
【００３７】
単一のブラッグ格子１が伸長および再圧縮に使用されている場合（例えば実施例１）には、偏光ビームスプリッタ１２は特に有用である。ごく少量の光は、透過して格子１の他端（入射端の反対側）から常に漏れ出るので、格子１が単一である場合（図２参照）には、この漏れ出た透過光が光増幅器９で増幅されるのを防ぐことは特に重要である。偏光ビームスプリッタ１２によれば、この問題は容易に解消される。すなわち、偏光ビームスプリッタ１２の向き（当然入力光線の偏光の向きも）を、格子１の両端で互いに直交するように配置されていればよい。そうすれば、ビームスプリッタ１２を透過した光線は、反射光線に対して偏光の方向が直交するので、ビームスプリッタ１２で偏向する（方向を変える）ことはない。
【００３８】
〔実施例３〕
本実施例の光パルス増幅装置は、図６に示すように、本発明に則って、チャープ・パルス増幅システムにおけるブラッグ格子１ａ，１ｂの様々な使用形態の一つを例示するものである。
オーレットの文献（ F. Oullette, Optics Letters, Vol.16, No.5, March 1991, p.303）には、入力パルスの導波モードとは異なる導波モードに伸長されたパルスと再圧縮されたパルスとをカップリングさせて透過せしめるように、導波路またはファイバに内挿されたチャープ格子を設計することができると記載されている。ブラッグ格子１ａ，１ｂはシステムを簡素にするが、通常は公知の手段（図示せず）を付加することにより、増幅はされたものの圧縮されなかったパルス１０ｃの残留分を抑制する。この残留分は、圧縮されたパルス１０ｄと一緒に透過してしまう分である。ブラッグ格子１に他の公知の分散遅延ラインを組み合わせることにより、システムをより簡素にすることも可能である。
【００３９】
（実施例３の変形態様）
本変形態様では、図７に示すように、標準ファイバ１３が伸長器として使用され、ファイバに内挿された（イン・ファイバ）格子１が圧縮器として使用されている。
チャープされた長パルスが直接レーザ光源から発生するチャープ・パルス増幅システムにおいては、図８に示すように、ブラッグ格子１は（圧縮用の）一つで十分である。
【００４０】
〔実施例４〕
本実施例のチャープ・パルス増幅装置では、二つのブラッグ格子１ａ，１ｂが組み込まれている。
フェムト秒のパルスが、パッシブ・モードロック・ファイバ・レーザ（図示せず）から生成された。初期のパルス１０ａは、限定された帯域幅で持続時間が３３０ｆｓであり、８ＭＨｚの反復率をもっていた。ブラッグ格子１ａ，１ｂは、露光中に変形している部分でチャーピングを生じていた。格子１ａ，１ｂは５ｍｍの長さであり、その反射帯域幅は２０ｎｍ、その反射率は６５％であった。フェムト秒のパルス１０ａは、格子１ａにより３０ｐｓに伸長された。
【００４１】
伸長されたパルス１０ａは、エルビウム・ドープ・ファイバ増幅器９内で増幅された。この増幅器９は、レーザ・ダイオードＭＯＰＡ１７から波長９８０ｎｍで２００ｍＷのポンピングを受けていた。分散を最小に抑えるために、標準ファイバ（Ｄ＝−３ｐｓ／ｎｍ・ｋｍ）に比べ六倍低い負の分散（分散能）をもつ長さ４．５ｍのエルビウム・ドープ・ファイバが、増幅器９として使用された。
【００４２】
光路にある全てのファイバの負の分散の影響を補正するために、長さ７０ｃｍの正の分散をもつ光ファイバ１３（Ｄ＝８６ｐｓ／ｎｍ・ｋｍ）が、システムの始めの部分に接ぎ入れられている。ファイバ格子（１ａ，１ｂ）の一端における入射ビームおよび反射ビームは、標準の５０：５０ファイバ・カップラ１８ａ，１８ｂよって分割された。格子での損失を含むエネルギのスループットは、伸長においても再圧縮においても、１６％であった。
【００４３】
上記増幅器の入力部における伸長されたパルス（１０ｂ）は、２０ｐＪであった。上記増幅器のゲインは、次の二つの手法で最大になる。先ず、ポンプビームと信号ビームとが、反対方向に伝搬するようにアレンジすることである。次に、二つのイン・ファイバ光アイソレータ１９ａ，１９ｂが、増幅器９の両端に挿置されて、逆反射（光線の逆行）を防ぐことである。増幅器９の出力端でのパルスのエネルギは、４〜６ｎＪであった。
【００４４】
（実施例４の変形態様）
伸長および再圧縮の後でさらに大きなエネルギが再生され得ることを検証するために、バルク・コンポーネントを使用して図５に示した装置で試験してみた。この変形態様では、エネルギ・スループットは５０％に増加した。それでもなお２ｄＢの損失があったが、これは使用されたブラッグ格子１の反射率に限度があることと、格子ファイバへのカップリング効率が８０％に過ぎないこととに起因していた。図５の装置に、より高い反射率の格子とオール・ファイバの偏向コンポーネントとを使用すれば、さらに高いスループットを達成することも可能である。
【００４５】
〔実施例５〕
伸長再圧縮用の単一のブラッグ格子１をもつ実施例と、最初のブラッグ格子（図６参照）の代わりに標準ファイバ伸長器を備えた本実施例（図７参照）との両方が試作された。それぞれの試験結果を、図１０（ａ）および図１０（ｂ）に示す。単一のチャープ・ブラッグ格子で二つの伝搬方向を使い、伸長器と再圧縮器とを兼用する場合には、帯域幅の限定された３３０ｆｓの初期（入力）パルスに対し、４０８ｆｓの再圧縮された（出力）パルスが得られた。したがって、格子をもつこの装置によるパルス幅の増加は、わずか２０％にすぎない。
【００４６】
図１０（ａ）に示すように、再圧縮後の（出力）パルスの波形は、本質的にシステムへの入力（波形）と同一である。これは、回折格子による伸長器および圧縮器を使用した場合の典型的な結果にくらべ、相当改善されている。
一方、標準ファイバ伸長器１３（１７０ｍの光ファイバでＤ＝１７ｐｓ／ｎｍ・ｋｍ）が使用された場合には、最短の再圧縮（出力）パルスは５４４ｆｓであり、図１０（ｂ）に示すようにパルスの波形はかなり変化していた。
【００４７】
〔ブラッグ格子の効果〕
ブラッグ格子を伸長器および再圧縮器に使用することの重要な利点は、その寸法が小さくコンパクトであることである。フェムト秒のパルスを数百ピコ秒の持続時間に伸長するには、ほんの２〜３ｃｍの長さの格子で用が足りる。（バルク回折格子を使用すると１ｍ程度になる。）この短い相互作用距離のゆえに、高エネルギのパルスがブラッグ圧縮器内に到達する。同様に、容積ブラッグ格子においても、ビームサイズは大きくとれ、高いピーク密度を避けることができる。
【００４８】
ブラッグ反射は、一般に偏光に不感である。しかしながら、光学材料および導波路構造の複屈折により、なにがしかの偏光感度を生じることがある。ブラッグ格子によれば、ビームの質の歪みは一般に回避することができる。
導波路内構造やイン・ファイバ構造はとりわけ魅力的である。これをオール・ファイバ構造、オール・ウェーブガイド（全導波路）構造、あるいはファイバ・導波路・レーザ半導体構造の設計に用いれば、ロバスト性、高信頼性、費用対効果性の高いチャープ・パルス増幅システムを提供することができる。
【００４９】
したがって、本発明のチャープ・ブラッグ格子による光パルス増幅方法および増幅装置によれば、高エネルギの超短光パルスを発生するコンパクトなダイオード・レーザおよびファイバを用いて、（発明の）目的を達成することができる。（本発明のシステムが出力する）パルスのエネルギは、従前のシステムよりもずっと高く、パルスの増幅に伴う歪みは、本質的に低減される。
【００５０】
本発明は、前述の実施例に限定されるものではない。すなわち、本発明の精神と広がりの範囲から逸脱しないかぎり、あらゆる変更や変形態様が本発明に含まれるものとする。
【図面の簡単な説明】
【図１】 ブラッグ格子でのパルス・チャーピングの原理を示す模式図
【図２】 実施例１のチャープ・パルス増幅装置の基本構成を示す模式図
【図３】 実施例２のチャープ・パルス増幅装置の基本構成を示す模式図
【図４】 ブラッグ格子と光サーキュレータとの組合わせを示す模式図
【図５】 ブラッグ格子、スプリッタ、四半波長板の組合わせの模式図
【図６】 実施例３のチャープ・パルス増幅装置の基本構成を示す組図
【図７】 実施例５のチャープ・パルス増幅装置の基本構成を示す模式図
【図８】 チャープ（伸長）された長いパルスの増幅を示す模式図
【図９】 実施例６のチャープ・パルス増幅装置の基本構成を示す模式図
【図１０】二つの実施例での信号処理作用を実測値で示す組図
（ａ）実施例６の入出力パルスの波形を示すグラフ
（ｂ）実施例５の入出力パルスの波形を示すグラフ
【符号の説明】
１，１ａ，１ｂ：チャープ・ブラッグ格子
２，３：光パルス（超短光パルス）
４，５：光パルス（伸長されたパルス）
６，６ａ，６ｂ：ビームスプリッタ（分割比率５０：５０）
７：分散補正器 ９：光増幅器
１０ａ：光パルス（超短光パルス入力）
１０ｂ，１０ｃ：光パルス（伸長されたパルス）
１０ｄ：光パルス（再圧縮されたパルス出力）
１１：光サーキュレータ １２：偏光ビームスプリッタ
１３：光ファイバ（伸長器） １４：四半波長（λ／４）プレート
１５：直線偏光（平面偏光）光線 １６：反射光
１７：レーザ・ダイオードＭＯＰＡ １８ａ，１８ｂ：ファイバ・カップラ
１９ａ，１９ｂ：光アイソレータ
【発明の属する技術分野】
本発明は、チャープ・ブラッグ格子により超短光パルスを伸長した上で増幅し続いて増幅されたパルスを増幅歪みを避けて圧縮する光パルス増幅技術に関し、チャープ光パルス増幅の技術分野に属する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の超短光パルスの発生源としては、コンパクトな光ファイバとダイオードとからなる装置がある。ただし、この装置は、大型のソリッドステートの超短光パルスの発生源に比べ、十分に大きな出力を発揮することができなかった。すなわち、前述のダイオード・ファイバ・レーザの出力は、通常、パルスあたり数ピコジュール程度であり、最良でもナノジュールがせいぜいであった。この程度のエネルギでは、コンパクトな超短光パルス源の出現が渇望されている広範な実用分野への適用には不十分である。
【０００３】
ところで、理論的には希土類ドープの施された光ファイバ増幅器によれば、ずっと高いパルスエネルギが得られる可能性がある。たとえば、エルビウム・ドープ光ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）の単モードの飽和エネルギは、約１μＪである。しかしながら、このようなエネルギを出した場合には、増幅された超短光パルスのピークパワーは、単モード・ファイバには許容しがたいほど高くなってしまう（１ｐｓのパルスで１ＭＷ程度）。もし、このようにハイパワーな光が光ファイバの小さなコアに閉じ込められたなら、集中的に高いピーク密度により、必然的に強度の非線形性が表れて、パルスはブレイクアップ（消散）してしまう。
【０００４】
この問題を回避する唯一の方法は、上記増幅器の中で光パルスのピークパワーを十分に低く保つことである。すなわち、（時間軸上で）伸長されて比較的長くなったパルスを増幅することである。初期のパルスが広い帯域幅を持っていて適切にチャープされているものとすれば、増幅されたパルスを（回折格子等で）線形圧縮することにより、再び短いパルス持続時間の超短光パルスが得られる。
【０００５】
チャープ・パルス増幅方法は、主として、高エネルギ超短光パルスを生成するレーザシステムで使われている。
この十年間では、チャープ・パルス増幅システムは、バルク回折格子の伸長器および圧縮器により構成されてきた。そのチャープ・パルス増幅のアイディアは、超短光パルスを増幅に先立って伸長し、増幅が終了したのちに、再びもとのパルス幅に圧縮して戻そうというものである。こうすれば（パルスのピーク強度が増幅器の線形範囲に収まり）、超短光パルスの増幅器内での歪みが少なく抑えられて、パルス幅を短いままに高いパルスエネルギの超短光パルスが得られる。
【０００６】
近年では、増幅に先立って、チューナブル・レーザ・ソースからチャープされた長いパルスが直接得られるようになり、これを増幅したパルスを圧縮することによって高エネルギの超短光パルスが得られるようになった。この技術に関しては、ガルバナスカス等の文献（ Galvanauskas et al., "Hybrid diode-laser fiber-amplifier source of high energy ultrashort pulses", 19 Optics Letters 1043(1994)）に詳細が記されている。この方法では、格子伸長器の必要性が無くなるものの、依然として回折格子圧縮器を必要としている。
【０００７】
さて、従来のシステムでは、回折格子による伸長器および圧縮器は、実際のチャープ・パルス増幅システムに適した分散遅延ライン式のもののみであった。異なる形態をとれば、正負いずれにも分散をとることができる。分散の大きさは、数十回や数百回の光パルスの伸長圧縮に十分なだけあり、パルス幅をフェムト秒から数十〜数百ピコ秒に伸ばすことができた。このような回折格子の組み合わせによれば、非線形光学効果によるパルスの歪みを起こすことなく、極めて高いエネルギのパルスを扱うことができている。
【０００８】
しかしながら、このような分散遅延ラインは、幾つかの大きな不都合を有していた。すなわち、回折格子の組み合わせは、分極に敏感であり、サイズの大きい（数ｍにも及ぶ）のが普通であるがゆえに、ロバストネス（頑強さ＝影響を受けない鈍感さ）およびエネルギ・スループット（出力）に限界があった。同じ理由で、その出力ビームのプロファイルは歪んでしまっていた。このような特性は、コンパクトなファイバおよびレーザ・ダイオードからなるチャープ・パルス増幅システムにおいては、特に好ましくない。
【０００９】
一方、ブラッグ格子は、光信号処理において他の様々な目的に使用されてきた。例えば、音響光フィルタや分散要素として使用されており、前者については、タミールの文献（ Tamir, "Integrated Optics", Springer-Verlag New York, 1979）に記載されている。ブラッグ格子は、光ファイバ、インテグレートされた光導波路構造、またはバルク材により構成されうる。このそれぞれについて、以下に簡単に説明する。
【００１０】
ゲルマニウム珪素ファイバのブラッグ格子は、光により誘導される周期的な屈折率の変化を介して（同ファイバの）コア内に形成される。この格子（グレーティング）の形成は、ファイバの側方から紫外線を照射して直接パターンを刻むことにより可能であり、この形成方法については、メルツの文献（ Meltz, "Formation of Bragg gratingus in optical fibers by transverse holographic method", Optics Letters, Vol.14, No.15, Augusut 1, 1989, p.823）に記載されている。感光特性強化技術により、格子の書き込みはいかなるゲルマニウム珪素ファイバにも可能であり、標準的な通信用ファイバにも適用可能である。
【００１１】
光導波路格子は、半導体材料から直接成長させることも可能であり、この種の格子は、半導体レーザ構造の集積素子として最も多用されている。たとえば、分布型ブラッグ・レフレクタ（ＤＢＲ）や、分布帰還型（ＤＦＢ）レーザ・ダイオードなどもまた、様々な格子構造を内蔵している集積導波路構造に使用されている。他にも、ＬｉＴａＯ3 やＬｉＮｂＯ3 などが、様々な格子構造を内蔵している集積導波路構造に使用されている。
【００１２】
バルクのブラッグ格子としては、一例に音響光学ファイバが挙げられる。ＦＲ変調している電気波形をチャーピングすることにより、チャープ・ブラッグ格子を得ることができる。
最近では、チャープ・ブラッグ格子は、図１に示すように、光導波路の分散を補正する目的でも使用されている。その詳細は、オーレットの文献（ F. Oullette, "Dispersion cancellation using linearity chirped Bragg grating filters in optical waveguides", Optics Letters, Vol.12, No.10, Oct. 1987, p.847）に記載されている。導波路の中を伝播する光の波動の速度はその波長（周波数）に左右される。それゆえ、周波数の異なる波動は所定の目的地に時間差をもって到達するので、分散による不都合が引き起こされる。そこで、上記導波路中にブラッグ格子を挿置すれば、この分散問題は大いに軽減される。
【００１３】
前述のオーレットの文献では、周期的なブラッグ構造からの反射光の波長λB は、λB ＝２ｎΛで与えられる。ここで、Λは周期、ｎはブラッグ構造の屈折率である。もし、上記ブラッグ格子に沿って構造の周期が変化していれば、異なる波長の光の波動は、それぞれ異なる場所で反射される。これから、遅延時間τを次の式に従って求めることができる。
【００１４】
τ＝２Ｌ／νg
ここで、νg は上記構造内の光の群速度であり、Ｌはブラッグ格子に入射した波長λの光線の入射距離である。したがって、ブラッグ格子の長さによって二つの異なる波長の間に起こる遅延時間の差が決まり、格子周期の変化（格子チャープ）の大きさによって上記構造の反射帯域が決まる。例えば、２〜３ｃｍの長さの構造で得られる最大のτ（遅延時間）は数百ピコ秒程度であり、帯域は数十ｎｍにも達する。
【００１５】
ファイバ・ブラッグ格子は光学フィルタとして使用されており、チャープ・ファイバ・ブラッグ格子は分散要素の分散を補正するコンポーネントとして使用されてきた（したがって小型軽量・高効率である）。しかし、超短光パルスの増幅には、大きくて非効率的な（すなわち不都合な）回折格子による伸長器および圧縮器だけが使用されてきた。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、チャープ・ブラッグ反射格子をチャープ・パルス増幅システムに適用することにより、回折格子装置のもつ前述の不都合を解消することを目的とする。すなわち、チャープ・パルス増幅システムを小型化し、ロバスト（堅牢または不感）性、信頼性および費用対効果の良好なものとすることを主たる目的（課題）としている。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
（装置発明）
本発明の第１構成は、光パルスを生成する生成手段と、該生成手段に光学的に接続され、該光パルスの持続時間を増大させて該光パルスのピーク振幅を低減する伸長手段と、該伸長手段に光学的に接続され、該光パルスが該伸長手段から出力された後に該光パルスの振幅を増加せしめる増幅手段と、該増幅手段の出力に光学的に接続され、該光パルスが該増幅手段から出力された後に該光パルスの持続時間を短くする再圧縮手段とからなる光パルス増幅装置において、前記伸長手段および前記再圧縮手段のうち少なくとも一つは、チャープ・ブラッグ格子で構成されており、当該ブラッグ格子は、容積ブラッグ格子であることを特徴とするチャープ・ブラッグ格子による光パルス増幅装置である。
【００１８】
本発明の第２構成は、上記第１構成において、前記伸長手段および前記再圧縮手段は、同一のチャープ・ブラッグ格子で構成されていることを特徴とする。
本発明の第３構成は、上記第１構成において、前記伸長手段は伸長用チャープ・ブラッグ格子で構成されており、前記再圧縮手段は再圧縮用チャープ・ブラッグ格子で構成されていることを特徴とする。
【００１９】
本発明の第４構成は、上記第１構成において、前記光パルス中に含まれる光波の分散の残留分を低減する分散補正手段を有することを特徴とする。
本発明の第５構成は、上記第２構成において、前記光パルス中に含まれる光波の分散の残留分を低減する分散補正手段を有することを特徴とする。
本発明の第６構成は、上記第３構成において、前記光パルス中に含まれる光波の分散の残留分を低減する分散補正手段を有することを特徴とする。
【００２０】
本発明の第７構成は、上記第１構成において、前記チャープ・ブラッグ格子のうち少なくとも一つに光学的に接続されており、該チャープ・ブラッグ格子から反射される光パルスから該チャープ・ブラッグ格子に入射する光パルスを分離する光線分割手段を備えていることを特徴とする。
本発明の第８構成は、上記第２構成において、前記チャープ・ブラッグ格子のうち少なくとも一つに光学的に接続されており、該チャープ・ブラッグ格子から反射される光パルスから該チャープ・ブラッグ格子に入射する光パルスを分離する光線分割手段を備えていることを特徴とする。
【００２１】
本発明の第９構成は、上記第３構成において、前記チャープ・ブラッグ格子のうち少なくとも一つに光学的に接続されており、該チャープ・ブラッグ格子から反射される光パルスから該チャープ・ブラッグ格子に入射する光パルスを分離する光線分割手段を備えていることを特徴とする。
（方法発明）
本発明の第１０構成は、光パルスを生成する生成過程と、該光パルスの持続時間を伸長して該光パルスのもとの持続時間より長時間にすることにより、該光パルスのピーク振幅を低減して伸長光パルスを生成する伸長過程と、該伸長光パルスを増幅して増幅伸長光パルスを生成する増幅過程と、該増幅伸長光パルスを再圧縮して該光パルスのもとの波形にもどす再圧縮過程との各過程からなる光パルス増幅方法において、前記伸長過程および前記再圧縮過程のうち少なくとも一つは、チャープ・ブラッグ格子を使うことにより実行され、当該チャープ・ブラッグ格子は、容積ブラッグ格子であることを特徴とするチャープ・ブラッグ格子による光パルス増幅方法である。
【００２２】
本発明の第１１構成は、上記第１０構成において、前記伸長過程および前記再圧縮過程の両方が、同一のチャープ・ブラッグ格子を使用して実行されることを特徴とする。
本発明の第１２構成は、上記第１０構成において、前記伸長過程および前記再圧縮過程は、別個のチャープ・ブラッグ格子を使用して実行されることを特徴とする。
【００２３】
本発明の第１３構成は、上記第１０構成において、前記光パルスの光波の分散の残留分を低減する分散補正過程を有することを特徴とする。
本発明の第１４構成は、上記第１１構成において、前記光パルスの光波の分散の残留分を低減する分散補正過程を有することを特徴とする。
本発明の第１５構成は、上記第１２構成において、前記光パルスの光波の分散の残留分を低減する分散補正過程を有することを特徴とする。
【００２４】
本発明の第１６構成は、上記第１０構成において、前記チャープ・ブラッグ格子から反射される光パルスから該チャープ・ブラッグ格子に入射する光パルスを分離する光線分割過程を備えていることを特徴とする。
本発明の第１７構成は、上記第１１構成において、前記チャープ・ブラッグ格子から反射される光パルスから該チャープ・ブラッグ格子に入射する光パルスを分離する光線分割過程を備えていることを特徴とする。
【００２５】
本発明の第１８構成は、上記第１２構成において、前記チャープ・ブラッグ格子から反射される光パルスから該チャープ・ブラッグ格子に入射する光パルスを分離する光線分割過程を備えていることを特徴とする。
【００２６】
【作用および発明の効果】
本発明によれば、小型軽量のチャープ・ブラッグ反射格子をチャープ・パルス増幅システムに適用することにより、従来技術としての回折格子装置のもつ前述の不都合を解消することができる。すなわち、チャープ・パルス増幅システムを小型化し、ロバスト（堅牢または不感）性、信頼性および費用対効果の良好なものとすることができることが、主たる効果である。
【００２７】
また、ファイバ内にチャープ・ブラッグ格子を分散コンポーネントとして挿置することにより、パルスの質と形状を大きく失うことなく、フェムト秒のパルスを伸長および圧縮することが可能になるという効果もある。
さらに、ブラッグ格子を採用することにより、最大のエネルギ・スループット（出力）を達成するとともに、パルスの質と持続時間の損失を最小に抑えることが可能になるという効果もある。
【００２８】
またさらに、チャープ・パルス増幅システムにおいて、チャープ・ブラッグ格子の逆伝搬方向を使うことにより、超短光パルスの伸長および圧縮を行うことをが可能になるという効果をも生じる。
【００２９】
【発明の実施の形態および実施例】
前述の目的（課題）は、本発明について以下の実施例の数々により当業者に実施されうるよう詳細かつ十分に説明されるので、今や達成可能である。いずれの実施例においても、少なくとも一つはチャープ・ブラッグ格子が採用されており、超短光パルスの伸長およびまたは再圧縮に使われている。実運用に当たっては、パルスは時間に関して引き伸ばされ、それゆえピーク・エネルギが増幅に先立って低下し、そして（増幅後に）再圧縮されて、（短い）元の波形の増幅された超短光パルスに復元される。
【００３０】
〔実施例１〕
（ブラッグ格子のチャーピング作用）
チャープ・ブラッグ格子１は、図１に示すように、その一端から他端へと進行する光パルス２，３を引き伸ばし（伸長し）、続いて反射して光パルス２，３の入射端からそれぞれ射出する。ブラッグ格子１は、逆に、引き伸ばされたパルス４，５を再圧縮する作用も有する。すなわち、パルス４，５がもう一度反射されてブラッグ格子１に再入射すると、パルス４，５は（もとのパルス１，２に近い超短光パルスに）再圧縮される。したがって、同一のブラッグ格子１によるパルスの伸長および圧縮は、可逆な過程である。
【００３１】
（実施例１の構成と作用効果）
本発明の実施例１としてのチャープ・ブラッグ格子による光パルス増幅装置の構成と作用について、図２を参照して説明する。
本光パルス増幅装置では、分割比率５０：５０の二つのビームスプリッタ６ａ，６ｂが、入射ビームおよび反射ビームを分割するためにブラッグ格子１の両端に設けられている。そして、伸長されたパルス１０ｂが、光増幅器９で増幅される。その際、光パルスは伸長されているので、光増幅器９内での光パルスのピークパワーは比較的低く保たれており、光増幅器９内での非線形効果および飽和効果によるパルスの歪みは回避される。それゆえ、（出力パルスでは）初期のパルス・エネルギよりもずっと高いエネルギを持ちながら、初期の（入力）パルスの波形および持続時間が取り戻される。
【００３２】
本実施例（図１および図２参照）の長所は、同一の格子１が伸長と再圧縮との両方に使われ得ることである。もちろん、格子１の不完全さは、反射されたパルスの質に影響する。ここで不完全さとは、例えば格子周期の不均一性や格子に沿った屈折率の変動などを指す。しかしながら、同一の格子１が伸長にも再圧縮にも共用されている場合には、長手方向の不均一性の影響は相殺されてしまい、再圧縮されたパルスの歪みは最小限にとどまるであろう。
【００３３】
〔実施例２〕
本実施例のチャープ・ブラッグ格子による光パルス増幅装置では、図３に示すように、二つのブラッグ格子１ａ，１ｂがそれぞれパルス伸長とパルス再圧縮に使用されている。本実施例では、二つのブラッグ格子１ａ，１ｂが同じ特性をもつようにすべきである。しかしながら実際には、製造工程においてなにがしかの違いが二つのブラッグ格子１ａ，１ｂの間に生じてしまう。であるから、再圧縮されたパルスの波形１０ｄに、いくらかの歪みが余計に生じる。初期の（入力）パルスの持続時間が短くなり、伸長されたパルス１０ｃの持続時間が長くなるにつれて、再圧縮されたパルス１０ｄの持続時間と波形は、さらに二つの格子１ａ，１ｂの間の差異の影響を受けやすくなる。
【００３４】
実施例１の単一のブラッグ格子１を用いたシステム（図２参照）には、光増幅器９やその他の光線の径路上にあるコンポーネントが有する分散を補正するために、分散補正器７が含まれていた。本実施例の二つのブラッグ格子１ａ，１ｂを有するシステム（図３参照）では、（光経路中に）分散補正器７を介在させることにより、二つの格子１ａ，１ｂの分散の相違をも補正することができる。このような分散の補正は、例えば、適正な器具、導波路構造、または正負いずれかの分散（どちらかは個々のシステムで異なる）をもつ光ファイバなどによって実現される。分散補正器７を用いれば、フェムト秒の光パルスに対してでさえも、出力パルスの帯域が限定された光パルス増幅システムを実現することができる。
【００３５】
（ビームスプリッタについて）
実施例１（図２参照）や実施例２（図３参照）において、５０：５０のビームスプリッタ６ａ，６ｂは、入射波（光）とブラッグ格子１ａ，１ｂ（実施例１では１のみ）からの反射波（光）とを分割する手段として使用されている。本実施例は、ハーフミラーや四ポートファイバを使用することにより容易に実現されるが、その場合、パルス伸長再圧縮後に残るパルスエネルギは、たかだか２５％にしか過ぎない。エネルギ・スループット（効率）を最大にするためには、その外の手段もある。例えば、光サーキュレータ１１（図４参照）を使用すれば、最大１００％までのパルス・エネルギを透過させることが可能である。
【００３６】
図４に示す装置では、１００％近い透過性を得るために、偏光ビームスプリッタ１２と四半波長（λ／４）プレート１４とを組み合わせている。この装置では、偏光方向が平行な平面内にある直線偏光（平面偏光）光線１５が、偏光ビームスプリッタ１２を大きな損失なしに透過する。四半波長プレート１４を二度通過した格子１からの反射光１６は、入射光線１５（の偏光方向）に対して直交した偏光方向を持ち、ビームスプリッタ１２により反射される。
【００３７】
単一のブラッグ格子１が伸長および再圧縮に使用されている場合（例えば実施例１）には、偏光ビームスプリッタ１２は特に有用である。ごく少量の光は、透過して格子１の他端（入射端の反対側）から常に漏れ出るので、格子１が単一である場合（図２参照）には、この漏れ出た透過光が光増幅器９で増幅されるのを防ぐことは特に重要である。偏光ビームスプリッタ１２によれば、この問題は容易に解消される。すなわち、偏光ビームスプリッタ１２の向き（当然入力光線の偏光の向きも）を、格子１の両端で互いに直交するように配置されていればよい。そうすれば、ビームスプリッタ１２を透過した光線は、反射光線に対して偏光の方向が直交するので、ビームスプリッタ１２で偏向する（方向を変える）ことはない。
【００３８】
〔実施例３〕
本実施例の光パルス増幅装置は、図６に示すように、本発明に則って、チャープ・パルス増幅システムにおけるブラッグ格子１ａ，１ｂの様々な使用形態の一つを例示するものである。
オーレットの文献（ F. Oullette, Optics Letters, Vol.16, No.5, March 1991, p.303）には、入力パルスの導波モードとは異なる導波モードに伸長されたパルスと再圧縮されたパルスとをカップリングさせて透過せしめるように、導波路またはファイバに内挿されたチャープ格子を設計することができると記載されている。ブラッグ格子１ａ，１ｂはシステムを簡素にするが、通常は公知の手段（図示せず）を付加することにより、増幅はされたものの圧縮されなかったパルス１０ｃの残留分を抑制する。この残留分は、圧縮されたパルス１０ｄと一緒に透過してしまう分である。ブラッグ格子１に他の公知の分散遅延ラインを組み合わせることにより、システムをより簡素にすることも可能である。
【００３９】
（実施例３の変形態様）
本変形態様では、図７に示すように、標準ファイバ１３が伸長器として使用され、ファイバに内挿された（イン・ファイバ）格子１が圧縮器として使用されている。
チャープされた長パルスが直接レーザ光源から発生するチャープ・パルス増幅システムにおいては、図８に示すように、ブラッグ格子１は（圧縮用の）一つで十分である。
【００４０】
〔実施例４〕
本実施例のチャープ・パルス増幅装置では、二つのブラッグ格子１ａ，１ｂが組み込まれている。
フェムト秒のパルスが、パッシブ・モードロック・ファイバ・レーザ（図示せず）から生成された。初期のパルス１０ａは、限定された帯域幅で持続時間が３３０ｆｓであり、８ＭＨｚの反復率をもっていた。ブラッグ格子１ａ，１ｂは、露光中に変形している部分でチャーピングを生じていた。格子１ａ，１ｂは５ｍｍの長さであり、その反射帯域幅は２０ｎｍ、その反射率は６５％であった。フェムト秒のパルス１０ａは、格子１ａにより３０ｐｓに伸長された。
【００４１】
伸長されたパルス１０ａは、エルビウム・ドープ・ファイバ増幅器９内で増幅された。この増幅器９は、レーザ・ダイオードＭＯＰＡ１７から波長９８０ｎｍで２００ｍＷのポンピングを受けていた。分散を最小に抑えるために、標準ファイバ（Ｄ＝−３ｐｓ／ｎｍ・ｋｍ）に比べ六倍低い負の分散（分散能）をもつ長さ４．５ｍのエルビウム・ドープ・ファイバが、増幅器９として使用された。
【００４２】
光路にある全てのファイバの負の分散の影響を補正するために、長さ７０ｃｍの正の分散をもつ光ファイバ１３（Ｄ＝８６ｐｓ／ｎｍ・ｋｍ）が、システムの始めの部分に接ぎ入れられている。ファイバ格子（１ａ，１ｂ）の一端における入射ビームおよび反射ビームは、標準の５０：５０ファイバ・カップラ１８ａ，１８ｂよって分割された。格子での損失を含むエネルギのスループットは、伸長においても再圧縮においても、１６％であった。
【００４３】
上記増幅器の入力部における伸長されたパルス（１０ｂ）は、２０ｐＪであった。上記増幅器のゲインは、次の二つの手法で最大になる。先ず、ポンプビームと信号ビームとが、反対方向に伝搬するようにアレンジすることである。次に、二つのイン・ファイバ光アイソレータ１９ａ，１９ｂが、増幅器９の両端に挿置されて、逆反射（光線の逆行）を防ぐことである。増幅器９の出力端でのパルスのエネルギは、４〜６ｎＪであった。
【００４４】
（実施例４の変形態様）
伸長および再圧縮の後でさらに大きなエネルギが再生され得ることを検証するために、バルク・コンポーネントを使用して図５に示した装置で試験してみた。この変形態様では、エネルギ・スループットは５０％に増加した。それでもなお２ｄＢの損失があったが、これは使用されたブラッグ格子１の反射率に限度があることと、格子ファイバへのカップリング効率が８０％に過ぎないこととに起因していた。図５の装置に、より高い反射率の格子とオール・ファイバの偏向コンポーネントとを使用すれば、さらに高いスループットを達成することも可能である。
【００４５】
〔実施例５〕
伸長再圧縮用の単一のブラッグ格子１をもつ実施例と、最初のブラッグ格子（図６参照）の代わりに標準ファイバ伸長器を備えた本実施例（図７参照）との両方が試作された。それぞれの試験結果を、図１０（ａ）および図１０（ｂ）に示す。単一のチャープ・ブラッグ格子で二つの伝搬方向を使い、伸長器と再圧縮器とを兼用する場合には、帯域幅の限定された３３０ｆｓの初期（入力）パルスに対し、４０８ｆｓの再圧縮された（出力）パルスが得られた。したがって、格子をもつこの装置によるパルス幅の増加は、わずか２０％にすぎない。
【００４６】
図１０（ａ）に示すように、再圧縮後の（出力）パルスの波形は、本質的にシステムへの入力（波形）と同一である。これは、回折格子による伸長器および圧縮器を使用した場合の典型的な結果にくらべ、相当改善されている。
一方、標準ファイバ伸長器１３（１７０ｍの光ファイバでＤ＝１７ｐｓ／ｎｍ・ｋｍ）が使用された場合には、最短の再圧縮（出力）パルスは５４４ｆｓであり、図１０（ｂ）に示すようにパルスの波形はかなり変化していた。
【００４７】
〔ブラッグ格子の効果〕
ブラッグ格子を伸長器および再圧縮器に使用することの重要な利点は、その寸法が小さくコンパクトであることである。フェムト秒のパルスを数百ピコ秒の持続時間に伸長するには、ほんの２〜３ｃｍの長さの格子で用が足りる。（バルク回折格子を使用すると１ｍ程度になる。）この短い相互作用距離のゆえに、高エネルギのパルスがブラッグ圧縮器内に到達する。同様に、容積ブラッグ格子においても、ビームサイズは大きくとれ、高いピーク密度を避けることができる。
【００４８】
ブラッグ反射は、一般に偏光に不感である。しかしながら、光学材料および導波路構造の複屈折により、なにがしかの偏光感度を生じることがある。ブラッグ格子によれば、ビームの質の歪みは一般に回避することができる。
導波路内構造やイン・ファイバ構造はとりわけ魅力的である。これをオール・ファイバ構造、オール・ウェーブガイド（全導波路）構造、あるいはファイバ・導波路・レーザ半導体構造の設計に用いれば、ロバスト性、高信頼性、費用対効果性の高いチャープ・パルス増幅システムを提供することができる。
【００４９】
したがって、本発明のチャープ・ブラッグ格子による光パルス増幅方法および増幅装置によれば、高エネルギの超短光パルスを発生するコンパクトなダイオード・レーザおよびファイバを用いて、（発明の）目的を達成することができる。（本発明のシステムが出力する）パルスのエネルギは、従前のシステムよりもずっと高く、パルスの増幅に伴う歪みは、本質的に低減される。
【００５０】
本発明は、前述の実施例に限定されるものではない。すなわち、本発明の精神と広がりの範囲から逸脱しないかぎり、あらゆる変更や変形態様が本発明に含まれるものとする。
【図面の簡単な説明】
【図１】 ブラッグ格子でのパルス・チャーピングの原理を示す模式図
【図２】 実施例１のチャープ・パルス増幅装置の基本構成を示す模式図
【図３】 実施例２のチャープ・パルス増幅装置の基本構成を示す模式図
【図４】 ブラッグ格子と光サーキュレータとの組合わせを示す模式図
【図５】 ブラッグ格子、スプリッタ、四半波長板の組合わせの模式図
【図６】 実施例３のチャープ・パルス増幅装置の基本構成を示す組図
【図７】 実施例５のチャープ・パルス増幅装置の基本構成を示す模式図
【図８】 チャープ（伸長）された長いパルスの増幅を示す模式図
【図９】 実施例６のチャープ・パルス増幅装置の基本構成を示す模式図
【図１０】二つの実施例での信号処理作用を実測値で示す組図
（ａ）実施例６の入出力パルスの波形を示すグラフ
（ｂ）実施例５の入出力パルスの波形を示すグラフ
【符号の説明】
１，１ａ，１ｂ：チャープ・ブラッグ格子
２，３：光パルス（超短光パルス）
４，５：光パルス（伸長されたパルス）
６，６ａ，６ｂ：ビームスプリッタ（分割比率５０：５０）
７：分散補正器 ９：光増幅器
１０ａ：光パルス（超短光パルス入力）
１０ｂ，１０ｃ：光パルス（伸長されたパルス）
１０ｄ：光パルス（再圧縮されたパルス出力）
１１：光サーキュレータ １２：偏光ビームスプリッタ
１３：光ファイバ（伸長器） １４：四半波長（λ／４）プレート
１５：直線偏光（平面偏光）光線 １６：反射光
１７：レーザ・ダイオードＭＯＰＡ １８ａ，１８ｂ：ファイバ・カップラ
１９ａ，１９ｂ：光アイソレータ
Claims (6)
- 光パルスを生成する生成手段と、
該生成手段に光学的に接続され、該光パルスの持続時間を増大させて該光パルスのピーク振幅を低減する伸長手段と、
該伸長手段に光学的に接続され、該光パルスが該伸長手段から出力された後に該光パルスの振幅を増加せしめる増幅手段と、
該増幅手段の出力に光学的に接続され、該光パルスが該増幅手段から出力された後に該光パルスの持続時間を短くする再圧縮手段とからなる光パルス増幅装置において、
前記伸長手段および前記再圧縮手段は、単一のチャープ・ブラッグ格子で兼用されていることを特徴とする、
チャープ・ブラッグ格子による光パルス増幅装置。 - 前記チャープ・ブラッグ格子は、反射型のブラッグ格子である、
請求項１に記載されたチャープ・ブラッグ格子による光パルス増幅装置。 - 前記チャープ・ブラッグ格子の両端から入射する両入射光は互いに直交する偏光の向きをもち、
このチャープ・ブラッグ格子から漏れ出た透過光が再び前記増幅手段で増幅されるのを防ぐ偏光ビームスプリッタを有する、
請求項１に記載されたチャープ・ブラッグ格子による光パルス増幅装置。 - 光パルスを生成する生成過程と、
該光パルスの持続時間を伸長して該光パルスのもとの持続時間より長時間にすることにより、該光パルスのピーク振幅を低減して伸長光パルスを生成する伸長過程と、
該伸長光パルスを増幅して増幅伸長光パルスを生成する増幅過程と、
該増幅伸長光パルスを再圧縮して該光パルスのもとの波形にもどす再圧縮過程との各過程からなる光パルス増幅方法において、
前記伸長過程および前記再圧縮過程の両方が、単一のチャープ・ブラッグ格子を兼用することにより実行されることを特徴とする、
チャープ・ブラッグ格子による光パルス増幅方法。 - 前記チャープ・ブラッグ格子は、反射型のブラッグ格子である、
請求項４に記載されたチャープ・ブラッグ格子による光パルス増幅方法。 - 前記チャープ・ブラッグ格子の両端から入射する両入射光は互いに直交する偏光の向きをもち、
このチャープ・ブラッグ格子から漏れ出た透過光が再び前記増幅過程で増幅されるのを偏光ビームスプリッタで防ぐようにした、
請求項４に記載されたチャープ・ブラッグ格子による光パルス増幅方法。
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