JP4053619B2 - 高出力チャープパルス増幅装置およびコンプレッサー - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超短光パルスのチャープパルス増幅装置の技術分野に属し、特に、クラッドが励起されたファイバーを使用する高出力なチャープパルス増幅と、そのコンプレッサーとに関する。
【０００２】
【従来の技術】
希土類でドーブされた単一モードのファイバーは、１９８５年にはじめて製造されて以来、最も広く使われている固体レーザーメディア（媒体）となった。この主な理由は明らかで、１９８７年にすでに示されたこのメディアの長距離通信装置のための光学増幅器としてのすぐれた性能にある。希土類ドープ・ファイバーは、また、より高度な応用例、例えば、革命的な電気通信装置として期待されているソリトン・ベースの通信装置用の増幅器にも使われている。
【０００３】
初期には、連続波レーザー源として、これらファイバーの性能を最適化する研究がなされた。希土類ドープ・ファイバーレーザーの連続波を最適化する努力はまた、スニッツァーその他の米国特許４８１５０７９に開示されている様に、高出力を得るための簡単なデバイスとしての二重クラッドファイバー構造の提案をも生んだ。
【０００４】
二重クラッドファイバー構造では、ポンプ源として低輝度ダイオードアレイが使用でき、ポンプ光は、ファイバーの芯（コア）でなくて、クラッドの中へ入射される。かくして、マルチモードのダイオードレーザーから単一モードのファイバーレーザーへの輝度変換が高効率で達成されている。クラッドポンプのファイバーレーザーのたった１つの短所は、コア寸法対クラッド寸法の比率により有効吸収（ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ）が減少することで、この有効吸収は通常１：１００程度の減少比である。したがって、（二重クラッドファイバー構造で）高効率なファイバーレーザーを作るためには、単一クラッドのファイバー構造の１００倍の長さのファイバーを使わねばならない。
【０００５】
前記の応用例のいずれにおいても、単一モードの希土類ドープ・ファイバーから高エネルギーで高ピークパワーのパルスを引き出すということについては、考慮されていない。これらの従来技術にあっては、レーザー信号は連続波である。その他の従来技術のクラッドポンプ装置は、数ｐＪのエネルギーの数１０ピコセカンドの幅をもった信号を増幅するものである（例えば、ソリトン通信装置等）。
【０００６】
しかしながら、非線形の光学的応用のための実用的な光源としてファイバーレーザーを考える場合、これらの連続波や準連続波装置が発生するパワーレベルは不充分である。たとえば、典型的な高効率光学的パラメーター発振器には、パルスエネルギー約１０ｎＪのサブピコセカンドのパルスが必要である。かくして、これらの増幅器の長さの故に、広い範囲の「許容できない非線形効果」が生じ、また、１ｋＷをこえるピークパワーをもったパルスの入手が妨げられる。それゆえ、二重クラッドポンプファイバーレーザーをその様な装置に導入すると、作動に悪影響が出る。
【０００７】
それでも、超高速技術を実用化するためには、小型で一体型のユニットにより、超短（フェムトセカンドからピコセカンド）で高エネルギー（ナノジュールからマイクロジュール）で平均パワーの高い（１００ｍＷ〜１Ｗ）パルスを発生させることが、キーテクノロジーとして肝要である。さらに、商業的に成功するには、この様なデバイスは、比較的低コストで量産に適しておらねばならず、しかも頑丈なものでなければならない。
【０００８】
以上の特性を実現するために、超短光パルスのファイバーレーザーと小型半導体とが開発されている。さらに、これらのデバイスを作動させるために、超短パルス発生技術その他の技術が開発された。たとえば、放出波長の高速チューニング、ゲインースイッチングまたはモードロッキングを使い、半導体レーザーダイオードから、ピコセカンドやフェムトセカンドのパルスを発生させることができる。ただし今のところでは、ファイバーレーザーからのフェムトセカンドおよびピコセカンドのパルスの発生は、モードロッキングによってのみ可能である。
【０００９】
ハイブリッド（上記技術の複合）のアプローチもまた可能である。その場合、まず高速チューニングまたはゲインスイッチされたレーザーダイオードで、先ず長いパルスを発生させ、次にそれを、光ファイバーまたはファイバー増幅器を使ってソリトン効果により、短くしている。
従来技術としての前述の技術開発については、次の複数の文献（１〜５）に報告されている。
１． Ａ．ガルバナスカス他による「ダイオードレーザーおよびファイバーベース装置によるナノジュールエネレギーのフェムトセカンド光パルスの発生」、アプライド・フィジックスレター、１９９３年９月２７日。
２． Ｎ．ステルマクその他による「Ｑ−スイッチされた連続波入射のＡｌＧａＡｓレーザーからの超短パルス発生」、同誌１９９１年８月５日。
３． Ｐ．デルフィットその他による「ハイブリッドモードロックされた半導体ダイオードレーザー／増幅器装置による２００ｆｓ光パルスの発生とキャビティー中パルス進化」、オプティックス、１９９２年５月１日。
４． Ｍ．ファーマンによる「単一モード希土類ドープファイバーにもとづく超短パルス源」、アプライド・フィジックス、１９９３年６月２１日。
５． Ｍ．ナカザワ他による「配分フィードバックレーザーダイオードによるフェムトセカンド光パルス発生」、エレクトロニックスレターズ、１９９０年１１月２０日。
【００１０】
前記の方法でこれらのデバイスを作動させると超短パルスは出るが、しかし、多くの実用的応用には、前記の方法によるよりもさらに高いエネルギーと平均パワーをもったパルスが必要である。一般に、半導体レーザー源の最高パワーとパルスエネルギーは、非線形効果、ゲイン飽和および「致命損傷（ｃａｔａｓｔｒｏｐｈｉｃ ｄａｍａｇｅ）の低い限界値」により、約１０ｍＷ〜１００ｐＪに制限されている。それに反して、ファイバーはマイクロジュールに達するパルスエネルギーと１Ｗをこえる平均パワーが出せる。しかしながら、モードロックされたファイバーレーザーは特定の条件範囲で、非線形効果に依存するので、限定されたパルスエネルギー（１００ｐＪ〜１ｎＪ）および、比較的低い平均パワー（１００ｍＷ以下）に制限される。ファイバー中でのフェムトセカンドおよびピコセカンドパルスの直接的な増幅も非線形効果の限界値が低いので、約１ｎＪ以下に制限される。
【００１１】
チャープパルス増幅（ＣＰＡ）技術にファイバー増幅器を利用すれば、前述の低いエネルギーおよびパワーの問題を解決できる可能性がある。ファイバー増幅器でのチャープパルス増幅によれば、小型のファイバーおよびレーザーダイオード源のパルスエネルギーおよび平均パワーのレベルを、現在の多くの大型科学レーザーのレベルに引き上げることができる。
【００１２】
チャープパルス増幅（ＣＰＡ）法では、超短パルスが伸長されて増幅されたのち、最終的に伝送の前に再圧縮される。すると、比較的長い持続時間のパルスを伸長することにより、増幅器内でのピークパワーが比較的低く保たれるので、非線形効果とパルスの崩壊とを防ぐことができる。
しかし、光ファイバーとファイバー増幅器の物性のために、ファイバー内でのチャープパルス増幅の実施については、いくつかの解決せねばならぬ問題や制限がある。すなわち、高ピークパワーで生じる非線形効果、ＡＳＥで制限されるゲイン、ゲイン幅減少効果による再圧縮された時間の増大、限定されたポンプパワーによる出力パワーの制限、小型コンプレッサー（圧縮器）とストレッチャー（伸長器）との組合せによるパルスの初期時間への再圧縮などの問題や制限である。
【００１３】
本発明の発明者らは、以前にも１０〜１００ｍＷの平均出力パワーで、マイクロジュールのピコセカンドとフェムトセカンドの光パルスのエネルギー増幅にファイバー増幅器つきチャープパルス増幅法を応用した。この研究に関しては、次の文献（６〜７）に記載されている。
６． Ａ．ガルバナスカス、Ｍ．Ｅ．ファーマン、Ｐ．ブリクスト、Ａ．テレクセンおよびＤ．ハーターによる「高エネルギー超短パルスのハイブリッドダイオード・レーザーファイバー増幅器源」、オプティックスレター１９、１０４３（１９９４年）。
７． Ａ．ガルバナスカスによる「小型超高出力レーザー装置」、レーザーおよびその応用に関する光学技術協会コンファレンス( Int. Soc. of Optical Engineering conf. on Lasers and Appl.) ＯＥ ＬＡＳＥ ９４， サンノゼ、１９９５年、原稿番号２３７７−１４。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
高エネルギーパルスを得るための主な方法は、光学ゲートを増幅段の間で使って６０ｄＢ以上の高ゲインを得ることにあった。パルスは、バルク式コンプレッサーおよびストレッチャーを使って伸長され、再圧縮される。
高パワー超短パルス技術の実施の技術的課題は、ファイバー増幅器の高エネルギーと高パワーの間にトレードオフ関係があること、そしてこれら２つに関する制限が異なることでよく理解できる。
【００１５】
エネルギー増幅器はポンプパワーに反して、収容されているエネルギーを効率よく引出す様に設計されている。高パルスエネルギーに高ポンプパワーは必要でない。事実、低い反復率を使って増幅されたパルスの平均出力パワーを犠牲にすることで最高増幅ゲインは保つことができる。これに反して、高パワーの増幅出力をうるためには、ポンプ光の高パワー化と高いパルス反復率での効率のよいパワー抽出が必要である。
【００１６】
そこで本発明は、ファイバーチャープパルス増幅により、装置全体の小型サイズと低コストとを維持しながら、１００ｍＷ〜１０Ｗレベルの高い平均出力パワーを達成する高出力チャープパルス増幅装置を提供することを、解決すべき課題とする。また本発明は、上記高出力チャープパルス増幅装置に使用して好適なコンプレッサーを提供することをも、併せて解決すべき課題とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
本発明による解決手段としての装置では、ポンプ用としてマルチモードのダイオードーレーザーを使用しており、クラッドポンプされたファイバーを用いたチャープパルス増幅によって高パワーの出力が達成される。その結果、本発明の高出力チャープパルス増幅装置によれば、高いポンプパワーと高出力パワーとをかなり低コストで得ることができる。本明細書および添付の図面に開示され特許請求されている新規装置は、増幅された光パルスの短い持続時間と品質を保ちながら、クラッドポンプファイバー増幅器のチャープパルス増幅装置との適切な統合を実現するものである。
【００１８】
さらに、本明細書等に開示されている実施例は、パルス圧縮のためのハイブリッドファイバー格子と回折格子の組合せを、増幅され再圧縮された超短光パルスの最高ピークパワーを犠牲にすることなく、小型な装置で実現することを示している。以下の実施例には、高パワーレーザーパルスのための高パワーアンプとして二重クラッドファイバー構造の使用を可能にする装置デザインが開示されている。これらの実施例には、いくつかのチャープパルス増幅技術の誘導形式を利用している。
【００１９】
すなわち、例えばチャープ・ファイバー・ブラッグ格子（ｃｈｉｒｐｅｄ ｆｉｂｅｒ Ｂｒａｇｇ ｇｒａｔｉｎｇｓ）を使用するなどして、超短光パルスは、二重クラッド増幅器での増幅に先立って長い「時間的長さ」に分散的に伸長されている。これによって、二重クラッド増幅器内でのピークパワーは低く抑えられており、カー型の非線形性も最小に抑制されている。そして、最初のもの（格子）と反対にチャープされているチャープファイバーブラッグ格子の中で、パルスを再圧縮することで元のパルス幅が復元される。
【００２０】
その結果、二重クラッドファイバー構造の高連続波パワー能力は単一モードファイバーの高エネルギー収容能力と組合され、超高ピークパワーおよび超高パルスエネルギーのパルスが、今までにない簡単さで発生される。ここに開示されている本発明の技術は、例えば前記のスニッツァーその他の特許に示されている偏心コア（オフセンターコア）のように特殊なファイバーデザインを、必要とはしていない。本発明の装置では、ファイバーコアは、従来の様にクラッドの中央に置かれていてかまわない。例えば、ポンプ光の導波路として、シリコンゴムなどの低い指数（屈折率）の材料でファイバークラッドを包んでおきさえすればよい。この様なファイバーデザインには、光ファイバー用のアクリレートコートが出現する以前から広く使われていた、低指数（低屈折率）のコートを有する従来のファイバーも含まれている。
【００２１】
【発明の実施の形態】
本発明の高出力チャープパルス増幅装置およびコンプレッサーの実施の形態については、当業者に実施可能な理解が得られるよう、以下の実施例等で明確かつ充分に説明する。
〔実施例１および実施例２〕
（二重クラッドファイバー）
先ず、本発明の実施例１としての高出力チャープパルス増幅装置に使用する二重クラッドファイバーについて説明する。
【００２２】
図１に、本発明の実施に適する二重クラッドファイバーが示されている。図１に示されているのファイバーは、開口数（Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ａｐｅｒｔｕｒｅ）の小さい小径をもつ単一モード中央コアＣ１で芯が形成されている。そして単一モード中央コアＣ１は、それより大きなマルチモードのコアＣ２（より大きな開口数のもの）で周囲をとりかこまれている。マルチモード・コアＣ２は、さらにその周囲を第２のクラッドＣ３で囲まれており、この第２のクラッドＣ３の周囲はファイバーコートＣ４で囲まれている。したがって、マルチモード・コアＣ２は、単一モードコアＣ１内に信号を留めておく（逃がさない）ためのクラッディングと、伝搬するポンプ光のためのマルチモード導波路との両方の役割を果たす。一般に、この様なファイバーの断面は、完全に軸対称であってもよいし、前記のスニッツァーその他の特許にあるように何らかの非対称が入ったものでもよい。
【００２３】
しかしながら、前述のように非対称性は中央コアのポンプ吸収を強めるために有用ではあるが、本発明者らは、本発明の装置によれば対称なファイバーでも同様の結果が得られることを実験的に発見している。
（従来技術によるポンプおよび増幅器）
連続波装置（ＣＷシステム）においては、二重クラッドファイバーが低輝度ポンプビームを高輝度ビームに変換するために使われてきた。
【００２４】
このコンセプトは、図２（ａ）と図２（ｂ）とに対照的に図示されている。
すなわち、図２（ａ）に示すように、単一立体モードのポンプダイオード２００の出力（単一モードポンプビームＳＢ）は、単一モードファイバー２０５に結合（カップリング）される。単一モードファイバー２０５には、単一モードコア２１０と単一クラッド２１５とが含まれている。単一モードファイバー２０５は、その両端で二色性ミラー２２０によって仕切られている。このような仕組の難点は低いポンプ力の他にもあり、単一モードレーザーダイオード２００の出力ＳＢの非対称性と大きな開口数とが、軸対称の低開口数ファイバーのモードと合致しにくいので、高い結合効率が発揮され難い。
【００２５】
一方、上記結合効率の向上は、図２（ｂ）に示すように、二重クラッドファイバー２３０を使用することにより達成できる。図２（ｂ）の仕組では、単一モードダイオード２００（図２（ａ）参照）の代わりに、レーザーダイオードアレイ２２５を使用する。ダイオードアレイ２２５の低輝度ポンプビームＬＢは、二重クラッドファイバー２３０に入射する。二重クラッドファイバー２３０の両端も、二色性ミラー２２０で仕切られている。二重クラッドファイバー２３０は、図１の二重クラッドファイバーと同じでよい。
【００２６】
さらに、図２（ｂ）の仕組みでは、効率の良いポンプビームＬＢとマルチモードコアＣ２との結合（カップリング）は、開口数（Ｎ．Ａ．）とポンプビームＬＢおよびマルチモードコアＣ２の寸法と合わせることにより達成できる。ポンプビームＬＢは、中央コアＣ１中の複数の希土類のイオンにより、ファイバー２３０に沿って（伝搬するうちに）吸収される。２つの二色性ミラー２２０は、信号の波長では光線の一部を反射しポンプ波長では光線を透過するので、高パワーで低輝度のポンプビームＬＢは、連続波（Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｗａｖｅ）の高パワーかつ高輝度の単一空間モードビームＳＳＯに変換される。
【００２７】
これに対し、従来の単一モードファイバー増幅器は、ポンプ用と単一波長の両方を単一の横方向モードで伝搬するように設計されている。このためにポンプ源は、効率よい単一モードファイバーコアとの結合に適した高品質円形出力ビーム源のみに絞られる。そのようなビーム源（例えば９８０ｎｍと１４８０ｎｍのレーザーダイオードＭＯＰＡおよびピグテールレーザーダイオード）は、現在のところ、５０ｍＷ〜１Ｗのポンプパワーしか出せない。この単一モード源からの最高ポンプパワーは、レーザーの面（ファセット）の致命的損傷（カタストロフィック・ダメージ）のために制限されてしまう。
【００２８】
ここで、既存のマルチストライプ・レーザー・ダイオードアレイおよびバーは、１０Ｗ以上のポンプ力を提供することができ、単一モードのビーム源よりも価格が１ケタ低廉である。しかしながら、幾何学的サイズが大きい発光面のゆえに、輝度が低いこととビームの非対称性とにより、効率よい単一モードファイバーとの結合が阻害されてしまう。
【００２９】
（実施例１，２の高出力チャープパルス増幅装置）
本発明の新規な装置においては、この問題はクラッドポンプファイバーの使用によって克服されている。
図３には、実施例１としての単一パスのパワー増幅による二段クラッドポンプチャープパルス増幅装置が示されている。一方、図４には、実施例２としての二重パス・パワーアンプによる装置が示され、図３と同様な要素には同じ符号がつけられている。二重パス・パワーアンプは、後段からより効率的にパワーを抽出するので好適である。
【００３０】
図３および図４に示すように、実施例１および実施例２のそれぞれの増幅装置は、チャープパルス源１０、プリアンプ段２０、パワーアンプ段３０ａ，３０ｂ、およびコンプレッサー４０（図３には図示せず）から構成されている。また、図３には、ポンプダイオードアレイ５０と光学要素６０ａとが示されており、両者５０，６０ａは、チャープパルス源１０からの光をコア７０に焦点を結ばせるとともに、ダイオードアレイ５０からの光を第１のクラッド８０へ入射させるために使われている。この二重パスの仕組と格子コンプレッサー（図略）とを結合する光学的仕組６０ｂには、図４に示すように、偏光ビームスプリッター９０と（１／４）波長板１００，１１０とが含まれている。
【００３１】
本発明によるチャープパルス増幅（ＣＰＡ）装置では、図３および図４に示されているように、光学的フィードバックが既知（公知）の方法でなされている。すなわち、単一ビームを単一モードのコアへ入射し、ポンプビームをマルチモードのクラッドへ入射することで同様の輝度変換が達成され、フェムトセカンドまたはピコセカンドの低パワービームは、高パワーのビームに変換される。
【００３２】
その結果、本装置による出力パワーの向上は、従来の単一モード形状のファイバーチャープパルス増幅に比べ、１桁以上である。
〔実施例３〕
（格子について）
たとえば、ダイオードレーザーの高速チューニング、または、超短パルス源からのパルスを一対の回折格子またはチャープブラッグ格子で伸長することで、チャープパルスを直接発生させることができる。パルスは、増幅の後に同様のコンプレッサーで再圧縮される。（コンプレッサーには、）もともと頑丈で高信頼性のチャープパルス増幅用の小型全ファイバー回路が使えるので、チャープブラッグ格子の採用が好適である。ただし、現在のところ、ブラッグ格子は光ファイバー内でしか効率よく使用することができないので、増幅され圧縮されたパルスの最高ピークパワーと格子の長さとの間には、トレードオフ関係がある。増幅の後、伸長されたパルスのピークパワーを低く保つためにはパルス長は充分長くあるべきである。したがって、増幅されたパルスのエネルギーはファイバー格子の長さに関係する。一方、ファイバー格子が長いと圧縮された高ピークパワーのパルスとの相互作用区間が長くなり、あるエネルギーレベル（パルスと格子パラメーターとによって異なるが１００ｎＪ〜１μＪ程度）では、コンプレッサー自身の非線形効果により得られるパルスエネルギーが制限されてしまう。
【００３３】
（実施例３のコンプレッサー）
本発明の実施例３としての好適な光学装置（コンプレッサー）は、図５に示すように、ファイバー格子コンプレッサー５１０および回折格子コンプレッサー５２０のハイブリッドの組合せが使われている。増幅され伸長されたパルス５００は、まず、ファイバーコンプレッサー（５１０）の非線形効果の限界以下の時間（約１０〜５０ｐｓ）にファイバー格子コンプレッサー５１０で予備圧縮（プリコンプレス）される。最終的な圧縮は、比較的短いパルスを圧縮するように設計された極めて小型の回折格子コンプレッサー５２０により実現される。従来の金属反射格子が、回折格子コンプレッサー５２０として使用できる。ただし、現在入手できる透過回折格子も、反射格子より小型で頑丈な仕組に使えるので好適である。
【００３４】
小型の半導体とファイバーレーザー源からの典型的なパワーは、しばしば１０〜１００μＷのレベルであり、これでは１００ｍＷ〜１Ｗの出力パワー域で作動するパワーアンプを飽和するには不充分である。したがって、飽和に達して効率よくパワー抽出をするためには、信号レベルが第二段の入力サイドで１〜１０ｍＷになるようにプリアンプが必要となる。しかしながら、１〜５０ｍＷ高出力パワーを発揮する特定のファイバー発振器が設計されており、このパワーはプリアンプなしでパワーアンプを飽和するのに充分な大きさである。
【００３５】
本発明の装置は、連続波（ｃｗ）信号ではなく、むしろ反復パルスを増幅するものである。それゆえ、両方の増幅段階で光学格子技術を使わずに自然放出の増幅を抑制するためには、その（反復パルスの）反復率が充分に高い（１〜１００ＭＨｚ）ことが必要である。
〔実施例４および実施例５〕
（実施例４および実施例５の概要）
本発明により、実施例４としてのマルチストライプ・ダイオードで励起されたＥｒ／Ｙｂコドープ（ｃｏｄｏｐｅｄ）フィバー増幅器によるチャープパルス増幅装置と、実施例５としてのＥｒドープ・クラッド・ポンプファイバー増幅器による高平均パワーチャープパルス増幅装置とが構成される。これらの装置は、それぞれ図６（実施例４）および図７（実施例５）を参照して、下記のように説明される。ただし、これらの実施例はＥｒドープ・ファイバーについて述べられてはいるが、ここに記述されている本発明は、希土類（例えばＮｄ，Ｔｍ，Ｙｂ，Ｐｒ等）ドープのファイバーのいずれにでも応用することができる。
【００３６】
（実施例４の構成と作用）
実施例４は、広い面積のダイオードでポンプされたＥｒ／Ｙｂコドープ二重クラッドファイバーによるピコセカンド・チャープパルス増幅装置である。 発明者らによって考案されたクラッドポンプのピコセカンド・チャープパルス増幅装置の仕組が、実施例４として図６に示されている。本実施例において、増幅ファイバー６５０の中央コアＣ１（図１参照）には、ポンプ光Ｐを効率よく吸収し中央コアＣ１内で光励起をＥｒ³⁺イオンに移すために、Ｙｂ³⁺がコドープされている。これにより、大面積のダイオード・レーザーからの高効率ポンプ結合が可能になる。コアのＥｒドープレベルは概ね１０００ｐｐｍであった。
【００３７】
本実施例の特徴は、ポンプ波Ｐおよび信号波Ｓを分離／組合せするために、二重クラッドファイバー６５０の入力端に二色性ミラー６５５が使われている点である。すなわち、ポンプ光Ｐを加えるために２つの二色性ミラー６５５がクラッドポンプ・ファイバー６５０の一方の端部におかれる。これに対し、従来の単一モードファイバー装置では、ファイバー波長分割マルチプレクサ（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒ）が使用される。
【００３８】
（本実施例の）二重クラッドの場合には、信号光Ｓが単一モードでありポンプ光Ｐがマルチモードであるから、標準の波長分割マルチプレクサは使用できない。（ただし、マルチモードのポンプを内側のクラッドへ導き、中央コア内での信号の伝搬を維持する特別設計のマルチモード波長分割マルチプレクサがある。同じ効果を得るために、二色性ミラー以外の方法も使用できる。）
本実施例においては、波長可変（ｔｕｎａｂｌｅ）レーザーダイオード６００の放出光Ｓを直接周波数チャープすることによって、チャープパルスが得られた。この装置は、５０〜１００ｍＷの平均パワーが得られ、概ね１μＪのエネルギーのパルスが得られるように設計された。その二段増幅器の設計により、概ね３０ｄＢの大きな信号ゲインと効率よいパワー抽出とが可能になった。
【００３９】
第１段増幅器６１０は、ピグテール・レーザーダイオード６３０からの波長１．４８μｍの５０ｍＷでポンプされた標準単一モード・Ｅｒドープファイバー６２０を使って組立てられた。第二段パワーアンプ６４０は、二重パス形式である。１００×１μｍの光放出面積の１Ｗ広域レーザーダイオード（図示せず）が、二色性ミラー６５５を通して増幅ファイバー６５０のクラッドに結合されている。（二色性ミラー６５５では、）波長９８０ｎｍのポンプ光Ｐの９９％以上が透過され、波長１５５０ｎｍの信号光Ｓの９８％は反射された。増幅ファイバー６５０のファイバー長さは５ｍであった。信号光Ｓは、二色性ミラー６５５とその反対側の（増幅ファイバー６５０の）端部を通して、増幅ファイバー６５０の中央コア（Ｃ１）と結合された。偏光ビームスプリッター６９０と二つの波長板６６０，６６５によって増幅されたビームは、入射ビームから分離され、コンプレッサー６７０へと送られた。
【００４０】
ここで、図６において、波長板６６０はλ／４デバイスとして示されている。ただし、λ／４−λ／２の配置も使用できる。
コンプレッサー６７０は回折格子対およびファイバー内チャープブラッグ格子のうちいずれかである。付加的な２つの波長板６６０，６６５によりコンプレッサー６７０から反射されたビームは、装置の出力端へと導かれる。
【００４１】
前記の実施例の変形も可能である。たとえば、偏光ビームスプリッター６９０および波長板（またはファラデー回転子）６６０，６６５の仕組は、再入射した光の偏光に影響を与えない（ｉｎｓｅｎｓｉｔｉｖｅ ｔｏ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ）光学アイソレーターで置き換えても良く、置き換えにより仕組みが単純化される。
【００４２】
レーザーダイオード６００からのパルスのチャープバンド幅は７ｎｍであった。パルスのスペクトルは、増幅ファイバー６５０のゲインスペクトルの１５３０ｎｍピークに位置していた。第１段６１０からの０．５ｍＷの平均パワーは、第二段６４０を飽和するのに充分であった。
最高出力飽和パワーは、８００ｋＨｚの反復率で８４ｍＷであった。６０ｋＨｚで、平均パワー６０ｍＷでのパルスエネルギーは、０．９８μＪの最高値に達した。二重パス・クラッドポンプファイバー６５０の非線型効果の限界（スレッショルド）により、これ以上のパルスエネルギーの増加は制限された。コンプレッサー６７０を通して５０％のパワーが透過した。
【００４３】
パワーとパルスエネルギー特性は、Ａ．ガルバナスカスによる「高エネルギー超短パルスのハイブリッドダイオード−レーザーファイバー増幅器源」（オプチックスレター、１９９４年７月１５日）に報告されている、レーザーダイオードＭＯＰＡポンプ単一モードファイバー増幅器から得られる特性に近いものであった。
【００４４】
本実施例による上記装置の明らかな利点は、パワーアンプのポンプ源のコストが１ケタ低いことである。また、この仕組で使われた１Ｗ広域レーザーダイオードは、ほとんど同じコストで、１０Ｗポンプ力以上のはるかに強力なダイオードアレイで置き換えることができる。加えて、この装置の両段ともクラッドポンプ式に設計することもできる。
【００４５】
（高出力フェムトセカンド・チャープパルス増幅）
コドープされたファイバーの不利な点は、単一ドープのシリカファイバーに比べて、そのゲインバンド幅と、ポンプからの信号へのパワー変換の効率とが減少することである。さらに、フェムトセカンドのチャープパルス増幅装置でのファイバー増幅器の作動は、狭小バンド幅の信号の増幅よりもはるかに複雑である。広バンド幅フェムトセカンド・パルスの増幅のためのチャープパルス増幅装置は、増幅され再圧縮されたパルスのスペクトル歪みおよび時間歪みを減らすように設計されねばならない。
【００４６】
例えば、標準のＥｒドープファイバーのロールオフが１５６２ｎｍ以上であるのに比べて、前記のＥｒ／Ｙｂコドープの装置のゲインスペクトルのロールオフは１５４３ｎｍ以上である。これは、典型的には１５５０ｎｍより長い波長の近辺にあるモードロックのファイバーレーザーパルスの増幅に、大きく影響する。そのようなパルスの増幅後に、かなりのスペクトルの狭小化と形状変化が起き、その結果再圧縮されたパルスの質が落ちる。
【００４７】
ファイバー増幅器のゲインスペクトル（誘導放出断面スペクトル）のゲインのピークに合うようにパルススペクトルが最適に選ばれると、ゲインの狭小化は最小になる。また、同じ目的で、ゲインバンド幅はパルススペクトルよりもはるかに広くするべきである。一つの解決策は、増幅器のスペクトル応答を平滑化するように、ファイバー増幅器を飽和パワー域で作動させることである。この点では、両段とも飽和状態で作動する二段増幅が有利である。また、光学フィルターを使って増幅中にパルススペクトルの形を変え、それによってファイバー増幅器のスペクトル特性に合わせることも可能である。もう１つの解決策は、フラットで幅広いゲインを得るために、または、異なったファイバーを組合せるために、異なった主材料（ホスト）またはドープ剤（ドーパント）を使うことである。
【００４８】
（実施例５の構成および作用）
実施例５では、図７に示すように、フェムトセカンド台の増幅を行うために、ポンプクラッドの直径がコドープ・ファイバーのポンプクラッドの直径より小さい、単一ドープファイバーが使われている。
パワーアンプ７００は、高レベルにドープされた（Ｅｒ³⁺ドープレベル：１００ｐｐｍ）二重クラッドＥｒファイバー７１０から構成されている。ここで、中央コアＣ１（図１参照）のみがＥｒドープされている。内側クラッドは直径が２０μｍなので、Ｙｂ³⁺をコドープしなくても効率の良いクラッドポンプができる。このファイバー７１０は、単一ドープのシリカファイバーの幅広いゲインと高いポンプ−信号の変換効率を有している。また、そのゲインスペクトルはこのモードロックファイバー発振器のスペクトルに合致（マッチ）しているので、望ましくないスペクトル狭小化を減らすことができる。ファイバー７１０は、９８０ｎｍで１．６Ｗのトータルパワーを出す２つの極性マルチプレックス単一モードＭＯＰＡレーザーダイオード（図示せず）で、ポンプされている。本実施例のクラッドポンプ手段では、単一モードポンプの極めて高効率（約１００％）の入力結合が確保される。
【００４９】
マルチモードレーザーダイオードビームの効率よい結合は、また、例えばＷ．クラークソン他による「高出力ダイオードバーのための新規なビーム形成法」（ＣＬＥＯ’９４）に開示されたビーム形成法によっても実現できる。
本実施例における単一ドープファイバー使用の利点は、シリカガラス以外の主材料が使えることである。例えば、Ｅｒでドープされたフッ化ガラスファイバーも、クラッドの小さい二重クラッドファイバーとして製造できる。このフッ化物主材料は、そのゲインバンド幅がシリカベースのＥｒドープファイバーのそれよりも約２〜３倍であると言う利点を持っている。これは、ゲインの狭小化効果を大きく減少するために極めて重要である。フッ化物のファイバーによれば、チャープパルス増幅装置を通った後のパルスの時間は１００ｆｓにも下げられる。
【００５０】
図７の仕組において、チャープパルス増幅のパルス源（図示せず）は、調節可能な反復率５〜５０ＭＨｚで２００ｆｓＦＷＨＭと２０ｐＪエネルギーの初期パルスを出す受動モードロックファイバー発振器である。パルスは、５ｍｍの長さの正チャープされた１７ｎｍバンド幅のファイバーブラッグ格子７２０により、約５０ｐｓに伸長される。反射されたパルスは、ファイバーピグテール偏光ビームスプリッター（ＦＰＢＳ）７４０とファイバー偏光コントローラー７５０（バルクＰＢＳと波長板の代わり）とを使って、プリアンプ７３０へ入射される。パワーアンプ７００の飽和に充分なレベルへ入力パワーを増加させるためには、プリアンプ７３０が使われる。
【００５１】
パワーアンプ７００は、前述のＥｒ／Ｙｂコドープ装置と同じ二重パス様式に仕組まれている。第７図の実施例５の特徴は、格子伸長器７２０とコンプレッサー７６０の間の装置の中の他のすべてのファイバーの負の分散を補償するために、所定の長さの正分散ファイバーがプリアンプ段７３０の前に含まれていることである。
【００５２】
パワーアンプ７００へ入射された平均入力パワーは、１０ｍＷに達した。パワーアンプ７００は、平均信号パワーを０．４５Ｗのレベルへ強化（ブースト）する。負にチャープされたファイバーブラッグ格子７６０での再圧縮後、平均出力パワーは０．２６Ｗに達した。この歩留りは、格子の反射率が約８０％であることと、格子のファイバーピグテールへの結合効率が約８０％であることとの故に、６０％に制限された。そして、５０ＭＨｚの反復率で５．２ｎＪのパルスエネルギーが得られた。反復率を下げると、パルスエネルギーは２０ｎＪに増えた。これは、伸長されたパルスの持続時間を非線形効果に抗して維持するためには、最大限のパルスエネルギであった。再圧縮後のパルス幅は３８０ｆｓであった。初期の２００ｆｓのこのパルス時間増大は、ファイバーアンプ７００のゲインバンド幅が制限に起因するゲイン狭小化の結果である。
【００５３】
第７図の高出力ファイバーチャープパルス増幅装置（ＣＰＡシステム）において、各パラメーターは、第二段の終点で非線形効果を除去または減少するように設計されている。適切に設計された装置においては、飽和した出力パワーに対応するパルスフルーエンスは、ファイバーコア内での非線形相互作用の限界におけるフルーエンスよりも小さくあるべきである。高いフルーエンスレベルで生じる非線形性は、（短いパルスの）自己位相変調、（長いパルスの）変調不安定性、および誘導ラマン散乱である。前二者の影響は、光学材料の屈折率の光強度依存性によるものである。これらの一般的影響としてスペクトルの幅広化と位相の非線形性とが誘発され、その結果、再圧縮されたパルスは幅広くなり形状変更される。典型的に言って、サテライトパルス、変調サイドバンドおよびパルスエネルギーのかなりの部分を含む低強度のバックグラウンドが形成される。誘導ラマン散乱は、パルスエネルギーを増幅バンドの外のスペクトルバンドへと散らし、圧縮できない背景とパルスエネルギーの損失とを生じる。
【００５４】
（実施例１〜５のまとめ）
本発明の各実施例においては、ファイバー増幅器の長さを減らし、ドープレベルを上げることで非線形の相互作用の長さを減らして、これらの非線形の影響を防いでいる。あわせて、伝搬モードの横方向立体的広がりを大きくしたクラッドポンプファイバーを適切に設計することでその影響を減らし、そして効率の良いパルス伸長を使うことにより、高ピークのパワーを避けている。
【００５５】
また、パルスの反復率は、高いパワーレベルでのピーク影響を下げるように調整されている。本発明の各装置では、コドープなしでクラッドを励起する場合、最初のクラッド内でのポンプのはねかえり数（バウンド数）が十分に多くなり、（光線が）ドープされた中央コアを横切る際に効率よく吸収されるよう、ファイバーの長さを充分に長くしておくべきである。このことは、ファイバーの長さ、中央コアのドープレベル、およびクラッドの直径と中央コアの直径との比を適切に選ぶことによってのみ低減される非線形相互作用のためには、ファイバーの長さを短くしたいという要求と、調整（マッチ）することが可能である。
【００５６】
第二段のファイバー７１０の最適な長さは、ドープレベル１０００ｐｐｍの場合、３．８ｍであった。図８には、ファイバー７１０のポンプクラッドと中央コアの横方向形状とが示されている。中央コアと第１のクラッドの屈折率の差は、標準単一モードファイバーよりも４０％大きい横方向モードを与えるように選ばれた。モード直径のこれ以上の増大は、高次オーダーのクラッドモードへの散乱の増大で制限された。この最適化の結果、パルス伸長および再圧縮に使用された５ｍｍの線形にチャープされた（二つの）ファイバー格子が、モードロックパルスの最も高い反復率でもって、充分に低いピークパワーを与えた。上述のパルスとゲインスペクトルとのマッチングに関する考慮のために、格子反射スペクトルはゲインスペクトルのピークと一致するように選ばれた。
【００５７】
本発明は特定の前記の実施例によって説明されたが、様々な変形や修正が可能である。したがって、そのような変形、修正のすべてが本発明の範囲に属することがこの分野の専門家に理解されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 クラッドポンプ用の二重クラッドファイバの構造を示す断面図
【図２】 従来技術によるポンプおよび増幅器の構成を示す組図
（ａ）単一モード型のポンプ装置の模式図
（ｂ）マルチモード型の増幅器の模式図
【図３】 実施例１の高出力チャープパルス増幅装置の構成を示す模式図
【図４】 実施例２の高出力チャープパルス増幅装置の構成を示す模式図
【図５】 実施例３のチャープパルスコンプレッサーの構成を示す模式図
【図６】 実施例４のパルス増幅装置の実験装置の構成を示す模式図
【図７】 実施例５のパルス増幅装置の実験装置の構成を示す模式図
【図８】 実施例３，４用のファイバー特性の横断プロフィール・グラフ
【符号の説明】
Ｃ１：単一モード中央コア（芯） Ｃ２：マルチモード・コア
Ｃ３：第２のクラッド Ｃ４：ファイバーコート
ＳＢ：単一モードポンプビーム ＬＢ：低輝度ポンプビーム
ＳＳ：単一モード出力ビーム ＳＳＯ：単一空間モード出力ビーム
Ｓ：信号光（信号波）、放射光 Ｐ：ポンプ光（ポンプ波）
２００：単一立体モードのポンプダイオード ２０５：単一モードファイバー
２１０：単一モードコア ２１５：単一クラッド ２２０：二色性ミラー
２２５：レーザーダイオードアレイ ２３０：二重クラッドファイバー
１０：チャープパルス源 ２０：プリアンプ段
３０ａ，３０ｂ：パワーアンプ段 ４０：コンプレッサー
５０：ポンプダイオードアレイ ６０ａ：光学要素 ６０ｂ：光学的仕組
７０：コア ８０：第１のクラッド ９０：偏光ビームスプリッター
１００，１１０：（１／４）波長板 ５００：入力パルス
５１０：ファイバー格子コンプレッサー ５２０：回折格子コンプレッサー
６００：チューナブル・レーザーダイオード ６１０：第１段増幅器
６２０：標準単一モード・Ｅｒドープファイバー
６３０：ピグテール・レーザーダイオード ６４０：第２段パワーアンプ
６５０：増幅ファイバー（二重クラッドファイバー） ６５５：二色性ミラー
６６０，６６５：波長板（λ／４デバイス） ６７０：コンプレッサー
６９０：偏光ビームスプリッター
７００：パワーアンプ ７０５：二色性ミラー
７１０：二重クラッドＥｒファイバー ７２０：格子伸長器
７３０：プリアンプ ７４０：ファイバーピグテール偏光ビームスプリッター（ＦＰＢＳ） ７５０：ファイバー極性コントローラー
７６０：負にチャープされたファイバーブラッグ格子

Claims (13)

1. 所定の持続時間をもつチャープ光パルスを発生させる光パルス源と、
   二重クラッドファイバーを備え、前記光パルス源から前記チャープ光パルスを受光するように構成され、該チャープ光パルスのエネルギーと平均パワーを増加させることで該チャープ光パルスを増幅し、増幅されたチャープ光パルスを出力するパワーアンプと、
   前記パワーアンプをポンプするための光ポンプ源と、
   前記パワーアンプから受光した前記増幅されたチャープ光パルスを圧縮し前記持続時間を短くし、高エネルギ超短パルスを出力するコンプレッサーとを有する高エネルギ超短光パルスを発生する高パワーチャープパルス増幅装置において、
   前記チャープ光パルスを増幅するために該チャープ光パルスを前記二重クラッドファイバーの入力端に伝達する伝達手段と、前記光ポンプ源の出力が該二重クラッドファイバーの中に入射するように該光ポンプ源を該二重クラッドファイバーにカップリングする結合手段と、該二重クラッドファイバーの出力端から該チャープ光パルスを前記コンプレッサーへ伝達するために、該コンプレッサーに該二重クラッドファイバーの出力端をカップリングする結合手段と、をさらに備え、
   前記光ポンプ源は、ブロードエリアレーザーダイオードおよびレーザーダイオードアレイのうち一つを備え、
   前記コンプレッサーは、ファイバー格子および回折格子の複合的組合せからなることを特徴とする、高パワーチャープパルス増幅装置。
2. 前記回折格子は、透過回折格子を備えることを特徴とする、請求項１記載の高パワーチャープパルス増幅装置。
3. 所定の持続時間をもつチャープ光パルスを発生させる光パルス源と、
   二重クラッドファイバーを備え、前記光パルス源から前記チャープ光パルスを受光するように構成され、該チャープ光パルスのエネルギーと平均パワーを増加させることで該チャープ光パルスを増幅し、増幅されたチャープ光パルスを出力するパワーアンプと、
   前記パワーアンプをポンプするための光ポンプ源と、
   前記パワーアンプから受光した前記増幅されたチャープ光パルスを圧縮し前記持続時間を短くし、高エネルギ超短パルスを出力するコンプレッサーとを有する高エネルギ超短光パルスを発生する高パワーチャープパルス増幅装置において、
   前記チャープ光パルスを増幅するために該チャープ光パルスを前記二重クラッドファイバーの入力端に伝達する伝達手段と、前記光ポンプ源の出力が該二重クラッドファイバーの中に入射するように該光ポンプ源を該二重クラッドファイバーにカップリングする結合手段と、該二重クラッドファイバーの出力端から該チャープ光パルスを前記コンプレッサーへ伝達するために、該コンプレッサーに該二重クラッドファイバーの出力端をカップリングする結合手段と、をさらに備え、
   前記二重クラッドファイバーの前記入力端は、該二重クラッドファイバーの出力端と一致していることを特徴とする超短パルスを発生する高パワーチャープパルス増幅装置。
4. 所定の持続時間をもつチャープ光パルスを発生させる光パルス源と、
   二重クラッドファイバーを備え、前記光パルス源から前記チャープ光パルスを受光するように構成され、該チャープ光パルスのエネルギーと平均パワーを増加させることで該チャープ光パルスを増幅し、増幅されたチャープ光パルスを出力するパワーアンプと、
   前記パワーアンプをポンプするための光ポンプ源と、
   前記パワーアンプから受光した前記増幅されたチャープ光パルスを圧縮し前記持続時間を短くし、高エネルギ超短パルスを出力するコンプレッサーとを有する高エネルギ超短光パルスを発生する高パワーチャープパルス増幅装置において、
   前記パワーアンプに結合されている偏光ビームスプリッターをさらに有し、
   前記コンプレッサーは、該偏光ビームスプリッターの第１面に結合されており、
   前記パワーアンプは、前記第１面に背向している第２面で該偏光ビームスプリッターに結合されていることを特徴とする高パワーチャープパルス増幅装置。
5. 前記偏光ビームスプリッターと前記パワーアンプとの間に配設されている第１の波長板と、
   前記コンプレッサーと該偏光ビームスプリッターとの間に配設されている第２の波長板と、
   をさらに備えていることを特徴とする、請求項４記載の高出力チャープパルス増幅装置。
6. 前記ポンプと前記二重クラッドファイバーとの間に配設されているダイクロイック・ミラーをさらに備えていることを特徴とする、請求項５記載の高出力チャープパルス増幅装置。
7. 前記パワーアンプの前に配設されているプリアンプをさらに有し、
   前記プリアンプは、単一モードのドープファイバーとレーザーダイオードポンプとを備えており、
   第１アイソレーターが、前記プリアンプの入力箇所に配設されており、
   第２アイソレーターが、前記プリアンプの出力箇所に配設されていることを特徴とする、請求項目６記載の高出力チャープパルス増幅装置。
8. 前記二重クラッドファイバーの中央コアがＹｂ／Ｅｒコドープファイバーであることを特徴とする、請求項７記載の高パワーチャープパルス増幅装置。
9. 前記光パルス源は、波長可変（チューナブル）レーザーダイオードを備えることを特徴とする、請求項７記載の高出力チャープパルス増幅装置。
10. 所定の持続時間をもつチャープ光パルスを発生させる光パルス源と、
    二重クラッドファイバーを備え、前記光パルス源から前記チャープ光パルスを受光するように構成され、該チャープ光パルスのエネルギーと平均パワーを増加させることで該チャープ光パルスを増幅し、増幅されたチャープ光パルスを出力するパワーアンプと、
    前記パワーアンプをポンプするための光ポンプ源と、
    前記パワーアンプから受光した前記増幅されたチャープ光パルスを圧縮し前記持続時間を短くし、高エネルギ超短パルスを出力するコンプレッサーとを有する高エネルギ超短光パルスを発生する高パワーチャープパルス増幅装置において、
    前記コンプレッサーはさらに、前記パワーアンプから前記チャープ光パルスを受光して、該チャープ光パルスの前記持続時間をファイバー格子の非線形効果が開始しない持続時間に短縮するべく圧縮するファイバー格子と、
    前記ファイバー格子で圧縮された前記チャープ光パルスを受光して、前記持続時間をさらに圧縮するべく該チャープ光パルスをさらに圧縮する回折格子と
    を有することを特徴とする高パワーチャープパルス増幅装置。
11. 前記回折格子は、反射格子を備える、ことを特徴とする請求項１０記載の高パワーチャープパルス増幅装置。
12. 前記回折格子は、透過格子を備える、ことを特徴とする請求項１０記載の高パワーチャープパルス増幅装置。
13. 前記ファイバー格子と前記回折格子との間に配設されている偏光ビームスプリッターと、
    前記偏光ビームスプリッターと前記ファイバー格子との間に配設されている波長板と、
    を備えていることを特徴とする、請求項１０記載の高パワーチャープパルス増幅装置。

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