JP5507841B2 - 高ピークおよび高平均のパワーを伴う光パルス増幅器 - Google Patents

Description

本願の発明は、光パルス増幅器に関連する。

光パルス増幅器は、既知の技術である。一般に、光パルス増幅器は、レーザー空洞を備える。レーザー空洞内において、バルクが、パルス信号を生成するレーザー・ダイオードによってポンピングされる。パルス信号は、バルクによって増幅され、高エネルギーのパルス出力信号が生成される。

このような技術は、たとえばメガジュール用レーザーのような高エネルギーのレーザーを得るために使用される。

しかしながら、このような光パルス増幅器は、表面/容積の比が非常に大きいことが主原因となって、空洞内のバルクを冷却するのが困難であるという不都合があった。この結果、このような光パルス増幅器の繰り返し率は、非常に低くなっている。

過去十年間において、上記増幅器によって生成される信号エネルギーを増加させるために、バルクの寸法を大きくすることが提案されてきた。しかしながら、上述したように、バルクの寸法を大きくすることは、増幅器の繰り返し率を低下させることになる。

故に、従来技術において、高い繰り返し率に対応しながら、高い平均パワーを維持させる一方で、高ピークのパワーを得ることは不可能であった。

さらに、非常に高い平均パワーを要求することは、非常に優れた高効率レーザーへの解決法を要求することを意味する。例えば、標準的なレーザー効率１％で平均パワー１５０ＭＷを生成することは、達成されていない。従来技術による解決法は、上記のような高い平均パワーを得るには充分効率的ではなかった。

本願発明の目的は、上述の問題を解決することである。すなわち、本願発明の目的は、高い平均パワーを伴う高ピークパワーを生成できる光パルス増幅器を提供することである。

2001年１月にワシントン州シアトルで開催された国際会議「Advanced Solid State Laser」において、ガルバナスカス他によって、“ミリジュールのフェムト秒のファイバＣＰＡシステム”のデモンストレーションが行われた。このシステムは、ファイバによるチャープパルス増幅（ＣＰＡ）に基づく、ファイバベースの短パルス用レーザーが、１３Ｗの平均パワーを伴った、フーリエ変換されたサブピコ秒パルスを供給できるシステムである。

しかし、そのようなファイバでも、高ピークでかつ高平均のパワーを生成することに使用されることがなかった。

本発明によれば、上述した問題は、下記の光パルス増幅器で解決される。すなわち、この光パルス増幅器は、
入力パルスを受信するのに適した第１の光ファイバ増幅器と、
前記第１の光ファイバに接続された、複数の出力を有するスプリッタと、
前記複数の出力の１つに各々が接続され、複数の出力パルス信号を生成する複数の光ファイバ増幅器と、を含む。

本発明による光パルス増幅器と共に、複数の光ファイバ増幅器によって生成される出力パルス信号は、すべてコヒーレントである。何故なら、各々の信号は、１つの入力パルスのスプリット処理に基づいているからである。従って、個別の出力パルス信号のパワーは、増幅器によって生成された広帯域信号のパワーが得られるように追加される。このような増幅器は、光ファイバ増幅器の数が十分あるとき及び/又は入力パルスの持続時間が十分短いとき、高ピークパワーを生成することができる。

さらに、光ファイバの表面/容積の比が、バルク増幅器の比よりもはるかに大きいので、本発明の増幅器は、容易に冷却することができ、このため繰返し率を増やすことになる。本発明のファイバは、また入力パルスを生成する装置間の効率、たとえばポンピング用ダイオードおよび第１ファイバの間での効率が、比較的良好である利点を有している。

出力信号を効率的に追加する目的で、上記複数の光ファイバ増幅器は、共通方向に出力パルス信号を生成するように、ファイバ・バンドル（fiber bundle）内に置くことが可能である。

本発明の特定の実施態様において、短いパルスを増幅できるようにする目的で、本発明の光パルス増幅器は、
第１のパルスを伸長させ、かつ上記入力パルスを生成させるための伸長器と、
上記複数の出力パルスの各々を圧縮するための少なくとも１つの圧縮器と、を含む。

上記伸長器は、短い入力パルスのために、ファイバ内での非線形効果を防ぐために必要である。入力パルスを伸長すること、および出力パルスを圧縮することは、非線形効果を防ぐことになる。

さらに、高ピークのパワーを得るために、本発明の増幅器内に一定本数のファイバを、選択することができる。

例えば、上記複数の光ファイバ増幅器は、Ｎ本のファイバを含むことができ、Ｎは、１００より大きい、または１０００より大きい、または１０³より大きい、または１０⁹よりも大きい。

上記のような本数のファイバは、たった１つのスプリッタから得るのは困難なことである。故に、本発明の増幅器において、各々の光ファイバ増幅器は、少なくとも１つの中間の光ファイバ増幅器によって上記複数の出力の１つに接続され、さらに、複数の出力を有する少なくとも１つの中間スプリッタに接続される。

また、多数本のファイバを得るために、複数のファイバをステージ毎に組織することが可能である。そうするために、本発明の増幅器は、複数の連続するステージを含むことが可能であり、各ステージは、複数の入力スプリッタと複数の光ファイバ増幅器とを含み、上記入力スプリッタは、複数の出力を含み、各ステージの各入力スプリッタは、先行するステージの個別の光ファイバ増幅器に接続される。

さらに、比較的安価な増幅器を得るために、上記複数の光ファイバ増幅器は、同一の光ファイバ増幅器を含むことになる。

本発明は、またレーザー核融合用レーザー駆動装置を対象としており、この駆動装置は、上述したような光パルス増幅器の少なくとも１つを含む。

本発明は、またレーザー核融合用のレーザー駆動装置への使用を対象としている。

添付図面を参照して、本発明の特定の実施態様について以下に説明する。

図１に概略的に示すように、本発明の増幅器は、同一のファイバＣＰＡ部分１２を含む。増幅器の最終ステージは、Ｎｔの同一ファイバを含む。ネットワークは、ステージＳＩ、ＳII、ＳIII のようなｎステージから構成される。各々のステージは、Ｎ本のファイバから構成される。費用の理由から、上記すべてのファイバは、同一であり、同一の方法でポンピングされる。

上記ファイバ内のチャープパルス増幅は、上述したものであり、2001年１月にワシントン州シアトルで開催された国際会議「Advanced Solid State Laser」において、ガルバナスカス他によって“ミリジュールのフェムト秒のファイバＣＰＡシステム”として、デモンストレーションされている。図２に示すように、パルス２１は、伸長器２２によって伸長され、伸長されたパルス２３が生成される。そして、伸長されたパルス２３は、増幅された伸長パルス２５を生成するように、ファイバ増幅器２４によって増幅される。増幅された伸長パルス２５は、増幅されたパルス２７を生成するように、圧縮器２６によって最終的に圧縮される。

図１に示したシステムにおいて、初期パルスは、第一に伸長され、レベルＥ＝Ｆｓ．Ａまで増幅される。ここで、Ｆｓは、飽和フルエンスまたは絶縁破壊フルエンスＦ_Dを示し、Ａは、ファイバのコア断面積を示す。総エネルギーＥｔを必要とするとき、最終ステージのファイバの総本数は、Ｎｔ＝Ｅｔ/Ｅとなる。

たとえば、各入力チャンネルをＮ＝１０で分割したいとき、分割した後で、Ｇ＝Ｎ＝１０で各々を増幅することになる。この配置において、全部のファイバ部分は、同一であり、ネットワーク全体を通して同一動作を行う。このことは、同一部品によるネットワーク増幅の構築を非常に容易化することになる。

ファイバネットワークの冷却を改善するために、ネットワークでの損失分と発生熱は、最終的な組合せ部分から除去することができる。光は、低損失ファイバを使用することで、顕著な損失を受けること無く輸送することができる。

ファイバ・バンドルの横方向分布は、最終レーザービームの瞳孔（pupil）を制御する可能性および空間的コヒーレントを制御する可能性を、提供することになる。

図３に示すように、本発明の光パルス増幅器３１は、パルス３２を増幅させるための第１のファイバ増幅器を含む。この光パルス増幅器３１は、またファイバネットワーク３３も含む。ファイバネットワークに関しては、以下において、より詳細に説明することになる。ファイバネットワークで生成される出力信号は、輸送用ファイバ３４によって１つ以上の圧縮器３５に輸送される。圧縮器３５の出力は、複数のファイバからなるファイバ・バンドル３６を規定することになり、例えば、およそ１０⁶本の本数を規定することになる。ファイバ・バンドルは、ファイバ・アレイを形成する瞳孔３７に関連してくる。ファイバ・バンドルの各ファイバによって生成される信号の追加は、増幅されたパルス３８を提供することになる。

各ファイバの位相を制御することができるので、可変鏡を用いたように、波面を自由自在に変化および修正することができる。このことを、図４に示しており、ファイバ・バンドル４１は、波面４２を生成することができる。

次に、本発明によるファイバネットワークについて説明する。図５に示すように、本発明による光パルス増幅器５１は、第１の光ファイバ増幅器５２ａを含む。第１の光ファイバ増幅器５２ａの詳細は、以下に記述する。第１の光ファイバ増幅器５２ａは、音響光学変調器５３ａに接続される。音響光学変調器５３ａの機能は、ファイバ増幅器によって生成され、増幅された自然放出（ＡＳＥ：Amplified Spontaneous Emission）を、抑制することである。第１の光ファイバ増幅器５２ａは、パルス発生器によって発生された入力パルスを受信する。入力パルスは、たとえばサブピコ秒のパルスである。第１の光ファイバ増幅器５２ａおよび音響光学変調器５３ａは、光パルス増幅器５１のステージＳＩを形成する。

音響光学変調器５３ａは、スプリッタ５４ａに接続される。スプリッタ５４ａは、１つの入力と複数の出力を含む。スプリッタ５４ａの出力数は、たとえば１２８出力である。光ファイバ増幅器５１ｂは、スプリッタ５４ａの個別出力の各々に接続される。光ファイバ増幅器５１ｂの各々は、個別の音響光学変調器５２ｂに接続される。１２８本の光ファイバ増幅器は、個別の音響光学変調器と一緒になって、光パルス増幅器１のステージＳIIを形成する。こうして、ステージＳIIは、１２８個のブランチから構成され、各々の音響光学変調器は、個別のスプリッタ５３ｂに接続される。

ステージＳIIのような上記仕組みが、数回にわたり再生され、ステージＳIII 、…、ステージＳｎが形成される。例えば、図５において、ステージＳIII は、ステージＳIIと同一の１２８個のサブステージに対応することで、１２８＊１２８＝１６３８４のブランチを構成することになる。

ステージＳIII において、音響光学変調器５２ｃの各々は、個別のスプリッタ５３ｃに接続される。スプリッタ５３ｃは、６４個の出力を有する。ステージＳIII の各スプリッタの出力は、分離用のポッケルセル５５に接続され、そしてファイバ増幅器５２ｄに接続され、さらに帯域幅フィルタ（ＢＰＦ）５６に接続される。1048576（16384＊64）個のブランチの各々が、分離用のポッケルセル５５、ファイバ増幅器５２ｄ、および帯域幅フィルタを含み、増幅器１のステージIVを形成する。

最終ステージＳIVにおいて、ＢＰＦの各々は、大口径ＬＭＡファイバ増幅器５７に接続される。ＬＭＡファイバ増幅器５７は、たとえば５０μｍのコアと、ダイオード５８によってポンピングされるダブルクラッドＹｂファイバと、を伴うファイバであって、クラッドポンピングを達成させる。上記1048576個のＬＭＡファイバ増幅器は、ステージＳＶを形成し、このステージは、本発明における増幅器の最終ステージである。こうして、ステージＳIVとステージＳＶとの間には、パワー・スプリッタ機能は存在しないで、ステージＳＶは、エネルギーの取り出しステージとなる。1つ以上の圧縮器５９は、パルスを圧縮するためにステージＳＶに置くことができる。

図５において、１２８出力のスプリッタを伴うステージＳＩ、ＳII、およびＳIII を提示してきた。しかし、本発明において、複数の出力数を有する別のスプリッタを使用することができ、また、異なるステージ数において、異なる出力数を有するスプリッタを使用できることも理解されるであろう。

すべてのファイバ・スター用スプリッタは、標準のシングルモード・ファイバ技術で製作することができる。市販の１：３２および１：４のファイバ・スター用スプリッタのデータシートの一例は、ホームページ（WWW.fi-ra.com）において見ることができる。この特定デバイスは、１：３２のスプリット比において１７ｄＢから１８ｄＢの挿入損失を確保することができ（３２回のスプリットにおいて、各チャンネルは１５ｄＢの損失で、追加デバイスの損失は３ｄＢである）、および１：４のスプリット比において〜７ｄＢの挿入損失を確保することができる。１：２のスプリッタは、典型的な挿入損失で〜３.５ｄＢであり、非常に標準的な値である（〜は、”およそ”を意味する）。

１２８回および６４回のスプリット分配を要求することは、上記スプリッタ（１２８＝３２×４および６４＝３２×２）を多重化するか、または必要なスプリット比を伴う単一ステージのスター・カプラーを製作することのいずれかで達成することができる。この結果、スプリットの各ステージにおいて、１：１２８のステージで２５ｄＢの挿入損失、１：６４のステージで２２ｄＢの挿入損失を、推定値として得ることができる。

各光学的ブランチの各々のファイバ増幅ステージにおける詳細なゲイン分布を、図５に示す。各ステージのゲインは、先行するスプリット・ステージの挿入損失を補償するように選択することができる。さらに、各ステージのゲインは、ステージＳＶの各光学的ブランチの出力で必要とされる総目標エネルギーおよそ１ｍＪが達成するのに必要な追加ゲインを提供する。また、各ステージの計画ゲインは、典型的なシングルモード・ファイバ増幅器で得られる最大ゲイン３５ｄＢを超過しないように注意することが必要である。全体のゲイン・バランスは、光学的損傷を避けることができ、かつ各々のファイバ増幅ステージでの非線形効果が制御できるようにするために、シングルモード・ファイバ内の１ｎｓ長の伸長パルスエネルギーがおよそ１μＪを超えないように選択する。

およそ１μＪのエネルギーが、最終のシングルノードのステージ（ステージＳＶ）から５番目のステージ内のＬＭＡファイバに注入するのに必要であることを経験している。IV番目とＶ番目のステージ間のファイバのコアサイズが著しく不一致なので、具体的にはシングルモード・ファイバのおよそ６μｍのモードフィルド直径（ＭＦＤ）から、ＬＭＡファイバ内のおよそ４０μｍ〜５０μｍへと推移するので、断熱性の推移用テーパーを、これらのステージ間に挿入することが必要とされる。上記の断熱性の推移用テーパーは、標準のファイバ処理装置によって一般的に製作されている。

また、本発明において、能動的光学的ゲートが、異なった増幅ステージ間で使用される。これらのゲートには、２つの面が存在する。第１の面は、ステージＩの入力での光学的ゲートであり、モードが固定されている光源からの初期の５０−１００ＭＨｚをファイバ増幅器の連鎖（高エネルギーのパルスを取り出すのに必要な連鎖）内の１５ＫＨｚに、パルス繰り返し数をダウンカウントするのに使用される。第２の面は、付加的ゲートが、ステージＩ、II、およびIII の端部（図に示すように、継続するファイバがスタートするスプリッタの各々に先行する端部）にあるファイバ増幅器の各々の出力において要求される。このゲートは、増幅器のステージ間で増幅された自然放出（ＡＳＥ）を抑制するために要求され、すなわち、増幅されたチャープパルスの平均パワーが、ファイバ増幅器ステージの各々のＡＳＥバックグランドによる平均パワーを上回ることを確保する。最近のファイバＣＰＡシステムでの一般的な方法に基づいて、このシステムでの最適なデバイスは、ファイバ・ピッグテール（fiber-pigtailed）の音響光学変調器（ＡＯＭ）であり、この変調器は、８０ｄＢより高いオンーオフの消光比を達成することができる。提案されたデザインの有用な実際の詳細構成では、ステージIVおよびＶの間で、ＡＯＭ駆動のゲートは使用していない。代替として、１０６４ｎｍの完全な伸長されたパルス・スペクトラムに対応できる、標準の１０−２０ｎｍのファイバ・ピッグテールの帯域幅フィルタを、各々の分離された光学的ブランチにおいて、ステージIVの増幅器の各々の出力部で採用している。このような狭域の帯域幅フィルタは、波長１０６４ｎｍの光信号が、主要なＡＳＥのピーク波長およそ１０３９ｎｍからスペクトルとして分離しているので、ＡＳＥバックグランドを１０ｄＢより大きく抑制することを可能にする。この構成の重要な実際的な利点の１つは、ステージIVおよびＶの間に置いたときにＡＯＭユニットをおよそ１０⁶個も必要とする代りに、16384＋128＋2＝16398個だけのＡＯＭシステム（変調器＋ＲＦ駆動器および対応電源）を採用することで済む。代案として、単純で低価格の受動的ファイバ部品（帯域幅フィルタ）を使用することもできる。

図７に示すように、ステージＩ〜Ｖ内のファイバ増幅器すべてをポンピングすることは、通信業界で使用されている標準の９８０ｎｍのシングルモードのレーザー・ダイオードを使用することで達成する。このことは、低価格のデバイスを提供することになる。上記ダイオードは、信頼性が高く、およそ１０⁶時間のライフタイムを越えている（連続動作で、１００年を超える）。ファイバ増幅器は、ポンプ・ダイオード７２を含み、このダイオードは、Ｙｂファイバ７４内に入力パルス７３をポンピングする。アイソレーター７５は、Ｙｂファイバ７４の出力において提供される。

ステージＶの増幅器のポンピングに関して、ブロード・ストライプの９８０ｎｍのマルチモードのポンプ・ダイオードを使用することができる。再検討すると、このダイオードの価格は、ＳＭの９８０ｎｍのダイオードとおおよそ同一であり、最新のライフタイムは、100,000時間を越えている（連続動作で、１０年を超える）。近い将来には、500,000時間を越えることが期待されている（連続動作で、５０年を超える）。上記のライフタイムは、このレーザーシステムを実質的にメンテナンス・フリーにすることになり、使用する施設のために運用費用を著しく節減することになる。２０ー２５Ｗのポンピングパワーが、クラッドポンピング用増幅器の各ステージにおいて必要とされる。最大エネルギーを取り出すために、ポンプおよび信号経路は、逆方向の伝搬を検討するべきである。このことは、種々のサイド・ポンピング技術（例えば、V-groove技術）を使用することで達成することができる。

図６Ａ、６Ｂ、および６Ｃに示すように、最終ステージのファイバ７４は、ファイバ・アレイ内に組織化され、瞳孔配置を形成している。およそ１０⁶本のファイバにとって、アレイの直径は、比較的小さくすることができ、典型的にはおよそ６ｍにすることができる。この瞳孔は、出力信号を目標に集束させるのに使用される。

本発明の１つの態様において、パルスの伸長と圧縮は、本発明のファイバネットワーク内で実施される。従来の方法は、標準の回折格子による伸長と圧縮を使用することで行われていた。この場合、モードが固定された発信器からのパルスは、中心がおよそ１０６４ｎｍの波長で、たとえば回折格子による伸長器で伸長され、マルチステージの光学的増幅器の経路内で増幅された後に、回折格子による圧縮器によって再圧縮される。

この場合、コヒーレントな１０⁶本のファイバの組合せは、圧縮ステージの前に達成させるべきである。回折格子による圧縮器は、高平均でかつ高ピークのパワーを特異な方法で供給する必要がある。非常に大きな格子が、この目的のために使用することができる。また、回折格子による圧縮器は、偏光に敏感なので、ＣＮ−ＣＰＡシステム内のすべてのファイバおよびファイバ構成部品は、偏光保持（ＰＭ）にする必要がある。一般的に、ＰＭファイバ構成部品は、非ＰＭファイバ構成部品と比較して、より高価である。従って、偏光に敏感でないパルス圧縮技術を使用することは、顕著な経済的利点をもたらすことになる。

代替として、小型（縦長）のボリューム・チャープ・ブラッグ格子の圧縮器は、光学ブランチ出力の各出力で使用することができる。この場合、個別圧縮器の各々において、低いピークで平均的なパワーを経験することになる。コヒーレントなビームを組み合わせることを、パルスの再圧縮処理（遠方フィールドに存在）の後で達成させることになる。ボリューム格子の圧縮器を使用することの別の主要な利点は、そのような圧縮器は、偏光に敏感でない構成にして使用できることにある。結果として、すべてのＣＮ−ＣＰＡシステムは、ＰＭ用ファイバ部品を使用しないで構築することができる。

ボリューム・ブラッグ格子の圧縮器によって提供される、回折格子の圧縮器と比較したときの別の重要な利点は、９０％を超えた効率が得られ、従来の回折格子の圧縮器によって得られた効率よりもはるかに高いものである。重ねて言うと、効率を上げることは、このような大規模システムの経済面において、劇的な効果をもつことになる。

およそ１０⁶本のファイバは、横方向に組合せて単一のファイバ・アレイにするべきである。何故なら、個別のボリューム格子の圧縮器の各々は、横方向のサイズが重要だからである。およそ１ｍＪのパルスを圧縮するために、横方向の圧縮器の開口は、およそ５ｍｍにするべきと評価している。このような個別圧縮器のサイズにおいて、１０⁶本のファイバを提供するファイバ・アレイ全体の直径は、およそ６ｍにするべきである。このサイズは、想定している大規模システムにとって、過度なサイズではない。

本発明において、１０⁶本の光学的ブランチの全出力をコヒーレントに組み合わせて、単一のコヒーレントなビームにすることは重要である。いくつかのＣＷファイバ用レーザーをコヒーレントに能動的に組み合わせることは、Ｌ．Ｎ．デュヴァスラ（ＳＰＩＥ，ワシントン州ベリンガム、2003年）によって編集されたＳＰＩＥの会報（4974号、ファイバレーザーの進展）の１〜６頁に、印刷物「８Ｗのコヒーレントに位相調整された４要素ファイバ・アレイ（アンデレッグ ブロスナン、ウェーバ、コミネ、ウィッカム 著）」として既に公表されている。

能動的なコヒーレント組合せの原理は、単純である。ファイバ・アレイ出力からの小さな一部が、ビーム・スプリッタによってサンプリングされ、フォトデテクター・アレイによって撮像される。フォトデテクター・アレイは、ファイバ・アレイの配置をまねている。ファイバ・アレイとフォトデテクター・アレイとの間の類似性が、フォトデテクター・アレイをファイバ・アレイに連結されることを可能にする。明白なように、検出器の数は、ファイバ・アレイ出力の開口部における個別ファイバの数と一致させるべきである。ここでサンプリングされた光信号は、各検出器においてビート信号を生成するように、周波数がシフトされた参照用信号と混合される。適切な電子回路によって、上記ビート信号が、参照用の光信号と個別のファイバ出力との間の位相差に比例した信号に変換される。この信号は、分離した光学的ブランチの各々における個別の位相調整器を制御するのに使用することができる。この結果、参照信号と各ファイバ出力との間の位相差を評価することができ、すなわちすべてのファイバからの出力ビームは、同相にすることができる。代替として、所定の一定の位相差、またはファイバからファイバへと変化させた位相差は、異なる出力ビームの間で導くことができるので、こうしてビームを位相的に操作すること、または、焦点を制御すること、および焦点をぼかすことを可能にする。

ＣＮ−ＣＰＡシステムにとって、分離した光学的ブランチの各々の位相制御は、充分ではない。また、１つには、光学的経路の各々の間での絶対時間遅れを制御することも、さらに必要である。このことは、光学的ブランチの各々においてファイバの伸長（例えば、圧電性変調器による伸長）を使用することで達成することができる。このための光学的距離/光学的位相の変調器は、図に示すようにシステムのIV番目のステージ内の各ファイバの入力に置くことができる。しかしながら、このことを実施するために、参照信号とアレイ内の個別ファイバの各出力との間の光学的位相差を測定する方法を考案するだけでなく、それらの間の相対的時間遅れを測定し、各ファイバ距離と位相変調器との比例したフィードバック信号を、距離と位相との不一致を同時に修正するために適用する方法を考案することが必要になる。実際、このことは、ＣＷの事例で使用した装備に非常に類似した装備内で達成することができる。

ファイバのＣＮ−ＣＰＡシステムにおいて、参照用経路もまた、初期の光源パルスから伸長したパルス用の増幅器連鎖と同一にするべきである。そのための信号は、光学的経路のいずれのスプリッタの前のステージＩの入力で、サンプリングすることができる。増幅された参照信号は、また光源信号に対して推移された周波数にするべきであり、たとえば上記の光学的ゲート内の主要的なＣＮ−ＣＰＡシステム内で使用されるＡＯＭ変調器に比較して、異なるＲＦ駆動周波数で動作させるように、参照用ビーム経路内の付加されたＡＯＭ変調器を使用して行う。増幅された参照信号は、同一の圧縮器で圧縮するべきであり、ステージＶ端部の各々の個別ファイバの出力で使用するようにする。この参照ビームは、ＣＷのコヒーレント組合せで使用される方法と同一な方法で、サンプリングされたファイバ・アレイ出力と混合されるべきである。この後、上記オーバーラップされたビームは、単一のパルス伸長（例えば、回折格子の伸長器）を介して通過させるべきであり、フォトデテクター・アレイで撮像でされるべきである。周知のごとく、２つの伸長されたチャープパルスが、他のパルスに対して遅延したとき、これらの２つの同一チャープパルスの間の遅延に比例する周波数でビート信号が存在することになる。結果として、個別検出器の各々からのビート信号を測定することにより、アレイ内の特定の光学的ブランチと参照ビームとの間の光学的経路差を決定することができる。従って、このビート周波数は、光学的経路の変調器を制御するために、測定した時間遅れに比例した電気的フィードバック信号に変換することができる。フィードバック制御ループは、ビート信号が、参照信号のシフトされた周波数で維持することを確保するべきであり、このことが、すべてのファイバ出力に対して、光学的経路長を正確に一致させることになる。加えて、位相補償を達成させる充分な角度まで残りの位相差を微調整することは、ＣＷのコヒーレント組合せで使用される方法と同一な方法で参照信号と個別のチャンネル信号との間の位相差を測定することで、チャンネルの各々において達成することができる。上記のようなシステムは、ファイバレーザー・アレイに横たわる時間遅れおよび位相差の両方の補償を確保することになる。

これから、小型の線形コライダー（ＣＬＩＣ：Compact Linear Collider）と組み合わせた本発明の１つの態様について提示する。ＣＬＩＣは、高エネルギー物理の最先端分野を研究するＣＥＲＮで構築されることが計画されているものである。ＣＬＩＣは、全長が４０Ｋｍを伴う大規模なものになるであろう。ＣＬＩＣは、そのサイズのおかげで、明らかに、従来の技術を基礎とした最後の加速器になるであろう。ＣＬＩＣは、標準モデルの最先端に到着することが計画されている。このシステムは、電子および陽電子の質量エネルギーの中心で１.５ＴｅＶを必要とするであろう。パルス当りの電荷は、１５ＫＨｚの繰返し率において４ｎＣになるであろう。これらのパルスは、２ビーム加速技術（ＴＢＡ：Two Beam Acceleration）と呼ばれる技術を使用することにより達成されるであろう。期待される壁コンセント（wall plug）パワーからＲＦパワーへの効率は、Ｘ％になるであろう。ＲＦから電子ビームへの効率は、Ｙ％になることで、全体のＴＢＡ効率の８％を導くことになるであろう。

この代替案には、レーザー駆動のウェーク・フィールドの加速法に基づく案で対抗しよう。上記対抗案は、２０年前に導入された、非常に将来性があり、かつ超高密度レーザーへの導入を可能にする加速法である。ごく最近になって、この技術は、１ｍｍにわたり１５０ＭｅＶを集中させる準単色のエネルギー・ビームを生成できることが判った。マルチのＧｅＶは、現存するレーザーの近い将来に確実に可能になるであろう。シミュレーションは、１００ＧｅＶレベルのより高いエネルギーを明らかにしており、可能なＴｅＶは、ウェーク・フィールドの加速を使用することで、非常に短い長さすなわち数メートルにおいて得られることを明らかにしている。

現在または近い将来に、１ｍＨｚ（１ショット、すべて２０ｎｍ）において１００ＧｅＶの加速を生成するレーザーのピークパワーを生成することができる。これは、１０⁷回より高い繰返し率、すなわち１５ＫＨｚを必要とする高エネルギー物理学者にとっては、満足されるものからはるかに離れている。電子/陽電子への光学的な効率を１５ＫＨｚにおいて２０％と仮定して、１つの電子または１つの陽電子（１.５ＴｅＶ、４ｎＣ）を加速するために、１５０ＭＷの平均パワーを伴った５ＫＪ、１００ｆｓ、５０ＰＷ/パルスを必要とし、現在の最先端技術で得られる規模の６倍を超えている。

ＣＮＡアプローチを使用するとき、電子のために１ｍＪ/ファイバ、５１０⁶本のファイバを採用し、陽電子のためにも正確に同一の数値を採用することで、合計１０⁷本のファイバを採用することになるであろう。

本発明の計画は、ファイバ当り１５Ｗを基礎としている。現在、このことは、最近公表されたシングルファイバに対して１ＫＷ/ファイバの平均パワーと比較して、相対的に適切な計画となっている。しかし、エネルギーと平均パワーにおいて何が第１に重要か、思い出すべきである。壁コンセントからファイバレーザーへのパワー効率が４０％であり、光から電子ビームへの効率が２０％であることを仮定すると、ＲＦアプローチと同程度の全体効率の８％を期待することができる。

再度検討すると、ＣＮＡアプローチは、高効率を伴う大きな平均パワーの生成を可能にする。このパワーは、実験的サイトで行うべきではなく、むしろサイトの低損失ファイバによって高効率を伴う輸送と冷却のために、遠距離で分散した大容量用に行うべきである。上記したように、瞳孔にわたり分散することは、任意に選択することができ、波面を任意に制御することができる。

ＣＬＩＣは、各々の長さがおよそ２ｍで、およそ１０⁶本のファイバが必要であり、加えてファイバを接続することを必要とする。従って、全体のファイバの長さは、２０００ｍから１００００ｍの間になるであろう。これは大きい数字ではあるが、しかし世界規模のファイバ通信ネットワークから見て無視できるほどの一部分で構築できるので、完全に経済的に実現可能である。

１５０ＭＷのパワーは、１ＧＷの原子プラントの一部分である。使用ダイオードの個数（１０⁶個）は、遠隔通信用レーザー・ダイオードの年間生産量の一部分である。１ワット当り、１００＄の費用は、１ＫＷについて１０⁵＄の費用となり、ダイオードの総費用は、およそ２０億＄になる。この費用は、大きいが、従来の固体レーザー技術を基礎にした解決法と比較して、その方法で必要とされるポンプパワー費用のほんの一部を占めることになる。

本発明の別の態様によれば、本発明の光学的パルス増幅器は、レーザー核融合を提供するレーザー駆動装置として使用することができる。この駆動装置は、マルチモード用ファイバの多数本（１０⁷本）を基礎とする。この多数本のファイバを追加することは、目標上での円滑なエネルギー堆積を保証することになる。また、ファイバは、ダイオード・ポンピングを行い、５０％より大きい効率性を提供する。パルス持続時間とパルス形状は、０.１〜１０ｎｓの間で容易に調整することができる。また、繰り返し率は、０〜１ＫＨｚの間で調整することができる。

典型的なレーザー駆動の核融合パワー・プラントは、１ギガワットを供給することが必要になるであろう。レーザー核融合の現在の計画は、３００倍の科学的ゲインを要求している。この科学的ゲインは、レーザー入力エネルギーに対する反応エネルギー出力を意味する。３００倍の科学的ゲインを得るために、第１の着火の考え方を使用することは、およそ１ｍｍの目標に集束させる数ナノセカンド間のレーザー駆動のエネルギーに３００ｋＪを要求することになる。不安定さを避けるために、レーザーエネルギーを、一定時間で一定の場所に目標に向けて堆積させる必要がある。この条件は、互いに非干渉な多数のビームを必要とすることになる。また、３００倍の科学的ゲインおよび１００倍の技術的ゲインのために、壁コンセントパワーの３０％を上回る、効率的なレーザー出力が必要になるであろう。

これらの全要求は、大きなコアのマルチモード用ファイバの多数の束を使用することで満足させることができる。このことは、以下の要求仕様を同時に実現してくれる。すなわち、パルス当りのエネルギー、ビームの場所および時間の非干渉、レーザー効率、および高い繰返し率の要求仕様を、同時に実現してくれる。加えて、パワーは、低損失ファイバによって、相互作用によるチェンバーへの実質的などのような損失もなく輸送することができる。このシステムは、製作工程を当てにしている。このシステムは、容易に構築することができ、調整と維持とが容易にできることが利点である。このシステムは、頑丈であり、産業用環境によく適用する。

典型的なパワー・プラント出力１ＧＷまたは１ＧＪ/ｓのための駆動装置の一例について記載する。

１００倍の技術的ゲインのために、秒当りのレーザーエネルギーは、１０ＭＪ/ｓにするべきである。

１００倍の技術的ゲインを得るために、２００ｋＪ/パルスを必要とすることを考慮すると、５０Ｈｚで駆動装置をパルスすることが必要であることを意味する。

パルス当り２００ｋＪのエネルギーを、コア直径が数百μｍのマルチモード用ファイバによって生成する必要がある。このようなファイバは、ファイバ当り２０ｍＪを生成することができる。各パルスは、数ｎｓのパルス持続時間を有している。この結果、必要とされるファイバの数は、１０⁷本となる。ファイバの飽和フルエンスは、５０Ｊ/ｃｍ²である。表面エリア/ファイバが２０ｍＪ/５０Ｊであることは、４×１０^-4ｃｍ²またはおよそ２×１０^-2ｃｍの直径に相当することになる。ファイバ表面エリアの合計は、４×１０³ｃｍ²すなわち０.４ｍ²である。入力パルスが伸長されないとき、図５の圧縮器５９は、この実施例において必要でなくなる。

最終ステージ内のファイバの数は、およそ１０⁶本にすることができ、信号は、単一周波数出力を提供する単一のマスター発信器を基礎とする。代替として、広域スペクトラムを伴うソースを使用することができ、たとえば、この広域スペクトラムは、投入前に自己位相調整器によって事前にスペクトルが広げられた短いパルスによって生成することができる。このソースは、数フェムト秒の短さに等しい非常に短いコヒーレンス長を、システム全体に与える。推奨されるソースは、非常に効率が良く（壁コンセントの５０％を超える効率）、２００ｋＪ/パルスを供給する。このソースは、好ましい特性に続いて、調整可能な時間的特性において空間的および時間的に非干渉の特性を有し、すなわち持続時間（ｎｓ）およびパルス形状において非干渉の特性を有する。最後に、このソースは、制御可能な繰返し率（０〜１ｋＨｚ）を所有する。このシステムは、充分に確立したファイバ技術を使用し、頑丈であり、製作にも好く適用でき、かつ産業環境にも好く適用できる。

本発明による光パルス増幅器の一実施態様を説明する図である。 チャープパルス増幅を提供する増幅器を説明する図である。 本発明による光パルス増幅器の一般的概念を説明する図である。 本発明による光パルス増幅器が提供できる波面制御を説明する図である。 本発明による光パルス増幅器の詳細な実施態様を説明する図である。 本発明による光パルス増幅器内のファイバ・バンドルの形状を説明する図である。 本発明による光パルス増幅器内のファイバ・バンドルの形状を説明する図である。 本発明による光パルス増幅器内のファイバ・バンドルの形状を説明する図である。 本発明におけるファイバ増幅器の配列に使用される単一のファイバ増幅器を説明する図である。

Claims (3)

1. 第１のパルスを伸長させ、かつ入力パルスを生成するための伸長器と、
   前記入力パルスを受信するのに適した第１の光ファイバ増幅器（５２ａ）と、
   前記第１の光ファイバ増幅器の出力端に音響光学変調器を介して接続された、複数の出力を有するスプリッタ（５４ａ）と、
   前記複数の出力の１つに各々が接続され、複数の出力パルス信号を生成する複数の光ファイバ増幅器（５２ｂ、５２ｃ、５２ｄ、５７）と、
   各々が前記複数の出力パルス信号のうちの個別の１つを圧縮するように構成された複数の圧縮器とを含み、
   前記第１および前記複数の光ファイバ増幅器（５２ａ、５２ｂ、５２ｃ、５２ｄ、５７）は、複数の連続する増幅器のステージ（ＳI、ＳII、ＳIII、ＳIV、ＳＶ）を形成するように配置され、
   前記第１の光ファイバ増幅器（５２ａ）を含む第１のステージ（ＳI）と、
   前記スプリッタ（５４ａ）および前記複数の光ファイバ増幅器のうち当該スプリッタ（５４ａ）に関連する複数の光ファイバ増幅器（５２ｂ）を含む第２のステージ（ＳII）であって、前記第１の光ファイバ増幅器（５２ａ）の前記出力端に前記音響光学変調器を介して接続された入力、および複数の出力を前記スプリッタ（５４ａ）が有し、当該ステージの当該光ファイバ増幅器（５２ｂ）のうちの個別の１つに当該スプリッタの当該出力の各々が接続された第２のステージと、
   前記第１および第２のステージとは異なる少なくとも２つのステージ（ＳIII、ＳIV）であって、各ステージが、複数の入力スプリッタ（５４ｂ、５４ｃ）と、前記複数の出力パルス信号を生成する前記複数の光ファイバ増幅器のうち当該ステージの各入力スプリッタに関連する複数の光ファイバ増幅器（５２ｃ、５２ｄ）とを含み、当該入力スプリッタ（５４ｂ、５４ｃ）の各々は、先行するステージの個別の光ファイバ増幅器（５２ｂ、５２ｃ）に音響光学変調器を介して接続された入力、および複数の出力を有し、当該入力スプリッタと同じステージの前記光ファイバ増幅器（５２ｃ、５２ｄ）のうちの個別の１つに当該入力スプリッタの当該出力の各々が接続された少なくとも２つのステージとを含み、
   前記少なくとも２つのステージのうちの最後のステージ（ＳIV）は複数のブランチからなり、前記ブランチの各々は、分離用のポッケルセル（５５）、当該ステージ（ＳIV）の前記光ファイバ増幅器（５２ｄ）のうちの個別の１つ、および帯域幅フィルタ（ＢＰＦ）を順に含み、当該ステージ（ＳIV）の当該光ファイバ増幅器の各々の出力は、音響光学変調器を介さず前記帯域幅フィルタ（ＢＰＦ）を介して、前記複数の出力パルス信号のうちの対応する１つを生成するための、対応する複数の大口径ファイバ増幅器（５７）の個別の１つに接続されている光パルス増幅器。
2. 前記複数の出力パルス信号を集束させる手段をさらに含む請求項１に記載の光パルス増幅器。
3. 前記第１のパルスを生成するための光源、および請求項１または２に記載の少なくとも１つの光パルス増幅器を含むレーザー。

Images